(57)【要約】【課題】高感度及び広ダイナミックレンジを実現するとともに、画像の時間的なずれの発生を抑制する。【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、２次元状に複数の画素ブロック８０が配置されている画素アレイ２を備える固体撮像装置１０１であって、複数の画素ブロック８０の各々は、第１の色の光を第１の色信号に変換する第１色信号画素と、第１の色と異なる第２の色の光を第２の色信号に変換する第２色信号画素と、可視光を第１輝度信号に変換する第１白色画素とを含み、第１白色画素は、透過率を電気的に制御可能な光減衰フィルタ１６と、光減衰フィルタ１６を透過した可視光を受光し、受光した可視光を第１輝度信号に変換するフォトダイオード１１とを備える。【選択図】図３
2012084814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に複数の画素ブロックが配置されている画素アレイを備える固体撮像装置であって、
前記複数の画素ブロックの各々は、
第１の色の光を第１の色信号に変換する第１色信号画素と、
前記第１の色と異なる第２の色の光を第２の色信号に変換する第２色信号画素と、
可視光を第１輝度信号に変換する第１白色画素とを含み、
前記第１白色画素は、
透過率を電気的に制御可能な第１光減衰フィルタと、
前記第１光減衰フィルタを透過した可視光を受光し、受光した前記可視光を前記第１輝度信号に変換する第１光電変換部とを備える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体撮像装置は、さらに、
前記第１輝度信号が飽和しているか否かを判定する飽和判定部と、
前記飽和判定部により前記第１輝度信号が飽和していると判定された場合、前記第１光減衰フィルタの透過率を下げる透過率制御部とを備える
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素ブロックの各々は、２行２列に配置された４個の画素を含み、
前記４個の画素は、前記第１色信号画素と、前記第２色信号画素と、前記第１の色及び前記第２の色と異なる第３の色の光を第３の色信号に変換する第３色信号画素と、前記第１白色画素とである
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の色は赤色であり、前記第２の色は青色であり、前記第３の色は緑色であり、
前記第１白色画素と前記第３色信号画素とは前記画素ブロック内において対角に配置されている
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の色はシアンであり、前記第２の色はマゼンダであり、前記第３の色はイエローであり、
前記第１白色画素と前記第３色信号画素とはとは前記画素ブロック内において対角に配置されている
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記画素ブロックの各々は、２行２列に配置された４個の画素を含み、
前記４個の画素は、前記第１色信号画素と、前記第２色信号画素と、前記第１白色画素と、可視光を第２輝度信号に変換する第２白色画素とである
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２白色画素は、
可視光の透過率を電気的に制御可能な第２光減衰フィルタと、
前記第２光減衰フィルタを透過した可視光を受光し、受光した前記可視光を前記第２輝度信号に変換する第２光電変換部とを備える
請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の色は赤色であり、前記第２の色は青色である
請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の色は赤色であり、前記第２の色は緑色である
請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の色はシアンであり、前記第２の色はイエローである
請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の画素ブロックの各々は、２行２列に配置された４個のサブブロックを含み、
前記４個のサブブロックは、
前記画素ブロックの対角に配置される２個の第１サブブロックと、
前記画素ブロックの対角に配置される２個の第２サブブロックとであり、
前記第１サブブロック及び前記第２サブブロックは、それぞれ、２行２列に配置された４個の画素を含み、
前記第１サブブロックに含まれる前記４個の画素は、前記第１色信号画素と、前記第２色信号画素と、前記第１白色画素と、可視光を第２輝度信号に変換する第２白色画素とであり、
前記第２サブブロックに含まれる前記４個の画素は、前記第２色信号画素と、前記第１の色及び前記第２の色と異なる第３の色の光を第３の色信号に変換する第３色信号画素と、前記第１白色画素と、前記第２白色画素とであり、
前記第１白色画素及び前記第２白色画素の各々は、１個の前記第１色信号画素と、２個の前記第２色信号画素と、１個の前記第３色信号画素とに隣接して配置されている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１から第３の色は、青色、緑色、赤色の組み合わせ、及びシアン、イエロー、マゼンダの組み合わせのいずれか一方である
請求項１１記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記飽和判定部は、前記第１白色画素ごとに、当該第１白色画素により変換された第１輝度信号が飽和しているか否かを判定し、
前記透過率制御部は、前記画素アレイに含まれる複数の前記第１光減衰フィルタのうち、前記飽和判定部により前記第１輝度信号が飽和していると判定された前記第１白色画素に含まれる前記第１光減衰フィルタの透過率を下げる
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記光減衰フィルタは、
第１透明電極及び第２透明電極と、
前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に積層されている固体電解質層及び活物質層とを備え、
前記固体電解質層は、絶縁性誘電体であり、
前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に印加される電圧の極性に応じて、前記固体電解質層から前記活物質層へ、又は、前記活物質層から前記固体電解質層へ、イオンが移動することにより、前記活物質層の光の吸収スペクトルが変化し、これにより、前記光減衰フィルタの透過率が変化する
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記活物質層は、アモルファスのＷＯ3、ＭｏＯ3、ＩｒＯ2で構成されている
請求項１４記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記固体電解質層は、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＨｆＯ2を含むとともに、水素を含有している
請求項１４又は１５記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記固体電解質層は、Ｌｉ、Ｎａ又はＡｇを含む、ジルコニア、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブ及びハフニウムの酸化物のうちいずれかを含む
請求項１４又は１５記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記光減衰フィルタは、さらに、
前記固体電解質と活物質層との間に積層された絶縁性層間膜を備え、
前記絶縁性層間膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＮのいずれか１つの材料で形成されている
請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
Ｎ2又は希ガスによって満たされ、気密封止されたパッケージと、
前記パッケージ内に設置されている請求項１〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置とを備える
半導体装置。
【請求項２０】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、半導体装置及びカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置は、カラーフィルタによって所望の波長帯を選別してフォトダイオードで検出する構成であるが、カラーフィルタによって光が吸収される分、フォトダイオードに到達する光量は減少する。これに対して、光を分光せずにフォトダイオードで検出する白色画素を設けることで高感度化を実現する方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
図２５は、特許文献１で開示された固体撮像装置の画素配置を示す図である。通常の３原色ベイヤー配列では、画素ブロックは、赤色（Ｒ）画素と、２個の緑色（Ｇ）画素と、青色（Ｂ）画素とから構成されているが、特許文献１では、２個あるＧ画素の１つを白色画素（Ｗ画素）に置き換えている。当該固体撮像装置では、この白色画素を用いて輝度信号を検出する。この構成により、全可視光線領域の光を検出する白色画素を用いることによって画素ブロックの輝度信号が増大する。これにより、輝度Ｓ／Ｎ比が向上する。さらに、白色画素で得られた信号の強度を色比率によってＲ、Ｇ、Ｂ信号に分解できることから、Ｒ、Ｇ、Ｂ信号のＳ／Ｎ比を増大できる。これにより、高感度で色再現性のよい撮像装置を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０２２５２１号公報
【特許文献２】特開２００９−２９６２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図２５に示す白色画素は他の色信号を得る画素に比べて感度が高い反面、飽和速度が速い。これにより、高照度下では白色画素の輝度信号が飽和してしまうので、画質の劣化の原因となる。また、蓄積時間を短くすることで白色画素の飽和を抑制できるが、この場合、色信号の信号強度が弱くなりＳ／Ｎ比を低下させてしまう。
【０００６】
このように、特許文献１記載の固体撮像装置は、高輝度の被写体の撮像する場合及び撮像面照度が高い場合に、画質の劣化が避けられない。この課題に対して白色画素とその他の色信号画素とに異なる蓄積時間を用いることで白色画素における速い飽和を抑制する構成が特許文献２に開示されている。
【０００７】
図２６は、特許文献２で開示された画素配置を示す図である。図２６に示す構成では、白色画素（Ｗ画素）と色信号画素（ＲＧＢ画素）とには別々の転送信号線が接続されている。このように、Ｗ画素転送信号線と、色信号画素転送信号線とに制御信号を独立して供給することにより、複数の色信号画素と、複数のＷ画素とを独立して制御できる。
【０００８】
これにより、図２６の構成は、Ｗ画素の飽和を抑制できるので、高照度下でも撮像が可能な固体撮像装置を実現できる。
【０００９】
しかしながら、この構成では新たな配線を配置しなければならない。これは開口率の低下の原因となるので、画素の微細化の妨げとなる。また、同じ画素ブロック内の画素間で蓄積時間を異ならせるため、又は、撮像領域内の画素間で蓄積時間を異ならせるためには、シャッターを同時に切ることができない。これにより、画像に時間的な「ずれ」が発生してしまう。
【００１０】
このように、従来の技術は、開口率を低下させることなく、かつ時間的なずれを発生させずに高感度化と広ダイナミックレンジ化を同時に実現することが困難であるという課題を有する。
【００１１】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、高感度及び広ダイナミックレンジを実現できるとともに、画像の時間的なずれの発生を抑制できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、２次元状に複数の画素ブロックが配置されている画素アレイを備える固体撮像装置であって、前記複数の画素ブロックの各々は、第１の色の光を第１の色信号に変換する第１色信号画素と、前記第１の色と異なる第２の色の光を第２の色信号に変換する第２色信号画素と、可視光を第１輝度信号に変換する第１白色画素とを含み、前記第１白色画素は、透過率を電気的に制御可能な第１光減衰フィルタと、前記第１光減衰フィルタを透過した可視光を受光し、受光した前記可視光を前記第１輝度信号に変換する第１光電変換部とを備える。
【００１３】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、白色画素を有することにより、高感度化を実現できる。さらに、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、第１光減衰フィルタの透過率を制御することで、高輝度の被写体及び低輝度の被写体を撮像できるので、広ダイナミックレンジを実現できる。さらに、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、第１光減衰フィルタの透過率を制御することで広ダイナミックレンジを実現しているので、白色画素と色信号画素との蓄積時間を同一にできる。よって、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、画像の時間的なずれの発生を抑制できる。
【００１４】
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記第１輝度信号が飽和しているか否かを判定する飽和判定部と、前記飽和判定部により前記第１輝度信号が飽和していると判定された場合、前記第１光減衰フィルタの透過率を下げる透過率制御部とを備えてもよい。
【００１５】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高輝度の被写体を撮影する場合には、第１光減衰フィルタの透過率を下げることにより、白色画素の飽和を抑制できる。よって、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高照度下でも撮像が可能である。
【００１６】
また、前記画素ブロックの各々は、２行２列に配置された４個の画素を含み、前記４個の画素は、前記第１色信号画素と、前記第２色信号画素と、前記第１の色及び前記第２の色と異なる第３の色の光を第３の色信号に変換する第３色信号画素と、前記第１白色画素とであってもよい。
【００１７】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、解像度を低下させることなく、高感度化を実現できる。
【００１８】
また、前記第１の色は赤色であり、前記第２の色は青色であり、前記第３の色は緑色であり、前記第１白色画素と前記第３色信号画素とは前記画素ブロック内において対角に配置されていてもよい。
【００１９】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置では、各画素ブロックにおいて、解像度を決める輝度情報に大きく寄与する白色画素と緑色画素とが各行各列に１つずつ配置される。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、行数×列数の解像度が得られるので、高解像度及び高感度を実現できる。
【００２０】
また、前記第１の色はシアンであり、前記第２の色はマゼンダであり、前記第３の色はイエローであり、前記第１白色画素と前記第３色信号画素とはとは前記画素ブロック内において対角に配置されていてもよい。
【００２１】
この構成によれば、補色系は広い波長領域を検出するため、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、ＲＧＢを用いる場合に比べ、より高感度化を実現できる。また、本発明の一形態に係る固体撮像装置では、視感度の高い緑と赤とで構成されるイエローを検出するイエロー画素を白色画素と対角に配置する。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高解像度及び高感度を実現できる。
【００２２】
また、前記画素ブロックの各々は、２行２列に配置された４個の画素を含み、前記４個の画素は、前記第１色信号画素と、前記第２色信号画素と、前記第１白色画素と、可視光を第２輝度信号に変換する第２白色画素とであってもよい。
【００２３】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高感度及び広ダイナミックレンジを両立できる。
【００２４】
また、前記第２白色画素は、可視光の透過率を電気的に制御可能な第２光減衰フィルタと、前記第２光減衰フィルタを透過した可視光を受光し、受光した前記可視光を前記第２輝度信号に変換する第２光電変換部とを備えてもよい。
【００２５】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高感度及び広ダイナミックレンジを両立できる。
【００２６】
また、前記第１の色は赤色であり、前記第２の色は青色であってもよい。
【００２７】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、視感度の最も高い緑色信号を輝度信号に置き換えることで、ベイヤー配列に対して色差信号の誤差を最も小さくできる。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、色Ｓ／Ｎ比を低下させることなく高感度で高画質な画像を生成できる。
【００２８】
また、前記第１の色は赤色であり、前記第２の色は緑色であってもよい。
【００２９】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、視感度の最も小さい青色を検出する画素を白色画素に置き換えることで、色Ｓ／Ｎ比の低下を抑制できるので、高感度で高画質な画像を生成できる。
【００３０】
また、前記第１の色はシアンであり、前記第２の色はイエローであってもよい。
【００３１】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、より広い波長領域を検出する補色系を用いるとともに、各画素ブロックが、視感度の高い緑色を含むシアンとイエローとの２色を含むことで、より高感度を実現できる。
【００３２】
また、前記複数の画素ブロックの各々は、２行２列に配置された４個のサブブロックを含み、前記４個のサブブロックは、前記画素ブロックの対角に配置される２個の第１サブブロックと、前記画素ブロックの対角に配置される２個の第２サブブロックとであり、前記第１サブブロック及び前記第２サブブロックは、それぞれ、２行２列に配置された４個の画素を含み、前記第１サブブロックに含まれる前記４個の画素は、前記第１色信号画素と、前記第２色信号画素と、前記第１白色画素と、可視光を第２輝度信号に変換する第２白色画素とであり、前記第２サブブロックに含まれる前記４個の画素は、前記第２色信号画素と、前記第１の色及び前記第２の色と異なる第３の色の光を第３の色信号に変換する第３色信号画素と、前記第１白色画素と、前記第２白色画素とであり、前記第１白色画素及び前記第２白色画素の各々は、１個の前記第１色信号画素と、２個の前記第２色信号画素と、１個の前記第３色信号画素とに隣接して配置されていてもよい。
【００３３】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、３色全ての色を撮像領域内に配置できるとともに、白色画素に３色全ての色信号画素が接している構造になる。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、輝度信号の色構成の精度を高くできるとともに、減算処理をすることなく３色のカラー画像を作成できることから、高感度で高画質な画像を生成できる。
【００３４】
また、前記第１から第３の色は、青色、緑色、赤色の組み合わせ、及びシアン、イエロー、マゼンダの組み合わせのいずれか一方であってもよい。
【００３５】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、３色に光の３原色又は補色系３色を用いることで、高精細なカラー画像を生成できる。
【００３６】
また、前記飽和判定部は、前記第１白色画素ごとに、当該第１白色画素により変換された第１輝度信号が飽和しているか否かを判定し、前記透過率制御部は、前記画素アレイに含まれる複数の前記第１光減衰フィルタのうち、前記飽和判定部により前記第１輝度信号が飽和していると判定された前記第１白色画素に含まれる前記第１光減衰フィルタの透過率を下げてもよい。
【００３７】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、白色画素ごとに飽和判定をすることにより、白色画素ごとに透過率を制御できる。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、高輝度と低輝度の被写体を同時に撮像できる。
【００３８】
また、前記光減衰フィルタは、第１透明電極及び第２透明電極と、前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に積層されている固体電解質層及び活物質層とを備え、前記固体電解質層は、絶縁性誘電体であり、前記第１透明電極と前記第２透明電極との間に印加される電圧の極性に応じて、前記固体電解質層から前記活物質層へ、又は、前記活物質層から前記固体電解質層へ、イオンが移動することにより、前記活物質層の光の吸収スペクトルが変化し、これにより、前記光減衰フィルタの透過率が変化してもよい。
【００３９】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光減衰フィルタの薄膜化を実現できることから、高精細な画像を生成できるとともに小型化を実現できる。
【００４０】
また、前記活物質層は、アモルファスのＷＯ3、ＭｏＯ3、ＩｒＯ2で構成されていてもよい。
【００４１】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光減衰フィルタで透明及び深青での色変換をできることから、広ダイナミックレンジを実現できるとともに小型化を実現できる。
【００４２】
また、前記固体電解質層は、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＨｆＯ2を含むとともに、水素を含有していてもよい。
【００４３】
この構成によれば、水素をイオン伝導の媒体とすることから、固体電解質層中へのイオンの導入が容易となる。また、水素のイオン半径が小さいことから光減衰フィルタの高速な切り替えが可能である。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、製造コストを下げることができるとともに、高速動作を実現できる。
【００４４】
また、前記固体電解質層は、Ｌｉ、Ｎａ又はＡｇを含む、ジルコニア、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブ及びハフニウムの酸化物のうちいずれかを含んでもよい。
【００４５】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、不揮発性元素のＬｉ、Ｎａ、Ａｇをイオン伝導媒体として用いることから、固体電解質層へのイオンの導入を定量的に行える。また、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光減衰フィルタの透過率のばらつきを低減できるとともに、透過率をより正確に制御できる。これらにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置の歩留まりを向上できる。
【００４６】
また、前記光減衰フィルタは、さらに、前記固体電解質と活物質層との間に積層された絶縁性層間膜を備え、前記絶縁性層間膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＮのいずれか１つの材料で形成されていてもよい。
【００４７】
この構成によれば、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、絶縁性層間膜を固体電解質層と活物質層との間に挿入することで、エレクトロクロミック素子のリーク電流を抑えることができる。これにより、光減衰フィルタの面内の透過率のばらつきを低減でき、透過率の再現性と透過率の長時間維持とが可能となる。よって、本発明の一形態に係る固体撮像装置の歩留まりを向上できる。
【００４８】
また、本発明に係る半導体装置は、Ｎ2又は希ガスによって満たされ、気密封止されたパッケージと、前記パッケージ内に設置されている前記固体撮像装置とを備える。
【００４９】
この構成によれば、酸素及び水がパッケージ内にないことから、固体電解質層及び透明電極の酸化及び還元が進行しない。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、安定した動作と高い信頼性とを実現できる。
【００５０】
また、本発明に係るカメラは、前記固体撮像装置を備える。
【００５１】
この構成によれば、本発明の一形態に係るカメラは、ダイナミックレンジが広い画像を撮影できるとともに、小型で光量調節機能がついた高機能及び高性能のカメラを実現できる。
【００５２】
なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現できるだけでなく、固体撮像装置に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像装置の制御方法として実現したり、そのような特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。そして、そのようなプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
【００５３】
さらに、本発明は、このような固体撮像装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現できる。
【００５４】
また、本発明は、このような固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法として実現できる。
【発明の効果】
【００５５】
以上より、本発明は、高感度及び広ダイナミックレンジを実現できるとともに、画像の時間的なずれの発生を抑制できる固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るカメラの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る白色画素の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る画素ブロックの回路図である。
【図６Ａ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置による動作のフローチャートである。
【図６Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る、蓄積電荷量と蓄積時間との関係を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第１の実施形態に係る光減衰フィルタの動作を示す断面図である。
【図７Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る光減衰フィルタの動作を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る、ＷＯ3の光透過スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。
【図１０Ａ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１０Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１０Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１０Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１０Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１０Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。
【図１１Ａ】本発明の第２の実施形態に係る光減衰フィルタの動作を示す断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る光減衰フィルタの動作を示す断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る、蓄積電荷量と蓄積時間との関係を示す図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る、蓄積電荷量と蓄積時間の関係を示す図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の信号処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置の信号処理手順を示すフローチャートである。
【図１８Ａ】本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置により撮像された画像例を示す図である。
【図１８Ｂ】本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置により撮像された画像例を示す図である。
【図１９】本発明の第８の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図２０】本発明の第９の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図２１】本発明の第１０の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図２２Ａ】本発明の第１１の実施形態に係る画素ブロックを示す図である。
【図２２Ｂ】本発明の第１１の実施形態に係る画素配置を示す図である。
【図２３】本発明の第１１の実施形態に係る画素ブロックの変形例を示す図である。
【図２４】本発明の第１２の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
【図２５】従来の固体撮像装置を示す図である。
【図２６】従来の固体撮像装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を説明する。
【００５８】
まず、本発明に係る固体撮像装置１０１を用いたカメラ（撮像装置）の構成を説明する。
【００５９】
図１は、本発明に係るカメラ２５０の構成を示すブロック図である。
【００６０】
図１に示すカメラ２５０は、例えば、デジタルカメラであり、レンズ２００と、固体撮像装置１０１と、外部インターフェイス部２０４とを備える。
【００６１】
固体撮像装置１０１は、レンズ２００により集光された光を電気信号に変換することにより画像信号を生成する。この固体撮像装置１０１は、固体撮像素子２０１と、駆動回路２０２と、信号処理部２０３とを備える。
【００６２】
上記構成を有するカメラ２５０による、外部に信号が出力されるまでの処理は以下のような順序に沿っておこなわれる。
【００６３】
（１）レンズ２００を光が通過し、通過した光が固体撮像素子２０１に入射する。
【００６４】
（２）信号処理部２０３は、駆動回路２０２を通して固体撮像素子２０１を駆動し、固体撮像素子２０１からの出力信号を取り込む。
【００６５】
（３）信号処理部２０３で処理した信号を、外部インターフェイス部２０４を通して外部に出力する。
【００６６】
図２は、固体撮像素子２０１のブロック図である。
【００６７】
図２に示す固体撮像素子２０１は、複数の単位画素１が二次元状（行列状）に配列された画素アレイ２と、垂直シフトレジスタ３と、水平シフトレジスタ４と、増幅部６と、ノイズ除去部７とを含む。
【００６８】
画素アレイ２は、二次元状に配置された複数の画素ブロック８０を含む。例えば、各画素ブロック８０は、２行２列の４個の単位画素１を含む。なお、図２に示す画素ブロック８０及び単位画素１の個数は一例であり、これ以外の数であってもよい。
【００６９】
各単位画素１は、受光した光を電気信号（画素信号）に変換し、変換した画素信号を出力する。なお、以下では、単位画素１を単に画素と記す場合もある。
【００７０】
垂直シフトレジスタ３及び水平シフトレジスタ４は、複数の単位画素１のうちいずれかを選択する。
【００７１】
増幅部６は、単位画素１により出力された画素信号を増幅する。
【００７２】
ノイズ除去部７は、増幅部６により増幅された画素信号の高周波ノイズを除去する帯域通過フィルタである。
【００７３】
以上の構成により、垂直シフトレジスタ３及び水平シフトレジスタ４により選択された単位画素１の画素信号が固体撮像素子２０１から出力される。
【００７４】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る画素ブロック８０内における画素配置を示す図である。図３に示すように画素ブロック８０の各々は、２行２列に配置された４個の画素を含む。具体的には、画素ブロック８０の各々は、特定の色の光のみを検出する３個の色信号画素と、全可視光線領域の光を検出する白色画素（ＷND画素）とを含む。３個の色信号画素は、赤色の光を赤色の色信号に変換する赤色画素（Ｒ画素）と、緑色の光を緑色の色信号に変換する緑色画素（Ｇ画素）と、青色の光を青色の色信号に変換する青色画素（Ｂ画素）とである。また、ＷND画素は、可視光を輝度信号に変換する。
【００７５】
また、ＷND画素とＧ画素とは画素ブロック８０内において対角に配置されている。つまり、画素ブロック８０は、ＲＧＢ原色系における２行２列のベイヤー配列において、２個あるＧ画素のうちの１個を非分光の白色画素に置き換えた構成である。
【００７６】
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０１では、このＷND画素は、可視光の透過率を電気的に制御可能な光減衰フィルタを備えている。
【００７７】
図４はＷND画素の断面図である。
【００７８】
図４に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０１は、半導体基板２０と、フォトダイオード１１と、トランジスタ２２と、金属配線２３と、層間膜２４及び２５と、平坦化膜２７と、マイクロレンズ２８と、光減衰フィルタ１６とを備える。
【００７９】
半導体基板２０は、例えば、シリコン基板である。
【００８０】
フォトダイオード１１は、半導体基板２０の内部にイオン注入によって形成される。このフォトダイオード１１は、光減衰フィルタ１６を透過した可視光を受光し、受光した可視光を信号電荷に変換する。また、フォトダイオード１１により光電変換された信号電荷が画素信号（輝度信号）として読み出される。
【００８１】
トランジスタ２２のゲートは、半導体基板２０上に形成されている。
【００８２】
金属配線２３は、トランジスタ２２のゲート等を電気的に接続する。また、トランジスタ２２のゲートと金属配線２３とは層間膜２４を介して形成されている。例えば、金属配線２３の材料は、Ａｌ又はＣｕである。また、図４では、配線層の数が２層の場合を示している。なお、配線層の数はこれ以外であってもよい。
【００８３】
光減衰フィルタ１６は、金属配線２３の上方に層間膜２５を介して形成されている。この光減衰フィルタ１６は、透明電極３２ａ及び３２ｂと、活物質層３３と、固体電解質層３４とを含む。透明電極３２ａと透明電極３２ｂとは、活物質層３３と固体電解質層３４との積層構造を挟む。言い換えると、固体電解質層３４及び活物質層３３は、透明電極３２ａと透明電極３２ｂとの間に積層されている。このように光減衰フィルタ１６は、キャパシタ構造である。
【００８４】
また、透明電極３２ａ及び３２ｂは、それぞれ金属配線２３と電気的に接続されている。また、半導体基板２０上のトランジスタ２２によって、この透明電極３２ａ及び３２ｂ間に印加される電圧が制御される。
【００８５】
具体的には、固体電解質層３４は、絶縁性誘電体である。また、透明電極３２ａと透明電極３２ｂとの間に印加される電圧の極性に応じて、固体電解質層３４から活物質層３３へ、又は、活物質層３３から固体電解質層３４へ、イオンが移動することにより、活物質層３３の光の吸収スペクトルが変化する。これにより、光減衰フィルタ１６の透過率が変化する。なお、光減衰フィルタ１６の動作原理及び製造方法の詳細は後述する。
【００８６】
図５は、本実施形態に係る画素ブロック８０の回路図である。なお、図５において、Ｗ画素を白色画素１Ｗと記し、Ｒ画素、Ｇ画素及びＢ画素を色信号画素１Ｃと記している。
【００８７】
色信号画素１Ｃは、フォトダイオード１１（光電変換部）と、転送トランジスタ１２と、リセットトランジスタ１３と、増幅トランジスタ１４と、選択トランジスタ１５とを含む。
【００８８】
白色画素１Ｗは、色信号画素１Ｃの構成に加え、さらに、光減衰フィルタ１６と、光減衰フィルタ１６に印加される電圧を制御するためのフィルタ制御トランジスタ１７とを含む。
【００８９】
光減衰フィルタ１６は、フィルタ制御トランジスタ１７を介して、電圧線１８に接続されている。また、フィルタ制御トランジスタ１７のゲートは、列選択線１９に接続されている。ここで電圧線１８には正電位と負電位との両方の電位が選択的に印加される。
【００９０】
この構成により、電圧線１８に電圧を印加するとともに、フィルタ制御トランジスタ１７をＯＮすることで、光減衰フィルタ１６の透過率を減少させることができる。また、フィルタ制御トランジスタ１７をＯＮする期間を制御することで、光減衰フィルタ１６の透過率を所望の透過率に設定できる。また、フィルタ制御トランジスタ１７がＯＦＦした状態で通常の撮像駆動が行われる。
【００９１】
また、電圧線１８に負電圧を印加したうえで、フィルタ制御トランジスタ１７をＯＮすることで、光減衰フィルタ１６の透過率を元の状態に戻すことができる。
【００９２】
また、光減衰フィルタ１６の透過率の変更処理は、画素の撮像動作とは時系列に順番に行われる。つまり、後述する輝度信号の飽和測定と通常の撮像との前にフォトダイオード１１に蓄積された電荷がリセットされる。
【００９３】
この構成により、本実施形態に係る固体撮像装置１０１は、新たな信号線を設置することなく光減衰フィルタ１６と単位画素１とを個別に動作させることができる。
【００９４】
なお、本実施形態では、光減衰フィルタ１６に対してフィルタ制御トランジスタ１７を設けたが、電圧線１８をパルス駆動にすることでフィルタ制御トランジスタ１７を設けないことも可能である。具体的には、光減衰フィルタ１６を動作させる期間中は、選択トランジスタ１５をＯＦＦにしておけばよい。また、露光期間中は電圧線１８を０Ｖにしておけば、露光中に光減衰フィルタ１６の透過率が変化することない。なお、フォトダイオード１１からの読み出しの際は電圧線１８に電圧が印加されるが、その際に透過率が変化してもすでに電荷蓄積後であれば擬似信号になることはない。よって、読み出し後に再び選択トランジスタ１５をＯＦＦにして光減衰フィルタ１６をＯＦＦにすればよい。
【００９５】
この構成にすることで、余分なトランジスタが必要なくなるため、微細な画素に対しても画素ごとへの光減衰フィルタの搭載が可能となる。
【００９６】
次に、本実施形態に係る信号処理部２０３について説明する。本発明のように、能動的に光減衰フィルタ１６を駆動させるためには、光をどの程度減衰させる必要があるかを判定しなければならない。そこで本発明では、信号処理部２０３は、被写体を撮像する直前に輝度信号の飽和判定を行う。
【００９７】
図２に示すように、信号処理部２０３は、飽和判定部２１０と、透過率制御部２１１とを備える。
【００９８】
飽和判定部２１０は、ＷND画素ごとに、当該ＷND画素により変換された輝度信号が飽和しているか否かを判定する。
【００９９】
透過率制御部２１１は、光減衰フィルタ１６の透過率を変更する。具体的には、透過率制御部２１１は、画素アレイ２に含まれる複数の光減衰フィルタ１６のうち、飽和判定部２１０により輝度信号が飽和していると判定されたＷND画素に含まれる光減衰フィルタ１６の透過率を下げる。
【０１００】
図６Ａは、この動作のフローチャートである。また、図６Ｂは、フォトダイオード１１の蓄積電荷と蓄積時間との関係を示す図である。
【０１０１】
図６Ａに示すように、まず、透過率制御部２１１は、光減衰フィルタ１６の透過率を高い状態に設定する（Ｓ１０１）。次に、信号処理部２０３は、輝度信号が飽和するか否かを判定するために、固体撮像素子２０１に予め撮像を行わせる（Ｓ１０２）。具体的には、図６Ｂに示す、期間ｔ１の間、固体撮像素子２０１は、露光を行う。
【０１０２】
次に、飽和判定部２１０は、複数の画素ブロック８０のうち一つを選択する（Ｓ１０３）。
【０１０３】
次に、飽和判定部２１０は、選択した画素ブロック８０に対して、ステップＳ１０２で生成された輝度信号に基づき、本番の撮像時に輝度信号が飽和するか否かを判定する（Ｓ１０４）。具体的には、飽和判定部２１０は、期間ｔ１の蓄積電荷量Ｑ１から、その傾きに相当するＱ１／ｔ１を算出する。そして、飽和判定部２１０は、算出した傾きに基づき、本番の撮像の露光時間ｔ２で撮像した場合に、輝度信号が飽和するか否かを判定する。
【０１０４】
具体的には、飽和判定部２１０は、予め輝度信号の強度に対する閾値を設定しておき、ステップＳ１０２で生成された輝度信号が当該閾値を超える場合は、本番の撮影時に輝度信号が飽和すると判定する。
【０１０５】
飽和判定部２１０により輝度信号が飽和すると判定された場合（Ｓ１０４でＹｅｓ）、透過率制御部２１１は、光減衰フィルタ１６の透過率を下げる（Ｓ１０５）。
【０１０６】
一方、飽和判定部２１０により輝度信号が飽和しないと判定された場合（Ｓ１０４でＮｏ）、光減衰フィルタ１６の透過率を変更せず、選択した画素ブロック８０の光減衰フィルタ１６をＯＦＦ（高透過率の状態）にしておく。
【０１０７】
全ての画素ブロック８０に対して、上記ステップＳ１０４及びＳ１０５の処理が終わっていない場合（Ｓ１０６でＮｏ）、信号処理部２０３は、次の画素ブロック８０を選択し（Ｓ１０３）、ステップＳ１０４以降の処理を行う。
【０１０８】
全ての画素ブロック８０に対して、上記ステップＳ１０４及びＳ１０５の処理が終わった場合（Ｓ１０６でＹｅｓ）、固体撮像装置１０１は、本番の撮像を行う（Ｓ１０７）。
【０１０９】
このように、蓄積効率に相当するＱ／ｔ１を透過率Ｔだけ減少させることで、飽和を防ぐことができる。このとき本番撮像の露光時間ｔ２は低輝度の被写体の諧調が表現できるように設定する必要がある。そこで、飽和判定部２１０は、低輝度被写体の諧調表現が可能な露光時間ｔ２に対してＷND画素ごとに飽和判定を行う。
【０１１０】
具体的には、透過率制御部２１１は、蓄積効率Ｑ１／ｔ１の測定結果に基づき、光減衰フィルタ１６の透過率をＴ（％）とした場合、ＷND画素の出力信号が以下の（式１）の関係を満たすように透過率Ｔを設定する。
【０１１１】
Ｔ×［Ｑ１／（ｔ１×１００）］×ｔ２＜飽和蓄積電子数  ・・・  （式１）
【０１１２】
この構成によって、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０１は、低輝度の被写体の明暗を鮮明に表現すると同時に、高輝度の画素領域に対して飽和しない広いダイナミックレンジを実現できる。また、この構成によって、固体撮像装置１０１は、高照度下における撮影又は高輝度被写体に対して、フォトダイオード１１が飽和照度又は飽和輝度にあるか否かを判定する。これにより、固体撮像装置１０１は、光減衰フィルタ１６の光透過率をフォトダイオード１１が飽和しないように制御できるので、高照度下での撮像が可能となる。
【０１１３】
次に、高感度化について説明する。白色画素は３色全ての波長領域を検出できることから、白色画素の感度係数は色信号画素の感度係数に比べて大きい。よって、色差信号に用いる輝度信号Ｙとして白色画素から得られるＷ信号を用いることで輝度のＳ／Ｎ比が大幅に向上する。また、白色画素の輝度信号を用いてＲＧＢの色信号を再構成することで、ＲＧＢのＳ／Ｎ比を向上させて高感度化が実現できる。
【０１１４】
例えば、ＹＵＶ系の色空間ではＹ＝０．２９９×Ｒ＋０．５８７×Ｇ＋０．１１４×Ｂであることから、Ｗ信号も同様にＲＧＢ色成分に分解できる。このとき画素ブロック８０内のＲ、Ｇ、Ｂ画素の色信号にＷ画素を構成する色成分を加算すると、画素ブロック８０としての色信号は増大するので、Ｓ／Ｎ比が向上する。また、Ｒ、Ｇ、Ｂ画素から得られた信号と、Ｗ信号を分解して得られた色信号との和を算出することによって新しい色信号Ｒ’、Ｇ’、Ｂ’を作成できる。さらに、新しい色信号Ｒ’、Ｇ’、Ｂ’から新たな輝度信号Ｙ’を作成することにより、Ｙ’Ｕ’Ｖ’のような色差信号を作ることができる。こうすることで、通常のベイヤー配列よりもＲ、Ｂ信号成分が増大する。これにより、輝度Ｓ／Ｎ比だけでなくＲとＢの色成分のＳ／Ｎ比も増大するので、高感度な撮像が可能となる。
【０１１５】
次に光減衰フィルタ１６の構造と動作原理ついて説明する。
【０１１６】
図７Ａ及び図７Ｂは、光減衰フィルタ１６の断面構造及び駆動原理を示す図である。
【０１１７】
本実施形態における光減衰フィルタ１６はエレクトロクロミック素子である。エレクトロクロミック素子とは電圧印加によって材料の吸収スペクトルが変化し、これにより色が変化する素子の総称である。例えば液晶のように電界に応じて液晶分子の配向が変化することにより、透過率が変化する素子もエレクトロクロミック素子の一つである。中でも、固体中のイオン移動によって引き起こされる酸化還元反応によって吸収スペクトルを変化させる固体電解質を用いたエレクトロクロミック素子は液晶のような偏光依存性もなく、特異なスペクトルを示す材料もあり、表示素子などに広く使われている。
【０１１８】
図７Ａは、活物質層３３が酸化状態である場合を示す。図７Ａに示すように、透明電極３２ｂに対して透明電極３２ａに正の電圧を印加することにより、活物質層３３から固体電解質層３４へイオンが移動すると同時に、活物質層３３から電子が透明電極３２ａへ放出される。この状態において、光減衰フィルタ１６は透明となる。
【０１１９】
図７Ｂは、還元状態を示している。図７Ｂに示すように、透明電極３２ｂに対して透明電極３２ａに負の電圧を印加することで、固体電解質層３４中の陽イオンが活物質層３３に注入されると同時に、透明電極３２ａから活物質層３３へ電子が注入される。
【０１２０】
なお、図７Ａに示す酸化状態と、図７Ｂに示す還元状態とでは、光減衰フィルタ１６に印加される電圧の極性が反転しているだけであり、印加電圧として、共に負、共に正、又は正及び負のいずれを用いてもかまわない。ただし、伝導イオンは基本的に陽イオンであるため、電界の方向とは逆向きに陽イオンが動くことになる。
【０１２１】
また、このエレクトロクロミック素子においては、活物質層３３に、イオンの移動量に対応した酸化還元電流に相当する電流が出入りする。よって、電圧印加時間を調整することでイオンの移動量を制御できる。これにより、光の透過量を制御することが可能となるので、高照度下でも撮像が可能な固体撮像装置を実現できる。
【０１２２】
次に、光減衰フィルタ１６の材料及び製造方法について説明する。
【０１２３】
本発明に係る固体撮像装置１０１では、光減衰フィルタ１６に含まれる活物質層３３がアモルファスのＷＯ3、ＭｏＯ3、ＩｒＯ2で表記されるいずれか一つの材料で構成される。また、固体電解質層３４は、少なくともＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＨｆＯ2、で示される材料の一つによって構成される。
【０１２４】
以下、活物質層３３にＷＯ3を用い、固体電解質層３４にＴａ2Ｏ5を用いた場合を一例として説明する。なお、ＷＯ3とＴａ2Ｏ5との組み合わせはエレクトロクロミック素子では一般的な組み合わせの一つである。
【０１２５】
ＷＯ3とＴａ2Ｏ5との間でイオン移動を伴う酸化還元反応によって、ＷＯ3の電子構造が大きく変化する。よって、光減衰フィルタ１６の状態を、透明状態と着色状態との間で、印加する電圧に応じて段階的に制御できる。ここで活物質層３３の着色の原理を、ＷＯ3を例に説明する。ＷＯ3はイオン性の高い酸化物であり、ＷＯ3のＷは価電子をＯに奪われたＷ6+に近い状態で存在する。この状態では、ＷＯ3は約３．８ｅＶ程度のバンドギャップが存在する透明材料である。ここに水素又はアルカリ金属などが存在すると、当該水素又はアルカリ金属がＷとＯの間に入り込み、当該水素又はアルカリ金属が自身の電子をＷ側に与える還元反応を引き起こす。この還元電子がＷのｄ電子準位を占有することが、光吸収に大きく寄与する。
【０１２６】
図８に水素導入前後におけるＷＯ3の光透過スペクトルを示す。ＨｘＷＯ3は水素原子が化学量論比として不定比でＷＯ3に導入された状態である。図８に示すように、水素がない状態では、ＷＯ3は可視光領域において透明度が非常に高いことがわかる。一方、水素を導入したＨｘＷＯ3では、緑から赤にかけて強い光吸収が観測される。また、比較的光吸収が小さい青色領域においても、透過率が４０％程度も低下している。もともと青色は視感度も低い色であることから、ＨｘＷＯ3は、十分な可視光線の光減衰フィルタとして機能する。
【０１２７】
また、活物質層３３は、アモルファス膜の方が望ましい。ＷＯ3は結晶の場合、水素などのイオンが入るサイトが少なくなると同時に、イオン移動速度が遅くなることがわかっている。一方で、アモルファスはイオンが入るサイト数が多く、かつ、イオン伝導速度も結晶に比べて速いため、光減衰フィルタのＯＮ／ＯＦＦの切り替えが必要な本発明に適している。さらにアモルファスＷＯ3は４００℃以下の低温で成膜が可能であることから、アルミ配線などの低融点材料が共存しても成膜が可能であり、シリコンプロセスとの親和性も非常に高い。
【０１２８】
なお、Ｗと同属のＭｏの酸化物であるＭｏＯ3、又は、イオン性が強いＩｒの酸化物であるＩｒＯ2においても同様の動作原理によって透明状態と着色状態の間でエレクトロクロミック現象が生じる。このように、イオン移動によって光透過率が変化する透明酸化物材料のなかでも、ＷＯ3、ＭｏＯ3、ＩｒＯ2は応答性、及び製造の簡便性などから優れている。
【０１２９】
次に、固体電解質層３４について説明する。本実施形態ではＨ+イオンを伝導イオンとして用いており、固体電解質層３４と活物質層３３との間でＨ+イオンを出し入れするために、Ｈ+イオンの貯蔵とＨ+イオンの移動とが容易である透明材料が求められる。また、伝導イオンは固体電解質層３４及び活物質層３３内の電界によって駆動されるため、固体電解質層３４には絶縁性が求められる。ここで、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＨｆＯ2は絶縁性に優れた透明酸化物誘電体であるとともに、Ｈ+イオンを含有する。よって、これらの材料は活物質層３３へのイオンの供給が可能である。
【０１３０】
ここで、Ｈ+イオンはイオン半径が最も小さいイオンであるため、イオンの拡散速度が速い。よって、Ｈ+イオンを用いることによって、高速な切り替え動作が可能な光減衰フィルタ１６を実現できる。このようにＨ+イオンの伝導を用いることが、本実施形態において好適である。
【０１３１】
次に、本実施形態に係るＷＯ3及びＴａ2Ｏ5を用いた光減衰フィルタ１６を搭載した固体撮像装置１０１の製造方法の一例を説明する。
【０１３２】
本発明の実施形態に係る固体撮像装置１０１は、一組の活物質層３３と固体電解質層３４と戸を含むエレクトロクロミック素子を、最上層の配線の上部に層間膜を隔てて設けた構造である。以下、最上層配線以降の製造プロセスの詳細について説明する。図９は、本実施形態に係る固体撮像装置１０１の断面図である。図１０Ａ〜図１０Ｇは、本実施形態に係る固体撮像装置１０１の最上層配線より上部の製造過程における断面図である。
【０１３３】
半導体基板２０にイオン注入によって拡散領域５２が形成されている。また、半導体基板２０上に白色画素１Ｗの撮像領域５１と周辺回路領域５０とが形成されている。トランジスタ２２は素子分離部５３によって電気的に分離されている。
【０１３４】
トランジスタ２２の形成後、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）などの絶縁体の層間膜２４ａを成膜し、成膜した層間膜２４ａをＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）又はエッチバックによって平坦化する。その後、ドライエッチングによって層間膜２４ａにコンタクトホールを形成し、メタルＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、形成したコンタクトホール内に金属プラグ５５ａを形成する。金属プラグ５５ａが表面に露出した状態でアルミをスパッタなどで成膜した後、ドライエッチングで成膜したアルミをパターニングすることで金属配線２３ａを形成する。
【０１３５】
このようなプロセスを繰り返すことで多層配線構造を形成できる。本実施形態に係る固体撮像装置１０１は２層配線であるため、１層目の金属配線２３ａの上部に絶縁性の層間膜２４ｂを形成したうえで当該層間膜２４ｂを平坦化し、次に、金属プラグ５５ｂを形成し、次に、２層目の金属配線２３ｂを形成する。
【０１３６】
次に、光減衰フィルタ１６の形成工程に移る。
【０１３７】
図１０Ａに示すように層間膜２５をＢＰＳＧで形成し、形成した層間膜２５を、ＣＭＰを用いて平坦化する。
【０１３８】
次に、図１０Ｂに示すように、金属プラグ５５ｃを形成する。ここで金属プラグ５５ｃが表面に露出した状態にする。この状態で光減衰フィルタ１６の下部の透明電極３２ｂ、固体電解質層３４、及び活物質層３３を積層成膜する（図１０Ｃを参照）。このとき透明電極３２ｂは金属プラグ５５ｃに電気的に接続される。
【０１３９】
また、光減衰フィルタ１６は基本的に光を透過させる必要があるため、下部の透明電極３２ｂ及び上部の透明電極３２ａは可視光に対して透明なＩＴＯ）（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を用いる。また、透明電極３２ａ及び３２ｂの膜厚は、例えば、２００ｎｍである。
【０１４０】
なお、本実施形態では、２層アルミ配線の上部に光減衰フィルタ１６を設けたが、画素構造においては特にこれに限る必要は無く、１層目アルミ配線と２層目アルミ配線との層間に光減衰フィルタ１６を設けてもよい。
【０１４１】
次に、図１０Ｄに示すようにドライエッチングによって素子分離のためのパターニングを行う。
【０１４２】
次に、ＢＰＳＧ又はＦＳＧ（ＳｉＯＦ）のような絶縁性の層間膜６７を堆積させ、堆積した層間膜６７をＣＭＰにより平坦化する。その後、酸化膜ドライエッチングによって金属プラグ５５ｄ用のビアホールを形成する。次に、メタルＣＶＤによって金属膜６８を成膜する（図１０Ｅ参照）。
【０１４３】
その後、図１０Ｆに示すようにＣＭＰによって活物質層３３であるＷＯ3が露出すまで金属膜６８及び層間膜６７を研磨し、その後、上部の透明電極３２ａを形成してパターニングを行う。このとき、透明電極３２ａが金属プラグ５５ｄと電気的に接続されるようにする。その後、平坦化膜２７を形成し、次に、マイクロレンズ２８（図示せず）を形成する。
【０１４４】
次に透明電極３２ａ及び３２ｂと、固体電解質層３４と、活物質層３３との成膜方法について説明する。
【０１４５】
ＩＴＯ電極（透明電極３２ａ及び３２ｂ）はパルスレーザ成膜法（ＰＬＤ法）を用いて作製する。ＰＬＤ法では、パルスレーザを所望の材料に集光照射する。これにより、材料表面が瞬間的、及び局所的に高温化することで材料原子が蒸発する。蒸発した材料原子は、別の場所においた基板上に再付着する。このように、成膜が行われる。ＰＬＤ法では、レーザ蒸発のターゲットに酸化物を使用し、かつ成膜雰囲気を酸素にすることで、均一性の高い酸化物成膜が可能となる。
【０１４６】
本実施形態に用いたＩＴＯ電極はＩＴＯターゲットに、エキシマレーザであるＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）を照射し、配線上にＩＴＯを成膜した。なお、成膜温度はアルミ配線が溶解しない温度である３００℃で行った。
【０１４７】
なお、本実施形態ではＰＬＤ法を用いたが反応性スパッタ成膜法又は加熱蒸着法を用いてもよい。また、膜厚に関しては薄すぎると抵抗が増加してしまうため５０ｎｍ以上が望ましい。一方、画素上に光減衰フィルタを作製することから、全体の膜厚が厚すぎるとマイクロレンズ２８からフォトダイオード１１までの距離がマイクロレンズ２８の焦点距離よりも長くなってしまう。これにより集光度が下がってしまう。つまり、本実施形態ではＩＴＯの膜厚は２００ｎｍとしたが、膜厚はできるだけ薄いほうが望ましい。
【０１４８】
また、本実施形態では活物質層３３と固体電解質層３４とはそれぞれＷＯ3とＴａ2Ｏ5とを用いており、それぞれ膜厚は３００ｎｍと２００ｎｍである。
【０１４９】
まず、透明電極３２ｂ上に酸素雰囲気中において成膜温度４００℃でＴａ2Ｏ5を成膜する。なお、４００℃よりも高い温度ではアルミ配線が溶解する恐れがあるため、アルミ配線以降の工程では４００℃以下のプロセスでなければならない。しかし、低温での酸化物成膜は酸化が十分に進行しない。これにより、酸素の供給不足によって低密度で酸素欠損が大量に含まれてしまう。これが、絶縁性の低下及び透過率の低下の原因となる。よって、できる限り高温で成膜することが望ましく、本実施形態では、４００℃で成膜を実施した。
【０１５０】
次に、その状態で４００℃の水素アニールを１分間行うことでＴａ2Ｏ5中に水素を導入する。長時間の水素アニールはＴａ2Ｏ5を還元してしまう。これは、リーク電流の増加及び透明性の減少に繋がるだけでなく、ＩＴＯ透明電極の導電率の低下の原因となる。よって過剰な水素が導入されないように最表面のＴａ2Ｏ5膜に低濃度の水素ドーピングをするためには、水素アニールの時間と流量とを制御する必要がある。水素アニールの場合、ＷＯ3が水素原子を取り込むのに４００℃程度の温度が必要になるが、希塩酸に１０秒から６０秒程度浸すことで水素を導入することもできる。
【０１５１】
次に、再びＰＬＤ法により成膜温度２００℃でＴａ2Ｏ5上にＷＯ3を成膜する。水素導入を施したＴａ2Ｏ5から水素の脱離を防ぐため、ＷＯ3の成膜は３００℃以下が望ましく、本実施形態では２００℃でＷＯ3を成膜した。
【０１５２】
なお、本実施形態では、活物質層３３と固体電解質層３４とにそれぞれＷＯ3とＴａ2Ｏ5とを用いたが、これに限るものではなく、イオン移動によって透過スペクトルが変化する材料であればよい。例えば、活物質層３３は、ＭｏＯ3又はＩｒＯ2などでもよい。また固体電解質層３４は、水素を含有し、イオン伝導が可能な透明絶縁体であればよい。例えば、固体電解質層３４は、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5、ＳｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、ＨｆＯ2のうちのいずれかでもよい。特に、ＺｒＯ2、Ｃｒ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ5はイオン伝導性も優れているため有効な材料である。
【０１５３】
また、本実施形態では固体電解質層３４の上に活物質層３３を積層させたが、活物質層３３の上に固体電解質層３４を積層する構造でもかまわない。
【０１５４】
また、本実施形態ではＷＯ3を２００ｎｍ、Ｔａ2Ｏ5を３００ｎｍとしたが、これ以外であってもよい。
【０１５５】
なお、活物質層３３及び固体電解質層３４の膜厚は、光の透過率、駆動速度、及び再現性の観点から非常に重要なパラメータである。膜厚が薄すぎると着色しても光が透過してしまい、光を十分に減衰させることができない。一方、膜厚が厚すぎるとデバイスの層構造全体の膜厚が厚くなるため、マイクロレンズ２８の焦点距離よりも全体の膜厚が大きくなり、フォトダイオード１１への集光効率が低下してしまう。さらに、膜圧が厚いと水素などのイオンが活物質層３３の奥深くに侵入してしまう。これにより、逆電圧を印加することによって全てのイオンを放出させることで活物質を透明化するのに長時間を要する。そのため光減衰フィルタ１６の動作速度が低減してしまう。しかも、繰り返しの動作によって活物質層３３側に徐々に水素が残留することにより、透過率変調の再現性が徐々に失われてしまう。よって、高濃度水素（などの伝導イオン）を活物質層３３と固体電解質層３４との界面近傍で効率よくやり取りすることが動作速度、再現性、及び透過率の変調に対して重要となる。
【０１５６】
これに対して、本実施形態では、活物質層３３の膜厚は２００ｎｍとすることで、繰り返し動作の再現性を確保している。なお、１００ｎｍ以下にすると着色時においても透過率が８０％以上になり、光減衰フィルタとしての機能を果たすには不十分である。また、１０００ｎｍ以上とすると、活物質層３３から固体電解質層３４へのイオン伝導の際に、活物質層３３側に水素が残留し透明性を確保することが困難である。よって、活物質層３３は１００ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下が望ましい。また、固体電解質層３４には、活物質層３３に挿入する十分な水素を含有でき、かつ活物質層３３から効率よく水素を取り込むことができる体積が必要となる。よって、固体電解質層３４の膜厚は活物質層３３よりも厚い方が望ましい。
【０１５７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る固体撮像装置は、固体電解質層３４と活物質層３３との間にＳｉＯ2、ＳｉＮ、及びＳｉＮのいずれか１つで構成される層を挿入した構造である点が第１の実施形態とは異なる。
【０１５８】
光減衰フィルタ１６は、固体電解質層３４を用いたエレクトロクロミック素子であるため、基本的に１対の透明電極３２ａ及び３２ｂと、絶縁体の固体電解質層３４と、酸化還元反応が行われる活物質層３３とが必要である。第１の実施形態に記載したが、活物質層３３の電子移動はイオン移動に伴うものであるため、固体電解質層３４は絶縁体でなければならない。これは、活物質層３３が還元反応によって電子構造が変化し導電性をもつようになるため、固体電解質層３４側にリーク電流があるとキャパシタ構造でありながら、単なる抵抗になってしまい酸化還元反応を生じさせることができないからである。
【０１５９】
しかし、典型的な固体電解質層３４の材料であるＴａ2Ｏ5又はＶ2Ｏ5などの遷移金属酸化物は酸素欠損がリーク源になりやすい。また、素子の面積が大きくなればなるほど、これらのリークによって電力損失が生じることにより、十分なイオン移動を起こすことができなくなる。また、リーク電流によるジュール熱によって、欠陥が増殖しさらにリークが増加するといった信頼性に対する課題を抱えている。
【０１６０】
そこで、第２の実施形態では、キャパシタ構造の絶縁性を確保するために固体電解質層３４と活物質層３３との層間に絶縁性でありイオンのみを通す薄膜を挿入する。
【０１６１】
図１１Ａ及び図１１Ｂに、本実施形態に係る光減衰フィルタ１６Ａの断面図を示す。
【０１６２】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、光減衰フィルタ１６Ａは、光減衰フィルタ１６の構成に加え、さらに、絶縁性層間膜４４を備える。
【０１６３】
絶縁性層間膜４４は、固体電解質層３４と活物質層３３との間に積層されている。本実施形態では、絶縁性層間膜４４に厚さ５ｎｍのＳｉＯ2膜を用いた。また、ＳｉＯ2膜はプラズマＣＶＤで成膜した。なお、ＳｉＯ2膜の生成に反応性スパッタ法又はＰＬＤ法を用いてもかまわない。
【０１６４】
ＳｉＯ2は絶縁性に優れており、水素及びＬｉなどのイオン移動にも適している。一方で、ＳｉＯ2膜が厚すぎると電圧降下によって活物質層３３に十分な電圧が印加されなくなるため、できる限り薄い方がよい。例えば、絶縁性層間膜４４の厚さは１ｎｍから１０ｎｍ程度が望ましい。
【０１６５】
この構成にすることで、遷移金属酸化物から成る固体電解質層３４にリーク源が存在しても、絶縁性を保つことが可能となるため、光減衰フィルタ１６の歩留まりを向上させると同時に信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【０１６６】
なお、絶縁性層間膜４４は、ＳｉＯＮ膜、又はＳｉＮ膜であってもよい。
【０１６７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、固体電解質層３４が、Ｌｉ、Ｎａ、Ａｇのいずれか１つを含むジルコニア、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブ、ハフニウムの酸化物の一つによって構成される点が第１の実施形態と異なる。
【０１６８】
例えば、本実施形態では固体電解質層３４は、ＬｉＶ2Ｏ5で構成される。第１の実施形態に記載の光減衰フィルタのエレクトロクロミック素子のおけるイオン伝導媒体は水素イオンであるが、デバイスの信頼性の観点から必ずしも水素である必要は無い。活物質層３３が透過率を変化させる原理は、活物質層３３にイオンが挿入されるのと同時に電子も注入され、これにより中心金属イオンの原子価が減少する還元反応が起こるためである。よって、挿入するイオンは固体中をイオン移動ができるものであれば何でもよい。ただし、固体の中を拡散する元素であり、その制御性に優れたものが要求されることから、イオン伝導媒体としては、原子半径及びイオン半径の最も小さい水素が最も適しているといえる。
【０１６９】
しかし、一方でデバイス動作においては、動作環境による信頼性への影響、及びプロセスの歩留まりなどの観点から必ずしも水素が最適なわけではない。例えば、水素を用いた場合、高温動作による脱気などが起こりえる。
【０１７０】
第３の実施形態では、イオンとしてＬｉ+を用いる。Ｌｉはイオン半径もＨと並んで小さく、そのイオン化ポテンシャルも非常に小さいため、容易に酸化還元反応を引き起こす。また、第１の実施形態において、水素の導入方法として水素アニール又は酸による液浸について説明したが、いずれも水素の導入量を定量的に制御するのは困難な一面を持っている。Ｌｉであれば、成膜装置の固体材料源として取り扱いが可能となるため、定量的なＬｉ導入が可能となる。Ｌｉの導入量は化学組成として不定比でもかまわないが、Ｌｉを成膜装置の固体材料源として用いるため、化学式としてＬｉＶ2Ｏ5と表記されるものを使用する。
【０１７１】
なお、本実施形態ではＬｉを用いたが、イオン化ポテンシャルが小さい元素であれば、酸化還元を引き起こし易いためアルカリ金属でもかまわない。ただし、イオンの拡散のためにはイオン半径が小さくなくてならず、Ｌｉ又はＮａが好適である。
【０１７２】
一方、多価イオンの場合はイオン自身が持つ静電ポテンシャルが大きくなり、イオン移動のための活性化エネルギーが非常に大きくなる。このため、電界によるイオン移動が困難となるため、原子価は１の方が望ましい。例えばＡｇを含有したＡｇＶ2Ｏ5などを用いてもかまわない。また、Ｌｉ又はＡｇを含有し安定に存在できる固体電解質層３４の材料が求められ、ジルコニア、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブ、ハフニウムの酸化物が適している。
【０１７３】
これらの構成により、金属イオンをイオン伝導媒体に用いることで、定量的に組成制御した固体電解質の成膜が可能となる。これにより、高い均一性を有する光減衰フィルタを作製できることから、高歩留まりで高い信頼性の固体撮像装置を提供できる。
【０１７４】
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る固体撮像装置は、色信号画素としてＲ、Ｇ、Ｂ画素の代わりに補色系を用いている点が第１の実施形態とは異なる。
【０１７５】
補色系はシアン（Ｃｙ）、マゼンダ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）の３色であり、ともにＲＧＢの各色成分よりも波長領域が広域である。そのため、原色系よりも補色系を用いる方が高感度となる。
【０１７６】
図１２は、第４の実施形態に係る画素ブロック８０Ａの構成を示す図である。図１２に示すように画素ブロック８０Ａの各々は、２行２列に配置された４個の画素を含む。具体的には、画素ブロック８０Ａの各々は、シアンの光をシアンの色信号に変換するシアン画素（Ｃｙ画素）と、マゼンダの光をマゼンダの色信号に変換するマゼンダ画素（Ｍｇ画素）と、イエローの光をイエローの色信号に変換するイエロー画素（Ｙｅ画素）と、ＷND画素とを含む。また、ＷND画素とＹｅ画素とは画素ブロック８０内において対角に配置されている。
【０１７７】
白色画素による高感度化の課題は画素ブロック内に感度がまったく異なる画素が共存することにあり、色検出画素とＷ画素の感度差（飽和速度差）が問題であった。補色系は原色系に比べて高感度であり、色信号画素の感度と白色画素の感度とがより近くなるため、画素ブロック全体の感度が最も高い構成となる。よって、高ダイナミックレンジで超高感度な撮像が可能となる。
【０１７８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置は、画素ブロック内に２つの白色画素を有する点が第１の実施形態とは異なる。また、一方の白色画素は光減衰フィルタによって感度が可変である。これにより、撮像面照度に合わせて光減衰フィルタの透過率を制御して感度可変画素を低感度化できる。よって、２つの白色画素の輝度信号の合計を用いる、又はどちらか一方を選択して用いることで高感度化及び広ダイナミックレンジ化を実現できる。
【０１７９】
以下、図面を参照としながら、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置を説明する。図１３は、第５の実施形態に係る画素ブロック８０Ｂを示す図である。
【０１８０】
図１３に示すように、画素ブロック８０Ｂの各々は、２行２列に配置された４個の画素を含む。具体的には、画素ブロック８０の各々は、特定の色の光のみを検出する２個の色信号画素と、全可視光線領域の光を検出する２個の白色画素とを含む。つまり、４個の画素のうち２個の画素を白色画素に置き換えた構成である。
【０１８１】
また、２個の色信号画素は、Ｒ画素と、Ｂ画素とである。また、２個の白色画素は、光減衰フィルタ１６を搭載した感度可変のＷND画素と、光減衰フィルタ１６が搭載されていない感度変更不可のＷ画素とである。
【０１８２】
このように白色画素を二つも用いることで、通常はカラーフィルタによって捨てられてしまう波長領域の光もフォトダイオード１１で光電変換される。これにより、高感度化を実現することが可能となる。
【０１８３】
信号処理部２０３は、Ｗ画素から輝度信号Ｗを取得し、ＷND画素から輝度信号ＷNDを取得する。このとき、ＷND画素は、フォトダイオード１１の上部に設置した光減衰フィルタ１６によってＷ画素よりも低感度にできる。本実施形態に係る光減衰フィルタ１６は第１の実施形態に記載したエレクトロクロミック素子を用いているが、第１から第３の実施形態に記載のいずれかの構成であればよい。
【０１８４】
また、本実施形態では、Ｗ画素とＷND画素は画素ブロック８０Ｂ内において対角になるように配置されている。画像解像度は輝度信号の空間周波数によって決まる。よって、輝度信号を得るＷ画素とＷND画素とを対角に配置することで、縦横ともに１行１列ずつ輝度信号を検出する画素が配置される。これにより、解像度を低下させることなく高感度化を実現できる。
【０１８５】
また、本実施形態では２つの色信号画素を赤色画素と青色画素とにした。このように、視感度の最も高い緑色信号を輝度信号Ｗ及びＷNDに置き換えることで、ベイヤー配列に対して色差信号の誤差が最も小さくなる。これにより、色Ｓ／Ｎ比を低下させることなく高感度が達成できる。
【０１８６】
また、ＹＣｂＣｒ色差空間は、一つの輝度信号Ｙと二つの色信号Ｃｂ、Ｃｒで表現される色空間である。ここで、ＣｂはＹ−Ｂであり、ＣｒはＹ−Ｒに特定の係数を掛けたものであり、輝度信号Ｗ＋ＷNDを用いて直接Ｙ−Ｂ及びＹ−Ｒを算出できる。通常、ベイヤー配列における輝度信号ＹはＹ＝０．２９９×Ｒ＋０．５８７×Ｇ＋０．１１４×Ｂである。つまり、輝度信号Ｙの６０％近くが緑色信号から成る。よって、緑色画素をＷ画素に置き換え、Ｙ≒Ｗ又はＹ≒ＷND又はＹ≒Ｗ＋ＷNDとすることでＳ／Ｎ比の低下を抑えて直接色差信号を作り出すことができる。
【０１８７】
図１４は、本実施形態に係る画素ブロック８０Ｂに含まれる各画素の、ある一定の照度下における蓄積電荷Ｑと蓄積時間ｔとの関係を示す図である。このグラフにおける傾きＱ／ｔが画素感度となる。本実施形態では、Ｗ画素の感度係数が最も大きい。一方、図１４に示すように、感度可変のＷND画素は光減衰フィルタ１６によって、最大でＷ画素の感度係数程度まで、感度係数を変化させることができる。また、ＷND画素の最小の感度係数は、光減衰フィルタ１６の透過率を制御することにより色信号画素（Ｒ画素、Ｂ画素）の感度よりも大きくなるようにしている。
【０１８８】
この構成であれば輝度信号が飽和しない領域では色信号は飽和しないことがわかる。
【０１８９】
以下、感度可変のＷND画素の導入によって高感度化と広ダイナミックレンジ化とが両立できる原理について詳細に説明する。
【０１９０】
図１４に示すようにＷ画素は速く飽和電荷量に達してしまう。このとき、色信号画素の信号レベルは低いままであるため、Ｓ／Ｎ比の低下の原因となる。ここで、輝度信号ＹをＹ∝Ｗ＋ＷNDとすると、実質上ＷND画素の飽和レベルが輝度信号Ｙの飽和レベルとなる。よって、ＷND画素を低感度化することにより、蓄積時間を長く取ることが可能となる。
【０１９１】
図１５は、ＷND画素の感度をＷ画素の感度に比べて小さくした場合の蓄積電荷と露光時間との関係を示す図である。
【０１９２】
図１５に示すようにＹ∝Ｗ＋ＷNDであれば、画素ブロックの飽和時間をＷNDで規定できる。このように、Ｙの蓄積時間を長くすると、色信号画素の蓄積電荷量も多くなり、画素ブロック全体のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。よって信号処理部２０３ではＷ＋ＷNDを用いた輝度信号の算出を行う必要がある。
【０１９３】
次に、輝度信号に含まれる色信号成分の比率を算出することで、赤色信号及び青色信号に対しても白色画素から得られた信号強度を用いてＳ／Ｎ比を向上させることができる。ＷND画素は透過率α分だけ感度が低下しているため、ＷND／αとすることでＷと同一の感度係数となる。このとき、各色の白色画素に含まれる比率は次のようになる。
【０１９４】
赤色比率Ｒｒ＝Ｒ／（ＷND／α）
青色比率Ｂｒ＝Ｂ／（ＷND／α）
緑色比率Ｇｒ＝｛（ＷND／α）−Ｒ−Ｂ｝／（ＷND／α）
【０１９５】
画素ブロック全体の輝度信号ＹをＷ＋ＷNDで構成したとすると全体の色強度は以下のように置き直すことができる。
【０１９６】
赤色強度Ｒｉ＝（Ｗ＋ＷND）×赤色比率
青色強度Ｂｉ＝（Ｗ＋ＷND）×青色比率
緑色強度Ｇｉ＝（Ｗ＋ＷND）×緑色比率
【０１９７】
通常のベイヤー配列では、輝度信号ＹはＲ、Ｇ、Ｂの信号強度に視感度係数を掛ける演算で作り出すがためノイズ成分が増加する。一方、第５の実施形態に係る輝度信号はＷ＋ＷNDの生データなので、輝度信号のＳ／Ｎ比はベイヤー配列よりも大きい。このＳ／Ｎ比のよい輝度信号を用いて色強度を算出することから、各色強度のＳ／Ｎ比も向上する。しかし、緑色に関してはＧｒを算出する際に減算処理が入るため、ベイヤー配列に比べるとＳ／Ｎ比が低下する。また、色差信号はこの演算で得られたＲｉとＢｉとを用いても作り出すことができる。また、輝度信号においても、Ｗ＋ＷNDではなく、Ｙ＝０．２９９×Ｒｉ＋０．５８７×Ｇｉ＋０．１１４×Ｂｉとして再作成してもかまわない。
【０１９８】
（第６の実施形態）
上述した第５の実施形態の構成では、画素ブロック８０Ｂに感度の異なるＷ画素とＷND画素とが含まれているため、撮像面の照度に合わせてＷ信号とＷND信号のどちらか一方を輝度信号として選択することで広ダイナミックレンジを実現できる。具体的には、一つの撮像面に輝度の高い被写体と輝度の低い被写体が共存した場合、輝度の低い被写体では高感度のＷ信号を輝度信号として用い、輝度の高い被写体は光減衰フィルタによって低感度化したＷNDを用いることで同一画角内でのダイナミックレンジを拡大できる。
【０１９９】
このときの信号処理フローを、図１６を用いて説明する。
【０２００】
まず、信号処理部２０３は、画素ブロック８０ＢごとにＷ画素の輝度信号測定を行い、Ｗ画素の感度係数からＷ信号が飽和するかどうかを判定する（Ｓ１０１〜Ｓ１０４）。これは図６Ｂで示すＱ１／ｔ１を測定し感度係数を算出することである。
【０２０１】
感度係数から必要露光時間ｔ２でＷ画素が飽和する、又は飽和レベルに近いと判定した場合（Ｓ１０４でＹｅｓ）、信号処理部２０３は、光減衰フィルタ１６の光透過率を減少させてＷND画素の感度係数を低減させる（Ｓ１０５）。このとき、露光時間ｔ２でＷND画素が飽和しない程度にまで透過率を減少させることが必要である。
【０２０２】
この状態において、信号処理部２０３は、輝度信号として低感度なＷND信号を選択する（Ｓ２０１）。
【０２０３】
逆に、照度は低く輝度信号が小さい場合（Ｓ１０４でＮｏ）、信号処理部２０３は、光減衰フィルタ１６をＯＦＦにして高感度なＷ信号を選択する（Ｓ２０２）。
【０２０４】
そして信号処理部２０３は、全ての画素ブロック８０Ｂに対して、上記ステップＳ１０３以降の処理を繰り返した後（Ｓ１０６でＹｅｓ）、必要露光時間ｔ２で撮像を行う（Ｓ１０６）。そして、信号処理部２０３は、画素ブロック８０Ｂごとに、選択した信号（Ｗ信号又はＷND信号）を輝度信号として用いて、信号処理を行う。
【０２０５】
このように、本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置１０１は、画素ブロック８０Ｂごとに選択した白色画素の信号を輝度信号として画像構成を行うことで広いダイナミックレンジを実現できる。なお、必要露光時間ｔ２とは感度が最も低いＲ画素又はＢ画素のＳ／Ｎ比が十分取れる時間を意味しており、撮像装置の使用者が任意で決めることもできる。
【０２０６】
（第７の実施形態）
第７の実施形態に係る固体撮像装置は、全ての画素ブロックに含まれる光減衰フィルタ１６のＯＮとＯＦＦとを一括で行う点が、第１、及び第５、第６の実施形態と異なる。
【０２０７】
画素ブロックごとに飽和判定を行ったうえで光減衰フィルタ１６を駆動させることは、画角内のダイナミックレンジを広くできる反面、全ての画素ブロックを独立に駆動させる必要があるため、駆動系回路が複雑となりタイミング発生も複雑となる。そこで、本実施形態では、各画素ブロック上の光減衰フィルタ１６を独立に制御することなくＯＮとＯＦＦとの２値を一括で制御する。
【０２０８】
図１７は、第７の実施形態に係る信号処理のフローチャートである。
【０２０９】
まず、信号処理部２０３は、各画素ブロック８０ＢのＷ信号を測定する（Ｓ１０１〜Ｓ１０２）。次に、信号処理部２０３は、画素アレイ２内に含まれる複数の画素ブロック８０Ｂに、Ｗ信号が飽和する少なくとも一つの画素ブロック８０Ｂが存在するか否かを判定する（Ｓ３０１）。
【０２１０】
飽和する画素ブロック８０Ｂが無い場合（Ｓ３０１でＮｏ）、信号処理部２０３は、全ての画素ブロック８０Ｂに対してＷ信号を輝度信号として選択するとともに（Ｓ３０５）、全ての光減衰フィルタ１６をＯＦＦの状態のまま、撮像露光を行う（Ｓ１０７）。
【０２１１】
一方、飽和する画素ブロック８０Ｂが存在する場合（Ｓ３０１でＹｅｓ）、信号処理部２０３は、全ての光減衰フィルタ１６をＯＮにすることにより透過率を減少させる（Ｓ３０２）。このとき、画素ブロック８０Ｂごとに透過率を独立で制御するのではなく、画素アレイ２内の全ての光減衰フィルタ１６の透過率が同程度の透過率になるように制御する。
【０２１２】
次に、信号処理部２０３は、飽和する画素ブロック８０Ｂでは透過率を減少させたＷND信号を輝度信号として選択する（Ｓ３０３）。他方、信号処理部２０３は、飽和しない画素ブロック８０Ｂに関してはＷ信号を輝度信号として選択する（Ｓ３０４）。次に、信号処理部２０３は、この状態で撮像露光を行う（Ｓ１０７）。
【０２１３】
これにより、本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置１０１は、同じ画角内において異なる感度を有する輝度信号を用いることができることから、広ダイナミックレンジを実現できる。
【０２１４】
本実施形態に係る固体撮像装置により出力される画像の一例を図１８Ａ及び図１８Ｂに示す。図１８Ａは、光減衰フィルタ１６をＯＦＦにした状態で撮像し、Ｗ画素を輝度信号として選択した場合の画像を示す。このとき、輝度信号が飽和し白くつぶれている領域が存在する。
【０２１５】
図１８Ｂは、光減衰フィルタ１６を一括でＯＮ状態にして撮像した画像を示す図である。図１８Ｂに示すように、図１８Ａでは輝度信号が飽和している領域に対しては、低感度のＷND信号を輝度信号として用いているため、輝度信号が飽和することなく白つぶれがなくなり明暗諧調が表現できている。一方、低輝度の領域はＷ信号を輝度信号として用いているため、図１８Ａと同一の諧調が表現できている。このように飽和判定によって光減衰フィルタ１６のＯＮとＯＦＦを制御することで、広いダイナミックレンジで高感度な画像を得ることができる。
【０２１６】
（第８の実施形態）
第８の実施形態では、２行２列の画素ブロックに含まれる２個の白色画素の全てに光減衰フィルタが搭載されている点が第１及び第５から第７の実施形態と異なる。
【０２１７】
先述したように高照度下においては、白色画素の早い飽和速度が画質の劣化の原因となる。これに対して、本実施形態では、２つの白色画素の両方に光減衰フィルタを設けて感度を制御することで広いダイナミックレンジと高感度化を実現する。
【０２１８】
図１９は、第８の実施形態に係る画素ブロック８０Ｃ内の色配置を示す図である。図１９に示すように、画素ブロック８０Ｃは、Ｒ画素と、Ｂ画素と、光減衰フィルタ１６を設けた感度可変の白色画素である２個のＷND画素とを含む。また、２個のＷND画素は、対角に配置されている。
【０２１９】
また、本実施形態に係る固体撮像装置１０１は、図６Ａに示す処理と同様に、画素ブロック８０ＣごとにＷND画素の輝度信号を測定し飽和判定を行うことで、光減衰フィルタの透過率を制御する。このとき、同じ画素ブロック８０Ｃ内の２つのＷND画素を同時に駆動する。
【０２２０】
この構成であれば高輝度の被写体及び高照度下の撮像において、輝度信号の飽和時間を長くできる。これにより、高感度で広ダイナミックレンジの撮像を実現することが出きる。
【０２２１】
（第９の実施形態）
図２０は、第９の実施形態に係る画素ブロック８０Ｄ内の色配列を示す図である。
【０２２２】
図２０に示すように、画素ブロック８０Ｄは、Ｒ画素と、Ｇ画素と、光減衰フィルタ１６を設けた感度可変の白色画素であるＷND画素と、光減衰フィルタ１６を設けていない白色画素であるＷ画素とを含む。つまり、第９の実施形態の色配列は、ベイヤー配列の中で青色画素と緑色画素の１つとを白色画素に置きかえた構造である。
【０２２３】
ここで、青色画素は輝度信号の構成において最も視感度が低い色である。そのため、視感度が高い緑色成分ほど色Ｓ／Ｎ比を必要としない。そこで、高い色Ｓ／Ｎ比が必要である緑色画素を残し、視感度の低い青色画素を白色画素に置き換えた構造においても、画質の劣化を抑制して高感度な撮像が可能となる。このとき青色信号は白色画素から緑色及び赤色信号の差分を取る減算処理によって得ることができる。
【０２２４】
青色信号：Ｂ＝（Ｗ２／α）−Ｇ−Ｒ
【０２２５】
先述の通り、減算処理はノイズを大きくすることからＳ／Ｎ比の低下の原因となるが、視感度の低い青色に対して行うことで色再現の劣化を抑制することが可能となる。この構成によって画質の劣化が無く、高感度で広ダイナミックレンジの撮像が可能となる。
【０２２６】
なお、本実施形態では解像度を最大限にするためにＷ画素とＷND画素とを対角に配置したが、Ｗ画素とＧ画素とを対角に配置した構成でもよい。
【０２２７】
（第１０の実施形態）
第１０の実施形態では、補色系において、単位ブロック内に２個の白色画素を配置する例について説明する。
【０２２８】
図２１は、第１０の実施形態に係る画素ブロック８０Ｅ内の色配列を示す図である。
【０２２９】
図２１に示すように、画素ブロック８０Ｅは、２個の補色系の色信号画素（Ｃｙ画素及びＹｅ画素）と、光減衰フィルタ１６を設けた感度可変の白色画素であるＷND画素と、光減衰フィルタ１６を設けていない白色画素であるＷ画素とを含む。
【０２３０】
また、２個の補色系の色信号画素として、シアン（Ｃｙ）、マゼンダ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）のうち、感度の観点から視感度の高い緑成分が含まれるシアンとイエローとを用いることが望ましい。
【０２３１】
補色系は原色系に比べて検出波長領域が広域なため感度が高い。よって、色信号画素の感度と白色画素の感度とがより近くなるため、画素ブロック８０Ｅ全体の感度が最も高くなる。これにより、高ダイナミックレンジで超高感度な撮像が可能となる。
【０２３２】
（第１１の実施形態）
第５から第１０の実施形態までは、ベイヤー配列に含まれる３色のうち、１色を削除して２個の白色画素を設けていた。模式的にはＲＧＢ→ＲＢ＋Ｗ、又はＭｇＣｙＹｅ→ＣｙＹｅ＋Ｗといった形であり、色情報が一つ欠落することによる色再現性の低下が避けられない。
【０２３３】
そこで、第１１の実施形態では、色配置の空間周波数を低下させて３色全てを配置する。これにより、減算処理を用いずに色再現性を確保できる。
【０２３４】
図２２Ａ及び図２２Ｂは、第１１の実施形態に係る画素ブロック８０Ｆを示す図である。
【０２３５】
図２２Ａに示すように画素ブロック８０Ｆは、４行４列の画素を含む。また、画素ブロック８０Ｆは、２行２列に配置された４個のサブブロック８１Ａ及び８１Ｂを含む。
【０２３６】
２種類の２行２列のサブブロック８１Ａ及び８１Ｂが行方向及び列方向に交互に配置されている。つまり、２個のサブブロック８１Ａは、画素ブロック８０Ｆの対角に配置される。また、２個のサブブロック８１Ｂは、画素ブロック８０Ｆの対角に配置される。
【０２３７】
サブブロック８１Ａ及びサブブロック８１Ｂは、それぞれ、２行２列に配置された４個の画素を含む。
【０２３８】
例えば、第１のサブブロック８１Ａは、Ｗ画素と、ＷND画素と、Ｒ画素と、Ｇ画素とを含む。第２のサブブロック８１Ｂは、Ｗ画素と、ＷND画素と、Ｂ画素と、Ｇ画素とを含む。また、サブブロック８１Ａ及び８１Ｂにおいて、Ｗ画素とＷND画素とは互いに対角に配置されている。
【０２３９】
このようにすることで、図２２Ｂに示すように、全ての白色画素（Ｗ画素及びＷND画素）の各々は、３色全ての色信号画素と隣接して配置される。よって、Ｗ画素及びＷND画素の色再現はこれらの白色画素に隣接する色信号の比率で決定できる。つまり、Ｗ信号を構成する色成分は隣接するＲ信号とＢ信号及び２つのＧ信号を用いて表すことが可能となる。
【０２４０】
例えば、色信号の生データをそのまま用いてＷ信号を色成分に分解するとＷ＝Ｒ＋Ｂ＋２×Ｇなる。よって、白色画素に加算処理で色を与えることができるので、色再現を減算処理することなく達成できる。
【０２４１】
なお、ここでは、Ｗ信号の演算に２×Ｇを用いたが、Ｇの平均値を用いてもよい。または、視感度を考慮してＹ＝０．２９９×Ｒ＋０．５８７×Ｇ＋０．１１４×Ｂとしてもよい。
【０２４２】
また、本実施形態ではＲＧＢの三原色を用いたが、ＣｙＭｇＹｅの補色系であってもよい。補色系を用いた場合の色配置を図２３に示す。補色系の場合は検出波長領域が広域なため、さらに高感度が実現できる。
【０２４３】
具体的には図２３に示すように画素ブロック８０Ｇは、４行４列の画素を含む。また、画素ブロック８０Ｇは、２行２列に配置された４個のサブブロック８１Ｃ及び８１Ｄを含む。
【０２４４】
２種類の２行２列のサブブロック８１Ｃ及び８１Ｄが行方向及び列方向に交互に配置されている。
【０２４５】
例えば、第１のサブブロック８１Ｃは、Ｗ画素と、ＷND画素と、Ｃｙ画素と、Ｙｅ画素とを含む。第２のサブブロック８１Ｄは、Ｗ画素と、ＷND画素と、Ｍｇ画素と、Ｙｅ画素とを含む。
【０２４６】
なお、Ｗ画素とＷND画素との配置は逆でもかまわない。
【０２４７】
（第１２の実施形態）
第１２の実施形態では、上述した固体撮像装置１０１を封止ガスが制御されたパッケージ内に設置する例を説明する。
【０２４８】
図２４は、第１２の実施形態に係る半導体装置１５０の断面図である。この半導体装置１５０は、封止ガス１０３によって満たされ、気密封止されたパッケージ１１０と、当該パッケージ１１０内に設置されている固体撮像装置１０１とを備える。パッケージ１１０は、台座１００と、金属ワイヤー１０２と、封止ガラス１０４と、接続ピン１０５とを備える。
【０２４９】
固体撮像装置１０１は、セラミックの台座１００の凹部内に接合されている。金属ワイヤー１０２は、固体撮像装置１０１と台座１００とを電気的に接続する。接続ピン１０５は台座１００に接続されている。また、金属ワイヤー１０２及び台座１００を介して、固体撮像装置１０１と接続ピン１０５とは、電気的に接続されている。
【０２５０】
封止ガラス１０４は、台座１００の凹部を封止する。
【０２５１】
封止ガラス１０４で封止された台座１００の凹部には、封止ガス１０３が封入されている。ここで、封止ガス１０３には希ガス又はＮ2を用いる。希ガスを用いる場合はＡｒが最も低コストで適している。また、固体電解質層３４、活物質層３３、透明電極３２ａ及び３２ｂは全て酸化物から構成されており、過剰な水素は還元反応を引き起こすためできる限り水素の供給源を遠ざける方が信頼性の観点から望ましい。なお、デバイス構造としては保護膜を形成しているものの、雰囲気中に含まれる水分などから供給される水素原子が徐々に酸化物を還元し、エレクトロクロミック特性を低下させる。そこで、Ａｒなどの希ガス又はＮ2ガスのような不活性ガスでパッケージ１１０を封止することによって水素の供給源を絶つ。これにより、安定したデバイス動作を実現できるとともに、高い信頼性を確保することが可能となる。
【０２５２】
以上説明したように、上記実施形態の光減衰フィルタを搭載した固体撮像装置１０１は、被写体の輝度に合わせて撮像領域に到達する光の透過量を制御することがきることから、高照度下での撮像が可能となる。また、これらをベイヤー配列毎に設置することで低輝度と高輝度の被写体とを同時に諧調表現することが可能となる。
【０２５３】
以上、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【０２５４】
また、上記実施の形態に係る固体撮像装置及びカメラに含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。
【０２５５】
また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
【０２５６】
また、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置及びカメラの機能の一部又は全てを、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。
【０２５７】
さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
【０２５８】
また、上記図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
【０２５９】
また、上記各実施の形態に係る固体撮像装置、及びその変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
【０２６０】
また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。
【０２６１】
また、上記のステップが実行される順序は、本発明を具体的に説明するために例示するためのものであり、上記以外の順序であってもよい。また、上記ステップの一部が、他のステップと同時（並列）に実行されてもよい。
【０２６２】
更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２６３】
本発明は、固体撮像装置、半導体装置及びカメラに適用でき、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、及び携帯電話機器等に好適である。
【符号の説明】
【０２６４】
１  単位画素
１Ｃ  色信号画素
１Ｗ  白色画素
２  画素アレイ
３  垂直シフトレジスタ
４  水平シフトレジスタ
６  増幅部
７  ノイズ除去部
１１  フォトダイオード
１２  転送トランジスタ
１３  リセットトランジスタ
１４  増幅トランジスタ
１５  選択トランジスタ
１６、１６Ａ  光減衰フィルタ
１７  フィルタ制御トランジスタ
１８  電圧線
１９  列選択線
２０  半導体基板
２２  トランジスタ
２３、２３ａ、２３ｂ  金属配線
２４、２４ａ、２４ｂ、２５、６７  層間膜
２７  平坦化膜
２８  マイクロレンズ
３２ａ、３２ｂ  透明電極
３３  活物質層
３４  固体電解質層
４４  絶縁性層間膜
５０  周辺回路領域
５１  撮像領域
５２  拡散領域
５３  素子分離部
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ  金属プラグ
６８  金属膜
８０、８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄ、８０Ｅ、８０Ｆ、８０Ｇ  画素ブロック
８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ、８１Ｄ  サブブロック
１００  台座
１０１  固体撮像装置
１０２  金属ワイヤー
１０３  封止ガス
１０４  封止ガラス
１０５  接続ピン
１１０  パッケージ
１５０  半導体装置
２００  レンズ
２０１  固体撮像素子
２０２  駆動回路
２０３  信号処理部
２０４  外部インターフェイス部
２１０  飽和判定部
２１１  透過率制御部
２５０  カメラ
【図１】
2012084814.tif 000003
【図２】
2012084814.tif 000004
【図３】
2012084814.tif 000005
【図４】
2012084814.tif 000006
【図５】
2012084814.tif 000007
【図６Ａ】
2012084814.tif 000008
【図６Ｂ】
2012084814.tif 000009
【図７Ａ】
2012084814.tif 000010
【図７Ｂ】
2012084814.tif 000011
【図８】
2012084814.tif 000012
【図９】
2012084814.tif 000013
【図１０Ａ】
2012084814.tif 000014
【図１０Ｂ】
2012084814.tif 000015
【図１０Ｃ】
2012084814.tif 000016
【図１０Ｄ】
2012084814.tif 000017
【図１０Ｅ】
2012084814.tif 000018
【図１０Ｆ】
2012084814.tif 000019
【図１０Ｇ】
2012084814.tif 000020
【図１１Ａ】
2012084814.tif 000021
【図１１Ｂ】
2012084814.tif 000022
【図１２】
2012084814.tif 000023
【図１３】
2012084814.tif 000024
【図１４】
2012084814.tif 000025
【図１５】
2012084814.tif 000026
【図１６】
2012084814.tif 000027
【図１７】
2012084814.tif 000028
【図１８Ａ】
2012084814.tif 000029
【図１８Ｂ】
2012084814.tif 000030
【図１９】
2012084814.tif 000031
【図２０】
2012084814.tif 000032
【図２１】
2012084814.tif 000033
【図２２Ａ】
2012084814.tif 000034
【図２２Ｂ】
2012084814.tif 000035
【図２３】
2012084814.tif 000036
【図２４】
2012084814.tif 000037
【図２５】
2012084814.tif 000038
【図２６】
2012084814.tif 000039