(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置された第２導電型の第２半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され、前記第２半導体領域と深さ方向に重なりなく配置された第２導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域の中に配置された第１導電型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域の中に配置された第２導電型の第５半導体領域とを有し、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域は第１フォトダイオードを構成し、前記第１フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第１フォトダイオードのカソードを構成する第２半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する中波長帯域の光に対する光電変換のための第１深さを有し、
前記第４半導体領域と前記第３半導体領域は第２フォトダイオードを構成し、前記第２フォトダイオードのアノードを構成する前記第４半導体領域と前記第２フォトダイオードのカソードを構成する第３半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する長波長帯域の光に対する光電変換のための前記第１深さよりも深い第２深さを有し、
前記第４半導体領域と前記第５半導体領域は第３フォトダイオードを構成し、前記第３フォトダイオードのアノードを構成する前記第４半導体領域と前記第３フォトダイオードのカソードを構成する第５半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する短波長帯域の光に対する光電変換のための前記第１深さよりも浅い第３深さを有し、
前記第３フォトダイオードから得られる変換信号を前記短波長帯域の光に応ずる信号とし、
前記第１フォトダイオードから得られる変換信号から前記短波長帯域の光に応ずる信号を減算して得られる信号を前記中波長帯域の光に応ずる信号とし、
前記第２フォトダイオードから得られる変換信号から前記短波長帯域の光に応ずる信号と前記中波長帯域の光に応ずる信号とを減算して得られる信号を前記長波長帯域の光に応ずる信号とする、光電変換装置。
【請求項２】
重ねられた前記第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードと前記第１フォトダイオードとは市松模様状にマトリクス配置された請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記長波長領域の光は赤色光であり、前記中波長領域の光は緑色光であり、前記短波長領域の光は青色光である、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１乃至第５半導体領域は表面に第１導電型の高濃度不純物層を有し、前記高濃度不純物層は前記第１半導体領域と第４半導体領域とを電気的に導通させる、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項５】
ソース及びドレインの一方を前記第２半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第１の転送ＭＯＳトランジスタと、ソース及びドレインの一方を前記第３半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第２の転送ＭＯＳトランジスタと、ソース及びドレインの一方を前記第５半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第３の転送ＭＯＳトランジスタとを有し、光電変換によって前記接合面に流れる電流による電荷情報を前記転送ＭＯＳトランジスタを経由して蓄積し出力する電荷蓄積出力部を前記第１乃至第３フォトダイオード毎に設けた、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項６】
ソース及びドレインの一方を前記第２半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第１の転送ＭＯＳトランジスタと、ソース及びドレインの一方を前記第３半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第２の転送ＭＯＳトランジスタと、ソース及びドレインの一方を前記第５半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第３の転送ＭＯＳトランジスタとを有し、光電変換によって前記接続面に流れる電流による電荷情報を前記転送ＭＯＳトランジスタを経由して蓄積し出力する電荷蓄積出力部を前記第３フォトダイオード及び第２フォトダイオードに共通化して設けると共に、前記第１フォトダイオードに専用化して設けた、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項７】
ソース及びドレインの一方を前記第２半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第１の転送ＭＯＳトランジスタと、ソース及びドレインの一方を前記第３半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第２の転送ＭＯＳトランジスタと、ソース及びドレインの一方を前記第５半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第３の転送ＭＯＳトランジスタとを有し、光電変換によって前記接続面に流れる電流による電荷情報を前記転送ＭＯＳトランジスタを経由して蓄積し出力する電荷蓄積出力部を前記第１乃至第３フォトダイオードに共通化して設けた、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１乃至第３の転送ＭＯＳトランジスタの全部又は一部はバルク型のＭＯＳトランジスタであり、
前記バルク型ＭＯＳトランジスタは、ゲート下の界面にチャンネル形成層よりも不純物濃度の濃い不純物領域を有する、請求項５乃至７の何れか１項記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記電荷蓄積出力部は、前記転送ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインの他方にゲートが結合されたソースフォロア出力トランジスタと、前記ソースフォロア出力トランジスタのゲートから対応するカソードに至る経路を選択的に充電するリセットＭＯＳトランジスタとを有する請求項５乃至７の何れか１項記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記第１乃至第３の転送ＭＯＳトランジスタ、前記ソースフォロア出力トランジスタ及びリセットＭＯＳトランジスタの全部又は一部はバルク型のＭＯＳトランジスタであり、
前記バルク型ＭＯＳトランジスタは、ゲート下の界面にチャンネル形成層よりも不純物濃度の濃い不純物領域を有する、請求項９記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記第２半導体領域の上方と前記第５半導体領域の上方に開口を形成した遮光膜を有し、前記夫々の開口に透光性材料で形成した凹レンズが配置され、前記凹レンズの上に透光性材料で形成した凸レンズが配置された、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記第２半導体領域の上方と前記第５半導体領域の上方に開口を形成した遮光膜を有し、前記開口の周縁部分で外側に回折した光の向きに対しても、前記開口に垂直に入射する光の向きと同様に前記第１乃至第３深さを有するように第２乃至第５半導体領域が形成された、請求項１記載の光電変換装置。
【請求項１３】
１個の半導体基板に請求項１乃至１２の何れか１項記載の光電変換装置を構成する前記第１フォトダイオードと前記重ねられた前記第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードとがアレイ状に配置されて成る固体撮像デバイス。
【請求項１４】
請求項１３記載の固体撮像デバイスと、前記固体撮像デバイスによる撮像信号をディジタル化するアナログフロントエンド部と、アナログフロントエンド部の出力データに対してディジタル信号処理を行なって画像データを生成するディジタル信号処理プロセッサと、を有する撮像装置。
【請求項１５】
第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置された第２導電型の第２半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され、前記第２半導体領域と深さ方向に重なりなく配置された第２導電型の第３半導体領域と、前記第１半導体領域の中に配置され、前記第２半導体領域と深さ方向に重なりなく配置されると共に前記第３半導体領域の一部と深さ方向に重なりを有して配置された第２導電型の第４半導体領域とを有し、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域は第１フォトダイオードを構成し、前記第１フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第１フォトダイオードのカソードを構成する第２半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する中波長帯域の光に対する光電変換のための第１深さを有し、
前記第１半導体領域と前記第３半導体領域は第２フォトダイオードを構成し、前記第２フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第２フォトダイオードのカソードを構成する第３半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する長波長帯域の光に対する光電変換のための前記第１深さよりも深い第２深さを有し、
前記第１半導体領域と前記第４半導体領域は第３フォトダイオードを構成し、前記第３フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第３フォトダイオードのカソードを構成する第４半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する短波長帯域の光に対する光電変換のための前記第１深さよりも浅い第３深さを有し、
前記第３フォトダイオードから得られる変換信号を前記短波長帯域の光に応ずる信号とし、
前記第１フォトダイオードから得られる変換信号から前記短波長帯域の光に応ずる信号を減算して得られる信号を前記中波長帯域の光に応ずる信号とし、
前記第２フォトダイオードから得られる変換信号から前記短波長帯域の光に応ずる信号と前記中波長帯域の光に応ずる信号とを減算して得られる信号を前記長波長帯域の光に応ずる信号とする、光電変換装置。
【請求項１６】
前記第１乃至第４半導体領域は表面に第１導電型の高濃度不純物層を有する、請求項１５記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカラー画像の検出に用いる光電変換装置に関し、例えば、カメラ若しくは固体撮像装置等の画像入力装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は、赤緑青（以下ＲＧＢと表記）の光を透過させるカラーフィルタ（以下ＣＦと表記）を画素上の光路に挿入して画素内に形成したフォトダイオード（以下ＰＤと表記）で光電変換して、画素毎に赤・緑・青（ＲＧＢ）電気信号をそれぞれ独立して取り出す構成でカラー画像を得ていた。【０００３】
このＲＧＢ−ＣＦで色分離する方式は、色毎に専用の画素を必要とするため、少なくともＲＧＢ等の３画素を一組として色電気信号を得るため、ＲＧＢそれぞれ３個分の画素が必要であった。【０００４】
また、ＲＧＢ−ＣＦに光を透過させる必要があるため、光エネルギーはＲＧＢ−ＣＦで熱に変換されて減衰し透過光エネルギーが減少されてＰＤに照射されるので光電変換した光電子が少なくなり出力色信号を低下させる問題と共に、ＲＧＢ−ＣＦでの発熱でＲＧＢ−ＣＦの分光特性を変動させる問題もあった。さらに、ＲＧＢ−ＣＦ層の厚みが光の入射角度を狭めるため光利用効率を減少させる問題もあった。さらにＲＧＢ−ＣＦの材料に顔料が使われるため、顔料に含まれる重金属による汚染から、従来からのウェハ製造プロセスラインと分離したＲＧＢ−ＣＦ専用の製造ラインを設ける必要があった。【０００５】
これらの問題を解決する手段として、特許文献１、特許文献２ではＲＧＢ−ＣＦなどの光学色フィルタを使わないでＲＧＢなどの色電気信号を得る方式が提案されている。特許文献１は、導電型の異なる半導体領域を交互に複数層重ねて複数の深さのＰＮ接合を構成し、異なる複数の波長帯域の光を前記複数の深さのＰＮ接合でそれぞれ光電変換を行うカラー画像検出装置を提案する。【０００６】
特許文献２は、ＲＧＢ−ＣＦを使わずに１画素だけでＲＧＢ色信号を得るため、導電型の異なる半導体領域を交互に複数層重ねて複数の深さのＰＮ接合を構成し、異なる複数の波長帯域の光を前記複数の深さのＰＮ接合でそれぞれ光電変換するカラー画像検出装置が提案されている。【０００７】
これら特許文献１と特許文献２は、いずれも導電型の異なる半導体領域を交互に複数層重ねて複数の深さのＰＮ接合を構成し、異なる複数の波長帯域の光を前記複数の深さのＰＮ接合でそれぞれ光電変換する素子が提案されている。これらによればＲＧＢ−ＣＦを使わないで半導体に光を照射するのでＲＧＢ−ＣＦ方式と比較してＲＧＢ−ＣＦでの光の減衰がないため、光の有効利用効率が高いという特徴がある。また、ＲＧＢ毎に２次元的に独立した３画素を構成する必要がなく、ひとつの画素からＲＧＢの３色信号を独立して取り出すことができるので、画素のＰＤ占有面積は、ＲＧＢ−ＣＦ方式と比較して、ＰＤ占有画素面積を約１／３にできるので、ＲＧＢ−ＣＦ方式の約３倍の解像度が得られると共に、ＲＧＢ−ＣＦ方式の約３倍の感度を得ることができる。【０００８】
【特許文献１】特開昭６１−１８７２８２号公報
【特許文献２】特開２００３−２９８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１については、半導体の深さ方向に導電型の異なる半導体領域を交互に複数層重ねて複数の深さのＰＮ接合を構成し、各ＰＤの各半導体層が深さ方向に交互に共用して構成されているため、各ＰＤでの光電変換した信号電子は相互に影響を受けてしまうため、各ＰＤの信号電子を独立して取り出すのが難しいという欠点があり、さらに各ＰＤで発生するリーク電流が他のＰＤへ流れ込みＲＧＢなどの色信号に誤差を生じてしまう問題があった。【００１０】
特許文献２は、各ＰＤを独立させて動作できるように各ＰＤ間に分離を目的とした半導体領域を設けて改善を図ったもので、半導体の深さ方向にＰＮＰＮＰＮＰＮの７接合による８半導体領域の構造を重ねて形成する構造であるため、構造が複雑で実際に製品として製造することは、極めて困難さを伴うという欠点があった。【００１１】
更に本発明者の検討によれば、遮光膜の開口直下に配置されたＰＤの入射光が前記開口周縁で回折すると向きが斜めになって垂直光に比べ光路長が長くなり、同じＰＤで波長の異なる光を検出することになり、波長分離若しくは色分離精度が低下することが明らかにされた。さらに半導体プロセスに起因して半導体領域表面の汚れによって半導体領域の表面部分に不所望な暗電流が流れて光電変換精度を低下されることが明らかにされた。【００１２】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、ＲＧＢ−ＣＦなどの光学色フィルタを使わないで、半導体の深さ方向に導電型の異なる半導体領域を交互に重ねて複数の深さのＰＮ接合を構成する構造において、各波長光帯域の色分離特性を改善してノイズの少ない電気信号を取り出すことができ、構造をできるだけ単純化して実際に製品として製造できるようにした光電変換装置を提供することを目的とするものである。更に本発明はそのような光電変換装置を用いた撮像装置を提供することにある。【００１３】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。【００１５】
本発明に係る光電変換装置は、半導体領域のＰＮ接合深さの相違による光電変換による色分離は、Ｂ信号は分離し易いが、Ｇ信号とＲ信号は色分離が不完全になる傾向が強いという性質を見出した結果を反映した構造とされる。即ち、Ｇ信号とＲ信号の色分離不完全性の傾向に対し、Ｒ光とＢ光の２種のＰＤに対してＰＮ接合面を深さ方向に重ねて構成して、Ｇ光に対するＰＤは単独配置とする。最も浅いＢ光から得られる信号にはＢ光の変換信号が高い精度で得られる。次に深いＧ光のＰＤに得られる信号にはＢ光の変換信号も含まれる。従って後段の回路でＧ光のＰＤで得られる変換信号からＢ光のＰＤで得られる変換信号を減算することによってＧ光の変換信号を高い精度で得ることができる。同様に、最も深いＲ光のＰＤに得られる信号にはＢ光の変換信号とＧ光の変換信号も含まれる。従って後段の回路でＲ光のＰＤで得られる変換信号からＢ光のＰＤで得られる変換信号を減算し、更に前記減算によって得られたＧ光の信号を減算することによってＲ光の変換信号を高い精度で得ることができる。これにより、ＲＧＢ各波長光帯域の色分離特性を改善し、ＲＧＢ光の各ＰＤを平面方向に分散配置する場合に比べて面積を縮小でき、ＲＧＢ光の各ＰＤを全て深さ方向に配置する場合に比べて半導体積層構造の簡素化を実現することができる。【００１６】
更にその構造を詳述する。本発明に係る光電変換装置は、第1導電型（例えばＰ型）の第１半導体領域（１）と、前記第１半導体領域の中に形成された第２導電型（例えばＮ型）の第２半導体領域（２）及び第３半導体領域（３）と、前記第３半導体領域の中に形成された第１導電型の第４半導体領域（４）と、前記第４半導体領域の中に形成された第２導電型の第５半導体領域（５）とを有する。前記第１半導体領域と前記第２半導体領域は第１フォトダイオード（ＰＤＧ）を構成し、前記第１フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第１フォトダイオードのカソードを構成する第２半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する中波長帯域の光に対する光電変換のための第1深（ＤＰ＿Ｇ）さを有する。前記第４半導体領域と前記第３半導体領域は第２フォトダイオード（ＰＤＲ）を構成し、前記第２フォトダイオードのアノードを構成する前記第４半導体領域と前記第２フォトダイオードのカソードを構成する第３半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する長波長帯域の光に対する光電変換のための第２深（ＤＰ＿Ｒ）さを有する。前記第４半導体領域と前記第５半導体領域は第３フォトダイオード（ＰＤＢ）を構成し、前記第３フォトダイオードのアノードを構成する前記第４半導体領域と前記第３フォトダイオードのカソードを構成する第５半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する短波長帯域の光に対する光電変換のための第３深（ＤＰ＿Ｂ）さを有する。【００１７】
前記長波長領域の光は赤色光であり、前記中波長領域の光は緑色光であり、前記短波長領域の光は青色光である。【００１８】
ＲＧＢの光波長に対応した３種のＰＤのＰＮ接続面を深さ方向に重ねたときのＧ信号とＲ信号の色分離不完全性に対し最も色分離性能が悪くなるＧ光に対するＰＤを単独配置とし、Ｒ光とＢ光の２種のＰＤに対してはＰＮ接続面を深さ方向に重ねて面積の縮小を図るが、重ねられた前記第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードと前記第１フォトダイオードとを市松模様状にマトリクス配置するのがよい。これにより、マトリクス配置されたフォトダイオードの平面的な配置のフォトダイオード毎に画素を割り当て、相互に縦と横に隣接する画素を用いた補間色演算を行うことによって、マトリクス配置されたフォトダイオードのアレイの規模と同じ画素数で画像を検出することができる。【００１９】
本発明の具体的な一つの形態として、前記第１乃至第５半導体領域は表面に第１導電型の高濃度不純物層を有し、前記高濃度不純物層は前記第１半導体領域と第４半導体領域とを電気的に導通させる。高濃度不純物層は、半導体プロセスに起因して半導体領域表面の汚れによって半導体領域の表面部分に流れる不所望な暗電流を第１乃至第３のフォトダイオードのアノード（Ａ＿Ｃ）が接続されるコモン電位若しくはグランド電位に引き込むように作用し、そのような暗電流がカソードに流れて光電変換精度を低下させる事態を抑制することができる。【００２０】
本発明の別の具体的な形態として、ソース及びドレインの一方を前記第２半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第1半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第１の転送ＭＯＳトランジスタ（Ｍ１）と、ソース及びドレインの一方を前記第３半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第２の転送ＭＯＳトランジスタ（Ｍ１１）と、ソース及びドレインの一方を前記第５半導体領域で兼用しソース及びドレインの他方を前記第１半導体領域に設けた第２導電型の半導体領域で形成した第３の転送ＭＯＳトランジスタ（Ｍ２１）と、を有し、光電変換によって前記接合面に流れる電流による電荷情報を前記転送ＭＯＳトランジスタを経由して蓄積し出力する電荷蓄積出力部を前記第1乃至第３の選択トランジスタ毎に設ける（ＡＣＣＧ、ＡＣＣＲ、ＡＣＣＢ）。光電変換素子を用いた撮像サイクルはリセットサイクル、露光サイクル及び転送サイクルに大別される。リセットサイクルにおいて転送ＭＯＳトランジスタはオン状態にされ、電荷蓄積出力部とフォトダイオードのカソードに初期電荷が蓄積される。露光サイクルでは転送ＭＯＳトランジスタをオフ状態とし、フォトダイオードに光電変換させる。次の転送サイクルでは転送ＭＯＳトランジスタをオン状態とし、フォトダイオードのカソードに蓄積された光電子（光電変換によって得られた電子）を電荷蓄積出力部に転送し、この後、転送ＭＯＳトランジスタをオフ状態にしてから電荷蓄積出力部より変換信号を取り出す。電荷蓄積出力部とフォトダイオードのカソードとの間に転送ＭＯＳトランジスタが配置されるので、電荷蓄積出力部より変換信号を取り出すときノイズの影響によって変換信号が不安定になるのを抑制することができる。電荷蓄積出力部を第１乃至第３フォトダイオード毎に設けた構成においては、電荷蓄積出力部を並列動作させてＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対する検出信号を並列出力することができる。【００２１】
前記電荷蓄積出力部を前記第1の選択トランジスタ及び第２の選択トランジスタに共通化して設ける（ＡＣＣＲＢ）と共に、前記第３の選択トランジスタに専用化して（ＡＣＣＧ）設けてもよい。上記よりも占有面積を小さくすることができる。【００２２】
前記電荷蓄積出力部を前記第１乃至第３の選択トランジスタに共通化して（ＡＣＣＲＢＧ）設けてもよい。占有面積を更に小さくすることができる。【００２３】
更に具体的な形態として、前記電荷蓄積出力部は、前記転送ＭＯＳトランジスタのソース及びドレインの他方にゲートが結合されたソースフォロア出力トランジスタ（Ｍ２，Ｍ１２，Ｍ２２，Ｍ３２，Ｍ４２）と、前記ソースフォロア出力トランジスタのゲートから対応するカソードに至る経路を選択的に充電するリセットＭＯＳトランジスタ（Ｍ４，Ｍ１４，Ｍ２４，Ｍ３４，Ｍ４４）とを有する。リセットＭＯＳトランジスタはリセットサイクルにオン状態にされ、それ以外オフ状態を保つ。【００２４】
更に具体的な形態として、前記第１乃至第３の転送ＭＯＳトランジスタ、前記ソースフォロア出力トランジスタ及びリセットＭＯＳトランジスタの全部又は一部にバルク型のＭＯＳトランジスタを採用してよい。前記バルク型ＭＯＳトランジスタは、ゲート下の界面にチャンネル形成層よりも不純物濃度の濃い不純物領域を有する。バルク型ＭＯＳトランジスタではゲート直下の表面にチャネルが形成されず、当該表面に不所望な汚染があってもチャネル電流はそれによるノイズ電流の影響を受け難いため、ノイズ低減効果がある。【００２５】
本発明の別の具体的な形態として、前記第２半導体領域の上方と前記第５半導体領域の上方に開口を形成した遮光膜を有し、前記夫々の開口に透光性材料で形成した凹レンズ（２３）が配置され、前記凹レンズの上に透光性材料で形成した凸レンズ（２４）が配置される。凸レンズはフォトダイオードへの入射光を収束して、集光性を向上させ、凹レンズは集光された光を平行光に直してフォトダイオードに垂直入射させることができ、集光性と共に優れた色分離性能を得ることができる。【００２６】
本発明の別の具体的な形態として、前記第２半導体領域の上方と前記第５半導体領域の上方に開口（２１）を形成した遮光膜（２２）を有し、前記開口の周縁部分で外側に回折した光の向きに対しても、前記開口に垂直に入射する光の向きと同様に前記第１乃至第３深さを有するように第２乃至第５半導体領域が形成される。フォトダイオードの入射光が前記開口周縁で回折して向きが斜めになっても垂直光に比べ光路長が大きく変化せず、一つのフォトダイオードにおける波長分離若しくは色分離の精度劣化を抑制することができる。【００２７】
固体撮像デバイスは、１個の半導体基板に光電変換装置を構成する前記第１フォトダイオードと前記重ねられた前記第２フォトダイオード及び第３フォトダイオードとがアレイ状に配置されて成る。【００２８】
撮像装置は、前記固体撮像デバイスと、前記固体撮像デバイスによる撮像信号をディジタル化するアナログフロントエンド部と、アナログフロントエンド部の出力データに対してディジタル信号処理を行なって画像データを生成するディジタル信号処理プロセッサと、を有する。【００２９】
本発明の別の構造に係る光電変換装置は、第1導電型の第１半導体領域（１）と、前記第１半導体領域の中に配置された第２導電型の第２半導体領域（２）及び第３半導体領域（３Ａ）と、前記第１半導体領域の中に配置され一部が前記第３半導体領域と深さ方向に重なりを有して配置された第２導電型の第４半導体領域（５Ａ）とを有する。前記第１半導体領域と前記第２半導体領域は第１フォトダイオードを構成し、前記第１フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第１フォトダイオードのカソードを構成する第２半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する中波長帯域の光に対する光電変換のための第1深さを有する。前記第１半導体領域と前記第３半導体領域は第２フォトダイオードを構成し、前記第２フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第２フォトダイオードのカソードを構成する第３半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する長波長帯域の光に対する光電変換のための第２深さを有する。前記第１半導体領域と前記第４半導体領域は第３フォトダイオードを構成し、前記第３フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域と前記第３フォトダイオードのカソードを構成する第４半導体領域との接合面は前記第１半導体領域の表面から入射する短波長帯域の光に対する光電変換のための第３深さを有する。この構造では第３半導体領域の一部は表裏面が第１半導体領域に接するように第１半導体領域に埋め込まれた構造を有する点が上記光電変換装置と相違される点であり、それと同様の作用効果を得る。
【発明の効果】
【００３０】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。【００３１】
すなわち、ＲＧＢ−ＣＦなどの光学色フィルタを使わないで、半導体の深さ方向に導電型の異なる半導体領域を交互に重ねて複数の深さのＰＮ接合を構成する構造を簡素化することができ、たま、各波長光帯域の色分離特性を改善してノイズの少ない電気信号を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は固体撮像デバイスを構成する光電変換素子の概略断面図である。
【図２】図２はＳｉ半導体領域表面に垂直に入射した光がＳｉ中で吸収される距離を図１のデバイス断面構造と対比して模式的に表現した説明図である。
【図３】図３はＲＧＢ光の各ＰＤを平面方向に分散配置した比較例の説明図である。
【図４】図４はＲＧＢ光の各ＰＤを全て深さ方向に配置した比較例の説明図である。
【図５】図５は緑色フォトダイオードとそれによる光電変換信号の検出回路である。
【図６】図６は図５の回路の平面的構成を例示する概略平面レイアウト図である。
【図７】図７は青色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードとそれによる光電変換信号の検出回路の平面的構成を例示する概略平面レイアウト図である。
【図８】図８は図６の緑色フォトダイオードと図７の青色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードによって構成される１つの光電変換素子の全体的な平面構成を示す概略平面レイアウト図である。
【図９】図９は図３に対応される緑色フォトダイオード、青色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードを平面的に分離配置した比較例に係る１つの光電変換素子の全体的なレイアウト図である。
【図１０】図１０は青色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードに共通化した電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢを採用したときの回路構成図である。
【図１１】図１１は図１０の回路の平面的構成を例示するレイアウト図である。
【図１２】図１２は緑色フォトダイオード、青色フォトダイオード及び赤色フォトダイオードに共通化した電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢＧを採用したときの回路構成図である。
【図１３】図１３は図１２の回路の平面的構成が例示するレイアウト図である。
【図１４】図１４は転送ＭＯＳトランジスタを加えた更に詳細な光電変換装置の縦断面構造を例示する縦断面図である。
【図１５】図１５は固体撮像デバイスを構成する光電変換装置の別の概略断面構造を例示する縦断面図である。
【図１６】図１６は固体撮像デバイスを構成する光電変換装置の更に別の概略断面構造を例示する縦断面図である。
【図１７】図１７は積層された半導体領域の形状についての別の例として第３乃至第５半導体領域の両端部における円弧状の縦断面構造について示す縦断面図である。
【図１８】図１８は光電変換素子の前方にレンズを配置した別の例として縦方向に重ねた赤色光フォトダイオード及び青色光フォトダイオードにレンズを組合わせた縦断面構造について示す縦断面図である。
【図１９】図１９は本発明に係る光電変換装置を用いた撮像装置のシステム構成図である。
【図２０】図２０はバルク型ＭＯＳトランジスタの縦断面図である。
【図２１】図２１はフォトダイオードを市松模様状のアレイ配置と補間色演算の形態を例示する説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  第1導電型（例えばＮ型）の第１半導体領域
２  第２導電型（例えばＰ型）の第２半導体領域
３、３Ａ  第２導電型（例えばＰ型）の第３半導体領域
４  第１導電型の第４半導体領域
５  第２導電型の第５半導体領域
５Ａ  第２導電型の第４半導体領域
６  高濃度不純物層
ＪＮＣ＿Ｒ  赤色フォトダイオードのＰＮ接合面
ＪＮＣ＿Ｇ  緑色フォトダイオードのＰＮ接合面
ＪＮＣ＿Ｂ  青色フォトダイオードのＰＮ接合面
Ｋ＿Ｒ  赤色フォトダイオードのカソード端子
Ｋ＿Ｇ  緑色フォトダイオードのカソード端子
Ｋ＿Ｂ  青色フォトダイオードのカソード端子
Ａ＿Ｃ  共通アノード端子
Ｍ１、Ｍ１１、Ｍ２１  転送ＭＯＳトランジスタ
Ｍ２、Ｍ１２、Ｍ２２、Ｍ３２、Ｍ４２  ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタ
Ｍ３、Ｍ１３、Ｍ２３、Ｍ３３、Ｍ４３  選択ＭＯＳトランジスタ
Ｍ４、Ｍ１４、Ｍ２４、Ｍ３４、Ｍ４４  リセットＭＯＳトランジスタ
ＡＣＣＲ、ＡＣＣＧ、ＡＣＣＢ  電荷蓄積出力部
１０  ゲート酸化膜
１２  遮光膜
２０  反射防止膜
２１  開口
２２  遮光膜
２３  凹レンズ
２４  凸レンズ
３０  個体撮像デバイス
３４  ＣＤＳ（相関２重サンプリング回路）
３５  ＧＣA（ゲインコントロールアンプ）
３６  ＡＤＣ（アナログ・ディジタルコンバータ）
３８  ＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセッサ）
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１には光電変換装置として固体撮像デバイスを構成する光電変換素子の基本的な概略断面図が例示される。撮像デバイスは１個の半導体シリコン基板に多数の光電変換素子をアレイ状に配置して構成される。【００３５】
半導体シリコン基板は例えばN＋型とされ、そこに、Ｎ−型領域をエピタキシャル成長で形成する。このＮ−型領域に多数の光電変換素子が所定ピッチでマトリクス状に形成される。【００３６】
光電変換装置は、Ｎ−型領域に形成された第1導電型例えばＰ型の第１半導体領域１と、前記第１半導体領域の中に配置された第２導電型例えばＮ型の第２半導体領域２及び第３半導体領域３と、前記第３半導体領域の中に配置された第１導電型の第４半導体領域４と、前記第４半導体領域の中に配置された第２導電型の第５半導体領域５とを有する。前記第１半導体領域１と前記第２半導体領域２は緑色フォトダイオード（第１フォトダイオード）を構成し、前記第４半導体領域４と前記第３半導体領域３は赤色フォトダイオード（第２フォトダイオード）を構成し、前記第４半導体領域４と前記第５半導体領域５は青色フォトダイオード（第３フォトダイオード）を構成する。Ｋ＿Ｇは緑色フォトダイオードのカソード端子、Ｋ＿Ｒは赤色フォトダイオードのカソード端子、Ｋ＿Ｂは青色フォトダイオードのカソード端子である。前記第１半導体領域１乃至第５半導体領域５は表面にＰ型の高濃度不純物層（キャップ層）６を有し、前記高濃度不純物層６は前記第１半導体領域１と第４半導体領域４とを電気的に導通させ、前記緑色フォトダイオード（ＰＤＧ）、赤色フォトダイオード（ＰＤＲ）、及び青色フォトダイオード（ＰＤＢ）の共通アノード端子Ａ＿Ｃに接続される。【００３７】
前記緑色フォトダイオードのアノードを構成する前記第１半導体領域１と前記緑色フォトダイオードのカソードを構成する第２半導体領域２との接合面ＪＮＣ＿Ｇは前記第１半導体領域１の表面から入射する中波長帯域の光（例えば波長５２０ナノ・メートル（ｎｍ）に代表される緑色光（Ｇ光））に対する光電変換のための第1深さ（ＤＰ＿Ｇ）を有する。前記赤色フォトダイオードのアノードを構成する前記第４半導体領域４と前記赤色フォトダイオードのカソードを構成する第３半導体領域３との接合面ＪＮＣ＿Ｒは前記第１半導体領域１の表面から入射する長波長帯域の光（例えば波長６６０ｎｍに代表される赤色光（Ｒ光））に対する光電変換のための第２深さ（ＤＰ＿Ｒ）を有する。前記青色フォトダイオードのアノードを構成する前記第４半導体領域４と前記青色フォトダイオードのカソードを構成する第５半導体領域５との接合面ＪＮＣ＿Ｂは前記第１半導体領域１の表面から入射する短波長帯域の光（例えば波長４５０ｎｍに代表される青色光（Ｂ光））に対する光電変換のための第３深さ（ＤＰ＿Ｂ）を有する。例えば第１半導体領域１の深さを８．０ミクロン・メートル（μｍ）とするとき、第２深さ（ＤＰ＿Ｒ）を４．０μｍ、第１深さ（ＤＰ＿Ｇ）を２．０μｍ、第３深さ（ＤＰ＿Ｂ）を０．５μｍとする。【００３８】
緑色フォトダイオード、赤色フォトダイオード、及び青色フォトダイオードは夫々光電変換素子を構成し、赤色フォトダイオードと青色フォトダイオードは深さ方向に重ねられた配置を有する。【００３９】
図２にはＳｉ半導体領域表面に垂直に入射した光がＳｉ中で吸収される距離を図１のデバイス断面構造と対比して模式的に表現されている。図２の例によれば、Ｂ光はＳｉ半導体領域表面から大凡２．０μｍ迄で吸収され、Ｇ光はＳｉ半導体領域表面から大凡３．５μｍ迄で吸収され、Ｒ光はＳｉ半導体領域表面から大凡５．５μｍ迄で吸収されている。したがって、半導体領域のＰＮ接合深さを相違させればＲＧＢ各光のＰＮ接合面を深さ方向に重ねても光電変換による色分離を行うことができる。更に詳しくは、最も浅いＢ光から得られる信号にはＢ光の変換信号が高い精度で得られる。次に深いＧ光のＰＤに得られる信号にはＢ光の変換信号も含まれる。従って後段の回路でＧ光のＰＤで得られる変換信号からＢ光のＰＤで得られる変換信号を減算することによってＧ光の変換信号を高い精度で得ることができる。同様に、最も深いＲ光のＰＤに得られる信号にはＢ光の変換信号とＧ光の変換信号も含まれる。従って後段の回路でＲ光のＰＤで得られる変換信号からＢ光のＰＤで得られる変換信号を減算し、更に前記減算によって得られたＧ光の信号を減算することによってＲ光の変換信号を高い精度で得ることができる。図２より明らかなように、ＰＮ接合深さの相違に応じた光電変換による色分離は、Ｂ光は分離し易いが、Ｇ光とＲ光は色分離が不完全になる傾向が強い。即ち、Ｇ光が吸収されるＰＮ接合深さの全域において多くのＲ光も吸収されることになる。図１のデバイス構造は、Ｇ信号とＲ信号の色分離不完全性の傾向に対し、Ｒ光とＢ光の２種のＰＤに対してＰＮ接合面を深さ方向に重ねて構成して、Ｇ光に対するＰＤは単独配置とするものである。これにより、ＲＧＢ各波長光帯域の色分離特性を改善でき、図３のＲＧＢ光の各ＰＤを平面方向に分散配置する場合に比べて面積を縮小でき、図４のＲＧＢ光の各ＰＤを全て深さ方向に配置する場合に比べて半導体積層構造の簡素化を実現することができる。【００４０】
高濃度不純物層６は、半導体プロセスに起因して半導体領域表面の汚れによって半導体領域の表面部分に流れる不所望な暗電流を第１乃至第３のフォトダイオードのアノード（Ａ＿Ｃ）が接続されるコモン電位若しくはグランド電位に引き込むように作用し、そのような暗電流がカソードに流れて光電変換精度を低下させる事態を抑制するのに寄与する。【００４１】
ＲＧＢの光波長に対応した３種のＰＤのＰＮ接続面を深さ方向に重ねたときのＧ信号とＲ信号の色分離不完全性に対し最も色分離性能が悪くなるＧ光に対するＰＤを単独配置とし、Ｒ光とＢ光の２種のＰＤに対してはＰＮ接続面を深さ方向に重ねて面積の縮小を図るが、図２１に例示されるように重ねられた前記第２フォトダイオード（Ｒ）及び第３フォトダイオード（Ｂ）と前記第１フォトダイオード（Ｇ）とを市松模様状にマトリクス配置するのがよい。これにより、マトリクス配置されたフォトダイオードの平面的な配置のフォトダイオード毎に画素を割り当て、相互に縦と横に隣接する画素を用いた補間色演算を行うことによって、マトリクス配置されたフォトダイオードのアレイの規模と同じ画素数で画像を検出することができる。補間演算は例えば図２１に例示されるように周りの４個の画素に対応するフォトダイオーによって得られる色信号の算術平均を用いて極めて簡単且つ高精度に行うことができる。【００４２】
図１の光電変換素子の製造方法についてその概略を説明する。Ｎ＋型シリコン半導体ウェーハを用意し、その主面にエピタキシャル成長にてＮ−型半導体領域を形成する。Ｎ−型半導体領域にイオン注入とアニールにてＰ型半導体領域１を形成する。Ｐ型半導体領域１にイオン注入とアニールにてＮ型半導体領域３を形成する。Ｎ型半導体領域３にイオン注入とアニールにてＰ型半導体領域４を形成する。次に前記Ｐ型半導体領域１にイオン注入とアニールにてＮ型半導体領域２を形成する。前記Ｐ型半導体領域４にイオン注入とアニールにてＮ型半導体領域５を形成する。そして表面に高濃度不純物層６としてＰ＋型半導体層をイオン注入とアニールにて薄く（例えば厚さ０．２μｍ程度）形成する。【００４３】
図５には前記緑色フォトダイオードとそれによる光電変換信号の検出回路が例示される。図６には図５の回路の平面的構成が例示される。Ｍ１は緑色フォトダイオードＰＤＧのカソード端子Ｋ＿Ｇにソース及びドレインの一方に直列接続された第１転送ＭＯＳトランジスタである。この第１転送ＭＯＳトランジスタＭ１には光電変換によって緑色フォトダイオードＰＤＧの接合面ＪＮＣ＿Ｇに流れる電流による電荷情報を前記転送ＭＯＳトランジスタＭ１を経由して蓄積し出力する電荷蓄積出力部ＡＣＣＧを有する。電荷蓄積出力部ＡＣＣＧは、前記転送ＭＯＳトランジスタＭ１のソース及びドレインの他方にゲートが結合されドレインが電源電圧ＶＤＤに結合されたＮチャンネル型のソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ２と、ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ２の出力を選択するＮチャンネル型の選択ＭＯＳトランジスタＭ３と、前記ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートから対応するカソードに至る経路を選択的に充電するＮチャンネル型のリセットＭＯＳトランジスタＭ４とを有する。ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートから転送ＭＯＳトランジスタＭ１に至る経路は比較的大きな寄生容量有するフローティング・ディフージョン（ＦＤ）として構成される。リセットＭＯＳトランジスタＭ４はリセット信号ＲＳＴのハイレベルによって電源電圧ＶＤＤを充電ノードに供給する。選択ＭＯＳトランジスタＭ３は選択信号ＳＥＬによってスイッチ制御される。【００４４】
光電変換素子を用いた撮像サイクルはリセットサイクル、露光サイクル及び転送サイクルに大別される。リセットサイクルにおいて選択ＭＯＳトランジスタＭ３がオフ状態、転送ＭＯＳトランジスタＭ１及びリセットＭＯＳトランジスタＭ４がオン状態にされ、ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートからカソードＫ＿Ｇに至る経路が電源電圧ＶＤＤで充電されカソードに初期電荷が蓄積される。露光サイクルではＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ３，Ｍ４をオフ状態とし、フォトダイオードＰＤＧに光電変換させる。次の転送サイクルでは転送ＭＯＳトランジスタＭ１をオン状態とし、フォトダイオードＰＤＧのカソードに蓄積された光電子をＦＤに転送する。この後、転送ＭＯＳトランジスタＭ１をオフ状態にしてから選択ＭＯＳトランジスタＭ３をオン状態にし、ＦＤの電圧によって相互コンダクタンスが制御されるソースフォロア出力トランジスタＭ２によって増幅された検出信号ＯＵＴが選択ＭＯＳトランジスタＭ３から出力される。電荷蓄積出力部ＡＣＣＧとフォトダイオードＰＤＧのカソードＫ＿Ｇとの間に転送ＭＯＳトランジスタＭ１が配置されるので、電荷蓄積出力部ＡＣＣＧより検出信号ＯＵＴを取り出すとき露光によるノイズの影響によって検出信号が不安定になるのを抑制することができる。【００４５】
図７には前記青色フォトダイオードＰＤＢ及び赤色フォトダイオードＰＤＲとそれによる光電変換信号の検出回路の平面的構成が例示される。青色フォトダイオードＰＤＢに接続される光電変換信号の検出回路は転送ＭＯＳトランジスタＭ１１と電荷蓄積出力部ＡＣＣＢを有し、電荷蓄積出力部ＡＣＣＢはソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ１２、選択ＭＯＳトランジスタＭ１３、及びリセットＭＯＳトランジスタＭ１４から成り、図５の説明と同様に作用する。赤色フォトダイオードＰＤＲに接続される光電変換信号の検出回路は転送ＭＯＳトランジスタＭ２１と電荷蓄積出力部ＡＣＣＲを有し、電荷蓄積出力部ＡＣＣＢはソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ２２、選択ＭＯＳトランジスタＭ２３、及びリセットＭＯＳトランジスタＭ２４から成り、図５の説明と同様に作用する。【００４６】
図８には図６のＰＤＧと図７のＰＤＢ，ＰＤＲによって構成される１つの光電変換素子の全体的なレイアウトが示される。図９には図３に対応されるＰＤＧ，ＰＤＢ，ＰＤＲを平面的に分離配置した１つの光電変換素子の全体的なレイアウトが示される。占有面積は図８の方が小さくなる。図８においては電荷蓄積出力部ＡＣＣＲ，ＡＣＣＧ，ＡＣＣＢをフォトダイオードＰＤＲ，ＰＤＧ，ＰＤＢ毎に設けたから、電荷蓄積出力部ＡＣＣＲ，ＡＣＣＧ，ＡＣＣＢを並列動作させてＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対する検出信号を並列出力することができる。【００４７】
図１０にはフォトダイオードＰＤＲ，ＰＤＢに共通化した電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢを採用したときの回路構成が示され、図１１には図１０の回路の平面的構成が例示される。ここでは、電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢはソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ３２、選択ＭＯＳトランジスタＭ３３、及びリセットＭＯＳトランジスタＭ３４から成り、ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ３２のゲートとリセットＭＯＳトランジスタＭ３４のソースはフォトダイオードＰＤＲのフローティング・ディフュージョンＦＤとＰＤＢのフローティング・ディフュージョンＦＤに共通接続される。光電変換動作において電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢを用いた転送サイクルは、ＰＤＢの転送サイクルとＰＤＲの転送サイクルを時分割で行う。図７に比べて占有面積を小さくすることができる。【００４８】
図１２にはフォトダイオードＰＤＲ，ＰＤＢ，ＰＤＧに共通化した電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢＧを採用したときの回路構成が示され、図１３には図１２の回路の平面的構成が例示される。ここでは、電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢＧはソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ４２、選択ＭＯＳトランジスタＭ４３、及びリセットＭＯＳトランジスタＭ４４から成り、ソースフォロア出力ＭＯＳトランジスタＭ４２のゲートとリセットＭＯＳトランジスタＭ４４のソースはフォトダイオードＰＤＲ、ＰＤＧ，ＰＤＢの夫々のフローティング・ディフュージョンＦＤに共通接続される。光電変換動作において電荷蓄積出力部ＡＣＣＲＢＧを用いた転送サイクルは、ＰＤＢの転送サイクルとＰＤＲの転送サイクルＰＤＧの転送サイクルを時分割で行う。図１１に比べて占有面積を小さくすることができる。【００４９】
図１４には転送ＭＯＳトランジスタを加えた更に詳細な光電変換素子の縦断面構造が示される。１０はゲート酸化膜であり、このゲート酸化膜１０を介して転送ＭＯＳトランジスタのゲート（ＧＴ）が形成される。その上には層間絶縁膜１１を介して遮光膜１２及びフローティング・ディフュージョンＦＤが形成される。【００５０】
また、前記の転送ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ１１，Ｍ２１、選択トランジスタＭ３，Ｍ１３，Ｍ２３，Ｍ３３，Ｍ４３、ソースフォロワ出力トランジスタＭ２，Ｍ１２，Ｍ２２，Ｍ３２，Ｍ４２、リセットＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ１４，Ｍ２４，Ｍ３４，Ｍ４４、の全てまたは一部に、図２０のバルク型ＭＯＳトランジスタ、即ち、ゲート下の界面にチャンネル形成層より不純物濃度の濃い拡散層を設けて、界面をキャリアが通過することなく、バルクのみをキャリアが通過するようにした構造を採用して雑音を低減することができる。【００５１】
図１５には固体撮像デバイスを構成する光電変換素子の別の概略断面構造が例示される。半導体シリコン基板は例えばN＋型とされ、そこに、Ｎ−型領域をエピタキシャル成長で形成する。このＮ−型領域に多数の光電変換素子が所定ピッチでマトリクス状に形成される。【００５２】
光電変換素子は、Ｎ−型領域に形成された第1導電型例えばＰ型の第１半導体領域１と、前記第１半導体領域１の中に配置された第２導電型例えばＮ型の第２半導体領域２及び第３半導体領域３Ａとを有する。第２半導体領域２は前記同様に柱状であるが、第３半導体領域３Ａはその深さ方向途中で段付きにされた段付き柱状を成し、深い部分の横断面の面積が浅い部分の横断面の面積よりも大きくされ、第３半導体領域３Ａの深部ではその表裏面が第１半導体領域１に接する。要するに、図１において第１半導体領域と第４半導体領域が一体的に形成されている。第１半導体領域１中において第３半導体領域３Ａの深部と重なる位置には第５半導体領域と同じＮ型の半導体領域５Ａが形成される。半導体領域５Ａと第１半導体領域１の接合面ＪＮＣ＿Ｂによって青色フォトダイオードが構成される。第３半導体領域３と第１半導体領域１の接合面ＪＮＣ＿Ｒによって赤色フォトダイオードが構成される。第１半導体領域１と第２半導体領域２の接合面ＪＮＣ＿Ｇによって緑色フォトダイオードが構成される。その他の構成は図１で説明した光電変換素子と同じであるからその詳細な説明は省略する。この構造の光電変換素子についても上記と同様に機能する。【００５３】
図１６には固体撮像デバイスを構成する光電変換素子の更に別の概略断面構造が例示される。同図に示される光電変換素子は図１４の構造に対して緑色フォトダイオードのカソード端子Ｋ＿Ｇの隣に青色フォトダイオードのカソード端子Ｋ＿Ｂが配置されるように構成されている点が相違し、その他の構成は図１５と同一であるからその詳細な説明は省略する。この構造の光電変換素子についても上記同様に機能する。【００５４】
図１７には積層された半導体領域の形状についての別の例とし、図１の第３乃至第５半導体領域３〜５の両端部における円弧状の縦断面構造について示す。半導体領域に表面には反射防止膜２０が形成され、前記第５半導体領域５の上方に開口２１を形成した遮光膜２２を有する。前記開口２１の周縁部分で外側に回折した光の向きに対しても、前記開口２１に垂直に入射する光の向きと同様に前記第２深さ（ＤＰ＿Ｒ）及び第３深さ（ＤＰ＿Ｂ）を有するように第３乃至第５半導体領域３〜５が形成されている。入射光が前記開口２１の周縁で回折して向きが斜めになっても垂直光に比べ光路長が大きく変化せず、一つのフォトダイオードにおける波長分離若しくは色分離の精度劣化を抑制することができる。特に図示はしないが緑色フォトダイオードのＰＮ接続面ＪＮＣ＿Ｇに関しても第２半導体領域２の両端部形状も第２の深さで円弧状に形成すればよい。反射防止膜２０は例えば保護膜（パッシベーション膜）としても機能し、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮの少なくとも一つを分子堆積法により堆積して形成することができる。遮光膜２２は例えば黒色素を入れた顔料の樹脂を塗布して写真製版工法により形成することができる。【００５５】
図１８には光電変換素子の前方にレンズを配置した別の例とし、縦方向に重ねた赤色フォトダイオード及び青色フォトダイオードにレンズを組合わせた縦断面構造について示す。反射防止膜２０の上層には前記第５半導体領域５の上方位置に開口２１を形成した遮光膜２２が形成される。前記開口２１には透光性材料で形成した凹レンズ２３が配置され、前記凹レンズ２３の上には透光性材料で形成した凸レンズ２４が配置される。凸レンズ２４はフォトダイオードへの入射光を収束して集光性を向上させる。凹レンズ２３は集光された光を平行光に直してフォトダイオードに垂直入射させる。凹レンズ２３と凸レンズ２４の組合せにより、集光性と共に優れた色分離性能を得ることができる。【００５６】
凹レンズ２３は、遮光膜２２と反射防止膜２０の上から光透過性の樹脂を塗布し、開口２１（受光部）内の該樹脂を写真製版工法でえぐり、この後、加熱溶融で形状に丸みを持たせて凹型に形成し、凹レンズ２３を作り込むこともできる。該凹レンズ２３の上部には光透過性の樹脂を塗布し、平坦化層（平坦化膜）２５を作る。凸レンズ２４は、前記平坦化層２５の上部には光透過性の樹脂を塗布し、塗布した樹脂を用いて、受光部に写真製版工法で円筒形等に整形し、加熱溶融で形状に丸みを持たせて凸型に形成することによって、凸レンズ２４を作ることができる。【００５７】
尚、遮光膜２２は、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ）等の金属シリサイド膜、又はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、配線用金属アルミ（Ａｌ）等の金属膜で形成してもよい。スパッタリングまたはＣＶＤ法を用いることになる。遮光膜を上記の金属シリサイド膜、または金属膜で形成する場合には、遮光膜の表層にボロンリンシリサイドガラス（ＢＰＳＧ）をＣＶＤ法で形成してもよい。【００５８】
図１９には撮像装置のシステム構成が例示される。３０は個体撮像デバイスであり、例えばＣＭＯＳ集積回路製造方法によって形成される。固体撮像デバイス３０は、１個の半導体基板に上記光電変換素子がアレイ状に配置されて構成される。個体撮像デバイス３０にはレンズ３１、絞り３２、赤外線カットフィルタ及び光学ＬＰＦ３３を介して光学画像（光）が入射される。個体撮像デバイス３０は入射光に対してＲＧＢの色変変換を行って、検出信号（撮像信号）を出力する。撮像信号をディジタル化するアナログフロントエンド部として、ＣＤＳ（相関２重サンプリング回路）３４、ＧＣＡ（ゲインコントロールアンプ）３５、ＡＤＣ（アナログ・ディジタルコンバータ）３６を有する。ＡＤＣ３６の出力はＤＳＰ（ディジタル信号処理プロセッサ）３８でディジタル信号処理が行なわれ、これによって画像データが生成される。画像データはＤＩＳＰ（ＬＣＤディスプレイ）３９で表示可能にされる、また、メディアインタフェース（ＭＤＡＩ／Ｆ）４０を介してフラッシュメモリ（ＦＬＡＳＨ）４１等に格納可能にされる。画像データは外部インタフェース（ＥＸＩ／Ｆ）４２を介して外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）等に出力することも可能にされる。システム全体の制御はデータプロセッサ（ＭＣＵ）４３が行い、アナログフロントエンド部に対するタイミング制御はタイミングジェネレータ（ＴＧＥＮ）４５が行う、絞り３２の駆動は絞りドライバ（ＡＰＤＲＶ）４６が行い、レンズの焦点制御はレンズ移動ドライバ（ＬＺＤＲＶ）４７が行う。【００５９】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。【００６０】
例えばシリコン半導体基板にはＰ型基板を用いてもよい。電荷蓄積出力部を構成するＭＯＳトランジスタはＮチャンネル型に限定されず、一部にＰチャンネル型ＭＯＳトランジスタを用いてもよい。ＲＧＢの各フォトダイオードのＰＮ接合深さについては今までの説明に限定されず適宜変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、ビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ、スキャナー等の画像入力若しくは画像撮像装置を構成する固体撮像デバイス及び光電変換素子に広く適用することができる。
【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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