JP4322166B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、受光部に複数の光電変換素子（フォトダイオード）を有する固体撮像素子に関する。

固体撮像素子として、電荷結合装置（ＣＣＤ）を用いて信号電荷を転送するＣＣＤ固体撮像素子や感光素子からの画像信号をＭＯＳトランジスタで増幅した後出力するＭＯＳ型固体撮像素子等が知られている。感光素子としては、主にフォトダイオードが用いられ、受光領域内に多数の画素が行列状に配置される。感光素子の配列は、行方向および列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列される場合や行方向および列方向に１つおきに位置をずらして(例えば１／２ピッチずつずらして)配列されるハニカム配列がある。

オンチップカラーフィルタを備える固体撮像素子の場合、感光素子や信号転送部を形成した半導体チップ上にカラーフィルタ層が形成される。多くの場合、カラーフィルタ層の上に、さらにオンチップマイクロレンズが配置され、入射する光を効率的に感光素子に入射させるようにしている。

画素内に異なる感度で受光を行う２種類以上のフォトダイオードを備えた固体撮像素子が提案されている。（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照。）高感度フォトダイオードは、半導体チップの相対的に大きな領域に形成され、低感度フォトダイオードは、相対的に小さな領域に形成される。固体撮像素子の受光部に感度の異なる高感度フォトダイオードと低感度フォトダイオードを設けると、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。

画像における広ダイナミックレンジを実現するために、高感度フォトダイオードと低感度フォトダイオードの出力信号を合成する。その際、それぞれの分光感度を調節し、ホワイトバランス補正時の色Ｓ／Ｎ比の劣化を回避することが望まれる。

特許文献１には、各フォトダイオードの上方に所定の色のカラーフィルタが配置される構造を有する固体撮像素子の記載がある。高感度及び低感度の２種類のフォトダイオード（を形成するｐウエル内のｎ型不純物層）の不純物分布、大きさ、形状等は異なり、例えば低感度フォトダイオードのｎ型不純物層は注入領域が狭い。このために、例えばｐウエル、及び高感度フォトダイオード（を形成するｎ型不純物層）と低感度フォトダイオード（を形成するｎ型不純物層）との間に形成されるｐ型素子分離層によるナローチャネル効果が原因で、低感度フォトダイオードの空乏層が浅くなり、長波長側の感度が低下しやすい。したがって、高感度フォトダイオードと低感度フォトダイオードとでは、分光感度にアンバランスを生じやすい。各フォトダイオードの上方に所定の色のカラーフィルタ層が配置される構造を有する固体撮像素子においては、低感度フォトダイオードに高感度フォトダイオードと同等の分光感度をもたせることは困難である。不純物をイオン注入する際のドーズ量、加速エネルギ等の条件を変えることによって調整することは可能だが、他の特性に悪影響が及ぶ。

固体撮像素子では、一般に、受光部周辺部に行くに従い単位面積あたりの入射光エネルギが減衰し、結果的に受光部周辺部において光量の低下が起こり、これを照度シェーディングと呼んでいる。この照度シェーディングを改善する様々な方法が提案されている。例えば、特許文献４には、いわゆる「マイクロレンズずらし」により、素子周辺部の集光効率の低下を抑制する手段が開示されている。また、特許文献５には、遮光膜の開口位置を素子中心方向にシフトさせることにより、周辺部における入射光のケラレを防止する方法が開示されている。さらに、特許文献６には、高屈折材料を遮光膜開口に充填して、入射光を確実に開口部を通過させる手段が開示されている。

近年、固体撮像素子の更なる多画素化及び画素サイズの微小化により、上記の照度シェーディングに加えて色シェーディングが問題となっている。

特願２００２−０１６８３５号 特願２００２−３５６８１３号 特開平１０−２８９０５２号公報 特開平５−３４６５５６号 特開２００２−１９８５０８号 特開２００３−１９７８９７号公報

本発明の目的は、感度低下を防止することができる固体撮像素子を提供することである。

また、本発明の他の目的は、受光領域周辺部における感度低下及び色シェーディングを防止することができる固体撮像素子を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、感度特性の異なる複数種類のフォトダイオードを備え、分光感度を所定の値に調整された固体撮像素子を提供することである。

また、本発明のさらに他の目的は、感度特性の異なる複数種類のフォトダイオードを備え、高い分光感度を有する固体撮像素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、固体撮像素子は、入射光を少なくとも第１の波長の色と、前記第１の波長よりも短い第２の波長の色と、前記第２の波長よりも短い第３の波長の色とを含む複数の色に色分解する色分解手段と、前記色分解手段の下方に形成される、複数の開口部を有する遮光膜であって、前記第１の波長の色に色分解された光を透過させる第１の開口部と、前記第２の波長の色に色分解された光を透過させる第２の開口部と、前記第３の波長の色に色分解された光を透過させる第３の開口部とを有する遮光膜と、行方向及び列方向に配列され、前記色分解手段で色分解され、前記遮光膜の開口部を透過した入射光を受光して、入射光量に応じた信号電荷を生成する複数の光電変換素子とを有し、前記第１の開口部の面積が、前記第２の開口部の面積よりも大きく、且つ前記第２の開口部の面積が、前記第３の開口部の面積よりも大きくなるように、前記遮光膜に前記第１、第２及び第３の開口部が形成されており、前記開口部は、開口面積が受光部の中心部から周辺部に行くに従い相対的に大きくなるように形成される。

また、本発明の他の観点によれば、入射光を第１の波長の色、前記第１の波長よりも短い第２の波長の色、前記第２の波長よりも短い第３の波長の色を含む複数の色に色分解する色分解手段と、前記色分解手段の下方に形成される、複数の開口部を有する遮光膜であって、前記第１の波長の色に色分解された光を透過させる第１の開口部と、前記第２の波長の色に色分解された光を透過させる第２の開口部と、前記第３の波長の色に色分解された光を透過させる第３の開口部とを有する遮光膜と、行方向及び列方向に配列され、前記色分解手段で色分解され、前記遮光膜の開口部を透過した入射光を受光して、入射光量に応じた信号電荷を生成する複数の光電変換素子であって、前記第１、第２及び第３の開口部のそれぞれの下方に形成される第１の感度の光電変換素子と前記第１の感度より低い感度の第２の感度の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子とを有し、前記第１の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積が、前記第２の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積よりも大きい、または、前記第３の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積が、前記第２の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積よりも小さくなるように、前記遮光膜に前記第１、第２及び第３の開口部が形成されている固体撮像素子が提供される。

第１、第２及び第３の開口部のうちの第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積を調整することにより、この固体撮像素子の分光感度を所定の値に設定することができる。高い分光感度に設定することができる。

本発明によれば、遮光膜の開口面積の縮小に伴う感度低下を防止することができる固体撮像素子を提供することができる。

また、本発明によれば、受光領域周辺部における感度低下及び色シェーディングを防止することができる固体撮像素子を提供することができる。

また、本発明によれば、感度特性の異なる複数種類のフォトダイオードを備え、分光感度を所定の値に調整された固体撮像素子を提供することができる。

また、本発明によれば、感度特性の異なる複数種類のフォトダイオードを備え、高い分光感度を有する固体撮像素子を提供することができる。

図１（Ａ）〜（Ｃ）、及び図２（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施例による固体撮像素子を説明するための図である。

図１（Ａ）は、シリコン基板に形成された固体撮像素子の受光部の一部を示す概略的な平面図である。なお、図１（Ａ）においては煩雑を避けるため、カラーフィルタやマイクロレンズ等、幾つかの構成要素を省略してある。

図１（Ａ）には、複数の画素３０が示されている。各画素３０は、異なる面積の受光領域を有し、感度の異なる２つのフォトダイオード（光電変換素子）である高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５、更に両フォトダイオード間に設けられたフォトダイオード間素子分離領域７を含んで形成される。高感度フォトダイオード６は相対的に広い面積を有し、主たる感光部を構成する。低感度フォトダイオード５は相対的に狭い面積を有し、従たる感光部を構成する。後述するが、高感度フォトダイオード６上方の遮光膜の開口率は、低感度フォトダイオード５上方のそれよりも大きい。高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する。フォトダイオード間素子分離領域７は、１画素内にある２つのフォトダイオード（高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５）を電気的に分離する。

画素３０の右側に、垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。垂直ＣＣＤチャネル２の上方に、垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４及び垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３が形成されている。

垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４は、高感度フォトダイオード６から垂直ＣＣＤチャネル２への電荷読み出しを制御する。また、垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３は、低感度フォトダイオード５から垂直ＣＣＤチャネル２への電荷読み出しを制御する。両垂直転送電極３，４には駆動信号（転送電圧）が印加され、各画素３０から垂直ＣＣＤチャネル２に読み出された信号電荷を、全体として列方向（垂直方向）（図１（Ａ）においては、下方向）に転送する。ただし、高感度フォトダイオード６からの電荷の読み出し、転送と、低感度フォトダイオード５からの電荷の読み出し、転送とは別々に行われる。

素子分離領域１は、列方向（垂直方向）に存在する複数の画素３０及び列方向（垂直方向）に延在する垂直ＣＣＤチャネル２に沿って設けられ、それらを隣の列のそれらと電気的に分離する。

受光部においては、２つの垂直転送電極３，４の上方が、開口部８を有する遮光膜９で覆われている。遮光膜９は、受光部において、画素３０以外の領域に光が入射することを防止する。遮光膜９の開口部８は、各画素３０の（直）上方に形成され、高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５の各一部を露出する。開口部８は、高感度フォトダイオード６上方の開口率は高く、低感度フォトダイオード５上方の開口率は低くなるように形成される。受光部に入射した光は、開口部８を通って各画素３０に入射する。

遮光膜９（の開口部８）上方には、３原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））のいずれか１色のカラーフィルタ層（色分解手段）が形成されている。図１（Ａ）においては、上方に赤（Ｒ）のカラーフィルタ層が形成されている開口部８に「Ｒ」の文字を付した。また、開口部８上方に緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ層が形成されている場合には、それぞれ「Ｇ」、「Ｂ」の文字を付した。受光部に入射する光は、いずれか１色のカラーフィルタ層を透過した後、開口部８（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）を通って画素３０に入射する。

シリコンの吸収係数は、可視領域において波長が短くなると大きくなる。したがって緑色光は青色光よりもシリコン基板の深くまで侵入し、赤色光は緑色光よりも深くまで侵入する。接合深さが浅いフォトダイオードの感度は、短波長光に対して高く、長波長光に対して低くなる。

赤（Ｒ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射する開口部８Ｒのうちの低感度フォトダイオード５上方の開口部分は、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射するそれより大きく形成される。または、青（Ｂ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射する開口部８Ｂのうちの低感度フォトダイオード５上方の開口部分は、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射するそれより小さく形成される。図１（Ａ）には、開口部８（８Ｒ，８Ｇ、８Ｂ）のうちの低感度フォトダイオード５上方の開口部分が、カラーフィルタ層の色が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の順で大きく形成されている場合を図示した。開口部８のうちの高感度フォトダイオード６上方の開口部分の大きさは、例えばカラーフィルタ層のすべての色について等しい。

例えば、遮光膜９の開口部８はすべて、行方向（水平方向、図１（Ａ）においては左右方向）に延びる一辺の長さがｌである矩形状に形成される。また、列方向（垂直方向、図の上下方向）に延びる辺のうち、低感度フォトダイオード５上方にある部分の長さは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射する開口部８Ｒ，８Ｇ，８Ｂのそれぞれについて、順にｌ_Ｒ、ｌ_Ｇ、ｌ_Ｂ（ｌ_Ｒ＞ｌ_Ｇ＞ｌ_Ｂ）となるように形成される。本明細書においては、ｌ_Ｒ−ｌ_Ｇの値をΔｌ_Ｒと定義し、開口拡大量と呼ぶこととする。また、ｌ_Ｇ−ｌ_Ｂの値をΔｌ_Ｂと定義し、開口縮小量と呼ぶこととする。

なお、図示した構成はハニカム構造の画素配列であり、図示した複数の画素３０は、列方向（垂直方向）及び行方向（水平方向）に半ピッチずれた位置に配置されている。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す受光部を有する固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図である。固体撮像素子は、例えばハニカム配列され、２種類のフォトダイオードを含む複数の画素３０、垂直ＣＣＤチャネル２（及びその上方の垂直転送電極３，４）を含んで構成される垂直ＣＣＤ部、垂直ＣＣＤ部に電気的に結合された水平ＣＣＤ部６６、ＣＣＤを駆動するための配線を含む駆動部６５、及び水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ部６６からの出力電荷信号を増幅する増幅回路部６７を含んで構成される。

画素３０において、高感度または低感度フォトダイオードのいずれかに入射した光量に応じて発生、蓄積された信号電荷は、それぞれ別に、垂直ＣＣＤチャネル２に読み出され、垂直ＣＣＤチャネル２内を、全体として水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。信号電荷は、駆動部６５から供給される駆動信号（転送電圧）によって垂直ＣＣＤチャネル２内を転送される。垂直ＣＣＤチャネル２の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ部６６内（水平ＣＣＤ部６６は、水平ＣＣＤチャネル及びその上方の水平転送電極を含んで構成され、その水平ＣＣＤチャネル内）を水平方向に転送され、増幅回路部６７で増幅されて外部に取り出される。

図１（Ｃ）は、固体撮像素子を含んだ固体撮像装置の主要部を示す概略的なブロック図である。半導体チップで構成され、受光部と周辺回路領域とを含み、画素内の２種類のフォトダイオードごとに入射した光量に応じて信号電荷を発生して、発生した信号電荷に基づく画像信号をそれぞれ別々に転送し、供給する固体撮像素子５１、固体撮像素子５１を駆動するための駆動信号（転送電圧等）を発生し、固体撮像素子５１に供給する駆動信号発生装置５２、固体撮像素子５１から供給される２種類の画像信号（高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５に由来する画像信号）にノイズ低減、ホワイトバランス、データ圧縮等の処理を行う出力信号処理装置５３、出力信号処理装置５３に接続され、画像信号を記憶する、例えば記憶カードである記憶装置５４、画像信号を表示する、例えば液晶表示装置である表示装置５５、画像信号を外部に伝送するインターフェイスである伝送装置５６、必要に応じて画像信号を表示するテレビジョン５７を含んで、固体撮像装置は構成される。

駆動信号発生装置５２から固体撮像素子５１に供給される信号は、水平ＣＣＤ駆動信号、垂直ＣＣＤ駆動信号、出力アンプ駆動信号及び基板バイアス信号等である。また、高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５の蓄積電荷を、垂直ＣＣＤチャネル２に読み出す信号を供給する。

記憶装置５４は、出力信号処理装置５３から画像信号を受け、記憶する２つの領域を有する。一方の領域は、高感度フォトダイオード６に基づく画像信号を記憶し、他方の領域は低感度フォトダイオード５に基づく画像信号を記憶する。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図１（Ａ）の２Ａ−２Ａ線、２Ｂ−２Ｂ線、２Ｃ−２Ｃ線に沿った断面図である。

図２（Ａ）を参照する。図２（Ａ）には、遮光膜９（の開口部８）上方に緑色カラーフィルタ層２１Ｇが形成されている画素の断面を示してある。

例えばｎ型のシリコン基板である半導体基板１８の一表面に、ｐ型ウエル１７が形成されている。ｐ型ウエル１７は、ｐ型不純物、例えばホウ素をイオン注入することで形成される。

ｐ型ウエル１７の表面近傍に、２つのｎ型不純物層５ａ，６ａが形成され、それぞれ異なる感度のフォトダイオードを構成している。相対的に大きな（高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層６ａは、高感度フォトダイオード６を構成し、相対的に小さな(低感度フォトダイオード)ｎ型不純物層５ａは、低感度フォトダイオード５を構成する。低感度フォトダイオード５の接合深さは、高感度フォトダイオード６の接合深さよりも浅い。

２つのｎ型不純物層５ａ，６ａは、例えば同一のイオン注入及びその後のアニール処理により形成される。ドーズ量は、例えば１．０×１０^１２〜１．０×１０^１３ｃｍ^−２である。添加するｎ型不純物としては、リンやヒ素を用いることができる。同一ドーズ量であっても面積の狭いｎ型不純物層５ａの接合深さは、面積の広いｎ型不純物層６ａの接合深さよりも浅くなりやすい。画素が微細化されるほどこの傾向は強まる。

フォトダイオード間素子分離領域７は、ｐ型不純物、例えばホウ素をイオン注入することによって形成され、前述のように、（高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層６ａと（低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層５ａとを電気的に分離する。フォトダイオード間素子分離領域７のｐ型不純物ドーズ量は、例えば１．０×１０^１２〜１．０×１０^１３ｃｍ^−２である。

また、ｐ⁺型不純物層１２は、２つのフォトダイオード５，６を基板表面から離して埋
め込む埋め込み領域である。電荷蓄積領域であるｎ型不純物層５ａ，６ａを表面から離すことにより、白傷等を防止し、Ｓ／Ｎ比を良好に保つ。

フォトダイオードを構成するｎ型不純物層５ａ，６ａの近傍に、ｎ型の不純物、例えばリンが添加された領域である垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。ｎ型不純物層５ａ，６ａと垂直ＣＣＤチャネル２はＭＯＳトランジスタのソース、ドレインと類似の構成となる。

半導体基板１８表面上には、例えば熱酸化によるシリコン酸化膜、その上に例えばＣＶＤで形成されたシリコン窒化膜、例えばこのシリコン窒化膜表面を熱酸化して得られるシリコン酸化膜が、下からこの順に積層されたＯＮＯ膜で作られたゲート絶縁膜１１が形成され、その上に例えばポリシリコンで形成された垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４及び垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３が形成される。各垂直転送電極３，４は、垂直ＣＣＤチャネル２の上方を覆うように配置されている。

（高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層６ａと垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４の下方の垂直ＣＣＤチャネル２と両者の間のｐ型ウエル１７が、高感度フォトダイオード６から垂直ＣＣＤチャネル２への読み出しトランジスタを構成する。また、（低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層５ａと垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３の下方の垂直ＣＣＤチャネル２と両者の間のｐ型ウエル１７が、低感度フォトダイオード５から垂直ＣＣＤチャネル２への読み出しトランジスタを構成する。このため、２つのフォトダイオード５，６（ｎ型不純物層５ａ，６ａ）からの信号電荷は、それぞれ異なる方向へ読み出される。

各垂直転送電極３，４の上方には、絶縁膜を介して、例えばタングステンにより遮光膜９が形成される。垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）３上方の遮光膜９を低感度フォトダイオード遮光膜９ｂと呼び、垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）４の上方の遮光膜９を、高感度フォトダイオード遮光膜９ａと呼ぶ。遮光膜９は画素３０内の２つのフォトダイオード５，６上方に開口部８Ｇを有し、受光部に入射する光は、開口部８Ｇから２つのフォトダイオード５，６に入射する。フォトダイオード間素子分離領域７により、２つのフォトダイオード５，６の各々に一旦蓄積された電荷がその後混合することが防止される。

ゲート絶縁膜１１、垂直転送電極３，４及び遮光膜９の上方に、平坦化層１９が絶縁材料、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ）で形成される。平坦化層１９上には、カラーフィルタ層２１が形成されている。カラーフィルタ層２１は、例えば赤色カラーフィルタ層２１Ｒ、緑色カラーフィルタ層２１Ｇ、青色カラーフィルタ層２１Ｂを含んで構成される。１つの画素には、所定の１色のカラーフィルタ層２１を透過した光のみが入射するように、カラーフィルタ層２１は配置される。カラーフィルタ層２１の上に、各画素３０に対応してマイクロレンズ２０がレジスト材料等により形成されている。マイクロレンズ２０は入射光を画素３０上に集束させ、集光効率を高める。

図２（Ｂ）及び（Ｃ）を参照する。図２（Ｂ）及び（Ｃ）には、それぞれ遮光膜９（の開口部８）上方に赤色カラーフィルタ層２１Ｒ、青色カラーフィルタ２１Ｂが形成されている画素の断面を示してある。

図２（Ｂ）の場合には、図２（Ａ）に示した画素上方に緑色カラーフィルタ層２１Ｇを有する画素と比べて、低感度フォトダイオード遮光膜９ｂの遮光部分を小さくし、開口部８Ｒのうち低感度フォトダイオード５上方の開口部分を大きく形成している。赤色光は、浅い（低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層５ａで十分に吸収されず、半導体基板１８中深く侵入し、無効となる成分が多い。開口部８Ｒを広げることにより、緑色光の光電変換効率とのバランスを取る。

図２（Ｃ）の場合には、逆に、低感度フォトダイオード遮光膜９ｂの遮光部分を大きくし、開口部８Ｂのうち低感度フォトダイオード５上方の開口部分を小さく形成している。青色光は、半導体基板１８中深く侵入せず、浅い（低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層５ａで十分に吸収される。開口部８Ｂを狭めることにより、緑色光の光電変換効率とのバランスを取る。

こうすることで、低感度フォトダイオード５に入射する赤色光の量を増加させ、または青色光の量を減少させ、分光感度のバランスを露光の時点で補正することを可能とする。固体撮像素子の色Ｓ／Ｎ比の悪化を防止し、画質の劣化を防ぐことができる。

図２（Ｂ）及び（Ｃ）には、低感度フォトダイオード５上方の開口部分を大きく、または小さく形成した様子を矢印で表した。

なお、遮光膜９（の開口部８）上方に形成されているカラーフィルタ層２１の色、及び低感度フォトダイオード遮光膜９ｂの遮光部分の大きさ以外は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に現れる構成要件はすべて共通である。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図１（Ａ）を参照して定義した開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂの変化に対する低感度フォトダイオードの感度の変化を表す表及びグラフである。

開口拡大量Δｌ_Ｒを増加させて、低感度フォトダイオード５上方の開口部８Ｒを拡大し、赤色カラーフィルタ層２１Ｒを透過した光の低感度フォトダイオード５（ｎ型不純物層５ａ）への入射量を増大させた。また、開口縮小量Δｌ_Ｂを増加させて、低感度フォトダイオード５上方の開口部８Ｂを縮小し、青色カラーフィルタ層２１Ｂを透過した光の低感度フォトダイオード５（ｎ型不純物層５ａ）への入射量を減少させた。なお、緑色カラーフィルタ層２１Ｇ下方の遮光膜９の開口部８Ｇの大きさは一定とした。

図３（Ａ）を参照する。開口拡大量Δｌ_Ｒ、開口縮小量Δｌ_Ｂを変化させて、低感度フォトダイオードの赤色感度（ｒ感度と呼ぶ。）、緑色感度（ｇ感度と呼ぶ。）、及び青色感度（ｂ感度と呼ぶ。）の変化を測定した。測定値は開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂが０μｍのときのそれらを１００％として規格化した。開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂをともに０．０７μｍとしたとき、ｒ感度は１１９％、ｇ感度は１０３％、ｂ感度は８６％であった。また、開口拡大量Δｌ_Ｒ、開口縮小量Δｌ_Ｂをともに０．１４μｍとしたとき、ｒ感度は１４９％、ｇ感度は１０５％、ｂ感度は８０％であった。

図３（Ｂ）を参照する。図３（Ａ）の結果をもとに、横軸に開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂを単位「μｍ」で表し、縦軸に低感度フォトダイオード感度を「％」で表してグラフ化した。1)のグラフはｒ感度、2)のグラフはｇ感度、3)のグラフはｂ感度の開口サイズ依存性をそれぞれ示す。

ｒ感度及びｂ感度は、開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂに対して１次関数的に変化していると考えられる。開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂが増加すると、ｒ感度は１次関数的に増大し、ｂ感度は１次関数的に減少する。またｇ感度はほとんど変化しないことがわかる。ｇ感度にほとんど変化が見られないのは、緑色カラーフィルタ層２１Ｇ下方の遮光膜９の開口部８Ｇの大きさを一定としたためであると思われる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂの変化に対する高感度フォトダイオードの感度の変化を表す表及びグラフである。測定は、図３（Ａ）及び（Ｂ）を作成した際と同様の方法で行った。

図４（Ａ）を参照する。開口拡大量Δｌ_Ｒ、開口縮小量Δｌ_Ｂを変化させて、高感度フォトダイオードの赤色感度（Ｒ感度と呼ぶ。）、緑色感度（Ｇ感度と呼ぶ。）、及び青色感度（Ｂ感度と呼ぶ。）の変化を測定した。測定値は開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂが０μｍのときのそれらを１００％として規格化した。開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂをともに０．０７μｍとしたとき、Ｒ感度は１０２％、Ｇ感度は１０３％、Ｂ感度は９９％であった。また、開口拡大量Δｌ_Ｒ、開口縮小量Δｌ_Ｂをともに０．１４μｍとしたとき、Ｒ感度は１０５％、Ｇ感度は１０３％、Ｂ感度は１０７％であった。

図４（Ｂ）を参照する。図４（Ａ）の結果をもとに、横軸に開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂを単位「μｍ」で表し、縦軸に高感度フォトダイオード感度を「％」で表してグラフ化した。1)のグラフはＲ感度、2)のグラフはＧ感度、3)のグラフはＢ感度の開口サイズ依存性をそれぞれ示す。

Ｒ感度、Ｇ感度、Ｂ感度のすべての高感度フォトダイオード感度は、低感度フォトダイオード上方の開口サイズ（開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂ）にほとんど依存せず一定であることがわかる。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、（Ｒ感度）／（ｒ感度）、（Ｇ感度）／（ｇ感度）、（Ｂ感度）／（ｂ感度）の開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂに対する変化量を示したグラフである。

図５（Ａ）を参照する。開口拡大量Δｌ_Ｒ、開口縮小量Δｌ_Ｂの変化に対して、（Ｒ感度）／（ｒ感度）、（Ｇ感度）／（ｇ感度）、（Ｂ感度）／（ｂ感度）の値を計算し、開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂがともに０μｍであるときの（Ｇ感度）／（ｇ感度）を１００％として規格化し、結果を表に表した。開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂがともに０μｍであるとき、（Ｒ感度）／（ｒ感度）、（Ｇ感度）／（ｇ感度）、（Ｂ感度）／（ｂ感度）の値は、順に１０４％、１００％、７９％であった。開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂがともに０．０７μｍであるとき、それらの値は順に８９％、１００％、ｂ感度は９１％であった。また、開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂがともに０．１４μｍであるとき、それらの値は順に７４％、９６％、１０５％であった。

図５（Ｂ）を参照する。図５（Ａ）の結果をもとに、横軸に開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂを単位「μｍ」で表し、縦軸に（Ｒ感度）／（ｒ感度）、（Ｇ感度）／（ｇ感度）、及び（Ｂ感度）／（ｂ感度）の値を「％」で表してグラフ化した。1)のグラフは（Ｒ感度）／（ｒ感度）、2)のグラフは（Ｇ感度）／（ｇ感度）、3)のグラフは（Ｂ感度）／（ｂ感度）の開口サイズ依存性をそれぞれ示す。

（Ｒ感度）／（ｒ感度）及び（Ｂ感度）／（ｂ感度）の値は、開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂに対して１次関数的に変化していると考えられる。開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂが増加すると、（Ｒ感度）／（ｒ感度）の値は１次関数的に減少し、（Ｂ感度）／（ｂ感度）の値は１次関数的に増加している。また（Ｇ感度）／（ｇ感度）の値はほとんど変化しないことがわかる。

低感度フォトダイオード上方の開口部分の面積を、カラーフィルタ層の各色について一定とした場合（開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂがともに０μｍの場合）よりも、たとえば赤色カラーフィルタ層上方の開口部分について開口拡大量Δｌ_Ｒを０．０７μｍとするとともに、青色カラーフィルタ層上方の開口部分について開口縮小量Δｌ_Ｂを０．０７μｍとした場合の方が、各色の感度比（（Ｒ感度）／（ｒ感度）、（Ｇ感度）／（ｇ感度）、及び（Ｂ感度）／（ｂ感度））のばらつきが小さい。すなわち低感度フォトダイオードと高感度フォトダイオードとの分光感度が近接し、分光感度のバランスがとれていることがわかる。

図３〜図５に示した結果から、低感度フォトダイオード上方の開口部分の面積を調節し、低感度フォトダイオードに入射する光の量を調整することにより、固体撮像素子の分光感度を制御することができることがわかる。

低感度フォトダイオードを構成するｎ型不純物層の接合深さにもよるが、赤色カラーフィルタを透過した光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部分の面積が、緑色カラーフィルタを透過した光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部分の面積に対して１００〜１４０％の範囲であれば、固体撮像素子の分光感度を好ましく向上させることができるであろう。または、青色カラーフィルタを透過した光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部分の面積が、緑色カラーフィルタを透過した光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部分の面積に対して６０〜１００％の範囲であれば、固体撮像素子の分光感度を好ましく向上させることができるであろう。

図３〜図５のデータを作成するにあたっては、緑色カラーフィルタ２１Ｇを透過した光が入射する開口部８Ｇの大きさを一定としたが、赤色カラーフィルタ層２１Ｒを透過した光が入射する開口部８Ｒのうち、低感度フォトダイオード５上方にある部分を、緑色カラーフィルタ層２１Ｇを透過した光が入射する開口部８Ｇのうちのそれより大きく形成する、または、青色カラーフィルタ層２１Ｂを透過した光が入射する開口部８Ｂのうち、低感度フォトダイオード５上方にある部分を、緑色カラーフィルタ層２１Ｇを透過した光が入射する開口部８Ｇのうちのそれより小さく形成するという条件を満たすように、開口部８Ｇの大きさを変化させてもよい。その場合も、分光感度の調整や向上を実現することができる。

第１の実施例においては、低感度フォトダイオード遮光膜９ｂの遮光部分の大きさを変化させ、遮光膜９の開口部８のうち低感度フォトダイオード５上方の開口部分の大きさを調整することで、低感度フォトダイオード５に入射する赤色光の量を増加させ、または青色光の量を減少させて、固体撮像素子の分光感度を制御した。高感度フォトダイオード遮光膜９ａの遮光部分の大きさを変化させ、遮光膜９の開口部８のうち高感度フォトダイオード６上方の開口部分の大きさを調整することで、分光感度の制御を行うこともできる。例えば赤色光が入射する画素においては、高感度フォトダイオード遮光膜９ａの遮光部分を小さくし、遮光膜９の開口部８Ｒのうち高感度フォトダイオード６上方の開口部分の大きさを大きくして、高感度フォトダイオード６に入射する赤色光の量を増加させる。青色光が入射する画素においては、その逆の調整を行う。

遮光膜の開口部の大きさを画素上方のカラーフィルタの色ごとに調整することで、固体撮像素子の分光感度を制御することができる。特に、感度特性の異なる複数種類のフォトダイオードを設けた固体撮像素子において、フォトダイオードやカラーフィルタの構造を変えることなく、分光感度を所定の値に調整することができ、分光感度を向上させることが可能である。高感度フォトダイオードと低感度フォトダイオードの感度比を調整し、分光感度のバランスを向上させることができる。このため、画像劣化の小さい画像を得ることができる。例えばホワイトバランス補正時の色Ｓ／Ｎ比の悪化等を防ぐことができる。

第１の実施例においては、３原色のカラーフィルタで画素に入射する光を色分解したが、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）への色分解に限定されるものではない。また、３色に色分解することに限定されるものでもない。

例えば第１の波長の色、第１の波長よりも短い第２の波長の色、第２の波長よりも短い第３の波長の色を含む複数の色に色分解を行うとき、第１の波長の色の光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部を、第２の波長の色の光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部より大きく形成する、または、第３の波長の色の光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部を、第２の波長の色の光が入射する低感度フォトダイオード上方の開口部より小さく形成することで、固体撮像素子の分光感度を調節し、向上させることができる。

以上、ハニカム構造の固体撮像素子を例にとって説明したが、固体撮像素子の画素配列はハニカム構成に限らない。図６に示すように、各画素３０が高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５を含み、全画素３０が正方行列的に配置され、２種類のフォトダイオードから隣接する垂直ＣＣＤチャネル２に選択的に電荷を転送することができる構成の固体撮像素子であってもよい。

また、ＣＣＤ型固体撮像素子以外の固体撮像素子に適用することも可能である。図７に示すように、各画素３０が高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５を含み、高感度フォトダイオード６及び低感度フォトダイオード５に対応してそれぞれＭＯＳトランジスタ７０が接続されており、各フォトダイオードの蓄積電荷を選択的に読み出すことができる構成の固体撮像素子であってもよい。

更に、１画素中に高感度フォトダイオードと低感度フォトダイオードの２種類のフォトダイオードが形成されている例を示したが、１画素中に高感度フォトダイオードか低感度フォトダイオードのいずれか一方のフォトダイオードのみが形成されている固体撮像素子に適用することもできる。

次ぎに、本発明の第２の実施例について説明する。

本出願の発明者らが、固体撮像素子周辺部における感度低下及び色シェーディングのメカニズムを、従来の幾何光学に基づく光線追跡シミュレーションに換えて、波動光学効果を考慮した三次元波動光学シミュレーション（ＦＤＴＤ法：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を実行して詳細に解析した結果、微細画素及び素子周辺部における各画素の集光効率が入射光の波長に依存し、特に、長波長光（例えば、赤色光（Ｒ））であるほど感度が低下する減少が解明された。

図８は、入射光角度を一定とした場合における画素（セル）寸法と入射光がマイクロレンズ、カラーフィルタ、遮光膜の開口部を通って光電変換素子に到達する時の集光効率との関係を表すグラフである。

図８（Ａ）は、遮光膜の開口部の形状が長方形（長辺と短辺の比が１：４）である場合の上記関係を表すグラフである。図から明らかなように、長波長光であるＲ（赤色光）は、画素寸法が４μｍ以下の領域において集光効率が減衰しており、同様に、Ｇ（緑色光）は３μｍ、Ｂ（青色光）は２．２μｍ付近から集光効率が減衰している。なお、図８（Ｂ）に示すように、開口部１０８は光電変換素子の一辺の長さ（画素サイズ）をＳとした場合に、垂直方向の長さがＳで、水へ方向の長さがＳ／４である。

図８（Ｃ）は、遮光膜の開口部の形状が正方形である場合の上記関係を表すグラフである。図から明らかなように、長波長光であるＲ（赤色光）は、画素寸法が２．５μｍ以下の領域において集光効率が減衰しており、同様に、Ｇ（緑色光）は２μｍ、Ｂ（青色光）は１．４μｍ付近から集光効率が減衰している。なお、図８（Ｄ）に示すように、開口部１０８は光電変換素子の一辺の長さをＳとした場合に、垂直方向の長さがＳ／２で、水へ方向の長さがＳ／２である。

遮光膜の開口部の形状が長方形の場合と正方形の場合とを比較すると、正方形の場合は、長方形の場合に比べて、集光効率の減衰が始まる画素寸法が小さい領域にシフトしていることが分かる。すなわち、同一開口面積の場合は、遮光膜の開口部の形状が長方形の場合よりも正方形の場合の方が、集光効率の減衰を抑制することができる。

また、固体撮像素子の受光領域の中心部（入射光角度が垂直９０度の領域）であっても、遮光膜の開口部の形状が正方形の場合、画素寸法が３μｍ（遮光膜の開口部の形状が長方形の場合、画素寸法が４μｍ）以下の領域では、入射光波長によって受光部集光効率が入射光波長依存性を持ち色再現（カラーバランス）に影響が出ることが分かった。

さらに、固体撮像素子の受光領域の周辺部では、入射光角度が斜め入射角（θ）となり、光源から見たときの遮光膜の開口部の開口面積が実質的に減少（ＬＳｉｎθ）、同一画素寸法では、受光領域の周辺部に行くほど、集光効率の減衰が顕著に現れることが分かった。

そこで、本発明の第２の実施例では、短波長受光部（短波長光を透過するカラーフィルタ（例えば、Ｂ）下方に位置する光電変換素子）に対応する遮光膜の開口部の開口面積を、長波長受光部（長波長光を透過するカラーフィルタ（例えば、Ｒ）下方に位置する光電変換素子）に対応する遮光膜の開口部の開口面積よりも、大きく設定することとした。

図９は、本発明の第２の実施例による固体撮像素子１００の構成を表すブロック図である。なお、第1の実施例と同様の部材については、同じ参照番号を付して説明を省略する。

固体撮像素子１００は、第1の実施例と同様に、例えば、ハニカム配列され、複数の光電変換素子１３０、垂直ＣＣＤチャネル２（及びその上方の垂直転送電極１０３）を含んで構成される垂直ＣＣＤ部、垂直ＣＣＤ部に電気的に結合された水平ＣＣＤ部６６、及び水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ部６６からの出力電荷信号を増幅する増幅回路部６７を含んで構成される。

光電変換素子１３０において、入射した光量に応じて発生、蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤチャネル２に読み出され、垂直ＣＣＤチャネル２内を、水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。信号電荷は、駆動信号（転送電圧）によって垂直ＣＣＤチャネル２内を転送される。垂直ＣＣＤチャネル２の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ部６６内（水平ＣＣＤ部６６は、水平ＣＣＤチャネル及びその上方の水平転送電極を含んで構成され、その水平ＣＣＤチャネル内）を水平方向に転送され、増幅回路部６７で増幅されて外部に取り出される。

受光領域１０１には、複数の光電変換素子１３０が配列され、該光電変換素子１３０の各列の右側に、垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。垂直ＣＣＤチャネル２の上方に、垂直転送電極１０３が形成されている。垂直転送電極１０３は、光電変換素子１３０から垂直ＣＣＤチャネル２への電荷読み出しを制御する。垂直転送電極１０３には駆動信号（転送電圧）が印加され、各光電変換素子１３０から垂直ＣＣＤチャネル２に読み出された信号電荷を、列方向（垂直方向）に転送する。

受光領域１０１は、開口部１０８（１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂ）を有する遮光膜１０９で覆われている。遮光膜１０９は、受光部において、光電変換素子１３０以外の領域に光が入射することを防止する。遮光膜１０９の開口部１０８は、各光電変換素子１３０の（直）上方に形成され、該光電変換素子１３０の一部を露出する。受光部に入射した光は、開口部１０８を通って各光電変換素子１３０に入射する。

遮光膜１０９（の開口部１０８）上方には、３原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））のいずれか１色のカラーフィルタ層（色分解手段）が形成されている。図中、上方に赤（Ｒ）のカラーフィルタ層が形成されている開口部１０８に「Ｒ」の文字を付し、開口部１０８上方に緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ層が形成されている場合には、それぞれ「Ｇ」、「Ｂ」の文字を付した。受光部に入射する光は、いずれか１色のカラーフィルタ層を透過した後、開口部１０８（１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂ）を通って光電変換素子１３０に入射する。

赤（Ｒ）のカラーフィルタ層を透過した光（短波長光）が入射する開口部１０８Ｒは、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層を透過した光（中波長光）が入射する開口部１０８Ｂより大きく形成される。または、青（Ｂ）のカラーフィルタ層を透過した光（長波長光）が入射する開口部１０８Ｂは、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射する開口部１０８Ｇより小さく形成される。

図１０は、第２の実施例による固体撮像素子１００の一部の断面図である。

図１０（Ａ）は、遮光膜１０９（の開口部１０８）上方に緑色カラーフィルタ層２１Ｇが形成されている画素の断面図である。

例えば、ｎ型のシリコン基板である半導体基板１８の一表面に、ｐ型ウエル１７が形成されている。ｐ型ウエル１７は、ｐ型不純物、例えば、ホウ素をイオン注入することで形成される。

光電変換素子１３０は、ｎ型不純物層１０５及びｐ⁺型不純物層１２を含んで構成される。ｎ型不純物層１０５は、ｐ型ウエル１７の表面近傍に、例えば、イオン注入処理により形成される。ドーズ量は、例えば、１．０×１０^１２〜１．０×１０^１３ｃｍ^−２である。添加するｎ型不純物としては、リンやヒ素を用いることができる。ｐ⁺型不純物層１２は、ｎ型不純物層１０５を基板表面から離して埋め込む埋め込み領域である。電荷蓄積領域であるｎ型不純物層１０５を表面から離すことにより、白傷等を防止し、Ｓ／Ｎ比を良好に保つ。

光電変換素子１３０の近傍に、ｎ型の不純物、例えば、リンが添加された領域である垂直ＣＣＤチャネル２が配置されている。

半導体基板１８表面上には、例えば、熱酸化によるシリコン酸化膜、その上に例えば、ＣＶＤで形成されたシリコン窒化膜、例えば、このシリコン窒化膜表面を熱酸化して得られるシリコン酸化膜が、下からこの順に積層されたＯＮＯ膜で作られたゲート絶縁膜１１が形成され、その上に例えば、ポリシリコンで形成された垂直転送電極（読み出しゲート電極）１０３が形成される。垂直転送電極１０３は、垂直ＣＣＤチャネル２の上方を覆うように配置されている。

ｎ型不純物層１０５と垂直転送電極１０３の下方の垂直ＣＣＤチャネル２との間に読み出しゲート領域１７０が形成される。読み出しゲート領域１７０の反対側の光電変換素子１３０の近傍には、チャネルストップ領域１０４が形成される。

垂直転送電極１０３の上方には、絶縁膜を介して、例えば、タングステンにより遮光膜１０９が形成される。遮光膜１０９は光電変換素子１３０上方に開口部１０８Ｇを有し、受光部に入射する光は、開口部１０８Ｇから光電変換素子１３０に入射する。

ゲート絶縁膜１１、垂直転送電極１０３及び遮光膜１０９の上方に、平坦化層１９が絶縁材料、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ）で形成される。平坦化層１９上には、カラーフィルタ層２１が形成されている。カラーフィルタ層２１は、例えば赤色カラーフィルタ層２１Ｒ、緑色カラーフィルタ層２１Ｇ、青色カラーフィルタ層２１Ｂを含んで構成される。１つの光電変換素子１３０には、所定の１色のカラーフィルタ層２１を透過した光のみが入射するように、カラーフィルタ層２１は配置される。カラーフィルタ層２１の上に、各光電変換素子１３０に対応してマイクロレンズ２０がレジスト材料等により形成されている。マイクロレンズ２０は入射光を光電変換素子１３０上に集束させ、集光効率を高める。

図１０（Ｂ）及び（Ｃ）には、それぞれ遮光膜１０９（の開口部１０８）上方に赤色カラーフィルタ層２１Ｒ、青色カラーフィルタ２１Ｂが形成されている画素の断面を示してある。

図１０（Ｂ）の場合には、図１０（Ａ）に示した画素上方に緑色カラーフィルタ層２１Ｇを有する画素と比べて、上方に赤色カラーフィルタ層２１Ｒを有する開口部１０８Ｒを大きく形成している。

図１０（Ｃ）の場合には、逆に、図１０（Ａ）に示した画素上方に青色カラーフィルタ層２１Ｇを有する画素と比べて、上方に青色カラーフィルタ層２１Ｂを有する開口部１０８Ｂを小さく形成している。

このように、開口部１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｒの開口面積（１０８ＲＬ、１０８ＧＬ、１０８ＢＬ）を１０８ＲＬ＞１０８ＧＬ＞１０８ＢＬの関係になるようにすることで、図８を参照して上述した入射光の波長に依存する集光率の減衰を抑えることができる。

また、図中点線の矢印で示すように、短波長光（例えば、青色カラーフィルタ２１Ｂを通過した光線）は、受光部シリコン基板の比較的浅い部分で吸収され光電荷を発生する。そのため、点線の矢印で示すように、入射光が読み出しゲート１７０方向あるいは隣接する光電変換素子１３０方向に侵入するとスミアの原因となる。これを回避するためにも、上方に青色カラーフィルタ層２１Ｂを有する開口部１０８Ｂの開口面積は相対的に（他の開口部１０８Ｇ、１０８Ｒに比べて）狭く絞る必要がある。

これに対して、長波長光（例えば、赤色カラーフィルタ２１Ｒを通過した光線）は、受光部シリコン基板の比較的深い部分で吸収され光電荷を発生する。そのため、深部で発生したフォトキャリアがスミアの主たる原因と考えられる。よって、開口部１０８Ｒを相対的に大きくしても、受光部シリコン基板の比較的浅い部分で発生するフォトキャリアによるスミアの原因にはならないと考えられる。

なお、遮光膜１０９（の開口部１０８）上方に形成されているカラーフィルタ層２１の色、及び開口部１０８Ｇ、１０８Ｒ、１０８Ｂの大きさ以外は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に現れる構成要件はすべて共通である。

図１１は、第２の実施例による開口部１０８の開口形状および開口面積を表す平面図である。

図１１（Ａ）に、開口形状を正方形にした場合を示す。図に示すように、開口部１０８はそれぞれ正方形もしくは実質的に正方形となるように形成されており、開口部１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｒの開口面積（１０８ＲＬ、１０８ＧＬ、１０８ＢＬ）を１０８ＲＬ＞１０８ＧＬ＞１０８ＢＬの関係になるように設定されている。なお、本明細書で「実質的に」とは、製造工程上の微小な誤差を考慮した場合にという意味で用いる。

このように、開口形状を正方形（等方性の形状）にすることで、図８を参照して説明したように、長方形の開口形状を採用した場合に比べて、さらに画素サイズを小さくしても、集光効率の減衰を抑制することができる。

図１１（Ｂ）に、開口形状を円形にした場合を示す。図に示すように、開口部１０８はそれぞれ円形もしくは実質的に円形となるように形成されており、開口部１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｒの開口面積（１０８ＲＬ、１０８ＧＬ、１０８ＢＬ）を１０８ＲＬ＞１０８ＧＬ＞１０８ＢＬの関係になるように設定されている。このように、開口形状を円形もしくは実質的に円形（等方性の形状）にすることで、図１１（Ａ）に示す正方形の場合と同様に、長方形の開口形状を採用した場合に比べて、さらに画素サイズを小さくしても、集光効率の減衰を抑制することができる。なお、開口形状は、楕円形としても良い。

図１２は、本発明第２の実施例の変形例による固体撮像素子２００を表す平面図である。この変形例では、第２の実施例と比べて、光電変換素子１３０が正方格子状に配列されているところが異なる。この場合、遮光膜の開口部１０８は、図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示すような配列となる。この変形例の場合でも、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）に示したものと同様に、開口部１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｒの開口面積（１０８ＲＬ、１０８ＧＬ、１０８ＢＬ）を１０８ＲＬ＞１０８ＧＬ＞１０８ＢＬの関係になるように設定されている。なお、図１３（Ａ）は、開口形状を長方形にした場合を示す。図に示すように、開口部１０８はそれぞれ長辺と短辺の比が１：４もしくは実質的に１：４の長方形となるように形成されており、開口部１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｒの開口面積（１０８ＲＬ、１０８ＧＬ、１０８ＢＬ）を１０８ＲＬ＞１０８ＧＬ＞１０８ＢＬの関係になるように設定されている。図１３（Ｂ）及び図１３（Ｃ）は、それぞれ開口形状を正方形、円形にした場合であり、図１３（Ａ）に示す場合と同様に、開口部１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｒの開口面積（１０８ＲＬ、１０８ＧＬ、１０８ＢＬ）を１０８ＲＬ＞１０８ＧＬ＞１０８ＢＬの関係になるように設定されている。

図１４（Ａ）は、本発明の第３の実施例による固体撮像素子３００の受光領域における遮光膜の開口形状を表す平面図である。

この第３の実施例では、受光領域の中心部ＣＮＴから周辺部ＰＨＬにかけて、開口部１０８の開口面積を変化させている。例えば、中心部ＣＮＴにおける開口面積をＬ_１とし、周辺部ＰＨＬにおける開口面積をＬ_３とした場合に、Ｌ_３＝（√Ｌ_１）／Ｓｉｎθの関係となるように、中心部ＣＮＴから周辺部ＰＨＬにかけて開口面積を増大させていく。なお、受光領域中心部ＣＮＴと周辺部ＰＨＬの中間部ＩＮＴの開口面積をＬ_２とした場合は、Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３（或いはＬ_１＜Ｌ_２≦Ｌ_３又はＬ_１≦Ｌ_２＜Ｌ_３）となるように開口部１０８を形成する。

このようにすることで、図１４（Ｂ）に示すように、同一の光源ＬＳに対する中心部ＣＮＴと周辺部ＰＨＬとでの実効的開口寸法を同一に保つことが出来る。従って、受光領域の周辺部ＰＨＬにおける、集光効率の減衰を抑制することができる。なお、遮光膜の開口面積の変化以外の点では、第２の実施例と同様の構成であるので、その他の構成の説明は省略する。

図１５は、第３の実施例による開口部１０８の開口面積の変化を表す平面図である。

図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）の受光領域中心部ＣＮＴにおける開口部１０８Ｒ_１、１０８Ｇ_１及び１０８Ｂ_１の開口面積部１０８ＲＬ_１、１０８ＧＬ_１及び１０８ＢＬ_１の関係を表す平面図である。図に示すように、開口部１０８Ｒ_１、１０８Ｇ_１及び１０８Ｂ_１の開口面積部１０８ＲＬ_１、１０８ＧＬ_１及び１０８ＢＬ_１は、１０８ＲＬ１＞１０８ＧＬ_１＞１０８ＢＬ_１の関係となるように設定されている。

図１５（Ｂ）は、図１４（Ａ）の受光領域中心部ＣＮＴと周辺部ＰＨＬの中間部ＩＮＴにおける開口部１０８Ｒ_２、１０８Ｇ_２及び１０８Ｂ_２の開口面積部１０８ＲＬ_２１０８ＧＬ_２及び１０８ＢＬ_２の関係を表す平面図である。図に示すように、開口部１０８Ｒ_２、１０８Ｇ_２及び１０８Ｂ_２の開口面積部１０８ＲＬ_２、１０８ＧＬ_２及び１０８ＢＬ_２は、１０８ＲＬ_２＞１０８ＧＬ_２＞１０８ＢＬ_２の関係となるように設定されている。

図１５（Ｃ）は、図１４（Ａ）の受光領域周辺部ＰＨＬにおける開口部１０８Ｒ_３、１０８Ｇ_３及び１０８Ｂ_３の開口面積部１０８ＲＬ_３、１０８ＧＬ_３及び１０８ＢＬ_３の関係を表す平面図である。図に示すように、開口部１０８Ｒ_３、１０８Ｇ_３及び１０８Ｂ_３の開口面積部１０８ＲＬ_３、１０８ＧＬ_３及び１０８ＢＬ_３は、１０８ＲＬ_３＞１０８ＧＬ_３＞１０８ＢＬ_３の関係となるように設定されている。

ここで、各色ごとに中心部ＣＮＴから周辺部ＰＨＬにかけての開口面積の関係は、赤色のからフィルタに対応する開口部１０８Ｒ_１〜１０８Ｒ_３では、その開口面積は、１０８ＲＬ_１＜１０８ＲＬ_２＜１０８ＲＬ_３の関係になるように設定される。緑色のからフィルタに対応する開口部１０８Ｇ_１〜１０８Ｇ_３では、その開口面積は、１０８ＧＬ_１＜１０８ＧＬ_２≦１０８ＧＬ_３の関係になるように設定される。青色のからフィルタに対応する開口部１０８Ｂ_１〜１０８Ｂ_３では、その開口面積は、１０８ＢＬ_１≦１０８ＢＬ_２＜１０８ＢＬ_３の関係になるように設定される。緑色及び青色のカラーフィルタに対応する開口部１０８Ｇ及び１０８Ｂでは、開口面積を拡大しすぎると、上述したように、入射光が読み出しゲート１７０方向あるいは隣接する光電変換素子１３０方向に侵入してスミアの原因となるので、赤色のカラーフィルタに対応する開口部１０８Ｒに比べて、開口面積の増大率を下げることが好ましい。

なお、この第３の実施例も第２の実施例同様、図１１（Ａ）に示すような正方形の開口形状を採用することができる。その場合には、各色のカラーフィルタに対応する開口部１０８の開口面積を図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）に示すように、受光領域の中心部ＣＮＴから周辺部ＰＨＬにかけて変化させる。

また、第２の実施例同様に、光電変換素子１３０が正方格子状に配列された受光領域を有する固体撮像素子にも適用することができる。この場合には、図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）に示す開口部１０８の配列を４５度傾ける。また、正方行列に光電変換素子１３０が配置された受光領域を採用する場合は、図１３（Ａ）に示すような長方形の開口形状を採用することもできる。

さらに、この第３の実施例における遮光膜の開口部１０８は、第１の実施例による固体撮像素子にも適用することができる。

図１６は、本発明の第４の実施例による固体撮像素子１０３の一部の断面図である。前述の第１〜第３の実施例との違いは、平坦化層１９の代わりに（若しくは平坦下層１９の下に）酸化シリコンより高屈折率の透光材料層１１０を形成する。高屈折率透光材料層１１０は、少なくとも遮光膜１０９の開口部１０８を充填するように形成される。

高屈折率透光材料層１１０は、透光材料として多用される酸化シリコンより高い屈折率を有し、遮光膜の画定する開口部の実効的寸法を拡大する機能を有する。光路を構成する材料の間では、高屈折率透光性絶縁層１１０が、他の部分より高い屈折率を有する。なお、高屈折率透光性絶縁層１１０を形成することについては、この出願と同一出願人による特許出願２００１−４００６６５号の明細書の発明の実施の形態の項を参照する。

なお、第２〜第４の実施例でも、第１の実施例と同様に、ＣＣＤ型の固体撮像素子に限らず、図１７に示すようなＭＯＳ型の固体撮像素子においても利用することが可能である。なお、ＭＯＳ型固体撮像素子の他の構成は公知の例による。

なお、実施例における各領域の導電型をすべて逆にしてもよい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

例えば、上述した各実施例では、色分解手段をカラーフィルターとした場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、目的や設計に応じて任意好適な色分解手段を選択して用いることができる。

上述した固体撮像素子及びその製造方法は、デジタルカメラ全般及びその製造方法に用いることができる。

（Ａ）は、固体撮像素子の受光部の一部を示す概略的な平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す受光部を有する固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、（Ｃ）は、固体撮像素子を含んだ固体撮像装置の主要部を示す概略的なブロック図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図１（Ａ）の２Ａ−２Ａ線、２Ｂ−２Ｂ線、２Ｃ−２Ｃ線に沿った断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂの変化に対する低感度フォトダイオードの感度の変化を表す表及びグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂの変化に対する高感度フォトダイオードの感度の変化を表す表及びグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、（Ｒ感度）／（ｒ感度）、（Ｇ感度）／（ｇ感度）、（Ｂ感度）／（ｂ感度）の開口拡大量Δｌ_Ｒ及び開口縮小量Δｌ_Ｂに対する変化量を計算した結果を示した表、及びグラフである。 各画素が高感度フォトダイオード及び低感度フォトダイオードを含み、全画素が正方行列的に配置され、２種類のフォトダイオードから隣接する垂直ＣＣＤチャネルに選択的に電荷を転送することができる構成の固体撮像素子の概略を示す平面図である。 各画素が高感度フォトダイオード及び低感度フォトダイオードを含み、高感度フォトダイオード及び低感度フォトダイオードに対応してそれぞれＭＯＳトランジスタが接続されており、各フォトダイオードの蓄積電荷を選択的に読み出すことができる構成の固体撮像素子の概略を示す平面図である。 入射光角度を一定とした場合における画素（セル）寸法と入射光がマイクロレンズ、カラーフィルタ、遮光膜の開口部を通って光電変換素子に到達する時の集光効率との関係を表すグラフである。 本発明の第２の実施例による固体撮像素子１００の構成を表すブロック図である。 第２の実施例による固体撮像素子１００の一部の断面図である。 第２の実施例による開口部１０８の開口形状および開口面積を表す平面図である。 本発明第２の実施例の変形例による固体撮像素子２００を表す平面図である。 本発明第２の実施例の変形例による開口部１０８の開口形状および開口面積を表す平面図である。 本発明の第３の実施例による固体撮像素子３００の受光領域における遮光膜の開口形状を表す平面図である。 第３の実施例による開口部１０８の開口面積の変化を表す平面図である。 本発明の第４の実施例による固体撮像素子１０３の一部の断面図である。 ＭＯＳ型固体撮像素子の一例を表す概略図である。

符号の説明

１ 素子分離領域
２ 垂直ＣＣＤチャネル
３ 垂直転送電極（低感度フォトダイオード読み出しゲート電極）
４ 垂直転送電極（高感度フォトダイオード読み出しゲート電極）
５ 低感度フォトダイオード
５ａ （低感度フォトダイオード）ｎ型不純物層
６ 高感度フォトダイオード
６ａ （高感度フォトダイオード）ｎ型不純物層
７ フォトダイオード間素子分離領域
８，８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ，１０８，１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂ開口部
９，１０９ 遮光膜
９ａ 高感度フォトダイオード遮光膜
９ｂ 低感度フォトダイオード遮光膜
１１ ゲート絶縁膜
１２ ｐ⁺型不純物層
１７ ｐ型ウエル
１８ 半導体基板
１９ 平坦化層
２０ マイクロレンズ
２１ カラーフィルタ層
２１Ｒ 赤色カラーフィルタ層
２１Ｇ 緑色カラーフィルタ層
２１Ｂ 青色カラーフィルタ層
２２ （高感度フォトダイオード作製用）レジスト
２３ （低感度フォトダイオード作製用）レジスト
２４、２５ ｎ型不純物
３０、１３０ 画素（光電変換素子）
５１、１００、２００、３００ 固体撮像素子
５２ 駆動信号発生装置
５３ 出力信号処理装置
５４ 記憶装置
５５ 表示装置
５６ 伝送装置
５７ テレビジョン
６５ 駆動部
６６ 水平ＣＣＤ部
６７ 増幅回路部
７０ ＭＯＳトランジスタ
１０３ 読み出しゲート電極
１０５ ｎ型不純物層
１１０ 高屈折率透光性絶縁層

Claims (15)

1. 入射光を少なくとも第１の波長の色と、前記第１の波長よりも短い第２の波長の色と、前記第２の波長よりも短い第３の波長の色とを含む複数の色に色分解する色分解手段と、
   前記色分解手段の下方に形成される、複数の開口部を有する遮光膜であって、前記第１の波長の色に色分解された光を透過させる第１の開口部と、前記第２の波長の色に色分解された光を透過させる第２の開口部と、前記第３の波長の色に色分解された光を透過させる第３の開口部とを有する遮光膜と、
   行方向及び列方向に配列され、前記色分解手段で色分解され、前記遮光膜の開口部を透過した入射光を受光して、入射光量に応じた信号電荷を生成する複数の光電変換素子とを有し、
   前記第１の開口部の面積が、前記第２の開口部の面積よりも大きく、且つ前記第２の開口部の面積が、前記第３の開口部の面積よりも大きくなるように、前記遮光膜に前記第１、第２及び第３の開口部が形成されており、
   前記開口部は、開口面積が受光部の中心部から周辺部に行くに従い相対的に大きくなるように形成される固体撮像素子。
2. 前記第１の波長の色が赤であり、前記第２の波長の色が緑であり、前記第３の波長の色が青である請求項１記載の固体撮像素子。
3. 入射光を第１の波長の色、前記第１の波長よりも短い第２の波長の色、前記第２の波長よりも短い第３の波長の色を含む複数の色に色分解する色分解手段と、
   前記色分解手段の下方に形成される、複数の開口部を有する遮光膜であって、前記第１の波長の色に色分解された光を透過させる第１の開口部と、前記第２の波長の色に色分解された光を透過させる第２の開口部と、前記第３の波長の色に色分解された光を透過させる第３の開口部とを有する遮光膜と、
   行方向及び列方向に配列され、前記色分解手段で色分解され、前記遮光膜の開口部を透過した入射光を受光して、入射光量に応じた信号電荷を生成する複数の光電変換素子であって、前記第１、第２及び第３の開口部のそれぞれの下方に形成される第１の感度の光電変換素子と前記第１の感度より低い感度の第２の感度の光電変換素子とを含む複数の光電変換素子と
   を有し、
   前記第１の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積が、前記第２の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積よりも大きい、または、前記第３の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積が、前記第２の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積よりも小さくなるように、前記遮光膜に前記第１、第２及び第３の開口部が形成されている固体撮像素子。
4. 前記第１の波長の色が赤であり、前記第２の波長の色が緑であり、前記第３の波長の色が青である請求項３記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積が、前記第２の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積に対して１００％より大きく１４０％以下の範囲である、または、前記第３の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積が、前記第２の開口部のうちの前記第２の感度の光電変換素子上方の領域の面積に対して６０％以上で１００％より小さい範囲である請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記開口部は、開口面積が受光部の中心部から周辺部に行くに従い相対的に大きくなるように形成される請求項３〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記開口部の形状は、等方性形状である請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記開口部の形状は正方形である請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
9. 前記開口部の形状は円形である請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
10. 前記開口部は、高屈折率透過性材料によって充填される請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
11. 前記光電変換素子の配列は、ハニカム配列である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
12. 前記光電変換素子の配列は、正方格子配列である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
13. さらに、前記光電変換素子の列ごとに垂直電荷転送路を有する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
14. さらに、前記光電変換素子ごとにＭＯＳ型電荷検出回路を有する請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子を有するデジタルカメラ。

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