(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１分光特性を有する第１フィルタと前記第１フィルタを介して入射した光を光電変換する第１光電変換部とを含む第１画素と、
第１方向に沿って前記第１画素の隣りに配置され、前記第１フィルタより長波長の光を透過させる第２分光特性を有する第２フィルタと前記第２フィルタを介して入射した光を光電変換する第２光電変換部とを含む第２画素と、
前記第１方向と垂直な第２方向に沿って前記第１画素の隣りに配置され、前記第１フィルタより短波長の光を透過させる第３分光特性を有する第３フィルタと前記第３フィルタを介して入射した光を光電変換する第３光電変換部とを含む第３画素と、を備え、
前記第１方向及び前記第２方向と垂直な第３方向において、前記第１光電変換部から前記第１フィルタまでの距離は、前記第３光電変換部から前記第３フィルタまでの距離より短く、
前記第３方向において、前記第２光電変換部から前記第２フィルタまでの距離は、前記第３光電変換部から前記第３フィルタまでの距離と同一であることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記第３方向において、前記第１光電変換部から前記第１フィルタまでの距離は、前記第２光電変換部から前記第２フィルタまでの距離より短いことを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の撮像素子において、
前記第１光電変換部で光電変換された電荷を転送する第１転送スイッチと、
前記第２光電変換部で光電変換された電荷を転送する第２転送スイッチと、
前記第３光電変換部で光電変換された電荷を転送する第３転送スイッチと、を更に備え、
前記第１転送スイッチ、前記第２転送スイッチ及び前記第３転送スイッチは、前記第３方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
入射した光を前記第１光電変換部に集光する第１マイクロレンズと、
入射した光を前記第２光電変換部に集光する第２マイクロレンズと、
入射した光を前記第３光電変換部に集光する第３マイクロレンズと、を更に備え、
前記第１マイクロレンズ、前記第２マイクロレンズ及び前記第３マイクロレンズは、前記第３方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
入射した光を前記第１光電変換部に集光する第１マイクロレンズと、
入射した光を前記第２光電変換部に集光する第２マイクロレンズと、
入射した光を前記第３光電変換部に集光する第３マイクロレンズと、を更に備え、
前記第１マイクロレンズ及び前記第３マイクロレンズは、前記第３方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
入射した光を前記第１光電変換部に集光する第１マイクロレンズと、
入射した光を前記第２光電変換部に集光する第２マイクロレンズと、
入射した光を前記第３光電変換部に集光する第３マイクロレンズと、を更に備え、
前記第１マイクロレンズ及び前記第２マイクロレンズは、前記第３方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１マイクロレンズの形状と前記第３マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１マイクロレンズの形状と前記第２マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、デジタルカメラ等が広く普及しており、これらのカメラにはＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の固体撮像素子が使用されている。
【０００３】
固体撮像素子は、光電変換素子（フォトダイオードＰＤ）を有する複数の画素が１次元又は２次元のアレイ状に配列されたものである（下記公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００５−１４２５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、撮像素子の画素数が増加する傾向がある。しかし、撮像素子全体の大きさはほとんど変わらないため、画素間のピッチを小さくしなければならない（例えば３．０μｍ、２．５μｍ、２．０μｍ、１．５μｍ以下等）。ピッチを小さくすると、隣接する画素間でリーク電流に起因するクロストークが発生し易くなる。
【０００６】
従来、リーク電流を抑えてクロストークを減らすため、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ），ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）等の、フォトダイオードを電気的に分離するための分離層を形成している。しかし、分離層を形成すると暗電流が発生する。
【０００７】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、第１分光特性を有する第１フィルタと前記第１フィルタを介して入射した光を光電変換する第１光電変換部とを含む第１画素と、第１方向に沿って前記第１画素の隣りに配置され、前記第１フィルタより長波長の光を透過させる第２分光特性を有する第２フィルタと前記第２フィルタを介して入射した光を光電変換する第２光電変換部とを含む第２画素と、前記第１方向と垂直な第２方向に沿って前記第１画素の隣りに配置され、前記第１フィルタより短波長の光を透過させる第３分光特性を有する第３フィルタと前記第３フィルタを介して入射した光を光電変換する第３光電変換部とを含む第３画素と、を備え、前記第１方向及び前記第２方向と垂直な第３方向において、前記第１光電変換部から前記第１フィルタまでの距離は、前記第３光電変換部から前記第３フィルタまでの距離より短く、前記第３方向において、前記第２光電変換部から前記第２フィルタまでの距離は、前記第３光電変換部から前記第３フィルタまでの距離と同一であることを特徴とする撮像素子である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、前記第３方向において、前記第１光電変換部から前記第１フィルタまでの距離は、前記第２光電変換部から前記第２フィルタまでの距離より短いことを特徴とする撮像素子である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の撮像素子において、前記第１光電変換部で光電変換された電荷を転送する第１転送スイッチと、前記第２光電変換部で光電変換された電荷を転送する第２転送スイッチと、前記第３光電変換部で光電変換された電荷を転送する第３転送スイッチと、を更に備え、前記第１転送スイッチ、前記第２転送スイッチ及び前記第３転送スイッチは、前記第３方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、入射した光を前記第１光電変換部に集光する第１マイクロレンズと、入射した光を前記第２光電変換部に集光する第２マイクロレンズと、入射した光を前記第３光電変換部に集光する第３マイクロレンズと、を更に備え、前記第１マイクロレンズ、前記第２マイクロレンズ及び前記第３マイクロレンズは、前記第３方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、入射した光を前記第１光電変換部に集光する第１マイクロレンズと、入射した光を前記第２光電変換部に集光する第２マイクロレンズと、入射した光を前記第３光電変換部に集光する第３マイクロレンズと、を更に備え、前記第１マイクロレンズ及び前記第３マイクロレンズは、前記第３方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、入射した光を前記第１光電変換部に集光する第１マイクロレンズと、入射した光を前記第２光電変換部に集光する第２マイクロレンズと、入射した光を前記第３光電変換部に集光する第３マイクロレンズと、を更に備え、前記第１マイクロレンズ及び前記第２マイクロレンズは、前記第３方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第１方向及び前記第２方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子において、前記第１マイクロレンズの形状と前記第３マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子である。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子において、前記第１マイクロレンズの形状と前記第２マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子である。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）はこの発明の第１実施形態に係る撮像素子の画素の一部の表面を示す概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面を示す概念図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面を示す概念図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）はこの発明の第２実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図である。
【図３】図３はこの発明の第３実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図である。
【図４】図４はこの発明の第４実施形態に係る撮像素子の画素の断面を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１（ａ）はこの発明の第１実施形態に係る撮像素子の画素の一部の表面を示す概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面を示す概念図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面を示す概念図である。
【００２２】
撮像素子は、シリコン基板（基板）１０に配置された光電変換部である複数のフォトダイオードＰＤと、複数のフォトダイオ−ドＰＤにそれぞれ対向配置されたカラーフィルタＣＦとを備えている。
【００２３】
シリコン基板１０は例えばｎ型基板上にｐ型半導体層を設けたものであり、フォトダイオードＰＤはシリコン基板１０に埋め込まれている。
【００２４】
カラーフィルタＣＦは赤色カラーフィルタＲＣＦ、緑色カラーフィルタＧＣＦ及び青色カラーフィルタＢＣＦである。カラーフィルタＣＦは赤色カラーフィルタＲＣＦ、緑色カラーフィルタＧＣＦ及び青色カラーフィルタＢＣＦをＢａｙｅｒ配列してなる（図１（ａ）参照）。
【００２５】
フォトダイオ−ドＰＤと赤色カラーフィルタＲＣＦとで赤色画素(第１色画素)が構成され、フォトダイオ−ドＰＤと緑色カラーフィルタＧＣＦとで緑色画素(第２色画素)が構成され、フォトダイオ−ドＰＤと青色カラーフィルタＢＣＦとで青色画素(第３色画素)が構成される。
【００２６】
各画素の前方には画素毎に光を透過・集光するための半球状のマイクロレンズＭＬが配置されている。マイクロレンズＭＬの高さはｈ１である。
【００２７】
シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置は隣接する各色の画素間で異なる。この実施形態では、シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置は青色画素、緑色画素、赤色画素の順番で低くなっている。換言すれば、シリコン基板１０の表面からマイクロレンズＭＬの下面までの距離が青色画素、緑色画素、赤色画素の順番で長くなっている。
【００２８】
この実施形態によれば、シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する各色の画素間で異なり、隣接するフォトダイオ−ドＰＤが３次元的に引き離され、しかもＬＯＣＯＳやＳＴＩによる分離層を形成していないので、微細な画素ピッチであってもＬＯＣＯＳやＳＴＩに起因するリーク電流や暗電流をなくすことができる。なお、マイクロレンズＭＬの高さを画素毎に変えてもよい。高さを変えることで、画素ごとに集光率をコントロールすることができるという効果を奏する。
【００２９】
図２（ａ）、（ｂ）はこの発明の第２実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。なお、カラーフィルタＣＦは図１（ａ）と同様に赤色カラーフィルタＲＣＦ、緑色カラーフィルタＧＣＦ及び青色カラーフィルタＢＣＦをＢａｙｅｒ配列している。
【００３０】
この実施形態では、青色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が第１実施形態と異なる。
【００３１】
赤色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置と青色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置とは同じである。赤色画素及び青色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置と緑色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置とは異なる。
【００３２】
なお、この実施形態では、緑色画素に対向するマイクロレンズＭＬの高さはｈ１であるが、赤色画素、青色画素にそれぞれ対向するマイクロレンズＭＬの高さはｈ２（ｈ１＞ｈ２）である。
【００３３】
この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００３４】
次に、画素構造の詳細を示す図３、４に基づいて第３実施形態及び第４実施形態を説明する。
【００３５】
図３はこの発明の第３実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
シリコン基板１０には、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する転送スイッチＴＸが形成されている。転送スイッチＴＸは電荷を電圧に変換する。転送スイッチＴＸはＭＯＳトランジスタで構成され、浮遊拡散領域ＦＤはコンデンサで構成されている。
【００３７】
撮像素子は、各画素に入射した光をフォトダイオードＰＤによって光電変換して信号電荷を生成し、この信号電荷をスイッチＴＸによってＦＤ領域に転送し、このＦＤ領域の電位変動を図示しない増幅トランジスタによって検出し、これを電気信号に変換・増幅することにより、画素毎に信号電荷を信号線から出力する。
【００３８】
シリコン基板１０には隣接する画素間の境界部に段差３０が形成されている。シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接画素間で異なっているため、隣接するフォトダイオ−ドＰＤへのリーク電流が抑制される（図３参照）。
【００３９】
この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００４０】
図４はこの発明の第４実施形態に係る撮像素子の画素の断面を示す概念図であり、第３実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
この実施形態は転送スイッチＴＸのシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で同じである点で第３実施形態と相違する。
【００４２】
この実施形態によれば、第３実施形態と同様の効果を奏するとともに、転送スイッチＴＸのシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で同じであるので、画素間の段差３０が深いときにＰｏｌｙ Ｓｉの回折の影響を低減することができる。また、フォトダイオ−ドＰＤと浮遊拡散領域ＦＤとの間にも段差２０を設けたので、横方向へのリーク電流を完全に遮断することができる。
【００４３】
なお、上記第１実施形態〜第４実施形態において、段差の高さ（シリコン基板１０の厚さ方向の寸法）が０．１μｍ以上で、段差のテーパ角（θ）がシリコン基板１０の表面を基準として０度を超え且つ９０度以下であるとき、従来例に比較してリーク電流を低減することができる。
【００４４】
また、隣接画素間の段差の高さをＤ、画素間のピッチをＰとしたとき、隣接画素間の段差の高さＤと画素間のピッチＰとの間には、Ｄ/Ｐ＝０．０５以上であるという関係がある。
【００４５】
また、マイクロレンズＭＬの高さを撮像素子内で同一としてもよい。また、図２に示すように、緑色画素に対向するマイクロレンズＭＬの高さｈ１と、赤色画素、青色画素にそれぞれ対向するマイクロレンズＭＬの高さｈ２とを異ならせてもよい。更に、マイクロレンズＭＬの高さを画素毎に異ならせてもよい。また、マイクロレンズＭＬの形状（半球状、かまぼこ型等）を画素毎に異ならせてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０：シリコン基板（基板）、ＣＦ：カラーフィルタ、Ｄ：シリコン基板の段差の高さ、ＦＤ：浮遊拡散領域、ＭＬ：マイクロレンズ、Ｐ：画素間のピッチ、ＰＤ：フォトダイオード（光電変換部）、ＴＸ：転送スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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