JP2006253747A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高画素化に対応させ、受光素子の感度を調整し易くすることができる固体撮像素子を提供。
【解決手段】CCD固体撮像素子10は、垂直転送路14の本数を一列おきに間引き、高感度画素16では相対的に感度を高くし高画素化しても信号電荷の十分な生成を可能にし、低感度画素18では相対的に低くした実画素の情報として信号電荷を読み出す。このように見かけ上、空間的に異なる位置に高感度画素16および低感度画素18を配置することができる。フィールドシフトゲート22および24から異なるタイミングで読み出すことにより、感度コントロールが容易で正確にできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。本発明の固体撮像素子は、たとえば電子スチルカメラ、画像入力装置、ムービカメラおよび携帯電話等の分野に適用される。

特許文献１の固体撮像素子は、互いに隣接する受光素子の行同士において、一方の行における受光素子の配列が他方の行における受光素子の配列に対して該配列間隔のほぼ1/2だけ相対的にずれて配置され、さらに行方向に隣接する受光素子間には２列分の垂直転送路が配置され、斜め方向に隣接する受光素子間には１列分の垂直転送路が配置されるように垂直転送路が受光素子間を蛇行するように半導体基板上に形成された構成を採用する。これにより、画像の空間的サンプリング点を最適化しかつ全画素同時読出しを可能にする。

この固体撮像素子は、受光無効領域の上下に***された受光素子の信号を利用して無効領域の信号を、仮想画素として生成することで等価的に受光素子数の２倍の解像度が得られる信号処理を可能にし、モアレ等の偽信号が抑圧される。この固体撮像素子からは高品質撮像信号が得られる。

固体撮像素子は、上述の受光素子に配置することから、色フィルタやマイクロレンズの形状に対する選択肢が増加し、受光効率を向上でき、受光無効領域を極力排除し高集積化をもたらす。

また、この固体撮像素子は製造工程で発生する受光素子と垂直転送路との相対的位置ズレに起因する受光素子間の特性不均一をなくすことができる。製造は、従来の２層重ね合わせ電極構造の製造技術を利用して作成できるので容易である。

また、特許文献２の固体撮像装置は、機能を使い分け、占有面積を増加させることなく、解像度を高くし、感度の低下を抑制することを目的に提案される。固体撮像装置は、受光領域を有する半導体基板と、半導体基板の受光領域に行列状に形成された多数の受光素子が画素として配設される。各受光素子は、相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とに分離されている。受光素子それぞれは、少なくとも、主感光部を覆う主カラーフィルタ群と、この主カラーフィルタ群の上方に、少なくとも、主感光部を覆うマイクロレンズ群とが形成される。受光素子は、主感光部および従感光部のいずれからも選択的に画像信号を取り出すことができる。

特開平−136191号公報 特開2003−218343号公報

ところで、特許文献２における受光素子の主感光部および従感光部は、それぞれ、高感度および低感度に対応する。上述したように受光素子上にマイクロレンズには１つ形成される。これにより受光素子の感度を調整することが難しい。受光素子の感度とその飽和を用いると、読み出した信号のダイナミックレンジが決定される。

とくに、この場合の従感光部は主感光部の上方向に配置されている。この従感光部の配置から、この固体撮像装置は、入射光の角度依存性を持つことになる。この依存性は、固体撮像装置にシェーディングを容易に発生させることが予想される。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、高画素化に対応させ、受光素子の感度を調整し易くすることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、半導体基板上に入射光を光電変換により信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、この配列は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、この受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、この列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを有する固体撮像素子において、受光素子は、列転送手段の本数を一列おきに間引き、さらに、受光素子は、受光素子の感光領域を相対的に感度の高い第１の受光素子と第１の受光素子より相対的に感度の低い第２の受光素子とに分けて、第１の受光素子は、間引きにより残した列転送手段の一方に信号電荷を読み出す第１のゲート手段が配設され、第２の受光素子は、列転送手段の一方と反対の列転送手段に前記信号電荷を読み出す第２のゲート手段が配設され、第１および第２の受光素子からの信号電荷をそれぞれ異なるタイミングで読み出すことを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、列転送手段の本数を一列おきに間引き、この間引きにより空いた領域を受光素子の感光領域に用いて広げ、第１の受光素子を相対的に感度を高くし高画素化しても信号電荷の十分な生成を可能にし、第２の受光素子を相対的に低くした実画素の情報として信号電荷を読み出す。このように見かけ上、空間的に異なる位置に第１および第２の受光素子を配置することができる。これらにそれぞれ蓄積した信号電荷は、第１および第２のゲート手段から異なるタイミングで読み出すことにより、感度コントロールが容易で正確になる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の一実施例を詳細に説明する。

本実施例は、本発明の固体撮像素子をCCD（Charge Coupled Device）撮像素子10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。

CCD撮像素子10は、受光素子12を画素ずらしさせて配置される。画素ずらしは、互いに隣接する受光素子12の行同士において、一方の行に位置する受光素子の配列が他方の行に位置する受光素子12の配列に対する配列間隔を1/2だけ相対的にずらされる。受光素子12はこの配置により稠密に配置される。通常、CCDには、受光素子12の間に垂直転送路14が形成される。

本実施例のCCD撮像素子10は、一列おきに蛇行した垂直転送路14を設ける。CCD撮像素子10において従来、垂直転送路のあった、空いた領域は、感光領域に用いる。したがって、感光領域は、従来の感光領域に比べて横方向に拡大されることになる。感光領域の拡大は、受光素子12に蓄積する信号電荷の飽和量を増大させることができる。

さらに、本実施例では受光素子12は、従来の感光領域における画素中心を含む高感度画素16と低感度画素18とに素子分離される点に特徴がある。高感度画素16における感光領域は、従来の感光領域より横方向に広い。低感度画素18は、素子分離と垂直転送路14との間を遮光部材で覆われた領域の一部を開口する。この開口は、従来の感光領域の中心が形成する矩形20の中心に形成する。受光素子12における高感度画素16および低感度画素18の開口部は、従来と同じ構造を有する。したがって、図１の場合、低感度画素18の開口部は、奇数行では右側に設け、偶数行では左側に設ける。このように低感度画素18は、主感度画素16の横方向に形成される。高感度素子16と低感度素子18にはそれぞれ独立したマイクロレンズを形成するとよい。また、高感度素子16と低感度素子18は開口率も調整して形成することもできる。これらにより、受光素子12の感度を制御することができる。

従来の受光素子は２つに感光領域を分離し、主感度画素の上方に低感度画素を形成する。低感度画素は遮光部材で覆われた領域の一部を開口する点で同じである。主感度画素と低感度画素は列方向に形成されることから、受光素子に蓄積した信号電荷は、同じ垂直転送路に読み出すことができる。これに対して、本実施例で低感度画素18は、同じ垂直転送路に読み出すことができない。これは、高感度画素16の感光領域が垂直転送路14の間にあって遮っているからである。そこで、低感度画素18は、蓄積した信号電荷を直近の垂直転送路14に出力する。

このような信号電荷の読出しを行なうため受光素子12のトランスファゲート22および24は、高感度画素16および低感度画素18のそれぞれが接する側の垂直転送路14に形成される。トランスファゲート22および24は、黒丸の記号で表す。高感度画素16および低感度画素18をそれぞれ区別して読み出す上で、トランスファゲート22および24は、垂直転送路14の異なるCCDに読み出すように形成される。

また、開口部を覆うカラーフィルタセグメントは、G正方RB完全市松パターンを用いる。高感度画素16および低感度画素18を覆うカラーフィルタセグメントは同色にする。カラーフィルタセグメントの配色は同色に限定されない。

このように開口形状が左右に拡大することにより、集光特性によるけられ量が小さくでき、シェーディングに強くすることができる。

垂直転送路14は、前述したように従来のCCD撮像素子に比べて半分だけ形成される。垂直転送路14は、構成要素のCCDに転送電極E1〜E4を単位に対応する。転送電極E1〜E4には、駆動信号V1〜V4がそれぞれ供給される。駆動信号V1〜V4は１フィールドに一つの駆動信号だけフィールドシフトゲートパルスが供給される。信号電荷読出しについては後段で説明する。

CCD撮像素子10は、複数の垂直転送路14と直交する水平転送路26を有する。CCD撮像素子10は、水平転送路26からの信号電荷を電圧に変換するアンプ28を含む。アンプ28は、フローティングディフュージョンアンプである。

次にCCD撮像素子10の動作を説明する。色Gの行における高感度画素16から信号電荷を読み出す場合、垂直同期信号に同期した駆動信号V1にフィールドシフトパルスを追加し転送電極E1に印加させる。これにより転送電極E1からフィールドシフトゲート22から蓄積した信号電荷が垂直転送路14に読み出される。垂直転送路14に読み出した信号電荷は通常の読出し、すなわち８相駆動で水平転送路26に転送する。水平転送路26は、転送された信号電荷をアンプ28に出力する。

次のフィールドで供給される垂直同期信号に同期した駆動信号V3にフィールドシフトパルスを追加し転送電極E3に印加させる。これにより転送電極E3からフィールドシフトゲート22から蓄積した色R/Bの信号電荷が垂直転送路14に読み出される。垂直転送路14に読み出した信号電荷は通常の読出し、すなわち８相駆動で水平転送路26に転送する。水平転送路26は、転送された信号電荷をアンプ28に出力する。このように２フィールドで高感度画素16の全信号電荷を読み出すことができる。

次に供給される垂直同期信号に同期した駆動信号V2にフィールドシフトパルスを追加し転送電極E3に印加させる。これにより転送電極E2からフィールドシフトゲート24から蓄積した色Gの信号電荷が垂直転送路14に読み出される。垂直転送路14は、先に色Gの信号電荷を読み出した垂直転送路14と別な垂直転送路14である。この低感度画素18は、従来の受光素子をハニカム配置した際の仮想画素に対応する。この位置の画素を実画素として読み出す。読み出した信号電荷は通常の読出し、すなわち８相駆動で水平転送路26に転送する。水平転送路26は、転送された信号電荷をアンプ28に出力する。

さらに、供給される垂直同期信号に同期した駆動信号V4にフィールドシフトパルスを追加し転送電極E3に印加させる。これにより転送電極E2からフィールドシフトゲート24から蓄積した色R/Bの信号電荷が垂直転送路14に読み出される。実画素として読み出した信号電荷は通常の読出し、すなわち８相駆動で水平転送路26に転送する。水平転送路26は、転送された信号電荷をアンプ28に出力する。このように２フィールドで低感度画素18の全信号電荷を読み出すことができる。

高感度画素16および低感度画素18からの信号電荷読出しは、４フィールドで読み出すことができる。受光素子12、とくに高感度画素16の感光領域を広げることができ、感度の異なる低感度画素18も配置することが容易にできる。また、低感度画素18を従来のハニカム配置における仮想画素の位置に配置することができる。これにより、得られた低感度画素18の信号電荷を実信号として取り出し、たとえばこの信号を基に得られる画素データの配置における相関性の判断に利用することができる。この利用により上述した判断における精度を向上させることから、各受光素子12の感度をコントロールし易い。

本発明に係る固体撮像素子を適用した実施例におけるCCD固体撮像素子の概略的な構成を示す図である。

符号の説明

10 CCD撮像素子
12 受光素子
14 垂直転送路
16 高感度画素
18 低感度画素
22、24 フィールドシフトゲート
26 水平転送路
28 アンプ

Claims (3)

1. 半導体基板上に入射光を光電変換により信号電荷を生成する複数の受光素子が配列され、該配列は一方の行における受光素子の配置間隔に対し他方の行の隣接する受光素子と相対的にほぼ1/2の配置間隔だけずらし、該受光素子それぞれに蓄積した信号電荷を列方向に転送させる列転送手段と、該列転送手段からの信号電荷を行方向に転送させる行転送手段とを有する固体撮像素子において、
   前記受光素子は、前記列転送手段の本数を一列おきに間引き、
   さらに、前記受光素子は、前記受光素子の感光領域を相対的に感度の高い第１の受光素子と第１の受光素子より相対的に感度の低い第２の受光素子とに分けて、
   第１の受光素子は、前記間引きにより残した列転送手段の一方に前記信号電荷を読み出す第１のゲート手段が配設され、
   第２の受光素子は、前記列転送手段の一方と反対の列転送手段に前記信号電荷を読み出す第２のゲート手段が配設され、第１および第２の受光素子からの信号電荷をそれぞれ異なるタイミングで読み出すことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、第２の受光素子は、従来の受光素子における配置で形成される無効感光領域となる仮想画素の位置に形成されること特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像素子において、前記受光素子は、第１の受光素子および第２の受光素子それぞれに入射光を集光する集光手段が形成されることを特徴とする固体撮像素子。

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