(57)【要約】【課題】  この発明は、ＲＧＢのそれぞれに対応する画素を同一基板上に備える固体撮像素子に関し、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの強度を精度良く検知することを目的とする。【解決手段】  Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、Ｐ＋拡散領域２０，２２，２４と、Ｎ−拡散領域２１，２３，２５をＰウェル８中に形成して、フォトダイオードを形成する。それぞれの画素において、Ｐ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５は、赤色光、緑色光、および青色光に起因して発生するキャリアを効率的に捕獲することのできる深さに形成される。【選択図】      図１
2006135252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数の光のそれぞれを光電変換するための複数種類の画素を備える固体撮像素子であって、
前記画素のそれぞれは、フォトダイオードの表面付近に形成される第１型表面拡散層と、
前記第１型表面拡散層の直下に形成される第２型拡散層と、
前記第２型拡散層の直下に形成される第１型ウェルとを備え、
各画素における前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる深さを有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数種類の画素は、赤色光、緑色光、青色光を光電変換するための画素であり、
それらの画素は、ベイヤ配列に従って並べられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
各画素における前記第１型表面拡散層の開口面積は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる値を有することを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１型表面拡散層の開口面積は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層が深い画素ほど、小さく設定されていることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記電荷転送ゲートは、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なるゲート長を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記電荷転送ゲートのゲート長は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが深い画素ほど、大きく設定されていることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記電荷転送ゲートは、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なるゲート幅を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記電荷転送ゲートのゲート長は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、大きく設定されていることを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記フローティングディフュージョン層は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる面積を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記フローティングディフュージョン層の面積は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、大きく設定されていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記フローティングディフュージョン層は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる不純物分布を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記フローティングディフュージョン層の不純物分布は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、多くのキャリアの転送が受けられるように設定されていることを特徴とする請求項１１記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記キャリア伝送経路に空乏層を生じさせるために前記電荷転送ゲートに与えられるスレッショルド電圧が、光電変換するべき光の波長毎に異なる値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記スレッショルド電圧は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが深い画素ほど、高い値に設定されていることを特徴とする請求項１３記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートと、
前記フローティングディフュージョン層の電位を増幅して出力するためのソースフォロアトランジスタとを備え、
各画素における前記ソースフォロアトランジスタのゲート長が、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる値を有することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記ソースフォロアトランジスタのゲート長は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、短く設定されていることを特徴とする請求項１５記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
前記第１型表面拡散層および前記第２型表面拡散層は、前記電荷転送ゲートと隣接する部分に、前記第１型表面拡散層の深さに対する前記第２型拡散層の深さの比率が、他の部分に比して大きくなる第２型拡散層大領域を備え、
前記画素のそれぞれは、前記第２型拡散層大領域を覆うように形成されたメタル配線を有することを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
前記第１型表面拡散層の表面に、第２型表面拡散層を有することを特徴とする請求項１乃至１７の何れか１項記載の固体影像素子。
【請求項１９】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
前記第２型拡散層の直下に第１型拡散層を有することを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項記載の固体影像素子。
【請求項２０】
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置に形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートと、
前記第１型表面拡散層の上に配置され前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層との間に形成される接合面に光を入射させるためのマイクロレンズとを備え、
前記マイクロレンズの直径又は高さを光電変換するべき光の波長毎に異ならせたことを特徴とする請求項１乃至１９の何れか１項記載の固体影像素子。
【請求項２１】
前記マイクロレンズの直径は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層との間に形成される接合面が浅い画素ほど、小さく設定されていることを特徴とする請求項２０記載の固体影像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体撮像素子に係り、特に、ＲＧＢのそれぞれに対応する画素を同一基板上に備える固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１２（Ａ）は従来の固体撮像素子が備えるフォトダイオードの断面図を示す。図１２（Ａ）において、符号１はＬＯＣＯＳ分離膜、符号２は電荷転送ゲートを示す。電荷転送ゲート２は、Ｐ型に調整されたドープトポリシリコンで構成される下層電極と、その上層に形成されたＴＥＯＳ酸化膜（ＳｉＯ２膜）とを備えている。
【０００３】
電荷転送ゲート２とシリコン基板の間には、ゲート酸化膜３が形成されている。また、電荷転送ゲート２の側面には、ＴＥＯＳ酸化膜からなるサイドウォール４が形成されている。
【０００４】
図１２（Ａ）において、符号５は、フォトダイオード領域を示す。フォトダイオード領域５は、入射光の照射を受けることにより、光電変換により、入射光の強度に応じた電荷を発生させる領域である。フォトダイオード領域５は、シリコン基板の表面付近に形成されたＰ＋拡散領域６と、その下層に形成されたＮ−拡散領域７とを備えている。
【０００５】
Ｎ−拡散領域７は、シリコン基板に形成されたＰウェル８の中に形成されている。より厳密には、Ｎ−拡散領域７は、Ｐウェル８との境界部分に形成される空乏領域が、シリコン基板の表面に直接達することがないように形成されている。以下、図１２（Ａ）に示す構成を有するダイオードを、「埋め込み型ダイオード」と称する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
シリコン基板中には、更に、サイドウォール４４と重複するように、Ｎ−拡散層９が形成されていると共に、Ｎ−拡散層９と重複するようにＮ＋拡散層１０が形成されている。以下、これらを合わせて「フローティング拡散層（ＦＤ層）１２」と称することとする。
【０００７】
図１２（Ａ）において、フォトダイオード領域５に入射光が照射されると、シリコン基板中（Ｐ＋拡散領域６、Ｎ−拡散領域７、Ｐウェル８を含む）にキャリア（自由な電子或いは正孔）が発生する。これらのキャリアは、ＰＮ接合部に生成されている空乏領域に移動する。
【０００８】
埋め込み型ダイオードにおいては、Ｐ＋拡散領域６とＮ−拡散領域７との境界部分、およびＮ−拡散領域７とＰウェル８の境界部分に空乏領域が形成されている。このため、埋め込み型ダイオードによれば、シリコン基板中の比較的浅い部分に生じたキャリアを、Ｐ＋拡散領域６とＮ−拡散領域７との境界における空乏領域に取り込み、また、シリコン基板中の比較的深い部分に生じたキャリアを、Ｎ−拡散領域７とＰウェル８との境界における空乏領域に取り込むことができる。
【０００９】
入射光の照射時に、シリコン基板の如何なる深さにキャリアが発生するかは、主として入射光の波長に依存する。埋め込み型ダイオードによれば、浅い位置で発生するキャリアを効率的に取り込むことができるため、短波長成分に対する感度を相対的に高めることができる。そして、Ｐ＋拡散領域６の深さ、およびＮ−拡散領域７の深さを最適化することにより、任意の波長以上の光の影響を十分に排除することが可能である。
【００１０】
電荷転送ゲート２に所望の電位が与えられると、ゲート酸化膜３の直下にＮ型のチャネルが形成される。この際、ダイオード領域５にキャリアが生じていれば、そのキャリアは、上記のチャネルを伝ってＦＤ層１２に導かれる。ＦＤ層１２に導かれた電荷は、図示しないアンプ回路により増幅された後、出力信号として読み出される。この場合、出力信号は、ダイオード領域５内で発生するキャリアの大きさ、つまり、入射光の大きさに対応したものとなる。このため、図１２（Ａ）に示す構成によれば、ダイオード領域５に入射される光の強度を正確に検知することが可能である。
【００１１】
図１２（Ｂ）は、画素の配列手法として広く知られているベイヤ配列を示す。ベイヤ配列は、カラー用固体撮像素子において用いられる画素配列として、最も一般的な配列である（例えば非特許文献２参照）。図１２（Ｂ）において、「Ｒ」は、赤色光の強度を検知するための画素を表している。同様に、「Ｇ」「Ｂ」は、それぞれ、緑色光の強度、および青色光の強度を検知するための画素を表している。これらの画素は、それぞれ、図９（Ａ）に示す埋め込み型ダイオードにカラーフィルタを組み合わせることにより実現することができる。
【００１２】
図９（Ｃ）は、カラー用固体撮像素子において従来用いられているカラーフィルタの構成を説明するための図である。カラーフィルタ１３は、赤色光、緑色光、および青色光のみを通過させるフィルタ群により構成されている。「Ｒ」の画素には、赤色光のみを通過させるフィルタが組み合わされ、「Ｇ」の画素には緑色光のみを通過させるフィルタが組み合わされ、また、「Ｂ」の画素には青色光のみを通過させるフィルタが組み合わされる。このような構成によれば、「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素それぞれに、赤色光、緑色光、および青色光のみを受光させることができ、その結果、それらの画素から、それぞれ、赤色光、緑色光、および青色光の強度表す出力を取り出すことができる。
【００１３】
ベイヤ配列では、図９（Ｂ）に示すように、「Ｒ」画素、「Ｇ」画素、および「Ｂ」画素が、平面上に均等に配列されている。このような配列を有する固体撮像素子によれば、隣接する画素からのＲ／Ｇ／Ｂ情報を内装することにより、素子上の任意の点における様々な色情報を作り出すことができる。このため、このような固体撮像素子によれば、カラー画像を正確に再現することが可能である。
【００１４】
【非特許文献１】映像情報メディア学会・編「固体撮像素子の基礎」；日本理工出版会；１３８頁
【非特許文献２】映像情報メディア学会・編「固体撮像素子の基礎」；日本理工出版会；１８５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述したカラーフィルタは、高温環境下で劣化し易く、例えば、固体撮像素子に高温の熱処理が施される際には、その特性に大きな劣化が生じ易い。また、同様の理由により、カラーフィルタを用いた固体撮像素子は、高温環境化での使用に適合しないという課題を有している。
【００１６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの強度を精度良く検知することのできる固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、波長の異なる複数の光のそれぞれを光電変換するための複数種類の画素を備える固体撮像素子であって、
前記画素のそれぞれは、フォトダイオードの表面付近に形成される第１型表面拡散層と、
前記第１型表面拡散層の直下に形成される第２型拡散層と、
前記第２型拡散層の直下に形成される第１型ウェルとを備え、
各画素における前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる深さを有することを特徴とするものである。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記複数種類の画素は、赤色光、緑色光、青色光を光電変換するための画素であり、
それらの画素は、ベイヤ配列に従って並べられていることを特徴とするものである。
【００１９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
各画素における前記第１型表面拡散層の開口面積は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる値を有することを特徴とするものである。
【００２０】
第４の発明は、第３の発明において、前記第１型表面拡散層の開口面積は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが深い画素ほど、小さく設定されていることを特徴とするものである。
【００２１】
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記電荷転送ゲートは、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なるゲート長を有することを特徴とするものである。
【００２２】
第６の発明は、第５の発明において、前記電荷転送ゲートのゲート長は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが深い画素ほど、大きく設定されていることを特徴とするものである。
【００２３】
第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記電荷転送ゲートは、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なるゲート幅を有することを特徴とするものである。
【００２４】
第８の発明は、第７の発明において、前記電荷転送ゲートのゲート長は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、大きく設定されていることを特徴とするものである。
【００２５】
第９の発明は、第１乃至第８の発明において、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記フローティングディフュージョン層は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる面積を有することを特徴とするものである。
【００２６】
第１０の発明は、第９の発明において、前記フローティングディフュージョン層の面積は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、大きく設定されていることを特徴とするものである。
【００２７】
第１１の発明は、第１乃至第１０の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記フローティングディフュージョン層は、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる不純物分布を有することを特徴とするものである。
【００２８】
第１２の発明は、第１１の発明において、前記フローティングディフュージョン層の不純物分布は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、多くのキャリアの転送が受けられるように設定されていることを特徴とするものである。
【００２９】
第１３の発明は、第１乃至第１２の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
各画素における前記キャリア伝送経路に空乏層を生じさせるために前記電荷転送ゲートに与えられるスレッショルド電圧が、光電変換するべき光の波長毎に異なる値に設定されていることを特徴とするものである。
【００３０】
第１４の発明は、第１３の発明において、前記スレッショルド電圧は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが深い画素ほど、高い値に設定されていることを特徴とするものである。
【００３１】
第１５の発明は、第１乃至第１４の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートと、
前記フローティングディフュージョン層の電位を増幅して出力するためのソースフォロアトランジスタとを備え、
各画素における前記ソースフォロアトランジスタのゲート長が、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる値を有することを特徴とするものである。
【００３２】
第１６の発明は、第１５の発明において、前記ソースフォロアトランジスタのゲート長は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層の深さが浅い画素ほど、短く設定されていることを特徴とするものである。
【００３３】
第１７の発明は、第１乃至第１６の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
前記第１型表面拡散層および前記第２型表面拡散層は、前記電荷転送ゲートと隣接する部分に、前記第１型表面拡散層の深さに対する前記第２型拡散層の深さの比率が、他の部分に比して大きくなる第２型拡散層大領域を備え、
前記画素のそれぞれは、前記第２型拡散層大領域を覆うように形成されたメタル配線を有することを特徴とするものである。
【００３４】
第１８の発明は、第１乃至第１７の発明の何れかにおいて、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
前記第１型表面拡散層の表面に、第２型表面拡散層を有することを特徴とするものである。
【００３５】
第１９の発明は、第１乃至第１８の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートとを備え、
前記第２型拡散層の直下に第１型拡散層を有することを特徴とするものである。
【００３６】
第２０の発明は、第１乃至第１９の発明の何れかにおいて、
前記画素のそれぞれは、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層から離間した位置の形成されたフローティングディフュージョン層と、
前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層と、前記フローティングディフュージョン層との間にキャリア伝送経路を形成するための電荷転送ゲートと、
前記第１型表面拡散層の上に配置され前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層との間に形成される接合面に光を入射させるためのマイクロレンズとを備え、
前記マイクロレンズの直径又は高さを光電変換するべき光の波長毎に異ならせたことを特徴とするものである。
【００３７】
第２１の発明は、第２０の発明において、
前記マイクロレンズの直径は、前記第１型表面拡散層および前記第２型拡散層との間に形成される接合面が浅い画素ほど、小さく設定されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３８】
第１の発明によれば、波長の異なる複数の光のそれぞれを光電変換するための複数種類の画素が、それぞれ第１型表面拡散層と第２型拡散層との間、および第２型拡散層と第１型ウェルとの間に、光電変換により生じたキャリアを捕獲して転送する空乏層を備えている。この場合、第１型表面拡散層および第２型拡散層の深さに応じて、異なる波長に起因するキャリアを空乏層に取り込むことができる。本発明によれば、その深さが、光電変換を生じさせるべき光の波長毎に設定されているため、カラーフィルタを用いることなく、複数種類の波長の強度を精度良く検知することが可能である。
【００３９】
第２の発明によれば、ベイヤ配列の規則で並べられた複数の画素により、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの強度を、正確に検知することができる。
【００４０】
第３の発明によれば、各画素における第１型表面拡散層の開口面積が、光電変換するべき光の波長毎に定められた異なる値とされているため、フォトダイオードの感度を、全ての種類の画素において精度良く揃えることができる。
【００４１】
第４の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が深い画素ほど、つまり、それらの拡散層が横方向にも広がり易い画素ほど、第１型表面拡散層の開口面積が小さく設定されている。この場合、全ての画素において、第１型表面拡散層および第２型拡散層の横方向サイズを揃えることが可能となり、その結果、画素間の感度差を十分に抑制することが可能となる。
【００４２】
第５の発明によれば、電荷転送ゲートに、光電変換するべき光の波長毎に、異なるゲート長を与えることができる。このため、本発明によれば、全ての画素におけるキャリアの転送特性を精度良く揃えることができる。
【００４３】
第６の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が深い画素ほど、つまり、それらの拡散層が横方向に広がって実質的なゲート長を短縮させ易いほど、電荷転送ゲートを予め長くしておくことができる。このため、本発明によれば、全ての画素において、実質的なゲート長を揃えることができ、その結果、電荷転送用トランジスタの特性を揃えることができる。
【００４４】
第７の発明によれば、電荷転送ゲートに、光電変換するべき光の波長毎に、異なるゲート幅を与えることができる。このため、本発明によれば、全ての画素におけるキャリアの転送特性を精度良く揃えることができる。
【００４５】
第８の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が浅い画素ほど、つまり、それらの拡散層が横方向に広がり難く、実質的なゲート長が長く確保され易いほど、電荷転送ゲートの幅を予め広くしておくことができる。このため、本発明によれば、全ての画素において、電荷転送用トランジスタの特性を揃えることができる。
【００４６】
第９の発明によれば、フローティングディフュージョン層に、光電変換するべき光の波長毎に、異なる面積を与えることができる。このため、本発明によれば、全ての画素における電荷転送用トランジスタに、同等の飽和特性を与えることができる。
【００４７】
第１０の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が浅い画素ほど、つまり、フローティングディフュージョン層への転送電荷量が多量になり易い画素ほど、その面積を大きく確保しておくことができる。このため、本発明によれば、全ての画素において、電荷転送用トランジスタの特性を揃えることができる。
【００４８】
第１１の発明によれば、フローティングディフュージョン層に、光電変換するべき光の波長毎に、異なる不純物分布を与えることができる。このため、本発明によれば、全ての画素における電荷転送用トランジスタに、同等の飽和特性を与えることができる。
【００４９】
第１２の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が浅い画素ほど、つまり、フローティングディフュージョン層への転送電荷量が多量になり易い画素ほど、フローティングディフュージョン層の不純物分布を、多くのキャリアの転送が受けられる状態にしておくことができる。このため、本発明によれば、全ての画素において、電荷転送用トランジスタの特性を揃えることができる。
【００５０】
第１３の発明によれば、電荷転送用トランジスタのスレッショルド電圧を、光電変換するべき光の波長毎に、異なる値に設定しておくことができる。このため、本発明によれば、各画素のゲート特性の差に関わらず、サブスレッショルドリーク電流等の差を抑制して、全ての画素における電荷転送用トランジスタの電気特性を同等に揃えることができる。
【００５１】
第１４の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が深く、電荷転送用トランジスタの実ゲート長が短くなり易い画素ほど、スレッショルド電圧を高めることができる。このような設定によれば、サブスレッショルドリーク電流等の差を抑制して、全ての画素における電荷転送用トランジスタの電気的特性を精度良く揃えることができる。
【００５２】
第１５の発明によれば、各画素に設けられたソースフォロアトランジスタのゲート長を、光電変換するべき光の波長毎に異なる値とすることができる。各画素におけるフォトダイオードからフローティングディフュージョン層へのキャリアの伝送速度は、第１型表面拡散層および第２型拡散層の深さの相違等に起因して、異なったものとなる。ソースフォロアトランジスタのゲート長を画素の種類毎に異ならせると、キャリアの伝送速度の差を増幅段階で相殺して、それぞれの画素におけるトータルの転送時間を揃えることができる。このため、本発明によれば、各画素の電気的特性を精度良く揃えることができる。
【００５３】
第１６の発明によれば、第１型表面拡散層および第２型拡散層が浅く、フローティングディフュージョン層へのキャリアの転送が遅くなりがちな画素ほど、ソースフォロアトランジスタのゲート長を短くすることができる。ソースフォロアトランジスタは、ゲート長が短いほど優れた応答性を示す。このため、本発明によれば、全ての画素におけるトータルの転送時間を、精度良く揃えることができる。
【００５４】
第１７の発明によれば、電荷転送ゲートの近傍に第２型拡散層大領域を設けることにより、キャリアの転送経路の断面積が狭小になるのを防ぎ、転送速度の低下や、過大なポテンシャルギャップの発生を有効に防ぐことができる。また、本発明によれば、メタル配線により第２型拡散層大領域への入射光の進入を防ぐことにより、各画素における所望波長光の検出精度を維持することができる。
【００５５】
第１８の発明によれば、第１型表面拡散層において光電変換されたキャリアが第２型拡散層において光電変換されたキャリアと合流するのを防ぐことができる。このため、本発明によれば、各画素の色分離特性の劣化を抑制することができる。
【００５６】
第１９の発明によれば、第２型拡散層より深い領域において光電変換されたキャリアが第２型拡散層において光電変換されたキャリアと合流するのを防ぐことができる。このため、本発明によれば、各画素の色分離特性の劣化を抑制することができる。
【００５７】
第２０の発明によれば、光電変換するべき光の波長によらず、第１型表面拡散層と第２型拡散層との間に形成される接合面に効率良く光を入射させることができる。このため、本発明によれば、各画素の色分離特性の劣化を抑制することができる。
【００５８】
第２１の発明によれば、光電変換するべき光の波長が短いほど、第１型表面拡散層と第２型拡散層との間の接合面が浅い位置に効率良く光を入射させることができる。このため、本発明によれば、各画素の色分離特性を精度良く揃えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する全ての実施の形態は、固体撮像素子の各画素を、Ｐ＋ＮＰダイオードとＮＭＯＳトランジスタとの組み合わせにより構成することとしているが、その構成はこれに限定されるものではない。すなわち、個々の画素は、Ｎ＋ＰＮダイオードとＰＭＯＳトランジスタとの組み合わせで構成することとしてもよい。後者の構成は、以下の説明する構成におけるＰおよびＮの導電型を、全ての領域において反転させることにより実現することが可能である。
【００６０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の固体撮像素子が備える３種類の画素の構成を説明するための断面図である。より具体的には、図１（Ａ）は、Ｒ画素の構成を説明するための断面図、図１（Ｂ）はＧ画素の構成を説明するための断面図、図１（Ｃ）はＢ画素の構成を説明するための断面図をそれぞれ示している。
【００６１】
本実施形態の固体撮像素子は、図１に示す３種類の画素を、それぞれ複数備えている。それらの画素は、具体的には、図１２（Ｂ）に示すベイヤ配列に従って、２次元平面上に規則的に配置されている。以下、３種類の画素がベイヤ配列に従って並んでいる場合について例示するが、その配列はベイヤ配列に限定されるものではない。すなわち、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素が、それぞれ独立に設けら、同一平面上に配置されていれば、本発明の適用は可能である。
【００６２】
図１に示すように、本実施形態におけるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素は、それぞれ、ＬＯＣＯＳ分離膜１、電荷転送ゲート２、ゲート酸化膜３、サイドウォール４、ダイオード領域５、Ｐウェル８、およびＦＤ層１２を備えている。これらの構成は、図１２に示す従来の構成と同様である。
【００６３】
本実施形態において、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素は、それぞれ不純物分布の異なるダイオード領域５を備えている。Ｒ画素は、ダイオード領域５に照射された入射光のうち、赤色光の強度を検知するための画素である。赤色光は、波長が長いためシリコン基板内の比較的深い領域において光電変換される。このため、Ｒ画素においては、深い部分にのみ空乏層が生じるように、フォトダイオード内のＰ＋拡散領域２０およびＮ−拡散領域２１が何れも他の画素に比して深い部分に設けられている（図１（Ａ）参照）。
【００６４】
Ｇ画素のダイオード領域５においては、図１（Ｂ）に示すように、Ｒ画素よりも浅い部分にＰ＋拡散領域２２およびＮ−拡散領域２３が形成されている。また、Ｂ画素のダイオード領域５においては、図１（Ｃ）に示すように、Ｇ画素よりも更に浅い部分にＰ＋拡散領域２４およびＮ−拡散領域２５が形成されている。
【００６５】
Ｇ画素で検出するべき緑色光は、赤色光より短波長であり、また、Ｂ画素で検出するべき青色光は、緑色光より更に短波長である。このため、緑色光に起因する光電変換は、赤色光に起因する光電変換が生ずる部分より浅い部分で生ずる。また、青色光に起因する光電変換は、緑色光に起因する光電変換が生ずる部分より更に浅い部分で発生する。
【００６６】
本実施形態において、Ｒ画素のＰ＋拡散領域２０およびＮ−拡散領域２１の深さは、それらの境界に形成される空乏層、およびＮ−拡散領域２１とＰウェル８の境界に形成される空乏層が、主として赤色光に起因するキャリアを取り込むように設定されている。同様に、Ｇ画素のＰ＋拡散領域２２およびＮ−拡散領域２３の深さは、緑色光に起因するキャリアを主として取り込むことができるように、また、Ｇ画素のＰ＋拡散領域２４およびＮ−拡散領域２５の深さは、青色光に起因するキャリアを主として取り込むことができるように、それぞれ設定されている。
【００６７】
このため、本実施形態の固体撮像素子によれば、カラーフィルタを用いることなく、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素のそれぞれにより、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの強度を高い精度で検出することができる。
【００６８】
また、各画素においてＲ／Ｇ／Ｂの分離が完全に行えない場合には、隣接画素の情報を用いて分離できなかった信号成分を除去することで、赤色光、緑色光、および青色光のそれぞれの強度を高い精度で得ることが可能である。具体的には、例えばＲ画素の出力に赤色光以外の光の影響が重畳してしまう場合には、Ｒ画素の信号から、隣接するＧ画素およびＢ画素の信号の内挿値を差し引くことにより、赤色光の強度を表す信号値を正確に得ることができる。Ｇ画素の信号に緑色光以外の光の影響が重畳する場合、或いは、Ｂ画素の信号に青色光以外の光の影響が重畳する場合にも、同様に、隣接画素の信号の内挿値を差し引くことにより、それぞれ、緑色光の強度、および青色光の強度を正確に表す信号値を取得することが可能である。
【００６９】
以上説明した通り、本実施形態の固体撮像素子によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光それぞれの強度を正確に検知することができる。このため、本実施形態の構成によれば、デバイスコストの上昇を抑制しながら、カラー用の固体撮像素子を実現することが可能である。
【００７０】
ところで、上述した実施の形態１においては、フォトダイオードの構造を、Ｒ／Ｇ／Ｂのそれぞれに対応する３種類に区別することとしているが、その種類はこれに限定されるものではなく、より多くの種類のフォトダイオードを同一基板上に設けて、より多くの色の強度を区別して検知することとしてもよい。
【００７１】
実施の形態２．
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本実施形態の固体撮像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【００７２】
実施の形態２の固体撮像素子は、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、フォトダイオードを形成するための拡散層領域の開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが、それぞれ異なる大きさに形成されている点に特徴を有している。
【００７３】
本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５を備えている。一般に、拡散領域を深い領域にまで到達させるためには、大きなエネルギで不純物をイオン注入することが必要となる。そして、注入エネルギが大きいほど、注入された不純物は横方向に広がり易い。このため、実施の形態１で説明したような不純物分布を実現しようとすると、Ｒ画素の拡散領域がＧ画素の拡散領域に比して、また、Ｇ画素の拡散領域がＢ画素の拡散領域に比して、それぞれ横方向に大きくなりやすい。
【００７４】
Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、拡散領域（Ｐ＋拡散領域およびＮ−拡散領域）の横方向サイズは、フォトダイオードの有効面積、つまり、光電変換の結果生じたキャリアを取り込む有効面積を決める主要素である。このため、拡散領域の横方向サイズが異なると、入射光に対する出力感度が異なったものとなる。
【００７５】
本実施形態の固体撮像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、フォトダイオードの有効面積が等しくなるように、拡散層領域の開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが設定されている。より具体的には、それらの開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが、ＳＲ＜ＳＧ＜ＳＢの関係を満たすように設定されている。
【００７６】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、フォトダイオードの感度を揃えることができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ同等の感度で検知することのできるカラー用固体撮像素子を実現することが可能である。
【００７７】
ところで、上述した実施の形態２においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素における開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが、ＳＲ＜ＳＧ＜ＳＢの関係を満たすような設定を施すこととしているが、その面積の関係はこれに限定されるものではない。すなわち、様々なプロセスにおいては、フォトダイオードの有効面積を等しくしようとした場合、開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢの大小関係が上記の関係とは異なったものとなることがある。その場合には、フォトダイオードの有効面積が等しくなるように、開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢの大小関係を適宜設定すればよい。つまり、本実施形態の構成は、拡散層の開口面積ＳＲ，ＳＧ，ＳＢが、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている点が特徴である。
【００７８】
実施の形態３．
次に、図３を参照して本発明の実施の形態３について説明する。図３は、本実施形態の固体撮像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【００７９】
本実施形態の固体撮像素子は、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、電荷転送ゲート２の長さ（以下、単に「ゲート長」と称す）ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが、それぞれ異なる大きさを有する点に特徴を有している。
【００８０】
本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５を備えている。この場合、実施の形態２において説明したように、拡散領域に注入される不純物は、その拡散領域が深いほど横方向にも広がり易い。
【００８１】
Ｐ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５は、不純物が横方向に広がるほど電荷転送ゲート２の下部領域に大きく進入することになる。従って、本実施形態の固体撮像素子においては、拡散領域を深くしようとするほど、Ｎ−拡散領域２１，２３，２５とＦＤ層１２との間隔、つまり、ソース・ドレイン間隔が短くなり易い。そして、Ｒ／Ｇ／Ｂ各画素におけるソース・ドレイン間隔が異なっていると、ソース・ドレイン間にリーク電流値が異なったり、その結果として高温下での特性にバラツキが生じたりといった現象が生ずる。
【００８２】
本実施形態の固体撮像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、実質的なソース・ドレイン間隔が等しくなるように、ゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが設定されている。より具体的には、それらのゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが、ＬＲ＞ＬＧ＞ＬＢの関係を満たすように設定されている。
【００８３】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用のトランジスタの特性を精度良く揃えることができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体撮像素子を実現することが可能である。
【００８４】
ところで、上述した実施の形態３においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素におけるゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが、ＬＲ＞ＬＧ＞ＬＢの関係を満たすような設定を施すこととしているが、その関係はこれに限定されるものではない。すなわち、様々なプロセスにおいては、各画素のトランジスタ特性を揃えようとした場合、つまり、各画素のソース・ドレイン間隔を揃えようと下場合、ゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの大小関係が上記の関係とは異なったものとなることがある。その場合には、ソース・ドレイン間隔が等しくなるように、ゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの大小関係を適宜設定すればよい。つまり、本実施形態の構成は、電荷転送用トランジスタのゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている点が特徴である。
【００８５】
実施の形態４．
次に、図４を参照して本発明の実施の形態４について説明する。図４は、本実施形態の固体撮像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【００８６】
本実施形態の固体撮像素子は、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、電荷転送ゲート２の幅（以下、単に「ゲート幅」と称す）ＷＲ，ＷＧ，ＷＢが、それぞれ異なる大きさを有する点に特徴を有している。
【００８７】
本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５を備えている。この場合、実施の形態３において説明したように、拡散領域を深くしようとするほど、Ｎ−拡散領域２１，２３，２５とＦＤ層１２との間隔、つまり、ソース・ドレイン間隔が短くなり易い。そして、Ｒ／Ｇ／Ｂ各画素におけるソース・ドレイン間隔が異なっていると、電流駆動能力や、高温下での特性にバラツキが生じ易い。
【００８８】
本実施形態の固体撮像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用トランジスタの電気的特性が等しくなるように、ゲート幅ＷＲ，ＷＧ，ＷＢが設定されている。より具体的には、それらのゲート幅ＷＲ，ＷＧ，ＷＢが、ＷＲ＜ＷＧ＜ＷＢの関係を満たすように設定されている。
【００８９】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用のトランジスタの特性を精度良く揃えることができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体撮像素子を実現することが可能である。
【００９０】
ところで、上述した実施の形態４においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素におけるゲート幅ＷＲ，ＷＧ，ＷＢが、ＷＲ＜ＷＧ＜ＷＢの関係を満たすような設定を施すこととしているが、その関係はこれに限定されるものではない。すなわち、様々なプロセスにおいては、各画素のトランジスタ特性を揃えようとした場合、ゲート幅ＷＲ，ＷＧ，ＷＢの大小関係が上記の関係とは異なったものとなることがある。その場合には、トランジスタの電気的特性が等しくなるように、ゲート幅ＷＲ，ＷＧ，ＷＢの大小関係を適宜設定すればよい。つまり、本実施形態の構成は、電荷転送用トランジスタのゲート幅ＷＲ，ＷＧ，ＷＢが、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている点が特徴である。
【００９１】
実施の形態５．
次に、図５を参照して本発明の実施の形態５について説明する。図５は、本実施形態の固体撮像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【００９２】
本実施形態の固体撮像素子は、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、ＦＤ層１２の面積、より具体的には、Ｎ＋拡散層１０の面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢが、それぞれ異なる大きさを有する点に特徴を有している。
【００９３】
本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５を備えている。この場合、注入エネルギの差異に起因して、それらの拡散領域に注入された不純物イオンは、横方向に異なる広がりを示す。
【００９４】
Ｒ／Ｇ／Ｂ画素のそれぞれにおいて、Ｐ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５が横方向に異なる広がりを有していると、同一強度の入射光に対して光電変換により生成される電荷量が、画素間で異なったものとなることがある。そして、このような状況下では、大光量の光が入射されたような場合に、一部の画素でのみ出力値が飽和値に達し、出力値のバランスが崩れる事態が生じ得る。
【００９５】
本実施形態の固体撮像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用トランジスタの電気的特性、より具体的には、飽和出力値に関する特性が同等となるように、ＦＤ層１２の面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢが設定されている。より具体的には、それらの面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢは、ＳＦＤＲ＜ＳＦＤＧ＜ＳＦＤＢの関係が満たされるように設定されている。
【００９６】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用のトランジスタの特性を精度良く揃えることができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体撮像素子を実現することが可能である。
【００９７】
ところで、上述した実施の形態５においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素におけるＦＤ層１２の面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢが、ＳＦＤＲ＜ＳＦＤＧ＜ＳＦＤＢの関係を満たすような設定を施すこととしているが、その関係はこれに限定されるものではない。すなわち、様々なプロセスにおいては、各画素のトランジスタ特性を揃えようとした場合、それらの面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢが上記の関係とは異なったものとなることがある。その場合には、トランジスタの電気的特性が等しくなるように、それらの面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢの関係を適宜設定すればよい。つまり、本実施形態の構成は、ＦＤ層１２の面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢが、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている点が特徴である。
【００９８】
また、上述した実施の形態５においては、トランジスタの電気的特性を全ての画素で揃えるために、ＦＤ層１２の面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢを、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、トランジスタの電気的特性は、各画素における飽和特性が等しくなるように、Ｒ／Ｇ／Ｂ各画素におけるＦＤ層１２の不純物分布を異ならせることで揃えることとしてもよい。
【００９９】
実施の形態６．
次に、図６を参照して本発明の実施の形態６について説明する。図６は、本実施形態の固体撮像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【０１００】
本実施形態の固体撮像素子は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、電荷転送用トランジスタのスレッショルド電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢが、それぞれ異なる値に設定されている点に特徴を有している。
【０１０１】
本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５を備えている。この場合、実施の形態３において説明したように、電荷転送用トランジスタのゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢに、画素毎のバラツキが生じやすい。
【０１０２】
ゲート長ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが異なれば、電荷転送ゲート２にスレッショルド電圧Ｖthの近傍値が与えられることにより発生するサブスレッショルドリーク電流にも差が生じ易い。このため、全ての画素に対して、同じスレッショルド電圧Ｖthが与えられるとすれば、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素の特性は、サブスレッショルドリーク電流の差異に起因したバラツキを示す。
【０１０３】
本実施形態の固体撮像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用トランジスタの電気的特性が同等となるように、電荷転送用トランジスタに対するスレッショルド電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢを、それぞれ上記の如く異なる値に設定することとしている。より具体的には、本実施形態では、Ｒ／Ｇ／Ｂ画素のそれぞれに対するスレッショルド電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢが、ＶthＲ＞ＶthＧ＞ＶthＢの関係を満たすような設定が施されている。
【０１０４】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、電荷転送用のトランジスタの特性を精度良く揃えることができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体撮像素子を実現することが可能である。
【０１０５】
ところで、上述した実施の形態６においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素におけるスレッショルド電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢが、ＶthＲ＞ＶthＧ＞ＶthＢの関係を満たすような設定を施すこととしているが、その関係はこれに限定されるものではない。すなわち、様々なプロセスにおいては、各画素のトランジスタ特性を揃えようとした場合、それらの電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢが上記の関係とは異なったものとなることがある。その場合には、トランジスタの電気的特性が等しくなるように、それらの電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢの関係を適宜設定すればよい。つまり、本実施形態の構成は、電荷転送用トランジスタのスレッショルド電圧ＶthＲ，ＶthＧ，ＶthＢが、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている点が特徴である。
【０１０６】
実施の形態７．
次に、図７を参照して本発明の実施の形態７について説明する。図８は、固体撮像素子において一般的に用いられる４トランジスタ型の画素構成を示す回路図である。図８において、ＰＤ３０はフォトダイオードを、ＴＸ３１は電荷転送用トランジスタを、ＲＥＳ３２はリセットトランジスタを、ＳＥＬ３３は選択トランジスタを、ＳＦ３４はソースフォロアトランジスタを、ＦＤ３５はフローティングディフュージョンノードを示す。
【０１０７】
図８に示す画素構成では、最初に、ＲＥＳ３２をＯＮとすることによりＦＤ３５がリセットされる。次に、ＰＤ３０において光電変換された電荷が、ＴＸ３１により転送され、ＦＤ３５において電圧に変換される。当該画素が選択されている場合、つまり、ＳＥＬ３３がＯＮ状態とされている場合、ＦＤ３５に生じた電圧は、ＳＦ３４により増幅された状態で、更に後段のアンプ回路（図示せず）に出力される。
【０１０８】
本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態１（図１参照）の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素に、深さの異なるＰ＋拡散領域２０，２２，２４およびＮ−拡散領域２１，２３，２５を備えている。また、本実施形態の固体撮像素子は、実施の形態５（図５参照）の場合と同様に、ＳＦＤＲ＜ＳＦＤＧ＜ＳＦＤＢの関係が成立するように、ＦＤ層１２の面積ＳＦＤＲ，ＳＦＤＧ，ＳＦＤＢがＲ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている。このような設定によれば、Ｒ画素＜Ｇ画素＜Ｂ画素の順で、ＰＤ３０からＦＤ３５への電荷転送に要する時間が長期化し易く、特に、電荷転送用トランジスタ（ＴＸ３１）のゲート長およびゲート幅が一定であるような場合にはその傾向が顕著となる。
【０１０９】
本実施形態の固体撮像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素のそれぞれにおけるＳＦ３４のゲート長ＬＳＦＲ，ＬＳＦＧ，ＬＳＦＢが、ＬＳＦＲ＞ＬＳＦＧ＞ＬＳＦＢの関係を満たすように設定されている。ＳＦ３４は、そのゲート長ＬＳＦＲ，ＬＳＦＧ，ＬＳＦＢが短いほど、高い応答性を示す。このため、上記の構成によれば、電荷の転送に時間を要する画素ほど、ＳＦ３４による増幅時間を短縮することができる。このため、本実施形態の固体撮像素子によれば、ＰＤ３０からの電荷の転送が開始された後、ＳＦ３４の後段に位置する増幅回路に増幅信号が送信されるまでのトータルの時間を、全ての画素において均一化することが可能である。
【０１１０】
ところで、上述した実施の形態７においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素におけるＳＦ３４のゲート長ＬＳＦＲ，ＬＳＦＧ，ＬＳＦＢが、ＬＳＦＲ＞ＬＳＦＧ＞ＬＳＦＢの関係を満たすような設定を施すこととしているが、その関係はこれに限定されるものではない。すなわち、様々なプロセスにおいては、各画素のトータル転送時間を揃えようとした場合、それらのゲート長ＬＳＦＲ，ＬＳＦＧ，ＬＳＦＢが上記の関係とは異なったものとなることがある。その場合には、各画素のトータル転送時間が等しくなるように、それらのゲート長ＬＳＦＲ，ＬＳＦＧ，ＬＳＦＢの関係を適宜設定すればよい。つまり、本実施形態の構成は、ＳＦ３４のゲート長ＬＳＦＲ，ＬＳＦＧ，ＬＳＦＢが、Ｒ／Ｇ／Ｂの画素毎に異なる値に設定されている点が特徴である。
【０１１１】
実施の形態８．
次に、図８を参照して本発明の実施の形態８について説明する。図８は、本実施形態の固体撮像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【０１１２】
本実施形態の固体撮像素子は、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、Ｎ−拡散層小領域４０と、Ｎ−拡散層大領域４１とを備え、かつ、Ｎ−拡散層大領域４１を覆うメタル配線４２を備えている点に特徴を有している。
【０１１３】
Ｒ／Ｇ／Ｂ何れの画素においても、Ｎ−拡散層大領域４１では、Ｐ＋拡散領域２０，２２，２４が浅く、かつ、Ｎ−拡散領域２１，２３，２５が深く形成されている。それらは、より具体的には、赤色光、緑色光、および青色光の全てを光電変換することができるような不純物分布を有している。一方、Ｎ−拡散層小領域４０には、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素に対応する波長の光のみが光電変換されるような不純物分布が形成されている。
【０１１４】
上述した実施の形態１の構成によると、浅い位置での光電変換のみが要求されるＢ画素においては、Ｎ−拡散領域２５が全体的に浅くなる。この場合、光電変換により生じたキャリアを転送する転送経路の断面積が小さくなり、転送速度の劣化や、大きなポテンシャルギャップの発生、更にはノイズの発生といった不都合が生じやすくなる。
【０１１５】
本実施形態において、Ｒ／Ｇ／Ｂの各画素に形成されたＮ−拡散層大領域４１は、このような問題点を解決するために構成されたものである。すなわち、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すようなＮ−拡散大領域４１を全ての画素に形成することとすれば、全ての画素において、キャリアの転送経路に大きな断面積を与えることができる。従って、このような構成によれば、その断面積が確保できないことに起因する上記の不都合の発生を有効に防ぐことが可能である。
【０１１６】
上述した通り、Ｎ−拡散層大領域４１は、赤色光、緑色光、および青色光の全てを光電変換することができるように構成されている。このため、その領域に入射光が到達するとすれば、Ｒ画素における赤色光検出精度、Ｇ画素における緑色光の検出精度、およびＢ画素における青色光の検出精度が何れも低下することになる。
【０１１７】
本実施形態において、上述したメタル配線４２は、そのような検出精度の低下を阻止するための部材である。すなわち、メタル配線４２は、上述した通り、Ｎ−拡散層大領域４１を覆うように形成されている。このため、何れの画素においても、Ｎ−拡散層大領域４１には、入射光が到達することはない。
【０１１８】
つまり、本実施形態の構成によれば、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素は、Ｎ−拡散層小領域４０においてのみ入射光の光電変換を行う。そして、各画素におけるＮ−拡散層小領域は、上述した通り、実施の形態１の場合と同様に構成されている。このため、本実施形態の固体撮像素子によれば、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、赤色光、緑色光、および青色光を、何れも実施の形態１の場合と同等の精度で検知することが可能である。
【０１１９】
実施の形態９.
次に、図９を参照して本発明の実施の形態９について説明する。図９は、本実施形態の固体影像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【０１２０】
本実施形態の固体影像素子は、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、Ｐ＋拡散領域の表面に表面Ｎ＋拡散領域を形成するようにした点に特徴を有している。
【０１２１】
本実施形態の固体影像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０、２２、２４およびＮ−拡散領域２１、２３、２５を備えている。この場合、表面リーク電流抑制のためのＰ＋拡散領域の中で光電変換されたキャリアが拡散してＰ＋拡散領域とＮ−拡散領域の境界に形成されている空乏層内に入り込み、Ｒ／Ｇ／Ｂで分離していた画素間で色の分離特性が劣化し易い。
【０１２２】
本実施形態の固体影像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、表面リーク電流を抑制するためのＰ＋拡散領域２０、２２、２４の下にフォトダイオードであるＮ−拡散領域２１、２３、２５が形成されている。そしてＰ＋拡散領域２０、２２、２４の表面に、それぞれ表面Ｎ＋拡散領域３５、３６、３７が新たに設けられている。
【０１２３】
このときＰ＋拡散領域において光電変換されたキャリアが存在しても、表面Ｎ＋拡散領域とＰ＋拡散領域との境界のＰ−Ｎ接合の障壁を越えられないので、Ｎ−拡散領域で発生したキャリアと合流するのを防ぐことができる。
【０１２４】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、色分離特性の劣化を抑制することができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体影像素子を実現することが可能である。
【０１２５】
ところで、上述した実施の形態９においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、Ｐ＋拡散領域の表面に表面Ｎ＋拡散領域を形成するようにした。しかし、Ｂ画素において、Ｒ画素、Ｇ画素と比較してＰ＋拡散領域の深さが非常に浅い場合には、Ｐ＋拡散領域で光電変換されるキャリアは無視することができる。この場合には、表面Ｎ＋拡散領域の形成を省略するようにしても良い。
【０１２６】
実施の形態１０．
次に、図１０を参照して本発明の実施の形態１０について説明する。図１０は、本実施形態の固体影像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【０１２７】
本実施形態の固体影像素子は、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、Ｎ−拡散領域の下側に、深いＰ＋拡散領域を形成するようにした点に特徴を有している。
【０１２８】
本実施形態の固体影像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０、２２、２４およびＮ−拡散領域２１、２３、２５を備えている。この場合、Ｎ−拡散領域より深い領域で光電変換されたキャリアが拡散してＮ−拡散領域で光電変換されたキャリアと合流し、Ｒ／Ｇ／Ｂで分離していた画素間で色の分離特性が劣化し易い。
【０１２９】
本実施形態の固体影像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、Ｐ＋拡散領域２０、２２、２４の下にフォトダイオードであるＮ−拡散領域２１、２３、２５が形成されている。そしてＮ−拡散領域２１、２３、２５の下に、それぞれ深いＰ＋拡散領域３８、３９、４０が新たに設けられている。
【０１３０】
このとき、Ｎ−拡散領域より深い領域で光電変換されたキャリアは、新たに設けられた深いＰ＋拡散領域のポテンシャルの障壁によりＮ−拡散領域へ拡散するのを妨げられ、Ｎ−拡散領域で光電変換されたキャリアと合流することがない。すなわち、所望の領域より深い領域で発生したキャリアがＮ−拡散領域で発生したキャリアと合流するのを防ぐことができる。
【０１３１】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、色分離特性の劣化を抑制することができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体影像素子を実現することが可能である。
【０１３２】
ところで、上述した実施の形態１０においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、Ｎ−拡散領域の下に深いＰ＋拡散領域を設けるようにした。このときイオン注入のエネルギーを調節することにより、Ｐ＋不純物分布のピーク濃度の深さ位置を制御することができる。これにより、所望の波長で光電変換されたキャリアのみを収集することができる。
【０１３３】
実施の形態１１.
次に、図１１を参照して本発明の実施の形態１１について説明する。図１１は、本実施形態の固体影像素子が備えるＲ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の構造を説明するための断面図である。本実施形態において、それらの画素は、実施の形態１の場合と同様に、２次元平面上にベイヤ配列の規則で並べられている。
【０１３４】
本実施形態の固体影像素子は、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）に示すように、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において、異なる大きさのマイクロレンズを配置した点に特徴を有している。
【０１３５】
本実施形態の固体影像素子は、実施の形態１の場合と同様に、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素が、深さの異なるＰ＋拡散領域２０、２２、２４およびＮ−拡散領域２１、２３、２５を備えている。この場合、各画素の最表面に配置されたマイクロレンズの高さや直径が同じであると、深さの異なるＰ−Ｎ接合面に同じ条件で光を入射させることができず、Ｒ／Ｇ／Ｂで分離していた画素間で色の分離特性が劣化し易い。
【０１３６】
本実施形態の固体影像素子は、そのような問題点を解決するものである。すなわち、ここでは、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、それぞれの画素の最表面に配置されたマイクロレンズの直径や高さを最適化することにより、それぞれの画素のＰ＋拡散領域とＮ−拡散領域との境界のＰ−Ｎ接合に形成される空乏層に効率良く光を入射させ、光の入射量のＲ／Ｇ／Ｂ画素間での偏りを小さくすることができる。
【０１３７】
例えば、Ｐ−Ｎ接合（空乏層）が最も深い位置に形成されるＲ画素のマイクロレンズを最も大きい直径とし、Ｐ−Ｎ接合（空乏層）が最も浅い位置に形成されるＢ画素のマイクロレンズを最も小さい直径とする。Ｇ画素のマイクロレンズをＲ画素のマイクロレンズよりも小さい直径かつＢ画素のマイクロレンズよりも大きい直径とする。そして各画素に形成されるＰ−Ｎ接合（空乏層）に入射される入射光の条件が精度良く同じとなるように、マイクロレンズの直径を最適化する。
これにより、各画素の色分離特性を精度良く揃えることができる。
【０１３８】
このような設定によれば、Ｒ画素、Ｇ画素、およびＢ画素の全てにおいて、色分離特性の劣化を抑制することができる。このため、本実施形態の構成によれば、カラーフィルタを用いることなく、赤色光、緑色光、および青色光を、それぞれ常に同等の感度で精度良く検知することのできるカラー用固体影像素子を実現することが可能である。
【０１３９】
ところで、上述した実施の形態１１においては、Ｒ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素においては、Ｐ＋拡散領域とＮ−拡散領域との境界のＰ−Ｎ接合に入射される入射光が同じ条件となるようにマイクロレンズの直径を最適化するようにした。このとき、マイクロレンズの直径を最適化する代わりに、光電変換するべき光の波長が短いほどマイクロレンズの高さを高くして、最適化するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】この発明の実施の形態１の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図４】この発明の実施の形態４の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図５】この発明の実施の形態５の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図６】この発明の実施の形態６の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図７】この発明の実施の形態７の固体撮像素子がＲ／Ｇ／Ｂそれぞれの画素において備える回路構成を説明するための図である。
【図８】この発明の実施の形態８の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図９】この発明の実施の形態９の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１０の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態１１の固体撮像素子が備えるＲ／Ｇ／Ｂ画素それぞれの構造を説明するための断面図である。
【図１２】従来のカラー用固体撮像素子の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１４１】
２  電荷転送ゲート
５  ダイオード領域
９  Ｎ−拡散層
１０  Ｎ＋拡散層
１２  ＦＤ層
２０，２２，２４  Ｐ＋拡散領域
２１，２３，２５  Ｎ−拡散領域
【図１】
2006135252.tif 000003
【図２】
2006135252.tif 000004
【図３】
2006135252.tif 000005
【図４】
2006135252.tif 000006
【図５】
2006135252.tif 000007
【図６】
2006135252.tif 000008
【図７】
2006135252.tif 000009
【図８】
2006135252.tif 000010
【図９】
2006135252.tif 000011
【図１０】
2006135252.tif 000012
【図１１】
2006135252.tif 000013
【図１２】
2006135252.tif 000014