JPS5937629B2 - 固体撮像体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）を使用した固体撮像体で
、インタラインシフト方式を採るものの代表的な構成例
は第１図に示す通りである。

第１図はその原理的な説明図であつて、共通の半導体基
体１上にマトリックス状に配夕Ｉルた夫々１絵素として
構成される多数の受光部２と、水平走査方向における受
光部２の数即ち水平絵素数と同じ数だけ設けられた垂直
方向にのびる垂直シフトレジスタ３と、更に出力端子側
に蓄積キャリヤを転送させるための水平シフトレジスタ
４とから、この固体撮像体１０が構成される。この固体
撮像体１０から撮像出力を得るには、まず各受光部２で
蓄積された光情報に基づく少数キャリヤを一旦垂直ライ
ン毎に、垂直シフトレジスタ３に転送（パラレル転送）
し、次いで各垂直シフトレジスタ３により順次垂直方向
に転送（シリアル転送）すると共に、水平シフトレジス
タ４を通じてその蓄積キャリヤを１水平走査毎に読出す
。このようにすれば、水平シフトレジスタ４の出力端子
に目的の撮像出力を得ることができる。ここで、受光部
２の垂直列と垂直シフトレジスタ３とが交互に空間配置
されているから、この転送方式を一般にはインタライン
シフト（又はインタライントランスファ）方式と称する
ものである。

なお、第１図に示される複数の矢印はキャリヤ、の転送
方向を示すが、インタレース的な走査方式を採用する場
合では、破線矢印が或る偶数フィールドでの転送を示す
ことになる。依つて、奇数フィールドでは実線矢印のみ
転送される。本発明はこのようなインタライシフト方式
を採る固体撮像体に係り、垂直シフトレジスタにおける
電極の面積を大きくしてキャリヤの転送効率を従来より
も格段と向上せしめたものである。

即ち、本発明では垂直方向に配列されるべき絵素をｌ水
平走査に対応して１水平走査おきに設け、、空いている
その絵素領域を有効に利用して上述の本発明目的を達成
したものである。以下図面を参照して本発明による固体
撮像体を説明するも、第１図に示した固体撮像体におい
て、その水平走査方向に関して奇数番目の絵素を２ａと
し、偶数番目の絵素を２ｂとする。又、奇数番目の水平
走査線を５ａで、偶数番目のそれを５ｂで示そう。第２
図はこの発明の説明に供する固体撮像体１０の要部を全
体として示す。絵素は１水平走査おきに配される。この
例では偶数番目の水平走査線５ｂ上に位置すべき絵素を
設けないようにした場合であつて、従つてその平面的構
成は図の通りである。ところで、第２図中に一点鎖線で
示される領域はキヤリヤ蓄積用及びその転送用の電極及
びその領域を示すものである。

φａはキヤリヤ蓄積用電極、φＩは蓄積キヤリヤを各垂
直シフトレジスタ３″に移すためゲート領域６に設けら
れたゲート電極である。又、本例では２相クロツクでキ
ヤリヤ転送を行うようにした場合であるので、垂直シフ
トレジスタ３′に設けられる電極は２個（φ１，φ２）
で、その総数は垂直方向における絵素数の２倍である。
この例では上述した水平走査おきに省かれた絵素の形成
されるべき領域７までも、垂直シフトレジスタ３″の電
極φ１（又はφ２）が延長され、電極部の面積拡大が図
られる。

それがため、シフトレジスタ３′は図のように左右に蛇
行した蛇行パターンとなされる。このように構成された
固体撮像体１０の横断面図及び縦断面図は第３図及び第
４図に示す通りである。

本例では半導体基体１としてＮ型のものが使用され、そ
の上面１ａの所望とする個所にはＳｉＯ２等の絶縁層７
ａを介して上述した複数の電極が被着形成される。これ
は電荷結合素子ＣＣＤとしての構成を採るので目的の撮
像体１０となる。そして、半導体基体１内にはチヤンネ
ルストツパとなる領域８が形成され、この場合、第３図
からも明らかなように、左右に規則正しく蛇行したシフ
トレジスタざのパターンに溢つて、チャンネルストツパ
領域も蛇行パターンとなる。なお、領域８内に形成され
るオーバーフロードレイン領域９の導電型式は基体１の
それとは異るｐ＋型である。

又、この例ではこの領域９はチヤンネルストツパの領域
８に対し、非常に狭くなつているが、この領域８の大き
さに応じてオーバーフロードレイン領域９の巾及び形状
を選定しうるは勿論である。ところで、固体撮像体にお
けるキヤリヤの転送は界面準位によるトラツピングのた
め悪化するので、通常は電気的又は光学的に与えられた
フアツトゼロ（ＦａｔｚｅｒＯ）で転送効率を改善する
ようにしている。

従つて、このフアツトゼロと相俟つて垂直シフトレジス
タ３′の電極面積を拡大すれば、上述した界面準位によ
る少数キヤリヤのトラツピングの影響が更に小さくなり
転送効率を一層向上せしめることができる。即ち、転送
効率の善し悪しを定める１つの目安は垂直シフトレジス
タ３′の面積Ｓとフアツトゼロによつてもカバーできな
いキャリアトラッピングに供する辺の長さｌとの比であ
る。

ここで、トラツピングに供する辺（エツジ）の長さとは
、転送用の電極によつて形成される空乏層の境界面のう
ち、フアツトゼロによつて覆われない境界面を構成する
辺の長さを指し、依つて、第５図の矢印のように転送方
向を選ぶと、この転送方向に直交する境界面９ａ，９ｂ
はフアツトゼロ及び信号キヤリャの転送にて覆われるか
ら、これ以外の境界面における辺（斜線重畳部）の長さ
が問題になる。依つて、この辺の長さｌに比し、面積Ｓ
の方が大きければ即ちＳ／ｌが大であれば、この境界面
におけるトラツピングの影響が小さくなり、結果的に転
速効率を向上せしめることができる。従つて、電極面積
を拡大すれば転送効率の向上を容易に図られるは明らか
であろう。具体的な数値は後述するとして、従来に比し
２０〜５０％程度の向上が認められる。なお、第２図に
示した固体撮像体の例は１Ｈおきの水平走査線上に対応
する絵素２を省略して構成した場合で、この固体撮像体
１０から撮像出力を得るにあつてはその回路系を第６図
で示すように構成すればよい。

図において、２１は被写体、２２は光学レンズ系、２３
は１Ｈの遅延回路、２４は１Ｈ毎に反転するスイツチで
、奇数番目の水平走査線５ａ上の光情報を出力として読
出すときには常に実線図示のように切換えられる。従つ
て、偶数番目の光情報は１Ｈ前の情報を、そのときの情
報として読出すようにしている。通常は垂直相関がある
ので、このような信号処理を施しても画像は殆んど劣化
しない。但し、従来の水平走査方向における絵素数の％
程度にその絵素数を選ぶならば十分満足しうる画質を得
ることができる。カラー像を取扱う場合の一例を第７図
において説明するも、本例では上述した構成の固体撮像
体が３個使用され、夫々の前面にはＲ．Ｇ．Ｂの単色フ
イルタ２５Ｒ〜２５Ｂが配され、被写体２１の所望とし
た色分解像がこれら固体撮像体１０Ｒ〜１０Ｂで撮像さ
れる。

なお、２６ａ，２６ｂはハーフミラー、２７ａ，２７ｂ
はミラーである。色分解像と固体撮像体１０Ｒ〜１０Ｂ
との相対的位置関係は夫々に関して＋τＨ（τＨは水平
走査方向における絵素の配列ピツチである）だけ水平走
査方向にずれるように選ばれ、従つて位相的には１２０
０の位相差をもつて色分解像が投影される。夫々の固体
撮像体１０Ｒ〜１０Ｂから得られる撮像出力は１Ｈずつ
順次交互に読出され、これらは加算器２８及び第６図に
示した信号処理回路４０を通じてカツトオフ周波数が２
ＭＨｚ程度のローパスフイルタ２９に供給される。

フイルタ２９を介在させるのは後述する構成と相俟つて
垂直方向の解像度を劣化されないようにするためで、解
像度に影響を及ぼす低域成分は信号処理しないように構
成している。フイルタ出力は帯域の制限されない合成出
力と共に減算器３０に供給され、高域成分のみ取出した
のち、１Ｈだけ遅延させ（３１はその遅延回路を示す）
、そののち上述した合成出力と共に加算器３２に加えら
れる。

従つて、この加算出力には演算処理系を通さない低域成
分が含まれることになるが、以上のようにして得た加算
出力は５．０ＭＨｚのカツトオフ周波数になされたロー
パスフイルタ３３に供給され、変調成分（直流成分）が
取出される。一方、この加算出力はバンドパスフイルタ
３４を通じたのち所望の復調軸（検波軸）をもつた復調
器３５Ａ，３５Ｂに供給され、色成分が復調さＧｔｌ：
５れる。

例えば、復調器３５ＡよりＲ−？なる成分を、他方の復
調器３５ＢよりＧ−Ｂなる成分を夫々復調できるから、
これら成分と先に説明した変調成分とを後段のマトリツ
クス回路３６に供給することにより、夫々の端子３６ａ
〜３６ｃから所望とする例えばＮＴＳＣ方式の輝度信号
Ｙ及び色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙを得ることができるもの
である。この発明では以上説明したような電極面積の拡
大の考えを、絵素が市松パターン状に配列された固体撮
像体に応用したものであり、第８図に示す例は市松パタ
ーンで、かつインターレースを考慮した固体撮像体にこ
の発明を適用した場合である。

従つて、隣り合う水平走査区間における絵素を１組とし
、これら組の絵素が１つおきに配されて固体撮像体１０
が構成されるものである。第８図にこれら関係を拡大し
て示すも、この構成においてはオーバーフロードレイン
領域９も図のようなジグザグパターンとなされる。第９
図以下は本発明の他の例を示すが、これら変形例はとも
に、インタレース方式を踏襲した場合の例である。

これら変形例の基本的構成は第９図に示すように垂直シ
フトレジスタ３′の両側に絵素が交互に配され、これら
２本の絵素例の光情報を１本の垂直シフトレジスタ３′
で転送するようにしたもので、上述の本発明構成に基づ
く効果と相俟つて、垂直シフトレジスタ３′の本数の逓
減を図ることにより斯種固体撮像体の構成を簡略化し、
もつてその製造を容易にする効果をも得ようとするもの
である。従つて、第９図で示すように、オーバーフロー
ドレイン領域９で囲まれる領域１１が水平走査方向にお
ける単位領域となされ、この単位領域１１内には共用の
シフトレジスタ３′と、２本の絵素列とが設けられてい
る。

従つて、第１０図及び第１１図に夫々示す実施例はこの
基本思想をも導入した具体的な固体撮像体の構成を示し
、この場合、レジスタ用の転送電極φ１，φ２の形成領
域を図のように絵素のない部分まで突出させれば、第２
図の場合よりも＝層電極面積の拡大が図れる。

以上説明したように、本発明では市松パターン状に絵素
が配列された固体撮像体において、絵素のない部分の電
極部分をこの絵素のない部分まで張り出す如く形成して
、シフトレジスタの電極面積を第２図に示す場合よりも
さらに拡大したから、キャリヤの転送効率を従来よりも
格段と向上しうる大きな特徴を有する。

即ち、第２図以下に例を挙げけ各種の変形例を採ること
によつて、従来に比し２０〜５０％程度向上できるもの
である。説明を容易にするため、従来例と、第１０図に
示す変形例とを比較してみる。即ち、第１２図Ａに示す
従来の場合ではＳ／ｌ−４．５であるのに対し本例では
１＝１１＋１２＋１３＋１４＝４４（μｍ）に対し、Ｓ
は２９７（μｍ）となるので、Ｓ／ｌ−６．８となり、
５０％程度の転送効率の向上を図りうることが判る。な
お、この電極面積の拡大に伴つて、取扱いうるキヤリヤ
も増加するので、雑音の軽減を図りうる効果がある。

又、第９図以下に示してあるように垂直シフトレジスタ
ざの両側に絵素を配すると共に、垂直方向に関してこの
絵素を交互に配列するように構成すれば、原理的には水
平方向の絵素数の％に垂直シフトレジスタの数を減少さ
せうると共に、水平方向の絵素数そのものも、従来に比
べ％にすることができる。

この場合、垂直相関を利用して信号処理すれば画質の劣
化は殆んどない。又、現在のテレビジヨン画像と同等の
画質を得るには％程度の絵素数とそれに伴う垂直シフト
レジスタを用いればよい。例えば、水平の絵素数を２８
０個程度とすれば十分な解像度が得られる。依つて、垂
直シフトレジスタざの本数は１４０本程度の固体撮像体
１０とすればよい。このように、第９図以下に示す構成
も加えれば固体撮像体そのものの製造が容易となる実用
上の効果を併せて有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像体の→ｕを示す平面図、第２図
は本発明の説明に供する固体撮像体の一例を示す平面図
、第３図はその横断面図、第４図は同様にその縦断面図
、第５図は垂直シフトレジスタの拡大平面図、第６図は
この固体撮像体を使用した場合の白黒像における信号処
理の一例を示す系統図、第７図はカラー像における系統
図、第８図乃至第１１図は夫々本発明の一例を示す平面
図、第１２図は本発明による固体撮像体の効果の一例を
説明するための図である。 １０は固体撮像体、２｛２ａ，２ｂ｝は絵素、３，３′
は垂直の、４は水平の各シフトレジスタ、９はオーバー
フロードレイン、１１は単位領域、６はゲート領域、８
はチヤンネルストツパ、φ，，φ２は転送電極、φＩ，
φはゲート電極、φＡ，φｂは蓄積電極、２１は被写体
、２５Ｒ〜２５Ｂはフイルタである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 垂直方向に延長されて形成される平行した複数のシ
   フトレジスタに隣接して市松パターンとなる如く所定の
   ピッチで配列された複数の絵素を有する固体撮像体にお
   いて、夫々の絵素を、ゲート領域を介して隣接したシフ
   トレジスタと結合すると共に、上記シフトレジスタの電
   極部分のうち、上記市松パターン状に配列された絵素の
   ない部分の電極部分をこの絵素のない部分まで張り出す
   如く形成して、電極面積Ｓとキャリアトラッピングに供
   する電極の辺の長さｌとの比Ｓ／ｌの大きいシフトレジ
   スタを形成するようにしたことを特徴とする電荷転送素
   子を有する固体撮像体。