JP6230637B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は裏面照射型の固体撮像装置、及びカメラシステムに関するものである。

近年、より高感度の固体撮像装置を実現するために、半導体基板の第１主面側（表面側）にトランジスタや金属配線が配され、表面側とは反対の第２主面側（裏面側）に光が照射される、裏面照射型固体撮像装置が提案されている。

特許文献１には、裏面照射型の固体撮像装置において、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する構成が開示されている。特許文献１に開示された固体撮像装置は、半導体基板材料の光吸収係数が波長依存性を持つことを利用して、各受光部において、それぞれの深さに対応した波長域の光を検知する。例えば３つの受光部が積層された構成では、入射面に最も近い受光部で主に青色の光を、中間の受光部で主に緑色の光を、最も遠い受光部で主に赤色の光を検知する。

特許文献１に記載された固体撮像装置は、受光部と表面側の回路とを電気的に接続するために、各受光部が半導体基板の深さ方向に延在した不純物拡散領域を有している。

特開２００８−０６０４７６号公報

特許文献１に開示される構成では、半導体基板の深さ方向に延びた不純物拡散領域に光が入射する。例えば、青色の受光部に対応する不純物拡散領域の深い位置で、入射光が光電変換されると、本来緑色や赤色の信号電荷として蓄積されるべき電荷が、青色の信号電荷として蓄積される。これによって、色分離特性が悪化し、ノイズの原因となる。

表面入射型の固体撮像装置は、入射面側にトランジスタや配線など光を遮る構造物が配される。これに対して、裏面入射型の固体撮像装置は、入射面側にトランジスタや配線を形成する必要がないので全面に光が入射する。したがって、上述の色分離特性の悪化という問題が顕在化する。

上記課題に鑑み、本発明は色分離特性が向上した裏面照射型の固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の一様態は、受光部と読出し部とを含む複数の画素が配された半導体基板と、前記半導体基板の第１主面側に配された配線とを有し、前記半導体基板の第１主面とは反対側の第２主面から、前記受光部へ光が入射する裏面入射型の固体撮像装置において、前記受光部は、第１受光部と、前記第２主面を基準として前記第１受光部より深い位置に配された第２受光部とを含み、前記第１受光部が、光電変換によって発生した電荷の極性に対応する第１導電型の第１半導体領域を含み、前記読出し部が、前記第１半導体領域から前記第１主面まで前記半導体基板の深さ方向に延在して配された、第１導電型の第２半導体領域を含み、前記半導体基板の前記第２主面の側に、光を集光する複数のマイクロレンズが配され、前記深さ方向を含む断面で見たときに、隣り合う２つの画素にそれぞれ対応する２つのマイクロレンズの成す谷の底部が、前記深さ方向に沿って投影された時に前記第２半導体領域に重なる位置に配される固体撮像装置に関する。

本発明に係る固体撮像装置によれば、色分離特性を向上することが可能である。

実施例１の断面概略図。 実施例１の上面概略図。 実施例１の水平方向のポテンシャル分布図。 実施例２の上面概略図。 実施例３の断面概略図。 実施例４の断面概略図。 実施例５の断面概略図。 （ａ）実施例６の断面概略図。（ｂ）実施例６の水平方向のポテンシャル分布図。 実施例７の上面概略図。 実施例７の水平方向のポテンシャル分布図。 カメラシステムの実施例。

本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。各実施例において、信号電荷として電子を用いる構成を例示するが、信号電荷としてホールを用いることも可能である。信号電荷として電子を用いる場合は、第１導電型がＮ型、第２導電型がＰ型である。ホールを信号電荷として用いる場合には、信号電荷が電子の場合に対して各半導体領域の導電型を逆の導電型とすればよい。

図１は本発明に係る固体撮像装置の一実施形態における断面の概略図である。１０１は、受光部や各トランジスタの半導体領域などが形成される半導体基板である。半導体基板１０１には、Ｐ型半導体基板、ＳＯＩ基板などを使用することができる。半導体基板の第１主面側（図面上での下側）には、回路部１０２が配される。回路部１０２は各トランジスタ、電極、配線を含む。半導体基板１０１の第２主面側（図面上での上側）、すなわち回路部１０２とは反対側には、絶縁膜、保護膜等を介して、光学機能部が配される。本実施例は配線及びトランジスタが配される第１主面（表面）とは反対側、すなわち第２主面（裏面）側から光が入射する裏面入射型の固体撮像装置の構成になっている。

本実施例では光学機能部がマイクロレンズを含む。詳しくは後述するが、該マイクロレンズが光量低減手段として機能する。

次に半導体基板１０１に配される受光部の構造について説明する。図１に示されるように、半導体基板１０１の内部にＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒが深さ方向に積層されて配されている。本明細書において、深さ方向は基板の表面、もしくは裏面に垂直な方向と定義する。また水平方向は深さ方向に直交する方向である。

Ｎ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒは、それぞれＰ型半導体領域１０４とＰＮ接合を形成している。最も裏面近傍に配されたＮ型半導体領域１０３Ｂには、青色の波長帯の光が光電変換されることによって生じた電子が主として収集される。裏面を基準として、Ｎ型半導体領域１０３Ｂより深くに配されたＮ型半導体領域１０３Ｇには、緑色の波長帯の光が光電変換されることによって生じた電子が主として収集される。裏面を基準として最も深くに配されたＮ型半導体領域１０３Ｒには、赤色の波長帯の光が光電変換されることによって生じた電子が主として収集される。本実施例においては、Ｎ型半導体領域１０３Ｂが特許請求の範囲に記載の第１半導体領域に相当し、Ｎ型半導体領域１０３Ｇが特許請求の範囲に記載の第３半導体領域に相当する。

このように、Ｎ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒは、それぞれＰ型半導体領域１０４とフォトダイオードを構成することで、受光部として機能している。各受光部において、それぞれの深さに対応した波長域の光を検知する。

Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇは、それぞれＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇに収集された電荷を取り出すための読出し部である。Ｎ型半導体領域１０５Ｂは、半導体基板１０１の深さ方向に沿って、Ｎ型半導体領域１０３Ｂから表面に渡って延在している。Ｎ型半導体領域１０５Ｇは、半導体基板１０１の深さ方向に沿って、Ｎ型半導体領域１０３Ｇから表面に渡って延在している。Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇの不純物濃度は、それぞれＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇより高いことが好ましい。本実施例においては、Ｎ型半導体領域１０５Ｂが特許請求の範囲に記載の第２半導体領域に相当し、Ｎ型半導体領域１０５Ｇが第４半導体領域に相当する。

本実施例では、赤色の波長帯に対応するＮ型半導体領域１０３Ｒは、表面に配されているため、読出し部を必要としない。Ｎ型半導体領域１０３Ｒも表面から半導体基板１０１内部に埋め込まれた位置に配されてもよい。この場合は、Ｎ型半導体領域１０３Ｒに対応した読出し部を設ける。

読出し部はこのような形状、配置に限らず、受光部に生じた電子に基づく信号が読出し部を介して表面側に取り出されるための機能を備えていればよい。

本実施例では、深さ方向に積層された３つのＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒと、Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇが１画素に含まれる。図１では２画素のみが示されているが、実際は複数の画素が線状、もしくは行列状に配されている。これは以下の実施例でも同様である。

回路部１０２は、各受光部に生じた電子に基づく信号を読み出すための回路を含む。回路部１０２の具体的な構成の一例を簡単に説明する。

Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇ、Ｎ型半導体領域１０３Ｒは、それぞれ転送ＭＯＳトランジスタＴｘＢ、ＴｘＧ、ＴｘＲを介して増幅部の入力へ電気的に接続されている。増幅部の入力はリセットＭＯＳトランジスタＲｅｓを介して電源と接続可能となっている。各受光部に生じた電子は、各転送ＭＯＳトランジスタがオンすることで、読出し部を介して増幅部の入力に完全空乏転送することができる。

増幅部は増幅ＭＯＳトランジスタＭで構成される。増幅ＭＯＳトランジスタＭのゲートが入力であり、ソースとドレインは一方が電源に、他方が選択ＭＯＳトランジスタＳＥＬのソースもしくはドレインに接続されている。選択ＭＯＳトランジスタＳＥＬのソースドレインのうち、増幅ＭＯＳトランジスタＭと接続されていない方の端子は、出力線に接続されている。

このような構成に限らず、各半導体領域が出力線と直接電気的に接続されていてもよい。

半導体基板１０１の裏面側には、光を集光するマイクロレンズ１０６が配される。マイクロレンズ１０６は受光部の配置に対応して配置される。本実施例においては、積層された３つの受光部毎に１つのマイクロレンズ１０６が配されている。すなわち、積層された３つの受光部の上部に、深さ方向に投影したときにそれぞれの受光部と重なるように１つのマイクロレンズ１０６が配されている。

本実施例においては、マイクロレンズ１０６の端部が、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの上部に位置する。すなわち、マイクロレンズ１０６を深さ方向に投影したときに、その端部がＮ型半導体領域１０５Ｂと重なる。マイクロレンズ１０６は、裏面から距離を置いて配されてもよいし、裏面に直接配されていてもよい。

入射光はマイクロレンズ１０６の中央部に向かって集光される。このため、マイクロレンズ１０６の端部の下部に配されたＮ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量は、マイクロレンズ１０６がない場合に比べて低減される。マイクロレンズ１０６がない場合の入射光量に対して、マイクロレンズ１０６が配されたことで低減された光量の比率が、入射する光量の低減率である。

Ｎ型半導体領域１０３Ｂに入射する光量はほとんど低減されないか、あるいはマイクロレンズ１０６に集光されて増加する。すなわち低減率がゼロに近いか、もしくは入射光量が低減せずに増加している。

このように、本発明の光量低減手段は、第２半導体領域に入射する光量の低減率が、第１半導体領域に入射する光量の低減率よりも高い。ここで、第１半導体領域に入射する光量はまったく低減されない、もしくは増加してもよい。また、光量低減手段は、第２半導体領域に入射する光を完全に遮断して、第２半導体領域に入射する光量をゼロにする構成も含む。

図２は本実施例の上面図である。図２には、Ｎ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒ、及びＮ型半導体領域１０５Ｂ、１０３Ｇが示されている。

図に示されるように、３つのＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒは、深さ方向に投影したときに重なるように配されている。Ｎ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇに対応して、読出し部であるＮ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇが配される。マイクロレンズ１０６は、上面図でみたときに、Ｎ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒと重なるように配されている。

そして、上面図で見たときに、マイクロレンズ１０６の端部は、Ｎ型半導体領域１０５Ｂと重なっている。別の表現で言えば、マイクロレンズ１０６の端部を深さ方向に投影した場合にＮ型半導体領域１０５Ｂと重なる。

本実施例においては、最も裏面近傍に配されたＮ型半導体領域１０３Ｂが、水平方向について最も広い範囲を占めている。また、マイクロレンズ１０６は、その中心と、Ｎ型半導体領域１０３Ｂの中心がほぼ一致するように配されている。

図３は本実施例の水平方向のポテンシャル分布図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇ、１０３Ｒが位置する深さの、水平方向のポテンシャル分布を示している。すなわち、図１の直線Ａ、直線Ｂ、直線Ｃに沿ったポテンシャル分布を示している。縦軸が電子に対するポテンシャル、横軸が水平方向の位置を示している。

図３（ａ）に示されるように、隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間には、Ｐ型半導体領域１０４によるポテンシャル障壁がある。そして、読出し部であるＮ型半導体領域１０５Ｂは、Ｎ型半導体領域１０３Ｂよりもポテンシャルが低くなっている。この深さでは、主に青色の波長帯の光が光電変換され、青色の信号電荷としてＮ型半導体領域１０３Ｂに収集される。

画素間のポテンシャル障壁に平坦な部分があると、そこで発生した電荷は深さ方向に拡散し、Ｎ型半導体領域１０３Ｇに混入する可能性がある。そのため、Ｎ型半導体領域１０３Ｂは水平方向に広範囲に延在しているほうが好ましい。

隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂ同士の間隔が短くなれば、ポテンシャル障壁の平坦な部分が少なくなり、電子はＮ型半導体領域１０３Ｇよりも、Ｎ型半導体領域１０３Ｂに到達しやすくなる。つまり同一画素内での混色を抑制することが可能となる。

混色を抑制する別の方法を説明する。マイクロレンズ１０６を、その中心と、Ｎ型半導体領域１０３Ｂの中心が一致するように配して、光がＮ型半導体領域１０３Ｂに入射するようにする。このような構成によれば、画素間のポテンシャル障壁に入射する光量自体が減少し、上述したＮ型半導体領域１０３Ｇへ混入する可能性のある電子そのものを少なくすることができる。

図３（ｂ）には、Ｎ型半導体領域１０３Ｇが位置する深さにおける、水平方向のポテンシャル分布が示されている。読出し部であるＮ型半導体領域１０５Ｇは、Ｎ型半導体領域１０３Ｇよりもポテンシャルが低くなっている。また、Ｎ型半導体領域１０５ＧとＮ型半導体領域１０５Ｂとの間にはポテンシャル障壁がある。このように、Ｎ型半導体領域１０５ＧとＮ型半導体領域１０５Ｂとが電気的に分離されていることが好ましい。

この深さでは、主に緑色の波長帯の光が光電変換され、緑色の信号電荷としてＮ型半導体領域１０３Ｇに収集される。一方で、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに光が入射すると、光電変換で発生した電荷は青色の信号電荷として収集されてしまう。

本実施例では、マイクロレンズ１０６の端部が、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの上部に位置するような水平方向の位置関係となっているので、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量が減少する。したがって、緑色の信号電荷として収集されるべき電荷が、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに混入することが少なくなる。

図３（ｃ）にはＮ型半導体領域１０３Ｒが位置する深さにおける、水平方向のポテンシャル分布が示されている。図３（ｃ）に示されるとおり、Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、Ｎ型半導体領域１０５Ｇ、Ｎ型半導体領域１０３Ｒのそれぞれの間にはポテンシャル障壁がある。このように、Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、Ｎ型半導体領域１０５Ｇ、Ｎ型半導体領域１０３Ｒは互いに電気的に分離されていることが好ましい。

この深さでは、主に赤色の波長帯の光が光電変換され、赤色の信号電荷としてＮ型半導体領域１０３Ｒに収集される。マイクロレンズ１０６が配されたことで、赤色の信号電荷がＮ型半導体領域１０５Ｂに混入することが少なくなる。

以上述べたように、本実施例は、マイクロレンズ１０６の端部が、深さ方向に投影したときにＮ型半導体領域１０５Ｂと重なるように配置されている。すなわち、上面図で見たときに、マイクロレンズ１０６とＮ型半導体領域１０５Ｂとが重なっている。このような構成によれば、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量が減るので、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの裏面を基準とした深い位置で電荷が発生しない。したがって、色分離特性が向上する。

また本実施例は、Ｎ型半導体領域１０３Ｂとマイクロレンズ１０６の中心が水平方向においてほぼ同じ位置にある。このような構成によれば隣接する画素間のＮ型半導体領域１０３Ｂの間で電荷が発生することが少なくなる。したがってより色分離特性が向上する。

本発明に係る固体撮像装置の別の実施形態を図４に示す。図４は固体撮像装置の上面図である。実施例１と同様の機能を有する部分については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施例は、上面図でみたときに、マイクロレンズ１０６の端部がＮ型半導体領域１０５Ｂ及びＮ型半導体領域１０５Ｇの両方の上部に位置する。また、隣接する画素同士のマイクロレンズ１０６が端部の一部を共有するように連続して配されている。このようにマイクロレンズ１０６の一部または全部が隣接画素のマイクロレンズと連続的に配されている場合、断面で見たときに谷になっている部分もマイクロレンズの端部に相当する。隣接するマイクロレンズが共有する端部が、Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇの上部に位置していることが好ましい。

実施例１のＮ型半導体領域１０５Ｂについて説明したのと同様に、本実施例においては、Ｎ型半導体領域１０５Ｇに入射する光量が少なくなる。したがって、Ｎ型半導体領域１０５Ｇにおいて、Ｎ型半導体領域１０３Ｒが配された深さで発生する電荷が減少する。すなわち、赤色の信号電荷として収集されるべき電荷が、緑色の電荷として収集されることが低減される。

以上に述べたように、本実施例は実施例１の効果に加えて、以下の効果を有する。

本実施例は、上面図で見たときに、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの上部及びＮ型半導体領域１０５Ｇの上部にマイクロレンズの端部が位置している。このような構成によれば、Ｎ型半導体領域１０５Ｇに入射する光量を減らすことができるので、Ｎ型半導体領域１０５Ｇの裏面から深い位置で電荷が発生しない。したがって、色分離特性がさらに向上する。

図５は本発明に係る固体撮像装置の別の実施形態における断面の概略図である。実施例１〜２と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施例は、光入射面である裏面側に遮光部１０７が配された構成である。以下に説明するとおり、本実施例においては遮光部１０７が光量低減手段として機能する。

遮光部１０７は光を透過しない材料で構成される。アルミなどの金属が用いられる。もしくは黒塗りの樹脂など光吸収材料でも良い。遮光部１０７はＮ型半導体領域１０５Ｂの上部に位置している。また、遮光部１０７を深さ方向に投影したときに、Ｎ型半導体領域１０５Ｂと重なるように水平方向の位置関係が定められる。少なくとも入射光の一部を遮る位置に配されればよい。

遮光部１０７によって入射光の一部が遮られ、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量を減少させることが可能となる。Ｎ型半導体領域１０５Ｂの深い領域で、緑色の波長帯や赤色の波長帯の光が光電変換されることが少なくなる。したがって、緑色や赤色の信号電荷として読み出されるべき電荷が、青色の信号電荷として読み出されることが少なくなる。

また、遮光部１０７は、隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間に配されてもよい。隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間の領域へ入射する光量を少なくすることが可能となり、Ｎ型半導体領域１０３Ｂが位置する深さで生じて、Ｎ型半導体領域１０３Ｇに混入する電荷が少なくなる。

以上述べたように、本実施例は、遮光部１０７が、深さ方向に投影したときにＮ型半導体領域１０５Ｂと重なるように配置されている。すなわち、上面図で見たときに、遮光部１０７とＮ型半導体領域１０５Ｂとが重なっている。

このような構成によれば、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量を減らすことが可能となるので、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの裏面を基準として深い位置での電荷の発生を抑制することができる。したがって、色分離特性が向上する。

また遮光部１０７が隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間に配された構成とすれば、隣接する画素間のＮ型半導体領域１０３Ｂの間での電荷の発生を抑制することが可能となる。したがってより色分離特性が向上する。

本実施例の構成に加えて、実施例１または２のマイクロレンズを組み合わせることで、更に色分離特性の効果が高まる。

図６は本発明に係る固体撮像装置の別の実施形態における断面の概略図である。実施例１〜３と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施例は、光入射面である裏面側に光導波路１０８が配された構成である。以下に説明するとおり、本実施例においては光導波路１０８が光量低減手段として機能する。

光導波路１０８はコア部１０９と、クラッド部１１０とで構成される。コア部１０９には光を透過する材料が用いられ、屈折率が小さい方が好ましい。クラッド部１１０にはコア部１０９に比べて屈折率の高い材料が用いられる。または、光を反射する材料が用いられても良い。

本実施例においては、クラッド部１１０がＮ型半導体領域１０５Ｂの上部に位置する。クラッド部１１０を深さ方向に投影したときに、クラッド部１１０とＮ型半導体領域１０５Ｂが重なっている。

入射光はクラッド部１１０によって反射されるので、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量を減少させることが可能となる。このため、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの深い領域で、緑色の波長帯や赤色の波長帯の光が光電変換されることが少ない。結果として、緑色や赤色の信号電荷として読み出されるべき電荷が、青色の信号電荷として読み出されることが少なくなる。

本実施例において、光導波路１０８を深さ方向にある程度長く形成することで、入射した光の指向性が向上する。ある入射角で光導波路に入射した光が、クラッド部で反射、干渉される。そして、光が半導体基板の第２主面に到達した時点では、入射角の影響が弱められ、平行光に近い光になる。

受光部が積層された固体撮像素子では、斜め入射光が多いと色分離特性が悪化する。そのため深さ方向に長い光導波路を用いることで、色分離特性を向上させることが可能となる。

以上述べたように、本実施例は、クラッド部１１０が、深さ方向に投影したときにＮ型半導体領域１０５Ｂと重なるように配置されている。すなわち、上面図で見たときに、クラッド部１１０とＮ型半導体領域１０５Ｂとが重なっている。このような構成によれば、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量を減らすことができるので、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの裏面を基準として位置での電荷の発生を抑制することができる。したがって、色分離特性が向上する。

本実施例の構成に加えて、実施例１または２のマイクロレンズを組み合わせることで、色分離特性の効果がさらに高まる。

図７は本発明に係る固体撮像装置の別の実施形態における断面の概略図である。実施例１〜４と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施例では、裏面側に柱状のマイクロレンズ１１１が画素毎に配されている。以下に説明するとおり、本実施例においては柱状のマイクロレンズ１１１が光量低減手段として機能する。

隣接する画素のマイクロレンズ１１１の間にはエアギャップ部１１２が配される。エアギャップ部１１２は、深さ方向に投影したときにＮ型半導体領域１０５Ｂと重なるように配置されている。すなわち、上面図で見たときに、エアギャップ部とＮ型半導体領域１０５Ｂとが重なっている。

エアギャップ部１１２は真空状態であるか、窒素や大気が充填されている。エアギャップ部１１２と柱状マイクロレンズ１１１との屈折率の違いによって、エアギャップ部１１２に入射した光は、柱状マイクロレンズ１１１に集まる。

エアギャップ部はＮ型半導体領域１０５Ｂの上に配されているため、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量を減少させることが可能となる。このため、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの深い領域で、緑色の波長帯や赤色の波長帯の光が光電変換されることを抑制することができる。結果として、緑色や赤色の信号電荷として読み出されるべき電荷が、青色の信号電荷として読み出されることが少なくなる。

マイクロレンズの形状が柱状であるため、入射した光の指向性が向上する。ある入射角でマイクロレンズに入射した光が、エアギャップ部で反射、干渉される。そして、光が半導体基板の第２主面に到達した時点では、入射角の影響が弱められ、平行光に近い光になる。

受光部が積層された固体撮像素子では、斜め入射光が多いと色分離特性が悪化する。そのため光の指向性が良いマイクロレンズを用いることで、色分離特性を向上させることが可能となる。

以上述べたように、本実施例では、柱状マイクロレンズ間のエアギャップ部１１２が、深さ方向に投影したときにＮ型半導体領域１０５Ｂと重なるように配置されている。すなわち、上面図で見たときに、エアギャップ部１１２とＮ型半導体領域１０５Ｂとが重なっている。

このような構成によれば、Ｎ型半導体領域１０５Ｂに入射する光量を減らすことができるので、Ｎ型半導体領域１０５Ｂの裏面から深い位置での電荷の発生を抑制することができる。したがって、色分離特性が向上する。

本実施例の構成に加えて、実施例３の遮光部や、実施例４の光導波路を組み合わせることで、色分離特性の効果がさらに高まる。

図８（ａ）は本発明に係る固体撮像装置の別の実施形態における断面の概略図である。実施例１〜５と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施例では、隣接する画素間のＮ型半導体領域１０３Ｂが電気的に導通している。電気的に導通しているとは、隣接する画素間のＮ型半導体領域１０３Ｂの間にＰ型の半導体領域が存在しない場合が考えられる。さらにＰ型の半導体領域が存在していても、Ｎ型半導体領域１０３Ｂどうしの距離が十分に近く、空乏層がつながっている構成も、電気的に導通している構成に含まれる。

図８（ａ）では、点線でＮ型半導体領域１０３Ｂから広がる空乏層領域１１３が示されている。図８（ａ）が示すように、隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂは空乏層を介して電気的に導通している。

図８（ｂ）には、Ｎ型半導体領域１０３Ｂが位置する深さにおける、水平方向のポテンシャル分布が示されている。すなわち、図８（ａ）の直線Ｄに沿ったポテンシャル分布図が示されている。縦軸に電子に対するポテンシャル、横軸の水平方向の位置をプロットしている。

図８（ｂ）に示されるように、異なる画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間のポテンシャル障壁にはポテンシャルが平坦な部分がない。言い換えれば、異なる画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間には、電荷が水平方向に沿ってどちらかの画素に向かってドリフトするようなポテンシャル勾配が形成される。

ポテンシャル障壁にポテンシャルが平坦な部分があると、実施例１の説明で述べた通り、Ｎ型半導体領域１０３Ｇに電荷が混入してしまう。本実施例では、ポテンシャル障壁のポテンシャルが平坦な部分が少ないため、Ｎ型半導体領域１０３Ｇに電荷が混入することが少ない。

不純物拡散領域が隣接する画素に渡って延在している場合には、隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂの間の領域においても、深さ方向についてポテンシャルの障壁が形成される。そのため、Ｎ型半導体領域１０３Ｇに電荷が混入することが少なくなる。

図８（ａ）では、裏面側に実施例１と同様のマイクロレンズ１０６が配された構成が示されている。本実施例は、これに限らず他の実施例の構成を適用することができる。

以上に述べた通り、本実施例は実施例１〜５の効果に加えて、以下の効果を有する。

本実施例は、隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｂが電気的に導通している。このような構成によれば、隣接する画素間のＮ型半導体領域１０３Ｂの間で発生した電荷が、Ｎ型半導体領域１０３Ｇに混入することが少なくなる。したがって色分離特性がさらに向上する。

本実施例は、Ｎ型半導体領域１０３Ｂが電気的に導通しているが、隣接する画素のＮ型半導体領域１０３Ｇが同様に電気的に導通していても良い。この場合、隣接する画素間のＮ型半導体領域１０３Ｇの間で発生した電荷が、Ｎ型半導体領域１０３ＢやＮ型半導体領域１０３Ｒに混入することが少なくなる。

図９（ａ）は本発明に係る固体撮像装置の別の実施形態における上面図である。実施例１〜６と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施例においては、上面図で見たときに、Ｎ型半導体領域１０３Ｂの中心がマイクロレンズ１０６の端部に位置している。また、同じく上面図で見たときに、Ｎ型半導体領域１０３Ｇの中心がマイクロレンズ１０６の端部に位置している。別の観点で見ると、１つのマイクロレンズ１０６が、２つのＮ型半導体領域１０３Ｂ上に配置されている。すなわち、マイクロレンズ１０６を深さ方向に投影したとき、２つのＮ型半導体領域１０３Ｂと重なるように、マイクロレンズ１０６が配されている。Ｎ型半導体領域１０３Ｇについても同様である。

読出し部であるＮ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇは、それぞれＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇの中心に配される。すなわち、マイクロレンズ１０６の端部は、深さ方向に投影したときに、Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇと重なる位置に配される。

図９（ｂ）は、マイクロレンズ１０６、Ｎ型半導体領域１０３Ｂ、Ｎ型半導体領域１０５Ｂを示した上面図である。図９（ｂ）に示されるように、マイクロレンズ１０６が、図の左右方向に隣接する２つのＮ型半導体領域１０３Ｂと重なっている。そして、上面図でみたときに、１つのマイクロレンズ１０６の端部に２つのＮ型半導体領域１０５Ｂが重なっている。

図９（ｃ）は、マイクロレンズ１０６、Ｎ型半導体領域１０３Ｇ、Ｎ型半導体領域１０５Ｇを示した上面図である。Ｎ型半導体領域１０３Ｇは、Ｎ型半導体領域１０５Ｂが位置する場所を避けるような形状になっている。マイクロレンズ１０６が、図の上下方向に隣接する２つのＮ型半導体領域１０３Ｇと重なっている。そして、上面図でみたときに、１つのマイクロレンズ１０６の端部に２つのＮ型半導体領域１０５Ｇが重なっている。

図９（ｄ）は、マイクロレンズ１０６、Ｎ型半導体領域１０３Ｒを示した上面図である。図９（ｄ）が示すように、マイクロレンズ１０６とＮ型半導体領域１０３Ｒの中心は一致している。

図９（ａ）に示されるように、Ｎ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇは、それぞれＮ型半導体領域１０３Ｂ、１０３Ｇの中心に配されている。上面図でみたときに、Ｎ型半導体領域１０５Ｂと１０３Ｇとの位置関係は、正方面心格子状になっている。すなわち、４つのＮ型半導体領域１０５Ｂが正方形の頂点に配され、その中心に１つのＮ型半導体領域１０５Ｇが位置している。４つのＮ型半導体領域１０５Ｂの各々も、４つのＮ型半導体領域１０５Ｇを頂点とする正方形の中心に位置している。もっとも、周辺の画素についてはこの限りではない。

このような構成とすることで、隣接する読出し部同士の距離を大きくすることができる。読出し部であるＮ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇは不純物濃度が高いことが好ましい。不純物濃度が高いと、不純物は拡散しやすくなる。また不純物濃度が高いために、周囲のＰ型半導体領域１０４での空乏層の広がりも大きくなる。したがって、Ｎ型半導体領域１０５ＢとＮ型半導体領域１０５Ｇとの距離が近いと、両者が電気的に導通してしまう可能性がある。このため、隣接する読出し部の距離は大きいことが好ましい。

図１０は、図９（ｂ）の直線Ｅに沿った水平方向のポテンシャル分布であり、Ｎ型半導体領域１０３Ｂが位置する深さのポテンシャル分布を示している。縦軸が電子に対するポテンシャルで、横軸が水平方向に位置を示している。

本実施例では、１つのマイクロレンズ１０６の下に、２つのＮ型半導体領域１０３Ｂが配置されている。そのため、マイクロレンズ１０６の下部には、隣接するＮ型半導体領域１０３Ｂの間のポテンシャル障壁が存在する。図１０では、ポテンシャル障壁はちょうどマイクロレンズ１０６の中心に位置している。マイクロレンズ１０６によって集光された光が光電変換されると、発生した電荷は図１０で示された左右どちらかのＮ型半導体領域１０３Ｂに収集される。

本実施例では、１つのマイクロレンズ１０６が１つの画素に対応している。そこで、１画素からの青色信号を得るためには、図９（ｂ）において左右に隣り合うＮ型半導体領域１０３Ｂからの信号の平均値を求めればよい。同様にして、１画素からの緑色信号を得るためには、図９（ｃ）において上下に隣り合うＮ型半導体領域１０３Ｇからの信号の平均値を求めればよい。

本実施例において、１画素は隣接する左右の画素と共有する形で２つのＮ型半導体領域１０３Ｂを含んでいる。同じように、２つのＮ型半導体領域１０３Ｇを隣接する上下の画素と共有する形で含んでいる。

マイクロレンズ１０６の端部に読出し部であるＮ型半導体領域１０５Ｂ、１０５Ｇが配されている。このような構成において、各画素は隣接する画素と共有する形で、読出し部を含んでいる。

図９（ａ）〜（ｄ）、図１０では、裏面側に実施例１と同様のマイクロレンズ１０６が配された構成が示されている。本実施例は、これに限らず他の実施例の構成を適用することができる。

以上述べたとおり、本実施例は実施例１〜６の効果に加えて、以下の効果を有する。

本実施例は、Ｎ型半導体領域１０５Ｂと１０５Ｇとの間の距離を大きく取ることができる。このような構成によれば、Ｎ型半導体領域１０５Ｂと１０５Ｇとが電気的に導通することを少なくすることが可能なため、色分離特性がさらに向上する。

本発明の固体撮像装置をカメラシステムに適用した場合の一実施例について詳述する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダーなどがあげられる。図１１に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラに光電変換装置を適用した場合のブロック図を示す。

図１１において、１はレンズの保護のためのバリア、２は被写体の光学像を固体撮像装置４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞りである。４は上述の各実施例で説明した固体撮像装置であって、レンズ２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、固体撮像装置４の基板にはＡＤ変換器が形成されているものとする。７は固体撮像装置４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図１１において、８は固体撮像装置４および信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部である。１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも固体撮像装置４と、固体撮像装置から出力された撮像信号を処理する信号処理部７とを有すればよい。

本実施例では、固体撮像装置４とＡＤ変換器とが同一基板に形成されている構成を説明したが、固体撮像装置４とＡＤ変換器とが別の基板に設けられている場合であってもよい。また、固体撮像装置４と信号処理部７とが同一の基板上に形成されていてもよい。

以上のように、本発明に係る固体撮像装置をカメラシステムに適用することが可能である。本発明に係る固体撮像装置をカメラシステムに適用することにより、色分離特性が向上した画像を撮影することが可能となる。

各実施例において、３つの受光部が積層された構成の固体撮像装置について説明した。しかし、複数の受光部が積層されている構成であれば、本発明を適用することができる。たとえば、２つの受光部が積層された構成の裏面入射型固体撮像装置にも本発明は適用可能である。

１０１ 半導体基板
１０２ 回路部
１０３ Ｎ型半導体領域
１０４ Ｐ型半導体領域
１０５ Ｎ型半導体領域
１０６ マイクロレンズ
１０７ 遮光部
１０８ 光導波路
１０９ コア部
１１０ クラッド部
１１１ 柱状マイクロレンズ
１１２ エアギャップ部
１１３ 空乏層

Claims (5)

1. 受光部と読出し部とを含む複数の画素が配された半導体基板と、
   前記半導体基板の第１主面側に配された配線とを有し、
   前記半導体基板の第１主面とは反対側の第２主面から、前記受光部へ光が入射する裏面入射型の固体撮像装置において、
   前記受光部は、第１受光部と、前記第２主面を基準として前記第１受光部より深い位置に配された第２受光部とを含み、
   前記第１受光部が、光電変換によって発生した電荷の極性に対応する第１導電型の第１半導体領域を含み、
   前記読出し部が、前記第１半導体領域から前記第１主面まで前記半導体基板の深さ方向に延在して配された、前記第１導電型の第２半導体領域を含み、
   前記半導体基板の前記第２主面の側に、光を集光する複数のマイクロレンズが配され、前記深さ方向を含む断面で見たときに、隣り合う２つの画素にそれぞれ対応する２つのマイクロレンズの成す谷の底部が、前記深さ方向に沿って投影された時に前記第２半導体領域に重なる位置に配されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記受光部が、前記第１受光部と前記第２受光部との間の深さに配された第３受光部をさらに含み、
   前記第３受光部が、前記第１導電型の第４半導体領域を含み、
   前記読出し部が、前記第４半導体領域から前記第１主面まで前記半導体基板の深さ方向に延在して配された、前記第１導電型の第５半導体領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記マイクロレンズの端が、前記深さ方向に沿って投影されたときに前記第５半導体領域に重なる位置に配されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第５半導体領域は、前記深さ方向に沿って投影された時に、前記第１半導体領域と重なることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力された撮像信号を処理する信号処理部とを有した撮像システム。

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