JP2006165362A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 色フィルタ分離方式よりも光の利用率が高く、かつ３重ウェル構造よりも良好な色再現性を得る。
【解決手段】 複数の画素Ａと複数の画素Ｂを有する固体撮像素子で、画素Ａ上にはマゼンタのフィルタを配置し、画素Ｂ上にはグリーンのフィルタを配置し、画素Ａの光電変換部には基板の深さ方向に向かって２つのＰＮ接合部を設け、画素Ａの基板表面側のＰＮ接合部からブルー信号を検出し、基板裏面側のＰＮ接合部からレッド信号を検出する。また、画素ＢのＰＮ接合部からグリーン信号を検出することにより、２種類の画素Ａ、ＢによってＲＧＢのカラー画像を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の画素上に配置した色フィルタによって異なる色成分信号を検出する固体撮像素子に関する。

従来、単板カメラに使用される固体撮像素子においては、固体撮像素子の各画素上にＲＧＢの３色からなる色フィルタを配置し、空間的に色分解する技術が一般的に用いられている。この方式は、色フィルタの分光特性を適宜に調整することにより、良好な色再現性を達成することが可能であるが、色フィルタの吸収により、固体撮像素子に入射する光を十分有効に使用できないという問題を有する。
また、空間的な色分解を行うため、固体撮像素子の画素を有効に使用できず、Ｇ画素が少ない場合には、輝度信号の解像度が低下し、ＲやＢの画素が少ない場合には、色信号の解像度が低下したり、色偽信号が発生するといった問題がある。
このような問題を解決する方法として、シリコンのバルク中における各波長光の吸収差を利用した固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。これは、ＲＧＢの吸収差に合わせた深さで３つのウェル領域を階層的に形成して各ウェル領域にＲＧＢの各光子を収集し、それぞれの電位差を測定するものである（なお、ここでは３重ウェル構造という）。
このような３重ウェル構造では、色フィルタを用いて空間的に色分離を行う方式と比較して、以下のような利点を有する。
（１）色フィルタの吸収による光の損失がなく、光の利用率が向上する。
（２）全ての画素から輝度信号の主成分となるＧ信号が得られるため解像度のよい画像が得られる。
（３）ＲＧＢの各サンプリングの位置が一致していないため、偽信号が発生しにくい。
特表２００２−５１３１４５号公報

しかしながら、このような３重ウェル構造によって得られるＲＧＢ信号の分光特性は、光強度分布の幅が極めて広く、色分離として極めて不十分なものである。
なお、このような問題を解決する手段として、ＲＧＢ→Ｒ´Ｇ´Ｂ´の変換マトリクスを用いることが有効であるが、この場合でも色フィルタを使用した場合に比べると、良好な色再現性を与えるような分光特性を得ることは困難である。また、ＲＧＢ→Ｒ´Ｇ´Ｂ´変換マトリクスを用いた場合において、ＲＧＢが好ましいＲＧＢとかけ離れていることは、変換マトリクス係数の増大を招き、結果として出力画像のＳ／Ｎを悪化させるという問題もある。

そこで本発明は、色フィルタ分離方式よりも光の利用率が高く、かつ３重ウェル構造よりも良好な色再現性を与える色分離方式を有する固体撮像素子を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、半導体基板の深さ方向に少なくとも２つのＰＮ接合部を設けた光電変換部を含む画素Ａと、少なくとも１つのＰＮ接合部を設けた光電変換部を含む画素Ｂと、前記画素Ａ上に配置される第１の色フィルタと、
前記画素Ｂ上に配置される第２の色フィルタと、前記画素Ａの２つのＰＮ接合部から第１の色信号及び第２の色信号を検出し、前記画素ＢのＰＮ接合部から第３の色信号を検出する検出手段とを有することを特徴とする。

本発明の固体撮像素子によれば、画素Ａの光電変換部に２つのＰＮ接合部を設けて各色の吸収差により第１の色信号と第２の色信号を検出し、画素Ｂの光電変換部のＰＮ接合部から色フィルタ分離方式によって第３の色信号を検出することから、３色光を全て色フィルタ分離方式によって検出する方法よりも光の利用率を向上でき、かつ３色光を全て３重ウェル構造によって検出する方法よりも良好な色再現性を得ることができ、良好な出力画像を得ることが可能な固体撮像素子を提供できる効果がある。

本発明の実施の形態は、上述した色フィルタ分離方式とシリコンバルク内の各色の吸収差の両方を応用して、光の利用率と色再現性の双方に優れた色分離方式を提供する。
例えば、複数の画素Ａと複数の画素Ｂを有する固体撮像素子で、画素Ａ上にはマゼンタのフィルタを配置し、画素Ｂ上にはグリーンのフィルタを配置し、画素Ａの光電変換部には基板の深さ方向に向かって２つのＰＮ接合部を設け、画素Ａの基板表面側のＰＮ接合部からブルー信号を検出し、基板裏面側のＰＮ接合部からレッド信号を検出する。また、画素ＢのＰＮ接合部からグリーン信号を検出することにより、２種類の画素Ａ、ＢによってＲＧＢのカラー画像を得る。
なお、画素Ｂの光電変換部についても基板の深さ方向に向かって２つのＰＮ接合部を設け、２つのＰＮ接合部からブルー信号を検出することも可能である。

図１は本発明の実施例による固体撮像素子の第１の構成例を示す断面図である。
この図１はシリコン基板１０の上層部に設けたＰウェル領域１２に２種類の画素Ａ２０、画素Ｂ３０が形成された状態を示している。なお、各画素Ａ、Ｂは図示しないチャネルストップ領域によって相互に分離され、また、素子全体としては２次元アレイ状に配列されて２次元エリアセンサを構成している。
一方の画素Ａの光電変換部は、Ｐウェル領域１２に下層から上層に向けてＮ層２２、Ｐ層２４、Ｎ層２６を設けたものであり、Ｐウェル領域１２と合わせて２つのＰＮ接合部を有する構造である。
また、他方の画素Ｂの光電変換部は、Ｐウェル領域１２にＮ層３２を設けたものであり、Ｐウェル領域１２との間に１つのＰＮ接合部を有する構造である。
なお、図示のように、各層の深さは、Ｐウェル領域１２の４．０μｍに対し、各画素Ａ、Ｎの光電変換部では、Ｎ層２２の深さが１．１μｍ、Ｐ層２４の深さが０．８μｍ、Ｎ層２６の深さが０．３μｍとなっている。これらはブルー光とレッド光の各波長に対する感光特性に合わせて形成されている。また、画素Ｂの光電変換部では、Ｎ層３２の深さが１．１μｍとなっている。

また、画素Ａ２０の上部にはマゼンタフィルタ２８が配置されており、画素Ｂ３０の上部にはグリーンフィルタ３４が配置されている。したがって、画素Ａ２０の光電変換部には、マゼンタフィルタ２８によってグリーン光成分を除去した光が入射され、画素Ｂ３０の光電変換部には、グリーンフィルタ３４によってグリーン光成分が入射される。なお、色フィルタ２８、３４の上には、マイクロレンズ４０が配置されており、各画素毎に入射光を集める構造となっている。
また、図では省略しているが、各画素内の各ＰＮ接合部に対応して転送ゲートが設けられ、それぞれのＰＮ接合部で生成された信号電荷が所定のタイミングで個別に取り出されるようになっている。

このような構成において、画素Ａ２０では、マゼンタフィルタ２８によってグリーン光成分を除去した光が光電変換部に入射され、基板表面側のＰ層２４とＮ層２６とのＰＮ接合部からはブルー光の信号電荷が生成され、基板裏面側のＰウェル領域１２とＮ層２２とのＰＮ接合部からはレッド光の信号電荷が生成され、これらの信号電荷は個別に読み出されてブルー信号及びレッド信号に変換されて出力される。
また、画素Ｂ３０では、グリーンフィルタ３４によってグリーン光成分が光電変換部に入射され、Ｐウェル領域１２とＮ層３２とのＰＮ接合部からはグリーン光の信号電荷が生成され、グリーン信号に変換されて出力される。

図２は本発明の実施例による固体撮像素子の第２の構成例を示す断面図である。なお、図１と共通の構成については同一符号を付している。
この例は画素Ｂ５０の光電変換部を画素Ａ２０と同様に、下層から上層に向けてＮ層５２、Ｐ層５４、Ｎ層５６の３層構造とし、Ｐウェル領域１２と合わせて２つのＰＮ接合部を有する構造としたものである。なお、各層の深さは画素Ａ２０と同様となっている。この画素Ｂ５０では、２つのＰＮ接合部を用いてグリーン光の信号電荷が生成され、１つのグリーン信号に加算されて出力される。なお、２つのグリーン信号を色信号と輝度信号に別々に利用してもよい。
本例では、各画素Ａ、Ｂの構造を作り分ける必要がなくなり、作成が容易となる利点がある。

図３〜図６は本実施例で用いることができる画素配列の具体例を示す平面図である。
図３は画素Ａ２０（Ｂ／Ｒ）と画素Ｂ３０または５０（Ｇ）を対角線方向に連続して配置し、縦方向及び横方向に交互に配置したものである。従来のモザイク配列では、ＲとＢがＧに対し、それぞれ半分の数しか取れないのに対し、図３の例では、倍の数が取れるので、色解像度が向上する利点がある。
図４は画素Ａ２０（Ｂ／Ｒ）の縦１列と画素Ｂ３０または５０（Ｇ）の縦１列とを交互に配置したものである。従来のＲＧＢの３列パターンでは、３画素繰り返しとなるが、図４の例では、２画素繰り返しとなり、色の解像度が向上する利点がある。
図５は画素Ａ２０（Ｂ／Ｒ）の縦１列と画素Ｂ３０または５０（Ｇ）の縦２列とを交互に配置したものである。従来のＲＧＢの３列パターンでは、グリーン信号が輝度信号に用いられるが、図５の例では、３画素中にグリーンの画素が２つ存在するため、１つのグリーン画素を輝度信号用に用いても、残りのグリーン画素の信号を隣接するＲとＢの画素の信号に合成することにより、解像度を落とすことなく、２倍の感度を得ることが可能となる。
図６は画素Ｂ３０または５０（Ｇ）の列を１列おきに配置するとともに、その中間の列に画素Ａ２０（Ｂ／Ｒ）と画素Ｂ３０または５０を１画素おきに交互に配置したものである。このような配置では、色作成に必要なＲとＢのサンプリング数が従来と同じ数であるため色解像度は劣化せず、また、グリーン画素が従来の倍となり、解像度がほぼ２倍と高くなる利点がある。また、解像度を従来並みとしてＧを加算すれば、その分、感度が高くなる。

図７はマゼンタフィルタとグリーンフィルタの分光特性を示している。図示のように、ＭＧで示すマゼンタフィルタはグリーン光成分を除去した成分光を透過し、逆にＧで示すグリーンフィルタはグリーン光成分を透過する。
図８は図１に示した画素配列例におけるＲＧＢ信号の出力特性を示しており、図９は図２に示した画素配列例におけるＲＧＢ信号の出力特性を示している。
すなわち、図２に示すような、下地の異なるバルク構造を配置することで、１つのグリーンフィルタの下で異なるグリーン信号Ｇ１とＧ２を得ることができる。

本発明の実施例による固体撮像素子の第１の構成例を示す断面図である。 本発明の実施例による固体撮像素子の第２の構成例を示す断面図である。 本発明の実施例で用いる画素配列の第１の具体例を示す平面図である。 本発明の実施例で用いる画素配列の第２の具体例を示す平面図である。 本発明の実施例で用いる画素配列の第３の具体例を示す平面図である。 本発明の実施例で用いる画素配列の第４の具体例を示す平面図である。 本発明の実施例で用いるマゼンタフィルタとグリーンフィルタの分光特性を示す説明図である。 図１に示した画素配列例におけるＲＧＢ信号の出力特性を示す説明図である。 図２に示した画素配列例におけるＲＧＢ信号の出力特性を示す説明図である。

符号の説明

１０……シリコン基板、１２……Ｐウェル領域、２０……画素Ａ、２８……マゼンタフィルタ、３０、５０……画素Ｂ、３４……グリーンフィルタ、４０……マイクロレンズ。

Claims (5)

1. 半導体基板の深さ方向に少なくとも２つのＰＮ接合部を設けた光電変換部を含む画素Ａと、
   少なくとも１つのＰＮ接合部を設けた光電変換部を含む画素Ｂと、
   前記画素Ａ上に配置される第１の色フィルタと、
   前記画素Ｂ上に配置される第２の色フィルタと、
   前記画素Ａの２つのＰＮ接合部から第１の色信号及び第２の色信号を検出し、前記画素ＢのＰＮ接合部から第３の色信号を検出する検出手段と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の色フィルタは第３の色信号を除去するフィルタ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. 前記画素Ｂの光電変換部は半導体基板の深さ方向に２つのＰＮ接合部を有し、前記検出手段は画素Ｂの２つのＰＮ接合部から第３の色信号を検出することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記画素Ａの光電変換部と前記画素Ｂの光電変換部が共通の層構造を有することを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の色フィルタがマゼンタフィルタであり、前記第２のフィルタがブルーフィルタであり、前記第１の色信号がブルー信号であり、前記第２の色信号がレッド信号であり、前記第３の色信号がグリーン信号であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
   

Images