JP2013258168A - Solid-state imaging element, and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光の照射を受けて電荷を発生する光電変換部を備えた固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device including a photoelectric conversion unit that generates charges when irradiated with light, and an imaging apparatus including the solid-state imaging device.
テジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、内視鏡用カメラ等に利用されているイメージセンサとして、シリコン(Si)チップなどの半導体基板にフォトダイオードを含む画素を配列し、各画素のフォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷をCCD型やCMOS型読出し回路で取得する、固体撮像素子(所謂CCDセンサやCMOSセンサ)が広く知られている。 As an image sensor used for a digital still camera, a digital video camera, a mobile phone camera, an endoscope camera, etc., pixels including photodiodes are arranged on a semiconductor substrate such as a silicon (Si) chip, Solid-state imaging devices (so-called CCD sensors and CMOS sensors) that acquire signal charges corresponding to photoelectrons generated in a photodiode with a CCD type or CMOS type readout circuit are widely known.
近年、固体撮像素子の画素微細化が進んでいるが、画素微細化には画素サイズが小さくなると入射するフォトン数が減少するため、一般に画像のS/Nが低下するという問題が伴う。画像のS/Nは、大きく分けて輝度S/Nと色S/Nに分けて考えることができる。輝度S/Nは画像のザラツキなどに主に現れる成分であり、色S/Nは色分離や色再現などに主に現れる成分である。このうち、人間の視覚は輝度S/Nの低下に対し敏感であり、色S/Nの低下は輝度S/Nの低下と比較するとあまり気にならない。そのため、画素微細化の際に輝度S/Nの低下を抑制することが、画質の低下の抑制に繋がる。例えば、RGBのカラーフィルタを備えた固体撮像素子において、G画素の光電変換部をR、B画素よりも大きくして、画質を向上させる方法が提案されている(特許文献1、2など)。
In recent years, pixel miniaturization of solid-state imaging devices has progressed. However, pixel miniaturization generally involves a problem that the S / N of an image is lowered because the number of incident photons decreases as the pixel size decreases. The S / N of an image can be broadly divided into luminance S / N and color S / N. The luminance S / N is a component that mainly appears in the roughness of the image, and the color S / N is a component that mainly appears in color separation and color reproduction. Of these, human vision is sensitive to a decrease in luminance S / N, and a decrease in color S / N is less noticeable than a decrease in luminance S / N. Therefore, suppressing the decrease in luminance S / N during pixel miniaturization leads to the suppression of image quality deterioration. For example, in a solid-state imaging device having an RGB color filter, a method for improving the image quality by making the photoelectric conversion unit of the G pixel larger than the R and B pixels has been proposed (
他方、高画質化および画素微細化のために、シリコン基板の上方に一対の電極とこれらで挟まれた光電変換層を含む光電変換部を設け、この光電変換層で発生した電荷を上記一対の電極の一方からシリコン基板に移動させて蓄積し、この蓄積電荷に応じた信号を、シリコン基板に形成した信号読出し回路で読み出す光電変換層積層型の固体撮像素子が注目されている。例えば、有機光電変換膜を備えた積層型の固体撮像素子が特許文献3等に提案されている。
On the other hand, for high image quality and pixel miniaturization, a photoelectric conversion unit including a pair of electrodes and a photoelectric conversion layer sandwiched between them is provided above the silicon substrate, and the charges generated in the photoelectric conversion layer are transferred to the pair of electrodes. Attention has been focused on a photoelectric conversion layer stacked type solid-state imaging device in which a signal is transferred from one of the electrodes to a silicon substrate and accumulated, and a signal corresponding to the accumulated charge is read out by a signal readout circuit formed on the silicon substrate. For example,
特許文献1、2に記載の固体撮像装置は、シリコン基板の同一面上にフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷を蓄積し、読み出す信号読出回路を設けた構成である。フォトダイオードと信号読み出し回路が同一面上に設けられているため、フォトダイオードのサイズ、形状を変更した場合に信号読み出し回路のレイアウトも合わせて変更することが必要になり、それぞれのレイアウトの自由度が低い。結果として、フォトダイオードと信号読み出し回路をそれぞれに最適化することが出来ないため、画素微細化に伴い、フォトダイオードの面積が急激に小さくなることによるS/Nの低下や、信号読み出し回路のレイアウトが最適化されてないことに起因するノイズの増大、ダイナミックレンジの低下などの問題が起こり、高精細な画像を維持しつつ十分な微細化を図るのは困難である。
The solid-state imaging devices described in
本発明は、上記の事情に鑑み、画素の微細化に伴う輝度S/Nの低下を抑制し、高い自由度でフォトダイオードおよび信号読み出し回路のレイアウトが可能な固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides a solid-state imaging device capable of suppressing a reduction in luminance S / N accompanying pixel miniaturization and capable of laying out photodiodes and signal readout circuits with a high degree of freedom, and the solid-state imaging device. An object of the present invention is to provide an imaging apparatus provided.
本発明の固体撮像素子は、基板上に二次元状に配置された、入射光の光量に応じた信号電荷を発生する複数の光電変換部と、
基板の複数の光電変換部の下に各光電変換部毎に設けられた、光電変換部において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路部とを備え、
複数の光電変換部上に、異なる複数色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層が、各カラーフィルタが各光電変換部に1:1で対応するように配置され、
カラーフィルタおよびカラーフィルタに対応する光電変換部の平面視における面積は、各色毎に定められており、複数色のうち所定の色のカラーフィルタおよび該カラーフィルタに対応する光電変換部が最も大きい面積を有し、
各信号読出回路部の面積が、最も大きい光電変換部の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部の面積よりも大きいことを特徴とするものである。
A solid-state imaging device of the present invention is a two-dimensionally arranged on a substrate, a plurality of photoelectric conversion units that generate a signal charge according to the amount of incident light,
An accumulation unit for accumulating charges generated in the photoelectric conversion unit and an output circuit for outputting a voltage corresponding to the signal charge of the accumulation unit are provided for each photoelectric conversion unit below the plurality of photoelectric conversion units on the substrate. A signal readout circuit unit,
On the plurality of photoelectric conversion units, color filter layers having different color filters are arranged such that each color filter corresponds to each photoelectric conversion unit in a 1: 1 ratio.
The area in plan view of the color filter and the photoelectric conversion unit corresponding to the color filter is determined for each color, and the color filter of a predetermined color among a plurality of colors and the area where the photoelectric conversion unit corresponding to the color filter is the largest Have
The area of each signal readout circuit unit is smaller than the area of the largest photoelectric conversion unit and larger than the area of the smallest photoelectric conversion unit.
上記において、所定の色は、複数色のうち最も視感度が高い、あるいは最も輝度S/Nへの寄与が大きい色であることが望ましい。 In the above, it is desirable that the predetermined color is a color having the highest visibility or the largest contribution to the luminance S / N among the plurality of colors.
「視感度」とは、人間の目が波長ごとに光を感じる強さの度合いを表わすものである。人間は波長ごとに光を感じ取る強さが異なり、明るいところでは、555nm付近の波長の光を最も強く感じる。ここでは、CIE(国際照明委員会)が1924年に定めた標準比視感度に準じる。
つまり、一般的なRGB(赤、緑、青)フィルタを用いる場合、555nmを含むG色が最も視感度が大きい色となる。
“Visibility” represents the degree of strength with which the human eye feels light at each wavelength. Humans have different light intensity for each wavelength, and in bright places, light with a wavelength near 555 nm is felt most intensely. Here, it conforms to the standard relative luminous sensitivity established in 1924 by the CIE (International Commission on Illumination).
That is, when a general RGB (red, green, blue) filter is used, the G color including 555 nm is the color with the highest visibility.
なお、RGBの各色の光電変換部からの色信号を各種画像表示装置に表示するための信号に変換する際、色信号は輝度信号(Y)と色差信号(UV)として用いられる。輝度信号(Y)には、全ての色信号がそれぞれ所定の割合で寄与するが、その際の寄与率(割合)が最も大きいGが輝度S/Nへの寄与が最も大きい。このため、RGBフィルタの場合には、上記所定の色はGとすることが好ましい。 In addition, when converting the color signal from the photoelectric conversion unit of each color of RGB into a signal for displaying on various image display devices, the color signal is used as a luminance signal (Y) and a color difference signal (UV). All color signals contribute to the luminance signal (Y) at a predetermined ratio, and G having the largest contribution ratio (ratio) at that time has the largest contribution to the luminance S / N. For this reason, in the case of an RGB filter, the predetermined color is preferably G.
一方、RGBにW(白)を加えたWRGBフィルタの場合、すべての色の光が透過するWフィルタを備えた画素からのW信号が最もS/Nが高い。このため、W信号に基づき輝度信号を作成し、RGB信号から色差信号を作成するような信号処理を用いるのが一般的である。従って、WRGBフィルタの場合には、上記所定の色はWとすることが好ましい。 On the other hand, in the case of a WRGB filter in which W (white) is added to RGB, a W signal from a pixel having a W filter that transmits light of all colors has the highest S / N. For this reason, it is common to use signal processing that creates a luminance signal based on the W signal and creates a color difference signal from the RGB signal. Therefore, in the case of a WRGB filter, it is preferable that the predetermined color is W.
上記本発明の固体撮像素子においては、異なる複数色が、赤色、緑色および青色であるとき、複数色のカラーフィルタのうち緑色のカラーフィルタおよび該緑色のカラーフィルタの下に設けられている光電変換部が最も大きい面積を有するものとすることが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, when the plurality of different colors are red, green and blue, the green color filter among the plurality of color filters and the photoelectric conversion provided under the green color filter The part preferably has the largest area.
また、上記本発明の固体撮像素子においては、異なる複数色が、白色、赤色、緑色および青色であるとき、複数色のカラーフィルタのうち白色のカラーフィルタおよび該白色のカラーフィルタの下に設けられている光電変換部が最も大きい面積を有するものとすることが好ましい。 In the solid-state imaging device of the present invention, when the plurality of different colors are white, red, green, and blue, the white color filter and the white color filter are provided below the white color filter. It is preferable that the photoelectric conversion part to have the largest area.
上記本発明固体撮像素子においては、光電変換部が光電変換層と、光電変換部単位で区画された画素電極と前記光電変換層を挟んで前記画素電極に対向して設けられた対向電極とを備えたものとし、対向電極を、全ての前記光電変換部について共通の電極とすることができる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion layer, a pixel electrode partitioned in units of photoelectric conversion units, and a counter electrode provided to face the pixel electrode with the photoelectric conversion layer interposed therebetween. The counter electrode may be a common electrode for all the photoelectric conversion units.
光電変換層は、全ての光電変換部について共通な膜であることが好ましい。 The photoelectric conversion layer is preferably a common film for all photoelectric conversion units.
また、光電変換層は、有機光電変換膜を含むものであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a photoelectric converting layer contains an organic photoelectric converting film.
また、各光電変換部毎に設けられた信号読出回路部における蓄積部が、白色光源を撮像したときに、複数の光電変換部が同程度の光量で飽和するように容量調整されていることが好ましい。 In addition, the storage unit in the signal readout circuit unit provided for each photoelectric conversion unit is adjusted in capacity so that when a white light source is imaged, the plurality of photoelectric conversion units are saturated with the same amount of light. preferable.
本発明の撮像装置は、上記固体撮像素子を備えたことを特徴とするものである。 An image pickup apparatus according to the present invention includes the solid-state image pickup element.
本発明の固体撮像素子および撮像装置によれば、複数色のカラーフィルタおよび各カラーフィルタに対応する光電変換部の面積が各色毎に定められており、そのうち所定の色のカラーフィルタおよびそのカラーフィルタに対応する光電変換部の面積を最も大きくし、光電変換部の下方に信号読出回路部を配置し、各信号読出回路部の面積を、各光電変換部の面積と1:1で対応させるのではなく、最も大きい光電変換部の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部の面積よりも大きくなるようにしているので、信号読出回路部を光電変換部と同一面上に配置する場合と比較してレイアウトの制限を緩和することができる。 According to the solid-state imaging device and the imaging apparatus of the present invention, the color filters of a plurality of colors and the area of the photoelectric conversion unit corresponding to each color filter are determined for each color, of which the color filter of a predetermined color and the color filter thereof The area of the photoelectric conversion unit corresponding to is maximized, the signal readout circuit unit is arranged below the photoelectric conversion unit, and the area of each signal readout circuit unit is made to correspond to the area of each photoelectric conversion unit 1: 1. Instead, it is smaller than the area of the largest photoelectric conversion unit and larger than the area of the smallest photoelectric conversion unit, so compared with the case where the signal readout circuit unit is arranged on the same plane as the photoelectric conversion unit. Can alleviate layout restrictions.
また、複数色のカラーフィルタおよび複数の光電変換部のうち、視感度の最も高い色、あるいは最も輝度S/Nへの寄与が大きい色のカラーフィルタおよびそのカラーフィルタに対応する光電変換部が最も大きい面積を有するものとした場合には、画素の微細化の際における輝度S/Nの低下を抑制することができる。 Among the color filters of a plurality of colors and the plurality of photoelectric conversion units, the color filter having the highest visibility or the color filter having the largest contribution to the luminance S / N and the photoelectric conversion unit corresponding to the color filter are the most. In the case of having a large area, it is possible to suppress a decrease in luminance S / N during pixel miniaturization.
以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の固体撮像素子100の撮像部(画素領域)の一部を模式的に示す断面図である。
Hereinafter, embodiments of a solid-state imaging device of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a part of an imaging unit (pixel region) of the solid-
図1に示すように、固体撮像素子100の撮像部は、半導体回路基板1と、半導体回路基板1上に層間絶縁層5およびその絶縁層5中に配された配線層6を介して、二次元状に配置された複数の画素電極(下部電極)12(12r、12g、12b)と、複数の画素電極12上に共通して形成された有機材料からなる光電変換層14と、光電変換層14上に形成された複数の画素電極に対向する対向電極16とを備えている。また、対向電極16の上には透明な保護膜18が積層されており、この保護膜18上に、互いに異なる複数色(本実施形態においては3色)のカラーフィルタ21(21r、21g、21b)を備えたカラーフィルタ層CFが設けられている。
As shown in FIG. 1, the imaging unit of the solid-
1つの画素電極12と該画素電極12上の光電変換層14および対向電極16により1つの光電変換部17(17r、17g、17b)が構成されている。隣接する画素電極間の隙間上の光電変換層も光電変換に寄与するものであり、隣接する画素電極間の中心線(図1中の破線A)が隣接する光電変換素子の境界となる。
One
カラーフィルタ層CFは、1つの光電変換部につき1つのカラーフィルタが対応し、平面視において両者の領域が一致するように配置されており、光電変換部の平面視における面積とカラーフィルタの平面視における面積はほぼ同一である。 The color filter layer CF corresponds to one color filter for one photoelectric conversion unit, and is arranged so that both areas coincide in plan view. The area of the photoelectric conversion unit in plan view and the color filter in plan view The areas at are almost the same.
半導体回路基板1の表層には、各光電変換部17(17r、17g、17b)において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路部11(11r、11g、11b)が備えられており、1つの画素部20(20R、20G、20B)は、1つの光電変換部17(17r、17g、17b)、その下方の基板表層部に形成された信号読出回路部11(11r、11g、11b)および光電変換部上に配置された各色フィルタ21(21r、21g、21b)を含んでなる。なお、本明細書中および図中に示す符号末尾のr、g、bは、それぞれ赤色画素部20R、緑色画素部20G、青色画素部20Bを構成する要素であることをそれぞれ示すものであり、説明上、色を区別する必要が無い場合には、末尾のr、g、bを省く場合がある。
On the surface layer of the
画素電極12は、光電変換部17毎に区分された薄膜電極であり、たとえばITOやアルミニウムや窒化チタンなどのような透明または不透明な導電性材料から形成されるものである。画素電極12は、光電変換層14において発生した電荷を光電変換部17毎に捕集するものである。各光電変換部17の画素電極12は、絶縁層5を貫通するように形成された導電性材料からなる接続部7を介して信号読出回路部11に電気的に接続されている。
The
対向電極16は、画素電極12との間に配置されている光電変換層14に電圧を印加し、光電変換層14に電界を生じさせるための電極である。対向電極16は、光電変換層14よりも光の入射面側に設けられており、対向電極16を透過して光電変換層14に光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明なITOなどの導電性材料から形成される。
The
光電変換層14は、入射光を吸収し、その吸収した光量に応じた電荷を発生する有機光電変換膜または無機光電変換膜を含むものである。なお、光電変換層14と対向電極16との間、または光電変換層14と画素電極12との間に、電極から光電変換層14へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けるようにしてもよい。なお、光電変換層14は全画素共通の膜であることが好ましい。光電変換層14を全画素共通の膜にすることにより、開口率を100%とし、高い感度を得ることができる。
The
図2は、各画素部20における信号読出回路部11および該回路部11と光電変換部17との関係を示す回路図である。図2に示すように、信号読出回路部11には、出力トランジスタ32と、リセットトランジスタ33と、選択トランジスタ34が形成されている。そして、出力トランジスタ32、リセットトランジスタ33、選択トランジスタ34は、それぞれnチャネルのMOSトランジスタで構成されている。光電変換部17と出力トランジスタ32のゲートが電気的につながっており、このノードをフローティングディフュージョンFD(以下、単にFDという)と称する。図1において、信号読出回路部11は1つの領域として示されているが、実際には、この領域に上述の各要素が形成されている。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating the signal
本実施形態の画素部20においては、光電変換層14で発生した電荷のうち正孔が画素電極12に移動し、電子が対向電極16に移動するように、画素電極12に対してバイアス電圧が印加される。光電変換層14が十分に高い感度を発現するように、バイアス電圧としては、読み出し回路の電源電圧Vdd(図2において出力トランジスタのドレインに供給されている電圧、たとえば3V)よりも高い電圧(5〜20V程度、たとえば10V)を用いることが望ましい。
In the
FDは、画素電極12と電気的につながったn形不純物領域を含むノードである。FDは光電変換部17や各トランジスタの寄生容量等に起因して容量を持つ。画素電極12に捕集された電荷の量に応じてFDの電位が変化するため、FDは電荷蓄積部として機能する。
FD is a node including an n-type impurity region electrically connected to the
出力トランジスタ32は、FDに蓄積された電荷信号を電圧信号に変換して信号線に出力するものである。出力トランジスタ32のゲート端子はFDに電気的に接続され、ドレイン端子は固体撮像素子の電源電圧Vddが接続されている。また、出力トランジスタ32のソース端子は選択トランジスタ34のドレイン端子に接続されている。本実施形態における画素部20は、FDと光電変換部17の画素電極12と出力トランジスタ32のゲート端子とが電気的に直接接続された、いわゆる3トランジスタの構成の回路である。
The
リセットトランジスタ33は、FDの電位を基準電位にリセットするものである。リセットトランジスタ33のドレイン端子にはFDが電気的に接続され、ソース端子にはリセット電源が接続され、電圧RDが供給されている。リセットトランジスタ33のゲート端子に印加されるリセットパルスRSがハイレベルになると、リセットトランジスタ33がオンし、リセットトランジスタ33のソースからドレインに電子が注入される。そして、この電子の注入によってFDの電位が降下してFDの電位が基準電位にリセットされる。選択トランジスタ34は、そのソース端子が信号線に接続されるものであり、各画素の出力トランジスタ32から出力される信号を列ごとに設けられた信号線に選択的に出力するためのものである。選択トランジスタ34のゲート端子に印加される選択パルスRWがハイレベルになると、選択トランジスタ34はオンし、これにより各画素の出力トランジスタ32から出力された信号が信号線に出力される。
The
そして、本実施形態では図1の断面図において模式的に示すように、G画素部20Gの受光域は、B画素部20BおよびR画素部20Rの受光域よりも大きくなっているが、それらの下方の信号読出回路部11が基板表面に占める領域(平面視における面積)はほぼ均一な大きさとなっている。本発明においては、1つの画素部20において、カラーフィルタおよび光電変換部の平面視における面積と信号読出回路部の大きさは必ずしも一致しない。本発明は、それぞれの信号読出回路部の基板表面に占める面積が、最も面積の大きい光電変換部(本例では、G画素部の光電変換部)の面積よりも小さく、最も面積の小さい光電変換部(本例では、B、R画素部の光電変換部)の面積よりも大きいことを特徴としている。
In this embodiment, as schematically shown in the sectional view of FIG. 1, the light receiving area of the
図3Aおよび図3Bに、具体的なカラーフィルタのレイアウトおよびそれに対応する信号読出回路部のレイアウトを示す。各画素の光電変換部の位置および大きさはカラーフィルタと一致している。 3A and 3B show a specific color filter layout and a corresponding signal readout circuit portion layout. The position and size of the photoelectric conversion unit of each pixel coincides with the color filter.
図3Aには、R(赤色)フィルタ21r、G(緑色)フィルタ21g、およびB(青色)フィルタ21bの3色のカラーフィルタを2×2でパターン配置した第1のレイアウト22aと、各フィルタの面積は第1のレイアウト22aと同一であるが異なる2×2パターンの配置を有する第2のレイアウト22bとがさらに2×2で配置されてなる4×4周期でフィルタが配置された例を示している。
FIG. 3A shows a
このように、R、G、Bのフィルタを有するカラーフィルタ層CFを備えた場合、最も視感度の高い波長を透過するGフィルタ21rの面積が最大となるようにする。なお、カラーフィルタ間に混色防止等のための隔壁が存在する場合には、1つのフィルタの面積には、隣接する隔壁の厚みの中心線までの範囲を含めるものとする。
As described above, when the color filter layer CF having the R, G, and B filters is provided, the area of the
図3Aにおいて、各フィルタ21r、21g、21b中に示す黒枠は各フィルタに対応する光電変換部の画素電極12r、12g、12bの輪郭を示すものである。隣接画素電極間の隙間でも信号電荷が発生し、発生した信号電荷は画素電極12に捕集されるため、各光電変換部の面積は各フィルタの面積と一致している。すなわち、Gフィルタ21gが上方に形成されている光電変換部の面積は、Bフィルタ21bおよびRフィルタ21rが上方に形成されている光電変換部の面積よりも大きい。
In FIG. 3A, black frames shown in the
本例では、Bフィルタ21bおよびRフィルタ21rの面積が同一であるが、BフィルタおよびRフィルタは、Gフィルタよりも小さければよく、一方が他方より大きくてもよい。特には、Rフィルタ、Gフィルタ、Bフィルタの面積比率をRGB色空間からYUV色空間への変換での輝度情報に対する各色の信号が寄与する割合に基づき設定することが好ましい。
In this example, the areas of the
Gは、R,Bと比較して人間の視感度の高い色であり、このGの受光量を大きくすることにより、輝度信号(Y信号)のS/Nを向上させることができる。特に画素サイズを微細化した場合にも、R,Bに比してGの受光量の低下を抑制できるため、輝度信号のS/N低下を抑制することができる。 G is a color with higher human visibility than R and B. By increasing the amount of light received by G, the S / N of the luminance signal (Y signal) can be improved. In particular, even when the pixel size is miniaturized, a decrease in the amount of received light G can be suppressed as compared with R and B, so that a decrease in the S / N of the luminance signal can be suppressed.
図3Bは、図3Aの下方に配置されている信号読出回路部11の形成領域(斜線で示す矩形部)を模式的に示す平面図である。
FIG. 3B is a plan view schematically showing a formation region (rectangular portion indicated by oblique lines) of the signal
図3Aで示すカラーフィルタおよび光電変換部の面積の大小にかかわらず、図3Bに示すように、信号読出回路部11の平面視における面積はほぼ均一であり、各回路部11の面積は、最も小さいフィルタの面積(すなわち最も小さい光電変換部の面積)よりも大きく、かつ最も大きいフィルタの面積(すなわち最も大きい光電変換部の面積)よりも小さい。なお、ここで信号読出回路部11の面積とは、形成領域間の中心線(図3B中二点鎖線Bで示す。)で囲まれた領域の面積と定義する。また、信号読み出し回路の一部(不純物領域やゲート電極など)を隣接する複数の画素で共有している場合には、それぞれの役割を考慮した上で、各画素の境界領域を決定する。なお、二次元状に配置されている多数の信号読出回路部のうち端部に配置されている信号読出回路部の面積は、その上方に配置されているカラーフィルタの外周縁に相当する位置に仮想周縁を定め、その周縁と前記中心線とで囲まれた領域とする。
Regardless of the size of the area of the color filter and the photoelectric conversion unit shown in FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, the area of the signal
上述の通り、信号読出回路部はFD、3つのトランジスタ、キャパシタなどの各要素を含むものであり、信号読出回路部の面積とは、1画素部分の各要素が形成された領域であるため、必ずしも矩形領域の面積とは限らず、変形な多角形領域あるいは曲線で囲まれた領域の面積となる場合もある。 As described above, the signal readout circuit unit includes each element such as an FD, three transistors, and a capacitor, and the area of the signal readout circuit unit is a region where each element of one pixel portion is formed. The area is not necessarily the area of the rectangular area, and may be the area of a deformed polygon area or an area surrounded by a curve.
本発明においては、光電変換部と信号読み出し回路が別の面に形成されているため、上述のように光電変換部の面積と信号読み出し回路部の面積を独立に決定することが可能である。フィルタおよび光電変換部の面積の大小に伴って対応する信号読出回路部の面積を大小させると、小さい面積のフィルタおよび光電変換部に対応する信号読出回路部の面積を小さくしなければならないため、回路設計およびレイアウトが非常に困難である。それに対し、本発明では、信号読出回路部の面積が、最も小さいフィルタの面積(すなわち最も小さい光電変換部の面積)よりも大きいので、設計の自由度を向上させることができる。なお全光電変換部が形成される領域と全信号読出回路部が形成される領域の面積はほぼ同等とすることが素子全体の小型化のために望ましいので、各信号読出回路部の面積は、最も大きいフィルタの面積よりも小さくする。なお、本実施形態の場合のように、例えば、2×2のフィルタの面積と、2×2の信号読出回路部の面積とが同等となるようにパターン配置することが好ましい。 In the present invention, since the photoelectric conversion unit and the signal readout circuit are formed on different surfaces, the area of the photoelectric conversion unit and the area of the signal readout circuit unit can be determined independently as described above. When the area of the signal readout circuit unit corresponding to the size of the filter and the photoelectric conversion unit is increased or decreased, the area of the signal readout circuit unit corresponding to the filter and the photoelectric conversion unit of a small area must be reduced. Circuit design and layout are very difficult. On the other hand, in the present invention, since the area of the signal readout circuit section is larger than the area of the smallest filter (that is, the area of the smallest photoelectric conversion section), the degree of design freedom can be improved. In addition, since it is desirable for the size of the entire device that the area of the entire photoelectric conversion unit and the area of the entire signal readout circuit unit are substantially equal, the area of each signal readout circuit unit is Make it smaller than the area of the largest filter. As in the case of the present embodiment, for example, it is preferable to arrange the patterns so that the area of the 2 × 2 filter is equal to the area of the 2 × 2 signal readout circuit section.
図4Aおよび図4Bに、他の具体的なカラーフィルタのレイアウトおよびそれに対応する信号読出回路部のレイアウトを示す。 4A and 4B show other specific color filter layouts and corresponding signal readout circuit portion layouts.
本例では、RGBに加えてW(白色)のフィルタ21wを備えている。Wフィルタ21wは、R、G、B全ての色を透過させるものであり、同じフィルタ面積で比較しても、他のフィルタを用いた場合よりも光電変換部の受光量を大きくできるため、輝度S/N改善に有効である。更に本発明では、Wフィルタ21wの面積をR,G,Bのフィルタ21r,21g,21bの面積よりも大きくし、W画素の光電変換部の受光量を大きくすることにより、輝度信号(Y信号)のS/Nを向上させ、特に画素サイズの微細化の際に、輝度信号のS/N低下を抑制する。光電変換部の面積およびフィルタの面積等の各定義は上記実施形態に準ずる(以下において同様とする。)。
In this example, a W (white)
Wフィルタの面積は大きい方が輝度S/N改善には有効であるが、R,G,Bの各色フィルタの面積が小さくなりすぎると、色S/Nの低下が目立ち全体としての画質が劣化してしまうため、各フィルタのサイズは画素サイズ等を含めて総合的に決定することが望ましい。 A larger W filter area is more effective for improving luminance S / N. However, if the area of each of the R, G, and B color filters becomes too small, the color S / N decreases conspicuously and the overall image quality deteriorates. Therefore, it is desirable to determine the size of each filter comprehensively including the pixel size and the like.
図4Bは、図4Aに示すカラーフィルタ下方に設けられている信号読出回路部のレイアウトの一例を模式的に示すものである。図4Bに示すように、各色に対応する信号読出回路部11w、11r、11gおよび11bの面積(二点鎖線Bで囲まれた面積)は均一な大きさであり、2×2信号読出回路部の面積が上方の2×2フィルタの面積とほぼ同一である。
FIG. 4B schematically shows an example of the layout of the signal readout circuit portion provided below the color filter shown in FIG. 4A. As shown in FIG. 4B, the areas of the signal
図4Cは、図4Aに示すカラーフィルタ下方に設けられる信号読出回路部のレイアウトの他の例を模式的に示すものである。図4Cに示すように、例えば、WフィルタおよびRフィルタに対応する信号読出回路部11wおよび11rの面積がBフィルタおよびGフィルタに対応する信号読出回路部11b、11gの面積に比べて大きく形成されていてもよい。なお、各信号読出回路部の面積は図中二点鎖線Bで囲まれた領域の面積である。
FIG. 4C schematically shows another example of the layout of the signal readout circuit portion provided below the color filter shown in FIG. 4A. As shown in FIG. 4C, for example, the areas of the signal
このように、信号読出回路部の面積は必ずしも均一である必要はなく、最も小さい信号読出回路部の面積が最も小さいカラーフィルタの面積よりも大きく、信号読出回路部が十分に形成可能な領域を確保することができればよい。 Thus, the area of the signal readout circuit portion does not necessarily have to be uniform, and the area of the smallest signal readout circuit portion is larger than the area of the smallest color filter, and a region where the signal readout circuit portion can be sufficiently formed is formed. It only has to be ensured.
以上の通り、本発明の固体撮像素子は、半導体回路基板上に光電変換層を備えた光電変換部が形成されてなる積層型の撮像素子において、光電変換部の面積が微細化される場合にも、半導体基板表面に設けられる信号読出回路部の面積を最も小さい光電変換部の面積よりも大きくすることができるので、回路設計の自由度を向上させることができる。 As described above, the solid-state imaging device of the present invention is used when the area of the photoelectric conversion unit is miniaturized in a stacked type imaging device in which a photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion layer is formed on a semiconductor circuit substrate. However, since the area of the signal readout circuit portion provided on the surface of the semiconductor substrate can be made larger than the area of the smallest photoelectric conversion portion, the degree of freedom in circuit design can be improved.
図5は、本実施形態の固体撮像素子100の全体構成を示す図である。図5に示すように、本実施形態の固体撮像素子100は、垂直ドライバ121と、制御部122と、信号処理回路123と、水平ドライバ124と、LVDS125と、シリアル変換部126と、パッド127とを含む周辺回路と、図1に示す画素部20が複数二次元状に配列された画素領域(撮像部に相当する)とを備えている。図5の画素領域については、画素部20の信号読出回路部11のみを模式的に示している。
FIG. 5 is a diagram illustrating an overall configuration of the solid-
制御部122は、タイミングジェネレータなどを備えたものであり、フレーム同期信号VDや行同期信号HDを出力するとともに、垂直ドライバ121や水平ドライバ124の動作を制御することによって画素部20における電荷信号の読出しなどを制御するものである。
The
垂直ドライバ121は、制御部122から出力されたフレーム同期信号VDおよび行同期信号HDに基づいて、信号読出回路部11に対してリセットパルスRSや選択パルスRWを出力し、信号読出回路部11におけるリセット動作や電荷信号の読出し動作を制御するものである。
The
信号処理回路123は、信号読出回路部11の各列に対応して設けられるものである。信号処理回路123は、対応する列から出力された信号に対し、相関二重サンプリング(CDS)処理を行ない、処理後の信号をデジタル信号に変換するADC回路を備えたものである。信号処理回路123で処理後の信号は、列毎に設けられたメモリに記憶される。
The
水平ドライバ124は、信号処理回路123のメモリに記憶された画素部20の1行分の信号を順次読出してLVDS125に出力する制御を行うものである。
The
LVDS125は、LVDS(low voltage differential signaling)に従ってデジタル信号を伝送する。シリアル変換部126は、入力されるパラレルのデジタル信号をシリアルに変換して出力するものである。パッド127は、外部との入出力に用いるインターフェースである。
The
なお、ここまでの説明においては、各画素の電荷蓄積部の容量については特に制限していない。ただし、本発明においては、光電変換部が大きい画素は多くの信号電荷が発生するため、蓄積容量が同じだと他の画素よりも少ない光量で飽和してしまい、撮像素子全体として十分なダイナミックレンジが確保できない可能性がある。このため、光電変換部が大きい画素(RGB配列のG画素、WRGB配列のW画素)については、電荷蓄積部の容量を大きくして、十分な飽和信号電荷数を確保する構成としてもよい。例えば、白色被写体を撮像したときに全ての画素がほぼ同じ光量で飽和するように、電荷蓄積部の容量を調整してもよい。 In the description so far, the capacity of the charge storage portion of each pixel is not particularly limited. However, in the present invention, since a large amount of signal charge is generated in a pixel having a large photoelectric conversion unit, if the storage capacity is the same, the pixel is saturated with a smaller amount of light than the other pixels, and a sufficient dynamic range is obtained for the entire image sensor. May not be secured. For this reason, for a pixel having a large photoelectric conversion unit (G pixel of RGB array, W pixel of WRGB array), the capacity of the charge storage unit may be increased to ensure a sufficient number of saturated signal charges. For example, the capacity of the charge storage unit may be adjusted so that all pixels are saturated with substantially the same amount of light when a white subject is imaged.
なお、上述した実施形態の固体撮像素子においては、光電変換部の構成が画素電極、光電変換素子および対向電極からなるものについて説明したが、2つの電極が同一平面(回路基板上)に配置され、その間に光電変換膜が設けられた構成を備えたものであってもよい。 In the solid-state imaging device of the above-described embodiment, the configuration of the photoelectric conversion unit has been described as including the pixel electrode, the photoelectric conversion device, and the counter electrode. However, the two electrodes are arranged on the same plane (on the circuit board). A structure in which a photoelectric conversion film is provided between them may be provided.
設計変更例として、図6〜図9を参照して、2つの電極が同一平面に配置された構成の光電変換部を備えた形態を設目する。図6〜図9において、上記実施形態の構成要素と同一の要素には同一符号を付している。 As a design change example, referring to FIGS. 6 to 9, a configuration including a photoelectric conversion unit having a configuration in which two electrodes are arranged on the same plane is provided. 6-9, the same code | symbol is attached | subjected to the element same as the component of the said embodiment.
図6は、設計変更例の撮像素子部の一部の断面を模式的に示す図であり、図7は光電変換部の画素電極および対向電極の配置を示す平面図である。 FIG. 6 is a diagram schematically showing a part of a cross section of the image sensor unit of the design change example, and FIG.
本設計変更例では、光電変換部17’が、その平面視における中心部に設けられた画素電極32と、この画素電極32を囲むように配置された対向電極36とを絶縁層5表面、すなわち同一平面上に備え、画素電極32と対向電極36上に光電変換層14が形成されている点で上述の実施形態と異なる。
In the present design change example, the
対向電極36は、各画素電極32を囲むように網目状に形成され、全ての画素電極に対して共通であり、上記実施形態の場合と同様に適当な電圧が供給される構成となっている。
画素電極32と対向電極36は同時に同一材料で形成することができる。
The
The
本構成の場合には、図6および図7において破線Cで示す対向電極の中心を隣接光電変換部の境界とし、図7に示すように1つの光電変換部17’の平面視における面積は、対向電極の中心線Cで囲まれた領域で定義される。
In the case of this configuration, the center of the counter electrode indicated by the broken line C in FIGS. 6 and 7 is the boundary of the adjacent photoelectric conversion unit, and the area in plan view of one
図8は、図7に示す光電変換部のレイアウトに対応するカラーフィルタレイアウトの例を示す平面図である。各画素の光電変換部の位置および大きさはカラーフィルタと一致している。図8に示すレイアウトは図3Aに示したもの同一である。図8中には、対向電極36を併せて示している。図8に示すように対向電極36の中心線とカラーフィルタ境界が一致している。
FIG. 8 is a plan view showing an example of a color filter layout corresponding to the layout of the photoelectric conversion unit shown in FIG. The position and size of the photoelectric conversion unit of each pixel coincides with the color filter. The layout shown in FIG. 8 is the same as that shown in FIG. 3A. In FIG. 8, the
図9は、図8の下方に配置されている信号読出回路部11の形成領域(斜線で示す矩形部)を模式的に示す平面図である。
FIG. 9 is a plan view schematically showing a formation region (rectangular portion indicated by oblique lines) of the signal
図9において、上述の実施形態の図3Bと同様に、信号読出回路部11の面積はその形成領域間の中心線(図9中二点鎖線Dで示す。)で囲まれた領域の面積である。なお、信号読出回路部の面積の定義は上述の実施形態と同様である。
In FIG. 9, as in FIG. 3B of the above-described embodiment, the area of the signal
図9に示すように、図8に示すカラーフィルタおよび光電変換部の面積の大小にかかわらず、信号読出回路部11の形成領域の大きさはほぼ均一であり、図9に示すように、信号読出回路部11の面積は、最も小さいフィルタの面積(すなわち最も小さい光電変換部の面積)よりも大きく、かつ最も大きいフィルタの面積(すなわち最も大きい光電変換部の面積)よりも小さい。
As shown in FIG. 9, the size of the formation region of the signal
本構成でも上記実施形態と同様に、信号読出回路部の面積は光電変換部の面積と独立に決定することができ、回路設計およびレイアウトの自由度が高い。 In this configuration as well, the area of the signal readout circuit section can be determined independently of the area of the photoelectric conversion section as in the above embodiment, and the degree of freedom in circuit design and layout is high.
上述した実施形態の固体撮像素子は、種々の撮像装置に用いることができる。撮像装置としては、たとえばデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子内視鏡、カメラ付携帯電話などがある。 The solid-state imaging device of the above-described embodiment can be used for various imaging devices. Examples of the imaging device include a digital camera, a digital video camera, an electronic endoscope, and a camera-equipped mobile phone.
1 半導体回路基板
11 信号読出回路
12 画素電極
14 光電変換層
16 対向電極
17 光電変換部
20 画素部
21 カラーフィルタ
22a カラーフィルタの第1のレイアウト
22b カラーフィルタの第2のレイアウト
32 出力トランジスタ
33 リセットトランジスタ
34 選択トランジスタ
100 固体撮像素子
FD フローティングディフュージョン
CF カラーフィルタ層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基板の前記複数の光電変換部の下に各光電変換部毎に設けられた、前記各光電変換部において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路部とを備え、
前記複数の光電変換部上に、異なる複数色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層が、前記各カラーフィルタが前記各光電変換部に1:1で対応するように配置され、
前記カラーフィルタおよび該カラーフィルタに対応する光電変換部の平面視における面積は、各色毎に定められており、前記複数色のうち、所定の色のカラーフィルタおよび該カラーフィルタに対応する光電変換部が最も大きい面積を有し、
前記各信号読出回路部の面積が、前記最も大きい光電変換部の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部の面積よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of photoelectric conversion units provided with a photoelectric conversion layer that generates a signal charge according to the amount of incident light, arranged two-dimensionally on the substrate,
A storage unit that is provided for each photoelectric conversion unit under the plurality of photoelectric conversion units on the substrate and accumulates charges generated in the photoelectric conversion units, and outputs a voltage corresponding to the signal charge of the storage unit. A signal readout circuit unit including an output circuit,
A color filter layer having color filters of different colors is disposed on the plurality of photoelectric conversion units so that the color filters correspond to the photoelectric conversion units in a ratio of 1: 1.
The area in plan view of the color filter and the photoelectric conversion unit corresponding to the color filter is determined for each color, and among the plurality of colors, the color filter of a predetermined color and the photoelectric conversion unit corresponding to the color filter Has the largest area,
A solid-state imaging device, wherein an area of each signal readout circuit unit is smaller than an area of the largest photoelectric conversion unit and larger than an area of the smallest photoelectric conversion unit.
前記所定の色が緑色であることを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 The plurality of colors are red, green and blue;
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the predetermined color is green.
前記所定の色が白色であることを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 The plurality of colors are white, red, green and blue;
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the predetermined color is white.
前記対向電極が、全ての前記光電変換部について共通の電極であることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記載の固体撮像素子。 The photoelectric conversion unit includes the photoelectric conversion layer, a pixel electrode partitioned in units of photoelectric conversion units, and a counter electrode provided to face the pixel electrode with the photoelectric conversion layer interposed therebetween,
5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the counter electrode is a common electrode for all of the photoelectric conversion units.
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