JP2011029291A - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

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Abstract

【課題】受光部と配線層とによって形成される画素パターンが不均一パターンであり、出力感度が高い領域が存在することに起因する映像信号の周期的な画室劣化を低減し、画素出力信号の均一化を実現する。
【解決手段】マトリクス状に配置された受光部と、受光部同士の間隙に形成された配線層を有する撮像部と、撮像部の上方に配置されたカラーフィルタと、カラーフィルタの上方に配置されたオンチップレンズとを備えるＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、受光部に対する配線層の配置が周期的に異なることに起因して同一規則で同一色が配された受光部間に生じる感度差に応じて、オンチップレンズの有効面積が小さくなるようにし、集光特性を抑制する。
【選択図】図６

Description

本発明は固体撮像装置及びカメラに関する。詳しくは、受光部と配線層との位置関係が周期的に異なる固体撮像装置及びこうした固体撮像装置を利用したカメラに係るものである。
近年、固体撮像装置として、ＩＣ製造の標準的な技術であるＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を利用したＣＭＯＳ型固体撮像装置が広く利用されつつある。
ＣＭＯＳ型固体撮像装置は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）の様に高い駆動電圧を必要とすることがなく、また、周辺回路と一体化（オンチップ化）も可能となるために小型化に非常に有利である。
また、現在、ＣＭＯＳ型固体撮像装置は、チップサイズの小型化及び多画素化が強く望まれている。しかし、現状の画素サイズのままチップを小型化したのでは、画素数が減少し、その結果として解像度が低下してしまう。一方、現状の画素サイズのまま多画素化したのでは、チップサイズが大きくなり、生産コストの増大あるいはチップ歩留まりの低下を招いてしまう。
従って、チップサイズの小型化及び多画素化を実現するためには画素サイズを現状より縮小することが必須となる。これができれば、解像度を維持したまま小型のＣＭＯＳ型固体撮像装置が提供でき、あるいは、逆に素子サイズを維持したまま解像度を上げることができる。
ところが、画素サイズを縮小した場合、単位画素に入射する光量は減少し、各画素の受光部の感度特性が低下するという不具合が生じてしまう。なお、出力回路の変換効率を向上させることにより感度特性を維持することも可能であるが、その場合、ノイズ成分も増幅してしまう。
そのため、ＣＭＯＳ型固体撮像装置から出力される映像信号のＳ／Ｎ比が低下してしまう。つまり、画素サイズを縮小したときの感度特性の維持を光電変換の効率向上のみで達成するべきではなく、Ｓ／Ｎ比の低下を防ぐために各画素の集光効率をできるだけ向上させることが必要となってくる。
こうした観点から、受光部の上方に設けたカラーフィルタ上にオンチップレンズ（ＯＣＬ：Ｏｎ Ｃｈｉｐ Ｌｅｎｓ）を設け受光部への集光効率を高める工夫がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。
また、ＣＭＯＳセンサは、複数の画素がマトリクス状に配置されてなるものであるが、一画素領域に受光部の他に、読み出しゲート、電荷電圧変換部、リセットゲート、アンプ等の多くの構成要素トランジスタを含むため、画素の縮小化が困難とされている。
ただし、最近では、本来は一画素毎に有する構成要素の一部を複数の画素で共有することにより、一画素あたりの受光部以外の占有面積を抑制する、いわゆる複数画素共有構造が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。こうした技術は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置における画素縮小化を実現する上で必須の技術となりつつある。
特開２００２−７６３２２号公報 特開２００２−１５１６７０号公報 特開２００５−１１６９３９号公報 特開２００６−５４２７６号公報
しかしながら、画素サイズの縮小化を実現するための画素パターンや、複数画素共有構造の画素パターンでは、受光部と配線層との位置関係が周期的に異なる構造となってしまうことがある。そして、受光部と配線層とが均一配置でないが故に、換言すると、受光部と配線層とによって形成される画素パターンが不均一パターンであるが故に、受光部に周期的な感度差を生じ、固体撮像装置からの映像信号が周期的な画質劣化を生じる原因となることがある。
本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、画素出力信号の均一化を実現することができる固体撮像装置及びカメラを提供することを目的とするものである。
上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置では、複数の受光部がマトリクス状に形成されると共に、前記受光部同士の間隙に配線層が形成された撮像部と、該撮像部の上方に配置され、所定の規則で前記受光部に配色するカラーフィルタと、前記受光部に対する前記配線層の配置が周期的に異なることに起因して同一規則で同一色が配された前記受光部間に生じる感度差に応じて集光特性が異なると共に、前記受光部にそれぞれ対応させて前記カラーフィルタの上方に配置されたオンチップレンズとを備える。
また、上記の目的を達成するために、本発明に係るカメラでは、複数の受光部がマトリクス状に形成されると共に、前記受光部同士の間隙に配線層が形成された撮像部と、該撮像部の上方に配置され、所定の規則で前記受光部に配色するカラーフィルタと、前記受光部に対する前記配線層の配置が周期的に異なることに起因して同一規則で同一色が配された前記受光部間に生じる感度差に応じて集光特性が異なると共に、前記受光部にそれぞれ対応させて前記カラーフィルタの上方に配置されたオンチップレンズとを有する固体撮像装置と、前記撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備える。
ここで、オンチップレンズの集光特性が、受光部に対する配線層の配置が周期的に異なることに起因して同一規則で同一色が配された受光部間に生じる感度差に応じて異なることによって、受光部と配線層との位置関係に起因する画質劣化を抑制することができる。
なお、「同一規則で同一色が配された受光部」とは、当該受光部に配される色が同一であると共に、当該受光部に隣接する受光部に配される色も同一である受光部を意味している。
本発明の固体撮像装置及びカメラでは、受光部と配線層との位置関係に起因する周期的な画質劣化を抑制することができ、画像出力信号の均一化を実現することができる。
本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＭＯＳ型イメージセンサの概略構成図である。 共有画素の平面構成を説明するための模式図である。 画素の共有を説明するための模式図である。 撮像部のレイアウトを説明するための模式図である。 第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサの撮像部の断面を説明するための模式図である。 第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサのＯＣＬを説明するための模式図である。 図１中のＢＢ'線における模式的な断面図である。 ４つの画素で共有画素を形成した場合のＣＭＯＳ型イメージセンサの概略構成図である。 ４つの画素で共有画素を形成した場合における平面構成を説明するための模式図である。 ４つの画素で共有画素を形成した場合における撮像部のレイアウトを説明するための模式図（１）である。 ４つの画素で共有画素を形成した場合における撮像部のレイアウトを説明するための模式図（２）である。 本発明を適用したカメラの一例であるＣＭＯＳ型カメラの概略構成図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」と称する。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
３．変形例
＜第１の実施の形態＞
［固体撮像装置の概略構成］
図１は、本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＭＯＳ型イメージセンサの概略構成図である。ここで示すＣＭＯＳ型イメージセンサ１は、２つの画素でリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を共有した画素構成の組（以下、「共有画素」と称する。）をマトリクス状に配列している。
詳しくは、受光部である２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２及び各フォトダイオードと対応する転送トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２が、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を共有している。
即ち、第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１は、複数の共有画素２が規則性をもって２次元配列された撮像部３と、撮像部３の周辺に配置された周辺回路を有して構成されている。なお、周辺回路は、垂直駆動部４と、水平転送部５及び出力部６とを有して構成されている。
フォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２は、光入射で光電変換を行い、その光電変換で生成された信号電荷を蓄積する領域を有してなる。
転送トランジスタＴｒ１１及びＴｒ１２は、フォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２に蓄積された信号電荷を後述するフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域に読み出すためのトランジスタである。
リセットトランジスタＴｒ２は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域の電位を規定の値に設定するためのトランジスタである。
増幅トランジスタＴｒ３は、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域に読み出された信号電荷を電気的に増幅するためのトランジスタである。
選択トランジスタＴｒ４は、画素１行を選択して画素信号を垂直信号線８に読み出すためのトランジスタである。
なお、第１の実施の形態では、選択トランジスタＴｒ４を有して構成された場合を例に挙げて説明を行っているが、選択トランジスタＴｒ４を省略して構成することも可能である。
共有画素２の回路構成は、図１に示す様に、２つの各フォトダイオードＰＤ（ＰＤ１、ＰＤ２）が、それぞれ対応する２つの転送トランジスタＴｒ１（Ｔｒ１１、Ｔｒ１２）のソースに接続されている。また、各転送トランジスタＴｒ１（Ｔｒ１１、Ｔｒ１２）のドレインが１つのリセットトランジスタＴｒ２のソースに接続されている。
更に、各転送トランジスタＴｒ１（Ｔｒ１１、Ｔｒ１２）とリセットトランジスタＴｒ２間の電荷電圧変換手段となる共通のフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域は１つの増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続されている。
また、増幅トランジスタＴｒ３のソースは１つの選択トランジスタＴｒ４のドレインに接続されている。また、リセットトランジスタＴｒ２のドレイン及び増幅トランジスタＴｒ３のドレインは、電源電圧供給部に接続されている。また、選択トランジスタＴｒ４のソースが垂直信号線８に接続されている。
垂直駆動部４からは、１行に配列された共有画素２のリセットトランジスタＴｒ２のゲートに共通に印加される行リセット信号φＲＳＴが供給される。また、１行に配列された共有画素２の転送トランジスタＴｒ１（Ｔｒ１１、Ｔｒ１２）のゲートに共通に印加される行転送信号φＴＲＧが供給される。更に、１行に配列された共有画素２の選択トランジスタＴｒ４のゲートに共通に印加される行選択信号φＳＥＬが供給される。
水平転送部５は、各列の垂直信号線８に接続されたアナログデジタル変換器９（ＡＤＣ）と、列選択回路（スイッチ手段）ＳＷと、水平転送線（例えばデータビット線と同数の配線で構成されたバス配線）１０とを有して構成されている。
出力部６は、水平転送線１０からの出力を処理する信号処理回路１１と、出力バッファ１２とを有して構成されている。
本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＭＯＳ型イメージセンサ１では、各行の共有画素２の信号が各アナログ／デジタル変換器９にてアナログ／デジタル変換され、順次選択される列選択回路ＳＷを通じて水平転送線１０に読み出され、順次水平転送される。水平転送線１０に読み出された画像データは、信号処理回路１１を通じて出力バッファ１２より出力される。
共有画素２の動作については、先ず、転送トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２のゲートとリセットトランジスタＴｒ２のゲートをオン状態にしてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の電荷を全て空の状態にする。次に、転送トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２のゲートとリセットトランジスタＴｒ２のゲートをオフ状態にして電荷蓄積を行う。
続いて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の電荷を読み出す直前にリセットトランジスタＴｒ２のゲートをオン状態にしてフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域の電位をリセットする。
その後、リセットトランジスタＴｒ２のゲートをオフ状態にし、転送トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２のゲートをオン状態にしてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２から電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域へ転送する。増幅トランジスタＴｒ３ではゲートに電荷が印加されたことを受けて信号電荷を電気的に増幅する。
一方、選択トランジスタＴｒ４がオン状態となり、増幅トランジスタＴｒ３からの電荷電圧変換された画像信号が垂直信号線８に読み出されることとなる。
ところで、共有画素２の平面上の構成は、マトリクス状に配置された受光部に対して、そのマトリクス中で斜めに隣り合う２つの受光部の間に１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）が配置されている。そして、これら２つの受光部が各受光部に付設された転送トランジスタＴｒ１を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有する様に構成されている（図２（ａ）参照。）。
共有画素は、例えば、図３（ａ）で示す様に、ｉ，ｉ＋１，ｉ＋２・・・列と、ｊ，ｊ＋１，ｊ＋２・・・行からなる二次元アレイ中にて、（ｉ，ｊ）座標の受光部と（ｉ＋１，ｊ＋１）座標の受光部とが１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有する。また、（ｉ，ｊ＋２）座標の受光部と（ｉ＋１，ｊ＋３）座標の受光部とが１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有する。その他の共有についても同様である。
また、第１の実施の形態の共有画素２を用いた撮像部３のレイアウトを図４に示している。即ち、第１の実施の形態では、フローティングディフュージョン（ＦＤ）が配されていない受光部同士の間には、トランジスタ領域が設けられている。そして、このトランジスタ領域にリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４が配置されている。
具体的には、第（２ｎ−１）行に位置する共有画素２について、上方側にリセットトランジスタＴｒ２、下方側に増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４が配置されている。また、第（２ｎ）行目に位置する共有画素２については、下方側にリセットトランジスタＴｒ２、上方側に増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４が配置されている。
なお、リセットトランジスタＴｒ２は、ソース領域４１、ドレイン領域４２及びリセットゲート電極４３を有して構成されている。また、増幅トランジスタＴｒ３は、ソース領域４４、ドレイン領域４５及び増幅ゲート電極４６を有して構成されている。更に、選択トランジスタＴｒ４は、ソース領域４７、ドレイン領域４４及び選択ゲート電極４８を有して構成されている。なお、増幅トランジスタＴｒ３のソース領域と選択トランジスタＴｒ４のドレイン領域とは共有して形成されている。
そして、配線４９を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域２０と、リセットトランジスタＴｒ２のソース領域及び増幅トランジスタＴｒ３の増幅ゲート電極４６とが接続されている。また、配線（図示せず）を介して選択トランジスタＴｒ４のソース領域４７と垂直信号線８とが接続されている。
また、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３、選択トランジスタＴｒ４が配置されているトランジスタ領域には、トランジスタ素子のゲートに電気信号を印加するために、その上方に配線層１７（図４には図示せず）が形成されている。
図５は、第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１の撮像部３の断面を説明するためのものであり、図４中の符号ＡＡ'線における模式的な断面図である。
図５で示す様に、複数の受光部７が形成された基板５０上には、酸化シリコン等の絶縁膜（図示せず）が成膜され、更に、光透過絶縁膜５１が形成されている。また、光透過絶縁膜５１の表面は平坦化されている。
なお、光透過絶縁膜５１としては、例えば、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）やＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）等を用いることができる。
また、光透過絶縁膜５１の平坦化面上に、オンチップカラーフィルタ１４（ＯＣＣＦ）が配置されている。図示例のＯＣＣＦ１４は、原色系のカラーコーディングがなされ、境界領域１４ａで区切られた光透過領域１４ｂが赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかに着色されている。具体的には、図４で示す様に、二次元アレイ状の光透過領域１４ｂのある行をＲ，Ｇ，Ｒ，Ｇ・・・、次の行をＢ，Ｇ，Ｂ，Ｇ・・・、更に次の行をＲ，Ｇ，Ｒ，Ｇ・・・といった具合に配色した、いわゆるベイヤー配列が採用されている。
ここで、上方に赤色に着色された光透過領域１４ｂが配置された受光部７は、赤色光を選択的に受光する受光部であることを示し、上方に緑色に着色された光透過領域１４ｂが配置された受光部７は、緑色光を選択的に受光する受光部であることを示している。同様に、上方に青色に着色された光透過領域１４ｂが配置された受光部７は、青色光を選択的に受光する受光部であることを示している。
なお、「Ｇｒ」は、赤色に着色された光透過領域１４ｂが配列された行における緑色に着色された光透過領域１４ｂを示している。また、「Ｇｂ」は、青色に着色された光透過領域１４ｂが配列された行における緑色に着色された光透過領域１４ｂを示している。
ところで、第１の実施の形態の撮像部３のレイアウトは、共有画素２が位置する行によって、受光部とリセットトランジスタＴｒ２、受光部と増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４との位置関係が異なることとなる。そのため、説明の便宜上、上方側にリセットトランジスタＴｒ２、下方側に増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４が位置している受光部に対応する光透過領域１４ｂを「Ｒ１」、「Ｇｒ１」、「Ｇｂ１」、「Ｂ１」と示す。一方、下方側にリセットトランジスタＴｒ２、上方側に増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４が位置している受光部に対応する光透過領域１４ｂを「Ｒ２」、「Ｇｒ２」、「Ｇｂ２」、「Ｂ２」と示す。
なお、「Ｒ１」に対応する受光部と「Ｒ２」に対応する受光部は、当該受光部に配される色（赤色）が同一であると共に、当該受光部に隣接する受光部に配される色も同一であるために、同一規則で同一色が配された受光部に該当する。また、「Ｂ１」に対応する受光部と「Ｂ２」に対応する受光部も、当該受光部に配される色（青色）が同一であると共に、当該受光部に隣接する受光部に配される色も同一であるために、同一規則で同一色が配された受光部に該当する。同様に、「Ｇｂ１」に対応する受光部と「Ｇｂ２」に対応する受光部、「Ｇｒ１」に対応する受光部と「Ｇｒ２」に対応する受光部についても、同一規則で同一色が配された受光部に該当する。
一方、「Ｇｒ１」若しくは「Ｇｒ２」に対応する受光部と「Ｇｂ１」若しくは「Ｇｂ２」に対応する受光部は、当該受光部に配される色（緑色）は同一である。しかし、当該受光部に隣接する受光部に配される色が異なる。そのために、同一規則で同一色が配された受光部には該当しない。
また、ＯＣＣＦ１４上には、ネガ型感光樹脂等の光透過材料からなるオンチップレンズ１３（ＯＣＬ）が配置されている。なお、ＯＣＬ１３のレンズ面（凸状曲面）で受けた光は集光され、受光部７に入射することとなる。
［オンチップレンズの構成］
図６は、第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１のＯＣＬ１３を説明するための模式図である。なお、図６中の符号Ｃは撮像部３の中心を示している。
第１の実施の形態では、撮像部３の図６の紙面上半分の「Ｇｂ１」に対応するＯＣＬ１３は、紙面上方に向かうに従って徐々に小さくなる様に形成されている。即ち、紙面上方に向かうに従って順次ＯＣＬ１３の有効面積が小さくなる様に形成されることで、「Ｇｂ１」に対応するＯＣＬ１３の集光特性を順次抑制できる様に形成されている。
一方、撮像部３の図６の紙面下半分の「Ｒ２」に対応するＯＣＬ１３は、紙面下方に向かうに従って徐々に小さくなる様に形成されている。即ち、紙面下方に向かうに従って順次ＯＣＬ１３の有効面積が小さくなる様に形成されることで、「Ｒ２」に対応するＯＣＬ１３の集光特性を順次抑制できる様に形成されている。
ここで、本実施の形態では、ＯＣＬ１３の有効面積を小さくすることによって、ＯＣＬ１３の集光特性を抑制する場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、ＯＣＬ１３の集光特性を抑制することができれば、いかなる方法であっても良く、必ずしもＯＣＬ１３の有効面積を小さくすることによって集光特性を抑制する必要はない。例えば、曲率半径を変更したり、ＯＣＬ１３の表面に光透過率を低減する皮膜を成膜したりすることで集光特性を抑制しても良い。
また、本実施の形態では、ＯＣＬ１３の大きさが紙面上方（若しくは紙面下方）に向かうに従って順次有効面積を小さくする場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、ＯＣＬ１３の有効面積を小さくする場合には、数個ずつ或いは数十個ずつ同じ有効面積のＯＣＬ１３を形成し、紙面上方（若しくは紙面下方）に向かうに従って段階的にＯＣＬ１３の有効面積が小さくなる様に形成しても良い。なお、ＯＣＬ１３の有効面積を段階的に小さくするという方式を採用した場合には、実際の設計上は好ましいものとなる。
［オンチップレンズによる感度差の抑制］
上記の様に、ＯＣＬ１３の大きさを調整することによって、受光部７と配線層１７との位置関係が不規則であり、画素パターンが不均一であることに起因して生じる受光部の周期的な感度差を抑制することができる。以下、この点について説明を行う。
先ず、ＣＭＯＳ型イメージセンサの撮像部３への光は、撮像部３の中心領域においては垂直に入射する様に構成されているが、撮像部３の周辺領域では所定の角度で入射することとなる。具体的には、図１中のＢＢ'線における模式的な断面図である図７に示す様に、撮像部３の上側領域では、撮像部の上側方向に傾斜した角度で光が入射することとなり、撮像部３の下側領域では撮像部の下側方向に傾斜した角度で光が入射することとなる。
また、図４から明らかな様に、第１の実施の形態の共有画素２を用いた撮像部３のレイアウトの場合には、「Ｒ２」に対応する受光部と「Ｇｂ１」に対応する受光部との間隙にはいずれのトランジスタ素子も配置されていない。トランジスタ素子が配置されていないために、トランジスタ素子のゲートと接続される配線層１７も配置されていないこととなる。そのため、配線層１７の存在によって入射光が遮られることがなく、「Ｒ２」に対応する受光部と「Ｇｂ１」に対応する受光部との間隙（図４中符号Ｐで示す領域）では実質的に光電変換領域が広がり、出力感度が高い状態となっている。
即ち、図４に示す受光部と配線層との位置関係においては、共有画素２同士の間隙にトランジスタ素子が配置されていない領域（符号Ｐで示す領域）が垂直方向において周期的に形成されることとなる。そのために、実質的に光電変換領域が広がり、出力感度が高い状態となっている領域が、垂直方向において周期的に出現することとなる。
そして、撮像部３の上側方向に傾斜した角度で光が入射した場合には、「Ｇｂ１」に対応する受光部の出力感度が高くなる様な影響を受けやすい。一方、撮像部３の下側方向に傾斜した角度で光が入射した場合には、「Ｒ２」に対応する受光部の出力感度が高くなる様な影響を受けやすい。
なお、撮像部３の上側領域と下側領域とでは入射光の傾斜方向が異なり、入射光の傾斜方向が異なることで、出力感度が高い状態となっている領域が存在することに起因して影響を受けやすい受光部が異なることとなる。そのために、撮像部３の上側領域で影響を受けやすい受光部の配色（第１の実施の形態ではＧｂ１）と、撮像部３の下側領域で影響を受けやすい受光部の配色（第１の実施の形態ではＲ２）が異なることとなる。
上記の通り、撮像部３の上側領域では「Ｇｂ１」に対応する受光部が影響を受けやすく、「Ｇｂ２」に対応する受光部と比較して出力感度が高くなる。一方、撮像部３の下側領域では「Ｒ２」に対応する受光部が影響を受けやすく、「Ｒ１」に対応する受光部と比較して出力感度が高くなる。なお、撮像部３の中心領域から垂直方向（上下方向）の距離に比例して入射光の傾斜角度が大きくなるために、撮像部３の中心領域から垂直方向（上下方向）の距離に比例して影響を受けやすくなる。
ここで、全てのＯＣＬ１３の大きさが同一である場合の所定の光に対する「Ｇｂ１」、「Ｇｂ２」、「Ｇｒ１」及び「Ｇｒ２」に対応する受光部の信号出力値を表１に示している。
Figure 2011029291
表１から明らかな様に、撮像部３の上側領域で「Ｇｂ１」に対応する受光部の出力感度が「Ｇｂ２」に対応する受光部の出力感度よりも高くなっていることが分かる。また、撮像部３の中心領域から垂直方向（上下方向）の距離に比例して感度差（出力感度差）が大きくなっていることが分かる。
また、全てのＯＣＬ１３の大きさが同一である場合の所定の光に対する「Ｒ１」及び「Ｒ２」に対応する受光部の信号出力値を表２に示している。
Figure 2011029291
表２から明らかな様に、撮像部３の下側領域で「Ｒ２」に対応する受光部の出力感度が「Ｒ１」に対応する受光部の出力感度よりも高くなっていることが分かる。また、撮像部３の中心領域から垂直方向（上下方向）の距離に比例して感度差（出力感度差）が大きくなっていることが分かる。
そして、上記した様に、出力感度が高い状態となっている領域が垂直方向において周期的に出現することに起因して、垂直方向に周期性を有する線状欠陥が出力画像に生じてしまうといった画質劣化に至ってしまうこととなる。
こうした画質劣化を抑制すべく、上述の様に、撮像部３の上側領域の「Ｇｂ１」に対応するＯＣＬ１３を紙面上方に向かうに従って徐々に小さくなる様に形成し、そのことによって、撮像部３の上側領域における受光部の感度差を抑制することができる。
即ち、撮像部３の上側領域では「Ｇｂ１」に対応する受光部の出力感度が「Ｇｂ２」に対応する受光部の出力感度よりも高いことに起因して画質劣化が生じている。そのために、こうした感度差を低減すべく、「Ｇｂ１」に対応するＯＣＬ１３の集光特性を抑制しているのである。
同様に、撮像部３の下側領域の「Ｒ２」に対応するＯＣＬ１３を紙面下方に向かうに従って徐々に小さくなる様に形成し、そのことによって、撮像部３の下側領域における受光部の感度差を抑制することができる。
即ち、撮像部３の下側領域では「Ｒ２」に対応する受光部の出力感度が「Ｒ１」に対応する受光部の出力感度よりも高いことに起因して画質劣化が生じているために、こうした感度差を低減すべく、「Ｒ２」に対応するＯＣＬ１３の集光特性を抑制しているのである。
ここで、第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１の所定の光に対する「Ｇｂ１」、「Ｇｂ２」、「Ｇｒ１」及び「Ｇｒ２」に対応する受光部の信号出力値を表３−１、表３−２及び表３−３に示している。なお、表３−１、表３−２、表３−３の順にＯＣＬ１３の縮小率を大きくしている。
Figure 2011029291
Figure 2011029291
Figure 2011029291
表３−１及び表３−２から明らかな様に、ＯＣＬ１３の大きさを調整することによって、撮像部３の上側領域で「Ｇｂ１」に対応する受光部の出力感度が低下し、「Ｇｂ１」及び「Ｇｂ２」に対応する受光部の信号出力差が緩和されていることが分かる。なお、表３−３ではＯＣＬ１３の縮小率が大き過ぎたために、過補正の状態となっている。
また、第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１の所定の光に対する「Ｒ１」及び「Ｒ２」に対応する受光部の信号出力値を表４−１、表４−２及び表４−３に示している。なお、表４−１、表４−２、表４−３の順にＯＣＬ１３の縮小率を大きくしている。
Figure 2011029291
Figure 2011029291
Figure 2011029291
表４−１及び表４−２から明らかな様に、ＯＣＬ１３の大きさを調整することによって、撮像部３の下側領域で「Ｒ２」に対応する受光部の出力感度が低下し、「Ｒ１」及び「Ｒ２」に対応する受光部の信号出力差が緩和されていることが分かる。なお、表４−３ではＯＣＬ１３の縮小率が大き過ぎたために、過補正の状態となっている。
本実施の形態では、上述の様に、ＯＣＬ１３の大きさを調整して撮像部３の上側領域の「Ｇｂ１」及び「Ｇｂ２」に対応する受光部の信号出力差を緩和すると共に、撮像部３の下側領域の「Ｒ１」及び「Ｒ２」に対応する受光部の信号出力差を緩和している。
そのために、画素パターンの不均一に起因する感度差、具体的には、図４中符号Ｐで示す領域において実質的に光電変換領域が広がっていることに起因して生じる受光部間の感度差を低減することができる。そして、受光部間の感度差を低減することで、画素出力信号の均一化を図ることができ、周期的な画質劣化を抑制することができる。
また、本実施の形態では、斜めに隣り合う受光部７の間に、これら２つの受光部７で共有する１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）が配置された構造を採用しているために、受光部７の感度特性を低下することなく、撮像部３の縮小化が実現できる。
従って、本実施の形態では、いわゆる複数画素共有構造を採用することによる撮像部３の縮小化を実現すると共に、受光部に生じる周期的な感度差をも抑制することができ、ＣＭＯＳ型イメージセンサの小型化及び画質劣化の抑制の双方を実現することができる。
＜第２の実施の形態＞
［カメラの構成］
図１２は、本発明を適用したカメラの一例であるＣＭＯＳ型カメラの概略構成図である。そして、ここで示すカメラ７７は、上記した第１の実施の形態のＣＭＯＳ型イメージセンサを撮像デバイスとして用いたものである。
本発明を適用したカメラ７７では、被写体（図示せず）からの光は、レンズ７１等の光学系及びメカニカルシャッタ７２を経て固体撮像装置７３の撮像部に入射することとなる。なお、メカニカルシャッタ７２は、固体撮像装置７３の撮像部への光の入射を遮断して露光期間を決めるためのものである。
ここで、固体撮像装置７３は、上記した第１の実施の形態に係る固体撮像装置が用いられ、タイミング発生回路や駆動系等を含む駆動回路７４によって駆動されることとなる。
また、固体撮像装置７３の出力信号は、次段の信号処理回路７５によって、種々の信号処理が行われた後、撮像信号として外部に導出され、導出された撮像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶されたり、モニタ出力されたりすることとなる。
なお、メカニカルシャッタ７２の開閉制御、駆動回路７４の制御、信号処理回路７５の制御等はシステムコントローラ７６によって行われる。
本発明を適用したカメラでは、上述した本発明を適用した固体撮像装置を採用しているために、画素パターンの不均一に起因する感度差を低減することができ、画素出力信号の均一化を通じて、高画質の撮像画像を得ることが可能である。
＜２．変形例＞
［共有画素に関する変形例］
上記した第１の実施の形態では、図２（ａ）で示す態様でフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有しているが、必ずしも図２（ａ）で示す態様で共有する必要は無く、例えば、図２（ｂ）で示す態様で共有しても良い。
なお、図２（ｂ）で示す共有の態様では、ｉ，ｉ＋１，ｉ＋２・・・列と、ｊ，ｊ＋１，ｊ＋２・・・行からなる二次元アレイ中にて、（ｉ＋１，ｊ）座標の受光部と（ｉ，ｊ＋１）座標の受光部とが１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有している。また、（ｉ＋１，ｊ＋２）座標の受光部と（ｉ，ｊ＋３）座標の受光部とが１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）を共有している（図３（ｂ）参照。）。
上記した第１の実施の形態では、２つの画素でリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を共有する場合を例に挙げて説明を行っているが、必ずしも２つの画素でトランジスタ素子を共有する必要は無い。そのため、例えば、図８及び図９で示す様に、４つの画素でリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を共有した画素構成の組を配列しても良い。
なお、この場合には、受光部である４つのフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４及び各フォトダイオードと対応する転送トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１４が、リセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４を共有している。
４つの画素で共有画素２を形成する場合の撮像部３のレイアウトの一例である正方配列を図１０に示している。図１０で示すレイアウトでは、各共有画素２の下方側にリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３及び選択トランジスタＴｒ４が配置されている。
なお、４つの画素で共有画素２を形成する場合の撮像部３のレイアウトとしては、図１０に示す正方配列のみならず、図１１に示す様な斜め配列（ハニカム配列）を採用することもできる。
［ＯＣＬの集光特性を抑制する方向性についての変形例］
また、上記した第１の実施の形態では、垂直方向において図４中符号Ｐで示す実質的に光電変換領域が広がっている部分が周期的に出現する場合を例に挙げて説明を行っている。即ち、第１の実施の形態では、受光部とトランジスタ素子のゲートと接続する配線層との位置関係が垂直方向において周期的に異なる場合を例に挙げて説明を行っている。そのために、垂直方向において周期的にＯＣＬ１３の集光特性を制御することによって、画素出力信号の均一化を実現している。
しかしながら、本発明の適用は、受光部とトランジスタ素子のゲートと接続する配線層との位置関係が垂直方向において周期的に異なる場合に制限されるものではない。例えば、受光部とトランジスタ素子のゲートと接続する配線層との位置関係が水平方向において周期的に異なる場合には、水平方向において周期的にＯＣＬ１３の集光特性を抑制することによって、画素出力信号の均一化を実現することができる。
また、受光部とトランジスタ素子のゲートと接続する配線層との位置関係が垂直方向及び水平方向において周期的に異なる場合には、垂直方向及び水平方向において周期的にＯＣＬ１３の集光特性を抑制することによって、画素出力の均一化を実現することができる。
［オンチップカラーフィルタに関する変形例］
また、上記した第１の実施の形態では、いわゆるベイヤー配列が採用されているオンチップカラーフィルタ１４を例に挙げて説明を行っている。しかしながら、オンチップカラーフィルタ１４は受光部７に所定の規則で配色を行うことができれば充分であり、必ずしもベイヤー配列を採用する必要は無い。
更に、上記した第１の実施の形態では、図４中符号Ｐで示す領域の上下に位置する受光部が「Ｒ２」及び「Ｇｂ１」に対応していたために、「Ｒ２」及び「Ｇｂ１」に対応するＯＣＬ１３の集光特性を抑制する場合を例に挙げて説明を行っている。しかしながら、図４中符号Ｐで示す領域の上下に位置する受光部が必ずしも「Ｒ２」及び「Ｇｂ１」に対応する必要は無い。
即ち、図４中符号Ｐで示す領域の上下に位置する受光部に対応するＯＣＬ１３の集光特性を抑制することで画素出力の均一化を実現できるのであって、オンチップカラーフィルタによる配色は、集光特性の抑制の対象となるＯＣＬ１３の特定とは直接の関係は無い。
１ ＣＭＯＳ型イメージセンサ
２ 共有画素
３ 撮像部
４ 垂直駆動部
５ 水平転送部
６ 出力部
７ 受光部
８ 垂直信号線
９ アナログデジタル変換器
１０ 水平転送線
１１ 信号処理回路
１２ 出力バッファ
１３ オンチップレンズ
１４ オンチップカラーフィルタ
１５ 境界領域
１６ 光透過領域
１７ 配線層
２０ フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域
４１ ソース領域
４２ ドレイン領域
４３ リセットゲート電極
４４ ソース領域（ドレイン領域）
４５ ドレイン領域
４６ 増幅ゲート電極
４７ ソース領域
４８ 選択ゲート電極
４９ 配線
５０ 基板
５１ 光透過絶縁膜
７１ レンズ
７２ メカニカルシャッタ
７３ 固体撮像装置
７４ 駆動回路
７５ 信号処理回路
７６ システムコントローラ
７７ カメラ

Claims (8)

  1. 複数の受光部がマトリクス状に形成されると共に、前記受光部同士の間隙に配線層が形成された撮像部と、
    該撮像部の上方に配置され、所定の規則で前記受光部に配色するカラーフィルタと、
    前記受光部に対する前記配線層の配置が周期的に異なることに起因して同一規則で同一色が配された前記受光部間に生じる感度差に応じて集光特性が異なると共に、前記受光部にそれぞれ対応させて前記カラーフィルタの上方に配置されたオンチップレンズとを備える
    固体撮像装置。
  2. 前記受光部に対する前記配線層の配置が垂直方向において周期的に異なり、
    前記オンチップレンズの集光特性は、前記撮像部の中央領域から垂直方向の距離に応じて抑制されており、
    前記撮像部の中央領域よりも一方の垂直方向側で集光特性が抑制された前記オンチップレンズに対応する受光部に配された色と、前記撮像部の中央領域よりも他方の垂直方向側で集光特性が抑制された前記オンチップレンズに対応する受光部に配された色とは異なる
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記受光部に対する前記配線層の配置が水平方向において周期的に異なり、
    前記オンチップレンズの集光特性は、前記撮像部の中央領域から水平方向の距離に応じて抑制されており、
    前記撮像部の中央領域よりも一方の水平方向側で集光特性が抑制された前記オンチップレンズに対応する受光部に配された色と、前記撮像部の中央領域よりも他方の水平方向側で集光特性が抑制された前記オンチップレンズに対応する受光部に配された色とは異なる
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記受光部に対する前記配線層の配置が垂直方向及び水平方向において周期的に異なり、
    前記オンチップレンズの集光特性は、前記撮像部の中央領域からの距離に応じて抑制されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 前記オンチップレンズの集光特性は、順次抑制されている
    請求項２、請求項３若しくは請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記オンチップレンズの集光特性は、段階的に抑制されている
    請求項２、請求項３若しくは請求項４に記載の固体撮像装置。
  7. 前記受光部で光電変換によって発生した電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部を備え、
    複数の前記受光部が前記電荷電圧変換部を共有可能に構成されている
    請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５若しくは請求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 複数の受光部がマトリクス状に形成されると共に、前記受光部同士の間隙に配線層が形成された撮像部と、該撮像部の上方に配置され、所定の規則で前記受光部に配色するカラーフィルタと、前記受光部に対する前記配線層の配置が周期的に異なることに起因して同一規則で同一色が配された前記受光部間に生じる感度差に応じて集光特性が異なると共に、前記受光部にそれぞれ対応させて前記カラーフィルタの上方に配置されたオンチップレンズとを有する固体撮像装置と、
    前記撮像部に入射光を導く光学系と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備える
    カメラ。
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