JP5365667B2 - 半導体イメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に使用される半導体イメージセンサに関するものである。

半導体イメージセンサは、光電変換手段とＭＯＳトランジスタとを含む複数の画素を備え、この画素の信号をＭＯＳトランジスタにより選択して読み出す半導体デバイスである。近年、この半導体イメージセンサ、特にＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）プロセスで製造される所謂ＣＭＯＳイメージセンサは、低電圧・低消費電力、多機能であり、かつ周辺回路とワン・チップ化できるＳＯＣ（システムオンチップ）という利点を有している。従って、携帯電話用のカメラ、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使用されている。

図１７に、半導体イメージセンサの構成（等価回路）の一例を示す。このＣＭＯＳイメージセンサ１は、同一の半導体基板上に、光電変換を行うフォトダイオード２と、このフォトダイオード２を選択読み出すための複数のＭＯＳトランジスタとからなる複数の画素３を二次元的に配列した撮像素子形成領域４を備えて成る。さらに同一の半導体基板上の撮像領素子形成域４の周辺に、画素の選択と信号出力のための周辺回路５、６を備えている。この画素選択のための回路５及び出力回路６を含む領域は、周辺回路形成領域という。撮像素子形成領域４においては、各画素３が１つのフォトダイオード２と、複数のＭＯＳトランジスタ、この例では転送用トランジスタ８、リセットトランジスタ９及び増幅トランジスタ１０の３個のＭＯＳトランジスタとで構成されている。また、周辺回路形成領域においては、画素選択のための回路（垂直走査回路）５と出力回路（水平走査・出力回路）６が、ＣＭＯＳトランジスタを用いて構成されている。

図１７において、フォトダイオード２は転送用トランジスタ８のソースに接続される。転送用トランジスタ８のゲートには転送用配線１１が接続される。転送用トランジスタ８のドレインは、リセットトランジスタ９のソースに接続されると共に、転送用トランジスタ８のドレインとリセットトランジスタ９のソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンＦＤが増幅トランジスタ１０のゲートに接続される。リセットトランジスタ９のゲートはリセット配線１２に接続される。また、リセットトランジスタ９のドレインと増幅トランジスタ１０のドレインは電源供給するための電源配線１３に接続される。増幅トランジスタ１０のソースは垂直信号線１４に接続される。

このＣＭＯＳイメージセンサ１では、フォトダイオード２において光電変換される。フォトダイオードの光電子（信号電荷）は、転送用トランジスタ８により選択されて転送用トランジスタ８を通じてフローティング・ディフージョンＦＤに転送される。フローティング・ディフージョンＦＤは増幅トランジスタ１０に接続されているので、フローティング・ディフージョンＦＤの電位に対応した信号が増幅トランジスタ１０を通じて垂直信号線１４に出力される。
リセットトランジスタ９は、フローティング・ディフージョンＦＤの信号電荷を電源配線１３に捨てることによって、フローティング・ディフージョンＦＤの信号電荷をリセットする。横方向の配線１１、１２、１３は同一行の画素３について共通となっており、画素選択のための回路５によって制御される。

従来、一般のカラー用固体撮像装置は、各画素毎にカラーフィルタを載せ、そのカラーフィルタを透過した、特定波長の光信号を検知するものである。したがって、光電変換を行う半導体部に到達する光は、入射光の一部となり、カラーフィルタを載せない場合に比べて、信号出力が低下する。

また、特許文献１には、「三重ウェル構造利用のアクティブピクセル結像アレイでのカラー分離」として、カラーフィルタを用いないで３原色（赤、緑、青）の信号を検出するようにした、３層構造のｐｎフォトダイオードによる光検出装置が提案されている。この提案によれば、各フォトダイオードの端子が半導体界面部に形成され、各端子が増幅器として働くＭＯＳトランジスタのゲートに接続されて、各フォトダイオードの信号が増幅して読み出される。

図１６に、特許文献１における光センサの構成を示す。この光センサ３１は、ｐ型半導体基板３２にｎ型半導体層（ウェル領域）３３、その上のｐ型半導体層（ウェル領域）３４、その上の半導体界面のｎ型半導体層（ウェル領域）３５が形成され、ｐ型半導体基板３２とｎ型半導体層３３との組み合わせ、ｎ型半導体層３３とｐ型半導体層３４との組み合わせ、ｐ型半導体層３４とｎ型半導体層３５との組み合わせで、３つのフォトダイオード、すなわち赤色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び青色フォトダイオードが形成される。そして、赤、緑、青の各フォトダイオードに、これに蓄積する信号電荷を読み出す検出するための電流メータ４１、４２、４３が接続されて構成される。

上述したＣＭＯＳイメージセンサあるいは光センサは、どちらも色の分離に関して半導体の光吸収係数が光の波長に依存することを利用している。
特許文献１の光センサ３１では、同一の半導体基板３２において、短波長すなわち青色光の光電変換部（フォトダイオード）を最上層に、長波長すなわち赤色光の光電変換部（フォトダイオード）を最下層に、その中間波長すなわち緑色光の光電変換部（フォトダイオード）を中間層に設けることにより、色の分離を行っている。これによれば、入射光を無駄なく利用することができ、一般のカラーフィルタ方式に比べて、信号出力を上げることができる。また、二次元的には、同一の場所から３種の色信号を取り出すことができるため、一つの画素から１種の色信号を取出すカラーフィルタ方式に比べて、色解像度を上げることができる。 しかし、各フォトダイオードの電極が深さ方向に隣接するフォトダイオードの電極と共通化されているため、一つのフォトダイオードの信号電圧が深さ方向に隣接する別のフォトダイオードの信号電圧によって影響を受け、各フォトダイオードの信号を独立に取り出すのが難しい。さらに、各フォトダイオードをリセットするときに、フォトダイオードの容量に起因するｋＴＣノイズが乗るため、Ｓ／Ｎが取れないという問題を含んでいる。

一方、特許文献２では、補色フィルタのマゼンタ（Ｍｇ）フィルタと原色フィルタの緑（Ｇ）フィルタとを水力方向及び水平方向に交互に配列してなるカラーフィルタを用いて、マゼンタフィルタを積層した受光部の深さ方向に分離した第１、第２の半導体層で赤（Ｒ），青（Ｂ）の色信号を検出し、緑フィルタを積層した受光部で緑（Ｇ）の色信号を検出するようにしたＭＯＳ型カラー固体撮像装置も提案されている。これによれば、忠実な色再現性が可能になり、高画質化も達成可能となる。

特表２００２−５１３１４５号公報 特開２００４−２８１７７３号公報

ところで、上述のようなＭＯＳ型の半導体イメージセンサにおいては、混色、ノイズを抑え、高い色分離性を有しながら更なる解像度化の向上が望まれている。また、信号処理の高速化、簡略化のためには、色信号を検出するための演算式の更なる簡略化が望まれている。

本発明は、上述の点に鑑み、解像度の更なる向上を図り、色信号の演算式の簡略化を図った半導体イメージセンサを提供するものである。

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するＭＯＳトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略１／２ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第２の画素グループとを備え、第１の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が深さ方向に２層積層された積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる２つの光電変換信号を取り出すようにして成り、第２の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が１層設けられた構造を有し、第１の画素グループと第２の画素グループは、合計３層の光電変換に寄与するｎ型半導体領域の深さがそれぞれ異なるようにして成り、第１の画素グループの各画素は青色成分信号及び赤色成分信号が分離して検出される構成とされ、第２の画素グループの各画素は緑色成分信号が検出される構成とされることを特徴とする。

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平及び垂直方向に略１／２ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第２の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の２倍になり、解像度の向上が図れる。第１の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が深さ方向に２層積層された積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる２つの光電変換信号を取り出すようにして成り、第２の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が１層設けられた構造を有し、第１の画素グループと第２の画素グループは、合計３層の光電変換に寄与するｎ型半導体領域の深さがそれぞれ異なるように成されているので、いわゆる斜め画素ずらしにおける色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するＭＯＳトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略１／２ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第２の画素グループとを備え、第１の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が深さ方向に２層積層された積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる２つの光電変換信号を取り出すようにして成り、第２の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が１層設けられた構造を有し、第１の画素グループと第２の画素グループは、合計３層の光電変換に寄与するｎ型半導体領域の深さがそれぞれ異なるようにして成り、第１の画素グループに対応するオンチップカラーフィルタに補色フィルタを用いて成り、第１の画素グループの各画素は青色成分信号及び赤色成分信号が分離して検出される構成とされ、第２の画素グループの各画素は緑色成分信号が検出される構成とされることを特徴とする。

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平及び垂直方向に略１／２ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第２の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の２倍になり、解像度の向上が図れる。第１の画素グループに対応するオンチップカラーフィルタに補色フィルタを用いることにより、いわゆる斜め画素ずらしにおける色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するＭＯＳトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略１／２ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第２の画素グループとを備え、第１の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が深さ方向に２層積層された積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる２つの光電変換信号を取り出すようにして成り、第２の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が１層設けられた構造を有し、第１の画素グループと第２の画素グループは、合計３層の光電変換に寄与するｎ型半導体領域の深さがそれぞれ異なるようにして成り、第１の画素グループの各第１画素は異なる原色の第１及び第２の色成分信号が分離して検出される構成とされ、第２の画素グループの各第２画素は前記原色と異なる原色の第３の色成分信号が検出される構成とされ、隣り合う第１画素と第２画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に前記画素グループの画素の１ピッチ未満の長さを半径とした円内に含む第１画素及び第２画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出し、第１の色成分信号が青色成分信号であり、第２の色成分信号が赤色成分信号であり、かつ、第３の色成分信号が緑色成分信号であることを特徴とする。

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平及び垂直方向に略１／２ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第２の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の２倍になり、解像度の向上が図れる。第１画素を異なる原色の第１、第２の色成分信号が検出できる構成とし、第２画素を原色の第３の色成分信号が検出できる構成とし、隣り合う第１画素と第２画素とに跨がる領域を仮想画素として、この仮想画素を中心に画素グループの画素の１ピッチ未満の長さを半径とした円内に含む第１画素及び第２画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出することにより、色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。

本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するＭＯＳトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略１／２ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第２の画素グループとを備え、第１の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が深さ方向に２層積層された積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる２つの光電変換信号を取り出すようにして成り、第２の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が１層設けられた構造を有し、第１の画素グループと第２の画素グループは、合計３層の光電変換に寄与するｎ型半導体領域の深さがそれぞれ異なるようにして成り、第１の画素グループの各第１画素は異なる原色の第１及び第２の信号成分が分離して検出される構成とされ、第２の画素グループの各第２画素は前記原色とは異なる原色の第３の色成分信号が検出される構成とされ、隣り合う第１画素と第２画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に画素グループの画素の１ピッチの長さを半径とした円に接した画素を含んで該円内に含む第１画素及び第２画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出し、第１の色成分信号が青色成分信号であり、第２の色成分信号が赤色成分信号であり、かつ、第３の色成分信号が緑色成分信号であることを特徴とする。

本発明の半導体イメージセンサでは、複数の画素が水平及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチで配列された第１の画素グループと、第１の画素グループに対して水平及び垂直方向に略１／２ピッチずらした状態で複数の画素を配列した第２の画素グループとを備えることにより、記録画素数を有効画素数の２倍になり、解像度の向上が図れる。第１画素を異なる原色の第１、第２の色成分信号が検出できる構成とし、第２画素を原色の第３の色成分信号が検出できる構成とし、隣り合う第１画素と第２画素とに跨がる領域を仮想画素として、この仮想画素を中心に画素グループの画素の１ピッチの長さを半径とした円に接した画素を含んで該円内に含む第１画素及び第２画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出することにより、色信号を形成する演算式の簡略化が図れる。

本発明に係る半導体イメージセンサによれば、解像度を更に向上することができるので、一般的な正方画素配列よりも水平、垂直方向の情報をより緻密に再現し、より鮮明な画像を再現することができる。また、色信号の演算式を簡略化することができるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。

本発明に係る半導体イメージセンサの第１実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの第１実施の形態の第２画素グループの画素（Ｇ画素）の半導体断面構造を示す断面図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの第１実施の形態の第１画素グループの画素（Ｒ／Ｂ画素）の半導体断面構造を示す断面図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの第２実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの第２実施の形態の第２画素グループの画素（Ｇ画素）の半導体断面構造を示す断面図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの第２実施の形態の第１画素グループの画素（Ｍｇ画素）の半導体断面構造を示す断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号の演算式の説明に供する説明図、及び画素のピッチの説明に供する説明図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号の演算式の説明に供する説明図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の一例の説明に供する説明図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の他の例の説明に供する説明図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の他の例の説明に供する説明図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの色信号を演算する演算式の他の例の説明に供する説明図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの他の実施の形態を示す等価回路図である。 本発明に係る半導体イメージセンサの他の実施の形態を示す等価回路図である。 ベイヤ式カラーフィルタを有する半導体イメージセンサの色信号の演算の説明に供するベイヤ式カラーフィルタの原理図である。 従来のフィルタ無しのイメージセンサの概略構成図である。 ＣＭＯＳイメージセンサの概略等価回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサの概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、オンチップカラーフィルタを用いないで色分離する例である。本実施の形態に係る半導体イメージセンサ６１は、同一半導体基板６２の表面上に形成した、複数の画素６３を二次元的に配列した受光領域となる撮像領域６４と、この撮像領域６４の外側に配置した画素６３の選択と信号出力のための周辺回路６５、６６を備えて成る。一方の周辺回路６５は、撮像領域６４の側辺に位置する垂直走査回路（いわゆる垂直レジスタ回路）にて構成される。他方の周辺回路６６は、撮像領域６４の下側に位置する水平走査回路（いわゆる水平レジスタ回路）及び出力回路等（信号増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路、同期信号発生回路等を含む）にて構成される。

撮像領域６４では、複数の画素がいわゆる斜め配列される。すなわち、二次元的に複数の画素６３Ａを水平方向及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチＷ１で略格子状に配置した第１画素グループと、第１画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチＷ１の略１／２のピッチだけずらした状態で二次元的に複数の画素６３Ｂを配置した第２画素グループとにより構成され、丁度画素６３Ａ，６３Ｂが斜めにずらした正方格子状に配列形成されている。本例では、奇数行に画素６３Ｂが配列され、１／２ピッチずれて偶数行に画素６３Ａが配列される。

第１画素グループの各画素（いわゆる第１画素）６３Ａは、同一画素から異なる原色の２つの色成分信号、本例では赤（Ｒ）色と青（Ｂ）色に対応したそれぞれの赤色成分信号と青色成分信号を分離して検出する画素構造を有して構成される。図３に、この第１画素６３Ａの半導体断面構造を示す。第１導電型の半導体基板、本例ではｎ型のシリコン半導体基板７１に第２導電型の半導体ウェル領域、本例ではｐ型半導体ウェル領域７２が形成され、このｐ型半導体ウェル領域７２の表面に所要の深さ方向の幅ｈ１、本例では０．１μｍ〜０．３μｍの幅ｈ１を有する青色光の光電変換領域となるｎ型半導体領域７３が形成される。さらに、ｐ型半導体ウェル領域７２内の深部において、所要の深さ方向の幅ｈ２、本例では表面からの深さで表すと０．８μｍ〜２．５μｍの幅ｈ２を有する赤色光の光電変換領域となるｎ型半導体領域７４が形成される。さらに、ｎ型半導体ウェル領域７３の表面及びｎ型半導体領域７４の一部基板表面側に延びる領域の表面とにわたるように、暗電流を抑制するためのｐ型アキュミュレーション領域７５が形成される。

ｎ型半導体領域７３とｐ+ アキュミュレーション領域７５とｐ型半導体ウェル領域７４とにより青色光電変換手段であるフォトダイオードＰＤｂが形成され、ｎ型半導体領域７４とｐ型アキュミュレーション領域７５とｐ型半導体ウェル領域７２とにより赤色光電変換手段であるフォトダイオードＰＤｒが形成される。これらフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｒは、基板表面の界面にｐ型アキュミュレーション領域７５が形成された所謂ＨＡＤセンサ（Hole Accumulation Diode）として構成される。

ｐ型半導体ウェル領域７２のフォトダイオードＰＤｂ及びＰＤｒを挟む両側の領域、すなわち基板表面側に、それぞれフローティング・ディフージョンＦＤとなるｎ型半導体領域７７及び７８が形成される。そして、基板表面において青色用フォトダイオードＰＤｂを構成するｎ型半導体領域７３と一方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７７との間、すなわち、ｎ型半導体領域７３に連続して基板表面に臨むチャネル領域７９上にゲート絶縁膜を介してゲート電極８０が形成されて、転送用トランジスタＴｒ１ｂが形成される。また、基板表面において赤色用フォトダイオードＰＤｒを構成するｎ型半導体領域７４と他方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７８との間、すなわち、ｎ型半導体領域７４に連続して基板表面に臨むチャネル領域８１上にゲート絶縁膜を介してゲート電極８２が形成されて、転送用トランジスタＴｒ１ｒが形成される。画素６３Ａは、ｐ型半導体ウェル領域７２に形成された例えば選択酸化層による絶縁分離領域あるいはトレンチ分離領域等による素子分離領域８４により隣接画素と分離される。

この画素６３Ａは、１つの画素構造内に青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する２つのフォトダイオードＰＤｂ及びＰＤｒが積層された構造になっている。この画素６３Ａによれば、波長の短い青色光は浅い領域に形成したフォトダイオードＰＤｂで光電変換されて浅い位置のｎ型半導体領域７３に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタＴｒ１ｂがオンして信号電荷が、一方のゲート電極８０下のチャネル領域７９を通して一方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７７に転送される。波長の長い赤色光は深い領域に形成されたフォトダイオードＰＤｒで光電変換され深い位置のｎ型半導体領域７４に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタＴｒ１ｒがオンして信号電荷が、他方のゲート電極８２下のチャネル領域８１を通して他方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７８に転送される。

第２画素グループの各画素（いわゆる第２画素）６３Ｂは、さらに異なる原色の色成分信号、本例では緑（Ｇ）色に対応した緑色成分信号が検出される画素構造を有して構成される。図２に、この第２画素６３Ｂの半導体断面構造を示す。前述と同一のｎ型のシリコン半導体基板７１に第２導電型のｐ型半導体ウェル領域７２が形成される。このｐ型半導体ウェル領域７２の所要の深さ方向の幅ｈ3 、すなわち図３で説明したｎ型半導体領域７３とｎ型半導体領域７４との間の中間の位置に対応して、本例では表面からの深さで表すと０．３μｍ〜０／８μｍの深さ方向の幅ｈ３を有する緑色光の光電変換領域となるｎ型半導体領域８６が形成される。ｎ型半導体領域８６より基板表面に至る領域には、暗電流を抑制するためのｐ型アキュミュレーション領域８７が形成される。

ｎ型半導体領域８６とｐ型アキュミュレーション領域８７とｐ型半導体ウェル領域７２と５より緑色光電変換手段であるフォトダイオードＰＤｇが形成される。このフォトダイオードＰＤｇは、基板表面の界面にｐ型アキュミュレーション領域８７が形成された所謂ＨＡＤセンサとして構成される。

ｐ型半導体ウェル領域７２には、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８８が形成される。そして、基板表面において緑色用フォトダイオードＰＤｇを構成するｎ型半導体領域８６とフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域８８との間、すなわちｎ型半導体領域８６に連続して基板表面に臨むちゃねる領域８９上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極９０が形成されて、転送用トランジスタＴｒ１ｇが形成される。画素６３Ｂは前述と同様の素子分離領域８４により隣接画素と分離される。

この第２画素６３Ｂによれば、緑色光は中間の深さ領域に形成したフォトダイオードＰＤｇで光電変換されてｎ型半導体領域８６に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタＴｒ１ｇがオンして信号電荷が、ゲート電極９０下のチャネル領域８９を通してフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域８８に転送される。

第１実施の形態の半導体イメージセンサ６１によれば、複数の第１画素６３Ａを水平、垂直方向にそれぞれ所定ピッチＷ１で略格子状に配列した第１画素グループと、この第１画素グループに対して水平、垂直方向共にピッチＷ１の略１／２のピッチずらした状態で二次元的に複数の第２画素６３Ｂを配列した第２画素グループとを備えた、いわゆる斜め画素ずらし配列を用いているので、記録画素数（後述の仮想画素の数に対応する）を有効画素数（いわゆる物理画素の数に対応する）の２倍にすることができる。つまり、１画素当たりの画素サイズを大きくとれるので、飽和電荷量（ダイナミックレンジ）と感度を低下させることなく、記録画素数を増大させて解像度を向上することができる。

人間の網膜は、垂直、水平方向に感度がよく、斜め方向に対する感度は垂直、水平方向よりも劣るとされている。同じ画素数であれば、斜め画素配列の方が記録画素数を縦横方向により多くすることができる。したがって、一般的な正方画素配列よりも垂直、水平方向の情報をより緻密に再現することができ、より鮮明なイメージの画像を再現することができる。

また、画素６３Ａ及び６３Ｂを構成するフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｒ、及びＰＤｇがＨＡＤ構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、画素６３Ａにおいて、リセット動作を行っても、赤（Ｒ），青（Ｂ）の電荷蓄積領域であるｎ型半導体領域７４、７３にノイズがのることはない。したがって、Ｓ／Ｎが向上する。画素６３Ａ，６３Ｂにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するｎ型半導体領域７３、７４、８６の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。
オンチップカラーフィルタを有しない構成としても、色分解が可能であり、低コスト化ができ、感度を向上することができる。

更に、赤／青用の第１画素６３Ａと緑用の第２画素６３Ｂとを斜め配列した構成であるので、後述するように撮像する画素から、Ｒ，Ｇ，Ｂの色信号を演算する演算式を簡略化できるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易い。

図４は、本発明の第２実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサ概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、補色と原色からなるオンチップカラーフィルタを用いて色分離する例である。本例のオンチップカラーフィルタは、補色フィルタであるマゼンタ（Ｍｇ）フィルタと、原色フィルタである緑（Ｇ）フィルタの２色のオンチップカラーフィルタが用いられる。なお、第２実施の形態では、図１〜図３の第１実施の形態と対応する部分は、同一符号を付して説明する。

本実施の形態に係る半導体イメージセンサ１００は、オンチップカラーフィルタを除いて、図１と同様に構成される。すなわち、同一半導体基板６２の表面上に形成した、複数の画素１０３を二次元的に配列した受光領域となる撮像領域６４と、この撮像領域６４の外側に配置した画素１０３の選択と信号出力のための周辺回路６５、６６を備えて成る。一方の周辺回路６５は、撮像領域６４の側辺に位置する垂直走査回路（いわゆる垂直レジスタ回路）にて構成される。他方の周辺回路６６は、撮像領域６４の下側に位置する水平走査回路（いわゆる水平レジスタ回路）及び出力回路等（信号増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路、同期信号発生回路等を含む）にて構成される。

撮像領域６４では、複数の画素１０３がいわゆる斜め配列される。すなわち、二次元的に複数の画素１０３Ａを水平方向及び垂直方向にそれぞれ所定ピッチＷ１で略格子状に配置した第１画素グループと、第１画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチＷ１の略１／２のピッチだけずらした状態で二次元的に複数の画素１０３Ｂを配置した第２画素グループとにより構成され、丁度画素１０６３Ａ，１０３Ｂが斜めにずらした正方格子状に配列形成されている。そして、撮像領域６４上には、第１画素グループの各画素１０３Ａに補色フィルタであるマゼンタ（Ｍｇ）フィルタが対応し、第２画素グループの各画素１０３Ｂに原色フィルタである緑（Ｇ）フィルタが対応するように、ＭｇフィルタとＧフィルタの２色のオンチップフィルタが配置される。本例では、奇数行に画素１０３Ｂが配列され、１／２ピッチずれて偶数行に画素１０３Ａが配列される。

第１画素グループの各画素（いわゆる第１画素：以下、Ｍｇ画素という））１０３Ａは、同一画素から異なる原色の２つの色成分信号、すなわち本例では赤（Ｒ）色と青（Ｂ）色に対応したそれぞれの赤色成分信号と青色成分信号を分離して検出する画素構造を有して構成される。図６に、このＭｇ画素１０３Ａの半導体断面構造を示す。前述の図３の構成と同様に、第１導電型の半導体基板、本例ではｎ型のシリコン半導体基板７１に第２導電型の半導体ウェル領域、本例ではｐ型半導体ウェル領域７２が形成され、このｐ型半導体ウェル領域７２の表面に所要の深さ方向の幅ｈ１、本例では０．１μｍ〜０．８μｍの幅ｈ１を有する青色光の光電変換領域となるｎ型半導体領域７３が形成される。さらに、ｐ型半導体ウェル領域７２内の深部において、所要の深さ方向の幅ｈ２、本例では表面からの深さで表すと０．８μｍ〜２．５μｍの幅ｈ２を有する赤色光の光電変換領域となるｎ型半導体領域７４が形成される。さらに、ｎ型半導体ウェル領域７３の表面及びｎ型半導体領域７４の一部基板表面側に延びる領域の表面とにわたるように、暗電流を抑制するためのｐ型アキュミュレーション領域７５が形成される。

ｎ型半導体領域７３とｐ+ アキュミュレーション領域７５とｐ型半導体ウェル領域７４とにより青色光電変換手段となるフォトダイオードＰＤｂが形成され、ｎ型半導体領域７４とｐ型アキュミュレーション領域７５とｐ型半導体ウェル領域７２とにより赤色光電変換手段となるフォトダイオードＰＤｒが形成される。これらフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｒは、基板表面の界面にｐ型アキュミュレーション領域７５が形成された所謂ＨＡＤセンサとして構成される。

ｐ型半導体ウェル領域７２のフォトダイオードＰＤｂ及びＰＤｒを挟む両側の領域、すなわち基板表面側に、それぞれフローティング・ディフージョンＦＤとなるｎ型半導体領域７７及び７８が形成される。そして、基板表面において青色用フォトダイオードＰＤｂを構成するｎ型半導体領域７３と一方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７７との間、すなわち、ｎ型半導体領域７３に連続して基板表面に臨むチャネル領域７９上にゲート絶縁膜を介してゲート電極８０が形成されて、転送用トランジスタＴｒ１ｂが形成される。また、基板表面において赤色用フォトダイオードＰＤｒを構成するｎ型半導体領域７４と他方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７８との間、すなわち、ｎ型半導体領域７４に連続して基板表面に臨むチャネル領域８１上にゲート絶縁膜を介してゲート電極８２が形成されて、転送用トランジスタＴｒ１ｒが形成される。Ｍｇ画素１０３Ａは、ｐ型半導体ウェル領域７２に形成された例えば選択酸化層による絶縁分離領域あるいはトレンチ分離領域等による素子分離領域８４により隣接画素と分離される。

そして、各Ｍｇ画素１０２Ａ上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタのうちの、マゼンタ（Ｍｇ）フィルタ１０５が形成される。

このＭｇ画素１０３Ａは、１つの画素構造内に、Ｍｇフィルタ１０５を透過して入射された青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する２つのフォトダイオードＰＤｂ及びＰＤｒが積層された構造になっている。このＭｇ画素１０３Ａによれば、Ｍｇフィルタ１０５を透過した波長の短い青色光は、浅い領域に形成したフォトダイオードＰＤｂで光電変換されて浅い位置のｎ型半導体領域７３に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタＴｒ１ｂがオンして信号電荷が、一方のゲート電極８０下のチャネル領域７９を通して一方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７７に転送される。また、Ｍｇフィルタ１０５を透過した波長の長い赤色光は、深い領域に形成されたフォトダイオードＰＤｒで光電変換され深い位置のｎ型半導体領域７４に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタＴｒ１ｒがオンして信号電荷が、他方のゲート電極８２下のチャネル領域８１を通して他方のフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域７８に転送される。

第２画素グループの各画素（いわゆる第２画素：以下、Ｇ画素という）１０３Ｂは、さらに異なる原色の色成分信号、すなわち本例では緑（Ｇ）色に対応した緑色成分信号を検出する画素構造を有して構成される。図５に、この第２画素６３Ｂの半導体断面構造を示す。前述の図２の構成と同様に、同一のｎ型のシリコン半導体基板７１に第２導電型のｐ型半導体ウェル領域７２が形成される。このｐ型半導体ウェル領域７２の所要の深さ方向の幅ｈ3 、すなわち図２で説明したｎ型半導体領域７３とｎ型半導体領域７４との間の中間の位置に対応して、本例では表面からの深さで表すと０．１μｍ〜２．５μｍの深さ方向の幅ｈ３を有する緑色光の光電変換領域となるｎ型半導体領域８６が形成される。ｎ型半導体領域８６より基板表面に至る領域には、暗電流を抑制するためのｐ型アキュミュレーション領域８７が形成される。

ｎ型半導体領域８６とｐ型アキュミュレーション領域８７とｐ型半導体ウェル領域７２と５より緑色光電変換手段となるフォトダイオードＰＤｇが形成される。このフォトダイオードＰＤｇは、基板表面の界面にｐ型アキュミュレーション領域８７が形成された所謂ＨＡＤセンサとして構成される。

ｐ型半導体ウェル領域７２には、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８８が形成される。そして、基板表面において緑色用フォトダイオードＰＤｇを構成するｎ型半導体領域８６とフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域８８との間、すなわちｎ型半導体領域８６に連続して基板表面に臨むちゃねる領域８９上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極９０が形成されて、転送用トランジスタＴｒ１ｇが形成される。Ｇ画素１０３Ｂは前述と同様の素子分離領域８４により隣接画素と分離される。

そして、各Ｇ画素１０３Ｂ上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタのうちの、緑（Ｇ）フィルタ１０６が形成される。

このＧ画素１０３Ｂによれば、Ｇフィルタ１０６を透過した緑色光は中間の深さ領域に形成したフォトダイオードＰＤｇで光電変換されてｎ型半導体領域８６に信号電荷が蓄積される。信号読み出し時には転送用トランジスタＴｒ１ｇがオンして信号電荷が、ゲート電極９０下のチャネル領域８９を通してフローティング・ディフージョンとなるｎ型半導体領域８８に転送される。

第２実施の形態の半導体イメージセンサ１００によれば、前述の第１実施の形態と同様の効果を奏する。すなわち、複数のＭｇ画素１０３Ａを水平、垂直方向にそれぞれ所定ピッチＷ１で略格子状に配列した第１画素グループと、この第１画素グループに対して水平、垂直方向共にピッチＷ１の略１／２のピッチずらした状態で二次元的に複数のＧ画素１０３Ｂを配列した第２画素グループとを備えた、いわゆる斜め画素ずらし配列を用いているので、記録画素数（後述の仮想画素の数に対応する）を有効画素数（いわゆる物理画素の数に対応する）の２倍にすることができる。つまり、１画素当たりの画素サイズを大きくとれるので、飽和電荷量（ダイナミックレンジ）と感度を低下させることなく、記録画素数を増大させて解像度を向上することができる。したがって、一般的な正方画素配列よりも垂直、水平方向の情報をより緻密に再現することができ、より鮮明なイメージの画像を再現することができる。

また、Ｍｇ画素１０３Ａ及びＧ画素１０３Ｂを構成するフォトダイオードＰＤｂ，ＰＤｒ、及びＰＤｇがＨＡＤ構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、Ｍｇ画素１０３Ａにおいて、リセット動作を行っても、赤（Ｒ），青（Ｂ）の電荷蓄積領域であるｎ型半導体領域７４、７３にノイズがのることはない。したがって、Ｓ／Ｎが向上する。Ｍｇ画素１０３Ａ、Ｇ画素１０３Ｂにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するｎ型半導体領域７３、７４、８６の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。

補色フィルタであるマゼンタ（Ｍｇ）と原色フィルタである緑（Ｇ）の２色のオンチップカラーフィルタが用いられ、奇数行にはＧフィルタが、偶数行にはＭｇフィルタが交互に配列されている。このオンチップカラーフィルタを用いることにより、混色を低減することができる。更に、青色と赤色の検出センサとしてマゼンタ（Ｍｇ）の補色フィルタを用いた積層フォトダイオードを用いることにより、原色フィルタを用いるフォトダイオードの場合よりも、光がフィルタに吸収されることを抑えることができるので、感度が低下しない。検出するセンサ、すなわちフォトダイオードの断面構造は、オンチプカラーフィルタ無しの第１実施の形態と概ね同じであるが、オンチップカラーフィルタを用いているので、ｎ型半導体領域の深さに幅をラフに設計できる。例えば緑（Ｇ）用フォトダイオードの光電変換領域となるｎ型半導体領域は０．１μｍ〜２．５μｍの幅で形成でき、青（Ｂ）用フォトダイオードの光電変換領域となるｎ型半導体領域は０．１μｍ〜０．８μｍの幅で形成でき、赤（Ｒ）用フォトダイオードの光電変換領域となるｎ型半導体領域は０．８μｍ〜２．５μｍに幅で形成することができる。

更に、Ｍｇ画素１０３ＡとＧ画素１０３Ｂとを斜め配列した構成であるので、後述するように撮像する画素から、Ｒ，Ｇ，Ｂの色信号を演算する演算式を簡略化できるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易い。

次に、図７〜図１２を用いて、上述の第１実施の形態及び第２実施の形態に係る半導体イメージセンサに適用されるＲ，Ｇ，Ｂの色信号を演算する演算式について説明する。本演算式は、Ｍｇ画素とＧ画素を用いた第２実施の形態の半導体イメージセンサに適用したが、第１実施の形態についても同様に適用できる。

ここで、本発明に係る演算式の説明に先立ち、本発明の演算式の理解を容易にするために、従来から広く用いられているベイヤ配列の場合の演算式について図１５を用いて説明する。
図１５にベイヤ式カラーフィルタを用いた半導体イメージセンサの要部を示す。このベイヤー式カラーフィルタの原理を示す。カラーフィルタの基本的なレイアウトは、撮像素子の左上が赤のフィルタで始まる。色情報は、４つの画素５１〔５１Ｒ，５１Ｇａ，５１Ｇｂ，５１Ｂ〕に囲まれた真ん中に仮想画素５２を設ける。仮想画素５２の周りの４つのフィルタ付き画素５１は、緑（Ｇ）に画素（５１Ｇａ，５１Ｇｂ）２つと、赤（Ｒ）の画素（５１Ｒ）、青（Ｂ）の画素（５１Ｂ）それぞれ１つで構成される。緑の占める割合が多いことがわかる。これは人間に視感度が緑に対して効率が良いためフィルタも余分に光を与えてバランス取っているためである。

図１５の仮想画素５２である中央の仮想画素Ｐｘに注目してみる。仮想画素Ｐｘの色情報ＰｘＧ，ＰｘＲ，ＰｘＢは、近傍の画素の色情報からマトリックス計算によって得られる。緑（Ｇ）は近傍の緑の画素Ｇ7 と画素Ｇ_１０を足して２で割る。赤（Ｒ）は赤の画素Ｒ_１１を優先してその周りの赤色情報も加味する。青（Ｂ）も赤と同様にする。このような形で任意のセルの色を特定して行く。演算式は次のようになる。

ＰｘＧ＝（Ｇ_７＋Ｇ_１０）／２
ＰｘＲ＝（９Ｒ_１１＋３Ｒ_３＋３Ｒ_９ ＋Ｒ_１）／１６
ＰｘＢ＝（９Ｂ_６＋３Ｂ_８ ＋３Ｂ_１４＋Ｂ_１６）／１６

ここで、ＰｘＲ，ＰｘＢの上記演算の詳細は次の通りである。
ＰｘＲについては、赤の画素Ｒ_１１と、青の画素Ｂ_６，緑の画素Ｇ_７，Ｇ_１０のそれぞれの周りの赤の画素との赤色情報を加味する。
Ｒ_１１
Ｒａ（画素Ｂ6 の周りの赤色情報）＝（Ｒ_１ ＋Ｒ_３＋Ｒ_９ ＋Ｒ_１１）／４
Ｒｂ（画素Ｇ_７の周りの赤色情報）＝（Ｒ_３＋Ｒ_１１）／２
Ｒｃ（画素Ｇ_１０の周りの赤色情報）＝（Ｒ_９＋Ｒ_１１／２
∴ＰｘＲ＝Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ＋Ｒ_１１）／４
＝〔｛（Ｒ_１＋Ｒ_３ ＋Ｒ_９ ＋Ｒ_１１）／４｝
＋｛（Ｒ_３＋Ｒ_１１）／２｝
＋｛（Ｒ_９＋Ｒ_１１）／２｝
＋Ｒ_１１〕／４
＝（Ｒ_１＋Ｒ_３ ＋Ｒ_９ ＋Ｒ_１１＋２Ｒ_３＋２Ｒ_１１＋２Ｒ_９＋２Ｒ_１１
＋４Ｒ_１１）／１６
＝（９Ｒ_１１＋３Ｒ_３ ＋３Ｒ_９ ＋Ｒ_１）／１６

ＰｘＢについては、青の画素Ｂ_６と、緑の画素Ｇ_７ ，Ｇ_１０のそれぞれの周りの青の画素との青色情報を加味する。
Ｂ_６
Ｂａ（画素Ｒ_１１の周りの青色情報）＝（Ｂ_６＋Ｂ_８＋Ｂ_１４＋Ｂ_１６）／４
Ｂｂ（画素Ｇ_７の周りの青色情報）＝（Ｂ_６ ＋Ｂ_８）／２
Ｂｃ（画素Ｇ_１０の周りの青色情報）＝（Ｂ_６＋Ｂ_１４）／２
∴ＰｘＢ＝（Ｂａ＋Ｂｂ＋Ｂｃ＋Ｂ_６）／４
＝〔｛（Ｂ_６＋Ｂ_８ ＋Ｂ_１３＋Ｂ_１６）／４｝
＋｛（２Ｂ_６＋２Ｂ_８ ／２｝／４
＋｛（２Ｂ_６＋２Ｂ_１４）／４
＋４Ｂ_６〕／１６
＝（Ｂ_６＋Ｂ_８ ＋Ｂ_１４＋Ｂ_１６＋２Ｂ_６＋２Ｂ_８＋２Ｂ_６＋２Ｂ_１４
＋４Ｂ_６ ）／１６
＝（９Ｂ_６＋３Ｂ_８ ＋３Ｂ_１４＋Ｂ_１６）／１６
この演算の手法は、簡単に彩色できるという画期的な方法ではある。

しかし、斜め画素ずらしに場合は、仮想画素をまず画素の交差部に仮想し、その仮想画素を用いて４画素の中心に最終仮想画素を演算するという２ステップの演算を行う。このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素がＧ列とＲＢが交互に配列された列からなり、仮想画素がＲ画素に接する場合とＢ画素に接する場合とで、演算式が異なり、演算式が複雑になる。

次に、本実施の形態の演算式を説明する。
図９〜図１２に示すように、Ｍｇ画素〔画素Ｍｇ１１、Ｍｇ１２，Ｍｇ２１，Ｍｇ２２〕１０３ＡとＧ画素〔画素Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ２１，Ｇ２２〕１０３Ｂによる斜め画素ずらしに場合は、隣合うＭｇ画素１０３ＡとＧ画素１０３Ｂとに跨がる領域を仮想画素（記録画素に相当する）Ｐ１〜Ｐ９とする。今、仮想画素Ｐ５の緑（Ｇ），赤（Ｒ），青（Ｂ）の色信号Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５を演算する。Ｇ_１１〜Ｇ_２２はそれぞれ画素Ｇ１１〜Ｇ２２の緑色成分信号、Ｍｇ_１１Ｒ〜Ｍｇ_２２Ｒはそれぞれ画素Ｍｇ１１〜Ｍｇ２２の赤色成分信号、Ｍｇ_１１Ｂ 〜Ｍｇ_２２Ｂ はそれぞれ画素Ｍｇ１１〜Ｍｇ２２の青色成分信号とする。

図９及び図１０は、それぞれ図７Ａ，Ｂに示すように、模式的に正方形の１画素（物理画素）１０３の１辺の長さを１ピッチｐ１としたとき、仮想画素Ｐ５の中心（画素Ｍｇ１１と画素Ｇ２２の境界線上になる）から１ピッチｐ１未満の半径Ｒ１の円Ｃ１内に含まれる画素の信号を演算する例である。

図９は、その演算式の第１実施の形態である。仮想画素Ｐ５の緑（Ｇ），赤（Ｒ），青（Ｂ）の色信号Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５は、次の数１で示す演算式で求まる。
[数１]
Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_２２＋Ｍｇ_１１Ｇ）／２
Ｍｇ_１１Ｇ＝（Ｇ_２１＋Ｇ_１２）／２
Ｇ_Ｐ５＝｛Ｇ_２２＋（Ｇ_２１＋Ｇ_１２）／２｝／２
∴Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_２１＋Ｇ_１２＋２Ｇ_２２）／４

Ｒ_Ｐ５＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｇ_２２Ｒ）／２
Ｇ_２２Ｒ＝（Ｍｇ_２１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ）／２
Ｒ_Ｐ５＝｛ｇ_１１Ｒ＋（Ｍｇ_２１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ）／２｝／２
∴Ｒ_Ｐ５＝（２Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ ＋Ｍｇ_１２Ｒ）／４

Ｂ_Ｐ５＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｇ_２２Ｂ）／２
Ｇ_２２Ｂ＝（Ｍｇ_２１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ）／２
Ｂ_Ｐ５＝｛Ｍｇ_１１Ｂ＋（Ｍｇ_２１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ）／２｝／２
∴Ｂ_Ｐ５＝（２Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ ＋Ｍｇ_１２Ｂ）／４

図１０は、その演算式の第２実施の形態である。仮想画素Ｐ５の演算を行うために、先ず斜め画素ずらしの仮想画素Ｋ１，Ｋ２の色成分信号を求めて、この仮想画素Ｋ１，Ｋ２から仮想画素Ｐ５の色信号Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５を求める。すなわち、次の数２で示す演算式で求まる。Ｇ_Ｋ１，Ｒ_Ｋ１，Ｂ_Ｋ１はそれぞれ仮想画素Ｋ１の緑色成分信号，赤色成分信号，青色成分信号、Ｇ_Ｋ２，Ｒ_Ｋ２，Ｂ_Ｋ２はそれぞれ仮想画素Ｋ２の緑色成分信号，赤色成分信号，青色成分信号とする。

[数２]
Ｇ_Ｋ１＝（Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／２
Ｇ_Ｋ２＝（Ｇ_１２＋Ｇ_２２）／２
∴Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_Ｋ１＋Ｇ_Ｋ２）／２

Ｒ_Ｋ１＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ ）／２
Ｒ_Ｋ２＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ ）／２
∴Ｒ_Ｐ５＝（Ｒ_Ｋ１＋Ｒ_Ｋ２）／２

Ｂ_Ｋ１＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ ）／２
Ｂ_Ｋ２＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ ）／２
∴Ｂ_Ｐ５＝（Ｂ_Ｋ１＋Ｂ_Ｋ２）／２

数２の演算式Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５により数１を算出することができる。
Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_Ｋ１＋Ｇ_Ｋ２）／２
＝〔｛（Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／２｝＋｛（Ｇ_１２＋Ｇ_２２）／２｝〕／２
＝（Ｇ_２１＋Ｇ_１２＋２Ｇ_２２）／４
Ｒ_Ｐ５＝（Ｒ_Ｋ１＋Ｒ_Ｋ２）／２
＝〔｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ ）／２｝＋｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ ）／２｝〕／２
＝（２Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ ＋Ｍｇ_１２Ｒ ）／４
Ｂ_Ｐ５＝（Ｂ_Ｋ１＋Ｂ_Ｋ２）／２
＝〔｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ ）／２｝＋｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ ）／２｝〕／２
＝（２Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ ＋Ｍｇ_１２Ｂ ）／４

このように、本実施の形態では、同一画素からＲ信号、Ｂ信号を取出すことができるので、数１、数２に示すようにＲ，Ｇ，Ｂの色信号の演算式を簡略化することができる。数２の演算式は、数１よりさらに演算を簡略化することができる。

図１１及び図１２は、それぞれ図８に示すように、仮想画素Ｐ５の中心（画素Ｍｇ１１と画素Ｇ２２の境界線上になる）から１ピッチｐ１を半径Ｒ２とする円Ｃ２以内に接する画素の信号、すなわち半径Ｒ２の円Ｃ２に接する画素を含む円Ｃ２内の画素の信号を演算する例である。

図１１は、その演算式の第３実施の形態である。仮想画素Ｐ５の緑（Ｇ），赤（Ｒ），青（Ｂ）の色信号Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５は、次の数３で示す演算式で求まる。
[数３]
Ｇ_Ｐ５＝｛Ｇ_２２＋Ｍｇ_１１Ｇ＋（Ｇ_１２＋Ｇ_２２）／２＋（Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／２｝／４
Ｍｇ_１１Ｇ＝（Ｇ_１１＋Ｇ_２１＋Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／４
Ｇ_Ｐ５＝［Ｇ_２２＋｛（Ｇ_１１＋Ｇ_２１＋Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／４｝
＋｛（２Ｇ_１２＋２Ｇ_２２）／４｝＋｛（２_２１＋２Ｇ_２２）／４｝］／４
∴Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_１１＋３Ｇ_２１＋３Ｇ_１２＋９Ｇ_２２）／１６

Ｒ_Ｐ５＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｇ_２２Ｒ＋Ｇ_１２Ｒ＋Ｇ_２１Ｒ）／４
Ｇ_２２Ｒ＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ＋Ｍｇ_２２Ｒ）／４
Ｇ_１２Ｒ＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ）／２
Ｇ_２１Ｒ＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ）／２
Ｒ_Ｐ５＝［Ｍｇ１１Ｒ＋｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ＋Ｍｇ_２２Ｒ）／４｝
＋｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ）／２｝
＋｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ）／２｝］／４
∴Ｒ_Ｐ５＝（９Ｍｇ_１１Ｒ＋３Ｍｇ_２１Ｒ ＋３Ｍｇ_１２Ｒ＋Ｍｇ_２２Ｒ ）／１６

Ｂ_Ｐ５＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｇ_２２Ｂ＋Ｇ_１２Ｂ＋Ｇ_２１Ｂ）／４
Ｇ_２２Ｂ＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ＋Ｍｇ_２２Ｂ）／４
Ｇ_１２Ｂ＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ）／２
Ｇ_２１Ｂ（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ）／２
Ｂ_Ｐ５＝［Ｍｇ１１Ｂ＋｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ＋Ｍｇ_２２Ｂ）／４｝
＋｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ）／２｝
＋｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ）／２｝］／４
∴Ｂ_Ｐ５＝（９Ｍｇ_１１Ｂ＋３Ｍｇ_２１Ｂ ＋３Ｍｇ_１２Ｂ＋Ｍｇ_２２Ｂ ）／１６

図１２は、その演算式の第４実施の形態である。仮想画素Ｐ５の演算を行うために、先ず斜め画素ずらしの仮想画素Ｋ１，Ｋ２の色成分信号を求めて、この仮想画素Ｋ１，Ｋ２と画素Ｍｇ１１と画素Ｇ２２とから仮想画素Ｐ５の色信号Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５を求める。すなわち、次の数４で示す演算式で求まる。なお、Ｍｇ_１１Ｇは画素Ｍｇ_１１を仮想画素としたときの、これに接する画素Ｇ_１１〜Ｇ_２２から得られた緑色成分信号、Ｇ_２２Ｒ，Ｇ_２２Ｂ は画素Ｇ_２２を仮想画素としたときの、これに接する画素Ｍｇ_１１〜Ｍｇ_２２から得られた赤色成分信号、青色成分信号である。

[数４]
Ｇ_Ｋ１＝（Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／２
Ｇ_Ｋ２＝（Ｇ_１２＋Ｇ_２２）／２
Ｍｇ_１１Ｇ＝（Ｇ_１１＋Ｇ_１２＋Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／４
Ｇ_２２
∴Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_Ｋ１＋Ｇ_Ｋ２＋Ｍｇ_１１Ｇ＋Ｇ_２２）／４

Ｒ_Ｋ１＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ ）／２
Ｒ_Ｋ２＝（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ ）／２
Ｇ_２２Ｒ＝（Ｍｇ_１１Ｒ ＋Ｍｇ_１２Ｒ ＋Ｍｇ_２１Ｒ＋Ｍｇ_２２Ｒ ）／４
Ｍｇ_１１Ｒ
∴Ｒ_Ｐ５＝（Ｒ_Ｋ１＋Ｒ_Ｋ２＋Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｇ_２２Ｒ）／４

Ｂ_Ｋ１＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ ）／２
Ｂ_Ｋ２＝（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ ）／２
Ｇ_２２Ｂ ＝（Ｍｇ_１１Ｂ ＋Ｍｇ_１２Ｂ ＋Ｍｇ_２１Ｂ＋Ｍｇ_２２Ｂ ）／４
Ｍｇ_１１Ｂ
∴Ｂ_Ｐ５＝（Ｂ_Ｋ１＋Ｂ_Ｋ２＋Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｇ_２２Ｂ ）／４

数４の演算式Ｇ_Ｐ５，Ｒ_Ｐ５，Ｂ_Ｐ５により数３を算出することができる。
Ｇ_Ｐ５＝（Ｇ_Ｋ１＋Ｇ_Ｋ２＋Ｍｇ_１１Ｇ＋Ｇ_２２）／４
＝〔｛（Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／２｝＋｛（Ｇ_１２＋Ｇ_２２）／２｝
＋｛（Ｇ_１１＋_１２＋Ｇ_２１＋Ｇ_２２）／４｝＋Ｇ_２２〕／４
＝（Ｇ_１１＋３Ｇ_２１＋３Ｇ_１２＋９Ｇ_２２）／１６
Ｒ_Ｐ５＝（Ｒ_Ｋ１＋Ｒ_Ｋ２＋Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｇ_２２Ｒ）／４
＝〔｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_２１Ｒ ）／２｝＋｛（Ｍｇ_１１Ｒ＋Ｍｇ_１２Ｒ ）／２｝
＋Ｍｇ_１１Ｒ＋｛（Ｍｇ_１１Ｒ ＋Ｍｇ_１２Ｒ ＋Ｍｇ_２１Ｒ＋Ｍｇ_２２Ｒ ）／４｝〕／４
＝（９Ｍｇ_１１Ｒ＋３Ｍｇ_２１Ｒ ＋３Ｍｇ_１２Ｒ＋Ｍｇ_２２Ｒ ）／１６
Ｂ_Ｐ５＝（Ｂ_Ｋ１＋Ｂ_Ｋ２＋Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｇ_２２Ｂ ）／４
＝〔｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_２１Ｂ ）／２〕＋｛（Ｍｇ_１１Ｂ＋Ｍｇ_１２Ｂ ）／２｝
＋Ｍｇ_１１Ｂ＋｛（Ｍｇ_１１Ｂ ＋Ｍｇ_１２Ｂ ＋Ｍｇ_２１Ｂ＋Ｍｇ_２２Ｂ ）／４｝
＝（９Ｍｇ_１１Ｂ＋３Ｍｇ_２１Ｂ ＋３Ｍｇ_１２Ｂ＋Ｍｇ_２２Ｂ ）／１６

このように、本実施の形態では、同一画素からＲ信号、Ｂ信号を取出すことができるので、数３、数４に示すようにＲ，Ｇ，Ｂの色信号の演算式を簡略化することができる。数４の演算式は、数３よりさらに演算を簡略化することができる。

一方、本発明に係る半導体イメージセンサは、第１画素グループと第２画素グループの複数の画素において、画素を構成するＭＯＳトランジスタを共有することができる。すなわち、ＭＯＳトランジスタ４個の場合に、例えば選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの夫々、あるいはこれらトランジスタの全てを共有するように構成することがでる。また、ＭＯＳトランジスタ３個の場合に、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの夫々、あるいはこれらのトランジスタの全てを共有するように構成することができる。

図１３及び図１４にその実施の形態を示す。図１３は、Ｍｇ画素とＧ画素の２画素で増幅トランジスタとリセットトランジスタと選択トランジスタを共有した実施の形態である。本実施の形態は、Ｇ画素による緑色用フォトダイオードＰＤｇと、Ｍｇ画素による赤色用フォトダイオードＰＤｒ及び青色用フォトダイオードＰＤｂとに対してそれぞれ対応する転送用トランジスタＴｒ１ｇ，Ｔｒ１ｒ，Ｔｒ１ｂのソースが接続される。各転送用トランジスタＴｒ１ｇ，Ｔｒ１ｒ，Ｔｒ１ｂの各ゲートには転送配線１１１（Ｇ），１１１（ＭｇＲ），１１１（ＭｇＢ）が接続される。各転送トランジスタＴｒ１ｇ，Ｔｒ１ｒ，Ｔｒ１ｂのドレインは、共通接続されて１つのリセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳに接続されると共に、転送用トランジスタのドレインとリセットトランジスタのソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンＦＤが１つの増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰのゲートに接続される。リセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳのドレインと増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰのドレインは電源配線１１２（Ｖｃｃ）に接続される。リセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳのゲートはリセット配線１１３に接続される。さらに、増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰのソースが１つの選択トランジスタＴｒ_ＳＥＬ のドレインに接続される。選択トランジスタＴｒ_ＳＥＬ のソースは垂直信号線１１５に接続され、そのゲートに選択配線１１４が接続される。

このように、Ｍｇ画素とＧ画素の２つの画素に対してリセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳ、増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰ及び選択トランジスタＴｒ_ＳＥＬを共有することにより、前述のＭｇ画素及びＧ画素を斜めずらし配列したことによる効果に加えて、画素のＭＯＳトランジスタの面積を縮小することができる。従って、フォトダイオード面積（受光部の開口面積）を更に大きくすることができるので、飽和電荷量、感度をさらに向上することができる。

図１４は、２つのＭｇ画素と２つのＧ画素の計４画素で増幅トランジスタとリセットトランジスタと選択トランジスタを共有した実施の形態である。本実施の形態は、２つのＧ画素による緑色用フォトダイオードＰＤｇ１，ＰＤｇ２と、２つのＭｇ画素による赤色用フォトダイオードＰＤｒ１，ＰＤｒ２及び青色用フォトダイオードＰＤｂ１，ＰＤｂ２とに対してそれぞれ対応する転送用トランジスタＴｒ１ｇ，Ｔｒ２ｇ，Ｔｒ１ｒ，Ｔｒ２ｒ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ２ｂのソースが接続される。この場合転送用トランジスタは６個となる。各転送用トランジスタＴｒ１ｇ，Ｔｒ２ｇ，Ｔｒ１ｒ，Ｔｒ２ｒ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ２ｂの各ゲートには転送配線１１１Ｇ１，１１１Ｇ２，１１１ＭｇＲ１，１１１ＭｇＲ２，１１１ＭｇＢ１，１１１ＭｇＢ２が接続される。各転送トランジスタＴｒ１ｇ，Ｔｒ２ｇ，Ｔｒ１ｒ，Ｔｒ２ｒ，Ｔｒ１ｂ，Ｔｒ２ｂのドレインは、共通接続されて１つのリセットトランジスタＴｒ_ＳＥＬに接続されると共に、転送用トランジスタのドレインとリセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳのソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンＦＤが１つの増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰのゲートに接続される。リセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳのドレインと増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰ のドレインは電源配線１１２（Ｖｃｃ）に接続される。リセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳのゲートはリセット配線１１３に接続される。さらに、増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰのソースが１つの選択トランジスタＴｒ_ＳＥＬ のドレインに接続される。選択トランジスタＴｒ_ＳＥＬ のソースは垂直信号線１１５に接続され、そのゲートに選択配線１１４が接続される。

このように、２つのＭｇ画素と２つのＧ画素の計４つの画素に対してリセットトランジスタＴｒ_ＲＥＳ、増幅トランジスタＴｒ_ＡＭＰ及び選択トランジスタＴｒ_ＳＥＬ を共有することにより、前述のＭｇ画素及びＧ画素を斜めずらし配列したことによる効果に加えて、画素のＭＯＳトランジスタの面積をさらに縮小することができる。従って、フォトダイオード面積（受光部の開口面積）を更に大きくすることができるので、飽和電荷量、感度をさらに向上することができる。

なお、図１３、図１４は画素トランジスタとして４つのＭＯＳトランジスタを有した場合であるが、前述の図１７に示す画素トランジスタとして３つのＭＯＳトランジスタを有した場合にも適用できえる。その場合には、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等を共有した構成とすることができる。

上述したように本実施の形態によれば、２×２の分光構造（すなわち、Ｇ検出センサと、Ｂ，Ｒ検出センサを分けて、Ｂ，Ｒは同一画素から検出できる構造）を用いて、かつ斜め画素ずらしを用いる構成としたので、さらなる高感度化、解像度の向上を図ることができる。ＨＡＤ構造を用いてＢ，Ｒの検出が可能になり、ノイズを低減することができる。複数画素に対して信号を読出すためのＭＯＳトランジスタを共有することにより、受光部の開口率を向上することができる。仮想画素のＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を求める演算式を簡略化することができる。第１実施の形態のオンチップカラーフィルタを有しない構成としても、色分解が可能であり、低コスト化ができ、感度を向上することができる。

上例では、原色フィルタとして緑（Ｇ）フィルタを、補色フィルタとしてマゼンタ（Ｍｇ）フィルタを用いたが、その他の原色フィルタと補色フィルタの組み合わせにも本発明は適用できる。

６１、１００・・半導体イメージセンサ、６３〔６３Ａ，６３Ｂ〕、１０３〔１０３Ａ，１０３Ｂ〕・・画素、６４、６５・・周辺回路、７１・・ｎ型半導体基板、７２・・ｐ型半導体ウェル領域、７３、７４、８６・・ｎ型半導体領域、ＰＤｂ・・青色用フォトダイオード、ＰＤｒ・・赤色用フォトダイオード、ＰＤｇ・・緑色用フォトダイオード、７５、８７・・ｐ型アキュミュレーション領域、１０５・・マゼンタ（Ｍｇ）フィルタ、１０６・・緑（Ｇ）フィルタ

Claims (7)

1. 光電変換手段と該光電変換手段を選択読み出するＭＯＳトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、
   二次元的に複数の画素が水平方向及び垂直方向のそれぞれに所定ピッチで配列された第１の画素グループと、
   前記第１の画素グループに対して水平方向及び垂直方向共に前記ピッチの略１／２ピッチずらした状態で、二次元的に複数の画素が配列された第２の画素グループとを備え、
   前記第１の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が深さ方向に２層積層された積層構造を有し、同一画素からピーク波長の異なる２つの光電変換信号を取り出すようにして成り、
   前記第２の画素グループの光電変換手段は光電変換に寄与するｎ型半導体領域が１層設けられた構造を有し、
   前記第１の画素グループと前記第２の画素グループは、合計３層の光電変換に寄与するｎ型半導体領域の深さがそれぞれ異なるようにして成り、
   前記第１の画素グループの各画素は青色成分信号及び赤色成分信号が分離して検出される構成とされ、前記第２の画素グループの各画素は緑色成分信号が検出される構成とされる
   半導体イメージセンサ。
2. 前記第１の画素グループに対応するオンチップカラーフィルタに補色フィルタを用いて成る請求項１に記載の半導体イメージセンサ。
3. 前記第１の画素グループの各第１画素は異なる原色の第１及び第２の色成分信号が分離して検出される構成とされ、前記第２の画素グループの各第２画素は前記原色と異なる原色の第３の色成分信号が検出される構成とされ、
   隣り合う前記第１画素と前記第２画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に前記画素グループの画素の１ピッチ未満の長さを半径とした円内に含む第１画素及び第２画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出し、
   前記第１の色成分信号が青色成分信号であり、前記第２の色成分信号が赤色成分信号であり、かつ、前記第３の色成分信号が緑色成分信号である
   請求項１又は請求項２に記載の半導体イメージセンサ。
4. 前記第１の画素グループの各第１画素は異なる原色の第１及び第２の色成分信号が分離して検出される構成とされ、前記第２の画素グループの各第２画素は前記原色と異なる原色の第３の色成分信号が検出される構成とされ、
   隣り合う前記第１画素と前記第２画素とに跨がる領域を仮想画素として、該仮想画素を中心に前記画素グループの画素の１ピッチの長さを半径とした円に接した画素を含んで該円内に含む第１画素及び第２画素の色成分信号から演算処理して色信号を検出し、
   前記第１の色成分信号が青色成分信号であり、前記第２の色成分信号が赤色成分信号であり、かつ、前記第３の色成分信号が緑色成分信号である
   請求項１又は請求項２に記載の半導体イメージセンサ。
5. 前記第１の画素グループと前記第２の画素グループとの複数の画素において、前記ＭＯＳトランジスタのうちの増幅トランジスタを共有して成る
   請求項１、２、３又は４記載の半導体イメージセンサ。
6. 前記第１の画素グループと前記第２の画素グループとの複数の画素において、前記ＭＯＳトランジスタのうちのリセットトランジスタを共有して成る
   請求項１、２、３又は４記載の半導体イメージセンサ。
7. 前記第１の画素グループと前記第２の画素グループとの複数の画素において、前記ＭＯＳトランジスタのうちの選択トランジスタを共有して成る
   請求項１、２、３又は４記載の半導体イメージセンサ。

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