JP4251313B2

JP4251313B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4251313B2
Application number: JP2002203982A
Authority: JP
Inventors: 哲郎芦田; 仁山下; 直基久保
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004048444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置に係り、特に高解像度のカラー画像信号を得るのに好適な固体撮像装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルカメラやビデオカメラなどによって解像度の高い画像信号を得るためには、撮像素子の画素数を増加させることが望まれる。メガピクセルクラスの撮像素子を搭載したデジタルカメラ等の普及に伴い、撮像素子の高画素化競争は一旦収束に向かっているようであったが、依然として高画素化のニーズは高く、プロ用や商品撮影などの用途については更なる高解像度のデジタルカメラが要望されている。
【０００３】
特開平９−２０５５８９号公報に開示されたＣＣＤ固体撮像装置は、受光面に二次元配列される多数の受光部（ユニットセル）について、１つのユニットセルを感度の異なる２種類の受光領域（高感度部と低感度部）に分割し、２つの受光領域からそれぞれ読み出された信号を混合若しくは加算することにより、ダイナミックレンジの拡大を達成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報には解像度の観点からのアプローチがない。デジタルカメラ等の解像度を一層向上させるにあたり、従来の単板式撮像装置では、１画素につき１色のカラーフィルタが対応していることから同時化処理（カラーフィルタ配列に伴う色信号の空間的なズレを補間して各点の色を計算する処理）が必要となり、物理的位置の異なる画素の情報から間の画像を補間するために、更に画素数を多くしなければならず、技術的にも難しい。
【０００５】
これに対し、３板式撮像装置は同画素数の単板式撮像装置よりも解像度は高くなるが、３板式は光学系の設計が難しく、コスト高である。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光学系を複雑にすることなく、解像度の向上を達成できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、半導体基板上に複数の受光セルが一定の配列パターンで二次元的に形成され、各受光セルで光電変換された信号電荷を画像信号として出力する固体撮像装置において、前記各受光セルは、それぞれ１つの受光セルで１画素を構成するものであり、前記各受光セル内は、相対的に広い受光面積を有する第１の受光領域と、前記第１の受光領域よりも相対的に狭い受光面積を有する第２及び第３の受光領域とに分割されており、前記第１の受光領域にはＧ（緑）のカラーフィルタが配置され、前記第２及び第３の受光領域のうち一方の領域にＲ（赤）、他方の領域に青（Ｂ）のカラーフィルタが配置された構造を有し、１つの受光セルから色分解された３色の画像信号を取り出すことにより１画素について３色の情報を得ることができるように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、イメージセンサの画素を構成する受光セルの内部を更に少なくとも３つの受光領域に分割し、各分割エリア（受光領域）からそれぞれ別々に信号電荷を読み出す。区分けされた各受光領域にはそれぞれ異なる色のカラーフィルタが配置されているため、３つの受光領域からそれぞれ異なる色の情報を得ることができる。
【０００９】
すなわち、１画素について３色以上の色分解カラーフィルタを有しているため、各画素について空間的な位置ずれが殆どない３色の情報を得ることができる。したがって、同時化処理が不要であり、従来の単板式撮像装置と比較して解像度を高めることができる。また、本発明の固体撮像装置は単板式であるため、３板式と比較して光学系の設計も容易であり、コスト面からも有利である。
【００１０】
本発明の一態様によれば、前記複数の受光セルは、行方向及び列方向ともに１つ置きに位置を１／２ピッチずらしたハニカム状に配列されていることを特徴としている。ハニカム配列は、正方配列（行方向及び列方向について一定のピッチで画素がマトリックス状に配列された形態）と比較して、隣接する受光セルの空間的な位置の中心が近いため、正方配列タイプよりも一層解像感が高められる。
【００１２】
受光セルの分割例として、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色に対応させて３つの領域に分割する場合、これら３色のうち解像度に最も影響する輝度信号の生成に大きく寄与するＧ信号の情報量を多くするように、Ｇに対応する受光領域を相対的に大きくする態様が好ましい。
【００１３】
なお、本発明の実施に際しては、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色に色分解する態様に限らず、イエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ）の補色系のカラーフィルタを用いて色分解する態様も可能である。また、受光セルの分割数は「３つ」に限らず、４つ、更にはそれ以上であってもよい。例えば、Ｙ，Ｍ，ＣにＧを加えた４色分解の態様や、カラーフィルタを省略した受光領域（透明領域）を設ける態様もあり、１つの受光セルの中に同じ色のフィルタを複数配置する態様もある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る固体撮像装置の好ましい実施の形態について詳説する。
【００１５】
図１は本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構造を表した平面模式図であり、図２はその要部拡大図である。これらの図面に示すように、この固体撮像装置１０は、多数の受光セル２０が水平方向（行方向）及び垂直方向（列方向）に一定の配列周期で配置された二次元撮像デバイス（イメージセンサ）である。図示した構成はハニカム配列と呼ばれる画素配列であり、受光セル２０の幾何学的な形状の中心点を行方向及び列方向に１つ置きに画素ピッチの半分（１／２ピッチ）ずらして配列させたものとなっている。すなわち、互いに隣接する受光セル２０の行どうし（又は列どうし）において、一方の行（又は列）のセル配列が、他方の行（又は列）のセル配列に対して行方向（又は列方向）の配列間隔の略１／２だけ相対的にずれて配置された構造となっている。
【００１６】
１つの受光セル２０は、３つのホトダイオード領域２１、２２、２３から成る。第１のホトダイオード領域２１は、相対的に広い受光面積を有し、Ｇ（緑）の感光部を構成する。第２のホトダイオード領域２２は、相対的に狭い受光面積を有し、Ｂ（青）の感光部を構成する。第３のホトダイオード領域２３は相対的に狭い受光面積を有し、Ｒ（赤）の感光部を構成する。なお、Ｂの感光部とＲの感光部の位置関係を入れ替える態様も可能である。
【００１７】
受光セル２０の左右両側には垂直転送路（ＶＣＣＤ）３０が形成されている。垂直転送路３０は、受光セル２０の各列に近接して受光セル２０を避けながらジグザグ状に蛇行して垂直方向に伸びている。
【００１８】
垂直転送路３０上には４相駆動（φ1,φ2,φ3,φ4)に必要な転送電極３１、３２、３３、３４が配置される。転送電極３１〜３４は、受光セル２０の各行に近接して受光セル２０の開口を避けながら蛇行して図１の水平方向に伸びるように設けられている。例えば、２層ポリシリコンで転送電極を形成する場合、φ1 のパルス電圧が印加される第１の転送電極３１とφ3 のパルス電圧が印加される第３の転送電極３３は第１層ポリシリコン層で形成され、φ2 のパルス電圧が印加される第２の転送電極３２とφ4 のパルス電圧が印加される第４の転送電極３４は第２層ポリシリコン層で形成される。もちろん、本発明の実施に際して電荷転送方式や転送電極の構成は上記の例に限定されない。
【００１９】
図１において受光セル２０が並んだ撮像エリア４０の右側には、転送電極３１〜３４にパルス電圧を印加するＶＣＣＤ駆動回路４２が配置される。また、撮像エリア４０の下側（垂直転送路３０の下端側）には、垂直転送路３０から移された信号電荷を水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）４４が設けられている。
【００２０】
水平転送路４４は、２相駆動の転送ＣＣＤで構成されており、水平転送路４４の最終段（図１上で最左段）は出力部４６に接続されている。出力部４６は出力アンプを含み、入力された信号電荷の電荷検出を行い、信号電圧として出力端子４８に出力する。こうして、各受光セル２０で光電変換した信号が、点順次の信号列として出力される。
【００２１】
本例の固体撮像装置１０では、受光セル２０の各ホトダイオード領域２１〜２３で蓄積された信号電荷は、それぞれ独立に読み出すことが可能である。すなわち、図２に示したように、第１のホトダイオード領域２１及び第２のホトダイオード領域２２で生成された信号電荷は、当該受光セル２０の右側に隣接した垂直転送路３０に読み出され、第３のホトダイオード領域２３で生成された信号電荷は左側の垂直転送路３０に読み出される。
【００２２】
また、各受光セル２０に対応して、図３に示すように、受光セル２０上にマイクロレンズ５０が配置されており、入射する光を効率的に受光セル２０に入射させるようになっている。
【００２３】
図４に受光セル２０の断面図を示す。同図では、図３の４−４線に沿う断面図（Ｇの感光部とＢの感光部を縦断する断面）を示しているが、Ｒの感光部とＢの感光部、或いはＲの感光部とＧの感光部の境界についても同様の構造を有している。
【００２４】
図４によれば、ｎ型半導体基板６０の上にＰ型ウエル６２が形成されており、このＰ型ウエル６２の表面領域に２つのｎ型領域６３、６４が形成され、ホトダイオードを構成している。符号６３で示したｎ型領域のホトダイオードがＧの感光部となる第１のホトダイオード領域２１に相当し、図４の符号６４で示したｎ型領域のホトダイオードがＢの感光部となる第２のホトダイオード領域２２に相当している。
【００２５】
２つのｎ型領域６３、６４の間には、Ｐ⁺型の分離領域６５が形成されている。分離領域６５はチャネルストップ領域（チャネルストッパ）として機能し、ホトダイオード領域２１、２２の電気的な分離を行う。また、図４において符号６６で示したＰ⁺型領域は、受光セル２０と垂直転送路３０等の電気的な分離を行うためのチャネルストッパである。
【００２６】
ホトダイオードを構成するｎ型領域６３、６４が形成された半導体基板の上層面の上には、ホトダイオード領域２１、２２への光入射開口を画定する開口を有した遮光膜６８が形成されている。また、分離領域６５に対応した上方の位置には混色防止用の遮光膜６９が形成されている。そして、これら遮光膜６８、６９を覆うように、半導体基板の上層面には、ホスホシリケートガラス等からなる層間絶縁膜７０が形成されている。
【００２７】
層間絶縁膜７０の上面は高精度に平坦化されており、その上に色分解フィルタとして機能するカラーフィルタ層７２が形成されている。カラーフィルタ層７２は、受光セル２０の各ホトダイオード領域２１、２２、２３に対応する上方位置に緑領域（Ｇフィルタ）７３、青領域（Ｂフィルタ）７４及び赤領域（Ｒフィルタ；図４において不図示）の色領域を有するカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）である。
【００２８】
すなわち、Ｇフィルタ７３はホトダイオード領域２１の上方を覆い、Ｂフィルタ７４はホトダイオード領域２２の上方を覆い、Ｒフィルタはホトダイオード領域２３の上方を覆うように配置されている。
【００２９】
また、カラーフィルタ層７２の上には各受光セル２０に対応してマイクロレンズ５０が配設される。マイクロレンズ５０は上方より入射する光を遮光膜６８が画定する開口内に集光させる機能を有する。なお、本例では、１つの受光セル２０について１つのマイクロレンズ５０を形成しているが、各ホトダイオード領域２１〜２３に合わせて、３つのマイクロレンズを設けてもよい。
【００３０】
マイクロレンズ５０を介して入射した光は、カラーフィルタ層７２によって色分解され、ホトダイオード領域２１、２２、２３にそれぞれ異なる色の光が入射する。ホトダイオード領域２１、２２を区画する分離領域６５の上方に遮光膜６９が設けられているため、色分解された光の混合が防止されている。
【００３１】
各ホトダイオード領域２１〜２３に入射した光は、その光量に応じた信号電荷に変換され、それぞれ別々に垂直転送路３０に読み出される。なお、各ホトダイオード領域２１〜２３は分離領域６５によって区画されているため、それぞれのホトダイオード領域２１〜２３に蓄積された信号電荷が受光セル２０内で混合されることはない。
【００３２】
図４では垂直転送路３０を示していないが、Ｐ⁺型領域（チャネルストッパ）６６の外側に垂直転送路３０を構成するｎ型領域が形成されている。このｎ型領域と各ホトダイオード領域２１〜２３のｎ型領域及びこれらの間のＰ型ウエル６２によって読み出しトランジスタが構成される。垂直転送路３０の上層面には酸化シリコン膜等の絶縁層が形成され、その上に転送電極が垂直転送路３０の上方を覆うように配置される。転送電極の上には更に酸化シリコン等の絶縁層が形成され、その上に垂直転送路３０を覆う遮光膜（遮光膜６８と一体の膜）が形成されている。
【００３３】
このように、隣接する受光セル２０どうしの間には、電荷転送路や転送電極などが形成され、電荷転送路や転送電極を介してそれぞれの受光セル２０が区画されるが、１つの受光セル２０内については分離領域６５（チャネルストッパ）のみによって受光領域が区画されている。したがって、１画素として取り扱われる１つの受光セル２０の中に更に細かな３つの独立した受光領域を形成することができ、１つの受光セル２０から３色の信号を別々に取り出すことが可能となっている。
【００３４】
次に、上述した固体撮像装置１０の利用例を説明する。
【００３５】
図５は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１０を搭載した電子カメラの構成を示すブロック図である。この電子カメラ８０は、単板式のデジタルカメラであり、撮像デバイス８２として図１乃至図４で説明した固体撮像装置１０が用いられている。撮影レンズ８４及びシャッター兼用絞り機構８６を通過した光は、撮像デバイス８２の受光面の上に結像される。メカシャッターは、撮像デバイス８２から信号を読み出すときに光が撮像デバイス８２に入射してスミア等が発生するのを防止する。絞り機構については、単一の絞りのものや、複数の絞りが切り換え可能なものなどが適用できる。
【００３６】
被写体に補助光を照射するストロボ（閃光装置）８８は、低照度時など必要な時に自動的に、或いはユーザの操作によって強制的に発光させることができる。駆動回路９０は、中央処理装置（ＣＰＵ）９２の指令に従い、タイミング信号を発生させるタイミングジェネレータ及び撮像デバイス８２を駆動するドライバ回路を含む。撮像デバイス８２は、前記タイミングジェネレータによって発生したタイミング信号に基づいて駆動され、画像信号を出力する。また、駆動回路９０は、上記の他、撮影レンズ８４、シャッター兼用絞り機構８６及びストロボ８８を動作させる駆動回路を含むブロックである。
【００３７】
撮像デバイス８２の受光面に結像された被写体の光学像は、各受光セル２０のホトダイオード領域２１〜２３によって入射光量に応じた量の信号電荷に変換され、ドライバ回路から与えられるパルス電圧に基づいて信号電荷に応じた電圧信号（画像信号）として順次読み出される。なお、撮像デバイス８２は、シャッターゲートパルスのタイミングによって電荷蓄積時間（シャッタースピード）を制御する電子シャッター機能を有している。撮像デバイス８２の動作（露光、読み出し等）はＣＰＵ９２により制御される。
【００３８】
例えば、撮像デバイス８２は垂直駆動信号（ＶＤ）に同期して電荷の読み出しが行われる。静止画記録時の場合、露光後にメカシャッターを閉じて光の侵入を遮断した状態で、ＶＤに同期してＧ→Ｂ→Ｒ（又はＧ→Ｒ→Ｂ）の順に３回に分けて信号の読み出しを行い、３色の情報を取得する。信号を読み出す順番は、特に限定されないが、輝度信号に大きく寄与するＧ信号のノイズを低減するために、Ｇ信号を最初に読み出すことが好ましい。ＢとＲについては、順番を入れ替えてもよい。
【００３９】
こうして撮像デバイス８２から出力された画像信号はアナログ処理部９４に送られ、アナログ処理部９４においてアナログゲイン、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）などの処理が行われる。アナログ処理部９４で生成された信号は、Ａ／Ｄ変換部９６においてデジタル信号に変換される。
【００４０】
デジタル化された画像信号は、デジタル信号処理回路９８に送られ、ここでホワイトバランス調整、ガンマ変換、輝度・色差信号（ＹＣ）生成等のデジタル信号処理が施される。所定のデジタル信号処理を経た画像データは、メモリ１００に一時的に記憶され、圧縮伸張回路１０２を介してJPEG形式その他の所定の圧縮フォーマットに従って圧縮された後、記録媒体１０４に記録される。画像データを保存するための記録媒体１０４は、カメラに内蔵された記録媒体（内蔵メモリ）であってもよいし、メモリカードに代表されるリムーバブルメディア（着脱自在な外部記録装置）であってもよい。
【００４１】
再生モード時には、記録媒体１０４から画像データが読み出され、読み出された画像データは、圧縮伸張回路１０２によって伸張処理された後、表示用の信号に変換され、メモリ１００を介してディスプレイ１０６に出力される。
【００４２】
ＣＰＵ９２は、所定のプログラムに従って本カメラシステムを統括制御する制御部であり、シャッタースイッチ１０８その他の操作スイッチ等１１０からの入力信号に基づいてカメラ内の各回路の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ９２は操作スイッチ等１１０から入力される指示信号に応じて種々の撮影条件（露出条件、ストロボ発光有無、撮影モードなど）に従い、撮像デバイス８２を制御するとともに、自動露出（ＡＥ）制御、自動焦点調節（ＡＦ）制御、オートホワイトバランス（ＡＷＢ）制御、レンズ駆動制御、画像処理制御、記録媒体１０４の読み書き制御、ディスプレイ１０６の表示制御などを行う。
【００４３】
上記構成から成る電子カメラ８０によれば、単板式の構成によって、高解像度の画像を取得することが可能である。３板式の構成と比較して、撮影レンズ８４を含む光学系の構成が単純であり、コストアップを回避しつつ、解像度の向上を達成できる。
【００４４】
上述の実施形態ではＣＣＤ型固体撮像装置を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、例えば、受光セルアレイをＸＹアドレズ指定によって読み出し可能なＭＯＳ型固体撮像装置など、他の方式の固体撮像デバイスについても適用可能である。
【００４５】
また、上述の実施形態では、受光セルの開口形状を菱形としたが、受光セルの開口形状はこの例に限定されず、六角形や８角形などの多角形や円形であってもよい。更に、受光セルの分離形状（分割形態）についても、図に示した形状に限定されず、各分割エリアの蓄積電荷を別々に読み出すことができればよく、その形状や分割数、面積の大小関係などは適宜設計される。例えば、１つの受光セルを３つ又は４つの等しい面積に分割してもよい。更には、撮像エリアを構成している全ての受光セルについて同じ色分けパターンにする必要はなく、分割された受光領域に割り当てるカラーフィルタの配置や色の組合せを変更した受光セルが混在してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、固体撮像装置の１画素を構成する受光セルを３つ以上の複数の受光領域に分け、それぞれの受光領域に異なる色のカラーフィルタを配置して１セルから３色の画像信号を別々に取り出すことができる構成にしたので、光学設計を複雑にすることなく、またコストを上げずに簡単に高解像度の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構造を表した平面模式図
【図２】図１の要部拡大図
【図３】受光セルの拡大図
【図４】図３の４−４線に沿う断面図
【図５】本実施形態に係る固体撮像装置を搭載した電子カメラの構成を示すブロック図
【符号の説明】
１０…固体撮像装置、２０…受光セル、２１，２２，２３…ホトダイオード領域、３０…垂直転送路、４０…撮像エリア、４２…垂直転送駆動回路、４４…水平転送路、５０…マイクロレンズ、６０…ｎ型半導体基板、６２…Ｐ型ウエル、６３，６４…ｎ型領域、６５…分離領域、６６…Ｐ⁺型領域、６８，６９…遮光膜、７２…カラーフィルタ層、７３…Ｇフィルタ、７４…Ｂフィルタ

Claims

半導体基板上に複数の受光セルが一定の配列パターンで二次元的に形成され、各受光セルで光電変換された信号電荷を画像信号として出力する固体撮像装置において、
前記各受光セルは、それぞれ１つの受光セルで１画素を構成するものであり、前記各受光セル内は、相対的に広い受光面積を有する第１の受光領域と、前記第１の受光領域よりも相対的に狭い受光面積を有する第２及び第３の受光領域とに分割されており、前記第１の受光領域にはＧ（緑）のカラーフィルタが配置され、前記第２及び第３の受光領域のうち一方の領域にＲ（赤）、他方の領域に青（Ｂ）のカラーフィルタが配置された構造を有し、１つの受光セルから色分解された３色の画像信号を取り出すことにより１画素について３色の情報を得ることができるように構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の受光セルは、行方向及び列方向ともに１つ置きに位置を１／２ピッチずらしたハニカム状に配列されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記各受光セルは、１つの受光セルに対して１つのマイクロレンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。