JP5075512B2

JP5075512B2 - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP5075512B2
Application number: JP2007190479A
Authority: JP
Inventors: 崇後藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: JP2009027063A

Description

本発明は、半導体基板上方に形成された赤外光を吸収してこれに応じた電荷を発生する赤外光電変換層を有する固体撮像素子に関する。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型イメージセンサを撮像素子とする内視鏡装置は既に医療現場で多く使われている。この内視鏡装置には大別して、モノクロ撮像可能な撮像素子を用い、ファイバーを介して被写体を照明する光源の前で、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色），ＩＲ（赤外）の波長域の光を透過するフィルタを、撮像素子のフィールド周波数に同期して切換える面順次撮像方式（例えば、特許文献１参照）と、照明光源はホワイト光で、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域の光を透過するカラーフィルタを搭載した単板式撮像素子を用いて撮像する同時撮像方式がある。

面順次撮像方式は、光源の前で、異なる分光透過率を有する複数のフィルタを回転させ、異なる波長の光で照明された画像を複数枚撮像した後にカラー画像を合成する方式である。このため、例えば、光源の前で切換えるフィルタにＲＧＢ透過フィルタを用いれば、１画素データにＲＧＢの３つの色情報を持たせたＲＧＢカラー画像データを得ることができ、血液中のヘモグロビンに吸収されやすい狭帯域化された２波長のＩＲフィルタを順次切換えれば、１画素データに赤外域の情報のみを持たせた赤外画像データを得ることができる。ＲＧＢカラー画像データに基づく画像によれば、検査対象となる部位の外観を目視で確認することができ、赤外画像データに基づく画像によれば、検査対象となる部位の粘膜表層の毛細血管や粘膜微細模様の情報等を目視で確認することができる。

一方、同時撮像方式は、撮像によってＲＧＢカラー画像データを得た後、このＲＧＢカラー画像データを画像処理することで赤外画像データを生成する方式である。

特許第２６４８４９４号公報

面順次撮像方式では、動きのある被写体に対しては色ずれが生じ画像妨害となってしまう。又、同時撮像方式によれば、動きのある被写体に対しても色ずれは生じないが、赤外画像データの情報精度は低いという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、カラー撮像と赤外撮像を同時に高精度に行うことが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上方に形成された赤外光を吸収してこれに応じた電荷を発生する赤外光電変換層を有する固体撮像素子であって、前記半導体基板内に、前記半導体基板表面に平行な方向に配列して形成された多数の光電変換素子を備え、前記多数の光電変換素子は、可視光のうちのそれぞれ異なる波長域の光を検出するための複数種類の光電変換素子からなり、前記半導体基板と前記赤外光電変換層との間には無機材料からなる無機層のみが設けられ、前記無機層は、前記各々の光電変換素子に対応して、その光電変換素子で検出すべき波長域の光を透過する無機材料で構成されたカラーフィルタを含み、前記赤外光電変換層上方には、入射光を、前記複数種類の光電変換素子の各々で検出させるべき複数種類の色成分に分光するための分光手段が設けられていない。

本発明の固体撮像素子は、前記各々の光電変換素子に対応するカラーフィルタが全て同一材料で構成され、前記カラーフィルタの膜厚が、当該カラーフィルタに対応する前記光電変換素子の種類に応じて異なっている。

本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタが、膜厚によって規定されるカットオフ波長を有し、前記カットオフ波長よりも長波長の光は透過し、前記カットオフ波長よりも短波長の光は遮断し、膜厚が厚いほど前記カットオフ波長が大きくなる無機材料で構成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記無機材料が、ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む。

本発明の固体撮像素子は、前記複数種類の光電変換素子が、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子との３種類の光電変換素子であり、前記第１の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタは、そのカットオフ波長が緑色光の波長域と赤色光の波長域との境界近傍となるような膜厚であり、前記第２の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタは、そのカットオフ波長が青色光の波長域と緑色光の波長域との境界近傍となるような膜厚であり、前記第３の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタは、そのカットオフ波長が紫外光の波長域と青色光の波長域との境界近傍となるような膜厚である。

本発明の固体撮像素子は、前記第３の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタを省略した。

本発明の固体撮像素子は、前記無機層の最上層に形成された第１の電極と、前記赤外光電変換層上に形成された前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが前記多数の光電変換素子の各々に対応して分割されており、前記半導体基板内に前記多数の光電変換素子の各々に対応して形成され、前記赤外光電変換層で発生した電荷を蓄積するための多数の電荷蓄積部と、前記分割された前記第１の電極又は前記第２の電極と、それに対応する前記電荷蓄積部とを電気的に接続する接続部とを備える。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の光電変換素子が前記複数種類の光電変換素子からなる多数のユニットに分割され、前記無機層の最上層に形成された第１の電極と、前記赤外光電変換層上に形成された前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが前記ユニットに対応して分割されており、前記半導体基板内に前記ユニットに対応して形成された前記赤外光電変換層で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部と、前記分割された前記第１の電極又は前記第２の電極と、それに対応する前記電荷蓄積部とを電気的に接続する接続部とを備える。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板内に、前記半導体基板表面に平行な方向に配列された多数の光電変換素子と、前記半導体基板上方に形成された赤外光を吸収してこれに応じた電荷を発生する赤外光電変換層と、前記赤外光電変換層を挟む前記多数の光電変換素子の各々に対応して分割された第１の電極及び前記多数の第１の電極に対向する第２の電極とを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記半導体基板内に多数の光電変換素子を形成する工程と、前記半導体基板内に、前記赤外光電変換層で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部を形成する工程と、前記半導体基板上に、前記第1の電極を含む、無機材料からなる無機層のみを形成する工程と、前記第１の電極上に前記赤外光電変換層を形成し、この上に前記第２の電極を形成する工程とを備え、前記無機層のみを形成する工程が、前記多数の光電変換素子の各々の上方に、前記各々の光電変換素子で検出すべき波長域の光を透過する無機材料からなるカラーフィルタを形成する工程と、前記カラーフィルタ上方に絶縁層を形成する工程と、この絶縁層上に前記第１の電極を形成する工程と、前記第１の電極と前記半導体基板との間の層内に、前記電荷蓄積部と前記第１の電極とを接続する導電性材料からなるコンタクト部を形成する工程とを含む。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記無機層のみを形成する工程が、更に、前記第1の電極を形成する工程の前に、前記絶縁層の最表面を平滑化する工程を含む。

本発明によれば、カラー撮像と赤外撮像を同時に高精度に行うことが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、入射光のうちの青色（Ｂ）の波長域（一般的には約３８０ｎｍ〜約５２０ｎｍ）の光をＢ光といい、緑色（Ｇ）の波長域（一般的には約４５０ｎｍ〜約６１０ｎｍ）の光をＧ光といい、赤色（Ｒ）の波長域（一般的には約５５０ｎｍ〜約７００ｎｍ）の光をＲ光といい、赤外（ＩＲ）の波長域（一般的には約６８０ｎｍ〜約３０００ｎｍ）の光をＩＲ光という。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子２００は、入射光のうちのＢ光、Ｇ光、及びＲ光を併せた光に応じたＷ信号を出力可能な画素２０２Ｗと、入射光のうちのＧ光及びＲ光を併せた光に応じたＹ信号を出力可能な画素２０２Ｙと、入射光のうちのＲ光に応じたＲ信号を出力可能な画素２０２Ｒとの３種類の画素を備え、これらの画素が、シリコン等の基板２０１上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに二次元状に配列されている。

図１に示すように、固体撮像素子２００の画素配列は、画素２０２Ｗと画素２０２Ｒとを行方向Ｘに交互に配列した画素行であるＷＲ画素行と、画素２０２Ｙと画素２０２Ｗとを行方向Ｘに交互に配列した画素行であるＹＷ画素行とを、列方向Ｙに交互に配列したものとなっている。固体撮像素子２００の画素配列は図１に示したものにかぎらず、画素２０２Ｙと画素２０２Ｗと画素２０２Ｒとを縦ストライプや横ストライプ状に配列したものとしても良い。

基板２０１の側部には行選択走査部２０３が設けられ、下辺部には画像信号処理部２０４が設けられている。又、基板２０１には、画素を選択するためのタイミングパルスを生成したり、画素を駆動するための各種制御信号を生成したりする制御部２０５が適宜箇所に設けられている。

各画素行の上側部には、その画素行に対応させてリセット信号線２０６と行選択信号線２０７の２本の信号線が行方向Ｘに延びて設けられている。リセット信号線２０６と行選択信号線２０７は、それに対応する画素行の各画素と、行選択走査部２０３とに接続されている。

列方向Ｙに配列された複数の画素からなる画素列の右側部には、その画素列に対応させて列信号線２０８と列信号線２０９との２本の信号線が列方向Ｙに延びて設けられている。列信号線２０８と列信号線２０９は、それに対応する画素列の各画素と、画像信号処理部２０４とに接続されている。

図２は、図１に破線（イ）で囲った４つの画素の断面を１つに合成して図示したものである。
基板２０１は例えばｎ型のシリコン基板であり、この上にはｐウェル層２１１が形成されている。基板２０１とｐウェル層２１１とを合わせた部分が半導体基板を構成している。ｐウェル層２１１上には無機材料のみからなる無機層２１０が形成されている。無機層２１０上には、ＩＲ光を吸収してこれに応じた電荷を発生する光電変換層２２６が形成されている。光電変換層２２６上には、入射光に対して透明な材料（例えば、ＩＴＯや薄い金属膜）からなる共通電極２２７が形成されている。共通電極２２７上には、入射光に対して透明な保護層２２８が形成されている。これら光電変換層２２６、共通電極２２７、及び保護層２２８は、全ての画素で共通の１枚構成となっている。保護層２２８上の各画素に対応する位置には、各画素に入射光を集光するためのマイクロレンズ２２９が形成されている。

光電変換層２２６は、ＩＲ光を吸収してこの光に応じた電荷を発生すると共に、可視光を透過する有機光電変換材料（例えば、フタロシアニン系有機材料やナフタロシアニン系有機材料）で構成されている。光電変換層２２６に電界を印加すると、入射したＩＲ光の光量に応じた信号電荷が発生する。光電変換層２２６は、上記光電変換材料を、スパッタ法やレーザアブレーション法，印刷技術，スプレー法等で無機層２１０上に積層することで形成される。

尚、光電変換層２２６と共通電極２２７は、それぞれ画素毎に対応して分割してあっても良い。共通電極２２７を画素毎に分割した場合は、分割した共通電極２２７を共通配線で接続して、それぞれに同一のバイアス電圧が印加できるようにしておけば良い。

画素２０２Ｒ、画素２０２Ｙ、及び画素２０２Ｗは、それぞれ、ｐウェル層２１１の一部と、無機層２１０の一部と、光電変換層２２６の一部と、共通電極２２７の一部と、保護層２２８の一部と、マイクロレンズ２２９とを含んで構成されている。画素２０２Ｒ、画素２０２Ｙ、及び画素２０２Ｗの各々の構造は、カラーフィルタを除いて共通であるため、以下では、この共通の構造を画素２０２Ｒを代表して説明する。

画素２０２Ｒの無機層２１０の最上層には、画素毎に分割された画素電極２２５が形成されている。画素電極２２５は、共通電極２２７と同様に、入射光に対して透明な材料（例えば、ＩＴＯや薄い金属膜）で構成されている。この画素電極２２５と、この画素電極２２５に対向する共通電極２２７と、これらに挟まれた光電変換層２２６とにより、ＩＲ光を検出するＩＲ光電変換素子が構成される。

画素２０２Ｒのｐウェル層２１１内には、その表面から内側に形成されたｎ型の不純物層（以下、ｎ層という）２１２が形成されている。ｎ層２１２の表面から内側には、ｎ層２１２よりも不純物濃度の高い暗電流抑制用のｐ型の不純物層（以下、ｐ層という）２１３が形成されている。このｐウェル層２１１とｎ層２１２とｐ層２１３とにより、光電変換素子であるフォトダイオード２１４が構成されている。フォトダイオード２１４で発生した電荷はｎ層２１２に蓄積される。

フォトダイオード２１４の左隣には、少し離間して信号読出回路２１５が形成されている。信号読出回路２１５は、例えば既存のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる３トランジスタ構成または４トランジスタ構成等のトランジスタ回路が用いられ、行選択走査部２０３や画像信号処理部２０４も既存のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられるものと同じものを用いることができる。

信号読出回路２１５の出力は列信号線２０９に接続されている。信号読出回路２１５は、行選択信号線２０７にも接続されており、ここからパルスが印加されると、ｎ層２１２に蓄積された電荷に応じた電圧信号を列信号線２０９に出力する。又、信号読出回路２１５は、リセット信号線２０６にも接続されており、ここからパルスが印加されると、ｎ層２１２に蓄積されている電荷をリセットドレインへと掃き出すリセット動作を行う。

フォトダイオード２１４の右隣には、少し離間して、その表面から内側に、画素２０２ＲのＩＲ光電変換素子の光電変換層２２６で発生した電荷を蓄積するための例えばｎ層からなる電荷蓄積部２１６が形成されている。電荷蓄積部２１６の右隣には、少し離間して信号読出回路２１７が形成されている。

信号読出回路２１７は、例えば既存のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる３トランジスタ構成または４トランジスタ構成等のトランジスタ回路が用いることができる。

信号読出回路２１７の出力は列信号線２０８に接続されている。信号読出回路２１７は、行選択信号線２０７にも接続されており、ここからパルスが印加されると、電荷蓄積部２１６に蓄積された電荷に応じた電圧信号を列信号線２０８に出力する。又、信号読出回路２１７は、リセット信号線２０６にも接続されており、ここからパルスが印加されると、電荷蓄積部２１６に蓄積されている電荷をリセットドレインへと掃き出すリセット動作を行う。

尚、信号読出回路２１５と信号読出回路２１７は、既存のＣＣＤ（電荷結合素子）型固体撮像装置と同様に、各画素で検出された信号電荷を電荷転送路（垂直電荷転送路ＶＣＣＤ，水平電荷転送路ＨＣＣＤ）でアンプまで転送し、アンプにて信号を出力する構造を採用しても良い。

電荷蓄積部２１６上の無機層２１０内にはアルミニウム等からなるコンタクト部２２４が形成されている。コンタクト部２２４上には画素２０２Ｒの画素電極２２５が接続されている。コンタクト部２２４は、画素電極２２５と電荷蓄積部２１６とに直接接続され、これらを電気的に接続する接続手段として機能する。

画素２０２Ｒの無機層２１０内には、ポリ配線層２１８、１層メタル層２１９、２層メタル層２２０、３層メタル層２２１が設けられている。これらの配線層の数は、信号読出回路２１５，２１７の回路動作に必要な配線の数によって決まっている。１層メタル層２１９は、信号読出回路２１５，２１７を遮光する遮光膜としても機能する。ポリ配線層２１８、１層メタル層２１９、２層メタル層２２０、３層メタル層２２１、及び画素電極２２５は、入射光に対して透明な絶縁層２２３内に埋設されている。無機層２１０の上面は平坦化されており、この上に光電変換層２２６が形成されている。

以上までに説明した構造が、各画素で共通の構造である。次に、各画素で異なる構造部分について説明する。

画素２０２Ｒの無機層２１０の絶縁層２２３内には、画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４上方に、このフォトダイオード２１４に対応するカラーフィルタ２２２Ｒが形成されている。画素２０２Ｙの無機層２１０の絶縁層２２３内には、画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４上方に、このフォトダイオード２１４に対応するカラーフィルタ２２２Ｙが形成されている。画素２０２Ｗの無機層２１０の絶縁層２２３内には、画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４上方に、このフォトダイオード２１４に対応するカラーフィルタ２２２Ｗが形成されている。

カラーフィルタ２２２Ｒ、カラーフィルタ２２２Ｙ、及びカラーフィルタ２２２Ｗは、それぞれ、その膜厚によって規定されるカットオフ波長を有し、該カットオフ波長よりも長波長の光は透過し、且つ、該カットオフ波長よりも短波長の光は遮断し、且つ、その膜厚が厚いほど該カットオフ波長が大きくなる同一の無機材料で構成されている。このような無機材料としては、例えばポリシリコンやアモルファスシリコンが挙げられる。

カラーフィルタ２２２Ｒ、カラーフィルタ２２２Ｙ、及びカラーフィルタ２２２Ｗは、それぞれ、コンタクト部２２４とは離間して設けられる。カラーフィルタを構成する無機材料としてポリシリコンやアモルファスシリコンを用いる場合は、これらが導電性を有するため、カラーフィルタ２２２Ｒ，２２２Ｙ，２２２Ｗがコンタクト部２２４に接触していると、コンタクト部２２４に流れる信号電荷がカラーフィルタ２２２Ｒ，２２２Ｙ，２２２Ｗに流れこむ恐れがあるからである。

このような無機材料でカラーフィルタを構成すると、カラーフィルタの膜厚を調整することで、そのカラーフィルタを透過させる光の波長域を任意に調整することができる。

カラーフィルタ２２２Ｒは、カットオフ波長がＧの波長域とＲの波長域の境界近傍となるような膜厚となっており、カラーフィルタ２２２Ｙは、カットオフ波長がＢの波長域とＧの波長域の境界近傍となるような膜厚となっており、カラーフィルタ２２２Ｗは、カットオフ波長が紫外の波長域とＢの波長域の境界近傍となるような膜厚となっている。

このような構成により、カラーフィルタ２２２Ｒ、カラーフィルタ２２２Ｙ、及びカラーフィルタ２２２Ｗの各々は、その膜厚に応じて以下の波長域の光を透過することができるようになっている。
カラーフィルタ２２２Ｒ：ＩＲ光とＲ光を併せた光
カラーフィルタ２２２Ｙ：ＩＲ光とＲ光とＧ光を併せた光
カラーフィルタ２２２Ｗ：ＩＲ光とＲ光とＧ光とＢ光を併せた光

例えば、上記無機材料としてポリシリコンを用いた場合、カラーフィルタ２２２Ｒの厚みを０．８μｍ、カラーフィルタ２２２Ｙの厚みを０．３μｍ、カラーフィルタ２２２Ｗの厚みを０．１μｍとすれば良い。このときの各フィルタの透過スペクトルを示したのが図３である。カットオフ波長は、カラーフィルタ２２２Ｒが５８０ｎｍ、カラーフィルタ２２２Ｙが４９０ｎｍ、カラーフィルタ２２２Ｗが４００ｎｍとなっており、所望の条件を満たすことができる。カラーフィルタにポリシリコンを用いる場合には、カラーフィルタ２２２Ｒの厚みを０．０１〜２．０μｍ、カラーフィルタ２２２Ｙの厚みを０．０１〜１．５μｍ、カラーフィルタ２２２Ｗの厚みを０〜１．０μｍの範囲に設定し、それぞれの厚みがカラーフィルタ２２２Ｗ＜カラーフィルタ２２２Ｙ＜カラーフィルタ２２２Ｒという条件を満たしていることが好ましい。

このような構成により、画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４は、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光を併せた光を検出する第１の光電変換素子として機能し、画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４は、Ｒ光，Ｇ光を併せた光を検出する第２の光電変換素子として機能し、画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４は、Ｒ光を検出する第３の光電変換素子として機能する。このように、固体撮像素子２００の半導体基板内には、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子との３種類の光電変換素子が、基板２０１表面に平行な方向に配列して形成された構成となっている。

次に、このような構成の固体撮像素子２００の動作について説明する。

固体撮像素子２００に光が入射すると、画素２０２Ｒでは、入射光のうちのＩＲ光が光電変換層２２６で吸収され、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光、紫外光が光電変換層２２６を透過する。透過した光のうちＧ光、Ｂ光、紫外光はカラーフィルタ２２２Ｒにより吸収される。Ｒ光はカラーフィルタ２２２Ｒを透過し、フォトダイオード２１４に吸収される。

画素２０２Ｙでは、入射光のうちのＩＲ光が光電変換層２２６に吸収され、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光、紫外光が光電変換層２２６を透過する。透過した光のうちＢ光と紫外光はカラーフィルタ２２２Ｙにより吸収される。Ｒ光とＧ光はカラーフィルタ２２２Ｙを透過し、フォトダイオード２１４に吸収される。

画素２０２Ｗでは、入射光のうちのＩＲ光が光電変換層２２６で吸収され、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光、紫外光が光電変換層２２６を透過する。透過した光のうち紫外光はカラーフィルタ２２２Ｗにより吸収される。Ｒ光とＧ光とＢ光はカラーフィルタ２２２Ｗを透過し、フォトダイオード２１４に吸収される。

画素２０２Ｒにおける光電変換層２２６では、入射したＩＲ光の光量に応じた信号電荷が発生する。画素２０２Ｒの光電変換層２２６で発生した信号電荷は、画素２０２Ｒの画素電極２２５に集約され、画素２０２Ｒのコンタクト部２２４を通り、画素２０２Ｒの信号読出回路２１７で信号に変換されて、列信号線２０８にＩＲ信号として出力される。

画素２０２Ｙにおける光電変換層２２６では、入射したＩＲ光の光量に応じた信号電荷が発生する。画素２０２Ｙの光電変換層２２６で発生した信号電荷は、画素２０２Ｙの画素電極２２５に集約され、画素２０２Ｙのコンタクト部２２４を通り、画素２０２Ｙの信号読出回路２１７で信号に変換されて、列信号線２０８にＩＲ信号として出力される。

画素２０２Ｗにおける光電変換層２２６では、入射したＩＲ光の光量に応じた信号電荷が発生する。画素２０２Ｗの光電変換層２２６で発生した信号電荷は、画素２０２Ｗの画素電極２２５に集約され、画素２０２Ｗのコンタクト部２２４を通り、画素２０２Ｗの信号読出回路２１７で信号に変換されて、列信号線２０８にＩＲ信号として出力される。

列信号線２０８から出力される画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２Ｗから得られたＩＲ信号を処理することで、固体撮像素子２００の総画素数からなる赤外画像データを生成することができる。

画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４では、入射したＲ光の光量に応じたＲ信号電荷が発生する。Ｒ信号電荷に応じたＲ信号は、画素２０２Ｒの信号読出回路２１５から列信号線２０９に出力される。

画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４では、入射したＲ光とＧ光の光量に応じたＹ信号電荷が発生する。Ｙ信号電荷に応じたＹ信号は、画素２０２Ｙの信号読出回路２１５から列信号線２０９に出力される。

画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４では、入射したＲ光とＧ光とＢ光の光量に応じたＷ信号電荷が発生する。Ｗ信号電荷に応じたＷ信号は、画素２０２Ｗの信号読出回路２１５から列信号線２０９に出力される。

このようにして得られたＲ信号、Ｙ信号、Ｗ信号は以下の波長域の光量に従った信号になっている。
Ｒ信号：Ｒ光に対応した信号
Ｙ信号：Ｒ光とＧ光の合計に対応した信号
Ｗ信号：Ｒ光とＧ光とＢ光の合計に対応した信号

従って、Ｙ信号からＲ信号を減算することでＧ光に対応するＧ信号が得られる。また、W信号からＹ信号を減算することでＢ光に対応するＢ信号が得られる。そして、このようにして求めたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号を用いることによりＲＧＢカラー画像データを生成することができる。実際には、Ｂ信号、Ｇ信号を得る際に、単純に減算ではなく、各フィルタの特性に合わせたマトリクスを用いて演算することにより、Ｂ信号、Ｇ信号を精度良く得ることが可能になる。

上記手法により、ＲＧＢカラー画像データと赤外画像データとを、１回の撮像によって精度良く得ることが可能となる。

尚、以上の構成では、カラーフィルタ２２２Ｒとカラーフィルタ２２２Ｙとカラーフィルタ２２２Ｗとを全て同一の無機材料とし、それぞれの厚みを変えることで、それぞれの透過波長をコントロールしているが、カラーフィルタ２２２Ｒとカラーフィルタ２２２Ｙとカラーフィルタ２２２Ｗとは、それぞれ別々の無機材料で構成しても良い。この場合には、Ｒ光を透過する無機材料（例えば、硫化水銀）でカラーフィルタ２２２Ｒを構成し、Ｒ光とＧ光を透過する無機材料（例えば、セレン化亜鉛）でカラーフィルタ２２２Ｙを構成し、Ｒ光とＧ光とＢ光を透過する無機材料（例えば、酸化チタン）でカラーフィルタ２２２Ｗを構成すれば良い。こうすることで、各カラーフィルタの厚みを同一にすることができ、厚みを変える場合に比べて製造を容易にすることができる。

又、以上の構成では、光電変換層２２６の下方に画素電極２２５を配置し、光電変換層２２６の上方に共通電極２２７を配置するものとしたが、この配置は逆であっても良い。逆にした場合には、コンタクト部２２４を、共通電極２２７に接触しないように、画素電極２２５に接続すれば良い。

続いて、固体撮像素子２００の製造方法について説明する。
図４〜６は、固体撮像素子２００の製造方法を説明するための図である。図２では画素２０２Ｗと画素２０２Ｒのみを示したが、画素２０２Ｙについても製法は同じである。

まず、図４（１）に示したように、基板２０１にエピタキシャル成長によってｐウェル層２１１を形成し、ｐウェル層２１１に対してイオン注入、フォトリソグラフィを行い、この内部に、フォトダイオード２１４と信号読出回路２１５，２１７と電荷蓄積部２１６を形成する。又、ｐウェル層２１１上に図示しない絶縁層を介してポリ配線２１８を形成する。

次に、図４（２）に示すように、絶縁材料を成膜して絶縁層２２３を形成後、この上に金属材料を成膜し、フォトリソグラフィによってこれをパターニングして１層メタル配線２１９を形成する。更に、１層メタル配線層上に絶縁材料を成膜して平坦化して絶縁層２２３を拡大する。次に、絶縁層２２３にフォトリソグラフィによってコンタクトホールを形成し、ここに金属材料を埋め込んでコンタクト部２２４を形成する。

次に図４（３）に示すように、絶縁層２２３上に金属材料を成膜し、これをフォトリソグラフィによってパターニングして２層メタル配線２２０を形成する。更に、２層メタル配線２２０形成後の絶縁層２２３上に例えばポリシリコンを成膜し、フォトリソグラフィによってこれをパターニングし、カラーフィルタ２２２Ｒ，２２２Ｙ，２２２Ｗを形成する。次に、画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２Ｗのそれぞれが最適な膜厚になるように、エッチングによってカラーフィルタ２２２Ｒ，２２２Ｙ，２２２Ｗの厚みを調整し、その上に絶縁材料を成膜して絶縁層２２３を拡大する。

次に、図５（４）に示すように、絶縁層２２３上に金属材料を成膜し、フォトリソグラフィによってこれをパターニングして３層メタル配線２２１を形成する。更に、３層メタル配線層２２１上に絶縁材料を成膜して平坦化して絶縁層２２３を拡大する。次に、絶縁層２２３にフォトリソグラフィによってコンタクトホールを形成し、ここに金属材料を埋め込んでコンタクト部２２４を拡大する。

次に、図５（５）に示すように、絶縁層２２３上に、例えばＩＴＯを成膜し、これをフォトリソグラフィによってパターニングして画素電極２２５を形成する。通常のイメージセンサ同様に、絶縁層２２３の最表面を研磨して平滑化し、その上にスパッタ法やフォトリソグラフィを用いて画素電極２２５をコンタクト部２２４と接触するように形成すればよい。

次に、図６（６）に示すように、画素電極２２５上に、光電変換材料を成膜して光電変換層２２６を形成し、この上に例えばＩＴＯを成膜して共通電極２２７を形成し、この上に保護層２２８を形成する。

次に、図６（７）に示すように、画素ごとにマイクロレンズ２２９を形成する。これらの工程を経て固体撮像素子２００が製造される。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子２００は、半導体基板内の３種類のフォトダイオードに、それぞれ異なる波長域の光を入射させるための入射光を分光する分光手段（カラーフィルタ２２２Ｒ，２２２Ｙ，２２２Ｗ）を、半導体基板と光電変換層２２６との間に形成し、これらを無機材料で構成したことを特徴としている。カラーフィルタを、光電変換層２２６上方に形成することも可能であるが、この場合は、カラーフィルタのパターニング時に光電変換層２２６が劣化してしまう可能性があり、この劣化に対する対策が必要となる。又、半導体基板と光電変換層２２６との間に、有機材料からなるカラーフィルタを形成することも考えられるが、この場合、カラーフィルタ以外の無機層２１０内の構成要素の形成が容易ではなくなってしまう。本実施形態の固体撮像素子２００は、半導体基板と光電変換層２２６との間にカラーフィルタを形成しているため、光電変換層２２６の特性劣化への対策が不要となる。又、このカラーフィルタを、コンタクト部２２４や画素電極２２５やメタル配線２１９，２２０，２２１と同じ無機材料で形成しているため、無機層２１０の製造工程が無機材料を使用した工程のみとなり、その製造が容易となる。したがって、低コスト、高歩留まりでの製造が可能となる。

以上のように固体撮像素子２００によれば、１回の撮像によってＲＧＢカラー画像データと赤外画像データとを精度良く得ることが可能になるとともに、その製造を容易に行うことができる。

（第二実施形態）
図７は、本発明の第二実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。図７において図１と同じ構成には同一符号を付してある。図８は、図７に破線（ウ）で囲った４つの画素の断面を１つに合成して図示したものである。図８において図２と同じ構成には同一符号を付してある。

図７に示す固体撮像素子３００は、図１のＹＷ画素行に含まれる画素２０２Ｗを画素２０２ＩＲに変更し、列信号線２０８と列信号線２０９を列信号線３０９に変更した構成となっている。列信号線３０９は、各画素列に対応してその側部に列方向Ｙに沿って設けられ、対応する画素列の各画素と画像信号処理部２０４とに接続されている。

図８と図２を比較して分かるように、固体撮像素子３００の画素２０２Ｙは、コンタクト部２２４、電荷蓄積部２１６、信号読出回路２１７、及び電荷蓄積部２１６と信号読出回路２１７の境界上方のポリ配線層２１８を省略した構成となっている。又、固体撮像素子３００の画素２０２Ｗは、コンタクト部２２４、電荷蓄積部２１６、信号読出回路２１７、及び電荷蓄積部２１６と信号読出回路２１７の境界上方のポリ配線層２１８を省略した構成となっている。固体撮像素子３００の画素２０２Ｒは、コンタクト部２２４、電荷蓄積部２１６、信号読出回路２１７、及び電荷蓄積部２１６と信号読出回路２１７の境界上方のポリ配線層２１８を省略した構成となっている。又、固体撮像素子３００の画素２０２ＩＲは、固体撮像素子２００の画素２０２Ｗのカラーフィルタ２２２Ｗ、フォトダイオード２１４、信号読出回路２１５、及びフォトダイオード２１４と信号読出回路２１５の境界上方のポリ配線層２１８を省略した構成となっている。

そして、これら破線（ウ）で囲った画素２０２Ｒ、画素２０２Ｙ、画素２０２Ｗ、及び画素２０２ＩＲの各々に含まれる画素電極２２５は、画素毎に分割されておらず、４つの画素で共通の一枚構成となっている点が図２とは異なっている。又、画素２０２Ｒと画素２０２Ｗの画素２０２Ｙと画素２０２ＩＲの各々の信号読出回路２１５が、各画素に対応する列信号線３０９に接続された点が図２とは異なっている。

次に、このような構成の固体撮像素子３００の動作について説明する。

固体撮像素子３００に光が入射すると、画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２WではＩＲ光が光電変換層２２６に吸収され、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光、紫外光が光電変換層２２６を透過する。第一実施形態の場合と同様に、透過した光は各カラーフィルタの膜厚に応じて適宜吸収される。その結果、画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２Wの各々のフォトダイオード２１４には以下の光が入射し、吸収される。
画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４：Ｒ光
画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４：ＲとＧ光とを併せた光
画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４：Ｒ光とＧ光とＢ光とを併せた光

画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４では、入射したＲ光の光量に応じたＲ信号電荷が発生する。Ｒ信号電荷に応じたＲ信号は、画素２０２Ｒの信号読出回路２１５から列信号線３０９に出力される。

画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４では、入射したＲ光とＧ光の光量に応じたＹ信号電荷が発生する。Ｙ信号電荷に応じたＹ信号は、画素２０２Ｙの信号読出回路２１５から列信号線３０９に出力される。

画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４では、入射したＲ光とＧ光とＢ光の光量に応じたＷ信号電荷が発生する。Ｗ信号電荷に応じたＷ信号は、画素２０２Ｗの信号読出回路２１５から列信号線３０９に出力される。

従って、Ｙ信号からＲ信号を減算することでＧ光に対応するＧ信号が得られる。また、W信号からＹ信号を減算することでＢ光に対応するＢ信号が得られる。そして、このようにして求めたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号を用いることによりＲＧＢカラー画像データを生成することができる。第一実施形態とは信号の出てくる順序が異なるため、信号処理回路は異なったものになる。実際には、Ｂ信号、Ｇ信号を得る際に、単純に減算ではなく、各フィルタの特性に合わせたマトリクスを用いて演算することにより、Ｂ信号、Ｇ信号を精度良く得ることが可能になる。

画素２０２ＩＲでは、入射したＩＲ光の光量に応じたＩＲ信号電荷が光電変換層２２６で発生し、このＩＲ信号電荷が、画素電極２２５に集約され、コンタクト部２２４を通って、電荷蓄積部２１６に蓄積される。そして、電荷蓄積部２１６に蓄積されたＩＲ信号電荷に応じたＩＲ信号が、信号読出回路２１７から列信号線３０９に出力される。このＩＲ信号を用いることで、赤外画像データを生成することができる。

このように、固体撮像素子３００は、画素２０２Ｗと画素２０２Ｙと画素２０２Ｒと画素２０２ＩＲからなるユニットを多数有した構成であり、画素単位で電荷蓄積部２１６を設けるのではなく、ユニット単位で電荷蓄積部２１６を設けた構成となっている。このような構成により、各画素には１つの信号読出回路および１本の列信号線のみを設ければ良くなる。このため、第一実施形態と比較して画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２Wのフォトダイオード２１４の面積を大きくすることが可能になり、感度を向上させることができる。又、第一実施形態の構成に比べて、出力されるＩＲ信号の数が１／４になってしまうが、その分、画素電極２２５の面積が４倍となっているため、ＩＲ信号の感度を向上させることができる。

（第三実施形態）
本発明の第三実施形態である固体撮像素子の平面模式図は図１に示したものと同じであるため、これを援用して説明する。

図９は、第三実施形態である固体撮像素子の図１に示す破線（イ）で囲った４つの画素の断面を１つに合成して図示したものである。図９において図２と同様の構成には同一符号を付してある。
図９に示すように、第三実施形態の固体撮像素子４００は、第一実施形態の固体撮像素子２００のカラーフィルタ２２２Ｒ，２２２Ｙ，２２２Ｗを削除し、画素２０２Ｒ，画素２０２Ｙ，画素２０２Ｗの各々のフォトダイオード２１４の構成を全て同一でなく、そのフォトダイオード２１４で検出すべき波長に応じて変更したものとなっている。

固体撮像素子４００では、カラーフィルタによって光を分光するのではなく、フォトダイオードのp層２１３を利用して、分光を行うものとしている。具体的には、ｐ層２１３の厚みが各画素毎に異なることが特徴となっている。

フォトダイオード２１４においては、ｎ層２１２とｐ層２１３とにより形成される空乏層において光電変換が行われる。ｎ層２１２の不純物濃度とｐ層２１３の不純物濃度を調整することにより、この空乏層の幅を決定することが可能になる。

第一実施形態でも説明したように、ｐ層２１３の不純物濃度は、ｎ層２１２の不純物濃度よりも大きくなっている。このため、空乏層がｐ層２１３とｎ層２１２の界面から、ｎ層２１２中に広がる構造となっている。このような構造にすると、ｐ層２１３では光電変換が行われず、光の吸収のみがおこる。したがって、ｐ層２１３は、フォトダイオード２１４に対してフィルタの役割を担うことになる。

図１０は、結晶シリコンの各波長に対する吸収係数と、浸入距離を示した図である。図１０に示すように、短波長の光ほど吸収係数が大きく表面付近で吸収され、長波長の光ほど浸入距離が大きく、より深い位置まで到達すること分かる。即ち、ｐ層２１３の厚みを変えることで、ｎ層２１２に到達させる光の波長域を調整することができる。固体撮像素子４００では、このことを利用して、各画素のｐ層２１３の厚みを変えることで分光を行っている。

例えば、ｐ層２１３の厚みを、画素２０２Ｗでは０．１μｍ、画素２０２Ｙでは０．３μｍ、画素２０２Ｒでは０．８μｍとすることで、画素２０２Ｗのｐ層２１３では紫外光を吸収させ、画素２０２Ｙのｐ層２１３では紫外光とＢ光を吸収させ、画素２０２Ｒのｐ層２１３では紫外光とＢ光とＧ光を吸収させることが可能となる。尚、ｐ層２１３の厚みは、画素２０２Ｗでは０〜１．０μｍ、画素２０２Ｙでは０．０１〜１．５μｍ、画素２０２Ｒでは０．０１〜２．０μｍの範囲に設定し、且つ、画素２０２Ｗのｐ層２１３の厚さ＜画素２０２Ｙのｐ層２１３の厚さ＜画素２０２Ｒのｐ層２１３の厚さとなっていることが望ましい。

このような構成により、画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４は、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光を併せた光を検出する第１の光電変換素子として機能し、画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４は、Ｒ光，Ｇ光を併せた光を検出する第２の光電変換素子として機能し、画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４は、Ｒ光を検出する第３の光電変換素子として機能する。このように、固体撮像素子４００の半導体基板内には、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子との３種類の光電変換素子が、半導体基板表面に平行な方向に配列して形成された構成となっている。

次に、固体撮像素子４００の動作について説明する。
固体撮像素子４００に光が入射すると、第一実施形態の場合と同様に、入射光のうちのＩＲ光が光電変換層２２６で吸収される。光電変換層２２６からＩＲ信号を読み出す過程は第一実施形態と同様なので、説明は省略する。

画素２０２Ｗにおいては、光電変換層２２６を透過した光のうち、紫外光がｐ層２１３に吸収される。そして、Ｂ光・Ｇ光・Ｒ光がｐ層２１３を透過して、ｎ層２１２に吸収される。

画素２０２Ｙにおいては、光電変換層２２６を透過した光のうち、紫外光とＢ光がｐ層２１３に吸収される。そして、Ｇ光・Ｒ光がｐ層２１３を透過して、ｎ層２１２に吸収される。

画素２０２Ｒにおいては、光電変換層２２６を透過した光のうち、紫外光とＢ光とＧ光がｐ層２１３に吸収される。そして、Ｒ光がｐ層２１３を透過して、ｎ層２１２に吸収される。

各フォトダイオード２１４では、それぞれに入射した波長域・光量に応じた信号が得られる。したがって、各画素の信号読出回路２１５から得られるＲ信号，Ｙ信号，Ｗ信号は以下の波長域の光量に従った信号になる。
画素２０２Ｒから得られるＲ信号：Ｒ光に対応した信号
画素２０２Ｙから得られるＹ信号：Ｒ光とＧ光の合計に対応した信号
画素２０２Ｗから得られるＷ信号：Ｒ光とＧ光とＢ光の合計に対応した信号

これらの信号出力の形式は、第一実施形態の場合と同様であり、第一実施形態の場合と同様に信号を扱うことで赤外画像データとＲＧＢ画像データを同時に精度良く得ることが可能になる。

固体撮像素子４００は、半導体基板にｐ層２１３を設ける際の、イオンの打ち込み深さと濃度を制御することによりフィルタを構成している。イオンの打ち込み深さおよび濃度の制御は、通常の半導体製造工程で用いられる構成であり、容易に制御可能である。又、無機層２１０内にカラーフィルタを形成する必要がないため、無機層２１０の製造プロセスを簡易化することができる。

又、半導体基板上に設けられる配線層についても、通常の半導体の配線と同じであるため容易に製造可能である。

したがって、本実施形態の固体撮像素子も第一実施形態と同様に、容易に製造が可能で、赤外画像データとＲＧＢ画像データを同時に精度良く得ることができる。

（第四実施形態）
本発明の第四実施形態である固体撮像素子の平面模式図は図７に示したものと同じであるため、これを援用して説明する。

図１１は、第四実施形態である固体撮像素子５００の図７に示す破線（ウ）で囲った４つの画素の断面を１つに合成して図示したものである。尚、図１１において図８と同様の構成には同一符号を付してある。

図１１と図８を比較して分かるように、固体撮像素子５００の画素２０２Ｙは、固体撮像素子３００の画素２０２Ｙのカラーフィルタ２２２Ｙを省略した構成となっている。又、固体撮像素子５００の画素２０２Ｗは、固体撮像素子３００の画素２０２Ｗのカラーフィルタ２２２Ｗを省略した構成となっている。又、固体撮像素子５００の画素２０２Ｒは、固体撮像素子３００の画素２０２Ｒのカラーフィルタ２２２Ｒを省略した構成となっている。

そして、これら破線（ウ）で囲った画素２０２Ｒ、画素２０２Ｙ、及び画素２０２Ｗの各々に含まれるフォトダイオード２１４の構造は、第三実施形態で説明したように、それぞれ異なる構造、即ち、ｐ層２１３の厚みが異なる構造となっている。固体撮像素子５００の画素２０２Ｒ、画素２０２Ｙ、及び画素２０２Ｗの各々に含まれるフォトダイオード２１４の構造は、固体撮像素子４００の画素２０２Ｒ、画素２０２Ｙ、及び画素２０２Ｗの各々に含まれるフォトダイオード２１４の構造と同一である。

次に、このような構成の固体撮像素子５００の動作について説明する。

固体撮像素子５００に光が入射すると、画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２WではＩＲ光が光電変換層２２６に吸収され、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光、紫外光が光電変換層２２６を透過する。第四実施形態の場合と同様に、透過した光は各ｐ層２１３の厚さに応じて適宜吸収される。その結果、画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２Wの各々のｎ層２１２には以下の波長域の光が入射し、吸収される。
画素２０２Ｒのｎ層２１２：Ｒ光
画素２０２Ｙのｎ層２１２：Ｒ光とＧ光を併せた光
画素２０２Ｗのｎ層２１２：Ｒ光とＧ光とＢ光を併せた光

画素２０２Ｒのフォトダイオード２１４の空乏層では、入射したＲ光の光量に応じたＲ信号電荷が発生する。Ｒ信号電荷に応じたＲ信号は、画素２０２Ｒの信号読出回路２１５から列信号線３０９に出力される。

画素２０２Ｙのフォトダイオード２１４の空乏層では、入射したＲ光とＧ光の光量に応じたＹ信号電荷が発生する。Ｙ信号電荷に応じたＹ信号は、画素２０２Ｙの信号読出回路２１５から列信号線３０９に出力される。

画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４の空乏層では、入射したＲ光とＧ光とＢ光の光量に応じたＷ信号電荷が発生する。Ｗ信号電荷に応じたＷ信号は、画素２０２Ｗの信号読出回路２１５から列信号線３０９に出力される。

従って、Ｙ信号からＲ信号を減算することでＧ光に対応するＧ信号が得られる。また、W信号からＹ信号を減算することでＢ光に対応するＢ信号が得られる。そして、このようにして求めたＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号を用いることによりＲＧＢカラー画像データを生成することができる。第三実施形態とは信号の出てくる順序が異なるため、信号処理回路は異なったものになる。実際には、Ｂ信号、Ｇ信号を得る際に、単純に減算ではなく、各フィルタの特性に合わせたマトリクスを用いて演算することにより、Ｂ信号、Ｇ信号を精度良く得ることが可能になる。

このように、固体撮像素子５００は、画素２０２Ｗと画素２０２Ｙと画素２０２Ｒと画素２０２ＩＲからなるユニットを多数有した構成であり、画素単位で電荷蓄積部２１６を設けるのではなく、ユニット単位で電荷蓄積部２１６を設けた構成となっている。このような構成により、各画素には１つの信号読出回路および１本の列信号線のみを設ければ良くなる。このため、第三実施形態と比較して画素２０２Ｒ，２０２Ｙ，２０２Wのフォトダイオード２１４の面積を大きくすることが可能になり、感度を向上させることができる。又、第三実施形態の構成に比べて、出力されるＩＲ信号の数が１／４になってしまうが、その分、画素電極２２５の面積が４倍となっているため、ＩＲ信号の感度を向上させることができる。

（第五実施形態）
図１２は、本発明の第五実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図１２に示す固体撮像素子６００は、シリコン等の基板６０１上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに二次元状に配列された多数の画素６０２を備える。

図１２に示すように、固体撮像素子６００の画素配列は、行方向Ｘに配列された複数の画素６０２からなる画素行を列方向Ｙに複数配列したものとなっている。固体撮像素子６００の画素配列は図１２に示したものにかぎらず、例えば画素６０２を市松状に配列した構成としても良い。

基板６０１の側部には行選択走査部６０３が設けられ、下辺部には画像信号処理部６０４が設けられている。又、基板６０１には、画素を選択するためのタイミングパルスを生成したり、画素を駆動するための各種制御信号を生成したりする制御部６０５が適宜箇所に設けられている。

各画素行の上側部には、その画素行に対応させてリセット信号線６０６と行選択信号線６０７の２本の信号線が行方向Ｘに延びて設けられている。リセット信号線６０６と行選択信号線６０７は、それに対応する画素行の各画素と、行選択走査部６０３とに接続されている。

列方向Ｙに配列された複数の画素６０２からなる画素列の右側部には、その画素列に対応させて列信号線６０８Ｒと列信号線６０８Ｇと列信号線６０８Ｂと列信号線６０８ＩＲとの４本の信号線が列方向Ｙに延びて設けられている。これらの列信号線は、それに対応する画素行の各画素と、画像信号処理部６０４とに接続されている。

図１３は、図１２に示す画素の断面模式図である。
基板６０１は例えばｐ型のシリコン基板であり、基板６０１上には無機材料のみからなる無機層６０９が形成されている。無機層６０９上には、光電変換層２２６と同じ機能を有する光電変換層６１８が形成されている。光電変換層６１８上には、入射光に対して透明な材料（例えば、ＩＴＯや薄い金属膜）からなる共通電極６１９が形成されている。共通電極６１９上には、入射光に対して透明な保護層６２０が形成されている。これら光電変換層６１８、共通電極６１９、及び保護層６２０は、全ての画素で共通の１枚構成となっている。保護層６２０上の各画素に対応する位置には、各画素に入射光を集光するためのマイクロレンズ６２１が形成されている。

尚、光電変換層６１８と共通電極６１９は、それぞれ画素毎に対応して分割してあっても良い。共通電極６１９を画素毎に分割した場合は、分割した共通電極６１９を共通配線で接続して、それぞれに同一のバイアス電圧が印加できるようにしておけば良い。

画素６０２の無機層２１０の最上層には、画素毎に分割された画素電極６１７が形成されている。画素電極６１７は、共通電極６１９と同様に、入射光に対して透明な材料（例えば、ＩＴＯや薄い金属膜）で構成されている。この画素電極６１７と、この画素電極６１７に対向する共通電極６１９と、これらに挟まれた光電変換層６１８とにより、ＩＲ光を検出するＩＲ光電変換素子が構成される。

画素６０２の基板６０１の表面から内側には画素毎に分離されたｎウェル層６１０が形成されている。ｎウェル層６１０の表面から内側にはｐ層６１１が形成され、ｐ層６１１の表面から内側にはｎ層６１２が形成されている。

図１４に、図１３のＡ−Ａ’断面のポテンシャル図を示す。
基板６０１内において、ｎ層６１２の表面電位がその周囲よりも高くなる。このため、ｎ層６１２によって形成される空乏層が電子を収集する第１のフォトダイオード６２２Ｂを構成する。

ｎ層６１２、ｐ層６１１、及びｎウェル層６１０の積層構造により、ｐ層６１１を中心に空乏層が広がり、ｐ層６１１は周囲よりも電位が低くなる。このため、ｐ層６１１によって形成される空乏層が、正孔を収集する第２のフォトダイオード６２２Ｇを構成する。

ｐ層６１１、ｎウェル層６１０、及び基板６０１の積層構造により、ｎウェル層６１０を中心に空乏層が広がり、ｎウェル層６１０は周囲よりも電位が高くなる。このため、ｎウェル層６１０によって形成される空乏層が電子を収集する第３のフォトダイオード６２２Ｒを構成する。

本実施形態では、例えば、基板６０１表面から約２．０μｍの深さまでの領域にｎウェル層６１０を形成し、ｎウェル層６１０表面から深さ約０．６μｍまでの領域にｐ層６１１を形成し、ｐ層６１１表面から深さ約０．２μｍまでの領域にｎ層６１２を形成している。

図１０に示したように、シリコン基板中では短波長の光ほど表面付近で吸収される。したがって、このような構成にすることで、フォトダイオード６２２Ｂは主にＢ光を吸収し、フォトダイオード６２２Ｇは主にＧ光を吸収し、フォトダイオード６２２Ｒは主にＲ光を吸収するものとして機能する。

画素６０２の基板６０１には、更に、信号読出回路６１３が形成されている。信号読出回路６１３は、ｎ層６１２、ｐ層６１１、及びｎウェル層６１０の各々に蓄積された電荷を電圧信号に変換して列信号線６０８Ｒ，６０８Ｇ，６０８Ｂに出力するものである。信号読出回路６１３は、例えば既存のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる３トランジスタ構成または４トランジスタ構成等のトランジスタ回路が用いることができる。

画素６０２の基板６０１には、画素６０２のＩＲ光電変換素子の光電変換層６１８で発生した電荷を蓄積するための例えばｎ層からなる電荷蓄積部６１４が形成されている。電荷蓄積部６１４には図示しないＭＯＳ回路等からなる信号読出回路が接続され、この信号読出回路が列信号線６０８ＩＲに接続されている。

電荷蓄積部６１４上の無機層６０９内にはアルミニウム等からなるコンタクト部６１６が形成されている。コンタクト部６１６上には画素６０２の画素電極６１７が形成されている。コンタクト部６１６は、画素電極６１７と電荷蓄積部６１４とに直接接続され、これらを電気的に接続する接続手段として機能する。

次に、固体撮像素子６００の動作について説明する。

固体撮像素子６００に光が入射すると、各画素６０２の光電変換層６１８にてＩＲ光が吸収され、吸収したＩＲ光の光量に応じたＩＲ信号電荷が発生し、発生したＩＲ信号電荷が、画素電極６１７に集約されて、コンタクト部６１６を通り、このＩＲ信号電荷に応じたＩＲ信号が、信号読出回路を介して列信号線６０８ＩＲへと出力される。

光電変換層６１８を透過した可視光のうち、Ｂ光は基板６０１表面から深さ約０．４μｍまでの領域で吸収される。したがって、Ｂ光はフォトダイオード６２２Ｂの領域で吸収されることになる。フォトダイオード６２２Ｂでは入射した青色光の光量に応じて電子が発生する。発生した電子に応じたＢ信号は、信号読出回路６１３により列信号線６０８Ｂに出力される。

光電変換層６１８を透過した可視光のうち、Ｇ光は基板６０１表面から深さ約１．５μｍまでの領域で吸収される。したがって、Ｇ光はフォトダイオード６２２Ｇの領域で吸収されることになる。フォトダイオード６２２Ｇでは入射したＧ光の光量に応じて正孔が発生する。発生した正孔に応じたＧ信号は、信号読出回路６１３により列信号線６０８Ｇに出力される。

光電変換層６１８を透過した可視光のうち、Ｒ光は基板６０１表面から深さ約５．０μｍまでの領域で吸収される。したがって、Ｒ光はフォトダイオード６２２Ｒの領域で吸収されることになる。フォトダイオード６２２Ｒでは入射したＲ光の光量に応じて電子が発生する。発生した電子に応じたＲ信号は、信号読出回路６１３により列信号線６０８Ｒに出力される。

上記手法により得られたＢ信号、Ｇ信号、Ｒ信号を用いることで、ＲＧＢカラー画像を生成することができる。実際には、得られたＢ信号、Ｇ信号、Ｒ信号をシリコンの吸収に合わせたマトリクスを用いて演算することにより、ＲＧＢカラー画像を精度良く得ることが可能になる。

本実施形態では、1つの画素６０２から、Ｂ信号、Ｇ信号、Ｒ信号、ＩＲ信号の４つの信号が得られるため、高い解像度のＩＲ画像とＲＧＢカラー画像とを得ることができる。

本実施形態の素子の製造は、半導体基板にイオン注入する際の打ち込み深さと濃度を制御することが必要となる。イオンの打ち込み深さおよび濃度の制御は、通常の半導体製造工程で用いられる構成であり、容易に制御可能である。又、本実施形態の固体撮像素子は、無機層６０９内や光電変換層６１８上方にカラーフィルタを形成する必要がないため、その製造が容易になると共に、光電変換層６１８の特性劣化を防ぐこともできる。

したがって、本実施形態の固体撮像素子６００も他の実施形態と同様に、容易に製造が可能で、赤外画像データとＲＧＢ画像データを同時に精度良く得ることができる。

（その他の変形例）
（１）第一実施形態及び第二実施形態の固体撮像素子では、画素２０２Wのカラーフィルタ２２２Wを省略することも可能である。カラーフィルタ２２２Wは、紫外光をカットし可視光を透過する紫外カットフィルタの役割を果たすため、固体撮像素子を搭載するカメラシステムの中に紫外カットフィルタが別に存在する場合には、カラーフィルタ２２２Wは不要となる。カラーフィルタ２２２Ｗを省略した場合には、画素２０２Ｗのフォトダイオード２１４の感度を上げられるという利点がある。
（２）第一実施形態及び第二実施形態の固体撮像素子では、カラーフィルタを単一の無機材料を用いて形成しているが、所定の波長より短い波長の吸収率を高くし、当該所定の波長よりも長い波長の吸収率を低くすることができれば、これに限らない。例えば、異なる無機材料を積層した構造のカラーフィルタとしても良い。
（３）第一実施形態〜第五実施形態では、光電変換層２２６，６１８を単一の層としているが、これらを電荷ブロッキング層やバッファ層などを含む積層構造としても構わない。
（４）第一実施形態〜第五実施形態では、各画素の最上部にマイクロレンズを設置しているが、設置しなくても良い。特に、開口率（画素に占めるフォトダイオードの面積の割合）が大きい場合には、マイクロレンズは設置する必要はない。
（５）第一実施形態〜第五実施形態では、各画素の読み出し回路は各色につき１つ設けているが、一般に使われる画素トランジスタ共有の手法を用いても良い。
（６）第一実施形態〜第五実施形態では、半導体基板内に設けられる光電変換素子の種類を３種類としたが、これは半導体基板内の光電変換素子から得られる信号でカラー画像を生成するためであり、カラー画像を生成することができるのであれば、３種類に限らず、２種類や４種類以上としても良い。

本明細書において、「ある波長域の光を透過する」とは、例えば、その波長域の光を約６０％以上透過することを言い、「ある波長域の光を吸収する」とは、例えば、その波長域の光を約５０％以上吸収することを言う。

本発明の第一実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図図１に破線（イ）で囲った４つの画素の断面図を１つに合成した図第一実施形態の固体撮像素子の光電変換層と各カラーフィルタの透過率を示した図図２に示した固体撮像素子の製造方法を説明するための図図２に示した固体撮像素子の製造方法を説明するための図図２に示した固体撮像素子の製造方法を説明するための図本発明の第二実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図図７に破線（ウ）で囲った４つの画素の断面図を１つに合成した図第三実施形態である固体撮像素子の図１に示す破線（イ）で囲った４つの画素の断面図を１つに合成した図結晶シリコンの各波長に対する吸収係数と、浸入距離を示した図第四実施形態である固体撮像素子５００の図７に示す破線（ウ）で囲った４つの画素の断面図を１つに合成した図本発明の第五実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図図１２に示す画素の断面模式図図１３のＡ−Ａ’断面のポテンシャル図

符号の説明

２００固体撮像素子
２０１ｎ型シリコン基板
２０９無機層
２１１ｐウェル層
２１４フォトダイオード
２２２ＲＲ光透過カラーフィルタ
２２２ＹＲ，Ｂ光透過カラーフィルタ
２２２ＷＲ，Ｇ，Ｂ光透過カラーフィルタ
２２６赤外光電変換層

Claims

半導体基板上方に形成された赤外光を吸収してこれに応じた電荷を発生する赤外光電変換層を有する固体撮像素子であって、
前記半導体基板内に、前記半導体基板表面に平行な方向に配列して形成された多数の光電変換素子を備え、
前記多数の光電変換素子は、可視光のうちのそれぞれ異なる波長域の光を検出するための複数種類の光電変換素子からなり、
前記半導体基板と前記赤外光電変換層との間には無機材料からなる無機層のみが設けられ、
前記無機層は、前記各々の光電変換素子に対応して、その光電変換素子で検出すべき波長域の光を透過する無機材料で構成されたカラーフィルタを含み、
前記赤外光電変換層上方には、入射光を、前記複数種類の光電変換素子の各々で検出させるべき複数種類の色成分に分光するための分光手段が設けられていない固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記各々の光電変換素子に対応するカラーフィルタが全て同一材料で構成され、
前記カラーフィルタの膜厚が、当該カラーフィルタに対応する前記光電変換素子の種類に応じて異なっている固体撮像素子。
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記カラーフィルタが、膜厚によって規定されるカットオフ波長を有し、前記カットオフ波長よりも長波長の光は透過し、前記カットオフ波長よりも短波長の光は遮断し、膜厚が厚いほど前記カットオフ波長が大きくなる無機材料で構成されている固体撮像素子。
請求項３記載の固体撮像素子であって、
前記無機材料が、ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む固体撮像素子。
請求項３又は４記載の固体撮像素子であって、
前記複数種類の光電変換素子が、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子との３種類の光電変換素子であり、
前記第１の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタは、そのカットオフ波長が緑色光の波長域と赤色光の波長域との境界近傍となるような膜厚であり、
前記第２の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタは、そのカットオフ波長が青色光の波長域と緑色光の波長域との境界近傍となるような膜厚であり、
前記第３の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタは、そのカットオフ波長が紫外光の波長域と青色光の波長域との境界近傍となるような膜厚である固体撮像素子。
請求項５記載の固体撮像素子であって、
前記第３の光電変換素子に対応する前記カラーフィルタを省略した固体撮像素子。
請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記無機層の最上層に形成された第１の電極と、
前記赤外光電変換層上に形成された前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え、
前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが前記多数の光電変換素子の各々に対応して分割されており、
前記半導体基板内に前記多数の光電変換素子の各々に対応して形成され、前記赤外光電変換層で発生した電荷を蓄積するための多数の電荷蓄積部と、
前記分割された前記第１の電極又は前記第２の電極と、それに対応する前記電荷蓄積部とを電気的に接続する接続部とを備える固体撮像素子。
請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記多数の光電変換素子が前記複数種類の光電変換素子からなる多数のユニットに分割され、
前記無機層の最上層に形成された第１の電極と、
前記赤外光電変換層上に形成された前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え、
前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが前記ユニットに対応して分割されており、
前記半導体基板内に前記ユニットに対応して形成された前記赤外光電変換層で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部と、
前記分割された前記第１の電極又は前記第２の電極と、それに対応する前記電荷蓄積部とを電気的に接続する接続部とを備える固体撮像素子。
半導体基板内に、前記半導体基板表面に平行な方向に配列された多数の光電変換素子と、前記半導体基板上方に形成された赤外光を吸収してこれに応じた電荷を発生する赤外光電変換層と、前記赤外光電変換層を挟む前記多数の光電変換素子の各々に対応して分割された第１の電極及び前記多数の第１の電極に対向する第２の電極とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記半導体基板内に多数の光電変換素子を形成する工程と、
前記半導体基板内に、前記赤外光電変換層で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記第1の電極を含む、無機材料からなる無機層のみを形成する工程と、
前記第１の電極上に前記赤外光電変換層を形成し、この上に前記第２の電極を形成する工程とを備え、
前記無機層のみを形成する工程が、前記多数の光電変換素子の各々の上方に、前記各々の光電変換素子で検出すべき波長域の光を透過する無機材料からなるカラーフィルタを形成する工程と、前記カラーフィルタ上方に絶縁層を形成する工程と、この絶縁層上に前記第１の電極を形成する工程と、前記第１の電極と前記半導体基板との間の層内に、前記電荷蓄積部と前記第１の電極とを接続する導電性材料からなるコンタクト部を形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
請求項９記載の製造方法であって、
前記無機層のみを形成する工程が、更に、前記第1の電極を形成する工程の前に、前記絶縁層の最表面を平滑化する工程を含む固体撮像素子の製造方法。