(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位画素領域内の基板内において、異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、
前記複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のゲート部が、前記複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成された複数の縦型トランジスタと、を有し、
前記複数のフォトダイオードは、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が前記基板内に交互に複数層積層されることにより形成され、
前記積層される第１導電型半導体層、第２導電型半導体層は、平板型に形成され、
前記縦型トランジスタのゲート部は、前記単位画素領域内の前記フォトダイオードが形成されている領域内に形成され、
読み出し対象以外の前記フォトダイオードの電荷蓄積領域の、前記縦型トランジスタのゲート部と接する部分は、前記電荷蓄積領域とは逆の導電型半導体層により被覆される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記フォトダイオードへの光入射は、前記一方の面側に対向する他方の面側からなされる請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記光入射がなされる他方の面側には、所望の時間だけフォトダイオードへの光入射を遮るメカニカルシャッタを有する請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
光学レンズ系と、
単位画素領域内の基板内において、異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のトランジスタのゲート部が、前記複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成された縦型トランジスタとを有し、前記複数のフォトダイオードは、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が前記基板内に交互に複数層積層されることにより形成され、前記積層される第１導電型半導体層、第２導電型半導体層は、平板型に形成され、前記縦型トランジスタのゲート部は、前記単位画素領域内の前記フォトダイオードが形成されている領域内に形成され、読み出し対象以外の前記フォトダイオードの電荷蓄積領域の、前記縦型トランジスタのゲート部と接する部分は、前記電荷蓄積領域とは逆の導電型半導体層により被覆される固体撮像装置と
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理装置と
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単位画素領域内に複数のフォトダイオードを有する固体撮像装置、及びその固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置であるＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサにおける色分光は、主にカラーフィルタを用いることで実現される。カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、１画素に１種類のカラーフィルタを搭載し、主に赤、緑、青のカラーフィルタを有する３つの画素回路を隣り合わせて配置する。そのため、１画素において受光できる光は、厳密には、カラーフィルタに対応した１色のみである。よって、カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、異なる色のカラーフィルタを搭載する隣り合う画素に入射した光の情報を用いることで、色の生成が行われている。
【０００３】
そのため、カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、任意の画素に生成される色と、実際にその画素に入射した光の色が異なるという偽色が生じる。また、カラーフィルタを用いることにより、例えば赤のカラーフィルタの場合には、緑と青の入射光がカラーフィルタにより吸収され、受光部に到達しない。このため入射光量の２／３以上を損失していることになる。この入射光量の損失は、緑と青のカラーフィルタにおいても同様に生じる。
【０００４】
そこで、入射光量を効率よく利用し、かつ偽色の発生を防止するために、１画素において、基板内の深さ方向に複数のフォトダイオードを形成することで、分光する方法が開発されている。
【０００５】
特許文献１においては、例えば、図９に示すように、ｐ型のＳｉ基板１００中に、ｎ型半導体層１０２／ｐ型半導体層１０４／ｎ型半導体層１０６の３層構造を形成し、深さ方向に浅い方から、青、緑、赤の光を光電変換して取り出す色分離方法が記載されている。この方法においては、Ｓｉ基板１００表面において、それぞれの層に接続されたそれぞれの端子により、青、緑、赤の信号が外部に出力される。これは、波長の長さと、深さ方向における光の吸収の性質を利用したものである。これにより、１画素での色分光が可能となり、偽色の発生を抑制することが可能となる。よって、ローパスフィルタが不要となる。さらに、カラーフィルタを用いないため、赤、緑、青の波長の異なる色が単位画素内に入射する。このために光量の損失も少なくなる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−５１３１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のように、波長の長さと深さ方向における光の吸収の性質を利用したものでは、波長の長い赤色の光を光電変換し電荷を蓄積するフォトダイオードは、Ｓｉ基板１００表面から２μｍ程度の深さに形成する必要がある。このため、Ｓｉ基板１００表面の出力端子との距離が長く、フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に転送することは非常に困難であり、残像が発生する原因となっている。また、光は、Ｓｉ基板１００表面方向より入射し、光電変換により生成された電荷は、数重のウェル層で形成されたフォトダイオードに蓄積される。その場合、フォトダイオード端は、Ｓｉ基板１００表面に達する構造となり、その部分のＰＮ接合の深さとフォトダイオード中心のＰＮ接合の深さは異なることになる。これは、混色の原因となると共に、Ｓｉ基板１００表面におけるノイズ発生の原因ともなる。
【０００８】
上述の点に鑑み、本発明は、偽色、残像、ノイズ、混色を防止すると共に、画素の開口率及び感度の向上した固体撮像装置を提供するものである。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、単位画素領域内の基板内において異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、複数の縦型トランジスタとから構成される。複数の縦型トランジスタは、複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のトランジスタである。そして、複数の縦型トランジスタはそのゲート部が、複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成される。複数のフォトダイオードは、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が基板内に交互に複数層積層されることにより形成される。積層される第１導電型半導体層、第２導電型半導体層は、平板型に形成される。縦型トランジスタのゲート部は、単位画素領域内のフォトダイオードが形成されている領域内に形成される。読み出し対象以外のフォトダイオードの電荷蓄積領域の、縦型トランジスタのゲート部と接する部分は、電荷蓄積領域とは逆の導電型半導体層により被覆される。
【００１０】
本発明の固体撮像装置では、単位画素領域内に複数のフォトダイオードが形成されているので、単位画素領域から複数の色が読み出される。また、縦型トランジスタはそのゲート部が、複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さになるように形成されるので、対象となるフォトダイオードの信号電荷が全て読み出される。そして、それぞれのゲート部は、それぞれ異なるゲート長を有する。
【００１１】
また、本発明の電子機器は、固体撮像装置と、光学レンズ系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理装置とを備えて構成されるものである。
特に、固体撮像装置は、単位画素領域内の基板内において、異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、複数の縦型トランジスタとから構成される。複数の縦型トランジスタは、複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のトランジスタである。そして、複数の縦型トランジスタはそのゲート長が、複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成される。複数のフォトダイオードは、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が基板内に交互に複数層積層されることにより形成される。積層される第１導電型半導体層、第２導電型半導体層は、平板型に形成される。縦型トランジスタのゲート部は、単位画素領域内のフォトダイオードが形成されている領域内に形成される。読み出し対象以外のフォトダイオードの電荷蓄積領域の、縦型トランジスタのゲート部と接する部分は、電荷蓄積領域とは逆の導電型半導体層により被覆される。
【００１２】
本発明の電子機器では、光学レンズ系を介して固体撮像装置内に入射した光は、単位画素領域内の複数のフォトダイオードにおいて光電変換される。そして、光電変換された信号電荷は、フォトダイオード深さに形成された縦型トランジスタにより読み出され、画像を構成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体撮像装置によれば、偽色、残像、ノイズ、混色が低減されるとともに、感度を向上させることができる。また、カラーフィルタ、ローパスフィルタが不要となる。
【００１４】
また、本発明の電子機器によれば、偽色、残像、ノイズ、混色が低減され、感度が向上された画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１に、本発明が適用される固体撮像装置、すなわちＣＭＯＳイメージセンサの一実施形態の概略構成を示す。本実施形態例に係る固体撮像装置１は、半導体基板、例えばＳｉ基板１１上に、複数の光電変換部であるフォトダイオードを含む画素２が規則的に２次元アレイ状に配列された撮像領域３と、その周辺回路としての垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。
【００１７】
制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び、水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、そこで生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。
【００１８】
垂直駆動回路４は、たとえばシフトレジスタによって構成され、撮像領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２の光電変換部（以下フォトダイオード）において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線９を通してカラム信号処理回路５に供給する。
【００１９】
カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列ごとに黒基準画素（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０との間に接続されて設けられる。
【００２０】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して、順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
【００２１】
以下に説明する第１〜第５の実施形態における固体撮像装置は、図１における固体撮像装置１を構成するものであり、特に有効画素領域における画素２の断面構成が、それぞれ異なるものである。その他の構成は、図１と同様であるから、第１〜第５の実施形態例においては、要部の断面構成のみを示し、その他の構成の説明を省略する。
【００２２】
［第１の実施形態］
図２に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図２は、１画素分、すなわち、単位画素領域２０における断面構成を示すものである。
【００２３】
本実施形態例の固体撮像装置は、第１導電型のシリコン基板２１内の一方の面（以下、表面）側から、深さ方向に交互に、複数層積層されるように形成された第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層とを有する。また、シリコン基板２１の表面側から所望の深さに形成された複数の縦型トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３を有する。この縦型トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３は、後述する電荷転送トランジスタに相当する。そして、シリコン基板２１の表面側には、配線層４７が構成され、シリコン基板２１の裏面側には、オンチップレンズ３１が構成される。すなわち、本実施形態例の固体撮像装置は、配線層４７とは反対側から光が入射するように構成された裏面照射型の固体撮像装置を例としたものである。
【００２４】
以下の説明においては、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とし、積層されるように形成された第１導電型の半導体層をｐ型半導体層、第２導電型の半導体層をｎ型半導体層とする。
【００２５】
シリコン基板２１内に交互に積層されるように形成されたｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、単位画素領域２０内で、フォトダイオードとなる領域に形成されるものである。本実施形態例においては、シリコン基板２１の表面側から、第１のｐ型半導体層２８、第１のｎ型半導体層２７、第２のｐ型半導体層２６、第２のｎ型半導体層２５、第３のｐ型半導体層２４、第３のｎ型半導体層２３の順に積層される。そして、交互に積層されるように形成されたｐ型半導体層、ｎ型半導体層により、単位画素領域２０内で複数のフォトダイオードが形成される。この積層される第１〜第３のｐ型半導体層２８，２６，２４及び第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３は、それぞれ平板型に形成され、積層されるものである。また、本実施形態例において、積層される第１〜第３のｐ型半導体層２８，２６，２４は、ｐ型のシリコン基板２１よりも不純物濃度が高いものである。
【００２６】
ここで、一番表面側に形成される第１のｎ型半導体層２７は、第１のｐ型半導体層２８と第１のｎ型半導体層２７におけるｐｎ接合ｊ１深さが、裏面側から光照射したときに、赤色の光が吸収される位置に対応する深さとなるように形成される。表面側から２番目の深さに形成される第２のｎ型半導体層２５は、第２のｐ型半導体層２６と第２のｎ型半導体層２５におけるｐｎ接合ｊ２深さが裏面側から光照射したときに、緑色の光が吸収される位置に対応する深さとなるように形成される。一番裏面側に形成される第３のｎ型半導体層２３は、第３のｐ型半導体層２４と第３のｎ型半導体層２３におけるｐｎ接合ｊ３深さが裏面側から光照射したときに、青色の光が吸収される位置に対応する深さになるように形成される。
【００２７】
そして、第１のｐ型半導体層２８、第１のｎ型半導体層２７により、赤色の光を光電変換する第１のフォトダイオードＰＤ１が形成される。
また、第２のｐ型半導体層２６、第２のｎ型半導体層２５により、緑色の光を光電変換する第２のフォトダイオードＰＤ２が形成される。
また、第３のｐ型半導体層２４、第３のｎ型半導体層２３により、青色の光を光電変換する第３のフォトダイオードＰＤ３が形成される。
【００２８】
第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３では、ｐｎ接合ｊ１〜ｊ３が形成されることにより、第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３がそれぞれ電位の井戸を構成する。このため、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３においては、各第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３とその近傍で光電変換された信号電荷が、各第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３が形成する電位の井戸に蓄積される。すなわち、各第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３は信号蓄積領域に相当する。この信号電荷の蓄積容量は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層の電位差と空乏層容量で決まる。本実施形態例においては、第１〜第３のｐ型半導体層２８，２６，２４は、シリコン基板２１よりも高不純物濃度とされるため、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３における信号電荷の蓄積容量は、十分に確保されるものである。
【００２９】
そして、本実施形態例においては、上述した第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３のそれぞれに対応したゲート電極３３，３７，４２を有する転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３が形成される。
まず、第１の転送トランジスタＴｒ１のゲート電極３３は、シリコン基板２１表面側から、第１のフォトダイオードＰＤ１のｐｎ接合ｊ１に達する深さに形成されている。そして、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７は、シリコン基板２１表面側から、第２のフォトダイオードＰＤ２のｐｎ接合ｊ２に達する深さに形成されている。第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２は、シリコン基板２１表面側から、第３のフォトダイオードＰＤ３のｐｎ接合ｊ３に達する深さに形成されている。
【００３０】
これらのゲート電極３３，３７，４２は、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３が形成されたシリコン基板２１に縦型の開口部を設け、その開口部にゲート絶縁膜３４を介して電極材料が埋め込まれることにより形成される。また、ゲート電極３３，３７，４２は、円柱型や、角柱型に形成され、シリコン基板２１の深さ方向に長い縦型に形成されるものである。各縦型の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３では、それぞれ、ゲート電極３３，３７，４２と、ゲート絶縁膜３４と、後述するチャネル部分とによって、ゲート部が構成される。
【００３１】
ここで、第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２を含むゲート部のゲート長は、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７を含むゲート部のゲート長よりも長く、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７を含むゲート部のゲート長は、第１の転送トランジスタＴｒ１のゲート電極３３を含むゲート部のゲート長よりも長い。
【００３２】
また、シリコン基板２１の表面であって、それぞれのゲート電極３３，３７，４２に対応するゲート部に接する領域には、高不純物濃度のｎ型半導体領域、いわゆるｎ+ソース・ドレイン領域４６，４１，４５が個々に形成される。このように、本実施形態例の固体撮像装置を構成する第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３は、信号電荷が、シリコン基板２１内に埋め込まれた縦型のゲート電極３３，３７，４２に沿うように縦方向に転送される縦型トランジスタとされている。
【００３３】
このような構成により、第１の転送トランジスタＴｒ１のチャネル部分３９は、第１のｎ型半導体層２７から、縦型のゲート電極３３に沿ってｎ＋ソース・ドレイン領域４６まで形成される。第２の転送トランジスタＴｒ２のチャネル部分４０は、第２のｎ型半導体層２５から縦型のゲート電極３７に沿ってｎ＋ソース・ドレイン領域４１まで形成される。第３の転送トランジスタＴｒ３のチャネル部分４４は、第３のｎ型半導体層２３から縦型のゲート電極４２に沿ってｎ＋ソース・ドレイン領域４５まで形成される。そして、これらのチャネル部分３９,４０，４４は、好ましくは、それぞれのゲート電極３３，３７，４２に沿うように、シリコン基板２１面に対して垂直方向に形成されるものである。
【００３４】
第１の転送トランジスタＴｒ１では、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成する第１のｎ型半導体層２７が、ソース・ドレイン領域を兼ねる。これにより、第１のｎ型半導体層２７に蓄積された信号電荷が、チャネル部分３９を通り、ｎ＋ソース・ドレイン領域４６に転送される。
第２の転送トランジスタＴｒ２では、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成する第２のｎ型半導体層２５が、ソース・ドレイン領域を兼ねる。これにより、第２のｎ型半導体層２５に蓄積された信号電荷がチャネル部分４０を通り、ｎ＋ソース・ドレイン領域４１に転送される。
第３の転送トランジスタＴｒ３では、第３のフォトダイオードＰＤ３を構成する第３のｎ型半導体層２３が、ソース・ドレイン領域を兼ねる。これにより、第３のｎ型半導体層２３に蓄積された信号電荷がチャネル部分４４を通り、ｎ＋ソース・ドレイン領域４５に転送される。
【００３５】
第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３において、シリコン基板２１表面であって、それぞれのゲート電極３３，３７，４２に接する領域に形成されるｎ＋ソース・ドレイン領域４６，４１，４５は、それぞれ、フローティングデフュージョンＦＤとなる。
【００３６】
シリコン基板２１の表面側には、配線層４７が構成される。配線層４７には、層間絶縁膜３０を介して所望の配線が形成される。本実施形態例は、３層に構成された配線Ｍ１〜Ｍ３を有する例であり、これらの配線Ｍ１〜Ｍ３が所望のゲート電極や電源に接続される。また、配線Ｍ１〜Ｍ３間の接続は、例えば、コンタクト４９やＶＩＡを設けて接続される。
【００３７】
シリコン基板２１の裏面側には、オンチップレンズ３１が構成される。そして、シリコン基板２１の裏面側から照射された光がオンチップレンズ３１において集光されて、例えば、シリコン酸化膜３２を介して、単位画素領域内２０に入射される。
【００３８】
以上の構成の固体撮像装置では、シリコン基板２１の裏面側から入射された光は、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３において光電変換され、信号電荷が蓄積される。そして、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３は、シリコン基板２１内の異なる深さにそれぞれ形成されているため、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３ではそれぞれ異なる波長の光が吸収される。第１のフォトダイオードＰＤ１においては、赤色の光が吸収され、第２のフォトダイオードＰＤ２においては、緑色の光が吸収され、第３のフォトダイオードＰＤ３においては、青色の光が吸収される。
【００３９】
そして、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に入射されたそれぞれの光は、光電変換され、その光電変換による信号電荷が、第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３にそれぞれ蓄積される。すなわち、第１のｎ型半導体層２７には、赤色の光の光電変換による信号電荷が蓄積され、第２のｎ型半導体層２５には、緑色の光の光電変換による信号電荷が蓄積され、第３のｎ型半導体層２３には、青色の光の光電変換による信号電荷が蓄積される。
【００４０】
このように、本実施形態例の固体撮像装置では、単位画素領域２０内において、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３を有するので、３色の光による信号電荷をそれぞれ蓄積することできる。
【００４１】
ところで、本実施形態例の固体撮像装置では、最も長いチャネル長を有する第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２は、ゲート絶縁膜３４を介して第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３全てに接触している。また、２番目に長いチャネル長を有する第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７は、ゲート絶縁膜３４を介して第１及び第２のｎ型半導体層２７，２５に接触している。
【００４２】
図３に、本実施形態例の固体撮像装置における単位画素の等価回路を示す。この単位画素は、第１のフォトダイオードＰＤ１と、第２のフォトダイオードＰＤ２と、第３のフォトダイオードＰＤ３を有し、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及びＰＤ３がそれぞれ第１、第２及び第３の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３を介して各フローティングデフュージョンＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３に接続される。第２の転送トランジスタＴｒ２は、等価的に直列接続された２つのトランジスタＱ２，Ｑ３で構成される。第３の転送トランジスタＴｒ３は、等価的に直列接続された３つのトランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６で構成される。そして、第２の転送トランジスタＴｒ２を構成する２つのトランジスタＱ２及びＱ３のゲートが互いに接続される。第３の転送トランジスタＴｒ３を構成する３つのトランジスタＱ４，Ｑ５，Ｑ６のゲートが互いに接続される。さらに、第１の転送トランジスタＴｒ１のソースと第２のトランジスタＴｒ２を構成するトランジスタＱ３のソースと第３の転送トランジスタＴｒ３を構成するトランジスタＱ６のソースが互いに接続される。また、第２の転送トランジスタＴｒ２を構成するトランジスタＱ２のソースと第３の転送トランジスタＴｒ３を構成するトランジスタＱ５のソースが互いに接続される。
【００４３】
図３からわかるように、本実施形態例の構成では、第１のフォトダイオードＰＤ１の赤色の信号電荷は、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３により、第１〜第３のフローティングデフュージョンＦＤ１〜ＦＤ３に転送され、第２のフォトダイオードＰＤ２からの緑色の信号電荷は、第２、第３の転送トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３により、第２、第３のフローティングデフュージョンＦＤ２，ＦＤ３へ転送される。
【００４４】
そうすると、第１の転送トランジスタＴｒ１のゲート電極３３以外においては、いろいろな色の光の光電変換による信号電荷が、同一の転送トランジスタにより一緒くたに読み出されることとなり、混色の原因となる。
【００４５】
以下に、本実施形態例の固体撮像装置において、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３のそれぞれに蓄積された信号電荷を、混色が起こらないように読み出す方法を説明する。
【００４６】
まず、固体撮像装置の裏面側から光照射し、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に信号電荷を蓄積させる。
次に、第３の転送トランジスタＴｒ３を用いて、信号電荷を読み出す。前述したように、第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２は、ゲート絶縁膜３４を介して第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３に接触している。このため、第１〜第３のｎ型半導体層２７，２５，２３に蓄積された信号電荷は、第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２下に形成されるチャネル部分４４に沿って、第３のフローティングデフュージョンＦＤ３となる第３の転送トランジスタＴｒ３のｎ＋ソース・ドレイン領域４５に読み出される。すなわち、第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２により、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に蓄積される全ての信号電荷が読み出される。そして、第３の転送トランジスタＴｒ３のｎ＋ソース・ドレイン領域４５に読み出される信号電荷による出力電位は、赤色、緑色、青色の光に起因する出力電位となる。
この出力電位をＶＲＧＢとする。
【００４７】
次に、再び、固体撮像装置の裏面側から光照射し、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に信号電荷を蓄積させる。
そして、第２の転送トランジスタＴｒ２を用いて、信号電荷を読み出す。前述したように、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７は、ゲート絶縁膜３４を介して第１及び第２のｎ型半導体層２７，２５に接触している。このため、第１及び第２のｎ型半導体層２７，２５に蓄積された信号電荷は、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７下に形成されるチャネル部分４０に沿って、第２のフローティングデフュージョンＦＤ２となる第２の転送トランジスタＴｒ２のｎ＋ソース・ドレイン領域４１に読み出される。すなわち、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７により、第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に蓄積される信号電荷が読み出される。そして、第２の転送トランジスタＴｒ２のｎ＋ソース・ドレイン領域４１に読み出される信号電荷による出力電位は、赤色、緑色の光に起因する出力電位となる。
この出力電位をＶＲＧとする。
【００４８】
次に、再び、固体撮像装置の裏面側から光照射し、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に信号電荷を蓄積させる。
そして、第１の転送トランジスタＴｒ１を用いて、信号電荷を読み出す。第１の転送トランジスタＴｒ１のゲート電極３３は、ゲート絶縁膜３４を介して第１のｎ型半導体層２７にのみ接触している。このため、第１のｎ型半導体層２７に蓄積された信号電荷は、第１の転送トランスタＴｒ１のゲート電極３３下に形成されるチャネル部分３９に沿って、第１のフローティングデフュージョンＦＤ１となる第１の転送トランジスタＴｒ１のｎ＋ソース・ドレイン領域４６に読み出される。この第１の転送トランジスタＴｒ１のｎ＋ソース・ドレイン領域４６に読み出される信号電荷による出力電位は、赤色の光のみに起因する出力電位となる。
この出力電位をＶＲとする。
【００４９】
そして、上述の手順により読み出された３つの出力電位ＶＲＧＢ、ＶＲＧ、ＶＲより、それぞれの色に対応する出力電位ＶＲ，ＶＧ，ＶＢを演算する。
例えば、青色の光による出力電位ＶＢは、以下の演算式で検出される。
ＶＲＧＢ−ＶＲＧ＝ＶＢ
また、緑色の光による出力電位ＶＧは、以下の演算式で検出される。
ＶＲＧ−ＶＲ＝ＶＧ
一方、赤色の光による出力電位ＶＲは、第１の転送トランジスタＴｒ１を用いて検出された出力電位そのものである。
【００５０】
以上の演算は、外部回路による信号処理によりなされるものであり、これにより、３色の色分光を行うことができる。
【００５１】
本実施形態例によれば、複数のフォトダイオードのそれぞれの深さにまでゲート電極が埋め込まれた縦型の転送トランジスタを用いることにより、シリコン基板２１深くに形成されたフォトダイオードに蓄積された電荷を転送残りなく、効率良く読み出すことが可能となる。これにより、残像を抑制することができる。
また、シリコン基板２１内にゲート電極３３，３７，４２が埋め込まれた縦型の転送トランジスタを用いることにより、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３のそれぞれの電荷蓄領域となるｎ型半導体層２７，２５，２３をシリコン基板２１表面に露出する必要がなくなる。このため、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に信号電荷を蓄積している間に起こる、シリコン基板２１表面におけるノイズを防止することができる。
【００５２】
さらに、本実施形態例によれば、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３は、平板型のｐ型半導体層とｎ型半導体層とを複数層積層されて構成され、それぞれのフォトダイオードのｐｎ接合深さは、基板内の一定の深さ位置とされる。これにより、それぞれのフォトダイオード内での混色が抑制される。
【００５３】
また、平板型のｐ型半導体層とｎ型半導体層を交互に積層させることにより、深さ方向に異なる複数のフォトダイオードが形成され、さらに、第１〜第３のフォトダイオードのＰＤ１〜ＰＤ３のそれぞれの深さにまでゲート電極３３，３７，４２が埋め込まれた構成とされている。したがって、さらにｐ型半導体層とｎ型半導体層とを積層させてフォトダイオードを増加する設計も容易であり、それに対応する埋め込み型のゲート電極を構成する設計も容易となる。したがって、本実施形態例では、単位画素領域２０内で、３つのフォトダイオードを構成する例としたが、これに限られるものではなく、４つ以上構成することも可能である。
【００５４】
また、平板型のｐ型半導体層とｎ型半導体層を積層させて構成される複数のフォトダイオードでは、単位画素領域内において、開口率を全て等しく構成でき、個々のフォトダイオードの開口率は低下しない。したがって、単位画素領域内において、複数のフォトダイオードにおける開口率を低下させることなく、分光することができる。
【００５５】
また、本実施形態例では、裏面照射型とすることにより、開口率を高めることができ、感度を向上させることができる。
【００５６】
ところで、本実施形態例のように、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のうち、一番ゲート長が長いゲート電極４２を有する第３の転送トンラジスＴｒ３から順に信号電荷を読み出す方法においては、信号電荷を読み出す毎に、信号電荷を蓄積するための時間が必要であった。
【００５７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置として、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３の信号電荷を同時に読み出すことのできる固体撮像装置及びその読み出し方法を説明する。本実施形態例の固体撮像装置の、単位画素領域２０における断面構成は、図２に示す第１の実施形態と同様であるので、図示を省略する。また、本実施形態例の固体撮像装置における転送トランジスタ部分の回路構成も、図３と同様であるから、図示を省略する。
本実施形態例は、第１の実施形態における固体撮像装置において、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３におけるゲート電極３３，３７，４２が形成される位置を規定する例である。
【００５８】
本実施形態例においては、例えば、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積される信号電荷量が、１／３ずつ、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３によって読み出されるように構成する。そのためには、例えば、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のゲート電極３３，３７，４２を形成する位置を、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷量が１／３ずつ読み出すことができる位置に規定する。
【００５９】
また、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積される信号電荷量が、１／２ずつ、第１,第２の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２によって読み出されるように構成する。そのためには、例えば、第１,第２の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のゲート電極３３，３７を形成する位置を、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷量が１／２ずつ読み出すことができる位置に規定する。
【００６０】
本実施形態例の固体撮像装置においては、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３によって、同時に、信号電荷の読み出しを行う。
第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積される赤色の光に起因する信号電荷は、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のチャネル部分３９，４０，４４よって、ｎ＋ソース・ドレイン領域４６，４１，４５に、１／３ずつ読み出される。すなわち、図３に示す回路図において、第１のフォトダイオードＰＤ１から転送される赤色の信号電荷は、１／３ずつ、それぞれ第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３によって転送される。また、第２のフォトダイオードＰＤ２から転送される緑色の信号電荷は、１／２ずつ、それぞれ第２、第３の転送トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３によって転送される。また、第３のフォトダイオードＰＤ３から転送される青色の信号電荷は、全て第３の転送トランジスタＴｒ３によって転送される。
同様の原理により、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積される緑色の光に起因する信号電荷は、第１、第２の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のチャネル部分３９，４０によって、ｎ＋ソース・ドレイン領域４６，４１に、１／２ずつ読み出される。
また、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積される青色の光に起因する信号電荷は、第３の転送トランジスタＴｒ３のチャネル部分４４によってのみ、ｎ＋ソース・ドレイン領域４５に読み出される。
【００６１】
ここで、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積される信号電荷をＥＲ、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積される信号電荷をＥＧ、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積される信号電荷をＥＢとする。
そうすると、第３の転送トランジスタＴｒ３によって、ｎ＋ソース・ドレイン領域４５に読み出される信号電荷は、（１／３）ＥＲ＋（１／２）ＥＧ＋ＥＢで示される。また、第２の転送トランジスタＴｒ２によって、ｎ＋ソース・ドレイン領域４１に読み出される信号電荷は、（１／３）ＥＲ＋（１／２）ＥＧで示される。また、第１の転送トランジスタによって、ｎ＋ソース・ドレイン領域４６に読み出される信号電荷は、（１／３）ＥＲで示される。
【００６２】
このように読み出された信号電荷を外部回路において演算し、それぞれの信号電荷ＥＲ，ＥＧ,ＥＢを算出することにより、３色の色分光を行うことができる。
【００６３】
本実施形態例においては、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３におけるゲート電極３３，３７，４２が形成される位置を規定する例としたがこれに限定されるものではない。第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のそれぞれにおいて読み出すことのできる電荷量を予め調べておき、その値を考慮してそれぞれの信号電荷ＥＲ，ＥＧ，ＥＢを計算するようにしてもよい。
【００６４】
本実施形態例は、第１の実施形態例と同様の効果を得るほか、単位画素領域内に形成される複数のフォトダイオードの信号電荷を同時に読み出すことができる効果を奏する。
【００６５】
［第３の実施形態］
次に、図４Ａに、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図２は、１画素分、すなわち、単位画素領域２０における断面構成を示すものである。図４において、図２と同一部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例における固体撮像装置の転送トランジスタ部分の回路図は、図３と同様であるから、図示を省略する。
【００６６】
本実施形態例は、固体撮像装置の光入射側、すなわち、裏面側に、メカニカルシャッタ５０が構成される例である。その他の構成は、第１の実施形態例と同様である。
【００６７】
本実施形態例に用いられるメカニカルシャッタ５０は、光入射時には開き、光入射が必要ない場合には閉じられる構成とされている。
【００６８】
以下に、本実施形態例の固体撮像装置において、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に蓄積される信号電荷を読み出す方法を説明する。
【００６９】
まず、メカニカルシャッタ５０を開いた状態において、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に光を入射させ、光電変換による信号電荷を蓄積させる。
次に、メカニカルシャッタ５０を閉じて、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３への外光の入射を遮る。ここにおいては、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３には、信号電荷が蓄積された状態が保持されている。
【００７０】
次に、第１の転送トランジスタＴｒ１により、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷をｎ＋ソース・ドレイン領域４６に読み出す。第１のフォトダイオードＰＤ１には、赤色の光に対応した信号電荷が蓄積されているので、第１の転送トランジスタＴｒ１のｎ＋ソース・ドレイン領域４６に読み出される信号電荷は、赤色の光の光電変換によるものである。
【００７１】
次に、第２の転送トランジスタＴｒ２により、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷をｎ＋ソース・ドレイン領域４１に読み出す。ここで、第２の転送トランジスタＴｒ２におけるゲート電極３７は、ゲート絶縁膜３４を介して、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成する第１のｎ型半導体層２７に接触しているので、第２の転送トンランジスタＴｒ２のチャネル部分４０により、第１のｎ型半導体層２７と、第２の転送トランジスタＴｒ２のｎ＋ソース・ドレイン領域４１は繋がってしまう。しかしながら、前段において、第１のフォトダイオードＰＤ１（第１のｎ型半導体層２７）に蓄積された信号電荷は、既に読み出されている。このため、第２の転送トランジスタＴｒ２のｎ＋ソース・ドレイン領域４１には、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷のみが読み出される。すなわち、図３の回路図において、第１のフォトダイオードＰＤ１から第２の転送トランジスタＴｒ２に転送される信号はゼロである。
第２のフォトダイオードＰＤ２には、緑色の光に対応した信号電荷が蓄積されているので、第２の転送トランジスタＴｒ２のｎ＋ソース・ドレイン領域４１に読み出される信号電荷は、緑色の光の光電変換によるものである。
【００７２】
次に、第３の転送トランジスタＴｒ３により、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷をｎ＋ソース・ドレイン領域４５に読み出す。ここで、第３の転送トランジスタＴｒ３におけるゲート電極４２は、ゲート絶縁膜３４を介して、第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２を構成する第１，及び第２のｎ型半導体層２７，２５に接触している。このため、第３の転送トンランジスタＴｒ３のチャネル部分４４により、第１のｎ型半導体層２７と、第２のｎ型半導体層２５と、第３の転送トランジスタＴｒ３のｎ＋ソース・ドレイン領域４５は繋がってしまう。しかしながら、前段において、第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２（第１及び第２のｎ型半導体層２７，２５）に蓄積された信号電荷は、既に読み出されている。このため、第３の転送トランジスタＴｒ３のｎ＋ソース・ドレイン領域４５には、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷のみが読み出される。すなわち、図３の回路図において、第１，第２のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から第３の転送トランジスタＴｒ３に転送される信号は、ゼロである。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３には、青色の光に対応した信号電荷が蓄積されているので、第３の転送トランジスタＴｒ３のｎ＋ソース・ドレイン領域４５に読み出される信号電荷は、青色の光の光電変換によるものである。
【００７３】
本実施形態例においては、浅く形成されたゲート電極に接続されるフォトダイオードから順に、信号電荷が読み出されることにより、赤、緑、青の３色の色分光を行うことができる。また、本実施形態例においては、信号電荷を読み出すときには、メカニカルシャッタ５０により、外光が遮断されている。これにより、例えば、あるフォトダイオードの信号電荷を読み出す間に、他のフォトダイオードに信号電荷が蓄積されてしまうのを防ぐことができる。
【００７４】
以上のような構成のメカニカルシャッタ５０を実際に用いる場合には、図４Ｂに示すように、画素２がアレイ状に形成された固体撮像装置１と、光信号７０を固体撮像装置１上に集光するための光学レンズ系７１との間に配設する。そして、固体撮像装置１の撮像領域全体に入射する光信号を制御する構成とされる。
【００７５】
本実施形態例では、第１の実施形態と同様の効果を得る他、メカニカルシャッタ５０を用いたことによる、単位画素領域内に形成される複数のフォトダイオードの信号電荷を同時に読み出すことができる効果を奏する。
本実施形態例においては、メカニカルシャッタ４０を用いる例を示したが、電荷読み出しに要する時間が露光時間と比較して十分に短ければメカニカルシャッタが無い場合においても、上述した効果が得られる。
【００７６】
［第４の実施形態］
次に、図５に、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図５は、１画素分、すなわち、単位画素領域２０における断面構成を示すものである。図５において、図２と同一部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。
【００７７】
本実施形態例における固体撮像装置は、第１の実施形態における固体撮像装置において、ゲート部とフォトダイオードを構成するｎ型半導体層の接触部分の構成を一部変形した例である。
【００７８】
図５に示すように、本実施形態例においては、第２の転送トランジスタＴｒ２を構成するゲート電極３７のうち、第１のｎ型半導体層２７の深さに位置するゲート電極３７の周囲には、ｐ型半導体領域５１が形成される。すなわち、第１のフォトダイオードの電荷蓄積領域となる第１のｎ型半導体層２７の第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート部に接する部分に、ｐ型半導体領域５１が形成される。
また、第３の転送トランジスタＴｒ３を構成するゲート電極４２のうち、第１のｎ型半導体層２７及び第２のｎ型半導体層２５の深さに位置するゲート電極４２の周囲には、ｐ型半導体領域５２が形成される。すなわち、第１及び第２のフォトダイオオードＰＤ１，ＰＤ２の電荷蓄積領域となる、第１及び第２のｎ型半導体層２７，２５の第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート部に接する部分に、ｐ型半導体領域５２が形成される。
【００７９】
このように、第２，第３の転送トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３を構成するゲート電極３７，４２の、読み出しの対象となるフォトダイオード以外のフォトダイオードとの接触部分が、電荷蓄積領域であるｎ型半導体層と逆の性質を有するｐ型半導体領域で覆われる。ｐ型半導体領域が形成されているところでは、ｎ型半導体層に蓄積された信号電荷のチャネル部分への移動を抑制することできる。
【００８０】
図６に、本実施形態例の固体撮像装置における単位画素の等価回路を示す。本実施形態例では、ゲート電極３７及び、ゲート電極４２の所要の位置に、ｐ型半導体層５１，５２をそれぞれ形成することにより、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に蓄積される信号電荷を、それぞれ独立の回路により転送することができる。
【００８１】
したがって、第２の転送トランジスタＴｒ２においては、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷のみが読み出される。そして、同様に、第３の転送トランジスタＴｒ３においても、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷のみが読み出される。また、第１の転送トランジスタＴｒ１を構成するゲート電極３３は、もともと、第１のフォトダイオードＰＤ１のみに接触されるように構成されている。このため、第１の転送トランジスタＴｒ１においても、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された信号電荷のみが読み出される。
【００８２】
本実施形態例によれば、信号電荷を転送する回路がそれぞれ独立となるので、１つの転送トランジスタにおいて、１色の色による信号電荷を読み出すことができる。したがって、単位画素領域２０内において、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に蓄積された信号電荷を、同時に、かつ、別個に読み出すことが可能となる。
【００８３】
本実施形態例では、第１の実施形態と同様の効果を得る他、１つのフォトダイオードにつき、一つの転送トランジスタで信号電荷の読み出しが行われるため、それぞれのフォトダイオードに蓄積された信号電荷を同時に読み出すことができる。
【００８４】
［第５の実施形態］
次に、図７に、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図７は、１画素分、すなわち、単位画素領域２０における断面構成を示すものである。図７において、図２と同一部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例における固体撮像装置の転送トランジスタ部分の回路構成は、図５と同様であるから、図示を省略する。
【００８５】
本実施形態例における固体撮像装置では、第１の実施形態における固体撮像装置において、フォトダイオードを構成するｎ型半導体層及びｐ型半導体層の構成を変形したものである。
【００８６】
本実施形態例においては、図７に示すように、単位画素領域２０におけるシリコン基板２１内の異なる深さに、平板型のｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなるフォトダイオードが、３つ分離して構成されている。フォトダイオードのそれぞれは、表面側から、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層の順で積層されている。
【００８７】
本実施形態例において、シリコン基板２１内の、一番表面側に位置するｐ型半導体層５６、ｎ型半導体層５５、ｐ型半導体層５４が積層されて構成されるフォトダイオードを、第１のフォトダイオードＰＤ１とする。また、シリコン基板２１内の、真ん中に位置するｐ型半導体層５９、ｎ型半導体層５８、ｐ型半導体層５７が積層されて構成されるフォトダイオードを、第２のフォトダイオードＰＤ２とする。そして、シリコン基板２１内の、一番裏面側に位置するｐ型半導体層６２、ｎ型半導体層６２、ｐ型半導体層６０が積層されて構成されるフォトダイオードを、第３のフォトダイオードＰＤ３とする。
【００８８】
第１のフォトダイオードＰＤ１を構成するｐ型半導体層５６とｎ型半導体層５５のｐｎ接合ｊ１は、裏面側から光照射した場合に、赤色の光を吸収する深さに形成される。
第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｐ型半導体層５９とｎ型半導体層５８のｐｎ接合ｊ２は、裏面側から光照射した場合に、緑色の光を吸収する深さに形成される。
第３のフォトダイオードＰＤ３を構成するｐ型半導体層６２とｎ型半導体層６１のｐｎ接合ｊ３は、裏面側から光照射した場合に、青色の光を吸収する深さに形成される。
【００８９】
そして、本実施形態例においても、第１〜第４の実施形態と同様、上述した第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３それぞれに対応した転送トランジスタのゲート電極３３，３７，４２が形成される。
まず、第１の転送トランジスタＴｒ１のゲート電極３３は、シリコン基板２１表面側から、第１のフォトダイオードＰＤ１のｐｎ接合ｊ１に達する深さに形成されている。そして、第２の転送トランジスタＴｒ２のゲート電極３７は、シリコン基板２１表面側から、第２のフォトダイオードＰＤ２のｐｎ接合ｊ２に達する深さに形成されている。第３の転送トランジスタＴｒ３のゲート電極４２は、シリコン基板２１表面側から、第３のフォトダイオードＰＤ３のｐｎ接合ｊ３に達する深さに形成されている。第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のその他の構成は、第１〜第４の実施形態と同様であるから、重複説明は省略する。
【００９０】
本実施形態例では、第１のフォトダイオードＰＤ１に蓄積される信号電荷は、第１の転送トランジスタＴｒ１により読み出される。また、第２のフォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷は、第２の転送トランジスタＴｒ２により読み出される。そして、第３のフォトダイオードＰＤ３に蓄積された信号電荷は、第３の転送トランジスタＴｒ３により読み出される。
【００９１】
本実施形態例の固体撮像装置によれば、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３が分離して形成されており、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のゲート電極３３，３７，４２は、それぞれゲート絶縁膜３４を介して所望のフォトダイオードのみに接触される構成とされている。そして、このような構成を有する固定撮像装置は、図５に示すような回路構成を有する。図５に示すように、本実施形態例においても、第１〜第３のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３に蓄積された信号電荷が、それぞれ独立した回路で転送される。そのため、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３では、それぞれ１色の光による信号電荷のみを読み出すことができる。これにより、混色を防ぐことができる。
【００９２】
上述した第１〜第５の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、図１に示した固体撮像装置１を構成するものである。図１に示す固体撮像装置１は、２次元アレイ状に画素を配列した構成であるが、上述した第１〜第５の実施形態に係る固体撮像装置が適応できる構成は、これに限られるものではない。例えば、画素がリニアに配列された構造の固体撮像装置とすることもできる。
【００９３】
また、上述の実施形態例はＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合の固体撮像装置を示したが、ＣＣＤイメージセンサに適用することもできる。さらに、第１〜第５の固体撮像装置は、配線層４７とは反対側から光入射するように構成された裏面照射型を例としたが、これに限られるものではない。すなわち、配線層と同じ面側から光照射される表面照射型の固体撮像装置とすることも可能である。
【００９４】
表面照射型の固体撮像装置とする場合においては、第１〜第４の実施形態例における固体撮像装置において、ｐｎ接合ｊ１深さが、表面側から光照射したときに、青色の光が吸収される位置に対応する深さとなるようにすればよい。また、ｐｎ接合ｊ２深さが表面側から光照射したときに、緑色の光が吸収される位置に対応する深さとなるようにすればよい。また、ｐｎ接合ｊ３深さは表面側から光照射したときに、赤色の光が吸収される位置に対応する深さになるようにすればよい。そして、第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３のゲート電極３３，３７，４２のゲート長もそれに合わせて構成すればよい。すなわち、表面照射型の固体撮像装置とする場合は、図２における第１〜第３の転送トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のゲート電極３３，３７，４２は、それぞれ、青、緑、赤のフォトダーオードに対応することとなる。
【００９５】
上例では、信号電荷を電子としたときの固体撮像装置に適用した場合である。本発明は、信号電荷を正孔としたときの固体撮像装置にも適用することができる。この場合には、前述の実施の形態において、その半導体基板及び半導体層の導電型を逆にして構成することができる。
【００９６】
上述の実施の形態に係る固体撮像装置は、例えば、カメラ、カメラ付き携帯電話、その他の撮像機能を備えた機器等の電子機器に適用することができる。
【００９７】
次に、図８に、第１〜第５の実施形態の固体撮像装置が用いられた電子機器の一実施の形態を示す。本実施形態例では、電子機器の一例としてカメラを用いた。
【００９８】
図８に示すように、本実施形態例の電子機器８０は、固体撮像装置８２と、光学レンズ系８１と、入出力部８４と、信号処理装置８３とから構成される電子機器８５としてもよいし、あるいは、固体撮像装置８２と、光学レンズ系８１と、入出力部８４とから構成される電子機器８６としてもよい。固体撮像装置８２としては、第１〜第５の実施形態例における固体撮像装置が用いられる。
【００９９】
本実施形態例の電子機器８０によれば、上述の第１〜第５の実施形態の固体撮像装置を備えることにより、混色、偽色、残像、ノイズが低減されて、色感度のよい画像が得られる。
図８の構成は、カメラモジュール、あるいは撮像機能を有する撮像モジュールとして構成することができる。本発明は、このようなモジュールを備えて、例えば、カメラ付き携帯電話、その他の撮像機能を有する機器等の、電子機器を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の一実施形態例における固体撮像装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の概略断面構成図である。
【図３】第１の実施形態における固体撮像装置の単位画素の等価回路図である。
【図４】Ａ，Ｂ  本発明の第３の実施形態における固体撮像装置の概略断面構成図、及び、固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第４の実施形態における固体撮像装置の概略断面構成図である。
【図６】第４の実施形態における固体撮像装置の単位画素の等価回路図である。
【図７】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の概略断面構成図である。
【図８】本発明の一実施形態例における電子機器の概略構成図である。
【図９】従来例における撮像素子に用いられるフォトダイオードの概略断面構成図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１・・固体撮像装置、２・・画素、３・・撮像領域、４・・垂直駆動回路、５・・カラム信号処理回路、６・・水平駆動回路、８・・制御回路、９・・垂直信号線、１０・・水平信号線、１１・・基板、２０・・単位画素領域、２１・・シリコン基板、２２・・第４のｐ型半導体層、２３・・第３のｎ型半導体層、２４・・第３のｐ型半導体層、２５・・第２のｎ型半導体層、２６・・第２のｐ型半導体層、２７・・第１のｎ型半導体層、２８・・第１のｐ型半導体層、３０・・層間絶縁膜、３１・・オンチップレンズ、３２・・シリコン酸化膜、３３，３７，４２・・ゲート電極、３４・・ゲート絶縁膜、３９，４０，４４・・チャネル部分、４６，４１，４５・・ｎ＋ソース・ドレイン領域、第１のフォトダイオード・・ＰＤ１、第２のフォトダイオード・・ＰＤ２、第３のフォトダイオード・・ＰＤ３、５０・・メカニカルシャッタ
【図１】
0005369505.tif 000002
【図２】
0005369505.tif 000003
【図３】
0005369505.tif 000004
【図４】
0005369505.tif 000005
【図５】
0005369505.tif 000006
【図６】
0005369505.tif 000007
【図７】
0005369505.tif 000008
【図８】
0005369505.tif 000009
【図９】
0005369505.tif 000010