(57)【要約】【課題】単板式カラー固体撮像装置で、偽信号や偽色の発生を抑え、高感度，高解像度の色再現性の優れた画像データを得る。【解決手段】半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域の個々の内側が青色（Ｂ）と緑色（Ｇ）の各分光感度の信号電荷を蓄積する少なくとも２つの区画２１，２２に素子分離帯３６で面分割されており、前記半導体基板表面の垂直方向に並ぶ複数の前記光電変換領域の側方に連続して設けられ各光電変換領域の前記少なくとも２つの区画２１，２２の各々から順次読み出された信号電荷を垂直方向に転送する転送路２３が形成され、且つ転送路２３に赤色（Ｒ）の分光感度を持たせる。【選択図】  図２
2004200231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域の個々の内側が青色（Ｂ）と緑色（Ｇ）の各分光感度の信号電荷を蓄積する少なくとも２つの区画に面分割されており、前記半導体基板表面の垂直方向に並ぶ複数の前記光電変換領域の側方に連続して設けられ各光電変換領域の前記少なくとも２つの区画の各々から順次読み出された前記信号電荷を前記垂直方向に転送する転送路が形成され、且つ該転送路に赤色（Ｒ）の分光感度を持たせたことを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載のカラー固体撮像装置であって、前記青色，緑色の各分光感度は前記区画の上方に配置したカラーフィルタによって決定されることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載のカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域の少なくとも１つの前記区画の分光感度は、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載のカラー固体撮像装置であって、少なくとも１つの前記区画の分光感度は、該区画の上方に配置したカラーフィルタと、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載のカラー固体撮像装置であって、前記区画は、Ｎ型の半導体基板に設けられたＰウェル層と、該Ｐウェル層に形成されたＮ型不純物層とを備え、前記Ｐウェル層の深さと前記Ｎ型不純物層の深さとを変えることで前記区画の分光感度を決定することを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載のカラー固体撮像装置であって、青色の分光感度を持つ前記区画に設けた前記Ｎ型不純物層の深さが、緑色の分光感度を持つ前記区画に設けた前記Ｎ型不純物層の深さより浅く形成されていることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載のカラー固体撮像装置であって、青色の分光感度を持つ前記区画のＰウェル層の深さが、緑色の分光感度を持つ前記区画におけるＰウェル層の深さより浅く形成されていることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のカラー固体撮像装置であって、個々の前記光電変換領域は、緑色の分光感度を持つ区画、青色の分光感度を持つ区画、前記赤色，前記緑色，前記青色と異なる第４の分光感度を持つ区画の少なくとも３つの区画に面分割されていることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項９】
請求項８に記載のカラー固体撮像装置であって、前記第４の分光感度が、波長５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度であることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のカラー固体撮像装置であって、前記５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度を有する区画から読み出した信号により処理を行い等色関数に近似した色再現を行うことを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のカラー固体撮像装置であって、隣接する前記光電変換領域間で青色の分光感度を持つ区画と緑色の分光感度を持つ区画の配置が異なるものを含むことを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域内の前記区画のうち少なくとも１つの区画の面積が他の区画の面積と異なることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域内における各区画の面積は、各区画の分光感度の単位面積当たりの相対的な大きさと逆比例の関係にあることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のカラー固体撮像装置であって、前記半導体基板表面に設けられた複数の前記光電変換領域は、偶数行が奇数行に対して１／２ピッチずれたハニカム配置であることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載のカラー固体撮像装置であって、前記半導体基板表面は、１つの前記光電変換領域及び前記転送路のうち当該光電変換領域の側部部分を含む領域に対応して１つの開口部を有する遮光膜によって覆われていることを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のカラー固体撮像装置であって、前記開口の直径または対角線寸法が入射光の波長より大きく前記光電変換領域の直径または対角線寸法より小さいことを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１７】
請求項１５または請求項１６に記載のカラー固体撮像装置であって、前記開口部毎に１つのマイクロレンズを設けたことを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載のカラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単板式ＣＣＤでなるカラー固体撮像装置とこのカラー固体撮像装置を搭載したデジタルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１は、従来のカラー固体撮像装置の模式図であり、図２２は、その要部拡大説明図である。このカラー固体撮像装置１は、半導体基板の表面に二次元アレー状に配置した多数のフォトダイオード２を有し、各フォトダイオード２の表面に対し３種類あるいは４種類の異なる分光特性を有するマイクロカラーフィルタ（図示の例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のマイクロカラーフィルタを設けている。）をモザイク状に配置したものが知られている。
【０００３】
マイクロカラーフィルタは、大別して、原色系（Ｒ，Ｇ，Ｂ）あるいは補色系（Ｇ，Ｙｅ，Ｃｙ，Ｍｇ）の２種類があり、また配列方法によって、ストライプパターン、ベイヤーパターン（ＵＳＰ３，９７１，０６５：特許文献１）などが提案されている。
【０００４】
この従来のカラー固体撮像装置は、各フォトダイオードで光電変換した信号電荷を読み出し水平転送路３まで転送する必要があるため、各フォトダイオード２の列と垂直転送路４とが水平方向に交互に配置される。また、垂直方向に並ぶ各フォトダイオード２間には、図２２に示す様に、転送パルス印加用の電極６が設けられるため、各フォトダイオード２は半導体基板の二次元平面上に離散的に分布してしまう。更に、個々のフォトダイオード２が３種類ないし４種類の異なる分光感度の一つに対応している。このため、従来のカラー固体撮像装置は、次のような問題を有する。
【０００５】
（１）フォトダイオードの配列ピッチにより決定されるナイキスト周波数よりも高い空間周波数を有する画像がカラー固体撮像装置に投影されると、この高い空間周波数成分は低域側に折り返され、いわゆるモアレと呼ばれる偽信号を発生し、撮影した画像の画質を劣化させる。
【０００６】
（２）異なる分光感度を有するカラーフィルタが二次元平面上の異なる場所の信号に対応し、また各色フィルタの分布パターンにより、各色のナイキストドメイン（空間周波数分布）が一致しない。その結果、いわゆる偽色や色モアレと呼ばれる現象を引き起こし、撮影した画像の画質を劣化させる。
【０００７】
そこで従来から、モアレを低減する方法の一つとして、光学的ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）を集光光学系（レンズ系）とイメージセンサとの間に挿入する方法が採用されている。この方法を用いることにより、高い空間周波数成分が減衰し、モアレが改善される。
【０００８】
しかしながら、光学的ローパスフィルタを用いたモアレ改善効果は不十分であり、また、水晶板等の複屈折光学材料を組み合わせて光学的ローパスフィルタを構成するため、イメージセンサを保護するパッケージに光学的ローパスフィルタを取り付けた構造においては、パッケージが受ける機械的ストレスによって、光学的ローパスフィルタが破壊され易く、また製造コストもアップしてしまうという問題がある。
【０００９】
その一方で、近年のカラー固体撮像装置は、フォトダイオードのサイズの微細化、即ち高画素化が進展し、解像度が飛躍的に向上している。フォトダイオードの配列ピッチの微細化によりナイキスト周波数も高周波化し、このため、原理的にモアレの発生が抑制される傾向にある。
【００１０】
しかし、１チップ上に数１００万画素という多数のフォトダイオードを集積化するため、次の様な別の問題が顕在化してきている。
【００１１】
フォトダイオード２や垂直転送路４が形成された半導体基板表面の全体には、個々のフォトダイオード上方に夫々開口を有する遮光膜が積層されている。図２２の各フォトダイオード２中に示す黒枠５ａが、遮光膜の夫々の開口を示す。この開口５ａの開口寸法は、フォトダイオードの微細化に伴って同時に微細化されるが、例えば１μｍ以下の開口寸法になってくると、入射光の波長によってはこの開口５ａを通過するときに光強度が大きく減衰してしまう。従って、例えば、赤色（Ｒ）の光の波長は約０．６５０μｍであるため、開口寸法が１μｍ以下になってくると、波動光学的効果を考慮する必要が出てくる。
【００１２】
そのため、各色毎に離散した従来のフォトダイオードの配置のままフォトダイオードの微細化を図ると、半導体基板に形成するフォトダイオードや読出回路の微細化と同時に、オンチップの集光光学系（マイクロレンズ，カラーフィルタ，遮光膜開口）の微細化が必須となり、波動光学的効果により受光部に入る光の強度が大幅に低下し、明るい被写体を撮像しても感度が十分に得られないという問題が生じる。
【００１３】
また、次の様な問題もある。固体撮像素子の受光領域７（図２１参照）中央部と周辺部において、感度や色再現性が異なる現象が発生する、いわゆる（輝度，色）シェーディングと呼ばれる現象が生じる問題である。特に、集光光学（カメラレンズ）系が小型化し、焦点距離が短くなるに従って、入射光の入射角度が受光領域７の中心付近と周辺部とで差が大きくなることによる感度変動が無視できなくなっている。
【００１４】
このシェーディングの問題を改善する手段には次の様なものがある。
（イ）マイクロレンズの配置を周辺部に行くに従って中心方向に所定量ずらす。
（ロ）マイクロレンズ（トップレンズ）の下に、さらにマイクロレンズ（層内レンズ）を設け、一度トップレンズで集光した光を、再度、層内レンズで各フォトダイオードに位置合わせし、集光させる。
（ハ）周辺信号処理回路（外部回路）において、電気的に感度変動を補正する。
【００１５】
上記の（イ）（ロ）の改善手段は、フォトダイオードの微細化に伴い、高精度なマイクロレンズ形状とその配置位置制御が困難になってきており、採用するのが難しい状況になっている。また、上記（イ）（ロ）（ハ）のいずれの対策においても、レンズ系が異なると（例えばデジタルスチルカメラのレンズ系と携帯電話機搭載カメラのレンズ系とで）、シェーディングの現われ方が異なり、適用する撮像システム毎に設計変更が必要になる。
【００１６】
このような問題を有する従来のカラー固体撮像装置に対し、特許第２５３４１０５号公報（特許文献２）に記載のカラー固体撮像装置では、垂直転送路４の構造自体も光電変換機能を有するため、図２３に示す様に、垂直転送路４の上部に赤色のカラーフィルタ（Ｒ）を設け、垂直転送路４で赤色の入射光量に応じた信号電荷を得るようにしている。
【００１７】
赤色を検出するフォトダイオードの代わりに垂直転送路４を赤色検出用の受光領域として利用することで、緑色（Ｇ）検出用や青色（Ｂ）検出用のフォトダイオードを含めた全体の受光領域の半導体基板表面中に占める割合が高まり、固体撮像装置の感度を向上させることが可能となる。また、赤色，緑色，青色を夫々検出する素子（フォトダイオードや垂直転送路）の配列ピッチが小さくなるため、モアレの発生も抑制可能となる。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第３９７１０６５号明細書
【特許文献２】
特許第２５３４１０５号明細書
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献２の従来技術は、図２３に示す様に、垂直方向に並ぶ緑色（Ｇ）用のフォトダイオード２と青色（Ｂ）用のフォトダイオード２との間に、垂直転送路４に転送パルスを印加するための転送電極６が敷設されるため、垂直方向のフォトダイオードの配列ピッチが小さくならず、異なる色の情報が空間的に離散配置されるため、偽色や色モアレを更に改善する必要があるという問題がある。
【００２０】
本発明の目的は、偽信号（モアレ）や偽色の発生を抑えた高感度，高解像度且つ忠実な色再現を可能にする安価な単板式のカラー固体撮像装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のカラー固体撮像装置は、半導体基板表面にアレイ状に配設された複数の光電変換領域を含むカラー固体撮像装置であって、前記光電変換領域の個々の内側が青色（Ｂ）と緑色（Ｇ）の各分光感度の信号電荷を蓄積する少なくとも２つの区画に面分割されており、前記半導体基板表面の垂直方向に並ぶ複数の前記光電変換領域の側方に連続して設けられ各光電変換領域の前記少なくとも２つの区画の各々から順次読み出された前記信号電荷を前記垂直方向に転送する転送路が形成され、且つ該転送路に赤色（Ｒ）の分光感度を持たせたことを特徴とする。
【００２２】
この構成により、異なる分光感度を有する区画が二次元表面上で近接配置された状態となり、偽信号や偽色の発生が抑制され、高感度，高解像度の色再現性の優れた画像データを得ることができる。また、半導体基板表面の殆どを受光領域として利用でき、更にこのカラー固体撮像装置を安価に製造可能となる。
【００２３】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記青色，緑色の各分光感度が前記区画の上方に配置したカラーフィルタによって決定されることを特徴とする。
【００２４】
この構成により、分光感度の設定が容易となり、所望の分光特性を得ることが容易となる。
【００２５】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記光電変換領域の少なくとも１つの前記区画の分光感度が、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、カラーフィルタを用いずにカラー固体撮像装置を形成可能となる。
【００２７】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、少なくとも１つの前記区画の分光感度は、該区画の上方に配置したカラーフィルタと、該区画の深さ方向の不純物分布によって決定されることを特徴とする。
【００２８】
この構成により、カラーフィルタの分光特性と不純物分布により決まる分光特性を組み合わせた分光特性を利用するため、カラーフィルタを用いた区画の分光特性が良くなり、カラー固体撮像装置で撮像したカラー画像の色再現性が向上する。
【００２９】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記区画が、Ｎ型の半導体基板に設けられたＰウェル層と、該Ｐウェル層に形成されたＮ型不純物層とを備え、前記Ｐウェル層の深さと前記Ｎ型不純物層の深さとを変えることで前記区画の分光感度を決定することを特徴とする。
【００３０】
この構成により、カラーフィルタを用いずとも分光感度の異なる区画を形成でき、製造プロセスを簡略化でき、製造歩留まりが向上する。
【００３１】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、青色の分光感度を持つ前記区画に設けた前記Ｎ型不純物層の深さが、緑色の分光感度を持つ前記区画に設けた前記Ｎ型不純物層の深さより浅く形成されていることを特徴とする。
【００３２】
この構成により、カラー固体撮像装置の半導体基板に入射する光を、波長の長さすなわち半導体基板への侵入深さによって区別して検出可能となる。
【００３３】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、青色の分光感度を持つ前記区画のＰウェル層の深さが、緑色の分光感度を持つ前記区画におけるＰウェル層の深さより浅く形成されていることを特徴とする。
【００３４】
この構成により、各分光感度の長波長側の光によって発生した光電荷が基板に流出し、各分光特性の長波長側が減衰する。
【００３５】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、個々の前記光電変換領域が、緑色の分光感度を持つ区画、青色の分光感度を持つ区画、前記赤色，前記緑色，前記青色と異なる第４の分光感度を持つ区画の少なくとも３つの区画に面分割されていることを特徴とする。
【００３６】
この構成により、第４の分光感度を持つ区画から読み出した信号によって赤色，緑色，青色の３原色でなる画像信号を種々補正処理することが可能となる。
【００３７】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記第４の分光感度が、波長５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度であることを特徴とする。
【００３８】
この構成により、波長５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度を持つ区画から読み出された信号を用いて画像処理することで、色再現性の優れた撮像画像データを得ることが可能となる。
【００３９】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度を有する区画から読み出した信号により処理を行い等色関数に近似した色再現を行うことを特徴とする。
【００４０】
この構成により、人が見た画像に近い画像を得ることができる。
【００４１】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、隣接する前記光電変換領域間で青色の分光感度を持つ区画と緑色の分光感度を持つ区画の配置が異なるものを含むことを特徴とする。
【００４２】
この構成により、偽信号や偽色の発生を更に抑制可能となる。
【００４３】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記光電変換領域内の前記区画のうち少なくとも１つの区画の面積が他の区画の面積と異なることを特徴とする。
【００４４】
この構成により、各区画の分光感度すなわち信号強度を揃えることができ、カラーバランスを最適化することが可能となる。
【００４５】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記光電変換領域内における各区画の面積が、各区画の分光感度の単位面積当たりの相対的な大きさと逆比例の関係にあることを特徴とする。
【００４６】
この構成により、色毎の感度バランスが最適化され、良好な画像データを生成可能となる。
【００４７】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記半導体基板表面に設けられた複数の前記光電変換領域は、偶数行が奇数行に対して１／２ピッチずれたハニカム配置であることを特徴とする。
【００４８】
この構成により、従来の正方格子型の配列において占有していた無効領域、即ち、垂直方向の画素間に配設された垂直転送電極の配線領域が無くなり、半導体基板表面のほぼ全領域を受光領域として利用でき、高感度化と水平・垂直方向の高解像度化を図ることができる。
【００４９】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記半導体基板表面が、１つの前記光電変換領域及び前記転送路のうち当該光電変換領域の側部部分を含む領域に対応して１つの開口部を有する遮光膜によって覆われていることを特徴とする。
【００５０】
この構成により、各区画の微細化を図っても遮光膜の開口部を入射光の波長より大きくすることができ、遮光膜やマイクロレンズの製造が容易となり且つ感度の良好な画像を撮像することが可能となる。
【００５１】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記開口の直径または対角線寸法が入射光の波長より大きく前記光電変換領域の直径または対角線寸法より小さいことを特徴とする。
【００５２】
この構成により、入射光が各区画の光電変換部まで容易に到達し、感度の高い画像信号を得ることが可能となる。
【００５３】
本発明のカラー固体撮像装置は更に、前記開口部毎に１つのマイクロレンズを設けたことを特徴とする。
【００５４】
この構成により、マイクロレンズの製造が容易となり、カラー固体撮像装置を安価に製造できる。
【００５５】
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載のカラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とする。
【００５６】
この構成により、高感度，高解像度の色再現性の優れた画像データを撮像できる。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００５８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。本実施形態に係るカラー固体撮像装置１０は半導体基板表面に形成され、その受光面１１には、詳細は後述する複数の画素部２０が縦横にアレー状に配列して設けられている。各画素部２０から読み出された信号電荷は後述の垂直転送路を通って水平転送路１２まで転送され、次いで水平転送路１２に沿って転送され、カラー固体撮像装置１０から出力される。
【００５９】
図２は、垂直方向に並ぶ上述した画素部２０のほぼ２個分の拡大説明図である。この実施形態に係るカラー固体撮像装置１０の各画素部２０は、原色系３色のカラーフィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を用いて画像信号を取り込む構成になっており、Ｇ用のフォトダイオードでなる光電変換部２１と、Ｂ用のフォトダイオードでなる光電変換部２２とが素子分離帯３６により面分割して設けられ、その右隣に、読み出し電極を介して垂直転送路２３が設けられている。
【００６０】
この垂直転送路２３は、垂直方向上方の画素部２０から下方の画素部２０まで連続して設けられ、光の入射方向上部（図２の紙面の手前側）に、赤色（Ｒ）のフィルタ２３ａが被せられる。また、各光電変換部２１，２２の夫々の光入射方向上部には緑色（Ｇ）フィルタ２１ａ，青色（Ｂ）フィルタ２２ａが被せられる。
【００６１】
各画素部２０において、光電変換部２１の蓄積電荷が緑色の信号電荷として垂直転送路２３に読み出されて水平転送路１２に至り、光電変換部２２の蓄積電荷が青色の信号電荷として垂直転送路２３に読み出されて水平転送路１２に至り、垂直転送路２３すなわち画素部２０内における垂直転送路２３のうちポテンシャル井戸が形成された部分に蓄積された電荷が赤色の信号電荷として、青色，緑色の各信号電荷の転送に先立って垂直転送路２３を転送され水平転送路１２に至る様になっている。
【００６２】
各画素部２０の垂直方向に隣接する画素部２０との間には、垂直転送路２３に転送パルス電圧を印加する転送電極２５が配線され、画素部２０内における各区画（光電変換部）２１，２２間には転送電極を配線せずに、単に、高濃度Ｐ型不純物層でなる最小加工寸法の素子分離帯３６でのみ各区画（光電変換部）２１，２２間が分離されている。従って、画素部２０内の光電変換部２１，２２間の距離は、隣接する画素部２０の光電変換部２１，２２との間の距離より短くなる。
【００６３】
図３は、図２のIII―III線断面図であり、ポリシリコンからなる３層構造の転送電極３１，３２，３３が垂直方向に並ぶ画素部２０間に積層されて図１，図２の水平方向に延び、画素部２０内の垂直転送路２３の上部では、垂直方向上部側の電極３２と垂直方向下部側の電極３３とが画素部２０の中央部分にまで延び該中央部分で電極３２，３３の端部が積層されている。これらの転送電極３１，３２，３３は、例えば３相の転送パルスによって駆動される。
【００６４】
図４は画素部２０の断面図であり、（ａ）は緑色カラーフィルタ２１ａを有する光電変換部２１の断面図（図２のＡ―Ａ線断面図）、（ｂ）は青色カラーフィルタ２２ａを有する光電変換部２２の断面図（図２のＢ―Ｂ線断面図）、（ｃ）は赤色カラーフィルタ２３ａを有する光電変換部（垂直転送路）２３の断面図（図２のＣ―Ｃ線断面図）である。
【００６５】
図４（ａ）において、Ｎ型半導体基板４０の表面にＰウェル層４１が形成され、このＰウェル層４１の表面に深さ１．０μｍ程度のＮ型不純物層４２が形成され、表面に高濃度Ｐ型不純物層（表面Ｐ+層）４３が形成されることで、光電変換部２１が構成される。そして、その上部に緑色カラーフィルタ２１ａが設けられる。
【００６６】
図４（ｂ）において、Ｎ型半導体基板４０の表面にＰウェル層４１が形成され、このＰウェル層４１の表面に深さ１．０μｍ程度のＮ型不純物層４４が形成され、表面に高濃度Ｐ型不純物層（表面Ｐ+層）４５が形成されることで、光電変換部２２が構成される。そして、その上部に青色カラーフィルタ２２ａが設けられる。本実施形態では、光電変換部２１と光電変換部２２とは同一構造をとり、カラーフィルタの色のみが異なる。
【００６７】
図４（ｃ）に示す垂直転送路２３は、Ｎ型半導体基板４０の表面に形成されたＰウェル層４１に深さ１．０〜２．０μｍのＮ型不純物層４６が形成されることで構成され、表面に転送電極３３が設けられ、上部に赤色フィルタ２３ａが設けられる。
【００６８】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に符号３６で示す領域は隣接する画素部２０との境界を示す素子分離帯である。図５は、画素部２０の６画素分の素子分離帯３６を上方から見たパターンを示す図である。一点鎖線で示す矩形枠３５が個々の画素部２０の外形を示し、ハッチングで示した領域が素子分離帯３６である。
【００６９】
このカラー固体撮像装置に遮光膜を積層する場合には、遮光膜に設ける開口は、図５の矩形枠３５より若干狭い矩形の開口とし、光電変換部２１，２２、及びれに隣接する垂直転送路２３であって矩形枠３５の内側の領域（以下、「長波長（赤色）光電変換部という。）毎に開口を設けることはしない。また、マイクロレンズを設ける場合も、この開口１つに対して１つのトップレンズや層内レンズを設ける構成とする。
【００７０】
このように、本実施形態によれば、高解像度化を図って各光電変換部２１，２２及び垂直転送路２３の微細化を図っても、遮光膜の開口を大きく取ることができ、感度の高い画像を撮像することが可能となる。各開口の開口径（直径または対角線長さ）ｔは、赤色の波長λ（ｎｍ）に対して、例えばｔ＝λ〜２λまで微細化したとしても各色成分に対応した出力信号が減衰することはない。
【００７１】
また、上述した構成のカラー固体撮像装置１０では、光電変換部２１，２２，２３を密接配置した１つの画素部２０から原色系３色の色信号を得ることができるため、従来の様に例えば図２１の個々のフォトダイオード２が異なる分光感度を有し、且つ二次元平面上において離散配置されている場合に比べ、異なる分光感度を有する光電変換領域が近接配置されているため、空間サンプリング周波数を高くすることができ、特に偽色や色モアレが改善され、高解像度且つ忠実色再現性が可能な高画質な画像信号を得ることができる。
【００７２】
このように、本実施形態では、光電変換部２１，２２，２３を密接配置したため、半導体表面のうち受光領域として利用可能な面積が従来例のカラー固体撮像装置と比較して増え、感度の高い画像を撮像可能となり、しかも、半導体基板表面の大部分が受光領域となるため、遮光膜やマイクロレンズを省略することも可能である。
【００７３】
更にまた、マイクロレンズを使用する場合でも、本実施形態のカラー固体撮像装置１０では、画素部２０内の個々の光電変換部２１，２２，２３に精度良く集光する必要はなく、入射光を大まかに画素部２０内に入射させれば良いため、マイクロレンズの設計や製造が容易となる。また、１つの画素部内におけるカラーフィルタ２１ａ，２２ａ，２３ａの境界とこれらに対応する光電変換部２１，２２，２３の境界とを高精度に一致させる必要がないため、カラーフィルタの製造も容易となる。
【００７４】
この様に、カラーフィルタやマイクロレンズを簡略化することが可能なため、しかも遮光膜の開口を広くとれ、カラー固体撮像装置の受光面中心部と周辺部で感度や色再現性が均一化し、シェーディングも改善される。
【００７５】
尚、本実施形態では、垂直転送路２３の上部に赤色フィルタを被せたが、赤色の様に長波長の光は半導体シリコン基板あるいはポリシリコン電極の深いところまで侵入し、青色や緑色など赤色よりも短波長の光は半導体シリコン基板あるいはポリシリコン電極の比較的浅い領域で吸収されるので、赤色フィルタを省略する構成としても、ポリシリコン（電極３２，３３）を通して垂直転送路に蓄積される電荷は、赤色の光量に対応した電荷量となる。
【００７６】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。上述した第１の実施形態では、図１に示す様に、各画素部２０内の分光感度の配置が全ての画素部内で同一となっている。これに対し、本実施形態では、各画素部３０内における分光感度の配置（この例では、カラーフィルタの配置）を規則的に変化させている。Ｒの分光感度は垂直転送路に設けているための配置は変えられないので、青色（Ｂ）と緑色（Ｇ）のカラーフィルタの配置を周期的に変えている。これにより、分光感度の配列に起因する周期的な偽信号をさらに低減することが可能である。
【００７７】
カラーフィルタの配列を変える手法には、▲１▼列、或いは行毎に上下の色配置を交互に交換する。▲２▼受光面の中心部と周辺部において短波長（青色）に対応するカラーフィルタと中間の波長（緑色）に対応するカラーフィルタの配列を変えることによって、受光面の周辺或いは遮光膜開口部周辺における光のケラレ（シェーディング）を改善する。などが考えられる。
【００７８】
カラーフィルタの配置を変えた場合には、読み出される画素信号に含まれる色成分が変わるが、配置変更のデータを外部処理回路にもたせることによって正しい色信号処理が可能になる。尚、この実施形態は、以下の実施形態とも組み合わせて使用する。
【００７９】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。第１の実施形態に係るカラー固体撮像装置１０では、画素部２０を受光面上に正方格子状に配置したが、本実施形態のカラー固体撮像装置５０では、画素部６０を各行毎に１／２ピッチづつずらし、例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載されたハニカム画素配置とした点が異なる。
【００８０】
図８は、画素部６０の４個分を拡大した説明図であり、分光感度（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の配置を示している。各画素部６０は、青色のカラーフィルタ（Ｂ）が被せられた上向き三角形状のフォトダイオードでなる光電変換部６１と、緑色のカラーフィルタ（Ｇ）が被せられた下向き三角形状のフォトダイオードでなる光電変換部６２と、光電変換部６１，６２の右辺に沿って形成された逆「く」の字形状の光電変換部６３とでなり、垂直方向に並ぶ各画素部６０の光電変換部６３が蛇行し連続することでＣＣＤの垂直転送路が構成される。この垂直転送路６３に赤色フィルタ（Ｒ）が被せられ、１つの画素部６０からＲ，Ｇ，Ｂの三原色の色信号が、順次、垂直転送路６３を通って水平転送路１２（図７）に転送される。
【００８１】
図９は、半導体基板表面に形成される素子分離帯の４画素分のパターンを示す平面図である。この素子分離帯６６は、高濃度Ｐ型不純物層でなり、最小加工寸法で形成される。従って、この図９から判るとおり、カラー固体撮像装置５０の半導体基板表面のほぼ１００％近くが受光領域として利用され、マイクロレンズを用いなくても入射光を有効に利用できる。本実施形態でも遮光膜は必須ではないが、遮光膜を用いる場合には、図８に示す画素部６０の外形枠の上に同寸法あるいはそれより若干狭い開口を有する遮光膜を積層する。
【００８２】
図１０は、図９の点線丸印Ｘ内における転送電極の配線位置を示す拡大図である。半導体基板表面に水平方向に敷設される２層ポリシリコンで成る転送電極６７，６８は、垂直転送路上に積層される。転送電極６７，６８の縁が素子分離帯６６に重なる位置では、その縁が素子分離帯６６上にきて、フォトダイオード部分（Ｂ，Ｇの光電変換部６１，６２）にかからないようにする。
【００８３】
本実施形態のカラー固体撮像装置５０は、第１実施形態に係るカラー固体撮像装置１０と同様の効果を奏するが、第１の実施形態よりも更に画素部６０を緻密に配置することができ、高画素化を図ることが可能である。
【００８４】
（第４の実施形態）
図１１（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る画素部の分光感度配置図であり、図１１（ｂ）は図９に対応する本実施形態に係る４画素分の素子分離帯パターン図である。図８に示す第３の実施形態と比べて、各画素部６０において、光電変換部６１，６２の面分割位置が異なり、青色の光を検出する光電変換部６１の面積を、緑色の光を検出する光電変換部６２より広くしている点が異なる。
【００８５】
感度の高い緑色を検出する光電変換部６２の面積を小さくし、感度の低い青色を検出する光電変換部６１の面積を大きくすることで、ＧとＢの感度バランスを最適化することが可能となる。好適には、各光電変換部６１，６２の各面積を、各光電変換部６１，６２の分光感度の単位面積当たりの相対的な大きさと逆比例の関係にする。
【００８６】
（第５の実施形態）
図１２（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る画素部の分光感度配置図であり、図１１（ｂ）は本実施形態に係る４画素分の素子分離帯パターン図である。図８に示す第３の実施形態と比べ、フォトダイオード部分が、光電変換部６１，６２，６４の３つの領域に面分割されており、一番大きい面積の領域６１に、青色（Ｂ）のカラーフィルタが被せられ、小面積の一方の領域６２に緑色（Ｇ）のカラーフィルタが被せられ、小面積の他方の領域６４に、Ｒ，Ｇ，Ｂと異なる第４の分光感度を検出するカラーフィルタが被せられている。各領域６１，６２，６４の蓄積電荷は別々に垂直転送路に読み出され転送される様になっている。
【００８７】
この第４の分光感度による検出信号を用いて、Ｒ，Ｇ，Ｂの色信号でなる画像信号を種々補正することが可能となる。この実施形態では、第４の分光感度を、例えば図１３に示す様に、波長５２０ｎｍ付近にピークを持つ分光感度とする。
【００８８】
図１４は、等色関数（人間の視感度）を示すグラフであり、赤色（Ｒ）には５２０ｎｍ付近に負の部分Ａがあり、これを実現しないと、忠実な色再現ができない。そこで、本実施形態では、第４の分光感度を持つ光電変換部６４によって波長５２０ｎｍ付近の光量に対応する信号電荷量を検出し、これを赤色Ｒの光量に対する信号電荷量から減算することで、等色関数の負の部分Ａに相当する分光感度を実現し、人間の目の感じる通りの色再現を行うことを可能としている。
【００８９】
（第６の実施の形態）
図１５は、本発明の第６の実施形態に係るカラー固体撮像装置を構成する画素部の４個分を示す分光感度配置図である。本実施形態に係る画素部７０は、青（Ｂ）の分光感度を有する光電変換部７１と、緑（Ｇ）の分光感度を有する光電変換部７２と、赤（Ｒ）の分光感度を有する垂直転送路７３とから成り、第３の実施形態（図８）と同じである。
【００９０】
しかし、第３の実施形態では、Ｒ，Ｇ，Ｂの分光感度をカラーフィルタによって形成したが、本実施形態では、半導体基板表面に形成したダイオード構造によってＲ，Ｇ，Ｂの分光感度を形成している。
【００９１】
この実施形態は、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-15,NO.1,JANUARY 1968 の“A Planar Silicon Photosensor with an Optimal Spectral Response for Detecting Printed Material”PAUL A.GARY and JOHN G.LINVILLに記載されている原理、すなわち、フォトダイオードのＰＮ接合の半導体基板表面からの深さによって、各フォトダイオードの光電変換特性が波長依存性（分光感度）を持つという原理を利用している。
【００９２】
尚、この実施形態では画素部７０をハニカム状に配置した例で説明するが、正方格子状に配置された場合も同様である。
【００９３】
図１６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、夫々、図１５のａ―ａ線，ｂ―ｂ線，ｃ―ｃ線断面図である。図１６（ａ）は、画素部のうち青色分光感度を有する光電変換部７１の断面図である。この青色分光感度を有する光電変換部７１は、Ｎ型基板（Ｎ―Ｓｕｂ）８０上に深さｄ＝１〜３μｍのＰウェル層８１を形成し、Ｐウェル層８１の表面に、深さｄ＝０．２〜０．４μｍのＮ型不純物層８２を形成し、更にその表面に、所定深さの高濃度Ｐ型不純物層（表面Ｐ+層）８３を形成して構成される。
【００９４】
図１６（ｂ）は、緑色分光感度を有する光電変換部７２の断面図である。この緑色分光感度を有する光電変換部７２は、Ｎ型基板８０上に形成されたＰウェル層８１の深さｄをｄ＝３〜４μｍの深さとし、Ｐウェル層８１の表面に、深さｄ＝０．４〜１．０μｍのＮ型不純物層８４を形成し、更にその表面に、所定深さの高濃度Ｐ型不純物層（表面Ｐ+層）８５を形成して構成される。
【００９５】
図１６（ｃ）は、画素部のうち赤色分光感度を持たせた垂直転送路７３の断面図である。この赤色分光感度を有する垂直転送路７３は、Ｎ型基板８０上に形成されたＰウェル層８１の深さｄをｄ＝４〜６μｍの深さとし、このＰウェル層８１の表面に、深さｄ＝１．０〜２．０μｍのＮ型不純物層８６を形成して構成される。
【００９６】
各光電変換部７１，７２，７３に光が入射すると、ＰＮ接合のＮ型不純物層８２，８４，８６に電荷が蓄積される。長波長の光ほど、基板内への侵入距離が深いため、ＰＮ接合面の深さが最も浅い光電変換部７１（図１６（ａ））には青色の光量に応じた電荷が蓄積され、中間の深さの光電変換部７２（図１６（ｂ））には緑色の光量に応じた電荷が蓄積され、最も深い光電変換部（垂直転送路）７３（図１６（ｃ））に赤色の光量に応じた電荷が蓄積される。
【００９７】
各光電変換部７１，７２，７３の有するＢ，Ｇ，Ｒの分光特性（図１７参照）を、夫々長波長側についても減衰する特性とすることが、忠実な色信号処理を行う上で重要である。そこで、本実施形態では、Ｐウェル層３１の深さについても、各分光特性に対応して異ならせている。すなわち、図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）の順で、Ｐウェル層８１を深くしている。
【００９８】
この結果、図１６（ａ）に示すフォトダイオード構造では、緑色（Ｇ）よりも長い波長の光によって発生した光電荷がＮ型基板８０に流出し、図１６（ｂ）に示すフォトダイオード構造では、赤色（Ｒ）よりも長い波長によって発生した光電荷がＮ型基板８０に流出し、同様に図１６（ｃ）に示すフォトダイオード構造では、可視光波長域外の赤外波長の光によって発生した光電荷がＮ型基板８０に流出し、夫々の分光特性の長波長側で減衰特性が実現される。
【００９９】
図１７は、分光特性を示すグラフである。図１７（ａ）は、カラーフィルタによって実現するほぼ理想的なＲ，Ｇ，Ｂの分光特性を示すグラフであり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各々の山形がハッキリと分かれたグラフとなっている。これに対し、図１７（ｂ）は、本実施形態に係る画素部７０の分光特性を示すグラフである。Ｒの分光特性も、転送電極のポリシリコンによる影響やＰウェル層の深さによる影響等で、短波長側、長波長側が共に立ち下がる山形となり、図１７（ａ）に示すほぼ理想的な分光特性に近い特性を示している。このため、本実施形態のカラー固体撮像装置によって得られる画像信号の色再現性は良好となる。
【０１００】
本実施形態では、カラーフィルタを使用しないため、カラーフィルタの製造工程が不要となり、コストダウンを図ることができ、また、カラーフィルタによる光のロスも無くなり、光感度が向上する。
【０１０１】
（第７の実施形態）
図１８は、本発明の第７の実施形態に係るカラー固体撮像装置を構成する画素部の断面図である。本実施形態は、基本的には図１６に示す第６の実施形態と同じであるが、異なるのは、青色分光感度を有する光電変換部の上に、青色（Ｂ）のカラーフィルタ７７を設けた点が異なる。図１７（ｂ）に示す様に、第６の実施形態では、青色（Ｂ）の分光特性がブロードであるが、青色（Ｂ）のカラーフィルタ７７だけを第６の実施形態に併用することで、図１７（ｃ）に示す様に、青色（Ｂ）の分光特性の山形が明瞭となり、色の再現性が一層向上する。
【０１０２】
（第８の実施形態）
図１９は、本発明の第８の実施形態に係るカラー固体撮像装置を構成する画素部の断面図である。図１８に示す第７の実施形態に係るカラー固体撮像装置の構成と基本的に同じであるが、異なる点は、図１９（ａ）に示す様に、Ｂの分光感度を持つ光電変換部のダイオード構造（Ｐウェル層８１の深さ、Ｎ型不純物層８２の深さ）がＧの分光感度を持つ光電変換部のダイオード構造（図１９（ｂ））の構造と同じであり、両方の光電変換部のフォトダイオード構造がＢ及びＧの分光感度に対して最大となるように最適化されている点である。
【０１０３】
この実施形態によれば、Ｂの分光感度を有する光電変換部とＧの分光感度を有する光電変換部とを同一構造に製造できるため、製造プロセスが容易になるという利点がある。
【０１０４】
尚、上述した各実施形態に係るカラー固体撮像装置は、夫々の画素部が原色系のＲ，Ｇ，Ｂの３色の信号電荷を蓄積する構成として説明したが、他の例えば４色の分光感度の組み合わせからなるカラーフィルタを用いた場合にも適用できる。この場合、垂直転送路の分光感度を、４色のうち一番波長が長い色とし、残りの３色に対応する３つの光電変換部を当該画素部内において垂直転送路に沿った位置に設ければよい。
【０１０５】
（第９の実施形態）
図２０は、上述したいずれかの実施形態に係るカラー固体撮像装置を搭載した本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの構成図である。デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラあるいは携帯電話機等の小型電子機器に搭載されたカメラ等のデジタルカメラは、図示しない集光光学系によって結像された被写体画像の光信号を受光して電気信号に変換する上述したいずれかの実施形態に係るカラー固体撮像装置１００と、このカラー固体撮像装置１００から出力される画像信号をアナログ処理するＣＤＳ等のアナログ信号処理回路１０１と、アナログ信号処理回路１０１で処理された画像信号をデジタルの画像信号に変換するアナログデジタル変換回路１０２と、デジタル化された画像信号を取り込んでＪＰＥＧ圧縮したり伸張したりあるいはＤＲＡＭ制御を行ったりするデジタル処理回路１０３と、このデジタル処理回路１０３に接続されたＤＲＡＭ１０４と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステムマイコン１０５と、撮像された画像データを記録する記録メディア１０６と、これらを相互に接続するバス１０７とを備える。
【０１０６】
本実施形態に係るデジタルカメラでは、カラー固体撮像装置１００の上述した各画素部からＲ，Ｇ，Ｂの各色信号成分を出力するため、偽信号（モアレ）や偽色の発生を抑えた高感度，高解像度且つ忠実な色再現が可能なカラー画像を撮像することが可能である。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によれば、偽信号（モアレ）や偽色の発生を抑えた高感度，高解像度且つ忠実な色再現を可能にするカラー固体撮像装置とデジタルカメラを得ることが可能となる。また、本発明の構成により、カラーフィルタ，遮光膜，マイクロレンズの全てまたはそのいずれかを省略できるため、均一な集光光学系が実現でき、且つ入射光の利用効率が高まり、併せて製造工程を簡略化できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。
【図２】図１に示す画素部の拡大説明図である。
【図３】図２のIII―III線断面図である。
【図４】（ａ）は図２に示す画素部のＡ―Ａ線断面図であり、
（ｂ）は図２に示す画素部のＢ―Ｂ線断面図であり、
（ｃ）は図２に示す画素部のＣ―Ｃ線断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部６個分の素子分離帯を示すパターン図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るカラー固体撮像装置の模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の分光感度配置図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の素子分離帯を示すパターン図である。
【図１０】図９に示す点線丸印Ｘ内の配線電極を示す図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の分光感度配置図であり、
（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の素子分離帯パターン図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第５の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の分光感度配置図であり、
（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の素子分離帯パターン図である。
【図１３】第５の実施形態で用いる第４の分光感度の説明図である。
【図１４】Ｒ，Ｇ，Ｂの等色関数を示すグラフである。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係るカラー固体撮像装置の画素部４個分の分光感度配置図である。
【図１６】（ａ）は図１５に示す画素部のａ―ａ線断面図であり、
（ｂ）は図１５に示す画素部のｂ―ｂ線断面図であり、
（ｃ）は図１５に示す画素部のｃ―ｃ線断面図である。
【図１７】（ａ）は理想的な分光特性を示すグラフであり、
（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係るカラー固体撮像装置の分光特性を示すグラフであり、
（ｃ）は本発明の第７の実施形態に係るカラー固体撮像装置の分光特性を示すグラフである。
【図１８】本発明の第７の実施形態に係るカラー固体撮像装置の断面図であり、
（ａ）は青色分光感度を有する光電変換領域の断面図、
（ｂ）は緑色分光感度を有する光電変換領域の断面図、
（ｃ）は赤色分光感度を有する光電変換領域（垂直転送路）の断面図である。
【図１９】本発明の第８の実施態に係るカラー固体撮像装置の断面図であり、
（ａ）は青色分光感度を有する光電変換領域の断面図、
（ｂ）は緑色分光感度を有する光電変換領域の断面図、
（ｃ）は赤色分光感度を有する光電変換領域（垂直転送路）の断面図である。
【図２０】本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの構成図である。
【図２１】従来のＣＣＤカラー固体撮像装置の模式図である。
【図２２】図２１の要部拡大説明図である。
【図２３】垂直転送路に赤色分光感度を持たせた従来のカラー固体撮像装置の説明図である。
【符号の説明】
１０，５０，１００  カラー固体撮像装置
１１  受光面
１２  水平転送ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）
２０，６０，７０  画素部
２１，６２，７２  緑色分光感度を有する光電変換部
２１ａ  赤色フィルタ
２２，６１，７１  青色分光感度を有する光電変換部
２２ａ，７７  青色フィルタ
２３  電荷転送路
６３，７３  赤色分光感度を有する光電変換部（垂直転送路）
２３ａ  赤色フィルタ
３１，３２，３３，６７，６８  転送電極
３５  画素部の外形枠
３６，６６  素子分離帯
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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