JPH04369268A - Ｃｃｄ固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＣＣＤ（電荷結合素
子）固体撮像素子に関し、例えばＣＣＤカラーライン（
一次元）センサに利用して有効な技術に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】カラーラインセンサに関しては、特開昭
５２−１０６１４号公報、特開昭５８−２１９６８号公
報がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のカラーラインセ
ンサでは、上記公報のように３列又は３列以上に設けら
れたホトダイオード列を有し、それぞれのホトダイオー
ドの大きさを等しくするものである。しかし、上記ホト
ダイオードに設けられるカラーフィルタにあっては、光
の透過率が異なるために実質的な感度に差が生じてしま
うという問題がある。また、ホトダイオード列が３列以
上であるために、それぞれの列の間にＣＣＤシフトレジ
スタを配置するため、ホトダイオード列の間隔が広くな
り、ホトダイオードに起因する信号のずれを補正する外
部信号処理が必要となる。この発明の目的は、外部信号
処理回路の削減とカラーバランスの改善を図ったＣＣＤ
固体撮像素子を提供することにある。この発明の他の目
的は、高感度化又は高速読み出しを可能にしたＣＣＤ固
体撮像素子を提供することにある。この発明の前記なら
びにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述お
よび添付図面から明らかになるであろう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記の通りである。すなわち、ホトダイオードの形状をＣ
ＣＤ転送路に対応した転送ゲートに向かって広がるよう
にする。また、３原色カラーフィルタが設けられた３つ
のホトダイオードを単位として、青色フィルタが設けら
れるホトダイオードの面積を基準にしてそのピッチに合
わせ込むように赤フィルタと緑フィルタが設けられたそ
れぞれのホトダイオードの面積を約半分に形成する。

【０００５】

【作用】上記した手段によれば、ホトダイオードにおい
て狭チャンネル効果により三角形の頂点から底辺に向か
って電位勾配が生じて光電変換電荷をＣＣＤ転送路に効
率よく掃き出すことができる。また、透過率の悪い青フ
ィルタが設けられたホトダイオードを大きく形成するこ
とにより、解像度の向上とカラーバランスの改善を図る
ことができる。

【０００６】

【実施例】図１には、この発明が適用されるカラーライ
ンセンサの一実施例の概略レイアウト図が示されている
。同図のカラーラインセンサは、公知の半導体集積回路
の製造技術により、単結晶シリコンのような１個の半導
体基板上において形成される。　　同図では、代表とし
て３画素分のホトダイオードとそれに対応したＣＣＤシ
フトレジスタの配置例が例示的に示されている。

【０００７】この実施例では、青色のカラーフィルタの
透過率を補償するために青色のホトダイオードのピッチ
ＰＢを比較的大きく形成している。すなわち、青色のカ
ラーフィルタが設けられるホトダイオードは、上の列に
上記のようなピッチＰＢを以て形成される。これに対し
て、透過率の高い赤色と緑色のカラーフィルタが設けら
れるホトダイオードは、上記青色のホトダイオード列に
近接して下側に平行に緑、赤交互に配置される。しかも
、そのピッチは、上記青色のカラーフィルタが設けられ
るホトダイオードのピッチＰＢの約半分のピッチにされ
る。

【０００８】上記青色と赤色及び緑色のカラーフィルタ
が設けられるホトダイオードの高さｄ１，ｄ２は、特に
制限されないが、約同じ高さにされる。これにより、青
色のホトダイオードに対して緑色と赤色のホトダイオー
ドの面積が約半分に形成される。このようなホトダイオ
ードの面積の比率により、赤色及び緑色のカラーフィル
タに対する青色のカラーフィルタ透過率の低さを補うよ
うに設定される。

【０００９】上記のようなホトダイオード列に対応して
、上側には青色用のＣＣＤシフトレジスタ（アナログシ
フトレジスタ）が設けられ、下側に緑赤用のＣＣＤシフ
トレジスタが設けられる。緑色と赤色のホトダイオード
に対応した緑赤用ＣＣＤシフトレジスタでは、そのピッ
チに対応したＣＣＤ転送路が形成されて、緑色画素信号
と赤色画素信号が交互に転送される。これに対して、青
用ＣＣＤシフトレジスタは、上記のようにホトダイオー
ドのピッチに対応したＣＣＤ転送路を形成するようにし
てもよいが、この場合、単位のゲート長が長くなり転送
効率が悪くなることがある。

【００１０】そこで、特に制限されないが、上記青色の
カラーフィルタが設けられるホトダイオードは、下列の
緑及び赤のホトダイオードに対応した大きさの２つのホ
トダイオードにより構成され、この分割されたホトダイ
オードのピッチに対応してＣＣＤ転送路を形成する。こ
の構成では、上下のＣＣＤシフトレジスタを同じピッチ
で形成でき、しかも同じ転送クロックにより動作させる
ことができる。また、１ラインの読み出しに同じ時間が
費やされることとなり、外部にアナログメモリを設ける
必要がない。

【００１１】上記の構成では、下側のＣＣＤシフトレジ
スタから出力されるカラー画素信号は、赤色画素信号、
緑色画素信号の順に交互に出力される。それ故、出力部
には色分離のために、例えばサンプリングホールド回路
が設けられて赤色画素信号と緑色画素信号が分離される
。これと同期して出力される青色の画素信号は、半分ず
つが順次読み出される。それ故、赤色画素信号と同期し
て出力される前半分の青色画素信号に対して、出力回路
のリセット信号を入力しないでデータを保持するか、あ
るいは外部のサンプリングホルード回路に保持させ、緑
色画素信号と同期して出力される後半分の青色画素信号
とをアナログ加算回路で加算する。これにより、簡単な
外部回路により緑色画素信号に同期して、加算された青
色画素信号及びサンプリングホールド回路に保持されて
いた赤色画素信号とを出力させることができる。

【００１２】上記構成において、使用するカラーフィル
タの透過率に対応し、白色光線が入力されたときの赤、
緑及び青の画素信号がほぼ同じになるように、上記ホト
ダイオードの面積比率が設定される。このときの面積比
率は、ＣＣＤでの信号電荷の転送を行う関係上、単位の
画素のピッチＰＢは同じくし、高さｄ１，ｄ２の調整、
赤と緑はその分割比の調整により最適値が選ばれる。

【００１３】図２には、この発明が適用されるカラーラ
インセンサの他の一実施例の概略レイアウト図が示され
ている。この実施例では、色分離を簡単にするために各
色に対応して青用ＣＣＤシフトレジスタ、緑用ＣＣＤシ
フトレジスタ及び赤用ＣＣＤシフトレジスタが設けられ
る。そして、青色のカラーフィルタが設けられたホトダ
イオードのピッチＰＢを基準にして、その半分のピッチ
で緑色と赤色のカラーフィルタが交互に設けられるホト
ダイオード列が形勢される。そして、特に制限されない
が、青用ＣＣＤシフトレジスタの下側に青色のカラーフ
ィルタが設けられるホトダイオード列が配置され、その
下側に上記緑色と赤色のカラーフィルタが交互に設けら
れるホトダイード列を挟むように上側に緑用ＣＣＤシフ
トレジスタが、下側に赤用ＣＣＤシフトレジスタが配置
される。

【００１４】この実施例では、特に制限されないが、青
色のカラーフィルタが設けられるホトダイオードのピッ
チＰＢに対応して青用ＣＣＤシフトレジスタの他、緑及
び赤用ＣＣＤシフトレジスタのＣＣＤの転送路のピッチ
も合わせ込む。これにより、３原色のカラー画素を同じ
転送クロックにより同期して独立に出力させることがで
きるものとなる。この構成でも、上記同様に使用するカ
ラーフィルタの透過率に対応し、白色光線が入力された
ときの赤、緑及び青の画素信号がほぼ同じになるように
、単位の画素のピッチＰＢを同じくし、高さの調整、赤
と緑はその分割比の調整により上記ホトダイオードの面
積比率が設定される。

【００１５】図３には、この発明が適用されるカラーラ
インセンサの他の一実施例の概略レイアウト図が示され
ている。この実施例では、青色のカラーフィルタが設け
られるホトダイードのピッチに合わせ、かつその面積が
約半分にされる緑色と赤色のカラーフィルタが設けられ
るホトダイオードが前記の実施例のように転送方向では
なく、それと垂直な縦方向に実質的に分割される。ただ
し、共通化された緑赤用ＣＣＤシフトレジスタを用いて
信号電荷の転送を行うために、赤色のカラーフィルタが
設けられるホトダイオードの転送ゲートは、同図におい
て右側で折れ曲がって下方向に配置される緑赤用ＣＣＤ
シフトレジスタに向かって延びている。これにより、等
価的に前記図１に示した実施例と同様にして３原色のカ
ラー画素信号を得ることができるものとなる。

【００１６】図４には、この発明が適用されるカラーラ
インセンサの更に他の一実施例の概略レイアウト図が示
されている。この実施例では、基本的には図１の実施例
と同様である。ただし、ホトダイードの形状として、青
色のカラーフィルタが設けられるホトダイオードを２等
辺三角形として、その底辺に転送ゲートを設けて青用Ｃ
ＣＤシフトレジスタを配置する。これに対して、緑色と
赤色のカラーフィルタが設けられるホトダイードの形状
は、上記２等辺三角形をその頂点から底辺に向かう垂線
により分割される直角三角形として約半分の面積とする
。そして、上記青色用の２等辺三角形を挟むように２つ
の直角三角形からなる緑色と赤色のカラーフィルタが設
けられるホトダイオードを配置し、その組み合わせによ
り構成される全体の形状が約方形を形作るようにする。 すなわち、上記分割された青色と赤色用のホトダイオー
ドを構成する直角三角形はその斜辺が青色用のホトダイ
オードに対応したもとの２等辺三角形の斜辺と向かい合
うように配置される。

【００１７】この構成では、３原色ホトダイオード列が
、互いに組み合わせて構成されからほぼ１列のホトダイ
オードとみなすことができ、高い解像度を得ることがで
きるものとなる。また、上記のような三角形のホトダイ
オードにおいては、三角形の頂点では狭（ショート）チ
ャンネル効果により、頂点から底辺に向かうような電位
勾配が形勢される。それ故、ホトダイオードにおいて生
成された光電変換電荷をＣＣＤシフトレジスタに読み出
すときの転送効率を促進することができる。これにより
、光電変換電荷をより確実にしかも高速にＣＣＤ転送路
に掃き出すことができるから高感度化も可能になるとも
に高速読み出しも実現できる。

【００１８】図５には、この発明が適用されるラインセ
ンサの一実施例の概略レイアウト図が示されている。こ
の実施例では、上記のようにホトダイオードを三角形に
形成した場合には、狭チャンネル効果により光電変換電
荷の効率のよい読み出しができることに着目し、モノク
ロのラインセンサに適用した例が示されている。この実
施例では、ホトダイオードを２等辺三角形に形成し、そ
れを上下対称になるように交互に１列に並べて配置し、
頂点が下に向かうホトダイオードには上側にＣＣＤシフ
トレジスタをを設け、頂点が上に向かうホトダイオード
には下側にＣＣＤシフトレジスタを設ける。言い換える
ならば、頂点が下側に向かうホトダイオードでは、頂点
から上側に配置される底辺に向かって電位勾配を持つた
め、そこで形成された信号電荷を効率よく上側に配置さ
れたＣＣＤシフトレジスタに掃き出すことができる。同
様に、頂点が上側に向かうホトダイオードでは、頂点か
ら下側に配置される底辺に向かって電位勾配を持つため
、そこで形成された信号電荷を効率よく下側に配置され
たＣＣＤシフトレジスタに掃き出すことができる。これ
により、高感度化あるいは高速読み出しを可能にしたラ
インセンサを得ることができるものとなる。

【００１９】図６には、この発明が適用されるエリアセ
ンサの一実施例の概略レイアウト図が示されている。同
図では、ＣＣＤ固体撮像素子全体の理解を容易にするた
め６行２列の合計１４個からなるホトダイオードが代表
として例示的に示されている。実際には、複数行と複数
列にホトダイオードをマトリックス状に配置して、公知
のようにエリアサンサのように全体で約２０万から約４
０万のような多数のホトダイオードが設けられるもので
ある。

【００２０】ホトダイオード列は、上記図５のラインセ
ンサが縦方向に複数個並ぶものと理解されたい。１列の
ホトダイードは、上記同様に左右に分離されて両側に配
置される垂直ＣＣＤシフトレジスタＶＣＣＤにより上下
に分けて転送される。上記のようなレイアウトを採ると
、隣接する列ではホトダイオード列の間に２つのＶＣＣ
Ｄが介在して水平ＣＣＤシフトレジスタＨＣＣＤとのピ
ッチの合わせ込みを複雑にする。これに対して、ＶＣＣ
Ｄを上下に振り分けて転送させることにより、ＨＣＣＤ
に対して、ＶＣＣＤ、ホトダイオード列、ＶＣＣＤのよ
うに順序良く配置することができる。この構成では、ホ
トダイオードの信号電荷の掃き出しを効率よく行うこと
ができるから、高感度化及び高速読み出しが可能になる
。なお、ＨＣＣＤのピッチの調整により、１つのＨＣＣ
Ｄに対してＶＣＣＤの信号電荷を転送させる構成として
もよい。

【００２１】図７には、上記ラインセンサ又はエリアセ
ンサに用いられるＣＣＤシフトレジスタの一実施例の素
子構造断面図が示されている。ＣＣＤでは、電子（又は
正孔）が通り易い転送チャンネルをシリコン基板中に作
る。シリコン基板の表面に酸化膜を挟み、対となる転送
ゲート１Ａ、２Ａ・・・と蓄積ゲート１Ｂ、２Ｂ・・・
が形成される。転送ゲート１Ａ、２Ａ・・・下のチャン
ネルと蓄積ゲート１Ｂ、２Ｂ・・・下のチャンネルとで
は不純物濃度が異なり、ゲートに電圧を印加していない
状態のときに、内部電位に差が生じ、蓄積ゲート１Ｂ、
２Ｂ・・・下に電子（又は正孔）が集まり易くしてある
。今、シリコン基板表面のゲートに適当な電圧を加え、
転送チャンネル内の電荷に対するポテンシャルを「波」
形に出来たとすると、電荷（電子又は正孔）はその「波
」の谷に集まる。ゲートにかかる電圧をパルスとし、適
当に高電位／低電位に変化させ、上記「波」形が一方向
に移動できれば「波」の谷に集まった電荷を転送チャン
ネル内に移送することができる。

【００２２】以下、電子を転送電荷とする場合について
述べる。正孔を転送電荷とする場合は、電子を転送電荷
とする場合から容易に推論できるので略す。図７に示す
ように、Ｐ型シリコン基板の表面にチャンネル幅を残し
て酸化膜を形成し、リン原子イオンをイオン打ち込み法
で注入させる。次いで熱処理を行い約０．７μｍ程度の
深さ方向の厚みを持つＮ型の導電性（電子を主荷電子と
する）チャンネルを形成する。次に、その表面全体を酸
化させ、チャンネル部表面に５００〜１０００Åのシリ
コン酸化膜を形成する。酸化膜の上にポリシリコンから
なる０．５μｍ程度の膜を積層し、蓄積ゲート１Ｂ、２
Ｂ・・・をホトリソグラフィ技術によって形成する。こ
れらの蓄積ゲート１Ｂ、２Ｂ・・・のゲート長（転送チ
ャンネルの長手方向に向かっての寸法）は出来るだけ短
いことが転送効率の点から望まれる。上記ゲート長は現
在の製造技術では１．５〜３μｍが普通である。将来、
微細加工技術の進展に伴い、１．０μｍ、０．８μｍ、
０．５μｍ・・・と短くなると考えられる。これらの各
蓄積ゲート１Ｂ、２Ｂ・・・の繰り返しピッチは、ゲー
ト長の１〜２倍である。上記各蓄積ゲート１Ｂ、２Ｂ・
・・の間にはボロン原子イオンをイオン打ち込みし、Ｎ
型導電性を少しキャンセルし、その上に転送ゲート１Ａ
、２Ａ・・・を蓄積ゲートと同様に酸化膜、ポリシリコ
ン膜をホトリソグラフィ技術により形成する。

【００２３】転送ゲートと蓄積ゲートを相隣合うもの、
すなわち、１Ａと１Ｂ、２Ａと２Ｂ・・・を結合させて
同じタイミングで同一電位を加えるようにし、かつこら
れの電極群を１つおきに２つのグループに分け、図２に
示すように、一方に低電位（例えば０Ｖ）Ｐ１を、他方
に高電位（例えば５Ｖ）Ｐ２を与える。すなわち、上記
ゲート１Ａと１Ｂ等にはには駆動クロックパルスＰ１を
供給し、上記ゲート２Ａと２Ｂ等には駆動クロックパル
スＰ２を供給する。

【００２４】例えば、駆動クロックパルスＰ１を０Ｖと
し、駆動クロックパルスＰ２を５Ｖにすると、転送ゲー
ト１Ａ、蓄積ゲート１Ｂ、転送ゲート２Ａ、蓄積ゲート
２Ｂの順に階段状に低くなる電子に対する内部ポテンシ
ャル（以下、電子について論議を進めるので単に内部ポ
テンシャルという）分布が形成される。このことは、同
様な２組からなる転送ゲート、蓄積ゲートにおいても同
様となる。これにより、谷の部分に電荷が集まり、電子
に注目すると最も高い電位を持つ蓄積ゲート２Ｂ等に転
送すべき電子が集まることになる。

【００２５】次に、駆動クロックパルスＰ１を５Ｖとし
、駆動クロックパルスＰ２を０Ｖにすると、転送ゲート
２Ａ、蓄積ゲート２Ｂ、次の転送ゲート、蓄積ゲートの
順に階段状に低くなるポテンシャル分布が形成される。 これによって、上記蓄積ゲート２Ｂ下にあった電子は次
の蓄積ゲート下の最も低い内部ポテンシャル部に転送さ
れる。そして、再び駆動クロックパルスＰ１を０Ｖに駆
動クロックパルスＰ２を５Ｖにすると、前記のような内
部ポテンシャル分布に戻るため、上記のような次の蓄積
ゲート下にあった電子は、図外のさらに右側に配置され
る蓄積ゲートに転送される。上記駆動クロックパルスＰ
１（Ｐ２）の１周期によって１ビット分の転送動作が行
われる。すなわち、２相のクロックパルスＰ１，Ｐ２に
より構成されるシフトレジスタと同様な動作を行う。

【００２６】上記の実施例から得られる作用効果は、下
記の通りである。 （１）ホトダイオードの形状をＣＣＤ転送路に対応した
転送ゲートに向かって広がるようにすることにより、ホ
トダイオードにおいては狭チャンネル効果により三角形
の頂点から底辺に向かって電位勾配が生じて光電変換電
荷をＣＣＤ転送路に効率よく掃き出すことができるとい
う効果が得られる。 （２）　　３原色カラーフィルタが設けられた３つのホ
トダイオードを単位として、青色フィルタが設けられる
ホトダイオードの面積を基準にしてそのピッチに合わせ
込むように赤フィルタと緑フィルタが設けられたそれぞ
れのホトダイオードの面積を約半分に形成して、透過率
の悪い青フィルタが設けられたホトダイオードを大きく
することにより、カラーバランスの改善を図ることがで
きるという効果が得られる。 （３）　　上記３原色カラーフィルタが設けられた３つ
のホトダイオードを三角形として、その底辺部にＣＣＤ
シフトレジスタが配置されるよう組み合わせることより
、いっそうの高解像度とカラーバランスの向上を図るこ
とができるという効果が得られる。 （４）　　青用のホトダイオードを２つに分割して、他
のホトダイオードと同じピッチに形成することにより、
上記透過率の悪い青フィルタが設けられたホトダイオー
ドを実質的に大きく形成しつつ、ＣＣＤ転送路を同じく
形成することができるという効果が得られる。

【００２７】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、ホ
トダイオードの配列は、前記同様に青色のホトダイオー
ドを面積が、そのフィルタの透過率を補正するように他
のホトダイオードに比べて大きく形成されたものであれ
ば何であってもよい。ホトダイオードの信号電荷を効率
よく掃きだすためのホトダイオードの形状は、２等辺三
角形や直角三角形のような三角形の他、狭チンネル効果
により転送ゲート部に向かう電位勾配が生じるような形
状のものであればよい。

【００２８】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。すなわち、ホトダイオードの形状をＣ
ＣＤ転送路に対応した転送ゲートに向かって広がるよう
に形成することにより、ホトダイオードにおいては狭チ
ャンネル効果により三角形の頂点から底辺に向かって電
位勾配が生じて光電変換電荷をＣＣＤ転送路に効率よく
掃き出すことができる。また、３原色カラーフィルタが
設けられた３つのホトダイオードを単位として、青色フ
ィルタが設けられるホトダイオードの面積を基準にして
そのピッチに合わせ込むように赤フィルタと緑フィルタ
が設けられたそれぞれのホトダイオードの面積を約半分
に形成して、透過率の悪い青フィルタが設けられたホト
ダイオードを大きくすることにより、カラーバランスの
改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明が適用されるカラーラインセンサの一
実施例を示す概略レイアウト図である。

【図２】この発明が適用されるカラーラインセンサの他
の一実施例を示す概略レイアウト図である。

【図３】この発明が適用されるカラーラインセンサの他
の一実施例を示す概略レイアウト図である。

【図４】この発明が適用されるカラーラインセンサの他
の一実施例を示す概略レイアウト図である。

【図５】この発明に係るラインセンサの一実施例を示す
概略レイアウト図である。

【図６】この発明に係るエリアセンサの一実施例を示す
概略レイアウト図である。

【図７】この発明に係るラインセンサ又はエリアセンサ
に用いられるＣＣＤシフトレジスタの一実施例を示す素
子構造断面図である。

【符号の説明】

ＶＣＣＤ…垂直ＣＣＤ、ＨＣＣＤ…水平ＣＣＤ、１Ａ，
２Ａ…転送ゲート、１１，２Ｂ…蓄積ゲート。Ｐ１，Ｐ
２…クロックパルス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＣＣＤ転送路に対応した転送ゲートに
   向かって広がるような形状のホトダイオードを含むこと
   を特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。
2. 【請求項２】　　上記ＣＣＤ転送路は、ホトダイオード
   列を挟むように２つに分割され、隣接するホトダイオー
   ドの転送ゲートが互いに異なる上記２つに分割されたＣ
   ＣＤ転送路に対応して設けられるものであることを特徴
   とする請求項１のＣＣＤ固体撮像素子。
3. 【請求項３】　　３原色カラーフィルタが設けられた３
   つのホトダイオードを単位として、青色フィルタが設け
   られるホトダイオードの面積を基準にしてそのピッチに
   合わせ込むように赤フィルタと緑フィルタが設けられた
   それぞれのホトダイオードの面積を約半分に形成するこ
   とを特徴とするＣＣＤ固体撮像素子。
4. 【請求項４】　　上記３原色カラーフィルタが設けられ
   るホトダイオード列を挟むように青用ＣＣＤシフトレジ
   スタと赤と緑共用のＣＣＤシフトレジスタを２つに振り
   分けて構成することを特徴とする請求項３のＣＣＤ固体
   撮像素子。
5. 【請求項５】　　上記３原色カラーフィルタが設けられ
   るホトダイオード単位列は、ほぼ２等辺三角形にされた
   青用ホトダイオードと、、上記青用のホトダイオードに
   対応した２等辺三角形の頂点から底辺に対する垂線によ
   り２分割されてなる直角三角形とほほ同じ形状であって
   、上記青用のホトダイオードを挟むように赤用と緑用の
   ホトダイオードからなり、上記青用のホトダイオードの
   底辺に対応して青用ＣＣＤシフトレジスタを設け、上記
   赤と緑のホトダイオードに対応して赤と緑共用のＣＣＤ
   シフトレジスタを設けることを特徴とする請求項４のＣ
   ＣＤ固体撮像素子。