KR101683306B1 - 고체 촬상 장치 및 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
고체 촬상 장치는: 광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판; 및 상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함하며, 상기 광투과율은, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 모든 화소로부터 판독되는 기간인 1프레임보다 더 짧은 반감기를 갖는다.
Description
본 발명은, 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법과 설계 방법 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히, R(적) G(녹) B(청)의 칼라 필터를 갖는 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법과 설계 방법 및 전자 기기에 관한 것이다.
디지털 비디오 전자 기기, 디지털 스틸 전자 기기 등의 전자 기기는, 예를 들면, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서, CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon Transistor) 이미지 센서 등의 고체 촬상 장치를 갖는다.
고체 촬상 장치에서는, 반도체 기판에 복수의 화소가 수평 방향과 수직 방향에서 매트릭스형상으로 배치되고, 수광면이 구성되어 있다. 이 수광면에서는, 각 화소에 예를 들면 포토 다이오드 등의 광전변환부인 센서가 마련되어 있다.
수광면상에는, 피사체상에 의한 광을 각 화소의 센서에 집광하기 위한 집광 구조가 형성되어 있고, 피사체상에 의한 광을 수광하고, 수광한 광을 광전변환함에 의해 신호 전하를 생성하여 화소 신호를 얻는다.
종래의 CCD, CMOS 이미지 센서에서는, 센서부에 입사한 광이 포토 다이오드에서 광전변환되어 입사광을 전하로 변환하여 영상 신호를 얻는다. 이와 같은 디바이스에서는 일정한 노광 시간에 입사하는 광을 전하로 변환하여 축적하는 구조로 되어 있다.
전하 축적량은 유한하기 때문에, 예를 들면 강한 광이 입사한 때 전하가 포화하여 백(白)과 흑(黑)의 계조가 불충분하게 된다. 즉, 상기 고체 촬상 소자에는 적정한 출력 신호를 얻기 위한 입사광량 범위가 존재하는데, 이 범위는 촬상 대상에 비하여 매우 좁다.
그래서 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지를 확대하는 기술이 요망되고 있다.
고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지를 확대하기 위한 종래 기술에서 개시된 몇몇 기술이 이하 설명될 것이다. 종래의 다이내믹 레인지 확대 기술로서, M. F. Snoeij 등에 의한 2005 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors, pp. 169의 "A Low-Power Column-Parallel 12-bit ADC or CMOS imagers," 및 T. Otaka 등에 의한 2005 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors, pp. 173의 "12-Bit Column-paralle ADC with Accelerated Ramp,"에는 입사광량에 응하여 광전변환의 간격을 바꾸는 기술이 개시되어 있다. 또한, 일본 특개2008-167004호 공보에는 입사광량에 따라 게인을 설정하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본 특개2006-333439호 공보에는 광전변환부를 차광하는 차광 부재와, MEMS(MicroElectroMechanical System)를 이용하여 그 차광 부재를 구동하는 액추에이터를 구비한 고체 촬상 소자가 개시되어 있다.
이들 디바이스의 구성에서 다이내믹 레인지 확대를 도모하는 방법 외에 재료를 이용하여 다이내믹 레인지 확대 기술을 실현하려고 하는 제안도 있다.
또한, 일본 특개평 1-248542호 공보 및 일본 특개평 10-65129호 공보에는 고체 촬상 소자의 케이스 부분의 유리의 표면에 재료를 도포하는, 또는 유리 표면과 고체 촬상 소자 사이에 재료를 넣어서 광을 변조함에 의해 다이내믹 레인지를 확대하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본 특개평 1-236649호 공보에는 센서부보다 앞쪽에 재료를 성막하고 조광을 행함으로써 다이내믹 레인지를 확대하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본 특개평 4-65163호 공보에는 포토 다이오드보다 외측에 포토크로믹 재료(photochromic material)를 도포하는 방법이 개시되어 있다.
이들 종래의 기술에서 해결 곤란한 문제로서, 동화 촬영시나, 연사시(連寫時)의 시간 어긋남이 있다. 즉 판독 방식 이용한 수법에서는 복수회 판독시 및 장단(長短) 전하 축적시의 시간 어긋남이, 또한 메커니컬 셔터를 이용한 수법에서는 위치에 의한 시간 어긋남이 일어난다. 그 때문에 화상으로서의 부자연함이 완전히 제거되지 않는다.
한편, 현(現) 고체 촬상 소자의 신호 처리 스피드로 정해지는 스펙이 포토크로믹 현상의 반응 속도에 의해 충족되지 않기 때문에, 상기 상술된 재료 기반의 기술을 고체 촬상 소자에 탑재하는 것은 곤란하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 촬상된 화상에서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서 다이내믹 레인지를 확대할 수 있는 고체 촬상 소자 및 전자 기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 고체 촬상 장치는, 광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판; 및 상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함하며, 상기 광투과율은, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 모든 화소로부터 판독되는 기간인 1프레임보다 더 짧은 반감기를 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 고체 촬상 장치는, 광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판을 포함하고, 상기 화소의 적어도 일부를 포함하는 수광면의 영역에서, 상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함한다. 상기 광투과율은, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 모든 화소로부터 판독되는 기간인 1프레임보다 더 짧은 반감기를 갖는다.
본 발명의 전자 기기는, 고체 촬상 장치와, 상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와, 상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 가지며, 상기 고체 촬상 장치는, 광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판; 및 상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함하며, 상기 광투과율은, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 모든 화소로부터 판독되는 기간인 1프레임보다 더 짧은 반감기를 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 전자 기기는, 고체 촬상 장치와, 상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와, 상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 갖는다. 상기 고체 촬상 장치는, 광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판; 및상기 화소의 적어도 일부를 포함하는 수광면의 영역에서 상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함한다. 상기 광투과율은, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 모든 화소로부터 판독되는 기간인 1프레임보다 더 짧은 반감기를 갖는다.
본 발명의 고체 촬상 장치에 의하면, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능하다.
본 발명의 전자 기기에 의하면, 탑재되는 고체 촬상 장치에 있어서, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 광투과율 특성을 도시하는 그래프.
도 3의 A 내지 D는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소의 출력을 설명하는 모식도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소의 출력을 설명하는 모식도.
도 5의 A 내지 C는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 8의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 포토크로믹 재료의 광투과율 특성을 도시하는 그래프.
도 9의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 포토크로믹 재료의 광투과율 특성을 도시하는 그래프.
도 10의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 11의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 12는 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 13의 A 내지 C은 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 14의 A 및 B는 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 15는 본 발명의 제 5 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 16의 A는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도, 도 16의 B는 일부 확대도.
도 17의 A는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도, 도 17의 B는 일부 확대도.
도 18은 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도.
도 19는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도.
도 20은 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도.
도 21은 본 발명의 제 7 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 22는 본 발명의 제 8 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 23은 본 발명의 제 9 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 24의 A 내지 C는 본 발명의 제 9 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 25는 본 발명의 제 10 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 26은 본 발명의 제 11 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 27의 A 및 B는 본 발명의 제 11 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 28의 A 및 B는 본 발명의 제 11 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 29는 본 발명의 제 12 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 30의 A 내지 C는 본 발명의 제 12 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 31의 A 및 B는 본 발명의 제 12 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 32는 본 발명의 제 13 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 33은 본 발명의 제 14 실시 형태에 관한 전자 기기의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 광투과율 특성을 도시하는 그래프.
도 3의 A 내지 D는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소의 출력을 설명하는 모식도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소의 출력을 설명하는 모식도.
도 5의 A 내지 C는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 8의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 포토크로믹 재료의 광투과율 특성을 도시하는 그래프.
도 9의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 포토크로믹 재료의 광투과율 특성을 도시하는 그래프.
도 10의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 11의 A 및 B는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 12는 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 13의 A 내지 C은 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 14의 A 및 B는 본 발명의 제 4 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 15는 본 발명의 제 5 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 16의 A는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도, 도 16의 B는 일부 확대도.
도 17의 A는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도, 도 17의 B는 일부 확대도.
도 18은 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도.
도 19는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도.
도 20은 본 발명의 제 6 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도.
도 21은 본 발명의 제 7 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 22는 본 발명의 제 8 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 23은 본 발명의 제 9 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 24의 A 내지 C는 본 발명의 제 9 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 25는 본 발명의 제 10 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 26은 본 발명의 제 11 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 27의 A 및 B는 본 발명의 제 11 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 28의 A 및 B는 본 발명의 제 11 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 29는 본 발명의 제 12 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 30의 A 내지 C는 본 발명의 제 12 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 31의 A 및 B는 본 발명의 제 12 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도.
도 32는 본 발명의 제 13 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도.
도 33은 본 발명의 제 14 실시 형태에 관한 전자 기기의 개략 구성도.
이하에, 본 발명의 고체 촬상 장치 및 전자 기기의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하여 설명한다.
또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제 1 실시 형태(포토크로믹 막과 광량 계측부를 갖는 구성)
2. 제 2 실시 형태(칼라 필터와 포토크로믹 막과 광량 계측부를 갖는 구성)
3. 제 3 실시 형태(화소의 색마다 다른 재료의 포토크로믹 막과 광량 계측부를 갖는 구성)
4. 제 4 실시 형태(화소의 색마다 다른 막두께의 포토크로믹 막과 광량 계측부를 갖는 구성)
5. 제 5 실시 형태(칼라 필터와 포토크로믹 막이 동일한 층인 구성)
6. 제 6 실시 형태(화소에 대한 포토크로믹 막의 레이아웃)
7. 제 7 실시 형태(제 1 실시 형태에 대해 리셋부를 생략한 구성)
8. 제 8 실시 형태(제 2 실시 형태에 대해 리셋부를 생략한 구성)
9. 제 9 실시 형태(제 1 실시 형태에 대해 광량 계측부를 갖지 않는 구성)
10. 제 10 실시 형태(제 2 실시 형태에 대해 광량 계측부를 갖지 않는 구성)
11. 제 11 실시 형태(제 3 실시 형태에 대해 광량 계측부를 갖지 않는 구성)
12. 제 12 실시 형태(제 4 실시 형태에 대해 광량 계측부를 갖지 않는 구성)
13. 제 13 실시 형태(제 5 실시 형태에 대해 광량 계측부를 갖지 않는 구성)
14. 제 14 실시 형태(전자 기기에의 적용)
<제 1 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 1은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
예를 들면, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 화소마다 구분하여 광전변환부인 포토 다이오드(11)가 형성된 수광면이 구성되어 있다. 도면상에는 하나의 화소만을 나타내고 있다.
수광면 상의 화소에 대해 상세히 설명한다.
예를 들면, 포토 다이오드(11)에 의해 반도체 기판(10) 상에 마련된 수광면은 산화 실리콘, 질화 실리콘, 수지 또는 이들의 적층체 등으로 이루어지는 제 1 절연막(12)으로 피복되어 있다.
예를 들면, 제 1 절연막(12)의 상층에, 산화 질화 실리콘 등으로 이루어지는 제 2 절연막(13)이 형성되어 있다.
예를 들면, 제 2 절연막(13)의 상층에, 질화 실리콘 등으로 이루어지는 제 3 절연막(14)이 형성되어 있다.
예를 들면, 적어도 일부의 화소의 형성 영역에서, 제 3 절연막(14)의 상층에, 하부 전극(15), 포토크로믹 막(16), 상부 전극(17)이 적층되어 있다.
포토크로믹 막(16)은, 포토 다이오드(11)에 대한 광로(light path)에서 마련되고, 미리 결정된 파장 영역에서의 입사광 강도에 응하여 광투과율이 변동하는 포토크로믹 재료를 포함한다.
도 1은, 또한 상기 포토크로믹 막(16)이 광전변환 기능을 갖는 경우의 디바이스 구조를 도시하고 있다. 즉, 포토크로믹 막에 입사한 광이 광전변환에 의해 전하로 변환되고, 전극을 통하여 상기 전하량을 모니터한다. 이 경우의 하부 전극(15) 및 상부 전극(17)은, 예를 들면 ITO(산화 인듐 주석) 등의 투명 전극이다.
예를 들면, 상부 전극(17)상에, 온 칩 렌즈(19)가 형성되어 있다.
포토크로믹 재료는, 상기한 바와 같이 미리 결정된 파장 영역에서의 입사광 강도에 응하여 광투과율이 변동한다.
도 2는, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 포토크로믹 막의 광투과율 특성을 도시하는 그래프이다. 종축은 광투과율(%)이고, 횡축은 광강도(상대치)이다.
예를 들면, 포토크로믹 막은 가시광 영역의 입사광 강도에 응하여 광투과율이 변하고, 가시광 영역에서의 광투과율은 입사광량이 많을 때보다 적을 때의 쪽이 높은 특성을 갖는다. 또한, 예를 들면, 포토크로믹 막의 가시광 영역에서의 광투과율은 입사광량에 응하여 연속적으로 변화한다.
상기한 포토크로믹 막은, 광조사시에 광투과율이 저하되고, 광을 차단하면 광투과율의 저하가 회복하여 본래의 광투과율로 되돌아온다. 이 때의 광의 차단부터 광투과율의 변동폭의 반분의 값을 회복하기까지에 필요한 기간을 반감기라고 칭한다.
본 실시 형태에서는, 화소에서 얻어지는 화소 신호가 전 화소에 대해 판독되는 기간, 즉, 1프레임보다, 포토크로믹 막의 광투과율의 반감기가 짧다.
예를 들면, 고체 촬상 장치의 프레임 레이트가 60fps인 경우, 1프레임은 약 17㎳가 되고, 이와 같은 경우에는, 17㎳보다 반감기가 짧은 포토크로믹 재료가 사용된다.
포토크로믹 재료는, 예를 들면, 헥사아릴비스이미다졸 유도체이다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도(高照度)에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
도 3의 A 내지 D는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소의 출력을 설명하는 모식도이다.
도 3의 A는 포토크로믹 막을 갖지 않는 구성의 고체 촬상 장치의 고조도시의 출력을 화소 번호에 대해 나열한 그래프이고, 도 3의 B는 도 3의 A에 대해 포토크로믹 막을 마련한 경우의 고조도시의 출력을 화소 번호에 대해 나열한 그래프이다.
도 3의 B에서, 포토크로믹 막의 광투과율이 저하함에 의해, 입사광에 대한 출력은 어느 화소의 출력도 V1만큼 저하되어 출력된다.
도 3의 C는 포토크로믹 막을 갖지 않는 구성의 고체 촬상 장치의 저조도시의 출력을 화소 번호에 대해 나열한 그래프이고, 도 3의 D는 도 3의 C에 대해 포토크로믹 막을 마련한 경우의 저조도시의 출력을 화소 번호에 대해 나열한 그래프이다.
도 3의 D에서, 포토크로믹 막의 광투과율의 저하가 고조도시보다 작기 때문에, 실제 V2는 극히 근소한 양이다.
상기한 바와 같이, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서는 투과율의 저하가 거의 없기 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 화소의 출력을 설명하는 모식도이다. 도 4에 도시된 그래프는, 고체 촬상 장치의 화소마다 고조도로부터 저조도로 연속적으로 변화하는 광을 조사한 때의 출력을 화소에 대해 나열한 그래프이다.
예를 들면, 포토크로믹 막의 가시광 영역에서의 광투과율은 입사광량에 응하여 연속적으로 변화하는 구성을 나타내고 있다.
또한, 포토크로믹 막의 가시광 영역에서의 광투과율은 입사광량에 응하여 불연속, 예를 들면 다단계로 변화하는 구성이라도 좋다.
또한, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능하다.
또한, 저조도에서는 투과율 저하의 정도가 극히 작아 광투과율은 각 프레임에 대응하여 변화하기 때문에, 저조도시의 SN비의 저하를 초래하는 일도 없다.
또한, 예를 들면, 포토크로믹 막(16)이 흡수한 광량을 계측하는 광량 계측부가 또한 마련되어 있다. 이 경우, 포토크로믹 막(16)으로서, 광을 흡수하면 광전 효과에 의해 광전자가 생성되는 포토크로믹 막이 사용된다. 광전자에 의한 전류 또는 그것에 기인하는 전압을 계측함으로써 광량을 계측할 수 있다.
예를 들면, 화소 영역과는 다른 영역의 반도체 기판(10)에, 산화 실리콘 등의 게이트 절연막(30) 및 폴리실리콘 등의 게이트 전극(31) 등이 형성되어 있고, 당해 게이트 전극(31)의 양 측부에서의 반도체 기판(10)에 소스 드레인(32, 33)이 형성되어 있다.
또한, 예를 들면, 마찬가지로 반도체 기판(10)에, 산화 실리콘 등의 게이트 절연막(34) 및 폴리실리콘 등의 게이트 전극(35) 등이 형성되어 있고, 당해 게이트 전극(35)의 양 측부에서의 반도체 기판(10)에 소스 드레인(36, 37)이 형성되어 있다.
상기한 바와 같이, 반도체 기판(10)에 MOS 트랜지스터가 구성되어 있다.
상기한 하부 전극(15)은, 소스 드레인(32) 및 게이트 전극(35)에 접속되고, 상부 전극(17)은 접지되어 있다.
또한, 소스 드레인(33, 36)은 소정의 전압이 인가된다.
상기한 광량 계측부는, 상기한 MOS 트랜지스터에 의해 구성된다.
소스 드레인(32)은, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 플로팅 디퓨전에 상당한다.
게이트 전극(35)이 구성하는 MOS 트랜지스터는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 증폭 트랜지스터에 상당한다.
즉, 포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자는 소스 드레인(32)인 플로팅 디퓨전에 축적된다. 축적된 광 전하에 응하여 소스 드레인(37)으로부터 출력(S)이 출력된다.
얻어지는 신호(S)는, 상기한 포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자에 기인하는 전압을 계측한 신호이고, 포토크로믹 막(16)이 흡수한 광량을 계측할 수 있다.
또한, 게이트 전극(31)이 구성하는 MOS 트랜지스터는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 리셋 트랜지스터에 상당한다.
예를 들면, 또한, 게이트 전극(31)을 온으로 함으로써, 소스 드레인(32), 즉 플로팅 디퓨전중의 광 전하를 리셋할 수 있다.
또한, 광량 계측부에서 계측된 광량에 관한 광신호와 각 화소의 포토 다이오드에서 얻어지는 광신호와 조합시켜, 화소에서의 화소 신호로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 광량 계측부에서 계측된 광량에 관한 광신호와 각 화소의 포토 다이오드에서 얻어지는 광신호에 필요한 처리를 행하기 위한 도시하지 않은 신호 처리부가 또한 마련되어 있는 것으로 한다. 신호 처리부에서는, 각 신호에 대해 필요한 연산 처리가 이루어진다. 예를 들면, 각 신호에 대해 미리 결정된 정수를 곱하여, 이들의 합을 산출한다.
예를 들면, 도 3의 B의 경우에 출력(V1)분을 가산하고, 도 3의 D의 경우에 출력(V2)을 가산한다.
본 실시 형태에서는, 포토크로믹 막의 재료에 광전변환 기능을 갖는 재료를 이용한 디바이스에 관해 설명하였지만, 상기 광전변환 기능이 없는 경우는, 포토크로믹 막의 입사광량과 투과율과의 관계를 얻을 수 있으면, 신호 처리로 본래의 출력을 합성할 수 있다. 이 경우는 도 1의 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31), 소스 드레인(32, 33), 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다. 이 경우는, 전자 셔터의 가장 짧은 시간에 받아들이는 광량에 맞추어서 신호 처리의 감마 테이블을 작성하여 둔다.
또한, 도 1에서 인가하는 전압의 범위 내에서 포토크로믹 막 내의 전하가 포화하지 않는다면 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31) 및 소스 드레인(32, 33)의 전하를 리셋하는 디바이스는 불필요하게 된다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 5의 A 내지 C는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도이다.
우선, 도 5의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 도전성 불순물의 이온 주입 등에 의해, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 화소마다 구분하여, 포토 다이오드(11)를 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등에 의해, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11) 등을 피복하여 전면에, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 수지 또는 이들의 적층체 등으로 이루어지는 제 1 절연막(12)을 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 제 1 절연막(12)의 상층에, 산화 질화 실리콘 등으로 이루어지는 제 2 절연막(13)을 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 제 2 절연막(13)의 상층에, 질화 실리콘 등으로 이루어지는 제 3 절연막(14)을 형성한다.
다음에, 예를 들면 스퍼터링법 등에 의해, 제 3 절연막(14)의 상층에 ITO 등으로 이루어지는 하부 전극(15)을 형성한다.
다음에, 그 상층에 포토크로믹 막(16)을 형성한다. 포토크로믹 막(16)의 형성은 재료에 따라 여러가지의 방법을 선택 가능하지만, 예를 들면 CVD법에 의해 형성할 수 있다. 포토크로믹 막의 재료로서는, 반감기가 고체 촬상 장치의 1프레임보다 짧은 것을 이용한다.
다음에, 예를 들면 스퍼터링법 등에 의해, 그 상층에 상부 전극(17)을 형성한다.
이후의 공정으로서는, 예를 들면, 상부 전극(17)상에, 온 칩 렌즈(19)를 형성한다.
상기한 바와 같이 하여, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
<제 2 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 6은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
적화소, 녹화소 및 청화소를 갖는 것을 제외하고, 실질적으로 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
적화소, 녹화소 및 청화소를 갖는 것에 대응하여, 적화소에서는 광전변환부인 포토 다이오드(11R)가 형성되어 있고, 상부 전극(17)상에 적색의 칼라 필터(18R)가 형성되어 있다.
녹화소에서는 광전변환부인 포토 다이오드(11G)가 형성되어 있고, 상부 전극(17)상에 녹색의 칼라 필터(18G)가 형성되어 있다.
청화소에서는 광전변환부인 포토 다이오드(11B)가 형성되어 있고, 상부 전극(17)상에 청색의 칼라 필터(18B)가 형성되어 있다.
또한, 하부 전극(15), 포토크로믹 막(16) 및 상부 전극(17)은, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 공통의 막으로서 형성되어 있다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
또한, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 광량 계측부가 형성되어 있다.
포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자는 소스 드레인(32)인 플로팅 디퓨전에 축적된다. 축적된 광 전하에 응하여 소스 드레인(37)으로부터 출력(S)이 출력된다.
얻어지는 신호(S)는, 상기한 포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자에 기인하는 전압을 계측한 신호이고, 포토크로믹 막(16)이 흡수한 광량을 계측할 수 있다.
또한, 게이트 전극(31)이 구성하는 MOS 트랜지스터는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 리셋 트랜지스터에 상당한다.
예를 들면, 또한, 게이트 전극(31)을 온으로 함으로써, 소스 드레인(32), 즉 플로팅 디퓨전중의 광 전하를 리셋할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 포토크로믹 막의 재료에 광전변환 기능을 갖는 재료를 이용한 디바이스에 관해 설명하였지만, 상기 광전변환 기능이 없는 경우는, 포토크로믹 막의 입사광량과 투과율과의 관계를 얻을 수 있으면, 신호 처리로 본래의 출력을 합성할 수 있다. 이 경우는 도 1의 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31), 소스 드레인(32, 33), 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다. 이 경우는, 전자 셔터의 가장 짧은 시간에 받아들이는 광량에 맞추어서 신호 처리의 감마 테이블을 작성하여 둔다.
또한, 도 6에서 인가하는 전압의 범위 내에서 포토크로믹 막 내의 전하가 포화하지 않는다면 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31) 및 소스 드레인(32, 33)의 전하를 리셋하는 디바이스는 불필요하게 된다.
<제 3 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 7은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
포토크로믹 막이, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 다른 재료로 이루어지는 것을 제외하고, 실질적으로 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
적화소에서는, 적화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 갖는 포토크로믹 막(16R)이 형성되어 있다.
녹화소에서는, 녹화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 갖는 포토크로믹 막(16G)이 형성되어 있다.
청화소에서는, 청화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 갖는 포토크로믹 막(16B)이 형성되어 있다.
또한, 하부 전극(15) 및 상부 전극(17)은, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 공통의 막으로서 형성되어 있지만, 구분되어 있어도 좋다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
또한, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 광량 계측부가 형성되어 있다.
포토크로믹 막(16R, 16G, 16B)에서 생성된 광전자는 소스 드레인(32)인 플로팅 디퓨전에 축적된다. 축적된 광 전하에 응하여 소스 드레인(37)으로부터 출력(S)이 출력된다.
얻어지는 신호(S)는, 상기한 포토크로믹 막(16R, 16G, 16B)에서 생성된 광전자에 기인하는 전압을 계측한 신호이고, 포토크로믹 막(16R, 16G, 16B)이 흡수한 광량을 계측할 수 있다.
또한, 게이트 전극(31)이 구성하는 MOS 트랜지스터는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 리셋 트랜지스터에 상당한다.
예를 들면, 또한, 게이트 전극(31)을 온으로 함으로써, 소스 드레인(32), 즉 플로팅 디퓨전중의 광 전하를 리셋할 수 있다.
상기한 적화소용의 포토크로믹 막(16R), 녹화소용의 포토크로믹 막(16G) 및 청화소용의 포토크로믹 막(16B)을 구성하는 각 재료로서는, 예를 들면, 헥사아릴비스이미다졸 유도체를 이용할 수 있다.
치환기를 적절히 변경함으로써, 여러가지의 흡수 파장 영역 및 응답 속도 등을 조절할 수 있다.
예를 들면, 청화소용의 포토크로믹 막의 재료로서, 하기한 화합물을 바람직하게 이용할 수 있다.
[화학식 1]
도 8의 A는, 상기한 헥사아릴비스이미다졸 유도체의 광조사시의 △O.D.(광학밀도 변화)와, 이제부터 광을 차폐한 때의 △O.D.(광학밀도 변화)의 시간 변화이고, 광흡수 스펙트럼의 시간 변화에 상당한다. 스펙트럼의 간격은, 20㎳이다.
또한, 도 8의 B는 25℃에서의 400㎚의 △O.D.의 시간 변화이다. 반감기가 약 33㎳이고, 광조사에 응하여 고속으로 광투과율이 변화하기 때문에, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능하다.
또한 예를 들면, 녹화소용의 포토크로믹 막의 재료로서, 하기한 화합물을 바람직하게 이용할 수 있다.
[화학식 2]
도 9의 A는, 상기한 헥사아릴비스이미다졸 유도체의 광조사시의 △O.D.(광학밀도 변화)와, 이제부터 광을 차폐한 때의 △O.D.(광학밀도 변화)의 시간 변화이고, 광흡수 스펙트럼의 시간 변화에 상당한다. 스펙트럼의 간격은, 20㎳이다.
또한, 도 9의 B는 25℃에서의 400㎚의 △O.D.의 시간 변화이다. 반감기가 약 173㎳이고, 광조사에 응하여 고속으로 광투과율이 변화하기 때문에, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능하다.
상기한 각 헥사아릴비스이미다졸 유도체는, 관동화학주식회사로부터 고속 발소색(發消色) 포토크로믹 화합물로서 구입 가능하다.
또한 예를 들면, 적화소용의 포토크로믹 막의 재료로서는, 상기한 헥사아릴비스이미다졸 유도체에 있어서 치환기를 적절히 변경함으로써, 알맞은 흡수 파장 영역 및 응답 속도 등을 조절할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 10의 A 내지 도 11의 B는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도이다.
우선, 도 10의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 도전성 불순물의 이온 주입 등에 의해, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 적화소, 녹화소 및 청화소의 화소마다 구분하여, 포토 다이오드(11R, 11G, 11B)를 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11R, 11G, 11B) 등을 피복하여 전면에 제 1 절연막(12), 제 2 절연막(13) 및 제 3 절연막(14)을 형성한다.
다음에, 예를 들면 스퍼터링법 등에 의해, 제 3 절연막(14)의 상층에 ITO 등으로 이루어지는 하부 전극(15)을 형성한다.
다음에, 도 10의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(16B)을 형성한다. 다음에, 청화소의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭) 처리 등으로 패턴 가공하고, 청화소 영역을 남겨 두고 다른 영역의 포토크로믹 막(16B)을 제거한다.
다음에, 도 11의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(16G)을 형성한다. 다음에, 녹화소의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 녹화소 영역을 남겨 두고 다른 영역의 포토크로믹 막(16G)을 제거한다.
다음에, 도 11의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(16R)을 형성한다. 다음에, 적화소의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 적화소 영역을 남겨 두고 다른 영역의 포토크로믹 막(16R)을 제거한다.
상기한 포토크로믹 막(16B, 16G, 16R)으로서는, 헥사아릴비스이미다졸 유도체에 있어서 치환기를 변경한 등으로 적절히 특성을 선택하여 이용할 수 있다.
다음에, 예를 들면 스퍼터링법 등에 의해, 포토크로믹 막(16B, 16G, 16R)의 상층에 ITO 등으로 이루어지는 상부 전극(17)을 형성한다.
이후의 공정으로서는, 예를 들면, 상부 전극(17)상에, 칼라 필터(18R, 18G, 18B)를 각각 형성하고, 그 상층에 온 칩 렌즈(19)를 형성한다.
상기한 실시 형태에서는, 포토크로믹 막(16B), 포토크로믹 막(16G), 포토크로믹 막(16R)의 순서로 성막 및 패턴 가공하고 있지만, 이것으로 한하지 않고, 적절히 순번을 변경할 수 있다.
상기한 바와 같이 하여, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 포토크로믹 막의 재료에 광전변환 기능을 갖는 재료를 이용한 디바이스에 관해 설명하였지만, 상기 광전변환 기능이 없는 경우는, 포토크로믹 막의 입사광양과 투과율과의 관계를 얻을 수 있으면, 신호 처리에서 본래의 출력을 합성할 수 있다. 이 경우는 도 1의 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31), 소스 드레인(32, 33), 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다. 이 경우는, 전자 셔터의 가장 짧은 시간에 받아들이는 광량에 맞추어서 신호 처리의 감마 테이블을 작성하여 둔다.
또한, 도 7에서 인가하는 전압의 범위 내에서 포토크로믹 막 내의 전하가 포화하지 않는다면 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31) 및 소스 드레인(32, 33)의 전하를 리셋하는 디바이스는 불필요하게 된다.
<제 4 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 12는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
포토크로믹 막이, 적화소, 녹화소 및 청화소로` 동일한 재료로 다른 막두께인 것을 제외하고, 실질적으로 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
포토크로믹 막(16)은, 적화소에서는, 적화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성이 되도록 선택된 막두께(tR)로 되어 있다.
또한, 녹화소에서는, 녹화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성이 되도록 선택된 막두께(tG)로 되어 있더.
또한, 청화소에서는, 청화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성이 되도록 선택된 막두께(tB)로 되어 있다.
또한, 상기한 포토크로믹 막(16)의 상층에, 이들의 막두께의 차에 기인하는 단차를 평탄화하기 위한 평탄화막(20)이 형성되어 있다.
하부 전극(15) 및 상부 전극(17)은, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 공통의 막으로서 형성되어 있지만, 구분되어 있어도 좋다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
또한, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 광량 계측부가 형성되어 있다.
포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자는 소스 드레인(32)인 플로팅 디퓨전에 축적된다. 축적된 광 전하에 응하여 소스 드레인(37)으로부터 출력(S)이 출력된다.
얻어지는 신호(S)는, 상기한 포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자에 기인하는 전압을 계측한 신호이고, 포토크로믹 막(16)이 흡수한 광량을 계측할 수 있다.
또한, 게이트 전극(31)이 구성하는 MOS 트랜지스터는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 리셋 트랜지스터에 상당한다.
예를 들면, 또한, 게이트 전극(31)을 온으로 함으로써, 소스 드레인(32), 즉 플로팅 디퓨전중의 광 전하를 리셋할 수 있다.
상기한 포토크로믹 막(16)을 구성하는 각 재료로서는, 제 3 실시 형태와 마찬가지로, 예를 들면, 헥사아릴비스이미다졸 유도체를 이용할 수 있다.
치환기를 적절히 변경함으로써, 여러가지의 흡수 파장 영역 및 응답 속도 등을 조절할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 13의 A 내지 도 14의 B는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도이다.
우선, 도 13의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 도전성 불순물의 이온 주입 등에 의해, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 적화소, 녹화소 및 청화소의 화소마다 구분하여, 포토 다이오드(11R, 11G, 11B)를 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11R, 11G, 11B) 등을 피복하여 전면에 제 1 절연막(12), 제 2 절연막(13) 및 제 3 절연막(14)을 형성한다.
다음에, 도 13의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 스퍼터링법 등에 의해, 제 3 절연막(14)의 상층에 ITO 등으로 이루어지는 하부 전극(15)을 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(16)을 형성한다.
다음에, 도 13의 C에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 적화소의 형성 영역을 개구하는 레지스트막(21)을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 적화소 영역의 포토크로믹 막(16)을 박막화한다.
다음에, 도 14의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 적화소 및 녹화소의 형성 영역을 개구하는 레지스트막(22)을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 적화소 및 녹화소 영역의 포토크로믹 막(16)을 박막화한다.
상기 에칭 처리에 의해, 적화소에서 막두께(tR), 녹화소에서 막두께(tG), 청화소에서 막두께(tB)의 포토크로믹 막(16)을 얻을 수 있다. 적화소에서 막두께(tR) 은 2회의 에칭 처리로 얻어지는 막두께로 한다.
다음에, 도 14의 B에 도시하는 바와 같이, 포토크로믹 막(16)의 상층에 ITO 등으로 이루어지는 상부 전극(17)을 형성한다.
다음에, 포토크로믹 막(16)상에 수지 등을 도포하고` 평탄화막(20)을 형성한다.
이후의 공정으로서는, 예를 들면, 평탄화막(20)상에, 온 칩 렌즈(19)를 형성한다.
상기한 실시 형태에서는, 포토크로믹 막(16)의 막두께로서 막두께(tR)가 가장 얇고, 막두께(tB)가 가장 두껍기 때문에 상기한 공정으로 하고 있지만, 막두께의 순번에 의해 적절히 변경 가능하다. 가장 얇은 막두께의 영역에서 상기한 바와 같이 2회 에칭에 의한 박막화를 행하도록 하면 좋다.
상기한 바와 같이 하여, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 포토크로믹 막의 재료에 광전변환 기능을 갖는 재료를 이용한 디바이스에 관해 설명하였지만, 상기 광전변환 기능이 없는 경우는, 포토크로믹 막의 입사광량과 투과율과의 관계를 얻을 수 있으면, 신호 처리로 본래의 출력을 합성할 수 있다. 이 경우는 도 1의 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31), 소스 드레인(32, 33), 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다. 이 경우는, 전자 셔터의 가장 짧은 시간에 받아들이는 광량에 맞추어서 신호 처리의 감마 테이블을 작성하여 둔다.
또한, 도 12에서 인가한 전압의 범위 내에서 포토크로믹 막 내의 전하가 포화하지 않는다면 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31) 및 소스 드레인(32, 33)의 전하를 리셋한` 디바이스는 불필요하게 된다.
<제 5 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 15는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
포토크로믹 막과 칼라 필터가 동일한 막으로서 형성되어 있는 것을 제외하고, 실질적으로 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
즉, 적화소에서는, 적화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 가지며, 적색 칼라 필터를 겸하는 포토크로믹 막(16R)이 형성되어 있다.
녹화소에서는, 녹화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 가지며, 녹색 칼라 필터를 겸하는 포토크로믹 막(16G)이 형성되어 있다.
청화소에서는, 청화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 가지며, 청색 칼라 필터를 겸하는 포토크로믹 막(16B)이 형성되어 있다.
또한, 하부 전극(15) 및 상부 전극(17)은, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 공통의 막으로서 형성되어 있지만, 구분되어 있어도 좋다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
또한, 제 1 실시 형태와 마찬가지로 광량 계측부가 형성되어 있다.
포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자는 소스 드레인(32)인 플로팅 디퓨전에 축적된다. 축적된 광 전하에 응하여 소스 드레인(37)으로부터 출력(S)이 출력된다.
얻어지는 신호(S)는, 상기한 포토크로믹 막(16)에서 생성된 광전자에 기인하는 전압을 계측한 신호이고, 포토크로믹 막(16)이 흡수한 광량을 계측할 수 있다.
또한, 게이트 전극(31)이 구성하는 MOS 트랜지스터는, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 화소를 구성하는 리셋 트랜지스터에 상당한다.
예를 들면, 또한, 게이트 전극(31)을 온으로 함으로써, 소스 드레인(32), 즉 플로팅 디퓨전중의 광 전하를 리셋할 수 있다.
상기한 적화소용의 포토크로믹 막(16R), 녹화소용의 포토크로믹 막(16G) 및 청화소용의 포토크로믹 막(16B)을 구성하는 각 재료로서는, 예를 들면, 헥사아릴비스이미다졸 유도체를 이용할 수 있다.
상기는 포토크로믹 특성을 갖을 뿐이기 때문에, 칼라 필터로서 기능하는 성분을 별도 혼합하여 사용된다.
본 실시 형태에서는, 포토크로믹 막의 재료에 광전변환 기능을 갖는 재료를 이용한 디바이스에 관해 설명하였지만, 상기 광전변환 기능이 없는 경우는, 포토크로믹 막의 입사광량과 투과율과의 관계를 얻을 수 있으면, 신호 처리로 본래의 출력을 합성할 수 있다. 이 경우는 도 1의 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31), 소스 드레인(32, 33), 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다. 이 경우는, 전자 셔터의 가장 짧은 시간에 받아들이는 광량에 맞추어서 신호 처리의 감마 테이블을 작성하여 둔다.
또한, 도 15에서 인가하는 전압의 범위 내에서 포토크로믹 막 내의 전하가 포화하지 않는다면 게이트 절연막(30), 게이트 전극(31) 및 소스 드레인(32, 33)의 전하를 리셋하는 디바이스는 불필요하게 된다.
<제 6 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
본 실시 형태는, 상부 전극 및 하부 전극의 분할의 패턴의 변형례이고, 제 1 실시 형태 내지 제 5 실시 형태의 어느 것에도 적용할 수 있다.
도 16의 A는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도이고, 도 16의 B는 일부 확대도이다.
도면중의 태선(D)은 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있는 경계를 나타내고 있다.
본 실시 형태에서는, 적화소(R), 녹화소(G) 및 청화소(B)의 각 화소가 전부 분할되어 있다.
각 화소의 포토크로믹 막과 신호 처리부(40)를 각각 접속한` 배선이 형성되고, 각 화소의 광전변환부인 포토 다이오드의 출력과 포토크로믹 막의 출력으로부터 각 화소에 대응한` 신호(S)가 출력된다.
신호 처리부(40)의 구성은, 예를 들면 일본 특개소59-1088466호 공보에 기재된 회로 구성을 참조하여 형성할 수 있다.
도 17의 A는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도이고, 도 17의 B는 일부 확대도이다.
도면중의 태선(D)은 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있는 경계를 나타내고 있다.
본 실시 형태에서는, 1개`의 적화소(R), 2개의 녹화소(G) 및 1개`의 청화소(B)의 이른바 베이어 배열이라고 칭하여지는 4화소로 이루어지는 화소조(組)마다, 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있다.
각 화소조의 포토크로믹 막에서 생성된 광전자는, 신호 처리부(40)에 각각 접속하는 배선이 형성되고, 각 화소의 포토 다이오드의 출력과, 대응하는 화소조의 포토크로믹 막의 출력으로부터, 각 화소에 대응하는 신호(S)가 출력된다.
도 18은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도이다.
도면중의 태선(D)은 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있는 경계를 나타내고 있다.
본 실시 형태에서는, 2열의 화소로 이루어지는 화소조마다, 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있다.
각 화소조의 포토크로믹 막과 신호 처리부(40)를 각각 접속하는 배선이 형성되고, 각 화소의 포토 다이오드의 출력과, 대응하는 화소조의 포토크로믹 막의 출력으로부터, 각 화소에 대응하는 신호(S)가 출력된다.
도 19는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도이다.
도면중의 태선(D)은 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있는 경계를 나타내고 있다.
본 실시 형태에서는, 4열의 화소로 이루어지는 화소조마다, 상부 전극 또는 하부 전극이 분할되어 있다.
각 화소조의 포토크로믹 막과 신호 처리부(40)를 각각 접속하는 배선이 형성되고, 각 화소의 포토 다이오드의 출력과, 대응하는 화소조의 포토크로믹 막의 출력으로부터, 각 화소에 대응하는 신호(S)가 출력된다.
도 20은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 레이아웃 및 구성을 도시하는 모식적 평면도이다.
본 실시 형태에서는, 상부 전극과 하부 전극이 분할되어 있지 않고, 전 화소에서 공통의 상부 전극 및 하부 전극이 사용되고 있다.
포토크로믹 막과 신호 처리부(40)에 접속하는 배선이 형성되고, 각 화소의 포토 다이오드의 출력과, 전 화소 공통의 포토크로믹 막의 출력으로부터, 각 화소에 대응하는 신호(S)가 출력된다.
<제 7 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 21은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
제 1 실시 형태에 대해 리셋부를 생략한 구성인 것을 제외하고, 실질적으로 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
포토크로믹 막이 흡수하는 광을 광전변환한 전하량이 입사광의 강도의 변화에 충분 추종할 수 있으면 전하 리셋의 필요는 없다. 또한, 저주파 성분에서의 포화는 드믄 것과, 신호의 저주파 성분에서의 포화가 일어나지 않도록 설계된 포토크로믹 막을 이용하면 리셋 트랜지스터는 불필요하다.
이와 같이 리셋 트랜지스터를 삭감함으로써, 면적 및 소비 전력 삭감을 실현할 수 있다.
또한, 포토크로믹 막에 입사하는 광량과 투과율과의 관계가 미리 얻어져 있으면, 도 21의 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다.
<제 8 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 22는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
제 2 실시 형태에 대해 리셋부를 생략한 구성인 것을 제외하고, 실질적으로 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
포토크로믹 막이 흡수하는 광을 광전변환한 전하량이 입사광의 강도의 변화에 충분 추종할 수 있으면 전하 리셋의 필요는 없다. 또한, 저주파 성분에서의 포화는 드믄 것과, 신호의 저주파 성분에서의 포화가 일어나지 않도록 설계된 포토크로믹 막을 이용하면 리셋 트랜지스터는 불필요하다.
이와 같이 리셋 트랜지스터를 삭감함으로써, 면적 및 소비 전력 삭감을 실현할 수 있다.
또한, 포토크로믹 막에 입사하는 광량과 투과율과의 관계가 미리 얻어져 있으면, 도 22의 게이트 절연막(34), 게이트 전극(35) 및 소스 드레인(36, 37)은 불필요하게 된다.
<제 9 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 23은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
제 1 실시 형태에 대해 하부 전극, 상부 전극 및 광량 계측부가 마련되지 않은 것을 제외하고, 실질적으로 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
예를 들면, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 화소마다 구분하여 광전변환부인 포토 다이오드(11)가 형성된 수광면이 구성되어 있다. 도면상은 1개의 화소만을 도시하고 있다.
예를 들면, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11) 등을 피복하여 전면에, 산화 실리콘, 질화 실리콘, 수지 또는 이들의 적층체 등으로 이루어지는 제 1 절연막(12)이 형성되어 있다.
예를 들면, 제 1 절연막(12)의 상층에, 산화 질화 실리콘 등으로 이루어지는 제 2 절연막(13)이 형성되어 있다.
예를 들면, 제 2 절연막(13)의 상층에, 질화 실리콘 등으로 이루어지는 제 3 절연막(14)이 형성되어 있다.
예를 들면, 적어도 일부의 화소의 형성 영역에서, 제 3 절연막(14)의 상층에 포토크로믹 막(23)이 형성되어 있다.
포토크로믹 막(16)은, 포토 다이오드(11)에 대한 광로에서 마련되고, 미리 결정된 파장 영역에서의 입사광 강도에 응하여 광투과율이 변동하는 포토크로믹 재료를 포함한다. 포토크로믹 막(23)은, 절연막이라도 좋다.
예를 들면, 포토크로믹 막(23)상에, 온 칩 렌즈(19)가 형성되어 있다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에서는, 포토크로믹 막(23)에서 생성된 광전자를 모니터하지 않는다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 24의 A 내지 C는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도이다.
우선, 도 24의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 도전성 불순물의 이온 주입 등에 의해, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 화소마다 구분하여, 포토 다이오드(11)를 형성한다.
다음에, 도 24의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11) 등을 피복하여 전면에, 제 1 절연막(12), 제 2 절연막(13) 및 제 3 절연막(14)을 형성한다.
다음에, 도 24의 C에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법 등에 의해 포토크로믹 막(23)을 형성한다.
이후의 공정으로서는, 예를 들면, 포토크로믹 막(23)상에, 온 칩 렌즈(19)를 형성한다.
상기한 바와 같이 하여, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
<제 10 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 25는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
제 2 실시 형태에 대해 하부 전극, 상부 전극 및 광량 계측부가 마련되지 않은 것을 제외하고, 실질적으로 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
적화소, 녹화소 및 청화소를 갖는 것에 대응하여, 적화소에서는 광전변환부인 포토 다이오드(11R)가 형성되어 있고, 상부 전극(17)상에 적색의 칼라 필터(18R)가 형성되어 있다.
녹화소에서는 광전변환부인 포토 다이오드(11G)가 형성되어 있고, 상부 전극(17)상에 녹색의 칼라 필터(18G)가 형성되어 있다.
청화소에서는 광전변환부인 포토 다이오드(11B)가 형성되어 있고, 상부 전극(17)상에 청색의 칼라 필터(18B)가 형성되어 있다.
또한, 포토크로믹 막(23)은, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 공통의 막으로서 형성되어 있다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
<제 11 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 26은 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
포토크로믹 막이, 적화소, 녹화소 및 청화소로 다른 재료로 이루어지는 것을 제외하고, 실질적으로 제 10 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
적화소에서는, 적화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 갖는 포토크로믹 막(23R)이 형성되어 있다.
녹화소에서는, 녹화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 갖는 포토크로믹 막(23G)이 형성되어 있다.
청화소에서는, 청화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 갖는 포토크로믹 막(23B)이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 27의 A 내지 도 28의 B는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도이다.
우선, 도 27의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 도전성 불순물의 이온 주입 등에 의해, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 적화소, 녹화소 및 청화소의 화소마다 구분하여, 포토 다이오드(11R, 11G, 11B)를 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11R, 11G, 11B) 등을 피복하여 전면에 제 1 절연막(12), 제 2 절연막(13) 및 제 3 절연막(14)을 형성한다.
다음에, 도 27의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(23B)을 형성한다. 다음에, 청화소의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE(반응성 이온 에칭) 처리 등으로 패턴 가공하고, 청화소 영역을 남겨 두고 다른 영역의 포토크로믹 막(23B)을 제거한다.
다음에, 도 28의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(23G)을 형성한다. 다음에, 녹화소의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 녹화소 영역을 남겨 두고 다른 영역의 포토크로믹 막(23G)을 제거한다.
다음에, 도 28의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(23R)을 형성한다. 다음에, 적화소의 형성 영역을 보호하는 레지스트막을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 적화소 영역을 남겨 두고 다른 영역의 포토크로믹 막(23R)을(를) 제거한다.
상기한 포토크로믹 막(23B, 23G, 23R)으로서는, 헥사아릴비스이미다졸 유도체에 있어서 치환기를 변경한 등으로 적절히 특성을 선택하여 이용할 수 있다.
이후의 공정으로서는, 예를 들면, 포토크로믹 막(23R, 23G, 23R)상에 칼라 필터(18R, 18G, 18B)를 각각 형성하고, 그 상층에 온 칩 렌즈(19)를 형성한다.
상기한 실시 형태에서는, 포토크로믹 막(23B), 포토크로믹 막(23G), 포토크로믹 막(23R)의 순서로 성막 및 패턴 가공하고 있지만, 이것으로 한하지 않고, 적절히 순번을 변경할 수 있다.
상기한 바와 같이 하여, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
<제 12 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 29는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
포토크로믹 막이, 적화소, 녹화소 및 청화소에서 동일한 재료로 다른 막두께인 것을 제외하고, 실질적으로 제 10 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
포토크로믹 막(23)은, 적화소에서는, 적화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성이 되도록 선택된 막두께(tR)로 되어 있다.
또한, 녹화소에서는, 녹화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성이 되도록 선택된 막두께(tG)로 되어 있다.
또한, 청화소에서는, 청화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성이 되도록 선택된 막두께(tB)로 되어 있다.
또한, 상기한 포토크로믹 막(23)의 상층에, 이들의 막두께의 차에 기인하는 단차를 평탄화하기 위한 평탄화막(20)이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 30의 A 내지 도 31의 B는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제조 공정을 도시하는 모식적 단면도이다.
우선, 도 30의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 도전성 불순물의 이온 주입 등에 의해, 반도체 기판(10)에 매트릭스형상으로 배치된 복수개의 적화소, 녹화소 및 청화소의 화소마다 구분하여, 포토 다이오드(11R, 11G, 11B)를 형성한다.
다음에, 예를 들면 CVD법 등에 의해, 반도체 기판(10)의 포토 다이오드(11R, 11G, 11B) 등을 피복하여 전면에 제 1 절연막(12), 제 2 절연막(13) 및 제 3 절연막(14)을 형성한다.
다음에, 도 30의 B에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 CVD법에 의해 전면에 포토크로믹 막(23)을 형성한다.
다음에, 도 30의 C에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 적화소의 형성 영역을 개구하는 레지스트막(24)을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 적화소 영역의 포토크로믹 막(23)을 박막화한다.
다음에, 도 31의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 적화소 및 녹화소의 형성 영역을 개구하는 레지스트막(25)을 패턴 형성하고, RIE 처리 등으로 패턴 가공하고, 적화소 및 녹화소 영역의 포토크로믹 막(23)을 박막화한다.
상기 에칭 처리에 의해, 적화소에서 막두께(tR), 녹화소에서 막두께(tG), 청화소에서 막두께(tB)의 포토크로믹 막(23)을 얻을 수 있다. 적화소에서 막두께(tR)는 2회의 에칭 처리로 얻어지는 막두께로 한다.
다음에, 도 31의 B에 도시하는 바와 같이, 포토크로믹 막(23)상에 수지 등을 도포하고 평탄화막(20)을 형성한다.
이후의 공정으로서는, 예를 들면, 평탄화막(20)상에, 온 칩 렌즈(19)를 형성한다.
상기한 실시 형태에서는, 포토크로믹 막(16)의 막두께로서 막두께(tR)가 가장 얇고, 막두께(tB)가 가장 두껍기 때문에 상기한 공정으로 하고 있지만, 막두께의 순번에 의해 적절히 변경 가능하다. 가장 얇은 막두께의 영역에서 상기한 바와 같이 2회 에칭에 의한 박막화를 행하도록 하면 좋다.
상기한 바와 같이 하여, 반감기가 1프레임보다 짧은 포토크로믹 재료를 포토크로믹 막으로서 이용함에 의해, 화상으로서의 부자연스러움을 발생시키지 않고서, 다이내믹 레인지를 확대하는 것이 가능한 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
<제 13 실시 형태>
[고체 촬상 장치의 구성]
도 32는 본 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 모식적 단면도이다.
포토크로믹 막과 칼라 필터가 동일한 막으로서 형성되어 있는 것을 제외하고, 실질적으로 제 10 실시 형태의 고체 촬상 장치와 마찬가지이다.
즉, 적화소에서는, 적화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 가지며, 적색 칼라 필터를 겸하는 포토크로믹 막(23R)이 형성되어 있다.
녹화소에서는, 녹화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 가지며, 녹색 칼라 필터를 겸하는 포토크로믹 막(23G)이 형성되어 있다.
청화소에서는, 청화소의 파장 영역에 대응한 광흡수 특성을 가지며, 청색 칼라 필터를 겸하는 포토크로믹 막(23B)이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 포토크로믹 막은 입사하는 광의 양에 응하여 광투과율이 변동하고, 고조도에서 광투과율이 낮아지고, 저조도에서 광투과율이 높아진다. 이 때문에, 포토 다이오드에서 광신호가 포화하는데 이르는 광량이 커지고, 고조도측의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
<제 14 실시 형태>
[전자 기기에의 적용]
도 33은, 본 실시 형태에 관한 전자 기기인 전자 기기의 개략 구성도이다. 본 실시 형태에 관한 전자 기기는, 정지화 촬영 또는 동화 촬영 가능한 비디오 전자 기기의 예이다.
본 실시 형태에 관한 전자 기기는, 이미지 센서(고체 촬상 장치)(50)와, 광학계(51)와, 신호 처리 회로(53) 등을 갖는다.
본 실시 형태에 있어서, 상기한 이미지 센서(50)로서, 상기한 제 1 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치가 조립되어 있다.
광학계(51)는, 피사체로부터의 상광(입사광)을 이미지 센서(50)의 촬상면상에 결상시킨다. 이에 의해 이미지 센서(50) 내에 일정 기간 당해 신호 전하가 축적된다. 축적된 신호 전하는 출력 신호(Vout)서 취출된다.
셔터 장치는, 이미지 센서(50)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다.
화상 처리부는, 이미지 센서(50)의 전송 동작 및 셔터 장치의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 화상 처리부에서 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 이미지 센서(50)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(53)는, 이미지 센서(50)의 출력 신호(Vout)에 대해 여러가지의 신호 처리를 시행하여 신호로서 출력한다. 신호 처리가 행하여진 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되고, 또는 모니터에 출력된다.
상기한 실시 형태에서는, 가시광의 광량에 응한 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬형상으로 배치되어 이루어지는 이미지 센서(50)에 적용한 경우를 예로 들어서 설명하였지만, 본 발명은 이미지 센서(50)에의 적용으로 한정되는 것이 아니다. 화소 어레이부의 화소열마다 칼럼 회로를 배치하여 이루어지는 칼럼 방식의 고체 촬상 장치 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 발명은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한하지 않는다. 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치나, 광의의 의미로서, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 발명은, 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되는 것이 아니고, 디지털 스틸 전자 기기나 비디오 전자 기기, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 전자 기기 등에 적용 가능하다. 또한, 전자 기기에 탑재되는 상기 모듈형상의 형태, 즉 전자 기기 모듈을 촬상 장치로 하는 경우도 있다.
비디오 전자 기기나 디지털 스틸 전자 기기, 나아가서는 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 전자 기기 모듈 등의 촬상 장치에 있어서, 그 고체 촬상 장치로서 선술한 실시 형태에 관한 이미지 센서(50)를 이용할 수 있다.
본 발명은 상기한 설명으로 한정되지 않는다.
예를 들면, 실시 형태에서는 CMOS 센서와 CCD 장치의 어느 것에도 적용할 수 있다.
그 밖에, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러가지의 변경이 가능하다.
10 : 반도체 기판,
11, 11R, 11G, 11B : 포토 다이오드,
12 : 제 1 절연막,
13 : 제 2 절연막,
14 : 제 3 절연막,
15 : 하부 전극,
16, 16R, 16G, 16B : 포토크로믹 막,
17 : 상부 전극,
18R, 18G, 18B : 칼라 필터,
19 : 온 칩 렌즈,
20 : 평탄화막,
21, 22 : 레지스트막,
23, 23R, 23G, 23B : 포토크로믹 막,
24, 25 : 레지스트막,
30, 34 : 게이트 절연막,
31, 35 : 게이트 전극,
32, 33, 36, 37 : 소스 드레인,
40 : 신호 처리부,
50 : 이미지 센서,
51 : 광학계,
53 : 신호 처리 회로,
S : 신호
11, 11R, 11G, 11B : 포토 다이오드,
12 : 제 1 절연막,
13 : 제 2 절연막,
14 : 제 3 절연막,
15 : 하부 전극,
16, 16R, 16G, 16B : 포토크로믹 막,
17 : 상부 전극,
18R, 18G, 18B : 칼라 필터,
19 : 온 칩 렌즈,
20 : 평탄화막,
21, 22 : 레지스트막,
23, 23R, 23G, 23B : 포토크로믹 막,
24, 25 : 레지스트막,
30, 34 : 게이트 절연막,
31, 35 : 게이트 전극,
32, 33, 36, 37 : 소스 드레인,
40 : 신호 처리부,
50 : 이미지 센서,
51 : 광학계,
53 : 신호 처리 회로,
S : 신호
Claims (19)
- 광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치되며, 상기 광전변환부에 인가된 광에 의거한 대응하는 화소 신호를 생성하는 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판; 및
상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함하며,
상기 광투과율의 반감기는, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 화소 전부(all)로부터 판독되는 기간에 대응하는 1프레임 보다 더 짧고,
상기 포토 크로믹막은 광전효과를 가지며,
상기 포토 크로믹막에 의해 흡수된 광량을 계측하는 광량 계측부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광량 계측부에서 계측된 광량에 관한 광신호와 상기 광전변환부에서 얻어지는 광신호를 상기 화소로부터의 화소 신호로 조합하는 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 포토크로믹 막이 광을 흡수한 때에 생기는 광신호를 리셋하는 리셋부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 화소는 적화소, 녹화소 및 청화소로 구분되고,
상기 적화소, 상기 녹화소 및 상기 청화소의 각 형성 영역의 상기 광전변환부에 대한 광로에서 상기 반도체 기판상에, 적색, 녹색 및 청색의 파장 영역의 광을 각각 투과하는 칼라 필터가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제4항에 있어서,
상기 포토크로믹 막은, 상기 파장 영역에 따라, 상기 칼라 필터와 일직선 상에 각각 배치된 다른 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제4항에 있어서,
상기 포토크로믹 막은 상기 칼라 필터가 투과하는 파장 영역에 관계 없이 동일한 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제4항에 있어서,
상기 포토크로믹 막은 상기 칼라 필터로서도 기능하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서
상기 포토크로믹 막은 가시광 영역의 입사광 강도에 응하여 광투과율이 변하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서
상기 포토크로믹 막의 가시광 영역 내의 광투과율은,
(i) 인가된 광의 강도가 감소함에 따라 증가하고,
(ii) 인가된 광의 강도가 증가함에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 포토크로믹 막의 가시광 영역에서의 광투과율은 입사광량에 응하여 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
포토크로믹 재료가 헥사아릴비스이미다졸 유도체인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 포토크로믹 막은 모든 화소에 의해 공유되는 것을 특징으로하는 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 포토크로믹 막은 상기 화소가 배치되는 영역 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치. - 고체 촬상 장치와,
상기 고체 촬상 장치의 촬상부에 입사광을 유도하는 광학계와,
상기 고체 촬상 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 가지며,
상기 고체 촬상 장치는,
광전변환부로서 매트릭스 형상으로 배치되며, 상기 광전변환부에 인가된 광에 의거한 대응하는 화소 신호를 생성하는 복수의 화소를 포함하는 수광면을 갖는 반도체 기판; 및
상기 광전변환부 각각에 광을 인가하는 광로(light path) 내에 배치되며, 미리 결정된 파장 범위 내에서 인가되는 광의 강도에 따라 가변하는 광투과율을 갖는 포토크로믹 재료로 이루어진 포토크로믹 막을 포함하며,
상기 광투과율의 반감기는, 상기 화소에 의해 생성된 화소 신호가 상기 화소 전부(all)로부터 판독되는 기간에 대응하는 1프레임 보다 더 짧고,
상기 포토 크로믹막은 광전효과를 가지며,
상기 포토 크로믹막에 의해 흡수된 광량을 계측하는 광량 계측부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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