JP2005260318A - ２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度，高解像度，高画質のカラー撮像が可能で、小型で低コストの２板式カラー固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 ３原色の入射光を緑色と赤色及び青色とに分離する色分解プリズム３５と、プリズム３５によって分離された赤色及び青色の入射光を受光して赤色の光量に応じた赤色信号と青色の光量に応じた青色信号とを出力する第１固体撮像素子３６と、プリズム３５によって分離された緑色の入射光を受光して緑色の光量に応じた緑色信号を出力する第２固体撮像素子３７とを備える２板式カラー固体撮像装置において、固体撮像素子３６の複数の受光部のうち赤色検出用受光部の上部に赤色の光を透過するイエロフィルタを設け、青色検出用受光部の上部に青色の光を透過するシアンフィルタを設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。

デジタルカメラに用いられるカラー固体撮像装置には、１個の固体撮像素子を用いた単板式のものと、複数個の固体撮像素子を用いた多板式のものが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。

前者は、１個の固体撮像素子上に複数色のカラーフィルタを離散的（モザイク状）に配置したもので、安価ではあるが、感度、解像度、色再現性の点で後者よりも劣る。また、単板式固体撮像素子では、高画素（微細）化による製造歩留り低下の問題が深刻になっており、固体撮像素子のコストアップの原因となっている。

後者、例えば３板式のカラー固体撮像装置は、図１６に示す様に、３色成分（例えば、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ））毎に専用の固体撮像素子１，２，３を使うので、専ら、解像度、色再現性などに優れ、高画質が求められる放送局用ＴＶカメラなどに使用さている。しかし、複数個のイメージセンサ（固体撮像素子）１，２，３と大型の色分解プリズム４を必要とするため、システムコストが高くなると共にデジタルカメラが大型化するという問題がある。

近年、３板式のカラー固体撮像装置を比較的低価格のデジタルスチルカメラやカムコーダに適用する例が増えている。その理由は、単板式固体撮像素子の高画素化に伴う弊害が顕著になってきたからである。すなわち、画素の微細化等により、固体撮像素子自体の製造歩留と性能が急速に低下することが懸念されている。

そのため、高歩留、高性能の固体撮像素子を用いて多板式撮像システムが構築されるようになってきている。固体撮像素子の製造歩留が高ければ、色分解プリズムのコストを考慮しても、多板式撮像装置のコストが、単純に、２倍、３倍と、固体撮像素子の個数倍になるということにはならない。

また、近年、イメージセンサの高解像度（多画素）化が進展している。今後さらに、この多画素化、すなわち単位画素サイズの微細化が進むにつれ、感度の低下や偽信号、偽色、シェーディングといった画質劣化が懸念されている。

一般に、単板式固体撮像素子を用いてカラー画像を撮影する場合、被写体の色、すなわち撮像系に入射する光の色成分を単一の固体撮像素子表面上に二次元アレー状に離散配置した画素毎に、それぞれ異なる色信号（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂ）として検出する必要がある。

そこで、単板式カラー固体撮像素子では各画素の上にカラーフィルタを配置し、固体撮像素子全体では３色あるいは４色のカラーフィルタがモザイク状（特許文献１）あるいはストライプ状に配列するのが一般的となっている。

カラーフィルタには、原色系（Ｒ，Ｇ，Ｂ）およびその補色から構成される補色系（Ｙｅ，Ｃｙ，Ｍｇなど）フィルタがある。従来、色再現性を重視する観点から、デジタルカメラ等においては、原色系（Ｒ，Ｇ，Ｂ）カラーフィルタが多く使用されている。これに対して、補色系カラーフィルタ（Ｃｙ，Ｙｅ，Ｍｇなど）は、その色信号成分に２種類の原色成分を含むため（例えば、Ｍｇには青色Ｂと赤色Ｒを含む）、原色系カラーフィルタを使用した場合に比べ、感度は高くなる反面、色分離処理の過程でＳ／Ｎが低下し忠実な色再現が難しいという問題がある。

カラーフィルタについては、さらに以下の問題が顕在化している。カラーフィルタの材料には、いわゆる顔料系と染料系がある。顔料系は、色材として顔料を使用しているので、耐光性や耐熱性に優れ、デジタルカメラ等で多く使われている。しかし、画素の微細化に伴い、顔料の粒状性が画質に影響を与えはじめていること、更にカラーフィルタの厚さを薄くすることが出来ないため、マイクロレンズと受光部の距離を短縮することが困難である等の問題がある。

これに対して、染料系カラーフィルタは、顔料系とは異なり、耐光性や耐熱性を改善する必要はあるが、粒状性の問題はなく、薄膜化も容易である。従って、画素の微細化に伴って、顔料系カラーフィルタに代わり染料系カラーフィルタが見直されている。

しかしながら、染料系カラーフィルタを採用するためには、耐光性や耐熱性に加え、各色成分の分光透過率を制御し、互いに異なる色成分の分光スペクトルのオーバーラップ量を少なくし、混色による色再現性の劣化を防止すると同時に、レジスト材料としての機能性能（微細パターン形成が可能で現像処理等が従来のフォトレジストと同等であるなど）を兼ね備えるカラーレジスト材料を入手することは容易でない。

米国特許第３９７１０６５号公報 特開平３―２７４５２３号公報

上述した様に、デジタルカメラに搭載するカラー固体撮像素子は、これを単板式で実現するには技術的，コスト的に限界にきている。しかし、カラー固体撮像装置を３板式で実現すると、高価で複雑な色分解プリズムが必要なため、装置が大型化し製造コストも嵩んでしまうという問題がある。

そこで、２板式のカラー固体撮像装置により、忠実な色再現が可能でしかも小型，低コストのデジタルカメラを構成するのが一番現実的となる。この場合、固体撮像素子に積層するカラーフィルタの材料や色分解プリズムとの組み合わせを最適なものにし、高感度，高解像度，高画質のカラー画像を撮像でき、しかも、撮像光学系の小型化、低コスト化を図る必要が生じる。

本発明の目的は、低コストで小型且つ高感度，高解像度，高画質のカラー画像が撮像できる２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することにある。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、３原色の入射光を緑色と赤色及び青色とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記赤色及び青色の入射光を受光して赤色の光量に応じた赤色信号と青色の光量に応じた青色信号とを出力する第１固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記緑色の入射光を受光して緑色の光量に応じた緑色信号を出力する第２固体撮像素子とを備える２板式カラー固体撮像装置において、前記第１固体撮像素子の複数の受光部のうち赤色検出用受光部の上部に赤色の光を透過する補色系の第１カラーフィルタを設け、前記第１固体撮像素子の複数の受光部のうち青色検出用受光部の上部に青色の光を透過する補色系の第２カラーフィルタを設けたことを特徴とする。

この様に、色分解プリズムと補色系カラーフィルタとを組み合わせることにより、低コストで小型且つ高感度，高解像度，高画質のカラー画像の撮像が可能な２板式カラー固体撮像装置を得ることができる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記第１カラーフィルタがイエロ（Ｙｅ）フィルタであり、前記第２カラーフィルタがシアン（Ｃｙ）フィルタであることを特徴とする。

赤色の分光特性よりブロードな特性を持つイエロフィルタにより赤色を分離して赤色検出用受光部に入射させ、青色の分光特性よりブロードな分光特性を持つシアンフィルタにより青色を分離して青色検出用受光部に入射させるため、カラーフィルタ自体の光吸収を最小限に抑えることができるので、原色系カラーフィルタに比べ、感度を高く維持することができる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタが染料系で構成されることを特徴とする。

染料系カラーフィルタを用いた場合には、隣接する異なる色のカラーフィルタ同士が境界領域において混色する可能性があるが、本発明による第１固体撮像素子（Ｂ，Ｒ検出）には、そもそも中間波長であるＧ成分の光が入射しないため、仮にカラーフィルタが混色した場合でも、Ｇ成分の入射光が入り込むことによる色再現性の低下は最小限に抑えられる。従って、染料系カラーフィルタの材料選択の幅が広がる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記第１カラーフィルタと前記第２カラーフィルタがモザイク状あるいはストライプ状に形成されることを特徴とする。

この様に、カラーフィルタの形状には依存せず、モザイク状，ストライプ状のいずれのカラーフィルタ配列でも使用可能である。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記青色検出用受光部のＰＮ接合深さＸｊ（Ｂ）と、前記赤色検出用受光部のＰＮ接合深さＸｊ（Ｒ）と、前記第２固体撮像素子に設けられている緑色検出用受光部のＰＮ接合深さＸｊ（Ｇ）が
Ｘｊ（Ｂ）＜Ｘｊ（Ｇ）＜Ｘｊ（Ｒ）
の関係を満たすように製造されていることを特徴とする。

入射光の色毎の光学吸収係数を考慮して、Ｘｊ（Ｒ），Ｘｊ（Ｇ），Ｘｊ（Ｂ）を製造するため、夫々の色の感度を最大にすることが可能となる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記色分解プリズムが、入射光のうち緑色の光を反射し赤色及び青色の光を透過するダイクロイックミラーを備えることを特徴とする。

この構成により、入射光のロスを少なくして色分解を行うことができる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記色分解プリズムは、前記緑色の光の出射口に緑色のトリミングフィルタを備えると共に、前記赤色及び青色の光の出射口にマゼンタ（Ｍｇ）のトリミングフィルタを備えることを特徴とする。

この構成により、第１，第２固体撮像素子に入射する光の分光特性は、ほぼ理想的な入射光スペクトルとなる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子の夫々に設けられる受光部がいずれも正方格子状またはハニカム状に配列されていることを特徴とする。

本発明はいずれの画素配列の固体撮像素子にも適用可能である。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子がいずれもＣＣＤ型またはＭＯＳ型のイメージセンサであることを特徴とする。

本発明は、ＣＣＤ型，ＭＯＳ型を問わず適用可能である。

本発明のデジタルカメラは、上述したいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を搭載することを特徴とする。

これにより、高感度，高解像度，高画質のカラー画像の撮像が可能となる。

本発明によれば、高感度，高解像度，高画質のカラー撮像が可能となり、且つ、撮像装置の小型化，低コスト化が実現される。特に、補色系のカラーフィルタで染料系のカラーフィルタを利用できるので、カラーフィルタ材料の選択の幅が広がり、かつ画質の向上が図れる。

また、固体撮像素子の一方はカラーフィルタが不要で、他方の固体撮像素子では、カラーフィルタを２色しか必要としないので、固体撮像素子自体の製造工程が簡略化でき、製造歩留が向上し、コスト低下を図ることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラ（この例ではデジタルスチルカメラ）のブロック構成図である。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系２１と、本実施形態に係る２板式カラー固体撮像装置２２と、光学系２１と２板式カラー固体撮像装置２２との間に配置された赤外線カットフィルタ２３とを備える。

本実施形態のデジタルカメラはまた、２板式カラー固体撮像装置２２から出力される赤色（Ｒ）信号，緑色（Ｇ）信号，青色（Ｂ）信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うＣＤＳ回路２４と、ＣＤＳ回路２４の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路２５と、プリプロセス回路２５から出力されるＲ，Ｇ，Ｂのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２６と、Ａ／Ｄ変換回路２６から出力されるＲ，Ｇ，Ｂの画像信号を取り込んでホワイトバランス補正やガンマ補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う信号処理回路２７と、信号処理回路２７に接続された画像メモリ２８と、信号処理回路２７が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録／表示回路２９とを備える。

このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路３０と、システム制御回路３０からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路３１と、同期信号に基づいてカラー固体撮像装置２２内の各固体撮像素子に駆動信号を出力する固体撮像素子駆動回路３２とを備える。

本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路３０からの指示信号に基づいて光学系２１のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系２１及び赤外線カットフィルタ２３を通してモジュール２２内の２つの固体撮像素子に被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じて各固体撮像素子から赤色（Ｒ）信号，緑色（Ｇ）信号，青色（Ｂ）信号が出力され、プリプロセス回路２５が同期信号に応じてＲ，Ｇ，Ｂ信号の利得制御等を行い、システム制御回路３０からの指示に基づいて信号処理回路２７が画像処理等を行うことで、カラー固体撮像装置２２から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号に基づいて撮像画像が再生され、ＪＰＥＧ形式等のデータに圧縮された画像データが外部メモリに記録される。

図２は、図１に示す２板式カラー固体撮像装置２２の構成図である。この２板式カラー固体撮像装置は、色分解プリズム３５と、第１の固体撮像素子３６及び第２の固体撮像素子３７の２枚の固体撮像素子を備える。色分解プリズム３５は、第１プリズム部材３５ａと、第２プリズム部材３５ｂと、両者間に形成された緑色（Ｇ）反射用ダイクロイックミラー３８と、第２プリズム部材３５ｂの端面に形成された全反射用のダイクロイックミラー３９とを備える。尚、膜３９はダイクロイックミラーである必要はなく、入射光を全反射するものであればよい。

第１の固体撮像素子３６には、赤色と青色が混じった光が入射するため、第１の固体撮像素子３６の各画素の上部にカラーフィルタを形成し、赤色と青色を分離している。このカラーフィルタとして、本実施形態では、赤色を分離するために補色系のＹｅ（イエロ）のカラーフィルタを使用し、青色を分離するために補色系のＣｙ（シアン）のカラーフィルタを使用する。

第１プリズム部材３５ａは、図２に示す様に、断面が三角形状となっており、入射光がほぼ垂直に入射する光入射面３５ｃと、光入射面３５ｃに対して斜めに配置されダイクロイックミラー３８が蒸着形成された界面と、固体撮像素子３７が対面する第３面とを備える。この第３面すなわち緑色（Ｇ）の光の出射口には、固体撮像素子３７が緑色のカラーフィルタを搭載しない関係で、緑色の光の波形を調整するトリミングフィルタ４０が形成されている。

第２プリズム部材３５ｂも、断面が三角形状となっており、第１プリズム部材３５ａ（ダイクロイックミラー３８）と接する界面と、この界面に対して斜めに配置され全反射膜３９が蒸着形成された反射面と、固体撮像素子３６が対面する第３面とを備える。この第３面すなわち赤色及び青色の光の出射口には、固体撮像素子３６への入射光の波形を調整するＭｇ（マゼンタ）のトリミングフィルタ４１が形成されている。

被写体からの入射光は、先ず第１プリズム部材３５ａの光入射面３５ａに垂直に入射し、そのうちの緑色（Ｇ）の入射光がダイクロイックミラー３８で反射し、次に光入射面３５ａで全反射して、第２の固体撮像素子３７に結像する。第１プリズム部材３５ａからダイクロイックミラー３８を透過して第２プリズム部材３５ｂに入射した赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の入射光は、全反射膜３９で反射し、更に、第１プリズム部材３５ａ界面で全反射されて第１の固体撮像素子３６に結像する。

図２に示す実施形態の色分解プリズム３５は、第１プリズム部材３５ａに入射した緑色（Ｇ）の入射光が２回反射して第２固体撮像素子３７に結像し、第２プリズム部材３５ｂに赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の入射光が２回反射して第１固体撮像素子３６に結像する構成としているため、第１固体撮像素子３６の結像画像に対して第２固体撮像素子３７の結像画像が鏡映反転した画像になることはない。

本実施形態の色分解プリズム３５は、その光入射方向の寸法を短くできるため、カラー固体撮像装置の小型化，軽量化，薄型化を図ることができる。また、上述の様に２回反射させているため、光学系２１の焦点距離を長くできるという利点もある。

入射光を、緑色の光と、赤色及び青色の光とに分解するプリズムの形状は、図２に示すものに限るものではなく、例えば、図３に示す様に、方形のプリズム４２の対角面に緑色の光を反射し赤色及び青色の光を透過するダイクロイックミラー４３を設けた簡単な構成のものでもよい。この場合でも、第１の固体撮像素子３６の各受光部の上部には、Ｃｙのカラーフィルタ４５またはＹｅのカラーフィルタ４６が搭載され、第２の固体撮像素子３７にはカラーフィルタは何も搭載しない。

図４は、光学系に入射した光が固体撮像素子３６，３７の表面に到達するまでの間、どのように分光スペクトルが変化するかを示したものである。図２，図３に示す様に、カメラレンズ系には、ＩＲカットフィルタ２３を挿入しているので、Ｒの長波長側は、図４（ｂ）に破線で示す様に、７００ｎｍ以上で急峻に光強度が落ちている。

ダイクロイックミラーを反射した緑色Ｇの光（図４（ａ））あるいは透過した赤色Ｒ及び青色Ｂの光（図４（ｂ））は、従来のＲ，Ｇ，Ｂの原色系カラーフィルタを透過した特性に比べ、シャープな分光特性を示す。しかし、短波長側あるいは長波長側の成分が漏れ込んだり、境界波長が入射光角度によって変化する等の問題がある。例えば、図４（ａ）でいえば、波長５００ｎｍ以下や波長６００ｎｍ以上で分光特性を持つ。

これを改善するため、通常、プリズムにトリミングフィルタを挿入する。図２に示す実施形態でも、緑色（Ｇ）の光に対しては、Ｇのトリミングフィルタ４０を、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の光に対してはマゼンタ（Ｍｇ）のトリミングフィルタ４１を使用している。各トリミングフィルタ４０，４１の分光特性を図５（ａ）（ｂ）に示す。

トリミングフィルタ４０，４１を通過し、最終的に固体撮像素子３７，３６に入射する光の分光特性は、図６（ａ）（ｂ）に示す様に、ほぼ理想的な入射光スペクトルとなる。

特に、固体撮像素子３６では、入射光にＧ成分が全く無いので、赤色Ｒおよび青色Ｂが、緑色Ｇと混色する確率は極めて低くなるという特徴がある。

本実施形態の２板式カラー固体撮像装置では、固体撮像素子３７が全て緑色（Ｇ）信号に割り当てられているので、輝度信号の生成には極めて有利であり、高解像度化が実現する。特に緑色（Ｇ）については、固体撮像素子３７のほぼ全面に感度を有するので、緑色（Ｇ）の入射光の不感度部分が殆どなく、偽信号の発生が抑えられるという効果がある。

色再現性についても、固体撮像素子３７の緑色（Ｇ）信号と同じサンプリングポイントにある固体撮像素子３６から得られる赤色（Ｒ）信号，青色（Ｂ）信号を使って色再現することができるので、色ズレや偽色の問題が軽減できるという効果がある。固体撮像素子３７には、緑色（Ｇ）の光のみが入射するので、そもそもカラーフィルタは必要ない。

一方、固体撮像素子３６には、赤色（Ｒ）の光と青色（Ｂ）の光が入射するので、上述したように、補色カラーフィルタであるシアン（Ｃｙ）とイエロ（Ｙｅ）を固体撮像素子３６の表面にモザイク状に配置して分離する。赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）を分離するには、原色系カラーフィルタを用いることでもよいが、後述する理由から、補色フィルタ、特にシアン（Ｃｙ）とイエロ（Ｙｅ）が好適である。

図７は、固体撮像素子表面に到達した光が、画素受光部に到達するまでにどのように分光スペクトルが変化するかを示したものである。図７（ａ）は、図６（ｂ）を再掲したものであり、固体撮像素子３６に到達した光の分光特性を示し、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の光が含まれている。

図７（ｂ）は、シアン（Ｃｙ）フィルタの分光特性を示すグラフである。シアンフィルタは、短波長の青色（Ｂ）と中波長の緑色（Ｇ）を透過するカラーフィルタであり、原色系の青色フィルタに比較して長波長側にブロードな特性になっている。しかし、固体撮像素子３６に入射する光には緑色（Ｇ）を含まないため、図７（ａ）に示す分光特性の光がシアンフィルタに入射すると、図７（ｄ）に示すように、青色（Ｂ）の光のみがシアンフィルタに邪魔されることなく全て透過し、受光部に達することになる。

同様に、図７（ｃ）は、イエロ（Ｙｅ）フィルタの分光特性を示すグラフである。イエロフィルタは、中波長の緑色（Ｇ）と長波長の赤色（Ｒ）を透過するカラーフィルタであり、原色系の赤色フィルタに比較して低波長側にブロードな特性になっている。このため、緑色（Ｇ）を含まない図７（ａ）に示す分光特性の光がイエロフィルタに入射すると、図７（ｅ）に示す様に、赤色（Ｒ）がイエロフィルタに邪魔されることなく全て透過し、受光部に到達する。

図８は、固体撮像素子３６の４画素分のカラーフィルタ配列を拡大したものである。この例では、シアンフィルタとイエロフィルタをモザイク状、即ち、上下方向、左右方向共に交互にシアンフィルタとイエロフィルタが配置されている。従って、異なる色のカラーフィルタ同士が互いに端部を接触するような状態で形成される。

これは、最初に一方の色のカラーレジストを塗布してパターニングし、不要な部分を除去した後に他のカラーフィルタを塗布し、最初のカラーフィルタが存在しない部分を埋めるようにして他方のカラーフィルタがパターニングされるからである。染料タイプのカラーフィルタは、粒状性がなく薄膜化しやすいという利点があるが、このように異なる色同士が接触すると、時間の経過と共に互いに染料が混色するという問題が懸念される。

ところが、本実施形態の様に、固体撮像素子３６が青色（Ｂ）と赤色（Ｒ）の光しか検出せず、また、固体撮像素子３６には緑色（Ｇ）の光が入射しない構成では、カラーフィルタ境界領域８における染料の混色が進み、図７（ｂ）のシアンフィルタの長波長側のカットオフ波長が多少動いても、あるいは、図７（ｃ）に示すイエロフィルタの短波長側のカットオフ波長が多少動いても、実質的に赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の光は影響を受け難いという利点がある。

このため、染料系カラーフィルタ材料の材料設計あるいは材料選択の余地が広がり、露光，現像処理条件の最適化が容易になる。

上述した実施形態に係る２板式カラー固体撮像装置は、第１の固体撮像素子３６と第２の固体撮像素子３７とを用いるが、固体撮像素子３６，３７としては、ＣＭＯＳイメージセンサやその他のＭＯＳ型イメージセンサを用いても、また、電荷結合素子（ＣＣＤ）によるイメージセンサを用いても良い。

更に、各固体撮像素子３６，３７における画素配置に限定はなく、正方格子配列のものや、特開平１０―１３６３９１号公報に記載されているように、各画素を各行毎に１／２画素ピッチづつずらした画素配列、所謂ハニカム配列のものでもよい。また、本実施形態は、インターライン型、フレームトランスファー型のいずれのＣＣＤにも適用可能である。

更にまた、実施形態では、固体撮像素子３６に設けるシアンフィルタとイエロフィルタをモザイク状に配置したが、各カラーフィルタをストライプ状に配置することでもよい。

図９（ａ）は、上述した固体撮像素子３６として用いるＣＣＤ３６ａの表面模式図であり、図９（ｂ）は同じく固体撮像素子３７として用いるＣＣＤ３７ａの表面模式図である。図中に、Ｒ，Ｇ，Ｂとして記載しているのは、赤色（Ｒ）信号を検出する画素、緑色（Ｇ）信号を検出する画素、青色（Ｂ）信号を検出する画素を表しており、Ｇ信号を検出する画素にはカラーフィルタを積層しておらず、Ｂ信号を検出する画素にはシアン（Ｃｙ）カラーフィルタが積層されており、Ｒ信号を検出する画素にはイエロ（Ｙｅ）カラーフィルタが積層されている。

ＣＣＤ３６ａでは、シアンカラーフィルタとイエロカラーフィルタがモザイク状に配列されているが、例えば図１０（ａ）（ｂ）に示す様に、ストライプ状のシアンカラーフィルタとストライプ状のイエロカラーフィルタとを交互に設ける構成でもよい。

図９において、各列の画素５０の右脇には垂直転送路（ＶＣＣＤ）５１が形成され、下辺部に水平転送路（ＨＣＣＤ）５２が形成され、水平転送路５２の出口部に増幅器５３が設けられて構成は、一般的なＣＣＤと同様である。

図１１（ａ）は、固体撮像素子３６として用いるＣＣＤ３６ｂの表面模式図であり、図１１（ｂ）は、固体撮像素子３７として用いるＣＣＤ３７ｂの表面模式図である。本実施例では、画素配置をハニカム配列にしたものであり、ＣＣＤ３６ｂでシアンフィルタとイエロフィルタを交互に設けるのは実施例１と同様である。各画素６１の縦方向に並ぶ各画素列の右側には垂直転送路６２が蛇行配置され、下辺部には水平転送路６３が形成され、水平転送路６３の出口には増幅器６４が設けられている。

ハニカム配列の場合、図１２（ａ）（ｂ）に示す様に、画素上に当たる部分を広くしたストライプ状のシアン（Ｃｙ）フィルタ４５とイエロフィルタ４６とを交互に形成することができる。しかし、各画素毎に色の異なるカラーフィルタを分離してモザイク状に形成してもよい。

図１３（ａ）はＣＣＤ３６ｂの４画素分の拡大図であり、図１３（ｂ）はＣＣＤ３７ｂの４画素分の拡大図である。ＣＣＤ３６ｂ，３７ｂ共に、各画素６１は各行毎に１／２ピッチずれており、水平方向に隣接する画素６１間に、垂直転送路６２が蛇行して配置される。

図１４は、図１３（ａ）（ｂ）の各丸印XIV内の転送電極を示す詳細図である。菱形に形成された素子分離帯６５により各画素６１が画成され、素子分離帯６５に設けられたゲート部６６から、画素間に設けられた垂直転送路６２に色信号電荷が読み出される。

垂直転送路６２上には、２層ポリシリコン構造でなる転送電極が重ねて設けられ、１つの画素に対して４本の転送電極６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄが対応付けられている。これにより、ハニカム画素配置のＣＣＤは、２層ポリシリコン構造の転送電極で全画素読み出し（プログレッシブ動作）可能なＣＣＤとなっている。

ハニカム画素配置のＣＣＤ３６ｂでは、Ｃｙフィルタを透過して発生し青色（Ｂ）信号と、イエロフィルタを透過して発生した赤色（Ｒ）信号とは、それぞれ別々の垂直転送路６２を転送するので、各垂直転送路６２内でＲ信号の信号電荷とＢ信号の信号電荷とが互いに混ざることがないという利点がある。これにより、画質を低下させる偽色や縦スジ等が発生しないという特徴がある。

本実施例のＣＣＤ３６ｂ，３７ｂは、カラーフィルタの色及びカラーフィルタ層の有無のみ異なる他は、各画素の構造は同じにしている。これにより、同一半導体プロセスでＣＣＤ３６ｂ，３７ｂを製造でき、製造コストの低減を図ることができる。これは、実施例１に示す正方格子配列のＣＣＤでも同じである。

本実施例に係るＣＣＤの表面構造は、実施例２の図１３（ａ）（ｂ）に示すＣＣＤと同じであるが、画素の断面構造が実施例２と異なる。図１５（ａ）は赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）を、図１３（ａ）のａ―ａ線断面に相当する実施例３の断面図であり、図１５（ｂ）は、図１３（ｂ）のｂ―ｂ線断面に相当する断面図である。

IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の"A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material"PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILLには、半導体の光学的性質、即ち、受光部を構成する光電変換素子（フォトダイオード）の光電変換特性が、入射光の波長及び半導体基板の深さ方向の位置に依存することを報告している。

そこで、本実施例では、半導体の光学的性質を利用する画素構造を採用している。即ち、後述するように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色信号検出用の各画素の感度やホワイトバランスを最適化すべく、Ｎ^＋領域の構造、特に、接合深さ（Ｘｊ）を変えている。

図１５（ａ）は、図２の固体撮像素子３６として用いるＣＣＤ３６ｃのうち、赤色（Ｒ）を検出する画素と青色（Ｂ）を検出する画素の断面図である。ｎ型シリコン基板７０には、表面側にＰウェル層７１が形成され、Ｐウェル層７１内の表面部にＮ^＋層７２Ｒ，７２Ｂが形成される。入射光によって発生した信号電荷は、Ｎ^＋層７２Ｒ，Ｂに蓄積される。

赤色を検出する画素においては、このＮ^＋層７２Ｒは、シリコン基板７０における赤色の光学吸収係数を考慮して、深さＸｊを約０．８〜２．０μｍ程度にし、赤色に対する感度を最大にしている。また、青色を検出する画素においては、Ｎ^＋層７２Ｂは、深さＸｊを約０．１〜０．３μｍ程度にし、青色に対する感度を最大にしている。

信号電荷蓄積部となるＮ^＋層７２Ｒ，７２Ｂ（不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度は約５×１０^{１６〜１７}／ｃｍ^３）が夫々読出ゲート電極７３下まで延在することで、入射光の光量に応じて発生した電荷が、ゲート部を通って垂直転送路７４に読み出される。

Ｎ^＋層７２Ｒ，７２Ｂが設けられた半導体基板７０の表面の一部には、浅いＰ^＋層７５が設けられており、更に最表面にはＳｉＯ_２膜７６が設けられる。Ｐ^＋層７５の不純物（ボロン）濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３、深さ約０．１μｍ程度であり、受光部の表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。尚、赤色検出用の画素と青色検出用の画素との間は、素子分離帯７７によって分離される。

更に、ＳｉＯ_２膜７６の上部表面には、受光領域に開口部７８ａを持つ遮光膜７８が設けられ、その上部に平坦化膜（保護膜）７９が形成され、更にその上に、カラーフィルタ層８０が設けられ、その上部に平坦化膜８１を介してトップレンズ（マイクロレンズ）８２が形成される。トップレンズ８２は、隣接するトップレンズ８２との間に隙間が無いギャップレストップレンズとするのが好ましい。

撮像画像の偽色を低減するには、二次元平面上（固体撮像素子表面上）に離散配置された各画素間の水平方向，垂直方向の距離を短くするか、隣接画素間の不感度領域を無くすことが効果的である。各画素間の距離を現状以上に短くするには更に一層の画素の微細化が必要となり、技術的に困難になってきているのは上述の通りである。そこで、本実施例では、トップレンズ８２をギャップレスレンズとすることで、隣接画素間の不感度領域を無くし、左右上下に隣接する赤色（Ｒ）の受光面と青色（Ｂ）の受光面を連続させて、折返し歪みによる偽色を更に低減することにしている。

図１５（ｂ）は、図２の固体撮像素子３７として用いるＣＣＤ３７ｃの画素すなわち緑色（Ｇ）を検出する画素の断面図である。図１５（ａ）の断面構造と殆ど同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明を省略し、違いのみ説明する。

緑色（Ｇ）の光を検出する画素においては、Ｎ^＋領域７２Ｇの深さを、シリコン基板７０における緑色の光学吸収係数を考慮して、深さＸｊを約０．３〜０．８μｍ程度とし、緑色に対する感度を最大にしている。

また、光分解プリズムにより緑色（Ｇ）の光しかＣＣＤ３７ｃに入射しないため、図１５（ａ）に示すカラーフィルタ層８０は設けず、平坦化膜７９がトップレンズ８２の下まで形成されている。

この実施例では、Ｎ^＋層の深さを、即ち、フォトダイオードのＰＮ接合深さＸｊを、Ｘｊ（Ｂ）＜Ｘｊ（Ｇ）＜Ｘｊ（Ｒ）としたため、赤色入射光量に応じた信号電荷を高感度にＮ^＋層７２Ｒに蓄積でき、緑色入射光量に応じた信号電荷を高感度にＮ^＋層７２Ｇに蓄積でき、青色入射光量に応じた信号電荷を高感度にＮ^＋層７２Ｂに蓄積できるという効果を有する。

尚、上述した実施例はいずれもＣＣＤの例であるが、ＭＯＳ型イメージセンサでも、カラーフィルタの構造を実施例１〜３と同様の構造にすることで本発明を適用できるのはいうまでもない。

本発明に係る２板式カラー固体撮像装置は、小型化，低コスト化を図ることが可能となり、しかも、高解像度，高画質，高感度のカラー画像を撮像できるため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに搭載するのに有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラのブロック構成図である。 図１に示す図１に示す２板式カラー固体撮像装置の構成図である。 図２に示す光分解プリズムの別例を示す図である。 （ａ）は、図２に示すダイクロイックミラーで反射された緑色（Ｇ）の光の波長分布を示す図である。 （ｂ）は、図２に示すダイクロイックミラーで透過した青色（Ｂ）及び赤色（Ｒ）の光の波長分布を示す図である。 （ａ）は図２に示す緑色のトリミングフィルタの分光特性を示すグラフである。 （ｂ）は図２に示すマゼンタ（Ｍｇ）のトリミングフィルタの分光特性を示すグラフである。 （ａ）は図２の緑色検出用の固体撮像素子に入射する緑色の光の波長分布を示すグラフである。 （ｂ）は図２の赤色及び青色検出用の固体撮像素子に入射する赤色及び青色の光の波長分布を示すグラフである。 （ａ）は図２の赤色及び青色検出用の固体撮像素子に入射する赤色及び青色の光の波長分布を示すグラフである。 （ｂ）はシアン（Ｃｙ）フィルタの分光特性を示すグラフである。 （ｃ）はシアンフィルタを通過した青色の光の分光特性を示すグラフである。 （ｄ）はイエロ（Ｙｅ）フィルタの分光特性を示すグラフである。 （ｅ）はイエロフィルタを通過した赤色の光の分光特性を示すグラフである。 隣接するカラーフィルタの境界部分で発生する混色問題の説明図である。 （ａ）本発明の実施例１に係る赤色及び青色検出用ＣＣＤの表面模式図である。 （ｂ）本発明の実施例１に係る緑色検出用ＣＣＤの表面模式図である。 （ａ）は縦方向に延びるストライプ状のカラーフィルタを例示する図である。 （ｂ）は横方向に延びるストライプ状のカラーフィルタを例示する図である。 （ａ）本発明の実施例２に係る赤色及び青色検出用ＣＣＤの表面模式図である。 （ｂ）本発明の実施例２に係る緑色検出用ＣＣＤの表面模式図である。 （ａ）はハニカム配列のＣＣＤで用いる縦方向に延びたストライプ状カラーフィルタを例示する図である。 （ｂ）はハニカム配列のＣＣＤで用いる横方向に延びたストライプ状カラーフィルタを例示する図である。 （ａ）は図１１（ａ）に示すＣＣＤの４画素分の平面模式図である。 （ｂ）は図１１（ｂ）に示すＣＣＤの４画素分の平面模式図である。 図１３（ａ）（ｂ）の円XIV内の拡大図である。 （ａ）は図１３（ａ）のＡ―Ａ線断面に相当する本発明の実施例３の断面図である。 （ｂ）は図１３（ｂ）のＢ―Ｂ線断面に相当する本発明の実施例３の断面図である。 従来の３板式カラー固体撮像装置の構成図である。

符号の説明

２２ ２板式カラー固体撮像装置
３５ 色分解プリズム
３６ 第１の固体撮像素子（Ｒ，Ｂ検出用）
３７ 第２の固体撮像素子（Ｇ検出用）
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ 第１のＣＣＤ（Ｒ，Ｂ検出用）
３７ａ，３７ｂ，３７ｃ 第２のＣＣＤ（Ｇ検出用）
３８ 緑色反射用ダイクロイックミラー
３９ 全反射用ダイクロイックミラー
７０ ｎ型シリコン基板
７２Ｒ，７２Ｇ，７２Ｂ Ｎ^＋層
７８ 遮光膜
８０ 補色系カラーフィルタ層
８２ ギッャプレスマイクロレンズ
Ｃｙ シアンフィルタ
Ｙｅ イエロフィルタ

Claims (10)

1. ３原色の入射光を緑色と赤色及び青色とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記赤色及び青色の入射光を受光して赤色の光量に応じた赤色信号と青色の光量に応じた青色信号とを出力する第１固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記緑色の入射光を受光して緑色の光量に応じた緑色信号を出力する第２固体撮像素子とを備える２板式カラー固体撮像装置において、前記第１固体撮像素子の複数の受光部のうち赤色検出用受光部の上部に赤色の光を透過する補色系の第１カラーフィルタを設け、前記第１固体撮像素子の複数の受光部のうち青色検出用受光部の上部に青色の光を透過する補色系の第２カラーフィルタを設けたことを特徴とする２板式カラー固体撮像装置。
2. 前記第１カラーフィルタがイエロ（Ｙｅ）フィルタであり、前記第２カラーフィルタがシアン（Ｃｙ）フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の２板式カラー固体撮像装置。
3. 前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタが染料系で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２板式カラー固体撮像装置。
4. 前記第１カラーフィルタと前記第２カラーフィルタがモザイク状あるいはストライプ状に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
5. 前記青色検出用受光部のＰＮ接合深さＸｊ（Ｂ）と、前記赤色検出用受光部のＰＮ接合深さＸｊ（Ｒ）と、前記第２固体撮像素子に設けられている緑色検出用受光部のＰＮ接合深さＸｊ（Ｇ）が
   Ｘｊ（Ｂ）＜Ｘｊ（Ｇ）＜Ｘｊ（Ｒ）
   の関係を満たすように製造されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
6. 前記色分解プリズムが、入射光のうち緑色の光を反射し赤色及び青色の光を透過するダイクロイックミラーを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
7. 前記色分解プリズムは、前記緑色の光の出射口に緑色のトリミングフィルタを備えると共に、前記赤色及び青色の光の出射口にマゼンタ（Ｍｇ）のトリミングフィルタを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
8. 前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子の夫々に設けられる受光部がいずれも正方格子状またはハニカム状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
9. 前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子がいずれもＣＣＤ型またはＭＯＳ型のイメージセンサであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。

Images