JP2008258498A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素面積あたりの各色光信号取り出し効率を高く維持しつつ、ノイズを低減し、解像度が高い固体撮像装置を実現することを目的とする。
【解決手段】複数の電荷蓄積部を積層して備える受光部と、電荷蓄積部の電荷を蓄えるフロ−ティングディフュ−ジョン部と、電荷を各々フロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送する複数の転送部と、フロ−ティングディフュ−ジョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、フロ−ティングディフュ−ジョン部の電荷を初期状態に戻すリセットトランジスタと、読み出しにかかる画素を選択する選択トランジスタとを備える画素から構成され、転送部は、複数の電荷蓄積部のうち少なくとも一の電荷蓄積部の電荷を受光面に平行な方向に転送する平行転送部と複数の電荷蓄積部のうち一の電荷蓄積部の他の電荷蓄積部の電荷を受光面に垂直な方向に転送する垂直転送部とを備える撮像装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置は、光電変換部（以下、電荷蓄積部とも称す）の面積を大きくして、より多くの光を電気信号に変換できるよう工夫されてきた。このため、ＲＧＢの各色を光電変換する光電変換部であるフォトダイオ−ド（以下ＰＤ：Photo Diode）を、入射光の入射される方向から順に深さ方向に三段に重ねて単位画素を構成することで、効率的な光検出を行える構成が提案されている。

この構造では、三段重ねの各ＰＤの出力端子は半導体界面部に形成され、各出力端子は、増幅器として機能するＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＴｒ：Metal Oxide Semiconductor Transistor）のゲ−トに接続されることで各ＰＤの信号が増幅して読み出される。

この固体撮像装置は、Ｓｉ半導体の透過光量が図１１に示すように波長によって異なることを利用して色分離を行っている。すなわち、青色光のような短波長光ではＳｉの光の透過光量が少なく、Ｓｉ表面付近で吸収されるので、最上層１２１に光電変換部が形成される。また、赤色光のような長波長光ではＳｉの光の透過光量が多く、Ｓｉ深部まで届くので、最下層１２３に光電変換部が形成される。また、その中間波長光である緑色光では中間層１２２に光電変換部が形成される。

そして、各層ごとに光電変換信号を読み出すことで、各色情報を取り出すことができる。従って、光の入射方向に対して垂直な投影面での素子面積あたりの入射光を無駄なく利用でき、一般のカラ−フィルタ方式に比べて撮像素子の感度を高く設定できる。また、上述の投影面において、同一面積（同一画素）から三種類の色信号を取り出すことができるので、一つの画素から一つの色信号を取り出すカラ−フィルタ方式よりも、解像度を上げることができる。このような構成は、例えば特許文献１に開示されている。

また、これにさらに改良を加え、各ＰＤリセット時のノイズを低減して雑音を小さくした固体撮像素子も提案されている。特許文献２では、三つのＰＤに対応する三つの電荷蓄積部をそれぞれ表面に配置し、各々のトランスファ−ゲ−トとフロ−ティングディフュ−ジョン（以下ＦＤ：Floating Diffusion）で読み出す構成が開示されている。
ＵＳＰ５９６５８７５ 特開２００３−２９８０３８号公報

しかし、十分な光信号を取り込むためには、各色の電荷蓄積部を同等に大きくしなければならず、従って画素サイズが大きくなり、解像度を十分に上げることができなかった。さらに、電荷発生領域と電荷蓄積領域とが離れているため、発生した電荷が電荷蓄積部に蓄積されず隣接するＦＤに流出する現象により、信号電荷を十分に利用できないということも懸念されていた。

そこで、本発明は、画素面積あたりの各色光信号の取り出し効率を高く維持しつつ、解像度が高い効率的な固体撮像装置を実現することを目的とする。

この発明にかかる固体撮像装置は、入射光の入射される方向から見たときに、それぞれの少なくとも一部が重なるように配置され、入射光により電荷を生成し蓄積する複数の電荷蓄積部を備える受光部と、電荷蓄積部に蓄積された電荷を受け取るフロ−ティングディフュ−ジョン部と、複数の電荷蓄積部からフロ−ティングディフュ−ジョン部に電荷を転送する複数の転送部と、フロ−ティングディフュ−ジョン部に蓄えられる電荷量に応じて電圧信号に変換する増幅トランジスタと、フロ−ティングディフュ−ジョン部を初期状態にリセットするリセットトランジスタと、増幅トランジスタの電圧信号を出力する選択トランジスタと、を有する単位画素が複数二次元状に配置される固体撮像装置であって、転送部は、複数の電荷蓄積部のうち少なくとも一つの電荷蓄積部に蓄積される電荷を単位画素が配置される平面に平行な方向に転送する平行転送部と、複数の電荷蓄積部のうち一つの電荷蓄積部以外の電荷蓄積部に蓄積される電荷を単位画素が配置される平面に垂直な方向に転送する垂直転送部とを備えることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、好ましくは複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷が、同一の単位画素において共通のフロ−ティングディフュ−ジョンに転送されることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは受光部が、入射光の入射される方向から順に配置される第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部と第三の電荷蓄積部とを備え、平行転送部は、第一の電荷蓄積部に蓄積された電荷を共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送し、垂直転送部は、第二の電荷蓄積部に蓄積された電荷を共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送する第二の電荷蓄積部用転送部と、第三の電荷蓄積部に蓄積された電荷を共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送する第三の電荷蓄積部用転送部とから構成され、第二の電荷蓄積部用転送部と第三の電荷蓄積部用転送部とは、フロ−ティングディフュ−ジョン部までの単位画素が配置される平面に垂直な方向への転送距離が異なることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは単位画素が、第一の単位画素と第二の単位画素とからなり、第一の単位画素は、入射光の入射される方向から順に第一の波長選択手段と、第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを備え、第二の単位画素は、入射光の入射される方向から順に第二の波長選択手段と、第三の電荷蓄積部と第四の電荷蓄積部とを備えることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは第一の波長選択手段が、第一の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであり、第二の波長選択手段は、第一の波長選択手段とは異なるカラ−フィルタ−であって、第二の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは第一の波長選択手段が、補色関係にある第一の電荷蓄積部の検出光と、第二の電荷蓄積部の検出光と、を透過し、第二の波長選択手段は、補色関係にある第三の電荷蓄積部の検出光と、第四の電荷蓄積部の検出光とを透過することを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、単位画素が、入射光の入射される方向から順に第一の波長選択手段と、第一の電荷蓄積部と、第二の電荷蓄積部とを備える第一の単位画素と、入射光の入射される方向から順に第二の波長選択手段と、第三の電荷蓄積部と、第四の電荷蓄積部とを備える第二の単位画素の二種類からなり、第一の波長選択手段は、第一の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであり、第二の波長選択手段は、第二の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであり、第一の単位画素のフロ−ティングディフュ−ジョン部、及び、第二の単位画素のフロ−ティングディフュ−ジョン部のいずれか一方は、共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部とされ、第一の単位画素の少なくとも一方の電荷蓄積部に蓄積される電荷、及び、第二の単位画素の少なくとも一方の電荷蓄積部に蓄積される電荷は、共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部に転送されることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、好ましくは共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部が、同じ波長光検出用の二以上の電荷蓄積部に蓄積される電荷が転送されることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは第一の波長選択手段がシアンのカラ−フィルタであり、第二の波長選択手段がイエロ−のカラ−フィルタであり、第一の電荷蓄積部は青色光を検出し、第二の電荷蓄積部は緑色光を検出し、第三の電荷蓄積部は緑色光を検出し、第四の電荷蓄積部は赤色光を検出し、第二の電荷蓄積部と第三の電荷蓄積部に蓄積される電荷が、共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部に転送されることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは単位画素が、入射光の入射される方向から順に、第一の波長選択手段と、第一の電荷蓄積部と、第二の電荷蓄積部と、を備える第一の単位画素と、入射光の入射される方向から順に、第一の波長選択手段とは異なる波長の光を透過する第二の波長選択手段と、第三の電荷蓄積部と、第四の電荷蓄積部と、を備える第二の単位画素の二種類からなることを特徴とする。

また、この発明にかかる固体撮像装置は、さらに好ましくは第一の波長選択手段がマゼンダの補色型カラ−フィルタであり、第二の波長選択手段はシアンの補色型カラ−フィルタであり、第一の電荷蓄積部は青色光を検出し、第二の電荷蓄積部は赤色光を検出し、第三の電荷蓄積部は青色光を検出し、第四の電荷蓄積部は緑色光を検出することを特徴とする。

本発明により、解像度を向上させ、かつノイズ発生も抑制した固体撮像装置を提供することができる。

（第一の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる固体撮像装置の画素構造平面概念図である。この図では、説明を簡便にするため２画素分について示している。また、この実施形態では、受光部１１にかかる画素と受光部１９にかかる画素とは同一構成である。また、以下の実施形態において、各トランジスタは、便宜上、特に断りのない限り、ゲ−ト電極でもって各トランジスタの配置を説明するものとする。また、各トランジスタの組成や構造は、下記に示すものに限られず適宜、設計して用いることができる。

この実施形態において各画素は、入射光により電荷を生成し蓄積する電荷蓄積部を複数有する受光部１１と、電荷蓄積部に蓄積された電荷を受け取るＦＤ部１８と、ＦＤ部１８の電荷の量に対応する電圧信号に光情報を変換する増幅トランジスタ１３、ＦＤ部１８を初期状態にリセットするためのリセットトランジスタ１４、変換された電圧信号を増幅トランジスタ１３から垂直信号線（図４参照）に出力する選択トランジスタ１２等から構成される。ＦＤ部１８と増幅トランジスタ１３のゲ−ト電極とは電気的に接続されている。なお、各トランジスタはＮＭＯＳである。

また、図１には示していないが受光部１１は、第一の電荷蓄積部２３と、その下層の第二の電荷蓄積部２４と、さらにその下層の第三の電荷蓄積部２５とから構成される。それぞれの電荷蓄積部は、入射光の入射される方向から見たときに、それぞれの少なくとも一部が重なるように配置される。そして、それぞれの電荷蓄積部に対応する転送トランジスタを備える。

第一の電荷蓄積部２３に蓄積された電荷は、第一の転送トランジスタ１５によりＦＤ１８に転送され、第二の電荷蓄積部２４に蓄積された電荷は、第二の転送トランジスタ１６によりＦＤ１８に転送され、第三の電荷蓄積部２５に蓄積された電荷は、第三の転送トランジスタ１７によりＦＤ１８に転送される。

そして、各電荷蓄積部２３、２４、２５からＦＤ部１８に転送された電荷は、共通の増幅トランジスタ１３、選択トランジスタ１２、リセットトランジスタ１４を用いて処理される。これにより、受光部１１の面積を最大化させ、かつ他の素子回路面積を肥大化させることなく効率的に開口率を大きく保持し、各色情報を画素単位で取り出すことが可能となる。なお、これに限らず各電荷蓄積部ごとに、それぞれ各トランジスタ等を設けてもよい。

図２は、本固体撮像装置の画素部の断面概念図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ′部、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ′部、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ′部の断面図である。

なお、図２（ａ）により最上層の第一の電荷蓄積部２３にかかる電荷読み出しについて、図２（ｂ）により中間層の第二の電荷蓄積部２４にかかる電荷読み出しについて、図２（ｃ）により最下層の第三の電荷蓄積部２５にかかる電荷読み出しについて理解が容易になるであろう。

図２に示すように、第一の電荷蓄積部２３に蓄えられた電荷は、第一の転送トランジスタ１５のゲ−ト電極１５ｂをハイレベルにすることでＦＤ部１８へと転送される。この電荷が転送される方向は、画素が配置される平面に平行な方向（図２において左方向）となる。ＦＤ部１８に転送された電荷は、増幅トランジスタ１３にて電圧信号へと光情報が変換される。

第一の電荷蓄積部２３と、その下層に位置する第二の電荷蓄積部２４やさらにその下層に位置する第三の電荷蓄積部２５とでは電荷の転送される方向が異なる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、第二の電荷蓄積部２４に蓄えられた電荷は、第二の転送トランジスタ１６のゲ−ト電極１６ｂをハイレベルにすることで斜め上方（図２において左上方）に配置されるＦＤ部１８へと転送される。このように、第二の電荷蓄積部２４に蓄積される電荷と第三の電荷蓄積部２５に蓄積される電荷は、画素が配置される平面に対して垂直な方向に転送される。

拡散部１６ａは各電荷蓄積部と同様にｎ型半導体領域である。その上部に形成されたゲ−ト電極１６ｂへのトリガ−入力によって、これらは、ＦＤ１８、電荷蓄積部２４をソ−ス・ドレインとする。転送トランジスタ１６として機能する。この場合には、ゲ−ト電極１６ｂにプラスの電圧を印加することで、第二の電荷蓄積部２４の電荷がＦＤ部１８へ転送される。

同様に図２（ｃ）において、拡散部１７ａはｎ型半導体領域である。その上部に形成されたゲ−ト電極１７ｂへのトリガ−入力によって、これらはＦＤ１８、電荷蓄積部２５をソ−ス・ドレインとする転送トランジスタ１７として機能する。このようにＦＤ１８は共通のＦＤとして用いられている。

さらに詳細に説明する。図３は、図２（ｂ）のＤ−Ｄ′断面図のポテンシャルを模式的に示すものである。

本図の横軸は、ＤからＤ′に向けて順に、ＦＤ部１８、電荷転送手段１６ａ、電荷蓄積部２４を示している。なお、縦軸は電位を示す。また、ハッチング部３１は電荷の蓄積を意味している。

図３（ａ）に示すように、入射光により第二の電荷蓄積部２４で生成された電荷は、ここでは電荷３１ａとして示されている。そして、ゲ−ト電極１６ｂにハイレベルの電圧を印加すると、拡散部１６ａから第二の電荷蓄積部２４に至るまでのポテンシャルが、印加バイアスにより下がる。

これにより、エネルギ−障壁３２がなくなり、第二の電荷蓄積部２４の蓄積電荷３１ａはＦＤ部１８まで転送される。この様子を示すのが図３（ｂ）である。ここでは、ＦＤ部１８に転送された電荷は、電荷３１ｂとして示されている。

その後、ゲ−ト電極１６ｂにロ−レベルの電圧を印加すると、再びエネルギ−障壁３２が形成される。そして、電荷蓄積部２４は、次の露光による電荷の生成と蓄積が開始される。この状態を示すのが、図３（ｃ）である。第三の電荷蓄積部２５の電荷転送についても同様である。

次に、この実施形態の固体撮像装置を駆動する駆動回路について、図４の回路概念図を用いて詳述する。

この回路図において、第一の電荷蓄積部２３と第二の電荷蓄積部２４と第三の電荷蓄積部２５とは、それぞれＰＤの符号を用いて示す。

また、この回路図は、簡便のため２画素について示している。この回路図からも明らかなように、選択トランジスタ１２と増幅トランジスタ１３とリセットトランジスタ１４は、各画素ごとに一つ配置される。すなわち各電荷蓄積部で蓄えられた電荷は、ＦＤ部１８に転送された後、同じ電流経路にて処理される。このため各画素は、三つの電荷蓄積部を有するものの、ＦＤ部１８と電流経路の三つのトランジスタ１２，１３，１４を共用としているので、小型、省電力に寄与している。

ここに示す駆動回路は、水平走査回路４２と垂直走査回路４１とＣＤＳ部４４等とから構成される。垂直走査回路４１は、リセット信号ΦＲｓｎ、選択信号ΦＳＬｎ、各転送トランジスタ信号ΦＴｇ１ｎ〜ΦＴｇ３ｎの駆動パルスを所定のトランジスタのゲ−ト電極に出力する。

この回路での制御タイミングについて、図５の第一の実施形態にかかるタイミングチャ−ト概念図を用いて詳述する。

まず、選択信号ΦＳＬｎがハイレベルとされる。これにより、画素１１にかかるｎ行目の行選択トランジスタ１２がオン状態となり、ソ−スフォロア読み出しが開始される。その他の行は、非選択状態である。

ΦＳＬｎがハイレベルにされるのと同時に、リセット信号ΦＲｓｎがハイレベルとされ、画素１１にかかるｎ行目のリセットトランジスタ１４が期間Ｔ１の間オン状態となる。これにより、ＦＤ１８及び増幅トランジスタ（１３）のゲ−ト電極は初期状態にリセットされ、暗レベルとなる。

Ｔ１の期間終了時にリセットトランジスタ１４はオフ状態に戻るが、ＦＤ１８と増幅トランジスタ（１３）のゲ−ト電極は、そのまま暗レベルを保持する。また、この動作と並行して、Ｔ２の期間にΦＳＨがハイレベルにされてクランプトランジスタ４３がオン状態となる。これにより、ソ−スフォロア読み出しが行われ、ｎ行目の選択トランジスタ１２を介して増幅トランジスタから、上述のリセット電圧に対応する暗レベルが垂直信号線４５に出力される。

期間Ｔ２の終了時において、クランプトランジスタ４３がオフ状態とされると、暗レベルがクランプ容量に保持されたまま、クランプ容量の出力側の電極がフロ−ティング状態となり、サンプルホ−ルド回路にて暗レベルの保持動作が行われる。

期間Ｔ３において、第一の転送トランジスタ１５の転送信号ΦＴｇ１ｎがハイレベルとされ、第一の転送トランジスタ１５がオン状態となる。これにより、第一の電荷蓄積部２３に蓄積されていた入射光により生成された電荷が、ＦＤ部１８へと転送される。

そして、この行の選択トランジスタ１２がオン状態であるため、暗レベルと入射光により生成された電荷との重畳された電圧に相当する電圧信号が、垂直信号線４５に出力される。期間Ｔ３の終了時に第一の転送トランジスタ１５はオフ状態とされる。なお、出力された電圧信号は、水平走査期間の始まるまでの間、サンプルホ−ルド回路の前段における垂直信号線４５に保持される。

また、期間Ｔ４は水平走査期間を示す。ΦＨ１がハイレベルとされて水平スイッチトランジスタ４６がオン状態とされる。これにより、サンプルホ−ルド回路にて暗レベルが相殺されて、入射光により生成された光電荷に対応する真の光情報が、電圧信号として順次各列の垂直信号線４５から水平信号線に読み出される。

このようにして、第一の電荷蓄積部２３に蓄積された電荷は、光情報として電圧信号に変換されて読み出される。同様に、期間Ｔ５〜Ｔ８で第二の電荷蓄積部２４の読み出しを行い、期間Ｔ９〜Ｔ１２で第三の電荷蓄積部２５の読み出しを行う。

本固体撮像装置は、カラ−フィルタを用いない。すなわち、Ｓｉの波長による光吸収率の差異を利用して、入射光の深さ方向で色分解を実現する。従って、波長の短い青色光は、Ｓｉ基板の表面近くで第一の電荷蓄積部２３によって検出され、波長の長い赤色光はＳｉ基板の比較的深部で第三の電荷蓄積部２５によって検出される。また、緑色光はその中間層である第二の電荷蓄積部２４にて検出される。

また、例えば第一の電荷蓄積部２３は、ｎ型キャリアピ−ク濃度が１Ｅ１７、表面からの深さを０．５μｍに形成する。また、第二の電荷蓄積部２４は、ｎ型キャリアピ−ク濃度が１Ｅ１７、表面からの深さを１．５μｍに形成する。また、第三の電荷蓄積部２５は、ｎ型キャリアピ−ク濃度が１Ｅ１７、表面からの深さを２．５μｍに形成する。

さらに、ｎ型領域である拡散部１６ａと拡散部１７ａは、各々不純物濃度が２．０Ｅ１７である。また、ゲ−ト電極１６ｂ、ゲ−ト電極１７ｂにプラスの電圧を印加した時に、完全空乏化できるように印加電圧との関係で不純物濃度が設定されている。印加電圧は、例えばオン時１０Ｖ、オフ時０Ｖとすればよい。

また、シリコン基板は、ｐ型でありその不純物濃度は２Ｅ１４である。これによって、電荷転送時に電荷蓄積部の電荷が完全に転送される。なお、ｐ型不純物の濃度が２Ｅ１４であるなら、各電荷蓄積部は基板でなくウェル中に設けられてもよい。

この実施形態では、光の入射方向に対して各色の電荷蓄積部が積層されているため、各色の光情報を一つの画素から得ることができる。よって、画像の解像度が向上する。また、不純物濃度は拡散部と第二、第三の電荷蓄積部の不純物濃度であり、例えば表面は別の濃度あってもよい。
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態の固体撮像装置について図を用いて詳述する。図６は、第二の実施形態にかかる固体撮像装置の画素平面概念図である。この図では、説明を簡便にするため画素６１と画素６２の２画素分についてのみ示している。

画素６１は受光部６３と第一の転送トランジスタ６５と第二の転送トランジスタ６７とＦＤ部６９とリセットトランジスタ６ｂと増幅トランジスタ６ｃと選択トランジスタ６ｄ等とから構成される。

受光部６３、６４は、各々異なる色の光を検出するための２層の電荷蓄積部が積層されて構成されており、入射光を受光して所定の色の光を光電変換し電荷を蓄積する。

また、ＦＤ部６９は、各電荷蓄積部から電荷が転送される。増幅トランジスタ６Ｃのゲ−ト電極は、ＦＤ部６９と配線によって電気的に接続されている。そして、増幅トランジスタ６ｃは、ＦＤ部６９の電荷の量に対応する電圧信号に変換する。また、リセットトランジスタ６ｂは、ＦＤ部６９を初期状態にリセットする。選択トランジスタ６ｄは、変換された電圧信号を増幅トランジスタ６ｃから垂直信号線に出力する。各デバイスの機能や基本動作は、第一の実施形態の説明と重複するので説明を省略する。

図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ′断面構造模式図を示し、図７（ｂ）は、図６のＢ−Ｂ′断面構造模式図を示す。なお、図７（ａ）により第一の電荷蓄積部７１の電荷読み出しについて、図７（ｂ）により第二の電荷蓄積部７７の電荷読み出しについての理解が容易になるであろう。

本固体撮像装置では、画素６１と画素６２とで、検出する光に相違がある。すなわち、画素６１には、シリコン基板の表面側から順に青色用の電荷蓄積層が第一の電荷蓄積部７１として、赤色用の電荷蓄積層が第二の電荷蓄積部７７として設けられる。また、画素６２には、シリコン基板の表面側から順に青色用の電荷蓄積層が第三の電荷蓄積部７２として、緑色用の電荷蓄積層が第四の電荷蓄積部７８として設けられる。

図７（ａ）において、第一の電荷蓄積部７１にて生成され蓄えられた電荷は、転送トランジスタ６５のゲ−ト電極６５ｂをハイレベルとすることでＦＤ部６９へと転送される。また、第三の電荷蓄積部７２にて生成され蓄えられた電荷は、転送トランジスタ６６のゲ−ト電極６６ｂをハイレベルとすることでＦＤ部６ａへと転送される。

ＦＤ部６９へ転送された電荷は、増幅トランジスタ６ｃで電圧信号に変換される。また、ＦＤ部６ａへ転送された電荷は、増幅トランジスタ６ｆで電圧信号に変換される。

一方、図７（ｂ）に示すように、第二の電荷蓄積部７７にて生成され蓄えられた電荷は、拡散部７５によって、斜め上方に配置されるＦＤ部６９へと転送される。拡散部７５はｎ型領域の半導体で構成され、その上部にゲ−ト電極６７ｂを備えることでＦＤ部６９、第二の電荷蓄積部７７をソ−ス・ドレインとする転送トランジスタ６７として機能する。この転送トランジスタ６７のゲ−ト電極６７ｂに、プラスの電圧を印加することで、転送トランジスタ６７がオンとされ、第二の電荷蓄積部７７の電荷は、ＦＤ部６９へ転送される。

同様に、図７（ｂ）に示すように、第四の電荷蓄積部７８にて生成され蓄えられた電荷は、拡散部７６によって、斜め上方に配置されるＦＤ部６ａへと転送される。拡散部７６は、ｎ型領域の半導体で構成され、その上部にゲ−ト電極６８ｂを備えることでＦＤ部６ａ、第四の電荷蓄積部７８をソ−ス・ドレインとする転送トランジスタ６８として機能する。この転送トランジスタ６８のゲ−ト電極６８ｂにプラスの電圧を印加することで、転送トランジスタ６８がオンとされ、第四の電荷蓄積部７８の電荷はＦＤ部６ａへ転送される。

さらに、画素６１は、マゼンダのカラ−フィルタ７３を備え、画素６２は、シアンのカラ−フィルタ７４を備える。そして、画素６１と画素６２は千鳥状に配列して連ねることで、撮像素子全体として効率的な光電変換が行える。マゼンダのカラ−フィルタは、紫色の光を透過する。紫色の光は、赤色及び青色の光が混合した光である。このことは、マゼンダのカラ−フィルタが赤色と青色の光を透過することを意味する。そして、画素６１において波長の短い青色光は、表面近くで光電変換されるために表面近くに配置される第一の電荷蓄積部７１で検出され、波長の長い赤色光は、青色光に比べて表面から深くで光電変換されるため、表面から深くに配置される第二の電荷蓄積部７７で検出される。
また、シアンのカラ−フィルタは、青緑の光を透過する。青緑の光は、青色と緑色の光が混合した光である。このことは、シアンのカラ−フィルタが青色と緑色の光を透過することを意味する。そして、画素６２において波長の短い青色光は、表面近くで光電変換されるために表面近くに配置される第三の電荷蓄積部７２で検出され、波長の長い緑色光は、青色光に比べて表面から深くで光電変換されるため、表面から深くに配置される第四の電荷蓄積部７８で検出される。

このように構成することで、本固体撮像装置は、第一の実施形態のようにＳｉの光吸収率の差に依存した色分離検出とするだけでなく、Ｓｉの光吸収率の差と、補色型カラ−フィルタの特性を賢く活用した色分離検出となる。従って、両者の長所を兼ね備えた波長選別により、色分解能や解像度をさらに向上させることが可能となる。

次に、この実施形態の回路概念図を図８に示す。第三の電荷蓄積部とその転送トランジスタが無いことの他は、第一の実施形態の回路構成と同じである。また、図９には、回路駆動のタイミングチャ−トを示すが、第一の実施形態における第三の電荷蓄積部に対応するＴ９〜Ｔ１２の期間が無い他は、基本的に第一の実施形態の駆動と同じである。

さらに、Ｓｉの光吸収率の波長による相違も考慮すれば、各画素における一対の電荷蓄積部は光の入射方向から順に、青色用−緑色用、又は緑色用−赤色用、又は青色用−赤色用とすることが好ましい。
（第三の実施形態）
次に、第三の実施形態の固体撮像装置について図を用いて説明する。図１０は、本固体撮像装置の画素の断面概念図である。画素１０１はシアンのカラ−フィルタ１０３を備え、画素１０２はイエロ−のカラ−フィルタ１０４を備える。なお、カラ−フィルタは、各画素の上層部に備えることで、その下層において透過光を受光することが可能となる。

前記したとおり、シアンのカラ−フィルタは、青色と緑色の光を透過する。そして、画素１０１では、青色光と緑色光とが第一の電荷蓄積部１０９と第二の電荷蓄積部１１７で検出される。また、イエロ−のカラ−フィルタは、黄色の光を透過する。黄色の光は、緑色と赤色の光が混合した光である。このことは、イエロ−のカラ−フィルタが緑色と赤色の光を透過することを意味する。そして、画素１０２において緑色光は表面近くで光電変換されるために表面近くに配置される第三の電荷蓄積部１１０で検出され、波長の長い赤色光は、緑色光に比べて表面から深くで光電変換されるため表面から深くに配置される第四の電荷蓄積部１１６で検出される。

また、画素１０１と画素１０２とは、検出する光が異なり、第二の実施形態と同様に、二画素を一セットで単位画素として千鳥状に配列することで、入射光を効率よく光電変換することが可能となる。また、この実施形態では、緑色用の電荷蓄積部が、画素１０１にも画素１０２にも各々設けられるので、緑色の入射光を広面積で検出することが可能となり、緑色光の検出がより高感度で行える。緑色光は、視感度が比較的高いので、高精細な画像取り込みを行えることとなる。

さらに、画素１０１の第二の電荷蓄積部１１７に蓄積された電荷は、画素１０２の拡散部１１４を介して、画素１０２のＦＤ部１０８へと転送される。また、画素１０２の第三の電荷蓄積部１１０に蓄積された電荷は、画素１０２の転送トランジスタ１０６がオンされることによって、画素１０２のＦＤ部１０８へと転送される構成をとる。

すなわち、画素１０１の第二の電荷蓄積部１１７に蓄積される緑色光による電荷と画素１０２の第三の電荷蓄積部１１０に蓄積される緑色光による電荷は、共に、共通のＦＤ部である画素１０２のＦＤ部１０８へと転送される。

これにより、画素１０１と画素１０２とによる緑色光によって生成された電荷は、ＦＤ部１０８にかかる同一の垂直信号線から読み出しすることが可能となる。従って、信号処理の配線経路が同じとなり、またその後の緑色光の信号処理等の取り扱いを共通にできるので好ましい。また、画素１０１と画素１０２とによる各検出緑色光の電荷を、併合して読み出し処理することも可能であり、緑色光の検出感度と信号強度が増大する。

この実施形態により、ノイズが少なく、画素サイズの小さい固体撮像装置が実現される。また、画素サイズが小さくできるので解像度も向上させることができる。また、同じ解像度とすれば、チップ面積を小さくすることができ、安価な固体撮像装置とすることができる。また、色再現性も向上する。
（第四の実施形態）
図１２は、第四の実施形態にかかる固体撮像装置の画素平面概念図である。この図において、１２０は、第一の電荷蓄積部であり青色を検出する。また、１２１は、第三の電荷蓄積部であり青色を検出する。また、図面が複雑となるので配線層の記載は省略している。

また、ＦＤ部１２３は、第一の電荷蓄積部１２０と第三の電荷蓄積部１２１で共用される。すなわち、転送トランジスタ１２２と転送トランジスタ１２４をそれぞれ駆動することで、第一の電荷蓄積部１２０に蓄積された電荷および第三の電荷蓄積部１２１に蓄積された電荷がＦＤ部１２３に転送される。

また、第一の電荷蓄積部１２０の下層には第二の電荷蓄積部１３０が備えられる。第二の電荷蓄積部１３０は、拡散部１２６を利用して、蓄積されている電荷がＦＤ部１２５に転送される。

また、第三の電荷蓄積部１２１の下層には第四の電荷蓄積部１３１が備えられる。第四の電荷蓄積部１３１は、拡散部１２７を利用して、蓄積されている電荷がＦＤ部１２８に転送される。

図１３（ａ）は図１２のＡ−Ａ′断面図を、図１３（ｂ）は図１２のＢ−Ｂ′断面図をそれぞれ示す。図１２と図１３とでは、同一部位には同一符号を付している。

第一の電荷蓄積部１２０の上層（光入射側）にはマゼンダの補色型カラ−フィルタ１３２が備えられ、また、第三の電荷蓄積層１２１の上層（光入射側）にはシアンの補色型カラ−フィルタ１３３が備えられる。

マゼンダのカラ−フィルタは、前記したとおり青色と赤色の光を透過する。そして、マゼンダの補色型カラ−フィルタ１３２の下層（光入射方向）には、透過してきた青色光と赤色光を検出するための第一の電荷蓄積層１２０と第二の電荷蓄積層１３０が設けられる。

また、シアンのカラ−フィルタは、前記したとおり青色と緑色の光を透過する。そして、シアンの補色型カラ−フィルタ１３３の下層（光入射方向）には、透過してきた青色光と緑色光を検出するための第三の電荷蓄積層１２１と第四の電荷蓄積層１３１が設けられる。

ここで、第二の電荷蓄積層１３０に蓄積される電荷は、青色検出用の電荷蓄積層１２０，１２１が共用するＦＤ部１２３とは異なるＦＤ部１２５に拡散部１２６を介して転送される。また、第四の電荷蓄積層１３１に蓄積される電荷は、ＦＤ部１２３及びＦＤ部１２５とは異なるＦＤ部１２８に拡散部１２７を介して転送される。

そして、このような二つの画素を一セットとする単位画素が、連続して千鳥状に配置されることで、本固体撮像装置が構成される。図１２におけるＡ−Ａ′線の延長線上に青色検出用の電荷蓄積層が並んでおり、その間隙に、青色検出用の電荷蓄積層１２０，１２１が利用するＦＤ部１２３と、下層側の電荷蓄積層１３０，１３１が利用するＦＤ部１２５，１２８と、が交互に配設される。そして、各電荷蓄積層と各ＦＤ部を電気的に接続可能な転送トランジスタ（図示せず）は、各ＦＤ部周辺に隣接して配設される。各転送トランジスタの配設位置は、ＦＤ部周囲において適宜設計し、配設することが可能でありこの実施形態に限られるものではない。なお、他の実施形態と同様に転送トランジスタは、各種トランジスタの構造及び組成は適宜設計することが可能である。

また、発明の実施形態において、垂直転送部と水平転送部とは、両者の電荷転送方向の対比上、主たる転送方向を説明するために垂直や水平と説明するものであって、必ずしも垂直成分、水平成分のみを有するものではない。

また、転送部が、垂直転送部と水平転送部とからなる場合においても、必ずしも物理的に一体の転送部を構成しなくてもよい。すなわち、垂直転送部と水平転送部とは物理的に離れて配置されてもよい。この場合であっても、水平転送部と垂直転送部とは、当該画素の転送部であると理解することができる。

本発明は、カラ−撮像装置として監視カメラ、ディジタルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置全般やカラ−イメ−ジスキャナ等に利用することができる。

第一の実施形態にかかる固体撮像装置の画素構造平面概念図 第一の実施形態にかかる固体撮像装置の画素部の断面概念図 第一の実施形態にかかる固体撮像装置の画素部のＤ−Ｄ′断面のポテンシャル概念図 第一の実施形態にかかる固体撮像装置の回路構成概念図 第一の実施形態にかかるタイミングチャ−ト概念図 第二の実施形態にかかる固体撮像装置の画素平面概念図 第二の実施形態にかかる画素平面概念図の断面構造模式図 第二の実施形態にかかる固体撮像装置の回路構成概念図 第二実施形態にかかる固体撮像装置のタイミングチャ−ト概念図 第三の実施形態にかかる固体撮像装置の画素の断面概念図 シリコンの深さ方向に対する透過光量の概念図 第四の実施形態にかかる固体撮像装置の画素平面概念図 第四の実施形態にかかる固体撮像装置の画素の断面概念図

符号の説明

１１・・受光部、１２・・選択トランジスタ、１３・・増幅トランジスタ、１４・・リセットトランジスタ、１５・・転送トランジスタ、１８・・フロ−ティングディフュ−ジョン部

Claims (11)

1. 入射光の入射される方向から見たときに、それぞれの少なくとも一部が重なるように配置され、前記入射光により電荷を生成し蓄積する複数の電荷蓄積部を備える受光部と、
   該電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を受け取るフロ−ティングディフュ−ジョン部と、
   該複数の電荷蓄積部から該フロ−ティングディフュ−ジョン部に前記電荷を転送する複数の転送部と、
   該フロ−ティングディフュ−ジョン部に蓄えられる電荷量に応じて電圧信号に変換する増幅トランジスタと、
   該フロ−ティングディフュ−ジョン部を初期状態にリセットするリセットトランジスタと、
   前記増幅トランジスタの電圧信号を出力する選択トランジスタと、
   を有する単位画素が複数二次元状に配置される固体撮像装置であって、
   該転送部は、該複数の電荷蓄積部のうち少なくとも一つの電荷蓄積部に蓄積される電荷を前記単位画素が配置される平面に平行な方向に転送する平行転送部と、
   該複数の電荷蓄積部のうち該一つの電荷蓄積部以外の電荷蓄積部に蓄積される電荷を前記単位画素が配置される平面に垂直な方向に転送する垂直転送部とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   複数の前記電荷蓄積部に蓄積された前記電荷は、同一の前記単位画素において共通のフロ−ティングディフュ−ジョンに転送される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記受光部は、前記入射光の入射される方向から順に配置される第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部と第三の電荷蓄積部とを備え、
   前記平行転送部は、該第一の電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送し、
   前記垂直転送部は、該第二の電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送する第二の電荷蓄積部用転送部と、該第三の電荷蓄積部に蓄積された前記電荷を前記共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部へ転送する第三の電荷蓄積部用転送部とから構成され、
   該第二の電荷蓄積部用転送部と該第三の電荷蓄積部用転送部とは、該フロ−ティングディフュ−ジョン部までの前記単位画素が配置される平面に垂直な方向への転送距離が異なることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項２に記載する固体撮像装置において、
   前記単位画素は、第一の単位画素と第二の単位画素とからなり、
   該第一の単位画素は、前記入射光の入射される方向から順に第一の波長選択手段と、第一の電荷蓄積部と第二の電荷蓄積部とを備え、
   該第二の単位画素は、前記入射光の入射される方向から順に第二の波長選択手段と、第三の電荷蓄積部と第四の電荷蓄積部とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項４に記載する固体撮像装置において、
   前記第一の波長選択手段は、前記第一の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであり、
   前記第二の波長選択手段は、該第一の波長選択手段とは異なるカラ−フィルタ−であって、
   前記第二の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタである
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項５に記載する固体撮像装置において、
   前記第一の波長選択手段は、補色関係にある前記第一の電荷蓄積部の検出光と、前記第二の電荷蓄積部の検出光と、を透過し、
   前記第二の波長選択手段は、補色関係にある前記第三の電荷蓄積部の検出光と、前記第四の電荷蓄積部の検出光と、を透過することを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項１に記載する固体撮像装置において、
   前記単位画素は、前記入射光の入射される方向から順に第一の波長選択手段と、
   第一の電荷蓄積部と、第二の電荷蓄積部とを備える第一の単位画素と、
   前記入射光の入射される方向から順に第二の波長選択手段と、第三の電荷蓄積部と、第四の電荷蓄積部とを備える第二の単位画素の二種類からなり、
   前記第一の波長選択手段は、前記第一の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであり、
   前記第二の波長選択手段は、前記第二の単位画素で検出する波長を少なくとも透過する補色型カラ−フィルタであり、
   前記第一の単位画素のフロ−ティングディフュ−ジョン部、及び、前記第二の単位画素のフロ−ティングディフュ−ジョン部のいずれか一方は、共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部とされ、
   前記第一の単位画素の少なくとも一方の前記電荷蓄積部に蓄積される電荷、及び、前記第二の単位画素の少なくとも一方の前記電荷蓄積部に蓄積される電荷は、前記共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部に転送されることを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項７に記載する固体撮像装置において、
   前記共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部は、
   同じ波長光検出用の二以上の該電荷蓄積部に蓄積される電荷が転送される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
9. 請求項７又は請求項８に記載する固体撮像装置において、
   前記第一の波長選択手段はシアンのカラ−フィルタであり、前記第二の波長選択手段がイエロ−のカラ−フィルタであり、
   前記第一の電荷蓄積部は青色光を検出し、前記第二の電荷蓄積部は緑色光を検出し、前記第三の電荷蓄積部は緑色光を検出し、前記第四の電荷蓄積部は赤色光を検出し、
   該第二の電荷蓄積部と該第三の電荷蓄積部に蓄積される前記電荷が、前記共通のフロ−ティングディフュ−ジョン部に転送される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
10. 請求項１に記載する固体撮像装置において、
    前記単位画素は、
    前記入射光の入射される方向から順に、第一の波長選択手段と、第一の電荷蓄積部と、第二の電荷蓄積部と、を備える第一の単位画素と、
    前記入射光の入射される方向から順に、該第一の波長選択手段とは異なる波長の光を透過する第二の波長選択手段と、第三の電荷蓄積部と、第四の電荷蓄積部と、を備える第二の単位画素の二種類からなる
    ことを特徴とする固体撮像装置。
11. 請求項４又は請求項７又は請求項８に記載する固体撮像装置において、前記第一の波長選択手段はマゼンダの補色型カラ−フィルタであり、
    前記第二の波長選択手段はシアンの補色型カラ−フィルタであり、
    前記第一の電荷蓄積部は青色光を検出し、前記第二の電荷蓄積部は赤色光を検出し、前記第三の電荷蓄積部は青色光を検出し、前記第四の電荷蓄積部は緑色光を検出する
    ことを特徴とする固体撮像装置。

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