JPH0515309B2 - - Google Patents

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図はインタライン転送方式CCD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⁺形領域から
成るチヤネルストツパ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ヤネ
ル９が設けられ、この転送チヤネル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によつて、各感
光画素２に蓄積された信号電荷が障壁部１４を通
過して転送チヤネル９に読み出され、また転送チ
ヤネル９内を垂直方向へ転送される。これら転送
チヤネル９、転送電極１０，１４は第１図では総
括して列方向レジスタ３として図示してある。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つて
いる。これら開口部８には透明膜１３が形成され
ており、これらの上方には例えば赤、緑又は青の
光を透過する色フイルタ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
る色フイ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、青の色フイルタを
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。

各色フイ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、奇数フイールド（又は偶数フイ
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に読み出しパルスが印加さ
れ、信号電荷が転送チヤネル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。

従つて、第１０図のような色フイルタ配列を用
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。従つて、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
色分の信号をもらつ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図の色フイ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つて来
る。即ち、第１１図の例では、１水平走査期間で
Ｒ，Ｇ，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
数は決まつているから、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造では列
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平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NTSC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Ｍは
4N／３（およそ670）となる。つまり、赤、緑、
青の各色についてＮ×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図の色フイルタ配列で
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
タレースの場合は２画素ピツチ離れた２行の垂直
相関から画像信号を得ているので、垂直解像度は
更に低下する。

一方、第１１図の色フイルタ配列では、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3Mまで増加させれば、垂直・水平
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ツチを
Ｐとすると、行方向の感光画素ピツチは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
はチヤネルストツパ７、転送チヤネル９の幅で決
まる。従つて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。
従つて、例えば2/3インチイメージサイズ（8.8mm
×6.6mm）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ツチ
はおよそ4.4μmとなり、そこには開口部８をつく
る余裕が殆ど無くなつてしまう。つまり感度が極
めて小さくなつてしまう。

従つて本発明の目的は、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なくとも３色
の色フイ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
像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色の色フイルタを配列してい
るため、フイ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ツ
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、複数色のフイルタを
配列するのに複数行が使えるため、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
2M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。従つて、水平方向に
ついても画素間ピツチの短縮による感度低下を防
止することができる。

（実施例） 以下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−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２１ａ，２１ｂ……、列方向レジスタ２
２、行方向レジスタ２３ａ，２３ｂ、出力端子２
４ａ，２４ｂ、転送電極２５ａ，２５ｂ……、転
送チヤネル２６、チヤネルストツパ２７、障壁部
２８、絶縁膜２９、透明膜３０、光遮蔽膜３１、
色フイルタ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
ツチは従来の1/2になつていること、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，２５
ｂ……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）、こうして一組として読
み出された２行の信号を同時に出力して一走査線
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、及び色フイルタ３２は第
５図又は第６図に示すように一組とされた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。

インタレース動作の場合、奇数フイールドでは
例えば感光画素２１ａ，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
数フイールドでは、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２５ｃに読出しパルス（高い正電圧）を印加
して、感光画素２１ｂの信号電荷を転送電極２５
ｃ，２５ｄ下に転送した後、列方向レジスタに１
周期の４相クロツクパルスを印加し、信号電荷を
転送電極２５ｇ，２５ｈ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，２５
ｂ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２３
ａと２３ｂに転送する。次いで行方向レジスタ２
３ａ，２３ｂにクロツクパルスを印加して、２行
分の信号電荷を出力端子２４ａ，２４ｂ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２１
ｄ、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。従つて、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、画素間ピツチは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
ピツチは6.6μmとなる。従つて光遮蔽膜幅を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
ついても画素間ピツチは6.6μm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タレース動作の場合
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、色フイ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画素ピツチ以
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。

インタレース動作では、各感光画素の積分期間
は２フイールド長くなるので、いわゆるフレーム
残像が目立つてしまう。そのため、垂直ブランキ
ング期間で奇数フイルールドの読出しに行うに先
立つて、偶数フイ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
奇数フイールド信号電荷を前述した通常の方法で
読み出す。次の偶数フイールドの読み出しにおい
ても、これに先立つて奇数フイールドの感光画素
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フイールド期間と
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−線に沿つた縦断側面図、第４図
は第２図の−線に沿つた縦断側面図、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−線に沿つた
縦断側面図、第９図は第７図の−線に沿つた
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……
転送チヤネル、２７……チヤネルストツパ、２８
……障壁部、２９……絶縁膜、３０……透明膜、
３１……光遮蔽膜、３２……色フイルタ。

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、 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なくとも３種の異る分光透
   過特性を有する色フイルタと、 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、奇数フイ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、偶数フイールド
   の読み出し動作では偶数番の組の信号電荷を読み
   出し、かつ各感光画素の信号電荷を独立に外部に
   画像信号として取出す信号読出手段と、 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組の画像信号から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、 を有する固体撮像装置。 ２ 奇数フイ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、かつ偶数フイールドの読
   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１項記載
   の固体撮像装置。