JP4902106B2

JP4902106B2 - 固体撮像素子及びデジタルカメラ

Info

Publication number: JP4902106B2
Application number: JP2004203012A
Authority: JP
Inventors: 誠雫石; 倫生長
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006024832A

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

従来、単板式カラーイメージセンサ（固体撮像素子）では、可視光（カラー画像）を検出するために、異なる分光感度を有する複数のカラーフィルタをモザイク状あるいはストライプ状に配列することにより、入射光の複数の色成分を分離検出している。多くの場合、原色系カラーフィルタでは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青(Ｂ)の３種類のカラーフィルタを二次元平面上に規則的に配列している。なお、カラーフィルタの配列方法により、解像度（ＭＴＦ）と色再現性が異なることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１５は、一般的なカラーフィルタの分光特性、ＩＲ（赤外）カットフィルタの特性及び固体撮像素子自体が有する分光感度を表すグラフである。なお、図中斜線部分は、ＩＲカットフィルタによりカットされる光波長域を表す。

図１５（Ａ）に示すように、緑のカラーフィルタ（Ｇフィルタ）の分光スペクトルは本来の緑（Ｇ）の波長域（５００〜６３０ｎｍ）以外に、６５０ｎｍ以上の長波長域においても分光感度を有する。従って、６５０ｎｍ以上の長波長の光が入射した場合にも、Ｇフィルタを積層した受光部において光電変換が起こり、Ｇ信号として出力されてしまうため、正確にＧ信号を検出することができなくなり、混色を生じさせる。その結果忠実な色再現ができなくなる。

以上のようなことから、通常、単板カラー固体撮像素子をカメラ等に使用する場合は、ＩＲカットフィルタをカメラレンズと単板カラー固体撮像素子の間に挿入する。この場合、図１５（Ｂ）に示すように、ＩＲカットフィルタの長波長側のカットオフ波長は、６５０ｎｍ程度に設定される。従って、６５０ｎｍ以上の波長の光に対しては、ＩＲカットフィルタによって遮断される。

カラーフィルタ層の下部にある受光部（光電変換素子）はシリコン基板上に形成されるが、受光部を形成する部分はいわゆるＰＮフォトダイオードであることが一般的である。ＰＮフォトダイオードは、図１５（Ｃ）に示すように、短波長（４００ｎｍ）から７００ｎｍ以上の長波長域まで光感度を有している（例えば、非特許文献１参照）。

米国特許第３９７１０６５号明細書特開平１０−１３６３９号公報中井他、「低雑音撮像素子用Ｓｉ基板の検討」、テレビジョン学会１９８２年全国大会予稿集２−１、ｐ．２１

従来の固体撮像素子においては、６５０ｎｍ以上の波長の光に対しては、ＩＲカットフィルタによって遮断されるため、固体撮像素子受光部には６５０ｎｍ以上の波長の光が到達せず、６５０ｎｍ以上の波長の光は、有効に光電変換されず、感度に寄与していなかった。

また、ＰＮフォトダイオードにおいては、長波長域の光（例えば、赤色）がシリコン基板縦方向の深い領域まで到達し、図１５（Ｃ）に一点鎖線で示すような分光感度スペクトルを有する。しかし、短波長（Ｂ）、中間波長（Ｇ）、長波長（Ｒ）のホワイトバランスをとる場合には、６００ｎｍ以上の長波長側の感度は逆に抑制することが望ましい。そこで、上述の非特許文献１に示されているように、シリコン基板縦方向にＮＰＮ構造（いわゆる縦型オーバーフロードレイン）をとることが有効である（図１５（Ｃ）実線）。これは、深部で発生した光電荷をｎ型基板に排出できるからである。

本発明の目的は、高感度且つ忠実な色再現が可能な固体撮像素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の赤外カットフィルタの後段に配置され、該赤外カットフィルタを透過した光が入射する固体撮像素子は、緑色の波長域と６５０ｎｍ以上の波長域とに分光感度を有する第１のカラーフィルタと、青色の波長域に分光感度を有する第２のカラーフィルタと、赤色の波長域に分光感度を有する第３のカラーフィルタと、６５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長域に分光特性のピークを有する第４のカラーフィルタと、行方向及び列方向に配列され、前記第１〜第４のカラーフィルタのいずれかを透過して入射する入射光を受光して、入射光量に応じた信号量を検出する複数の光電変換素子と、前記第４のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量に所定値の係数を乗じたものを、前記第１のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量から減算することにより緑色信号を補正する緑色信号補正手段とを有する。

また、本発明の他の観点によれば、長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の赤外カットフィルタの後段に配置され、該赤外カットフィルタを透過した光が入射する固体撮像素子は、緑色の波長域と６５０ｎｍ以上の波長域とに分光感度を有する第１のカラーフィルタと、青色の波長域に分光感度を有する第２のカラーフィルタと、６００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長域に分光特性のピークを有する第３のカラーフィルタと、６５０ｎｍ以上の波長域に分光感度を有する第４のカラーフィルタと、行方向及び列方向に配列され、前記第１〜第４のカラーフィルタのいずれかを透過して入射する入射光を受光して、入射光量に応じた信号量を検出する複数の光電変換素子と、前記第４のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量に所定値の係数を乗じたものを、前記第１のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量から減算することにより緑色信号を補正する緑色信号補正手段とを有する。

本発明によれば、高感度且つ忠実な色再現が可能な固体撮像素子を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施例によるデジタルカメラ１００の構成を表すブロック図である。

デジタルカメラ１００は、例えば、固体撮像素子１０１に入射光を結像する集光レンズ１１５、赤外（ＩＲ）カットフィルタ１０２等を含む光学系１０４、固体撮像素子１０１、システム制御回路１０６、同期信号回路１０７、ＣＣＤ駆動回路１０８、ＣＤＳ回路１０９、プリプロセス回路１１０、Ａ／Ｄ変換回路１１１、信号処理（信号圧縮・伸張）回路１１２、メモリ１１３、記録／表示回路１１４を含んで構成される。

システム制御回路１０６は、デジタルカメラ１００全体を統括制御し、同期信号回路１０７に対して指示信号を出力する。同期信号回路１０７は、システム制御回路１０６からの指示信号に基づき、同期信号を出力する。ＣＣＤ駆動回路１０８は、同期信号回路１０７からの同期信号に基づき固体撮像素子１０１に駆動信号（駆動電圧φＶ）を供給する。

固体撮像素子１０１から出力される各色信号は、ＣＤＳ回路１０９に送られる。ＣＤＳ回路１０９は、各色信号に対して相関二重サンプリング処理等を行い、プリプロセス回路１１０に出力する。プリプロセス回路１１０は、同期信号回路１０７からの同期信号に基づき、各色信号に対して利得調整を施し、各色信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１１１を介して、信号処理（信号圧縮・伸張）回路１１２に出力する。

信号処理（信号圧縮・伸張）回路１１２は、メモリ１１３を用いて、各色のデジタル信号に対して、ホワイトバランス補正、ガンマ補正、色感度補正処理等を行うとともに、信号圧縮・伸張処理を行い、画像データとして出力する。

信号処理（信号圧縮・伸張）回路１１２によって処理された画像データは、記録／表示回路１１４に接続又は含まれる外部メモリに記録される。または、記録／表示回路１１４に接続又は含まれるディスプレイに表示される。

なお、図１に示すデジタルカメラ１００の構成は、第１の実施例に限らず第２の実施例、第３の実施例及びそれらの変形例においても適用することができる。ただし、固体撮像素子をＣＭＯＳ型とするときは、ＣＣＤ駆動回路やＡ／Ｄ変換回路等を適宜省略したり、変更したりすることが必要である。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子を使用する場合のデジタルカメラ１００の構成は周知の例による。

図２は、本発明の第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１０１の構成を表すブロック図である。

固体撮像素子１０１は、多数の光電変換素子（画素）１２が配置された受光領域２を含む。受光領域２は、多数の光電変換素子１２をいわゆる画素ずらし配置（ハニカム配列）に配置して構成されている。

ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」又は「ハニカム配列」とは、２次元テトラゴナル行列の第１格子と、その格子間位置に格子点を有する２次元テトラゴナル行列の第２格子とを合わせた配置を指す。例えば、奇数列（行）中の各光電変換素子１２に対し、偶数列（行）中の光電変換素子１２の各々が、光電変換素子１２の列（行）方向ピッチの約１／２、列（行）方向にずれ、光電変換素子列（行）の各々が奇数行（列）または偶数行（列）の光電変換素子２のみを含む。「画素ずらし配置」又は「ハニカム配列」は、多数個の光電変換素子１２を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。

なお、ピッチの「約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像素子１２の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子１２のピッチの約１／２」についても同様である。

それぞれの光電変換素子１２の列間には、光電変換素子１２で発生した信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２４が、図５の転送電極１６ａ、１６ｂ及び垂直転送チャネル１４を含んで形成され、光電変換素子１２で生じた信号電荷を４相駆動パルス（Φ１〜Φ４）で垂直方向に転送する。

図中、受光領域２の下側にはＶＣＣＤにより転送される電荷を1行ごとに周辺回路４に転送する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）３が形成される。

さらに、受光領域２の外側には、例えば、ＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ回路等で構成される周辺回路４が形成される。周辺回路４としては、例えば、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）等が含まれる。

光電変換素子１２（に対応する図５の遮光膜１８の開口部１８ＯＰ）上方には、赤（Ｒ又はＲｃ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のいずれか１色のカラーフィルタ層が形成されている。図中、上方に赤（Ｒ又はＲｃ）のカラーフィルタ層が形成されている光電変換素子（Ｒ画素又はＲｃ画素）１２Ｒ又は１２Ｒｃには「Ｒ」又は「Ｒｃ」の文字を付し、緑のカラーフィルタ層が形成されている光電変換素子（Ｇ画素）１２Ｇには「Ｇ」の文字を付し、青（Ｂ）のカラーフィルタ層が形成されている光電変換素子（Ｂ画素）１２Ｂには、それぞれ「Ｂ」の文字を付した。受光部に入射する光は、いずれか１色のカラーフィルタ層を透過した後、図４の開口部１８ＯＰを通って光電変換素子１２に入射する。

図３は、第１の実施例によるカラーフィルタ２０の分光特性及びＩＲカットフィルタ１０２の入射光透過率の波長依存性を表すグラフである。

図３（Ａ）は、第１の実施例におけるカラーフィルタの分光特性を表すグラフである。図中、点線は青（Ｂ）、一点鎖線は緑（Ｇ）、二点鎖線は赤（Ｒ）、実線は赤（Ｒｃ）のカラーフィルタの分光特性を表す。図３（Ｂ）は、本実施例によるＩＲカットフィルタ１０２の入射光透過率の波長依存性を表すグラフである。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）ともに図中斜線部分は、ＩＲカットフィルタ１０２によりカットされる光波長域を表す。なお、図に示したのは、長波長域のカットオフ波長を７００ｎｍ付近に設定した例である。

第１の実施例では、ＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長を従来の６５０ｎｍ付近から２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度長波長域側に拡大し、図に示すように、６７０ｎｍ〜７００ｎｍ付近に設定する。これに伴い、カラーフィルタ２０Ｇが上部に積層された光電変換素子（Ｇ画素）１２Ｇでは、６５０ｎｍ以上に感度を有することになる。

そこで、従来の３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｒに加えて第４の色（Ｒｃ）のカラーフィルタ２０Ｒｃを設ける。カラーフィルタＲｃは、図３（Ａ）中の実線で示すように、６５０ｎｍ以上の長波長域に分光感度を有するカラーフィルタである。第４のカラーフィルタ２０Ｒｃは、少なくとも６５０ｎｍ以上の波長域からＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長（６７０ｎｍ〜７００ｎｍ）までの間の波長域に分光感度のピークを有する。

この第４のカラーフィルタ２０Ｒｃが上部に積層された光電変換素子（Ｒｃ画素）１２Ｒｃから得られる信号Ｓ（Ｒｃ）に基づき、Ｇ画素１２Ｇから得られる信号Ｓ（Ｇ）を補正することにより、正確な（被写体の緑色をほぼ忠実に再現することのできる）Ｇ出力信号を得ることができる。この補正は、例えば、以下の式（１）にしたがって行うことができる。

Ｓ’（Ｇ）＝Ｓ（Ｇ）−αＳ（Ｒｃ） …（１）
ただし、Ｓ’（Ｇ）は補正後のＧ出力信号、Ｓ（Ｇ）はＧ画素から得られる信号、Ｓ（Ｒｃ）はＲｃ画素から得られる信号、αは信号Ｓ（Ｒｃ）から６５０ｎｍ以上の波長域の入射光に対応するＧ画素の信号出力を算出するための係数である。

以上のように、本発明の第１の実施例では、従来の３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｒに加えて第４の色（Ｒｃ）のカラーフィルタ２０Ｒｃを設けることで、Ｇ画素から得られる信号を補正することができるので、ＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長を６７０ｎｍ〜７００ｎｍ付近に設定することができる。

また、上述したように赤色（長波長光）の出力信号は、ＰＮフォトダイオードの構造上減衰するが、ＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長を６７０ｎｍ〜７００ｎｍ付近に設定することにより、６５０ｎｍ以上の波長光を検出することができるので、赤色（長波長光）の出力信号を増やすことができる。

従って、従来よりもさらに長波長側の入射光を有効に利用することができ、感度を向上させることができる。また、カラーフィルタ２０Ｇの分光感度に起因する色再現性の低下も防止することができる。

図４は、固体撮像素子１０１の受光領域２の一部の拡大平面図である。半導体基板上の絶縁膜を剥がし、光電変換素子１２、転送電極１６を露出した状態を示す。

図５は、固体撮像素子１０１の拡大断面図である。なお、この断面図は、図４に示す一点鎖線ｘ−ｙで固体撮像素子１０１を切断したものである。

以下の説明においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ−型不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ＋型不純物添加領域、あるいはｎ− 型不純物添加領域、ｎ型不純物添加領域、ｎ＋型不純物添加領域と表記する。ｐ− 型不純物添加領域１１ｂをエピタキシャル成長法によって形成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。

半導体基板１１は、例えばｎ−型シリコン基板１１ａと、その一表面に形成されたｐ−型不純物添加領域１１ｂとを有する。ｐ− 型不純物添加領域１１ｂは、ｎ−型シリコン基板１１ａの一表面にｐ型不純物をイオン注入した後に熱処理を施すことによって、あるいは、ｐ型不純物を含有したシリコンをｎ型シリコン基板１１ａの一表面上にエピタキシャル成長させることによって形成される。

次いで、後に形成される１列の光電変換素子列に１本ずつ対応して、ｐ−型不純物添加領域１１ｂにｎ型不純物添加領域（垂直転送チャネル）１４が例えば、０．５μｍの幅で形成される。個々の垂直転送チャネル１４は、その全長に亘ってほぼ均一な不純物濃度を有し、対応する光電変換素子列に沿って延在する。

次に、チャネルストップ領域１３が、垂直転送チャネル１４の隣（読出しゲート用チャネル領域１１ｃとなる箇所の反対側）に形成される。チャネルストップ領域１３は、例えばｐ＋型不純物添加領域、或いは、トレンチアイソレーション又は局所酸化（ＬＯＣＯＳ）によって構成される。

後に形成される各光電変換素子１２（ｎ型不純物添加領域１２ａ）の右側縁部に沿って、ｐ型不純物添加領域１１ｃが一部残される。各ｐ型不純物添加領域１１ｃは、読出しゲート用チャネル領域１１ｃとして利用される。

次に、酸化膜１５を、半導体基板１１の表面に形成する。転送電極１６下部分には、例えば、膜厚が２０〜７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜（熱酸化膜）と、膜厚が３０〜８０ｎｍ程度のシリコン窒化膜と、膜厚が１０〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜とを、半導体基板１１上にこの順番で形成した積層膜によって構成されるＯＮＯ膜を形成する。その他の部分には、例えば、酸化膜（ＳｉＯ_２）等を形成する。なお、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ等も酸化膜と呼ぶ。

次に、電極形成工程を行う。この工程では、酸化膜１５上に、転送電極（多層ポリシリコン電極）１６を形成する。半導体基板１の表面上に形成された酸化膜１５の上に第１の多結晶Ｓｉ層１６ａを０．２μｍ〜３μｍ（例えば、１μｍ）の厚さで堆積し、第１の多結晶Ｓｉ層１６ａ表面に、フォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ（露光、現像）によって所定のパターンにフォトレジスト膜をパターニング後、これをマスクとして異方性の強い（マスク面に垂直方向のエッチング速度の大きな）ドライエッチング（塩素系ガス等使用）によりレジストが除去された領域の第１の多結晶層１６ａをエッチオフし、フォトレジスト膜を除去する。これにより、第１層ポリシリコン電極１６ａが形成される。

次に、Ｓｉ表面を酸化しＳｉＯ2 膜（第２の酸化膜）を第１層ポリシリコン電極１６ａの上に３００Å〜１０００Åの膜厚で形成する。さらに、第２の酸化膜上に減圧ＣＶＤ法等を用いて第２の多結晶Ｓｉ層１６ｂを０．２μｍ〜３μｍ（例えば、１μｍ）の厚さで堆積する。引続き、フォトリソグラフィを用いて第２の多結晶Ｓｉ層１６ｂのパターニングを行い、第２層ポリシリコン電極１６ｂが形成される。

次に、ｐ− 型不純物添加領域１１ｂの所定箇所を、イオン注入によりｎ型不純物添加領域１２ａに転換する。なお、ｎ型不純物添加領域１２ａは、電荷蓄積領域として機能する。転換したｎ型不純物添加領域１２ａの表層部をイオン注入によりｐ＋型不純物添加領域１２ｂに転換することによって、埋込み型のフォトダイオードである光電変換素子１２を形成する。

次に、多層ポリシリコン電極１６及びシリコン基板１１前面を覆うように絶縁膜１５を形成し、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の２種以上からなる合金等をＰＶＤまたはＣＶＤによって絶縁膜１５上に堆積させることで遮光膜１８を形成する。この遮光膜１８は、各転送電極１６等を平面視上覆って、光電変換素子１２以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。

各光電変換素子１２へ光が入射することができるように、遮光膜１８は、個々の光電変換素子１２の上方に開口部１８ｏｐを１つずつ有する。光電変換素子１２表面において上記の開口部１８ｏｐ内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子１２における光入射面となる。なお、遮光膜の開口形状は図に示すような正方形に限らず、円形や正多角形等のその他の等方性形状でも良い。

その後、遮光膜１８の上に、パッシベーション層、平坦化絶縁層を含む第１の平坦化層１９を形成する。次ぎに、カラーフィルタ層２０を、例えば、互いに異なる色に着色された２種類の樹脂（カラーレジン）の層を、フォトリソグラフィ法等の方法によって所定箇所に順次形成することによって作製する。

この第１の実施例による固体撮像素子１０１では、赤（Ｒ）、赤（Ｒｃ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルタ層２０Ｒ、２０Ｒｃ、２０Ｇ及び２０Ｂが形成される。なお、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層２０Ｇを第1のカラーフィルタ、青（Ｂ）のカラーフィルタ層２０Ｂを第２のカラーフィルタ、赤（Ｒ）のカラーフィルタ層２０Ｒを第３のカラーフィルタ、赤（Ｒｃ）のカラーフィルタ層２０Ｒｃを第４のカラーフィルタとする。

次ぎに、第２の平坦化膜２１が、第１の平坦化膜１９と同様に、例えばフォトレジスト等の有機材料によって形成される。第２の平坦化膜２１上面に、それぞれの光電変換素子１２に対応してマイクロレンズ２２が形成される。マイクロレンズ２２は、例えば、透明樹脂層を第２の平坦化膜２１上に形成した後、この透明樹脂層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状にパターニングした後に、リフローさせることによって形成される。第２の平坦化膜２１は、カラーフィルタ層２０上に形成されて、マイクロレンズ２２を形成するための平坦面を提供する。

図６は、本発明の第２の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子２０１の構成を表すブロック図である。

この第２の実施例では、固体撮像素子１０２の光電変換素子１２上部に形成されるカラーフィルタ層２０（２０Ｒ１及び２０Ｒ２）の分光特性及びそれらの光電変換素子から得られる信号に基づくＧ出力信号の補正方法のみが異なる。その他の構成については、第１の実施例による固体撮像素子１０１と同様であるので、同じ参照番号を付し説明を省略する。

光電変換素子１２（に対応する図５の遮光膜１８の開口部１８ＯＰ）上方には、赤（Ｒ１又はＲ２）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のいずれか１色のカラーフィルタ層が形成されている。図中、上方に赤（Ｒ１又はＲ２）のカラーフィルタ層が形成されている光電変換素子（Ｒ１画素又はＲ２画素）１２Ｒ１又は１２Ｒ２には「Ｒ１」又は「Ｒ２」の文字を付し、緑のカラーフィルタ層が形成されている光電変換素子（Ｇ画素）１２Ｇには「Ｇ」の文字を付し、青（Ｂ）のカラーフィルタ層が形成されている光電変換素子（Ｂ画素）１２Ｂには、それぞれ「Ｂ」の文字を付した。受光部に入射する光は、いずれか１色のカラーフィルタ層を透過した後、図４の開口部１８ＯＰを通って光電変換素子１２に入射する。

図７は、第２の実施例によるカラーフィルタ２０の分光特性及びＩＲカットフィルタ１０２の入射光透過率の波長依存性を表すグラフである。

図７（Ａ）は、第２の実施例におけるカラーフィルタの分光特性を表すグラフである。図中、点線は青（Ｂ）、一点鎖線は緑（Ｇ）、二点鎖線は赤（Ｒ１）、実線は赤（Ｒ２）のカラーフィルタの分光特性を表す。図７（Ｂ）は、本実施例によるＩＲカットフィルタ１０２の入射光透過率の波長依存性を表すグラフである。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）ともに図中斜線部分は、ＩＲカットフィルタ１０２によりカットされる光波長域を表す。

第２の実施例でも、ＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長を従来の６５０ｎｍ付近から２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度長波長域側に拡大し、図に示すように、６７０ｎｍ〜７００ｎｍ付近に設定する。これに伴い、カラーフィルタ２０Ｇが上部に積層された光電変換素子（Ｇ画素）１２Ｇでは、６５０ｎｍ以上に感度を有することになる。なお、図に示したのは、長波長域のカットオフ波長を７００ｎｍ付近に設定した例である。

そこで、２種類の赤色（Ｒ１）及び（Ｒ２）のカラーフィルタ２０Ｒ１及び２０Ｒ２を設ける。カラーフィルタＲ１は、図に示すように、６００〜６５０ｎｍの間の波長域に分光感度のピークを有し、赤色（Ｒ）の色信号を出力するための光電変換素子１２の上部に積層される。カラーフィルタＲ２は、図に示すように、６５０ｎｍ以上の長波長域の入射光を透過する分光感度を有するカラーフィルタである。

このカラーフィルタ２０Ｒ２が上部に積層された光電変換素子（Ｒ２画素）１２Ｒ２から得られる信号Ｓ（Ｒ２）に基づき、Ｇ画素１２Ｇから得られる信号Ｓ（Ｇ）を補正することにより、正確な（被写体の緑色をほぼ忠実に再現することのできる）Ｇ出力信号を得ることができる。この補正は、例えば、以下の式（２）にしたがって行うことができる。

Ｓ’（Ｇ）＝Ｓ（Ｇ）−βＳ（Ｒ２） …（２）
ただし、Ｓ’（Ｇ）は補正後のＧ出力信号、Ｓ（Ｇ）はＧ画素から得られる信号、Ｓ（Ｒ２）はＲ２画素から得られる信号、βは信号Ｓ（Ｒ２）から６５０ｎｍ以上の波長域の入射光に対応するＧ画素の信号出力を算出するための係数である。

以上のように、本発明の第２の実施例では、４色（Ｒ１、Ｒ２、Ｇ、Ｂ）のカラーフィルタ２０Ｒ１、２０Ｒ２、２０Ｇ、２０Ｒを設けることで、Ｇ画素から得られる信号を補正することができるので、ＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長を６７０ｎｍ〜７００ｎｍ付近に設定することができる。なお、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層２０Ｇを第1のカラーフィルタ、青（Ｂ）のカラーフィルタ層２０Ｂを第２のカラーフィルタ、赤（Ｒ１）のカラーフィルタ層２０Ｒ１を第３のカラーフィルタ、赤（Ｒ２）のカラーフィルタ層２０Ｒ２を第４のカラーフィルタとする。

なお、第２の実施例におけるカラーフィルタＲ２の代わりに第１の実施例によるカラーフィルタＲｃを用いることもできる。また、第２の実施例におけるカラーフィルタＲ１の代わりに第１の実施例によるカラーフィルタＲを用いることもできる。

なお、上述の第１及び第２の実施例では、光電変換素子１２を画素ずらし配置した固体撮像素子１０１又は２０１を使用したが、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すような、光電変換素子１２を正方行列状に配置した固体撮像素子３０１又は４０１を用いることもできる。この場合にも、図３又は図７を用いて説明したように、色信号（Ｇ）の補正を上述の画素ずらし配置の場合と同様に行うことができる。

次ぎに、本発明の第３の実施例について説明する。

本出願の発明者らが、固体撮像素子周辺部における感度低下及び色シェーディングのメカニズムを、従来の幾何光学に基づく光線追跡シミュレーションに換えて、波動光学効果を考慮した三次元波動光学シミュレーション（ＦＤＴＤ法：ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＭｅｔｈｏｄ）を実行して詳細に解析した結果、微細画素及び素子周辺部における各画素の集光効率が入射光の波長に依存し、特に、長波長光（例えば、赤色光（Ｒ））であるほど感度が低下する現象が解明された。

図９は、入射光角度を一定とした場合における画素（セル）寸法と入射光がマイクロレンズ、カラーフィルタ、遮光膜の開口部を通って光電変換素子に到達する時の集光効率との関係を表すグラフである。

図９（Ａ）は、遮光膜の開口部の形状が正方形である場合の上記関係を表すグラフである。図から明らかなように、長波長光であるＲ（赤色光）は、画素寸法が２．５μｍ以下の領域において集光効率が減衰しており、同様に、Ｇ（緑色光）は２μｍ、Ｂ（青色光）は１．４μｍ付近から集光効率が減衰している。なお、図９（Ｂ）に示すように、開口部１０８は光電変換素子の一辺の長さをＳとした場合に、垂直方向の長さがＳ／２で、水平方向の長さがＳ／２である。

すなわち、図９（Ａ）は、入射光波長が青（Ｂ）より緑（Ｇ）、緑（Ｇ）より赤（Ｒ）というように、長波長であるほど遮光膜開口寸法が十分大きくないと入射光が遮光膜開口を通過できないことを示している。つまり、遮光膜開口寸法の異なる２種類の遮光膜開口について波長選択性を持たせることができることを見出した。

そこで、本発明の第３の実施例では、長波長受光部（長波長光を透過するカラーフィルタ２０Ｒ下方に位置する光電変換素子１２Ｒ）に対応する遮光膜の開口部１８ｏｐ２の開口面積をそれ以下の波長の受光部（カラーフィルタ２０Ｂ及び２０Ｇ下方に位置する光電変換素子１２Ｂ、１２Ｇ）に対応する遮光膜の開口部１８ｏｐ１の開口面積よりも大きく設定することとした。

なお、遮光膜開口部１８ｏｐとカラーフィルタ２０の分光特性以外のハードウェア構成は、第１及び第２の実施例と同様であるので、その説明を省略する。また、ＩＲカットフィルタ１０２の特性も同様である。

図１０は、本発明の第３の実施例による遮光膜開口部１８ｏｐ１及び１８ｏｐ２の入射光の実行透過率を表すグラフである。

遮光膜開口部１８ｏｐ１は、例えば、１辺（図１１のＳｏｐ１）が０．６〜０．９μｍの正方形となるように遮光膜開口寸法が設定されており、遮光膜開口部１８ｏｐ２は、例えば、１辺（図１１のＳｏｐ２）が１．０〜１．５μｍの正方形となるように遮光膜開口寸法が設定されている。

図１０に示すように、遮光膜開口部１８ｏｐ１は、６００ｎｍ付近から長波長側において、入射光の実効透過率が急激に減衰する特性を有し、遮光膜開口部１８ｏｐ２は、７００ｎｍ付近から長波長側において、入射光の実効透過率が急激に減衰する特性を有する。

そこで、カラーフィルタ２０Ｇが上部に積層された光電変換素子（Ｇ画素）１２Ｇやカラーフィルタ２０Ｂが上部に積層された光電変換素子（Ｂ画素）１２Ｂでは、６００ｎｍ以上の波長を有する入射光が急速に減衰しても特性にはほとんど影響を与えないため、Ｇ画素及びＢ画素には、遮光膜開口部１８ｏｐ１を適用する。これにより、Ｇ画素に悪影響を及ぼす上述の６５０ｎｍ以上の波長域の入射光成分を減ずることができる。なお、カラーフィルタ２０Ｒが上部に積層された光電変換素子（Ｒ画素）１２Ｒには、遮光膜開口部１８ｏｐ２を適用する。

図１１は、第３の実施例による遮光膜開口部１８ｏｐ１及び遮光膜開口部１８ｏｐ２の遮光膜開口寸法及びカラーフィルタ配列を示す概略平面図である。図１１（Ａ）に開口形状を正方形にした例を示し、図１１（Ｂ）に開口形状を円形にした例を示す。

この第３の実施例では、カラーフィルタ２０として、従来の３色のカラーフィルタ、すなわち第１の実施例におけるカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを使用する。また、上述したように、Ｇ画素１２Ｇ及びＢ画素１２Ｂには、遮光膜開口部１８ｏｐ１を適用し、Ｒ画素１２Ｒには、遮光膜開口部１８ｏｐ２を適用する。

３色のカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂの配列は、公知の例によるが、緑のカラーフィルタ２０Ｇの列と赤と青のカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｂを交互に配列した列とを交互に配列するとともに、緑のカラーフィルタ２０Ｇの列を介して隣り合う２つの赤と青のカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｂを交互に配列した列それぞれでの赤と青のカラーフィルタの配置を互いに逆にしたものが好ましい。

このようにすることにより、Ｇ画素１２Ｇでは不要な長波長光成分を除去しつつ、Ｒ画素ではＩＲカットフィルタ１０２のカットオフ波長の長波長化により入射光を有効に利用することができる。よって、感度を向上させることができる。

図１２は、第３の実施例における遮光膜開口寸法と入射光波長の関係を説明するための固体撮像素子５０１の断面図である。なお、第１及び第２の実施例と同様の部材には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図中点線の矢印で６５０ｎｍ以上の波長域の入射光を示す。

図１２（Ａ）に示すように、遮光膜開口部１８ｏｐ１を適用したＧ画素では６００ｎｍ以上、特に６５０ｎｍ以上の入射光を有効に減衰させることができるので、忠実な緑（Ｇ）の色再現が可能になる。また、長波長光がシリコン基板１１深部に到達しにくいので、深部で発生する光電荷が隣接する他の受光部や電荷転送装置（ＶＣＣＤ）１４に到達することに起因するスミアや偽信号の発生を抑えることができる。

これに対して、図１２（Ｂ）に示すように、遮光膜開口部１８ｏｐ２を適用したＲ画素では６００ｎｍ以上、特に６５０ｎｍ以上の入射光も有効に利用することができるため、従来に比べて感度を向上させることができる。

以上のように、本発明の第３の実施例では、従来の３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のカラーフィルタ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを使用しつつ、遮光膜開口部の開口寸法を制御することにより、ＩＲカットフィルタ１０２の長波長域のカットオフ波長を６７０ｎｍ〜７００ｎｍ付近に設定することができる。

なお、この第３の実施例では、光電変換素子１２をいわゆるハニカム配列にすることで、遮光膜開口形状を等方的形状とすることが容易になり、遮光膜開口寸法による遮光膜を透過する光の波長の選択性を制御しやすくなり、特に、遮光膜開口寸法を小型化した場合に、固体撮像素子の中心部と周辺部における感度差を軽減することができるので、ハニカム配列を採用することが好ましいが、図１３に示すように光電変換素子１２を正方行列状に配置することもできる。

また、本発明の実施例は、ＣＣＤ型固体撮像素子以外の固体撮像素子に適用することも可能である。図１４に示すように、光電変換素子１２にＭＯＳトランジスタを接続し、各光電変換素子の蓄積電荷を選択的に読み出すことができる構成の固体撮像素子に適用して、いわゆるＣＭＯＳ型固体撮像素子としてもよい。

また、入射光波長の検出限界が６５０ｎｍ以上に拡大したことにより、特殊な或いは専用の赤外線用センサを使用することなく、いわゆる暗視カメラとしても本発明の実施例によるデジタルカメラを使用することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の第１の実施例によるデジタルカメラ１００の構成を表すブロック図である。本発明の第１の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子１０１の構成を表すブロック図である。第１の実施例によるカラーフィルタ２０の分光特性及びＩＲカットフィルタ１０２の入射光透過率の波長依存性を表すグラフである。固体撮像素子１０１の受光領域２の一部の拡大平面図である。固体撮像素子１０１の拡大断面図である。本発明の第２の実施例によるＣＣＤ型固体撮像素子２０１の構成を表すブロック図である。第２の実施例によるカラーフィルタ２０の分光特性及びＩＲカットフィルタ１０２の入射光透過率の波長依存性を表すグラフである。固体撮像素子３０１、４０１の構成を表すブロック図である。入射光角度を一定とした場合における画素（セル）寸法と入射光がマイクロレンズ、カラーフィルタ、遮光膜の開口部を通って光電変換素子に到達する時の集光効率との関係を表すグラフである。本発明の第３の実施例による遮光膜開口部１８ｏｐ１及び１８ｏｐ２の入射光の実行透過率を表すグラフである。第３の実施例による遮光膜開口部１８ｏｐ１及び遮光膜開口部１８ｏｐ２の遮光膜開口寸法及びカラーフィルタ配列を示す概略平面図である。第３の実施例における遮光膜開口寸法と入射光波長の関係を説明するための固体撮像素子５０１の断面図である。第３の実施例の変形例による遮光膜開口部１８ｏｐ１及び遮光膜開口部１８ｏｐ２の遮光膜開口寸法及びカラーフィルタ配列を示す概略平面図である。ＭＯＳ型固体撮像素子の一例を表す概略図である。一般的なカラーフィルタの分光特性、ＩＲ（赤外）カットフィルタの特性及び固体撮像素子自体が有する分光感度を表すグラフである。

符号の説明

２…受光領域、３…ＨＣＣＤ、４…周辺回路、１１…半導体基板、１２…光電変換素子、１３…チャネルストップ領域、１４…転送チャンネル、１５…絶縁膜、１６ａ…第１層転送電極、１６ｂ…第２層転送電極、１８…遮光膜、１９、２１…平坦化層、２０…カラーフィルタ、２２…マイクロレンズ、２４…垂直電荷転送装置、１００…デジタルカメラ、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１…固体撮像素子、１０２…ＩＲカットフィルタ、１０４…光学系、１０５…挿入（先端）部、１０６…システム制御回路、１０７…同期信号回路、１０８…ＣＣＤ駆動回路、１０９…ＣＤＳ回路、１１０…プリプロセス回路、１１１…Ａ／Ｄ変換回路、１１２…信号処理（信号圧縮・伸張）回路、１１３…メモリ、１１４…記録／表示回路、１１５…集光レンズ

Claims

長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の赤外カットフィルタの後段に配置され、該赤外カットフィルタを透過した光が入射する固体撮像素子であって、
緑色の波長域と６５０ｎｍ以上の波長域とに分光感度を有する第１のカラーフィルタと、
青色の波長域に分光感度を有する第２のカラーフィルタと、
赤色の波長域に分光感度を有する第３のカラーフィルタと、
６５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長域に分光特性のピークを有する第４のカラーフィルタと、
行方向及び列方向に配列され、前記第１〜第４のカラーフィルタのいずれかを透過して入射する入射光を受光して、入射光量に応じた信号量を検出する複数の光電変換素子と、
前記第４のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量に所定値の係数を乗じたものを、前記第１のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量から減算することにより緑色信号を補正する緑色信号補正手段と
を有する固体撮像素子。
長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の赤外カットフィルタの後段に配置され、該赤外カットフィルタを透過した光が入射する固体撮像素子であって、
緑色の波長域と６５０ｎｍ以上の波長域とに分光感度を有する第１のカラーフィルタと、
青色の波長域に分光感度を有する第２のカラーフィルタと、
６００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長域に分光特性のピークを有する第３のカラーフィルタと、
６５０ｎｍ以上の波長域に分光感度を有する第４のカラーフィルタと、
行方向及び列方向に配列され、前記第１〜第４のカラーフィルタのいずれかを透過して入射する入射光を受光して、入射光量に応じた信号量を検出する複数の光電変換素子と、
前記第４のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量に所定値の係数を乗じたものを、前記第１のカラーフィルタを透過した入射光の入射光量に応じた信号量から減算することにより緑色信号を補正する緑色信号補正手段と
を有する固体撮像素子。
前記複数の光電変換素子は、行方向及び列方向に１／２ピッチずつずらして配置される請求項１又は２記載の固体撮像素子。
前記複数の光電変換素子は、正方格子配列で配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
さらに、前記複数の光電変換素子の列ごとに垂直電荷転送路を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
さらに、前記複数の光電変換素子ごとにＭＯＳ型電荷検出回路を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の赤外カットフィルタと、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子と
を有するデジタルカメラ。