JPS5986982A - 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】 技術分野 本発明は単板カラー固体撮像装置に関し、特に、その画
素配列技術と上記の画素配列から発生する信号を分離す
るのに好適な色分離回路に関する。

背景技術 規則的に配置された８種類の画素を備える単板カラー固
体撮像装置（以下において単にカフ−センサと略称され
る。）は公知である。特開５６−１２０２８１に開示さ
れる第１の先行技術において、各水平行はＩｔ　Ｂ　Ｇ
の順に配列された画素を持つ。Ｕ８Ｐ　８９７１０６５
に開示される第２の先行技術において、ＧＬ！Ｊ！Ｉ素
は市松模様状に配置される。そしてｉｔ画素は２Ｎ行に
配置され、Ｂ画素は２Ｎ＋１行に配置される。インクラ
イン配列と呼ばれる第８の先行技術において、Ｇ画素は
市松模様状に配置される。そしてｌＬ画素とＢ画素は水
平方向に交互に配置される。そして第Ｎ性と第Ｎ＋２行
は同じ画素配列を持つ。特願５０−１２８７５２に開示
される第４の先行技術において、第Ｎ性はＹ（またはＷ
）画素とＲ画素が交互に配置され、第ぺ＋１行はＹ（−
！ｉ−たはＷ）画素とＧ画素が交互に自己性される。そ
して第Ｎ性のＸ画素と第Ｎ＋１行のＹ　ｉｉ！ｉｉ素は
同じ列位置に配置される。

特開５５−４１０５７は高い感度を持つＷ画素と他の色
画素間の感度差を補償するためにＷ画素上の光透過領域
（有効感光領域）を狭くする事を開示する。そして特開
５６−１０８５７８は光４電膜を感光素子として使用す
る固体撮像装置を開示する。なお、本明細書において、
画業は特定の分光感度を代表する信号を意味し、感光素
子とその上に配置される色フィルタによって構成される
。

感光素子は入射光によって光電荷を発生し、そして蓄積
する半導体累子である。ＸフィルタとＸ画素はＸ光を透
過する色フィルタと上記の色フイρりを備える感光素子
を意味する。Ｒ，Ｇ、Ｂ、Ｙ、Ｙｅ、Ｇｙは赤、緑、青
、輝度、黄、シアンを意味する。Ｗ画素は色フィルタを
持たない画素である。上記の感光素子に蓄積された信号
電荷を読み出すために多くの信号伝送方式が提案されて
いる。垂直信号線と水平信号線を備えるカラーセンサは
ＭＯＳカラーセンサと呼ばれる。特開５６−１８７７７
４に開示されるような垂直信号線と水平電荷結合装置（
水平００Ｄ　）を備えるカフ−センサはハイブリッドカ
ラーセンサと呼ばれる。垂直Ｃ（３Ｄと水平Ｃ（、Ｄを
備えるカフ−センサはＣＯＤカラーセンサと呼ばれる。

発明の開示 上記の先行技術にも関らず、単板カラー固体撮像装置（
カラーセンサ）は解決しなければならないいくつかの課
題を持っている。解像度と感度の改良は最も重要な課題
である。しかし、解像度と感度は相反する関係を持つの
で、両者を同時に改良する事は非常に回帰である。たと
えば、画素面積の縮少は解像度を改善するが、感度を悪
くする。

ＧＩＩＩＩＩ素を市松模様状に配置する事によって、水
平解像度は改善されるが垂直解像度は悪くなる。本発明
の第１の目的はカラーセンサの解像度または感度を改善
する事である。本発明の第２の目的はカラーセンサの解
像度と感度を両方共改善する事である。上記の目的を達
成するために新規な色画素配列が開発された。さらに上
記の色画素配列から発生ずる各色信号の感度バランスを
改善するために、第２の新規な色画素配列が開発された
。本発明の色Ｉ＋！１素配列は解像度と感度とダイナミ
ックレンジを改善する。さらに、本発明の色画素配列か
ら発生するカラー信号を処理するのに好適な色分離回路
が開示される。本発明の色分離回路な固定ノイズまたは
ランダムノイズを低減するので、可能である。本発明の
特徴と効果が以下に記載される。

独立発明１．（クレーム１） ３種類の画素を備えるカラーセンサにおいて、輝度信号
（Ｙ）またはＹ信号に相当する色信号を発生する第１色
画素は全画素の６５％以上配置され、第２または第３色
画素は全画素の２０％以下配置される。このようにすれ
ば輝度信号の解像度は高くなシ、画質は非常に改善され
る。第２または第３色画素から発生する第２色値号また
は第３色付号は低い信号周波数を持つが、現在のカラー
信号伝送方式において、色差信号または第２色値号と第
３色付号の帯域は０．５　Ｍ　Ｈｚ　〜１．４　Ｍ　Ｈ
Ｚ　（Ｄよりなひじように少さくできるので問題は発生
しない。

従属発明１．（クレーム２ン 好ましい１実施例において、水平方向に配列された第２
または第８色画素の間に２個または８個の第１色画素が
配置される。そして、２行の第２または第３色画素にょ
−て、第２色値号と第８色付号が合成される。その結果
、似孝調輝度解像度は非ｎ′に改善される。この場合、
第２または第８色信＋ｊｔｉ８４’ｌ、　１色信号の１
／８以下の帯域を持つ。そして欠落した第１色値号は１
行または２行はなれた第１色値号によって代用される。

従属発明２．（クレーム３） 好ましい実施例において、第１色画素は輝度（Ｙ）信号
に近似する分光感度を持つ第１色光を代表する。ぞの結
果、画質は向上する。そして、第１色１７７素はその上
に少くとも２種類の色フィルタを持つ。上記の第１色フ
ィルタは几フィルタまたはＹｅフィルタであシ、上記の
第２色フィルタはＢフィルタまたはＣＹフィルタである
。このようにすれば１ｔ［Ｙｅ）フィルりとＢ（ｃｙ）
フィルタの面積を変更できるので、第１色画素の分光感
度は自由に変更できる。さらに上記の第１または第２色
フィルタは第２画素フィルタまたは第８画素フィルタと
共用できる。

従属発明８．（クレーム４） 従属発明２において、第１色画素のＥ［Ｙｅ　）フィル
タとＢ（Ｏｙ）フィルタの面積は隣接する第２−！たけ
第３色画素から混入する第２信号電荷または第８信号電
荷の量に応じて調節される。たとえば第１色画素がＲ画
素に隣接する時、第１色画素上のＲ（Ｙｅ　）フィルタ
の面積は小さくされる。このようにすれば、第１色画素
に混入する色信号電荷にも関らず、第１色画素の分光感
度は一定となシ、画質は大巾に向上する。

従属発明４．（クレーム５） 従属発明２において、第１色画素上のＲ（Ｙｅ）フィル
タは第１色画素上のＢ（Ｃｙ）フィルタよシもＢ（Ｃｙ
）画素から離れて配置され、第１色画素上のＢ（Ｏｙ）
フィルタは第１色画素上のＲ（Ｙｅ　）フィルタよルも
Ｒ（Ｙｅ　）画素から離れて配置される。このようにす
れば第２″ｌ！たけ第８色画素は第１色画素にかこまれ
ているので、Ｒ（Ｙｅ）画素に混入するＢ＠′号電荷と
ｎ（ｃＹ）Ｍ素に混入する几信号電荷は最小になる。そ
の結果、画質は改善される。

従属発明５．（クレーム６） 従属発明２において、第１色画素上に２種類の色フイル
りが配置される。上記の第１の色フィルタけＹｅフィル
タであシ、上記の第２の色フィルタはＣｙフィルりであ
る。ＹｅフィルタとＣＹフィルタＶＪ：、爪ねて配置し
ても良く、共通の被染色物質（たとえばゼラチン）を２
回染色しても良い。上記の第１色画素はＧ光をほとんど
完全に透過する。干してＹｅフィルタとＣＹフィルタの
面積は第１色画素出方がＹ信号特性（０，８１（＋０．
５９Ｇ＋０．１１１３）を持つ様に選択される。第１画
素はＧ光のすべてとＩ？・光の１ｍとＢ光の１部を受は
入れるので５第１ＩＩＩＪＩ素の感度は非常に大きくな
る。さらに本発明によれば上記のＹｅフィルタまたはＣ
Ｙフィルタの寸法誤差によって第１色画素のＧ光感度が
変化しないので輝度感度のばらつきは非常に小さくなる
。最適なＹｅフィルタとＯＹフィルタの面積は入射光の
色温度と赤外カットフィルタの分光感度と感光素子の分
光ｐＩ＆度とＹｅ、Ｃｙ：ｙイルタの分光感度によって
決定される。好ましい実施例において８′２００°にの
色温度が選択される。もちろん他の色温度を選択する事
は可能である。好ましい実施例において、Ｙｅフィルタ
は有効画素面積の５５％〜７０％の面積を持ち、Ｃｙフ
イμりは４０％〜８０％の面積を持つ。

他のｗＳ２まだは第８色画素に比べて感度がよすぎるの
で有効ダイナミックレンジが小さくなる欠点がある。カ
ラー信号のダイナミックレンジの上限は第１（Ｙ）画素
の飽和照度によって決定され、その下限けＢ（Ｏｙ）画
素から発生するＢ信号の最低照度によって決定される。

シリコン受光素子の青感度は悪いので実用ダイナミック
レンジは非常に圧縮される。

本発明は有効感光素子面積を画素の種類ごとに変更する
４丁によって上記の落度の差を補償するものである。

１実施例において、３画素またはＯｙ−画素他のＩＩＩ
］ｌ素よシ広い感光素子面積を持つ。ＩＬ画素またはＹ
ｅＩｌｔＩＩ素が他の色画素よシ広いまたは狭い感光素
子面積を持つ事も可能である。従来、感度バランスをと
るために、高い感度を持つ色画素表面に光シールド領域
を設置する技術があった。しかしこの方法において、感
度は低下する。第１画素がＧ光を１００％透過するＹ画
素である時、第１画素の感度は０画素よシもさらに高く
なるが、■画素またけ３画素の感光素子面積を増加する
事によって、各画素の感度差は小さくなる。そしてカラ
ー信号のダイナミックレンジと８Ｎ比は向上する。

もし、独立発明１と独立発明２を一緒に実施すれば、解
像度と感度とダイナミックレンジが大きいカラーセンサ
が製造できる。

従属発明１．（クレーム８） 好ましい１実施例において、カフ−センサは垂直信号線
と垂直スイッチを備えるｂｔｏｓセンサまたはハイブリ
ッドセンサである。そして各画素は垂直スイッチのソー
ス領域に接続され、垂直ヌイ。

チのドレン領域に垂直信４ｊ＃！が接続される。そして
上記のソース領域とドレン領域は半導体基板表面に作ら
れる。さらに、第Ｒ行の１個の画素と第Ｎ＋１行の１個
の画素は異なる垂直スイッチによって共通のドレン領域
に接続される。その結果、垂直スイッチのゲート電極と
ドレン領域と分離領域に等しい面積だけ片方の画素面積
を拡大できる。この面積の拡大は他の画素の面積を縮少
する事な〈実施できるので効果は非常に大きい。従来、
並列に接続される２個のΔ１０８トランジスタのドレン
領域を共通にする事はよく知られていたが、上記の構造
をカラーセンサに使用する事によって特定の種類の画素
感度を向上する事は公知では寿かった。画素密度力門曽
加する程、本発明の効果はよυ大きくなる。１実施例に
おいて、カフ−センサの撮像領域が８８００ｐｘ６６０
０μの面積を持ち、４８９（Ｖ）Ｘ４８９（１１）の画
素が配置される時、１画素は１８５μ（Ｖ）ｘ１３μ（
Ｈ）の全面積を持つ。分離領域専の巾を８μと仮定する
時、本発明の狭い内素は１２１μ２の有効感光面積を持
ち１本発明の広い画素は１５７μ２の有効感光面折を持
つ。結局、広い画素は狭い画素よシ８０％高い感度を持
つ事ができる。広い画素は２個に１個以下の割合で配置
でき、市松模様の他に多くの配置パターンを設計できる
。広い画素によって１３画素を構成すれば、Ｂ感度は８
０％増加する。一般に八１０Ｓまたはハイブリッドセン
サは垂直信号線を使用するのでＣＯＤカラーセンサよシ
大きなノイズを持つ欠点があった。しかし、上記の条件
において、ＣＯＤカフ−センサの１ｒＡ素は約６８　ｐ
”の有効感光面積を持つ。ただし、この場合、垂ｇｃｃ
Ｄの水平チャンネル巾は６μに設計される。その結果、
もっとも感度の悪い３画素で比較した場合、本発明のＭ
ＯＳまたはハイプリ。

ドカラーセンサはＣＯＤカラーセンサに比べて、２５倍
の画素ｇ度を持つ。Ｍ　０８またはハイブリッドカフ−
センサが比較的簡単な製造工程と高い歩留まシを持つ４
イを考えれば、本発明の重要性はさらに大きくなる。さ
らに、本実施例はクレーム４〜クレーム６と一緒に実施
する事が好ましい。

八１−０８またはハイブリ、ドヵラーセンサはＣＯＤカ
ラーセンサに比べて約２倍の寄生信号電荷を持つので、
クレーム４〜６の効果は大きい。

従属発明２．（クレーム９） 好ましい実施例において、画素を構成する感光素子は半
導体基板上に配置された光導電膜である。

そして光導電膜をはさむ２つの電極の１方の電極は画素
によって異なる面積を持つ。その結果、画素感度は簡単
に制御される。

発明を実施するだめの最良の形態 図１は本発明の１実施例を表わす色画素配置図である。

奇数行はＲ画素と１画素によって構成され、几画素の間
に２個の１画素が配置されている。偶数行ば３画素と１
画素によって構成され、３画素の間に２個の１画素が配
置されている。図２は本発明の他の実施例を表わす色画
素配置図である。

各行は４画素に１個の割合でＲ画素または３画素が配置
され、Ｒ画素と３画素の間に３個の１画素が配置されて
いる。図１または図２において、Ｎ十２行のＲまたは３
画素は第８行のＲまたは３画素より２画素だけ左または
右にシフトしている。

図３は図２の色画素配置を持つ単板カラーセンサの色信
号分離回路を表わす。単板カラーセンサ１の出力はセン
スアング２で増巾された後で、サンプルホールド回路３
（Ａ、Ｂ、Ｏ）によって分離される。サンプルホールド
回路３ＡばＹ信号を分離する。ただし、￥３３個は２画
素期間ボールドされる。サンプルホールド回路３Ａの出
力電圧を１画素期間ごとにサンプリングする事は可能で
ある。ＹｌとＹ３３個によって作られた平均値信号によ
って欠落したＹ信号を作る事は可能である。

サンプルホールド回路３　ＢばＲ信号を分離する。

そして、分離されたＲ信号は１■遅延回路４Ａによって
遅延され、加算回路５Ａによって元のＲ信号に加算され
る。サンプルホールド回路３ｃと１１１遅延回路４　Ｂ
と加算回路５Ｂは同じ動作によってＢ信号を合成する。

図４は図２の色画素配置を持つＭＯ８形単板カラーセン
サの１実施例平面図を表わす。宵（Ｂ）セル９Ｘと輝度
セル９Ｙと赤（几）セル９ｚは酸化物分離領域６によっ
てお互いに分離されている。−信号電圧を垂直方向に伝
達する垂直信号線１０は酸化物領域６上に垂直方向に配
線される。光セル９（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と垂直信号線１０は
ＭＯ８垂直スイッチ７によって接続される。

Ｍｉ０８垂直ス垂直スイッチ−ト電極は酸化物領域６上
に水平方向に配線される垂直走査線１１に接続される。

垂直信号線１０は酸化物領域６と垂直スイッチ７によっ
て分離されたＮ＋ドレン領域８に接続される。輝度セル
９Ｙの上にシアンフィルタＯＹと黄フィルタＹｅが配置
される。シアンフィルタＯｙは宵（Ｂ）フィルタの近く
に配置され、黄フィルタＹｅは赤（Ｒ）フィルタの近く
に配置される。黄フィルタｙｅとシアンフィルタＣＹの
面積は隣接する色画素から混入する光または信号電荷の
Ｒ成分とＢ成分の量に応じて変化する。黄フィルタｙｅ
とシアンフィルタＣＹの重なる第１色画素９Ｙの部分感
光領域は緑フイルタ領域になる。

ＹｅフィルタとＯＹフィルタが重ならない事は可能であ
る。青画素Ｂの有効感光面積は赤画素Ｂの有効感光面積
よシ広く設計される。Ｒ画素が蓄積する最大信号電荷量
Ｑｓｍａｘを増加するために、ボロン等の不純物を露出
する光セル領域に注入し、各画素の接合容量を増加する
事は可能である。

【図面の簡単な説明】

図１と図２は本発明の単板カラーセンサの色画素配置図
である。図３は図２の色画素配置を持つ単板カラーセン
サの色信号分離回路である。図４は図２の色画素配置を
持つＭＯ８形単板カラーセンサの１実施例平面図である
。 ＼・、ｃ工二′二ノ １ｉＪ／ ）刀　乙

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）０行列状に配置された８種類の色画素を備え、各
   色画素は感光素子とその上に配置された色フィルタを備
   え、各色画素はそれぞれ異なる分光感度を持つ単板カラ
   ー固体撮像装置において、輝度信号、または白色信号、
   または緑色成分を多く含む信号を発生する第１色画素は
   全画素の６５％以上配置される事を特徴とする単板カラ
   ー固体撮像装置。 （２）、各水平行において、第２色画素または第８色ρ
   １１素の曲に２個または８個の第１色画素が配置される
   事を特徴とする第１項記載の単板カラー固体撮像装置。 （３）、少くとも２椋類の色フィルりを持つ第１色ＩＬ
   ｉ＋１素は輝度（Ｙ）信号に近い分光感度を持つ事を特
   徴とする第１項記載の単板カラー固体撮像装置。 （４）、第１色画素の上に配置される第１色フィルタま
   たは第２色フィルタの面積は第１色画素に隣接する色画
   素の種類によって調節される事を特徴とする第８項記載
   の単板カラー固体撮像装置。 （５）、第１色画素の上に配置されるＲまたはＹｅフィ
   ルタは第３色画素から離れて配置され、第８色画素の上
   にＢまたはＣｙフィルタが配置される事を特徴とする第
   ３項記載の単板カラー固体撮像装置。 （６）、第１色画素上にＹｅフィルタとＣｙフイμ（７
   ）０行列状に配置された複数種類の色画素を備え、各色
   画素は感光素子とその上に配置された色フィルタを備え
   、各色画素はそれぞれ異なる分光感度を持つ単板カラー
   固体撮像装置において、青色成分をよシ多く含む信号を
   発生する第２色画素は残シの色画素の１部または全部よ
   ルも広い感光素子面積を持つ事を特徴とする特許カラー
   固体撮像装置。 （ｇ）、ｍ光素子はＭＩＤ）ランジスタのソース領域で
   あり、異なる行に配置される２個の感光素子の信号電荷
   は異なるＭＩＳゲート電極によって、共通のドレン領域
   に電気的に接続され、上記の共通のドレン領域に電気的
   に接続される２個のソース領域は異なる面積を持ち、よ
   り広いソース領域は責色成分をよシ多く含む信号を発生
   する第２色画素を構成する事を特徴とする第７項記載の
   単板カラー固体撮像装置。 （９）、上記の感光素子は半導体基板上に配置される光
   導電膜であシ、光導電膜の上側に光透過性電極が配置さ
   れ、光導電膜の下に感光素子の有効面積を指定する第１
   電極が配置され、上記の第１電極と垂直信号伝達手段は
   ＭＩＳスイッチによって接続され、もつとも多量の青色
   光を含む色光を受は取る感光素子の第１電極は他の第１
   電極の１部または全部よシも広い有効面積を持つ事を特
   徴とする第７項記載の単板カラー固体撮像装置。 −１と