JP2001057419A - 固体撮像素子及びその制御方法 - Google Patents
固体撮像素子及びその制御方法Info
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- JP2001057419A JP2001057419A JP11231999A JP23199999A JP2001057419A JP 2001057419 A JP2001057419 A JP 2001057419A JP 11231999 A JP11231999 A JP 11231999A JP 23199999 A JP23199999 A JP 23199999A JP 2001057419 A JP2001057419 A JP 2001057419A
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Abstract
する。 【解決手段】 二次元平面1上に、垂直方向に整列配置
された複数の第1の画素群P1と、第1の画素列P1に
対して水平方向及び垂直方向に1/2画素づつずれて垂
直方向に整列配置された複数の第2の画素列P2と、垂
直方向に整列する第1の画素列P1と第2の画素列P2
のうち水平方向に隣接する2本の画素列を一組としてそ
れらの間を蛇行しつつ垂直方向に延びる各1本の複数の
垂直電荷転送路5と、複数の垂直電荷転送路5の下端に
設けられ、垂直転送路5より転送された電荷を受けてこ
れを水平方向に転送する水平電荷転送路7とを含む。
Description
し、より詳細には、隣接する画素が垂直方向及び水平方
向に1/2ピッチずれて配置された画素ずらし固体撮像
素子及びその制御方法に関する。
るためのCCD固体撮像素子において、画素の高密度化
が望まれている。
D固体撮像素子の平面図である。
導体基板101上に形成されている。
電荷転送路107、出力アンプ111が半導体基板10
1上に形成され、全体として一つのCCD固体撮像素子
Xを構成する。複数の画素103が半導体基板101上
において、垂直方向及び水平方向に整列配置されてい
る。
換素子)103aと読み出しゲート(トランスファーゲ
ート)103bを含む。フォトダイオード103aは、
受光した光を電荷に変換して蓄積する。トランスファー
ゲート103bは、フォトダイオード103aに蓄積さ
れている電荷を垂直電荷転送路105に読み出す。
方向に整列して配置された各画素列P11、P11、P
11の間には、1画素列P11に対応して各1本の垂直
電荷転送路105が配置されている。垂直電荷転送路1
05は、例えば半導体基板101に形成されたn型導電
層である。垂直電荷転送路105の下端には、水平電荷
転送路107が設けられている。
1中にn型導電層108と、半導体基板1上に形成され
る2層のポリシリコン(1ポリ、2ポリ)からなる水平
電荷転送電極121とを主要構成要素とする。
い高濃度領域108aと、n型不純物度の低い低濃度領
域108bとが交互に設けられている。高濃度領域10
8aは、ポテンシャルエネルギーの低いポテンシャルウ
ェルを形成する。低濃度領域108bは、ポテンシャル
エネルギーの高いポテンシャルバリアを形成する。ポテ
ンシャルバリアとポテンシャルウェルとが水平方向に交
互に並ぶ。1つのポテンシャルバリアと1つのポテンシ
ャルウェルとを1組とし、この1組が連続して2回繰り
返された構造により、電荷の1転送単位(以下「1パケ
ット」という。)を形成する。パケットが水平方向に多
数形成されている。
ル)上に第一層目のポリシリコン電極(水平転送電極1
21−1、121−3、121−5、・・・)が、高濃
度領域108b(ポテンシャルバリア)上に第二層目の
ポリシリコン電極(水平転送電極121−0、121−
2、121−4、121−6、・・・)が形成されてい
る。
送電極121−1とが接続されて電圧波形φ1が印加さ
れている。水平転送電極121−2と水平転送電極12
1−3とが接続されて電圧波形φ2が印加される。同様
に、水平転送電極121−4と水平転送電極121−5
とが接続されて電圧φ1が印加される。
5上には、行方向に並ぶ画素の隙間に、例えば垂直電荷
転送電極115−1と垂直電荷転送電極115−2との
2本の垂直電荷転送電極115が設けられている。
2、115−3、115−4に対して、V1からV4ま
での電圧波形が印加される。垂直転送電極115−5か
ら115−8まで、垂直転送電極115−9から15−
112までについても同様にV1からV4までの電圧波
形が印加される。電圧波形V1からV4は、例えば垂直
電荷転送路中にポテンシャルバリアを形成する場合に0
V、電荷転送用ポテンシャルウェルを形成する場合に8
V、画素から電荷を読み出す場合に15Vに設定され
る。
107の各パケットごとに1本づつの割合でポテンシャ
ルウェルが形成されている領域と電気的に接続されてい
る。
固体撮像素子の動作を説明する。
全画素のフォトダイオード103aに蓄積されている電
荷は、トランスファーゲート103bを介して垂直電荷
転送路105に読み出される。
電圧、例えば8Vの電圧を印加し、垂直転送電極115
−2にも8Vの電圧を印加し、垂直転送電極115−3
にも8Vの電圧を印加する。垂直転送電極115−1の
電圧を0Vに戻し、垂直転送電極115−4に8Vの電
圧を印加する。この動作を繰り返すことにより、垂直電
荷転送路105中を4相駆動方式で水平電荷転送路の方
向に電荷を転送する。
例えば8Vとし、V4を0Vとすると、読み出された電
荷は、V1、V2、V3が印加される3つの垂直電荷転
送電極下に分布する。
電極下に閉じ込められる。V4を8Vにすると、電荷は
V2、V3、V4の電極下に拡がる。この動作を繰り返
すことにより、垂直電荷転送路5内を4相駆動方式で水
平電荷転送路に向かって電荷を転送する。
φ2を例えば8Vとすると、φ1の電極下の電荷は右側
のφ2の電極下に転送される。この時、φ1の電極下の
左側領域にはポテンシャルバリアが形成され、電荷の逆
流を防止する。
で水平電荷転送路107中において電荷を転送できる。
により、水平電荷転送路107中を電子がアンプ方向へ
転送される。
を読み出す。
方法で読み出す。全電荷を読み出した後、V2に読み出
しパルスを印加し、V2に接続された画素の電荷を読み
出す。同様にV3、V4に接続された画素の電荷を順次
読み出す。
は、例えば2相駆動方式により出力アンプ111まで転
送される。出力アンプ111により信号を増幅して外部
に画像情報として取り出す。
列することにより、二次元画像の信号を得ることができ
る。
に伴って、画素サイズ自体の微細化も必要となる。
は、1画素列P11に対して1本の垂直電荷転送路10
5が形成されている。1本の垂直電荷転送路105から
水平電荷転送路107まで転送された電荷を、水平方向
に隣接する2本の垂直電荷転送路105と接続された水
平電荷転送路107まで転送する間に、4つの水平転送
電極108a、108b、108a、108bが必要と
なる。
程度まで微細化する際に水平電荷転送電極121の微細
加工が難しくなる。加えて、画素103の微細化に伴
い、光電変換素子103a、例えばフォトダイオードの
面積が小さくなり蓄積信号電荷が減少するため、ダイナ
ミックレンジを大きくすることができない。
るに従って、1フレームの画像信号を読み出すための所
用時間は増大する。
のフレームレートは、NTSC(National T
elevision System Commite
e)方式の場合、1/30秒である。
を再生する場合には、画像信号を読み出すための所用時
間が増大しても特に問題とはならない。
用の表示素子の場合に、動画像をリアルタイムに表示す
る必要がある。動画像を表示する場合には、画素数の増
大に伴って上記のフレームレートに追従できなくなって
くる。画素数が100万画素を超えると、1/30秒の
間に全画素からの画像信号を読み出すことは困難にな
る。鮮明な画像が得られなくなる。
を緩くしつつ画素密度を高くできる固体撮像素子を提供
することにある。
ニター用の動画像を鮮明に表示できる固体撮像素子及び
その制御方法を提供することにある。
ば、二次元平面上に配列された複数の画素群であって、
各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで整列配置さ
れた複数の画素を含む第1の画素列と該第1の画素列に
対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1/2画素ず
れて整列配置された複数の画素を含む第2の画素列とを
含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣接する画素
群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1/2の位置
に配置されている複数の画素群と、水平方向に隣接する
画素群対の間に形成された第1の分離領域と、各画素群
の前記第1の画素列と前記第2の画素列との間を蛇行し
つつ垂直方向に延びる1本の垂直電荷転送路と、前記第
1の画素列に含まれ行方向に整列する一の画素行に含ま
れる画素と、前記第2の画素列に含まれ前記一画素行と
垂直方向に隣接し行方向に整列する二の画素行に含まれ
る画素との間に形成され水平方向に延びる複数の垂直電
荷転送電極と、該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣
接する8本ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂
直電荷転送電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、複
数の前記垂直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷
転送路から転送された電荷を受けてこれを水平方向に転
送する水平電荷転送路と、該水平電荷転送路の一端に形
成され該水平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読
み出す出力アンプとを含む固体撮像素子が提供される。
に配列された複数の画素群であって、各画素群は、垂直
方向に第1の画素ピッチで整列配置された複数の画素を
含む第1の画素列と該第1の画素列に対して垂直方向に
前記第1の画素ピッチの1/2画素ずれて整列配置され
た複数の画素を含む第2の画素列とを含み、第2の画素
列は、水平方向に関し、隣接する画素群の第1の画素列
間の第2の画素ピッチの1/2の位置に配置されている
複数の画素群と、水平方向に隣接する画素群対の間に形
成された第1の分離領域と、各画素群の前記第1の画素
列と前記第2の画素列との間を蛇行しつつ垂直方向に延
びる1本の垂直電荷転送路と、前記第1の画素列に含ま
れ、行方向に整列する一の画素行に含まれる画素と、前
記第2の画素列に含まれ、前記一画素行と垂直方向に隣
接し行方向に整列する二の画素行に含まれる画素との間
に形成され水平方向に延びる複数の垂直電荷転送電極
と、該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接する8本
ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送
電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、複数の前記垂
直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷転送路から
転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平
電荷転送路と、該水平電荷転送路の一端に形成され該水
平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読み出す出力
アンプとを含み、前記第1の画素列に含まれる画素は光
電変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、前
記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤色
フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィル
タとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、複
数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素と
が水平方向に交互に配置されている固体撮像素子の読み
出し方法であって、a)第1から第8までの垂直電荷転
送電極に対して同一の垂直電荷転送路には同じ色に対応
する電荷のみを読み出す読み出し電圧を印加して垂直電
荷転送路へ電荷を読み出す工程と、b)前記垂直電荷転
送路に読み出された電荷を前記水平電荷転送路に向けて
転送する工程と、c)前記水平電荷転送路に転送された
電荷を前記出力アンプに向けて転送する工程と、d)前
記水平電荷転送路からの電荷を前記出力アンプにより増
幅し外部に出力する工程と、異なる行の画素について前
記a)からd)までの工程を順次繰り返し、前記画素か
らの電荷を全て読み出す工程とを含む固体撮像素子の制
御方法が提供される。
に配列された複数の画素群であって、各画素群は、垂直
方向に第1の画素ピッチで整列配置された複数の画素を
含む第1の画素列と該第1の画素列に対して垂直方向に
前記第1の画素ピッチの1/2画素ずれて整列配置され
た複数の画素を含む第2の画素列とを含み、第2の画素
列は、水平方向に関し、隣接する画素群の第1の画素列
間の第2の画素ピッチの1/2の位置に配置されている
複数の画素群と、水平方向に隣接する画素群対の間に形
成された第1の分離領域と、各画素群の前記第1の画素
列と前記第2の画素列との間を蛇行しつつ垂直方向に延
びる1本の垂直電荷転送路と、前記第1の画素列に含ま
れ、行方向に整列する一の画素行に含まれる画素と、前
記第2の画素列に含まれ、前記一画素行と垂直方向に隣
接し行方向に整列する二の画素行に含まれる画素との間
に形成され水平方向に延びる複数の垂直電荷転送電極
と、該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接した8本
ごとの垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送
電極に独立に電圧を印加する駆動回路と、複数の前記垂
直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電荷転送路から
転送された電荷を受けてこれを水平方向に転送する水平
電荷転送路と、該水平電荷転送路の一端に形成され該水
平電荷転送路からの電荷を増幅して外部に読み出す出力
アンプとを含み、前記第1の画素列に含まれる画素は光
電変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、前
記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤色
フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィル
タとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、複
数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素と
が水平方向に交互に配置されている固体撮像素子の間引
き読み出し方法であって、 a)第1から第8までの垂直電荷転送電極のうち垂直方
向に隣接する2本の垂直電荷転送電極に読み出し電圧を
印加する工程と、b)前記垂直電荷転送路に読み出され
た電荷をまとめて転送する工程と、c)前記垂直電荷転
送路から前記水平電荷転送に向けて電荷を転送する工程
と、d)前記水平電荷転送路に転送された電荷を前記出
力アンプに向けて転送する工程と、e)前記水平電荷転
送路からの電荷を前記出力アンプにより増幅し外部に出
力する工程とを含む固体撮像素子の制御方法が提供され
る。
する。
撮像素子の平面図である。
の画素3が整列配置された画素部Bと、画素部B内に配
置され画素3からの電荷を垂直方向に転送する垂直電荷
転送路5と、画素部Bの下方に配置され、垂直電荷転送
路5から転送された電荷を水平方向に転送する水平電荷
転送路7と、水平電荷転送路7から転送された電荷を増
幅する出力アンプ部17とを含む。
板1の二次元平面上の水平方向(行方向)及び垂直方向
(列方向)に配置されている。一の画素と、それと隣接
する画素とは、垂直方向に1/2ピッチづつずれて配置
される。いわゆる画素ずらし固体撮像素子である。
対角線が垂直方向及び水平方向に整列して並ぶように画
素が配置されている。
画素列と称する。
直方向に整列して第1の画素列P1aを形成している。
第1の画素列P1aと水平方向に隣接し、垂直方向に整
列する複数の画素が第2の画素列P2aを形成する。第
2の画素列P2aを形成する画素は、青色用の画素3b
と赤色用の画素3cとが、垂直方向に交互に配列されて
いる。
接する第2の画素列P2aとにより一組の画素群PG1
が形成される。複数の画素群PG1、PG2、PG3・
・・が水平方向に隣接して配置され全体として画素部B
を形成する。
1、PG2のみを示しているが、実際には多数の画素群
が形成されている。
の画素列P1aと第2の画素列P2aとの間に形成され
る隙間に沿って、半導体基板1内にn型半導体層からな
る垂直電荷転送路5(図1において太い実線で示され
る。)が蛇行する形状又はジグザグの形状で設けられ
る。画素群PG間には垂直電荷転送路5は形成されな
い。すなわち、水平方向に隣接する画素群PG1と画素
群PG2との間には、垂直電荷転送路は形成されない。
画素行と称する。
らなる第1の画素行Q1の下方の2斜辺に沿うように、
垂直電荷転送電極、例えば垂直電荷転送電極11−1
(点線で示される)が蛇行する形状又はジグザグ形状で
水平方向に延びている。
の画素3bと赤色用の画素3cとが水平方向に交互に配
置された第2の画素行Q2の下方の2斜辺に沿うよう
に、垂直電荷転送電極11−2(細い実線で示される)
が蛇行する形状又はジグザグ形状で水平方向に延びてい
る。
直電荷転送電極が1組の電極群EGを形成する。図1に
は1の電極群のみが示されているが、実際には多数の電
極群EG、EG、EGが画素部Bに形成されている。
−8までに対して、駆動回路を用いることによりV8か
らV1までの独立した電圧波形を印加することができ
る。
路7側の最終段の垂直電荷転送電極11−8と水平電荷
転送路7との間には、水平方向に延び垂直方向に隣接す
る2本の転送電極Va、Vbが形成されている。2本の
転送電極Va、Vbにより、垂直電荷転送路5から水平
電荷転送路7へと電荷を転送する。
れる。転送電極数も2つには限られない。
送路7が形成されている。水平電荷転送路7上に、1ポ
リと2ポリとが交互に並んだ複数の水平電荷転送電極1
5が形成される。水平電荷転送電極15−0と水平電荷
転送電極15−1とが共通に接続されており、電圧φ1
が印加される。水平電荷転送電極15−2と水平電荷転
送電極15−3とが共通に接続されており、電圧φ2が
印加される。水平電荷転送電極15−4と水平電荷転送
電極15−5とが共通に接続されており、電圧φ1が印
加される。
5との間には、4本の水平電荷転送電極15(例えば図
1では、符号15−1、15−2、15−3、15−4
で示される)が並ぶ。
色)BRBRの画素が垂直方向に並ぶ。画素列P2a
は、G(緑色)GGGGの画素が垂直方向に並ぶ。
・に色配列を有する画素が垂直方向に並ぶ。画素列P2
bは、GGGGG・・・の色配列を有する画素が垂直方
向に並ぶ。
プRB完全市松型と呼ばれる色配置である。
辺をもつ略菱形の形状を有する。
1の画素3c、3b、3c・・・が形成する行列の隙間
に配置されていると見ることもできる。
び第2の画素列の画素が協同して略正方行列を形成して
いるとも考えられる。
平面図、図2(b)は図2(a)のIa−Ib線断面図
である。
3b、3c)は、略正方形の形状を有している。正方形
の4つの頂点のうち対向する2つの頂点が、垂直方向及
び水平方向に沿って整列されている。4つの頂点を結ん
で左右対称方向に延びる斜辺(仮想線)を、それぞれに
2本の斜辺27a、27b及び27c、27dと称す。
c、27dに囲まれる領域内に光電変換素子(フォトダ
イオード)41(41a、41b、41c)が配置され
ている。フォトダイオード41の受光部41aと電荷転
送路5の一部を形成するn型半導体層31a、31bと
の間には、トランスファーゲート部45が形成されてい
る。
に沿ってトランスファーゲート45が形成される。他の
3つの斜辺27b、27c、27dに沿って高濃度のp
型半導体層を含む第1から第3までの分離領域47、4
7、47が形成されている。
る画素3cの4つの斜辺27a、27b、27c、27
dのうち左の第1組の2つの斜辺27a、27bに沿っ
て前記第1の分離領域47aが形成されている。
対側の第2組の2つの斜辺27c、27dのうち上側の
斜辺27cに沿って垂直電荷転送路31との間に第1の
読み出しゲート45aが形成されるとともに、第1の読
み出しゲート45aが形成されていない方の斜辺27d
に沿って第2の分離領域47bが形成されている。
つの斜辺27a、27b、27c、27dのうち、第1
の画素列P1とは反対側の第3組の2つの斜辺27a、
27bに沿って第1の分離領域47aが形成されてい
る。
対側の第4組の2つの斜辺27c、27dのうち、第1
の画素列P1に含まれる画素3aの読み出しゲート45
bと対向しない斜辺27cに沿って第3の分離領域47
cが形成されている。
側下斜辺27bに沿って、半導体基板1内にn型導電層
31aが形成されている。画素3aの左側上斜辺27a
に沿って、半導体基板1内にn型導電層31bが形成さ
れている。
連結されて、垂直方向にジグザグ状又は蛇行する形状
で、垂直電荷転送路5が形成され、水平電荷転送路に向
けて垂直方向に延びている。
a、3a、3aの左右下斜辺27b、27dに沿って、
垂直電荷転送電極11−5が蛇行しつつ水平方向に延び
ている。第1の画素列Q1を形成する複数の画素3a、
3a、3aは、垂直電荷転送電極11−4と11−5と
により、その4辺を囲まれている。
に、深いpウェル43が形成されており、フォトダイオ
ード41、垂直電荷転送路31a、トランスファーゲー
ト45,分離領域47はpウェル43内に形成されてい
る。
域の上に、垂直電荷転送電極11−5が形成されてい
る。
ーフィルタCFが形成されている。
レジストにより形成されたマイクロレンズMLが設けら
れている。マイクロレンズMLにより、光をフォトダイ
オード41の表面上に集光する。
像素子Aの制御方法について以下に説明する。
より、静止画を撮影した後に全画素読み出しをする場合
の動作について説明する。
−7(V2)と垂直電荷転送電極11−3(V6)に読
み出し電圧として高いパルス電圧を印加する。読み出し
パルス電圧は、例えば15Vである。垂直電荷転送電極
11−7下の垂直電荷転送路5と垂直電荷転送電極11
−3下の垂直電荷転送路5とにフォトダイオード3a、
3aからの緑色に対応する電荷(以下「G電荷」とい
う。)が読み出される。タイミングチャートにおいて、
G電荷は、黒塗りの丸印で表される。
直電荷転送路5に蓄積されたG電荷は、垂直電荷転送電
極11−8(V1)、第1転送電極Va、第2転送電極
Vbに対して、順次High(8V程度)の電圧を印加
していくことにより、水平電荷転送路7に向けて転送さ
れる。
直電荷転送路5に蓄積されたG電荷は、垂直電荷転送電
極11−4(V5)から垂直電荷転送電極11−8(V
1)まで、第1転送電極Va、第2転送電極Vbに対し
て、順次High(8V程度)の電圧を印加していくこ
とにより、垂直電荷転送路5内を水平電荷転送路7に向
けて転送される。
転送されたG電荷は、水平電荷転送路7を2相駆動方式
により出力アンプ17の方向に向けて転送する。出力ア
ンプ17により増幅されたG信号は、外部回路に記憶さ
れる。
−5(V4)と垂直電荷転送電極11−1(V8)に読
み出し電圧として高い電圧を印加する。残りのG電荷が
垂直電荷転送路5に読み出される。
様の動作により、G電荷を水平電荷転送路7まで転送す
る。
水平電荷転送路7を2相駆動方式により出力アンプ17
の方向に向けて転送する。出力アンプ17により増幅さ
れたG信号は、外部回路に記憶される。
方向の全ての画素群PG(図1ではPG1とPG2)で
同じ動作となる。
−8(V1)と垂直電荷転送電極11−3(V5)に読
み出し電圧として高い電圧を印加する。垂直電荷転送路
5aにR電荷(黒塗りの四角印)が、垂直電荷転送路5
bにB電荷(斜線が引かれた四角印)が読み出される。
荷とB電荷とを外部回路に読み出す。
−6(V3)と垂直電荷転送電極11−2(V7)に読
み出し電圧として高い電圧を印加する。垂直電荷転送路
5aにB電荷が、垂直電荷転送路5bにR電荷が読み出
される。
R電荷とを外部回路に読み出す。以上の動作により、全
画素読み出しが可能である。静止画を鮮明に再生するこ
とができる。
を印加して画素からの信号読み出しを行う際に、同時に
読み出しパルスを印加する垂直電荷転送電極11は、垂
直方向に4電極分離れている。加えて、信号読み出し時
において、同じ1本の垂直電荷転送路5には、同色の画
素信号のみが読み出される。
に異なるカラー信号が存在する場合に生じる転送電荷の
混合(混色)が防止される。転送電荷の混合が防止され
るため、本実施の形態による固体撮像素子では、静止画
像を再生する際に画像の劣化が起こりにくい。
画像を再生するビデオモードにおける画像信号の読み出
し方法について図7から図12までに基づいて説明す
る。
を行わずに、8行で1組の画素列Qのうち2行から7行
までの特定の行に含まれる画素の電荷のみを読み出す。
8)及びV8(電極11−1)、V4(電極11−5)
及びV5(電極11−4)にのみ読み出し電圧を印加し
て、間引き読み出しを行う方法を示す。
ば8Vを印加した状態でV8に高い正の電圧、例えば1
5Vの読み出しパルスを印加する。
aに、Gの信号が読み出される。V8(電極11−1)
からV4(電極11−5)までに順に正の電圧を印加す
ることで、Gの信号電荷を転送する。電極11−5下の
垂直電荷転送路5aにG信号に対応する電荷が蓄積され
る。
ば8Vを印加した状態で、V4に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
aに、Rの信号が読み出される。電極11−5下の垂直
電荷転送路5にG信号に対応する電荷が加算されて蓄積
される(信号GG)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号
に対応する信号電荷を転送する。
GG信号を水平電荷転送路7に転送する。
態でV1に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパル
スを印加する。
aに、Rの信号が読み出される。V1(電極10−8)
からV5(電極11−4)までに順に正の電圧を印加す
ることで、Rの信号電荷を転送する。電極11−4下の
垂直電荷転送路5にR信号に対応する電荷が蓄積され
る。
ば8Vを印加した状態で、V5に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
aに、Rの信号が読み出される。電極11−4下の垂直
電荷転送路5にR信号に対応する電荷が加算されて蓄積
される(信号RR)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、RR信号
に対応する信号電荷を転送する。
RR信号を水平電荷転送路7に転送する。
電荷の読み出し方法を示す。
態でV1に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパル
スを印加する。
bに、Bの信号が読み出される。V1(電極10−8)
からV5(電極11−4)までに順に正の電圧を印加す
ることで、Bの信号電荷を転送する。電極11−3下の
垂直電荷転送路5bにB信号に対応する電荷が蓄積され
る。
ば8Vを印加した状態で、V5に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
bに、Bの信号が読み出される。電極11−4下の垂直
電荷転送路5bにB信号に対応する電荷が加算されて蓄
積される(信号BB)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、BB信号
に対応する信号電荷を転送する。
BB信号を水平電荷転送路7に転送する。
態でV8に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパル
スを印加する。
bに、Gの信号が読み出される。V8(電極11−1)
からV4(電極11−5)までに順に正の電圧を印加す
ることで、Gの信号電荷を転送する。電極11−5下の
垂直電荷転送路5にG信号に対応する電荷が蓄積され
る。
ば8Vを印加した状態で、V4に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
bに、Gの信号が読み出される。電極11−5下の垂直
電荷転送路5にG信号に対応する電荷が加算されて蓄積
される(信号GG)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号
に対応する信号電荷を転送する。
GG信号を水平電荷転送路7に転送する。
ダイオードから垂直電荷転送路5a及び垂直電荷転送路
5bに読み出された電荷の色配置を示す。
が加算されたRR電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5
aのV4電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積さ
れる。
が加算されたBB電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5
bのV4電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積さ
れる。
それぞれ蓄積される。
9までにおいて説明したように、画素の間引き読み出し
を行うことにより、動画像を速やかに表示させることが
できる。
り、画像の感度が向上し鮮明な画像を得ることができ
る。
−7)及びV3(電極11−6)、V6(電極11−
3)及びV7(電極11−2)にのみ読み出し電圧を印
加して、間引き読み出しを行う方法を示す。
えば8Vを印加した状態でV2に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
される。V2(電極10−7)からV6(電極11−
3)までに順に正の電圧を印加することでGの信号電荷
を転送する。電極11−3下の垂直電荷転送路5aにG
信号に対応する電荷が蓄積される。
ば8Vを印加した状態で、V6に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
される。電極11−3下の垂直電荷転送路5aにG信号
に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号GG)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号
に対応する信号電荷を転送する。
によりGG信号を水平電荷転送路7に転送する。
態でV7に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパル
スを印加する。
れる。V7(電極11−3)からV3(電極11−6)
までに順に正の電圧を印加することで、Bの信号電荷を
転送する。電極11−6下の垂直電荷転送路5aにB信
号に対応する電荷が蓄積される。
ば8Vを印加した状態で、V3に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
れる。電極11−6下の垂直電荷転送路5aにB信号に
対応する電荷が加算されて蓄積される。垂直電荷転送路
5aにB信号に対応する電荷が加算されて蓄積される
(信号BB)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、BB信号
に対応する信号電荷を転送する。
によりBB信号を水平電荷転送路7に転送する。
動作を示す。
態でV2に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパル
スを印加する。
bにGの信号が読み出される。V2(電極17−1)か
らV6(電極11−3)までに順に正の電圧を印加する
ことで、Gの信号電荷を転送する。電極11−3下の垂
直電荷転送路5bにG信号に対応する電荷が蓄積され
る。
ば8Vを印加した状態で、V6に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
読み出される。電極11−3下の垂直電荷転送路5bに
G信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号G
G)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、GG信号
に対応する信号電荷を転送する。
GG信号を水平電荷転送路7に転送する。
態でV7に高い正の電圧、例えば15Vの読み出しパル
スを印加する。
れる。V7(電極11−2)からV3(電極11−6)
までに順に正の電圧を印加することで、Rの信号電荷を
転送する。電極11−6下の垂直電荷転送路5bにR信
号に対応する電荷が蓄積される。
ば8Vを印加した状態で、V3に高い正の電圧、例えば
15Vの読み出しパルスを印加する。
読み出される。電極11−6下の垂直電荷転送路5bに
R信号に対応する電荷が加算されて蓄積される(信号R
R)。
−8)までに順に正の電圧を印加することで、RR信号
に対応する信号電荷を転送する。
RR信号を水平電荷転送路7に転送する。
トダイオードから垂直電荷転送路5a及び垂直電荷転送
路5bに読み出された電荷の色配置を示す。
が加算されたBB電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5
aのV6電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積さ
れる。
が加算されたRR電荷が蓄積される。垂直電荷転送路5
bのV3電極下にG電荷が加算されたGG電荷が蓄積さ
れる。
bにもそれぞれ蓄積される。
図11までにおいて説明したように、画素の間引き読み
出しを行うことにより、動画像を速やかに表示させるこ
とができる。
り、画像の感度が向上し鮮明な画像を得ることができ
る。
交互フィルタ配列の場合を示したが、別のカラーフィル
タの配列でも画素からの信号の読み出しは可能である。
直電荷転送電極群のうち垂直方向に隣接する2本の電極
に読み出し電圧を印加して信号を読み出す方法について
説明したが、3本以上の垂直電荷転送電極に読み出し電
圧を印加する方法も可能である。
画素列の信号を1本の共有の垂直電荷転送路に読み出
す。垂直電荷転送路の加工精度を緩くすることができ
る。画素の大きさ、例えばフォトダイオードの寸法を相
対的に大きくすることができ、画素に蓄積される電荷の
量を大きくすることできる。別の観点からみると、垂直
電荷転送路の加工精度を同じとすれば、画素サイズを微
細化できる。
段数は、行方向に並ぶ画素に含まれるフォトダイオード
の数の1/2で良い。従って、水平電荷転送電極のピッ
チを大きくすることができ、水平電荷転送路を緩い加工
精度で加工することができる。固体撮像素子の製造歩留
まりを向上させることができる。
による読み出し方法を用いると、静止画像の全画素読み
出しが可能である。加えて、間引き読み出しを行うこと
も容易であるため、動画像を表示するモニター画像の読
み出し及び再生が容易にできる。
いては、画素の形状を略正方形の形状として説明した。
画素形状は正方形以外の形状でも良い。例えば、長方形
や正六角形の画素形状でも良い。
ては、カラー撮像を可能にする構成を有していれば良
い。3原色(赤(R)、緑(G)、青(B))系の色配
置の他に、いわゆる補色タイプの色配置もある。
例えば(i) 緑(G)、シアン(Cy)および黄(Ye)
の各色フィルタからなるもの、(ii)シアン(Cy)、黄
(Ye)および白もしくは無色(W)の各色フィルタか
らなるもの、(iii) シアン(Cy)、マゼンダ(M
g)、黄(Ye)および緑(G)の各色フィルタからな
るもの、および、(iv)シアン(Cy)、黄(Ye)、緑
(G)および白もしくは無色(W)の各色フィルタから
なるもの、等が知られている。
ルタの配置パターンとしては、本実施の形態において例
示したGストライプRB完全市松型の配置の他に、ベイ
ヤー型、インターライン型、GストライプRB市松型等
の色配置が用いられる。
が可能なことは当業者には自明あろう。
垂直転送路及び垂直転送電極の加工精度を緩くできる。
さらに、水平電荷転送路の加工精度も緩くできる。同じ
加工精度であれば、画素の高密度化が可能である。
る。固体撮像素子の信頼性をも高めることが可能とな
る。
止画像の全画素読み出しが可能である。加えて、間引き
読み出しを行うことも容易であるため、動画像を表示す
るモニター画像の読み出し及び再生が容易にできる。
面図である。
り、図2(a)は平面図、図2(b)は断面図である。
を示すタイミングチャートである。
すタイミングチャートである。
すタイミングチャートである。
すタイミングチャートである。
作を示すタイミングチャートである。
作を示すタイミングチャートである。
作における垂直電荷転送路における色信号の配置を示す
図ある。
動作を示すタイミングチャートである。
動作を示すタイミングチャートである。
動作における垂直電荷転送路における色信号の配置を示
す図である。
て半導体領域内の構造を示す。
て電荷転送電極の構造を示す。
D固体撮像装置の平面図である。
行の画素からの電荷を読み出す。
Claims (6)
- 【請求項1】 二次元平面上に配列された複数の画素群
であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで
整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1
の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1
/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の
画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣
接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1
/2の位置に配置されている複数の画素群と、 水平方向に隣接する画素群対の間に形成された第1の分
離領域と、 各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列との間
を蛇行しつつ垂直方向に延びる1本の垂直電荷転送路
と、 前記第1の画素列に含まれ行方向に整列する一の画素行
に含まれる画素と、前記第2の画素列に含まれ前記一画
素行と垂直方向に隣接し行方向に整列する二の画素行に
含まれる画素との間に形成され水平方向に延びる複数の
垂直電荷転送電極と、 該垂直電荷転送電極のうち垂直方向に隣接する8本ごと
の垂直電荷転送電極の組に対して、各垂直電荷転送電極
に独立に電圧を印加する駆動回路と、 複数の前記垂直電荷転送路の下端に設けられ、該垂直電
荷転送路から転送された電荷を受けてこれを水平方向に
転送する水平電荷転送路と、 該水平電荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路か
らの電荷を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含む
固体撮像素子。 - 【請求項2】 前記第1の画素列に含まれる画素は光電
変換素子と緑色フィルタとを含む緑色画素であり、 前記第2の画素列に含まれる画素は、光電変換素子と赤
色フィルタとを含む赤色画素と光電変換素子と青色フィ
ルタとを含む青色画素とが垂直方向に交互に配置され、
複数の前記第2の画素列に含まれる赤色画素と青色画素
とが水平方向に交互に配置されている請求項1に記載の
固体撮像素子。 - 【請求項3】 二次元平面上に配列された複数の画素群
であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで
整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1
の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1
/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の
画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣
接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1
/2の位置に配置されている複数の画素群と、水平方向
に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域
と、各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列と
の間を蛇行しつつ垂直方向に延びる1本の垂直電荷転送
路と、前記第1の画素列に含まれ、行方向に整列する一
の画素行に含まれる画素と、前記第2の画素列に含ま
れ、前記一画素行と垂直方向に隣接し行方向に整列する
二の画素行に含まれる画素との間に形成され水平方向に
延びる複数の垂直電荷転送電極と、該垂直電荷転送電極
のうち垂直方向に隣接する8本ごとの垂直電荷転送電極
の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加
する駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送路の下端に設
けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けて
これを水平方向に転送する水平電荷転送路と、該水平電
荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷
を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含み、前記第
1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィル
タとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれ
る画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画
素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが
垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に
含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置
されている固体撮像素子の読み出し方法であって、 a)第1から第8までの垂直電荷転送電極に対して同一
の垂直電荷転送路には同じ色に対応する電荷のみを読み
出す読み出し電圧を印加して垂直電荷転送路へ電荷を読
み出す工程と、 b)前記垂直電荷転送路に読み出された電荷を前記水平
電荷転送路に向けて転送する工程と、 c)前記水平電荷転送路に転送された電荷を前記出力ア
ンプに向けて転送する工程と、 d)前記水平電荷転送路からの電荷を前記出力アンプに
より増幅し外部に出力する工程と、 異なる行の画素について前記a)からd)までの工程を
順次繰り返し、前記画素からの電荷を全て読み出す工程
とを含む固体撮像素子の制御方法。 - 【請求項4】 二次元平面上に配列された複数の画素群
であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで
整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1
の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1
/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の
画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣
接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1
/2の位置に配置されている複数の画素群と、水平方向
に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域
と、各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列と
の間を蛇行しつつ垂直方向に延びる1本の垂直電荷転送
路と、前記第1の画素列に含まれ、行方向に整列する一
の画素行に含まれる画素と、前記第2の画素列に含ま
れ、前記一画素行と垂直方向に隣接し行方向に整列する
二の画素行に含まれる画素との間に形成され水平方向に
延びる複数の垂直電荷転送電極と、該垂直電荷転送電極
のうち垂直方向に隣接した8本ごとの垂直電荷転送電極
の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加
する駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送路の下端に設
けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けて
これを水平方向に転送する水平電荷転送路と、該水平電
荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷
を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含み、前記第
1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィル
タとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれ
る画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画
素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが
垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に
含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置
されている固体撮像素子の間引き読み出し方法であっ
て、 a)第1から第8までの垂直電荷転送電極のうち垂直方
向に隣接する2本の垂直電荷転送電極に読み出し電圧を
印加する工程と、 b)前記垂直電荷転送路に読み出された電荷をまとめて
転送する工程と、 c)前記垂直電荷転送路から前記水平電荷転送に向けて
電荷を転送する工程と、 d)前記水平電荷転送路に転送された電荷を前記出力ア
ンプに向けて転送する工程と、 e)前記水平電荷転送路からの電荷を前記出力アンプに
より増幅し外部に出力する工程とを含む固体撮像素子の
制御方法。 - 【請求項5】 二次元平面上に配列された複数の画素群
であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで
整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1
の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1
/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の
画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣
接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1
/2の位置に配置されている複数の画素群と、水平方向
に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域
と、各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列と
の間を蛇行しつつ垂直方向に延びる1本の垂直電荷転送
路と、前記第1の画素列に含まれ、行方向に整列する一
の画素行に含まれる画素と、前記第2の画素列に含ま
れ、前記一画素行と垂直方向に隣接し行方向に整列する
二の画素行に含まれる画素との間に形成され水平方向に
延びる複数の垂直電荷転送電極と、該垂直電荷転送電極
のうち垂直方向に隣接した8本ごとの垂直電荷転送電極
の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加
する駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送路の下端に設
けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けて
これを水平方向に転送する水平電荷転送路と、該水平電
荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷
を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含み、前記第
1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィル
タとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれ
る画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画
素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが
垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に
含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置
されている固体撮像素子の間引き読み出し方法であっ
て、 a)第1から第8までの垂直電荷転送電極のうち垂直方
向に隣接せず前記第1の画素列から1、前記第2の画素
列から1の2つの画素列の画素に対応する2本の垂直電
荷転送電極に読み出し電圧を印加する工程と、 b)読み出された電荷と同色の信号を読み出すことがで
きる画素行まで前記a)工程で読み出された電荷を前記
垂直電荷転送路内で転送する工程と、 c)前記b)の工程の後に、前記同色の信号を読み出す
ことにより電荷を加算する工程と、 d)前記c)工程において加算された電荷を、前記垂直
電荷転送路から前記水平電荷転送に向けて転送する工程
と、 e)前記水平電荷転送路に転送された電荷を前記出力ア
ンプに向けて転送する工程と、 f)前記水平電荷転送路からの電荷を前記出力アンプに
より増幅し外部に出力する工程とを含む 固体撮像素子の制御方法。 - 【請求項6】 二次元平面上に配列された複数の画素群
であって、各画素群は、垂直方向に第1の画素ピッチで
整列配置された複数の画素を含む第1の画素列と該第1
の画素列に対して垂直方向に前記第1の画素ピッチの1
/2画素ずれて整列配置された複数の画素を含む第2の
画素列とを含み、第2の画素列は、水平方向に関し、隣
接する画素群の第1の画素列間の第2の画素ピッチの1
/2の位置に配置されている複数の画素群と、水平方向
に隣接する画素群対の間に形成された第1の分離領域
と、各画素群の前記第1の画素列と前記第2の画素列と
の間を蛇行しつつ垂直方向に延びる1本の垂直電荷転送
路と、前記第1の画素列に含まれ、行方向に整列する一
の画素行に含まれる画素と、前記第2の画素列に含ま
れ、前記一画素行と垂直方向に隣接し行方向に整列する
二の画素行に含まれる画素との間に形成され水平方向に
延びる複数の垂直電荷転送電極と、該垂直電荷転送電極
のうち垂直方向に隣接した8本ごとの垂直電荷転送電極
の組に対して、各垂直電荷転送電極に独立に電圧を印加
する駆動回路と、複数の前記垂直電荷転送路の下端に設
けられ、該垂直電荷転送路から転送された電荷を受けて
これを水平方向に転送する水平電荷転送路と、該水平電
荷転送路の一端に形成され該水平電荷転送路からの電荷
を増幅して外部に読み出す出力アンプとを含み、前記第
1の画素列に含まれる画素は光電変換素子と緑色フィル
タとを含む緑色画素であり、前記第2の画素列に含まれ
る画素は、光電変換素子と赤色フィルタとを含む赤色画
素と光電変換素子と青色フィルタとを含む青色画素とが
垂直方向に交互に配置され、複数の前記第2の画素列に
含まれる赤色画素と青色画素とが水平方向に交互に配置
されている固体撮像素子の読み出し方法であって、 静止画像を読み出す際には、 A)第1から第8までの垂直電荷転送電極に対して同一
の垂直電荷転送路からは同じ色に対応する電荷のみを読
み出す読み出し電圧を印加して前記光電変換素子から前
記垂直電荷転送路へ電荷を読み出す工程と、 B)前記垂直電荷転送路に読み出された電荷を前記水平
電荷転送路に向けて転送する工程と、 C)前記水平電荷転送路に転送された電荷を前記出力ア
ンプに向けて転送する工程と、 D)前記水平電荷転送路からの電荷を前記出力アンプに
より増幅し外部に出力する工程と、 異なる行の画素について前記A)からD)までの工程を
順次繰り返し、前記画素からの電荷を全て読み出す工程
と動画を読み出す際には、 a)第1から第8までの垂直電荷転送電極のうち垂直方
向に隣接する2本の垂直電荷転送電極に読み出し電圧を
印加する工程と、 b)前記垂直電荷転送路に読み出された電荷をまとめて
転送する工程と、 c)前記垂直電荷転送路から前記水平電荷転送に向けて
電荷を転送する工程と、 d)前記水平電荷転送路に転送された電荷を前記出力ア
ンプに向けて転送する工程と、 e)前記水平電荷転送路からの電荷を前記出力アンプに
より増幅し外部に出力する工程とを含む 固体撮像素子の制御方法。
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