JP2013258168A - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子において、信号読出回路の設計の自由度を担保しつつ画素微細化可能とする。
【解決手段】固体撮像素子において、基板１上に二次元状に配置された複数の光電変換部１７上に、異なる複数色のカラーフィルタ２１を有するカラーフィルタ層ＣＦを、各カラーフィルタ２１が各光電変換部１７に１：１で対応するように配置し、複数色のカラーフィルタ２１および複数の光電変換部１７のうち、所定の色のカラーフィルタ２１およびそのカラーフィルタ２１に対応する光電変換部１７が最も大きい面積を有し、各光電変換部１７に対応して設けられる各信号読出回路部１１の面積を、最も大きい光電変換部１７の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部１７の面積よりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の照射を受けて電荷を発生する光電変換部を備えた固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。

テジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、内視鏡用カメラ等に利用されているイメージセンサとして、シリコン（Ｓｉ）チップなどの半導体基板にフォトダイオードを含む画素を配列し、各画素のフォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷をＣＣＤ型やＣＭＯＳ型読出し回路で取得する、固体撮像素子（所謂ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ）が広く知られている。

近年、固体撮像素子の画素微細化が進んでいるが、画素微細化には画素サイズが小さくなると入射するフォトン数が減少するため、一般に画像のＳ／Ｎが低下するという問題が伴う。画像のＳ／Ｎは、大きく分けて輝度Ｓ／Ｎと色Ｓ／Ｎに分けて考えることができる。輝度Ｓ／Ｎは画像のザラツキなどに主に現れる成分であり、色Ｓ／Ｎは色分離や色再現などに主に現れる成分である。このうち、人間の視覚は輝度Ｓ／Ｎの低下に対し敏感であり、色Ｓ／Ｎの低下は輝度Ｓ／Ｎの低下と比較するとあまり気にならない。そのため、画素微細化の際に輝度Ｓ／Ｎの低下を抑制することが、画質の低下の抑制に繋がる。例えば、ＲＧＢのカラーフィルタを備えた固体撮像素子において、Ｇ画素の光電変換部をＲ、Ｂ画素よりも大きくして、画質を向上させる方法が提案されている（特許文献１、２など）。

他方、高画質化および画素微細化のために、シリコン基板の上方に一対の電極とこれらで挟まれた光電変換層を含む光電変換部を設け、この光電変換層で発生した電荷を上記一対の電極の一方からシリコン基板に移動させて蓄積し、この蓄積電荷に応じた信号を、シリコン基板に形成した信号読出し回路で読み出す光電変換層積層型の固体撮像素子が注目されている。例えば、有機光電変換膜を備えた積層型の固体撮像素子が特許文献３等に提案されている。

特開２００７−２８８２９４号公報 特開２０１０−１０３７０号公報 特開２０１１−１８７６６３号公報

特許文献１、２に記載の固体撮像装置は、シリコン基板の同一面上にフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷を蓄積し、読み出す信号読出回路を設けた構成である。フォトダイオードと信号読み出し回路が同一面上に設けられているため、フォトダイオードのサイズ、形状を変更した場合に信号読み出し回路のレイアウトも合わせて変更することが必要になり、それぞれのレイアウトの自由度が低い。結果として、フォトダイオードと信号読み出し回路をそれぞれに最適化することが出来ないため、画素微細化に伴い、フォトダイオードの面積が急激に小さくなることによるＳ／Ｎの低下や、信号読み出し回路のレイアウトが最適化されてないことに起因するノイズの増大、ダイナミックレンジの低下などの問題が起こり、高精細な画像を維持しつつ十分な微細化を図るのは困難である。

本発明は、上記の事情に鑑み、画素の微細化に伴う輝度Ｓ／Ｎの低下を抑制し、高い自由度でフォトダイオードおよび信号読み出し回路のレイアウトが可能な固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、基板上に二次元状に配置された、入射光の光量に応じた信号電荷を発生する複数の光電変換部と、
基板の複数の光電変換部の下に各光電変換部毎に設けられた、光電変換部において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路部とを備え、
複数の光電変換部上に、異なる複数色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層が、各カラーフィルタが各光電変換部に１：１で対応するように配置され、
カラーフィルタおよびカラーフィルタに対応する光電変換部の平面視における面積は、各色毎に定められており、複数色のうち所定の色のカラーフィルタおよび該カラーフィルタに対応する光電変換部が最も大きい面積を有し、
各信号読出回路部の面積が、最も大きい光電変換部の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部の面積よりも大きいことを特徴とするものである。

上記において、所定の色は、複数色のうち最も視感度が高い、あるいは最も輝度Ｓ／Ｎへの寄与が大きい色であることが望ましい。

「視感度」とは、人間の目が波長ごとに光を感じる強さの度合いを表わすものである。人間は波長ごとに光を感じ取る強さが異なり、明るいところでは、５５５ｎｍ付近の波長の光を最も強く感じる。ここでは、ＣＩＥ（国際照明委員会）が１９２４年に定めた標準比視感度に準じる。
つまり、一般的なＲＧＢ（赤、緑、青）フィルタを用いる場合、５５５ｎｍを含むＧ色が最も視感度が大きい色となる。

なお、ＲＧＢの各色の光電変換部からの色信号を各種画像表示装置に表示するための信号に変換する際、色信号は輝度信号（Ｙ）と色差信号（ＵＶ）として用いられる。輝度信号（Ｙ）には、全ての色信号がそれぞれ所定の割合で寄与するが、その際の寄与率（割合）が最も大きいＧが輝度Ｓ／Ｎへの寄与が最も大きい。このため、ＲＧＢフィルタの場合には、上記所定の色はＧとすることが好ましい。

一方、ＲＧＢにＷ（白）を加えたＷＲＧＢフィルタの場合、すべての色の光が透過するＷフィルタを備えた画素からのＷ信号が最もＳ／Ｎが高い。このため、Ｗ信号に基づき輝度信号を作成し、ＲＧＢ信号から色差信号を作成するような信号処理を用いるのが一般的である。従って、ＷＲＧＢフィルタの場合には、上記所定の色はＷとすることが好ましい。

上記本発明の固体撮像素子においては、異なる複数色が、赤色、緑色および青色であるとき、複数色のカラーフィルタのうち緑色のカラーフィルタおよび該緑色のカラーフィルタの下に設けられている光電変換部が最も大きい面積を有するものとすることが好ましい。

また、上記本発明の固体撮像素子においては、異なる複数色が、白色、赤色、緑色および青色であるとき、複数色のカラーフィルタのうち白色のカラーフィルタおよび該白色のカラーフィルタの下に設けられている光電変換部が最も大きい面積を有するものとすることが好ましい。

上記本発明固体撮像素子においては、光電変換部が光電変換層と、光電変換部単位で区画された画素電極と前記光電変換層を挟んで前記画素電極に対向して設けられた対向電極とを備えたものとし、対向電極を、全ての前記光電変換部について共通の電極とすることができる。

光電変換層は、全ての光電変換部について共通な膜であることが好ましい。

また、光電変換層は、有機光電変換膜を含むものであることが好ましい。

また、各光電変換部毎に設けられた信号読出回路部における蓄積部が、白色光源を撮像したときに、複数の光電変換部が同程度の光量で飽和するように容量調整されていることが好ましい。

本発明の撮像装置は、上記固体撮像素子を備えたことを特徴とするものである。

本発明の固体撮像素子および撮像装置によれば、複数色のカラーフィルタおよび各カラーフィルタに対応する光電変換部の面積が各色毎に定められており、そのうち所定の色のカラーフィルタおよびそのカラーフィルタに対応する光電変換部の面積を最も大きくし、光電変換部の下方に信号読出回路部を配置し、各信号読出回路部の面積を、各光電変換部の面積と１：１で対応させるのではなく、最も大きい光電変換部の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部の面積よりも大きくなるようにしているので、信号読出回路部を光電変換部と同一面上に配置する場合と比較してレイアウトの制限を緩和することができる。

また、複数色のカラーフィルタおよび複数の光電変換部のうち、視感度の最も高い色、あるいは最も輝度Ｓ／Ｎへの寄与が大きい色のカラーフィルタおよびそのカラーフィルタに対応する光電変換部が最も大きい面積を有するものとした場合には、画素の微細化の際における輝度Ｓ／Ｎの低下を抑制することができる。

本発明の固体撮像素子の実施形態における画素領域の一部を示す断面模式図 本発明の固体撮像素子の実施形態における画素部の回路構成を示す図 カラーフィルタレイアウトの一例を示す平面図 図３Ａに示すカラーフィルタレイアウトに対応する信号読出回路レイアウトを示す平面図 カラーフィルタレイアウトの他の例を示す平面図 図４Ａに示すカラーフィルタレイアウトに対応する信号読出回路レイアウトの一例を示す平面図 図４Ａに示すカラーフィルタレイアウトに対する信号読出回路レイアウトの他の例を示す平面図 本発明の固体撮像素子の実施形態の全体構成を示す図 本発明の固体撮像素子の実施形態の設計変更例における画素領域の一部を示す断面模式図 光電変換部の画素電極および対向電極の配置を示す平面図 設計変更例におけるカラーフィルタレイアウトの一例を示す平面図 設計変更例における信号読出し回路の配置と光電変換部の配置を模式的に示す平面図

以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像素子１００の撮像部（画素領域）の一部を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、固体撮像素子１００の撮像部は、半導体回路基板１と、半導体回路基板１上に層間絶縁層５およびその絶縁層５中に配された配線層６を介して、二次元状に配置された複数の画素電極（下部電極）１２（１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ）と、複数の画素電極１２上に共通して形成された有機材料からなる光電変換層１４と、光電変換層１４上に形成された複数の画素電極に対向する対向電極１６とを備えている。また、対向電極１６の上には透明な保護膜１８が積層されており、この保護膜１８上に、互いに異なる複数色（本実施形態においては３色）のカラーフィルタ２１（２１ｒ、２１ｇ、２１ｂ）を備えたカラーフィルタ層ＣＦが設けられている。

１つの画素電極１２と該画素電極１２上の光電変換層１４および対向電極１６により１つの光電変換部１７（１７ｒ、１７ｇ、１７ｂ）が構成されている。隣接する画素電極間の隙間上の光電変換層も光電変換に寄与するものであり、隣接する画素電極間の中心線（図１中の破線Ａ）が隣接する光電変換素子の境界となる。

カラーフィルタ層ＣＦは、１つの光電変換部につき１つのカラーフィルタが対応し、平面視において両者の領域が一致するように配置されており、光電変換部の平面視における面積とカラーフィルタの平面視における面積はほぼ同一である。

半導体回路基板１の表層には、各光電変換部１７（１７ｒ、１７ｇ、１７ｂ）において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路部１１（１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ）が備えられており、１つの画素部２０（２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ）は、１つの光電変換部１７（１７ｒ、１７ｇ、１７ｂ）、その下方の基板表層部に形成された信号読出回路部１１（１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ）および光電変換部上に配置された各色フィルタ２１（２１ｒ、２１ｇ、２１ｂ）を含んでなる。なお、本明細書中および図中に示す符号末尾のｒ、ｇ、ｂは、それぞれ赤色画素部２０Ｒ、緑色画素部２０Ｇ、青色画素部２０Ｂを構成する要素であることをそれぞれ示すものであり、説明上、色を区別する必要が無い場合には、末尾のｒ、ｇ、ｂを省く場合がある。

画素電極１２は、光電変換部１７毎に区分された薄膜電極であり、たとえばＩＴＯやアルミニウムや窒化チタンなどのような透明または不透明な導電性材料から形成されるものである。画素電極１２は、光電変換層１４において発生した電荷を光電変換部１７毎に捕集するものである。各光電変換部１７の画素電極１２は、絶縁層５を貫通するように形成された導電性材料からなる接続部７を介して信号読出回路部１１に電気的に接続されている。

対向電極１６は、画素電極１２との間に配置されている光電変換層１４に電圧を印加し、光電変換層１４に電界を生じさせるための電極である。対向電極１６は、光電変換層１４よりも光の入射面側に設けられており、対向電極１６を透過して光電変換層１４に光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明なＩＴＯなどの導電性材料から形成される。

光電変換層１４は、入射光を吸収し、その吸収した光量に応じた電荷を発生する有機光電変換膜または無機光電変換膜を含むものである。なお、光電変換層１４と対向電極１６との間、または光電変換層１４と画素電極１２との間に、電極から光電変換層１４へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けるようにしてもよい。なお、光電変換層１４は全画素共通の膜であることが好ましい。光電変換層１４を全画素共通の膜にすることにより、開口率を１００％とし、高い感度を得ることができる。

図２は、各画素部２０における信号読出回路部１１および該回路部１１と光電変換部１７との関係を示す回路図である。図２に示すように、信号読出回路部１１には、出力トランジスタ３２と、リセットトランジスタ３３と、選択トランジスタ３４が形成されている。そして、出力トランジスタ３２、リセットトランジスタ３３、選択トランジスタ３４は、それぞれｎチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されている。光電変換部１７と出力トランジスタ３２のゲートが電気的につながっており、このノードをフローティングディフュージョンＦＤ（以下、単にＦＤという）と称する。図１において、信号読出回路部１１は１つの領域として示されているが、実際には、この領域に上述の各要素が形成されている。

本実施形態の画素部２０においては、光電変換層１４で発生した電荷のうち正孔が画素電極１２に移動し、電子が対向電極１６に移動するように、画素電極１２に対してバイアス電圧が印加される。光電変換層１４が十分に高い感度を発現するように、バイアス電圧としては、読み出し回路の電源電圧Ｖｄｄ（図２において出力トランジスタのドレインに供給されている電圧、たとえば３Ｖ）よりも高い電圧（５〜２０Ｖ程度、たとえば１０Ｖ）を用いることが望ましい。

ＦＤは、画素電極１２と電気的につながったｎ形不純物領域を含むノードである。ＦＤは光電変換部１７や各トランジスタの寄生容量等に起因して容量を持つ。画素電極１２に捕集された電荷の量に応じてＦＤの電位が変化するため、ＦＤは電荷蓄積部として機能する。

出力トランジスタ３２は、ＦＤに蓄積された電荷信号を電圧信号に変換して信号線に出力するものである。出力トランジスタ３２のゲート端子はＦＤに電気的に接続され、ドレイン端子は固体撮像素子の電源電圧Ｖｄｄが接続されている。また、出力トランジスタ３２のソース端子は選択トランジスタ３４のドレイン端子に接続されている。本実施形態における画素部２０は、ＦＤと光電変換部１７の画素電極１２と出力トランジスタ３２のゲート端子とが電気的に直接接続された、いわゆる３トランジスタの構成の回路である。

リセットトランジスタ３３は、ＦＤの電位を基準電位にリセットするものである。リセットトランジスタ３３のドレイン端子にはＦＤが電気的に接続され、ソース端子にはリセット電源が接続され、電圧ＲＤが供給されている。リセットトランジスタ３３のゲート端子に印加されるリセットパルスＲＳがハイレベルになると、リセットトランジスタ３３がオンし、リセットトランジスタ３３のソースからドレインに電子が注入される。そして、この電子の注入によってＦＤの電位が降下してＦＤの電位が基準電位にリセットされる。選択トランジスタ３４は、そのソース端子が信号線に接続されるものであり、各画素の出力トランジスタ３２から出力される信号を列ごとに設けられた信号線に選択的に出力するためのものである。選択トランジスタ３４のゲート端子に印加される選択パルスＲＷがハイレベルになると、選択トランジスタ３４はオンし、これにより各画素の出力トランジスタ３２から出力された信号が信号線に出力される。

そして、本実施形態では図１の断面図において模式的に示すように、Ｇ画素部２０Ｇの受光域は、Ｂ画素部２０ＢおよびＲ画素部２０Ｒの受光域よりも大きくなっているが、それらの下方の信号読出回路部１１が基板表面に占める領域（平面視における面積）はほぼ均一な大きさとなっている。本発明においては、１つの画素部２０において、カラーフィルタおよび光電変換部の平面視における面積と信号読出回路部の大きさは必ずしも一致しない。本発明は、それぞれの信号読出回路部の基板表面に占める面積が、最も面積の大きい光電変換部（本例では、Ｇ画素部の光電変換部）の面積よりも小さく、最も面積の小さい光電変換部（本例では、Ｂ、Ｒ画素部の光電変換部）の面積よりも大きいことを特徴としている。

図３Ａおよび図３Ｂに、具体的なカラーフィルタのレイアウトおよびそれに対応する信号読出回路部のレイアウトを示す。各画素の光電変換部の位置および大きさはカラーフィルタと一致している。

図３Ａには、Ｒ（赤色）フィルタ２１ｒ、Ｇ（緑色）フィルタ２１ｇ、およびＢ（青色）フィルタ２１ｂの３色のカラーフィルタを２×２でパターン配置した第１のレイアウト２２ａと、各フィルタの面積は第１のレイアウト２２ａと同一であるが異なる２×２パターンの配置を有する第２のレイアウト２２ｂとがさらに２×２で配置されてなる４×４周期でフィルタが配置された例を示している。

このように、Ｒ、Ｇ、Ｂのフィルタを有するカラーフィルタ層ＣＦを備えた場合、最も視感度の高い波長を透過するＧフィルタ２１ｒの面積が最大となるようにする。なお、カラーフィルタ間に混色防止等のための隔壁が存在する場合には、１つのフィルタの面積には、隣接する隔壁の厚みの中心線までの範囲を含めるものとする。

図３Ａにおいて、各フィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂ中に示す黒枠は各フィルタに対応する光電変換部の画素電極１２ｒ、１２ｇ、１２ｂの輪郭を示すものである。隣接画素電極間の隙間でも信号電荷が発生し、発生した信号電荷は画素電極１２に捕集されるため、各光電変換部の面積は各フィルタの面積と一致している。すなわち、Ｇフィルタ２１ｇが上方に形成されている光電変換部の面積は、Ｂフィルタ２１ｂおよびＲフィルタ２１ｒが上方に形成されている光電変換部の面積よりも大きい。

本例では、Ｂフィルタ２１ｂおよびＲフィルタ２１ｒの面積が同一であるが、ＢフィルタおよびＲフィルタは、Ｇフィルタよりも小さければよく、一方が他方より大きくてもよい。特には、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタの面積比率をＲＧＢ色空間からＹＵＶ色空間への変換での輝度情報に対する各色の信号が寄与する割合に基づき設定することが好ましい。

Ｇは、Ｒ，Ｂと比較して人間の視感度の高い色であり、このＧの受光量を大きくすることにより、輝度信号（Ｙ信号）のＳ／Ｎを向上させることができる。特に画素サイズを微細化した場合にも、Ｒ，Ｂに比してＧの受光量の低下を抑制できるため、輝度信号のＳ／Ｎ低下を抑制することができる。

図３Ｂは、図３Ａの下方に配置されている信号読出回路部１１の形成領域（斜線で示す矩形部）を模式的に示す平面図である。

図３Ａで示すカラーフィルタおよび光電変換部の面積の大小にかかわらず、図３Ｂに示すように、信号読出回路部１１の平面視における面積はほぼ均一であり、各回路部１１の面積は、最も小さいフィルタの面積（すなわち最も小さい光電変換部の面積）よりも大きく、かつ最も大きいフィルタの面積（すなわち最も大きい光電変換部の面積）よりも小さい。なお、ここで信号読出回路部１１の面積とは、形成領域間の中心線（図３Ｂ中二点鎖線Ｂで示す。）で囲まれた領域の面積と定義する。また、信号読み出し回路の一部（不純物領域やゲート電極など）を隣接する複数の画素で共有している場合には、それぞれの役割を考慮した上で、各画素の境界領域を決定する。なお、二次元状に配置されている多数の信号読出回路部のうち端部に配置されている信号読出回路部の面積は、その上方に配置されているカラーフィルタの外周縁に相当する位置に仮想周縁を定め、その周縁と前記中心線とで囲まれた領域とする。

上述の通り、信号読出回路部はＦＤ、３つのトランジスタ、キャパシタなどの各要素を含むものであり、信号読出回路部の面積とは、１画素部分の各要素が形成された領域であるため、必ずしも矩形領域の面積とは限らず、変形な多角形領域あるいは曲線で囲まれた領域の面積となる場合もある。

本発明においては、光電変換部と信号読み出し回路が別の面に形成されているため、上述のように光電変換部の面積と信号読み出し回路部の面積を独立に決定することが可能である。フィルタおよび光電変換部の面積の大小に伴って対応する信号読出回路部の面積を大小させると、小さい面積のフィルタおよび光電変換部に対応する信号読出回路部の面積を小さくしなければならないため、回路設計およびレイアウトが非常に困難である。それに対し、本発明では、信号読出回路部の面積が、最も小さいフィルタの面積（すなわち最も小さい光電変換部の面積）よりも大きいので、設計の自由度を向上させることができる。なお全光電変換部が形成される領域と全信号読出回路部が形成される領域の面積はほぼ同等とすることが素子全体の小型化のために望ましいので、各信号読出回路部の面積は、最も大きいフィルタの面積よりも小さくする。なお、本実施形態の場合のように、例えば、２×２のフィルタの面積と、２×２の信号読出回路部の面積とが同等となるようにパターン配置することが好ましい。

図４Ａおよび図４Ｂに、他の具体的なカラーフィルタのレイアウトおよびそれに対応する信号読出回路部のレイアウトを示す。

本例では、ＲＧＢに加えてＷ（白色）のフィルタ２１ｗを備えている。Ｗフィルタ２１ｗは、Ｒ、Ｇ、Ｂ全ての色を透過させるものであり、同じフィルタ面積で比較しても、他のフィルタを用いた場合よりも光電変換部の受光量を大きくできるため、輝度Ｓ／Ｎ改善に有効である。更に本発明では、Ｗフィルタ２１ｗの面積をＲ，Ｇ，Ｂのフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの面積よりも大きくし、Ｗ画素の光電変換部の受光量を大きくすることにより、輝度信号（Ｙ信号）のＳ／Ｎを向上させ、特に画素サイズの微細化の際に、輝度信号のＳ／Ｎ低下を抑制する。光電変換部の面積およびフィルタの面積等の各定義は上記実施形態に準ずる（以下において同様とする。）。

Ｗフィルタの面積は大きい方が輝度Ｓ／Ｎ改善には有効であるが、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色フィルタの面積が小さくなりすぎると、色Ｓ／Ｎの低下が目立ち全体としての画質が劣化してしまうため、各フィルタのサイズは画素サイズ等を含めて総合的に決定することが望ましい。

図４Ｂは、図４Ａに示すカラーフィルタ下方に設けられている信号読出回路部のレイアウトの一例を模式的に示すものである。図４Ｂに示すように、各色に対応する信号読出回路部１１ｗ、１１ｒ、１１ｇおよび１１ｂの面積（二点鎖線Ｂで囲まれた面積）は均一な大きさであり、２×２信号読出回路部の面積が上方の２×２フィルタの面積とほぼ同一である。

図４Ｃは、図４Ａに示すカラーフィルタ下方に設けられる信号読出回路部のレイアウトの他の例を模式的に示すものである。図４Ｃに示すように、例えば、ＷフィルタおよびＲフィルタに対応する信号読出回路部１１ｗおよび１１ｒの面積がＢフィルタおよびＧフィルタに対応する信号読出回路部１１ｂ、１１ｇの面積に比べて大きく形成されていてもよい。なお、各信号読出回路部の面積は図中二点鎖線Ｂで囲まれた領域の面積である。

このように、信号読出回路部の面積は必ずしも均一である必要はなく、最も小さい信号読出回路部の面積が最も小さいカラーフィルタの面積よりも大きく、信号読出回路部が十分に形成可能な領域を確保することができればよい。

以上の通り、本発明の固体撮像素子は、半導体回路基板上に光電変換層を備えた光電変換部が形成されてなる積層型の撮像素子において、光電変換部の面積が微細化される場合にも、半導体基板表面に設けられる信号読出回路部の面積を最も小さい光電変換部の面積よりも大きくすることができるので、回路設計の自由度を向上させることができる。

図５は、本実施形態の固体撮像素子１００の全体構成を示す図である。図５に示すように、本実施形態の固体撮像素子１００は、垂直ドライバ１２１と、制御部１２２と、信号処理回路１２３と、水平ドライバ１２４と、ＬＶＤＳ１２５と、シリアル変換部１２６と、パッド１２７とを含む周辺回路と、図１に示す画素部２０が複数二次元状に配列された画素領域（撮像部に相当する）とを備えている。図５の画素領域については、画素部２０の信号読出回路部１１のみを模式的に示している。

制御部１２２は、タイミングジェネレータなどを備えたものであり、フレーム同期信号ＶＤや行同期信号ＨＤを出力するとともに、垂直ドライバ１２１や水平ドライバ１２４の動作を制御することによって画素部２０における電荷信号の読出しなどを制御するものである。

垂直ドライバ１２１は、制御部１２２から出力されたフレーム同期信号ＶＤおよび行同期信号ＨＤに基づいて、信号読出回路部１１に対してリセットパルスＲＳや選択パルスＲＷを出力し、信号読出回路部１１におけるリセット動作や電荷信号の読出し動作を制御するものである。

信号処理回路１２３は、信号読出回路部１１の各列に対応して設けられるものである。信号処理回路１２３は、対応する列から出力された信号に対し、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理を行ない、処理後の信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ回路を備えたものである。信号処理回路１２３で処理後の信号は、列毎に設けられたメモリに記憶される。

水平ドライバ１２４は、信号処理回路１２３のメモリに記憶された画素部２０の１行分の信号を順次読出してＬＶＤＳ１２５に出力する制御を行うものである。

ＬＶＤＳ１２５は、ＬＶＤＳ（ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）に従ってデジタル信号を伝送する。シリアル変換部１２６は、入力されるパラレルのデジタル信号をシリアルに変換して出力するものである。パッド１２７は、外部との入出力に用いるインターフェースである。

なお、ここまでの説明においては、各画素の電荷蓄積部の容量については特に制限していない。ただし、本発明においては、光電変換部が大きい画素は多くの信号電荷が発生するため、蓄積容量が同じだと他の画素よりも少ない光量で飽和してしまい、撮像素子全体として十分なダイナミックレンジが確保できない可能性がある。このため、光電変換部が大きい画素（ＲＧＢ配列のＧ画素、ＷＲＧＢ配列のＷ画素）については、電荷蓄積部の容量を大きくして、十分な飽和信号電荷数を確保する構成としてもよい。例えば、白色被写体を撮像したときに全ての画素がほぼ同じ光量で飽和するように、電荷蓄積部の容量を調整してもよい。

なお、上述した実施形態の固体撮像素子においては、光電変換部の構成が画素電極、光電変換素子および対向電極からなるものについて説明したが、２つの電極が同一平面（回路基板上）に配置され、その間に光電変換膜が設けられた構成を備えたものであってもよい。

設計変更例として、図６〜図９を参照して、２つの電極が同一平面に配置された構成の光電変換部を備えた形態を設目する。図６〜図９において、上記実施形態の構成要素と同一の要素には同一符号を付している。

図６は、設計変更例の撮像素子部の一部の断面を模式的に示す図であり、図７は光電変換部の画素電極および対向電極の配置を示す平面図である。

本設計変更例では、光電変換部１７’が、その平面視における中心部に設けられた画素電極３２と、この画素電極３２を囲むように配置された対向電極３６とを絶縁層５表面、すなわち同一平面上に備え、画素電極３２と対向電極３６上に光電変換層１４が形成されている点で上述の実施形態と異なる。

対向電極３６は、各画素電極３２を囲むように網目状に形成され、全ての画素電極に対して共通であり、上記実施形態の場合と同様に適当な電圧が供給される構成となっている。
画素電極３２と対向電極３６は同時に同一材料で形成することができる。

本構成の場合には、図６および図７において破線Ｃで示す対向電極の中心を隣接光電変換部の境界とし、図７に示すように１つの光電変換部１７’の平面視における面積は、対向電極の中心線Ｃで囲まれた領域で定義される。

図８は、図７に示す光電変換部のレイアウトに対応するカラーフィルタレイアウトの例を示す平面図である。各画素の光電変換部の位置および大きさはカラーフィルタと一致している。図８に示すレイアウトは図３Ａに示したもの同一である。図８中には、対向電極３６を併せて示している。図８に示すように対向電極３６の中心線とカラーフィルタ境界が一致している。

図９は、図８の下方に配置されている信号読出回路部１１の形成領域（斜線で示す矩形部）を模式的に示す平面図である。

図９において、上述の実施形態の図３Ｂと同様に、信号読出回路部１１の面積はその形成領域間の中心線（図９中二点鎖線Ｄで示す。）で囲まれた領域の面積である。なお、信号読出回路部の面積の定義は上述の実施形態と同様である。

図９に示すように、図８に示すカラーフィルタおよび光電変換部の面積の大小にかかわらず、信号読出回路部１１の形成領域の大きさはほぼ均一であり、図９に示すように、信号読出回路部１１の面積は、最も小さいフィルタの面積（すなわち最も小さい光電変換部の面積）よりも大きく、かつ最も大きいフィルタの面積（すなわち最も大きい光電変換部の面積）よりも小さい。

本構成でも上記実施形態と同様に、信号読出回路部の面積は光電変換部の面積と独立に決定することができ、回路設計およびレイアウトの自由度が高い。

上述した実施形態の固体撮像素子は、種々の撮像装置に用いることができる。撮像装置としては、たとえばデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子内視鏡、カメラ付携帯電話などがある。

１ 半導体回路基板
１１ 信号読出回路
１２ 画素電極
１４ 光電変換層
１６ 対向電極
１７ 光電変換部
２０ 画素部
２１ カラーフィルタ
２２ａ カラーフィルタの第１のレイアウト
２２ｂ カラーフィルタの第２のレイアウト
３２ 出力トランジスタ
３３ リセットトランジスタ
３４ 選択トランジスタ
１００ 固体撮像素子
ＦＤ フローティングディフュージョン
ＣＦ カラーフィルタ層

Claims (9)

1. 基板上に二次元状に配置された、入射光の光量に応じた信号電荷を発生する光電変換層を備えた複数の光電変換部と、
   前記基板の前記複数の光電変換部の下に各光電変換部毎に設けられた、前記各光電変換部において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路部とを備え、
   前記複数の光電変換部上に、異なる複数色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層が、前記各カラーフィルタが前記各光電変換部に１：１で対応するように配置され、
   前記カラーフィルタおよび該カラーフィルタに対応する光電変換部の平面視における面積は、各色毎に定められており、前記複数色のうち、所定の色のカラーフィルタおよび該カラーフィルタに対応する光電変換部が最も大きい面積を有し、
   前記各信号読出回路部の面積が、前記最も大きい光電変換部の面積よりも小さく、最も小さい光電変換部の面積よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記所定の色が、前記複数色のうち最も視感度が高い、あるいは、最も輝度Ｓ／Ｎへの寄与が大きい色であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記複数色が、赤色、緑色および青色であり、
   前記所定の色が緑色であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記複数色が、白色、赤色、緑色および青色であり、
   前記所定の色が白色であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
5. 前記光電変換部が前記光電変換層と、光電変換部単位で区画された画素電極と前記光電変換層を挟んで前記画素電極に対向して設けられた対向電極とを備え、
   前記対向電極が、全ての前記光電変換部について共通の電極であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の固体撮像素子。
6. 前記光電変換層が、全ての前記光電変換部について共通な膜であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の固体撮像素子。
7. 前記光電変換層が、有機光電変換膜を含むものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の固体撮像素子。
8. 前記各光電変換部毎に設けられた前記信号読出回路部における前記蓄積部が、白色光源を撮像したときに、前記複数の光電変換部が同程度の光量で飽和するように容量調整されていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の固体撮像素子。
9. 請求項１から８いずれか１項記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。

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