JP2008252021A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】動画撮影時のスミアの発生を抑制することが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】それぞれ異なる色成分の光を透過する分光フィルタ４ｒ，ｇ，ｂを上方に備えた光電変換素子１０ｒ，ｇ，ｂを格子状に配列した第１の光電変換素子群と、輝度フィルタ４ｗを上方に備えた光電変換素子１０ｗを格子状に配列した第２の光電変換素子群とを備え、第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群とは斜め４５度方向にずれた位置関係となっており、各光電変換素子に対応してその側部に設けられた垂直転送チャネル３０ａを備え、各光電変換素子１０ｒ，ｇ，ｂの両側部にある垂直転送チャネル３０ａのうち、各光電変換素子１０ｒ，ｇ，ｂに対応する左側部の垂直転送チャネル３０ａから各光電変換素子１０ｒ，ｇ，ｂの開口端までの距離（Ｋ１）が右側部の垂直転送チャネル３０ａから各光電変換素子１０ｒ，ｇ，ｂの開口端までの距離（Ｋ２）よりも長くなっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に格子状に配列された光電変換素子からなる第１の光電変換素子群と、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の形成位置から所定方向にずらした位置に形成された光電変換素子からなる第２の光電変換素子群とを有する固体撮像素子に関する。

特許文献１には、シリコン基板上に、輝度成分を検出する感光素子（緑色光を検出する感光素子）を格子状に配列した第１の感光素子群と、赤色成分（Ｒ）、緑色成分（Ｇ）、及び青色成分（Ｂ）を検出する３種類の感光素子を格子状に配列した第２の感光素子群とを互いに隣接する位置にずらして配置した構成の固体撮像素子が開示されている。

このように構成した固体撮像素子によれば、三原色の二次元カラー撮像素子を実現することができ、第１の感光素子群から輝度成分を取ることによって、水平解像度及び垂直解像度の高い輝度成分を得ることができる。

特開平１１−３５５７９０号公報（図３（ａ））

特許文献１の図３（ａ）に例示された固体撮像素子では、第１の感光素子群と第２の感光素子群からそれぞれ信号を取り出してこれらを合成処理することで高画質のカラー静止画撮影を行い、第２の感光素子群のみから信号を取り出してカラー動画撮影を行うといった使い方も可能となる。固体撮像素子がＣＣＤ型である場合、動画撮影時のスミアを抑制することが重要な課題となるため、前述したような使い方を想定した場合、第２の感光素子群を構成する感光素子で発生した電荷を転送する電荷転送路に光が入射しにくくなるような構造を実現することが、課題解決のために望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上記第１の光電変換素子群及び第２の光電変換素子群を有する固体撮像素子であって、動画撮影時のスミアの発生を抑制することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に格子状に配列された光電変換素子からなる第１の光電変換素子群と、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の形成位置から所定方向にずらした位置に形成された光電変換素子からなる第２の光電変換素子群とを有する固体撮像素子であって、前記第１の光電変換素子群は、それぞれ異なる色成分の光を透過する分光フィルタを上方に備えた少なくとも３種類の光電変換素子で構成され、
前記第２の光電変換素子群は、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタを上方に備えた１種類の光電変換素子で構成され、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれに対応してその側部に設けられ、前記各光電変換素子で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路とを備え、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の両側部にある前記電荷転送路のうち、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離が、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路以外の電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離よりも長くなっている。

本発明の固体撮像素子は、前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の両側部にある前記電荷転送路のうち、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離が、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路以外の電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離よりも短くなっている。

本発明の固体撮像素子は、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれの上方に、それぞれに光を集光するためのレンズを備え、前記レンズの中心が、対応する前記光電変換素子の開口の中心と一致する。

本発明によれば、上記第１の光電変換素子群及び第２の光電変換素子群を有する固体撮像素子であって、動画撮影時のスミアの発生を抑制することが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図２は、図１に示した固体撮像素子の部分拡大模式図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、シリコン基板１上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに格子状に配列された光電変換素子（１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ）からなる第１の光電変換素子群と、同じくシリコン基板１上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに格子状に配列された光電変換素子（１０ｗ）からなる第２の光電変換素子群と、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に蓄積された電荷を列方向Ｙに転送する垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）３０（図１では一部にのみ符号を付してある）と、ＶＣＣＤ３０を転送されてきた電荷を行方向Ｘに転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）４０と、ＨＣＣＤ４０を転送されてきた電荷に応じた電圧信号を出力する信号出力部５０とを備える。ここでいう光電変換素子は例えばフォトダイオードである。

第１の光電変換素子群は、光電変換素子１０ｒと光電変換素子１０ｇと光電変換素子１０ｂとの３種類の光電変換素子で構成されている。これらの光電変換素子の特性は同一であるが、その上方に形成された分光フィルタによって検出できる色が異なっている。図２に示したように、光電変換素子１０ｒの開口面上方には赤色成分（Ｒ）の光を透過する分光フィルタ４ｒが形成され、光電変換素子１０ｇの開口面上方には緑色成分（Ｇ）の光を透過する分光フィルタ４ｇが形成され、光電変換素子１０ｂの開口面上方には青色成分（Ｂ）の光を透過する分光フィルタ４ｂが形成されている。これら分光フィルタ４ｒ，４ｇ，４ｂの配列はベイヤー配列となっている。

第２の光電変換素子群は、光電変換素子１０ｗの１種類の光電変換素子で構成されている。図２に示したように、光電変換素子１０ｗの開口面上方には光の輝度成分と相関のある分光特性を持った輝度フィルタ４ｗが形成されている。輝度フィルタ４ｗは、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、光電変換素子１０ｗの開口面の上方に何も設けずに光が直接開口面に入射する構成も、輝度フィルタを設けたということができる。輝度フィルタは、多くの波長成分の光を透過することができるため、分光フィルタに比べて光の減衰が少ない。

第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群とは、それぞれに含まれる光電変換素子の数及び配列ピッチが同一となっている。第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子と第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子とは、互いに配列ピッチの１／２だけ行方向Ｘ及び列方向Ｙにずれた位置に配列されている。つまり、第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子（１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ）を、その形成位置から斜め４５度左下に移動させた位置に第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子１０ｗが形成された構成となっている。ここでは、第１の光電変換素子群を斜め４５度左下に移動させた位置に第２の光電変換素子群が形成された構成例を示したが、第１の光電変換素子群を任意の方向に所定量ずらした位置に第２の光電変換素子群が形成された構成であれば良い。

ＶＣＣＤ３０は、シリコン基板１内に光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に対応してその左側部に形成された電荷転送路である垂直転送チャネル３０ａ（図２，３参照）と、垂直転送チャネル３０ａを平面視上交差するように形成された複数本の垂直転送電極１０１〜１０４（これらをまとめて転送電極１００ということもある）と、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々で発生した電荷を、該各々に対応する垂直転送チャネル３０ａに読み出す電荷読み出し領域（図１では、模式的に矢印で示してある）とを含む。

垂直転送チャネル３０ａは、列方向Ｙに配列された光電変換素子からなる光電変換素子列の間を全体として列方向Ｙに延在する蛇行形状を呈するものであり、その上方に形成された垂直転送電極１０１〜１０４によって、電荷が蓄積、転送される領域が区分される。垂直転送電極１０１〜１０４は、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に対応して４つ設けられ（図では、１行分の光電変換素子１０ｗに対応するもののみに符号を付してある。）、行方向Ｘに配列された光電変換素子からなる光電変換素子行の間を全体として行方向Ｘに延在する蛇行形状を呈するものである。

垂直転送電極１０１〜１０４には、端子１１１〜１１４を介して４相の垂直転送パルスが印加され、垂直転送チャネル３０ａの電荷が列方向Ｙに転送される。垂直転送パルスは、ＶＣＣＤ３０とＨＣＣＤ４０の間の転送電極１０５、１０６にも印加され、垂直転送パルスの１周期毎に、第２の光電変換素子群の１行分の光電変換素子と、それに隣接する第１の光電変換素子群の１行分の光電変換素子とで検出された電荷が、ＨＣＣＤ４０に送られる。光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々から垂直転送チャネル３０ａへの電荷の読出しは、垂直電荷転送開始直後の第１相パルス（端子１１１に印加される垂直転送パルス）を読み出しパルスに重畳させることによって行い、光電変換素子１０ｗから垂直転送チャネル３０ａへの電荷の読出しは、垂直電荷転送開始直後の第３相パルス（端子１１３に印加される垂直転送パルス）に読出しパルスを重畳させることによって行う。

光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に対応する電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための電極が垂直転送電極１０１であり、光電変換素子１０ｗに対応する電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための電極が垂直転送電極１０３である。

図１に示す固体撮像素子では、垂直転送電極１０１と垂直転送電極１０３とが、それぞれ異なる端子（１１１，１１３）に接続されている。このため、端子１１１，１１３に印加する読み出しパルスを制御することで、第１の光電変換素子群からの電荷と、第２の光電変換素子群からの電荷とを別々に読み出すことも、同時に読み出すことも可能である。

ＨＣＣＤ４０は、シリコン基板１内に形成された水平転送チャネルと、この上方に形成された水平転送電極（いずれも図示せず）とを含む。水平転送電極には、端子１２１、１２２を介して２相の水平転送パルスが印加され、ＶＣＣＤ３０から転送された電荷が、信号出力部５０に転送される。

図３に示すように、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の上方には、各々に光を集光するためのインナーレンズ３が形成され、インナーレンズ３上方には、上述した輝度フィルタ４ｗ及び分光フィルタ４ｒ，４ｇ，４ｂからなるフィルタ層を介して、各々に光を集光するためのマイクロレンズ５が形成されている。又、インナーレンズ３とシリコン基板１との間には、図１に示した転送電極１００が形成され、この転送電極１００上には、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の上方に開口の形成された遮光膜２が形成されている。尚、図２では、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂのうち、遮光膜２に形成された開口から見える部分のみを図示してある。又、図２では、転送電極１００の図示を省略してある。

以上のように構成された固体撮像素子は、被写界からの入射光の強度に応じて光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に蓄積された電荷が、第１相及び第３相の垂直転送パルスに重畳される読み出しパルスによって、垂直転送チャネル３０ａに読み出される。そして、垂直転送パルスに応じて垂直転送チャネル３０ａ内を転送され、水平転送チャネルの所定の領域に保持される。次いで、水平転送パルスが印加されると、保持された電荷は、順次信号出力部５０に送られ、電荷量に対応する電圧信号５１が出力される。

本実施形態の固体撮像素子は、第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群を有していることにより、高画質が求められる静止画撮影時には、第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群の両方から読み出した信号を合成してＳ／Ｎ向上を図り、高速動作が求められる動画撮影時には、第１の光電変換素子群のみから信号を読み出してカラー動画を生成するといった使い方をすることができる。本実施形態では、この動画撮影時におけるスミアを抑制するために、各光電変換素子の開口位置を調整している。

図２に示すように、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の開口は、該各々の両側部にある垂直転送チャネル３０ａのうち、該各々に対応する左側部の垂直転送チャネル３０ａから該各々の開口端までの距離Ｋ１が、該各々の右側部の垂直転送チャネル３０ａから該各々の開口端までの距離Ｋ２よりも長くなるように形成されている。図示の例では、光電変換素子１０ｇの開口の行方向Ｘの端部のうち、左側の端部から該光電変換素子１０ｇの左側部の垂直転送チャネル３０ａまでの距離が３Ｌ／２となり、右側の端部から該光電変換素子１０ｇの右側部の垂直転送チャネル３０ａまでの距離がＬ／２となるように、開口位置が決められている。光電変換素子１０ｒ，１０ｂについても同様である。

又、図２に示すように、光電変換素子１０ｗの開口は、該光電変換素子１０ｗの両側部にある垂直転送チャネル３０ａのうち、該光電変換素子１０ｗに対応する左側部の垂直転送チャネル３０ａから該光電変換素子１０ｗの開口端までの距離Ｋ３が、該光電変換素子１０ｗの右側部の垂直転送チャネル３０ａから該光電変換素子１０ｗの開口端までの距離Ｋ４よりも短くなるように形成されている。図示の例では、光電変換素子１０ｗの開口の行方向Ｘの端部のうち、左側の端部から該光電変換素子１０ｗの左側部の垂直転送チャネル３０ａまでの距離がＬ／２となり、右側の端部から該光電変換素子１０ｗの右側部の垂直転送チャネル３０ａまでの距離が３Ｌ／２となるように、開口位置が決められている。

つまり、垂直転送チャネル３０ａの配列ピッチが同一であり、隣接する２つの垂直転送チャネル３０ａから均等の距離に開口端を形成したときの開口位置を基準位置とすると、第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子の開口は、基準位置から該光電変換素子に対応する垂直転送チャネル３０ａ側とは反対側に移動させた位置に形成され、第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子の開口は、基準位置から該光電変換素子に対応する垂直転送チャネル３０ａ側に移動させた位置に形成された構成となっている。

このように、本実施形態の固体撮像素子は、Ｋ１＞Ｋ２の関係が成り立つように第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子の開口位置が決められている。このため、Ｋ１＜Ｋ２やＫ１＝Ｋ２を満たすように開口位置を決める一般的な場合に比べて、第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子の開口を、その光電変換素子に対応する垂直転送チャネル３０ａから遠い位置に形成することができる。これにより、第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子に対応する垂直転送チャネル３０ａへのスミアの混入を抑制することができる。

又、本実施形態の固体撮像素子は、更にＫ３＜Ｋ４の関係が成り立つように第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子の開口位置が決められている。このため、Ｋ３＞Ｋ４やＫ３＝Ｋ４を満たすように開口位置を決める一般的な場合に比べて、第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子の開口を、その光電変換素子の右側部にある第１の光電変換素子群に対応する垂直転送チャネル３０ａから遠い位置に形成することができる。これにより、第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子に対応する垂直転送チャネル３０ａへのスミアの混入を、Ｋ１＞Ｋ２の関係を満たしただけの場合よりも更に抑制することができる。

本実施形態の固体撮像素子は、動画撮影時には、第１の光電変換素子群のみから信号を読み出す駆動を行うが、この場合、第１の光電変換素子群に対応する垂直転送チャネル３０ａにスミア電荷が混入すると、画質劣化の原因となってしまう。そこで、本実施形態のように、Ｋ１＞Ｋ２、Ｋ３＜Ｋ４の関係を成り立たせることで、第１の光電変換素子群に対応する垂直転送チャネル３０ａに混入するスミア電荷を大幅に減らすことができ、高品質の動画撮影が可能となる。

尚、本実施形態の固体撮像素子では、Ｋ１＞Ｋ２、Ｋ３＜Ｋ４の関係を満たすようにしているため、光電変換素子１０ｗに対応する垂直転送チャネル３０ａに光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の開口が近づいてしまい、光電変換素子１０ｗに対応する垂直転送チャネル３０ａへのスミア電荷の混入は逆に多くなる。しかし、動画撮影時には、光電変換素子１０ｗからの信号を使用しないため、上記関係が画質に影響を与えることはない。又、静止画撮影時には、露光をしてメカニカルシャッタを閉じた後、垂直転送チャネル３０ａ内の電荷を高速掃き出ししてから、各光電変換素子から信号を得るような駆動を行うのが一般的であるため、上記関係が画質に影響を与えることはない。

又、本実施形態の固体撮像素子では、Ｋ１＞Ｋ２、Ｋ３＜Ｋ４の関係を満たすようにしているため、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の中心に、マイクロレンズ５やインナーレンズ３によって光が集光されるとは限らない。このため、更なるスミア抑制効果を得るために、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の開口中心と、その上方のマイクロレンズ５やインナーレンズ３の中心とが一致するように、マイクロレンズ５やインナーレンズ３の位置も調整しておくことが好ましい。図４は、このような調整を行った場合の例を示した図であり、通常、破線の位置に形成すべきマイクロレンズ５を、下方の光電変換素子１０ｇの開口に合わせて右に移動させて太実線の位置に形成することで、スミアの更なる抑制が可能となる。

尚、以上の説明では、第１の光電変換素子群を３種類の光電変換素子で構成するものとしたが、第１の光電変換素子群を４種類以上の光電変換素子で構成した場合でも、本発明の効果を得ることができる。

本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 図１に示した固体撮像素子の部分拡大模式図 図２のＡ−Ａ線断面模式図 マイクロレンズの位置ずらし例を示した図

符号の説明

４ｒ，４ｇ，４ｂ 分光フィルタ
４ｗ 輝度フィルタ
１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ 第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子
１０ｗ 第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子
３０ 垂直転送チャネル
５ マイクロレンズ

Claims (3)

1. 半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に格子状に配列された光電変換素子からなる第１の光電変換素子群と、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の形成位置から所定方向にずらした位置に形成された光電変換素子からなる第２の光電変換素子群とを有する固体撮像素子であって、
   前記第１の光電変換素子群は、それぞれ異なる色成分の光を透過する分光フィルタを上方に備えた少なくとも３種類の光電変換素子で構成され、
   前記第２の光電変換素子群は、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタを上方に備えた１種類の光電変換素子で構成され、
   前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれに対応してその側部に設けられ、前記各光電変換素子で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路とを備え、
   前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の両側部にある前記電荷転送路のうち、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離が、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路以外の電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離よりも長くなっている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の両側部にある前記電荷転送路のうち、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離が、前記各光電変換素子に対応する前記電荷転送路以外の電荷転送路から前記各光電変換素子の開口端までの距離よりも短くなっている固体撮像素子。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
   前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれの上方に、それぞれに光を集光するためのレンズを備え、
   前記レンズの中心が、対応する前記光電変換素子の開口の中心と一致する固体撮像素子。

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