(57)【要約】【課題】カラーフィルタを持たない構造の固体撮像素子でカラー画像を撮像する。【解決手段】第１導電型の半導体基板の表面部に第２導電型のバリア層を介して第１導電型の複数の信号電荷蓄積部がアレイ状に配列形成され、カラーフィルタ層非搭載の光学層を通して入射してきた光を信号電荷蓄積部が受光する固体撮像素子と、半導体基板の基板電圧をＶ１→Ｖ２→Ｖ３と変えながら連続して複数枚の画像を撮像する撮像素子駆動手段と、固体撮像素子から出力された前記複数枚の画像データを演算処理してカラー画像を生成する信号処理手段とを備える。基板電圧を変えることで、信号電荷蓄積部の空乏層の厚さが変化し、Ｒ，Ｇ，Ｂ光の信号電荷量に対する寄与率が変わるため、演算処理することで、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号を得ることができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板の表面部に第２導電型のバリア層を介して第１導電型の複数の信号電荷蓄積部がアレイ状に配列形成され、カラーフィルタ層非搭載の光学層を通して入射してきた光を前記信号電荷蓄積部が受光する固体撮像素子と、前記半導体基板の基板電圧を変えながら連続して複数枚の画像を撮像する撮像素子駆動手段と、前記固体撮像素子から出力された前記複数枚の画像データを演算処理してカラー画像を生成する信号処理手段とを備えることを特徴とするカラー画像撮像装置。
【請求項２】
前記信号電荷蓄積部と前記バリア層との間に該信号電荷蓄積部より第１導電型の不純物濃度が低濃度の不純物拡散層を備える固体撮像素子を搭載したことを特徴とする請求項１に記載のカラー画像撮像装置。
【請求項３】
前記基板電圧を３段階に変えて３枚の画像を撮像し該３枚の画像データから前記信号処理手段が赤色，緑色，青色の３信号を分離して前記カラー画像を生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のカラー画像撮像装置。
【請求項４】
前記基板電圧を４段階に変えて４枚の画像を撮像し該４枚の画像データから前記信号処理手段が赤色，緑色，青色，赤外域または紫外域の４信号を分離して前記カラー画像を生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のカラー画像撮像装置。
【請求項５】
第１導電型の半導体基板の表面部に第２導電型のバリア層を介して第１導電型の複数の信号電荷蓄積部がアレイ状に配列形成され、カラーフィルタ層非搭載の光学層を通して入射してきた光を前記信号電荷蓄積部が受光するカラー画像撮像用の固体撮像素子において、前記信号電荷蓄積部と前記バリア層との間に該信号電荷蓄積部より第１導電型の不純物濃度が低濃度の不純物拡散層を備えることを特徴とするカラー画像撮像用の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子を搭載したカラー画像撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カラー画像を撮像する固体撮像素子は、画素を構成するフォトダイオードや信号読出手段等が表面部に形成された半導体基板と、この半導体基板の上部に積層された光学層とを備える。光学層は、平坦化層やカラーフィルタ層、マイクロレンズ層で構成される。
【０００３】
単板式カラー固体撮像素子の各画素は、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のいずれか一色のカラーフィルタ層が積層されるため、フォトダイオードに到達する光は、入射光の１／３になってしまい、光利用効率が低いという問題がある。
【０００４】
また、近年の固体撮像素子は半導体集積回路製造技術の進歩により多画素化が進展して１画素１画素が非常に微細化される一方、光学層の厚さを薄くする技術はそれほど進展していない。つまり、１画素の横寸法は小さくなる一方であるが縦寸法はそれほど小さくなっていない。このため、狭い隘路の様になった１画素１画素の光路に入射した光を光損失無くフォトダイオードまで到達させる様な構造に１画素１画素を製造するのが困難で、画素毎に感度を揃えるのが難しくなっている。
【０００５】
この様な各問題を解決するために、カラーフィルタ層を不要とした固体撮像素子が下記特許文献１に提案され、実用化されている。この提案に係る従来技術では、半導体基板の深さ方向に複数のフォトダイオードを積層して形成し、浅部のフォトダイオードで主として青色光を検出し、深部のフォトダイオードで主として赤色光を検出し、中間部のフォトダイオードで主として緑色光を検出している。
【０００６】
斯かる固体撮像素子では、カラーフィルタ層を用いていないため、光利用効率が高く、また、偽色を避けるために通常用いる光学的ローパスフィルタが不要となり、更に光学層が薄くなるという利点を奏する。
【０００７】
しかしその反面、半導体基板に形成した１画素当たり３つのフォトダイオードから夫々信号を取り出す必要があるため配線数が増えると共に、各配線を各フォトダイオードに接続するために半導体基板表面に設けるコンタクト領域の数が多くなってしまい、設計が複雑となり製造コストが嵩んでしまうという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５９６５８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、カラーフィルタ層が不要で、しかも、製造が容易なカラー画像撮像用の固体撮像素子及びカラー画像撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のカラー固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板の表面部に第２導電型のバリア層を介して第１導電型の複数の信号電荷蓄積部がアレイ状に配列形成され、カラーフィルタ層非搭載の光学層を通して入射してきた光を前記信号電荷蓄積部が受光する固体撮像素子と、前記半導体基板の基板電圧を変えながら連続して複数枚の画像を撮像する撮像素子駆動手段と、前記固体撮像素子から出力された前記複数枚の画像データを演算処理してカラー画像を生成する信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明のカラー画像撮像装置は、前記信号電荷蓄積部と前記バリア層との間に該信号電荷蓄積部より第１導電型の不純物濃度が低濃度の不純物拡散層を備える固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。
【００１２】
本発明のカラー画像撮像装置は、前記基板電圧を３段階に変えて３枚の画像を撮像し該３枚の画像データから前記信号処理手段が赤色，緑色，青色の３信号を分離して前記カラー画像を生成することを特徴とする。
【００１３】
本発明のカラー画像撮像装置は、前記基板電圧を４段階に変えて４枚の画像を撮像し該４枚の画像データから前記信号処理手段が赤色，緑色，青色，赤外域または紫外域の４信号を分離して前記カラー画像を撮像することを特徴とする。
【００１４】
本発明のカラー画像撮像素子は、第１導電型の半導体基板の表面部に第２導電型のバリア層を介して第１導電型の複数の信号電荷蓄積部がアレイ状に配列形成されカラーフィルタ層非搭載の光学層を通して入射してきた光を前記信号電荷蓄積部が受光するカラー画像撮像用の固体撮像素子において、前記信号電荷蓄積部と前記バリア層との間に該信号電荷蓄積部より第１導電型の不純物濃度が低濃度の不純物拡散層を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のカラー撮像装置によれば、カラーフィルタを光学層に持たない固体撮像素子を用いてカラー画像を撮像することができるため、光学的ローパスフィルタが不要となり、光学層の薄膜化が容易となり、画素毎の感度バラツキを抑制することができ、光利用効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を搭載したデジタルスチルカメラの機能構成図である。このデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、固体撮像素子１１と、この両者の間に設けられた絞り１２及び赤外線カットフィルタ１３を備える。通常のデジタルスチルカメラでは、光学ローパスフィルタを固体撮像素子の前部に設けるが、本実施形態では不要である。
【００１８】
デジタルスチルカメラの全体を制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ用の発光部１６及び受光部１７を制御し、また、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞り１２の開口量を制御して露光量が適正露光量となるように調整する。
【００１９】
また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して固体撮像素子１１を駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像のデータを出力させる。本実施形態では、詳細は後述するが、カラー画像を撮像するとき、１つの固体撮像素子１１を用い３回連続して被写体画像を撮像し、これら３枚の画像を合成することで、１枚のカラー静止画像を生成する。
【００２０】
固体撮像素子１１は、各画素を半導体基板表面部に正方格子状に配置したものでも、ハニカム画素配置（例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載されている画素配置）したものでもよく、また、信号読出手段の形式は、ＣＣＤ型の電荷転送路でもＣＭＯＳ型のトランジスタ構成でも、また、その他の形式のものでもよい。
【００２１】
デジタルスチルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１１の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力された画像データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。
【００２２】
更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、フレームメモリ２４に接続されたメモリ制御部２５と、デジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。
【００２３】
図２は、図１に示す固体撮像素子１１の表面模式図である。図示する例は、信号読出手段の形式がＣＣＤ型であり、画素配置は正方格子配列であるが、これに限るものでないことは前述した通りである。
【００２４】
図２において、半導体基板４０の表面部には、フォトダイオード（ＰＤ）４１が正方格子状に配列形成されており、各フォトダイオード列の側部には垂直転送路（垂直ＣＣＤレジスタ：ＶＣＣＤ）４２が形成されている。半導体基板４０の下辺部には水平転送路（水平ＣＣＤレジスタ：ＨＣＣＤ）４３が設けられており、その出力端には出力アンプ４４が設けられている。
【００２５】
斯かる固体撮像素子１１では、フォトダイオード４１が受光量に応じた信号電荷を発生させると共にこの信号電荷を蓄積し、撮像素子駆動部２０から読み出しパルスが固体撮像素子１１に印加されたとき、信号電荷がフォトダイオード４１から隣接する垂直転送路４２に読み出される。そして、撮像素子駆動部２０から固体撮像素子１１に印加される垂直転送パルス，水平転送パルスに従って、信号電荷は水平転送路４３の出力端まで運ばれ、出力アンプ４４が信号電荷量に応じた電圧値信号を画像データとして出力する。
【００２６】
図３は、図２のIII―III線断面模式図であり、１フォトダイオード部分の断面を示す。ｎ型半導体基板４０の表面部にはｐウェル層４７が形成され、このｐウェル層４７表面部にｎ領域４８が形成されることで、フォトダイオード（ｐｎ接合）が形成される。
【００２７】
ｎ領域４８の表面部には暗電流抑制用のｐ＋拡散層４９が設けられ、最表面はＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造の絶縁層５０が積層され、その上に、図示しない遮光膜や平坦化膜が設けられると共にマイクロレンズが設けられるが、カラーフィルタ層は設けられていない。
【００２８】
以下、本実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法の原理を説明する。
【００２９】
図４は、半導体基板深さ方向（図３のIV―IV線）のポテンシャルプロファイルである。基板４０に所定電圧を印加すると、表面のｐ＋層４９の電位が最も低く、ｐウェル層４７の電位が次に低くなり、両者間のｎ領域４８の電位はｐ＋層４９，ｐウェル層４７より高くなる。つまり、ｐウェル層４７の部分がバリアとなり、光が入射しｎ領域４８とｐウェル層４７との間のｐｎ接合部分で発生した信号電荷（電子）はｎ領域４８に溜まることになる。
【００３０】
ここで、基板４０への印加電圧をＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３と変化させると、図４に示すポテンシャルプロファイルは、図５に示す様に変化する。即ち、上記のバリア部を形成する基板深さ方向の位置が基板電圧に依存して変化することになる。基板電圧をＶ１→Ｖ２→Ｖ３と順に増加させると、フォトダイオードの空乏層厚が順に薄くなり、それだけ長波長光の感度が低下する。
【００３１】
基板電圧を段階的に増やすと段階的に長波長光の感度は低下するが、感度の低下率は、入射光の波長が短いほど少ない。このため、基板電圧Ｖ３としたときに比べて、基板電圧Ｖ１としたときは、波長が長い赤色光による信号電荷がより多くｎ領域４８に溜まることになる。
【００３２】
即ち、ｎ領域４８に溜まる信号電荷は、基板電圧を最も高いＶ３としたとき３原色で最も波長が短い青色光（Ｂ）によるものが多くなる。基板電圧を中間のＶ２に下げると、青色光（Ｇ）による信号電荷分に加えて、中間波長の緑色光による信号電荷分が増えｎ領域４８に溜まることになる。基板電圧を最も低いＶ１に下げると、青色光，緑色光の各信号分に加えて、赤色光（Ｒ）による信号電荷分が増えｎ領域４８に溜まることになる。つまり、基板電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３により、ｎ領域４８には、Ｒ，Ｇ，Ｂの寄与率の異なる信号電荷が蓄積される。
【００３３】
従って、図３に示す固体撮像素子１１でカラー画像を撮像する場合には、基板電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と変化させながら３回連続して被写体画像を撮像し、３枚の画像を合成することで、カラー画像を生成することができる。このとき、ｎ領域４８から読み出した信号電荷から、赤色（Ｒ）信号，緑色（Ｇ）信号，青色（Ｂ）信号の各成分を決定する必要がある。これは例えば次による。
【００３４】
今、基板電圧Ｖ１で撮像した第１画像におけるｎ行ｍ列（ｎ，ｍは任意：図２参照）の画素の信号をＹ（ｎ，ｍ）１とし、基板電圧Ｖ２で撮像した第２画像におけるｎ行ｍ列の画素の信号をＹ（ｎ，ｍ）２とし、基板電圧Ｖ３で撮像した第３画像におけるｎ行ｍ列の画素の信号をＹ（ｎ，ｍ）３とする。
【００３５】
Ｙ（ｎ，ｍ）１＝ａ１×Ｒ＋ｂ１×Ｇ＋ｃ１×Ｂ
Ｙ（ｎ，ｍ）２＝ａ２×Ｒ＋ｂ２×Ｇ＋ｃ２×Ｂ
Ｙ（ｎ，ｍ）３＝ａ３×Ｒ＋ｂ３×Ｇ＋ｃ３×Ｂ
の連立方程式を解けば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各信号が得られる。
【００３６】
ここで、ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｃ１，ｃ２，ｃ３は、各基板電圧に応じて決まる定数であり、入射光が純粋なＲ，Ｇ，Ｂであった場合のＹ（ｎ，ｍ）１，Ｙ（ｎ，ｍ）２，Ｙ（ｎ，ｍ）３の信号の比率に基づいて決まる数値である。
【００３７】
これら定数ａ１〜ｃ３は固体撮像素子毎に測定され、図１に示すＣＰＵ１５内のＲＯＭに格納される。そして、ユーザがデジタルスチルカメラのレリーズボタンを押下すると、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０に指令を出し、３回連続して固体撮像素子１１による撮像が行われる。
【００３８】
１回目の撮像は、半導体基板電圧Ｖ１とされた固体撮像素子１１で撮像され、出力アンプ４４から出力された第１画像のデータは、アナログ処理部２２，Ａ／Ｄ変換部２３で処理され、デジタルデータとしてフレームメモリ２４に格納される。
【００３９】
２回目の撮像は、半導体基板電圧Ｖ２とされた固体撮像素子１１で撮像され、出力アンプ４４から出力された第２画像のデータは、アナログ処理部２２，Ａ／Ｄ変換部２３で処理され、デジタルデータとしてフレームメモリ２４に格納される。
【００４０】
３回目の撮像は、半導体基板電圧Ｖ３とされた固体撮像素子１１で撮像され、出力アンプ４４から出力された第３画像のデータは、アナログ処理部２２，Ａ／Ｄ変換部２３で処理され、デジタルデータとしてフレームメモリ２４に格納される。
【００４１】
デジタル信号処理部２６は、フレームメモリ２４に格納されている３枚の画像データを、ＣＰＵ１５内の係数ａ１〜ｃ３を用いて上述した連立方程式を解く演算処理を行い、１枚のカラー画像データを生成する。そして、このカラー画像データに対して、通常のデジタルカメラで行われるオフセット処理やγ補正処理、ホワイトバランス処理、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等のデジタル画像処理を施し、圧縮伸長処理部２７がＪＰＥＧデータに変換し、記録メディア２９に格納する。
【００４２】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の半導体基板側の断面構成図である。本実施形態の固体撮像素子は、図３に示す実施形態と比較して、ｎ領域（電荷蓄積部）４８と、その下のｐウェル層４７との間に、ｎ領域より低濃度のｎ−拡散層５２を備える共に、隣の画素のｎ領域（電荷蓄積部）との間を分離するｐ領域素子分離部５３とを備える点が異なり、その他は同様である。
【００４３】
図７は、図６に示す固体撮像素子の基板深さ方向（図６のVII―VII線）のポテンシャルプロファイルを示す図であり、基板電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３毎のプロファイルを示している。
【００４４】
この図７を図５と比較すると分かる通り、ｎ−拡散層５２を設けることにより、基板電圧の変化に対する空乏層の厚さ変化がより大きくなる。このため、電荷蓄積部４８に蓄積される信号電荷量のＲ，Ｇ，Ｂ寄与率の差が第１実施形態より大きくなり、Ｒ，Ｇ，Ｂの色信号を計算で抽出する精度が向上する。
【００４５】
（第３実施形態）
上述した各実施形態では、半導体基板電圧をＶ１，Ｖ２，Ｖ３と３段階に変化させ、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色を計算により分離する構成としている。この考え方を拡張し、半導体基板電圧をＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と４段階に変化させ、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の他、赤外域の光を分離することができる。
【００４６】
この構成にすると、図１に示す赤外線カットフィルタ１３が不要となる。或いは、赤外線カットフィルタをオン／オフできるデジタルスチルカメラに本実施形態の固体撮像素子を搭載することができる。
【００４７】
また、基板電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を調整することで、紫外域に感度を有する固体撮像素子を実現することも可能となる。
【００４８】
以上述べた様に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子は、カラーフィルタが必要なくなるので、光学層を薄くした撮像素子を実現することが可能となる。また、画素を微細化したとき、カラーフィルタを搭載する従来構成では顔料等の影響で画素毎に感度が異なってしまったが、本実施形態では、カラーフィルタが無いため、画素の微細化を図っても不具合は生じない。
【００４９】
更に、本実施形態の固体撮像素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂを異なる画素で検出するのではないため、光学ローパスフィルタが不要となり、偽色の発生を回避することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係るカラー画像撮像装置は、光利用効率が高く光学的ローパスフィルタが不要でしかも構造が簡単で製造が容易なため、デジタルスチルカメラとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの機能ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】図２に示すIII―III線断面模式図である。
【図４】図３のIV―IV線断面に沿うポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図５】基板電圧を変化させたときのポテンシャルプロファイルの変化を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の基板電圧を変化させたときのポテンシャルプロファイルの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１１  固体撮像素子
１５  ＣＰＵ
２０  撮像素子駆動部
２６  デジタル信号処理部
４０  半導体基板
４７  ｐウェル層
４８  ｎ領域（電荷蓄積部）
５２  ｎ−領域
【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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