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CN103004212A - 固体摄像装置及摄像装置 - Google Patents

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CN103004212A
CN103004212A CN2011800355696A CN201180035569A CN103004212A CN 103004212 A CN103004212 A CN 103004212A CN 2011800355696 A CN2011800355696 A CN 2011800355696A CN 201180035569 A CN201180035569 A CN 201180035569A CN 103004212 A CN103004212 A CN 103004212A
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Application number
CN2011800355696A
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吉田真治
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

提供一种固体摄像装置，不使开口率下降，能够实现宽动态范围，在高照度下也能够进行摄像。固体摄像装置具有摄像区域（2A），该摄像区域（2A）通过形成于半导体基板（20）的表面的像素部以二维状排列而成，摄像区域（2A）以由2行2列的像素部构成的像素块作为排列单位而构成，该像素块包括：检测红色信号的红色像素（11R）、检测蓝色信号的蓝色像素（11B）、检测第1亮度信号的白色像素（11W1）、以及检测第2亮度信号的白色像素（11W2）；在白色像素（11W2）的受光面上部设有使可见光线区域的光透射率降低的光衰减滤光器。

Description

固体摄像装置及摄像装置
技术领域
本发明涉及搭载于数字静态摄像机（照相机、camera）等的固体摄像装置及摄像装置。
背景技术
固体摄像装置取得彩色图像的一般原理为，在各像素的上部设置仅透射特定的波段的滤色器，检测根据像素而不同的颜色信号，通过信号处理将这些不同的颜色信号合成，并重构为图像。因此，到达像素的光在各像素的上部被滤色器将不需要的波段除去，另一方面，到达像素的光量与到达摄像面的全光量相比变小。在此，在专利文献1中记载有如下的方法：对于一部分像素，不通过滤色器将光分光地利用，并检测较宽的透射波段，由此实现像素的高灵敏度化。
图15是专利文献1中记载的以往的固体摄像装置的概略图。该图中记载的固体摄像装置300具备：固体摄像元件312、红外光阻断滤光层313和滤色器群314。在红外光阻断滤光层313中，设有对可见光及红外光具有透射性的开口部313a、以及对可见光具有透射性而对红外光具有非透射性的非开口部313b。滤色器群314具备透射绿色的滤光器314G、透射红色的滤光器314R及透射蓝色的滤光器314B，将可见光区域分离为R、G、B成分。并且，红外光阻断滤光层313和滤色器群314在固体摄像元件312上一体地配置。在固体摄像元件312中，由波长区域像素312A检测通过了滤色器群314的滤光器314W（或未配置滤光器的部分）和开口部313a的、包括可见光及红外光在内的宽波长区域成分，通过该检测信号来生成亮度信号。此外，由红色像素312R、绿色像素312G及蓝色像素312B检测通过了滤光器314G、滤光器314R或滤光器314B和非开口部313b的R、G、B的各颜色成分，根据该各颜色信号生成色差信号。根据该构成，能够由个别的检测部独立地或同时地取得仅分光后的波长区域成分的信号成分和非分光的宽波长区域成分，所以个别地检测颜色信号和亮度信号，由此能够实现高灵敏度的摄像。
此外，在专利文献2中，公开有如下的固体摄像装置：具有白色像素而实现灵敏度的提高，并且能够对较强的入射光量进行处理，而且实现了各颜色像素的输出信号范围的提高。图16是专利文献2所记载的固体摄像装置中的像素块的概略图。该图中记载的固体摄像装置400在像素块内设有白色光电变换元件420W和遮光光电变换元件420LS1及420LS2。即，对于红色光电变换元件420R、绿色光电变换元件420G及蓝色光电变换元件420B中的1个，分别配置白色光电变换元件420W和遮光光电变换元件420LS1及420LS2而构成1像素块，在1像素块内，白色光电变换元件420W经由溢出（overflow）路径422与遮光光电变换元件420LS1及420LS2电连接。此外，片装透镜421仅配置在开口的红色光电变换元件420R、绿色光电变换元件420G、蓝色光电变换元件420B及白色光电变换元件420W上。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：特开2007-329380号公报
专利文献2：特开2009-206210号公报
发明的概要
发明所要解决的课题
但是，在图15所示的固体摄像装置300的构造中，检测宽波长区域成分的波长区域像素312A是高灵敏度的，但是与R、G、B的分光像素相比饱和速度非常快，所以难以进行高照度下的摄像。这意味着由于饱和速度变快而动态范围减小，在通过非分光信号和宽波长区域成分信号的检测来达成高灵敏度化方面是共通的课题。
此外，为了抑制非分光像素的饱和，通常利用使用了快门和光圈的光量调节，但是R信号或B信号这样的较弱的分光像素的信号减少，成为S/N降低的原因。此外，在图15所示的构成中，进行分光的非开口部313b的电介质层叠膜通过反射特定的波长的光来实现分光，所以存在由于反射光而产生眩光或重像这样的伪信号的问题。
另一方面，在图16所示的固体摄像装置400的构造中，从白色光电变换元件420W溢出的光电子蓄积在遮光光电变换元件420LS1及420LS2内，所以实质上白色光电变换区域增大，白色信号的饱和电平变大，所以能够期待动态范围变宽和高灵敏度化，但是必须设置遮光像素。因此，光电变换元件的像素开口率降低，妨碍高灵敏度化。进而，必须在摄像区域内确保遮光像素的面积，细微化和多像素化比较困难。因此，存在无法在不降低开口率的情况下兼得高灵敏度化和动态范围变宽的课题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而做出的，其目的在于，提供一种设有高灵敏度的白色像素的固体摄像装置，能够在不降低开口率的情况下实现宽动态范围，并且在高照度下也能够进行摄像。
解决课题所采用的手段
为了解决上述课题，本发明的一个方式的固体摄像装置，具有摄像区域，该摄像区域通过形成于半导体基板表面且具备光电二极管的像素部以二维状排列而成，所述摄像区域以由2行2列的4个所述像素部构成的像素块作为排列单位而构成，所述像素块包括：第1像素部，检测第1颜色信号；第2像素部，检测与所述第1颜色信号不同的第2颜色信号；第3像素部，检测第1亮度信号；以及第4像素部，检测第2亮度信号；在所述第1像素部及所述第2像素部的上部，分别设有使与期望的颜色信号对应的波段的光选择性地透射的滤色器（彩色滤光器），在所述第4像素部的上部，设有使可见光线区域的光透射率降低的光衰减滤光器，所述第3像素部和所述第4像素部的受光灵敏度不同。
根据该构成，第4像素部的饱和速度比第3像素部的饱和速度慢，所以通过将第3像素部检测的第1亮度信号和第4像素部检测的第2亮度信号用作像素块的亮度信号，能够使该像素块的饱和速度与第4像素部的饱和速度一致。由此，能够实现兼得高灵敏度和宽动态范围的固体摄像装置。
此外，优选为，所述第4像素部的受光灵敏度为所述第1像素部及所述第2像素部中的分光灵敏度较小的像素部的分光灵敏度以上，所述光衰减滤光器具有所述受光灵敏度为所述分光灵敏度以上的光透射率。
由此，饱和判定仅通过第3像素部及第4像素部的亮度信号就能够实现，在第4像素部不饱和的范围内，能够防止第1像素部及第2像素部饱和。因此，能够抑制颜色信号的S/N的下降，以高灵敏度取得高精细的图像。
此外，优选为，所述第3像素部和所述第4像素部在所述像素块内设置于相互构成对角的位置。
由此，亮度信号的配置间距为每1行及每1列，所以亮度的空间分辨率能够维持较高的状态。
此外，也可以是，所述第1颜色信号为蓝色的信号，所述第2颜色信号为红色的信号。
由此，通过将视见度（可见度）最高的绿色信号置换为亮度信号，色差信号相对于拜耳排列的误差最小，不降低颜色S/N，能够以高灵敏度取得高画质的图像。
此外，也可以是，所述第1颜色信号为红色的信号，所述第2颜色信号为绿色的信号。
由此，通过将检测视见度最小的蓝色的像素置换为白色像素，抑制颜色S/N的下降，能够以高灵敏度得到高画质的图像。
此外，也可以是，所述第1颜色信号为青绿色的信号，所述第2颜色信号为黄色的信号。
由此，通过使用检测更宽波长区域的补色系，由包含视见度更高的绿色的青绿色和黄色的2色来构成，能够以更高的灵敏度得到高画质的图像。
此外，也可以是，在相互邻接的像素块间，所述第1颜色信号或所述第2颜色信号不同。
由此，能够将全部3色的颜色配置在摄像区域内，并且全部3色的颜色信号像素分别与检测亮度信号的第3及第4像素部相接。通过该构造，能够提高亮度信号的颜色构成的精度，并且不需要进行减法处理，能够生成3色的彩色图像。因此，能够以高灵敏度得到高画质的图像。
此外，也可以是，所述第1颜色信号及所述第2颜色信号分别是蓝色的信号、绿色的信号及红色的信号中的某一个。
或者，也可以是，所述第1颜色信号及所述第2颜色信号分别是青绿色的信号、黄色的信号及深红色的信号中的某一个。
由此，通过在第1及第2像素部中使用光的3原色或补色系3色，能够取得高精细的彩色图像。
此外，优选为，所述光衰减滤光器由包含非晶硅或非晶锗的薄膜、或者碳薄膜构成。
由此，通过薄膜构造，能够抑制反射，并且使光在可见光线区域的宽范围中衰减。由此，能够抑制减法处理等颜色修正中的伪色信号的发生，取得高画质的图像。
此外，为了解决上述课题，本发明的一方式的摄像装置的特征在于，具备：上述某一个固体摄像装置；以及信号处理装置，对从所述像素部输出的像素信号进行处理；所述信号处理装置以将所述像素块中的所述第1亮度信号和所述第2亮度信号相加而得到的信号作为该像素块的亮度信号。
根据上述构成，第4像素部的饱和速度比第3像素部的饱和速度慢，所以通过将第1亮度信号和第2亮度信号相加而得到的信号用作亮度信号，能够使像素块的饱和速度与第4像素部的饱和速度一致。因此，能够实现在高照度下也能够进行摄像且兼得高灵敏度和宽动态范围的高灵敏度的摄像装置。
此外，也可以是，具备：上述某一个的固体摄像装置；以及信号处理装置，对从所述像素部输出的像素信号进行处理；所述信号处理装置具备：判定部，判定所述像素块中的所述第1亮度信号在规定期间中是否饱和；以及选择部，在所述判定部中判定为所述第1亮度信号在所述规定期间中饱和的情况下，选择该像素块中的所述第2亮度信号作为该像素块的亮度信号。
由此，由信号处理装置进行第1亮度信号的饱和判定，在被摄体的照度较高的情况下，能够将第2亮度信号作为像素块的亮度信号来选择。因此，通过选择与照度相应的亮度信号，能够达成宽动态范围和高灵敏度化。
发明效果
根据本发明的固体摄像装置及摄像装置，在摄像区域的排列单位、即像素块内配置有两个具有不同的灵敏度的白色像素和两个检测不同的颜色信号的颜色像素。此外，能够根据摄像面照度来选择低灵敏度/高灵敏度的亮度信号。因此，提供一种能够以高灵敏度对宽动态范围的图像进行摄像且在高照度下也能够进行摄像的固体摄像装置及摄像装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的摄像装置的构成的功能框图。
图2是本发明的实施方式1的固体摄像装置所具有的像素块的电路构成图。
图3是本发明的实施方式1的固体摄像装置的摄像区域中的颜色排列的示意图。
图4是表示本发明的像素块的各像素的蓄积电荷和蓄积时间的关系的图表。
图5是本发明的固体摄像装置的摄像区域中的像素的截面概略图。
图6是表示非晶硅的光吸收率和膜厚的关系的图表。
图7是表示本实施方式中使用的滤色器的透射谱的图表。
图8是本发明的实施方式1的MOS型图像传感器所具有的低灵敏度白色像素的要部构造截面图。
图9是本发明的实施方式1的MOS型图像传感器所具有的低灵敏度白色像素的工序截面图。
图10是本发明的实施方式2的摄像装置的信号处理的流程图。
图11是本发明的实施方式3的固体摄像装置的摄像区域中的颜色排列的示意图。
图12是本发明的实施方式4的固体摄像装置的像素块中的颜色排列的示意图。
图13是本发明的实施方式5的固体摄像装置的摄像区域中的颜色配置的示意图。
图14是表示本发明的实施方式5的变形例的固体摄像装置的摄像区域中的颜色配置的示意图。
图15是专利文献1中记载的以往的固体摄像装置的概略图。
图16是专利文献2中记载的固体摄像装置中的像素块的概略图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
（实施方式1）
图1是表示本发明的实施方式1的摄像装置的构成的功能框图。该图中记载的摄像装置200是具备固体摄像装置100、透镜201、驱动电路202、信号处理装置203和外部接口部204的数字摄像机（照相机、camera）。
信号处理装置203通过驱动电路202来驱动固体摄像装置100，取得来自固体摄像装置100的输出信号，并将内部处理后的信号经由外部接口部204输出至外部。
固体摄像装置100在摄像区域中具有灵敏度不同的两个非分光像素，信号处理装置203根据摄像面照度，使用上述两个非分光像素的亮度信号的合计或者选择某一方，由此能够调节入射至摄像区域的光量。
根据该构成，能够根据被摄体的亮度来控制到达摄像区域的光的透射量，所以能够进行高照度下的摄像。此外，通过在每个拜耳排列中设置这些元件，能够将低亮度及高亮度的被摄体同时进行灰度表现。以下，详细说明作为本发明的主要部分的固体摄像装置100。
图2是本发明的实施方式1的固体摄像装置所具有的像素块的电路构成图。该图中记载的固体摄像装置100具备：摄像区域2，通过将具有光电二极管11的单位像素1以二维状排列而成；水平移位寄存器3及垂直移位寄存器4，用于选择像素信号；以及输出端子5，将来自所选择的单位像素1的信号输出至外部。
摄像区域2包括多个单位像素1。在图2中，画出了成为1像素块的4个单位像素1。单位像素1具备：光电二极管11、转送用晶体管12、复位用晶体管13、放大用晶体管14和选择晶体管15。转送用晶体管12、复位用晶体管13、放大用晶体管14及选择晶体管15分别由MOS晶体管构成。
本发明的实施方式1的固体摄像装置100在像素块内作为单位像素1而具有受光灵敏度不同的两个非分光像素。
图3是本发明的实施方式1的固体摄像装置的摄像区域中的颜色排列的示意图。一般来说，取得彩色图像的颜色配置被称为拜耳排列，并且构成为在2行2列的像素块的一方的对角位置配置两个绿色像素，在另一方的对角位置配置红色像素和蓝色像素。与此相对，在本发明的固体摄像装置100中，如图3所示，将属于2行2列的像素块的4像素中的两个像素作为不对入射光进行颜色分离而直接检测的白色像素。
具体地说，固体摄像装置100的摄像区域2A所具有的像素块由配置为2行2列的4个单位像素1构成，在一方的对角位置配置有红色像素11R和蓝色像素11B，在另一方的对角位置配置有白色像素11W1和白色像素11W2。在此，红色像素11R是检测作为第1颜色信号的红色信号的第1像素部，蓝色像素11B是检测作为第2颜色信号的蓝色信号的第2像素部。此外，白色像素11W1是检测第1亮度信号的第3像素部，白色像素11W2是检测第2亮度信号的第4像素部。这时，白色像素11W2在光电二极管11的上部设有吸收可见光而使其衰减的光衰减滤光器，相对于可见光的灵敏度比白色像素11W1更低。光衰减滤光器的详细情况在后面说明。
通过上述像素块的构成，通常被滤色器舍弃的波长区域的光由白色像素11W1及11W2的光电二极管11进行光电变换，所以能够实现高灵敏度化。此外，在本发明的构成中，设有灵敏度不同的白色像素11W1及11W2，所以能够从白色像素11W1取得第1亮度信号，能够从白色像素11W2取得第2亮度信号。
图像析像度由亮度信号的空间频率决定，所以在对角配置用于得到亮度信号的白色像素11W1和白色像素11W2。由此，摄像区域2A构成为在每1行且每1列配置有检测亮度信号，不使析像度下降，能够实现高灵敏度化。
此外，在本实施方式中，将第1颜色信号作为红色，将第2颜色信号作为蓝色，将视见度最高的绿色信号置换为第1亮度信号及第2亮度信号。由此，与拜耳排列相比，色差信号的误差最小，不使颜色S/N下降，能够达成高灵敏度。
YCbCr色差空间是以一个亮度信号Y和二个颜色信号Cb及Cr来表现的颜色空间。在此，若设蓝色信号为B、红色信号为R、第1亮度信号为W1、第2亮度信号为W2，则Cb为（Y－B），Cr成为将（Y－R）与特定的系数相乘而得到的值，能够使用（W1＋W2）直接制作（Y－B）及（Y－R）。通常，拜耳排列中的亮度信号Y为Y＝0.299×R＋0.587×G＋0.114×B，近60%由绿色信号构成，通过将绿色置换为作为亮度像素的白色像素11W1及11W2，使Y≈W1、Y≈W2、或Y≈（W1＋W2），从而能够抑制S/N的下降，直接制作色差信号。
图4是表示本发明的像素块的各像素的、蓄积电荷与蓄积时间的关系的图表。该图中记载的图表的横轴表示各像素的曝光时间，纵轴表示向各像素的蓄积电荷量。若设曝光时间为t，蓄积电荷量为Q，则该图表中的斜率Q/t定义为各像素的受光灵敏度。在本发明的实施方式中，设定为作为白色像素11W1的受光灵敏度的全光灵敏度最大，作为白色像素11W2的受光灵敏度的全光灵敏度小于白色像素11W1的全光灵敏度。此外，通过对配置于白色像素11W2之上的光衰减滤光器的透射率进行控制，白色像素11W2的全光灵敏度被设定为比检测红色信号的红色像素11R及检测蓝色像素的蓝色像素11B的受光灵敏度、即分光灵敏度更大。通过上述设定，在亮度信号不饱和的区域，红色信号及蓝色信号不饱和。
根据上述设定，饱和判定仅通过白色像素11W1及11W2的亮度信号就能够实现，在白色像素11W2不饱和的范围内，能够防止红色像素11R及蓝色像素11B饱和，能够抑制颜色信号的S/N的下降，能够以高灵敏度得到高精细的图像。
以下，详细说明通过导入灵敏度低于白色像素11W1的白色像素11W2，从而能够拓宽动态范围的原理。
白色像素不进行分光，而对全波长域的光进行光电变换，所以是高灵敏度，但是在较快的时间内达到饱和电荷量。在图4的图表中示出，在白色像素11W1中，在时刻t1处蓄积电荷饱和，在白色像素11W2中，在时刻t2处蓄积电荷饱和。这时，例如，若将曝光时间设定到时刻t1为止，则红色像素11R及蓝色像素11B的信号电平较低，所以导致S/N的下降。
但是，白色像素11W2的信号电平低于白色像素11W1的信号电平，所以作为亮度信号Y而设为Y≈（W1＋W2），从而实质上W2的饱和电平成为亮度信号Y的饱和电平，能够增大到亮度信号Y饱和为止的曝光时间。通过增大Y的蓄积时间，红色像素11R及蓝色像素11B的蓄积电荷量也变多，所以能够提高像素块整体的S/N。
信号处理装置203使用以上说明的白色像素11W1及11W2的特性差异，使用（W1＋W2）的亮度信号进行计算。然后，通过计算所计算出的亮度信号中包含的颜色信号成分的比率，或者通过对基于红色像素11R的红色信号及基于蓝色像素11B的蓝色信号使用从白色像素11W1及11W2得到的信号强度，能够提高所生成的彩色图像的S/N。
另外，在本实施方式中，信号处理装置203由摄像装置200具备，但也可以设置于固体摄像装置100的内部，固体摄像装置100进行像素块的亮度信号的处理。
白色像素11W2的全光灵敏度设定为比白色像素11W1的全光灵敏度低相当于透射率α的量，所以通过将第2亮度信号W2设为W2/α，第1亮度信号W1和第2亮度信号成为同一受光灵敏度。这时，各色的白色像素中包含的比率分别如式1～式3所示。
红色比率Rr：R/（W2/α）（式1）
蓝色比率Br：B/（W2/α）（式2）
绿色比率Gr：[（W2/α）－R－B]/（W2/α）（式3）
在此，若通过（W1＋W2）来构成像素块整体的亮度Y，则整体的颜色强度如式4～式6所示。
红色强度Ri：（W1＋W2）×红色比率Rr（式4）
蓝色强度Bi：（W1＋W2）×蓝色比率Br（式5）
绿色强度Gi：（W1＋W2）×绿色比率Gr（式6）
在通常的拜耳排列中，亮度信号Y将R、G、B的信号强度与视见度系数相乘来计算，所以噪音成分增加。
另一方面，在本发明的实施方式的固体摄像装置100中，作为亮度信号而使用原始数据（W1＋W2），该亮度信号的S/N比拜耳排列的亮度信号大。由此，使用S/N较大的亮度信号来计算颜色强度，所以各颜色强度的S/N也提高。但是，对于绿色信号，在计算绿色比率Gr时加入了减法处理，所以与拜耳排列相比S/N下降。此外，色差信号也能够使用通过该运算得到的红色强度Ri和蓝色强度Bi来制作。在亮度信号中，不是（W1＋W2），而能够作为Y＝0.299×Ri＋0.587×Gi＋0.114×Bi来重新制作。
根据上述构成，白色像素11W2的饱和速度比白色像素11W1的饱和速度慢，所以通过将第1亮度信号W1和第2亮度信号W2相加而得到的信号用作亮度信号，能够使像素块的饱和速度与白色像素11W2的饱和速度一致。因此，能够实现在高照度下也能够进行摄像且兼得高灵敏度和宽动态范围的固体摄像装置及小型且高灵敏度的摄像装置。
图5是本发明的固体摄像装置的摄像区域中的像素的截面概略图。如上所述，本发明的像素块由与白色像素11W1对应的白色像素31、与红色像素11R及蓝色像素11B对应的颜色信号检测像素32、与白色像素11W2对应的低灵敏度白色像素33这3种像素构成。并且，由两个颜色信号检测像素32和各1个白色像素31及低灵敏度白色像素33构成像素块。在图5中，白色像素31、颜色信号检测像素32及低灵敏度白色像素33为简单起见而配置于直线上，但实际上如图3所示，构成2行2列，在一方的对角位置配置有颜色信号检测像素32，在另一方的对角位置配置有白色像素31和低灵敏度白色像素33。
光电二极管11通过离子注入而形成在硅半导体基板20的内部，对入射的光信号进行光电变换而作为电信号读出。在半导体基板20上设有晶体管的栅极及栅极布线22，隔着层间膜24设有用于将它们电连接的金属布线23。
在白色像素31中，在由金属布线23及层间膜24构成的布线层的上方，隔着层间膜25配置有电介质膜29，在其上方形成有隔着平坦化膜27设置的微透镜28。白色像素31是非分光像素，所以不配置滤色器，在可见光线区域中配置有透明的电介质膜29。电介质膜29例如使用SiO2膜。这是因为，由于层间膜24及25主要由SiO2构成，所以为了防止反射和折射而优选为使用同一材料。
在颜色信号检测像素32中，在布线层的上方隔着层间膜25配置有滤色器26，在其上方形成有隔着平坦化膜27设置的微透镜28。
在低灵敏度白色像素33中，在布线层的上方隔着层间膜25配置有光吸收膜30，在其上方形成有隔着平坦化膜27设置的微透镜28。通过上述构成，由微透镜28聚光的光通过电介质膜29、滤色器26或光吸收膜30，由光电二极管11进行光电变换。低灵敏度白色像素33不配置滤色器，通过配置光吸收膜30而使光衰减。
根据搭载有上述光衰减滤光器的固体摄像装置，能够根据被摄体的亮度来控制到达摄像区域的光的透射量，能够进行高照度下的摄像。此外，通过在每个像素块中设置这些元件，能够将低亮度和高亮度的被摄体同时进行灰度表现。
接着，说明配置于白色像素11W2上的光吸收膜30、即光衰减滤光器。本实施方式的光衰减滤光器由非晶硅薄膜构成。
图6是表示非晶硅的光吸收率和膜厚的关系的图表。非晶硅已知在可见光线区域的波长域中具有较宽且较高的光吸收性。
另一方面，多晶硅等结晶性硅已知从400nm左右到长波长侧光吸收系数大幅减少，所以在本发明的光衰减滤光器中，非晶硅最为合适。虽然也依赖于成膜方法，非晶硅的吸收系数β约为100000～500000左右而非常大。本实施方式的非晶硅例如通过溅射法制作。这种情况的吸收系数β约为200000。
在图6所示的图表中，在β＝200000、膜厚为150nm的薄膜中，能够吸收95%以上的光。本发明的光衰减滤光器必须设定为使白色像素11W2的全光灵敏度为红色像素11R及蓝色像素11B的分光灵敏度以上。
图7是表示本实施方式中使用的滤色器的透射谱的图表。各颜色信号为全光量的约1/3，所以非晶硅的光吸收率优选为66.7%以下，β＝200000的情况下的膜厚必须为55nm以下。在本实施方式中，例如将非晶硅的膜厚设定为25nm。这时的光吸收率为40%。
另外，在本实施方式中使用了非晶硅，对光衰减滤光器而言要求是吸收性的薄膜、且在可见光线区域中具有较宽的光吸收的材料。在此，非晶锗和碳薄膜也是带隙小的吸收性的材料，能够适用为光吸收膜。
由此，通过薄膜来抑制反射，并且在可见光线区域的宽范围中使光衰减，所以能够抑制由于减法处理等颜色修正而产生伪色信号。因此，能够取得高画质的图像。
接着，说明将非晶硅作为光吸收膜的低灵敏度白色像素的制造方法的一例。在本制造方法中需要光衰减滤光器的形成工艺。在本实施方式中，将非晶硅配置于布线最上层的上部，所以详细说明最上层布线以后的制造过程。
图8是本发明的实施方式1的MOS型图像传感器所具有的低灵敏度白色像素的要部构造截面图。此外，图9是本发明的实施方式1的MOS型图像传感器所具有的低灵敏度白色像素的工序截面图。
首先，如图8及图9的（a）所示，在半导体基板20中通过离子注入形成扩散区域52，在半导体基板20上形成像素部的摄像部51和周边电路部50。晶体管54被元件分离部53电分离。晶体管54例如相当于图2中记载的转送用晶体管12、复位用晶体管13、放大用晶体管14、选择晶体管15及17的某一个。晶体管54形成后，成膜BPSG（Boron PhosphorSilicateGlass）等绝缘体层间膜56，通过CMP（Chemical Mechanical Polishing）或蚀刻而使其平坦化之后，通过干法蚀刻形成接触孔，通过金属CVD法形成金属销55。在金属销55露出的状态下通过溅射法等使铝成膜，通过干法蚀刻来构图，从而制作布线层57。通过重复该工艺构成，能够制作多层布线构造。本实施方式的固体摄像装置为2层布线，所以在第1层的布线层57的上部形成绝缘体层间膜58并进行平坦化，在形成金属销后，形成第2层的布线层59。
接着，如图9的（b）所示，转移到光衰减滤光器形成工序。作为绝缘体层间膜61的一部分而成膜BPSG。
接着，如图9的（c）所示，通过溅射来成膜非晶硅，仅残留白色像素11W2的开口部而将非晶硅通过蚀刻除去，从而形成非晶硅层62。
接着，如图9的（d）所示，在非晶硅层62的上部再次成膜BPSG，并使用CMP使其平坦化，从而形成绝缘体层间膜61。
然后，在形成于绝缘体层间膜61之上的平坦化膜上部形成微透镜。这样，作为光衰减滤光器而使用非晶硅，从而能够以低温且薄膜来制造，所以非常适合硅工艺，能够以低成本且容易地制造固体摄像装置。
另外，光衰减滤光器的设置部位不一定必须是布线最上层的上部，本实施方式所示的构造仅为一例。即，光衰减滤光器只要配置于从微透镜到像素的光路内即可。例如，在从硅基板表面到第1层的铝布线为止使非晶硅成膜的情况下，到该铝布线为止不含有低熔点的金属，所以能够通过CVD等手法来使非晶硅成膜。
（实施方式2）
本实施方式的摄像装置与实施方式1的摄像装置相比，不同点仅在于，信号处理装置203判定白色像素11W1的亮度信号是否饱和，将白色像素11W1检测的第1亮度信号W1和白色像素11W2检测的第2亮度信号中的某一方作为像素块的亮度信号选择。以下，省略与实施方式1的相同点，仅说明不同点。
在固体摄像装置100所具有的像素块中包括像素灵敏度不同的白色像素11W1和白色像素11W2，所以根据摄像面的照度来将第1亮度信号W1及第2亮度信号W2中的某一方作为亮度信号选择，从而能够实现宽动态范围。
信号处理装置203具备：判定部，判定像素块中的第1亮度信号W1在规定期间中是否饱和；以及选择部，在该判定部中判定为第1亮度信号W1在规定期间中饱和的情况下，将该像素块中的第2亮度信号W2作为该像素块的亮度信号选择。
例如，在一个摄像面中对亮度高的被摄体和亮度低的被摄体进行摄像的情况下，在亮度较低的被摄体的摄像中将高灵敏度的第1亮度信号W1作为亮度信号使用，而亮度较高的被摄体使用低灵敏度的W2，由此，能够扩大同一视场角内的动态范围。使用图10说明这时的信号处理流程。
图10是本发明的实施方式2的摄像装置的信号处理的流程图。
首先，信号处理装置203在每个像素块中进行白色像素11W1的亮度信号测定（S11）。
接着，信号处理装置203的判定部根据白色像素11W1的像素灵敏度判定白色像素11W1是否饱和（S12）。该判定是根据在步骤S11中测定的亮度信号来计算图4所示的Q/t、即受光灵敏度来进行的。
这时，根据计算出的受光灵敏度而判定为在必要曝光时间内第1亮度信号W1饱和或接近饱和电平的情况下（步骤S12：是），信号处理装置203的选择部作为亮度信号而选择低灵敏度的第2亮度信号W2（S13）。相反，由于被摄体的照度较低而亮度信号较小，在必要曝光时间内第1亮度信号W1不饱和的情况下（步骤S12：否），选择高灵敏度的第1亮度信号W1（S14）。
然后，信号处理装置203使固体摄像装置100在必要曝光时间内进行被摄体的摄像（S15），将按每个像素块选择的白色像素11W1或11W2的信号作为亮度信号选择，进行彩色图像的生成。由此，能够实现较宽的动态范围。
根据上述构成，由信号处理装置进行由白色像素11W1检测的第1亮度信号W1的饱和判定，照度较高的情况下，能够将由白色像素11W2检测的第2亮度信号W2作为亮度信号选择。由此，通过选择与照度相应的亮度信号，能够实现达成了宽动态范围和高灵敏度化的摄像装置。
另外，必要曝光时间指的是，能够充分取得灵敏度最低的红色像素11R、蓝色像素11B的S/N的时间，能够由摄像装置的使用者任意地决定。
此外，在本实施方式中，摄像装置200由信号处理装置203具备，但是也可以设置于固体摄像装置的内部，由固体摄像装置进行像素块的亮度信号的上述处理。
（实施方式3）
本实施方式的固体摄像装置与实施方式1的固体摄像装置相比，构成像素块的单位像素的配置构成不同。以下，省略与实施方式1的相同点，仅说明不同点。
图11是本发明的实施方式3的固体摄像装置的摄像区域中的颜色排列的示意图。该图中记载的摄像区域2B所具有的像素块是将拜耳排列中的蓝色像素和绿色像素中的1个置换为白色像素而成的结构。如图11所示，将属于2行2列的像素块的4像素中的两个像素作为不对入射光进行颜色分离而直接检测的白色像素。具体地说，摄像区域2B所具有的像素块由配置为2行2列的4个单位像素1构成，在一方的对角位置配置有红色像素11R和绿色像素11G，在另一方的对角位置配置有白色像素11W1和白色像素11W2。在此，红色像素11R是检测作为第1颜色信号的红色信号的第1像素部，绿色像素11G是检测作为第2颜色信号的绿色信号的第2像素部。此外，白色像素11W1是检测第1亮度信号的第3像素部，白色像素11W2是检测第2亮度信号的第4像素部。这时，白色像素11W2在光电二极管11的上部设有吸收可见光而使其衰减的光衰减滤光器，相对于可见光的灵敏度低于白色像素11W1。
蓝色像素在亮度信号的构成中是视见度最低的颜色。因此，越是视见度低的蓝色成分，越不需要颜色S/N。在此，在残留需要较高的颜色S/N的绿色像素11G、而将视见度较低的蓝色像素置换为白色像素11W1或11W2的构造中，也能够抑制画质的劣化而进行高灵敏度的摄像。这时，蓝色信号通过求取白色像素与绿色及红色信号之差（差分）的式7的减法处理来计算。
蓝色信号：B＝（W2/α）―G－R    （式7）
如实施方式1中所述，减法处理会增大噪音从而导致S/N下降，但是通过对视见度较低的蓝色进行减法处理，能够抑制颜色再现的劣化。通过该构成，不会发生画质的劣化，能够以高灵敏度进行宽动态范围的摄像。
即，根据上述构成，通过将检测视见度最小的蓝色信号的像素置换为白色像素，能够抑制颜色S/N的下降，以高灵敏度得到高画质的图像。
此外，通过上述像素块的构成，通常被滤色器舍弃的波长区域的光由白色像素11W1及11W2的光电二极管11进行光电变换，所以能够实现高灵敏度化。此外，在本发明的构成中，设有灵敏度不同的白色像素11W1及11W2，能够从白色像素11W1取得第1亮度信号，能够从白色像素11W2取得第2亮度信号。
图像析像度由亮度信号的空间频率决定，所以在对角配置用于得到亮度信号的白色像素11W1和白色像素11W2。由此，摄像区域2B构成为在每1行且每1列配置有检测亮度信号的单位像素，不使析像度下降，能够实现高灵敏度化。
另外，在本实施方式中，为了最大限度地发挥析像度，将白色像素11W1和白色像素11W2配置在对角，但是在使低灵敏度的白色像素11W2的全光灵敏度和绿色像素11G的分光灵敏度相同的情况下，也可以构成为将白色像素11W1和绿色像素11G配置在对角。
（实施方式4）
本实施方式的固体摄像装置与实施方式1的固体摄像装置相比，构成像素块的单位像素的配置构成不同。以下，省略与实施方式1的相同点，仅说明不同点。
图12是本发明的实施方式4的固体摄像装置的像素块中的颜色排列的示意图。该图中记载的像素块构成为将实施方式1的图3中记载的像素块中的红色像素11R和蓝色像素11B分别置换为青绿色像素11Cy及黄色像素11Ye。
即，由第1像素部及第2像素部检测的第1颜色信号及第2颜色信号成为补色系的2色。特别是，从像素灵敏度的观点出发，上述补色系的2色优选为包含视见度较高的绿成分的青绿色和黄色。
在本发明的固体摄像装置中，白色像素配置于像素块内，灵敏度完全不同的像素混在于同一块内，具有颜色检测像素和白色像素的灵敏度差（饱和速度差）。但是，根据本实施方式的像素块的排列，补色系与原色系相比，检测波长区域为宽域，作为颜色检测像素的青绿色像素11Cy及黄色像素11Ye的分光灵敏度较高。因此，颜色信号像素的灵敏度和白色像素的灵敏度更接近，成为像素块整体的灵敏度最高的构成。因此，能够以高动态范围进行超高灵敏度的摄像。
（实施方式5）
在实施方式1～实施方式4中，将拜耳排列中包含的3色中的1色删除而设置了白色像素。若将像素块的排列如以往的拜耳排列■本发明的排列这样示意性地表现，则
Figure BDA00002755861300171
、、
Figure BDA00002755861300173
。在此，Mg表示深红色。从上述表现可知，在本发明的实施方式1～4的像素块的排列中，无法避免由于颜色信息缺失一个而导致颜色再现性下降。对于该课题，通过使颜色配置的空间频率下降而配置全部3色，能够不使用减法处理地确保颜色再现性。
图13是本发明的实施方式5的固体摄像装置的摄像区域中的颜色配置的示意图。该图中记载的摄像区域2C成为将2种的2行2列的像素块交互配置的构造。例如，第1像素块在一方的对角位置具有白色像素11W1和白色像素11W2，在另一方的对角位置具有作为第1像素部的红色像素11R和作为第2像素部的绿色像素11G。此外，第2像素块在一方的对角位置具有白色像素11W1和白色像素11W2，在另一方的对角位置具有作为第1像素部的蓝色像素11B和作为第2像素部的绿色像素11G。第1像素块和第2像素块相互邻接，交互地配置为2维状。即，在相互邻接的像素块间，第1颜色信号不同。
另外，作为上述构成的变形例，例如第1像素块在另一方的对角位置具有作为第1像素部的红色像素11R和作为第2像素部的蓝色像素11B，第2像素块在另一方的对角位置具有作为第1像素部的红色像素11R和作为第2像素部的绿色像素11G。即，在相互邻接的像素块间，第2颜色信号也可以不同。
通过上述排列，白色像素11W1及11W2分别与全部3色的颜色信号像素（红色像素11R、绿色像素11G、蓝色像素11B）相接。由此，第1亮度信号W1及第2亮度信号W2的颜色再现能够由与这些白色像素相接的颜色信号的比率来决定。因此，构成亮度信号的颜色成分能够使用邻接的R、B及两个G以高精度表现。
例如，直接使用颜色信号的原始数据来将亮度信号W（W1或W2）分解为颜色成分时，W＝R＋B＋2G，能够通过加法处理对白色像素赋予颜色。由此，信号处理装置203不必进行减法处理就能够生成像素块的彩色图像。在此，也可以取代上述2G而使用G的平均値。或者，也可以考虑视见度而采用Y＝0.299×R＋0.587×G＋0.114×B。
此外，在本实施方式中，作为颜色信号而使用了RGB的三原色，但是也可以是CyMgYe的补色系。
图14是表示本发明的实施方式5的变形例的固体摄像装置的摄像区域中的颜色配置的示意图。该图中记载的摄像区域2D是将2种的2行2列的像素块交互配置的构造。第1像素块在一方的对角位置具有白色像素11W1和白色像素11W2，在另一方的对角位置具有作为第1像素部的青绿色像素11Cy和作为第2像素部的黄色像素11Ye。此外，第2像素块在一方的对角位置具有白色像素11W1和白色像素11W2，在另一方的对角位置具有作为第1像素部的深红色像素11Mg和作为第2像素部的黄色像素11Ye。第1像素块和第2像素块相互邻接，交互地配置为2维状。即，在相互邻接的像素块间，第1颜色信号不同。另外，在相互邻接的像素块间，第2颜色信号也可以不同。
如上述排列那样，将颜色信号像素作为补色系的情况下，如实施方式4中所说明，检测波长区域为宽域，所以能够实现更高的灵敏度。
如以上在实施方式1～5中说明，本发明的固体摄像装置及摄像装置能够提供具有较宽的动态范围、小型且具有光量调节功能的高功能高性能的摄像机。
以上，基于实施方式说明了本发明的固体摄像装置及摄像装置，但是本发明的固体摄像装置及摄像装置不限于上述实施方式。将实施方式1～5中的任意的构成要素组合而实现的其他实施方式、在不脱离本发明的主旨的范围内对实施方式1～5实施本领域技术人员能够想到的各种变形而得到的变形例、以及内置有本发明的固体摄像装置或摄像装置的各种设备也包含在本发明中。
另外，在实施方式1中，举出了CMOS型的固体摄像装置的例子，但是本发明不限于此，在CCD型的固体摄像装置也能够得到同样的效果。
工业实用性
本发明在数字摄像机（照相机、camera）中尤其有用，最适合于需要较大的动态范围及高画质的图像的固体摄像装置及摄像机。
标记说明
1单位像素
2、2A、2B、2C、2D摄像区域
3水平移位寄存器
4垂直移位寄存器
5输出端子
11光电二极管
11B、312B蓝色像素
11Cy青绿色像素
11G、312G绿色像素
11Mg深红色像素
11R、312R红色像素
11W1、11W2、31白色像素
11Ye黄色像素
12转送用晶体管
13复位用晶体管
14放大用晶体管
15选择晶体管
20半导体基板
22栅极及栅极布线
23金属布线
24、25层间膜
26滤色器
27平坦化膜
28微透镜
29电介质膜
30光吸收膜
32颜色信号检测像素
33低灵敏度白色像素
50周边电路部
51摄像部
52扩散区域
53元件分离部
54晶体管
55金属销
56、58、61绝缘体层间膜
57、59布线层
62非晶硅层
100、300、400固体摄像装置
200摄像装置
201透镜
202驱动电路
203信号处理装置
204外部接口部
312固体摄像元件
312A波长区域像素
313红外光阻断滤光层
313a开口部
313b非开口部
314滤色器群
314B、314G、314R、314W滤光器
420B蓝色光电变换元件
420G绿色光电变换元件
420LS1、420LS2遮光光电变换元件
420R红色光电变换元件
420W白色光电变换元件
421片装透镜
422溢出路径

Claims (12)

1.一种固体摄像装置，具有摄像区域，该摄像区域通过形成于半导体基板表面且具备光电二极管的像素部以二维状排列而成，
所述摄像区域以由2行2列的4个所述像素部构成的像素块作为排列单位来构成，
所述像素块由以下像素部构成：
第1像素部，检测第1颜色信号；
第2像素部，检测与所述第1颜色信号不同的第2颜色信号；
第3像素部，检测第1亮度信号；以及
第4像素部，检测第2亮度信号；
在所述第1像素部及所述第2像素部的上部，分别设有滤色器，该滤色器使与期望的颜色信号对应的波段的光选择性地透射，
在所述第4像素部的上部，设有使可见光线区域的光透射率降低的光衰减滤光器，所述第3像素部的受光灵敏度与所述第4像素部的受光灵敏度不同。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，
所述第4像素部的受光灵敏度为所述第1像素部及所述第2像素部中的分光灵敏度较小的像素部的分光灵敏度以上，
所述光衰减滤光器具有使所述受光灵敏度成为所述分光灵敏度以上的光透射率。
3.如权利要求1及2所述的固体摄像装置，
所述第3像素部和所述第4像素部在所述像素块内设置于相互构成对角的位置。
4.如权利要求1～3中任一项所述的固体摄像装置，
所述第1颜色信号为蓝色的信号，
所述第2颜色信号为红色的信号。
5.如权利要求1～3中任一项所述的固体摄像装置，
所述第1颜色信号为红色的信号，
所述第2颜色信号为绿色的信号。
6.如权利要求1～3中任一项所述的固体摄像装置，
所述第1颜色信号为青绿色的信号，
所述第2颜色信号为黄色的信号。
7.如权利要求1～3中任一项所述的固体摄像装置，
在相互邻接的像素块间，所述第1颜色信号或所述第2颜色信号不同。
8.如权利要求7所述的固体摄像装置，
所述第1颜色信号及所述第2颜色信号分别是蓝色的信号、绿色的信号及红色的信号中的某一个。
9.如权利要求7所述的固体摄像装置，
所述第1颜色信号及所述第2颜色信号分别是青绿色的信号、黄色的信号及深红色的信号中的某一个。
10.如权利要求1～9中任一项所述的固体摄像装置，
所述光衰减滤光器由包含非晶硅或非晶锗的薄膜、或者碳薄膜构成。
11.一种摄像装置，具备：
权利要求1～10中任一项所述的固体摄像装置；以及
信号处理装置，对从所述像素部输出的像素信号进行处理；
所述信号处理装置以将所述像素块中的所述第1亮度信号和所述第2亮度信号相加而得到的信号作为该像素块的亮度信号。
12.一种摄像装置，具备：
权利要求1～10中任一项所述的固体摄像装置；以及
信号处理装置，对从所述像素部输出的像素信号进行处理；
所述信号处理装置具备：
判定部，判定所述像素块中的所述第1亮度信号在规定期间中是否饱和；以及
选择部，在所述判定部中判定为所述第1亮度信号在所述规定期间中饱和的情况下，选择该像素块中的所述第2亮度信号作为该像素块的亮度信号。
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