(57)【要約】【課題】異なる波長帯の各波長帯を検出する感度を向上することができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサは、半導体基板と、第１から第３の波長帯を検出可能なＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサとを有している。第１から第３の波長帯を検出可能なＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサはそれぞれ異なる波長帯を検出可能に構成された第１から第３の画素と、第１から第３の画素の各々に設けられた転送電極とマイクロレンズを備えている。転送電極は、第１のゲート電極、第２のゲート電極、および仮想電極を少なくとも含んでいる。第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素内と第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素内とにおいて、マイクロレンズの光軸上に設けられた電極が異なっている。【選択図】図４
2012234921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換して信号電荷を発生する複数の光検出器を半導体基板上に配置し、ポリシリコン層の厚みが０の仮想電極と前記ポリシリコン層を有する複数のゲート電極とで構成されたバーチャルフェーズＣＣＤ構造により前記電荷を転送する転送電極を前記光検出器の各々に同じ構成で設け、前記光検出器の各々に対応したマイクロレンズの光軸上に前記転送電極を構成するいずれかの電極を配置したリニアイメージセンサを複数個備え、前記リニアイメージセンサの各々が異なる波長帯の入射光を検出する固体撮像装置において、
前記光軸上に配置した電極の前記ポリシリコン層の厚みは、前記リニアイメージセンサ間で異なったものが含まれている固体撮像装置。
【請求項２】
ゲート電極は、ポリシリコン層の厚みが異なる電極を含んだことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
光軸上に配置した電極は、検出する波長帯を光検出器で吸収する吸収率が最も高い電極であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
リニアイメージセンサは、行列状に配置した光検出器の信号電荷を転送電極によって列方向に時間遅延積分しながら転送するＴＤＩ方式のＣＣＤイメージセンサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関するものであり、特に、異なる波長帯を検出可能なリニアイメージセンサを備えた固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、入射光を光電変換して信号電荷を発生する多数の画素（光検出器）を半導体基板上にアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路、及び出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、画素を１次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサが人工衛星などに搭載され、画素アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって地表の２次元画像が撮影される。画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましい。もっとも、画素ピッチを小さくすると、画素の面積が縮小する分だけ画素への入射光量が減少し、Ｓ／Ｎ（signal/noise）が劣化する。
【０００３】
Ｓ／Ｎを改善するための巧妙な手段としてＴＤＩ方式（Time Delay and Integration）のイメージセンサが開発されている。ＴＤＩ方式は、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでＳ／Ｎを改善するＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサの読み出し方式である。ＣＣＤとしては、２次元イメージセンサであるＦＦＴ（Full Frame Transfer）型ＣＣＤなどが用いられる。リモートセンシングの場合、ＣＣＤの垂直方向への電荷転送速度を衛星の移動速度に合わせることでＴＤＩ動作が実現される。垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作が行われると、蓄積時間が実効的にＭ倍となるので、感度がＭ倍向上し、Ｓ／ＮはＭ1/2倍に改善される。
【０００４】
多くの場合、イメージセンサはチップの表面側から光を画素へ入射させて撮像を行う。入射した光はＳｉ（シリコン）基板内部で光電変換されて信号電荷を発生させる。ＦＦＴ型ＣＣＤでは、垂直電荷転送を制御する多結晶シリコン（ポリシリコン）電極越しに光が画素に入射するので、特に短波長領域の光がポリシリコン電極で吸収される。このため感度が低下する。その対策として、一部の垂直転送電極を仮想電極で置き換えた、いわゆるＶＰＣＣＤ（バーチャルフェーズＣＣＤ）構造にすることで感度を改善したイメージセンサが提案されている。ＶＰＣＣＤは、ポリシリコン電極を仮想電極に置き換えることで、仮想電極となった部分はポリシリコン電極が無くなり、ポリシリコン電極での光吸収を抑えることができるので感度が向上する。
【０００５】
例えば、特公平６−９１６５９号公報（特許文献１）にはＶＰＣＣＤ構造としたイメージセンサが開示されている。このイメージセンサは２相駆動のＶＰＣＣＤ構造であり、転送電極下のポテンシャルに勾配がつけられている。このため、信号電荷の垂直転送方向はポテンシャルの浅い方から深い方への一方向に限定される。
【０００６】
衛星搭載用のＴＤＩ方式イメージセンサでは、垂直電荷転送が双方向に可能な、いわゆる双方向ＴＤＩが望ましい。ＶＰＣＣＤ構造では、転送電極下にポテンシャル勾配をつける替わりに、３相以上で駆動することで双方向ＴＤＩを実現できる。
【０００７】
例えば、特開２０１０−２５８１５５号公報（特許文献２）にはＶＰＣＣＤ構造を用い、３相以上で駆動するＴＤＩ方式イメージセンサが開示されている。
【０００８】
上記の特公平６−９１６５９号公報に開示されたイメージセンサ、及び特開２０１０−２５８１５５号公報で開示されたＴＤＩ方式イメージセンサでは、ＶＰＣＣＤ構造を採用することにより仮想電極となった部分はポリシリコン電極が無くなる。このため、ポリシリコン電極で光が吸収されることで感度が低下することが改善され、感度が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平６−９１６５９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、異なる波長帯の各波長帯を検出するリニアイメージセンサを１チップに集積した固体撮像装置においては、ポリシリコン電極の膜厚と波長帯との関係で変化する光の干渉効果により、転送電極を透過して基板に入射する光の基板による吸収率が変化するので、１の波長帯については感度が高いが、他の波長帯については感度が低くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、異なる波長帯を検出するリニアイメージセンサの各々の感度を向上することができる固体撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体撮像装置は、入射光を光電変換して信号電荷を発生する複数の光検出器を半導体基板上に配置し、ポリシリコン層の厚みが０の仮想電極とポリシリコン層を有する複数のゲート電極とで構成されたバーチャルフェーズＣＣＤ構造により電荷を転送する転送電極を光検出器の各々に同じ構成で設け、光検出器の各々に対応したマイクロレンズの光軸上に転送電極を構成するいずれかの電極を配置したリニアイメージセンサを複数個備え、リニアイメージセンサの各々が異なる波長帯の入射光を検出する固体撮像装置において、光軸上に配置した電極のポリシリコン層の厚みは、リニアイメージセンサ間で異なったものが含まれている固体撮像装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体撮像装置によれば、入射光を光電変換して信号電荷を発生する複数の光検出器を半導体基板上に配置し、ポリシリコン層の厚みが０の仮想電極とポリシリコン層を有する複数のゲート電極とで構成されたバーチャルフェーズＣＣＤ構造により電荷を転送する転送電極を光検出器の各々に同じ構成で設け、光検出器の各々に対応したマイクロレンズの光軸上に転送電極を構成するいずれかの電極を配置したリニアイメージセンサを複数個備え、リニアイメージセンサの各々が異なる波長帯の入射光を検出する固体撮像装置において、光軸上に配置した電極のポリシリコン層の厚みは、リニアイメージセンサ間で異なったものが含まれているので、リニアイメージセンサの各々の感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの回路構成を示す概略平面図である。
【図３Ａ】図２のＶＰＣＣＤ構造を有する画素の拡大平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの画素にマイクロレンズを重ねた拡大平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１における第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの平面図である。
【図８】本発明の実施の形態１における第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの平面図である。
【図９】本発明の実施の形態１における第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの平面図である。
【図１０】Ｓｉ基板での吸収率のポリシリコン電極膜厚依存性を示す図である。
【図１１】比較例における第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図１２】比較例における第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図１３】比較例における第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。本発明の実施の形態では、固体撮像装置の一例として、異なる波長帯の各波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを１チップに集積したマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを用いて説明する。
実施の形態１．
【００１６】
最初に、図１から図３に従って本発明の実施の形態１の固体撮像装置の構成について説明する。図１は、この発明における固体撮像装置の一例であるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの構成の概略を示す概略図である。図２は、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを構成するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの回路構成を示す概略平面図である。図３Ａは、ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサにアレイ状に配置された画素の拡大平面図である。図３Ｂは、図３Ａに示した画素にマイクロレンズを重ねた拡大平面図である。
【００１７】
図１を参照して、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００は、複数の異なる波長帯を検出可能に構成されている。マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００は、３種の波長帯をそれぞれ検出する３つのＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３を有している。第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３は、ＣＣＤの垂直方向への電荷転送方向である垂直方向Ｄ１を一致させて並列に配置され、１チップに集積されている。
【００１８】
ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３は各々異なる波長帯の入射光を検出する。例えば、ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の各々は、異なる透過帯域を有するフィルタを光の入射側に設け、フィルタを透過した波長帯の光のみ入射するように構成されても良い。ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の各々は、異なる波長帯に感度を有する画素で構成されても良い。
【００１９】
なお、本実施の形態では３種の波長帯を検出する場合について説明するが、２種又は４種以上の波長帯を検出することも可能である。例えば、２種の波長帯を検出する場合には、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３が除かれる。４種の波長帯を検出する場合には、第４の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサがさらに設けられる。
【００２０】
次に、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００を構成するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の回路構成、及び画素の構成について説明する。以下、主に第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１について説明する。第２及び第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２、１０３もそれぞれ第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１と同様の構成を有している。
【００２１】
図２を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１では、半導体基板２０の表面にＶＰＣＣＤ構造を有する画素１とＶＰＣＣＤ構造を有しない転送用画素２とが各々行列状に設けられている。半導体基板２０は、例えば、Ｓｉ（シリコン）基板である。画素１は入射光を光電変換して信号電荷を発生する光検出器からなる。画素１及び転送用画素２が行列状に配置された画素領域は、受光部３９と転送部４０に分けられる。受光部３９は画素１を行列状に配置した領域で、図２中に矢印で示した範囲が受光部３９の垂直方向Ｄ１の範囲を表している。転送部４０は転送用画素２を行列状に配置した領域で、図２中に矢印で示した範囲が転送部４０の垂直方向Ｄ１の範囲を表している。受光部３９と転送部４０は半導体基板２０上に隣接して設けられている。図２においては、画素１と転送用画素２に相当する部分を、各々１画素分、太線の四角形で示している。受光部３９には、垂直６画素×水平１０画素の画素１が行列状に配置されている。転送部４０には、垂直２画素×水平１０画素の転送画素２が行列状に配置されている。
【００２２】
画素１は水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ電極が４つ並設された転送電極９を有している。転送電極９は画素１に発生した信号電荷を電荷蓄積部４に転送する垂直転送ゲートを構成している。転送電極９は、ＶＰＣＣＤ構造を有しており、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄ、及び仮想電極８を有している。これにより、４相駆動にすることができる。第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄは、例えば、ポリシリコン（多結晶シリコン）などで形成されている。第２のゲート電極７ｂ，７ｄの各々は同一の膜厚で形成されている。ポリシリコンなどで形成された第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄと異なり、仮想電極８にはポリシリコン層が設けられていない。
【００２３】
転送用画素２は水平方向Ｄ２に延在し、垂直方向Ｄ１へ電極が４つ並設された転送電極１０を有している。転送電極１０は画素１に発生した信号電荷を電荷蓄積部４に転送する垂直転送ゲートを構成している。転送電極１０は、仮想電極８を含んでおらず、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄ、及び転送部ゲート電極７ｃを有している。第２のゲート電極７ｂ，７ｄの各々は同一の膜厚で形成されている。図示されていないが、転送用画素２の上方には被写体からの光が入射しないように遮光膜が設けられている。
転送用画素２は、仮想電極８の代わりに転送部ゲート電極７ｃを有している点で画素１と異なる。
【００２４】
画素１、及び転送用画素２の転送に与える駆動用の垂直転送クロックφ１，φ２，φ３，φ４は、配線１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、コンタクト１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ、配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを介して電気的に接続された入力ピン１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄから与えられる。ここでは、添え字のａ，ｂ，ｃ，ｄが一致する配線、コンタクト、及び入力ピンがそれぞれ接続される。
【００２５】
配線１４ａは第１のゲート電極７ａと電気的に接続されている。配線１４ｂは一方の第２のゲート電極７ｂと電気的に接続されている。配線１４ｃは転送部ゲート電極７ｃと電気的に接続されている。配線１４ｄは他方の第２のゲート電極７ｄと電気的に接続されている。なお、仮想電極８はいずれの配線とも電気的に接続されていない。
【００２６】
行列状に設けられた画素１及び転送用画素２の各画素列間に画素分離領域１１が形成されている。受光部３９と転送部４０とを含む画素領域の転送部４０側の端には水平ＣＣＤ３が設けられ、画素領域と水平ＣＣＤ３との間には電荷蓄積部４が設けられている。水平ＣＣＤ３と反対側の端には、過剰電荷を排出するための電荷排出部５が設けられている。水平ＣＣＤ３には出力アンプ６が接続されている。
【００２７】
主に図３Ａを参照して、画素１の構造を説明する。半導体基板２０の表面に不純物領域からなる垂直転送チャネル１９が形成されている。各画素列の垂直転送チャネル１９と隣接する垂直転送チャネル１９との間に画素分離領域１１が形成されており、画素分離領域１１に横型オーバーフロードレインが形成されている。なお、横型オーバーフロードレインは形成されていなくてもよい。画素分離領域１１として、高濃度不純物領域からなる電荷排出ドレイン１６、高濃度不純物領域からなるチャネルストップ１７及び不純物領域１８が形成されている。上述において、半導体基板２０としてＰ型Ｓｉ基板、垂直転送チャネル１９としてＮ型不純物領域、電荷排出ドレイン１６として高濃度Ｎ型不純物領域、チャネルストップ１７として高濃度Ｐ型不純物領域、不純物領域１８としてＰ型不純物領域がそれぞれ適用され得る。
【００２８】
主に図３Ｂを参照して、画素１とマイクロレンズ３０の構造を説明する。画素１の入射光の入射側には、入射光を光軸３１の付近に集光するマイクロレンズ３０が画素１の各々に対応して設けられている。マイクロレンズ３０は、画素１と同じピッチで形成され、アレイ化されている。マイクロレンズ３０は、画素１と独立して作成し、画素１の上部に貼り付けても良い。また、マイクロレンズ３０は、半導体技術により画素１の上部に直接形成しても良い。
【００２９】
続いて、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の転送動作について説明する。再び図２を参照して、入射光の光電変換により画素１の内部に発生した信号電荷は、時間遅延積分（ＴＤＩ）動作により垂直方向Ｄ１へ転送される。受光部３９において時間遅延積分された信号電荷は、転送部４０を電荷蓄積部４へ向かって垂直方向Ｄ１へと転送される。電荷蓄積部４にいったん蓄積された信号電荷は、１水平期間ごとに水平ＣＣＤ３へと転送され、次に水平ＣＣＤ３内を水平方向Ｄ２へと転送されて、出力アンプ６から読み出される。
【００３０】
次に、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサを構成する第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素とマイクロレンズの構成について図４から図９に従い説明する。図４から図６は、図３Ｂに示した画素とマイクロレンズのＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図７から図９は、図４から図６に示した画素とマイクロレンズの平面図である。
【００３１】
図４から図６を参照して、マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１は第１の画素１ａを有し、第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２は第２の画素１ｂを有し、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３は第３の画素１ｃを有している。第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃはそれぞれ異なる波長帯を検出可能に構成されている。第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々は第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄ及び仮想電極８を有している。第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂ，７ｄとは異なる厚みを有している。すなわち第１のゲート電極７ａの第１の厚みｔ１と第２のゲート電極７ｂ，７ｄの第２の厚みｔ２とは異なる厚みに形成されている。なお、仮想電極８は、第１のゲート電極７ａ及び第２のゲート電極７ｂ，７ｄを形成するポリシリコン層の膜厚が０（ゼロ）の場合に相当する。
【００３２】
図４を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の画素１ａでは、第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ１と、第２のゲート電極７ｂ，７ｄを形成する２層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ２とは異なる厚みで形成されている。第２のゲート電極７ｂと第２のゲート電極７ｄとは互いに同じ第２の厚みｔ２で形成されている。
【００３３】
図５及び図６を参照して、第２及び第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２，１０３の第２の画素１ｂ及び第３の画素１ｃでも、それぞれ第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ１と、第２のゲート電極７ｂ，７ｄを形成する２層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ２とは異なる厚みで形成されている。第２のゲート電極７ｂと第２のゲート電極７ｄとは互いに同じ第２の厚みｔ２で形成されている。
【００３４】
第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３は１チップ上に集積されており、半導体の製造プロセスにおいて、それぞれの１層目ポリシリコン層が同時に形成されるので、それぞれの１層目ポリシリコン層の厚みｔ１は同一膜厚となる。第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の２層目ポリシリコン層の厚みｔ２についても、同様に同一膜厚となる。一方、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３では、それぞれにおいて１層目ポリシリコン層の厚みｔ１と２層目ポリシリコン層の厚みｔ２とは異なる膜厚となる。
【００３５】
ポリシリコン層が形成されている部分は、ポリシリコン層の膜厚により光の干渉効果が変化する。したがって、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃでは、ポリシリコン層の膜厚により変化する光の干渉効果にあわせて、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄ及び仮想電極８のポリシリコン層の膜厚はそれぞれ、第１から第３の波長帯のそれぞれに対応した吸収率の高い厚みに形成されている。
【００３６】
図４から図９を参照して、第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々の上方には、入射光を集光するマイクロレンズ３０が第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃと同じピッチで形成されている。画素１の各々に対応したマイクロレンズ３０を形成することにより、入射光はマイクロレンズ３０の光軸３１の周辺に集光され、第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々へ効率よく導かれるので、第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々における受光効率を高めることができる。
【００３７】
マイクロレンズ３０の配置位置は、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の各々が検出する波長帯に応じて選択される。図４及び７を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の画素１ａでは、マイクロレンズ３０の光軸３１上に仮想電極８が配置されている。図５及び８を参照して、第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２の画素１ｂでは、マイクロレンズ３０の光軸３１上に第２のゲート電極７ｂが配置されている。図６及び９を参照して、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３の画素１ｃでは、マイクロレンズ３０の光軸３１上に第１のゲート電極７ａが配置されている。
すなわち、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３において、マイクロレンズ３０の光軸３１上に設けられる電極は、ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサごとに異なるように形成されている。
【００３８】
第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々の転送電極９に含まれる電極のポリシリコン層の厚みは第１から第３のいずれかの波長帯の吸収率の高い厚みに形成されている。そこで、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々に対応するマイクロレンズ３０の光軸３１上に、第１から第３の波長帯のそれぞれに対応した吸収率の高い厚みの電極を配置する。このように配置することにより、検出する波長帯の吸収率の高い電極の位置により多くの光を集めることができるので、入射光の光電変換を効率よく行うことができる。
【００３９】
図４及び７を参照して、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の第１の画素１ａ内において、マイクロレンズ３０の光軸３１は転送電極９に含まれる電極のうち仮想電極８と交差するように設けられている。転送電極９に含まれる電極では、第１の波長帯に対して、ポリシリコン層の厚みがゼロの場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が最も高くなる。そのため、第１の画素１ａでは、ポリシリコン層の厚みがゼロに相当する仮想電極８をマイクロレンズ３０の光軸３１上に配置することで第１の波長帯の光の吸収率が高くなる。
【００４０】
図５及び８を参照して、第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２の第２の画素１ｂ内において、マイクロレンズ３０の光軸３１は転送電極９に含まれる電極のうち第２のゲート電極７ｂと交差するように設けられている。転送電極９に含まれる電極では、第２の波長帯に対して、ポリシリコン層の厚みｔ２の場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が最も高くなる。そのため、第２の画素１ｂでは、ポリシリコン層の厚みｔ２の第２のゲート電極７ｂをマイクロレンズ３０の光軸３１上に配置することで第２の波長帯の光の吸収率が高くなる。
【００４１】
図６及び９を参照して、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３の第３の画素１ｃ内において、マイクロレンズ３０の光軸３１は転送電極９に含まれる電極のうち第１のゲート電極７ａと交差するように設けられている。転送電極９に含まれる電極では、第３の波長帯に対して、ポリシリコン層の厚みｔ１の場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が最も高くなる。そのため、第３の画素１ｃでは、ポリシリコン層の厚みｔ１の第１のゲート電極７ａをマイクロレンズ３０の光軸３１上に配置することで第３の波長帯の光の吸収率が高くなる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態１のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３の第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃおいて、ポリシリコン層の膜厚が異なる電極をマイクロレンズ３０の光軸上に配置し、光の吸収率をそれぞれ高くすることで、第１から第３の波長帯の全てに対して感度が高くなる。
【００４３】
なお、マイクロレンズ３０を形成する際には、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３又はマイクロレンズ３０のいずれか一方の位置を相対的にシフトすることによって、マイクロレンズ３０の光軸３１と交差する電極を変えてもよい。また、ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサとマイクロレンズ３０の相対位置は固定として、転送電極９に含まれる第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄ、及び仮想電極８の形成順序やレイアウトなどを変更することによって、マイクロレンズ３０の光軸３１と交差する電極を変えてもよい。
【００４４】
また、マイクロレンズ３０は、入射光を１点に集光する効果を有するレンズとして説明してきたが、入射光を線状に集光する効果を有するシリンドリカル型のレンズを用いても良い。
【００４５】
また、本実施の形態では、画素を行列状に配置し、時間遅延積分動作により信号電荷が垂直方向Ｄ１へ転送されるＴＤＩ方式のイメージセンサを複数個備えた固体撮像装置について説明した。しかしＴＤＩ方式に限らず、画素を一列に配置したリニアイメージセンサを複数個備えた固体撮像装置であっても同様の作用効果が得られる。
【００４６】
また、本実施の形態では、第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂ、７ｄの厚みが異なる構成について説明してきた。しかし、２種の波長帯を検出する場合には、第１のゲート電極７ａのポリシリコン層の厚みｔ１と第２のゲート電極７ｂ，７ｄのポリシリコン層の厚みｔ２は、必ずしも異なる厚みにする必要はない。
【００４７】
次に、図１０から図１３に従って本実施の形態の作用効果について比較例と比較して説明する。図１０は、ポリシリコン層の膜厚と各波長帯におけるＳｉ基板での光の吸収率との関係を示すグラフである。図１１から図１３は、比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素とマイクロレンズの概略断面図である。
【００４８】
まず、ＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの各波長帯におけるＳｉ基板での光の吸収率（透過率）について、ポリシリコン電極膜厚依存性を説明する。
【００４９】
図１０を参照して、各波長帯におけるＳｉ基板での光の吸収率について、ポリシリコン電極膜厚依存性を計算した結果が示されている。グラフの横軸はポリシリコン電極の膜厚、縦軸は光の吸収率である。図１０は、図４から図６で示した第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃにおいて、１層目ポリシリコン層の膜厚ｔ１と、２層目ポリシリコン層の膜厚ｔ２とを同一膜厚とし、その膜厚を可変させたときの、各波長帯におけるＳｉ基板での吸収率の変化がプロットされている。図１０で示されるＳｉ基板での吸収率の高低により、感度の高低が生じる。
【００５０】
図１０に示されるように、各波長帯でポリシリコン電極膜厚により光の干渉特性が異なることから、第１の波長帯で高い吸収率が得られるポリシリコン電極膜厚であっても、第２、第３の波長帯では、吸収率のピーク位置からはずれ、高い吸収率が得られない。
【００５１】
続いて、図１１から図１３を参照して、比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサについて説明する。比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ２０１，２０２，２０３はそれぞれ第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃを有している。第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれ同じ構造に形成されている。第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃでは、第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ１と、第２のゲート電極７ｂ，７ｄを形成する２層目ポリシリコン層の厚み（膜厚）ｔ２とは同じ厚みで形成されている。
【００５２】
また、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ２０１，２０２，２０３の第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々の上方に形成されたマイクロレンズ３０の光軸３１上には、いずれも仮想電極８が配置されている。
【００５３】
比較例の第１の画素１ａと第２の画素１ｂとのそれぞれでは、マイクロレンズ３０の光軸３１は同一の電極と交差している。すなわち、比較例の第１の画素１ａと第２の画素１ｂとのそれぞれにおいて、マイクロレンズ３０の光軸３１が交差する電極のポリシリコン層の厚みは等しい。ポリシリコン層の膜厚に応じて光の干渉効果が変化するので、第１の画素１ａと第２の画素１ｂのそれぞれは、一方の波長帯については感度が高いが、他方の波長帯については感度が低くなる。そのため、比較例のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃにおいて、第１から第３の波長帯の検出感度を全て高くすることはできない。
【００５４】
それに対して、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサによれば、異なる波長帯を検出可能な２以上のＴＤＩ方式ＣＣＤリニアイメージセンサの各々に設けられた３以上の転送電極９は、ポリシリコン層の厚みの異なる第１のゲート電極７ａ及び第２のゲート電極７ｂ，７ｄと仮想電極８とを含んでいる。さらに少なくとも第１の画素１ａ内におけるマイクロレンズ３０の光軸３１と交差する電極が第２の画素１ｂ内におけるマイクロレンズ３０の光軸３１と交差する電極と異なっている。
【００５５】
ポリシリコン層の厚みがゼロの仮想電極８が設けられ、また第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂ，７ｄとのポリシリコン層の厚みが異なるので、第１の画素１ａ及び第２の画素１ｂのそれぞれにおいて、転送電極９に含まれる電極のうちマイクロレンズ３０の光軸３１と交差させる電極のポリシリコン層の厚みを各波長帯に対応した吸収率の高い厚みにすることができる。これにより、第１の画素１ａにより１の波長帯の感度を向上することができ、かつ第２の画素１ｂにより他の波長帯の感度を向上することができる。
【００５６】
これにより、少なくとも２つの波長帯について感度を向上することができる。
また、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１、第２及び第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃ内において、マイクロレンズ３０の光軸３１と交差させる電極がそれぞれ異なっているので、３つ以上の波長帯について感度を向上することができる。
【００５７】
なお、２つの波長帯を検出する場合には、図１１から図１３に示した比較例のように１層目ポリシリコン層の厚みｔ１と２層目ポリシリコン層の厚みｔ２とが同じ厚みで形成されていても、第１の画素１ａ及び第２の画素１ｂのそれぞれにおいてマイクロレンズ３０の光軸３１上に異なる電極を配置することにより、２つの波長帯について感度を向上することができる。例えば、１の波長帯がポリシリコン層の厚みゼロの場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が高く、他の波長帯が第１のゲート電極７ａと第２のゲート電極７ｂ，７ｄのポリシリコン層の厚みの場合にＳｉ基板２０での光の吸収率が高ければ、第１の画素１ａ及び第２の画素１ｂのそれぞれにおいて、マイクロレンズ３０の光軸３１と交差させる電極のポリシリコン層の厚みを各波長帯に対応した吸収率の高い厚みにすることができる。これにより、第１の画素１ａにより１の波長帯の感度を向上することができ、かつ第２の画素１ｂにより他の波長帯の感度を向上することができる。
【００５８】
また、本実施の形態のＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、半導体基板２０は、Ｓｉ（シリコン）基板を含み、転送電極９に含まれる電極のうち３以上の電極は、多結晶シリコン電極を含んでいる。これにより、上述のＳｉ基板での光の吸収率についてのポリシリコン電極膜厚依存性を有効に利用することができる。
【００５９】
さらに、本実施の形態のＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、転送用画素２は、仮想電極８を含んでおらず、転送部ゲート電極７ｃを含んでいる。これにより、転送用画素２で信号電荷を転送することができる。
【００６０】
以下、さらに詳しく本実施の形態の作用効果について説明する。例えば、図１０に示される第１から第３の波長帯がマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１００で検出される波長帯である場合、図１０に示されるように第１の波長帯については、ポリシリコン電極膜厚がゼロに相当する仮想電極において、Ｓｉ基板での吸収率が最も高い。第２の波長帯については、図１０に示されるようにポリシリコン電極膜厚がＴａの場合にＳｉ基板での吸収率が最も高い。第３の波長帯については、図１０に示されるようにポリシリコン電極膜厚がＴｂの場合にＳｉ基板での吸収率が最も高い。
【００６１】
そのため、図４から図６、及び図１０を参照して、第１のゲート電極７ａを形成する１層目ポリシリコン層の厚みｔ１が第３の波長帯で感度が最高となるポリシリコン電極膜厚Ｔｂとされ、第２のゲート電極７ｂ，７ｄを形成する２層目ポリシリコン層の厚みｔ２が第２の波長帯で感度が最高となるポリシリコン電極膜厚Ｔａとされる。
【００６２】
第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１については、仮想電極８においてＳｉ基板での吸収率が最高となるので、マイクロレンズ３０の光軸上に仮想電極８が配置されるように構成することで、第１の波長帯の光の吸収率を高くすることができる。このため、第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１の感度を高くすることができる。
【００６３】
第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２については、第２のゲート電極７ｂ，７ｄにおいてＳｉ基板での吸収率が最高となるので、マイクロレンズ３０の光軸上に第２のゲート電極７ｂ，７ｄが配置されるように構成することで、第２の波長帯の光の吸収率を高くすることができる。このため、第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０２の感度を高くすることができる。
【００６４】
第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３については、第１のゲート電極７ａにおいてＳｉ基板での吸収率が最高となるので、マイクロレンズ３０の光軸上に第１のゲート電極７ａが配置されるように構成することで、第３の波長帯の光の吸収率を高くすることができる。このため、第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０３の感度を高くすることができる。
【００６５】
すなわち、第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃにおいて、第１から第３の波長帯に対して、Ｓｉ基板での吸収率が最も高いポリシリコン電極膜厚で形成された電極にマイクロレンズ３０の光軸を交差させることで大きく感度を向上させることができる。
【００６６】
上述のように、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサによれば、各波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ１０１，１０２，１０３全ての感度を向上させることができる。
【００６７】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２におけるマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの構成について、図１４から図１６を用いて説明する。この実施の形態においては、実施の形態１と比較して第２のゲート電極の構成が主に異なっている。なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるので、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００６８】
図１４から図１６は、この発明の実施の形態２におけるＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサの画素とマイクロレンズの断面図である。
図１４から図１６を参照して、本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサでは、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ３０１，３０２，３０３の第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々は、第１のゲート電極７ａ、第２のゲート電極７ｂ及び仮想電極８を有している。本実施の形態では、第１から第３の画素１ａ，１ｂ，１ｃの各々において、実施の形態１と異なり、第２のゲート電極７ｂが１つである。すなわち、実施の形態１と異なり、第２のゲート電極７ｂと同じポリシリコン電極膜厚の第２のゲート電極７ｄが形成されていない。
【００６９】
本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサによれば、３相駆動にすることができる。
本実施の形態のマルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサにおいても、第１から第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ３０１，３０２，３０３の各々はポリシリコン層の膜厚が異なる仮想電極８、第１のゲート電極７ａ、及び第２のゲート電極７ｂを備え、検出する波長帯の吸収率が高い電極がマイクロレンズ３０の光軸上に配置されるように構成されているので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明では無くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７０】
１  画素、１ａ  第１の画素、１ｂ  第２の画素、１ｃ  第３の画素、２  転送用画素、３  水平ＣＣＤ、４  電荷蓄積部、５  電荷排出部、６  出力アンプ、７  転送電極９ａ  第１のゲート電極、７ｂ、７ｄ  第２のゲート電極、７ｃ  転送部ゲート電極、８  仮想電極、９  転送電極、１０  転送電極、１１  画素分離領域、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  配線、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ  コンタクト、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  入力ピン、１６  電荷排出ドレイン、１７  チャネルストップ、１８  不純物領域、１９  垂直転送チャネル、２０  半導体基板、３０  マイクロレンズ、３１  光軸、３９  受光部、４０  転送部、１００  マルチスペクトルＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ、１０１  第１の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ、１０２  第２の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ、１０３  第３の波長帯を検出するＴＤＩ方式ＣＣＤイメージセンサ、ｔ１  第１の厚み、ｔ２  第２の厚み。
【図１】
2012234921.tif 000003
【図２】
2012234921.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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