JP4677425B2

JP4677425B2 - カラー画像撮像用固体撮像素子

Info

Publication number: JP4677425B2
Application number: JP2007163826A
Authority: JP
Inventors: 充岩田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: JP2009004550A

Description

本発明はＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子に係り、特に、半導体基板の光吸収特性が入射光の波長に依存することを利用してカラー画像を撮像するカラー画像撮像用固体撮像素子に関する。

シリコン基板は、光吸収係数が波長依存性を持ち、波長の長い光ほど波長の短い光に比べて基板内の深い位置まで浸入し光電変換に寄与する。特許文献１記載の従来技術は、この特性を裏面照射型固体撮像素子に適用し、フォトダイオードの形成深さを制御することで、カラーフィルタを用いずに赤色，緑色，青色の各信号を色分離して検出している。

図６は、特許文献１に記載されている裏面照射型固体撮像素子の３画素分の断面模式図である。図示する裏面照射型固体撮像素子１は、シリコン基板２と、シリコン基板２の第１面側（この面を表面側として説明する。）に積層された読出回路層３と、シリコン基板２の第２面側（こちらの面は裏面側となる。）に積層されたマイクロレンズ層５とを備える。裏面側に照射された入射光はマイクロレンズ層５を通してシリコン基板２内に入射され、シリコン基板２内で光電変換により発生した光電荷に基づく検出信号が、表面側の読出回路層３を通して外部に読み出される。

図６には、赤色光検出用のＲ画素，緑色光検出用のＧ画素，青色光検出用のＢ画素の断面が示されている。各画素領域はｐ型領域６で画素分離されており、分離領域間にｎ型領域（クロスハッチした領域）７Ｒ，７Ｇ，７Ｂが形成されている。このｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂと周囲のｐ型領域（ｐ^＋領域を含む）との間で夫々フォトダイオードが形成される。

各ｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの基板表面側（第１面側）にはｎ型領域でなる電荷通路１０がｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに連続して形成され、この電荷通路１０を通して、各ｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂで検出された電荷が表面側に移動する様になっている。

特許文献１記載の従来技術では、クロスハッチしたｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの形成深さを、Ｒ画素では裏面から深く、Ｂ画素では裏面から浅く、Ｇ画素では裏面から中間の深さに制御している。

これにより、深いｎ型領域７Ｒで発生した信号電荷は、深い場所まで浸入可能な赤色光による寄与分が多くなり、中間の深さのｎ型領域７Ｇで発生した信号電荷は、中間の深さまで浸入可能な緑色光の寄与分が多くなり、浅いｎ型領域７Ｂで発生した信号電荷は浅い場所で多く吸収される青色光の寄与分が多くなり、入射光のＲＧＢの分離検出を可能としている。

特開２００６−７３６８２号公報

上述した従来技術は、フォトダイオードの形成深さを制御することで入射光の波長選択性を制御し、赤色（Ｒ）光，緑色（Ｇ）光，青色（Ｂ）光の分離検出を可能としている。

しかし、図６の従来技術は、斜め入射光については全く考慮していないため、波長選択性すなわち色分離性能が劣化してしまう事態が生じる虞がある。例えば、図６のＢ画素に破線で示す様に入射光が斜めに入射し、入射光中の赤色光が深い場所に形成されている電荷通路１０を通ると、電荷通路１０もｎ型領域で形成されているため、ここで光電変換が起き発生した電荷が蓄積されてしまう。つまり、Ｂ画素でありながら、Ｂ画素で検出された信号電荷量のうちの多くは、赤色光の寄与分になってしまい、画素毎の波長選択性が劣化してしまう。

本発明の目的は、半導体基板の光吸収係数が波長選択性を持つことを利用してカラー画像を撮像する場合における画素毎の波長選択性を良好に保つことが可能なカラー画像撮像用固体撮像素子を提供することにある。

本発明のカラー画像撮像用固体撮像素子は、光電変換を行うフォトダイオードの形成深さを制御することで半導体基板の受光面に設けた各フォトダイオードが検出する撮像信号の色分離を行い、前記各フォトダイオードが受光量に応じて蓄積する信号電荷を前記半導体基板の前記受光面の反対側に設けられた読出回路側に移動させるカラー画像撮像用固体撮像素子において、前記受光面内の当該フォトダイオードの配置位置に対する入射光の入射方向及び入射角に基づき該フォトダイオードの前記受光面内における形成位置が三次元的に制御され、前記形成位置における形成深さが、検出対象とする色の斜め入射光の前記半導体基板内を進んだ光路長に応じて決められたことを特徴とする。

本発明のカラー画像撮像用固体撮像素子は、各フォトダイオードの光が入射して来る側に積層するマイクロレンズの特性を、検出する色毎に異ならせることを特徴とする。

本発明のカラー画像撮像用固体撮像素子の前記マイクロレンズの特性は、マイクロレンズの厚さであり、検出する色が長波長光であるほど厚くすることを特徴とする。

本発明のカラー画像撮像用固体撮像素子は、前記信号電荷を前記読出回路側に移動させる電荷通路を、斜め入射光の進行する位置以外の場所に設けたことを特徴とする。

本発明のカラー画像撮像用固体撮像素子は、光電変換を行うフォトダイオードの形成深さを制御することで半導体基板の受光面に設けた各フォトダイオードが検出する撮像信号の色分離を行うカラー画像撮像用固体撮像素子において、前記信号電荷を前記読出回路側に移動させる電荷通路を、斜め入射光の進行する位置以外の場所に設けたことを特徴とすることを特徴とする。

本発明のカラー画像撮像用固体撮像素子は、上記のいずれかにおいて、裏面照射型であることを特徴とする。

本発明によれば、カラーフィルタを用いずに、半導体の光吸収係数の波長依存性を利用して撮像信号の色分離を行うにあたり、斜め入射光の屈折率の波長依存性やマイクロレンズにおける屈折率の波長依存性を考慮してフォトダイオードや電荷通路の形成位置を制御するため、波長選択性すなわち色分離性能が向上する。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るカラー画像撮像用固体撮像素子の模式図である。半導体基板１１の裏面側受光領域には、多数のフォトダイオード（○印で例示）が二次元アレイ状に配列形成されている。各フォトダイオードは、上述した様に、ｐ型シリコン基板内あるいはｎ型シリコン基板に形成されたｐウェル層内に、ｎ型領域を設けることで形成される。

カラー画像撮像用固体撮像素子はデジタルカメラ等に搭載されるが、その際、撮影レンズの中心を真っ直ぐ入ってきた入射光が受光面中央部に設けられたフォトダイオード１２ａに対し垂直に入射する様に配置される。

しかし、中央に対して右側周辺部のフォトダイオード１２ｂ、右側斜め上の周辺部のフォトダイオード１２ｃ、左側周辺部のフォトダイオード１２ｄなど、中央部ではない場所に設けられたフォトダイオードに対しては、斜めに入射することになる。入射角がどの程度になるかは、撮影レンズと、そのフォトダイオードが設けられた位置（中央との距離、方向）とで決まる。

中央部に設けられたフォトダイオード１２ａに対しては、入射光は受光面に対し垂直に入射するため、フォトダイオードを構成するｎ型領域を設ける表面（表面照射型であれば表面、裏面照射型であれば裏面）からの深さを制御するだけで、赤色光Ｒ，緑色光Ｇ，青色光Ｂの分離検出すなわち波長選択性を高めることができる。

しかし、シリコンの光吸収係数に基づく波長選択性は、実際には、浸入した「深さ」に依存するのではなく、シリコン基板内を進んだ「光路長」に依存する。即ち、斜めに入射した場合には、表面からの「深さ」ではなく、入射角も考慮する必要がある。

更に、レンズで屈折する光の屈折角は波長依存性を有し、斜めに入射した光のうち波長の短い光ほど大きく屈折するため、これも考慮してフォトダイオード（ｎ型領域）を形成しないと、波長選択性が劣化してしまうことになる。

図２は、本実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の受光面周辺部に設けられた画素の断面（図１のII―II線位置の断面）構成を例示する説明図であり、図２（ａ）は青色光検出用Ｂ画素、図２（ｂ）は緑色光検出用Ｇ画素、図２（ｃ）は赤色光検出用Ｒ画素を示している。

図示しない撮影レンズの中心から図２に示す各画素に斜め入射光が入ってくると、この入射光はマイクロレンズ１５によって集光され、マイクロレンズ１５からシリコン基板１６に入るときも入射光は屈折する。

このとき、図示する様に、入射光のうちの短波長の青色光Ｂは大きく屈折し、長波長の赤色光Ｒはあまり屈折せず、中間波長の緑色光Ｇはその中間の屈折となる。

そこで、本実施形態では、ｐ型シリコン基板１６内に設ける各画素のフォトダイオードを構成するｎ型領域１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂを、図２に示す様に、赤色光，緑色光，青色光の屈折先の位置となるように形成する。

即ち、Ｂ画素（図２（ａ））においては、ｎ型領域１７Ｂを裏面から浅い位置で且つその中心がマイクロレンズ１５の中心軸と一致する様に或いは青色光の屈折方向に少しずれた位置に設け、Ｒ画素（図２（ｃ））においては、ｎ型領域１７Ｒを裏面から深い位置で且つその中心がマイクロレンズ１５の中心軸から赤色光の屈折先方向に大きくずれた位置に設け、Ｇ画素（図２（ｂ））においては、ｎ型領域１７Ｇの深さと水平方向の位置とをＲ画素，Ｂ画素の両者の中間の深さ，位置に設ける。

光吸収係数は光路長に依存するため、好適には、各画素におけるｎ型領域の深さと、水平方向の位置とを、各画素の受光面領域における配置位置毎（斜め入射光の入射角毎）或いは入射角が所定範囲内に入る領域毎に設計するのが良い。つまり、ｎ型領域の形成位置を、シリコン基板内において３次元方向に制御するのが良い。

しかし、個々の画素毎や領域毎にｎ型領域の深さを制御するのが製造コスト的に不利になるのであれば、水平方向の位置を赤色光，緑色光，青色光毎に個々の画素（あるいは領域毎）に制御するだけでも良い。

尚、図２に示した各画素におけるｎ型領域の大きさは、本実施形態を分かり易くするために例示したものに過ぎず、これに限られるものではない。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の受光面周辺部に設けられた画素の断面説明図であり、図３（ａ）はＢ画素、図３（ｂ）はＧ画素、図３（ｃ）はＲ画素である。

図示する例は、本実施形態の説明を容易とするため、シリコン基板１６内に設けられているｎ型領域１７の大きさや深さ、配置位置を、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素で同じとしている。

本実施形態では、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素に設けるトップレンズ（マイクロレンズ）１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂの特性この例では厚さ（屈折率）をＲ画素，Ｇ画素，Ｂ画素で異ならせている。つまり、Ｒ画素におけるトップレンズ１５Ｒを厚く、Ｂ画素のトップレンズ１５Ｂを薄く、Ｇ画素のトップレンズ１５Ｇを両者の中間の厚さにしている。

トップレンズに入射した光は、屈折することになるが、トップレンズの厚さが厚いほど、大きく屈折する。また、入射光のうち、短波長の青色光の屈折率は大きく、長波長の赤色光の屈折率は小さい。

そこで、本実施形態では、Ｂ画素（図３（ａ））に対する斜め入射光のうち青色光が効率的に入射する位置にｎ型領域１７を形成した場合、この同じ位置に形成されたｎ型領域１７を持つＲ画素（図３（ｃ））でｎ型領域１７に効率的に赤色光を入射させるために、トップレンズ１５Ｒの厚さを厚くし、赤色光を大きく屈折させることで、ｎ型領域１７に赤色光を効率的に入射させる様にしている。Ｇ画素においても、トップレンズ１５Ｇの厚さをＲ画素，Ｂ画素の中間の厚さとして、効率的にｎ型領域内に緑色光が入射する様にしている。

この様に、トップレンズ（オンチップレンズ）の厚さを、入射光の色毎に制御することで、各画素の波長選択性を向上させることが可能である。

尚、図３では、ｎ型領域１７の配置位置，深さを一定にしたが、これは本実施形態の理解を容易にするためであり、図２の第１実施形態と本実施形態とを組み合わせてｎ型領域とオンチップレンズの厚さの両方を好適に制御することで、更に各画素毎の波長選択性を向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
図４，図５は、夫々、本発明の第３実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の３画素（Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素）分の断面模式図である。図５の画素構造は、図６で説明した画素構造と全く同じである。この画素構造では、各ｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの右側深部に電荷通路１０を連設している。

この電荷通路１０内に、入射光のうち深部にまで達する赤色光が入射すると、これが光電変換に寄与してしまう。そこで、本実施形態では、この画素構造を、図１に示す半導体基板１の中央から左側に配置された画素に適用する。

これにより、図５に示す様に、電荷通路１０が設けられた側（右側）から斜めに左方向に入射する光は、電荷通路１０には入射しないことになり、ｎ型領域でなる電荷通路１０が光電変換に寄与する率が大幅に減り、電荷通路１０が存在することによる波長選択性の劣化を回避することが可能となる。

図４は、図１に示す半導体基板１の中央から右側に配置された画素に適用する構造を示す。即ち、各ｎ型領域７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの左側深部に各電荷通路１０が連設される構造になっている。

これにより、深部に電荷通路１０が設けられた側（左側）から右方向に斜めに入射した光は、電荷通路１０には入射しなくなり、ｎ型領域１０は光電変換に寄与することなく電荷通路としての機能だけを果たし、波長選択性の劣化を回避することが可能となる。

本実施形態では、半導体基板の中央に対し左側にあるか右側にあるかにより電荷通路の形成位置を変えたが、個々の画素毎に斜め入射光の進行先以外の場所に電荷通路を設ける構造にすることでも良い。

尚、本実施形態を単独で構成することも可能であるが、第１または第２の実施形態、あるいは第１及び第２の実施形態と併用することで、より効果を高め波長選択性を良好にすることが可能である。

上述した各実施形態によれば、カラーフィルタを用いずに光吸収係数の波長選択性を利用してカラー画像を撮像する固体撮像素子において、波長選択性を向上させることができ、色分離の良好な撮像信号を得ることが可能となる。

尚、固体撮像素子としては、図示する例ではＣＭＯＳタイプを示したが、ＣＣＤタイプやその他のタイプの固体撮像素子に上述した実施形態を適用可能である。また、裏面照射型を例に説明したが、表面照射型の固体撮像素子にも上述した各実施形態を適用可能である。

本発明に係る固体撮像素子は、カラーフィルタを用いずに色分離の高い撮像信号を得ることができるため、固体撮像素子の光利用効率が高くなり、高感度撮影を行うデジタルカメラ等に搭載するカラー画像撮像用固体撮像素子として有用である。

本発明の第１実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の裏面側の模式図である。図１に示す基板の受光面領域の周辺部に設ける画素の断面説明図である。本発明の第２実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の受光面領域周辺部に設ける画素の断面説明図である。本発明の第３実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の受光面右側に設ける画素の断面説明図である。本発明の第３実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の受光面左側に設ける画素の断面説明図である。従来の裏面照射型固体撮像素子の断面模式図である。

符号の説明

５，１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂオンチップレンズ（マイクロレンズ）
７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ，１７，１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂｎ型領域
１０電荷通路
１６シリコン基板

Claims

光電変換を行うフォトダイオードの形成深さを制御することで半導体基板の受光面に設けた各フォトダイオードが検出する撮像信号の色分離を行い、前記各フォトダイオードが受光量に応じて蓄積する信号電荷を前記半導体基板の前記受光面の反対側に設けられた読出回路側に移動させるカラー画像撮像用固体撮像素子において、前記受光面内の当該フォトダイオードの配置位置に対する入射光の入射方向及び入射角に基づき該フォトダイオードの前記受光面内における形成位置が三次元的に制御され、前記形成位置における形成深さが、検出対象とする色の斜め入射光の前記半導体基板内を進んだ光路長に応じて決められたことを特徴とするカラー画像撮像用固体撮像素子。
各フォトダイオードの光が入射して来る側に積層するマイクロレンズの特性を、検出する色毎に異ならせることを特徴とする請求項１に記載のカラー画像撮像用固体撮像素子。
前記マイクロレンズの特性は、マイクロレンズの厚さであり、検出する色が長波長光であるほど厚くすることを特徴とする請求項２に記載のカラー画像撮像用固体撮像素子。
前記信号電荷を前記読出回路側に移動させる電荷通路を、斜め入射光の進行する位置以外の場所に設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のカラー画像撮像用固体撮像素子。
光電変換を行うフォトダイオードの形成深さを制御することで半導体基板の受光面に設けた各フォトダイオードが検出する撮像信号の色分離を行い、前記各フォトダイオードが受光量に応じて蓄積する信号電荷を前記半導体基板の前記受光面の反対側に設けられた読出回路側に移動させるカラー画像撮像用固体撮像素子において、前記信号電荷を前記読出回路側に移動させる電荷通路を、斜め入射光の進行する位置以外の場所に設けたことを特徴とすることを特徴とするカラー画像撮像用固体撮像素子。
裏面照射型であることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載のカラー画像撮像用固体撮像素子。