JP2010219453A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の微細化、光を取り込む開口部の縮小化にともなって発生しやすくなる回折光によるスミアの発生を低減できる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【解決手段】Ｒ画素2、Ｇ画素3、Ｂ画素4等の複数の受光部と、垂直ＣＣＤ部5および水平ＣＣＤ部と、開口部12aを有する遮光膜12と、グリーンフィルター17、レッドフィルター18等のカラーフィルターを備えた固体撮像素子において、長波長域の光を受光するたとえばＲ画素2の両側の垂直ＣＣＤ部5間の間隔L2を、それよりも短波長域の光を受光するたとえばＧ画素3の両側の垂直ＣＣＤ部5間の間隔L1よりも大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換素子を用いた固体撮像素子に関するものである。

ＣＣＤを用いた固体撮像素子には、低ノイズであることが求められる。ノイズにはさまざまなものがあるが、スミアの低減は撮像画像の品質を向上させるためには非常に重要である。

ＣＣＤとしては、埋め込み形フォトダイオード構造を用いたものが一般的である。たとえば特許文献１では、第２導電型ウェル上部に、光入射時に信号電荷を蓄積する第１導電型領域とその表面部に設けられた第２導電型領域からなるフォトダイオードが形成されている。前記第２導電型領域は電位をグラウンドする一部分を除いて第１導電型領域によって、前記フォトダイオードの周辺の少なくとも一部に形成された第２導電型素子分離領域から分離されている。

特許文献１に記載された固体撮像素子の構造を図５に示す。図５（ａ）はインターライン方式ＣＣＤ撮像装置のフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤレジスタ部の拡大平面図、図５（ｂ）はＡ−Ａにおける断面図である。フォトダイオードとなる表面ｐ＋型領域１０５およびｎ型蓄積領域１０６はｎ型基板１１９上に設けられたｐ型ウェル１０９上に形成されている。垂直ＣＣＤレジスタはｎ型ウェル１０７とｐ型ウェル１０８から構成されている。これらフォトダイオードと垂直ＣＣＤレジスタとの間には、ｐ＋型素子分離領域１１０およびトランスファーゲートとなるｐ型領域１１１がある。

垂直ＣＣＤレジスタの上には、該垂直ＣＣＤレジスタの駆動パルス電圧を印加するゲート電極１１２がゲート絶縁膜１１３を介して形成されており、ゲート電極１１２に正電圧を印加することで、フォトダイオードのｎ型蓄積領域１０６から垂直ＣＣＤレジスタのｎ型ウェル１０７へ信号電荷を移動させることができる。ゲート電極１１２の上には遮光膜１１４が絶縁膜１１５を挟んで形成されていて、垂直ＣＣＤレジスタ内での光生成電荷の発生が防止される。

垂直ＣＣＤレジスタ転送方向に平行な方向に並ぶフォトダイオードの各々については、表面ｐ＋型領域１０５と素子分離領域１１０とを接続させることにより表面ｐ＋型領域１０５の電位をグラウンドにする一方で、表面ｐ＋型領域１０５端にｎ型領域１０６を配置することにより、表面ｐ＋型領域１０５と、垂直ＣＣＤレジスタに隣接している素子分離領域１１０との間に間隔をあけている。これにより、不要光で発生した電荷がｎ型蓄積領域１０６に流入しても、素子分離領域１１０を超えて垂直ＣＣＤレジスタへ流入することを防止し、スミアを低減するようにしている。
特許第３２８４９８６号公報（図１）

近年、固体撮像素子の微細化に伴って受光部面積が小さくなるとともに、受光部の上の開口部のサイズも小さくなってきている。開口サイズが小さくなると入射光の一部が遮断されて回折光が発生しやすくなり、特に画素サイズが１．５μm未満ともなると開口サイズが小さく、回折光が発生しやすい。回折光が発生すると、その回折光が垂直ＣＣＤ部へ入射して不要な電荷が発生し、スミアの劣化を招いてしまう。

ところが、上記の特許文献１の固体撮像素子でも、回折光に対する対策がなされておらず、開口サイズが小さくなるとスミアの抑制効果が小さくなる。特に赤色光はスポットサイズを小さくできないため回折光が発生しやすく、スミアの劣化が大きくなりやすい。

本発明は上記問題を解決するもので、回折光によるスミアの発生を低減できる固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、基板内の表面に形成された複数の受光部と、前記複数の受光部で発生した電荷を転送する垂直ＣＣＤ部および水平ＣＣＤ部と、前記基板上に前記複数の受光部の各々の上に開口部を設けて形成された遮光膜と、前記複数の開口部の各々の上に配置されており異なる波長域の光が透過する複数種類のカラーフィルターとを備えた固体撮像素子において、長波長域の光を受光する第１の受光部の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔が、前記第１の受光部よりも短波長域の光を受光する第２の受光部の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔よりも大きいことを特徴とする。

長波長域の光を受光する前記第１の受光部を含んだ第１の受光部列の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔が、前記第１の受光部を含まず前記第２の受光部のみで構成される第２の受光部列の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔よりも大きいことを特徴とする。

長波長域の光を受光する第１の受光部の部分だけ、あるいは、長波長域の光を受光する前記第１の受光部を含んだ第１の受光部列に対して、両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔を大きくすることで、回折光が垂直ＣＣＤ部に進入することによるスミアの発生を低減できる。

前記長波長域の光が赤色光であると、回折光に対するスミアの低減効果が大きくなる。前記長波長域の光を受光する前記第１の受光部上の開口部と前記垂直ＣＣＤ部との距離が０．２４μm以上であることが望ましい。スミアの低減効果が大きくなるからである。

前記基板上に形成される読み出しゲート電極の間隔が一定であることが望ましい。固体撮像素子の制御が容易になるからである。また前記水平ＣＣＤ部への接続箇所での前記垂直ＣＣＤ部間の間隔は一定であることが望ましい。水平ＣＣＤの制御が容易になるとともに残存電荷の発生を防止できるからである。

赤色光を受光する前記第１の受光部上の開口部が前記第２の受光部上の開口部よりも大きいことが望ましい。開口部が大きいと回折光自体を減らせるため、スミアがより低減される。

本発明の固体撮像素子は、垂直ＣＣＤ部の周辺に入射する回折光の影響を低減できるため、回折光によって発生するスミアが低減され、低ノイズの画像情報を得ることが可能となり、製品の品質劣化を防止できる。この効果は画素サイズが小さくなるほど大きい。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。特に断らない限り、同一符号で同一の部材を指すこととする。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の概念図であり、図２（ａ）は同固体撮像素子の一部拡大図、図２（ｂ）は同固体撮像素子の図２（ａ）におけるＡ−Ａ′部分での縦断面図である。

図１において、固体撮像素子１には、赤色光（Ｒ）用のＲ画素２と緑色光（Ｇ）用のＧ画素３と青色光（Ｂ）用のＢ画素４とがＢａｙｅｒ配列で配置されている。また、垂直方向（図中Ｙ方向）の画素列どうしの間となるように、電荷を転送するための垂直ＣＣＤ部５がＸ方向に周期状に配置され、これら垂直ＣＣＤ部５に接続した水平ＣＣＤ部６とアンプ部７とが配置されている。各画素２、３、４には読み出しゲート（図示せず）が形成されている。

詳細には、図２に示すように、シリコン基板８にｎ型不純物の注入などによる複数の受光部（ＰＤ）９が互いに離間して形成されている。受光部９は上述したＲ画素２とＧ画素３とＢ画素４を構成するもので、互いの間に垂直ＣＣＤ部５がある。このシリコン基板８上にゲート酸化膜１０が形成され、該ゲート酸化膜１０により垂直ＣＣＤ部５から分離して読み出しゲート電極１１が形成されている。

さらにその上に、読み出しゲート電極１１を覆い且つ各受光部９の上に開口部１２ａを持った遮光膜１２が形成されている。この遮光膜１２は読み出しゲート電極１１下の垂直ＣＣＤ部５へ不要な光が入射することを防止するために形成される。ここでは開口部１２ａの大きさは画素の種類によらず一定としている。

受光部９の上方には、層内レンズ１３、グリーンフィルター１７やレッドフィルター１８などのカラーフィルター、マイクロレンズ１６などが形成されている。受光部９と層内レンズ１３との間には光透過絶縁膜１４が形成されている。層内レンズ１３とカラーフィルターとの間には、反射率の調整やレンズの位置調整のための中間層１５が形成されている。

上記の固体撮像素子１においては、外部からの光は、マイクロレンズ１６により取り込まれ、グリーンフィルター１７やレッドフィルター１８などのカラーフィルターを透過し、次いで中間層１５を透過した後、層内レンズ１３でさらに集光され、受光部９に到達し、この受光部９で光電変換により電荷が蓄積される。

各受光部９で蓄積された電荷は、読み出しゲート電極１１に与えられる電位により、読み出しゲート（図示せず）を通じて垂直ＣＣＤ部５に転送される。垂直ＣＣＤ部５に転送された電荷は、読み出しゲート電極１１に順次与えられる電位により、水平ＣＣＤ部６（図１参照）へと転送され、この水平ＣＣＤ部においてＸ方向に転送され、アンプ部７に出力され、画像信号として処理される。

ここで、この実施形態の固体撮像素子１が従来のものと相違するのは、図２（ａ）に示すように、Ｒ画素２を含んだ画素列の両側の垂直ＣＣＤ部５間の間隔Ｌ２と、Ｒ画素２を含まない画素列の両側の垂直ＣＣＤ部５間の間隔Ｌ１とを、Ｌ２＞Ｌ１となるように設定している点である。上述のように各受光部９の上の開口部１２ａの大きさは画素の種類によらず一定としているので、Ｇ画素３（およびＢ画素４）の開口部１２ａ（図２（ａ）では各画素の輪郭に相当する）と垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_１１と、Ｒ画素２の開口部１２ａと垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_２２とは、Ｌ_２２＞Ｌ_１１の関係にある。図中では各画素の左側のみ距離Ｌ_１１、Ｌ_２２を示しているが、右側も同様である。読み出しゲート電極１１と開口部１２ａとの距離Ｌｇは一定としている。

このことによる作用効果を説明する。光はグリーンフィルター１７を透過したときには緑色光（Ｇ光）以外の成分が吸収され、Ｇ光が中間層１５と層内レンズ１３と光透過絶縁膜１４とを透過して受光部９（Ｇ画素３）に入射する。同様に、レッドフィルター１８を透過した赤色光（Ｒ光）が受光部（Ｒ画素２）に入射し、ブルーフィルターを透過した青色光（Ｂ光）が受光部（Ｂ画素４）に入射する。

その際に、図２（ｂ）に示すように、Ｇ画素３に入射するＧ光のビームプロファイルはＧ光プロファイル１９のような形状になる。一方、Ｒ画素２に入射するＲ光のビームプロファイルはＲ光プロファイル２０のような形状になる。これは、Ｇ光（中心波長５３０ｎｍ近傍）がＲ光（中心波長は６００ｎｍ近傍）よりも波長が短いことによる。

つまり、Ｇ光は波長がより短いことから、集光されるスポットサイズもより小さくなり、遮光膜１２の開口部１２ａ内に集光する。図示していないが、Ｂ光（中心波長４５０ｎｍ近傍）はＧ光よりも波長が短いためスポットサイズはさらに小さくなり、開口部１２ａ内に集光する。

これに対しＲ光は波長が長いことから、スポットサイズが大きくなって開口部１２ａ内に収まりきらない場合があり、そのときに回折現象が発生する。波長が５７０ｎｍ以上になると回折光が発生しやすい。回折光が発生すると、図示したようなサブピークを持つＲ光プロファイル２０となる。

このサブピーク部分が垂直ＣＣＤ部５に重なると、垂直ＣＣＤ部５での光電変換が発生し、スミアが発生し、出力される信号の劣化が生じ、画質が著しく悪化する。かかる回折光によるスミアの問題は、固体撮像素子１の作製時のマスク合わせずれや、リソグラフィーのバラつきなどの作製プロセス中のさまざまな影響で容易に発生する。レンズ形状のばらつきも影響する。固体撮像素子の画素サイズは小さくなる傾向にあるため、回折光は今後ますます発生しやすくなると考えられる。

しかるに本実施形態では、上述のように、Ｇ画素３（およびＢ画素４）の開口部１２ａと垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_１１＜Ｒ画素２の開口部１２ａと垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_２２としているので、Ｒ画素２の開口部１２ａでＲ光が回折した場合でも垂直ＣＣＤ部５への光入射が抑制されることになり、スミアの悪化は低減できる。

たとえば、画素ピッチが１．４μmで、垂直ＣＣＤ部５の幅が０．３２μmであるときに、Ｌ_１１＝０．２μm、Ｌ_２２＝０．２４μmとしたところ、スミアは３ｄＢ程度改善された。垂直ＣＣＤ部５の幅に応じてＬ_２２の最適値は異なることとなるが、Ｌ_２２が０．２４μm以上であればスミアの低減が可能であることが確認できた。

さらに、上述のように、読み出しゲート電極１１と開口部１２ａとの距離Ｌｇは一定としたので、距離Ｌｇを画素列ごとに変える場合のように画素列ごとに読み出し電圧が変化することはなく、制御が複雑になることはない。

垂直ＣＣＤ部５のＸ方向の周期が若干異なることになるが、水平ＣＣＤ部６の構成については特に変更はない。上述のように垂直ＣＣＤ部５どうしの間隔をＬ１＜Ｌ２というように変えるのは、図３にも示すように、Ｇ画素３やＲ画素２などの画素のある領域についてであればよく、水平ＣＣＤ部６への接続部の近傍では、垂直ＣＣＤ部５のＸ方向の間隔はＬ_Ｈと一定にすることができる。

このようにすることにより、水平ＣＣＤ部６の制御が容易になるとともに電荷残りの発生を防止できる。つまり、垂直ＣＣＤ部５の間隔が異なった状態で水平ＣＣＤ６に接続させる場合には、水平ＣＣＤ６において電荷を転送する際の駆動電圧を垂直ＣＣＤ部５の列ごとに変えるなどの制御が必要になるのであり、そうせずに同駆動電圧を全列で同一にすると、垂直ＣＣＤ部５から水平ＣＣＤ部６に転送された電荷に加わる電界が各列で若干異なることになり、電荷が残りやすくなる。

なお、Ｒ画素２を含んだ画素列の両側の垂直ＣＣＤ部５どうしの間隔Ｌ２を大きくしているので、上述のように開口部１２ａの大きさを画素の種類によらず一定とするのでなく、Ｒ画素２の開口部１２ａを大きくすること（図示省略）も可能である。これにより同開口部１２ａでの回折光自体を減らすことが可能となるため、効果はより大きくなる。実際に、このことによりさらに１ｄＢ程度のスミアの改善が実現されることが確認できた。

以上説明した本第１の実施の形態の構成によって、回折光により発生するスミアが抑制され、低ノイズの固体撮像素子が実現された。この効果は、微細化により開口部１２ａが小さくなるほど大きくなる。
（第２の実施の形態）
図４（ａ）は本発明の第２の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の一部拡大図、図４（ｂ）は同固体撮像素子の図４（ａ）におけるＡ−Ａ′部分での縦断面図である。

このＣＣＤ固体撮像素子は、第１の実施の形態の固体撮像素子と比べると、Ｒ画素２とＧ画素３とＢ画素４の配置および垂直ＣＣＤ部５の形状が異なっている。すなわち、Ｒ画素２とＢ画素４とは垂直ＣＣＤ部５を挟んでＸ方向に隣り合っている。Ｒ画素２とＢ画素４のそれぞれのＹ方向の隣にＧ画素３がある。各垂直ＣＣＤ部５はＲ画素２の付近でのみ互いの間の間隔が広がるように屈折している。

その結果、隣り合ったＲ画素２とＢ画素４の部分で、Ｒ画素２の両側の垂直ＣＣＤ部間の間隔Ｌ２＞Ｂ画素４の両側の垂直ＣＣＤ部間の間隔Ｌ１となっている。Ｂ画素４の開口部１２ａと垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_２１と、Ｒ画素２の開口部１２ａと垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_２２とは、Ｌ_２２＞Ｌ_１１の関係にある。そのほかは第１の実施の形態と同様である。

このようにＲ画素２の開口部１２ａと垂直ＣＣＤ部５との距離Ｌ_２２が特に大きくなっていることから、Ｒ画素２の開口部１２ａでＲ光が回折した場合でも、その回折光は垂直ＣＣＤ部５に入射しにくくなり、スミアの発生を抑制することが可能となる。Ｂ画素４については、上述のように青色光の集光スポット径が小さくなるため、垂直ＣＣＤ部５がＢ画素４に近づく影響はほとんどなく、回折光の発生はほとんどない。

なおここでは、Ｒ画素２付近だけ垂直ＣＣＤ部５間の間隔を変化させるとして説明したが、Ｇ画素３の両側の垂直ＣＣＤ部５間の間隔をＬ３で表すと、結果的にＬ２＞Ｌ３＞Ｌ１となっている。しかしＲ画素２、Ｇ画素３、Ｂ画素４のそれぞれと垂直ＣＣＤ部５との間隔を個別に調整しても構わない。

本実施の形態においても、Ｒ画素２付近の垂直ＣＣＤ部５間の間隔Ｌ２を大きくしているので、上述のように開口部１２ａの大きさを画素の種類によらず一定とするのでなく、Ｒ画素２の開口部１２ａを特に大きくすること（図示省略）も可能である。これにより同開口部１２ａでの回折光自体を減らすことが可能となり、効果はより大きくなる。実際に、このことにより、さらに１ｄＢ程度のスミアの改善が実現されることが確認できた。

以上説明した本第２の実施の形態の構成によって、回折光により発生するスミアが抑制され、低ノイズの固体撮像素子が実現された。この効果は、微細化により開口部１２ａが小さくなるほど大きくなる。

本発明に係る固体撮像素子は、受光部で取り込んだ入力光をＣＣＤを通して取り出す際のスミアが抑制され、低ノイズが実現されるので、かかる固体撮像素子を使用する広範な固体撮像装置等に有用である。

本発明の第１の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の概念図 図１の固体撮像素子の構成を示す（ａ）一部拡大図および（ｂ）断面図 図１の固体撮像素子における垂直ＣＣＤ部と水平ＣＣＤ部との接続部を示す概念図 本発明の第２の実施の形態のＣＣＤ固体撮像素子の構成を示す（ａ）一部拡大図および（ｂ）断面図 従来の固体撮像素子の概略構成を示す図

１ 固体撮像素子
２ Ｒ画素
３ Ｇ画素
４ Ｂ画素
５ 垂直ＣＣＤ部
６ 水平ＣＣＤ部
７ アンプ部
８ シリコン基板
９ 受光部
１０ ゲート酸化膜
１１ 読み出しゲート電極
１２ 遮光膜
１２ａ 開口部
１３ 層内レンズ
１４ 光透過絶縁膜
１５ 中間層
１６ マイクロレンズ
１７ グリーンフィルター
１８ レッドフィルター
１９ Ｇ光プロファイル
２０ Ｒ光プロファイル
２１ ブルーフィルター

Claims (7)

1. 基板内の表面に形成された複数の受光部と、前記複数の受光部で発生した電荷を転送する垂直ＣＣＤ部および水平ＣＣＤ部と、前記基板上に前記複数の受光部の各々の上に開口部を設けて形成された遮光膜と、前記複数の開口部の各々の上に配置されており異なる波長域の光が透過する複数種類のカラーフィルターとを備えた固体撮像素子であって、
   長波長域の光を受光する第１の受光部の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔が、前記第１の受光部よりも短波長域の光を受光する第２の受光部の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。
2. 長波長域の光を受光する前記第１の受光部を含んだ第１の受光部列の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔が、前記第１の受光部を含まず前記第２の受光部のみで構成される第２の受光部列の両側の前記垂直ＣＣＤ部どうしの間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記長波長域の光が赤色光であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記長波長域の光を受光する前記第１の受光部上の開口部と前記垂直ＣＣＤ部との距離が０．２４μm以上であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
5. 前記基板上に形成される読み出しゲート電極の間隔が一定であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 前記水平ＣＣＤ部への接続箇所での前記垂直ＣＣＤ部間の間隔は一定であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 赤色光を受光する前記第１の受光部上の開口部が前記第２の受光部上の開口部よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。

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