JP4388752B2

JP4388752B2 - Ｃｃｄ型カラー固体撮像装置

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Publication number: JP4388752B2
Application number: JP2003065616A
Authority: JP
Inventors: 誠雫石
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: US7656446B2; US20040179120A1; JP2004273951A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ（電荷結合素子）型カラー固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等の半導体固体撮像装置では、二次元アレー状に配列された多数のフォトダイオード上に異なる分光透過率を有するカラーフィルタを積層することにより、カラー画像を撮像することが可能になっている。
【０００３】
例えば、原色系カラーフィルタ（レッド（Ｒ），グリーン（Ｇ），ブルー（Ｂ））の中のＢフィルタについては、主として４７０ｎｍ以下の短波長の光のみが透過するので、Ｂフィルタを積層した受光部のフォトダイオードは、Ｂの入射光に対して光感度を有する。即ち、それ以外の波長成分（Ｇ及びＲ）はＢフィルタで遮光されてフォトダイオードに入射しないため、Ｂフィルタに入射したＧとＲの波長成分は光電変換されず、入射光を有効に利用できないという問題がある。
【０００４】
これに対し、補色系と呼ばれるカラーフィルタを用いた場合には、例えば、イエロー（Ｙｅ）フィルタではＧとＲが、シアン（Ｃｙ）フィルタではＢとＧが、マゼンタ（Ｍｇ）フィルタではＢとＲに対応する波長の光が、それぞれ対応する受光部のフォトダイオードに到達するので、原色系カラーフィルタを用いた場合に比べ、入射光を有効に利用し、感度を高めることができる。
【０００５】
しかし、補色系のカラーフィルタを用いた固体撮像装置の各フォトダイオードから出力される信号には、ＧとＲ、ＢとＧ、ＢとＲなど、複数の色信号が混合しており、外部の信号処理回路でＲ，Ｇ，Ｂの各色信号に分離演算する必要が生じる。従って、補色系のカラーフィルタを用いた固体撮像装置で撮像し再生した画像の画質は、一般に、色再現性や信号ノイズ等の点で原色系カラーフィルタを用いた固体撮像装置よりも劣るという問題がある。このため、静止画像を撮影するデジタルスチルカメラでは、原色系カラーフィルタを使用した固体撮像装置が多く用いられている。
【０００６】
一方、固体撮像装置では、各色のカラーフィルタが二次元平面状に離散配置されているので、いわゆるナイキスト限界以上の空間周波数に対して偽色やモアレが発生するという問題がある。この問題を軽減するため、従来から、単位撮像面積上の画素数を増やしたり、受光部を離散的に配置する代わりに、連続的な光導電膜を採用するなどしている。
【０００７】
しかし、下記特許文献１に記載されている様に異なる分光特性を有するカラーフィルタを平面上に離散配置する構成では、原理的に色モアレや偽色を解決することができず、同一画素位置においてＲ，Ｇ，Ｂの可視光波長領域に対し感度を有し、且つ、各色成分Ｒ，Ｇ，Ｂを個別に分離して識別できるようにしないと、色モアレや偽色の問題を解決することができない。
【０００８】
そこで、カラーフィルタを用いる代わりに、シリコン基板の光学的性質を利用した色信号成分の識別方法が提案されている。即ち、シリコン基板の光吸収係数が長波長光（Ｒ）から短波長光（Ｂ）に至る可視域において異なるため、光吸収係数の大きい波長域の光はシリコン基板の浅い領域で吸収されシリコン基板の深部には到達しにくいが、逆に、光吸収係数の小さい波長域の光はシリコン基板の深い領域まで達するので、シリコン基板の深部においても光電変換が可能になるという性質を利用する識別方法が提案されている。
【０００９】
下記非特許文献１は、フォトダイオードの光電変換特性が入射光の波長およびシリコン基板の深さ方向の位置に依存することを開示し、この考えをＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置に応用した例が下記特許文献２に開示されている。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第３９７１０６５号公報
【特許文献２】
米国特許第５９６５８７５号公報
【非特許文献１】
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の“A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material”PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILL
【非特許文献２】
ＰＳＩＥ Vol.3019.pp115-124(1997)
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した非特許文献１に開示された原理を用いて構成された特許文献２のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、１つの画素からＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号を取り出す構造のため、入射光を有効に電気信号に変換することができ、また、モアレなどの偽信号や偽色を改善することができる。
【００１２】
図２３（ａ）に示す従来のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置は、非特許文献２に開示されている様に、受光部フォトダイオード（ＰＮ接合部Ｄ）の容量成分（Ｃ）に予めリセットトランジスタ（Ｍ３）をオンにすることによって蓄えられた電荷が入射光によってフォトダイオード部近傍で発生したフォトキャリアにより放電し、その後に、この容量Ｃの電荷量の変化をソースフォロアアンプ（Ｍ１，Ｍ２）によって読み出している。この構造に、非特許文献１において開示された原理を応用するために、フォトダイオードＰＮ接合部の深さを変え、分光特性を持たせた構造が、特許文献２に開示されている。図２３（ｂ）に示されるように、Ｐ型半導体基板１０１の表面側にＮウェル層１０２が形成され、このＮウェル層１０２の表面側にＰウェル層１０３が形成され、このＰウェル層１０３の表面側にＮ層１０４が形成される断面構造を持っている。そして、Ｐウェル層１０３とＮ層１０４との間に形成されるＰＮ接合でブルー（Ｂ）の色信号を検出し、Ｐウェル層１０３とＮウェル層１０２との間に形成されるＰＮ接合でグリーン（Ｇ）の色信号を検出し、Ｐ型基板１０１とＮウェル層１０２との間に形成されるＰＮ接合でレッド（Ｒ）の色信号を検出する様になっている。
更に詳しく見ると、ブルー（Ｂ）の色信号検出には、表面のＮ⁺層１０４に電気的接点（オーミックコンタクト）を設け、ＰＮ接合部における電子（マジョリティキャリア）の充放電を周辺回路部のソースフォロアアンプで読み出している。グリーン（Ｇ）の色信号検出には、Ｐウェル層１０３に対して素子表面に同様の電気的接点を設け、ＰＮ接合部における正孔（マジョリティキャリア）の充放電を周辺回路部のソースフォロアアンプで読み出している。レッド（Ｒ）の色信号検出には、ブルー（Ｂ）と同様に、深部のＮウェル層１０２に対して、素子表面に同様の電気的な接点を設け、ＰＮ接合部における電子の充放電を周辺回路部のソースフォロアアンプで読み出している。従って、一画素単位で見ると、ブルー（Ｂ）、グリーン（Ｇ）、レッド（Ｒ）の３信号を読み出すことができるが、素子表面に必要な上記コンタクト数、リセットトランジスタやソースフォロアアンプ等の周辺回路に要する素子数すなわち受光部以外の面積が３倍になり、受光部面積を圧迫し、更に素子駆動や信号読み出しのために配線数が増加するという問題がある。
【００１３】
しかるに、このＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の構造をそのまま適用してＣＣＤ型カラー固体撮像装置を製造することはできない。それは、ＰＮ接合容量に蓄えられた電荷量の変動が直接電気的接点を介して信号増幅回路の入力端子に接続し、ＸＹアドレッシングによって画素毎に外部に読み出すＣＭＯＳ型固体撮像装置と異なり、ＣＣＤ型固体撮像装置では、ＰＮ接合部近傍において光電変換により発生した信号電荷をまず電荷蓄積部に蓄積し、この蓄積電荷をそのままＭＯＳ構造からなる読み出しトランジスタのゲート電極下部に形成されるチャネル領域を介して垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）に移動させ、次に、このＶＣＣＤ中を移動して水平転送路（ＨＣＣＤ）まで送られ、更にＨＣＣＤ中を移動し、出力アンプ（フローティングディフュージョンアンプ）に送られ、ここで初めて信号増幅がされた後、一ライン毎に外部に順次読み出される構造だからである。従って、通常、上記電荷読み出しのためのＭＯＳトランジスタは電子が電荷担体であるため、ＮチャネルＭＯＳトランジスタであり、転送路はＮ型不純物領域から形成されている。
【００１４】
従来のインターライン型ＣＣＤ固体撮像素子は、一の受光部に対し、一の読み出しゲート部と垂直方向に一転送段（全画素読み出し方式では、一画素に３電極または４電極による駆動）が対応しており、受光部以外の該電荷転送路上は転送電極によって覆われている。そのため、受光領域には、電気的接点は設けられておらず、他の周辺回路を画素毎に有していない。そのため、従来のＣＣＤ構造においては、非特許文献１に示された半導体基板の深さ方向の光学的性質を利用して一の受光部から、２以上の異なる分光感度に対応した信号を読み出し、そのまま電荷転送することができない。また、上記特許文献２に開示されたＣＭＯＳ型固体撮像装置の構造を採用することもできない。
【００１５】
本発明の目的は、半導体基板の深さ方向の光学的性質を利用し異なる色信号の複数色の信号電荷を別々に１画素（受光部）から読み出すことができるＣＣＤ型カラー固体撮像装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、半導体基板の表面にアレー状に配列された複数の受光部と、各受光部の電荷蓄積部に蓄積された信号電荷が読み出され水平転送路まで転送する垂直転送路とを備えるＣＣＤ型カラー固体撮像装置において、前記複数の受光部は交互に配列された第１の受光部及び第２の受光部で構成され、前記第１，第２の各受光部の前記電荷蓄積部は、緑色の入射光を検出する深さに形成された第１の電荷蓄積層と、該第１の電荷蓄積層に対し前記半導体基板の深さ方向に電位障壁を介して設けられた他の電荷蓄積層の２層だけを信号電荷を読み出す電荷蓄積層として備え、前記第１の受光部の前記他の電荷蓄積層は、前記第１の電荷蓄積層より浅い位置の青色の入射光を検出する深さに形成された第２の電荷蓄積層であり、前記第２の受光部の前記他の電荷蓄積層は、前記第１の電荷蓄積層より深い位置の赤色の入射光を検出する深さに形成された第３の電荷蓄積層であり、前記第１の受光部内の前記第１，第２の各電荷蓄積層の各々は同一の前記垂直転送路に設けられた２つの第１，第２の読出ゲート部まで夫々延設され、前記第２の受光部内の前記第１，第３の各電荷蓄積層の各々は同一の前記垂直転送路に設けられた２つの第１，第３の読出ゲート部まで夫々延設され、前記第１，第２の受光部の前記第１の電荷蓄積層の各信号電荷は前記第１の読出ゲート部を通して前記垂直転送路に１回で読み出され、前記第２の読み出しゲート部から読み出される前記第１の受光部の前記第２の電荷蓄積層の各信号電荷及び前記第３の読み出しゲート部から読み出される前記２の受光部の前記第３の電荷蓄積層の各信号電荷は前記第１の電荷蓄積層からの信号電荷の読み出しとは別に１回の読み出しで前記垂直転送路に読み出される構成としたことを特徴とする。
【００１７】
この構成により、カラーフィルタを用いなくても１つの受光部の各電荷蓄積層に異なる色の入射光に対応する信号電荷が蓄積されるため、受光部領域の面積を圧迫することなく入射光を有効に利用することができると共に、モアレや偽信号，偽色を軽減ないし無くすことが可能となる。
【００１８】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、前記第１，第２の電荷蓄積層のうち前記半導体基板の内部に設けられる電荷蓄積層には該半導体基板の表面まで該電荷蓄積層の蓄積電荷を移動させる、該電荷蓄積層と同一不純物型の高濃度不純物領域でなる電荷通路が前記延設する部分として設けられることを特徴とする。この構成により、各電荷蓄積層からの信号電荷の読み出しが容易となる。
【００１９】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、高濃度不純物領域として形成される前記電荷蓄積層及び該電荷蓄積層に連続する前記電荷通路の不純物濃度が前記垂直転送路に近づくほど高濃度になるように濃度勾配が設けられたことを特徴とする。この構成により、蓄積部に蓄積した信号電荷の読み出しが容易になり信号電荷の読み出し残りを防止することができる。
【００２０】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の前記各電荷蓄積層の深さが、夫々検出する入射光の波長に対応して設定されることを特徴とする。この構成により、各電荷蓄積層の分光特性を設定通りにすることが可能となる。
【００２１】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、前記第２の電荷蓄積層が青色の入射光を検出する電荷蓄積層の場合には該電荷蓄積層の深さを０．２〜０．４μｍとし、前記第１の電荷蓄積層の深さを０．４〜０．８μｍとし、前記第２の電荷蓄積層が赤色の入射光を検出する電荷蓄積層の場合には該電荷蓄積層の深さを０．８〜２．５μｍとすることを特徴とする。この構成により、各電荷蓄積層の深さがＲ，Ｇ，Ｂの入射光を検出するのに最適化される。
【００２５】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、前記の各受光部の上部に夫々オンチップ集光光学系が設けられ、前記の各受光部に夫々遮光膜の１つの開口が対応することを特徴とする。この構成により、実質的に受光部の面積を２倍，３倍に拡大しても、同一のＣＣＤサイズにおいてほぼ同じ解像度が得られ、従って、微細化すなわち高画素化を図った場合には、同一デザインルール、同一の画素サイズであっても、一画素から全色成分の情報（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が独立に得られる。そのため、入射光のロスがなく、原理的に偽色がなくなるため、高感度化と高解像度化が可能になる。
【００２８】
本発明のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、前記受光部が前記半導体基板の表面上に正方格子状に配列されることを特徴とし、また、前記受光部が前記半導体基板の表面上にハニカム状に配列されることを特徴とする。本発明はいずれ画素配列に対しても適用可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。尚、この第１実施形態は３色を１つの受光部で検出する原理を説明するものであり、本願請求項１記載の発明の構成を説明するものではない。このＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、半導体基板の表面側に多数の受光部１がアレー状に形成されている。図示の例では、各受光部１が夫々菱形で表され、各受光部１が夫々単位画素として機能する。
【００３１】
本実施形態における画素配列は、特開平１０―１３６３９１号公報に記載されている画素配列、即ち、各受光部１が垂直方向，水平方向に夫々１／２ピッチづつずらしたいわゆるハニカム画素配列となっている。そして、隣接する受光部１間には垂直転送路（ＶＣＣＤ）２が形成され、各受光部１から垂直転送路２に読み出された信号電荷が、図面上、蛇行しながら下方向に水平転送路（ＨＣＣＤ）３まで転送される。
【００３２】
各受光部１は、詳細は後述するように、レッド（Ｒ），グリーン（Ｇ），ブルー（Ｂ）の３色の信号電荷を蓄積し、各色の信号電荷を別々に垂直転送路２に読み出す様になっている。図１では、各受光部１内に「Ｒ／Ｇ／Ｂ」と記載したが、これは、各単位画素が入射光に対してＲ，Ｇ，Ｂの各波長のいずれの波長成分についても光電変換できることを表しているものであり、カラーフィルタその他の構造物の存在を示すものではない。
【００３３】
各受光部１からは、図２に示される様に、各色成分であるＲ，Ｇ，Ｂが、順次、全画素数分、言い換えると三面分（あるいは３フレーム分）読み出され、外部回路において信号処理され、該当する単位画素の画像信号が出力される。
【００３４】
図３は、図１に示す受光部１の４画素分と受光部１間の垂直転送路２の詳細パターンを示す平面図である。各受光部１は、菱形の素子分離帯４によって画成されており、菱形の４辺のうち、３辺に素子分離帯４が途切れたゲート部４ｒ，４ｇ，４ｂが設けられている。ゲート部４ｒからはＲの信号電荷が垂直転送路２に読み出され、ゲート部４ｇからはＧの信号電荷が垂直転送路２に読み出され、ゲート部４ｂからはＢの信号電荷が垂直転送路２に読み出される。
【００３５】
図４は、図３に転送電極を重ねて示した図であり、図５は、図４の丸印Ｖ内の詳細図である。２層ポリシリコン構造でなる転送電極は垂直転送路２に重ねて設けられ、１つの受光部１に対して４本の転送電極５，６，７，８が対応付けられている。これにより、いわゆる全画素読み出し（プログレッシブ動作）可能なＣＣＤとなっている。
【００３６】
図６（ａ）は、図４のａ―ａ線断面図であり、図６（ｂ）は、図４のｂ―ｂ線断面図であり、図６（ｃ）は、図４のｃ―ｃ線断面図である。本実施形態に係るＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、ｎ型半導体基板１０に形成され、半導体基板１０の表面側にＰウェル層１１が形成され、このＰウェル層１１内に、３つのＮ⁺層１２，１３，１４が深さ方向に分離して形成されている。
【００３７】
表面部のＮ⁺層１２は、図６（ａ）に示されるように、転送電極の一部からなる読み出しゲート電極６ａの下まで延在している。主に短波長光（例えばＢ）の入射光成分によって発生した信号電荷は、半導体基板１０の厚さ方向に対して最も浅い位置に設けられたＮ⁺層１２に蓄積される。この蓄積部を形成するＮ⁺層１２（不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³、深さ０．２〜０．４μｍ：尚、この深さは不純物濃度にも依存する。以下同様）が読み出しゲート部近傍、即ち、転送電極６の一部からなる読み出しゲート電極６ａ下まで延在することで、主に短波長光によって発生した電荷のみが、図３のゲート部４ｂを通って垂直転送路２に読み出される。
【００３８】
中間部のＮ⁺層１３は、図６（ｂ）に示されるように、端部において半導体基板１０の表面まで立ち上がるＮ⁺領域（電荷通路）１３ａを有し、このＮ⁺領域１３ａが、転送電極７の一部からなる読み出しゲート電極７ａの下まで延在される。このＮ⁺層１３には、中間的な波長光（例えばＧ）によって発生した信号電荷が、蓄積される。この蓄積部を形成するＮ⁺層１３（不純物濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³、深さ０．４〜０．８μｍ）が読み出しゲート電極７ａ下まで延在することで、主に中間的な波長光（Ｇ）によって発生した電荷が図３のゲート部４ｇを通って垂直転送路２に読み出される。
【００３９】
最深部のＮ⁺層１４は、図６（ｃ）に示されるように、端部において半導体基板１０の表面まで立ち上がるＮ⁺領域（電荷通路）１４ａを有し、このＮ⁺領域１３ａが、転送電極６の一部からなる読み出しゲート電極６ｂ下まで延在される。このＮ⁺層１４には、長波長光（例えばＲ）によって発生した信号電荷が、蓄積される。この蓄積部を形成するＮ⁺層１４（不純物濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³、深さ０．８〜２．５μｍ）が読み出しゲート部下まで延在することで、主に長波長光（Ｒ）によって発生した電荷が図３のゲート部４ｒを通って垂直転送路２に読み出される。
【００４０】
このように、本実施形態のＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、半導体基板１０の深さ方向に三段の蓄積部を有する構造を持ち、浅い方から、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光に対応する信号電荷の蓄積部となるように夫々の蓄積部の深さが決められている。
【００４１】
三段の蓄積部１２，１３，１４が設けられた半導体基板１０の表面の一部には、図７に一画素分を示す様に、浅いＰ⁺層１５が設けられており、更に最表面にはＳｉＯ₂膜１６が設けられている。Ｐ⁺層１５の不純物（ボロン）濃度は約１×１０¹⁸／ｃｍ３、深さ約０．１〜０．２μｍ程度であり、受光部１の表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。従って、半導体基板１０の深さ方向の最も浅い位置にある蓄積部１２は、Ｐ⁺Ｎ⁺Ｐ構造となっている。
【００４２】
このように、本実施形態に係るＣＣＤ型カラー固体撮像装置は、全体として、Ｐ⁺（Ｎ⁺Ｐ）（Ｎ⁺Ｐ）（Ｎ⁺Ｐ）構造を持ち、３組の蓄積部（Ｎ⁺層）が、基板深さ方向に電位障壁となるＰ領域を挟んで離間して形成されている。なお、Ｎ⁺層間のＰ領域のボロン濃度は、１×１０¹⁴〜¹⁶／ｃｍ³に設定される。
【００４３】
更に好適には、蓄積部（Ｎ⁺層）の濃度は、蓄積領域の中心付近の光入射領域よりも読み出しゲート部に向かって濃度が高くなるように濃度勾配を有するようにするのがよい。これにより、信号電荷の読み出しが容易になり、電荷の読み出し残りを防止できるからである。
【００４４】
図８は、受光部１の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。短波長の光（Ｂ）によって発生した電荷は、主に最も浅い電荷蓄積部（Ｎ⁺層１２：図８では“ｎ１”と標記）に蓄積し、中間的な波長光（Ｇ）によって発生した電荷は主に次に浅い電荷蓄積部（Ｎ⁺層１３：図８では“ｎ２”と標記）に蓄積し、長波長光（Ｒ）によって発生した電荷は主に最も深い電荷蓄積部（Ｎ⁺層１４：図８では“ｎ３”と標記）に蓄積する。電荷蓄積部ｎ１とｎ２の間およびｎ２とｎ３の間には電位障壁となるＰ領域があるため、このＰ領域において発生した信号電荷（電子）は、上記ポテンシャルプロファイルに沿って、隣接する電荷蓄積部（ｎ１，ｎ２，ｎ３）のいずれかに振り分けられるという効果がある。
【００４５】
また、更にその下部がＰウェル層１１とｎ型の半導体基板１０であるため、過剰な電荷、特にＲよりも長い波長の光によって発生した電荷は、基板側に流出するようになっている。図９は、本実施形態における受光部１の光電変換特性の波長依存性を示す図であり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各分光特性は山形の分離した特性となっている。縦軸はＧを基準とした相対感度である。
【００４６】
以上述べた様に、本実施形態に係るＣＣＤ型カラー固体撮像装置では、１単位画素（受光部１）でＲ，Ｇ，Ｂの３色を受光し、各色に対応した電荷を蓄積することができるため、カラーフィルタを搭載する必要がなく、入射光を有効に利用することが可能となる。更に、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を分離独立に読み出すために、上記基板深さ方向に蓄積部ｎ１，ｎ２，ｎ３およびその電荷通路を設け、受光部周囲の素子分離領域の一部を読み出しゲート部とする以外には、コンタクト部、信号配線、その他の周辺回路を新たに付加する必要はない。また、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を１単位画素から全て読み出すことができるため、単位画素間を小さくでき、モアレや偽信号、偽色を改善することが可能となる。
【００４７】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。図示において、受光部２１は長方形で表され、これを単位画素として、多数の受光部２１がアレー状に配列されている。本実施形態では、受光部２１は正方格子状に配列されている。左右方向に隣接する受光部２１間には垂直転送路２２が形成され、受光部２１から垂直転送路２２に読み出された信号電荷は、下方の水平転送路２３に転送される。尚、図では、受光部２１内に「Ｇ／Ｒ」「Ｇ／Ｂ」と記載しているが、これは、各単位画素が、入射光に対して、Ｒ及びＧ、Ｂ及びＧの波長成分に関し、該受光部において光電変換できることを表しているものであり、カラーフィルタその他の構造物の存在を示すものではない。
【００４８】
本実施形態では、Ｇ及びＲの信号電荷を蓄積し読み出すことができる受光部と、Ｇ及びＢの信号電荷を蓄積し読み出すことができる受光部の２種類の受光部を有し、これが縦方向，横方向に交互に配置される。本実施形態では、全ての受光部２１からＧ信号が得られる。また、Ｒ信号とＢ信号については、交互にＲ信号とＢ信号が二次元平面状に並んだ配置をとっている。
【００４９】
従って、図１１に示すように、本実施形態のＣＣＤ型カラー固体撮像装置では、一回目の読み出しにより、Ｇの情報が総画素数分だけ（ｍ×ｎ画素）出力され、二回目の読み出しにおいては、ＢとＲをほぼ同数交互に並べた情報が（ｍ×ｎ画素）出力される。対応する画素位置において信号処理することにより、カラー画像が形成される。
【００５０】
図１２は、本実施形態に係る単位画素（受光部２１）の２画素分及び単位画素間の垂直転送路を示す平面図である。各単位画素は、Ｃの字状の素子分離帯２４によって囲まれており、素子分離帯２４が存在しないゲート部２４ａから信号電荷が垂直転送路２２に読み出される構造になっている。
【００５１】
図１３は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置の転送電極を示す図である。本実施形態では、転送電極２５，２６，２７は３層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインＣＣＤを構成する。ここで、第２ポリシリコン電極２６または第３ポリシリコン電極２７の夫々が読み出しゲート電極を形成し、各読み出しゲート電極に読み出し電圧が印加されたとき、対応する信号電荷蓄積部から信号電荷が垂直転送路２２に読み出される。
【００５２】
図１４（ａ）は図１３のａ―ａ線断面図であり、図１４（ｂ）は図１３のｂ―ｂ線断面図である。本実施形態のカラー固体撮像装置では、前述したように、Ｇ／Ｂ用の受光部とＧ／Ｒ用の受光部とが有り、図１４（ａ）はＧ／Ｂ用受光部の断面構造を示し、図１４（ｂ）はＧ／Ｒ用受光部の断面構造を示す。
【００５３】
図１４（ａ）において、ｎ型半導体基板３０の表面側にはＰウェル層３１が形成され、このＰウェル層３１内に、２つのＮ⁺層３２，３３が深さ方向に分離して形成されている。
【００５４】
表面部のＮ⁺層３２（不純物（リンまたは砒素（ＰまたはＡｓ）濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³）は、転送電極の一部からなる上記読み出しゲート電極２６ａの下まで延在し、主に短波長光（例えばＢ）の入射光成分によって発生した信号電荷が、半導体基板３０の厚さ方向に対して最も浅い位置に設けられたＮ⁺層３２に蓄積される。この構造においては、蓄積部３２に蓄えられた電荷、即ち、主に短波長光によって発生した電荷のみが垂直転送路２２に読み出される。
【００５５】
第２番目のＮ⁺層３３（不純物濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³）は、端部において半導体基板３０の表面まで立ち上がるＮ⁺領域（電荷通路）３３ａを有し、このＮ⁺領域３３ａが、転送電極の一部からなる読み出しゲート電極２７ａ下まで延在される。このＮ⁺層３３には、中間的な波長光（例えばＧ）によって発生した信号電荷が蓄積される。この構造において、蓄積部３３に蓄えられた電荷、即ち、主に中間的な波長光（Ｇ）によって発生した電荷が垂直転送路２２に読み出される。
【００５６】
図１４（ｂ）において、ｎ型半導体基板３０の表面側にはＰウェル層３１が形成され、このＰウェル層３１内に、３つのＮ⁺層３２，３３，３４が深さ方向に分離して形成されている。
【００５７】
表面のＮ⁺層３２は、このＧ／Ｒ用受光部では使用しないが、第１実施形態と同様に、表面に浅いＰ⁺層３５を設け更に最表面をＳｉＯ₂膜３６を設け、受光部表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位を低減する。
【００５８】
第２番目のＮ⁺層３３（不純物濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³）は、端部において半導体基板３０の表面まで立ち上がるＮ⁺領域（電荷通路）３３ａを有し、このＮ⁺領域３３ａが、転送電極の一部からなる読み出しゲート電極下まで延在される。このＮ⁺層３３には、中間的な波長光（例えばＧ）によって発生した信号電荷が蓄積される。この構造において、蓄積部に蓄えられた電荷、即ち、主に中間的な波長光（Ｇ）によって発生した電荷が垂直転送路２２に読み出される。
【００５９】
最深部の第３番目のＮ⁺層３４は、端部において半導体基板３０の表面まで立ち上がるＮ⁺領域（電荷通路）３４ａを有し、このＮ⁺領域３４ａが、転送電極の一部からなる読み出しゲート電極２７ａ下まで延在される。このＮ⁺層３４には、長波長光（例えばＲ）によって発生した信号電荷が蓄積される。この蓄積部を形成するＮ⁺層３４（不純物濃度は約５×１０¹⁶〜¹⁷／ｃｍ³）が読み出しゲート部下まで延在することで、主に長波長光（Ｒ）によって発生した電荷が垂直転送路２２に読み出される。
【００６０】
このＧ／Ｒ用受光部では、短波長光（Ｂ）によって発生した信号電荷を信号として検出しないので、基板厚さ方向に対して最も浅い位置に設けた第１番目のＮ⁺層３２からは電荷を読み出す必要がなく、このＮ⁺層３２の蓄積電荷は、不要なため、基板３０にバイアス電圧を印加することによって基板３０から外部に引き抜く。
【００６１】
また、Ｇ／Ｂ用受光部では、長波長光（例えばＲ）によって発生した信号電荷を信号として検出しないため、図示の実施形態では、Ｒ用信号電荷を検出するＮ⁺層３４自体を形成していないが、Ｎ⁺層３４を形成してその蓄積電荷を読み出さない構成とすることでもよい。
【００６２】
この様に本実施形態によれば、半導体基板の深さ方向に、２段または３段の信号電荷蓄積部を設けたため、カラーフィルタを用いなくても、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色光量に対応する信号電荷を別々に蓄積して読み出すことが可能となり、入射光を有効に利用可能となる。
【００６３】
図１５（ａ）は、本実施形態に係るＧ／Ｂ用受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図であり、図１５（ｂ）はＧ／Ｒ用受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。短波長の光（Ｂ）によって発生した電荷は主に最も浅い電荷蓄積部（Ｎ⁺層３２：図１５では“ｎ１”と標記）に蓄積し、中間的な波長光（Ｇ）によって発生した電荷は主に次に浅い電荷蓄積部（Ｎ⁺層３３：図１５では“ｎ２”と標記）に蓄積し、長波長光（Ｒ）によって発生した電荷は主に最も深い電荷蓄積部（Ｎ⁺層３４：図１５では“ｎ３”と標記）に蓄積する。
【００６４】
また、更にその下部はＰウェル層３１とｎタイプの基板３０があるため、過剰な電荷、特にＲよりも長い波長の光によって発生した電荷は、基板側に流出するようになっている。本実施形態に係るカラー固体撮像装置の光電変換の波長依存性は、第１実施形態の図９と同じである。
【００６５】
尚、図１５（ａ）では、Ｒに対する蓄積部ｎ３は形成されていないため、対応するポテンシャル井戸は存在しない。また、図１５（ｂ）では、蓄積部ｎ１即ちＢに対する蓄積部は形成されているが垂直転送路に読み出すことはしないため、Ｇ，Ｒに対応する蓄積部の信号電荷を読み出した後に、基板３０側に高い電圧を印加して蓄積部ｎ１の蓄積電荷を引き抜いてしまい、初期（空の）状態にするのがよい。
【００６６】
（第３の実施の形態）
図１６は、本発明の第３実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。本実施形態の基本構成は第１実施形態と類似するが、第１実施形態では受光部１０がＲ，Ｇ，Ｂの３色の信号電荷を検出したのに対し、本実施形態の受光部４０はＧ，Ｂの２色の信号電荷を検出し、垂直転送路４１自体をＲの受光領域として利用した点が異なる。尚、垂直転送路４１を長波長（Ｒ）光に対する受光領域として利用する概念は、例えば特許第２５３４１０５号公報に記載されている様に既に公知である。
【００６７】
本実施形態では、垂直転送路４１を長波長（Ｒ）光に対する受光領域としているため、本来の受光部４０はＢとＧに関する情報を出力する構成とすることができる。即ち、図１７に示す様に、まず、垂直転送路に入射した光のうち、長波長光（Ｒ）のみがポリシリコンからなる転送電極層を通過して、シリコン基板に到達し、垂直転送路内において電荷が発生する。これをまず垂直方向に転送して読み出す。この信号が、Ｒに関する全画素数（ｍ×ｎ）に対応するデータとなる。
【００６８】
次に、第１，第２実施形態と同様に、受光部からＧとＢに関する信号電荷を読み出し、それぞれ２回に分けて垂直転送、水平転送して信号データを得る。最終的に、これらＲ，Ｇ，Ｂ信号が一つの画素位置の情報として信号処理されることになる。
【００６９】
図１８は、本実施形態に係るカラー固体撮像装置の４画素分の平面図である。本実施形態の受光部４０は、夫々菱形の素子分離帯４２によって画成され、菱形の４辺のうち２辺において素子分離帯４２にゲート部４２ｇ，４２ｂが設けられ、Ｇの信号電荷がゲート部４２ｇを通って垂直転送路４１に読み出され、Ｂの信号電荷がゲート部４２ｂを通って垂直転送路４１に読み出される。
【００７０】
図１９（ａ）は図１８のａ―ａ線断面図であり、図１９（ｂ）は図１８のｂ―ｂ線断面図である。ｎ型の半導体基板５０の表面側にはＰウェル層５１が形成され、このＰウェル層５１内に、２段のＮ⁺層５２，５３が分離して形成され、表面側のＮ⁺層５２の表面には浅いＰ⁺層５４が形成され、最表面にはＳｉＯ₂膜５５が形成される。
【００７１】
Ｎ⁺層５２はその一端が読み出しゲート電極下まで延在し、Ｎ⁺層５３もその一端が半導体基板５０の表面までＮ⁺領域（電荷通路）５３ａによって立ち上がり読み出しゲート電極下まで延在している。浅いＮ⁺層５２にＢの入射光に対応する信号電荷が蓄積し、その下に位置するＮ⁺層５３にＧの入射光に対応する信号電荷が蓄積されるように、各々の深さが決められる。
【００７２】
尚、本実施形態では、長波長（Ｒ）光に対する蓄積部は不要なため、第１，第２実施形態で設けた３番目のＮ⁺層は設けられていない。これにより、イオン注入工程などの蓄積部形成工程が簡略化され、また、深い不純物分布を有する蓄積部からの電荷の読み出しが不要なため、読み出し電圧の低電圧化と高速駆動が可能になる利点がある。
【００７３】
図２０は、本実施形態に係る受光部４０の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。短波長の光（Ｂ）によって発生した電荷は主に最も浅い電荷蓄積部（Ｎ⁺層５２：図２０では“ｎ１”と標記）に蓄積し、中間的な波長光（Ｇ）によって発生した電荷は主に次に浅い電荷蓄積部（Ｎ⁺層５３：図２０では“ｎ２”と標記）に蓄積する。また、更にその下部がＰウェル層５１とｎ型基板５０が存在するため、過剰な電荷、特にＧよりも長い波長の光によって発生した電荷は、基板側に流出するようになっている。
【００７４】
図２１は、本実施形態における素子光電変換の波長依存性を示す図である。Ｂ，Ｇについては、図９と略同一であるが、Ｒについては、図９と比較すると、相対的に大きくなっている。また、５８０ｎｍ付近より短い波長領域において大きく減衰していることが分かる。これは、Ｒに対する感度を持たせた垂直転送路においては、ポリシリコン電極が存在し、これが５８０ｎｍ以下の波長の光を吸収し、電荷の発生に寄与する確率が低下するためである。その結果、ＲとＧのオーバーラップが少なくなり、色再現性が向上し、さらに画質を向上させることができる。
【００７５】
（第４の実施の形態）
図２２は、本願発明の第４実施形態に係るカラー固体撮像装置の１単位画素（受光部）分の断面図である。本実施形態の基本構成は第１，第２実施形態と同じであるが、本実施形態では、各受光部の上部にマイクロレンズ６０を積層した点が異なる。即ち、一つの受光部において２以上の信号電荷蓄積部（Ｎ⁺層）が一つのオンチップ集光光学系すなわちマイクロレンズ６０及び遮光膜６１の一つの開口６１ａに対応することになる。また、層内レンズを設ける場合には一つの受光部に対応して設けることになる。
【００７６】
これにより、本実施形態にでは、従来に比べ、一つの受光部がＲ，Ｇ，Ｂのうちの２画素あるいはＲ，Ｇ，Ｂすべて（３画素分）の信号を出力できるので、実質的に受光部の面積を２倍，３倍に拡大しても、同一のＣＣＤサイズにおいてほぼ同じ解像度が得られることになる。言い換えると、マイクロレンズ６０の径及び遮光膜の開口６１ａの寸法を大きくすることができ、微細化による多画素数化が容易となり、更に、入射光のロスを少なくし、シェーディングを改善し、高感度化、高画質化が可能になる。
【００７７】
尚、以上の各実施形態では、画素配置が正方格子状のもの及び水平，垂直方向に１／２画素づつピッチをシフトさせたいわゆるハニカム配置のいずれか一方のみを例示して説明したが、他方の画素配置をとる構造にも適用できることは言うまもでも無い。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、一つの受光部から２以上の色信号成分を検出できるため、入射光を有効に電気信号に変換でき、また、一つの受光部あるいは二つの受光部から得られる色信号成分を用いて色信号処理を行うことで、可視画像の色再現が可能になり、従来の単板式固体撮像装置のモザイクフィルタで問題となる偽信号や色モアレが軽減あるいは無くすことができる。更に、従来のＣＣＤにおける受光部、電荷転送路等の二次元平面上の配置や面積に影響を与えることなく、同一画素から２以上の色信号を夫々独立に取り出すことができる。
【００７９】
また、本発明によれば、カラーフィルタを必要としないので、製造工程の簡略化、高歩留化が可能となり、更に、カラーフィルタ層による光の減衰がないため高感度化が可能となり、更にまた、カラーフィルタ層の粒状性（顔料系カラーフィルタ）や退色（染料系カラーフィルタ）による画質劣化の問題が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図２】第１実施形態のカラー固体撮像装置から信号電荷を読み出す説明図である。
【図３】第１実施形態に係る受光部の４画素分と受光部間の垂直転送路の詳細パターンを示す平面図である。
【図４】図３に転送電極を重ねて示した図である。
【図５】図４の丸印Ｖ内の詳細図である。
【図６】（ａ）は図４のａ―ａ線断面図である。
（ｂ）は図４のｂ―ｂ線断面図である。
（ｃ）は図４のｃ―ｃ線断面図である。
【図７】第１実施形態に係る受光部内の表面Ｐ＋層の形成範囲を示す図である。
【図８】第１実施形態に係る受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図９】第１実施形態における受光部の光電変換特性の波長依存性を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る単板式のＣＣＤ型カラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１１】第２実施形態のカラー固体撮像装置から信号電荷を読み出す説明図である。
【図１２】第２実施形態に係る受光部の２画素分及び単位画素間の垂直転送路を示す平面図である。
【図１３】第２実施形態に係るカラー固体撮像装置の転送電極を示す図である。
【図１４】（ａ）は図１３のａ―ａ線断面図である。
（ｂ）は図１３のｂ―ｂ線断面図である。
【図１５】（ａ）は図１４（ａ）に示す受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。
（ｂ）は図１４（ｂ）に示す受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係るカラー固体撮像装置の表面模式図である。
【図１７】第３実施形態のカラー固体撮像装置から信号電荷を読み出す説明図である。
【図１８】第３実施形態に係るカラー固体撮像装置の４画素分の平面図である。
【図１９】（ａ）は図１８のａ―ａ線断面図である。
（ｂ）は図１８のｂ―ｂ線断面図である。
【図２０】第３実施形態に係る受光部の基板深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図である。
【図２１】第３実施形態における受光部の光電変換特性の波長依存性を示す図である。
【図２２】本願発明の第４実施形態に係るカラー固体撮像装置の１単位画素（受光部）分の断面図である。
【図２３】従来のＣＭＯＳ型カラー固体撮像装置の説明図である。
【符号の説明】
１，２１，４０受光部（単位画素）
２，２２，４１垂直転送路
３，２３水平転送路
４，２４，４２素子分離帯
５，６，７，８，２５，２６，２７転送電極
１２，１３，１４，３２，３３，３４，５２，５３Ｎ⁺層（電荷蓄積層）
１５，３５，５４表面Ｐ⁺層

Claims

半導体基板の表面にアレー状に配列された複数の受光部と、各受光部の電荷蓄積部に蓄積された信号電荷が読み出され水平転送路まで転送する垂直転送路とを備えるＣＣＤ型カラー固体撮像装置において、
前記複数の受光部は交互に配列された第１の受光部及び第２の受光部で構成され、
前記第１，第２の各受光部の前記電荷蓄積部は、緑色の入射光を検出する深さに形成された第１の電荷蓄積層と、該第１の電荷蓄積層に対し前記半導体基板の深さ方向に電位障壁を介して設けられた他の電荷蓄積層の２層だけを信号電荷を読み出す電荷蓄積層として備え、
前記第１の受光部の前記他の電荷蓄積層は、前記第１の電荷蓄積層より浅い位置の青色の入射光を検出する深さに形成された第２の電荷蓄積層であり、
前記第２の受光部の前記他の電荷蓄積層は、前記第１の電荷蓄積層より深い位置の赤色の入射光を検出する深さに形成された第３の電荷蓄積層であり、
前記第１の受光部内の前記第１，第２の各電荷蓄積層の各々は同一の前記垂直転送路に設けられた２つの第１，第２の読出ゲート部まで夫々延設され、
前記第２の受光部内の前記第１，第３の各電荷蓄積層の各々は同一の前記垂直転送路に設けられた２つの第１，第３の読出ゲート部まで夫々延設され、
前記第１，第２の受光部の前記第１の電荷蓄積層の各信号電荷は前記第１の読出ゲート部を通して前記垂直転送路に１回で読み出され、前記第２の読出ゲート部から読み出される前記第１の受光部の前記第２の電荷蓄積層の各信号電荷及び前記第３の読出ゲート部から読み出される前記２の受光部の前記第３の電荷蓄積層の各信号電荷は前記第１の電荷蓄積層からの信号電荷の読み出しとは別に１回の読み出しで前記垂直転送路に読み出される構成としたＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
前記電荷蓄積層のうち前記半導体基板の内部に設けられる電荷蓄積層には該半導体基板の表面まで該電荷蓄積層の蓄積電荷を移動させる、該電荷蓄積層と同一不純物型の高濃度不純物領域でなる電荷通路が前記延設する部分として設けられることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
高濃度不純物領域として形成される前記電荷蓄積層及び該電荷蓄積層に連続する前記電荷通路の不純物濃度が前記垂直転送路に近づくほど高濃度になるように濃度勾配が設けられたことを特徴とする請求項２に記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
前記各電荷蓄積層の深さが、夫々検出する入射光の波長に対応して設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
前記第２の電荷蓄積層の深さを０．２〜０．４μｍとし、前記第１の電荷蓄積層の深さを０．４〜０．８μｍとし、前記第３の電荷蓄積層の深さを０．８〜２．５μｍとすることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
前記の各受光部の上部には夫々オンチップ集光光学系が設けられ、前記の各受光部に夫々遮光膜の１つの開口が対応することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
前記受光部が前記半導体基板の表面上に正方格子状に配列されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。
前記受光部が前記半導体基板の表面上にハニカム状に配列されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のＣＣＤ型カラー固体撮像装置。