JP2008010879A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高解像度の固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 固体撮像装置は、受光領域を有する半導体基板と、半導体基板の受光領域に行列状に形成された多数の画素であって、各画素が相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とを含む多数の画素と、前記主感光部と従感光部を含む１画素の上方に１つの開口を有する遮光膜と、前記主感光部、前記従感光部のいずれからも選択的に画像信号を取り出すことのできる電荷読出機構と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に画素数の多い固体撮像装置に関する。

固体撮像装置として、電荷結合装置（ＣＣＤ）を用いて信号電荷を転送するＣＣＤ固体撮像装置や感光素子からの画像信号をＭＯＳトランジスタで増幅した後出力するＭＯＳ型固体撮像装置等が知られている。感光素子としては、主にホトダイオードが用いられ、受光領域内に多数の画素が行列状に配置される。感光素子の配列は、行方向および列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列される場合や行方向および列方向に１つおきに位置をずらして(例えば１／２ピッチずつずらして)配列されるハニカム配列がある。

オンチップカラーフィルタを備える固体撮像装置の場合、感光素子や信号転送部を形成した半導体チップ上にカラーフィルタ層が形成される。多くの場合、カラーフィルタ層の上に、さらにオンチップマイクロレンズが配置され、入射する光を効率的に感光素子に入射させるようにしている。

解像度の高い画像信号を得るためには、画素数を増加させることが望まれる。各画素は、一般的に同一形状で形成されるが、各画素から得られる画像信号は、必ずしも同一の機能、重要性を有するものではない。例えば、解像度を支配する輝度信号を得るためには、可視領域全体の光量、又は緑色領域の光量の信号が必要である。緑色信号から輝度信号を得る場合、高解像度の画像信号を得ようとすれば、緑色画素の数が多いほうが望ましい。

本発明の目的は、高解像度の固体撮像装置を提供することである。

本発明の他の目的は、目的に応じて機能を使い分けることのできる固体撮像装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、補助的な機能を有すると共に、補助的機能により主たる機能が低下する程度を最小限に抑えた固体撮像装置を提供することである。

本発明の他の目的は、占有面積を増加させることなく、解像度を高くでき、感度の低下を抑制できる固体撮像装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、受光領域を有する半導体基板と、前記半導体基板の受光領域に行列状に形成された多数の画素であって、各画素が相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とを含む多数の画素と、前記主感光部と従感光部を含む１画素の上方に１つの開口を有する遮光膜と、前記主感光部、前記従感光部のいずれからも選択的に画像信号を取り出すことのできる電荷読出機構と、を有する固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、高解像度の画像信号を読み出すことができる。

高画質の画像を再生することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１（Ａ）〜（Ｃ）、図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例による固体撮像装置を説明するための平面図、断面図及びブロック図である。図１（Ａ）において、２つの画素ＰＩＸが横に並んで示されている。各画素ＰＩＸは、２つのホトダイオード領域２１、２２を含む。ホトダイオード領域２１は、相対的に広い面積を有し、主たる感光部を構成する。ホトダイオード２２は、相対的に狭い面積を有し、従たる感光部を構成する。画素ＰＩＸの右側に、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）６が配置されている。

なお、図示した構成はハニカム構造の画素配列であり、図示した２つの画素の上側および下側の画素は、横方向に半ピッチずれた位置に配置される。各画素ＰＩＸの左側に示されているＶＣＣＤ６は、上側および下側の画素ＰＩＸからの電荷を読み出し、転送するためのものである。

点線で示すように、４層駆動するためのポリシリコン電極１４、１５、１８、１９（まとめてＥＬで示す）がＶＣＣＤ６の上方に配置される。例えば、２層ポリシリコンで転送電極を形成する場合、転送電極１４、１８は例えば第１層ポリシリコン層で形成され、転送電極１５、１９は第２層ポリシリコン層で形成される。転送電極１４は、従たる感光部２２からＶＣＣＤ６への電荷読み出しも制御する。転送電極１５は、主たる感光部２１からＶＣＣＤ６への電荷読み出しも制御する。

図１（Ｂ）、（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す１点破線ＩＢ‐ＩＢおよびＩＣ‐Ｉ
Ｃに沿う断面図である。ｎ型半導体基板１６の1表面に、ｐ型ウエル１７が形成されている。ｐ型ウエル１７の表面領域に、２つのｎ型領域２１、２２が形成され、主ホトダイオード部および従ホトダイオード部を構成している。ｐ⁺型領域２７は、画素、ＶＣＣＤ等の電気的な分離を行なうためのチャネルストップ領域である。

図1（Ｃ）に示すように、ホトダイオードを構成するｎ型領域２１の近傍に、ＶＣＣＤを構成するｎ型領域６が配置されている。ｎ型領域２１、６の間のｐ型ウエル１７が、読み出しトランジスタを構成する。

半導体基板表面上には、酸化シリコン膜等の絶縁層が形成され、その上にポリシリコンで形成された転送電極ＥＬが形成される。転送電極ＥＬは、ＶＣＣＤ６の上方を覆うように配置されている。転送電極ＥＬの上に、さらに酸化シリコン等の絶縁層が形成され、その上にＶＣＣＤ等の構成要素を覆い、主ホトダイオード部および従ホトダイオードを含む１画素の上方に１つの開口を有する遮光膜１２がタングステン等により形成されている。遮光膜１２を覆うように、ホスホシリケートガラス等で形成された層間絶縁膜１３が形成され、その表面が平坦化されている。

層間絶縁膜１３の上に、カラーフィルタ層１０が形成されている。カラーフィルタ層１０は、例えば赤色領域２５、緑色領域２６等３色以上の色領域を含む。カラーフィルタ層１０の上に、各画素に対応してマイクロレンズ１１がレジスト材料等により形成されている。

図１（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ１１は各画素の上に１つ形成されており、その下方には２種類のカラーフィルタ２５、２６が配置されている。カラーフィルタ２５は、主たる感光部２１の上方を覆って形成され、少なくとも垂直方向から感光部２１に入射する光が透過するように配置されている。カラーフィルタ２６を透過した光は、主に従たる感光部２２に入射するように配置されている。マイクロレンズ１１は、上方より入射する光を、遮光膜１２が画定する開口内に集光させる機能を有する。なお、感光部２１,２２に合わせて、２つのマイクロレンズを設けてもよい。

図２（Ａ）は、受光領域ＰＳ内の画素ＰＩＸおよびＶＣＣＤ６の配置を示す。画素ＰＩＸは、各行において１列おきに配置されると共に、各列において１行おきに配置され、いわゆるハニカム構造を構成している。各画素ＰＩＸは、上述のように主たる感光部と従たる感光部とを含む。ＶＣＣＤ６は、各列に近接して蛇行して配置されている。

受光領域ＰＳの右側には、垂直転送電極ＥＬを駆動するためのＶＣＣＤ駆動回路２が配置されている。又、受光領域ＰＳ下方には、ＶＣＣＤ６から電荷を受け、横方向に転送する水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）３が配置されている。ＨＣＣＤ３の左側には、出力アンプ４が配置されている。

図２（Ｂ）は、固体撮像装置のシステム構成を示す。固体撮像素子５１は、半導体チップで構成され、受光領域ＰＳおよび周辺回路領域を含む。駆動回路５２は、固体撮像素子を駆動する駆動信号を供給する。主たる感光部の蓄積電荷を読み出す信号と、従たる感光部の蓄積電荷を読み出す信号を供給する。

固体撮像装置５１からの２種類の出力信号は、処理回路５３で処理される。記憶装置５４は、処理回路５３から画像信号を受け、記憶する２つの領域を有する。一方の領域は、主たる感光部に基づく画像信号を記憶し、他方の領域は従たる感光部に基づく画像信号を記憶する。処理回路５３で処理された画像信号は、表示装置５５、インターフェイス５６、テレビジョンＴＶ５７等に供給される。

図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すような構成においては、２種類のカラーフィルタを透過した光が必ずしも完全に分離して２つの感光部２１、２２に入射するとは限らない。すなわち、感光部において混色が生じる可能性がある。しかしながら、マイクロレンズ１１を透過した光は、必ず２種類のカラーフィルタ２５、２６のいずれかを通る。すなわち、感光部２１,２２で生じうる混色は、２種類の混色に限られる。

予め、一方のカラーフィルタを透過した光がどのような割合で２つの感光部に入射し、他方のカラーフィルタを透過した光がどのような割合で２つの感光部に入射するかを調べておき、２つの感光部の受光信号をどのように換算すれば各色信号成分が導出できるかを設定しておけば、処理回路５３の処理により２つの感光部に入射した光を整理することができる。

たとえば、出荷前に、受光領域全体に一定照度の赤色光、緑色光、青色光を照射し、各感光部からの出力信号を得る。同一画素の２つの感光部の信号により、１つのフィルタを通過した光がどのように２つの感光部に分配されるかが判る。２つのフィルタを通過した光が２つの感光部に入射する場合は、各感光部は２色の入射光の一定割合を受光している。この割合は固定値なので、換算することにより目的とする色の光量を計算することができる。処理回路５３は、予めこれらの数値を記憶しておく。

なお、主たる感光部での混色は無視できる程度に抑え、従たる感光部の信号のみ混色を解消する処理を行ってもよい。

なお、上述の実施例において従たる感光部２２の上方には全て緑色のフィルタ２６が配置されている。従って、従たる感光部の検出信号を用いて、全画素位置での緑色信号（輝度信号）を得ることができる。全画素位置での輝度信号を得ることにより、必要に応じてさらに補間を行い、高解像度の画像を再生することが可能となる。

主たる感光部２１の画像信号は、通常のＣＣＤ型固体撮像装置の画像信号と同様に扱うことができる。必要に応じて、主たる感光部からの信号のみで画像を再生することもできる。

図２（Ｃ）は、従たる感光部から得た信号を補間して補間信号を得る方法を示す。画素Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３,Ｐ４は全て緑色の従たる感光部である。輝度信号算出の基礎となる画素数が増加しているので、解像度を向上することができる。通常のベイヤ配列では、上下、又は左右の２個のみが緑色画素である。補間画素ＩＰの緑色信号を作成する場合も、２つの信号の平均値とするしかない。

上下、左右４つの緑色画素があれば、４つの信号値を用いて補間画素の信号値を作成することができる。たとえば、３つの画素信号がほぼ同一で、１つのみが異なる値の場合、被写体の境界であることが考えられる。この場合、１つのみ異なる信号は無視し、残りの３つの信号から平均値を得る事ができる。このようにして、高解像度の画像信号を得る事ができる。主たる感光部からの信号を処理するときに、得た高解像度の情報を利用することができる。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の他の実施例による固体撮像装置の構成を示す。主たる感光部２１と従たる感光部２２の間にｐ⁺型分離領域２９が形成されている。又、その上方には分離領域２９に対応した位置に遮光膜２８が形成されている。遮光膜２８、分離領域２９を用いることにより、入射する光を効率的に分離すると共に、感光部２１、２２に一旦蓄積された電荷がその後混合することを防止する。その他の構成は図１、図２に示す実施例と同様である。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、その他の変形例を示す。

図４（Ａ）は、２つの感光部２１、２２が斜め方向に分離されている構成を示す。主たる感光部２１と従たる感光部２２の分離形状はＶＣＣＤに蓄積電荷を読み出すことができれば特に限定されない。ただし、従たる感光部の面積を主たる感光部の面積に較べ小さな値とする。主たる感光部の面積減少を抑制し、感度低下を最小限に抑える。

図４（Ｂ）は、マイクロレンズ１１が主たる感光部に対応するカラーフィルタ上にのみ形成されている構成を示す。従たる感光部に対応するカラーフィルタ２６の上にはマイクロレンズが配置されていない。このため、従たる感光部２２に入射する面積当りの光量は少なくなる。逆に、強い光が入射しても従たる感光部２２が飽和することが少なく、広いダイナミックレンジを実現することができる。なお、従たる感光部に対応するカラーフィルタを省略し、透明領域とすることもできる。

以上、ハニカム構造の固体撮像装置を例にとって説明したが、固体撮像装置の画素配列はハニカム構成に限らない。

図４（Ｃ）は、全画素ＰＩＸが（ｎ ｘ ｍ）の正方行列的に配置された例を示す。各画素ＰＩＸは、主たる感光部２１と従たる感光部２２を含む。これら２種類の感光部から隣接するＶＣＣＤに選択的に電荷を転送することができる構成となっている。

さらに、ＣＣＤ型固体撮像装置以外の固体撮像装置に適応することも可能である。

図４（Ｄ）は、ＭＯＳ型固体撮像装置の構成例を示す。各画素画が複数領域のホトダイオード２１、２２を含む。主たる感光部２１、従たる感光部２２に対応してそれぞれＭＯＳトランジスタが接続されており、各感光部の蓄積電荷を選択的に読み出すことができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の実施例による固体撮像装置の構成を示す平面図及び断面図である。 図１に示す固体撮像装置の全体構成を示す平面図及びブロック図である。 本発明の他の実施例による固体撮像装置の構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の実施例の変形例を示す平面図及び断面図である。

符号の説明

２ ＶＣＣＤ駆動回路
３ ＨＣＣＤ
４ 出力アンプ
６ ＶＣＣＤ
１６ 半導体基板（ｎ型領域）
１７ ｐ型ウエル
２１ ｎ型領域（主たる感光部）
２２ ｎ型領域（従たる感光部）
ＥＬ 転送電極
１４、１５、１８、１９ ポリシリコン電極
１０ カラーフィルタ層
１１ マイクロレンズ
１２ 遮光膜
１３ 層間絶縁膜
２５、２６ カラーフィルタ

Claims (4)

1. 受光領域を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の受光領域に行列状に形成された多数の画素であって、各画素が相対的に広い面積を有する主感光部と相対的に狭い面積を有する従感光部とを含む多数の画素と、
   前記主感光部と従感光部を含む１画素の上方に１つの開口を有する遮光膜と、
   前記主感光部、前記従感光部のいずれからも選択的に画像信号を取り出すことのできる電荷読出機構と、
   を有する固体撮像装置。
2. 前記電荷読出機構は、
   前記画素の各列に沿って前記半導体基板に形成された垂直電荷転送路と、
   前記垂直電荷転送路の電荷転送を制御すると共に、前記主感光部および従感光部のいずれからも前記垂直電荷転送路に電荷を読み出せる形状で、前記半導体基板上方に形成された垂直転送電極群と、
   前記垂直電荷転送路の一端に隣接して前記半導体基板に形成され、前記垂直電荷転送路から電荷を受け、１行ずつの電荷信号を転送できる水平電荷転送路と、
   前記半導体基板上方に形成され、前記水平電荷転送路の電荷転送を制御する水平転送電極群と、
   を含む請求項１記載の固体撮像装置。
3. さらに、
   １つの画素の主感光部と従感光部との上に配置された２種類のカラーフィルタと、
   前記主感光部および前記従感光部からの画像信号を処理し、各感光部に入射した光を整理する処理回路と、
   を有する請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記多数の画素が、行方向、列方向共に１つ置きに位置をずらせたハニカム状に配列されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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