(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
それぞれが前記半導体基板に設けられ、かつ異なる波長帯を検出可能な２以上の画素と、
前記２以上の画素の各々に設けられた３以上の転送電極とを備え、
前記２以上の画素は、第１の画素と第２の画素とを含み、
前記３以上の転送電極は、第１の厚みを有する第１のゲート電極、前記第１の厚みとは異なる第２の厚みを有する第２のゲート電極、および仮想電極を少なくとも含み、
前記第１の画素内における前記第１のゲート電極のゲート長と前記第２のゲート電極のゲート長と前記仮想電極のゲート長との比率が前記第２の画素内における前記第１のゲート電極のゲート長と前記第２のゲート電極のゲート長と前記仮想電極のゲート長との比率と異なっている、イメージセンサ。
【請求項２】
前記２以上の画素は、第３の画素を含み、
前記第１、第２および第３の画素内において、各々の前記第１のゲート電極のゲート長と前記第２のゲート電極のゲート長と前記仮想電極のゲート長との比率が異なっている、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記第２のゲート電極は、互いに同じ前記第２の厚みを有する第３のゲート電極と第４のゲート電極とを含み、
前記第１、第２および第３の画素内において、各々の前記第３のゲート電極のゲート長および前記第４のゲート電極のゲート長の合計と、前記第１のゲート電極のゲート長と、前記仮想電極のゲート長との比率が異なっている、請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記半導体基板は、シリコン基板を含み、
前記３以上の転送電極は、多結晶シリコン電極を含む、請求項１〜３のいずれかに記載のイメージセンサ。
【請求項５】
転送用画素をさらに備え、
前記転送用画素は、前記仮想電極を含んでおらず、転送ゲートを含んでいる、請求項１〜４のいずれかに記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関し、特に、異なる波長帯を検出可能な画素を備えたイメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体基板上に多数の画素（光検出器）をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路および出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、画素を１次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサが人工衛星などに搭載されて、画素アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって地表の２次元画像が撮影される。画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、画素ピッチを小さくすると、画素の面積が縮小する分だけ画素への入射光量が減少し、Ｓ／Ｎ（signal/noise）が劣化する。
【０００３】
Ｓ／Ｎを改善するための巧妙な手段としてＴＤＩ方式（Time Delay and Integration）のイメージセンサが開発されている。ＴＤＩ方式は、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでＳ／Ｎを改善するＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサの読み出し方式である。ＣＣＤとしては、２次元イメージセンサであるＦＦＴ（Full Frame Transfer）型ＣＣＤなどが用いられる。リモートセンシングの場合、ＣＣＤの垂直方向への電荷転送速度を衛星の移動速度に合わせることでＴＤＩ動作が実現される。垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作が行われると、蓄積時間が実効的にＭ倍となるため、感度がＭ倍向上し、Ｓ／ＮはＭ1/2倍に改善される。
【０００４】
多くの場合、イメージセンサはチップの表面側から光を画素へ入射させて撮像を行う。入射した光はＳｉ（シリコン）基板内部で光電変換されて信号電荷を発生させる。ＦＦＴ型ＣＣＤでは、垂直電荷転送を制御する多結晶シリコン（ポリシリコン）電極越しに光が画素に入射するため、特に短波長領域の光がポリシリコン電極で吸収される。このため感度が低下する。その対策として、一部の垂直転送電極を仮想電極で置き換えた、いわゆるＶＰＣＣＤ（バーチャルフェーズＣＣＤ）構造にすることで感度を改善したイメージセンサが提案されている。ＶＰＣＣＤは、ポリシリコン電極を仮想電極に置き換えることで電極部での光吸収を抑えることができるため感度が向上する。
【０００５】
たとえば、特公平６−９１６５９号公報（特許文献１）にはＶＰＣＣＤ構造としたイメージセンサが開示されている。このイメージセンサは２相駆動のＶＰＣＣＤ構造である。そして転送電極下のポテンシャルに勾配がつけられている。このため、信号電荷の垂直転送方向はポテンシャルの浅い方から深い方への一方向に限定される。
【０００６】
衛星搭載用のＴＤＩ方式イメージセンサでは、垂直電荷転送が双方向に可能な、いわゆる双方向ＴＤＩが望ましい。ＶＰＣＣＤ構造では、転送電極下にポテンシャル勾配をつける替わりに、３相以上で駆動することで双方向ＴＤＩを実現できる。
【０００７】
たとえば、特開２０１０−２５８１５５号公報（特許文献２）にはＶＰＣＣＤ構造を用い、３相以上で駆動するＴＤＩ方式イメージセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平６−９１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特公平６−９１６５９号公報に開示されたイメージセンサおよび特開２０１０−２５８１５５号公報で開示されたＴＤＩ方式イメージセンサでは、ＶＰＣＣＤ構造を採用することにより仮想電極となった部分はポリシリコン電極が無くなる。このため、ポリシリコン電極で光が吸収されることで感度が低下することが改善され、感度が向上する。しかし、ＶＰＣＣＤ構造において、仮想電極にしていない部分、つまりポリシリコン電極による垂直転送ゲートが依然形成されている部分については、ポリシリコン電極の膜厚により変化する光の干渉効果が発生する。この光の干渉効果とは、ポリシリコン電極の膜厚により、ポリシリコン電極を透過して基板に入射する光の基板による吸収率が異なる効果である。
【００１０】
上記のイメージセンサおよびＴＤＩ方式イメージセンサで異なる波長帯を検出しようとすると、ポリシリコン電極の膜厚により変化する光の干渉効果のため、異なる波長帯のうち、１の波長帯については感度は高いが、他の波長帯については感度は低くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、異なる波長帯の各波長帯を検出する感度を向上することができるイメージセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のイメージセンサは、半導体基板と、それぞれが半導体基板に設けられ、かつ異なる波長帯を検出可能な２以上の画素と、２以上の画素の各々に設けられた３以上の転送電極とを備えている。２以上の画素は、第１の画素と第２の画素とを含んでいる。３以上の転送電極は、第１の厚みを有する第１のゲート電極、第１の厚みとは異なる第２の厚みを有する第２のゲート電極、および仮想電極を少なくとも含んでいる。第１の画素内における第１のゲート電極のゲート長と第２のゲート電極のゲート長と仮想電極のゲート長との比率が第２の画素内における第１のゲート電極のゲート長と第２のゲート電極のゲート長と仮想電極のゲート長との比率と異なっている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイメージセンサによれば、異なる波長帯を検出可能な２以上の画素の各々に設けられた３以上の転送電極は、厚みの異なる第１のゲート電極および第２のゲート電極と仮想電極とを含んでいる。さらに第１の画素内における第１のゲート電極のゲート長と第２のゲート電極のゲート長と仮想電極のゲート長との比率が第２の画素内における第１のゲート電極のゲート長と第２のゲート電極のゲート長と仮想電極のゲート長との比率と異なっている。
【００１４】
仮想電極が設けられ、また第１のゲート電極と第２のゲート電極との厚みが異なるため、第１の画素および第２の画素のそれぞれにおいて、転送電極の厚みを各波長帯に対応した吸収率の高い厚みにすることができる。これにより、第１の画素により１の波長帯の感度を向上することができ、かつ第２の画素により他の波長帯の感度を向上することができる。
【００１５】
さらに第１および第２の画素内のそれぞれにおいて、転送電極のゲート長の比率を変えることで各波長帯に対応した吸収率の高い厚みの転送電極のゲート長を長くすることにより、光の吸収率をさらに高くすることができる。そのため、第１および第２の画素のそれぞれにおいて感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを構成するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの回路構成を示す概略平面図である。
【図３】図２のＶＰＣＣＤ構造を有する画素の拡大平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図７】Ｓｉ基板での吸収率のポリシリコン電極膜厚依存性を示す図である。
【図８】比較例におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図９】比較例におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図１０】比較例におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
最初に本発明の実施の形態１のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの構成について説明する。
【００１８】
図１を参照して、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００は、複数の異なる波長帯を検出可能に構成されている。マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００は、３種の波長帯をそれぞれ検出する３つのＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３を有している。第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３は、１チップに集積されている。なお、本実施の形態では３種の波長帯を検出する場合について説明するが、４種以上の波長帯を検出することも可能である。たとえば、４種の波長帯を検出する場合には、第４の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサがさらに設けられる。
【００１９】
次に、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを構成するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの回路構成および画素の構成について説明する。以下、主に第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサについて説明する。第２および第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサもそれぞれ第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサと同様の構成を有している。
【００２０】
図２および図３を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１では、半導体基板２０の表面にＶＰＣＣＤ構造を有する画素１（１ａ）とＶＰＣＣＤ構造を有しない転送用画素２とが設けられている。半導体基板２０はたとえばＳｉ（シリコン）基板である。画素１が２次元アレイ状（図２の例では、垂直６画素×水平１０画素）に配列された受光部９と、転送用画素２が２次元アレイ状（図２の例では、垂直２画素×水平１０画素）に配列された転送部１０とが設けられている。
【００２１】
画素１は水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ４つ並設された転送電極７を有している。転送電極７は垂直転送ゲートを構成している。転送電極７は、ＶＰＣＣＤ構造を有しており、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂおよび仮想電極７ｃを有している。第２のゲート電極７ｂは、第３のゲート電極７ｂ1と第４のゲート電極７ｂ2とを含んでいる。第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂはたとえばポリシリコン（多結晶シリコン）などで形成されている。
【００２２】
転送用画素２は水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ４つ並設された転送電極（転送ゲート）７を有している。転送電極７は垂直転送ゲートを構成している。転送電極７は、仮想電極７ｃを含んでおらず、転送ゲートを構成する第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂおよび転送部ゲート電極７ｄを有している。第２のゲート電極７ｂは、第３のゲート電極７ｂ1と第４のゲート電極７ｂ2とを含んでいる。
【００２３】
図示されていないが、画素２の上方には被写体からの光が入射しないように遮光膜が設けられている。画素１および画素２に与える垂直転送クロックは、配線１２ａ〜１２ｄ、コンタクト１３ａ〜１３ｄ、配線１４ａ〜１４ｄを介して電気的に接続された入力ピン１５ａ〜１５ｄから与えられる。
【００２４】
配線１４ａが第１のゲート電極７ａと電気的に接続されている。配線１４ｂと配線１４ｄとが第２のゲート電極７ｂに電気的に接続されている。さらに詳しくは配線１４ｂは第３のゲート電極７ｂ1と電気的に接続されており、配線１４ｄは第４のゲート電極７ｂ2と電気的に接続されている。配線１４ｃは転送部ゲート電極７ｄと電気的に接続されている。なお、配線１４ｃは仮想電極７ｃと電気的に接続されていない。
【００２５】
各画素列間に画素分離領域１１が形成されている。また、転送部１０と水平ＣＣＤ３との間には電荷蓄積部４が設けられている。水平ＣＣＤ３と反対側の端には、過剰電荷を排出するための電荷排出部５が設けられている。
【００２６】
主に図３を参照して、半導体基板２０の表面に不純物領域からなる垂直転送チャネル１９が形成されている。各画素列の垂直転送チャネル１９と隣接する垂直転送チャネル１９（図示せず）との間に画素分離領域１１が形成されており、画素分離領域１１に横型オーバーフロードレインが形成されている。なお、横型オーバーフロードレインは形成されていなくてもよい。画素分離領域１１として、高濃度不純物領域からなる電荷排出ドレイン１６、高濃度不純物領域からなるチャネルストップ１７および不純物領域１８が形成されている。上述において、半導体基板２０としてＰ型Ｓｉ基板、垂直転送チャネル１９としてＮ型不純物領域、電荷排出ドレイン１６として高濃度Ｎ型不純物領域、チャネルストップ１７として高濃度Ｐ型不純物領域、不純物領域１８としてＰ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【００２７】
続いて、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の転送動作について説明する。再び図１を参照して画素１の信号電荷は時間遅延積分（ＴＤＩ）動作により垂直方向Ｄ１へ転送される。受光部９において時間遅延積分された信号電荷は、転送部１０を電荷蓄積部４へ向かって垂直方向Ｄ１へと転送される。電荷蓄積部４にいったん蓄積された信号電荷は、１水平期間ごとに水平ＣＣＤ３へと転送され、次に水平ＣＣＤ３内を水平方向Ｄ２へと転送されて、出力アンプ６から読み出される。
【００２８】
次に、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを構成する第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素の構成について説明する。
【００２９】
図４〜図６を参照して、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサはそれぞれ第１〜第３の画素１ａ〜１ｂを有している。第１〜第３の画素１ａ〜１ｂはそれぞれ異なる波長帯を検出可能に構成されている。第１の画素１ａ〜第３の１ｃの各々は第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂおよび仮想電極７ｃを有している。第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂとは異なる厚みを有している。つまり第１のゲート電極７ａの第１の厚みｔ１と第２のゲート電極７ｂの第２の厚みｔ２とは異なる厚みに形成されている。なお、仮想電極７ｃは、第１のゲート電極７ａおよび第２のゲート電極７ｂを形成するポリシリコン層の膜厚がゼロの場合に相当する。
【００３０】
図４を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の画素１ａでは、第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ１と、第２のゲート電極７ｂを形成する２層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ２とは異なる厚みで形成されている。第２のゲート電極７ｂは、第３のゲート電極７ｂ1と第４のゲート電極７ｂ2とに分離して形成されている。すなわち、第３のゲート電極７ｂ1と第４のゲート電極７ｂ2とは互いに同じの第２の厚みｔ２で形成されている。
【００３１】
図５および図６を参照して、第２および第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２，１０３の第２の画素１ｂおよび第３の画素１ｃでも、それぞれ第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ１と、第２のゲート電極７ｂを形成する２層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ２とは異なる厚みで形成されている。
【００３２】
第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３は１チップ上に集積されており、半導体の製造プロセスにおいて、それぞれの１層目ポリシリコン層が同時に形成されるため、それぞれの１層目ポリシリコン層の厚みｔ１は同一膜厚となる。第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３の２層目ポリシリコン層の厚みｔ２についても、同様に同一膜厚となる。第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３では、それぞれにおいて１層目ポリシリコン層の厚みｔ１と２層目ポリシリコン層の厚みｔ２とは異なる膜厚となる。
【００３３】
ポリシリコン層の膜厚により光の干渉効果が変化する。したがって、第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３の第１〜第３の画素１ａ〜１ｃでは、ポリシリコン層の膜厚により変化する光の干渉効果にあわせて、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂおよび仮想電極７ｃはそれぞれ、第１〜第３の波長帯のそれぞれに対応した吸収率の高い厚みに形成されている。
【００３４】
また、図４〜図６を参照して、それぞれ異なる波長帯を検出する第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３の第１〜第３の画素１ａ〜１ｃの各々は、１層目ポリシリコン層からなる第１のゲート電極７ａと、２層目ポリシリコン層からなる第２のゲート電極７ｂと、仮想電極７ｃとのゲート長構成比を変えて構成されている。
【００３５】
すなわち、第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３の第１〜第３の画素１ａ〜１ｃにおいて、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１と、第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２と、仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３との比率はそれぞれ異なるように形成されている。
【００３６】
図４を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の第１の画素１ａ内において、仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３は、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１および第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２のそれぞれより長くなるように設けられている。ここでの第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２は、第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さである。第１の画素１ａでは、第１の波長帯に対して、ポリシリコン層の厚みがゼロの場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が最も高くなる。そのため、ポリシリコン層の厚みがゼロに相当する仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３を長くすることで第１の波長帯の光の吸収率が高くなる。
【００３７】
図５を参照して、第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２の第２の画素１ｂ内において、第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２は、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１および仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３のそれぞれより長くなるように設けられている。ここでも第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２は、第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さである。第２の画素１ｂでは、第２の波長帯に対して、ポリシリコン層の厚みｔ２の場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が最も高くなる。そのため、ポリシリコン層の厚みｔ２の第２のゲート電極７ｂ（第３のゲート電極７ｂ1および第４のゲート電極７ｂ2）のゲート長Ｌ２（第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さ）を長くすることで第２の波長帯の光の吸収率が高くなる。
【００３８】
図６を参照して、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３の第３の画素１ｃ内において、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１は、第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２および仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３のそれぞれより大きくなるように設けられている。ここでも第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２は、第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さである。
第３の画素１ｃでは、第３の波長帯に対して、ポリシリコン層の厚みｔ１の場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が最も高くなる。そのため、ポリシリコン層の厚みｔ１の第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１を長くすることで第３の波長帯の光の吸収率が高くなる。
【００３９】
図４〜図６に示すように、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサのそれぞれ第１〜第３の画素１ａ〜１ｃにおいて、それぞれ光の吸収率を高くすることで、第１〜第３の波長帯の全てに対して感度が高くなる。
【００４０】
次に、本実施の形態の作用効果について比較例と比較して説明する。
まず、ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの各波長帯におけるＳｉ基板での光の吸収率（透過率）について、ポリシリコン電極膜厚依存性を説明する。
【００４１】
図７を参照して、各波長帯におけるＳｉ基板での光の吸収率について、ポリシリコン電極膜厚依存性を計算した結果が示されている。図７では、１層目ポリシリコン層の膜厚ｔ１と、２層目ポリシリコン層の膜厚ｔ２とを、同一膜厚として、その膜厚を可変させて、各波長帯におけるＳｉ基板での吸収率の変化がプロットされている。図７で示されるＳｉ基板での吸収率の高低により、感度の高低が生じる。
【００４２】
図７に示されるように、各波長帯でポリシリコン電極膜厚により光の干渉特性が異なることから、第１の波長帯で高い吸収率が得られるポリシリコン電極膜厚であっても、第２、第３の波長帯では、吸収率のピーク位置からはずれ、高い吸収率が得られない。
【００４３】
続いて、図８〜図１０を参照して、比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサについて説明する。比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサはそれぞれ第１〜第３の画素１ａ〜１ｃを有している。第１〜第３の画素１ａ〜１ｃは、それぞれ同じ構造に形成されている。第１〜第３の画素１ａ〜１ｃでは、第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ１と、第２のゲート電極７ｂ（第３のゲート電極７ｂ1および第４のゲート電極７ｂ2）を形成する２層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ２とは同じ厚みで形成されている。
【００４４】
また、第１〜第３の画素１ａ〜１ｃでは、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１と、第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２と、仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３との構成比率はそれぞれ同一に形成されている。なお、第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２は、第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さである。
【００４５】
比較例の第１の画素１ａと第２の画素１ｂとのそれぞれでは、第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂが同じ厚みで形成されている。ポリシリコン電極膜厚に応じて光の干渉効果が変化するため、第１の画素１ａと第２の画素１ｂのそれぞれは、一方の波長帯については感度が高いが、他方の波長帯については感度が低くなる。そのため、比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１画素１ａ〜第３の画素１ｃにおいて、第１〜第３の波長帯の全てについて感度を高くすることはできない。
【００４６】
それに対して、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ（イメージセンサ）によれば、異なる波長帯を検出可能な２以上の画素の各々に設けられた３以上の転送電極７は、厚みの異なる第１のゲート電極７ａおよび第２のゲート電極７ｂと仮想電極７ｃとを含んでいる。さらに少なくとも第１の画素１ａ内における第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１と第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２と仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３との比率が第２の画素１ｂ内における第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１と第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２と仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３との比率と異なっている。
【００４７】
仮想電極７ｃが設けられ、また第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂとの厚みが異なるため、第１の画素１ａおよび第２の画素１ｂのそれぞれにおいて、転送電極７の厚みを各波長帯に対応した吸収率の高い厚みにすることができる。これにより、第１の画素１ａにより１の波長帯の感度を向上することができ、かつ第２の画素１ｂにより他の波長帯の感度を向上することができる。
【００４８】
さらに第１および第２の画素１ａ，１ｂ内のそれぞれにおいて、転送電極７のゲート長の比率を変えることで各波長帯に対応した吸収率の高い厚みの転送電極７のゲート長を長くすることにより、光の吸収率をさらに高くすることができる。そのため、第１および第２の画素１ａ，１ｂのそれぞれにおいて感度を向上することができる。
【００４９】
これにより、少なくとも２つの波長帯について感度を向上することができる。
また、本実施の形態のイメージセンサでは、第１、第２および第３の画素１ａ〜１ｃ内において、各々の第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１と第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２と仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３との比率が異なっている。これにより、３つ以上の波長帯について感度を向上することができる。
【００５０】
また、本実施の形態のイメージセンサでは、第１〜第３の画素１ａ〜１ｃ内において、第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計と、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１と仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３との比率が異なっている。これにより、４相駆動にすることができる。
【００５１】
また、本実施の形態のイメージセンサでは、半導体基板２０は、Ｓｉ（シリコン）基板を含み、３以上の転送電極７は、多結晶シリコン電極を含んでいる。これにより、上述のＳｉ基板での光の吸収率についてのポリシリコン電極膜厚依存性を有効に利用することができる。
【００５２】
また、本実施の形態のイメージセンサでは、転送用画素２は、仮想電極７ｃを含んでおらず、転送ゲート７を含んでいる。これにより、転送用画素２で信号電荷を転送することができる。
【００５３】
以下、さらに詳しく本実施の形態の作用効果について説明する。たとえば、図７に示される第１〜第３の波長帯がマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００で検出される波長帯である場合、図７に示されるように第１の波長帯については、ポリシリコン電極膜厚がゼロに相当する仮想電極において、Ｓｉ基板での吸収率が最も高い。第２の波長帯については、図７に示されるようにポリシリコン電極膜厚がＴａの場合にＳｉ基板での吸収率が最も高い。第３の波長帯については、図７に示されるようにポリシリコン電極膜厚がＴｂの場合にＳｉ基板での吸収率が最も高い。
【００５４】
そのため、図４および図７を参照して、第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚みｔ１が第３の波長帯で感度が最高となるポリシリコン電極膜厚Ｔｂとされ、第２のゲート電極７ｂを形成する２層目ポリシリコン層の厚みｔ２が第２の波長帯で感度が最高となるポリシリコン電極膜厚Ｔａとされる。
【００５５】
そして、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１については、仮想電極７ｃにおいてＳｉ基板での吸収率が最高となるため、仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３を第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１および第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２のそれぞれより長くなるように設けることで、第１の波長帯の光の吸収率を高くすることができる。このため、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の感度を高くすることができる。
【００５６】
第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２については、第２のゲート電極７ｂ（第３のゲート電極７ｂ1および第４のゲート電極７ｂ2）においてＳｉ基板での吸収率が最高となるため、第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２（第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さ）を第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１および仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３のそれぞれより長くなるように設けることで、第２の波長帯の光の吸収率を高くすることができる。このため、第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２の感度を高くすることができる。
【００５７】
第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３については、第１のゲート電極７ａにおいてＳｉ基板での吸収率が最高となるため、第１のゲート電極７ａのゲート長Ｌ１を第２のゲート電極７ｂのゲート長Ｌ２（第３のゲート電極７ｂ1のゲート長Ｌ２ａと第４のゲート電極７ｂ2のゲート長Ｌ２ｂとの合計の長さ）および仮想電極７ｃのゲート長Ｌ３のそれぞれより長くなるように設けることで、第３の波長帯の光の吸収率を高くすることができる。このため、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３の感度を高くすることができる。
【００５８】
つまり、第１〜第３の画素１ａ〜１ｃにおいて、第１〜第３の波長帯に対して、Ｓｉ基板での吸収率が最も高いポリシリコン電極膜厚で形成された転送電極７のゲート長を最も長くすることで大きく感度を向上することができる。
【００５９】
上述のように、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ（イメージセンサ）によれば、各波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１〜１０３全ての感度を向上させることができる。
【００６０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、実施の形態１と比較して第２のゲート電極の構成が主に異なっている。なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００６１】
図１１〜図１３を参照して、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの第１〜第３の画素１ａ〜１ｃの各々は、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂおよび仮想電極７ｃを有している。本実施の形態では、第１〜第３の画素１ａ〜１ｃの各々において、実施の形態１と異なり、第２のゲート電極７ｂが１つである。つまり、第２のゲート電極７ｂが、実施の形態１と異なり、第３のゲート電極７ｂ1、第４のゲート電極７ｂ2に分離されて形成されていない。
【００６２】
本実施の形態のイメージセンサによれば、３相駆動にすることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６３】
１  画素、１ａ〜１ｃ  第１〜第３の画素、２  転送用画素、３  水平ＣＣＤ、４  電荷蓄積部、５  電荷排出部、６  出力アンプ、７  転送電極（転送ゲート）、７ａ  第１のゲート電極、７ｂ  第２のゲート電極、７ｂ1  第３のゲート電極、７ｂ2  第４のゲート電極、７ｃ  仮想電極、７ｄ  転送部ゲート電極、９  受光部、１０  転送部、１１  画素分離領域、１２ａ〜１２ｄ  配線、１３ａ〜１３ｄ  コンタクト、１４ａ〜１４ｄ  配線、１５ａ〜１５ｄ  入力ピン、１６  電荷排出ドレイン、１７  チャネルストップ、１８  不純物領域、１９  垂直転送チャネル、２０  半導体基板、１００  マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ、１０１〜１０３  第１〜第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ、Ｌ１  第１のゲート電極のゲート長、Ｌ２  第２のゲート電極のゲート長、Ｌ２ａ  第３のゲート電極のゲート長、Ｌ２ｂ  第４のゲート電極のゲート長、Ｌ３  仮想電極のゲート長、ｔ１  第１の厚み、ｔ２  第２の厚み。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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