(57)【要約】【課題】各画素の分光感度特性を画素毎に最適化する。【解決手段】第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層に対して入射光の入射側に設けられた第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層に対して入射側に設けられた第１導電型の複数の半導体領域と、入射光を透過させるように複数の半導体領域の各々に対応して設けられるカラーフィルタと、複数の半導体領域を互いに分離するように第２半導体層において入射光が入射する深さ方向に設けられ、カラーフィルタの透過波長帯域に対応して深さの異なる、第２半導体層よりも不純物濃度の高い第２導電型の画素分離領域とを備える撮像素子を提供する。【選択図】図２
2014168016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層に対して入射光の入射側に設けられた第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層に対して前記入射側に設けられた前記第１導電型の複数の半導体領域と、
前記入射光を透過させるように前記複数の半導体領域の各々に対応して設けられるカラーフィルタと、
前記複数の半導体領域を互いに分離するように前記第２半導体層において前記入射光が入射する深さ方向に設けられ、前記カラーフィルタの透過波長帯域に対応して深さの異なる、前記第２半導体層よりも不純物濃度の高い前記第２導電型の画素分離領域と
を備える撮像素子。
【請求項２】
対応して設けられた前記カラーフィルタの前記透過波長帯域が短波長側であるほど、前記画素分離領域の深さが浅い請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記画素分離領域は、隣接する前記複数の半導体領域のうち短波長側の前記カラーフィルタが割り当てられた半導体領域を基準として深さが定められている請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記第２半導体層において前記深さ方向に直交する平面方向に前記透過波長帯域に対応して設けられた、前記第２半導体層よりも不純物濃度の高い前記第２導電型の平面分離領域を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記平面分離領域は、第１領域と、前記深さ方向において前記第１領域よりも深い位置に設けられる第２領域とを有し、
前記第１領域は、対応する前記複数の半導体領域のそれぞれに対して離散的に設けられ、前記第２領域は、対応する前記複数の半導体領域のそれぞれに対して開口を有するように設けられる請求項４に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記平面分離領域は、最も長波長側の前記透過波長帯域に対応して設けられた一様面の第３領域を有する請求項４または５に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記カラーフィルタは、レッド、グリーン、ブルーのフィルタを含む請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記カラーフィルタは、シアン、マゼンタ、イエローのフィルタを含む請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像素子を備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子および撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【０００２】
固体撮像素子において、光キャリアをフォトダイオードに効率よく導くために、基板中のある一定深さの面内において不純物濃度ピーク（光キャリアのポテンシャルバリア）が形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、固体撮像素子において、隣接する画素を相互に分離するポテンシャルバリアが、全画素において同じ深さまで形成されたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１  特開２００５−３４７６９１号公報
特許文献２  特開２０１１−１２４４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献２に記載の固体撮像素子のように、隣接する画素を相互に分離するポテンシャルバリアを設けた場合、画素間のクロストークは抑えられ混色の程度の悪化を防ぐことができる。しかし、特許文献２に記載の固体撮像素子では、隣接する画素を相互に分離するポテンシャルバリアが深い位置まで一様に設けられており、隣接する画素の光キャリアを用いて各画素の分光感度を最大化することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様における撮像素子は、第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層に対して入射光の入射側に設けられた第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層に対して入射側に設けられた第１導電型の複数の半導体領域と、入射光を透過させるように複数の半導体領域の各々に対応して設けられるカラーフィルタと、複数の半導体領域を互いに分離するように第２半導体層において入射光が入射する深さ方向に設けられ、カラーフィルタの透過波長帯域に対応して深さの異なる、第２半導体層よりも不純物濃度の高い第２導電型の画素分離領域とを備える。
【０００５】
また、本発明の第２の態様における撮像装置は、上記の撮像素子を備える。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態における撮像素子の部分拡大図を示す図である。
【図２】図１のＡ‐Ａ断面を示す図である。
【図３】図１のＢ‐Ｂ断面を示す図である。
【図４】図２のＩ‐Ｉ部分における基板深さと不純物濃度のプロファイルとの関係を示す図である。
【図５】深さＤ１における平面分離領域を示す図である。
【図６】深さＤ２における平面分離領域を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における撮像素子のグリーンカラーフィルタの実効画素領域を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における撮像素子のレッドカラーフィルタの実効画素領域を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における撮像素子の画素断面図を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における撮像素子の画素断面図を示す図である。
【図１１】図９のＩＩ‐ＩＩ部分における基板深さと不純物濃度のプロファイルとの関係を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態における撮像素子および撮像素子の部分拡大図を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態における撮像素子を備える一眼レフカメラの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態における撮像素子１を示す図である。また、図１においては、撮像素子１の部分を拡大したものを合わせて示す。撮像素子１は、行列状に形成された複数の画素を有する。本例において、複数の画素が配置された上面と垂直な方向から見た、それぞれの画素の形状は、正方形または長方形である。
【００１０】
本例の撮像素子１においては、複数の画素からなる単位グループ５が、行方向および列方向に連続して配列される。単位グループ５は、２つの緑色画素Ｇｒ、青色画素Ｂｌおよび赤色画素Ｒｅの４画素から成るいわゆるベイヤー配列を有する。つまり、青色画素Ｂｌは、四辺が緑色画素Ｇｒに隣接して設けられる。同様に、赤色画素Ｒｅは、四辺が緑色画素Ｇｒに隣接して設けられる。緑色画素Ｇｒは、対向する二辺が青色画素Ｂｌに隣接して設けられ、他の対向する二辺が赤色画素Ｒｅに隣接して設けられる。緑色画素Ｇｒは、グリーンカラーフィルタ２０２を有し、入射光のうち緑色波長帯域の光を主成分として透過させる。同様に、青色画素Ｂｌは、ブルーカラーフィルタ２０１を有し、青色波長帯域の光を主成分として透過させる。赤色画素Ｒｅは、レッドカラーフィルタ２０３を有し、赤色波長帯域の光を主成分として透過させる。
【００１１】
図２は、図１のＡＡ断面を示す図である。撮像素子１は、当該断面において、第１導電型の第１半導体層１０、第２導電型の第２半導体層２０、第２導電型の画素分離領域３０、第２導電型の複数の平面分離領域８０、第１導電型の複数の半導体領域１００、およびカラーフィルタ２００を備える。第１導電型および第２導電型は、互いに異なる極性の導電型である。例えば、第１導電型および第２導電型の一方はＰ型であり、他方はＮ型である。
【００１２】
入射光は、カラーフィルタ２００から撮像素子１に入射する。それゆえ、入射側とは、撮像素子１に対してカラーフィルタ２００側を意味する。また、深さとは、最も入射側に位置する第２半導体層２０の入射側の表面から光の入射方向への深さを意味する。
【００１３】
図２における深さＤ１は、青色画素Ｂｌで検出すべき波長の光が吸収される深さＤｂと、緑色画素Ｇｒで検出すべき波長の光が吸収される深さＤｇとの間の深さを示す。また、深さＤ１は、深さＤｂと深さＤｇとの中間であってよい。なお、深さＤｂは、深さＤｇよりも浅い。図２における深さＤ２は、緑色画素Ｇｒで検出すべき波長の光が吸収される深さＤｇと、赤色画素Ｒｅで検出すべき波長の光が吸収される深さＤｒとの間に設定される。また、深さＤ２は、深さＤｇと深さＤｒとの中間であってよい。なお、深さＤｇは、深さＤｒよりも浅い。
【００１４】
本例の第１半導体層１０は、Ｎ型の半導体層である。また、第１半導体層１０は、Ｐ型の半導体層であってもよい。さらに、第１半導体層１０は、Ｎ型またはＰ型の半導体基板であってよい。より具体的には、第１半導体層１０は、Ｎ型またはＰ型のシリコン基板であってよい。第１半導体層１０には、第２半導体層２０、画素分離領域３０、複数の平面分離領域８０、および複数の半導体領域１００が形成される。
【００１５】
第２半導体層２０は、第１半導体層１０に対して入射光の入射側に設けられる。第１半導体層１０に対してカラーフィルタ２００側を意味する。本例では、第２半導体層２０は、Ｐ型の半導体層である。また、第２半導体層２０は、Ｐ型のウェルであってもよい。第２半導体層２０は、第１半導体層１０と逆極性のドーパントを第１半導体層１０の表面からＤｗの位置にまでドープすることにより形成される。なお、Ｄｗは、Ｄ２よりも深い位置にある。第２半導体層２０は、後述の複数の半導体領域１００と共にＰＮ接合を形成する。
【００１６】
複数の半導体領域１００は、第２半導体層２０に対して入射側に設けられる。複数の半導体領域１００は、第１導電型のドーパントを第２半導体層２０の表面からドープすることにより形成される。複数の半導体領域１００は、第２半導体層２０の表面と平行な平面方向において複数配列される。ＡＡ断面において、複数の半導体領域１００は、半導体領域１０１および半導体領域１０２を有する。本例では、半導体領域１０１および半導体領域１０２は、それぞれＮ型半導体領域である。また、半導体領域１０１は青色画素Ｂｌに対応し、半導体領域１０２は緑色画素Ｇｒに対応する。
【００１７】
第２半導体層２０中にＮ型のドーパントをドープした位置に、複数の半導体領域１００が形成され、複数の半導体領域１００と第２半導体層２０との接合部分にＰＮ接合が形成される。当該ＰＮ接合における空乏層において入射光を光電変換して生成された電荷は、当該空乏層の電界により複数の半導体領域１００の方向に加速され、複数の半導体領域１００に蓄積される。また、当該空乏層に対して画素分離領域３０および複数の平面分離領域８０で分離されていない第２半導体層２０で生成された電荷のうち、当該空乏層まで到達した電荷は、当該空乏層により複数の半導体領域１００の方向に加速され、複数の半導体領域１００に蓄積される。
【００１８】
ＰＮ接合が形成される深さは、各画素が検出するべき光の波長に応じて定めてよい。例えば、第１半導体層１０がシリコン基板の場合、深さ方向の浅い位置では短波長の吸収係数が高いので、青色の画素に対応する半導体領域１０１においては、入射光が入射する深さ方向の浅い位置付近にＰＮ接合を設ける。逆に、深さ方向の深い位置では長波長の吸収係数が高いので、緑色の画素に対応する半導体領域１０２においては、半導体領域１０１よりも深い位置にＰＮ接合を設ける。
【００１９】
ＡＡ断面において、カラーフィルタ２００は、ブルーカラーフィルタ２０１およびグリーンカラーフィルタ２０２を有する。それぞれのカラーフィルタ２００は、入射光のうちの所定の波長成分を透過させるように複数の半導体領域１００の各々に対応して設けられる。例えば、青色の画素に対応するカラーフィルタ２００は、青色の光の波長成分を透過させる。第２半導体層２０は、それぞれのカラーフィルタ２００が透過させた光に応じた電荷を、それぞれのカラーフィルタ２００の下方の領域において生成する。
【００２０】
画素分離領域３０は、複数の半導体領域１００を互いに分離するように、第２半導体層２０において入射光が入射する深さ方向に延伸して設けられる。また、画素分離領域３０は、図１に示した各画素の境界に沿って設けられる。図２の例では、画素分離領域３０は、半導体領域１０１と半導体領域１０２との間において、深さＤ１まで延伸して設けられる。
【００２１】
画素分離領域３０は、半導体領域１０１を半導体領域１０２から分離するように設けられている。ここで、図１のように撮像素子１を上面視した場合、ブルーカラーフィルタ２０１は行方向および列方向においてグリーンカラーフィルタ２０２と隣り合っている。したがって、画素分離領域３０は、深さ方向においてブルーカラーフィルタ２０１の下方に位置する第２半導体層２０のうち、深さＤ１より上方の領域を囲むように設けられている。
【００２２】
画素分離領域３０は、第２半導体層２０よりも高い不純物濃度を有する。例えば、第２半導体層２０の第２導電型がＰ型である場合、画素分離領域３０をＰ＋とする。第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型である場合、半導体領域１０１において光電変換により発生した電子にとって、画素分離領域３０のＰ＋領域は電位的に高いポテンシャル領域である。したがって、画素分離領域３０は、画素分離領域３０で囲まれた第２半導体層２０の領域で発生した電子が、半導体領域１０２へ拡散して蓄積されることを妨げる。したがって、画素間のクロストークを防止することができる。
【００２３】
複数の平面分離領域８０は、平面分離領域５０（第１領域）と、深さ方向において平面分離領域５０よりも深い位置に設けられる平面分離領域６０（第２領域）とを有する。平面分離領域５０は、複数の画素のうち、検出すべき光の波長が最も短い画素（本例では青色画素Ｂｌ）に対して設けられる。また、平面分離領域５０は、第２半導体層２０において、深さ方向と直交する平面方向において、対応するカラーフィルタ２００の透過波長帯域に対応した深さＤ１に設けられる。当該深さは、画素分離領域３０が設けられる深さと同一である。また、平面分離領域５０は、深さＤ１における面内において、画素分離領域３０で囲まれた領域に形成される。
【００２４】
平面分離領域５０は、第２半導体層２０よりも不純物濃度が高い。例えば、第２半導体層２０がＰ型不純物を有する場合、画素分離領域３０をＰ＋領域とする。本例では、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型である。第２半導体層２０において光電変換により発生した電子にとって、平面分離領域５０のＰ＋領域は高電位ポテンシャル領域である。したがって、平面分離領域５０のＰ＋領域は、第２半導体層２０の、ブルーカラーフィルタ２０１の下方であって、深さＤ１より浅い領域で発生した電子が平面分離領域５０より下方へ拡散することを妨げる。加えて、平面分離領域５０のＰ＋領域は、深さＤ１より深い領域において発生した電子（即ち、青色以外の光により生成した電子）が半導体領域１０１へ拡散することを妨げる。したがって、半導体領域１０１は、ブルーカラーフィルタ２０１に対応した波長成分に対応する電荷だけを蓄積することができる。
【００２５】
平面分離領域６０は、複数の画素のうち、検出すべき光の波長が最も短い画素（本例では青色画素Ｂｌ）と、検出すべき光の波長が次に短い画素（本例では緑色画素Ｇｒ）とに対して設けられる。平面分離領域６０は、第２半導体層２０において深さ方向に直交する平面方向において、対応する画素が検出すべき光の透過波長帯域のうち、長い方の波長帯域に対応した深さＤ２に設けられる。本例では、平面分離領域６０は、緑色画素Ｇｒが検出すべき光の波長帯域に応じた位置に設けられる。
【００２６】
また、平面分離領域６０は、第２半導体層２０よりも不純物濃度が高い。本例では、画素分離領域３０をＰ＋領域とする。したがって、平面分離領域６０のＰ＋領域は、第２半導体層２０の深さＤ１からＤ２の間の領域で発生した電子が第１半導体層１０方向へ拡散することを妨げる。また、第２半導体層２０の深さＤ２より深い領域で発生した電子が、半導体領域１０２に到達することを妨げる。
【００２７】
以上の構成により、ブルーカラーフィルタ２０１を透過した青色の成分は、第２半導体層２０において画素分離領域３０および平面分離領域５０に囲まれた領域で光電変換される。当該領域で生じた電子は、半導体領域１０１に蓄積される。また、当該領域の外で生じた電子は、半導体領域１０１には到達できないので、半導体領域１０１は、当該領域で生じた電子のみを蓄積する。
【００２８】
また、グリーンカラーフィルタ２０２を透過した緑色の成分は、第２半導体層２０において深さＤ１からＤ２の間の領域で光電変換される。但し、ブルーカラーフィルタ２０１を透過する光の波長帯域は、青色の波長を中心にしてある程度広がりを持っている。それゆえ、ブルーカラーフィルタ２０１を透過した光のうち緑色の波長帯域に相当する光は、平面分離領域５０および平面分離領域６０で挟まれた領域において光電変換される。したがって、半導体領域１０２は、グリーンカラーフィルタ２０２の下方における当該領域だけでなく、ブルーカラーフィルタ２０１の下方における当該領域（すなわち、平面分離領域５０および平面分離領域６０で挟まれた領域）で生じた電子も蓄積することができる。このため、緑色画素Ｇｒの分光感度を向上させることができる。
【００２９】
また、例えば、ブルーカラーフィルタ２０１が、青色の波長成分に加えて、緑色の波長成分も透過する透過波長帯域を有する場合には、半導体領域１０２は、平面分離領域５０および平面分離領域６０で挟まれた領域で生じた電子も蓄積することができ、緑色画素Ｇｒの実効的な受光領域を拡張することができる。この場合も、緑色画素Ｇｒの分光感度を向上させることができる。
【００３０】
図３は、図１のＢＢ断面を示す図である。撮像素子１は、当該断面において、第１導電型の第１半導体層１０、第２導電型の第２半導体層２０、第２導電型の平面分離領域６０、第１導電型の複数の半導体領域１００、およびカラーフィルタ２００を備える。
【００３１】
ＢＢ断面において、複数の半導体領域１００は、半導体領域１０２および半導体領域１０３を有する。本例では、半導体領域１０２および半導体領域１０３は、それぞれＮ型半導体領域である。また、半導体領域１０２は緑色画素Ｇｒに対応し、半導体領域１０３は赤色画素Ｒｅに対応する。
【００３２】
緑色光が入射する半導体領域１０２においては、青色光の場合よりも深い位置付近にＰＮ接合を設けてよい。本例では、第２半導体層２０の表面から深さＤ１から深さＤ２の間の位置にＰＮ接合を設ける。また、赤色光が入射する半導体領域１０３においては、緑色光の場合よりも深い位置付近にＰＮ接合を設けてよい。本例では、深さＤ２から深さＤｗの間の位置にＰＮ接合を設ける。
【００３３】
ＢＢ断面において、カラーフィルタ２００は、グリーンカラーフィルタ２０２およびレッドカラーフィルタ２０３を有する。グリーンカラーフィルタ２０２は、半導体領域１０２に対応して設けられる。また、レッドカラーフィルタ２０３は、半導体領域１０３に対応して設けられる。
【００３４】
画素分離領域４０は、複数の半導体領域１００を互いに分離するように第２半導体層２０において入射光が入射する深さ方向に延伸して設けられる。また、画素分離領域４０は、図１に示した各画素の境界に沿って設けられる。本例では、画素分離領域４０は、半導体領域１０２と半導体領域１０３との間において、深さＤ２まで延伸して設けられる。
【００３５】
図２および図３に示すように、画素分離領域３０および４０は、対応するカラーフィルタ２００の透過波長帯域に対応して深さが異なる。例えば、カラーフィルタ２００の透過波長帯域が短波長側であるほど、画素分離領域３０および４０の深さを浅くする。
【００３６】
なお、画素分離領域３０および４０は、２つの画素の間に設けられるので、対応するカラーフィルタ２００が２つ存在する。このため、画素分離領域３０および４０は、隣接する複数の半導体領域１００のうち短波長側のカラーフィルタ２００が割り当てられた複数の半導体領域１００を基準として深さが定められる。図２および図３に示した例では、画素分離領域３０の深さは、ブルーカラーフィルタ２０１の透過波長帯域に応じて定められる。また、画素分離領域４０の深さは、グリーンカラーフィルタ２０２の透過波長帯域に応じて定められる。
【００３７】
画素分離領域４０は、半導体領域１０２と半導体領域１０３とが隣接した場合、より短波長の波長帯域に対応した半導体領域１０２を囲むように設けられている。半導体領域１０１および半導体領域１０２の場合と同様に、図１のように撮像素子１を上面視した場合、グリーンカラーフィルタ２０２は行方向および列方向においてレッドカラーフィルタ２０３と隣り合っている。したがって、画素分離領域４０は、グリーンカラーフィルタ２０２の下方に位置する第２半導体層２０のうち、深さＤ１より上方の領域を囲むように設けられている。
【００３８】
画素分離領域４０は、画素分離領域３０と同様に、第２半導体層２０よりも高い不純物濃度を有する。本例では、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型であるので、半導体領域１０２において光電変換により発生した電子にとって、画素分離領域４０のＰ＋領域は電位的に高いポテンシャル領域である。したがって、画素分離領域４０は、画素分離領域４０で囲まれた第２半導体層２０の領域で発生した電子が、半導体領域１０３へ拡散することを妨げる。したがって、画素間のクロストークを防止することができる。
【００３９】
平面分離領域６０は、第２半導体層２０において深さ方向に直交する平面方向において、対応するカラーフィルタ２００の透過波長帯域に対応した深さＤ２に設けられる。当該深さは、画素分離領域４０が設けられる深さと同一である。また、平面分離領域６０は、深さＤ２における面内において、画素分離領域４０で囲まれた領域に形成される。
【００４０】
上述したように、平面分離領域６０は、複数の画素のうち、検出すべき光の波長が最も短い画素（本例では青色画素Ｂｌ）と、検出すべき光の波長が次に短い画素（本例では緑色画素Ｇｒ）とに対して設けられる。従って、平面分離領域６０は、赤色画素Ｒｅに対しては設けられない。平面分離領域６０は、半導体領域１０３に対応する領域以外のすべての領域において、深さＤ２の位置に設けられる。
【００４１】
平面分離領域６０は、第２半導体層２０よりも不純物濃度が高い。本例では、第２半導体層２０がＰ層であり、画素分離領域４０がＰ＋領域である。また、本例では第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型であるので、第２半導体層２０で発生した電子にとって、画素分離領域４０および平面分離領域６０のＰ＋領域は電位的に高いポテンシャル領域である。したがって、第２半導体層２０の、グリーンカラーフィルタ２０２の下方であって、深さＤ２より浅い領域で発生した電子が、平面分離領域６０より下方へ拡散することを妨げられる。よって、半導体領域１０２は、深さＤ１より深くかつ深さＤ２よりも浅い位置において、グリーンカラーフィルタ２０２に対応した波長成分に対応する電荷だけを蓄積することができる。
【００４２】
以上の構成により、グリーンカラーフィルタ２０２を透過した緑色の成分は、第２半導体層２０において画素分離領域４０および平面分離領域６０に囲まれた領域で光電変換される。当該領域で生じた電子は、半導体領域１０２に蓄積される。また、当該領域の外で生じた電子は、半導体領域１０２には到達できないので、半導体領域１０２は、当該領域で生じた電子のみを蓄積する。
【００４３】
また、レッドカラーフィルタ２０３を透過した赤色の成分は、第２半導体層２０において深さＤ２からＤｗの間の領域で光電変換される。但し、半導体領域１０３は、レッドカラーフィルタ２０３の下方における当該領域だけでなく、ブルーカラーフィルタ２０１およびグリーンカラーフィルタ２０２の下方における当該領域で生じた電子も蓄積することができる。例えば、ブルーカラーフィルタ２０１およびグリーンカラーフィルタ２０２が、赤色の波長成分を更に透過する透過波長帯域を有する場合、半導体領域１０３は、ブルーカラーフィルタ２０１およびグリーンカラーフィルタ２０２の下方における領域で、赤色の波長成分の光により生じた電子も蓄積することができ、赤色画素Ｒｅの実効的な受光領域を拡張することができる。このため、赤色画素Ｒｅの分光感度を向上させることができる。
【００４４】
図２および図３に示した撮像素子１によれば、各画素間のクロストークを防ぎつつ、緑色画素Ｇｒおよび赤色画素Ｒｅの受光感度を向上させることができる。また、画素を微細化しても、隣接する画素からの不要な電荷のクロストークが抑えられ、混色の発生を抑えられる。
【００４５】
図４は、図２のＩ‐Ｉ部分における基板深さと不純物濃度のプロファイルとの関係を示す図である。不純物濃度は、第１導電型（本例では、Ｎ型）および第２導電型（本例では、Ｐ型）の和である。入射光が入射する方向を横軸（深さ）とする。入射光がカラーフィルタ２００を通過した後に、第２半導体層２０に入射する位置を深さ０とする。
【００４６】
第２半導体層２０では、Ｐ型不純物の濃度がＮ型不純物に比べて高い。当該Ｐ型不純物の濃度は、深さ方向において一定濃度である。ただし、Ｐ型不純物濃度は、基板深さ方向のＤ１の平面分離領域５０において、最大値となる。また、Ｐ型不純物濃度は、基板深さ方向のＤ２の平面分離領域６０において同様に、最大値となる。
【００４７】
深さ方向の位置Ｄｗにおいて、第２半導体層２０は第１半導体層１０と接合する。つまり、基板深さ方向のＤｗ近傍において空乏層が形成される。Ｐ型およびＮ型不純物濃度は、基板深さ方向のＤｗ近傍において最小値となる。なお、深さＤｗよりも深い領域は、第１半導体層１０であるので、Ｎ型不純物の濃度がＰ型不純物に比べて高い。深さＤｗよりもさらに深い領域では、当該Ｎ型不純物の濃度は、一定濃度となる。
【００４８】
図５は、深さＤ１における平面分離領域５０（第１領域）を示す図である。第１領域は、対応する複数の半導体領域１００のそれぞれに対して離散的に設けられる。本例では、平面分離領域５０は、第２半導体層２０の深さＤ１の位置において、半導体領域１０１（ブルーカラーフィルタ２０１）に対応する領域にのみ設けられる。
【００４９】
図６は、深さＤ２における平面分離領域６０（第２領域）を示す図である。第２領域は、対応する複数の半導体領域１００のそれぞれに対して開口を有するように設けられてよい。例えば、平面分離領域６０は、第２半導体層２０の深さＤ２の位置において、半導体領域１０３（レッドカラーフィルタ２０３）に対応する領域以外の領域に設けられる。
【００５０】
図７は、本発明の第１の実施形態における撮像素子１のグリーンカラーフィルタ２０２の実効画素領域３０１を示す図である。あるカラーフィルタに対応した半導体領域の感度領域が、そのカラーフィルタ直下の領域に加えて、他のカラーフィルタの直下の領域にまで拡張される場合、拡張された感度領域を実効画素領域とする。
【００５１】
グリーンカラーフィルタ２０２の直下にある半導体領域１０２は、グリーンカラーフィルタ２０２を透過した緑色の波長成分の光により生じた電子に加えて、グリーンカラーフィルタ２０２に隣接するブルーカラーフィルタ２０１を透過した緑色の波長成分の光により生じた電子も蓄積することができる。
【００５２】
一方、グリーンカラーフィルタ２０２の直下にある半導体領域１０２とレッドカラーフィルタ２０３の直下にある半導体領域１０３とは、画素分離領域４０および平面分離領域６０によって、分離されている。したがって、グリーンカラーフィルタ２０２の直下にある半導体領域１０２は、グリーンカラーフィルタ２０２に隣接するレッドカラーフィルタ２０３を透過した緑色の波長成分の光により生じた電子を蓄積することはできない。
【００５３】
したがって、グリーンカラーフィルタ２０２の感度領域は、ブルーカラーフィルタ２０１にまで拡張される。当該拡張された領域は、グリーンカラーフィルタ２０２に隣接するブルーカラーフィルタ２０１の一辺およびブルーカラーフィルタ２０１の中心から構成される三角形形状であってよい。しかしながら、拡張された領域の形状は、必ずしも三角形形状に限定されない。
【００５４】
図８は、本発明の第１の実施形態における撮像素子１のレッドカラーフィルタ２０３の実効画素領域３０２を示す図である。レッドカラーフィルタ２０３の直下にある半導体領域１０３は、レッドカラーフィルタ２０３を透過した赤色の波長成分の光により生じた電子に加えて、レッドカラーフィルタ２０３に隣接するグリーンカラーフィルタ２０２を透過した赤色の波長成分の光により生じた電子も蓄積することができる。
【００５５】
なお、ブルーカラーフィルタ２０１は、赤色の波長帯域は通過させないので、赤色の波長成分の光により生じる電子はない。加えて、ブルーカラーフィルタ２０１は、画素分離領域３０および平面分離領域５０によって、レッドカラーフィルタ２０３とは分離されているので、レッドカラーフィルタ２０３の直下にある半導体領域１０３は、レッドカラーフィルタ２０３の対格に位置するブルーカラーフィルタ２０１を透過した赤色の波長成分の光により生じた電子を蓄積することはできない。
【００５６】
したがって、レッドカラーフィルタ２０３の感度領域は、レッドカラーフィルタ２０３の左右上下に隣接するグリーンカラーフィルタ２０２にまで拡張される。当該拡張された領域の一つは、レッドカラーフィルタ２０３に隣接するグリーンカラーフィルタ２０２の一辺およびグリーンカラーフィルタ２０２の中心から構成される三角形形状であってよい。しかしながら、拡張された領域の一つの形状は、必ずしも三角形形状に限定されない。
【００５７】
図９は、本発明の第２の実施形態における撮像素子２のＡＡ断面を示す図である。撮像素子２は、図１に示した撮像素子１と同様に複数の画素を有する。また、図９におけるＡＡ断面の位置は、撮像素子１のＡＡ断面と同様である。撮像素子２は、撮像素子１の構成に加え、平面分離領域７０（第３領域）を更に備える。他の構成は、撮像素子１と同一である。
【００５８】
平面分離領域７０は、複数のカラーフィルタ２００の透過波長帯域のうち、最も長波長側の透過波長帯域に対応する深さＤ３に設けられる。本例では、平面分離領域７０が設けられる深さＤ３は、第２半導体層２０が赤色の波長帯域の光を吸収する深さＤｒより深く、且つ、深さＤｗより浅い。平面分離領域７０は、深さＤ３において一様面に設けられる。一様面とは、図６に示した平面分離領域６０のように開口を有しておらず、複数の画素の全てに対して設けられることを指す。平面分離領域７０は、第２半導体層２０よりも不純物濃度が高い。本例では、第２半導体層２０は、Ｐ型の半導体層である。それゆえ、平面分離領域７０は、平面分離領域５０および平面分離領域６０と同様にＰ＋領域とする。
【００５９】
図１０は、本発明の第２の実施形態における撮像素子２のＢＢ断面を示す図である。図１０におけるＢＢ断面の位置は、撮像素子１のＢＢ断面と同様である。平面分離領域７０は、深さＤ３において一様面に設けられている。赤色の波長帯域の光に応じて生成された電子にとって、平面分離領域７０のＰ＋領域は電位的に高いポテンシャル領域であるので、平面分離領域７０は、第２半導体層２０において深さＤ３より浅い領域で発生した電子が第１半導体層１０へ拡散することを妨げる。それゆえ、赤色画素Ｒｅの分光感度特性が向上する。
【００６０】
図１１は、図９のＩＩ‐ＩＩ部分における基板深さと不純物濃度のプロファイルとの関係を示す図である。第１実施例との相違点は、第２半導体層２０の不純物濃度は、基板深さ方向のＤ３の平面分離領域７０においても、最大値となる点である。
【００６１】
図１２は、本発明の第３の実施形態における撮像素子３を示す図である。また、図１２においては、および撮像素子３の部分を拡大したものを合わせて示す。撮像素子３は、複数の画素からなる単位グループ６が、行方向および列方向に連続して配列される。単位グループ６は、緑色画素Ｇｒ、黄色画素Ｙｅ、シアン色画素Ｃｙおよびマゼンダ色画素Ｍａの４画素から成るいわゆるベイヤー配列を有する。黄色画素Ｙｅは、イエローカラーフィルタ２１４を有し、赤色波長帯域および緑色波長帯域の光を受光する。シアン色画素Ｃｙは、シアンカラーフィルタ２１３を有し、緑色波長帯域および青色波長帯域の光を受光する。緑色画素Ｇｒは、グリーンカラーフィルタ２１２を有し、緑色波長帯域の光を受光する。さらに、マゼンダ色画素Ｍａは、マゼンダカラーフィルタ２１１を有し、青色波長帯域および赤色波長帯域の光を受光する。
【００６２】
例えば、シアンカラーフィルタ２１３は、青色波長帯域および緑色波長帯域の光を透過させるので、シアンカラーフィルタ２１３を青色の画素として用いて、かつ、シアンカラーフィルタ２１３に隣接するイエローカラーフィルタ２１４に対してシアンカラーフィルタ２１３の緑色波長帯域を受光して発生した電荷を蓄積させることができる。それゆえ、イエローカラーフィルタ２１４の実効画素領域を拡張させることができる。
【００６３】
図１３は、第４の実施形態における撮像素子１を備える一眼レフカメラ４００の断面図である。一眼レフカメラ４００は、レンズユニット５００およびカメラボディ６００を備える。カメラボディ６００には、レンズユニット５００が装着される。レンズユニット５００は、その鏡筒内に、光軸４１０に沿って配列された光学系を備え、入射する被写体光束をカメラボディ６００の撮像素子１へ導く。
【００６４】
カメラボディ６００は、レンズマウント５５０に結合されるボディマウント６６０の後方にメインミラー６７２およびサブミラー６７４を備える。メインミラー６７２は、レンズユニット５００から入射した被写体光束に斜設される斜設位置と、被写体光束から退避する退避位置との間で回動可能に軸支される。サブミラー６７４は、メインミラー６７２に対して回動可能に軸支される。
【００６５】
メインミラー６７２が斜設位置にある場合、レンズユニット５００を通じて入射した被写体光束の多くはメインミラー６７２に反射されてピント板６５２に導かれる。ピント板６５２は、撮像素子１の受光面と共役な位置に配されて、レンズユニット５００の光学系が形成した被写体像を可視化する。ピント板６５２に形成された被写体像は、ペンタプリズム６５４およびファインダ光学系６５６を通じてファインダ６５０から観察される。斜設位置にあるメインミラー６７２に入射した被写体光束の一部は、メインミラー６７２のハーフミラー領域を透過しサブミラー６７４に入射する。サブミラー６７４は、ハーフミラー領域から入射した光束の一部を、合焦光学系６８０に向かって反射する。合焦光学系６８０は、入射光束の一部を焦点検出センサ６８２に導く。
【００６６】
ピント板６５２、ペンタプリズム６５４、メインミラー６７２、サブミラー６７４は、構造体としてのミラーボックス６７０に支持される。ミラーボックス６７０は、撮像素子１に取り付けられる。メインミラー６７２およびサブミラー６７４が退避位置に退避し、シャッタユニット６４０の先幕および後幕が開状態となれば、レンズユニット５００を透過する被写体光束は、撮像素子１の受光面に到達する。
【００６７】
撮像素子１の後方には、ボディ基板６２０および背面表示部６３４が順次配置される。液晶パネル等が採用される背面表示部６３４は、カメラボディ６００の背面に現れる。ボディ基板６２０には、ＣＰＵ６２２、画像処理ＡＳＩＣ６２４等の電子回路が実装される。撮像素子１の出力は、フレキシブル基板を介して画像処理ＡＳＩＣ６２４へ引き渡される。
【００６８】
上述の実施形態においては、撮像装置として一眼レフカメラ４００を例に説明したが、カメラボディ６００を撮像装置と捉えても良い。また、撮像装置は、ミラーユニットを備えるレンズ交換式カメラに限らず、ミラーユニットを持たないレンズ交換式カメラ、ミラーユニットの有無に関わらずレンズ一体式カメラであっても良い。
【００６９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００７０】
１  撮像素子、２  撮像素子、３  撮像素子、５  単位グループ、６  単位グループ、１０  第１半導体層、２０  第２半導体層、３０  画素分離領域、４０  画素分離領域、５０  平面分離領域、６０  平面分離領域、７０  平面分離領域、８０  複数の平面分離領域、１００  複数の半導体領域、１０１  半導体領域、１０２  半導体領域、１０３  半導体領域、２００  カラーフィルタ、２０１  ブルーカラーフィルタ、２０２  グリーンカラーフィルタ、２０３  レッドカラーフィルタ、２１１  マゼンダカラーフィルタ、２１２  グリーンカラーフィルタ、２１３  シアンカラーフィルタ、２１４  イエローカラーフィルタ、４００  一眼レフカメラ、４１０  光軸、５００  レンズユニット、５５０  レンズマウント、６００  カメラボディ、６２０  ボディ基板、６２２  ＣＰＵ、６２４  画像処理ＡＳＩＣ、６３４  背面表示部、６４０  シャッタユニット、６５０  ファインダ、６５２  ピント板、６５４  ペンタプリズム、６５６  ファインダ光学系、６６０  ボディマウント、６７０  ミラーボックス、６７２  メインミラー、６７４  サブミラー、６８０  合焦光学系、６８２  焦点検出センサ
【図１】
2014168016.tif 000003
【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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