(57)【要約】【課題】垂直転送レジスタで、できるだけ多くの信号電荷を転送でき、転送電荷許容量を上回る信号電荷が入るのを抑制できる固体撮像装置の提供。【解決手段】カラーフィルターと、隣り合う光電変換部１０の列の間に形成された垂直転送レジスタ２０とを備え、第１垂直転送レジスタ２１は第１転送電荷許容量を第２垂直転送レジスタ２２は第１より大きい第２転送電荷許容量を有し、各光電変換部１０の感度はカラーフィルターの色毎の光透過特性により異なり、第１光電変換部１１は第１感度を有し第２光電変換部１２は第１より高い第２感度を有し、第１光電変換部１１は第１飽和電荷量を有し第２光電変換部１２は第１より大きい第２飽和電荷量を有し、第１光電変換部１１の信号電荷は第１垂直転送レジスタ２１に転送され、第２光電変換部１２の信号電荷は第２垂直転送レジスタ２２に転送される固体撮像装置１００。【選択図】図２
2013005134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換部が行列状に形成されてなる半導体基板と、
前記各光電変換部に対応する領域に形成され、色毎に異なる光透過特性を有するカラーフィルターと、
隣り合う光電変換部の列の間に少なくとも１本ずつ形成され、対応する光電変換部から読み出した信号電荷を転送する垂直転送レジスタと
を備え、
前記複数の垂直転送レジスタの一部は第１の転送電荷許容量を有し、残りの垂直転送レジスタは前記第１の転送電荷許容量よりも大きい第２の転送電荷許容量を有し、
前記各光電変換部の感度は、少なくとも対応するカラーフィルターの色毎の光透過特性に対応して異なり、前記複数の光電変換部の一部は第１の感度を有し、残りの光電変換部は前記第１の感度よりも高い第２の感度を有し、
前記第１の感度を有する光電変換部は第１の飽和電荷量を有し、前記第２の感度を有する光電変換部は前記第１の飽和電荷量よりも大きい第２の飽和電荷量を有し、
前記第１の飽和電荷量を有する光電変換部の信号電荷は、前記第１の転送電荷許容量を有する垂直転送レジスタに転送され、前記第２の飽和電荷量を有する光電変換部の信号電荷は、前記第２の転送電荷許容量を有する垂直転送レジスタに転送される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記各カラーフィルターの色は、青色、緑色、及び赤色のいずれかであり、
前記第１の感度を有する光電変換部の一部は青色のカラーフィルターに対応し、残りの第１の感度を有する光電変換部は赤色のカラーフィルターに対応し、
前記第２の感度を有する光電変換部は緑色のカラーフィルターに対応する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の感度を有する光電変換部が第１の面積を有し、前記第２の感度を有する光電変換部が前記第１の面積よりも大きい第２の面積を有することにより、前記第１の感度を有する光電変換部は第１の飽和電荷量を有し、前記第２の感度を有する光電変換部は前記第１の飽和電荷量よりも大きい第２の飽和電荷量を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の垂直転送レジスタの一部が第１の幅を有し、残りの垂直転送レジスタは前記第１の幅よりも大きい第２の幅を有することにより、前記複数の垂直転送レジスタの一部は第１の転送電荷許容量を有し、残りの垂直転送レジスタは前記第１の転送電荷許容量よりも大きい第２の転送電荷許容量を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記隣り合う光電変換部の列の間には、前記第１の幅を有する垂直転送レジスタと前記第２の幅を有する垂直転送レジスタとの２本が配置されており、
いずれの前記隣り合う光電変換部の列の間においても、前記第１の幅を有する垂直転送レジスタと前記第２の幅を有する垂直転送レジスタとの並び方が同じである
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記隣り合う光電変換部の列の間には、前記第１の幅を有する垂直転送レジスタ、前記第２の幅を有する垂直転送レジスタのいずれか１本が配置されており、
前記隣り合う光電変換部の列の間ごとに、前記第１の幅を有する垂直転送レジスタと前記第２の幅を有する垂直転送レジスタとが交互に配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、垂直転送レジスタを備えたＣＣＤ型固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置として、例えば、図４に示すようなＣＣＤ型固体撮像装置９００がある。固体撮像装置９００は、光電変換により信号電荷を発生する光電変換部９１０、及び光電変換部９１０から読み出し部９５０を介して信号電荷を読み出し転送する垂直転送レジスタ９２０を備える。垂直転送レジスタ９２０から読み出された信号電荷は水平転送レジスタに転送され、その後、出力部を介して外部に出力される。
【０００３】
固体撮像装置９００には、垂直転送レジスタ９２０を電気的に分離する絶縁分離帯９２３が設けられている。これにより、隣り合う光電変換部９１０の列の間に２本の垂直転送レジスタとして、第１垂直転送レジスタ９２１及び第２垂直転送レジスタ９２２を設けていることとなる。
光電変換部９１０上にはカラーフィルターが形成され、カラーフィルターは平面視するとベイヤー配列となっている。各光電変換部９１０の感度は、その上に形成されたカラーフィルターの色毎の光透過特性に対応して異なる。すなわち、同じ量の光がカラーフィルターに入射した場合でも、各光電変換部９１０における信号電荷の発生量は異なる。例えば、一般に、緑色カラーフィルターは青色、赤色カラーフィルターと比べ光の透過性が高い。これは、緑色カラーフィルターの透過光の波長域が、青色、赤色カラーフィルターと比べて広いためである。各カラーフィルターに同じ強度の光が入射した場合でも、透過光の量はそれぞれ異なり、緑色カラーフィルターに対応する領域に形成された光電変換部に入射する光の量及び信号電荷の発生量は、青色、赤色カラーフィルターと比べて多くなる。ここで、光電変換部の感度とは、光電変換部に入射した光の量に対する、光電変換部で発生する信号電荷量の割合をいう。光電変換部の感度は、例えば、カラーフィルターにおける光の吸収量、カラーフィルターとその下に設けられた絶縁膜との界面での光の反射量、及び光電変換部における光電変換効率などにより変化する。
【０００４】
第１垂直転送レジスタ９２１及び第２垂直転送レジスタ９２２は、信号電荷をそれぞれ別々に転送する。垂直転送レジスタ９２０で転送可能な最大電荷量は転送電荷許容量であり、転送電荷許容量は垂直転送レジスタの面積が大きいほど大きくなる。そのため、第１垂直転送レジスタ９２１よりも広い幅を有する第２垂直転送レジスタ９２２の転送電荷許容量は、第１垂直転送レジスタ９２１よりも大きくなる。ここで、ＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）の改善のために、第１垂直転送レジスタ９２１は信号電荷の発生量が少ない第１光電変換部９１１から信号電荷を読み出し転送し、第２垂直転送レジスタ９２２は信号電荷の発生量が多い第２光電変換部９１２から信号電荷を読み出し転送する。この構成を採れば、信号電荷が多く発生する光電変換部９１２からは、転送電荷許容量が大きい第２垂直転送レジスタ９２２へ電荷が転送されるので、垂直転送レジスタ９２０に転送電荷許容量を超える信号電荷が入ることを抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−３３８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、固体撮像装置に強い光が入射し光電変換部で多量の信号電荷が発生した場合、垂直転送レジスタに読み出された信号電荷の量が転送電荷許容量を上回り、信号電荷が垂直転送レジスタから漏れだし、ブルーミングが発生する。
このような電荷の漏れだしを抑制するには、縦型オーバーフロードレインを有する構成を採ればよい。縦型オーバーフロードレインとは、垂直転送レジスタの転送電荷許容量を上回る電荷が光電変換部で発生したとき、予め、垂直転送レジスタで転送しきれない過剰な電荷を、光電変換部から半導体基板へ排出する構成である。具体的には、光電変換部の飽和電荷量を垂直転送レジスタの転送電荷量を下回るように設定し、過剰電荷として半導体基板へ排出する電荷量を増加させ、転送電荷許容量を超える信号電荷が垂直転送レジスタに入ることを抑制すれば良い。光電変換部の飽和電荷量とは、光電変換部で蓄積可能な最大電荷量であり、半導体基板の電位を変化させることで変化できる。光電変換部の飽和電荷量を大きくするには、半導体基板に高い電圧を印加すれば良い。半導体基板に一度に印加できる電圧は一種類なので、各光電変換部の飽和電荷量は等しくなる。
【０００７】
上記従来の固体撮像装置では、発生する信号電荷量が大きい光電変換部には、転送電荷許容量が大きい垂直転送レジスタを対応させている。しかしながら、強い白色光が入射したとき、光電変換部で飽和電荷量を上回る信号電荷が発生すると、第１光電変換部であっても第２光電変換部であっても、同じ飽和電荷量の信号電荷が蓄積され、垂直転送レジスタに関し問題が発生する。
【０００８】
仮に、飽和電荷量を信号電荷の発生量が多い第２光電変換部に合わせると、強い光が入射したとき、転送電荷許容量の小さい第１垂直転送レジスタに、転送電荷許容量を上回る多量の信号電荷が流れ込み、ブルーミングが発生する。一方、飽和電荷量を信号電荷の発生量が少ない第１光電変換部に合わせると、強い光が入射しない通常時、転送電荷許容量の大きい第２垂直転送レジスタでは、常に転送電荷許容量を下回る電荷しか読み出されないため、当該垂直転送レジスタを大きな面積で形成している意味がなくなってしまう。すなわち、転送電荷許容量の大きい第２垂直転送レジスタでは、転送できる信号電荷量が本来よりも小さくなってしまい、ＳＮ比が小さくなってしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題の解決を図るべくなされたものであって、垂直転送レジスタでできるだけ多くの信号電荷を転送でき、且つ、垂直転送レジスタに転送電荷許容量を上回る信号電荷が流れ込むのを抑制できる固体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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、複数の光電変換部が行列状に形成されてなる半導体基板と、各光電変換部に対応する領域に形成され、色毎に異なる光透過特性を有するカラーフィルターと、隣り合う光電変換部の列の間に少なくとも１本ずつ形成され、対応する光電変換部から読み出した信号電荷を転送する垂直転送レジスタとを備え、複数の垂直転送レジスタの一部は第１の転送電荷許容量を有し、残りの垂直転送レジスタは第１の転送電荷許容量よりも大きい第２の転送電荷許容量を有し、各光電変換部の感度は、少なくとも対応するカラーフィルターの色毎の光透過特性に対応して異なり、複数の光電変換部の一部は第１の感度を有し、残りの光電変換部は第１の感度よりも高い第２の感度を有し、第１の感度を有する光電変換部は第１の飽和電荷量を有し、第２の感度を有する光電変換部は第１の飽和電荷量よりも大きい第２の飽和電荷量を有し、第１の飽和電荷量を有する光電変換部の信号電荷は、第１の転送電荷許容量を有する垂直転送レジスタに転送され、第２の飽和電荷量を有する光電変換部の信号電荷は、第２の転送電荷許容量を有する垂直転送レジスタに転送されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る固体撮像装置では、光電変換部の感度が高いほど飽和電荷量が多いため、強い光が入射したときでも、感度に応じた量の信号電荷が光電変換部に発生する。そして、感度に応じて転送電荷許容量を調整した垂直転送レジスタに、光電変換部で発生した信号電荷が流れ込む。そのため、感度の低い光電変換部に対応する垂直転送レジスタであっても、転送電荷許容量を上回る信号電荷が流れ込むことを抑制できる。また、飽和電荷量に対応した転送電荷許容量で垂直転送レジスタを形成しているので、垂直転送レジスタの面積が無駄になることは無い。
【００１２】
従って、本発明に係る固体撮像装置では、垂直転送レジスタでできるだけ多くの信号電荷を転送でき、且つ、垂直転送レジスタに転送電荷許容量を上回る信号電荷が流れ込むのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の各構成要素のレイアウトを示す平面図である。
【図２】図１に示した固体撮像装置を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置を説明する図である。
【図４】従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施の形態１］
１．固体撮像装置１００の構成と駆動
実施の形態１に係る固体撮像装置１００の全体構成及び駆動について、図１を用いて説明する。
図１に示すように、固体撮像装置１００には、複数の光電変換部１０があり、当該光電変換部１０は、二次元配置、例えば、マトリクス状（行列状）で配置されている。ここで、行方向を矢印Ｘの方向、列方向を矢印Ｙの方向とする。固体撮像装置１００は、垂直転送レジスタ２０、水平転送レジスタ３０、及び出力部４０を備える。垂直転送レジスタ２０とこれに対応する光電変換部１０との間には読み出しゲート５０が形成され、光電変換部１０の上方には、カラーフィルターが形成されている。垂直転送レジスタ２０には、絶縁分離帯２３が設けられ、隣り合う光電変換部１０の列の間に２本の垂直転送レジスタとして、第１垂直転送レジスタ２１及び第２垂直転送レジスタ２２が設けられている。第１垂直転送レジスタ２１及び第２垂直転送レジスタ２２は、信号電荷をそれぞれ別々に転送する。
【００１５】
光電変換部１０で光電変換により信号電荷が発生し、当該電荷は光電変換部１０に蓄積される。この状態で、読み出しパルスが印加されると、蓄積されていた信号電荷は読み出しゲート５０を介して対応する垂直転送レジスタ２０に読み出される。その後、垂直駆動パルスが印加されるごとに、信号電荷は垂直転送レジスタ２０を１段ずつ転送される。垂直転送レジスタ２０の最終段に転送された信号電荷は、水平駆動パルスが印加されると、水平転送レジスタ３０に転送される。水平転送レジスタを転送された信号電荷は出力部４０で電圧に変換され出力される。なお、読み出しパルス及び垂直及び水平駆動パルスは、パルス発生回路で発生される。
２．固体撮像装置１００の詳細な説明
図２は、図１の固体撮像装置１００の一部を拡大した図である。図２には、各光電変換部に対応するカラーフィルターの色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）、及び各光電変換部の信号電荷の読み出し方向が図示されている。光電変換部１０の一部は第１光電変換部１１であり、残りの光電変換部１０はその面積が第１光電変換部１１よりも大きい第２光電変換部１２である。本実施形態では、光電変換部１０の面積を異ならせることにより、飽和電荷量を異ならせている。また、第１垂直転送レジスタ２１が第１の幅を有し、第２垂直転送レジスタ２２が第１の幅より大きい第２の幅を有することにより、第１垂直転送レジスタ２１の転送電荷許容量よりも、第２垂直転送レジスタ２２の転送電荷許容量は大きくなっている。隣り合う光電変換部１０の列の間には、第１の幅を有する第１垂直転送レジスタ２１と第２の幅を第２有する垂直転送レジスタ２２との２本が配置されており、いずれの隣り合う光電変換部１０の列の間においても、第１垂直転送レジスタ２１と第２垂直転送レジスタ２２との並び方が同じである。
さらに、飽和電荷量の小さい第１光電変換部１１と転送電荷許容量の小さい第１垂直転送レジスタ２１との間、及び飽和電荷量の大きい第２光電変換部１２と転送電荷許容量の大きい第２垂直転送レジスタ２２との間に、それぞれ読み出しゲート５が形成されている。
【００１６】
光電変換部１０上方には、カラーフィルターが形成されている。カラーフィルターの色は、ここでは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかであり、例えば、ベイヤー配列されている。第１光電変換部１１の一部は青色の光（波長４００ｎｍ〜５００ｎｍ程度）を透過する青色カラーフィルターに対応し、残りの第１光電変換部１１は赤色の光（波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）を透過する赤色カラーフィルターに対応している。第２光電変換部１２は、緑色の光（波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度）を透過する緑色カラーフィルターに対応している。各カラーフィルターに入射する光の強さが同じとき、青色及び赤色カラーフィルターと比べて、広い波長の光を透過する緑色カラーフィルターは多くの光を透過する。
緑色カラーフィルターの下に設けられた光電変換部１２には、光電変換部１１よりも多くの光が入ることとなる。各光電変換部１０の不純物濃度が等しく、且つ、各光電変換部１０の深さ方向の寸法が等しいとき、光電変換部１０の面積が大きいと飽和電荷量が多くなる。そのため、緑色カラーフィルターの下に設けられた光電変換部１２の面積が、青色及び赤色カラーフィルターの下に設けられた光電変換部１１に比べて大きくなるよう、Ｙ方向の辺を調節して形成されている。なお、光電変換部１０の面積は、光電変換部１０の飽和電荷量と垂直転送レジスタ２０の転送電荷許容量とが対応するよう、形成すればよい。
【００１７】
上述のように、緑色カラーフィルターが設けられた感度の高い第２光電変換部１２で発生した信号電荷は、面積の大きい第２垂直転送レジスタ２２に読み出される。一方、青色及び赤色カラーフィルターが設けられた感度の低い第１光電変換部１１で発生した信号電荷は、面積の小さい第１垂直転送レジスタ２１に読み出される。
３．効果
この構成では、感度の低い第１光電変換部１１に対応する第１垂直転送レジスタ２１に、転送電荷許容量を上回る信号電荷が流れ込むことにより発生するブルーミングを抑制できる。また、飽和電荷量に対応した転送電荷許容量となるように、光電変換部１０、第１垂直転送レジスタ２１、及び第２垂直転送レジスタ２２を形成しているので、転送電荷許容量が大きい第２垂直転送レジスタ２２の面積が無駄になることは無い。
【００１８】
さらに、行方向に隣り合う光電変換部１１，１２の信号電荷は、異なる垂直転送レジスタ２１，２２に読み出されるため、１フレームを１フィールドで転送することができ、固体撮像装置１００の撮像動画の画質を向上できる。
［実施の形態２］
１．構成
図３は、実施の形態２に係る固体撮像装置２００の構造を示す図である。下記以外の構成は、固体撮像装置１００と同じなので説明を省略する。
【００１９】
隣り合う光電変換部１０の列の間には、第１の幅を有する第１垂直転送レジスタ２２１、第２の幅を有する第２垂直転送レジスタ２２２のいずれか１本が配置されており、隣り合う光電変換部１０の列の間ごとに、第１垂直転送レジスタ２２１と第２垂直転送レジスタ２２２とが交互に配置されている。緑色カラーフィルターが設けられた感度の高い第２光電変換部１２で発生した信号電荷は、面積の大きい第２垂直転送レジスタ２２２に読み出される。一方、青色及び赤色カラーフィルターが設けられた感度の低い第１光電変換部１１で発生した信号電荷は、面積の小さい第１垂直転送レジスタ２２１に読み出される。
２．効果
この構成では、絶縁分離帯２３が形成されていないので、固体撮像装置１００における絶縁分離帯２３の部分にも垂直転送レジスタ２２０を形成でき、その分垂直転送レジスタ２２０の面積を大きくできる。そのため、転送電荷許容量を大きくすることができ、固体撮像装置２００のＳＮ比を大きくでき、固体撮像装置２００の撮像画像の画質を向上できる。
［変形例］
１．カラーフィルター
実施の形態等では、赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター、青色カラーフィルターを示しているが、これに限らず、例えば、マゼンダカラーフィルター、シアンカラーフィルターなどを用いても良い。また、カラーフィルターの色と配置とは任意に選択することができる。カラーフィルターの顔料としては、公知の無機顔料及び有機顔料を使用することができる。カラーフィルターの形状は、実施の形態で示した長方形に限らず、例えば、丸型、六角形状などであっても良い。
２．光電変換部の飽和電荷量の調整方法
実施の形態等では、光電変換部の飽和電荷量を異ならせるために、光電変換部の面積を異ならせて形成したが、これに限らない。例えば、光電変換部の不純物濃度を変化させたり、光電変換部の深さ方向の寸法を変化させたりしても良い。具体的には、光電変換部の不純物濃度を高くなるほど飽和電荷量が大きくなり、光電変換部の深さ方向の寸法が大きくなるほど飽和電荷量が大きくなる。これらにより、光電変換部の面積に制約がある場合でも、光電変換部の飽和電荷量を異ならせることができる。
３．その他
実施の形態等では、光電変換部から読み出しゲートを介して信号電荷を垂直転送レジスタへと読み出したが、これに限らない。読み出しゲートを設けず、光電変換部から信号電荷を垂直転送レジスタへと読み出しても良い。
【００２０】
なお、本発明に係る固体撮像装置の構成などは、上記実施の形態及び変形例に係る固体撮像装置の構成に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。そして、技術的思想を逸脱しない範囲において、上述の各工程で使用したプロセスを他の等価なプロセスに置換することが可能である。また、工程順を入れ替えることも、材料種を変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、監視カメラ、車載カメラなどに搭載される撮像デバイスとしての固体撮像装置を実現するのに有用である。
【符号の説明】
【００２２】
１０，９１０  光電変換部
１１，９１１  第１光電変換部
１２，９１２  第２光電変換部
２０，２２０，９２０  垂直転送レジスタ
２１，２２１，９２１  第１垂直転送レジスタ
２２，２２２，９２２  第２垂直転送レジスタ
２３，０２３  絶縁分離帯
３０  水平転送レジスタ
４０  出力部
１００，２００，９００  固体撮像装置
【図１】
2013005134.tif 000003
【図２】
2013005134.tif 000004
【図３】
2013005134.tif 000005
【図４】
2013005134.tif 000006