(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面視が所定形状のフォトダイオード受光面の中央領域から周辺領域の１辺にかけてを第１分割画素とし、該１辺を除く前記フォトダイオード受光面の前記周辺領域を第２分割画素として画素分割された前記フォトダイオードが半導体基板の表面に複数配列形成された固体撮像素子において、前記第１分割画素の信号読出位置を前記１辺の位置に設けると共に、各フォトダイオードの細長い形状となる前記第２分割画素の信号読出位置を、該第２分割画素の中央箇所に設けたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記所定形状が矩形であり、前記第２分割画素は前記１辺を除く残り３辺に沿う形状に画素分割され、該第２分割画素の信号読出位置が前記３辺のうち前記１辺に対向する辺に設けられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記半導体基板の表面に配列形成された偶数行の前記フォトダイオードに対して奇数行の前記フォトダイオードが１／２ピッチづつずれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
ＣＣＤ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの様な固体撮像素子に係り、特に、１つ１つの画素を構成するフォトダイオードが複数に分割形成されている固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ等に搭載される固体撮像素子は、入射光を光電変換するフォトダイオードを多数備えており、また、下記特許文献１は、各フォトダイオードを、感度の異なる第１画素及び第２画素に２分割した固体撮像素子を開示している。
【０００３】
図５は、特許文献１に例示される各フォトダイオードの分割例を示す図である。この固体撮像素子は、偶数行のフォトダイオード１に対して奇数行のフォトダイオード１が１／２ピッチづつずらして形成され、水平方向に隣接する各フォトダイオード１間に、垂直方向に蛇行する垂直転送路２が形成されている。
【０００４】
各フォトダイオード１は、第１画素１ａと、第２画素１ｂと分割形成されている。この画素分割は、第１画素１ａと第２画素１ｂとの間に素子分離領域３を設けることにより行われる。
【０００５】
図示する例では、菱形状のフォトダイオード１の１辺に信号読出ゲート１ｃを有しフォトダイオード１の中央の矩形範囲を占める大面積の第１画素１ａと、菱形状のフォトダイオード１の残り３辺に沿うように「コ」の字状に形成された小面積の第２画素１ｂとに分割されている。
【０００６】
この様に、感度の低い第２画素１ｂをコの字状にするのは、第２画素１ｂで検出する低感度信号がフォトダイオード１の配置位置（固体撮像素子の右上，左上，右下，左下など）によって偏りが生じ、シェーディングが発生しないようにするためである。
【０００７】
図５に示す従来の固体撮像素子では、或るフォトダイオード１の第１画素１ａの受光電荷と第２画素１ｂの受光電荷とを同一の垂直転送路２に読み出すことができる様に、信号読出ゲート１ｃが設けられる「辺」に対し垂直方向に隣接する「辺」に第２画素１ｂの信号読出ゲート１ｄが設けられている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９３７６２号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
固体撮像素子の各フォトダイオードを第１画素１ａと第２画素１ｂとに分割した図５に示す様な従来の固体撮像素子では、信号読出ゲート１ｄから垂直転送路２に第２画素１ｂの受光電荷を読み出す場合、高い読み出し電圧を読み出しゲート１ｄに印加しなければならないという問題がある。
【００１０】
それは、第２画素１ｂが細長い形状（図５の例では「コ」の字状）に形成され、その一端部に読み出しゲート１ｄが設けられているので、他端部側に蓄積されている受光電荷を長い距離移動させて完全に読み出すために、高い読み出し電圧が必要になるからである。
【００１１】
本発明の目的は、分割画素がシェーディングを避けるために細長い形状に分割されている場合でも容易且つ迅速に信号を読み出すことができる固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、上面視が所定形状のフォトダイオード受光面の中央領域から周辺領域の１辺にかけてを第１分割画素とし、該１辺を除く前記フォトダイオード受光面の前記周辺領域を第２分割画素として画素分割された前記フォトダイオードが半導体基板の表面に複数配列形成された固体撮像素子において、前記第１分割画素の信号読出位置を前記１辺の位置に設けると共に、各フォトダイオードの細長い形状となる前記第２分割画素の信号読出位置を、該第２分割画素の中央箇所に設けたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記所定形状が矩形であり、前記第２分割画素が前記１辺を除く残り３辺に沿う形状に画素分割され、該第２分割画素の信号読出位置が前記３辺のうち前記１辺に対向する辺に設けられることを特徴とする。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板の表面に配列形成された偶数行の前記フォトダイオードに対して奇数行の前記フォトダイオードが１／２ピッチづつずれていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、ＣＣＤ型であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、細長い形状になる第２分割画素の中央箇所から第２分割画素の信号を読み出すため、読み残し無く容易且つ迅速に第２分割画素の信号を読み出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態の固体撮像素子１０は、半導体基板の表面１１に二次元配列された多数のフォトダイオード（光電変換素子）１２を備える。
【００１９】
図示する例の固体撮像素子１０は、奇数行の各フォトダイオード１２に対し、偶数行の各フォトダイオード１２が１／２ピッチづつずらして形成されており、水平方向に隣接するフォトダイオード１２間に、垂直方向に蛇行する垂直転送路（ＶＣＣＤ）１３が設けられている。
【００２０】
半導体基板表面１１の下辺部には水平転送路（ＨＣＣＤ）１４が設けられると共にその出力段に出力アンプ１５が設けられており、各フォトダイオード１２の受光電荷は、垂直転送路１３に読み出されて該垂直転送路１３上を水平転送路１４まで転送され、次に水平転送路１４に沿って転送された後、出力アンプ１５から受光電荷に応じた信号が出力される。
【００２１】
図２は、フォトダイオード１２の８個分の拡大表面模式図である。各フォトダイオード１２は、第１画素１２ａと、第２画素１２ｂと分割形成されている。この画素分割は、第１画素１２ａと第２画素１２ｂとの間に素子分離領域１６を設けることにより行われる。
【００２２】
図示する例では、菱形状のフォトダイオード１２の１辺に信号読出ゲート１２ｃを有し、フォトダイオード１２の、入射光がよく集まる中央の矩形範囲を占める大面積の第１画素１２ａと、菱形状のフォトダイオード１２の残り３辺に沿うように「コ」の字状に屈曲した細長い形状の小面積の第２画素１２ｂとに分割されている。
【００２３】
感度の低い第２画素１ｂを感度の高い第１画素１ａの周りに細長い屈曲した形状に形成するのは、上述した様に、第２画素１２ｂで検出する低感度信号がフォトダイオード１２の配置位置（半導体基板表面１１の右上，左上，右下，左下など）によって偏りが生じ、シェーディングが発生しないようにするためである。
【００２４】
本実施形態に係る固体撮像素子１０では、フォトダイオード１２の第１画素１２ａの受光電荷を、第１画素１２ａが垂直転送路１３に接する辺に設けた読み出しゲート１２ｃから当該垂直転送路１３（図示する例では、当該フォトダイオード１２の右側の垂直転送路）に読み出す構成になっており、これは図５の従来技術と同様である。
【００２５】
しかし、本実施形態では、第２画素１２ｂの受光電荷は、読み出しゲート１２ｃに対向する位置（１８０度反対の位置）に設けた読み出しゲート１２ｄから、第１画素１２ａの受光電荷を読み出す垂直転送路１３とは反対側の垂直転送路１３（図示する例では、当該フォトダイオード１２の左側の垂直転送路）に読み出す構成にしている。
【００２６】
即ち、本実施形態の固体撮像素子１０では、低感度の屈曲した細長い形状の第２画素１２ｂの中央位置に読み出しゲート１２ｄを設けたため、読み出しゲート１２ｄと第２画素１２ｂの両端部との距離が短くなる。これにより、読み出しゲート１２ｄに高い読み出し電圧を印加しなくても、受光電荷の移動距離が短いため、第２画素１２ｄの受光電荷を全て短時間に垂直転送路１３に読み出すことが可能になる。
【００２７】
図２に示す固体撮像素子１０を用いて撮像を行った場合、最初に各フォトダイオード１２の第１画素１２ａの受光電荷を垂直転送路１３に読み出し転送して固体撮像素子１０から出力させた後、次に各フォトダイオード１２の第２画素１２ｂの受光電荷を垂直転送路１３に読み出し転送して出力する。そして、第１画素１２ａから得られた画像データと、第２画素１２ｂから得られた画像データとを固体撮像素子の後段に配置された画像処理装置で合成し、ダイナミックレンジの広い画像を再生する。
【００２８】
以上述べた実施形態によれば、受光面の形状が屈曲した或いは湾曲した細長い形状となる分割画素の中央位置から該分割画素の受光電荷を読み出す構成にしたため、この分割画素から受光電荷を読み出すときに読み出しゲートに印加する電圧を低くでき、また、受光電荷の読み残しがなくなるという効果が得られる。この結果、固体撮像素子の駆動制御が容易となり、しかも高い電圧が不要なため消費電力の低減も図ることが可能となる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図であり、図４はその要部拡大表面図である。本実施形態の固体撮像素子２０は、半導体基板の表面２１に正方格子状に配列された多数のフォトダイオード２２を備える。水平方向に隣接するフォトダイオード２２間には垂直方向に延びる垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３が設けられている。
【００３０】
半導体基板表面２１の下辺部には水平転送路（ＨＣＣＤ）２４が設けられると共にその出力段に出力アンプ２５が設けられており、各フォトダイオード２２の受光電荷は、垂直転送路２３に読み出されて該垂直転送路２３上を水平転送路２４まで転送され、次に水平転送路２４に沿って転送された後、出力アンプ２５から受光電荷に応じた信号が出力される。
【００３１】
本実施形態の固体撮像素子２０に設けられる各フォトダイオード２２も、第１実施形態のフォトダイオード１２と同様に、素子分離領域２６によって、フォトダイオード２２の中央矩形範囲を占める第１画素２２ａと、第１画素２２ａの読み出しゲート２２ｃを除く部分のフォトダイオード２２の周辺領域を占める細長い形状の第２画素２２ｂとに画素分割されている。
【００３２】
そして、図示する例では、第１画素２２ａの読み出しゲート２２ｃによって第１画素２２ａの受光電荷は当該フォトダイオード２２の右側の垂直転送路２３に読み出され、読み出しゲート２２ｃと１８０°反対位置に設けられた読み出しゲート２２ｄによって第２画素２２ｂの受光電荷は反対側（当該フォトダイオード２２の左側）の垂直転送路２３に読み出される構成になっている。
【００３３】
この様に、半導体基板表面上にフォトダイオードが正方格子状に配列された固体撮像素子において各フォトダイオードを画素分割した場合でも、第１画素と同じ読み出し電圧で第２画素の受光電荷を全て短時間に読み出すことが可能になる。
【００３４】
尚、上述した各実施形態では、フォトダイオードの形状（上面視の形状）を菱形状としたが、フォトダイオードの形状は菱形に限らず任意であり、フォトダイオードの中央範囲を占める第１画素に対して第１画素の読み出しゲート部分を除くフォトダイオード周辺領域を占める湾曲した（フォトダイオードの上面視の形状が円形の場合）或いは屈曲した（フォトダイオードの上面視の形状が矩形等の多角形の場合）細長い形状となる第２画素の読み出しゲートを、第１画素の読み出しゲートに対し対向位置（フォトダイオードの上面視の形状が偶数角形の場合には対向する辺の位置）に設けることで、第１，第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
また、上述した実施形態では、ＣＣＤ型の固体撮像素子を例に説明したが、ＣＭＯＳ型等のＭＯＳ型固体撮像素子にも適用可能である。ＭＯＳ型固体撮像素子の場合には、第１画素と第２画素とに夫々信号読出線を半導体基板表面にオーミックコンタクトし受光電荷に応じた信号を読み出すが、第１画素，第２画素の信号読出位置を上述した実施形態の読み出しゲートの位置関係にすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る固体撮像素子は、フォトダイオードを画素分割した場合でも分割画素からの信号の読み出しを容易且つ高速にできるため、デジタルカメラや携帯電話機等に搭載する固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の要部拡大図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。
【図４】図３に示す固体撮像素子の要部拡大図である。
【図５】従来の固体撮像素子の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０，２０  固体撮像素子
１２，２２  フォトダイオード
１２ａ，２２ａ  第１画素
１２ｂ，２２ｂ  第２画素
１２ｃ，２２ｃ  第１画素の読み出しゲート
１２ｄ，２２ｄ  第２画素の読み出しゲート
１３，２３  垂直転送路
１４，２４  水平転送路
１６，２６  素子分離領域
【図１】
0004667143.tif 000002
【図２】
0004667143.tif 000003
【図３】
0004667143.tif 000004
【図４】
0004667143.tif 000005
【図５】
0004667143.tif 000006