JP2005286104A - 広ダイナミックレンジカラー固体撮像装置及びこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 広ダイナミックレンジで高画質，高解像度のカラー画像を撮像できるカラー固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 １画素で少なくとも赤色，緑色，青色の各色信号を検出する複数の画素がアレイ状に配列されたカラー固体撮像装置において、市松状の一方の位置に相対的に感度の高い画素１０１を配置し、市松状の他方の位置に相対的に感度の低い画素１０２を配置する。これにより、広ダイナミックレンジで高画質，高解像度のカラー画像が撮像可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、広ダイナミックレンジカラー固体撮像装置及びこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラに関する。

デジタルカメラに搭載されているＣＣＤ型固体撮像装置やＣＭＯＳ型固体撮像装置では、半導体基板の表面に、受光部となる多数の光電変換素子（フォトダイオード）と、各光電変換素子で得られた光電変換信号を外部に読み出す信号読出回路が形成されている。信号読出回路は、ＣＣＤ型であれば電荷転送回路と転送電極、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳ回路と信号配線で構成される。

従って、従来の固体撮像装置は、多数の受光部と信号読出回路とを同じ半導体基板の表面に形成しなければならず、受光部の面積を広くとることができないという問題がある。

また、従来の単板式の固体撮像装置は、各受光部に、例えば赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のカラーフィルタのうちの１つが積層され、各受光部が夫々１色の光信号を検出する構成になっている。このため、例えば赤色の光を検出する受光部位置における青色光の信号及び緑色光の信号は、周りの青色光，緑色光を検出する各受光部の検出信号を補間演算して求めており、これが偽色の原因となり、また、解像度を低下させている。しかも、赤色のカラーフィルタが形成された受光部に入射した青色光と緑色光は光電変換に寄与することなくカラーフィルタに熱として吸収されてしまい、このため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題もある。

従来の固体撮像装置は、上述したように様々な問題を抱えている一方、多画素化が進展して、現在では、数百万画素という多数の受光部を１チップの半導体基板上に集積しており、１つ１つの受光部の開口寸法が波長オーダに近づいている。このため、上述した各問題を解決し画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのが困難になっている。

そこで、例えば下記特許文献１に記載されている固体撮像装置の構造が見直されている。この固体撮像装置は、信号読出回路を表面に形成した半導体基板上に、赤色検出用の感光層と、緑色検出用の感光層と、青色検出用の感光層を成膜技術によって積層し、これらの感光層を受光部とし、各感光層で得られた光電変換信号を、信号読出回路によって外部に取り出すという構造、即ち、光電変換膜積層型の構造になっている。

斯かる構造にすれば、半導体基板表面に受光部を設ける必要が無くなるため、信号読出回路の設計上の制約が大幅になくなり、また、入射光の光利用効率が向上して感度が向上する。更に、１画素で赤色，緑色，青色の３原色の光を検出できるため、解像度が向上し、偽色もなくなり、上述した従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が抱えていた問題を解決することが可能となる。

そこで、近年では、下記特許文献２，３，４，５に記載されている光電変換膜積層型固体撮像装置が提案されるようになってきており、上記の感光層として、有機半導体を使用したり、ナノ粒子を使用したりしている。

また、従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置でも、下記特許文献６に記載されている様に、半導体基板への光浸入距離が光の波長によって異なることを利用し、半導体基板の深さ方向に形成した３つのフォトダイオードにより、カラーフィルタを使用せずに１画素で赤色，緑色，青色の３原色を検出するものが開発されている。

特開昭５８―１０３１６５号公報 特開２００２―８３９４６号公報 特表２００２―５０２１２０号公報 特表２００３―５０２８４７号公報 特許第３４０５０９９号公報 特表２００２―５１３１４５号公報

光電変換膜積層型カラー固体撮像装置や、半導体基板の深さ方向に３つのフォトダイオードを形成した従来型の固体撮像装置は、カラーフィルタを使用せずに１画素で３原色を検出できるため、偽色等の問題は解決できる。しかし、多画素化を図ると、１画素当たりで検出できる信号電荷量が減り、ダイナミックレンジが低くなってしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、１画素で複数色の光電変換信号を検出する構成の固体撮像装置でダイナミックレンジを広げることが可能なカラー固体撮像装置とこの固体撮像装置を搭載したデジタルカメラを提供することにある。

本発明のカラー固体撮像装置は、１画素で少なくとも赤色，緑色，青色の各色信号を検出する複数の画素がアレイ状に配列されたカラー固体撮像装置において、市松状の一方の位置に相対的に感度の高い画素を配置し前記市松状の他方の位置に相対的に感度の低い画素を配置したことを特徴とする。

この構成により、ダイナミックレンジの広いカラー画像を撮像可能となる。

本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素の面積を相対的に大面積とすることで感度の高い画素とし相対的に小面積とすることで感度の低い画素としたことを特徴とする。

この構成により、容易に高感度画素と低感度画素とを区別して製造できる。

本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素にマイクロレンズを搭載することで感度の高い画素としマイクロレンズ非搭載とすることで感度の低い画素としたことを特徴とする。

この構成により、高感度画素と低感度画素とを同一寸法にて製造でき、画素の製造が容易となる。

本発明のカラー固体撮像装置は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に赤色検出用の光電変換膜と緑色検出用の光電変換膜と青色検出用の光電変換膜とが積層され各光電変換膜に設けられた画素電極膜によって前記画素が区画されることを特徴とする。

光電変換膜積層型のカラー固体撮像装置とすることで、受光面積を広くとることができ、光利用効率が向上し、半導体基板に設ける信号読出回路の設計制約が大幅に緩和する。

本発明のカラー固体撮像装置は、前記各画素対応に形成され、半導体基板の深さ方向に赤色検出用のフォトダイオードと緑色検出用のフォトダイオードと青色検出用のフォトダイオードとが設けられた複数の受光部を備えることを特徴とする。

この構成により、既存のＣＣＤ型，ＣＭＯＳ型のイメージセンサの製造技術をそのまま利用することができる。

本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とする。

この構成により、広ダイナミックレンジで且つ光利用効率が高く、偽色がなく、しかも高解像度のカラー画像を撮像することが可能となる。

本発明のデジタルカメラは、前記カラー固体撮像装置の前記感度の高い画素から出力される高感度色信号を補間処理して該画素の虚画素位置における高感度色信号を生成し前記感度の低い画素から出力される低感度色信号を補間処理して該画素の虚画素位置における低感度色信号を生成し前記高感度色信号と前記低感度色信号を合成してカラー画像信号を生成する画像信号処理手段を備えることを特徴とする。

この構成により、更に高解像度のカラー画像を出力することが可能となる。

本発明のデジタルカメラは、メカニカルシャッタと、該メカニカルシャッタが開いている最中の所定タイミングで前記感度の低い画素によって光電変換され蓄積された信号電荷を廃棄してしまい前記所定タイミング後から前記メカニカルシャッタが閉じるまでに前記感度の低い画素によって光電変換され蓄積された信号電荷に応じた信号を前記感度の低い画素の信号として読み出す感度調整手段を備えることを特徴とする。また、前記感度調整手段は、前記感度の低い画素の代わりに前記感度の高い画素を用いて感度調整を行うことを特徴とする。

この構成により、高感度画素と低感度画素との感度比を、撮影シーンに合った任意の感度比に調整可能となる。

本発明によれば、広ダイナミックレンジで且つ高画質，高解像度のカラー画像を得ることが可能となる。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラのブロック構成図である。このデジタルカメラは、撮影レンズや絞り、シャッタ等の結像光学系１と、詳細は後述する光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００と、光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００から出力されるアナログの画像信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器２と、デジタルの画像信号を画像処理して記録メディアに格納したり表示装置に表示させたりする画像信号処理部３と、光電変換膜積層型固体撮像装置１００の駆動制御を行う駆動部４と、シャッタボタン等の操作部からの信号を取り込んで画像信号処理部３や駆動部４及び結像光学系１を制御する制御部５とを備える。

尚、光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００の出力段にアナログ／デジタル変換装置が一体に設けられる場合には、上記のアナログ／デジタル変換器２は不要となる。

図２は、光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００の表面模式図である。この光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００は、大面積の高感度画素１０１と、小面積の低感度画素１０２とが水平方向，垂直方向共に交互に形成されており、各画素１０１，１０２が全体的に正方格子状に配列されている。高感度画素１０１だけの配置をみると市松状配置となっており、低感度画素１０２だけの配置も市松状となっている。

尚、図２の例では、高感度画素１０１を大面積とし、低感度画素１０２を小面積としたが、高感度画素１０１，低感度画素１０２共に同一面積とし、高感度画素１０１の上にのみマイクロレンズを搭載して低感度画素１０２より広い面積の入射光を高感度画素１０１に集光する構成としてもよい。

図３は、図１に示す画像信号処理部３の構成図である。光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００の高感度画素１０１からは高感度色信号が出力され、低感度画素１０２からは低感度色信号が出力され、画像信号処理部３は、これら高感度色信号と低感度色信号とを別々に処理してから合成する様になっている。

そのため画像信号処理部３は、高感度色信号を処理する色信号補正部６Ｈと、ホワイトバランス処理部７Ｈと、ガンマ変換部８Ｈと、虚画素色信号補間部９Ｈと、低感度色信号を処理する色信号補正部６Ｌと、ホワイトバランス処理部７Ｌと、ガンマ補正部８Ｌと、虚画素色信号補間部９Ｌと、虚画素信号補間部９Ｈ，９Ｌから出力される高感度色信号及び低感度色信号を合成するカラー画像合成部１０とを備える。

虚画素色信号補間とは、例えば水平方向，垂直方向に隣接する４つの高感度画素１０１の中央には、高感度画素１０１は存在せずに、低感度画素１０２が存在する。即ち、高感度画素１０１からみると、低感度画素１０２の存在位置は高感度画素１０１が実在しない画素（虚画素）位置となり、逆に、高感度画素１０１の存在位置は低感度画素１０２が存在しない画素（虚画素）位置となる。

これらの虚画素位置における高感度色信号，低感度色信号は、周りの実在する画素から得られる高感度色信号，低感度色信号を補間演算して求めることになる。以下、便宜的に、高感度画素１０１の実画素位置をＨ格子点、低感度画素１０２の実画素位置をＬ格子点と呼ぶことにする。

光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００から出力され、Ａ／Ｄ変換された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の色信号は、色再現性が良くないため、上記の色信号補正部６Ｈ，６Ｌでは、夫々、下記の数１，数２に示すマトリックス演算により色信号補正を行う。

即ち、Ｈ格子点の実際の高感度色信号に対して、

但し、Ｓ_ＲＨ（ｘ，ｙ）、Ｓ_ＧＨ（ｘ，ｙ）、Ｓ_ＢＨ（ｘ，ｙ）は、Ｈ格子点（ｘ，ｙ）のＲＧＢに対する実際の高感度色信号、Ｓ’_ＲＨ（ｘ，ｙ）、Ｓ’_ＧＨ（ｘ，ｙ）、Ｓ’_ＢＨ（ｘ，ｙ）は、補正後のＲＧＢの高感度色信号であり、Ｇ_ｌｌ〜Ｇ_３３は定数である。

同様に、Ｌ格子点の実際の低感度色信号に対して、

但し、Ｓ_ＲＬ（ｘ，ｙ）、Ｓ_ＧＬ（ｘ，ｙ）、Ｓ_ＢＬ（ｘ，ｙ）は、Ｌ格子点（ｘ，ｙ）のＲＧＢに対する実際の低感度色信号、Ｓ’_ＲＬ（ｘ，ｙ）、Ｓ’_ＧＬ（ｘ，ｙ）、Ｓ’_ＢＬ（ｘ，ｙ）は、補正後のＲＧＢの色信号であり、Ｇ_１１〜Ｇ_３３は定数である。

次のホワイトバランス処理部７Ｈ，７Ｌは、入力されたＲＧＢの色信号が均一な白を撮像した場合に、Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１の比率になるように利得調整を行い、出力する。

次のガンマ変換部８Ｈ，８Ｌは、入力されたＲＧＢの色信号に対してガンマ特性に合わせた非線型処理を行い、出力する。この場合、高感度色信号と低感度色信号で異なる非線形処理を行っても、同じ非線形処理でもよい。異なる処理の利点は、合成後のガンマ特性を調整できることである。同じ処理の利点は、処理に要する負荷（処理時間増大やゲート数増大）が軽減できることである。

次の虚画素色信号補間部９Ｈ，９Ｌは、高感度色信号と低感度色の局部的なパターンの特徴を判断して、夫々、高感度色信号と低感度色信号に対する虚画素位置の色信号を生成する。例えば、次の数３により、虚画素位置の色信号を生成する。

但し、画素位置（ｘ，ｙ）がＬ格子点の場合、Ｇ（ｘ，ｙ）は高感度色信号、また画素位置（ｘ，ｙ）がＨ格子点の場合、Ｇ（ｘ，ｙ）は低感度色信号、Ｋは正の定数であり、Ｚは、次の数４である。

次のカラー画像合成部１０は、同じ画素位置（虚画素位置を含む）の高感度色信号と低感度色信号から、次の数５により合成色信号を生成する。

但し、Ｒcomp（ｘ，ｙ）、Ｇcomp（ｘ，ｙ）、Ｂcomp（ｘ，ｙ）は、画素位置（ｘ，ｙ）における赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の合成色信号、Ｒ_Ｈ（ｘ，ｙ）、Ｇ_Ｈ（ｘ，ｙ）、Ｂ_Ｈ（ｘ，ｙ）は、画素位置（ｘ，ｙ）における赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の高感度色信号、Ｒ_Ｌ（ｘ，ｙ）、Ｇ_Ｌ（ｘ，ｙ）、Ｂ_Ｌ（ｘ，ｙ）は、画素位置（ｘ，ｙ）における赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の低感度色信号、αは合成パラメータで、０〜１の範囲の定数である。αの値としては、０．５〜０．８が望ましい。

尚、図３の例では、虚画素の色信号生成をガンマ変換後に行ったが、ガンマ変換前でも、ホワイトバランス前に行っても良い。また、パラメータαを使用してカラー画像合成を行ったが、カラー画像合成はこれに限るものでなく、他の合成方法を用いても良い。

更に、固体撮像装置が赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３原色の信号を出力することを前提として説明したが、例えば、この３原色の他に、青色（Ｂ）と緑色（Ｇ）の中間波長の色信号も出力する固体撮像装置を用いる場合には、図３の色信号補正部では３×４のマトリックス演算を行い、４色の色信号をＲＧＢの３色の色信号に変換する処理（例えば、４色目の信号量を赤色の信号量から減算した信号を赤色信号とし、人間の視感度を実現する処理：例えば、特許第２８６１７５９号公報参照）を行う点が異なるだけで、他は同じ処理で良い。

図４は、高感度画素１０１及び低感度画素１０２とその下に形成されている垂直転送路との関係を示す図である。高感度画素１０１，低感度画素１０２と垂直転送路側とは後述の縦配線によって接続されており、図４には、画素下に配置され実際には上から見えない縦配線の位置も示している。

高感度画素１０１には、青色信号用の縦配線３１ｂと緑色信号用の縦配線３１ｇと赤色信号用の縦配線３１ｒの３本の縦配線が設けられており、夫々の縦配線３１ｂ，３１ｇ，３１ｒは、図示する位置に真っ直ぐに立設される。高感度画素１０１の真下の半導体基板には、３本の垂直転送路４０ｂ，４０ｇ，４０ｒが当幅に形成されている。尚、ｒ，ｇ，ｂの添え字は、以下も同様であるが、検出する入射光の色である赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）に対応する。

後述の青色光電変換膜によって発生した青色信号電荷は、縦配線３１ｂを通して直下の信号電荷蓄積部に蓄積され、この信号電荷が垂直転送路４０ｂに読み出され、転送される。

同様に、後述の緑色光電変換膜によって発生した緑色信号電荷は、縦配線３１ｇを通して直下の信号電荷蓄積部に蓄積され、この信号電荷が垂直転送路４０ｇに読み出され、転送される。

同様に、後述の赤色光電変換膜によって発生した青色信号電荷は、縦配線３１ｒを通して直下の信号電荷蓄積部に蓄積され、この信号電荷が垂直転送路４０ｒに読み出され、転送される。

低感度画素１０２にも、３本の縦配線３２ｂ，３２ｇ，３２ｒが設けられている。しかし、低感度画素１０２は高感度画素１０１より小面積であるため、縦配線３２ｂ，３２ｇ，３２ｒの間隔は狭い。このため、真ん中の緑色に対応する縦配線３２ｇを真っ直ぐ下に下ろして真ん中の垂直転送路４０ｇに設けられる信号電荷蓄積部に整合させると、縦配線３２ｂは垂直転送路４０ｂに設ける信号電荷蓄積部３４ｂから外れ、縦配線３２ｒも垂直転送路４０ｒの信号電荷蓄積部３４ｒから外れてしまう。

そこで、縦配線３２ｂ，３２ｒに関しては、途中で後述の横配線を設け、青色信号電荷と赤色信号電荷とが夫々信号電荷蓄積部３４ｂ，３４ｒに蓄積される様にしている。これにより、高感度画素１０１による各色信号電荷と、低感度画素１０２による各色信号電荷とを色別に設けた同一の垂直転送路によって転送することが可能となる。

即ち、高感度画素１０１による青色信号電荷と低感度画素１０２による青色信号電荷とは同じ垂直転送路４０ｂによって転送され、高感度画素１０１による緑色信号電荷と低感度画素１０２による緑色信号電荷とは同じ垂直転送路４０ｇによって転送され、高感度画素１０１による赤色信号電荷と低感度画素１０２による赤色信号電荷とは同じ垂直転送路４０ｒによって転送される。

図５は、図４のＶ―Ｖ線断面模式図であり、高感度画素１０１と低感度画素１０２の縦配線部分の断面模式図である。ｎ型半導体基板５０の表面部にはＰウェル層５１が形成され、その表面部は、チャネルストップ（Ｐ^＋領域）５２により各垂直転送路毎に区分けされている。各チャネルストップ５２間には、垂直転送路を構成するｎ型半導体層５３と、対応する各色の信号電荷蓄積部（ｎ型半導体領域）３３ｒ等とが若干離間して形成される。

各信号電荷蓄積部３３ｒ，３３ｇ，３３ｂ，３４ｒ，３４ｇ，３４ｂは同一大きさに形成され、夫々、縦配線３１ｂ，３１ｇ，３１ｒ，３２ｂ，３２ｇ，３２ｒが接続される。 そして、半導体表面にはゲート絶縁膜５５が積層され、その上に、ポリシリコンでなる転送電極膜５６が形成される。

図６は、垂直転送路の表面模式図である。６本の垂直転送路４０ｂ，４０ｇ，４０ｒ，４０ｂ，４０ｇ，４０ｒが図示されており、各垂直転送路の同一垂直位置（第１相転送電極領域）Φv1に、高感度画素１０１から縦配線３１ｂを通して取り込んだ青色信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３３ｂと、高感度画素１０１から縦配線３１ｇを通して取り込んだ緑色信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３３ｇと、高感度画素１０１から縦配線３１ｒを通して取り込んだ赤色信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３３ｒとが設けられる。

同じく同一垂直位置に、低感度画素１０２から縦配線３２ｂを通して取り込んだ青色信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３４ｂと、低感度画素１０２から縦配線３２ｇを通して取り込んだ緑色信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３４ｇと、低感度画素１０２から縦配線３２ｒを通して取り込んだ赤色信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部３４ｒとが設けられる。

第１相転送電極領域Φv1（＝図５の転送電極膜５６：これは読出ゲート電極を兼用する。）から垂直方向に第２相転送電極領域Φv2，第３相転送電極領域Φv3，第４相転送電極領域Φv4と続き、次の第１相転送電極領域Φv1では、高感度画素１０１と低感度画素１０２の配置位置が逆になるため、図６の左側から、低感度画素１０２の信号電荷蓄積領域３４ｂ，３４ｇ，３４ｒ、高感度画素１０１の信号電荷蓄積領域３３ｂ，３３ｇ，３３ｒの順に配列される。

図５に戻り、垂直転送路を構成する転送電極膜５６が形成された半導体基板の表面は、光遮蔽膜５７を挟ん込んだ絶縁膜５８で覆われる。絶縁膜５８の上には、導体膜５９が形成される。この導体膜５９は、パターニングされて、下層の縦配線３１ｂ，３１ｇ，３１ｒ，３２ｂ，３２ｇ，３２ｒと、上層の縦配線３１ｂ，３１ｇ，３１ｒ，３２ｂ，３２ｇ，３２ｒとを接続する接続部となる。

即ち、図４で説明した、低感度画素（小画素）１０２の両脇の縦配線３２ｂ，３２ｒを、垂直転送路４０ｂ，４０ｒの信号電荷蓄積領域３４ｂ，３４ｒと接続するための横配線５９ａがパターニングされる。

パターニングされた導体膜５９の上には、絶縁膜６０が積層され、その上に、画素毎に区分けされた電極膜（以下、画素電極膜という。）６１ｒ，６２ｒが積層される。画素電極膜６１ｒは、高感度画素１０１を区画する電極膜であり、その形状は、図４に示す例では８角形となっている。また、画素電極膜６２ｒは、低感度画素１０２を区画する電極膜であり、その形状は、図４に示す例では正方形となっている。画素電極膜６１ｒに縦配線３１ｒが接続され、画素電極膜６２ｒに縦配線３２ｒが接続される。

これらの画素電極膜６１ｒ，６２ｒの上に、赤色（Ｒ）を検出する光電変換膜６３ｒが積層される。この光電変換膜６３ｒは画素毎に区分けして設ける必要はなく、受光面全面に対し１枚構成で積層される。

光電変換膜６３ｒの上には、赤色信号を検出する各画素１０１，１０２に共通の共通電極膜６４ｒがこれも一枚構成で積層され、その上部に、透明の絶縁膜６５が積層される。 尚、共通電極膜６４ｒをパターニングして画素毎に区画しても良いが、これらの共通電極膜６４ｒには同一バイアス電圧が印加されるので、パターニングするとき各電極膜６４ｒ間を接続する配線部分を残す。

絶縁膜６５の上部には、画素毎に区分けされた画素電極膜６１ｇ，６２ｇが積層される。画素電極膜６１ｇは、高感度画素１０１を区画する電極膜であり、その形状は、画素電極膜６１ｒと同形の８角形となっている。また、画素電極膜６２ｇは、低感度画素１０２を区画する電極膜であり、その形状は、画素電極膜６２ｒと同形の正方形となっている。画素電極膜６１ｇに縦配線３１ｇが接続され、画素電極膜６２ｇに縦配線３２ｇが接続される。

画素電極膜６１ｇ，６２ｇの上に、緑色（Ｇ）を検出する光電変換膜６３ｇが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜６４ｇが積層され、その上部に、透明の絶縁膜６６が積層される。

この絶縁膜６６の上部には、画素毎に区分けされた画素電極膜６１ｂ，６２ｂが積層される。画素電極膜６１ｂは、高感度画素１０１を区画する電極膜であり、その形状は、画素電極膜６１ｒと同形の８角形となっている。また、画素電極膜６２ｂは、低感度画素１０２を区画する電極膜であり、その形状は、画素電極膜６２ｒと同形の正方形となっている。画素電極膜６１ｂに縦配線３１ｂが接続され、画素電極膜６２ｂに縦配線３２ｂが接続される。

画素電極膜６１ｂ，６２ｂの上に、青色（Ｂ）を検出する光電変換膜６３ｂが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜６４ｂが積層され、最上層に透明な保護膜６７が積層される。
る。

高感度画素１０１に対応する画素電極膜６１ｒ，６１ｇ，６１ｂは、入射光方向に整列して設けられ、低感度画素１０２に対応する画素電極膜６２ｒ，６２ｇ，６２ｂも、入射光方向に整列して設けられる。

即ち、本実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００では、１つの画素で赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色を検出する構成であり、以下、単に高感度「画素」または低感度「画素」と述べた場合には、３色を検出する画素１０１，１０２を指し、色画素とか赤色画素，緑色画素，青色画素と述べた場合には、夫々の色を検出する部分画素（共通電極膜と１つの画素電極膜とで挟まれた光電変換膜の部分）というものとする。

均質な透明の電極膜６１ｒ，６１ｇ，６１ｂ，６２ｒ，６２ｇ，６２ｂ，６４ｒ，６４ｇ，６４ｂとしては、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化インジウム（ＩｎＯ_２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。

光電変換膜６３ｒ，６３ｇ，６３ｂとしては、単層膜でも多層膜でもよく、膜材料としては、シリコンや化合物半導体等の無機材料，有機半導体，有機色素などを含む有機材料，ナノ粒子で構成した量子ドット堆積膜など種々の材料が使用できる。

斯かる構成の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００に入射光が入射すると、入射光のうち青色光は青色光電変換膜６３ｂで光電変換を起こし、緑色光は緑色光電変換膜６３ｇで光電変換を起こし、赤色光は赤色光電変換膜６３ｒで光電変換を起こし、夫々、各色光の入射光量に応じた信号電荷を発生させる。

共通電極膜６４ｒ，ｇ，ｂと各画素電極膜６１ｒ，ｇ，ｂ，６２ｒ，ｇ，ｂとの間に電圧を印加すると、各画素で発生した信号電荷が対応する縦配線３１ｒ，ｇ，ｂ，３２ｒ，ｇ，ｂを通って信号電荷蓄積部３３ｒ，ｇ，ｂ，３４ｒ，ｇ，ｂまで流れ、蓄積される。

高感度画素１０１では入射光量が低感度画素１０２に入射する入射光より多いため、仮に高感度画素１０１で発生した信号電荷量が飽和しても、低感度画素１０２では飽和しない。

このため、高感度画素１０１による赤色信号電荷，緑色信号電荷，青色信号電荷と、低感度画素１０２による赤色信号電荷，緑色信号電荷，青色信号電荷を、図６の各信号電荷蓄積部３３ｒ，ｇ，ｂ，３４ｒ，ｇ，ｂ脇に設けられた読出ゲート部６９を通して第１相転送電極領域Φv1に読み出し、以後、第２相，第３相，……と図示しない水平転送路まで転送し、水平転送路を転送させて固体撮像装置１００から高感度色信号と低感度色信号を出力させ、図３の画像信号処理回路で処理することで、広ダイナミックレンジのカラー画像を得ることができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図であり、第１の実施形態の図４に相当する図である。また、図８は、半導体基板表面に形成した垂直転送路の４画素分（高感度画素２画素×低感度画素２画素分）の表面模式図であり、第１の実施形態の図６に相当する図である。

第２の実施形態では、高感度画素１０１に設ける縦配線３１ｂ，３１ｇ，３１ｒを下ろす位置すなわち信号電荷蓄積領域３３ｂ，３３ｇ，３３ｒの垂直方向位置と、低感度画素１０２に設ける縦配線３２ｂ，３２ｇ，３２ｒを下ろす信号電荷蓄積領域３４ｂ，３４ｇ，３４ｒを設ける垂直方向位置を２転送電極領域分ずらしたことを特徴とする。

第１の実施形態では、高感度画素１０１と低感度画素１０２との感度比（高感度画素の感度／低感度画素の感度）は、画素の開口面積やマイクロレンズの大きさ等の構造の違いで決まってしまい、固定値である。しかし、実際の撮像シーンでは、最適な感度比に調整して撮像することが望ましい。そこで、この第２の実施形態では、感度比を可変調整するために、図７，図８の構成としている。

図９は、本実施形態における光電変換膜積層型カラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラにおける動作タイミングチャートである。このデジタルカメラの構成は、図１，図３と同様であり、制御部５が駆動部４を介して図７，図８に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００を次の様に駆動する。尚、図９で斜線で示した部分は、連続する転送パルスを省略した図である。

光学系１を構成するメカニカルシャッタＭＳが開いている期間（ｔ_ｌ〜ｔ_３）の途中で（時刻ｔ_２）で、低感度画素１０２の読出電極であるΦv1に読出パルスｆ１を印加し、全ての低感度画素１０２及びその信号電荷蓄積部３４ｂ，ｇ，ｒに蓄積されている電荷を垂直転送路４０ｂ，ｇ，ｒに読み出してしまう。そして、メカニカルシャッタが閉じた後の期間（ｔ_４〜ｔ_５）で、高速掃出パルス（パルスが密に詰まっているため黒く塗り潰している。）を垂直転送路に印加して、垂直転送路上の不要電荷を空にする。

時刻ｔ６でΦv1とΦv3に読出しパルスｆ２，ｆ３を印加して、高感度画素１０１と低感度画素１０２の各色の信号電荷を垂直転送路に読み出し、各色信号電荷を水平転送路まで転送し、水平転送路から外部に出力させる。

低感度画素１０２には、メカニカルシャッタ開のタイミングｔ_１から光が入射して光電変換信号が生成されるが、時間ｔ_２で読出パルスｆ１が印加されるため、時間ｔ_１〜ｔ_２に蓄積された信号電荷は垂直転送路に廃棄され、高速掃出パルスによって掃き出されてしまう。

時間ｔ_２以後に入射した光によって発生した光電変換信号が蓄積され、これが、読出パルスｆ２によって垂直転送路に読み出され、転送される。従って、低感度画素１０２の感度は、（ｔ_３−ｔ_２）／（ｔ_３−ｔ_ｌ）倍に小さくなる。即ち、読出パルスｆ１のタイミングを調整することで、撮影シーンに適した感度比に調整することができる。同様に、高感度画素１０１の感度を小さくすることも可能である。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の信号読出回路の回路図である。第１，第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置では、半導体基板に設ける信号読出回路を、電荷結合素子（垂直転送路，水平転送路）で構成したが、本実施形態の信号読出回路は、ＭＯＳトランジスタ回路で構成される。

この図１０は、高感度画素２画素×低感度画素２画素の信号読出回路を示す。各画素に、青色信号読出用，緑色信号読出用，赤色信号読出用を設けているため、計１２個の信号読出回路が設けられている。各信号読出回路は同一構成のため、その１つの信号読出回路について述べ、他は同一符号にｒ，ｇ，ｂの符号を付して説明を省略する。

低感度画素１０２の赤色信号読出回路は、電荷検出セル７０と、電荷読出用ＭＯＳトランジスタ７６ｒ（高感度画素の場合には７５ｒ）とで構成される。光電変換膜の画素電極膜から信号電荷を読み出し蓄積する信号電荷蓄積部３４ｒまでの構成は、第１，第２の実施形態と同様であるが、本実施形態では、信号電荷蓄積部３４ｒに、電荷読出用ＭＯＳトランジスタ７６ｒのソースを接続し、ゲートは低感度画素読出信号線７７（高感度画素読出信号線は７８）に接続している。そして、ドレインが、後述する出力用トランジスタ７１のゲート部分に接続される。

電荷検出セル７０は、出力用トランジスタ７１と行選択用トランジスタ７２とリセット用トランジスタ７３を備える。出力用トランジスタ７１のソースは列信号線（信号出力線）８１ｒに接続され、ゲートは、リセット用トランジスタ７３のソースに接続され、ドレインは行選択用トランジスタ７２のソースに接続される。そして、行選択用トランジスタ７２及びリセット用トランジスタ７３の各ドレインが直流電源線８２に接続され、行選択用トランジスタ７２のゲートが行選択信号線８３に接続され、リセット用トランジスタ７３のゲートがリセット信号線８４に接続される。

これらの直流電源線８２，行選択信号線８３，リセット信号線８４は、半導体基板に設けられた図示しない行選択走査回路に接続され、制御される。列信号線８１ｒ，ｇ，ｂは、これも図示しない画像信号出力部に接続され、画像信号出力部はこれらの列信号線８１ｒ，ｇ，ｂから取り込んだ色信号を外部に出力する。

斯かる構成の信号読出回路では、或る行の画素から信号を読み出す場合には、当該行を指定する行選択信号８３が行選択走査回路から出力される。これにより、当該行の行選択用トランジスタが導通状態となり、このとき、当該行の低感度画素読出信号線７７にオン信号が行選択走査回路から出力されると、低感度画素１０２の電荷読出用トランジスタ７６ｒ，ｇ，ｂがオンされ、各信号電荷蓄積部３４ｒ，ｇ，ｂの蓄積電荷が出力用トランジスタ７１のゲート部分に流れ込む。これにより、列信号線８１ｒ，ｇ，ｂには、各色信号電荷量に応じた信号が出力され、画像信号出力部に取り込まれる。

図１１は、図１０の信号読出回路を備える光電変換膜積層型カラー固体撮像装置において、第２の実施形態と同様に、感度調整を行うタイミングチャートである。

メカニカルシャッタＭＳが開いている期間（ｔ_ｌ０〜ｔ_１２）の途中の時刻ｔ_ｌｌで、全部の低感度画素１０２に対して低感度画素読出信号ＲＤ_Ｌを信号線７７に印加する。これにより、低感度画素の信号電荷は出力用トランジスタ７１のゲート部分に流れ込み、信号電荷蓄積部の電荷はゼロとなる。出力用トランジスタ７１のゲート部分に流れ込んだ電荷は、リセット用トランジスタ７３をオンすることで、直流電源線８２に廃棄する。

メカニカルシャッタＭＳが閉じた後、順次、低感度画素１０２と高感度画素１０１の信号電荷を出力用トランジスタ７１のゲート部分に読み出せば、画像信号出力部に出力される。

斯かる動作により、低感度画素１０２の感度は、（ｔ_１２−ｔ_ｌｌ）／（ｔ_１２−ｔ_１０）倍に小さくなる。これにより、撮影シーンに適した感度比に調整できる。同様に、高感度画素１０１に対して高感度画素読出信号ＲＤ_Ｈを信号線７８に出力するタイミングを調整することで、高感度画素の感度を小さくすることができる。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る信号読出回路の回路図である。図１０に示す第３の実施形態では、同一行の低感度画素１０２と高感度画素１０１から同時に同一色の信号を読み出したが、本実施形態では別々に読み出すようになっている。即ち、図１０の上段の高感度画素１０１の赤色信号読出回路と、同じく上段の低感度画素１０２の赤色信号読出回路とを共用し、電荷検出セル７０を一個とし、低感度画素側の電荷読出用トランジスタ７６ｒと高感度画素側の電荷読出用トランジスタ７５ｒのドレインを共通に出力用トランジスタ７１のゲートに接続している。

従って、高感度画素読出信号線７８と低感度画素読出信号線７７に同時に読出信号を印加すると、トランジスタ７６ｒ，７５ｒから同時に信号電荷が出力用トランジスタ７１のゲートに流れ込み、画素混合されるため、別々に読み出すときは、低感度画素読出信号と高感度画素読出信号とを非同時に出力する必要がある。

この実施形態では、各行で２回の読出し動作が必要となるが、列信号線が図１０の構成に比較して１／２となり、トランジスタ数も少なくなり、画素の微細化が容易になるという利点がある。各画素の感度比調整を行うには、図１１と同様の制御を行えばよい。

尚、上述した各実施形態では、電荷検出セルの回路構成が直流電源線、行選択トランジスタ、出力用トランジスタ、列信号線の接続順になっているが、直流電源線、出力用トランジスタ、列信号線の接続順にしてもよい。

以上述べた各実施形態によれば、市松状の画素位置に高感度画素と低感度画素を配列し、高感度画素が飽和した状態でも、飽和していない低感度画素の信号がカラー合成信号に寄与できるため、広いダイナミックレンジを持つ画像を撮ることが可能となる。

例えば、低感度画素の飽和露光量／高感度画素の飽和露光量＝４に選べば、ダイナミックレンジがおよそ４倍に広くなる。また、虚画素の色信号を局部的なパターンの相関を利用して補間するため、解像度が良好な画像が得られる。

尚、上述した各実施形態は、光電変換膜積層型固体撮像装置を例にしたものであるが、半導体基板の深さ方向に複数のフォトダイオードを形成して１画素で複数色の光電変換信号を得る構成のカラー固体撮像装置にも本発明を同様に適用可能である。

本発明に係るカラー固体撮像装置は、ダイナミックレンジを広げることができるため、デジタルカメラに搭載すると有用である。

本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラのブロック構成図である。 図１に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図である。 図１に示す画像信号処理部の詳細構成図である。 図１に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の高感度画素及び低感度画素と垂直転送路との関係を示す図である。 図４のＶ―Ｖ線断面模式図である。 図４に示す垂直転送路の表面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の図４に相当する図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の垂直転送路の表面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置で感度比調整を行うタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の信号読出回路の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置で感度比調整を行うタイミングチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の信号読出回路の回路図である。

符号の説明

１ 光学系
３ 画像信号処理部
４ 駆動部
３１ｒ，３１ｇ，３１ｂ，３２ｒ，３２ｇ，３２ｂ 縦配線
３３ｒ，３３ｇ，３３ｂ，３４ｒ，３４ｇ，３４ｂ 信号電荷蓄積部
４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ 垂直転送路
５０ ｎ型半導体基板
５１ Ｐウェル層
５２ チャネルストッパ
５３ ｎ型半導体領域（垂直転送路用）
５６ 転送電極膜
５７ 光遮蔽膜
５８ 絶縁層
５９ａ 横配線
６０ 絶縁膜
６１ｒ，６１ｇ，６１ｂ 高感度画素の画素電極膜
６２ｒ，６２ｇ，６２ｂ 低感度画素の画素電極膜
６３ｒ，６３ｇ，６３ｂ 光電変換膜
６４ｒ，６４ｇ，６４ｂ 共通電極膜
７０ 電荷検出セル
７１ 出力用トランジスタ
７２ 行選択用トランジスタ
７３ リセット用トランジスタ
７５ｒ，７５ｇ，７５ｂ，７６ｒ，７６ｇ，７６ｂ 電荷読出用トランジスタ
８１ｒ，８１ｇ，８１ｂ 列信号線（出力信号線）
１００ 光電変換膜積層型カラー固体撮像装置
１０１ 高感度画素
１０２ 低感度画素

Claims (9)

1. １画素で少なくとも赤色，緑色，青色の各色信号を検出する複数の画素がアレイ状に配列されたカラー固体撮像装置において、市松状の一方の位置に相対的に感度の高い画素を配置し前記市松状の他方の位置に相対的に感度の低い画素を配置したことを特徴とするカラー固体撮像装置。
2. 前記画素の面積を相対的に大面積とすることで感度の高い画素とし相対的に小面積とすることで感度の低い画素としたことを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像装置。
3. 前記画素にマイクロレンズを搭載することで感度の高い画素としマイクロレンズ非搭載とすることで感度の低い画素としたことを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像装置。
4. 信号読出回路が形成された半導体基板の上に赤色検出用の光電変換膜と緑色検出用の光電変換膜と青色検出用の光電変換膜とが積層され各光電変換膜に設けられた画素電極膜によって前記画素が区画され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カラー固体撮像装置。
5. 前記各画素対応に形成され、半導体基板の深さ方向に赤色検出用のフォトダイオードと緑色検出用のフォトダイオードと青色検出用のフォトダイオードとが設けられた複数の受光部を備え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カラー固体撮像装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
7. 前記カラー固体撮像装置の前記感度の高い画素から出力される高感度色信号を補間処理して該画素の虚画素位置における高感度色信号を生成し前記感度の低い画素から出力される低感度色信号を補間処理して該画素の虚画素位置における低感度色信号を生成し前記高感度色信号と前記低感度色信号を合成してカラー画像信号を生成する画像信号処理手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルカメラ。
8. メカニカルシャッタと、該メカニカルシャッタが開いている最中の所定タイミングで前記感度の低い画素によって光電変換され蓄積された信号電荷を廃棄してしまい前記所定タイミング後から前記メカニカルシャッタが閉じるまでに前記感度の低い画素によって光電変換され蓄積された信号電荷に応じた信号を前記感度の低い画素の信号として読み出す感度調整手段を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のデジタルカメラ。
9. 前記感度調整手段は、前記感度の低い画素の代わりに前記感度の高い画素を用いて感度調整を行うことを特徴とする請求項７に記載のデジタルカメラ。

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