JPS58209271A - 二次元固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は二次元固体撮像装置（エリアセンサ）に係り、
特に電荷結合素子（ＣＣＤ　）を用いた固体撮像装置に
関する・ 〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来のたとえばインターライン方式のＣＣＤエリアセン
サは、第１図（＆）あるいは（ｂ）あるいは（ｃ）に示
すような感光画素配置を有している。なお、第１図（ａ
）乃至（ｃ）においては、画素信号を転送し読み出すた
めの垂直ＣＯＤレノスタ、水子〇ＣＤレノスタの図示ｔ
−省略している。

第１１Ｗ（ａ）は最も共形的なマトリクス状の画素配ｔ
ｔ示しており、たとえばインターレース方式による読み
出しを行なう場合には、Ａフィールドに属する画業Ａ群
の各信号の順次読み出し動作とＢ７４−ルト″に属する
画素８群の谷ｆ言号の；：置火読み出し動作とを交互に
繰り返す。

第２図は、上述した第１図（ａ）の画素ｄ己ぼを有する
従来のＣＣＤエリアセンサの平面構成全概略的に示すも
ので、このセンナでは一導成形半導体基板上に行列状に
画素Ｐが配置され、各画素列に対応して直線状に垂直Ｃ
ＯＤレノスタＲ１・配設されている。この垂直ＣＯＤレ
ノスタＲは、たとえば２相駆動形のものが図示されてお
り、各相の転送電極φ１．φ２は第３図に示すように転
送部φ１．φ２および蓄積部φ１．φ２の２領域から成
る。

前述したような第１図（、）の画素配置においては、垂
直方向の画素ピッチＰｖｉについては画素の垂直方向寸
法にエリはぼ決まるので垂直方向の高密度化は可ＭＱで
ある。しかし、水平方向の画素ピッチＰｐ、１について
は画素の水平方向寸法に垂直ＣＯＤレノスタＲの幅が加
わるので水平方向の高密度化は雫しく　現在の微細加工
技術てよってもたとえば２７３インチ光学系カメラに通
用ちれるエリア１７すの場合で水平方間画素数は４００
程星しか得られない。

第１図（ｂ）は、時由昭５１−８７９１２号公徹に開示
されている画素配置を示しており、垂直方向に隣接し合
う２個の画素Ａ、Ｂを一組とし、各組を一松模様的に配
置したものであり、垂直ＣＣＤレノスタ（図示せず）は
画素の各組間に位置するようにじぐざぐ状に設けられて
いる。画ＸＡはＡフィールド用、画素ＢはＢフィールド
用であり、ある水平走査線ｎに着目すると水平方向の画
素間隔は大きく空いている。そこで、同一フィールドに
おける１水平走査前の水平走査線（ｎ　−１）の画素信
号を１水平期間（ＩＨ）遅延させ、この遅延画素信号に
より前記水平走査ａｎの画素間隔相当部分を補うことに
よって水平方向の解像度の劣化を図っている。このよう
な画素配置においては、水平方向の画素ピッチＰＨ２は
図示の如くある定食線上の画素と次のｙｆ＝１−線上の
画素との水平方向ピッチで決まるので、第１図（ａｌの
水平ピッチＰｌ’ｌ＋よりも小さくなっている。これに
対して、垂直方向の画素ピンチＰｖ２は第１図（ａ）と
同じであるが、前述したように１つの水平走査線上前後
２本の水平走査融により合成しているので、垂直方向の
解像度は第１図（、）に比べてかなり省化する。

第１図（ｃ）は、本発明の出願と同一出願人の出願に係
る特開昭５５−１６３９５１号公報に開示されている画
素配置を示しており、谷画素Ａ、Ｂを一松模様的に配置
したものであり、垂直ＣＣＤレジスタ“（図示せず）は
各画素間に位置するようにじぐざぐ状に設けられている
。画素ＡはＡフィールド用、画素ＢはＢフィールド用で
あシ、水平方向においてじぐざぐ状に配置された画素列
の各信号を水平走査により読み出すので、水平走食線は
じぐざぐ状である。したがって、水平方向の画素ピッチ
ＰＨ３は第１図（ｂＪのＰ、２と同じであって第１図（
ａ）のＰＨ１よりも小さく、垂直方向の解像度は第１図
（ｂＪに比べて向上しているー但し、垂直方向の画素ピ
ッチＰＶ３は、画素の垂直方向寸法および垂直ＣＯＤレ
ノスタの転送Ｈａ（図示せず）の垂直方向寸法により決
１す、第１図＜ａ）のＰｖｌに比べて垂直方向の果涜支
が多少落ちている。

〔発明の目的〕

本発明は上記の事情に檻みてなされたもので、水平方向
の集積度が高く、垂直方向の高解像度の読み出しが可能
となる二次元固体撮像装置を提供するものであろう 〔発明の概妄〕 すなわち、本発明は、第１の二次元正方格子状の配置２
有する第１の感光画素群と、上記第１の二次元正方格子
状と同様でろってその垂直方向に垂直方向画素ピッチの
約半分ずれた配置を有する第２の感光画素群とを、同一
半導体基板上に一松模様状の配置で設け、これらの感光
画素群における垂直方向に配置された複数本の垂直画素
列にそれぞれ沿うでじぐざぐ状に電荷結合素子よりなる
垂直レジスタを設け、これらの垂直レジスタからそルぞ
れ伝達さｎる１水平走査源分の信号電荷′Ｃ魂次読み出
す水平レジスタと全具備する二次元固体撮像装置にひい
て、前記二次元正方格子状記はｚ′こおける斜め方向（
て鰻重、妾する１圃素相互の水平方向間隙部に′１衛鰍
送部を設けると共に、この転送部の垂直方向側に位置す
る部分から垂直画素列の垂直方向に隣接する画素相互の
間隙部まで延びるように上記転送部よりチャネル幅の広
い電荷蓄積部を設けて前記垂直レジスタの転送電蓮ヲ構
成し、第１フイールドにおける各水平足、査として前記
第１の感光画素群の垂直画素列における垂直方向の’　
（−１ｅ　２　ｒ・・・ｎ）番目の画素からの信号およ
び前記第２の感光画素群の垂直画素列における垂直方向
のｉ　（＝ｔ　ｌ　２　＋・・・ｎ）番目の画素からの
信号の組み合わせを上記ｔの番号順に読み出し、第２フ
イールドにおいては上記２個の感光画素群のうちの一方
金垂直方向に一画素ずらした組み合わせにより得られる
各水平走査画素信号全順次読み出す擬似的なインターレ
ース方式の読み出し走査手段を具備すること全特徴とす
るものである。

したがって、水平方向の画素の集積度は前述した第１図
（ｃ）と同僚に高く、垂直方向については上記インター
レース方式の読み出しにより前述した第１図（ｅ）の解
像度の約２倍の解像度が得られる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。先ず、本発明を概略的に説明する。本発明では、第
４図に示すように感光画素Ｐを前述し定第１図（ｃ）と
同様に一松模様的に配置し、垂直方向の画素列にそれぞ
れ沿ってじぐざぐ状に垂直ＣＣＤレジスタ（図示せず）
を設けておき、擬似的なインターレース方式により、読
み出しを行なう。すなわち、Ａフィールドの挽み出し時
には図中実線で示すような水平方向におけるじぐざぐ状
配置の画素群Ａからの各信号により水平足食線を構成し
、Ｂフィールド゛の読み出し時には図中点機で示すよう
なじぐざぐ状配置の画素群Ｂからの谷・］呂号によりボ
平足食極全構成する◎したがって、垂直方向の画素ピッ
チＰＶ４に２不の水平走査１課が入り、ｊｌＪ１図（ｃ
）に比べて垂直方向の解遣度が２　’ａ　ｖｃなるので
実質口つに垂直方向の集積度が同上する。

次に、本発明の具体例金第５図のインターライン方式Ｃ
ＣＤエリアセンサを参照して説明する。

感光画素２は一導電形半導体基板上に一松模様状の配置
で形成されている。すなわち、垂直方向に配置された複
数の画素２群を垂直画素列と称するものとすれば、この
垂直画素列が水平方向に複数本並設されており、この複
数本のうち奇数番目の垂直画素列群により第１の二次元
正方格子状画素マトリクスが形成され、偶数番目の垂直
画素列群により上記奇数番目の垂直画素列群に対して垂
直方向画素ピッチＰｖ４の約半分だけずれた配置で第２
の二次元正方格子状画素マトリクスが形成されている。

そして、各垂直画素列に沿ってそれぞれじぐざぐ状にた
とえば二相駆動形の垂直ＣＣＤレノス。

り５（，１４＊３゜）が設灯られ、その二相の転送部・
１部φ１．φ２の各蓄積部は垂直画素列に３ける垂直方
向に１４接する画素相互の間隙部（但し　垂直方向端部
Ｖこおいては上記□間隙部に指当する部分）まで延長し
て（−＝る。この場合、各転送部１．返φ１．φ２は第
６図に示すように転送部φ１・φ２および蓄積部φ１．
φ２からなり、上記転送部φ１゜φ工は垂直画素列相互
で斜め方向に最近接する画素相互の間隙部（但し、垂直
レジスタの端部列については上記間隙部に相当する部分
）に位置している。

さらに、インターレース方式による読み出しを行なうた
めの手段が設けられており、この手段および前記転送電
極φ１．φ２への転送りロック供給系統、水平ＣＣＤレ
ジスタ等の図示は省略されている。

次に、第５図のエリアセンナのインターレース方式によ
る読み出し動作を先ず概略的に説明する。第１フイール
ドＡにおいては、１水平走査として前記奇数番目の垂直
画素列の垂直方向におけるｉ　（−ｔ　ｒ　２　＋・・
・ｎ）番目の画素からの信号と、それに隣接する偶数番
目の垂直画素列の垂直方向におけるｃ　（＝　１　＋　
２　＋・・・ｎ）番目の一画素からの信号と全順次読み
出し、ｎ本の水平走貸線の合信号をノｒＡ欠読み出す。

同様に、第２フイールＨｅ　Ｂとしては、１水平走査と
して誦記奇数番目の垂直＠素列の垂直方向における１−
１（＝２１３１・・・ｎ）番目の画素からの信号と、そ
れに隣接する１＾数番目の垂直画素列の垂直方向におけ
る’　（＝１　＃　２　＃・・・ｎ−１）番目の画素か
らの信号とを順次読み出し、（ｎ−１）本の水平走査線
の各信号を順次読み出す。

次に、上記読み出し動作を詳細に説明する。

第１フイールドＡの１水平走査に際しては、先ず奇数番
目の垂直画素列のｉ番目の画素から隣接する水平走査方
向側の垂直ＣＣＤレジスタ３１の転送電極φ１への蓄積
部φ１へ図中破線矢印で示すように信号電荷が転送され
、この動作をフィールドシフトφ１と称する。次に、偶
数番目の垂直、！ｉｉ素列のｉ番目の画素から隣接する
水平方向側の垂直ＣＯＤレノスタ３２の転送゛道、極φ
２の蓄積部φ２へ図中破線矢印で示すように信号電荷が
転送てれ、この動作をフィールドシフトの２と称する。

これと同時に、奇数着目↓〕垂垂直ＣＣＤレノメタ１：
Ｄ伝送庖・ｊφ１下に前述したよつな画素からの転送に
より蓄積されている信号電荷が同じ垂直ＣＣＤレジスタ
３１の転送電極φ２の転送部φ２を経て蓄積部φ嬰に転
送され、この動作をＬ′ノスタ転送φ２と称する。した
がって、上述したフィールドシフトφ１、フィールドシ
フトφ２およびレジスタ転送φ２の各動作が完了した際
には、同一水平走査線上に並んだ転送電極φ２群下には
第一フイールドＡの１水平走査線上の画素群の各信号電
荷が蓄積されている。次に、転送電極φ１．φ２にクロ
ック・ぐルスが印加され、垂７ｉ　ＣＣＤレジスタ３１
゜３２中゛を図示実線矢印で示すように信号電荷が転送
サレ、水平〇ＣＤし・ゾスタヘ１水平走査線分の信号電
荷が一斉に転送され、この水平ＣＣＤレジスタから各信
号電荷が順次読み出されるＯこのような１水平走査線の
読み出し動作が前記ｉ　＝　１　％　ｎに対応するｎ本
分について繰り返される。

これに対して、第２フイールドＢ　ｔｖ　１水平走食に
際しては、上記とは逆に、先ず（＾数番目の交直画素列
の（ｉ＋１　）千目の画素から前述したフィールドシフ
トφ２動作が行なわれ、次に奇数番目の垂直画素列のｊ
　（＝１　＄　２　ｔ・・・ｎ−１）番目の画素から前
述したフィールドシフトφ１動作が行なわれ、これと同
時に転送電極φ２下の信号電荷（前記フィールドシフト
φ２により蓄積さねたもの）が同じ垂直ＣＯＤレノスタ
３２内の転送電極φ１の″゛転送部φ１ｆｔ経て蓄積部
φマに転送され、この動作をレノスタ転送づ１と称する
。したがって、上述したフィールドシフトφ２、フィー
ルドシフトφ１およびｌ／ノスタ転送φ１の各動作が完
了した際には、同一水平走査線上に並んだ転送電極φ１
群下には第２フイールドの１水平走査線上の画素群の各
信号電荷が蓄積されている。以下の読み出し動作は、前
述した第１フイールドＡの場合と略同じであり、前記ｉ
の番号順に対応する（ｎ　　１）本の水平走査線の信号
が順次読み出される。そして、第１フイールドＡの画像
と第２フイールドＢの画像とが組み合わされて１フレー
ムの１面像となる。

上述したよう々ＣＣＤエリアセン廿によれば、転送電極
φ１．φ２はその蓄積部φ１．φ２に比べて転送部φ１
．φ２の大きさの割合を転送動作が可能な限り小さくす
ることができる。すなわち、転送部φ１．φ２は、信号
電荷が通過するだけであって信号電荷を蓄積しないので
、最大信号電荷量によりその面積が制約される蓄積部φ
１゜φ２と異なり、転送動作上可能な限り面積を小さく
して本よい。また、蓄積部φ１．φ２は第６図中に示し
ているように、その一部が垂直画素列の垂直方向に隣接
する画素相互の間隙部に延びるような形状に構成可能で
めり、エリアセンサの水平方向の画素ピッチＰＨ４は、
画素の水平方向寸法と転送部φ１ｔφ２の幅とでほぼ決
まり、第２図全参照して前述しだエリアセンサに比べて
水平方向の集積度が向上している。また、垂直方向にお
ける水平定畳硼相互のピッチＰｖ’は、隣接する２列の
垂直画素列の最近接画素間の垂直方向間隔で決まり、こ
の間隔はたとえば画素の垂直方向寸法よりも小さくする
ことが可能である。たとえば２／３インチの光学系金層
ｔＡもテレビノヨン撮像カメラに用いられるエリアセン
ナにおいて、通常は垂直方向のピッチが１３〜１４融で
あるが、垂直画素列の垂直方向に隣接する画素相互間に
画素分離領域および垂直ＣＣＤレノスタの転送電極が挿
入されるため、画素の垂直方向寸法は実際は１０μｍ程
度に制限される。そして、感來の光入射用のアルミニウ
ム開孔の寸法となると、上記１０μｍよりさらに小さく
なる。

すなわち、たとえば単板カラーカメラにおいては、エリ
アセンサ上に貼り合わせられる色フィー′霜パ、・ ルタはＲ，Ｇ、Ｂの各色が通常はモディク状に配置され
ており、垂直方向に隣接し合う色は互いに異なる。この
ため、色フィルタの貼り合わせ精度（約２μｍ）を見込
むと、垂直方向に隣接する画素が混色を起こさないよう
にするためには、前記開孔の寸法は従来のエリアセンサ
では約５〜６μｍになってしまう。このように開孔率が
下がると、センサの感度がかなり低下する。しかしなが
ら、前記実施例のエリアセンサによれは、前述したよう
に水平走査線ピッチＰｖ′を画素の垂直方向寸法よりも
小さくすることができ、換言すれば画素の垂直方向寸法
を従来より４犬きく、約１３〜１４μｍの値を実現でき
、また−松模様的な画素配置の念め隣接画素間距離はど
の方向もほぼ等距離にできるので、色フィルタの貼り合
わせ精度の影響を受は難くなり、前記開孔の寸法を１０
Ｉ＃ｎ程度に大きくすることができる。したがって、開
孔率は従来の約２倍になり、従来よりも約２倍の高感度
化が達成可能となる。

上述したように本発明によれば、垂直方向の実質的な集
積度の向上およびこれに伴なう高感度化が可能であるの
で、たとえばμインチ元学系のカメラに用いられる一層
の高集積度を必要とするエリアセンナを実現する場合に
本発明全有効に適用することができる。

また、前述したように転送電極φ１．φ２の形状として
は、転送部φ？　ｒφ百の幅を動作上青能な限９小さく
でき、図示の如く斜め方向に隣接し合う画素相互の間隙
部に形成することかてきる。この場合、転送部φ１．φ
２の１＠ヲ狭くしていくと、所謂狭チャンネル効果が生
じて伝送部φ１．φ２の電位井戸全垂直方向の画素相互
の間隙部にある蓄噴部φ１．φ２の電位井戸よりも浅く
することができる。すなわち、転送電極ψ１゜φ２下に
電位井戸の深さが異なる２領域が形成され、同一ンロッ
ク・９ルスの印加される転送電極に同一層の転送電極材
料（たとえば第１層目のポリシリコンまたは第２層目の
ポリシリコン）を使用して通常の２相駆動が可能になる
。このようにすれば、同一層の転送部・匝間の短絡はな
くな９、エリアセンサの製造歩留まシが向上する。

なお、上記実施例では、オーバーフロードレインを形成
する適当なスＲ−スがないけれども、ｎ形牛導体基板に
形成したｐウェル上に画素とかＣＣＤレヅスタとか等？
形成し、上記ｎ形基板に、ｔ−バーフ；−コ゛レインと
する構造を用いるように変更してもよい。

また、半ＩＮ　ＣＯＤレノスタに２相駆動万式、たとえ
ば４相駆動方式を採用して本前記実ＴＡ列と４１司様の
ｉＩｂ作が→られる。また、礪７図に示すように一松ｓ
４的な・面Ｊ２犯１ｆｊＣ＞ける各垂直画素列に宿って
直線状のたとえば二相駆動形の垂直ＣＯＤレノスタ４１
　、４２　ｆｋ、設して本、前記賃権例と略同様の豐作
が得られる。筐ｔ、各１４４毎に）１０Ｓゲートｒ没け
、足１ｊ素鷹に対しして上記各ｒ−ｚｉ−アドレス回路
により指定して画素信号１を虜久読み出すようにしても
、罰記災１カと同様に垂直１同のｌｉ！ｉ層度読み山し
上行立つことが可能である。

〔発明の効果〕

上述したように不発明の二次元固体違ｊ装置によれば、
水平万１司の果槓！ＩＬｖ工匠米例の躬１図（Ｃ）と′
ｆｌ泳に高く、酸１万河（・こついてぼた承−の４１凶
（ｅＪの２ｉｆの礒弄運匡で曵み出すことがで寝るので
、央實釣に高来七貞亙化に！現でさるり

【図面の簡単な説明】

第　１　５　（ａＪ乃王（Ｃノは矢米の　、−ＣＤ　　
エ　リ　ア１　ノ　ブ、こおσる。１１素工貞２よひイ
ンターレース方式ｌ・す出し動作ｔ−説明する友ｄ）に
示す図１第２図は第１図＜＊＋の画素配置？有する従来
のＣＣＤエリアセンサの平面構成を概略的に示す図、第
３図は第２図の垂直ＣＣＤシ７トレノスタの一部を示す
軍成説明図箋第４図は本発明の一実用Ｖ」に係るＣＯＤ
　！　ＩＪ　７　セフすの画素配置およびインターレー
ス方式め読み出し動作を説明するた約に示す図、第５図
は第４図の画素配置を有する不発明の一笑施例に係るエ
リアセンサの平面構成を概略的に示す図、第６図は第５
図のエリアセンナの垂直ＣＯＤレジスタを厘Ｓ状に変更
したエリアセンナの平面構成ｔ−ｖｔ略的に示す図、渠
７図は不発明の他の実施例に係るエリアセンサの平面＃
ＩＩ厄を概略的１（示す図である。 ２　（２１ｅ　ｚ２）・・・画素、３　（３１＊　Ｊ２
　）・・°岩直ＣＣＤレゾスタ、ψ１．ψ２・−伝送（
儂−φ１瞥′ｐ２・・・ｇ侑唄送部、φ１・ψ２・・・
１荷彊償部＠１人ｑ人　ｆＰ埋士　鈴　江　武　彦 幸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）−導電形半導体基板上に設けられ、第１の二次元
   正方格子状の配置を有する第１の感光画素群と、この感
   光画素群に対して垂直方向画素ピッチの約半分だけ垂直
   方向にずれて前記第１の正号格子状の配置との組み合わ
   せで一松模様状となる第２の正方格子状の配置全有する
   第２の感光画素群と、これらの感光画素群における垂直
   方向に配置された複数本の垂直画素列にそれぞれ沿って
   じぐざぐ状に設けられた１荷結合素子よりなる垂直レジ
   スタと、これらの垂直レジスタからそれぞれ転送される
   １水平走食線分の信号電荷を順次読み出す不平レジスタ
   とを具備する二次元固体撮１原装置において、前記垂直
   レジスタの転送電極は、前記二次元正方格子状記蛍に２
   いて斜め方間に最隣接する一系相互の水平方向間隙−ｆ
   ６ｖこ設けられる電荷転送部と、この電荷転送部に対し
   て垂直方向側に設けられると共に前記垂直画素列の垂直
   方向に隣接する画素相互の間隙部まで延設され前記電荷
   転送部よりチャネル幅が広い電荷蓄積部とを有し、第１
   フイールドの読み出しにおける各水平走査として前記第
   １の感光画素群を構成する垂直画素列における垂直方向
   の１（＝１ｔｚ、・・・）番目の画素からの信号および
   前記第２の感光画素拝金４成する垂直画素列における垂
   直方向のｉ　（＝ｔ　＋２、・・・）番目の画素からの
   信号全上記ｉの番号順に読み出し、第２フイールドの読
   み出しにおいては前記第１の感光画素群の垂直画素列に
   ２けるｚ　（＝ｉ　ｌ　２１・・・）番目の画素からの
   信号および前記第２の感光画素群の垂直画素列における
   ｊ−１（＝２１・３．・・・）番目の画素からの１ぎ号
   を上記ｉの番号順に読み出すインターレース方式読み出
   し手段を具萌することを特電とする二次元固体撮ま装置
   。
2. （２）　　前記垂直レジスタは、それぞれ電荷転送部お
   よび電荷蓄積部からなる転送′を極Φ１．φ２全Ｍする
   二相創動形であり、前記インターレース方式読み出し手
   段は、第１フイールドの読み出しＶこおいて前記第１の
   感元画素群の垂直画素列それぞれの１画素から水平走査
   方向側の転送置傘φ１の電荷蓄Ｓ部へ電荷全転送し、次
   いでこの各転送１他φ１下の電荷全それぞれ同一垂直レ
   ノスタの転活電甑φ２へ転送すると共に前記第２の感元
   画素群の垂直画素列それぞれの１画素から水平走査方向
   側の転送電極φ２の電荷蓄積部へ電荷を転送して一直線
   上の転送電極φ２下に１水平走査方向側号を得る手段と
   、渠２フィールドの読み出しにおいて前記第２の感元画
   素群の垂直画素列それぞれの１画素から対応する転送電
   極φ２の電荷蓄積部へ電荷を転送し、次いでこの各転送
   シ甑φ２下の゛１荷全それぞれ同一垂直レノスタの転送
   １極ψ１へ転送すると共に前記第１の感元画素群の垂直
   画素列それぞルの１画素から対応する伝送或・鷹φ１の
   電荷蓄積部へ電荷を転送して一直線上の転送１他φ１下
   に１水平走食電荷信号ケ得る手段とを具備すること金′
   ＄ｊ故とする特許請求の範囲第１項記載の二次元固体撮
   像装置。