JP4404561B2

JP4404561B2 - MOS type color solid-state imaging device

Info

Publication number: JP4404561B2
Application number: JP2003072102A
Authority: JP
Inventors: 誠雫石
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004281773A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単板式のカラー固体撮像装置に係り、特に、ＭＯＳ型カラー固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置においては、半導体基板表面に多数の受光部を二次元アレー状に配列し、更に各受光部上に、ストライプ状あるいはモザイク状に異なる分光特性を有するカラーフィルタを積層することで、カラー画像を撮像することができるようにしている。
【０００３】
カラーフィルタとしては、原色系カラーフィルタと補色系カラーフィルタがある。原色系カラーフィルタの場合、例えば、Ｂ（青色）のカラーフィルタを積層した画素では、主としてＢの波長域（約４８０ｎｍよりも短波長の入射光成分）の光のみが受光部に到達し、それ以外の波長成分（例えばＧ（緑）およびＲ（赤））については、受光部に入射しない様になっている。このため、Ｂ以外の波長成分（ＧとＲ）を含む入射光については、Ｂ以外の光信号成分（ＧとＲ）を有効に光電変換に利用できず、感度を低下させる原因となっている。
【０００４】
これに対し、補色系カラーフィルタは、Ｂの補色関係にある色成分ＧとＲを透過するイエロー（Ｙｅ）フィルタと、Ｇの補色関係にある色成分ＢとＲを透過するマゼンタ（Ｍｇ）フィルタと、Ｒの補色関係にある色成分ＢとＧを透過するシアン（Ｃｙ）フィルタで構成され、入射光の波長を原色系カラーフィルタに比べて広い範囲で利用でき、感度を高くすることができる。
【０００５】
このため、フラッシュなどの補助光源を利用しにくいビデオムービーカメラ（動画の撮像）においては、補色系カラーフィルタを搭載したカラー固体撮像装置が多く採用されている。しかし、一の画素から得られる信号は、Ｇ＋Ｒ，Ｇ＋Ｂ，Ｒ＋Ｂに対応する信号であるため、これらの信号を読み出し後に、外部回路において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各原色信号成分に分離する色信号分離演算処理を行う必要が生じる。
【０００６】
従って、補色系カラーフィルタを用いるカラー固体撮像装置は、各色成分（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を直接読み出すことができる原色系カラーフィルタを用いたカラー固体撮像装置に比べ、忠実な色再現性やノイズの点で劣るという問題がある。このため、スチルカメラ（静止画の撮像）においては、色再現性に優れている原色系カラーフィルタを搭載した固体撮像装置が多く採用され、感度に関しては補助光源でカバーするようになっている。
【０００７】
一方、フォトダイオードの光電変換特性が入射光の波長及びシリコン基板の深さ方向の位置に依存することが下記の非特許文献１に開示されており、このシリコン基板の光学的性質を利用することでカラーフィルタを搭載せずに各色信号を分離して読み出すことができるＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置が下記の特許文献１に開示されている。以下、この従来のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置を説明する。
【０００８】
図２６（ａ）は、下記の非特許文献２に記載されている一般的なＣＭＯＳ型固体撮像装置の等価回路図である。ＣＭＯＳ型固体撮像装置では、受光部フォトダイオード（ＰＮ接合部Ｄ）の容量成分（Ｃ）に予めリセットトランジスタ（Ｍ３）をオンにすることによって蓄えられた電荷が入射光によってフォトダイオード部近傍で発生したフォトキャリアにより放電し、その後、この容量Ｃの電荷量変化をソースフォロアアンプ（Ｍ１，Ｍ２）によって読み出す構造になっている。
【０００９】
図２６（ｂ）は、図２６（ａ）に示す一般的構造に非特許文献１で開示された原理を応用して構成された特許文献１記載のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の構成図である。このカラー固体撮像装置においては、Ｐ型半導体基板１０１の表面側にＮウェル層１０２が形成され、このＮウェル層１０２の表面側にＰウェル層１０３が形成され、このＰウェル層１０３の表面側にＮ層１０４が形成される断面構造を持っている。
【００１０】
そして、Ｐウェル層１０３とＮ層１０４との間に形成されるＰＮ接合でブルー（Ｂ）の色信号を検出し、Ｐウェル層１０３とＮウェル層１０２との間に形成されるＰＮ接合でグリーン（Ｇ）の色信号を検出し、Ｐ型基板１０１とＮウェル層１０２との間に形成されるＰＮ接合でレッド（Ｒ）の色信号を検出する様になっている。
【００１１】
更に詳しく見ると、青（Ｂ）の色信号検出には、表面のＮ⁺層１０４に電気的接点（オーミックコンタクト）を設け、ＰＮ接合部における電子（マジョリティキャリア）の充放電を周辺回路部のソースフォロアアンプで読み出している。緑（Ｇ）の色信号検出には、Ｐウェル層１０３に対して素子表面に同様の電気的接点を設け、ＰＮ接合部における正孔（マジョリティキャリア）の充放電を周辺回路部のソースフォロアアンプで読み出している。赤（Ｒ）の色信号検出には、青（Ｂ）と同様に、深部のＮウェル層１０２に対して、素子表面に同様の電気的な接点を設け、ＰＮ接合部における電子の充放電を周辺回路部のソースフォロアアンプで読み出している。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許第５９６５８７５号公報
【非特許文献１】
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の"A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material"PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
【非特許文献２】
ＰＳＩＥ Vol.3019.pp115-124"An 800K-Pixel Color CMOS Senser For Consumer Still Cameras."J.E.D.Hurwitz.et.al(1997)
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した図２６（ｂ）に示す従来のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、一画素単位で見ると、青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ）の３信号を読み出すことができるが、素子表面に設ける必要のある上記オーミックコンタクトに要する面積や、リセットトランジスタやソースフォロアアンプ等の周辺回路に要する面積、即ち、受光部以外の面積が３倍になるため、半導体基板表面の受光部面積が圧迫されてしまうという問題がある。
【００１４】
更に、素子駆動や信号読み出しのために配線数が増加してしまい、受光部表面とその上に設けるマイクロレンズとの間に積層される多層配線層が複雑になり、製造が困難になると共に、マイクロレンズと受光部表面との間の入射光の通路が狭くなってしまうという問題がある。この問題は、小型のデジタルスチルカメラや携帯電話機等の小型電子機器に搭載するカラー固体撮像装置ほど、即ち、小面積の半導体基板に形成されるカラー固体撮像装置ほど顕著になる。
【００１５】
更にまた、カラーフィルタを搭載しないために、各色成分（Ｒ，Ｇ，Ｂ）出力信号の分光スペクトルが互いに大きくオーバーラップしてしまい、忠実な色再現が困難で高画質化を図ることが難しいという問題もある。
【００１６】
本発明の目的は、製造が容易で半導体基板表面の受光部面積を広くとることができ、色信号分離演算処理が不要で、しかも撮像画像の高画質化を容易に図ることが可能なＭＯＳ型カラー固体撮像装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、複数の受光部が半導体基板の表面に二次元アレー状に配列されたＭＯＳ型カラー固体撮像装置において、
前記複数のうちの一部の受光部の上部に積層され３原色のうちのレッド（Ｒ）の入射光を阻止し残り２色のブルー（Ｂ），グリーン（Ｇ）の入射光を透過するシアンフィルタ及び３原色のうちのグリーン（Ｇ）の入射光を阻止し残り２色のレッド（Ｒ），ブルー（Ｂ）の入射光を透過するマゼンタフィルタの少なくとも１方の補色フィルタと、
該補色フィルタが積層された受光部に形成され、該補色フィルタを透過した前記２色のうちの１色の色信号を検出するための第１の高濃度不純物層と、
該補色フィルタが積層された受光部に前記第１の高濃度不純物層と深さ方向に分離して形成され、該補色フィルタを透過した前記２色のうちの残り１色の色信号を検出するための第２の高濃度不純物層と、
前記各高濃度不純物層に接続され前記各色信号を区別して読み出す信号配線とを備え、
前記第１の高濃度不純物層と前記第２の高濃度不純物層は、３原色のうちの１色の入射光の光電変換をそれぞれ行なう前記半導体基板の深さ方向に異なる３領域のうちの１つの領域を除いた残り２つの領域にそれぞれ形成されることを特徴とする。この構成によっても、感度が向上し、且つ原色の色信号が直接得られるために色信号分離演算処理が不要となり、しかも、カラーフィルタを使用することで、各色信号の分光感度スペクトルにおけるオーバーラップが低減して忠実な色再現が更に可能となり、高画質化も達成可能となる。
【００１８】
この構成により、補色フィルタを用いることで入射光成分を有効に利用できるため感度が向上し、且つ原色の色信号が直接得られるために色信号分離演算処理が不要となり、しかも、カラーフィルタを使用することで、各色信号の分光感度スペクトルにおけるオーバーラップが低減して忠実な色再現が更に可能となり、高画質化も達成可能となる。
【００１９】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置の前記受光部は、半導体基板に前記第１，第２の高濃度不純物層を設けることで形成されたＰＮ接合部に電荷を蓄積し、該電荷を入射光によって発生したフォトキャリアで放電させ、該放電により変化する電荷変化量を色信号として読み出すものであることを特徴とする。
【００２０】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、３原色のうち前記シアンフィルタまたは前記マゼンタフィルタが積層された受光部で検出される前記２色の残り１色の色信号については、該受光部の周りに設けられ該受光部と異なる色信号を検出する受光部の検出信号を補間演算して求めることを特徴とする。この構成により、各受光部位置において３原色信号が得られ、色情報を再現することが可能となる。
【００２１】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、ブルー（Ｂ）の光を阻止し残り２色のグリーン（Ｇ），レッド（Ｒ）の入射光を透過するイエローフィルタが積層された受光部であって該グリーンの入射光を検出する第３の高濃度不純物層と該レッドの入射光を検出する第４の高濃度不純物層とが前記半導体基板の深さ方向に分離して形成された受光部と、前記シアンフィルタが積層された受光部と、前記マゼンタフィルタが積層された受光部の３種類の受光部が前記半導体基板の表面に配列されたことを特徴とする。
【００２２】
この構成により、各受光部では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の内の２色の信号成分を直接得ることができ、残りの１色の信号成分を周りの受光部の信号成分から補間演算で求めることができる。
【００２３】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、ブルー（Ｂ）の光を阻止し残り２色のグリーン（Ｇ），レッド（Ｒ）の入射光を透過するイエローフィルタが積層された受光部であって該グリーンの入射光を検出する第３の高濃度不純物層と該レッドの入射光を検出する第４の高濃度不純物層とが前記半導体基板の深さ方向に分離して形成された受光部と、前記シアンフィルタが積層された受光部の２種類の受光部が前記半導体基板の表面に配列されたことを特徴とする。
【００２４】
この構成によっても、各受光部では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色の内の２色の信号成分を直接得ることができ、残りの１色の信号成分は周りの受光部の信号成分を補間演算することで得ることができる。また、全ての受光部からグリーン（Ｇ）の信号成分が得られるため、このグリーン信号を輝度信号として画像処理することで、解像度の高い画像を得ることができる。
【００２５】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、グリーン（Ｇ）の光を阻止するマゼンタフィルタが積層された受光部とグリーン（Ｇ）の光を透過するグリーンフィルタが積層された受光部の２種類の受光部が前記半導体基板の表面に配列されたことを特徴とする。
【００２６】
この構成によっても、各受光部位置においてＲ，Ｇ，Ｂの３原色の信号成分が得られる。しかも、マゼンダフィルタを透過するレッド（Ｒ）とブルー（Ｂ）の波長成分は離れているため、夫々の色信号を蓄積する高濃度不純物層を半導体基板の深さ方向に分離して形成するのが容易になると共に、レッドとブルーの分光感度およびグリーンフィルタを透過して得られるグリーンの分光感度のスペクトルにおけるオーバーラップを更に少なくでき、このため、更に忠実な色再現を図ることが可能となる。
【００２７】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、グリーン（Ｇ）の光を阻止するマゼンタフィルタが積層された受光部と前記３原色の全ての光を透過する透明なフィルタが積層された受光部の２種類の受光部が前記半導体基板の表面に配列されたことを特徴とする。
【００２８】
この構成により、カラーフィルタの代わりに透明平坦化膜が積層された受光部から白色信号すなわち輝度信号が得られ、撮像画像の一層の高感度化を図ることが可能となる。
【００２９】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、グリーン（Ｇ）の光を透過するグリーンフィルタが積層された受光部と、ブルー（Ｂ）の光を阻止し残り２色のグリーン（Ｇ），レッド（Ｒ）の入射光を透過するイエローフィルタが積層された受光部であって該グリーンの入射光を検出する第３の高濃度不純物層と該レッドの入射光を検出する第４の高濃度不純物層とが前記半導体基板の深さ方向に分離して形成された受光部と、前記マゼンタフィルタが積層された受光部と、前記シアンフィルタが積層された受光部の４種類の受光部が前記半導体基板の表面に配列されたことを特徴とする。
【００３０】
この構成により、色差線順次に各受光部から信号電荷を読み出すことができ、信号処理の高速化などを図ることが可能となる。
【００３１】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、前記３領域のうちの前記半導体基板の内部側の領域に設けられる前記第２の高濃度不純物層には該半導体基板の表面まで連続する、該第２の高濃度不純物層と同一不純物型の高濃度不純物領域でなる電荷通路が設けられることを特徴とする。
【００３２】
この構成により、半導体基板の深い場所に設けた高濃度不純物層からの色信号の読み出しが容易となる。
【００３５】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、ブルー（Ｂ）の色信号を検出する高濃度不純物層の深さが０．１〜０．３μｍであり、グリーン（Ｇ）の色信号を検出する高濃度不純物層の深さが０．３〜０．８μｍであり、レッド（Ｒ）の色信号を検出する高濃度不純物層の深さが０．８〜２．５μｍであることを特徴とする。
【００３６】
この構成により、各高濃度不純物層の深さが、Ｒ，Ｇ，Ｂの入射光量に応じた電荷を蓄積するのに最適化される。
【００３７】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、前記の各受光部の上部には夫々オンチップ集光光学系が設けられ、前記の各受光部に夫々遮光膜の１つの開口が対応することを特徴とする。
【００３８】
この構成により、更に入射光のロスが少なくなり、入射光の利用効率が更に向上する。
【００３９】
本発明のＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、前記ブルー（Ｂ）の色信号を検出する前記第１の高濃度不純物層に前記信号配線をオーミックコンタクトするとき、該オーミックコンタクトする箇所に設けられる第５の高濃度不純物層であって前記第１の高濃度不純物層に重ねて設けられる第５の高濃度不純物層の深さを該第１の高濃度不純物層の深さより深く形成されることを特徴とする。
【００４０】
この構成により、オーミックコンタクト部分における電気接続が良好に行われ、装置の信頼性が向上する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００４２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。このＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、ｎ型半導体基板１０の表面上に形成され、受光領域１１と、受光領域１１脇に形成された垂直走査回路１２と、半導体基板１０の底辺側に形成された水平走査回路等（信号増幅回路，Ａ／Ｄ変換回路，同期信号発生回路等）１３とを備える。
【００４３】
受光領域１１には、多数の後述する受光部が二次元アレー状に、この例では正方格子状に配列形成されており、各受光部の上面に夫々一色のカラーフィルタが積層されている。カラーフィルタとしては、補色系カラーフィルタであるシアン（Ｃｙ）、イエロー（Ｙｅ）、マゼンタ（Ｍｇ）、グリーン（Ｇ）の４色のカラーフィルタが用いられ、奇数行にはＧフィルタとＭｇフィルタが交互に、偶数行にはＹｅフィルタとＣｙフィルタが交互に配列されている。これは、一般に、色差順次配列と呼ばれるカラーフィルタ配列であるが、Ｇフィルタを含まないＹｅ，Ｃｙ，Ｍｇ（３色）のカラーフィルタの組み合わせも可能である。以下、上記４色の場合について説明する。
【００４４】
図２（ａ）は図１のIIa―IIa線断面模式図すなわちＣｙフィルタ５１を積層した受光部の断面模式図であり、図２（ｂ）は図１のIIb―IIb線断面模式図すなわちＭｇフィルタ５２を積層した受光部の断面模式図である。同様に、図３（ａ）は図１のIIIa―IIIa線断面模式図すなわちＹｅフィルタ５３を積層した受光部の断面模式図であり、図３（ｂ）は図１のIIIb―IIIb線断模式面図すなわちＧフィルタ５４を積層した受光部の断面模式図である。
【００４５】
図２（ａ）に示す様に、Ｃｙ（シアン）フィルタ５１を積層した受光部では、入射光のうちＲ（赤）のみが阻止され、Ｂ（青）とＧ（緑）が受光部に達する。この受光部では、ｎ型半導体基板１０の表面側にＰウェル層１５が形成され、Ｐウェル層１５内の表面に深さ０．１〜０．３μｍのＮ⁺層（ｎ１）１６が形成され、更にＰウェル層１５内の少し深部に深さ０．３〜０．８μｍのＮ⁺層（ｎ２）１７がＮ⁺層１６と分離して形成されている。Ｎ⁺層１７は、端部において表面まで立ち上がる電荷通路１７ａが設けられている。
【００４６】
Ｎ⁺層１６，１７，１７ａは、この例では、不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度を、約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³としている。尚、各Ｎ⁺層１６，１７の深さは、この不純物濃度にも依存する。
【００４７】
Ｎ⁺層１６とＮ⁺層１７との間にはポテンシャル障壁となるＰ領域があり、このＰ領域はＰウェル層１５と同電位に保たれている。このポテンシャル障壁の高さを変えるために、Ｎ⁺層１６とＮ⁺層１７との間におけるＰ領域の不純物（ボロン）濃度（１×１０¹⁵〜¹⁶／ｃｍ³）を、Ｐウェル層１５の不純物濃度（７×１０¹⁴〜¹⁵／ｃｍ³）と異なるようにしてもよい。
【００４８】
Ｎ⁺層１６はオーミックコンタクト２１によりＢ信号検出用アンプ２２に接続され、Ｎ⁺層１７の電荷通路１７ａがオーミックコンタクト２３によりＧ信号検出用アンプ２４に接続される。このオーミックコンタクト２１，２３を良好に行うために、Ｎ⁺層１６，１７ａのうちこのコンタクト部分の不純物濃度を、この例では１×１０¹⁹／ｃｍ³以上としている。
【００４９】
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされて各Ｎ⁺層１６，１７の夫々のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ⁺層１６のＰＮ接合部における蓄積電荷は、受光部に達した入射光のうち、Ｂ（青）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、Ｎ⁺層１７のＰＮ接合部における蓄積電荷は、Ｇ（緑）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、各Ｎ⁺層１６，１７の各ＰＮ接合部における電荷変化量が、Ｂ信号，Ｇ信号としてアンプ２２，２３によって独立に読み出される。
【００５０】
図２（ｂ）に示す様に、Ｍｇ（マゼンタ）フィルタ５２を積層した受光部では、入射光のうちＧ（緑）のみが阻止され、Ｂ（青）とＲ（赤）が受光部に達する。この受光部では、ｎ型半導体基板１０の表面側に形成されたＰウェル層１５内に、図２（ａ）で説明したのと同様のＮ⁺層（ｎ１）１６が形成され、更に深部に、深さ０．８〜２．５μｍのＮ⁺層（ｎ３）１８がＮ⁺層１６と分離して形成されている。Ｎ⁺層１８は、端部において表面まで立ち上がる電荷通路１８ａが設けられている。
【００５１】
Ｎ⁺層１６はオーミックコンタクト２１によりアンプ２２に接続され、電荷通路１８ａはオーミックコンタクト２５によりＲ信号検出用アンプ２６に接続される。Ｎ⁺層１６，１８間のＰ領域の不純物濃度をＰウェル層１５の不純物濃度と変えても良いことは図２（ａ）の説明と同様であり、また、Ｎ⁺層１６，１８，１８ａの不純物濃度やオーミックコンタクト部分の不純物濃度についても図２（ａ）の説明と同様である。尚、不純物濃度については以下の説明でも同様である。
【００５２】
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされて各Ｎ⁺層１６，１８の夫々のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ⁺層１６のＰＮ接合部における蓄積電荷は、受光部に達した入射光のうち、Ｂ（青）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、Ｎ⁺層１８のＰＮ接合部における蓄積電荷は、Ｒ（赤）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、これらの電荷変化量が、Ｂ信号，Ｒ信号としてアンプ２２，２６によって独立に読み出される。
【００５３】
図３（ａ）に示す様に、Ｙｅ（イエロー）フィルタ５３を積層した受光部では、入射光のうちＢ（青）のみが阻止され、Ｇ（緑）とＲ（赤）が受光部に達する。この受光部では、ｎ型半導体基板１０の表面側に形成されたＰウェル層１５内に、図２（ｂ）で説明したのと同様のＮ⁺層（ｎ３）１８が形成され、表面には、深さ０．１〜０．８μｍのＮ⁺層（ｎ２’）１９がＮ⁺層１８と分離して形成されている。このＮ⁺層１９には、オーミックコンタクト２７によってＧ信号検出用アンプ２８が接続される。
【００５４】
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされて各Ｎ⁺層１９，１８の夫々のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ⁺層１９の蓄積電荷は、受光部に達した入射光のうち、Ｇ（緑）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、Ｎ⁺層１８に蓄積された電荷は、Ｒ（赤）の入射光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、各Ｎ⁺層１９，１８の電荷量変化が、Ｇ信号，Ｒ信号としてアンプ２８，２６によって独立に読み出される。
【００５５】
尚、本実施形態では、Ｇ信号検出用のＮ⁺層１９を表面から０．１〜０．８μｍの深さとしたが、図２（ａ）に示すＮ⁺層１７と同じ様に、深さ０．３〜０．８μｍの範囲に形成してもよい。しかし、Ｎ⁺層１９の構造でも、入射光のうちＢ（青）光はＹｅフィルタによって阻止されるため、Ｎ⁺層１９ではＧ（緑）の入射光量に応じた電荷量変化が生じ、ＢとＧの混色が生じることはない。
【００５６】
図３（ｂ）に示す様に、Ｇ（グリーン）フィルタ５４を積層した受光部では、入射光のうちＧ（緑）のみが透過し、Ｂ（青）とＲ（赤）は阻止されて受光部に到達しない。この受光部では、ｎ型半導体基板１０に形成されたＰウェル層１５の表面に、図３（ａ）で説明したと同様の深さ０．１〜０．８μｍのＮ⁺層（ｎ２’）１９が形成され、このＮ⁺層１９に、オーミックコンタクト２７によってＧ信号検出用アンプ２８が接続される。
【００５７】
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされて各Ｎ⁺層１９のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。この蓄積電荷は、Ｇフィルタを透過したＧの光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、この電荷変化量に応じた信号がＧ信号とてしアンプ２８によって読み出される。
【００５８】
この受光部では、Ｇ信号のみを読み出せばよいため、Ｎ⁺層１９に対するオーミックコンタクトと周辺回路はいずれも一系統だけ設ければ良く、構成が簡略化される。尚、Ｇフィルタの形成法には、原色フィルタとしてもよく、また、補色系フィルタであるイエローフィルタとシアンフィルタを重ねることでＧのみが透過するフィルタ特性としてもよい。
【００５９】
尚、上述し各アンプ２２，２４，２６，２８の構成は、図４に等価回路を示す様に、図２６に示す従来例と同じである。また、図２，図３では図示を省略したが、半導体基板の最表面のうちコンタクト部分以外は、保護用のＳｉＯ₂膜で覆われている。
【００６０】
図５（ａ）（ｂ）及び図６（ａ）（ｂ）の夫々は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置におけるＣｙフィルタ，Ｍｇフィルタ，Ｙｅフィルタ，Ｇフィルタが積層された受光部における基板深さ方向のポテンシャルプロファイルと入射光の侵入深さの関係を示す図である。補色系フィルタが積層された本実施形態の受光部は、従来のＣＭＯＳセンサと異なり、基板深さ方向に２段のＮ⁺領域と、両Ｎ⁺領域間を隔てるＰ領域を有していることが特徴であり、各Ｎ⁺領域（ｎ１，ｎ２，ｎ３）は、積層されている補色系フィルタによって、その深さが異なっている。
【００６１】
即ち、補色系フィルタによって阻止されなかった入射光波長について光電変換された信号をそれぞれ独立に読み出す必要があるので、この入射光を最も効率的に光電変換するように、それぞれの不純物層の深さが決定され、読み出し回路が接続される。最も波長の短いＢ光は、シリコン基板の最も浅い領域で吸収されるので、ｎ１層（Ｎ⁺層１６）の近傍にフォトキャリアを発生させる。中間の波長からなるＧ光はＢ光よりも深い位置まで到達するので、中間の深さにあるｎ２層（Ｎ⁺層１７）の近傍においてフォトキャリアを発生させる。同様に、シリコン基板の最も深部にあるｎ３層（Ｎ⁺層１８）の近傍において、最も波長の長いＲ光によるフォトキャリアを発生させる。
【００６２】
Ｇ光の場合は、Ｂ光がＧフィルタやＹｅフィルタで阻止されるため、ｎ１層とｎ２層に分ける必要がなく、ｎ２層の深さに略等しいｎ２’層で示すＮ⁺領域１９が設定される。本実施形態では、浅い方からｎ１層、ｎ２層（ｎ２’層）、ｎ３層となっており、浅い方から、Ｂ光，Ｇ光，Ｒ光について最も光電変換効率が高くなるように各Ｎ⁺層の深さが設定される。
【００６３】
図７（ａ）（ｂ）及び図８（ａ）（ｂ）は、夫々、Ｃｙフィルタ，Ｍｇフィルタ，Ｙｅフィルタ，Ｇフィルタが積層された受光部で得られる信号の分光感度スペクトルを示す図である。横軸は入射光波長（ｎｍ）、縦軸は出力信号の相対感度（％）である。
【００６４】
各受光部は、積層されたカラーフィルタの分光透過率によって出力信号の波長依存性が支配されるが、更に本実施形態に係るカラー固体撮像装置の補色系フィルタが積層された受光部では、Ｎ⁺層間を隔てるポテンシャル障壁、即ち、Ｎ⁺層に挟まれたＰ領域が存在するため、このＰ領域において発生した電荷（電子）はこのポテンシャルバリアによって隣接するＮ⁺層に振り分けられ、分光スペクトル相互間にオーバーラップが少ないという利点がある。
【００６５】
即ち、従来の特許文献１記載のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の様に、Ｐ領域で発生した電荷（正孔）をＰ領域表面から直接読み出す場合に比べ、本実施形態のカラー固体撮像装置では、二つのＮ⁺層のみから得られる信号だけを使用するため、色信号の分離性能が高くなると利点がある。
【００６６】
シアン（Ｃｙ）フィルタを積層した受光部では、Ｒに相当する波長の光が殆どＣｙフィルタによって遮断されるので、受光部からの出力信号の波長依存性は、この波長領域においてシャープに減衰している。従って、Ｂ出力信号とＧ出力信号はＲの波長域の光の影響を受けないことがわかる。
【００６７】
マゼンタ（Ｍｇ）フィルタを積層した受光部では、Ｇに相当する波長の光が殆どＭｇフィルタによって遮断されるので、受光部からの出力信号の波長依存性は、この波長領域においてシャープに減衰している。従って、Ｂ出力信号とＲ出力信号は互いにオーバーラップが殆どない分光スペクトルを示している。
【００６８】
イエロー（Ｙｅ）フィルタを積層した受光部では、Ｂに相当する波長の光が殆どＹｅフィルタによって遮断されるので、受光部からの出力信号の波長依存性は、この波長領域においてシャープに減衰している。従って、Ｇ出力信号とＲ出力信号はＢの波長域の光の影響を受けないことがわかる。
【００６９】
グリーン（Ｇ）フィルタを積層した受光部では、ＢとＲに相当する波長の光の殆どがＧフィルタによって遮断されるので、受光部からの出力信号の波長依存性は、この波長領域においてシャープに減衰している。従って、Ｇ出力信号はＢとＲの波長域の光の影響を受けず理想的な分光特性であることがわかる。
【００７０】
即ち、Ｃｙフィルタを積層した受光部からは混色の少ない分離されたＢ信号とＧ信号が得られ、Ｍｇフィルタを積層した受光部からは混色の少ない分離されたＢ信号とＲ信号が得られ、Ｙｅフィルタを積層した受光部からは混色の少ない分離されたＧ信号とＲ信号が得られ、Ｇフィルタを積層した受光部からはＧ信号のみが得られる。
【００７１】
図９は、各受光部位置で、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の信号を得て色情報の再現を行う説明図である。上述した様に、本実施形態に係る各受光部は、原色の２色あるいは１色の信号を一の受光部から直接読み出す構成になっている。即ち、Ｇフィルタを積層した受光部位置では、Ｒ信号成分とＢ信号成分が不足し、Ｙｅフィルタを積層した受光部位置ではＢ信号成分が不足し、Ｃｙフィルタを積層した受光部位置ではＲ信号成分が不足し、Ｍｇフィルタを積層した受光部位置ではＧ信号成分が不足する。
【００７２】
このため、本実施形態に係るカラー固体撮像装置では、図９に示す様に、不足する信号成分を、隣接する周りの受光部で得られた信号成分から補間演算により求める。Ｃｙフィルタを積層した受光部位置で不足するＲ信号成分は、この受光部の上下左右の受光部で得られた４つのＲ信号成分を加算平均した値を用いる。
【００７３】
同様に、Ｍｇフィルタを積層した受光部位置で不足するＧ信号成分は、この受光部の上下左右の受光部で得られた４つのＧ信号成分を加算平均した値を用い、Ｙｅフィルタを積層した受光部位置で不足するＢ信号成分は、この受光部の左右または斜め方向に隣接する受光部で得られたＢ信号成分を加算平均した値を用いる。Ｇフィルタを積層した受光部位置で不足するＲ信号成分，Ｂ信号成分も、この受光部の上下左右，斜め方向に隣接する受光部で得られたＲ信号成分を加算平均した値とＢ信号成分を加算平均した値を用いる。
【００７４】
このようにして得られる各受光部位置におけるＲ，Ｇ，Ｂの３原色信号を外部色信号処理回路で処理することで、本実施形態に係るカラー固体撮像装置では忠実な色再現が可能となる。
【００７５】
図１０は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置の４画素分（Ｍｇ，Ｃｙ，Ｙｅ，Ｇ）に対応する二次元平面図である。半導体基板の表面は、縦横に延びるＬＯＣＯＳによる素子分離帯３０によって碁盤の目の様に各受光部が素子分離されており、図示する例では、各受光部はほぼ正方形をなしている。
【００７６】
各受光部面積のうち、大部分に上述した各Ｎ⁺層１６，１７，１８，１９が形成され、補色系フィルタＭｇ，Ｙｅ，Ｃｙが積層される受光部では、右端に短冊状の周辺回路部３１が設けられ、原色系フィルタＧが積層される受光部では、右端の上部側にのみ周辺回路部３１’が設けられる。この周辺回路部３１，３１’に、上述したアンプ（ソースフォロアアンプ）２２〜２８等が設けられ、夫々、各受光部に設けたコンタクトホール３７を介して接続されたＮ⁺層から色信号が読み出される。
【００７７】
図面上、縦方向に設けられた素子分離帯３０の上に、信号出力線３３と電源線３４とリセット線３５が敷設され、横方向に設けられた素子分離帯３０の上に、選択信号線３６が設けられる。信号出力線３３は各アンプ２２〜２８の出力に接続され、電源線３４には電源電圧が印加され、リセット線３３にはリセット信号が印加される。
【００７８】
これらの選択信号やリセット信号は、図１に示す垂直走査回路１２や水平走査回路等１３等によって制御される。尚、各受光部上に記載した点線矩形枠３８は、遮光膜の開口部位置を示しており、この内側のみに光が通過し、その外側すなわち周辺回路部３１，３１’やコンタクトホール３７は遮光されている。この図に示されるように、一の受光部に設ける必要のある信号配線数や周辺回路数は、図２６（ｂ）に示す従来のカラー固体撮像装置より少なくて済むため、本実施形態のカラー固体撮像装置では、受光部面積を広くすることができ、明るい画像が撮像可能となる。
【００７９】
図１１（ａ）（ｂ）及び図１２（ａ）（ｂ）は、夫々対応する図２（ａ）（ｂ）及び図１２（ａ）（ｂ）に示す断面模式図に、更に、マイクロレンズ４０、遮光膜４１、コンタクトホール３７に設けたコンタクト部４２、コンタクト部４２に接続する金属配線層４３を加えた断面図である。
【００８０】
各カラーフィルタ５１，５２，５３，５４上には透明平坦化膜４５を介してマイクロレンズ４０が形成されている。カラーフィルタ５１〜５４と遮光膜４１との間には透明平坦化膜層４６が設けられ、この透明平坦化膜層４６は信号配線層でもあり、層間絶縁膜を介して信号線３３，３４，３５，３６が互いに接触しない様に例えば３層構造に設けられている（図示せず）。
【００８１】
遮光膜４１の開口３８は、光電変換部であるＰＮ接合領域のほぼ中央部に位置し、アンプ２２〜２８等の周辺回路部は、この遮光膜４１の下に配置されている。最も浅いＮ⁺層（ｎ１層）１６に対するコンタクト部４２の下部のみ、そのＮ⁺層１６の深さを深く形成してある。これは、コンタクト部４２における金属電極と基板シリコンとの間で金属の突き抜けまたは合金形成により、ＰＮ接合が破壊されることを防止するためである。この部分は遮光膜４１に覆われるため、光電変換特性の波長依存性（分光特性）には影響を与えない。
【００８２】
（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。第１実施形態と異なる点は、受光部上に積層する補色系フィルタの配列だけである。本実施形態では、シアン（Ｃｙ）フィルタとイエロー（Ｙｅ）フィルタのみを使用し、ＣｙフィルタとＹｅフィルタを垂直方向及び水平方向に交互に配列している。
【００８３】
Ｃｙフィルタが積層された受光部の断面構造は図２（ａ）（図１１（ａ））と同じであり、そのポテンシャルプロファイルは図５（ａ）と同じであり、分光スペクトルは図７（ａ）と同じである。即ち、Ｃｙフィルタが積層された受光部からは、入射光のうち、Ｂ信号成分とＧ信号成分が出力される。
【００８４】
Ｙｅフィルタが積層された受光部の断面は図３（ａ）（図１２（ａ））と同じであり、そのポテンシャルプロファイルは図６（ａ）と同じであり、分光スペクトルは図８（ａ）と同じである。即ち、Ｙｅフィルタが積層された受光部からは、入射光のうち、Ｇ信号成分とＲ信号成分が出力される。
【００８５】
従って、本実施形態のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置では、全ての受光部からＧ信号成分が出力され、Ｃｙフィルタが積層された受光部位置ではＲ信号成分が不足し、Ｙｅフィルタが積層された受光部位置ではＢ信号成分が不足することになる。
【００８６】
そこで、各受光部から色信号の読み出しを２回行って一の受光部から夫々２色の原色信号成分を独立に得た後、図１４に示す様に、不足する１色の信号成分を、上下左右に隣接する周りの４つの信号成分を加算平均して求める。これにより、外部色信号処理回路によって忠実な色再現が可能になる。
【００８７】
図１５は、図１０と同様の、第２実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の４画素分（Ｙｅ×２，Ｃｙ×２）に対応する二次元平面図である。補色系フィルタＹｅまたはＣｙを夫々積層した全ての画素（受光部）から２色の原色信号を読み出すことができるので、夫々２系統の読み出し信号増幅回路（２２，２４または２６，２８）が設けられている。
【００８８】
本実施形態によれば、カラーフィルタの種類が２種類で済み、従来の３種類または４種類のカラーフィルタを用いる場合に比べて少なくて済み、製造が容易によるという利点がある。また、全ての受光部からＧ信号が直接得られるので、このＧ信号を輝度信号として信号処理することで、撮像画像の解像度を高めることが可能となる。
【００８９】
（第３実施形態）
図１６は、本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。第１，第２実施形態と異なる点は、受光部上に積層するカラーフィルタの配列だけである。本実施形態では、補色系のマゼンタ（Ｍｇ）フィルタと原色系のグリーン（Ｇ）フィルタのみを使用し、ＭｇフィルタとＧフィルタとを垂直方向及び水平方向に交互に配列している。
【００９０】
Ｍｇフィルタが積層された受光部の断面は図２（ｂ）（図１１（ｂ））と同じであり、そのポテンシャルプロファイルは図５（ｂ）と同じであり、分光スペクトルは図７（ｂ）と同じである。即ち、Ｍｇフィルタが積層された受光部からは、入射光のうち、Ｂ信号成分とＲ信号成分が出力される。
【００９１】
Ｇフィルタが積層された受光部の断面構造は図３（ｂ）（図１２（ｂ））と同じであり、そのポテンシャルプロファイルは図６（ｂ）と同じであり、分光スペクトルは図８（ｂ）と同じである。即ち、Ｇフィルタが積層された受光部からは、入射光のうち、Ｇ信号成分のみが出力される。本実施形態では、原色系のＧフィルタを使用することにより、Ｂ光とＲ光の影響を受けない理想に近いＧ信号成分が得られる
即ち、本実施形態のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置では、Ｍｇフィルタが積層された受光部ではＧ信号成分が不足し、Ｇフィルタが積層された受光部では、Ｂ信号成分とＲ信号成分とが不足することになる。
【００９２】
そこで、図１７に示す様に、Ｇフィルタが積層された受光部位置では、１回目の色信号読み出しで直接得られたＧ信号成分と、１回目の色信号読み出しで上下左右に隣接する受光部から得られたＲ信号成分を加算平均した値と、２回目の色信号読み出しで上下左右に隣接する受光部から得られたＢ信号成分を加算平均した値とを用いて色情報の再現を行う。Ｍｇフィルタが積層された受光部位置では、直接得られたＢ信号成分及びＲ信号成分と、上下左右に隣接する受光部で得られたＧ信号成分を加算平均した値とを用いて色情報の再現を行う。
【００９３】
図１８は、図１０，図１５と同様の、第３実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の４画素分（Ｇ×２，Ｍｇ×２）に対応する二次元平面図である。受光部内の構成は、図１０に示す対応するカラーフィルタを持つ受光部と同一である。
【００９４】
図１９は、本実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の分光スペクトルである。基本的には、図７（ｂ）の分光スペクトルと図８（ｂ）の分光スペクトルを組み合わせたものになり、原色系フィルタのみを用いた従来のイメージセンサの分光特性とほぼ同様の特性すなわち忠実な色再現が実現可能である。
【００９５】
（第４実施形態）
図２０は、本発明の第４実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。第１，第２，第３実施形態と異なる点は、受光部上に積層するカラーフィルタの配列だけである。本実施形態では、補色系のマゼンタ（Ｍｇ）フィルタを積層した受光部と、単に透明平坦化膜（以下、ホワイトフィルタ（Ｗ）ともいう。）を積層しカラーフィルタを用いない受光部とを、垂直方向及び水平方向に交互に配列している。
【００９６】
Ｍｇフィルタが積層された受光部の断面は図２（ｂ）（図１１（ｂ））と同じであり、そのポテンシャルプロファイルは図５（ｂ）と同じであり、分光スペクトルは図７（ｂ）と同じである。即ち、Ｍｇフィルタが積層された受光部からは、入射光のうち、Ｂ信号成分とＲ信号成分が出力される。
【００９７】
カラーフィルタを用いない受光部からは、入射光のＢ信号成分，Ｇ信号成分，Ｒ信号成分の全て含む信号すなわち輝度信号（Ｙ）が出力される。
【００９８】
即ち、本実施形態のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置では、Ｍｇフィルタが積層された受光部ではＧ信号成分が不足し、ホワイトフィルタ（透明平坦化膜）が積層された受光部では、輝度信号のみが得られる。
【００９９】
そこで、図２１に示す様に、Ｍｇフィルタが積層された受光部位置では、１回目の信号読み出しで直接得られたＲ信号成分と、２回目の信号読み出しで直接得られたＢ信号成分と、１回目の信号読み出しで上下左右に隣接する周りの受光部から得られた輝度信号（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）を加算平均した値から、上記直接得られたＲ信号成分とＢ信号成分とを減算することでＧ信号成分を得て、色情報の再現を行う。
【０１００】
ホワイトフィルタが積層された受光部位置では、上下左右に隣接する周りの受光部で得られたＢ信号成分の加算平均値及びＲ信号成分の加算平均値と、直接得られた輝度信号からこれらのＢ信号成分とＲ信号成分とを減算して得たＧ信号成分とを用いて色情報の再現を行う。
【０１０１】
図２２は、図２０のXXII―XXII線の断面模式図であり、図２３は、マイクロレンズ及び遮光膜，透明平坦化膜を積層した状態の断面図である。第１実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明は省略する。
【０１０２】
透明平坦化膜（Ｗ）５５を透過したＲ光，Ｇ光，Ｂ光の全ての入射光量に応じた信号電荷を蓄積するＮ⁺層（ｎ３’）５６は、半導体基板１０の表面側に設けられたＰウェル層１５の表面側に、０．５〜１．５μｍの深さに形成される。
【０１０３】
図２４は、カラーフィルタを設けない受光部のポテンシャルプロファイルを示す図である。Ｎ⁺層（ｎ３’）５６より深い箇所まで侵入した赤色光により発生する電荷は、ポテンシャルプロファイルに沿って井戸内に落ち込むため、Ｎ⁺層（ｎ３’）５６の深さを０．５μｍと浅く設定しても、Ｒ信号成分まで含んだ輝度信号を得ることができる。しかし、Ｎ⁺層（ｎ３’）５６の深さは、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれの波長域において人間の視感度に近い分光感度を呈するように設定するのがよい。
【０１０４】
図２５は、本実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の分光感度スペクトルを示す図である。マゼンタフィルタＭｇを透過したＢ信号とＲ信号はオーバーラップ無く分離しており、ホワイトフィルタを透過した光（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）の信号（Ｗ）は、全ての可視光波長域を含みＧ信号（波長５４０ｎｍ付近）にピークを持つスペクトルとなっている。
【０１０５】
本実施形態では、特にホワイト（Ｗ）に対応する受光部で、全ての可視域の波長成分を利用できるため、入射光成分のロスが殆どなく、第１実施形態の様に全受光部に補色フィルタを積層する場合に比べ、更に高感度化が図れる。また、特に複雑な信号処理をすることなく、直接、高感度の輝度信号（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）が得られるという特徴もある。更に、カラーフィルタとしてＭｇフィルタのみを使用するため、カラーフィルタの積層工程が容易となる。
【０１０６】
尚、以上の各実施形態では、ＭＯＳ型カラー固体撮像装置としてＣＭＯＳ型を例に説明したが、他の種類のＮＭＯＳ型やＰＭＯＳ型にも本発明を適用可能である。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）補色系カラーフィルタを積層した一の受光部（画素）から２色の色信号成分を独立に検出できるため、入射光を有効に電気信号に変換でき、高感度化を達成することが可能となる。
（２）補色系カラーフィルタを使用した固体撮像素子から原色系色信号を直接取り出すことができるので、忠実な色再現が可能になり、さらに色信号処理回路が簡略化できる。
（３）基板深さ方向に対する分光特性を利用すると共に補色系カラーフィルタを使用したため、各分光スペクトル（Ｒ，Ｇ，Ｂ）相互のオーバーラップ量が少なくなり、忠実な色再現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図２】（ａ）は図１のIIa―IIa線断面模式図である。
（ｂ）は図１のIIb―IIb線断面模式図である。
【図３】（ａ）は図１のIIIa―IIIa線断面模式図である。
（ｂ）は図１のIIIb―IIIb線断面模式図である。
【図４】図２（ａ）（ｂ），図３（ａ）（ｂ）に示すアンプ（増幅回路（ソースフォロアアンプ））の等価回路図である。
【図５】（ａ）は図１のＣｙフィルタ積層受光部におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
（ｂ）は図１のＭｇフィルタ積層受光部におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図６】（ａ）は図１のＹｅフィルタ積層受光部におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
（ｂ）は図１のＧフィルタ積層受光部におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図７】（ａ）は図１におけるＣｙフィルタ積層受光部の分光特性を示すグラフである。
（ｂ）は図１におけるＭｇフィルタ積層受光部の分光特性を示すグラフである。
【図８】（ａ）は図１におけるＹｅフィルタ積層受光部の分光特性を示すグラフである。
（ｂ）は図１におけるＧフィルタ積層受光部の分光特性を示すグラフである。
【図９】図１に示す各カラーフィルタ（Ｃｙ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇ）積層受光部位置でＲ，Ｇ，Ｂの３色信号を得て色情報の再現を行う説明図である。
【図１０】図１に示すカラー固体撮像装置のＣｙ，Ｍｇ，Ｙｅ，Ｇフィルタ積層受光部４画素分に対応する二次元平面図である。
【図１１】（ａ）は図２（ａ）にマイクロレンズ，遮光膜等を積層した断面図である。
（ｂ）は図２（ｂ）にマイクロレンズ，遮光膜等を積層した断面図である。
【図１２】（ａ）は図３（ａ）にマイクロレンズ，遮光膜等を積層した断面図である。
（ｂ）は図３（ｂ）にマイクロレンズ，遮光膜等を積層した断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１４】図１３に示す各カラーフィルタ（Ｃｙ，Ｙｅ）積層受光部位置でＲ，Ｇ，Ｂの３色信号を得て色情報の再現を行う説明図である。
【図１５】図１３に示すカラー固体撮像装置のＣｙ，Ｙｅフィルタ積層受光部４画素分に対応する二次元平面図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１７】図１６に示す各カラーフィルタ（Ｍｇ，Ｇ）積層受光部位置でＲ，Ｇ，Ｂの３色信号を得て色情報の再現を行う説明図である。
【図１８】図１６に示すカラー固体撮像装置のＭｇ，Ｇフィルタ積層受光部４画素分に対応する二次元平面図である。
【図１９】図１６に示すカラー固体撮像装置の分光感度を示すグラフである。
【図２０】本発明の第４実施形態に係るＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図２１】図２０に示すフィルタ（Ｍｇ，Ｗ）積層受光部位置でＲ，Ｇ，Ｂの３色信号を得て色情報の再現を行う説明図である。
【図２２】図２０のXXII―XXII線断面模式図である。
【図２３】図２２にマイクロレンズ，遮光膜等を積層した状態の断面図である。
【図２４】図２０に示すＷフィルタ積層受光部のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図２５】図２０に示すＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の分光特性を示すグラフである。
【図２６】従来のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の説明図である。
【符号の説明】
１０半導体基板
１５Ｐウェル層
１６，１７，１８，１９Ｎ⁺層（高濃度不純物層）
２１，２３，２５，２７オーミックコンタクト部
２２，２４，２６，２８ソースフォロアアンプ
３１，３１’ 周辺回路部
３３色信号出力線
３５リセット線
３６選択信号線
３７コンタクトホール
３８遮光膜開口
４０マイクロレンズ
４１遮光膜
４６透明平坦化膜（信号配線層）
５１，Ｃｙシアンフィルタ（補色系フィルタ）
５２，Ｍｇマゼンタフィルタ（補色系フィルタ）
５３，Ｙｅイエローフィルタ（補色系フィルタ）
５４，Ｇグリーンフィルタ（原色系フィルタ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single-plate color solid-state imaging device, and more particularly to a MOS type color solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
In a conventional CMOS color solid-state imaging device, a large number of light receiving portions are arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate, and color filters having different spectral characteristics in a stripe shape or a mosaic shape are stacked on each light receiving portion. By doing so, a color image can be taken.
[0003]
The color filter includes a primary color filter and a complementary color filter. In the case of a primary color filter, for example, in a pixel in which a B (blue) color filter is stacked, only light in the B wavelength region (incident light component having a wavelength shorter than about 480 nm) reaches the light receiving unit. Other wavelength components (for example, G (green) and R (red)) are not incident on the light receiving unit. For this reason, with respect to incident light including wavelength components (G and R) other than B, optical signal components (G and R) other than B cannot be effectively used for photoelectric conversion, which causes a decrease in sensitivity. .
[0004]
On the other hand, the complementary color filter includes a yellow (Ye) filter that transmits the color components G and R that are complementary to B, and a magenta (Mg) filter that transmits the color components B and R that are complementary to G. And a cyan (Cy) filter that transmits the color components B and G that are complementary to R, and the wavelength of the incident light can be used in a wider range than the primary color filter, and the sensitivity can be increased. .
[0005]
For this reason, in a video movie camera (moving image pickup) in which an auxiliary light source such as a flash is difficult to use, a color solid-state image pickup device equipped with a complementary color filter is often used. However, since signals obtained from one pixel are signals corresponding to G + R, G + B, and R + B, after reading these signals, color signals that are separated into R, G, and B primary color signal components in an external circuit. It is necessary to perform a separation operation process.
[0006]
Therefore, a color solid-state imaging device using a complementary color filter is more faithful in color reproducibility and noise than a color solid-state imaging device using a primary color filter that can directly read out each color component (R, G, B). There is a problem that inferior. For this reason, many still cameras (still image capturing) employ a solid-state imaging device equipped with a primary color filter having excellent color reproducibility, and the sensitivity is covered by an auxiliary light source.
[0007]
On the other hand, it is disclosed in the following Non-Patent Document 1 that the photoelectric conversion characteristics of a photodiode depend on the wavelength of incident light and the position in the depth direction of the silicon substrate, and the optical properties of this silicon substrate are utilized. A CMOS color solid-state imaging device capable of separating and reading out each color signal without mounting a color filter is disclosed in Patent Document 1 below. The conventional CMOS color solid-state imaging device will be described below.
[0008]
FIG. 26A is an equivalent circuit diagram of a general CMOS solid-state imaging device described in Non-Patent Document 2 below. In the CMOS type solid-state imaging device, the charge stored by turning on the reset transistor (M3) in advance in the capacitance component (C) of the light receiving portion photodiode (PN junction portion D) is generated near the photodiode portion by incident light. In this structure, the photocarrier discharges, and then the change in the amount of charge in the capacitor C is read out by the source follower amplifiers (M1, M2).
[0009]
FIG. 26B is a configuration diagram of a CMOS color solid-state imaging device described in Patent Document 1 configured by applying the principle disclosed in Non-Patent Document 1 to the general structure shown in FIG. . In this color solid-state imaging device, an N-well layer 102 is formed on the surface side of a P-type semiconductor substrate 101, a P-well layer 103 is formed on the surface side of the N-well layer 102, and the surface side of the P-well layer 103 And has a cross-sectional structure in which the N layer 104 is formed.
[0010]
Then, a blue (B) color signal is detected by a PN junction formed between the P well layer 103 and the N layer 104, and a PN junction formed between the P well layer 103 and the N well layer 102. A green (G) color signal is detected, and a red (R) color signal is detected by a PN junction formed between the P-type substrate 101 and the N-well layer 102.
[0011]
More specifically, the blue (B) color signal detection uses N on the surface. ⁺ An electrical contact (ohmic contact) is provided on the layer 104, and charge / discharge of electrons (majority carriers) at the PN junction is read by a source follower amplifier in the peripheral circuit portion. For green (G) color signal detection, a similar electrical contact is provided on the element surface with respect to the P well layer 103, and charge / discharge of holes (majority carriers) at the PN junction is performed as a source follower amplifier in the peripheral circuit section. Is read out. For red (R) color signal detection, similar to blue (B), the same electrical contact is provided on the element surface for the deep N well layer 102 to charge / discharge electrons at the PN junction. Reading is performed by the source follower amplifier in the peripheral circuit section.
[0012]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,965,875
[Non-Patent Document 1]
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15, NO.1, JANUARY 1968 "A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material" PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
[Non-Patent Document 2]
PSIE Vol.3019.pp115-124 "An 800K-Pixel Color CMOS Senser For Consumer Still Cameras." JEDHurwitz.et.al (1997)
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional CMOS color solid-state imaging device shown in FIG. 26B described above can read three signals of blue (B), green (G), and red (R) when viewed in units of one pixel. The area required for the ohmic contact that needs to be provided on the element surface, and the area required for peripheral circuits such as a reset transistor and a source follower amplifier, that is, the area other than the light receiving part is tripled. There is a problem of being pressed.
[0014]
Furthermore, the number of wirings increases for element driving and signal reading, and the multilayer wiring layer laminated between the light receiving unit surface and the microlenses provided thereon becomes complicated, making manufacturing difficult, There is a problem that the path of incident light between the microlens and the surface of the light receiving unit becomes narrow. This problem becomes more prominent in color solid-state imaging devices mounted on small electronic devices such as small digital still cameras and mobile phones, that is, color solid-state imaging devices formed on a small-sized semiconductor substrate.
[0015]
Furthermore, since no color filter is mounted, the spectral spectra of the output signals of each color component (R, G, B) greatly overlap each other, and it is difficult to faithfully reproduce colors and it is difficult to achieve high image quality. There is also a problem.
[0016]
An object of the present invention is a MOS type that is easy to manufacture, can take a large light receiving area on the surface of a semiconductor substrate, does not require color signal separation calculation processing, and can easily achieve high image quality of captured images. The object is to provide a color solid-state imaging device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The MOS color solid-state imaging device of the present invention is a MOS color solid-state imaging device in which a plurality of light receiving portions are arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate.
Of the plurality One Of the three primary colors stacked on top of the light receiving part A cyan filter that blocks incident light of red (R) and transmits the remaining two colors of blue (B) and green (G), and the remaining two colors of green (G) out of the three primary colors At least one of magenta filters that transmit incident light of red (R) and blue (B) A complementary color filter,
The complementary color filter is formed on the laminated light receiving part, The One of the two colors that has passed through the complementary color filter Color A first high-concentration impurity layer for detecting a signal;
Formed separately in the depth direction from the first high-concentration impurity layer in the light-receiving portion where the complementary color filter is laminated, The The remaining one of the two colors transmitted through the complementary color filter Color A second high concentration impurity layer for detecting a signal;
A signal wiring connected to each of the high-concentration impurity layers and reading out each of the color signals.
The first high-concentration impurity layer and the second high-concentration impurity layer are each one of three regions that differ in the depth direction of the semiconductor substrate that performs photoelectric conversion of incident light of one of the three primary colors. It is characterized by being formed in the remaining two areas excluding one area. Even with this configuration, since the sensitivity is improved and the primary color signal can be obtained directly, the color signal separation calculation process is not required, and the use of the color filter allows the spectral sensitivity spectrum of each color signal to be overlapped. Reduced and faithful color reproduction is further possible, and high image quality can be achieved.
[0018]
With this configuration, the incident light component can be effectively used by using the complementary color filter, so the sensitivity is improved and the color signal of the primary color is directly obtained, so the color signal separation calculation process is not required, and the color filter is used. By doing so, the overlap in the spectral sensitivity spectrum of each color signal is reduced, and faithful color reproduction is further possible, and high image quality can be achieved.
[0019]
MOS type color solid-state imaging device of the present invention The light receiving part of On semiconductor substrate The first and second Charges are accumulated in the PN junction formed by providing a high-concentration impurity layer, the charges are discharged by photocarriers generated by incident light, and the amount of change in charge that changes due to the discharge is read as a color signal. It is characterized by that.
[0020]
The MOS type color solid-state imaging device of the present invention is the above-mentioned among the three primary colors. Cyan filter or magenta For the remaining one color signal detected by the light receiving unit where the filters are stacked, interpolation calculation is performed on the detection signal of the light receiving unit that is provided around the light receiving unit and detects a color signal different from the light receiving unit. It is characterized by obtaining it. With this configuration, three primary color signals are obtained at each light receiving portion position, and color information can be reproduced.
[0021]
The MOS type color solid-state imaging device of the present invention has a light receiving section in which a yellow filter that blocks blue (B) light and transmits the remaining two colors of green (G) and red (R) incident light is laminated. The third high-concentration impurity layer for detecting the incident light of the green and the fourth high-concentration impurity layer for detecting the incident light of the red are formed separately in the depth direction of the semiconductor substrate. Light receiving section And three types of light receiving portions, the light receiving portion on which the cyan filter is stacked and the light receiving portion on which the magenta filter is stacked, are arranged on the surface of the semiconductor substrate.
[0022]
With this configuration, each light receiving unit can directly obtain signal components of two of the three primary colors R, G, and B, and interpolate the remaining one color signal component from the signal components of the surrounding light receiving units. Can be obtained.
[0023]
The MOS type color solid-state imaging device of the present invention has a light receiving section in which a yellow filter that blocks blue (B) light and transmits the remaining two colors of green (G) and red (R) incident light is laminated. The third high-concentration impurity layer for detecting the incident light of the green and the fourth high-concentration impurity layer for detecting the incident light of the red are formed separately in the depth direction of the semiconductor substrate. Light receiving section And two types of light receiving portions of the light receiving portion on which the cyan filter is laminated are arranged on the surface of the semiconductor substrate.
[0024]
Even with this configuration, each light receiving unit can directly obtain signal components of two of the three primary colors R, G, and B, and the remaining one color signal component interpolates the signal components of the surrounding light receiving units. It can be obtained by calculation. Further, since a green (G) signal component is obtained from all the light receiving units, an image with high resolution can be obtained by performing image processing using the green signal as a luminance signal.
[0025]
The MOS color solid-state imaging device of the present invention is Block green (G) light Two types of light receiving portions, that is, a light receiving portion on which a magenta filter is stacked and a light receiving portion on which a green filter that transmits green (G) light is stacked, are arranged on the surface of the semiconductor substrate.
[0026]
Also with this configuration, signal components of the three primary colors R, G, and B are obtained at each light receiving portion position. Moreover, since the red (R) and blue (B) wavelength components that pass through the magenta filter are separated, the high-concentration impurity layers that accumulate the respective color signals are formed separately in the depth direction of the semiconductor substrate. In addition, it is possible to further reduce the overlap in the spectrum of the spectral sensitivity of red and blue and the spectral sensitivity of green obtained by transmitting through the green filter, and thus it is possible to achieve more faithful color reproduction. .
[0027]
The MOS color solid-state imaging device of the present invention is Block green (G) light A light-receiving section on which magenta filters are stacked; Transparent filter that transmits all light of the three primary colors Two types of light receiving portions of the light receiving portions in which are stacked are arranged on the surface of the semiconductor substrate.
[0028]
With this configuration, a white color signal, that is, a luminance signal is obtained from the light receiving portion in which a transparent flattening film is laminated instead of the color filter, and the sensitivity of the captured image can be further increased.
[0029]
The MOS type color solid-state imaging device of the present invention includes a light receiving portion on which a green filter that transmits green (G) light is stacked, and blue (B) light that blocks the remaining two colors green (G) and red ( R) a light receiving section in which yellow filters that transmit incident light are stacked The third high-concentration impurity layer for detecting the incident light of the green and the fourth high-concentration impurity layer for detecting the incident light of the red are formed separately in the depth direction of the semiconductor substrate. Light receiving section And four types of light receiving portions, that is, a light receiving portion on which the magenta filter is stacked and a light receiving portion on which the cyan filter is stacked, are arranged on the surface of the semiconductor substrate.
[0030]
With this configuration, it is possible to read out signal charges from each light receiving unit sequentially in the color difference lines, and it is possible to increase the speed of signal processing.
[0031]
The MOS type color solid-state imaging device according to the present invention includes an inner side of the semiconductor substrate in the three regions. Territory Provided in the area Second The high-concentration impurity layer continues to the surface of the semiconductor substrate, Second A charge path including a high concentration impurity region of the same impurity type as that of the high concentration impurity layer is provided.
[0032]
With this configuration, it is easy to read out color signals from a high-concentration impurity layer provided deep in the semiconductor substrate.
[0035]
In the MOS type color solid-state imaging device of the present invention, the depth of the high-concentration impurity layer for detecting the blue (B) color signal is 0.1 to 0.3 μm, and the high color signal for detecting the green (G) color signal. The depth of the concentration impurity layer is 0.3 to 0.8 μm, and the depth of the high concentration impurity layer for detecting a red (R) color signal is 0.8 to 2.5 μm.
[0036]
With this configuration, the depth of each high-concentration impurity layer is optimized to accumulate charges corresponding to the amounts of R, G, and B incident light.
[0037]
The MOS type color solid-state imaging device of the present invention is characterized in that an on-chip condensing optical system is provided above each of the light receiving portions, and one opening of the light shielding film corresponds to each of the light receiving portions. And
[0038]
With this configuration, the loss of incident light is further reduced, and the utilization efficiency of incident light is further improved.
[0039]
The MOS type color solid-state imaging device according to the present invention may be configured to detect the blue (B) color signal. No. 1 high concentration impurity In layers When the ohmic contact is made to the signal wiring, the signal wiring is provided at a location where the ohmic contact is made. 5th High concentration impurities In layers Before No. 1 high concentration impurity In layers Overlaid 5th High concentration impurities Layered Depth The second 1 high concentration impurity Layered It is characterized by being formed deeper than the depth.
[0040]
With this configuration, the electrical connection in the ohmic contact portion is satisfactorily performed, and the reliability of the device is improved.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0042]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view of the surface of a CMOS color solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. This CMOS color solid-state imaging device is formed on the surface of an n-type semiconductor substrate 10, and is formed on the light receiving region 11, the vertical scanning circuit 12 formed on the side of the light receiving region 11, and the bottom side of the semiconductor substrate 10. And a horizontal scanning circuit (signal amplification circuit, A / D conversion circuit, synchronization signal generation circuit, etc.) 13.
[0043]
In the light receiving region 11, a large number of light receiving portions, which will be described later, are arranged in a two-dimensional array, in this example a square lattice, and a color filter of one color is laminated on the upper surface of each light receiving portion. As the color filters, four color filters of cyan (Cy), yellow (Ye), magenta (Mg), and green (G), which are complementary color filters, are used, and G filters and Mg filters are provided in odd rows. Alternately, Ye filters and Cy filters are alternately arranged in even rows. This is a color filter array generally called a color difference sequential array, but a combination of Ye, Cy, Mg (three colors) color filters not including a G filter is also possible. Hereinafter, the case of the above four colors will be described.
[0044]
2A is a schematic cross-sectional view taken along the line IIa-IIa in FIG. 1, that is, a schematic cross-sectional view of the light receiving portion on which the Cy filter 51 is laminated, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view taken along the line IIb-IIb in FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a light receiving unit in which filters 52 are stacked. FIG. Similarly, FIG. 3A is a schematic cross-sectional view taken along the line IIIa-IIIa in FIG. 1, that is, a schematic cross-sectional view of the light-receiving portion on which the Ye filter 53 is laminated, and FIG. It is a sectional view, that is, a schematic cross-sectional view of a light receiving section in which G filters 54 are stacked.
[0045]
As shown in FIG. 2A, in the light receiving section in which the Cy (cyan) filters 51 are stacked, only R (red) of the incident light is blocked, and B (blue) and G (green) reach the light receiving section. . In this light receiving portion, a P-well layer 15 is formed on the surface side of the n-type semiconductor substrate 10, and a depth of 0.1 to 0.3 μm is formed on the surface in the P-well layer 15. ⁺ The layer (n1) 16 is formed, and further, N having a depth of 0.3 to 0.8 μm is formed slightly deep in the P well layer 15. ⁺ Layer (n2) 17 is N ⁺ It is formed separately from the layer 16. N ⁺ The layer 17 is provided with a charge passage 17a that rises to the surface at the end.
[0046]
N ⁺ In this example, the layers 16, 17, and 17 a have an impurity (phosphorus or arsenic (P or As)) concentration of about 5 × 10 5. ¹⁶ ~ ¹⁷ / Cm ^Three It is said. Each N ⁺ The depth of the layers 16 and 17 also depends on this impurity concentration.
[0047]
N ⁺ Layer 16 and N ⁺ There is a P region serving as a potential barrier between the layer 17 and this P region is kept at the same potential as the P well layer 15. To change the height of this potential barrier, ⁺ Layer 16 and N ⁺ Impurity (boron) concentration of P region between layers 17 (1 × 10 ¹⁵ ~ ¹⁶ / Cm ^Three ) Is an impurity concentration (7 × 10 5) of the P well layer 15. ¹⁴ ~ ¹⁵ / Cm ^Three ) May be different.
[0048]
N ⁺ The layer 16 is connected to the B signal detection amplifier 22 by an ohmic contact 21, and N ⁺ The charge path 17 a of the layer 17 is connected to the G signal detection amplifier 24 by the ohmic contact 23. In order to make the ohmic contacts 21 and 23 well, N ⁺ The impurity concentration of this contact portion of the layers 16 and 17a is set to 1 × 10 in this example. ¹⁹ / Cm ^Three That's it.
[0049]
Due to the cross-sectional structure of the light receiving unit, the reset transistor is turned on before each color image is captured, and each N ⁺ A predetermined amount of charge is accumulated at the PN junctions of the layers 16 and 17. And N ⁺ The accumulated charge in the PN junction of the layer 16 is discharged by the amount of photocarriers generated according to the incident light quantity of B (blue) in the incident light reaching the light receiving part, and N ⁺ The accumulated charge at the PN junction of the layer 17 is discharged by the amount of photocarriers generated according to the incident light quantity of G (green). ⁺ The amount of change in charge at each PN junction of the layers 16 and 17 is read out independently by the amplifiers 22 and 23 as a B signal and a G signal.
[0050]
As shown in FIG. 2 (b), in the light receiving section in which the Mg (magenta) filter 52 is laminated, only G (green) of the incident light is blocked, and B (blue) and R (red) reach the light receiving section. . In this light receiving portion, the same N as described in FIG. 2A is provided in the P well layer 15 formed on the surface side of the n-type semiconductor substrate 10. ⁺ The layer (n1) 16 is formed, and further, in the deep part, N having a depth of 0.8 to 2.5 μm ⁺ Layer (n3) 18 is N ⁺ It is formed separately from the layer 16. N ⁺ The layer 18 is provided with a charge passage 18a that rises to the surface at the end.
[0051]
N ⁺ The layer 16 is connected to the amplifier 22 by the ohmic contact 21, and the charge path 18 a is connected to the R signal detection amplifier 26 by the ohmic contact 25. N ⁺ The impurity concentration of the P region between the layers 16 and 18 may be changed to the impurity concentration of the P well layer 15 as in the description of FIG. ⁺ The impurity concentrations of the layers 16, 18, and 18a and the impurity concentration of the ohmic contact portion are the same as described with reference to FIG. The impurity concentration is the same in the following description.
[0052]
Due to the cross-sectional structure of the light receiving unit, the reset transistor is turned on before each color image is captured, and each N ⁺ A predetermined amount of charge is accumulated at the PN junctions of layers 16 and 18 respectively. And N ⁺ The accumulated charge in the PN junction of the layer 16 is discharged by the amount of photocarriers generated according to the incident light quantity of B (blue) in the incident light reaching the light receiving part, and N ⁺ The accumulated charge at the PN junction of the layer 18 is discharged by the amount of photocarriers generated according to the incident light quantity of R (red), and these charge changes are independently obtained by the amplifiers 22 and 26 as B and R signals. Read out.
[0053]
As shown in FIG. 3A, in the light receiving section in which the Ye (yellow) filter 53 is laminated, only B (blue) of the incident light is blocked, and G (green) and R (red) reach the light receiving section. . In this light receiving portion, the same N as described in FIG. 2B is provided in the P well layer 15 formed on the surface side of the n-type semiconductor substrate 10. ⁺ Layer (n3) 18 is formed, and the surface has N depth of 0.1 to 0.8 μm. ⁺ Layer (n2 ′) 19 is N ⁺ It is formed separately from the layer 18. This N ⁺ A G signal detection amplifier 28 is connected to the layer 19 through an ohmic contact 27.
[0054]
Due to the cross-sectional structure of the light receiving unit, the reset transistor is turned on before each color image is captured, and each N ⁺ A predetermined amount of charge is accumulated at the respective PN junctions of layers 19 and 18. And N ⁺ The accumulated charge of the layer 19 is discharged by the amount of photocarriers generated according to the incident light amount of G (green) out of the incident light reaching the light receiving portion, and N ⁺ The charges accumulated in the layer 18 are discharged by the amount of photocarriers generated according to the incident light quantity of R (red), and each N ⁺ Changes in the charge amount of the layers 19 and 18 are read out independently by the amplifiers 28 and 26 as G and R signals.
[0055]
In the present embodiment, N for G signal detection is used. ⁺ The layer 19 has a depth of 0.1 to 0.8 μm from the surface, but the N shown in FIG. ⁺ Similarly to the layer 17, the depth may be in the range of 0.3 to 0.8 μm. But N ⁺ Even in the structure of the layer 19, B (blue) light of the incident light is blocked by the Ye filter. ⁺ In the layer 19, a change in the amount of charge according to the amount of incident light of G (green) occurs, and no color mixture of B and G occurs.
[0056]
As shown in FIG. 3 (b), in the light receiving portion where the G (green) filter 54 is laminated, only G (green) of the incident light is transmitted, and B (blue) and R (red) are blocked and received. Does not reach the department. In this light receiving portion, the surface of the P well layer 15 formed on the n-type semiconductor substrate 10 is formed with an N of 0.1 to 0.8 μm in the same depth as described with reference to FIG. ⁺ Layer (n2 ′) 19 is formed and this N ⁺ A G signal detection amplifier 28 is connected to the layer 19 through an ohmic contact 27.
[0057]
Due to the cross-sectional structure of the light receiving unit, the reset transistor is turned on before each color image is captured, and each N ⁺ A predetermined amount of charge is accumulated at the PN junction of layer 19. This accumulated charge is discharged by the amount of photocarriers generated according to the amount of G that has passed through the G filter, and a signal corresponding to the amount of change in this charge is read out by the amplifier 28 as a G signal.
[0058]
In this light receiving unit, only the G signal needs to be read. ⁺ Only one system is required for the ohmic contact and the peripheral circuit for the layer 19, and the configuration is simplified. Note that the G filter formation method may be a primary color filter, or a filter characteristic in which only G is transmitted by overlapping a yellow filter and a cyan filter which are complementary color filters.
[0059]
The configuration of each of the amplifiers 22, 24, 26, and 28 described above is the same as the conventional example shown in FIG. 26, as shown in an equivalent circuit in FIG. Although not shown in FIGS. 2 and 3, the protective SiO 2 other than the contact portion of the outermost surface of the semiconductor substrate is used. ₂ It is covered with a film.
[0060]
FIGS. 5A and 5B and FIGS. 6A and 6B are substrates in a light receiving unit in which a Cy filter, an Mg filter, a Ye filter, and a G filter are stacked in the color solid-state imaging device according to the present embodiment. It is a figure which shows the relationship between the potential profile of a depth direction, and the penetration depth of incident light. Unlike the conventional CMOS sensor, the light receiving unit of the present embodiment in which complementary color filters are stacked has two stages of N in the substrate depth direction. ⁺ Area and both N ⁺ It is characterized by having P regions separating the regions, and each N ⁺ The depths of the regions (n1, n2, n3) differ depending on the complementary color filters that are stacked.
[0061]
That is, since it is necessary to independently read out the signals photoelectrically converted with respect to the incident light wavelength that is not blocked by the complementary color filter, the depth of each impurity layer is set so that the incident light is most efficiently photoelectrically converted. Is determined and the readout circuit is connected. B light having the shortest wavelength is absorbed in the shallowest region of the silicon substrate, so that the n1 layer (N ⁺ Photocarriers are generated in the vicinity of the layer 16). Since G light having an intermediate wavelength reaches a position deeper than B light, the n2 layer (N ⁺ Photo carriers are generated in the vicinity of the layer 17). Similarly, the n3 layer (N ⁺ In the vicinity of the layer 18), photocarriers are generated by R light having the longest wavelength.
[0062]
In the case of G light, since B light is blocked by the G filter or Ye filter, it is not necessary to divide into the n1 layer and the n2 layer, and N shown by the n2 ′ layer substantially equal to the depth of the n2 layer. ⁺ Area 19 is set. In this embodiment, the layers are n1, n2 (n2 ′ layer), and n3 layers from the shallower side, and each of the N light sources has the highest photoelectric conversion efficiency for B light, G light, and R light from the shallower side. ⁺ The depth of the layer is set.
[0063]
FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B are diagrams showing spectral sensitivity spectra of signals obtained by a light receiving unit in which a Cy filter, an Mg filter, a Ye filter, and a G filter are stacked, respectively. is there. The horizontal axis represents the incident light wavelength (nm), and the vertical axis represents the relative sensitivity (%) of the output signal.
[0064]
In each light receiving unit, the wavelength dependency of the output signal is governed by the spectral transmittance of the stacked color filters. However, in the light receiving unit in which the complementary color filters of the color solid-state imaging device according to the present embodiment are stacked, N ⁺ The potential barrier separating the layers, ie N ⁺ Since there is a P region sandwiched between layers, charges (electrons) generated in this P region are adjacent to each other by this potential barrier. ⁺ There is an advantage that there is little overlap between the spectroscopic spectra because the layers are distributed.
[0065]
That is, as compared with the case of reading the charges (holes) generated in the P region directly from the surface of the P region as in the conventional CMOS type color solid state imaging device described in Patent Document 1, the color solid state imaging device of the present embodiment Two N ⁺ Since only the signal obtained from the layers is used, there is an advantage when the color signal separation performance is improved.
[0066]
In the light receiving unit in which the cyan (Cy) filters are stacked, light having a wavelength corresponding to R is almost blocked by the Cy filter. Therefore, the wavelength dependency of the output signal from the light receiving unit is sharply attenuated in this wavelength region. Yes. Therefore, it can be seen that the B output signal and the G output signal are not affected by light in the R wavelength region.
[0067]
In the light-receiving unit in which magenta (Mg) filters are stacked, light with a wavelength corresponding to G is almost blocked by the Mg filter, so the wavelength dependence of the output signal from the light-receiving unit is sharply attenuated in this wavelength region. Yes. Therefore, the B output signal and the R output signal show spectral spectra that hardly overlap each other.
[0068]
In the light receiving section in which the yellow (Ye) filters are laminated, light having a wavelength corresponding to B is almost blocked by the Ye filter, and therefore the wavelength dependence of the output signal from the light receiving section is sharply attenuated in this wavelength region. Yes. Therefore, it can be seen that the G output signal and the R output signal are not affected by light in the B wavelength region.
[0069]
In the light receiving section where green (G) filters are stacked, most of the light of the wavelengths corresponding to B and R are blocked by the G filter, so the wavelength dependence of the output signal from the light receiving section is sharp in this wavelength region. It is decaying. Therefore, it can be seen that the G output signal is not affected by light in the B and R wavelength regions and has ideal spectral characteristics.
[0070]
That is, a separated B signal and a G signal with less color mixing are obtained from the light receiving section on which the Cy filters are stacked, and a separated B signal and an R signal with less color mixing are obtained from the light receiving section on which the Mg filters are stacked, A separated G signal and R signal with less color mixing are obtained from the light receiving section on which the Ye filters are stacked, and only a G signal is obtained from the light receiving section on which the G filters are stacked.
[0071]
FIG. 9 is an explanatory diagram for reproducing color information by obtaining signals of three colors R, G, and B at each light receiving portion position. As described above, each light receiving unit according to the present embodiment is configured to directly read signals of two primary colors or one color from one light receiving unit. That is, the R signal component and the B signal component are insufficient at the light receiving portion position where the G filter is laminated, the B signal component is insufficient at the light receiving portion position where the Ye filter is laminated, and the R signal is present at the light receiving portion position where the Cy filter is laminated. The component is insufficient, and the G signal component is insufficient at the light receiving portion where the Mg filters are stacked.
[0072]
For this reason, in the color solid-state imaging device according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, an insufficient signal component is obtained from the signal components obtained by the adjacent light receiving units by interpolation. As the R signal component that is insufficient at the position of the light receiving portion where the Cy filters are stacked, a value obtained by averaging the four R signal components obtained by the light receiving portions on the top, bottom, left, and right of this light receiving portion is used.
[0073]
Similarly, the G signal component that is insufficient at the position of the light receiving unit where the Mg filters are stacked is obtained by averaging the four G signal components obtained by the light receiving units at the top, bottom, left, and right of the light receiving unit, and the Ye filters are stacked. For the B signal component that is insufficient at the position of the light receiving portion, a value obtained by averaging the B signal components obtained by the light receiving portions adjacent to the light receiving portion in the left-right or diagonal direction is used. The R signal component and B signal component that are insufficient at the position of the light receiving portion where the G filters are stacked are also obtained by averaging the R signal components obtained by the light receiving portions adjacent to the light receiving portion in the upper, lower, left, and right directions, and the diagonal direction The value obtained by averaging is used.
[0074]
By processing the three primary color signals of R, G, and B at the respective light receiving unit positions obtained in this way by the external color signal processing circuit, the color solid-state imaging device according to the present embodiment enables faithful color reproduction. .
[0075]
FIG. 10 is a two-dimensional plan view corresponding to four pixels (Mg, Cy, Ye, G) of the color solid-state imaging device according to the present embodiment. On the surface of the semiconductor substrate, each light receiving part is isolated like a grid by element isolation bands 30 by LOCOS extending vertically and horizontally. In the example shown in the figure, each light receiving part is substantially square.
[0076]
Of each light receiving area, most of the above-mentioned N ⁺ In the light receiving portion where the layers 16, 17, 18, 19 are formed and the complementary color filters Mg, Ye, and Cy are stacked, a strip-shaped peripheral circuit portion 31 is provided at the right end, and the light receiving portion where the primary color filter G is stacked. In the part, the peripheral circuit part 31 ′ is provided only on the upper side of the right end. The peripheral circuit units 31 and 31 ′ are provided with the above-described amplifiers (source follower amplifiers) 22 to 28 and the like, and N connected through contact holes 37 provided in the respective light receiving units. ⁺ A color signal is read from the layer.
[0077]
In the drawing, a signal output line 33, a power supply line 34, and a reset line 35 are laid on an element isolation band 30 provided in the vertical direction, and a selection signal line is provided on the element isolation band 30 provided in the horizontal direction. 36 is provided. The signal output line 33 is connected to the outputs of the amplifiers 22 to 28, a power supply voltage is applied to the power supply line 34, and a reset signal is applied to the reset line 33.
[0078]
These selection signals and reset signals are controlled by the vertical scanning circuit 12 and the horizontal scanning circuit 13 shown in FIG. The dotted rectangular frame 38 described on each light receiving portion indicates the position of the opening of the light shielding film, and light passes only inside this, and the outside, that is, the peripheral circuit portions 31, 31 ′ and the contact hole 37 are Shaded. As shown in this figure, the number of signal wirings and peripheral circuits that need to be provided in one light receiving unit is smaller than that of the conventional color solid-state imaging device shown in FIG. In the solid-state imaging device, the area of the light receiving unit can be increased, and a bright image can be captured.
[0079]
FIGS. 11A, 11B, 12A, and 12B are cross-sectional schematic views shown in FIGS. 2A, 2B, 12A, and 12B, respectively. 40 is a sectional view in which a light shielding film 41, a contact portion 42 provided in the contact hole 37, and a metal wiring layer 43 connected to the contact portion 42 are added.
[0080]
A microlens 40 is formed on each color filter 51, 52, 53, 54 via a transparent flattening film 45. A transparent flattening film layer 46 is provided between the color filters 51 to 54 and the light shielding film 41. The transparent flattening film layer 46 is also a signal wiring layer, and the signal lines 33, 34,. For example, a three-layer structure (not shown) is provided so that 35 and 36 do not contact each other.
[0081]
The opening 38 of the light shielding film 41 is located substantially at the center of the PN junction region that is a photoelectric conversion portion, and peripheral circuit portions such as the amplifiers 22 to 28 are disposed below the light shielding film 41. Shallowest N ⁺ Only the lower part of the contact portion 42 with respect to the layer (n1 layer) 16 has its N ⁺ The depth of the layer 16 is deeply formed. This is to prevent the PN junction from being broken due to metal penetration or alloy formation between the metal electrode and the substrate silicon in the contact portion 42. Since this portion is covered with the light shielding film 41, the wavelength dependence (spectral characteristics) of the photoelectric conversion characteristics is not affected.
[0082]
(Second Embodiment)
FIG. 13 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The only difference from the first embodiment is the arrangement of complementary color filters stacked on the light receiving unit. In this embodiment, only a cyan (Cy) filter and a yellow (Ye) filter are used, and the Cy filter and the Ye filter are alternately arranged in the vertical direction and the horizontal direction.
[0083]
The cross-sectional structure of the light receiving section on which the Cy filter is laminated is the same as that in FIG. 2A (FIG. 11A), the potential profile thereof is the same as that in FIG. 5A, and the spectrum is shown in FIG. ). That is, the B signal component and the G signal component of the incident light are output from the light receiving unit on which the Cy filters are stacked.
[0084]
The cross section of the light receiving section on which the Ye filter is laminated is the same as that in FIG. 3A (FIG. 12A), the potential profile thereof is the same as in FIG. 6A, and the spectrum is shown in FIG. Is the same. That is, the G signal component and the R signal component of the incident light are output from the light receiving unit on which the Ye filters are stacked.
[0085]
Therefore, in the CMOS color solid-state imaging device of this embodiment, the G signal component is output from all the light receiving units, the R signal component is insufficient at the light receiving unit position where the Cy filter is stacked, and the light receiving unit where the Ye filter is stacked. The B signal component is insufficient at the part position.
[0086]
Therefore, after the color signal is read out twice from each light receiving unit and two primary color signal components are obtained independently from one light receiving unit, as shown in FIG. It is obtained by averaging four signal components around the top, bottom, left and right. This enables faithful color reproduction by the external color signal processing circuit.
[0087]
FIG. 15 is a two-dimensional plan view corresponding to four pixels (Ye × 2, Cy × 2) of the CMOS color solid-state imaging device according to the second embodiment, similar to FIG. Since the two primary color signals can be read out from all the pixels (light receiving portions) each of which the complementary color filters Ye or Cy are stacked, two readout signal amplification circuits (22, 24 or 26, 28) are provided, respectively. ing.
[0088]
According to the present embodiment, only two types of color filters are required, which is less than the case of using three or four types of conventional color filters, and there is an advantage that manufacturing is easy. In addition, since the G signal is directly obtained from all the light receiving units, it is possible to increase the resolution of the captured image by processing the G signal as a luminance signal.
[0089]
(Third embodiment)
FIG. 16 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. The difference from the first and second embodiments is only the arrangement of the color filters stacked on the light receiving unit. In this embodiment, only the complementary color magenta (Mg) filter and the primary color green (G) filter are used, and the Mg filter and the G filter are alternately arranged in the vertical direction and the horizontal direction.
[0090]
The cross-section of the light receiving section on which the Mg filter is laminated is the same as that in FIG. 2B (FIG. 11B), the potential profile thereof is the same as in FIG. 5B, and the spectrum is shown in FIG. Is the same. That is, the B signal component and the R signal component of the incident light are output from the light receiving unit on which the Mg filters are stacked.
[0091]
The cross-sectional structure of the light receiving section on which the G filters are stacked is the same as that in FIG. 3B (FIG. 12B), the potential profile thereof is the same as in FIG. 6B, and the spectrum is shown in FIG. ). That is, only the G signal component of the incident light is output from the light receiving unit on which the G filters are stacked. In the present embodiment, an ideal G signal component that is not affected by B light and R light can be obtained by using a primary color G filter.
That is, in the CMOS color solid-state imaging device according to the present embodiment, the G signal component is insufficient in the light receiving portion on which the Mg filters are stacked, and the B signal component and the R signal component are insufficient on the light receiving portion in which the G filters are stacked. Will do.
[0092]
Therefore, as shown in FIG. 17, at the position of the light receiving unit where the G filters are stacked, the G signal component directly obtained by the first color signal readout and the light receiving unit adjacent vertically and horizontally by the first color signal readout. The color information is reproduced using the value obtained by adding and averaging the R signal components obtained from the above and the value obtained by adding and averaging the B signal components obtained from the light receiving units adjacent to the top, bottom, left and right in the second color signal readout. . At the position of the light receiving section where the Mg filters are stacked, the B signal component and R signal component obtained directly and the value obtained by averaging the G signal components obtained by the light receiving sections adjacent in the vertical and horizontal directions are used. Reproduce.
[0093]
FIG. 18 is a two-dimensional plan view corresponding to four pixels (G × 2, Mg × 2) of the CMOS color solid-state imaging device according to the third embodiment, similar to FIGS. The configuration inside the light receiving unit is the same as that of the light receiving unit having the corresponding color filter shown in FIG.
[0094]
FIG. 19 is a spectrum of the CMOS color solid-state imaging device according to this embodiment. Basically, it is a combination of the spectral spectrum shown in FIG. 7B and the spectral spectrum shown in FIG. 8B, which is substantially the same as the spectral characteristics of a conventional image sensor using only primary color filters, ie, faithful. Color reproduction is possible.
[0095]
(Fourth embodiment)
FIG. 20 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention. The only difference from the first, second and third embodiments is the arrangement of color filters stacked on the light receiving part. In the present embodiment, a light receiving unit in which complementary color magenta (Mg) filters are stacked, and a light receiving unit in which a transparent flattening film (hereinafter also referred to as white filter (W)) is stacked and a color filter is not used. They are arranged alternately in the vertical and horizontal directions.
[0096]
The cross-section of the light receiving section on which the Mg filter is laminated is the same as that in FIG. 2B (FIG. 11B), the potential profile thereof is the same as in FIG. 5B, and the spectrum is shown in FIG. Is the same. That is, the B signal component and the R signal component of the incident light are output from the light receiving unit on which the Mg filters are stacked.
[0097]
From the light receiving unit not using the color filter, a signal including all of the B signal component, the G signal component, and the R signal component of incident light, that is, a luminance signal (Y) is output.
[0098]
That is, in the CMOS color solid-state imaging device according to the present embodiment, the G signal component is insufficient in the light receiving unit on which the Mg filter is stacked, and only the luminance signal is output on the light receiving unit on which the white filter (transparent flattening film) is stacked. can get.
[0099]
Therefore, as shown in FIG. 21, at the light receiving unit position where the Mg filters are stacked, the R signal component directly obtained by the first signal readout, the B signal component obtained directly by the second signal readout, By subtracting the directly obtained R signal component and B signal component from the value obtained by averaging the luminance signals (B + G + R) obtained from surrounding light receiving units adjacent in the first, second, left, right, and right directions in the first signal readout. The signal component is obtained and color information is reproduced.
[0100]
At the position of the light receiving section where the white filters are stacked, the addition average value of the B signal component and the addition average value of the R signal component obtained by the surrounding light receiving sections adjacent vertically and horizontally, and the luminance signal obtained directly from these Color information is reproduced using the G signal component obtained by subtracting the B signal component and the R signal component.
[0101]
22 is a schematic cross-sectional view taken along the line XXII-XXII in FIG. 20, and FIG. 23 is a cross-sectional view in a state where a microlens, a light shielding film, and a transparent planarizing film are stacked. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0102]
N for accumulating signal charges corresponding to all incident light amounts of R light, G light, and B light transmitted through the transparent flattening film (W) 55 ⁺ The layer (n3 ′) 56 is formed on the surface side of the P well layer 15 provided on the surface side of the semiconductor substrate 10 to a depth of 0.5 to 1.5 μm.
[0103]
FIG. 24 is a diagram illustrating a potential profile of a light receiving unit without a color filter. N ⁺ The charge generated by the red light that has penetrated deeper than the layer (n3 ′) 56 falls into the well along the potential profile. ⁺ Even if the depth of the layer (n3 ′) 56 is set as shallow as 0.5 μm, a luminance signal including even the R signal component can be obtained. But N ⁺ The depth of the layer (n3 ′) 56 is preferably set so as to exhibit spectral sensitivity close to human visibility in each of the R, G, and B wavelength ranges.
[0104]
FIG. 25 is a diagram showing a spectral sensitivity spectrum of the CMOS color solid-state imaging device according to the present embodiment. The B signal and R signal that have passed through the magenta filter Mg are separated without overlap, and the signal (W) of the light (B + G + R) that has passed through the white filter includes the entire visible light wavelength range and is a G signal (wavelength around 540 nm). ) Has a peak.
[0105]
In the present embodiment, since all visible wavelength components can be used particularly in the light receiving unit corresponding to white (W), there is almost no loss of the incident light component, and all the light receiving units are complementary as in the first embodiment. Higher sensitivity can be achieved compared to the case of stacking filters. In addition, there is also a feature that a highly sensitive luminance signal (R + G + B) can be obtained directly without particularly complicated signal processing. Furthermore, since only the Mg filter is used as the color filter, the color filter stacking process becomes easy.
[0106]
In each of the above embodiments, the CMOS type solid-state imaging device has been described by taking the CMOS type as an example. However, the present invention can also be applied to other types of NMOS type and PMOS type.
[0107]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) Since two color signal components can be independently detected from one light receiving section (pixel) in which complementary color filters are stacked, incident light can be effectively converted into an electrical signal and high sensitivity can be achieved. It becomes possible.
(2) Since a primary color signal can be directly extracted from a solid-state imaging device using a complementary color filter, faithful color reproduction is possible, and the color signal processing circuit can be simplified.
(3) Since the spectral characteristic with respect to the substrate depth direction is used and the complementary color system color filter is used, the amount of overlap between the spectral spectra (R, G, B) is reduced, and faithful color reproduction is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
2A is a schematic cross-sectional view taken along the line IIa-IIa in FIG.
FIG. 2B is a schematic cross-sectional view taken along the line IIb-IIb in FIG.
3A is a schematic sectional view taken along line IIIa-IIIa in FIG.
FIG. 3B is a schematic sectional view taken along line IIIb-IIIb in FIG.
4 is an equivalent circuit diagram of the amplifier (amplifier circuit (source follower amplifier)) shown in FIGS. 2 (a), 2 (b) and 3 (a), 3 (b). FIG.
5A is a diagram showing a potential profile in the Cy filter laminated light receiving section of FIG. 1; FIG.
(B) is a figure which shows the potential profile in the Mg filter lamination | stacking light-receiving part of FIG.
6A is a diagram showing a potential profile in the Ye filter laminated light receiving section of FIG. 1; FIG.
(B) is a figure which shows the potential profile in the G filter lamination | stacking light-receiving part of FIG.
7A is a graph showing spectral characteristics of the Cy filter laminated light receiving section in FIG. 1; FIG.
(B) is a graph which shows the spectral characteristic of the Mg filter lamination | stacking light-receiving part in FIG.
8A is a graph showing the spectral characteristics of the Ye filter laminated light receiving section in FIG. 1; FIG.
(B) is a graph which shows the spectral characteristic of the G filter lamination | stacking light-receiving part in FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram for reproducing color information by obtaining three color signals of R, G, and B at each color filter (Cy, Mg, Ye, G) laminated light receiving portion position shown in FIG. 1;
10 is a two-dimensional plan view corresponding to four pixels of the Cy, Mg, Ye, and G filter stacked light-receiving portions of the color solid-state imaging device shown in FIG. 1;
FIG. 11A is a cross-sectional view in which a microlens, a light shielding film, and the like are stacked in FIG. 2A.
FIG. 2B is a cross-sectional view in which a microlens, a light shielding film and the like are stacked on FIG.
12A is a cross-sectional view in which a microlens, a light-shielding film, and the like are stacked on FIG. 3A. FIG.
FIG. 3B is a cross-sectional view in which a microlens, a light shielding film, and the like are stacked in FIG.
FIG. 13 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
14 is an explanatory diagram for reproducing color information by obtaining three color signals of R, G, and B at each color filter (Cy, Ye) laminated light receiving portion position shown in FIG. 13;
15 is a two-dimensional plan view corresponding to 4 pixels of Cy, Ye filter laminated light receiving portions of the color solid-state imaging device shown in FIG.
FIG. 16 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.
17 is an explanatory diagram for reproducing color information by obtaining three color signals of R, G, and B at each color filter (Mg, G) laminated light receiving portion position shown in FIG. 16;
18 is a two-dimensional plan view corresponding to 4 pixels of the Mg, G filter laminated light receiving unit of the color solid-state imaging device shown in FIG. 16;
19 is a graph showing the spectral sensitivity of the color solid-state imaging device shown in FIG.
FIG. 20 is a schematic surface view of a CMOS color solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
21 is an explanatory diagram for reproducing color information by obtaining three color signals of R, G, and B at the filter (Mg, W) laminated light receiving portion position shown in FIG. 20;
22 is a schematic sectional view taken along line XXII-XXII in FIG.
23 is a cross-sectional view showing a state in which a microlens, a light shielding film, and the like are stacked in FIG.
24 is a diagram showing a potential profile of the W filter laminated light receiving section shown in FIG. 20;
25 is a graph showing spectral characteristics of the CMOS color solid-state imaging device shown in FIG.
FIG. 26 is an explanatory diagram of a conventional CMOS color solid-state imaging device.
[Explanation of symbols]
10 Semiconductor substrate
15 P well layer
16, 17, 18, 19 N ⁺ Layer (High-concentration impurity layer)
21, 23, 25, 27 Ohmic contact
22, 24, 26, 28 Source follower amplifier
31, 31 'peripheral circuit section
33 color signal output line
35 Reset line
36 Selection signal line
37 Contact hole
38 Shading film opening
40 micro lens
41 Shading film
46 Transparent planarization film (signal wiring layer)
51, Cy cyan filter (complementary color filter)
52, Mg Magenta filter (complementary color filter)
53, Ye Yellow filter (complementary color filter)
54, G Green filter (primary color filter)

Claims

In a MOS type color solid-state imaging device in which a plurality of light receiving portions are arranged in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate,
Cyan which is stacked on the upper part of a part of the plurality of light receiving portions and blocks incident light of red (R) of the three primary colors and transmits the incident light of the remaining two colors of blue (B) and green (G). A filter and at least one complementary color filter of a magenta filter that blocks incident light of green (G) of the three primary colors and transmits incident light of the remaining two colors of red (R) and blue (B);
A first high-concentration impurity layer for detecting a color signal of one of the two colors that is formed in the light-receiving portion on which the complementary color filter is stacked and transmitted through the complementary color filter;
A color signal of the remaining one color of the two colors, which is formed in the light receiving portion on which the complementary color filter is laminated and separated in the depth direction from the first high-concentration impurity layer, is detected. A second high concentration impurity layer for
A signal wiring connected to each of the high-concentration impurity layers and reading out each of the color signals.
The first high-concentration impurity layer and the second high-concentration impurity layer are each one of three regions that differ in the depth direction of the semiconductor substrate that performs photoelectric conversion of incident light of one of the three primary colors. A MOS type color solid-state imaging device, which is formed in the remaining two areas excluding one area.

The light receiving unit accumulates electric charges in a PN junction formed by providing the first and second high-concentration impurity layers on a semiconductor substrate, and discharges the electric charges with photocarriers generated by incident light. 2. The MOS type color solid-state imaging device according to claim 1, wherein a charge change amount that changes due to discharge is read out as a color signal.

Among the three primary colors, the color signal of the remaining one of the two colors detected by the light receiving unit on which the cyan filter or the magenta filter is stacked is a color signal provided around the light receiving unit and different from the light receiving unit. 3. The MOS color solid-state imaging device according to claim 1, wherein a detection signal of the light receiving unit to be detected is obtained by interpolation calculation.

A light receiving section in which a yellow filter that blocks blue (B) light and transmits the remaining two green (G) and red (R) incident light is laminated, and detects the incident light of the green. A light-receiving unit formed by separating a high-concentration impurity layer and a fourth high-concentration impurity layer that detects incident light of red in the depth direction of the semiconductor substrate; and a light-receiving unit on which the cyan filter is stacked; 4. The MOS type color solid-state imaging device according to claim 1, wherein three types of light receiving portions of the light receiving portions on which the magenta filters are stacked are arranged on the surface of the semiconductor substrate. .

A light receiving section in which a yellow filter that blocks blue (B) light and transmits the remaining two green (G) and red (R) incident light is laminated, and detects the incident light of the green. A light-receiving portion formed by separating a high-concentration impurity layer and a fourth high-concentration impurity layer that detects incident light of red in the depth direction of the semiconductor substrate; and a light-receiving portion in which the cyan filter is stacked. The MOS type color solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein two types of light receiving portions are arranged on a surface of the semiconductor substrate.

Two types of light receiving portions, the light receiving portion on which the magenta filter is stacked and the light receiving portion on which a green filter that transmits green (G) light is stacked, are arranged on the surface of the semiconductor substrate. The MOS type color solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3.

Two types of light receiving portions, the light receiving portion on which the magenta filter is stacked and the light receiving portion on which a transparent filter that transmits all the three primary colors of light is stacked, are arranged on the surface of the semiconductor substrate. The MOS type color solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3.

A light receiving unit in which green filters that transmit green (G) light are stacked, and a yellow filter that blocks blue (B) light and transmits the remaining two colors of green (G) and red (R) incident light. A third high-concentration impurity layer that detects the incident light of green and a fourth high-concentration impurity layer that detects the incident light of red are separated in the depth direction of the semiconductor substrate. The four types of light receiving portions are arranged on the surface of the semiconductor substrate, the light receiving portion formed in this manner, the light receiving portion in which the magenta filter is stacked, and the light receiving portion in which the cyan filter is stacked. The MOS type color solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3.

Of the three regions, the second high-concentration impurity layer provided in a region on the inner side of the semiconductor substrate has a high impurity of the same impurity type as that of the second high-concentration impurity layer, which continues to the surface of the semiconductor substrate. MOS type color solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the charge path made of a doped impurity region is provided.

Of the three regions, the depth of the region for detecting the blue (B) color signal is 0.1 to 0.3 μm, and the depth of the region for detecting the green (G) color signal is is 0.3 to 0.8 [mu] m, any red depth region for detecting the color signal (R) is of claims 1 to 3, characterized in that a 0.8~2.5μm The MOS type color solid-state imaging device according to claim 1.

11. The on-chip condensing optical system is provided on each of the light receiving portions, and one opening of a light shielding film corresponds to each of the light receiving portions. MOS type color solid-state imaging device.

When ohmic contact to said signal line before Symbol first high concentration impurity layer for detecting a color signal of the blue (B), before a high concentration impurity layer of the fifth provided in place of the ohmic contact Symbol MOS of claim 10, characterized in that formed the depth of the fifth high-concentration impurity layer provided to overlap the first high concentration impurity layer deeper than the depth of the high concentration impurity layer of the first Type color solid-state imaging device.