JP2739601B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、インターライントランスファ（inter line
transfer）方式の電荷結合型固体撮像デバイスで撮像
を行う撮像装置に関し、特に電荷結合型固体撮像デバイ
スの受光領域中の垂直電荷転送路を感光部（画素）に適
用して解像度及び開口率の向上を図った撮像装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来のインターライン電荷結合型固体撮像装置を第７
図に基づいて説明する。同図において、１は受光領域、
２は水平電荷転送路、３は出力アンプであり、受光領域
１には、縦（行方向）及び横（列方向）にマトリクス状
に配列されたｎ×ｍ個のフォトダイオードが形成され、
奇数行（第１の行）に配列されたフォトダイオードの夫
々の光入射面に青（Ｂ）のカラーフィルタを積層するこ
とにより青の分光感度を有する画素ａ_1.1,a_1.2……ａ
_1.m、ａ_3.1,a_3.2……ａ_3.m、ａ_ｎ−1.1,a_ｎ−1.2……ａ
_ｎ−1.mが形成され、偶数行（第２の行）に配列された
フォトダイオードの夫々の光入射面に緑（Ｇ）のカラー
フィルタを積層することにより緑の分光感度を有する画
素ａ_2.1,a_2.2……ａ_2.m、ａ_4.1,a_4.2……ａ_4.m、ａ_n.1,
a_n.2……ａ_n.mが形成されている。

皿に、各列に配列する青と緑の画素群に隣接して垂直
電荷転送路l₁,l₂……l_mが形成され、所謂４相駆動方式
の駆動信号に基づいて信号電荷を縦方向へ転送するため
のポリシリコンから成る転送電極（図示せず）が積層さ
れている。

垂直電荷転送路l₁,l₂……l_mの終端が水平電荷転送路
２に対して並列に接続しており、水平電荷転送路２の出
力端に出力アンプ３が形成されている。

更に、受光領域の構造を第８図に基づいて詳述する。
尚、青（Ｂ）の画素ａ_1.1,a_1.2,a_1.3及び緑（Ｇ）の画
素ａ_2.1,a_2.2,a_2.3の近傍の構造を代表して説明する。
同図において、夫々の青及び緑の画素と垂直電荷転送路
l₁,l₂,l₃は斜線部分で示すチャンネルストッパで分離さ
れ、各行に配列される画素に対して１対ずつの転送電極
G₁,G₂,G₃,G₄が垂直電荷転送路l₁,l₂,l₃の上面に積層
（但し、青と緑の画素の上面を避けて積層）され、これ
らの転送電極に所謂４相駆動方式に準じた駆動信号φ₁,
φ₂,φ₃,φ_４を印加することによって垂直電荷転送路
l₁,l₂,l₃に信号電荷転送のためのポテンシャル井戸（以
下、これらのポテンシャル井戸をパケットという）を発
生させる。

更に、青の画素の一端とそれらに隣接するパケットの
間にトランスファゲートTg₁、緑の画素の一端とそれら
に隣接するパケットの間にトランスファゲートTg₂が形
成され、所定の転送電極G₂,G₄に高い電圧の駆動信号を
印加することによってトランスファゲートTg₁とTg₂を導
通にする構成になっている。

更に、第８図中のＸ−Ｘ線における垂直電荷転送路の
断面構造を第９図に基づいて説明すると、半導体基板中
のＰウェル層の表面にゲート酸化膜層となるシリコン酸
化膜（S_iO₂）を介してポリシリコンから成る転送電極
G₁,G₂,G₃,G₄……が形成され、例えば転送電極G₁,G₂に
“H"レベルの駆動信号φ₁,φ_２、転送電極G₃,G₄に“L"
レベルの駆動信号φ₃,φ_４を印加すると、図示するよう
に、転送電極G₁,G₂下に深いポテンシャル井戸、転送電
極G₃,G₄下にポテンシャル障壁が発生して信号電荷を保
持することができる。

そして、撮像の際、第７図中の で示す部分のパケットのポテンシャルレベルを深くする
ことにより、赤の画素として使用する。例えば、第８図
において、転送電極G₁,G₂,G₃の上面に赤（Ｒ）のカラー
フィルタを形成し、撮像の際に、これらの転送電極への
駆動信号φ_１〜φ_３を“H"レベル、転送電極G₄への駆動
信号φ_４を“L"レベルとすることにより、転送電極G₁,G
₂,G₃による転送エレメントを赤（Ｒ）の画素とし、転送
電極G₄下のポテンシャル障壁で画素間分離を行う。そし
て、他の転送電極に対しても同じ位相関係で駆動信号φ
_１〜φ_４を印加することによって同様の画素を構成す
る。

次に、かかる構成の固体撮像デバイスによる撮像動作
を説明すると、まず露光期間中に、所定の駆動信号（例
えば、φ_２〜φ_４）を“H"レベル、残りの駆動信号（例
えば、φ_１）を“L"レベルに設定することにより、垂直
電荷転送路に赤の画素群を発生させ、フォトダイオード
により形成される青及び緑の画素と共に信号多電荷の集
積を行わせる。露光完了後、所謂４相駆動方式による転
送により赤の信号電荷を水平電荷転送路２側へ転送する
と共に、その転送動作に同期して水平電荷転送路２で信
号読出しを行い、全ての赤の画素信号を読み出す。次
に、通常より高電圧の駆動信号を所定の転送電極（例え
ば、第８図ではG₂）に印加することによって青の画素に
対応するトランスファゲートTg₁を導通にして青の画素
の信号電荷を垂直電荷転送路へ転送させ、再びトランス
ファゲートTg₁を非導通にした後、所謂４相駆動方式に
よる転送により青の信号電荷を水平電荷転送路２側へ転
送すると共に、その転送動作に同期して水平電荷転送路
２で信号読出しを行い、全ての青の画素信号を読み出
す。次に、通常より高電圧の駆動信号を所定の転送電極
に印加することによって緑の画素に対応するトランスフ
ァゲートTg₂を導通にして緑の画素の信号電荷を垂直電
荷転送路へ転送させ、再びトランスファゲートTg₂を非
導通にした後、所謂４相駆動方式による転送により緑の
信号電荷を水平電荷転送路２側へ転送すると共に、その
転送動作に同期して水平電荷転送路２で信号読出しを行
い、全ての緑の画素信号を読み出す。

このように、面順次走査読出しによって各色毎の画素
信号を読出し、第７図から明らかなように各色毎に（n/
2）×ｍ個の同数及び同解像度の画素信号を得るように
なっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このような撮像装置にあっては、赤の感度
に対する青及び緑の感度が低いため、青及び緑の各画素
の開口率を向上することが望まれている。

即ち、ポリシリコン層を転送電極に使用した垂直電荷
転送路のパケットを赤の画素とし、フォトダイオードで
青及び緑の画素を形成する場合、赤の量子効率η_Ｒが約
0.7であるのに対し、青の量子効率η_Ｂと緑の量子効率
η_Ｇが共に約0.5程度であることから、このような量子
効率の差を補償すべく特に青と緑の画素の開口率を高め
る必要がある。

このような要求を満足するためには、垂直電荷転送路
の幅を狭くして、その分、青と緑の画素の面積を拡大す
ることが考えられるが、垂直電荷転送路の信号電荷転送
能力を考慮すると限界がある。

このように、開口率が低いことによる感度の低下の他
に、このような感度のバラツキを有する固体撮像デバイ
スから得られた各色の画素信号から画像を再生すると色
バランスが悪くなるという問題も招来する。

本発明はこのような課題に鑑みて成されたものであ
り、感度が高く、且つ各画素の感度バラツキの少ない撮
像装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、フォトダ
イオード等の光電変換素子を青及び緑の画素に適用し、
垂直電荷転送路の所定のパケットを赤の画素に適用する
インターライントランスファ方式の電荷結合型固体撮像
デバイスを使用する撮像装置を対象とし、上記青の画素
と垂直電荷転送路間に形成されるトランスファゲート及
び上記緑の画素と垂直電荷転送路間に形成されるトラン
スファゲートのポテンシャルレベルを可変制御すると共
に、青と緑の画素に発生した夫々の画素信号を複数回の
フィールド走査読出しによって読出すこととし、最初の
フィールド走査読出しでの上記トランスファゲートのポ
テンシャルレベルを浅くして各画素信号の一部を読出
し、２回目以後のフィールド走査読出しでの上記トラン
スファゲートのポテンシャルレベルを回数が上がる毎に
次第に深くし、最後のフィールド走査読出しで上記トラ
ンスファゲートのポテンシャルレベルを最も深くして残
余の画素信号を全て読み出し、このように複数回に分割
して読み出された信号を最後に各画素毎に加算演算する
ことによって青と緑の画素信号を形成することとした。

又、各色毎の感度を等しくするように、青及び緑の画
素の開口面積を設定すると同時に、赤の画素に適用する
垂直電荷転送路の幅を設定し、上記同様に、複数回のフ
ィールド走査読出しによって各色毎の画素信号を読み出
すこととした。

〔作用〕

このような構成を有する撮像装置によれば、青と緑の
画素に集積した信号電荷を少量ずつ分けて複数回で読み
出すようにしたので、垂直電荷転送路の幅を狭くするこ
とができると共に、その分、青と緑の画素の開口率を高
めることができる。

一方、垂直電荷転送路による赤の画素の量子効率に対
して光電変換素子による青と緑の画素の量子効率が低い
ことに鑑みて垂直電荷転送路の幅を小さく設計し、その
分、青と緑の画素の開口率を高めることで各色毎の感度
を均等にするように設計した結果、垂直電荷転送路の電
荷転送容量が不十分となって青と緑の画素信号を夫々１
回のフィールド走査読出しによって読み出すことができ
なくなった場合でも、複数回のフィールド走査読出しに
よって全ての画素の画素信号を読み出すことができる。

このように、開口率を高め且つ各色毎の感度を均等に
した撮像装置を提供することができると共に、設計の自
由度を向上させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面と共に説明する。

まず、第１図に基づいて撮像装置の全体構成を説明す
る。同図において、１は固体撮像デバイスの受光領域、
２は水平電荷転送路、３は出力アンプであり、受光領域
１には、縦（行方向）及び横（列方向）にマトリクス状
に配列されたｎ×ｍ個のフォトダイオードが形成され、
奇数行（第１の行）に配列されたフォトダイオードの夫
々の光入射面に青（Ｂ）のカラーフィルタを積層するこ
とにより青の分光感度を有する画素が形成され、偶数行
（第２の行）に配列されたフォトダイオードの夫々の光
入射面に緑（Ｇ）のカラーフィルタを積層することによ
り緑の分光感度を有する画素が形成されている。

更に、各列に配列する青と緑の画素群に隣接して垂直
電荷転送路l₁,l₂……l_mが形成され、所謂４相駆動方式
の駆動信号に基づいて信号電荷を縦方向へ転送するため
のポリシリコンから成る転送電極（図示せず）及び赤の
ストタイプフィルタが積層されている。

垂直電荷転送路l₁,l₂……l_mの終端が水平電荷転送路
２に対して並列に接続しており、水平電荷転送路２の出
力端に出力アンプ３が形成されている。

更に、受光領域の構造を第２図に基づいて詳述する。
尚、ある奇数行ｉに配列された青（Ｂ）の画素ａ_i.j,a
_i.j＋１及びその隣の偶数行ｉ＋１に配列された緑
（Ｇ）の画素ａ_ｉ＋1.j,a_{ｉ＋1.j＋１}の近傍の構造を代
表して説明する。同図において、夫々の青及び緑の画素
と垂直電荷転送路l_jは斜線部分で示すチャンネルストッ
パで分離され、各行に配列される画素に対して一対ずつ
の転送電極g_2i,g_2i+1,g_2i+2,g_2i+3が垂直電荷転送路l_j
の上面に積層（但し、青と緑の画素の上面を避けて積
層）され、これらの転送電極に所謂４相駆動方式に準じ
た駆動信号φ₁,φ₂,φ₃,φ_４を印加することによって垂
直電荷転送路l_jに信号電荷転送のためのポテンシャル井
戸（即ち、パケット）を発生させ、更に、青と緑の画素
に対応する所定パケットを赤の画素に適用する。

更に、青の画素の一端とそれらに隣接するパケットの
間にトランスファゲートTg₁、緑の画素の一端とそれら
に隣接するパケットの間にトランスファゲートTg₂が形
成され、所定の転送電極g_2i+1,g_2i+3に所定電圧の駆動
信号を印加することによってトランスファゲートTg₁とT
g₂を導通にする構成になっている。

次に、青及び緑の画素のサイズ及び垂直電荷転送路の
サイズを説明する。尚、第２図において、各行の画素に
対応する一対の転送電極（画素ａ_i.jに対してg_2iとg
_2i+1、画素ａ_ｉ＋1.jに対してg_2i+2とg_2i+3）の行方向
の幅をｖ、垂直電荷転送路のピッチ間隔をｈ、各垂直電
荷転送路の幅をｂ、フォトダイオードの周囲を遮光する
部分の幅をλとする。尚、半導体製造技術における所謂
レイアウトルールに従って転送電極が若干ずれる分は説
明の都合上無視して説明する。

画素ａ_i.jとそれに対応する垂直電荷転送路l_jの部分
を代表すると、まず、画素ａ_j.jが蓄積し得る電荷量Q₁
は、開口面積と単位面積当たりの飽和電荷量（空乏層に
よるキャパシタンス）αとの積で表せるので、 Q₁＝（ｖ−２λ）×（ｈ−２λ−ｂ）×α ……（１） となり、画素ａ_i.jに対応する垂直電荷転送路中の赤の
画素（パケット）が蓄積し得る電荷量Q₂は、該当するパ
ケットの面積と単位面積当たりの飽和電荷量（MOSキャ
パシタの容量）βの積で表せるので、 Q₂＝ｂ×ｖ×σ×β ……（２） となる。尚、係数σは、転送相数に対する赤の画素に適
用するパケットの数の比率を示し、例えば、一対の青及
び緑の画素（ａ_j.j,a_ｉ＋1.j）に対する赤の画素を４相
駆動方式の転送電極g_2iとg_2i+1の下の２個のパケットと
する場合には、σ＝2/4となる。

更に、赤と青の信号電荷を夫々τ回のフィールド走査
読出しによって読み出す場合には、τ回の電荷転送可能
容量Q₃は、上記式（２）から、 Q₃＝τ×Q₂＝τ×ｂ×ｖ×σ×β ……（３） となる。

そして、垂直電荷転送路による毎回の転送電荷量を等
しくするものとすると、上記式（１）と（３）から、 Q₁≦Q₃ ……（４） の関係が成立するように、各サイズv,h,bを決定する。

但し、各画素の感度を均等にすることを考慮して設計
を行うために、画素の感度を均等にするように各サイズ
v,h,bを決定した後、垂直電荷転送路による転送回数τ
を決定する。

即ち、夫々の画素の感度は量子効率と開口面積の積に
比例することから、青及び緑の画素の感度をΓ_１、赤の
画素の感度をΓ_２、青及び緑の画素の開口面積をS₁、赤
の画素の受光面積をS₂、青と緑のカラーフィルタの光透
過率等を含む係数を夫々ε₁,ε_２、赤のカラーフィルタ
の光透過率等を含む係数をε_３とすると、 となる。そして、上記式（５）と（６）から、 又は、 の関係式に基づいて青と緑及び赤の画素の面積を決定
し、更に、これらの面積を上記式（１）〜（３）に代入
して最終的に上記式（４）の条件を満足するサイズv,h,
bを決定すると共に、転送回数τを決定する。

次に、複数回のフィールド走査読出しによって、青と
緑の画素の信号電荷を分割して読み出すための手段を第
３図に基づいて説明する。第３図は、あるトランスファ
ゲートに沿ってフォトダイオードと垂直電荷転送路の間
のポテンシャルプロフィールを示し、通常の信号電荷転
送において発生するパケットの最も深いポテンシャルレ
ベルよりもフォトダイオードのポテンシャルレベルの方
が浅くなるように形成され、更に、通常の信号電荷転送
時にはトランスファゲートのポテンシャルレベルが浅く
なってフォトダイオードとパケット間を分離する所謂ポ
テンシャル障壁となるように形成される。

そして、トランスファゲート上の転送電極に印加する
駆動信号の電圧を変化させることによってトランスファ
ゲートのポテンシャルレベルを可変にし、青と緑の画素
（フォトダイオード）から垂直電荷転送路へ転送する信
号電荷量を調節する。

例えば、各画素毎に２回のフィールド走査読出しによ
って画素信号を読み出す場合、トランスファゲートを完
全に導通にするための駆動電圧をV_M、任意の割合ｋ（但
し０＜ｋ＜１）の信号電荷を転送するための駆動電圧を
ｋ×V_Mとし、最初のフィールド走査読出しの際には駆動
電圧をｋ×V_Mに設定して例えば第３図（ａ）に示すポテ
ンシャルレベルP₁にすることにより、このポテンシャル
レベルP₁より上の一部信号電荷だけを垂直電荷転送路側
へ移してから読出し、次のフィールド走査読出しでは駆
動電圧をV_Mに設定して例えば第３図（ａ）に示すポテン
シャルレベルP₂にすることにより、残りの信号電荷を垂
直電荷転送路側へ移してから読出す。

再び第１図に戻って説明するに、４は垂直電荷転送路
の転送電極に印加する４相駆動方式の駆動信号φ_１〜φ
_４、水平電荷転送路２を駆動する２相駆動方式の駆動信
号φ_H1,φ_H2及びトランスファゲートを制御するための
制御信号等を発生する駆動信号発生回路、５は撮像装置
全体の動作タイミングを制御するタイミング制御回路で
ある。

更に、６は出力アンプ３を介して読み出された画素信
号を標本化するサンプルホールド回路、７は標本化した
画素信号をデジタルの画素データに符号化するA/D変換
器、８は赤（Ｒ）の画素データを記憶する第１メモリ、
９は青（Ｂ）の画素データを記憶する第２メモリ、10は
緑（Ｇ）の画素データを記憶する第３メモリであり、第
２及び第３メモリ9,10は読出し回数に対応した複数のメ
モリ領域を備えている。11はチャンネル切換えスイッチ
であり、各色毎の読出しに対応してA/D変換器７とメモ
リ8,9,10の接続を切り換えるように成っている。

12は演算回路であり、メモリ9,10の各メモリ領域に分
割して記憶された画素データを夫々の画素毎に対して加
算演算を行うことによって、青と緑の画素に発生した画
素信号に相当する画素データを再生する。

次に、かかる構成の撮像装置の作動を第４図のタイミ
ングチャートに基づいて説明する。尚、同図は電子スチ
ルカメラ等の静止画像を撮像するカメラに適用した場合
を示す。

まず、ステップ100において、電圧V_Mの駆動信号φ_２
を付加することにより青（Ｂ）の画素群に関するトラン
スファゲートを完全に導通にしてこれらの画素に残留し
ていた不要電荷を隣の垂直電荷転送路へ転送し、次に、
ステップ110において、４相駆動方式の駆動信号φ_１〜
φ_４に従って垂直電荷転送路に電荷転送動作を行わせる
と同時に、２相駆動方式の駆動信号φ_H1,φ_H2に従って
水平電荷転送路２が所定のタイミングで読み出す。

全ての青の画素からの不要電荷を読み出した後、次の
ステップ120において、電圧V_Mの駆動信号φ_４を印加す
ることにより緑（Ｇ）の画素群に関するトランスファゲ
ートを完全に導通にしてこれらの画素に残留していた不
要電荷を隣の垂直電荷転送路へ転送し、次に、ステップ
130において、４相駆動方式の駆動信号φ_１〜φ_４に従
って垂直電荷転送路に電荷転送動作を行わせると同時
に、２相駆動方式の駆動信号φ_H1,φ_H2に従って水平電
荷転送路２が所定のタイミングで読み出し、全ての緑の
画素に残留していた不要電荷を外部に排出する。

上記ステップ100〜130の処理により、画素及び垂直電
荷転送路の不要電荷を排出することとなり、この排出直
後に、ステップ140で、駆動信号φ_１とφ_２を通常の電
荷転送のための電圧レベル“H"、駆動信号φ_３とφ_４を
“L"レベルにすることによって、駆動信号φ_１とφ_２が
印加された転送電極下の垂直電荷転送路中に赤の画素と
なるパケットを発生させ、同時に受光領域１の前面に配
置された機械式シャッター（図示せず）を開いてシャッ
タースピードに対応する時間だけ露光を行い、再び機械
式シャッターを閉じる。

次に、ステップ150において、４相駆動方式の駆動信
号φ_１〜φ_４に同期して垂直電荷転送路による電荷転送
動作を行わせ、１行ずつ転送されてくる信号電荷を水平
電荷転送路２が出力アンプ３を介して読出し、この動作
を繰返すことによって赤の画素で受光した１フレーム分
の画素信号を読み出す。更に、この読出し中は、各画素
信号はサンプルホールド回路６及びA/D変換器７で赤の
画素データに変換され、チャンネル切換えスイッチ11を
介して第１メモリ８に赤の画素配列に対応して記憶す
る。

次に、ステップ160において、トランスファゲートに
印加する最大電圧V_Mの比率k₁を設定し、ステップ170に
おいて、第２メモリ９と第３メモリ10中のメモリ領域を
指定する。

次に、ステップ180において、第１フィールドに配列
される青（Ｂ）の画素に対するトランスファゲートTg₁
を電圧k₁×V_Mの駆動信号φ_２によって導通にする。この
とき、トランスファゲートTg₁は最も深ポテンシャルレ
ベルにはならないので、該ポテンシャルレベルより高い
レベルの分の青の信号電荷だけが垂直電荷転送路へ転送
され、所定時間後に再びトランスファゲートを非導通に
する。

次に、ステップ190において、４相駆動方式の駆動信
号φ_１〜φ_４に同期して垂直電荷転送路による電荷転送
動作を行わせ、１行ずつ転送されてくる信号電荷を水平
電荷転送路２が出力アンプ３を介して読出し、この動作
を繰返すことによって青の画素で受光した一部の画素信
号を読み出し、サンプルホールド回路６、A/D変換器７
及びチャンネル切換えスイッチ11を介して第２メモリ９
の指定されたメモリ領域に画素配列に対応して記憶す
る。

次に、ステップ200において、第２フィールドに配列
される緑（Ｇ）の画素に対するトランスファゲートTg₂
を電圧k₁×V_Mの駆動信号φ_４によって導通にする。この
とき、トランスファゲートTg₂は最も深ポテンシャルレ
ベルにはならないので、該ポテンシャルレベルより高い
レベルの分の緑の信号電荷だけが垂直電荷転送路へ転送
され、所定時間後に再びトランスファゲートTg₂を非導
通にする。

次に、ステップ210において、４相駆動方式の駆動信
号φ_１〜φ_４に同期して垂直電荷転送路による電荷転送
動作を行わせ、１行ずつ転送されてくる信号電荷を水平
電荷転送路２が出力アンプ３を介して読出し、この動作
を繰返すことによって緑の画素で受光した一部の画素信
号を読み出し、サンプルホールド回路６、A/D変換器７
及びチャンネル切換えスイッチ11を介して第３メモリ10
の指定されたメモリ領域に画素配列に対応して記憶す
る。

次に、ステップ220において、予め設定された回数τ
の読出しを完了したか否かの判断を行い、完了していな
い場合には、ステップ230へ処理が移行する。ステップ2
30では、トランスファゲートへ印加するための電圧の比
率ｋを変更する。但し、先の印加電圧よりも高電圧とな
る比率に設定する。更に、ステップ240において、第２
メモリ９と第３メモリ10中の次のメモリ領域を指定す
る。

そして、ステップ180〜220の処理を新たに設定された
電圧ｋ×V_Mに応じて行うことにより、更に分割した青と
緑の画素データを第２メモリ９と第３メモリ10中の次の
メモリ領域に画素配列にしたがって記憶する。

このように、予め設定した回数の読出し処理をτ回繰
り返して行うと、ステップ260へ処理が移行する。

ステップ250では、演算回路12を起動し、第２メモリ
９の各メモリ領域に記憶されている画素データを各画素
配列に対応して加算演算し、青の各画素で発生した画素
信号に相当する画素データを再生し、所定のメモリ領域
に格納する。

次に、ステップ260において、演算回路12を起動し、
第３メモリ10の各メモリ領域に記憶されている画素デー
タを各画素配列に対応して加算演算し、緑の各画素で発
生した画素信号に相当する画素データを再生し、所定の
メモリ領域に格納する。

そして、周知のメモリ読出しによって各メモリ8,9,10
から画素データを出力させることで、モニタ等に静止画
像を再生するのに供することができる。

更に、他の実施例を第５図ないし第６図に基づいて説
明する。この実施例は、第１図に示す固体撮像デバイス
の受光領域１中の垂直電荷転送路を２相駆動方式に基づ
いて電荷転送を行う構成にしたものであり、駆動信号発
生回路４からは２相駆動方式の駆動信号φ_V1,φ_V2が出
力される。そして、第１の実施例と同様に青（Ｂ）と緑
（Ｇ）の画素群と垂直電荷転送路群が形成されている。

第５図に基づいて、受光領域の構造を、ある奇数行ｉ
に配列された青（Ｂ）の画素ａ_i.j,a_i.j＋１及びその隣
の偶数行ｉ＋１に配列された緑（Ｇ）の画素ａ_ｉ＋1.j,
a_{ｉ＋1.j＋１}の近傍を代表して説明する。同図におい
て、夫々の青及び緑の画素と垂直電荷転送路l_jは斜線部
分で示すチャンネルストッパで分離され、各行に配列さ
れる画素に対して１つずつの転送電子g_i,g_i+1,……が垂
直電荷転送路l_jの上面に積層（但し、青と緑の画素の上
面を避けて積層）され、これらの転送電極に第６図
（ｄ）に示すような２相駆動方式に準じた駆動信号
φ_V1,φ_V2を印加することによって垂直電荷転送路l_jに
信号電荷転送のためのポテンシャル井戸（即ち、パケッ
ト）を発生させ、更に、青と緑の画素に対応する所定パ
ケットを赤の画素に適用する。

更に、青と緑の画素の一端とそれらに隣接するパケッ
トの間にトランスファゲートTgが形成され、転送電極に
所定電圧の駆動信号を印加することによってトランスフ
ァゲートTgを導通にする。

垂直電荷転送路は、第６図（ａ）又は同図（ｂ）に示
す縦断面構造となっている。

一方の具体例として第６図（ａ）に示すように、半導
体基板中のＰ−ウエル層の表面に、各転送電極が信号電
荷の転送方向に対して厚さの異なるシリコン酸化膜（S_i
O₂）を介して積層し、これらの転送電極に第６図（ｄ）
に示す２相駆動信号φ_V1,φ_V2を供給することにより、
第６図（ｃ）に示すようなポテンシャルプロフィールを
発生させて、信号電荷を水平電荷転送路側へ転送する。
即ち、第６図（ｄ）に示す時点t₁（即ち、φ_V1が“H"、
φ_２が“L"レベルの時）は第６図（ｃ）中の実線で示す
ポテンシャルプロフィール、第６図（ｄ）に示す時点t₂
（即ち、φ_V1が“L"、φ_２が“H"レベルの時）は第６図
（ｃ）中の点線で示すポテンシャルプロフィールとな
り、これを繰り返すことにより信号電荷を転送する。

他方の具体例では、第６図（ｂ）に示すように、半導
体基板中のＰ−ウエル層の表面に、各転送電極が均等の
厚さのシリコン酸化膜（S_iO₂）を介して積層し、各転送
電極下のＰ−ウエル層に、信号電荷の転送方向に対して
P⁺型不純物の埋込み層とこの埋込み層のない部分が形成
されている。そして、これらの転送電極に第６図（ｄ）
に示す２相駆動信号φ_V1,φ_V2を供給することにより、
第６図（ｃ）に示すようなポテンシャルプロフィールを
発生させて、信号電荷を水平電荷転送路側へ転送する。

何れの具体例でも同様の機能を得ることができるの
で、本実施例では適宜に選択している。

次に、青及び緑の画素のサイズ及び垂直電荷転送路の
サイズを説明する。尚、第５図において、各行の画素に
対応する行方向の幅をｖ、垂直電荷転送路のピッチ間隔
をｈ、各垂直電荷転送路の幅をｂ、フォトダイオードの
周囲を遮光する部分の幅をλとする。尚、半導体製造技
術における所謂レイアウトルールに従って転送電極が若
干ずれる分は説明の都合上無視して説明する。

画素ａ_i.jとそれに対応する垂直電荷転送路l_jの部分
を代表すると、まず、画素ａ_i.jが蓄積し得る電荷量Q₁
は、開口面積と単位面積当たりの飽和電荷量（空乏層に
よるキャパシタンス）αとの積で表せるので、 Q₁＝（ｖ−λ）×（ｈ−２λ−ｂ）×α ……（９） となり、画素ａ_i.jに対応する垂直電荷転送路中の赤の
画素（パケット）が蓄積し得る電荷量Q₂は、該当するパ
ケットの面積と単位面積当たりの飽和電荷量（MOSキャ
パシタの容量）βの積で表せるので、 Q₂＝ｂ×ｖ×σ×β ……（10） となる。尚、係数σは、転送相数に対する赤の画素に適
用するパケットの数の比率を示し、σ＝1/2となる。

更に、赤と青の信号電荷を夫々τ回のフィールド走査
読出しによって読み出す場合には、τ回の電荷転送可能
容量Q₃は、上記式（９）から、 Q₃＝τ×Q₂＝τ×ｂ×ｖ×σ×β ……（10） となる。

そして、垂直電荷転送路による毎回の転送電荷量を等
しくするものとすると、上記式（１）と（３）から、 Q₁≦Q₃ ……（11） の関係が成立するように、各サイズv,h,bを決定する。

又、各画素の感度を均等にすることを考慮して設計を
行うために、青及び緑の画素の感度をΓ_１、赤の画素の
感度をΓ_２、青及び緑の画素の開口面積をS₁、赤の画素
の受光面積をS₂、青と緑のカラーフィルタの光透過率等
を含む係数を夫々ε₁,ε_２、赤のカラーフィルタの光透
過率等を含む係数をε_３とすると、 となる。そして、上記式（12）と（13）から、 又は、 の関係式に基づいて青と緑及び赤の画素の面積を決定
し、更に、これらの面積を上記式（９）〜（11）に代入
して最終的に上記式（11）の条件を満足するサイズv,h,
bを決定すると共に、転送回数τを決定する。

そして、第１実施例と同様に、複数回の読出し走査を
行うと共に、各読出し時に青と緑の画素から垂直電荷転
送路へ信号電荷を移すときにトランスファゲートのポテ
ンシャルレベルを可変にすることによって、幅の狭い垂
直電荷転送路でも全ての画素信号を読み出すことがで
き、又、青と緑の感度を赤に等しい感度に設定すること
ができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、従来、垂直電荷
転送路に形成した赤の感度が光電変換素子で形成した青
と緑の感度より高く、その結果、色バランスが悪かった
が、色感度を均等にするように垂直電荷転送路の幅と青
と緑の開口面積を設計して、それによる垂直電荷転送路
の一回の信号電荷転送能力が低下しても複数回の信号読
出しによって補償することができるので、色バランスの
問題を容易に解決することができると同時に、各色毎の
撮像感度の向上も図ることができるという優れた効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例構成説明
図、 第２図は第１図における受光領域の要部構造を拡大して
示す構造説明図、 第３図は第２図におけるトランスファゲートの機能を説
明する説明図、 第４図は実施例における撮像動作を説明するためのフロ
ーチャート、 第５図は他の実施例の固体撮像デバイスの受光領域の要
部構造を拡大して示す構造説明図、 第６図は第５図の垂直電荷転送路の構造及び作動を説明
するための説明図、 第７図は従来の固体撮像装置の構成を示す構成説明図、 第８図は第７図における受光領域の要部構造を拡大して
示す構造説明図、 第９図は第８図における垂直電荷転送路の部分断面図で
ある。 図中の符号： 1;受光領域 2;水平電荷転送路 3;出力アンプ 4;駆動信号発生回路 5;タイミング制御回路 6;サンプルホールド回路 7;A/D変換器 8;第１メモリ 9;第２メモリ 10;第３メモリ 11;チャンネル切換え回路 12;演算回路 l₁,l₂,l₃,……；垂直電荷転送路 ａ_i.j,a_i.j＋１,a_ｉ＋1.j,a_{ｉ＋1.j＋１}……,;青又は赤
の画素 g_i,g_i+1……、g_2i,g_2i+1……；転送電極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】縦及び横方向にマトリクス状に複数の光電
   変換素子を形成し、第１の行に配列する光電変換素子群
   を青（Ｂ）の分光特性を有する画素群、第２の行に配列
   する光電変換素子群を緑（Ｇ）の分光特性を有する画素
   群とし、列方向に配列される各列の画素群毎に隣接して
   垂直電荷転送路を形成すると共に、垂直電荷転送路の所
   定のパケットを赤（Ｒ）の画素群に適用し、上記青の画
   素と垂直電荷転送路の間及び緑の画素と垂直電荷転送路
   の間にトランスファゲートを形成したインターライント
   ランスファ方式の電荷結合型固体撮像デバイスで撮像を
   行う撮像装置において、 前記トランスファゲートのポテンシャルレベルを可変制
   御すると共に、青と緑の画素に発生した夫々の画素信号
   を複数回のフィールド走査読出しによって読出すことと
   し、そのフィールド走査読出し順に従って上記トランス
   ファゲートのポテンシャルレベルを順次に深くすること
   によって、各フィールド走査読出し毎に画素信号を分割
   して読み出すことを特徴とする撮像装置。