JP2005116568A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 感度を低下せずに広いダイナミックレンジを実現できる構成の固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 複数のフォトセンサ部３と、各フォトセンサ部３の上部に形成されたオンチップレンズ１９を含む固体撮像素子において、隣接する２つのフォトセンサ部３Ａ及び３Ｂの上部の、オンチップレンズ１９の大きさが異なるように構成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

従来より、例えばＣＣＤ型の固体撮像素子においては、広ダイナミックレンジを実現させるために、いくつかの方式が用いられている（非特許文献１参照）。

以下に、このような方式の１つを、図１１に示すＣＣＤ型の固体撮像素子の構成と共に、説明する。
尚、図１１Ａは、ＣＣＤ型の固体撮像素子を、例えばインターライントランスファ（ＩＴ）型の方式に適用した場合の概略平面図を示し、図１１Ｂは、図１１Ａの撮像領域の一部（例えば４つの画素）の模式図を示している。
ＣＣＤ型の固体撮像素子４１は、画素４２を構成する例えばフォトダイオードからなる受光センサ部（フォトセンサ部）４３が多数マトリクス状に配列され、受光センサ部４３の各列の一方の側に垂直方向に延びるＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ（転送レジスタ）４４が形成されて、撮像領域４５が構成されている。さらに、撮像領域４５の垂直方向の端部に水平転送レジスタ４６が配置され、この水平転送レジスタ４６に電荷電圧変換手段（図示せず）を介して出力部４７が接続されて構成されている。

垂直転送レジスタ４４は、３層構造の転送電極５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）を有する構造となっている。これにより、この固体撮像素子４１において、全画素読み出しを行うことが可能になっている。

この固体撮像素子４１では、例えば各受光センサ部４３において受光量に応じて光電変換された信号電荷が、垂直転送レジスタ４４に読み出され、垂直転送レジスタ４４に読み出された信号電荷は、１水平ライン毎に水平転送レジスタ４６に転送され、水平転送レジスタ４６内を順次転送されて、出力部４７を通じて出力される。

そして、このような構成のＣＣＤ型の固体撮像素子４１では、広ダイナミックレンジを実現するために、例えば電子シャッタ動作を時分割で行うことにより、露出時間の異なる２枚の画像を得るようにし、この２枚の画像を外部メモリで合成させる方式を用いている。

即ち、図１２Ａに示すように、先ず、電子シャッタ動作を制御することで、受光センサ部４３の露出時間を長くして撮像を行う。そして、この状態で受光センサ部４３に蓄積された蓄積時間の長い画像Ａに相当する信号電荷ｅＡは、垂直転送レジスタ４４へ読み出された後、垂直転送レジスタ４４から水平転送レジスタ４６を通り、図示しない外部メモリへと送られて、一旦外部メモリに保存される。

次に、図１２Ｂに示すように、電子シャッタ動作を制御することで、受光センサ部４３の露出時間を短くして撮像を行う。そして、この状態で受光センサ部４３に蓄積された蓄積時間の短い画像Ｂに相当する信号電荷ｅＢは、垂直転送レジスタ４４へ読み出された後、画像Ａの場合と同様に、垂直転送レジスタ４４から水平転送レジスタ４６を通り、外部メモリへと送られて、先に外部メモリに保存されている画像Ａに相当する信号電荷ｅＡと合成される。

このように、図１１に示したＣＣＤ型の固体撮像素子４１においては、このような方式を用いることにより、暗いシーンから明るいシーンまでの鮮明な画像が得られるようにして、広ダイナミックレンジの実現を図っている。

一方、このように、露出時間の異なる２つの画像を合成する場合とは異なり、感度の異なる２つの画像を合成することにより、広ダイナミックレンジを実現させる方式も考えられている。
以下に、このような方式を、図１３に示すＣＣＤ型の固体撮像素子の構成と共に、説明する。
図１３Ａは、図１１の場合と同様に、ＣＣＤ型の固体撮像素子を、例えばインターライントランスファ（ＩＴ）型の方式に適用した場合の概略平面図を示し、図１３Ｂは、図１３Ａの撮像領域の一部（例えば８つの画素）の模式図を示している。
その他の構成は、図１１に示すＣＣＤ型の固体撮像素子４１の場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
また、垂直転送レジスタ４４は、２層構造の転送電極５０（５０Ａ，５０Ｂ）を有する構造となっている。

そして、このような構成のＣＣＤ型の固体撮像素子５１では、広ダイナミックレンジを実現するために、受光センサ部４３の上方において、光透過率の高いフィルタ及び光透過率の低いフィルタを列方向に交互に形成することにより、感度の異なる２枚の画像を得るようにし、この２枚の画像を、水平転送レジスタ４６や外部メモリで合成させる方式を用いている。
尚、図１３Ｂに示す場合は、例えば白抜きで示す受光センサ部４３Ａ上に光透過率の高いフィルタが形成され、例えば斜線で示す受光センサ部４３Ｂ上に光透過率の低いフィルタが形成された構成である。

このような構成としたことにより、読み出し時、図１４Ａに示す奇数フィールドでは、転送電極５０に印加される電圧を制御することで、光透過率の低いフィルタが上方に形成された奇数行（例えば１ライン目と３ライン目）の受光センサ部４３Ｂに蓄積された、感度の低い画像Ｂに相当する信号電荷ｅＢが、垂直転送レジスタ４４へ読み出される。そして、読み出された信号電荷ｅＢは、垂直転送レジスタ４４から水平転送レジスタ４６を通り、図示しない外部メモリへと送られ、一旦外部メモリに保存される。

次に、図１４Ｂに示すように、偶数フィールドでは、転送電極５０に印加される電圧を制御することで、光透過率の高いフィルタが上方に形成された偶数行（例えば２ライン目と４ライン目）の受光センサ部４３Ａに蓄積された、感度の高い画像Ａに相当する信号電荷ｅＡが、垂直転送レジスタ４４へ読み出される。そして、画像Ｂの場合と同様に、垂直転送レジスタ４４から水平転送レジスタ４６を通り、外部メモリへと送られて、先に外部メモリに保存されている画像Ｂに相当する信号電荷ｅＢと合成される。

このように、図１４に示したＣＣＤ型の固体撮像素子５１においては、このような方式を用いることにより、暗いシーンから明るいシーンまでの鮮明な画像が得られるようにして、広ダイナミックレンジの実現を行っている。
竹村裕夫著，「ＣＣＤカメラ技術入門」，コロナ社，１９９７年１２月１５日，ｐ．１００−１０２

ところで、例えば図１１及び図１２に示した、電子シャッタ動作を時分割で行うことにより、露出時間の異なる２枚の画像を合成する方式を用いたＣＣＤ型の固体撮像素子４１の場合、蓄積時間の制御が可能であるので、画像に合わせてダイナミックレンジを制御することができるが、垂直転送レジスタ４４が３層構造の転送電極５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）により形成されているので、転送電極５０の形成工程が多くなり、製造コストが高くなってしまう。

一方、例えば図１３及び図１４に示した、受光センサ部４３Ａ及び４３Ｂ上に光透過率の高いフィルタと低いフィルタを形成することで、感度の異なる２枚の画像を合成する方式を用いたＣＣＤ型の固体撮像素子５１の場合、通常の製造プロセスによりフィルタを形成することが可能であるので、製造コストが高くなることはないが、各受光センサ部４３Ａ及び４３Ｂ上に形成されたフィルタによって、入射光が減衰されてしまうので、実質的に感度の低い構成の固体撮像素子５１となってしまう。

なお、図１１及び図１２に示したＣＣＤ型の固体撮像素子４１の場合、電極層の数が多くなる分、微細化に対応するのが困難になる。

また、図１１及び図１２、図１３及び図１４に示したＣＣＤ型の固体撮像素子（４１，５１）の場合、例えば読み出された画像を、一旦外部メモリに保存することが必要になるので、各画像に相当する信号電荷の処理が複雑になり、複雑な構成の固体撮像素子４１となってしまう。

上述した点に鑑み、本発明は、感度が低下せずに広いダイナミックレンジを実現でき、また、簡易な構成で、製造コストを抑えることができ、微細化に対応できる構成の固体撮像素子を提供するものである。

本発明は、複数のフォトセンサ部と、各フォトセンサ部の上部に形成されたオンチップレンズを含む固体撮像素子において、隣接する２つのフォトセンサ部の上部の、オンチップレンズの大きさが異なるように構成する。

上述した本発明によれば、隣接する２つの前記フォトセンサ部の上部の、オンチップレンズの大きさが異なるように構成したので、ダイナミックレンジの拡大した画像を得ることが可能になる。
また、フィルタ等を用いてダイナミックレンジに差をつけるようにした構成に比べて、入射光が減衰してしまうことを防ぐことができるので、感度を下げることなく、２つのフォトセンサ部のダイナミックレンジに差をつけることができる。
また、フォトセンサ部上のレンズの大小により、比較的簡易な構成でダイナミックレンジを拡大させることができる。

本発明は、複数のフォトセンサを含む固体撮像素子において、隣接する２つのフォトセンサ部の開口の面積が異なる構成とする。

上述した本発明によれば、隣接する２つのフォトセンサ部の開口の面積が異なる構成としたので、ダイナミックレンジの拡大した画像を得ることが可能になる。
また、フィルタ等を用いてダイナミックレンジに差をつけるようにした構成に比べて、入射光が減衰してしまうことを防ぐことができるので、感度を下げることなく、２つのフォトセンサ部のダイナミックレンジに差をつけることができる。
また、フォトセンサ部の開口の大小により、比較的簡易な構成でダイナミックレンジを拡大させることができる。

また、上述した構成において、フォトセンサ部からの信号電荷を転送する転送レジスタを有し、隣接する２つのフォトセンサ部からの信号電荷が、転送レジスタ内で加算されるようにした場合は、例えば転送電極を３層構造で構成しなくとも、隣接する他の単位画素の信号電荷と混ざることを防ぐことができるので、例えば転送電極の層数を減らすことが可能になる。また、例えば外部メモリを用いずに信号電荷を加算できるので、外部メモリを取り除くことが可能になる。

本発明の固体撮像素子によれば、感度を下げることなく、ダイナミックレンジの拡大した画像を得ることができるので、感度特性が確保され、且つ広ダイナミックレンジが可能になる固体撮像素子を提供することができる。
また、オンチップレンズやフォトセンサ部の開口の大小により、比較的単純な構成でダイナミックレンジを拡大させることが可能になるので、製造コストを抑制することができる。

また、上述した固体撮像素子において、フォトセンサ部からの信号電荷を転送する転送レジスタを有し、隣接する２つのフォトセンサからの信号電荷が、転送レジスタ内で加算されるように構成した場合は、転送電極の層数を減らして、製造工程数を低減させることができる。これにより、上述した効果に加えて、製造コストが低く、歩留まりが向上した構成の固体撮像素子を提供することができる。
また、微細化に対応できる固体撮像素子を提供することができる。
また、外部メモリを必要としないので、簡易な構成の固体撮像素子を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
先ず、本発明の固体撮像素子の一実施の形態として、ＣＣＤ型の固体撮像素子の概略構成図を、図１に示す。
尚、図１は、ＣＣＤ型の固体撮像素子を、例えばインターライントランスファ（ＩＴ）型の方式に適用した場合の概略平面図を示している。
ＣＣＤ型の固体撮像素子１は、例えばフォトダイオードからなる受光センサ部（フォトセンサ部）３が多数マトリクス状に配列され、受光センサ部３の各列の一方の側に垂直方向に延びる垂直転送レジスタ（転送レジスタ）４が形成されて、撮像領域５が構成されている。さらに、撮像領域５の垂直方向の端部に水平転送レジスタ６が配置され、この水平転送レジスタ６に電荷電圧変換手段（図示せず）を介して出力部７が接続されて構成される。

このような構成の固体撮像素子１では、例えば、各受光センサ部３において受光量に応じて光電変換された信号電荷が、垂直転送レジスタ４に読み出され、垂直転送レジスタ４に読み出された信号電荷は、１水平ライン毎に水平転送でレジスタ６に転送され、水平転送レジスタ６内を順次転送されて、出力部７を通じて出力される。

次に、図１の撮像領域５のＸ−Ｘ線上の概略断面図を図２に示す。尚、この断面図は、特に半導体基板上を示すものである。また、撮像領域５の拡大平面図を図３に示す。尚、図３は、図１に示す撮像領域の一部（例えば４つの単位画素２）を示している。
半導体基板８内の所定の位置には、受光センサ部３と、垂直転送レジスタ４が形成されている。尚、１１は読み出しゲート部、１２はチャネルストップ領域である。
一方、半導体基板８の表面上には、絶縁膜１３を介して、所定の位置に、例えば２層の多結晶シリコン層より成る転送電極１４（１４Ａ，１４Ｂ）が形成されている。尚、転送電極１４は、図示せざるも、垂直方向に隣り合う受光センサ部３間において重ね合わされて形成される。転送電極１４上には、層間絶縁膜１５を介して、例えばＡｌからなる遮光膜１６が形成される。
遮光膜１６上には、全面を覆って例えば平坦化膜１７が形成され、この平坦化膜１７上には例えばカラーフィルタ１８が形成される。そして、このカラーフィルタ１８上の受光センサ部３と対応する位置には、オンチップレンズ１９が形成されている。

そして、本実施の形態の固体撮像素子１においては、図３に示すように、垂直方向に隣接する２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂにより、１つの単位画素２を構成している。
尚、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂは、例えば同様の構造で形成されているものとする。
また、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂに対応して設けられている２層構造の転送電極１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ同じサイズで、受光センサ部３Ａと受光センサ部３Ｂに対応するように形成される。これは、垂直転送レジスタ４内で、信号電荷の転送効率を低下させないようにするためである。

また、さらに、本実施の形態の固体撮像素子１においては、上記単位画素２において、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのダイナミックレンジがそれぞれ異なるように構成する。
具体的には、単位画素２において、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのうち、一方の受光センサ部３Ａ上に形成されるオンチップレンズ１９Ａは大きく形成し、他方の受光センサ部３Ｂ上に形成されるオンチップレンズ１９Ｂは小さく形成するようにして、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのダイナミックレンジがそれぞれ異なるようにする。

尚、単位画素２の集光に寄与する有効面積は、例えば一般的な固体撮像素子の１画素の集光に寄与する有効面積と略同等になるように構成する。これは、一般的な固体撮像素子と比較して、感度特性の点で不利にならないようにするためである。

このような構成の固体撮像素子１では、単位画素２において、大きいオンチップレンズ１９Ａが形成された受光センサ部３Ａでは、集光に寄与する有効面積が大きくなり、小さいオンチップレンズ１９Ｂが形成された受光センサ部３Ｂでは、集光に寄与する有効面積が小さくなる。
これにより、単位画素２内において、受光センサ部３Ａ及び３Ｂのそれぞれの集光面積に差をつけることができ、ダイナミックレンジが異なる２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂを構成することができる。尚、集光面積の差が大きい程、ダイナミックレンジを拡大させることができる。

尚、図３に示すＣＣＤ型の固体撮像素子１では、水平方向に隣り合う単位画素２及び２Ｎにおいて、オンチップレンズ１９の大きさを、上側の受光センサ部３上と下側の受光センサ部３上とで、それぞれ反対にして形成した。これは、例えば撮像領域上の面積を有効に利用するためである。

次に、このような構成の固体撮像素子１において、実際に単位画素２から画像に相当する信号電荷を垂直転送レジスタ４に読み出す際の動作を、図４及び図５と共に説明する。尚、図５は照射光量−出力特性を表すグラフである。また、読み出し動作は、例えば全画素読み出しで行う。
光電変換による電荷蓄積時、単位画素２において、集光面積の大きい受光センサ部３Ａでは、一定の蓄積時間で、図５中破線Ａに示すような照射光量−出力特性を表す信号電荷ｅＡが蓄積される。即ち、受光センサ部３Ａでは、明るい画像に相当する信号電荷は飽和してとんでしまうが、暗い画像に相当する信号電荷ｅＡは得ることができる。
一方、集光面積の小さい受光センサ部３Ｂでは、一定の蓄積時間で、図中一点鎖線Ｂに示すような照射光量−出力特性を表す信号電荷ｅＢが蓄積される。即ち、受光センサ部３Ｂでは、暗い画像は黒くつぶれて写らないが、鮮明な明るい画像に相当する信号電荷ｅＢは得ることができる。

尚、単位画素２においては、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのオンチップレンズ１９の大きさを変えているので、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂにそれぞれ入射する単位面積あたりの光量が異なる。従って、暗い画像に相当する信号電荷ｅＡの特性を表す破線と、鮮明な明るい画像に相当する信号電荷ｅＢの特性を表す一点鎖線の傾きが異なっている。
また、上述したように、単位画素２においては、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂが同じ構成とされているので、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂで得られる信号電荷ｅＡ及びｅＢの出力特性の最大値は同じとなっている。

次に、一定の蓄積時間が経過して、転送電極１４を介して読み出し電圧が印加されると、受光センサ部３Ａからは暗い画像に相当する信号電荷ｅＡが、受光センサ部３Ｂからは鮮明な明るい画像に相当する信号電荷ｅＢが、それぞれ垂直転送レジスタ４に同時に読み出される。
この際、例えば転送電極１４に印加される電圧を制御することで、読み出しと同時に２つの信号電荷ｅＡ及びｅＢを合成させることができる（図中２点鎖線参照）。これにより、図中、実線Ｃに示すような照射光量−出力特性を表す信号電荷が得られる。即ち、暗い画像と鮮明な明るい画像とが合成された画像に相当する信号電荷ｅＣ（ｅＡ＋ｅＢ）を得ることができる。
また、例えば転送電極１４に印加される電圧を制御することで、次に示す、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ６へと転送される際に、２つの信号電荷ｅＡ及びｅＢを合成させることもできる。

そして、垂直転送レジスタ４で合成された信号電荷ｅＣは、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ６へと転送され、さらに水平転送レジスタ６から出力部７へと転送された後、電気信号へと変換される。
このようにして、明るい画像と暗い画像からなるダイナミックレンジの拡大された画像を得ることができる。

合成画像に相当する信号電荷ｅＣの出力特性は、図５中、破線Ａに示す受光センサ部３Ａで蓄積された画像に相当する信号電荷ｅＡの照射光量−出力特性が支配的となるが、単位画素２において、入射光が大量に照射された場合は、一点鎖線Ｂに示す受光センサ３Ｂで蓄積された画像に相当する信号電荷ｅＢの照射光量−出力特性が支配的となる。従って、合成画像のダイナミックレンジは受光センサ部３Ｂの場合まで拡大できる。

尚、比較例として、図１１及び図１２に示した、従来の固体撮像素子４１の場合の、信号電荷の合成前と合成後の照射光量−出力特性を２点鎖線で表す。ここでは、合成前の信号電荷の照射光量−出力特性を２点鎖線Ｄで表し、合成後の信号電荷の照射光量−出力特性を２点差線Ｅで表している。
従来の固体撮像素子の場合では、露出時間の異なる２枚の画像に相当する信号電荷を外部メモリで合成させる方式を用いているので、２点鎖線Ｄに示すように、どちらの画像に相当する信号電荷も同じ照射光量で出力が飽和している。また、合成画像のダイナミックレンジは、２点鎖線Ｅに示すように、合成前の２つの画像に相当する信号電荷の照射光量−出力特性（２点鎖線Ｃ）と同じ照射光量で出力が飽和している。

図５より、２点鎖線Ｅで表される従来の固体撮像素子での合成画像の照射光量−出力特性と、実線Ｃで表される本実施の形態の固体撮像素子での合成画像とのダイネミックレンジを比べると、本実施の形態の固体撮像素子１での合成画像の方が、ダイナミックレンジが、拡大していることが分かる。

本実施の形態の固体撮像素子１によれば、単位画素２において、垂直方向に隣接する２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのオンチップレンズ１９の大きさを変えるようにしたので、ダイナミックレンジの拡大した画像を得ることができる。
また、従来のような、受光センサ部上に光透過率の高いフィルタと低いフィルタを形成することで、ダイナミックレンジが異なるようにした固体撮像素子（図１３及び図１４参照）に比べて、入射光が減衰してしまうことを防ぐことができるので、感度を低下させずに、ダイナミックレンジに差をつけることができる。
また、受光センサ部３上のオンチップレンズ１９の大小により、比較的単純な構成でダイナミックレンジを拡大させることができる。

また、本実施の形態では、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂからの画像に相当する２つの信号電荷ｅＡ及びｅＢが、垂直転送レジスタ４内で加算されるように構成したので、転送電極１４を、従来のような３層構造ではなく、２層構造（１４Ａ，１４Ｂ）とすることができる。
即ち、従来の固体撮像素子（図１１及び図１２参照）では、外部メモリで画像に相当する２つの信号電荷を加算（合成）するようにしているので、垂直転送レジスタ内で、垂直方向に隣接する他の単位画素の信号電荷と混ざらないようするために、転送電極を３層構造としていた。
しかしながら、本実施の形態の固体撮像素子１では、垂直転送レジスタ４内で、画像に相当する２つの信号電荷を合成するようにしたので、転送電極１４を２層構造としても、他の単位画素２の信号電荷とは混ざらないようにすることができる。
これにより、転送電極１４の形成工程を少なくでき、製造コストを低減できる。

また、このように転送電極１４を２層構造（１４Ａ，１４Ｂ）とすることができ、上述したように、垂直転送レジスタ４内で、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂからの画像に相当する信号電荷ｅＡ及びｅＢが加算されるので、従来の、転送電極が３層構造とされた固体撮像素子のように、受光センサ部から読み出された画像に相当する信号電荷（例えば蓄積時間の長い画像に相当する信号電荷）を、一旦外部メモリに保存する必要もなく、外部メモリを取り除くことができる。
これにより、各画像に相当する信号電荷ｅＡ及びｅＢの処理が複雑にならず、また、処理回路等が複雑な構成になることも防ぐこともできる。

また、例えば、従来の固体撮像素子のように、異なる露出時間で２回も画像を取り込む必要がないので、リアルタイムで信号電荷を出力することが可能になる。これにより、例えばディジタルカメラやカムコーダ等に用いて好適な固体撮像素子１が得られる。

また、２つ受光センサ部３Ａ及び３Ｂ上に、同色のカラーフィルタを形成することができることが可能になるので、例えば外部での複雑な信号電荷の処理をなくすことができ、簡易な構成の固体撮像素子１を得ることができる。
また、カラーフィルタの種類（補色系及び原色系、並びに白黒等）に関係なく、単位画素２上にカラーフィルタを形成することができる。

尚、本実施の形態の固体撮像素子１では、単位画素２において、一方の受光センサ部３Ａ上に大きいオンチップレンズ１９Ａを形成し、他方の受光センサ部３Ｂ上に小さいオンチップレンズ１９Ｂを形成することで、ダイナミックレンジに差をつけるようにしたが、このオンチップレンズ１９の大きさの差が大きいほど、ダイナミックレンジに大きな差がつき、広ダイナミックレンジを実現することができる。
従って、単位画素２において、例えば一方の受光センサ部３Ａ上にはオンチップレンズ１９を形成し、他方の受光センサ部３Ｂ上にはオンチップレンズ１９が無い構成として、ダイナミックレンジにさらに大きな差をつけるようにすることも考えられる。

ここで、単位画素２において、一方の受光センサ部３Ａ上に大きいオンチップレンズ１９Ａを形成し、他方の受光センサ部３Ｂ上に小さいオンチップレンズ１９Ｂを形成する方法を、図６〜図８と共に説明する。
尚、図中、左側が受光センサ部３Ａに対応し、右側が受光センサ部３Ｂに対応している。
即ち、図２に示したように、半導体基板８中の所定の位置に、受光センサ部３、垂直転送レジスタ４、読み出しゲート部１１、さらにはチャネルストップ領域１２等が形成された状態で、半導体基板８上の所定の位置に、絶縁膜１３を介して２層構造の転送電極１４（１４Ａ，１４Ｂ）が形成され、転送電極１４上に、層間絶縁膜１５を介して遮光膜１６が形成され、遮光膜上１６に、全面を覆って例えば平坦化膜１７、さらにはカラーフィルタ１６が形成された状態から説明する。

先ず、図６に示すように、例えば、カラーフィルタ１８上の全面に、オンチップレンズ１９形成用の材料層２０を形成し、この材料層２０上にフォトレジスト層２１を形成する。

次に、公知のリソグラフィ技術により、フォトレジスト層２１から、オンチップレンズ形成用のパターンを有するレジストマスク２２を形成する。
ここで、このレジストマスク２２は、図７に示すように、受光センサ部３Ａ上ではパターンの大きいレンズ形状のレジストマスク２２（２２１）が形成され、受光センサ部３Ｂ上ではパターンの小さいレンズ形状のレジストマスク２２（２２２）が形成される。

次に、このようなレジストマスク２２（２２１，２２２）をマスクとして用いて、例えば、異方性のエッチング法を用いて、レジストマスク２２の形状を材料層２０に転写することにより、オンチップレンズ１９を形成する。
これにより、図８に示すように、受光センサ部３Ａ上では大きいオンチップレンズ１９Ａが形成され、受光センサ部３Ｂ上では小さいオンチップレンズ１９Ｂが形成される。

次に、本発明の固体撮像素子の他の実施の形態を、図９と共に説明する。
本実施の形態の固体撮像素子１０においては、上述した実施の形態の固体撮像素子１の場合と同様に、単位画素２において、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのダイナミックレンジがそれぞれ異なるものであるが、ダイナミックレンジを異ならせる構成が、上述した実施の形態の固体撮像素子１とは違っている。
具体的には、単位画素２において、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのうち、一方の受光センサ部３Ａの開口面積を大きくし、他方の受光センサ部３Ｂの開口面積を小さくすることにより、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのダイナミックレンジがそれぞれ異なるようにしている。
その他の部分は、図１及び図２に示した構成と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して、重複説明を省略する。

このような構成としたことで、単位画素２において、開口面積が大きく形成された受光センサ部３Ａでは、集光に寄与する受光センサ部３の有効面積が大きくなり、開口面積が小さく形成された受光センサ部３Ｂでは集光に寄与する受光センサ部３の有効面積が小さくなる。
これにより、単位画素２内において、集光面積に差が生じることになり、ダイナミックレンジが異なる２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂを構成することができる。

次に、このような構成のＣＣＤ型の固体撮像素子１０において、実際に単位画素２から画像に相当する信号電荷を垂直転送レジスタ４に読み出す場合の動作を、図１０に示すグラフと共に説明する。読み出し動作は、上述したように、全画素読み出しで行われる。
光電変換による電荷蓄積時、単位画素２において、集光面積の大きい受光センサ部３Ａでは、一定の蓄積時間で、図中破線Ａに示すような照射光量−出力特性を表す信号電荷ｅＡが蓄積される。即ち、受光センサ部３Ａでは、集光面積が大きいので、鮮明な明るい画像に相当する信号電荷ｅＡを得ることができる。
一方、集光面積の小さい受光センサ部３Ｂでは、一定の蓄積時間で、図中一点鎖線Ｂに示すような照射光量−出力特性を表す信号電荷ｅＢが蓄積される。即ち、受光センサ部３Ｂでは、集光面積が小さいので、暗い画像に相当する信号電荷ｅＢを得ることができる。

尚、単位画素２においては、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂの開口面積を変えているが、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂにそれぞれ入射する単位面積あたりの光量は同じである。従って、信号電荷ｅＡの特性を表す破線Ａと、信号電荷ｅＢの特性を表す一点鎖線Ｂの傾きは同じである。
また、上述したように、単位画素２においては、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂの開口面積が異なる構成とされているので、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂで得られる信号電荷の出力特性の最大値は異なっている。

次に、一定の蓄積時間が経過して、転送電極１４を介して読み出し電圧が印加されると、受光センサ部３Ａからは鮮明な明るい画像に相当する信号電荷ｅＡが、受光センサ部３Ｂからは暗い画像に相当する信号電荷ｅＢが、それぞれ垂直転送レジスタ４に同時に読み出される。
この際、例えば転送電極１４に印加される電圧を制御することで、読み出しと同時に２つの信号電荷ｅＡ及びｅＢを合成させることができる（図９中２点鎖線参照）。これにより、図１０中、実線Ｃに示すような照射光量−出力特性を表す信号電荷ｅＣ（ｅＡ＋ｅＢ）が得られる。
また、例えば転送電極１４に印加される電圧を制御することで、次に示す、垂直転送レジスタ４から水平転送レジスタ６へと転送される際に、２つの信号電荷ｅＡ及びｅＢを合成させることもできる。

図１０中、受光センサ部３Ｂでは、一点鎖線Ｂに示すように、少ない照射光量で出力特性が飽和するが、受光センサ部３Ａでは、破線Ａに示すように、照射光量が多くなるまで出力特性が飽和しない。従って、合成画像のダイネミックレンジは、受光センサ部３Ａの場合まで拡大できる。

尚、比較例として、図１３及び図１４に示した、従来の固体撮像素子の場合の、信号電荷の合成前と合成後の照射光量−出力特性を２点鎖線で表す。ここでは、合成前の信号電荷の照射光量−出力特性を２点鎖線Ｄで表し、合成後の信号電荷の照射光量−出力特性を２点差線Ｅで表している。
従来の固体撮像素子の場合では、開口面積が同じ受光センサ部で蓄積された画像に相当する信号電荷を合成しているので、合成前の信号電荷の照射光量−出力特性は、本実施の形態での、開口面積が大きい受光センサ部３Ａで蓄積された信号電荷と、開口面積が小さい受光センサ部３Ｂで蓄積された信号電荷の平均値（２点鎖線Ｄ）で表される。また、合成後のダイナミックレンジは、２点差線Ｄで表されるように、合成前の２つの画像に相当する信号電荷の照射光量−出力特性（２点鎖線Ｃ）と同じ照射光量で出力特性が飽和している。

図１０より、２点鎖線Ｅで表される従来の固体撮像素子での合成画像の照射光量−出力特性と、実線Ｃで表される本実施の形態の固体撮像素子での合成画像とのダイネミックレンジを比べた場合、本実施の形態の固体撮像素子での合成画像の方が、ダイナミックレンジが拡大していることが分かる。

本実施の形態の固体撮像素子１０によれば、単位画素２において、垂直方向に隣接する２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂの開口面積の大きさを変えるようにしたので、上述した実施の形態の場合と同様に、ダイナミックレンジの拡大した画像を得ることができる。
また、従来のような、受光センサ部上に光透過率の高いフィルタと低いフィルタを形成することで、ダイナミックレンジが異なるようにした固体撮像素子（図１３及び図１４参照）に比べて、入射光が減衰してしまうことを防ぐことができるので、上述した実施の形態の場合と同様に、感度を低下させずにダイナミックレンジに差をつけることができる。
また、受光センサ部３の開口面積の大小により、比較的単純な構成でダイナミックレンジを拡大させることができる。

また、本実施の形態では、垂直方向に隣接する２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂを単位画素２とし、垂直転送レジスタ４内で、この２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂからの画像に相当する信号電荷ｅＡ及びｅＢが加算されるようにしたので、上述した実施の形態の場合と同様に、２つ受光センサ部３Ａ及び３Ｂ上に、同色のカラーフィルタを形成することができる。これにより、例えば外部での複雑な信号電荷の処理をなくすことができ、簡易な構成の固体撮像素子１０を得ることができる。
また、カラーフィルタの種類（補色系及び原色系、並びに白黒等）に関係なく、単位画素２上にカラーフィルタを形成することができる。

また、転送電極１４を、従来のような３層構造で構成しなくとも、他の単位画素２の信号電荷とは混ざらないようにすることがき、上述した実施の形態の場合と同様に、転送電極１４を２層構造（１４Ａ，１４Ｂ）にすることができる。
これにより、転送電極１４の形成工程を少なくでき、製造コストを低減できる。

また、このように転送電極１４を２層構造（１４Ａ，１４Ｂ）にすることができ、上述したように、垂直転送レジスタ４内で、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂからの画像に相当する信号電荷ｅＡ及びｅＢが加算されるので、上述した実施の形態の場合と同様に、外部メモリを取り除くことができる。
これにより、各画像に相当する信号電荷ｅＡ及びｅＢの処理が複雑にならず、また、処理回路等が複雑な構成になることも防ぐことができる。

また、例えば、従来の固体撮像素子のように、異なる露出時間で２回も画像を取り込む必要がないので、リアルタイムで信号電荷を出力することが可能になり、上述した実施の形態の場合と同様に、例えばディジタルカメラやカムコーダ等に用いて好適な固体撮像素子１０が得られる。

上述した実施の形態では、単位画素において、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂのダイネミックレンジを異ならせる構成を、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂ上のオンチップレンズの大きさを変える場合、２つの受光センサ部３Ａ及び３Ｂの開口面積を変える場合と、それぞれ分けて説明したが、例えば、これらを組み合わせて構成することも可能である。

また、上述した実施の形態では、図１に示したように、ＩＴ型の方式の固体撮像素子、所謂エリアセンサの場合に本発明を適用して説明を行ったが、この他にも、例えばラインセンサに本発明を適用することもできる。このような場合においても、上述したような、本実施の形態と同等の作用を得ることができる。

尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態を示す概略構成図である。 図１の固体撮像素子の撮像領域の概略断面図である。 図１の固体撮像素子の撮像領域の一部を示す模式図（平面図）である。 図１の固体撮像素子の読み出し時の状態を示す図である。 図１の固体撮像素子での出力特性と照射光量との関係を表すグラフである。 オンチップレンズの製造方法を示す製造工程図（その１）である。 オンチップレンズの製造方法を示す製造工程図（その２）である。 オンチップレンズの製造工程を示す製造工程図（その３）である。 本発明に係る固体撮像素子の他の実施の形態を示す概略構成図である。 図９の固体撮像素子での出力特性と照射光量との関係を表すグラフである。 Ａ、Ｂ 従来の固体撮像素子の概略構成図（その１）である。 Ａ、Ｂ 図１１の固体撮像素子の読み出し時の状態を示す図である。 Ａ、Ｂ 従来の固体撮像素子の概略構成図（その２）である。 Ａ、Ｂ 図１３の固体撮像素子の読み出し時の状態を示す図である。

符号の説明

１、１０・・・固体撮像素子、２・・・単位画素、３（３Ａ，３Ｂ）・・・受光センサ部、４・・・垂直転送レジスタ、５・・・撮像領域、６・・・水平転送レジスタ、７・・・出力部、８・・・半導体基板、１４（１４Ａ，１４Ｂ）・・・転送電極、１８・・・カラーフィルタ、１９（１９Ａ，１９Ｂ）・・・オンチップレンズ

Claims (4)

1. 複数のフォトセンサ部と、各前記フォトセンサ部の上部に形成されたオンチップレンズを含む固体撮像素子において、
   隣接する２つの前記フォトセンサ部の上部の、前記オンチップレンズの大きさが異なる
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記フォトセンサ部からの信号電荷を転送する転送レジスタを有し、前記隣接する２つのフォトセンサ部からの信号電荷が、前記転送レジスタ内で加算されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 複数のフォトセンサ部を含む固体撮像素子において、
   隣接する２つの前記フォトセンサ部の、開口の面積が異なる
   ことを特徴とする固体撮像素子。
4. 前記フォトセンサ部からの信号電荷を転送する転送レジスタを有し、前記隣接する２つのフォトセンサ部からの信号電荷が、前記転送レジスタ内で加算されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。

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