JPH01201953A - 固体カラー撮像装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は固体カラー撮像装置に関し、特に１画素当たり
２色を検出して高解像度化を達成する固体カラー撮像装
置に関する。

（従来の技術） 従来、１画素当たり複数の色を検出する積層型の固体カ
ラー撮像装置は第３図に示すものがある。

まず、受光領域の構造を説明すると第３図において、１
はｎ型の半導体基板、２は該半導体基板１の上面部分に
形成されたＰ−ウェル層であり、Ｐ−ウェル層２の表面
部分にｎ゛型不純物から成るＣＣＤの電荷転送ライン３
が複数個所定間隔で平行に形成されている。

これらの電荷転送ライン３の間には、周知のようにｎ＋
型不純物から成る不純物層４が複数個マトリンクス状に
形成され、それぞれの不純物層４とそれに対応する所定
の電荷転送ライン４との間はそれぞれの一端に設けられ
たトランスファ・ゲート５を介して電気的に導通するよ
うになって°７）る。即ち、上記それぞれのトランスフ
ァ・ゲート５と電荷転送ライン３の上面に所謂転送ゲー
ト電極層６が積層され、所謂４相駆動方式等の電荷転送
方式によって信号電荷を転送し外部へ読出すようになっ
ている。

更に、転送ゲート電極層６の上面にはシリコン酸化膜層
９中に埋設されて相互に電気的に絶縁された感光層７．
８が重なるように形成され、これらの感光層７，８は上
記不純物層４の配列に対応して配置されている。半導体
基板に近い側の第１の感光層７は、アモルファス・シリ
コンから成る中間層１０の上面を透明電極層１１、背面
を遮光性を有する導電体層１２で挟んだサンドイッチ構
造を成しており、導電体層１２の一端が接続層゛１３を
介して所定の不純物層４に電気的に接続されている。一
方、その上部にある第２の感光層８は、アモルファス・
シリコンから成る中間層１４の上面及び背面を透明電極
層１５．１６で挟んだサンドイッチ構造を成しており、
背面側の透明電極層１６の一端が接続層１７を介して他
の不純物　　−層４に電気的に接続されている かかる構造の撮像装置にあっては、第２の感光層８によ
る光電変−効果でもって発生された信号電荷を接続層１
７、所定の不純物層４及びトランスファ・ゲート５を介
して所定の電荷転送ライン３へ送り、更に所定の電荷転
送によって外部へ読出す。一方、第２の感光層８を透過
した光りは第１の感光層７で光電変換され、それによっ
て発生した信号電荷を接続層１３、所定の不純物層４及
びトランスファ・ゲート５を介して所定の電荷転送ライ
ン３へ送り、更に所定の電荷転送によって〜４− 外部へ読出す。

このような感光層を重ねた構造のものを１組として複数
組みをモザイク状に配列することにより多画素即ち高解
像度の撮像装置を形成することが出来るようになってい
る。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の撮像装置にあっては、
製造工程が複雑であり又、それぞれの画素を高精度に製
造することが困難であってバラツキが多くなる等の欠点
があった。例えば問題点の具体例としては、第３図に示
すように縦方向に接続層を形成することは製造工程が増
し、又、各感光層を相互に絶縁しながら平行に積層する
ための所謂平坦化処理が極めて困難であること等が上げ
られる。

（問題点を解決するための手段） 本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり
、高解像度・高精度化を実現し得る新規な構造の固体カ
ラー撮像装置を提供することを目的とする。

６一 この目的を達成するため本発明は、複数の画素と、これ
らの画素間に複数配置されこれらの画素に発生したそれ
ぞれの信号電荷を外部へ読出すための電荷転送ラインと
を半導体基板に形成して成る固体カラー撮像装置におい
て、前記各画素は、前記半導体基板の所定の深部中埋設
された不純物層、該不純物層に対向して該半導体基板の
表面部分に形成されたフローティング・ディフュージョ
ン層および該フローティング・ディフュージョン層の表
面に直接積層された感光層とを有すると共に、上記不純
物層に発生した信号電荷を前記所定の電荷転送ラインに
転送する第１のトランスファ・ゲートと上記感光層に発
生する信号電荷を該所定の電荷転送ライン又は他の所定
の電荷転送ラインに転送する第２のトランスファ・ゲー
トを具備したものである。

（作用） このような構造とすることにより、感光層が直接に半導
体基板に接続する積層構造であって構造の簡素化が図ら
れるから、比較的基本的な半導体製造技術でもって高精
度のものを形成することができ、又、１画素当たり２色
の光を検出することができるので上記高精度化と併せて
高解像度化を達成することができる。

（実施例） 以下、本発明による固体カラー撮像装置の一実施例を第
１図ないし第２図に基づいて説明する。

尚、第１図は受光領域の要部構造を上面から見た場合の
平面図、第２図は第１図中の仮想線ｘ−ｘに沿って切断
した場合の要部縦断面図である。

先ず、第１図において、マトリックス状に複数の画素Ｐ
　ｌｌ＋　　Ｐ　１２＋　　Ｐ　１３＋・・・・＋　　
ｐＨｌｌ　　、Ｐ２＋ＩＰ２２Ｉ　　Ｐ２３＋・・・・
、　　Ｐ２＋１１　　、Ｐ、、＋＋　　ｐＨ２，ＰＩＮ
３＋・・・・＋　　ｐＨｌｌが半導体基板（図示せず）
に形成されている。夫々の画素の構造は第２図に示すよ
うに同一構造に設計されており、従って、画素ｐＨの構
造を代表して説明する。第１図及び第２図において、ｎ
型半導体基板１８中に周知のＰ−ウェル層１９が拡散さ
れており、Ｐ−ウェル１９の表面から所定の深さＬｌの
部分にｎ′″型不純物層２０（第１図では実線で囲んだ
複数の点で示す領域内）が埋設され、その一端２０ｇが
Ｐ−ウェル１９の表面部分まで延びている。この製造方
法は周知の拡散技術等により形成されるので説明を省略
する。

更に、不純物層２０の上面部分即ちＰ−ウェル１９の表
面部分には、該不純物層２０に対向する略等しい面積の
ｎ＋型不純物のフローティング・ディフュージョン２１
　（第１図では実線で囲んだ斜線で示す領域内）が形成
されている。フローティング・ディフュージョン２１０
表面には所定の厚さのｎ−型のアモルファス・シリコン
層２２及び更にその上面に積層されるｐ４型のアモルフ
ァス・シリコン層２３より成る感光層２４が直接電気的
に接続するように積層され、感光層２４の上面には透間
電極２５が積層されている。尚、不純物層２０．フロー
ティング・ディフュージョン２１及び感光層２４が相互
に積層する所定面積の領域を除いてアルミニウム層等の
遮光層２６で基板上が覆われている。即ち、第１図にお
いて点線２６で示す矩形領域内のみ開口し、該開口部分
が８一 画素Ｐ１□となる。

更に、このような構造の画素の両側に、後述する信号電
荷を転送するためのＣＣＤ構造の電荷転送ラインＨ＋、
　Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４・・・・・　が形成されている。即
ち、不純物層２０等及びフローティング・デイソニージ
ョン２１等から電気的に絶縁されるべく、チャンネル・
ストッパ（図示せず）を隔てて、ｎ型の電荷転送ライン
Ｈ，，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ，・−・・が形成されている。そ
して、各画素の開口部分を遮光しないように櫛型の転送
ゲート電極Ｇ、、Ｇ２゜Ｇ３．Ｇ４．・・・・・・、　
Ｇ（２ｎ−１）、Ｇ（２，、）が電荷転送ラインＨ，，
Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４−・・・・　上に積層され、所謂４相
駆動方式の信号電荷転送を行う。尚、添字が奇数の転送
ゲート電極Ｇ、、Ｇ３．・・・・−・、　Ｇ（２ｈ−。

によって形成される転送エレメントと不純物層２０の一
端２０ｇとの間にトランスファ・ゲートＴＲＩ□、ＴＲ
１２＋−・・が形成され、一方、添字が偶数の転送ゲー
ト電極Ｇ２．Ｇ、、・・−・・−＋　Ｇ（２ｈ）によっ
て形成される転送エレメントとフローティング・ディフ
ュージョン２１の一端との間にトランスファ・ゲー）　
ＴＬｌｌ、　ＴＬｌ。、・パ−が形成され、所定の高電
圧制御信号を転送ゲート電極に印加することによってこ
れらのトランスファ・ゲートは導通となる。尚、画素ｐ
Ｈ及びその周辺の構造を代表して説明したが、該画素ｐ
Ｈに対応する他の画素群も同様の構造と成っている。

ただし、上記した各画素の感光層の厚さは所定の条件に
従って異なっている。代表して説明した画素Ｐ　ｌ　ｌ
の感光層２４の厚さり、は該画素ｐＨに対して縦横に隣
接する他の画素（第１図においてはＰ１□、Ｐ２１等）
の感光層の厚さＤ２よりも厚く形成され、対角線上に位
置する画素（第１図においてはＰ２２等）の感光層の厚
さと等しくなっている。これにより、薄い感光層では青
色を検出し、更にこの感光層を通過した光の緑色をその
下部の不純物層が検出する。一方、厚い感光層では緑色
を検出し、この感光層を通過した光の赤色をその下部の
不純物層が検出する。そして、厚い感光層を有する画素
と薄い感光層を有する画素を交互に配列するように形成
したり、列毎あるいは行毎に交互に配列するように形成
したりして、従来のインクライン配列やベイヤー配列や
ストライプ配列等に相当する構成とすることが可能であ
る。

再び画素ｐＨを代表して作用を説明すれば、感光層２４
は青色を検出しそれにより発生した信号電荷はトランス
ファ・ケー）ＴＬｌｌ　を介して電荷転送ラインＨ１へ
移され、図示していない所謂水平転送ラインを介して外
部へ読み出される。不純物層２０に発生した緑の信号電
荷はトランスファ・ゲートＴＲ１，を介して電荷転送ラ
インＨ２へ移され、図示していない所謂水平転送ライン
を介して同様に外部へ読み出される。

このようにこの実施例によれば、１画素当たり２色を検
出することができるので、高密度・高解像度化が可能と
なる。又、第２図に示すように各画素の感光層はトラン
スファ・ゲートを介して直接電荷転送ラインに接続する
ように形成されているので、従来のような接続層（第３
図の５，１７参照）が不要となり、製造工程の簡素化や
製造精度の向上を図ることができる。更に、第２図に示
すように、各電荷転送ラインＨ，，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ９・
・・・に対応する各転送ゲート電極Ｃ，，Ｃ２，・・・
・・・。

Ｇ２ｎの間に介在する各シリコン酸化膜のゲート層Ｓ、
、　Ｓ、　Ｓ３．　Ｓ、−・・・の両端を各転送ゲート
電極Ｇ、、Ｇ２．・・・・・・、Ｇ２ｎより外側へ出っ
張るように幅広に形成しであるので、各転送ゲート電極
Ｇ１゜Ｇ２．・・・・・・、Ｇ２ｈの厚みに起因する段
差が緩やかとなり、その結果、アモルファス・シリコン
層２２．２３等の構造上の歪みを防止することができ、
コントラストの良い映像等を得るのに効果がある。

更に又、この実施例では１画素当たり２色を検出する構
成としたため、半導体製造技術の最も優れた特性の１っ
であるところの優れた相対精度を享受することとなり、
各画素の相対精度を一様にすることができる。即ち、従
来、１画素当たり３層構造にして所定の３原色信号を検
出するものも提案されているが、このような従来のもの
は所望のスペクトルを得るように各層を形成する事が極
めて困難であり、且つ各画素間における相対精度を得る
ことも困難であった。

尚、説明の都合上、第１図に示すように各画素における
２カ所のトランスファ・ゲートをそれぞれ対角線上に配
置した実施例を述べたが、これに限らず、第１図におい
て横方向の同列位置に設けてもよい。又、第２図におい
ては、各感光層に設けられた一方のトランスファ・ゲー
トと各不純物層に設けられる他方のトランスファ・ゲー
トの位置を交互に順番で設けているので、各電荷転送ラ
インは感光層で発した信号電荷も不純物層で発生した信
号電荷も転送することとなるが、これに限らず、感光層
で発生した信号電荷の転送を行う電荷転送ラインと不純
物層で発生した信号電荷の転送を行う電荷転送ラインド
とをそれぞれ区分けして行うことができるように、形成
してもよい。この場合、例えば第２図における画素Ｐ　
ｌ　ｌの不純物層２０の一端２０ｇに相当する各画素の
部分の形成位置を交互に変えて、偶数行の電荷転送ライ
ンＨ２，Ｈ４・・・・・・を不純物層で生じた信号電荷
の転送専用、奇数行の電荷転送ラインＨ，Ｈ３・・・−
・・を不純物層で生じた信号電荷の転送専用にする等の
設計が成される。このような設計変更による実施例は全
てこの発明に含まれるものである。

更に、上記感光層の組成及び厚さに関する設計条件の一
例としては、感光層で青、不純物層で緑を検出する第１
の画素と、感光層で緑、不純物層で赤を検出する第２の
画素との２種類の画素群を使用する第１例の場合（例え
ば、第２図の実施例に相当する）、第１の画素の感光層
を０１μｍ〜０．３μｍの厚さのａ−３ｉで青を、第２
の画素の感光層を０．３μｍ〜１μｍの厚さのａ−３ｉ
で緑を検出するようにそれぞれ形成する。他の例として
は、第１の画素の感光層を０．１μｍ〜１μｍの厚さの
ａ−３ｉＣＨで青を、第２の画素の感光層を０．３μｍ
〜１μｍの厚さのａ−３ｉＨで緑を検出するようにそれ
ぞれ形成する。更に他の例としては、第１の画素の感光
層を所定の厚さのＣｄＳで青を、第２の感光層を所定の
厚さのａ−３ｉＨで緑を検出するようにそれぞれ形成す
る。その他種々の組み合わせは全て本発明の設計態様の
変更による実施例に含まれる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、１画素に相当する
部分で２色の色信号を発生することが出来ると共に、感
光層がフローティング・ディフュージョンに直接電気的
に接続するので構造が簡素且つ製造も簡略となることか
ら、集積度の高いカラー固体撮像装置の実現が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により固体カラー撮像装置の一実施例を
説明するため受光領域の要部構造を部分的に示した平面
図、第２図は第１図における仮想線ｘ−Ｘに沿った縦断
面の構造を示す縦断面図、第３図は従来の積層型固体カ
ラー撮像装置の構造を示す縦断面図である。 ２０　不純物層 ２１　フローティング・ディフュージョン２２．２３　
　アモルファス・シリコン層２４、感光層 ２５：透明電極層 ２６：遮光層 ｐＨ〜ｐｈ＋１１’画素 Ｈ，、Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４・・・・：電荷転送ライン０１
〜Ｇ２ｎ　：転送ゲート電極 Ｓｌ、　Ｓ２．　Ｓ３．　Ｓ４・・−パゲート層術

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の画素と、これらの画素間に複数配置されこ
   れらの画素に発生したそれぞれの信号電荷を外部へ読出
   すための電荷転送ラインとを半導体基板に形成しで成る
   固体カラー撮像装置において、前記各画素は、前記半導
   体基板の所定の深部中埋設された不純物層、該不純物層
   に対向して該半導体基板の表面部分に形成されたフロー
   ティング・ディフュージョン層および該フローティング
   ・ディフュージョン層の表面に直接積層された感光層と
   を有すると共に、上記不純物層に発生した信号電荷を前
   記所定の電荷転送ラインに転送する第１のトランスファ
   ・ゲートと上記感光層に発生する信号電荷を該所定の電
   荷転送ライン又は他の所定の電荷転送ラインに転送する
   第２のトランスファ・ゲートを具備することを特徴とす
   る固体カラー撮像装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の固体カラー撮像装置
   において、 前記複数の画素は、 所定の薄い厚さで形成されて所定の短い波長の光を光電
   変換する第１の感光層と、該第１の感光層を通過した所
   定の長波長の光を光電変換するように前記半導体基板の
   所定の深部に形成された第１の不純物層とを有する第１
   の画素群と、 上記第１の感光層より厚い所定の厚さに形成されて上記
   第１の感光層より長波長の所定波長の光を光電変換する
   第２の感光層と、該第２の感光層を通過した所定の長波
   長の光を光電変換するように半導体基板の所定の深部に
   形成された第２の不純物層とを有する第２の画素群とか
   ら構成されることを特徴とする。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の固体カラー撮像装置
   において、 前記複数の画素は、 所定の薄い厚さで形成されて青色の光を光電変換する第
   １の感光層と、該第１の感光層を通過した緑色の光を光
   電変換するように前記半導体基板の所定の深部に形成さ
   れた第１の不純物層とを有する第１の画素群と、 上記第１の感光層より厚い所定の厚さに形成されて緑色
   の光を光電変換する第２の感光層と、該第２の感光層を
   通過した赤色の光を光電変換するように半導体基板の所
   定の深部に形成された第２の不純物層とを有する第２の
   画素群とから構成されることを特徴とする。