JPH08288493A - カラー固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐ブルーミング性を確保しつつ白キズの低減
を可能としたカラー固体撮像装置を提供する。 【構成】 画素単位または基板単位で処理対象の色が異
なるカラー固体撮像装置において、センサ部１５の基板
深さ方向のポテンシャルプロファイルを、例えば信号電
荷蓄積層１４を形成するＮ型不純物の濃度を変えること
によって色に対応して画素単位またはチップ単位で異な
らせる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置に関し、
特に画素単位または基板（チップ）単位で処理対象の色
が異なるカラー固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置においては、画像欠陥の１
つである白キズ発生の抑制と耐ブルーミング性の確保と
を両立させることが課題となっている。ここで、白キズ
とは、局所的な暗電流ムラに起因して再生画面上に白い
キズとして現れる画像欠陥である。この白キズ発生の要
因となる暗電流は、センサ部のポテンシャルが深くなる
にしたがって発生し易くなる。一方、ブルーミングは、
強い光が入射した場合にセンサ部が飽和し、信号電荷が
溢れて垂直電荷転送部などに入り込み、周囲に白い部分
が広がる現象であり、センサ部のポテンシャルが浅くな
るにしたがって発生し易くなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、単板式のカ
ラー固体撮像装置では、例えばＧ（緑）市松Ｒ（赤）・
Ｂ（青）線順次配列の色フィルタが配されることで、画
素単位で処理対象の色が異なっており、３原色のうちＧ
が一番感度が高いことから、各センサ部のポテンシャル
はＧの画素を基準にして画素間で等しくなるように作ら
れていた。しかしながら、全ての画素のセンサポテンシ
ャルを等しくしたのでは、センサポテンシャルが深くな
ることによって発生し易くなる白キズが全ての画素に対
して等しい確率で発生することになるため、無欠陥歩留
りが問題になっていた。一方、白キズの発生を低減させ
るために、センサポテンシャルを浅くすると、耐ブルー
ミング性が確保できなくなるという問題があった。

【０００４】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、耐ブルーミング性を
確保しつつ白キズの低減を可能としたカラー固体撮像装
置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、画素単位で
処理対象の色が異なる単板式カラー固体撮像装置または
基板（チップ）単位で処理対象の色が異なる多板式カラ
ー固体撮像装置において、センサ部の基板深さ方向のポ
テンシャルプロファイルが色に対応して画素単位または
基板単位で異なる構成となっている。

【０００６】

【作用】上記構成のカラー固体撮像装置において、同じ
入射光量の条件下を考えると、感度の低い色の画素（ま
たは、チップ）の方が感度の高い色の画素（または、チ
ップ）に比べて、センサ部で光電変換されかつ蓄積され
る信号電荷の電荷量が少ない。したがって、センサ部の
基板深さ方向のポテンシャルを、感度の低い色の画素
（または、チップ）については、感度の高い色の画素
（または、チップ）よりも浅くすることで、白キズ発生
の要因となる暗電流の発生を抑制でき、しかも耐ブルー
ミング性を損なうこともない。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。図１は、本発明によるカラー固体
撮像装置のユニットセルの断面図である。図１におい
て、Ｎ型半導体基板１１上のＰウェル１２の表面側に、
Ｐ⁺ 型不純物からなる正孔蓄積層１３が形成され、その
下にＮ型不純物からなる信号電荷蓄積層１４が形成され
ることで、ＨＡＤ(Hole Accumulated Diode)構造のセン
サ部１５が構成されている。このセンサ部１５は、基板
１１上に２次元配列され、入射光をその光量に応じた電
荷量の信号電荷に光電変換し、この信号電荷を信号電荷
蓄積層１４に蓄積する。また、Ｐウェル１２の表面側に
は、チャネル領域１６を挟んでＮ型不純物からなる信号
電荷転送領域１７が形成されている。

【０００８】このチャネル領域１６および信号電荷転送
領域１７の上方には、ポリシリコンからなる転送電極１
８がシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）からなる絶縁層１９を
介して配されている。そして、チャネル領域１６および
その上の転送電極１８の一部により、センサ部１５に蓄
積された信号電荷を読み出す読み出しゲート部２０が構
成され、信号電荷転送領域１７およびその上の転送電極
１８により、読み出しゲート部２０によって読み出され
た信号電荷を垂直転送する垂直電荷転送部２１が構成さ
れている。なお、絶縁層１０の上は、センサ部１５の部
分を除いてアルミニウム（Ａｌ）などの遮光膜２２によ
って覆われている。

【０００９】図２に、図１のＡからＢへの表面に平行な
方向へのポテンシャル分布およびＢからＣへの基板深さ
方向のポテンシャル分布を示す。同図において、実線ａ
のポテンシャル分布は、センサ部１５に信号電荷が蓄積
されている状態である。センサ部１５に入射する光量が
増え、ある光量を越えると、信号電荷が基板深さ方向の
バリアを越え、基板１１へのオーバーフローが始まる。
決められた光量のもとで、ＣＣＤチップ（デバイス）ご
とに設定した飽和信号量が得られるように、基板１１に
与える基板電圧Ｖｓｕｂ．の電圧値を設定する。

【００１０】ここで、耐ブルーミング性を確保するため
に、即ち強い光の入射によってセンサ部１５が飽和した
際に信号電荷が垂直電荷転送部２１などに入り込まない
ようにするために、基板深さ方向のバリアの高さｈ1
は、表面側読み出しゲート部２０のバリアの高さｈ2 よ
りも低くなるように制限されている。この条件下におい
て、センサポテンシャルを深くすると、センサ部１５か
ら信号電荷を読み出すときに印加する読み出し電圧や、
信号電荷を基板１１に掃き捨てるときに基板電圧Ｖｓｕ
ｂ．に重畳して印加するシャッタ電圧ΔＶｓｕｂ．の電
圧値を大きくする必要が生じる。

【００１１】センサ部１５から垂直電荷転送部２１への
信号電荷の読み出し時のポテンシャル分布を図２に二点
鎖線ｂで、センサ部１５から基板１１へ信号電荷の掃き
捨て時のポテンシャル分布を図２に点線ｃでそれぞれ示
す。また、センサポテンシャルを深くすると、白キズの
発生頻度を増加させることになる。図３に、ある有効画
素数をもつＣＣＤチップにおける１チップあたりの白キ
ズの発生個数とセンサポテンシャルとの関係が示されて
いる。同図から明らかなように、センサポテンシャルが
深くなるにしたがって白キズの発生個数が増加すること
がわかる。

【００１２】ところで、上記構成のＣＣＤチップを単板
式カラー固体撮像装置に適用する場合を考えると、例え
ば図４に示す如きＧ市松Ｒ・Ｂ線順次配列（ベイヤー配
列）の色フィルタ４１を、例えばオンチップにて各セン
サ部１５上に配列することになる。この単板式カラー固
体撮像装置において、色ごとの感度は、色フィルタ層の
厚さにも依存するものの、概ね図５に示すようになって
いる。すなわち、光の３原色Ｒ，Ｇ，Ｂにおいて、Ｇが
最も感度が高く、次に感度が高いのがＲで、Ｂが最も感
度が低い。図５には、感度比Ｒ／Ｇ＝０．７、Ｂ／Ｇ＝
０．３の場合が示されている。

【００１３】このことから明らかなように、センサ部１
５上に配列された色フィルタ４１の色の中で、相対的に
感度の低い色の飽和信号電荷量は、最も感度の高い色と
同量である必要はない。本発明はこの点に着目してなさ
れたものである。すなわち、画素単位で処理対象の色が
異なる単板式カラー固体撮像装置において、基板深さ方
向のポテンシャルプロファイルが色に対応して画素単位
で異ならせている。具体的には、Ｇ画素に比べてＲ画素
のセンサポテンシャルが浅く、それよりもさらにＢ画素
のセンサポテンシャルが浅くなるようにしている。この
場合の出力信号（信号量）の入射光量に対する依存性
は、図６に示すようになる。

【００１４】センサポテンシャルを色ごとに画素単位で
異ならせるには、例えば、センサ部１５の信号電荷蓄積
層１４を形成するＮ型不純物の濃度を、エネルギー、ド
ーズ量あるいは熱処理時間をパラメータとして各色に対
応して変えることによって実現できる。また、色ごとに
センサポテンシャルを変えるプロセスは、例えば３色に
対応してセンサポテンシャルを変える場合には、特定の
色の画素のみレジストパターンに窓あけし、Ｎ型不純物
をイオン注入する工程を３回繰り返すことによって実現
できる。したがって、色に関係なく全画素のセンサ部に
対して窓あけしたレジストパターンを用いてＮ型不純物
のイオン注入を１回で行っていた従来の製造工程に比べ
て工程数が増えることになる。

【００１５】上述したように、画素単位で処理対象の色
が異なる単板式カラー固体撮像装置において、センサポ
テンシャルを色ごとに画素単位で異ならせることとし、
感度の低い色のセンサポテンシャルを浅くすることによ
り、製造工程数は増えるものの、感度の低い色の画素に
ついては、白キズ発生の要因となる暗電流の発生を低減
できるので、白キズの発生頻度を低下させることができ
る。しかも、先述したように、相対的に感度の低い色の
飽和信号電荷量は最も感度の高い色と同量である必要は
なく、少なくても良いため、感度の低い色のセンサポテ
ンシャルを浅くしても、耐ブルーミング性を確保でき
る。

【００１６】なお、上記実施例では、Ｇ市松Ｒ・Ｂ線順
次配列（ベイヤー配列）の色フィルタ４１を用いた場合
において、３色の各々についてセンサポテンシャルを３
段階に異ならせるとしたが、本発明はこれに限定される
ものではなく、Ｒ・Ｂについては感度の良い方の色
（Ｒ）を基準にして共通のセンサポテンシャルとして２
段階に異ならせるようにしても良い。これによれば、最
も感度の悪いＢの画素において、暗電流の低減効果につ
いてはやや劣るものの、センサ部１５にＮ型不純物をイ
オン注入する工程が２回で済むため、上記実施例に比し
て工程数を１つ削減（従来比＋１）できることになる。

【００１７】また、上記実施例においては、色フィルタ
としてＧ市松Ｒ・Ｂ線順次配列のものを用いた場合につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、例えば図７に示す補色市松配列など他の色配列のも
のを用いた場合にも、同様に適用し得るものである。

【００１８】さらに、上記実施例では、画素単位で処理
対象の色が異なる単板式カラー固体撮像装置に適用する
としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｃ
ＣＤチップ単位で処理対象の色が異なる多板式カラー固
体撮像装置にも適用可能である。例えば、３板式カラー
固体撮像装置の場合には、図８に示すように、入射光を
取り込む光学系中に３色分離プリズム８１を設け、入射
光をＲ，Ｇ，Ｂの３原色に分離し、各色に対応して設け
られた３個のＣＣＤチップ（固体撮像装置）８２Ｒ，８
２Ｇ，８２Ｂに導く構成となっている。

【００１９】３色分離プリズム８１は、３個のプリズム
ブロックで構成され、各ブロックの境界部分に各々Ｂ反
射（Ｒ，Ｇ透過）とＲ反射（Ｇ透過）のダイクロイック
層８３ａ，８３ｂが設けられ、入射光を各々の色の光に
分割するようになっている。Ｂ，Ｒの反射光は各々の全
反射面で再び反射される。そして、各色の光の結像位置
に同一サイズのＣＣＤチップ８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂを
配置することで、各々の出力からＲ，Ｇ，Ｂの信号が導
出される。

【００２０】このチップごとに処理対象の色が異なる３
板式カラー固体撮像装置に本発明を適用する場合には、
センサポテンシャルをチップごとに異ならせるようにす
れば良い。センサポテンシャルをチップごとに異ならせ
るには、各ＣＣＤチップにおいて、例えば、センサ部１
５の信号電荷蓄積層１４を形成するＮ型不純物の濃度
を、エネルギー、ドーズ量あるいは熱処理時間をパラメ
ータとして各チップの処理対象の色に対応して変えるこ
とによって実現できる。

【００２１】このように、チップごとに処理対象の色が
異なる３板式カラー固体撮像装置に適用した場合には、
センサ部１５を形成するためにＮ型不純物をイオン注入
する工程が１回で済むため、従来の製造工程と同じ工程
数で、即ち製造工程数を増やすことなく、感度の低い色
を処理対象とするＣＣＤチップについて、白キズ発生の
要因となる暗電流の発生を低減し、白キズの発生頻度を
低下させることができる。また、感度の低い色を処理対
象とするＣＣＤチップについてセンサポテンシャルを浅
くしても、上記実施例の場合と同様の理由により、耐ブ
ルーミング性を確保できる。

【００２２】なお、３板式カラー固体撮像装置の中に
は、上述した如く３個のＣＣＤチップを３原色にそれぞ
れ対応させて使用し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各信号を独立に得る
ようにしたものの他に、Ｇ用に２個のＣＣＤチップを使
用し、Ｒ，Ｂ用に１個のＣＣＤチップを使用してＲ，Ｂ
の信号を時分割多重で得るようにしたもの（いわゆる、
Ｄｕａｌ‐Ｇｒｅｅｎ方式のもの）もある。このような
３板式カラー固体撮像装置の場合には、Ｒ，Ｂ用のＣＣ
Ｄチップでは画素単位で処理対象の色が異なることにな
る。

【００２３】したがって、このＲ，Ｂ用のＣＣＤチップ
に関しては、先の実施例で説明したように、感度の良い
方の色（Ｒ）を基準にしてセンサポテンシャルを各色間
で共通の深さにするようにしても良いし、画素ごとに各
色（Ｒ，Ｂ）に対応してセンサポテンシャルを異ならせ
るようにしても良い。このことは、光学系に色分解プリ
ズムを用いて入射光をＧとＲ，Ｂに２分割し、各々の結
像位置に２個のＣＣＤチップをＧ用とＲ，Ｂ用として配
置した構成の２板式カラー固体撮像装置についても同様
に言える。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
画素単位または基板単位で処理対象の色が異なるカラー
固体撮像装置において、センサ部の基板深さ方向のポテ
ンシャルプロファイルを色に対応して画素単位またはチ
ップ単位で異ならせるようにしたことにより、白キズ発
生の要因となる暗電流の発生を低減できるので、白キズ
の発生頻度を低下させることができ、しかも耐ブルーミ
ング性を確保できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるカラー固体撮像装置のユニットセ
ルの断面図である。

【図２】図１のＡからＢへの表面に平行な方向へのポテ
ンシャル分布およびＢからＣへの基板深さ方向のポテン
シャル分布を示す図である。

【図３】１チップあたりの白キズの発生個数とセンサポ
テンシャルとの関係を示す図である。

【図４】Ｇ市松Ｒ・Ｂ線順次配列の色フィルタの色配列
を示す図である。

【図５】従来例に係る出力信号の入射光量に対する依存
性を示す図である。

【図６】本発明に係る出力信号の入射光量に対する依存
性を示す図である。

【図７】補色市松配列の色フィルタの色配列を示す図で
ある。

【図８】３板式カラー固体撮像装置の光学系の構成の一
例を示す図である。

【符号の説明】

１１ Ｎ型半導体基板 １４ 信号電荷蓄積層 １５ センサ部 ２０ 読み出しゲート部 ２１ 垂直電荷転送部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光を光電変換するセンサ部が基板上
   に２次元配列されてなり、画素単位または基板単位で処
   理対象の色が異なるカラー固体撮像装置であって、 前記センサ部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイ
   ルが色に対応して画素単位または基板単位で異なること
   を特徴とするカラー固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記センサ部を形成する不純物層の不純
   物濃度が色に対応して画素単位または基板単位で異なる
   ことを特徴とする請求項１記載のカラー固体撮像装置。