(57)【要約】  各画素（１ａ）は、基板上に形成された第１の半導体Ｎ＋領域（２）と、この領域（２）上に形成された第２の半導体Ｐ領域（３）と、その上部側面領域に形成された第３の半導体Ｎ＋領域（６ａ，６ｂ）と、領域（６ａ，６ｂ）及び領域（２）の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層（４ａ，４ｂ）と、絶縁層（４ａ，４ｂ）の外周部に形成され、領域（２）の下部領域にチャネルを形成する導体層（５ａ，５ｂ）と、導体層（５ａ，５ｂ）を除く第３の半導体Ｎ＋領域（６ａ，６ｂ）及び絶縁層（４ａ，４ｂ）の外周部に形成された光反射導体層（９ａ，９ｂ）と、領域（３）及び領域（６ａ，６ｂ）上に形成された第５の半導体Ｐ＋領域（１０）と、領域（１０）上に形成され、該領域（１０）の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズ（１１）と、を備えている。少なくとも領域（６ａ，６ｂ）と領域（１０）とは、島状半導体内に形成されている。
2012056586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又は複数の画素を有する固体撮像装置であって、
基板上に画素を構成する島状半導体が形成され、
前記島状半導体は、
光の照射により信号電荷を発生する光電変換部と、
前記信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部と、
前記信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の蓄積量に応じた信号を読み出す信号電荷読み出し部と、
前記信号電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記画素の外部に除去する信号電荷除去部と、を備え、
少なくとも前記光電変換部を包囲するとともに、前記島状半導体に入射された光を反射する反射導体層と、
前記島状半導体の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、を有する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記信号電荷蓄積部がダイオードから構成され、
前記信号電荷読み出し部が、前記島状半導体の上下部にソースとドレインを有する接合トランジスタから構成され、
前記ダイオードが前記接合トランジスタのゲートとして機能し、
前記光電変換部が前記ダイオードと前記接合トランジスタのチャネルとから構成される領域内に存在し、
前記信号電荷除去部が前記ダイオードに隣接して形成されているトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素のそれぞれが、
基板上に形成された第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に形成され、該第１の半導体領域と反対の導電型又は固有半導体である第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の上部側面領域に形成され、前記第１の半導体領域と同じ導電型である第３の半導体領域と、
前記第３の半導体領域及び前記第２の半導体領域の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外周部に形成され、前記第２の半導体領域の下部領域にチャネルを形成する導体層と、
前記導体層を除く前記第３の半導体領域及び前記絶縁層の外周部に形成された光を反射する反射導体層と、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域上に形成され、前記第２の半導体領域と同じ導電型である第５の半導体領域と、
前記第５の半導体領域上に形成され、該第５の半導体領域の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、を備え、
前記光電変換部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域から構成され、
前記信号電荷蓄積部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域からなるダイオードから構成され、
前記信号電荷読み出し部が、前記第５の半導体領域、前記第２の半導体領域の下部領域をソース、ドレインとし、前記信号電荷蓄積部をゲートとした接合トランジスタから構成され、
前記信号電荷除去部が、前記第２の半導体領域と、前記島状半導体の外周部に設けた導体層と、前記第２の半導体領域と前記導体層の間に配置された絶縁層と、を有するＭＯＳトランジスタから構成され、
少なくとも前記第３の半導体領域と前記第５の半導体領域とは、前記島状半導体内に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の半導体領域が、前記第１の半導体領域と同じ導電型の第６の半導体領域と、前記第１の半導体領域と反対の導電型の第７の半導体領域と、前記第１の半導体領域と同じ導電型の第８の半導体領域からなることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の半導体領域が、前記第１の半導体領域と反対の導電型の第９の半導体領域と、前記第１の半導体領域と反対の導電型の第７の半導体領域と、前記第１の半導体領域と同じ導電型の第８の半導体領域からなることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記島状半導体の下方に形成された反射層を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、該光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、をさらに備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記導体層及び前記反射導体層で反射されつつ、前記第１〜第５の半導体領域を通過し、前記光透過絶縁層に到達した光の反射率が、緑色光で相対的に大きくなるとともに赤色光で相対的に小さくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、該光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、をさらに備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記導体層及び前記反射導体層で反射されつつ、前記第１〜第５の半導体領域を通過し、前記光透過絶縁層に到達した光の反射率が、緑色光及び赤色光で相対的に大きくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記島状半導体上部の中央表層部に、凹部又は凸部が形成され、
前記凹部の凹状の面又は前記凸部の凸状の面を境界面として互いに接する２つの物質領域の光屈折率が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記マイクロレンズと前記島状半導体との間に形成された光透明中間層をさらに備え、
前記マイクロレンズの焦点が、前記光透明中間層の内部に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記マイクロレンズと前記島状半導体との間に形成された光透明中間層をさらに備え、
前記マイクロレンズの外周部の１点から入射し、該マイクロレンズの中心線及び前記光透明中間層を通過して、前記島状半導体上部の外周部の１点に到達する光線と、前記第５の半導体領域の上表面と直交する線とがなす角度θiが、ブリュースター角θｂ（＝ｔａｎ−１（Ｎ１／Ｎ２）；ここで、Ｎ１：前記光透明中間層の屈折率、Ｎ２：前記第５の半導体領域の屈折率）よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記複数の画素が正方格子状、矩形格子状、又は千鳥状に配列されており、
前記複数の画素の内、縦方向に配列されている複数の画素における前記第１の半導体領域を互いに電気的に接続するとともに、縦方向に延びる複数の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記反射導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の反射導体配線と、をさらに備え、
前記横方向に延びる導体配線と、前記反射導体配線とが、前記複数の画素への光の照射方向から見て、互いに上下に重なることなく、かつ、縦方向に交互に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記複数の画素のそれぞれにおける前記反射導体層は、その画素における前記第５の半導体領域と電気的に分離されており、前記複数の画素の全ての前記反射導体層は、前記複数の画素が存在する画素領域に亘って、当該画素領域を覆うように互いに繋がっていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、高画素密度、高解像度、低混色、高感度を可能にする固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＣＣＤおよびＣＭＯＳ固体撮像装置は、ビデオカメラ、ステールカメラなどに広く用いられている。そして、固体撮像装置の高画素密度化、高解像度化、カラー撮像における低混色化、そして高感度化などの性能向上が常に求められている。これに対し、固体撮像装置の高解像度化を実現するために画素高密度化などによる技術革新が行われてきた。【０００３】
高画素密度を実現する固体撮像装置として、図１２Ａに示すような、１個の島状半導体３０に１個の画素を構成するものがある（例えば、特許文献１を参照）。この画素においては、基板上に信号線Ｎ＋層３１が形成されている。また、信号線Ｎ＋層３１に接続された島状半導体３０の外周部に半導体Ｐ層３２、絶縁層３３ａ，３３ｂ、ゲート導体層３４ａ，３４ｂよりなるＭＯＳトランジスタが形成されている。さらに、このＭＯＳトランジスタに繋がって、光照射によって発生する信号電荷を蓄積するフォトダイオードが島状半導体３０の外周部に形成されている。このフォトダイオードは、半導体Ｐ層３２と半導体Ｎ層３５ａ，３５ｂとから構成される。また、このフォトダイオードで囲まれた半導体Ｐ層３２をチャネルとし、このフォトダイオードをゲートとし、フォトダイオード上に形成され画素選択線３７ａ，３７ｂに電気的に接続された半導体Ｐ＋層３６、信号線Ｎ＋層３１近傍の半導体Ｐ層３２を、それぞれ、ソース、ドレインにした増幅接合トランジスタが形成されている。【０００４】
この固体撮像装置の基本動作は、光照射により発生した信号電荷（この場合は電子）をフォトダイオードに蓄積する信号電荷蓄積動作と、蓄積された信号電荷に応じたフォトダイオード電圧によるゲート電圧によって、信号線Ｎ＋層３１近傍の半導体Ｐ層３２と半導体Ｐ＋層３６との間に流れるソース・ドレイン電流を変調し、これを信号電流として読み出す信号読み出し動作と、この信号読み出し動作後、フォトダイオードに蓄積されている信号電荷をＭＯＳトランジスタのゲート導体層３４ａ，３４ｂにオン電圧を印加して信号線Ｎ＋層３１に除去するリセット動作よりなる。【０００５】
図１２Ｂに照射光波長λが青色光（λ＝４００ｎｍ）、緑色光（λ＝５５０ｎｍ）、赤色光（λ＝７００ｎｍ）、赤外光（λ＝８７０ｎｍ）における光照射面からのＳｉ（シリコン）深さ（μｍ）に対する光吸収強度Ｉの関係を示す。光吸収強度Ｉを照射表面での光吸収強度Ｉ０で規格化すると、規格化値Ｉ／Ｉ０は光の進入深さに対して指数関数的に減少する。図１２Ｂは、青色光は深さ１μｍ程度でそのほとんどが吸収されるのに対して、緑色光では５μｍ、赤色光では１０μｍ以上の深さにも光が到達し、そこで信号電荷が発生することを示している。実際の固体撮像装置においては、例えば、非特許文献１に記載されているように、緑色光の８０％を吸収するように、感光領域の深さを２．５〜３μｍとすることが必要とされている。【０００６】
図１２Ａの固体撮像装置での感光領域は、半導体Ｐ層３２と半導体Ｎ層３５ａ，３５ｂによって形成されるフォトダイオード領域である。このため、このフォトダイオード領域の高さＬｄは２．５〜３μｍであることが必要である。【０００７】
また、図１２Ａに示すように画素（島状半導体３０）に斜め方向から入射する光線３８はその画素３０に隣接する画素のダイオード領域に入射する場合がある。この画素内での収光率の低下により、本来は１個の画素で発生するべき信号電荷が周辺の画素に分散されて発生してしまう。これにより固体撮像装置の解像度の低下や、カラー撮像における混色を発生する。このような不具合は、画素が高密度化されるほど大きくなる。【０００８】
この収光率の低下を防ぐため、図１３に示すようにフォトダイオード領域４１の上部に金属壁３９ａ,３９ｂを設ける技術が存在する（例えば、特許文献２を参照）。この画素構図では、半導体基板４０内にフォトダイオード領域４１が形成されるとともに、フォトダイオード領域４１の周辺に素子分離領域４２とＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域４３，４３とが形成されている。半導体基板４０上に形成された第１の層間絶縁層内４４に、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４５、コンタクトホール４６ａ、フォトダイオード領域４１を包囲する金属壁３９ａ，３９ｂが形成されている。第１の層間絶縁層４４上に第２の層間絶縁層４７が形成され、さらに第２の層間絶縁層４７上に、ＳｉＯ2膜４８、ＳｉＮ膜４９、マイクロレンズ５０がこの順で形成されている。第２の層間絶縁層４７内及び第２の層間絶縁層４７上に、回路配線のためのコンタクトホール４６ｂ，４６ｃ、金属配線５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄが形成されている。【０００９】
マイクロレンズ５０を通過した光線５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、金属壁３９ａ，３９ｂで反射され、フォトダイオード領域４１に入射する。これによって、マイクロレンズ５０から入射した光がフォトダイオード領域４１に入射する収光率が改善される。しかし、これらの入射光線は、フォトダイオード領域４１表面に斜め方向から入射するので、フォトダイオード領域４１への入射する光線５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄの一部は、当該画素に隣接する画素に漏洩する。【００１０】
その他、１個の画素内での収光率を改善する技術として、マイクロレンズとフォトダイオード領域の間に形成したカラーフィルタ層内に金属壁を設ける技術（例えば、特許文献３を参照）、又はフォトダイオード領域の上部に光波路を形成する技術（例えば、特許文献４を参照）などが知られている。しかしながら、これらの技術によっても、入射光線はフォトダイオード領域の表面に斜め方向から入射するので、フォトダイオード領域への入射光の一部は、当該画素に隣接する画素に漏洩する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００９／０３４６２３号
【００１２】
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０１８５６２２（Ａ１）号明細書
【００１３】
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０１０１９４６（Ａ１）号明細書
【００１４】
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０１４５９６５（Ａ１）号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】G.Agranov,R.Mauritzson,J.Ladd,A.Dokoutchaev,X.fan,X.Li,Z.Yin,R.Johnson,V.Lenchenkov,S.Nagaraja,W.Gazeley,J.Bai,H.Lee,瀧澤義順；“ＣＭＯＳイメージセンサの画素サイズ縮小と特性比較”、映像情報メディア学会技術報告 Vol.33,No.38,pp.9-12(Sept.2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図１２Ａに示す固体撮像装置は、１個の画素が１個の島状半導体３０により形成されるので、高画素密度化に適している。したがって、先端微細加工技術を適用すれば、光照射面から見た平面上の画素サイズの高画素密度化を図ることができる。例えば、２００ｎｍ(＝０．２μm)の加工技術によれば、４００×４００ｎｍ2の画素サイズが実現できる。更に、微細加工技術の開発によって高画素密度化が可能となる。しかし、非特許文献１に記載の条件を適用すると、図１２Ｂのグラフによれば、フォトダイオード領域の高さＬｄは２．５〜３μｍが必要である。このフォトダイオード領域に必要な高さＬｄは、画素の高密度化が進んでも変わらないため、高密度画素化が進むと、相当に高いアスペクト比（上部１辺長とダイオードの高さとの比）になるように島状半導体３０を形成する必要がある。つまり、幅が細く、深い半導体の溝内にＭＯＳトランジスタのゲート導体層３４ａ,３４ｂを形成する必要がある。また、島状半導体３０の底部に信号線Ｎ＋層３１を形成することも困難である。このように、島状半導体３０による画素構造の形成が困難であることが、固体撮像装置の高画素密度化を困難にさせる原因となっている。このため、固体撮像装置において、感度の低下を生じることなく、フォトダイオード領域の高さＬｄを低くする技術が求められている。【００１７】
また、図１２Ａに示す従来例の固体撮像装置では、画素（島状半導体３０）に斜め方向から入射する光線３８は、当該画素に隣接する画素のダイオード領域に入射することがある。この１個の画素内での収光率の低下により、本来は１個の画素で発生するべき信号電荷が周辺の画素に分散して発生する。これにより固体撮像装置の解像度の低下、またはカラー撮像における混色を発生する。この混色はカラー再生画像の画質を低下させるので、低混色化が求められている。【００１８】
一方、特許文献２は、フォトダイオード領域４１の上に設けた金属壁３９ａ，３９ｂを設けて収光率を上げる技術である。この技術ではフォトダイオード領域４１の上部においては、当該画素に隣接する画素への光漏洩を減少させて収光率を向上できる。しかしながら、フォトダイオード領域４１に斜め方向に入射した光の一部が、当該画素に隣接する画素に入射するため、固体撮像装置の解像度の低下、またはカラー撮像における混色を避けることはできない。このような事情は、特許文献３および特許文献４に記載の従来例の固体撮像装置においても同様である。この収光率の低下は、高画素密度化されるほど大きくなる。このため、フォトダイオード領域４１の表面に入射する光の収光率の低下を改善する技術が求められている。【００１９】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、特に、高画素密度、高解像度、低混色、高感度を可能にする固体撮像装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、
１個又は複数の画素を有する固体撮像装置であって、
基板上に画素を構成する島状半導体が形成され、
前記島状半導体は、
光の照射により信号電荷を発生する光電変換部と、
前記信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部と、
前記信号電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の蓄積量に応じた信号を読み出す信号電荷読み出し部と、
前記信号電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記画素の外部に除去する信号電荷除去部と、を備え、
少なくとも前記光電変換部を包囲するとともに、前記島状半導体に入射された光を反射する反射導体層と、
前記島状半導体の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、を有する、
ことを特徴とする。【００２１】
また、本発明の好ましい態様では、
前記信号電荷蓄積部がダイオードから構成され、
前記信号電荷読み出し部が、前記島状半導体の上下部にソースとドレインを有する接合トランジスタから構成され、
前記ダイオードが前記接合トランジスタのゲートとして機能し、
前記光電変換部が前記ダイオードと前記接合トランジスタのチャネルとから構成される領域内に存在し、
前記信号電荷除去部が前記ダイオードに隣接して形成されているトランジスタである、
ことを特徴とする。【００２２】
また、本発明の好ましい態様では、
前記画素のそれぞれが、
基板上に形成された第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に形成され、該第１の半導体領域と反対の導電型又は固有半導体である第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の上部側面領域に形成され、前記第１の半導体領域と同じ導電型である第３の半導体領域と、
前記第３の半導体領域及び前記第２の半導体領域の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外周部に形成され、前記第２の半導体領域の下部領域にチャネルを形成する導体層と、
前記導体層を除く前記第３の半導体領域及び前記絶縁層の外周部に形成された光を反射する反射導体層と、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域上に形成され、前記第２の半導体領域と同じ導電型である第５の半導体領域と、
前記第５の半導体領域上に形成され、該第５の半導体領域の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、を備え、
前記光電変換部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域から構成され、
前記信号電荷蓄積部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域からなるダイオードから構成され、
前記信号電荷読み出し部が、前記第５の半導体領域、前記第２の半導体領域の下部領域をソース、ドレインとし、前記信号電荷蓄積部をゲートとした接合トランジスタから構成され、
前記信号電荷除去部が、前記第２の半導体領域と、前記島状半導体の外周部に設けた導体層と、前記第２の半導体領域と前記導体層の間に配置された絶縁層と、を有するＭＯＳトランジスタから構成され、
少なくとも前記第３の半導体領域と前記第５の半導体領域とは、前記島状半導体内に形成されている、
ことを特徴とする。【００２３】
また、本発明の好ましい態様では、
前記第１の半導体領域が、前記第１の半導体領域と同じ導電型の第６の半導体領域と、前記第１の半導体領域と反対の導電型の第７の半導体領域と、前記第１の半導体領域と同じ導電型の第８の半導体領域からなる、
ことを特徴とする。【００２４】
また、本発明の好ましい態様では、
前記第１の半導体領域が、前記第１の半導体領域と反対の導電型の第９の半導体領域と、前記第１の半導体領域と反対の導電型の第７の半導体領域と、前記第１の半導体領域と同じ導電型の第８の半導体領域からなる、
ことを特徴とする。【００２５】
また、本発明の好ましい態様では、
前記島状半導体の下方に形成された反射層を備える、
ことを特徴とする。【００２６】
また、本発明の好ましい態様では、
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、該光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、をさらに備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記導体層及び前記反射導体層で反射されつつ、前記第１〜第５の半導体領域を通過し、前記光透過絶縁層に到達した光の反射率が、緑色光で相対的に大きくなるとともに赤色光で相対的に小さくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されている、
ことを特徴とする。【００２７】
また、本発明の好ましい態様では、
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、該光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、をさらに備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記導体層及び前記反射導体層で反射されつつ、前記第１〜第５の半導体領域を通過し、前記光透過絶縁層に到達した光の反射率が、緑色光及び赤色光で相対的に大きくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されている、
ことを特徴とする。【００２８】
また、本発明の好ましい態様では、
前記島状半導体上部の中央表層部に、凹部又は凸部が形成され、
前記凹部の凹状の面又は前記凸部の凸状の面を境界面として互いに接する２つの物質領域の光屈折率が互いに異なる、
ことを特徴とする。【００２９】
また、本発明の好ましい態様では、
前記マイクロレンズと前記島状半導体との間に形成された光透明中間層をさらに備え、
前記マイクロレンズの焦点が、前記光透明中間層の内部に位置する、
ことを特徴とする。【００３０】
また、本発明の好ましい態様では、
前記マイクロレンズと前記島状半導体との間に形成された光透明中間層をさらに備え、
前記マイクロレンズの外周部の１点から入射し、該マイクロレンズの中心線及び前記光透明中間層を通過して、前記島状半導体上部の外周部の１点に到達する光線と、前記第５の半導体領域の上表面と直交する線とがなす角度θiが、ブリュースター角θｂ（＝ｔａｎ−１（Ｎ１／Ｎ２）；ここで、Ｎ１：前記光透明中間層の屈折率、Ｎ２：前記第５の半導体領域の屈折率）よりも小さい、
ことを特徴とする。【００３１】
また、本発明の好ましい態様では、
前記複数の画素が正方格子状、矩形格子状、又は千鳥状に配列されており、
前記複数の画素の内、縦方向に配列されている複数の画素における前記第１の半導体領域を互いに電気的に接続するとともに、縦方向に延びる複数の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記反射導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の反射導体配線と、をさらに備え、
前記横方向に延びる導体配線と、前記反射導体配線とが、前記複数の画素への光の照射方向から見て、互いに上下に重なることなく、かつ、縦方向に交互に配列されている、
ことを特徴とする。【００３２】
また、本発明の好ましい態様では、
前記複数の画素のそれぞれにおける前記反射導体層は、その画素における前記第５の半導体領域と電気的に分離されており、前記複数の画素の全ての前記反射導体層は、前記複数の画素が存在する画素領域に亘って、当該画素領域を覆うように互いに繋がっている、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、高画素密度、高解像度、低混色、高感度を可能にする固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係る固体撮像装置における隣接する２個の画素の立体構造を示す模式立体図である。
【図１Ｃ】本発明の第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図２Ａ】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図２Ｂ】第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図３Ａ】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図３Ｂ】緑色光、赤色光の反射率の膜厚依存性の計算結果を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図４Ｂ】第４の実施形態に係る固体撮像装置の別の画素構造を示す模式断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図７】第１〜第６の実施形態に係る固体撮像装置における３×３個の画素の配列状態を示す模式平面図である。
【図８】光線が画素の間隙に入射した状態を示す模式立体図である。
【図９Ａ】本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置における３×３個の画素の配列状態を示す模式平面図である。
【図９Ｂ】第７の実施形態に係る固体撮像装置における３×３個の画素の別の配列状態を示す模式平面図である。
【図１０Ａ】本発明の第８の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図１０Ｂ】第８の実施形態に係る固体撮像装置の画素領域の３×３個の画素の配列状態を示す、図１０ＡのＡ−Ａ´線での模式平面図である。
【図１１】本発明の変形例に係る固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図１２Ａ】従来例の固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【図１２Ｂ】Ｓｉ（シリコン）深さと光吸収強度の関係を示すグラフである。
【図１３】別の従来例の固体撮像装置の画素構造を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。
【００３６】
（第１の実施形態）
図１Ａに本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素（島状半導体）１ａの構造を示す。
図１Ａに示すように、各画素１ａには、基板上で第１の走査方向に延びる信号線（図１Ａには図示せず）に電気的に接続された第１の半導体Ｎ＋領域２が形成されている。第１の半導体Ｎ＋領域２上には、第１の半導体Ｎ＋領域２と反対の導電型である第２の半導体Ｐ領域３が形成されている。第２の半導体Ｐ領域３の上部側面領域には、第１の半導体Ｎ＋領域２と同じ導電型である第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂが形成されている。
【００３７】
第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂ及び第２の半導体Ｐ領域３の下部側面領域の外周部には絶縁層４ａ，４ｂが形成されている。絶縁層４ａ，４ｂの外周部には、第２の半導体Ｐ領域３の下部領域にチャネルを形成する導体層５ａ，５ｂが形成されている。導体層５ａ，５ｂは、金属を用いて単層構造に形成され、電流を流すゲート導体層、及び、赤外線、可視光線、紫外線などの光を反射する光反射層として機能する。
【００３８】
画素１ａには、第２の半導体Ｐ領域３と、絶縁層４ａ，４ｂと、導体層５ａ，５ｂとを有するＭＯＳトランジスタが形成されている。このＭＯＳトランジスタでは、導体層５ａ，５ｂに電圧が印加されることにより、チャネルが第２の半導体Ｐ領域３に形成される。そして、このＭＯＳトランジスタに繋がるように、第２の半導体Ｐ領域３と第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂとからなるフォトダイオード領域７が形成されている。
【００３９】
フォトダイオード領域７の表層部には、第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂが形成されている。第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂは、第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂと絶縁層４ａ，４ｂとの間に絶縁層４ａ，４ｂに接するように形成されている。第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂの外周部には、絶縁層４ａ，４ｂを介して、光を反射する光反射導体層９ａ，９ｂが形成されている。光反射導体層９ａ，９ｂは、導体層５ａ，５ｂを除く第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂ及び絶縁層４ａ，４ｂの外周部に形成されている。光反射導体層９ａ，９ｂは、金属を用いて単層構造に形成され、電流を流す導体層及び光を反射する光反射層として機能する。
【００４０】
第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂ及び第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂ上には、第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂ及び第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂと電気的に接続され、第２の半導体Ｐ領域３と同じ導電型である第５の半導体Ｐ＋領域１０が形成されている。
第５の半導体Ｐ＋領域１０は、画素領域の第１の走査方向と直交する方向に延びる画素選択線（図１Ａでは図示せず）に電気的に接続されている。第５の半導体Ｐ＋領域１０は、光反射導体層９ａ，９ｂに電気的に接続されている。このため、光反射導体層９ａ，９ｂは画素選択線としても機能する。また、少なくともフォトダイオード領域７が形成される領域は、島状半導体内に形成されている。このフォトダイオード領域７が形成される領域は、第２の半導体Ｐ領域３において第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂが形成されている上部領域、第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂ、第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂ、及び第５の半導体Ｐ＋領域１０からなる。なお、少なくとも第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂと第５の半導体Ｐ＋領域１０とは、島状半導体内に形成されていることが好ましい。
第５の半導体Ｐ＋領域１０上には、光を透過する材料からなる光透過中間領域２４が形成され、この光透過中間領域２４上に、第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズ１１が形成されている。
【００４１】
本実施形態の固体撮像装置では、図１Ａに示すように、第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面近傍に位置する、マイクロレンズ１１の焦点に光線が集光される。この集光された光線の内、マイクロレンズ１１の中心部に垂直に入射した光線以外の、画素（島状半導体）１ａに入射した光線１２ａ，１２ｂは、光反射導体層９ａ，９ｂと導体層５ａ，５ｂにより反射され、画素１ａの下方に伝播する。このため、感光領域であるフォトダイオード領域７での光伝播長は、フォトダイオード領域の高さＬｄより長くなる。このように、感光領域であるフォトダイオード領域７での光伝播長を長くできることは、図１２Ａに示す従来例の画素構造の固体撮像装置と比較して、フォトダイオード領域の高さＬｄを低くしながら同じ感度が得られることを意味している。
【００４２】
これにより、画素１ａのアスペクト比（上部１辺長とダイオード高さとの比）を低くできるので、画素構造の加工が容易になる。加えて、本実施形態では、マイクロレンズ１１の中心部に垂直に入射した光線だけでなく、画素１ａに斜め方向から入射された光線１２ａ，１２ｂ（図１Ａ参照）も、光反射導体層９ａ，９ｂと導体層５ａ,５ｂで反射されるので、光線１２ａ，１２ｂが、当該画素に隣接する画素に漏洩することが防止される。これにより、固体撮像装置の解像度の低下と、カラー撮像における混色の原因となることが防止される。
【００４３】
図１Ｂに、図１Ａに示す本実施形態の固体撮像装置の画素１ａが、隣接する２個の画素１ｂ，１ｃからなる場合の立体模式図を示す。図１Ｂに示すように、この画素１ｂ，１ｃには、画素１ａの第１の半導体Ｎ＋領域２に対応する第１の半導体Ｎ＋領域２ａ，２ｂが存在する。この第１の半導体Ｎ＋領域２ａ，２ｂは、基板上で第１の走査方向に延びる信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに電気的に接続されている。
【００４４】
図１Ｂに示すように、画素１ａにおけるＭＯＳトランジスタのゲート導体層である導体層５ａ，５ｂ（図１Ａ参照）に対応する導体層５ａａ，５ｂｂが、画素１ｂ，１ｃの外周を囲むように形成されている。導体層５ａａ，５ｂｂは、信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに直交する方向に延びるＭＯＳゲート配線５ａｂに電気的に接続されている。画素１ａの光反射導体層９ａ，９ｂに対応する光反射導体層９ａａ，９ｂｂが、画素１ｂ，１ｃの外周を囲むように形成されている。光反射導体層９ａａ，９ｂｂは、信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに直交する方向に延びる画素選択線９ａｂに電気的に接続されている。光反射導体層９ａａ，９ｂｂは、画素１ａの第５の半導体Ｐ＋領域１０に対応する第５の半導体Ｐ＋領域１０ａ，１０ｂに電気的に接続されている。第５の半導体Ｐ＋領域１０ａ，１０ｂ上には、画素１ａのマイクロレンズ１１に対応するマイクロレンズ１１ａ，１１ｂが配置されている。
【００４５】
信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂ上に形成されている画素１ｂ，１ｃは島状半導体を構成し、この島状半導体を包囲するように、導体層５ａａ，５ｂｂ，光反射導体層９ａａ，９ｂｂが形成されている。第１の半導体Ｎ＋領域２ａ，２ｂ及び信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂは十分にドナー不純物がドープされた層であるため、第１の半導体Ｎ＋領域２ａ，２ｂ及び信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに入射した光によって信号電荷は発生しない。これによりマイクロレンズ１１ａ，１１ｂから画素１ｂ，１ｃに入射した光は、当該画素１ｂ，１ｃに隣接する画素への光漏洩がなく、それぞれ、導体層５ａａ，５ｂｂ、光反射導体層９ａａ，９ｂｂで反射されながら島状半導体内を伝播し、第１の半導体Ｎ＋領域２ａ，２ｂ及び信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに到達する。これにより、島状半導体の高さを低くすることができ、画素構造の加工性が高められ、高画素密度化が実現されるとともに、解像度の低下、カラー撮像での混色のない固体撮像装置が提供できる。
【００４６】
第１の実施形態において、第２の半導体Ｐ領域３は、Ｐ型導電型の半導体からなるものとしたが、その変形例として、図１Ｃに示すように、第２の半導体Ｐ領域３に代えて、当該領域は、固有半導体からなる固有半導体（ｉ）領域３ａであってもよい。ここでの固有半導体とは、母体中に不純物が混入されていない半導体であり、そのフェルミ順位が伝導体下端と価電子帯上端とのエネルギギャップの中心近傍に位置するものである。固有半導体は、実際には完全には不純物が含まれていないものは作成することが困難であるので、その不純物レベルに応じ、アクセプタ不純物が微量含まれていればＰ−型、不純物が全く含まれていない純粋なシリコンであれば真性型、ドナー不純物が微量含まれていればＮ−型となる。固有半導体は、高抵抗体であり、第５の半導体Ｐ＋領域１０と、信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂとの間に電圧が印加されたときに内部に電位勾配が発生し、このチャネル内に前記第５の半導体Ｐ＋領域から注入した正孔（ホール）が信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに向かって流れるので、接合トランジスタのチャネルとして機能する。
【００４７】
図１Ａ、図１Ｃに示す画素構造においては、フォトダイオード領域７は、画素１ａを構成する島状半導体中への入射光により信号電荷を発生する点で光電変換部であり、第２の半導体Ｐ領域３又は固有半導体領域３ａと、第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂとからなるダイオードであるフォトダイオードは、その光電変換部で発生した信号電荷を蓄積する点で信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部である。また、第５の半導体Ｐ＋領域１０、信号線Ｎ＋層２近傍の第２の半導体Ｐ領域３又は固有半導体領域３ａをソース・ドレインとし、フォトダイオード領域７をゲートとした増幅接合トランジスタは、信号電荷読み出し部である。第２の半導体Ｐ領域３又は固有半導体領域３ａと、絶縁層４ａ，４ｂと、導体層５ａ，５ｂとを有するＭＯＳトランジスタは、フォトダイオード領域７に蓄積された信号電荷を信号線Ｎ＋層２に除去するための信号電荷除去部である。第１の実施形態においては、島状半導体中に、光電変換部と、信号電荷蓄積部と、信号読出し部と、信号電荷除去部とが形成され、少なくとも光電変換部が形成されている島状半導体の外周部が、光反射層で覆われていることを特徴としている。
【００４８】
このため、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは導体層５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂと光反射導体層９ａ，９ｂ，９ａａ，９ｂｂとは電気的に分離したが、導体層５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂと光反射導体層９ａ，９ｂ，９ａａ，９ｂｂとは電気的に接続されるとともに、導体層５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂ及び光反射導体層９ａ，９ｂ，９ａａ，９ｂｂと、第５の半導体Ｐ＋領域１０とは電気的に分離されていても良い。また、光反射導体層９ａ，９ｂ，９ａａ，９ｂｂが他の導電領域と分離され、独立した構造においても、本第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００４９】
（第２の実施形態）
図２Ａに本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す。
図２Ａに示すように、本実施形態の固体撮像装置は、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置の画素（島状半導体）１ａの下方に、光を反射するとともに導電体からなる光反射導体層１４ａ，１４ｂがさらに形成されている点以外は、第１の実施形態の固体撮像装置と同様な画素構造を有している。
【００５０】
図２Ａに示す本実施形態の固体撮像装置では、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置における画素１ａの下方に絶縁層１３が形成され、その絶縁層１３の下方に、金属などから形成され、光を反射するとともに導電体からなる光反射導体層１４ａが形成されている。光反射導体層９ａ，９ｂと導体層５ａ，５ｂにより反射され、画素１ａの下方に伝播し、この絶縁層１３に入射した光線１２ｃは、光反射導体層１４ａで反射され、再び画素１ａ内のフォトダイオード領域７に到達して信号電荷を発生させる。これは、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置と比較して、フォトダイオード領域７の高さＬｄが同じであっても、さらに高い感度が得られることを意味する。また、本実施形態の固体撮像装置では、その感度を第１の実施形態の固体撮像装置と同じとすると、第１の実施形態の固体撮像装置よりもさらにフォトダイオード領域７の高さＬｄを低くすることができる。これにより、画素構造の加工が容易となり、固体撮像装置の高画素密度化が実現される。
【００５１】
さらに、本実施形態の固体撮像装置では、フォトダイオード領域７の高さＬｄは、単にその高さを低くするだけでなく、その高さを適宜に調整することで、感光領域であるフォトダイオード領域７での光伝播長を長くすることができるので、光反射導体層１４ａからの反射光１２ｅにより発生した信号電荷を、感度向上に寄与させることもできる。
【００５２】
図２Ｂに第２の実施形態の変形例を示す。図２Ｂに示すように、本変形例では、図１Ａに示す画素１ａの下部に、絶縁層を介することなく直接に光反射導体層１４ｂが形成されている。この画素構造によっても、該光反射導体層１４ｂで反射された反射光１２ｅが、再び画素１ａのフォトダイオード領域７に入射して信号電荷を発生する。これにより、図２Ａに示す第２の実施形態の固体撮像装置と同様な効果が得られる。
これにより、第２の実施形態及びその変形例によれば、高画素密度、高解像度、低混色、高感度が得られる固体撮像装置が実現される。
【００５３】
（第３の実施形態）
図３Ａに本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す。
図３Ａに示すように、本実施形態の固体撮像装置は、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置の画素（島状半導体）１ａの下方に、ＳｉＯ2膜などの絶縁体から形成され、光を透過する光透過絶縁層（ＳｉＯ2膜）１５と、光透過絶縁層１５の下方に、Ｓｉ（シリコン）などから形成され、入射光の一部を吸収する光吸収層（Ｓｉ層）１６とが形成されている点以外は、第１の実施形態の固体撮像装置と同様な画素構造を有している。
【００５４】
光透過絶縁層１５に入射した光線１７は、図３Ａに示すように、光透過絶縁層１５内で多重反射を発生し、光吸収層１６の表面での反射光１８ａ，１８ｂ,・・・と、光吸収層１６への入射光１９ａ，１９ｂ，・・・を生じる。この場合、光透過絶縁層１５内で多重反射され、フォトダイオード領域７に戻る光量は、光透過絶縁層１５の厚さ、ＳｉとＳｉＯ2の光吸収率、屈折率、入射光の波長、入射角度などに依存して変化する。
【００５５】
図３Ｂに光透過絶縁層１５の表面に４５度の角度で入射した緑色光（λ＝５５０ｎｍ）、赤色光（λ＝６５０ｎｍ）の、光吸収層１６による反射率のＳｉＯ2膜の膜厚依存性を計算した結果を示す。なお、青色光は画素１ａの表面近傍のフォトダイオード領域７で吸収されるので、このような膜厚依存性はみられない。この反射率は、光透過絶縁層１５への入射光量に対するフォトダイオード領域７への戻り光量の割合を示す。図３Ｂに示すように、緑色光、赤色光は、ＳｉＯ2膜の厚さに依存して反射率が高くなったり低くなったりする。例えば、ＳｉＯ2膜厚を０．５μｍ程度にすると、緑色光、赤色光ともに反射率を相対的に大きくすることができる。一方、例えば、ＳｉＯ2膜厚を０．２μｍ程度にすると、緑色光の反射率を相対的に大きくするとともに、赤色光の反射率を相対的に小さくすることができる。このようなＳｉＯ2膜厚の変更により、カラー撮像で青・緑・赤色光の信号出力のバランスを調整する信号処理においては、ＳｉＯ2膜厚を０．２μｍ程度とし、緑色光の感度を上げ、赤色光の感度を下げることによりカラー固体撮像装置の感度向上に寄与させることができる。また、ＳｉＯ2膜厚を０．５μｍ程度とし、緑色光、赤色光ともに反射率を高めると、白黒撮像における感度向上に寄与させることができる。このように、ＳｉＯ2膜厚の変更により、光の波長によって反射率を変更できることは、ＳｉＯ2膜厚の変更により、入射光の波長と、固体撮像装置の感度の関係を示す分光感度特性が制御できることを意味する。
【００５６】
実際の固体撮像装置では、ＳｉＯ2層の表面にいろいろな入射角度で光が入射し、またマイクロレンズの設計によっても、図３Ｂの特性は変化する。また、カラー撮像、白黒撮像によっても要求される分光感度特性は異なる。このように、光透過絶縁層（ＳｉＯ2膜）１５の厚さを変化させ、光の波長によって反射率を変更する技術は、所望する分光感度特性を得る上で、効果的な手法を提供する。
【００５７】
（第４の実施形態）
図４Ａに本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す。
図４Ａに示すように、本実施形態の固体撮像装置は、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置の画素（島状半導体）１ａにおける第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部に凹部２０ａ又は凸部２０ｂを形成するとともに、凹部２０ａの凹状の面又は凸部２０ｂの凸状の面を境界面として互いに接する２つの物質領域の光屈折率を互いに異ならせた点以外は、第１の実施形態の固体撮像装置と同様な画素構造を有している。
【００５８】
図４Ａに図１Ａに示す画素１ａにおける第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部に三角錐状の凹部２０ａが形成されている例を示す。
図１Ａに示す画素構造では、第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部に凹部２０ａが存在しない。このため、マイクロレンズ１１の中央部に垂直に入射した光線２１ａ，２１ｃは、そのまま、光反射導体層９ａ，９ｂで反射されることなく、画素１ａの内部に入射する。このため、マイクロレンズ１１の中央部に垂直に入射する光線２１ａ，２１ｃに対しては、感光領域であるフォトダイオード領域７における光伝播長は、フォトダイオード領域の高さＬｄより長くすることはできない。
これに対し、図４Ａに示す画素構造では、マイクロレンズ１１の中心線から入射する光線２１ｂを除いて、マイクロレンズ１１の中央部から第５の半導体Ｐ＋領域１０に入射する入射光２１ｂは、凹部２０ａによって光反射導体層９ａ，９ｂ側に屈折する。これにより、この屈折された光線２２ａが光反射導体層９ａ，９ｂで反射され、フォトダイオード領域７での光伝播長が長くなり、固体撮像装置の感度が向上する。この凹部２０ａにおける光線の屈折は、第５の半導体Ｐ＋領域１０の材料であるＳｉ（シリコン）の屈折率と、マイクロレンズ１１の材料である透明樹脂材料の屈折率との差異により生じる。
【００５９】
図４Ｂに図１Ａに示す画素構造における第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部に三角錐状の凸部２０ｂが形成されている例を示す。
図４Ｂに示すように、第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部には、図４Ａに示す凹部２０ａの代わりに凸部２０ｂを形成してもよい。この場合も、マイクロレンズ１１の中心線から入射する光線２１ｃを除いて、マイクロレンズ１１の中央部から第５の半導体Ｐ＋領域１０に入射する入射光２１ｂは、凸部２０ｂによって光反射導体層９ａ，９ｂ側に屈折する。これにより、この屈折された光線２２ａが光反射導体層９ａ，９ｂで反射され、フォトダイオード領域７での光伝播長が長くなり、固体撮像装置の感度が向上する。
【００６０】
本実施形態では、凹部２０ａの凹状の面又は凸部２０ｂの凸状の面を境界面として互いに接する２つの物質領域の光屈折率が互いに異なるようにした。これに限られず、凹部２０ａ又は凸部２０ｂ自体が、第５の半導体Ｐ＋領域１０の材料であるＳｉ又はマイクロレンズ１１の透明樹脂材料とは異なる屈折率を有する材料で形成されていてもよい。これによっても、マイクロレンズ１１の中央部から第５の半導体Ｐ＋領域１０に入射する入射光は、凹部２０ａ又は凸部２０ｂによって光反射導体層９ａ，９ｂ側に屈折する。そして、感光領域であるフォトダイオード領域７での光伝播長が長くなり、固体撮像装置の感度が向上する。
【００６１】
本実施形態では、図４Ａ，図４Ｂを参照して、凹部２０ａ及び凸部２０ｂの形状は、いずれも三角錐状とした。これに限られず、マイクロレンズ１１の中央部に入射した光線が、凹部２０ａ又は凸部２０ｂで屈折し、光反射導体層で反射される形状であれば、その他の形状、例えば、円錐状、四角錘状、半円状であってもよい。
【００６２】
（第５の実施形態）
図５に本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す。
図５に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置の画素（島状半導体）１ａにおいて、マイクロレンズ１１の焦点２３が第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面よりも上方側の光透過中間領域２４内に位置する点以外は、第１の実施形態の固体撮像装置と同様な画素構造を有している。
【００６３】
図５に示す画素構造において、マイクロレンズ１１の焦点２３は第５の半導体Ｐ＋領域１０より上部の光透過中間領域２４内に形成されている。
本実施形態の固体撮像装置では、このような画素構造を有することで、マイクロレンズ１１から入射し、光透過中間領域２４の内部の焦点２３に集光される光線２５ｂは、第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面に焦点が位置する場合（第１の実施形態の画素構造の場合）の光線２５ａよりも、最初に光反射導体層９ａ，９ｂに到達する位置が、第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面にさらに接近する。これは、本実施形態の画素構造による光線２５ｂの方が、第１の実施形態の画素構造における光線２５ａよりもフォトダイオード領域７での光伝播長がさらに長くできることを意味する。したがって、本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態の固体撮像装置と比べ、感度がさらに向上するようになる。
【００６４】
（第６の実施形態）
図６に本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す。
図６に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置の画素（島状半導体）１ａにおいて、マイクロレンズ１１の外周部の１点２６から入射し、マイクロレンズ１１の中心線２７を通過して、第５の半導体Ｐ＋領域１０の外周部の１点２８に到達する光線２９と、第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面と直交する線とがなす角度θiが、ブリュースター（Brewster）角θbより小さいことを特徴としている。
【００６５】
図１２Ａ、図１３に示す従来例の固体撮像装置においては、フォトダイオード領域が光を反射する物質で完全に囲まれていないため、フォトダイオード領域に大きい入射角で入射する光線は、当該画素に隣接する画素に漏洩することが想定される。これに対して、図１Ａに示したように、本実施形態の画素構造では、フォトダイオード領域７にどのような角度で光が入射しても、フォトダイオード領域７全体が第１及び光反射導体層５ａａ，５ｂｂ，９ａａ，９ｂｂで完全に包囲されているため、隣接する画素への光漏洩をなくすことが可能になる。これは、マイクロレンズ１１から入射する全ての入射光が、第５の半導体Ｐ＋領域１０の表面に到達することのみで、その入射光を全て有効に信号電荷の発生に寄与させることができることを意味する。
【００６６】
図６に本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造を示す。
図６に示すように、マイクロレンズ１１の外周部の１点２６から入射し、マイクロレンズ１１の中心線２７及び光透過中間領域２４を通過して、第５の半導体Ｐ＋領域１０の外周部の１点２８に到達する光線２９と、第５の半導体Ｐ＋領域１０の表面と直交する角度θiが、ブリュースター角θbより小さくなっている。ブリュースター角θbは、光透過中間領域２４の屈折率をＮ1、第５の半導体Ｐ＋領域１０の屈折率をＮ2とすると次式で示される。
θｂ＝ｔａｎ−１（Ｎ１／Ｎ２）
上述した角度θiが、ブリュースター角θbより大きいと、マイクロレンズ１１から入射し、光透過中間領域２４を通過した入射光は、第５の半導体Ｐ＋領域１０の表面で全反射され、第５の半導体Ｐ＋領域１０内に進入しない。このように、角度θiをブリュースター角θbよりも小さくすることにより、マイクロレンズ１１に入射し、光透過中間領域２４を通過した全ての光線がフォトダイオード領域７に有効に導かれるようになる。ここで、光線を有効に導くとは、第５の半導体Ｐ＋領域１０の表面に入射した光線は全反射することなく第５の半導体Ｐ＋領域１０内に入射することを意味する。これにより、固体撮像装置の感度向上が実現できる。
【００６７】
図７に第１〜第６の実施形態に係る固体撮像装置における画素領域に形成された３×３個（＝９個）の画素Ｐ11〜Ｐ33の配列状態を光照射面から見た模式平面図を示す。
図７に示すように、光照射面から、マイクロレンズを上面に有する画素Ｐ11〜Ｐ33と、図１Ｂに示す画素選択線９ａｂに対応する画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３と、図１Ｂに示す信号線Ｎ＋層２ａａ，２ｂｂに対応する信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3とが形成されている。この信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3は、図２Ｂに示す画素構造では、光反射導体層１４ｂが対応する。図１Ｂに示すＭＯＳゲート配線５ａｂに対応するＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３が、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３の下方に形成されている。即ち、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３と、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３とが上下に重なるように形成されている。図７では、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３間に形成された間隙Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4の内、一例として間隙Ｇ3に入射した光線１００は画素Ｐ11〜Ｐ33が形成されている基板上の信号線Ｎ＋層Ｓ1に到達する。
【００６８】
図８に示すように、間隙Ｇ3に入射した光線１００は、画素１１ａの下方に位置する信号線Ｎ＋層２ａａに入射する。光線１００の内の一部の光線１０２は、屈折率の異なる２つの絶縁層によって挟まれている信号線Ｎ＋層２ａａと、それに隣接する信号線Ｎ＋層２ｂｂ（信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3）内で多重反射光１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄを生じる。多重反射光１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄは、画素１１ａに隣接する画素１１ｂのフォトダイオード領域７（図１Ａ参照）に入射して信号電荷を発生する。この隣接する画素１１ｂへの光漏洩は、固体撮像装置の解像度の低下とカラー撮像での混色を発生する。
【００６９】
（第７の実施形態）
以下、図９Ａ、図９Ｂを参照しながら、本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置を説明する。
上述したように、図７に示す固体撮像装置では、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３と、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３とが上下に重なるように形成され、信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3内での多重反射によって解像度の低下とカラー撮像での混色を生じていた。
これに対し、図９Ａに示す本実施形態の固体撮像装置では、画素Ｐ11〜Ｐ33は、正方格子状又は矩形格子状に配列されている。詳しくは、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３と、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３とは上下に重ならないように配列されている。即ち、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３は、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３間に形成された間隙Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4内において、光反射導体層９ａ，９ｂ（図１Ａ参照）に対応する画素Ｐ11〜Ｐ33における導体層に電気的に接続された状態で配線されている。この構成によって、固体撮像装置の画素領域の全域において、光照射面から入射した入射光は、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３によって進路を阻まれ、直接に多重反射を生じる信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3に到達することが防止される。これにより、本実施形態の固体撮像装置によれば、解像度の低下と、カラー撮像における混色が防止される。
【００７０】
図９Ｂに示す本実施形態の変形例では、画素Ｐ11〜Ｐ33は、上下方向に一列に配置されず、千鳥状に配置されている。このように画素Ｐ11〜Ｐ33が千鳥状に配置されるに伴い、信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3は、上下方向に千鳥状に蛇行しながら各画素Ｐ11〜Ｐ33を繋げている。図９Ａに示す第７の実施形態と同様に、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３は、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３間に形成された間隙Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4内において、光反射導体層９ａ，９ｂ（図１Ａ参照）に対応する画素Ｐ11〜Ｐ33の光反射導体層に電気的に接続された状態で配線されている。これによって、固体撮像装置の画素領域の全域において、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３によって、入射光が直接に多重反射を生じる信号線配線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3に到達することが防止される。これにより、本変形例の固体撮像装置によれば、解像度の低下と、カラー撮像における混色が防止される。
【００７１】
なお、図９Ａ、図９Ｂでは、光照射面から見た状態で、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３と、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３との間に微小な隙間が形成されているが、上下方向の画素Ｐ11〜Ｐ33間の離間距離を長くすることにより、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３と、ＭＯＳゲート配線５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３とを上下に重なるように形成することができる。これによって、固体撮像装置の画素領域の全域において、入射光は、画素選択線９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３によって、直接に多重反射を生じる信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3に到達することがより確実に防止される。これにより、本変形例の固体撮像装置によれば、解像度の低下と、カラー撮像における混色が防止される。
【００７２】
（第８の実施形態）
以下、図１０Ａ、図１０Ｂを参照しながら、本発明の第８の実施形態に係る固体撮像装置を説明する。
図１Ａに示す第１の実施形態の固体撮像装置の画素構造では、フォトダイオード領域７を包囲する光反射導体層９ａ，９ｂは、第５の半導体Ｐ＋領域１０に電気的に接続されていた。これに対し、本実施形態の固体撮像装置の画素構造では、図１０Ａに示すように、第５の半導体Ｐ＋領域１０は、画素選択線１０ａａ，１０ｂｂに電気的に接続されるとともに、光反射導体層９ａ，９ｂに対応する光反射導体層９９ａ，９９ｂとは電気的に分離されている点で異なっている。なお、図１０Ａでは、光反射導体層９９ａ，９９ｂは、光反射導体配線層９９ｃ，９９ｄに電気的に接続されている。
【００７３】
本実施形態の固体撮像装置では、第５の半導体Ｐ＋領域１０の上表面近傍に位置する、マイクロレンズ１１の焦点に集光された光線の内、マイクロレンズ１１の中心部に垂直に入射した光線以外の、画素１ａに入射した光線１２ａ，１２ｂは、光反射導体層９９ａ，９９ｂ及び導体層５ａ，５ｂにより反射され、画素１ａ内を下方に伝播する。このため、感光領域であるフォトダイオード領域７での光伝播長は、フォトダイオード領域の高さＬｄより長くなる。これにより、第１の実施形態の固体撮像装置と同様、画素構造の加工が容易になり、高画素密度化が実現されるとともに、固体撮像装置の感度が向上する。
【００７４】
図１０Ｂに、図１０Ａにおける光反射導体層９９ｃ，９９ｄのＡ−Ａ’線で示す領域を、光照射面から見た状態を示す。この光反射導体層９９ａ，９９ｂは、画素選択線としては機能しないので、固体撮像装置の画素領域を覆うように、光反射導体配線層９９ｃ，９９ｄが一体的に繋がるようにしてもよい。これによって、図１０Ｂに示すように、光反射導体配線層９９ｃ，９９ｄは、固体撮像装置の全画素領域で、一体の光反射導体層９９を形成する。これにより、光照射面から画素Ｐ11〜Ｐ33間に入射した光は、多重反射を生じる信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3に到達することがより確実に防止される。これにより、本実施形態の固体撮像装置によれば、解像度の低下と、カラー撮像における混色が防止される。
【００７５】
なお、上記実施形態では、画素領域に１個、２個、又は３×３個（＝９個）で配列された画素を用いて、固体撮像装置の画素構造及びその動作について説明した。しかしこれに限られず、本発明の技術的思想は、それ以外の複数の画素が画素領域に１次元又は２次元状に配列された固体撮像装置に適用できることは勿論である。
【００７６】
上記実施形態では、島状半導体中に、光電変換部であるフォトダイオード領域７、信号電荷蓄積部であるフォトダイオード、信号電荷読み出し部である接合トランジスタ、信号電荷除去部であるＭＯＳトランジスタを有する画素構造としたが、島状半導体中には、それ以外の構成によって、光電変化部、信号電荷蓄積部、信号読出し部、信号電荷除去部を設けた構造であっても、本発明の技術思想に含まれることは言うまでもない。
【００７７】
上記実施形態では、画素１ａ，１ｂ、画素Ｐ11〜Ｐ33における島状半導体の構造は、いずれも円柱状のものとした。これに限られず、四角柱状、多角柱状であってもよい。
【００７８】
上記実施形態では、第１の半導体Ｎ＋領域２及び第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂはＮ型導電型とし、第２の半導体Ｐ領域３はＰ型導電型とし、かつ、第４の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂ及び前記第５の半導体Ｐ＋領域１０はＰ型導電型とした。しかしこれに限られず、第１の半導体領域２及び第３の半導体領域６ａ，６ｂはＰ型導電型とし、第２の半導体領域３はＮ型導電型とし、かつ、第４の半導体領域８ａ，８ｂ及び前記第５の半導体領域１０はＮ型導電型とすることもできる。
【００７９】
上記実施形態では、第１の半導体Ｎ＋領域２は、ＭＯＳトランジスタの下部全体に形成したが、図１１に示すように、この第１の半導体領域２を第６の半導体Ｐ＋領域２ｃと、第２の半導体Ｐ領域３によって第６の半導体Ｐ＋領域２ｃから分離された第７の半導体Ｎ＋領域２ｄとから構成し、第６の半導体Ｐ＋領域２ｃを増幅接合トランジスタのドレインとし、第７の半導体Ｎ＋領域２ｄを、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を除去するためのリセットドレインとした構造としてもよい。この場合、第６の半導体Ｐ＋領域２ｃと、第７の半導体Ｎ＋領域２ｄによって挟まれた領域は、第８の半導体Ｐ領域となる。
また、図１１において、増幅接合トランジスタの第６の半導体Ｐ＋領域２ｃは、第９の半導体Ｎ＋領域２ｃに置換することも可能である。この場合、第９の半導体Ｎ＋領域２ｃと、第７の半導体Ｎ＋領域２ｄによって挟まれた領域は、第８の半導体Ｐ領域となる。
【００８０】
上記実施形態では、ＭＯＳトランジスタのチャネルは第２の半導体Ｐ領域３に電界により形成した（エンハンストメント型）。これに限られず、ＭＯＳトランジスタのチャネルは、例えば、第２の半導体Ｐ領域３にイオン注入などで不純物を注入すること（デプレッション型）、または埋め込みチャネルによって形成することもできる。
【００８１】
上記実施形態では、光透過中間領域２４は単層構造としたが、光透過中間領域は複数の層で形成されていてもよく、さらには、光透過中間領域にカラーフィルタ層が含まれていてもよい。
【００８２】
上記実施形態では、光反射導体層９ａ，９ｂは、第５の半導体Ｐ＋領域１０と電気的に接続したが、これは、本発明の実施形態に必須の構造ではない。光反射導体層９ａ，９ｂは、フォトダイオード領域７を囲むように形成されていればよい。例えば、図１０Ａに示した画素構造のように、第５の半導体Ｐ＋領域１０は、画素選択線１０ａａ，１０ｂｂに電気的に接続されるとともに、光反射導体層９９ａ，９９ｂとは電気的に分離されていてもよい。
【００８３】
上記実施形態では、第５の半導体Ｐ＋領域１０は、フォトダイオード領域７における第５の半導体Ｐ＋領域８ａ，８ｂに電気的に接続したが、両者は電気的に分離されていてもよい。
【００８４】
上記実施形態では、第５の半導体Ｐ＋領域１０は、フォトダイオード領域７における第３の半導体Ｎ＋領域６ａ，６ｂに電気的に接続したが、両者は電気的に分離されていてもよい。
【００８５】
上記実施形態では、導体層５ａ，５ｂ、光反射導体層９ａ，９ｂ、９９ａ，９９ｂは、単層の金属膜から形成したが、複数層の金属膜から形成してもよい。
また、導体層５ａ，５ｂ、光反射導体層９ａ，９ｂ、９９ａ，９９ｂは，金属に限られず、不純物ドープされた多結晶Ｓｉや、シリサイドのように長波長光を反射する材料層を金属の一部に含ませて形成してもよく、不純物ドープされた多結晶Ｓｉや、シリサイドのみで形成してもよい。
【００８６】
図７、図９Ａ、図９Ｂでは、信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3はＮ＋層としたが、図２Ｂに示すように、第１の半導体Ｎ＋領域２の下方に、絶縁層を介することなく直接に金属からなる光反射導体層１４ｂが形成されている場合では、信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3の抵抗はこの光反射導体層１４ｂによって低下するので、信号線Ｎ＋層Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3はＮ＋層でなくともよい。この場合も、間隙Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4に入射した光線１００は、光反射導体層１４ｂで反射され、その一部が当該画素に隣接する画素のフォトダイオード領域に漏洩することが防止される。
【００８７】
上記実施形態では、導体層５ａ，５ｂ、光反射導体層９ａ，９ｂ、９９ａ，９９ｂは、画素（島状半導体）１ａを薄膜で包囲する構造としたが、金属材料を用いて画素間を埋めるような構造であってもよい。
【００８８】
上記実施形態では、導体層５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂ、光反射導体層９ａ，９ｂ，９ａａ，９ｂｂは、電磁エネルギー波（電磁波）の一種である光（赤外線、可視光線、紫外線）を反射するものとしたが、光反射導体層は、固体撮像装置の使用目的に応じて、その他の電磁エネルギー波、例えば、Ｘ線、ガンマ線、電子線などを反射するものとしても機能するものでもよい。
【００８９】
なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明の一実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、高画素密度、高解像度、低混色、高感度を可能にする固体撮像装置に適用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１ａ，１ｂ，１ｃ，Ｐ11〜Ｐ33  画素
２，２ａ，２ｂ  第１の半導体Ｎ＋領域
２ｃ  第６の半導体Ｐ＋領域、第９の半導体Ｎ＋領域
２ｄ  第７の半導体Ｎ＋領域
２ａａ，２ｂｂ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  信号線Ｎ＋層
３  第２の半導体Ｐ領域
３ａ  固有半導体領域
４ａ，４ｂ  絶縁層
５ａ，５ｂ，５ａａ，５ｂｂ  導体層（ＭＯＳトランジスタのゲート導体層）
５ａｂ，５ａｂ１，５ａｂ２，５ａｂ３  ＭＯＳゲート配線（ＭＯＳトランジスタのゲート配線；導体配線）
６ａ，６ｂ  第３の半導体Ｎ＋領域
７  フォトダイオード領域
８ａ，８ｂ  第４の半導体Ｐ＋領域
９ａ，９ｂ，９ａａ，９ｂｂ  光反射導体層
９ａｂ，９ａｂ１，９ａｂ２，９ａｂ３  画素選択線（光反射導体配線）
１０，１０ａ，１０ｂ  第５の半導体Ｐ＋領域
１０ａａ，１０ｂｂ  画素選択線
１１，１１ａ，１１ｂ  マイクロレンズ
１２ａ，１２ｂ  光線（第５の半導体Ｐ＋領域の上表面近傍の焦点に集光される光線）
１２ｃ，１２ｅ  反射光
Ｌｄ  フォトダイオード領域の高さ
１３  絶縁層
１４ａ，１４ｂ  光反射導体層
１５  光透過絶縁層
１６  光吸収層
１７  光線（ＳｉＯ2膜への入射光）
１８ａ，１８ｂ  反射光（Ｓｉ層による反射光）
１９ａ，１９ｂ  入射光（Ｓｉ層への入射光）
２０ａ  凹部（Ｐ＋領域の凹部）
２０ｂ  凸部（Ｐ＋領域の凸部）
２１ａ，２１ｃ  光線（マイクロレンズの中央部に垂直に入射する光線）
２１ｂ，２１ｄ  光線（マイクロレンズの中心線から入射する光線）
２２ａ  光線（凹部での屈折光）
２２ｂ  光線（凸部での屈折光）
２３  マイクロレンズの焦点
２４  光透過中間領域
２５ａ，２５ｂ  第５の半導体Ｐ＋領域への入射光
２６  マイクロレンズの外周部の１点
２７  マイクロレンズの中心線
２８  第５の半導体Ｐ＋領域の外周部の１点
２９  光線（マイクロレンズの中心線及び光透過中間領域を通過した光線）
３０  島状半導体
３１  信号線Ｎ＋層
３２  半導体Ｐ層
３３ａ，３３ｂ  絶縁層
３４ａ，３４ｂ  ゲート導体層
３５ａ，３５ｂ  半導体Ｎ層
３６  半導体Ｐ＋層
３７ａ，３７ｂ  画素選択線
３８  光線（島状半導体に斜め方向から入射する光線）
３９ａ，３９ｂ  金属壁
４０  半導体基板
４１  フォトダイオード領域
４２  素子分離領域
４３  ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域
４４  第１の層間絶縁層
４５  ＭＯＳトランジスタのゲート電極
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ  コンタクトホール
４７  第２の層間絶縁層
４８  ＳｉＯ2膜
４９  ＳｉＮ膜
５０  マイクロレンズ
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ  金属配線 
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，１００  光線
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ，１０２  フォトダイオードへの入射光
９９  光反射導体層
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ  信号線Ｎ＋層内での多重反射光
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４  間隙
【図１Ａ】
2012056586.tif 000003
【図１Ｂ】
2012056586.tif 000004
【図１Ｃ】
2012056586.tif 000005
【図２Ａ】
2012056586.tif 000006
【図２Ｂ】
2012056586.tif 000007
【図３Ａ】
2012056586.tif 000008
【図３Ｂ】
2012056586.tif 000009
【図４Ａ】
2012056586.tif 000010
【図４Ｂ】
2012056586.tif 000011
【図５】
2012056586.tif 000012
【図６】
2012056586.tif 000013
【図７】
2012056586.tif 000014
【図８】
2012056586.tif 000015
【図９Ａ】
2012056586.tif 000016
【図９Ｂ】
2012056586.tif 000017
【図１０Ａ】
2012056586.tif 000018
【図１０Ｂ】
2012056586.tif 000019
【図１１】
2012056586.tif 000020
【図１２Ａ】
2012056586.tif 000021
【図１２Ｂ】
2012056586.tif 000022
【図１３】
2012056586.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月18日(2011.2.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、
１個又は複数の画素を有する固体撮像装置であって、
基板上に画素を構成する島状半導体が形成され、
前記島状半導体は、
電磁エネルギー波の照射により発生した信号電荷を蓄積するダイオードよりなる信号電荷蓄積部と、
前記島状半導体の上下部にソースとドレインを有し、前記ダイオードをゲートとして、前記ダイオードに蓄積された信号電荷の蓄積量に応じた信号を読み出す接合トランジスタからなる信号電荷読み出し部と、
前記ダイオードと前記接合トランジスタのチャネル内に存在する光電変換部と、
前記信号電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記画素の外部に除去する信号電荷除去部と、を有しており、
少なくとも前記光電変換部を包囲するとともに、前記島状半導体に入射された電磁エネルギー波を反射する反射導体層と、
前記島状半導体の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、
前記光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、を備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記反射導体層で反射されつつ、前記島状半導体を通過し、前記光透過絶縁層に到達した緑光と赤光の反射率が、緑色光で相対的に大きくなるとともに赤色光で相対的に小さくなるか、又は、緑色光及び赤色光で相対的に大きくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されている、
ことを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、本発明の好ましい態様では、
前記複数の画素が正方格子状、矩形格子状、又は千鳥状に配列されており、
前記画素は、
基板上に形成された第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に形成され、該第１の半導体領域と反対の導電型又は固有半導体である第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の上部側面領域に形成され、前記第１の半導体領域と同じ導電型である第３の半導体領域と、
前記第３の半導体領域及び前記第２の半導体領域の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外周部に形成され、前記第２の半導体領域の下部領域にチャネルを形成する導体層と、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域上に形成され、前記第２の半導体領域と同じ導電型である第５の半導体領域と、を有しており、
前記反射導体層は、前記導体層を除く前記第３の半導体領域及び前記絶縁層の外周部に形成され、
前記マイクロレンズは、前記第５の半導体領域上に形成され、該第５の半導体領域の上表面近傍に焦点が位置し、
前記光電変換部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域から構成され、
前記信号電荷蓄積部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域からなるダイオードを有し、
前記信号電荷読み出し部が、前記第５の半導体領域、前記第２の半導体領域の下部領域をドレイン、ソース、又は、ソース、ドレインとし、前記ダイオードをゲートとした接合トランジスタから構成され、
前記信号電荷除去部が、前記第２の半導体領域と、前記島状半導体の外周部に設けた導体層と、前記第２の半導体領域と前記導体層の間に配置された絶縁層と、を有するＭＯＳトランジスタから構成され、
前記複数の画素の内、縦方向に配列されている複数の画素における前記第１の半導体領域を互いに電気的に接続するとともに、縦方向に延びる複数の第１の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の第２の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記反射導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の反射導体配線と、をさらに備え、
前記第２の導体配線と、前記反射導体配線とが、前記複数の画素への電磁エネルギー波の照射方向から見て、互いに上下に重ならないように、かつ、縦方向に交互に配列されている、
ことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、本発明の好ましい態様では、
前記複数の画素のそれぞれにおける前記反射導体層は、前記信号電荷蓄積部、前記信号電荷読み出し部、及び前記信号電荷除去部のいずれとも電気的に分離されているとともに、前記複数の画素が存在する画素領域において、互いに電気的に接続されている、
ことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又は複数の画素を有する固体撮像装置であって、
基板上に画素を構成する島状半導体が形成され、
前記島状半導体は、
電磁エネルギー波の照射により発生した信号電荷を蓄積するダイオードよりなる信号電荷蓄積部と、
前記島状半導体の上下部にソースとドレインを有し、前記ダイオードをゲートとして、前記ダイオードに蓄積された信号電荷の蓄積量に応じた信号を読み出す接合トランジスタからなる信号電荷読み出し部と、
前記ダイオードと前記接合トランジスタのチャネル内に存在する光電変換部と、
前記信号電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記画素の外部に除去する信号電荷除去部と、を有しており、
少なくとも前記光電変換部を包囲するとともに、前記島状半導体に入射された電磁エネルギー波を反射する反射導体層と、
前記島状半導体の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、
前記光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、を備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記反射導体層で反射されつつ、前記島状半導体を通過し、前記光透過絶縁層に到達した緑光と赤光の反射率が、緑色光で相対的に大きくなるとともに赤色光で相対的に小さくなるか、又は、緑色光及び赤色光で相対的に大きくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素が正方格子状、矩形格子状、又は千鳥状に配列されており、
前記画素は、
基板上に形成された第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に形成され、該第１の半導体領域と反対の導電型又は固有半導体である第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の上部側面領域に形成され、前記第１の半導体領域と同じ導電型である第３の半導体領域と、
前記第３の半導体領域及び前記第２の半導体領域の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外周部に形成され、前記第２の半導体領域の下部領域にチャネルを形成する導体層と、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域上に形成され、前記第２の半導体領域と同じ導電型である第５の半導体領域と、を有しており、
前記反射導体層は、前記導体層を除く前記第３の半導体領域及び前記絶縁層の外周部に形成され、
前記マイクロレンズは、前記第５の半導体領域上に形成され、該第５の半導体領域の上表面近傍に焦点が位置し、
前記光電変換部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域から構成され、
前記信号電荷蓄積部が、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域からなるダイオードを有し、
前記信号電荷読み出し部が、前記第５の半導体領域、前記第２の半導体領域の下部領域をドレイン、ソース、又は、ソース、ドレインとし、前記ダイオードをゲートとした接合トランジスタから構成され、
前記信号電荷除去部が、前記第２の半導体領域と、前記島状半導体の外周部に設けた導体層と、前記第２の半導体領域と前記導体層の間に配置された絶縁層と、を有するＭＯＳトランジスタから構成され、
前記複数の画素の内、縦方向に配列されている複数の画素における前記第１の半導体領域を互いに電気的に接続するとともに、縦方向に延びる複数の第１の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の第２の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記反射導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の反射導体配線と、をさらに備え、
前記第２の導体配線と、前記反射導体配線とが、前記複数の画素への電磁エネルギー波の照射方向から見て、互いに上下に重ならないように、かつ、縦方向に交互に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の画素のそれぞれにおける前記反射導体層は、前記信号電荷蓄積部、前記信号電荷読み出し部、及び前記信号電荷除去部のいずれとも電気的に分離されているとともに、前記複数の画素が存在する画素領域において、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月24日(2011.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、
１個又は複数の画素を有する固体撮像装置であって、
基板上に画素を構成する島状半導体が形成され、
前記島状半導体は、
当該島状半導体の中央部に配置されたＰＮ半導体から形成され、電磁エネルギー波の照射により発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードよりなる信号電荷蓄積部と、
前記島状半導体の前記フォトダイオードを挟む上下部にソースとドレインを有し、前記フォトダイオードをゲートとして、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷の蓄積量に応じた信号を読み出す接合トランジスタからなる信号電荷読み出し部と、
前記島状半導体の外周部であって前記フォトダイオードの下方部に設けた導体層と、前記島状半導体の外周部であって前記島状半導体と前記導体層との間に配置された絶縁層と、を有するとともに、前記導体層に電圧が印加されることにより前記信号電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記画素の外部に除去する信号電荷除去部と、を有しており、
前記フォトダイオードは、前記島状半導体に入射された電磁エネルギー波を信号電荷に変換する光電変換部を構成しており、
少なくとも前記光電変換部を包囲するとともに、前記島状半導体に入射された電磁エネルギー波を反射する反射導体層と、
前記島状半導体の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、
前記光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、を備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記反射導体層で反射されつつ、前記島状半導体を通過し、前記光透過絶縁層に到達した緑光と赤光の反射率が、緑色光で相対的に大きくなるとともに赤色光で相対的に小さくなるか、又は、緑色光及び赤色光で相対的に大きくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されている、
ことを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、本発明の好ましい態様では、
前記複数の画素が正方格子状、矩形格子状、又は千鳥状に配列されており、
前記画素は、
基板上に形成された第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に形成され、該第１の半導体領域と反対の導電型又は固有半導体である第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の上部側面領域に形成され、前記第１の半導体領域と同じ導電型である第３の半導体領域と、
前記第３の半導体領域及び前記第２の半導体領域の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層と、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域上に形成され、前記第２の半導体領域と同じ導電型である第５の半導体領域と、を有しており、
前記反射導体層は、前記導体層を除く前記第３の半導体領域及び前記絶縁層の外周部に形成され、
前記マイクロレンズは、前記第５の半導体領域上に形成され、該第５の半導体領域の上表面近傍に焦点が位置し、
前記光電変換部である前記フォトダイオードが、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域から構成され、
前記信号電荷読み出し部が、前記第５の半導体領域、前記第２の半導体領域の下部領域をドレイン、ソース、又は、ソース、ドレインとし、前記フォトダイオードをゲートとした接合トランジスタから構成され、
前記信号電荷除去部が、前記第２の半導体領域と、前記島状半導体の外周部に設けた導体層と、前記第２の半導体領域と前記導体層との間に配置された絶縁層と、を有するＭＯＳトランジスタから構成され、
少なくとも前記第３の半導体領域と前記第５の半導体領域とは、前記島状半導体内に形成され、
前記複数の画素の内、縦方向に配列されている複数の画素における前記第１の半導体領域を互いに電気的に接続するとともに、縦方向に延びる複数の第１の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の第２の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記反射導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の反射導体配線と、をさらに備え、
前記第２の導体配線と、前記反射導体配線とが、前記複数の画素への電磁エネルギー波の照射方向から見て、互いに上下に重ならないように、かつ、縦方向に交互に配列されている、
ことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
図４Ａに図１Ａに示す画素１ａにおける第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部に三角錐状の凹部２０ａが形成されている例を示す。
図１Ａに示す画素構造では、第５の半導体Ｐ＋領域１０の中央表層部に凹部２０ａが存在しない。このため、マイクロレンズ１１の中央部に垂直に入射した光線２１ａ，２１ｃは、そのまま、光反射導体層９ａ，９ｂで反射されることなく、画素１ａの内部に入射する。このため、マイクロレンズ１１の中央部に垂直に入射する光線２１ａ，２１ｃに対しては、感光領域であるフォトダイオード領域７における光伝播長は、フォトダイオード領域の高さＬｄより長くすることはできない。
これに対し、図４Ａに示す画素構造では、マイクロレンズ１１の中心線から入射する光線２１ｂを除いて、マイクロレンズ１１の中央部から第５の半導体Ｐ＋領域１０に入射する入射光２１ｂは、凹部２０ａによって光反射導体層９ａ，９ｂ側に屈折する。これにより、この屈折された光線２２ａが光反射導体層９ａ，９ｂで反射され、フォトダイオード領域７での光伝播長が長くなり、固体撮像装置の感度が向上する。この凹部２０ａにおける光線の屈折は光透過中間領域２４を構成する光を透過する材料の屈折率と、マイクロレンズ１１の材料である透明樹脂材料の屈折率との差異により生じる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又は複数の画素を有する固体撮像装置であって、
基板上に画素を構成する島状半導体が形成され、
前記島状半導体は、
当該島状半導体の中央部に配置されたＰＮ半導体から形成され、電磁エネルギー波の照射により発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオードよりなる信号電荷蓄積部と、
前記島状半導体の前記フォトダイオードを挟む上下部にソースとドレインを有し、前記フォトダイオードをゲートとして、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷の蓄積量に応じた信号を読み出す接合トランジスタからなる信号電荷読み出し部と、
前記島状半導体の外周部であって前記フォトダイオードの下方部に設けた導体層と、前記島状半導体の外周部であって前記島状半導体と前記導体層との間に配置された絶縁層と、を有するとともに、前記導体層に電圧が印加されることにより前記信号電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷を前記画素の外部に除去する信号電荷除去部と、を有しており、
前記フォトダイオードは、前記島状半導体に入射された電磁エネルギー波を信号電荷に変換する光電変換部を構成しており、
少なくとも前記光電変換部を包囲するとともに、前記島状半導体に入射された電磁エネルギー波を反射する反射導体層と、
前記島状半導体の上表面近傍に焦点が位置するマイクロレンズと、
前記島状半導体の下方に形成された光透過絶縁層と、
前記光透過絶縁層の下方に形成された光吸収層と、を備え、
前記マイクロレンズから入射し、前記反射導体層で反射されつつ、前記島状半導体を通過し、前記光透過絶縁層に到達した緑光と赤光の反射率が、緑色光で相対的に大きくなるとともに赤色光で相対的に小さくなるか、又は、緑色光及び赤色光で相対的に大きくなるように、前記光透過絶縁層の厚さが設定されている、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素が正方格子状、矩形格子状、又は千鳥状に配列されており、
前記画素は、
基板上に形成された第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域上に形成され、該第１の半導体領域と反対の導電型又は固有半導体である第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の上部側面領域に形成され、前記第１の半導体領域と同じ導電型である第３の半導体領域と、
前記第３の半導体領域及び前記第２の半導体領域の下部側面領域の外周部に形成された絶縁層と、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域上に形成され、前記第２の半導体領域と同じ導電型である第５の半導体領域と、を有しており、
前記反射導体層は、前記導体層を除く前記第３の半導体領域及び前記絶縁層の外周部に形成され、
前記マイクロレンズは、前記第５の半導体領域上に形成され、該第５の半導体領域の上表面近傍に焦点が位置し、
前記光電変換部である前記フォトダイオードが、前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域から構成され、
前記信号電荷読み出し部が、前記第５の半導体領域、前記第２の半導体領域の下部領域をドレイン、ソース、又は、ソース、ドレインとし、前記フォトダイオードをゲートとした接合トランジスタから構成され、
前記信号電荷除去部が、前記第２の半導体領域と、前記島状半導体の外周部に設けた導体層と、前記第２の半導体領域と前記導体層との間に配置された絶縁層と、を有するＭＯＳトランジスタから構成され、
少なくとも前記第３の半導体領域と前記第５の半導体領域とは、前記島状半導体内に形成され、
前記複数の画素の内、縦方向に配列されている複数の画素における前記第１の半導体領域を互いに電気的に接続するとともに、縦方向に延びる複数の第１の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の第２の導体配線と、
前記複数の画素の内、横方向に配列されている複数の画素における前記反射導体層を互いに電気的に接続するとともに、横方向に延びる複数の反射導体配線と、をさらに備え、
前記第２の導体配線と、前記反射導体配線とが、前記複数の画素への電磁エネルギー波の照射方向から見て、互いに上下に重ならないように、かつ、縦方向に交互に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の画素のそれぞれにおける前記反射導体層は、前記信号電荷蓄積部、前記信号電荷読み出し部、及び前記信号電荷除去部のいずれとも電気的に分離されているとともに、前記複数の画素が存在する画素領域において、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【国際調査報告】
2012056586.tif 000024
2012056586.tif 000025
2012056586.tif 000026
2012056586.tif 000027