JPH0416948B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像素子を用いるカラー撮像装置
に関するものである。

固体撮像素子の入射面側に、例えば赤（Ｒ）、
緑(G)および青(B)フイルタから成るカラーフイルタ
を配置し、被写体像をこのカラーフイルタにより
色分解して固体撮像素子に結像させてカラー画像
信号を得るようにした単板式カラー固体撮像装置
は従来種々提案されている。このような単板式カ
ラー固体撮像装置においては、固体撮像素子を構
成する受光セルの分光特性により各色に対する感
度が異なり、そのまゝでは良好なカラー画像信号
を得ることができないため、何らかの方法でカラ
ーフイルタの各色に対する感度が見掛上等しくな
るように色感度の補正を行なつている。

第１図は固体撮像素子の代表的な材料であるシ
リコン受光セルの分光特性の一例を示すものであ
る。第１図から明らかなように、シリコン受光セ
ルにおいては波長がほヾ610nｍの赤色の相対感
度が0.8であるのに対し、波長がほヾ530nｍの緑
色および波長がほヾ470nｍの青色の相対感度は
それぞれ0.56および0.4と赤色感度に比べ低く、
かつ各色感度が著しく異なつている。なお、この
ような分光特性を有する固体撮像素子を用いる場
合には、波長が700nｍ以上の赤外領域の光は撮
影において有害となるため、一般には撮像素子の
前面に赤外カツトフイルタを配置してカツトして
いる。また、この場合赤色感度が他の緑および青
色感度に比して高いことから、この赤外カツトフ
イルタにより赤色波長領域まで一部カツトするこ
とにより、このフイルタに赤色フイルタの透過率
を緑および青色フイルタに比し小さく抑える作用
を兼ねさせることもある。

第１図に示すような分光特性を有する固体撮像
素子を用いる場合の従来の色感度補正方法として
は、カラーフイルタの各色の透過率を変える方
法、色信号の重み付け法、受光セルの受光窓
面積を変える方法、等がある。

上記の色感度補正方法は、第２図ａに示すよ
うに緑色フイルタＧを順次のライン上で市松状に
配置すると共に、赤色フイルタＲおよび青色フイ
ルタＢをライン毎交互に緑色フイルタＧに隣接し
て配置したカラーフイルタ１を用い、このカラー
フイルタ１の各色フイルタＲ、Ｇ、Ｂの分光透過
特性をそれぞれ第２図ｂに示すように設定して、
固体撮像素子の各色フイルタに対応する受光セル
の見掛上の色感度を第２図Ｃに示すようにほヾ等
しくなるようにして色感度を補正するものであ
る。

また、上記の色感度補正方法は、第３図に示
すように、撮影レンズ２を介してカラーフイルタ
を有する固体撮像素子３上に結像される被写体像
の画素信号を、プリアンプ４およびサンプリング
回路５を経て各色信号に分離した後、緑色信号Ｇ
を基準に色感度の低い青色信号Ｂに対しては重み
付け回路６により１以上の重みをかけ、色感度の
高い赤色信号Ｒに対しては重み付け回路７により
１以下の重みを付けることにより、色感度を補正
するものである。しかし、この補正方法は、重み
付け回路６および７等の余分な信号処理回路を必
要とするため、構成が複雑かつ高価となる不具合
がある。

更に、上記の色感度補正方法は、第４図に示
すように、固体撮像素子８の赤色フイルタＲ、緑
色フイルタＧおよび青色フイルタＢに対応するそ
れぞれの受光セルの受光窓９，１０および１１の
面積を、この順序で順次大きく形成することによ
り、色感度を補正するものである。しかし、この
場合には固体撮像素子８の全ての受光セルの配列
間隔を最も大きい面積の受光窓すなわち青色フイ
ルタＢに対応する受光窓を形成する受光セルに合
わせる必要があるため、受光窓面積が小さい緑色
フイルタＧおよび赤色フイルタＲに対応する受光
セルにおいて撮影に関与しない無駄な領域が多く
なつて像の再現性したがつて解像度が低下すると
共に、製作上も不利となる不具合がある。

本発明の目的は上述した不具合を解決し、カラ
ーフイルタの各色の透過率を調整したり、余分な
信号処理回路を付加したり、あるいは受光セルの
受光窓の面積を変えたりすることなく、カラーフ
イルタの各色に対応する固体撮像素子の受光セル
の見掛上の色感度がほヾ等しくなるように適切に
構成したカラー撮像装置を提供しようとするもの
である。

本発明は、増幅機能を有する受光セルを多数画
素単位に配列して成る固体撮像素子と、この固体
撮像素子の入射面側に配置した複数の色フイルタ
から成るカラーフイルタとを具えるカラー撮像装
置において、前記各受光セルの光電変換領域で生
成される光電荷を蓄積し、その増幅率を規定する
光電荷蓄積領域の幅および／または厚さを、前記
カラーフイルタの各色に対する感度に応じて設定
して、見掛上の色感度が一様となるように構成し
たことを特徴とするものである。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第５図は本発明のカラー撮像装置に用いる固体
撮像素子の一例の要部の構成を示す断面図であ
る。この固体撮像素子は同一基体上に増幅機能を
有するホトトランジスタより成る多数の受光セル
をマトリツクス状に配列して形成すると共に、各
受光セルの増幅率を、入射面側に配置されるカラ
ーフイルタ（図示せず）の各色に対する感度に応
じて、色感度が見掛上ほヾ等しくなるように設定
したものである。第５図では２個の受光セル２１
ａおよび２１ｂのみを示すが、個々の受光セルは
n⁺の同一基体２３にn^-のコレクタ領域２４、Ｐ
のベース領域２５およびn⁺のエミツタ領域２６
を順次接合すると共に、表面のエミツタ領域２６
に信号読出し用の金属配線２７を接続して形成す
る。なお、各受光セルの表面はエミツタ領域２６
と金属配線２７との接続部を除いて酸化膜２８で
絶縁被覆する。第５図に示す受光セル２１ａおよ
び２１ｂはカラーフイルタの異なる色に対応する
もので、本例ではベース領域２５の厚さW_Ba、
W_Bbの寸法を適切に設定することにより、受光セ
ル２１ａおよび２１ｂにおける色感度が見掛上
ほヾ等しくなるようにこれらの増幅率を設定す
る。すなわち、受光セル２１ａおよび２１ｂはベ
ース領域２５の厚さのみが構造上異なり、増幅率
はベース領域２５の厚さが薄い受光セル２１ｂの
方が大きい。なお、この受光セル２１ｂの増幅率
はほヾ（W_Ba／W_Bb）²に比例して大きくなる。このよ うな厚さの異なるベース領域２５の製作法として
は、コレクタ領域２４の形成後、先ず深いベース
領域を形成する受光セル２１ａに対してベースフ
オトリソグラフイツクを行なつてＰ型不純物を拡
散し、その後受光セル２１ａおよび２１ｂの双方
のベースフオトリソグラフイツクを行なつて再び
Ｐ型不純物を拡散することにより、受光セル２１
ａにおいては厚いベース領域２５を、受光セル２
１ｂにおいては薄いベース領域２５をそれぞれ形
成することができる。その後は、通常のホトトラ
ンジスタの製造工程に従つてエミツタ拡散、金属
配線形成を行なうことにより、増幅率の異なる受
光セル２１ａ，２１ｂを得ることができる。

第６図は本発明のカラー撮像装置に用いる固体
撮像素子の他の例の要部の構成を示す断面図であ
る。この固体撮像素子においては、各受光セルを
裏面照射型でフツク構造より成るNPN型ホトト
ランジスタをもつて構成する。第６図では３個の
受光セル３１ａ，３１ｂおよび３１ｃのみを示す
が、個々の受光セルは同一の真性半導体（）基
体３３の裏面側にn⁺層３４を介して透明電極３
５を設け、表面側にはＰのベース領域３６および
n⁺のエミツタ領域３７を順次に接合すると共に、
表面のエミツタ領域３７に信号読出し用の金属配
線３８を接続して形成する。なお、各受光セルの
表面はエミツタ領域３７と金属配線３８との接続
部を除いて酸化膜３９で絶縁被覆する。第６図に
示す受光セル３１ａ，３１ｂおよび３１ｃはカラ
ーフイルタ（図示せず）の異なる色に対応するも
ので、本例では受光セル３１ａのベース領域３６
の厚さW_Baおよび幅L_Baを基準とし、受光セル３
１ｂにおいてはそのベース領域３６の厚さW_Bbお
よび幅L_BbをそれぞれW_Bb＜W_BaおよびL_Bb−L_Baと
し、受光セル３１Ｃにおいてはそのベース領域３
６の厚さW_Bcおよび幅L_BcをそれぞれW_Bc−W_Baお
よびL_Bc＜L_Baとして、受光セル３１ａ，３１ｂお
よび３１ｃにおける色感度が見掛上ほヾ等しくな
るようにそれらの増幅率を設定したものである。

第６図に示すようなフツク構造のホトトランジ
スタより成る受光セルにおいては、透明電極３５
に正のバイアス電圧V_s（＋）を印加して高抵抗の
ｉ層３３をn⁺層３４からベース領域３６に至る
まで空乏化した状態で、透明電極３５に光が入射
すると、これによりｉ層３３のn⁺層３４の近傍
で電子−正孔対が発生する。この電子−正孔対の
うち電子はn⁺層３４に引き込まれ、正孔はｉ層
３３に加わつている電界により加速されてほヾ飽
和速度でゲート領域３６に流れ込み、このゲート
領域３６を正に帯電する。ゲート領域３６が正に
帯電すると、エミツタ領域３７との間が順方向に
バイアスされることになつてこの間の電位障壁が
低くなるから、エミツタ領域３７から電子がゲー
ト領域３６に注入され、この注入された電子はゲ
ート領域３６を通過し、高抵抗のｉ層３３をドリ
フト走行して裏面のn⁺層３４に吸収される。こ
のように表面のn⁺層すなわちエミツタ領域３７
から電子が流出すると、この領域３７も電子が不
足して正に帯電され、ついにはベース領域３６と
平衡状態に達して電子の流れが停止する。このと
きのエミツタ領域３７の電位は、ベース領域３６
の電位より拡散電位だけ高くなる。

こゝでベース領域３６の電位Ｖ（ｔ）は、 Ｖ（ｔ）ｑ・ｓ・ｃ・ｔ／C_f＋V_bi となる。たヾし、ｑは単位電荷、ｓは入射光の光
子密度、ｃは光速度、ｔは積分時間、C_fはベース
領域３６とエミツタ領域３７との間の空乏層容
量、V_biはベース領域３６とエミツタ領域３７と
の間の拡散電位を表わす。上式から明らかなよう
に、電位Ｖ（ｔ）は入射光強度ｓおよび積分時間
ｔに比例し、空乏層容量C_fに反比例する。

第６図において、受光セル３１ｂは受光セル３
１ａに比しベース領域３６の厚さのみが薄くなつ
ている。したがつて、受光セル３１ｂにおいて
は、エミツタ領域３７に接続した金属配線３８を
介して画素信号を読出すときに、ベース領域３６
の電位変化に応じてエミツタ領域３７から透明電
極３５に向けて流れる光電流（電子）が、ベース
領域３６の厚さW_Bbが受光セル３１ａのベース領
域３６の厚さW_Baよりも薄いから、第５図の場合
と同様にほヾ（W_Ba／W_Bb）²に比例する受光セル３１ ａよりも大きな光電流が流れる。また、受光セル
３１ｃは、受光セル３１ａに比しベース領域３６
の幅のみが短くなつている。この場合、例えば
個々の受光セルを正方形で形成したとすると、受
光セル３１ｃのベース領域３６の底面積は（L_BC）
²となり、受光セル３１ａおよび３１ｃのベース
領域３６とエミツタ領域３７との間の空乏層容量
をそれぞれC_faおよびC_fcとすれば、これらの間に
は、 C_fc＝（L_Bc／L_Ba）²・C_fa が成り立つ。したがつて、受光セル３１ａおよび
３１ｃのそれぞれのベース領域３６の電位をそれ
ぞれV_a（ｔ）およびV_c（ｔ）とすれば、V_c（ｔ）は V_c（ｔ）＝（L_Ba／L_Bc）²・V_a（ｔ） となり、受光セル３１ａの電位V_a（ｔ）よりも
（L_Ba／L_Bc）²倍高くなる。これは、隣接する受光セル との境界部分で受光セル３１ｃのn⁺層３４近傍
の高抵抗ｉ層３３で発生した正孔も強い電界の作
用により、ほヾ確実に受光セル３１Ｃのベース領
域３６に流れ込むためと考えられる。

なお、厚いベース領域３６の製作法としては、
第５図の場合と同様にベース拡散を２回行なう方
法やその他の方法を採用することができる。ま
た、幅の狭いベース領域３６およびエミツタ領域
３７はこの部分を形成する際のホトマスクの形を
小さくすることにより形成することができる。

以上のように、第６図においては個々の受光セ
ルのベース領域３６の厚さおよび／または幅を適
切に変えて増幅率を設定することにより、各色に
対応する受光セルの色感度を見掛上等しくするこ
とができる。

なお、第６図においては基体３３は真性半導体
ｉに限らず、高抵抗のn^-またはp^-の基本を用い
ることもできるし、またn⁺層３４を除いて基体
３３と透明電極３５とをシヨツトキー接触させて
もよい。

第７図は本発明のカラー撮像装置に用いる固体
撮像素子の更に他の例の要部の構成を示す断面図
である。この固体撮像素子は個々の受光セルを第
６図に示した裏面照射型フツク構造のホトトラン
ジスタに信号読出し用の静電誘導トランジスタを
一体に形成して構成したもので、第６図に示す符
号と同一符号は同一作用を成すものを表す。第７
図には１個の受光セル４１のみを示すが、個々の
受光セルはホトトランジスタのn⁺のエミツタ領
域３７をフローテイングにして、このエミツタ領
域３７に接合してn^-のバルク層（ドレイン領域）
４２を形成し、このバルク層４２に接合してp⁺
のゲート領域４３およびn⁺のソース領域４４を
それぞれ形成して、これらゲート領域４３および
ソース領域４４をそれぞれワードライン電極４５
およびビツトライン電極４６に接続して構成す
る。なお、隣接する受光セル間および各受光セル
の表面はワードライン電極４５、ビツトライン電
極４６の接続部を除いて酸化膜３１で絶縁する。
かゝる受光セル４１においては、ワードライン電
極４５を介して静電誘導トランジスタを導通させ
ることにより、ホトトランジスタのn⁺のエミツ
タ領域３７に表われる画素信号電圧をビツトライ
ン電極４６を経て読出すことができる。勿論、本
例においても第６図で説明したと同様に、個々の
受光セルを構成するホトトランジスタのベース領
域３６の厚さW_Bおよび／または幅L_Bを変えて、
各色に対応する受光セルの色感度が見掛上等しく
なるように各々の増幅率を設定する。

第８図は本発明のカラー撮像装置に用いる固体
撮像素子の更に他の例の要部の構成を示す断面図
である。この固体撮像素子においては、各受光セ
ルを表面照射型でフツク構造より成るNPN型ホ
トトランジスタとこのホトトランジスタでの画素
信号を読出すための読出し用トランジスタとをも
つて構成する。第８図では３個の受光セル５１
ａ，５１ｂおよび５１ｃのみを示すが、個々の受
光セルのホトトランジスタ部５１ａ−１，５１ｂ
−１，５１ｃ−１および読出し用トランジスタ部
５１ａ−２，５１ｂ−２，５１ｃ−２は、ホトト
ランジスタ部５１ａ−１，５１ｂ−１および５１
ｃ−１のベース領域の厚さおよび／または幅の寸
法が異なるものである。ホトトランジスタ部は同
一のＰ型基体５３の表面側に、n⁺のエミツタ領
域５４、Ｐのベース領域５５、P^-（n^-またはｉで
もよい）の高抵抗層５６およびn⁺層５７を順次
に接合して形成すると共に、表面のn⁺層５７上
にp^-層５６が空乏化するに十分な正のバイアス
電圧V_s（＋）を印加するための電極５８を設けて
構成する。なお、個々の受光セルのホトトランジ
スタ部と読出し用トランジスタ部との間の所要の
部分、隣接する受光セル間、および各受光セルの
所要の電極との接続部を除く表面は酸化膜５９で
絶縁する。また、各受光セルの読出し用トランジ
スタは、ホトトランジスタのn⁺のエミツタ領域
５４をソースまたはドレイン領域とする静電誘導
トランジスタ等により構成することができる。第
８図に示す受光セル５１ａ，５１ｂおよび５１ｃ
は図示しないカラーフイルタの異なる色に対応す
るもので、本例では受光セル５１ａのベース領域
５５の厚さW_Baおよび幅L_Baを基準とし、第６図
と同様に受光セル５１ｂにおいてはそのベース領
域５５の厚さW_Bbおよび幅L_BbをそれぞれW_Bb＜
W_BaおよびL_Bb−L_Baとし、受光セル５１ｃにおい
てはそのベース領域５５の厚さW_Bcおよび幅L_Bc
をそれぞれW_Bc−W_BaおよびL_Bc＜L_Baとして、受
光セル５１ａ，５１ｂおよび５１ｃにおける色感
度が見掛上ほヾ等しくなるようにそれらの増幅率
を設定したものである。

第８図に示すようなフツク構造のホトトランジ
スタを有する受光セルにおいては、電極５８に高
抵抗層５６が空乏化するに十分な正のバイアス電
圧V_s（＋）を印加することにより第６図と同様に
動作する。したがつて、受光セル５１ｂにおいて
はほヾ（W_Ba／W_Bb）²に比例する受光セル５１ａより も大きな光電流が得られ、また受光セル５１ｃに
おいてはベース領域５５の底面積が小さいから、
受光セル５１ａよりも（L_Ba／L_Bc）²倍高い読出し電位 を得ることができる。

なお、厚さの異なるベース領域５５は、途中の
工程で深いベース領域については２回のベース拡
散を行なうことにより形成することができる。ま
た、ベース領域５５の底面積を小さくするには、
この部分を形成する際のホトマスクの形を小さく
するか、あるいは表面より窒素（Ｎ）または酸素
（Ｏ）をSIMOX法（Separation by Implanted
Oxygen）によつてベース領域５５まで打込むこ
とにより、その部分を絶縁層に変えることによつ
て形成するか、または第９図に１つの受光セル６
１のみを示すように絶縁酸化膜５９をベース領域
５５の方に食込ませることでベース領域５５の底
面積を小さくすることができる。なお、第９図に
示す受光セル６１は、第８図と同様ホトトランジ
スタ部６１−１と読出し用トランジスタ部６１−
２とから成るもので、第８図に示す符号と同一符
号は同一作用を成すものを表わす。

なお、本発明は上述した例にのみ限定されるも
のではなく、幾多の変形または変更が可能であ
る。例えば第７図、第８図および第９図に示すよ
うに個々の受光セルをホトトランジスタ部と読出
し用トランジスタ部とをもつて構成する場合に
は、読出し用トランジスタの増幅率を適切に設定
することにより、ホトトランジスタの増幅率と共
動して色感度を補正するよう構成することもでき
る。

以上詳細に説明したように、本発明において
は、増幅機能を有する各受光セルの光電変換領域
で生成される光電荷を蓄積し、その増幅率を規定
する光電荷蓄積領域の幅および／または厚さを、
カラーフイルタの各色に対する感度に応じて設定
して、見掛上の色感度が一様となるように構成し
たから、カラーフイルタの各色の透過率を調整し
たり、余分な信号処理回路を付加したり、あるい
は受光セルの受光窓の面積を変えたりすることな
く、カラーフイルタの各色に対応する固体撮像素
子の受光セルの見掛上の色感度をほぼ等しくする
ことができ、本発明の目的を有効に達成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリコン受光セルの分光特性の一例を
示す線図、第２図ａ，ｂおよびｃは従来の色感度
補正方法の一例を説明するための線図、第３図お
よび第４図は同じく他の２つの例を説明するため
の線図、第５図、第６図、第７図、第８図および
第９図は本発明のカラー撮像装置に用いる固体撮
像素子のそれぞれの要部の構成を示す断面図であ
る。 ２１ａ，２１ｂ……受光セル、２３……基体、
２４……コレクタ領域、２５……ベース領域、２
６……エミツタ領域、２７……金属配線、２８…
…絶縁酸化膜、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ……受光
セル、３３……基体、３４……n⁺層、３５……
透明電極、３６……ベース領域、３７……エミツ
タ領域、３８……電極、３９……絶縁酸化膜、４
１……受光セル、４２……バルク層、４３……ゲ
ート領域、４４……ソース領域、４５……ワード
ライン電極、４６……ビツトライン電極、５１
ａ，５１ｂ，５１ｃ……受光セル、５１ａ−１，
５１ｂ−１，５１ｃ−１……ホトトランジスタ
部、５１ａ−２，５１ｂ−２，５１ｃ−２……読
出し用トランジスタ部、５３……基体、５４……
エミツタ領域、５５……ベース領域、５６……高
抵抗層、５７……n⁺層、５８……電極、５９…
…絶縁酸化膜、６１……受光セル、６１−１……
ホトトランジスタ部、６１−２……読出し用トラ
ンジスタ部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 増幅機能を有する受光セルを多数画素単位に
   配列して成る固体撮像素子と、この固体撮像素子
   の入射面側に配置した複数の色フイルタから成る
   カラーフイルタとを具えるカラー撮像装置におい
   て、 前記各受光セルの光電変換領域で生成される光
   電荷を蓄積し、その増幅率を規定する光電荷蓄積
   領域の幅および／または厚さを、前記カラーフイ
   ルタの各色に対する感度に応じて設定して、見掛
   上の色感度が一様となるように構成したことを特
   徴とするカラー撮像装置。