JP4264249B2

JP4264249B2 - Ｍｏｓ型イメージセンサ及びデジタルカメラ

Info

Publication number: JP4264249B2
Application number: JP2002349921A
Authority: JP
Inventors: 誠雫石
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2004186311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単板式のＭＯＳ型イメージセンサとこのＭＯＳ型イメージセンサを搭載したデジタルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１９（ａ）は、従来の単板式ＣＭＯＳイメージセンサの平面概念図である。このイメージセンサ１は、センサ表面に二次元アレー状に配置した多数のフォトダイオード２を有し、各フォトダイオード２の表面に対し３種類あるいは４種類の異なる分光特性を有するマイクロカラーフィルタ（図示の例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のマイクロカラーフィルタを設けている。）をモザイク状に配置したものが知られている。
【０００３】
マイクロカラーフィルタは、大別して、原色系（Ｒ，Ｇ，Ｂ）あるいは補色系（Ｇ，Ｙｅ，Ｃｙ，Ｍｇ）の２種類があり、また配列方法によって、ストライプパターン、ベイヤーパターン（ＵＳＰ３，９７１，０６５：特許文献１）などが提案されている。
【０００４】
しかし、各フォトダイオードが二次元平面上に離散的に分布していること、及び、個々のフォトダイオードが３種類ないし４種類の異なる分光感度の一つに対応していることにより、次のような問題がある。
【０００５】
（１）フォトダイオードの配列ピッチにより決定されるナイキスト周波数よりも高い空間周波数を有する画像がカラー固体撮像装置に投影されると、この高い空間周波数成分は低域側に折り返され、いわゆるモアレと呼ばれる偽信号を発生し、撮影した画像の画質を劣化させる。
【０００６】
（２）異なる分光感度を有するカラーフィルタが二次元平面上の異なる場所の信号に対応し、また各色フィルタの分布パターンにより、各色のナイキストドメイン（空間周波数分布）が一致しない。その結果、いわゆる偽色や色モアレと呼ばれる現象を引き起こし、撮影した画像の画質を劣化させる。
【０００７】
そこで従来から、モアレを低減する方法の一つとして、光学的ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）を集光光学系（レンズ系）とイメージセンサとの間に挿入する方法が採用されている。この方法を用いることにより、高い空間周波数成分が減衰し、モアレが改善される。
【０００８】
しかしながら、光学的ローパスフィルタを用いたモアレ改善効果は不十分であり、また、水晶板等の複屈折光学材料を組み合わせて光学的ローパスフィルタを構成するため、イメージセンサを保護するパッケージに光学的ローパスフィルタを取り付けた構造においては、パッケージが受ける機械的ストレスによって、光学的ローパスフィルタが破壊され易く、また製造コストもアップしてしまうという問題がある。
【０００９】
その一方で、近年のイメージセンサは、フォトダイオードのサイズの微細化、即ち高画素化が進展し、解像度が飛躍的に向上している。フォトダイオードの配列ピッチの微細化によりナイキスト周波数も高周波化し、このため、原理的にモアレの発生が抑制される傾向にある。
【００１０】
しかし、１チップ上に数１００万画素という多数のフォトダイオードを集積化するため、次の様な別の問題が顕在化してきている。
【００１１】
フォトダイオードその他周辺回路上の全体には、個々のフォトダイオード上方に夫々開口を有する遮光膜が積層されている。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の点線ｂで示す４画素分の遮光膜を示す平面図であり、遮光膜３には、各フォトダイオード２対応に開口３ａを有する。開口３ａの開口寸法は、フォトダイオードの微細化に伴って同時に微細化されるが、例えば１μｍ以下の開口寸法になってくると、入射光の波長によってはこの開口を通過するときに光強度が大きく減衰してしまう。従って、例えば、赤色（Ｒ）の光の波長は約０．６５０μｍであるため、開口寸法が１μｍ以下になってくると、波動光学的効果を考慮する必要が出てくる。
【００１２】
そのため、各色毎に離散した従来のフォトダイオードの配置のままフォトダイオードの微細化を図ると、半導体基板に形成するフォトダイオードや読出回路の微細化と同時に、オンチップの集光光学系（マイクロレンズ，カラーフィルタ，遮光膜開口）の微細化が必須となり、波動光学的効果により受光部に入る光の強度が大幅に低下し、明るい被写体を撮像しても感度が十分に得られないという問題が生じる。
【００１３】
図２０（ａ）は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの断面図である。半導体基板の表面にフォトダイオード２が形成されており、その上方に遮光膜３が形成され、更にその上方に、Ｒ，Ｇ，Ｂ等のカラーフィルタ４が形成され、その上にマイクロレンズ（トップレンズ）５が形成される。各フォトダイオード２の脇には周辺回路部６が設けられ、この周辺回路部６は、遮光膜３によって遮光される。
【００１４】
図２０（ｂ）は、１つのフォトダイオード及びその周辺回路の等価回路を示す図である。フォトダイオード２には、ソースフォロアアンプを構成するトランジスタ６ａやリセットゲートを構成するトランジスタ６ｂ等が接続され、これらがフォトダイオード２の周辺に形成される。
【００１５】
ＣＭＯＳイメージセンサの場合、各フォトダイオード２に対するＸ，Ｙアドレス線や電源線、リセット信号線などの配線電極を、フォトダイオード２の上方且つフォトダイオード２の受光面を避けた位置に形成する必要があり、このため、これらの配線電極はフォトダイオードの各受光面を避けて格子状に敷設される。
【００１６】
しかし、同一平面上で全ての配線電極を電気的に非接触に敷設することができないため、図示の例では、信号線６，７，８として示す様に信号線配置を３層構造としている。これらの信号線６，７，８間は層間絶縁膜によって分離されるため、フォトダイオード２の表面からトップレンズ５までの距離ａは長くなってしまい、しかもこの距離ａは、高画素化が進んでも短くすることができないため、マイクロレンズ５の入射光は、高画素化が図られたイメージセンサほど狭い通路を通って各フォトダイオード２に至ることになる。
【００１７】
その一方で、ＣＭＯＳイメージセンサの受光領域中央部と周辺部において、感度や色再現性が異なる現象が発生する。いわゆる（輝度，色）シェーディングと呼ばれる現象である。特に、集光光学（カメラレンズ）系が小型化し、焦点距離が短くなるに従って、入射光の入射角度が受光領域の中心付近と周辺部とで差が大きくなることによる感度変動が無視できなくなっている。
【００１８】
この問題を改善するには、
（イ）マイクロレンズ５の配置を周辺部に行くに従って中心方向に所定量ずらす。
（ロ）マイクロレンズ（トップレンズ）５の下に、さらにマイクロレンズ（層内レンズ）を設け、一度トップレンズで集光した光を、再度、層内レンズで各フォトダイオードに位置合わせし、集光させる。
（ハ）周辺信号処理回路（外部回路）において、電気的に感度変動を補正する。
【００１９】
上記の（イ）（ロ）の改善手段は、フォトダイオードの微細化に伴い、高精度なマイクロレンズ形状とその配置位置制御が困難になってきており、採用するのが難しい状況になっている。また、ＣＭＯＳイメージセンサでは、多層配線６，７，８と層間絶縁膜の存在により層内レンズの形成が極めて困難である。更に、上記（イ）（ロ）（ハ）のいずれの対策においても、レンズ系が異なると（例えばデジタルスチルカメラのレンズ系と携帯電話機搭載カメラのレンズ系とで）、シェーディングの現われ方が異なり、適用する撮像システム毎に設計変更が必要になる。
【００２０】
このような問題を有する従来のカラー固体撮像装置に対し、米国特許第５９６５８７５号公報（特許文献２）では、青色検出用，緑色検出用，赤色検出用の各フォトダイオードを、半導体基板の深さ方向に重ねあわせて形成したＣＭＯＳイメージセンサを提案している。このＣＭＯＳイメージセンサは、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の“A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material”PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL（非特許文献１）に記載されている原理、すなわち、フォトダイオードのＰＮ接合の半導体基板表面からの深さによって、各フォトダイオードの光電変換特性が波長依存性（分光感度）を持つという原理を利用している。
【００２１】
【特許文献１】
米国特許第３９７１０６５号明細書
【特許文献２】
米国特許第５９６５８７５号明細書
【非特許文献１】
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の“A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material”PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献２のＣＭＯＳイメージセンサは、各画素即ちフォトダイオードの深さ方向の光吸収と可視光波長が対応関係にあることを利用するものであり、各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ等）毎にナイキストドメインが異ならないため、偽色や色モアレが生じにくいと考えられる。
【００２３】
しかし、シリコン基板に入射した光の深さ方向における光電変換効率の波長依存性によって各色成分の分光スペクトルを決め、しかも、これらの波長の異なる光に対応したフォトダイオード構造に対しそれぞれオーミックコンタクトを設けて電気信号を直接外部に読み出す構造のため、相対的にフォトダイオードの受光部面積が減少し、また、素子表面のＸ，Ｙ方向に多層の金属配線を設ける必要があるなどの問題がある。
【００２４】
本発明の目的は、偽信号（モアレ）や偽色の発生を抑えた高感度，高解像度且つ忠実な色再現を可能にする安価な単板式のＭＯＳ型イメージセンサ及びこのＭＯＳ型イメージセンサを搭載したデジタルカメラを提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むＭＯＳ型イメージセンサであって、前記半導体基板表面は１つ１つの前記光電変換領域に対応して１つ１つの開口部を有する遮光膜によって覆われており、該各開口部の夫々の内側で、前記光電変換領域が、複数の異なる分光感度の光電変換信号を出力する複数の区画に面分割されており、前記１つ１つの開口部の直径または対角線長さをｔとし赤色光の波長０．６５０μｍをλとしたときｔをλ〜２λの大きさとし、前記複数の異なる分光感度が、原色系３色の赤色，緑色，青色の分光感度であり、且つ、前記の各区画に接続される周辺回路が前記光電変換領域の周辺部に配置されることを特徴とする。
更に、本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、上記において、前記複数の異なる分光感度が、前記原色系３色の他に等色関数の負の部分にピークを持つ分光感度を含むことを特徴とする。
また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むＭＯＳ型イメージセンサであって、前記半導体基板表面は１つ１つの前記光電変換領域に対応して１つ１つの開口部を有する遮光膜によって覆われており、該各開口部の夫々の内側で、前記光電変換領域が、複数の異なる分光感度の光電変換信号を出力する複数の区画に面分割されており、前記１つ１つの開口部の直径または対角線長さをｔとし赤色光の波長０．６５０μｍをλとしたときｔをλ〜２λの大きさとし、前記複数の異なる分光感度が、補色系３色のイエロー，シアン，マゼンタと緑色の分光感度であり、且つ、前記の各区画に接続される周辺回路が前記光電変換領域の周辺部に配置されることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、異なる分光感度を有する区画が二次元表面上で近接配置された状態となり、偽信号や偽色の発生が抑制され、高感度，高解像度の色再現性の優れた画像データを得ることができ、また、このＭＯＳ型イメージセンサを安価に製造可能となる。更にこの構成により、各区画の微細化を図っても遮光膜の開口部を入射光の波長より大きくすることができ、遮光膜やマイクロレンズの製造が容易となり且つ感度の良好な画像を撮像することが可能となる。
【００３１】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、１つの前記開口部に対応して１つのマイクロレンズを設けたことを特徴とする。
【００３２】
この構成により、入射光の利用効率が向上し、また、マイクロレンズの製造が容易となる。
【００３３】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、前記光電変換領域を面分割した各区画の各々から光電変換信号が順次読み出されることを特徴とする。
【００３４】
この構成により、読み出しの信号配線数を減らすことができる。
【００３５】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、各区画から読み出される光電変換信号は共通の信号線に出力されることを特徴とする。
【００３６】
この構成により、更に信号配線数や周辺回路規模が減り、半導体のチップ面積に占める光電変換部分の割合を高めることができる。
【００３７】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、少なくとも１つの前記区画の分光感度が、各区画上方に配置したカラーフィルタによって決定されることを特徴とする。
【００３８】
この構成により、分光感度の設定が容易となり、所望の分光特性を得ることが容易となる。
【００３９】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、前記光電変換領域の少なくとも１つの前記区画の分光感度が、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とする。
【００４０】
この構成により、カラーフィルタを用いずにカラーのＭＯＳ型イメージセンサを形成可能となる。
【００４１】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、少なくとも１つの前記区画の分光感度が、該区画の上方に配置したカラーフィルタと、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とする。
【００４２】
この構成により、カラーフィルタの分光特性と不純物分布により決まる分光特性を組み合わせた分光特性を利用するため、カラーフィルタを用いた区画の分光特性が良くなり、ＭＯＳ型イメージセンサで撮像したカラー画像の色再現性が向上する。
【００４３】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、前記区画が、Ｎ型の半導体基板に設けられたＰウェル層と、該Ｐウェル層に形成されたＮ型不純物層とを備え、前記Ｐウェル層の深さと前記Ｎ型不純物層の深さとを変えることで前記区画の分光感度を決定することを特徴とする。
【００４４】
この構成により、カラーフィルタを用いずとも分光感度の異なる区画を形成でき、製造プロセスを簡略化でき、製造歩留まりが向上する。
【００４５】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、青色の分光感度を持つ前記区画のＮ型不純物層の深さ、緑色の分光感度を持つ前記区画に設けたＮ型不純物層の深さ、赤色の分光感度を持つ前記区画に設けたＮ型不純物層の深さが、順に深く形成されていることを特徴とする。
【００４６】
この構成により、ＭＯＳ型イメージセンサの半導体基板に入射する光を、波長の長さすなわち半導体基板への侵入深さによって区別して検出可能となる。
【００４７】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、青色の分光感度を持つ前記区画のＰウェル層の深さ、緑色の分光感度を持つ前記区画におけるＰウェル層の深さ、赤色の分光感度を持つ前記区画におけるＰウェル層の深さが、順に深く形成されていることを特徴とする。
【００４８】
この構成により、各分光感度の長波長側の光によって発生した光電荷が基板に流出し、各分光特性の長波長側が減衰する。
【００５５】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、前記５２０ｎｍ付近（等色関数の負の部分）にピークを持つ分光感度を有する区画から読み出した信号により処理を行い等色関数に近似した色再現を行うことを特徴とする。
【００５６】
この構成により、人が見たカラー画像に近いカラー画像を得ることができる。
【００５７】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、隣接する前記光電変換領域間で同一分光感度を持つ区画の配置が異なるものを含むことを特徴とする。
【００５８】
この構成により、モアレの発生を更に抑制可能となる。
【００５９】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、前記光電変換領域内の前記区画のうち少なくとも１つの区画の面積が他の区画の面積と異なることを特徴とする。
【００６０】
この構成により、各区画の分光感度すなわち信号強度を揃えることができ、カラーバランスを最適化することが可能となる。
【００６１】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、前記光電変換領域内における各区画の面積は、前記分光感度の単位面積当たりの相対的な大きさと逆比例の関係にあることを特徴とする。
【００６２】
この構成により、色毎の感度バランスが最適化され、良好な画像データを生成可能となる。
【００６３】
更に本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、パッシブ型またはアクティブ型であることを特徴とする。本発明のＭＯＳ型イメージセンサは、パッシブ型，アクティブ型を問わずに適用可能である。
【００６４】
上記目的を達成する本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサを搭載したことを特徴とする。
【００６５】
この構成により、偽信号や偽色の発生が抑制され、高感度，高解像度の色再現性の優れた画像を撮像することができる。
【００６６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００６７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る単板式カラーＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの受光面２０を構成する半導体基板の表面には、詳細は後述する光電変換領域（以下、個々の光電変換領域を画素部という。）３０が、この例では正方格子状に縦横に配列して形成されている。そして、各画素部３０の内側は、複数の異なる分光感度を有する複数の区画（以下、各区画を小画素ともいう。）に面分割されている。
【００６８】
受光面２０の側部には垂直走査回路２１及びタイミングジェネレータ２２が設けられ、また、受光面２０の垂直方向一端部にはノイズキャンセル回路２３とデータラッチ回路２４と水平走査回路２５とが併設され、データラッチ回路２４及び水平走査回路２５の一側部に信号入力回路２６が設けられ、他側部に出力回路２７が設けられる。
【００６９】
図２は、正方格子状に配列された各画素部３０内の分光感度の配置例を示す図であり、図３は、画素部３０の１個分の拡大説明図である。この実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの画素部３０は、補色の４色カラーフィルタ（Ｃｙ，Ｙｅ，Ｇ，Ｍｇ）を用いて画像信号を取り込む構成になっており、本実施形態では、図３に示す様に、Ｃｙ用の小画素３１と、Ｙｅ用の小画素３２と、Ｍｇ用の小画素３３と、Ｇ用の小画素３４とを素子分離帯３５のみで分離することで密接配置し、各小画素３１，３２，３３，３４用のソースフォロアアンプ６やリセット回路等は、画素部３０の周辺部に形成する。
【００７０】
図３に示す黒枠線３６ａは、遮光膜の１つの開口を示しており、本実施形態では、各画素部３０に対して夫々１つの開口が設けられ、画素部３０を構成する４つの小画素３１，３２，３３，３４の夫々に個別の開口を設けることはしていない。そして、各小画素３１，３２，３３，３４用の周辺回路等６は画素部３０の周辺部に配置され、１つの画素部３０内の小画素３１，３２，３３，３４間に設けることはしない。
【００７１】
図４は、図３のIV―IV線断面図である。Ｎ型半導体基板４０の表面にはＰウェル層４１が形成され、このＰウェル層４１の表面に、Ｎ型不純物層４２，４３が成形されてＰウェル層４１との間で小画素（この例ではフォトダイオード）３４，３３のＰＮ接合が形成され、このＰＮ接合部分に光が入射することで、Ｎ型不純物層４２，４３に入射光量に応じた信号電荷が蓄積される。
【００７２】
Ｎ型不純物層４２，４３との間は高濃度Ｐ型不純物層（Ｐ⁺）領域でなる素子分離帯３５で分離され、Ｎ型不純物層４２，４３の素子分離帯３５と反対側に周辺回路６が形成され、周辺回路６が設けられた半導体基板表面に、第１層の配線３７ａが敷設される。この周辺回路６及び第１層の配線３７ａの上部に遮光膜３６が設けられ、周辺回路６に光が入射しないようになっている。尚、画素部３０間は、ＬＯＣＯＳ２９によって素子分離される。
【００７３】
各小画素３３，３４の上方にはカラーフィルタ３８が設けられ、カラーフィルタ３８と遮光膜３６との間の遮光膜開口３６ａを避けた位置に、第２層配線３７ｂと第３層配線３７ｃが層間絶縁膜を介して積層されている。そして、第３層配線３７ｃの上に、平坦化膜を介してマイクロレンズ（トップレンズ）３９が設けられる。
【００７４】
このように、本実施形態によれば、複数の小画素３１，３２，３３，３４を一カ所に集中配置して１つの画素部３０とし、１つの画素部内の小画素間の距離を、隣接する画素部内の小画素との距離より小さくしたため、高解像度化を図って各小画素３１，３２，３３，３４の微細化を図っても遮光膜３６の開口３６ａを大きく取ることができ、感度の高い画像を撮像することが可能となる。各開口３６ａの開口径（直径または対角線長さ）ｔは、赤色の波長λ（ｎｍ）に対して、例えばｔ＝λ〜２λまで微細化したとしても各色成分に対応した３色あるいは４色の出力信号が減衰することはない。
【００７５】
また、各小画素３１，３２，３３，３４は最小加工寸法の素子分離帯３５によって面分割されるため、従来と同一の製造プロセス，設計ルール及びチップサイズであっても、小画素間の距離を短くでき、偽色の発生が抑制される。
【００７６】
更に、本実施形態では、各小画素３１，３２，３３，３４を集中して配置し、その周辺に周辺回路や信号配線，制御線を配置する構成としたため、半導体基板のチップ面積に対する光電変換部の領域を従来より広くとることが可能となり、入射光の利用効率が改善する。
【００７７】
しかも、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサでは、各画素部３０における入射光の入射通路の広さが広くなり（従来のＣＭＯＳイメージセンサでは信号配線や制御線が入射光の妨げとなっていたが、本実施形態では、信号配線等が画素部３０内の小画素に入射する光を妨げることがない。）、このため、マイクロレンズ３９を使用しなくても十分な感度を得ることができ、また、マイクロレンズ３９を用いれば、更に入射光の利用効率を向上させることができる。
【００７８】
図４に示す実施形態では、例えばＭｇのカラーフィルタを通った斜めの入射光はＧ用の小画素３４にも入射してしまうことになる。しかし、本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサでは、１つの画素部に入射した光の中のＹｅ，Ｃｙ，Ｍｇ，Ｇの大凡の比率が分かれば良く、厳密な比率を検出する必要はない。従って、１つのマイクロレンズ３９が遮光膜３６の１つの開口３６ａ全体を覆う様に各開口３６ａ毎にマイクロレンズ３９を設け、しかも、単に対応する開口３６ａ内に入射光を集光するだけで良いため、マイクロレンズの製造が容易となる。
【００７９】
尚、上述した画素部３０の形状および画素部３０を面分割した小画素の数及びその形状は、図３に示す例に限定されるものではなく、各小画素が互いに近接して画素部を形成すれば、如何なる形状や数でもよい。また、本実施形態では、図３に示す様に、アンプ（周辺回路）６を各小画素に設けたアクティブ型のＣＭＯＳイメージセンサについて説明したが、各小画素がアンプを持たないパッシブ型のＣＯＭＳイメージセンサにも適用することができる。更に、ＣＭＯＳイメージセンサの受光面２０上における画素部３０の配列は、図１に示す正方格子配列でも、また、正方格子配列を４５°回転した所謂ハニカム画素配列であってもよい。これらは、以下の実施形態でも同様である。
【００８０】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る各画素部３０内の分光感度の配置例を示す図である。上述した第１の実施形態では、図２に示す様に、各画素部３０内の分光感度の配置が全ての画素部内で同一となっている。これに対し、本実施形態では、各画素部３０内における分光感度の配置（この例では、カラーフィルタの配置）を規則的に変化させている。これにより、分光感度の配列に起因する周期的な偽信号をさらに低減することが可能である。
【００８１】
カラーフィルタの配列を変える手法には、▲１▼列、或いは行毎に上下、左右の色配置を交互に交換する。▲２▼受光面２０の中心部と周辺部において短波長に対応するカラーフィルタと長波長に対応するカラーフィルタの配列を変えることによって、受光面２０の周辺或いは遮光膜開口部周辺における光のケラレ（シェーディング）を改善する。などが考えられる。
【００８２】
カラーフィルタの配置を変えた場合には、読み出される画素信号に含まれる色成分が変わるが、配置変更のデータを外部処理回路にもたせることによって正しい色信号処理が可能になる。尚、この実施形態は、以下の実施形態とも組み合わせて使用可能である。
【００８３】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。上述した第１の実施形態では、周辺回路６を画素部３０の両側の短冊状の領域に形成したが、本実施の形態では、周辺回路６を、矩形の各画素部５０の角部に集中して形成している。
【００８４】
図７は、画素部５０の１個分及び隣接画素部５０の隣接部分の拡大図である。尚、この例では、原色系のカラーフィルタ（Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂ：緑色ＧとしてＧ１，Ｇ２の２種類）を用いた例を示している。
【００８５】
このように周辺回路を各光電変換部のコーナに集中配置することで、周辺回路であるリセット回路や電源供給回路、コンタクト部分や配線部分を共通化あるいは簡略化でき、ＣＭＯＳイメージセンサのチップ面積中に占める光電変換部の領域が大きくなり、面積利用効率が第１実施形態に比べて更に改善する。
【００８６】
また、第１の実施形態では、画素部３０を構成する小画素３１，３２，３３，３４を同一面積としたが、本実施形態では、画素部５０を構成する小画素５２，５３，５４，５５の各面積が互いに異なるようにしている。各小画素５２，５３，５４，５５の面積は、単位面積当たりの相対的な分光感度の大きさに逆比例の関係で形成するのが好ましい。すなわち、感度の高い色を検出する小画素（図示の例では赤色（Ｒ）を検出する小画素５５）の面積を小さくし、感度の低い色（図示の例では青色（Ｂ）を検出する光電変換部５２については面積を大きくする。これにより、感度バランスを最適化することが可能となる。
【００８７】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。この実施形態では、各画素部６０に、原色系の小画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の他、第４の分光感度を持つ小画素を設けている。
【００８８】
第４の分光感度とは、例えば、図９に示す様に、波長５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度である。図１０は、等色関数（人間の視感度）を示すグラフであり、赤色（Ｒ）には５２０ｎｍ付近に負の部分Ａがあり、これを実現しないと、忠実な色再現ができない。そこで、本実施形態では、第４の分光感度を持つ小画素によって波長５２０ｎｍ付近の光量に対応する信号電荷量を検出し、これを赤色Ｒの光量に対する信号電荷量から減算することで、等色関数の負の部分Ａに相当する分光感度を実現し、人間の目の感じる通りの色再現を行うことを可能としている。
【００８９】
（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図であり、図１２は、画素部１つ分の拡大説明図である。この実施形態のＣＭＯＳイメージセンサはストライプパターンの原色系（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のカラーフィルタを使用しており（図１１は、ストライプパターンのカラーフィルタ層が形成された上に、各画素部６０毎に開口を持つ遮光膜６５を被せた状態を示す。）、１つの画素部６０が集中配置された３つの小画素６１，６２，６３によって構成され、各小画素６１，６２，６３の周辺回路が画素部６０の右脇に形成され、周辺回路及び配線領域が遮光膜６５によって遮光される様になっている。
【００９０】
本実施形態では、各小画素６１，６２，６３から出力されるＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を一本の信号線６６で読み出す構成をとっており、これにより、周辺回路として設ける必要のある出力アンプ６７を、画素部６０の各小画素６１，６２，６３で共通化でき、周辺回路部分の専有面積の縮小と、各小画素６１，６２，６３毎に出力アンプを設けた場合のアンプ間の特性バラツキの影響を無くすことができる利点がある。
【００９１】
また、本実施形態では、ストライプパターンのカラーフィルタを使用しているため、カラーフィルタの微細化と製造歩止まりの向上を図ることができる。
【００９２】
（第６の実施形態）
図１３は、本発明の第６実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。図１１に示す実施形態と同じ図であるが、本実施形態では、カラーフィルタは設けずに、画素部７０を構成する各小画素のフォトダイオード構造によって分光感度Ｒ，Ｇ，Ｂを持たせている。
【００９３】
図１４は、図１３のXIV―XIV線断面図である。この図１４において、青色（Ｂ）の分光感度を持つ小画素７１は、Ｎ型シリコン基板（Ｎ―Ｓｕｂ）８０上に深さｄ＝１〜３μｍのＰウェル層８１を形成し、Ｐウェル層８１の表面に、深さｄ＝０．２５μｍのＮ型不純物層８２を形成し、更にその表面に、所定深さの表面Ｐ⁺層８３を形成することで構成される。
【００９４】
上記の小画素７１と高濃度Ｐ型不純物層でなる素子分離帯７５で分離される緑色（Ｇ）の分光感度を持つ小画素７２は、Ｎ型シリコン基板（Ｎ―Ｓｕｂ）８０上に形成されるＰウェル層８１の深さｄをｄ＝３〜４μｍとし、このＰウェル層８１の表面に、深さｄ＝０．７μｍのＮ型不純物層８４を形成し、更にその表面に、所定深さの表面Ｐ⁺層８５を形成することで構成される。
【００９５】
上記の小画素７２と高濃度Ｐ型不純物層でなる素子分離帯７６で分離される赤色（Ｒ）の分光感度を持つ小画素７３は、Ｎ型シリコン基板（Ｎ―Ｓｕｂ）８０上に形成されるＰウェル層８１の深さｄをｄ＝４〜６μｍとし、このＰウェル層８１の表面に、深さｄ＝１．８μｍのＮ型不純物層８６を形成し、更にその表面に、所定深さの表面Ｐ⁺層８７を形成することで構成される。
【００９６】
隣接する画素部７０との境界はＬＯＣＯＳ領域８９で素子分離される。隣接する画素部７０との間に周辺回路部（図示せず）や第１層配線部８８を設け、第１層配線部８８の上部を遮光膜９０で覆う構造となっている。また、画素部７０の上方に平坦化膜９１を介して積層される第２層配線部９２は、各小画素７１，７２，７３の受光面を避けた位置（図示する例では、紙面の向こう側に存在する隣接画素部との境界部分）に形成される。
【００９７】
各小画素のＰＮ接合部分に光が入射すると、ＰＮ接合のＮ型不純物層８２，８４，８６に電荷が蓄積される。長波長の光ほど、基板内への侵入距離が深いため、ＰＮ接合面の深さが浅い小画素７１には青色の光量に応じた電荷が蓄積され、中間の深さの小画素７２には緑色の光量に応じた電荷が蓄積され、最も深い小画素７３には赤色の光量に応じた電荷が蓄積される。
【００９８】
一方、各々の分光特性の長波長側についても減衰する特性となることが忠実な色信号処理を行う上で重要である。本実施形態では、Ｐウェル層８１の深さについても各分光特性に対応して異ならせている。すなわち、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）を夫々検出する小画素７１，７２，７３の順にＰウェル層８１を深くしている。その結果、小画素７１において緑色（Ｇ）より長い波長の光によって発生した光電荷はＮ型基板８０に流出し、小画素７２において赤色（Ｒ）より長い波長の光によって発生した光電荷はＮ型基板８０に流出し、小画素７３において可視光波長域外の赤外波長の光によって発生した光電荷はＮ型基板８０に流出する様になっている。
【００９９】
これにより、各小画素７１，７２，７３に蓄積される信号電荷の波長依存性（分光特性）は、図１５に示す様に、各Ｒ，Ｇ，Ｂで夫々短波長側と長波長側が立ち下がる山形となり、色の識別性が向上し、これらの分光特性を持つ光電変換部によって検出した色信号による色再現性が向上する。
【０１００】
尚、本実施形態では、小画素７１，７２，７３の表面に設けた表面Ｐ⁺層をいずれも同一深さとしているが、小画素７１，７２，７３の順に表面Ｐ⁺層を深くしてもよい。また、この第６の実施形態では、マイクロレンズを搭載していないが、第１の実施形態と同様に、遮光膜の開口毎にマイクロレンズを設けることでもよい。
【０１０１】
（第７の実施形態）
図１６は、本発明の第７の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの断面図である。図１４に示す第６の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサと基本的に同じ構成であるが、異なる点は、図１６に示す様に、Ｂの分光感度を持つ小画素７１の上に、更に、青色（Ｂ）のカラーフィルタ９５も被せ、フォトダイオード構造自体で持つことができるＢの分光特性を、カラーフィルタ９５によって更にシャープな山形とした点である。Ｒ，Ｇ，Ｂのうちの一色でも分光特性がシャープになると、色の再現性がより良くなる。尚、小画素７２の上にも緑色のカラーフィルタを被せてもよい。
【０１０２】
（第８の実施形態）
図１７は、本発明の第８の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの断面図である。図１６に示す第７の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサと基本的に同じであるが、異なる点は、図１７に示す様に、Ｂの分光感度を持つ小画素７１のダイオード構造（Ｐウェル層８１の深さ、Ｎ型不純物層８２の深さ）がＧの分光感度を持つ小画素７２（図２１（ｂ））の構造と同じであり、小画素７１，７２のフォトダイオード構造がＧの分光感度を持つように最適化されている点である。
【０１０３】
小画素７１は、そのダイオード構造がＧの分光感度を持つように最適化されていても、青色のカラーフィルタ９５によって青色の光量に応じた電荷が蓄積される。この実施形態によれば、小画素７１と小画素７２とを同一構造に製造できるため、製造プロセスが容易になるという利点がある。
【０１０４】
尚、以上の各実施形態では、ＭＯＳ型イメージセンサとしてＣＭＯＳイメージセンサを例に説明したが、他の種類のＮＭＯＳイメージセンサやＰＭＯＳイメージセンサにも本発明を適用可能である。
【０１０５】
（第９の実施形態）
図１８は、上述したいずれかの実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサを搭載したデジタルカメラの一構成例を示す図である。デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラあるいは携帯電話機等の小型電子機器に搭載されたカメラ等のデジタルカメラは、図示しない集光光学系によって結像された被写体画像の光信号を受光して電気信号に変換するＣＭＯＳイメージセンサ１０と、このイメージセンサ１０から出力されるデジタル画像信号を取り込んでＪＰＥＧ圧縮したり伸張したりあるいはＤＲＡＭ制御を行ったりするデジタル処理回路１１と、このデジタル処理回路１１に接続されたＤＲＡＭ１２と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステムマイコン１３と、撮像された画像データを記録する記録メディア１４と、これらを相互に接続するバス１５とを備える。
【０１０６】
本実施形態に係るデジタルカメラでは、例えば図１１に示すＣＭＯＳイメージセンサを搭載していた場合、各画素部６０における赤色，緑色，青色の各信号成分は、夫々自身が有する小画素６１，６２，６３の検出信号だけを用い、周りの画素部６０のＲ，Ｇ，Ｂの信号から求めることはしない。これにより、デジタル処理回路１１の処理負荷が軽減し、他の画像処理の高速化を図ることが可能となる。
【０１０７】
また、本実施形態に係るデジタルカメラでは、上述した構成のＣＭＯＳイメージセンサを用いるため、偽信号（モアレ）や偽色の発生を抑えた高感度，高解像度且つ忠実な色再現を行ったカラー画像を撮像することが可能となる。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明によれば、偽信号（モアレ）や偽色の発生を抑えた高感度，高解像度，低電圧，低消費電力駆動且つ忠実な色再現を可能にする安価な単板式のＭＯＳ型イメージセンサとデジタルカメラを提供することができる。また、本発明のＭＯＳ型イメージセンサでは、複数の信号線や制御線を束ねこれらを画素部（光電変換領域）の周囲に設けたため、これらの信号線や制御線が入射光の小画素への正確な集光を妨げることがなくなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの各画素部内の分光感度配置例を示す図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの画素部の１個分の拡大説明図である
【図４】図３のIV―IV線断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各画素部内の分光感度配置例を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。
【図７】図６に示す画素部の１個分の拡大説明図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。
【図９】第４の実施形態で用いる第４の分光感度の説明図である。
【図１０】Ｒ，Ｇ，Ｂの等色関数を示すグラフである。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。
【図１２】図１１に示す画素部１つ分の拡大説明図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。
【図１４】図１３のXIV―XIV線断面図である。
【図１５】第６の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの各小画素の分光特性を示すグラフである。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの画素部１つ分の断面図である。
【図１７】本発明の第８の実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの画素部１つ分の断面図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係るデジタルカメラのブロック構成図である。
【図１９】従来のＣＭＯＳイメージセンサの模式図である。
【図２０】（ａ）従来のＣＭＯＳイメージセンサの断面図である。
（ｂ）従来のＣＭＯＳイメージセンサの各画素部分の等価回路図である。
【符号の説明】
１０ＣＭＯＳイメージセンサ
２０イメージセンサ受光面
３０，５０，６０，７０画素部
３１，３２，３３，３４，５２，５３，５４，５５，６１，６２，６３，７１，７２，７３小画素
３５，７５，７６高濃度Ｐ型不純物層（素子分離帯）
３６，６５，９０遮光膜
３６ａ遮光膜の開口
３７配線部
３８，９５カラーフィルタ
４０，８０Ｎ型基板
４１，８１Ｐウェル層
４２，４３，８２，８４，８６Ｎ型不純物層
８３，８５，８７表面Ｐ⁺層

Claims

半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むＭＯＳ型イメージセンサであって、前記半導体基板表面は１つ１つの前記光電変換領域に対応して１つ１つの開口部を有する遮光膜によって覆われており、該各開口部の夫々の内側で、前記光電変換領域が、複数の異なる分光感度の光電変換信号を出力する複数の区画に面分割されており、
前記１つ１つの開口部の直径または対角線長さをｔとし赤色光の波長０．６５０μｍをλとしたときｔをλ〜２λの大きさとし、
前記複数の異なる分光感度が、原色系３色の赤色，緑色，青色の分光感度であり、
且つ、前記の各区画に接続される周辺回路が前記光電変換領域の周辺部に配置されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記複数の異なる分光感度が、前記原色系３色の他に等色関数の負の部分にピークを持つ分光感度を含むことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むＭＯＳ型イメージセンサであって、前記半導体基板表面は１つ１つの前記光電変換領域に対応して１つ１つの開口部を有する遮光膜によって覆われており、該各開口部の夫々の内側で、前記光電変換領域が、複数の異なる分光感度の光電変換信号を出力する複数の区画に面分割されており、
前記１つ１つの開口部の直径または対角線長さをｔとし赤色光の波長０．６５０μｍをλとしたときｔをλ〜２λの大きさとし、
前記複数の異なる分光感度が、補色系３色のイエロー，シアン，マゼンタと緑色の分光感度であり、
且つ、前記の各区画に接続される周辺回路が前記光電変換領域の周辺部に配置されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、１つの前記開口部に対応して１つのマイクロレンズを設けたことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記光電変換領域を面分割した各区画の各々から光電変換信号が順次読み出されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項５に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、各区画から読み出される光電変換信号は共通の信号線に出力されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、少なくとも１つの前記区画の分光感度は、各区画上方に配置したカラーフィルタによって決定されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１または請求項２に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記光電変換領域の少なくとも１つの前記区画の分光感度は、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１または請求項２に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、少なくとも１つの前記区画の分光感度は、該区画の上方に配置したカラーフィルタと、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項８または請求項９に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記区画は、Ｎ型の半導体基板に設けられたＰウェル層と、該Ｐウェル層に形成されたＮ型不純物層とを備え、前記Ｐウェル層の深さと前記Ｎ型不純物層の深さとを変えることで前記区画の分光感度を決定することを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１０に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、青色の分光感度を持つ前記区画のＮ型不純物層の深さ、緑色の分光感度を持つ前記区画におけるＮ型不純物層の深さ、赤色の分光感度を持つ前記区画におけるＮ型不純物層の深さが、順に深く形成されていることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１０または請求項１１に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、青色の分光感度を持つ前記区画のＰウェル層の深さ、緑色の分光感度を持つ前記区画におけるＰウェル層の深さ、赤色の分光感度を持つ前記区画におけるＰウェル層の深さが、順に深く形成されていることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項２に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記等色関数の負の部分にピークを持つ分光感度を有する区画から読み出した信号により処理を行い等色関数に近似した色再現を行うことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、隣接する前記光電変換領域間で同一分光感度を持つ区画の配置が異なるものを含むことを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記光電変換領域内の前記区画のうち少なくとも１つの区画の面積が他の区画の面積と異なることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１５に記載のＭＯＳ型イメージセンサであって、前記光電変換領域内における各区画の面積は、前記分光感度の単位面積当たりの相対的な大きさと逆比例の関係にあることを特徴とするＭＯＳ型イメージセンサ。
パッシブ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサ。
アクティブ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサ。
請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載のＭＯＳ型イメージセンサを搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。