JP5094182B2

JP5094182B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP5094182B2
Application number: JP2007094674A
Authority: JP
Inventors: 和也小田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008252020A

Description

本発明は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に格子状に配列された光電変換素子からなる第１の光電変換素子群と、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の形成位置を所定方向にずらした位置に形成された光電変換素子からなる第２の光電変換素子群とを有する固体撮像素子に関する。

特許文献１には、シリコン基板上に、輝度成分を検出する感光素子（緑色光を検出する感光素子）を格子状に配列した第１の感光素子群と、赤色成分（Ｒ）、緑色成分（Ｇ）、及び青色成分（Ｂ）を検出する３種類の感光素子を格子状に配列した第２の感光素子群とを互いに隣接する位置にずらして配置した構成の固体撮像素子が開示されている。

このように構成した固体撮像素子によれば、三原色の二次元カラー撮像素子を実現することができ、第１の感光素子群から輝度成分を取ることによって、水平解像度及び垂直解像度の高い輝度成分を得ることができる。

特開平１１−３５５７９０号公報（図３（ａ））

特許文献１には感光素子上方に設けるマイクロレンズについての記載がないが、マイクロレンズを設けるのであれば、各感光素子上方に同一の大きさのマイクロレンズを形成するのが一般的である。ここで、特許文献１に開示されたような構成の固体撮像素子において、各感光素子上方にマイクロレンズを形成する場合を考える。各感光素子上方には分光フィルタが設けられているが、これら分光フィルタ同士は通常隙間なく配列されているため、各感光素子上方のマイクロレンズ同士が重ならないようにマイクロレンズの大きさを最大にした場合でも、マイクロレンズ同士の間にデッドスペースが生じてしまう。固体撮像素子がＣＣＤ型であった場合、このデッドスペースに入射した光はスミアの原因となる。又、固体撮像素子がＣＭＯＳ型であっても、デッドスペースがあることは迷光発生の要因となるため好ましくない。このため、上記デッドスペースは画質向上のためになるべく小さくすることが望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上記第１の光電変換素子群及び第２の光電変換素子群を有する固体撮像素子であって、画質向上を図ることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に格子状に配列された光電変換素子からなる第１の光電変換素子群と、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の形成位置を所定方向にずらした位置に形成された光電変換素子からなる第２の光電変換素子群とを有する固体撮像素子であって、前記第１の光電変換素子群は、それぞれ異なる色成分の光を透過する分光フィルタを上方に備えた少なくとも３種類の光電変換素子で構成され、前記第２の光電変換素子群は、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタを上方に備えた１種類の光電変換素子で構成され、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の上方に前記各光電変換素子に光を集光する第１のサイズを有するマイクロレンズを備え、前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の上方に前記各光電変換素子に光を集光する、前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズを有するマイクロレンズを備え、平面視において、前記第１のサイズを有するマイクロレンズが前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子上方の前記分光フィルタの外周からはみ出た部分を有し、前記第２のサイズを有するマイクロレンズが、該マイクロレンズを取り囲む前記第１のサイズを有するマイクロレンズに接している。

本発明の固体撮像素子は、平面視において、前記第１のサイズを有するマイクロレンズの外周内に前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子上方の前記分光フィルタが完全に収まっている。

本発明の固体撮像素子は、前記第１のサイズを有するマイクロレンズが、前記分光フィルタの上方に設けられたマイクロレンズであり、前記第２のサイズを有するマイクロレンズが、前記輝度フィルタの上方に設けられたマイクロレンズである。

本発明の固体撮像素子は、前記第１のサイズを有するマイクロレンズが、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子と前記分光フィルタとの間に設けられたインナーレンズであり、前記第２のサイズを有するマイクロレンズが、前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子と前記輝度フィルタとの間に設けられたインナーレンズである。

本発明の固体撮像素子は、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれに対応してその側部に設けられ、前記各光電変換素子で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路と、前記電荷転送路で転送された電荷に応じた信号を出力する信号出力部とを備える。

本発明の固体撮像素子は、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれで発生した電荷を信号に変換して出力するＭＯＳ回路を備える。

本発明によれば、上記第１の光電変換素子群及び第２の光電変換素子群を有する固体撮像素子であって、画質向上を図ることが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図２は、図１に示した固体撮像素子の部分拡大模式図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、シリコン基板１上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに格子状に配列された光電変換素子（１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ）からなる第１の光電変換素子群と、同じくシリコン基板１上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに格子状に配列された光電変換素子（１０ｗ）からなる第２の光電変換素子群と、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に蓄積された電荷を列方向Ｙに転送する垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）３０（図１では一部にのみ符号を付してある）と、ＶＣＣＤ３０を転送されてきた電荷を行方向Ｘに転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）４０と、ＨＣＣＤ４０を転送されてきた電荷に応じた電圧信号を出力する信号出力部５０とを備える。ここでいう光電変換素子は例えばフォトダイオードである。

第１の光電変換素子群は、光電変換素子１０ｒと光電変換素子１０ｇと光電変換素子１０ｂとの３種類の光電変換素子で構成されている。これらの光電変換素子の特性は同一であるが、その上方に形成された分光フィルタによって検出できる色が異なっている。図２に示したように、光電変換素子１０ｒの開口面上方には赤色成分（Ｒ）の光を透過する分光フィルタ４ｒが形成され、光電変換素子１０ｇの開口面上方には緑色成分（Ｇ）の光を透過する分光フィルタ４ｇが形成され、光電変換素子１０ｂの開口面上方には青色成分（Ｂ）の光を透過する分光フィルタ４ｂが形成されている。これら分光フィルタ４ｒ，４ｇ，４ｂの配列はベイヤー配列となっている。

第２の光電変換素子群は、光電変換素子１０ｗの１種類の光電変換素子で構成されている。図２に示したように、光電変換素子１０ｗの開口面上方には光の輝度成分と相関のある分光特性を持った輝度フィルタ４ｗが形成されている。輝度フィルタ４ｗは、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、光電変換素子１０ｗの開口面の上方に何も設けずに光が直接開口面に入射する構成も、輝度フィルタを設けたということができる。輝度フィルタは、多くの波長成分の光を透過することができるため、分光フィルタに比べて光の減衰が少ない。

第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群とは、それぞれに含まれる光電変換素子の数及び配列ピッチが同一となっている。第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子と第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子とは、互いに配列ピッチの１／２だけ行方向Ｘ及び列方向Ｙにずれた位置に配列されている。つまり、第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子（１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ）を、その形成位置から斜め４５度左下に移動させた位置に第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子１０ｗが形成された構成となっている。ここでは、第１の光電変換素子群を斜め４５度左下に移動させた位置に第２の光電変換素子群が形成された構成例を示したが、第１の光電変換素子群を任意の方向に所定量ずらした位置に第２の光電変換素子群が形成された構成であれば良い。

ＶＣＣＤ３０は、シリコン基板１内に光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に対応してその左側部に形成された電荷転送路である垂直転送チャネル３０ａ（図２，３参照）と、垂直転送チャネル３０ａを平面視上交差するように形成された複数本の垂直転送電極１０１〜１０４（これらをまとめて転送電極１００ということもある）と、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々で発生した電荷を、該各々に対応する垂直転送チャネル３０ａに読み出す電荷読み出し領域（図１では、模式的に矢印で示してある）とを含む。

垂直転送チャネル３０ａは、列方向Ｙに配列された光電変換素子からなる光電変換素子列の間を全体として列方向Ｙに延在する蛇行形状を呈するものであり、その上方に形成された垂直転送電極１０１〜１０４によって、電荷が蓄積、転送される領域が区分される。垂直転送電極１０１〜１０４は、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に対応して４つ設けられ（図では、１行分の光電変換素子１０ｗに対応するもののみに符号を付してある。）、行方向Ｘに配列された光電変換素子からなる光電変換素子行の間を全体として行方向Ｘに延在する蛇行形状を呈するものである。

垂直転送電極１０１〜１０４には、端子１１１〜１１４を介して４相の垂直転送パルスが印加され、垂直転送チャネル３０ａの電荷が列方向Ｙに転送される。垂直転送パルスは、ＶＣＣＤ３０とＨＣＣＤ４０の間の転送電極１０５、１０６にも印加され、垂直転送パルスの１周期毎に、第２の光電変換素子群の１行分の光電変換素子と、それに隣接する第１の光電変換素子群の１行分の光電変換素子とで検出された電荷が、ＨＣＣＤ４０に送られる。光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々から垂直転送チャネル３０ａへの電荷の読出しは、垂直電荷転送開始直後の第１相パルス（端子１１１に印加される垂直転送パルス）を読み出しパルスに重畳させることによって行い、光電変換素子１０ｗから垂直転送チャネル３０ａへの電荷の読出しは、垂直電荷転送開始直後の第３相パルス（端子１１３に印加される垂直転送パルス）に読出しパルスを重畳させることによって行う。

光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に対応する電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための電極が垂直転送電極１０１であり、光電変換素子１０ｗに対応する電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための電極が垂直転送電極１０３である。

図１に示す固体撮像素子では、垂直転送電極１０１と垂直転送電極１０３とが、それぞれ異なる端子（１１１，１１３）に接続されている。このため、端子１１１，１１３に印加する読み出しパルスを制御することで、第１の光電変換素子群からの電荷と、第２の光電変換素子群からの電荷とを別々に読み出すことも、同時に読み出すことも可能である。

ＨＣＣＤ４０は、シリコン基板１内に形成された水平転送チャネルと、この上方に形成された水平転送電極（いずれも図示せず）とを含む。水平転送電極には、端子１２１、１２２を介して２相の水平転送パルスが印加され、ＶＣＣＤ３０から転送された電荷が、信号出力部５０に転送される。

図３に示すように、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の上方には、各々に光を集光するためのインナーレンズ６が形成され、インナーレンズ６上方には、上述した輝度フィルタ４ｗ及び分光フィルタ４ｒ，４ｇ，４ｂからなるフィルタ層を介して、各々に光を集光するためのマイクロレンズ５が形成されている。又、インナーレンズ６とシリコン基板１との間には、図１に示した転送電極１００が形成され、この転送電極１００上には、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の上方に開口の形成された遮光膜２が形成されている。尚、図２では、光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂのうち、遮光膜２に形成された開口から見える部分のみを図示してある。又、図２では、転送電極１００の図示を省略してある。

図２に示すように、輝度フィルタ４ｗと分光フィルタ４ｒ，４ｇ，４ｂは、それぞれ、それぞれに対応する光電変換素子の開口中心を中心とした四角形（正方形）状となっており、これらのフィルタが固体撮像素子の１セルサイズを決定している。

以上のように構成された固体撮像素子は、被写界からの入射光の強度に応じて光電変換素子１０ｗ，１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々に蓄積された電荷が、第１相及び第３相の垂直転送パルスに重畳される読み出しパルスによって、垂直転送チャネル３０ａに読み出される。そして、垂直転送パルスに応じて垂直転送チャネル３０ａ内を転送され、水平転送チャネルの所定の領域に保持される。次いで、水平転送パルスが印加されると、保持された電荷は、順次信号出力部５０に送られ、電荷量に対応する電圧信号５１が出力される。

図２に示したように、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの各々の上方にあるマイクロレンズ５は、その外周内に、その下方にある分光フィルタ４ｒ，４ｇ，４ｂが完全に収まるように形成されており、この点が本実施形態の固体撮像素子の最大の特徴となっている。

図４は、図１に示す固体撮像素子に設けるマイクロレンズを全ての光電変換素子で同一サイズとしたときの図２に対応する平面模式図である。図４に示した構成は一般的に考えられる構成であるが、図４に示すように、マイクロレンズ５のサイズを最大にしたとしても、マイクロレンズ５同士の間には図２に示すものよりも大きなデッドスペースが存在してしまうことが分かる。これは、全ての光電変換素子上方に同一サイズのマイクロレンズ５を形成しようとすると、各マイクロレンズ５を、その下方のフィルタの外周よりも外側にはみ出させることができないためである。

本実施形態の固体撮像素子は、第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群を有しており、高画質が求められる静止画撮影時には、第１の光電変換素子群と第２の光電変換素子群の両方から読み出した信号を合成してＳ／Ｎ向上を図り、高速動作が求められる動画撮影時には、第１の光電変換素子群のみから信号を読み出してカラー撮像を生成するといった使い方をすることができる。つまり、カラー画像を作るために最低限必要な光電変換素子は第１の光電変換素子群であり、第２の光電変換素子群は静止画撮影時の画質向上を目的としたオプションであると考えることができる。又、輝度フィルタ４ｗは、分光フィルタよりも光の減衰が少ないため、マイクロレンズ５による集光効率をそれほど考える必要がない。

このような理由から、光電変換素子１０ｗ上方のマイクロレンズ５は、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５よりも小さくしたり、省略したりすることが可能である。この点に着目し、本実施形態の固体撮像素子では、図２に示したように、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５のサイズを、隣接するマイクロレンズ５同士が接するまで大きくしている。図２と図４において縦横に並ぶ４つのマイクロレンズ５の間のデッドスペースを比較すると、図２の方が図４よりも狭くなっている。又、図２の方が図４よりもデッドスペース内に占める垂直転送チャネル３０ａの割合が少ない。このため、図２のような構成にすることで、デッドスペースに光が入射することによって発生する迷光やスミアを図４の場合よりも大幅に抑制することができる。又、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５のサイズが大きくなるため、静止画撮影時の感度及び動画撮影時の感度のいずれをも図４の場合よりも向上させることができる。

尚、図２の例では、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５のサイズを、隣のマイクロレンズ５に接するまで大きくしてデッドスペースを最大限減らすようにしているが、デッドスペースを減らすという意味では、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５は、その下方の分光フィルタの外周からはみ出た部分を有していれば十分である。例えば図５に示すように、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５を、それぞれが接しない程度のサイズにした場合でも、光電変換素子１０ｗ上方のマイクロレンズ５のサイズをその分大きくすれば、デッドスペースを図４の場合よりも減らすことができる。

又、以上の説明では、光電変換素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上方のマイクロレンズ５のサイズを大きくすることで、スミア及び迷光を抑制するものとしたが、マイクロレンズ５の代わりに、インナーレンズ６のサイズを大きくすることでも同様の効果を得ることができる。

又、以上の説明では、固体撮像素子がＣＣＤ型であることを前提にしたが、固体撮像素子はＣＭＯＳ型であっても良く、この場合は迷光の抑制、感度の向上といった効果をえることができる。ＣＭＯＳ型の場合は、各光電変換素子の近傍に、各光電変換素子で発生した電荷を電圧信号に変換して出力する公知のＭＯＳ回路を形成しておく構成とすれば良い。

又、以上の説明では、第１の光電変換素子群を３種類の光電変換素子で構成するものとしたが、第１の光電変換素子群を４種類以上の光電変換素子で構成した場合でも、本発明の効果を得ることができる。

本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図図１に示した固体撮像素子の部分拡大模式図図２のＡ−Ａ線断面模式図図１に示す固体撮像素子に設けるマイクロレンズを全ての光電変換素子で同一サイズとしたときの図２に対応する平面模式図図２におけるマイクロレンズの変形例を示した図

符号の説明

４ｒ，４ｇ，４ｂ分光フィルタ
４ｗ輝度フィルタ
１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ第１の光電変換素子群を構成する光電変換素子
１０ｗ第２の光電変換素子群を構成する光電変換素子
５マイクロレンズ

Claims

半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に格子状に配列された光電変換素子からなる第１の光電変換素子群と、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の形成位置を所定方向にずらした位置に形成された光電変換素子からなる第２の光電変換素子群とを有する固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換素子群は、それぞれ異なる色成分の光を透過する分光フィルタを上方に備えた少なくとも３種類の光電変換素子で構成され、
前記第２の光電変換素子群は、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタを上方に備えた１種類の光電変換素子で構成され、
前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の上方に前記各光電変換素子に光を集光する第１のサイズを有するマイクロレンズを備え、
前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子の上方に前記各光電変換素子に光を集光する、前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズを有するマイクロレンズを備え、
平面視において、前記第１のサイズを有するマイクロレンズが前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子上方の前記分光フィルタの外周からはみ出た部分を有し、
前記第２のサイズを有するマイクロレンズが、該マイクロレンズを取り囲む前記第１のサイズを有するマイクロレンズに接している固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
平面視において、前記第１のサイズを有するマイクロレンズの外周内に前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子上方の前記分光フィルタが完全に収まっている固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記第１のサイズを有するマイクロレンズが、前記分光フィルタの上方に設けられたマイクロレンズであり、
前記第２のサイズを有するマイクロレンズが、前記輝度フィルタの上方に設けられたマイクロレンズである固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記第１のサイズを有するマイクロレンズが、前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子と前記分光フィルタとの間に設けられたインナーレンズであり、
前記第２のサイズを有するマイクロレンズが、前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子と前記輝度フィルタとの間に設けられたインナーレンズである固体撮像素子。
請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれに対応してその側部に設けられ、前記各光電変換素子で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送路と、
前記電荷転送路で転送された電荷に応じた信号を出力する信号出力部とを備える固体撮像素子。
請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記第１の光電変換素子群を構成する各光電変換素子及び前記第２の光電変換素子群を構成する各光電変換素子のそれぞれで発生した電荷を信号に変換して出力するＭＯＳ回路を備える固体撮像素子。