KR101640259B1 - 고체 촬상 장치 및 카메라 - Google Patents
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Abstract
고체 촬상 장치는: 복수의 수광 유닛이 매트릭스 모양으로 형성되고 상기 복수의 수광 유닛 사이에 복수의 배선이 형성되는 촬상 유닛과; 상기 촬상 유닛의 상방에 배치되고, 소정의 규칙으로 상기 수광 유닛에 배색하는 칼라 필터; 및 상기 칼라 필터 위에 1대1 관계로 상기 수광 유닛에 대응하도록 배치되며, 상기 수광 유닛의 감도차에 따라 변하는 집광 특성을 갖는 온 칩 렌즈를 포함하고, 동일한 규칙에 따라 상기 수광 유닛에 동일한 색상이 배색될 때, 상기 수광 유닛에 대한 개개의 배선의 위치가 주기적으로 변하는 것에 기인하여, 상기 수광 유닛의 감도차가 생성된다.
Description
본 발명은 고체 촬상 장치 및 카메라에 관한 것이다. 특히, 수광 유닛과 배선층의 위치 관계가 주기적으로 변하는 고체 촬상 장치 및 이러한 고체 촬상 장치를 이용하는 카메라에 관한 것이다.
근래, 고체 촬상 장치로서, IC 제조의 표준적인 기술인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 CMOS형 고체 촬상 장치가 폭넓게 이용되고 있다.
CMOS형 고체 촬상 장치는, CCD(Charge Coupled Device)처럼 비싼 구동 전압을 필요로 하지 않고, 또한, 주변 회로와 일체화(온 칩화)도 가능하기 때문에 소형화에 상당히 유리하다.
또한, 현재, CMOS형 고체 촬상 장치는, 칩 사이즈의 소형화 및 다픽셀화가 강하게 요구되고 있다. 그러나, 현재 상태의 픽셀 사이즈를 유지한 상태로 칩을 소형화하는 것으로는, 픽셀수가 감소하고, 그 결과로서 해상도가 저하되어 버린다. 한편, 현재의 상태의 픽셀 사이즈를 유지한 상태에서 다픽셀화 하는 것으로는, 칩 사이즈가 커지고, 생산 비용의 증대 또는 칩 수율의 저하를 초래하게 된다.
따라서 칩 사이즈의 소형화 및 다픽셀화를 실현하기 위해서는 픽셀 사이즈를 현재 보다 축소할 필요가 있다. 이것이 가능하면, 해상도를 유지한 상태로 소형의 CMOS형 고체 촬상 장치가 제공할 수 있고, 또는, 역으로 소자 사이즈를 유지한 상태로 해상도를 상승시킬 수 있다.
픽셀 사이즈가 축소되면, 단위 픽셀에 입사하는 광량은 감소하고, 각 픽셀의 수광 유닛의 감도 특성이 저하되는 이상이 생겨 버리다. 또한, 출력 회로의 변환 효율을 향상시키는 것에 의해 감도 특성을 유지하는 것도 가능하지만, 그 경우, 노이즈 성분도 증폭해 버린다.
그 때문에, CMOS형 고체 촬상 장치로부터 출력된 영상 신호의 S/N비가 저하되어 버린다. 즉, 픽셀 사이즈가 축소도면 광전 변환 효율을 향상시키는 것에 의해 감도 특성을 유지하는 것이 어렵기 때문에, 영상 신호의 S/N비가 저하되는 것을 방지하기 위해 각 픽셀의 집광 효율을 향상시킬 필요가 있다.
이러한 관점에서, 예를 들면, 일본 특개2002-76322호, 일본 특개2002-151670호, 및 일본 특개 2005-116939호 공보에 개시된 바와 같이, 수광 유닛의 상방에 설치한 칼라 필터 상에 온 칩 렌즈(OCLs : On Chip Lens)를 설치하고 수광 유닛에의 집광 효율을 높이는 궁리가 이루어지고 있다
또한, CMOS 센서는, 복수의 픽셀이 매트릭스 모양으로 배치되어 이루어지는 것이지만, 한 픽셀 영역에 수광 유닛 외에, 판독 게이트, 전하 전압 변환부, 리셋 게이트, 앰프 등의 대부분의 구성요소 트랜지스터를 포함하기 때문에, 픽셀의 축소화가 곤란하다.
단, 최근에는, 본래는 한 픽셀마다 가지는 구성요소의 일부를 복수의 픽셀로 공유하는 것에 의해, 한 픽셀당의 수광 유닛 이외의 점유 면적을 억제하는, 이른바 복수 픽셀 공유 구조가 제안되고 있다(예를 들면, 일본 특개2006-54276호 공보 참조). 이러한 기술은, CMOS형 고체 촬상 장치에 있어서 픽셀 축소화를 실현하는 데에 필수 기술이 되고 있다.
그렇지만, 픽셀 사이즈의 축소화를 실현하기 위한 픽셀 패턴이나, 복수 픽셀 공유 구조의 픽셀 패턴에서는, 수광 유닛과 배선층의 위치 관계가 주기적으로 변하게 된다. 그리고, 수광 유닛과 배선층이 균일하게 배치되지 않기 때문에, 환언하면, 수광 유닛과 배선층에 의하여 형성된 픽셀 패턴이 불균일 패턴이기 때문에, 수광 유닛에 주기적인 감도차가 생기고, 고체 촬상 장치로부터 출력되는 영상 신호에서 주기적인 화질 열화가 생기는 원인이 된다.
본 발명은 이상의 점을 감안하여 창안된 것으로, 픽셀 출력 신호의 균일화를 실현할 수 있는 고체 촬상 장치 및 카메라를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 복수의 수광 유닛이 매트릭스 모양으로 형성되고 상기 복수의 수광 유닛 사이에 복수의 배선이 형성되는 촬상 유닛과; 상기 촬상 유닛의 상방에 배치되고, 소정의 규칙으로 상기 수광 유닛에 배색하는 칼라 필터; 및 상기 칼라 필터 위에 1대1 관계로 상기 수광 유닛에 대응하도록 배치되며, 상기 수광 유닛의 감도차에 따라 변하는 집광 특성을 갖는 온 칩 렌즈를 포함하고, 동일한 규칙에 따라 상기 수광 유닛에 동일한 색상이 배색될 때, 상기 수광 유닛에 대한 개개의 배선의 위치가 주기적으로 변하는 것에 기인하여, 상기 수광 유닛의 감도차가 생성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 복수의 수광 유닛이 매트릭스 모양으로 형성되고 상기 복수의 수광 유닛 사이에 복수의 배선이 형성되는 촬상 유닛과, 상기 촬상 유닛의 상방에 배치되고, 소정의 규칙으로 상기 수광 유닛에 배색하는 칼라 필터, 및 상기 칼라 필터 위에 1대1 관계로 상기 수광 유닛에 대응하도록 배치되며, 상기 수광 유닛의 감도차에 따라 변하는 집광 특성을 갖는 온 칩 렌즈를 포함하고, 동일한 규칙에 따라 상기 수광 유닛에 동일한 색상이 배색될 때, 상기 수광 유닛에 대한 개개의 배선의 위치가 주기적으로 변하는 것에 기인하여, 상기 수광 유닛의 감도차가 생성되는 고체 촬상 장치와; 상기 촬상 유닛으로 입사광을 유도하는 광학계; 및 상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 카메라가 제공된다.
여기에서, 온 칩 렌즈의 집광 특성이, 수광 유닛에 대한 개개 배선의 위치가 주기적으로 변하는 것에 기인하여 동일 규칙으로 동일색이 배색된 수광 유닛 간에 생기는 감도차에 따라 다르기 때문에, 수광 유닛과 배선의 위치 관계에 기인하는 화질 열화를 억제할 수 있다.
또한, 동일 규칙으로 동일색이 배치된 수광 유닛이란, 해당 수광 유닛에 배색된 색이 동일함과 동시에, 해당 수광 유닛에 인접하는 수광 유닛에 배색된 색도 동일한 수광 유닛을 의미한다.
본 발명의 고체 촬상 장치 및 카메라에서는, 수광 유닛과 배선의 위치 관계에 기인하는 주기적인 화질 열화를 억제할 수 있고, 화상 출력 신호의 균일화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명을 적용한 고체 촬상 장치의 일 예인 CMOS형 이미지 센서의 대략 구성도.
도 2의 A는 2개의 픽셀을 포함하며 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛(a component-shared-by-two-pixels unit)의 평면 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 2의 B는 2개의 픽셀을 포함하며 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 다른 유닛의 평면 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 3의 A는 도 2의 A에 도시된 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛이 어떻게 구성요소를 공유하는지를 설명하는 개략도.
도 3의 B는 도 2의 B에 도시된 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛이 어떻게 구성요소를 공유하는지를 설명하는 개략도.
도 4는 촬상 유닛의 레이아웃을 설명하기 위한 개략도.
도 5는 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서의 촬상 유닛의 단면을 설명하기 위한 개략도.
도 6은 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서의 OCL(On-Chip Lenses)을 설명하기 위한 개략도.
도 7은 도 1의 Ⅶ-Ⅶ선을 따른 개략적인 단면도.
도 8은 4개의 픽셀을 포함하며 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛(이하, 간략히 4픽셀 구성요소 공유 유닛으로 칭함)으로 구성된 CMOS형 이미지 센서의 대략 구성도.
도 9는 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛의 평면 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 10은 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛으로 구성된 촬상 유닛의 레이아웃을 설명하기 위한 개략도1.
도 11은 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛으로 구성된 촬상 유닛의 레이아웃을 설명하기 위한 개략도2.
도 12는 본 발명을 적용한 카메라의 일 예인 CMOS형 카메라의 대략 구성도.
도 2의 A는 2개의 픽셀을 포함하며 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛(a component-shared-by-two-pixels unit)의 평면 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 2의 B는 2개의 픽셀을 포함하며 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 다른 유닛의 평면 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 3의 A는 도 2의 A에 도시된 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛이 어떻게 구성요소를 공유하는지를 설명하는 개략도.
도 3의 B는 도 2의 B에 도시된 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛이 어떻게 구성요소를 공유하는지를 설명하는 개략도.
도 4는 촬상 유닛의 레이아웃을 설명하기 위한 개략도.
도 5는 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서의 촬상 유닛의 단면을 설명하기 위한 개략도.
도 6은 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서의 OCL(On-Chip Lenses)을 설명하기 위한 개략도.
도 7은 도 1의 Ⅶ-Ⅶ선을 따른 개략적인 단면도.
도 8은 4개의 픽셀을 포함하며 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛(이하, 간략히 4픽셀 구성요소 공유 유닛으로 칭함)으로 구성된 CMOS형 이미지 센서의 대략 구성도.
도 9는 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛의 평면 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 10은 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛으로 구성된 촬상 유닛의 레이아웃을 설명하기 위한 개략도1.
도 11은 4개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛으로 구성된 촬상 유닛의 레이아웃을 설명하기 위한 개략도2.
도 12는 본 발명을 적용한 카메라의 일 예인 CMOS형 카메라의 대략 구성도.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 실시형태라고 칭한다)에 관하여 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제 1의 실시형태
2. 제 2의 실시형태
3. 변형예
<제 1의 실시형태>
[고체 촬상 장치의 대략 구성]
도 1은, 본 발명을 적용한 고체 촬상 장치의 일 예인 CMOS형 이미지 센서의 대략 구성도이다. 도 1에 도시된 CMOS형 이미지 센서(1)는, 2개의 픽셀로 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 공유하는 복수의 세트를 매트릭스 모양으로 배열하고 있다. 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 공유하는 2개의 픽셀로 이루어진 세트를, 이하, 2개의 픽셀에 의해 구성요소가 공유되는 유닛(이하, 간략히 2픽셀 구성요소 공유 유닛)이라 칭한다.
자세하게는, 2개의 포토 다이오드(PD1, PD2) 및 각 포토 다이오드와 대응하는 2개의 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)가, 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 공유하고 있다.
즉, 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서(1)는, 복수의 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)이 규칙적으로 2차원 배열된 촬상 유닛(3)과, 촬상 유닛(3)의 주변에 배치된 주변 회로를 갖고 구성된다. 또한, 주변 회로는, 수직 구동 유닛(4)와, 수평 전송 유닛(5) 및 출력 유닛(6)를 포함한다.
포토 다이오드(PD1 및 PD2)는, 입사광을 광전 변환하고, 광전 변환에 의해 생성된 신호 전하를 축적하는 영역을 구비한다.
전송 트랜지스터(Tr11 및 Tr12)는 포토 다이오드(PD1 및 PD2)로부터 신호 전하를 각각 판독하고 이들 신호 전하를 후술하는 플로팅 디퓨전(FD) 영역으로 전송한다.
리셋 트랜지스터(Tr2)는, 플로팅 디퓨전(FD) 영역의 전위를 미리 정해진 값으로 설정하기 위한 트랜지스터이다.
증폭 트랜지스터(Tr3)는, 플로팅 디퓨전(FD) 영역으로 전송된 신호 전하를 증폭하기 위한 트랜지스터이다.
선택 트랜지스터(Tr4)는, 픽셀 1 행을 선택하고 픽셀 신호를 수직 신호선(8)에 제공하기 위한 트랜지스터이다.
또한, 제 1의 실시형태에서는, 선택 트랜지스터(Tr4)를 갖고 구성된 경우를 예로 들어 설명하고 있지만, 선택 트랜지스터(Tr4)를 생략하고 구성하는 것도 가능하다.
2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)의 회로 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이, 2개의 각 포토 다이오드(PD1, PD2)가, 각각 대응하는 2개의 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)의 소스에 접속되어 있다. 또한, 각 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)의 드레인은 리셋 트랜지스터(Tr2)의 소스에 접속되어 있다.
또한, 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)와 리셋 트랜지스터(Tr2) 사이에 전하 전압 변환기로서 배치된 공통의 플로팅 디퓨전(FD) 영역은 증폭 트랜지스터(Tr3)의 게이트에 접속되어 있다.
또한, 증폭 트랜지스터(Tr3)의 소스는 선택 트랜지스터(Tr4)의 드레인에 접속되어 있다. 또한, 리셋 트랜지스터(Tr2)의 드레인 및 증폭 트랜지스터(Tr3)의 드레인은, 전원 전압 공급부에 접속되어 있다. 또한, 선택 트랜지스터(Tr4)의 소스는 수직 신호선(8)에 접속되어 있다.
수직 구동 유닛(4)은, 1 행에 배열된 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)의 리셋 트랜지스터(Tr2)의 게이트에 공통 리셋 신호(φRST)를 공급한다. 또한, 수직 구동 유닛(4)은 1 행에 배열된 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)의 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)의 게이트에 행 전송 신호(φTRG)를 공통으로 인가한다. 또한, 수직 구동 유닛(4)은 1 행에 배열된 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)의 선택 트랜지스터(Tr4)의 게이트에 행 선택 신호(φSEL)를 공통으로 인가한다.
수평 전송 유닛(5)은, 각 열의 수직 신호선(8)에 접속된 아날로그 디지털 변환기(9)(ADC)와, 열 선택 회로(스위치 수단)(SW)와, 수평 전송선(10)(예를 들면 데이터 비트선과 동수의 배선으로 구성된 베이스 배선)을 포함한다.
출력 유닛(6)은, 수평 전송선(10)으로부터의 출력을 처리하는 신호 처리 회로(11)와, 출력 버퍼(12)를 포함한다.
본 발명을 적용한 고체 촬상 장치의 일 예인 CMOS형 이미지 센서(1)에서는, 각 행의 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)으로부터 판독된 신호가 각 아날로그/디지털 변환기(9)에 의해 디지털 신호로 변환되고, 디지털 신호는 열 선택 회로(SW)에 의해 순차적으로 선택되고, 수평 전송선(10)으로 순차적으로 전송된다. 디지털 신호(화상 데이터)는 신호 처리 회로(11)에 의해 처리된 후 출력 버퍼(12)로부터 출력된다.
2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)의 동작에 관해서는, 우선, 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)의 게이트와 리셋 트랜지스터(Tr2)의 게이트를 온 상태로 하여 포토 다이오드(PD1, PD2)의 전하를 전부 빈 상태로 한다. 다음에, 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)의 게이트와 리셋 트랜지스터(Tr2)의 게이트를 오프 상태로 하여 전하 축적을 행한다.
계속해서, 포토 다이오드(PD1, PD2)의 전하를 판독하기 직전에 리셋 트랜지스터(Tr2)의 게이트를 온 상태로 하여 플로팅 디퓨전(FD) 영역의 전위를 리셋한다.
그 후, 리셋 트랜지스터(Tr2)의 게이트를 오프 상태로 하고 전송 트랜지스터(Tr11, Tr12)의 게이트를 온 상태에 하여 포토 다이오드(PD1, PD2)로부터 전하를 플로팅 디퓨전(FD) 영역으로 전송한다. 그 다음, 신호 전하는 포토 다이오드(PD1 및 PD2)를 통해 증폭 트랜지스터(Tr3)의 게이트에 인가되고, 증폭 트랜지스터(Tr3)는 신호 전하를 증폭한다.
선택 트랜지스터(Tr4)가 온 상태가 되면, 증폭 트랜지스터(Tr3)에 의해 수행되는 신호 전하의 전하 전압 변환을 통해 얻어지는 화상 신호는 수직 신호선(8)을 통해 판독된다.
매트릭스 모양으로 배치된 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)의 평면 구성에서, 서로 대각 방향으로 이웃한 2개의 수광 유닛의 사이에 1개의 플로팅 디퓨전(FD)이 배치되어 있다. 즉, 이들 2개의 수광 유닛은 각 수광 유닛에 부설된 전송 트랜지스터(Tr11 및 Tr12)를 이용하여 플로팅 디퓨전(FD)을 공유하도록 구성되고 있다(도 2의 A 참조). 도 2의 A에 도시된 2픽셀 구성요소 공유 유닛을 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)으로 칭한다.
2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)으로 구성된 2차원 배열의 좌표점 (i, j)와 (i+1, j+1)의 한 쌍의 수광 유닛을 설명한다. 이 경우, 좌표점 (i, j)와 (i+1, j+1)의 한 쌍의 수광 유닛은, 예를 들면 도 3의 A에 도시된 바와 같이, 하나의 플로팅 디퓨전(FD)을 공유한다. 또한, (i, j+2) 좌표와 (i+1, j+3) 좌표의 수광 유닛 쌍은 1개의 플로팅 디퓨전(FD)을 공유한다. 다른 쌍도 마찬가지로 수광 유닛 쌍-플로팅 디퓨전(FD)의 관계로 플리팅 디퓨전(FD)을 공유한다.
또한, 제 1의 실시형태의 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)을 포함하는 촬상 유닛(3)의 레이아웃을 도 4에 나타내고 있다. 즉, 제 1의 실시형태에서, 플로팅 디퓨전(FD)이 배치되지 않은 수광 유닛 사이의 공간은, 트랜지스터가 배치되는 트랜지스터 영역으로 할당된다. 그리고, 이 트랜지스터 영역에 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)가 배치된다.
구체적으로는, 제 (2n-1)행에 위치한 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)에 관하여, 상방측에 리셋 트랜지스터(Tr2), 아래쪽측에 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)가 배치되고 있다. 또한, 제 (2n)행째에 위치한 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)에 관해서는, 아래쪽측에 리셋 트랜지스터(Tr2), 상방측에 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)가 배치되어 있다.
또한, 리셋 트랜지스터(Tr2)는, 소스 영역(41), 드레인 영역(42) 및 리셋 게이트 전극(43)을 포함한다. 또한, 증폭 트랜지스터(Tr3)는, 소스 영역(44), 드레인 영역(45) 및 증폭 게이트 전극(46)을 포함한다. 또한, 선택 트랜지스터(Tr4)는, 소스 영역(47), 드레인 영역(44) 및 선택 게이트 전극(48)으로 구성된다. 또한, 증폭 트랜지스터(Tr3)의 소스 영역은 선택 트랜지스터(Tr4)의 드레인 영역으로서도 사용된다.
또한, 배선(49)은 플로팅 디퓨전(FD) 영역(20)과, 리셋 트랜지스터(Tr2)의 소스 영역 및 증폭 트랜지스터(Tr3)의 증폭 게이트 전극(46)을 연결한다. 또한, 배선(도시하지 않음)은 선택 트랜지스터(Tr4)의 소스 영역(47)과 수직 신호선(8)을 연결한다.
또한, 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3), 선택 트랜지스터(Tr4)가 배치되어 있는 트랜지스터 영역에는 배선층(17; 도시하지 않음)이 형성된다. 상기 배선층은 상기 트랜지스터의 게이트에 전기 신호를 인가한다.
도 5는, 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서(1)의 촬상 유닛(3)의 단면을 설명하기 위한 것이고, 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따른 개략적인 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 수광 유닛(7)이 형성된 기판(50) 상에는, 산화 실리콘 등의 절연막(도시하지 않음)이 성막되고, 또한, 광투과 절연막(51)이 형성되어 있다. 또한, 광투과 절연막(51)의 표면은 평탄화되어 있다.
또한, 광투과 절연막(51)으로서는, 예를 들면, PSG(Phosphosilicateg lass)나 BPSG(Borophosphosilicate glass) 등을 이용할 수 있다.
또한, 광투과 절연막(51)의 평탄화 면상에, 온 칩 칼라 필터(14)(OCCF)가 배치되어 있다. 도시 예의 OCCF(14)는, 원색계의 칼라 코딩이 이루어지고, 경계 영역(14a)으로 구분된 광투과 영역(14b)은 적색(R), 녹(G), 청(B)의 어느 하나로 착색되고 있다. 구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 2차원 배열상의 광투과 영역(14b)에 있는 어떤 행이 R, G, R, G 등으로 착색되면, 상기 어떤 행에 인접하는 첫번째 행에 속하는 광투과 영역은 B, G, B, G 등으로 착색되고, 상기 어떤 행에 인접하는 두번째 행에 속하는 광투과 영역은 R, G, R, G 등으로 착색된다. 즉, 2차원 배열에 배치된 광투과 영역(14b)에 소위 베이어 배열(Bayer array)가 적용된다.
여기에서, 상방에 적색으로 착색된 광투과 영역(14b)이 배치된 수광 유닛(7)은, 적색광을 선택적으로 수광하는 수광 유닛을 가리키고, 상방에 녹색으로 착색된 광투과 영역(14b)이 배치된 수광 유닛(7)은, 녹색광을 선택적으로 수광하는 수광 유닛을 가리킨다. 마찬가지로, 상방에 청색으로 착색된 광투과 영역(14b)이 배치된 수광 유닛(7)은, 청색광을 선택적으로 수광하는 수광 유닛을 가리킨다.
또한, 광투과 영역(14b)에 표시된 "Gr"은, 광투과 영역(14b)이 녹색으로 착색된 광투과 영역이고 적색으로 착색된 광투과 영역과 녹색으로 착색된 광투과 영역이 녹색광 투과 영역(14b)이 속하는 행에 교대로 배치되는 것을 나타낸다. 간략화를 위해, 상기 설명된 광투과 영역(14b)을 "Gr"로 표기한다. 마찬가지로, 광투과 영역(14b)에 표시된 "Gb"는, 광투과 영역(14b)이 녹색으로 착색된 광투과 영역이고, 청색으로 착색된 광투과 영역과 녹색으로 착색된 광투과 영역이 녹새광 투과 영역(14b)이 속하는 열에 교대로 배치되는 것을 나타낸다. 간략화를 위해, 상기 설명된 광투과 영역(14b)을 "Gb"로 표기한다.
제 1의 실시형태의 촬상 유닛(3)의 레이아웃에서, 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)은 두 수광 유닛과 리셋 트랜지스터(Tr2), 수광 유닛과 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)로 구성되는 트랜지스터 사이에 두 개의 상이한 타입의 위치 관계를 갖는다. 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)이 갖는 타입은 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2)이 위치되는 행의 쌍에 의해 결정된다. 그 때문에, 설명의 편의상, 상방측에 리셋 트랜지스터(Tr2), 아래쪽측에 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)가 위치하고 있는 수광 유닛에 대응하는 광투과 영역(14b)을 "R1", "Gr1", "Gb1", "B1"으로 표기한다. 한편, 아래쪽측에 리셋 트랜지스터(Tr2), 상방측에 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)가 위치하고 있는 수광 유닛에 대응하는 광투과 영역(14b)을 "R2", "Gr2", "Gb2", "B2"로 표기한다.
도 4에 도시된 바와 같이, "R1"에 대응하는 수광 유닛과 "R2"에 대응하는 수광 유닛에 동일한 색(적색)이 배색된다. 또한, 예를 들면, "R1"에 대응하는 수광 유닛과 "R2"에 대응하는 수광 유닛에 각각 인접하며, "R1"에 대응하는 수광 유닛에 관하여 동일한 위치에 위치되며 동시에 "R2"에 대응하는 수광 유닛에 관하여 동일한 위치에 위치되는 한 쌍의 수광 유닛의 경우가 고려될 것이다. 이 경우, 8쌍이 존재하며, 어느 쌍에나 동일한 색이 배색된다. 따라서, "R1"에 대응하는 수광 유닛과 "R2"에 대응하는 수광 유닛 둘 다에 동일한 색이 동일한 규칙에 따라 배색되었다고 말할 수 있다. 또한, "B1"에 대응하는 수광 유닛과 "B2"에 대응하는 수광 유닛 둘 다에 동일한 색(청색)이 배색된다. 또한, 예를 들면, "B1"에 대응하는 수광 유닛과 "B2"에 대응하는 수광 유닛에 각각 인접하며, "B1"에 대응하는 수광 유닛에 관하여 동일한 위치에 위치되며 동시에 "B2"에 대응하는 수광 유닛에 관하여 동일한 위치에 위치되는 한 쌍의 수광 유닛의 경우가 고려될 것이다. 이 경우, 8쌍이 존재하며, 어느 쌍에나 동일한 색이 배색된다. 따라서, "B1"에 대응하는 수광 유닛과 "B2"에 대응하는 수광 유닛 둘 다에 동일한 색이 동일한 규칙에 따라 배색되었다고 말할 수 있다. 마찬가지로, "Gb1"에 대응하는 수광 유닛과 "Gb2"에 대응하는 수광 유닛의 쌍과, "Gr1"에 대응하는 수광 유닛과 "Gr2"에 대응하는 수광 유닛의 쌍에 대해서도 마찬가지로 적용된다.
한편, "Gr1"에 대응하는 수광 유닛과 "Gb1"에 대응하는 수광 유닛 둘 다에 동일한 색(녹색)이 배색된다. 그러나, 해당 수광 유닛에 인접하는 수광 유닛에는 동일한 색이 배색되지 않는다. 그 때문에, "Gr1"에 대응하는 수광 유닛과 "Gb1"에 대응하는 수광 유닛에는 동일 규칙으로 동일색이 배색되었다고 말하기 어렵다.
또한, OCCF(14) 상에는, 네가티브형 감광 수지 등의 광투과 재료로 이루어진 온 칩 렌즈(OCLs)가 배치된다. 또한, OCLs(13)의 렌즈 표면(양각 곡면)에 의해 집광된 광은 수광 유닛(7)으로 들어간다.
[온 칩 렌즈의 구성]
도 6은, 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서(1)의 OCLs(13)를 설명하기 위한 개략도이다. 또한, 도 6의 부호 C는 촬상 유닛(3)의 중심을 가리키고 있다.
제 1의 실시형태에서는, 도 6의 온 칩 렌즈의 개략도의 상반부에서 "Gb1"에 대응하는 OCLs(13)는 OCLs가 개략도의 위쪽 방향을 따라 올라 갈수록 점차적으로 작아지도록 형성된다. 즉, "Gb1"에 대응하는 OCLs(13)의 집광 특성은, 도 6의 개략도의 위쪽 방향에서 OCLs(13)의 유효 면적이 점차 작아지도록 형성하는 것에 의해 조정된다.
한편, 도 6의 온 칩 렌즈의 개략도의 하반부에서 "R2"에 대응하는 OCLs(13)는 개략도의 아래 방향에서 점차 작아지도록 형성된다. 즉, "Gb1"에 대응하는 OCLs(13)의 집광 특성은, 도 6의 개략도의 하반부의 아래 방향에서 OCLs(13)의 유효 면적이 점차 작아지도록 형성하는 것에 의해 조정된다.
본 실시형태에서는, OCLs(13)의 유효 면적을 작게 하는 것에 의해, OCLs(13)의 집광 특성을 조정하는 경우를 예로 들어 설명하고 있다. 그러나, OCLs(13)의 집광 특성을 조정할 수 있으면, 어떠한 방법이라도 좋고, 반드시 OCLs(13)의 유효 면적을 작게 하는 것에 의해 집광 특성을 조정할 필요는 없다. 예를 들면, 곡률 반경을 변경하거나, OCLs(13)의 표면에 광투과율을 절감하는 피막을 성막하거나 하는 것으로 집광 특성을 조정해도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, OCLs(13)의 유효 면적이 도 6의 촬상 유닛(3)의 중앙에서 개략도의 위쪽 방향(또는 아래 방향)을 따라 순차적으로 작아지는 것에 의한 OCLs(13)의 집광 특성의 조정을 예를 들어 설명하고 있다. 그러나, OCLs(13)의 유효 면적을 작게 하는 경우에는, 수개씩 또는 수십개씩 같은 유효 면적의 OCLs(13)을 형성하고, 위쪽 방향(또는 아래 방향)을 따라 단계적으로 OCLs(13)의 유효 면적이 작아지도록 형성해도 좋다. 또한, OCLs(13)의 유효 면적을 단계적으로 작게 하는 방식을 채용하는 경우에는, 실제의 설계상 유효한 효과를 나타내게 된다.
[온 칩 렌즈에 의한 감도차의 조정]
상기와 같이, OCLs(13)의 크기를 조정하는 것에 의해, 수광 유닛(7)과 배선층(17)의 위치 관계가 불규칙하고, 픽셀 패턴이 불균일하게 되는 것에 기인하여 생기는 수광 유닛의 주기적인 감도차를 조정할 수 있다. 이하, 이 점에 관하여 설명을 행한다.
우선, CMOS형 이미지 센서의 촬상 유닛(3)은, 촬상 유닛(3)의 중심에 광이 수직으로 입사하도록 구성되어 있지만, 불가피하게, 촬상 유닛(3)의 주변 영역에서 광이 소정의 각도로 입사하게 된다. 구체적으로는, 도 1의 Ⅶ-Ⅶ선을 따라 취해진 개략 단면도인 도 7에 도시하는 바와 같이, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서는, 촬상 유닛의 위쪽 방향에 경사한 각도로 빛이 입사하고, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서는 촬상 유닛의 하측 방향에 경사한 각도로 빛이 입사하게 된다.
또한, 도 4로부터 명확한 바와 같이, 제 1의 실시형태의 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a)을 포함하는 촬상 유닛(3)의 레이아웃의 경우에는, R2에 대응하는 수광 유닛과 Gb1에 대응하는 수광 유닛 사이의 공간에는 트랜지스터가 배치되지 않는다. 트랜지스터가 배치되지 않기 때문에, 배선층(17)도 배치되지 않는다. 그 때문에, 배선층(17)의 존재에 의해 입사광이 차단되지 않고, R2에 대응하는 수광 유닛과 Gb1에 대응하는 수광 유닛의 광전 변환 영역은 상기 공간(도 4의 P로 표현된 영역)에 의해 유효하게 확대되고, 그 결과 "R2" 및 "Gb1"에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도는 향상된다.
즉, 도 4에 도시된 수광 유닛과 배선층 사이의 위치 관계에 있어서는, 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2a) 사이에서 상기 공간(도 4에서 P로 표현된 영역)이 도 4의 수직 방향에서 주기적으로 형성된다. 따라서, 광전 변환 영역의 효과적인 확대와 출력 감도의 향상에 기여하는 영역이 수직 방향에서 주기적으로 나타난다.
그리고, 촬상 유닛(3)의 위쪽 방향에서 경사한 각도로 빛이 입사한 경우에는, Gb1에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 높아질 것 같은 영향을 받기 쉽다. 한편, 촬상 유닛(3)의 하측 방향에 경사한 각도로 빛이 입사한 경우에는, R2에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 높아질 것 같은 영향을 받기 쉽다.
또한, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역과 하측 영역에서는 입사광의 경사 방향이 다르기 때문에, 찰상 유닛(3)의 위쪽 영역에서 출력 감도가 쉽게 영향을 받아 증가되는 수광 유닛은 찰상 유닛(3)의 하측 영역에서 출력 감도가 쉽게 영향을 받아 증가되는 수광 유닛과는 상이하다. 그 때문에, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서 영향을 받기 쉬운 수광 유닛의 배색(제 1의 실시형태에서는 Gb1)과, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서 영향을 받기 쉬운 수광 유닛의 배색(제 1의 실시형태에서는 R2)이 다른 것이 된다.
상기한 바와 같이, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서는 Gb1에 대응하는 수광 유닛이 영향을 받기 쉽고, Gb2에 대응하는 수광 유닛과 비교하여 출력 감도가 높아진다. 한편, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서는 R2에 대응하는 수광 유닛이 영향을 받기 쉽고, R1에 대응하는 수광 유닛과 비교하여 출력 감도가 높아지다. 또한, 촬상 유닛(3)의 중심 영역에서 수직 방향(상하 방향)의 거리에 비례하여 입사광의 경사각도가 커지기 때문에, 촬상 유닛(3)의 중심 영역에서 수직 방향(상하 방향)의 거리에 비례하여 영향을 받기 쉬워진다.
여기에서, 모든 OCLs(13)의 크기가 동일한 경우의 소정의 빛에 대한 Gb1, Gb2, Gr1 및 Gr2에 대응하는 수광 유닛의 신호 출력치를 표1에 나타내고 있다.
[표 1]
표 1로부터 분명한 바와 같이, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서 Gb1에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 Gb2에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도보다도 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 촬상 유닛(3)의 중심 영역에서 수직 방향(상하 방향)의 거리에 비례하여 감도차(출력 감도차)가 커져 있는 것을 알 수 있다.
또한, 모든 OCLs(13)의 크기가 동일한 경우의 소정의 빛에 대한 R1, R2, B1, 및 B2에 대응하는 수광 유닛의 신호 출력치를 표2에 나타내고 있다.
[표 2]
표 2로부터 분명한 바와 같이, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서 R2에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 R1에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도보다도 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 촬상 유닛(3)의 중심 영역에서 수직 방향(상하 방향)의 거리에 비례하여 감도차(출력 감도차)가 커져 있는 것을 알 수 있다.
그리고, 상기한 바와 같이, 출력 감도가 높은 상태로 되어 있는 영역이 수직 방향에서 주기적으로 출현하는 것에 기인하여, 수직 방향에서 주기성을 갖는 선상 결함이 출력 화상에 생겨 버린다는 화질 열화가 나타나게 된다.
이러한 화질 열화를 방지하기 위해, 상술한 바와 같이, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역의 Gb1에 대응하는 OCLs(13)을 도 6의 개략도의 위쪽 방향을 따라 서서히 작아지도록 형성하고, 그것에 의해, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서 수광 유닛의 감도차를 줄일 수 있다.
즉, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서는 Gb1에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 Gb2에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도보다도 높은 것에 기인하여 화질 열화가 생기게 된다. 그 때문에, 이러한 감도차를 절감하기 위해, Gb1에 대응하는 OCLs(13)의 집광 특성을 조정한다.
마찬가지로, 촬상 유닛(3)의 하측 영역의 R2에 대응하는 OCLs(13)을 도 6의 개략도의 아래 방향을 따라 서서히 작아지도록 형성하고, 그것에 의해, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서 수광 유닛의 감도차를 줄일 수 있다.
즉, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서는 R2에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 R1에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도보다도 높은 것에 기인하여 화질 열화가 생기고 있기 때문에, 이러한 감도차를 절감하기 위해, R2에 대응하는 OCLs(13)의 집광 특성을 조정한다.
여기에서, 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서(1)에서, Gb1, Gb2, Gr1 및 Gr2에 대한 OCLs(13)가 동일한 크기이고, Gb1, Gb2, Gr1 및 Gr2에 대한 OCLs(13)에 소정의 입사광이 입사한다는 조건하에서의, Gb1의 세 개의 축소율에 대한 Gb1, Gb2, Gr1 및 Gr2에 대응하는 수광 유닛의 출력 신호의 값을 표 3-1, 표 3-2 및 표 3-3에 나타내고 있다. 또한, 표 3-1, 표 3-2, 표 3-3의 순서로 Gb1의 축소율을 크게 하고 있다.
[표 3-1]
[표 3-2]
[표 3-3]
표 3-1 및 표 3-2로부터 분명한 바와 같이, OCLs(13)의 크기를 조정하는 것에 의해, 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역에서 Gb1에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 저하되고, Gb1 및 Gb2에 대응한 수광 유닛의 신호 출력차가 완화되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 표 3-3에서는 OCLs(13)의 축소율이 너무 컸기 때문에, 조정이 과도하게 된 경우를 나타내고 있다.
또한, 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서(1)에서, R1, R2, B1, 및 B2에 대한 OCLs(13)가 동일한 크기이고, R1, R2, B1, 및 B2에 대한 OCLs(13)에 소정의 입사광이 입사한다는 조건하에서의, R2의 세 개의 축소율에 대한 R1, R2, B1, 및 B2에 대응하는 수광 유닛의 출력 신호의 값을 표 4-1, 표 4-2 및 표 4-3에 나타내고 있다. 또한, 표 4-1, 표 4-2, 표 4-3의 순서로 Gb1의 축소율을 크게 하고 있다.
[표 4-1]
[표 4-2]
[표 4-3]
표 4-1 및 표 4-2로부터 분명한 바와 같이, OCLs(13)의 크기를 조정하는 것에 의해, 촬상 유닛(3)의 하측 영역에서 R2에 대응하는 수광 유닛의 출력 감도가 저하되고, R1 및 R2에 대응하는 수광 유닛의 신호 출력차가 완화되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 표 4-3에서는 OCLs(13)의 축소율이 너무 컸기 때문에, 조정이 과도하게 된 경우를 나타내고 있다.
본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, OCLs(13)의 크기를 조정하고 촬상 유닛(3)의 위쪽 영역의 Gb1 및 Gb2에 대응하는 수광 유닛의 신호 출력차를 완화함과 동시에, 촬상 유닛(3)의 하측 영역의 R1 및 R2에 대응하는 수광 유닛의 신호 출력차를 완화하고 있다.
그 때문에, 픽셀 패턴의 불균일함에 기인하는 감도차, 구체적으로는, 도 4 중 부호 P로 나타내는 영역에서 실질적으로 광전 변환 영역이 넓어지고 있는 것에 기인하여 생기는 수광 유닛 간의 감도차를 절감할 수 있다. 그리고, 수광 유닛 간의 감도차를 절감하는 것으로, 픽셀 출력 신호의 균일화를 도모할 수 있고, 주기적인 화질 열화를 줄일 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 비스듬하게 나란히 한 수광 유닛(7) 사이에, 이들 2개의 수광 유닛(7)에서 공유하는 1개의 플로팅 디퓨전(FD)이 배치된 구조를 채용하고 있기 때문에, 수광 유닛(7)의 감도 특성을 저하시키지 않고, 촬상 유닛(3)의 축소화를 실현할 수 있다.
따라서 본 실시형태에서는, 이른바 복수 픽셀 공유 구조를 채용하는 것에 의한 촬상 유닛(3)의 축소화를 실현함과 동시에, 수광 유닛에 생기는 주기적인 감도차도 줄일 수 있고, CMOS형 이미지 센서의 소형화 및 화질 열화 방지의 쌍방을 실현할 수 있다.
<제 2의 실시형태>
[카메라의 구성]
도 12는, 본 발명을 적용한 카메라의 일 예인 CMOS형 카메라의 대략 구성도이다. 그리고, 여기에서 가리키는 카메라(77)는, 상기한 제 1의 실시형태의 CMOS형 이미지 센서를 촬상 디바이스로서 이용하는 것이다.
본 발명을 적용한 카메라(77)에서는, 피사체(도시하지 않음)로부터의 광은, 렌즈(71) 등의 광학계 및 메커니컬 셔터(72)를 지나 고체 촬상 장치(73)의 촬상 유닛에 입사한다. 또한, 메커니컬 셔터(72)는, 고체 촬상 장치(73)의 촬상 유닛으로의 빛의 입사를 차단하고 노광 기간을 정하기 위한 것이다.
여기에서, 고체 촬상 장치(73)는, 상기한 제 1의 실시형태에 관계된 고체 촬상 장치가 사용되고, 타이밍 발생 회로나 구동계 등을 포함하는 구동 회로(74)에 의해 구동된다.
또한, 고체 촬상 장치(73)의 출력 신호는, 신호 처리 회로(75)에 의해, 복수 종류의 신호 처리가 행해진 후, 촬상 신호로서 외부에 도출되고, 도출된 촬상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되거나, 모니터 출력되거나 한다.
또한, 메커니컬 셔터(72)의 개폐 제어, 구동 회로(74)의 제어, 신호 처리 회로(75)의 제어 등은 시스템 컨트롤러(76)에 의해 행해진다.
본 발명을 적용한 카메라에서는, 상술한 본 발명을 적용한 고체 촬상 장치를 채용하고 있기 때문에, 픽셀 패턴의 불균일함에 기인하는 감도차를 절감할 수 있고, 픽셀 출력 신호의 균일화를 통하여, 고화질의 촬상 화상을 얻는 것이 가능하다.
<2. 변형예>
[공유 픽셀에 관한 변형예]
상기한 제 1의 실시형태에서는, 도 2의 A에 도시된 상태로 플로팅 디퓨전(FD)을 공유하고 있지만, 반드시 도 2의 A에 나타낸 상태로 공유할 필요는 없고, 예를 들면, 도 2의 B에 나타낸 상태로 공유해도 좋다. 여기에서, 도 2의 B에 도시된 구조를 갖는 2픽셀 구성요소 공유 유닛을, 이하, 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2b)으로 칭한다.
또한, 도 3의 B는, 2픽셀 구성요소 공유 유닛(2b)에 의해 구성된 2차원 배열의 좌표점 (i+1, j)와 (i, j+1)에서의 한 쌍의 수광 유닛이 하나의 플로팅 디퓨전(FD)을 공유하는 것을 나타낸다. 또한, 좌표점 (i+1, j+2)와 (i, j+3)에서의 한 쌍의 수광 유닛도 하나의 플로팅 디퓨전(FD)을 공유하고 있다(도 3의 B 참조).
상기한 제 1의 실시형태에서는, 2개의 픽셀로 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 공유하는 경우를 예로 들고 설명을 행하고 있지만, 반드시 2개의 픽셀로 트랜지스터 소자를 공유할 필요는 없다. 예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 4개의 픽셀이 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 공유하는 4픽셀 구성요소 공유 유닛(a component-shared-by-four-fixels unit; 2c)이 생각될 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 어레이 배열된 4픽셀 구성요소 공유 유닛으로 CMOS형 이미지 센서가 구성될 수 있다.
또한, 이 경우에는, 수광 유닛인 4개의 포토 다이오드(PD1∼PD4) 및 각 포토 다이오드와 대응하는 전송 트랜지스터(Tr11∼Tr14)가, 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 공유한다.
4개의 픽셀을 각각 포함하는 4픽셀 구성요소 공유 유닛(2c)으로 구성된 촬상 유닛(3)의 레이아웃의 일 예인 정방 배열을 도 10에 나타내고 있다. 도 10에 가리키는 레이아웃에서는, 각 4픽셀 구성요소 공유 유닛(2c)의 아래쪽측에 리셋 트랜지스터(Tr2), 증폭 트랜지스터(Tr3) 및 선택 트랜지스터(Tr4)를 구비하고 있다.
또한, 4픽셀 구성요소 공유 유닛(2c)으로 구성된 촬상 유닛(3)의 레이아웃으로서는, 도 10에 나타내는 정방 배열뿐만 아니라, 도 11에 도시된 경사 배열(허니컴 배열)을 채용하는 것도 가능하다.
[OCL의 집광 특성을 조정한 방향성에 관한 변형예]
또한, 상기한 제 1의 실시형태에서는, 수직 방향에서 도 4 중 부호 P로 나타내는 실질적으로 광전 변환 영역이 넓어지고 있는 부분이 주기적으로 출현한 경우를 예로 들고 설명을 행하고 있다. 즉, 제 1의 실시형태에서는, 수광 유닛과 트랜지스터 소자의 게이트와 접속하는 배선층의 위치 관계가 수직 방향에서 주기적으로 변하는 경우를 예로 들고 설명을 행하고 있다. 그 때문에, 수직 방향에서 주기적으로 OCLs(13)의 집광 특성을 제어하는 것에 의해, 픽셀 출력 신호의 균일화를 실현하고 있다.
그렇지만, 본 발명의 적용은, 수광 유닛과 트랜지스터 소자의 게이트와 접속하는 배선층의 위치 관계가 수직 방향에서 주기적으로 변하는 경우에 제한되는 것이 아니다. 예를 들면, 수광 유닛과 트랜지스터 소자의 게이트와 접속하는 배선층의 위치 관계가 수평 방향에서 주기적으로 변하는 경우에는, 수평 방향에서 주기적으로 OCLs(13)의 집광 특성을 조정하는 것에 의해, 픽셀 출력 신호의 균일화를 실현할 수 있다.
또한, 수광 유닛과 트랜지스터 소자의 게이트와 접속하는 배선층의 위치 관계가 수직 방향 및 수평 방향에서 주기적으로 변하는 경우에는, 수직 방향 및 수평 방향에서 주기적으로 OCLs(13)의 집광 특성을 조정하는 것에 의해, 픽셀 출력의 균일화를 실현할 수 있다.
[온 칩 칼라 필터에 관한 변형예]
또한, 상기한 제 1의 실시형태에서는, 이른바 베이어 배열가 채용되고 있는 온 칩 칼라 필터(14)를 예로 들어 설명을 행하고 있다. 그렇지만, 온 칩 칼라 필터(14)는 수광 유닛(7)에 소정의 규칙으로 배색을 할 수가 있으면 충분하고, 반드시 베이어 배열을 채용할 필요는 없다.
또한, 상기한 제 1의 실시형태에서는, 도 4 중 부호 P로 나타내는 영역의 상하에 위치한 수광 유닛이 R2 및 Gb1에 대응하고 있기 때문에, R2 및 Gb1에 대응하는 OCLs(13)의 집광 특성을 조정하는 경우를 예로 들어 설명을 행하고 있다. 그렇지만, 도 4 중 부호 P로 나타내는 영역의 상하에 위치한 수광 유닛이 반드시 R2 및Gb1에 대응할 필요는 없다.
즉, 도 4 중 부호 P로 나타내는 영역의 상하에 위치한 수광 유닛에 대응하는 OCLs(13)의 집광 특성을 조정하는 것에 의해 픽셀 출력의 균일화가 실현된다. 따라서, 온칩 칼라 필터에 의한 P로 표현되는 영역의 상하에 위치한 수광 유닛의 배색은, OCLs(13)의 집광 특성의 조정에는 직접적인 관계가 없다.
본 발명은 2009년 7월 23일자로 일본특허청에 특허출원된 일본특허원 제2009-171674호를 우선권으로 주장한다.
당업자라면, 하기의 특허청구범위 또는 그 등가의 범위 내에서, 설계상의 필요 또는 다른 요인에 따라, 여러 가지 수정예, 조합예, 부분 조합예, 변경예를 실시할 수 있을 것이다.
1: CMOS형 이미지 센서 2: 공유 픽셀
3: 촬상 유닛 4: 수직 구동 유닛
5: 수평 전송부 6: 출력 유닛
7: 수광 유닛 8: 수직 신호선
9: 아날로그 디지털 변환기 10: 수평 전송선
11: 신호 처리 회로 12: 출력 버퍼
13: 온 칩 렌즈 14: 온 칩 칼라 필터
15: 경계 영역 16: 광투과 영역
17: 배선층 20: 플로팅 디퓨전(FD) 영역
41: 소스 영역 42: 드레인 영역
43: 리셋 게이트 전극 44: 소스 영역(드레인 영역)
45: 드레인 영역 46: 증폭 게이트 전극
47: 소스 영역 48: 선택 게이트 전극
49: 배선 50: 기판
51: 광투과 절연막 71: 렌즈
72: 메커니컬 셔터 73: 고체 촬상 장치
74: 구동 회로 75: 신호 처리 회로
76: 시스템 컨트롤러 77: 카메라
3: 촬상 유닛 4: 수직 구동 유닛
5: 수평 전송부 6: 출력 유닛
7: 수광 유닛 8: 수직 신호선
9: 아날로그 디지털 변환기 10: 수평 전송선
11: 신호 처리 회로 12: 출력 버퍼
13: 온 칩 렌즈 14: 온 칩 칼라 필터
15: 경계 영역 16: 광투과 영역
17: 배선층 20: 플로팅 디퓨전(FD) 영역
41: 소스 영역 42: 드레인 영역
43: 리셋 게이트 전극 44: 소스 영역(드레인 영역)
45: 드레인 영역 46: 증폭 게이트 전극
47: 소스 영역 48: 선택 게이트 전극
49: 배선 50: 기판
51: 광투과 절연막 71: 렌즈
72: 메커니컬 셔터 73: 고체 촬상 장치
74: 구동 회로 75: 신호 처리 회로
76: 시스템 컨트롤러 77: 카메라
Claims (8)
- 복수의 수광 유닛이 매트릭스 형상으로 형성됨과 함께, 트랜지스터 소자를 복수의 픽셀에서 공유하는 공유 픽셀이 규칙성을 갖고서 2차원 배열되고, 상기 수광 유닛끼리의 간극에 배선층이 형성된 촬상 유닛과,
상기 촬상 유닛의 상방에 배치되고, 소정의 규칙으로 상기 수광 유닛에 배색하는 칼라 필터와,
상기 수광 유닛에 각각 대응시켜서 상기 칼라 필터의 상방에 배치된 온 칩 렌즈를 구비하고,
동일 규칙으로 동일색이 배치된 상기 수광 유닛 사이에는, 상기 공유 픽셀끼리의 간극에 트랜지스터 소자가 배치되지 않은 영역이 상기 배선층에 주기적으로 형성되는 것에 기인한 감도차가 있고,
상기 온 칩 렌즈는, 상기 영역에 인접하는 수광 유닛에 대응하여 배치된 렌즈가 상기 감도차를 저감하는 집광 특성을 갖도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 온 칩 렌즈의 집광 특성은, 상기 촬상 유닛의 중앙 영역부터 수직 방향의 거리에 따라 조정되고,
상기 촬상 유닛의 중앙 영역보다도 일방의 수직 방향측에서 집광 특성이 조정된 상기 온 칩 렌즈에 대응하는 수광 유닛에 배치된 색상과, 상기 촬상 유닛의 중앙 영역보다도 타방의 수직 방향측에서 집광 특성이 조정된 상기 온 칩 렌즈에 대응하는 수광 유닛에 배치된 색상은 다른 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 온 칩 렌즈의 집광 특성은, 상기 촬상 유닛의 중앙 영역에서 수평 방향의 거리에 따라 조정되고,
상기 촬상 유닛의 중앙 영역보다도 일방의 수평 방향측에서 집광 특성이 조정된 상기 온 칩 렌즈에 대응하는 수광 유닛에 배치된 색상과, 상기 촬상 유닛의 중앙 영역보다도 타방의 수평 방향측에서 집광 특성이 조정된 상기 온 칩 렌즈에 대응하는 수광 유닛에 배치된 색상은 다른 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 온 칩 렌즈의 집광 특성은, 상기 촬상 유닛의 중앙 영역부터의 거리에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온 칩 렌즈의 집광 특성은, 점차적으로 조정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온 칩 렌즈의 집광 특성은, 단계적으로 조정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 수광 유닛에서 광전 변환에 의해 발생한 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부를 구비하고,
복수의 상기 수광 유닛이 상기 전하 전압 변환부를 공유 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 복수의 수광 유닛이 매트릭스 형상으로 형성됨과 함께, 트랜지스터 소자를 복수의 픽셀에서 공유하는 공유 픽셀이 규칙성을 갖고서 2차원 배열되고, 상기 수광 유닛끼리의 간극에 배선층이 형성된 촬상 유닛과, 그 촬상 유닛의 상방에 배치되고, 소정의 규칙으로 상기 수광 유닛에 배색하는 칼라 필터와, 상기 수광 유닛에 각각 대응시켜서 상기 칼라 필터의 상방에 배치된 온 칩 렌즈를 갖는 고체 촬상 장치와,
상기 촬상 유닛에 입사광을 유도하는 광학계와,
상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 구비하고,
동일 규칙으로 동일색이 배치된 상기 수광 유닛 사이에는, 상기 공유 픽셀끼리의 간극에 트랜지스터 소자가 배치되지 않은 영역이 상기 배선층에 주기적으로 형성되는 것에 기인한 감도차가 있고,
상기 온 칩 렌즈는, 상기 영역에 인접하는 수광 유닛에 대응하여 배치된 렌즈가 상기 감도차를 저감하는 집광 특성을 갖도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 카메라.
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