JP2009081169A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流の発生を抑えながら白画素の飽和電荷量を確保できる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】Ｒ画素１２ａ，Ｂ画素１２ｃ，Ｗ画素１２ｅの蓄積層１９ａ，１９ｃ，１９ｅの深さＤ１，Ｄ３，Ｄ４は、蓄積層１９ａ，１９ｃ，１９ｅが受ける光の波長の長短や入射光量によって決められる。Ｗ画素１２ｅの蓄積層１９ｅには、ほぼ全ての波長の光が入射するため、蓄積層１９ｅに入射する光量が他の蓄積層１９ａ，１９ｃよりも多い。また、赤（Ｒ）の光は、青（Ｂ）の各光よりも波長が長い。したがって、Ｄ４＞Ｄ１＞Ｄ３とされる。これにより、蓄積層１９ｅの十分な飽和電荷量を確保できるとともに、短波長の青（Ｂ）の各光を受ける蓄積層１９ｃから無駄な部分を除去し、これによって暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、更に詳しくは色画素の他に白画素を備える固体撮像素子に関するものである。

ＣＣＤ等の固体撮像素子では、フォトダイオードにより入射光を電荷に変換し、蓄積された電荷を電圧に変換して取り出している。一方、一般的な色画素（Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素）に加えて、白画素（Ｗ画素）を配置することで、色情報と輝度情報とを区別して検出し、輝度解像度の色依存性をなくす技術が提案されている（特許文献１参照）。

白画素は、カラーフィルタに代えて、光透過率の高い透明フィルタや白フィルタ等の輝度フィルタを配した、輝度と相関関係のある分光特性を有する画素であり、被写体の輝度情報を検出する。また、この技術は、輝度解像度の色依存性の回避と同時に、感度の高い固体撮像素子を実現することができ、近年の高画素化・高密度化に伴う、画素の微細化に供するものである。
特開２００３−３１８３７５号公報

上記特許文献１記載の固体撮像素子では、白画素にほぼ全ての波長の光が入射するため、白画素への入射光量が色画素への入射光量よりも多くなる。このため、固体撮像素子に強い光が当たった場合、白画素で発生する電荷量が飽和電荷量を超え、正確な輝度情報を得ることができない。また、白画素を溢れ出た電荷によりスミア等のノイズが生じる。

しかしながら、十分な飽和電荷量の確保のために、各画素のフォトダイオードを縦方向に一律に深く形成すると、波長の短い光を受けるフォトダイオードについては、光が到達しない深部で暗電流ノイズが発生し、いわゆる白傷の増加といった弊害が目立つようになる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、暗電流の発生を抑えながら白画素の飽和電荷量を確保できる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、複数種類のカラーフィルタのうちいずれかを透過した入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオードが半導体基板内に形成された複数種類の色画素と、カラーフィルタを介さずに入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオードが半導体基板内に形成された白画素とを備えた固体撮像素子において、前記白画素のフォトダイオードの半導体基板表面からの深さを、前記色画素のフォトダイオードの半導体基板表面からの深さよりも深くしたことを特徴とする。

前記半導体基板の裏面側に設けられたオーバーフローバリア層と前記フォトダイオードの各々との距離がほぼ全て揃うように、前記オーバーフローバリア層の上に追加のオーバーフローバリア層を形成したことを特徴とする。

前記色画素は、赤色の光を抽出する赤フィルタを備えた赤画素と、緑色の光を抽出する緑フィルタを備えた緑画素と、青色の光を抽出する青フィルタを備えた青画素とからなることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子によれば、白画素のフォトダイオードの半導体基板表面からの深さを、色画素のフォトダイオードの半導体基板表面からの深さよりも深くしたので、暗電流の発生を抑えながら白画素の飽和電荷量を確保できる。

また、半導体基板裏面側に設けられたオーバーフローバリア層の上に追加のオーバーフローバリア層を形成して、各フォトダイオードとオーバーフローバリア層との距離がほぼ全て揃うようにしたので、オーバーフローバリアのポテンシャルの高さの差が抑制され、各フォトダイオードのオーバーフロードレイン電位のばらつきを抑制して、オーバーフロードレインによる蓄積電荷のクリア動作に悪影響を与えることを防止できる。

また、色画素は、赤フィルタを備えた赤画素と、緑フィルタを備えた緑画素と、青フィルタを備えた青画素とからなり、優れた色再現性が得られる。

本発明の固体撮像素子を示す図１において、固体撮像素子１０は、インターライン転送方式のＣＣＤ型イメージセンサとして構成され、半導体基板１１上に、同一の画素サイズのＲ画素１２ａ、Ｇ画素１２ｂ、Ｂ画素１２ｃ、及びＷ画素（白画素）１２ｅが行方向（Ｘ方向）とこれに直交する列方向（Ｙ方向）に沿って２次元マトリクス状（正方格子状）に配列されている。

Ｒ画素１２ａ、Ｇ画素１２ｂ、及びＢ画素１２ｃは、被写体の色情報を検出するための画素であり、受光素子（光電変換素子）の入射側に、対応する色のカラーフィルタとマイクロレンズとが配置され、入射した光から各色の光量に応じた信号電荷を光電変換により生成して蓄積する。Ｗ画素１２ｅは、被写体の輝度情報を検出するための画素であり、受光素子の入射側に、カラーフィルタを介さずにマイクロレンズが配置され、入射した光の輝度に応じた信号電荷を光電変換により生成して蓄積する。

図２に模式的に示すように、市松状の位置にＲ画素１２ａ、Ｇ画素１２ｂ、及びＢ画素１２ｃの色画素がそれぞれ配置されており、残りの市松状の位置にＷ画素１２ｅが配置されている。具体的には、行方向及び列方向に関して、Ｗ画素１２ｅ、Ｇ画素１２ｂ、Ｗ画素１２ｅ、Ｇ画素１２ｂと交互に並ぶラインと、Ｂ画素１２ｃ、Ｗ画素１２ｅ、Ｒ画素１２ａ、Ｗ画素１２ｅの順に繰り返し並ぶラインとが交互に現れるように各画素が配置されている。なお、図２には、８行８列の範囲しか示していないが、実際には、行方向及び列方向に多数の画素が繰り返し配列されている。

図１に示すように、各画素１２ａ〜１２ｅに蓄積された信号電荷を転送するために、画素の１列ごとに垂直ＣＣＤ１３が設けられている。垂直ＣＣＤ１３は、各画素１２ａ〜１２ｅの受光素子から信号電荷を読み出し、列方向に転送（垂直転送）する。各垂直ＣＣＤ１３の終端には、共通に水平ＣＣＤ１４が接続されている。

水平ＣＣＤ１４は、各垂直ＣＣＤ１３から転送されてきた信号電荷を１行ずつ受け取り、行方向に転送（水平転送）する。水平ＣＣＤ１４の終端には、出力アンプ１５が設けられている。出力アンプ１５は、水平ＣＣＤ１４から転送されてきた信号電荷を電荷量に応じた電圧信号（画素信号）に変換して出力する。なお、この出力アンプ１５からの出力を受けてカラー画像を生成する画像処理回路（図示せず）では、色画素（Ｒ画素１２ａ、Ｇ画素１２ｂ、Ｂ画素１２ｃ）からの画素信号を色信号として用い、Ｗ画素１２ｅからの画素信号を輝度信号として用いる。

図１のＩ−Ｉ線，ＩＩ−ＩＩ線に沿う固体撮像素子１０の各断面構造を示す図３，図４において、半導体基板１１は、ｎ型シリコン基板１６からなり、この表層にはｐ型層であるオーバーフローバリア層１７を介してｐ型ウェル層１８が形成されている。ｐ型ウェル層１８内には、光電変換により発生する信号電荷（電子）を蓄積するｎ型の蓄積層１９が形成されており、蓄積層１９の上には、暗電流を防止するためのｐ^＋型の高濃度層２０が形成されている。この構造により、ｐ型ウェル層１８と蓄積層１９とのｐｎ接合部分に光電変換領域が生じ、前述の受光素子として機能する埋め込み型フォトダイオードＰＤが構成される。

Ｒ画素１２ａ，Ｇ画素１２ｂ，Ｂ画素１２ｃ，Ｗ画素１２ｅの蓄積層１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｅの深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、蓄積層１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｅが受ける光の波長の長短や入射光量によって決められる。なお、蓄積層１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｅを特に区別する必要がない場合には、単に蓄積層１９という。

長波長の赤（Ｒ）の光は、Ｒ画素１２ａのフォトダイオードＰＤを構成する蓄積層１９ａの深部まで到達するため、その深部で生成される電荷を有効化するためには、その蓄積層１９ａの深さＤ１を十分深く形成することが望ましい。

これに対し、短波長の緑（Ｇ），青（Ｂ）の光は、赤（Ｒ）の光ほどには深くまで到達しないため（あるいは、到達する割合が少ないため）、赤（Ｒ）の光を受光するフォトダイオードＰＤと同様に蓄積層１９ｂ，１９ｃの各深さＤ２，Ｄ３を深くしても、感度向上には直結せず、かえって、無駄に表面積が増えて暗電流の増大を招くことになるから、Ｄ１＞Ｄ２，Ｄ１＞Ｄ３とすることが好ましい。同様に、波長の関係から、Ｄ２＞Ｄ３とすることが好ましい。

また、Ｗ画素１２ｅのフォトダイオードＰＤを構成する蓄積層１９ｅには、ほぼ全ての波長の光が入射するため、単に長波長の光が入射するばかりでなく、入射光量が非常に大きくなる。このため、蓄積層１９ｅの深さＤ４は、Ｒ画素１２ａの蓄積層１９ａの深さＤ１よりも更に深く形成することが望ましい。

そこで、Ｄ４＞Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係が成立するように、蓄積層１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｅの深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を調整する。深さが異なる蓄積層１９は、例えば、イオン注入の際の加速エネルギーを適宜、制御することによって形成することができる。また、カウンターイオンを蓄積層１９の深部に注入することによっても、蓄積層１９の深さの制御を行うことができる。

蓄積層１９ｅよりも深さが浅い蓄積層１９ａ，蓄積層１９ｂ，１９ｃの直下に、追加のオーバーフローバリア層２１ａ，２１ｂ，２１ｃを形成する。追加のオーバーフローバリア層２１ａ〜２１ｃは、下地のオーバーフローバリア層１７と一体化される。

追加のオーバーフローバリア層２１ａ，２１ｂ，２１ｃの深さＤ５，Ｄ６，Ｄ７は、Ｄ４＞Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３に対応して、Ｄ５＜Ｄ６＜Ｄ７となるように調整される。これによって、蓄積層１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｅの各底部とオーバーフローバリア層１７並びに追加のオーバーフローバリア層２１ａ〜２１ｃとの間の距離ＣＬ１〜４のばらつきを抑制し、オーバーフロードレインの電圧のばらつきを抑制できる。追加のオーバーフローバリア層２１ａ〜２１ｃは、イオン注入の加速エネルギーを調整することによって形成することができる。

ｐ型ウェル層１８の表層には、列方向（紙面に直行する方向）に延在し、電荷を転送するためのｎ型の電荷転送チャネル２２が形成されている。電荷転送チャネル２２は、ｐ型ウェル層１８及びチャネルストップ２３を介して蓄積層１９から離間している。チャネルストップ２３は、隣接画素の電荷転送チャネル２２と電気的に分離する素子分離層（Ｐ^＋）である。

半導体基板１１の表面上には、全面に渡って酸化シリコン等からなるゲート絶縁膜２４が形成されている。ゲート絶縁膜２４を介して電荷転送チャネル２２の上方には、信号電荷の蓄積層１９からの読み出し、及び電荷転送チャネル２２内での垂直転送を制御するための転送電極２５が形成されている。転送電極２５は、ポリシリコン等の導電性シリコンによって形成されている。このように、電荷転送チャネル２２及び転送電極２５によって前述の垂直ＣＣＤ１３が構成されている。

転送電極２５及びゲート絶縁膜２４の表面を覆うように酸化シリコン等からなる層間絶縁膜２６が形成されている。この層間絶縁膜２６を介して転送電極２５の上方には、タングステン等からなる遮光膜２７が形成されている。この遮光膜２７には、受光素子ＰＤを構成する蓄積層１９の上方にのみ開口２７ａが形成されている。この開口２７ａを介して受光素子ＰＤに光が入射する。

開口２７ａ及び遮光膜２７の表面上には、平坦化層２８が形成されている。この平坦化層２８は、例えば、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）を蒸着形成した後、リフロー（熱処理）を行い、さらにこの上に透明樹脂材を塗布して現像した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により表面を平坦化することにより形成される。なお、平坦化層２８の形成材料及び形成方法はこれに限られない。

平坦化層２８の表面上のＲ画素１２ａ、Ｇ画素１２ｂ、及びＢ画素１２ｃの形成領域には、前述のカラーフィルタとしてそれぞれ、赤色光を抽出するＲフィルタ２９ｃ、緑色光を抽出するＧフィルタ２９ｂ、青色光を抽出するＢフィルタ２９ｃが形成されている。各フィルタ２９ａ〜２９ｃは、特定の顔料を含有した樹脂材によって形成されており、ほぼ同一の厚みを有する。一方、平坦化層２８の表面上のＷ画素１２ｅの形成領域には、ほぼ全ての波長の光を透過する透明フィルタ２９ｅが形成されている。カラーフィルタ２９ａ〜２９ｃ及び透明フィルタ２９ｅの上には、マイクロレンズ３０が形成されている。

このように構成された固体撮像素子１０は、Ｗ画素１２ｅの蓄積層１９ｅの深さＤ４が、十分な飽和電荷量を確保できる程度の深さに設定されているから、たとえ固体撮像素子１０に強い光が当たった場合でも、Ｗ画素１２ｅで発生する電荷量が飽和電荷量を超えことがなく、正確な輝度情報を得ることができる。また、色画素の蓄積層１９ａ〜１９ｃの各深さＤ１〜Ｄ３を無駄な部分がない深さとしたから、暗電流を低減し、白傷の発生を抑制することができる。

以上説明した実施形態では、画素をＸＹ方向に沿って正方格子状に配列する例を示しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、図５に示すように、正方格子配列をＸＹ方向に関して４５°回転させた画素配列（いわゆるハニカム配列）としてもよい。

上記実施形態では、色画素を赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３原色の光を検知する画素として構成しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、色画素をシアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），黄（Ｙ）の補色光を検知する画素として構成してもよい。

上記実施形態では、白画素及び色画素の各フォトダイオードＰＤを構成する蓄積層の深さＤ１〜Ｄ４がＤ４＞Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係を満たすようにしたが、本発明はこれに限定されることなく、例えばＤ４＞Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３の関係を満たすようにしてもよい。

上記実施形態では、固体撮像素子をインターライン転送方式のＣＣＤ型イメージセンサとして構成しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、フレーム転送方式のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ等の単板カラー撮像方式のあらゆる固体撮像素子に適用可能である。

固体撮像素子の構成を示す概略平面図である。 正方格子状の画素配列を示す模式図である。 図１のＩ−Ｉ線に沿う縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断面図である。 ハニカム配列を示す模式図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１１ 半導体基板
１２ａ Ｒ画素
１２ｂ Ｇ画素
１２ｃ Ｂ画素
１２ｅ Ｗ画素
１７，２１ａ〜２１ｃ オーバーフローバリア層
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｅ 蓄積層
２９ａ Ｒフィルタ
２９ｂ Ｇフィルタ
２９ｃ Ｂフィルタ
２９ｅ 透明フィルタ
ＣＬ１〜ＣＬ４ 距離
Ｄ１〜Ｄ７ 深さ
ＰＤ フォトダイオード（受光素子）

Claims (3)

1. 複数種類のカラーフィルタのうちいずれかを透過した入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオードが半導体基板内に形成された複数種類の色画素と、カラーフィルタを介さずに入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオードが半導体基板内に形成された白画素とを備えた固体撮像素子において、
   前記白画素のフォトダイオードの半導体基板表面からの深さを、前記色画素のフォトダイオードの半導体基板表面からの深さよりも深くしたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記半導体基板の裏面側に設けられたオーバーフローバリア層と前記フォトダイオードの各々との距離がほぼ全て揃うように、前記オーバーフローバリア層の上に追加のオーバーフローバリア層を形成したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記色画素は、赤色の光を抽出する赤フィルタを備えた赤画素と、緑色の光を抽出する緑フィルタを備えた緑画素と、青色の光を抽出する青フィルタを備えた青画素とからなることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。

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