JPS63136563A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、固体撮像装置に係り、特に高解像度の固体撮
像装置に関する。

（従来の技術） 第７図はインクライン転送方式ＣＯＤを用いた従来の固
体撮像装置の平面図、第８図は第７図の■−■線に沿う
縦断側面図、第９図は第７図の■−■線に沿う縦断側面
図である。

これらの図において、１は例えばｐ形の半導体基板であ
り、その表面にｎ形層から成る感光画素２を行方向（水
平方向）に配列した感光素子行が列方向（垂直方向）に
必要な走査線数だけ配列されている。これらの感光画素
２はｐ＋形領領域ら成るチャネルストッパ７により互い
に仕切られている。各感光画素列にはこれと平行に転送
チャネル９が設けられ、この転送チャネル９の上方には
絶縁膜６を介して転送電極１０．１４が形成されている
。この転送電極１０．１４によって、各感光画素２に蓄
積された信号電荷が障壁部１４を通過して転送チャンネ
ル９に読み出され、また転送チャネル９内を垂直方向へ
転送される。これら転送チャネル９、転送電極１０．１
４は第１図では総括して列方向レジスタ３として図示し
である。

各列方向レジスタ３の前端は行方向レジスタ４に接続さ
れている。これらレジスタの上方は光遮蔽膜１１で覆わ
れ、この光遮蔽膜１１の開口部８を通して感光画素２に
のみ光が入射するようになっている。これら開口部８に
は透明膜１３が形成されており、それらの上方には例え
ば赤、緑又は青の光を透過する色フィルタ１２が設けら
れている。

第１０．１１図はかかる従来の撮像装置における色フィ
ルタの配列パターン例を示す。ここで、Ｒ，Ｇ、　　Ｂ
はそれぞれ赤、緑、青の色フィルタを示す。

このように構成された固体撮像装置の動作を次に説明す
る。

各色フィルタを透過した入射光により各感光画素２に信
号電荷が発生しかつ蓄積される。各感光素子行に列方向
の順に番号を付した場合、インタレース方式では、奇数
フィールド（又は偶数フィールド）の垂直ブランキング
期間に奇数番目（又は偶数番目）の感光画素行の全ての
感光画素２に対応する転送電極１０に読み出しパルスか
印加され、信号電荷が転送チャネル９（列方向レジスタ
３）へ読み出される。そして、水平走査期間毎に各列方
向レジスタ３の信号電荷が一行づつ行方向レジスタ４に
送り出され出力端子５から読み出される。

従って、第１０図のような色フィルタ配列を用いた場合
、ある水平走査期間の出力信号がＧ−Ｒ配列に対応する
ものであれば、次の走査期間の出力信号（インタレース
しているから２行先の画素行となる）はＧ−Ｂ配列に対
応したものとなる。

つまり、１本の走査線に対応する出力信号からは２色の
信号成分しか得られない。従って、１本分の出力信号か
らでは画像信号を得るには不充分である。そこで従来は
、連続して出力される２本分の出力信号から両者の垂直
相関を利用して、つまり前回の水平走査期間の出力信号
から足りない１色分の信号をもらってこれと現走査期間
の出力信号とから信号処理により１本の水平走査線の画
像信号（輝度信号と色信号）を得るようにしている。

また、より厳密な信号処理では、３本分の出力信号の相
関から１本分の画像信号を得ることも行なわれている。

一方、第１０図の色フィルタ配列の代りとして第１１図
のような配列も一般的に使用されている。

この場合には、信号の読み出し動作は上述と同様である
が、読み出し信号の処理が異なって来る。

即ち、第１１図の例では、１水平走査期間でＲｌＧ、　
　Ｂの３色の信号成分が得られるので、垂直相関を利用
せずに画像信号を得ることができる。

（発明が解決しようとする問題点） 高解像であることは固体撮像素子の最も重要な特性の１
つである。これは単位面積当りの感光画素数を多くする
ことで実現する。その場合、標準テレビ方式に例えば垂
直方向（列方向）の走査線数は決まっているから、１本
の走査線に１本の感光画素行を対応させている上述の従
来構成では列方向の画素数は一定値に決るので、水平方
向（行方向）の感光画素数を増やすことになる。こうし
て究極的には、独立した３色（例えば３原色）について
垂直方向と水・［方向の解像度が同じ限界値となるまで
行方向の感光画素数を増やすことになる。例えばＮＴＳ
Ｃ方式で列方向の感光画素数をＮ（および５００）とす
ると、行方向の感光画素数Ｎ１は４Ｎ／３　（およそ６
７０）となる。つまり、赤、緑、青の各色についてＮＸ
Ｍ個の感光画素をそれぞれ設ければ限界の解像度が得ら
れる。

しかしながら、第１０図の色フィルタ配列では、赤と青
の感光画素は列方向に交互に配列されているため、１本
の走査線に１行の感光画素を対応させている従来の構成
では、列方向の赤と青の感光画素数はＮ／２と半減して
しまい、垂直解像度を限界値まで上げることができない
。特にインクレースの場合は２画素ピッチ離れた２行の
垂直相関から画像信１号を得ているので、垂直解像度は
更に低下する。

一方、第１１図の色フィルタ配列では、列方向の感光画
素数は３色共Ｎ個であるから、行方向の感光画素数を３
Ｍまで増加させれば、垂直・水〒共に限界の解像度が得
られ、極めて高解像な画像信号が得られる。しかしこの
場合には次のような欠点がある。つまり、列方向の感光
画素ピッチをＰとすると、行方向の感光画素ピッチはＰ
／３となる。ところで、第７．８図に示すように、列方
向レジスタ３を覆う光遮蔽膜１１の行方向の幅ａはチャ
ネルストッパ７、転送チャネル９の幅で決まる。従って
１〜１．５μｍの設計ルールを使用しても、光遮蔽膜幅
ａは４〜５μｍが最小寸法となる。従って、例えば２ｘ
３インチイメージサイズ（８，８ｍ１ｌＸ６．　６ｎｏ
＋＋）とした場合、行方向に３Ｍ（およそ２０００）の
感光画素を配列すると行方向の感光画素ピッチはおよそ
４．４μｍとなり、そこには開口部８をつくる余裕が殆
んど無くなってしまう。つまり感度が極めて小さくなっ
てしまう。

従って本発明の目的は、上記の如き欠点を除去し、高解
像でしかも感度も大きい固体撮像素子を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、半導体基板上に行方向に感光画素を配列した
感光画素行を行方向と直交する列方向に複数行配列した
ものを１組として、この感光画素行の組を列方向に必要
な走査線数配列し、これら感光画素行の各組の感光画素
上に少くとも３色の色フィルタを規則的に配列し、これ
ら感光画素行の組毎に信号電荷を読み出して、読み出し
た感光画素行の１組の信号電荷から１本の走査線の画素
信号を得るようにしたものである。

（作　用） １本の走査線に対して複数の感光画素から成る感光画素
行の組を割当てて、この感光画素行の組の各々に少くと
も３色の色フィルタを配列しているため、フィルタの各
色のそれぞれについて感光画素を列方向にＮ個配列して
いることになり、限界の垂直解像度を得ることができる
。この場合、列方向の画素密度は複数倍になるので画素
間ピッチが縮まり感度が低下する可能性があるが、素子
のサイズに応じて１本の走査線に割当てる感光画素行の
数を制限すれば（例えば２行）感度低下は問題とならな
い。

また、行方向についても、複数色のフィルタを配列する
のに罠数行が使えるため、第１１図の従来例のように３
色を一行に配列しなくても済むので、感光画素数を大幅
に増加させなくても例えば２ｘ１個或いはＭ個の感光画
素数で限界の水平解像度を実現することができる。従っ
て、水平方向についても画素間ピッチの短縮による感度
低下を防止することかできる。

（実施例） 以ド実施例により説明する。

第１図は本発明の一実施例の平面図、第２図は第１図の
部分拡大図、第３図は第２図の■・■線に沿う縦断側面
図、第４図は第２図のＩＶ−ＩＶ線に沿う縦断側面図で
ある。

これらの図において、ｐ形半導体基板２０．感光画素２
１ａ、２１ｂ・・・、列方向レジスタ２２、行方向レジ
スタ２３ａ、２３ｂ、出力端子２４ａ。

２４ｂ１転送電極２５ａ、２５ｂ・・・、転送チャネル
２６、チャネルストッパ２７、障壁部２８、絶縁膜２９
、透明膜３０、光遮蔽膜３１、色フィルタ３２は基本的
には第７〜９図の対応する部分とほぼ同じ構成である。

従来例と異なる点は、感光画素２１ａ、２１ｂ・・・が
列方向に必要な走査線本数の２倍の数だけ配列され、画
素間ピンチは従来の１／２になっていること、連続配列
された２行の感光画素行を１本の走査線に対応させるた
めに、１走査期間にこの２行の信号電荷を一組として読
み出せるように転送電極２５ａ、２５ｂ・・・にパルス
電圧が印加されること（パルス電圧制御回路は図示省略
）、こうして−組として読み出された２行の信号を同時
に出力して１走査線の画像信号に合成するために（信号
合成回路は図示省略）、２本の行方向レジスタ２３ａ、
２３ｂが設けられていること、及び色フィルタ３２は第
５図又は第６図に示すように一親とされた２行の感光画
素行の各組中に赤、緑、青の３色が一定の規則で配列さ
れていることである。

このように構成された本実施例の動作を次に説明する。

インクレース動作の場合、奇数フィールドでは例えば感
光画素２１−ａ、２１ｂの２行を同時に読み出した後、
次の画素２１ｃ、２１ｄの２行を除外し、その次の２行
（図示省略）を読み出す。偶数フィールドでは、感光画
素２１ｃ、２１ｄの２行を同時に読み出すことになる。

具体的には、垂直ブランキング期間にまず転送電極２５
ｃに読出しパルス（高い正電圧）を印１）□して、感光
画素２１ｂの信号電荷を転送電極２５ｃ、２５ｄ下に転
送した後、列方向レジスタに１周期の４柑クロツクパル
スを印加し、信号電荷を転送電極２５ｇ、２５．ｈまで
転送し保持する。

次いで転送電極２５ａに読出しパルスを印加して感光画
素２１ａの信号電荷を転送電極２５ａ。

２５ｂ下に転送する。同様な動作は各感光画素で行なわ
れ、２行を１組にして、１組おきの感光画素行の信号電
荷が列方向レジスタに転送されることになる。

次に水平ブランキング期間には、列方向レジスタに２周
期分の４相クロツクパルスを印加して、２行分の信号電
荷をそれぞれ行方向レジスタ２３ａと２３ｂに転送する
。次いで行方向レジスタ２３ａ、２３ｂにクロックパル
スを印加して、２行分の信号電荷を出力端子２４ａ、２
４ｂから電圧信号に変換して取り出す。以下同様の動作
で列方向レジスタの信号電荷を順次読み出す。

次の垂直ブランキング期間では、感光画素２１ｄ１次い
で感光画素２１Ｃに読み出しパルスを印加して前と同じ
ように動作させる。

こうした動作により１走査線に対して１行のＧ信号と１
行のＢ／Ｒ信号とが出力されるので、従来のような２走
査線間の垂直相関を使わずに１本の走査線内でカラー画
像信号を得ることができる。

従って、垂直方向には限界解像度が得られる。

水平方向については、画素数を２Ｍとすれば垂直方向と
同一の限界解像度が得られる。この場合、画素間ピッチ
はＰ／２となるので、例えば２／３インチイメージサイ
ズでは行方向の感光画素間ピッチは６．６μｍとなる。

従って光遮蔽膜幅を４〜５μｍとした場合、その開口の
幅つまり感光画素の幅は１．６〜２．６μｍは確保でき
る。また、垂直方向についても画素間ピッチは６．６μ
ｍとなるが、垂直方向の光遮蔽膜幅は第４図から分かる
ように水平方向より狭く２〜３μｍは容易にできるので
、３．６〜４，６μｍの開口幅が実現できる。このよう
に、従来と同様の設計ルールを用いても十分な広さの開
口部が確保できるので、画素密度の増加に伴う感度低下
という問題はあまり生じない。

尚、上述の実施例ではインクレース動作の場合を説明し
たが、ノンインタレース動作の場合も本発明が適用でき
ることは勿論である。

また、色フィルタ配列は補色系でもよい。いずれにしろ
、感光画素行の１組の中に、少くとも３個の独立な色が
配列されていればよい。その場合にこの３個の独立色が
水平方向に２画素ピッチ以下で配列されていることが、
水平方向の画素数を２Ｍ以下とすることができるので望
ましい。

上述の実施例では２行の感光画素行を１走査線に対応さ
せたが、３行以上とすることも原理的には可能である。

しかしあまり多くなると垂直方向の集積度が高くなりす
ぎ感度低下につながるため、イメージサイズを考慮して
適当な行数とすべきである。この観点から、実施例の２
行は最も現実的であると考えられる。

インクレース動作では、各感光画素の積分期間は２フイ
ールドと長くなるので、いわゆるフレーム残像が目立っ
てしまう。そのため、垂直ブランキング期間で奇数フィ
ルールドの読出しに行うに先立って、偶数フィールドの
感光画素の信号電荷を列方向レジスタに転送し、かつ高
周波数の４相クロツクパルスを列方向レジスタに印加し
て、行方向レジスタを経由するか、又は列方向レジスタ
の一方の端に設けた信号排出手段（図示省略）を経由し
て、この信号電荷の排出を行ない、その後に奇数フィー
ルドの信号電荷を前述した通常の方法で読み出す。次の
偶数フィールドの読み出しにおいても、これに先立って
奇数フィールドの感光画素の信号を垂直ブランキング期
間に排出する。

こうすることにより、積分期間は１フイ一ルド期間とな
り、残像がとれるという利点が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、複数の感光画素
行を１組として、この感光画素行の１組の信号電荷から
１走査線の画像信号を得るようにしているので、高解像
度が得られると共に感度も良好に保つことが可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る固体撮像装置の一実施例の平面図
、 第２図は第１図の一部拡大図、 第３図は第２図の■−■線に沿った縦断側面図、第４図
は第２図のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断側面図、第５図、
第６図は第１図の実施例に適用される色フイルタ配列例
を示す図、 第７図は従来の固体撮像装置の平面図、第８図は第７図
の■−■線に沿った縦断側面図、第９図は第７図のＩＸ
−ＩＸ線に沿った縦断側面図、第１０図、第１１図は第
７図の従来例に適用される色フイルタ配列例を示す図で
ある。 ２０・・・半導体基板、２１・・・感光画素、２２・・
・列方向レジスタ、２３・・・行方向レジスタ、２４・
・・出力端子、２５・・・転送電極、２６・・・転送チ
ャネル、２７・・・チャネルストッパ、２８・・・障壁
部、２９・・・絶縁膜、３０・・・透明膜、３１・・・
光遮蔽膜、３２・・・色フィルタ。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第　１　図 第２図 躬３図　　　　　　　第４図 も５　図　　　　　　　第６図 第８図　　　　　　　男９図 第１０閉　　　　　　第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板と、 この基板上に入射光に応答して信号電荷の発生蓄積を行
   なう感光画素を行方向に配列した感光画素行を行方向と
   直交する列方向に複数行配列したものを１組として、こ
   の感光画素行の組を列方向に必要な走査線数配列して成
   る受光部と、この受光部の信号電荷を前記感光画素行の
   組毎に読み出す信号読出し手段と、 この信号読出し手段から出力される前記感光画素行の１
   組の信号から１本の走査線に対応する画像信号を得る信
   号処理手段と、 前記感光画素行の各組において、感光画素上に規則的に
   配列された少くとも３種の異る分光透過特性を有する色
   フィルタと、 を有する固体撮像装置。 ２、前記感光画素行の組に列方向の順番に番号を付した
   場合、奇数フィールドの読み出し動作では奇数番の組の
   信号電荷を読み出し、偶数フィルールドの読み出し動作
   では偶数番の組の信号電荷を読み出す制御手段を有する
   特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。３、奇数フ
   ィールドの読み出し動作では偶数番の組の信号電荷を排
   出し、かつ偶数フィールドの読み出し動作では奇数番の
   組の信号電荷を排出する信号排出手段を有する特許請求
   の範囲第２項記載の固体撮像装置。