JP4950541B2

JP4950541B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4950541B2
Application number: JP2006104595A
Authority: JP
Inventors: 伸弘竹田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: JP2007281820A

Description

本発明は、デジタルカメラ等の撮像装置に好適な固体撮像素子に関するものである。

従来、デジタルカメラ等の撮像装置に用いる撮像素子として、ＣＣＤ転送型固体撮像素子やＸＹアドレス式のＣＭＯＳ撮像素子が知られている。これら固体撮像素子では、半導体基板に形成されたフォトダイオードに光を入射させ、そのフォトダイオードで生成、蓄積された信号電荷によって、映像信号が得られる。

また、カラーの映像信号を得るための構成として、フォトダイオードに入射する光を、例えばＲＧＢの３原色成分に分離するカラーフィルタを設けて、各色成分の光により発生した信号電荷から映像信号を得る構成が知られている。

図９は、従来のカラー固体撮像素子に用いられるフィルタ配列の例を示す図である。この配列では、４つの画素を１単位として構成されている。このカラーフィルタ配列は、一般にベイヤー配列とよばれている。

図１０は、カラーフィルタの分光透過率の例を示す図である。カラーフィルタの分光透過率は、染料や顔料等の色素やその濃度を変えることで制御されている。

図１１は、カラー固体撮像素子の受光部の構造を示す断面図である。図１１に示すように、シリコン半導体基板１０４の表面に光を電荷に変換するフォトダイオード（ＰＤ）１０５が形成されている。シリコン半導体基板１０４上には、平坦化層１０３を介してカラーフィルタ１０２及びマイクロレンズ１０１が形成されている。マイクロレンズ１０１は、入射する光をフォトダイオード１０５に有効に集光させる。カラーフィルタ１０２は、入射した光の特定波長成分のみ透過する。平坦化層１０３は、マイクロレンズ１０１やカラーフィルタ１０２を正確に形成するためにその下地を平坦化している。フォトダイオード１０５により生成された信号電荷は、受光部に接続された転送部（図示せず）により撮像素子の外部へ出力される。

しかし、上記の従来のカラー固体撮像素子においては、各カラーフィルタ１０２を透過した光がフォトダイオード１０５に入射するが、そのカラーフィルタ１０２の色によって、フォトダイオード１０５で発生する電荷の生成場所が異なる。即ち、電荷の発生する深さが異なる。これは、シリコンの光吸収係数が、光の波長により異なるということに起因する。シリコンの吸収係数は光の波長が短いほど大きく、波長が長いほど小さくなる。このため、青（Ｂ）のカラーフィルタ１０２を透過した光は、フォトダイオード１０５の表面で吸収され電荷を発生するのに対し、赤（Ｒ）のカラーフィルタ１０２を透過した光は、フォトダイオード１０５の深い部分まで侵入し、そこで電荷を発生する。このため、光電変換効率が３色の間で相違し、ホワイトバランス等の処理を適切に行うことができずにノイズが発生することがある。

そこで、カラーフィルタを用いた固体撮像素子で光を有効に電荷に変換するために、上述の性質を利用して、カラーフィルタの各色に応じてフォトダイオードの深さを最適化しようとする技術が知られている（特許文献１参照）。

特開昭６１−２３４０７２号公報特開平４−２０６５７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、それぞれの色に応じて、フォトダイオードの深さを調節するものであるため、このためには、フォトダイオードの構造をシリコンのより深い部分まで安定して形成する必要がある。従って、実際に製造することは極めて困難である。

また、電荷生成の効率を上げるため、シリコン半導体基板に、より効率的に光を入射させる方法として、特許文献２に記載されているように、シリコン半導体基板の表面にシリコン半導体基板の反射を低減させるための反射防止膜を付ける構造も考えられている。しかし、特定の波長域の光に対して、反射率を低減させることは可能であっても、ＲＧＢのカラーフィルタを透過した全ての光に対して、有効に機能させることは極めて難しい。

本発明の目的は、広い波長域にわたって光電変換効率を揃えることができ、好ましくは全体の光電変換効率を向上させることができる固体撮像素子を提供することにある。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る固体撮像素子は、光を電荷に変換する複数の光電変換手段と、夫々が前記複数の光電変換手段の光入射側に配置され、互いに異なる特定波長域の光を吸収し、吸収した波長とは異なる波長域の光を放出する複数の光変換フィルタと、前記複数の光電変換手段のなかで前記複数の光変換フィルタが配置されていない光電変換手段の光入射側に配置され、前記複数の光変換フィルタが放出する波長域の光を透過するカラーフィルタと、を有し、前記複数の光変換フィルタが放出する光の波長域及び前記カラーフィルタが透過する光の波長域は、互いに実質的に同一であることを特徴とする。

本発明によれば、光電変換手段に入射する光が、複数の光変換フィルタにより特定波長域のものに限定されるため、複数の光電変換手段において同等の効率で光電変換が行われる。従って、映像出力信号の質が向上すると共に、ノイズが低減される。また、光電変換手段の設計等も容易に行うことが可能となる。更に、各色の光を効率よく取り込むために反射防止膜を設ける場合であっても、その設計等を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の受光部の構造を示す断面図である。

本実施形態では、図１に示すように、シリコン半導体基板４の表面に、光を電荷に変換するフォトダイオード（ＰＤ）５が形成されている。シリコン半導体基板４上には、平坦化層３を介して光変換フィルタ２及びマイクロレンズ１が形成されている。マイクロレンズ１は、入射する光をフォトダイオード５に有効に集光させる。光変換フィルタ２は、入射した光の特定波長成分を吸収し、吸収した波長とは異なる波長の光を発生させる。平坦化層３は、マイクロレンズ１や光変換フィルタ２を正確に形成するためにその下地を平坦化している。なお、光変換フィルタ２には、例えば、クマリン（ｃｏｕｍａｒｉｎ）、ジシアノメチレンピラン（ＤＣＭ）、ローダミン又はジンクテトラフェニルポルフィリン（ＺｎＴＰＰ）等の蛍光化合物が用いられている。

図示しないが、この固体撮像素子には、受光部に接続された転送部が設けられており、この転送部により、フォトダイオード５により生成された信号電荷が固体撮像素子の外部へ出力される。

次に、本実施形態における光変換フィルタ２の配列について説明する。図２は、第１の実施形態に係る固体撮像素子における光変換フィルタ２の配列を示す図である。本実施形態では、縦横（矩形状）に配列する４個の光変換フィルタから１単位が構成され、この単位が更に縦横に配列している。そして、１単位内には、Ｒ成分の光を透過する光変換フィルタ（Ｒ）、Ｇ成分の光を吸収しＲ成分の光を放出する光変換フィルタ（Ｇ．Ｒ）、及びＢ成分の光を吸収しＲ成分の光を放出する光変換フィルタ（Ｂ．Ｒ）が含まれている。なお、１単位内では、２個の光変換フィルタ（Ｇ．Ｒ）が一方の対角線上に位置し、光変換フィルタ（Ｒ）及び光変換フィルタ（Ｂ．Ｒ）が他方の対角線上に位置する。

図３は、第１の実施形態における各光変換フィルタ２の特性を示す図である。図３（ａ）は光変換フィルタ（Ｒ）の特性を示し、図３（ｂ）は光変換フィルタ（Ｇ．Ｒ）の特性を示し、図３（ｃ）は光変換フィルタ（Ｂ．Ｒ）の特性を示している。

本実施形態では、光変換フィルタ（Ｒ）としては、例えば、従来のＲカラーフィルタを用いることができる。光変換フィルタ（Ｇ．Ｒ）としては、例えば、ローダミンを用いることができる。光変換フィルタ（Ｂ．Ｒ）としては、例えば、ＤＣＭを用いることができる。

このような第１の実施形態では、フォトダイオード５に入射する光は、いずれの光変換フィルタ２の下方においても、Ｒ成分のみである。このため、フォトダイオード５内で電荷が発生する深さは、全てのフォトダイオード５間でほとんど均一である。従って、フォトダイオード５の設計ではＲ成分の光のみを考慮すればよい。更に、電荷生成効率の向上のために反射防止膜を設ける場合であっても、Ｒ成分の光のみを考慮すればよい。反射防止膜は、フォトダイオード５が形成されたシリコン半導体基板４の表面に形成される。

ここで、第１の実施形態に係る固体撮像素子を用いた撮像装置について説明する。図４は、第１の実施形態に係る固体撮像素子を用いた撮像装置を示すブロック図である。

この撮像装置には、レンズ及び絞りからなる光学系２０１、メカニカルシャッタ（メカシャッタと図示する）２０２、第１の実施形態に係る固体撮像素子２０３が設けられている。また、アナログ信号処理を行うＣＤＳ回路２０４、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２０５、並びに撮像素子２０３、ＣＤＳ回路２０４及びＡ／Ｄ変換器２０５を動作させる信号を発生するタイミング信号発生回路２０６が設けられている。更に、光学系２０１、メカニカルシャッタ２０２及び撮像素子２０３を駆動する駆動回路２０７、撮影した画像データに必要な信号処理を行う信号処理回路２０８、並びに信号処理された画像データを記憶する画像メモリ２０９が設けられている。更に、信号処理された画像データを取り外し可能な画像記録媒体２１０に記録する記録回路２１１、信号処理された画像データを表示する画像表示装置２１２、及び画像表示装置２１２に画像を表示する表示回路２１３が設けられている。更に、撮像装置全体を制御するシステム制御部２１４、並びにシステム制御部２１４により実行されるプログラムを記憶した不揮発性メモリ（ＲＯＭ）２１５が設けられている。不揮発性メモリ２１５には、このプログラムを実行する際に使用されるパラメータ及びテーブル等の制御データ並びにキズアドレス等の補正データも記憶されている。更に、不揮発性メモリ２１５から転送されてきたプログラム、制御データ及び補正データを記憶しておき、システム制御部２１４が撮像装置を制御する際にワークエリアとして使用する揮発性メモリ（ＲＡＭ）２１６も設けられている。

次に、このように構成された撮像装置のメカニカルシャッタ２０２を用いた撮影動作について説明する。

システム制御部２１４は、撮影動作に先立ち、電源投入等により動作を開始すると、不揮発性メモリ２１５から所定のプログラム、制御データ及び補正データを読み出し、これらを揮発性メモリ２１６に転送して記憶させる。これらのプログラム及びデータは、システム制御部２１４が撮像装置を制御する際に使用される。また、システム制御部２１４は、必要に応じて、追加のプログラム及びデータを不揮発性メモリ２１５から揮発性メモリ２１６に転送したり、システム制御部２１４が直接不揮発性メモリ２１５内のデータを読み出して使用したりする。

先ず、光学系２０１が、システム制御部２１４からの制御信号により、絞り及びレンズを駆動して、適切な明るさに設定された被写体像を固体撮像素子２０３上に結像させる。次に、メカニカルシャッタ２０２が、システム制御部２１４からの制御信号により、必要な露光時間となるように固体撮像素子２０３の動作に合わせて固体撮像素子２０３を遮光する。この時、固体撮像素子２０３が電子シャッタ機能を有する場合は、メカニカルシャッタ２０２と併用して、必要な露光時間を確保してもよい。

固体撮像素子２０３は、システム制御部２１４により制御されるタイミング信号発生回路２０６が発生する動作パルスをもとにした駆動パルスで駆動され、被写体像を光電変換により電気信号に変換してアナログ画像信号として出力する。次いで、ＣＤＳ回路２０４が、撮像素子２０３から出力されたアナログの画像信号に対し、システム制御部２１４により制御されるタイミング信号発生回路２０６が発生する動作パルスにより、クロック同期性ノイズを除去する。そして、Ａ／Ｄ変換器２０５がアナログ信号の画像をデジタル画像信号に変換する。

次に、信号処理回路２０８が、システム制御部２１４により制御され、デジタル画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス及びガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理並びに画像圧縮処理等を行う。この時、画像メモリ２０９が、信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理されたデジタル画像信号である画像データを記憶したりするために用いられる。信号処理回路２０８により信号処理された画像データは、例えば、記録回路２１１によって画像記録媒体２１０に適したデータ（例えば階層構造を持つファイルシステムデータ）に変換されて、画像記録媒体２１０に記録される。また、信号処理回路２０８により解像度変換処理が実施された後、表示回路２１３によって画像表示装置２１２に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号等）に変換されて画像表示装置２１２に表示されることもある。画像メモリ２０９に記憶されている画像データも、同様に、画像記録媒体２１０に記録されたり、画像表示装置２１２に表示されたりする。

なお、信号処理回路２０８は、システム制御部２１４から要求があった場合に、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報をシステム制御部２１４に出力する。このような情報としては、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報並びにそれらから抽出された情報が挙げられる。更に、記録回路２１１は、システム制御部２１４から要求があった場合に、画像記録媒体２１０の種類や空き容量等の情報をシステム制御部２１４に出力する。

なお、信号処理回路２０８が、システム制御部２１４からの制御信号により信号処理をせずにデジタル画像信号をそのまま画像データとして、画像メモリ２０９や記録回路２１１に出力してもよい。

次に、撮像装置の画像記録媒体２１０に画像データが記録されている場合の再生動作について説明する。

先ず、記録回路２１１が、システム制御部２１４からの制御信号により画像記録媒体２１０から画像データを読み出す。そして、記録回路２１１により読み出された画像データが圧縮画像であった場合には、システム制御部２１４からの制御信号により、信号処理回路２０８が画像伸長処理を行い、画像メモリ２０９に記憶する。画像メモリ２０９に記憶されている画像データは、信号処理回路２０８によって解像度変換処理が実施された後、表示回路２１３によって画像表示装置２１２に適した信号に変換され、画像表示装置２１２に表示される。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、光変換フィルタ２の配列が第１の実施形態と相違している。他の点は、第１の実施形態と同様である。図５は、第２の実施形態に係る固体撮像素子における光変換フィルタ２の配列を示す図である。本実施形態でも、縦横（矩形状）に配列する４個の光変換フィルタから１単位が構成され、この単位が更に縦横に配列している。

１単位内には、Ｒ成分の光を吸収し近赤外光Ｉｒを放出する光変換フィルタ（Ｒ．Ｉｒ）、Ｇ成分の光を吸収し近赤外光Ｉｒを放出する光変換フィルタ（Ｇ．Ｉｒ）、及びＢ成分の光を吸収し近赤外光Ｉｒを放出する光変換フィルタ（Ｂ．Ｉｒ）が含まれている。なお、１単位内では、２個の光変換フィルタ（Ｇ．Ｉｒ）が一方の対角線上に位置し、光変換フィルタ（Ｒ．Ｉｒ）及び光変換フィルタ（Ｂ．Ｉｒ）が他方の対角線上に位置する。

図６は、第２の実施形態における各光変換フィルタ２の特性を示す図である。図６（ａ）は光変換フィルタ（Ｒ．Ｉｒ）の特性を示し、図６（ｂ）は光変換フィルタ（Ｇ．Ｉｒ）の特性を示し、図６（ｃ）は光変換フィルタ（Ｂ．Ｉｒ）の特性を示している。

本実施形態では、光変換フィルタ（Ｒ．Ｉｒ）としては、例えば、ポルフィリンを用いることができる。光変換フィルタ（Ｇ．Ｉｒ）としては、例えば、ローダミン又はポルフィリンを用いることができる。光変換フィルタ（Ｂ．Ｉｒ）としては、例えば、ＺｎＴＰＰを用いることができる。

このような第２の実施形態では、フォトダイオード５に入射する光は、いずれの光変換フィルタ２の下方においても、近赤外光Ｉｒのみである。このため、第１の実施形態と同様に、フォトダイオード５内で電荷が発生する深さは、全てのフォトダイオード５間でほとんど均一である。従って、フォトダイオード５の設計では近赤外光Ｉｒのみを考慮すればよい。更に、電荷生成効率の向上のために反射防止膜を設ける場合であっても、近赤外光Ｉｒのみを考慮すればよい。また、特に、本実施形態は、近赤外や赤外光を効率よく吸収できる半導体基板、例えば、シリコンゲルマニウム半導体基板をシリコン半導体基板４の代わりに用いた場合により有効である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、光変換フィルタ２の配列が第１の実施形態と相違している。他の点は、第１の実施形態と同様である。図７は、第３の実施形態に係る固体撮像素子における光変換フィルタ２の配列を示す図である。本実施形態でも、縦横（矩形状）に配列する４個の光変換フィルタから１単位が構成され、この単位が更に縦横に配列している。

１単位内には、Ｒ成分の光を吸収しＧ´成分の光を放出する光変換フィルタ（Ｒ．Ｇ´）、Ｇ成分の光を透過する光変換フィルタ（Ｒ）、及びＢ成分の光を吸収しＧ´成分の光を放出する光変換フィルタ（Ｂ．Ｇ´）が含まれている。ここで、Ｇ´成分の光とは、光変換フィルタ（Ｇ）が透過するＧ成分の光に近似した光であり、例えばＧに対して中心波長が長波長側にシフトしている。なお、１単位内では、２個の光変換フィルタ（Ｇ）が一方の対角線上に位置し、光変換フィルタ（Ｒ．Ｇ´）及び光変換フィルタ（Ｂ．Ｇ´）が他方の対角線上に位置する。

図８は、第３の実施形態における各光変換フィルタ２の特性を示す図である。図８（ａ）は光変換フィルタ（Ｒ．Ｇ´）の特性を示し、図８（ｂ）は光変換フィルタ（Ｇ）の特性を示し、図８（ｃ）は光変換フィルタ（Ｂ．Ｇ´）の特性を示している。

このような第３の実施形態では、フォトダイオード５に入射する光は、いずれの光変換フィルタ２の下方においても、Ｇ成分の光又はＧ成分近傍の光のみである。このため、第１の実施形態と同様に、フォトダイオード５内で電荷が発生する深さは、全てのフォトダイオード５間でほとんど均一である。従って、フォトダイオード５の設計ではＧ成分の光及びＧ成分近傍の光（特定波長域の光）のみを考慮すればよい。更に、電荷生成効率の向上のために反射防止膜を設ける場合であっても、Ｇ成分の光及びＧ成分近傍の光（特定波長域の光）のみを考慮すればよい。なお、「近傍」の程度は、中心波長から±５０ｎｍ程度の範囲内であることが好ましい。

なお、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、例えば、ＣＣＤ転送型撮像素子及びＣＭＯＳ型撮像素子のいずれにも適用することができる。また、光変換フィルタ及びカラーフィルタの組み合わせも上述の実施形態に限定されない。特に、上述の実施形態に関する説明に記載の光変換フィルタの材質は一例に過ぎず、所望の吸収特性及び放出（発光）特性が得られるものであれば、材質は限定されない。また、例えば、２種類のカラーフィルタと１種類の光変換フィルタとの組み合わせにより、フォトダイオードに入射する光の波長域が従来のものよりも狭まれば、光電変換効率のばらつきは抑制される。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の受光部の構造を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子における光変換フィルタ２の配列を示す図である。本発明の第１の実施形態における各光変換フィルタ２の特性を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子を用いた撮像装置を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子における光変換フィルタ２の配列を示す図である。本発明の第２の実施形態における各光変換フィルタ２の特性を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子における光変換フィルタ２の配列を示す図である。本発明の第３の実施形態における各光変換フィルタ２の特性を示す図である。従来のカラー固体撮像素子に用いられるフィルタ配列の例を示す図である。カラーフィルタの分光透過率の例を示す図である。カラー固体撮像素子の受光部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１：マイクロレンズ
２：光交換フィルタ
３：平坦化層
４：半導体基板
５：フォトダイオード（ＰＤ）
２０１：光学系
２０２：メカニカルシャッタ
２０３：撮像素子
２０４：ＣＤＳ回路
２０５：Ａ／Ｄ変換器
２０６：タイミング信号発生回路
２０７：駆動回路
２０８：信号処理回路
２０９：画像メモリ
２１０：画像記録媒体
２１１：記録回路
２１２：画像表示装置
２１３：表示回路
２１４：システム制御部
２１５：不揮発性メモリ（ＲＯＭ）
２１６：揮発性メモリ（ＲＡＭ）

Claims

光を電荷に変換する複数の光電変換手段と、
夫々が前記複数の光電変換手段の光入射側に配置され、互いに異なる特定波長域の光を吸収し、吸収した波長とは異なる波長域の光を放出する複数の光変換フィルタと、
前記複数の光電変換手段のなかで前記複数の光変換フィルタが配置されていない光電変換手段の光入射側に配置され、前記複数の光変換フィルタが放出する波長域の光を透過するカラーフィルタと、
を有し、
前記複数の光変換フィルタが放出する光の波長域及び前記カラーフィルタが透過する光の波長域は、互いに実質的に同一であることを特徴とする固体撮像素子。
前記複数の光変換フィルタ又は前記カラーフィルタと前記複数の光電変換手段との間に配置された反射防止膜を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。