JP5223225B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、深さ方向に二層の受光層を有する固体撮像装置に関し、特に複雑な構成にすることなく優れた色再現性が得られる固体撮像装置に関する。

一般に広く普及しているビデオカメラや電子カメラには、ＣＣＤ（Charge coupled device）方式の固体撮像装置や、各画素にアンプを配置したＣＭＯＳ（Complementary metal oxide semiconductor）からなるＸ−Ｙアドレス方式による固体撮像装置等が用いられる。

これらの固体撮像装置では、画素がマトリクス状に複数配置され、各画素にて光電変換が行われることで、入射光強度に対応する信号電荷が生成される。ＣＭＯＳ型固体撮像装置では、生成された信号電荷は、走査回路から出力される回路駆動信号に従って、画素アンプによって信号電荷が電圧信号に変換され信号線等を介してイメ−ジセンサ外部に取り出される。ＣＭＯＳ型固体撮像装置は、例えば特許文献１に開示されている。

このような固体撮像装置において、カラ−画像の信号を取得するために、カラ−フィルタが各受光部の入射光側に配置されるが通例である。カラ−フィルタは、光の三原色をそれぞれの光成分に応じて得る目的上、ＲＧＢの各色からなる赤緑青のいずれか一色が画素上に個々配置される。

しかし、カラ−フィルタは、そのフィルタにかかる色との関係で、入射光のうちの一部の波長しか透過させないので、受光素子面積に対する入射光の利用効率としては、必ずしも良いとはいえない。このため、近年、Ｓｉ半導体においては、波長ごとに光吸収率が異なることを利用して、入射光の深さ方向に複数の受光部を設けるカラ−固体撮像装置が提案され、実用化されている。このような構成は、例えば特許文献２に開示されている。
特開２０００―７７６４２号公報 特開平７−７４３４０号公報

しかし、入射光の深さ方向に三層構造の受光部を構成することは、素子作製上容易ではなく、また、各層からの信号の読み出しも深部から読み出す必要があるなど困難であった。また、Ｓｉ半導体の波長別吸収特性のみに基づく色分離も理想的とはいえず、読み出した信号の色再現性も十分なものではなかった。

本発明は、このような状況に鑑みて成されたものであり、比較的作製の容易な二層構造の固体撮像装置を用いて、優れた色再現性を備える固体撮像装置を実現することを目的とする。

この発明にかかる一の固体撮像装置は、入射光により電荷を生成し蓄積する複数の受光層と、複数の受光層の電荷を各々転送する複数の転送トランジスタと、複数の転送トランジスタにより各々転送された電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、増幅トランジスタの電圧信号を読み出し可能とする選択トランジスタと、フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、を有する基本画素ユニットをマトリクス状に複数配列し、二以上の受光層は、入射光の入射側の平面上にそれぞれ一層目受光層として設けられ、一の受光層は、一層目受光層の光透過側に、二以上の一層目受光層の全部又は一部にまたがって二層目受光層として設けられ、一層目受光層それぞれの入射光側には、補色型カラーフィルタの波長選択手段が配置されることを特徴とする。
この発明にかかる他の固体撮像装置は、複数の受光素子と、複数の受光素子の電荷を各々転送する複数の転送トランジスタと、複数の転送トランジスタにより各々転送された電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、増幅トランジスタの電圧信号を読み出し可能とする選択トランジスタと、フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、を有する基本画素ユニットをマトリクス状に複数配列し、二以上の受光素子は、入射光の入射側の一層目に設けられ、一の受光素子は、二以上の受光素子の全部又は一部にまたがった入射光を受光する面積を有し、一層目の光透過側に設けられ、二以上の受光素子それぞれの入射光側には、補色型カラーフィルタの波長選択手段が配置されることを特徴とする。

また、好ましくは二以上の一層目受光層が、青色受光層と緑色受光層とから構成され、二層目受光層は、赤色受光層であることを特徴とする。

また、さらに好ましくは青色受光層に配置される補色型カラーフィルタは、マゼンダであり、緑色受光層に配置される補色型カラーフィルタは、イエローであることを特徴とする。

また、さらに好ましくは二層目受光層が、二以上の一層目受光層を透過した異なる特性の透過光の全部又は一部を受光することを特徴とする。
また、さらに好ましくは二以上の受光素子は、青色検出用と緑色検出用との受光素子から構成され、一の受光素子は、赤色検出用の受光素子であることを特徴とする。
また、さらに好ましくは青色検出用の受光素子に配置される補色型カラーフィルタは、マゼンダであり、緑色検出用の受光素子に配置される補色型カラーフィルタは、イエローであることを特徴とする。

また、この発明にかかる別の固体撮像装置は、半導体基板上に、複数の受光層と、複数の受光層の電荷を各々転送する複数の転送トランジスタと、複数の転送トランジスタにより各々転送された電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、増幅トランジスタの電圧信号を読み出し可能とする選択トランジスタと、フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、を有する基本画素ユニットをマトリクス状に複数配列し、基本画素ユニットは、半導体基板の所定の深さの位置に、マゼンダの補色型カラーフィルタを半導体基板の表面側に設けた青色受光層と、イエローの補色型カラーフィルタを半導体基板の表面側に設けた緑色受光層とからなる二以上の受光層をそれぞれ一層目受光層として備え、基本画素ユニットは、一層目受光層より深部に赤色受光層を二層目受光層として備え、赤色受光層は、表面側から見て、青色受光層と緑色受光層とにまたがって設けられることを特徴とする。

また、好ましくは赤色受光層の電荷読み出しにかかる転送トランジスタとフローティングディフュージョン部が、青色受光層と緑色受光層との間に配置されることを特徴とする。

また、この発明にかかるさらに別の固体撮像装置は、入射光側から順に、補色型フィルタと一層目受光層と二層目受光層とを備え、入射光を光電変換して撮像する固体撮像素子を備える固体撮像装置であって、一層目受光層は、各々透過波長帯の異なる補色型フィルタ−が独立に設けられる二以上の受光層が、入射光の入射側の平面上に設けられ構成されたものであり、二層目受光層は、二以上の受光層を各々透過した二以上の透過光を受光し、二以上の受光層間に設けられた第一の受光層とほぼ同じ深さの凸部を有し、凸部を介して電荷読み出しがされることを特徴とする。

本発明により、より高分解能で、色再現性もよく作製が容易な固体撮像装置とすることができる。

（第一の実施形態）
以下、本発明の第一の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第一の実施形態にかかる固体撮像装置の入射光検出用の受光素子の配置概念図を示すものである。この図において、青色検出用の受光素子１１１（正確には後述する受光層）と、緑色検出用の受光素子１１３（正確には後述する受光層）とは、赤色検出用の受光素子１１２（正確には後述する受光層）の入射光側に配置される。すなわち、青色検出用の受光素子１１１と緑色検出用の受光素子１１３とが、入射光側から見て一層目であり、赤色検出用の受光素子１１２が入射光側から見て二層目となる。これらの受光素子１１１，１１２，１１３は、Ｓｉ（半導体）基板に設けられる。そして、青色検出用の受光素子１１１と緑色検出用の受光素子１１３は、Ｓｉ基板の表面側に配置され、赤色検出用の受光素子１１２は、それより深部に配置される。

また、赤色検出用の受光素子１１２の受光素子面積は、青色検出用の受光素子１１１の受光素子面積と緑色検出用の受光素子１１３の受光素子面積とを加えた大きさにおおよそ等しい。すなわち、青色検出用の受光素子１１１と緑色検出用の受光素子１１３を透過した入射光は、赤色検出用の受光素子１１２で受光される。

この形態では、青色検出用の受光素子１１１の受光素子面積と緑色検出用の受光素子１１３の受光素子面積とはほぼ等しいので、赤色検出用の受光素子１１２の受光素子面積は、青色検出用の受光素子１１１及び緑色検出用の受光素子１１３の受光素子面積のおおよそ二倍となる。また、各受光素子１１１、１１２、１１３は後述するように受光層を有するが、各色の受光層の総面積についても、各色受光素子面積の上述の関係とほぼ同様となる。そして、青色検出用の受光素子１１１と緑色検出用の受光素子１１３と赤色検出用の受光素子１１２とで、ＲＧＢなる光の三原色を検出できる一の基本画素ユニットが構成される。

これについて図２に、本発明の第一の実施形態にかかる固体撮像装置の基本画素ユニット概念図としてさらに詳細に示す。図２は、入射光側から投影観察した二つの基本画素ユニット概略平面図である。また、以下の実施形態の説明においては、説明の便宜上、特に断りのない限り、ゲ−ト電極位置をもって各トランジスタ位置として説明することとする。なお、各トランジスタ等のデバイスの構造及び組成設計は、以下の実施形態に限られることなく適宜設計することが可能である。なお、基本画素ユニット１１と基本画素ユニット１２とは、同一の構成であるので前者で説明する。

基本画素ユニット１１は、青色検出用の受光素子１１１と赤色検出用の受光素子１１２と緑色検出用の受光素子１１３とから構成される。赤色検出用の受光素子１１２の受光層は、この図面には示さないが青色検出用の受光素子１１１と緑色検出用の受光素子１１３の下側にわたって二層目の受光層として配置される。

受光素子１１１、１１２、１１３には、入射光により電荷を生成し蓄積する受光層と受光層の電荷を転送する転送トランジスタ１１７と、転送トランジスタにより転送された電荷を蓄積するフロ−ティングディフュ−ジョン（以下ＦＤ：Floating diffusion）部１１８が配置される。各々の受光素子１１１，１１２，１１３の転送トランジスタ及びフロ−ティングディフュ−ジョンはＳｉ基板の表面に設けられ積層されてはいない。

各ＦＤ部は、増幅トランジスタ１１５のゲ−ト電極へ配線接続される。増幅トランジスタ１１５の両サイドに選択トランジスタ１１４とリセットトランジスタ１１６が配置される。各受光素子から、転送トランジスタ１１７によりＦＤ部１１８へと転送された蓄積電荷は、増幅トランジスタ１１５にて電圧に変換される。また、選択トランジスタ１１４は、読み出し行にかかる基本画素ユニットを選択し電圧信号を出力する。リセットトランジスタ１１６は、ＦＤ部１１８を初期状態にリセットする。

図３は、図２に示すＡ−Ａ′部の断面構造図である。図３において、２１は、各受光層へ検出光を集光するマイクロレンズである。また、Ｓｉ基板の表面側に二つの一層目受光層１２１ａ，１２３ａとそれより深部に、二層目の受光層１２２ａとが設けられ、各受光層は、不図示の転送トランジスタを通じてＦＤ部へ電荷を転送できるように構成されている。

これら三つの受光層は、青色検出用の受光層１２１ａと緑色検出用の受光層１２３ａとを一層目とし、赤色検出用の受光層１２２ａを二層目とする。この図においては、各受光層に対応する転送電極やＦＤ部等は、煩雑となるので図示しない。青色検出用の受光層１２１ａの入射光側には、マゼンダの補色型カラ−フィルタ２２が配置される。マゼンダのカラ−フィルタは、紫色の光を透過する。紫色の光は、青色と赤色の光が混色された色である。したがって、青色光や赤色光がマゼンダのカラ−フィルタを透過し、その下の受光層で検出される。すなわち、マゼンダのカラ−フィルタ２２の下には、青色検出用の受光層１２１ａと赤色検出用の受光層１２２ａが配置される。そして、各受光層における入射光の検出信号に対し、差分等の所定の演算処理を行うことで所望の色情報を得ることができる。

また、緑色検出用の受光層１２３ａの入射光側には、イエロ−の補色型カラ−フィルタ２３が配置される。イエロ−のカラ−フィルタは、黄色の光を透過する。黄色の光は、緑色と赤色の光が混色された光である。したがって、緑色光や赤色光がイエロ−のカラ−フィルタを透過し、その下の受光層で検出される。すなわち、イエロ−のカラ−フィルタ２３の下には、緑色検出用の受光層１２３ａと赤色検出用の受光層１２２ａが配置される。

また、赤色検出用の受光層１２２ａは、マゼンダのカラ−フィルタ２２とイエロ−のカラ−フィルタ２３との両方の透過光を受光できるよう、二層目で一体として構成される。換言すれば、マゼンダのカラ−フィルタ２２にかかる青色検出用の受光層１２１ａと、イエロ−のカラ−フィルタ２３にかかる緑色検出用の受光層１２３ａとにまたがって、それらの二層目に一体的受光層として赤色検出用の受光層１２２ａが設けられる。

また図１０は、Ｓｉ半導体における色別の透過光量を表している。透過光量は、赤色光、緑色光、青色光の順に多い。そのため、青色光は、比較的浅い領域１００で大部分が吸収される一方、赤色光は、比較的深部の領域１０２にまで光が到達する。従って、この実施形態にかかる一層目と二層目の受光層の配置は、入射光側から順にＢＧＲをこの順で二つ組み合わせたペアのいずれかとなることが好ましい。

これにより、青色検出用の受光層１２１ａでは赤が少し混じった青を検出でき、緑色検出用の受光層１２３ａでは赤が少し混じった緑を検出できる。さらに、二層目の赤色検出用の受光層１２２ａでは赤紫（マゼンダ）から青が褪せた赤と、黄色（イエロ−）から緑が褪せた赤が混じって検出されることとなる。

ここで、カラ−フィルタの特性は、フィルタごとの差があるので、マゼンダのフィルタを介した赤とイエロ−のフィルタを介した赤の波長分布で相違がある。従って、赤色検出用の受光層１２２ａは、二種類の異なるフィルタを介した赤を併合して検出するので、一種類のフィルタを介した赤のみを検出するよりも、フィルタ調整の自由度が高く、より好ましい赤として検出できることとなる。
また、補色型カラ−フフィルタは、上記のように赤、緑、青（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のうち２色にかかる波長帯の光を透過する。よって、マゼンダのカラ−フィルタに対して赤色と青色、イエロ−のカラ−フィルタに対して赤色と緑色、シアンのカラ−フィルタに対して緑色と青色が透過される。したがって、単色のみ透過するカラ−フィルタとは異なり、少なくとも二つの色にかかる二波長領域を透過し、それを受光できるので、補色型フィルタは、より好ましい。

また、本固体撮像装置は一層目の受光層１２１ａ、１２３ａ同士の間から二層目の受光層である赤色検出用の受光層１２２ａの電荷を読み出している。受光層１２２ａからの電荷を表層部まで導くと凸部１２２ｂが赤色検出用の受光層１２２ａと接続されている。これにより、赤色検出用の受光層１２２ａの転送トランジスタと赤色検出用の受光層１２２ａの受光層端部との最大距離を短くし、転送残しによる残留電荷を低減することができる。

そして、図２に示すように凸部１２２ｂに隣接して転送トランジスタ１２７ｂが備えられ、転送トランジスタ１２７ｂに隣接してＦＤ部１２８ｂが設けられる。凸部１２２ｂの高さ（または表層部からトップまでの深さ）は、一層目の受光層１２１ａ，１２３ａと同等の表層部からの深さとすることが、素子作製上や電荷の読み出し容易の観点から好ましい。

さらに、遮光膜２４が、凸部１２２ｂとカラ−フィルタ層２５の間及び各基本画素ユニット間に設けられる。この遮光膜２４は、配線層２６の配線に遮光の機能を兼ねるように構成される。すなわち、配線が遮光膜２４として利用される。これにより、隣り合うカラ−フィルタを透過した光が混在することによる、いわゆるクロスト−クを低減することができるので、受光層１２１ａと受光層１２３ａとの間で色分解能が向上し好ましい。

また、一層目の受光層の周辺回路や二層目の受光層の周辺回路を図２のように配置することで一層目の受光層を等間隔に配置している。

次に、この実施形態の固体撮像装置を駆動する駆動回路について、図８の第一の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動回路概念図を用いて詳述する。この回路図において、青色検出用の受光素子１１１と赤色検出用の受光素子１１２と緑色検出用の受光素子１１３とを、光電変換にかかる三つのｐ型フォトダイオ−ド（以下ＰＤ：Photo diode）として図２と同符号を用いて示す。

また、この回路概念図は、説明の簡便のため図２の基本画素ユニット１１と基本画素ユニット１２にかかる二つの基本画素ユニットについて示している。この回路概念図からも明らかなように、各色を検出する受光素子で光電変換され蓄えられた電荷は、各ＦＤ部に転送された後、同じ経路にて処理される。また、選択トランジスタ１１４と増幅トランジスタ１１５とリセットトランジスタ１１６は、各基本画素ユニットごとに一つとし、すなわち三色を検出する受光素子間で共用として小型、省電力に寄与している。

ここに示す駆動回路は、水平走査回路８２と垂直走査回路８１と相関二重サンプリング（以下ＣＤＳ：Correlated double sampling）部８４等とから構成される。垂直走査回路８１は、リセット信号ΦＲｓｎ、選択信号ΦＳＬｎ、各転送トランジスタ信号ΦＴｇ１ｎ〜ΦＴｇ３ｎの駆動パルス信号を出力し、各トランジスタの駆動を制御する。

本固体撮像装置の制御タイミングについて、図９の第一の実施形態にかかるタイミングチャ−ト概念図を用いて詳述する。

まず、選択信号ΦＳＬｎがハイレベルとされる。これにより、ｎ行目の行選択トランジスタがオン状態となり、ソ−スフォロア読み出しが開始される。その他の行は、非選択状態である。

ΦＳＬｎがハイレベルにされるのと同時に、リセット信号ΦＲｓｎがハイレベルとされ、ｎ行目のリセットトランジスタ１１６が期間Ｔ１の間オン状態となる。これにより、ＦＤ部１１８ａ及び増幅トランジスタ１１５のゲ−トは初期状態にリセットされ、暗レベルとなる。

Ｔ１の期間終了時にリセットトランジスタ１１６はオフ状態に戻るが、ＦＤ部１１８ａと増幅トランジスタ１１５のゲ−トは、そのまま暗レベルを保持する。また、この動作と並行して、Ｔ２の期間にΦＳＨがハイレベルにされてクランプトランジスタ８３がオン状態となる。これにより、ソ−スフォロア読み出しが行われ、ｎ行目の選択トランジスタ１１４を介して画素アンプから、上述のリセット電圧に対応する暗レベルが垂直信号線に出力される。

期間Ｔ２の終了時において、クランプトランジスタ８３がオフ状態とされると、暗レベルがクランプ容量に保持されたままクランプ容量の出力側の電極がフロ−ティング状態となり、サンプルホ−ルド回路にて暗レベルの保持動作が行われる。

期間Ｔ３において、転送トランジスタ１１７ａへの信号ΦＴｇ１ｎがハイレベルとされ、青色検出用の受光素子１１１の転送トランジスタ１１７ａがオン状態となる。これにより、青色検出用の受光素子１１１に蓄積されていた入射光による生成蓄積電荷が、ＦＤ部１１８ａへと転送される。

そして、この行の選択トランジスタ１１４がオン状態であるため、暗レベルと入射光による生成蓄積電荷との重畳された電圧に相当する電気信号が、垂直信号線８５に出力される。期間Ｔ３の終了時に転送トランジスタ１１7ａはオフ状態とされる。なお、出力された電気信号は、水平走査期間が始まるまでの間、サンプルホ−ルド回路の前段における垂直信号線８５に保持される。

また、期間Ｔ４は水平走査期間を示す。ΦＨ１、ΦＨ2が順次ハイレベルとされて、各列の水平スイッチトランジスタ８６が順次オン状態とされる。これにより、サンプルホ−ルド回路にて暗レベルが相殺されて、入射光により生成された光電荷に対応する電気信号が、各列の垂直信号線８５から水平信号線に読み出される。

このようにして、青色検出用の受光素子１１１の蓄積電荷をＣＤＳ方式により読み出す。同様に、期間Ｔ５〜Ｔ８で赤色検出用の受光素子１１２のＣＤＳ読み出しを行い、期間Ｔ９〜Ｔ１２で緑色検出用の受光素子１１３のＣＤＳ読み出しを行う。これにより、ノイズをＣＤＳにより低減することが可能となる。

同一行の全基本画素ユニットをすべて読み出した後、次の行を同様に読み出す。
（第二の実施形態）
図４に、本発明の第二の実施形態にかかる固体撮像装置の基本画素ユニット概念図を示す。また、図５に、本発明の第二の実施形態にかかる画素投影平面概念図を示す。

本固体撮像装置は、Ｓｉ基板の表面側に受光層を有する四つの受光素子と、それより深部に受光層を有する一つの受光素子を基本画素ユニットとして構成される。すなわち、本固体撮像装置の基本画素ユニットは、赤色検出用の受光素子４３の受光層が二層目に設けられ、その光入射側に緑色検出用の受光素子４１、４４、４６と青色検出用の受光素子４２の受光層が設けられる。しかし、表面側に配置される受光素子は、これに限られない。図１１は、本実施形態の変形例にかかる基本画素ユニットである。このように、Ｓｉ基板表面側に緑色検出用の受光素子４１、４６と青色検出用の受光素子４２、４５が設けられてもよい。

ベイヤ−配列にあるように、撮像素子は一の基本画素ユニットにおいて、緑色検出用の受光素子数を他色の検出用の受光素子数より多く配置することで、視感度の大きい緑色の検出を高解像度で行えることとなり、より好ましい撮像素子となる。しかし、これに限られず一層目に配置される青色検出用の受光素子４２と緑色検出用の受光素子４１の配置数と配置位置は、適宜構成比率の変更をしてもよい。

また、各受光素子の光入射側に配置するカラ−フィルタは、一種類に限られることはなく異なる多種のカラ−フィルタを組み合わせて使用してもよい。また、カラ−フィルタの組み合わせ変更は、一層目の各受光素子ごとに行ってもよいし、基本画素ユニットごとに行ってもよい。ここで、基本画素ユニットとは、多数の受光素子からなるカラ−撮像素子において、ＲＧＢ等の撮像にかかるカラ−の要素の全てを取得できる最小の基本単位である。本固体撮像装置は、この基本画素ユニットが多数配列される。

図５において、基本画素ユニット５１は、赤色検出用の受光素子４３の受光層が、四つの受光素子４１，４２，４４，４６の受光層の深部にわたり、二層目受光層として設けられる。なお、緑色検出用の受光素子４４は、これに替えて青色検出用の受光素子４５としてもよい。

また、基本画素ユニット５１は、列５７と列５８とから構成される。列５７には、緑色検出用の受光素子４１、４４と、赤色検出用の受光素子４３と、これらの受光素子４１、４４、４３の信号読み出し用の、転送トランジスタ５６ａ，５６ｂ，５６ｃとＦＤ部５５ａ，５５ｂ，５５ｃと選択トランジスタ５４ａと増幅トランジスタ５３ａとリセットトランジスタ５２ａとが備えられる。

また、列５８には、青色検出用の受光素子４２と、緑色検出用の受光素子４６と、これらの受光素子４２、４６の信号読み出し用の、転送トランジスタ５６ｄ，５６ｅとＦＤ部５５ｄ，５５ｅと選択トランジスタ５４ｂと増幅トランジスタ５３ｂとリセットトランジスタ５２ｂとが備えられる。従って、赤色検出用の受光素子４３は、列５７と列５８とにまたがって単一の受光層として設けられる。

列５７の電荷読み出しに動作は、第一の実施形態で図８と図９を用いて説明したものと重複するので、ここでは説明を省略する。また、列５８の電荷読み出し動作は、列５７の読み出し動作について、同じ読み出しシ−ケンスにおいて、赤色検出用の受光素子４３の読み出しに相当する読み出しタイミングを空読みすればよい。
（第三の実施形態）
図６に、本発明の第三の実施形態にかかる固体撮像装置の基本画素ユニット概念図を示す。また、図７に、本発明の第三の実施形態となる固体撮像装置の画素投影平面概念図を示す。

本固体撮像装置は、Ｓｉ基板の表面側に受光層を有する九つの受光素子と、それより深部に受光層を有する一つの受光素子を基本画素ユニットとして構成される。すなわち、本固体撮像装置の基本画素ユニットは、赤色検出用の受光素子６２の受光層が二層目に設けられ、その光入射側に緑色検出用の受光素子６１の受光層と青色検出用の受光素子６３の受光層が設けられる。図７においては、一層目として緑色検出用の受光素子６１が八素子設けられ、青色検出用の受光素子６３が一つ中央に設けられている。

ベイヤ−配列にもあるように、一の基本画素ユニットにおいて、緑色検出用の受光素子数を他色の検出用の受光素子数より多く配置することで、視感度の大きい緑色の検出を高解像度で行えることとなり、シャ−プな撮像を得ることが可能となる。しかし、特定の色の受光素子を増やしすぎると色再現性が低下するので、一層目に配置される青色検出用の受光素子６３と緑色検出用の受光素子６１の配置数や素子面積は、適宜構成比率の変更をしてもよく、上述の例に限られることはない。

また、各画素の光入射側に配置するカラ−フィルタは、一種類に限られることはなく異なる多種のカラ−フィルタを組み合わせて使用してもよい。また、カラ−フィルタの組み合わせ変更や特性の変更は、一層目の各受光素子ごとに行ってもよいし、基本画素ユニットごとに行ってもよい。

図７において、基本画素ユニット７ｄは、赤色検出用の受光素子６２の受光層が、九つの受光素子の受光層の深部にわたり、二層目受光層として設けられる。なお、緑色検出用の受光素子６１は、これに替えて適宜青色検出用の受光素子６３としてもよく、また青色検出用の受光素子６３は、これに替えて適宜緑色検出用の受光素子６１としてもよい。すなわち、一層目の緑色検出用の受光素子６１の受光素子数と、青色検出用の受光素子６３の受光素子数とは、その構成比率や配置を適宜変更して構成してもよい。

また、基本画素ユニット７ｄは、列ａ、列ｂ、列ｃとから構成される。列ａ及び列ｃには、三つの緑色検出用の受光素子６１と、これらの受光素子の信号読み出し用の、三つの転送トランジスタ７５と三つのＦＤ部７４と選択トランジスタ７００ａ及び７００ｃと増幅トランジスタ７０ａ及び７０ｃとリセットトランジスタ７ａ、７ｃとを備える。

また、列ｂには、二つの緑色検出用の受光素子６１と、赤色検出用の受光素子６２と青色検出用の受光素子６３と、これらの受光素子の信号読み出し用の、４つの転送トランジスタ７５、１７９、７７、７５と、４つのＦＤ部７４、７８、７６、７４と、選択トランジスタ７００ｂと、増幅トランジスタ７０ｂと、リセットトランジスタ７ｂとを備える。
列ｂの電荷読み出し動作は、第一の実施形態で図８と図９を用いて説明したものに加えて、一画素分の読み出し動作を追加すればよい。また、列ａと列ｃの電荷読み出し動作は、列ｂの読み出し動作ついて、赤色検出用の受光素子６２の読み出しに相当する読み出しタイミングで、いわゆる空読みすればよい。

以上説明してきたように、本発明にかかる実施形態では、入射光側から順に一層目、二層目の受光層を備え、かつ一層目の複数受光層にまたがって二層目の一の受光層を設ける。従って、入射光側から投影観察した受光面積で考えると、一層目の複数受光素子（少なくとも２受光層分）にかかる受光面積で、三色分の色情報を直接取得することができる。

また、二層しか設けないので深さ方向についての蓄積電荷の読み出し構造を比較的簡単にすることができ、素子作製が容易となる。また、二層目の受光層は、二層目の受光層のほぼ中央であって一層目の受光層の間隙に、一層目の受光層とほぼ同じ深さ位置となる凸部と接続される。この凸部は二層目の受光層からＳｉ基板表面に電荷を導く。これにより、二層目の受光層は、電荷の読み出しが容易になるとともに、電荷の読み出し時の残留電荷（転送残し電荷）も低減できることとなる。

さらに、二層目の受光層は、一層目の二受光層分以上にわたって一の受光層とするので、一層目の各受光層を透過した異なる性質の二種類以上の透過光を二層目で受光することができることとなり、好ましい。

例えば、一層目の緑色受光層となる受光素子と一層目の青色受光層となる受光素子とをそれぞれ透過してきた、二種類の赤色光について、二層目の赤色受光層となる単一の受光層で検出することができる。

すなわち、緑色受光層の光入射側にはイエロ−系の補色型カラ−フィルタを備え、青色受光層の光入射側にはマゼンダ系の補色型カラ−フィルタが備えられることから、これらの異なる二種のカラ−フィルタを透過した赤色光を、二層目の一の赤色受光層にて検出できることとなる。

換言すれば、二層目の赤色受光層にかかる受光素子の検出色情報は、一層目の二種類の補色型カラ−フィルタにて改善し、調整することが可能となる。従って、より好ましい所望の赤色検出が二層目の受光層にて行えるよう、検出波長の設計をすることが可能であり、検出波長の設計自由度が大きくなり、緻密な調整も行える。

また、２層目の面積が相対的に大きく、かつ２層目の受光層で波長の長い赤色光を検出することから、斜め入射光によるいわゆる隣接画素間クロスト−クの影響が低減でき、均一な画面が得られる。

また、本発明は、ＣＭＯＳ型以外の増幅型固体撮像装置に適用してもよい。

本発明は、カラ−撮像を行う撮像素子に適用可能であり、ディジタルカメラ等に代表される撮像装置や画像処理装置の画像取得や、カラ−複写機やファクシミリ等にも利用できる。

第一の実施形態にかかる固体撮像装置の基本画素ユニット概念図 第一の実施形態にかかる固体撮像装置の画素投影平面概念図 第一の実施形態にかかる図２のＡ−Ａ′断面図 第二の実施形態にかかる固体撮像装置の基本画素ユニット概念図 第二の実施形態にかかる固体撮像装置の画素投影平面概念図 第三の実施形態にかかる固体撮像装置の基本画素ユニット概念図 第三の実施形態にかかる固体撮像装置の画素投影平面概念図 第一の実施形態にかかる固体撮像装置の駆動回路概念図 第一の実施形態にかかる固体撮像装置のタイミングチャ−ト概念図 Ｓｉの透過光量 第二の実施形態にかかる他の固体撮像装置の基本画素ユニット概念図

符号の説明

１１１・・青色検出画素、１１２・・赤色検出画素、１１３・・緑色検出画素、１１４・・選択トランジスタ、１１５・・増幅トランジスタ、１１６・・リセットトランジスタ、１１７・・転送トランジスタ、１１８・・フロ−ティングディフュ−ジョン（ＦＤ）部

Claims (10)

1. 入射光により電荷を生成し蓄積する複数の受光層と、
   該複数の受光層の電荷を各々転送する複数の転送トランジスタと、
   該複数の転送トランジスタにより各々転送された電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョン部と、
   該フローティングディフュージョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタの電圧信号を読み出し可能とする選択トランジスタと、
   該フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、
   を有する基本画素ユニットをマトリクス状に複数配列し、
   二以上の前記受光層は、前記入射光の入射側の平面上にそれぞれ一層目受光層として設けられ、
   一の前記受光層は、前記一層目受光層の光透過側に、該二以上の一層目受光層の全部又は一部にまたがって二層目受光層として設けられ、
   前記一層目受光層それぞれの入射光側には、補色型カラーフィルタの波長選択手段が配置される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 複数の受光素子と、
   該複数の受光素子の電荷を各々転送する複数の転送トランジスタと、
   該複数の転送トランジスタにより各々転送された電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョン部と、
   該フローティングディフュージョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタの電圧信号を読み出し可能とする選択トランジスタと、
   該フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、
   を有する基本画素ユニットをマトリクス状に複数配列し、
   二以上の前記受光素子は、前記入射光の入射側の一層目に設けられ、
   一の前記受光素子は、前記二以上の受光素子の全部又は一部にまたがった前記入射光を受光する面積を有し、前記一層目の光透過側に設けられ、
   前記二以上の受光素子それぞれの入射光側には、補色型カラーフィルタの波長選択手段が配置される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記二以上の一層目受光層は、青色受光層と緑色受光層とから構成され、
   前記二層目受光層は、赤色受光層である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記青色受光層に配置される補色型カラーフィルタは、マゼンダであり、
   前記緑色受光層に配置される補色型カラーフィルタは、イエローである
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１、請求項３、請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
   前記二層目受光層は、前記二以上の一層目受光層を透過した異なる特性の透過光の全部又は一部を受光する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記二以上の受光素子は、青色検出用と緑色検出用との受光素子から構成され、
   前記一の受光素子は、赤色検出用の受光素子である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項６に記載の固体撮像装置において、
   前記青色検出用の受光素子に配置される補色型カラーフィルタは、マゼンダであり、
   前記緑色検出用の受光素子に配置される補色型カラーフィルタは、イエローである
   ことを特徴とする固体撮像装置。
8. 半導体基板に
   複数の受光層と、
   該複数の受光層の電荷を各々転送する複数の転送トランジスタと、
   該複数の転送トランジスタにより各々転送された電荷を蓄積する複数のフローティングディフュージョン部と、
   該フローティングディフュージョン部の電荷を電圧に変換する増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタの電圧信号を読み出し可能とする選択トランジスタと、
   該フローティングディフュージョン部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、
   を有する基本画素ユニットをマトリクス状に複数配列し、
   該基本画素ユニットは、前記半導体基板の所定の深さの位置に、マゼンダの補色型カラーフィルタを前記半導体基板の表面側に設けた青色受光層と、イエローの補色型カラーフィルタを前記半導体基板の表面側に設けた緑色受光層とからなる二以上の前記受光層をそれぞれ一層目受光層として備え、
   該基本画素ユニットは、該一層目受光層より深部に赤色受光層を二層目受光層として備え、
   該赤色受光層は、前記表面側から見て、該青色受光層と該緑色受光層とにまたがって設けられる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
9. 請求項８に記載の固体撮像装置において、
   前記赤色受光層の電荷読み出しにかかる前記転送トランジスタと前記フローティングディフュージョン部は、前記青色受光層と前記緑色受光層との間に配置される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
10. 入射光側から順に、補色型フィルタと一層目受光層と二層目受光層とを備え、入射光を光電変換して撮像する固体撮像素子を備える固体撮像装置であって、
    該一層目受光層は、各々透過波長帯の異なる補色型フィルターを独立に設けられた二以上の受光層が、前記入射光の入射側の平面上に設けられ構成されたものであり、
    該二層目受光層は、該二以上の受光層を各々透過した二以上の透過光を受光し、該二以上の受光層間に設けられた該第一の受光層とほぼ同じ深さの凸部を有し、該凸部を介して電荷読み出しがされる
    ことを特徴とする固体撮像装置。

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