JP2017208397A - 裏面照射型固体撮像素子及び撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子の厚みが厚いほど、電位の傾きが弱くなることによる電荷移動スピードの低下や結晶欠陥等による暗電流の増加が懸念される。【解決手段】半導体基板の裏面側に光入射面を持つ裏面照射型固体撮像素子を、半導体基板内に形成された光電変換部と、半導体基板内であって、裏面と反対の表面側に形成されており、光電変換部にて生成された電荷を保持する電荷保持部とを備える構成とし、半導体基板の裏面と電荷保持部とが、半導体基板の厚み方向において、光入射面に入射される光の最大波長及び該半導体基板の光吸収係数に基づいて定められた距離だけ離れて位置している。【選択図】図３

Description

本発明は、裏面照射型固体撮像素子及び撮影装置に関する。

ローリングシャッタ方式で問題となる動体歪みを解消するため、グローバルシャッタ機能を持つＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型撮像素子が知られている。グローバルシャッタ機能を持つＣＭＯＳ型撮像素子は、多数のトランジスタ及び電荷保持容量を画素内に備える構造上、フォトダイオードの占有面積が狭いため、高感度に設計することが難しいという問題を抱えている。

近年、上記の問題を解消することが可能な裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子が知られている。裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子では、半導体基板の光入射面（裏面）側に配線層等を設ける必要が無い。そのため、この種の撮像素子は、フォトダイオードの占有面積が狭いながらも、開口率が高く、感度が高い。

例えば特許文献１に、グローバルシャッタ機能を持つ裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子の具体的構成が記載されている。特許文献１では、裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子の表面側に電荷保持容量を設けてグローバルシャッタ機能を持たせる構成において、裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子の厚みを厚くすることにより、電荷保持容量に漏れ込む電荷量を低減させる（言い換えると、固体撮像素子のシャッタ性能（遮光性能）を向上させる）ことが記載されている。

特開２０１５−２２０２５５号公報

しかし、裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子の厚みが厚いほど、電位の傾きが弱くなることによる電荷移動スピードの低下や結晶欠陥等による暗電流の増加が懸念される。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電荷移動スピードの低下や暗電流の増加を抑えつつ固体撮像素子のシャッタ性能を向上させるのに好適な裏面照射型固体撮像素子及び撮影装置を提供することである。

本発明の一実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子は、半導体基板の裏面側に光入射面を持つものであり、半導体基板内に形成された光電変換部と、半導体基板内であって、裏面と反対の表面側に形成されており、光電変換部にて生成された電荷を保持する電荷保持部とを備える。かかる裏面照射型固体撮像素子において、半導体基板の裏面と電荷保持部とが、半導体基板の厚み方向において、光入射面に入射される光の最大波長及び該半導体基板の光吸収係数に基づいて定められた距離だけ離れて位置している。

また、本発明の一実施形態において、光入射面に入射される光の最大波長は、例えば、半導体基板の裏面に取り付けられた赤外カットフィルタによって規定されている。

また、本発明の一実施形態において、上記の距離は、寄生感度にも基づいて定められているものであってもよい。

本発明の一実施形態に係る撮影装置は、上記の裏面照射型固体撮像素子を備える。

本発明の一実施形態によれば、電荷移動スピードの低下や暗電流の増加を抑えつつ固体撮像素子のシャッタ性能を向上させるのに好適な裏面照射型固体撮像素子及び撮影装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る撮影装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の画素の構造を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るシリコン基板の光吸収係数の波長依存性（図４（ａ））及びシリコン基板の光吸収係数の波長依存性を用いて計算されたＰＤとＭＥＭの分光感度特性（図４（ｂ））を示す図である。 本発明の一実施形態に係る測距センサに取り付けられる赤外カットフィルタの分光透過特性（図５（ａ））及び赤外カットフィルタが測距センサに取り付けられているときのＰＤ及びＭＥＭの分光感度特性（図５（ｂ））を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＰＤとＭＥＭとの面積比（ＭＥＭ／ＰＤ）が０．０５である場合の寄生感度とシリコン基板の厚みとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＰＤの厚みと分光感度特性との関係（図７（ａ））及び各厚みのＰＤを持つ測距センサに赤外カットフィルタを取り付けた場合のＰＤの分光感度特性（図７（ｂ）及び図７（ｃ））を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る撮影装置について図面を参照しながら説明する。以下においては、本発明の一実施形態として、デジタル一眼レフカメラについて説明する。なお、撮影装置は、デジタル一眼レフカメラに限らず、例えば、ミラーレス一眼カメラ、コンパクトデジタルカメラ、ビデオカメラ、カムコーダ、タブレット端末、ＰＨＳ（Personal Handy phone System）、スマートフォン、フィーチャフォン、携帯ゲーム機など、固体撮像素子を備える別の形態の装置に置き換えてもよい。

［撮影装置１全体の説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る撮影装置１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、撮影装置１は、カメラ本体１０と、カメラ本体１０に着脱可能な交換レンズ２０を備えている。

カメラ本体１０は、システムコントローラ回路１０２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０４、操作スイッチ群１０６、測光センサ１０８、測距センサ１１０、撮像センサ１１２、撮像センサ駆動回路１１４、レンズ制御回路１１６、画像処理回路１１８、画像メモリ１２０、表示器１２２、第一ミラー１２４、第二ミラー１２６及びメカシャッタ１２８を有している。

交換レンズ２０は、レンズＣＰＵ（Central Processing Unit）２０２、撮影レンズ２０４、絞り２０６及び駆動機構２０８を有している。なお、図１では、便宜上、撮影レンズ２０４が２枚構成で示されているが、実際には、撮影レンズ２０４は、より多い枚数で構成されている。

操作スイッチ群１０６には、電源スイッチやレリーズスイッチ、ズームスイッチ、撮影モードスイッチなど、ユーザが撮影装置１を操作するために必要な各種スイッチが含まれる。ユーザにより電源スイッチが操作されると、図示省略されたバッテリから撮影装置１の各種回路に電源ラインを通じて電源供給が行われる。

システムコントローラ回路１０２は、カメラＣＰＵを含む。システムコントローラ回路１０２は電源供給後、ＲＯＭ１０４にアクセスして制御プログラムを読み出してワークエリア（不図示）にロードし、ロードされた制御プログラムを実行することにより、撮影装置１全体の制御を行う。

例えばズームスイッチが操作されると、システムコントローラ回路１０２は、レンズ制御回路１１６を介してレンズＣＰＵ２０２にズーム制御信号を出力する。レンズＣＰＵ２０２は、レンズ制御回路１１６より入力されるズーム制御信号に基づいて駆動機構２０８を制御して、撮影レンズ２０４内の一部のレンズ群（ズームレンズ）を他のレンズに対して光軸方向に相対移動させることにより、撮影レンズ２０４の焦点距離を変化させる。

また、例えばレリーズスイッチが半押し操作されると、システムコントローラ回路１０２は、被写体光束を基にＡＦ（Autofocus）制御を行う。具体的には、被写体光束は、撮影レンズ２０４及び絞り２０６を介して第一ミラー１２４に入射される。第一ミラー１２４の一部の領域は、ハーフミラー領域となっている。そのため、被写体光束の一部は、第一ミラー１２４（ハーフミラー領域）を透過して、第一ミラー１２４の後段に配置された第二ミラー１２６にて下方に反射されて、測距センサ１１０に入射される。

測距センサ１１０は、入射光束に応じた信号をシステムコントローラ回路１０２に出力する。システムコントローラ回路１０２は、測距センサ１１０より入力される信号に基づいてデフォーカス演算を行い、演算によって求められたフォーカス制御信号を、レンズ制御回路１１６を介してレンズＣＰＵ２０２に出力する。

レンズＣＰＵ２０２は、レンズ制御回路１１６より入力されるフォーカス制御信号に基づいて駆動機構２０８を制御して、撮影レンズ２０４内の一部のレンズ群（フォーカスレンズ）を他のレンズに対して光軸方向に相対移動させることにより、撮影レンズ２０４のピント位置を適正位置に調節する。

また、例えばレリーズスイッチが全押し操作されると、システムコントローラ回路１０２は、測光センサ１０８による測光値（言い換えると、被写体の明るさ）に基づいて適正露出が得られるように、不図示の駆動回路を介してメカシャッタ１２８を駆動制御すると共に、レンズ制御回路１１６を介してレンズＣＰＵ２０２に絞り制御信号を出力する。

レンズＣＰＵ２０２は、レンズ制御回路１１６より入力される絞り制御信号に基づいて駆動機構２０８を制御することにより、絞り２０６を適正な絞り値に達するまで駆動する。なお、メカシャッタ１２８及び絞り２０６の駆動制御は、プログラムＡＥ（Automatic Exposure）、シャッタ優先ＡＥ、絞り優先ＡＥなど、撮影モードスイッチにより指定されるＡＥ機能に基づいて行われる。また、絞り２０６は、絞り値の調節だけでなく、静止画撮影時には露光秒時調節用のシャッタとして機能するものであってもよい。

システムコントローラ回路１０２は、第一ミラー１２４をクイックリターンさせる。すなわち、システムコントローラ回路１０２は、メカシャッタ１２８（ここではフォーカルプレーンシャッタ）の先膜走行開始直前から後幕走行終了直後の期間に限り、第一ミラー１２４をアップすることにより、撮影レンズ２０４の光軸と平行な光路から第一ミラー１２４を退避させる。また、第二ミラー１２６は、第一ミラー１２４とメカ的に連動する構成となっており、第一ミラー１２４のミラーアップと共に光路から退避する。

被写体光束は、第一ミラー１２４のミラーアップ中、撮影レンズ２０４、絞り２０６及びメカシャッタ１２８を通過して、メカシャッタ１２８の後段に配置された撮像センサ１１２の受光面上で結像される。

撮像センサ１１２は、ＣＭＯＳ型イメージセンサ及びその周辺回路をチップ化したものである。ＣＭＯＳ型イメージセンサは、ベイヤ配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された２次元単板式カラーセンサであり、Ｍ×Ｎ画素を有している。撮像センサ１１２は、受光面上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積し、画像信号を生成して撮像センサ駆動回路１１４に出力する。なお、ＣＭＯＳ型イメージセンサは、ベイヤ配列フィルタ等の原色系フィルタに限らず、補色系フィルタ（例えば補色市松フィルタ）が搭載されたものであってもよい。

撮像センサ駆動回路１１４は、撮像センサ１１２の撮像動作を制御すると共に、撮像センサ１１２より入力される画像信号をＡ／Ｄ変換してシステムコントローラ回路１０２に出力する。システムコントローラ回路１０２は、撮像センサ駆動回路１１４より入力されるＡ／Ｄ変換後の画像信号の一時的な保存場所として画像メモリ１２０を用いつつ、該画像信号を適時のタイミングで画像処理回路１１８に転送する。画像処理回路１１８は、システムコントローラ回路１０２より転送される画像信号に対して各種信号処理（デモザイキング、ガンマ補正、マトリックス演算、ホワイトバランス等）を施す。

システムコントローラ回路１０２は、各種信号処理後の画像データをカメラ本体１０の内蔵メモリや不図示のカードスロットに着脱可能に差し込まれているメモリカードに保存し、また、表示器１２２に出力する。

表示器１２２は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）である。表示器１２２がシステムコントローラ回路１０２より入力される画像データを基に液晶を変調制御することで、被写体の撮影画像が表示器１２２の表示画面に表示される。

［固体撮像素子に関する説明］
測光センサ１０８は、適正な露光条件を算出するため、撮像センサ１１２による本撮影前に被写体の明るさを極短時間で検出する必要があり、高感度であることが求められる。測光センサ１０８はまた、フラッシュ撮影に対応するため、同時性が要求される。

測距センサ１１０は、撮影レンズ２０４のピント調節を行うため、撮像センサ１１２による本撮影前に被写体までの距離を極短時間で検出する必要があり、高感度であることが求められる。測距センサ１１０はまた、デフォーカス演算の際、異なる画素列の画素信号の相互演算を行う必要上、画素間の画素信号に同時性が要求される。

撮影装置１には、固体撮像素子として、測光センサ１０８、測距センサ１１０及び撮像センサ１１２が備えられている。本実施形態において、測光センサ１０８、測距センサ１１０及び撮像センサ１１２の各固体撮像素子は、何れも、グローバルシャッタ機能を持つ裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子である。特に、測光センサ１０８及び測距センサ１１０は、上述したように、高感度及び同時性の要求が強いため、グローバルシャッタ機能を持つ裏面照射型ＣＭＯＳ型撮像素子であることが好適である。

図２（ａ）に、本実施形態に係る測光センサ１０８及び撮像センサ１１２に適用される固体撮像素子の概略構成例を示す。図２（ａ）に示されるように、測光センサ１０８及び撮像センサ１１２は、シリコン基板Ｓ_ＳＣを有している。シリコン基板Ｓ_ＳＣ上には、複数の画素ＰＸよりなる画素領域Ａ_ＰＸ、垂直駆動回路Ｃ_ＶＤ、カラム信号処理回路Ｃ_Ｃ、水平駆動回路Ｃ_ＨＤ、出力回路Ｃ_Ｏ、制御回路Ｃ_ＣＴＬが設けられている。

画素ＰＸは、フォトダイオード（ＰＤ）よりなる光電変換部及び複数の画素トランジスタを有している。画素ＰＸを構成する画素トランジスタには、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタが挙げられる。

画素領域Ａ_ＰＸは、シリコン基板Ｓ_ＳＣ上にマトリックスアレイ状に配列された複数の画素ＰＸから構成されている。画素領域Ａ_ＰＸは、入射された光を光電変換して生成した信号電荷を増幅してカラム信号処理回路Ｃ_Ｃに読み出す有効画素領域、及び黒レベルの基準値を出力するための黒基準画素領域を有している。

制御回路Ｃ_ＣＴＬは、垂直同期信号、水平同期信号、マスタクロックに基づいて、垂直駆動回路Ｃ_ＶＤ、カラム信号処理回路Ｃ_Ｃ、水平駆動回路Ｃ_ＨＤ等の動作の基準となるクロック信号や制御信号等を生成する。

垂直駆動回路Ｃ_ＶＤは、例えばシフトレジスタによって構成されており、画素領域Ａ_ＰＸの各画素ＰＸを行単位で垂直方向に順次選択走査し、各画素２のＰＤ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Ｌ_ＶＳを介してカラム信号処理回路Ｃ_Ｃに出力する。

カラム信号処理回路Ｃ_Ｃは、例示的には、画素ＰＸの列毎に配置されており、１行分の画素ＰＸから出力される画素信号に対し、画素列毎に黒基準画素領域より出力される信号を用いて、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を施す。

水平駆動回路Ｃ_ＨＤは、例えばシフトレジスタによって構成されており、水平走査パルスを順次出力する。これにより、カラム信号処理回路Ｃ_Ｃの各々が順に選択され、選択された各カラム信号処理回路Ｃ_Ｃから画素信号が出力回路Ｃ_Ｏに出力される。

出力回路Ｃ_Ｏは、カラム信号処理回路Ｃ_Ｃより入力される画素信号を処理して、システムコントローラ回路１０２等の後段回路に出力する。

図２（ｂ）に、本実施形態に係る測距センサ１１０に適用される固体撮像素子の概略構成例を示す。図２（ｂ）に示されるように、測距センサ１１０は、基本的には、測光センサ１０８や撮像センサ１１２と同じ構成を有している。測光センサ１０８等との相違点として、測距センサ１１０がラインセンサの形態で構成されている点が挙げられる。

本実施形態では、ＡＦ方式として、位相差検出方式が採用されている。そのため、被写体光束は、第二ミラー１２６にて反射された後、セパレータレンズ等の光学素子にて瞳分割されて、測距センサ１１０に入射される。瞳分割された被写体光束は、画素領域Ａ_ＰＸ内において同一ライン（同一行）上に配置された基準画素列ＰＸ_Ｂと参照画素列ＰＸ_Ｒに結像される。測距センサ１１０は、各像の位相ずれからデフォーカス量に応じた信号を生成してシステムコントローラ回路１０２に出力する。

図３（ａ）に、測距センサ１１０の画素ＰＸの構造を模式的に示す。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）に示される画素ＰＸの構造の一部拡大図を示す。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、測距センサ１１０の各画素ＰＸは、裏面１１０Ａから順に、ｐ^＋領域１１０ａ、ＰＤ（ｎ領域）１１０ｂ、ｐ領域１１０ｃ、ｐ^＋領域１１０ｄ、ｐウェル１１０ｅを有している。ｐウェル１１０ｅ上には、ＶＤＤ（Voltage Drain）１１０ｆ、ＲＧ（Reset Gate）１１０ｇ、ＦＤ（Floating Diffusion）１１０ｈ、ＦＤＧ（Floating Diffusion Gate）１１０ｉ、電荷保持部であるＭＥＭ１１０ｊ、ＴＧ（Transfer Gate）１１０ｋ、ＡＢＧ（Antiblooming Gate）１１０ｌが形成されている。ｐ^＋領域１１０ａ、ＰＤ（ｎ領域）１１０ｂ及びｐ領域１１０ｃの側面には、電気的及び光学的なクロストークを低減するためのＤＴＩ（Deep Trench Isolation）１１０ｍが形成されている。ＰＤ１１０ｂ及びＭＥＭ１１０ｊの表面には、バリア層１１０ｍが形成されている。

ＰＤ１１０ｂにて光電変換されることによって発生した電荷は、全画素一斉にＴＧ１１０ｋを介してＭＥＭ１１０ｊに転送される。ＭＥＭ１１０ｊに転送された電荷は、ＦＤＧ１１０ｉを介してＦＤ１１０ｈに転送されて電圧に変換され、不図示の画素ソースフォロアアンプＳＦ及び選択トランジスタＳＥＬを介して順次読み出される。

図３（ｃ）に、本発明の別の一実施形態に係る測距センサの画素ＰＸの構造を模式的に示す。図３（ｃ）に示されるように、別の一実施形態に係る固体撮像素子の各画素ＰＸは、裏面１１１０Ａから順に、ｐ^＋領域１１１０ａ、ｎ⁻領域１１１０ｂ、ｐウェル１１１０ｃ、ｎ領域１１１０ｄを有している。ｐウェル１１１０ｃ上には、ＶＤＤ１１１０ｅ、ＲＧ１１１０ｆ、ＦＤ１１１０ｇ、ＦＤＧ１１１０ｈ、ＭＥＭ１１１０ｉ、ＴＧ１１１０ｊが形成されている。ｎ領域１１１０ｄ及びＭＥＭ１１１０ｉの表面には、バリア層１１１０ｋが形成されている。

図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるように、本実施形態に係る固体撮像素子（ここでは例示として測距センサ）の画素ＰＸは、特許文献１に記載されている画素と比べて、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み方向に関し、その裏面からＭＥＭまでの距離Ｄが広く取られている。概略的には、裏面に入射される光の最大波長及びシリコン基板Ｓ_ＳＣの光吸収係数に基づいて定められた値に距離Ｄが設定されていることにより、ＭＥＭに漏れ込む電荷量を低減（固体撮像素子のシャッタ性能を向上）させつつ、電荷移動スピードの低下及び暗電流（特に、ｐ^＋領域１１０ｄ等の領域で発生するもの）の増加の抑制が達成されている。

図４（ａ）に、シリコン基板Ｓ_ＳＣの光吸収係数の波長依存性を例示する。図４（ａ）中、縦軸は、光吸収係数（単位：／μｍ）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。図４（ａ）に示されるように、波長の長い光ほど、シリコン基板Ｓ_ＳＣにおける光吸収係数が小さく、シリコン基板Ｓ_ＳＣ内への深達度が大きい。

図４（ｂ）に、図４（ａ）に示されるシリコン基板Ｓ_ＳＣの光吸収係数の波長依存性を用いて計算されたＰＤ１１０ｂとＭＥＭ１１０ｊの分光感度特性を例示する。図４（ｂ）中、太実線は、ＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示し、細実線は、ＭＥＭ１１０ｊの分光感度特性を示す。また、図４（ｂ）中、縦軸は、感度（単位：任意）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。

図４（ｂ）に示されるように、ＰＤ１１０ｂは、シリコン基板Ｓ_ＳＣ（画素ＰＸ）の光入射面（裏面１１０Ａ）側に配置されているため、可視光領域に高い感度を持っている。

一方、ＭＥＭ１１０ｊは、シリコン基板Ｓ_ＳＣの表面側の位置、すなわち光入射面から見て深い位置に配置されている。そのため、短波長成分（青色等）の光がＭＥＭ１１０ｊに到達する前に吸収される一方、長波長成分（赤色〜赤外等の領域）の光は、ＭＥＭ１１０ｊに到達する。従って、図４（ｂ）に示されるように、ＭＥＭ１１０ｊは、短波長成分に対しては感度が低く、長波長成分に対しては感度が高い。

なお、ＭＥＭ１１０ｊの感度は、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（より正確には、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み方向における、裏面１１０ＡからＭＥＭ１１０ｊまでの距離Ｄ）に応じて変わる。シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みが厚いほど（距離Ｄが長いほど）、ＭＥＭ１１０ｊの感度のピークは長波長側にシフトする。

図１に示されるように、測光センサ１０８、測距センサ１１０、撮像センサ１１２の各固体撮像素子の受光面の前段には、それぞれ、赤外カットフィルタ１０８ＩＲ、１１０ＩＲ、１１２ＩＲが取り付けられている。図５（ａ）に、測距センサ１１０に取り付けられる赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性例を２つ示す。図５（ａ）中、太実線は、分光透過特性１を示し、細実線は、分光透過特性２を示す。また、図５（ａ）中、縦軸は、透過率（単位：無次元）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。カットオフ波長は、分光透過特性１よりも分光透過特性２の方が大きい。

図５（ｂ）に、図５（ａ）に示される分光透過特性１を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが測距センサ１１０に取り付けられているときのＰＤ１１０ｂ及びＭＥＭ１１０ｊの分光感度特性を例示すると共に、図５（ａ）に示される分光透過特性２を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが測距センサ１１０に取り付けられているときのＰＤ１１０ｂ及びＭＥＭ１１０ｊの分光感度特性を例示する。図５（ｂ）中、太実線は、分光透過特性１を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが測距センサ１１０に取り付けられているときのＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示し、細実線は、分光透過特性２を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが測距センサ１１０に取り付けられているときのＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示し、太破線は、分光透過特性１を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが測距センサ１１０に取り付けられているときのＭＥＭ１１０ｊの分光感度特性を示し、細破線は、分光透過特性２を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが測距センサ１１０に取り付けられているときのＭＥＭ１１０ｊの分光感度特性を示す。また、図５（ｂ）中、縦軸は、感度（単位：任意）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。

赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性を考慮すると、ＭＥＭ１１０ｊの感度が殆どないことが図５（ｂ）から判る。また、カットオフ波長の大きい分光透過特性２を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲが取り付けられている方がＭＥＭ１１０ｊの感度が高いことが判る。また、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みが厚いほど（距離Ｄが長いほど）ＭＥＭ１１０ｊの感度のピーク（図４（ｂ）参照）が長波長側にシフトし、且つＭＥＭ１１０ｊに到達し得る長波長成分の光が赤外カットフィルタ１１０ＩＲでカットされるため、ＭＥＭ１１０ｊの感度がより一層抑えられる。

図４及び図５から判るように、赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性（主にカットオフ波長であり、言い換えると、裏面１１０Ａに入射される光の最大波長）が決まっていれば、その分光透過特性に合わせてシリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（距離Ｄ）を設定することにより、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みを必要以上に厚くすることなく（すなわち、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みを厚くすることによる、電荷移動スピードの低下及び暗電流の増加を抑えつつ）、ＭＥＭ１１０ｊの感度の抑制、すなわち、ＭＥＭ１１０ｊに漏れこむ電荷量を低減させることによる測距センサ１１０のシャッタ性能の向上が達成される。

図６に、ＰＤ１１０ｂとＭＥＭ１１０ｊとの面積比（ＭＥＭ／ＰＤ）が０．０５である場合の寄生感度ＰＬＳとシリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（距離Ｄ）との関係を例示する。図６中、太実線は、赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性が分光透過特性１の場合を示し、細実線は、赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性が分光透過特性２の場合を示す。また、図６中、縦軸は、寄生感度ＰＬＳ（単位：ｄＢ）を示し、横軸は、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（より正確には、距離Ｄであり、単位：μｍ）を示す。寄生感度ＰＬＳは、ＰＤ１１０ｂの感度をＳ_ＰＤと記し、ＭＥＭ１１０ｊの感度をＳ_ＭＥＭと記した場合に、次式により示される。

ＰＬＳ＝Ｓ_ＭＥＭ／Ｓ_ＰＤ

例えばＰＤ１１０ｂのダイナミックレンジとして１２ｂｉｔ相当が必要である場合を考える。この場合、寄生感度の目標値は、−７２ｄＢとなる。図６から、赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性が分光透過特性１の場合、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（距離Ｄ）として１３μｍ程度必要となり、また、赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性が分光透過特性２の場合、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（距離Ｄ）として１８μｍ程度必要になることが判る。

図６から、赤外カットフィルタ１１０ＩＲの分光透過特性（主にカットオフ波長であり、言い換えると、裏面１１０Ａに入射される光の最大波長）が決まっていれば、その分光透過特性に合わせてシリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（距離Ｄ）を設定することにより、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みを必要以上に厚くすることなく（すなわち、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みを厚くすることによる、電荷移動スピードの低下及び暗電流の増加を抑えつつ）、寄生感度を適正な値以下に抑えられることが判る。無駄に厚いシリコン基板Ｓ_ＳＣが不要なため、製造時にイオン打ち込みエネルギーを必要以上に高くしなくてよく、また、拡散工程における拡散時間を必要以上に長くしなくてもよい。そのため、製造コストが抑えられる。

図７（ａ）に、ＰＤ１１０ｂの厚みと分光感度特性との関係を例示する。図７（ａ）中、太実線は、厚みｙ１を持つＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示し、細実線は、厚みｙ２を持つＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示し、破線は、厚みｙ３を持つＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示し、一点鎖線は、厚みｙ４を持つＰＤ１１０ｂの分光感度特性を示す。また、図７（ａ）中、縦軸は、感度（単位：任意）を示し、横軸は、波長（単位：ｎｍ）を示す。ここでは、ｙ１＜ｙ２＜ｙ３＜ｙ４となっている。すなわち、ＰＤ１１０ｂの厚みが厚いほどＰＤ１１０ｂの分光感度が高いことが図７（ａ）から判る。

図７（ｂ）に、図７（ａ）に示される各厚みのＰＤ１１０ｂを持つ測距センサ１１０に図５（ａ）に示される分光透過特性１を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲを取り付けた場合のＰＤ１１０ｂの分光感度特性を例示する。図７（ｃ）に、図７（ａ）に示される各厚みのＰＤ１１０ｂを持つ測距センサ１１０に図５（ａ）に示される分光透過特性２を持つ赤外カットフィルタ１１０ＩＲを取り付けた場合のＰＤ１１０ｂの分光感度特性を例示する。図７（ｂ）、図７（ｃ）の各図中の線種及び軸については、図７（ａ）と同じである。

図７（ｂ）から、ＰＤ１１０ｂの厚みを必要以上に厚くしても（シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みを厚くして距離Ｄを長くしても）、ＰＤ１１０ｂの感度の向上には殆ど寄与しないことが判る。図７（ｃ）の例では、図７（ｂ）の例と比べてカットオフ波長が大きい分だけ、ＰＤ１１０ｂの厚みが厚いほどＰＤ１１０ｂの感度が向上していることが判る。しかし、その効果は非常に限定的であり、実質的には、ＰＤ１１０ｂの厚みを必要以上に厚くしてもＰＤ１１０ｂの感度の向上には殆ど寄与しないといえる。

このように、本実施形態によれば、シリコン基板Ｓ_ＳＣの厚み（より正確には距離Ｄ）が裏面に入射される光の最大波長（ここでは赤外カットフィルタ１１０ＩＲのカットオフ波長）及びシリコン基板Ｓ_ＳＣの光吸収係数に基づいて定められた値に設定されている。これにより、ＭＥＭに漏れ込む電荷量を低減（固体撮像素子のシャッタ性能の向上）させつつ、電荷移動スピードの低下及び暗電流の増加の抑制が達成されている。また、距離Ｄを設定する際、ＰＤ１１０ｂの厚みや寄生感度ＰＬＳも考慮すると、固体撮像素子のシャッタ性能をより一層向上させることができると共にシリコン基板Ｓ_ＳＣの厚みをより適正な厚みに設定することができる。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本発明の実施形態に含まれる。

１ 撮影装置
１０ カメラ本体
２０ 交換レンズ
１０２ システムコントローラ回路
１０４ ＲＯＭ
１０６ 操作スイッチ群
１０８ 測光センサ
１１０ 測距センサ
１１２ 撮像センサ
１１４ 撮像センサ駆動回路
１１６ レンズ制御回路
１１８ 画像処理回路
１２０ 画像メモリ
１２２ 表示器
１２４ 第一ミラー
１２６ 第二ミラー
１２８ メカシャッタ
２０２ レンズＣＰＵ
２０４ 撮影レンズ
２０６ 絞り
２０８ 駆動機構

Claims (4)

1. 半導体基板の裏面側に光入射面を持つ裏面照射型固体撮像素子において、
   前記半導体基板内に形成された光電変換部と、
   前記半導体基板内であって、前記裏面と反対の表面側に形成されており、前記光電変換部にて生成された電荷を保持する電荷保持部と、
   を備え、
   前記半導体基板の裏面と前記電荷保持部とが、
   前記半導体基板の厚み方向において、前記光入射面に入射される光の最大波長及び該半導体基板の光吸収係数に基づいて定められた距離だけ離れて位置している、
   裏面照射型固体撮像素子。
2. 前記最大波長は、
   前記半導体基板の裏面に取り付けられた赤外カットフィルタによって規定されている、
   請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
3. 前記距離は、
   寄生感度にも基づいて定められている、
   請求項１又は請求項２に記載の裏面照射型固体撮像素子。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の裏面照射型固体撮像素子を備えた、
   撮影装置。

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