专利名称：可扩大动态范围的固体摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及装载有在CMOS图像传感器中使用的单位像素的电路结构的固体摄像装置ο
背景技术：
在CMOS图像传感器的摄像区域中，呈阵列状而设置多个单位像素(单元)。比如， 在日本特开2000-125209号公报和日本特开2005-286565号公报中，记载有通过在各单位 像素中设置高灵敏度和低灵敏度的2个光电二极管，将像素的信号电荷处理量(动态范围) 扩大的CMOS图像传感器。像素的动态范围由某特定颜色的像素的光电二极管的饱和电平确定，针对其以外 的颜色的像素，不能够使用到饱和电平。比如，在设置有通常使用的RBG拜尔(kiyer)排列 的滤色器的RBG传感器中，G(绿色)的像素的灵敏度最高，在光射入时，首先到达饱和电平。 此时，G以外的B(蓝)和R(红)的像素还没有到达饱和电平。在这种情况下，通过G的像 素的动态范围来抑制像素整体的动态范围。这样，即使在对各单位像素设置高灵敏度和低灵敏度的2个光电二极管、实现像 素的动态范围的扩大的现有传感器中，由于没有考虑像素的灵敏度根据颜色而不同的情 况，动态范围也无法进一步扩大。
发明内容
有关本发明的一种固体摄像装置，包括摄像区域和多个滤色器，该摄像区域包括 多个被排列的单位像素，该单位像素包括第1光电二极管、第1读出晶体管、第2光电二极 管、第2读出晶体管、FD(浮置扩散部floating diffusion)、复位晶体管和放大晶体管。第 1读出晶体管读出通过第1光电二极管而进行了光电变换的电荷，第2光电二极管的光灵敏 度小于第1光电二极管，第2读出晶体管读出通过第2光电二极管而进行了光电变换的信 号电荷，FD累积电荷，复位晶体管将FD的电位复位，放大晶体管对FD的电位进行放大。上 述多个滤色器包含第1、第2滤色器，当将与第1滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电 平设为QSAT1、且将与第2滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电平设为QSAT2时，满足 QSATl > QSAT2 的关系。
图1A、图IB和图IC为第1实施方式的固体摄像装置中的传感器的剖视图，图IA 为概要地表示取出第1实施方式的传感器的摄像区域中的一部分的、元件形成区域和栅极的布局图像的图，图IB为概要地表示取出同一传感器的摄像区域中的一部分的、滤色器和 微透镜的布局图像的图，图IC为概要地表示取出同一传感器的摄像区域中的一部分的、元 件形成区域和栅极的布局图像以及滤色器和微透镜的布局图像的图；图2为表示第1实施方式的传感器的低灵敏度光电二极管的色别特性的一个例子 的图；图3A、图;3B和图3C为第2实施方式的固体摄像装置中的传感器的剖视图，图3A 为概要地表示取出第2实施方式的传感器的摄像区域中的一部分的、元件形成区域和栅极 的布局图像的图，图3B为概要地表示取出同一传感器的摄像区域中的一部分的、滤色器和 微透镜的布局图像的图，图3C为概要地表示取出同一传感器的摄像区域中的一部分的、元 件形成区域和栅极的布局图像以及滤色器和微透镜的布局图像的图；图4为表示第2实施方式的传感器的低灵敏度光电二极管的色别特性的一个例子 的图；图5为概要地表示参考例的CMOS图像传感器的框图；图6A为表示图5的CMOS图像传感器的高灵敏度模式下的像素的动作定时的时序 图，图6B为表示复位动作时的半导体衬底内的电势(potential)电位和读出动作时的电势 电位的一个例子的图；图7A为表示图5的CMOS图像传感器的低灵敏度模式下的像素的动作定时的时序 图，图7B为表示复位动作时的半导体衬底内的电势电位和读出动作时的电势电位的一个 例子的图；图8为为了说明参考例的CMOS图像传感器的动态范围扩大效果而表示特性的一 个例子的图；图9A和图9B为第2实施方式的固体摄像装置中的传感器的剖视图，图9A为概要 地表示取出图5的CMOS图像传感器的摄像区域中的一部分的、元件形成区域和栅极的布局 图像的图，图9B为概要地表示取出图5的CMOS图像传感器中的摄像区域的一部分的、滤色 器和微透镜的布局图像的图。
具体实施例方式首先，在对第1实施方式进行说明之前，对于在各单位像素中设置高灵敏度和低 灵敏度的2个光电二极管的、参考例的CMOS图像传感器进行说明。该参考例的传感器记载 于本发明申请人的申请号为2009-157955号的日本专利申请的申请文件中的说明书和附 图中。图5为概要地表示该传感器的框图。摄像区域10包括按照m行η列设置的多个单 位像素(单元)1 (m, η)。在这里，代表性地表示各单位像素中的第m行第η列的1个单位 像素1 (m，n)，以及与摄像区域中的各列相对应而沿列方向形成的垂直信号线中的1条垂直 信号线11 (η)。在摄像区域10的一端侧(图1中左侧)，设置有对摄像区域的各行供给ADRES (m)、 RESET (m)、READl (m)、READ2 (m)等像素驱动信号的垂直移位寄存器12。在摄像区域10的上端侧(图1中上侧)，设置有与各列的垂直信号线11 (η)连接 的电流源13，作为像素源极跟随电路的一部分而动作。在摄像区域10的下端侧(图1中下侧)，设置有⑶S&ADC14和水平移位寄存器15，⑶S&ADC14包括与各列的垂直信号线11 (η)连接的相关二重取样(Correlated double Sampling :CDS)电路和模拟数字变换(Analog Digital Convert :ADC)电路。CDS&ADC14对 像素的模拟输出进行CDS处理，变换为数字输出。信号电平判断电路16根据通过CDS&ADC14而被数字化的输出信号的电平，判断单 位像素的输出信号VSIG(n)是小于规定值还是大于规定值，将判断输出供给到定时发生电 路17，并且将其作为模拟增益(Analog Gain :AG)控制信号而供给到⑶S&ADC14。定时发生电路17分别按照规定定时，产生控制光电二极管的累积时间的电子快 门(shutter)控制信号及动作模式切换用的控制信号等，将其供给到垂直移位寄存器12。各单位像素具有相同的电路结构，在各单位像素中，设置高灵敏度的光电二极管 和低灵敏度的光电二极管这2个光电二极管。在这里，对图5中的单位像素l(m，η)的结构 进行说明。单位像素1 (m，η)包括将入射光进行光电变换并累积的第1光电二极管PDl ；第 1读出晶体管READ1，与第1光电二极管PDl连接，对第1光电二极管PDl的信号电荷进行 读出控制；第2光电二极管PD2，光灵敏度小于第1光电二极管PD1，将入射光进行光电变换 并累积；第2读出晶体管READ2，与第2光电二极管PD2连接，对第2光电二极管PD2的信号 电荷进行读出控制；浮置扩散部(floating diffusion) FD，与第1、第2读出晶体管READl、 READ2的各一端连接，暂时累积通过第1、第2读出晶体管READ1、READ2读出的信号电荷；放 大晶体管AMP，栅极连接于浮置扩散部FD，将浮置扩散部FD的信号进行放大后输出给垂直 信号线ll(n)；复位晶体管RST，源极连接于放大晶体管AMP的栅极电位(FD电位)，使栅极 电位复位；以及，选择晶体管ADR，将电源电压对放大晶体管AMP进行供给控制，以便对垂直 方向的所需水平位置的单位像素进行选择控制。另外，各晶体管为η型的M0SFET。选择晶体管ADR、复位晶体管RST、第1读出晶体管READ1、第2读出晶体管READ2 通过分别相对应的行的信号线的像素驱动信号ADRES (m)、RESET (m)、READl (m)、READ2 (m) 和HSAT(m)而驱动。另外，放大晶体管AMP的一端连接于相应的列的垂直信号线11 (η)。图6表示适合于在图5的CMOS图像传感器中累积于浮置扩散部FD的信号电荷量 少的情况(暗时)的、高灵敏度模式下的像素的动作定时、复位动作时的半导体衬底内的电 势电位和读出动作时的电势电位的一个例子。在浮置扩散部FD的信号电荷量少的情况下， 要求提高CMOS图像传感器的灵敏度，提高S/N比。首先，通过使复位晶体管RST导通、进行复位动作，从而将刚刚进行了复位动作之 后的浮置扩散部FD的电位(Potential)设定为与像素的电源相同的电位电平。在复位动 作结束之后，使复位晶体管RST截止。于是，向垂直信号线11输出与浮置扩散部FD的电位 相对应的电压。将该电压值送入⑶S&ADC14内的⑶S电路(暗时电平)。接着，使第1、第2读出晶体管READl、READ2导通，将之前累积于第1、第2光电二 极管PD1、PD2的信号电荷传送给浮置扩散部FD。在高灵敏度模式下，进行下述读出动作， 即，使第1、第2读出晶体管READ1、READ2这两者导通，将在暗状态下获得的全部信号电荷 传送给浮置扩散部FD。伴随该信号电荷的传送，FD电位改变。由于向垂直信号线11输出 与浮置扩散部FD的电位相对应的电压，故将该电压值送入CDS电路(信号电平)。然后，通 过从信号电平中减去暗时电平，消除由放大晶体管AMP的阈值电压的偏差等造成的噪音， 仅仅取出单纯的信号成分(CDS动作)。
另外，虽然可以使第1、第2读出晶体管READ1、READ2同时导通，但是，还可进行下 述的动作。即，仅仅使第1读出晶体管READl导通，传送累积于第1光电二极管PDl中的信 号电荷之后，暂时使第1读出晶体管READl截止。然后，仅仅使第2读出晶体管READ2导通， 传送累积于第2光电二极管PD2中的信号电荷。通常，通过使读出晶体管导通，浮置扩散部FD的电位因电容耦合而上升，但是，按 照后者的动作，2个读出晶体管不同时导通，因此，浮置扩散部FD的电位的上升较小。于是， 可抑制浮置扩散部FD的电场依赖性暗电流的发生。另一方面，图7表示适合于在图5的CMOS图像传感器中在第1、第2光电二极管 PD1、PD2中累积的信号电荷量多的情况(明时)的、低灵敏度模式中的像素的动作定时、复 位动作(Reset Operation)时的半导体衬底内的电势(Potential)电位与读出动作(Read Operation)时的电势电位的一个例子。在信号电荷量多的情况下，要求降低传感器的灵敏 度、尽量使传感器不饱和，以便扩大动态范围。首先，通过使复位晶体管RST导通、进行复位动作，从而将刚刚进行复位动作之后 的浮置扩散部FD的电位设定为与像素的电源相同的电位电平。在复位动作结束之后，使复 位晶体管RST截止。于是，向垂直信号线11输出与浮置扩散部FD的电位相对应的电压。将 该电压值送入⑶S&ADC14内的⑶S电路(暗时电平)。接着，在低灵敏度模式下，进行下述的读出动作，即，仅仅使第2读出晶体管READ2 导通，仅仅将累积于灵敏度更低的第2光电二极管PD2中的信号电荷传送给浮置扩散部FD。 伴随该信号电荷的传送，FD电位改变。由于向垂直信号线11输出与浮置扩散部FD的电位 相对应的电压，故将该电压值送入CDS电路(信号电平)。然后，在CDS电路中，从信号电平 中减去暗时电平，由此，消除由放大晶体管AMP的阈值电压的偏差等造成的噪音，仅仅取出 单纯的信号成分(CDS动作)。另外，在低灵敏度模式下，为了防止第1光电二极管PDl的信号电荷向浮置扩散部 FD溢出的情况，在即将进行浮置扩散部FD的复位动作之前，使第1读出晶体管READl导通， 排出累积于第1光电二极管PDl中的信号电荷即可。另外，在进行浮置扩散部FD的复位动 作和从第2光电二极管PD2读出信号的动作的期间以外，可总是使第1读出晶体管READl 导通。这样，在参考例的CMOS图像传感器中，在单位像素中设置高灵敏度和低灵敏度的 2个光电二极管，在信号电荷量少时，高灵敏度和低灵敏度的2个光电二极管的信号均被采 用。此时，在单位像素中，对信号电荷进行加法运算后将其读出。另外，在信号电荷量多时， 仅仅读出低灵敏度的光电二极管的信号。这样，区分地使用2个动作模式。图8为为了说明参考例的CMOS图像传感器中的动态范围扩大效果而表示特性的 一个例子的图。在图8中，横轴表示入射光量，纵轴表示在光电二极管中产生的信号电荷 量。在这里，高灵敏度的光电二极管PDl的特性由A表示，低灵敏度的光电二极管PD2的特 性由B表示，在单位像素中设置1个光电二极管的情况下的光电二极管(下面，称为“普通 像素”)的特性由C表示。在这里，比如，高灵敏度的光电二极管PDl的光灵敏度设定为普通像素的3/4，低 灵敏度的光电二极管PD2的光灵敏度设定为普通像素的1/4。另外，高灵敏度和低灵敏度的 光电二极管PD1、PD2的饱和电平均设定为普通像素的1/2。
根据图8可知，由于高灵敏度的光电二极管PDl的光灵敏度设定为普通像素的 3/4，低灵敏度的光电二极管PD2的光灵敏度设定为普通像素的1/4，因此，在对两个光电二 极管的输出进行加法运算的高灵敏度模式下，信号电荷量与普通像素的情况相同。图9A为概要地表示取出图5的CMOS图像传感器的摄像区域中的一部分的、元件 形成区域和栅极的布局图像的图。图9B为概要地表示取出图5的CMOS图像传感器中的摄 像区域的一部分的、滤色器和微透镜的布局图像的图。滤色器的排列采用通常的RGB拜尔 排列。在图9A、图9B中，R(1)、R(2)表示与R用像素相对应的区域，B (1)、B (2)表示与B 用像素相对应的区域，(^(1)、(^0)、61~(1)、61^2)表示与G用像素相对应的区域。D表示 与像素的电源节点连接的漏极区域。另外，第1、第2读出晶体管均通过READ表述。如图9A、图9B所示的那样，在各单位像素中，设置高灵敏度和低灵敏度的光电二 极管，在高灵敏度的光电二极管上，设置面积大的滤色器和微透镜20，在低灵敏度的光电二 极管上，设置面积小的滤色器和微透镜30。另一方面，光电二极管的面积没有高灵敏度和低 灵敏度的区别，并且没有GBR的区别，均为相同的面积。根据图8可知，低灵敏度的光电二极管PD2与普通像素相比较，饱和电平为1/2，光 灵敏度为1/4，其结果是，低灵敏度的光电二极管PD2没有饱和而动作的范围与普通像素相 比较，扩大2倍。即，在采用低灵敏度的光电二极管PD2的输出的低灵敏度模式下，动态范 围与普通像素相比较，扩大2倍。但是，在采用滤色器而构成彩色传感器的场合，像素的动态范围由某特定的颜色 的像素的光电二极管的饱和电平决定，其以外的颜色的像素不能使用到饱和电平。S卩，在图5的传感器中，G的像素的灵敏度最高，光入射时，首先到达饱和电平。 此时，在G以外的B和R的像素中，没有到达饱和电平。通常，如果对白色的拍摄对象进 行摄像，则输出最低的多为B的像素。比如，在《Yoshitaka Egawa et al. "Al/2. 5 inch 5. 2Mpixel,96dB Dynamic Range CMOS Image Sensor with Fixed Pattern Noise Free, Double Exposure Time Read-Out Operation，，2006, IEEE international Solid-State Conference, Digest of Technical Papers 2006》，pp. 135-138 的图 4 中，给出如下记载， 在对某拍摄对象进行拍摄时，G的像素的输出最高，其次，R的像素输出较高，输出最低的为 B的像素。在这种情况下，如果假定像素的饱和电平与颜色无关，而是一定的，则G的像素首 先饱和，接着，R的像素饱和，最终，B的像素饱和。于是，在将图5的传感器用于数字照相机 等的情况下，如果G的像素饱和，则对于剩余的像素，虽然没有饱和，但是无法连续地进行 光电变换。其结果是，传感器的动态范围由某特定的颜色的像素、具体来说为G的像素的光 电二极管的饱和电平决定，无法进一步扩大动态范围。下面对在第1实施方式中可进一步扩大像素的动态范围的固体摄像装置进行说 明。(第1实施方式)第1实施方式的CMOS图像传感器具有与图5所示的框图相同的电路结构。即，本 实施方式的传感器具有包含按照m行η列配置的多个单位像素(单元)1 (m, η)的摄像区 域10、垂直信号线11 (η)、垂直移位寄存器12、电流源13、⑶S&ADC14、水平移位寄存器15、信号电平判断电路16以及定时发生电路17。另外，摄像区域10内的各单位像素与图5中所示的单位像素l(m，η)相同，具有 将入射光进行光电变换并累积的第1光电二极管PDl ；第1读出晶体管READ1，与第1光电 二极管PDl连接，对第1光电二极管PDl的信号电荷进行读出控制；第2光电二极管PD2， 光灵敏度小于第1光电二极管PDl，将入射光进行光电变换并累积；第2读出晶体管READ2， 与第2光电二极管PD2连接，对第2光电二极管PD2的信号电荷进行读出控制；浮置扩散部 FD，与第1、第2读出晶体管READ1、READ2的各一端连接，暂时累积通过第1、第2读出晶体 管READl、READ2读出的信号电荷；放大晶体管AMP，栅极与浮置扩散部FD连接，将浮置扩散 部FD的信号放大后输出给垂直信号线ll(n)；复位晶体管RST，源极连接于放大晶体管AMP 的栅极电位(FD电位)，将栅极电位复位；以及选择晶体管ADR，为了对垂直方向的所需水平 位置的单位像素进行选择控制，将电源电压对放大晶体管AMP进行供给控制。图IA为概要地表示取出本实施方式的传感器的摄像区域中的一部分的、元件形 成区域和栅极的布局图像的图。图IB为概要地表示取出同一传感器的摄像区域的一部分 的、滤色器和微透镜的布局图像的图。另外，图IC为概要地表示同一传感器的元件形成区 域和栅极的布局图像、以及滤色器和微透镜的布局图像的图。滤色器的排列采用通常的RGB 拜尔排列。在图1A、图IB和图IC中，R(1)、R(2)表示与R用像素相对应的区域，B(I), B (2) 表示与B用像素相对应的区域，(ib(l) >Gb(2) ,Gr(I) ,Gr (2)表示与G用像素相对应的区域。 D表示与像素的电源节点连接的漏极区域。另外，在图IA中，示出垂直信号线11。与参考例的传感器相同，在各单位像素中，设置高灵敏度和低灵敏度的2个光电 二极管，对应于高灵敏度的光电二极管，设置面积大的滤色器和微透镜20，对应于低灵敏度 的光电二极管，设置面积小的滤色器和微透镜30。即，在R用像素的高灵敏度和低灵敏度的 光电二极管PD1、PD2上设置具有R的分光透射特性的滤色器和微透镜20，在B用像素的高 灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2上，设置具有B的分光透射特性的滤色器和微透 镜20，在G用像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2上，设置具有G的分光透 射特性的滤色器和微透镜20。在这里，高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2排列的 方向相对于垂直信号线的延长方向倾斜45度。另一方面，与参考例的传感器不同，光电二极管的面积根据像素的颜色而不同。具 体来说，增加G用像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管(PD1、PD》41的面积，减小R用 像素和B用像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管(PD1、PD2)42、43的面积。另外，G用 像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的面积相等，R用像素和B用像素的高灵 敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的面积分别相等。通常，像素的饱和电平与光电二 极管的面积成比例。于是，G用像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的饱和 电平大于R用像素和B用像素的高灵敏度与低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的饱和电平。在本实施方式的传感器中，像素的饱和电平根据颜色而不同，输出大的G用像素 的饱和电平按照大于其它颜色的像素的饱和电平的方式设定。因此，在摄像时，可使G用像 素与R用像素和B用像素基本同时地饱和。图2为表示本实施方式的传感器的低灵敏度光电二极管PD2的色别特性的一个例 子的图。在图2中，横轴表示入射光量，纵轴表示在光电二极管中产生的信号电荷量。在本实施方式中，滤色器为RGB拜尔排列，存在R、G、B3色的像素，但是，为了容易理解，在图2 中，仅仅示出G用像素和R用像素的2个颜色的光电二极管PD2的特性。另外，在图2中， 按照G用像素的饱和电平为图8的参考例的G用像素的4/3倍，R用像素的饱和电平为图8 的参考例的R用像素的2/3倍的方式设定。其结果是，像素的动态范围扩大到图9的参考 例的像素的4/3倍。即，在本实施方式的传感器中，当用QSATl表示与G的滤色器相对应的低灵敏度的 光电二极管PD2的饱和电平、用QSAT2表示与G以外的R和B的滤色器相对应的低灵敏度 的光电二极管PD2的饱和电平时，如果满足QSATl > QSAT2的关系，则可扩大动态范围。另外，RGB拜尔排列的滤色器对于R、G、B来说，直至大于等于650nm的近红外线区 域，均具有灵敏度，因此，并用近红外线截止滤光器。于是，具有滤色器的传感器中的各颜色 的像素输出大大影响到滤色器和近红外线截止滤光器的特性。典型地，在各颜色的像素中 光电二极管的面积相等的情况下，像素输出的比例基本为R G B=I 3 1。于是， 将与G的滤色器相对应的低灵敏度的光电二极管(PD2)41的面积设定为与G以外的R和B 的滤色器相对应的低灵敏度的光电二极管(PD2)42、43的面积的3倍即可。(第2实施方式)第2实施方式的CMOS图像传感器具有与图5所示的参考例的CMOS图像传感器的 框图相同的电路结构。另外，摄像区域内的各单位像素具有与图5中给出的参考例的CMOS 图像传感器的单位像素l(m，η)相同的结构。图3Α为概要地表示取出本实施方式的传感器的摄像区域中的一部分的、元件形 成区域和栅极的布局图像的图，图3Β为概要地表示取出同一传感器的摄像区域中的一部 分的、滤色器和微透镜的布局图像的图。另外，图3C为概要地表示同一传感器的元件形成 区域和栅极的布局图像、以及滤色器和微透镜的布局图像的图。滤色器的排列采用通常的 RGB拜尔排列。在图3A、图;3B和图3C中，R(1)、R(2)表示与R用像素相对应的区域，B (1)、B (2) 表示与B用像素相对应的区域，(ib(l) >Gb(2) ,Gr(I) ,Gr (2)表示与G用像素相对应的区域。 D表示与像素的电源节点连接的漏极区域。另外，在图3A中，示出垂直信号线11。与第1实施方式的传感器相同，在各单位像素中，设置高灵敏度和低灵敏度的光 电二极管，在高灵敏度的光电二极管上，设置面积大的滤色器和微透镜20，在低灵敏度的光 电二极管上，设置面积小的滤色器和微透镜30。即，在G用像素的高灵敏度和低灵敏度的 光电二极管PD1、PD2上，设置具有G的分光透射特性的滤色器和微透镜20、30a，在R用像 素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2上，设置具有R的分光透射特性的滤色器 和微透镜20、30b，在B用像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2上，设置具有 B的分光透射特性的滤色器和微透镜20，30b。在这里，高灵敏度和低灵敏度的光电二极管 PD1、PD2排列的方向相对于垂直信号线的延长方向倾斜45度。另一方面，与第1实施方式的传感器不同，设置于低灵敏度的光电二极管PD2上的 微透镜的面积根据像素的颜色而不同。具体来说，如图3所示的那样，减小G用像素的低灵 敏度的光电二极管PD2上的滤色器和微透镜30a的微透镜Gr⑵的面积，增加R用像素与B用像素的低灵敏度的光电二极管PD2上的滤色器和微透镜30b的微透镜RQ) ,B(2)的面 积。另外，G用像素的高灵敏度和低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的面积，以及R用像素和 B用像素的高灵敏度与低灵敏度的光电二极管PD1、PD2的面积完全相等。其结果是，在对同一拍摄对象进行摄像的情况下，G用像素的低灵敏度的光电二极 管PD2与图9的参考例的G用像素的低灵敏度的光电二极管PD2相比较，信号电荷量的发 生较少，难以到达饱和电平。由此，在摄像时，可使G用像素到达饱和的定时接近于R用像 素与B用像素到达饱和的定时。图4为表示本实施方式的传感器的低灵敏度光电二极管PD2的色别特性的一个例 子的图。在图4中，横轴表示入射光量，纵轴表示在光电二极管中产生的信号电荷量。在本 实施方式中，滤色器为RGB拜尔排列，存在RGB3色的像素，但是，为了容易理解，在图4中， 仅仅示出G用像素和R用像素的2个颜色的光电二极管PD2的特性。由于像素的动态范围 由G用像素决定，且可使G用像素到达饱和的定时延迟，因此，像素整体的动态范围大于图 9的参考例。S卩，在本实施方式的传感器中，当用AREAl表示对应于G的滤色器而设置的、将光 聚光于低灵敏度的光电二极管PD2的微透镜30a的面积，且用AREA2表示对应于G以外的 R和B的滤色器而设置的、将光聚光于低灵敏度的光电二极管PD2的微透镜30b的面积时， 如果满足AREAl < AREA2的关系，则可扩大动态范围。另外，对于具有RGB的滤色器的传感器中的各颜色的像素输出，在各颜色的像素 中光电二极管的面积相等的情况下，像素输出的比例基本为R G B=I 3 1。于 是，使对应于G的滤色器而设置的、将光聚光于低灵敏度的光电二极管PD2的微透镜30a的 面积设置为，对应于G以外的R和B的滤色器而设置的、将光聚光于低灵敏度的光电二极管 PD2的微透镜30b的面积的1/3即可。此外，在上述各实施方式中，例如对具有RGB3种颜色的像素的固体摄像装置、及 获得颜色信息的滤色器采用RGB拜尔排列的情况进行了说明，但是，在具有WRGB4种颜色的 像素的固体摄像装置中，可以采用由W(透明)、B(蓝)、G(绿)和R(红)4个种类形成的滤 色器。在这种情况下，由于W(透明)的光灵敏度最大，故可增加与W(透明)相对应的微透 镜的面积，或增加与W(透明)相对应的光电二极管的面积。虽然对某些实施例进行了描述，但是，本发明不限于这些实施例。实际上，在这里 描述的上述的新的方法和系统可按照各种其它的形式实施。另外，在不脱离本发明的实质 的情况下，可按照在这里描述的方法和系统的形式给出各种省略方式、代替方式和改变方 式。后附的权利要求及其等同方案覆盖落入本发明的范围和实质内的种种变形。
权利要求
1.一种固体摄像装置，包括多个滤色器，包括具有不同的分光透射特性的至少第1滤色器、第2滤色器；以及 摄像区域，具有多个被排列的单位像素， 该单位像素具有第1光电二极管，对入射光进行光电变换；第1读出晶体管，与上述第1光电二极管连接，读出通过该第1光电二极管进行光电变 换后的信号电荷；第2光电二极管，光灵敏度小于上述第1光电二极管，该第2光电二极管对入射光进行 光电变换；第2读出晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出通过该第2光电二极管进行光电变 换后的信号电荷；浮置扩散部，与上述第1读出晶体管和上述第2读出晶体管连接，累积信号电荷； 复位晶体管，将上述浮置扩散部的电位复位；以及 放大晶体管，将上述浮置扩散部的电位放大， 其特征在于，当用QSATl表示与上述第1滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电平，用QSAT2表 示与上述第2滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电平时，满足QSATl > QSAT2的关系。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 还包括垂直信号线，上述第1光电二极管和上述第2光电二极管排列的方向相对于该垂直信号线倾斜45度。
3.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，该固体摄像装置具有RGB3色的像素，上述第1滤色器具有G的分光透射特性，上述第 2滤色器具有G以外的分光透射特性。
4.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，该固体摄像装置具有WRGB4色的像素，上述第1滤色器具有W的分光透射特性，上述第 2滤色器具有W以外的分光透射特性。
5.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 还包括第3滤色器，分光透射特性不同于上述第1滤色器、上述第2滤色器， 与该第3滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电平，和与上述第2滤色器相对应的 第2光电二极管的饱和电平相同。
6.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，上述第1光电二极管具有形成于第1导电型的半导体区域表面内的第2导电型的扩散层，与上述第1滤色器相对应的第1光电二极管的扩散层的占有面积，大于与上述第2滤 色器相对应的第1光电二极管的扩散层的占有面积。
7.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于， 还包括第3滤色器，分光透射特性不同于上述第1滤色器、上述第2滤色器，上述第1光电二极管包括形成于第1导电型的半导体区域表面内的第2导电型的扩散层，与上述第2滤色器相对应的第1光电二极管的扩散层的占有面积，和与上述第3滤色 器相对应的第1光电二极管的扩散层的占有面积相同。
8.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，上述第1光电二极管包括形成于第1导电型的半导体区域表面内的第2导电型的第1 扩散层，上述第2光电二极管包括形成于第1导电型的半导体区域表面内的第2导电型的第2 扩散层，上述第1光电二极管、上述第2光电二极管的上述第1扩散层、上述第2扩散层的占有 面积相等。
9.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，上述第1滤色器具有绿光的分光透射特性，上述第2滤色器具有蓝光或红光的分光透 射特性。
10.一种固体摄像装置，包括摄像区域，包括多个被排列的单位像素； 该单位像素具有第1光电二极管，对入射光进行光电变换；第1读出晶体管，与上述第1光电二极管连接，读出通过该第1光电二极管进行光电变 换后的信号电荷；第2光电二极管，光灵敏度小于上述第1光电二极管，该第2光电二极管对入射光进行 光电变换；第2读出晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出通过该第2光电二极管进行光电变 换后的信号电荷；浮置扩散部，与上述第1读出晶体管和上述第2读出晶体管连接，累积信号电荷； 复位晶体管，将上述浮置扩散部的电位复位；以及 放大晶体管，将上述浮置扩散部的电位放大，多个滤色器，包括具有不同的分光透射特性的至少第1滤色器、第2滤色器；以及 多个微透镜，包括对应于上述第1滤色器、上述第2滤色器而设置的第1微透镜、第2 微透镜，将光进行聚光后照射到上述摄像区域， 其特征在于，当用AREAl表示与上述第2滤色器相对应而设置的、将光聚光于上述第1光电二极管 的上述第1微透镜的面积，用AREA2表示与上述第2滤色器相对应而设置的、将光聚光于上 述第2光电二极管的上述第2微透镜的面积时，满足AREAl < AREA2的关系。
11.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于， 还包括垂直信号线，上述第1光电二极管和上述第2光电二极管排列的方向相对于该垂直信号线倾斜45
12.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于，具有RGB3色的像素，上述第1滤色器具有G的分光透射特性，上述第2滤色器具有G 以外的分光透射特性。
13.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于，具有WRGB4色的像素，上述第1滤色器具有W的分光透射特性，上述第2滤色器具有W 以外的分光透射特性。
14.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于，上述第1光电二极管具有形成于第1导电型的半导体区域表面内的第2导电型的第1 扩散层，该第1扩散层具有第1占有面积，上述第2光电二极管具有形成于上述第1导电型的半导体表面内的上述第2导电型的 第2扩散层，该第2扩散层具有第2占有面积，分别与上述第1滤色器、上述第2滤色器相对应的上述第1扩散层和上述第2扩散层 的第1占有面积和第2占有面积相等。
15.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于，上述第1滤色器具有绿光的分光透射特性，上述第2滤色器具有蓝光或红光的分光透 射特性。
16.根据权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于， 还包括第3滤色器，分光透射特性不同于上述第1滤色器、上述第2滤色器；以及 多个微透镜，包括对应于上述第3滤色器而设置的第3微透镜，将光进行聚光后照射到 上述摄像区域上，当用AREA3表示对应于上述第3滤色器而设置的、将光聚光于上述第2光电二极管的 上述第3微透镜的面积时，上述AREA2和上述AREA3相等。
17.—种固体摄像装置，包括多个滤色器，包括具有不同的分光透射特性的至少第1滤色器、第2滤色器；以及 摄像区域，包括多个被排列的单位像素， 该单位像素具有第1光电二极管，对入射光进行光电变换；第1读出晶体管，与上述第1光电二极管连接，读出通过该第1光电二极管进行光电变 换后的信号电荷；第2光电二极管，光灵敏度小于上述第1光电二极管，该第2光电二极管对入射光进行 光电变换；第2读出晶体管，与上述第2光电二极管连接，读出通过该第2光电二极管进行光电变 换后的信号电荷；浮置扩散部，与上述第1读出晶体管和上述第2读出晶体管连接，累积信号电荷； 复位晶体管，将上述浮置扩散部的电位复位；以及 放大晶体管，将上述浮置扩散部的电位放大， 其特征在于，与上述第1滤色器相对应的上述第2光电二极管所累积的第1信号电荷量大于与上述第2滤色器相对应的上述第2光电二极管所累积的第2信号电荷量。
18.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其特征在于， 还包括垂直信号线；上述第1光电二极管和上述第2光电二极管排列的方向相对于该垂直信号线倾斜45度。
19.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其特征在于，具有RGB3色的像素，上述第1滤色器具有G的分光透射特性，上述第2滤色器具有G 以外的分光透射特性。
20.根据权利要求17所述的固体摄像装置，其特征在于，具有WRGB4色的像素，上述第1滤色器具有W的分光透射特性，上述第2滤色器具有W 以外的分光透射特性。
全文摘要
本发明提供一种固体摄像装置，包括摄像区域和多个滤色器，该摄像区域包括排列的多个单位像素，该单位像素包括第1光电二极管、第1读出晶体管、第2光电二极管、第2读出晶体管、FD、复位晶体管和放大晶体管。第1读出晶体管读出通过第1光电二极管进行光电变换后的电荷。第2光电二极管的光灵敏度小于第1光电二极管。第2读出晶体管读出通过第2光电二极管进行光电变换后的信号电荷。FD累积电荷。复位晶体管将FD的电位复位。放大晶体管将FD的电位放大。多个滤色器包括第1、第2滤色器。当用QSAT1表示与第1滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电平、且用QSAT2表示与第2滤色器相对应的第2光电二极管的饱和电平时，满足QSAT1＞QSAT2的关系。
文档编号H04N5/378GK102098456SQ201010534719
公开日2011年6月15日 申请日期2010年9月10日 优先权日2009年12月15日
发明者田中长孝 申请人:株式会社东芝