JPS5814569A - カラ−撮像装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 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）フィルタから成るカラーフィルタを配置
し、被写体像をこのカラーフィ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、一
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
に対する感度が漬なり、そのま−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
フィルタの各色に対する感度が見掛上等しくなるように
色感度の捕正を行なっている。□第７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
飼を示すものである。第７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かはｘ　４１０　ｎｍの赤
色の相対感度がＯｏｔであるのに対し、波長かはνｓｓ
ｏ　ｎｍの緑色および波長がは鵞ダｔｏ　ｎｍの青色の
相対感度く、かつ各色感度が著しく異なっている。゛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ｔｏｏ　ｎｍ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
赤外カットフィルタを配置してカットび一色感度に比し
て高いことから、この赤外カットフィルタにより赤色波
長領域まで一部カットすることにより、このフィルタに
赤色フィルタの透過率を緑および青色フィルタに比し小
さく抑える作用を兼ねさせることもある。

第７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
ィルタの各色の透過率を変える方法、■色信号の重み付
は法、■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λ図ａに示すように緑色
フィルタＧを順次のライン上で市松状にルタＢをライン
毎交互に緑色フィルタＧに隣接し′　て配置したカラー
フィルタ／を用い、このカラーフィルタＩの各色フィル
タＲ，Ｇ、Ｂの分光透過特性をそれぞれ第２図すに示す
ように設定して、固体撮像素子の各色フィルタに対応す
る受光セルの見掛上の色感度を第２図０に示すようには
！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、蕗Ｊｖ！Ｊに示すよ
うに、撮影レンズコを介してカラーフィルタを有する固
体撮像素子Ｊ上に結像される被写体像の画素信号を、プ
リアンプダおよびサンプリング回路Ｓ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（１青色信
号Ｂに対しては重み付は回路ｔにより１以上の重みをか
け、色感度の高い赤色信号Ｒに対しては重み付は回ｉ！
８７により７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、
重み付は回路４および７等の余分な信号処理回路な必要
とするため、構成が複雑かつ高価となる本具合がある。

更に、上記■の色感度補正方法は、第参図に示すように
、固体撮像素子ｌの赤色フィルタＲＳ緑色フィルタＧお
よび青色フィルタＢに対応するそれｆれの受光セルの受
光窓デ、／θおよびｌ／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ｊの全ての受光セル
の配列間隔を暖も大きい面積の受光窓すなわち青色フィ
ルタＢに対応する受光室を形成する受光セルに合わせる
必要があるため、受光室面積が小さい緑色フィルタＧお
よび赤色フィルタ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って像の再現性したがっ
て解像度が低下すると共に。

製作上も不利となる不Ｊｌがある。

本発明の目的は上述した不具合を解決し、カラーフィル
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、カラーフィ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かは鵞等しくなる
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
るものであ由。

本発明は、多数の受光セルを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
複数の色フィルタから成るカラーフィルタとを具えるカ
ラー撮像装置において、前記固体撮像素子の個々の受光
セルを増幅機能を有する素子をもって構成すると共に、
これら各受光セルの増幅率を、前記カラーフィルタの各
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。

本発明の好適実施例においては、固体撮像素子の個々の
受光セルを増幅機能を有するホ））ランジスタをもって
構成する。このように各受光セルを増幅機能を有するホ
トトランジスタをもって構成すれば、入射光によって発
生したキャリア（ＮＰＮホトトランジスタの場合には正
孔）を蓄積するぺ−ス層の厚さおよび／または幅の寸法
を変化させることにより所定の増幅率を得ることができ
る。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第３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−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ックス状
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ィルタ（図示せず）の各色
に対する感度に応じて、色感度が見掛上は！等しくなる
ように設定したものである０第ｊ図では２個の受光セル
２／ａおよび１ｂのみを示すが、個々の受光セルはｎ＋
の同一基体ｎにｎ−のコレクタ領域２４１、ｐのベース
領域Ｂおよびｎ　のエミッタ領域スを順次接合すると共
に、表面のエミッタ領域スに信号読出し用の金属配線１
を接続して形成する。なお１．各受光セルの表面はエミ
ッタ領域ぶと金属配ｌｌ１１２７との接続部を除いて酸
化１１ｆｆで絶縁被覆する。第５図に示す受光セル２１
５Ｌおよび２／ｂはカラーフィルタの異なる色に対応す
るもので、本例ではベース領域Ｂの厚さＷＢ＆、ＷＢｂ
の寸法を適切に設定することにより、受光セル２／ａお
よび２／ｂにおける色感度が見掛上はヌ等しくなるよう
にこれらの増幅率を設定する。

すなわち、受光セル２／ａおよび２／ｂはベース領域Ｂ
の厚さのみが構造上具なり、増幅率はベース領域Ｂの厚
さが薄い受光セ／Ｌ／２／ｂの方が大きい。なベース領
域Ｂの製作法としては、コレクタ領域２ヂの形成後、先
ず深いベース領域を形成する受光セル２／ａに対してベ
ース７オトリソグラフイツクを行なってＰ型不純物を拡
散し、その後受光セル２／ａ−および２／ｂの双方のペ
ースフオＹリソグラフィツクを行なって再びＰｆｉ不純
物を拡散することにより、受光セル１ａに、おいては厚
いベース領域Ｂを、受光セル２／ｂにおいては薄いベー
ス領域Ｂをそれぞれ形成することができる。その後は、
通−常　　　□あホトトランジスタの製造工程に従って
エミッタ拡散、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２／ａ、２７ｂ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ック構
造より成るＮＰＮ型ホトトランジスタをもって構成する
。第４図では３個の受光セルＪｌ＆　、　ｊ／ｂおよび
３１０のみを示すが、個々の受光セルは同一の真性半導
体（１）基体３３の裏面側にｎ＋層３４Ｉを介して透明
電極３ｊを設け、表面側にはＰのベース領域３６および
ｎ＋のエミッタ領域ｎを順次に接合すると共に、表面の
エミッタ領域Ｉに信号読出し用の金属配線３ｊを接続し
て形成する。なお、各受光セルの表面はエミッタ領域ｎ
と金属配＠３１との接続部を除いて酸化膜１で絶縁被覆
する。＃！≦図に示す受光セルｊ／ａ　、　ｚｔｂおよ
びＪｌｏはカラーフィルタ（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Ｊ／ａのベース領域３
ｔの厚さ”Ｂａおよび輻ＬＢａを基準とし、受光セルＪ
ｏｂにおいてはそのベース領域３ぶの厚さＷＢｂおよび
幅ＬＢｂをそれぞれ”Ｂｂ　＜　”ＢａおよびＬＢｂ−
ＬＢａとし、受光セルＪ１０においてはそのベース領域
３乙の厚さＷＢｏおよび幅ＬＢ０をそれぞれ”Ｂｅ””
Ｂａおよ”　ＬＢｅ　＜　ＬＢａとして、受光セル１／
ｅＪ、　、　３１ｂおよびＪｌｏにおける色感度が見掛
上は！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７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３Ｓに正のバイアス
電圧Ｖ６（＋）を印加して高抵抗の１層３３をｎ＋層３
４＋からベース領域３乙に至るまで空乏化した状態で、
透明電極３Ｓに光が入射すると、これにより１層３３の
ｎ＋層３１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３グに引き込まれ、正孔は
１層３３に加わっている電界により加速されては覧飽和
速度でゲート領域３乙に流れ込み、このゲート領域３６
を正に帯電する。

ゲート領域３４が正に帯電すると、エミッタ領域ｎとの
間が順方向にバイアスされることになってこの間の電位
障壁が低くなるから、エミッタ領域ｎから電子がゲート
領域３乙に注入され、この注入された電子はゲート領域
３６を通過し、高抵抗の土層３３をドリフト走行して裏
面のｎ＋層３４Ｉに吸収される。このように表面のｎ＋
層すなわちエミッタ領域Ｉか石電子が流出すると、この
領域ｎも電子が不足して正に帯電され、ついにはベース
領域３ｔと平衡状態に達して電子の流れが停止する。こ
のときのエミッタ領域ｎの電位は、ベース領域３乙の電
位より拡散電位だけ高くなる。

こ−でベース領域３≦の電位Ｖ（ｔ）は、Ｖ（ｔ）Ｚ　
ｑ　−ｓ　−ｏ　−ｔ７０ｆ＋　Ｖｂｌとなる。た！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、Ｏｆはベース領域３ｔとエミッタ領域Ｉ
との間の空乏層容量、Ｖｂｉ　ハペース領域３≦とエミ
ッタ領域ｎ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に反比例する。

第ぶ図において、受光セルｊ／ｂは受光セル３１ａに比
しペース領域３乙の厚さのみが薄くなっている。

したがって、受光セルＪ／ｂにおいては、エミッタ領域
Ｉに接続した金属配線３１を介して画素４１号を読出す
ときに、ペース領域３乙の電位変化に応じてエミッタ領
域〃から透明電極３ｊに向けて流れる光電流（電子）が
、ベース領域３≦の厚さＷＢｂが受光また、受光セルＪ
１０は、受光セルＪＩ＆に比しベース領域３６の幅のみ
が短くなっている。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Ｊ１０のベース領
域３６の底面積は（ＬＢｏ）となり、受光セル３／ｅＬ
および３１０のベース領域３６とエミッタ領域ｎとの間
の空乏層容量をそれぞれＯｆａおよびＣｆｃとすれば、
これらの間には、が成り立つ。したがって、受光セルＪ
／ａおよびＪ／６のそれぞれのべ一憂値域３６の電位を
それぞれＶａ（ｔ）　　　’およびＶ。（１）とすれば
、ｖｏ（ｔ）は部分で受光セル、？１０のｎ＋層３１近
傍の高抵抗１層３３で発生した正孔も強い電界の作用に
より、は鵞確実に受光セル１１０のペース領域３乙に流
れ込むためと考えられる。

なお、厚いベース領域３≦の製作法としては、第３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、幅の挾いベース領
域３ｔおよ沙エミッタ領域１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ペー
ス領域３乙の厚さおよび／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−見掛上等しくすることができる。

なお、第４図においては基体３３は真性半導体（１）に
限らず、高抵抗のｎ−またはｐ−の基体を甫いることも
できるし、またｎ＋層３１を除いて基体３３と透明電極
３ｊとをショッ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ぶ図に示した裏面照射
Ｍ７ツク構造のホ））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
を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７個の受光子ルダｌのみを示すが、個々の
受光セルはホトトランジスタのｎ＋のエミッタ領域１を
７０−ティングにして、このエミッタ領域Ｉに接合して
ｎ−のバルク層（ドレイン領域）−２を形成し、このバ
ルク層鴨に接合してｐ＋のゲート領域Ｑおよびｎ＋−ソ
ース領域邦をそれぞれ〜形成して、これらゲート領域Ｃ
およびソース領域仰をそれぞれワードライン電極グｊお
よびビットライン電極６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
ン電極社、ピットライン電極らの接続部を除いて酸化膜
３１で絶縁する。か−る受光セルＶにおいては、ワード
ライン電極４ＩＳ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　のエミッタ
領域ｎに表われる画素信号電圧をビットライン電極餡を
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ＷＢおよび／または
幅ＬＢ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１図は本発明のカラー繻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ッ
ク構造より成るＮＰＮ型ホＦトランジスタとこのホトト
ランジスタでの画素信号を銃出すための読出し用トラン
ジスタとをもって構成する。第を図では３個の受光セル
ｊＩ＆　、　ｊ／１）およびｊｌｏのみを示すが、個々
の受光セルのホトトランジスタ部１／＆−／、５１ｂ−
／、３１０−／および読出し用トランジスタ部５ｔｈ−
λ、５ｔｂ−コ。

ｌ１０−Ｊは、ホ）Ｙランジスタ部３ＨＬ　−／　、　
３１ｂ−／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Ｓ３の表面側に、ｎ＋、の工
曙ツタ領域評、Ｐのベース領域お、Ｐ−（ｎ−または土
でもよい）の高抵抗層５６およびｎ層ｊ７を順次に接合
して形成すると共に、表面のｎ１ｌｊ７上にｐ一層おが
空乏化するに十分な正のバイアス電圧７ｓ（＋）を印加
するための電極ｓｒ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ｊ９
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＋のエミッタ領域Ｅｌ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。Ｈｚ図に示す受光セルｊ／
ｅＬ。

ｓｔｂおよび３１０は図示しないカラーフィルタの異な
る色に対応するもの士、本例では受光セル５７ａのベー
ス領域ｊ！ｒの厚さ”Ｂａおよび輔ＬＢＩＬを基準とし
、第を図と同様に受光上ｋｊｌｂにおいてはそのベース
領域ＳＳの厚さＷＢｂおよび幅”ＢｂをそれぞれＷＢｂ
＜”ＢａおよびＬＢｂ　−ＬＢａとし、受光セル３１０
においてはそのベース領域ＳＳの厚さｗＢｏおよび幅Ｌ
Ｂｏをそれぞれ”ＢＯ−ＷＢａおよび”Ｂ（：ｔ　＜”
Ｂａとして、受光セル１／ｅＬ　、　ｊｏｂおよびｊｌ
ｏにおける色感度が見掛上は鵞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１図に示すようなフッ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ｓｒに高抵抗層Ｓｔが空
乏化するに十分な正のバイアス電圧ＶＢ（＋）を印加す
ることにより第４図と同様に動作る。

なお、厚さの異なるベース領域ＳＳは、途中の工程で深
いベース領域についてはコ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５ｊ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（０）をＳＩＭＯＸ法（ｓｅｐａｒａｔｉ
ｏｎ　ｂｙ　ｌｌ０Ｉ）ｌａｎｔａｉ　（ｌｘｙｇｅｎ
　）によッテヘース領域ＳＳ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って形成するか、また
は晧９図に１つの受光セルｇのみを示すように絶縁酸化
膜Ｓ？をベース領域ｊＳの方に食込ませることでベース
領域ＳＳ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ｔ／は、第を図と同様ホトトランジ
スタ部＋４／　−／と読出し用トランジスタ部６ノー２
とから成るもので、第を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１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続出し用トランジスタ部とをもって
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、固体撮
像素子の個々の受光セルを増幅機能を有する素子をもっ
て構成すると共に、これら各受光セルの増幅率を、カラ
ーフィ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
ィ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、カラーフィルタの各色に対応□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
、第コ図ａ、ｂおよび０は従来の色感度補正方法の一例
を説明するための縮図、第３図および第ダ図は同じく他
の一つの例を説明するための線図、第ｊ図、第６図、第
７図、第を図および第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
図でコ／ａ、Ｊｌｂ・・・受光セル、Ｂ・・・基体、２
＃・・・コレクタ領域ｓ　ｎ・・・ベース領域、に・・
・エミッタ領域、１・・・金属配線、１・・・絶縁酸化
膜％　Ｊｌ＆、Ｊｌｂ、Ｊｌｏ・・・受光セル、３３・
・・基体、３ダ・・・ｎ＋層、ＪＪ・・・透明電極、３
６・・・ベース領域、Ｉ・・・エミッタ領域、３１・・
・電極。 ｎ・・・絶縁酸化膜、グハ・・受光セル、ｐ・・・バル
ク層、ダ３・・・ゲート領域、仰・・・ソース領域、−
５−ワードライン電極、％・・・ビットライン電極、ｊ
／ａ、　Ｊｌｂ。 ３１０　・・・受光セル、ｊ／ａ−／−、Ｊｌｂ−／、
　ｊ／ｃ−／−・・ホト）ランジスタ部、　ｊ／ａ−２
，Ｊｌｂ−２，３１０−２・・・読出し用トランジスタ
部、！３・・・基体、Ｓ４Ｉ・・・エミッタ領域Ｊｊ・
・・ペース領域、Ｓｔ・・・高抵抗層、ｊ７・・・ｎ＋
層、ｓｒ・・・電極、ｊ？・・・絶縁酸化膜、　４／・
・・受光セル、６／−ｌ・・・ホトトランジスタ部、コ
ｌ−コ・・・続出し用トランジスタ部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　多数の受光セルを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
   色フィルタから成るカラーフィルタとを具えるカラー撮
   像装置において、 前記固体撮像素子の個々の受光セルを増幅機能を有する
   素子をもって構成すると共に、これら各受光セルの増幅
   率を、前記カラーフィ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。 ２　前記増幅機能を有する個々の受光セル牽ホトトラン
   ジスタをもって構成すると共に、このホトトランジスタ
   のペース層の厚さおよび／または幅の寸法を変化させる
   ことにより所定の増幅率を得るようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のカラー撮像装置。