JP2006086356A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度信号の最大成分の色信号を増大させることにより、輝度信号の出力が増大された固体撮像素子を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像素子は、受光部と、カラーフィルタと、マイクロレンズとを有する画素が複数配置され、前記カラーフィルタは輝度信号の最大成分を生成する強輝度色層、及び、最大成分とはならない信号を生成する少なくとも一層以上の弱輝度色層を有しており、前記強輝度色層に対応して配置されるマイクロレンズの直径は、前記弱輝度色層に対応して配置されるマイクロレンズの直径より大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は固体撮像素子に関し、特に、輝度信号を増大させることにより解像度が向上される固体撮像素子に関するものである。

近年、ビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラ
には、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されている。このような固体撮像素子は、受光部を有する画素がマトリクス状に複数配置され、各画素に入射する光は、受光部にて光電変換され信号電荷を生成する。生成された信号電荷、または、信号電荷に応じた電気信号は、ＣＣＤや信号線を介して外部に出力される。

図7は、従来のＣＣＤ型固体撮像素子の概略平面図である。固体撮像素子１０１は、受光部１０３と、受光部１０３で生成された信号電荷を転送する垂直ＣＣＤ１２１及び水平ＣＣＤ１２２と、出力アンプ１２３とを有する。画素１２０は、受光部１０３と垂直ＣＣＤ１２１の一部を有している。

なお、ＣＭＯＳ型固体撮像素子においては、各画素に画素アンプが配置され、ＣＣＤの代わりに垂直信号線、水平信号線が設けられる。そして、受光部にて生成された信号電荷に対応して増幅された電気信号が、各画素から出力される。

カラー信号を得るためには、例えば特許文献１に記載されているようにカラーフィルタが各受光部１０３上に配置される。図8は、カラーフィルタの配列の一例を示す配置図である。ここでは、ベイヤー配列（市松状配列）を例示している。ＲＧＢは、それぞれ、赤（レッド）、緑（グリーン）、青（ブルー）、の色層を示している。カラーフィルタ１０８は、このように複数の色層を有している。
ＲＧＢのいずれかの色層は、図８に示したように各画素１２０の受光部１０３に対応するように配置される。カラーフィルタ１０８を透過し受光部１０３に入射した光は、光電変換されて信号電荷を生成する。したがって、各画素１２０は、受光部１０３上に配置されるカラーフィルタ１０８の色層の色で決定される色信号を出力する。

カラーフィルタ１０８は、カゼインやゼラチン等の有機膜を染色した材料、または、顔料や不溶性染料を樹脂中に分散させた材料が用いられる。そして、カラーフィルタ１０８は、色層ごとに固体撮像素子の上にオンチップ状に形成される。カラーフィルタ１０８の形成方法を例示すると、固体撮像素子が形成されている半導体基板を準備し、まず、グリーンの色層（以下、Ｇ色層と称す。レッド、ブルーも同様）のカラーフィルタ１０８Ｇとなる上記材料を回転塗布法に従い、前記基板上に塗布する。次いで、周知のフォトリソエッチング技術を用いて図８のＧの領域が残るようにＧ色層のカラーフィルタ１０８Ｇを形成する。同様に、Ｒ色層のカラーフィルタ１０８Ｒ、及び、Ｂ色層のカラーフィルタ１０８Ｂを順次形成する。このようにして、カラーフィルタ１０８は、固体撮像素子の上にオンチップ状に設けられる。

図９は、従来の固体撮像素子１０１の受光部断面図であり、図７、図８のＡ−Ａ’部の断面図である。固体撮像素子１０１は、半導体基板１０２上に設けられた受光部１０３と、受光部１０３に開口部１０５を有する遮光膜１０４とを有している。遮光膜１０４は、受光部１０３の実質的な受光面積を所定の値とし、画素内外に設けられるトランジスタ等の領域に光が入射してこれらのトランジスタ等が誤動作することを防止する。遮光膜１０４は、金属薄膜やポリシリコンが用いられるが、配線等などを兼用し、専用の膜を設けないこともある。

各受光部１０３上にはＲＧＢのいずれかの色層のカラーフィルタ１０８が、絶縁膜１０６を介してオンチップ状に配置される。カラーフィルタ１０８の各色層は、同じ寸法、面積にするのが一般的である。ただし、カラーフィルタの密着性を向上させるため、ある色層の面積を大きくする構成が、特許文献１に開示されている。また、一つの色層に別の色層がオーバーラップされることもある（例えば、特許文献１、特許文献２）。
各色層のカラーフィルタ１０８上には、それに対応するようにマイクロレンズ１０９が、平坦化膜１０７を介してオンチップ状に配置される。マイクロレンズ１０９は、集光率を向上させて入射光を受光部１０３に導く目的でカラーフィルタ１０８上に設けられる。
マイクロレンズ１０９は、一般には半球状の形状をなしており、また、同一の固体撮像素子ではすべて同一の径を有している。マイクロレンズ１０９は、樹脂を正方形状にパターニングし、これを溶融することで半球形状に形成される。

ところで、カラーフィルタ１０８を形成するとその表面は凹凸となり易い。凹凸の上にマイクロレンズを形成すると、パターニングの際、露光時の焦点深度は、露光場所によって異なってくる。このため、マイクロレンズ毎に形状が変化してしまい均一の形状が得られない。さらに、各マイクロレンズにより高さが変わってくる恐れが生ずる。したがって、設計どおりの特性が得られないこととなる。平坦化膜１０７は、このような現象を防止するために配置され、マイクロレンズ１０９は、平坦化膜１０７上に設けられる。

また、前述のようにカラーフィルタ１０８は、受光部１０３に対応付けて配置されている。このため、マイクロレンズ１０９は、実質的に受光部１０３に対応して設けられる。
なお、図９において、入射光は素子面に対して垂直の方向から入射されることを想定している。従って、ここでは、マイクロレンズ１０９及びカラーフィルタ１０８は、受光部１０３の真上に配置されている。しかし、マイクロレンズ１０９及びカラーフィルタ１０８は、シェーディングを防止する目的などで受光部１０３に対して図の横方向にずらして配置されることもある（例えば、特許文献３）。このような配置においても、横方向にずれているものの、マイクロレンズ１０９及びカラーフィルタ１０８は、受光部１０３に対応して配置されている。

このように、各画素は、画素に設けられたカラーフィルタ１０８の色層に応じた色の信号を生成する。生成された信号は、ＣＣＤや信号線を介して外部に出力され、ＲＧＢの信号が合成され画像に変換される。
ところで、カラー画像を得るには、色の情報（色信号）の他に輝度信号が必要となる。輝度信号は、明るさを特定する信号であり、ＲＧＢの信号を合成して得られる。
特開平１１−１５０２５２号公報 特開昭６２−２７７８７７号公報 特開２００１−１６０９７３号公報

固体撮像素子は、解像度の高い方が好ましいのは言うまでも無い。解像度は、輝度信号を高めることにより向上することが知られている。このため、輝度信号を向上させたいという要望があった。
輝度信号は、各色信号の値を変数とする所定の式から求められる。この輝度信号を求める式は、各色信号の値のうち、いずれか一つを最大成分としている。よって、輝度信号を高めるには、輝度信号への寄与度が大きい最大成分の色信号を増大させると効果的である。
例えば、一般的な規格であるＮＴＳＣ規格に従えば、輝度信号Ｅｙは、Ｅｙ＝０．５９Ｅｇ＋０．３Ｅｒ＋０．１１Ｅｂの式で定められている。ここで、Ｅｇはグリーンの信号成分、Ｅｒはレッドの信号成分、Ｅｂはブルーの信号成分である。このように、輝度信号は、グリーンの信号成分の寄与が大きい。したがって、ＮＴＳＣ規格において、Ｅｇを増大させれば、他の色の信号を増大させるより輝度信号を高めるのに効果的となる。
上記のように、輝度信号は、複数の色信号のうち、いずれか一つを最大成分としている。よって、輝度信号を高めるため、最大成分の色信号を増大させたいという要望があった。

本発明は、このような問題点に鑑みて成されたものであり、輝度信号の最大成分の色信号を増大させることにより、輝度信号の出力が増大された固体撮像素子を提供する。

本発明による固体撮像素子の第１の態様は、入射光により光電変換を行い光量に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に対応するようにオンチップ状に配置されるカラーフィルタと、前記受光部に入射光を導き、前記カラーフィルタに対応するようにオンチップ状に配置されるマイクロレンズと、を少なくとも有する画素がマトリクス状に複数配置され、前記カラーフィルタは、輝度信号の最大成分を生成する画素に配置される強輝度色層、及び、最大成分とはならない信号を生成する画素に配置される少なくとも一層以上の弱輝度色層を有しており、前記強輝度色層に対応して配置されるマイクロレンズの直径は、前記弱輝度色層に対応して配置されるマイクロレンズの直径より大なることを特徴とする。

本発明による固体撮像素子の第２の態様は、第１の態様において、前記強輝度色層は、前記弱輝度色層のいずれよりも面積が大なることを特徴とする。
本発明による固体撮像素子の第３の態様は、第１または第２の態様のいずれかにおいて、前記画素に配置されるすべてのマイクロレンズの直径は、当該画素に配置されるカラーフィルタの幅より小なることを特徴とする。

本発明による固体撮像素子の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、前記弱輝度色層が配置される画素は、マイクロレンズを有しないことを特徴とする。
本発明による固体撮像素子の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、前記カラーフィルタの配列はベイヤー配列であり、前記強度色層は、グリーンであることを特徴とする。

本発明によれば、新たな製造工程を加えることなく、輝度信号が増大され、それに伴い解像度が向上した固体撮像装置を提供することができる。

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。なお、ここでは、マイクロレンズを半球形状とし、その大きさ（例えば図３のＷ−１、Ｗ−２）を「直径」として記載している。しかし、マイクロレンズの形状は、これに限られるものではなく多角形状であっても良い。この場合、マイクロレンズの大半の頂点と接する円を描画して、その円の直径をマイクロレンズの直径とする。これは、偶数角形ならば中心点を通る対角線の長さと等しい。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の主な構成を示す回路図である。本実施形態の固体撮像素子３０は、画素アンプを各画素に配置させた増幅型固体撮像素子である。これは、２次元マトリクス状に配置された複数の画素Ｐｘ１−１〜Ｐｘ３−４と、各画素Ｐｘ１−１〜Ｐｘ３−４を行毎に駆動する垂直走査回路７と、各画素Ｐｘ１−１〜Ｐｘ３−４が列毎に接続された垂直信号線１１ａ〜１１ｄと、水平信号線１４と、水平走査回路８から構成されている。なお、ここでは、３行４列の画素総数１２個としているが、これに限られるものではない。

各画素は、入射光により光電変換を行い光量に応じた電荷を生成して蓄積する埋め込み型のフォトダイオード１と、ソースフォロワ動作により上記電荷に応じた信号をソース（Ｓ）から出力する画素アンプである接合型電界効果トランジスタ（以下、ＪＦＥＴという）２と、上記電荷を埋め込み型フォトダイオード１からＪＦＥＴ２に転送する転送ゲート３と、ＪＦＥＴ２を制御する制御領域４と制御ゲート５から構成されている。

各ＪＦＥＴ２のソース（Ｓ）は、各列毎に垂直信号線１１ａ〜１１ｄに接続され、各ＪＦＥＴ２のドレイン（Ｄ）は、全画素共通にドレイン電源ＶＤに接続されている。
転送ゲート３は、各行毎に転送ゲート配線９ａ〜９ｃに接続され、垂直走査回路７から送出されるパルスφＴＧ１〜φＴＧ３により行毎に駆動される。制御領域４は、各行毎に制御領域配線１２ａ〜１２ｃに接続され、垂直走査回路７から送出されるパルスφＲＤ１〜φＲＤ３により行毎に駆動される。制御ゲート５は、制御ゲート配線１０ａ〜１０ｃによって行毎に接続され、さらにこれらの配線を接続することによってすべて共通に接続され、駆動パルスφＲＧにより駆動される。

垂直信号線１１ａ〜１１ｄには、ＪＦＥＴ２の負荷となる定電流源１３ａ〜１３ｄと、垂直信号線を一定の電圧（ＶＲＶ）に固定するためのリセットトランジスタＴＲＶ１〜ＴＲＶ４と、ＪＦＥＴ２の動作帯域を制限するための垂直負荷容量Ｃｖ１〜Ｃｖ４と、列バッファアンプ１６ａ〜１６ｄと、クランプ容量Ｃｃ１〜Ｃｃ４と、駆動パルスφＣにより駆動されるクランプトランジスタＴＣ１〜ＴＣ４が接続されている。

垂直信号線１１ａ〜１１ｄは、列選択トランジスタＴＨ１〜ＴＨ４を介して水平信号線１４に接続されている。列選択トランジスタＴＨ１〜ＴＨ４は、水平走査回路８から送出されるパルスφＨ１〜φＨ４により列毎に駆動される。水平信号線１４には、出力アンプ１５と、駆動パルスφＲＨにより駆動されるリセットトランジスタＴＲＨが接続されている。

次に、本実施形態に係る固体撮像素子３０の動作を簡単に説明する。まず、一行目の制御ゲート５をオン・オフすることにより、ＪＦＥＴ２のゲートをドレイン電源ＶＤの電圧にリセットする。この状態で、一行目のＪＦＥＴ２は動作状態となり、初期状態の固定パターンノイズが垂直信号線２２を介してクランプ容量Ｃｃ１〜Ｃｃ４の一端に蓄積される。このとき、クランプ容量Ｃｃ１〜Ｃｃ４の他端は、クランプトランジスタＴＣ１〜ＴＣ４がオンされることによって接地電圧とされている。

次いで、一行目の転送ゲート３をオンすると、埋め込み型フォトダイオード１に蓄積されている入射光に応じた電荷がＪＦＥＴ２のゲートに転送され、その電荷に対応する信号が垂直信号線１１ａ〜１１ｄに出力される。このとき、クランプトランジスタＴＣ１〜ＴＣ４はオフとされており、列選択トランジスタＴＨ１〜ＴＨ４を順次オンさせると、固定パターンノイズの削除された真の信号出力が出力アンプ１６を介して出力端子１７から出力される。

このように、本実施形態の固体撮像素子３０は、いわゆる相関二重サンプリングを各垂直信号線１１ａ〜１１ｄで行っている。なお、リセットトランジスタＴＲＨは、一つの垂直信号線から信号が出力端子１７に出力される毎にオンとされ、水平信号線１４は接地電圧にリセットされる。上記のように一行目の信号をすべて出力した後、二行目以降を順次読み出す。

図２は、本実施形態による固体撮像素子３０の画素部平面図である。実際には、後述するカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略している。画素は、埋め込み型フォトダイオード１、ＪＦＥＴ２、制御領域４の領域を有している。
また、埋め込み型フォトダイオード１を取り囲むように、図における上下に制御領域配線１２、左右に垂直信号線１１が配置されている。これらの配線により、埋め込み型フォトダイオード１の実質的な面積が定められている。即ち、これらの配線は、埋め込み型フォトダイオード１において遮光膜としても機能している。なお、画素以外のトランジスタ等は、制御領域配線１２にて遮光されている。
転送ゲート配線９において、埋め込み型フォトダイオード１及びＪＦＥＴ２と隣接する部分は、転送ゲート３になっている。転送ゲート配線９に所定の電圧が印加されると、転送ゲート３がオンされて埋め込み型フォトダイオード１からＪＦＥＴ２のゲートに電荷が転送される。

ＪＦＥＴ２と制御領域４の間には、制御ゲート配線１０と電気的に接続される制御ゲート５が配置される。そして、制御ゲート配線１０に所定の電圧が印加されると、制御ゲート５がオンされてＪＦＥＴ２のゲートがドレイン電源ＶＤにリセットされる。

次に、本実施形態の固体撮像素子３０のマイクロレンズ及びカラーフィルタの構成を説明する。図３は、本実施形態による固体撮像素子３０の画素部断面図であり、図２におけるＢ−Ｂ’部の概略断面図である。なお、ここでは、煩雑になるため転送ゲート配線９と制御ゲート配線１０を省略している。
埋め込み型フォトダイオード１は、垂直信号線１１及び制御領域配線１２の開口部２１により、受光する領域が所定の面積にされる。なお、図示していないが、埋め込み型フォトダイオード１は、ｎ型のシリコン基板２０の表面に設けられるｎ型領域表面拡散部と、それより内部に設けられるｐ型電荷蓄積領域からなる。

各埋め込み型フォトダイオード１上には、ＲＧＢのいずれかの色層のカラーフィルタ２４が絶縁膜２２を介してオンチップ状に配置される。なお、本実施形態においてカラーフィルタ２４は、ベイヤー配列が採用されている。カラーフィルタ２４は、ＲＧＢのいずれも同一の幅Ｗ−４、同一の面積を有している。カラーフィルタ２４は、光電変換を行う埋め込み型フォトダイオード１に対応して配置される。このため、入射光は、カラーフィルタ２４を透過した後に埋め込み型フォトダイオード1に導かれる。

カラーフィルタ２４の上には、それに対応するようにマイクロレンズ２５が、平坦化膜２３を介してオンチップ状に配置される。マイクロレンズ２５は、カラーフィルタ２４に対応して配置される。カラーフィルタ２４は、上記のように埋め込み型フォトダイオード１に対応して配置されている。このため、マイクロレンズ２５は、実質的に埋め込み型フォトダイオード１に対応して配置されている。

マイクロレンズ２５は、対応するカラーフィルタ２４の色層によって、直径が異なっている。ここでは、Ｇ（グリーン）の色層のカラーフィルタ２４Ｇに対応して配置されるマイクロレンズ２５Ｇ（以下、簡略のためマイクロレンズ２５Ｇと記載する）の直径Ｗ−１は、その他のマイクロレンズ２５Ｒ、２５Ｂの直径Ｗ−２に比べて大きくされている。このため、Ｇ信号を得る画素は、その他の画素に比べて集光率が向上し入射光が増大する。したがって、それに伴いＧ信号の出力が増大する。
ところで、本実施形態の固体撮像素子３０は、ＮＴＳＣ規格を採用している。ＮＴＳＣ規格は、既に説明したとおりグリーンの信号（以下、Ｇ信号と称す）が輝度信号の最大成分である。よって、本実施形態の固体撮像素子３０は、輝度信号の最大成分が増大されることにより、前述したとおり、解像度が向上する。

なお、ここでは、Ｇ信号を増大させているが、本発明は、これに限られるものではない。ＮＴＳＣ以外の規格や、分析等に用いる特殊な固体撮像素子での規格などにおいては、グリーン以外の色が輝度信号の最大成分となることがある。そのような固体撮像素子においては、輝度信号の最大成分を生成する画素に配置される色層（以下、強輝度色層と記載する）に対応するマイクロレンズの直径をその他の画素に配置される色層（以下、弱輝度色層と記載する）に対応するマイクロレンズよりも大きくすればよい。

本実施形態の固体撮像素子３０は、強輝度色層であるグリーンのカラーフィルタの色層２４Ｇに対応するマイクロレンズ２５Ｇがその他の色層に対応するマイクロレンズに比べて大きい。そして、ここでは、強輝度色層に対応するマイクロレンズの直径を従来よりも増大させている。このため、従来よりも、強輝度色層による信号は増大する。
ただし、素子面積が限られるため、マイクロレンズ２５Ｇを大きくするに伴い、その他の色層に対応するマイクロレンズ２５Ｒ、２５Ｂは、小さく形成されることになる。しかし、マイクロレンズ２５Ｒ、２５Ｂの直径Ｗ−２は、制御領域配線１２の開口幅Ｗ−３より大きい。したがって、弱輝度色層に対応する画素は、マイクロレンズ２５Ｒ、２５Ｂを配置させることにより、それが無いときよりも集光率が向上する。

また、マイクロレンズ２５Ｒ、２５Ｂの直径Ｗ−２は、従来よりも小さくなるものの、強輝度色層の信号は、弱輝度色層の信号に対する比率が増大する。このため、固体撮像素子外での計算、補正等により、輝度信号を増大させて解像度を向上させることができる。
本実施形態におけるカラーフィルタ、マイクロレンズは、従来と同じ製造工程によって形成することができる。このため、新たな製造工程を加えることなく、また、製造コストを増大させることもなく輝度信号を増大させて解像度を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態による固体撮像素子４０の画素部断面図である。本図は、図２におけるＢ−Ｂ’部の概略断面図であり図３に対応する。図３と同じ部分は、同一の符号を付し、ここでは重複する説明を省略する。
また、固体撮像素子４０の回路図は図１と同一であり、また、その動作も同じである。本実施形態の固体撮像素子４０においても、Ｇ信号が輝度信号の最大成分であるＮＴＳＣ規格を採用している。

本実施形態による固体撮像素子４０が第１の実施形態による固体撮像素子３０と異なる点は、カラーフィルタのうち強輝度色層の面積が弱輝度色層の面積より大きいことと、マイクロレンズの直径が対応するカラーフィルタの幅より小さいことの二点である。
各埋め込み型フォトダイオード１上には、ＲＧＢのいずれかの色層のカラーフィルタ４４が絶縁膜２２を介してオンチップ状に配置される。カラーフィルタ４４は、本実施形態においてもベイヤー配列が採用されている。

ここで、カラーフィルタ４４は、強輝度色層であるグリーンの色層（Ｇ色層）の面積がその他の色層（図ではブルー）の面積よりも大きく形成されている。そして、Ｇ色層の幅Ｗ−４は、その他の色層の幅Ｗ−５より大きい。本図においては、図２におけるｙ方向の断面図であるが、ｘ方向においても同様にＧ色層の幅は、その他の色層の幅より大きく形成されている。

一方、マイクロレンズ４５は、第１の実施形態と同様にグリーンのカラーフィルタの色層２４Ｇに対応するマイクロレンズ４５Ｇがその他の色層のマイクロレンズに比べて大きい。したがって、カラーフィルタ４４を本実施形態のように配置すれば、カラーフィルタ４４は、マイクロレンズの大きさに対応した面積とすることができる。このため、光が斜めから入射するときにおいても、隣接するカラーフィルタから混色する恐れは低減される。

また、マイクロレンズ４５の直径（例えばＷ−１）は、対応するカラーフィルタ４４の幅（例えばＷ−４）よりも小さく形成されている。図４は、図２におけるｙ方向の断面を示している。図４から理解されるとおり、マイクロレンズ４５の直径は、ｙ方向において対応するカラーフィルタ４４の幅より小さい。本実施形態においては、図示されていないがｘ方向においても、同様にマイクロレンズ４５の直径は、対応するカラーフィルタ４４の幅より小さく形成されている。

このようにすれば、マイクロレンズ４５は、対応するカラーフィルタ４４の上から食み出すことなく配置される。したがって、入射光が隣接するカラーフィルタにより混色する恐れは、さらに低減される。
このように、本実施形態の固体撮像素子４０は、第１の実施形態と同様に輝度信号の最大成分を増大させることにより解像度が向上すると言う効果を有する他、混色が低減されると言う効果もある。

［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態による固体撮像素子５０の画素部断面図である。本図は、図２におけるＢ−Ｂ’部の概略断面図であり図４に対応する。図４と同じ部分は、同一の符号を付し、ここでは重複する説明を省略する。
また、固体撮像素子５０の回路図は図１と同一であり、また、その動作も同じである。本実施形態の固体撮像素子５０においても、Ｇ信号が輝度信号の最大成分であるＮＴＳＣ規格を採用している。

本実施形態による固体撮像素子５０が第２の実施形態による固体撮像素子４０と異なる点は、弱輝度色層に対応するマイクロレンズが除去されて強輝度色層に対応するマイクロレンズ５５Ｇのみ配置されている点にある。
各埋め込み型フォトダイオード１上には、ＲＧＢのいずれかの色層のカラーフィルタ４４が絶縁膜２２を介してオンチップ状に配置される。カラーフィルタ４４は、本実施形態においてもベイヤー配列が採用されている。

強輝度色層であるグリーンのカラーフィルタ４４Ｇ上には、それに対応してマイクロレンズ５５Ｇが配置される。その直径は従来より大きくされており、このため従来に比べてＧ信号の出力を大きくすることができる。ただし、その他の色層のカラーフィルタ上には対応するマイクロレンズが配置されていない。このため、弱輝度色層に対応する信号は、マイクロレンズを配置させた第１、第２の実施形態に比べて小さくなる。しかしながら、弱輝度色層の信号が小さくなるため、強輝度信号は、弱輝度信号に対する比率が増大する。したがって、固体撮像素子外での計算、補正等により、輝度信号を増大させて解像度を向上させることができる。

［第４の実施形態］
図６は、第４の実施形態による固体撮像素子６０の画素部断面図である。本図は、図２におけるＢ−Ｂ’部の概略断面図であり図３に対応する。図３と同じ部分は、同一の符号を付し、ここでは重複する説明を省略する。
また、固体撮像素子６０の回路図は図１と同一であり、また、その動作も同じである。本実施形態の固体撮像素子６０においても、Ｇ信号が輝度信号の最大成分であるＮＴＳＣ規格を採用している。

本実施形態による固体撮像素子６０が第１乃至第３の実施形態による固体撮像素子３０，４０，５０と異なる主な点は、隣接する色層のカラーフィルタがオーバーラップしている点にある。

マイクロレンズは平坦な表面上に形成された方が好ましい。このため、カラーフィルタは、一般に、出来るだけ平坦になるように形成される。しかしながら、カラーフィルタの密着性を向上させるためなどの目的により、一つの色層のカラーフィルタを別の色層のカラーフィルタに乗り上げさせ、オーバーラップさせることがある。当然ながら、大きな段差が生じるが、本発明は、このような固体撮像素子にも適用可能である。

図６に戻って説明する。各色層のカラーフィルタ６４は、各埋め込み型フォトダイオード１に対応付けられて配置される。なお、ここでもカラーフィルタ６４は、ベイヤー配列が採用されている。グリーンの色層のカラーフィルタ６４Ｇは、その周辺部においてブルーの色層６４Ｂが上に乗り上げられオーバーラップされている。なお、図示しないレッドの色層においても同様である。このため、平坦化膜６３は、このオーバーラップによる凹凸さえも平坦にさせるのに十分な厚みを有している。

本実施形態の固体撮像素子６０において、各マイクロレンズ６５は、カラーフィルタ６４に対応するように平坦化膜６３を介してオンチップ状に配置される。マイクロレンズ６５は、カラーフィルタ６４に対応して配置される。カラーフィルタ６４は、上記のように埋め込み型フォトダイオード１に対応して配置されている。このため、マイクロレンズ６５は、実質的に埋め込み型フォトダイオード１に対応して配置されている。

マイクロレンズ６５Ｇの直径Ｗ−１は、その他のマイクロレンズ６５Ｒ、６５Ｂの直径Ｗ−２に比べて大きい。このため、Ｇ信号を得る画素は、集光率が向上し入射光が増大する。したがって、それに伴いＧ信号の出力が増大する。本実施形態の固体撮像素子６０は、前述のとおりＮＴＳＣ規格を採用している。ＮＴＳＣ規格は、Ｇ信号が輝度信号の最大成分である。よって、本実施形態の固体撮像素子６０は、輝度信号の最大成分を増大させることにより、解像度が向上する。

カラーフィルタ６４は、強輝度色層であるグリーンの色層（Ｇ色層）の面積がその他の色層（図ではブルー）の面積よりも大きく形成されている。そして、Ｇ色層のオーバーラップ部を含めた幅Ｗ−４ａは、その他の色層のオーバーラップを含めた幅Ｗ−５ａより大きい。本図においては、図２におけるｙ方向の断面図であるが、ｘ方向においても同様にＧ色層の幅は、その他の色層の幅より大きく形成されている。このため、マイクロレンズ６５Ｇは、グリーンの色層のカラーフィルタ６４Ｇに確実に対応付けて配置させることができる。

また、マイクロレンズ６５Ｇの直径Ｗ−１は、対応するカラーフィルタ６４Ｇのオーバーラップを含めた幅Ｗ−４ａよりも小さい。このようにすれば、マイクロレンズ４５は、対応するカラーフィルタ４４の上から食み出すことなく配置される。マイクロレンズ６５Ｂと対応するカラーフィルタ６４Ｂの関係に関しても同様である。

各色層のカラーフィルタ６４の幅は、オーバーラップされた領域を含めると、カラーフィルタ６４ＧがＷ−４ａ、カラーフィルタ６４ＢがＷ−５ａである。この幅は、製造工程上の設計値であり、光が入射する方向から見た各色層の幅である。しかし、オーバーラップされた領域から入射する光は、混色された光となるので、このような光が受光部（埋め込み型フォトダイオード１）に入射するのは好ましくない。

本実施形態において、マイクロレンズ６５Ｇの直径Ｗ−１は、対応するカラーフィルタ６４Ｇのオーバーラップを除いた幅Ｗ−４ｂよりも更に小さく形成されている。このようにすれば、強輝度信号であるＧ信号は、混色の成分が低減されてさらに好ましい。また、ここでは、マイクロレンズ６５Ｂの直径Ｗ−２は、対応するカラーフィルタ６４Ｇのオーバーラップを除いた幅Ｗ−４ｂよりも大きく形成されている。しかし、Ｗ−４ｂよりも小さく形成すれば、Ｂ信号も混色の成分が低減され、更に好ましい。
また、第３の実施形態のように、弱輝度色層に対応するマイクロレンズを除去し強輝度色層に対応するマイクロレンズのみ配置してもよい。

以上、詳述したように、本発明の固体撮像素子は、新たな製造工程を加えることなく輝度信号が増大し、それに伴い解像度が向上する。このため、高感度の固体撮像素子や、より微細化され単位画素当たりの入射光が低下した固体撮像素子に好適である。

本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の主な構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の画素部平面図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像素子の画素部断面図であり、図２におけるＢ−Ｂ’部の概略断面図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像素子の画素部断面図である。 本発明の第３の実施形態による固体撮像素子の画素部断面図である。 本発明の第４の実施形態による固体撮像素子の画素部断面図である。 従来のＣＣＤ型固体撮像素子の概略平面図である。 カラーフィルタの配列の一例を示す配置図である。 従来の固体撮像素子の受光部断面図であり、図７、図８のＡ−Ａ’部の断面図である。

符号の説明

１ 埋め込み型フォトダイオード
１２ 制御領域配線
２０ シリコン基板
２１ 開口部
２２ 絶縁膜
２３ 平坦化膜
２４，４４，６４ カラーフィルタ
２５，４５，６５ マイクロレンズ
３０，４０，５０，６０ 固体撮像素子

Claims (5)

1. 入射光により光電変換を行い光量に応じた信号電荷を生成する受光部と、
   前記受光部に対応するようにオンチップ状に配置されるカラーフィルタと、
   前記受光部に入射光を導き、前記カラーフィルタに対応するようにオンチップ状に配置されるマイクロレンズと、を少なくとも有する画素がマトリクス状に複数配置され、
   前記カラーフィルタは、輝度信号の最大成分を生成する画素に配置される強輝度色層、及び、最大成分とはならない信号を生成する画素に配置される少なくとも一層以上の弱輝度色層を有しており、
   前記強輝度色層に対応して配置されるマイクロレンズの直径は、前記弱輝度色層に対応して配置されるマイクロレンズの直径より大なることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記強輝度色層は、前記弱輝度色層のいずれよりも面積が大なることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記画素に配置されるすべてのマイクロレンズの直径は、当該画素に配置されるカラーフィルタの幅より小なることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像素子。
4. 前記弱輝度色層が配置される画素は、マイクロレンズを有しないことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記カラーフィルタの配列はベイヤー配列であり、前記強度色層は、グリーンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子。