JP2014187648A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度被写体に対してＳＮＲが高く色再現性に優れた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板の第１面上にマトリクス状に配置された複数の画素ブロックを有し、各画素ブロックは光を信号電荷に変換する光電変換素子をそれぞれ有する第１乃至第３画素を含み、前記第１画素は可視波長域中の第１波長域に対して可視波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第１フィルタを備え、前記第２画素は前記第１波長域に対して補色となる第２波長域に対して可視光波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第２フィルタを備え、前記第３画素は前記第１波長域および前記第２波長域を含む波長域の光を透過する第３フィルタを備えている、画素アレイと、前記複数の画素ブロックの前記第１乃至第３画素で光電変換された信号電荷を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路によって読み出された信号電荷に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサの開発が盛んに行われている。特に、半導体プロセスの微細化（デザインルール縮小）に伴って、例えば画素ピッチが１．０μｍ前後のレベルへと向かっている。このような画素サイズでは入射光の波動性が顕著となり、回折現象によって入射光量が画素面積の縮小割合よりも急速に低下していく。したがって、固体撮像装置のＳＮ比を高める新しい方策が必要とされている。

この種のＣＭＯＳイメージセンサでは、２行２列の画素ブロック中に、赤色（Ｒ）画素と青色（Ｂ）画素を１画素ずつと、緑色（Ｇ）画素を対角に２画素配置したベイヤー（Ｂａｙｅｒ）配列の色フィルタを備えるのが一般的である。画素ブロック中にＧ画素を２つ設けるのは、人間の緑色に対する視感度が高いためであり、Ｇ画素を、輝度（明るさ）情報を取得する画素として用いている。

色フィルタ配列に着目して画質向上を図る技術が種々提案されている。例えば、緑色を中心にし、上下左右に輝度信号として用いる白色を配置して、輝度信号の信号電荷量を確保する技術が知られている。この場合、白色画素データの有効な処理方法が開示されていないほか、色情報が少ないために高空間周波数被写体を撮像した際に偽色が発生する。

特開２００４−３０４７０６号公報

本実施形態は、低照度被写体に対してＳＮＲが高く色再現性に優れた固体撮像装置を提供する。

本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板の第１面上にマトリクス状に配置された複数の画素ブロックを有し、各画素ブロックは光を信号電荷に変換する光電変換素子をそれぞれ有する第１乃至第３画素を含み、前記第１画素は可視波長域中の第１波長域に対して可視波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第１フィルタを備え、前記第２画素は前記第１波長域に対して補色となる第２波長域に対して可視光波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第２フィルタを備え、前記第３画素は前記第１波長域および前記第２波長域を含む波長域の光を透過する第３フィルタを備えている、画素アレイと、前記複数の画素ブロックの前記第１乃至第３画素で光電変換された信号電荷を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路によって読み出された信号電荷に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備えている。

第１実施形態による固体撮像装置を示すブロック図。 第１実施形態の固体撮像装置の画素ブロックを示す図。 色フィルタの透過率を示す図。 色フィルタの感度を示す図。 各画素の通過波長域と透過率との関係を示す図。 図２に示す画素ブロックを縦横に計４個配置した例を示す図。 図６に示す切断線Ａ−Ａで切断した画素ブロックの断面図。 図６に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した画素ブロックの断面図。 第１実施形態の固体撮像装置における空乏層、読み出し空乏層、転送ゲート、拡散層のレイアウトの一例を示す図。 Ｗ信号をＲＧＢ信号に分離する色分離処理を説明する図。 Ｗ信号をＲＧＢ信号に分離する色分離処理を説明する図。 Ｗ信号をＲＧＢ信号に分離する色分離処理を説明する図。 信号処理回路の動作を説明するフローチャート。 第２実施形態の固体撮像装置における空乏層、読み出し空乏層、転送ゲート、拡散層のレイアウトの一例を示す図。

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による固体撮像装置の概略構成を図１に示す。この実施形態の固体撮像装置は、それぞれが光電変換素子を有する複数の画素をマトリクス状に配置した画素アレイ１と、画素アレイ１の各行に順に駆動電圧を供給する垂直走査回路２と、個々の画素で光電変換された撮像信号に含まれるノイズの除去処理を行うノイズ減算回路３と、ノイズ減算回路３から出力された撮像信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路４と、Ａ／Ｄ変換後の撮像データを列ごとに順に選択して読み出す水平走査回路５と、撮像データに対して後述する信号処理を行う信号処理回路６と、を備えている。信号処理回路６には、画素アレイ１内の各行ごとに、一列分ずつ直列に撮像データが入力される。垂直走査回路２、ノイズ減算回路３、Ａ／Ｄ変換回路４、および水平走査回路５は読み出し回路を構成する。読み出し回路は、複数の画素に対して１水平ライン同時、もしくは１画素ずつ順番に信号読み出しを行う。

画素アレイは、半導体基板の第１面上にマトリクス状に配置された複数の画素ブロックを有する。画素ブロックは、第１乃至第３画素を含む。第１乃至第３画素は、それぞれ、光を信号電荷に変換する光電変換素子を有する。第１画素は、可視波長域中の第１波長域に対して可視波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第１フィルタを備える。第２画素は、第１波長域に対して補色となる第２波長域に対して可視光波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第２フィルタを備える。あるいは、第２画素は、第１波長域に対して補色となる波長域を含む第２波長域に対して、可視光波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第２フィルタを備えていても良い。あるいは、第２画素は、第１波長域中ののピーク波長に対して補色となるピーク波長を含む第２波長域に対して、可視光波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第２フィルタを備えていても良い。第３画素は、第１波長域および前記第２波長域を含む波長域の光を透過する第３フィルタを備える。

読み出し回路は、複数の画素ブロックの前記第１乃至第３画素で光電変換された信号電荷を読み出す。

信号処理回路は、読み出し回路によって読み出された信号電荷に基づいて信号処理を行う。

画素アレイ１内の複数の画素は、隣接配置された、いくつかの画素を単位として、複数の画素ブロックに区分けされている。例えば、図２は２行２列の画素ブロック１０ａの一例を示す図であり、左上および右下の対角線上に配置された２個の白色Ｗの画素（以下、Ｗ画素ともいう）と、右上および左下の対角線上に配置されたマゼンダ色Ｍｇの画素（Ｍｇ画素という）および緑色の画素（以下、Ｇ画素ともいいう）と、を備えている。

Ｗ画素には、可視光波長（例えば、４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）の入射光を透過する透明フィルタが設けられ、透過した可視光を対応する光電変換素子に導いている。透明フィルタは、可視光に対して透明な素材で形成されており、全可視光領域で高い感度を示す。

一方、Ｇ画素には、緑色の可視光波長域の光に対して高い透過率を有する色フィルタが設けられる。Ｍｇ画素には、赤および青色の可視光波長域の光に対して高い透過率を有する色フィルタが設けられる。Ｂ画素には、青色の可視光波長域の光に対して高い透過率を有する色フィルタが設けられている。

Ｗ画素を設ける理由は、白色画素は全可視波長域の光を透過するため、輝度情報を取得するのに適しているためである。輝度情報の取得には、Ｇ画素も利用できるため、図２に示す画素ブロック１０ａでは、Ｗ画素とＧ画素を異なる対角線上に配置している。これにより、すべての行および列に対して均等に輝度情報を検出でき、輝度解像度の向上が図れる。また、図２に示す画素ブロック１０ａが、Ｗ画素以外に、Ｇ画素およびＭｇ画素を有する理由は、色信号（情報）を獲得するためである。

色フィルタの透過率を図３に示し、各色の色フィルタを付けた各画素の感度を図４に示す。図３に示すように、白色（Ｗ）のフィルタは全可視波長域（約４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光に対して９５％以上の透過率を持ち、緑色（Ｇ）の色フィルタは約５００ｎｍ〜５５０ｎｍの光に対して高い透過率を持ち、マゼンダ色（Ｍｇ）の色フィルタは約４５０ｎｍ〜４９０ｎｍならびに約６００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光波長域の光に対して高い透過率を持っている。

図４に示すように、感度も透過率と同様の特性を持っており、白色（Ｗ）の画素は全可視波長域に対して高い感度を持ち、かつ緑色（Ｇ）の画素の約２倍の感度を持っている。各画素を構成する光電変換素子は、近赤外波長領域まで感度があるため、近赤外光（例えば６５０ｎｍ以上）をカットしないと、色再現性が悪化してしまう。例えば、純粋な緑色光と近赤外光を放つ（反射する）被写体を撮像する場合、Ｇ画素において緑色光を検出し、Ｒ画素において近赤外光を検出してしまうことになり、上記被写体を純粋な緑色（Ｒ：Ｇ：Ｂ）＝（０：１：０）として検出することができなくなる。

そこで、例えば６５０ｎｍ以上の光を遮断する赤外カットフィルタを固体撮像素子と被写体、あるいは固体撮像素子とレンズとの間に設けて、波長可視光のみを固体撮像素子に入射させる。

画素のそれぞれに赤外カットフィルタを設け、Ｗ画素には赤外カットフィルタを設けない場合の各画素の通過波長域と透過率との関係を図５に示す。図５に示すように、Ｗ画素は、光電変換素子の基板材料であるシリコンが光電変換を行うことができる波長（約１．１μｍの近赤外線）の光線まで吸収することができ、特に低照度の被写体を撮像する際に有利となり、近赤外カメラとしても用いることができる。

図２に示す画素ブロック１０ａを縦横に計４個配置した例を図６に示す。すなわち、図６は、左上および右下の対角線上に配置された２個のＷ画素１０１、１０３と、右上に配置されたＭｇ画素１０２と、左下に配置されたＧ画素１０４とを有する画素ブロック１０ａが縦横に４個配置した例を示す。

また、図６に示す切断線Ａ−Ａで切断した画素ブロックの断面を図７に示し、図６に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した画素ブロックの断面を図８に示す。切断線Ａ−Ａは、隣接する２つの画素ブロック１０ａのうちの一方の画素ブロック１０ａのＭｇ画素１０２と、このＭｇ画素に隣接する他方の画素ブロック１０ａのＷ画素１０１を切断する。また、切断線Ｂ−Ｂは、上記他方の画素ブロック１０ａにおけるＷ画素１０１と、上記他方の画素ブロック１０ａのＧ画素１０４を切断する。なお、本実施形態では、固体撮像素子は裏面照射型であり、ｐ型半導体基板２００の表面が図の下側に来るように記載している。半導体基板２００の裏面側が光入射側である。

マゼンダ色の色フィルタは、赤色を含む波長域の光と青色を含む波長域の光を透過する。Ｍｇ画素は、赤色を含む波長域の光を光電変換する光電変換素子と、青色を含む波長域の光を光電変換する光電変換素子を有していても良い。

マゼンダ色の色フィルタは、少なくとも赤色と青色の光を透過する。Ｍｇ画素は、赤色の光を光電変換する光電変換素子と、青色の光を光電変換する光電変換素子を有していても良い。

Ｍｇ画素が有する２つの光電変換素子は、半導体基板の第１面に対して垂直方向に積層することができる。

図７に示すように、Ｍｇ画素は、ｐ型半導体基板２００に設けられたｎ層からなる読み出し空乏層２１と、ｐ型半導体基板２００の裏面側に設けられたｎ⁻層からなるＭｇ空乏層２２と、ｐ型半導体基板２００の表面側に設けられたｎ層からなるＲ空乏層２３と、ｎ層からなる拡散層２５と、Ｒ空乏層２３と拡散層２５との間のｐ型半導体基板２００の表面側に設けられＲ色信号成分を転送する転送ゲート２６２と、拡散層２５と読み出し空乏層２１との間のｐ型半導体基板２００の表面側に設けられＢ色信号成分を転送する転送ゲート２６３と、ｐ型半導体基板２００の裏面側に設けられたＭｇ色フィルタ層３１ａと、このＭｇ色フィルタ層３１ａ上に設けられたマイクロレンズ３０ａと、を備えている。

また、Ｗ画素は、図７に示すように、ｐ型半導体基板２００の裏面側に設けられたｎ⁻層からなる空乏層２４ａと、ｐ型半導体基板２００の表面側に設けられたｎ層からなる空乏層２４ｂと、空乏層２４ｂと拡散層２５との間のｐ型半導体基板２００の表面側に設けられＷ信号成分を転送する転送ゲート２６１と、ｐ型半導体基板２００の裏面側に設けられたＷ色フィルタ層３１ｂと、このＷ色フィルタ層３１ｂ上に設けられたマイクロレンズ３０ｂと、を備えている。

一方、Ｇ画素は、図８に示すように、ｐ型半導体基板２００の裏面側に設けられたｎ⁻層からなる空乏層２７ａと、ｐ型半導体基板２００の表面側に設けられたｎ層からなる空乏層２７ｂと、空乏層２７ｂと拡散層２５との間のｐ型半導体基板２００の表面側に設けられＧ信号成分を転送する転送ゲート２６４と、ｐ型半導体基板２００の裏面側に設けられたＧ色フィルタ層３１ｃと、このＧ色フィルタ層３１ｃ上に設けられたマイクロレンズ３０ｃと、を備えている。なお、ｐ型半導体基板２００の裏面側および表面側の空乏層２４ａ、２４ｂ、２７ａ、２７ｂ上にはｐ^＋層がそれぞれ設けられている。

Ｇ画素およびＷ画素においては、空乏層は、マイクロレンズ３０で集光された光を効率よく吸収するために体積を大きくすることが好ましい。これに対して、Ｍｇ画素に関しては、図７に示すように、１画素内に、光電変換のための空乏層がＭｇ空乏層２２、Ｒ空乏層２３の２種類存在する。Ｍｇ空乏層２２では、マイクロレンズ３０ａで集光された入射光のうち、カラーフィルタ３１ａを通過したことにより、約４５０ｎｍ〜４９０ｎｍならびに約６００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光波長域を受光、光電変換することになる。Ｍｇ空乏層２２は、例えば入射光と平行な方向に０．５μｍ程度の厚みで薄く構成される。このため、上記Ｍｇ光のうち波長の短い成分、すなわち波長約４５０ｎｍ〜４９０ｎｍの成分が優先的に吸収される。したがって、Ｍｇ空乏層２２では、主に波長約４５０ｎｍ〜４９０ｎｍの青色光と、わずかに波長約６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色光が検出されることになる。検出された光は光電変換され、読み出し空乏層２１を通過して、主に転送ゲート２６３付近に蓄積される。読み出し空乏層２１は、光入射側から遠ざかるほどｎ型不純物濃度が高くなるように構成されており、信号電荷はポテンシャルの勾配にしたがって移動することができる。

蓄積された電荷は、転送ゲート２６３をオンすることによって拡散層２５に移動する。拡散層２５の電位は、予め読み出し空乏層２１の電位よりも低くなるようにリセットされており、信号電荷は転送ゲート２６３を通じて完全に拡散層２５に転送される。その後、拡散層２５の電位を読み出すことで、Ｍｇ空乏層２２で検出した信号電荷を電圧として読み出すことができる。このときの電荷−電圧変換ゲインは、拡散層２５に接続される容量成分の和で決定される。

Ｒ空乏層２３では、Ｍｇ空乏層２２で吸収されなかった波長約６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色光が検出される。Ｒ空乏層２３に蓄積された電子は、転送ゲート２６２をオンすることで拡散層２５に転送される。

本実施形態では、Ｒ空乏層２３の読み出しに用いる拡散層２５はＭｇ空乏層２２の読み出しに用いたものと同一としているため、Ｒ色信号、Ｍｇ色信号の読み出しタイミングをずらして交互に転送、読み出し、リセットをする。Ｗ画素、Ｇ画素に関しては、拡散層の画素間共有を行わない。

本実施形態の固体撮像装置における空乏層２２、２３、２４ａ、２４ｂ、２７ａ、２７ｂ、読み出し空乏層２１、転送ゲート２６１、２６２、２６３、２６４、拡散層２５のレイアウト例を図９に示す。ここでは半導体基板の表面側、すなわち光入射面と逆側面のレイアウトを記載している。Ｍｇ画素においては、読み出し空乏層２１と、Ｒ空乏層２３が拡散層２５を共有しており、転送ゲート２６３、２６２に与える信号に従って電荷転送が行われる。

Ｗ画素の出力する信号値Ｗは、そのままでは汎用の映像信号であるＲＧＢ値として用いることができない。したがって、Ｗ画素の白色データ値ＷをＲＧＢの３色データに色分離する必要がある。

Ｍｇ画素１０２からは、Ｍｇ空乏層２２とＲ空乏層２３からそれぞれ得られる信号値Ｍｇと信号値Ｒが出力される。まずはこれらの信号から、以下の式に従ってＢ信号を計算する。
Ｂ＝Ｍｇ−ａ×Ｒ （１）
ここでａは、Ｍｇ空乏層２２のＭｇ色の感度全体における、赤色光の感度の割合を示す。ａの値は０より大きく１より小さい値、例えば０．２４などであり、製造後に一意に決定することができる。

一般的に、補色フィルタからＲＧＢ信号を生成する際には、上記のような引き算処理の過程においてＳＮ比が劣化するという問題がある。式（１）の計算が、複数の観測におけるＢ、Ｍｇ、Ｒの信号の平均値を表すとすると、Ｂ、Ｍｇ、Ｒの信号のそれぞれのばらつきΔＢ、ΔＭｇ、ΔＲは以下のように表現される。
ΔＢ^２＝ΔＭｇ^２＋（ａ×ΔＲ）^２ （２）

すなわち、信号値の平均値が引き算で表現されるのに対して、信号のばらつきは二乗和で表されるため、ＳＮ比は劣化する。

しかしながら、通常の撮像素子においては、ＲＧＢ信号から以下のような変換式に基づいて、輝度信号Ｙを計算し、ＹのＳＮ比が議論されることが多い。
Ｙ＝０．２９９Ｒ＋０．５８７Ｇ＋０．１１４Ｂ （３）

式（３）からわかるように、Ｂ信号のＹ信号への寄与は１１．４％であり、Ｇ信号のそれと比較すると１／５以下である。したがって、Ｍｇ信号からＲ信号を減算してＢ信号を生成する式（１）の減算を行った結果は、輝度信号ＹのＳＮＲの劣化は小さい。

続いて、Ｗ信号をＲＧＢ信号に分離する色分離処理を行う。図１０に示すように、対象となるＷ画素の周囲にはそれぞれ２つずつＭｇ画素およびＧ画素が存在する。すなわち、Ｗ画素の周囲には、２個ずつＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素が存在する。色分離処理はＷ画素の周辺のＭｇ画素およびＧ画素を用いて、以下の（４）〜（６）式により行う。
Ｒ_ｗ←Ｗ×Ｋ_１ （４）
Ｇ_ｗ←Ｗ×Ｋ_２ （５）
Ｂ_ｗ←Ｗ×Ｋ_３ （６）
ここで、Ｂ信号は式（１）にて予め計算されたものであり、Ｗは対象画素の信号値とする。Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３はそれぞれ、対象となるＷ画素の周辺のＲＧＢ画素から得られる色比率を表しており、例えば以下の（７）〜（９）式で表される。

ここで、Ｒ_average、Ｇ_average、Ｂ_averageはそれぞれ、対象となるＷ画素の周辺の複数画素の色データ値ＲＧＢの平均である。例えば、画素ブロック内に存在するＲ画素２個分の平均色データ値、Ｇ画素４個分の平均色データ値、Ｂ画素２個分の平均色データ値である。すなわち、図１０に示すように、対象となるＷ画素を取り囲む３行３列の画素ブロック１０ｂ内の色比率Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３を求め、この色比率にＷ画素自身の輝度値（白色データ値Ｗ）を掛け合わせる。これにより、輝度解像度を劣化させずにＷ画素を色分離し、図１１に示すように、対象となるＷ画素の位置に新たにＲＧＢのデータ値Ｒ_ｗ，Ｇ_ｗ，Ｂ_ｗを生成する。

色分離処理においては、行を跨る演算を行う必要がある。そこで、例えば、ラインメモリに２行分の色データ値を一時的に格納しておき、画素ブロック内の最終行を読み出すタイミングで、ラインメモリに格納しておいた残り２行分の色データ値を読み出して、上述した（４）〜（６）式の演算を行う。

ここで、例えば画素ブロック内の色データ値が、Ｗ＝２００でかつ（Ｒ_average、Ｇ_average、Ｂ_average）＝（８０、１００、７０）の場合には、（４）〜（９）式より、（Ｒ_ｗ、Ｇ_ｗ、Ｂ_ｗ）＝（６４、８０、５６）となる。

このように、白色データ値Ｗを色データＲｗ、Ｇｗ、Ｂｗに変換すると、平均色データＲ_average、Ｇ_average、Ｂ_averageに対して（６４＋８０＋５６）／（８０＋１００＋７０）＝４／５倍になる。そこで、その逆数である５／４を定数として、（４）〜（６）のそれぞれの右辺に掛け合わせた値を最終的な色データ値Ｒ_ｗ，Ｇ_ｗ，Ｂ_ｗとしてもよい。

色変換データＲ_ｗ、Ｇ_ｗ、Ｂ_ｗは、本来ＳＮ比の高い白色データ値Ｗと、平均化によりＳＮ比が向上した色データ値とを用いた乗算と除算のみにより得られるものであり、生成された色データ値は、ＳＮ比がＲ、Ｇ、Ｂデータ値のそれぞれよりも高くなる。

なお、色分離処理における画素ブロックは３行３列に限定されない。色分離処理を行うのに使用するラインメモリの容量は画素ブロックの行数に依存し、行数が増えるに従ってラインメモリの容量も大きくなる。したがって、画素ブロックの行数を極端に増やすのは望ましくない。

色分離処理を終えると、図１２に示すように、画素ブロック内のすべてのＲ信号とＲ_ｗ信号の平均値Ｒ’を計算する。同様に、画素ブロック内のすべてのＧ信号とＧ_ｗ信号の平均値Ｇ’、およびすべてのＢ信号とＢ_ｗ信号の平均値Ｂ’を計算する。計算された画素平均値Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’は、画素ブロックの中心画素（対象画素）の色データ値としてみなされる。

このように、すべての画素について、その周囲の３行３列の画素ブロック内の三色データ値ＲＧＢと色分離データ値Ｒ_ｗ，Ｇ_ｗ，Ｂ_ｗとの平均化により、最終的な色データ値Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’を決定する。

以上の処理を繰り返すことで、すべての画素位置について、３色の色データ値Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’が生成される。色データ値Ｇ’はベイヤー配列と比較して３／２倍、色データ値Ｒ’，Ｂ’は、ベイヤー配列と比較して３倍の画素数のＲデータ値およびＢデータ値に基づいて色補間を行って得られるものであり、総合するとＳ／Ｎ比が従来の２倍程度まで向上する。

また、本実施形態においては、図１２からわかるように、どの行、列、また、斜め４５°方向をとっても、ＲＧＢ全色のデータが存在する。したがって、空間周波数の高い被写体に対しても、偽色を発生することがない。

上記色分離処理、および色データ値の決定は図１に示す信号処理回路６によって行われる。すなわち、この信号処理回路６は、図１３に示すように、まず、処理対象となる画素ブロックのサイズを決定する（ステップＳ１）。例えば、図１０に示すように、Ｗ画素を中心とする３行３列の画素ブロックとする。続いて、処理対象となる画素ブロックを選定する（ステップＳ２）する。選定して画素ブロックの色データをラインメモリに格納する（ステップＳ３）。このラインメモリは、信号処理回路６に含まれていてもよいし、外部に設けられていてもよい。その後、ラインメモリに格納された色データを用いて、選定した画素ブロック内の対象画素、例えばＷ画素の色分離を行い、色分離データＲ_ｗ，Ｇ_ｗ，Ｂ_ｗを求める（ステップＳ４）。次に、選定した画素ブロック内の三色データ値ＲＧＢと色分離データ値Ｒ_ｗ，Ｇ_ｗ，Ｂ_ｗとの平均化により、最終的な色データ値Ｒ’，Ｇ’，Ｂ’を決定する（ステップＳ５）。

上記色分離処理は、例えば図２に示すように、Ｗ画素、Ｇ画素、Ｍｇ画素からなる画素ブロック１０ａを固体撮像装置が備えていることにより可能となる。なお、Ｇ画素の代わりに例えば黄色の画素を用いることも可能である。この場合、黄色の補色となるシアン色の画素がＭｇ画素の代わりに用いられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低照度被写体に対してＳＮＲが高く色再現性に優れ、かつ高空間周波数被写体に対しても解像度劣化、偽色の発生がない固体撮像装置を提供することができる。

本実施形態においては、画素ブロックが含む画素はＷ画素とＧ画素とＭｇ画素としたが、各画素の色はこれに限らない。

例えば、画素ブロックは、Ｗ画素と、第１画素と第２画素を有していることとする。第２画素は、第２画素が有するフィルタが透過する波長域に含まれる一波長域の光を光電変換する第１光電変換素子と、第２画素が有するフィルタが透過する波長域に含まれる他の波長域の光を光電変換する第２光電変換素子とを含んでいても良い。

第２画素が有するフィルタが透過する波長域が第１原色の波長及び前記第２原色の波長を含む場合、第１光電変換素子は、第１原色の波長を含む波長域の光を光電変換しても良い。第２光電変換素子は、第２原色の波長を含む波長域の光を光電変換しても良い。

（第２実施形態）
第２実施形態による固体撮像装置について図１４を参照して説明する。この第２実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態の固体撮像装置とは、空乏層２２、２３、２４ａ、２４ｂ、２７ａ、２７ｂ、読み出し空乏層２１、転送ゲート２６１、２６２、２６３、２６４、拡散層２５のレイアウトが異なっている。この第２実施形態の固体撮像装置のレイアウトを図１４に示す。

第２実施形態に係るレイアウトと、図９に示す第１実施形態に係るレイアウトとの相違点は、Ｍｇ画素１０２ａ〜ｄにおける読み出し空乏層２１と、Ｒ空乏層２３に接続された転送ゲート２６３、２６２の位置、および拡散層２５２、２５３の位置である。Ｍｇ画素１０２ａならびにＭｇ画素１０２ｃにおいては読み出し空乏層２１が画素内で左上に、Ｒ空乏層２３が右下にそれぞれ配置されている。しかし、Ｍｇ画素１０２ｂならびにＭｇ画素１０２ｄにおいては読み出し空乏層２１が画素内で右上に、Ｒ空乏層２３が左下にそれぞれ配置されている。さらに、例えばＭｇ画素１０２ｃとＭｇ画素１０２ｄにおけるＲ空乏層２３は、Ｒ転送ゲート２６２を介して、同一のＲ拡散層２５２に接続されている。同様に読み出し空乏層２１も、２個隣の画素同士で一つのＢ拡散層２５３を共有する。Ｒ拡散層２５２に接続された２個の転送ゲート２６２には、同一の信号が入力され、転送は２画素同時に行われる。このような状況で、２画素分のＲ空乏層２３からの信号電荷の和がＲ拡散層２５２に蓄積され、読み出されることとなる。

このような構成により、Ｒ拡散層２５２、Ｂ拡散層２５３の数の和はＭｇ画素の数と等しくなり、Ｍｇ画素内に２個の空乏層があることに起因する実効的な画素数増加が発生しない。これにより、画素信号を読み出した後の信号処理が容易になる。

第２実施形態も第１実施形態と同様に、低照度被写体に対してＳＮＲが高く色再現性に優れ、かつ高空間周波数被写体に対しても解像度劣化、偽色の発生がない固体撮像装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 画素アレイ
２ 垂直走査回路
３ ノイズ減算回路
４ Ａ／Ｄ変換回路
５ 水平走査回路
６ 信号処理回路
１０ａ 画素ブロック
１０１、１０３ W画素
１０２ Ｍｇ画素
１０４ Ｇ画素

Claims (8)

1. 半導体基板の第１面上にマトリクス状に配置された複数の画素ブロックを有し、各画素ブロックは光を信号電荷に変換する光電変換素子をそれぞれ有する第１乃至第３画素を含み、前記第１画素は可視波長域中の第１波長域に対して可視波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第１フィルタを備え、前記第２画素は前記第１波長域に対して補色となる第２波長域に対して可視光波長域中の他の波長域よりも高い透過率を有する第２フィルタを備え、前記第３画素は前記第１波長域および前記第２波長域を含む波長域の光を透過する第３フィルタを備えている、画素アレイと、
   前記複数の画素ブロックの前記第１乃至第３画素で光電変換された信号電荷を読み出す読み出し回路と、
   前記読み出し回路によって読み出された信号電荷に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、
   を備えている固体撮像装置。
2. 前記第２画素は、前記第２波長域に含まれる第３波長域に対応する第１光電変換素子と、前記第２波長域に含まれる第４波長域に対応する第２光電変換素子とを含む請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第２波長域は第１原色の波長及び前記第２原色の波長を含み、
   前記第３波長域は前記第１原色の波長を含み、前記第４波長域は前記第２原色の波長を含む請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記第１および第２光電変換素子は、前記第１面に対して垂直方向に積層されている、請求項２または３記載の固体撮像装置。
5. 前記第１フィルタは緑色の光を透過し、前記第２フィルタはマゼンダ色の光を透過する請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記画素ブロックは２行２列で、２個の第１画素と、１個の第２画素と、１個の第３画素とを有し、２つの前記第１画素は斜め方向に並んで配置される請求項１乃至５のいずれかに記載固体撮像装置。
7. 前記信号処理回路は、前記第１光電変換素子が読み出した信号Ｐ１と、前記第２光電変換素子が読み出した信号Ｐ２に対して、前記第１および第２光電変換素子に対する前記第２光電変換素子の感度割合をａとするとき、
   Ｃ１＝Ｐ１―ａ×Ｐ２
   Ｃ２＝Ｐ２
   の演算を行い、信号Ｃ２およびＣ３を出力する請求項２乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記信号処理回路は、信号処理の対象とする画素ブロックのサイズを決定し、決定されたサイズの画素ブロックを選定し、選定した画素ブロック内前記第１画素から読み出された信号値、および前記第１画素の周囲に存在する前記第２および第３画素から読み出された信号値を用いて、前記第１画素の色分離処理を行う請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像装置。

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