JPH0463473A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、固体撮像装置に係わり、特にカラー画像を撮
像するための固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 従来、カラー画像を撮像する固体撮像装置には、大きく
別けて次の２つの方式がある。第１は、入射した先を光
学系で色分解し、色分解された３つの光に対応して３つ
の固体撮像素子チップで撮像する方式である。第２は、
固体撮像素子チップの各画素に色分解フィルタを形成し
、１つの固体撮像素子チップでカラー信号を得る方式で
ある。

第１の方式は、特に高い画質が要求される放送用ＴＶ左
カメラ採用されている方法であり、通常はレンズを通り
入射した色を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に
分光し、各３原色に対応して３つの固体撮像素子チップ
が設けられている。この方法は、入射した光の損失が少
なくて高感度であり、且つ３原色に分光しているため、
ＴＶモニタ上での色再現性に優れている。しかし、光学
分光系と固体撮像素子チップがそれぞれ３個必要である
ため、ＴＶ左カメラ大型となり高価となる欠点がある。

第２の方式は、１つの固体撮像素子チップてカラー画像
を得られるため、ＴＶ左カメラ小型で安価になる長所が
ある。しかし、固体撮像素子チップ上に形成される色分
解フィルタは、通常各々の画素上にバンドパスフィルタ
、バイパス又はローパスフィルタとして形成されている
ため、入射した光の利用効率は極めて悪く感度が低い。

なお、感度を考慮すると補色系のフィルタ構成かよいが
、この場合は色再現性が悪くなる。

また、これらの方式以外に、波長により感度の異なる光
導電性材料を透明絶縁層を挟んで積層した構造、例えば
最上層は青い色にのみ感度を有し緑、赤を透過する材料
（Ｚｎ５ｅ）　、次の層は青と緑に感度を有し赤い光を
透過する材料（Ｃｄ５）、最下層は赤い先に感度を有す
る材料（Ｃｄ５ｅ）を積層した素子が提案されている。

しかし、この構造では、異なる材料の３層をエピタキシ
ャル成長等で積層する必要があり、これを実現するのは
現在の技術では殆ど不可能である。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、カラー画像を撮像するのに、光学分光
系を使用すると装置構成の大型化及びコスト高を招き、
また色分解フィルタを使用すると感度の低下或いは色再
現性の低下を招く問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、色分解フィルタや光学分光系を使用
することなく、１つの固体撮像素子チップで高感度で色
再現性のよい画像を得ることのできる固体撮像装置を提
供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、青、緑、赤等の光が光電変換素子（フ
ォトダイオード等）の半導体（特に、Ｓｉ）の中で吸収
される深さ方向の領域が異なることを利用し、従来使わ
れているフォトダイオードを深さ方向に分離して色分解
を行うことにある。

即ち本発明は、半導体基板に複数の光電変換部を設ける
と共に、これらの光電変換部で変換され蓄積された信号
電荷をそれぞれ読出す信号電荷読出し部を設けた固体撮
像装置において、光電変換部を深さ方向に少なくとも３
つに分離されたフォトダイオードで形成し、信号電荷読
出し部を光電変換部の各々のフォトダイオードに対して
独立に接続された読出しトランジスタで形成するように
したものである。

ここで、光電変換部の配列は１次元でもよく、２次元（
マトリックス）でもよい。さらに、読出した信号電荷は
ＣＣＤで転送してもよいし、金属配線に取り出してもよ
い。また、３つのフォトダイオードからなる光電変換部
を２次元に配列し、読出した信号電荷をＣＣＤで転送す
る場合、垂直ＣＣＤの後に３本の水平ＣＣＤを設け、垂
直ＣＣＤから水平ＣＣＤに信号電荷を読出す際に、同じ
深さ位置のフォトダイオードの信号電荷を同じ水平ＣＣ
Ｄに供給する。

（作用） 本発明によれば、青、緑、赤等の光が半導体の中で吸収
される深さ方向の領域が異なることから、光電変換部に
おいては深さ位置の異なるフォトダイオードにより異な
る光成分がそれぞれ検出される。従って、各フォトダイ
オードに蓄積された信号電荷に基づき演算処理を行うこ
とにより、Ｒ，Ｇ、Ｂの成分を求めることができ、これ
によりカラー画像を撮像することが可能となる。

（実施例） まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。

第６図に本発明による光電変換部の断面構造図を示す。

この光電変換部は複数のフォトダイオードからなり、そ
の材料は一般に半導体装置で広く使用されているＳｉで
ある。図中４，５゜６は各々深さ方向にフォトダイオー
ドを分離するバリア層であり、フォトダイオード１，２
゜３を分離している。７は表面を空乏化するのを防ぐ層
である。

光電変換部に対し表面側から入射した光は、垂直方向に
分離されたフォトダイオード１，２゜３で吸収され、電
気信号に変換される。光は最上層のフォトダイオード１
で主に短波長の光である青が吸収され（緑、赤の一部も
吸収される）、続いてのフォトダイオード２で緑の光が
吸収され（赤の一部も吸収される）、最下層のフォトダ
イオード３で赤の光が吸収される。入射した光の強度を
Ｉ。とじ、 ＩＯゞｌ　ＢＯ＋　Ｉ　Ｇｏ　＋　Ｉ　ＲＱ　　　　　
　　　　　・・・　（１）と表わす。ここで、ＩＢＯ，
Ｉｃｏ、　　Ｉヨ。は各々青。

緑、赤領域の光の強度を表わしている。物質中の光の透
過は、第７図に示すように、 ■利。’ｅ−ａｔ、（２） と表わすことが可能である。ｔは表面からの深さ、αは
吸収係数、■は深さｔでの光の強度である。青、緑、赤
の吸収係数を各々αＢ、α０゜α７とすれば、各々の色
に対する深さ方向の光強度は ＩＢｍｌＢｏｅｅ−α”　　　　　　　　−（３）１（
、−１（、ｏｅｅ　　”ｔ−（４）ＩＲ−ＩＲｏ−ｅ−
ａＲｔ−（５） と表わされる。ここで、αＢ〉αＧ〉αＲの関係にある
から、第７図に示すように、青、緑。

赤等の光がＳｉ中で吸収される深さ方向の領域が異なっ
ている。

いま、第６図において、表面がらバリア４までの深さを
Ｔ１、表面からバリア５までの深さをＴ２、表面からバ
リア６までの深さをＴ３とすれば、第７図に示すように
、フォトダイオード１で青色の光を略吸収してしまい、
フォトダイオード２までで緑色の光を、フォトダイオー
ド３までで赤色の光を吸収してしまう。各フォトダイオ
ードの量子効率を簡単にするために１と仮定すれば、フ
ォトダイオード１では、−αＧＴ　　　　　　　　　−
αＲＴ １１−　ＩＢＯ＋ＩＧＯ（１ｅ　　　リ＋Ｌｏ（ｌｅ　
　　つ・・・　（６） フォトダイオード２では、 １２　＝　Ｉｃｏ　（ｅ　′−ａＧＴ’　　　−αＧＴ
２）　＋　Ｉ　ＲＱ　（ｅ−αＲＴ１−ｅｅ αＲＴ　２） フォトダイオード３では、 Ｔ３　＝ＩＲＱ　（ｅ　′−ａＲＴ２”　Ｔ３）　　　
　−（８）ｅ の光が吸収され、その光に相当する電荷が生成される。

従って、これらの３つの式より、・・・（１０） と入射した青、緑、赤の各成分に対する光強度が表わさ
れる。これにより、各フォトダイオード１，２．３で得
た電気信号を外部回路で演算処理することにより、青（
Ｒ）、緑（Ｇ）、赤（Ｂ）の信号を得ることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の１画
素構成を示す平面図、第２図（ａ）〜（ｃ）は第１図の
矢視Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ断面図、第３図は第１図の
矢視Ｄ−Ｄ断面図である。

第１図に示すように、垂直ＣＣＤ２０に隣接して光電変
換部３０が配置されている。この図では１画素部分を示
すが、垂直ＣＣＤ２０は複数本平行に配置され、各々の
垂直ＣＣＤ２０に沿って複数の光電変換部３０が配列さ
れている。

光電変換部３０は、第２図に示すように、深さ方向に３
つに分離したフォトダイオードから形成されている。最
上層のフォトダイオード３１は青色を吸収する深さまで
形成され、その下にバリア層であるｐ−層３４が形成さ
れている。２番目のフォトダイオード３２は緑色の光を
吸収できる深さまで形成され、その下には同様にバリア
層であるｐ−層３４が形成されている。また、最下層の
フォトダイオード３３は赤色の光を吸収できる深さまで
形成されている。

ここで、フォトダイオードはｎ−層とｐ−層の接合で形
成されるが、実質的にはｎ−層が蓄積ダイオードとして
作用する。そして、これらのフォトダイオード３１，３
２．３３に隣接してｎ−層（ＣＣＤチャネル）１２が形
成され、各フォトダイオード３１．３２．３３の一部は
各々異なる位置で後述する読出しトランジスタのチャネ
ル（ｐ層）に接している。

なお、上記構成を実現するには、ｎ型のＳｉ基板１０上
にｐウェル１１を形成し、このｐウェル１１にイオン注
入等によりｐ＋素子分離層１Ｂ、ｎ−ＣＣＤチャネル１
２．ｎ−フォトダイオード３１，３２．３３及びｐ−バ
リア層３４を形成すればよい。また、イオン注入の代わ
りに、上記各層３１〜３４をエピタキシャル成長で形成
してもよい。

垂直ＣＣＤ２０は、第３図に示すように、ＣＣＤチャネ
ル１２上にゲート酸化膜１４を介して転送電極を形成し
たもので、１画素当り９個の転送電極２１，２２．２３
を伺えている。

そして、３つのフォトダイオード３１，３２゜３３に対
して３電極ずつを対応させている。即ち、青色光を吸収
するフォトダイオード３１には転送電極２１１．２２１
．２３□が対応しており、転送電極２２１はフォトダイ
オード３１上まで伸びて読出しトランジスタのゲートを
兼ねるものとなっている。同様に、緑色光を吸収するフ
ォトダイオード３２には転送電極２１□。

２２２．２３□が対応し、赤色光を吸収するフォトダイ
オード３３には２１３．２２３　。

２３３が対応している。そして、これらの転送電極２１
，２２．２３には３相クロツクφ１゜φ２．φ３が印加
され、フォトダイオード３１゜３２．３３の信号電荷は
垂直ＣＣＤ２０に同時に読出されるものとなっている。

第４図に本実施例装置の全体構成を示す。垂直ＣＣＤ２
０により転送された信号電荷は、３本の水平ＣＣＤ４１
，４２．４３に読出される。ここで、垂直ＣＣＤ２０で
転送されたフォトダイオード３１からの信号電荷は水平
ＣＣＤ４１に読出され、フォトダイオード３２からの信
号電荷は水平ＣＣＤ４２に読出され、フォトダイオード
３３からの信号電荷は水平ＣＣＤ４３に読出される。水
平ＣＣＤ４１，４２゜４３により転送された信号電荷は
、増幅器により増幅されたのち信号処理回路５１，５２
゜５３にそれぞれ供給され、さらに演算処理回路６０に
供給される。ここで、信号処理回路５１゜５２．５３は
低ノイズ化処理やサンプルホールド等を行うものである
。演算処理回路６０は、前記（９）〜（１１）式に示し
た演算を行い、Ｒ，Ｇ。

Ｂに相当する信号を出力するものである。

このような構成において、光電変換部３０に光が照射さ
れると、フォトダイオード３１では青色の光と緑及び赤
色の光の一部とが吸収され、その吸収量に応じた信号電
荷が蓄積される。同様に、フォトダイオード３２では緑
色の光と赤色の光の一部とが吸収され、その吸収量に応
じた信号電荷が蓄積される。さらに、フォトダイオード
３３では赤色の光が吸収され、その吸収量に応じた信号
電荷が蓄積される。各フォトダイオード３１，３２．３
３に蓄積された信号電荷は、読出しトランジスタをＯＮ
することにより垂直ＣＣＤ２０に同時に読出される。

ここで、信号読出しの方法としては同時に読出すに限ら
ず、各フォトダイオード３１，３２゜３３の信号電荷を
順次読出すようにしてもよい。

但し、一つの読出しトランジスタをＯＮしている際に、
読出しゲートに印加する電圧により他のトランジスタが
ＯＮし、読出すべきでない信号電荷が読出される可能性
がある。従って、信号電荷を順次読出す際には、上側の
フォトダイオードから下側のフォトダイオード方向に読
出しトランジスタをＯＮする。読出しトランジスタにお
いて、上側のトランジスタよりも下側のトランジスタの
方がＯＮするのに高い電圧が必要である。このため、上
側のトランジスタをＯＮした場合、下側のトランジスタ
がＯＮすることはない。下側のトランジスタをＯＮした
時点では上側のフォトダイオードの信号電荷は既に読出
されて空になっているので、上側のトランジスタがＯＮ
しても同等問題は生じない。

さて、垂直ＣＣＤ２０により転送された信号電荷は、３
本の水平ＣＣＤ４１，４２．４３に読出されるか、この
ときフォトダイオード３１゜３２．３３から読出され転
送された各信号電荷は、水平ＣＣＤ４１，４２．４３に
それぞれ読出される。従って、水平ＣＣＤ４１には前記
（６）式で表される信号電荷が、水平ＣＣＤ４２には前
記（７）式で表される信号電荷が、水平ＣＣＤ４３には
前記（８）式で表される信号電荷が読出されることにな
る。水平ＣＣＤ４１゜４２．４３により転送された信号
電荷は、信号処理回路５１，５２．５３を介して演算処
理回路６０に供給される。そして、演算処理回路６０で
前記（９）　（１０）（１１）式に示す演算を行うこと
によって、Ｒ，Ｇ、Ｂに相当する信号が出力されること
になる。

かくして本実施例によれば、光電変換部３０を深さ方向
に３つに分割したフォトダイオード３１．３２．３３で
形成し、これらのフォトダイオード３１，３２．３３に
蓄積された各信号電荷に基づき前述した演算処理を行う
ことによって、入力光のＲ，Ｇ、Ｂ成分の大きさを検出
することができ、カラー画像を撮像することが可能とな
る。そしてこの場合、１つの固体撮像素子チップでカラ
ー画像が撮像できることから、光学分光系等を必要とせ
ず、全体の構成の簡略化をはかることができる。さらに
色フィルタを用いた装置とは異なり、光の損失が生じる
ことはなく、光の利用効率を高めて感度及び色再現性の
向上をはかることが可能となる。また、異なる材料を積
層するのではなく、同じ材料（Ｓｉ）のフォトダイオー
ドを積層した構造であるので、特殊の製造方法を用いる
必要はなく、既存の製造方法にて簡易に製造することが
可能であり、実用性大なる利点がある。

第５図は本発明の他の実施例の一画素構成を示す平面図
である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、ＣＣＤ
を用いることなく、光電変換部から読出した信号電荷を
直接取り田すようにしたものである。即ち、フォトダイ
オード３１，３２゜３３には、読出しゲート８１，８２
．８３を備えたトランジスタがそれぞれ接続され、これ
らのトランジスタで読出された信号電荷は不純物拡散層
９１，９２．９３を通って金属配線７１゜７２．７３に
それぞれ取り出されるものとなっている。このような構
成であっても、先の実施例と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例ではフォトダイオードからなる光電変換部
を２次元に配列したが、光電変換部を１次元に配列した
ラインイメージセンサに適用することも可能である。ま
た、光電変換部を構成するフォトダイオードの深さ位置
は、前記第７図に示したＲ、Ｇ、Ｂの吸収深さに応じて
適宜室めればよい。さらに、光電変換部を構成するフォ
トダイオードは３つに限るものではなく、それ以上に分
割されたものであってもよい。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる
。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、半導体中の中で吸
収される光成分が深さ方向で異なることを利用し、光電
変換部としてのフォトダイオードを深さ方向に分離して
設け、分離した各フォトダイオードの検出信号に基づき
所定の演算処理を行うことにより、Ｒ，Ｇ、Ｈの成分を
測定することができる。従って、カラー画像を撮像する
ことができ、色分解フィルタや光学分光系を使用するこ
となく、１つの固体撮像素子チップで高感度で色再現性
のよい画像を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の１画
素構成を示す平面図、第２図及び第３図は第１図の要部
構成を示す断面図、第４図は同実施例の全体構成を示す
模式図、第５図は本発明の他の実施例の１画素構成を示
す平面図、第６図及び第７図は本発明の詳細な説明する
ためのもので、第６図は深さ方向に分離したフォトダイ
オードを示す断面図、第７図は深さ方向に対するＲ、Ｇ
、Ｂの３色の透過率変化を示す特性図である。 １０・・・ｎ型Ｓｉ基板、 １１・・・ｐウェル、 １２・・・ＣＣＤチャネル、 １３・・・素子分離層、 １４・・・ゲート酸化膜、 ２０・・・垂直ＣＣＤ。 ２１．２２．２３・・・転送電極、 ３０・・・光電変換部、 ３１．３２．３３・・・フォトダイオード、３４・・・
バリア層、 ４１．４２．４３・・・水平ＣＣＤ。 ６０・・ ７１゜ ８１　。 ９１゜ 演算処理回路、 ７２．７３・・・金属配線、 ８２．８３・・・読出しゲート、 ９２．９３・・・不純物拡散層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板に複数の光電変換部を設けると共に、
   これらの光電変換部で変換され蓄積された信号電荷をそ
   れぞれ読出す信号電荷読出し部を設けた固体撮像装置に
   おいて、 前記光電変換部は深さ方向に少なくとも３つに分離され
   たフォトダイオードからなり、前記信号電荷読出し部は
   前記光電変換部の各々のフォトダイオードに対して独立
   に接続された読出しトランジスタからなるものであるこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）半導体基板にマトリックス状に配置され、且つ各
   々が深さ方向に３つに分離された複数のフォトダイオー
   ドからなる光電変換部と、これらの光電変換部に対応し
   てそれぞれ設けられ、該光電変換部に蓄積された信号電
   荷を各々のフォトダイオード毎に読出す３つの読出しト
   ランジスタからなる信号電荷読出し部と、これらの信号
   電荷読出し部で読出された信号電荷を垂直方向に転送す
   る複数本の垂直電荷転送部と、これらの垂直電荷転送部
   により転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電
   荷転送部と、この水平電荷転送部により転送された信号
   電荷に基づきＲ、Ｇ、Ｂの３原色信号を求める演算処理
   部とを具備してなることを特徴とする固体撮像装置。
3. （３）前記水平電荷転送部は前記光電変換部の３つのフ
   ォトダイオードに対応して３本形成され、各々の水平電
   荷転送部には前記垂直電荷転送部により転送された信号
   電荷を、同じ深さ位置のフォトダイオード毎に分離して
   供給することを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置
   。