JP2006278446A - 単板式カラー固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体基板の深さ方向に複数のフォトダイオードを設け半導体の光吸収係数の波長依存性を利用してカラー信号を分離して検出する撮像素子で、暗電流を低減する。
【解決手段】 信号読出回路１１７，１１８に接続される高濃度不純物領域１０７，１０８が表面部に形成された半導体基板１０１と、半導体基板１０１の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオード１０２，１０３，１０４と、半導体基板１０１の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオード１０４，１０５，１０６とを備える単板式カラー固体撮像素子１００において、各フォトダイオードの夫々に連設され半導体基板の表面に露出する接続領域であってフォトダイオードの蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域１０７，１０８に移動させる接続領域１０３ａ，１０５ａを、高濃度不純物領域１０７，１０８に接する部分にのみ形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】 信号読出回路１１７，１１８に接続される高濃度不純物領域１０７，１０８が表面部に形成された半導体基板１０１と、半導体基板１０１の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオード１０２，１０３，１０４と、半導体基板１０１の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオード１０４，１０５，１０６とを備える単板式カラー固体撮像素子１００において、各フォトダイオードの夫々に連設され半導体基板の表面に露出する接続領域であってフォトダイオードの蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域１０７，１０８に移動させる接続領域１０３ａ，１０５ａを、高濃度不純物領域１０７，１０８に接する部分にのみ形成する。
【選択図】 図１
Description
本発明は１画素で赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色の信号を検出する単板式カラー固体撮像素子に係り、特に、暗電流を低減し良好な画質のカラー画像を撮像することができる単板式カラー固体撮像素子に関する。
従来のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに代表される単板式カラー固体撮像素子は、光電変換する画素（フォトダイオード）配列上にモザイク状にＲ，Ｇ，Ｂの各色フィルタを搭載している。そして、カラー固体撮像素子の各画素から出力される色フィルタに応じた色信号を信号処理することで、カラー画像を生成する様になっている。
しかし、色フィルタがモザイク状に配置されたカラー固体撮像素子は、原色の色フィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂの３色）の場合，入射光の２／３が各色フィルタで吸収されるため、光利用効率が悪く、感度が低いという欠点を持っている。また、各画素で１色の色信号しか得られないため解像度も悪く、特に、偽色が目立つという欠点もある。
そこで、斯かる欠点を克服するために、例えば、特許文献１，２に記載されている様に、３層の光電変換膜を積層した撮像素子が研究，開発されている。この撮像素子は、例えば、光入射面から順に、青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の夫々の光に対して信号電荷（電子，正孔）を発生する光電変換膜を３層積層した画素構造を備え、しかも各画素毎に、各光電変換膜で光発生した信号電荷を独立に読み出す信号読出回路を備えている。この撮像素子の場合、入射光を殆ど光電変換するため、可視光の利用効率は１００％に近く、しかも１画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号が得られる構造になっているため、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像が得られるという利点がある。
また、特許文献３に記載された撮像素子は、シリコン基板内に光信号を検出する３層のウェル（フォトダイオード）を設け、シリコン基板の深さの違いにより、分光感度が異なる信号を取り出す様にしている。つまり、表面のＰＮ接合部からは青色（Ｂ）にピークを持つ信号を取り出し、中間のＰＮ接合部からは緑色（Ｇ）にピークを持つ信号を取り出し、深部のＰＮ接合部からは赤色（Ｒ）にピークを持つ信号を取り出す様にしている。この撮像素子も、特許文献１，２に記載の撮像素子と同様に、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像を撮像することができる。
しかし、特許文献１，２の撮像素子は、３層の光電変換膜を基板上に積層しなければならず、また、各光電変換膜毎かつ画素毎に区分けして設けた画素電極膜と基板上に設けた信号読出回路とを接続する縦配線の形成が難しく、製造工程が複雑でコストが嵩み、また、製造歩留まりが低いという問題を抱えている。
一方、特許文献３の撮像素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色信号の分光感度特性の分離が十分でないため色再現性が悪く、かつ、真のＲ，Ｇ，Ｂ信号を得るために出力信号の加減算を行う必要があり、この加減算処理によってＳ／Ｎが劣化してしまうという問題がある。
そこで、特許文献１，２及び特許文献３の各問題を解決する撮像素子として、特許文献４に記載の撮像素子が提案されている。この撮像素子は、特許文献１，２の撮像素子と特許文献３の撮像素子のハイブリッド型となっている。即ち、シリコン基板の上層に緑色（Ｇ）光に感度を持つ光電変換膜を１層だけ積層し、シリコン基板内に２つのＰＮ接合（フォトダイオード）を設けて、浅部のＰＮ接合部で青色（Ｂ）光の信号を、深部のＰＮ接合部で赤色（Ｒ）光の信号を取り出す構造になっている。
この撮像素子は、光電変換膜が１層のため製造工程が簡単となり、製造コストの上昇が抑制されると共に、製造歩留まりの低下も殆どなくなるという利点を有する。また、光電変換膜で緑色（Ｇ）光が吸収されシリコン基板内には青色（Ｂ）光と赤色（Ｒ）光のみが入射する構成のため、シリコン基板内のＢ光用のＰＮ接合部とＲ光用のＰＮ接合部の分光感度特性の分離が改善されて色再現性が良くなり、かつ、Ｓ／Ｎも良い画像を撮像することが可能となる。
しかしながら、特許文献４のハイブリッド型の撮像素子は、特許文献３の撮像素子も同様であるが、暗時出力（暗電流とも言う）が大きく、特に被写体の暗い部分の画質が悪いという問題がある。以下に、その理由を説明する。
ＰＮ接合フォトダイオードを持つ撮像素子では、ＰＮ接合フォトダイオードを逆バイアス状態で動作させるため、ＰＮ接合部に空乏層が生成される。ところが、２層構造や３層構造のフォトダイオードを持つ撮像素子では、図５，図６（特許文献３の図６，図７と同じ）に示されるように、ＰＮ接合部１がシリコン基板２の表面に露出している。
一方、シリコン基板２の表面は、シリコンとシリコン基板表面に形成するシリコン酸化膜との界面であり、暗電流の発生源となる準位や欠陥が非常に多く存在し、ここに空乏層が発生すると、暗電流が、バルク半導体に比較して１０倍から１０００倍程度以上に大きくなる。これが、特許文献３，４記載の撮像素子で暗電流が大きい理由である。つまり、ＰＮ接合部がシリコン表面に露出した撮像素子は暗電流が大きく、この暗電流（または暗時出力）は、固定パターン雑音やランダム雑音となり、画質を著しく劣化させる。
本発明の目的は、暗電流を低減し良好な画質のカラー画像を撮像することができる単板式のカラー固体撮像素子を提供することにある。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の上層に積層された緑色光検出用の光電変換膜とを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの夫々に連設され前記半導体基板の表面に露出する接続領域であってフォトダイオードの蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させる接続領域を、該高濃度不純物領域に接する部分にのみ形成したことを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の上層に積層された緑色光検出用の光電変換膜とを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの電荷蓄積層と対応の前記高濃度不純物領域とを接続し読み出し電圧が印加されたとき前記電荷蓄積層の蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させるＭＯＳ型スイッチを設けたことを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子の前記光電変換膜が有機半導体で形成されていることを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記青色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第１の境界面とし、前記赤色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第２の境界面としたとき、第１の境界面の半導体基板表面からの深さが０．４μｍ〜１．１μｍの間、第２の境界面の半導体基板表面からの深さが２μｍ以上となる位置に前記各フォトダイオードを形成したことを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、前記浅部と前記深部の中間部に形成された緑色光検出用のフォトダイオードとを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの夫々に連設され前記半導体基板の表面に露出する接続領域であってフォトダイオードの蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させる接続領域を、該高濃度不純物領域に接する部分にのみ形成したことを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、前記浅部と前記深部の中間部に形成された緑色光検出用のフォトダイオードとを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの電荷蓄積層と対応の前記高濃度不純物領域とを接続し読み出し電圧が印加されたとき前記電荷蓄積層の蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させるＭＯＳ型スイッチを設けたことを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記青色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第１の境界面とし、前記緑色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第２の境界面とし、前記赤色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第３の境界面としたとき、第１の境界面の半導体基板表面からの深さが０．３μｍ〜０．７μｍの間、第２の境界面の半導体基板表面からの深さが０．８μｍ〜１．６μｍの間、第３の境界面の半導体基板表面からの深さが２μｍ以上となる位置に前記各フォトダイオードを形成したことを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記信号読出回路がＭＯＳトランジスタ回路または電荷転送路で構成されることを特徴とする。
本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記各フォトダイオードの受光面以外を光遮蔽する光遮蔽膜を前記半導体基板の表面に積層したことを特徴とする。
本発明によれば、半導体基板の表面に露出するフォトダイオードのＰＮ接合部分の面積が狭く或いは無くなるため、暗電流が低減する。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す単板式カラー固体撮像素子のシリコン基板表面部分の平面模式図である。図１（ｂ）のＡ―Ａ線断面が図１（ａ）に示される。図１（ａ）に示す単位セルが、二次元的に縦横に配列形成されることで、１つの撮像素子が構成される。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す単板式カラー固体撮像素子のシリコン基板表面部分の平面模式図である。図１（ｂ）のＡ―Ａ線断面が図１（ａ）に示される。図１（ａ）に示す単位セルが、二次元的に縦横に配列形成されることで、１つの撮像素子が構成される。
本実施形態の単板式カラー固体撮像素子１００はハイブリッド型で成り、ｎ型シリコン基板１０１内に２つのフォトダイオードを形成して青色（Ｂ）光の入射光量と赤色（Ｒ）光の入射光量を各フォトダイオードで検出し、シリコン基板１０１の上層に積層した光電変換膜１１１で緑色（Ｇ）光の入射光量を検出する構成をとっている。
先ず、上層の緑色（Ｇ）光検出部分の構成について述べる。シリコン基板１０１の表面をシリコン酸化膜等の透明な絶縁膜１１３で覆い、また、この絶縁膜１１３内に光遮蔽膜１１５を埋設する。光遮蔽膜１１５には、シリコン基板１０１内に設ける後述の２つのフォトダイオードの受光面にＢ光とＲ光を入射させる開口１１５ａが設けられる。
絶縁膜１１３上には開口１１５ａを覆う様に透明の画素電極膜１１０が積層され、この画素電極膜１１０が、シリコン基板１０１表面部に形成された図示しない信号電荷蓄積部に縦配線によって接続され、この信号電荷蓄積部に緑色信号検出部１１６が接続される。画素電極膜１１０は、ＩＴＯ等の様な金属化合物や非常に薄い金属膜で形成され、隣接する画素の画素電極膜とは分離されている。
画素電極膜１１０の上には光電変換膜１１１が積層され、光電変換膜１１１の上には透明な共通電極膜１１２が積層され、更にその上には保護膜として機能する透明絶縁膜１１４が積層される。
共通電極膜１１２は画素電極膜１１０と同様にＩＴＯ等で形成され、隣接する画素の共通電極膜と共通の一枚構成で積層されるが、共通電極膜を画素毎に分離してもよい。画素電極膜１１０と共通電極膜１１２との間にバイアス電位を印加することで、光電変換膜１１１内で発生した電荷を画素電極膜１１０から緑色用の図示しない信号電荷蓄積部に速やかに移動させることができる。
光電変換膜１１１は、単層膜構造でも多層膜構造でも良く、その材料は、主に緑色（Ｇ）に感度がある無機材料（シリコンや化合物半導体、それらのナノ粒子等）、有機半導体、有機色素を含む有機材料または無機材料等で形成される。
次に、ｎ型シリコン基板１０１に設ける２つのフォトダイオード構造について述べる。シリコン基板１０１の表面部の深い部分にｐ型半導体層１０６が形成される。ｐ型半導体層１０６は、例えばイオン注入法と熱拡散法により、不純物をシリコン基板１０１の深い部分にまで導入して形成する。
続いて、イオン注入法を単独または熱拡散法と併用することにより、ｐ型半導体層１０６の上にｎ型半導体層１０５を形成し、次に、ｎ型半導体層１０５の上にｐ型半導体層１０４を形成し、次に、ｐ型半導体層１０４の上にｎ型半導体層１０３を形成し、次に、ｎ型半導体層１０３の上のシリコン基板１０１の最表面部にｐ型半導体層１０２を形成する。
尚、半導体層１０５，１０４，１０３，１０２の配置順は図１（ａ）に例示する順であるが、その形成順は、この配置順通りにであっても、あるいは別の形成順でもよい。また、ｐ型半導体層１０４をｐ型半導体層１０６と区別して形成しても良いが、ｐ型半導体層１０６とｐ型半導体層１０４を一緒に形成しても良い。
青色光の入射光量に応じた光電荷を発生する第１のフォトダイオードは、上記のｐ型半導体層１０２，１０４とｎ型半導体層１０３とによって構成され、赤色光の入射光量に応じた光電荷を発生する第２のフォトダイオードは、上記のｐ型半導体層１０４，１０６とｎ型半導体層１０５とによって構成される。
シリコン基板１０１の表面部には、光遮蔽膜１１５に隠れた位置に、赤色用のｎ型高濃度不純物領域１０７と青色用のｎ型高濃度不純物領域１０８とが形成される。高濃度不純物領域１０７は青色信号検出部１１７に接続され、高濃度不純物領域１０８は赤色信号検出部１１８に接続される。
シリコン基板１０１の深部に設けるｎ型半導体層１０５は、図１（ｂ）に示す様に、受光面を形成する矩形の平坦部分１０５ｃと、図１（ａ）に示す様に、平坦部分１０５ｃの端部からシリコン基板１０１の表面に向けて立設される電荷通路部分１０５ｂと、電荷通路部分１０５ｂのシリコン基板表面側端部であって赤色用の高濃度不純物領域１０８に接続される表面露出部分（接続領域）１０５ａとで構成される。
電荷通路部分１０５ｂは、平坦部分１０５ｃとは別にイオン注入法と熱拡散法により形成し、表面露出部分１０５ａは、光遮蔽膜１１５に隠れる位置で、且つ、できる限り表面に露出する面積が小さくなるように形成する。
シリコン基板１０１の浅部に設けるｎ型半導体層１０３は、図１（ｂ）に示す様に、受光面を形成する矩形の平坦部分１０３ｂと、平坦部分１０３ｂの端部から延び青色用の高濃度不純物領域１０７に接続される表面露出部分（接続領域）１０３ａとで構成される。表面露出部分１０３ａは、光遮蔽膜１１５に隠れる位置で、且つ、できる限り表面に露出する面積が小さくなるように形成する。
ｎ型半導体層１０３の平坦部分１０３ｂの上に形成されるｐ型半導体層１０２は、薄い層で且つ高不純物密度を有する層とする。高不純物密度とするのは、第１のフォトダイオードの空乏層がシリコン基板１０１の表面まで広がらないようにするためである。ｐ型半導体層１０２を薄くするのは、後述する第１の境界面の条件を満たすことを容易にするためである。
図１（ａ），（ｂ）に図示は省略しているが、シリコン基板１０１の表面部には、各色の信号検出部１１６，１１７，１１８を構成するスイッチ用，増幅器用のＭＯＳトランジスタ回路も形成されている。
斯かる構成の単板式カラー固体撮像素子に被写体からの光が入射すると、先ず、入射光は光電変換膜１１１を通過する。入射光中の緑色（Ｇ）光の入射光量に応じた光電荷が光電変換膜１１１内で発生し、この光電荷が信号検出部１１６によって検出される。
シリコン基板１０１に入射した光のうち、波長の短い青色光は主としてシリコン基板１０１の浅部に形成された第１のフォトダイオードで光電荷を発生させ、波長の長い赤色光はシリコン基板１０１の深部にまで達し第２のフォトダイオードで光電荷を発生させる。第１のフォトダイオードで発生した光電荷は半導体層１０３に蓄積され、この光電荷量に応じた信号が高濃度不純物領域１０７を介し信号検出部１１７により読み出される。第２のフォトダイオードで発生した光電荷は半導体層１０５に蓄積され、この光電荷量に応じた信号が高濃度不純物領域１０８を介し信号検出部１１８により読み出される。
本実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子では、暗電流が低減される。それは、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードのＰＮ接合部がシリコン基板１０１の表面上に露出している箇所が、信号検出部１１７，１１８に接続するための高濃度不純物領域１０７，１０８に接続するための僅かな部分（接続領域）１０３ａ，１０５ａに限られるためである。本実施形態では、図５，図６に示す従来の露出面積に比較して数分の１以下になるため、暗電流も従来に比較して数分の１以下に減少する。
次に、シリコン基板１０１内に設ける２つのフォトダイオードで最適な分光感度特性を実現する方法について述べる。
シリコンの光吸収係数（例えば特許文献３に記載されている。これを図４に示す。）によれば、大部分の青色光がシリコンで吸収される厚みは０．４ミクロン〜１．１ミクロンの範囲である。シリコンが赤色光を十分吸収し赤色の感度が高くなる厚みは、２ミクロン以上が好ましい。
被写体からの光がシリコン基板１０１に入射し発生した電子が移動して第１のフォトダイオードに蓄積される領域は、半導体層１０２から、半導体層１０４の電位分布が極小値となる場所（電位分布の極小点）までの間である。半導体層１０２で光発生した電子は、拡散効果で半導体層１０３に移動し、蓄積される。半導体層１０３で光発生した電子は、当然、半導体層１０３に蓄積される。
半導体層１０４の電位分布の極小点からシリコン基板１０１表面側の半導体層１０４で光発生した電子は、電位の勾配（電界）により半導体層１０３に移動し蓄積される。
半導体層１０４の電位分布の極小点からシリコン基板１０１の深い側の半導体層１０４で光発主した電子は、電位の勾配（電界〉により、半導体層１０５に移動し、半導体層１０３側に移動し蓄積されることはない。従って、光吸収に寄与する半導体層１０４の電位分布が極小値となる場所（第１の境界面）が、シリコン基板１０１の表面から０．４ミクロン〜１．１ミクロンの間となるように各フォトダイオードの位置を設計するのが望ましい。これにより、第１のフォトダイオードの青色光に対する感度が高くなり、且つ、青色と赤色の色分離も良好となる。
また、同様の理由により、光吸収に寄与する半導体層１０６の電位分布が極小値となる場所（第２の境界面）が、シリコン基板１０１の表面から２ミクロン以上となる様に設計するのが望ましい。これにより、第２のフォトダイオードの赤色光に対する感度が高くなる。
なお、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードの周辺部は、上記条件を満たすことが難しいため、光遮蔽膜１１５によりこの周辺部への光入射を阻止し、光電荷の発生を抑制する。これにより、混色が避けられる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図である。第１の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子と同一構成部分または同様部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図である。第１の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子と同一構成部分または同様部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
本実施形態の単板式カラー固体撮像素子２００は、シリコン基板１０１の最表面にゲート絶縁膜２０１を形成し、その上に、透明絶縁膜１１３を積層している。
そして、ｎ型半導体層１０５の電荷通路部分１０５ｂの上端部がｐ型半導体層１０２に接する位置で止まる様に電荷通路部分１０５ｂが形成される。即ち、ｎ型半導体層１０５がシリコン基板１０１の表面に露出する部分はない。また、半導体層１０２と電荷通路部分１０５ｂの図示の例では各左端面位置が整列するように形成され、この整列端から高濃度不純物領域１０８の端部まで延びるゲート電極２０２がゲート絶縁膜２０１の上に形成される。このゲート電極２０２は、電荷通路部分１０５ｂと高濃度不純物領域１０８とを接続するＭＯＳ型スイッチ２０３として機能し、ＭＯＳ型スイッチ２０３に読み出し電圧が印加されたとき、半導体層１０５の蓄積電荷が高濃度不純物領域１０８に移動する。
ｎ型半導体層１０３は、図示の例ではその右端面位置が半導体層１０２の右端面位置と整列する位置まで形成され、シリコン基板１０１の表面に露出する部分はない。また、この整列端から高濃度不純物領域１０７の端部まで延びるゲート電極２０４がゲート絶縁膜２０１の上に形成される。このゲート電極２０４は、半導体層１０３と高濃度不純物領域１０７とを接続するＭＯＳ型スイッチ２０５として機能し、ＭＯＳ型スイッチ２０５に読み出し電圧が印加されたとき、半導体層１０３の蓄積電荷が高濃度不純物領域１０７に移動する。
上述した第１の実施形態に係るカラー固体撮像素子１００は、半導体層１０３の蓄積電荷に応じた信号を、高濃度不純物領域１０７を介して信号検出部１１７が読み出す信号読出回路を用いている。同様に、半導体層１０５の蓄積電荷に応じた信号を、高濃度不純物領域１０８を介して信号検出部１１８が読み出す信号読出回路を用いている。これらの各信号読出回路は、従来のＣＭＯＳイメージセンサで用いられる３トランジスタ構成である。
これに対し、本実施形態のカラー固体撮像素子２００は、夫々の信号読出回路に、ＭＯＳ型スイッチ２０３，２０５が加わった４トランジスタ構成となっている。
第１の実施形態に係るカラー固体撮像素子では、多画素化を図って集積密度が高まり、フォトダイオードの受光面の面積が小さくなると、相対的に表面露出部分１０３ａ，１０５ａの面積割合が増え、暗電流が増加してしまう。しかし、本実施形態のカラー固体撮像素子２００では、表面露出部分が無く、有っても上記の整列端部分の非常に狭い範囲であるため、多画素化を図って集積密度が高くなっても、暗電流を低減することができる。
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の断面模式図である。本実施形態の単板式カラー固体撮像素子３００は、ｎ型シリコン基板３０１内に３つのフォトダイオード構造を設け、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を分離して検出する。即ち、シリコン基板３０１の深部から順に、ｐ型半導体層３０８、ｎ型半導体層３０７、ｐ型半導体層３０６、ｎ型半導体層３０５、ｐ型半導体層３０４、ｎ型半導体層３０３、ｐ型半導体層３０２を設ける。そして、シリコン基板３０１の表面上に透明絶縁膜３１２を積層すると共に、透明絶縁膜３１２内に、開口３１３ａが設けられた光遮蔽膜３１３を埋設する。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の断面模式図である。本実施形態の単板式カラー固体撮像素子３００は、ｎ型シリコン基板３０１内に３つのフォトダイオード構造を設け、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を分離して検出する。即ち、シリコン基板３０１の深部から順に、ｐ型半導体層３０８、ｎ型半導体層３０７、ｐ型半導体層３０６、ｎ型半導体層３０５、ｐ型半導体層３０４、ｎ型半導体層３０３、ｐ型半導体層３０２を設ける。そして、シリコン基板３０１の表面上に透明絶縁膜３１２を積層すると共に、透明絶縁膜３１２内に、開口３１３ａが設けられた光遮蔽膜３１３を埋設する。
光遮蔽膜３１３に隠れた位置のシリコン基板３０１表面部には、ｎ型高濃度不純物領域３０９，３１０，３１１が形成され、各領域３０９，３１０，３１１に、各色（Ｂ，Ｇ，Ｒ）の信号検出部３１４，３１５，３１６が接続される。
各ｎ型半導体層３０３，３０５，３０７は、光遮蔽膜３１３に隠された位置でシリコン基板３０１の表面側に延び、夫々の表面露出部分（接続領域）３０３ａ，３０５ａ，３０７ａが対応の高濃度不純物領域３０９，３１０，３１１に接続される。この表面露出部分３０３ａ，３０５ａ，３０７ａは、図１（ｂ）に示す実施形態と同様に、高濃度不純物領域３０９，３１０，３１１に接する部分のみで表面に露出する様に形成される。
斯かる構成により、本実施形態の単板式カラー固体撮像素子３００も、基板表面に露出するＰＮ接合部分が小さいため、暗電流が低減する。
単板式カラー固体撮像素子３００の場合、ｎ型半導体層を設ける最適位置が第１，第２の実施形態とは異なる。光発生した小数キャリアの信号電荷がシリコン表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界位置が、これらの最適なシリコンの深さに一致するように選択される。即ち、本実施形態では、青色光に対しておよそ０．３ミクロン〜０．７ミクロン、緑色光に対して０．８ミクロン〜１．６ミクロン、赤色光に対して２ミクロン以上となるように各フォトダイオードの位置を設計する。これにより、Ｒ，Ｇ，Ｂの色分離が良く、赤の感度が高いカラー画像を撮像することが可能となる。
第３の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子３００は、図１（ａ）に示す光電変換膜積層型のカラー固体撮像素子１００のシリコン基板側の構成、即ち、表面露出部分１０３ａ，１０５ａと同様の表面露出構造３０３ａ，３０５ａ，３０７ａを設け、暗電流の低減を図っている。これと同様に、図２のＭＯＳ型スイッチ２０３，２０５を図３の単板式カラー固体撮像素子に適用して各ｎ型半導体層３０３，３０５，３０７の蓄積電荷を高濃度不純物領域３０９，３１０，３１１に移動させる構成も可能である。
尚、上述した各実施形態では、信号読出回路をＭＯＳトランジスタで構成した場合を例に説明したが、信号検出部に接続する高濃度不純物領域に蓄積された信号電荷を、従来のＣＣＤイメージセンサと同様に、電荷転送路によって撮像素子外部に読み出す構成でも良いことはいうまでもない。また、シリコン基板や各半導体層の導電型は一例にすぎず、他の導電型でも良い。例えば、ｎ型シリコン基板ではなく、ｐ型シリコン基板を用いてもよい。
本発明に係る単板式カラー固体撮像素子は、暗電流が小さく良好なカラー画像を撮像できるため、従来のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサの代わりに用いると有用である。
１００，２００，３００ 単板式カラー固体撮像素子
１０１，３０１ ｎ型シリコン基板
１１１ 光電変換膜
１０３，１０５ ｎ型半導体層
１０２，１０４，１０６ ｐ型半導体層
１０３ａ，１０５ａ，３０３ａ，３０５ａ，３０７ａ 表面露出部分（接続領域）
１０７，１０８，３０９，３１０，３１１ ｎ型高濃度不純物領域
１０１，３０１ ｎ型シリコン基板
１１１ 光電変換膜
１０３，１０５ ｎ型半導体層
１０２，１０４，１０６ ｐ型半導体層
１０３ａ，１０５ａ，３０３ａ，３０５ａ，３０７ａ 表面露出部分（接続領域）
１０７，１０８，３０９，３１０，３１１ ｎ型高濃度不純物領域
Claims (9)
- 信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の上層に積層された緑色光検出用の光電変換膜とを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの夫々に連設され前記半導体基板の表面に露出する接続領域であってフォトダイオードの蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させる接続領域を、該高濃度不純物領域に接する部分にのみ形成したことを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
- 信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の上層に積層された緑色光検出用の光電変換膜とを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの電荷蓄積層と対応の前記高濃度不純物領域とを接続し読み出し電圧が印加されたとき前記電荷蓄積層の蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させるＭＯＳ型スイッチを設けたことを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
- 前記光電変換膜が有機半導体で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単板式カラー固体撮像素子。
- 前記青色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第１の境界面とし、前記赤色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第２の境界面としたとき、第１の境界面の半導体基板表面からの深さが０．４μｍ〜１．１μｍの間、第２の境界面の半導体基板表面からの深さが２μｍ以上となる位置に前記各フォトダイオードを形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子。
- 信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、前記浅部と前記深部の中間部に形成された緑色光検出用のフォトダイオードとを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの夫々に連設され前記半導体基板の表面に露出する接続領域であってフォトダイオードの蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させる接続領域を、該高濃度不純物領域に接する部分にのみ形成したことを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
- 信号読出回路と該信号読出回路に接続される高濃度不純物領域とが表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の浅部に形成された青色光検出用のフォトダイオードと、該半導体基板の深部に形成された赤色光検出用のフォトダイオードと、前記浅部と前記深部の中間部に形成された緑色光検出用のフォトダイオードとを備える単板式カラー固体撮像素子において、前記各フォトダイオードの電荷蓄積層と対応の前記高濃度不純物領域とを接続し読み出し電圧が印加されたとき前記電荷蓄積層の蓄積電荷を対応の前記高濃度不純物領域に移動させるＭＯＳ型スイッチを設けたことを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
- 前記青色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する小数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第１の境界面とし、前記緑色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する小数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第２の境界面とし、前記赤色光検出用のフォトダイオード付近で光発生する少数キャリアの信号電荷が前記半導体基板の表面方向と反対の深さ方向とに分流する境界面を第３の境界面としたとき、第１の境界面の半導体基板表面からの深さが０．３μｍ〜０．７μｍの間、第２の境界面の半導体基板表面からの深さが０．８μｍ〜１．６μｍの間、第３の境界面の半導体基板表面からの深さが２μｍ以上となる位置に前記各フォトダイオードを形成したことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の単板式カラー固体撮像素子。
- 前記信号読出回路がＭＯＳトランジスタ回路または電荷転送路で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子。
- 前記各フォトダイオードの受光面以外を光遮蔽する光遮蔽膜を前記半導体基板の表面に積層したことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子。
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