JP2014175553A - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジの更なる拡大に有利な技術を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、第１画素および第２画素を有する。前記第１画素は、第１光電変換部と、前記第１光電変換部の上に配置された第１光透過部とを含み、前記第２画素は、第２光電変換部と、前記第２光電変換部の上に配置された第２光透過部とを含む。前記第１光透過部の光透過率と前記第２光透過部の光透過率とは互いに異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関する。

特許文献１には、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大するために、高感度画素および低感度画素を設け、高感度画素および低感度画素のうち高感度画素にのみマイクロレンズを設けることが記載されている。

特開２００４−３２０５９号公報

より広いダイナミックレンジの追及において、特許文献１に記載された思想では不十分である。特に、特許文献１には、高照度側のダイナミックレンジの拡大、即ち低感度画素のダイナミックレンジの拡大のために低感度画素に対する入射光を減衰させるという思想はない。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、ダイナミックレンジの更なる拡大に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、第１画素および第２画素を有する固体撮像装置であって、前記第１画素は、第１光電変換部と、前記第１光電変換部の上に配置された第１光透過部とを含み、前記第２画素は、第２光電変換部と、前記第２光電変換部の上に配置された第２光透過部とを含み、前記第１光透過部の光透過率と前記第２光透過部の光透過率とが互いに異なる、ことを特徴とする。

本発明によれば、ダイナミックレンジの更なる拡大に有利な技術が提供される。

第１実施形態の固体撮像装置の概略平面図。 図１のＡ−Ｂ線に沿った断面図。 図１のＣ−Ｄ線に沿った断面図（ａ）および図１のＥ−Ｆ線に沿った断面図。 第１実施形態における第１画素および第２画素の平面図。 ダイナミックレンジの拡大について説明する図。 第１実施形態の変形例における図１のＡ−Ｂ線に沿った断面図。 第１実施形態の変形例における第１画素および第２画素の平面図。 第１実施形態の他の変形例における図１のＡ−Ｂ線に沿った断面図。 第１実施形態の他の変形例における第１画素および第２画素の平面図。 第１実施形態の他の変形例における図１のＣ−Ｄ線に沿った断面図（ａ）および図１のＥ−Ｆ線に沿った断面図。 第１実施形態の更に他の変形例における図１のＡ−Ｂ線に沿った断面図。 第２実施形態の固体撮像装置の概略平面図。 図１２のＡ−Ｂ線に沿った断面図。 第３実施形態の固体撮像装置の概略平面図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態の固体撮像装置１０の概略平面図である。固体撮像装置１０は、複数の行および複数の列を構成するように複数の画素が配列された画素アレイ１１０を有する。第１実施形態の固体撮像装置１０では、画素アレイ２１０を構成する複数の画素は、複数の第１画素１１１および複数の第２画素１１２を含む。第１実施形態では、第１画素１１１は低感度画素であり、第２画素１１２は高感度画素であるが、これとは逆に第１画素１１１を低感度画素とし、第２画素１１２を高感度画素としてもよい。第１画素１１１の信号と第２画素１１２の信号とに基づいて１つの信号を生成することによってダイナミックレンジを拡大することができる。

固体撮像装置１０は、画素アレイ１１０の行を選択する行選択回路１３０と、画素アレイ１１０の選択された行の画素から出力される信号を読み出す読み出し回路１４０と、読み出し回路１４０から出力された信号を処理して出力する出力回路１５０とを含む。読み出し回路１４０は、隣接する第１画素１１１および第２画素１１２から読み出された信号を別々の信号として出力回路１５０に出力するように構成されうる。あるいは、読み出し回路１４０は、隣接する第１画素１１１および第２画素１１２から読み出された信号を合成して１つの信号として出力回路１５０に出力してもよい。読み出し回路１４０は、Ａ／Ｄ変換器や、該Ａ／Ｄ変換器によって変換された信号を処理する処理回路を備えていてもよい。

図２は、図１のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。図３（ａ）は、図１のＣ−Ｄ線に沿った断面図である。図３（ｂ）は、図１のＥ−Ｆ線に沿った断面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１画素１１１、第２画素１１２の平面図である。第１画素１１１は、第１光電変換部２０１と、第１光電変換部２０１の上に配置された第１光透過部２２１とを含む。第２画素１１２は、第２光電変換部２０２と、第２光電変換部２０２の上に配置された第２光透過部２２２とを含む。第１光電変換部２０１および第２光電変換部２０２は、半導体基板ＳＢに形成されうる。第１光透過部２２１の光透過率と第２光透過部２２２の光透過率とは互いに異なる。第１実施形態では、第１画素１１１を低感度画素とし、第２画素１１２を高感度画素とするために、第１光透過部２２１の光透過率が第２光透過部２２２の光透過率より小さくされている。換言すると、第１光透過部２２１に入射した光の量に対する第１光電変換部２０１に到達する光の量の比率は、第２光透過部２２２に入射した光の量に対する第２光電変換部２０２に到達する光の量の比率よりも小さい。

第１光透過部２２１は第１光減衰膜２１１を含み、第２光透過部２２２は第２光減衰膜２１２を含み、第１光減衰膜２１１の下面および第２光減衰膜２１２の下面は、半導体基板ＳＢの表面を基準として同一高さに存在しうる。第１光減衰膜２１１および第２光減衰膜２１２は、光を減衰させる部材として機能する。

第１光透過部２２１は、第１絶縁膜２１５を含みうる。第１絶縁膜２１５は、第１光減衰膜２１１に接し第１光減衰膜２１１とは異なる材料で構成される。第２光透過部２２２は、第２絶縁膜２１６を含みうる。第２絶縁膜２１６は、第２光減衰膜２１２に接し第２光減衰膜２１２とは異なる材料で構成される。第１光減衰膜２１１と第２光減衰膜２１２とが同じ材料で構成される場合、第１光透過部２２１の光透過率を第２光透過部２２２の光透過率より小さくするために、第１光減衰膜２１１の厚さが第２光減衰膜２１２の厚さより大きくされる。第１光減衰膜２１１および第２光減衰膜２１２は、例えば、ポリシリコンで構成されうる。第１光減衰膜２１１、第２光減衰膜２１２は、第１光電変換部２０１、第２光電変換部２０２の少なくとも一部を覆っている。

第１画素１１１は遮光層２３０に形成された第１開口ＯＰ１を有し、第２画素１１２は遮光層２３０に形成された第２開口ＯＰ２を有しうる。ここで、遮光層２３０のうち第１開口ＯＰ１を規定する部分と、第２開口ＯＰ２を固定する部分とは、連続していてもよいし、互いに分離されていていてもよい。遮光層２３０は、配線層を兼ねていてもよい。

固体撮像装置１０は、第１光透過部２２１および第２光透過部２２２の上にカラーフィルタ層２４０を有しうる。また、固体撮像装置１０は、第１光透過部２２１および第２光透過部２２２の上、例えばカラーフィルタ層２４０の上に、光学部材アレイ（例えば、マイクロレンズアレイ）２５０を有しうる。ここで、光学部材アレイ２５０は、第１画素１１１に対して設けられた第１光学部材２５１と、第２画素１１２に対して設けられた第２光学部材２５２とを含みうる。ここで、前述のとおり、第１実施形態では、第１画素１１１を低感度画素とし、第２画素１１２を高感度画素とするために、第１光透過部２２１の光透過率が第２光透過部２２２の光透過率より小さくされている。この条件の下で、第１光学部材２５１を通して第１光透過部２２１に入射する光の量が第２光学部材２５２を通して第２光透過部２２２に入射する光の量よりも小さいことが好ましい。これにより、第１画素１１１と第２画素１１２との感度差を大きくし、ダイナミックレンジを拡大することができる。第１光学部材２５１は、例えば、平行平板部材またはマイクロレンズ（例えば凹レンズまたは凸レンズ）でありうる。第２光学部材２５２は、マイクロレンズでありうる。

固体撮像装置１０がＭＯＳ型センサとして構成される場合、第１画素１１１、第２画素１１２は、第１光電変換部２０１、第２光電変換部に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン２６０に転送する転送ゲート２７０を有しうる。

図５を参照しながらダイナミックレンジの拡大について説明する。高感度素として構成された第１画素１１１の信号ＶＨのレベル（電圧）は、光量Ｉ２で飽和電荷に対応する飽和レベルＶｓａｔとなる。画素の飽和レベルはばらつくので、高感度画素として構成された第１画素１１１の信号ＶＨは、リニアリティの良い光量Ｉ１に対応するレベルＶ１まで使用され、光量Ｉ１以上では、低感度画素として構成された第２画素１１２の信号ＶＬが使用される。ここで、光量Ｉ１に対応する信号ＶＨのレベルＶ１に対して信号ＶＬのレベルを加算することによって、合成された信号ＶＴを得ることができる。これにより、検出可能な光量は、０〜Ｉ３となり、ダイナミックレンジが拡大する。

図２〜図４に示された例では、第１光透過部２２１の第１光減衰膜２１１の光透過率と第２光透過部２２２の第２光減衰膜２１２の光透過率とを異ならせることによって第１光透過部２２１の光透過率と第２光透過部２２２の光透過率とを異ならせている。これに代えて、図６、７に例示されるように、第２光透過部２２２の第２光減衰膜２１２を取り除くことによって第１光透過部２２１の光透過率と第２光透過部２２２の光透過率とを異ならせてもよい。

図８、９、１０には、第１光減衰膜２１１、第２光減衰膜２１２の代わりに、又は、第１光減衰膜２１１、第２光減衰膜２１２とともに設けられうる第１光減衰膜２８１、第２光減衰膜２８２が例示されている。第１光減衰膜２８１、第２光減衰膜２８２は、半導体基板ＳＢの表面を基準として、転送ゲート２７０よりも高い位置に配置されうる。第１光減衰膜２８１、第２光減衰膜２８２は、例えば、光を透過するように厚さが決定された金属膜または金属化合物膜で構成されうる。

図１１に例示されるように、第１光透過部２２１の光透過率が第２光透過部２２２の光透過率より小さい構成において、第１画素１１１の第１開口ＯＰ１の面積が第２画素１１２の第２開口ＯＰ２の面積よりも小さくされてもよい。れにより、第１画素１１１と第２画素１１２との感度差を大きくし、ダイナミックレンジを拡大することができる。

図１２、図１３を参照しながら本発明の第２実施形態の固体撮像装置１０について説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。図１２は、本発明の第２実施形態の固体撮像装置１０の概略平面図である。図１３は、図１２のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。第２実施形態の固体撮像装置１０は、赤色（Ｒ）の画素３０３、３０４、緑色（Ｇ）の画素３０５、３０６、青色（Ｂ）の画素３０７、３０８を有する。画素の色は、カラーフィルタ層２４０に配置されたカラーフィルタの色によって定められる。つまり、画素３０３、３０４は、赤色（例えば第１色）のカラーフィルタを含む画素であり、画素３０５、３０６は、緑色（例えば第２色）のカラーフィルタを含む画素であり、画素３０７、３０８は、青色（例えば第３色）のカラーフィルタを含む画素である。

ここで、赤色の画素３０３、３０４に注目すると、画素３０３が第１実施形態における第１画素１０１に対応し、画素３０４が第１実施形態における第２画素１０２に対応する。同様に、緑色の画素３０５、３０６に注目すると、画素３０５が第１実施形態における第１画素１０１に対応し、画素３０６が第１実施形態における第２画素１０２に対応する。同様に、青色の画素３０７、３０８に注目すると、画素３０７が第１実施形態における第１画素１０１に対応し、画素３０８が第１実施形態における第２画素１０２に対応する。

第２実施形態では、ある色のカラーフィルタを有する第１画素の第１光透過部２２１の光透過率と該カラーフィルタとは異なる色のカラーフィルタを有する第１画素の第１光透過部２２１の光透過率とが互いに異なる。

以下、より具体的な例を説明する。赤色の画素３０３、３０４は、例えば６００ｎｍ付近の波長に分光感度特性のピークを有し、画素３０３が低感度画素としての第１画素、画素３０４が高感度画素としての第２画素である。緑色の画素３０５、３０６は、例えば５５０ｎｍ付近の波長に分光感度特性のピークを有し、画素３０５が低感度画素としての第１画素、画素３０６が高感度画素としての第２画素である。画素３０７、３０８は、例えば４５０ｎｍ付近の波長に分光感度特性のピークを有し、画素３０７が低感度画素としての第１画素、画素３０８が高感度画素としての第２画素である。

赤色の第１画素３０３は、第１光電変換部２０１と、第１光電変換部２０１の上に配置された第１光透過部２２１Ｒとを含む。赤色の第２画素３０４は、第２光電変換部２０２と、第２光電変換部２０２の上に配置された第２光透過部２２２Ｒを含む。緑色の第１画素３０５は、第１光電変換部２０１と、第１光電変換部２０１の上に配置された第１光透過部２２１Ｇとを含む。緑色の第２画素３０６は、第２光電変換部２０２と、第２光電変換部２０２の上に配置された第２光透過部２２２Ｇとを含む。青色の第１画素３０７は、第１光電変換部２０１と、第１光電変換部２０１の上に配置された第１光透過部２２１Ｂとを含む。青色の第２画素３０８は、第２光電変換部２０２と、第２光電変換部２０２の上に配置された第２光透過部２２２Ｂとを含む。第１光透過部２２１Ｒ、２２１Ｇ、２２１Ｂの第１光減衰膜３２３、３２５、３２７および第２光透過部２２２Ｒ、２２２Ｂ、２２２Ｇの第２光減衰膜３２４、３２６、３２７は、例えば、ポリシリコンで構成されうる。

第１光透過部２２１Ｒの光透過率Ｒ１は、第２光透過部２２２Ｒの光透過率Ｒ２より小さい。第１光透過部２２１Ｇの光透過率Ｇ１は、第２光透過部２２２Ｇの光透過率Ｇ２より小さい。第１光透過部２２１Ｂの光透過率Ｂ１は、第２光透過部２２２Ｂの光透過率Ｂ２より小さい。また、Ｒ１＜Ｇ１＜Ｂ１、および、Ｒ２＜Ｇ２＜Ｂ２が成り立つ。

第１光透過部２２１Ｒの膜厚ＴＲ１は、第２光透過部２２２Ｒの膜厚ＴＲ２より大きい。第１光透過部２２１Ｇの膜厚ＴＧ１は、第２光透過部２２２Ｇの膜厚ＴＧ２より大きい。第１光透過部２２１Ｂの膜厚ＴＢ１は、第２光透過部２２２Ｂの膜厚ＴＢ２より大きい。また、ＴＲ１＞ＴＧ１＞ＴＢ１、および、ＴＲ２＞ＴＧ２＞ＴＢ２が成り立つ。

ポリシリコンは、可視光の波長領域において、長波長側ほど光透過率が高くなる分光感度特性を有する。したがって、第１光減衰膜３２３、３２５、３２７および第２光減衰膜３２４、３２６、３２７をポリシリコンで構成した場合、ポリシリコンの分光感度特性を考慮しないで、それらの膜厚を決定すると、カラーバランスが悪くなる。そこで、第２実施形態では、Ｒ１＜Ｇ１＜Ｂ１およびＲ２＜Ｇ２＜Ｂ２（ＴＲ１＞ＴＧ１＞ＴＢ１およびＴＲ２＞ＴＧ２＞ＴＢ２１）が成り立つように第１光減衰膜３２３、３２５、３２７および第２光減衰膜３２４、３２６、３２７が構成される。

図１４を参照しながら本発明の第３実施形態の固体撮像装置１０について説明する。なお、第３実施形態として言及しない事項は、第２実施形態に従いうる。第３実施形態では、図１４に例示されるように、赤色（Ｒ）の画素群（３０３、３０４）、緑色（Ｇ）の画素群（３０５、３０６）および青色（Ｂ）の画素群（３０７、３０８）がベイヤー配列を構成している。ここで、赤色の画素群は、１つ第１画素（低感度画素）３０３と、３つの第２画素（高感度画素）３０４とで構成される。緑色の画素群は、１つ第１画素（低感度画素）３０５と、３つの第２画素（高感度画素）３０６とで構成される。緑色の画素群は、１つ第１画素（低感度画素）３０７と、３つの第２画素（高感度画素）３０８とで構成される。これにより、低感度画素の重心と該低感度画素と同一の画素群を構成する（３つの）高感度画素の重心とを近づけることができる。第３実施形態は、他のカラーフィルタ配列に対しても適用されうる。

本発明の１つの側面は、第１画素の光透過部の光透過率と第２画素の光透過部の光透過率とを異ならせることを特徴とするものであり、この特徴は、画素の構造や、固体撮像装置の方式を限定するものではない。例えば、本発明は、種々の画素構成を有するＭＯＳ型固体撮像装置に適用可能であるし、種々の画素構成を有するＣＣＤ型固体撮像装置にも適用可能である。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Claims (11)

1. 第１画素および第２画素を有する固体撮像装置であって、
   前記第１画素は、第１光電変換部と、前記第１光電変換部の上に配置された第１光透過部とを含み、前記第２画素は、第２光電変換部と、前記第２光電変換部の上に配置された第２光透過部とを含み、
   前記第１光透過部の光透過率と前記第２光透過部の光透過率とが互いに異なる、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１光電変換部および前記第２光電変換部は半導体基板に形成され、前記第１光透過部は第１光減衰膜を含み、前記第２光透過部は第２光減衰膜を含み、前記第１光減衰膜と前記第２光減衰膜とは、同じ材料で構成され、厚さが互いに異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１光減衰膜の下面および前記第２光減衰膜の下面は、前記半導体基板の表面を基準として同一高さに存在する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１光透過部は、前記第１光減衰膜に接し前記第１光減衰膜とは異なる材料で構成された第１絶縁膜を含み、前記第２光透過部は、前記第２光減衰膜に接し前記第２光減衰膜とは異なる材料で構成された第２絶縁膜を含む、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１光減衰膜および前記第２光減衰膜は、ポリシリコンで構成されている、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１光減衰膜および前記第２光減衰膜は、光を透過するように厚さが決定された金属膜または金属化合物膜で構成されている、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記第１画素は、遮光層に設けられた第１開口を有し、前記第２画素は、前記遮光層に設けられた第２開口を有し、
   前記第１光透過部の光透過率が前記第２光透過部の光透過率よりも小さく、かつ、前記第１開口の面積が前記第２開口の面積よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記第１画素は、カラーフィルタを有し、
   ある色のカラーフィルタを有する前記第１画素の前記第１光透過部の光透過率と前記カラーフィルタとは異なる色のカラーフィルタを有する前記第１画素の前記第１光透過部の光透過率とが互いに異なる、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記第１画素は、赤色、緑色、青色のカラーフィルタを有し、
   赤色のカラーフィルタを有する前記第１画素の前記第１光透過部の光透過率は、緑色のカラーフィルタを有する前記第１画素の前記第１光透過部の光透過率より低く、緑色のカラーフィルタを有する前記第１画素の前記第１光透過部の光透過率は、青色のカラーフィルタを有する前記第１画素の前記第１光透過部の光透過率より低い、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記第１画素は、前記第１光透過部の上に第１光学部材を含み、前記第２画素は、前記第２光透過部の上に第２光学部材を含み、
    前記第１光透過部の光透過率が前記第２光透過部の光透過率よりも小さく、かつ、前記第１光学部材を通して前記第１光透過部に入射する光の量が前記第２光学部材を通して前記第２光透過部に入射する光の量よりも小さい、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。