(57)【要約】【課題】長波長光を受光して得た信号電荷を転送している際に、その信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題を解決する。【解決手段】光電変換部と電荷転送部とが積層構造を有する固体撮像素子であって、前記光電変換部は、第１光電変換部２１と前記第１光電変換部２１が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部２２とがポテンシャル障壁部１２を介して隣接して配置され、前記第１光電変換部２１下には、前記第１光電変換部２１で生成した電荷を前記第２光電変換部２２下に設けられた電荷転送部５０に移送する読み出しゲート４２が備えられているものである。【選択図】        図１
2004207413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と電荷転送部とが積層構造を有する固体撮像素子であって、
前記光電変換部は、第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁部を介して隣接して配置され、
前記第１光電変換部下には、前記第１光電変換部で生成した電荷を前記第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送する読み出しゲートが備えられている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１光電変換部は赤色の光もしくは緑色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は青色の光を光電変換するものからなる
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】
前記第１光電変換部は赤色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は緑色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
光電変換部と電荷転送部とが積層構造を有する固体撮像素子であって、
前記光電変換部は、第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁部を介して隣接して配置され、
前記第１光電変換部下には第１電荷転送部が配置され、
前記第１光電変換部の側部には前記第１光電変換部で光電変換された電荷を前記第１電荷転送部に移送する第１読み出しゲートが配置され、
前記第２光電変換部下には第２電荷転送部が配置され、
前記第２光電変換部の側部には前記第２光電変換部で光電変換された電荷を前記第２電荷転送部に移送する第２読み出しゲートが配置され、
前記第１電荷転送部と前記第２電荷転送部との間には前記第１電荷転送部に蓄積された電荷を前記第２電荷転送部に移送する転送ゲートが備えられている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１光電変換部は赤色の光もしくは緑色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は青色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１光電変換部は赤色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は緑色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
【請求項７】
第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁を介して隣接して配置され、
前記第１光電変換部下には、前記第１光電変換部で生成した電荷を前記第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送する読み出しゲートが備えられ、
前記第２光電変換部下には電荷転送部が備えられている固体撮像素子の電荷転送方法であって、
前記第１光電変換部で光電変換により生成された電荷は、前記読み出しゲートにより前記電荷転送部に移送され、さらに前記電荷転送部により転送される
ことを特徴とする固体撮像素子の電荷転送方法。
【請求項８】
前記第１光電変換部は赤色の光もしくは緑色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は青色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の電荷転送方法。
【請求項９】
前記第１光電変換部は赤色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は緑色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像素子の電荷転送方法。
【請求項１０】
第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁部を介して隣接して配置され、
前記第１光電変換部下には第１電荷転送部が配置され、
前記第１光電変換部の側部には前記第１光電変換部で光電変換された電荷を前記第１電荷転送部に移送する第１読み出しゲートが配置され、
前記第２光電変換部下には第２電荷転送部が配置され、
前記第２光電変換部の側部には前記第２光電変換部で光電変換された電荷を前記第２電荷転送部に移送する第２読み出しゲートが配置され、
前記第１電荷転送部と前記第２電荷転送部との間には前記第１電荷転送部に蓄積された電荷を前記第２電荷転送部に移送する転送ゲートが備えられている固体撮像素子の電荷転送方法であって、
前記第１光電変換部で光電変換により生成された電荷は、前記第１読み出しゲートにより前記第１電荷転送部に移送され、さらに前記転送ゲートにより前記第２電荷転送部に転送され、さらに前記第２電荷転送部により転送される
ことを特徴とする固体撮像素子の電荷転送方法。
【請求項１１】
前記第１光電変換部は赤色の光もしくは緑色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は青色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の電荷転送方法。
【請求項１２】
前記第１光電変換部は赤色の光を光電変換するものからなり、
前記第２光電変換部は緑色の光を光電変換するものからなる
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子の電荷転送方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子および電荷転送方法に関し、詳しくは赤色センサ部で発生するスミアの低減を図った固体撮像素子および電荷転送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体を用いた最近の固体撮像素子は、画素素子のサイズを縮小化することにより、チップ面積が縮小され、またチップ単価が安くなり、さらに撮像装置（カメラシステム）自体の大きさも縮小することができていた。
【０００３】
撮像素子は、レンズから入射する光を信号電荷に変換する光電変換装置と、信号電荷を出力電圧に変換するアンプまで届ける転送ＣＣＤ（Charge Coupled Device）から主に構成される。撮像素子中の１つの画素セルは、光電変換装置と転送ＣＣＤが横に配置されるのが典型的である。しかしながら、上記配置で画素素子のサイズを縮小化することは、製造上、難しくなってきている。それを解決すべく、最近、上部に光電変換装置を形成し、下部に転送ＣＣＤを形成する積層構造の固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５７３３７号公報（第３−４頁、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、ＲＧＢ（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）の各画素は赤・緑・青の各画素に対応する転送ＣＣＤを分け隔てず、光電変換素子下に形成している。そのため、ＲＧＢの画素のうち、赤色などの長波長光は光電変換装置を突き抜け、転送ＣＣＤに光が進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題が発生する。そこで、光電変換部の深さをパラメータとして、転送ＣＣＤの半導体領域の深さに対するスミアの発生率を調べた。その結果を図９に示す。図９では、光電変換部の深さをパラメータとし、縦軸にスミアの発生率（累積発生率）を示し、横軸に転送ＣＣＤの半導体領域の深さを示した。また図９の（１）には波長が７００ｎｍの赤色光の場合を示し、図９の（２）には波長が５５０ｎｍの緑色光の場合を示した。例えば、光電変換部の深さＸ＝５μｍで、転送ＣＣＤの半導体領域の深さΔＸ＝０．５μｍの構造では、波長が７００ｎｍ（赤色）の光に対しては図９の（１）に示すようにスミアの発生率は４％近くになり、一方、波長が５５０ｎｍ（緑色）の光に対しては図９の（２）に示すようにスミアの発生率は１％程度であった。このように、赤色の光に対して、スミアの発生率が非常に高くなることがわかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた固体撮像素子および電荷転送方法である。
【０００７】
本発明の第１固体撮像素子は、光電変換部と電荷転送部とが積層構造を有する固体撮像素子であって、前記光電変換部は、第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁部を介して隣接して配置され、前記第１光電変換部下には、前記第１光電変換部で生成した電荷を前記第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送する読み出しゲートが備えられているものである。
【０００８】
上記第１固体撮像素子では、例えば赤色（緑色）光のような長波長の光は、長波長の光のみを受光する第１光電変換部で光電変換により信号電荷に変換され、この信号電荷は読み出しゲートにより第１光電変換部の受光波長よりも短い波長の光（例えば青色光）を受光する第２光電変換部下に形成された電荷転送部に移送され、さらにこの電荷転送部により転送される。したがって長波長の光を受光する第１光電変換部下では長波長光の電荷転送を行わないので、従来のように、赤色などの長波長光が光電変換部下に突き抜けたとしても、長波長光の電荷を転送する電荷転送部に長波長光が進入しない。このため、長波長光の電荷を転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題が発生しなくなる。
【０００９】
本発明の第２固体撮像素子は、光電変換部と電荷転送部とが積層構造を有する固体撮像素子であって、前記光電変換部は、第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁部を介して隣接して配置され、前記第１光電変換部下には第１電荷転送部が配置され、前記第１光電変換部の側部には前記第１光電変換部で光電変換された電荷を前記第１電荷転送部に移送する第１読み出しゲートが配置され、前記第２光電変換部下には第２電荷転送部が配置され、前記第２光電変換部の側部には前記第２光電変換部で光電変換された電荷を前記第２電荷転送部に移送する第２読み出しゲートが配置され、前記第１電荷転送部と前記第２電荷転送部との間には前記第１電荷転送部に蓄積された電荷を前記第２電荷転送部に移送する転送ゲートが備えられているものである。
【００１０】
上記第２固体撮像素子では、例えば赤色（緑色）光のような長波長光は、長波長光のみを受光する第１光電変換部で光電変換により信号電荷に変換され、この信号電荷は第１読み出しゲートにより第１電荷転送部に移送蓄積され、所定のタイミングにより転送ゲートにより短波長（青色）光を受光する第２光電変換部下に設けられた第２電荷転送部に移送され、さらに第２電荷転送部により例えば最終段に転送される。一方、第１光電変換部の受光波長よりも短い波長の光は、第２光電変換部で光電変換により信号電荷に変換され、第２電荷転送部で電荷転送を行っていないタイミングにおいて、この信号電荷は第２読み出しゲートにより第２電荷転送部に移送され、第２電荷転送部により例えば最終段に転送される。したがって長波長の光を受光する第１光電変換部下では電荷転送を行わないので、従来のように、赤色（緑色）光などの長波長光が第１光電変換部下まで突き抜けて電荷転送部に進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題が発生しなくなる。
【００１１】
本発明の固体撮像素子の第１電荷転送方法は、第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁を介して隣接して配置され、前記第１光電変換部下には、前記第１光電変換部で生成した電荷を前記第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送する読み出しゲートが備えられ、前記第２光電変換部下には電荷転送部が備えられている固体撮像素子の電荷転送方法であって、前記第１光電変換部で光電変換により生成された電荷は、前記読み出しゲートにより前記電荷転送部に移送され、さらに前記電荷転送部により転送される。
【００１２】
上記固体撮像素子の第１電荷転送方法では、例えば赤色（緑色）光のような長波長光は、長波長光のみを受光する第１光電変換部で光電変換により電荷に変換され、この電荷は読み出しゲートにより第１光電変換部の受光波長よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部下に形成された電荷転送部に移送され、さらにこの電荷転送部により転送される。したがって長波長の光を受光する第１光電変換部下では電荷転送を行わないので、従来のように、赤色などの長波長光が光電変換部を突き抜け、電荷転送部に光が進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題が発生しなくなる。
【００１３】
本発明の固体撮像素子の第２電荷転送方法は、第１光電変換部と前記第１光電変換部が受光する光よりも短い波長の光を受光する第２光電変換部とがポテンシャル障壁部を介して隣接して配置され、前記第１光電変換部下には第１電荷転送部が配置され、前記第１光電変換部の側部には前記第１光電変換部で光電変換された電荷を前記第１電荷転送部に移送する第１読み出しゲートが配置され、前記第２光電変換部下には第２電荷転送部が配置され、前記第２光電変換部の側部には前記第２光電変換部で光電変換された電荷を前記第２電荷転送部に移送する第２読み出しゲートが配置され、前記第１電荷転送部と前記第２電荷転送部との間には前記第１電荷転送部に蓄積された電荷を前記第２電荷転送部に移送する転送ゲートが備えられている固体撮像素子の電荷転送方法であって、前記第１光電変換部で光電変換により生成された電荷は、前記第１読み出しゲートにより前記第１電荷転送部に移送され、さらに前記転送ゲートにより前記第２電荷転送部に転送され、さらに前記第２電荷転送部により転送される。
【００１４】
上記固体撮像素子の第２電荷転送方法では、例えば赤色（緑色）光のような長波長光は、長波長光のみを受光する第１光電変換部で光電変換により信号電荷に変換され、この信号電荷は第１読み出しゲートにより第１電荷転送部に移送、蓄積され、所定のタイミングにより転送ゲートにより第２電荷転送部に移送され、さらに第２電荷転送部により例えば最終段に転送される。一方、第１光電変換部の受光波長よりも短い波長の光は、第２光電変換部で光電変換により信号電荷に変換され、第２電荷転送部で電荷転送を行っていないタイミングにおいて、この信号電荷は第２読み出しゲートにより第２電荷転送部に移送され、第２電荷転送部により例えば最終段に転送される。したがって長波長の光を受光する第１光電変換部下では電荷転送を行わないので、従来のように、赤色（緑色）光などの長波長光が光電変換部下まで突き抜け、電荷転送部に光が進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題が発生しなくなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１固体撮像素子およびその第１電荷転送方法に係る実施の形態を、図１（１）の平面レイアウト図および図１（２）の概略構成断面図によって説明する。
【００１６】
図１（１）に示すように、本発明の固体撮像素子では、一例として、赤色光を受光する第１光電変換部２１（赤色光電変換部２１Ｒ）と緑色光を受光する第１光電変換部２１（緑色光電変換部２１Ｇ）とが交互に例えば垂直転送方向に配列され、且つ一対の赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとに隣接して青色光を受光する第２光電変換部２２（青色光電変換部２２Ｂ）が配列されている。この配列は例えば垂直転送方向に配列されている。
【００１７】
上記固体撮像素子の構成において、本発明の電荷転送方法の基本形を説明する。本発明の電荷転送方法は、ＲＧＢ（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）の光のうち、赤色（場合によっては緑色も含む）光のような波長の長い光を受光して光電変換する赤色光電荷変換部２１Ｒ（または緑色光電変換部２１Ｇ）で光電変換された信号電荷を、赤色光もしくは緑色光よりも波長の短い光、例えば青色光を光電変換する青色光電変換部２２Ｂ下に設けられた電荷転送部（転送ＣＣＤ）へ移送し、さらにその信号電荷を青色光電変換部２２Ｂ下に設けられた電荷転送部（転送ＣＣＤ）で増幅器（図示せず）へ転送するという方法である。図面に示す矢印は信号電荷の転送方向を示すものである。
【００１８】
固体撮像素子においては、ＲＧＢ（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）のうち、通常、赤色（場合によっては緑色も含む）光のような長波長の光は半導体層からなる光電変換部をほとんど透過する。そこで上記固体撮像素子の電荷転送方法の基本形を実現するには、赤色光もしくは緑色光を受光する第１光電変換部２１（赤色光電変換部２１Ｒもしくは緑色光電変換部２１Ｇ）下には、電荷転送部を設けず、赤色（場合によっては緑色も含む）光のような波長の長い光を受光して光電変換する第１光電荷変換部２１（２１Ｒ、２１Ｇ）下に、青色光のような赤色光よりも波長の短い光を光電変換する第２光電変換部２２（青色光電変換部２２Ｂ）下に設けられた電荷転送部（転送ＣＣＤ）へ信号電荷を移送する読み出しゲートを設け、この読み出しゲートによって上記第１光電変換部２１Ｒ（または２１Ｇ）で光電変換により得られた信号電荷を上記電荷転送部に移送し、さらにその信号電荷を電荷転送部で増幅器（図示せず）へ転送するようにすればよい。
【００１９】
これは、青色光のような短波長の光は、ほとんど半導体表面で光電変換されるので、第２光電変換部２２下の電荷転送部（転送ＣＣＤ）に到達することは無く、そこで光電変換が行われて電荷が発生することが無いためである。したがって、赤色光の信号電荷は短波長（青色）光を受光する第２光電変換部２２下の電荷転送部を流れて、増幅器（図示せず）に転送されることになる。よって、赤色光に対して、電荷転送部に光が進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミアが発生することが防止される。
【００２０】
次に、上記本発明の第１電荷転送方法を実現する本発明の第１固体撮像素子に係わる実施の形態の構成について、図１の（２）の概略構成断面図によって説明する。図１の（２）では、一例として赤色光電変換部と青色光電変換部について説明する。なお、緑色光電変換部については、赤色光電変換部と置換えた構成となる。
【００２１】
図１の（２）に示すように、本発明の固体撮像素子の基本構成は、半導体層１１を備え、この半導体層１１には、長波長（例えば赤色）光ＬＬを受光して光電変換する第１光電変換部（赤色光電変換部２１Ｒ）と短波長（例えば青色）光ＬＳを受光して光電変換する第２光電変換部２２（青色光電変換部２２Ｂ）とがポテンシャル障壁部１２により区分されて隣接して配置されている。上記半導体層１１は、例えばＳＯＩ（Silicon on insulator）層で形成される。そして、赤色光電変換部２１Ｒ上には赤色フィルタ７１Ｒが形成され、図示はしないが緑色光電変換部上には緑色フィルタが形成され、青色光電変換部２２Ｂ上には青色フィルタ７１Ｂが形成されている。
【００２２】
例えば、前記図１（１）の平面レイアウト図に示すように、赤色光を受光する第１光電変換部２１（赤色光電変換部２１Ｒ）と緑色光を受光する第１光電変換部２１（緑色光電変換部２１Ｇ）とが交互に例えば垂直転送方向に配列され、且つ一対の赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとに隣接して青色光を受光する第２光電変換部２２（青色光電変換部２２Ｂ）が垂直転送方向に配列されている。
【００２３】
今、赤色光電変換部２１Ｒと青色光電変換部２２Ｂとに着目して以下に説明する。上記赤色光電変換部２１Ｒは半導体層１１の底部（Ｘ＋ΔＸ）まで深く形成され、この赤色光電変換部２１Ｒにポテンシャル障壁１２を介して隣接する青色光電変換部２２Ｂは半導体層１１の上部に形成されている。また、青色光電変換部２２Ｂ下の半導体層１１にはポテンシャル障壁１２を介して深さＸの位置より半導体層１１の底部まで厚さΔＸの電荷転送部のチャネル領域５１が形成されている。上記半導体層１１下には、絶縁膜（ゲート絶縁膜）３１を介して、赤色光電変換部２１Ｒ下に読み出しゲート４２が形成され、青色光電変換部２２Ｂ下に転送ゲート５３が形成されている。図示はしないが、緑色光を受光する光電変換部は、上記赤色光を受光する赤色光電変換部２１Ｒと同様な構成をとることができる。また、青色光電変換部２２Ｂの側部にはポテンシャル障壁１２、ゲート絶縁膜３５を介して青色光を読み出す縦型の読み出しゲート５２が形成されている。
【００２４】
上記構成では、赤色光（および緑色光）を受光する赤色光電変換部２１Ｒ（２１Ｇ）の直下には、ゲート絶縁膜３１を介して読み出しゲート４２が存在し、電荷転送部（転送ＣＣＤ）は存在しない。したがって、赤色（緑色）光を受光した赤色光電変換部２１Ｒ（緑色光電変換部２１Ｇ）は半導体層１１下まで光電変換領域が形成されており、この赤色光電変換部２１Ｒ（緑色光電変換部２１Ｇ）で光電変換されて得られた信号電荷は、埋め込み酸化膜（図示せず）中にある読み出しゲート４２で青色光電変換部２２Ｂ下に形成されている電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０に移さる（矢印ア方向）。さらにこの信号電荷は電荷転送部５０で例えば最終段まで転送される（矢印ウ方向）。
【００２５】
一方、青色光を受光する青色光電変換部２２Ｂで生成された信号電荷は、その左端にある縦型の読み出しゲート５２により、電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０に移される（矢印イ方向）。さらにこの電荷転送部５０で例えば最終段まで転送される（矢印ウ方向）。
【００２６】
次に、第１固体撮像素子の転送ゲート電極および読み出しゲート電極を、図２（１）の平面レイアウト図および図２（２）の概略構成断面図によって詳細に説明する。なお、図（２）は図（１）の主にゲート電極のＡ−Ａ線断面を示す。
【００２７】
図２に示すように、半導体層（例えばＳＯＩ層）１１にはＲＧＢの各色をそれぞれに受光する赤色光電変換部２１Ｒ、緑色光電変換部２１Ｇ、青色光電変換部２２Ｂが図示されないポテンシャル障壁により区分されて配置されている。すなわち、赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとは交互に垂直転送方向に配列されており、赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとを一対にしたその横方向（水平転送方向）に青色光電変換部２２Ｂが備えられている。上記赤色光電変換部２１Ｒおよび緑色光電変換部２１Ｇが形成された半導体層１１下には絶縁膜（例えばゲート絶縁膜）を介して、赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとから電荷転送部（転送ＣＣＤ）への読み出しを可能とするもので垂直転送方向に延設された読み出しゲート４２（φＡ,φＢ，…）が設けられている。この読み出しゲートφＡ,φＢ，…に直交する水平転送方向には転送ゲート５３（φ１、φ２、…）が配置されている。この転送ゲートφ１、φ２、…は、青色光電変換部２２Ｂ下ではゲート絶縁膜３１を介して、赤色光電変換部２１Ｒおよび緑色光電変換部２１Ｇでは上記読み出しゲートφＡ,φＢ，…下に絶縁膜３７を介するようにして、連続的に配置されている。
【００２８】
上記構成の固体撮像素子１における信号電荷の読み出し例を以下に説明する。青色の信号電荷読み出し動作は、読み出しゲートφＡ、φＢに対して垂直な転送ゲートφ１、φ２、…を配置することによって可能となる。転送動作は水平方向に配設されている転送ゲートφ１、φ２、…の印加電圧を変化させることによって青色光電変換部２２Ｂ下の電荷転送部（転送ＣＣＤ）で行われる。緑色光電変換部２１Ｇや赤色光電変換部２１Ｒが形成される半導体層（例えばＳＯＩ層）１１直下には読み出しゲートφＡ、φＢが形成されていて、転送ゲートφ１，φ２は読み出しゲートφＡ、φＢを介して配置されているので、緑色、赤色の露光波長の光には影響されない。
【００２９】
次に、上記第１固体撮像素子の読み出し動作の一例を、図３のタイミングチャートによって説明する。
【００３０】
図３に示すように、読み出しゲートφＡがＯＮの時、例えば、緑色信号を読み出すときは、転送ゲートφ１，φ３（図示せず），…もＯＮであり、したがって、読み出しゲートφＡによって緑色光電変換部で光電変換されて生成された緑色信号は、転送ゲートφ１，φ３，…の電荷転送部に送られ、さらに転送ゲートφ１，φ３（図示せず），…によって図示はしない増幅器に転送される。また、赤色信号を読み出すときは、緑色信号を読み出した後、緑色信号に赤色信号が読み込まれないようにするために必要な所定時間Ｔをおいてから、転送ゲートφ２，φ４（図示せず），…がＯＮになっていて、読み出しゲートφＡによって赤色光電変換部で光電変換されて生成された赤色信号が電荷転送部に送られ、さらに転送ゲートによって図示はしない増幅器に転送される。
【００３１】
次に、本発明の第２固体撮像素子およびその第２電荷転送方法に係わる実施の形態の構成について、図４の概略構成断面図によって説明する。図４に示す構成例は、前記図１の（２）に示した構成とは異なり、赤（あるいは緑）の光電変換素子の下に転送ＣＣＤを有する構成である。図４では、一例として赤色光電変換部と青色光電変換部について説明する。
【００３２】
図４に示すように、本発明の第２固体撮像素子の基本構成は、半導体層１１を備え、この半導体層１１には、長波長（例えば赤色）光ＬＬを受光して光電変換する第１光電変換部２１（赤色光電変換部２１Ｒ）と短波長（例えば青色）光ＬＳを受光して光電変換する第２光電変換部２２（青色光電変換部２２Ｂ）とがポテンシャル障壁部１２により区分されて隣接して配置されている。上記半導体層１１は、例えばＳＯＩ（Silicon on insulator）層で形成される。そして、赤色光電変換部２１Ｒ上には赤色フィルタ７１Ｒが形成され、図示はしないが緑色光電変換部上には緑色フィルタが形成され、青色光電変換部２２Ｂ上には青色フィルタ７１Ｂが形成されている。
【００３３】
例えば、前記図１（１）の平面レイアウト図に示すように、赤色光を受光する第１光電変換部２１（赤色光電変換部２１Ｒ）と緑色光を受光する第１光電変換部２１（緑色光電変換部２１Ｇ）とが交互に例えば垂直転送方向に配列され、且つ一対の赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとに隣接して青色光を受光する第２光電変換部２２（青色光電変換部２２Ｂ）が垂直転送方向に配列されている。
【００３４】
今、赤色光電変換部２１Ｒと青色光電変換部２２Ｂとに着目して以下に説明する。半導体層１１の上部には、上記赤色光電変換部２１Ｒと、上記青色光電変換部２２Ｂとがポテンシャル障壁１２を介して隣接する状態に形成されている。また、赤色光電変換部２１Ｒ下の半導体層１１にはポテンシャル障壁１２を介してその半導体層１１の底部まで電荷保持転送部４０のチャネル領域４１が形成されている。また、青色光電変換部２２Ｂ下の半導体層１１にはポテンシャル障壁１２を介してその半導体層１１の底部まで電荷転送部のチャネル領域５１が形成されている。上記チャネル領域４１、５１間にはポテンシャル障壁１２が形成されている。
【００３５】
上記赤色光電変換部２１Ｒの側部にはポテンシャル障壁１２、ゲート絶縁膜３３を介して赤色光を読み出す縦型の第１読み出しゲート４５が形成されている。一方、上記青色光電変換部２２Ｂの側部にはポテンシャル障壁１２、ゲート絶縁膜３５を介して青色光を縦型の読み出す第２読み出しゲート５５が形成されている。
【００３６】
上記半導体層１１下には、絶縁膜（ゲート絶縁膜）３１を介して、赤色光電変換部２１Ｒ下に保持ゲート４３が形成され、青色光電変換部２２Ｂ下に転送ゲート５３が形成されている。さらに、保持ゲート４３と転送ゲート５３との間には赤色の電荷保持転送部４０から青色の電荷転送部５０へ電荷を転送する転送ゲート４７が形成されている。図示はしないが、緑色光を受光する光電変換部、電荷保持転送部は、上記赤色光を受光する赤色光電変換部２１Ｒ、電荷保持転送部４０と同様な構成をとることができる。
【００３７】
上記構成では、赤色光（および緑色光）を受光する赤色光電変換部２１Ｒ（２１Ｇ）の直下には、ポテンシャル障壁１２を介して電荷保持転送部４０（チャネル領域４１、ゲート絶縁膜３１および保持ゲート４３）が存在していて、垂直方向に電荷を転送する電荷転送部（転送ＣＣＤ）は存在しない。したがって、赤色（緑色）光を受光した赤色光電変換部２１Ｒ（緑色光電変換部２１Ｇ）では、光電変換により得られた赤色（緑色）信号を第１読み出しゲート４５により電荷保持転送部４０に移送し、一旦電荷保持転送部４０に蓄積する。そして、蓄積された信号電荷は、所定のタイミングで、転送ゲート４７により電荷保持転送部４０から青色の電荷転送部５０（チャネル領域５１、ゲート絶縁膜３１および転送ゲート５３）に移され（矢印ア方向）、さらにこの電荷転送部５０で例えば最終段まで転送される（矢印ウ方向）。
【００３８】
一方、青色光を受光する青色光電変換部２２Ｂで生成された信号電荷はその左端にある第２読み出しゲート５５により、電荷転送部５０に移され（矢印イ方向）、さらにこの電荷転送部５０で例えば最終段まで転送される（矢印ウ方向）。
【００３９】
次に、第２固体撮像素子の転送ゲート電極および読み出しゲート電極を、図５（１）の平面レイアウト図および図５（２）の概略構成断面図によって詳細に説明する。なお、図（２）は図（１）の主にゲート電極のＡ−Ａ線断面を示す。
【００４０】
図５に示すように、半導体層（例えばＳＯＩ層）１１にはＲＧＢの各色をそれぞれに受光する赤色光電変換部２１Ｒ、緑色光電変換部２１Ｇ、青色光電変換部２２Ｂが図示されないポテンシャル障壁により区分されて配置されている。すなわち、赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとは交互に垂直転送方向に配列されており、赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとを一対にしたその横方向（水平転送方向）に青色光電変換部２２Ｂが備えられている。
【００４１】
上記赤色光電変換部２１Ｒおよび緑色光電変換部２１Ｇが形成された半導体層１１下には、絶縁膜（例えばゲート絶縁膜）を介して、赤色光電変換部２１Ｒと緑色光電変換部２１Ｇとから読み出された電荷を一旦保持する電荷保持転送部４０の保持ゲート４３（Ｖｈ）が例えば垂直転送方向に設けられている。さらに赤色光電変換部２１Ｒおよび緑色光電変換部２１Ｇと青色光電変換部２２Ｂとの間の半導体層１１下には、絶縁膜（例えばゲート絶縁膜）を介して、上記保持ゲートＶｈと平行に、電荷保持転送部４０から青色光電変換部２２Ｂ下に形成されている電荷転送部５０へ電荷を転送する転送ゲート４７（φａ,φｂ，…）が設けられている。さらに、保持ゲートＶｈおよび転送ゲートφａ,φｂ，…に直交する水平転送方向には信号電荷を例えば最終段に転送する転送ゲート５３（φ１，φ２，…）が配置されている。この転送ゲートφ１，φ２，…は、青色光電変換部２２Ｂ下ではゲート絶縁膜３１を介して、赤色光電変換部２１Ｒおよび緑色光電変換部２１Ｇでは上記保持ゲートＶｈおよび転送ゲートφａ,φｂ，…下の絶縁膜３７を介するようにして、連続的に配置されている。
【００４２】
上記構成の固体撮像素子２における信号電荷の読み出し例を以下に説明する。青色の信号電荷読み出し動作は、保持ゲートＶｈ，Ｖｈ，…に対して垂直な転送ゲートφ１，φ２，…を配置することによって可能となる。転送動作は水平方向に配設されている転送ゲートφ１，φ２，…の印加電圧を変化させることによって青色光電変換部２２Ｂ下の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０で行われる。緑色光電変換部２１Ｇや赤色光電変換部２１Ｒが形成される半導体層（例えばＳＯＩ層）１１直下には保持ゲートＶｈ，Ｖｈ，…および転送ゲートφａ，φｂ，…が形成されていて、転送ゲートφ１，φ２，…は保持ゲートＶｈ，転送ゲートφａ，保持ゲートＶｈ，φｂ，…を介して配置されているので、緑色、赤色の露光波長の光には影響されない。
【００４３】
次に、上記第２固体撮像素子の読み出し動作の一例を、図６のタイミングチャートによって説明する。
【００４４】
図６に示すように、転送ゲートφａがＯＮの時、例えば、緑色信号を読み出すときは、転送ゲートφ１，φ３（図示せず），…もＯＮであり、したがって、緑色光電変換部で光電変換されて電荷保持転送部に保持されていた緑色信号が転送ゲートφａ，φｂ，…により転送ゲートφ１，φ３（図示せず），…の電荷転送部に送られ、さらに転送ゲートφ１，φ２，φ３（図示せず），…によって図示はしない増幅器に転送される。また、赤色信号を読み出すときは、緑色信号を読み出した後、緑色信号に赤色信号が読み込まれないようにするために必要な所定時間Ｔをおいてから、赤色信号の読み出し動作に入る。赤色信号の読み出しでは、転送ゲートφ２，φ４（図示せず），…がＯＮになっていて、転送ゲートφａによって赤色光電変換部で光電変換されて電荷保持転送部に保持されていた赤色信号が転送ゲートφ２，φ４（図示せず），…の電荷転送部に送られ、さらに転送ゲートφ１，φ２，φ３（図示せず），…によって図示はしない増幅器に転送される。
【００４５】
上記実施の形態の構成では、電荷転送部（転送ＣＣＤ部）にスミアによるノイズ信号電荷が発生する。しかしながら、青色の電荷転送部５０を流れる信号電荷には、電荷転送部５０に隣接した赤色（緑色）の電荷保持転送部４０からノイズが入ってこないので、信号が汚染されることは無い。
【００４６】
次に、本発明の第２固体撮像素子の別に電荷転送方法を、図７の平面レイアウト概略図によって説明する。なお、図中の矢印は電荷の転送方向を示す。
【００４７】
赤色光電変換部で光電変換して得た信号電荷は、赤色光電変換部下に形成されている電荷転送部を経由しなければ、青色領域の電荷転送部（転送ＣＣＤ）に行けない場合を説明する。この場合には、赤色の信号電荷を読み出す前にクリーニング動作を行い、赤色の電荷転送部のノイズ電荷を取り除く。すなわち、図７の（１）に示すように、赤色の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｒからノイズ信号電荷Ｎを青色領域の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｂに移動させ、そこから連続した青色領域の電荷転送部５０Ｂにより最終段に捨てる。この動作は、緑色の信号電荷についても赤色の信号電荷と同様である。すなわち、緑色の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｇからノイズ信号電荷Ｎを青色領域の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｂに移動させ、そこから連続した青色領域の電荷転送部５０Ｂにより最終段に捨てる。
【００４８】
次いで、図７の（２）に示すように、ノイズ信号電荷Ｎを除去後、直ちに赤色の読み出しゲートをＯＮし、赤色信号電荷ＳＲを赤色光電変換部から赤色の電荷転送部５０Ｒに移す。さらに赤色の電荷転送部５０ＲをＯＮして、青色領域の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｂに移動させ、そこから連続した青色領域の電荷転送部５０Ｂにより転送する。この動作は、緑色の信号電荷についても赤色の信号電荷と同様である。すなわち、ノイズ信号電荷Ｎを除去後、直ちに緑色の読み出しゲートをＯＮし、緑色信号電荷を緑色光電変換部から緑色の電荷転送部５０Ｇに移す。さらに緑色の電荷転送部５０ＧをＯＮして、青色領域の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｂに移動させ、そこから連続した青色領域の電荷転送部５０Ｂにより転送する。
【００４９】
なお、赤色や緑色の信号電荷が青色の電荷転送部５０Ｂにしか移らない場合には、基本的には上記クリーニング動作を行う必要は無い。その理由は、赤色（緑色）の電荷転送部５０Ｒ（５０Ｇ）にたまったノイズも、もともとは赤（緑）色光から作られた電荷なので、光電変換部で光電変換により得た電荷と電荷転送部にたまったノイズ電荷を足し合わせて信号電荷と考えればよいだけである。その後、その信号電荷を青色の電荷転送部（転送ＣＣＤ）５０Ｂに送れば、第１実施の形態で説明したものと同様になる。
【００５０】
ところで、図７の（３）に示すように、例えば、緑色光を緑色光電変換部５０Ｇで光電変換した後、順に、緑色電荷転送部（緑色転送ＣＣＤ）５０Ｇ、赤色電荷転送部（赤色転送ＣＣＤ）５０Ｒ、青色電荷転送部（青色転送ＣＣＤ）５０Ｂ、青色電荷転送部（青色転送ＣＣＤ）５０Ｂ、…というように、緑色の信号電荷ＳＧを、赤色電荷転送部５０Ｒを通して青色電荷転送部５０Ｂに送る場合には、一旦、赤色電荷転送部５０Ｒにあるノイズ電荷をクリーニングしてから送る必要がある。もしクリーニングを行わないと、緑色信号は赤色ノイズと混ざり合い汚染されることになる。
【００５１】
このように、赤（緑）色の電荷転送部（転送ＣＣＤ）を積極的に用いる場合、赤の信号電荷を読み出す前にクリーニング動作を行い、赤色の電荷転送部内のノイズ電荷を取り除く。すなわち、赤色の電荷転送部からノイズ信号電荷を青色の電荷転送部に移動させ、そこから連続した青色の電荷転送部により最終段に捨てる。
【００５２】
次に、上記第１固体撮像素子の製造方法の一例を図８の概略構成断面図によって説明する。
【００５３】
まず、図８の（１）に示すように、基板ＡとしてＳＯＩ基板３を用意し、その半導体層（ＳＯＩ層）４にトレンチ素子分離技術のような既知の素子分離技術にしたがって、素子分離領域（図示せず）を形成する。また、バルクの半導体基板を用いる場合には、所望のＳＯＩ層の膜厚に相当する深さに例えばトレンチ素子分離領域を形成すればよい。なお、ＳＯＩ基板を用いた場合で素子分離領域を形成する必要がない場合には上記素子分離領域は形成しない。
【００５４】
次いで、半導体層４に対して、図示はしないが、例えばイオン注入法によって、転送ゲート用埋め込みチャネル（例えばｎ型半導体領域）、ポテンシャル障壁（例えばｐ型チャネルストップ領域）等を形成する。
【００５５】
次いで、既知のゲート電極の形成技術にしたがって、半導体層４上にゲート絶縁膜３１を介して読み出しゲート４２（読み出しゲート電極）を形成する。この工程では、まずゲート絶縁膜３１を形成した後、ゲート電極用の多結晶シリコン膜を形成する。次いで、通常のレジストマスクを用いたリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて垂直転送方向に配設される読み出しゲート電極４２Ｇを形成する。次いで、不要なレジストを除去した後、読み出しゲート電極４２Ｇを被覆する絶縁膜を形成する。次いで、転送ゲート電極用の多結晶シリコン膜を形成する。次いで、通常のレジストマスクを用いたリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて水平転送方向に配設される転送ゲート電極（図示せず）を形成する。次いで、不要なレジストを除去する。また、青色の信号電荷を読み出すための縦型読み出しゲート（縦型読み出し電極）を形成する場合には、上記ゲート電極の形成に先立ち、半導体層４に上記縦型読み出し電極を配設するための溝を形成する。その後、溝内に例えば多結晶シリコンを埋め込むことにより、青色の信号電荷を読み出すための縦型読み出し電極（図示せず）を形成することができる。
【００５６】
その後、上記各ゲート電極を覆う層間絶縁膜６を成膜する。その後、化学的機械研磨（以下ＣＭＰという、ＣＭＰはChemical Mechanical Polishingの略）によって層間絶縁膜６表面の平坦化を行い、その平坦化した面をもう一つの基板Ｂに張り合わせる。その後、例えば１０００℃、１時間ほどのアニール処理により、脱水素結合させて、基板Ａと基板Ｂの張り合わせ結合を強固にする。
【００５７】
次に、基板Ａの裏面側を研削する。その後エッチングを行い、ＳＯＩ基板３の埋め込み酸化膜５と基板Ａのシリコンのエッチングレート差でエッチングを停止させる。このようにして、図８の（２）に示すように、ＳＯＩ基板３の埋め込み酸化膜５が露出される。次に、上記半導体層４に対し所望の不純物分布を得るためのイオン注入を行なう。
【００５８】
その後、図示はしないが、既知のオンチップレンズの形成技術やオンチップカラーフィルタの形成技術にしたがって、オンチップレンズ、オンチップカラーフィルタなど仕様に合うように画素を形成する。
【００５９】
なお、第２固体撮像素子の製造方法も第１固体撮像素子の製造方法と同様である。すなわち、第２固体撮像素子の製造方法では、第１固体撮像素子の製造方法において、読み出しゲートを形成する際に保持ゲートと転送ゲートを形成し、縦型の読み出しゲートを形成する際に同様に縦型の読み出しゲートを形成すればよい。その他の工程は、第２固体撮像素子の製造方法も第１固体撮像素子の製造方法も同様となる。
【００６０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の第１固体撮像素子によれば、赤色（緑色）のような長波長の光を受光する第１光電変換部下に読み出しゲートを設けたことから、長波長光の信号電荷を青色のような短波長光を受光する第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送できる。また、第２固体撮像素子によれば、赤色（緑色）のような長波長の光を受光する第１光電変換部下に保持ゲートと転送ゲートとを設けたことから、長波長光の信号電荷を蓄積した後、その信号電荷を青色のような短波長光を受光する第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送できる。このため、長波長光の信号電荷を転送する際には、いずれの固体撮像素子においても、従来のように、長波長光が第１光電変換部を突き抜けたとしても、長波長光の信号電荷の転送に影響を及ぼすことが無くなる。このため、電荷転送部に光が進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題を解決することができる。
【００６１】
本発明の固体撮像素子の第１電荷転送方法によれば、赤色（緑色）のような長波長光は、長波長光を受光する第１光電変換部下に設けた読み出しゲートにより、長波長光の信号電荷を青色のような短波長光を受光する第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送できる。また、第２電荷転送方法によれば、赤色（緑色）のような長波長は、長波長光を受光する第１光電変換部下に設けた保持ゲートと転送ゲートとにより、長波長光の信号電荷を蓄積した後、その信号電荷を青色のような短波長光を受光する第２光電変換部下に設けられた電荷転送部に移送できる。このため、長波長光の信号電荷を転送する際には、いずれの転送方法においても、従来のように、長波長光が第１光電変換部を突き抜けたとしても、長波長光の信号電荷の転送に影響を及ぼすことが無くなる。このため、電荷転送部に光が進入し、転送している最中の信号電荷にノイズ信号が混入するというスミア問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１固体撮像素子およびその第１電荷転送方法に係る実施の形態を示す図面であり、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は概略構成断面図である。
【図２】第１固体撮像素子の転送ゲート電極および読み出しゲート電極を示す図面であり、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は概略構成断面図である。
【図３】固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２固体撮像素子およびその第２電荷転送方法に係わる実施の形態の構成を示す概略構成断面図である。
【図５】第２固体撮像素子の転送ゲート電極および読み出しゲート電極を示す図面であり、（１）は平面レイアウト図であり、（２）は概略構成断面図である。
【図６】第２固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の固体撮像素子の第２電荷転送方法を示す平面レイアウト概略図である。
【図８】第１固体撮像素子の製造方法の一例を示す概略構成断面図である。
【図９】光電変換部の深さをパラメータとした転送ＣＣＤの半導体領域の深さとスミアの発生率との関係図である。
【符号の説明】
１…固体撮像素子、１２…ポテンシャル障壁部、２１…第１光電変換部、２２…第２光電変換部、４２…読み出しゲート、５０…電荷転送部
【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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