JP4946147B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置に関する。

ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置は、光電変換部を有する複数の画素を２次元アレイ状に配列し、その撮像領域上に色フィルタ及びオンチプレンズを積層して構成される。近年、この固体撮像装置は、携帯電話様のカメラ、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等の撮像素子として注目されている。また、この固体撮像装置は、複写機、その他のスキャナーの撮像素子としても適用されている。

固体撮像装置では、従来からオンチップレンズを工夫してホワイトバランスを改善したり、高感度化を図るなどの提案がなされてきた。例えば特許文献１では、オンチップレンズのレンズ形状を、色フィルタの各色に対応して最適化し、ホワイトバランスの適正化を図るようにしたＣＣＤ固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置においては、赤、緑及び青の各色に対応した画素に対してオンチップレンズが形成され、緑に対応したオンチップレンズの面積を他の赤、青に対応したオンチップレンズの面積より大きく形成し、あるいは同じレンズ面積にしてレンズ高さを緑に対応したオンチップレンズを他の赤、青に対応したオンチップレンズより高くして、入射光量を制御するように構成されている。

また、特許文献２では、４×４画素を単位として、白色フィルタを用いた色配列により高感度化を図ったＣＣＤ固体撮像装置が提案されている。この場合、白色フィルタ上にオンチップレンズを設けない構成することも提案されている。

特開平９−１１６１２７号公報 特開２００３−６０１８５号公報

ところで、特許文献１において、正方格子のセンサセル、いわゆる画素でオンチップレンズの高さを一定にした場合には、レンズ形状が上面から見たときに円形に近い形が理想的である。しかし、画素の微細化に伴ってオンチップレンズのうち、縮小したオンチップレンズが微細になり過ぎて、微細加工技術の限界で、実現が難しい。

また、特許文献２では、白色フィルタの感度が赤、緑及び青のフィルタに比べて高いために、白色に対応したセンサ（光電変換部）が早く飽和してしまい、ダイナミックレンジの低下が起きてしまう。その解決の一例として、白色フィルタ上にオンチップレンズを形成しない構成が開示されている。しかし、単純にオンチップレンズを無くしただけでは、センサ開口以外の隣接レンズとの間の無効感度領域が残り、感度向上の効果が十分得られなくなる。

本発明は、上述の点に鑑み、画素を微細化しても感度の向上が図れる固体撮像装置を提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部を有する複数の画素が配列され、色フィルタ、オンチップレンズ、及び層内レンズが積層された撮像領域を有し、層内レンズは全ての画素で同形状に形成され、オンチップレンズが一画素置きに形成され、そのオンチップレンズが画素面積より大きく形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、オンチップレンズが一画素置きに形成されると共に、そのオンチップレンズが画素面積より大きく形成されるので、画素を微細化しても、オンチップレンズの加工が可能になり、また、各画素に対して無効感度領域がなくなる。オンチップレンズを有する画素では高感度となる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、画素を微細化していっても感度の向上を図ることができる。例えば、本発明では、製品の目的に応じて、輝度Ｓ／Ｎの良い固体撮像装置や色Ｓ／Ｎの良い固体撮像装置を提供することができる。また、白色フィルタとの組み合わせで、高ダイナミックレンジで高Ｓ／Ｎ（高感度）の固体撮像装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本実施の形態の説明に先立ち、本実施の形態の固体撮像装置の対象となるＣＣＤイメージセンサ及びＣＭＯＳイメージセンサの概略を説明し、さらに本実施の形態の理解のために、比較例として現状のＲＧＢベイヤ配列の色フィルタを備えた固体撮像装置の撮像領域の構成について説明する。

図８に、ＣＣＤイメージセンサの撮像領域の概略断面構造を示す。このＣＣＤイメージセンサ１の撮像領域２は、第１導電型、本例ではｎ型のシリコン半導体基板３に第２導電型であるｐ型の半導体ウェル領域４が形成され、このｐ型半導体ウェル領域３の表面側に２次元アレイ状に光電変換部となる複数のフォトダイオードＰＤが形成され、各フォトダイオード列に対応してＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ部５が形成されて成る。フォトダイオードＰＤは、ｎ型半導体領域による電荷蓄積領域６とその表面の暗電流抑制のためのｐ型アキュミュレーション領域７を有した、いわゆるＨＡＤ（Hole Accumulation Diode）構造で形成される。

垂直転送レジスタ部５は、ｐ型半導体ウェル領域４の表面にｎ型転送チャネル領域８を形成し、このｎ型チャネル領域８上にゲート絶縁膜９を介して例えば多結晶シリコン膜による転送電極１０を形成して構成される。転送電極１０は、ｐ型チャネルストップ領域１１、ｎ型転送チャネル領域８及び読出しゲート部１２にわたって形成される。フォトダイオードＰＤとこれに対応する垂直転送レジスタ部５の部分で単位画素１３が形成される。転送電極１０を覆うようにフォトダイオードＰＤを除く全面上に遮光膜１４が形成される。

また、絶縁膜１５を介して例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）からなる色フィルタ（オンチップフィルタ）１６が形成され、その上に各画素１３に対応するオンチップレンズ１７が形成される。必要に応じて絶縁膜１５内に、各フォトダイオードＰＤに対応するように屈折率を異にした絶縁膜からなる層内レンズ１８が形成される。

なお、図示しないが、垂直転送レジスタ部４の端部に接続するようにＣＣＤ構造の水平転送レジスタ部が形成され、水平転送レジスタ部の後段に出力部が形成される。このように構成されたＣＣＤイメージセンサの動作の説明は、周知であるので省略する。

図９に、ＣＭＯＳイメージセンサの撮像領域の概略断面構造を示す。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとは、ＣＭＯＳプロセスを応用して、又は部分的に使用して作製されたイメージセンサである。このＣＭＯＳイメージセンサ２１の撮像領域２２は、第１導電型、本例ではｎ型シリコン半導体基板２３に第２導電型であるｐ型の半導体ウェル領域２４が形成され、このｐ型半導体ウェル領域２４に光電変換部となるフォトダイオードＰＤと複数のＭＯＳトランジスタＴｒとからなる複数の画素２５が２次元アレイ状に配列されて成る。各画素２５は、絶縁分離あるいはトレンチ分離などによる素子分離領域、この例ではトレンチ分離領域２６により分離される。

複数のＭＯＳトランジスタＴｒは、通常では例えば、３つのトランジスタあるいは４つのトランジスタで構成される。３トランジスタ構造では、転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタで構成される。４トランジスタ構造では、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタで構成される。図８では転送トランジスタＴｒ１が図示されている。

フォトダイオードＰＤは、前述と同様にｎ型半導体領域による電荷蓄積領域２７とその表面のｐ型アキュミュレーション領域２８からなるＨＡＤ構造で形成される。転送トランジスタＴｒ１は、フローティング・ディフージョン（ＦＤ）となるｎ型半導体領域３０（ドレイン）と、フォトダイオードＰＤのｎ型電荷蓄積領域２８（ソース）と、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極３１とを有して形成される。

撮像領域２２上に、層間絶縁膜３３を介して複数層の配線層３４〔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ〕が形成され、さらに例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）からなる色フィルタ３５が形成され、その上に各画素２５に対応するようにオンチップレンズ３６が形成される。必要に応じて絶縁膜３６内に、各フォトダイオードＰＤに対応するように屈折率を異にした絶縁膜からなる層内レンズ３７が形成される。このように構成されたＣＭＯＳイメージセンサの動作の説明は、周知であるので省略する。

図７は、現状のＲＧＢベイヤ配列の色フィルタを有した固体撮像装置の撮像領域の概略構成を示す。この固体撮像装置は、上述したＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサに適用される。この固体撮像装置４１の撮像領域４２は、図７Ａ（模式的平面図）に示すように、四角形状、図では正四角形状の複数の画素４３が２次元アレイ状に配列されると共に、この画素４３の領域上に２×２のＲＧＢベイヤ配列の色フィルタ４４と及びオンチップレンズ４５が積層されて構成される。色フィルタ４４は、４つの画素４３に対して、その１つの画素に赤色フィルタ成分４４Ｒが、他の１つの画素に青色フィルタ成分４４Ｂが、さらに他の２つの画素に緑色フィルタ成分４４Ｇが、それぞれ対応するように形成される。オンチップレンズ４５は、四角形状の画素４３に内接する円形に近い形で形成される。

さらに、図７Ｂ（図７ＡのＡ−Ａ線上の断面図：模式的断面）に示すように、半導体基板４７に画素４３を構成する光電変換部４８が形成され、色フィルタ４４の下層の絶縁膜４９には、各画素４３の光電変換部４８に対応するように、屈折率が異なる絶縁膜からなる層内レンズ４６が形成される。なお、符号５０は、例えばＣＭＯＳイメージセンサであれば最上層の配線層（例えば電源配線と遮光を兼ねる）に対応し、ＣＣＤイメージセンサであれば垂直転送レジスタ部の転送電極に対応する。

上述したように、比較例の固体撮像装置４１では、四角形状の各画素４３、すなわち赤画素４３Ｒ、緑画素４３Ｇ及び青画素４３Ｂに対して、形状及び面積が相似の四角形状の各色フィルタ成分４４Ｒ，４４Ｇ，４Ｂを有する色フィルタ４４が形成され、この色フィルタ４４上に各画素４３〔４３Ｒ，４３Ｇ，４３Ｂ〕に対して四角形状の画素面積内に存するようにオンチップレンズ４５が形成されて構成される。

次に、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態を説明する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、前述したＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサを対象とするものである。

図１Ａ，Ｂに、第１実施の形態に係る固体撮像装置を示す。同図は、固体撮像装置の画素が配列された撮像領域の概略構成であり、一部模式的に示している。本実施の形態に係る固体撮像装置５１は、図１Ａ，Ｂに示すように、半導体基板５２に光電変換部５３を有する複数の画素５４が２次元アレイ状に配列され、色フィルタ５５及びオンチップレンズ５６が積層された撮像領域５７を有して構成される。色フィルタ５５は、例えば２×２のＲＧＢベイヤ配列のフィルタとして構成される。図１Ｂにおいて、符号５８は、例えばＣＭＯＳイメージセンサであれば最上層の配線層（例えば電源配線と遮光を兼ねる）に相当し、ＣＣＤイメージセンサであれば垂直転送レジスタ部の転送電極に相当する。さらに、必要に応じて色フィルタ５５の下層には、各画素５４の光電変換部５３に対応して屈折率が異なる絶縁膜からなる層内レンズ５９が形成される。

そして、本実施の形態においては、特に、オンチップレンズ５６を一画素置きに形成すると共に、このオンチップレンズ５６を四角形状、図示の例では正四角形状の画素５４の面積（破線図示：以下、画素面積という）よりも大きく形成して構成される。すなわち、オンチプレンズ５６は、色フィルタ５５の色配列に同期して形成される。本例では、オンチップレンズ５６がＲＧＢベイヤ配列の色フィルタ５５のうち、緑色（Ｇ）フィルタ成分５５Ｇ上にのみ形成され、赤色（Ｒ）フィルタ成分５５Ｒ及び青色（Ｂ）フィルタ成分５Ｂ上にはオンチップレンズ５６が形成されない構成とされる。

オンチップレンズ５６の上面から見た形状、いわゆるレンズの平面形状は、四角形状の画素５４の４つの角を外接する八角形もしくは円形に近い形状に形成される。実際の製造に際しては八角形に形成しても、円形に近い形状になる。図示の例では、オンチプレンズ５６が画素５４の正四角形に外接する正八角形に形成される。

一方、色フィルタ５５においては、緑色（Ｇ）フィルタ成分５５Ｇがオンチップレンズ５６の形状、大きさに相似して八角形あるいは円形に近い形状、図示の例では正八角形に形成される。これに対して、オンチップレンズの無い赤色（Ｒ）フィルタ成分５５Ｒ及び青色（Ｂ）フィルタ成分５５Ｂは、画素面積より小さい四角形状、図示の例では正八角形の緑色フィルタ成分５５Ｇに囲まれて画素面積より小さい正四角形状に形成される。

ここで、緑色フィルタ成分５５Ｇが形成された画素５４Ｇ、赤色フィルタ成分５５Ｒが形成された画素５４Ｒ、青色フィルタ成分５Ｂが形成された画素５４Ｂを、それぞれ緑画素、赤画素、青画素という。

第１実施の形態に係る固体撮像装置５１によれば、２×２のＲＧＢベイヤ配列の色フィルタ５５を有する場合、緑画素５４Ｇだけにオンチップレンズ５６を設けると共に、そのオンチップレンズ５６を画素面積より拡大して形成することにより、緑画素５４Ｇの感度が向上し、輝度Ｓ／Ｎを改善することができる。有効面積が縮小した赤画素５４Ｒ及び青画素５４Ｂではオンチップレンズを廃止するので、画素を縮小化しても、オンチップレンズ５６の加工が可能になる。層内レンズ５９を用いることにより、オンチップレンズ５６を無くした赤画素５４Ｒ及び青画素５４Ｂにおいても、効率的に集光することができる。第１実施の形態の固体撮像装置５１は、輝度ノイズの低減を重視した固体撮像装置として最適である。

近年、デジタルスチルカメラにおいては、多画素化に伴い、輝度Ｓ／Ｎ、色Ｓ／Ｎ等のＳ／Ｎ低下が大きな課題となっている。その改善には緑画素を高感度化し、赤画素及び青画素はローパスフィルタをかけてノイズリダクションすることが有効的である。人の目の解像度は、緑色に対しては敏感であるが、赤色、青色には鈍感なため、ローパスフィルタをかけても問題にならない。

図２Ａ，Ｂに、第２実施の形態に係る固体撮像装置を示す。同図は、固体撮像装置の画素が配列された撮像領域の概略構成であり、一部模式的に示している。本実施の形態に係る固体撮像装置６１は、図２Ａ，Ｂに示すように、前述と同様に、半導体基板５２に光電変換部５３を有する複数の画素５４が２次元アレイ状に配列され、色フィルタ６５及びオンチップレンズ５６が積層された撮像領域５７を有して構成される。色フィルタ６５は、例えば２×２のＲＧＢベイヤ配列のフィルタに構成される。さらに、必要に応じて色フィルタ６５の下層には、各画素５４の光電変換部５３に対応して屈折率が異なる絶縁膜からなる層内レンズ５９が形成される。

そして、本実施の形態においては、特に、オンチップレンズ５６を一画素置きに形成すると共に、このオンチップレンズ５６を四角形状、図示の例では正四角形状の画素面積よりも大きく形成して構成される。すなわち、オンチップレンズ５６は、色フィルタ６５の色配列に同期して形成される。本例では、オンチップレンズ５６が赤色フィルタ成分６５Ｒ上及び青色フィルタ成分６５Ｂ上にのみ形成され、緑色フィルタ成分６５Ｇ上にはオンチップレンズ５６が形成されない構成とされる。

この場合も、オンチップレンズ５６の平面形状は、画素５４の四角形状に外接する八角形もしくは円形に近い形状、図示の例では正八角形に形成される。一方、色フィルタ６５においても、赤色（Ｇ）フィルタ成分６５Ｒ及び青色フィルタ成分６５Ｂがオンチップレンズ５６の形状、大きさに相似して八角形、図示の例では正八角形に形成される。これに対して、オンチップレンズ５６の無い緑色フィルタ成分６５Ｇは、画素面積より小さい四角形状、図示の例では正八角形の赤色フィルタ成分６５Ｒ及び青色フィルタ成分６５Ｂに囲まれて画素面積より小さい正四角形状に形成される。

その他の構成は、図１Ａ，Ｂの第１実施の形態と同様であるので、図２Ａ，Ｂにおいて対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。

第２実施の形態に係る固体撮像装置６１によれば、２×２のＲＧＢベイヤ配列の色フィルタ６５を有する場合、緑画素５４Ｇにオンチップレンズ５６を設けず、赤画素５４Ｒ及び青画素５４Ｂだけにオンチップレンズ５６を設けると共に、そのオンチップレンズ５６を画素面積より拡大して形成することにより、赤画素５４Ｒ及び青画素５４Ｂの感度が向上し、色Ｓ／Ｎを改善することができる。有効面積が縮小した緑画素５４Ｇでは層内レンズで集光することができる。従って、第２実施の形態の固体撮像装置６１は、色ノイズの低減を重視した固体撮像装置として最適である。

光源を有するスキャナーやコピー機では、光源により輝度Ｓ／Ｎは十分取れるが、色再現や色Ｓ／Ｎを重視するケースが多い。このような用途では赤画素、青画素のオンチップレンズを拡大することが効果的であり、２実施の形態の固体撮像装置６１が適する。

図３Ａ，Ｂに、第３実施の形態に係る固体撮像装置を示す。同図は、固体撮像装置の画素が配列された撮像領域の概略構成であり、一部模式的に示している。本実施の形態に係る固体撮像装置６７は、図３Ａ，Ｂに示すように、前述の図２の第２実施の形態において、そのオンチップレンズ５６を有しない緑画素５４Ｇを白画素５４Ｗに置き換えた構成である。すなわち、本実施の形態の固体撮像装置６７は、色フィルタ６５として、１つの赤色（Ｒ）フィルタ成分６５Ｒと、１つの青色（Ｂ）フィルタ成分６５Ｂと、２つの白色（Ｗ）フィルタ成分６５Ｗとからなる組を繰り返し配列しフィルタを用い、赤画素５４Ｒ及び青画素５４Ｂ上に画素面積より大きいオンチップレンズ５６を形成し、白画素５４Ｗ上にはオンチップレンズ５６を形成しないようにして構成される。この場合、白画素５４Ｗが実質的な縮小画素になる。

その他の構成は、図２Ａ，Ｂの第２実施の形態と同様であるので、図３Ａ，Ｂにおいて対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。

第３実施の形態に係る固体撮像装置６７によれば、第２実施の形態と同様に色Ｓ／Ｎを改善することができる。それと共に、緑画素５４Ｇに代えて白画素５４Ｗにしたことにより、第２実施の形態よりも縮小画素の感度があがり、特に輝度Ｓ／Ｎを改善することができる。ここで、緑画素が無くなった部分（つまり白画素５４Ｗ）では、Ｇ＝Ｗ−（Ｒ＋Ｂ）の演算により緑色信号が得られる。この第３実施の形態の固体撮像装置６７は、例えばスキャナーやコピー機などの用途にも適する。

図４Ａ，Ｂに、第４実施の形態に係る固体撮像装置を示す。同図は、固体撮像装置の画素が配列された撮像領域の概略構成であり、一部模式的に示している。本実施の形態に係る固体撮像装置７１は、図４Ａ，Ｂに示すように、前述と同様に、半導体基板５２に光電変換部５３を有する複数の画素５４が２次元アレイ状に配列され、色フィルタ７５及びオンチップレンズ５６が積層された撮像領域５７を有して構成される。さらに、必要に応じて色フィルタ７５の下層には、各画素５４の光電変換部５３に対応して屈折率が異なる絶縁膜からなる層内レンズ５９が形成される。

そして、本実施の形態においては、特に、色フィルタ７５が１つの赤色フィルタ成分７５Ｒと、１つの青色フィルタ成分７５Ｂと、２つの緑色フィルタ成分７５Ｇと、１つの白色フィルタ成分７５Ｗとからなる組を繰り返し配列して構成される。さらに、オンチップレンズ５６は、一画素置きに形成すると共に、このオンチップレンズ５６を四角形状、図示の例では正四角形状の画素面積よりも大きく形成して構成される。すなわち、オンチップレンズ５６は、色フィルタ７５の色配列に同期して形成される。本例では、オンチップレンズ５６が赤色フィルタ成分７５Ｒ、緑色フィルタ成分７５Ｇ及び青色フィルタ成分７５Ｂ上に形成され、白色フィルタ成分７５Ｗ上にはオンチップレンズ５６が形成されない構成とされる。

この場合も、オンチップレンズ５６の平面形状は、画素５４の四角形状に外接する八角形もしくは円形に近い形状、図示の例では正八角形に形成される。一方、色フィルタ７５においても、赤色（Ｇ）フィルタ成分７５Ｒ、緑色フィルタ成分７５Ｇ及び青色フィルタ成分７５Ｂがオンチップレンズ５６の形状、大きさに相似して八角形、図示の例では正八角形に形成される。これに対して、オンチップレンズ５６の無い白色フィルタ成分７５Ｗは、画素面積より小さい四角形状、図示の例では正八角形の赤色、緑色及び青色のフィルタ成分７５Ｒ、７５Ｇ及び７５Ｂに囲まれて画素面積より小さい正四角形状に形成される。

その他の構成は、図１Ａ，Ｂの第１実施の形態と同様であるので、図４Ａ，Ｂにおいて対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。

第４実施の形態に係る固体撮像装置７１によれば、白色フィルタ成分７５Ｗが１画素置きに配列された色フィルタ７５を有し、白色フィルタ成分７５Ｗに対応する縮小された白画素５４Ｗ上にはオンチップレンズ５６を形成せず、赤画素５４Ｒ，緑画素５４Ｇ及び青画素５４Ｂ上のみにオンチップレンズ５６を形成した構成とすることにより、感度向上を含め最適な感度バランスを有した固体撮像装置を提供できる。

すなわち、白色の感度は、赤、緑及び青の全ての色を受光することに等しく、赤、緑及び青のフィルタ成分に比べて３倍程度の感度がある。一方、オンチップレンズ有無による感度差も約３倍有り、この結果、白画素５４Ｗをオンチップレンズ無しとすることが、白（Ｗ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各光電変換部５３の出力を揃えることができる。このため、白画素５４Ｗだけ先に飽和してダイナミックレンジを落とすことがない。目的の感度向上は、赤画素５４Ｒ、緑画素５４Ｇ及び青画素５４Ｂのオンチップレンズ５６を大きくした八角形もしくは円形に近い形状にすることにより、飛躍的に向上することができる。特に、受光に寄与しない無効領域がなくなり、つまり、白画素５４Ｗの無効領域を有効に利用することができ、感度の向上が図れる。従って、感度向上を含め最適な感度バランスが得られる。

感度バランスについて、さらに説明する。図５に示すように、比較例の正四角形の画素４３の面積（以下、正方画素面積という）の一辺をＸとする。赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色画素５４の八角形ハニカム面積Ｓ８は次の式で表される。
Ｓ８＝８×Ｘ×（Ｘ／√２−Ｘ／２）
面積比＝１．６５倍
白（Ｗ）の縮小画素面積Ｓ４は次の式で表される。
Ｓ４＝〔Ｘ−２×（Ｘ√２−Ｘ／２）〕^２
面積比＝０．３４倍
ここで、面積比は、比較例の正方画素面積に対する比である。

一方、八角形ハニカム面積Ｓ８と縮小画素面積Ｓ４との比であるＲＧＢ比は次の通りである。
ＲＧＢ比＝０．２０７倍

飽和については問題ない。ＲＧＢ比は、３倍より小さい０．２０７倍であるが、Ｂ：Ｇ：Ｒ：Ｗ＝１：２：１：４（Ｗ＝Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）の場合で、Ｗ／Ｂ＝４倍でほぼバランスがとれる。実際は色フィルタ無しであると、Ｗ＞Ｂ＋Ｇ＋Ｒなので、より感度差が減り、より感度バランスが取れるようになる。

ここで、高感度画素の一つとして扱われている白画素の定義に関して説明する。上例の説明においては、「白色フィルタ」等で「白色」という表現を用いたが、厳密な意味での白色や透明のフィルタに限定されるわけではない。白画素は、色再現用の各色成分を得るための従来の原色画素や補色画素に比べて感度の高い画素であればよく、理想的な白色や透明のフィルタでなく、グレーフィルタが設けられた画素や、少量の色素成分が混ざっているフィルタが設けられた画素であってもよい。但し、特定の色素成分が偏って混ざったフィルタである場合よりは、白色や透明のフィルタ、またはグレーフィルタなどのように、例えばＲＧＢ等の色で成分がバランスよく含まれている方が、信号処理を行うという観点では好ましい。

上述したように、本発明の実施の形態によれば、製品の目的に応じて、輝度Ｓ／Ｎのよい固体撮像装置や、色Ｓ／Ｎのよい固体撮像装置が得られる。また、白色フィルタ成分との組み合わせで、高ダイナミックレンジで高Ｓ／Ｎ（高感度）の固体撮像装置が得られる。

つまり、オンチップレンズ５６を、色フィルタ５５、６５または７５の色配列に応じて大きさを変えたり、有・無を繰り返す配列とすることで、輝度Ｓ／Ｎや色Ｓ／Ｎを改善したり、あるいは出力レベルが高い白色などを加えた４色分光などと組み合わせて、飽和レベルを抑えたりして、感度、ダイナミックレンジ、解像度のバランスのよいイメージセンサを提供することができる。

上例では、層内レンズ５９を全画素に対応して形成したが、その他、オンチップレンズ５６の無い画素のみに層内レンズ５９を形成した構成とすることもできる。この場合には、オンチップレンズ５６を有する画素ではオンチップレンズ５６にて集光が行われ、オンチップレンズ５６の無い画素では層内レンズ５９のみにより集光が行われ、共に効率のよい集光が得られる。

上例の図４では、オンチップレンズ５６の無い画素を、赤画素、緑画素及び青画素より感度の高い白画素とした。この他、色フィルタの色配列に応じてオンチップレンズ５６の無い画素を、他の画素に比べて感度の高い画素とすることもできる。この場合にも感度としてバランスの良いイメージセンサが得られる。

本実施の形態の固体撮像装置は、電子機器モジュール、カメラモジュールに適用することができる。図６に電子機器モジュール、カメラモジュールの実施の形態の概略構成を示す。図５のモジュール構成は、電子機器モジュール、カメラモジュールの双方に適用可能である。このモジュール１１０は、上述の実施の形態のいずれかの固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯイメージセンサ）５１、６１、６７または７１、光学レンズ１１１、入出力部１１２、信号処理装置（Digital Signal Processors）１１３、光学レンズ系制御用の中央演算装置、（ＣＰＵ）１１４を１つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール１１５としては、固体撮像装置５１、６１、６７または７１、光学レンズ系１１１及び入出力部１１２のみでモジュールを形成することもできる。また、固体撮像装置５１、６１、６７または７１、光学レンズ系１１１、入出力部１１２及び信号処理装置１１３を備えたモジュール１１６を構成することもできる。

この電子機器モジュール、カメラモジュールによれば、固体撮像装置における前述の輝度Ｓ／Ｎ、色Ｓ／ＮなどのＳ／Ｎを改善するなど、高画質化を図ることができる。

Ａ，Ｂ 本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す概略構成図及びそのＢ−Ｂ線上の断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す概略構成図及びそのＣ−Ｃ線上の断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す概略構成図及びそのＤ−Ｄ線上の断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す概略構成図及びそのＥ−Ｅ線上の断面図である。 本実施の形態の説明に供する説明図である。 本発明に係る固体撮像装置を用いたモジュールの例を示す回路ブロック図である。 Ａ，Ｂ 比較例に係る固体撮像装置を示す概略構成図及びそのＡ−Ａ線上の断面図である。 本発明に係る固体撮像装置の対象となるＣＣＤ固体撮像装置の撮像領域の断面図である。 本発明に係る固体撮像装置の対象となるＣＭＯＳ固体撮像装置の撮像領域の断面図である。

符号の説明

５１、６１、６７、７１・・固体撮像装置、５２・・半導体基板、５３・・光電変換部、５４・・画素、５４Ｒ・・赤画素、５４Ｇ・・緑画素、５４Ｂ・・青画素、５４Ｗ・・白画素、５５、６５、７５・・色フィルタ、５５Ｒ、６５Ｒ、７５Ｒ・・赤色フィルタ成分、５５Ｇ、６５Ｇ、７５Ｇ・・緑色フィルタ成分、５５Ｂ、５６Ｂ、７５Ｂ・・青色フィルタ成分、７５Ｗ・・白色フィルタ成分、５６・・オンチップレンズ、５７・・撮像領域、５９・・層内レンズ

Claims (5)

1. 光電変換部を有する複数の画素が配列され、
   色フィルタ、オンチップレンズ、及び層内レンズが積層された撮像領域を有し、
   前記層内レンズは全ての画素で同形状に形成され、
   前記オンチップレンズが一画素置きに形成され、
   前記オンチップレンズが画素面積より大きく形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記オンチップレンズの平面形状が、八角形もしくは円形に近い形状である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記オンチップレンズが前記色フィルタの色配列に同期して形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記オンチップレンズの無い画素が、他の画素に比べて感度の高い画素である
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか記載の固体撮像装置。
5. 前記オンチップレンズの有る画素に対応する前記色フィルタが画素面積より大きく当該オンチップレンズの形状に相似した形状で形成され、
   前記オンチップレンズの無い画素に対応する前記色フィルタが画素面積より小さい正四角形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか記載の固体撮像装置。

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