JP6814798B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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Description

本発明は、二次元イメージセンサ等として用いられる固体撮像素子に関する。
デジタルスチルカメラ、カメラ付きスマートフォン等に用いられる一般的な固体撮像素子は、人間の目に見える可視光領域に感度を有するようにフォトダイオードが設計されている。しかし、近年、可視光領域の画像と、赤外領域の画像との両方を取得可能なイメージセンサが多く提案されている。特に、シリコン基板を用いたセンサの場合、赤外線のシリコンにおける吸収係数は可視光に比べて小さいので、赤外感度を向上するための工夫が提案されている。
例えば、特許文献１には、ＩＲ（赤外光）の光電変換を行うフォトダイオード（第３受光部）を、それぞれ可視光及びＷ（白色）光を光電変換するフォトダイオード（第１受光部及び第２受光部）の下部に延伸して、赤外感度を向上させることが示されている。
特開２００９−２７２６２０号公報
特許文献１の方法のようにフォトダイオードを延伸すると、赤外線の吸収係数が大きくなるので、赤外感度を向上させることができる。ここで、ＲＧＢ（赤、緑、青）画素に赤外光受光部を積層した構造の場合、赤外感度を高めるために、一般に赤外線カットフィルタを設けずに使用する。また、固体撮像素子に用いるシリコン基板は、深さ１１００ｎｍ程度までの領域が全て赤外光に対して感度を有する。従って、赤外光が入射した際、ＲＧＢの各画素において、赤外光の大部分は下層の第２受光部にて検出されるが、一部は上層の第１受光部でも検出される。この結果、ＲＧＢの各画素の出力には赤外出力が上乗せされてしまい、色再現性が悪化して、不自然な色合いの画像が生成されてしまう。
以上に鑑みて、本開示の目的は、赤外画素を可視画素の下方に延伸した構造であっても、色再現性悪化による画像劣化の起こらない、良好な画像を取得可能な撮像素子を提供することである。
前記の目的を達成するために、本開示の固体撮像素子は、半導体基板の表面近傍に二次元配列された複数の浅層受光部と、当該浅層受光部の下方に二次元配列された深層受光部とを備える。浅層受光部は、可視光及び赤外光を光電変換して信号を出力する可視光画像用受光部と、赤外光を光電変換する赤外光受光部とを含む。赤外光受光部は、可視光画像用受光部が出力する信号を補正して可視光画像用受光部における可視光成分に基づく信号を得るための第１赤外光受光部と、深層受光部と接続されて複層受光部を構成する第２赤外光受光部とを含む。
本開示の固体撮像素子によると、半導体基板の表面近傍に形成された浅層受光部である可視光画像用受光部における可視光成分の信号を得ることができる。これと同時に、浅層受光部の下方に設けられた深層受光部における赤外光成分の信号も得ることができる。従って、赤外光及び可視光による良質な画像を同時に得ることができる。
図１は、本開示の固体撮像素子の基本的な機能を説明する模式図である。 図２は、本開示の第１の実施形態の例示的固体撮像素子について、受光部の二次元配列を示す模式図である。 図３は、図２において８つの受光部を抜き出して示す図である。 図４は、図３のIV-IV線に対応する固体撮像素子の断面を模式的に示す図である。 図５は、図３のV-V線に対応する固体撮像素子の断面を模式的に示す図である。 図６は、図２の固体撮像素子の製造時における注入のレイアウトを示す図である。 図７は、本開示の第２の実施形態の固体撮像素子について、製造時における注入のレイアウトを示す図である。 図８は、図７のVIII-VIII線に対応する固体撮像素子の断面を模式的に示す図である。 図９は、図７のIX-IX線に対応する固体撮像素子の断面を模式的に示す図である。
以下に、本開示の技術の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像素子の基本的な機能を説明する模式図である。固体撮像素子は半導体基板を用いて形成されており、その表面近傍に設けられた受光部（浅層受光部）として、赤外光受光部１１と、可視光画像用受光部１２とを備える。また、これらの浅層受光部よりも下方に、深層受光部１３を備える。赤外光受光部１１は、可視光１８を遮光し、赤外光１７を透過するカラーフィルタ１４を備える。また、可視光画像用受光部１２は、可視光１８及び赤外光１７を共に透過するカラーフィルタ１５を備える。可視光画像用受光部１２のカラーフィルタ１５は、図１では一種類のみ示しているが、複数の可視光画像用受光部１２に対し、可視光については所定の色に対応する波長帯の光のみを透過する複数種類を用いても良い。つまり、カラー画像を取得するために、可視光画像用受光部１２はＲＧＢ（赤色、緑色、青色）等に対応するカラーフィルタ（赤外光も透過する）のいずれかを備えるようにしてもよい。
可視光１８がカラーフィルタ１４にて遮光される赤外光受光部１１では、入射する赤外光１７の一部が吸収され、光電変換されて電荷信号２１を出力できる。赤外光１７の他の部分は赤外光受光部１１では光電変換されずに通過し、その下方の深層受光部１３に到達する。
可視光画像用受光部１２には、赤外光１７及び可視光１８が共に入射する。可視光１８は可視光画像用受光部１２にて光電変換され、且つ、赤外光１７の一部も光電変換されるので、可視光画像用受光部１２は可視光１８と赤外光１７の一部とにそれぞれ対応する成分を含む電荷信号２２を出力できる。また、赤外光１７の他の部分は、赤外光受光部１１の場合と同様に可視光画像用受光部１２を通過し、その下方の深層受光部１３に到達する。
図１に示す例では、可視光画像用受光部１２を通過した赤外光１７と、赤外光受光部１１を通過した赤外光１７とが同一の深層受光部１３に入射する。従って、深層受光部１３はこれらの赤外光１７の合計に対応する電荷信号２４を出力できる。
以上のように、可視光１８はカラーフィルタ１４にて遮光されるか又は可視光画像用受光部１２にて吸収されるので、深層受光部１３には概ね赤外光１７のみが入射する。また、浅層受光部（可視光画像用受光部１２及び赤外光受光部１１）において吸収される赤外光１７の割合は比較的小さい。従って、当該固体撮像素子では、深層受光部１３が出力する電荷信号２４に基づいて良好な赤外光による画像を取得できる。
これに対し、可視光画像用受光部１２が出力する電荷信号２２は、可視光１８の成分と、赤外光１７の一部の成分とを含む。従って、電荷信号２２に基づいて画像を取得したとすると、赤外光の成分が上乗せされ、色再現性等の悪化した画像となる。ここで、十分に近くに位置している可視光画像用受光部１２と赤外光受光部１１とについては、入射する赤外光１７の強度は類似した値になると考えられる。そこで、可視光画像用受光部１２の電荷信号２２を赤外光受光部１１の電荷信号２１によって補正することにより、可視光画像用受光部１２における可視光１８の成分に相当する電荷信号２３を得ることができる。図１では、これを行う信号補正手段１６を模式的に示している。単純な例としては電荷信号２２から電荷信号２１を減算すれば良いが、より適切な補正方法が考えられるのであれば、それを用いても良い
以上により、可視光画像用受光部１２には赤外光１７も入射するが、その影響を解消して可視光１８成分に基づいた画像を取得できる。また、赤外光１７を遮光するカラーフィルタを用いないことから、深層受光部１３に入射する赤外光１７が多くなり、感度に優れた赤外画像を取得することができる。
尚、１つの赤外光受光部１１が出力する電荷信号２１を用いて、複数の可視光画像用受光部１２の電荷信号２２を補正しても良い。例えば、それぞれＲＧＢに対応する３つの可視光画像用受光部１２及び１つの赤外光受光部１１を含む画素が構成されている場合に、同一の画素に含まれる３つの可視光画像用受光部１２について、いずれも同じ画素中の１つの赤外光受光部１１によって信号を補正しても良い。
（第１の実施形態）
――固体撮像素子の構造――
次に、より具体的な固体撮像素子について、図２〜図４を参照して説明する。図２は例示的固体撮像素子１００の受光部の配列について示す図である。
図２に示すように、シリコン等の半導体基板上に受光部が二次元的に配列され、各受光部は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光と、赤外光（ＩＲ）との四色に対応するカラーフィルタのいずれかを備えている。カラーフィルタは、２×２の４つを単位として繰り返す配列のカラーフィルタ層を形成している。ＩＲフィルタは、ＩＲ１及びＩＲ２の２つに区別されているが、フィルタ自体の材質等は同じであり、以下に説明する通り、それぞれのフィルタを備える受光部の構成が異なっている。尚、ＩＲフィルタは赤外光を透過し、可視光を遮光する。ＲＧＢの各可視光フィルタは、それぞれの色（波長帯）の可視光に加えて、赤外光についても透過する。
図３は、図２における受光部を４×２の８個について抜き出して示す図である。固体撮像素子１００は、このような４×２＝８の受光部を基本構成とする。
図４及び図５は、図３のVI-VI線及びV-V線に対応する固体撮像素子１００の断面を模式的に示す図である。これらの図に示すとおり、固体撮像素子１００は、半導体基板１３０の表面近傍に形成された浅層受光部１０１（後述の１０１ｒ、１０１ｇ、１０１ｂ、１０１ｘ及び１０１ｙを合わせてこのように呼ぶ）と、その下方に形成された深層受光部１０２とを有する。
一例としての固体撮像素子１００の場合、深層受光部１０２は、２×４の８つの浅層受光部１０１の下方に亘って伸びており、且つ、接続部１１１によってＩＲ２フィルタを有する浅層受光部の１つ（第２赤外光受光部１０１ｙ）と接続されて、複層受光部１０３を構成する。
複層受光部１０３を構成しない他の浅層受光部１０１のうち、ＲＧＢのいずれか１つのカラーフィルタを有するものは、それぞれ可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂを構成する。但し、前記の通りＲＧＢのカラーフィルタは赤外光についても透過する。従って、可視光画像用受光部には赤外光も入射し、その一部が吸収されて光電変換されると共に、赤外光の他の部分は可視光画像用受光部を通過して下方の深層受光部１０２に吸収される。可視光は、概ね可視光画像用受光部において吸収され、深層受光部１０２には実質的に入射しない。
更に、複層受光部１０３を構成しない他の浅層受光部１０１のうち、ＩＲ１フィルタを有するものは、第１赤外光受光部１０１ｘを構成する。また、複層受光部１０３を構成する浅層受光部１０１を第２赤外光受光部１０１ｙとする。ＩＲフィルタ（ＩＲ１及びＩＲ２）は可視光を遮光するので、第１赤外光受光部１０１ｘ及び第２赤外光受光部１０１ｙに対する可視光の入射は抑制されている。
浅層受光部１０１の間には、浅層水平分離部１２１が設けられている。言い換えると、浅層受光部１０１は、浅層水平分離部１２１を間に介して二次元的に配置されている。また、深層受光部１０２の間には、深層水平分離部１２２が設けられている。言い換えると、深層受光部１０２は、深層水平分離部１２２を間に介して二次元的に配置されている。また、浅層受光部１０１と、深層受光部１０２との間には、垂直分離部１２３が設けられている。これらの各分離部により、受光部同士の間が分離されている。更に、深層受光部１０２の下方には、深層受光部１０２とその下方の部分の半導体基板１３０とを分離する垂直オーバーフローバリア１２４が設けられている。
以上のレイアウトとしているので、第１赤外光受光部１０１ｘと３つの可視光画像用受光部を有するＲＧＢ及びＩＲ１の４受光部については、いずれも浅層受光部１０１のみの構成である。これに対し、第２赤外光受光部１０１ｙと３つの可視光画像用受光部を有するＲＧＢ及びＩＲ２の４受光部については、第２赤外光受光部１０１ｙが深層受光部１０２と接続されており、他の可視光画像用受光部については浅層受光部１０１のみの構成である。
――可視光画像及び赤外光画像の取得――
以下、本実施形態の固体撮像素子１００による可視光画像及び赤外光画像の取得について説明する。固体撮像素子１００において、可視光画像（ＲＧＢ画像）は浅層受光部１０１である可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂを用いて取得し、赤外光画像については深層受光部１０２をその一部とする複層受光部１０３を用いて取得する。ここで、可視光画像と赤外光画像とを同時に撮像する場合、固体撮像素子１００に赤外線が入射するのを防ぐ赤外線カットフィルタを用いずに撮像を行う。この結果、既に述べた通り、可視光画像用受光部において赤外線の一部が吸収され、色再現性等の点で画質が劣化する原因となる。
ＩＲフィルタを有する浅層受光部１０１のうち、深層受光部１０２と接続されていない第１赤外光受光部１０１ｘは、可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂが出力する信号の赤外光成分を補正するために用いる。つまり、可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂにおいては、所定の色（波長帯）の可視光に加えて赤外線が入射するので、当該受光部では、可視光成分及び赤外光成分を含む電荷が光電変換によって生じる。この際、第１赤外光受光部１０１ｘでは、可視光はＩＲフィルタによって遮光されているので赤外光のみが入射し、赤外光成分の電荷が光電変換によって生じる。
図３に示す８受光部を基本構成とするとき、当該８受光部は互いに十分に近接しており、この中において、各可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂに入射する赤外光の強度は、第１赤外光受光部１０１ｘに入射する赤外光の強度により近似できると考えられる。そこで、可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂにて生じる可視光及び赤外光に基づく電荷信号から、第１赤外光受光部１０１ｘにて生じる赤外光に基づく電荷信号を減算することにより、可視光成分のみによる電荷信号を得ることができる。従って、赤外線カットフィルタを用いない場合にも、赤外線の影響を排除した良質な可視光画像を取得できる。
また、赤外光画像については、第２赤外光受光部１０１ｙを利用する。第２赤外光受光部１０１ｙは、接続部１１１によって深層受光部１０２と接続され、複層受光部１０３を構成している。赤外線は、ＩＲ１フィルタを透過して第２赤外光受光部１０１ｙに入射し、その一部は光電変換されるが、大部分は第２赤外光受光部１０１ｙを通過して深層受光部１０２に入射し、ここで光電変換される。また、可視光画像用受光部及び第１赤外光受光部１０１ｘに入射した赤外光についても、一部は当該受光部にて光電変換されるが、大部分は深層受光部１０２にまで到達し、ここで光電変換される。固体撮像素子１００において、深層受光部１０２は図３に示す８受光部に対応して浅層受光部１０１の下方に形成されており、この範囲に入射した赤外線を光電変換して電荷信号として出力できる。このように、８受光部に相当する光電変換領域を利用できるので、赤外線の入射に対する感度を高めることができる。当該赤外線の電荷信号は、接続部１１１及び第２赤外光受光部１０１ｙを介して読み出し動作時に読み出される。
以上から、固体撮像素子１００によると、可視光画像と赤外光画像とを同時に取得する場合に、赤外線カットフィルタを用いること無しに、可視光画像の色再現性等の劣化を防ぎ、且つ、赤外光画像の感度を高めることができる。
――固体撮像素子の注入レイアウト――
次に、図６を参照して、固体撮像素子１００の製造方法のうち注入のレイアウトについて説明する。
図６において、１５１は、第１赤外光受光部１０１ｘ及び第２赤外光受光部１０１ｙと、可視光画像用受光部１０１ｒ、１０１ｇ及び１０１ｂ（各２つ）を含む８受光部を示している。これらの受光部は、半導体基板１３０に対してＮ型不純物を注入することにより形成される。また、これらの各受光部の間を分離するようにＰ型不純物を注入し、浅層水平分離部１２１を形成する。
１５２は、接続部１１１を形成するための注入のレイアウトである。つまり、ＩＲ２フィルタを有する第２赤外光受光部１０１ｙの部分のみパターニングしてＮ型不純物を注入し、接続部１１１を形成して、第２赤外光受光部１０１ｙと深層受光部１０２とを接続して複層受光部１０３を形成する。
これに対し、１５３は、垂直分離部１２３を形成するための注入のレイアウトである。つまり、第２赤外光受光部１０１ｙ以外の部分をパターニングしてＰ型不純物を注入することにより、第２赤外光受光部１０１ｙ以外では浅層受光部１０１と深層受光部１０２との間を分離する。
更に、１５４は、深層水平分離部１２２を形成するための注入のレイアウトである。１５４ａは、第２赤外光受光部１０１ｙの位置を示している。１５１の８受光部を単位として囲むようにパターニングし、Ｐ型不純物を注入することにより、深層水平分離部１２２を形成する。これにより、深層水平分離部１２２は、８つの浅層受光部１０１に対応する範囲で分離される。
以上のような注入により、本実施形態の固体撮像素子１００を形成することができる。
（第２の実施形態）
次に、本開示の第２の実施形態について説明する。
図６等に示すように、第１の実施形態の固体撮像素子１００の場合、深層水平分離部１２２は、８つの浅層受光部１０１を単位として対応するように、これらの下方に設けられている。また、深層水平分離部１２２は、第２赤外光受光部１０１ｙと接続されている。従って、第２赤外光受光部１０１ｙは、深層水平分離部１２２において偏った位置に配置されている。
この結果、深層受光部１０２内の位置によって、第２赤外光受光部１０１ｙの位置までの距離が大きく異なることになる。例えば、図６の１５１において左上に示された可視光画像用受光部１０１ｂ（Ｂフィルタを有する）の位置は、右下に示された可視光画像用受光部１０１ｒ（Ｒフィルタを有する）の位置に比べて、第２赤外光受光部１０１ｙの位置までの距離が大幅に大きい。この距離が大きいと、電荷を転送するための距離が長くなるので、転送に関して不利である。例えば、必要な時間内に電荷の転送を完了できず、電荷が残ってしまい、残像不良を起こして画質悪化の原因となるおそれがある。
そこで、本実施形態の固体撮像素子２００は、図７、図８及び図９に示す構造を備えている。固体撮像素子２００は、浅層受光部１０１、深層受光部１０２等を有する点については第１の実施形態の固体撮像素子１００と同様である。固体撮像素子２００は、浅層受光部１０１と深層受光部１０２との平面視でのレイアウト（重なり方）において、固体撮像素子１００と異なっている。
図７は、固体撮像素子２００の平面視のレイアウトについて示しており、第１の実施形態における図６に対応する。また、図７におけるVIII-VIII線及びIX−IX線におけるも好き的な断面を図８及び図９に示す。
図８及び図９に示す通り、固体撮像素子２００の浅層受光部１０１、浅層水平分離部１２１、垂直分離部１２３については、固体撮像素子１００と同様である。
これに対し、深層受光部１０２ａは、８つの浅層受光部１０１に対応する面積を有しているが、第２赤外光受光部１０１ｙが中心となるように配置されている（図７の１６１を参照）。従って、深層水平分離部１２２ａについても、固体撮像素子１００とは異なるレイアウトである（図７の１５４を参照）
この結果、固体撮像素子１００の場合（図６の１５１）に比べると、深層水平分離部１２２内の位置による第２赤外光受光部１０１ｙまでの距離について、大小の違いが少なくなっている。この結果、残像不良等による画質の劣化を抑制することができる。
尚、本実施例でも深層受光部１０２ａは８つの浅層受光部１０１に対応した長方形状に形成されているが、長方形状である必要はない（例えば正方形状等でも良い）し、必ずしも浅層受光部１０１の８つに対応する面積である必要もない。
本開示の固体撮像素子は、可視光画像から赤外光成分を除く機能を有し、高画質の可視光画像及び赤外画像を同時に撮像できる固体撮像素子として有用である。
１１ 赤外光受光部
１２ 可視光画像用受光部
１３ 深層受光部
１４、１５ カラーフィルタ
１６ 信号補正手段
１７ 赤外光
１８ 可視光
２１〜２４ 電荷信号
１００ 固体撮像素子
１０１ 浅層受光部
１０１ｒ、１０１ｇ、１０１ｂ 可視光画像用受光部
１０１ｘ 第１赤外光受光部
１０１ｙ 第２赤外光受光部
１０２、１０２ａ 深層受光部
１０３ 複層受光部
１１１ 接続部
１２１ 浅層水平分離部
１２２、１２２ａ 深層水平分離部
１２３ 垂直分離部
１２４ 垂直オーバーフローバリア
１３０ 半導体基板
２００ 固体撮像素子

Claims (8)

  1. 半導体基板の表面近傍に二次元配列された複数の浅層受光部と、前記浅層受光部の下方に二次元配列された深層受光部とを備え、
    前記浅層受光部は、可視光及び赤外光を光電変換して信号を出力する可視光画像用受光部と、赤外光を光電変換する赤外光受光部とを含み、
    前記赤外光受光部は、前記可視光画像用受光部が出力する信号を補正して前記可視光画像用受光部における可視光成分に基づく信号を得るための第１赤外光受光部と、前記深層受光部と接続されて複層受光部を構成する第２赤外光受光部とを含み、
    前記第１赤外光受光部は、前記深層受光部とは分離されていることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 請求項１の固体撮像素子において、
    前記深層受光部は、隣接する複数の前記浅層受光部の下方に伸びて設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
  3. 請求項２の固体撮像素子において、
    前記深層受光部は、隣接する８個の前記浅層受光部に対応して設けられ、当該８個の前記浅層受光部は、前記第１赤外光受光部と、それぞれ赤色光、緑色光及び青色光に対応する３つの前記可視光画像用受光部とを含む４つの前記浅層受光部、及び、前記第２赤外光受光部と、それぞれ赤色光、緑色光及び青色光に対応する３つの前記可視光画像用受光部とを含む４つの前記浅層受光部、を含むことを特徴とする固体撮像素子。
  4. 請求項２又は３の固体撮像素子において、
    前記深層受光部は、前記第２赤外光受光部が中央に位置するように配置されることを特徴とする固体撮像素子。
  5. 請求項２〜４のいずれか１つの固体撮像素子において、
    前記可視光画像用受光部が出力する可視光成分及び赤外光成分を含む信号から、同じ前記隣接する複数の浅層受光部に含まれる前記第１赤外光受光部が光電変換により出力する信号の赤外成分を減算することにより、当該可視光画像用受光部における可視光成分のみの信号を得る信号補正手段を更に備えることを特徴とする固体撮像素子。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つの固体撮像素子において、
    前記浅層受光部にそれぞれ設けられたカラーフィルタを含むカラーフィルタ層を更に備え、
    前記可視光画像用受光部のカラーフィルタは、可視光及び赤外光を共に透過し、
    前記赤外光受光部のカラーフィルタは、可視光を遮光し且つ赤外光を透過することを特徴とする固体撮像素子。
  7. 請求項６の固体撮像素子において、
    前記カラーフィルタ層は、前記可視光画像用受光部に設けられ、赤色光、緑色光及び青色光のいずれか１つ及び赤外光に対応する３種のカラーフィルタと、前記赤外光受光部に設けられ、赤外光に対応するカラーフィルタとの４種を一組のカラーフィルタとして含むことを特徴とする固体撮像素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか１つの固体撮像素子において、
    前記浅層受光部は、入射する赤外光の一部を吸収し、
    前記深層受光部は、前記浅層受光部を通過した赤外光を吸収し、
    前記複層受光部は、当該複層受光部を構成する前記第２赤外光受光部及び前記深層受光部にて吸収した赤外光を光電変換して信号を出力することを特徴とする固体撮像素子。
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