JP4711630B2

JP4711630B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4711630B2
Application number: JP2004019380A
Authority: JP
Inventors: 寛和小林
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: US7157759B2; US20050161714A1; JP2005216994A

Description

本発明は、半導体基板上に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子に関する。

従来、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の第１の光電変換領域と、複数の第１の光電変換領域の各々の上に設けられた複数のマイクロレンズとを含む固体撮像素子において、各マイクロレンズ同士の間に、複数の第２の光電変換領域を設け、第１の光電変換領域からの撮像信号と第２の光電変換領域からの撮像信号とを合成することで、ダイナミックレンジの拡大を図るデジタルカメラが知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−７４９２６号公報

固体撮像素子は、複数の光電変換領域が半導体基板上に高密度で配置されているため、複数の光電変換領域に対応するマイクロレンズ同士の間隔も非常に狭いものとなっている。特許文献１記載の技術では、マイクロレンズ同士の間に第２の光電変換領域を設けているが、上述したように、マイクロレンズ同士の間隔は非常に狭いため、第２の光電変換領域の開口形状を工夫しないと、このマイクロレンズによりシェーディングが発生してしまう。以下、その理由を説明する。

図６は、特許文献１記載の固体撮像素子の概略断面を示す図である。
図６（ａ）に示すように、従来の固体撮像素子の上方から垂直に入射してくる光ａは、マイクロレンズ６０１に入射し、開口面６０２を通過して第１のフォトダイオード（ＰＤ）６０３に集光され、ここで蓄積された電荷が第１の垂直転送部６０４により転送される。又、光ａは、開口面６０５を通過して、マイクロレンズ６０１同士の間に配置された第２のＰＤ６０６に入射し、ここで蓄積された電荷が第２の垂直転送部６０７により転送される。

図６（ｂ）に示すように、固体撮像素子の上方から第２のＰＤ６０６を挟む２つのマイクロレンズ６０１の配列方向に斜めに入射してくる光ｂは、マイクロレンズ６０１に入射し、開口面６０２を通過して第１のＰＤ６０３に集光され、ここで蓄積された電荷が第１の垂直転送部６０４により転送される。光ｂは、開口面６０５を通過して第２のＰＤ６０６に入射するが、光ｂの一部（点線で示した矢印）は、開口面６０５を通過することができない。これは、光ｂと対称方向からくる光ｃについても同様である。一方、第２のＰＤ６０６のマイクロレンズ６０１に挟まれていない方向（図中矢印Ｘで示す方向と直交する方向）からの光は、マイクロレンズ等の障害がないために、その大部分が第２のＰＤ６０６に入射する。

このように、２つのマイクロレンズ６０１同士の間の狭い領域にＰＤを配置する場合、第２のＰＤ６０６のマイクロレンズ６０１に挟まれている方向から斜めに入射してくる光ｂ、ｃについては、マイクロレンズ６０１の影に隠れる部分が多いため、多くの光が開口面６０５を通過できない。一方、第２のＰＤ６０６のマイクロレンズ６０１に挟まれていない方向からの光は、その大部分が第２のＰＤ６０６に入射する。このため、第２のＰＤ６０６から得られる画像について、第２のＰＤ６０６のマイクロレンズ６０１に挟まれていない方向（Ｘ方向に直交する方向）は明るく、第２のＰＤ６０６を挟む２つのマイクロレンズ６０１の配列方向（Ｘ方向）は暗くなってしまい、シェーディングが発生してしまう。このシェーディングは、図６の固体撮像素子を搭載するデジタルカメラの光学系によって引き起こされる固体撮像素子の周辺部におけるシェーディングではなく、マイクロレンズ６０１によって引き起こされる特殊なシェーディングのことである。

特許文献１には、上記特殊なシェーディングを低減するための第２のＰＤ６０６の具体的な開口形状等については開示されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シェーディングの発生を抑制することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、前記複数の光電変換領域は、前記半導体基板上に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の第１の光電変換領域と、前記半導体基板上に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の第２の光電変換領域とを含み、前記複数の第１の光電変換領域の上方には、それぞれを覆うマイクロレンズが形成されており、前記第２の光電変換領域は、隣接する前記複数の第１の光電変換領域を覆うマイクロレンズ同士の間に配設されており、前記第２の光電変換領域の開口の中心を基準とする第１の方向の長さは、前記第２の光電変換領域の開口の中心を基準とする第２の方向の長さよりも長くなっており、前記第１の方向は、前記複数の光電変換領域に入射する光の平面視上の入射方向のうち、前記光が前記マイクロレンズによって最も遮られる方向であり、前記第２の方向は、前記複数の光電変換領域に斜めに入射する光の平面視上の入射方向のうち、前記光が前記マイクロレンズによって最も遮られない方向である。

この構成により、第２の光電変換領域の開口の中心を基準とする第１の方向の長さが、第２の光電変換領域の開口の中心を基準とする第２の方向の長さよりも長くなっているため、第２の光電変換領域に第１の方向から入射してくる光及び第２の方向から入射してくる光の入射光量の差を小さくすることができる。したがって、シェーディングの発生を抑えることが可能となる。

又、本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換領域が正方格子状に配設されたものであり、前記第１の光電変換領域及び第２の光電変換領域は、それぞれ市松状に配設されたものである。

又、本発明の固体撮像素子は、前記第２の光電変換領域の開口形状が六角形又は八角形又は楕円形である。

本発明によれば、シェーディングの発生を抑制することが可能な固体撮像素子を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す図である。図１では固体撮像素子１００の部分拡大図を示した。
固体撮像素子１００は、半導体基板表面に行方向（図１のＸ方向）とこれに直交する列方向（図１のＹ方向）に正方格子状に配設された複数の光電変換領域（複数の第１の光電変換領域１０１と複数の第２の光電変換領域１０２（図１では一部にのみ符号を付してある）とを含む）と、列方向に配設された複数の光電変換領域からなる複数の光電変換領域列の各々に対応して設けられ、複数の光電変換領域からの電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部１１０（図１では一部にのみ符号を付してある）と、垂直転送部１１０により転送される電荷を行方向に転送する水平転送部１１１と、水平転送部１１１により転送される電荷に応じた信号を出力する出力部１１２とを含む。複数の第１の光電変換領域１０１の上方には、それぞれを覆うマイクロレンズ１０９（図１では一部にのみ符号を付してある）が形成されている。第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２は、例えばフォトダイオードである。尚、図１に示す第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２は、第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２の開口から見える領域だけを示している。

第１の光電変換領域１０１は、固体撮像素子１００に入射する入射光量に対して相対的に高感度の光電変換を行うもので、市松状に配設されている。第２の光電変換領域１０２は、固体撮像素子１００に入射する入射光量に対して相対的に低感度の光電変換を行うもので、市松状に配設されている。第２の光電変換領域１０２は、隣接する第１の光電変換領域１０１を覆うマイクロレンズ１０９同士の間に配設されている。第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２の開口形状は、それぞれ八角形となっている。第１の光電変換領域１０１と第２の光電変換領域１０２の感度を変化させるには、光電変換領域の受光面の面積（開口面積）を変化させても良いし、光電変換領域上方に設けたマイクロレンズによって集光面積を変化させても良い。これらの方法は、いずれも周知であるので説明を省略する。

垂直転送部１１０は、列方向に配設された複数の光電変換領域からなる複数の光電変換領域列の各々に対応して半導体基板上の列方向に形成された複数本の垂直転送チャネル（図示せず）と、垂直転送チャネルの上層に形成された複数本の垂直転送電極１０３〜１０６（図１では一部にのみ符号を付してある）と、第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２からの電荷を垂直転送チャネルに読み出す第１電荷読み出し領域１０７及び第２電荷読み出し領域１０８（図１では模式的に矢印で示してある。又、図１では一部にのみ符号を付してある）とを含む。複数本の垂直転送電極１０３〜１０６は、それぞれ第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２の間を全体として行方向に延在する蛇行形状となっている。

垂直転送チャネルは、光電変換領域列同士の間を全体として列方向に延在する蛇行形状の領域であり、その上層に形成された垂直転送電極１０３〜１０６によって、電荷が蓄積され、転送される領域が区分される。垂直転送電極１０３〜１０６は、第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２のそれぞれに対応して２つ設けられる。垂直転送電極１０３〜１０６には、端子１１３〜１１６を介して４相の垂直転送パルス（以下、駆動パルスともいう）が印加され、垂直転送チャネルの電荷が列方向に転送される。

第１電荷読み出し領域１０７は、垂直転送電極１０３及び１０５に対応する位置に設けられる。第２電荷読み出し領域１０８は、垂直転送電極１０４及び１０６に対応する位置に設けられる。第１の光電変換素子１０１から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子１１３に印加される第１相の垂直転送パルス及び端子１１５に印加される第３相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。又、第２の光電変換素子１０２から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子１１４に印加される第２相の垂直転送パルス及び端子１１６に印加される第４相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。

図２は、固体撮像素子１００の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。図２では、固体撮像素子１００を搭載するデジタルカメラが、メカニカルシャッタを有する場合のタイミングを示したものである。図２には、垂直同期信号ＶＤ、メカニカルシャッタの開閉状態、端子１１３に印加される駆動パルスφＶ１、端子１１４に印加される駆動パルスφＶ２、端子１１５に印加される駆動パルスφＶ３、端子１１６に印加される駆動パルスφＶ４が示されている。

図２に示すように、メカニカルシャッタが閉の期間に、垂直同期信号ＶＤに同期させて、読み出しパルスを重畳した駆動パルスφＶ１を端子１１３に印加し、読み出しパルスを重畳した駆動パルスφＶ３を端子１１５に印加する。これにより、第１電荷読み出し領域１０７からの電荷が垂直転送チャネルに読み出される。更に、端子１１３〜１１６に繰り返し駆動パルスを印加して、読み出された電荷を列方向に転送する。水平転送部１１１からは、１行分の第１の光電変換素子１０１から読み出された電荷が随時出力部１１２に転送される。
次の垂直同期信号ＶＤに同期させて、読み出しパルスを重畳した駆動パルスφＶ２を端子１１４に印加し、読み出しパルスを重畳した駆動パルスφＶ４を端子１１６に印加する。これにより、第２電荷読み出し領域１０８からの電荷が垂直転送チャネルに読み出される。更に、端子１１３〜１１６に繰り返し駆動パルスを印加して、読み出された電荷を列方向に転送する。水平転送部１１１では、１行分の第２の光電変換素子１０２から読み出された電荷が随時出力部１１２に転送される。
このように、固体撮像素子１００によれば、第１の光電変換素子１０１からの電荷と、第２の光電変換素子１０２からの電荷とを独立に読み出すことができる。

次に、第２の光電変換領域１０２の開口について説明する。
第２の光電変換領域１０２に入射する光の平面視上の入射方向のうち、該光がマイクロレンズ１０９によって最も遮られる方向を第１の方向とし、第２の光電変換領域１０２に斜めに入射する光の平面視上の入射方向のうち、該光がマイクロレンズ１０９によって最も遮られない方向を第２の方向とすると、第２の光電変換領域１０２の開口は、第２の光電変換領域１０２の開口の中心を基準とする第１の方向の長さが、第２の光電変換領域１０２の開口の中心を基準とする第２の方向の長さよりも長いという条件を満たしている。

図１で説明すると、第２の光電変換領域１０２に入射する光がマイクロレンズ１０９によって最も遮られる方向は、第２の光電変換領域１０２を挟む２つのマイクロレンズ１０９の配列方向、即ち、図１のＸ方向及びＹ方向である。Ｘ方向及びＹ方向から第２の光電変換領域に入射してくる光は、マイクロレンズ１０９によって遮られる光が最も多いため、第２の光電変換領域１０２にはあまり多くの光が入射してこない。そこで、本実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向の長さを長くすることで、Ｘ方向及びＹ方向からの入射光量が相対的に多くなるように調整している。

又、第２の光電変換領域１０２に斜め方向（半導体基板に垂直な方向に対して傾いた方向）に入射してくる光がマイクロレンズ１０９によって最も遮られない方向は、マイクロレンズ１０９同士で挟まれていない方向、即ち、図１のＨ方向である。Ｈ方向から第２の光電変換領域１０２に入射してくる光は、Ｈ方向に配列されるマイクロレンズ１０９同士の谷間を通って入射してくるため、マイクロレンズ１０９によって遮られる光が最も少なく、その多くが第２の光電変換領域１０２に入射してしまう。そこで、本実施形態では、Ｈ方向の長さを短くすることで、Ｈ方向からの入射光量が相対的に少なくなるように調整している。

以下、図３を参照して、固体撮像素子１００に入射する光の様子について説明する。
図３は、図１の固体撮像素子のＡ−Ａ断面を示す図である。
図３（ａ）に示すように、固体撮像素子１００の上方から垂直に入射してくる光ａは、マイクロレンズ１０９に入射し、第１の光電変換領域１０１の開口２０１を通過して第１の光電変換領域１０１に集光され、ここで蓄積された電荷が垂直転送部１１０により転送される。又、光ａは、第２の光電変換領域１０２の開口２０２を通過して、２つのマイクロレンズ１０９の間に配置された第２の光電変換領域１０２に入射し、ここで蓄積された電荷が垂直転送部１１０により転送される。

図３（ｂ）に示すように、固体撮像素子１００の上方からＸ方向に斜めに入射してくる光ｂは、マイクロレンズ１０９に入射し、開口２０１を通過して第１の光電変換領域１０１に集光され、ここで蓄積された電荷が垂直転送部１１０により転送される。又、第２の光電変換領域１０２に入射してくる光ｂは、マイクロレンズ１０９によって遮られるため、その光量は少なくなるが、第２の光電変換領域１０２の開口の中心を基準とするＸ方向の長さがＨ方向の長さよりも長くなっているため、その大部分が第２の光電変換領域１０２に入射する。固体撮像素子１００の上方からＹ方向に斜めに入射してくる光のうち、第２の光電変換領域に入射してくる光も同様にその大部分が第２の光電変換領域１０２に入射する。
固体撮像素子１００の上方からＨ方向に斜めに入射してくる光のうち、第２の光電変換領域１０２に入射してくる光は、マイクロレンズ１０９によってほとんど遮られることはない。このため、第２の光電変換領域１０２には多くの光が入りすぎてしまうが、本実施形態では、第２の光電変換領域１０２の開口の中心を基準とするＨ方向の長さがＸ及びＹ方向の長さよりも短くなっているため、Ｈ方向からの光が第２の光電変換領域１０２に入射しすぎてしまうことはない。

次に、第２の光電変換領域１０２の開口が上記条件を満たす場合と満たさない場合とを比較する。
図４は、第２の光電変換領域１０２の開口が上記条件を満たさない場合の固体撮像素子の概略構成を示す図である。図１と同一の構成には同一符号を付している。

図４の固体撮像素子４００の第２の光電変換領域１０２の開口形状は図１と同様であるが、図１の第２の光電変換領域１０２の開口が４５度回転した状態になっており、上記条件を満たしていない。この場合、固体撮像素子４００に上方から垂直に入射してくる光については、その大部分が第１の光電変換素子１０１及び第２の光電変換素子１０２に入射する。

固体撮像素子４００の上方からＸ方向に斜めに入射してくる光は、第２の光電変換素子１０２に入射する光量が図１の場合よりも少ない。固体撮像素子４００の上方からＹ方向に斜めに入射してくる光も同様である。一方、Ｈ方向から斜めに固体撮像素子４００に入射してくる光は、マイクロレンズ１０９に遮られる範囲が少ないと共に、第２の光電変換領域１０２のＨ方向の長さが長くなっているため、図１の場合よりも多く第２の光電変換領域１０２に入射する。

このように、図４の構成によれば、Ｈ方向からの光が、Ｘ及びＹ方向からの光よりも多く第２の光電変換素子１０２に入射してしまい、Ｈ方向が明るくなりすぎてしまう。この結果、Ｘ方向及びＹ方向と、Ｈ方向との明暗の差が大きくなってしまう。

図５（ａ）は、図１に示した固体撮像素子１００の第２の光電変換素子１０２から得られる画像データに基づく画像を示す図であり、図５（ｂ）は、図４に示した固体撮像素子４００の第２の光電変換素子１０２から得られる画像データに基づく画像を示す図である。
図５（ｂ）に示すように、固体撮像素子４００の第２の光電変換素子１０２から得られる画像データに基づく画像は、固体撮像素子４００を搭載するデジタルカメラの光学系が引き起こすシェーディングにより、画像の周辺部において暗くなっている。又、Ｈ方向からの光が、Ｘ及びＹ方向からの光よりも多く第２の光電変換素子１０２に入射してしまうため、この画像には、Ｈ方向に×（ばつ）状の明るい領域が発生している。これは、マイクロレンズ１０９が引き起こしている特殊なシェーディングである。固体撮像素子４００では、この２つのシェーディングが発生することにより、全体的にバランスの悪い画像（×状の明るい領域が出た画像）になってしまう。

図５（ａ）に示すように、固体撮像素子１００の第２の光電変換素子１０２から得られる画像データに基づく画像は、固体撮像素子１００を搭載するデジタルカメラの光学系が引き起こすシェーディングにより、画像の周辺部において暗くなっている。又、Ｘ方向及びＹ方向から入射する光の量とＨ方向から入射する光の量とのバランスが良好になっているため、Ｘ方向及びＹ方向と、Ｈ方向との明暗の差は少なく、この画像には、Ｈ方向に×状の明るい領域は発生しておらず、特殊なシェーディングは発生していない。この結果、全体的にバランスのとれた画像になる。

このように、図１の固体撮像素子１００によれば、図４の固体撮像素子４００に比べて、上記特殊なシェーディングの発生を抑制することができ、第２の光電変換素子１０２から得られる画像を良好なものにすることができる。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、複数の第１の光電変換領域１０１と複数の第２の光電変換領域１０２とを含み、複数の第２の光電変換領域１０２を、複数の第１の光電変換領域１０１の上方に形成された隣接するマイクロレンズ１０９同士の間に配設するような固体撮像素子において、第２の光電変換領域１０２の開口を上記条件を満たすようにすることにより、上記特殊なシェーディングの発生を抑えることができる。

尚、上記では、第１の光電変換領域１０１及び第２の光電変換領域１０２がそれぞれ市松状に配設されているものを例にして説明したが、第１の光電変換領域１０１を正方格子状に配列し、隣接する第１の光電変換領域１０１の上方にあるマイクロレンズ同士の間に、第２の光電変換領域１０２を配設する構成でも、上記条件を満たすように第２の光電変換領域１０２の開口を工夫することで、シェーディングの発生を抑えることができる。

又、第２の光電変換素子１０２の形状は八角形に限らず、正方形や六角形等の多角形や楕円形状等であっても上記効果を得ることができる。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す図信号電荷の読み出し及び転送のタイミングを示す図図１の固体撮像素子のＡ−Ａ断面を示す図第２の光電変換領域の開口が条件を満たさない場合の固体撮像素子の概略構成を示す図第２の光電変換素子から得られる画像を比較するための図特許文献１記載の固体撮像素子の概略断面を示す図

符号の説明

１００固体撮像素子
１０１第１の光電変換領域
１０２第２の光電変換領域
１０９マイクロレンズ

Claims

半導体基板上に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換領域は、前記半導体基板上に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の第１の光電変換領域と、前記半導体基板上に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の第２の光電変換領域とを含み、
前記複数の第１の光電変換領域の上方には、それぞれを覆うマイクロレンズが形成されており、
前記第２の光電変換領域は、隣接する前記複数の第１の光電変換領域を覆うマイクロレンズ同士の間に配設されており、
前記第２の光電変換領域の開口の中心を基準とする第１の方向の長さは、前記第２の光電変換領域の開口の中心を基準とする第２の方向の長さよりも長くなっており、
前記第１の方向は、前記第２の光電変換領域に入射する光の平面視上の入射方向のうち、前記光が前記マイクロレンズによって最も遮られる方向であり、
前記第２の方向は、前記第２の光電変換領域に斜めに入射する光の平面視上の入射方向のうち、前記光が前記マイクロレンズによって最も遮られない方向であり、
前記第２の光電変換領域の開口形状は、六角形又は八角形又は楕円形である固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換領域は正方格子状に配設されたものであり、
前記第１の光電変換領域及び第２の光電変換領域は、それぞれ市松状に配設されたものである固体撮像素子。