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発明の名称 固体撮像装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−252375
公開日 平成6年(1994)9月9日
出願番号 特願平5−39636
出願日 平成5年(1993)3月1日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 安藤 治久 / 秋元 肇 / 波多江 博 / 木村 勝高
要約 目的
画素数を増加させることなく高解像度な固体撮像装置を提供する。

構成
垂直CCDレジスタの電荷転送路を正弦波状に蛇行させ、水平方向に隣接する光電変換素子の間に2本の垂直CCDレジスタの電荷転送路を配置する。
特許請求の範囲
【請求項1】同一半導体基板上に二次元状に形成された光電変換素子群と、前記各光電変換素子群からの信号電荷を垂直方向に転送する垂直CCDレジスタ群と、前記垂直CCDレジスタ群の転送ゲートと共用化され前記光電変換素子群からの信号を前記垂直CCDレジスタ群に転送する選択ゲートと、前記各垂直CCDレジスタ群からの信号を水平方向に転送する水平読み出し部を有する固体撮像装置において、水平方向に隣接する前記光電変換素子の間に2本の前記垂直CCDレジスタの電荷転送路を有し、垂直方向に隣接する前記光電変換素子の行が水平方向に1/2画素分ずれていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項2】請求項1において、前記垂直CCDレジスタの前記電荷転送路が正弦波状に蛇行する固体撮像装置。
【請求項3】請求項1において、前記光電変換素子群以外の領域を遮光する膜の開口部が円形である固体撮像装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像装置に係り、特に、高解像度な画像信号を扱える固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図5に1991年テレビジョン学会年次大会講演予稿集pp33〜34に記載の、従来の固体撮像素子構成を示す。1フィールド期間中にホトダイオード1に蓄積された信号電荷はホトゲート2を介して垂直CCDレジスタ3に転送される。垂直CCDレジスタ3に転送された信号電荷は、垂直クロック入力端子40,41,42,43に印加される外部パルスによって各垂直クロックゲート線10,11,12,13が駆動されることにより、一水平走査期間毎に水平CCDレジスタ5に送り込まれ、出力アンプ6を介して外部に出力される。
【0003】図6はホトダイオードおよび垂直CCDレジスタの平面パターンを示したものである。ここで、10および12は第1層目のポリシリコンゲート電極、11および13は第2層目のポリシリコンゲート電極であり、図5の10〜13にそれぞれ対応している。14〜19はポリシリコンゲート電極上に形成されるアルミニウム等から成る遮光膜の覆われてない領域で、これを開口領域と呼ぶ。
【0004】図6において、A−A′線での断面図を図7に、B−B′線での断面図を図8に示す。図7において、20のN型半導体基板内に形成された21のP型ウエル内にこれより高濃度の22,122のP型ウエルを、さらにその中にCCDチャネルを形成する23,123のN型不純物領域が設けられている。また、24はホトダイオードとなるN型不純物領域であり、その上面に形成される25のP+型不純物領域は半導体表面で発生する暗電流を抑圧するために設けられている。23,123の片側に設けられた26,126のP型不純物領域は垂直CCDレジスタとホトダイオードとを分離するためのものである。CCDチャネル上には27,127のポリシリコンゲートが29の酸化膜等の絶縁膜を介して形成される。さらにその上面には28,128の遮光用のアルミニュウムが配置される。また、23と24との対向する部分はゲート27によりポテンシャルが制御され、ホトダイオードの選択ゲートとして働く。
【0005】図8は図6におけるB−B′線での断面図を示したものである。ここで、10〜29の各要素は図7の各要素と同じものである。さらにその上面に形成されるアルミニウム等はここでは省略してある。
【0006】図9は図8における垂直CDDレジスタのチャネル電位の時間変化を模式的に示したものである。まず、時刻t=taにおいて第2層目のポリシリコンゲートに高レベル電圧が印加され、各ホトダイオードからの信号電荷Qa,Qb,Qc…が垂直CCDレジスタに移される。続いて、時刻t=tbでは各信号電荷はQa+Qb,Qc+Qd…というように二つの画素信号が混合され、中間レベル電圧になった二つの転送ゲート電極下に保持される。続いて、時刻t=tcでは各信号電荷は次のゲートが中間レベル電圧となり三つの転送ゲート電極下に保持される。続いて、時刻t=tdでは各信号電荷は前のゲートが低レベル電圧に戻り二つの転送ゲート電極下に保持される。この様にして、転送ゲートに高レベル電圧が印加されて垂直CCDレジスタに読み込まれた信号電荷は、二つの画素信号が混合されて、転送ゲートに中間レベル電圧と低レベル電圧の4相のクロックパルスを交互に印加されながら水平CCDレジスタに転送されていく。
【0007】本来、撮像装置の信号は各画素の信号を独立に読み出す方が解像度の点で望ましいが、4相駆動の垂直CCDレジスタにより画素混合読み出しとせざるを得ず、従って垂直方向の解像度を十分に引き出すものではなかった。
【0008】図10は特開昭58−175372号公報における別の従来の撮像装置の例を示したものである。ここで51はホトダイオードであり、52は垂直CCDレジスタを示す。二個の一対のホトダイオードからの信号電荷が一本の垂直CCDレジスタに転送され、垂直CCDレジスタに転送された信号電荷は53の水平CCDレジスタおよび54の出力アンプを介して外部に出力されるものである。二個の一対のホトダイオードからの信号電荷の垂直CCDレジスタへの読み込みは同図に矢印で示したように交互にずらされている。
【0009】垂直CCDレジスタの4相の転送電極当り二個の一対のホトダイオードからの信号電荷が転送されることになり、垂直CCDレジスタの転送に関しては先の従来例では画素混合とせざるを得なかったが、この従来例では画素独立とすることが出来るので垂直解像度の向上が期待できる。また、二個一対のホトダイオードからの信号電荷を使うので、一個のホトダイオードの電荷量は1/2にしてもよく、ホトダイオードの面積を下げることも可能である。その結果、水平方向の画素ピッチを小さくすることが出来るので水平解像度をある程度向上させることが出来る。
【0010】しかし、2個のホトダイオードで一つの信号電荷を生成するので空間的なサンプリング点が分離しており、MTF(Modulation Transfer Function;解像度の空間変調度特性)の向上は見込めないという問題があった。この様な固体撮像装置の解像度を向上させるためには画素数の増加が必要であるが、より微細な加工技術が必然的に要求される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、画素数を増加させることなく高解像度な固体撮像装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的は、垂直CCDレジスタの電荷転送路を正弦波状に蛇行させ、水平方向に隣接する光電変換素子の間に2本の垂直CCDレジスタの電荷転送路を配置することにより達成される。
【0013】
【作用】垂直CCDレジスタの電荷転送路を正弦波状に蛇行させることにより、光電変換素子群の配置を一行毎に半ピッチ分ずらすことができる。その結果、水平方向に画素が補完されるので、水平解像度が2倍になる。また、水平方向に隣接する光電変換素子の間に2本の垂直CCDレジスタの電荷転送路を配置することにより、垂直方向に隣接する画素の信号電荷を独立に読み出すことが出来るので、垂直解像度も向上する。この様に、撮像装置の画素数を増加することなく解像度を向上させることが出来る。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1により説明する。同図は、本発明の撮像装置の平面図を示したものであり、従来の撮像装置の平面図の図6と比較してみるとその違いが良く分かる。図中、121,122,123,124は垂直CCDレジスタの電荷転送路、すなわち、チャネルを示している。また、131〜142は光電変換素子であるホトダイオードを示している。110〜116は垂直CCDレジスタの転送ゲートを示しており、ここで110,112等の偶数番は第一層目のポリシリコンゲートを、111,113等の奇数番は第二層目のポリシリコンゲートを示す。
【0015】各ホトダイオードに蓄積された信号電荷は第2層目のポリシリコンゲートに高レベル電圧が印加され、各ホトダイオードからの信号電荷がそれぞれ独立に垂直CCDレジスタに移される。例えば、ホトダイオード132,139の信号電荷は123の垂直CCDレジスタに移される。垂直CCDレジスタに移された信号電荷は垂直CCDレジスタのチャネルに沿って一行毎水平CCDレジスタに移され、外部に信号として出力される。
【0016】ここで水平方向の空間的なサンプリングピッチは、水平方向の画素ピッチをXPとすると、XP/2となる。従って、同一水平画素数の従来の撮像装置と比較すると、水平解像度が2倍に向上することが分かる。また、垂直方向の空間的なサンプリングピッチは同一垂直画素数の従来の撮像装置と比較すると同じであるが、従来装置では垂直方向に隣接する画素の信号を混合せざるを得ないため、垂直解像度が劣化していたが、本撮像装置では垂直方向に隣接する画素の信号を混合せず独立に転送することが出来るので垂直解像度の劣化もない。このように、撮像装置の画素数を増加することなく解像度を向上させることが出来る。
【0017】図2は図1のC−C′線における垂直CCDレジスタの断面図を示したものである。同図における各要素は図8の従来の垂直CCDレジスタの断面図と本質的に同じである。垂直CCDレジスタの転送ゲートのみ図1における番号と合わせてある。
【0018】図3は図2における垂直CDDレジスタのチャネル電位の時間変化を模式的に示したものである。まず、時刻t=taにおいて第2層目のポリシリコンゲートに高レベル電圧が印加され、各ホトダイオードからの信号電荷Qa,Qb,Qc…が垂直CCDレジスタに移される。続いて、時刻t=tb,時刻t=tc,時刻t=tdでの状態を見ると分かるように、各信号電荷が独立に転送されていき、水平CCDレジスタに転送された後、外部に出力される。
【0019】図4は、本撮像装置上面に形成されるアルミニウム等の遮光パターンを示したものである。同図は、図1に対応して描かれてあり、150はアルミニウム等の遮光膜の有る部分で151等の遮光のない部分、すなわち、開口部は円形となる。この様な円形パターンは、図1のようにホトダイオードをジグザグに配置できたことから可能になったものであるが、MTF(Modulation Transfer Function;解像度の空間変調度特性)の観点からも水平,垂直共にバランスがとれ望ましいものである。また、近年、素子上面に各画素対応のマイクロレンズを形成して、感度を向上できるようになったが、円形パターンのホトダイオードはマイクロレンズを形成する上でも都合がよい。図中、152はマイクロレンズの周辺端を示した。従来の角形ホトダイオードではマイクロレンズも角形とせざるを得ず、レンズの形状を精度良く作るのが難しかったが、円形パターンのレンズではレンズの径と厚さだけの管理でよいと言う利点もある。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、撮像装置の画素数を増加することなく解像度を向上させることが出来る。




 

 


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