JP5793688B2

JP5793688B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5793688B2
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Inventors: 悠介大竹; 三佳森; 信三香山; 徹沖野
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Description

本発明は、ＣＣＤ型イメージセンサ、ＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像装置に関し、特に長波長の入射光の利用効率を高め、感度特性を改善する固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ型イメージセンサやＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像装置は、被写体の映像情報を取得する装置として、ビデオカメラやデジタルカメラ等に広く使用されている。固体撮像装置は、光電変換部を有する複数の画素が２次元アレイ状に配置された画素部を備えている。各画素の光電変換部は、被写体から画素内へ入射する光を光電変換し、生じた信号電荷を蓄積する。この信号電荷を信号読み出し回路により出力することで映像情報を取得することができる。

近年、固体撮像装置において、画素サイズの微細化による高解像化が進展している。しかしながら、画素サイズが微細化するにつれて、単位画素面積に対する受光領域面積の割合(開口率)が減少し、さらには光電変換部の面積も減少することにより、固体撮像装置の感度が低下してしまう。長波長の光はマイクロレンズによる集光能力が波長の短い光に比べて劣るため、開口率の減少によって、長波長の光に対する感度は特に低下する。また、半導体基板内での光の吸収効率は光の波長が長いほど低くなっているため、長波長の光に対する固体撮像装置の感度は低くなっている。車載分野やセキュリティ分野等で用いられる、赤外光が撮像可能な固体撮像装置においては、波長が長い赤外光に対する感度の向上は必須である。

これに対して、例えば、特許文献１に開示された固体撮像装置では、１つの画素内で基板の異なる深さに複数の光電変換部を設けることにより、入射光の利用効率を高め、固体撮像装置の高感度化が図られている。

また、特許文献２に開示された固体撮像装置では、１つの画素において光電変換部の下部領域を半導体基板の面内方向（半導体基板面に平行な方向）に拡大することによって、固体撮像装置の高感度化が図られている。光電変換部の拡大は電荷収集領域の面積増加を意味し、従来、光電変換部で吸収されずに半導体基板の深部へ透過していた長波長の入射光の斜め成分の光電変換を可能にするため、感度が向上できる。

特許文献３には、可視光と赤外光を同時に撮像可能な固体撮像装置の例が開示されている。この文献では、画素上に４種類のカラーフィルターを規則的に配列し、各画素からの出力を差分演算することにより、可視光と赤外光を同一の固体撮像装置で撮像する構成が提案されている。

特開２００７-６６９６２号公報特開２００１-１８５７１１号公報特開２００２-１４２２２８号公報

上述の特許文献１に開示された固体撮像装置では、１つの画素内に複数の光電変換部が設けられるため、各光電変換部に対してそれぞれ信号読み出し回路を設ける必要があり、画素の開口率の減少に伴って感度が低下する。画素サイズの微細化によって、開口率は自ずと減少するため、信号読み出し回路の増設によるさらなる開口率の減少は、固体撮像装置の高感度化、特に長波長の光に対する高感度化を困難にする。

上述の特許文献２に開示された固体撮像装置において、光電変換部は遮光膜（転送レジスタのゲート）の下方に拡大しているため、光電変換部の拡大された部分では入射光の斜め成分しか利用することができない。さらに画素の微細化が進展すると、光電変換部を拡大可能な面積も減少し、感度の大幅な向上は困難となる。

また、特許文献３に開示された固体撮像装置では、画素に設けられた４種類のカラーフィルターによって可視光と赤外光の分離を行い、同一構造の光電変換部を用いて赤外光と可視光の両用撮像を行っている。このため、波長が長い赤外光に対する感度は可視光に対する感度に比べて特に低くなってしまう。さらに、可視光を撮像する際には可視光撮像用画素の出力信号から赤外光撮像用画素の赤外光信号成分を差し引いて信号処理を行うが、両信号の差分をとる際にノイズ成分が増加し、演算後のＳＮ比が低下してしまう。

本発明の目的は、赤外光のような長波長の光に対する高感度化と取得画像のＳＮ比向上を実現できる固体撮像装置を提供することにある。

本発明の固体撮像装置は、前記技術的課題を解決するために、半導体基板と、前記半導体基板上に配列され、各々が光電変換部を有する複数の画素と、前記複数の画素の各々を電気的に分離する分離部とを備えている。また、前記複数の画素のうちの第１の画素は、第１の波長領域に光透過率のピークを有する第１のカラーフィルターと、第１の光電変換部とを有し、前記第１の画素に隣接する第２の画素は、前記第１の波長領域と前記第１の波長領域よりも短波長側の第２の波長領域とに光透過率のピークを有する第２のカラーフィルターと、第２の光電変換部とを有し、前記第１の光電変換部の深部の一部は、前記分離部を越えて、前記第２の光電変換部の下方に達している。

本発明の固体撮像装置では、第１の画素内の第１の光電変換部の深部の一部が隣接する第２の画素内の第２の光電変換部の下方にまで達している突出領域があるので、長波長の光（第１の波長領域の光）に対する電荷収集領域が従来の固体撮像装置よりも大きくなり、長波長の光に対する感度が向上する。

また、長波長の光は短波長の光（第２の波長領域の光）に比べて半導体層の深部にまで到達するので、第２の画素では第２の光電変換部と第１の光電変換部の突出領域とにより短波長の光（可視光）と長波長の光（赤外光）とが実質的に分離される。この結果、第２の光電変換部で光電変換される長波長の光信号成分（赤外光信号成分）は減少し、第１の光電変換部で光電変換される長波長の光信号成分は大きくなる。このため、第２の光電変換部の出力信号（可視光信号成分＋小さな赤外光信号成分）から第１の光電変換部の出力信号（大きな赤外光信号成分）を差分して短波長の光信号成分（可視光信号成分）を得る構成の固体撮像装置において、差分の係数（Ｋ）が小さくなるため差分演算によるノイズは減少され、ＳＮ比の低下を抑えることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成を概略的に示す図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面を模式的に示す図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部を模式的に示す平面図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部において、カラーフィルターの配置例を示す図である。第１の実施形態の固体撮像装置において、カラーフィルター配列をベイヤー配列とした場合の画素部を模式的に示す図である。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面を模式的に示す図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部において、カラーフィルターの配置例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路構成を概略的に示す図である。ここでは、ＭＯＳ型イメージセンサの固体撮像装置を例として挙げるが、本発明の構成はＭＯＳ型イメージセンサに限らずＣＣＤ型イメージセンサ等の固体撮像装置にも適用できる。

図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、複数の画素１３が配置された画素部１１と、画素部１１の辺に沿って配置された周辺回路部１２とを備えている。複数の画素１３は２次元アレイ状に配置されているが、異なる配列で画素部１１が形成されていてもよい。

各画素１３は、フォトダイオードなどの光電変換部１８と、光電変換部１８に蓄積された信号を信号線２９へと読み出す信号読み出し回路１９とを有している。信号読み出し回路１９は、例えば光電変換部１８に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン９に転送するための転送トランジスタ２と、信号電荷を電圧に変換して増幅する増幅トランジスタ６と、フローティングディフュージョン９の状態をリセットするためのリセットトランジスタ４と、信号を読み出す画素を選択する選択トランジスタ８とを有している。なお、信号読み出し回路１９の一部（例えば選択トランジスタ８など）は複数の画素１３に共用されている場合もある。

周辺回路部１２は、各列の信号線２９に接続された水平シフトレジスタ１４と、転送トランジスタ２を制御する垂直シフトレジスタ１５と、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路１６と、画素１３から読み出された信号を増幅するアンプ回路１７とを有している。

光電変換部１８で光電変換され、生成された電荷は上述のように、一旦光電変換部１８に蓄積される。水平シフトレジスタ１４、垂直シフトレジスタ１５を用いて、ＸＹアドレス方式により電荷が蓄積されている画素１３を選択し、信号読み出し回路１９により光信号を電気信号として読み出す。さらに、信号線２９に読み出された電気信号はＣＤＳ回路１６によりノイズ除去処理を受けた後、アンプ回路１７から映像信号として出力される。

図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置２１は、半導体基板２２上に配列された複数の画素２３と、半導体基板２２の上方に設けられ、複数の画素２３の各々同士を電気的に分離する分離部２５とを備えている。

複数の画素２３は、半導体基板２２上に設けられた第１導電型の半導体層２８と、半導体層２８内に設けられた第２導電型の複数の光電変換部２４と、複数の光電変換部２４の各々の上に設けられた第１導電型の拡散層３０と、拡散層３０及び分離部２５上に設けられた第１の平坦化膜４６と、拡散層３０の上方（第１の平坦化膜４６上）に配置され、複数の画素２３の各々に対応する複数のカラーフィルター２６と、複数のカラーフィルター２６上に設けられた第２の平坦化膜４８と、第２の平坦化膜４８上に設けられた複数のマイクロレンズ２７とを有している。半導体層２８と複数の光電変換部２４とはＰＮ接合を形成しており、拡散層３０と複数の光電変換部２４の各々とはＰＮ接合を形成している。

図２に示す例では、複数の画素２３には第１の画素３１及び第２の画素３４が含まれており、複数のカラーフィルター２６には第１のカラーフィルター４１及び第２のカラーフィルター４２が含まれている。また、複数の光電変換部２４には第１の光電変換部３２、第２の光電変換部３５、及び第３の光電変換部３６が含まれている。第１の画素３１には上述の第１の光電変換部３２及び第１のカラーフィルター４１が設けられており、第２の画素３４には上述の第２の光電変換部３５及び第２のカラーフィルター４２が設けられている。第１のカラーフィルター４１は、第１の波長領域を透過率のピークとする分光特性を有し、第２のカラーフィルター４２は、第１の波長領域と、第１の波長領域より波長が短い第２の波長領域とを透過率のピークとする分光特性を有している。

本実施形態の固体撮像装置の特徴は、第１の画素３１内の第１の光電変換部３２の深部の一部（突出領域３３）が、分離部２５を越えて、第１の画素３１に隣接する第２の画素３４内の第２の光電変換部３５の下方領域にまで伸張していることである。また、第１の光電変換部３２と第２の光電変換部３５とは、第１導電型の半導体層２８によって電気的に分離されている。第１の光電変換部３２の突出領域３３の不純物濃度は、第１の光電変換部３２のうち第１の画素３１内に設けられた部分４５の不純物濃度に比べて低いことが望ましい。この理由については後述する。また、突出領域３３は、同一画素内の信号読み出し回路の下方にまで設けられていてもよい。これにより、第１の画素３１に斜めに入射する光をより多く受けることができる。

図２では、突出領域３３が第２の光電変換部３５の下方に設けられる例を示しているが、複数の画素２３が２次元アレイ状に配置されている場合、突出領域３３は、第１の画素３１に隣接し、第１の画素３１を囲む８つの画素のうち少なくとも１つの画素内に設けられていればよい。また、突出領域３３は、第２の光電変換部３５の下方全域に設けられている必要はなく、平面的に見て第２の光電変換部３５の少なくとも一部とオーバーラップするように設けられていればよい。複数の隣接する画素内に突出領域３３が伸張している場合、突出領域３３が設けられた画素には、当該画素に対応する波長領域の光の他に、上述の第１の波長領域の光をも通すカラーフィルターを設けておく。

図３は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部を模式的に示す平面図である。同図中のマス目は各画素を模式的に示している。

図３に示すように、本実施形態の固体撮像装置における画素部では、例えば、第１の画素３１と第２の画素３４とを少なくとも一つずつ含む４つの画素を１組の画素５１として、この１組の画素５１が２次元アレイ状に規則的に配列される。なお、ここで説明する実施形態では、画素配列を２次元アレイ状としているが、ハニカム配列等の２次元アレイ配列とは異なる画素配列であってもよい。

図４は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部において、カラーフィルターの配置例を示す図である。同図において、画素の配置は図３と同じにしている。

本実施形態の固体撮像装置では、１組の画素５１を構成する４つの画素にそれぞれ分光特性の異なるカラーフィルターを形成してもよい。例えば、図４に示すように、第１の画素３１には赤外光のみを透過するカラーフィルター７１（図中「ＩＲ」と表記）を形成し、第２の画素３４にはブルー領域の光（青色光）及び赤外光を透過するカラーフィルター７２（図中「Ｂ＋ＩＲ」と表記）を形成し、画素６３にはグリーン領域の光（緑色光）及び赤外光を透過するカラーフィルター７３（図中「Ｇ＋ＩＲ」と表記）を形成し、画素６４にはレッド領域の光（赤色光）及び赤外光を透過するカラーフィルター７４（図中「Ｒ＋ＩＲ」と表記）を形成する。

この場合、第１の画素３１に入射する光は、カラーフィルター７１により赤外光のみに選択され、第１の光電変換部３２のうち第１の画素３１内に設けられた部分４５で光電変換される。生成された信号電荷は第１の光電変換部３２に蓄積される。

また、第２の画素３４に入射する光は、カラーフィルター７２によりブルー領域の光と赤外光のみに選択される。ブルーのような波長の短い光は、シリコン等の半導体材料における吸収係数が波長の長い光に比べて大きいため、基板（光電変換部２４、半導体層２８、拡散層３０を含めた半導体部分）の上面近傍で吸収される。よって、ブルー領域の光は第２の光電変換部３５で光電変換され、生成された信号電荷は第２の光電変換部３５に蓄積される。一方、赤外光のような波長の長い光は基板深部まで透過するため、第２の画素３４に入射する赤外光は、第２の光電変換部３５と第２の光電変換部３５の下方に位置する第１の光電変換部３２の突出領域３３で光電変換され、生成された信号電荷は第２の光電変換部３５と第１の光電変換部３２に蓄積される。第１の光電変換部３２と第２の光電変換部３５の間には、第１導電型の半導体層２８が設けられているため、各光電変換部で生成した電荷が入り混ざることはない。ここで、第１の光電変換部３２の突出領域３３の不純物濃度を、第１の光電変換部３２のうち第１の画素３１内に設けられた部分４５の不純物濃度よりも低くすると、第１の光電変換部３２内に電位勾配が形成され、突出領域３３で生成される信号電荷を読み出しやすくすることができるので、好ましい。

なお、赤外光撮像用の第１の光電変換部３２は、波長の短いブルー領域の光を受けるための第２の光電変換部３５に比べて半導体層２８の深い領域にまで形成されているが、この構成によって、可視光に比べて吸収されにくい赤外光をより効果的に光電変換することが可能になっている。

画素６３と画素６４に入射する光は、カラーフィルター７３、７４により、それぞれグリーン領域の光及び赤外光、レッド領域の光及び赤外光に選択され、各々の画素内の光電変換部で光電変換され、生成される信号電荷は各光電変換部に蓄積される。

図４に示す例では、赤外光を第１の波長領域の光とし、ブルー領域の光を第２の波長領域の光とするカラーフィルターを設けたが、第２の波長領域は第１の波長領域よりも短波長側であればよい。つまり、第１の波長領域を赤外領域とした場合は、第２の波長領域はブルー領域、グリーン領域、レッド領域等であってもよく、第１の波長領域をレッド領域とした場合は、第２の波長領域はブルー領域、グリーン領域等であってもよい。また、第１の光電変換部３２の突出領域３３は１組の画素５１から第１の画素３１を除いた３つの画素のうちの複数の画素内に延伸していてもよい。

本実施形態の固体撮像装置では、第１の光電変換部３２のうち第１の画素３１内に設けられた部分の深さが、短波長の光を光電変換するための第２の光電変換部３５よりも深くなっているので、入射した波長の長い光（例えば赤外光）を効率良く光電変換することができる。さらに、第１の光電変換部３２の突出領域３３において、第１の画素３１に隣接する第２の画素３４に入射した波長の長い光を光電変換することができるので、光電変換部が１つの画素内のみに設けられる場合に比べて波長の長い光に対する感度を従来の固体撮像装置に比べて格段に向上させることができる。このため、画素を微細化した場合であっても長波長の光に対する感度の低下を抑えることが可能となる。なお、突出領域３３が第１の画素３１内に形成された信号読み出し回路の下方にまで延伸している場合には、光電変換を行う領域がさらに拡がるので、長波長の光に対する感度をさらに向上させることができる。

なお、上述の画素部の構成は、ベイヤー配列のカラーフィルターにおいても有用である。図５は、本実施形態の固体撮像装置において、カラーフィルター配列をベイヤー配列とした場合の画素部を模式的に示す図である。同図に示す例では、第１の画素３１にはレッド領域の光を透過するカラーフィルターを設け、第１の画素３１の左斜め上に隣接する第２の画素３４にはブルー領域及びレッド領域の光を透過するカラーフィルターを設けている。また、第１の画素３１、第２の画素３４とともに１組の画素５３を構成する画素８３、８５にはそれぞれグリーン領域の光を透過するカラーフィルターが設けられている。画素部では１組の画素５３がマトリクス状に配置されている。第１の画素３１の第１の光電変換部３２の突出領域３３は、第２の画素３４において第２の光電変換部３５の下方にまで延びている。つまり、図５において、第１の光電変換部３２の突出領域３３は画素が配列される面内で斜め方向に延伸している。

このように、レッド領域を第１の波長領域とし、ブルー領域を第２の波長領域とする場合には、第１の光電変換部３２の突出領域３３により第２の画素３４に入射するレッド領域の光も光電変換することができるので、レッド領域の光に対する感度を大幅に向上させることが可能となる。

上述のベイヤー配列とは異なる画素配列、例えばハニカム配列を用いた場合、レッド領域の光を透過するカラーフィルターを設けた第１の画素３１の重心と、ブルー領域及びレッド領域の光を透過するカラーフィルターを設けた第２の画素３４の重心との距離をベイヤー配列の場合よりも短くすることができる。このため、第１の光電変換部３２の突出領域３３の長さを短くすることができるため、突出領域３３で光電変換する電荷をさらに読出し易くすることが可能となる。図４に示すカラーフィルター構成においても、上述のように対角に位置する第１の画素３１の重心と第２の画素３４の重心との距離が短くなる画素配列を適応すれば、同様の効果が得られる。

また、本実施形態の固体撮像装置は、可視光と赤外光を同時に撮像可能な固体撮像装置に適用することも有用である。この場合、固体撮像装置の画素部のカラーフィルター配列は例えば図４に示すようになる。可視光による画像を得る際には、各可視光撮像用の画素の出力信号から赤外光の信号成分を差し引く演算を行って入射光の可視光成分により生じた信号を算出する必要がある。ここで、可視光撮像用画素の出力信号のうち可視光信号成分をＶ、赤外光信号成分をＩＲ_ＶＩＳとし、赤外光撮像用画素から出力された赤外光信号成分をＩＲ_ＩＲとする時、可視光信号成分Ｖは、
Ｖ＝（Ｖ＋ＩＲ_ＶＩＳ）−Ｋ・ＩＲ_ＩＲ …（１）
となる。式（１）においてＫは赤外光信号成分を正確に除去するための係数である。一方、可視光撮像用画素のノイズ成分Ｎ_ＶＩＳは昼間で光量が十分にある場合、光ショットノイズに近似でき、
Ｎ_ＶＩＳ＝√（Ｖ＋ＩＲ_ＶＩＳ） …（２）
となる。また、赤外光撮像用画素のノイズ成分Ｎ_ＩＲは、Ｎ_ＶＩＳと同様に、
Ｎ_ＩＲ＝√ＩＲ_ＩＲ …（３）
となる。すなわち、式（１）のような演算を行った場合、演算後のノイズＮは式（２）、（３）より、
Ｎ＝√〔{√（Ｖ＋ＩＲ_ＶＩＳ）}^２＋（Ｋ・√ＩＲ_ＩＲ）^２〕 …（４）
となる。式（４）より、赤外光と可視光とを同時に撮像する固体撮像装置では、可視光のみを撮像する固体撮像装置に比べて演算後の信号においてノイズ成分が増加し、演算後のＳＮ比が低下する。しかし、本実施形態の固体撮像装置では、第２の画素３４に入射した光の赤外光成分の一部は第１の画素の突出領域３３で吸収されるので、ＩＲ_ＶＩＳが小さくなり、ＩＲ_ＩＲが大きくなる。このため、式（４）における第１項で表されるノイズ成分を小さくすることができる。

また、第１の光電変換部３２のうち第１の画素３１内に設けられた部分４５には、赤外光のみが入射する。第１の光電変換部３２全体としては、第１の画素３１と第２の画素３４に入射する赤外光を光電変換するため、赤外光に対する感度が大幅に向上している。よって、式（１）の赤外光撮像用画素の赤外光信号成分ＩＲＩＲは従来技術と比べて大きくなっており、差分演算する際の係数Ｋを小さくすることができる。従って、式（４）における第２項で表されるノイズ成分を低減できる。
なお、ここではブルー領域光撮像用の画素に赤外光撮像用の第１の光電変換部３２の突出領域３３を設ける例について説明したが、グリーン領域、レッド領域の光を受ける画素内に赤外光を受光する突出領域３３を設けた場合においても、式（４）における第１項を小さくすることが可能であり、同様の効果が得られる。

つまり、本実施形態の固体撮像装置においては、可視光撮像用画素の赤外光信号成分が減少する効果と、赤外光撮像用画素の赤外光信号成分が増加する効果とによって、差分演算でのノイズの増加を抑えることができる。従って、本実施形態の画素構成を可視光と赤外光を同時に撮像可能な固体撮像装置に応用した場合、赤外光に対する感度を向上させつつ、差分演算した場合にＳＮ比の低下を抑制できる。

なお、本実施形態の固体撮像装置の光電変換部の導電型はＰ型であってもよいし、Ｎ型であってもよい。

また、本実施形態の固体撮像装置で用いられるカラーフィルターは、イエロー、マゼンダ、シアン等の色を含む補色系カラーフィルターであっても良い。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面を模式的に示す図である。本実施形態の固体撮像装置の回路構成は図１と同じであり、図２に示す第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じ部材については同じ符号を付して説明を簡略化する。

図６に示すように、本実施形態の固体撮像装置９１は、半導体基板２２上に配列された複数の画素２３と、半導体基板２２の上方に設けられ、複数の画素２３の各々同士を電気的に分離する分離部２５とを備えている。

図６に示す例では、複数の画素２３には、第１の画素９２、第２の画素９５、及び第３の画素９７が含まれており、複数のカラーフィルター２６には、第１のカラーフィルター４１及び第２のカラーフィルター４２が含まれている。また、複数の光電変換部２４には、第１の光電変換部９３、第２の光電変換部９６、及び第３の光電変換部９８が含まれている。第１の画素９２には上述の第１の光電変換部９３及び第１のカラーフィルター４１が設けられており、第２の画素９５には上述の第２の光電変換部９６及び第２のカラーフィルター４２が設けられている。第３の画素９７には第３の光電変換部９８及び第３のカラーフィルター４９が設けられている。第１のカラーフィルター４１は、第１の波長領域を透過率のピークとする分光特性を有し、第２のカラーフィルター４２は、第１の波長領域と、第１の波長領域より波長が短い第２の波長領域とを透過率のピークとする分光特性を有している。第３のカラーフィルター４９は、第１の波長領域と、第１の波長領域より波長が短い波長領域（例えば第２の波長領域）とを透過率のピークとする分光特性を有している。

本実施形態の固体撮像装置の特徴は、第１の画素９２に設けられた第１の光電変換部９３のうち突出領域９４が少なくとも隣接する２つの画素内の光電変換部の下方領域にまで伸張していることにある。図６に示す例では、第２の画素９５、第３の画素９７では、両隣の画素から伸張した突出領域９４が第２の光電変換部９６、第３の光電変換部９８の下方にそれぞれ設けられている。また、第１の光電変換部９３、第２の光電変換部９６、第３の光電変換部９８とは、第１導電型の半導体層２８によってそれぞれ電気的に分離されている。第１の光電変換部９３の突出領域９４の不純物濃度は、第１の光電変換部９３のうち第１の画素９２内に設けられた部分９９の不純物濃度に比べて低いことが望ましい。また、第１の光電変換部９３は、第２の光電変換部９６及び第３の光電変換部９８よりも厚く、深い位置まで形成されている。また、突出領域９４は、同一画素内の信号読み出し回路の下方にまで設けられていてもよい。これにより、第１の画素９２に斜めに入射する光をより多く受けることができる。

なお、第１の光電変換部９３の突出領域９４は、第１の画素９２に隣接し、第１の画素９２を囲む複数の画素のうち少なくとも２つの画素内に設けられていればよい。

図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部において、カラーフィルターの配置例を示す図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置における画素部では、例えば、第１の画素９２と第２の画素９５とを少なくとも一つずつ含む４つの画素を１組の画素５４として、この１組の画素５４が２次元アレイ状に規則的に配列される。この例では、第１の画素９２には赤外光のみを透過するカラーフィルターを形成し、第２の画素９５にはブルー領域の光及び赤外光を透過するカラーフィルターを形成し、画素１０４にはグリーン領域の光及び赤外光を透過するカラーフィルターを形成し、画素１０６にはレッド領域の光及び赤外光を透過するカラーフィルターを形成する。また、第３の画素９７は、第１の画素９２の側方に配置されている。ここでは、第２の画素を画素９５、第３の画素を画素９７としたが、第２の画素及び第３の画素は、第１の画素９２に隣接する画素であればどのように選んでもよい。

この場合、第１の画素９２に入射する光は、第１のカラーフィルター４１により赤外光のみに選択され、第１の光電変換部９３のうち第１の画素９２内に設けられた部分９９で光電変換される。生成された信号電荷は第１の光電変換部９３に蓄積される。

また、第２の画素９５に入射する光は、第２のカラーフィルター４２によりブルー領域の光と赤外光のみに選択される。ブルーのような短波長の光は、シリコン等の半導体材料における吸収係数が長波長の光に比べて大きいため、基板（光電変換部２４、半導体層２８、拡散層３０を含めた半導体部分）の上面近傍で吸収される。よって、ブルー領域の光は第２の光電変換部９６で光電変換され、生成された信号電荷は第２の光電変換部９６に蓄積される。一方、赤外光のような波長の長い光は基板深部まで透過するため、第２の画素９５に入射する赤外光は、第２の光電変換部９６と、その下方に位置する第１の光電変換部９３の突出領域９４で光電変換され、生成された信号電荷は各光電変換部に蓄積される。ここで、第１の光電変換部９３の突出領域９４の不純物濃度を、第１の光電変換部９３のうち第１の画素９２内に設けられた部分９９の不純物濃度よりも低くすると、突出領域９４で生成される信号電荷を読み出しやすくすることができるので、好ましい。

また、第３の画素９７に入射する光も第２の画素９５に入射する光と同様に、ブルー領域の光と赤外光のみに選択される。ブルー領域の光は第３の光電変換部９８で光電変換され、赤外光は第１の光電変換部９３の突出領域９４で光電変換される。

画素１０４に入射する光は、カラーフィルター２６により、グリーン領域の光と赤外光に選択される。選択された光は各々の画素内の光電変換部で光電変換され、生成される信号電荷は各々の光電変換部に蓄積される。また、画素１０６に入射する光は、レッド領域の光と赤外光に選択される。選択された光は画素１０６内の光電変換部で光電変換され、生成される信号電荷は光電変換部に蓄積される。

本実施形態の固体撮像装置では、長波長の光を受けるための第１の画素９２に隣接する２つ以上の画素内の光電変換部の下方に、第１の光電変換部９３の突出領域９４が伸張しているので、図２に示す例に比べて第１の光電変換部９３が複数の隣接画素に入射した光の長波長成分を光電変換でき、長波長の光に対する感度をさらに向上させることができる。また、第１の画素９２に隣接する２つ以上の画素内の光電変換部の下方に、第１の光電変換部９３の突出領域９４が伸張しており、１つの隣接画素内に伸張させる領域が第１の実施形態に比べて短くても高感度化を見込むことができる。このため、突出領域９４からの電荷の読み出しがより容易になる。さらに、第１の実施形態の固体撮像装置と同様に、可視光と赤外光とを同時に撮像できる構成にした場合には、差分演算によるＳＮ比の低下を抑えることができる。

なお、図７に示す例では、赤外光を第１の波長領域の光とし、ブルー領域の光を第２の波長領域の光とするカラーフィルターを設けたが、第２の波長領域は第１の波長領域よりも短波長側であればよい。つまり、第１の波長領域を赤外領域とした場合、第２の波長領域は、ブルー領域、グリーン領域、レッド領域等であってもよく、第１の波長領域をレッド領域とした場合は、第２の波長領域はブルー領域、グリーン領域などであってもよい。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係るＭＯＳ型イメージセンサである固体撮像装置の画素部の図２とは異なる方向の断面を模式的に示す図である。本実施形態の固体撮像装置の回路構成は図１と同じであり、図２に示す第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じ部材については同じ符号を付して説明を簡略化する。

図８に示すように、本実施形態の固体撮像装置１１１は、半導体基板２２上に配列された複数の画素２３と、半導体基板２２の上方に設けられ、複数の画素２３の各々同士を電気的に分離する分離部２５とを備えている。

また、図８は信号読み出し回路１９（図１参照）の一部を示しており、具体的には光電変換部２４に蓄積された電荷を読み出すためのフローティングディフュージョン９と、光電変換部２４に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン９へ転送するための転送トランジスタ２の転送ゲート１２０を示している。

図８に示す例では、複数の画素２３には、第１の画素１１２、及びこれと隣接する第２の画素１１３が含まれており、複数のカラーフィルター２６には、第１のカラーフィルター４１及び第２のカラーフィルター４２が含まれている。また、複数の光電変換部２４には、第１の光電変換部１１４及び第２の光電変換部１１５が含まれている。

第１の画素１１２には上述の第１の光電変換部１１４及び第１のカラーフィルター４１が設けられており、第２の画素１１３には上述の第２の光電変換部１１５及び第２のカラーフィルター４２が設けられている。第１のカラーフィルター４１は、第１の波長領域を透過率のピークとする分光特性を有し、第２のカラーフィルター４２は、第１の波長領域と、第１の波長領域より波長が短い第２の波長領域とを透過率のピークとする分光特性を有している。第３のカラーフィルター４９は、第１の波長領域と、第１の波長領域より波長が短い波長領域（例えば第２の波長領域）とを透過率のピークとする分光特性を有している。

本実施形態の固体撮像装置では、第１の画素１１２に設けられた第１の光電変換部１１４のうち突出領域１１６が少なくとも隣接する１つの画素内の光電変換部及び読出し回路部の下方領域にまで伸張していることにある。この場合、図８に示すように、第１の光電変換部１１４の突出領域１１６はフローティングディフュージョン９と転送ゲート１２０の下方領域を通って、第２の光電変換部１１５の下方領域まで達している。また、第１の光電変換部１１４、第２の光電変換部１１５とは、第１導電型の半導体層２８によってそれぞれ電気的に分離されている。第１の光電変換部１１４の突出領域１１６の不純物濃度は、第１の光電変換部１１４のうち第１の画素１１２内に設けられた部分１１７の不純物濃度に比べて低いことが望ましい。また、第１の光電変換部１１４は、第２の光電変換部１１５よりも厚く、深い位置まで形成されている。

なお、第１の光電変換部１１４の突出領域１１６は、第１の画素１１２に隣接し、第１の画素１１２を囲む複数の画素のうちの少なくとも１つの画素内に設けられていればよい。

ここで、第１の光電変換部１１４の突出領域１１６がフローティングディフュージョン９と転送トランジスタ２の下方領域を通って、第２の光電変換部１１５の下方領域まで達しており、その他の画素内回路（選択トランジスタ８、リセットトランジスタ４、増幅トランジスタ６）の下方領域には形成されないことが好ましい。選択トランジスタ８、リセットトランジスタ４、増幅トランジスタ６はそれぞれ半導体層（ウェル）内に形成されている。選択トランジスタ８、リセットトランジスタ４、増幅トランジスタ６の下方領域に第１の光電変換部１１４が延在する場合、第１の光電変換部１１４内に入射光により発生する電荷によって、半導体層（ウェル）の電位が不安定になってしまい、読み出し動作時のノイズ発生要因となる。なお、第１の光電変換部１１４は、フローティングディフュージョン９や転送ゲート１２０、選択トランジスタ８等の画素内回路の下方領域を含まず、分離部２５の下方領域のみを通って第２の画素１１３内に延伸するように形成されていても良い。

この場合、第１の画素１１２に入射する光は、第１のカラーフィルター４１により第１の波長領域に選択され、第１の光電変換部１１４のうち第１の画素１１２内に設けられた部分１１７で光電変換される。生成された信号電荷は第１の光電変換部１１４に蓄積される。

また、第２の画素１１３に入射する光は、第２のカラーフィルター４２により第１の波長領域と第２の波長領域に選択される。第２の波長領域は第１の波長領域よりも短波長であり、シリコン等の半導体材料における吸収係数が比較的大きいため、基板（光電変換部２４、半導体層２８、拡散層３０を含めた半導体部分）の上面近傍で吸収される。よって、第２の波長領域の光は第２の光電変換部１１５で光電変換され、生成された信号電荷は第２の光電変換部１１５に蓄積される。一方、第１の波長領域の光は基板深部まで透過するため、第２の画素１１３に入射する第１の波長領域の光は、第２の光電変換部１１５と、その下方に位置する第１の光電変換部１１４の突出領域１１７で光電変換され、生成された信号電荷は各光電変換部に蓄積される。ここで、第１の光電変換部１１４の突出領域１１６の不純物濃度を、第１の光電変換部１１４のうち第１の画素１１２内に設けられた部分１１７の不純物濃度よりも低くすると、突出領域１１７で生成される信号電荷を読み出しやすくすることができるので、好ましい。

本実施形態の固体撮像装置では、長波長の光を受けるための第１の画素１１２に隣接する複数の画素内の光電変換部及びフローティングディフュージョン９、転送ゲート１２０、分離部２５の下方領域に、第１の光電変換部１１４の突出領域１１６が伸張しているので、図２に示す例に比べて第１の光電変換部１１４の受光面積をさらに増加させることができ、長波長の光に対する感度をさらに向上させることができる。また、第１の実施形態の固体撮像装置と同様に、可視光と赤外光とを同時に撮像できる構成にした場合には、差分演算によるＳＮ比の低下を抑えることができる。

なお、本発明の範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り構成部材の変更等を行うことが可能である。

本発明の実施形態による固体撮像装置は、赤色光や赤外光といった長波長の光を撮像できるビデオカメラやデジタルカメラ、車載及びセキュリティ用途のカメラ等に利用できる。

２転送トランジスタ
４リセットトランジスタ
６増幅トランジスタ
８選択トランジスタ
９フローティングディフュージョン
１１画素部
１２周辺回路部
１３、６３、６４、８３、８５画素
１４水平シフトレジスタ
１５垂直シフトレジスタ
１６ＣＤＳ回路
１７アンプ回路
１８光電変換部
１９信号読み出し回路
２１、９１、１１１固体撮像装置
２２半導体基板
２３複数の画素
２４複数の光電変換部
２５分離部
２６複数のカラーフィルター
２７マイクロレンズ
２８半導体層
２９信号線
３０拡散層
３１、９２、１１２第１の画素
３２、９３、１１４第１の光電変換部
３３、９４、１１６突出領域
３４、９５、１１３第２の画素
３５、９６、１１５第２の光電変換部
３６、９８第３の光電変換部
４１第１のカラーフィルター
４２第２のカラーフィルター
４５、９９、１１７第１の光電変換部のうち第１の画素内に設けられた部分
４６第１の平坦化膜
４８第２の平坦化膜
４９第３のカラーフィルター
５１、５３、５４１組の画素
７１、７２、７３、７４カラーフィルター
９７第３の画素
１０４、１０５、１０６画素

Claims

半導体基板と、前記半導体基板上に配列され、各々が光電変換部を有する複数の画素と、前記複数の画素の各々を電気的に分離する分離部とを備え、
前記複数の画素のうちの第１の画素は、第１の波長領域に光透過率のピークを有する第１のカラーフィルターと、第１の光電変換部とを有し、
前記第１の画素に隣接する第２の画素は、前記第１の波長領域と前記第１の波長領域よりも短波長側の第２の波長領域とに光透過率のピークを有する第２のカラーフィルターと、第２の光電変換部とを有し、
前記第１の光電変換部の深部の一部は、前記分離部を越えて、前記第２の光電変換部の下方に達しており、
前記第１の光電変換部の深部のうち前記第２の画素内に含まれる第１領域の不純物濃度は、前記第１の光電変換部の深部のうち前記第１の画素内に含まれる第２領域の不純物濃度よりも低く、
前記第１の波長領域の光は非可視光であり、前記第２の波長領域の光は可視光であり、
前記光電変換部の前記第１領域は、前記第２のカラーフィルターを通って入射した前記第１の波長領域の光を光電変換し、
前記光電変換部の前記第２領域は、前記第１のカラーフィルターを通って入射した前記第１の波長領域の光を光電変換することを特徴とする固体撮像装置。
前記第１の光電変換部は前記第１の波長領域の光を光電変換し、前記第２の光電変換部は前記第１の波長領域の光と前記第２の波長領域の光を光電変換することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素は、各々の光電変換部で光電変換された信号を読み出すための信号読み出し回路をさらに有しており、
前記第１の光電変換部の深部の一部は、前記信号読み出し回路の下方に延在していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第２の画素内に設けられ、前記第１の光電変換部の深部の一部と前記第２の光電変換部とを電気的に分離し、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部と逆導電型の半導体層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素は、各々がフローティングディフュージョン、転送トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタを有しており、
前記第１の光電変換部の深部の一部は、前記フローティングディフュージョン及び前記転送トランジスタの下方に延在し、且つ、前記選択トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの下方には延在していないことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。