JP2011254090A - Semiconductor image sensor - Google Patents

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郁夫 吉原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To further improve resolution of a semiconductor image sensor and to simplify an operational expression of a chrominance signal.SOLUTION: A semiconductor image sensor includes a plurality of pixels having: photoelectric conversion means; and MOS transistors selectively reading out the photoelectric conversion means, including: a first pixel group in which the plural pixels 103A are arranged in a horizontal direction and in a vertical direction by respective predetermined pitches in a two-dimensional manner; and a second pixel group in which, in the state that it is shifted relative to the first pixel group in the horizontal direction and in the vertical direction by a substantially 1/2 pitch relative to said pitch, the plural pixels 103B are arranged in the two-dimensional manner. As an on-chip color filter corresponding to the first pixel group, a complementary color filter is used.

Description

本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に使用される半導体イメージセンサに関するものである。   The present invention relates to a semiconductor image sensor used for a video camera, a digital still camera, or the like.

半導体イメージセンサは、光電変換手段とMOSトランジスタとを含む複数の画素を備え、この画素の信号をMOSトランジスタにより選択して読み出す半導体デバイスである。近年、この半導体イメージセンサ、特にCMOS(相補型MOS)プロセスで製造される所謂CMOSイメージセンサは、低電圧・低消費電力、多機能であり、かつ周辺回路とワン・チップ化できるSOC(システムオンチップ)という利点を有している。従って、携帯電話用のカメラ、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等の撮像素子として注目され使用されている。   The semiconductor image sensor is a semiconductor device that includes a plurality of pixels including photoelectric conversion means and a MOS transistor, and selects and reads signals from the pixels by the MOS transistor. In recent years, this semiconductor image sensor, in particular, a so-called CMOS image sensor manufactured by a CMOS (complementary MOS) process has a low voltage, low power consumption, multiple functions, and an SOC (system-on) that can be integrated into one chip with peripheral circuits. Chip). Therefore, it is attracting attention and used as an imaging device for a camera for a mobile phone, a digital still camera, a digital video camera, or the like.

図17に、半導体イメージセンサの構成(等価回路)の一例を示す。このCMOSイメージセンサ1は、同一の半導体基板上に、光電変換を行うフォトダイオード2と、このフォトダイオード2を選択読み出すための複数のMOSトランジスタとからなる複数の画素3を二次元的に配列した撮像素子形成領域4を備えて成る。さらに同一の半導体基板上の撮像領素子形成域4の周辺に、画素の選択と信号出力のための周辺回路5、6を備えている。この画素選択のための回路5及び出力回路6を含む領域は、周辺回路形成領域という。撮像素子形成領域4においては、各画素3が1つのフォトダイオード2と、複数のMOSトランジスタ、この例では転送用トランジスタ8、リセットトランジスタ9及び増幅トランジスタ10の3個のMOSトランジスタとで構成されている。また、周辺回路形成領域においては、画素選択のための回路(垂直走査回路)5と出力回路(水平走査・出力回路)6が、CMOSトランジスタを用いて構成されている。   FIG. 17 shows an example of the configuration (equivalent circuit) of the semiconductor image sensor. In the CMOS image sensor 1, a plurality of pixels 3 each including a photodiode 2 for performing photoelectric conversion and a plurality of MOS transistors for selectively reading out the photodiode 2 are two-dimensionally arranged on the same semiconductor substrate. An imaging element forming region 4 is provided. Further, peripheral circuits 5 and 6 for pixel selection and signal output are provided around the imaging region formation area 4 on the same semiconductor substrate. The region including the circuit 5 and the output circuit 6 for pixel selection is called a peripheral circuit formation region. In the imaging element formation region 4, each pixel 3 is composed of one photodiode 2 and a plurality of MOS transistors, in this example, three MOS transistors including a transfer transistor 8, a reset transistor 9, and an amplification transistor 10. Yes. In the peripheral circuit formation region, a pixel selection circuit (vertical scanning circuit) 5 and an output circuit (horizontal scanning / output circuit) 6 are configured using CMOS transistors.

図17において、フォトダイオード2は転送用トランジスタ8のソースに接続される。転送用トランジスタ8のゲートには転送用配線11が接続される。転送用トランジスタ8のドレインは、リセットトランジスタ9のソースに接続されると共に、転送用トランジスタ8のドレインとリセットトランジスタ9のソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDが増幅トランジスタ10のゲートに接続される。リセットトランジスタ9のゲートはリセット配線12に接続される。また、リセットトランジスタ9のドレインと増幅トランジスタ10のドレインは電源供給するための電源配線13に接続される。増幅トランジスタ10のソースは垂直信号線14に接続される。   In FIG. 17, the photodiode 2 is connected to the source of the transfer transistor 8. A transfer wiring 11 is connected to the gate of the transfer transistor 8. The drain of the transfer transistor 8 is connected to the source of the reset transistor 9, and a so-called floating diffusion FD between the drain of the transfer transistor 8 and the source of the reset transistor 9 is connected to the gate of the amplification transistor 10. The gate of the reset transistor 9 is connected to the reset wiring 12. Further, the drain of the reset transistor 9 and the drain of the amplification transistor 10 are connected to a power supply wiring 13 for supplying power. The source of the amplification transistor 10 is connected to the vertical signal line 14.

このCMOSイメージセンサ1では、フォトダイオード2において光電変換される。フォトダイオードの光電子(信号電荷)は、転送用トランジスタ8により選択されて転送用トランジスタ8を通じてフローティング・ディフージョンFDに転送される。フローティング・ディフージョンFDは増幅トランジスタ10に接続されているので、フローティング・ディフージョンFDの電位に対応した信号が増幅トランジスタ10を通じて垂直信号線14に出力される。
リセットトランジスタ9は、フローティング・ディフージョンFDの信号電荷を電源配線13に捨てることによって、フローティング・ディフージョンFDの信号電荷をリセットする。横方向の配線11、12、13は同一行の画素3について共通となっており、画素選択のための回路5によって制御される。
In the CMOS image sensor 1, photoelectric conversion is performed in the photodiode 2. Photoelectrons (signal charges) of the photodiode are selected by the transfer transistor 8 and transferred to the floating diffusion FD through the transfer transistor 8. Since the floating diffusion FD is connected to the amplification transistor 10, a signal corresponding to the potential of the floating diffusion FD is output to the vertical signal line 14 through the amplification transistor 10.
The reset transistor 9 resets the signal charge of the floating diffusion FD by discarding the signal charge of the floating diffusion FD to the power supply wiring 13. The horizontal wirings 11, 12, and 13 are common to the pixels 3 in the same row, and are controlled by a circuit 5 for pixel selection.

従来、一般のカラー用固体撮像装置は、各画素毎にカラーフィルタを載せ、そのカラーフィルタを透過した、特定波長の光信号を検知するものである。したがって、光電変換を行う半導体部に到達する光は、入射光の一部となり、カラーフィルタを載せない場合に比べて、信号出力が低下する。   Conventionally, a general color solid-state imaging device is provided with a color filter for each pixel and detects an optical signal having a specific wavelength transmitted through the color filter. Therefore, the light reaching the semiconductor portion that performs photoelectric conversion becomes a part of the incident light, and the signal output is reduced as compared with the case where no color filter is mounted.

また、特許文献1には、「三重ウェル構造利用のアクティブピクセル結像アレイでのカラー分離」として、カラーフィルタを用いないで3原色(赤、緑、青)の信号を検出するようにした、3層構造のpnフォトダイオードによる光検出装置が提案されている。この提案によれば、各フォトダイオードの端子が半導体界面部に形成され、各端子が増幅器として働くMOSトランジスタのゲートに接続されて、各フォトダイオードの信号が増幅して読み出される。   Further, in Patent Document 1, as “color separation in an active pixel imaging array using a triple well structure”, signals of three primary colors (red, green, and blue) are detected without using a color filter. A photodetector using a pn photodiode having a three-layer structure has been proposed. According to this proposal, the terminals of each photodiode are formed at the semiconductor interface, and each terminal is connected to the gate of a MOS transistor that functions as an amplifier, so that the signal of each photodiode is amplified and read out.

図16に、特許文献1における光センサの構成を示す。この光センサ31は、p型半導体基板32にn型半導体層(ウェル領域)33、その上のp型半導体層(ウェル領域)34、その上の半導体界面のn型半導体層(ウェル領域)35が形成され、p型半導体基板32とn型半導体層33との組み合わせ、n型半導体層33とp型半導体層34との組み合わせ、p型半導体層34とn型半導体層35との組み合わせで、3つのフォトダイオード、すなわち赤色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び青色フォトダイオードが形成される。そして、赤、緑、青の各フォトダイオードに、これに蓄積する信号電荷を読み出す検出するための電流メータ41、42、43が接続されて構成される。   FIG. 16 shows the configuration of the optical sensor in Patent Document 1. The optical sensor 31 includes an n-type semiconductor layer (well region) 33 on a p-type semiconductor substrate 32, a p-type semiconductor layer (well region) 34 thereon, and an n-type semiconductor layer (well region) 35 on the semiconductor interface thereon. And a combination of the p-type semiconductor substrate 32 and the n-type semiconductor layer 33, a combination of the n-type semiconductor layer 33 and the p-type semiconductor layer 34, and a combination of the p-type semiconductor layer 34 and the n-type semiconductor layer 35. Three photodiodes are formed, a red photodiode, a green photodiode, and a blue photodiode. The red, green, and blue photodiodes are connected to current meters 41, 42, and 43 for detecting signal charges stored in the photodiodes.

上述したCMOSイメージセンサあるいは光センサは、どちらも色の分離に関して半導体の光吸収係数が光の波長に依存することを利用している。
特許文献1の光センサ31では、同一の半導体基板32において、短波長すなわち青色光の光電変換部(フォトダイオード)を最上層に、長波長すなわち赤色光の光電変換部(フォトダイオード)を最下層に、その中間波長すなわち緑色光の光電変換部(フォトダイオード)を中間層に設けることにより、色の分離を行っている。これによれば、入射光を無駄なく利用することができ、一般のカラーフィルタ方式に比べて、信号出力を上げることができる。また、二次元的には、同一の場所から3種の色信号を取り出すことができるため、一つの画素から1種の色信号を取出すカラーフィルタ方式に比べて、色解像度を上げることができる。 しかし、各フォトダイオードの電極が深さ方向に隣接するフォトダイオードの電極と共通化されているため、一つのフォトダイオードの信号電圧が深さ方向に隣接する別のフォトダイオードの信号電圧によって影響を受け、各フォトダイオードの信号を独立に取り出すのが難しい。さらに、各フォトダイオードをリセットするときに、フォトダイオードの容量に起因するkTCノイズが乗るため、S/Nが取れないという問題を含んでいる。
Both the CMOS image sensor and the optical sensor described above utilize the fact that the light absorption coefficient of a semiconductor depends on the wavelength of light with respect to color separation.
In the optical sensor 31 of Patent Document 1, in the same semiconductor substrate 32, the short wavelength, that is, the blue light photoelectric conversion portion (photodiode) is the uppermost layer, and the long wavelength, that is, the red light photoelectric conversion portion (photodiode) is the lowermost layer. In addition, color separation is performed by providing a photoelectric conversion portion (photodiode) of the intermediate wavelength, that is, green light in the intermediate layer. According to this, incident light can be used without waste, and the signal output can be increased as compared with a general color filter system. Also, two-dimensionally, since three types of color signals can be extracted from the same location, the color resolution can be increased as compared with a color filter system that extracts one type of color signal from one pixel. However, since the electrodes of each photodiode are shared with the electrodes of photodiodes adjacent in the depth direction, the signal voltage of one photodiode is affected by the signal voltage of another photodiode adjacent in the depth direction. As a result, it is difficult to take out the signal of each photodiode independently. Further, when resetting each photodiode, there is a problem that S / N cannot be obtained because kTC noise due to the capacitance of the photodiode is applied.

一方、特許文献2では、補色フィルタのマゼンタ(Mg)フィルタと原色フィルタの緑(G)フィルタとを水力方向及び水平方向に交互に配列してなるカラーフィルタを用いて、マゼンタフィルタを積層した受光部の深さ方向に分離した第1、第2の半導体層で赤(R),青(B)の色信号を検出し、緑フィルタを積層した受光部で緑(G)の色信号を検出するようにしたMOS型カラー固体撮像装置も提案されている。これによれば、忠実な色再現性が可能になり、高画質化も達成可能となる。   On the other hand, in Patent Document 2, light reception in which magenta filters are stacked using a color filter in which a magenta (Mg) filter as a complementary color filter and a green (G) filter as a primary color filter are alternately arranged in a hydraulic direction and a horizontal direction is used. Red (R) and blue (B) color signals are detected by the first and second semiconductor layers separated in the depth direction of the part, and a green (G) color signal is detected by the light receiving part in which the green filters are stacked. A MOS-type color solid-state imaging device configured as described above has also been proposed. According to this, faithful color reproducibility can be achieved, and high image quality can also be achieved.

特表2002−513145号公報JP-T-2002-513145 特開2004−281773号公報JP 2004-281773 A

ところで、上述のようなMOS型の半導体イメージセンサにおいては、混色、ノイズを抑え、高い色分離性を有しながら更なる解像度化の向上が望まれている。また、信号処理の高速化、簡略化のためには、色信号を検出するための演算式の更なる簡略化が望まれている。   By the way, in the MOS type semiconductor image sensor as described above, it is desired to further improve the resolution while suppressing color mixing and noise and having high color separation. Further, in order to increase the speed and simplification of signal processing, further simplification of an arithmetic expression for detecting a color signal is desired.

本発明は、上述の点に鑑み、解像度の更なる向上を図り、色信号の演算式の簡略化を図った半導体イメージセンサを提供するものである。   In view of the above, the present invention provides a semiconductor image sensor in which the resolution is further improved and the arithmetic expression of the color signal is simplified.

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、第1の画素グループに対応するオンチップカラーフィルタに補色フィルタを用いて成ることを特徴とする。   A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor including a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion unit. A first pixel group arranged at a predetermined pitch in each of the vertical directions and a plurality of two-dimensionally a plurality of pixels in a state shifted from the first pixel group by about ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction. And a second pixel group in which the pixels are arranged, and a complementary color filter is used as an on-chip color filter corresponding to the first pixel group.

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平及び垂直方向に略1/2ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第2の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の2倍になり、解像度の向上が図れる。第1の画素グループに対応するオンチップカラーフィルタに補色フィルタを用いることにより、いわゆる斜め画素ずらしにおける色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。   In the semiconductor image sensor of the present invention, the first pixel group in which a plurality of pixels are arranged at predetermined pitches in the horizontal and vertical directions, and the first pixel group are shifted by approximately ½ pitch in the horizontal and vertical directions. By providing the second pixel group in which a plurality of pixels are arranged in the above state, the number of recorded pixels is doubled as the number of effective pixels, and the resolution can be improved. By using a complementary color filter for the on-chip color filter corresponding to the first pixel group, it is possible to simplify an arithmetic expression for forming a color signal in so-called diagonal pixel shift.

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、第1の画素グループの光電変換手段は複数の積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる2つの光電変換信号を取り出すようにして成ることを特徴とする。   A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor including a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion unit. A first pixel group arranged at a predetermined pitch in each of the vertical directions and a plurality of two-dimensionally a plurality of pixels in a state shifted from the first pixel group by about ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction. And a second pixel group in which the pixels are arranged, the photoelectric conversion means of the first pixel group has a plurality of stacked structures, and two photoelectric conversion signals having different peak wavelengths are extracted from the same pixel. It is characterized by comprising.

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平及び垂直方向に略1/2ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第2の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の2倍になり、解像度の向上が図れる。第1の画素グループの光電変換手段は複数の積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる2つの光電変換信号を取り出すようにして成るので、いわゆる斜め画素ずらしにおける色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。   In the semiconductor image sensor of the present invention, the first pixel group in which a plurality of pixels are arranged at predetermined pitches in the horizontal and vertical directions, and the first pixel group are shifted by approximately ½ pitch in the horizontal and vertical directions. By providing the second pixel group in which a plurality of pixels are arranged in the above state, the number of recorded pixels is doubled as the number of effective pixels, and the resolution can be improved. Since the photoelectric conversion means of the first pixel group has a plurality of stacked structures and takes out two photoelectric conversion signals having different peak wavelengths from the same pixel, an arithmetic expression for forming a color signal in so-called oblique pixel shift Can be simplified.

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、第1の画素グループの各第1画素は異なる原色の第1及び第2の色成分信号が分離して検出される構成とされ、第2の画素グループの各第2画素は前記原色と異なる原色の第3の色成分信号が検出される構成とされ、隣り合う第1画素と第2画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に前記画素グループの画素の1ピッチ未満の長さを半径とした円内に含む第1画素及び第2画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出することを特徴とする。   A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor including a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion unit. A first pixel group arranged at a predetermined pitch in each of the vertical directions and a plurality of two-dimensionally a plurality of pixels in a state shifted from the first pixel group by about ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction. Each of the first pixels in the first pixel group is configured to detect the first and second color component signals of different primary colors separately, Each second pixel of the two pixel groups is configured to detect a third color component signal of a primary color different from the primary color, and an area extending between the adjacent first pixel and the second pixel is a virtual pixel, The virtual pixel And detecting a color signal a length less than one pitch of the pixels of the pixel group in the center of the first pixel and the color component signals of the second pixels included within the circle having the radius and processing.

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平及び垂直方向に略1/2ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第2の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の2倍になり、解像度の向上が図れる。第1画素を異なる原色の第1、第2の色成分信号が検出できる構成とし、第2画素を原色の第3の色成分信号が検出できる構成とし、隣り合う第1画素と第2画素とに跨がる領域を仮想画素として、この仮想画素を中心に画素グループの画素の1ピッチ未満の長さを半径とした円内に含む第1画素及び第2画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出することにより、色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。   In the semiconductor image sensor of the present invention, the first pixel group in which a plurality of pixels are arranged at predetermined pitches in the horizontal and vertical directions, and the first pixel group are shifted by approximately ½ pitch in the horizontal and vertical directions. By providing the second pixel group in which a plurality of pixels are arranged in the above state, the number of recorded pixels is doubled as the number of effective pixels, and the resolution can be improved. The first pixel is configured to detect the first and second color component signals of different primary colors, the second pixel is configured to be able to detect the third color component signal of the primary color, and the adjacent first and second pixels A region extending over the virtual pixel is used as a virtual pixel, and calculation processing is performed from the color component signals of the first pixel and the second pixel included in a circle having a radius of less than one pitch of the pixel of the pixel group around the virtual pixel. By detecting the color signal, the arithmetic expression for forming the color signal can be simplified.

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、第1の画素グループの各第1画素は異なる原色の第1及び第2の信号成分が分離して検出される構成とされ、第2の画素グループの各第2画素は前記原色とは異なる原色の第3の色成分信号が検出される構成とされ、隣り合う第1画素と第2画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に画素グループの画素の1ピッチの長さを半径とした円に接した画素を含んで該円内に含む第1画素及び第2画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出することを特徴とする。   A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor including a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion unit. A first pixel group arranged at a predetermined pitch in each of the vertical directions and a plurality of two-dimensionally a plurality of pixels in a state shifted from the first pixel group by about ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction. And a second pixel group in which the first and second pixels are arranged, and each first pixel of the first pixel group is configured to detect the first and second signal components of different primary colors separately, Each of the second pixels in the pixel group is configured to detect a third color component signal of a primary color different from the primary color, and a region extending between the adjacent first pixel and second pixel is a virtual pixel. The virtual pixel A color signal is detected by performing arithmetic processing from the color component signals of the first pixel and the second pixel included in the circle, including a pixel in contact with a circle whose radius is the length of one pitch of the pixels of the pixel group in the center. It is characterized by that.

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第1の画素グループと、第1の画素グループに対して水平及び垂直方向に略1/2ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第2の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の2倍になり、解像度の向上が図れる。第1画素を異なる原色の第1、第2の色成分信号が検出できる構成とし、第2画素を原色の第3の色成分信号が検出できる構成とし、隣り合う第1画素と第2画素とに跨がる領域を仮想画素として、この仮想画素を中心に画素グループの画素の1ピッチの長さを半径とした円に接した画素を含んで該円内に含む第1画素及び第2画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出することにより、色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。   In the semiconductor image sensor of the present invention, the first pixel group in which a plurality of pixels are arranged at predetermined pitches in the horizontal and vertical directions, and the first pixel group are shifted by approximately ½ pitch in the horizontal and vertical directions. By providing the second pixel group in which a plurality of pixels are arranged in the above state, the number of recorded pixels is doubled as the number of effective pixels, and the resolution can be improved. The first pixel is configured to detect the first and second color component signals of different primary colors, the second pixel is configured to be able to detect the third color component signal of the primary color, and the adjacent first and second pixels A first pixel and a second pixel included in the circle including a pixel in contact with a circle whose center is the virtual pixel and whose radius is one pitch length of the pixel group. The arithmetic expression for forming the color signal can be simplified by calculating the color signal and detecting the color signal.

本発明に係る半導体イメージセンサによれば、解像度を更に向上することができるので、一般的な正方画素配列よりも水平、垂直方向の情報をより緻密に再現し、より鮮明な画像を再現することができる。また、色信号の演算式を簡略化することができるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。   According to the semiconductor image sensor of the present invention, since the resolution can be further improved, information in the horizontal and vertical directions can be reproduced more precisely than a general square pixel arrangement, and a clearer image can be reproduced. Can do. In addition, since the arithmetic expression of the color signal can be simplified, it becomes easy to speed up and simplify the subsequent signal processing.

本発明に係る半導体イメージセンサの第1実施の形態を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a semiconductor image sensor according to the present invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの第1実施の形態の第2画素グループの画素(G画素)の半導体断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor sectional structure of the pixel (G pixel) of the 2nd pixel group of 1st Embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの第1実施の形態の第1画素グループの画素(R/B画素)の半導体断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor sectional structure of the pixel (R / B pixel) of the 1st pixel group of 1st Embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの第2実施の形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows 2nd Embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの第2実施の形態の第2画素グループの画素(G画素)の半導体断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor sectional structure of the pixel (G pixel) of the 2nd pixel group of 2nd Embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの第2実施の形態の第1画素グループの画素(Mg画素)の半導体断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor sectional structure of the pixel (Mg pixel) of the 1st pixel group of 2nd Embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. A,B 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号の演算式の説明に供する説明図、及び画素のピッチの説明に供する説明図である。FIGS. 4A and 4B are an explanatory diagram for explaining an arithmetic expression of color signals of a semiconductor image sensor according to the present invention and an explanatory diagram for explaining a pitch of pixels. 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号の演算式の説明に供する説明図である。It is explanatory drawing with which it uses for description of the calculation formula of the color signal of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の一例の説明に供する説明図である。It is explanatory drawing with which it uses for description of an example of the computing equation which calculates the color signal of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の他の例の説明に供する説明図である。It is explanatory drawing with which it uses for description of the other example of the computing equation which calculates the color signal of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の他の例の説明に供する説明図である。It is explanatory drawing with which it uses for description of the other example of the computing equation which calculates the color signal of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の他の例の説明に供する説明図である。It is explanatory drawing with which it uses for description of the other example of the computing equation which calculates the color signal of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの他の実施の形態を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows other embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. 本発明に係る半導体イメージセンサの他の実施の形態を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows other embodiment of the semiconductor image sensor which concerns on this invention. ベイヤ式カラーフィルタを有する半導体イメージセンサの色信号の演算の説明に供するベイヤ式カラーフィルタの原理図である。It is a principle figure of a Bayer type color filter used for explanation of calculation of a color signal of a semiconductor image sensor which has a Bayer type color filter. 従来のフィルタ無しのイメージセンサの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional image sensor without a filter. CMOSイメージセンサの概略等価回路図である。It is a schematic equivalent circuit diagram of a CMOS image sensor.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるCMOSイメージセンサの概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、オンチップカラーフィルタを用いないで色分離する例である。本実施の形態に係る半導体イメージセンサ61は、同一半導体基板62の表面上に形成した、複数の画素63を二次元的に配列した受光領域となる撮像領域64と、この撮像領域64の外側に配置した画素63の選択と信号出力のための周辺回路65、66を備えて成る。一方の周辺回路65は、撮像領域64の側辺に位置する垂直走査回路(いわゆる垂直レジスタ回路)にて構成される。他方の周辺回路66は、撮像領域64の下側に位置する水平走査回路(いわゆる水平レジスタ回路)及び出力回路等(信号増幅回路、A/D変換回路、同期信号発生回路等を含む)にて構成される。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a semiconductor image sensor according to a first embodiment of the present invention, a so-called CMOS image sensor. The semiconductor image sensor of this embodiment is an example of color separation without using an on-chip color filter. The semiconductor image sensor 61 according to the present embodiment is formed on the surface of the same semiconductor substrate 62. The imaging region 64 is a light receiving region in which a plurality of pixels 63 are two-dimensionally arranged, and outside the imaging region 64. Peripheral circuits 65 and 66 for selecting the arranged pixels 63 and outputting signals are provided. One peripheral circuit 65 is configured by a vertical scanning circuit (so-called vertical register circuit) located on the side of the imaging region 64. The other peripheral circuit 66 is a horizontal scanning circuit (so-called horizontal register circuit) and an output circuit (including a signal amplification circuit, an A / D conversion circuit, a synchronization signal generation circuit, etc.) located below the imaging region 64. Composed.

撮像領域64では、複数の画素がいわゆる斜め配列される。すなわち、二次元的に複数の画素63Aを水平方向及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチW1で略格子状に配置した第1画素グループと、第1画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチW1の略1/2のピッチだけずらした状態で二次元的に複数の画素63Bを配置した第2画素グループとにより構成され、丁度画素63A,63Bが斜めにずらした正方格子状に配列形成されている。本例では、奇数行に画素63Bが配列され、1/2ピッチずれて偶数行に画素63Aが配列される。   In the imaging region 64, a plurality of pixels are so-called diagonally arranged. That is, a first pixel group in which a plurality of pixels 63A are two-dimensionally arranged in a substantially lattice pattern with a predetermined pitch W1 in the horizontal direction and the vertical direction, and the pitch W1 in both the horizontal direction and the vertical direction with respect to the first pixel group. And a second pixel group in which a plurality of pixels 63B are two-dimensionally arranged in a state shifted by approximately a half pitch, and the pixels 63A and 63B are arranged in a square lattice pattern that is shifted diagonally. Yes. In this example, the pixels 63B are arranged in the odd rows, and the pixels 63A are arranged in the even rows with a ½ pitch shift.

第1画素グループの各画素(いわゆる第1画素)63Aは、同一画素から異なる原色の2つの色成分信号、本例では赤(R)色と青(B)色に対応したそれぞれの赤色成分信号と青色成分信号を分離して検出する画素構造を有して構成される。図3に、この第1画素63Aの半導体断面構造を示す。第1導電型の半導体基板、本例ではn型のシリコン半導体基板71に第2導電型の半導体ウェル領域、本例ではp型半導体ウェル領域72が形成され、このp型半導体ウェル領域72の表面に所要の深さ方向の幅h1、本例では0.1μm〜0.3μmの幅h1を有する青色光の光電変換領域となるn型半導体領域73が形成される。さらに、p型半導体ウェル領域72内の深部において、所要の深さ方向の幅h2、本例では表面からの深さで表すと0.8μm〜2.5μmの幅h2を有する赤色光の光電変換領域となるn型半導体領域74が形成される。さらに、n型半導体ウェル領域73の表面及びn型半導体領域74の一部基板表面側に延びる領域の表面とにわたるように、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域75が形成される。   Each pixel (so-called first pixel) 63A in the first pixel group has two color component signals of different primary colors from the same pixel, in this example, red component signals corresponding to red (R) and blue (B) colors. And a pixel structure for separately detecting the blue component signal. FIG. 3 shows a semiconductor cross-sectional structure of the first pixel 63A. A second conductivity type semiconductor well region, in this example, a p-type semiconductor well region 72, is formed on a first conductivity type semiconductor substrate, in this example, an n-type silicon semiconductor substrate 71, and the surface of this p-type semiconductor well region 72 is formed. Then, an n-type semiconductor region 73 is formed as a blue light photoelectric conversion region having a required depth h1 in the depth direction, in this example, a width h1 of 0.1 μm to 0.3 μm. Further, in the deep part in the p-type semiconductor well region 72, photoelectric conversion of red light having a required width h2 in the depth direction, in this example, a depth h2 of 0.8 μm to 2.5 μm in depth from the surface. An n-type semiconductor region 74 to be a region is formed. Further, a p-type accumulation region 75 for suppressing dark current is formed so as to extend over the surface of the n-type semiconductor well region 73 and the surface of the region of the n-type semiconductor region 74 that extends partially toward the substrate surface. .

n型半導体領域73とp+ アキュミュレーション領域75とp型半導体ウェル領域74とにより青色光電変換手段であるフォトダイオードPDbが形成され、n型半導体領域74とp型アキュミュレーション領域75とp型半導体ウェル領域72とにより赤色光電変換手段であるフォトダイオードPDrが形成される。これらフォトダイオードPDb,PDrは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域75が形成された所謂HADセンサ(Hole Accumulation Diode)として構成される。   The n-type semiconductor region 73, the p + accumulation region 75 and the p-type semiconductor well region 74 form a photodiode PDb which is a blue photoelectric conversion means. The n-type semiconductor region 74, the p-type accumulation region 75 and the p-type accumulation region 75 A photodiode PDr which is a red photoelectric conversion means is formed by the type semiconductor well region 72. These photodiodes PDb and PDr are configured as a so-called HAD sensor (Hole Accumulation Diode) in which a p-type accumulation region 75 is formed at the interface of the substrate surface.

p型半導体ウェル領域72のフォトダイオードPDb及びPDrを挟む両側の領域、すなわち基板表面側に、それぞれフローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域77及び78が形成される。そして、基板表面において青色用フォトダイオードPDbを構成するn型半導体領域73と一方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域77との間、すなわち、n型半導体領域73に連続して基板表面に臨むチャネル領域79上にゲート絶縁膜を介してゲート電極80が形成されて、転送用トランジスタTr1bが形成される。また、基板表面において赤色用フォトダイオードPDrを構成するn型半導体領域74と他方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域78との間、すなわち、n型半導体領域74に連続して基板表面に臨むチャネル領域81上にゲート絶縁膜を介してゲート電極82が形成されて、転送用トランジスタTr1rが形成される。画素63Aは、p型半導体ウェル領域72に形成された例えば選択酸化層による絶縁分離領域あるいはトレンチ分離領域等による素子分離領域84により隣接画素と分離される。   In the p-type semiconductor well region 72, the n-type semiconductor regions 77 and 78 serving as the floating diffusion FD are formed on both sides of the photodiodes PDb and PDr, that is, on the substrate surface side. Then, between the n-type semiconductor region 73 constituting the blue photodiode PDb on the substrate surface and the n-type semiconductor region 77 serving as one floating diffusion, that is, continuously to the n-type semiconductor region 73 on the substrate surface. A gate electrode 80 is formed on the facing channel region 79 via a gate insulating film, and a transfer transistor Tr1b is formed. Further, between the n-type semiconductor region 74 constituting the red photodiode PDr on the substrate surface and the n-type semiconductor region 78 serving as the other floating diffusion, that is, continuous to the n-type semiconductor region 74 on the substrate surface. A gate electrode 82 is formed on the facing channel region 81 via a gate insulating film, and a transfer transistor Tr1r is formed. The pixel 63A is separated from adjacent pixels by an element isolation region 84 formed in the p-type semiconductor well region 72, for example, an insulating isolation region by a selective oxide layer or a trench isolation region.

この画素63Aは、1つの画素構造内に青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードPDb及びPDrが積層された構造になっている。この画素63Aによれば、波長の短い青色光は浅い領域に形成したフォトダイオードPDbで光電変換されて浅い位置のn型半導体領域73に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタTr1bがオンして信号電荷が、一方のゲート電極80下のチャネル領域79を通して一方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域77に転送される。波長の長い赤色光は深い領域に形成されたフォトダイオードPDrで光電変換され深い位置のn型半導体領域74に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタTr1rがオンして信号電荷が、他方のゲート電極82下のチャネル領域81を通して他方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域78に転送される。   The pixel 63A has a structure in which two photodiodes PDb and PDr that separate and photoelectrically convert blue light and red light are stacked in one pixel structure. According to this pixel 63A, the blue light having a short wavelength is photoelectrically converted by the photodiode PDb formed in the shallow region, and signal charges are accumulated in the shallow n-type semiconductor region 73. At the time of signal reading, the transfer transistor Tr1b is turned on, and the signal charge is transferred through the channel region 79 under one gate electrode 80 to the n-type semiconductor region 77 which becomes one floating diffusion. Red light having a long wavelength is photoelectrically converted by the photodiode PDr formed in a deep region, and signal charges are accumulated in the n-type semiconductor region 74 at a deep position. At the time of signal reading, the transfer transistor Tr1r is turned on, and the signal charge is transferred through the channel region 81 below the other gate electrode 82 to the n-type semiconductor region 78 serving as the other floating diffusion.

第2画素グループの各画素(いわゆる第2画素)63Bは、さらに異なる原色の色成分信号、本例では緑(G)色に対応した緑色成分信号が検出される画素構造を有して構成される。図2に、この第2画素63Bの半導体断面構造を示す。前述と同一のn型のシリコン半導体基板71に第2導電型のp型半導体ウェル領域72が形成される。このp型半導体ウェル領域72の所要の深さ方向の幅h3 、すなわち図3で説明したn型半導体領域73とn型半導体領域74との間の中間の位置に対応して、本例では表面からの深さで表すと0.3μm〜0/8μmの深さ方向の幅h3を有する緑色光の光電変換領域となるn型半導体領域86が形成される。n型半導体領域86より基板表面に至る領域には、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域87が形成される。   Each pixel (so-called second pixel) 63B of the second pixel group has a pixel structure in which a color component signal of a different primary color, in this example, a green component signal corresponding to green (G) color is detected. The FIG. 2 shows a semiconductor cross-sectional structure of the second pixel 63B. A second conductivity type p-type semiconductor well region 72 is formed in the same n-type silicon semiconductor substrate 71 as described above. Corresponding to the required depth h3 of the p-type semiconductor well region 72, that is, the intermediate position between the n-type semiconductor region 73 and the n-type semiconductor region 74 described in FIG. In other words, an n-type semiconductor region 86 serving as a photoelectric conversion region for green light having a width h3 in the depth direction of 0.3 μm to 0/8 μm is formed. A p-type accumulation region 87 for suppressing dark current is formed in a region from the n-type semiconductor region 86 to the substrate surface.

n型半導体領域86とp型アキュミュレーション領域87とp型半導体ウェル領域72と5より緑色光電変換手段であるフォトダイオードPDgが形成される。このフォトダイオードPDgは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域87が形成された所謂HADセンサとして構成される。   From the n-type semiconductor region 86, the p-type accumulation region 87, and the p-type semiconductor well regions 72 and 5, a photodiode PDg which is a green photoelectric conversion means is formed. This photodiode PDg is configured as a so-called HAD sensor in which a p-type accumulation region 87 is formed at the interface of the substrate surface.

p型半導体ウェル領域72には、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域88が形成される。そして、基板表面において緑色用フォトダイオードPDgを構成するn型半導体領域86とフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域88との間、すなわちn型半導体領域86に連続して基板表面に臨むちゃねる領域89上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極90が形成されて、転送用トランジスタTr1gが形成される。画素63Bは前述と同様の素子分離領域84により隣接画素と分離される。   In the p-type semiconductor well region 72, an n-type semiconductor region 88 to be a floating diffusion FD is formed. Then, between the n-type semiconductor region 86 constituting the green photodiode PDg and the n-type semiconductor region 88 that becomes a floating diffusion on the substrate surface, that is, the n-type semiconductor region 86 continues to face the substrate surface. A gate electrode 90 is formed on the region 89 via a gate insulating film, and a transfer transistor Tr1g is formed. The pixel 63B is separated from adjacent pixels by the element isolation region 84 similar to the above.

この第2画素63Bによれば、緑色光は中間の深さ領域に形成したフォトダイオードPDgで光電変換されてn型半導体領域86に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタTr1gがオンして信号電荷が、ゲート電極90下のチャネル領域89を通してフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域88に転送される。   According to the second pixel 63B, the green light is photoelectrically converted by the photodiode PDg formed in the intermediate depth region, and signal charges are accumulated in the n-type semiconductor region 86. At the time of signal reading, the transfer transistor Tr1g is turned on and the signal charge is transferred through the channel region 89 under the gate electrode 90 to the n-type semiconductor region 88 that becomes floating diffusion.

第1実施の形態の半導体イメージセンサ61によれば、複数の第1画素63Aを水平、垂直方向にそれぞれ所定ピッチW1で略格子状に配列した第1画素グループと、この第1画素グループに対して水平、垂直方向共にピッチW1の略1/2のピッチずらした状態で二次元的に複数の第2画素63Bを配列した第2画素グループとを備えた、いわゆる斜め画素ずらし配列を用いているので、記録画素数(後述の仮想画素の数に対応する)を有効画素数(いわゆる物理画素の数に対応する)の2倍にすることができる。つまり、1画素当たりの画素サイズを大きくとれるので、飽和電荷量(ダイナミックレンジ)と感度を低下させることなく、記録画素数を増大させて解像度を向上することができる。   According to the semiconductor image sensor 61 of the first embodiment, a first pixel group in which a plurality of first pixels 63A are arranged in a substantially lattice shape at a predetermined pitch W1 in the horizontal and vertical directions, and the first pixel group In other words, a so-called diagonal pixel shift arrangement is used, which includes a second pixel group in which a plurality of second pixels 63B are arranged two-dimensionally in a state where the pitch W1 is shifted by about 1/2 of the pitch W1 in both the horizontal and vertical directions. Therefore, the number of recorded pixels (corresponding to the number of virtual pixels described later) can be doubled as the number of effective pixels (corresponding to the number of so-called physical pixels). That is, since the pixel size per pixel can be increased, the resolution can be improved by increasing the number of recording pixels without lowering the saturation charge amount (dynamic range) and sensitivity.

人間の網膜は、垂直、水平方向に感度がよく、斜め方向に対する感度は垂直、水平方向よりも劣るとされている。同じ画素数であれば、斜め画素配列の方が記録画素数を縦横方向により多くすることができる。したがって、一般的な正方画素配列よりも垂直、水平方向の情報をより緻密に再現することができ、より鮮明なイメージの画像を再現することができる。   The human retina is considered to be sensitive in the vertical and horizontal directions and inferior to the vertical and horizontal directions in the oblique direction. If the number of pixels is the same, the diagonal pixel arrangement can increase the number of recorded pixels in the vertical and horizontal directions. Therefore, information in the vertical and horizontal directions can be reproduced more precisely than a general square pixel arrangement, and a clearer image can be reproduced.

また、画素63A及び63Bを構成するフォトダイオードPDb,PDr、及びPDgがHAD構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、画素63Aにおいて、リセット動作を行っても、赤(R),青(B)の電荷蓄積領域であるn型半導体領域74、73にノイズがのることはない。したがって、S/Nが向上する。画素63A,63Bにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するn型半導体領域73、74、86の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。
オンチップカラーフィルタを有しない構成としても、色分解が可能であり、低コスト化ができ、感度を向上することができる。
In addition, since the photodiodes PDb, PDr, and PDg constituting the pixels 63A and 63B have a HAD structure, generation of noise can be remarkably suppressed. In particular, even if the reset operation is performed in the pixel 63A, noise does not occur in the n-type semiconductor regions 74 and 73 that are red (R) and blue (B) charge storage regions. Therefore, S / N is improved. In the pixels 63A and 63B, the positions in the depth direction of the n-type semiconductor regions 73, 74, and 86 that contribute to the photoelectric conversion of light of different colors are different depending on the wavelength. It is suppressed and the color separation property is increased.
Even in a configuration without an on-chip color filter, color separation is possible, cost can be reduced, and sensitivity can be improved.

更に、赤/青用の第1画素63Aと緑用の第2画素63Bとを斜め配列した構成であるので、後述するように撮像する画素から、R,G,Bの色信号を演算する演算式を簡略化できるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易い。   Further, since the first pixel 63A for red / blue and the second pixel 63B for green are obliquely arranged, calculation for calculating R, G, B color signals from pixels to be imaged as will be described later. Since the equation can be simplified, it is easy to speed up and simplify the subsequent signal processing.

図4は、本発明の第2実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるCMOSイメージセンサ概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、補色と原色からなるオンチップカラーフィルタを用いて色分離する例である。本例のオンチップカラーフィルタは、補色フィルタであるマゼンタ(Mg)フィルタと、原色フィルタである緑(G)フィルタの2色のオンチップカラーフィルタが用いられる。なお、第2実施の形態では、図1〜図3の第1実施の形態と対応する部分は、同一符号を付して説明する。   FIG. 4 shows a schematic configuration of a semiconductor image sensor according to the second embodiment of the present invention, a so-called CMOS image sensor. The semiconductor image sensor of this embodiment is an example in which color separation is performed using an on-chip color filter composed of complementary colors and primary colors. As the on-chip color filter of this example, two colors of on-chip color filters, a magenta (Mg) filter that is a complementary color filter and a green (G) filter that is a primary color filter, are used. In the second embodiment, portions corresponding to those in the first embodiment in FIGS. 1 to 3 are described with the same reference numerals.

本実施の形態に係る半導体イメージセンサ100は、オンチップカラーフィルタを除いて、図1と同様に構成される。すなわち、同一半導体基板62の表面上に形成した、複数の画素103を二次元的に配列した受光領域となる撮像領域64と、この撮像領域64の外側に配置した画素103の選択と信号出力のための周辺回路65、66を備えて成る。一方の周辺回路65は、撮像領域64の側辺に位置する垂直走査回路(いわゆる垂直レジスタ回路)にて構成される。他方の周辺回路66は、撮像領域64の下側に位置する水平走査回路(いわゆる水平レジスタ回路)及び出力回路等(信号増幅回路、A/D変換回路、同期信号発生回路等を含む)にて構成される。   The semiconductor image sensor 100 according to the present embodiment is configured in the same manner as in FIG. 1 except for the on-chip color filter. That is, the imaging region 64 formed on the surface of the same semiconductor substrate 62 as a light receiving region in which a plurality of pixels 103 are two-dimensionally arranged, and the selection and signal output of the pixels 103 arranged outside the imaging region 64 Peripheral circuits 65 and 66 are provided. One peripheral circuit 65 is configured by a vertical scanning circuit (so-called vertical register circuit) located on the side of the imaging region 64. The other peripheral circuit 66 is a horizontal scanning circuit (so-called horizontal register circuit) and an output circuit (including a signal amplification circuit, an A / D conversion circuit, a synchronization signal generation circuit, etc.) located below the imaging region 64. Composed.

撮像領域64では、複数の画素103がいわゆる斜め配列される。すなわち、二次元的に複数の画素103Aを水平方向及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチW1で略格子状に配置した第1画素グループと、第1画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチW1の略1/2のピッチだけずらした状態で二次元的に複数の画素103Bを配置した第2画素グループとにより構成され、丁度画素1063A,103Bが斜めにずらした正方格子状に配列形成されている。そして、撮像領域64上には、第1画素グループの各画素103Aに補色フィルタであるマゼンタ(Mg)フィルタが対応し、第2画素グループの各画素103Bに原色フィルタである緑(G)フィルタが対応するように、MgフィルタとGフィルタの2色のオンチップフィルタが配置される。本例では、奇数行に画素103Bが配列され、1/2ピッチずれて偶数行に画素103Aが配列される。   In the imaging region 64, the plurality of pixels 103 are so-called diagonally arranged. That is, a first pixel group in which a plurality of pixels 103A are two-dimensionally arranged in a substantially grid pattern with a predetermined pitch W1 in the horizontal direction and the vertical direction, and the pitch W1 in both the horizontal direction and the vertical direction with respect to the first pixel group. And a second pixel group in which a plurality of pixels 103B are arranged two-dimensionally in a state shifted by approximately a half pitch, and the pixels 1063A and 103B are arranged in a square lattice pattern that is shifted diagonally. Yes. On the imaging region 64, a magenta (Mg) filter that is a complementary color filter corresponds to each pixel 103A of the first pixel group, and a green (G) filter that is a primary color filter corresponds to each pixel 103B of the second pixel group. Correspondingly, two-color on-chip filters of Mg filter and G filter are arranged. In this example, the pixels 103B are arranged in the odd rows, and the pixels 103A are arranged in the even rows with a ½ pitch shift.

第1画素グループの各画素(いわゆる第1画素:以下、Mg画素という))103Aは、同一画素から異なる原色の2つの色成分信号、すなわち本例では赤(R)色と青(B)色に対応したそれぞれの赤色成分信号と青色成分信号を分離して検出する画素構造を有して構成される。図6に、このMg画素103Aの半導体断面構造を示す。前述の図3の構成と同様に、第1導電型の半導体基板、本例ではn型のシリコン半導体基板71に第2導電型の半導体ウェル領域、本例ではp型半導体ウェル領域72が形成され、このp型半導体ウェル領域72の表面に所要の深さ方向の幅h1、本例では0.1μm〜0.8μmの幅h1を有する青色光の光電変換領域となるn型半導体領域73が形成される。さらに、p型半導体ウェル領域72内の深部において、所要の深さ方向の幅h2、本例では表面からの深さで表すと0.8μm〜2.5μmの幅h2を有する赤色光の光電変換領域となるn型半導体領域74が形成される。さらに、n型半導体ウェル領域73の表面及びn型半導体領域74の一部基板表面側に延びる領域の表面とにわたるように、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域75が形成される。   Each pixel (A so-called first pixel: hereinafter referred to as Mg pixel) 103A in the first pixel group has two color component signals of different primary colors from the same pixel, that is, in this example, red (R) and blue (B) colors. And a pixel structure for separately detecting and detecting the red component signal and the blue component signal corresponding to. FIG. 6 shows a semiconductor cross-sectional structure of the Mg pixel 103A. Similar to the configuration of FIG. 3 described above, a second conductivity type semiconductor well region, in this example p-type semiconductor well region 72, is formed in a first conductivity type semiconductor substrate, in this example n-type silicon semiconductor substrate 71. On the surface of the p-type semiconductor well region 72, an n-type semiconductor region 73 is formed as a blue light photoelectric conversion region having a required width h1 in the depth direction, in this example, a width h1 of 0.1 μm to 0.8 μm. Is done. Further, in the deep part in the p-type semiconductor well region 72, photoelectric conversion of red light having a required width h2 in the depth direction, in this example, a depth h2 of 0.8 μm to 2.5 μm in depth from the surface. An n-type semiconductor region 74 to be a region is formed. Further, a p-type accumulation region 75 for suppressing dark current is formed so as to extend over the surface of the n-type semiconductor well region 73 and the surface of the region of the n-type semiconductor region 74 that extends partially toward the substrate surface. .

n型半導体領域73とp+ アキュミュレーション領域75とp型半導体ウェル領域74とにより青色光電変換手段となるフォトダイオードPDbが形成され、n型半導体領域74とp型アキュミュレーション領域75とp型半導体ウェル領域72とにより赤色光電変換手段となるフォトダイオードPDrが形成される。これらフォトダイオードPDb,PDrは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域75が形成された所謂HADセンサとして構成される。   The n-type semiconductor region 73, the p + accumulation region 75, and the p-type semiconductor well region 74 form a photodiode PDb that serves as a blue photoelectric conversion means. The n-type semiconductor region 74, the p-type accumulation region 75, and the p-type accumulation region 75 A photodiode PDr serving as a red photoelectric conversion means is formed by the type semiconductor well region 72. These photodiodes PDb and PDr are configured as so-called HAD sensors in which a p-type accumulation region 75 is formed at the interface of the substrate surface.

p型半導体ウェル領域72のフォトダイオードPDb及びPDrを挟む両側の領域、すなわち基板表面側に、それぞれフローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域77及び78が形成される。そして、基板表面において青色用フォトダイオードPDbを構成するn型半導体領域73と一方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域77との間、すなわち、n型半導体領域73に連続して基板表面に臨むチャネル領域79上にゲート絶縁膜を介してゲート電極80が形成されて、転送用トランジスタTr1bが形成される。また、基板表面において赤色用フォトダイオードPDrを構成するn型半導体領域74と他方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域78との間、すなわち、n型半導体領域74に連続して基板表面に臨むチャネル領域81上にゲート絶縁膜を介してゲート電極82が形成されて、転送用トランジスタTr1rが形成される。Mg画素103Aは、p型半導体ウェル領域72に形成された例えば選択酸化層による絶縁分離領域あるいはトレンチ分離領域等による素子分離領域84により隣接画素と分離される。   In the p-type semiconductor well region 72, the n-type semiconductor regions 77 and 78 serving as the floating diffusion FD are formed on both sides of the photodiodes PDb and PDr, that is, on the substrate surface side. Then, between the n-type semiconductor region 73 constituting the blue photodiode PDb on the substrate surface and the n-type semiconductor region 77 serving as one floating diffusion, that is, continuously to the n-type semiconductor region 73 on the substrate surface. A gate electrode 80 is formed on the facing channel region 79 via a gate insulating film, and a transfer transistor Tr1b is formed. Further, between the n-type semiconductor region 74 constituting the red photodiode PDr on the substrate surface and the n-type semiconductor region 78 serving as the other floating diffusion, that is, continuous to the n-type semiconductor region 74 on the substrate surface. A gate electrode 82 is formed on the facing channel region 81 via a gate insulating film, and a transfer transistor Tr1r is formed. The Mg pixel 103 </ b> A is separated from adjacent pixels by an element isolation region 84 formed by, for example, a selective oxide layer or a trench isolation region formed in the p-type semiconductor well region 72.

そして、各Mg画素102A上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタのうちの、マゼンタ(Mg)フィルタ105が形成される。   Then, a magenta (Mg) filter 105 of the on-chip color filters is formed on each Mg pixel 102A via a planarizing film.

このMg画素103Aは、1つの画素構造内に、Mgフィルタ105を透過して入射された青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードPDb及びPDrが積層された構造になっている。このMg画素103Aによれば、Mgフィルタ105を透過した波長の短い青色光は、浅い領域に形成したフォトダイオードPDbで光電変換されて浅い位置のn型半導体領域73に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタTr1bがオンして信号電荷が、一方のゲート電極80下のチャネル領域79を通して一方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域77に転送される。また、Mgフィルタ105を透過した波長の長い赤色光は、深い領域に形成されたフォトダイオードPDrで光電変換され深い位置のn型半導体領域74に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタTr1rがオンして信号電荷が、他方のゲート電極82下のチャネル領域81を通して他方のフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域78に転送される。   The Mg pixel 103A has a structure in which two photodiodes PDb and PDr that separate and photoelectrically convert blue light and red light incident through the Mg filter 105 are stacked in one pixel structure. ing. According to the Mg pixel 103A, the blue light having a short wavelength transmitted through the Mg filter 105 is photoelectrically converted by the photodiode PDb formed in the shallow region, and signal charges are accumulated in the shallow n-type semiconductor region 73. At the time of signal reading, the transfer transistor Tr1b is turned on, and the signal charge is transferred through the channel region 79 under one gate electrode 80 to the n-type semiconductor region 77 which becomes one floating diffusion. Further, red light having a long wavelength transmitted through the Mg filter 105 is photoelectrically converted by the photodiode PDr formed in a deep region, and signal charges are accumulated in the n-type semiconductor region 74 at a deep position. At the time of signal reading, the transfer transistor Tr1r is turned on, and the signal charge is transferred through the channel region 81 below the other gate electrode 82 to the n-type semiconductor region 78 serving as the other floating diffusion.

第2画素グループの各画素(いわゆる第2画素:以下、G画素という)103Bは、さらに異なる原色の色成分信号、すなわち本例では緑(G)色に対応した緑色成分信号を検出する画素構造を有して構成される。図5に、この第2画素63Bの半導体断面構造を示す。前述の図2の構成と同様に、同一のn型のシリコン半導体基板71に第2導電型のp型半導体ウェル領域72が形成される。このp型半導体ウェル領域72の所要の深さ方向の幅h3 、すなわち図2で説明したn型半導体領域73とn型半導体領域74との間の中間の位置に対応して、本例では表面からの深さで表すと0.1μm〜2.5μmの深さ方向の幅h3を有する緑色光の光電変換領域となるn型半導体領域86が形成される。n型半導体領域86より基板表面に至る領域には、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域87が形成される。   Each pixel in the second pixel group (so-called second pixel: hereinafter referred to as G pixel) 103B has a pixel structure for detecting a color component signal of a different primary color, that is, a green component signal corresponding to green (G) in this example. It is comprised. FIG. 5 shows a semiconductor cross-sectional structure of the second pixel 63B. Similar to the configuration of FIG. 2 described above, a second conductivity type p-type semiconductor well region 72 is formed in the same n-type silicon semiconductor substrate 71. Corresponding to the required depth h3 of the p-type semiconductor well region 72, that is, the intermediate position between the n-type semiconductor region 73 and the n-type semiconductor region 74 described in FIG. In other words, an n-type semiconductor region 86 serving as a photoelectric conversion region for green light having a width h3 in the depth direction of 0.1 μm to 2.5 μm is formed. A p-type accumulation region 87 for suppressing dark current is formed in a region from the n-type semiconductor region 86 to the substrate surface.

n型半導体領域86とp型アキュミュレーション領域87とp型半導体ウェル領域72と5より緑色光電変換手段となるフォトダイオードPDgが形成される。このフォトダイオードPDgは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域87が形成された所謂HADセンサとして構成される。   From the n-type semiconductor region 86, the p-type accumulation region 87, and the p-type semiconductor well regions 72 and 5, a photodiode PDg serving as a green photoelectric conversion means is formed. This photodiode PDg is configured as a so-called HAD sensor in which a p-type accumulation region 87 is formed at the interface of the substrate surface.

p型半導体ウェル領域72には、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域88が形成される。そして、基板表面において緑色用フォトダイオードPDgを構成するn型半導体領域86とフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域88との間、すなわちn型半導体領域86に連続して基板表面に臨むちゃねる領域89上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極90が形成されて、転送用トランジスタTr1gが形成される。G画素103Bは前述と同様の素子分離領域84により隣接画素と分離される。   In the p-type semiconductor well region 72, an n-type semiconductor region 88 to be a floating diffusion FD is formed. Then, between the n-type semiconductor region 86 constituting the green photodiode PDg and the n-type semiconductor region 88 that becomes a floating diffusion on the substrate surface, that is, the n-type semiconductor region 86 continues to face the substrate surface. A gate electrode 90 is formed on the region 89 via a gate insulating film, and a transfer transistor Tr1g is formed. The G pixel 103B is separated from adjacent pixels by the same element isolation region 84 as described above.

そして、各G画素103B上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタのうちの、緑(G)フィルタ106が形成される。   Then, a green (G) filter 106 of the on-chip color filters is formed on each G pixel 103B via a planarizing film.

このG画素103Bによれば、Gフィルタ106を透過した緑色光は中間の深さ領域に形成したフォトダイオードPDgで光電変換されてn型半導体領域86に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタTr1gがオンして信号電荷が、ゲート電極90下のチャネル領域89を通してフローティング・ディフージョンとなるn型半導体領域88に転送される。   According to the G pixel 103B, the green light transmitted through the G filter 106 is photoelectrically converted by the photodiode PDg formed in the intermediate depth region, and signal charges are accumulated in the n-type semiconductor region 86. At the time of signal reading, the transfer transistor Tr1g is turned on and the signal charge is transferred through the channel region 89 under the gate electrode 90 to the n-type semiconductor region 88 that becomes floating diffusion.

第2実施の形態の半導体イメージセンサ100によれば、前述の第1実施の形態と同様の効果を奏する。すなわち、複数のMg画素103Aを水平、垂直方向にそれぞれ所定ピッチW1で略格子状に配列した第1画素グループと、この第1画素グループに対して水平、垂直方向共にピッチW1の略1/2のピッチずらした状態で二次元的に複数のG画素103Bを配列した第2画素グループとを備えた、いわゆる斜め画素ずらし配列を用いているので、記録画素数(後述の仮想画素の数に対応する)を有効画素数(いわゆる物理画素の数に対応する)の2倍にすることができる。つまり、1画素当たりの画素サイズを大きくとれるので、飽和電荷量(ダイナミックレンジ)と感度を低下させることなく、記録画素数を増大させて解像度を向上することができる。したがって、一般的な正方画素配列よりも垂直、水平方向の情報をより緻密に再現することができ、より鮮明なイメージの画像を再現することができる。   According to the semiconductor image sensor 100 of the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained. That is, a first pixel group in which a plurality of Mg pixels 103A are arranged in a substantially lattice shape at a predetermined pitch W1 in the horizontal and vertical directions, and about 1/2 of the pitch W1 in the horizontal and vertical directions with respect to the first pixel group. Since the so-called diagonal pixel shift arrangement is used, which includes a second pixel group in which a plurality of G pixels 103B are arranged two-dimensionally in a state where the pitch is shifted, the number of recorded pixels (corresponding to the number of virtual pixels described later) The number of effective pixels (corresponding to the number of so-called physical pixels) can be doubled. That is, since the pixel size per pixel can be increased, the resolution can be improved by increasing the number of recording pixels without lowering the saturation charge amount (dynamic range) and sensitivity. Therefore, information in the vertical and horizontal directions can be reproduced more precisely than a general square pixel arrangement, and a clearer image can be reproduced.

また、Mg画素103A及びG画素103Bを構成するフォトダイオードPDb,PDr、及びPDgがHAD構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、Mg画素103Aにおいて、リセット動作を行っても、赤(R),青(B)の電荷蓄積領域であるn型半導体領域74、73にノイズがのることはない。したがって、S/Nが向上する。Mg画素103A、G画素103Bにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するn型半導体領域73、74、86の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。   In addition, since the photodiodes PDb, PDr, and PDg constituting the Mg pixel 103A and the G pixel 103B have the HAD structure, generation of noise can be remarkably suppressed. In particular, in the Mg pixel 103A, even if the reset operation is performed, noise does not occur in the n-type semiconductor regions 74 and 73 that are red (R) and blue (B) charge storage regions. Therefore, S / N is improved. In the Mg pixel 103A and the G pixel 103B, the positions in the depth direction of the n-type semiconductor regions 73, 74, and 86 that contribute to photoelectric conversion of light of different colors are different depending on the wavelength. Color mixing is suppressed, and color separation is improved.

補色フィルタであるマゼンタ(Mg)と原色フィルタである緑(G)の2色のオンチップカラーフィルタが用いられ、奇数行にはGフィルタが、偶数行にはMgフィルタが交互に配列されている。このオンチップカラーフィルタを用いることにより、混色を低減することができる。更に、青色と赤色の検出センサとしてマゼンタ(Mg)の補色フィルタを用いた積層フォトダイオードを用いることにより、原色フィルタを用いるフォトダイオードの場合よりも、光がフィルタに吸収されることを抑えることができるので、感度が低下しない。検出するセンサ、すなわちフォトダイオードの断面構造は、オンチプカラーフィルタ無しの第1実施の形態と概ね同じであるが、オンチップカラーフィルタを用いているので、n型半導体領域の深さに幅をラフに設計できる。例えば緑(G)用フォトダイオードの光電変換領域となるn型半導体領域は0.1μm〜2.5μmの幅で形成でき、青(B)用フォトダイオードの光電変換領域となるn型半導体領域は0.1μm〜0.8μmの幅で形成でき、赤(R)用フォトダイオードの光電変換領域となるn型半導体領域は0.8μm〜2.5μmに幅で形成することができる。   Two color on-chip color filters, magenta (Mg), which is a complementary color filter, and green (G), which is a primary color filter, are used. G filters are alternately arranged in odd rows, and Mg filters are alternately arranged in even rows. . By using this on-chip color filter, color mixing can be reduced. Furthermore, by using a multilayer photodiode using a magenta (Mg) complementary color filter as a blue and red detection sensor, it is possible to suppress light from being absorbed by the filter than in the case of a photodiode using a primary color filter. Because it can, sensitivity does not decrease. The cross-sectional structure of the sensor to be detected, that is, the photodiode, is substantially the same as that of the first embodiment without the on-chip color filter. However, since the on-chip color filter is used, the width of the n-type semiconductor region is increased in width. Roughly designed. For example, an n-type semiconductor region serving as a photoelectric conversion region of a green (G) photodiode can be formed with a width of 0.1 μm to 2.5 μm, and an n-type semiconductor region serving as a photoelectric conversion region of a blue (B) photodiode is The n-type semiconductor region which can be formed with a width of 0.1 μm to 0.8 μm and becomes the photoelectric conversion region of the red (R) photodiode can be formed with a width of 0.8 μm to 2.5 μm.

更に、Mg画素103AとG画素103Bとを斜め配列した構成であるので、後述するように撮像する画素から、R,G,Bの色信号を演算する演算式を簡略化できるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易い。   Further, since the Mg pixel 103A and the G pixel 103B are obliquely arranged, the arithmetic expression for calculating the R, G, B color signals from the pixel to be imaged can be simplified as will be described later. It is easy to speed up and simplify the processing.

次に、図7〜図12を用いて、上述の第1実施の形態及び第2実施の形態に係る半導体イメージセンサに適用されるR,G,Bの色信号を演算する演算式について説明する。本演算式は、Mg画素とG画素を用いた第2実施の形態の半導体イメージセンサに適用したが、第1実施の形態についても同様に適用できる。   Next, an arithmetic expression for calculating R, G, B color signals applied to the semiconductor image sensor according to the first embodiment and the second embodiment will be described with reference to FIGS. . Although this arithmetic expression is applied to the semiconductor image sensor of the second embodiment using Mg pixels and G pixels, it can be similarly applied to the first embodiment.

ここで、本発明に係る演算式の説明に先立ち、本発明の演算式の理解を容易にするために、従来から広く用いられているベイヤ配列の場合の演算式について図15を用いて説明する。
図15にベイヤ式カラーフィルタを用いた半導体イメージセンサの要部を示す。このベイヤー式カラーフィルタの原理を示す。カラーフィルタの基本的なレイアウトは、撮像素子の左上が赤のフィルタで始まる。色情報は、4つの画素51〔51R,51Ga,51Gb,51B〕に囲まれた真ん中に仮想画素52を設ける。仮想画素52の周りの4つのフィルタ付き画素51は、緑(G)に画素(51Ga,51Gb)2つと、赤(R)の画素(51R)、青(B)の画素(51B)それぞれ1つで構成される。緑の占める割合が多いことがわかる。これは人間に視感度が緑に対して効率が良いためフィルタも余分に光を与えてバランス取っているためである。
Prior to the description of the arithmetic expression according to the present invention, in order to facilitate understanding of the arithmetic expression of the present invention, the arithmetic expression in the case of the Bayer array that has been widely used conventionally will be described with reference to FIG. .
FIG. 15 shows a main part of a semiconductor image sensor using a Bayer type color filter. The principle of this Bayer type color filter is shown. The basic layout of the color filter starts with a red filter at the top left of the image sensor. For the color information, a virtual pixel 52 is provided in the middle surrounded by four pixels 51 [51R, 51Ga, 51Gb, 51B]. The four filtered pixels 51 around the virtual pixel 52 are two pixels (51Ga, 51Gb) for green (G), one for red (R) pixel (51R), and one for blue (B) pixel (51B). Consists of. It can be seen that the proportion of green is large. This is because humans have good visibility against green and the filter is also balanced by giving extra light.

図15の仮想画素52である中央の仮想画素Pxに注目してみる。仮想画素Pxの色情報PxG,PxR,PxBは、近傍の画素の色情報からマトリックス計算によって得られる。緑(G)は近傍の緑の画素G7 と画素G10を足して2で割る。赤(R)は赤の画素R11を優先してその周りの赤色情報も加味する。青(B)も赤と同様にする。このような形で任意のセルの色を特定して行く。演算式は次のようになる。 Attention is paid to the central virtual pixel Px which is the virtual pixel 52 in FIG. The color information PxG, PxR, PxB of the virtual pixel Px is obtained by matrix calculation from the color information of neighboring pixels. Green (G) is divided by 2 by adding the green pixel G7 and pixel G 10 in the vicinity. Red (R) is also considered the red information around it in preference to the red pixel R 11. Blue (B) is the same as red. In this way, the color of an arbitrary cell is specified. The calculation formula is as follows.

PxG=(G+G10)/2
PxR=(9R11+3R+3R +R)/16
PxB=(9B+3B +3B14+B16)/16
PxG = (G 7 + G 10 ) / 2
PxR = (9R 11 + 3R 3 + 3R 9 + R 1 ) / 16
PxB = (9B 6 + 3B 8 + 3B 14 + B 16 ) / 16

ここで、PxR,PxBの上記演算の詳細は次の通りである。
PxRについては、赤の画素R11と、青の画素B,緑の画素G,G10のそれぞれの周りの赤の画素との赤色情報を加味する。
11
Ra(画素B6 の周りの赤色情報)=(R +R+R +R11)/4
Rb(画素Gの周りの赤色情報)=(R+R11)/2
Rc(画素G10の周りの赤色情報)=(R+R11/2
∴PxR=Ra+Rb+Rc+R11)/4
=〔{(R+R +R +R11)/4}
+{(R+R11)/2}
+{(R+R11)/2}
+R11〕/4
=(R+R +R +R11+2R+2R11+2R+2R11
+4R11)/16
=(9R11+3R+3R +R)/16
Here, the details of the above calculation of PxR and PxB are as follows.
For PxR, it is taken into consideration with the red pixel R 11, blue pixels B 6, red information of the red pixels around each of the green pixel G 7, G 10.
R 11
Ra (red information around the pixel B6) = (R 1 + R 3 + R 9 + R 11 ) / 4
Rb (red information around the pixel G 7) = (R 3 + R 11) / 2
Rc (red information around the pixel G 10) = (R 9 + R 11/2
∴PxR = Ra + Rb + Rc + R 11 ) / 4
= [{(R 1 + R 3 + R 9 + R 11 ) / 4}
+ {(R 3 + R 11 ) / 2}
+ {(R 9 + R 11 ) / 2}
+ R 11 ] / 4
= (R 1 + R 3 + R 9 + R 11 + 2R 3 + 2R 11 + 2R 9 + 2R 11
+ 4R 11 ) / 16
= (9R 11 + 3R 3 + 3R 9 + R 1 ) / 16

PxBについては、青の画素Bと、緑の画素G ,G10のそれぞれの周りの青の画素との青色情報を加味する。

Ba(画素R11の周りの青色情報)=(B+B+B14+B16)/4
Bb(画素Gの周りの青色情報)=(B +B)/2
Bc(画素G10の周りの青色情報)=(B+B14)/2
∴PxB=(Ba+Bb+Bc+B)/4
=〔{(B+B +B13+B16)/4}
+{(2B+2B /2}/4
+{(2B+2B14)/4
+4B〕/16
=(B+B +B14+B16+2B+2B+2B+2B14
+4B )/16
=(9B+3B +3B14+B16)/16
この演算の手法は、簡単に彩色できるという画期的な方法ではある。
For PxB, blue information of the blue pixel B 6 and the blue pixels around each of the green pixels G 7 and G 10 is added.
B 6
Ba (blue information around the pixel R 11) = (B 6 + B 8 + B 14 + B 16) / 4
Bb (blue information about the pixel G 7) = (B 6 + B 8) / 2
Bc (blue information around the pixel G 10) = (B 6 + B 14) / 2
∴PxB = (Ba + Bb + Bc + B 6 ) / 4
= [{(B 6 + B 8 + B 13 + B 16 ) / 4}
+ {(2B 6 + 2B 8 /2} / 4
+ {(2B 6 + 2B 14 ) / 4
+ 4B 6 ] / 16
= (B 6 + B 8 + B 14 + B 16 + 2B 6 + 2B 8 + 2B 6 + 2B 14
+ 4B 6 ) / 16
= (9B 6 + 3B 8 + 3B 14 + B 16 ) / 16
This calculation method is an epoch-making method that allows easy coloring.

しかし、斜め画素ずらしに場合は、仮想画素をまず画素の交差部に仮想し、その仮想画素を用いて4画素の中心に最終仮想画素を演算するという2ステップの演算を行う。このとき、R,G,Bの画素がG列とRBが交互に配列された列からなり、仮想画素がR画素に接する場合とB画素に接する場合とで、演算式が異なり、演算式が複雑になる。   However, in the case of oblique pixel shifting, a two-step calculation is performed in which a virtual pixel is first virtualized at the intersection of the pixels, and the final virtual pixel is calculated at the center of four pixels using the virtual pixel. At this time, the R, G, and B pixels are composed of columns in which the G column and RB are alternately arranged, and the calculation formula differs depending on whether the virtual pixel touches the R pixel or the B pixel. It becomes complicated.

次に、本実施の形態の演算式を説明する。
図9〜図12に示すように、Mg画素〔画素Mg11、Mg12,Mg21,Mg22〕103AとG画素〔画素G11,G12,G21,G22〕103Bによる斜め画素ずらしに場合は、隣合うMg画素103AとG画素103Bとに跨がる領域を仮想画素(記録画素に相当する)P1〜P9とする。今、仮想画素P5の緑(G),赤(R),青(B)の色信号GP5,RP5,BP5を演算する。G11〜G22はそれぞれ画素G11〜G22の緑色成分信号、Mg11R〜Mg22Rはそれぞれ画素Mg11〜Mg22の赤色成分信号、Mg11B 〜Mg22B はそれぞれ画素Mg11〜Mg22の青色成分信号とする。
Next, an arithmetic expression according to the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 9 to FIG. 12, when the pixel is shifted diagonally by the Mg pixel [pixel Mg11, Mg12, Mg21, Mg22] 103A and the G pixel [pixel G11, G12, G21, G22] 103B, the adjacent Mg pixel 103A And G pixels 103B are defined as virtual pixels (corresponding to recording pixels) P1 to P9. Now, the green (G), red (R), and blue (B) color signals G P5 , R P5 , and B P5 of the virtual pixel P5 are calculated. G 11 ~G 22 green component signal of each pixel G11~G22, Mg 11R ~Mg 22R red component signal of each pixel Mg11~Mg22, Mg 11B ~Mg 22B are respectively a blue component signal of the pixel Mg11~Mg22.

図9及び図10は、それぞれ図7A,Bに示すように、模式的に正方形の1画素(物理画素)103の1辺の長さを1ピッチp1としたとき、仮想画素P5の中心(画素Mg11と画素G22の境界線上になる)から1ピッチp1未満の半径R1の円C1内に含まれる画素の信号を演算する例である。   9A and 9B, as shown in FIGS. 7A and 7B, respectively, when the length of one side of one square pixel (physical pixel) 103 is set to one pitch p1, the center of the virtual pixel P5 (pixel This is an example of calculating a signal of a pixel included in a circle C1 having a radius R1 less than 1 pitch p1 from the boundary between Mg11 and the pixel G22.

図9は、その演算式の第1実施の形態である。仮想画素P5の緑(G),赤(R),青(B)の色信号GP5,RP5,BP5は、次の数1で示す演算式で求まる。
[数1]
P5=(G22+Mg11G)/2
Mg11G=(G21+G12)/2
P5={G22+(G21+G12)/2}/2
∴GP5=(G21+G12+2G22)/4

P5=(Mg11R+G22R)/2
22R=(Mg21R+Mg12R)/2
P5={g11R+(Mg21R+Mg12R)/2}/2
∴RP5=(2Mg11R+Mg21R +Mg12R)/4

P5=(Mg11B+G22B)/2
22B=(Mg21B+Mg12B)/2
P5={Mg11B+(Mg21B+Mg12B)/2}/2
∴BP5=(2Mg11B+Mg21B +Mg12B)/4
FIG. 9 shows a first embodiment of the arithmetic expression. The green (G), red (R), and blue (B) color signals G P5 , R P5 , and B P5 of the virtual pixel P5 are obtained by an arithmetic expression represented by the following equation (1).
[Equation 1]
G P5 = (G 22 + Mg 11G ) / 2
Mg 11G = (G 21 + G 12 ) / 2
G P5 = {G 22 + (G 21 + G 12 ) / 2} / 2
∴G P5 = (G 21 + G 12 + 2G 22 ) / 4

R P5 = (Mg 11R + G 22R ) / 2
G 22R = (Mg 21R + Mg 12R ) / 2
R P5 = {g 11R + (Mg 21R + Mg 12R ) / 2} / 2
∴R P5 = (2Mg 11R + Mg 21R + Mg 12R ) / 4

B P5 = (Mg 11B + G 22B ) / 2
G 22B = (Mg 21B + Mg 12B ) / 2
B P5 = {Mg 11B + (Mg 21B + Mg 12B ) / 2} / 2
∴B P5 = (2Mg 11B + Mg 21B + Mg 12B ) / 4

図10は、その演算式の第2実施の形態である。仮想画素P5の演算を行うために、先ず斜め画素ずらしの仮想画素K1,K2の色成分信号を求めて、この仮想画素K1,K2から仮想画素P5の色信号GP5,RP5,BP5を求める。すなわち、次の数2で示す演算式で求まる。GK1,RK1,BK1はそれぞれ仮想画素K1の緑色成分信号,赤色成分信号,青色成分信号、GK2,RK2,BK2はそれぞれ仮想画素K2の緑色成分信号,赤色成分信号,青色成分信号とする。 FIG. 10 shows a second embodiment of the arithmetic expression. In order to perform the calculation of the virtual pixel P5, first, the color component signals of the virtual pixels K1, K2 shifted diagonally are obtained, and the color signals G P5 , R P5 , B P5 of the virtual pixel P5 are obtained from the virtual pixels K1, K2. Ask. That is, it is obtained by an arithmetic expression shown by the following formula 2. G K1 , R K1 , and B K1 are the green component signal, red component signal, and blue component signal of the virtual pixel K1, respectively. G K2 , R K2 , and B K2 are the green component signal, red component signal, and blue component of the virtual pixel K2, respectively. Signal.

[数2]
K1=(G21+G22)/2
K2=(G12+G22)/2
∴GP5=(GK1+GK2)/2

K1=(Mg11R+Mg21R )/2
K2=(Mg11R+Mg12R )/2
∴RP5=(RK1+RK2)/2

K1=(Mg11B+Mg21B )/2
K2=(Mg11B+Mg12B )/2
∴BP5=(BK1+BK2)/2
[Equation 2]
G K1 = (G 21 + G 22 ) / 2
G K2 = (G 12 + G 22 ) / 2
∴G P5 = (G K1 + G K2 ) / 2

R K1 = (Mg 11R + Mg 21R ) / 2
R K2 = (Mg 11R + Mg 12R ) / 2
∴R P5 = (R K1 + R K2 ) / 2

B K1 = (Mg 11B + Mg 21B ) / 2
B K2 = (Mg 11B + Mg 12B ) / 2
∴B P5 = (B K1 + B K2 ) / 2

数2の演算式GP5,RP5,BP5により数1を算出することができる。
P5=(GK1+GK2)/2
=〔{(G21+G22)/2}+{(G12+G22)/2}〕/2
=(G21+G12+2G22)/4
P5=(RK1+RK2)/2
=〔{(Mg11R+Mg21R )/2}+{(Mg11R+Mg12R )/2}〕/2
=(2Mg11R+Mg21R +Mg12R )/4
P5=(BK1+BK2)/2
=〔{(Mg11B+Mg21B )/2}+{(Mg11B+Mg12B )/2}〕/2
=(2Mg11B+Mg21B +Mg12B )/4
Equation 1 can be calculated by Equations G P5 , R P5 , and B P5 of Equation 2.
G P5 = (G K1 + G K2 ) / 2
= [{(G 21 + G 22 ) / 2} + {(G 12 + G 22 ) / 2}] / 2
= (G 21 + G 12 + 2G 22) / 4
R P5 = (R K1 + R K2 ) / 2
= [{( Mg11R + Mg21R ) / 2} + {( Mg11R + Mg12R ) / 2}] / 2
= (2Mg 11R + Mg 21R + Mg 12R) / 4
B P5 = (B K1 + B K2 ) / 2
= [{( Mg11B + Mg21B ) / 2} + {( Mg11B + Mg12B ) / 2}] / 2
= (2Mg 11B + Mg 21B + Mg 12B) / 4

このように、本実施の形態では、同一画素からR信号、B信号を取出すことができるので、数1、数2に示すようにR,G,Bの色信号の演算式を簡略化することができる。数2の演算式は、数1よりさらに演算を簡略化することができる。   As described above, in this embodiment, since the R signal and the B signal can be extracted from the same pixel, the arithmetic expressions of the R, G, and B color signals can be simplified as shown in Equations 1 and 2. Can do. The arithmetic expression of Expression 2 can further simplify the calculation than Expression 1.

図11及び図12は、それぞれ図8に示すように、仮想画素P5の中心(画素Mg11と画素G22の境界線上になる)から1ピッチp1を半径R2とする円C2以内に接する画素の信号、すなわち半径R2の円C2に接する画素を含む円C2内の画素の信号を演算する例である。   11 and 12, respectively, as shown in FIG. 8, the signals of pixels in contact with a circle C2 having a radius R2 of 1 pitch p1 from the center of the virtual pixel P5 (on the boundary line between the pixels Mg11 and G22), That is, this is an example of calculating the signal of the pixels in the circle C2 including the pixels in contact with the circle C2 having the radius R2.

図11は、その演算式の第3実施の形態である。仮想画素P5の緑(G),赤(R),青(B)の色信号GP5,RP5,BP5は、次の数3で示す演算式で求まる。
[数3]
P5={G22+Mg11G+(G12+G22)/2+(G21+G22)/2}/4
Mg11G=(G11+G21+G21+G22)/4
P5=[G22+{(G11+G21+G21+G22)/4}
+{(2G12+2G22)/4}+{(221+2G22)/4}]/4
∴GP5=(G11+3G21+3G12+9G22)/16

P5=(Mg11R+G22R+G12R+G21R)/4
22R=(Mg11R+Mg21R+Mg12R+Mg22R)/4
12R=(Mg11R+Mg12R)/2
21R=(Mg11R+Mg21R)/2
P5=[Mg11R+{(Mg11R+Mg21R+Mg12R+Mg22R)/4}
+{(Mg11R+Mg12R)/2}
+{(Mg11R+Mg21R)/2}]/4
∴RP5=(9Mg11R+3Mg21R +3Mg12R+Mg22R )/16

P5=(Mg11B+G22B+G12B+G21B)/4
22B=(Mg11B+Mg21B+Mg12B+Mg22B)/4
12B=(Mg11B+Mg12B)/2
21B(Mg11B+Mg21B)/2
P5=[Mg11B+{(Mg11B+Mg21B+Mg12B+Mg22B)/4}
+{(Mg11B+Mg12B)/2}
+{(Mg11B+Mg21B)/2}]/4
∴BP5=(9Mg11B+3Mg21B +3Mg12B+Mg22B )/16
FIG. 11 shows a third embodiment of the arithmetic expression. The green (G), red (R), and blue (B) color signals G P5 , R P5 , and B P5 of the virtual pixel P5 are obtained by an arithmetic expression represented by the following equation (3).
[Equation 3]
G P5 = {G 22 + Mg 11G + (G 12 + G 22 ) / 2 + (G 21 + G 22 ) / 2} / 4
Mg 11G = (G 11 + G 21 + G 21 + G 22 ) / 4
G P5 = [G 22 + {(G 11 + G 21 + G 21 + G 22 ) / 4}
+ {(2G 12 + 2G 22 ) / 4} + {(2 21 + 2G 22 ) / 4}] / 4
∴G P5 = (G 11 + 3G 21 + 3G 12 + 9G 22 ) / 16

R P5 = (Mg 11R + G 22R + G 12R + G 21R ) / 4
G 22R = (Mg 11R + Mg 21R + Mg 12R + Mg 22R ) / 4
G 12R = (Mg 11R + Mg 12R ) / 2
G 21R = (Mg 11R + Mg 21R ) / 2
R P5 = [Mg11R + {( Mg 11R + Mg 21R + Mg 12R + Mg 22R) / 4}
+ {(Mg 11R + Mg 12R ) / 2}
+ {(Mg 11R + Mg 21R ) / 2}] / 4
∴R P5 = (9Mg 11R + 3Mg 21R + 3Mg 12R + Mg 22R ) / 16

BP5 = ( Mg11B + G22B + G12B + G21B ) / 4
G 22B = (Mg 11B + Mg 21B + Mg 12B + Mg 22B ) / 4
G 12B = (Mg 11B + Mg 12B ) / 2
G 21B (Mg 11B + Mg 21B ) / 2
B P5 = [Mg11B + {( Mg 11B + Mg 21B + Mg 12B + Mg 22B) / 4}
+ {(Mg 11B + Mg 12B ) / 2}
+ {(Mg 11B + Mg 21B ) / 2}] / 4
∴B P5 = (9Mg 11B + 3Mg 21B + 3Mg 12B + Mg 22B ) / 16

図12は、その演算式の第4実施の形態である。仮想画素P5の演算を行うために、先ず斜め画素ずらしの仮想画素K1,K2の色成分信号を求めて、この仮想画素K1,K2と画素Mg11と画素G22とから仮想画素P5の色信号GP5,RP5,BP5を求める。すなわち、次の数4で示す演算式で求まる。なお、Mg11Gは画素Mg11を仮想画素としたときの、これに接する画素G11〜G22から得られた緑色成分信号、G22R,G22B は画素G22を仮想画素としたときの、これに接する画素Mg11〜Mg22から得られた赤色成分信号、青色成分信号である。 FIG. 12 shows a fourth embodiment of the arithmetic expression. In order to perform the calculation of the virtual pixel P5, first, color component signals of the virtual pixels K1, K2 shifted diagonally are obtained, and the color signal G P5 of the virtual pixel P5 is obtained from the virtual pixels K1, K2, the pixel Mg11, and the pixel G22. , R P5 and B P5 are obtained. That is, it is obtained by an arithmetic expression shown by the following expression 4. Mg 11G is a green component signal obtained from pixels G 11 to G 22 in contact with the pixel Mg 11 as a virtual pixel, and G 22R and G 22B are pixels when the pixel G 22 is a virtual pixel. It is a red component signal and a blue component signal obtained from the pixels Mg 11 to Mg 22 in contact therewith.

[数4]
K1=(G21+G22)/2
K2=(G12+G22)/2
Mg11G=(G11+G12+G21+G22)/4
22
∴GP5=(GK1+GK2+Mg11G+G22)/4

K1=(Mg11R+Mg21R )/2
K2=(Mg11R+Mg12R )/2
22R=(Mg11R +Mg12R +Mg21R+Mg22R )/4
Mg11R
∴RP5=(RK1+RK2+Mg11R+G22R)/4

K1=(Mg11B+Mg21B )/2
K2=(Mg11B+Mg12B )/2
22B =(Mg11B +Mg12B +Mg21B+Mg22B )/4
Mg11B
∴BP5=(BK1+BK2+Mg11B+G22B )/4
[Equation 4]
G K1 = (G 21 + G 22 ) / 2
G K2 = (G 12 + G 22 ) / 2
Mg 11G = (G 11 + G 12 + G 21 + G 22 ) / 4
G 22
∴G P5 = (G K1 + G K2 + Mg 11G + G 22 ) / 4

R K1 = (Mg 11R + Mg 21R ) / 2
R K2 = (Mg 11R + Mg 12R ) / 2
G 22R = (Mg 11R + Mg 12R + Mg 21R + Mg 22R ) / 4
Mg 11R
∴R P5 = (R K1 + R K2 + Mg 11R + G 22R ) / 4

B K1 = (Mg 11B + Mg 21B ) / 2
B K2 = (Mg 11B + Mg 12B ) / 2
G 22B = (Mg 11B + Mg 12B + Mg 21B + Mg 22B ) / 4
Mg 11B
∴B P5 = (B K1 + B K2 + Mg 11B + G 22B ) / 4

数4の演算式GP5,RP5,BP5により数3を算出することができる。
P5=(GK1+GK2+Mg11G+G22)/4
=〔{(G21+G22)/2}+{(G12+G22)/2}
+{(G1112+G21+G22)/4}+G22〕/4
=(G11+3G21+3G12+9G22)/16
P5=(RK1+RK2+Mg11R+G22R)/4
=〔{(Mg11R+Mg21R )/2}+{(Mg11R+Mg12R )/2}
+Mg11R+{(Mg11R +Mg12R +Mg21R+Mg22R )/4}〕/4
=(9Mg11R+3Mg21R +3Mg12R+Mg22R )/16
P5=(BK1+BK2+Mg11B+G22B )/4
=〔{(Mg11B+Mg21B )/2〕+{(Mg11B+Mg12B )/2}
+Mg11B+{(Mg11B +Mg12B +Mg21B+Mg22B )/4}
=(9Mg11B+3Mg21B +3Mg12B+Mg22B )/16
Equation 3 can be calculated using Equations G P5 , R P5 , and B P5 of Equation 4.
G P5 = (G K1 + G K2 + Mg 11G + G 22 ) / 4
= [{(G 21 + G 22 ) / 2} + {(G 12 + G 22 ) / 2}
+ {(G 11 + 12 + G 21 + G 22) / 4} + G 22 ] / 4
= (G 11 + 3G 21 + 3G 12 + 9G 22 ) / 16
R P5 = (R K1 + R K2 + Mg 11R + G 22R ) / 4
= [{(Mg 11R + Mg 21R ) / 2} + {(Mg 11R + Mg 12R ) / 2}
+ Mg 11R + {(Mg 11R + Mg 12R + Mg 21R + Mg 22R ) / 4}] / 4
= (9Mg 11R + 3Mg 21R + 3Mg 12R + Mg 22R) / 16
B P5 = (B K1 + B K2 + Mg 11B + G 22B ) / 4
= [{(Mg 11B + Mg 21B ) / 2] + {(Mg 11B + Mg 12B ) / 2}
+ Mg 11B + {(Mg 11B + Mg 12B + Mg 21B + Mg 22B ) / 4}
= (9Mg 11B + 3Mg 21B + 3Mg 12B + Mg 22B) / 16

このように、本実施の形態では、同一画素からR信号、B信号を取出すことができるので、数3、数4に示すようにR,G,Bの色信号の演算式を簡略化することができる。数4の演算式は、数3よりさらに演算を簡略化することができる。   As described above, in this embodiment, since the R signal and the B signal can be extracted from the same pixel, the arithmetic expressions of the R, G, and B color signals can be simplified as shown in Equations 3 and 4. Can do. The calculation formula of Formula 4 can further simplify the calculation from Formula 3.

一方、本発明に係る半導体イメージセンサは、第1画素グループと第2画素グループの複数の画素において、画素を構成するMOSトランジスタを共有することができる。すなわち、MOSトランジスタ4個の場合に、例えば選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの夫々、あるいはこれらトランジスタの全てを共有するように構成することがでる。また、MOSトランジスタ3個の場合に、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの夫々、あるいはこれらのトランジスタの全てを共有するように構成することができる。   On the other hand, the semiconductor image sensor according to the present invention can share the MOS transistors constituting the pixels in the plurality of pixels of the first pixel group and the second pixel group. That is, in the case of four MOS transistors, for example, the selection transistor, the reset transistor, the amplification transistor, or all of these transistors can be shared. In the case of three MOS transistors, each of the reset transistor and the amplification transistor, or all of these transistors can be shared.

図13及び図14にその実施の形態を示す。図13は、Mg画素とG画素の2画素で増幅トランジスタとリセットトランジスタと選択トランジスタを共有した実施の形態である。本実施の形態は、G画素による緑色用フォトダイオードPDgと、Mg画素による赤色用フォトダイオードPDr及び青色用フォトダイオードPDbとに対してそれぞれ対応する転送用トランジスタTr1g,Tr1r,Tr1bのソースが接続される。各転送用トランジスタTr1g,Tr1r,Tr1bの各ゲートには転送配線111(G),111(MgR),111(MgB)が接続される。各転送トランジスタTr1g,Tr1r,Tr1bのドレインは、共通接続されて1つのリセットトランジスタTrRESに接続されると共に、転送用トランジスタのドレインとリセットトランジスタのソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDが1つの増幅トランジスタTrAMPのゲートに接続される。リセットトランジスタTrRESのドレインと増幅トランジスタTrAMPのドレインは電源配線112(Vcc)に接続される。リセットトランジスタTrRESのゲートはリセット配線113に接続される。さらに、増幅トランジスタTrAMPのソースが1つの選択トランジスタTrSEL のドレインに接続される。選択トランジスタTrSEL のソースは垂直信号線115に接続され、そのゲートに選択配線114が接続される。 The embodiment is shown in FIG. 13 and FIG. FIG. 13 shows an embodiment in which an amplification transistor, a reset transistor, and a selection transistor are shared by two pixels, the Mg pixel and the G pixel. In the present embodiment, the sources of the transfer transistors Tr1g, Tr1r, Tr1b corresponding to the green photodiode PDg by the G pixel and the red photodiode PDr and the blue photodiode PDb by the Mg pixel are respectively connected. The Transfer wirings 111 (G), 111 (MgR), and 111 (MgB) are connected to the gates of the transfer transistors Tr1g, Tr1r, and Tr1b. The drains of the transfer transistors Tr1g, Tr1r, Tr1b are connected in common and connected to one reset transistor Tr RES , and a so-called floating diffusion FD between the drain of the transfer transistor and the source of the reset transistor is amplified by one. Connected to the gate of the transistor Tr AMP . The drain of the reset transistor Tr RES and the drain of the amplification transistor Tr AMP are connected to the power supply wiring 112 (Vcc). The gate of the reset transistor Tr RES is connected to the reset wiring 113. Further, the source of the amplification transistor Tr AMP is connected to the drain of one selection transistor Tr SEL . The source of the selection transistor Tr SEL is connected to the vertical signal line 115 and the selection wiring 114 is connected to the gate thereof.

このように、Mg画素とG画素の2つの画素に対してリセットトランジスタTrRES、増幅トランジスタTrAMP及び選択トランジスタTrSELを共有することにより、前述のMg画素及びG画素を斜めずらし配列したことによる効果に加えて、画素のMOSトランジスタの面積を縮小することができる。従って、フォトダイオード面積(受光部の開口面積)を更に大きくすることができるので、飽和電荷量、感度をさらに向上することができる。 Thus, by sharing the reset transistor Tr RES , the amplification transistor Tr AMP and the selection transistor Tr SEL with respect to the two pixels of the Mg pixel and the G pixel, the Mg pixel and the G pixel described above are arranged obliquely. In addition to the effect, the area of the MOS transistor of the pixel can be reduced. Accordingly, since the photodiode area (opening area of the light receiving portion) can be further increased, the saturation charge amount and sensitivity can be further improved.

図14は、2つのMg画素と2つのG画素の計4画素で増幅トランジスタとリセットトランジスタと選択トランジスタを共有した実施の形態である。本実施の形態は、2つのG画素による緑色用フォトダイオードPDg1,PDg2と、2つのMg画素による赤色用フォトダイオードPDr1,PDr2及び青色用フォトダイオードPDb1,PDb2とに対してそれぞれ対応する転送用トランジスタTr1g,Tr2g,Tr1r,Tr2r,Tr1b,Tr2bのソースが接続される。この場合転送用トランジスタは6個となる。各転送用トランジスタTr1g,Tr2g,Tr1r,Tr2r,Tr1b,Tr2bの各ゲートには転送配線111G1,111G2,111MgR1,111MgR2,111MgB1,111MgB2が接続される。各転送トランジスタTr1g,Tr2g,Tr1r,Tr2r,Tr1b,Tr2bのドレインは、共通接続されて1つのリセットトランジスタTrSELに接続されると共に、転送用トランジスタのドレインとリセットトランジスタTrRESのソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDが1つの増幅トランジスタTrAMPのゲートに接続される。リセットトランジスタTrRESのドレインと増幅トランジスタTrAMP のドレインは電源配線112(Vcc)に接続される。リセットトランジスタTrRESのゲートはリセット配線113に接続される。さらに、増幅トランジスタTrAMPのソースが1つの選択トランジスタTrSEL のドレインに接続される。選択トランジスタTrSEL のソースは垂直信号線115に接続され、そのゲートに選択配線114が接続される。 FIG. 14 shows an embodiment in which an amplification transistor, a reset transistor, and a selection transistor are shared by a total of four pixels including two Mg pixels and two G pixels. In the present embodiment, transfer transistors respectively corresponding to green photodiodes PDg1 and PDg2 using two G pixels, and red photodiodes PDr1 and PDr2 and blue photodiodes PDb1 and PDb2 using two Mg pixels, respectively. The sources of Tr1g, Tr2g, Tr1r, Tr2r, Tr1b, Tr2b are connected. In this case, there are six transfer transistors. Transfer wirings 111G1, 111G2, 111MgR1, 111MgR2, 111MgB1, 111MgB2 are connected to the gates of the transfer transistors Tr1g, Tr2g, Tr1r, Tr2r, Tr1b, Tr2b. The drains of the transfer transistors Tr1g, Tr2g, Tr1r, Tr2r, Tr1b, Tr2b are connected in common and connected to one reset transistor Tr SEL , and so-called floating between the drain of the transfer transistor and the source of the reset transistor Tr RES. The diffusion FD is connected to the gate of one amplification transistor Tr AMP . The drain of the reset transistor Tr RES and the drain of the amplification transistor Tr AMP are connected to the power supply wiring 112 (Vcc). The gate of the reset transistor Tr RES is connected to the reset wiring 113. Further, the source of the amplification transistor Tr AMP is connected to the drain of one selection transistor Tr SEL . The source of the selection transistor Tr SEL is connected to the vertical signal line 115 and the selection wiring 114 is connected to the gate thereof.

このように、2つのMg画素と2つのG画素の計4つの画素に対してリセットトランジスタTrRES、増幅トランジスタTrAMP及び選択トランジスタTrSEL を共有することにより、前述のMg画素及びG画素を斜めずらし配列したことによる効果に加えて、画素のMOSトランジスタの面積をさらに縮小することができる。従って、フォトダイオード面積(受光部の開口面積)を更に大きくすることができるので、飽和電荷量、感度をさらに向上することができる。 In this way, by sharing the reset transistor Tr RES , the amplification transistor Tr AMP, and the selection transistor Tr SEL with respect to a total of four pixels, that is, two Mg pixels and two G pixels, the above-described Mg pixel and G pixel are slanted. In addition to the effect of the shifted arrangement, the area of the MOS transistor of the pixel can be further reduced. Accordingly, since the photodiode area (opening area of the light receiving portion) can be further increased, the saturation charge amount and sensitivity can be further improved.

なお、図13、図14は画素トランジスタとして4つのMOSトランジスタを有した場合であるが、前述の図17に示す画素トランジスタとして3つのMOSトランジスタを有した場合にも適用できえる。その場合には、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等を共有した構成とすることができる。   13 and 14 show the case where four pixel transistors are provided as the pixel transistors, but the present invention can also be applied to the case where the pixel transistors shown in FIG. 17 have three MOS transistors. In that case, the reset transistor, the amplification transistor, and the like can be shared.

上述したように本実施の形態によれば、2×2の分光構造(すなわち、G検出センサと、B,R検出センサを分けて、B,Rは同一画素から検出できる構造)を用いて、かつ斜め画素ずらしを用いる構成としたので、さらなる高感度化、解像度の向上を図ることができる。HAD構造を用いてB,Rの検出が可能になり、ノイズを低減することができる。複数画素に対して信号を読出すためのMOSトランジスタを共有することにより、受光部の開口率を向上することができる。仮想画素のR,G,Bの各色信号を求める演算式を簡略化することができる。第1実施の形態のオンチップカラーフィルタを有しない構成としても、色分解が可能であり、低コスト化ができ、感度を向上することができる。   As described above, according to the present embodiment, a 2 × 2 spectral structure (that is, a structure in which the G detection sensor and the B and R detection sensors are separated and B and R can be detected from the same pixel) is used. In addition, since the oblique pixel shift is used, higher sensitivity and higher resolution can be achieved. B and R can be detected using the HAD structure, and noise can be reduced. By sharing a MOS transistor for reading a signal for a plurality of pixels, the aperture ratio of the light receiving portion can be improved. An arithmetic expression for obtaining the R, G, B color signals of the virtual pixel can be simplified. Even if the on-chip color filter of the first embodiment is not provided, color separation is possible, the cost can be reduced, and the sensitivity can be improved.

上例では、原色フィルタとして緑(G)フィルタを、補色フィルタとしてマゼンタ(Mg)フィルタを用いたが、その他の原色フィルタと補色フィルタの組み合わせにも本発明は適用できる。   In the above example, the green (G) filter is used as the primary color filter and the magenta (Mg) filter is used as the complementary color filter. However, the present invention can be applied to other combinations of primary color filters and complementary color filters.

61、100・・半導体イメージセンサ、63〔63A,63B〕、103〔103A,103B〕・・画素、64、65・・周辺回路、71・・n型半導体基板、72・・p型半導体ウェル領域、73、74、86・・n型半導体領域、PDb・・青色用フォトダイオード、PDr・・赤色用フォトダイオード、PDg・・緑色用フォトダイオード、75、87・・p型アキュミュレーション領域、105・・マゼンタ(Mg)フィルタ、106・・緑(G)フィルタ   61, 100... Semiconductor image sensor, 63 [63A, 63B], 103 [103A, 103B] .. Pixel, 64, 65 .. Peripheral circuit, 71... N-type semiconductor substrate, 72. 73, 74, 86,... N-type semiconductor region, PDb, blue photodiode, PDr, red photodiode, PDg, green photodiode, 75, 87, p-type accumulation region, 105・ ・ Magenta (Mg) filter, 106 ・ ・ Green (G) filter

Claims (7)

光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、
二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、
前記第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、
前記第1の画素グループに対応するオンチップカラーフィルタに補色フィルタを用いて成る
半導体イメージセンサ。
A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion means,
A first pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged at a predetermined pitch in each of a horizontal direction and a vertical direction;
A second pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged in a state where the pitch is shifted by approximately ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction with respect to the first pixel group,
A semiconductor image sensor using a complementary color filter as an on-chip color filter corresponding to the first pixel group.
光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、
二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、
前記第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、
前記第1の画素グループの光電変換手段は複数の積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる2つの光電変換信号を取り出すようにして成る
半導体イメージセンサ。
A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion means,
A first pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged at a predetermined pitch in each of a horizontal direction and a vertical direction;
A second pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged in a state where the pitch is shifted by approximately ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction with respect to the first pixel group,
The photoelectric conversion means of the first pixel group has a plurality of stacked structures, and is configured to take out two photoelectric conversion signals having different peak wavelengths from the same pixel.
光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、
二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、
前記第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、
前記第1の画素グループの各第1画素は異なる原色の第1及び第2の色成分信号が分離して検出される構成とされ、前記第2の画素グループの各第2画素は前記原色と異なる原色の第3の色成分信号が検出される構成とされ、
隣り合う前記第1画素と前記第2画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に前記画素グループの画素の1ピッチ未満の長さを半径とした円内に含む第1画素及び第2画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出する
半導体イメージセンサ。
A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion means,
A first pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged at a predetermined pitch in each of a horizontal direction and a vertical direction;
A second pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged in a state where the pitch is shifted by approximately ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction with respect to the first pixel group,
Each first pixel of the first pixel group is configured such that first and second color component signals of different primary colors are detected separately, and each second pixel of the second pixel group includes the primary color and A third color component signal of a different primary color is detected;
A region extending between the adjacent first pixel and the second pixel is defined as a virtual pixel, and the first pixel includes a circle having a radius of less than one pitch of the pixels of the pixel group with the virtual pixel as a center. A semiconductor image sensor that detects color signals by performing arithmetic processing from color component signals of pixels and second pixels.
光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、
二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第1の画素グループと、
前記第1の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略1/2ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第2の画素グループとを備え、
前記第1の画素グループの各第1画素は異なる原色の第1及び第2の色成分信号が分離して検出される構成とされ、前記第2の画素グループの各第2画素は前記原色と異なる原色の第3の色成分信号が検出される構成とされ、
隣り合う前記第1画素と前記第2画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に前記画素グループの画素の1ピッチの長さを半径とした円に接した画素を含んで該円内に含む第1画素及び第2画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出する
半導体イメージセンサ。
A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out the photoelectric conversion means,
A first pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged at a predetermined pitch in each of a horizontal direction and a vertical direction;
A second pixel group in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged in a state where the pitch is shifted by approximately ½ pitch of the pitch in both the horizontal direction and the vertical direction with respect to the first pixel group,
Each first pixel of the first pixel group is configured such that first and second color component signals of different primary colors are detected separately, and each second pixel of the second pixel group includes the primary color and A third color component signal of a different primary color is detected;
Including a pixel in contact with a circle having, as a virtual pixel, a region extending between the adjacent first pixel and the second pixel, the radius of which is a pitch of one pixel of the pixel group with the virtual pixel as a center A semiconductor image sensor that detects a color signal by performing arithmetic processing from the color component signals of the first pixel and the second pixel included in the circle.
前記第1の画素グループと前記第2の画素グループとの複数の画素において、前記MOSトランジスタのうちの増幅トランジスタを共有して成る
請求項1、2、3又は4記載の半導体イメージセンサ。
5. The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein a plurality of pixels of the first pixel group and the second pixel group share an amplification transistor of the MOS transistors.
前記第1の画素グループと前記第2の画素グループとの複数の画素において、前記MOSトランジスタのうちのリセットトランジスタを共有して成る
請求項1、2、3又は4記載の半導体イメージセンサ。
5. The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein a plurality of pixels of the first pixel group and the second pixel group share a reset transistor among the MOS transistors.
前記第1の画素グループと前記第2の画素グループとの複数の画素において、前記MOSトランジスタのうちの選択トランジスタを共有して成る
請求項1、2、3又は4記載の半導体イメージセンサ。
5. The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein a plurality of pixels of the first pixel group and the second pixel group share a selection transistor among the MOS transistors.
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