JP2007066962A - Color solid-state imaging device and digital camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサ等のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラに係り、特に、高感度化,高画質化を図るのに好適なカラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。 The present invention relates to a color solid-state imaging device and a digital camera such as a CCD type image sensor and a CMOS type image sensor, and more particularly to a color solid-state imaging device and a digital camera suitable for achieving high sensitivity and high image quality.
CCD型やCMOS型等のカラー固体撮像装置は、半導体基板表面に二次元アレー状に配列形成された各受光部上に、分光特性の異なるカラーフィルタを、例えばストライプ状あるいはモザイク状に積層している。 A color solid-state imaging device such as a CCD type or a CMOS type has color filters having different spectral characteristics stacked, for example, in a stripe shape or a mosaic shape, on each light receiving portion arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate. Yes.
この場合、例えば青色(B)のカラーフィルタを積層した受光部には、主としてBの波長域(約480nmよりも短波長の入射光成分)の光のみが到達し、それ以外の波長成分(例えば緑(G)および赤(R))については、Bのカラーフィルタに吸収されてしまい、受光部に到達しない。つまり、入射光のうち、Bの波長成分は光電変換されて画像データの生成に利用されるが、B以外の波長成分(GとR)については、画像データの生成に利用されることはない。 In this case, for example, only light in the B wavelength region (incident light component having a wavelength shorter than about 480 nm) reaches the light receiving unit in which blue (B) color filters are stacked, and other wavelength components (for example, Green (G) and red (R)) are absorbed by the B color filter and do not reach the light receiving section. That is, among the incident light, the wavelength component of B is photoelectrically converted and used to generate image data, but wavelength components other than B (G and R) are not used to generate image data. .
上記は、R,G,Bを基本のカラーフィルタとする原色カラーフィルタの例であり、原色カラーフィルタを持つカラー固体撮像装置では、入射光の略1/3しか利用できないという問題がある。 The above is an example of a primary color filter using R, G, and B as basic color filters. There is a problem that a color solid-state imaging device having a primary color filter can use only about 1/3 of incident light.
カラーフィルタには、原色カラーフィルタの他に、補色カラーフィルタと呼ばれるものが使用される。補色カラーフィルタは、各原色成分と補色の関係にある波長域の光を透過する分光フィルタである。例えば、Bの補色の関係にある色成分(GとR)を透過する補色フィルタは、イエローフィルタ(Ye)と呼ばれている。同様に、Gの補色の関係にある色成分(BとR)を透過する補色フィルタはマゼンタフィルタ(Mg)であり、Rの補色の関係にある色成分(BとG)を透過する補色フィルタはシアンフィルタ(Cy)である。 As the color filter, a so-called complementary color filter is used in addition to the primary color filter. The complementary color filter is a spectral filter that transmits light in a wavelength region that has a complementary color relationship with each primary color component. For example, a complementary color filter that transmits color components (G and R) having a complementary color relationship of B is called a yellow filter (Ye). Similarly, the complementary color filter that transmits the color components (B and R) that have a complementary color relationship of G is a magenta filter (Mg), and the complementary color filter that transmits the color components (B and G) that have a complementary color relationship of R. Is a cyan filter (Cy).
補色フィルタを用いると、例えば、イエローフィルタが積層された受光部には、入射光のうちGとRが到達しBが阻止されるため、入射光の略2/3が利用される。つまり、入射光の波長を広い範囲で利用でき、原色カラーフィルタを用いた場合に比べ、感度が高くなるという利点がある。このため、フラッシュなどの補助光源を利用しにくいビデオムービーカメラ(動画の撮像)において多く採用されている。 When the complementary color filter is used, for example, about 2/3 of the incident light is used because G and R of the incident light reach B and the B is blocked in the light receiving portion on which the yellow filter is laminated. That is, there is an advantage that the wavelength of the incident light can be used in a wide range, and the sensitivity is higher than when the primary color filter is used. For this reason, it is widely used in video movie cameras (moving image capturing) in which an auxiliary light source such as a flash is difficult to use.
しかし、補色カラーフィルタを用いた場合、一の受光部から得られる信号はG+R,G+B,R+Bに対応する信号となるため、これらの信号G+R,G+B,R+Bを固体撮像素子から読み出した後に、外部回路において色信号分離演算を行い、R信号成分,G信号成分,B信号成分に分ける必要がある。この結果、直接、各色成分(R,G,B)を固体撮像素子から読み出すことができる原色カラーフィルタを搭載した固体撮像素子に比べ、色再現性が劣るという問題がある。従って、画質を重視するスチルカメラ(静止画の撮像)においては、原色カラーフィルタを搭載した固体撮像素子が多く採用される。 However, when the complementary color filter is used, the signals obtained from one light receiving unit are signals corresponding to G + R, G + B, and R + B. Therefore, after reading these signals G + R, G + B, and R + B from the solid-state imaging device, It is necessary to perform a color signal separation operation in the circuit and divide it into an R signal component, a G signal component, and a B signal component. As a result, there is a problem that the color reproducibility is inferior as compared with a solid-state image sensor equipped with a primary color filter that can directly read out each color component (R, G, B) from the solid-state image sensor. Accordingly, in a still camera (still image capturing) that places importance on image quality, a solid-state image sensor equipped with a primary color filter is often used.
近年、固体撮像素子の高解像度化すなわち多画素化が進展し、一画素に占める受光部面積が小さくなってきているため、これまでと同じ感度を維持するのがますます困難になりつつある。その一方で、従来のデジタルカメラの写真感度(ISO)がISO100〜400程度であったものを、さらに高感度化(ISO800以上)したいとする要請が強まっている。 In recent years, as the resolution of a solid-state imaging device is increased, that is, the number of pixels is increased, and the area of the light receiving portion occupying one pixel is decreasing, it is becoming increasingly difficult to maintain the same sensitivity as before. On the other hand, there is an increasing demand for further increasing the sensitivity (ISO 800 or higher) of a conventional digital camera having a photographic sensitivity (ISO) of about ISO 100 to 400.
その理由は、フラッシュ(補助光源)発光なしに夜景を撮影したり、メ力的な手振れ防止では効果が無かった所謂「動く被写体に起因する画像ぶれ」を、感度が高くなった分だけ高速シャッタを切って防止する効果も期待できるからである。 The reason is that shooting a night scene without flash (auxiliary light source) emission, or so-called “image blurring due to moving subjects”, which was not effective in preventing powerful camera shake, is a high-speed shutter for the increased sensitivity. This is because the effect of preventing this can be expected.
この高感度化を図るには、光利用効率の低い原色カラーフィルタ積層型の固体撮像装置では無理である。しかし、補色カラーフィルタを積層した固体撮像装置では、上述した色信号分離演算に起因する色再現性低下という問題を解決しなければならない。 In order to achieve this high sensitivity, it is impossible for a primary color filter layered solid-state imaging device with low light utilization efficiency. However, in the solid-state imaging device in which the complementary color filters are stacked, it is necessary to solve the problem of color reproducibility degradation caused by the color signal separation calculation described above.
色信号の分離を、演算処理ではなく、素子構造で行う従来技術がある。例えば、半導体基板の深さ方向に複数のフォトダイオード(光電変換素子)を設け、各フォトダイオードから色分離した信号を取り出すのである。この従来技術は、半導体基板の深さ方向の光吸収率が波長依存性(非特許文献1)を持っていることを利用している。 There is a conventional technique in which color signals are separated by an element structure instead of an arithmetic process. For example, a plurality of photodiodes (photoelectric conversion elements) are provided in the depth direction of the semiconductor substrate, and a color-separated signal is extracted from each photodiode. This prior art utilizes the fact that the optical absorptance of the semiconductor substrate in the depth direction has wavelength dependency (Non-patent Document 1).
図15は、光電変換された電荷の検出及び蓄積を行う受光部を構成するフォトダイオード(PD)の深さ(厚さ)を変えたときの、フォトダイオード内部における光吸収率の波長依存性を示すシミュレーション結果を示すグラフである。シリコン(Si)基板を用いたフォトダイオード構造では、Siの光学吸収係数に波長依存性があるため、長波長域ほど光吸収係数が小さく、結果的に、フォトダイオード内部における吸収効率が低下する傾向がある。従って、フォトダイオード深さ(厚さ)を深く(厚く)するほど、長波長光領域における吸収効率を高くすることができる。 FIG. 15 shows the wavelength dependence of the light absorptance inside the photodiode when the depth (thickness) of the photodiode (PD) that constitutes the light receiving unit that detects and accumulates the photoelectrically converted charge is changed. It is a graph which shows the simulation result shown. In a photodiode structure using a silicon (Si) substrate, the optical absorption coefficient of Si has wavelength dependence, so the longer the wavelength, the smaller the light absorption coefficient, and as a result, the absorption efficiency inside the photodiode tends to decrease. There is. Accordingly, as the photodiode depth (thickness) is increased (thickened), the absorption efficiency in the long wavelength light region can be increased.
図16は、N型Si基板を用いたフォトダイオード(図示の例はN+PN構造のフォトダイオード)の上記特性を利用した異なるフォトダイオード深さから成る3種類のフォトダイオードの相対感度を示すグラフである。このグラフから分かるように、フォトダイオードの深さが浅い方(Xj=0.3μm)が、短波長光感度が高く、長波長光感度が低い。逆にフォトダイオード深さが深い方(図ではXj=5μm)が、短波長感度が低く、長波長光感度が高い。 FIG. 16 is a graph showing the relative sensitivity of three types of photodiodes having different photodiode depths using the above characteristics of a photodiode using an N-type Si substrate (the illustrated example is a photodiode having an N + PN structure). It is. As can be seen from this graph, the shorter the photodiode depth (Xj = 0.3 μm), the higher the short wavelength photosensitivity and the low long wavelength photosensitivity. On the contrary, the shorter the photodiode depth (Xj = 5 μm in the figure), the lower the short wavelength sensitivity and the higher the long wavelength photosensitivity.
しかし、この図16の特性を、図17に示す原色カラーフィルタの分光特性と比べると、図16の特性は、半値幅が広く、互いにオーバーラップする部分が大きい。例えば、青色波長光を検出するXj=0.3μmのフォトダイオードと、緑色波長光を検出するXj=1.6μmのフォトダイオードは、互いのオーバーラップが大きく、青色と緑色の色分離が十分でない。しかし、青波長光を検出するXj=0.3μmのフォトダイオードと、赤色波長光を検出するXj=5μmのフォトダイオードの分光スペクトルのオーバーラップ部分は相対的に小さい。 However, comparing the characteristics shown in FIG. 16 with the spectral characteristics of the primary color filter shown in FIG. 17, the characteristics shown in FIG. 16 have a wide half-value width and a large overlapping portion. For example, a photodiode with Xj = 0.3 μm that detects blue wavelength light and a photodiode with Xj = 1.6 μm that detects green wavelength light have a large overlap with each other, and blue and green color separation is not sufficient . However, the overlapping portion of the spectral spectrum of the photodiode of Xj = 0.3 μm that detects blue wavelength light and the photodiode of Xj = 5 μm that detects red wavelength light is relatively small.
このため、斯かる3種類の信号出力の分光特性から、R,G,Bの3色の信号を半導体基板の深さ方向に設けた3つのフォトダイオードで検出し、色信号処理回路により自然画を再現しても、分光スペクトルのオーバーラップにより、色S/N等の画質が低下することが懸念される(特許文献1,2)。
For this reason, from the spectral characteristics of these three types of signal output, signals of three colors R, G, and B are detected by three photodiodes provided in the depth direction of the semiconductor substrate, and a natural image is detected by the color signal processing circuit. However, there is a concern that the image quality of the color S / N and the like deteriorates due to the overlap of the spectral spectra even if these are reproduced (
上述した様に、高解像度のカラー画像を撮像することができる固体撮像装置において、色再現性が優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度化を図ることが望まれているが、その実現が困難である。 As described above, in a solid-state imaging device capable of capturing a high-resolution color image, it is desired to capture a color image with excellent color reproducibility and to achieve high sensitivity. Is difficult.
本発明の目的は、色再現性の優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a color solid-state imaging device and a digital camera that can capture a color image with excellent color reproducibility and that is highly sensitive.
本発明のカラー固体撮像装置は、半導体基板の表面に複数の第1種及び第2種の画素が二次元アレイ状に配列形成され、各画素が夫々2つの異なる信号を独立に出力するカラー固体撮像装置であって、前記第1種の前記画素の分光感度と、前記第2種の前記画素の分光感度とが、異なる分光感度であることを特徴とする。 In the color solid-state imaging device of the present invention, a plurality of first-type and second-type pixels are arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate, and each pixel outputs two different signals independently. In the imaging apparatus, the spectral sensitivity of the first type of pixels and the spectral sensitivity of the second type of pixels are different from each other.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記第1種,第2種の前記分光感度の各々が1つの上凸となる山と1つの下凸となる谷とを有し、前記第1種,第2種のうちの一方の前記山と他方の前記谷とが重なることを特徴とする。 The color solid-state imaging device of the present invention includes a first convexity and a second convexity, each of the first and second types of spectral sensitivities having one upward convexity and one downward convexity. One of the two types of mountains and the other valley overlap.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素が半導体基板の深さ方向に2つの光電変換部を備え、前記第1種の前記画素の上に前記第1種の前記分光感度を実現する第1色カラーフィルタが積層され、前記第2種の前記画素の上に前記第2種の前記分光感度を実現する第2色カラーフィルタが積層されることを特徴とする。 In the color solid-state imaging device of the present invention, the pixel includes two photoelectric conversion units in the depth direction of the semiconductor substrate, and the first type of spectral sensitivity is realized on the first type of pixel. A color color filter is stacked, and a second color filter that realizes the second type of spectral sensitivity is stacked on the second type of pixel.
本発明のカラー固体撮像装置は、第1色カラーフィルタが積層された複数の第1種の画素と第2色カラーフィルタが積層された複数の第2種の画素とが半導体基板の表面に二次元アレイ状に配列形成され、前記各画素が前記半導体基板の深さ方向に2つの光電変換部を備えるカラー固体撮像装置であって、撮像波長域を波長の短い方から4つの領域C1,C2,C3,C4に4分割し前記第1色カラーフィルタが前記領域C1,C3の波長域の光を透過し前記第2色カラーフィルタが前記領域C2,C4の波長域の光を透過する構成としたことを特徴とする。 In the color solid-state imaging device of the present invention, a plurality of first-type pixels on which a first color filter is stacked and a plurality of second-type pixels on which a second color filter is stacked are arranged on the surface of a semiconductor substrate. A color solid-state imaging device that is arranged in a dimensional array and each pixel includes two photoelectric conversion units in the depth direction of the semiconductor substrate, and has four imaging regions C1, C2 in the imaging wavelength range from the shorter wavelength , C3, and C4, the first color filter transmits light in the wavelength region of the regions C1 and C3, and the second color filter transmits light in the wavelength region of the regions C2 and C4. It is characterized by that.
本発明のカラー画像撮像装置は、前記領域C1,C2,C3,C4の主たる透過波長域が、C1<450nm<C2<540nm<C3<620nm<C4であることを特徴とする。 The color image pickup device of the present invention is characterized in that a main transmission wavelength region of the regions C1, C2, C3, and C4 is C1 <450 nm <C2 <540 nm <C3 <620 nm <C4.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記領域C1,C2,C3,C4の主たる透過波長域が、400nm<C1<470nm<C2<560nm<C3<630nm<C4であることを特徴とする。 The color solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that the main transmission wavelength region of the regions C1, C2, C3, and C4 is 400 nm <C1 <470 nm <C2 <560 nm <C3 <630 nm <C4.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記半導体基板の深さ方向に設けた2つの光電変換部のうち浅い光電変換部は、主として前記領域C1または領域C2の波長域の入射光を吸収する深さに形成され、深い光電変換部は、主として前記C3または領域C4の波長域の入射光を吸収する深さに形成されることを特徴とする。 In the color solid-state imaging device of the present invention, the shallow photoelectric conversion unit of two photoelectric conversion units provided in the depth direction of the semiconductor substrate mainly absorbs incident light in the wavelength region of the region C1 or the region C2. The deep photoelectric conversion part is formed to a depth that mainly absorbs incident light in the wavelength region of the C3 or the region C4.
本発明のカラー固体撮像装置の前記浅い光電変換部は、半導体基板の表面から、0.1μm以上1.2μm以下の深さに形成され、前記深い光電変換部は、半導体基板の表面から、2.0μm以上10μm以下の深さに形成されることを特徴とする。 The shallow photoelectric conversion unit of the color solid-state imaging device of the present invention is formed to a depth of 0.1 μm or more and 1.2 μm or less from the surface of the semiconductor substrate, and the deep photoelectric conversion unit is formed from the surface of the semiconductor substrate to 2 It is formed to a depth of not less than 0.0 μm and not more than 10 μm.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記第1種の前記画素に設けた2つの光電変換部のうち浅い光電変換部n1及び深い光電変換部n3と、前記第2種の前記画素に設けた2つの光電変換部のうち浅い光電変換部n2及び深い光電変換部n4との夫々の深さが、半導体基板の表面から浅い順に、n1,n2,n3,n4であることを特徴とする。
The color solid-state imaging device according to the present invention includes a shallow photoelectric conversion unit n1 and a deep photoelectric conversion unit n3 among the two photoelectric conversion units provided in the first type of pixels, and 2 provided in the second type of pixels. Of the two photoelectric conversion units, the shallow photoelectric conversion unit n2 and the deep photoelectric conversion unit n4 have a depth of n1, n2, n3, and n4 in order from the surface of the semiconductor substrate.
本発明のカラー固体撮像装置は、0<n1≦0.3μm、0.1μm≦n2≦1.0μm、1.0μm≦n3≦5.0μm、2.0μm≦n4≦10μmの各範囲内に光電変換部が形成されていることを特徴とする。 The color solid-state imaging device according to the present invention has photoelectric characteristics within each range of 0 <n1 ≦ 0.3 μm, 0.1 μm ≦ n2 ≦ 1.0 μm, 1.0 μm ≦ n3 ≦ 5.0 μm, 2.0 μm ≦ n4 ≦ 10 μm. A conversion unit is formed.
本発明のカラー固体撮像装置は、光電変換部n1,n2が同一深さに形成され、光電変換部n3,n4が同一深さに形成されることを特徴とする。 The color solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion units n1 and n2 are formed at the same depth, and the photoelectric conversion units n3 and n4 are formed at the same depth.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素から撮像画像信号を読み出す信号読出回路がMOSトランジスタで構成されることを特徴とする。 The color solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that a signal readout circuit for reading out a captured image signal from the pixel is configured by a MOS transistor.
本発明のカラー固体撮像装置は、前記画素から撮像画像信号を読み出す信号読出手段が垂直電荷転送部を備えることを特徴とする。 The color solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that the signal reading means for reading the captured image signal from the pixel includes a vertical charge transfer unit.
本発明のカラー画像撮像装置は、前記画素が半導体基板表面部にハニカム状に配列形成されることを特徴とする。 The color image pickup apparatus of the present invention is characterized in that the pixels are arranged in a honeycomb shape on the surface of the semiconductor substrate.
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デジタルカメラであって、カメラレンズと前記カラー固体撮像装置との間に設ける赤外線カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が、655nm以上700nm以下であることを特徴とする。 A digital camera of the present invention is a digital camera equipped with any of the color solid-state imaging devices described above, and is a cutoff on the long wavelength side of an infrared cut filter provided between a camera lens and the color solid-state imaging device. The wavelength is from 655 nm to 700 nm.
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デジタルカメラであって、カメラレンズと前記カラー固体撮像装置との間に設ける赤外線カットフィルタの短波長側のカットオフ波長が、400nm以上430nm以下であることを特徴とする。 A digital camera of the present invention is a digital camera equipped with any of the color solid-state imaging devices described above, and is a cutoff on the short wavelength side of an infrared cut filter provided between a camera lens and the color solid-state imaging device. The wavelength is 400 nm or more and 430 nm or less.
本発明によれば、色再現性の優れたカラー画像を撮像でき、しかも、高感度のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the color image excellent in color reproducibility can be imaged, and also a highly sensitive color solid-state imaging device and digital camera can be provided.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。図1に示すカラー固体撮像装置10は、半導体基板11の表面部分に、図示の例では、矩形で示す多数の受光部12(1つ1つの受光部を、以下「画素」ともいう。)が形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view of a surface of a color solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. In the color solid-
各受光部12は、半導体基板11の表面に正方格子状となるように配置され、受光部12の各列の右隣には垂直電荷転送レジスタ(VCCD)で成る垂直転送路13が形成され、半導体基板11の下辺部分には、各受光部12から読み出され垂直転送部13を通して転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送レジスタ(HCCD)でなる水平転送路(HCCD)14が形成されている。
Each
本実施形態に係るカラー固体撮像装置10では、正方格子配列された多数の受光部12のうち、市松配列された第1群の受光部12の上に第1色カラーフィルタCF1を積層し、残りの市松配列された第2群の受光部12の上に第2色カラーフィルタCF2を積層している。尚、本実施形態では、第1色カラーフィルタCF1と第2色カラーフィルタCF2を夫々市松状すなわちモザイク状に配列したが、ストライプ状に配列することでも良い。
In the color solid-
図2,図3は、第1色カラーフィルタCF1と第2色カラーフィルタCF2の説明図である。通常、デジタルカメラでは、赤外線カット(IR)フィルタを装着しており、380nmから650nmの波長域にある光が透過し、カラー固体撮像装置10に入射する。
2 and 3 are explanatory diagrams of the first color filter CF1 and the second color filter CF2. In general, a digital camera is equipped with an infrared cut (IR) filter, and light in a wavelength region of 380 nm to 650 nm is transmitted and incident on the color solid-
そこで、本実施例形態では、先ず図2に示す様に、入射光の波長範囲380〜650nmを短波長側から長波長側に4つの領域C1,C2,C3,C4に分割する。夫々の波長範囲は、例えば、380nm<C1<450nm<C2<540nm<C3<620nm<C4とする。 Therefore, in this embodiment, first, as shown in FIG. 2, the wavelength range 380 to 650 nm of incident light is divided into four regions C1, C2, C3, and C4 from the short wavelength side to the long wavelength side. Each wavelength range is, for example, 380 nm <C1 <450 nm <C2 <540 nm <C3 <620 nm <C4.
そして、第1色カラーフィルタCF1を、図3(a)に示す様に、領域C1の波長と、領域C1から離間した領域C3の波長とが透過する様に、染料や顔料を混合してを製造する。 Then, as shown in FIG. 3A, the first color filter CF1 is mixed with a dye or a pigment so that the wavelength of the region C1 and the wavelength of the region C3 separated from the region C1 are transmitted. To manufacture.
同様に、第2色カラーフィルタCF2を、図3(b)に示す様に、領域C2の波長と、領域C2から離間した領域C4の波長とが透過する様に、染料や顔料を混合して製造する。 Similarly, as shown in FIG. 3B, the second color filter CF2 is mixed with a dye or a pigment so that the wavelength of the region C2 and the wavelength of the region C4 separated from the region C2 are transmitted. To manufacture.
第1色カラーフィルタCF1と第2色カラーフィルタCF2とは、互いに分光スペクトルのオーバーラップが最少となるように、即ち、一方の分光スペクトルのピークが他方の分光スペクトルの谷に一致するようにする。 The first color filter CF1 and the second color filter CF2 are configured so that the spectral spectrum overlap is minimized, that is, the peak of one spectral spectrum matches the valley of the other spectral spectrum. .
この様に、本実施形態では、撮像波長域を略4分割し、カラーフィルタとしては2色(2種類)だけ使用する構成としている。尚、領域C1の分光スペクトルの短波長側(400nm以下)は必ずしも減衰させる必要はなく、同様に、領域C4の分光スペクトルの長波長側(650nm以上)も必ずしも減衰させる必要はない。カラーフィルタCF1,CF2に共通の特徴は、少なくとも1つの山(上に凸)と少なくとも一の谷(下に凸)の形状を有する分光スペクトル形状ということになる。 As described above, in this embodiment, the imaging wavelength region is divided into approximately four parts, and only two colors (two types) are used as the color filter. Note that it is not always necessary to attenuate the short wavelength side (400 nm or less) of the spectral spectrum of the region C1, and similarly, it is not always necessary to attenuate the long wavelength side (650 nm or more) of the spectral spectrum of the region C4. A characteristic common to the color filters CF1 and CF2 is a spectral spectrum shape having a shape of at least one peak (convex upward) and at least one valley (convex downward).
図4は、図3に代わる第1色,第2色カラーフィルタCF1,CF2の分光スペクトルを示すグラフである。上述した様に、通常のデジタルカメラに搭載される赤外線カット(IR)フィルタは、380nmから650nmの波長域にある光を透過させ、それ以外の波長の光(例えば650nm以上の長波長光)を遮断している。このため、650nm以上の長波長光については光電変換に寄与せず、従って感度アップには貢献していない。 FIG. 4 is a graph showing the spectral spectra of the first and second color filters CF1 and CF2 instead of FIG. As described above, an infrared cut (IR) filter mounted on a normal digital camera transmits light in a wavelength range of 380 nm to 650 nm, and transmits light of other wavelengths (for example, long wavelength light of 650 nm or more). It is shut off. For this reason, long wavelength light of 650 nm or more does not contribute to photoelectric conversion, and therefore does not contribute to sensitivity improvement.
しかし、高感度化のためには、650nm以上の長波長光も検出することが有効である。そこで、図4に示す実施形態では、赤外線カットフィルタを通りカラー固体撮像装置に入射する光の波長範囲を400〜700nmとし、この波長範囲を、領域C1,C2,C3,C4に4分割している。 However, it is effective to detect light having a long wavelength of 650 nm or more in order to increase sensitivity. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 4, the wavelength range of light that passes through the infrared cut filter and enters the color solid-state imaging device is 400 to 700 nm, and this wavelength range is divided into four regions C1, C2, C3, and C4. Yes.
それぞれの波長範囲は、例えば、400nm<C1<470nm<C2<560nm<C3<630nm<C4としている。そして、第1色カラーフィルタCF1は、領域C1,C3の波長範囲の光を透過し、第2色カラーフィルタCF2は、領域C2,C4の波長範囲の光を透過する構成としている。 The respective wavelength ranges are, for example, 400 nm <C1 <470 nm <C2 <560 nm <C3 <630 nm <C4. The first color filter CF1 transmits light in the wavelength range of the regions C1 and C3, and the second color filter CF2 transmits light in the wavelength range of the regions C2 and C4.
本実施形態では、赤外線カットフィルタにより、400nm以下の短波長光の入射を予め阻止する構成にしている。短波長側の紫外線の入射を阻止することで、染料カラーフィルタの退色が防止できるという効果が期待できる。また、本実施形態では、領域C1における第1色カラーフィルタCF1の分光スペクトルを、420nm以下で急激に減衰させている。これにより、矩波長光で顕著になるカメラレンズの色収差の影響が受け難くなるという効果も期待できる。 In the present embodiment, the infrared cut filter is used to prevent in advance the incidence of light having a short wavelength of 400 nm or less. By blocking the incidence of ultraviolet rays on the short wavelength side, it can be expected that the dye color filter can be prevented from fading. In the present embodiment, the spectral spectrum of the first color filter CF1 in the region C1 is rapidly attenuated at 420 nm or less. As a result, an effect that the influence of the chromatic aberration of the camera lens, which becomes conspicuous with the rectangular wavelength light, is less likely to be expected.
図5は、図1に示す受光部12の4個分を拡大した図であり、転送電極を示す図である。本実施形態の転送電極17,18,19は3層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインCCDを構成する。図示する例では、第3ポリシリコン電極19や第2ポリシリコン電極18が夫々フォトダイオードから信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用している。
FIG. 5 is an enlarged view of four
図6は、図5に示す第1色カラーフィルタCF1が積層された受光部12のVI―VI線断面模式図である。n型半導体基板11には、表面側にPウェル層22が形成され、Pウェル層22内の浅部にN+層(n1層)23が、深部にN+層(n3層)24が深さ方向に分離して形成される。N+層23は読出ゲート電極(転送電極)19下まで延在される。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along the line VI-VI of the
深部に形成されたN+層(n3層)24は、端部において半導体基板11の表面まで立ち上がるN+領域(電荷通路)24aを有し、このN+領域24aが、転送電極の一部からなる読出ゲート電極18下まで延在される。
The N + layer (n3 layer) 24 formed in the deep part has an N + region (charge path) 24a that rises to the surface of the
深さの異なる2種類の蓄積部23,24が設けられた半導体基板11の表面の一部には、浅いP+層25が設けられており、更に最表面にはSiO2膜26が設けられている。P+層25は、受光部表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。
A shallow P + layer 25 is provided on a part of the surface of the
SiO2膜26の上部表面には、受光領域を避けた位置に前述の転送電極17,18,19が形成され、更にその上部に、受光領域に開口部27aを持つ遮光膜27が設けられ、更にその上部に平坦化膜28が形成され、更にその上部に、第1色カラーフィルタCF1層29が積層され、その上に、平坦化膜を介してトップレンズ(マイクロレンズ)30が形成される。
On the upper surface of the SiO 2 film 26, the
図7は、図5に示す第2色カラーフィルタCF2が積層された受光部12のVII―VII線断面模式図である。図6に示す構造と同一構造でなるが、N+層(n2層)23の深さと、N+層(n4層)24の深さが、図6と異なるだけである。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along the line VII-VII of the
n1層,n2層,n3層,n4層の深さの関係は、半導体基板の表面から浅い順に、n1,n2,n3,n4である。 The depth relationships of the n1, n2, n3, and n4 layers are n1, n2, n3, and n4 in order from the surface of the semiconductor substrate.
例えば、
0.1μm<n1≦0.3μm
0.1μm≦n2≦1.0μm
1.0μm≦n3≦5.0μm
2.0μm≦n4≦10.0μm
とするのが好ましいが、これに限るものではない。
For example,
0.1 μm <n1 ≦ 0.3 μm
0.1 μm ≦ n2 ≦ 1.0 μm
1.0 μm ≦ n3 ≦ 5.0 μm
2.0 μm ≦ n4 ≦ 10.0 μm
However, it is not limited to this.
図8は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置の動作説明図である。赤外線カットフィルタによって不要光がカットされた光がカラー固体撮像装置10に入射すると、第1色カラーフィルタCF1が積層された図6に示す画素では、図8(a)に示す様に、図3(図4)に示す領域C1を透過する波長380〜450nm(図4では波長400〜470nm)の短波長光と、領域C3を透過する波長540〜620nm(図4では波長560〜630nm)の長波長光とが受光領域に達する。
FIG. 8 is an explanatory diagram of the operation of the color solid-state imaging device according to this embodiment. When light from which unnecessary light is cut by the infrared cut filter enters the color solid-
短波長光は半導体基板表面で吸収されて光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、表面のn1層に蓄積される。長波長光は半導体基板深部に達して光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、深部のn3層に蓄積される。本実施形態では、カラーフィルタCF1を透過する短波長光と長波長光とは、領域C2(波長450〜540nm、図4では波長470〜570nm)で分離されているため、オーバーラップが少なく、n1層,n3層に蓄積される信号電荷の色分離性能は高くなる。
The short wavelength light is absorbed on the surface of the semiconductor substrate to generate a photocharge, and the generated signal charge is accumulated in the n1 layer on the surface. The long-wavelength light reaches the deep part of the semiconductor substrate and generates photocharges, and the generated signal charges are accumulated in the deep n3 layer. In the present embodiment, the short wavelength light and the long wavelength light transmitted through the color filter CF1 are separated in the region C2 (
第2色カラーフィルタCF2が積層された図7に示す画素でも同様であり、図8(b)に示す様に、図3(図4)に示す領域C2を透過する波長450〜540nm(図4では波長470〜560nm)の短波長光と、領域C4を透過する波長620〜650nm(図4では波長630〜700nm)の長波長光とが受光領域に達する。
The same applies to the pixel shown in FIG. 7 in which the second color filter CF2 is laminated. As shown in FIG. 8B, the
短波長光は半導体基板表面で吸収されて光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、表面のn2層に蓄積される。長波長光は半導体基板深部に達して光電荷を発生させ、発生した信号電荷は、深部のn4層に蓄積される。本実施形態では、カラーフィルタCF2を透過する短波長光と長波長光とは、領域C3(波長540〜620nm、図4では波長560〜630nm)で分離されているため、オーバーラップが少なく、n2層,n4層に蓄積される信号電荷の色分離性能は高くなる。
The short wavelength light is absorbed on the surface of the semiconductor substrate to generate a photocharge, and the generated signal charge is accumulated in the n2 layer on the surface. The long-wavelength light reaches the deep part of the semiconductor substrate to generate a photocharge, and the generated signal charge is accumulated in the deep n4 layer. In the present embodiment, the short wavelength light and the long wavelength light transmitted through the color filter CF2 are separated in the region C3 (
尚、本実施形態では、第1色カラーフィルタCF1を積層した受光部におけるn1層,n3層の深さと、第2色カラーフィルタCF2を積層した受光部におけるn2層,n4層の深さとを異なる深さとしたが、カラーフィルタCF1,CF2を透過する短波長光と長波長光とが十分に分離された光となるように領域C1,C2,C3,C4を設定してあるため、半導体基板に設けるフォトダイオードの深さを変えなくても、色分離性能は高い。 In the present embodiment, the depths of the n1 layer and the n3 layer in the light receiving portion where the first color filter CF1 is stacked differ from the depths of the n2 layer and the n4 layer in the light receiving portion where the second color filter CF2 is stacked. Although the depth is set, the regions C1, C2, C3, and C4 are set so that the short-wavelength light and the long-wavelength light that are transmitted through the color filters CF1 and CF2 are sufficiently separated. Color separation performance is high without changing the depth of the provided photodiode.
このため、n1層とn2層の深さを同じにし、n3層とn4層の深さを同じにし、製造工程数を減らすこともできる。この場合、例えば、
0.1μm<n1=n2<1.2μm
2.0μm<n3=n4<10μm
とするのが良いが、これに限るものではない。
For this reason, the depth of the n1 layer and the n2 layer can be made the same, the depth of the n3 layer and the n4 layer can be made the same, and the number of manufacturing steps can be reduced. In this case, for example,
0.1 μm <n1 = n2 <1.2 μm
2.0 μm <n3 = n4 <10 μm
It is good, but it is not limited to this.
(第2の実施形態)
図9は、本発明の第2の実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。第1の実施形態がCCD型カラー固体撮像装置であったのに対し、本実施形態は、CMOS型等のMOS型カラー固体撮像装置である。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a schematic surface view of a color solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. While the first embodiment is a CCD color solid-state imaging device, the present embodiment is a MOS type color solid-state imaging device such as a CMOS type.
本実施形態のカラー固体撮像装置40は、n型半導体基板41の表面部に形成され、受光領域の脇に形成された垂直走査回路42と、半導体基板41の底辺側に形成された水平走査回路等(信号増幅回路,A/D変換回路,同期信号発生回路等)43とを備える。
The color solid-
半導体基板41の表面の受光領域には、多数の受光部44が二次元アレイ状に、この例では正方格子状に配列形成されている。各受光部44には、図3,図4で説明した第1色カラーフィルタCF1,第2色カラーフィルタCF2が、夫々モザイク状に配列されている。尚、カラーフィルタCF1,CF2をストライプ状に配列することも可能である。
In the light receiving region on the surface of the
図10は、図9のX―X線断面模式図であり、第2色カラーフィルタCF2を搭載した画素の断面を示している。第1色カラーフィルタCF1を搭載した画素の断面構造も同様であり、図10のCF2の代わりにCF1を積層した部分のみ異なる。n型半導体基板41の表面側にはPウェル層45が形成され、Pウェル層45内の表面浅部にN+層(n1=n2)46が形成され、Pウェル層95内の深部にN+層(n3=n4)47がN+層46と分離して形成されている。N+層47は、端部において表面まで立ち上がる電荷通路47aが設けられている。尚、図6,図7と同様に、CF1を搭載した画素の光電変換部n1,n3の深さと、CF2を搭載した画素の光電変換部n2,n4の深さを、n1≠n2,n3≠n4としても良い。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 9, and shows a cross section of the pixel on which the second color filter CF2 is mounted. The cross-sectional structure of the pixel on which the first color filter CF1 is mounted is the same, and only the portion where CF1 is laminated instead of CF2 in FIG. 10 is different. A P well
N+層46はオーミックコンタクト51により短波長信号検出用アンプ52に接続され、N+層47の電荷通路47aがオーミックコンタクト53により長波長信号検出用アンプ54に接続される。
The N + layer 46 is connected to the short wavelength
各アンプ52,54は、CMOS型イメージセンサの信号読出回路として公知の3トランジスタあるいは4トランジスタで構成される。即ち、MOSトランジスタで構成される出力トランジスタ,リセットトランジスタ,行選択トランジスタ(3トランジスタ構成)、あるいは、これらに加え行読出トランジスタを有する。
Each of the
半導体基板表面には、平坦化膜や配線層が設けられ(図示せず)、その上に図3,図4で説明したカラーフィルタCF1,CF2が積層され、その上に、マイクロレンズ(図示せず)が設けられる。 A planarizing film and a wiring layer (not shown) are provided on the surface of the semiconductor substrate, and the color filters CF1 and CF2 described in FIGS. 3 and 4 are laminated thereon, and a microlens (not shown) is formed thereon. Is provided.
斯かる構成により、カラー画像の撮像前にアンプ52を構成するリセットトランジスタがONされて各N+層46,47の夫々のPN接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、N+層46のPN接合部における蓄積電荷は、カラーフィルタCF1(またはCF2)を透過した光のうち短波長光の入射光量に応じて発生した光電荷分だけ放電し、N+層47のPN接合部における蓄積電荷は、カラーフィルタCF1(またはCF2)を透過した光のうち長波長光の入射光量に応じて発生した光電荷分だけ放電する。
With such a configuration, the reset transistor constituting the
各N+層46,47の各PN接合部における電荷変化量は、図9の垂直走査回路42,水平走査回路43からの制御指示に従って、各受光部毎に設けられたアンプ52,54により独立に読み出される。
The amount of change in charge at each PN junction of each N + layer 46, 47 is independently determined by
(第3の実施形態)
図11は、ハニカム画素配置のCCD型カラー固体撮像装置の表面模式図である。半導体基板表面に二次元アレイ状に配列形成された多数の画素61は、各行毎に1/2ピッチずれており、水平方向に隣接する画素61間に、垂直転送路62が蛇行して配置される。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a schematic view of the surface of a CCD color solid-state imaging device having a honeycomb pixel arrangement. A large number of
本実施形態のカラー固体撮像装置60に設けられている各画素61の断面構造は、図6,図7に示した構造と同様(n1=n2,n3=n4でも良い。)であり、カラーフィルタCF1が積層された画素61からは、図3または図4に示す領域C1と領域C3の受光量に応じた信号電荷を別々に垂直転送路62に出力し、カラーフィルタCF2が積層された画素61からは、領域C2と領域C4の受光量に応じた信号電荷を別々に垂直転送路62に出力する。
The cross-sectional structure of each
図12は、カラー固体撮像装置60の4画素分の拡大図である。また、図13は、図12中の丸印XIII内の転送電極を示す詳細図である。本実施形態のカラー固体撮像装置60では、菱形に形成された素子分離帯63により各画素61が画成され、素子分離帯63に設けられたゲート部64から、画素間に設けられた垂直転送路62に信号電荷が読み出される。
FIG. 12 is an enlarged view of four pixels of the color solid-
垂直転送路62上には、2層ポリシリコン構造でなる転送電極が重ねて設けられ、1つの画素に対して4本の転送電極81,82,83,84が対応付けられている。
On the
斯かるカラー固体撮像装置60から信号電荷を読み出す場合、第1フレームで、カラーフィルタCF1が積層された画素61から領域C3の信号電荷を垂直転送路62に読み出すと同時にカラーフィルタCF2が積層された画素61から領域C4の信号電荷を垂直転送路62に読み出し、次の第2フレームで、カラーフィルタCF1が積層された画素61から領域C1の信号電荷を垂直転送路62に読み出すと同時にカラーフィルタCF2が積層された画素61から領域C2の信号電荷を垂直転送路62に読み出す。
When signal charges are read out from the color solid-
そして、垂直転送路62上の信号電荷(C1,C2,C3,C4)を水平転送路まで転送し、次に水平転送路上を転送して出力する。即ち、ハニカム画素配置のCCD型カラー固体撮像装置60では、2層ポリシリコン構造の転送電極で、全画素読み出し(プログレッシブ動作)可能となっている。
The signal charges (C1, C2, C3, C4) on the
(第4の実施形態)
図14は、上述したいずれかの実施形態に係る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、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系101と、上述したいずれかの実施形態に係るカラー固体撮像装置102と、光学系101とカラー固体撮像装置102との間に配置された赤外線カットフィルタ103とを備える。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a block diagram of a digital camera equipped with the color solid-state imaging device according to any one of the above-described embodiments. This digital camera includes an
本実施形態のデジタルカメラはまた、カラー固体撮像装置102から出力されるC1信号(領域C1の受光量に応じた信号、以下、同様),C2信号,C3信号,C4信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うCDS回路104と、CDS回路104の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路105と、プリプロセス回路105から出力されるC1,C2,C3,C4のアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路106と、A/D変換回路106から出力されるC1,C2,C3,C4の画像信号を取り込んでR(赤),G(緑),B(青)信号を再生しホワイトバランス補正やガンマ補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う回路107と、回路107に接続された画像メモリ108と、回路107が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録/表示回路109とを備える。
The digital camera of the present embodiment also takes in the C1 signal (a signal corresponding to the amount of light received in the region C1, hereinafter the same), the C2, C3, and C4 signals output from the color solid-
このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路110と、システム制御回路110からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路111と、同期信号に基づいてカラー固体撮像装置102内の各部に駆動制御信号を出力する駆動回路112とを備える。
The digital camera further includes a
本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路110からの指示信号に基づいて光学系101のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系101及び赤外線カットフィルタ103を通してカラー固体撮像装置102に被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じてカラー固体撮像装置102からC1,C2,C3,C4信号が出力され、信号処理回路107はこれらのC1〜C4信号からR,G,B信号を再生し、撮像画像データを生成する。この撮像画像データは、JPEG形式等のデータに圧縮され、外部メモリに記録される。
In the digital camera of this embodiment, the lens focus and aperture of the
以上述べた各実施形態によれば、撮像波長域を4つの領域(波長範囲)C1,C2,C3,C4に分け、第1の受光部(画素)から2色の信号成分C1,C3を独立に検出し、第2の受光部(画素)から他の2色の信号成分C2,C4を独立に検出するため、入射光を有効に電気信号に変換すること可能となる。原色カラーフィルタの光利用効率が略1/3に対し、本発明の各実施形態に係る光利用効率は2/4=1/2となり、感度がそれだけ高くなる。 According to each embodiment described above, the imaging wavelength region is divided into four regions (wavelength ranges) C1, C2, C3, and C4, and the two color signal components C1 and C3 are independent from the first light receiving unit (pixel). Since the other two color signal components C2 and C4 are detected independently from the second light receiving portion (pixel), incident light can be effectively converted into an electrical signal. While the light use efficiency of the primary color filter is approximately 1/3, the light use efficiency according to each embodiment of the present invention is 2/4 = 1/2, and the sensitivity is increased accordingly.
また、実質的に4色のカラーフィルタを搭載したのと同等であるため、高感度化、高画質化(高い色S/N比)が可能である。 Further, since it is substantially equivalent to mounting four color filters, high sensitivity and high image quality (high color S / N ratio) are possible.
更に、半導体基板の深さ方向の光吸収係数の波長依存性とカラーフィルタとを併用し、2つのフォトダイオードの検出波長域をカラーフィルタによって離間させオーバーラップ量を少なくしたので、色分離性能が向上し忠実な色再現が可能になる。 In addition, the wavelength dependence of the light absorption coefficient in the depth direction of the semiconductor substrate is combined with the color filter, and the detection wavelength range of the two photodiodes is separated by the color filter to reduce the overlap amount, so that the color separation performance is improved. Improves faithful color reproduction.
更にまた、使用するカラーフィルタは、CF1,CF2の2色で済むため、カラー固体撮像装置の製造工程が簡略化され、製造コストの低減を図ることが可能となる。 Furthermore, since the color filters to be used are only two colors, CF1 and CF2, the manufacturing process of the color solid-state imaging device is simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明に係るカラー固体撮像装置は、高感度化,高画質化を図ることが可能となり、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに搭載するのに有用である。 The color solid-state imaging device according to the present invention can achieve high sensitivity and high image quality, and is useful for mounting in digital cameras such as digital still cameras and digital video cameras.
10,40,60,102 カラー固体撮像装置
11,41 半導体基板
12,44 受光部(画素)
13,62 垂直転送路
14 水平転送路
23,24,46,47 N+領域
C1,C2,C3,C4 4分割した可視光領域
CF1 第1色カラーフィルタ
CF2 第2色カラーフィルタ
10, 40, 60, 102 Color solid-
13, 62
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