(57)【要約】      （修正有）【課題】スミアの発生を抑えるとともに、光学感度を向上させることができる撮像素子及び撮像装置を提供する。【解決手段】撮像素子１１及び撮像装置は、半導体基板４１の表面に対して２次元状に配列された複数の光電変換部と、複数の色フィルタ６２Ｇ，６２Ｒ，６２Ｂと、輝度フィルタ６２Ｗとからなり、複数の光電変換部のそれぞれから読み出された信号電荷を転送するように直線状に延設された垂直電荷転送部５２と、垂直電荷転送部５２を覆うように設けられ、光電変換部上に開口する開口部５４，７４を有する遮光膜５３と、を備え、色フィルタ６２Ｇ，６２Ｒ，６２Ｂが配置された画素の遮光膜５３の開口部７４が、輝度フィルタ６２Ｗを有する画素の開口部５４に比べて、隣り合う輝度フィルタ６２Ｗを有する画素の読み出し領域４５ａと該開口部７４の開口縁部との水平方向における距離Ｄ１が小さくなるように形成されている。【選択図】図４
2009004605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像領域に設けられた複数の画素ごとに入射光を光電変換することで信号電荷を生成する撮像素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に対して２次元状に配列された複数の光電変換部と、
入射光をそれぞれ異なる色に分解する複数の色フィルタと、全ての色成分を含む光を透過させる輝度フィルタとからなり、前記複数の色フィルタ及び前記輝度フィルタを前記複数の光電変換部の上方に配置したカラーフィルタ層と、
前記複数の光電変換部のそれぞれから読み出された信号電荷を転送するように直線状に延設された垂直電荷転送部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を前記垂直電荷転送部へ読み出す読み出し領域と、
前記垂直電荷転送部を覆うように設けられ、前記光電変換部上に開口する開口部を有する遮光膜と、を備え、
前記色フィルタが配置された画素の前記遮光膜の前記開口部が、前記輝度フィルタを有する画素の前記開口部に比べて、隣り合う前記輝度フィルタを有する画素の読み出し領域と該開口部の開口縁部との水平方向における距離が小さくなるように形成されていることを特徴とする撮像素子。  
【請求項２】
前記カラーフィルタ層が、赤、緑、青にそれぞれ分解する色フィルタを有し、前記色フィルタと前記輝度フィルタを前記撮像領域の縦方向及び横方向に対して略等間隔に格子状に並べてられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記カラーフィルタ層が、赤、緑、青にそれぞれ分解する色フィルタを有し、前記色フィルタが前記撮像領域の縦方向及び横方向に対して略等間隔に格子状に並べられ、前記輝度フィルタが、前記色フィルタの前記縦方向及び前記横方向の間隔に対して１／２づつずらした位置となるように、格子状に並べられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
上記請求項１から請求項３のいずれか１つの撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子及び撮像装置に関し、特に、スミアの発生を抑えつつ、受光量を増加させることで光学感度を向上する撮像素子及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラのイメージセンサなどに用いられる撮像素子としては、例えば、図６に示すＣＣＤ型の構成のものがある。撮像素子１０１は、シリコン等からなる半導体基板１０２の入射光の照射する側である表面側には、高濃度のｐ型の不純物層からなる電荷蓄積領域１０３ａと、該電荷蓄積領域１０３ａの下層に形成されたｎ型の不純物層からなる光電変換領域１０３ｂとからなる光電変換部１０３が設けられている。光電変換部１０３は受光した入射光に応じて光電変換することで信号電荷を生成する。また、半導体基板１０２の表面側には、光電変換部１０３と素子分離領域１０４を介して設けられた高濃度のｎ型の不純物層１０５ａと該不純物層１０５ａの下層に形成されたウェル領域１０５ｂとが設けられ、不純物層１０５ａとウェル領域１０５ｂが電荷転送領域１０５として機能する。半導体基板１０２の表面における不純物層１０５ａの上部には、垂直転送電極１０６が設けられている。垂直転送電極１０６の上方には、入射光から垂直転送電極を遮光するための遮光膜１０７が設けられ、遮光膜１０７における、光電変換部１０３の上方位置には、入射光を通過させるための開口部１０７ａが形成されている。半導体基板１０２の表面には、透明な絶縁層１１１と、カラーフィルタ層１０８とが積層され、カラーフィルタ層１０８の表面には、光電変換部１０３ごとに形成されたマイクロレンズ１０９が設けられている。従来、このような構成の撮像素子を有するものとしては、例えば、下記特許文献に示すものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１１７００８号公報
【特許文献２】特開平７−５０４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、撮像素子１０１は、開口部１０７ａの開口面積を大きくすることで、光電変換部１０３に照射される入射光の量を増やすことができるが、遮光膜１０７と半導体基板１０２の表面との間から入射光が漏れて、隣り合う画素の電荷転送領域１０５ａに光が照射されることに起因して、スミアが発生しやすくなることが懸念される。このように、スミアによる偽色の発生を抑える必要性から開口面積の大きさには制限があった。スミアによる偽色の発生を抑えるとともに、光学感度と輝度シェーディング（輝度むら）を更に向上させるための改良が求められていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、スミアの発生を抑えるとともに、光学感度を向上させることができる撮像素子及び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】
【０００６】
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）撮像領域に設けられた複数の画素ごとに入射光を光電変換することで信号電荷を生成する撮像素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に対して２次元状に配列された複数の光電変換部と、
入射光をそれぞれ異なる色に分解する複数の色フィルタと、全ての色成分を含む光を透過させる輝度フィルタとからなり、前記複数の色フィルタ及び前記輝度フィルタを前記複数の光電変換部の上方に配置したカラーフィルタ層と、
前記複数の光電変換部のそれぞれから読み出された信号電荷を転送するように直線状に延設された垂直電荷転送部と、
前記光電変換部で生成された信号電荷を前記垂直電荷転送部へ読み出す読み出し領域と、
前記垂直電荷転送部を覆うように設けられ、前記光電変換部上に開口する開口部を有する遮光膜と、を備え、
前記色フィルタが配置された画素の前記遮光膜の前記開口部が、前記輝度フィルタを有する画素の前記開口部に比べて、隣り合う前記輝度フィルタを有する画素の読み出し領域と該開口部の開口縁部との水平方向における距離が小さくなるように形成されていることを特徴とする撮像素子。  
（２）前記カラーフィルタ層が、赤、緑、青にそれぞれ分解する色フィルタを有し、前記色フィルタと前記輝度フィルタを前記撮像領域の縦方向及び横方向に対して略等間隔に格子状に並べてられていることを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（３）前記カラーフィルタ層が、赤、緑、青にそれぞれ分解する色フィルタを有し、前記色フィルタが前記撮像領域の縦方向及び横方向に対して略等間隔に格子状に並べられ、前記輝度フィルタが、前記色フィルタの前記縦方向及び前記横方向の間隔に対して１／２づつずらした位置となるように、格子状に並べられていることを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つの撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
【０００７】
本発明の撮像素子は、入射光から色フィルタによって分解されて光電変換部に受光した、所定の色成分を有する光から色情報を検出し、また、輝度フィルタを透過して光電変換部に受光した光から輝度情報を検出することができる構成である。ここで、光電変換部の上部に設けられた遮光膜の開口部の形状が、色フィルタを有する画素と輝度フィルタを有する画素とで異なる構成である。色フィルタを有する画素の開口部が、輝度フィルタを有する画素の開口部に比べて、該色フィルタと隣り合う輝度フィルタを有する画素の読み出し領域と該開口部の開口縁部との水平方向における距離が小さくすることで、入射光が照射する方向から撮像素子を見た状態で、開口部を輝度フィルタを有する画素側に大きくなるように形成することができる。輝度フィルタを有する画素は、輝度情報を取得するために信号電荷が使用されるため、仮に色フィルタに入射した光の一部が該色フィルタに隣り合う輝度フィルタを有する画素の電荷蓄積領域に照射されたとしても、スミア信号が生成されることがなく、偽色が発生することがない。また、色フィルタを有する画素においては、開口部を大きくすることで、光電変換部で受光する光量を増大させることができるため、光学感度を向上させることができ、また、輝度シェーディングを改善することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スミアの発生を抑えるとともに、光学感度を向上させることができる撮像素子及び撮像装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。この実施形態ではデジタルスチルカメラを例に説明するが、デジタルビデオカメラや携帯電話機等の小型電子機器に搭載されたカメラ等の他の種類のデジタルカメラにも本発明を適用可能である。
【００１０】
図１に示すデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、ＣＣＤ型の撮像素子１１と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルスチルカメラ全体を制御する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。
【００１１】
撮像素子１１は、本実施形態では、赤色（Ｒ）の入射光量に応じた信号を検出する色画素と、緑色（Ｇ）の入射光量に応じた信号を検出する色画素と、青色（Ｂ）の入射光量に応じた信号を検出する色画素の他に、輝度検出信号（Ｗ）を検出する輝度検出画素とが設けられている。なお、撮像素子１１は、ＣＣＤ型でなくＣＭＯＳ型などの他の形式のものでもよい。
【００１２】
また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して、撮像素子１１を詳細は後述するようにして駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。
【００１３】
操作部２１はシャッタボタンを含み、シャッタボタンが半押し状態（スイッチＳ１）になったときにフォーカス調整が為され、シャッタボタンが全押し状態（スイッチＳ２）になると、撮像が行われる。
【００１４】
デジタルスチルカメラの電気制御系は、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Ｒ，Ｇ，Ｂの各色信号及び輝度検出信号Ｙをそれぞれ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。
【００１５】
更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、詳細は後述する信号処理を行う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、測光データを積算してホワイトバランスのゲインを調整させる積算部２８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。
【００１６】
図２は、撮像素子１１の撮像領域における画素配列を簡略的に示した平面図である。図３は、図２の画素配列において矢印I−I方向にみた断面図である。また、図４は、図２の画素配列において矢印II−II方向にみた断面図である。
【００１７】
撮像素子１１は、シリコン等の半導体基板４１を有し、半導体基板４１の、入射光が照射される側の表面には、イオンドーピングなどによって複数の不純物拡散層が形成されている。具体的には、半導体基板４１の表面には、高濃度のｎ型の不純物拡散層からなる電荷蓄積領域４３ａと、該電荷蓄積領域４３ａの下層にｎ型の不純物拡散層からなる光電変換領域４３ｂとが形成されている。電荷蓄積領域４３ａと光電変換領域４３ｂが、受光した入射光を光電変換することで信号電荷を発生する光電変換部として機能する。
【００１８】
半導体基板４１の表面には、電荷蓄積領域４３ａ及び光電変換領域４３ｂと隙間を隔てて（図３では右側）、高濃度のｎ型の不純物拡散層からなる電荷転送領域４２ａと、該電荷転送領域４２ａの下層に高濃度のｐ型の不純物拡散層４２ｂとが形成されている。電荷転送領域４２ａは、駆動時に撮像素子駆動部２０から入力される読み出しパルスに基づいて、左側に位置する画素の光電変換領域４３ｂで発生した信号電荷を読み出す。電荷蓄積領域４３ａ及び光電変換領域４３ｂの右側には、高濃度のｐ型不純物拡散層からなる素子分離領域４４が形成され、該電荷蓄積領域４３ａ及び光電変換領域４３ｂとは素子分離領域４４を介して、電荷蓄積領域４３ａ及び光電変換領域４３ｂと隣り合う画素の光電変換部の信号電荷の読み出しを行うための電荷蓄積領域４５ａ及び光電変換領域４５ｂが同様に設けられている。
【００１９】
半導体基板４１の表面側には、層間絶縁膜５１ｂを介してポリシリコンなどのからなる電荷転送電極５２が設けられている。本実施形態の撮像素子１１では、電荷転送電極５２は、駆動時に光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送部として機能する。
【００２０】
電荷転送電極５２の上に、層間絶縁膜５１ａを解してアルミニウムなどの遮光膜５３が形成されている。遮光膜５３における、電荷蓄積領域４３ａ及び光電変換領域４３ｂの上方には、所定の開口面積を有する開口部５４が形成されている。開口部５４は、遮光膜５３を半導体基板４１の全面に形成した後、フォトリソグラフィ工程によって所定のマスクパターンで露光し、エッチング除去することで形成することができる。
【００２１】
遮光膜５３の上方には、透明な絶縁層５１を積層し、該絶縁層５１の上面にはカラーフィルタ層６１が形成されている。カラーフィルタ層６１は、赤色成分の光を分解するＲの色フィルタと、緑色成分の光を分解するＧの色フィルタと、青色成分の光を分解するＢの色フィルタとを有している。さらに、カラーフィルタ層６１は、全ての色成分を有する光を透過可能な輝度フィルタを有している。
【００２２】
輝度フィルタは、例えば、ＮＤフィルタ、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタなどを使用することができる。本実施形態では、白色フィルタを設けた構成とし、図３に示すように、所定の画素の光電変換部の上方にＷの輝度フィルタ６２Ｗを配置している。また、光電変換部の受光面の上方位置に何も設けずに、入射光が直接受光面に入射する構成とすることができ、本願発明では、このような構成においても、実質的に輝度フィルタを設けたということができる。
【００２３】
カラーフィルタ層６１の表面には、入射光が照射する側に突出した湾曲面を有する上凸型のマイクロレンズ６４が設けられている。
【００２４】
本実施形態の撮像素子１１は、撮像領域の画素配列が、図２に示すように、Ｒの色フィルタを有するＲ画素と、Ｇの色フィルタを有するＧ画素と、Ｂの色フィルタを有するＢ画素と、Ｗの輝度フィルタを有するＷ画素と、撮像領域に対して２次元状に並べられているパターンである。具体的には、図２の縦方向に順に、Ｒ画素、Ｗ画素、Ｂ画素、Ｗ画素、Ｒ画素、・・・、と、Ｗ画素を挟んでＲ画素とＢ画素とが交互に並べられた列と、Ｗ画素、Ｇ画素、Ｗ画素、Ｇ画素、Ｗ画素、・・・、と、Ｗ画素とＧ画素とが交互に並べられた列と、を横方向に交互に配列している。ここで、Ｗ画素の縦方向及び横方向に、Ｗ画素が隣り合わないように設けいられている。
【００２５】
撮像時には、撮像素子１１は、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素によって色情報を取得し、Ｗ画素によって輝度情報を所得する。
【００２６】
本実施形態の撮像素子１１は、配列された画素の列と列との間に、図２中矢印Ｖ方向に沿って垂直電荷転送部が延設されている。垂直電荷転送部それぞれの転送方向端部には、図示しない水平電荷転送部が接続され、水平電荷転送部に沿って転送された信号電荷は、出力アンプより出力される。
【００２７】
図３に示すように、Ｗ画素において、遮光膜５３の開口部５４の水平方向における寸法をＨ０とし、当該Ｗ画素と隣り合うＲ，Ｇ，Ｂフィルタを有する画素の読み出し領域４５ａと該開口部５４の開口縁部との水平方向における距離をＤ０とし、遮光膜５３と光電変換部とが上下に重なり合っている領域の水平方向の距離をＷ０とする。また、色フィルタが配置されたＧ（又は、Ｒ，Ｂでも同じ。）画素において、遮光膜５３の開口部７４の水平方向における寸法をＨ１とし、当該Ｇ画素と隣り合うＷ画素の読み出し領域４５ａと該開口部７４の開口縁部との水平方向における距離をＤ１とし、遮光膜５３と光電変換部とが上下に重なり合っている領域の水平方向の距離をＷ１とする。
【００２８】
本実施形態の撮像素子は、色フィルタが配置されたＧ（Ｒ，Ｂ）画素の遮光膜５３の開口部５４が、Ｗ画素の開口部５４に比べて、色フィルタと隣り合う前記輝度フィルタを有する画素の読み出し領域と該開口部７４の開口縁部との水平方向における距離Ｄ１が小さい。言い換えると、色フィルタが配置されたＧ（Ｒ，Ｂ）画素の遮光膜５３の開口部７４が、Ｗ画素の開口部５４に比べて、隣り合うＷ画素の読み出し領域４５ａ側に広がった形状であり、当該Ｗ画素側の遮光膜５３が光電変換部を覆う領域の距離Ｗ１が、Ｗ画素の遮光膜５３が光電変換部を覆う領域の距離Ｗ０より小さい。
【００２９】
本実施形態の構成によれば、色フィルタを有するＧ，Ｒ，Ｂ画素の開口部７４が、輝度フィルタを有するＷ画素の開口部５４に比べて、該色フィルタと隣り合う輝度フィルタを有するＷ画素の読み出し領域４５ａと該開口部７４の開口縁部との水平方向における距離Ｄ１が小さくすることで、入射光が照射する方向から撮像素子を見た状態で、開口部７４を輝度フィルタを有するＷ画素側に大きくなるように形成することができる。輝度フィルタを有するＷ画素は、輝度情報を取得するために信号電荷が使用されるため、仮に色フィルタに入射した光の一部が該色フィルタに隣り合う輝度フィルタを有するＷ画素の電荷蓄積領域４５ａに照射されたとしても、スミア信号が生成されることがなく、偽色が発生することがない。また、色フィルタを有するＲ，Ｇ，Ｂ画素においては、開口部７４を大きくすることで、光電変換部によって受光することができる光量を増大させることができるため、光学感度を向上させることができ、また、輝度シェーディングを改善することができる。
【００３０】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、撮像素子の画素は、図５に示す配列パターンであってもよい。図５に示す撮像素子は、カラーフィルタ層が、赤、緑、青にそれぞれ分解する色フィルタを有するＲ，Ｇ，Ｂ画素と、色フィルタが撮像領域の縦方向及び横方向に対して略等間隔に格子状に並べられ、輝度フィルタ有するＷ画素が、色フィルタの縦方向及び横方向の間隔に対して１／２づつずらした位置となるように、格子状に並べられている。この画素配列は、図４の配列を時計回りに４５度傾けたものにほぼ等しい。このような画素配列の撮像素子は、画素の列と列との間に図５中は線で示す垂直電荷転送部１４が設けられている。垂直電荷転送部１４は、列に沿って各画素の信号電荷を読み出し、矢印Ｖ方向に垂直転送する。ここで、図５の矢印III−III方向にみた断面図及び矢印IV−IV方向にみた断面図は、それぞれ上記実施形態の図３及び図４の構成と同様となる。色フィルタが配置されたＲ，Ｇ，Ｂ画素の遮光膜の開口部が、輝度フィルタを有するＷ画素の開口部に比べて、隣り合う輝度フィルタを有する画素の読み出し領域と該開口部の開口縁部との水平方向における距離が小さくなるように形成することができる。こうすれば、スミアの発生を抑制するとともに、色フィルタを有する画素における光学感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。
【図２】撮像素子の撮像領域における画素配列を簡略的に示した平面図である。
【図３】図２の画素配列において矢印I−I方向にみた断面図である。
【図４】図２の画素配列において矢印II−II方向にみた断面図である。
【図５】撮像素子の画素配列の別の配列パターンを簡略的に示した平面図である。
【図６】従来の撮像素子の構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１    撮像素子
４５ａ    読み出し領域
５３    遮光膜
５４，７４  開口部
【図１】
2009004605.tif 000003
【図２】
2009004605.tif 000004
【図３】
2009004605.tif 000005
【図４】
2009004605.tif 000006
【図５】
2009004605.tif 000007
【図６】
2009004605.tif 000008