JP2006339333A

JP2006339333A - 固体撮像装置および固体撮像素子

Info

Publication number: JP2006339333A
Application number: JP2005161058A
Authority: JP
Inventors: Omichi Tanaka; 大通田中; Hideto Yoshimura; 秀人吉村; Sumio Terakawa; 澄雄寺川; Masaaki Kimata; 雅章木股
Original assignee: Funai Electric Co Ltd; Ritsumeikan Trust
Current assignee: Funai Electric Co Ltd; Ritsumeikan Trust
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-06-01
Also published as: JP4770276B2; US20060273361A1; US7679159B2

Abstract

【課題】受光部に分光特性を持たせることによりカラーフィルタを用いない固体撮像
素子および固体撮像装置を提供する。
【解決手段】３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒにおいて、Ｐ型ウェル内
にＰ⁺型層およびＮ型層が形成されている。Ｐ⁺型層は基板表面から深さｄ１まで拡散され
ている。Ｎ型層のＰＮ接合形成部分は深さｄ１から当該深さｄ１よりも深いｄ２まで拡散
されており、当該ＰＮ接合形成部分は深さｄ２においてＰ型ウェルとともにフォトダイオ
ードのＰＮ接合を形成している。深さｄ１，ｄ２は受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒ
の種類間で互いに異なる。Ｎ型層はＰＮ接合部分から基板表面まで拡散された電荷出力部
分を有しており、当該部分は電荷読み出し用のＭＯＳトランジスタに回路的に接続されて
いる。
【選択図】図１０

Description

本発明は固体撮像装置および固体撮像素子に関し、特にこれらにおける受光部の分光特
性の制御技術に関する。

従来の単板カラーカメラ用の固体撮像素子（イメージセンサ）では、シリコン基板内に
フォトダイオードが作り込まれており、当該シリコン基板上に配線層が設けられている。
そして、当該配線層上に空間変調するためのカラーフィルタが設けられており、さらにそ
の上にマイクロレンズが設けられている。

代表的なカラーフィルタの配列として、原色フィルタに対してはベイヤー配列が、補色
フィルタに対しては差順次配列が知られている。なお、ベイヤー配列は、緑（Ｇ）と赤（
Ｒ）とが交互に並ぶライン（行）と、緑（Ｇ）と青（Ｂ）とが交互に並ぶラインと、がコ
ラム（列）方向に交互に並んでおり、かつ、隣接する２ライン間で緑（Ｇ）がコラム方向
に並んではいない（したがって全体として見れば緑（Ｇ）は市松模様になっている）配列
である。また、差順次配列は、マゼンタ（Ｍｇ）と緑（Ｇ）とが交互に並ぶラインと、イ
エロー（Ｙｅ）とシアン（Ｃｙ）とが交互に並ぶラインと、がコラム方向に交互に並んだ
配列である。
特開昭５６−１６２８８５号公報特開平７−２５０２８７号公報リチャードＦ. リヨンおよびポールＭ. ヒューベル、「カメラの観察：次世代に向けて」IS&T/SID 第１０回カラーイメージング学会：色彩科学、およびエンジニアリングシステム、技術、応用；スコッツデール、アリゾナ、２００２年１１月１２日。p.349-355 （Richard F．Lyon and Paul M． Hubel，"Eyeing the Camera：Into the Next Century，" IS&T/SID Tenth Color Imaging Conference: Color Science and Engineering Systems, Technologies, Applications ; Scottsdale, Arizona ; November 12, 2002 ; p.349-355.）（なお、当該文献はhttp://www.foveon.com/docs/Century.pdfにおいて紹介されている）

上述の従来の固体撮像素子ではセルサイズが小さくなると、フォトダイオード上すなわ
ちシリコン基板上の構造の厚さが固体撮像素子の性能に大きな影響を及ぼすという問題が
ある。例えば、セルサイズが２μｍ程度（開口率２５％とするとフォトダイオードは１μ
ｍ²程度）の場合、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子ではシリコン基板
の表面からカラーフィルタ上面までの高さ（厚さ）は２μｍ〜３μｍ程度あり、ＣＭＯＳ
（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子では当該高さは５μｍ
〜６μｍ程度ある。このため、開口率が２５％程度でも、マイクロレンズを通過した主光
線の角度によっては、入射光の一部しかフォトダイオードに到達しない。特にＣＭＯＳ型
固体撮像素子の場合は、ＣＣＤ型よりも配線層が厚くなるので、上述した入射光の到達の
低下は顕著である。

このような問題に対して、ＣＣＤ型固体撮像素子においてカラーフィルタ上のマイクロ
レンズを入射光の主光線の角度にあわせて移動させるという解決策が考えられる。しかし
、レンズやズームによって上記角度が変わるので、この解決策は制限的であり、汎用的と
は言い難い。

また、カラーフィルタの形成は、フォトダイオード等を形成する半導体製造工程とは異
なるので、別個のクリーンルームに別個のステッパー、塗布装置、洗浄装置等を設ける必
要があるという問題がある。

上述の２つの問題の解決策として、ＣＭＯＳ型固体撮像素子においてカラーフィルタを
用いない構造が、例えば非特許文献１に提案されている。かかる構造ではシリコン基板内
においてフォトダイオードが深さ方向に３段積みで形成されており、これにより単一のセ
ルにおいて各フォトダイオードが形成深さに応じた波長の成分を取り出す。つまり、フォ
トダイオード自体に分光特性を持たせている。具体的には、基板表面に最も近いすなわち
最も浅い位置のフォトダイオードによって入射光の短波長成分である青（Ｂ）の成分を得
、最も深い位置のフォトダイオードによって入射光の長波長成分である赤（Ｒ）の成分を
得、中間に位置するフォトダイオードによって入射光の中間波長成分である緑（Ｇ）の成
分を得る。

しかし、この構造は、フォトダイオードを３段積みしているので、構造が複雑である。
しかも、３つのフォトダイオードからの出力を取り出すための構造を単一のセル内に設け
なければならないので、セルが大きくなってしまう。すなわち、セルの小型化が難しい。
さらに、フォトダイオードを積み重ねるので、各フォトダイオードについて個別に分光特
性を設定できない。

なお、非特許文献１の上記３段積みのフォトダイオードは、カラーフィルタを無くすの
が目的ではなく、フォトダイオードを２次元的に配置した従来の構造においてカラーフィ
ルタによって信号が空間変調されるのを避けるのが目的と解される。

本発明は、かかる点にかんがみてなされたものであり、カラーフィルタを不要にしてよ
り多くの入射光を受光可能な受光部をシンプルかつセルの小型化が可能な構造によって実
現し、しかも受光部ごとに個別に分光特性を設定しうる、固体撮像装置および固体撮像素
子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、固体撮像素子において、入射光を光電変換して電
荷を生成する複数種類の受光部を備え、前記複数種類の受光部はそれぞれ、半導体基板に
おいて基板表面から第１深さまで拡散された第１部分を有する、第１導電型の第１半導体
層と、前記第１半導体層の前記第１部分に前記第１深さにおいて接し前記第１深さから前
記第１深さよりも深い第２深さまで拡散され前記第２深さにおいてフォトダイオードのＰ
Ｎ接合を形成するＰＮ接合形成部分を有する、第２導電型の第２半導体層と、前記第２半
導体層の前記ＰＮ接合形成部分とともに前記第２深さにおいて前記ＰＮ接合を形成するよ
うに設けられた、前記第１導電型の第３半導体層と、を含み、前記第１半導体層は前記第
３半導体層よりも不純物濃度が高く、前記第１深さおよび前記第２深さは前記複数種類の
受光部の種類間で互いに異なることを特徴とする。

さらに、本発明は、固体撮像装置において、上述の固体撮像素子と、前記電荷を読み出
し、前記電荷に基づいて前記複数種類の受光部についての第１信号群を出力する、伝送部
と、前記第１信号群から所定の表色系の第２信号群を生成する信号処理部と、を備えるこ
とを特徴とする。

このような構成によれば、入射光は第１半導体層を経てフォトダイオードに至る。この
とき、受光部の種類間でフォトダイオードのＰＮ接合の深さ（第２深さ）が異なるので、
半導体についての光の侵入の波長依存性（後述の図４および図５参照）により、フォトダ
イオードに到達する光の波長成分が受光部の種類間で異なる。すなわち、フォトダイオー
ドの分光特性が異なる。さらに、第１半導体層は第３半導体層よりも不純物濃度が高いの
で、かつ、そのような高い不純物濃度がゆえに当該第１半導体層内では電位勾配は非常に
小さいので、第１半導体層内で光電変換によって生成された電荷は当該第１半導体層内で
再結合して消滅し、受光部の外へ読み出されることはほとんどない。すなわち、第１半導
体層では第１信号群に寄与しない光吸収が起こる。特に受光部の種類間で第１半導体層の
厚さにあたる第１深さが異なるので、半導体についての光の侵入の波長依存性（後述の図
４および図５参照）により、第１半導体層で吸収される光の波長成分、換言すれば第１半
導体層を通過する光の波長成分が受光部の種類間で異なる。すなわち、第１半導体層の分
光特性が異なる。したがって、本発明によれば、第１半導体層の厚さによる分光特性およ
びフォトダイオードの深さによる分光特性の二重適用によって受光部の分光特性をその種
類間で違えることができる。このため、本発明に係る固体撮像素子および固体撮像装置で
はカラーフィルタが不要である。その結果、カラーフィルタの分だけ基板表面上の構造が
薄くなるので、入射光を効率よく半導体基板内のフォトダイオードへ到達させることがで
き、感度が向上する。また、セルの小型化を推進することが可能になり、小型の固体撮像
素子および固体撮像装置またはセルが高密度配置された高解像度の固体撮像素子および固
体撮像装置を提供することができる。このような効果は、上述の基板表面上の構造がＣＣ
Ｄ（Charge Coupled Device）型よりも厚くなるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide S
emiconductor）型において顕著である。さらに、上述のようにカラーフィルタが不要なの
で、カラーフィルタの形成のための設備が不要となり、その分コスト削減を図ることがで
きる。ところで、第１半導体層は第３半導体層よりも不純物濃度が高いので、基板表面の
結晶欠陥およびこれに起因したいわゆる白キズ等の不具合を低減させることができる。つ
まり、本発明に係る第１半導体層は結晶欠陥低減作用と上述の分光作用とを同時に発揮す
るものである。また、各受光部は基本的に第１半導体層とフォトダイオード（第２半導体
層および第３半導体層）とで構成されるので、例えば非特許文献１に提案されるフォトダ
イオードを３段積みした構造に比べて、受光部の構造がシンプルであるし、受光部から出
力（電荷）を読み出すための構造も小さくてすむ。このため、セルを小型化しやすい。さ
らに、上記非特許文献１に提案される上記構造とは異なり、本発明によれば各受光部には
単一のフォトダイオードが設けられるので、フォトダイオードの分光特性を受光部ごとに
個別に設定できる。

また、前記伝送部は、各受光部に設けられた前記電荷を読み出すためのＭＯＳ（Metal
Oxide Semiconductor）トランジスタを含み、前記第２半導体層は、前記ＰＮ接合形成部
分から前記基板表面まで拡散され、前記ＭＯＳトランジスタに回路的に接続されて前記電
荷を前記伝送部へ出力する、電荷出力部分をさらに有することが好ましい。

このような構成によれば、フォトダイオードを構成する第２半導体層が伝送部と回路的
に接続された電荷出力部分を有するので、フォトダイオードよりも基板表面側に配置され
た第１半導体層の第１部分の厚さ（すなわち第１深さ）にかかわらず、フォトダイオード
で生成された電荷を確実に読み出すことができる。換言すれば、電荷出力部分の存在によ
って、第１半導体層の第１部分の厚さすなわち第１半導体層の分光特性について自由度が
大きくなる。また、電荷出力部分は基板表面まで拡散されているので、第２半導体層のＰ
Ｎ接合形成部分とＭＯＳトランジスタとを回路的に接続する場合と比較して、ＭＯＳトラ
ンジスタのゲート電圧が低くてすむ。

また、前記伝送部は、各受光部に設けられた前記電荷を読み出すためのＭＯＳトランジ
スタを含み、前記第２半導体層は、前記ＰＮ接合形成部分から前記第１深さよりも浅い第
３深さまで拡散され、前記ＭＯＳトランジスタに回路的に接続されて前記電荷を前記伝送
部へ出力する、電荷出力部分をさらに有し、前記第１半導体層は、前記基板表面から前記
第３深さまで拡散され、前記第３深さにおいて前記第２半導体層の前記電荷出力部分と接
する、第２部分をさらに有することが好ましい。

このような構成によれば、フォトダイオードを構成する第２半導体層が伝送部と回路的
に接続された電荷出力部分を有するので、フォトダイオードよりも基板表面側に配置され
た第１半導体層の第１部分の厚さ（すなわち第１深さ）にかかわらず、フォトダイオード
で生成された電荷を確実に読み出すことができる。換言すれば、電荷出力部分の存在によ
って、第１半導体層の第１部分の厚さすなわち第１半導体層の分光特性について自由度が
大きくなる。また、第１半導体層の第２部分の厚さ（すなわち第３深さ）は第１部分の厚
さ（すなわち第１深さ）よりも薄いので、第２半導体層のＰＮ接合形成部分とＭＯＳトラ
ンジスタとを回路的に接続する場合と比較して、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧が低く
てすむ。また、第１半導体層は第３半導体層よりも不純物濃度が高いので、第１半導体層
の第２部分によって、電荷出力部分上方の基板表面の結晶欠陥およびこれに起因したリー
ク電流等の不具合を低減させることができる。

また、前記第１半導体層は、前記第１部分のうちの前記第３深さから前記第１深さまで
の部分である第３部分と、前記第１部分のうちの前記基板表面から前記第３深さまでの部
分および前記第２部分から成る第４部分と、で構成され、前記第３部分の不純物濃度と前
記第４部分の不純物濃度とが異なるように設定されていることが好ましい。このような構
成によれば、第１半導体層において基板表面側の第４部分は特に不純物濃度が高いので、
第１半導体層における基板表面の結晶欠陥およびこれに起因したリーク電流等の不具合の
低減効果がより顕著に得られる。また、第３部分の厚さ（第１深さと第３深さとの差）の
制御によって、上述の第１半導体層の厚さによる分光特性を制御することができる。

また、前記複数種類の受光部は前記所定の表色系における色の数よりも多い種類数の受
光部から成ることが好ましい。このような構成によれば、入射光のより多くの波長成分を
利用して所定の表色系の第２信号群を生成可能なので、色再現性を向上させることができ
る。

また、前記複数種類の受光部は前記第２深さが深いほど広い受光面積を有することが好
ましい。このような構成によれば、第２深さが深い受光部においてより多くの電荷を生成
させることができる。一般的に、基板表面から深く（遠く）なるほど侵入した入射光は弱
くなるため、第２深さすなわちフォトダイオードのＰＮ接合の位置が深いほど電荷の生成
量は少なくなる。このため、本発明では受光面積を広くすることによって上述のように電
荷をより多く生成させることができる。これにより、受光部についての信号のレベルを受
光部の種類間で補正することができ、その結果、高画質の再現画像が得られる。

また、前記複数種類の受光部は前記受光面積が広いほど前記ＰＮ接合の面積が広いこと
が好ましい。このような構成によれば、ＰＮ接合の面積は同じにして例えば遮光層の調整
によって受光面積を違える場合と比較して、受光部が占める全配置面積を小さくすること
ができる。これにより、小型の固体撮像装置または高解像度の固体撮像装置を提供するこ
とができる。

さらに、本発明は、固体撮像装置において、入射光を光電変換して電荷を生成する複数
種類の受光部と、各受光部に設けられた前記電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタお
よび読み出した前記電荷を増幅するための増幅器を含み、増幅された電荷を前記複数種類
の受光部についての第１信号群として出力する、伝送部と、前記第１信号群から所定の表
色系の第２信号群を生成する信号処理部と、を備え、前記複数種類の受光部はそれぞれ、
半導体基板において基板表面から第１深さまで拡散された第１部分を有する、第１導電型
の第１半導体層と、前記第１半導体層の前記第１部分に前記第１深さにおいて接し前記第
１深さから前記第１深さよりも深い第２深さまで拡散され前記第２深さにおいてフォトダ
イオードのＰＮ接合を形成するＰＮ接合形成部分、および、前記ＰＮ接合形成部分から前
記基板表面の側へ拡散され前記ＭＯＳトランジスタに回路的に接続されて前記電荷を前記
伝送部へ出力する、電荷出力部分、を有する、第２導電型の第２半導体層と、前記第２半
導体層の前記ＰＮ接合形成部分とともに前記第２深さにおいて前記ＰＮ接合を形成するよ
うに設けられた、前記第１導電型の第３半導体層と、を含み、前記第１半導体層は前記第
３半導体層よりも不純物濃度が高く、前記第１深さおよび前記第２深さは前記複数種類の
受光部の種類間で互いに異なることを特徴とする。

このような構成によれば、上述の固体撮像装置と同様に、第１半導体層の厚さによる分
光特性およびフォトダイオードの深さによる分光特性の二重適用によって受光部の分光特
性をその種類間で違えることができ、カラーフィルタを用いる必要がない。したがって、
感度の向上、セルの小型化による固体撮像装置の小型化または高解像度化、および、コス
ト削減といった上述の効果が得られる。また、第１半導体層は結晶欠陥低減作用と分光作
用とを同時に発揮する。また、本発明に係る固体撮像装置は、例えば非特許文献１に提案
されるフォトダイオードに比べて、受光部の構造がシンプルであるし、受光部から出力（
電荷）を読み出すための構造も小さくてすむ。このため、セルを小型化しやすい。さらに
、フォトダイオードの分光特性を受光部ごとに個別に設定できる。また、第２半導体層の
電荷出力部分によって、フォトダイオードで生成された電荷を確実に読み出すことができ
、換言すれば第１半導体層の分光特性について自由度が大きくなる。また、電荷出力部分
はＰＮ接合形成部分から基板表面の側へ拡散されているので、第２半導体層のＰＮ接合形
成部分とＭＯＳトランジスタとを回路的に接続する場合と比較して、ＭＯＳトランジスタ
のゲート電圧が低くてすむ。

本発明によれば、固体撮像素子および固体撮像装置において、カラーフィルタを不要に
してより多くの入射光を受光可能な受光部をシンプルかつセルの小型化が可能な構造によ
って実現することができ、しかも受光部ごとに個別に分光特性を設定することができる。

＜実施形態１＞
図１に本発明の実施形態１に係る固体撮像装置１００のブロック図を示す。図１に示す
ように、固体撮像装置１００は、固体撮像素子（イメージセンサ）から成る固体撮像素子
部６００と、信号処理部４００とを含んでいる。固体撮像素子部６００は、２次元マトリ
クス状に配置された複数の受光部２００と、伝送部３００とを含んでいる。

各受光部２００は入射光１を光電変換して電荷Ｑを生成し、各受光部２００における電
荷Ｑを伝送部３００が読み出して当該電荷Ｑに基づく第１信号（群）Ｓ１として信号処理
部４００へ出力する。他方、信号処理部４００は第１信号（群）Ｓ１を所定の表色系（ま
たは色再現方式）、例えば、ＮＴＳＣ方式や、デジタルカメラでの信号処理に適した３原
色系の方式や、印刷用に適した補色系の方式、の第２信号（群）Ｓ２に変換して出力する
。以下、固体撮像装置１００についてより具体的に説明する。

図２に固体撮像素子部６００を説明するための模式図を示す。図２に示すように、固体
撮像素子部６００は、いわゆるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）
型固体撮像素子から成る。なお、固体撮像素子部６００は既知の半導体製造技術によって
製造可能である。

詳細には、受光部２００はフォトダイオード４０を含んでおり、当該フォトダイオード
４０についてアノードは接地され、カソードは伝送部３００の読み出し回路３１０に接続
されている。伝送部３００は、読み出し回路３１０と、伝送路３２１，３２２と、伝送制
御回路３３０とを含んでいる。読み出し回路３１０は各受光部２００にそれぞれ設けられ
ており、受光部２００と読み出し回路３１０との１組で１つのセル５００が構成される。
複数の読み出し回路３１０（図２の例ではコラム（列）方向（紙面縦方向）に並ぶ読み出
し回路３１０）ごとに伝送路３２１が設けられており、各伝送路３２１には上述の対応す
る複数の読み出し回路３１０の出力（端）が接続されている。各伝送路３２１の一端は伝
送路３２２に接続されており、当該伝送路３２２を伝達して各受光部２００についての信
号から成る第１信号Ｓ１が、伝送部３００から出力される。

なお、ここでは、伝送路３２１，３２２は金属等のいわゆる配線とするが、伝送路３２
１，３２２の一方または双方を例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）伝送路で構成す
ることも可能である。また、ここでは伝送路３２２を１本としたが、例えば各伝送路３２
１にそれぞれ伝送路３２２を設ければ、ライン（行）方向（紙面横方向）に並ぶ受光部２
００からの電荷または信号をパラレルに読み出すことができるし、また、コラム（列）方
向に並ぶ受光部２００からの電荷または信号をコラムごとに読み出すこともできる。

読み出し回路３１０は、電荷Ｑを読み出すための読み出しトランジスタ３１１と、増幅
器としての増幅トランジスタ３１２と、セル５００を選択するための選択トランジスタ３
１３と、リセットトランジスタ３１４と、ＦＤ（Floating Diffusion）３１５とを含んで
いる。なお、ここでは、トランジスタ３１１，３１２，３１３，３１４はＭＯＳ（Metal
Oxide Semiconductor）トランジスタである。

フォトダイオード４０のカソードは読み出しトランジスタ３１１のソースに接続されて
おり、当該読み出しトランジスタ３１１のドレインは増幅トランジスタ３１２のゲートに
接続されている。増幅トランジスタ３１２のドレインは所定電位に接続されており、当該
増幅トランジスタ３１２のソースは選択トランジスタ３１３のドレインに接続されている
。選択トランジスタ３１３のソースは配線３２１に接続されている。また、リセットトラ
ンジスタ３１４のソースおよびドレインは読み出しトランジスタ３１１のドレインおよび
上記所定電位にそれぞれ接続されており、ＦＤ３１５は読み出しトランジスタ３１１のド
レインと接地電位との間に接続されている。図面の複雑化を避けるため信号線の図示を省
略しているが、トランジスタ３１１，３１３，３１４の各ゲートへの電圧印加タイミング
の制御は伝送制御回路３３０によってなされる。

このような読み出し回路３１０によって、受光部２００のフォトダイオード４０で生成
された電荷Ｑは読み出しトランジスタ３１１を介して読み出され、当該読み出し回路３１
０において、読み出した電荷Ｑに基づいて（具体的には当該電荷Ｑを増幅トランジスタ３
１２によって増幅して）その受光部２００についての信号が生成される。そして、当該信
号が選択トランジスタ３１３を介して伝送路３２１へ出力される。

なお、図２の読み出し回路３１０はあくまで一例であり、他の構成の読み出し回路を適
用することもできる。また、読み出し回路３１０および伝送路３２１，３２２にＣＣＤ構
造を適用してＣＣＤ型の固体撮像素子部を構成することもできる。

ここで、受光部２００について、本発明に係る構造を説明する前に、その基本となる構
造を図３を参照して説明する。図３は受光部２００の基本構造としての受光部２０１を説
明するための断面図である。

図３に示すように、基本構造の受光部２０１では、Ｐ型のシリコン基板３において基板
表面３Ｓから所定深さｄまでＮ型シリコン層２０が拡散されており（すなわち、Ｎ型不純
物が拡散（または添加）されてＮ型シリコン層２０が形成されており）、Ｐ型シリコン基
板３とＮ型シリコン層２０によってフォトダイオード４０が形成されている。なお、単一
のセル５００（図２参照）内にはフォトダイオード４０と読み出し回路３１０（図２参照
）とが近接して形成されており、図３では詳細を省略しているがフォトダイオード４０に
近接して基板表面３Ｓ内にトランジスタ３１１，３１２，３１３，３１４のソース領域お
よびドレイン領域等も作り込まれている。

他方、基板表面３Ｓ上には、絶縁層８４、配線層８１、遮光層８２、保護膜８５および
平坦化層８３を含んで成る表面層８０が形成されている。Ｎ型シリコン層２０上の領域は
セル５００（図２参照）においてフォトダイオード４０へ入射光を取り入れるための開口
領域（または開口部）５１０であり、配線層８１は当該開口領域５１０以外に配置されて
いる。

絶縁層８４は、基板表面３Ｓ上に全面的に配置されている。配線層８１は、伝送部３０
０（図２参照）の伝送路３２１，３２２を成す配線等が作り込まれ、絶縁層８４上に設け
られている。例えば、Ｎ型シリコン層２０を読み出しトランジスタ３１１のソース領域と
して機能させうるように、当該トランジスタ３１１のゲート電極３１１Ｇが上記絶縁層８
４上においてＮ型シリコン層２０近傍に配置されている。

遮光層８２は入射光がフォトダイオード４０以外の領域に入らないようにするため設け
られており、いわば開口領域５１０を規定するものである。図３の例では遮光層８２は配
線層８１に光が入射しないように配線層８１の上面および側面を塞ぐように形成されてい
る。

保護膜８５は、遮光層８２の表面および開口領域５１０を覆って、配線層８１および遮
光層８２を保護する透明な層を形成している。保護膜８５の上には平坦化層８３が形成さ
れており、当該平坦化層８３の平坦な表面上にマイクロレンズ９０が配置されている。マ
イクロレンズ９０は、Ｎ型シリコン層２０に向き合うように、かつ、開口領域５１０と重
なるように配置されている。

このような構成下、受光部２０１は、フォトダイオード４０と、表面層８０のうちで開
口領域５１０内の部分と、マイクロレンズ９０とを含んで構成される。

ここで、図４にシリコンへ侵入した光の吸収状態を波長別に現したグラフを示す。図４
に示すようにシリコンへ入射した光は表面から深く侵入するに従って吸収され、光強度が
減衰する。また、図４によれば、波長の短い光ほど表面付近での吸収率（減衰率）が高く
、このため深くまで侵入せず、逆に言えば波長の長い光ほど表面付近での吸収率（減衰率
）が低く、このため深くまで侵入することが分かる。かかる特性について光の侵入深さの
波長依存性として現したグラフが図５である。

このような特性にかんがみれば、図３の受光部２０１において、光電変換による電荷Ｑ
の生成を担うフォトダイオード４０のＰＮ接合４０Ｊの形成深さｄを制御すれば、フォト
ダイオード４０の、したがって受光部２０１の分光特性（または感度スペクトル）が制御
可能となる。その結果、カラーフィルタを不要にすることができる。

そこで、図６に示すように、固体撮像素子部６００（図１および図２参照）中の受光部
２０１を、フォトダイオード４０のＰＮ接合４０Ｊの深さｄ（図３参照）が異なる３種類
の受光部２１０Ｂ，２０１ＣＹ，２０１Ｗで構成した場合を説明する。

具体的には、０．３μｍ〜０．４μｍ程度の深さにＰＮ接合４０Ｊが設けられた受光部
２０１Ｂによれば、入射光のうち約４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長成分の光によって生成
（励起）された電荷が蓄積されるので、入射光の青（Ｂ）の波長成分の信号が取り出され
る。また、０．５μｍ〜０．６μｍ程度の深さにＰＮ接合４０Ｊが設けられた受光部２０
１ＣＹによれば、入射光のうち約４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長成分の光によって生成さ
れた電荷が蓄積されるので、入射光の青（Ｂ）の波長成分のみならず緑（Ｇ）の波長成分
をも含む信号、すなわち青（Ｂ）と緑（Ｇ）との合成成分（Ｂ＋Ｇ）であるシアン（ＣＹ
）の波長成分の信号が取り出される。また、０．８μｍ〜１．２μｍ程度の深さにＰＮ接
合４０Ｊが設けられた受光部２０１Ｗによれば、入射光のうち約４００ｎｍ〜７００ｎｍ
の波長成分の光によって励起された電荷が蓄積されるので、入射光の青（Ｂ）および緑（
Ｇ）の波長成分のみならず赤（Ｒ）の波長成分をも含む信号、すなわち青（Ｂ）と緑（Ｇ
）と赤（Ｒ）の合成成分（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）である白（Ｗ）の波長成分の信号が取り出される
。

図７に、上述の３種類の受光部２０１Ｂ，２０１ＣＹ，２０１Ｗの固体撮像素子部６０
０（図１参照）における基本配列を模式的に示す。図７に示すように、受光部２０１Ｂ，
２０１ＣＹ，２０１Ｗは全体として２次元マトリクス状に配置されるが、当該マトリクス
は２種類の受光部２０１Ｗ，２０１Ｂがライン（行）方向（図７において紙面横方向）に
交互に並ぶラインと、２種類の受光部２０１Ｗ，２０１ＣＹがライン方向に交互に並ぶラ
インとに大別され、この２種類のラインがコラム（列）方向（図７において紙面縦方向）
に交互に並んでいる。このとき、３種類のうちで帯域が最も広い受光部２０１Ｗが、隣接
する２ライン間でジグザグになるように（マトリクス配列の全体から見れば市松模様にな
るように）上記２種類のラインが配置されている。

そして、これら３種類の受光部２０１Ｂ，２０１ＣＹ，２０１Ｗからの光電変換により
生成された電荷Ｑが伝送部３００のへ読み出される。具体的には、図２をも参照して、伝
送制御回路３３０が読み出しトランジスタ３１１および選択トランジスタ３１３を制御す
ることによって、受光部２０１Ｗ，２０１Ｂから成るラインと受光部２０１Ｗ，２０１Ｃ
Ｙから成るラインとを順次選択していき（走査していき）、選択されたラインの受光部２
０１から電荷Ｑが読み出される。これにより、受光部２０１Ｗ，２０１Ｂから成るライン
については白（Ｗ）の波長成分の信号Ｓｗ（図８参照）と青（Ｂ）の波長成分の信号Ｓｂ
（図８参照）とが空間変調されてシリアルに伝送部３００から出力される。同様に、受光
部２０１Ｗ，２０１ＣＹから成るラインについては白（Ｗ）の波長成分の信号Ｓｗ（図８
参照）とシアン（ＣＹ）の波長成分の信号Ｓｃｙ（図８参照）とが空間変調されてシリア
ルに伝送部３００から出力される。

このとき、伝送部３００から出力される第１信号Ｓ１は（シリアルとパラレルとの別を
問わず）信号Ｓｗ，Ｓｂ，Ｓｃｙ（図８参照）の総称にあたり、このため第１信号Ｓ１を
「第１信号群Ｓ１」と呼ぶことができる。

そして、信号Ｓｗ，Ｓｂ，Ｓｃｙから成る第１信号群Ｓ１に対しては、図１の信号処理
部４００として、図８のブロック図に示す信号処理部４０１が適用される。信号処理部４
０１は分離回路４１１およびマトリクス回路４２１を含んでいる。

分離回路４１１は例えばサンプリング等の方法によって、上記信号Ｓｂ，Ｓｃｙ，Ｓｗ
がシリアルに出力されて成る第１信号群Ｓ１を各信号Ｓｂ，Ｓｃｙ，Ｓｗに分離する。そ
して、分離された信号Ｓｂ，Ｓｃｙ，Ｓｗをマトリクス回路４２１が所定の表色系の信号
群（第２信号群）Ｓ２に変換する。例えばデジタルカメラでの信号処理に必要な３原色の
信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢに変換する。このとき、当該３つの信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢの総称が
第２信号群Ｓ２にあたる。例えば、
Ｓｗ−Ｋ１×Ｓｃｙ＝ＳＲ
Ｓｃｙ−Ｋ２×Ｓｂ＝ＳＧ
Ｓｂ＝ＳＢ
という変換によって（Ｋ１，Ｋ２は変換係数）、信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが得られる。

次に、図９に受光部２００（図１および図２参照）として、実施形態１に係る受光部２
０２を説明するための断面図を示す。図９に示すように、受光部２０２は、半導体基板と
してのＮ型シリコン基板５０内に作り込まれた、第１導電型の第１半導体層の第１部分と
してのＰ⁺型シリコン層１１と、第２導電型の第２半導体層としてのＮ型シリコン層２０
と、第１導電型の第３半導体層としてのＰ型シリコン層３０とを含んでいる。なお、Ｐ⁺
型シリコン層１１はＰ型シリコン層３０に比べて不純物濃度が高い。

以下の説明では、シリコン基板５０を「基板５０」とも呼び、Ｐ⁺型シリコン層１１、
Ｎ型シリコン層２０およびＰ型シリコン層３０を「Ｐ⁺型層１１」、「Ｎ型層２０」およ
び「Ｐ型層３０」とも呼ぶことにする。

なお、受光部２０２はさらに基板５０上に配置された表面層８０の開口領域５１０内の
部分およびマイクロレンズ９０を含んでいるが、これらの要素は基本構造に係る受光部２
０１（図３参照）と同様であるため、ここでは詳述を省略する。また、基板５０に対して
は、基本構造に係る受光部２０１（図３参照）と同様に、表面層８０や伝送部３００（図
１および図２参照）についての各種要素が設けられている。

図９に示すように、Ｐ型層３０は、Ｎ型の基板５０において、基板表面５０Ｓから所定
深さ（後述の深さｄ１，ｄ２よりも深い）まで拡散されており、Ｐ型ウェルとして形成さ
れている。そして、Ｐ⁺型層１１が、上記Ｐ型層３０内において基板表面５０Ｓから深さ
（第１深さ）ｄ１まで拡散されている。Ｎ型層２０もＰ型層３０内に形成されており、当
該Ｎ型層２０はＰＮ接合形成部分２１および電荷出力部分２２から成る。

詳細には、Ｎ型層２０のＰＮ接合形成部分２１は、Ｐ⁺型層１１の下（基板表面５０Ｓ
から遠くなる方向）に位置し、深さｄ１から、当該深さｄ１よりも深い深さ（第２深さ）
ｄ２まで拡散されている。そして、ＰＮ接合形成部分２１は、深さｄ１においてＰ⁺型層
１１に接している一方、深さｄ２においてＰ型層３０に接して当該Ｐ型層３０とともにＰ
Ｎ接合４０Ｊを形成している。つまり、Ｐ型層３０とＮ型層２０（のＰＮ接合形成部分２
１）とによってフォトダイオード４０が形成されている。

なお、深さｄ１はＰ⁺型層１１の厚さと捉えることもできるので、同じ符号によって「
（Ｐ⁺型層１１の）厚さｄ１」という表現をも用いることにする。また、深さｄ２を「Ｐ
Ｎ接合深さｄ２」または単に「接合深さｄ２」とも呼ぶことにする。

他方、Ｎ型層２０の電荷出力部分２２は、ＰＮ接合形成部分２１から連続した部分であ
り、基板表面５０Ｓの側へ拡散されている（すなわち深さｄ１よりも浅い位置まで拡散さ
れている）。特に受光部２０２では、基板表面５０Ｓまで拡散されている。電荷出力部分
２２はＰ⁺型層１１の側面に接している。なお、Ｎ型層２０において電荷出力部分２２が
設けられている箇所以外では、Ｎ型層２０のＰＮ接合部分２１よりもＰ⁺型層１１の方が
断面視上張り出している（図９参照）。

電荷出力部分２２は伝送部３００（図１および図２参照）の読み出しトランジスタ３１
１のソース領域として機能し、このため電荷出力部分２２の近傍に当該トランジスタ３１
１のゲート電極３１１Ｇが配置されている。すなわち、電荷出力部分２２は伝送部３００
の読み出しトランジスタ３１１に回路的に（電気的に）接続されている。これにより、フ
ォトダイオードで光電変換により生成された電荷Ｑを電荷出力部分２２から読み出しトラ
ンジスタ３１１を介して伝送部３００へ出力することができる。

次に、図１０に実施形態１に係る受光部２０２の種類を説明するための断面図を示す。
図１０に示すように、受光部２０２は３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒに分
類され、種類間でＰ⁺型層１１の厚さｄ１（すなわち深さｄ１）およびＰＮ接合の深さｄ
２が互いに異なる。

このとき、まず、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの種類間でフォトダイオード４
０のＰＮ接合４０の深さｄ２が異なるので、半導体についての光の侵入の波長依存性（図
４および図５参照）にかんがみ、既述の基本構造の受光部２０１（図３参照）と同様に、
フォトダイオード４０に到達する光の波長成分が受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの
種類間で異なる。すなわち、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの種類間で、フォトダ
イオード４０の分光特性（感度スペクトル）が異なる。

さらに、Ｐ⁺型層１１はＰ型層３０よりも不純物濃度が高いので、かつ、そのような高
い不純物濃度がゆえに当該Ｐ⁺型層１１内では電位勾配は非常に小さいので、Ｐ⁺型層１１
内で光電変換によって生成された電荷は当該Ｐ⁺型層１１内で再結合して消滅し、受光部
２０２の外へ読み出されることはほとんどない。すなわち、Ｐ⁺型層１１層では、伝送部
３００から出力される第１信号群Ｓ１に寄与しない光吸収が起こる。特に受光部２０２Ｂ
，２０２Ｇ，２０２Ｒの種類間でＰ⁺型層１１の厚さｄ１が異なるので、半導体について
の光の侵入の波長依存性（図４および図５参照）にかんみれば、Ｐ⁺型層１１で吸収され
る光の波長成分、逆に言えばＰ⁺型層１１を通過する光の波長成分が受光部２０２Ｂ，２
０２Ｇ，２０２Ｒの種類間で異なる。すなわち、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの
種類間で、Ｐ⁺型層１１の分光特性（感度スペクトル）が異なる。

受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒへの入射光はＰ⁺型層１１を経てフォトダイオー
ド４０に至るので、Ｐ⁺型層１１の厚さによる分光特性およびフォトダイオード４０の深
さによる分光特性の二重適用によって受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの分光特性（
感知スペクトル）をその種類間で違えることができる。このため、受光部２０２Ｂ，２０
２Ｇ，２０２Ｒによれば、カラーフィルタが不要である。

受光部２０２の分光特性は、同じ深さｄ２にＰＮ接合４０Ｊを有する基本構造の受光部
２０１（図３参照）の分光特性から、Ｐ⁺型層１１の分光特性を差し引いたものになる。
なお、Ｎ型層２０のＰＮ接合形成部分２１が厚いほど、固体撮像素子の大切な性能の一つ
であるダイナミックレンジを大きくすることができる。

ところで、Ｐ⁺型層１１はＰ型層３０よりも不純物濃度が高いので、基板表面５０Ｓの
結晶欠陥およびこれに起因したいわゆる白キズ等の不具合を低減させることができる。つ
まり、Ｐ⁺型層１１は結晶欠陥低減作用と上述の分光作用とを同時に発揮するものである
。

一例として、受光部２０２Ｂでは、深さｄ１が０．１μｍ〜０．３μｍ程度であり、接
合深さｄ２が０．４μｍ〜０．６μｍ程度であり、このときＮ型層２０のＰＮ接合形成部
分２１の厚さは０．３μｍ程度である。このため、受光部２０２Ｂによれば、入射光のう
ち約４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長成分の光によって生成（励起）された電荷Ｑが、青（
Ｂ）の波長成分の信号として取り出される。

また、受光部２０２Ｇでは、深さｄ１が０．４μｍ程度であり、接合深さｄ２が０．７
μｍ程度であり、このときＮ型層２０のＰＮ接合形成部分２１の厚さは０．３μｍ〜０．
４μｍ程度である。このため、受光部２０２Ｇによれば、入射光のうち約５００ｎｍ〜６
００ｎｍの波長成分の光によって生成（励起）された電荷Ｑが、緑（Ｇ）の波長成分の信
号として取り出される。

また、受光部２０２Ｒでは、深さｄ１が０．８μｍ程度であり、接合深さｄ２が１μｍ
程度であり、このときＮ型層２０のＰＮ接合形成部分２１の厚さは０．３μｍ〜０．４μ
ｍ程度である。このため、受光部２０２Ｒによれば、入射光のうち約５５０ｎｍ〜７００
ｎｍの波長成分の光によって生成（励起）された電荷Ｑが、赤（Ｒ）の波長成分の信号と
して取り出される。

次に、図１１に３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの固体撮像素子部６００
（図１参照）における配列を説明するための模式的な平面図を示す。なお、図１１は基板
表面５０Ｓ（図９参照）の平面視に対応する。図１１に示すように、受光部２０２Ｂ，２
０２Ｇ，２０２Ｒはベイヤー配列されている。

すなわち、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒは全体として２次元マトリクス状に配
置されるが、当該マトリクスは２種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇがライン（行）方向（
図１１において紙面横方向）に交互に並ぶラインと、２種類の受光部２０２Ｇ，２０２Ｒ
がライン方向に交互に並ぶラインとに大別され、この２種類のラインがコラム（列）方向
（図１１において紙面縦方向）に交互に並んでいる。このとき、隣接する２ライン間で受
光部２０２Ｇがジグザグになるように（マトリクス配列の全体から見れば市松模様になる
ように）上記２種類のラインが配置されている。

なお、図１１の例では、３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒの受光面２０２
ＢＳ，２０２ＧＳ，２０２ＲＳの形状は正方形とし、これらの受光面２０２ＢＳ，２０２
ＧＳ，２０２ＲＳの面積は同じである。ここで、「受光面」とは入射光を光電変換しうる
面をいい、具体的にはフォトダイオード４０のＰＮ接合４０Ｊのうちで平面視において開
口領域５１０内に存在する部分が該当する。

受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒのフォトダイオード４０で生成された電荷Ｑは伝
送部３００（図１および図２参照）の読み出し回路３１０によってシリアルに読み出され
、当該読み出し回路３１０において、読み出した電荷Ｑに基づいて（具体的には当該電荷
を増幅して）受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒについての波長成分の信号Ｓｒ，Ｓｇ
，Ｓｂ（図１２参照）が生成される。そして、これらの信号Ｓｒ，Ｓｇ，Ｓｂから成る第
１信号群Ｓ１が信号処理部４００（図１参照）へ出力される。

３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒを有する固体撮像素子部６００（図１参
照）に対しては、信号処理部４００（図１参照）として図１２のブロック図に示す信号処
理部４０２が適用される。図１２に示すように、信号処理部４０２は分離回路４１２およ
びマトリクス回路４２２を含んでいる。

分離回路４１２は例えばサンプリング等の方法によって、上記信号Ｓｒ，Ｓｇ，Ｓｂが
シリアルに出力されて成る第１信号群Ｓ１を各信号Ｓｒ，Ｓｇ，Ｓｂに分離する。そして
、分離された信号Ｓｒ，Ｓｇ，Ｓｂをマトリクス回路４２２が所定の表色系の信号群（第
２信号群）に変換する。例えばデジタルカメラでの信号処理に必要な３原色の信号ＳＲ，
ＳＧ，ＳＢに変換する。このとき、当該３つの信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢの総称が第２信号群
Ｓ２にあたる。例えば、
ＳＲ＝１.０×Ｓｒ−０.２×Ｓｇ−０.１×Ｓｂ
ＳＧ＝−０.３×Ｓｒ＋１.０×Ｓｇ−０.２×Ｓｂ
ＳＢ＝−０.２×Ｓｒ−０.４×Ｓｇ＋１.０×Ｓｂ
という変換によって、信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが得られる。

なお、第１信号群Ｓ１を成す信号Ｓｒ，Ｓｇ，Ｓｂも一応は３原色の信号であるが、デ
ジタルカメラでの信号処理に必要な上記信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢに比べて帯域が広い。この
ため、マトリクス回路４２２によって変換処理をする必要がある。

３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒを有する固体撮像素子部６００および固
体撮像装置１００によれば、上述のようにカラーフィルタが不要である。このため、カラ
ーフィルタの分だけ基板表面５０Ｓ上の構造が薄くなるので、入射光を効率よく基板５０
内のフォトダイオード４０へ到達させることができ、感度が向上する。また、セル５００
（図２参照）の小型化を推進することが可能になり、固体撮像素子部６００および固体撮
像装置１００の小型化を図ることができる。または、同じ面積を確保する場合にはセル５
００を小型化した分だけセル５００を高密度配置することができるので、高解像度化を図
ることができる。かかる効果は、上述の基板表面５０Ｓ上の構造がＣＣＤ型よりも厚くな
るＣＭＯＳ型において顕著である。

さらに、上述のようにカラーフィルタが不要なので、カラーフィルタの形成のための設
備が不要となり、その分コスト削減を図ることができる。

また、各受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒは基本的にＰ⁺型層１１とフォトダイオ
ード４０（Ｎ型層２０およびＰ型層３０）とで構成されるので、例えば非特許文献１に提
案されるフォトダイオードを３段積みした構造に比べて、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２
０２Ｒの構造はシンプルであるし、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒから出力（電荷
）を読み出すための構造も受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒについての読み出し回路
３１０を含む伝送部３００の方が小さくてすむ。このため、上記３段積みのフォトダイオ
ードから成るセルよりも、セル５００（図２参照）の方が小型化しやすい。さらに、上記
非特許文献１に提案される上記構造とは異なり、各受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒ
には単一のフォトダイオード４０が設けられるので、フォトダイオード４０の分光特性を
受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒごとに個別に設定できる。

また、フォトダイオード４０を構成するＮ型層２０が伝送部３００と回路的に接続され
た電荷出力部分２２を有するので、フォトダイオード４０よりも基板表面５０Ｓ側に配置
されたＰ⁺型層１１の厚さ（すなわち第１深さ）ｄ１にかかわらず、フォトダイオード４
０で生成された電荷Ｑを確実に読み出すことができる。換言すれば、電荷出力部分２２の
存在によって、Ｐ⁺型層１１の厚さｄ１すなわち当該Ｐ⁺型層１１の分光特性について自由
度が大きくなる。

特に受光部２０２では電荷出力部分２２は基板表面５０Ｓまで拡散されているので（図
９参照）、Ｎ型層２０のＰＮ接合形成部分２１と読み出しトランジスタ３１１とを回路的
に接続する場合と比較して、当該トランジスタ３１１のゲート電圧が低くてすむ。

＜実施形態２＞
図１３に本発明の実施形態２に係る受光部２００（図１および図２参照）の種類を説明
するための断面図を示す。図１３に示すように、実施形態２では、固体撮像素子部６００
（図１参照）において受光部２００として４種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２
Ｇ，２０２Ｒを用いる。

上記４種類のうちで受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒは実施形態１と同様である。
すなわち、受光部２０２Ｂは入射光のうちの約４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲の光か
ら青（Ｂ）の波長成分の信号を取り出し、受光部２０２Ｇは約５００ｎｍ〜６００ｎｍの
波長範囲の光から緑（Ｇ）の波長成分の信号を取り出し、受光部２０２Ｒは約５５０ｎｍ
〜７００ｎｍの波長範囲の光から赤（Ｒ）の波長成分の信号を取り出す。なお、実施形態
２では、これら３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２ＲのＰＮ接合４０Ｊの深さｄ
２を０．３μｍ程度、０．６μｍ程度、１．０μｍ程度としている。

そして、受光部２０２ＣＹでは、深さｄ１が０．２μｍ程度であり、接合深さｄ２が０
．４５μｍ程度であり、このときＮ型層２０（図９参照）のＰＮ接合形成部分２１の厚さ
は０．２５μｍ程度である。このため、受光部２０２ＣＹによれば、入射光のうちで約４
５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲の光によって生成（励起）された電荷Ｑが、シアン（Ｃ
Ｙ）の波長成分の信号として取り出される。

このとき、伝送部３００から出力される第１信号群Ｓ１は、受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ
，２０２Ｒ，２０２ＣＹの電荷Ｑに基づいて生成された青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、
シアン（ＣＹ）の各成分の信号Ｓｂ，Ｓｇ，Ｓｒ，Ｓｃｙから成る（図１５参照）。

次に、図１４の（ａ）に、４種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒ
の受光面２０２ＢＳ，２０２ＣＹＳ，２０２ＧＳ，２０２ＲＳの面積、および、これら４
種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒの固体撮像素子部６００（図１
参照）における配列を説明するための模式的な平面図を示す。なお、図１４の（ａ）は基
板表面５０Ｓ（図９参照）の平面視に対応する。

特に実施形態２では、受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒの受光面２０
２ＢＳ，２０２ＣＹＳ，２０２ＧＳ，２０２ＲＳの面積、すなわち受光面積を次のように
設定している。図１４の（ａ）に示すように、まず、２種類の受光部２０２ＣＹ，２０２
Ｇの受光面積を等しく設定し、受光部２０２Ｂの受光面積をこれら２種類の受光部２０２
ＣＹ，２０２Ｇよりも小さく設定し、受光部２０２Ｒの受光面積を上記２種類の受光部２
０２ＣＹ，２０２Ｇよりも大きく設定している。このとき、上述のように受光部２０２Ｇ
，２０２ＣＹの受光面積が等しいことを考慮すると、３種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｇ
，２０２Ｒについてまたは３種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｒについて、Ｐ
Ｎ接合深さｄ２（図１３参照）が深い受光部２０２ほど受光面積を広く設定している。

図１４の（ａ）に示す例では、受光面２０２ＢＳ，２０２ＣＹＳ，２０２ＧＳ，２０２
ＲＳの形状を四角形とし、このうち２種類の受光部２０２ＣＹ，２０２Ｇの受光面２０２
ＣＹＳ，２０２ＧＳについては正方形としている。また、この例では、上述の受光面積の
相違を、上記四角形においてコラム方向（図１４において紙面縦方向）に延在する辺の長
さは同じに設定しライン方向（図１４において紙面横方向）に延在する辺の長さを違える
ことによって、与えているが、その他の手法により受光面積を違えても構わない。

既述のように「受光面」とは入射光を光電変換しうる面をいい、具体的にはフォトダイ
オード４０のＰＮ接合４０Ｊのうちで平面視において開口領域５１０（図９参照）内に存
在する部分が該当する。このとき、受光面積の調整は、例えば、ＰＮ接合４０Ｊの面積自
体を開口領域５１０とともに調整することによって行うこともできるし、ＰＮ接合４０Ｊ
の面積は４種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒで同じにしておき開
口領域５１０の大きさを調整することによって（例えば遮光層８２（図９参照）の形状・
配置を調整することで可能である）行うこともできる。

図１４の（ａ）に示すように、受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒは全
体として２次元マトリクス状に配置されるが、当該マトリクスは２種類の受光部２０２Ｂ
，２０２Ｒがライン（行）方向（図１４において紙面横方向）に交互に並ぶラインと、２
種類の受光部２０２ＣＹ，２０２Ｇがライン方向に交互に並ぶラインとに大別され、この
２種類のラインがコラム（列）方向に交互に並んでいる。このとき、受光部２０２ＣＹを
介してコラム方向に２種類の受光部２０２Ｂ，２０２Ｒが並ぶように、かつ、受光部２０
２Ｇを介してコラム方向に２種類の受光部２０２Ｒ，２０２Ｂが並ぶように、上記２種類
のラインが配置されている。

図１４の（ａ）の例において、一方のラインは受光面積が“小”の受光部２０２Ｂと“
大”の受光部２０２Ｒとから成り、他方のラインは受光面積が等しくかつ上記受光部２０
２Ｂ，２０２Ｒとの比較において“中”の受光面積を有する受光部２０２ＣＹ，２０２Ｇ
から成る。このとき、受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒを上述のＰＮ接
合４０Ｊの面積自体を調整する構造とすれば、実施形態１（図１１参照）の場合と同様の
密度で受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒを配置することができる。また
、かかる構造の場合、ＰＮ接合４０Ｊの面積は同じにして例えば遮光層８２（図９参照）
の調整によって受光面積を違える場合と比較して、固体撮像素子部６００（図１および図
２参照）において受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒが占める全配置面積
は小さい。その結果、固体撮像素子部６００および固体撮像装置１００の小型化または高
解像度化を図ることができる。

４種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒを有する固体撮像素子部６
００（図１参照）に対しては、信号処理部４００（図１参照）として図１５のブロック図
に示す信号処理部４０３が適用される。図１５に示すように、信号処理部４０３は分離回
路４１３およびマトリクス回路４２３を含んでいる。

分離回路４１３は例えばサンプリング等の方法によって第１信号群Ｓ１から各信号Ｓｒ
，Ｓｇ，Ｓｂ，Ｓｃｙを分離する。そして、分離された信号Ｓｒ，Ｓｇ，Ｓｂ，Ｓｃｙを
マトリクス回路４２３が所定の表色系の第２信号群Ｓ２に変換する。例えばデジタルカメ
ラでの信号処理に必要な３原色の信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢに変換する。このとき、当該３つ
の信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢの総称が第２信号群Ｓ２にあたる。例えば、
ＳＲ＝１×Ｓｒ−０.１５×Ｓｇ− ０.１×Ｓｃｙ＋０.０５×Ｓｂ
ＳＧ＝−０.３×Ｓｒ＋１×Ｓｇ−０.０５×Ｓｃｙ−０.１５×Ｓｂ
ＳＢ＝０.１×Ｓｒ− ０.４×Ｓｇ− ０.４×Ｓｃｙ＋１×Ｓｂ
という変換によって、信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが得られる。

このとき、実施形態２では、受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒの種類
はデジタルカメラでの信号処理に必要な３原色よりも多い。これによれば、入射光のより
多くの波長成分を利用して、デジタルカメラでの信号処理に必要な３原色の信号ＳＲ，Ｓ
Ｇ，ＳＢを生成可能なので、色再現性を向上させることができる。

さて、既述の図４から分かるように、一般的に、基板表面５０Ｓから深く（遠く）なる
ほど侵入した入射光は弱くなるため、深さｄ２すなわちフォトダイオード４０のＰＮ接合
４０Ｊの位置が深いほど電荷Ｑの生成量は少なくなる。このため、図１６の（ａ）に示す
ように、全種類の受光部２０２Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒの受光面積を等しく
設定すると、図１６の（ｂ）に示すように、ＰＮ接合深さｄ２が最も浅い受光部２０２Ｂ
についての信号Ｓｂと最も深い受光部２０２Ｒについての信号Ｓｒとで信号レベルの差が
大きい。このように青（Ｂ）の信号Ｓｂのレベルに対して赤（Ｒ）の信号Ｓｒのレベルが
低いとカラーカメラによる再現画像の質が低くなってしまう。

そこで、上述の図１４の（ａ）に示すように、実施形態２の受光部２０２Ｂ，２０２Ｃ
Ｙ，２０２Ｇ，２０２ＲについてはＰＮ接合深さｄ２（図１３参照）が深い受光部２０２
ほど受光面積を広く設定して、電荷Ｑをより多く生成させる。これにより、受光部２０２
Ｂ，２０２ＣＹ，２０２Ｇ，２０２Ｒについての信号Ｓｂ，Ｓｃｙ，Ｓｇ，Ｓｒのレベル
を受光部２０２の種類間で補正することができる。例えば、青（Ｂ）、シアン（ＣＹ）、
緑（Ｇ）および赤（Ｒ）の各波長成分について基板表面５０Ｓでの光量に対応するように
補正することが可能である。その結果、高画質の再現画像が得られる。なお、図１４の（
ａ）に示す受光面積の調整によって、図１４の（ｂ）に示すように信号レベルが改善され
る。

＜実施形態３＞
図１７に本発明の実施形態３に係る受光部２０３を説明するための断面図を示す。図１
７に示すように、受光部２０３は、基本的には、既述の受光部２０２（図９参照）におい
てＰ⁺型層１１をＰ⁺型シリコン層１０（以下「Ｐ⁺型層１０」とも呼ぶ）に変えた構成を
しており、その他の構成は受光部２０２と同様である。なお、Ｐ⁺型層１０は、既述のＰ⁺
型層１１（図９参照）と同様に、Ｐ型層３０よりも不純物濃度が高い。

詳細には、Ｐ⁺型層１０は、既述のＰ⁺型層１１（図９参照）を第１部分として有し（こ
のため同じ符号を用いて「第１部分１１」と呼ぶ）、さらに第２部分１２を有する。
第２部分１２は、第１部分１１から連続した部分であり、Ｎ型層２０の電荷出力部分２２
の側へ拡散されている。また、第２部分１２は、基板表面５０Ｓから、第１部分１１の形
成深さｄ１よりも浅い深さ（第３深さ）ｄ３まで拡散されている。そして、当該深さｄ３
において電荷出力部分２２と接している。

なお、当該第２部分１２の追加により、受光部２０３では電荷出力部分２２は基板表面
５０Ｓには接しておらず（到達しておらず）、ＰＮ接合形成部分２１から上記深さｄ３ま
で拡散されている。このような形態であっても、電荷出力部分２２はＰＮ接合形成部分２
１から基板表面５０Ｓの側へ拡散されていると捉えることは可能である。

受光部２０３によれば、Ｐ⁺型層１０はＰ型層３０よりも不純物濃度が高いので、Ｐ⁺型
層１０の第２部分１２によって、電荷出力部分２２上方の基板表面５０Ｓの結晶欠陥およ
びこれに起因したリーク電流等の不具合を低減させることができる。このとき、Ｐ⁺型層
１０において第２部分１２の厚さ（すなわち第３深さ）ｄ３は第１部分１１の厚さ（すな
わち第１深さ）ｄ１よりも薄いので、Ｎ型層２０のＰＮ接合形成部分２２と読み出しトラ
ンジスタ３１１とを回路的に接続する場合と比較して、当該トランジスタ３１１のゲート
電圧が低くてすむ。

受光部２０３においてＰ⁺型層１０の第１部分１１の厚さ（すなわち第１深さ）ｄ１お
よびＰＮ接合深さｄ２を制御することによって、分光特性の異なる複数種類の受光部２０
３を構成することができるので、当該受光部２０３を既述の受光部２０２（図９参照）に
変えて固体撮像装置１００（図１参照）の受光部２００として適用可能である。

ところで、受光部２０３のＰ⁺型層１０は、製造プロセスの観点から見れば、図１８に
示すように２つの部分１３，１４に大別される。すなわち、深さｄ３，ｄ１間の部分（「
第３部分」と呼ぶことにする）１３と、基板表面３Ｓから深さｄ３までの部分（「第４部
分」と呼ぶことにする）１４とである。なお、上述の第１部分１１および第２部分１２と
の関係で見れば（図１７参照）、第３部分１３は第１部分１１のうちの深さｄ３から深さ
ｄ１までの部分であり、第４部分１４は第１部分１１のうちの基板表面３Ｓから深さｄ３
までの部分および第２部分１２から成る。

各部分１３，１４の不純物濃度を個別に制御することによって、第３部分１３の不純物
濃度と第４部分の不純物濃度とが異なるように設定することができる。例えば、第４部分
１４の不純物濃度を第３部分１３よりも高く設定してもよい。このとき、Ｐ⁺型層１０が
Ｐ型層３０よりも不純物濃度が高いことにかんがみれば、第４部分１４の不純物濃度は特
に高いことになる。このようにすれば、Ｐ⁺型層１０における基板表面３Ｓの結晶欠陥お
よびこれに起因したリーク電流等の不具合の低減効果がより顕著に得られる。他方、第３
部分の厚さ（深さｄ１，ｄ３の差）の制御によって、上述のＰ⁺型層１０の厚さによる分
光特性を制御することができる。

なお、読み出しトランジスタ３１１への電荷の読み出しの観点からすれば、第４部分１
４は薄い（浅い）方が好ましく、不純物濃度が高くなるほど薄くした方が好ましい。基板
表面３Ｓの結晶欠陥の量や深さ等にも依るが、例えば不純物濃度が１０¹⁸／ｃｍ³の程度
場合に厚さすなわち深さｄ３が０．２μｍ程度以下であれば、第４部分１４による上述の
結晶欠陥等の低減効果と良好な電荷読み出しとを両立させることができる。

このように、Ｐ＋型層１０を２つの部分（第３部分１３，第４部分１４）に分けて構成
することにより、第３部分１３は結晶欠陥除去に最適な濃度で、かつ、できるだけ薄く形
成できると共に、第４部分１４は所定の分光特性が得られる厚さで自由に形成することが
できる。すなわち、各部分１３，１４はそれぞれの目的に応じて、最適な濃度で最適な厚
さにすることができる。したがって、フォトダイオードのダイナミックレンジをほぼそろ
えることができ、ダイナミックレンジを大きく取ることができる。

なお、実施形態１〜３では受光面２０２ＢＳ（図１１参照）等が四角形の場合を例示し
たが、例えば六角形等でも構わない。また、実施形態１〜３では受光部２０２等がマトリ
クス配列された構造（図１１参照）を説明したが、いわゆるデルタ配列を適用することも
可能である。また、受光部２０２，２０３の種類数および所定の表色系における色の数は
実施形態１〜３の例に限られない。

また、受光部２０２，２０３は、複数のセルに対して内部のＭＯＳトランジスタを共通
にしたＣＭＯＳ型固体撮像素子にも応用できる。

は、本発明の実施形態１に係る固体撮像装置を説明するためのブロック図である。は、本発明の実施形態１に係る固体撮像素子部を説明するための模式図である。は、本発明の実施形態１に係る受光部の基本構造を説明するための断面図である。は、シリコンへ侵入した光の吸収状態を波長別に示すグラフである。は、シリコンについての光の侵入深さの波長依存性を示すグラフである。は、上記基本構造の受光部の種類を説明するための断面図である。は、上記基本構造の受光部の配列を説明するための平面図である。は、上記基本構造の受光部に対応した信号処理部を説明するためのブロック図である。は、本発明の実施形態１に係る受光部を説明するための断面図である。は、本発明の実施形態１に係る受光部の種類を説明するための断面図である。は、本発明の実施形態１に係る受光部の配列を説明するための平面図である。は、本発明の実施形態１に係る信号処理部を説明するためのブロック図である。は、本発明の実施形態２に係る受光部の種類を説明するための断面図である。は、本発明の実施形態２に係る受光部の受光面積および配列ならびに信号レベルを説明するための模式図である。は、本発明の実施形態２に係る信号処理部を説明するためのブロック図である。は、比較用の受光部を説明するための模式図である。は、本発明の実施形態３に係る受光部を説明するための断面図である。は、本発明の実施形態３に係る受光部を説明するための断面図である。

符号の説明

１入射光
１０Ｐ⁺型シリコン層（第１半導体層）
１１Ｐ⁺型シリコン層（第１部分）
１２第２部分
１３第３部分
１４第４部分
２０Ｎ型シリコン層（第２半導体層）
２１ＰＮ接合形成部分
２２電荷出力部分
３０Ｐ型シリコン層（第３半導体層）
４０フォトダイオード
４０ＪＰＮ接合
５０シリコン基板（半導体基板）
５０Ｓ基板表面
１００固体撮像装置
２００，２０２Ｂ，２０２Ｇ，２０２Ｒ，２０２ＣＹ，２０３受光部
３００伝送部
３１１読み出しトランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）
３１２増幅トランジスタ（増幅器）
４００，４０２，４０３信号処理部
６００固体撮像素子部（固体撮像素子）
Ｑ電荷
Ｓ１第１信号群
Ｓ２第２信号群
ｄ１第１深さ
ｄ２第２深さ
ｄ３第３深さ

Claims

入射光を光電変換して電荷を生成する複数種類の受光部と、
各受光部に設けられた前記電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタおよび読み出した
前記電荷を増幅するための増幅器を含み、増幅された電荷を前記複数種類の受光部につい
ての第１信号群として出力する、伝送部と、
前記第１信号群から所定の表色系の第２信号群を生成する信号処理部と、を備え、
前記複数種類の受光部はそれぞれ、
半導体基板において基板表面から第１深さまで拡散された第１部分を有する、第１導電
型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の前記第１部分に前記第１深さにおいて接し前記第１深さから前記第
１深さよりも深い第２深さまで拡散され前記第２深さにおいてフォトダイオードのＰＮ接
合を形成するＰＮ接合形成部分、および、前記ＰＮ接合形成部分から前記基板表面の側へ
拡散され前記ＭＯＳトランジスタに回路的に接続されて前記電荷を前記伝送部へ出力する
、電荷出力部分、を有する、第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の前記ＰＮ接合形成部分とともに前記第２深さにおいて前記ＰＮ接合
を形成するように設けられた、前記第１導電型の第３半導体層と、を含み、
前記第１半導体層は前記第３半導体層よりも不純物濃度が高く、
前記第１深さおよび前記第２深さは前記複数種類の受光部の種類間で互いに異なること
を特徴とする、固体撮像装置。
入射光を光電変換して電荷を生成する複数種類の受光部と、
前記電荷を読み出し、前記電荷に基づいて前記複数種類の受光部についての第１信号群
を出力する、伝送部と、
前記第１信号群から所定の表色系の第２信号群を生成する信号処理部と、を備え、
前記複数種類の受光部はそれぞれ、
半導体基板において基板表面から第１深さまで拡散された第１部分を有する、第１導電
型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の前記第１部分に前記第１深さにおいて接し前記第１深さから前記第
１深さよりも深い第２深さまで拡散され前記第２深さにおいてフォトダイオードのＰＮ接
合を形成するＰＮ接合形成部分を有する、第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の前記ＰＮ接合形成部分とともに前記第２深さにおいて前記ＰＮ接合
を形成するように設けられた、前記第１導電型の第３半導体層と、を含み、
前記第１半導体層は前記第３半導体層よりも不純物濃度が高く、
前記第１深さおよび前記第２深さは前記複数種類の受光部の種類間で互いに異なること
を特徴とする、固体撮像装置。
前記伝送部は、
各受光部に設けられた前記電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタを含み、
前記第２半導体層は、
前記ＰＮ接合形成部分から前記基板表面まで拡散され、前記ＭＯＳトランジスタに回路
的に接続されて前記電荷を前記伝送部へ出力する、電荷出力部分をさらに有することを特
徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記伝送部は、
各受光部に設けられた前記電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタを含み、
前記第２半導体層は、
前記ＰＮ接合形成部分から前記第１深さよりも浅い第３深さまで拡散され、前記ＭＯＳ
トランジスタに回路的に接続されて前記電荷を前記伝送部へ出力する、電荷出力部分をさ
らに有し、
前記第１半導体層は、
前記基板表面から前記第３深さまで拡散され、前記第３深さにおいて前記第２半導体層
の前記電荷出力部分と接する、第２部分をさらに有することを特徴とする請求項２に記載
の固体撮像装置。
前記第１半導体層は、
前記第１部分のうちの前記第３深さから前記第１深さまでの部分である第３部分と、
前記第１部分のうちの前記基板表面から前記第３深さまでの部分および前記第２部分か
ら成る第４部分と、で構成され、
前記第３部分の不純物濃度と前記第４部分の不純物濃度とが異なるように設定されてい
ることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
前記複数種類の受光部は前記所定の表色系における色の数よりも多い種類数の受光部か
ら成ることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記複数種類の受光部は前記第２深さが深いほど広い受光面積を有することを特徴とす
る請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記複数種類の受光部は前記受光面積が広いほど前記ＰＮ接合の面積が広いことを特徴
とする請求項７に記載の固体撮像装置。
入射光を光電変換して電荷を生成する複数種類の受光部を備え、
前記複数種類の受光部はそれぞれ、
半導体基板において基板表面から第１深さまで拡散された第１部分を有する、第１導電
型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の前記第１部分に前記第１深さにおいて接し前記第１深さから前記第
１深さよりも深い第２深さまで拡散され前記第２深さにおいてフォトダイオードのＰＮ接
合を形成するＰＮ接合形成部分を有する、第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の前記ＰＮ接合形成部分とともに前記第２深さにおいて前記ＰＮ接合
を形成するように設けられた、前記第１導電型の第３半導体層と、を含み、
前記第１半導体層は前記第３半導体層よりも不純物濃度が高く、
前記第１深さおよび前記第２深さは前記複数種類の受光部の種類間で互いに異なること
を特徴とする、固体撮像素子。