(57)【要約】【課題】  高感度で高精細，色再現性に優れ、しかも静止画像のみならず動画像も容易に撮影することができる２板式カラー固体撮像装置を提供する。【解決手段】  入射光を赤色及び青色と緑色とに分離する色分解プリズムと、該プリズムによって分離された赤色及び青色の入射光を受光する第１ＣＣＤと、プリズムによって分離された緑色の入射光を受光する第２ＣＣＤとを備える２板式カラー固体撮像装置において、第１ＣＣＤには、二次元平面上の各サンプリングポイントに形成された赤色画像信号検出用の第１検出手段及び青色画像信号検出用の第２検出手段を設けると共に、１フレーム読出動作で或るサンプリングポイントの第１検出手段から赤色画像信号を読み出す場合には同時に隣接サンプリングポイントの第２検出手段から青色画像信号を読み出す信号読出手段を設ける。【選択図】  図１３
2006186573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの入射光を３原色の第１色及び第２色を含む色成分と第３色とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記色成分の入射光を受光する第１固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記第３色の入射光を受光する第２固体撮像素子とを備える２板式カラー固体撮像装置において、前記第１固体撮像素子には、二次元平面上の各サンプリングポイントに形成された前記第１色の画像信号を検出する第１検出手段と前記第２色の画像信号を検出する第２検出手段とが設けられると共に、１フレーム読出動作で或るサンプリングポイントの前記第１検出手段から前記第１色の画像信号を読み出す場合には同時に隣接サンプリングポイントの前記第２検出手段から前記第２色の画像信号を読み出す信号読出手段が設けられたことを特徴とする２板式カラー固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２固体撮像素子が検出する前記第３色の画像信号の二次元平面上のサンプリングポイントが前記第１色及び第２色の前記サンプリングポイントと同一であることを特徴とする請求項１に記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１固体撮像素子の同一サンプリングポイントの前記第１検出手段及び第２検出手段は基板の深さ方向に積層して設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１色が青色であり、前記第２色が赤色であり、前記第３色が緑色であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１検出手段及び前記第２検出手段は夫々フォトダイオード構造で成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１固体撮像素子から１フレーム読出動作で読み出される前記第１色の画像信号及び前記第２色の画像信号は、縦ストライプ状または横ストライプ状または市松状に配置された各サンプリングポイントから読み出される構成になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々電荷結合素子で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々ＭＯＳ型イメージセンサで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子の前記サンプリングポイントの配列がハニカム配列であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を構成する色分解プリズムであって、前記第１色及び第２色を含む色成分の入射光を反射して前記第１固体撮像素子に入射させるプリズム部材と、前記第３色の入射光を反射して前記第２固体撮像素子に入射させるプリズム部材とを備えることを特徴とする２板式カラー固体撮像装置の色分解プリズム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０いずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２板式カラー固体撮像装置及びこの２板式カラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラに係り、特に、高感度且つ色再現性に優れ、しかも静止画像のみならず動画像の撮影も容易な２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子の微細化，多画素化が進展し、固体撮像素子を搭載したデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等のデジタルカメラで撮影した画像の解像度は、銀塩フィルムを用いて撮像した画像と遜色の無いレベルに達してきている。
【０００３】
固体撮像素子を用いたカラー固体撮像装置として、従来から、３板式のものと、２板式のものと、単板式のものが知られている。
【０００４】
３板式のカラー固体撮像装置は、例えば下記特許文献１に記載されている様に、半導体基板表面に多数の光電変換素子がアレイ状に形成された固体撮像素子を３個用い、被写体の光学像のうち赤色の光学像を第１の固体撮像素子で受光し、緑色の光学像を第２の固体撮像素子で受光し、青色の光学像を第３の固体撮像素子で受光する構成になっている。そのため、被写体からの入射光を赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色の光学像に分離する色分解プリズムが用いられる。尚、固体撮像素子ではなく、撮像管を用いた３板式のものとして、下記特許文献２がある。
【０００５】
図３１は、色分解プリズムの一例を示す構成図である。図示する色分解プリズム１は、第１プリズム部材１ａ，第２プリズム部材１ｂ，第３プリズム部材１ｃと、部材１ａ，１ｂ間に設けられた青色反射用ダイクロイック膜２と、部材１ｂ，１ｃ間に設けられた赤色反射用ダイクロイック膜３とからなる。
【０００６】
そして、第１プリズム部材１ａに入射したＲ，Ｇ，Ｂの各色の光学像のうち青色（Ｂ）の光学像がダイクロイック膜２で反射して第３の固体撮像素子４で受光され、ダイクロイック膜２を透過した赤色（Ｒ），緑色（Ｇ）の各色光学像のうち赤色（Ｒ）の光学像がダイクロイック膜３で反射して第１の固体撮像素子５で受光され、ダイクロイック膜３を透過して第３プリズム部材１ｃ中を直進した緑色（Ｇ）の光学像が第２の固体撮像素子４で受光される。
【０００７】
この３板式の固体撮像装置は、色分解性能が高く入射光を無駄にしないため、撮像画像の色再現性が優れ、感度が高いという利点を有する。しかし、３個の固体撮像素子４，５，６と複雑な色分解プリズム１が必要であり、しかも、プリズム１の前段に配置される図示しない集光レンズで結像したＲ，Ｇ，Ｂの各色光線の各固体撮像素子４，５，６に達する光路長を等しくする必要のため第３プリズム部材１ｃを省略できず、コストが嵩むと共に装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００８】
２板式のカラー固体撮像装置は、例えば下記特許文献３，４に記載されているように、２つの固体撮像素子と、図３１に示すプリズム１よりは簡単な構造の色分解プリズムを用いて構成される。図３２は２板式カラー固体撮像装置に用いられるプリズムの一例を示す構成図である。この色分解プリズム７は、第１プリズム部材７ａ，第２プリズム部材７ｂと、両者間に設けられた緑色（Ｇ）反射用ダイクロイック膜８とからなり、第１プリズム部材７ａに入射したＲ，Ｇ，Ｂの各色光学像のうち緑色（Ｇ）の光学像がダイクロイック膜８で反射して第１の固体撮像素子９で受光され、ダイクロイック膜８を透過した赤色（Ｒ），青色（Ｂ）の各光学像が、第２の固体撮像素子１０で受光される。
【０００９】
第２の固体撮像素子１０は、赤色（Ｒ）の光学像と青色（Ｂ）の光学像とを別々に受光するために、素子１０の前面にカラーフィルタ１１が設けられる。このカラーフィル１１には、赤色（Ｒ）カラーフィルタと青色（Ｂ）カラーフィルタが例えば交互にストライプ状に設けられ、赤色カラーフィルタの背面側に配置された光電変換素子が赤色の受光量を検出し、青色カラーフィルタの背面側に配置された光電変換素子が青色の受光量を検出する様になっている。
【００１０】
この２板式のカラー固体撮像装置は、３板式のカラー固体撮像装置に比べて固体撮像素子数が２個で済み、プリズム７を安価に構成できるため、コスト低減を図ることが可能となる。しかし、カラーフィルタ１１を用いるため、赤色カラーフィルタに入射した青色光と、青色カラーフィルタに入射した赤色光は光電変換素子に受光されずに無駄となり、このため３板式に比べて感度が悪いという問題がある。また、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の各色入射光線は直進して固体撮像素子１０に受光される構成のため、第２プリズム部材７ｂの厚さを省略できず、装置の厚さを低減できないという問題もある。
【００１１】
単板式のカラー固体撮像装置は、色分解プリズムを用いずにＲ，Ｇ，Ｂの各色光学像を１個の固体撮像素子で受光する構成となっている。このため、固体撮像素子の前面に、赤色（Ｒ）カラーフィルタと緑色（Ｇ）カラーフィルタと青色（Ｂ）カラーフィルタが所定規則に従ってモザイク状に配列されたカラーフィルタを形成し、半導体基板表面に形成された多数の光電変換素子の各々が、Ｒ，Ｇ，Ｂのうちの一色の光学像を受光する構成になっている。このカラーフィルタの一例を図３３に示す。このカラーフィルタの配列はベイヤー配列といわれ、下記特許文献５に記載されている。
【００１２】
単板式のカラー固体撮像装置は、固体撮像素子が１個で済み、色分解プリズムが不要なため、コストが安く、装置が小型にできるという利点がある。しかし、赤色（Ｒ）カラーフィルタに入射した緑色（Ｇ）と青色（Ｂ）の光は光電変換されることはなく、緑色（Ｇ）カラーフィルタに入射した赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の光も光電変換されることがなく、同様に、青色（Ｂ）カラーフィルタに入射した赤色（Ｒ）と緑色（Ｇ）の光も光電変換されることがない。従って、入射光のうちの略１／３しか光電変換されず、感度が悪いという問題がある。
【００１３】
この問題は、下記特許文献６，７に記載されているカラー固体撮像素子を用いることで回避できる。特許文献６には、カラーフィルタを使用せずに、基板に多層構造の半導体感光膜を積層し、各感光膜により、入射光中の赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）を分離して読み出す固体撮像素子が記載されている。
【００１４】
特許文献７には、カラーフィルタを搭載せずに、半導体基板内に深さ方向に分離した高濃度不純物層を３層設け、各高濃度不純物層により、入射光中の赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）を分離して検出する固体撮像素子が記載されている。この構造は、下記非特許文献１に記載されている半導体の光学的性質、即ち、光電変換素子の光電変換特性が入射光の波長及び半導体基板の深さ方向の位置に依存するという光学的性質を利用している。
【００１５】
また、特許文献８には、カラーフィルタを搭載せずに、半導体の光学的性質を利用して入射光中の赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）を分離して検出するＣＭＯＳ型イメージセンサが記載されている。
【００１６】
図３４は、特許文献７に記載されたカラー固体撮像素子の一画素分の断面図である。このカラー固体撮像素子では、半導体基板の表面側に形成されたＰウェル層１６内に、深さ方向に分離した３つの高濃度不純物層１７，１８，１９が設けられている。半導体基板に入射する入射光のうち、青色（Ｂ）光は浅い位置までしか浸入できず、赤色（Ｒ）光は深い位置まで浸入でき、緑色（Ｇ）光はその中間の位置まで浸入できる。このため、最浅の高濃度不純物層１７には青色（Ｂ）の入射光量に応じた光電荷が蓄積され、中間の高濃度不純物層１８には緑色（Ｇ）の入射光量に応じた光電荷が蓄積され、最深の高濃度不純物層１９には赤色（Ｒ）の入射光量に応じた光電荷が蓄積される。
【００１７】
図３５は、図３４に示す固体撮像素子で検出される各色Ｒ，Ｇ，Ｂの分光特性を示すグラフであり、カラーフィルタを用いなくても、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色を分離して検出できることを示している。しかし、このグラフから分かる通り、半導体基板の光学的性質を利用してＲ，Ｇ，Ｂの３色を分離する場合、各色Ｒ，Ｇ，Ｂの分離が十分でなく、例えば緑色（Ｇ）を検出する光電変換素子は緑色ばかりでなく赤色や青色の光も緑色として検出している。このため、この固体撮像素子で検出したＲ，Ｇ，Ｂの各色信号に基づいて撮像画像を再現した場合、色再現が難しいという問題がある。
【００１８】
上述したように、３板式，２板式，単板式のカラー固体撮像装置には、夫々利点と欠点が存在するため、デジタルカメラに搭載するカラー固体撮像装置をいずれの方式のものにするかは、製造コストと性能及びデジタルカメラの大きさによって決めることになる。
【００１９】
特に、近年の様に画素の微細化が進展した固体撮像素子では、固体撮像素子の製造歩留まりがデジタルカメラのコストに大きく関わるため、製造歩留まりを高くできる固体撮像素子を採用するのが望ましい。
【００２０】
画素の微細化が進展した固体撮像素子では、半導体基板表面に形成された受光部の上部に、カラーフィルタや平坦化膜、マイクロレンズ等を積層する必要があり、受光部とマイクロレンズ（トップレンズ）との間の距離（各画素の高さ）を短くすることができない。しかしその一方で、多画素化が進展した固体撮像素子では、各画素の開口部の寸法が入射光の波長オーダにまで小さくなってきており、このため、各画素におけるトップレンズから光電変換素子までの入射光路は細長い通路となっている。しかも、固体撮像素子の中央部に対して周辺部における入射光の入射角は斜めになるため、周辺部における光量不足すなわち色シェーディングを回避するために、周辺部の画素においては、入射角に合わせて各入射光路が斜めとなるように、カラーフィルタ，平坦化膜，マイクロレンズ等を積層しなくてはならず、これが固体撮像素子の製造歩留まりを低下させる一因となっている。
【００２１】
上述したように、従来の３板式カラー固体撮像装置は、色再現性が高く高感度であるが、複雑で大型の色分解プリズムと３つの固体撮像素子を使用するため、製造コストが嵩むとともに大型のデジタルカメラにしか搭載できないという問題がある。また、従来の２板式カラー固体撮像装置は、３原色のうち１色をプリズムで反射して残り２色をカラーフィルタで分離する構成のため、感度が３板式のものに劣り、更に、カラーフィルタを形成した製造歩留まりの低い固体撮像素子を使用するため、コストが嵩んでしまうという問題がある。また、従来のカラーフィルタを用いる単板式カラー固体撮像装置は、製造歩留まりの低い固体撮像素子を使用するためコストが嵩むと共に、入射光のうち利用しない色の光をカラーフィルタでカットするため、感度が悪いという問題がある。
【００２２】
更にまた、従来のカラーフィルタを用いない単板式カラー固体撮像装置は、半導体の光学的性質を利用して３原色を分離し検出する構成のため、色分離性能が十分でなく、撮像画像の色再現が難しいという問題があり、しかも、１画素で３色を分離する構成のため、製造が困難であり、更に各画素の周辺回路と配線が大規模となり、受光部領域の面積が狭くなるという問題もある。
【００２３】
そこで、本出願人は先に、特願２００３―３８４６４３号を提案し、上述した従来のカラー固体撮像装置の様々な問題を解決した。この提案に係るカラー固体撮像装置では、入射光を色分解プリズムで赤色及び青色と緑色とに分離し、分離した赤色及び青色を第１の固体撮像装置で受光し、緑色を第２の固体撮像装置で受光する構成としている。そして、第１の固体撮像装置の半導体基板の深さ方向に青色検出用光電変換素子と赤色検出用光電変換素子を積層して形成し、赤色と青色とを分離して検出できるようにしている。
【００２４】
【特許文献１】特開平５―２４４６１３号公報
【特許文献２】特開昭４８―３７１４１号公報
【特許文献３】特開平５―２４４６１０号公報
【特許文献４】特開平３―２７４５２３号公報
【特許文献５】米国特許第３９７１０６５号公報
【特許文献６】米国特許第４４３８４５５号公報
【特許文献７】特開平１―１３４９６６号公報
【特許文献８】米国特許第５９６５８７５号公報
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の"A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material"PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述した本出願人による先の提案に係る２板式カラー固体撮像装置は、カラーフィルタを搭載しないため製造歩留まりが上がり、しかも、小型化と、３板式の色再現性及び高感度化を実現することができる。
【００２６】
しかし、第１の固体撮像装置から１画面分の青色の画像信号を読み出した後に１画面分の赤色の画像信号を読み出す必要があり、１枚の画像を構成するＲ，Ｇ，Ｂの３原色の画像信号を揃えるのに時間がかかってしまう。このため、高精細な動画をリアルタイムに撮影するには固体撮像装置をより高速なクロックで動作させなければならず、動画の撮影が容易でないという問題がある。
【００２７】
本発明の目的は、高感度で高精細，色再現性に優れ、しかも静止画像のみならず動画像も容易に撮影することができる２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の２板式カラー固体撮像装置は、被写体からの入射光を３原色の第１色及び第２色を含む色成分と第３色とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記色成分の入射光を受光する第１固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記第３色の入射光を受光する第２固体撮像素子とを備える２板式カラー固体撮像装置において、前記第１固体撮像素子には、二次元平面上の各サンプリングポイントに形成された前記第１色の画像信号を検出する第１検出手段と前記第２色の画像信号を検出する第２検出手段とが設けられると共に、１フレーム読出動作で或るサンプリングポイントの前記第１検出手段から前記第１色の画像信号を読み出す場合には同時に隣接サンプリングポイントの前記第２検出手段から前記第２色の画像信号を読み出す信号読出手段が設けられたことを特徴とする。
【００２９】
この構成により、色分解プリズムの構成が簡単となって低コスト，小型化が実現され、しかも３板式と同等の高画質，高感度の画像を撮像可能となり、更に、色モアレや偽色を低減可能となる。しかも、１フレーム動作で第１固体撮像素子から２色の信号が読み出され、第２固体撮像素子から第３色の信号が読み出されるため、動画像を構成するカラー画像を容易に構成可能となる。
【００３０】
本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第２固体撮像素子が検出する前記第３色の画像信号の二次元平面上のサンプリングポイントが前記第１色及び第２色の前記サンプリングポイントと同一であることを特徴とする。
【００３１】
この構成により、３色夫々の画像信号を検出する画素位置（サンプリングポイント）が同一となり、更に色モアレや偽色の発生を回避できる。
【００３２】
本発明の２板式カラー固体撮像装置の前記第１固体撮像素子の同一サンプリングポイントの前記第１検出手段及び第２検出手段は基板の深さ方向に積層して設けられることを特徴とする。
【００３３】
この構成により、第１固体撮像素子から出力される第１色と第２色の色分離性能が高まると共に、第１固体撮像素子の製造も容易となり、しかも、色分解プリズムの構成が簡単となって低コスト，小型化が実現され、更に３板式と同等の高画質，高感度の画像を撮像することが可能となる。
【００３４】
本発明の２板式カラー固体撮像装置の前記第１色が青色であり、前記第２色が赤色であり、前記第３色が緑色であることを特徴とする。
【００３５】
この構成により、カラー画像を構成する３原色の画像信号を第１，第２固体撮像素子から直接出力させることができ、カラー画像の形成が容易となる。
【００３６】
本発明の２板式カラー固体撮像装置の前記第１検出手段及び前記第２検出手段は夫々フォトダイオード構造で成ることを特徴とする。
【００３７】
この構成により、第１固体撮像素子の製造が容易となる。
【００３８】
本発明の２板式カラー固体撮像装置では、前記第１固体撮像素子から１フレーム読出動作で読み出される前記第１色の画像信号及び前記第２色の画像信号は、縦ストライプ状または横ストライプ状または市松状に配置された各サンプリングポイントから読み出される構成になっていることを特徴とする。
【００３９】
この構成により、更に色モアレや偽色等の少ない良好な動画像データを形成可能となる。
【００４０】
本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々ＣＣＤで構成され、あるいは、ＭＯＳ型イメージセンサで構成されることを特徴とする。更にまた、本発明の２板式カラー固体撮像素子は、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子の各受光部（サンプリングポイント）の配列がハニカム配列であることを特徴とする。
【００４１】
本発明の色分解プリズムは、上述したいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を構成する色分解プリズムであって、前記第１色及び第２色を含む色成分の入射光を反射して前記第１固体撮像素子に入射させるプリズム部材と、前記第３色の入射光を反射して前記第２固体撮像素子に入射させるプリズム部材とを備えることを特徴とする。
【００４２】
この構成により、２板式カラー固体撮像装置の小型化，薄型化を図ることが可能となる。
【００４３】
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を搭載することを特徴とする。
【００４４】
この構成により、デジタルカメラの小型化と薄型化を図れると共に、撮像画像の高画質化，高感度化を図ることができ、しかも、カラーの動画像データを容易に形成可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、装置の小型化と低コスト化を図れると共に、３板式カラー固体撮像装置に匹敵する色再現性と高感度化を２板式で実現することができ、しかも、静止画像のみならず高精細な動画の撮影も容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００４７】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラ（この例ではデジタルスチルカメラ）のブロック構成図である。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系２１と、本実施形態に係る２板式ＣＣＤ（電荷結合素子）モジュール２２と、光学系２１とモジュール２２との間に配置された赤外線カットフィルタ２３とを備える。
【００４８】
本実施形態のデジタルカメラはまた、２板式ＣＣＤモジュール２２から出力される赤色（Ｒ）信号，青色（Ｂ）信号，緑色（Ｇ）信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うＣＤＳ回路２４と、ＣＤＳ回路２４の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路２５と、プリプロセス回路２５から出力されるＲ，Ｇ，Ｂのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２６と、Ａ／Ｄ変換回路２６から出力されるＲ，Ｇ，Ｂの画像信号を取り込んでホワイトバランス補正やガンマ補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う回路２７と、回路２７に接続された画像メモリ２８と、回路２７が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録／表示回路２９とを備える。
【００４９】
このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路３０と、システム制御回路３０からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路３１と、同期信号に基づいてＣＣＤモジュール２２内の各ＣＣＤに駆動信号を出力するＣＣＤ駆動回路３２とを備える。
【００５０】
本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路３０からの指示信号に基づいて光学系２１のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系２１及び赤外線カットフィルタ２３を通してモジュール２２内の２つのＣＣＤに被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じて各ＣＣＤから赤色（Ｒ）信号，緑色（Ｇ）信号，青色（Ｂ）信号が出力され、プリプロセス回路２５が同期信号に応じてＲ，Ｇ，Ｂ信号の利得制御等を行い、システム制御回路３０からの指示に基づいて回路２７が信号処理等を行うことで、ＣＣＤモジュール２２から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ信号に基づいて撮像画像が再生され、ＪＰＥＧ形式等のデータに圧縮された画像データが外部メモリに記録される。
【００５１】
図２は、図１に示す２板式ＣＣＤモジュール２２の構成図である。この２板式ＣＣＤモジュールは、色分解プリズム３５と、第１のＣＣＤ３６及び第２のＣＣＤ３７の２枚のＣＣＤを備える。色分解プリズム３５は、第１プリズム部材３５ａと、第２プリズム部材３５ｂと、両者間に形成された緑色（Ｇ）反射用ダイクロイック膜３８と、第２プリズム部材３５ｂの端面に形成された全反射用のダイクロイック膜３９とを備える。尚、膜３９はダイクロイック膜である必要はなく、入射光を全反射するものであればよい。
【００５２】
第１プリズム部材３５ａは、図２に示す様に、断面が三角形状となっており、入射光がほぼ垂直に入射する光入射面３５ｃと、光入射面３５ｃに対して斜めに配置されダイクロイック膜３８が蒸着形成された界面と、ＣＣＤ３７が対面する第３面とを備える。
【００５３】
第２プリズム部材３５ｂも、断面が三角形状となっており、第１プリズム部材３５ａ（ダイクロイック膜３８）と接する界面と、この界面に対して斜めに配置され全反射膜３９が蒸着形成された反射面と、ＣＣＤ３６が対面する第３面とを備える。
【００５４】
被写体からの入射光は、先ず第１プリズム部材３５ａの光入射面３５ａに垂直に入射し、そのうちの緑色（Ｇ）の入射光がダイクロイック膜３８で反射し、次に光入射面３５ａで全反射して、第２のＣＣＤ３７に結像する。第１プリズム部材３５ａからダイクロイック膜３８を透過して第２プリズム部材３５ｂに入射した赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の入射光は、全反射膜３９で反射し、更に、第１プリズム部材３５ａ界面で全反射されて第１のＣＣＤ３６に結像する。
【００５５】
第１プリズム部材３５ａの端面のうち第２のＣＣＤ３７が対面する端面には緑色トリミングフィルタ膜４０が形成されており、これにより、ＣＣＤ３７には、図３に破線で示す分光特性の緑色（Ｇ）の光のみが入射する。第２プリズム部材３５ｂの端面のうち第１のＣＣＤ３６が対面する端面には赤色及び青色トリミングフィルタ膜４１が形成されており、これにより、ＣＣＤ３６には、図３に実線で示す分光特性の赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の光のみが入射する。尚、図３のＲ，Ｇ，Ｂの各分光特性のグラフは、緑色（Ｇ）のピーク点で正規化してある。
【００５６】
本実施形態では、ダイクロイック膜３８，３９の他にトリミングフィルタ４０，４１を設けているが、これは、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の分離性能を一層高めるためであり、トリミングフィルタ４０，４１を省略することも可能である。
【００５７】
図２に示す実施形態の色分解プリズム３５は、第１プリズム部材３５ａに入射した緑色（Ｇ）の入射光が２回反射して第２ＣＣＤ３７に結像し、第２プリズム部材３５ｂに赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の入射光が２回反射して第１ＣＣＤ３６に結像する構成としているため、第１ＣＣＤ３６の結像画像に対して第２ＣＣＤ３７の結像画像が鏡映反転した画像になることはない。
【００５８】
また、本実施形態の色分解プリズム３５は、その光入射方向の寸法を、図３２のプリズム部材７ｂを設ける必要がないため短くでき、ＣＣＤモジュールの小型化，軽量化，薄型化を図ることができる。しかし、大型のデジタルカメラに搭載するＣＣＤモジュールであれば、色分解プリズムとして図３２に図示したものを使用することも可能である。
【００５９】
図４は、ＣＣＤ３６の表面模式図である。ＣＣＤ３６は、半導体基板４３の表面部分に、図示の例では、矩形で示す多数の受光部４４（１つ１つの受光部を、以下「画素」ともいう。各画素位置が、画像信号を受光するサンプリングポイントとなる。）が形成されている。各受光部４４は、半導体基板４３の表面に正方格子状となるように配置され、受光部４４の各列の右隣には垂直転送路４５が形成され、半導体基板４３の下辺部分には、各受光部４４から読み出され垂直転送路４５を通して転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）４６が形成されている。
【００６０】
図４では、各画素４４中に「Ｒ／Ｂ」と記載しているが、これは、このＣＣＤ３６の各画素４４が、後述する断面構造により、カラーフィルタ無しに赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）を別々に検出する機能を持っていることを示している。
【００６１】
図５は、図４に示す受光部４４を４画素分拡大した図であり、転送電極を示す図である。本実施形態の転送電極４７，４８，４９は３層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインＣＣＤを構成する。
【００６２】
図示する例では、或る画素において、第３ポリシリコン電極４９が青色（Ｂ）の信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用し、第２ポリシリコン電極４８が赤色（Ｒ）の信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用している場合、垂直方向に隣接する画素では、この逆に、第３ポリシリコン電極４９が赤色（Ｒ）の信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用し、第２ポリシリコン電極４８が青色（Ｂ）の信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用する構造になっている。
【００６３】
図６は、図５のVI―VI線断面模式図である。本実施形態に係るＣＣＤ３６は、シリコン基板の持つ光学的性質を利用してＲとＢの色信号成分を分離するものである。即ち、シリコン基板の光吸収係数が長波長光（Ｒ）から短波長光（Ｂ）に至る可視域において異なるため、光吸収係数の大きい波長域の光はシリコン基板の浅い領域で吸収されシリコン基板の深部には到達しにくいが、逆に、光吸収係数の小さい波長域の光はシリコン基板の深い領域まで達するので、シリコン基板の深部においても光電変換が可能になるという性質を利用している。
【００６４】
図６において、ｎ型半導体基板４３には、表面側にＰウェル層５０が形成され、Ｐウェル層５０内の浅部にＮ＋層（ｎ１）５１が、深部にＮ＋層（ｎ３）５２が深さ方向に分離して形成される。
【００６５】
主に短波長光（Ｂ）の入射光成分によって発生した信号電荷は、半導体基板４３の厚さ方向に対して最も浅い位置に設けられたＮ＋層５１に蓄積される。この信号電荷蓄積部を形成するＮ＋層５１（不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度は約５×１０１６〜１７／ｃｍ３、深さ０．２〜０．５μｍ：尚、この深さは、不純物濃度にも依存する。以下同様）が読出ゲート電極４９下まで延在することで、主に短波長光（Ｂ）によって発生した電荷のみが、ゲート部を通って垂直転送路４５に読み出される。
【００６６】
深部に形成されたＮ＋層（ｎ３）５２は、端部において半導体基板４３の表面まで立ち上がるＮ＋領域（電荷通路）５２ａを有し、このＮ＋領域５２ａが、転送電極の一部からなる読出ゲート電極４８下まで延在される。このＮ＋層５２には、長波長光（Ｒ）によって発生した信号電荷が蓄積される。この信号電荷蓄積部を形成するＮ＋層５２（不純物濃度は約５×１０１６〜１７／ｃｍ３、深さ１．０μｍ〜２．５μｍ）が読み出しゲート電極４８下まで延在することで、主に長波長光（Ｒ）によって発生した電荷がゲート部を通って垂直転送路４５に読み出される。
【００６７】
Ｎ＋層でなる蓄積部５２に対して電荷通路５２ａの不純物濃度が高くなるように濃度勾配を持たせるのがよい。これにより、深部にある蓄積部５２からの信号電荷の読み出しが容易になり、電荷の読み出し残りを防止できる。
【００６８】
深さの異なる２種類の蓄積部５１，５２が設けられた半導体基板４３の表面の一部には、浅いＰ＋層５３が設けられており、更に最表面にはＳｉＯ２膜５４が設けられている。Ｐ＋層５３の不純物（ボロン）濃度は約１×１０１８／ｃｍ３、深さ約０．１〜０．２μｍ程度であり、受光部の表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。従って、半導体基板４３の深さ方向の最も浅い位置にある蓄積部５１は、Ｐ＋Ｎ＋Ｐ構造となっている。尚、Ｎ＋層５１，５２間のＰ領域のボロン濃度は、例えば１×１０１４〜１６／ｃｍ３に設定され、このＰ領域が蓄積部５１と蓄積部５２との間の電位障壁となって蓄積部５１と蓄積部５２の電荷混合が阻止され、混色の確率が低減される。
【００６９】
ＳｉＯ２膜５４の上部表面には、受光領域を避けた位置に前述の転送電極４７，４８，４９が形成され、更にその上部に、受光領域に開口部５５ａを持つ遮光膜５５が設けられ、更にその上部に平坦化膜５６が形成され、更にその上部にトップレンズ（マイクロレンズ）５７が形成される。
【００７０】
図７は、図５のVII―VII線断面模式図であり、図６に示す受光部４４に対して垂直方向に隣接する受光部４４の断面模式図である。図６と殆ど同一構造でなり、異なるのは、転送電極（読出ゲート電極）４９によりＮ＋領域５２の赤色信号電荷が読み出され、転送電極４８によりＮ＋領域５１の青色信号電荷が読み出される様になっている点だけである。
【００７１】
図８は、ＣＣＤ３７の表面模式図であり、図９は、受光部の４画素分の拡大図である。ＣＣＤ３７は、後述する断面構造を持つ受光部４４’を持つ他は、ＣＣＤ３６と全く同一構造である。即ち、画素数は同一であり、且つ画素配置（図示する例は、正方格子状）も同一であり、サンプリングポイントも同一である。このため、ＣＣＤ３６と同一部材には同一符号に「’」を付して図示し、その説明は省略する。尚、ＣＣＤ３６と同様に、このＣＣＤ３７にも、カラーフィルタは設けられていない。尚、ＣＣＤ３６とＣＣＤ３７は同一画素数であるが、これは実質的に有効画素数が同一であれば良く、光を受光しない無効画素の部分は同一でなくてもよい。
【００７２】
図１０は、図９のＸ―Ｘ線断面模式図である。ｎ型半導体基板４３’の表面側に形成されたＰウェル層５０’内の表面部には、１段構造のＮ＋層でなる信号電荷の蓄積層（ｎ２）５８が形成される。この蓄積層５８の深さは、図６の蓄積層５１と蓄積層５２の中間的な深さとなっている。
【００７３】
蓄積層５８は、その端部において転送電極４９’の一部からなる読出ゲート電極下まで延在し、主に中間波長光（Ｇ）の入射光成分によって発生した信号電荷が蓄積される。Ｎ＋層（ｎ２）５８は、例えば、その不純物濃度を、約５×１０１６〜１７／ｃｍ３、深さ０．５〜１．５μｍ程度とする。
【００７４】
図１１（ａ）（ｂ）は、夫々、ＣＣＤ３６とＣＣＤ３７のポテンシャルプロファイルを示す図である。ＣＣＤ３６（図１１（ａ））においては、最も波長の短いＢ光が、シリコン基板の最も浅い領域で吸収されて電荷を発生し、最初の蓄積層ｎ１に蓄積される。最も波長の長いＲ光によって発生した電荷は、シリコン基板の最も深部にある蓄積層ｎ３に蓄積される。このように、ＣＣＤ３６は、シリコン基板の光学的性質を利用して赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）とを分離して検出するが、図２に示す色分解プリズム３５がＣＣＤ３６の前段に設けられているため、ＣＣＤ３６には、予め中間波長である緑色（Ｇ）が除かれた図３に実線で示す赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の光しか入射しない。このため、ＣＣＤ３６の赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の色分離性能は高く、蓄積部５１，５２の深さを厳密に制御しなくても図３５に示す様ななだらかな分光特性となることはなく、高性能なＣＣＤの製造が容易となる。
【００７５】
ＣＣＤ３７（図１１（ｂ））においては、上述した断面構造によりシリコン基板の光学的性質を利用して緑色（Ｇ）を検出するが、図２に示す色分解プリズム３５により、予め長波長の赤色（Ｒ）と短波長の青色（Ｂ）が除かれた図３に破線で示す緑色（Ｇ）の光しか入射しない。このため、ＣＣＤ３７の緑色の色分離性能は高くなり、ＣＣＤ３６と同様に、蓄積部５８の深さを厳密に制御しなくても、図３５に示す様ななだらかな分光特性となることはない。
【００７６】
従って、本実施形態の２板式ＣＣＤでは、３板式と同一の色分解性能を得ることができ、また、３板式と同様に、同一サンプリング点において、ＣＣＤ３６からはＲ信号及びＢ信号が、ＣＣＤ３７からはＧ信号が同時に得られるため高解像度の画像データを得ることができ、しかも、同時化処理が不要なため画像処理における信号処理負荷が軽減する。更に、３板式と同様に、入射光の全てを利用できるため高感度化を達成することができ、しかも、図２に示す様に、被写体からの入射光の進行方向に対する色分解プリズムの長さを短くできるため、デジタルカメラの薄型化，小型化も達成でき、安価な色分解プリズムを使用できるため製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００７７】
図１２は、ＣＣＤ３６の各画素からＲ信号とＢ信号を読み出すタイミングを説明する図であり、２×２＝４画素分を例示している。図４，図６，図７で述べた様に、ＣＣＤ３６の各画素には夫々Ｒ信号電荷とＢ信号電荷とが分離して蓄積されるが、図５，図１２に示す様に、赤色（Ｒ）用の電位井戸（Ｎ＋領域５２）の外周囲よりその外周囲が内側となる様に青色（Ｂ）用の電位井戸（Ｎ＋領域５１）を形成するのがよい。そして先ず、奇数フレームの読出時に読出ゲート電極４８に読出パルスが印加され、図１２（ａ）の上段行の各受光部４４（断面構造は図７）からは、Ｎ＋領域５１に蓄積されているＢ信号電荷が転送電極４８下の垂直転送路４５に読み出され、下段行の各受光部４４（断面構造は図６）からは、Ｎ＋領域５２に蓄積されているＲ信号電荷が転送電極４８下の垂直転送路４５に読み出される。
【００７８】
そして、転送電極４７，４８，４９に転送パルスが印加されることで、垂直転送路４５上のＢ信号電荷とＲ信号電荷とは図４の水平転送路４６まで転送され、次いで水平転送路４６を転送され、ＣＣＤ３６から出力される。
【００７９】
この奇数フレームの信号電荷読出によって各受光部４４からはＢ信号電荷とＲ信号電荷のうちの一方が読み出され、他方の信号電荷は受光部４４内に残っている。
【００８０】
次の偶数フレームの読出時には、読出ゲート電極４９に読出パルスが印加される。これにより、図１２（ｂ）に示す様に、上段行の受光部４４からはＲ信号電荷が読み出され、下段行の受光部４４からはＢ信号電荷が読み出され、転送電極４７，４８，４９に転送パルスが印加されることで垂直転送路４５上の信号電荷が水平転送路４６まで転送され、次に水平転送路４６を転送されることで、ＣＣＤ３６から出力される。
【００８１】
図１３は、第１ＣＣＤ３６及び第２ＣＣＤ３７の各受光部から読み出す色Ｒ，Ｇ，Ｂを示した図である。図１２で説明した様に、第１ＣＣＤ３６からは、奇数フレームと偶数フレームの２回に分けて信号電荷を読み出す構成となっている。そして、各ＣＣＤ３６，３７から読み出した信号電荷から１枚の静止画像を形成する場合には、図１３（ａ）に示す様に、奇数フレームで第２ＣＣＤ３７から読み出した全受光部４４’のＧ信号電荷と、奇数フレームと偶数フレームの２回に分けて読み出した第１ＣＣＤ３６からのＲ信号電荷，Ｂ信号電荷とから静止画像を形成する。
【００８２】
尚、第２ＣＣＤ３７から一回（上記例では奇数フレーム）でＧ信号電荷全部を読み出すのではなく、奇数フレームと偶数フレームの２回に分けてＧ信号電荷を読み出す構成でもよい。２回に分ける方法としては、各受光部４４’を奇数行と偶数行に分けて読み出しても、また、１つの受光部４４’に蓄積されているＧ信号電荷を２回に分けて読み出してもよい。
【００８３】
図１３（ｂ）は、動画像読出の説明図である。ＣＣＤ３６，３７から読み出した信号電荷から動画像を形成する場合には、各フレームで読み出した信号中に、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色が含まれている必要がある。本実施形態の第１ＣＣＤ３６では、奇数フレームで読み出した信号にはＲ信号とＢ信号の両方が含まれ、偶数フレームで読み出した信号にもＲ信号とＢ信号の両方が含まれる。
【００８４】
従って、例えば奇数フレームで第２ＣＣＤ３７の奇数行の受光部４４’からＧ信号電荷を読み出し、奇数フレームで第１ＣＣＤ３６から読み出したＲ信号電荷とＢ信号電荷とにより、動画を構成する１枚のカラー画像を形成することができる。また、次の偶数フレームで第２ＣＣＤ３７の偶数行の受光部４４’からＧ信号電荷を読み出し、偶数フレームで第１ＣＣＤ３６から読み出したＲ信号電荷とＢ信号電荷とにより、動画を構成する次の１枚のカラー画像を形成することができる。これにより、動きの滑らかな動画像データを得ることができる。
【００８５】
尚、奇数フレーム（図１３（ｂ））で読み出し形成したカラー画像と、偶数フレームで読み出し形成したカラー画像との間には、基本的に「動き」即ち時間的ズレは無いため、偶数フレームまたは奇数フレームの一方によって読み出した信号電荷だけで動画像データを形成し、他方のフレームの信号電荷は廃棄することでもよい。また、動画像データを構成するＧ信号電荷を、第２ＣＣＤ３７の全受光部４４’から１回で読み出す構成とすることでもよい。
【００８６】
〔第２実施形態〕
図１４，図１５は本発明の第２実施形態を示し、第１実施形態の図１２，図１３に対応する図である。本実施形態と第１実施形態との違いは図１４，図１５に示す構成だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。
【００８７】
第１実施形態では、第１ＣＣＤ３６の水平方向に並ぶ受光部４４から同一色の信号電荷が読み出される構成にしたが、本実施形態では、図６に断面構造を示す受光部４４と図７に断面構造を示す受光部４４の配列を変え、垂直方向に並ぶ受光部４４から同一色の信号電荷が読み出される構成としている。
【００８８】
この様な配列にすることでも、奇数フレームまたは偶数フレームで第１ＣＣＤ３６からＲ信号電荷とＢ信号電荷とが読み出され、第２ＣＣＤ３７から読み出されたＧ信号電荷とによりカラーの動画像を形成することが可能となる。
【００８９】
〔第３実施形態〕
図１６，図１７は本発明の第３実施形態を示し、第１実施形態の図１２，図１３に対応する図である。本実施形態と第１実施形態との違いは図１６，図１７に示す構成だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。
【００９０】
第１実施形態では、第１ＣＣＤ３６の水平方向に並ぶ受光部４４から同一色の信号電荷が読み出される構成にしたが、本実施形態では、図６に断面構造を示す受光部４４と図７に断面構造を示す受光部４４の配列を変え、第１ＣＣＤ３６の奇数フレーム（及び偶数フレーム）で市松位置の受光部４４から同一色の信号電荷が読み出される構成としている。
【００９１】
この様な配列にすることでも、奇数フレームまたは偶数フレームで第１ＣＣＤ３６からＲ信号電荷とＢ信号電荷とが読み出され、第２ＣＣＤ３７から読み出されたＧ信号電荷とによりカラーの動画像を形成することが可能となる。
【００９２】
〔第４実施形態〕
上述した実施形態では、各受光部（画素）４４，４４’を正方格子状に配置したＣＣＤ３６，３７を例に説明したが、例えば、特開平１０―１３６３９１号公報に記載されている様に、ＣＣＤの各画素４４，４４’を各行毎に１／２ピッチづつずらした所謂ハニカム画素配置のＣＣＤでも本発明を実現できる。
【００９３】
図１８は、ハニカム画素配置の第１ＣＣＤ６０の表面模式図であり、図１９は、ハニカム画素配置の第２ＣＣＤ７０の表面模式図である。ＣＣＤ６０に設けられている各画素６１は、断面構造は図６，図７と同様であり、カラーフィルタ無しに赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の各色信号を同一画素で検出する様になっている。画素６１は各行毎に１／２ピッチずれており、水平方向に隣接する画素６１間に、垂直転送路６２が蛇行して配置される。カラーフィルタ無しに緑色（Ｇ）の色信号を検出するＣＣＤ７０の各画素７１の断面構造は図１０と同様であり、水平方向に隣接する画素７１間に、垂直転送路７２が蛇行して配置され、画素７１は、緑色（Ｇ）の色信号を検出する。
【００９４】
図２０は、ＣＣＤ６０の４画素分の拡大図であり、図２１は、ＣＣＤ７０の４画素分の拡大図である。また、図２２は、図２０，図２１の丸印XXII内の転送電極を示す詳細図である。菱形に形成された素子分離帯６３，７３により各画素６１，７１が画成され、素子分離帯６３，７３に設けられたゲート部６４，７４から、画素間に設けられた垂直転送路６２，７２に信号電荷が読み出される。垂直転送路６２，７２上には、２層ポリシリコン構造でなる転送電極が重ねて設けられ、１つの画素に対して４本の転送電極８１，８２，８３，８４が対応付けられている。これにより、ハニカム画素配置のＣＣＤは、２層ポリシリコン構造の転送電極で全画素読み出し（プログレッシブ動作）可能なＣＣＤとなっている。
【００９５】
図２０に示すＣＣＤ６０では、例えば転送電極８１に読出パルス信号が印加されて、或る受光部６１からＲ信号電荷が垂直転送路に読み出されたとき、該受光部６１に垂直方向に隣接する受光部からはＢ信号が垂直転送路に読み出される。これにより、１フレーム読出動作でＲ信号とＢ信号とが同時に読み出され、ＣＣＤ７０から読み出されたＧ信号とにより、動画像を構成する一枚のカラー画像を形成することが可能となる。
【００９６】
この第４実施形態の様に、同一画素数のハニカム画素配置のＣＣＤ６０，７０を２枚用いることでも、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、ハニカム画素配置のＣＣＤを用いることで、第１実施形態と比較して更に一層の多画素化が達成でき、しかも、２層ポリシリコン構造の転送電極でプログレッシブ動作が可能となり、製造コストの低減と製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００９７】
〔第５実施形態〕
上述した実施形態では、固体撮像素子としてＣＣＤを用いた例を説明したが、他の固体撮像素子、例えばＣＭＯＳ型イメージセンサを用いても本発明を実現できる。
【００９８】
図２３は、第１ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。この第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０は、ｎ型半導体基板９１の表面部に形成され、受光領域の脇に形成された垂直走査回路９２と、半導体基板９１の底辺側に形成された水平走査回路等（信号増幅回路，Ａ／Ｄ変換回路，同期信号発生回路等）９３とを備える。
【００９９】
受光領域には、多数の受光部９４が二次元アレイ状に、この例では正方格子状に配列形成されている。図１７は、図１６のXXIV―XXIV線断面模式図である。この第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０も、前述の実施形態と同様に、カラーフィルタは搭載していない。第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０の各受光部９４では、図２４に示す様に、入射光のうち緑色（Ｇ）の入射光が、図１に示す色分解プリズム３５を通ることで無くなるため、青色（Ｂ）と赤色（Ｒ）の入射光のみが受光部９４に到達する。
【０１００】
この受光部９４では、ｎ型半導体基板９１の表面側にＰウェル層９５が形成され、Ｐウェル層９５内の表面に深さ０．１〜０．５μｍのＮ＋層（ｎ１）９６が形成され、更にＰウェル層９５内の深部に、深さ１．０〜２．５μｍのＮ＋層（ｎ３）９７がＮ＋層９６と分離して形成されている。Ｎ＋層９７は、端部において表面まで立ち上がる電荷通路９７ａが設けられている。
【０１０１】
Ｎ＋層９６，９７，９７ａは、この例では、不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度を、約５×１０１６〜１７／ｃｍ３としている。尚、各Ｎ＋層９６，９７の深さは、この不純物濃度にも依存する。
【０１０２】
Ｎ＋層９６とＮ＋層１７との間にはポテンシャル障壁となるＰ領域があり、このＰ領域はＰウェル層９５と同電位に保たれている。このポテンシャル障壁の高さを変えるために、Ｎ＋層９６とＮ＋層９７との間におけるＰ領域の不純物（ボロン）濃度（１×１０１５〜１６／ｃｍ３）を、Ｐウェル層９５の不純物濃度（７×１０１４〜１５／ｃｍ３）と異なるようにしてもよい。
【０１０３】
Ｎ＋層９６はオーミックコンタクト１０１によりＢ信号検出用アンプ１０２に接続され、Ｎ＋層９７の電荷通路９７ａがオーミックコンタクト１０３によりＲ信号検出用アンプ１０４に接続される。このオーミックコンタクト１０１，１０３を良好に行うために、Ｎ＋層９６，９７ａのうちこのコンタクト部分の不純物濃度を、この例では１×１０１９／ｃｍ３以上としている。
【０１０４】
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされて各Ｎ＋層９６，９７の夫々のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ＋層９６のＰＮ接合部における蓄積電荷は、受光部に達した入射光のうち、青色（Ｂ）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、Ｎ＋層９７のＰＮ接合部における蓄積電荷は、赤色（Ｒ）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、各Ｎ＋層９６，９７の各ＰＮ接合部における電荷変化量が、Ｂ信号，Ｒ信号としてアンプ１０２，１０４によって独立に読み出される。
【０１０５】
図２５は、第２ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８は、後述する断面構造を持つ受光部９４’を持つ他は、第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０と全く同一構造であり、カラーフィルタも搭載していない。このため、第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０と同一部材には同一符号に「’」を付して図示し、その説明は省略する。
【０１０６】
図２６は、図２５のXXVI―XXVI線断面模式図である。第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８の各受光部９４’では、図２６に示す様に、入射光のうち青色（Ｂ）と赤色（Ｒ）の入射光が、図１に示す色分解プリズム３５を通ることで無くなるため、緑色（Ｇ）の入射光のみが受光部９４’に到達する。
【０１０７】
この受光部９４’では、ｎ型半導体基板９１’の表面側にＰウェル層９５’が形成され、Ｐウェル層９５’内の表面側に、深さ０．５〜１．５μｍのＮ＋層（ｎ２）９９が形成されている。
【０１０８】
Ｎ＋層９９はオーミックコンタクト１０５によりＧ信号検出用アンプ１０６に接続される。尚、Ｎ＋層９９の不純物濃度やオーミックコンタクト部分の不純物濃度については、図２４の説明と同様である。また、図２４や図２６では図示を省略したが、第１，第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０，９８にも、遮光膜や平坦化層，マイクロレンズが積層される。
【０１０９】
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされてＮ＋層９９のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ＋層９９のＰＮ接合部における蓄積電荷は、受光部に達した緑色（Ｇ）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、この電荷変化量がＧ信号検出用のアンプ１０６に読み出される。
【０１１０】
上述した各アンプ１０２，１０４，１０６の等価回路を図２７に示す。また、図２４，図２６では図示を省略したが、半導体基板の最表面のうちコンタクト部分以外は、保護用のＳｉＯ２膜で覆われている。また、図２４，図２６の各受光部における基板深さ方向のポテンシャルプロファイルの概念は、図１１（ａ）（ｂ）と概ね同様の形状となり、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の信号分離が図られる。
【０１１１】
図２８は、第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０の４画素分に対応する二次元平面図である。半導体基板９１の表面は、縦横に延びるＬＯＣＯＳによる素子分離帯１１０によって碁盤の目の様に各受光部９４が素子分離されており、図示する例では、各受光部９４はほぼ正方形をなしている。
【０１１２】
各受光部９４の面積のうち、大部分に上述した各Ｎ＋層９６，９７が形成され、右端に短冊状の周辺回路部１１１が設けられる。この周辺回路部１１１に、上述したアンプ（ソースフォロアアンプ）１０２，１０４が設けられ、夫々、受光部に設けたコンタクトホール１０１，１０３を介して接続されたＮ＋層から色信号が読み出される。
【０１１３】
図面上、縦方向に設けられた素子分離帯１１０の上に、信号出力線１１２と電源線１１３とリセット線１１４が敷設され、横方向に設けられた素子分離帯１１０の上に、２本の選択信号線１１５が設けられる。電源線１１３には電源電圧が印加され、リセット線１１４にはリセット信号が印加され、信号出力線１１２には各アンプ１０２，１０４の出力が接続される。
【０１１４】
ここで、本実施形態では、水平方向に延びる或る１本の選択信号線１１５に、或る受光部９４のアンプ１０２即ち青色（Ｂ）信号増幅用アンプ１０２の選択端子（ＲｏｗＳｌｅｃｔ）が接続された場合、この受光部９４に対して水平方向に隣接する受光部９４では、アンプ１０４即ち赤色（Ｒ）信号増幅用アンプ１０４の選択端子が選択信号線１１５に接続される。これにより、水平方向に並ぶ１ライン分の各受光部からは、青色（Ｂ），赤色（Ｒ）の各信号が各信号出力線１１２に交互に読み出される。
【０１１５】
選択信号やリセット信号は、図２３に示す垂直走査回路９２や水平走査回路等９３等によって制御される。尚、受光部上に記載した点線矩形枠１０７は、遮光膜の開口部位置を示しており、この内側のみに光が通過し、その外側すなわち周辺回路部１１１やコンタクトホール１０１，１０３は遮光されている。この図に示されるように、一の受光部に設ける必要のある信号配線数や周辺回路数は少なくて済むため、本実施形態の固体撮像装置では、受光部面積を広くすることができ、明るい画像が撮像可能となる。
【０１１６】
図２９は、第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８の１画素分に対応する二次元平面図である。第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０とほぼ同じ構造であるため、第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０と同一部材には同一符号に「’」を付して図示し、その説明は省略する。
【０１１７】
第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８では、受光部が１色の信号しか検出しないため、周辺回路部１１１’の面積は、図２８の周辺回路部１１１に比べて半分となっている。また、選択信号は１つで済むため、縦方向に設ける信号線数と横方向に設ける信号線数とを同数とするため、図２９では縦方向に設けた電源線１１３’を図２９では横方向に設けている。
【０１１８】
この様に、本実施形態の第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０と第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８を用いて２板式カラー固体撮像装置を構成しても、前述の各実施形態と同様の効果を得ることができる。即ち、図２８に示す様に、１つの受光部９４の赤色（Ｒ）信号と青色（Ｂ）信号を読み出す信号出力線１１２を共用しているため、各受光部９４から夫々２色の信号を読み出すには読出動作を２回に分ける必要がある。しかし、水平方向に隣接する受光部９４から異なる色の信号が１回の信号読出動作で読み出されるため、第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８から読み出された緑色（Ｇ）信号と合わせて、カラー画像を形成することが可能となる。従って、１回の読出動作によって得られたＲ，Ｇ，Ｂの画像信号から動画像を形成することが可能となる。
【０１１９】
〔第６実施形態〕
図２８に示す第５実施形態では、各受光部９４の赤色信号読出用の信号線１１２と青色信号読出用の信号出力線１１２とを共用したが、別々の信号出力線に読み出す構成とすることも可能である。この構成を図３０に示す。図３０に示す第６実施形態では、信号出力線１１２―１と信号出力線１１２―２とを設け、或る行の受光部９４の赤色信号は信号出力線１１２―１に出力させると共に青色信号は出力信号線１１２―２に出力させ、次行の受光部９４の赤色信号は出力信号線１１２―２に出力させると共に青色信号は出力信号線１１２―１に出力させる構成としている。この構成によっても、静止画像のみならず動画像の読み出しが容易となる。
【０１２０】
上述した第５，第６実施形態は、各受光部を正方格子状に配列した例であるが、例えば、米国特許第４５５８３６５号公報に記載されている様に各行の受光部を１／２ピッチづつずらした所謂ハニカム画素配置のＮＭＯＳ型イメージセンサでも本発明を適用可能である。また、ＣＭＯＳ型，ＮＭＯＳ型に限らず、他の形式のＭＯＳ型イメージセンサでもよい。
【０１２１】
以上述べた各実施形態の２板式カラー固体撮像装置及びこれを搭載したデジタルカメラによれば、フルカラー撮像が可能であり、また、撮像装置の小型化，低コスト化を実現できると共に、動画像の読み出しが容易となる。また、２板式の固体撮像装置でありながら、３板式の固体撮像装置と同等の高画質の（高解像度かつ色モアレ，偽色，色シェーディングのない）カラー撮像が可能となり、しかも、３板式よりも消費電力を削減することができる。
【０１２２】
更に、従来の単板式固体撮像素子あるいは２板式固体撮像装置のようにカラーフィルタを使用しないので、入射光エネルギを有効に電気信号に変換でき、高感度化を図ることが可能となる。特に、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子においては、一画素の中に配置される読み出し回路の規模が小さくなり、かつ信号線数を減らせるので、精度の高い集光系（マイクロレンズ）をチップ上に形成するのが容易となり、画質と感度を一層向上させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明に係る２板式カラー固体撮像装置は、小型化，低コスト化と撮像画像の高画質化を両立させることが可能となり、しかも、動画像の読み出しも容易となるため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに搭載するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るデジタルスチルカメラのブロック構成図である。
【図２】図１に示す２板式ＣＣＤモジュールの構成図である。
【図３】図２に示す色分解プリズムの分光特性を示すグラフである。
【図４】図２に示す第１ＣＣＤの表面模式図である。
【図５】図４に示す第１ＣＣＤの４画素分の拡大図である。
【図６】図５のVI―VI線断面模式図である。
【図７】図５のVII―VII線断面模式図である。
【図８】図２に示す第２ＣＣＤの表面模式図である。
【図９】図８に示す第２ＣＣＤの４画素分の拡大図である。
【図１０】図９のＸ―Ｘ線断面模式図である。
【図１１】（ａ）は図６，図７に示す受光部のポテンシャルプロファイルを示す図である。  （ｂ）は図１０に示す受光部のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態における奇数フレーム（ａ）と偶数フレームの各信号読出の説明図である。
【図１３】本発明の第１実施形態における第１，第２ＣＣＤから読み出されるＲ，Ｇ，Ｂの各色のサンプリング位置を示す説明図である。
【図１４】本発明の第２実施形態における奇数フレーム（ａ）と偶数フレームの各信号読出の説明図である。
【図１５】本発明の第２実施形態における第１，第２ＣＣＤから読み出されるＲ，Ｇ，Ｂの各色のサンプリング位置を示す説明図である。
【図１６】本発明の第３実施形態における奇数フレーム（ａ）と偶数フレームの各信号読出の説明図である。
【図１７】本発明の第３実施形態における第１，第２ＣＣＤから読み出されるＲ，Ｇ，Ｂの各色のサンプリング位置を示す説明図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係る第１ＣＣＤの表面模式図である。
【図１９】本発明の第４実施形態に係る第２ＣＣＤの表面模式図である。
【図２０】図１８に示す第１ＣＣＤの４画素分の拡大図である。
【図２１】図１９に示す第２ＣＣＤの４画素分の拡大図である。
【図２２】図２０，図２１の円XXII内の拡大図である。
【図２３】本発明の第５実施形態に係る第１ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。
【図２４】図２３のXXIV―XXIV線断面模式図である。
【図２５】本発明の第５実施形態に係る第２ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。
【図２６】図２５のXXVI―XXVI線断面模式図である。
【図２７】図２４，図２６に示すアンプの等価回路図である。
【図２８】図２３に示す４画素分の平面模式図である。
【図２９】図２５に示す１画素分の平面模式図である。
【図３０】本発明の第６実施形態に係る第１ＣＭＯＳ型イメージセンサの４画素分の平面模式図である。
【図３１】従来の３板式カラー固体撮像装置の構成図である。
【図３２】従来の２板式カラー固体撮像装置の構成図である。
【図３３】従来の単板式カラー固体撮像装置に用いるカラーフィルタの平面図である。
【図３４】従来のカラーフィルタを用いない単板式カラー固体撮像装置の一受光部の断面模式図である。
【図３５】図３４に示す単板式カラー固体撮像装置における分光特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２５】
２２  ２板式ＣＣＤモジュール
３５  色分解プリズム
３６，６０  第１ＣＣＤ
３７，７０  第２ＣＣＤ
３８  緑色反射用ダイクロイック膜
３９  全反射用ダイクロイック膜
４４，４４’，６１，７１  受光部
４５，４５’，６２，７２  垂直転送路
４８，４９  ゲート読出電極（信号読出部）
５１，５２，５８，９６，９７，９９  Ｎ＋層（画像信号検出部）
９０  第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ
９２  垂直走査回路
９３  水平走査回路等
９８  第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ
１１２，１１２―１，１１２―２  信号出力線
１１５  選択信号線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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