(57)【要約】【課題】画素間の感度差を拡大し、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる固体撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】固体撮像装置は、光電変換を行う第１の光電変換素子（１１０）と、光電変換を行う第２の光電変換素子（１１０）と、前記第１の光電変換素子に対応して設けられる第１のカラーフィルタ（３１１）と、前記第２の光電変換素子に対応して設けられる第２のカラーフィルタ（３１２）とを有し、前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタは、相互に透過率が異なる同一色のカラーフィルタであることを特徴とする。【選択図】図２
2014075767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行う第１の光電変換素子と、
光電変換を行う第２の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子に対応して設けられる第１のカラーフィルタと、
前記第２の光電変換素子に対応して設けられる第２のカラーフィルタとを有し、
前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタは、相互に透過率が異なる同一色のカラーフィルタであることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタは、相互に、同一の材料で形成され、かつ膜厚が異なることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２のカラーフィルタは、前記第１のカラーフィルタより膜厚が薄く、
さらに、前記第１及び第２のカラーフィルタの膜厚差を埋めるように前記第１のカラーフィルタに設けられる埋め込み層を有することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
さらに、前記第１のカラーフィルタと前記第１の光電変換素子との間の配線層に設けられる第１の受光開口部と、
前記第２のカラーフィルタと前記第２の光電変換素子との間の配線層に設けられる第２の受光開口部とを有し、
前記第１の受光開口部の開口幅及び前記第２の受光開口部の開口幅は、相互に異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２のカラーフィルタは、前記第１のカラーフィルタより透過率が高く、
前記第２の受光開口部の開口幅は、前記第１の受光開口部の開口幅より広いことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
さらに、前記第１のカラーフィルタに対応して設けられる第１のマイクロレンズと、
前記第２のカラーフィルタに対応して設けられる第２のマイクロレンズとを有し、
前記第１のカラーフィルタは、前記第１の光電変換素子及び前記第１のマイクロレンズの間に設けられ、
前記第２のカラーフィルタは、前記第２の光電変換素子及び前記第２のマイクロレンズの間に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１の光電変換素子の信号及び前記第２の光電変換素子の信号を合成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の光電変換素子の信号及び前記第２の光電変換素子の信号の感度差を補正して合成することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサに代表される固体撮像装置は、入射光量に応じて蓄積されるフォトダイオード中の電荷を読み出すことで、固体撮像装置の表面に結像した光の像を電気信号に変換している。しかし、フォトダイオードには飽和電荷量が存在するため、一定光量以上の電荷を蓄積することができず、ダイナミックレンジが制限される。ダイナミックレンジ拡大の手法の一つとして、固体撮像装置中に感度の異なる画素の組みを設け、それらの画素の信号を使って広ダイナミックレンジ画像を生成する手法が存在する。特許文献１では、高感度画素と低感度画素でマイクロレンズの構成を変えることにより、感度の異なる画素を作り出し、この手法を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、より広いダイナミックレンジが必要になった際には、特許文献１の手法の効果だけでは不十分になる可能性がある。そのため、更なるダイナミックレンジ拡大のために、画素間の感度差拡大のための新たな手段が必要となる。
【０００５】
本発明の目的は、画素間の感度差を拡大し、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体撮像装置は、光電変換を行う第１の光電変換素子と、光電変換を行う第２の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子に対応して設けられる第１のカラーフィルタと、前記第２の光電変換素子に対応して設けられる第２のカラーフィルタとを有し、前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタは、相互に透過率が異なる同一色のカラーフィルタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子へ到達する入射光量の差を効率的に制御することが可能になり、所望の広ダイナミックレンジの画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の平面図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置の各画素の分光感度特性の図である。
【図４】第１、第２の実施形態に係る固体撮像装置の光電変換特性を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の平面図である。
【図６】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の平面図である。
【図７】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。
【図１１】第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構成例を示す平面図である。固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳイメージセンサ等である。１００は、複数の画素セル１０１が２次元行列状に配された画素アレイである。点線３０１及び点線３０２で囲まれた画素セル１０１は、赤（Ｒｅｄ）の波長領域である６００ｎｍ近辺に分光感度特性のピークを持った赤画素である。３０１が赤低感度画素であり、３０２が赤高感度画素である。点線４０１及び点線４０２で囲まれた画素セル１０１は、緑（Ｇｒｅｅｎ）の波長領域である５５０ｎｍ近辺に分光感度特性のピークを持った緑画素である。４０１が緑低感度画素であり、４０２が緑高感度画素である。点線５０１及び点線５０２で囲まれた画素セル１０１は、青（Ｂｌｕｅ）の波長領域である４５０ｎｍ近辺に分光感度特性のピークを持った青画素である。５０１が青低感度画素であり、５０２が青高感度画素である。
【００１０】
図２は、図１の画素部のＡ−Ｂ間の断面図である。１１０は、光電変換により電荷を生成し、その生成した電荷を蓄積するフォトダイオード（光電変換素子）である。２０１は、フォトダイオード１１０上のメタル開口面積を規定する配線層である。例えば、配線層２０１は、アルミ配線層又はポリシリコン配線層である。配線層２０１の上層に設けられた３１１、３１２、４１１、４１２、５１１、５１２は、各色の高感度画素と低感度画素に対応したカラーフィルタである。赤低感度画素３０１は、フォトダイオード１１０及びカラーフィルタ３１１を有する。３１１は、赤低感度画素３０１に対応した赤低感度画素用カラーフィルタである。赤高感度画素３０２は、フォトダイオード１１０及びカラーフィルタ３１２を有する。３１２は、赤高感度画素３０２に対応した赤高感度画素用カラーフィルタである。緑低感度画素４０１は、フォトダイオード１１０及びカラーフィルタ４１１を有する。４１１は、緑低感度画素４０１に対応した緑低感度画素用カラーフィルタである。緑高感度画素４０２は、フォトダイオード１１０及びカラーフィルタ４１２を有する。４１２は、緑高感度画素４０２に対応した緑高感度画素用カラーフィルタである。青低感度画素５０１は、フォトダイオード１１０及びカラーフィルタ５１１を有する。５１１は、青低感度画素５０１に対応した青低感度画素用カラーフィルタである。青高低感度画素５０２は、フォトダイオード１１０及びカラーフィルタ５１２を有する。５１２は、青高感度画素５０２に対応した青高感度画素用カラーフィルタである。低感度画素３０１，４０１，５０１は、それぞれ、光電変換を行う第１のフォトダイオード（第１の光電変換素子）１１０と、第１のフォトダイオード１１０に対応して設けられる第１のカラーフィルタ３１１，４１１，５１１とを有する。高感度画素３０２，４０２，５０２は、それぞれ、光電変換を行う第２のフォトダイオード（第２の光電変換素子）１１０と、第２のフォトダイオード１１０に対応して設けられる第２のカラーフィルタ３１２，４１２，５１２とを有する。
【００１１】
図３は、各色の高感度画素と低感度画素の分光感度特性を示すグラフである。曲線３２１は、赤低感度画素３０１の分光感度特性を示し、曲線３２２は、赤高感度画素３０２の分光感度特性を示す。また、曲線４２１は、緑低感度画素４０１の分光感度特性を示し、曲線４２２は、緑高感度画素４０２の分光感度特性を示す。曲線５２１は、青低感度画素５０１の分光感度特性を示し、曲線５２２は、青高感度画素５０２の分光感度特性を示す。曲線３２１と曲線３２２に示されるように、赤低感度画素用カラーフィルタ３１１は、赤高感度画素用カラーフィルタ３１２に比べて感度が低くなるように設定されたカラーフィルタである。赤画素用カラーフィルタ３１１及び３１２は、上述したように赤の波長領域である６００ｎｍ近辺に分光感度特性のピークが来るような特性を有している。また、曲線４２１と曲線４２２に示されるように、緑低感度画素用カラーフィルタ４１１は、緑高感度画素用カラーフィルタ４１２に比べて感度が低くなるように設定されたカラーフィルタである。緑画素用カラーフィルタ４１１及び４１２は、上述したように緑の波長領域である５５０ｎｍ近辺に分光感度特性のピークが来るような特性を有している。また、曲線５２１と曲線５２２に示されるように、青低感度画素用カラーフィルタ５１１は、青高感度画素用カラーフィルタ５１２に比べて感度が低くなるように設定されたカラーフィルタである。青画素用カラーフィルタ５１１及び５１２は、上述したように青の波長領域である４５０ｎｍ近辺に分光感度特性のピークが来るような特性を有している。第１のカラーフィルタ３１１及び第２のカラーフィルタ３１２は、相互に透過率が異なる同一色（赤）のカラーフィルタである。第１のカラーフィルタ４１１及び第２のカラーフィルタ４１２は、相互に透過率が異なる同一色（緑）のカラーフィルタである。第１のカラーフィルタ５１１及び第２のカラーフィルタ５１２は、相互に透過率が異なる同一色（青）のカラーフィルタである。第２のカラーフィルタ３１２，４１２，５１２は、第１のカラーフィルタ３１１，４１１，５１１より透過率が高い。このように、各色の高感度画素と低感度画素に、感度の異なるカラーフィルタをそれぞれ適用して、各色の高感度画素と低感度画素の出力信号を合成することで、図４に示されるような光電変換特性を得る事が可能となる。ここで同一色に関して説明する。同一色に含まれるのはカラーフィルタを透過する波長域の中心値がほぼ一致している場合をいう。望ましくは完全に一致しているものであるが、例えば中心値のずれが１０％以内のものも同一色としてみなすことができる。またここで透過する波長域とは透過率が７０％以上の波長域とすることができる。もしくは画像を形成する際の画像処理において同一色とみなして処理することが可能なものを同一色とみなすこともできる。
【００１２】
図４において、高感度画素信号ＶＨは高感度画素３０２，４０２，５０１のフォトダイオード１１０の出力信号であり、低感度画素信号ＶＬは低感度画素３０１，４０１，５０１のフォトダイオード１１０の出力信号である。高感度画素信号ＶＨは光量Ｉ２で飽和出力電圧Ｖｓａｔとなる。画素の飽和出力電圧レベルはばらつくので、高感度画素信号ＶＨはリニアリティの良い光量Ｉ１の出力電圧Ｖ１までを使い、光量Ｉ１以上においては、低感度画素信号ＶＬを使う。低感度画素信号ＶＬの光量Ｉ１以上の電圧にオフセット電圧Ｖ１を付加すれば、合成信号はＶＴとなり、その光量範囲はＩ１からＩ３となり、ダイナミックレンジが拡大したことになる。合成信号ＶＴを使用する場合は、高感度画素と低感度画素の感度差を補正して合成することにより、光量に比例した信号にすることができる。信号ＶＨ及びＶＬは、デジタルデータとして取り扱えば、合成及び感度差の補正は容易である。
【００１３】
以上のように、各色の高感度画素と低感度画素で感度の異なるカラーフィルタを適用することで、ダイナミックレンジの広い画像を取得することが可能となる。なお、本実施形態では、図１に示されるように、各色の高感度画素と低感度画素がストライプ状に配置されたパターンを例に説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図５に示されるように、ベイヤー配列に対応した色配置になっていてもよく、以降の実施形態においても同様である。図５に示す符号は図１に示す符号と同じであり、図５の画素アレイ１００は、赤低感度画素３０１、赤高感度画素３０２、緑低感度画素４０１、緑高感度画素４０２、青低感度画素５０１及び青高感度画素５０２を有する。
【００１４】
また、各色の高感度画素と低感度画素は必ずしも同数である必要はなく、例えば図６に示されるように、高感度画素と低感度画素で総数が異なってもよい。図６では、１個の赤低感度画素３０１及び３個の赤高感度画素３０２の組みと、１個の緑低感度画素４０１及び３個の緑高感度画素４０２の組みと、１個の青低感度画素５０１及び３個の青高感度画素５０２の組みとを有する。各色の１個の低感度画素と３個の高感度画素とで一つの組みになっており、それら各色の組がベイヤー配列で配置されている。このような構成にすることにより、高感度画素と低感度画素とで空間的な色重心が近づく。このことは以降の実施形態においても同様である。さらに、固体撮像装置の検知できる色は赤、緑、青の３色だけに限らず、マゼンダやシアン等の補色あるいは４色以上の色に対応していてもよい。
【００１５】
また、図７に示すように、カラーフィルタ３１１，３１２，４１１，４１２，５１１，５１２の上方にマイクロレンズ６００を設けることができる。低感度画素３０１，４０１，５０１は、第１のカラーフィルタ３１１，４１１，５１１に対応して設けられる第１のマイクロレンズ６００を有する。高感度画素３０２，４０２，５０２は、第２のカラーフィルタ３１２，４１２，５１２に対応して設けられる第２のマイクロレンズ６００を有する。第１のカラーフィルタ３１１，４１１，５１１は、第１のフォトダイオード１１０及び第１のマイクロレンズ６００の間に設けられる。第２のカラーフィルタ３１２，４１２，５１２は、第２のフォトダイオード１１０及び第２のマイクロレンズ６００の間に設けられる。この場合も、上述した効果と同様の効果が得られる。低感度画素は、感度的には、マイクロレンズ６００を設ける必要はないが、Ｆ値の小さいレンズの場合、周辺画素の光量低下があるのでマイクロレンズ６００を設けた方が良い。
【００１６】
また、図８において、低感度画素３０１，４０１，５０１は、それぞれ、第１のカラーフィルタ３１１，４１１，５１１と第１のフォトダイオード１１０との間の配線層２０１に設けられる開口幅Ｘ１の第１の受光開口部を有する。高感度画素３０２，４０２，５０２は、それぞれ、第２のカラーフィルタ３１２，４１２，５１２と第２のフォトダイオード１１０との間の配線層２０１に設けられる開口幅Ｘ２の第２の受光開口部を有する。第１の受光開口部の開口幅Ｘ１及び第２の受光開口部の開口幅Ｘ２は、相互に異なる。第２の受光開口部の開口幅Ｘ２は、第１の受光開口部の開口幅Ｘ１より広い。具体的には、赤低感度画素３０１のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ１は、赤高感度画素３０２のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ２より狭い。また、緑低感度画素４０１のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ１は、緑高感度画素４０２のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ２より狭い。また、青低感度画素５０１のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ１は、青高感度画素５０２のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ２より狭い。低感度画素３０１，４０１，５０１のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ１は、高感度画素３０２，４０２，５０２のフォトダイオード１１０上層の配線層２０１の開口幅Ｘ２より狭い。これにより、高感度画素３０２，４０２，５０２より低感度画素３０１，４０１，５０１の方が開口面積が小さくなっている。このように、低感度画素３０１，４０１，５０１の開口幅Ｘ１が高感度画素３０２，４０２，５０２の開口幅Ｘ２より狭くなるようにすることで、より感度差を大きくすることができ、これにより図２の構成よりも広いダイナミックレンジ特性を得ることが可能となる。
【００１７】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の構成例を示す断面図であり、図１の画素部のＡ−Ｂ間の断面図である。また、本実施形態においては、第１の実施形態との差異部分についてのみ説明するものとし、第１の実施形態と内容が同じ箇所に関しての説明は省略する。
【００１８】
赤低感度画素用カラーフィルタ３１１及び赤高感度画素用カラーフィルタ３１２は相互に同一材料で形成されており、赤高感度画素用カラーフィルタ３１２は赤低感度画素用カラーフィルタ３１１に比べて膜厚が薄い。また、緑低感度画素用カラーフィルタ４１１及び緑高感度画素用カラーフィルタ４１２は相互に同一材料で形成されており、緑高感度画素用カラーフィルタ４１２は緑低感度画素用カラーフィルタ４１１に比べて膜厚が薄い。また、青低感度画素用カラーフィルタ５１１及び青高感度画素用カラーフィルタ５１２は相互に同一材料で形成されており、青高感度画素用カラーフィルタ５１２は青低感度画素用カラーフィルタ５１１に比べて膜厚が薄い。これにより、膜厚の厚い低感度画素用カラーフィルタ３１１，４１１，５１１は、膜厚の薄い高感度画素用カラーフィルタ３１２，４１２，５１２に比べ、透過率が低くなる。そのため、低感度画素３０１，４０１，５０１の感度は、高感度画素３０２，４０２，５０２の感度より低くなり、高感度画素３０２，４０２，５０２と低感度画素３０１，４０１，５０１との感度差を生み出すことが可能となる。このように、高感度画素用カラーフィルタ３１２，４１２，５１２の膜厚と低感度画素用カラーフィルタ３１１，４１１，５１１の膜厚とを適切に選択する事により、所望のダイナミックレンジ特性を得る事が可能となる。
【００１９】
なお、本実施形態において、図１０に示すように、カラーフィルタ３１１，３１２，４１１，４１２，５１１，５１２の上方にマイクロレンズ６００を設けることができる。その場合は、高感度画素用カラーフィルタ３１２，４１２，５１２と低感度画素用カラーフィルタ３１１，４１１，５１１との膜厚差を埋めるような埋め込み層７００を高感度画素用カラーフィルタ３１２，４１２，５１２の上に形成する。これにより、平坦性が向上し、望ましい。また、半導体基板や画素の構成は、図１０のような構成に限定されない。例えば、図１１に示すように、各画素３０１，３０２，４０１，４０２，５０１，５０２において、フォトダイオード１１０が、配線層２０１とカラーフィルタ３１１，３１２，４１１，４１２，５１１，５１２との間に挟まれるように配置される構成でもよい。その構成においても、本実施形態による効果は同様に得られる。このことは、本発明の第１の実施形態においても同様である。
【００２０】
以上のように、第１及び第２の実施形態によれば、第１のカラーフィルタ３１１，４１１，５１１及び第２のカラーフィルタ３１２，４１２，５１２の透過率を異ならせる。これにより、低感度画素３０１，４０１，５０１のフォトダイオード１１０及び高感度画素３０２，４０２，５０２のフォトダイオード１１０へ到達する入射光量を異ならせることができる。低感度画素３０１，４０１，５０１及び高感度画素３０２，４０２，５０２の感度差を設けることができるので、所望の広ダイナミックレンジの画像を得ることが可能となる。
【００２１】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００２２】
１１０  フォトダイオード、２０１  配線層、３０１  赤低感度画素、３０２  赤高感度画素、３１１  赤低感度画素用カラーフィルタ、３１２  赤高感度画素用カラーフィルタ、４０１  緑低感度画素、４０２  緑高感度画素、４１１  緑低感度画素用カラーフィルタ、４１２  緑高感度画素用カラーフィルタ、５０１  青低感度画素、５０２  青高感度画素、５１１  青低感度画素用カラーフィルタ、５１２  青高感度画素用カラーフィルタ
【図１】
2014075767.tif 000003
【図２】
2014075767.tif 000004
【図３】
2014075767.tif 000005
【図４】
2014075767.tif 000006
【図５】
2014075767.tif 000007
【図６】
2014075767.tif 000008
【図７】
2014075767.tif 000009
【図８】
2014075767.tif 000010
【図９】
2014075767.tif 000011
【図１０】
2014075767.tif 000012
【図１１】
2014075767.tif 000013