(57)【要約】【課題】微細化の可能な感度の高い固体撮像素子を提供する。【解決手段】本発明に係る固体撮像素子は、複数の単位画素１３Ａを有する固体撮像素子であって、前記単位画素１３Ａは、半導体基板に形成され、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する第１の光電変換部２１と、前記半導体基板に前記第１の光電変換部２１の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する第２の光電変換部２２と、前記第１の光電変換部２１から前記第２の光電変換部２２に前記第１の光電変換部２１で生成された信号電荷を転送する第１のトランジスタ３１とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位画素を有する固体撮像素子であって、
前記単位画素は、
半導体基板に形成され、入射した光に応じた第１信号電荷を生成及び蓄積する第１光電変換部と、
前記半導体基板に前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第２信号電荷を生成及び蓄積する第２光電変換部と、
前記第１光電変換部から前記第２光電変換部に前記第１信号電荷を転送する第１転送トランジスタとを有する
固体撮像素子。
【請求項２】
前記単位画素は、さらに、
フローティングディフュージョンと、
前記第２光電変換部から前記フローティングディフュージョンに前記第１及び第２信号電荷を転送するための第２転送トランジスタと、
前記半導体基板に前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第３信号電荷を生成及び蓄積する第３光電変換部と、
前記第３光電変換部から前記フローティングディフュージョンに前記第３信号電荷を転送する第３転送トランジスタとを有する
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１転送トランジスタのゲートと前記第３転送トランジスタのゲートとは電気的に接続されている
請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１光電変換部の接合容量は、前記第２光電変換部の接合容量よりも小さい
請求項２又は３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第３光電変換部及び前記第３転送トランジスタは、前記第２転送トランジスタと前記フローティングディフュージョンとの間に挿入され、
前記第２転送トランジスタは、前記第３光電変換部及び前記第３転送トランジスタを介して、前記フローティングディフュージョンに前記第１及び第２信号電荷を転送する
請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１光電変換部の接合容量は前記第２光電変換部の接合容量よりも小さく、前記第２光電変換部の接合容量は前記第３光電変換部の接合容量よりも小さい
請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１〜３転送トランジスタ及び前記フローティングディフュージョンは、前記半導体基板の表面側に形成され、
前記半導体基板の裏面が光の入射面である
請求項２記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単位画素を有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は、被写体の画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使用されている。固体撮像素子は、光電変換部を有する複数の単位画素が２次元アレイ状に配列形成されており、被写体から画素内へ入射する光を各画素が有する光電変換部で光電変換し、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画像情報を取得することができる。
【０００３】
カラー撮像を行う場合、各画素の光電変換部の上方にカラーフィルターが形成される。カラーフィルターで選択された波長領域の光を光電変換部で受光し、得られる信号出力を基に演算処理を行うことでカラー画像を取得することができる。このカラー撮像において、受光対象とする波長領域以外の光はカラーフィルターで吸収されているため、光の利用効率が低くなっている。例えば、ＲＧＢ三原色のカラーフィルターを備えた固体撮像素子では、各画素で入射光の約２／３がカラーフィルターに吸収されており、感度に寄与しているのは入射光の約１／３のみである。
【０００４】
近年、固体撮像素子の小型化と取得画像の高解像化に向けて、画素サイズの微細化が進展しているが、この微細化によって、単位画素面積に対する受光領域面積の割合、いわゆる開口率が減少し、固体撮像素子の感度が低下してしまう。また、微細画素を有した固体撮像素子でもカラー撮像が求められるため、感度の低下を招くカラーフィルターが用いられており、感度がさらに低くなることが課題となっている。
【０００５】
カラーフィルターによる感度低下に対して、特許文献１及び特許文献２には、カラーフィルターを用いることなく、カラー撮像が可能な固体撮像素子が開示されている。
【０００６】
上記特許文献１では、単位画素内で複数の光電変換部を基板の深さ方向に積層している。光はその波長に応じてシリコン中での吸収係数が異なり、波長が短くなるにつれて吸収係数は大きくなる。このため短波長光はシリコン基板の浅い領域で吸収されるため、シリコン基板の深部に位置する光電変換部では短波長光はほとんど受光しない。この原理を利用して、基板の深さ方向に光電変換部を積層することで、入射光の色分離を行うことができる。このため、カラーフィルターによる感度損失がなく、光の利用効率をほぼ１００％まで高めることができる。
【０００７】
上記特許文献２では、基板の一方表面側に信号読出し回路を構成する配線が設けられ、他方表面側から光を入射させる、いわゆる裏面照射型の固体撮像素子において、光電変換部を基板の深さ方向に積層している。従来の固体撮像素子において、光は配線層を通って受光部に入射しているため、光が斜めに入射した場合は配線などによって光がけられてしまう。そこで、従来の固体撮像素子では、マイクロレンズを形成することで入射光を受光部まで効率良く集光している。これに対し、裏面照射型の固体撮像素子では、光は配線層を通ることなく直接受光部へ入射するため、開口率が大きく、マイクロレンズによる集光の必要がなくなる。このため、カラーフィルターによる感度の低下がなく、開口率も大きいために高感度である。また、マイクロレンズを除去することができるため、製造が容易になり、コスト的にも優位である。
【０００８】
特許文献３には、微細画素において開口率を向上させることが可能な固体撮像素子が開示されている。上記特許文献３に開示された固体撮像素子では、単位画素内には１つの光電変換部が形成されており、フローティングディフュージョンを含む信号読出し回路を複数の画素間で共有している。信号読出し回路を共有化することで、単位画素内で信号読出し回路が占める面積を削減できるため、開口率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００２−５１３１４５号公報
【特許文献２】特開２００８−６０４７６号公報
【特許文献３】特開２００５−１６７９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１では、カラーフィルターを除去することによって入射光の利用効率を高めることができる。しかし、単位画素内の複数の光電変換部の各々に対して信号読出し回路を設ける必要がある。このため、単位画素内で回路面積が増加し、開口率が減少してしまう。よって、単位画素の感度を十分に向上させることができない。
【００１１】
また、上記特許文献２では、裏面照射型の固体撮像素子において光電変換部を積層しており、回路が形成された面である表面とは反対の裏面側から光を入射させている。このため、複数の光電変換部の積層に伴い、信号読出し回路が増加しても開口率は変化せず、回路増設により開口率が低下することに起因する感度低下はない。しかしながら、上記特許文献２に開示された固体撮像素子の画素サイズを微細化した場合、単位画素の全領域を使用して信号読出し回路をレイアウトしても、微細画素内に全ての回路を設置することは困難である。例えば、従来の固体撮像素子において１１０ｎｍルールで１．７５ｕｍ×１．７５ｕｍ画素を設計すると、信号読出し回路面積は画素面積の約５０％程度となる。これは各画素に光電変換部が１つ備わっている場合であり、Ｒ、Ｇ、Ｂの色分離用に各画素で光電変換部を３つ積層した場合では、全ての信号読出し回路を画素内にレイアウトすることができない。
【００１２】
また、上記特許文献３では、画素の信号読出し回路を複数の画素間で共有し、信号読出し回路面積を削減することで、開口率を高めることができる。つまり、各画素のフローティングディフュージョンを配線により電気的に接続し、複数の画素間でフローティングディフュージョンを共有化させている。複数の画素内の光電変換部の各々から、信号電荷を共有化したフローティングディフュージョンに順次転送し、信号を増幅トランジスタから出力する。しかしながら、フローティングディフュージョンの共有化は、フローティングディフュージョンの面積を招き、開口率向上の妨げとなる。また、それに伴ってフローティングディフュージョンの容量も増加し、電荷を電圧信号に変換する時のゲインが減少してしまう。
【００１３】
上記課題に鑑み、本発明は、微細化の可能な感度の高い固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明に係る固体撮像素子は、複数の単位画素を有する固体撮像素子であって、前記単位画素は、半導体基板に形成され、入射した光に応じた第１信号電荷を生成及び蓄積する第１光電変換部と、前記半導体基板に前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第２信号電荷を生成及び蓄積する第２光電変換部と、前記第１光電変換部から前記第２光電変換部に前記第１信号電荷を転送する第１転送トランジスタとを有する。
【００１５】
これにより、第１光電変換部で生成された第１信号電荷及び第２光電変換部で生成された第２信号電荷を読み出すための読み出し回路を共有化できるので、開口率が向上する。よって、微細化しても高い感度を有することができる。
【００１６】
すなわち、第２光電変換部は第１光電変換部の上方又は下方に形成されているので、フローティングディフュージョンの面積を増加させることなく、複数の光電変換部からの信号読出し回路を共有化させることができる。よって、信号読出し回路が占める面積を大幅に削減できるため、開口率を向上させることができ、且つ、微細画素でも複数の光電変換部からの信号読出し回路をレイアウトすることができる。また、複数の光電変換部のそれぞれに対応して信号読み出し回路を設けた場合と比較して、フローティングディフュージョンの面積が増加しないため、光電変換部からの信号電荷を電圧信号へ変換する時のゲインを減少させることもない。
【００１７】
また、前記単位画素は、さらに、フローティングディフュージョンと、前記第２光電変換部から前記フローティングディフュージョンに前記第１及び第２信号電荷を転送するための第２転送トランジスタと、前記半導体基板に前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第３信号電荷を生成及び蓄積する第３光電変換部と、前記第３光電変換部から前記フローティングディフュージョンに前記第３信号電荷を転送する第３転送トランジスタとを有してもよい。
【００１８】
これにより、ＲＧＢのそれぞれに応じた出力を得ることができる。
【００１９】
また、前記第１転送トランジスタのゲートと前記第３転送トランジスタのゲートとは電気的に接続されていてもよい。
【００２０】
これにより、第１転送トランジスタのゲート配線と第３転送トランジスタのゲート配線とを共有化できるので、第１〜第３光電変換部のそれぞれで生成された信号電荷を読み出すための読み出し回路の面積を、一層低減することができ、開口率を大幅に向上させることができる。
【００２１】
また、前記第１光電変換部の接合容量は、前記第２光電変換部の接合容量よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
これにより、第１転送トランジスタによる第１光電変換部から第２光電変換部への第１信号電荷の転送が容易となる。
【００２３】
また、前記第３光電変換部及び前記第３転送トランジスタは、前記第２転送トランジスタと前記フローティングディフュージョンとの間に挿入され、前記第２転送トランジスタは、前記第３光電変換部及び前記第３転送トランジスタを介して、前記フローティングディフュージョンに前記第１及び第２信号電荷を転送してもよい。
【００２４】
また、前記第１光電変換部の接合容量は前記第２光電変換部の接合容量よりも小さく、前記第２光電変換部の接合容量は前記第３光電変換部の接合容量よりも小さいことが好ましい。
【００２５】
これにより、第１転送トランジスタによる第１光電変換部から第２光電変換部への第１信号電荷の転送と、第２転送トランジスタによる第２光電変換部から第３光電変換部への第１信号電荷及び第２信号電荷の転送とが容易となる。
【００２６】
また、前記第１〜３転送トランジスタ及び前記フローティングディフュージョンは、前記半導体基板の表面側に形成され、前記半導体基板の裏面が光の入射面であってもよい。
【００２７】
これにより、半導体基板の表面全体に第１〜３転送トランジスタ及びフローティングディフュージョンを設けることができるので、より一層微細化しても高い感度を有することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、微細化の可能な感度の高い固体撮像素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第一の実施形態である、固体撮像素子の表面概略図である。
【図２】本発明の第一の実施形態である、固体撮像素子の単位画素の回路模式図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第一の実施形態である、固体撮像素子の単位画素の断面模式図である。
【図５】本発明の第二の実施形態である、固体撮像素子の単位画素の回路模式図である。
【図６】本発明の第二の実施形態に係る固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第三の実施形態である、固体撮像素子の単位画素の回路模式図である。
【図８】本発明の第三の実施形態に係る固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第三の実施形態である、固体撮像素子の単位画素の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明に係る固体撮像素子は、複数の単位画素を有する固体撮像素子であって、前記単位画素は、半導体基板に形成され、入射した光に応じた第１信号電荷を生成及び蓄積する第１光電変換部と、前記半導体基板に前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第２信号電荷を生成及び蓄積する第２光電変換部と、前記第１光電変換部から前記第２光電変換部に前記第１信号電荷を転送する第１転送トランジスタとを有する。
【００３１】
これにより、微細化の可能な感度の高い固体撮像素子を実現できる。
【００３２】
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。
【００３３】
（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態である、ＭＯＳ型の固体撮像素子の表面概略図である。図１に示す固体撮像素子は、画素部１１と周辺回路部１２を備え、画素部１１は、複数の単位画素１３Ａで構成され、周辺回路部１２は、水平シフトレジスタ１４、垂直シフトレジスタ１５、ノイズ除去回路１６及びアンプ回路１７を備える。
【００３４】
複数の単位画素１３Ａは、行列状に配置され、入射した光に応じた画素信号を出力する。この複数の単位画素１３Ａのうち、同一行に配置された複数の単位画素１３Ａは、垂直シフトレジスタ１５により同時に制御される。
【００３５】
水平シフトレジスタ１４は、ノイズ除去回路１６に接続され、ノイズ除去回路１６に保持されている単位画素１３Ａごとの画素信号をアンプ回路１７に出力させる。
【００３６】
垂直シフトレジスタ１５は、複数の単位画素１３Ａを行ごとに順に走査することにより、複数の単位画素１３Ａの行ごとに画素信号を出力させる。
【００３７】
ノイズ除去回路１６は、画素部１１及び水平シフトレジスタ１４に接続され、画素部１１から出力された画素信号のノイズを除去して保持する。そして、水平シフトレジスタ１４の制御に従って、保持した画素信号をアンプ回路１７に順に出力する。
【００３８】
アンプ回路１７は、ノイズ除去回路１６に接続され、ノイズ除去回路１６から出力されたノイズの除去後の画素信号を増幅し、固体撮像素子１０に接続された外部回路へ出力する。
【００３９】
次に、単位画素１３Ａの詳細な構成について説明する。
【００４０】
本実施形態に係る固体撮像素子１０における単位画素１３Ａは、上述のように、半導体基板に形成され、入射した光に応じた第１信号電荷を生成及び蓄積する第１光電変換部と、前記半導体基板に前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第２信号電荷を生成及び蓄積する第２光電変換部と、第１光電変換部から前記第２光電変換部に前記第１信号電荷を転送する第１転送トランジスタとを有する。さらに、フローティングディフュージョンと、前記第２光電変換部から前記フローティングディフュージョンに前記第１及び第２信号電荷を転送するための第２転送トランジスタと、前記半導体基板に、前記第１光電変換部の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた第３信号電荷を生成及び蓄積する第３光電変換部と、前記第３光電変換部から前記フローティングディフュージョンに前記第３信号電荷を転送する第３転送トランジスタとを有する。
【００４１】
まず、単位画素１３Ａの詳細な回路構成について説明する。
【００４２】
図２は、単位画素１３Ａの回路の構成を模式的に示す回路模式図である。
【００４３】
同図に示す単位画素１３Ａは、第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２、第３の光電変換部２３及び信号読み出し回路３０Ａを含む。信号読み出し回路３０Ａは、信号電荷を転送する第１のトランジスタ３１、第２のトランジスタ３２及び第３のトランジスタ３３と、フローティングディフュージョン３４と、信号電荷をリセットする第４のトランジスタ３５と、信号を増幅する第５のトランジスタ３６と、画素選択を行う第６のトランジスタ３７とで構成されている。
【００４４】
第１の光電変換部２１は、本発明の第１光電変換部であり、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する。なお、この第１の光電変換部２１が生成する信号電荷は、本発明の第１信号電荷である。
【００４５】
第２の光電変換部２２は、本発明の第２光電変換部であり、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する。なお、この第２の光電変換部２２が生成する信号電荷は、本発明の第２信号電荷である。
【００４６】
第３の光電変換部２３は、本発明の第３光電変換部であり、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する。なお、この第３の光電変換部２３が生成する信号電荷は、本発明の第３信号電荷である。
【００４７】
第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２及び第３の光電変換部２３は、例えば、アノードが接地されたフォトダイオードである。
【００４８】
第１のトランジスタ３１は、本発明の第１転送トランジスタであり、ソースが第１の光電変換部２１に接続され、ドレインが第２の光電変換部２２に接続され、垂直シフトレジスタ１５からゲートに印加される第１走査パルスＴＲＡＮＳ１に応じて第１の光電変換部２１から第２の光電変換部２２に信号電荷を転送する。つまり、第１の光電変換部２１で生成された信号電荷を転送する。
【００４９】
第２のトランジスタ３２は、本発明の第２転送トランジスタであり、ソースが第２の光電変換部２２に接続され、ドレインがフローティングディフュージョン３４に接続され、垂直シフトレジスタ１５からゲートに印加される第２走査パルスＴＲＡＮＳ２に応じて第２の光電変換部２２からフローティングディフュージョン３４に信号電荷を転送する。つまり、第１の光電変換部２１で生成された信号電荷又は第２の光電変換部２２で生成された信号電荷とを転送する。
【００５０】
第３のトランジスタ３３は、本発明の第３転送トランジスタであり、ソースが第３の光電変換部２３に接続され、ドレインがフローティングディフュージョン３４に接続され、垂直シフトレジスタ１５からゲートに印加される第３走査パルスＴＲＡＮＳ３に応じて第３の光電変換部２３からフローティングディフュージョン３４に信号電荷を転送する。つまり、第３の光電変換部２３で生成された信号電荷を転送する。
【００５１】
フローティングディフュージョン３４は、第２のトランジスタ３２のドレイン及び第３のトランジスタ３３のドレインに接続され、第２のトランジスタ３２及び第３のトランジスタ３３により転送された信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷に応じた電圧である電圧信号を保持する。また、このフローティングディフュージョン３４は、第４のトランジスタ３５を介して電源線に接続され、第４のトランジスタ３５がオンすることにより、電圧がリセットされる。
【００５２】
第４のトランジスタ３５は、ソース及びドレインの一方が電源線に接続され、他方がフローティングディフュージョン３４に接続され、垂直シフトレジスタ１５からゲートに印加されるリセットパルスＲＳＴに応じて、フローティングディフュージョン３４の電圧をリセットする。
【００５３】
第５のトランジスタ３６は、ゲートがフローティングディフュージョン３４に接続され、フローティングディフュージョン３４が保持する電圧信号を増幅して出力する増幅トランジスタである。
【００５４】
第６のトランジスタ３７は、ソース及びドレインの一方が第５のトランジスタ３６に接続され、他方が信号線３８に接続され、垂直シフトレジスタ１５からゲートに印加される選択パルスＳＥＬＥＣＴに応じてオンすることにより、信号線３８に電圧信号に応じた電圧を出力する。
【００５５】
つまり、第１の光電変換部２１は第１のトランジスタ３１のソースに対応し、第２の光電変換部２２は第１のトランジスタ３１のドレインに対応する。また、第３の光電変換部２３は第３のトランジスタ３３のソースに対応し、フローティングディフュージョン３４は第３のトランジスタ３３のドレインに対応する。また、第２の光電変換部２２は第２のトランジスタ３２のソースに対応し、フローティングディフュージョン３４は第２のトランジスタ３２のドレインに対応する。
【００５６】
次に、上記のように構成された固体撮像素子１０の動作について説明する。
【００５７】
図３は、本実施形態に係る固体撮像素子１０の動作を示すタイミングチャートである。同図には、垂直シフトレジスタ１５から単位画素１３Ａに印加される複数のパルスのタイミングが示されており、具体的には、第４のトランジスタ３５のゲートに印加されるリセットパルスＲＳＴと、第１のトランジスタ３１のゲートに印加される第１走査パルスＴＲＡＮＳ１と、第２のトランジスタ３２のゲートに印加される第２走査パルスＴＲＡＮＳ２と、第３のトランジスタ３３のゲートに印加される第３走査パルスＴＲＡＮＳ３と、第６のトランジスタ３７のゲートに印加される選択パルスＳＥＬＥＣＴとのタイミングが示されている。
【００５８】
単位画素１３Ａに入射した光は、第１の光電変換部２１、第３の光電変換部２３、第２の光電変換部２２で光電変換され、信号電荷として蓄積される。
【００５９】
まず、時刻ｔ１０〜ｔ１１において、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ３５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン３４をリセットする。
【００６０】
このリセット動作後、時刻ｔ１２〜ｔ１３において、第２走査パルスＴＲＡＮＳ２をハイレベルにすることにより第２のトランジスタ３２をＯＮ状態にすることで、第２の光電変換部２２に蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョン３４に転送する。フローティングディフュージョン３４で信号電荷は電圧信号に変換され、第５のトランジスタ３６のゲートに印加される。
【００６１】
次に、時刻ｔ１４〜ｔ１５において、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選択パルスＳＥＬＥＣＴをハイレベルにすることで第６のトランジスタ３７をＯＮ状態にする。よって、第５のトランジスタ３６から電気信号が信号線３８に出力される。さらに、電気信号はノイズ除去回路１６により信号に混入してしまうノイズの除去処理を行い、アンプ回路１７から信号を出力する。
【００６２】
第２の光電変換部２２の信号読出しが完了した後、時刻ｔ１６〜ｔ１７において、再度、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ３５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン３４をリセットする。
【００６３】
このリセット動作後、時刻ｔ１８〜ｔ１９において、第１走査パルスＴＲＡＮＳ１をハイレベルにすることにより第１のトランジスタ３１をＯＮ状態にすることで、第１の光電変換部２１に蓄積されている信号電荷を第２の光電変換部２２に転送する。次いで時刻ｔ２０〜ｔ２１において、第２走査パルスＴＲＡＮＳ２をハイレベルにすることにより第２のトランジスタ３２をＯＮ状態にすることで信号電荷をフローティングディフュージョン３４に転送する。時刻ｔ２０〜ｔ２３におけるフローティングディフュージョン３４から出力までの動作は、上記の第２の光電変換部２２の信号読出しと同様の動作を行う。
【００６４】
第１の光電変換部２１の信号読出しが完了した後、時刻ｔ２４〜ｔ２５において、再度、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ３５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン３４をリセットする。
【００６５】
このリセット動作後、時刻ｔ２６〜ｔ２７において、第３走査パルスＴＲＡＮＳ３をハイレベルにすることにより第３のトランジスタ３３をＯＮ状態にすることで、第１の光電変換部２１に蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョン３４に転送する。時刻ｔ２８〜ｔ２９におけるフローティングディフュージョン３４から出力までの動作は、上記の第２の光電変換部２２の信号読出しと同様の動作を行う。
【００６６】
上述の様に、本実施形態では、第１の光電変換部２１からの信号読み出しにおいて、信号電荷を第２の光電変換部２２を経由してフローティングディフュージョン３４へ順次転送することで、フローティングディフュージョン３４の面積を増加させることなく信号読出し回路３０Ａを共有化することができる。このため、信号読出し回路３０Ａの面積を大幅に削減でき、開口率を向上させることができる。また、複数の光電変換部からの信号読出し回路を微細画素内にレイアウトすることが可能となる。また、フローティングディフュージョン３４の面積を増加させることがないため、変換ゲインの減少も抑制することができる。
【００６７】
また、本実施形態の固体撮像素子で信号読出し回路３０Ａが形成された一方表面とは反対の面から光を入射させる裏面照射型を利用すれば、画素全面に信号読出し回路３０Ａを形成できるため、画素サイズをさらに微細化することが可能である。
【００６８】
次に、上述の固体撮像素子１０における単位画素１３Ａの断面構成について説明する。
【００６９】
図４は、本発明の第一の実施形態である、固体撮像素子の単位画素１３Ａの断面模式図である。図４に示す単位画素１３Ａは、複数の単位画素１３Ａ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２２と、第３の光電変換部２３と、フローティングディフュージョン３４とを備える。
【００７０】
各光電変換部（第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２及び第３の光電変換部２３）は、半導体基板４０の深さ方向に積層されている。具体的には、第２の光電変換部２２は第１の光電変換部２１の上方に形成され、第３の光電変換部は第１の光電変換部２１の上方かつ第２の光電変換部の下方に形成されている。つまり、各光電変換部は深さ方向に見て、互いに重なるように形成されている。
【００７１】
半導体基板４０の表面上には、第１のトランジスタ３１のゲート４１と、第２のトランジスタ３２のゲート４２と、第３のトランジスタ３３のゲート４３とが形成されている。
【００７２】
なお、図４では、半導体基板４０の表面から第２の光電変換部２２、第３の光電変換部２３、第１の光電変換部２１の順に積層した構造を一例として示したが、積層の順序はこれに限らない。
【００７３】
また、正確には、第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２及び第３の光電変換部２３は、第１導電型の半導体基板に形成された半導体領域であって、第１導電型とは反対導電型の第２導電型の半導体領域と、第１導電型の半導体基板との界面とを含む。図４においては、説明を簡略化するために、第２導電型の半導体領域を第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２及び第３の光電変換部２３として図示している。なお、以下の明細書において、各光電変換部の領域のうち第２導電型の半導体領域を、第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２及び第３の光電変換部２３として説明している場合がある。
【００７４】
第１の光電変換部２１は、第２の光電変換部２２よりも接合容量が小さいことが好ましい。これは、各光電変換部の接合容量に差を設けることで信号電荷の転送を容易にすることができるためである。また、信号電荷の転送はゲートの近傍で行われるため、各光電変換部で生成した信号電荷をゲートが形成される表面側へ集める必要がある。そこで、各光電変換部内に表面に向かって不純物濃度が高くなるような濃度勾配を形成することで、信号電荷の収集が容易になる。このため、半導体基板の表面から接合容量の大きい順に光電変換部を積層すると上述の濃度勾配を形成しやすくすることができる。つまり、第１の光電変換部２１は第２の光電変換部２２よりも半導体基板４０の深部に形成されるのが好ましい。
【００７５】
第１の光電変換部２１と第３の光電変換部２３と第２の光電変換部２２とは互いに接続して混色が発生しないよう、光電変換部間に各光電変換部と反対導電型である第１の半導体領域４４が形成されていることが好ましい。また、単位画素１３Ａの半導体基板４０の表面近傍には、半導体基板４０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に、各光電変換部を半導体基板内に埋め込むための、各光電変換部と反対導電型で高濃度の第２の半導体領域が形成されていても良い。
【００７６】
本実施形態の固体撮像素子１０でＲＧＢ三原色での出力を行う場合、単位画素１３Ａに光が入射すると、第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２及び第３の光電変換部２３の各々で信号電荷が生成される。光はその波長に応じて半導体基板４０内での吸収係数が異なる特性を有しているため、各光電変換部が形成される半導体基板４０の深さに応じた分光出力がそれぞれ得られる。この分光出力を基に演算処理を行うことで、ＲＧＢ三原色での出力を取得することができる。ここで各光電変換部からの分光出力のピーク波長をＢ、Ｇ、Ｒ領域の波長に対応させることで演算処理を簡単にすることも可能である。
【００７７】
例えば、表面照射型の場合では、第２の光電変換部２２を半導体基板４０の表面から０．７ｕｍの範囲、第３の光電変換部２３を半導体基板４０の０．７〜１．５ｕｍの範囲、第１の光電変換部２１を半導体基板４０の１．５〜３．０ｕｍの範囲でそれぞれ形成すると、各光電変換部からの分光出力のピーク波長をＢ、Ｇ、Ｒ領域の波長にそれぞれ対応させることができる。また、裏面照射型の場合では、第２の光電変換部２２を半導体基板４０の表面から１．５ｕｍの範囲、第３の光電変換部２３を半導体基板４０の１．５〜２．３ｕｍの範囲、第１の光電変換部２１を半導体基板４０の２．３〜３．０ｕｍの範囲でそれぞれ形成すると、各光電変換部からの分光出力のピーク波長をＢ、Ｇ、Ｒ領域の波長にそれぞれ対応させることができる。
【００７８】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像素子１０は、複数の単位画素１３Ａを有する固体撮像素子であって、単位画素１３Ａは、半導体基板４０に形成され、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する第１の光電変換部２１と、半導体基板４０に第１の光電変換部２１の上方又は下方に形成され、入射した光に応じた信号電荷を生成及び蓄積する第２の光電変換部２２と、第１の光電変換部２１から第２の光電変換部２２に信号電荷を転送する第１のトランジスタ３１とを有する。
【００７９】
これにより、第１の光電変換部２１で生成された信号電荷と、第２の光電変換部２２で生成された信号電荷を読み出すためのフローティングディフュージョン３４、第４のトランジスタ３５、第５のトランジスタ３６及び第６のトランジスタ３７を、第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２で共有化できるので、開口率が向上する。
【００８０】
また、第２の光電変換部２２は第１の光電変換部２１の上方に形成されているので、第２の光電変換部２２と第１の光電変換部２１とを並べて形成した場合と比較して、フローティングディフュージョン３４の面積が小さい。よって、信号電荷を電圧信号へ変換するときのゲインが高い。
【００８１】
したがって、本実施形態に係る固体撮像素子１０は、微細化しても高い感度を有することができる。
【００８２】
言い換えると、固体撮像素子１０は、微細画素化しても複数の光電変換部から信号電荷を読み出すための読み出し回路をレイアウトすることができる。また、複数の光電変換部のそれぞれに対応して信号読み出し回路を設けた場合と比較して、フローティングディフュージョンの面積が増加しないので、微細画素化しても光電変換部で生成された信号電荷を電圧信号へ変換するときのゲインが高い。
【００８３】
（第二の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像素子は、第一の実施形態に係る固体撮像素子１０とほぼ同じであるが、単位画素の構成が異なる。具体的には、本実施形態に係る固体撮像素子における単位画素は、単位画素１３Ａと比較して、第１転送トランジスタのゲートと第３転送トランジスタのゲートとが電気的に接続されている点が異なる。以下、第一の実施形態と異なる点を中心に、第二の実施形態について説明する。
【００８４】
図５は、本発明の第二の実施形態に係る固体撮像素子の単位画素の回路の構成を模式的に示す回路模式図である。
【００８５】
同図に示す単位画素１３Ｂは、第１の光電変換部２１、第２の光電変換部２２、第３の光電変換部２３及び信号読み出し回路３０Ｂを含む。この信号読み出し回路３０Ｂは、第一の実施形態に係る固体撮像素子１０の信号読み出し回路３０Ａと同様に、信号電荷を転送する第１のトランジスタ３１、第２のトランジスタ３２及び第３のトランジスタ３３と、フローティングディフュージョン３４と、信号電荷をリセットする第４のトランジスタ３５と、信号を増幅する第５のトランジスタ３６と、画素選択を行う第６のトランジスタ３７とで構成されている。ただし、信号読み出し回路３０Ｂは、信号読み出し回路３０Ａと比較して、第１のトランジスタ３１のゲートと第３のトランジスタ３３のゲートとが電気的に接続されている点が異なる。よって、第１のトランジスタ３１及び第３のトランジスタ３３のそれぞれは、垂直シフトレジスタ１５からゲートに印加される第１走査パルスＴＲＡＮＳ１に応じてオン及びオフする。具体的には、第１走査パルスＴＲＡＮＳ１に応じて、第１のトランジスタ３１は第１の光電変換部２１から第２の光電変換部２２に信号電荷を転送し、第３のトランジスタ３３は第３の光電変換部２３からフローティングディフュージョン３４に信号電荷を転送する。
【００８６】
つまり、第１の光電変換部２１は第１のトランジスタ３１のソースに対応し、第２の光電変換部２２は第１のトランジスタ３１のドレインに対応する。また、第３の光電変換部２３は第３のトランジスタ３３のソースに対応し、フローティングディフュージョン３４は第３のトランジスタ３３のドレインに対応する。また、第２の光電変換部２２は第２のトランジスタ３２のソースに対応し、フローティングディフュージョン３４は第２のトランジスタ３２のドレインに対応する。また、第１のトランジスタ３１のゲートは第３のトランジスタ３３のゲートと電気的に接続されている。
【００８７】
次に、上記のように構成された第二の実施形態に係る固体撮像素子の動作について説明する。
【００８８】
図６は、本実施形態に係る固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。同図には、垂直シフトレジスタ１５から単位画素１３Ｂに印加される複数のパルスのタイミングが示されており、具体的には、第４のトランジスタ３５に印加されるリセットパルスＲＳＴと、第１のトランジスタ３１及び第３のトランジスタ３３に印加される第１走査パルスＴＲＡＮＳ１と、第２のトランジスタ３２に印加される第２走査パルスＴＲＡＮＳ２と、第３のトランジスタ３３に印加される第３走査パルスＴＲＡＮＳ３と、第６のトランジスタ３７に印加される選択パルスＳＥＬＥＣＴとのタイミングが示されている。
【００８９】
単位画素１３Ｂに入射した光は、第１の光電変換部２１、第３の光電変換部２３、第２の光電変換部２２で光電変換され、信号電荷として蓄積される。
【００９０】
まず、時刻ｔ４０〜ｔ４１において、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ３５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン３４をリセットする。
【００９１】
このリセット動作後、時刻ｔ４２〜ｔ４３において、第２走査パルスＴＲＡＮＳ２をハイレベルにすることにより第２のトランジスタ３２をＯＮ状態にすることで、第２の光電変換部２２に蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョン３４に転送する。フローティングディフュージョン３４で信号電荷は電圧信号に変換され、第５のトランジスタ３６のゲートに印加される。
【００９２】
次に、時刻ｔ４４〜ｔ４５において、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選択パルスＳＥＬＥＣＴをハイレベルにすることで第６のトランジスタ３７をＯＮ状態にする。よって、第５のトランジスタ３６から電気信号が信号線３８に出力される。さらに、電気信号はノイズ除去回路１６により信号に混入してしまうノイズの除去処理を行い、アンプ回路１７から信号を出力する。
【００９３】
第２の光電変換部２２の信号読出しが完了した後、時刻ｔ４６〜ｔ４７において、再度、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ３５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン３４をリセットする。
【００９４】
このリセット動作後、時刻ｔ４８〜ｔ４９において、第１走査パルスＴＲＡＮＳ１をハイレベルにすることにより第３のトランジスタ３３をＯＮ状態にすることで、第３の光電変換部２３に蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョン３４に転送する。この時、第１のトランジスタ３１もＯＮ状態となるために、第１の光電変換部２１に蓄積されている信号電荷が第２の光電変換部２２に転送される。時刻ｔ５０〜ｔ５１におけるフローティングディフュージョン３４から出力までの動作は、上記の第２の光電変換部２２の信号読出しと同様の動作を行う。
【００９５】
第３の光電変換部２３の信号読出しが完了した後、時刻ｔ５２〜ｔ５３において、再度、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ３５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン３４をリセットする。
【００９６】
このリセット動作後、時刻ｔ５４〜ｔ５５において、第２走査パルスＴＲＡＮＳ２をハイレベルにすることにより第２のトランジスタ３２をＯＮ状態にすることで、第１の光電変換部２１から第２の光電変換部２２に転送されている信号電荷をフローティングディフュージョン３４に転送する。時刻ｔ５６〜ｔ５７におけるフローティングディフュージョン３４から出力までの動作は、上記の第２の光電変換部２２の信号読出しと同様の動作を行う。
【００９７】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像素子における単位画素１３Ｂは、第一の実施形態に係る固体撮像素子１０における単位画素１３Ａと比較して、第１のトランジスタ３１のゲートと第３のトランジスタ３３のゲートとが電気的に接続されている。つまり、第１のトランジスタ３１のゲート配線と第３のトランジスタ３３のゲート配線とが共有化されている。
【００９８】
このように本実施形態に係る固体撮像素子は、ゲート配線を共有化することによって、第一の実施形態に係る固体撮像素子１０と比較して、より一層、信号読出し回路３０Ｂの面積を低減することができ、開口率を大幅に向上させることができる。
【００９９】
また、本実施形態の固体撮像素子で信号読出し回路３０Ｂが形成された一方表面とは反対の面から光を入射させる裏面照射型を利用すれば、画素全面に信号読出し回路３０Ｂを形成できるため、画素サイズをさらに微細化することが可能である。
【０１００】
（第三の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像素子は、第一の実施形態に係る固体撮像素子１０とほぼ同じであるが、単位画素の構成が異なる。具体的には、本実施形態に係る固体撮像素子における単位画素は、単位画素１３Ａと比較して、第３光電変換部及び第３転送トランジスタが、第２転送トランジスタとフローティングディフュージョンとの間に挿入され、第２転送トランジスタは、第３光電変換部及び第３転送トランジスタを介して、フローティングディフュージョンに第１及び第２信号電荷を転送する点が異なる。以下、第一の実施形態と異なる点を中心に、第三の実施形態について説明する。
【０１０１】
図７は本発明の第三の実施形態に係る固体撮像素子の単位画素の回路の構成を模式的に示す回路模式図である。
【０１０２】
同図に示す単位画素１３Ｃは、第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２、第３の光電変換部５３及び信号読み出し回路６０を含む。この信号読み出し回路６０は、信号電荷を転送する第１のトランジスタ６１、第２のトランジスタ６２及び第３のトランジスタ６３と、フローティングディフュージョン６４と、信号電荷をリセットする第４のトランジスタ６５と、信号を増幅する第５のトランジスタ６６と、画素選択を行う第６のトランジスタ６７とで構成されている。
【０１０３】
この単位画素１３Ｃは、図２に示した第一の実施形態における単位画素１３Ａと比較して、第３の光電変換部５３及び第３のトランジスタ６３が第２のトランジスタ６２とフローティングディフュージョン６４との間に挿入され、第２のトランジスタ６２が第３の光電変換部５３及び第３のトランジスタ６３を介して、フローティングディフュージョン６４に第１の光電変換部５１で生成された信号電荷及び第２の光電変換部５２で生成された信号電荷を転送する点が異なる。
【０１０４】
つまり、第１の光電変換部５１は第１のトランジスタ６１のソースに対応し、第２の光電変換部５２は第１のトランジスタ６１のドレインに対応する。また、第２の光電変換部５２は第２のトランジスタ６２のソースに対応し、第３の光電変換部５３は第２のトランジスタ６２のドレインに対応する。また、第３の光電変換部５３は第３のトランジスタ６３のソースに対応し、フローティングディフュージョン６４は第３のトランジスタ６３のドレインに対応する。
【０１０５】
次に、上記のように構成された第三の実施形態に係る固体撮像素子の動作について説明する。
【０１０６】
図８は、本実施形態に係る固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。同図には、垂直シフトレジスタ１５から単位画素１３Ｃに印加される複数のパルスのタイミングが示されており、具体的には、第４のトランジスタ６５のゲートに印加されるリセットパルスＲＳＴと、第１のトランジスタ６１のゲートに印加される第１走査パルスＴＲＡＮＳ１と、第２のトランジスタ６２のゲートに印加される第２走査パルスＴＲＡＮＳ２と、第３のトランジスタ６３のゲートに印加される第３走査パルスＴＲＡＮＳ３と、第６のトランジスタ６７のゲートに印加される選択パルスＳＥＬＥＣＴとのタイミングが示されている。
【０１０７】
単位画素１３Ｃに入射した光は、第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２、第３の光電変換部５３で光電変換され、信号電荷として蓄積される。
【０１０８】
まず、時刻ｔ７０〜ｔ７１において、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ６５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン６４をリセットする。
【０１０９】
このリセット動作後、時刻ｔ７２〜ｔ７３において、第３走査パルスＴＲＡＮＳ３をハイレベルにすることにより第３のトランジスタ６３をＯＮ状態にすることで、第３の光電変換部５３に蓄積されている信号電荷をフローティングディフュージョン６４に転送する。フローティングディフュージョン６４で信号電荷は電圧信号に変換され、第５のトランジスタ６６のゲートに印加される。
【０１１０】
次に、時刻ｔ７４〜ｔ７５において、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選択パルスＳＥＬＥＣＴをハイレベルにすることで第６のトランジスタ６７をＯＮ状態にする。よって、第５のトランジスタ６６から電気信号が信号線６８に出力される。さらに、電気信号はノイズ除去回路１６により信号に混入してしまうノイズの除去処理を行い、アンプ回路１７から信号を出力する。
【０１１１】
第３の光電変換部５３の信号読出しが完了した後、時刻ｔ７６〜ｔ７７において、再度、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ６５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン６４をリセットする。
【０１１２】
このリセット動作後、時刻ｔ７８〜ｔ７９において、第２走査パルスＴＲＡＮＳ２をハイレベルにすることにより第２のトランジスタ６２をＯＮ状態にすることで、第２の光電変換部５２に蓄積されている信号電荷を第３の光電変換部５３に転送する。
【０１１３】
次いで、時刻ｔ８０〜ｔ８１において、第３走査パルスＴＲＡＮＳ３をハイレベルにすることにより第３のトランジスタ６３をＯＮ状態にすることで、第２の光電変換部５２で生成された信号電荷をフローティングディフュージョン６４に転送する。フローティングディフュージョン６４から出力までの動作は、上記の第３の光電変換部５３の信号読出しと同様の動作を行う。
【０１１４】
第２の光電変換部５２の信号読出しが完了した後、時刻ｔ８４〜ｔ８５において、再度、リセットパルスＲＳＴをハイレベルにすることにより第４のトランジスタ６５をＯＮ状態にし、フローティングディフュージョン６４をリセットする。
【０１１５】
このリセット動作後、時刻ｔ８６〜ｔ８７において、第１走査パルスＴＲＡＮＳ１をハイレベルにすることにより第１のトランジスタ６１をＯＮ状態にすることで、第１の光電変換部５１に蓄積されている信号電荷を第２の光電変換部５２に転送する。
【０１１６】
次いで、時刻ｔ８８〜ｔ８９において、第２走査パルスＴＲＡＮＳ２をハイレベルにすることにより第２のトランジスタ６２をＯＮ状態にすることで、第１の光電変換部５１で生成された信号電荷を第３の光電変換部５３に転送する。そして、第３のトランジスタ６３をＯＮ状態にすることで信号電荷をフローティングディフュージョン６４に転送する。フローティングディフュージョン６４から出力までの動作は、上記の第３の光電変換部５３の信号読出しと同様の動作を行う。
【０１１７】
上述の様に、本実施形態では、第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２からの信号読み出しにおいて、信号電荷を第３の光電変換部５３内を経由してフローティングディフュージョン６４へ順次転送することで、フローティングディフュージョン６４の面積を増加させることなく信号読出し回路６０を共有化することができる。このため、信号読出し回路６０の面積を大幅に削減でき、開口率を向上させることができる。また、複数の光電変換部からの信号読出し回路を微細画素内にレイアウトすることが可能となる。また、フローティングディフュージョン３４の面積を増加させることがないため、変換ゲインの減少も抑制することができる。
【０１１８】
本実施形態の固体撮像素子で信号読出し回路３０が形成された一方表面とは反対の面から光を入射させる裏面照射型を利用すれば、画素全面に信号読出し回路３０を形成できるため、画素サイズをさらに微細化することが可能である。
【０１１９】
次に、本実施形態に係る固体撮像素子における単位画素１３Ｃの断面構成について説明する。
【０１２０】
図９は本発明の第一の実施形態である、固体撮像素子の単位画素１３Ｃの断面模式図である。図９に示す単位画素１３Ｃは、半導体基板７０に形成された複数の単位画素１３Ｃと、複数の単位画素１３Ｃの各々に対応する第１の光電変換部５１と、第２の光電変換部５２と、第３の光電変換部５３と、フローティングディフュージョン６４とを備える。
【０１２１】
各光電変換部（第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２及び第３の光電変換部５３）は、半導体基板７０の深さ方向に積層されている。具体的には、第２の光電変換部５２は第１の光電変換部５１の上方に形成され、第３の光電変換部５３は、第１の光電変換部５１及び第２の光電変換部５２の上方に形成されている。つまり、各光電変換部は深さ方向に見て、互いに重なるように形成されている。
【０１２２】
半導体基板７０の表面上には、第１のトランジスタのゲート７１と、第２のトランジスタのゲート７２と、第３のトランジスタのゲート７３が形成されている。なお、図９では、半導体基板７０の表面から第３の光電変換部５３、第２の光電変換部５２、第１の光電変換部５１の順に積層した構造を一例として示したが、積層の順序はこれに限らない。
【０１２３】
第１の光電変換部５１は第２の光電変換部５２よりも接合容量が小さく、第２の光電変換部５２は第３の光電変換部５３よりも接合容量が小さいことが好ましい。これは、各光電変換部の接合容量に差を設けることで、信号電荷の転送を容易にすることができるためである。また、信号電荷の転送はゲート直下で行われるため、各光電変換部で生成した信号電荷をゲートが形成される表面側へ集める必要がある。そこで、各光電変換部内に表面に向かって不純物濃度が高くなるような濃度勾配を形成することで信号電荷の収集が容易になる。このため、半導体基板７０の表面から接合容量の大きい順に光電変換部を積層すると上述の濃度勾配を形成しやすくすることができる。
【０１２４】
また、正確には、第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２及び第３の光電変換部５３は、第１導電型の半導体基板に形成された半導体領域であって、第１導電型とは反対導電型の第２導電型の半導体領域と、第１導電型の半導体基板との界面とを含む。図９においては、説明を簡略化するために、第２導電型の半導体領域を第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２及び第３の光電変換部５３として図示している。なお、以下の明細書において、各光電変換部の領域のうち第２導電型の半導体領域を、第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２及び第３の光電変換部５３として説明している場合がある。
【０１２５】
第１の光電変換部５１と第２の光電変換部５２と第３の光電変換部５３は互いに接続して混色が発生しないよう、光電変換部間に各光電変換部と反対導電型である第１の半導体領域７４が形成されていることが好ましい。単位画素１３Ｃの半導体基板７０の表面近傍には、半導体基板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に、各光電変換部を半導体基板内に埋め込むための、各光電変換部の第１導電型と反対導電型で、且つ、高濃度の第２の半導体領域が形成されていても良い。
【０１２６】
本実施形態の固体撮像素子でＲＧＢ三原色での出力を行う場合、単位画素１３Ｃに光が入射すると、第１の光電変換部５１、第２の光電変換部５２及び第３の光電変換部５３の各々で信号電荷が生成される。光はその波長に応じて半導体基板７０内での吸収係数が異なる特性を有しているため、各光電変換部が形成される半導体基板７０の深さに応じた分光出力がそれぞれ得られる。この分光出力を基に演算処理を行うことで、ＲＧＢ三原色での出力を取得することができる。ここで各光電変換部からの分光出力のピーク波長をＢ、Ｇ、Ｒ領域の波長に対応させることで演算処理を簡単にすることも可能である。
【０１２７】
例えば、表面照射型の場合、第３の光電変換部５３を半導体基板７０の表面から０．７ｕｍの範囲、第２の光電変換部５２を半導体基板７０の０．７〜１．５ｕｍの範囲、第１の光電変換部５１を半導体基板７０の１．５〜３．０ｕｍの範囲でそれぞれ形成すると、各光電変換部からの分光出力のピーク波長をＢ、Ｇ、Ｒ領域の波長にそれぞれ対応させることができる。また、裏面照射型の場合では、第３の光電変換部５３を半導体基板７０の表面から１．５ｕｍの範囲、第２の光電変換部５２を半導体基板７０の１．５〜２．３ｕｍの範囲、第１の光電変換部５１を半導体基板７０の２．３〜３．０ｕｍの範囲でそれぞれ形成すると、各光電変換部からの分光出力のピーク波長をＢ、Ｇ、Ｒ領域の波長にそれぞれ対応させることができる。
【０１２８】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像素子は、第一の実施形態に係る固体撮像素子１０における単位画素１３Ａと比較して、第３の光電変換部５３及び第３のトランジスタ６３が、第２のトランジスタ６２とフローティングディフュージョン６４との間に挿入され、第２のトランジスタ６２は、第３の光電変換部５３及び第３のトランジスタ６３を介して、フローティングディフュージョン６４に第１の光電変換部５１で生成された信号電荷及び第２の光電変換部５２で生成された信号電荷を転送する。
【０１２９】
なお、本実施形態に係る固体撮像素子における、第１の光電変換部５１は本発明の第１光電変換部であり、第２の光電変換部５２は本発明の第２光電変換部であり、第３の光電変換部５３は本発明の第３光電変換部であり、第１のトランジスタ６１は本発明の第１転送トランジスタであり、第２のトランジスタ６２は本発明の第２転送トランジスタであり、第３のトランジスタ６３は本発明の第３転送トランジスタである。
【０１３０】
以上、本発明に係る固体撮像素子について、実施形態に基づき説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明は、高解像のビデオカメラやデジタルカメラ等に利用できる。
【符号の説明】
【０１３２】
１１      画素部
１２      周辺回路部
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ      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、５１      第１の光電変換部
２２、５２      第２の光電変換部
２３、５３      第３の光電変換部
３０Ａ、３０Ｂ、６０      信号読み出し回路
３１、６１      第１のトランジスタ
３２、６２      第２のトランジスタ
３３、６３      第３のトランジスタ
３４、６４      フローティングディフュージョン
３５、６５      第４のトランジスタ
３６、６６      第５のトランジスタ
３７、６７      第６のトランジスタ
３８、６８      信号線
４０、７０      半導体基板
４１、７１      第１のトランジスタのゲート
４２、７２      第２のトランジスタのゲート
４３、７３      第３のトランジスタのゲート
４４、７４      第１の半導体領域
【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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