(57)【要約】【課題】１種類の色フィルタにより波長選択された原色光を光電変換するイメージセンサでは、混色が発生する。２種類以上のフィルタにより所望の原色光の分光特性を向上したイメージセンサは、斜め光や位置ずれの問題がある。【解決手段】シリコン基板１１の光吸収特性を利用して、各原色光用画素の光電変換領域１２Ｂ、１２Ｇ、１２Ｒは、入射する原色光に対する分光特性が互いに略同一となるように、入射する原色光の波長領域におけるシリコンの光吸収特性に応じた深さでシリコン基板１１に形成される。これにより、各原色光用画素に入射する光の波長選択性を向上でき、また、色フィルタは各原色光において１４Ｂ、１４Ｇ、１４Ｒの１種類であるため、斜め光や位置ずれの問題を解決できる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光から第１の色フィルタにより波長選択された第１の原色光を光電変換する第１の原色光用画素と、入射光から第２の色フィルタにより波長選択された第２の原色光を光電変換する第２の原色光用画素と、入射光から第３の色フィルタにより波長選択された第３の原色光を光電変換する第３の原色光用画素とが、二次元マトリクス状又は一次元直線状に複数配列されたイメージセンサにおいて、
前記第１の原色光用画素、前記第２の原色光用画素及び前記第３の原色光用画素のそれぞれは、入射する原色光に対する分光特性が互いに略同一となるように、入射する原色光の波長領域におけるシリコンの光吸収特性に応じた深さでシリコン基板に形成されてなることを特徴とするイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイメージセンサに係り、特にフォトダイオードを用いたカラーのイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（電荷転送素子）やＣＭＯＳイメージャなどの半導体を用いて、カラーのイメージセンサを作るときには、画素毎にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色光のうち各原色光透過用フィルタの配置を、例えば図４に示すように、互いに異なる原色光透過用フィルタが隣接するような所謂市松パターンに設定し、露光マスクなどを用いてフィルタを印刷、配置することにより構成する。
【０００３】
しかしながら、このような原色光透過用フィルタの分光特性は、例えば、特許文献１に記載されているように、所定値以上の分光透過率が得られる波長領域がかなり広がった特性であり、Ｂ透過用フィルタとＧ透過用フィルタの間、及びＧ透過用フィルタとＲ透過用フィルタの間は所定値以上の分光透過率が得られる波長領域がかなり重なっている。この結果、各色が交じり合う混色を起こし、カラー信号の劣化を引き起こしている。
【０００４】
そこで、このような混色を避けるために、上記の特許文献１記載の発明のように、図５において、分光特性が点線Ｉで示される第１のフィルタと、分光特性が一点鎖線ＩＩで示される第２のフィルタとを組み合わせて、実線ＩＩＩで示すような特定の波長に急峻なピークを持つような合成されたフィルタを設計する方法が考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１２７４０８号公報（図３４、図３７）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１記載の従来のイメージセンサでは、カラーのイメージセンサを構成する場合は、図６に示すように、シリコン基板１上に形成されたＢ用画素２Ｂ、Ｇ用画素２Ｇ、Ｒ用画素２Ｒの各上方に、配線層及び層間膜３を介して第１のＢ用フィルタ５Ｂ、第１のＧ用フィルタ５Ｇ、第１のＲ用フィルタ５Ｒを設け、更にそれらの上方に層間膜４を介して第２のＢ用フィルタ７Ｂ、第２のＧ用フィルタ７Ｇ、第２のＲ用フィルタ７Ｒを設け保護膜６で被覆する構成とされる。
【０００７】
ここで、上記の第１のＢ用フィルタ５Ｂと第２のＢ用フィルタ７Ｂとは、Ｂ用画素２Ｂに対して垂直方向に整列して配置されており、互いに異なる２種類の分光特性を有し、点線ＩＶで示す垂直方向の経路で入射する正常な光に対しては前述した青色光の波長に対して急峻なピークを持つような合成されたフィルタ特性を付与する。
【０００８】
同様に、上記の第１のＧ用フィルタ５Ｇと第２のＧ用フィルタ７Ｇとは、Ｇ用画素２Ｇに対して垂直方向に整列して配置されており、互いに異なる２種類の分光特性を有し、それらを組み合わせると緑色光の波長に対して急峻なピークを持つような合成フィルタ特性を有し、上記の第１のＲ用フィルタ５Ｒと第２のＲ用フィルタ７Ｒとは、Ｒ用画素２Ｒに対して垂直方向に整列して配置されており、互いに異なる２種類の分光特性を有し、それらを組み合わせると赤色光の波長に対して急峻なピークを持つような合成フィルタ特性を有する。
【０００９】
しかしながら、図６に示した構造の従来のイメージセンサでは、同図に一点鎖線Ｖで示すように、Ｂ用画素２Ｂに斜めに光が入射した場合、本来通過すべきＢ用フィルタ７ＢではなくＧ用フィルタ７Ｇを光が通過しているため、青色光の波長に対して急峻なピークを持つように合成されたフィルタ特性が得られず、Ｂ用画素２Ｂにとっては無駄な波長域の光が入射し、Ｂ用画素２Ｂにより得られるＢ信号にノイズが発生し、Ｓ／Ｎが劣化する。これは、他のＧ用画素２Ｇ、Ｒ用画素２Ｒに斜めに光が入射した場合も同様である。
【００１０】
また、従来のイメージセンサでは、２種類のフィルタ間やフィルタと画素間の位置ずれがあると、一方のフィルタしか通過しない光があり、分光特性が劣化し、撮像して得られる原色信号の劣化などの不具合が生じる。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、従来とは別の原理に基づいて、より波長選択性の高く混色の少ない分光特性を高めたイメージセンサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、入射光から第１の色フィルタにより波長選択された第１の原色光を光電変換する第１の原色光用画素と、入射光から第２の色フィルタにより波長選択された第２の原色光を光電変換する第２の原色光用画素と、入射光から第３の色フィルタにより波長選択された第３の原色光を光電変換する第３の原色光用画素とが、二次元マトリクス状又は一次元直線状に複数配列されたイメージセンサにおいて、第１の原色光用画素、第２の原色光用画素及び第３の原色光用画素のそれぞれは、入射する原色光に対する分光特性が互いに略同一となるように、入射する原色光の波長領域におけるシリコンの光吸収特性に応じた深さでシリコン基板に形成されてなる構成としたものである。
【００１３】
この発明では、シリコンの光吸収特性が３つの原色光の各波長領域に応じて各々所定の光吸収特性を持つことを利用し、各原色光用画素のそれぞれを、入射する原色光に対する分光特性が互いに略同一となるように、入射する原色光の波長領域におけるシリコンの光吸収特性に応じた深さでシリコン基板に形成するようにしたため、各原色光用画素に入射する光の波長選択性を向上でき、また、シリコン基板表面に対して斜め方向から入射する光に対しても、一つの色フィルタを透過した光とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明になるイメージセンサの一実施の形態の構造断面図を示す。同図において、シリコン基板１１には、水平方向（基板表面に対して平行方向）の互いに異なる位置に、Ｂ用光電変換領域１２Ｂと、Ｇ用光電変換領域１２Ｇと、Ｒ用光電変換領域１２Ｒとが互いに異なる深さで形成されている。
【００１５】
ここで、後述する理由により、Ｂ用光電変換領域１２Ｂは、シリコン基板１１の表面から深さＤ１で形成され、Ｇ用光電変換領域１２Ｇは、シリコン基板１１の表面から深さＤ１〜（Ｄ１＋Ｄ２）の範囲内に形成されている。また、Ｒ用光電変換領域１２Ｒは、シリコン基板１１の表面から深さ（Ｄ１＋Ｄ２）〜（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）の範囲内に形成されている。
【００１６】
上記のＢ用光電変換領域１２Ｂと、Ｇ用光電変換領域１２Ｇと、Ｒ用光電変換領域１２Ｒとが形成されたシリコン基板１１上には、配線層及び層間膜１３が形成され、更にその配線層及び層間膜１３上に、Ｂ用フィルタ１４Ｂ、Ｇ用フィルタ１４Ｇ及びＲ用フィルタ１４Ｒが、それぞれ対応するＢ用光電変換領域１２Ｂ、Ｇ用光電変換領域１２Ｇ及びＲ用光電変換領域１２Ｒと垂直方向に整列するように配置形成されている。Ｂ用フィルタ１４Ｂは、入射光から青色光を波長選択するフィルタであり、Ｇ用フィルタ１４Ｇは、入射光から緑色光を波長選択するフィルタであり、Ｒ用フィルタ１４Ｒは、入射光から赤色光を波長選択するフィルタであり、これらは共通の透光性の保護膜１５により被覆されて保護される。
【００１７】
ここで、本実施の形態は、３つの原色光の各フィルタ、すなわちＢ用フィルタ１４Ｂ、Ｇ用フィルタ１４Ｇ及びＲ用フィルタ１４Ｒと共に、シリコン基板１１の光吸収特性を利用して、各原色光用のフィルタの分光特性を向上させるようにした点に特徴がある。
【００１８】
すなわち、シリコンの光吸収特性は、図２にＳｉで示す特性であることが文献（米津宏雄著，「光通信素子光学」，工学図書，ｐ．３２３）により既に知られている。縦軸が吸収係数、横軸が波長を示す図２のシリコンの光吸収特性Ｓｉから、入射光が波長毎にどの程度シリコン基板に入るかが分かる。そこで、本実施の形態では、このシリコンの光吸収特性を利用し、各原色光用のフォトダイオードに波長選択性を持たせるようにしたものである。
【００１９】
ここで、通常、イメージセンサのフォトダイオード（光電変換領域）の特性は、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素で同じであるので、図２では３原色光の波長領域のうち、波長０．４５μｍ付近を中心とする青色光波長領域の吸収係数が最も大きく、波長０．６４μｍ付近を中心とする赤色光波長領域の吸収係数が最も小さく、波長０．５３μｍ付近を中心とする緑色光波長領域の吸収係数がそれらの中間であることを示していることに鑑み、図１に示すように、シリコン基板１１において吸収係数が最も大きな青色光が入射するＢ用光電変換領域１２Ｂを最も浅く形成し、吸収係数が最も小さな赤色光が入射するＲ用光電変換領域１２Ｒを一番深く形成し、Ｇ用光電変換領域１２Ｇはその中間の深さで形成する。
【００２０】
深さの値はＲ，Ｇ，Ｂのピーク波長をどこにとるかによるが、図１では例えば、Ｄ１は０〜０．５μｍ、Ｄ２は０．５〜１．２μｍ、Ｄ３は１．２〜３．０μｍなどのように設定してある。
【００２１】
これにより、本実施の形態によれば、Ｂ用光電変換領域１２ＢにはＢ用フィルタ１４Ｂ及びシリコン基板１１の光吸収特性との組合せにより、青色光の波長に対して急峻なピークを持つようなフィルタ特性が付与された青色光が入射して光電変換される。同様に、Ｇ用光電変換領域１２ＧにはＧ用フィルタ１４Ｇ及びシリコン基板１１の光吸収特性との組合せにより、緑色光の波長に対して急峻なピークを持つようなフィルタ特性が付与された緑色光が入射して光電変換され、Ｒ用光電変換領域１２ＲにはＲ用フィルタ１４Ｒ及びシリコン基板１１の光吸収特性との組合せにより、赤色光の波長に対して急峻なピークを持つようなフィルタ特性が付与された赤色光が入射して光電変換される。
【００２２】
従って、本実施の形態によれば、各原色光用画素に入射する光の波長選択性が向上するため、１種類の原色光選択用フィルタを使用した従来のイメージセンサと比較して混色の影響を低減できる。また、図１に示すように、本実施の形態では、原色光選択用フィルタは１層のみであるため、斜め入射光は異なる複数の原色光選択用フィルタを通過して光電変換領域に入射することはなく、斜め入射光の問題を解決でき、また、位置ずれの問題も生じない。
【００２３】
次に、本実施の形態のイメージセンサの製造方法について、図３の各工程での素子断面図と共に説明する。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。通常、ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージャなどではＰ型基板にＮ型の光電変換領域を設けることが多い。そこで、図１のイメージセンサを実現するには、図３のようにＮ型の不純物とＰ型の不純物の注入を行い、Ｎ型の深さを調整する。図３の構成は、Ｎ型層に光電変換で発生した電荷をＮ−ＭＯＳＦＥＴで別の拡散層に移動させる、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージャでよく行う構成である。
【００２４】
まず、図３（Ａ）に示すように、Ｐ型シリコン基板１１上全面にゲート酸化膜２４を被覆し、その上に全面に例えば多結晶ポリシリコンを形成した後、ゲート電極２５１、２５２、２５３となる多結晶ポリシリコンとその下の酸化膜２４を除いて、多結晶ポリシリコン及び酸化膜２４をエッチング除去する。その後、イオン注入によってＰ型シリコン基板１１に深さＤ１のＮ型拡散層２１１、深さ（Ｄ１＋Ｄ２）のＮ型拡散層２１２、深さ（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）のＮ型拡散層２１３をそれぞれ形成し、また、同一深さのＮ型拡散層（又はＣＣＤ転送路）２２１、２２２、２２３を形成する。ここで、異なる深さのＮ型拡散層２１１、２１２、２１３は、注入エネルギーと注入量、熱拡散時間、熱拡散温度などを調整することにより、既知の方法で容易に所望の深さに形成することができる。
【００２５】
続いて、図３（Ｂ）に示すように、Ｎ型拡散層２１２、２１３の表面にシリコン基板１１よりも高濃度のＰ型不純物をイオン注入してＰ＋拡散領域２６１、２６２を形成する。ここで、Ｐ型不純物の注入エネルギーと注入量、熱拡散時間、熱拡散温度などを調整することにより、既知の方法でＰ＋拡散領域２６１、２６２をそれぞれ深さＤ１、（Ｄ１＋Ｄ２）で形成することができる。
【００２６】
そして、図３（Ｃ）に示すように、シリコン基板１１上に配線層と層間膜１３を被覆し、その上のＮ型拡散層２１１、２１２、２１３に対応した位置にＢ用フィルタ１４Ｂ、Ｇ用フィルタ１４Ｇ、Ｒ用フィルタ１４Ｒを公知の方法で形成し、最後に保護膜１５で被覆してイメージセンサの製造を完了する。ここで、Ｎ型拡散層２１１、２１２、２１３は、図１に示したＢ用光電変換領域１２Ｂ、Ｇ用光電変換領域１２Ｇ、Ｒ用光電変換領域１２Ｒに相当し、Ｐ型シリコン基板１１とフォトダイオードを構成している。このようにして、各原色の画素はより波長選択性が増し、混色の影響を減らすことが可能な本実施の形態のイメージセンサを製造できる。
【００２７】
なお、本発明は、３原色光を別々に光電変換する３種類の画素を、図４に示したような二次元マトリクス状に配置した構成のイメージセンサ、及び一次元直線状に配置した構成のイメージセンサのいずれにも適用できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各原色光用画素のそれぞれを、入射する原色光に対する分光特性が互いに略同一となるように、入射する原色光の波長領域におけるシリコンの光吸収特性に応じた深さでシリコン基板に形成することにより、各原色光用画素に入射する光の波長選択性を向上したため、混色の影響を低減でき、また、各原色光用画素に入射する原色光を波長選択する色フィルタは１種類であるため、２種類以上の色フィルタの合成分光特性により所望の原色光を得る従来のイメージセンサのような、斜め入射光や色フィルタの位置ずれによる原色信号のＳ／Ｎの劣化などの問題が発生しないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構造断面図である。
【図２】シリコンの光吸収特性の説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態の製造方法を説明する各工程での素子断面図である。
【図４】イメージセンサの各原色光透過用フィルタの配置説明図である。
【図５】２つのフィルタの各分光特性図とそれらを合成した分光特性図である。
【図６】従来のイメージセンサの構造断面図及び課題説明図である。
【符号の説明】
１１  Ｐ型シリコン基板
１２Ｂ  Ｂ用光電変換領域
１２Ｇ  Ｇ用光電変換領域
１２Ｒ  Ｒ用光電変換領域
１３  配線層及び層間膜
１４Ｂ  Ｂ用フィルタ
１４Ｇ  Ｇ用フィルタ
１４Ｒ  Ｒ用フィルタ
１５  保護膜
２１１、２１２、２１３  Ｎ型拡散層
２２１、２２２、２２３  拡散層又はＣＣＤ転送路
２５１、２５２、２５３  ゲート電極
【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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