JPS5887976A - 固体撮像素子 - 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】 本発明は固体撮像素子、特に画素の配置構造に関するも
のである。

第１図は従来より提案されているＭＯ８形固体撮像索子
の一例を示す要部回路構成図である。同図において、固
体撮像素子１は、光信号を′醒気信号に変換するホトダ
イオード２と、このホトダイオード２に蓄積された信号
電荷を垂直信号線３に移す垂直スイッチＭＯＳトランジ
スタ４と、このホトダイオード２と垂直スイッチＭＯ８
ｌ−ランジスタ４とで構成される画素５と、垂直スイッ
チＭＯＳトランジスタ４のゲートに所定の′櫃圧を印加
する垂直ゲート線７と、信号電荷を水平信号線８に移し
て外部へ出力させる水平スイッチＭＯＳトランジスタ９
と、水平スイッチＭＯ８）ランジスタ９のゲート、垂直
ゲート線Ｉを順次高レベルにする水平シフトレジスタ１
０．垂直シフトレジスタ１１とから構成されている。こ
の場合、上記画素５．垂直信号線３．水平スイッチＭＯ
８）ランジスタ９および水平信号線８の配線は、単板カ
ラーカメラ用の固体撮像素子として用いられる配線構造
を有している。すなわち、同図において、−行目の画素
５を左端から右方向にそれぞれ５１ａ。

５１ｂ、　５１ｃｔ　５１ｄ、−−−−とし、二行目の
画素５を同様に５２ａｌ　５２ｂｔ　５ｚｃｔ　５２ｄ
ｔ’　−−−とすると、画素５１ａと５１ｂとを接続さ
せている垂直信号線３２．３３は互いに対向されており
、一方、画素５２ａｔ　５２ｂに接続されている垂直信
号線３１゜３４は互いに逆向きに接続されている。そし
て、これらの画素５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂの信
号電荷は水平スイッチＭＯＳトランジスタ９２．９３゜
９１．９４を介して４本の水平信号線８４，８２゜８１
．８３に出力される。

一方、上記構成による固体撮像素子において、カラー信
号を得るためには、上記各画素５上に色分解フィルタが
配置される。第２図は第１図で示した回路を模式的に示
した図であり、上記水平スイッチＭＯ８）ランジスタ９
は省略され、第１図と同記号は同一要素となるのでその
説明は省略する。第２図において、各画素５の上部には
Ｏｙ（シアン）、Ｙｅ（イエロ）、Ｇ（グリーン）およ
びＷ（ホワイト）の４色のフィルタがマトリックス状に
配置されている。例えば、画素５１ａ、５２ＧにはＣＹ
フィルタ１２、画素５１Ｃ，５２ａにはＹｅ　フィルタ
１３、画素５１ｄｌ　５２ｂにはＧフィルタ１４、画素
５１ｂ、５２ｄにはＷフィルタ１５がそれぞれ配置され
ており、この８画素が周期的に繰り返して配置され、４
本の水平信号線８１〜８４からそれぞれＹｅ、Ｗ、Ｇ、
Ｏｙの信号が混色することなく、独立して得られる。そ
して、この４本の信号線８１〜８４から得られた色信号
は図示しない所定の処理回路により、テレビ信号に変換
される。

このように構成されたカラー固体撮像素子において、−
行目の画素５１８〜５１ｄと二行目の画素５２８〜５２
ｄとを２行同時に読み出すインタレース走査を行なうと
、フィールド残像がなく信号を読み出せ輝度信号と色信
号とが同時に得られ、解鐵度が高くなるとともに、光利
用率の良い補色形フィルタを用いているので、感度の高
い信号が得られるなどの特長を有している。

しかしながら上記構成によるカラー固体撮像素子は、下
記に説明するように解像度が低く、さらに画面上に白や
黒の縦縞となって見える、いわゆる周期性固定パターン
雑音が発生するという問題があった。すなわち、解像度
は画素数によって決定されるので、画素数を増大させる
ほど解像度が向上するが、一定形状の画角内によシ多く
の画素を配置することは、その分だけ高精度な微細加工
技術が要求されるので、歩留りを低下させたり、さらに
受光面積が低下して感度が低下するなどの問題があった
。しだがって現状の加工技術では自ずからその限界があ
るので、画素数は限定され、解像度を向上させることは
困難であった。一方、周期性固定パターン雑音は、画素
の配線、フィルタの配置またはパターンの重ね合わせ時
に生ずる層間のパターンずれに依存する。以下第３図、
第４図で示した要部拡大平面図を用いてその発生原因を
説明する。これらの図において、前述の図と同記号は同
一要素となるのでその説明は省略する。

まず第３図においては、パターンずれ、すなわち、垂直
信号線３１〜３４と、画素５１ａ、５１ｂ、５２ａ。

５２ｂ　　と、垂直ゲート線７１．７２との各パターン
相互間のパターンずれが全くない場合を示したものであ
る。この場合、各画素５１ａ、５１ｂ、５２ａ。

５２ｂの開口面積Ｓは画素５２ａの斜１線部で示したよ
うに各画素間で等しいので感度むらは全くない。

一方、第４図においては、垂直信号線３１，３２゜３３
．３４が右方向（矢印入方向）にずれた場合を示したも
のであり、例えば画素５２ａ、５２ｂの開口率を考える
と、垂直信号線３１，３２，３３．３４のずれによって
、画素５２ａでは面積Ｓ１のみが垂直信号線３１で覆わ
れ、開口面積Ｓ２はＳ、＝Ｓ−Ｓ。

に減少する。一方、画素５２ｂでは、垂直信号線３４に
覆われていた部分の面積Ｓ、が露出するので、開口面：
’ｒ＊　Ｓ２　’はＳ、、’＝：Ｓ−１−８３　　と増
加する。したがって、画素５２ａと固層５２ｂとの開口
面積が異なり、感度差が発生することになる。このよう
に相互に感度差が発生した各画素５１ａ〜５１ｄ、　５
２ａ〜５２ｄ上に第２図で説明した各色のフィルタ１２
゜１３．１４，１５が配設された場合、上記パターンず
れによる影響は第２図を用いて説明すると、例えば、Ｗ
フィルタ１５が設けられた１血素５ｉｂ、５２ａに着目
すると、この両者の画素５１ｂ＋　５２ｄの垂直信号線
３３．３８に対する位置関係は、第４図で示した画素５
２ａ、５２ｂの画素関係と同様であり、画素５１ｂでは
画素５２ｄよりも開口面積が小さく、感度は小さくなる
。

したがって固体撮像素子に均一な外部光が照射されてい
る場合、水平信号線８２から得られるＷ（ホワイト）信
号は画素５１ｂと５２ｄとでは異なる。以後同様にＷ信
号は一行目のＷ成分の画素と二行目のＷ成分の画素の信
号レベルが交互に得られ、第５図に示したような波形が
得られる。すなわち、第５図は水平信号）腺８２から得
られる信号の出力レベルを時間ｔを横軸に表わしたもの
である。この出力信号の不均一性が画面に周期性のある
縦縞となって画面上で観測される。

このような周期性固定パターン雑音の発生を除去するに
は、前述したように垂直信号線３１〜３４のパターンと
画素５１ａ　〜５１ｄ＋５２ａ　〜５２ｄのパターンと
の重ね合わせ時に生じる層間ずれをなくすることによっ
て、原理的に改善することができるが、近年の最新な微
細加工技術を用いても上記パターン相互間のパターンず
れを除去することは全く不可能であり、多少のパターン
ずれは存在ししたがって周期性固定パターン雑音の発生
を完全に除去することは不可能であった。

したがって本発明は、現行のプロセスと同様のプロセス
加工技術を用い、画素を一行おきに％ピッチずらした配
列構成とすることによって、解像度を向上させ、さらに
垂直信号線を各画素の中央部に配線することによって、
周期性固定パターン雑音の発生を確実に除去した固体撮
像素子を提供することを目的としている。

以下図面を用いて本発明の災施例を詳細に説明する。

第６図、第７図は本発明による固体＋’ｌ＆　ＩＩ素子
の一例を説明するための要部模式図９画素部の拡大平面
図であり、前述の図と同記号は同一要素となるのでその
説明は省略する。第６図において、本発明による固体撮
像素子は、奇数行目の画素５１８〜５１ｅの画素配列９
画素５３８〜５３ｅの画素配列と、偶数行目の画素５２
８〜５２ｅの画素配列９画素５４８〜５４ｅの画素配列
とがそれぞれ相互に画素配列が画素のイピツチずつずれ
て配列形成されている。そして、これらの％ピッチずつ
ずれて配列された各画素５１ａ〜５１ｅ、５２ａ〜５２
ｅ、　５３ａ〜５３ｅおよび５４ａ〜５４ｅは、その画
素パターンの中央部分で上記水平スイッチＭＯＳトラン
ジスタ９１〜１００に接続された各垂直信号線３１〜４
０のパターンにそれぞれ電気的に接続されている。

すなわち、第７図に画素部の要部拡大平面図で示したよ
うに例えば画素５１ａのパターンでは、重置信号線３２
のパターンの挟小部で２分割され、画素５１ａ′と５１
３“とから形成されるＹ字状の線形バクーンで構成され
、この線形パターンの脚ｓ１３で垂直信号線３２のパタ
ーンの広大部に電気的に接続されている。同様に画素５
１ｂ、５２ａｔ　５２ｂ・・・等においても垂直信号線
３４，３１．３３のパターンで２分割された線形パター
ンで構成されている。

また、第６図において、これらの線形パターンからなる
各画素５１ａ〜５ｉｅｔ　５２ａ〜５２ｅ、５３ａ〜５
３ｅおよび５４ａ〜５４ｅの上面にはＯＹフィルタ１２
゜Ｙｅフィルタ１３およびＷフィルタ１５がそれぞれデ
ルタ形配置の周期の繰り返しで最密充填して配列され、
そして、各垂直信号線３１〜４０に１妾続された各水平
スイッチＭＯＳトランジスタ９１〜１００の２本の水平
信号線８１．８２より各行から時系列的にＯｙ、Ｙｅお
よびＷのカラー！’ｆｔｈｉ象信号が収り出される。

このように構成されたカラー固体撮像素子において、ま
ず、解像度については、例えば輝度信号成分のＹ信号で
説明すると、従来では第２図で説明したように画素５１
ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂもしくは画素５１ｂ、５１
ｃ、５２ｂ、５２Ｃの４画素のＯｙ、ｗＹｅ、Ｇの信号
を加算して得られ、したがって、水平配列方向の２ピツ
チ分の画素で２種類のＹ信号を得ていたものに対して、
第６図で示した実施例では、画素５１ａ、５２ａ、５２
ｂもしくは画素５１ａ。

５１ｂ、５２ｂの３画素のＷ、Ｏｙ、Ｙｅを演算すれば
Ｙ信号が得られる。つまり２．５ピツチ分の画素で４種
類のＹ信号が得られるので、第２図の場合と比較して解
像度を向上させることができる。次に、周期性固定パタ
ーン雑音については、第７図および第８図を用いて説明
する。これらの図において第７図、第８図は第６図の画
素部分を拡大した要部拡大平面図であり、第７図はパタ
ーンずれが全くない場合を示し、第８図はパターンずれ
が発生した場合、つまり垂直信号線が図面上右方向（矢
印Ａ方向）へずれた場合を示したものであり、第６図と
同記号は同一要素となるのでその説明は省略する。第７
図において、例えば線形パターンからなる画素５１ａの
開口面積Ｓは、垂直信号線３２で２分割された各画ｌ、
５１ａ’　、　５１ａ″の開口面積Ｓ′を２倍した面積
、すなわち５＝２８’となり、全ての線形パターンから
なる画素５１ｂ、５２ａ、５２ｂ等に対しても同等の開
口面積Ｓが得られる。これに対して、４８図においては
、垂直信号線３２が右方向にずれると、線形画素５１ａ
の開口面積Ｓは、垂直信号線３２で２分割された各画素
５１ａ’。

５１ａ“の開口ｒｉｎ＋ｔｓ’の和、すなわちＳ　＝　
Ｓ″＋　８”セ÷別となり、第７図の場合と開口面積Ｓ
は若干異なるが、他の線形画素５１ｂ、５２ａ、５２ｂ
等に対しても同等の開口面積Ｓが得られるので、前述し
たように周期的に開口ＵｆＪ積が変化することはなくな
り、したがって、周期性固定パターン雑音を確実に除去
することができる。また、第７図に示すように各画素５
１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂのパターン形状を各垂直
信号線３１，３２，３３．３４　でＹ字状の線形パター
ンとなるように、例えば画素５１′のパターンを５１ａ
′と５１ｂ′との各パターンとに２分割して形成された
ことによって、実質的に各垂直信号線３１，３２，３３
．３４がその部分において線幅が小さくなるので、各垂
直信号線３１３２、３３．３４への直接感光欲が少なく
なり、したがって第１図で示したように各ホトダイオー
ド２と各垂直信号線３との結合容量Ｏｆ　＝０７．　＋
　Ｏ／！が低下して結合容量成分によって生じる垂直ス
メアの発生を大幅に抑制することができる。

第９図、第１０図は本発明による固体虚像素子の他の実
施例を説明するための要部拡大平面図であり、前述の図
と同記号は同一要素となるのでその説明は省略する。こ
れらの図において、嬉９図（ａ）　、　（ｂ）は従来の
モノクロ用固本撮１象素子で縦縞模様のパターン１２ａ
、１２ｂが撮像されている場合を示したものであり、同
図（ａ）は２列目の画素５１ｂ。

５２ｂ、５３ｂと４列目の画素５１ｄ、５２ｄ、５３ｄ
とに縦縞模様のパターン１２ａ、１２ｂがそれぞれ撮へ
ずれた場合で、１列目と２列目および３列目と４列目の
画素間に縦縞模様のパターン１２ａ、１２ｂが撮像され
ている場合を示したものである。このような場合、同図
（ａｌは縦縞パターン１２ａｌ　１２ｂが一画素おきに
撮像されているため、画素上に規則正しく解像されたパ
ターンが表われるが、同図（ｂ）では画素上にパターン
が重畳されないために解像されない。これに対して本発
明は、第９図（ａ）ｔ　（ｂ）に対応して第１Ｏ図（ａ
）　、　（ｂ）に示したように降ピッチずらした画素上
に上述した縦縞パターン１２ａ。

１２ｂが撮像された場合、縦縞パターン１２ａ、１２ｂ
の位置関係は第９図（ａ）　、　（ｂ）の関係と同様で
互いに匙ピッチずれている。つまり、第１０図（ａ）は
１行目の画＄５１ｂ、５１ｄと３行目の画素５３ｂ、５
３ｄの画素に縦縞パターン１２ａ、１２ｂが撮像され、
第１０図（ｂ）では２行目の画素５２ｂ、　５２ｄの画
素に縦縞パターン１２ａ、１２ｂが撮１象されている。

したがって、縦縞パターン１２ａ、１２ｂが届ピッチず
れてもこのパターン１２ａｔ　１２ｂは画面上に解像さ
れるので、画素を４ピツチずらした配置としたことによ
って、約２倍の解像度が得られる。

なお、上記実施例において、カラーフィルタにＯｙ、Ｙ
ｅ、’Ｗフィルタを用いた場合について説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、Ｒ（赤）、Ｇ（
緑）、Ｂ（ｐｒ）のフィルタを用いても前述と同様の効
果が得られることは勿論である。

以上説明したように本発明によれば、周期性固定パター
ン雑音が全くなくなり、しかも解像度の高い固体ｊｆ＆
家素子が得られるので、高性能、部品質の固体撮像素子
を提供できるという極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像素子の一例を示す要部回路構成
図、第２図は第１図で示した固体撮像素子の模式図とフ
ィルタ配置との関係を示す図、第３図は第１図で示した
固体撮像素子の要部拡大平面図、第４図は第３図のパタ
ーンずれを示した平面図、第５図は固体撮像素子の出力
波形図、第６図は本発明による固体撮（象素子の一例を
示す要部模式図、第７図、第８図は本発明による固体撮
像素子の要部拡大平面図、第９図（ａ）　、　（ｂ）は
従来の固体撮１′象素子で縦縞パターンを撮像した場合
の画面図、第１Ｏ図（ａ）　、　（ｂ）は本発明による
固体撮像素子で縦縞パターンを撮像した場合の画面図で
ある。 １・・・・固体；層像素子、２・・・・ホトダイオード
、３．３１〜４０・・・・垂直信号線、４・・・・垂直
スイッチＭＯ８）ランジスタ、５゜５１ａ〜５１ｅ、５
２ａ〜５２ｅ、５３ａ〜５３ｃ、５４ａ〜５４ｅ・・・
・画素、γ、７１，７２．７３・・・・垂直ゲート線、
８．８１７−８４・・・・水平信号線、９．９１〜１０
０・・・・水平スイッチＭＯ８トランジスタ、１０・・
・・水平シフトレノスタ、１１・・・・垂直シフトレジ
スタ、１２ａ。 １２ｂ・・・・縦縞パターン。 代理　人　弁理士　薄　１）利　幸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光信号を蓄積するホトダイオードと垂直スイッチＭ
   ＯＳトランジスタとで形成された画素が行。 列方向に多数配列され、前記画素を水平方向配列画素数
   の２倍の垂直信号線と垂直方向配列画素数と同数の垂直
   ゲート線を介して水平シフトレジスタと垂直シフトレジ
   スタとで垂直方向配列の２画素を同時に選択させて水平
   スイッチＭＯＳトランジスタで信号電流全外部に読み出
   すように構成された固体撮像素子において、前記画素を
   一行毎にとピッチずらし、かつ前記垂直信号線が該画素
   の中央部で接続され、各画素パターンの全ての構成要素
   が垂直信号線に対し７て線対称配置したことを特徴とす
   る固体撮像素子。 ２　前記画素の一つを、ホトダイオード部を電気的に垂
   直信号線下部分で２分割して構成したこと全特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の固体撮像素子。 ３、相互に近接配置された３個の画素に３色の色フィル
   タをデルタ状に配置したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項まだは第２項記載の固体虚像素子。