JPH0472664A

JPH0472664A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH0472664A
Application number: JP2184042A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shimada; 孝島田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-07-13
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1992-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はＣＣＤ等の固体撮像素子に関し、特にカラーの
出力信号が得られる固体撮像素子に関す〔発明の概要）本発明は、半導体基板に形成された複数の受光部で充電
変換されて出力信号が得られる固体撮像素子において、
その受光部を、異なる波長域の入射光が選択的に光電変
換されるように、異なる深さを以て形成することにより
、カラーフィルターなしでもカラー信号を読み出せるよ
うにしたものである。

〔従来の技術〕

カラーカメラに搭載される固体撮像素子は、通常、固体
撮像素子のシリコン基板に光が到達する以前に光分離が
行われており、その光分離のためには、プリズムやカラ
ーフィルター等が使用されている。

例えば、業務用や放送局用のカメラには、プリズムが使
用される例が多い、この場合には、カメラが大型になり
、レジストレーシランの調整等が必要になる。

また、一般の消費者向けのカメラでは、１チツプの固体
撮像素子上に光フィルターを形成する例が多い、第７図
は、従来の固体撮像素子の一例の断面図である。ここで
、その従来例の構造について簡単に説明すると、ｎ型の
シリコン基板１００上にｐ型のウェル領域１０１が形成
され、このｐ型のウェル領域１０１内に、フォトダイオ
ードとなるｎ型の不純物拡散領域１０２や電荷転送用の
埋め込みチャンネル層１０３が形成される。埋め込みチ
ャン享ル層１０３上には、絶縁膜を介して転送電極とし
てのポリシリコン層１０４や遮光膜としてのアルミニュ
ームｌ１１０５が形成される。

そして、センサーとして機能するｎ型の不純物拡散領域
１０２の領域には、その表面側にｐ゛型の正孔蓄積層１
０６及び絶縁膜が形成され、さらにその上部にパッシベ
ーション膜１０７と厚い平坦化膜１０８が積層される。

光を選択的に透過するためのフィルター１０９は、その
厚い平坦化膜１０８上に保護膜１１０に被覆されながら
形成され、このフィルター１０９は、例えばＲ（赤色）
、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）に染色され、次に説明するフ
ィルター特性に従って光を透過させる。

第８図は原色方式のフィルター特性であり、縦軸は光透
過率であり、横軸は波長である。図中、曲線Ｆ、は青色
のフィルター特性、曲線ＦＧば緑色のフィルター特性、
曲線Ｆ、は赤色のフィルター特性をそれぞれ示す。この
ような３種類のフィルターを素子上に形成した場合は、
入射する光がそれぞれのフィルター特性に従って分離さ
れて信号電荷を発生させることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、チップ上にフィルター１０９を形成する固体
撮像素子は、酸化膜、ポリシリコン層１０４、アルミニ
ューム膜１０５等で形成された凹凸を平坦化した後に、
フィルター１０９を積層する必要があり、ストレス等の
悪影響がある。また、フィルター１０９は、染色層を形
成するために、平坦化膜や染色ベース膜の形成工程や、
染色工程、さらに保護膜１１０の形成工程等が必要とな
り、その工程数が長くなる。さらに、フィルター１０９
は有機物質で形成されているために、褪色が発生する。

そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑み、フィルタ
ーを形成せずに光の選択的な光を変換が行われる固体撮
像素子の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段）上述の目的を達成するため、本発明は、半導体基板に入
射光を信号電荷に変換するための複数の受光部が形成さ
れ、その受光部で発生した信号電荷に応じて出力信号が
得られる固体撮像素子において、上記受光部は、異なる
波長域の入射光が選択的に光電変換されるように異なる
深さとされる不純物拡散領域が形成されてなることを特
徴とする。

〔作用〕

一般に、シリコン等の半導体物質は、可視光開城におい
て、光を吸収し光電変換する機能を有しており、その光
吸収特性は、波長に依存して変化する。第２図は、シリ
コン中の光吸収係数を示す図であり、その横軸は光の波
長、その縦軸は吸収係数である。第２図に示すように、
短波長側はど指数関数的に吸収が大きくなる。従って、
短波長側の光は、基板の比較的に浅い領域で光電変換さ
れ、長波長側の光は、基板の比較的に深い領域で光電変
換されることになる。

［実施例］本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

本実施例はＣＣＤイメージヤの例であり、シリコン基板
に異なる深さの受光部が形成され、入射光の選択的な光
電変換が行われる例である。

まず、その構造は、第１図に模式的に示すようるに、ｎ
型のシリコン基板１に、異なる３つの深さの受光部２，
３．４が形成される。

受光部２は、Ｐ型のウェル領域５に囲まれて形成され、
光電変換するためのｎ゛型の不純物拡散領域１１と、光
吸収・再結合用のｐ゛型の不純物拡散領域１２を有して
いる。基板表面からｐ・型の不純物拡散領域１２の深さ
は、Ｉ−ｐｇとされ、ｎ゛型の不純物拡散領域１１の深
さは、ＸＨｚとされる。ここにＬｒｚ＜ＸＨｚであり、
ｐ゛型の不純物拡散ｗ４域１２の下部にｎ°型の不純物
拡散領域１１が位置する。また、ｎ゛型の不純物拡散領
域１１の底部のｐｎ接合からＰ型のウェル領域５とｎ型
のシリコン基板ｌの間のｐｎ接合までの距離はＸＮとさ
れる。この受光部２は、３つの異なる深さの受光部の中
では最も深い不純物領域の深さを有する。従って、可視
光線の長波長側の光に感度を有しており、例えば赤色の
入射光に対する信号電荷を選択的に発生させ得る。

受光部３は、Ｐ型のウェル領域５に囲まれており、同様
に光！変換するためのｎ゛型の不純物拡散領域１３と、
光吸収・再結合用のｐ゛型の不純物拡散領域１４を有し
ている。基板表面からｐ゛型の不純物拡散領域１４の深
さは、ＬＰ！とされ、ｎ°型の不純物拡散領域１３の深
さは、ＸＮ３とされる。ここで、Ｌ、Ｐ３はＸＮｆｆよ
りも小さく、ｎ゛型の不純物拡散領域Ｉ３はｐ゛型の不
純物拡散領域１４の下部に位置する。また、ｎ゛型の不
純物拡散領域１３の底部のｐｎ接合からｐ型のウェル領
域５とｎ型のシリコン基板１の間のｐｎ接合までの距離
はＸｏとされる。この受光部３は、３つの異なる深さの
受光部の中では中ぐらいの深さの不純物領域を有する。

この受光部３は、可視光線の中間的な波長域に感度を有
し、例えば緑色の入射光線に対する信号電荷を選択的に
発生させる。

次に、受光部４は、ｐ型のウェル領域５に囲まれると共
に、光１Ｘ変換するためのｎ゛型の不純物拡散領域１５
と、光吸収・再結合用の比較的浅く形成されたＰ゛型の
不純物拡散領域１６を有している。基板表面からｐ゛型
の不純物拡散領域１６の深さは、ＬＰ４とされ、ｎ゛型
の不純物拡散領域１５の深さは、ＸＮ４とされる。ここ
で、ＬＰ４は小さな値とされ、ｎ゛型の不純物拡散領域
１５はｐ゛型の不純物拡散領域１６の下部に位置する。

また、ｎ゛型の不純物拡散領域１５の底部のｐｎ接合か
らｐ型のウェル領域５とｎ型のシリコン基板ｌの間のｐ
ｎ接合までの距離はＸＦ、とされる。この受光部４は、
３つの異なる深さの受光部の中では最も浅い深さの不純
物領域を有する。従って、受光部４では、可視光の短い
波長域に感度を有し、例えば青色の入射光線に対する信
号電荷を選択的に発生させることができる。

ここで、特に３つの受光部２〜４について説明を加える
と、これら３つの受光部２〜４上には、絶縁膜６が形成
されるのみであり、カラーフィルターの形成を要漫ない
、すなわち、本実施例のＣＣＤイメージヤでは、ストレ
ス、工程数、褪色と言ったフィルター形成に伴う諸問題
が解決されることになる。また、異なる深さの受光部に
おける分光感度特性について簡単に説明すると、次式％
式％）（ここで、ｐ＝１．ｃ＝光速、λ：先の波長。

ｑ；電荷量、ｈ；ブランク定数、Ｌ、；ｐ−層の深さ＋
　　ＸＮ　　；　ｎ゛層の深さ、ＸＰ；ウェルの深倍）
で表される。

第３図〜第５図は、この第０式を用いて計算した結果を
示す図であり、それぞれ横軸は光の波長であり、縦軸は
光！流量■、である。

第３図は受光部４に対応した特性図であり、ｎ゛型の不
純物拡散領域１５の深さＸＨ４を１．０μｍ。

接合間の距１１ＸＰ、を４μｍとし、ｐ゛型の不純物拡
散領域１６の深さＬ　Ｐ４を０．２〜１．０μｍの間で
変化させて得られた特性である。各曲線とも短波長域の
感度が強くなるような曲線を描く、従って、各パラメー
ターの調整によって有効に青色に応じた信号電荷を取り
出すことができる。

次に、第４図は受光部３に対応した特性図であり、ｎ°
型の不純物拡散領域１３の深さＸＮ３を１゜０μｍ、ｐ
”型の不純物拡散領域１４の深さＬｏを０．３　ａ　ｍ
とし、接合間の距ＨＸ　Ｐ　３を１０〜５０μｍの間で
変化させて得られた特性である。各曲線とも中波長域に
感度を有している。

最後に、第５図は受光部２に対応した特性図であり、ｎ
゛型の不純物拡散領域１１の深さＸＳＺを′２．．０μ
ｍ、ｐ’型の不純物拡散領域１２の深さＬ■を０．３μ
ｍとし、接合間の距離ＸＰ２を１０〜５０μｍの間で変
化させて得られた特性である。ｎ゛型の不純物拡散領域
１１の深さｘＮ！が深くなる分だけ、感度のピークは長
波長側にソフトし、このため有効に赤色等の長波長の光
線に応した信号電荷を取り出すことができる。

上述のような異なる３つの深さを有する受光部２〜４は
、平面上、例えば第６図に示すように、配列される。第
６図中、Ｒは赤色（長波長）用の受光部２を有する画素
を表し、Ｇは緑色（中波長）用の受光部３を有する画素
を表し、Ｂは青色（短波長）用の受光部４を有する画素
を表す、−垂直列毎に受光部３に対応した画素（Ｇ）が
並べられ、その間の垂直列に２画素ずつ受光部２に対応
した画素（Ｒ）と受光部４に対応した画素（Ｂ）が交互
に配列される。

このような平面配列される各受光部２〜４は、第１図に
示すように、それぞれ近傍の垂直電荷転送部７を介して
信号電荷が転送されて行く。これら垂直電荷転送部７は
、直接又は間接に水平電荷転送部に電気的に接続され、
その水平電荷転送部からカラーの画像信号が取り出され
る。

上記垂直電荷転送部７は、基板表面に形成されたｎ−型
の不純物拡散領域からなる埋め込みチャンネル層８と、
その埋め込みチャン茅ル層８上に絶縁膜６を介して形成
されたポリシリコン層９と、垂直電荷転送部７を覆うア
ルミニューム膜１０と有している。ポリシリコン層９は
所要の転送信号が供給されて転送電極として機能する。

アルミニューム膜１０は、そのポリシリコン層９上を覆
う絶縁膜上に形成され、遮光膜として機能する。上記埋
め込みチャンネル層８と各受光部２〜４の間は、読み出
しゲートとされるが、深くされた受光部に対応じて埋め
込みチャンネル層８を深く形成したり、表面から溝を形
成してその底部に埋め込みチャンネル層８を形成するこ
ともできる。また、読み出しゲートのチャンネル領域の
不純物濃度を調整したり、読み出し時の印加電圧を高く
して、異なる深さの受光部２〜４の信号電荷を有効に取
り出すようにしても良い６（発明の効果〕本発明の固体撮像素子は、上述のように、異なる深さと
される不純物拡散領域が形成された受光部を有するため
、カラーフィルターを形成するまでもなく、カラー画像
信号の読み出しが可能となる。従って、カラーフィルタ
ーの形成に伴った工程数の増加、褪色や膜ストレス等の
諸問題は全ぞ解決されることになる。

配列を示す模式図、第７図は従来の固体撮像素子の一例
を示す断面図、第８囲器よその従来の一例に使用される
フィルターの分光特性を示す図である。

１・・・シリコン基板２〜４・・・受光部５・・・ウェル領域６・・・絶縁膜特許出願人　　　　ソニー株式会社代理人弁理士　小泡　晃　（他２名）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像素子の一例の模式的な断面図
、第２図はシリコンの光吸収特性を示す特性図、第３図
〜第５図は本発明にかがるそれぞれ異なる深さの受光部
の分光感度特性を示す図であり、第３図は短波長タイプ
、第４図は中波長タイプ、第５図は長波長タイプをそれ
ぞれ示す、第６図は本発明の固体撮像素子の一例の画素
の平面光電流！（ｕＡ／ｕＷ）光１１１ＬＩ又楢１ダに忙ｍ−１）政長（ｎｍ）第４図返＆　　（ｎｍ）第５図第６図第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】　半導体基板に入射光を信号電荷に変換するための複数
の受光部が形成され、その受光部で発生した信号電荷に
応じて出力信号が得られる固体撮像素子において、上記受光部は、異なる波長域の入射光が選択的に光電変
換されるように異なる深さとされる不純物拡散領域が形
成されてなることを特徴とする固体撮像素子。