JPH0463473A - Solid state image sensor - Google Patents

Solid state image sensor

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JPH0463473A
JPH0463473A JP2174506A JP17450690A JPH0463473A JP H0463473 A JPH0463473 A JP H0463473A JP 2174506 A JP2174506 A JP 2174506A JP 17450690 A JP17450690 A JP 17450690A JP H0463473 A JPH0463473 A JP H0463473A
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JP
Japan
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photodiode
photoelectric conversion
section
photodiodes
solid
Prior art date
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Application number
JP2174506A
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Japanese (ja)
Inventor
Sohei Manabe
真鍋 宗平
Hidenori Shibata
英紀 柴田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH0463473A publication Critical patent/JPH0463473A/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/148Charge coupled imagers
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    • HELECTRICITY
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Abstract

PURPOSE:To obtain an image having high sensitivity and excellent color reproducibility by one solid state image sensor chip by separately providing photodiodes as photoelectric converters in a depth direction. CONSTITUTION:A plurality of vertical CCDs 20 are disposed in parallel, and a plurality of photoelectric converters 30 are arranged along the CCDs 20. The photoelectric converters 30 are formed of three photodiodes separated in a depth direction, the photodiode 31 of an uppermost layer is formed in a depth for absorbing blue, and a p<-> type layer 34 of a burr layer is formed thereunder. Similarly, a second photodiode 32 is formed in a depth for absorbing green light, and the photodiode 33 of an uppermost layer is formed in a depth for absorbing red light. In this case, signal charges stored in the respective photodiodes are calculated to obtain R, G and B components, and a color image can be imaged. Thus, an image having high sensitivity and excellent color reproducibility is obtained by one solid state image sensor chip.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、固体撮像装置に係わり、特にカラー画像を撮
像するための固体撮像装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a solid-state imaging device, and particularly to a solid-state imaging device for capturing color images.

(従来の技術) 従来、カラー画像を撮像する固体撮像装置には、大きく
別けて次の2つの方式がある。第1は、入射した先を光
学系で色分解し、色分解された3つの光に対応して3つ
の固体撮像素子チップで撮像する方式である。第2は、
固体撮像素子チップの各画素に色分解フィルタを形成し
、1つの固体撮像素子チップでカラー信号を得る方式で
ある。
(Prior Art) Conventionally, there are two main types of solid-state imaging devices that capture color images: The first method is to color-separate the incident light using an optical system, and image the three color-separated lights using three solid-state imaging device chips. The second is
This is a method in which a color separation filter is formed in each pixel of a solid-state image sensor chip, and color signals are obtained with one solid-state image sensor chip.

第1の方式は、特に高い画質が要求される放送用TV左
カメラ採用されている方法であり、通常はレンズを通り
入射した色を赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色に
分光し、各3原色に対応して3つの固体撮像素子チップ
が設けられている。この方法は、入射した光の損失が少
なくて高感度であり、且つ3原色に分光しているため、
TVモニタ上での色再現性に優れている。しかし、光学
分光系と固体撮像素子チップがそれぞれ3個必要である
ため、TV左カメラ大型となり高価となる欠点がある。
The first method is the method used in broadcast TV left cameras that require particularly high image quality, and usually uses red (R), green (G), and blue (B) colors that enter the lens. The light is divided into three primary colors, and three solid-state image sensor chips are provided corresponding to each of the three primary colors. This method has low loss of incident light and high sensitivity, and because it separates the light into three primary colors,
Excellent color reproducibility on TV monitors. However, since three optical spectroscopic systems and three solid-state image pickup chips are required each, there is a drawback that the left TV camera becomes large and expensive.

第2の方式は、1つの固体撮像素子チップてカラー画像
を得られるため、TV左カメラ小型で安価になる長所が
ある。しかし、固体撮像素子チップ上に形成される色分
解フィルタは、通常各々の画素上にバンドパスフィルタ
、バイパス又はローパスフィルタとして形成されている
ため、入射した光の利用効率は極めて悪く感度が低い。
The second method has the advantage of being small and inexpensive for the TV left camera, since a color image can be obtained using one solid-state image sensor chip. However, the color separation filter formed on the solid-state image sensor chip is usually formed as a bandpass filter, bypass, or low-pass filter on each pixel, and therefore the efficiency of utilizing incident light is extremely poor and the sensitivity is low.

なお、感度を考慮すると補色系のフィルタ構成かよいが
、この場合は色再現性が悪くなる。
Note that in consideration of sensitivity, a complementary color filter configuration may be used, but in this case color reproducibility will be poor.

また、これらの方式以外に、波長により感度の異なる光
導電性材料を透明絶縁層を挟んで積層した構造、例えば
最上層は青い色にのみ感度を有し緑、赤を透過する材料
(Zn5e) 、次の層は青と緑に感度を有し赤い光を
透過する材料(Cd5)、最下層は赤い先に感度を有す
る材料(Cd5e)を積層した素子が提案されている。
In addition to these methods, there is also a structure in which photoconductive materials with different sensitivities depending on the wavelength are laminated with a transparent insulating layer in between, for example, the top layer is a material that is sensitive only to blue colors and transmits green and red (Zn5e). A device has been proposed in which the next layer is a material (Cd5) that is sensitive to blue and green and transmits red light, and the bottom layer is a material that is sensitive to red (Cd5e).

しかし、この構造では、異なる材料の3層をエピタキシ
ャル成長等で積層する必要があり、これを実現するのは
現在の技術では殆ど不可能である。
However, this structure requires three layers of different materials to be laminated by epitaxial growth or the like, which is almost impossible to achieve with current technology.

(発明が解決しようとする課題) このように従来、カラー画像を撮像するのに、光学分光
系を使用すると装置構成の大型化及びコスト高を招き、
また色分解フィルタを使用すると感度の低下或いは色再
現性の低下を招く問題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) Conventionally, when an optical spectroscopic system is used to capture color images, the device configuration becomes larger and the cost increases.
Further, when a color separation filter is used, there is a problem that the sensitivity is lowered or the color reproducibility is lowered.

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、色分解フィルタや光学分光系を使用
することなく、1つの固体撮像素子チップで高感度で色
再現性のよい画像を得ることのできる固体撮像装置を提
供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to achieve high sensitivity and good color reproducibility with a single solid-state image sensor chip without using color separation filters or optical spectroscopy systems. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can obtain images.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の骨子は、青、緑、赤等の光が光電変換素子(フ
ォトダイオード等)の半導体(特に、Si)の中で吸収
される深さ方向の領域が異なることを利用し、従来使わ
れているフォトダイオードを深さ方向に分離して色分解
を行うことにある。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is that blue, green, red, etc. light is absorbed in a semiconductor (particularly Si) of a photoelectric conversion element (photodiode, etc.). The purpose of this method is to take advantage of the fact that the regions in the depth direction are different, and to perform color separation by separating the conventionally used photodiodes in the depth direction.

即ち本発明は、半導体基板に複数の光電変換部を設ける
と共に、これらの光電変換部で変換され蓄積された信号
電荷をそれぞれ読出す信号電荷読出し部を設けた固体撮
像装置において、光電変換部を深さ方向に少なくとも3
つに分離されたフォトダイオードで形成し、信号電荷読
出し部を光電変換部の各々のフォトダイオードに対して
独立に接続された読出しトランジスタで形成するように
したものである。
That is, the present invention provides a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion sections are provided on a semiconductor substrate and a signal charge readout section that reads out signal charges converted and accumulated in these photoelectric conversion sections, respectively. At least 3 in the depth direction
The signal charge readout section is formed of a readout transistor independently connected to each photodiode of the photoelectric conversion section.

ここで、光電変換部の配列は1次元でもよく、2次元(
マトリックス)でもよい。さらに、読出した信号電荷は
CCDで転送してもよいし、金属配線に取り出してもよ
い。また、3つのフォトダイオードからなる光電変換部
を2次元に配列し、読出した信号電荷をCCDで転送す
る場合、垂直CCDの後に3本の水平CCDを設け、垂
直CCDから水平CCDに信号電荷を読出す際に、同じ
深さ位置のフォトダイオードの信号電荷を同じ水平CC
Dに供給する。
Here, the arrangement of the photoelectric conversion units may be one-dimensional or two-dimensional (
matrix). Further, the read signal charges may be transferred by a CCD or taken out to metal wiring. In addition, when a photoelectric conversion section consisting of three photodiodes is arranged two-dimensionally and the read signal charges are transferred by a CCD, three horizontal CCDs are provided after the vertical CCD, and the signal charges are transferred from the vertical CCD to the horizontal CCD. When reading out, the signal charges of the photodiodes at the same depth position are transferred to the same horizontal CC.
Supply to D.

(作用) 本発明によれば、青、緑、赤等の光が半導体の中で吸収
される深さ方向の領域が異なることから、光電変換部に
おいては深さ位置の異なるフォトダイオードにより異な
る光成分がそれぞれ検出される。従って、各フォトダイ
オードに蓄積された信号電荷に基づき演算処理を行うこ
とにより、R,G、Bの成分を求めることができ、これ
によりカラー画像を撮像することが可能となる。
(Function) According to the present invention, since the regions in the depth direction in which blue, green, red, etc. Each component is detected. Therefore, by performing arithmetic processing based on the signal charges accumulated in each photodiode, the R, G, and B components can be determined, thereby making it possible to capture a color image.

(実施例) まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。
(Example) First, before describing an example, the basic principle of the present invention will be explained.

第6図に本発明による光電変換部の断面構造図を示す。FIG. 6 shows a cross-sectional structural diagram of a photoelectric conversion section according to the present invention.

この光電変換部は複数のフォトダイオードからなり、そ
の材料は一般に半導体装置で広く使用されているSiで
ある。図中4,5゜6は各々深さ方向にフォトダイオー
ドを分離するバリア層であり、フォトダイオード1,2
゜3を分離している。7は表面を空乏化するのを防ぐ層
である。
This photoelectric conversion section consists of a plurality of photodiodes, and its material is Si, which is generally widely used in semiconductor devices. In the figure, reference numerals 4, 5, and 6 are barrier layers that separate the photodiodes in the depth direction, and the photodiodes 1 and 2 are separated by barrier layers.
゜3 is separated. 7 is a layer that prevents the surface from being depleted.

光電変換部に対し表面側から入射した光は、垂直方向に
分離されたフォトダイオード1,2゜3で吸収され、電
気信号に変換される。光は最上層のフォトダイオード1
で主に短波長の光である青が吸収され(緑、赤の一部も
吸収される)、続いてのフォトダイオード2で緑の光が
吸収され(赤の一部も吸収される)、最下層のフォトダ
イオード3で赤の光が吸収される。入射した光の強度を
I。とじ、 IOゞl BO+ I Go + I RQ     
     ・・・ (1)と表わす。ここで、IBO,
Ico、  Iヨ。は各々青。
Light incident on the photoelectric conversion unit from the front side is absorbed by photodiodes 1 and 2°3 separated in the vertical direction and converted into an electrical signal. The light comes from the top layer photodiode 1
The photodiode 2 absorbs mainly blue light, which is short wavelength light (some of the green and red light is also absorbed), and the subsequent photodiode 2 absorbs the green light (some of the red light is also absorbed). Red light is absorbed by the photodiode 3 in the bottom layer. The intensity of the incident light is I. Bind, IOゞl BO+ I Go + I RQ
... Expressed as (1). Here, IBO,
Ico, Iyo. are each blue.

緑、赤領域の光の強度を表わしている。物質中の光の透
過は、第7図に示すように、 ■利。’e−at、(2) と表わすことが可能である。tは表面からの深さ、αは
吸収係数、■は深さtでの光の強度である。青、緑、赤
の吸収係数を各々αB、α0゜α7とすれば、各々の色
に対する深さ方向の光強度は IBmlBoee−α”        −(3)1(
、−1(、oee  ”t−(4)IR−IRo−e−
aRt−(5) と表わされる。ここで、αB〉αG〉αRの関係にある
から、第7図に示すように、青、緑。
It represents the intensity of light in the green and red regions. As shown in Figure 7, the transmission of light through a substance is as follows. It can be expressed as 'e-at, (2). t is the depth from the surface, α is the absorption coefficient, and ■ is the intensity of light at the depth t. If the absorption coefficients of blue, green, and red are αB and α0°α7, respectively, the light intensity in the depth direction for each color is IBmlBoee−α”−(3)1(
, -1(, oee "t-(4)IR-IRo-e-
It is expressed as aRt-(5). Here, since the relationship is αB>αG>αR, as shown in FIG. 7, blue and green.

赤等の光がSi中で吸収される深さ方向の領域が異なっ
ている。
The regions in the depth direction where red light and other light are absorbed in Si are different.

いま、第6図において、表面がらバリア4までの深さを
T1、表面からバリア5までの深さをT2、表面からバ
リア6までの深さをT3とすれば、第7図に示すように
、フォトダイオード1で青色の光を略吸収してしまい、
フォトダイオード2までで緑色の光を、フォトダイオー
ド3までで赤色の光を吸収してしまう。各フォトダイオ
ードの量子効率を簡単にするために1と仮定すれば、フ
ォトダイオード1では、−αGT         −
αRT 11− IBO+IGO(1e   リ+Lo(le 
  つ・・・ (6) フォトダイオード2では、 12 = Ico (e ′−aGT’   −αGT
2) + I RQ (e−αRT1−ee αRT 2) フォトダイオード3では、 T3 =IRQ (e ′−aRT2” T3)   
 −(8)e の光が吸収され、その光に相当する電荷が生成される。
Now, in FIG. 6, if the depth from the surface to the barrier 4 is T1, the depth from the surface to the barrier 5 is T2, and the depth from the surface to the barrier 6 is T3, as shown in FIG. , photodiode 1 almost absorbs blue light,
Up to photodiode 2 absorbs green light, and up to photodiode 3 absorbs red light. If the quantum efficiency of each photodiode is assumed to be 1 for simplicity, then for photodiode 1, −αGT −
αRT 11- IBO+IGO(1e li+Lo(le
(6) For photodiode 2, 12 = Ico (e'-aGT'-αGT
2) + IRQ (e-αRT1-ee αRT2) For photodiode 3, T3 = IRQ (e ′-aRT2” T3)
-(8) e light is absorbed and a charge corresponding to the light is generated.

従って、これらの3つの式より、・・・(10) と入射した青、緑、赤の各成分に対する光強度が表わさ
れる。これにより、各フォトダイオード1,2.3で得
た電気信号を外部回路で演算処理することにより、青(
R)、緑(G)、赤(B)の信号を得ることができる。
Therefore, from these three equations, ... (10) represents the light intensity for each of the incident blue, green, and red components. As a result, by processing the electrical signals obtained from each photodiode 1, 2.3 in an external circuit, blue (
R), green (G), and red (B) signals can be obtained.

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の1画
素構成を示す平面図、第2図(a)〜(c)は第1図の
矢視A−A、B−B、C−C断面図、第3図は第1図の
矢視D−D断面図である。
FIG. 1 is a plan view showing one pixel configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2(a) to (c) are arrow views AA, BB, and C in FIG. 1. -C sectional view, and FIG. 3 is a sectional view taken along arrow DD in FIG.

第1図に示すように、垂直CCD20に隣接して光電変
換部30が配置されている。この図では1画素部分を示
すが、垂直CCD20は複数本平行に配置され、各々の
垂直CCD20に沿って複数の光電変換部30が配列さ
れている。
As shown in FIG. 1, a photoelectric conversion section 30 is arranged adjacent to the vertical CCD 20. Although this figure shows one pixel portion, a plurality of vertical CCDs 20 are arranged in parallel, and a plurality of photoelectric conversion units 30 are arranged along each vertical CCD 20.

光電変換部30は、第2図に示すように、深さ方向に3
つに分離したフォトダイオードから形成されている。最
上層のフォトダイオード31は青色を吸収する深さまで
形成され、その下にバリア層であるp−層34が形成さ
れている。2番目のフォトダイオード32は緑色の光を
吸収できる深さまで形成され、その下には同様にバリア
層であるp−層34が形成されている。また、最下層の
フォトダイオード33は赤色の光を吸収できる深さまで
形成されている。
As shown in FIG. 2, the photoelectric conversion section 30 has a depth of 3
It is formed from separate photodiodes. The photodiode 31 in the uppermost layer is formed to a depth that absorbs blue light, and a p- layer 34 as a barrier layer is formed below it. The second photodiode 32 is formed to a depth capable of absorbing green light, and a p- layer 34, which is also a barrier layer, is formed below it. Furthermore, the photodiode 33 in the bottom layer is formed to a depth that allows it to absorb red light.

ここで、フォトダイオードはn−層とp−層の接合で形
成されるが、実質的にはn−層が蓄積ダイオードとして
作用する。そして、これらのフォトダイオード31,3
2.33に隣接してn−層(CCDチャネル)12が形
成され、各フォトダイオード31.32.33の一部は
各々異なる位置で後述する読出しトランジスタのチャネ
ル(p層)に接している。
Here, the photodiode is formed by a junction of an n-layer and a p-layer, and the n-layer essentially functions as a storage diode. And these photodiodes 31, 3
An n-layer (CCD channel) 12 is formed adjacent to the photodiodes 31, 32, and 33, and a portion of each photodiode 31, 32, and 33 is in contact with a channel (p layer) of a readout transistor, which will be described later, at different positions.

なお、上記構成を実現するには、n型のSi基板10上
にpウェル11を形成し、このpウェル11にイオン注
入等によりp+素子分離層1B、n−CCDチャネル1
2.n−フォトダイオード31,32.33及びp−バ
リア層34を形成すればよい。また、イオン注入の代わ
りに、上記各層31〜34をエピタキシャル成長で形成
してもよい。
Note that in order to realize the above configuration, a p-well 11 is formed on an n-type Si substrate 10, and a p+ element isolation layer 1B and an n-CCD channel 1 are formed by ion implantation or the like into this p-well 11.
2. N-photodiodes 31, 32, 33 and p-barrier layer 34 may be formed. Furthermore, instead of ion implantation, each of the layers 31 to 34 may be formed by epitaxial growth.

垂直CCD20は、第3図に示すように、CCDチャネ
ル12上にゲート酸化膜14を介して転送電極を形成し
たもので、1画素当り9個の転送電極21,22.23
を伺えている。
As shown in FIG. 3, the vertical CCD 20 has transfer electrodes formed on the CCD channel 12 via a gate oxide film 14, with nine transfer electrodes 21, 22, 23 per pixel.
I can see that.

そして、3つのフォトダイオード31,32゜33に対
して3電極ずつを対応させている。即ち、青色光を吸収
するフォトダイオード31には転送電極211.221
.23□が対応しており、転送電極221はフォトダイ
オード31上まで伸びて読出しトランジスタのゲートを
兼ねるものとなっている。同様に、緑色光を吸収するフ
ォトダイオード32には転送電極21□。
Three electrodes are made to correspond to each of the three photodiodes 31, 32 and 33. That is, the photodiode 31 that absorbs blue light has transfer electrodes 211 and 221.
.. 23□ corresponds to the transfer electrode 221, which extends to above the photodiode 31 and also serves as the gate of the readout transistor. Similarly, the photodiode 32 that absorbs green light has a transfer electrode 21□.

222.23□が対応し、赤色光を吸収するフォトダイ
オード33には213.223 。
222.23□ corresponds to 213.223 to the photodiode 33 that absorbs red light.

233が対応している。そして、これらの転送電極21
,22.23には3相クロツクφ1゜φ2.φ3が印加
され、フォトダイオード31゜32.33の信号電荷は
垂直CCD20に同時に読出されるものとなっている。
233 is compatible. And these transfer electrodes 21
, 22.23 are three-phase clocks φ1゜φ2. φ3 is applied, and the signal charges of the photodiodes 31, 32, and 33 are simultaneously read out to the vertical CCD 20.

第4図に本実施例装置の全体構成を示す。垂直CCD2
0により転送された信号電荷は、3本の水平CCD41
,42.43に読出される。ここで、垂直CCD20で
転送されたフォトダイオード31からの信号電荷は水平
CCD41に読出され、フォトダイオード32からの信
号電荷は水平CCD42に読出され、フォトダイオード
33からの信号電荷は水平CCD43に読出される。水
平CCD41,42゜43により転送された信号電荷は
、増幅器により増幅されたのち信号処理回路51,52
゜53にそれぞれ供給され、さらに演算処理回路60に
供給される。ここで、信号処理回路51゜52.53は
低ノイズ化処理やサンプルホールド等を行うものである
。演算処理回路60は、前記(9)〜(11)式に示し
た演算を行い、R,G。
FIG. 4 shows the overall configuration of the device of this embodiment. Vertical CCD2
The signal charge transferred by 0 is transferred to three horizontal CCDs 41
, 42.43. Here, the signal charge from the photodiode 31 transferred by the vertical CCD 20 is read out to the horizontal CCD 41, the signal charge from the photodiode 32 is read out to the horizontal CCD 42, and the signal charge from the photodiode 33 is read out to the horizontal CCD 43. Ru. The signal charges transferred by the horizontal CCDs 41, 42 and 43 are amplified by amplifiers and then sent to signal processing circuits 51, 52.
53, and further supplied to the arithmetic processing circuit 60. Here, the signal processing circuits 51, 52, and 53 perform noise reduction processing, sample hold, and the like. The arithmetic processing circuit 60 performs the arithmetic operations shown in equations (9) to (11) above, and calculates R, G.

Bに相当する信号を出力するものである。It outputs a signal corresponding to B.

このような構成において、光電変換部30に光が照射さ
れると、フォトダイオード31では青色の光と緑及び赤
色の光の一部とが吸収され、その吸収量に応じた信号電
荷が蓄積される。同様に、フォトダイオード32では緑
色の光と赤色の光の一部とが吸収され、その吸収量に応
じた信号電荷が蓄積される。さらに、フォトダイオード
33では赤色の光が吸収され、その吸収量に応じた信号
電荷が蓄積される。各フォトダイオード31,32.3
3に蓄積された信号電荷は、読出しトランジスタをON
することにより垂直CCD20に同時に読出される。
In such a configuration, when the photoelectric conversion unit 30 is irradiated with light, the photodiode 31 absorbs the blue light and a portion of the green and red light, and a signal charge is accumulated according to the amount of absorption. Ru. Similarly, the photodiode 32 absorbs green light and a portion of red light, and accumulates signal charges corresponding to the amount of absorption. Further, the photodiode 33 absorbs red light, and accumulates signal charges corresponding to the amount of red light absorbed. Each photodiode 31, 32.3
The signal charge accumulated in 3 turns on the readout transistor.
By doing so, the signals are simultaneously read out to the vertical CCD 20.

ここで、信号読出しの方法としては同時に読出すに限ら
ず、各フォトダイオード31,32゜33の信号電荷を
順次読出すようにしてもよい。
Here, the signal readout method is not limited to simultaneous readout, but may be such that the signal charges of each photodiode 31, 32, 33 are sequentially read out.

但し、一つの読出しトランジスタをONしている際に、
読出しゲートに印加する電圧により他のトランジスタが
ONし、読出すべきでない信号電荷が読出される可能性
がある。従って、信号電荷を順次読出す際には、上側の
フォトダイオードから下側のフォトダイオード方向に読
出しトランジスタをONする。読出しトランジスタにお
いて、上側のトランジスタよりも下側のトランジスタの
方がONするのに高い電圧が必要である。このため、上
側のトランジスタをONした場合、下側のトランジスタ
がONすることはない。下側のトランジスタをONした
時点では上側のフォトダイオードの信号電荷は既に読出
されて空になっているので、上側のトランジスタがON
しても同等問題は生じない。
However, when one readout transistor is turned on,
There is a possibility that other transistors are turned on by the voltage applied to the read gate, and signal charges that should not be read are read. Therefore, when reading signal charges sequentially, the readout transistors are turned on from the upper photodiode to the lower photodiode. In the read transistor, the lower transistor requires a higher voltage to turn on than the upper transistor. Therefore, when the upper transistor is turned on, the lower transistor will not be turned on. When the lower transistor is turned on, the signal charge in the upper photodiode has already been read out and is empty, so the upper transistor is turned on.
However, no equivalence problem arises.

さて、垂直CCD20により転送された信号電荷は、3
本の水平CCD41,42.43に読出されるか、この
ときフォトダイオード31゜32.33から読出され転
送された各信号電荷は、水平CCD41,42.43に
それぞれ読出される。従って、水平CCD41には前記
(6)式で表される信号電荷が、水平CCD42には前
記(7)式で表される信号電荷が、水平CCD43には
前記(8)式で表される信号電荷が読出されることにな
る。水平CCD41゜42.43により転送された信号
電荷は、信号処理回路51,52.53を介して演算処
理回路60に供給される。そして、演算処理回路60で
前記(9) (10)(11)式に示す演算を行うこと
によって、R,G、Bに相当する信号が出力されること
になる。
Now, the signal charge transferred by the vertical CCD 20 is 3
Each signal charge read out to the horizontal CCD 41, 42.43 of the book or read out and transferred from the photodiode 31°32.33 at this time is read out to the horizontal CCD 41, 42.43, respectively. Therefore, the horizontal CCD 41 receives the signal charge expressed by the above equation (6), the horizontal CCD 42 receives the signal charge expressed by the above equation (7), and the horizontal CCD 43 receives the signal charge expressed by the above equation (8). The charge will be read out. The signal charges transferred by the horizontal CCD 41.42.43 are supplied to the arithmetic processing circuit 60 via the signal processing circuits 51, 52.53. Then, by performing the calculations shown in equations (9), (10), and (11) in the calculation processing circuit 60, signals corresponding to R, G, and B are output.

かくして本実施例によれば、光電変換部30を深さ方向
に3つに分割したフォトダイオード31.32.33で
形成し、これらのフォトダイオード31,32.33に
蓄積された各信号電荷に基づき前述した演算処理を行う
ことによって、入力光のR,G、B成分の大きさを検出
することができ、カラー画像を撮像することが可能とな
る。そしてこの場合、1つの固体撮像素子チップでカラ
ー画像が撮像できることから、光学分光系等を必要とせ
ず、全体の構成の簡略化をはかることができる。さらに
色フィルタを用いた装置とは異なり、光の損失が生じる
ことはなく、光の利用効率を高めて感度及び色再現性の
向上をはかることが可能となる。また、異なる材料を積
層するのではなく、同じ材料(Si)のフォトダイオー
ドを積層した構造であるので、特殊の製造方法を用いる
必要はなく、既存の製造方法にて簡易に製造することが
可能であり、実用性大なる利点がある。
Thus, according to this embodiment, the photoelectric conversion section 30 is formed by the photodiodes 31, 32, and 33 divided into three parts in the depth direction, and each signal charge accumulated in these photodiodes 31, 32, and 33 is By performing the above-mentioned arithmetic processing based on this, the magnitudes of the R, G, and B components of the input light can be detected, and a color image can be captured. In this case, since a color image can be captured with one solid-state image sensor chip, an optical spectroscopic system or the like is not required, and the overall configuration can be simplified. Furthermore, unlike devices using color filters, there is no loss of light, and it is possible to increase light utilization efficiency and improve sensitivity and color reproducibility. In addition, since the structure is made by stacking photodiodes made of the same material (Si) instead of stacking different materials, there is no need to use special manufacturing methods, and it can be easily manufactured using existing manufacturing methods. This has a great practical advantage.

第5図は本発明の他の実施例の一画素構成を示す平面図
である。なお、第1図と同一部分には同一符号を付して
、その詳しい説明は省略する。
FIG. 5 is a plan view showing a pixel configuration of another embodiment of the present invention. Note that the same parts as in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed explanation thereof will be omitted.

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、CCD
を用いることなく、光電変換部から読出した信号電荷を
直接取り田すようにしたものである。即ち、フォトダイ
オード31,32゜33には、読出しゲート81,82
.83を備えたトランジスタがそれぞれ接続され、これ
らのトランジスタで読出された信号電荷は不純物拡散層
91,92.93を通って金属配線71゜72.73に
それぞれ取り出されるものとなっている。このような構
成であっても、先の実施例と同様の効果が得られる。
This embodiment differs from the previously described embodiment in that the CCD
The signal charge read out from the photoelectric conversion section is directly extracted without using the photoelectric conversion section. That is, the photodiodes 31, 32 and 33 have readout gates 81 and 82.
.. Transistors 83 are connected to each other, and signal charges read out by these transistors are taken out to metal wirings 71, 92, and 73 through impurity diffusion layers 91, 92, and 93, respectively. Even with such a configuration, the same effects as in the previous embodiment can be obtained.

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例ではフォトダイオードからなる光電変換部
を2次元に配列したが、光電変換部を1次元に配列した
ラインイメージセンサに適用することも可能である。ま
た、光電変換部を構成するフォトダイオードの深さ位置
は、前記第7図に示したR、G、Bの吸収深さに応じて
適宜室めればよい。さらに、光電変換部を構成するフォ
トダイオードは3つに限るものではなく、それ以上に分
割されたものであってもよい。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる
Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. In the embodiment, photoelectric conversion units made of photodiodes are arranged two-dimensionally, but it is also possible to apply the present invention to a line image sensor in which photoelectric conversion units are arranged one-dimensionally. Further, the depth position of the photodiode constituting the photoelectric conversion section may be set as appropriate depending on the absorption depths of R, G, and B shown in FIG. 7. Furthermore, the number of photodiodes constituting the photoelectric conversion section is not limited to three, and may be divided into more than three. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

[発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、半導体中の中で吸
収される光成分が深さ方向で異なることを利用し、光電
変換部としてのフォトダイオードを深さ方向に分離して
設け、分離した各フォトダイオードの検出信号に基づき
所定の演算処理を行うことにより、R,G、Hの成分を
測定することができる。従って、カラー画像を撮像する
ことができ、色分解フィルタや光学分光系を使用するこ
となく、1つの固体撮像素子チップで高感度で色再現性
のよい画像を得ることが可能となる。
[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the present invention, the photodiode as a photoelectric conversion unit can be moved in the depth direction by utilizing the fact that the light component absorbed in the semiconductor differs in the depth direction. R, G, and H components can be measured by providing separate photodiodes and performing predetermined arithmetic processing based on the detection signals of each separated photodiode. Therefore, a color image can be captured, and an image with high sensitivity and good color reproducibility can be obtained with a single solid-state image sensor chip without using a color separation filter or an optical spectroscopy system.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の1画
素構成を示す平面図、第2図及び第3図は第1図の要部
構成を示す断面図、第4図は同実施例の全体構成を示す
模式図、第5図は本発明の他の実施例の1画素構成を示
す平面図、第6図及び第7図は本発明の詳細な説明する
ためのもので、第6図は深さ方向に分離したフォトダイ
オードを示す断面図、第7図は深さ方向に対するR、G
、Bの3色の透過率変化を示す特性図である。 10・・・n型Si基板、 11・・・pウェル、 12・・・CCDチャネル、 13・・・素子分離層、 14・・・ゲート酸化膜、 20・・・垂直CCD。 21.22.23・・・転送電極、 30・・・光電変換部、 31.32.33・・・フォトダイオード、34・・・
バリア層、 41.42.43・・・水平CCD。 60・・ 71゜ 81 。 91゜ 演算処理回路、 72.73・・・金属配線、 82.83・・・読出しゲート、 92.93・・・不純物拡散層。
FIG. 1 is a plan view showing one pixel configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views showing the main part configuration of FIG. 1, and FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing the overall configuration of an example; FIG. 5 is a plan view showing a single pixel configuration of another embodiment of the present invention; FIGS. Figure 6 is a cross-sectional view showing photodiodes separated in the depth direction, and Figure 7 is a cross-sectional view showing R and G in the depth direction.
, B is a characteristic diagram showing changes in transmittance of three colors. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... N-type Si substrate, 11... P well, 12... CCD channel, 13... Element isolation layer, 14... Gate oxide film, 20... Vertical CCD. 21.22.23...Transfer electrode, 30...Photoelectric conversion unit, 31.32.33...Photodiode, 34...
Barrier layer, 41.42.43...Horizontal CCD. 60...71°81. 91° Arithmetic processing circuit, 72.73... Metal wiring, 82.83... Read gate, 92.93... Impurity diffusion layer.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板に複数の光電変換部を設けると共に、
これらの光電変換部で変換され蓄積された信号電荷をそ
れぞれ読出す信号電荷読出し部を設けた固体撮像装置に
おいて、 前記光電変換部は深さ方向に少なくとも3つに分離され
たフォトダイオードからなり、前記信号電荷読出し部は
前記光電変換部の各々のフォトダイオードに対して独立
に接続された読出しトランジスタからなるものであるこ
とを特徴とする固体撮像装置。
(1) In addition to providing a plurality of photoelectric conversion parts on a semiconductor substrate,
In a solid-state imaging device provided with a signal charge readout section that reads out signal charges converted and accumulated in these photoelectric conversion sections, the photoelectric conversion section is composed of at least three photodiodes separated in the depth direction, A solid-state imaging device characterized in that the signal charge readout section includes a readout transistor independently connected to each photodiode of the photoelectric conversion section.
(2)半導体基板にマトリックス状に配置され、且つ各
々が深さ方向に3つに分離された複数のフォトダイオー
ドからなる光電変換部と、これらの光電変換部に対応し
てそれぞれ設けられ、該光電変換部に蓄積された信号電
荷を各々のフォトダイオード毎に読出す3つの読出しト
ランジスタからなる信号電荷読出し部と、これらの信号
電荷読出し部で読出された信号電荷を垂直方向に転送す
る複数本の垂直電荷転送部と、これらの垂直電荷転送部
により転送された信号電荷を水平方向に転送する水平電
荷転送部と、この水平電荷転送部により転送された信号
電荷に基づきR、G、Bの3原色信号を求める演算処理
部とを具備してなることを特徴とする固体撮像装置。
(2) A photoelectric conversion unit consisting of a plurality of photodiodes arranged in a matrix on a semiconductor substrate and each separated into three in the depth direction; A signal charge readout section consisting of three readout transistors that read out the signal charges accumulated in the photoelectric conversion section for each photodiode, and a plurality of transistors that vertically transfer the signal charges read out by these signal charge readout sections. a vertical charge transfer section, a horizontal charge transfer section that horizontally transfers the signal charges transferred by these vertical charge transfer sections, and a horizontal charge transfer section that transfers R, G, and B signals based on the signal charges transferred by the horizontal charge transfer section. What is claimed is: 1. A solid-state imaging device comprising: an arithmetic processing unit that obtains three primary color signals.
(3)前記水平電荷転送部は前記光電変換部の3つのフ
ォトダイオードに対応して3本形成され、各々の水平電
荷転送部には前記垂直電荷転送部により転送された信号
電荷を、同じ深さ位置のフォトダイオード毎に分離して
供給することを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置
(3) Three horizontal charge transfer sections are formed corresponding to the three photodiodes of the photoelectric conversion section, and each horizontal charge transfer section transfers the signal charge transferred by the vertical charge transfer section to the same depth. 3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is supplied separately for each photodiode at a different position.
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