JPS63500412A - 水平解像度の改善されたフレ−ム転送ｃｃｄ面積イメ−ジセンサ - 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】 水平解像度の改善されたフレーム転送ＣＣＤ面槓イこの発明は解像度の改善され たフレーム転送ＣＯＤ面積イメージセ／すに関係している。

背景技術 ＣＣＤ面積イメージセンサの一つの周矧の構成はフレーム又はフィールド転送形 構成である。この構成に２（・では、電荷転送チャネルが垂直方向に延びている 。各転送チャネルを分離しているのは、転送チャネルに集められた電荷を閉じ込 めて隣接のチャネルへの電荷漏れを防止するチャネル阻止部（ストップ）である 。チャネル阻止部はフィールド酸化物によって且つ又基板に３ける拡散又は注入 によって与えられる。各転送チャネルには複れた、独立した電極によって規定さ れている。従って、例えば、三相ＣＣＤには１セル当り三つの独立した電極があ り、又四相ＣＣＤには１セル当り四つの独立した電極がある。各電極は基板上に ある絶縁物上に形成されている。電極は透明なポリシリコン又は金属導体から作 ればよい。画像が標本化されてＴＶ上で表示されるような装置に２いて周矧であ るように、各フレームに対して二つのフィールドがある。第１フイールドの期間 中容解像セルの少なくとも一つの電極に電位が加えられてそれの下に空乏領拷又 は井戸が形成される。この井戸に集められた光電荷は場面（シーン）明るさレベ ルの関数である。

この光電荷は次に読み出された電圧信号に変換され、これが画像の生成に使用さ れる。次のフィールドの期間中、各解像セルの別の電極の下に空乏領域が形成さ れて第２フイールドのための各解像セルに対する積分領域が垂直に移動される。

この「見掛けのコインタレース方式は垂直変調伝達関数（ＭＴＦ）を実質上変更 することなく垂直解像度を有効に増大させる。この方式は広く使用されているが 、水平解像度が改善されないという欠点を持っている。水平解像度を改善する一 つの方法は水平寸法に２ける単位長当りの解像セルの数を増大させることである 。この方法は複雑性を増大さぞ且つ面積イメージセンサの歩留りを減少させるの でその原価が増大する。又、フレームのフィールド間に２いて、面積イメージセ ンサを目的場面に対して水平に移動させて水平解像度を増大させることができる 。

発明の開示 この発明の目的は、センサ解像セルの数を増大することなく又は画像に対してセ ンナを移動させることを必要としないで水平解像度が改善されるようなフレーム 転送ＣＣＤ面積イメージセンサを提供することである。

この目的は、解像度セルを狩った複数の隔置された転送チャネルのあるフレーム 転送ＣＣＤ面積イメージ七ン。

すによって達成される。各解像セルは場面画像を標本化して、画像面木の明るさ ンベルを表す電荷を蓄積する。

チャネル解像セルは解像セルの行及び列の配列体を規定するように構成されてい る。センサは更に、転送チャネルを分離し且つ解像度を改善するために各チャネ ルの４９合った解像セルをずらすように構成されたチャネル阻止部を備えている 。

一採択笑施例に２いては、各解像セルには複数の電極がある。フレームの第１フ イールドの期間中には解像セルの第１電極の下に且つ又フレームの第２フィール トノ期間中にはその解像セルの第２電極の下に電位エネルギーの井戸が形成され 得る。各フィールド内に２ける４９合ったセルの電荷の中心の水平ずらしは行ご とに行われ且つ又各セルによる電荷の中心の垂直移動（見掛けのイ／タンース） は各フレーム内に２いてフィールドごとに行われる。

この発明の利点は垂直及び水平のエイリアス効果が減小することである。

この発明の別の利点は、カラーフィルタ配列を用いた単式ＣＣＤセンサに適して いることである。例えば、一体的カラーフィルタを各チャネル上に配置すること ができる。

」１匡Ｑ」１１− 第１図はこの発明によるフレーム転送ＣＣＤ面積イメージセンサの概略的全体図 であって、競っかのずらし配列の転送チャネルの解像セルを分解図形式で示して おル、第２図は第１図の線２−２に沿って取られた断面図であって、センサの転 送チャネルに２ける解像セルを示して８す、 第３図は第１図の啜３−３に沿って取られた断面図であって、４９合りた転送チ ャネル間のチャネル阻止部をドの動作に３いて第１図の解像セルにより行われる 種種の電位井戸に２ける電荷の集合を示した概略図であシ、又 第５図は第１図のものとは異なったずらし配列のセ／す解像セルパターンを持っ たフレーム転送ＣＣＩ）イメージセンサに対する電荷の集合を示した概略図であ る。

発明を実施する方法 この発明を具体化したＣＯＤ面積イメージ七ンサｌＯの全体形状は第１図に示さ れている。図示の明確のために、この図は一定の相互比率になっていない。イメ ージセンサ１０はフレーム転送式四相（電圧縁φ１〜φ４）及び表面チャネルＣ ＣＤ面積イメージセンサからなっている。

画像は転送チャネル４２に２ける解像セルによって検出される。後述されるよう に、各解像セルは複数の透明な独立した電極３８によって規定されている。単に 例示のために、解像セルは７４０のずらし配列の行及び４８５列の解像度セルを 待ったずらし配列式二次元配列（ハに３いて配列されている。各透明電極は四相 クロック信号の一つの線又は相に接紙されている。露元後四つのクロック信号が 周九の方法で画像検出用配列Ａに順次加えられて、センサ解像セルに形成された 画像電荷パターンを一度に１行出力しジスタＧに移動させる。隣り合った転送チ ャネル間にはチャネル阻止部４０が設けられている。

これらのチャネル阻止部４０は以下で説明される方法で水平解ｇ１度を改善する ためにずらし配列されている。

１４　ＭＨｚ　クロックは標準テレビジョン水平走査率でイメージセンサの各行 を読み出すためのクロック信号を駆動する。出力レジスタＧは転送ゲート３０と 水平チャネル阻止部４４との間に配置された通常の二相ＣＣＤシフトレジスタで ある。出力レジスタＧの各セルには垂直チャネル阻止部４０と整列した転送電極 ２０、及び転送チャネル４２と整列した蓄積電位２２がある。これらの電極はそ れぞれ組φ１Ｔ及びφ１ｓ上の信号によって動作させられる。

ゲート３０及び出力レジスタＧの動作は技術上周知であるので、ただ簡単に説明 する。転送ゲート３０は第１の各セルには配列Ａの転送列と関係した蓄積電極２ ２がある。１行の光電荷が画像検出用配列Ａから読み出されるべき場合には、転 送ゲート３０が開かれて光電荷が電極２２の下に形成されている蓄積井戸に供給 される。

１行の光電荷（電子）が出力レジスタＧＫ転送された後、転送ゲート３０が閉じ られる。閉じられることはこの転送電極の下に電位障壁が形成されることを意味 する。

この時点で出力レジスタは二相方式で動作さぜられて光電荷を出力ダイオード３ ２経由でクロック送出し、このダイオードにより周知の方法で光電荷が電圧に変 換される。

今度は第２図に移ると、ＣＣＤセ／セルドープされた半導体基板３４（例えば、 ｐ形シリコン）上に形成されて示されている。二酸化けい素ｓ　ｉ　ｏ、の層３ ６は基板３４上で成長させられている。二酸化けい素にはこれを通しての不純物 の拡散を阻止するという基本的な特性がある。ポリシリコンの導電性寛＠３８が 次に二酸化けい累層３６上に付着させられている。導電性電極は又アルミニウム のような曾属で作ってもよいであろう。二酸化けい素層３６及び電極３８は透明 であって、光子がこれらを通って基板３４の内部へ入ることを可能にする。二酸 化けい素の薄い保護層３７が電極３８を覆っている。

第３図に示されたチャネル阻止部４０は厚くされた酸化物層４４で覆われた一層 重くドープされた（例えば、ｐ＋）領域によって規定されている。転送チャネル ４２は前述のようにチャネル阻止部４０によって分離され且り四相転送電極３８ で覆われている。チャネル阻止部領域に２ける厚くされたフィールド酸化物及び ドープされた領域は、その直下のパルクル形シリコンがその電極３８に力Ｕえら れた電圧にも力）かわらず決して空乏状態にならないように選択されている。

電極３８に電位が加えられると、その電極の下に空乏領域が形成される。第２図 に示されたように１解像セル又は画素は四つの電極を備えている。例えば、同じ 正電位が電圧線φ、及びφ、によって加えられ且つ電圧馨φ３及びφ４に電位が 刃口えられない場合には、電位が加えられている電極の下の基板３４において空 乏領域が形成される。正電位が加えられると、それは正孔を基板中へ追い払う。

格子電子が露出させられ、これにより空乏領域が形成される。空乏領域の電位形 状はエネルギー又は電位の井戸と呼ばれてｓ＋）、第２図に３いて点線３９で示 されている。

電極が透明であるので、露光中、場面光が電極を通過し、光子が基板に吸収され る。自由電子は光電気変換過程によって発生されて第２図に概略的に示されたよ うに電位井戸に集められる。これらの電子（光電荷）は自由に動き回ることがで きるが電位井戸の壁を貫通することができない。種種の電極に３ける電位形状は 、電荷を水平読出しレジスタＧへと下方へ移動させるように線φ。

〜φ、に８ける電圧を変えることによって今や変更することができる。第１図に 示されたように、レジスタＧへと移動された光電荷は今度はダイオード３２に移 動され、そしてこのダイオードが光電荷を電圧に変換する。電荷転送チャネル４ ０及びシフトレジスタＧは、その電極に周期的な電圧を適当に加えることによっ て電位井戸の移動する配列が形成されて電荷がこれの一つの位置からもう一つの 位置へと移動されるような標準的な電荷転送装置である。この形式の電荷転送素 子は技術上周知であって、シークイン（５ａｑ１Ｌｉｎ）外著の教科書「電荷転 送素子ＣＣＨＡＲＧＥ　ＴＲＡＮＳＦＥＲＤＥＶＩＣＥＳ）」罠詳しく記載され ている。ページ２３〜２５には普通の四相ＣＣＤ電極構造の動作が記載され、又 ページ２５〜３゜には普通の二相ＣＣＤ電極構造の動作が記載されている。

第１図に示されたように、チャネル阻止部はジグザグの形状で各行に２ける解像 セルのずらし配列又は交互のパターンを規定している。このずらし配列の用語は 、一つのチャネルに３ける隣り合った解像セルの電荷収集の中心がずれている状 況を意味している。解像セルの水平構造はチャネル阻止部間で規定され且つ垂直 荷造は電極によって現足されている。見掛けのインタレースは各解像セルの電荷 の中心を変えることによって通冨の方法で図はそれぞれＩフレーム当り２フイー ルドの素子の、第１及び第２フイールドに８ける動作を図解している。第４α図 に示されたように、正の電位が線φ、及びφ、に加えられ、そしてこれらの電極 の下に各解像度セルに対する電位井戸が形成されてそれらに電荷が集まる。各解 像セルに対する電荷の中心は位置Ｆ１　で示されている。

第４ｂ図に示された第２フイールドの動作に３いては、正電位が線φ、及びφ４ に加えられて、電荷がこれらの電極の下に集められる。この場合には、電荷の中 心はＦ２として示されている。このように、第１フイールドの期間中は、電荷が 電位井戸に３いて線φ、及びφ２に接続された全電極の下に集められ、又第２フ イールドの期間中は、電荷が綴φ、及びφ４に接続された全電極の下に集められ る。各フィールドにおいて、各チャネル４２に８ける隣り合った解像セルの電荷 の中心は水平にずらされている。各解像セルの電荷の中心を接続すると、その結 果は非線形パターンになる。各行の解像セルに２いては、電荷の中心を接続する と、その結果は線形パターンになる。

見掛けのインクレースのために、第１フイールドに２いては各解像セルは第２フ イールドに２ける標本化時とは異なった画像画素を標本化する。一つのチャネル に２ける隣り合った解像セルにより標本化された画像画素は１フイールド内では 行ごとに水平にずれ且つ１フレーム内ではフィールドごとに垂直にずれている。

更に、１フレーム当り二つのフィールドがある場合には、フィールドごとの各解 像セルの集合電荷の中心は垂直にばかりでｌ〈水平にもずらされる。それゆえ、 垂直及び水平の解像度が改善される。

イメージセンサ１０は表面チャネルセンサとして説明されてきたけれども、この 発明は又埋込みチャネルセンサにも適用可能であることが理解されるであろう。

埋込みチャネルＣＯＤセンサに３いては、電極はｆ；ｉ０２のように絶縁物上に 配置されている。この絶縁物は基板の上にある。バルク基板はドープされていて 、所与の極性、例えばｐ形のものでよい。絶縁物の近くでは、基板はバルク基板 のものとは反対の極性（外形）のものであり、且つ所与の電位が電極に刃口えら れたときに絶縁物から離れた基板内にチャネル又は電位井戸が形成されるような 濃度のものである。電荷は場面明るさの関数であるこのチャネル又は井戸に集め られる。更に明確には、キャリヤが光電気変換過程によって発生されてこのチャ ネルに集められる。

今度は第５図に移ると、この図には別のフレーム転送ＣＣＤ面積イメージセンサ に対する電荷集合が示されている。表示されたイメージ面積ＣＣＤは異なりたず らし配列式チャネル阻止構造部を待っている。このイメージ面積センサは行及び ずらし配列された列の方形形状の解像セルの配列を待っている。この構成は１７ ンーム当り一つのフィールドを持っているパターン認識素子に特に適している。

各チャネル４２に３ける各解像セルは水平方向にはチャネル阻止部間で且つ垂直 方向には四つの電極３８によって規定されている。各電極３８は四つの電圧位相 綴φの特定の一つに接続されている。正電位が線φ、及びφ２に加えられた場合 には、各解像セルに対する電位井戸がこれらの電極の下に形成されて、これらに 電荷が集まる。そのような状況に８いては、電荷の中心はＦｌ　として示されて いる。チャネル４２における隣り合った解像セルに対しては、電荷の中心の位置 は水平にずらされている。隣り合ったチャネル阻止部４０のこの構造が隣り合っ た解像セルをずらせている。各解像セルは方形の形状を持っている。各列に２け る電荷の中心を線でつないだとすれば、その線は非直線になるであろう。

各行に２ける電荷の中心を線でつないだとすれば、その線は直線になるであろう 。

産業上の適用性 フレーム転送ＣＯＤ面積イメージセンサは画像を表す画像電荷パターンを形成す るのに有効である。

この発明の利点は水平解像度が改善されることである。

この発明の利点は垂直及び水平のエイリアス効果が減小されることである。

この発明の別の利点はカラーフィルタ配列を使用した単式ＣＣＤセンナに適して いることである。各チャネルには、例えば、一体的カラーフィルタを配置するこ とができる。

国際調査報告 ＋ａＮＮＥＸ　Ｔｏ　↓ＨＥ　ＩＮＴＥＰＩＩＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣ！（ ＲＥＰＯＲＴ　ＯＮ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．チヤネル阻止部によつて分離された複数の転送チヤネルを備えていて各チヤ ネルには各セルが画像画素からの光を標本化して電子を集めるようにする複数の 解像セルがあるフレーム転送ＣＣＤ面積イメージセンサであつて、チヤネル阻止 部が解像度を改善するために一つのチヤネルの隣り合つた解像セルをずらし配列 するように配列されていることによつて特徴づけられた前記のフレーム転送ＣＣ Ｄ面積イメージセンサ。
2. ２．各解像セルが画像場面からの光を標本化して画像画素の明るさレベルを表す 光電荷を蓄積する複数の解像セルを備えた複数の隔置された転送チヤネルを含ん でいて前記の複数の解像セルが行及び列の解像セルの配列を規定するように配列 されているフレーム転送ＣＣＤ面積イメージセンサであつて、転送チヤネルを分 離し且つ一つのチヤネルにおける隣り合つた解像セルをずらし配列するように配 列されているチヤネル阻止部、及び読出し動作中各行の解像セルからの光電荷を 順次受けるための出力レジスタ装置によつて特徴づけられた前記のフレーム転送 ＣＣＤ面積イメージセンサ。
3. ３．各解像セルが標本化された面像場面画素からの光の明るさレベルを表す電荷 を蓄積する行及び列の解像セルの配列を規定するように配列された複数の解像セ ルを備えた複数の隔置された転送チヤネルを備えていて、各チヤネル解像セルが 、基板、この基板を覆う透明な非導電層、及び電位を受けることのできる独立し た透明な電極を備えている、画像の異なつたフイールドを検出するためのフレー ム転送ＣＣＤ面積イメージセンサであつて、転送チヤネルを分離し且つ一つのチ ヤネルにおける隣り合つた解像セルをずらし配列するように配列されているチヤ ネル阻止部、並びにフレームの第１及び第２フイールドの期間中各解像セルの電 極の選択的なものに電位を加えて第１フイールドの期間中には場面画像画素の明 るさレベルを表す電荷を集めるために各解像セルの第１電極の下に電位エネルギ ー井戸が形成され且つ各解像セルの第２電極の下に電位障壁が形成され且つ又第 ２フイールドの期間中には別の画像場面画素の明るさレベルを表す電荷を集める ために第２電極の下に電位井戸が形成され且つ第１電極の下に電位障壁が形成さ れて、これにより一つのチヤネルにおける隣り合つた解像セルの電荷の中心の水 平ずらし配列が各フイールド内で行ごとに生じ且つ各解像セルにより検出された 電荷の中心の垂直偏移が各フレーム内でフイールドごとに生じるようにするため の電位印加装置、によつて特徴づけられた前記のフレーム転送ＣＣＤ面積イメー ジセンサ。
4. ４．ａ）各解像セルが場面画像を標本化して画像画素の明るさレベルを表す光電 荷を蓄積する複数の解像セルであつて行及び列の解像セルの配列を規定するよう に配列されているこの複数の解像セルを備えた複数の隔置された転送チヤネル、 並びに ｂ）転送チヤネルを分離し、且つ一つのチヤネルにおける隣り合つた解像セルを ずらし配列するように配列されていて各チヤネルにおける隣り合つた解像セルの 下に集められた電荷の中心が非直線になり且つ配列の各行の電荷の中心が直線に なるようなチヤネル阻止部、によつて特徴づけられたフレーム転送ＣＣＤ面積イ メージセンサ。
5. ５．ａ．各解像セルが標本化された画像場面画素の明るさレベルを表す電荷を蓄 積し、各チヤネル解像セルが、基板、この基板を覆う透明な非導電層、及び電位 を受けることのできる複数の近接隔置された独立した透明な電極、を備えている 、解像セルの自己列を規定するように配列された複数の解像セルを備えた複数の 隔置された転送チヤネル、 ｂ．転送チヤネルを分離し、且つ一つのチヤネルにおける隣り合つた解像セルを すらし配列するように配列されたチヤネル阻止部、 ｃ．フレームの第１及び第２フイールドの期間中各解像セルの電極の選択的なも のに電位を加えて第１フイールドの期間中には場面画素の明るさレベルを表す電 荷を集めるために各解像セルの第１電極の下に電位エネルギー井戸が形成され且 つ各解像セルの第２電極の下に電位障壁が形成され且つ又第２フイールドの期間 中には別の画像場面画素の明るさレベルを表す電荷を集めるために第２電極の下 に電位井戸が形成され且つ第１電極の下に電位障壁が形成されてこれにより一つ のチヤネルにおける隣り合つた解像セルの電荷の中心の水平ずらし配列が各フイ ールド内で行ごとに生じ且つ各解像セルにより検出された電荷の中心の垂直偏移 が各フレーム内でフイールドごとに生じるようにするための電位印加装置、並び に ｄ．読出し動作中各行の解像セルからの電荷を順次受けるための出力レジスタ装 置、 によつて特徴づけられた、画像の異なつたフイールドを検出するためのフレーム 転送ＣＣＤ面積イメージセンサ。