JP4264248B2 - Color solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は単板式のカラー固体撮像装置とこのカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラに関する。
【0002】
【従来の技術】
CCD等の固体撮像装置における色再現手段の代表的なものとして、撮像素子表面に二次元アレー状に配置した多数のフォトダイオード(画素、ピクセル)に対し3種類あるいは4種類の異なる分光特性を有するマイクロカラーフィルタをモザイク状に配置したもの(単板式カラー固体撮像装置)が知られている。
【0003】
マイクロカラーフィルタは、大別して、原色系(R,G,B)あるいは補色系(G,Ye,Cy,Mg)の2種類があり、また配列方法によって、ストライプパターン、ベイヤーパターン(USP3,971,065:特許文献1)などが提案されている。
【0004】
しかし、各フォトダイオードが二次元平面上に離散的に分布していること、及び、個々のフォトダイオードが3種類ないし4種類の異なる分光感度の一つに対応していることにより、次のような問題がある。
【0005】
(1)フォトダイオードの配列ピッチにより決定されるナイキスト周波数よりも高い空間周波数を有する画像がカラー固体撮像装置に投影されると、この高い空間周波数成分は低域側に折り返され、いわゆるモアレと呼ばれる偽信号を発生し、撮影した画像の画質を劣化させる。
【0006】
(2)異なる分光感度を有するカラーフィルタが二次元平面上の異なる場所の信号に対応し、また各色フィルタの分布パターンにより、各色のナイキストドメイン(空間周波数分布)が一致しない。その結果、いわゆる偽色や色モアレと呼ばれる現象を引き起こし、撮影した画像の画質を劣化させる。
【0007】
そこで従来から、モアレを低減する方法の一つとして、光学的ローパスフィルタ(OLPF)を集光光学系(レンズ系)と単板式カラー固体撮像装置との間に挿入する方法が採用されている。この方法を用いることにより、高い空間周波数成分が減衰し、モアレが改善される。
【0008】
しかしながら、光学的ローパスフィルタを用いたモアレ改善効果は不十分であり、また、水晶板等の複屈折光学材料を組み合わせて光学的ローパスフィルタを構成するため、CCD等固体撮像素子を保護するパッケージに光学的ローパスフィルタを取り付けた構造においては、パッケージが受ける機械的ストレスによって、光学的ローパスフィルタが破壊され易く、また製造コストもアップしてしまうという問題がある。
【0009】
その一方で、近年の単板式カラー固体撮像装置は、画素サイズ(フォトダイオードのサイズ)の微細化、即ち高画素化が進展し、解像度が飛躍的に向上している。画素配列ピッチの微細化によりナイキスト周波数も高周波化し、このため、原理的にモアレの発生が抑制される傾向にある。
【0010】
しかし、1チップ上に数100万画素という多数のフォトダイオードを集積化するため、次の様な別の問題(A)(B)が顕在化してきている。
【0011】
(A)フォトダイオードのサイズの微細化に伴い、マイクロレンズ径の微細化も必要になる。この場合、相対的にマイクロレンズの厚みが厚くなり、マイクロレンズの焦点距離が短くなるため、フォトダイオードの前方且つ上方で焦点を結ぶことになる。そのため、焦点距離を調整するために更に別のレンズ(層内レンズ)を下部に作り込む必要があり、構造が複雑化し、安定した製造歩留まりを得ることが難しくなっている。
【0012】
更に、フォトダイオードその他周辺回路上の全体には、各フォトダイオード上方に開口を有する遮光膜が積層されている。この遮光膜に形成される開口寸法は、フォトダイオードの微細化に伴って同時に微細化されるが、例えば1μm以下の開口寸法になってくると、入射光の波長によってはこの開口を通過するときに光強度が大きく減衰してしまう。従って、例えば、赤色(R)の光の波長は約0.650μmであるため、開口寸法が1μm以下になってくると、波動光学的効果を考慮する必要が出てくる。
【0013】
そのため、各色毎に離散した従来のフォトダイオードの配置のままフォトダイオードの微細化を図ると、半導体基板に形成するフォトダイオードや読出回路の微細化と同時に、オンチップの集光光学系(マイクロレンズ,カラーフィルタ,遮光膜開口)の微細化が必須となり、波動光学的効果により受光部に入る光の強度が大幅に低下し、明るい被写体を撮像しても感度が十分に得られないという問題が生じる。
【0014】
(B)固体撮像素子の受光領域中央部と周辺部において、感度や色再現性が異なる現象が発生する。いわゆる(輝度,色)シェーディングと呼ばれる現象である。特に、集光光学(カメラレンズ)系が小型化し、焦点距離が短くなるに従って、入射光の入射角度が受光領域の中心付近と周辺部とで差が大きくなることによる感度変動が無視できなくなっている。
【0015】
この(B)の問題を改善する手段には次の様なものがある。
(イ)マイクロレンズの配置を周辺部に行くに従って中心方向に所定量ずらす。
(ロ)マイクロレンズ(トップレンズ)の下に、さらにマイクロレンズ(層内レンズ)を設け、一度トップレンズで集光した光を、再度、層内レンズで各フォトダイオードに位置合わせし、集光させる。
(ハ)周辺信号処理回路(外部回路)において、電気的に感度変動を補正する。
【0016】
上記の(イ)(ロ)の改善手段は、フォトダイオードの微細化に伴い、高精度なマイクロレンズ形状とその配置位置制御が困難になってきており、採用するのが難しい状況になっている。また、上記(イ)(ロ)(ハ)のいずれの対策においても、レンズ系が異なると(例えばデジタルスチルカメラのレンズ系と携帯電話機搭載カメラのレンズ系とで)、シェーディングの現われ方が異なり、適用する撮像システム毎に設計変更が必要になる。
【0017】
このような問題を有する従来のカラー固体撮像装置に対し、米国特許第5965875号公報(特許文献2)では、青色検出用,緑色検出用,赤色検出用の各フォトダイオードを、半導体基板の深さ方向に重ねあわせて形成したCMOSイメージセンサを提案している。このCMOSイメージセンサは、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(非特許文献1)に記載されている原理、すなわち、フォトダイオードのPN接合の半導体基板表面からの深さによって、各フォトダイオードの光電変換特性が波長依存性(分光感度)を持つという原理を利用している。
【0018】
【特許文献1】
米国特許第3971065号明細書
【特許文献2】
米国特許第5965875号明細書
【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
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献2のCMOSイメージセンサは、各画素即ちフォトダイオードの深さ方向の光吸収と可視光波長が対応関係にあることを利用するものであり、画素すなわち各色(R,G,B等)によってナイキストドメインが異ならないため、偽色や色モアレが生じにくいと考えられる。
【0020】
しかし、シリコン基板に入射した光の深さ方向における光電変換効率の波長依存性によって各色成分の分光スペクトルを求めるため、これらの波長の異なる光に対応したフォトダイオード構造に対してそれぞれオーミックコンタクトを設け、電気信号を直接外部に読み出す構造をとり、相対的にフォトダイオードの受光部面積が減少し、また、素子表面のX方向,Y方向に多層の金属配線を設ける必要があるなどの問題がある。
【0021】
本発明の目的は、偽信号(モアレ)や偽色の発生を抑えた高感度,高解像度且つ忠実な色再現を可能にする安価な単板式のカラー固体撮像装置を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明のカラー固体撮像装置は、半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むカラー固体撮像装置であって、前記半導体基板表面は1つ1つの前記光電変換領域に対応して1つ1つの開口部を有する遮光膜によって覆われており、該各開口部の夫々の内側で、前記光電変換領域が、複数の異なる分光感度の光電変換信号を出力する複数の区画に面分割されており、前記1つ1つの開口部の直径または対角線長さをtとし赤色光の波長0.650μmをλとしたときtをλ〜2λの大きさとし、前記複数の異なる分光感度が、原色系3色の赤色,緑色,青色の分光感度であることを特徴とする。
また、本発明のカラー固体撮像装置は、上記記載のカラー固体撮像装置であって、前記複数の異なる分光感度が、前記原色系3色の他に等色関数の負の部分にピークを持つ分光感度を含むことを特徴とする。
また、本発明のカラー固体撮像装置は、半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むカラー固体撮像装置であって、前記半導体基板表面は1つ1つの前記光電変換領域に対応して1つ1つの開口部を有する遮光膜によって覆われており、該各開口部の夫々の内側で、前記光電変換領域が、複数の異なる分光感度の光電変換信号を出力する複数の区画に面分割されており、前記1つ1つの開口部の直径または対角線長さをtとし赤色光の波長0.650μmをλとしたときtをλ〜2λの大きさとし、前記複数の異なる分光感度が、補色系3色のイエロー,シアン,マゼンタと緑色の分光感度であることを特徴とする。
【0023】
この構成により、異なる分光感度を有する区画が二次元表面上で近接配置された状態となり、偽信号や偽色の発生が抑制され、高感度,高解像度の色再現性の優れた画像データを得ることができ、また、このカラー固体撮像装置を安価に製造可能となる。
【0024】
本発明のカラー固体撮像装置は、半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域の個々の内側が夫々複数の異なる分光感度の信号電荷を蓄積する複数の区画に面分割されており、該光電変換領域の側方に前記複数の区画の各々から読み出された前記信号電荷を転送する転送路が形成されていることを特徴とする。
【0025】
この構成により、異なる分光感度を有する区画が二次元表面上で近接配置された状態となり、偽信号や偽色の発生が抑制され、高感度,高解像度の色再現性の優れた画像データを得ることができ、また、このカラー固体撮像装置を安価に製造可能となる。
【0030】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、少なくとも1つの前記区画の分光感度は、各区画上方に配置したカラーフィルタによって決定されることを特徴とする。
【0031】
この構成により、分光感度の設定が容易となり、所望の分光特性を得ることが容易となる。
【0032】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、前記光電変換領域の少なくとも1つの前記区画の分光感度は、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とする。
【0033】
この構成により、カラーフィルタを用いずにカラー固体撮像装置を形成可能となる。
【0034】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、少なくとも1つの前記区画の分光感度は、該区画の上方に配置したカラーフィルタと、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とする。
【0035】
この構成により、カラーフィルタの分光特性と不純物分布により決まる分光特性を組み合わせた分光特性を利用するため、カラーフィルタを用いた区画の分光特性が良くなり、カラー固体撮像装置で撮像したカラー画像の色再現性が向上する。
【0036】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、前記区画は、N型の半導体基板に設けられたPウェル層と、該Pウェル層に形成されたN型不純物層とを備え、前記Pウェル層の深さと前記N型不純物層の深さとを変えることで前記区画の分光感度を決定することを特徴とする。
【0037】
この構成により、カラーフィルタを用いずとも分光感度の異なる区画を形成でき、製造プロセスを簡略化でき、製造歩留まりが向上する。
【0038】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、青色の分光感度を持つ前記区画のPウェル層の深さ、緑色の分光感度を持つ前記区画におけるPウェル層の深さ、赤色の分光感度を持つ前記区画におけるPウェル層の深さが、順に深く形成されていることを特徴とする。
【0039】
この構成により、各分光感度の長波長側の光によって発生した光電荷が基板に流出し、各分光特性の長波長側が減衰する。
【0040】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、青色の分光感度を持つ前記区画の前記Pウェル層に設けたN型不純物層の深さ、緑色の分光感度を持つ前記区画における前記Pウェル層に設けたN型不純物層の深さ、赤色の分光感度を持つ前記区画における前記Pウェル層に設けたN型不純物層の深さが、順に深く形成されていることを特徴とする。
【0041】
この構成により、カラー固体撮像装置の半導体基板に入射する光を、波長の長さすなわち半導体基板への侵入深さによって区別して検出可能となる。
【0048】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、前記等色関数の負の部分にピークを持つ分光感度を有する区画から読み出した信号により処理を行い等色関数に近似した色再現を行うことを特徴とする。
【0049】
この構成により、人が見た画像に近い画像を得ることができる。
【0050】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、隣接する前記光電変換領域間で同一分光感度を持つ区画の配置が異なるものを含むことを特徴とする。
【0051】
この構成により、モアレの発生を更に抑制可能となる。
【0052】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、前記光電変換領域内の前記区画のうち少なくとも1つの区画の面積が他の区画の面積と異なることを特徴とする。
【0053】
この構成により、各区画の分光感度すなわち信号強度を揃えることができ、カラーバランスを最適化することが可能となる。
【0054】
更に本発明のカラー固体撮像装置では、前記光電変換領域内における各区画の面積は、前記分光感度の単位面積当たりの相対的な大きさと逆比例の関係にあることを特徴とする。
【0055】
この構成により、色毎の感度バランスが最適化され、良好な画像データを生成可能となる。
【0056】
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とする。
【0057】
この構成により、偽信号や偽色の発生が抑制され、高感度,高解像度の色再現性の優れた画像を撮像することができる。
【0058】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【0059】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る単板式カラー固体撮像装置の模式図である。本実施形態に係る単板式カラー固体撮像装置1を構成する半導体基板の表面には、詳細は後述する光電変換領域(以下、個々の光電変換領域を画素部という。)10が、この例では正方格子状に縦横に配列して形成されている。
【0060】
各画素部10の内側は、複数の異なる分光感度を有する複数の区画(以下、各区画を小画素ともいう。)に面分割されており、図1の水平方向に隣接する画素部10間を通って垂直方向に形成されている垂直転送路に各小画素の蓄積電荷が夫々順次読み出され、垂直転送路を転送されてきた電荷は、次に水平転送路(HCCD)11を転送され、このカラー固体撮像装置1から出力される。
【0061】
図2は、図1に示す単板式カラー固体撮像装置の画素部10の4画素分の拡大平面図である。各画素部10は、赤色の分光感度を持つ小画素(図中「R」と記す。)と、青色の分光感度を持つ小画素(図中「B」と記す。)と、分光スペクトルが異なる2種類の緑色分光感度を持つ2つの小画素(図中「G1」「G2」と記す。)の計4つの小画素に、素子分離帯12によって縦横に4分割されている。
【0062】
図2に示す単板式カラー固体撮像装置1は、遮光膜13で覆われた状態を示しており、この遮光膜13には、画素部10の1つ1つに対して1つ1つの開口13aが設けられており、画素部10内の個々の小画素R,G1,G2,B毎に開口を設けることはしていない。このため、画素部10や小画素R,G1,G2,Bの微細化(高画素化)を図っても開口13aの大きさを光の波長に比べて大きくとることが可能となり、感度の良好な画像が撮像可能となる。
【0063】
図3は、マイクロレンズが配置された単板式カラー固体撮像装置1の画素10の1画素分の断面図であり、図2のIII―III線位置の断面に相当する。N型基板2の表面にはPウェル層3が形成され、Pウェル層3の表面に、素子分離帯12のみで分離されたN型不純物層4a,4bが形成されている。Pウェル層3と各N型不純物層4a,4bとの間に形成されるPN接合がフォトダイオード(光電変換部)を形成し、入射光に応じた光電荷がN型不純物層4a,4bに蓄積される。
【0064】
各N型不純物層4a,4bの表面には高濃度P型不純物層(表面P+層)5a,5bが形成され、更に半導体表面が酸化膜5cによって覆われる。各N型不純物層4a,4bの脇に形成されたN型不純物層15が夫々垂直転送路を構成し、垂直転送路15の上部に、酸化膜5cを介して転送電極18が設けられる。
【0065】
さらにその上に平坦化膜7aが設けられ、平坦化膜7aの上面に、開口13aを有し転送電極や垂直転送路を覆う遮光膜13が設けられ、その上に、カラーフィルタ層8が形成され、更に平坦化膜7bを介して、遮光膜13の1開口に対して1つのマイクロレンズ14が設けられる。
【0066】
尚、図2や以後の図4等に示される小画素R,G1,G2,Bは、カラーフィルタ層8の各色部分を示すのではなく、その下に存在する図3のN型不純物層4a,4bを示すものであり、「R」「G1」「G2」「B」は、各N型不純物層4a,4bとPウェル層3とによって形成されるフォトダイオードのカラーフィルタ層8の各色によって有する分光感度を示すものである。
【0067】
本実施形態に係るマイクロレンズ(トップレンズ)14は、1つの画素部10に対して1個設けられ、このマイクロレンズ14から入射した光が全て遮光膜13の対応する開口13a内に入るように設計される。
【0068】
本実施形態では、トップレンズ14で集光した入射光を、正確にいずれかの小画素上に結像させる必要はなく、開口13a内に光束を集めるだけで良いため、マイクロレンズ14の製造が容易となる。
【0069】
図4は、図2に示す状態から遮光膜13を取り去った状態の2つの画素部分を示す平面図である。各画素部10の両脇には、垂直方向に延びる垂直転送路15が形成されており、本実施形態では、図5(図4のV―V線断面図)に示す様に、ポリシリコンからなる3層構造の転送電極16,17,18が埋め込みチャネル(垂直転送路)15の上に酸化膜5cを介して積層され、例えば3相の転送パルスによって駆動される。これらの垂直転送路15,電極16,17,18は、画素部10内で隣接する各小画素R,G1,G2,B間の素子分離帯12を避けて画素部10間に来るように形成される。
【0070】
即ち、遮光膜13で固体撮像装置の半導体表面を覆ったときに、垂直転送路15ばかりでなく電極16,17,18も遮光膜13によって隠され、図2に示す様に、開口13a内に垂直転送路15,電極16,17,18が露出しない構成となっている。このため、1つの画素部10内で隣接する小画素間の距離は素子分離に必要な最小加工寸法とすることができ、従来と同一の製造プロセス,設計ルール及びチップサイズであっても、同一画素部内の小画素間距離を短くでき、偽色の発生が抑制される。
【0071】
また、分光感度の異なる複数の小画素を画素部として集中して配置し、各小画素を素子分離帯12だけを挟んで隣接形成したため、チップ上で光電変換を行う領域の占める割合が従来の固体撮像装置に比して大きくなり、チップの利用率が向上する。
【0072】
斯かる構成の単板式カラー固体撮像装置1では、先ず、小画素Rと小画素G1の各蓄積電荷が夫々垂直転送路15に読み出されてから垂直転送路15に沿って水平転送路11(図1)まで転送され、次いで水平転送路11に沿って転送され、固体撮像装置1から出力される。そして次に、小画素G2と小画素Bの各蓄積電荷が夫々垂直転送路15に読み出されてから垂直転送路15に沿って水平転送路11まで転送され、次いで水平転送路11に沿って転送され、固体撮像装置1から出力される。
【0073】
このように、本実施形態によれば、複数の小画素を一カ所に集中配置して1つの画素部とし、1つの画素部内の小画素間の距離を、隣接する画素部内の小画素との距離より小さくしたため、高解像度化を図って各小画素の微細化を図っても遮光膜13の開口13aを大きく取ることができ、感度の高い画像を撮像することが可能となる。各開口13aの開口径(直径または対角線長さ)tは、赤色の波長λ(nm)に対して、例えばt=λ〜2λまで微細化したとしても各色成分に対応した3色あるいは4色の出力信号が減衰することはない。
【0074】
また、本実施形態では、緑色の小画素として分光スペクトルの異なる2つの小画素G1,G2を設けたため、緑色一色の小画素Gを設けるだけの場合に比べて忠実な色再現が可能となる。更に、高解像度化を図って同一分光感度を持つ小画素の配列周期を小さくすることができるため、モアレの発生も抑制され、色の再現性が向上し、高画質な画像を得ることが可能となる。
【0075】
(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図であり、遮光膜を付けた画素部4画素分を図示している。第1の実施形態では、画素部10内の小画素の配置、即ち、小画素R,G1,G2,Bの配置を、全ての画素部で同一配置としたが、本実施の形態では、画素部間で小画素R,G1,G2,Bの配置を規則的に変えている。これは、カラーフィルタ配列に起因する周期的な偽信号を低減するためである。
【0076】
分光感度の異なる小画素の配置を画素部内で変える場合、
▲1▼画素部の列毎または行毎に上下,左右の色配置を交互に交換する。
▲2▼固体撮像装置の受光中心部と周辺部において短波長に対応するカラーフィルタ(B)と長波長に対応するカラーフィルタ(R)の配列を変え、受光部あるいは遮光開口部周辺における光のケラレ(シェーディング)を改善する。
などが考えられる。
【0077】
この様に、画素部内の小画素の配置を周期的に変えることにより、第1の実施形態に比べて更に良好な画質の画像を得ることが可能となる。
【0078】
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図であり、遮光膜を付けた画素部4画素分を図示している。第1の実施形態では、原色系のカラーフィルタを用い、緑色のカラーフィルタとしてG1,G2の二種類を使用したが、本実施例では、補色系のカラーフィルタYe(イエロー),Mg(マゼンタ),シアン(Cy),グリーン(G)の4色のカラーフィルタを使用している。
【0079】
補色系は4色で構成されるため、この実施形態の様に小画素4つで画素部が形成される場合、各色を各小画素に割り振るのに好都合である。尚、本実施形態においても、第2の実施形態と同様に、各画素部内における小画素Ye,Cy,Mg,Gの配置を周期的に変更するのが好ましい。
【0080】
(第4の実施形態)
図8は、本発明の第4の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図であり、遮光膜を付けた画素部4画素分を図示している。上述した各実施形態では、画素部10を4つの同一面積の小画素に分割したが、本実施形態では、面積の異なる4つの小画素に分割し、各小画素に異なる分光感度R,G1,G2,Bを割り振っている。小画素の各面積を異ならせることにより、カラーバランスの調整や光感度の最適化が容易に行える。
【0081】
画素部10内の各小画素の面積は、各小画素の単位面積当たりの相対的な分光感度の大きさに逆比例の関係とするのが好ましい。すなわち、感度の高い色については小画素面積を小さくし、感度の低い色については小画素面積を大きくする。
【0082】
(第5の実施形態)
図9は、本発明の第5の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図であり、遮光膜を付けた画素部4画素分を図示している。この実施形態では、原色系のR,G,Bの分光感度を持つ小画素の他に、一番小面積の小画素にR,G,Bとは異なる第4の分光感度を持たせている。
【0083】
本実施形態における第4の分光感度とは、例えば、図10に示す様に、波長520nm付近にピークを持つ分光感度である。図11は、等色関数を示すグラフであり、赤色(R)には520nm付近に負の部分Aがあり、これを実現しないと、忠実な色再現ができない。そこで、本実施形態では、第4の分光感度を持つ小画素によって波長520nm付近の光量に対応する信号電荷量を検出し、これを赤色Rの光量に対する信号電荷量から減算することで、等色関数の負の部分Aに相当する分光感度を実現し、人間の目の感じる通りの色再現を行うことを可能とする。
【0084】
(第6の実施形態)
図12は、本発明の第6の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図であり、遮光膜を付けた画素部4画素分を図示している。上述した各実施形態では、4つの小画素を集中的に配置して画素部1個を形成しているが、この実施形態では、R,G,Bの3つの小画素で1個の画素部を形成している点が異なる。
【0085】
(第7の実施の形態)
図13は、本発明の第7の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。上述した各実施形態では、画素部10を正方格子状に配列したが、本実施形態では、画素部20を、奇数行と偶数行とで1/2ピッチずらし、所謂、ハニカム配置とした点が異なる。
【0086】
画素部20がハニカム配置となっているため、画素部20の両脇に設けられる垂直転送路(図13では図示省略)は蛇行配置となる。この垂直転送路を水平転送路22まで転送されてきた信号電荷(画素部20の構成小画素の各々の蓄積電荷)は、次に水平転送路22を転送され、この固体撮像装置21から出力される。
【0087】
図14(a)は、遮光膜を外した画素部20の拡大平面図であり、図14(b)は画素部4つ分の遮光膜の平面図である。また、図15は、図14(a)中の破線丸印XV内の拡大図である。
【0088】
画素部20の両脇には、蛇行配置された垂直転送路23が形成され、この垂直転送路23に重なるようにして、ポリシリコンの転送パルス用電極24,25が設けられている。また、画素部20を構成する隣接配置された小画素R,G1,G2,B間は、素子分離帯26によって分離されるが、第1の実施形態と同様に、画素部20内において各小画素R,G1,G2,Bは、素子分離に必要な最小加工寸法で面分割される。
【0089】
図示の例では、45度傾いた矩形の画素部20は、2つの対角線によって4つの小画素R,G1,G2,Bに面分割され、各小画素が対面する垂直転送路23に各々の蓄積電荷が読み出される構成となっている。この画素部20の各々に1つの開口(図面が煩雑になるため、図14(a)の1つの画素部20に対してのみ開口27aを仮想線で図示)が対応して設けられた遮光膜27が被せられるが、前述したように、転送パルス用電極24,25は垂直転送路23に重ねて設けられているため、遮光膜27の開口27a内にはこれらの電極24,25及び垂直転送路23は露出せず、最小加工寸法で製造された素子分離帯26で分離された小画素R,G1,G2,Bのみが露出することになる。
【0090】
本実施形態によっても、1つの画素部20内の小画素間の距離を、隣接する画素部内の小画素までの距離より小さくしたため、第1の実施形態と同様の効果が得られる他に、画素部20をハニカム配置としたことにより、正方格子配列の場合に比べ、垂直CCD転送電極の配線領域(受光部でも電荷転送部でもない無効領域)がないので、撮像素子の表面積を有効に活用でき、更に高感度化,高解像度化を図ることが可能となる。
【0091】
尚、小画素R,G1,G2,Bで説明したが、補色系の小画素G,Cy,Ye,Mgとしてもよい。あるいは、R,G,Bの3原色の小画素と図9で説明した第4の分光感度を持つ小画素とすることでもよい。
【0092】
また、このハニカム配置の実施形態でも、画素部内における小画素の配置を第2の実施形態と同様に周期的に変化させることで、色の再現性や高画質化を図ることが可能である。
【0093】
(第8の実施形態)
画素部を正方格子状に配置した場合でも、ハニカム状に配置した場合でも、各画素部内をどの様に面分割するかは任意であり、画素部の形状も任意である。図16に、様々な画素部の形状と小画素の面分割方法を例示する。図中、第1分光感度をCF1,第2分光感度をCF2,…第6分光感度をCF6としている。
【0094】
1つの画素部を構成する小画素数は、原色系であればR,G,Bの3色用に少なくとも3つ必要であるが、4つ5つ6つと小画素数を増やすことで、第4の分光感度を持った小画素や、他の種類の分光感度を持った小画素など種々のものを設けることが可能となり、これらの小画素の検出信号を用いて画質を向上させる様々な画像処理が可能となる。
【0095】
(第9の実施形態)
図17は、本発明の第9の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図である。上述した各実施形態における小画素R,G,Bは、カラーフィルタによって分光感度を持たせる構成であるのに対し、本実施形態では、カラーフィルタは用いずに、小画素のフォトダイオード構造自体によって分光感度R,G,Bを持たせる構成としている。尚、この実施形態は、複数の画素部10を正方格子状に配列した例を示している。
【0096】
図18(a),(b),(c)は、本実施形態に係る各小画素B,G,Rの各フォトダイオード構造を示す図である。図18(a)は、図17のa―a線断面を示し、青色(B)の分光感度を持つ小画素の断面図である。図18(b)は、図17のb―b線断面を示し、緑色(G)の分光感度を持つ小画素の断面図である。同様に、図18(c)は、図17のc―c線断面を示し、赤色(R)の分光感度を持つ小画素の断面図である。
【0097】
前述した第1〜第8の各実施形態に係るカラー固体撮像装置では、各小画素を構成するフォトダイオード構造を同一構造とし、カラーフィルタを用い、各小画素が分光感度を持つようにしている。これに対し、本実施形態の小画素では、各小画素を構成するフォトダイオードのPN接合深さを変えることで分光感度を持たせ、更に、分光感度に応じてPウェル層の深さも変えている。
【0098】
青色(B)の分光感度を持つ小画素(図18(a))は、N型シリコン基板(N―Sub)30上に深さd=1〜3μmのPウェル層31を形成し、Pウェル層31の表面側に、深さd=0.2〜0.4μmのN型不純物層32を形成し、更にその表面に、所要深さの高濃度P型不純物層(表面P+)層33を形成し、最表面を透明な酸化膜34で覆うことで形成される。
【0099】
緑色(G)の分光感度を持つ小画素(図18(b))は、N型シリコン基板(N―Sub)30上に深さd=3〜4μmのPウェル層31を形成し、Pウェル層31の表面側に、深さd=0.4〜1.0μmのN型不純物層32を形成し、更にその表面に、所要深さの表面P+層33を形成し、最表面を透明な酸化膜34で覆うことで形成される。
【0100】
赤色(R)の分光感度を持つ小画素(図18(c))は、N型シリコン基板(N―Sub)30上に深さd=4〜6μmのPウェル層31を形成し、Pウェル層31の表面側に、深さd=1.0〜2.0μmのN型不純物層32を形成し、更にその表面に、所要深さの表面P+層33を形成し、最表面を透明な酸化膜34で覆うことで形成される。
【0101】
各小画素R,G,Bを構成するPN接合部に光が入射すると、PN接合のN型不純物層32に電荷が蓄積される。長波長の光ほど、基板内への侵入距離が深いため、PN接合面の深さが浅い小画素(図18(a))には青色の光量に応じた電荷が蓄積され、中間の深さの小画素(図18(b))には緑色の光量に応じた電荷が蓄積され、最も深い小画素(図18(c))には赤色の光量に応じた電荷が蓄積される。
【0102】
各小画素の有する分光特性(図19参照)を、長波長側についても減衰する特性とすることが、忠実な色信号処理を行う上で重要である。そこで、本実施形態では、Pウェル層31の深さについても、各分光特性に対応して異ならせている。すなわち、図18(a)(b)(c)の順で、Pウェル層31を深くしている。
【0103】
この結果、図18(a)に示すフォトダイオード構造では、緑色(G)よりも長い波長の光によって発生した光電荷がN型基板30に流出し、図18(b)に示すフォトダイオード構造では、赤色(R)よりも長い波長によって発生した光電荷がN型基板30に流出し、同様に図18(c)に示すフォトダイオード構造では、可視光波長域外の赤外波長の光によって発生した光電荷がN型基板30に流出し、夫々の分光特性の長波長側で減衰特性が実現される。
【0104】
これにより、各小画素R,B,Gに蓄積される信号電荷の波長依存性(分光特性)は、図19に示す様に、各R,G,Bで長波長側が立ち下がる山形となり、色の識別性が向上し、これらの分光特性を持つ小画素によって検出した色信号による色再現性が向上する。
【0105】
尚、本実施形態では、各小画素R,G,Bで表面P+層33の厚さを同一寸法としたが、各小画素R,G,Bの表面P+層33を異なる厚さとしてもよい。
【0106】
また、いうまでもないが、この実施形態でも、上述した各実施形態と同様に、画素部10内の各小画素R,G,Bの配置位置や面分割の仕方は任意であり、小画素の配置位置を周期的に変更してもよく、各小画素の面積を違えてもよい。更に、画素部をハニカム配置とすることでもよい。
【0107】
(第10の実施形態)
図20(a)(b)(c)は、本発明の第10の実施形態に係るカラー固体撮像装置の断面図である。図18(a)(b)(c)に示す第9の実施形態に係るカラー固体撮像装置と基本的に同じであるが、異なる点は、図20(a)に示す様に、Bの分光感度を持つ小画素の上に、青色(B)のカラーフィルタ36も被せ、フォトダイオード構造自体で持つことができるBの分光特性を、カラーフィルタ36によって更にシャープな山形とした点である。R,G,Bのうちの一色でも分光特性がシャープになると、色の再現性がより良くなる。尚、小画素Gの上にも緑色のカラーフィルタを被せてもよい。
【0108】
(第11の実施形態)
図21(a)(b)(c)は、本発明の第11の実施形態に係るカラー固体撮像装置の断面図である。図20(a)(b)(c)に示す第10の実施形態に係るカラー固体撮像装置と基本的に同じであるが、異なる点は、図21(a)に示す様に、Bの分光感度を持つ小画素のダイオード構造(Pウェル層31の深さ、N型不純物層32の深さ)が小画素G(図21(b))の構造と同じであり、小画素B,Gのフォトダイオード構造がGの分光感度を持つように最適化されている点である。小画素Bは、Gの分光感度を持つように最適化されていても、青色のカラーフィルタ36によって青色の光量に応じた電荷が蓄積される。この実施形態によれば、小画素Bと小画素Gとを同一構造に製造できるため、製造プロセスが容易になるという利点がある。
【0109】
(第12の実施形態)
図22は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの構成図である。デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラあるいは携帯電話機等の小型電子機器に搭載されたカメラ等のデジタルカメラは、図示しない集光光学系によって結像された被写体画像の光信号を受光して電気信号に変換する、上述したいずれかの実施形態に係る単板式カラー固体撮像装置1と、この単板式カラー固体撮像装置1から出力される画像信号をアナログ処理するCDS等のアナログ信号処理回路102と、アナログ信号処理回路102で処理された画像信号をデジタルの画像信号に変換するアナログデジタル変換回路103と、デジタル化された画像信号を取り込んでJPEG圧縮したり伸張したりあるいはDRAM制御を行ったりするデジタル処理回路104と、このデジタル処理回路104に接続されたDRAM105と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステムマイコン106と、撮像された画像データを記録する記録メディア107と、これらを相互に接続するバス108とを備える。
【0110】
本実施形態に係るデジタルカメラでは、カラー固体撮像装置1の上述した各小画素からR,G,Bの各色信号成分を出力するため、偽信号(モアレ)や偽色の発生を抑えた高感度,高解像度且つ忠実な色再現が可能なカラー画像を撮像することが可能である。
【0111】
【発明の効果】
本発明によれば、偽信号(モアレ)や偽色の発生を抑えた高感度,高解像度且つ忠実な色再現を可能にする単板式のカラー固体撮像装置を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。
【図2】図1に示すカラー固体撮像装置の要部拡大平面図である。
【図3】図1に示す画素部の断面図である。
【図4】図2の遮光膜を取り除いた4つの画素部の概略平面図である。
【図5】図4のV―V線断面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部平面図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部平面図である。
【図8】本発明の第4の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部平面図である。
【図9】本発明の第5の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部平面図である。
【図10】本発明の第5の実施形態で用いる第4の分光感度の説明図である。
【図11】R,G,Bの等色関数を示すグラフである。
【図12】本発明の第6の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部平面図である。
【図13】本発明の第7の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。
【図14】(a)図13に示すカラー固体撮像装置の要部拡大平面図である。
(b)画素部4つ分の遮光膜の平面図である。
【図15】図14(a)に示す破線丸印XV内の拡大図である。
【図16】本発明の第8の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部の面分割例を示す図である。
【図17】本発明の第9の実施形態に係るカラー固体撮像装置の要部拡大平面図である。
【図18】(a)は図17のa―a線断面図であり、
(b)は図17のb―b線断面図であり、
(c)は図17のc―c線断面図である。
【図19】本発明の第9の実施形態に係るカラー固体撮像装置の各小画素R,G,Bの分光特性を示すグラフである。
【図20】本発明の第10の実施形態に係るカラー固体撮像装置の各小画素B,G,Rの断面図である。
【図21】本発明の第11の実施形態に係るカラー固体撮像装置の各小画素B,G,Rの断面図である。
【図22】本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの構成図である。
【符号の説明】
1 カラー固体撮像装置
10,20 画素部(光電変換領域)
11,22 水平転送路
12,26 素子分離帯
13,27 遮光膜
13a,27a 開口
14 マイクロレンズ(トップレンズ)
15,23 垂直転送路
16,17,18,24,25 電極
30 N型シリコン基板
31 Pウェル層
32 N型不純物層
33 表面P+層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single-plate color solid-state imaging device and a digital camera equipped with the color solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
As a typical color reproduction means in a solid-state imaging device such as a CCD, three or four different spectral characteristics are provided for a large number of photodiodes (pixels, pixels) arranged in a two-dimensional array on the surface of the imaging device. 2. Description of the Related Art A micro-color filter (single-plate color solid-state imaging device) in which a micro color filter is arranged in a mosaic shape is known.
[0003]
Micro color filters are roughly classified into two types, primary color systems (R, G, B) and complementary color systems (G, Ye, Cy, Mg). Depending on the arrangement method, stripe patterns and Bayer patterns (USP 3,971, 065: Patent Document 1) and the like have been proposed.
[0004]
However, since each photodiode is discretely distributed on a two-dimensional plane, and each photodiode corresponds to one of three to four different spectral sensitivities, the following is achieved. There is a problem.
[0005]
(1) When an image having a spatial frequency higher than the Nyquist frequency determined by the arrangement pitch of the photodiodes is projected onto the color solid-state imaging device, this high spatial frequency component is folded back to the low frequency side, so-called moire. A false signal is generated, and the quality of the captured image is deteriorated.
[0006]
(2) Color filters having different spectral sensitivities correspond to signals at different locations on the two-dimensional plane, and the Nyquist domains (spatial frequency distributions) of the colors do not match due to the distribution patterns of the color filters. As a result, a phenomenon called so-called false color or color moire is caused, and the image quality of the photographed image is deteriorated.
[0007]
Therefore, conventionally, as one method of reducing moire, a method of inserting an optical low-pass filter (OLPF) between a condensing optical system (lens system) and a single-plate color solid-state imaging device has been adopted. By using this method, high spatial frequency components are attenuated and moire is improved.
[0008]
However, the moire improvement effect using the optical low-pass filter is insufficient, and the optical low-pass filter is configured by combining birefringent optical materials such as a quartz plate, so that it can be used as a package for protecting a solid-state imaging device such as a CCD. In the structure in which the optical low-pass filter is attached, there is a problem that the optical low-pass filter is easily broken and the manufacturing cost is increased due to mechanical stress applied to the package.
[0009]
On the other hand, in recent single-plate color solid-state imaging devices, the pixel size (photodiode size) is miniaturized, that is, the number of pixels is increased, and the resolution is drastically improved. The Nyquist frequency is also increased by making the pixel arrangement pitch finer. For this reason, the generation of moire tends to be suppressed in principle.
[0010]
However, since many photodiodes of several million pixels are integrated on one chip, the following different problems (A) and (B) have become apparent.
[0011]
(A) With the miniaturization of the size of the photodiode, it is also necessary to reduce the microlens diameter. In this case, since the thickness of the microlens is relatively thick and the focal length of the microlens is shortened, the focal point is formed in front of and above the photodiode. Therefore, in order to adjust the focal length, another lens (in-layer lens) needs to be formed in the lower part, the structure becomes complicated, and it is difficult to obtain a stable manufacturing yield.
[0012]
Further, a light shielding film having an opening above each photodiode is laminated on the entire photodiode and other peripheral circuits. The opening size formed in the light shielding film is simultaneously reduced with the miniaturization of the photodiode. For example, when the opening size becomes 1 μm or less, depending on the wavelength of the incident light, the light passes through this opening. The light intensity is greatly attenuated. Therefore, for example, since the wavelength of red (R) light is about 0.650 μm, it is necessary to consider the wave optical effect when the aperture size becomes 1 μm or less.
[0013]
For this reason, if the photodiodes are miniaturized with the arrangement of the conventional photodiodes separated for each color, the on-chip condensing optical system (microlens) is simultaneously formed with the miniaturization of the photodiodes and readout circuits formed on the semiconductor substrate. , Color filters, light-shielding film openings) must be miniaturized, and the intensity of light entering the light-receiving section is greatly reduced by the wave optical effect, and sufficient sensitivity cannot be obtained even when a bright subject is imaged. Arise.
[0014]
(B) Phenomena with different sensitivities and color reproducibility occur in the central part and the peripheral part of the light receiving area of the solid-state imaging device. This is a so-called (luminance, color) shading phenomenon. In particular, as the condensing optics (camera lens) system becomes smaller and the focal length becomes shorter, the fluctuation in sensitivity due to the difference between the incident angle of the incident light near the center of the light receiving area and the peripheral part cannot be ignored. Yes.
[0015]
Means for improving the problem (B) include the following.
(A) The arrangement of the microlens is shifted by a predetermined amount toward the center as it goes to the periphery.
(B) A microlens (inner lens) is provided below the microlens (top lens), and the light once collected by the top lens is again aligned with each photodiode by the inner lens and condensed. Let
(C) In the peripheral signal processing circuit (external circuit), the sensitivity variation is electrically corrected.
[0016]
The improvement means (b) and (b) above are becoming difficult to adopt because the microlens shape and its arrangement position control have become difficult with the miniaturization of photodiodes. . In any of the above measures (a), (b), and (c), if the lens system is different (for example, the lens system of a digital still camera and the lens system of a mobile phone camera), the appearance of shading differs. A design change is required for each imaging system to be applied.
[0017]
In contrast to the conventional color solid-state imaging device having such a problem, US Pat. No. 5,965,875 (Patent Document 2) discloses a photodiode for detecting blue color, detecting green color, and detecting red color with a depth of a semiconductor substrate. A CMOS image sensor formed by overlapping in the direction is proposed. This CMOS image sensor is an IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15, NO.1, JANUARY 1968 “A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material” PAUL A. GARY and JOHN G. LINVILL ( The principle described in Non-Patent Document 1), that is, the principle that the photoelectric conversion characteristic of each photodiode has wavelength dependency (spectral sensitivity) depending on the depth of the PN junction of the photodiode from the surface of the semiconductor substrate is used. is doing.
[0018]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 3,971,065
[Patent Document 2]
US Pat. No. 5,965,875
[Non-Patent Document 1]
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15, NO.1, JANUARY 1968 “A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material” PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described CMOS image sensor of
[0020]
However, in order to obtain the spectral spectrum of each color component based on the wavelength dependence of the photoelectric conversion efficiency in the depth direction of the light incident on the silicon substrate, ohmic contacts are provided for the photodiode structures corresponding to light having different wavelengths. However, there is a problem that the structure in which the electric signal is directly read out is taken, the area of the light receiving portion of the photodiode is relatively reduced, and multilayer metal wirings need to be provided in the X and Y directions on the element surface. .
[0021]
An object of the present invention is to provide an inexpensive single-plate color solid-state imaging device that enables high-sensitivity, high-resolution, and faithful color reproduction with suppressed generation of false signals (moire) and false colors.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The color solid-state imaging device of the present invention is a color solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion regions arranged in an array on the surface of a semiconductor substrate, and the surface of the semiconductor substrate corresponds to each of the photoelectric conversion regions. And each of the openings is covered with a light-shielding film having one opening, and the photoelectric conversion region is divided into a plurality of sections for outputting a plurality of photoelectric conversion signals having different spectral sensitivities. Divided into planesWherein the diameter or diagonal length of each of the openings is t, and the wavelength of red light is 0.650 μm, and t is λ to 2λ, and the plurality of different spectral sensitivities are the primary color system. The spectral sensitivity of the three colors red, green and blueIt is characterized by that.
The color solid-state imaging device according to the present invention is the color solid-state imaging device described above, wherein the plurality of different spectral sensitivities have a peak in a negative portion of a color matching function in addition to the three primary color systems. It is characterized by including sensitivity.
The color solid-state imaging device of the present invention is a color solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion regions arranged in an array on the surface of a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate surface is one of the photoelectric conversion regions. Corresponding to each of the plurality of openings, each of which is covered by a light-shielding film, and inside each of the openings, the photoelectric conversion region outputs a plurality of photoelectric conversion signals having different spectral sensitivities. Each of the plurality of different spectrums is divided into planes, where t is the size of λ-2λ, where t is the diameter or diagonal length of each of the openings, and λ is the wavelength of red light 0.650 μm. The sensitivity is characterized by the spectral sensitivities of three complementary colors of yellow, cyan, magenta and green.
[0023]
With this configuration, the sections having different spectral sensitivities are arranged close to each other on the two-dimensional surface, generation of false signals and false colors is suppressed, and image data with high sensitivity and high resolution and excellent color reproducibility is obtained. This color solid-state imaging device can be manufactured at low cost..
[0024]
The color solid-state imaging device of the present invention is a color solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion regions arranged in an array on the surface of a semiconductor substrate, and each inside of the photoelectric conversion region has a plurality of different spectral sensitivities. And is divided into a plurality of sections for storing the signal charges, and a transfer path for transferring the signal charges read from each of the plurality of sections is formed on the side of the photoelectric conversion region. Features.
[0025]
With this configuration, the sections having different spectral sensitivities are arranged close to each other on the two-dimensional surface, generation of false signals and false colors is suppressed, and image data with high sensitivity and high resolution and excellent color reproducibility is obtained. In addition, the color solid-state imaging device can be manufactured at low cost.
[0030]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the spectral sensitivity of at least one of the sections is determined by a color filter disposed above each section.
[0031]
With this configuration, the spectral sensitivity can be easily set and desired spectral characteristics can be easily obtained.
[0032]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the spectral sensitivity of at least one section of the photoelectric conversion region is determined by an impurity distribution in the depth direction of the section.
[0033]
With this configuration, a color solid-state imaging device can be formed without using a color filter.
[0034]
In the color solid-state imaging device of the present invention, the spectral sensitivity of at least one of the sections is determined by a color filter disposed above the section and an impurity distribution in the depth direction of the section.
[0035]
This configuration uses spectral characteristics that combine the spectral characteristics of the color filter and the spectral characteristics determined by the impurity distribution, so that the spectral characteristics of the section using the color filter are improved and the color of the color image captured by the color solid-state imaging device is improved. Reproducibility is improved.
[0036]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the section includes a P well layer provided on an N type semiconductor substrate and an N type impurity layer formed on the P well layer, and the depth of the P well layer is increased. And the spectral sensitivity of the section is determined by changing the depth of the N-type impurity layer.
[0037]
With this configuration, sections having different spectral sensitivities can be formed without using a color filter, the manufacturing process can be simplified, and the manufacturing yield can be improved.
[0038]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the depth of the P-well layer in the section having the blue spectral sensitivity, the depth of the P-well layer in the section having the green spectral sensitivity, and the section having the red spectral sensitivity. The depth of the P well layer in is formed deeper in order.
[0039]
With this configuration, the photoelectric charge generated by the light on the long wavelength side of each spectral sensitivity flows out to the substrate, and the long wavelength side of each spectral characteristic is attenuated.
[0040]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the depth of the N-type impurity layer provided in the P well layer of the section having the blue spectral sensitivity and the P well layer in the section having the green spectral sensitivity are provided. The depth of the N-type impurity layer and the depth of the N-type impurity layer provided in the P-well layer in the section having red spectral sensitivity are formed in order.
[0041]
With this configuration, light incident on the semiconductor substrate of the color solid-state imaging device can be detected by being distinguished by the length of the wavelength, that is, the penetration depth into the semiconductor substrate.
[0048]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention,In the negative part of the color matching functionProcessing is performed using a signal read from a section having spectral sensitivity with a peak, and color reproduction that approximates a color matching function is performed.
[0049]
With this configuration, an image close to an image seen by a person can be obtained.
[0050]
Furthermore, the color solid-state imaging device according to the present invention includes a configuration in which the arrangement of sections having the same spectral sensitivity is different between adjacent photoelectric conversion regions.
[0051]
With this configuration, it is possible to further suppress the occurrence of moire.
[0052]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the area of at least one of the sections in the photoelectric conversion region is different from the areas of the other sections.
[0053]
With this configuration, the spectral sensitivity, that is, the signal intensity of each section can be made uniform, and the color balance can be optimized.
[0054]
Furthermore, in the color solid-state imaging device of the present invention, the area of each section in the photoelectric conversion region is inversely proportional to the relative size per unit area of the spectral sensitivity.
[0055]
With this configuration, the sensitivity balance for each color is optimized, and good image data can be generated.
[0056]
A digital camera according to the present invention includes any one of the color solid-state imaging devices described above.
[0057]
With this configuration, generation of false signals and false colors is suppressed, and an image with high sensitivity and high resolution and excellent color reproducibility can be taken.
[0058]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0059]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of a single-plate color solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. On the surface of the semiconductor substrate constituting the single-plate color solid-
[0060]
The inside of each
[0061]
FIG. 2 is an enlarged plan view of four pixels of the
[0062]
The single-plate color solid-
[0063]
FIG. 3 is a cross-sectional view of one pixel of the
[0064]
The surface of each N-
[0065]
Further, a flattening
[0066]
Note that the small pixels R, G1, G2, and B shown in FIG. 2 and the subsequent FIG. 4 do not indicate the respective color portions of the
[0067]
One microlens (top lens) 14 according to the present embodiment is provided for one
[0068]
In the present embodiment, the incident light collected by the
[0069]
FIG. 4 is a plan view showing two pixel portions in a state where the
[0070]
That is, when the
[0071]
In addition, a plurality of small pixels having different spectral sensitivities are concentrated and arranged as a pixel portion, and each small pixel is formed adjacent to each other with only the
[0072]
In the single-plate color solid-
[0073]
As described above, according to the present embodiment, a plurality of small pixels are concentrated and arranged in one place to form one pixel unit, and the distance between the small pixels in one pixel unit is set to the small pixel in the adjacent pixel unit. Since the distance is smaller than the distance, the
[0074]
In the present embodiment, since the two small pixels G1 and G2 having different spectral spectra are provided as the green small pixels, it is possible to perform faithful color reproduction as compared with the case where only the small green pixel G is provided. Furthermore, the resolution can be increased and the arrangement period of small pixels with the same spectral sensitivity can be reduced, so that the occurrence of moire is suppressed, color reproducibility is improved, and high-quality images can be obtained. It becomes.
[0075]
(Second Embodiment)
FIG. 6 is an enlarged plan view of a main part of the color solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and illustrates four pixels with a light shielding film. In the first embodiment, the arrangement of the small pixels in the
[0076]
When changing the arrangement of small pixels with different spectral sensitivities in the pixel part,
(1) The upper, lower, left, and right color arrangements are exchanged alternately for each column or row of the pixel portion.
(2) The arrangement of the color filter (B) corresponding to the short wavelength and the color filter (R) corresponding to the long wavelength at the light receiving central portion and the peripheral portion of the solid-state imaging device is changed, and the light around the light receiving portion or the light shielding opening is changed. Improve vignetting (shading).
And so on.
[0077]
As described above, by periodically changing the arrangement of the small pixels in the pixel unit, it is possible to obtain an image with better image quality than in the first embodiment.
[0078]
(Third embodiment)
FIG. 7 is an enlarged plan view of a main part of a color solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, and illustrates a pixel portion of four pixels provided with a light shielding film. In the first embodiment, a primary color filter is used, and two types of green color filters G1 and G2 are used. However, in this embodiment, complementary color filters Ye (yellow) and Mg (magenta) are used. , Cyan (Cy) and green (G) color filters are used.
[0079]
Since the complementary color system is composed of four colors, when the pixel portion is formed of four small pixels as in this embodiment, it is convenient to assign each color to each small pixel. In this embodiment as well, it is preferable to periodically change the arrangement of the small pixels Ye, Cy, Mg, and G in each pixel unit, as in the second embodiment.
[0080]
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is an enlarged plan view of a main part of a color solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention, and illustrates a pixel portion of four pixels provided with a light shielding film. In each of the above-described embodiments, the
[0081]
The area of each small pixel in the
[0082]
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is an enlarged plan view of a main part of a color solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention, and illustrates four pixels with a light shielding film. In this embodiment, in addition to the small pixels having the R, G, B spectral sensitivities of the primary color system, the small pixel having the smallest area has a fourth spectral sensitivity different from R, G, B. .
[0083]
The fourth spectral sensitivity in the present embodiment is, for example, a spectral sensitivity having a peak near a wavelength of 520 nm as shown in FIG. FIG. 11 is a graph showing the color matching function. In red (R), there is a negative portion A near 520 nm. If this is not realized, faithful color reproduction cannot be performed. Therefore, in the present embodiment, the signal charge amount corresponding to the light amount in the vicinity of the wavelength of 520 nm is detected by the small pixel having the fourth spectral sensitivity, and this is subtracted from the signal charge amount with respect to the light amount of red R, so that the same color Spectral sensitivity corresponding to the negative part A of the function is realized, and color reproduction as perceived by human eyes can be performed.
[0084]
(Sixth embodiment)
FIG. 12 is an enlarged plan view of a main part of a color solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention, and illustrates four pixels with a light shielding film. In each of the above-described embodiments, one pixel unit is formed by intensively arranging four small pixels. In this embodiment, one pixel unit is composed of three small pixels of R, G, and B. Is different.
[0085]
(Seventh embodiment)
FIG. 13 is a schematic diagram of a color solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention. In each of the above-described embodiments, the
[0086]
Since the
[0087]
FIG. 14A is an enlarged plan view of the
[0088]
On both sides of the
[0089]
In the example shown in the figure, the
[0090]
Also in the present embodiment, since the distance between the small pixels in one
[0091]
Although the small pixels R, G1, G2, and B have been described, complementary color small pixels G, Cy, Ye, and Mg may be used. Alternatively, a small pixel having the three primary colors R, G, and B and the small pixel having the fourth spectral sensitivity described with reference to FIG. 9 may be used.
[0092]
Also in this honeycomb arrangement, color reproducibility and high image quality can be achieved by periodically changing the arrangement of small pixels in the pixel portion in the same manner as in the second embodiment.
[0093]
(Eighth embodiment)
Whether the pixel portions are arranged in a square lattice shape or a honeycomb shape, how to divide the surface of each pixel portion is arbitrary, and the shape of the pixel portion is also arbitrary. FIG. 16 illustrates various pixel portion shapes and small pixel surface dividing methods. In the figure, the first spectral sensitivity is CF1, the second spectral sensitivity is CF2,... The sixth spectral sensitivity is CF6.
[0094]
The number of small pixels constituting one pixel portion is at least three for the three colors R, G, and B in the primary color system, but by increasing the number of small pixels to four to five, It is possible to provide various pixels such as a small pixel having a spectral sensitivity of 4 or a small pixel having other types of spectral sensitivity, and various images for improving image quality using detection signals of these small pixels. Processing is possible.
[0095]
(Ninth embodiment)
FIG. 17 is an enlarged plan view of a main part of a color solid-state imaging device according to the ninth embodiment of the present invention. The small pixels R, G, and B in each of the embodiments described above have a configuration in which spectral sensitivity is given by a color filter, whereas in the present embodiment, the color filter is not used and the small pixel photodiode structure itself is used. The spectral sensitivity R, G, B is provided. This embodiment shows an example in which a plurality of
[0096]
18A, 18B, and 18C are diagrams showing the photodiode structures of the small pixels B, G, and R according to this embodiment. FIG. 18A is a cross-sectional view of a small pixel having a spectral sensitivity of blue (B), showing a cross section along line aa in FIG. FIG. 18B is a cross-sectional view of a small pixel having a spectral sensitivity of green (G), showing a cross section taken along the line bb of FIG. Similarly, FIG. 18C is a cross-sectional view of a small pixel having a red (R) spectral sensitivity, showing a cross section taken along the line cc of FIG.
[0097]
In the color solid-state imaging devices according to the first to eighth embodiments described above, the photodiode structure constituting each small pixel has the same structure, and a color filter is used so that each small pixel has spectral sensitivity. . On the other hand, in the small pixel of the present embodiment, the spectral sensitivity is given by changing the PN junction depth of the photodiode constituting each small pixel, and the depth of the P well layer is also changed according to the spectral sensitivity. Yes.
[0098]
A small pixel (FIG. 18A) having a spectral sensitivity of blue (B) has a P-
[0099]
A small pixel (FIG. 18B) having a spectral sensitivity of green (G) is formed by forming a P-
[0100]
A small pixel (FIG. 18C) having a red (R) spectral sensitivity is formed by forming a P-
[0101]
When light is incident on the PN junctions constituting the small pixels R, G, and B, charges are accumulated in the N-
[0102]
It is important for faithful color signal processing that the spectral characteristics (see FIG. 19) of each small pixel have a characteristic that attenuates also on the long wavelength side. Therefore, in the present embodiment, the depth of the
[0103]
As a result, in the photodiode structure shown in FIG. 18A, photoelectric charges generated by light having a wavelength longer than green (G) flow out to the N-
[0104]
As a result, the wavelength dependence (spectral characteristics) of the signal charges accumulated in each of the small pixels R, B, and G becomes a mountain shape in which the long wavelength side falls in each of R, G, and B, as shown in FIG. And the color reproducibility by the color signal detected by the small pixels having these spectral characteristics is improved.
[0105]
In the present embodiment, each small pixel R, G, B has a surface P.+Although the thickness of the
[0106]
Needless to say, in this embodiment as well, as in each of the above-described embodiments, the arrangement positions and surface division methods of the small pixels R, G, and B in the
[0107]
(Tenth embodiment)
20A, 20B, and 20C are cross-sectional views of a color solid-state imaging device according to the tenth embodiment of the present invention. Although basically the same as the color solid-state imaging device according to the ninth embodiment shown in FIGS. 18A, 18B, and 18C, the difference is that as shown in FIG. A blue (B)
[0108]
(Eleventh embodiment)
21A, 21B, and 21C are sectional views of a color solid-state imaging device according to the eleventh embodiment of the present invention. Although basically the same as the color solid-state imaging device according to the tenth embodiment shown in FIGS. 20A, 20B, and 20C, the difference is that as shown in FIG. The small pixel diode structure (the depth of the
[0109]
(Twelfth embodiment)
FIG. 22 is a block diagram of a digital camera according to an embodiment of the present invention. A digital camera such as a digital still camera, a digital video camera, or a camera mounted on a small electronic device such as a cellular phone receives an optical signal of a subject image formed by a condensing optical system (not shown) and converts it into an electrical signal. The single-plate color solid-
[0110]
In the digital camera according to the present embodiment, each color signal component of R, G, and B is output from each of the above-described small pixels of the color solid-
[0111]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a single-plate color solid-state imaging device that enables high-sensitivity, high-resolution, and faithful color reproduction with reduced generation of false signals (moire) and false colors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a color solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged plan view of a main part of the color solid-state imaging device shown in FIG.
3 is a cross-sectional view of the pixel portion shown in FIG.
4 is a schematic plan view of four pixel portions from which the light shielding film of FIG. 2 is removed. FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
FIG. 6 is a plan view of an essential part of a color solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of an essential part of a color solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of an essential part of a color solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of an essential part of a color solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a fourth spectral sensitivity used in the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing color matching functions of R, G, and B.
FIG. 12 is a plan view of an essential part of a color solid-state imaging device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram of a color solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention.
14A is an enlarged plan view of a main part of the color solid-state imaging device shown in FIG.
(B) It is a top view of the light shielding film for four pixel parts.
FIG. 15 is an enlarged view inside a broken line circle XV shown in FIG.
FIG. 16 is a diagram illustrating a surface division example of a pixel portion of a color solid-state imaging device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an enlarged plan view of a main part of a color solid-state imaging device according to a ninth embodiment of the present invention.
18A is a cross-sectional view taken along line aa in FIG.
(B) is a sectional view taken along line bb of FIG.
(C) is a sectional view taken along the line cc of FIG.
FIG. 19 is a graph illustrating spectral characteristics of small pixels R, G, and B of a color solid-state imaging device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a cross-sectional view of small pixels B, G, and R of a color solid-state imaging device according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a cross-sectional view of small pixels B, G, and R of a color solid-state imaging device according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a configuration diagram of a digital camera according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Color solid-state imaging device
10,20 Pixel part (photoelectric conversion area)
11, 22 Horizontal transfer path
12, 26 element isolation band
13, 27 Light shielding film
13a, 27a opening
14 Micro lens (top lens)
15, 23 Vertical transfer path
16, 17, 18, 24, 25 electrodes
30 N-type silicon substrate
31 P well layer
32 N-type impurity layer
33 Surface P+layer
Claims (15)
前記1つ1つの開口部の直径または対角線長さをtとし赤色光の波長0.650μmをλとしたときtをλ〜2λの大きさとし、
前記複数の異なる分光感度が、原色系3色の赤色,緑色,青色の分光感度である
ことを特徴とするカラー固体撮像装置。A color solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion regions arranged in an array on a surface of a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate surface has one opening corresponding to each one of the photoelectric conversion regions. The photoelectric conversion region is divided into a plurality of sections for outputting a plurality of photoelectric conversion signals having different spectral sensitivities, inside each of the openings .
When the diameter or diagonal length of each of the openings is t and the wavelength of red light is 0.650 μm, λ is t λ to 2λ,
The color solid-state imaging device, wherein the plurality of different spectral sensitivities are red, green, and blue spectral sensitivities of three primary colors .
前記1つ1つの開口部の直径または対角線長さをtとし赤色光の波長0.650μmをλとしたときtをλ〜2λの大きさとし、
前記複数の異なる分光感度が、補色系3色のイエロー,シアン,マゼンタと緑色の分光感度である
ことを特徴とするカラー固体撮像装置。A color solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion regions arranged in an array on a surface of a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate surface has one opening corresponding to each one of the photoelectric conversion regions. The photoelectric conversion region is divided into a plurality of sections for outputting a plurality of photoelectric conversion signals having different spectral sensitivities, inside each of the openings .
When the diameter or diagonal length of each of the openings is t and the wavelength of red light is 0.650 μm, λ is t λ to 2λ,
The color solid-state imaging device, wherein the plurality of different spectral sensitivities are spectral sensitivities of three complementary colors of yellow, cyan, magenta, and green .
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