JPH026273B2

JPH026273B2 -

Info

Publication number: JPH026273B2
Application number: JP54126844A
Authority: JP
Inventors: Akira Sasano; Norio Koike; Toshio Nakano; Ken Tsutsui; Michiaki Hashimoto; Tadao Kaneko; Akya Izumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1979-10-03
Publication date: 1990-02-08
Also published as: JPS5651183A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、カラー固体撮像素子に関し、さらに
詳述すれば、色フイルターを備えたカラー固体撮
像素子に関するものである。

最近、工業用あるいは家庭用のVTRの普及に
伴なつて、小型、軽量で使い易いテレビカメラの
需要が高まつてきている。そこで、半導体集積回
路（一般にIC又はLSIと称している。）を使用し
た固体テレビカメラが注目されている。この固体
テレビカメラは、従来の撮像管の面板および蓄積
電荷を電気信号として取り出す手段がIC基板に
設けられ、独立した固体撮像素子になつている。
これは電子ビームを使用しないため、安定性がよ
く、消費電力が少なく、取り扱いが簡便であるな
どの点で撮像管より優れており、次代のテレビカ
メラとして期待されている。

本発明に光に基づく雑音が少なく、且解像度の
高い鮮明な色フイルターを具備したカラー固体撮
像素子を提供する。

本発明の要点は、少なくとも受光領域とこの領
域で発生するキヤリアを電気信号として取り出す
ためのスイツチング素子を有する半導体基板上
に、少なくともこのスイツチング素子の出力端領
域に対応させて黒色フイルターに代表される光吸
収層を配し、この上部に色フイルターを設けるも
のである。

以下、実例を用いて本発明を詳細に説明する。

第１図は、本発明のカラー固体撮像素子を用い
たパツケージの概略構成図である。所定のピン脚
を持つたパツケージ枠３に、垂直走査回路領域２
１、水平走査回路領域２２、そして、マトリツク
ス状のレイアウトを有した受光素子領域２３を有
した半導体２がはめこまれ、さらに、上記基体上
に所定のパターンを有したカラーフイルター１が
形成されてなる。図では、カラーフイルターと半
導体基体とが個別に形成されて、のち組合わされ
るが如く描れているが、実際は半導体基体上に一
体化されてカラーフイルターが形成される。この
ことは後述の説明で明らかとなろう。

撮像レンズ（図示せず）から入つた光線は、カ
ラーフイルター１により色分離され、次いで、マ
トリツクス状に配置した光ダイオードを含む絵素
（画素ともいう）により信号は電気信号に変換さ
れる。基体に内蔵された水平(H)と垂直（Ｖ）の走
査回路により、各絵素の信号が読み出される。こ
の半導体基体２は、パツケージ３に組み込んで収
納されている。

この固体撮像素子は、被写体、すなわち、空間
的に検出された光情報を、次々と時系列化して電
気信号に変換するもので、一般に、光電変換機能
（受光部とも別称）と走査機能とを備えた回路構
成を設けて形成されている。具体的には、これら
の機能を満たすために、感光素子（受光領域とも
別称）とスイツチング素子とから成る多数の小さ
な領域が絵素に対応させてマトリツクス状に配列
されている。

この様に、固体撮像素子は絵素が個々に分離さ
れているので、クロツクパルスによる読み出し信
号が各々どの絵素に対応しているかを容易に判断
できる。そこで、固体撮像素子では、これら個々
の絵素に対応させて色フイルターを配置させるこ
とが可能となる。

この様な固体撮像素子は前述の様に光電変換機
能と走査機能とを備えていなければならないが、
これを実現させる方式として、XY（座標）指定
撮像方式と、信号転送撮像方式との２種類の方式
に大別される。普通、図に示すように上部に水平
走査回路(H)、左隅にインターレーススイツチを備
えた垂直走査回路（Ｖ）が設けられる。前者は
MOSトランジスターを適宜レイアウトさせて形
成し、また後者はCCDによるレイアウトを形成
させて行なうことが出来る。両方とも同様の効果
および特性を示し差違は現われず良好な画像が得
られた。勿論、MOSトランジスターとCCDとを
互いに折衷させて組合せて行なつた方式も同様の
効果が得られた。

一般に光電変換機能は、上述の様にSi基板内に
形成された光電変換素子のPN接合によつて行な
うのが普通である。MOSトランジスタをスイツ
チ素子とし、この一方の不純物領域を受光領域と
した固体撮像素子の例を説明する。

第２図は、本発明に使用したカラー固体撮像装
置の回路構成の概略図である。この撮像装置は
484×384素子で全体が構成されている。中央は垂
直スイツチ１１を含んだ光ダイオード（PD）12
アレイであり緑(G)用素子を市松状に並べ、その間
に赤（Ｒ）、青(B)用素子を配列し、２本の垂直信
号出力線S_V(G)１３，S_V(RB)１４に接続されている。
周辺は水平および垂直スイツチ１５，１１の選択
を行う走査回路であり、上部は水平走査回路１
６、左隅は１組のインターレーススイツチを備え
た垂直設査回路１７である。スイツチ１８，１９
はフイールド切換えパルスF₁，F₂により交互に
導通する。

この装置の動作を次に説明する。上記垂直走査
回路１７は15.73KHzの周期で垂直走査パルスを
出力する。フイールドパルスは60Hzで切り換わ
り、パルスF₁による第１フイールドでは垂直列
選択線L_V1，L_V2，L_V3，L_V4，…に、パルスF₂に
よる第２フイールドでは１列ずれてL_V2，L_V3，
L_V4，L_V5，…に走査パルスが順次送り出される。
一方、水平走査回路１６は384個の画素数に応じ
て決まる7.16MHzの周期で水平走査パルスを出力
する。水平、垂直２つの走査パルス列により、第
１フイールドでは｛（483、384）（484、384）｝の
順に、第２フイールドでは｛（２、１）、（３、
１）｝、｛（482、384））（483、384）｝の順に各画素
の撰択が行われる。第２フイールドでは最初と最
後の列の選択が行なわれないため、次の第１フイ
ールドの選択の際、この分が加算されて信号量が
不均一になる最初および最後の列は垂直帰線期間
に収められるので支障ない。

次に、この装置の撮像上基本となる重要な特性
を述べてみる。

(i) 緑用孔ダイオードは赤および青用光ダイオー
ドの２倍配列されており、輝度信号の主成分と
なる緑信号を常時得ることができる。また、光
ダイオードは前述のように互いに入り組んだ市
松状に配列されており、ダイオードの集積度が
向上する。これらの結果、限られた画素数で高
い解像度が得られる。

(ii) 緑、赤および青用信号を異なる２つの出力線
より取出すため混色がない、すなわち色分離特
性が良い。

(iii) １個の素子で緑、赤、青の３原色信号を同時
に取出すことができ、信号処理が簡単となる。

(iv) ２列を同時に選択するインターレース走査方
式であり、いずれのフイールドにおいても全光
ダイオードの信号が読出されるため、残像が発
生しない。

第３図は本例の主要部平面図である。１２４，
１２５，１２６，１２７は半導体基体に配列され
た不純物拡散領域である。この不純物拡散領域の
一端に、不純物拡散領域に発生するキヤリアを外
部に導出するためのスイツチング素子領域が設け
られている。１３１〜１３６はこのスイツチング
領域に電気的に接続され、且垂直走査回路に接続
されるアルミニウム配線である。このアルミニウ
ム配線が所々幅が広くなつているのは、許し得る
範囲でアルミニウムで半導体基体を覆い、不必要
な光が半導体基体に入射しない様にするに有利な
ためである。

１４１〜１４６は本発明に係わる黒色フイルタ
ーである。たとえば黒色フイルター１４２は絶縁
膜１５０をはさんで隣り合うアルミニウム配線１
３３および１３４の隣接間隙部分１３０を跨座
し、且前記スイツチング素子領域の少なくとも出
力端の一部および垂直、水平走査回路部分（図示
せず）をおおつて設けられている。このアルミニ
ウム等の金属配線は一般に図示した如くストライ
プ状に形成されている。抵抗を小さくする為には
広帯のほうが望ましいが、一般に受光面積の割合
を減少させ、集積度の低下を招いたり、寄生容量
も増加し、かえつて画質を損うので、１〜6μｍ
程度が望ましい。

このストライプ状の金属電極は一般に上記スイ
ツチング素子の出力端領域を覆つて形成されてい
る。

第４図は、本発明のカラー固体撮像素子の受光
部の概略断面図、第３図のｘ−x′の部分断面図で
ある。

半導体基板としてＮ型シリコン基板４１を用
い、このＮ型シリコン基板４１内に不純物拡散等
によつてＰ導電型領域４２がウエル状に形成され
る。なお、図ではウエル全体を示していない。そ
してこのＰ導電型領域４２内に第１、第２、第３
の受光領域が配列される。それらは、たとえば黄
色用の受光領域、緑色用の受光領域、シアン用の
受光領域に対応する。勿論、赤色、青色、緑色の
三原色用の受光領域としても良い。

第３図１２４はたとえば黄色用の受光領域で第
４図４３に対応する。また１２５はたとえば緑色
用の受光領域で第４図４４に対応する。受光領域
４３および４４の周縁に、上記受光領域をドレイ
ン領域として共用し、ソース領域４５との間に多
結晶Siゲート電極４６を備えたMOSトランジス
タがスイツチング素子として形成されている。上
記受光領域４３，４４およびＰ導電型領域４２上
の酸化膜１０５が形成されている。前述の如く非
受光領域又は上記スイツチング素子の一部面上に
Al配線が形成されており、上記酸化膜１０５お
よびAl配線はシラン膜（SiO₂）からなる絶縁保
護膜１０７によつて覆われて構成されてなる。

この様に、受光領域４３のn⁺拡散層は、光ダ
イオード用のn⁺層として、上記ｎ型基板４１上
に形成したＰ型導電層内に集積化されている。こ
のn⁺−Ｐ−ｎ構造により分光感度が増し、ブル
ーミングなどの画像不良原因の発生が解消されて
いる。

本発明のカラー固体撮像装置は光吸収層が前記
半導体基板上に次の如く配置される点に特徴があ
る。

(1) 受光領域を含む半導体集積回路が形成された
半導体基体上に光吸収層が配され、この上部に
所望の色フイルターが配される。

(2) 光吸収層は少なくとも第１の感光領域と隣り
合う第２の感光領域の間隙を覆うことが肝要で
ある。

更に次の如き構成とすることに実用上大きな利
点がある。前述の光吸収層は光不要部分に光を通
さないので、シリコン基板内で不必要なフオトキ
ヤリアの発生を防止する。特に前述のスイツチン
グ素子の出力端領域における不必要なフオトキヤ
リアの発生は雑音として出力に含まれることとな
り、特性への影響が極めて大きい。従つて、光吸
収層は、第１の感光領域と隣り合う第２の感光領
域の間隙を覆い、且前記スイツチング素子の出力
端領域に対応させてこの領域上に設けるのが良
い。従つて第３図に例示した如く小面積の光吸収
層として配置することで一応の目的を達し得る。

たとえば第５図ｂにBlとして示した如くスト
ライプ状に光吸収層を設けることも可能である。
しかし、第３図に例示した光吸収層の配列は第５
図ａにBlとして示した如き配列である。また設
計に対応して種々変形した光吸収層の配置がある
ことはいうまでもない。

一般に光吸収層としてはゼラチン等の有機材料
を用いるのが一般的である。この場合、光吸収層
はたとえば幅３〜6μｍ、長さは約６〜７mmと極
めて細いストライプ状に設けることとなる。この
様な光吸収層はゼラチンの収縮性によりストライ
プが破損しやすい欠点がある。従つて、第５図ａ
の如く、小面積に分断した形状に光吸収層を配す
ることによつて上記の欠点をなくすことができ
る。

実施例所定の受光領域および所定の回路構成に形成さ
れた半導体集積回路を有する半導体基体を準備す
る。この受光領域および半導体集積回路部は通常
の半導体装置の製造方法に従がえば良い。

第４図に示すごとく半導体基体には、Si基板４
１に設けられたウエル４２内に、受光素子として
の受光領域４３が形成され、さらに、上記基体お
よび上記受光領域４３および４４上に酸化膜１０
５が形成され、非受光領域（受光領域４３および
４４以外のSi基板に該当する）上に厚さ1μ、幅
3μ他のAl配線との間隔が4μ程度の形状を持つた
２本のAl配線層４３３および４３４が形成され、
上記酸化膜１０５およびAl配線層４３３および
４３４上にパツシベーシヨン膜としてのシラン膜
（SiO₂）からなる絶縁保護膜１０７が形成されて
なる。

この半導体基体上に、ゼラチンを回転塗布法で
塗布する。ここで硬化剤としては重クロム酸アン
モニウム（NH₄Cr₂O₇、一般にADCと略称）の
５％、40℃の温水溶液が用いられる。このゼラチ
ン塗布層の厚さは約1μとする。次に、Crマスク
を使用して紫外線露光を行ない上記ゼラチン層を
重合硬化させ、現像処理することにより染色可能
なゼラチンパターン４４２を形成する。ゼラチン
層は幅は3μｍないし6μｍ程度、長さは約13〜14μ
ｍである。次に、赤色、黄色、および青色の各染
料を混合して得られる黒色染色液を約70℃に加熱
し、この中で上記素子を浸漬することにより、ゼ
ラチン層を黒色に染色する。上記赤色染料として
は、ダイアシド１１（商品名）の２％水溶液、上
記黄色染料としては、カヤノールイエロー（商品
名）の0.7％水溶液、そして、上記青色染料とし
ては、メチルブルー（商品名）の２％水溶液を用
いる。

本発明では黒色染料を、一般に有彩色の色染料
を混合させて形成させたが、赤、黄、青に限らず
赤、緑、青でもよく、また３色に限らず２色の染
料の混合であつても、組合せることにより透過
（光）率が大幅に低下するようなものであればよ
い。また、順次各色染料毎に染めていつてもよ
い。なお、スミノール・ミリング・ブラツク（商
品名）の１％水溶液などのように固有の黒色染料
であつてもよいことは云うまでもない。

次いで、上記フイルター４４２および緑縁保護
膜１０７上にポリグリシジメタクリレート（略称
PGMA）からなる混合防止保護膜１１２を形成
し、上記受光領域４３又は４４に対応した領域に
所定のパターンで厚さ1μｍのゼラチンからなる
色フイルター１０９を形成する。

この色フイルター１０９は、ゼラチンに感光性
を付与した感光液を回転塗布法などで均一に塗布
し、乾燥させ、感光膜を形成した後、マスク露光
法で所定の受光領域４３および４４の部分だけ光
硬化させ、現像し、該受光領域部分以外の感光膜
を除去する。所定の分光特性を有する染料で、該
受光領域を含む所定部分を染色し、黄色フイルタ
ー１０９を形成する。その後、透明な混色防止保
護膜（中間層とも別称）１１３を被覆する。この
色フイルターの材料として、上述のゼラチンの他
に、ポリビニールアルコールあるいはグリユーな
ども差違なく使用できる。勿論、上記光吸収層の
材料としても、ポリビニールアルコールあるいは
グリユーなども使用できることは言うまでもな
い。

次いで再び混色防止保護層を上記黄色フイルタ
ー１０９の厚さ程度に塗布し、固化後、緑色の受
光領域４４に対応した上記混色防止保護層上に所
定のパターンのゼラチンからなるシアン色のカラ
ーフイルター１１０を形成し、次いで再三、保護
層１１４を上記シアン色フイルター１１０の厚さ
程度に塗布し固化させる。必要ならば、上記保護
層１１４上に反射防止膜を形成し受光効率を上昇
せしめることも可能である。

この実施例では、第１色目に黄色、第２色目に
シアン色のフイルターを配置せしめたが、この順
序は必ずしもこの実施例に限定されないことはい
うまでもない。なお、本実施例において補色系の
３原色として、の残るマゼンダ色は、上記黄色お
よびシアン色フイルターを重ね合わせて形成され
た緑色のカラー信号を、電気回路的に反転させて
形成される。色フイルターの数が少なくて済むの
でこの方が経済的に有利である。勿論、本発明は
初めから補色系の黄色、マゼンタ、シアンの３色
が揃つたものも、あるいは、光の３原色について
も全く同様に良好なカラー固体撮像素子が得られ
た。

この様に、黒色フイルターにより、複数のカラ
ーフイルターを露光時の回折およびAl配線から
の反射光の影響を受けることなく、正確にパター
ンを形成することができ、電気的特性の良好な撮
像素子を提供できた。

上述のように写真蝕刻の際の露光は、マスクパ
ターンを介して行なわれる。一方、所定の色フイ
ルターと基板との間には、普通一定の間隔があ
る。しかし、この色フイルターと基板の間に黒色
フイルターが形成されてあるので、露光時の光
は、特に問題の多かつたこの間隔の間隙を通して
回折し、凹凸ある基板表面で不規則に反射して
も、黒色フイルターによつて吸収されてしまうの
でホトマスク背面のホトレジスト層の不要な領域
までも感光させることがなくなり、正確なパター
ン形成が行なえる。この様に、“かぶり現象”の
大きな要因となつていたAl配線４３３および４
３４部分、すなわち、Al配線が最も普通に形成
されている色フイルター周辺部分が上記黒色フイ
ルター４４２によつて蓋われて遮蔽されているた
め、回折し基板面から反射してきてもホトマスク
の不要部分を露光することがなくなりとくに周縁
形状が明瞭な正確なパターンの色フイルターを形
成することができるようになつたものである。

上記黒色フイルターは受光領域以外の垂直走査
回路（Ｖ）および水平走査回路(H)などに必要に応
じて設けても良く、光検知部以外の光不要部分に
光を通さないので、Si基板内で不必要な正孔−電
子対を発生することがなくなる。そのため、リー
ク電流の発生が無くなり、良質な画像を提供し、
また回路構成素子の動作が劣化するのを防止する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のカラー固体撮像素子の実装形
態を説明する図、第２図はカラー固体撮像素子に
用いた回路構成の概略図、第３図は本カラー固体
撮像素子の主要部の平面図、第４図はその要部断
面図、第５図は光吸収層の平面配置を説明する図
である。１０１……Si基板、１０２……受光領域、１０
５……酸化膜、１０６……Al配線、１０７……
絶縁保護膜、１０８……光吸収層、１０９……色
フイルター、１１２……混色防止保護膜、１……
カラーフイルター、２……半導体基板、３……パ
ツケージ。

Claims

【特許請求の範囲】１少くとも感光素子とスイツチング素子とを備
えた光電変換機能を有する半導体基体と、該基体
上に形成された所定のカラーフイルターとを備え
たカラー固体撮像素子において、上記スイツチン
グ素子の少なくとも出力端子近傍と上記カラーフ
イルターとの間に該カラーフイルターが設けられ
た層と混色防止保護膜を介して絶縁性光吸収層を
設けてなることを特徴とするカラー固体撮像素
子。２特許請求の範囲第１項において、上記光吸収
層は上記感光素子とスイツチング素子とを有する
絵素相互の少なくとも間隙領域に設けてなること
を特徴とするカラー固体撮像素子。３特許請求の範囲第１項において、上記光吸収
層はストライプ状の平面パターンを呈してなるこ
とを特徴とするカラー固体撮像素子。４特許請求の範囲第１項において、上記光吸収
層は複数の光吸収層がマトリツクス状に配されて
なることを特徴とするカラー固体撮像素子。