JP2011130022A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】CMOSイメージセンサにおいて、画素内の低感度のフォトダイオードの飽和レベルを色毎に異なる値にして、ダイナミックレンジを大きくする。
【解決手段】高感度のフォトダイオードPD1 と、高感度のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタREAD1 と、低感度のフォトダイオードPD2 と、低感度のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタREAD2 と、フローティングディフュージョンFDと、リセットトランジスタRST と、増幅トランジスタAMP とを有する単位画素1が複数配列された撮像領域10と、異なる分光透過特性を有する少なくとも第１、第２の色フィルタを含む複数の色フィルタとを具備し、第１の色フィルタに対応する低感度のフォトダイオードの飽和レベルをQSAT1 とし、第２の色フィルタに対応する低感度のフォトダイオードの飽和レベルをQSAT2 としたときに、QSAT1 ＞QSAT2 の関係を満たしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に係り、特に単位画素の回路構成に関するもので、例えばCMOSメージセンサに使用される。
CMOSイメージセンサの撮像領域には、複数の単位画素（ユニットセル）が行列状に配置されている。各単位画素に高感度と低感度の２個のフォトダイオードを設けることにより、画素の信号電荷取扱量（ダイナミックレンジ）を拡大したCMOSイメージセンサが、例えば、特許文献１、２に記載されている。
画素のダイナミックレンジは、ある特定の色の画素のフォトダイオードの飽和レベルで決まり、それ以外の色の画素については飽和レベルまで使うことができない。例えば、一般によく用いられているRBG ベイヤー配列の色フィルタが設けられたRBG センサでは、G （緑）の画素の感度が最も高く、光が入射した際に最初に飽和レベルに達する。この時、G 以外のB （青）及びR （赤）の画素では飽和レベルに達していない。この場合、画素全体のダイナミックレンジは、G の画素のダイナミックレンジによって抑制される。
このように、各単位画素に高感度と低感度の２個のフォトダイオードを設け、画素のダイナミックレンジの拡大化を図った従来のセンサにおいても、画素の感度が色によって異なることが考慮されていないために、ダイナミックレンジがより大きくできないという問題がある。
特開２０００−１２５２０９号公報 特開２００５−２８６５６５号公報
本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、その目的は、画素のダイナミックレンジをより大きくし得る固体撮像装置を提供することである。
本発明の一実施形態の固体撮像装置は、入射光を光電変換する第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードに接続され、第１のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換する第２のフォトダイオードと、前記第２のフォトダイオードに接続され、第２のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、前記第１及び第２の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタとを有する単位画素が複数配列された撮像領域と、異なる分光透過特性を有する少なくとも第１、第２の色フィルタを含む複数の色フィルタとを具備し、前記第１の色フィルタに対応する前記第２のフォトダイオードの飽和レベルをQSAT1 とし、前記第２の色フィルタに対応する前記第２のフォトダイオードの飽和レベルをQSAT2 としたときに、QSAT1 ＞QSAT2 の関係を満たすことを特徴とする。
本発明の他の実施形態の固体撮像装置は、入射光を光電変換する第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードに接続され、第１のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換する第２のフォトダイオードと、前記第２のフォトダイオードに接続され、第２のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、前記第１及び第２の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタとを有する単位画素が複数配列された撮像領域と、異なる分光透過特性を有する少なくとも第１、第２の色フィルタを含む複数の色フィルタと、前記第１、第２の色フィルタに対応して設けられた第１、第２のマイクロレンズを含み、光を集光して前記撮像領域上に照射する複数のマイクロレンズとを具備し、前記第１の色フィルタに対応して設けられ、前記第２のフォトダイオードに光を集光する前記第１のマイクロレンズの面積をAREA1、前記第２の色フィルタに対応して設けられ、前記第２のフォトダイオードに光を集光する前記第２のマイクロレンズの面積をAREA2としたとき、AREA1＜AREA2の関係を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、画素のダイナミックレンジをより大きくし得る固体撮像装置を提供することができる。
（ａ）は第１の実施形態のセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図、（ｂ）は同センサの撮像領域の一部を取り出して色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図、（ｃ）は同センサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージ並びに色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図。 第１の実施形態のセンサの低感度のフォトダイオードの色別の特性の一例を示す図。 （ａ）は第２の実施形態のセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図、（ｂ）は同センサの撮像領域の一部を取り出して色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図、（ｃ）は同センサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージ並びに色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図。 第２の実施形態のセンサの低感度のフォトダイオードの色別の特性の一例を示す図。 参考例に係るCMOSイメージセンサを概略的に示すブロック図。 図５のCMOSイメージセンサの高感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図。 図５のCMOSイメージセンサの低感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図。 参考例のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために特性の一例を示す図。 （ａ）は図５のCMOSイメージセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図、（ｂ）は図５のCMOSイメージセンサにおける撮像領域の一部を取り出して色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図。
まず、本発明の実施の形態を説明する前に、各単位画素に高感度と低感度の２個のフォトダイオードを設けた参考例に係るCMOSイメージセンサについて説明する。この参考例のセンサは、本出願人に係る特願２００９−１５７９５５号の出願の願書に添付された明細書及び図面に記載されている。図５は、このセンサを概略的に示すブロック図である。撮像領域１０はｍ行ｎ列に配置された複数の単位画素（ユニットセル）１(m,n) を含む。ここでは、各単位画素のうち、ｍ行目ｎ列目の１つの単位画素１(m,n) 、及び、撮像領域の各カラムに対応して列方向に形成された垂直信号線のうちの１本の垂直信号線１１(n) を代表的に示す。
撮像領域１０の一端側（図中左側）には、撮像領域の各行にADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)などの画素駆動信号を供給する垂直シフトレジスタ１２が配置されている。
撮像領域１０の上端側（図中上側）には、各カラムの垂直信号線１１(n) に接続されている電流源１３が配置されており、画素ソースフォロワ回路の一部として動作する。
撮像領域の下端側（図中下側）には、各カラムの垂直信号線１１(n) に接続されている相関二重サンプリング(Correlated double Sampling;CDS)回路＆アナログ・デジタル変換回路(Analog Digital Convert;ADC)回路を含むCDS&ADC １４と、水平シフトレジスタ１５が配置されている。CDS&ADC １４は、画素のアナログ出力をCDS 処理し、デジタル出力に変換する。
信号レベル判定回路１６は、CDS&ADC １４でデジタル化された出力信号のレベルに基づいて単位画素の出力信号VSIG(n) が所定値より小さいか大きいかを判定し、判定出力をタイミング発生回路１７に供給するとともに、CDS&ADC １４にアナログゲイン(Analog Gain;AG)制御信号として供給する。
タイミング発生回路１７は、フォトダイオードの蓄積時間を制御する電子シャッタ制御信号や動作モード切替用の制御信号等をそれぞれ所定のタイミングで発生し、垂直シフトレジスタ１２に供給する。
各単位画素は同一の回路構成を有しており、各単位画素に高感度のフォトダイオードと低感度のフォトダイオードの２個のフォトダイオードを設けている。ここで、図５中の単位画素１(m,n) の構成を説明する。
単位画素１(m,n) は、入射光を光電変換して蓄積する第１のフォトダイオードPD1 と、第１のフォトダイオードPD1 に接続され、第１のフォトダイオードPD1 の信号電荷を読み出し制御する第１の読み出しトランジスタREAD1 と、第１のフォトダイオードPD1 よりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積する第２のフォトダイオードPD2 と、第２のフォトダイオードPD2 に接続され、第２のフォトダイオードPD2 の信号電荷を読み出し制御する第２の読み出しトランジスタREAD2 と、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 の各一端に接続され、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 により読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDにゲートが接続され、フローティングディフュージョンFDの信号を増幅して垂直信号線１１(n) に出力する増幅トランジスタAMP と、増幅トランジスタAMP のゲート電位（FD電位）にソースが接続されてゲート電位をリセットするリセットトランジスタRST と、垂直方向における所望水平位置の単位画素を選択制御するために増幅トランジスタAMP に電源電圧を供給制御する選択トランジスタADR を有する。なお、各トランジスタはｎ型のMOSFETである。
選択トランジスタADR 、リセットトランジスタRST 、第１の読み出しトランジスタREAD1 、第２の読み出しトランジスタREAD2 は、それぞれ対応する行の信号線の画素駆動信号ADRES(m)、RESET(m)、READ1(m)、READ2(m)により駆動される。また、増幅トランジスタAMP の一端は、対応する列の垂直信号線１１(n) に接続されている。
図６は、図５のCMOSイメージセンサにおいて、フローティングディフュージョンFDに蓄積される信号電荷量が少ない場合（暗時）に適した高感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作時における半導体基板内のポテンシャル電位および読み出し動作時のポテンシャル電位の一例を示す図である。フローティングディフュージョンFDの信号電荷量が少ない場合は、CMOSイメージセンサの感度を上げてS/N 比を向上させることが求められる。
まず、リセットトランジスタRST をオンさせてリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位(Potential) は、画素の電源と同じ電位レベルに設定される。リセット動作の終了後は、リセットトランジスタRST をオフする。すると、垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力される。この電圧値をCDS&ADC １４内のCDS 回路に取り込む（暗時レベル）。
次に、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 をオンさせて、それまでに第１、第２のフォトダイオードPD1 、PD2 に蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。高感度モードでは、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 の両方をオンさせて、暗い状態で取得した信号電荷の全てをフローティングディフュージョンFDに転送する読出し動作を行う。この信号電荷の転送に伴って、FD電位が変化する。垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力されるので、この電圧値をCDS 回路に取り込む（信号レベル）。その後、信号レベルから暗時レベルを引き算することにより、増幅トランジスタAMP の閾値電圧のばらつき等に起因するノイズをキャンセルし、純粋な信号成分のみを取り出す（CDS 動作）。
なお、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 は、同時にオンさせてもよいが、以下の動作も可能である。すなわち、第１の読み出しトランジスタREAD1 のみをオンさせて、第１のフォトダイオードPD1 に蓄積された信号電荷を転送した後、いったん第１の読み出しトランジスタREAD1 をオフさせる。その後、第２の読み出しトランジスタREAD2 のみをオンさせて、第２のフォトダイオードPD2 に蓄積された信号電荷を転送する。
一般に、読み出しトランジスタをオンさせることにより、フローティングディフュージョンFDの電位は容量結合により上昇するが、後者の動作によれば、同時に２つの読み出しトランジスタがオンしないので、フローティングディフュージョンFDの電位の上昇は小さい。従って、フローティングディフュージョンFDにおける電界依存性暗電流の発生を抑制することができる。
一方、図７は、図５のCMOSイメージセンサにおいて、第１、第２のフォトダイオードPD1 、PD2 に蓄積される信号電荷量が多い場合（明時）に適した低感度モードにおける画素の動作タイミング、リセット動作(Reset Operation) 時における半導体基板内のポテンシャル(Potential) 電位および読み出し動作(Read Operation)時のポテンシャル電位の一例を示す図である。信号電荷量が多い場合は、センサの感度を落として、センサがなるべく飽和しないようにして、ダイナミックレンジを拡大することが求められる。
まず、リセットトランジスタRST をオンさせてリセット動作を行うことにより、リセット動作を行った直後のフローティングディフュージョンFDの電位は、画素の電源と同じ電位レベルに設定される。リセット動作の終了後は、リセットトランジスタRST をオフする。すると、垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力される。この電圧値をCDS&ADC １４内のCDS 回路に取り込む（暗時レベル）。
次に、低感度モードでは、第２の読み出しトランジスタREAD2 のみをオンし、より感度の低い第２のフォトダイオードPD2 で蓄積した信号電荷のみをフローティングディフュージョンFDに転送する読出し動作を行う。この信号電荷の転送に伴って、FD電位が変化する。垂直信号線１１には、フローティングディフュージョンFDの電位に応じた電圧が出力されるので、この電圧値をCDS 回路に取り込む（信号レベル）。その後、CDS 回路で信号レベルから暗時レベルを引き算することにより、増幅トランジスタAMP の閾値電圧のばらつき等に起因するノイズをキャンセルし、純粋な信号成分のみを取り出す（CDS 動作）。
なお、低感度モードでは、第１のフォトダイオードPD1 の信号電荷がフローティングディフュージョンFDに溢れてくるのを防止するため、フローティングディフュージョンFDのリセット動作を行う直前に第１の読み出しトランジスタREAD1 をオンさせ、第１のフォトダイオードPD1 に蓄積された信号電荷を排出すると良い。また、フローティングディフュージョンFDのリセット動作と第２のフォトダイオードPD2 からの信号の読出し動作を行っている期間以外は、常に第１の読み出しトランジスタREAD1 をオンさせてもよい。
このように、参考例のCMOSイメージセンサでは、単位画素に高感度と低感度の２個のフォトダイオードを設け、信号電荷量の少ない時は、高感度と低感度の２個のフォトダイオードの信号を両方使用する。その際、単位画素の中で信号電荷を加算して読み出す。また、信号電荷量が多い時は、低感度のフォトダイオードの信号のみを読み出す。このように、二つの動作モードを使い分ける。
図８は、参考例のCMOSイメージセンサにおけるダイナミックレンジ拡大効果を説明するために特性の一例を示す図である。図８中、横軸は入射光量を示し、縦軸はフォトダイオードに発生した信号電荷量を示している。ここでは、高感度のフォトダイオードPD1 の特性をＡ、低感度のフォトダイオードPD2 の特性をＢ、単位画素中に１個のフォトダイオードを設けた場合のフォトダイオード（以下、通常画素と称する）の特性をＣでそれぞれ示している。
ここで、例えば、高感度のフォトダイオードPD1 の光感度は通常画素の３／４に設定され、低感度のフォトダイオードPD2 の光感度は通常画素の１／４に設定されている。また、高感度及び低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の飽和レベルは共に、通常画素の１／２に設定されている。
図８から分かるように、高感度のフォトダイオードPD1 の光感度は通常画素の３／４に設定され、低感度のフォトダイオードPD2 の光感度は通常画素の１／４に設定されているので、両フォトダイオードの出力を加算する高感度モードでは、信号電荷量は通常画素の場合と同等である。
図９（ａ）は、図５のCMOSイメージセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図である。図９（ｂ）は、図５のCMOSイメージセンサにおける撮像領域の一部を取り出して色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。色フィルタの配列は、通常のRGB ベイヤー配列を採用している。
図９（ａ）、（ｂ）において、R(1)，R(2)はR 用画素、B(1)，B(2)はB 用画素、Gb(1) ，Gb(2) ，Gr(1) ，Gr(2) はG 用画素に対応する領域を示している。D は画素の電源ノードに接続されているドレイン領域を示している。なお、第１、第２の読み出しトランジスタは共にREADで表記している。
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、各単位画素に高感度と低感度のフォトダイオードが設けられ、高感度のフォトダイオード上には面積の大きな色フィルタ及びマイクロレンズ２０が配置され、低感度のフォトダイオード上には面積の小さな色フィルタ及びマイクロレンズ３０が配置されている。一方、フォトダイオードの面積は、高感度と低感度の区別無く、かつGBR の区別無く全て同じ面積となっている。
図８から明らかなように、低感度のフォトダイオードPD2 は、通常画素と比べて飽和レベルが１／２、光感度が１／４なので、結果として、低感度のフォトダイオードPD2 が飽和しないで動作する範囲は通常画素と比較して２倍広がっている。すなわち、低感度のフォトダイオードPD2 の出力を用いる低感度モードでは、ダイナミックレンジは通常画素と比較して２倍拡大している。
しかし、色フィルタを用いてカラーセンサを構成する場合に、画素のダイナミックレンジが、ある特定の色の画素のフォトダイオードの飽和レベルで決まり、それ以外の色の画素は、飽和レベルまで使うことができない。
すなわち、図５のセンサでは、G の画素の感度が最も高く、光が入射した際に最初に飽和レベルに達する。この時、G 以外のB 及びR の画素では飽和レベルに達していない。一般に、白色の被写体を撮像すると、一番出力が低いのがB の画素であることが多い。例えば、Yoshitaka Egawa et al. “A 1/2.5 inch 5.2Mpixel, 96dB Dynamic Range CMOS Image Sensor with Fixed Pattern Noise Free, Double Exposure Time Read-Out Operation” 2006, IEEE international Solid-State Conference, Digest of Technical Papers 2006, pp. 135-138の図４には、ある被写体を撮像した際に、G の画素の出力が最も高く、次いでR の画素の出力が高く、一番出力が低いのがB の画素であることが示されている。
この場合、画素の飽和レベルが色にかかわらずに一定であると仮定すると、G の画素が最初に飽和し、次いでR の画素が飽和し、最後にB の画素が飽和することになる。従って、図５のセンサをデジタルカメラ等に使用する場合、G の画素が飽和すると、残りの画素については、飽和していないのにもかかわらず、引き続き光電変換を行なうことができない。この結果、センサのダイナミックレンジは、ある特定の色の画素、具体的にはG の画素のフォトダイオードの飽和レベルで決まり、ダイナミックレンジをより大きくすることはできない。
次に、画素のダイナミックレンジをより大きくし得る本発明の固体撮像装置の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態のCMOSイメージセンサは、図５に示すブロック図と同様の回路構成を有する。すなわち、本実施形態のセンサは、ｍ行ｎ列に配置された複数の単位画素（ユニットセル）１(m,n) を含む撮像領域１０、垂直信号線１１(n) 、垂直シフトレジスタ１２、電流源１３、CDS&ADC １４、水平シフトレジスタ１５、信号レベル判定回路１６、及びタイミング発生回路１７を有する。
さらに、撮像領域１０内の各単位画素は、図５中に示す単位画素１(m,n) と同様に、入射光を光電変換して蓄積する第１のフォトダイオードPD1 と、第１のフォトダイオードPD1 に接続され、第１のフォトダイオードPD1 の信号電荷を読み出し制御する第１の読み出しトランジスタREAD1 と、第１のフォトダイオードPD1 よりも光感度が小さく、入射光を光電変換して蓄積する第２のフォトダイオードPD2 と、第２のフォトダイオードPD2 に接続され、第２のフォトダイオードPD2 の信号電荷を読み出し制御する第２の読み出しトランジスタREAD2 と、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 の各一端に接続され、第１、第２の読み出しトランジスタREAD1 、READ2 により読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョンFDと、フローティングディフュージョンFDにゲートが接続され、フローティングディフュージョンFDの信号を増幅して垂直信号線１１(n) に出力する増幅トランジスタAMP と、増幅トランジスタAMP のゲート電位（FD電位）にソースが接続されてゲート電位をリセットするリセットトランジスタRST と、垂直方向における所望水平位置の単位画素を選択制御するために増幅トランジスタAMP に電源電圧を供給制御する選択トランジスタADR を有する。
図１（ａ）は、本実施形態のセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図である。図１（ｂ）は、同センサの撮像領域の一部を取り出して色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。また、図１（ｃ）は同センサの素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージ並びに色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。色フィルタの配列は、通常のRGB ベイヤー配列を採用している。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、R(1)，R(2)はR 用画素、B(1)，B(2)はB 用画素、Gb(1) ，Gb(2) ，Gr(1) ，Gr(2) はG 用画素に対応する領域を示している。D は画素の電源ノードに接続されているドレイン領域を示している。また、図１（ａ）中に垂直信号線（１１）を示している。
参考例のセンサと同様に、各単位画素には高感度と低感度の２個のフォトダイオードが設けられ、高感度のフォトダイオードに対応して面積の大きな色フィルタ及びマイクロレンズ２０が配置され、低感度のフォトダイオードに対応して面積の小さな色フィルタ及びマイクロレンズ３０が配置されている。すなわち、R 用画素の高感度及び低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 上にはR の分光透過特性を有する色フィルタ及びマイクロレンズ２０が配置され、B 用画素の高感度及び低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 上にはB の分光透過特性を有する色フィルタ及びマイクロレンズ２０が配置され、G 用画素の高感度及び低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 上にはG の分光透過特性を有する色フィルタ及びマイクロレンズ２０が配置されている。ここで、高感度及び低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 が並ぶ方向は、垂直信号線の延長方向に対して４５度傾いている。
一方、参考例のセンサとは異なり、フォトダイオードの面積は画素の色によって異なっている。具体的には、G 用画素の高感度及び低感度のフォトダイオード（PD1 、PD2 ）４１の面積を大きくし、R 用画素及びB 用画素の高感度と低感度のフォトダイオード（PD1 、PD2 ）４２、４３の面積を小さくしている。なお、G 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の面積は互いに等しく、R 用画素及びB 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の面積はそれぞれ互いに等しい。一般に、画素の飽和レベルはフォトダイオードの面積に比例する。従って、G 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の飽和レベルは、R 用画素及びB 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の飽和レベルよりも大きくなる。
本実施形態のセンサでは、画素の飽和レベルが色によって異なっており、出力の大きなG 用画素の飽和レベルが他の色の画素の飽和レベルよりも大きく設定されている。このため、撮像時に、G 用画素をR 用画素及びB 用画素とほぼ同時に飽和させることができる。図２は、本実施形態のセンサの低感度のフォトダイオードPD2 の色別の特性の一例を示す図である。図２中、横軸は入射光量を示し、縦軸はフォトダイオードに発生した信号電荷量を示している。本実施形態では、色フィルタはRGB ベイヤー配列のものであり、R 、G 、B ３色の画素が存在するが、理解を容易にするために、図２ではG 用画素とR 用画素の２色のフォトダイオードPD2 の特性のみを示している。なお、図２では、G 用画素の飽和レベルが図９の参考例のG 用画素の４／３倍、R 用画素の飽和レベルが図９の参考例のR 用画素の２／３倍となるように設定している。この結果、画素のダイナミックレンジは、図９の参考例の画素の４／３倍に拡大する。
すなわち、本実施形態のセンサにおいて、G の色フィルタに対応する低感度のフォトダイオードPD2 の飽和レベルをQSAT1 とし、G 以外のR 及びB の色フィルタに対応する低感度のフォトダイオードPD2 の飽和レベルをQSAT2 としたときに、
QSAT1 ＞QSAT2
の関係を満たすと、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
なお、RGB ベイヤー配列の色フィルタは、R 、G 、B いずれも、650nm以上の近赤外線領域にまで感度を持ってしまうので、近赤外線カットフィルタが併用される。従って、色フィルタを有するセンサにおける各色の画素出力は、色フィルタと近赤外線カットフィルタの特性に大きく影響される。典型的には、各色の画素でフォトダイオードの面積を等しくした場合、画素出力の比率は、概略、R ：G ：B ＝１：３：１となる。従って、G の色フィルタに対応する低感度のフォトダイオード（PD2 ）４１の面積を、G 以外のR 及びB の色フィルタに対応する低感度のフォトダイオード（PD2 ）４２、４３の面積の３倍に設定すればよい。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態のCMOSイメージセンサは図１に示す参考例のCMOSイメージセンサのブロック図と同様の回路構成を有する。また、撮像領域内の各単位画素は図１中に示す参考例のCMOSイメージセンサの単位画素１(m,n) と同様の構成を有する。
図３（ａ）は、本実施形態のセンサの撮像領域における一部分を取り出して素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージを概略的に示す図である。図３（ｂ）は、同センサの撮像領域の一部を取り出して色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。また、図３（ｃ）は、同センサの素子形成領域およびゲートのレイアウトイメージ並びに色フィルタ及びマイクロレンズのレイアウトイメージを概略的に示す図である。色フィルタの配列は、通常のRGB ベイヤー配列を採用している。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、R(1)，R(2)はR 用画素、B(1)，B(2)はB 用画素、Gb(1) ，Gb(2) ，Gr(1) ，Gr(2) はG 用画素に対応する領域を示している。D は画素の電源ノードに接続されているドレイン領域を示している。また、図３（ａ）中に垂直信号線（１１）を示している。
第１の実施形態のセンサと同様に、各単位画素に高感度と低感度のフォトダイオードが設けられ、高感度のフォトダイオード上には面積の大きな色フィルタ及びマイクロレンズ２０が配置され、低感度のフォトダイオード上には面積の小さな色フィルタ及びマイクロレンズ３０が配置されている。すなわち、G 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 上にはG の分光透過特性を有する色フィルタ及びマイクロレンズ２０、３０ａが配置され、R 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 上にはR の分光透過特性を有する色フィルタ及びマイクロレンズ２０、３０ｂが配置され、B 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 上にはB の分光透過特性を有する色フィルタ及びマイクロレンズ２０、３０ｂが配置されている。ここで、高感度及び低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 が並ぶ方向は、垂直信号線の延長方向に対して４５度傾いている。
一方、第１の実施形態のセンサとは異なり、低感度のフォトダイオードPD2 上に設けられるマイクロレンズの面積が画素の色によって異なっている。具体的には、G 用画素の低感度のフォトダイオードPD2 上の色フィルタ及びマイクロレンズ３０ａのマイクロレンズ（Gr(2)）の面積を小さくし、R 用画素及びB 用画素の低感度のフォトダイオードPD2 上の色フィルタ及びマイクロレンズ３０ｂのマイクロレンズ（R(2),B(2)）の面積を大きくしている。なお、G 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の面積、及びR 用画素及びB 用画素の高感度と低感度のフォトダイオードPD1 、PD2 の面積は全て等しくされている。
この結果、同じ被写体を撮像した場合、G 用画素の低感度のフォトダイオードPD2 は、図９の参考例のG 用画素の低感度のフォトダイオードPD2 と比較して、信号電荷量の発生が少なく、飽和レベルに達しにくくなる。このため、撮像時に、G 用画素が飽和するタイミングを、R 用画素及びB 用画素が飽和するタイミングに近づけることができる。図４は、本実施形態のセンサの低感度のフォトダイオードPD2 の色別の特性の一例を示す図である。図４中、横軸は入射光量を示し、縦軸はフォトダイオードに発生した信号電荷量を示している。本実施形態では、色フィルタはRGB ベイヤー配列のものであり、R G B ３色の画素が存在するが、理解を容易にするために、図４ではG 用画素とR 用画素の２色のフォトダイオードPD2 の特性のみを示している。画素のダイナミックレンジはG 用画素によって決定され、G 用画素が飽和するタイミングを遅らせることができるので、画素全体のダイナミックレンジは図９の参考例よりも拡大する。
すなわち、本実施形態のセンサにおいて、G の色フィルタに対応して設けられ、低感度のフォトダイオードPD2 に光を集光するマイクロレンズ３０ａの面積をAREA1、G 以外のR 及びB の色フィルタに対応して設けられ、低感度のフォトダイオードPD2 に光を集光するマイクロレンズ３０ｂの面積をAREA2としたとき、
AREA1＜AREA2
の関係を満たすと、ダイナミックレンジを拡大させることができる。
なお、R G B の色フィルタを有するセンサにおける各色の画素出力は、各色の画素でフォトダイオードの面積を等しくした場合、画素出力の比率は、概略、R ：G ：B ＝１：３：１となる。従って、G の色フィルタに対応して設けられ、低感度のフォトダイオードPD2 に光を集光するマイクロレンズ３０ａの面積を、G 以外のR 及びB の色フィルタに対応して設けられ、低感度のフォトダイオードPD2 に光を集光するマイクロレンズ３０ｂの面積の１／３に設定すればよい。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記各実施形態はRGB の３色の画素を有する固体撮像装置であり、色情報を取得する色フィルタとしてRGB ベイヤー配列のものを使用する場合について説明したが、WRGBの４色の画素を有する固体撮像装置において、W （透明）、B （青）、G （緑）、及びR （赤）の４種類からなる色フィルタを用いるようにしてもよい。この場合は、W （透明）の光感度が最も大きいので、W （透明）に対応するマイクロレンズの面積を大きくするか、もしくはW （透明）に対応するフォトダイオードの面積を大きくするとよい。
１…単位画素、PD1 、PD2 …フォトダイオード、FD…フローティングディフュージョン、TREAD1、TREAD2 …読み出しトランジスタ、TAMP…増幅トランジスタ、TRST…リセットトランジスタ、TADR…選択トランジスタ、１０…撮像領域、１１…垂直信号線、１２…垂直シフトレジスタ、１３…電流源、１４…サンプリング＆アナログ・デジタル変換回路、１５…水平シフトレジスタ、１６…信号レベル判定回路、１７…タイミング発生回路、２０、３０…色フィルタ及びマイクロレンズ。

Claims (5)

  1. 入射光を光電変換する第１のフォトダイオードと、
    前記第１のフォトダイオードに接続され、第１のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、
    前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換する第２のフォトダイオードと、
    前記第２のフォトダイオードに接続され、第２のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、
    前記第１及び第２の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
    前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、
    前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタとを有する単位画素が複数配列された撮像領域と、
    異なる分光透過特性を有する少なくとも第１、第２の色フィルタを含む複数の色フィルタとを具備し、
    前記第１の色フィルタに対応する前記第２のフォトダイオードの飽和レベルをQSAT1 とし、前記第２の色フィルタに対応する前記第２のフォトダイオードの飽和レベルをQSAT2 としたときに、
    QSAT1 ＞QSAT2
    の関係を満たすことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 入射光を光電変換する第１のフォトダイオードと、
    前記第１のフォトダイオードに接続され、第１のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第１の読出しトランジスタと、
    前記第１のフォトダイオードよりも光感度が小さく、入射光を光電変換する第２のフォトダイオードと、
    前記第２のフォトダイオードに接続され、第２のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す第２の読出しトランジスタと、
    前記第１及び第２の読出しトランジスタに接続され、信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョンと、
    前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタと、
    前記フローティングディフュージョンの電位を増幅する増幅トランジスタとを有する単位画素が複数配列された撮像領域と、
    異なる分光透過特性を有する少なくとも第１、第２の色フィルタを含む複数の色フィルタと、
    前記第１、第２の色フィルタに対応して設けられた第１、第２のマイクロレンズを含み、光を集光して前記撮像領域上に照射する複数のマイクロレンズとを具備し、
    前記第１の色フィルタに対応して設けられ、前記第２のフォトダイオードに光を集光する前記第１のマイクロレンズの面積をAREA1、前記第２の色フィルタに対応して設けられ、前記第２のフォトダイオードに光を集光する前記第２のマイクロレンズの面積をAREA2としたとき、
    AREA1＜AREA2
    の関係を満たすことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 垂直信号線をさらに具備し、前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードが並ぶ方向が、前記垂直信号線に対して４５度傾いていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
  4. 前記固体撮像装置はRGB の３色の画素を有する固体撮像装置であり、前記第１の色フィルタはG の分光透過特性を有し、前記第２の色フィルタはG 以外の分光透過特性を有することを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像装置はWRGBの４色の画素を有する固体撮像装置であり、前記第１の色フィルタはW の分光透過特性を有し、前記第２の色フィルタはW 以外の分光透過特性を有することを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
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