JP2015115345A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】混色を抑制しつつ感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】画素ＰＣは、カラム方向ＣＤに対して斜めに設定されたグリッドＧＵに沿って区画され、ラインごとに１／２画素だけずらして２次元的に配置され、各画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇが設けられるとともに、緑色用光電変換膜Ｇと深さ方向に重なるように赤色用光電変換層および青色用光電変換層が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
近年、携帯電話等に搭載されるカメラモジュールは、薄型化および高解像度化が要請されるようになっている。カメラモジュールの薄型化および高解像度化に対応して、イメージセンサは画素の微細化が進められている。イメージセンサは、画素面積が小さくなるほど、画素へ入射する光量が少なくなるため、信号量が低下し、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が劣化する。このため、イメージセンサは、光利用効率の向上による高感度化の実現が望まれている。
特開２００６−１２０７７３号公報
本発明の一つの実施形態は、混色を抑制しつつ感度を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、画素として、緑色用光電変換膜と、赤色用光電変換層と、青色用光電変換層とが設けられている。画素は、カラム方向に対して斜めに設定されたグリッドに沿って区画されている。緑色用光電変換膜は、前記画素ごとに設けられている。赤色用光電変換層と、前記緑色用光電変換膜と深さ方向に重なるように配置されている。青色用光電変換層は、前記緑色用光電変換膜と深さ方向に重なるように配置されている。
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図２（ａ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置の緑色用光電変換膜のレイアウト例を示す平面図、図２（ｂ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置の赤色用光電変換層と青色用光電変換層のレイアウト例を示す平面図、図２（ｃ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置のマイクロレンズのレイアウト例を示す平面図である。 図３は、図２（ｂ）の赤色用光電変換層と青色用光電変換層における２画素１セル構成を示す回路図である。 図４は、図２（ａ）の緑色用光電変換膜における２画素１セル構成を示す回路図である。 図５は、第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。 図６は、図５のＫ１−Ｋ２線に沿って切断した固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。 図７は、図５のＫ３−Ｋ４線に沿って切断した固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。 図８は、図６の固体撮像装置のその他の概略構成例を示す断面図である。 図９は、図７の固体撮像装置のその他の概略構成例を示す断面図である。 図１０は、図６の固体撮像装置のさらにその他の概略構成例を示す断面図である。 図１１は、図８の固体撮像装置のさらにその他の概略構成例を示す断面図である。 図１２は、第２実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。 図１３は、第３実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。 図１４は、第４実施形態に係る固体撮像装置における２画素１セル構成を示す回路図である。 図１５は、第４実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。 図１６（ａ）は、第５実施形態に係る固体撮像装置の緑色用光電変換膜のレイアウト例を示す平面図、図１６（ｂ）は、第５実施形態に係る固体撮像装置の赤色用光電変換層と青色用光電変換層のレイアウト例を示す平面図、図１６（ｃ）は、第５実施形態に係る固体撮像装置のマイクロレンズのレイアウト例を示す平面図である。 図１７は、第５実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。 図１８は、第６実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図１９（ａ）は、第７実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのレイアウト例を示す平面図、図１９（ｂ）は、第７実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのその他のレイアウト例を示す平面図である。 図２０は、第７実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。 図２１（ａ）は、第８実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのレイアウト例を示す平面図、図２１（ｂ）は、第８実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのその他のレイアウト例を示す平面図である。 図２２は、第８実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。 図２３は、第９実施形態に係る固体撮像装置の４画素１セル構成例を示す回路図である。 図２４は、第９実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。 図２５は、第１０実施形態に係る固体撮像装置が適用されたデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。 図２６は、第１１実施形態に係る固体撮像装置が適用されたカメラモジュールの概略構成を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、固体撮像装置には、光電変換した電荷を蓄積する画素ＰＣがロウ方向ＲＤおよびカラム方向ＣＤにマトリックス状に配置された画素アレイ部１、読み出し対象となる画素ＰＣを垂直方向に走査する垂直走査回路２、各画素ＰＣの信号成分をＣＤＳにて検出するカラムＡＤＣ回路３、読み出し対象となる画素ＰＣを水平方向に走査する水平走査回路４、各画素ＰＣの読み出しや蓄積のタイミングを制御するタイミング制御回路５およびカラムＡＤＣ回路３に基準電圧ＶＲＥＦを出力する基準電圧発生回路６が設けられている。なお、タイミング制御回路５には、マスタークロックＭＣＫが入力されている。
また、画素アレイ部１において、ロウ方向ＲＤには画素ＰＣの読み出し制御を行う水平制御線Ｈｌｉｎが設けられ、カラム方向ＣＤには画素ＰＣから読み出された信号を伝送する垂直信号線Ｖｌｉｎが設けられている。
ここで、画素ＰＣは、カラム方向ＣＤに対して斜めに設定されたグリッドＧＵに沿って区画されている。各画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。このグリッドＧＵのカラム方向ＣＤに対する傾きは４５度に設定することができる。この時、画素ＰＣは、ラインごとに１／２画素だけずらして２次元的に配置することができる。また、画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇと深さ方向に重なるように赤色用光電変換層および青色用光電変換層が配置されている。なお、緑色用光電変換膜Ｇの材料は、主に緑色に感度がある無機材料または有機材料を用いることができる。緑色光を吸収し、赤色光および青色光に透明な有機光電材料として、ペリレン系化合物、キナクリドン系化合物またはローダミン６Ｇなどを用いることができる。緑色用光電変換膜Ｇにて光電変換された電荷を集めるために、緑色用光電変換膜Ｇの上下に透明電極を設けることができる。有機光電膜は真空蒸着にて形成し、透明電極はスパッタにて形成することができる。赤色用光電変換層および青色用光電変換層の材料は、Ｓｉなどの半導体を用いることができる。
そして、垂直走査回路２にて画素ＰＣが垂直方向に走査されることで、ロウ方向の画素ＰＣが選択され、その画素ＰＣから読み出された信号は垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路３に送られる。そして、画素ＰＣから読み出された信号の信号レベルと基準レベルとに差分がとられることで各画素ＰＣの信号成分がＣＤＳにてカラムごとに検出され、出力信号Ｖｏｕｔとして出力される。
ここで、ラインごとに１／２画素だけずらして画素ＰＣを２次元的に配置することにより、緑色用光電変換膜Ｇから得られた画素信号に基づいて画素ＰＣ間の信号を補間すると、水平垂直に０．５画素ピッチで画素信号を生成することができ、解像度を向上させることができる。
図２（ａ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置の緑色用光電変換膜のレイアウト例を示す平面図、図２（ｂ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置の赤色用光電変換層と青色用光電変換層のレイアウト例を示す平面図、図２（ｃ）は、第１実施形態に係る固体撮像装置のマイクロレンズのレイアウト例を示す平面図である。
図２（ａ）において、各画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇとして緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂが設けられている。この時、緑色用光電変換膜Ｇは画素ＰＣ全体を覆うことができる。
図２（ｂ）において、画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇと深さ方向に重なるように赤色用光電変換層Ｒおよび青色用光電変換層Ｂが配置されている。この時、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂとは２画素分に渡って重なるように配置することができる。
図２（ｃ）において、各画素ＰＣには、マイクロレンズＺ１を設けることができる。マイクロレンズＺ１は、緑色用光電変換膜Ｇ上に配置することができる。また、集光効率を高めるために、各マイクロレンズＺ１の中心と各画素ＰＣの中心とが一致することが好ましい。なお、マイクロレンズＺ１はなくてもよい。
ここで、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂとを２画素分に渡って重なるように配置することにより、単層のベイヤ配列構造に対して、赤色および青色の感度を４倍に向上させることができる。また、赤色用光電変換層Ｒおよび青色用光電変換層Ｂと深さ方向に重なるように緑色用光電変換膜Ｇを配置することにより、混色を低減することが可能となるとともに、単層のベイヤ配列構造に対して、緑画素サイズが２倍にできる。この結果、入射光量を２倍得ることで感度を２倍に向上させることができる。また、緑色用光電変換膜Ｇから得られた画素信号に基づいて画素ＰＣ間の信号を補間することにより、単層のベイヤ配列構造と同等の解像度を得ることができる。
図３は、図２（ｂ）の赤色用光電変換層と青色用光電変換層における２画素１セル構成を示す回路図である。
図３において、このセルには、フォトダイオードＰＤ−Ｂ、ＰＤ−Ｒ、行選択トランジスタＴＲａｄｒ１、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ１および読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒが設けられている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１とリセットトランジスタＴＲｒｓｔ１と読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤ１が形成されている。ここで、フローティングディフュージョンＦＤ１、行選択トランジスタＴＲａｄｒ１、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１およびリセットトランジスタＴＲｒｓｔ１はフォトダイオードＰＤ−Ｂ、ＰＤ−Ｒの出力回路として共用されている。
そして、読み出しトランジスタＴＧｒのソースは、フォトダイオードＰＤ−Ｒに接続され、読み出しトランジスタＴＧｂのソースは、フォトダイオードＰＤ−Ｂに接続されている。また、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ１のソースは、読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒのドレインに接続され、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ１および行選択トランジスタＴＲａｄｒ１のドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１のソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎ２に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１のゲートは、読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒのドレインに接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ１のドレインは、行選択トランジスタＴＲａｄｒ１のソースに接続されている。
図４は、図２（ａ）の緑色用光電変換膜における２画素１セル構成を示す回路図である。
図４において、このセルには、光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−Ｇｂ、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂ、行選択トランジスタＴＲａｄｒ２、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ２および読み出しトランジスタＴＧｇｒ、ＴＧｇｂが設けられている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２とリセットトランジスタＴＲｒｓｔ２と読み出しトランジスタＴＧｇｒ、ＴＧｇｂとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤ２が形成されている。ここで、フローティングディフュージョンＦＤ２、行選択トランジスタＴＲａｄｒ２、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２およびリセットトランジスタＴＲｒｓｔ２は光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−Ｇｂの出力回路として共用されている。
そして、読み出しトランジスタＴＧｇｒのソースは、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒおよび光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒに接続され、読み出しトランジスタＴＧｇｂのソースは、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂおよび光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｂに接続されている。なお、光電変換膜の上下面にＩＴＯなどの透明電極を設けることにより、光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−Ｇｂを構成することができる。また、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ２のソースは、読み出しトランジスタＴＧｇｒ、ＴＧｇｂのドレインに接続され、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ２および行選択トランジスタＴＲａｄｒ２のドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２のソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２のゲートは、読み出しトランジスタＴＧｇｒ、ＴＧｇｂのドレインに接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ２のドレインは、行選択トランジスタＴＲａｄｒ２のソースに接続されている。また、光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−Ｇｂにはバイアス電圧ＶＢが印加される。
図５は、第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。
図５において、赤色用光電変換層ＲにはフォトダイオードＰＤ−Ｒが設けられ、青色用光電変換層ＢにはフォトダイオードＰＤ−Ｂが設けられている。ここで、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂは２画素分に渡って深さ方向に重なるように配置されている。また、各画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂに対応して蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂがそれぞれ設けられている。ここで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂは互いに隣接するように配置することができる。また、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂの配置スペースを確保するために、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂの中央部の幅を細くすることができる。
また、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂに対応してゲート電極ＴＧｒ、ＴＧｂがそれぞれ設けられ、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂに対応してゲート電極ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂがそれぞれ設けられている。第１のフローティングディフュージョンＦＤがゲート電極ＴＧｒ、ＴＧｂにて共有され、第２のフローティングディフュージョンＦＤがゲート電極ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂにて共有されている。
図６は、図５のＫ１−Ｋ２線に沿って切断した固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図６の例では、表面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図６において、半導体層ＳＢ１には不純物拡散層Ｈ１が形成され、不純物拡散層Ｈ１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ０が形成されている。なお、ゲート絶縁膜Ｈ０は、シリコン酸化膜を用いることができる。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ１には不純物拡散層Ｈ３が形成され、不純物拡散層Ｈ３の表面側には不純物拡散層Ｈ４が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ１には不純物拡散層Ｈ２が形成されている。ここで、不純物拡散層Ｈ２は、不純物拡散層Ｈ３下に配置され、不純物拡散層Ｈ３の横を通って半導体層ＳＢ１の表面側に引き出されている。そして、不純物拡散層Ｈ２の引き出し部上には不純物拡散層Ｈ５が形成されている。また、半導体層ＳＢ１の表面側において、不純物拡散層Ｈ２の引き出し部と不純物拡散層Ｈ３との間に不純物拡散層Ｈ６が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ１はｐ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ２、Ｈ３はｎ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４、Ｈ５はｐ＋型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ６はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ１の表面側において、不純物拡散層Ｈ４、Ｈ６間の不純物拡散層Ｈ１上にはゲート電極ＴＧｂが配置され、不純物拡散層Ｈ５、Ｈ６間の不純物拡散層Ｈ１上にはゲート電極ＴＧｒが配置されている。ゲート電極ＴＧｂ、ＴＧｒおよび不純物拡散層Ｈ６上には、層間絶縁膜Ｅに埋め込まれた遮光膜ＳＨが配置されている。なお、遮光膜ＳＨの材料は、カーボンなどが含有された樹脂であってもよいし、Ａｌまたはタングステンなどの金属であってもよい。また、層間絶縁膜Ｅ上には、半導体層ＳＢ１の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの下面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの上面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。
そして、マイクロレンズＺ１にて集光された光が半導体層ＳＢ１に到達すると、フォトダイオードＰＤ−Ｂにて青色光が吸収されるとともに、フォトダイオードＰＤ−Ｒにて赤色光が吸収される。そして、フォトダイオードＰＤ−Ｂにて青色光が光電変換されることで電荷が生成され、フォトダイオードＰＤ−Ｂに蓄積されるとともに、フォトダイオードＰＤ−Ｒにて赤色光が光電変換されることで電荷が生成され、フォトダイオードＰＤ−Ｒに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｂに印加されることで、フォトダイオードＰＤ−Ｂに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。また、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｒに印加されることで、フォトダイオードＰＤ−Ｒに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
ここで、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂを２画素分に渡って重なるように配置することにより、単層のベイヤ配列構造に対して、赤色および青色の感度を４倍に向上させることができる。
図７は、図５のＫ３−Ｋ４線に沿って切断した固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図７の例では、表面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図７において、半導体層ＳＢ１には不純物拡散層Ｈ１が形成され、不純物拡散層Ｈ１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ０が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ１には不純物拡散層Ｈ３が形成され、不純物拡散層Ｈ３の表面側には不純物拡散層Ｈ４が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ１には不純物拡散層Ｈ２が形成されている。また、半導体層ＳＢ１の表面側において、フォトダイオードＰＤ−Ｂの中央部には、不純物拡散層Ｈ８、Ｈ９が形成されることで蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂがそれぞれ形成されている。また、半導体層ＳＢ１の表面側において、不純物拡散層Ｈ８、Ｈ９間に不純物拡散層Ｈ１０が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ８、Ｈ９、Ｈ１０はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ１の表面側において、不純物拡散層Ｈ８、Ｈ１０間の不純物拡散層Ｈ１上にはゲート電極ＴＧｇｒが配置され、不純物拡散層Ｈ９、Ｈ１０間の不純物拡散層Ｈ１上にはゲート電極ＴＧｇｂが配置されている。ゲート電極ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂおよび不純物拡散層Ｈ１０上には、層間絶縁膜Ｅに埋め込まれた遮光膜ＳＨが配置されている。また、層間絶縁膜Ｅ上には、半導体層ＳＢ１の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの下面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの上面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。不純物拡散層Ｈ８上には、透明電極Ｄ１に接続されたコンタクトプラグＰ１が形成され、不純物拡散層Ｈ９上には、透明電極Ｄ２に接続されたコンタクトプラグＰ２が形成されている。
そして、マイクロレンズＺ１にて集光された光が緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂに到達すると、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂにて緑色光が吸収される。そして、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂにて緑色光が光電変換されることで電荷が生成され、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂにそれぞれ蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｇｒに印加されることで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。また、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｇｂに印加されることで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
ここで、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂと深さ方向に重なるように緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂを配置することにより、混色を低減することが可能となるとともに、単層のベイヤ配列構造に対して、緑色の感度を２倍に向上させることができる。
図８は、図６の固体撮像装置のその他の概略構成例を示す断面図である。なお、図８の例では、表面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図８において、半導体層ＳＢ２には不純物拡散層Ｈ２１が形成され、不純物拡散層Ｈ２１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ２０が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ２には不純物拡散層Ｈ２３が形成され、不純物拡散層Ｈ２３の表面側には不純物拡散層Ｈ２４が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ２には不純物拡散層Ｈ２２が形成されている。ここで、不純物拡散層Ｈ２２は、不純物拡散層Ｈ２３下に配置され、不純物拡散層Ｈ２２の中央部が半導体層ＳＢ２の表面側に引き出されている。そして、不純物拡散層Ｈ２２の引き出し部上には不純物拡散層Ｈ２５が形成されている。また、半導体層ＳＢ２の表面側において、不純物拡散層Ｈ２２の引き出し部と不純物拡散層Ｈ２３の中央部との間に不純物拡散層Ｈ２６が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ２１はｐ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ２２、Ｈ２３はｎ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ２４、Ｈ２５はｐ＋型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ２６はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ２の表面側において、不純物拡散層Ｈ２４、Ｈ２６間の不純物拡散層Ｈ２１上にはゲート電極ＴＧｂが配置され、不純物拡散層Ｈ２５、Ｈ２６間の不純物拡散層Ｈ２１上にはゲート電極ＴＧｒが配置されている。ゲート電極ＴＧｂ、ＴＧｒおよび不純物拡散層Ｈ２６上には、層間絶縁膜Ｅに埋め込まれた遮光膜ＳＨが配置されている。また、層間絶縁膜Ｅ上には、半導体層ＳＢ２の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの下面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの上面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。
図９は、図７の固体撮像装置のその他の概略構成例を示す断面図である。なお、図９の例では、表面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図９において、半導体層ＳＢ２には不純物拡散層Ｈ２１が形成され、不純物拡散層Ｈ２１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ２０が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ２には不純物拡散層Ｈ２３が形成され、不純物拡散層Ｈ２３の表面側には不純物拡散層Ｈ２４が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ２には不純物拡散層Ｈ２２が形成されている。また、半導体層ＳＢ２の表面側において、フォトダイオードＰＤ−Ｂの両端部には、不純物拡散層Ｈ２７、Ｈ２８が形成されることで蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂ、ＳＤ−Ｇｒがそれぞれ形成されている。また、半導体層ＳＢ２の表面側において、隣接画素の不純物拡散層Ｈ２７、Ｈ２８間に不純物拡散層Ｈ２９が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ２７、Ｈ２８、Ｈ２９はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ２の表面側において、不純物拡散層Ｈ２７、Ｈ２９間の不純物拡散層Ｈ２１上にはゲート電極ＴＧｇｒが配置され、不純物拡散層Ｈ２８、Ｈ２９間の不純物拡散層Ｈ２１上にはゲート電極ＴＧｇｂが配置されている。ゲート電極ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂおよび不純物拡散層Ｈ２９上には、層間絶縁膜Ｅに埋め込まれた遮光膜ＳＨが配置されている。また、層間絶縁膜Ｅ上には、半導体層ＳＢ２の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの下面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの上面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。不純物拡散層Ｈ２７上には、透明電極Ｄ１に接続されたコンタクトプラグＰ１１が形成され、不純物拡散層Ｈ２８上には、透明電極Ｄ２に接続されたコンタクトプラグＰ１２が形成されている。
図１０は、図６の固体撮像装置のさらにその他の概略構成例を示す断面図である。なお、図１０の例では、裏面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図１０において、半導体層ＳＢ３には不純物拡散層Ｈ４１が形成され、不純物拡散層Ｈ４１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ４０が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ３には不純物拡散層Ｈ４３が形成され、不純物拡散層Ｈ４３の裏面側には不純物拡散層Ｈ４６が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ３には不純物拡散層Ｈ４２が形成され、不純物拡散層Ｈ４２の表面側には不純物拡散層Ｈ４４が形成されている。ここで、不純物拡散層Ｈ４３は、不純物拡散層Ｈ４２下に配置され、不純物拡散層Ｈ４２の横を通って半導体層ＳＢ３の表面側に引き出されている。そして、不純物拡散層Ｈ４３の引き出し部上には不純物拡散層Ｈ４５が形成されている。また、半導体層ＳＢ３の表面側において、隣接画素間の不純物拡散層Ｈ４３の引き出し部と不純物拡散層Ｈ４２との間に不純物拡散層Ｈ４７が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ４１はｐ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４２、Ｈ４３はｎ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４４、Ｈ４５、Ｈ４６はｐ＋型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４７はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ３の表面側において、不純物拡散層Ｈ４４、Ｈ４７間の不純物拡散層Ｈ４１上にはゲート電極ＴＧｒが配置され、不純物拡散層Ｈ４５、Ｈ４７間の不純物拡散層Ｈ４１上にはゲート電極ＴＧｂが配置されている。また、半導体層ＳＢ３の裏面側には層間絶縁膜Ｚが形成され、層間絶縁膜Ｚ上には、半導体層ＳＢ３の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの上面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの下面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。
図１１は、図８の固体撮像装置のさらにその他の概略構成例を示す断面図である。なお、図１１の例では、裏面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図１１において、半導体層ＳＢ３には不純物拡散層Ｈ４１が形成され、不純物拡散層Ｈ４１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ４０が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ３には不純物拡散層Ｈ４３が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ３には不純物拡散層Ｈ４２が形成され、不純物拡散層Ｈ４２の表面側には不純物拡散層Ｈ４４が形成されている。また、半導体層ＳＢ３の裏面側から表面側にかけて、不純物拡散層Ｈ４９、Ｈ５０が形成されることで蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂ、ＳＤ−Ｇｒがそれぞれ形成されている。また、半導体層ＳＢ３の表面側において、不純物拡散層Ｈ４９、Ｈ５０間に不純物拡散層Ｈ５１が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ４９、Ｈ５０、Ｈ５１はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ３の表面側において、不純物拡散層Ｈ５０、Ｈ５１間の不純物拡散層Ｈ４１上にはゲート電極ＴＧｇｒが配置され、不純物拡散層Ｈ４９、Ｈ５１間の不純物拡散層Ｈ４１上にはゲート電極ＴＧｇｂが配置されている。また、半導体層ＳＢ３の裏面側には層間絶縁膜Ｚが形成され、層間絶縁膜Ｚ上には、半導体層ＳＢ３の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの上面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの下面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。不純物拡散層Ｈ５０の裏面側には、透明電極Ｄ１に接続されたコンタクトプラグＰ２１が形成され、不純物拡散層Ｈ４９の裏面側には、透明電極Ｄ２に接続されたコンタクトプラグＰ２２が形成されている。
なお、図１１の例では、半導体層ＳＢ３に蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂ、ＳＤ−Ｇｒを形成するために、半導体層ＳＢ３の裏面側から表面側にかけて不純物拡散層Ｈ４９、Ｈ５０を形成する構成について示したが、半導体層ＳＢ３の裏面側に電極を埋め込み、半導体層ＳＢ３の表面側に形成された不純物拡散層と接続するようにしてもよい。
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。
図５では、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂが２画素分に渡って深さ方向に重なるように配置する構成を示した。
一方、図１２において、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂが１画素ごとに別個に設けられている。ここで、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂは１画素ごとに交互に配置することができる。
（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。
図１２では、フローティングディフュージョンＦＤが斜め方向に隣接する２個の画素間で共有されている構成を示した。
一方、図１３において、フローティングディフュージョンＦＤがカラム方向ＣＤに隣接する２個の画素間で共有されている。
（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態に係る固体撮像装置における２画素１セル構成を示す回路図である。
図１４において、このセルには、光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−Ｇｂ、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂ、行選択トランジスタＴＲａｄｒ３、ＴＲａｄｒ４、増幅トランジスタＴＲａｍｐ３、ＴＲａｍｐ４およびリセットトランジスタＴＲｒｓｔ３、ＴＲｒｓｔ４が設けられている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐ３とリセットトランジスタＴＲｒｓｔ３と蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤ３が形成され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ４とリセットトランジスタＴＲｒｓｔ４と蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤ４が形成されている。
そして、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ３、ＴＲｒｓｔ４のドレインは、電源電位Ｖｓｄに接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐ３、ＴＲａｍｐ４のドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。増幅トランジスタＴＲａｍｐ３のゲートは、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ３のソース、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒおよび光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒに接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐ４のゲートは、リセットトランジスタＴＲｒｓｔ４のソース、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂおよび光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｂに接続されている。行選択トランジスタＴＲａｄｒ３のドレインは、増幅トランジスタＴＲａｍｐ３のソースに接続され、行選択トランジスタＴＲａｄｒ４のドレインは、増幅トランジスタＴＲａｍｐ４のソースに接続されている。行選択トランジスタＴＲａｄｒ３、ＴＲａｄｒ４のソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎ１に接続されている。
図１５は、第４実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図１５の例では、表面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図１５において、半導体層ＳＢ４には不純物拡散層Ｈ４１が形成され、不純物拡散層Ｈ４１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ４０が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ４には不純物拡散層Ｈ４３が形成され、不純物拡散層Ｈ４３の表面側には不純物拡散層Ｈ４４が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ４には不純物拡散層Ｈ４２が形成されている。また、半導体層ＳＢ４の表面側において、フォトダイオードＰＤ−Ｂの端部に不純物拡散層Ｈ４８が形成されることで蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒが形成され、フォトダイオードＰＤ−Ｂの中央部に不純物拡散層Ｈ４６が形成されることで蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂが形成されている。また、半導体層ＳＢ４の表面側において、不純物拡散層Ｈ４６に隣接して不純物拡散層Ｈ４５が形成され、不純物拡散層Ｈ４８に隣接して不純物拡散層Ｈ４７が形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ４１はｐ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４２、Ｈ４３はｎ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４４はｐ＋型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ４５、Ｈ４６、Ｈ４７、Ｈ４８はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ４の表面側において、不純物拡散層Ｈ４５、Ｈ４６間の不純物拡散層Ｈ４１上と、不純物拡散層Ｈ４７、Ｈ４８間の不純物拡散層Ｈ４１上にはゲート電極ＴＧｓが配置されている。ゲート電極ＴＧｓ上には、半導体層ＳＢ４の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの下面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの上面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。不純物拡散層Ｈ４７上には、透明電極Ｄ１に接続されたコンタクトプラグＰ３４が形成され、不純物拡散層Ｈ４６上には、透明電極Ｄ２に接続されたコンタクトプラグＰ３２が形成されている。不純物拡散層Ｈ４５、Ｈ４７上には、コンタクトプラグＰ３１、Ｐ３３が形成され、コンタクトプラグＰ３１、Ｐ３３には電源電位Ｖｓｄが印加される。
（第５実施形態）
図１６（ａ）は、第５実施形態に係る固体撮像装置の緑色用光電変換膜のレイアウト例を示す平面図、図１６（ｂ）は、第５実施形態に係る固体撮像装置の赤色用光電変換層と青色用光電変換層のレイアウト例を示す平面図、図１６（ｃ）は、第５実施形態に係る固体撮像装置のマイクロレンズのレイアウト例を示す平面図である。
図１６（ａ）において、各画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇとして緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂが設けられている。この時、緑色用光電変換膜Ｇは画素ＰＣ全体を覆うことができる。
図１６（ｂ）において、画素ＰＣには、緑色用光電変換膜Ｇと深さ方向に重なるように赤色用光電変換層Ｒおよび青色用光電変換層Ｂが配置されている。この時、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂとは、正方形に配置された４画素分に渡って重なるように配置することができる。
図１６（ｃ）において、各画素ＰＣには、マイクロレンズＺ１を設けることができる。マイクロレンズＺ１は、緑色用光電変換膜Ｇ上に配置することができる。なお、マイクロレンズＺ１はなくてもよい。
ここで、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂとを４画素分に渡って重なるように配置することにより、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂについて読み出し回路を４画素で共有させることができ、回路規模を削減することができる。また、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂでの信号量を増大させることができ、ＳＮＲを向上させることができる。すなわち、赤色用光電変換層Ｒと青色用光電変換層Ｂの画素サイズが図２（ｂ）の構成に比べて２倍になり、２倍の高感度化となるため、色ノイズを低減することができる。
また、この構成では、単層のベイヤ配列構造に対し、４個の緑色画素に対して青色画素と赤色画素が１個ずつ設けられている。人間の目の解像度は、緑色画素に対して感度が高く、青色画素と赤色画素に対しては感度が低い。特に、８Ｍ画素よりも多い多画素のＣＭＯＳセンサでは、青色画素と赤色画素は色解像度の低下はあまり気にならないため、解像度用の緑色画素よりも少なくても良い。複数の緑色画素の平均画素信号ＡｖｅＳｇに複数の赤色画素の平均画素信号ＡｖｅＳｒまたは複数の青色画素の平均画素信号ＡｖｅＳｂの相関係数（ＡｖｅＳｒ／ＡｖｅＳｇ、ＡｖｅＳｂ／ＡｖｅＳｇ）を生成し、単画素の緑色画素信号Ｓｇに掛け算処理することで、ほぼ緑色画素相当の色解像度を得ることができるため、色画素数の低下による偽色発生を大幅に低減できる。
図１７は、第５実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。
図５では、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂを２画素分に渡って深さ方向に重なるように配置した構成を示した。
一方、図１７において、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂが４画素分に渡って深さ方向に重なるように配置されている。ここで、フローティングディフュージョンＦＤは４画素分のフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂにて共有されている。また、ゲート電極ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂは、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂの４つの辺方向に配置し、ゲート電極ＴＧｒ、ＴＧｂはフォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂの４つの対角方向に配置することができる。
（第６実施形態）
図１８は、第６実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１８において、この固体撮像装置には、レンズ４１、ＣＭＯＳセンサ４２、ホワイトバランス部４３、補間処理部４４、輪郭強調部４５、γ補正部４６およびリニアマトリックス部４７が設けられている。なお、ＣＭＯＳセンサ４２としては、図１の構成を用いることができる。図１の画素アレイ部１としては、図５または図１７の構成を用いることができる。図１の画素アレイ部１として、図１２または図１３の構成を用いるようにしてもよい。
レンズ４１を介してＣＭＯＳセンサ４２に光が入射すると、ＣＭＯＳセンサ４２からは蓄積時間制御にて感度調整された画素信号Ｓｒ、Ｓｂ、Ｓｇが出力される。そして、ホワイトバランス部４３において、白の被写体が白になるように画素信号Ｓｒ、Ｓｂ、Ｓｇがゲイン調整される。次に、補間処理部４４において、ＣＭＯＳセンサ４２の斜め４５度配列に対応した画素信号Ｓｒ、Ｓｂ、Ｓｇが正方配置に対応するように補間処理が行われ、画素信号Ｓｇｈが生成される。画素信号Ｓｇｈは、その画素の上下左右の画素の画素信号Ｓｇに基づいて生成することができる。この補間処理により、緑色画素の画素数を２倍化し、解像度を２倍にすることができる。さらに、その緑色画素の位置に対応して、赤色画素と青色画素を生成する。次に、輪郭強調部４５において、緑色画素から解像度信号（輪郭信号）が抽出され、各輪郭信号レベルが画素信号Ｓｒ、Ｓｂ、Ｓｇ、Ｓｇｈに加算される。この輪郭強調処理によって解像度感を向上させることができる。次に、γ補正部４６において、画素信号Ｓｒ、Ｓｂ、Ｓｇ、Ｓｇｈがγ補正された後、リニアマトリックス部４７において、カラーの色再現性を調整するためのリニアマトリックス処理が実施される。このリニアマトリックス処理では、以下の式を用いることができる。
Figure 2015115345
 なお、Ｒｉｎは画素信号Ｓｒに対応し、Ｂｉｎは画素信号Ｓｂに対応し、Ｇｉｎは画素信号Ｓｇ、Ｓｇｈに対応する。
そして、リニアマトリックス処理された画素信号Ｒｏｕｔ、Ｂｏｕｔ、ＧｏｕｔがＲＧＢ信号として出力される。あるいは、画素信号Ｒｏｕｔ、Ｂｏｕｔ、ＧｏｕｔをＹＵＶ信号などに変換して出力するようにしてもよい。
（第７実施形態）
図１９（ａ）は、第７実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのレイアウト例を示す平面図、図１９（ｂ）は、第７実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのその他のレイアウト例を示す平面図である。
図２（ａ）または図１６（ａ）の緑色用光電変換膜Ｇ上には、画素ＰＣごとにカラーフィルタを配置するようにしてもよい。この時、図１２または図１３に示すように、フォトダイオードＰＤ−Ｒ、ＰＤ−Ｂは１画素ごとに別個に設けられる。このカラーフィルタは、図１９（ａ）に示すように、右斜め方向と左斜め方向にシアンフィルタＣｙとイエローフィルタＹｅを交互に配置してもよいし、図１９（ｂ）に示すように、右斜め方向にはシアンフィルタＣｙとイエローフィルタＹｅを交互に配置し、左斜め方向にはシアンフィルタＣｙとイエローフィルタＹｅを連続して配置するようにしてもよい。ここで、イエローフィルタＹｅはフォトダイオードＰＤ−Ｒ上に配置され、シアンフィルタＣｙはフォトダイオードＰＤ−Ｂは上に配置される。ここで、緑色用光電変換膜Ｇ上にカラーフィルタを設けることにより、色分離性を向上させることができる。
図２０は、第７実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図２０の例では、裏面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図２０において、半導体層ＳＢ５には不純物拡散層Ｈ７１が形成され、不純物拡散層Ｈ７１の表面側にはゲート絶縁膜Ｈ７０が形成されている。不純物拡散層Ｈ７１の裏面側には不純物拡散層Ｈ５４が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｂにおいて、半導体層ＳＢ５には不純物拡散層Ｈ５３が形成され、不純物拡散層Ｈ５３の表面側には不純物拡散層Ｈ５６が形成されている。また、フォトダイオードＰＤ−Ｒにおいて、半導体層ＳＢ５には不純物拡散層Ｈ５２が形成され、不純物拡散層Ｈ５２の表面側には不純物拡散層Ｈ５５が形成されている。フォトダイオードＰＤ−Ｂ、ＰＤ−Ｒは水平方向に並べて配置されている。また、半導体層ＳＢ５の裏面側から表面側にかけて、不純物拡散層Ｈ６０、Ｈ６１が形成されることで蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂ、ＳＤ−Ｇｒがそれぞれ形成されている。また、半導体層ＳＢ５の表面側において、不純物拡散層Ｈ６０、Ｈ６１間に不純物拡散層Ｈ５７が形成されることで、フローティングディフュージョンＦＤが形成されている。また、不純物拡散層Ｈ５６の横には不純物拡散層Ｈ５８が形成され、不純物拡散層Ｈ５５の横には不純物拡散層Ｈ５９が形成されている。なお、不純物拡散層Ｈ７１はｐ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ５２、Ｈ５３はｎ型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ５４〜Ｈ５６はｐ＋型に設定することができる。不純物拡散層Ｈ５７〜Ｈ６１はｎ＋型に設定することができる。
また、半導体層ＳＢ５の表面側において、不純物拡散層Ｈ５７、Ｈ６０間の不純物拡散層Ｈ７１上にはゲート電極ＴＧｇｒが配置され、不純物拡散層Ｈ５７、Ｈ６１間の不純物拡散層Ｈ７１上にはゲート電極ＴＧｇｂが配置され、不純物拡散層Ｈ５５、Ｈ５９間の不純物拡散層Ｈ７１上にはゲート電極ＴＧｒが配置され、不純物拡散層Ｈ５６、Ｈ５８間の不純物拡散層Ｈ７１上にはゲート電極ＴＧｂが配置されている。また、半導体層ＳＢ５の裏面側には層間絶縁膜Ｚが形成され、層間絶縁膜Ｚ上には、半導体層ＳＢ５の表面全体を覆うように緑色用光電変換膜Ｇが設けられている。緑色用光電変換膜Ｇの上面には、緑色用光電変換膜Ｇｒ、Ｇｂごとに透明電極Ｄ１、Ｄ２が設けられ、緑色用光電変換膜Ｇの下面には透明電極Ｄ３が設けられている。透明電極Ｄ３上には、シアンフィルタＣｙおよびイエローフィルタＹｅがフォトダイオードＰＤ−Ｂ、ＰＤ−Ｒにそれぞれ対応して配置され、シアンフィルタＣｙおよびイエローフィルタＹｅ上には、マイクロレンズＺ１が画素ＰＣごとに配置されている。不純物拡散層Ｈ６０の裏面側には、透明電極Ｄ１に接続されたコンタクトプラグＰ４１が形成され、不純物拡散層Ｈ６１の裏面側には、透明電極Ｄ２に接続されたコンタクトプラグＰ４２が形成されている。
そして、マイクロレンズＺ１にて集光された光がシアンフィルタＣｙに入射することで青色光および緑色光が抽出され、緑色用光電変換膜Ｇｒに入射する。そして、緑色用光電変換膜Ｇｒにて緑色光が光電変換されることで電荷が生成され、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｇｒに印加されることで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
さらに、緑色用光電変換膜Ｇｒを通過した青色光がフォトダイオードＰＤ−Ｂに入射すると、フォトダイオードＰＤ−Ｂにて光電変換されることで電荷が生成され、フォトダイオードＰＤ−Ｂに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｂに印加されることで、フォトダイオードＰＤ−Ｂに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
また、マイクロレンズＺ１にて集光された光がイエローフィルタＹｅに入射することで赤色光および緑色光が抽出され、緑色用光電変換膜Ｇｂに入射する。そして、緑色用光電変換膜Ｇｂにて緑色光が光電変換されることで電荷が生成され、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｇｂに印加されることで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
さらに、緑色用光電変換膜Ｇｂを通過した赤色光がフォトダイオードＰＤ−Ｒに入射すると、フォトダイオードＰＤ−Ｒにて光電変換されることで電荷が生成され、フォトダイオードＰＤ−Ｒに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｒに印加されることで、フォトダイオードＰＤ−Ｒに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
（第８実施形態）
図２１（ａ）は、第８実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのレイアウト例を示す平面図、図２１（ｂ）は、第８実施形態に係る固体撮像装置のカラーフィルタのその他のレイアウト例を示す平面図である。
図２（ａ）または図１６（ａ）のフォトダイオードＰＤ−Ｂ上には、ブルーフィルタＦｂを配置し、図２（ａ）または図１６（ａ）のフォトダイオードＰＤ−Ｒ上には、レッドフィルタＦｒを配置するようにしてもよい。ここで、図２１（ａ）に示すように、右斜め方向と左斜め方向にブルーフィルタＦｂとレッドフィルタＦｒを交互に配置してもよいし、図２１（ｂ）に示すように、右斜め方向にはブルーフィルタＦｂとレッドフィルタＦｒを交互に配置し、左斜め方向にはブルーフィルタＦｂとレッドフィルタＦｒを連続して配置するようにしてもよい。ここで、フォトダイオードＰＤ−Ｂ上にブルーフィルタＦｂを配置し、フォトダイオードＰＤ−Ｒ上にレッドフィルタＦｒを配置することにより、緑色の感度低下を防止しつつ、赤色および青色の色分離性を向上させることができる。
図２２は、第８実施形態に係る固体撮像装置の概略構成例を示す断面図である。なお、図２２の例では、裏面照射型ＣＭＯＳセンサを示した。
図２２において、この構成では、図２０のシアンフィルタＣｙおよびイエローフィルタＹｅの代わりに、ブルーフィルタＦｂおよびレッドフィルタＦｒが設けられている。ここで、図２０のシアンフィルタＣｙおよびイエローフィルタＹｅは緑色用光電変換膜ＧとマイクロレンズＺ１との間に配置されていた。これに対し、図２２のブルーフィルタＦｂは、緑色用光電変換膜ＧとフォトダイオードＰＤ−Ｂとの間に配置され、図２２のレッドフィルタＦｒは、緑色用光電変換膜ＧとフォトダイオードＰＤ−Ｒとの間に配置される。
また、図２２の構成では、ブルーフィルタＦｂおよびレッドフィルタＦｒを貫通するようにコンタクトプラグＰ５１、Ｐ５２が設けられている。そして、不純物拡散層Ｈ６０と透明電極Ｄ１はコンタクトプラグＰ５１を介して接続され、不純物拡散層Ｈ６１と透明電極Ｄ２はコンタクトプラグＰ５２を介して接続される。また、マイクロレンズＺ１は、シリコン酸化膜などの絶縁層Ｚ２を介して透明電極Ｄ３上に配置されている。
そして、マイクロレンズＺ１にて集光された光が緑色用光電変換膜Ｇｒに入射すると、緑色光が光電変換されることで電荷が生成され、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｇｒに印加されることで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
さらに、緑色用光電変換膜Ｇｒを通過した光がブルーフィルタＦｂに入射すると、青色光が抽出され、フォトダイオードＰＤ−Ｂに入射する。そして、フォトダイオードＰＤ−Ｂにて光電変換されることで電荷が生成され、フォトダイオードＰＤ−Ｂに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｂに印加されることで、フォトダイオードＰＤ−Ｂに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
また、マイクロレンズＺ１にて集光された光が緑色用光電変換膜Ｇｂに入射すると、緑色光が光電変換されることで電荷が生成され、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｇｂに印加されることで、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
さらに、緑色用光電変換膜Ｇｂを通過した光がレッドフィルタＦｒに入射すると、赤色光が抽出され、フォトダイオードＰＤ−Ｒに入射する。そして、フォトダイオードＰＤ−Ｒにて光電変換されることで電荷が生成され、フォトダイオードＰＤ−Ｒに蓄積される。そして、読み出し電圧がゲート電極ＴＧｒに印加されることで、フォトダイオードＰＤ−Ｒに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。
（第９実施形態）
図２３は、第９実施形態に係る固体撮像装置の４画素１セル構成例を示す回路図である。
図２３において、このセルには、光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−Ｇｂ、フォトダイオードＰＤ−Ｂ、ＰＤ−Ｒ、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒ、ＳＤ−Ｇｂ、行選択トランジスタＴＲａｄｒ、増幅トランジスタＴＲａｍｐ、リセットトランジスタＴＲｒｓｔおよび読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒ、ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂが設けられている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐとリセットトランジスタＴＲｒｓｔと読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒ、ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂとの接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤが形成されている。ここで、フローティングディフュージョンＦＤ、行選択トランジスタＴＲａｄｒ、増幅トランジスタＴＲａｍｐおよびリセットトランジスタＴＲｒｓｔは光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒ、ＯＰＤ−ＧｂおよびフォトダイオードＰＤ−Ｂ、ＰＤ−Ｒにて出力回路が共用されている。
そして、読み出しトランジスタＴＧｒのソースは、フォトダイオードＰＤ−Ｒに接続され、読み出しトランジスタＴＧｂのソースは、フォトダイオードＰＤ−Ｂに接続されている。読み出しトランジスタＴＧｇｒのソースは、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｒおよび光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｒに接続され、読み出しトランジスタＴＧｇｂのソースは、蓄積ダイオードＳＤ−Ｇｂおよび光電変換素子ＯＰＤ−Ｇｂに接続されている。また、リセットトランジスタＴＲｒｓｔのソースは、読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒ、ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂのドレインに接続され、リセットトランジスタＴＲｒｓｔおよび行選択トランジスタＴＲａｄｒのドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、増幅トランジスタＴＲａｍｐのソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎ１に接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐのゲートは、読み出しトランジスタＴＧｂ、ＴＧｒ、ＴＧｇｒ、ＴＧｇｂのドレインに接続され、増幅トランジスタＴＲａｍｐのドレインは、行選択トランジスタＴＲａｄｒのソースに接続されている。
図２４は、第９実施形態に係る固体撮像装置のフォトダイオード、フローティングディフュージョンおよびゲート電極のレイアウト例を示す平面図である。
図１３では、フローティングディフュージョンＦＤがカラム方向ＣＤに隣接する２個の画素間で共有されている構成を示した。
一方、図２４において、フローティングディフュージョンＦＤがカラム方向ＣＤおよびロウ方向ＲＤに隣接する４個の画素間で共有されている。
（第１０実施形態）
図２５は、第１０実施形態に係る固体撮像装置が適用されたデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
図２５において、デジタルカメラ１１は、カメラモジュール１２および後段処理部１３を有する。カメラモジュール１２は、撮像光学系１４および固体撮像装置１５を有する。後段処理部１３は、イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）１６、記憶部１７及び表示部１８を有する。なお、図１８のホワイトバランス部４３、補間処理部４４、輪郭強調部４５、γ補正部４６およびリニアマトリックス部４７は、固体撮像装置１５に設けるようにしてもよいし、イメージシグナルプロセッサ１６に設けるようにしてもよい。また、ＩＳＰ１６の少なくとも一部の構成は固体撮像装置１５とともに１チップ化するようにしてもよい。
撮像光学系１４は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置１５は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ１６は、固体撮像装置１５での撮像により得られた画像信号を信号処理する。記憶部１７は、ＩＳＰ１６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部１７は、ユーザの操作等に応じて、表示部１８へ画像信号を出力する。表示部１８は、ＩＳＰ１６あるいは記憶部１７から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部１８は、例えば、液晶ディスプレイである。なお、カメラモジュール１２は、デジタルカメラ１１以外にも、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器に適用するようにしてもよい。
（第１１実施形態）
図２６は、第１１実施形態に係る固体撮像装置が適用されたカメラモジュールの概略構成を示す断面図である。
図２６において、被写体からカメラモジュール２１のレンズ２２へ入射した光は、メインミラー２３、サブミラー２４およびメカシャッタ２８を経て固体撮像装置２９に入射する。
サブミラー２４で反射した光は、オートフォーカス（ＡＦ）センサ２５に入射する。カメラモジュール２１では、ＡＦセンサ２５での検出結果に基づいてフォーカス調整が行われる。メインミラー２３で反射した光は、レンズ２６およびプリズム２７を経てファインダ３０に入射する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 画素アレイ部、２ 垂直走査回路、３ カラムＡＤＣ回路、４ 水平走査回路、５ タイミング制御回路、６ 基準電圧発生回路、Ｖｌｉｎ 垂直信号線、Ｈｌｉｎ 水平制御線、ＰＣ 画素、ＧＵ グリッド、Ｇ 緑色用光電変換膜

Claims (5)

  1. カラム方向に対して斜めに設定されたグリッドに沿って区画された画素と、
    前記画素ごとに設けられた緑色用光電変換膜と、
    前記緑色用光電変換膜と深さ方向に重なるように配置された赤色用光電変換層と、
    前記緑色用光電変換膜と深さ方向に重なるように配置された青色用光電変換層と、
    前記緑色用光電変換膜から得られた画素信号に基づいて前記画素間の信号を補間する補間処理部とを備え、
    前記画素は、ラインごとに１／２画素だけずらして２次元的に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. カラム方向に対して斜めに設定されたグリッドに沿って区画された画素と、
    前記画素ごとに設けられた緑色用光電変換膜と、
    前記緑色用光電変換膜と深さ方向に重なるように配置された赤色用光電変換層と、
    前記緑色用光電変換膜と深さ方向に重なるように配置された青色用光電変換層とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記赤色用光電変換層と前記青色用光電変換層とは２画素分に渡って重なるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記赤色用光電変換層と前記青色用光電変換層とは前記画素ごとに別個に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
  5. 赤色用光電変換層と、
    青色用光電変換層と、
    前記赤色用光電変換層上に設けられたレッドフィルタと、
    前記青色用光電変換層上に設けられたブルーフィルタと、
    前記レッドフィルタおよび前記ブルーフィルタ上に設けられた緑色用光電変換膜とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
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