JP5320989B2 - 固体撮像装置、及び電子機器 - Google Patents

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本発明は、固体撮像装置、及び当該固体撮像装置を備えた電子機器に関する。
固体撮像装置として、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。このＣＭＯＳ型の固体撮像装置は、フォトダイオードと、複数のトランジスタ、いわゆるＭＯＳトランジスタにより、２画素を形成し、複数の画素を所要のパターンに配列して構成されている。このフォトダイオードは、受光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積する光電変換素子であり、複数のＭＯＳトランジスタは、フォトダイオードからの信号電荷を転送するための素子である。
図１７に、イメージセンサに適用した従来のＣＭＯＳ型の固体撮像装置の要部の概略断面構成を示す。図１７は、固体撮像装置２１６の画素部における断面構成である。
図１７に示す従来の固体撮像装置２１６は、シリコンからなるｐ型の基板２０１の表面側に、画素分離領域２０８を有し、各区分領域にフォトダイオードＰＤと複数のＭＯＳトランジスタからなる画素２００を有する。複数のＭＯＳトランジスタは、それぞれ、電荷読み出しトランジスタＴｒ１、リセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３及び垂直選択トランジスタ（図示せず）である。この４つのＭＯＳトランジスタと、フォトダイオードＰＤとから構成される画素領域が単位画素となる。この単位画素は、複数個、２次元マトリクス状に配列される。
フォトダイオードＰＤは、ｐ型の基板２０１の表面から所要の深さ方向に順に形成したｎ＋型不純物領域２０３と、及びｎ型不純物領域２０２と、このｎ＋型不純物領域２０３の表面に形成した高不純物濃度のｐ型不純物領域２０４とにより構成されている。
電荷読み出しトランジスタＴｒ１は、フォトダイオードＰＤが形成された領域に隣接する基板上にゲート絶縁膜２１７を介して形成された平面型のゲート電極２０９と、基板表面に形成されたｎ＋不純物領域より構成されるソース・ドレイン領域２０５とから構成される。このソース・ドレイン領域２０５は、フローティングディフュージョン領域を構成するものである。
アンプトランジスタＴｒ３は、ソース・ドレイン領域２０６と、ソース・ドレイン領域２０６が形成された領域に隣接する基板上にゲート絶縁膜２１７を介して形成された平面型のゲート電極２１１と、基板表面に形成されたｎ＋不純物領域より構成されるソース・ドレイン領域２０７とから構成される。
リセットトランジスタＴｒ２は、ソース・ドレイン領域２０５と、ソース・ドレイン領域２０５が形成された領域に隣接する基板２０１上にゲート絶縁膜２１７を介して形成された平面型のゲート電極２１０と、基板２０１表面に形成されたｎ＋不純物領域より構成されるソース・ドレイン領域２０６とから構成される。
ソース・ドレイン領域２０６は、基板２０１上に層間絶縁膜２１５を介して形成される電源配線２１３にコンタクト部２１２を介して接続される。
また、層間絶縁膜２１５内には、所望の配線２１４が形成されている。
このように、従来の固体撮像装置２１６の基板２０１表面には、単位画素２００毎に、フォトダイオードＰＤと、複数のＭＯＳトランジスタがそれぞれ配置される。
ところで、近年、固体撮像装置では、多数の画素を高集積するために、画素サイズの微細化が行われている。特に、図１７に示すような従来の固体撮像装置２１６の各画素領域では、基板２０１の同一平面上に、フォトダイオードＰＤや、複数のＭＯＳトランジスタが配置されているため、単位画素２００を構成する基板２０１表面には、それらを構成する面積が必要となる。このため、１画素の面積が増大してしまう傾向があった。このような構成では、画素サイズを微細化した場合には、フォトダイオードＰＤの面積が縮小してしまうことになり、飽和電荷量（Ｑｓ）の低下や感度の低下を招く等の問題があった。
この問題に対して、画素内のＭＯＳトランジスタを、隣接する複数の画素で共有することで、画素サイズを縮小する方法がいくつか提案されている。
また、画素サイズの微細化に伴う飽和電荷量（Ｑｓ）の低下や、感度の低下を防ぐ方法に対する全く異なるアプローチとして、下記特許文献３には、１画素において、基板内の深さ方向に複数のフォトダイオードを形成することで、分光する方法が記載されている。
特許文献２においては、例えば、図１８に示すように、ｐ型のＳｉ基板１００中に、ｎ型半導体層１０２／ｐ型半導体層１０４／ｎ型半導体層１０６の３層構造を形成し、深さ方向に浅い方から、青、緑、赤の光を光電変換して取り出す色分離方法が記載されている。この方法においては、Ｓｉ基板１００表面において、それぞれの層に接続されたそれぞれの端子により、青、緑、赤の信号が外部に出力される。これは、波長の長さと、深さ方向における光の吸収の性質を利用したものである。これにより、１画素での色分光が可能となり、偽色の発生を抑制することが可能となる。よって、ローパスフィルタが不要となる。さらに、カラーフィルタを用いないため、赤、緑、青の波長の異なる色が単位画素内に入射する。このために光量の損失も少なくなる。しかし、波長の長い赤色の光を光電変換し、電荷を蓄積するフォトダイオードは、シリコン基板表面から、２μｍ程度の深さに形成されるため、基板表面の出力端子との距離が長く、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を完全に転送することが困難であった。
このような問題点を改善するために、下記特許文献３では、深さ方向に積層した複数のフォトダイオード間に、電位のバリアを配置する構成が記載されている。このように、電位のバリアを配置することによって、基板深くに形成されたフォトダイオードに蓄積された信号電荷のフローティングディフュージョン領域への読み出しを容易にすることが可能とされている。しかしながら、基板表面から深さ方向に離れた領域に蓄積された電荷は、基板表面に形成されたゲート電極から与えられる電界では十分なポテンシャル変動を与えることは困難であり、残像が発生してしまう。
特開平１１−１２２５３２号公報 特開２００２−５１３１４５号公報 特開２００７−３６２０２号公報
上述の点に鑑み、本発明は、信号電荷の転送効率を向上させ、かつ、実効的な画素数の向上を図った固体撮像装置を提供するものである。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供するものである。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は以下の構成を有する。基板と、基板に形成された第１の波長域の光を検出する第１のフォトダイオードであって、基板の深さ方向に積層された複数のフォトダイオードで構成される第１のフォトダイオードから構成された第１の受光部と、第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、を含んで構成された第１の画素と、
基板の深さ方向に順に積層されて形成された第２及び第３のフォトダイオードであって、第１の波長域の光と補色関係にある第２及び第３の波長域の光を検出する第２及び第３のフォトダイオードから構成された第２の受光部と、第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、第２のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に基板の表面側に形成された平面型ゲート電極である第２のゲート電極と、第２のフォトダイオードよりも深い位置の第３のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に基板の深さ方向に埋め込まれて形成された縦型ゲート電極である第３のゲート電極と、を含んで構成された第２の画素と、
第２のフォトダイオードと、第３のフォトダイオードとの間を電気的に分離するための、フォトダイオード分離領域と、
第１の受光部が形成された基板の光入射側に形成される、単色フィルタと、
第２の受光部が形成された基板の光入射側に形成される、補色フィルタと、
を含む。
本発明の固体撮像装置では、基板の深さ方向に形成された複数のフォトダイオードのうち、表面側に形成されたフォトダイオードに蓄積された信号電荷は、平面型ゲート電極により読み出される。また、基板表面から深さ方向に深い位置のフォトダイオードに蓄積された信号電荷は、縦型ゲート電極に読み出される。
また、本発明の電子機器は、光学レンズと、固体撮像装置と、信号処理回路とを含んで構成される。そして、固体撮像装置は、基板と、基板に形成された第１の波長域の光を検出する第１のフォトダイオードであって、基板の深さ方向に積層された複数のフォトダイオードで構成される第１のフォトダイオードから構成された第１の受光部と、第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、を含んで構成された第１の画素と、基板の深さ方向に順に積層されて形成された第２及び第３のフォトダイオードであって、第１の波長域の光と補色関係にある第２及び第３の波長域の光を検出する第２及び第３のフォトダイオードから構成された第２の受光部と、第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、第２のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に基板の表面側に形成された平面型ゲート電極である第２のゲート電極と、第２のフォトダイオードよりも深い位置の第３のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に基板の深さ方向に埋め込まれて形成された縦型ゲート電極である第３のゲート電極と、を含んで構成された第２の画素と、第２のフォトダイオードと、第３のフォトダイオードとの間を電気的に分離するための、フォトダイオード分離領域と、第１の受光部が形成された基板の光入射側に形成される、単色フィルタと、第２の受光部が形成された基板の光入射側に形成される、補色フィルタと、を含む。
本発明の電子機器では、光学レンズから入射された光は、固体撮像装置において信号電荷に変換され、信号処理回路を介して、映像信号として出力される。そして、本発明の電子機器に用いられる固体撮像装置では、基板の深さ方向に形成された複数のフォトダイオードのうち、表面側に形成されたフォトダイオードに蓄積された信号電荷は、平面型ゲート電極により読み出される。また、基板表面から深さ方向に深い位置のフォトダイオードに蓄積された信号電荷は、縦型ゲート電極に読み出される。
本発明によれば、固体撮像装置において、基板内に形成された複数層のフォトダイオードに蓄積された信号電荷をそれぞれの深さに対応したゲート電極で読み出すことができるので、信号電荷の転送残りを低減することができる。すなわち、転送効率が向上する。また、基板内に複数層のフォトダイオードを有し、また、そのフォトダイオードを分離することで、１画素内で複数の色が検出される。これにより、実効的な画素数が向上する。
以下、図１〜図１６を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［固体撮像装置の全体構造］
まず、図１を用いて、以下に説明する第１の実施形態及び第２の実施形態が適用されるＣＭＯＳ型の固体撮像装置、すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサの全体構造について説明する。
図１に示す固体撮像装置１は、Ｓｉからなる基板１１上に配列された複数の画素２から構成される撮像領域３と、撮像領域３の周辺回路としての垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。
画素２は、光電変換素子であるフォトダイオードと、複数のＭＯＳトランジスタとから構成され、基板１１上に、２次元アレイ状に規則的に複数配列される。
撮像領域３は、２次元アレイ状に規則的に複数配列された画素２から構成される。そして、撮像領域３は、実際に光を受光し、光電変換によって生成された信号電荷を蓄積することのできる有効画素領域と、有効画素領域の周囲に形成され、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域とから構成される。
制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、及び水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路８で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線を通してカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０とのあいだに設けられている。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して、順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
以下に説明する第１〜第５の実施形態における固体撮像装置は、図１における固体撮像装置１を構成するものであり、特に有効撮像領域における画素２の断面構成を示すものである。
＜第１の実施形態＞
図２に本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略平面構成を示す。図２は、本実施形態例の固体撮像装置の撮像領域における複数の画素２（本実施形態例では、第１の画素２ａ、第２の画素２ｂ）の平面レイアウトを示すものである。また、図３には、図２のＸ−Ｘ’線上に沿う断面構成を示し、図４には、図２のＹ−Ｙ’線上に沿う断面構成を示す。本実施形態例の固体撮像装置は、基板の表面側から光照射が為される表面照射型の固体撮像装置である。
［構成の説明］
本実施形態例の固体撮像装置は、第１の画素２ａと第２の画素２ｂとから構成されている。第１の画素２ａは、第１の受光部２０ａと、第１のゲート電極２４と、フローティングディフュージョン領域２１ａとを含んで構成されている。また、第２の画素２ｂは、第２の受光部２０ｂと、第２及び第３のゲート電極２２，２３と、フローティングディフュージョン領域２１ｂとを含んで構成されている。
図３に示すように、第１の受光部２０ａは、基板２６内に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１により構成されている。第１のフォトダイオードＰＤ１では、第１の波長域の光が光電変換により信号電荷に変換される。
図４に示すように、第２の受光部２０ｂは、基板２６内の深さ方向に順に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３により構成されている。第２及び第３のフォトダイオードＰＤ２，ＰＤ３では、第１の波長域と補色関係にある第２の波長域及び第３の波長域の光が、光電変換によりそれぞれの信号電荷に変換される。
本実施形態例は、第１の波長域の光を緑色（Ｇ）とし、第２の波長域の光を青色（Ｂ）とし、第３の波長域の光を赤色（Ｒ）とする例である。
そして、図２に示すように、第１の受光部２０ａと、第２の受光部２０ｂは、基板２６内に互いに千鳥状に配置されている。すなわち、第１の受光部２０ａの垂直方向及び水平方向には、第２の受光部２０ｂが隣接して形成されている。また、第２の受光部２０ｂの垂直方向及び水平方向には、第１の受光部２０ａが隣接して形成されている。
ここで、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３は、第１導電型のｐ型（ここでは、ｐ−不純物濃度）半導体からなる基板２６に形成されたｐ＋不純物領域と、第２導電型のｎ＋不純物領域とのｐｎ接合を有して構成されるものである。以下に詳述する。
まず、第１の画素２ａについて説明する。
図３に示すように、第１の受光部２０ａを構成する第１のフォトダイオードＰＤ１は、基板２６の表面から深さ方向に順に形成されたｐ＋不純物領域３２、ｎ＋不純物領域３０、ｎ−不純物領域３１、ｐ＋不純物領域２９、ｎ＋不純物領域２８、ｎ−不純物領域２７からなる２層のフォトダイオードを有する。すなわち、基板２６表面側のｐ＋不純物領域３２とｎ＋不純物領域３０とのｐｎ接合ｊ１により上層のフォトダイオードが構成され、基板２６の深さ方向に深い位置に形成されたｐ＋不純物領域２９とｎ＋不純物領域２８とのｐｎ接合ｊ２により下層のフォトダイオードが構成されている。そして、上層のフォトダイオードを構成するｐｎ接合ｊ１は、基板２６の表面から０．１〜０．２μｍ程度の深さに形成され、下層のフォトダイオードを構成するｐｎ接合ｊ２は、基板２６の表面から０．５μｍ〜０．８μｍ程度の深さに形成されている。
第１のフォトダイオードＰＤ１において、上層及び、下層のフォトダイオードを構成するｐ＋不純物領域３２，２９は、斜めに隣接する２つの第１の受光部２０ａ間に延在して形成されている。また、下層のフォトダイオードを構成するｎ＋不純物領域２８と、上層のフォトダイオードを構成するｎ−不純物領域３１とは、信号電荷が読み出される側、すなわち、第１のゲート電極２４が形成される側で電気的に接続されている。
第１のゲート電極２４は、ｐ＋不純物領域３２，２９が延在して形成される側とは反対側の第１の受光部２０ａの外周部に形成されている。第１のゲート電極２４は、基板２６の表面側から、深さ方向に形成された溝部３７に、ゲート絶縁膜３３を介して電極材料が埋め込まれることにより形成された縦型ゲート電極である。この溝部３７は、基板２６の表面から０．７μｍ〜１．０μｍ程度の深さまで掘り込んで形成されている。そして、第１のゲート電極２４及び、第１のゲート電極２４底部に位置するゲート絶縁膜３３は、第１のフォトダイオードＰＤ１のうち、下層のフォトダイオードを構成するｐｎ接合ｊ２よりも深い位置になるように形成されている。
フローティングディフュージョン領域２１ａは、第１のゲート電極２４に隣接する基板２６の表面に、ｎ＋不純物領域により形成されている。このフローティングディフュージョン領域２１ａは、ｐ＋不純物領域３２，２９が延在して形成される側とは反対側に隣接する２つの第１の画素２ａ間において共有されている。
第１の画素２ａでは、第１のゲート電極２４とフローティングディフュージョン領域２１ａとにより、第１のフォトダイオードＰＤ１の信号電荷ｅ１を読み出す為の電荷読み出しトランジスタＴｒ１が構成される。
そして、第１の受光部２０ａが形成された基板２６の光照射側である上部には、図示しない所望の配線層を介して、緑色の光Ｇのみを透過する単色フィルタである緑色フィルタ４５が配置されている。
次に、第２の画素２ｂについて説明する。
図４に示すように、第２の受光部２０ｂは、深さ方向に積層された第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３とを有する。
第２のフォトダイオードＰＤ２は、基板２６の表面から深さ方向に順に形成されたｐ＋不純物領域４０、ｎ＋不純物領域３９、ｎ−不純物領域３８により構成され、主に、ｐ＋不純物領域４０とｎ＋不純物領域３９とのｐｎ接合ｊ３により構成されている。そして、第２のゲート電極２３に隣接する側の第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｎ−不純物領域３８は、ｐ＋不純物領域４０の途中まで被覆するように形成されている。
また、第３のフォトダイオードＰＤ３は、基板２６の第２のフォトダイオードＰＤ２よりも深い位置から深さ方向に形成されたｐ＋不純物領域４１、ｎ＋不純物領域３６、ｎ−不純物領域３５により構成されている。この第３のフォトダイオードＰＤ３は、主に、ｐ＋不純物領域４１とｎ＋不純物領域３６とのｐｎ接合ｊ４により構成されている。
第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｐｎ接合ｊ３は、第１のフォトダイオードＰＤ１のｐｎ接合ｊ１と同様に、基板２６の表面から０．１〜０．２μｍ程度の深さに形成される。また、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐｎ接合ｊ４は、第１のフォトダイオードＰＤ１のｐｎ接合ｊ２と同様に、基板２６の表面から０．５μｍ〜０．８μｍ程度の深さに形成される。
第２のゲート電極２３は、第２の受光部２０ｂの外周部の、第２のフォトダイオードＰＤ２に隣接した基板３６上面に形成されている。第２のゲート電極２３は、基板２６の表面に、ゲート絶縁膜３３を介して形成された平面型ゲート電極である。
第３のゲート電極２２は、第２の受光部２０ｂの、第２のゲート電極２３が形成されている側とは反対側の外周部に、第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接して形成されている。第３のゲート電極２２は、基板２６の表面側から、深さ方向に形成された溝部３７に、ゲート絶縁膜３３を介して電極材料が埋め込まれることにより形成された縦型ゲート電極である。この溝部３７は、基板２６の表面から０．７μｍ〜１．０μｍ程度の深さまで掘り込んで形成されている。そして、第３のゲート電極２２底部及び、第３のゲート電極２２底部に位置するゲート絶縁膜３３は、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐｎ接合ｊ４よりも深い位置に達するように形成されている。
さらに、第３のゲート電極２２底部及び第３のゲート電極２２底部に位置するゲート絶縁膜３３は、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｎ＋不純物領域３６及びｎ−不純物領域３５に、基板２６を構成するｐ−不純物領域を介して被覆されている。また、このとき、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｐ＋不純物領域４０は、第３のゲート電極２２の、第２の受光部２０ｂに面する側には、第３のゲート電極２２に接して形成されており、第２の受光部２０ｂに面する側とは反対側には形成されていない。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ＋不純物領域４１は、隣接する第２の画素２ｂを構成する第２の受光部２０ｂ境界位置まで延在している。この第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ＋不純物領域４１は、第２の受光部２０ｂ内において、第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３を電気的に分離するためのフォトダイオード分離領域を兼ねるものである。
フローティングディフュージョン領域２１ｂは、第２のゲート電極２３に隣接する基板２６の表面、及び第３のゲート電極２２に隣接する基板の表面に、ｎ＋不純物領域により形成されている。このフローティングディフュージョン領域２１ｂは、斜めに隣接する全ての第２の画素２ｂで共有されている。１つの第２の画素２ｂに注目すると、第２のゲート電極２３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂは、隣接する第２の画素２ｂの第３のゲート電極２２に隣接している。また、第３のゲート電極２２に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂは、隣接する第２の画素２ｂの第２のゲート電極２３に隣接している。
第２の画素２ｂでは、第２のゲート電極２３と、第２のゲート電極２３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂにより、第２のフォトダイオードＰＤ２の信号電荷ｅ２を読み出す電荷読み出しトランジスタＴｒ２が構成されている。また、第３のゲート電極２２とフローティングディフュージョン領域２１ｂにより、第３のフォトダイオードＰＤ３の信号電荷ｅ３を読み出す電荷読み出しトランジスタＴｒ３が構成されている。
そして、第２の受光部２０ｂが形成された基板２６上部の光照射側には、図示しない所望の配線層を介して、緑色と補色関係にある赤色の光Ｒ及び青色の光Ｂを透過する補色フィルタである、マゼンダフィルタ４２が配置されている。
第１の受光部２０ａ、第２の受光部２０ｂ間の所望の位置には、第１の画素２ａ、及び第２の画素２ｂを構成する、アンプトランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ等の所望の画素トランジスタ領域２５が形成されている。
［動作の説明］
以上の構成を有する固体撮像装置の動作について、１つの第１の画素２ａと、１つの第２の画素２ｂに注目して説明する。
まず、基板２６の表面側から第１の受光部２０ａ及び第２の受光部２０ｂに光を照射する。
そうすると、緑色フィルタ４５では、緑色の光Ｇのみが透過するので、第１の受光部２０ａには、第１の波長域の光として、緑色の光Ｇが入射する。第１の受光部２０ａに入射した緑色の光Ｇは、第１のフォトダイオードＰＤ１において光電変換により信号電荷に変換される。このとき、緑色の光Ｇは、上層のフォトダイオード及び下層のフォトダイオードにおいて光電変換されるので、第１のフォトダイオードＰＤ１の飽和電荷量（Ｑｓ）を増加させることができる。そして、第１のフォトダイオードＰＤ１で光電変換により発生した信号電荷は、ｐｎ接合ｊ１，ｊ２によって形成された電位の井戸に蓄積される。
一方、マゼンダフィルタ４２では、青色及び赤色の光のみが透過するので、第２の受光部２０ｂには、第２及び第３の波長域の光として、青色の光Ｂと赤色の光Ｒが入射する。第２の受光部２０ｂに入射した光のうち、青色の光Ｂは、波長が赤色の光Ｒよりも短いので、そのほとんどが基板２６表面側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換される。そして、第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換されて発生した信号電荷ｅ２は、ｐｎ接合ｊ３によって形成された電位の井戸に蓄積される。また、第２の受光部２０ｂに入射した光のうち、赤色の光Ｒは、波長が青色の光Ｂよりも長い。このため、赤色の光Ｒのうち、第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換されなかった光は、基板２６の表面から深い位置に形成された第３のフォトダイオードＰＤ３に達し、第３のフォトダイオードＰＤ３において光電変換される。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３で光電変換されて発生した信号電荷ｅ３は、ｐｎ接合ｊ４によって形成された電位の井戸に蓄積される。
次に、蓄積されたそれぞれの信号電荷ｅ１〜ｅ３を、フローティングディフュージョン領域２１ａ，２１ｂに読み出す。
まず、第１の画素２ａについてみると、第１の画素２ａでは、第１のゲート電極２４がオンされることにより、縦型の第１のゲート電極２４周囲の電位が変動する。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷ｅ１は、第１のゲート電極２４に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ａに読み出される。
そして、フローティングディフュージョン領域２１ａに信号電荷ｅ１が読み出されたことにより、フローティングディフュージョン領域２１ａの電圧が変化する。この電圧変化が図示しないアンプトランジスタにより増幅され、第１のフォトダイオードＰＤ１の信号出力Ｓ１として出力される。この信号出力Ｓ１は、緑色の光Ｇによる信号出力Ｇｓである。
次に、第２の画素２ｂについてみると、第２の画素２ｂでは、第２のゲート電極２３がオンされることにより、平面型の第２のゲート電極２３下部の基板２６内の電位が変動する。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷ｅ２は、第２のゲート電極２３に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。また、第３のゲート電極２２がオンされることにより、縦型の第３のゲート電極２２周囲の電位が変動する。これにより、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、第３のゲート電極２２に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。
ところで、第３のゲート電極２２底部及び第３のゲート電極２２底部に位置するゲート絶縁膜３３は、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｎ＋不純物領域３６及びｎ−不純物領域３５に、基板２６を構成するｐ−不純物領域を介して被覆されている。そして、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｐ＋不純物領域４１は、第３のゲート電極２２の、第２の受光部２０ｂに面する側には、第３のゲート電極２２に接して形成されており、第２の受光部２０ｂに面する側とは反対側には形成されていない。このため、第３のゲート電極２２がオンされたとき、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、第３のゲート電極２２の、ｐ＋不純物領域４１が形成されていない側の面に沿ってフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。すなわち、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３の読み出し経路は、第３のゲート電極２２の、第２の受光部２０ｂに面する側とは反対側の面に沿って形成される。
また、このとき、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ＋不純物領域４１は隣接する第２の画素２ｂを構成する第２の受光部２０ｂ境界位置まで延在して形成されている。そして、このｐ＋不純物領域４１は、第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３を分離するフォトダイオード分離領域とされている。このため、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３が、第２のゲート電極２３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出されるのを防ぐことができる。
そして、第２のフォトダイオードＰＤ２及び第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接するそれぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂに信号電荷ｅ２，ｅ３が読み出されたことにより、それぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧が変化する。そして、この第２のフォトダイオードＰＤ２に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１ｂに接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、出力信号Ｓ２として出力される。また第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１ｂに接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、信号出力Ｓ３として出力される。
第２の受光部２０ｂには、青色の光Ｂと赤色の光Ｒが入射されるため、信号出力Ｓ２及びＳ３から、青色の信号出力Ｂｓと、赤色の信号出力Ｒｓを演算処理により求めることができる。本実施形態例では、第２の受光部２０ｂによって吸収される青色の光Ｂと、赤色の光Ｒとは、その波長域の重なりが少ないことから、互いに、基板２６内での吸収係数差が大きい。このため、第３のフォトダイオードＰＤ３のｐｎ接合ｊ４深さを、青色の光Ｂがほとんど届かない深さに設定することにより、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積される信号電荷ｅ３は、赤色の光Ｒによって光電変換された信号電荷のみとすることができる。第３のフォトダイオードＰＤ３のｐｎ接合ｊ４の深さが、０．５μｍ〜０．８μｍ程度とした場合、青色の光Ｂは、第３のフォトダイオードＰＤ３にほとんど届かない為、信号出力Ｓ１，Ｓ２及び信号出力Ｂｓ，Ｒｓの関係は、
Ｓ２＝Ｂｓ＋Ｒｓ／２
Ｓ３＝２Ｒｓ／３
となる。そして、この演算式から、信号出力Ｂｓ，Ｒｓを、それぞれ
Ｂｓ＝Ｓ２−Ｓ３／２
Ｒｓ＝３／２×Ｓ３
と求めることができる。
このように、本実施形態例では、第２の画素２ｂで検出される光を、波長域の重なりの少ない青色の光Ｂと赤色の光Ｒとすることにより、第３のフォトダイオードＰＤ３で光電変換される光を赤色の光Ｒのみにすることができ、実効的な混色を防ぐことができる。
本実施形態例では、第１の画素２ａを構成する第１の受光部２０ａにおいて、基板２６の深さ方向に積層された２層のフォトダイオードを用いることで、第１の受光部２０ａの飽和電荷量（Ｑｓ）を２倍にすることができる。そして、飽和電荷量（Ｑｓ）の向上に伴って、感度を向上させることができる。
また、第２の画素２ｂを構成する第２の受光部２０ｂにおいては、基板２６の深さ方向に積層され、上下で分離された２層のフォトダイオードを用いることで、青色の光Ｂと、赤色の光Ｒからそれぞれ信号電荷を得ることができる。これにより、１画素内で、青色の光Ｂと赤色の光Ｒからの信号出力Ｂｓ，Ｒｓを得ることができるので、青色と、赤色の画素数は２倍に増え、飽和電荷量（Ｑｓ）や、感度を向上させることができる。そして、深い方に位置する第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、縦型の第３のゲート電極２２によりフローティングディフュージョン領域２１ｂに転送している。これにより、基板２６の深さ方向のポテンシャル変位を十分に行うことができ、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３の転送漏れを防止することができる。
さらに、第２の画素２ｂにおいて、上側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２を平面型に形成された第２のゲート電極２３で読み出し、下側に形成された第３のフォトダイオードＰＤ３を縦型に形成された第３のゲート電極２２で読み出している。また、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３の読み出し経路は、第３のゲート電極２２の、第２の受光部２０ｂに面する側とは反対側の側面に沿って形成される。さらに、フォトダイオード分離領域を兼ねるｐ＋不純物領域４１が、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷ｅ２が読み出されるフローティングディフュージョン領域２１ｂの下方まで延在している。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２で蓄積された信号電荷ｅ２と、第３のフォトダイオードＰＤ３で蓄積された信号電荷ｅ３は混ざらない状態で、それぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。
また、本実施形態例では、フローティングディフュージョン領域２１ａ，２１ｂが、隣接する画素間で共有されるため、画素サイズの縮小化が図られる。
そして、本実施形態例の固体撮像装置では、第１の画素２ａと第２の画素２ｂを構成するそれぞれのフォトダイオードや、ゲート電極を共通のプロセスステップによって形成することができるので、工程数の増加はない。
＜第２の実施形態＞
図５に本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略平面構成を示す。図５は、本実施形態例の固体撮像装置の撮像領域における複数の画素２の平面レイアウトを示すものである。また、図６には、図５のＸ−Ｘ’線上に沿う断面構成を示し、図７には、図５のＹ−Ｙ’線上に沿う断面構成を示す。図５〜７において、図２〜４に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
［構成の説明］
本実施形態例は、第１の波長域の光を青色（Ｂ）とし、第２の波長域の光を緑色（Ｇ）とし、第３の波長域の光を赤色（Ｒ）とする例である。すなわち、図５に示すように、青色の光Ｂを光電変換する第１の受光部２０ａと、緑色の光Ｇと赤色の光を光電変換する第２の受光部２０ｂがそれぞれ千鳥状に交互に形成されている。
このため、本実施形態例では、図６に示すように、第１の受光部２０ａが形成された基板２６上に配置される単色フィルタとして、青色フィルタ４３を用いる。また、図７に示すように、第２の受光部２０ｂが形成された基板２６上に配置される補色フィルタとして、青色の補色であるイエローフィルタ４４を用いる。
基板２６内部の構成は、第１の実施形態と同様である。
［動作の説明］
以上の構成を有する固体撮像装置の動作について、１つの第１の画素２ａと、１つの第２の画素２ｂに注目して説明する。
まず、基板２６の表面側から第１の受光部２０ａ及び第２の受光部２０ｂに光を照射する。
そうすると、青色フィルタ４３では、青色の光Ｂのみが透過するので、第１の受光部２０ａには、第１の波長域の光として、青色の光Ｂが入射する。第１の受光部２０ａに入射した青色の光Ｂは、第１のフォトダイオードＰＤ１で光電変換する。このとき、青色の光Ｂは、上層のフォトダイオード及び下層のフォトダイオードにおいて光電変換されるので、第１のフォトダイオードＰＤ１の飽和電荷量（Ｑｓ）を増加させることができる。そして、第１のフォトダイオードＰＤ１で光電変換されて発生した信号電荷ｅ１は、ｐｎ接合ｊ１，ｊ２によって形成された電位の井戸に蓄積される。
一方、イエローフィルタ４４では、緑色の光Ｇ及び赤色の光Ｒのみが透過するので、第２の受光部２０ｂには、第２及び第３の波長域の光として、緑色の光Ｇ及び赤色の光Ｒが入射する。第２の受光部２０ｂに入射した光のうち、緑色の光Ｇは、波長が赤色の光Ｒよりも短いので、そのほとんどが基板２６表面側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換される。そして、第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換されて発生した信号電荷ｅ２は、ｐｎ接合ｊ３によって形成された電位の井戸に蓄積される。また、第２の受光部２０ｂに入射した光のうち、赤色の光Ｒは、波長が緑色の光Ｇよりも長い。このため、赤色の光Ｒのうち、第２のフォトダイオードＰＤ２で吸収されなかった光は、基板２６表面から深い位置に形成された第３のフォトダイオードＰＤ３に達し、第３のフォトダイオードＰＤ３において光電変換される。また、緑色の光Ｇのうち第２のフォトダイオードＰＤ２で吸収されなかった光も第３のフォトダイオードＰＤ３に達し、第３のフォトダイオードＰＤ３において光電変換される。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３で光電変換されて発生した信号電荷ｅ３は、ｐｎ接合ｊ４によって形成された電位の井戸に蓄積される。
次に、蓄積されたそれぞれの信号電荷ｅ１〜ｅ３を、フローティングディフュージョン領域２１ａ，２１ｂに読み出す。
まず、第１の画素２ａについてみると、第１の画素２ａでは、第１のゲート電極２４がオンされることにより、縦型の第１のゲート電極２４周囲の電位が変動する。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷ｅ１は、第１のゲート電極２４に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ａに読み出される。
そして、フローティングディフュージョン領域２１ａに信号電荷ｅ１が読み出されたことにより、フローティングディフュージョン領域２１ａの電圧が変化する。この電圧変化が図示しないアンプトランジスタにより増幅され、第１のフォトダイオードＰＤ１の信号出力Ｓ１として出力される。この信号出力Ｓ１は、青色の光Ｂによって得られたものである。
次に、第２の画素２ｂについてみると、第２の画素２ｂでは、第２のゲート電極２３がオンされることにより、平面型の第２のゲート電極２３下部の基板２６内の電位が変動する。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷ｅ２は、第２のゲート電極２３に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。また、第３のゲート電極２２がオンされることにより、縦型の第３のゲート電極２２周囲の電位が変動する。これにより、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、第３のゲート電極２２に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。
ところで、第３のゲート電極２２底部及び第３のゲート電極２２底部に位置するゲート絶縁膜３３は、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｎ＋不純物領域３６及びｎ−不純物領域３５に、基板２６を構成するｐ−不純物領域を介して被覆されている。そして、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｐ＋不純物領域４１は、第３のゲート電極２２の、第２の受光部２０ｂに面する側には、第３のゲート電極２２に接して形成されており、第２の受光部２０ｂに面する側とは反対側には形成されていない。このため、第３のゲート電極２２がオンされたとき、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、第３のゲート電極２２の、ｐ＋不純物領域が形成されていない側の面に沿ってフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。
また、このとき、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ＋不純物領域４１は隣接する第２の画素２ｂを構成する第２の受光部２０ｂ境界位置まで延在して形成されている。そして、このｐ＋不純物領域４１は、第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３を分離するフォトダイオード分離領域とされている。このため、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３が、第２のゲート電極２３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出されるのを防ぐことができる。
そして、第２のフォトダイオードＰＤ２及び第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接するそれぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂに信号電荷ｅ２，ｅ３が読み出されたことにより、それぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧が変化する。第２のフォトダイオードＰＤ２に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１ｂに接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、出力信号Ｓ２として出力される。また第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１ｂに接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、信号出力Ｓ３として出力される。
第２の受光部２０ｂには、緑色の光Ｇと赤色の光Ｒが入射されるため、信号出力Ｓ２及びＳ３から、緑色の信号出力Ｇｓと、赤色の信号出力Ｒｓが演算処理により求められる。信号出力Ｓ１，Ｓ２及び信号出力Ｂｓ，Ｒｓの関係は、
Ｓ２＝α・Ｂｓ＋β・Ｒｓ
Ｓ３＝γ・Ｂｓ＋δ・Ｒｓ
となる。α、β、γ、δは、基板２６の深さに対する光の吸収係数や、イエローフィルタ４４の特性から決定される定数である。そして、この演算式から、信号出力Ｂｓ，Ｒｓを、それぞれ求めることができる。
＜第３の実施形態＞
図８に本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略平面構成を示す。図８は、本実施形態例の固体撮像装置の撮像領域における複数の画素２の平面レイアウトを示すものである。また、図９には、図８のＸ−Ｘ’線上に沿う断面構成を示し、図１０には、図８のＹ−Ｙ’線上に沿う断面構成を示す。図８〜１０において、図２〜４に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
［構成の説明］
本実施形態例は、第１の波長域の光を赤色（Ｒ）とし、第２の波長域の光を青色（Ｂ）とし、第３の波長域の光を緑色（Ｇ）とする例である。すなわち、図８に示すように、赤色の光Ｒを光電変換する第１の受光部２０ａと、青色の光Ｂと緑色の光Ｇを光電変換する第２の受光部２０ｂがそれぞれ千鳥状に交互に形成されている。
このため、本実施形態例では、図９に示すように、第１の受光部２０ａが形成された基板２６上に配置される単色フィルタとして、赤色フィルタ４６を用いる。また、第２の受光部２０ｂが形成された基板２６上に配置される補色フィルタとして、赤色の補色であるシアンフィルタ４７を用いる。
［動作の説明］
以上の構成を有する固体撮像装置の動作について、１つの第１の画素２ａと、１つの第２の画素２ｂに注目して説明する。
まず、基板２６の表面側から第１の受光部２０ａ及び第２の受光部２０ｂに光を照射する。
そうすると、赤色フィルタ４６では、赤色の光Ｒのみが透過するので、第１の受光部２０ａには、第１の波長域の光として、赤色の光Ｒが入射する。第１の受光部２０ａに入射した赤色の光Ｒは、第１のフォトダイオードＰＤ１で光電変換される。このとき、赤色の光Ｒは、上層のフォトダイオード及び下層のフォトダイオードにおいて光電変換されるので、第１のフォトダイオードＰＤ１の飽和電荷量（Ｑｓ）を増加させることができる。そして、第１のフォトダイオードＰＤ１で光電変換されて発生した信号電荷ｅ１は、ｐｎ接合ｊ１，ｊ２によって形成された電位の井戸に蓄積される。
一方、シアンフィルタ４７では、青色の光Ｂ及び緑色の光Ｇのみが透過するので、第２の受光部２０ｂには、第２及び第３の波長域の光として、青色の光Ｂ及び緑色の光Ｇが入射する。第２の受光部２０ｂに入射した光のうち、青色の光Ｂは、波長が緑色の光Ｇよりも短いので、そのほとんどが基板２６表面側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換される。そして、第２のフォトダイオードＰＤ２で光電変換されて発生した信号電荷ｅ２は、ｐｎ接合ｊ３によって形成された電位の井戸に蓄積される。また、第２の受光部２０ｂに入射した光のうち、緑色の光Ｇは、波長が青色の光Ｂよりも長い。このため、緑色の光Ｇのうち、第２のフォトダイオードＰＤ２で吸収されなかった光は、基板２６表面から深い位置に形成された第３のフォトダイオードＰＤ３に達し、第３のフォトダイオードＰＤ３において光電変換される。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３で光電変換されて発生した信号電荷ｅ３は、ｐｎ接合ｊ４によって形成された電位の井戸に蓄積される。
次に、蓄積されたそれぞれの信号電荷を、フローティングディフュージョン領域２１ａ，２１ｂに読み出す。
まず、第１の画素２ａについてみると、第１の画素２ａでは、第１のゲート電極２４がオンされることにより、縦型の第１のゲート電極２４周囲の電位が変動する。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷ｅ１は、第１のゲート電極２４に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ａに読み出される。
そして、フローティングディフュージョン領域２１ａに信号電荷ｅ１が読み出されたことにより、フローティングディフュージョン領域２１ａの電圧が変化する。この電圧変化が図示しないアンプトランジスタにより増幅され、第１のフォトダイオードＰＤ１の信号出力Ｓ１として出力される。この信号出力Ｓ１は、赤色の光Ｒによって得られたものである。
次に、第２の画素２ｂについてみると、第２の画素２ｂでは、第２のゲート電極２３がオンされることにより、平面型の第２のゲート電極２３下部の基板２６内の電位が変動する。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷ｅ２は、第２のゲート電極２３に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。また、第３のゲート電極２２がオンされることにより、縦型の第３のゲート電極２２周囲の電位が変動する。これにより、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、第３のゲート電極２２に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。
ところで、第３のゲート電極２２底部及び第３のゲート電極２２底部に位置するゲート絶縁膜３３は、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｎ＋不純物領域３６及びｎ−不純物領域３５に、基板２６を構成するｐ−不純物領域を介して被覆されている。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ＋不純物領域４１は、第３のゲート電極２２の、第２の受光部２０ｂに面する側には、第３のゲート電極２２に接して形成されており、第２の受光部２０ｂに面する側とは反対側には形成されていない。このため、第３のゲート電極２２がオンされたとき、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３は、第３のゲート電極２２の、ｐ＋不純物領域４１が形成されていない側の面に沿ってフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出される。
また、このとき、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ＋不純物領域４１は隣接する第２の画素２ｂを構成する第２の受光部２０ｂ境界位置まで延在して形成されている。そして、このｐ＋不純物領域４１は、第２のフォトダイオードＰＤ２と第３のフォトダイオードＰＤ３を分離するフォトダイオード分離領域とされている。このため、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷ｅ３が、第２のゲート電極２３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂに読み出されるのを防ぐことができる。
そして、第２のフォトダイオードＰＤ２及び第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接するそれぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂに信号電荷ｅ２，ｅ３が読み出されたことにより、それぞれのフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧が変化する。そして、この第２のフォトダイオードＰＤ２に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１ｂ域に接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、出力信号Ｓ２として出力される。また第３のフォトダイオードＰＤ３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１ｂの電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１ｂに接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、信号出力Ｓ３として出力される。
第２の受光部２０ｂには、青色の光Ｂと緑色の光Ｇが入射されるため、信号出力Ｓ２及びＳ３から、青色の信号出力Ｂｓと、緑色の信号出力Ｇｓが演算処理により求められる。信号出力Ｓ１，Ｓ２及び信号出力Ｂｓ，Ｇｓの関係は、
Ｓ２＝α・Ｂｓ＋β・Ｇｓ
Ｓ３＝γ・Ｂｓ＋δ・Ｇｓ
となる。α、β、γ、δは、基板２６の深さに対する光の吸収係数や、シアンフィルタ４７の特性から決定される係数である。そして、この演算式から、信号出力Ｂｓ，Ｇｓを、それぞれ求めることができる。
＜第４の実施形態＞
図１１に本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略平面構成を示す。図１１は、本実施形態例の固体撮像装置の撮像領域における複数の画素２の平面レイアウトを示すものである。また、図１２には、図１１のＸ−Ｘ’線上に沿う断面構成を示し、図１３には、図１１のＹ−Ｙ’線上に沿う断面構成を示す。図１１〜１３において、図２〜４に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
［構成の説明］
本実施形態例の固体撮像装置は、第１の実施形態例における固体撮像装置とは、フローティングディフュージョン領域の共有方法と、第２のゲート電極２３及び第３のゲート電極２２の配置方法が異なる例である。
図１１に示すように、斜めに隣接する第１の画素２ａ間で共有されるフローティングディフュージョン領域２１ｃは、斜めに隣接する第２の画素２ｂ間でも共有される。すなわち、このフローティングディフュージョン領域２１ｃは隣接する４つの画素間で共有されている。そして、このフローティングディフュージョン領域２１ｃを共有する４つの画素を単位画素群とすると、垂直方向に隣接する単位画素群の間には、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ、選択トランジスタ等が形成される画素トランジスタ領域２５が設けられている。そして、単位画素群のうち、第２の画素２ｂと、この単位画素群に隣接する単位画素群の第２の画素２ｂとの間では、フローティングディフュージョン領域２１ｂが共有されている。このため、単位画素群と水平方向に隣接する単位画素群とは、画素トランジスタ領域２５の領域分だけずれるように形成されている。
本実施形態例の固体撮像装置における第１の受光部２０ａ、第２の受光部２０ｂからの信号読み出しの動作は、第１の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
本実施形態例によれば、隣接する４つの画素を単位画素群として、１つのフローティングディフュージョン領域２１ｃを共有することにより、基板２６表面において電荷読み出しトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３の占める割合いが減少する。これにより、他の画素トランジスタ領域２５を形成するスペースを十分に確保することが可能となる。
＜第５の実施形態＞
図１４に本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略平面構成を示す。図１４は、本実施形態例の固体撮像装置の撮像領域における複数の画素２の平面レイアウトを示すものである。また、図１５には、図１４のＸ−Ｘ’線上に沿う断面構成を示す。図１４及び図１５において、図２及び図４に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
［構成の説明］
本実施形態例の固体撮像装置の画素２は、受光部２０と、縦型ゲート電極５２と、平面型ゲート電極５３と、フローティングディフュージョン領域２１とを含んで構成されている。そして、画素２上部には、有機光電変換膜４８を有する。
受光部２０は、基板２６の水平方向及び垂直方向に複数、マトリクス状に形成されており、基板２６の深さ方向に積層された上側フォトダイオードＰＤａと下側フォトダイオードＰＤｂとを有する。
図１５に示すように、上側フォトダイオードＰＤａは、基板２６の表面から深さ方向に順に形成されたｐ＋不純物領域、ｎ＋不純物領域、ｎ−不純物領域により構成され、主に、ｐ＋不純物領域とｎ＋不純物領域とのｐｎ接合ｊａにより構成されている。
また、下側フォトダイオードＰＤｂは、上側フォトダイオードＰＤａよりも深い位置から深さ方向に形成されたｐ＋不純物領域、ｎ＋不純物領域、ｎ−不純物領域により構成され、主に、ｐ＋不純物領域とｎ＋不純物領域とのｐｎ接合ｊｂにより構成されている。
本実施形態例の上側フォトダイオードＰＤａは、第１の実施形態における第２のフォトダイオードＰＤ２に相当するものであり、下側フォトダイオードＰＤｂは、第１の実施形態における第３のフォトダイオードＰＤ３に相当するものである。また、平面型ゲート電極５３は、第１の実施形態における第２のゲート電極２３に相当するものであり、縦型ゲート電極５２は、第１の実施形態における第３のゲート電極２２に相当するものである。また、フローティングディフュージョン領域２１は、第１の実施形態のフローティングディフュージョン領域２１ｂに相当するものである。
画素２では、平面型ゲート電極５３と、平面型ゲート電極５３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１により、上側フォトダイオードＰＤａの信号電荷ｅ２を読み出す電荷読み出しトランジスタＴｒ１が構成されている。また、縦型ゲート電極５２とフローティングディフュージョン領域２１により、下側フォトダイオードＰＤｂの信号電荷ｅ３を読み出す電荷読み出しトランジスタＴｒ３が構成されている。
受光部２０が形成された基板２６上部の光照射側には、図示しない所望の配線層を介して、緑色と補色関係にある赤色の光Ｒ及び青色の光Ｂを透過する補色フィルタである、マゼンダフィルタ４９が全面に配置されている。
そして、このマゼンダフィルタ４９の上部には、緑色の光Ｇのみを吸収し光電変換する、有機光電変換膜４８が形成されている。
有機光電変換膜４８は、各受光部２０に対応する基板２６上に、画素２毎に分離して配置されている。
［動作の説明］
以上の構成を有する固体撮像装置の動作について説明する。
まず、基板２６表面側から光を照射する。
そうすると、有機光電変換膜４８では、緑色の光Ｇのみが吸収される。そして、有機光電変換膜４８に吸収された緑色の光Ｇは、有機光電変換膜４８内で光電変換され、信号電荷ｅ１が発生する。緑色の光Ｇにより発生した信号電荷ｅ１は、出力端子を介して、緑色の信号出力Ｇｓとして出力される。
一方、有機光電変換膜４８に吸収されなかった光は、マゼンダフィルタ４９を介して、基板２６内の受光部２０に入射する。マゼンダフィルタ４９では、青色の光Ｂ及び赤色の光Ｒのみが透過するので、受光部２０には、青色の光Ｂ、及び赤色の光Ｒが入射する。受光部２０に入射した光のうち、青色の光Ｂは、波長が赤色の光Ｒよりも短いので、そのほとんどが基板２６表面側に形成された上側フォトダイオードＰＤａで光電変換される。そして、上側フォトダイオードＰＤａで光電変換されて発生した信号電荷ｅ２は、ｐｎ接合ｊａによって形成された電位の井戸に蓄積される。
また、受光部２０に入射した光のうち、赤色の光Ｒは、波長が青色の光Ｂよりも長い。このため、赤色の光Ｒのうち、上側フォトダイオードＰＤａで光電変換されかった光は、基板２６の表面から深い位置に形成された下側フォトダイオードＰＤｂに達し、下側フォトダイオードＰＤｂにおいて光電変換される。そして、下側フォトダイオードＰＤｂで光電変換されて発生した信号電荷ｅ３は、ｐｎ接合ｊｂによって形成された電位の井戸に蓄積される。
次に、蓄積されたそれぞれの信号電荷ｅ２，ｅ３を、フローティングディフュージョン領域２１に読み出す。
まず、平面型ゲート電極５３がオンされることにより、平面型ゲート電極５３下部の基板２６内の電位が変動する。これにより、上側フォトダイオードＰＤａに蓄積された信号電荷ｅ２は、平面型ゲート電極５３に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１に読み出される。また、縦型ゲート電極５２がオンされることにより、縦型ゲート電極５２周囲の電位が変動する。これにより、下側フォトダイオードＰＤｂに蓄積された信号電荷ｅ３は、縦型ゲート電極５２に隣接して形成されたフローティングディフュージョン領域２１に読み出される。
ところで、縦型ゲート電極５２底部及び縦型ゲート電極５２底部に位置するゲート絶縁膜３３は、下側フォトダイオードＰＤｂを構成するｎ＋不純物領域及びｎ−不純物領域に、基板を構成するｐ−不純物領域を介して被覆されている。そして、第２のフォトダイオードを構成するｐ＋不純物領域は、縦型ゲート電極５２の、受光部２０に面する側には、縦型ゲート電極５２に接して形成されており、受光部２０に面する側とは反対側には形成されていない。このため、縦型ゲート電極５２がオンされたとき、上側フォトダイオードＰＤａに蓄積された信号電荷ｅ３は、縦型ゲート電極５２の、ｐ＋不純物領域が形成されていない側の面に沿ってフローティングディフュージョン領域２１に読み出される。
また、このとき、下側フォトダイオードＰＤｂを構成するｐ＋不純物領域は隣接する受光部２０境界位置まで延在して形成されており、上側フォトダイオードＰＤａと下側フォトダイオードＰＤｂを分離するフォトダイオード分離領域とされている。このため、下側フォトダイオードＰＤｂに蓄積された信号電荷ｅ３が、平面型ゲート電極５３に隣接するフローティングディフュージョン領域２１に読み出されるのを防ぐことができる。
そして、上側フォトダイオードＰＤａ及び下側フォトダイオードＰＤｂに隣接するそれぞれのフローティングディフュージョン領域２１に信号電荷ｅ２，ｅ３が読み出されたことにより、それぞれのフローティングディフュージョン領域２１の電圧が変化する。そして、この上側フォトダイオードＰＤａに隣接するフローティングディフュージョン領域２１の電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域２１に接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、出力信号Ｓ２として出力される。また下側フォトダイオードに隣接するフローティングディフュージョン領域の電圧変化は、そのフローティングディフュージョン領域に接続された図示しないアンプトランジスタにより増幅され、信号出力Ｓ３として出力される。
受光部２０には、青色の光Ｂと赤色の光Ｒが入射されるため、信号出力Ｓ２及びＳ３から、青色の信号出力Ｂｓと、赤色の信号出力Ｒｓを演算処理により求めることができる。この演算方法は、第１の実施形態と同様である。
このように、本実施形態例では、１画素で、青色の光Ｂ、緑色の光Ｇ、赤色の光Ｒを同時に検出することができる。このため、入射光量の損失を低減することができる。また、１画素で、青色の光Ｂ、緑色の光Ｇ、赤色の光Ｒを検出することができるので、実効的な画素数を増やすことができる。
また、緑色の光Ｇは、有機光電変換膜４８により検出し、光吸収係数の差が大きい青色の光Ｂと赤色の光Ｒとを、基板２６内の深さ方向に積層された上側フォトダイオードＰＤａ、下側フォトダイオードＰＤｂで検出する。これにより、下側フォトダイオードＰＤｂで光電変換される光の色を赤色のみとすることができ、基板２６内における分光特性を向上させることができる。
本実施形態例では、有機光電変換膜４８として、緑色の光Ｇを吸収する材料を用いたが、青色の光Ｂを吸収する材料を用いてもよい。この場合は、マゼンダフィルタ４９の代わりに、イエローフィルタを用い、基板２６内の受光部２０においては、緑色の光Ｇと、赤色の光Ｒを光電変換する。また、有機光電変換膜４８として、赤色の光Ｒを吸収する材料を用いてもよい。この場合は、マゼンダフィルタ４９の代わりに、シアンフィルタを用い、基板２６内の受光部２０においては、青色の光Ｂと、緑色の光Ｇを光電変換する。
上述した第１〜第５の実施形態では、基板の表面側から光を照射する表面照射型の固体撮像装置を例として説明したが、基板の裏面側から光を照射する裏面照射型の固体撮像装置としてもよい。この場合は、基板の裏面側に、単色フィルタ、補色フィルタ、有機光電変換膜を構成し、基板内部のフォトダイオードの構成を逆にすればよい。
上述した第１〜第５の実施形態に係る固体撮像装置では、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はイメージセンサへの適用に限られるものではなく、画素アレイ部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置に適用可能である。また、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
さらに、本発明は、画素アレイ部の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限らない。例えば、画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
＜第６の実施形態＞
［電子機器］
以下に、上述した本発明の固体撮像装置を、電子機器に用いた場合の実施形態を示す。以下の説明では、一例として、カメラに、第１〜第５の実施形態のいずれかを適用した固体撮像装置１を用いる例を説明する。
図１６に、本発明の第６の実施形態に係るカメラの概略断面構成を示す。本実施形態に係るカメラは、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。
本実施形態に係るカメラは、固体撮像装置１と、光学レンズ１１０と、シャッタ装置１１１と、駆動回路１１２と、信号処理回路１１３とを有する。そして、この固体撮像装置１には、第１〜第５５の実施形態の固体撮像装置を適用できる。
光学レンズ１１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。この光学レンズ１１０は、複数の光学レンズから構成される光学レンズ系としてもよい。
シャッタ装置１１１は、固体撮像装置１への光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路１１２は、固体撮像装置１の転送動作およびシャッタ装置１１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路１１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行なう。信号処理回路１１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
本実施形態例のカメラに用いられる固体撮像装置１では、基板内に積層したフォトダイオードを用い、１画素から複数の色信号を検出することができ、実効的な画素数の向上や、飽和電荷量（Ｑｓ）、感度の向上が図られる。このため、本実施形態例のカメラでは、カメラの小型化が可能であり、かつ、より高画質化されたカメラを得ることができる。すなわち、電子機器の小型化、高解像度化、高画質化が可能とされる。
本発明の第１〜第５の実施形態の固体撮像装置の全体構成図である。 本発明の第１の実施形態係る固体撮像装置の要部の平面レイアウト図である。 図２のＸ−Ｘ’断面構成図である。 図２のＹ−Ｙ’断面構成図である。 本発明の第２の実施形態係る固体撮像装置の要部の平面レイアウト図である。 図５のＸ−Ｘ’断面構成図である。 図５のＹ−Ｙ’断面構成図である。 本発明の第３の実施形態係る固体撮像装置の要部の平面レイアウト図である。 図８のＸ−Ｘ’断面構成図である。 図８のＹ−Ｙ’断面構成図である。 本発明の第４の実施形態係る固体撮像装置の要部の平面レイアウト図である。 図１１のＸ−Ｘ’断面構成図である。 図１１のＹ−Ｙ’断面構成図である。 本発明の第５の実施形態係る固体撮像装置の要部の平面レイアウト図である。 図１４のＸ−Ｘ’断面構成図である。 本発明の第６の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。 従来の固体撮像装置の概略断面構成図である。 従来の固体撮像装置の概略断面構成図である。
符号の説明
１・・固体撮像装置、２・・画素、２ａ・・第１の画素、２ｂ・・第２の画素、３・・撮像領域、４・・垂直駆動回路、５・・カラム信号処理回路、６・・水平駆動回路、７・・出力回路、８・・制御回路、９・・垂直信号線、１０・・水平信号線、１１・・基板、２０・・受光部、２０ａ・・第１の受光部、２０ｂ・・第２の受光部、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・フローティングディフュージョン領域、２２・・第３のゲート電極、２３・・第２のゲート電極、２４・・第１のゲート電極、２５・・画素トランジスタ領域、４２・・マゼンダフィルタ、４３・・青色フィルタ、４４・・イエローフィルタ、４５・・緑色フィルタ、４６・・赤色フィルタ、４７・・シアンフィルタ

Claims (5)

  1. 基板と、
    前記基板に形成された第１の波長域の光を検出する第１のフォトダイオードであって、前記基板の深さ方向に積層された複数のフォトダイオードで構成される前記第１のフォトダイオードから構成された第１の受光部と、前記第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、を含んで構成された第１の画素と、
    前記基板の深さ方向に順に積層されて形成された第２及び第３のフォトダイオードであって、前記第１の波長域の光と補色関係にある第２及び第３の波長域の光を検出する第２及び第３のフォトダイオードから構成された第２の受光部と、前記第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、前記第２のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に前記基板の表面側に形成された平面型ゲート電極である第２のゲート電極と、前記第２のフォトダイオードよりも深い位置の前記第３のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に前記基板の深さ方向に埋め込まれて形成された縦型ゲート電極である第３のゲート電極と、を含んで構成された第２の画素と、
    前記第２のフォトダイオードと、前記第３のフォトダイオードとの間を電気的に分離するための、フォトダイオード分離領域と、
    前記第１の受光部が形成された前記基板の光入射側に形成される、単色フィルタと、
    前記第２の受光部が形成された前記基板の光入射側に形成される、補色フィルタと、
    を含む固体撮像装置。
  2. 前記第１〜第３のゲート電極に読み出された信号電荷を蓄積する為に、前記第１〜第３のゲート電極のそれぞれに隣接して形成されたそれぞれのフローティングディフュージョン領域を有し、
    前記フローティングディフュージョン領域は、隣接する画素間で共有される
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記第１の画素及び前記第２の画素は、互いに千鳥状に配置される
    請求項1又は２記載の固体撮像装置。
  4. 前記単色フィルタは、緑色のカラーフィルタであり、前記補色フィルタは、マゼンダ色のカラーフィルタである
    請求項１〜３のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 光学レンズと、
    基板と、前記基板に形成された第１の波長域の光を検出する第１のフォトダイオードであって、前記基板の深さ方向に積層された複数のフォトダイオードで構成される前記第１のフォトダイオードから構成された第１の受光部と、前記第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、を含んで構成された第１の画素と、前記基板の深さ方向に順に積層されて形成された第２及び第３のフォトダイオードであって、前記第１の波長域の光と補色関係にある第２及び第３の波長域の光を検出する第２及び第３のフォトダイオードから構成された第２の受光部と、前記第１のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為の第１のゲート電極と、前記第２のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に前記基板の表面側に形成された平面型ゲート電極である第２のゲート電極と、前記第２のフォトダイオードよりも深い位置の前記第３のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出す為に前記基板の深さ方向に埋め込まれて形成された縦型ゲート電極である第３のゲート電極と、を含んで構成された第２の画素と、前記第２のフォトダイオードと、前記第３のフォトダイオードとの間を電気的に分離するための、フォトダイオード分離領域と、前記第１の受光部が形成された前記基板の光入射側に形成される、単色フィルタと、前記第２の受光部が形成された前記基板の光入射側に形成される、補色フィルタと、を含む固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、
    を含んで構成される電子機器。
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