(57)【要約】【課題】可視光と赤外光の両方を感度良く撮像することが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子は、基板５２上に二次元状に配置された複数の画素を備えている。複数の画素１３は、それぞれ基板内に形成された、第１の光電変換部２１と、少なくとも一部が前記第１の光電変換部２１の直下方に設けられた第２の光電変換部２２と、第２の光電変換部２２に直接接続されたフローティングディフュージョン２５とを有している。【選択図】図３
2010272666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に二次元状に配置された複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素は、それぞれ前記基板内に形成された、第１の光電変換部と、少なくとも一部が前記第１の光電変換部の直下方に設けられた第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部に直接接続されたフローティングディフュージョンとを有している固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記第２の光電変換部は、前記第１の光電変換部の下方に位置し、光電変換を行う光電変換領域と、前記光電変換領域と前記フローティングディフュージョンとに直接接続された接続領域とを有していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記複数の画素の各々は、前記基板の上方に設けられ、２つの異なる波長領域の光を透過させるフィルタをさらに有していることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記フィルタは、可視光領域の光と非可視光領域の光とを選択的に透過させることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像素子において、
前記第２の光電変換部は、前記非可視光領域の光のみを光電変換することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５に記載の固体撮像素子において、
前記フィルタが透過させる前記可視光領域の光は複数種類あり、
前記光電変換領域の上端の、前記基板の上面からの深さは、前記第１の光電変換部が光電変換する光の波長に応じて異なっていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
請求項６に記載の固体撮像素子において、
前記第１の光電変換部の下端の、前記基板の上面からの深さは、前記第１の光電変換部が光電変換する光の波長に応じて異なっていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項８】
請求項２〜７のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子において、
前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部、及び前記フローティングディフュージョンは前記複数の画素の各々に設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項９】
請求項２〜７のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子において、
前記第２の光電変換部と前記フローティングディフュージョンとが前記複数の画素のうち互いに隣接する少なくとも二つの画素間で共有されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項２〜９のうちいずれか１つに記載の固体撮像素子において、
前記接続領域に含まれる不純物の濃度は、下部から前記基板の上面に近づくにつれて順次高くなっていることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光と非可視光の両用撮像が可能な固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ(Charge Coupled Device)型やＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子は、被写体の映像情報を取得するデバイスとして、ビデオカメラやデジタルカメラ等に広く使用されている。固体撮像素子では、光電変換部を有する複数の画素が２次元アレイ状に配列形成されている。また、各画素の光電変換部が被写体から画素内へ入射する光を光電変換し、生成された信号電荷を信号読出し回路により出力することで、固体撮像素子では、映像情報を取得することができる。
【０００３】
近年、セキュリティ分野やオートモーティブ分野において、夜間の鮮明な画像を取得することができる近赤外カメラへのニーズが拡大している。この近赤外カメラには上述のＣＣＤ型やＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されているが、これらの固体撮像素子は主にシリコン基板を用いて製造されており、近赤外光だけではなく、可視光にも感度を持つ特徴を有している。このため、カラーフィルタを備えた固体撮像素子では、通常のカラー画像も取得することができる。つまり、カラーフィルタの構成を工夫すれば、昼間の可視光によるカラー画像と、夜間の近赤外光によるモノクロ画像を１つの固体撮像素子で取得することが可能となる。
【０００４】
特許文献１では、固体撮像素子上に設けられた近赤外光のカットフィルタを機械的に挿抜することで、１つの固体撮像素子を用いて可視光と非可視光の両用撮像を可能にする撮像装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２では、演算処理により可視光と非可視光の両用での撮像を可能にするカメラの信号処理方法が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、撮像する波長に応じて各画素の光電変換部の深さを最適化する固体撮像素子が開示されている。
【０００７】
特許文献４には、１画素内に複数の光電変換部を有する固体撮像素子が開示されている。１種類の波長領域の光を透過させるカラーフィルタを備え、１画素内に複数の光電変換部を有した構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−５９７９８号公報
【特許文献２】特開２００８−３５０９０号公報
【特許文献３】特開２００８−９１７５３号公報
【特許文献４】特開２００５−１２００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載の撮像装置では、機械的にフィルタを挿抜する機構を設ける必要があるため、装置構成が煩雑になり、製造コストも増加してしまう。
【００１０】
また、上記特許文献２に記載された固体撮像素子では、ベイヤー配列を構成する４つの画素からＧ（緑）画素を１つ減らしてＩＲ（赤外）画素を加えているため、ベイヤー配列で画素を配列した固体撮像素子よりも昼間の撮像の解像度が落ちてしまう。
【００１１】
上記特許文献３に記載の固体撮像素子では、近赤外光を高感度で撮像するために、近赤外光を撮像する画素の光電変換部を基板深部まで拡大形成しているが、基板深部で発生した電荷を完全に読み出すのは困難である。複数回のイオン注入により、光電変換部内に電位勾配を形成しているが、完全に電位勾配を滑らかに形成することは困難であり、発生してしまう電位井戸に電荷がトラップされてしまう。
【００１２】
上記特許文献４では、１画素内に複数の光電変換部が設けられており、各光電変換部に対して電荷を読み出すための回路が必要になるため、１画素あたりの光電変換部の占める割合、いわゆる開口率が減少してしまう。また、近赤外光の高感度化及び可視光と近赤外光の両用撮像を目的としていない。
【００１３】
以上のように、従来技術では、製造コストの増加を招くことなく、可視光の解像度を落とさずに赤外光を撮像することは困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、可視光と赤外光の両方を感度良く撮像することが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る固体撮像素子は、基板上に二次元状に配置された複数の画素を備える固体撮像素子であって、前記複数の画素は、それぞれ前記基板内に形成された、第１の光電変換部と、少なくとも一部が前記第１の光電変換部の直下方に設けられた第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部に直接接続されたフローティングディフュージョンとを有している。
【００１６】
光は、その波長によって基板内で完全に吸収されるまでの深さが異なる。そのため、第１の光電変換部と、少なくとも一部が第１の光電変換部の下方にある第２の光電変換部とを設けることで、波長の異なる光の画像信号を得ることができる。例えば、第１の光電変換部を可視光用とし、第２の光電変換部を赤外光用とすることも可能である。この構成によれば、例えば赤外光用の画素を設けることなく、第２の光電変換部で光電変換を行うことができるので、解像度を落とすことなく撮像することができる。また、第２の光電変換部に対して特別な読み出し回路を形成する必要がないので、開口率の低下を引き起こすこともない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体撮像素子によれば、各画素内に第１の光電変換部と第２の光電変換部の少なくとも一部が設けられ、第２の光電変換部がフローティングディフュージョンに直接接続されているので、画像信号を解像度の低下を招くことなく取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像素子における各単位画素の回路構成例を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像素子の画素部を模式的に示す断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る固体撮像素子の画素部におけるカラーフィルタ配列の例を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る固体撮像素子を用いた、可視光と近赤外光を両用で撮像可能な撮像装置の概略図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の画素部を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の画素部を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳ型固体撮像素子の概略構成を示す図である。
【００２１】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、単位画素１３が２次元状に配置された画素部１１と、画素部１１の外側に配置された周辺回路部１２とを備えている。周辺回路部１２は、一般的な構成を有しており、例えば水平シフトレジスタ１４と、垂直シフトレジスタ１５と、ノイズ除去回路１６と、アンプ回路１７とで構成されている。
【００２２】
図２は、本実施形態の固体撮像素子における各単位画素の回路構成例を示す図である。同図に示すように、各単位画素１３は、第１の光電変換部２１及び第２の光電変換部２２と、第１の光電変換部２１及び第２の光電変換部２２に蓄積された信号を選択的に信号線２９へと読み出す信号読み出し回路２３とを含んでいる。
【００２３】
信号読み出し回路２３は、例えば、一端（ソース）が第１の光電変換部２１に接続された転送トランジスタ２４と、フローティングディフュージョン２５と、フローティングディフュージョン２５の電位をリセットするためのリセットトランジスタ２６と、フローティングディフュージョン２５に読み出された信号を増幅して信号線２９に出力する増幅トランジスタ２７と、選択トランジスタ２８とで構成されている。
【００２４】
第２の光電変換部２２はフローティングディフュージョン２５に直接接続されている。フローティングディフュージョン２５は、転送トランジスタ２４のドレインであることが好ましく、増幅トランジスタ２７のゲートに電気的に接続されていることが好ましい。
【００２５】
単位画素１３に入射する光は、第１の光電変換部２１及び第２の光電変換部２２で光電変換される。まず、第２の光電変換部２２からの信号読み出しについて説明する。第２の光電変換部２２で生成された電荷は、第２の光電変換部２２内の電位勾配によって、フローティングディフュージョン２５に収集及び蓄積される。フローティングディフュージョン２５に蓄積される電荷によって増幅トランジスタ２７のゲートに印加される電圧が変動し、電圧に変換された信号が増幅トランジスタ２７のドレインから出力される。次に、水平シフトレジスタ１４、垂直シフトレジスタ１５を用いて、ＸＹアドレス方式により信号を読み出す画素の選択トランジスタ２８をオン状態にすることで、増幅トランジスタ２７から信号が信号線２９に出力される。さらに、信号に含まれるノイズがノイズ除去回路１６により除去された後、アンプ回路１７から固体撮像素子の外部に信号（映像信号）が出力される。
【００２６】
次いで、第１の光電変換部２１からの信号読み出しを行う。まず、第２の光電変換部２２からの信号読み出しが終了した後、転送トランジスタ２４をオフ状態にしたままリセットトランジスタ２６をオン状態にしてフローティングディフュージョン２５の電位をリセットする。このリセット動作後、転送トランジスタ２４をオン状態にすることで、第１の光電変換部２１に蓄積されている電荷が全てフローティングディフュージョン２５に転送される。フローティングディフュージョン２５に電荷が蓄積されてから信号がアンプ回路１７から出力されるまでの動作は、上記の第２の光電変換部２２からの信号読出しと同様である。
【００２７】
上述のように、本実施形態の固体撮像素子では、第１の光電変換部２１及び第２の光電変換部２２からの信号読み出しにおいて、追加の読み出し回路を設ける必要がなく、単位画素の開口率をそのまま維持することができる。
【００２８】
図３は、本実施形態の固体撮像素子の画素部１１を模式的に示す断面図である。同図では、図２に示す固体撮像素子の画素の構造を示している。
【００２９】
各単位画素において、共に第２導電型（例えばｎ型）である第１の光電変換部２１及び第２の光電変換部２２は半導体基板３１の上方に設けられている。ここで、半導体基板３１は、基板５２のうち製造工程において不純物の導入を受けていない部分である。第２の光電変換部２２は、第１の光電変換部２１の下方に位置し、実際に光電変換が行われる光電変換領域３８と、フローティングディフュージョン２５に直接接続された接続領域３９とで構成されている。
【００３０】
半導体基板３１上には第１導電型（例えばｐ型）のウエル５０が設けられており、第２の光電変換部２２はウエル５０上に設けられている。第１の光電変換部２１と第２の光電変換部２２の光電変換領域３８との間には、両者が互いに接続して混色が発生しないよう、光電変換部と反対の第１導電型（例えばｐ型）の第１の半導体領域３４が形成されていることが好ましい。
【００３１】
各単位画素１３には、隣接する画素と電気的に分離するための絶縁分離領域３５が形成されており、絶縁分離領域３５の下には各光電変換部と反対の導電型である第２の半導体領域３６が形成されていることが好ましい。半導体で構成された基板５２（半導体基板３１、ウエル５０、第１の光電変換部２１及び第２の光電変換部２２の全体を有する基板部分）の上面近傍（第１の光電変換部２１の上）には、光電変換部と反対の導電型（例えばｐ型）で光電変換部よりも高濃度の不純物を含む第３の半導体領域３７が形成されていることが好ましい。第３の半導体領域３７は、基板５２とその上に形成される絶縁膜との界面で発生する暗電流を低減するためのもので、各第１の光電変換部２１を基板５２内に埋め込んでいる。
【００３２】
第２の光電変換部２２のうち基板５２の深部に位置する光電変換領域３８の不純物濃度は、第１の光電変換部２１の不純物濃度より低くなっていることが好ましい。また、接続領域３９の不純物濃度は、下部から基板５２の上面に近づくにつれて順次高くなっていることが好ましい。第２の光電変換部２２では、フローティングディフュージョン２５を介して直接電圧が印加されることにより電位勾配が形成されるが、上述のように、接続領域３９にあらかじめ濃度勾配をつけておくことにより、電位勾配をより急峻にし、電荷の読み出しを容易にすることができる。また、第２の光電変換部２２の光電変換領域３８は、第１の光電変換部２１の下方全域に亘って設けられている必要はなく、第１の光電変換部２１の一部の下方にのみ設けられていてもよい。
【００３３】
本実施形態では、ウエル５０の不純物濃度は例えば１×１０１５ｃｍ−３程度であり、第１の半導体領域３４の不純物濃度は例えば１×１０１６ｃｍ−３程度であり、第２の半導体領域３６の不純物濃度は例えば１×１０１６ｃｍ−３程度である。第１の光電変換部２１の不純物濃度は例えば１×１０１６ｃｍ−３程度であり、第２の光電変換部２２のうち光電変換領域３８の不純物濃度は例えば１×１０１５ｃｍ−３程度であり、接続領域３９の不純物濃度は基板５２の深部から上面部にかけて例えば１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度まで変化する。なお、第２の光電変換部２２の光電変換領域３８の上端の深さは、例えば基板５２の上面から３μｍ〜５μｍ程度である。
【００３４】
基板５２上にはゲート絶縁膜を挟んで第１の光電変換部２１からフローティングディフュージョン２５へと電荷を転送するための転送ゲート３２が形成されている。基板５２及び転送ゲート３２上には絶縁膜が設けられており、この絶縁膜上には各画素に対応するカラーフィルタ（フィルタ）３３が設けられている。各単位画素１３が備えるカラーフィルタ３３は、２つの異なる波長域の光を透過させる分光特性を有している。
【００３５】
図４は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素部におけるカラーフィルタ配列の例を示す模式図である。ここでは、可視光と近赤外光を透過させるカラーフィルタを例に挙げて説明するが、固体撮像素子に用いられるカラーフィルタはこれに限られず、異なる２種類の波長領域の光を透過させるカラーフィルタであればよい。ここで述べる実施形態では、画素配列を２次元アレイ状としているが、ハニカム配列等の２次元アレイ配列とは異なる２次元配列にしてもよい。
【００３６】
図４に示すように、本実施形態の固体撮像素子では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）それぞれの光と、近赤外光とを透過させるカラーフィルタを備えた４つの画素を構成単位４１とする。この構成単位４１が画素部１１に複数配列されている。ここでは、赤色光と近赤外光を透過させるカラーフィルタを備えた画素をＲ＋ＩＲ画素４２、緑色光と近赤外光を透過させるカラーフィルタを備えた画素をＧ＋ＩＲ画素４３、青色光と近赤外光を透過させるカラーフィルタを備えた画素をＢ＋ＩＲ画素４４と記載する。
【００３７】
例えば、Ｂ＋ＩＲ画素４４に入射する光は、Ｂ＋ＩＲ画素４４に形成されたカラーフィルタにより青色光と赤外光のみに選択される。青色光を含む可視光は、近赤外光に比べて基板５２内での吸収係数が大きく、基板５２の比較的浅い領域で多くが吸収される。特に、青色光は基板５２の浅い領域でほとんど全て吸収される。そのため、Ｂ＋ＩＲ画素４４内に入射する青色光は、第１の光電変換部２１でほとんど全て吸収され、生成される信号電荷は第１の光電変換部２１に蓄積される。
【００３８】
一方、近赤外光は基板５２に吸収されにくく、基板５２の深部まで透過するため、Ｂ＋ＩＲ画素４４内に入射する近赤外光は、第１の光電変換部２１と第２の光電変換部２２の両方で光電変換される。従って、近赤外光により生成される信号電荷は第１の光電変換部２１と、第２の光電変換部２２に接続されるフローティングディフュージョン２５とに蓄積される。つまり、第２の光電変換部２２では、近赤外光のみを信号として取得できるようになっている。第２の光電変換部２２には、フローティングディフュージョン２５を介して直接電圧が印加されるため、基板５２の深部に形成された第２の光電変換部２２の内部には比較的大きな電位勾配が形成されており、近赤外光により光電変換領域３８で発生した電荷を読み出しやすくなっている。
【００３９】
Ｒ＋ＩＲ画素４２及びＧ＋ＩＲ画素４３においても、Ｂ＋ＩＲ画素４４と同様に第１の光電変換部２１では近赤外光と可視光の両方が光電変換され、第２の光電変換部２２ではほぼ近赤外光のみ光電変換され、信号電荷が蓄積される。
【００４０】
図５は、本実施形態の固体撮像素子を用いた、可視光と近赤外光を両用で撮像可能な撮像装置の概略図である。本実施形態の撮像装置は、固体撮像素子５１と、固体撮像素子５１から出力される信号の演算処理を行う信号処理装置５５とを備えている。可視光によるカラー画像を取得する場合、信号処理装置５５は、各画素の第１の光電変換部２１で生成された可視光信号及び近赤外光信号と、第２の光電変換部２２で生成された近赤外光信号とを用いて演算処理を行い、可視光信号のみを抽出する。演算の際には、第１の光電変換部２１と第２の光電変換部２２の基板５２内での位置関係を基に、それぞれの光電変換部で吸収される近赤外光の割合を見積もり、この割合に基づいた係数を得られた信号に乗ずることで補正することも可能である。
【００４１】
信号処理装置５５は、固体撮像素子５１とは異なる半導体チップとして撮像装置内に設けられていればよいが、固体撮像素子５１と同一の基板上に設けることもできる。
【００４２】
従来技術では、可視光によるカラー画像を取得する場合、演算処理に用いる近赤外光信号を取得するためのＩＲ画素をＧ画素の代わりに設ける必要があった。また、演算処理に用いる近赤外光信号は可視光と同一の画素で取得した信号ではないため、演算処理が複雑になってしまっていた。これに対し、本実施形態の固体撮像素子では、可視光と同じ画素で取得された近赤外光信号を用いて可視光信号を得るための演算を行うことができるので、演算処理の煩雑化を避けることが可能となる。また、ＩＲ専用の画素を設ける必要がないので、Ｇ画素の代替による解像度の低下を防ぐことができる。特に、カラーフィルタ３３を図４に示すようなベイヤー配列とすることで、可視光の解像度を高い状態で維持できる。
【００４３】
さらに、近赤外光を光電変換するための光電変換領域３８は基板５２の上方から見て第１の光電変換部２１と重なるように配置されているので、従来の固体撮像素子と比べても画素部の面積は増大しない。
【００４４】
また、上述のように、本実施形態の固体撮像素子では、第２の光電変換部２２について特別な読み出し回路を設けていないため、開口率が低下することがないので、感度の低下を引き起こすことはない。
【００４５】
また、赤外光によるモノクロ画像を取得する場合、第２の光電変換部２２で生成された近赤外光信号を用いることができる。夜間においては画素部に可視光がほとんど入射しないので、各画素の第１の光電変換部２１で生成された近赤外光信号と、第２の光電変換部２２で生成された近赤外光信号とを信号処理装置５５によって加算することもできる。この場合、加算された信号を用いてモノクロ画像を作ることで、赤外光に対する感度をさらに向上させることが可能となる。第１の光電変換部２１で生成された信号を用いるか否かの切り換えは固体撮像素子５１内の制御回路で行ってもよいし、信号処理装置５５内で行ってもよい。
【００４６】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子によれば、製造コストを大きく増加させることなく、可視光と赤外光の両方を感度良く撮像することができる。
【００４７】
なお、本実施形態の固体撮像素子においては、半導体からなる基板５２を準備し、基板５２の所定領域にｐ型不純物やｎ型不純物をイオン注入することにより第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２や第１の半導体領域３４、第２の半導体領域３６などの各層を形成することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の画素部を模式的に示す断面図である。
【００４９】
同図に示す本実施形態の固体撮像素子は、基板５２上に配列された複数の画素６１と、複数の画素６１の各々に対応する第１の光電変換部６２と、第２の光電変換部６３と、フローティングディフュージョン６４とを備えている。第２の光電変換部６３は、同じ画素内のフローティングディフュージョン６４に直接接続されている。複数の画素６１の各々の上には、各画素に対応するカラーフィルタ６５が形成されており、複数の画素６１の各々が備えるカラーフィルタ６５は、２つの異なる波長域の光を透過させる分光特性を有している。
【００５０】
本実施形態の固体撮像素子では、第２の光電変換部６３の光電変換領域３８の上端の位置、つまり基板５２の上面からの深さは、複数の画素６１の各々が備えるカラーフィルタ６５の色に応じて異なっている。また、第１の光電変換部６２の下端の位置、つまり基板５２上面からの深さも複数の画素６１の各々が備えるカラーフィルタ６５の色に応じて異なっている。
【００５１】
第１の光電変換部６２と第２の光電変換部６３の光電変換領域３８との間には、互いに接続して混色が発生しないよう、両光電変換部の反対導電型（例えばｐ型）の第１の半導体領域３４が形成されていることが好ましい。また、複数の画素６１の各々には、隣接する画素と電気的に分離するための絶縁分離領域３５が形成されており、絶縁分離領域３５の深部には各光電変換部の反対導電型の第２の半導体領域３６が形成されていることが好ましい。
【００５２】
複数の画素６１の各々において、基板５２の上面近傍には、光電変換部と反対の導電型（例えばｐ型）で光電変換部よりも高濃度の不純物を含む第３の半導体領域３７が形成されていることが好ましい。第３の半導体領域３７は、基板５２とその上に形成される絶縁膜との界面で発生する暗電流を低減するためのもので、各第１の光電変換部６２を基板５２内に埋め込んでいる。
【００５３】
第２の光電変換部６３のうち基板５２の深部に位置する光電変換領域３８の不純物濃度は、第１の光電変換部６２の不純物濃度より低くなっていることが好ましい。また、接続領域３９の不純物濃度は、基板５２の上面に近づくにつれて順次高くなっていることが好ましい。第２の光電変換部６３では、フローティングディフュージョン６４を介して直接電圧が印加されることにより電位勾配が形成されるが、上述のように、接続領域３９にあらかじめ濃度勾配をつけておくことにより、電位勾配をより急峻にし、電荷の読み出しを容易にすることができる。また、第２の光電変換部６３の光電変換領域３８は、第１の光電変換部６２の下方全域に亘って設けられている必要はなく、第１の光電変換部６２の一部の下方にのみ設けられていてもよい。
【００５４】
Ｂ＋ＩＲ画素６７は青色光と近赤外光を透過させるカラーフィルタ６５を備え、Ｇ＋ＩＲ画素６８は緑色光と近赤外光を透過させるカラーフィルタを備え、Ｒ＋ＩＲ画素６９は赤色光と近赤外光を透過させるカラーフィルタを備えている。光は波長に応じて基板５２での吸収係数が異なり、波長が長いほど基板５２の深部まで透過する。つまり、青色光、緑色光、赤色光の順で基板５２にほとんど完全に吸収される深さが深くなる。そのため、Ｂ＋ＩＲ画素６７では、青色光が基板５２の比較的浅い領域でほとんど完全に吸収され、青色光を光電変換する第１の光電変換部６２を基板５２の深くまで形成する必要がない。その分、第２の光電変換部６３Ｂの領域を拡大することが可能となるため、近赤外光に対する感度をさらに向上させることができる。
【００５５】
ここで、Ｂ＋ＩＲ画素６７内の第２の光電変換部６３を第２の光電変換部６３Ｂと表記し、Ｇ＋ＩＲ画素６８内の第２の光電変換部６３を第２の光電変換部６３Ｇと表記し、Ｒ＋ＩＲ画素６９内の第２の光電変換部６３を第２の光電変換部６３Ｒと表記する。また、Ｂ＋ＩＲ画素６７内の光電変換領域３８、接続領域３９をそれぞれ光電変換領域３８Ｂ、接続領域３９Ｂと表記し、Ｇ＋ＩＲ画素６８内の光電変換領域３８、接続領域３９をそれぞれ光電変換領域３８Ｇ、接続領域３９Ｇと表記し、Ｒ＋ＩＲ画素６９内の光電変換領域３８、接続領域３９をそれぞれ光電変換領域３８Ｒ、接続領域３９Ｒと表記する。
【００５６】
Ｇ＋ＩＲ画素６８及びＲ＋ＩＲ画素６９でも、各波長の光がほとんど完全に吸収される深さまで第１の光電変換部６２を形成し、その深さに応じて、第２の光電変換部６３を最大限に拡大形成している。上述のように、各画素が備えるカラーフィルタの色に応じて、第１の光電変換部６２及び第２の光電変換部６３の領域を最適化することで、入射光の利用効率を最大限に高めることが可能となる。なお、光電変換領域３８Ｂの上端は、例えば基板５２の上面から１〜２μｍ程度の範囲に位置し、光電変換領域３８Ｇの上端は、例えば基板５２の上面から２〜３μｍ程度の範囲に位置し、光電変換領域３８Ｒの上端は、例えば基板５２の上面から３〜５μｍ程度の範囲に位置してもよい。
【００５７】
本実施形態の固体撮像素子によれば、第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様に製造コストを大きく増加させることなく、可視光と赤外光の両方を感度良く撮像することができる。特に、Ｂ＋ＩＲ画素６７などでは光電変換領域３８Ｂの範囲を拡げることができるので、赤外光のＳＮ比（信号／ノイズ）を大きくとることができ、より精度の高い画像を取得することが可能となる。
【００５８】
なお、可視光によるカラー画像を取得する場合、第１の光電変換部６２と第２の光電変換部６３との基板５２内での位置関係を基に、それぞれの光電変換部で吸収される近赤外光の割合が計算可能であるため、この割合に基づいた係数を画素毎で調整し、その係数を信号に乗じて演算処理を行うことで補正することが可能である。
【００５９】
（第３の実施形態）
近年、固体撮像素子の画素サイズの微細化が急速に進展しており、単位画素における光電変換部の占める面積の割合を増やすために、隣接画素間での読出し回路の共有が行われている。読出し回路を共有化する場合にも、本発明の固体撮像素子は効果を発揮する。
【００６０】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の画素部を模式的に示す断面図である。
【００６１】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、基板５２上に配列された複数の画素７１と、複数の画素７１の各々に対応する第１の光電変換部２１と、第２の光電変換部７３と、フローティングディフュージョン７４とを備えている。第２の光電変換部７３は、対応する画素内のフローティングディフュージョン７４に直接接続されている。第２の光電変換部７３は、基板５２の深部に形成され、実際に光電変換を行う光電変換領域３８と、フローティングディフュージョン７４に直接接続され、光電変換がほとんど行われない接続領域とを有している。
【００６２】
本実施形態の固体撮像素子では、第２の光電変換部７３と、フローティングディフュージョン７４とが隣接する複数の画素間で共有されている。複数の画素７１の各々の上には、各画素に対応するカラーフィルタ７５が形成されており、複数の画素７１の各々が備えるカラーフィルタ７５は、２つの異なる波長域の光を透過させる分光特性を有している。
【００６３】
ここでは、隣接する２画素間で第２の光電変換部７３とフローティングディフュージョン７４が共有される場合を例に挙げて説明するが、本実施形態はこれに限定されず、３画素以上の複数の画素間で、第２の光電変換部７３とフローティングディフュージョン７４とが共有されていてもよい。
【００６４】
例えば、画素７６と画素７７間で第２の光電変換部７３とフローティングディフュージョン７４とが共有されている場合、画素７６の第１の光電変換部２１では、画素７６が備えるカラーフィルタ７８を透過する可視光と近赤外光が光電変換され、画素７７の第１の光電変換部２１では、画素７７が備えるカラーフィルタ７９を透過する可視光と近赤外光が光電変換される。
【００６５】
また、基板５２の深部に形成されている光電変換領域３８では、両画素に入射する近赤外光が光電変換され、生成された電荷は接続領域３９を介して光電変換領域３８に接続されるフローティングディフュージョン７４に蓄積される。
【００６６】
基板５２の深部に形成される第２の光電変換部７３には、フローティングディフュージョン７４を介して直接電圧が印加されるため、接続領域３９には比較的大きな電位勾配が形成されており、電荷が読み出しやすくなっている。
【００６７】
第１の光電変換部２１の不純物濃度は例えば１×１０１６ｃｍ−３程度であり、第２の光電変換部７３のうち光電変換領域３８の不純物濃度は例えば１×１０１５ｃｍ−３程度であり、接続領域３９の不純物濃度は基板５２の深部から上面部にかけて例えば１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度まで変化する。なお、光電変換領域３８の上端の深さは、例えば基板５２の上面から３μｍ〜５μｍ程度である。
【００６８】
本実施形態の固体撮像素子を可視光と近赤外光の両方を撮像可能な撮像装置に用いて、可視光によるカラー画像を取得する場合、各画素の第１の光電変換部２１で取得する可視光信号と近赤外光信号と、第２の光電変換部７３で取得する近赤外光信号とを用いて演算処理を行うことで、可視光信号のみを抽出することが可能である。このとき、第２の光電変換部７３で取得できる近赤外光信号量は、第１の実施形態に係る固体撮像素子に比べて大きくなっているため、得られるカラー画像のＳＮ比を向上させることが可能となる。また、第１の実施形態と同様に、ＩＲ画素をＧ画素の代わりに設ける必要がないため、カラー画像の解像度も向上させることが可能となる。
【００６９】
なお、上述の各実施形態は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜組み合わせることが可能である。例えば、第２の光電変換部７３を複数画素で共用しつつ、光電変換領域３８の上端の位置をカラーフィルタ７５の色に応じて変えてもよい。
【００７０】
また、上述の実施形態で挙げた不純物濃度や各層の形成位置などは一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の実施形態による固体撮像素子は、ビデオカメラやデジタルカメラ等に広く利用できる。また、固体撮像素子を用いた撮像装置（カメラ等）は、セキュリティ分野やオートモーティブ分野等に広く用いられる。
【符号の説明】
【００７２】
１１      画素部
１２      周辺回路部
１３      単位画素
１４      水平シフトレジスタ
１５      垂直シフトレジスタ
１６      ノイズ除去回路
１７      アンプ回路
２１、６２      第１の光電変換部
２２、６３、６３Ｂ、６３Ｇ、６３Ｒ、７３      第２の光電変換部
２３      信号読み出し回路
２４      転送トランジスタ
２５、６４、７４      フローティングディフュージョン
２６      リセットトランジスタ
２７      増幅トランジスタ
２８      選択トランジスタ
２９      信号線
３１      半導体基板
３２      転送ゲート
３３、６５      カラーフィルタ
３４      第１の半導体領域
３５      絶縁分離領域
３６      第２の半導体領域
３７      第３の半導体領域
３８、３８Ｂ、３８Ｇ、３８Ｒ      光電変換領域
３９、３９Ｂ、３９Ｇ、３９Ｒ      接続領域
４１      構成単位
４２、６９      Ｒ＋ＩＲ画素
４３、６８      Ｇ＋ＩＲ画素
４４、６７      Ｂ＋ＩＲ画素
５０      ウエル
５１      固体撮像素子
５２      基板
５５      信号処理装置
６１、７１      複数の画素
６５、７５、７８、７９      カラーフィルタ
７６、７７      画素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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