WO2017122436A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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    • H10F39/011—Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device used as a two-dimensional image sensor or the like.
  • Patent Document 1 shows that a photodiode that performs photoelectric conversion of infrared light is extended to a lower portion of the photodiode that performs photoelectric conversion of visible light, thereby improving infrared sensitivity.
  • the drain part for discharging excess charges generated in the visible light receiving part is provided on the substrate surface. It is necessary to form on the side. As a result, the light receiving portion becomes narrow, and the saturation output and sensitivity are lowered.
  • an object of the present invention is to obtain a good image quality in which color mixing, saturation output, and sensitivity reduction are suppressed even when the infrared light receiving unit is extended under the visible light receiving unit.
  • An imaging device is provided.
  • the solid-state imaging device of the present disclosure has a plurality of pixels arranged two-dimensionally on a semiconductor substrate.
  • Each of the plurality of pixels includes at least one shallow light receiving portion formed near the surface of the semiconductor substrate and at least one deep light receiving portion formed below the shallow light receiving portion.
  • a part of the shallow light receiving part and the deep light receiving part are connected to form a second light receiving part, and the other shallow light receiving part constitutes the first light receiving part. Excess charge in the first light receiving part is discharged to the deep light receiving part.
  • the solid-state imaging device of the present disclosure by discharging excess charge in the first light receiving unit to the deep light receiving unit, it is not necessary to provide a drain unit for discharging the excess charge on the substrate surface side. Yes. As a result, a good image can be obtained without narrowing the light receiving section and appropriately discharging excess charges to suppress color mixing.
  • FIG. 1 is a plan view schematically illustrating a two-dimensional array of pixels and light receiving units in an exemplary solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section taken along line II-II ′ of the solid-state imaging device of FIG.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of an exemplary solid-state imaging device.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a driving method during imaging of the exemplary solid-state imaging device.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a more preferable driving method during imaging of the exemplary solid-state imaging device.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a more preferable driving method during imaging of the exemplary solid-state imaging device.
  • FIG. 1 is a plan view schematically illustrating a two-dimensional array of pixels and light receiving units in an exemplary solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section taken along line II-II ′
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a modification example regarding the color filter of the solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a modification example regarding the color filter of the solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a modification example regarding the pixel arrangement in the solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a modification example of the solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a plan view schematically showing the arrangement of the light receiving unit and the readout circuit unit in the solid-state imaging device of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a plan view schematically showing that a conventional solid-state imaging device includes a drain portion in addition to a light receiving portion and a readout circuit portion.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams showing the configuration of an exemplary solid-state imaging device 50.
  • FIG. FIG. 1 is a plan view showing an arrangement of pixels and light receiving portions of the solid-state imaging device 50
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration taken along line II-II ′ of FIG.
  • a plurality of pixels are two-dimensionally arranged on a semiconductor substrate such as silicon, and each pixel has red (R), green (G) and blue (B) visible light and infrared light.
  • the light receiving units having color filters corresponding to the four colors (IR) are arranged in a 2 ⁇ 2 array.
  • the color filters corresponding to R, G, and B transmit visible light and infrared light of each color, and the IR filter transmits only infrared light.
  • the solid-state imaging device 50 includes a shallow light-receiving unit 11 (11 a and 11 b) formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 71, and a deep light-receiving unit 12 formed therebelow. .
  • the deep layer light receiving unit 12 extends below the 2 ⁇ 2 four shallow layer light receiving units 11 included in one pixel and is connected to the shallow layer by the connection unit 21.
  • the second light receiving unit 13 is configured by being connected to a part (11b) of the light receiving unit.
  • An IR filter is provided above the shallow-layer light-receiving unit 11b that constitutes the second light-receiving unit 13.
  • the other shallow light-receiving parts 11a that do not constitute the second light-receiving part 13 are each provided with one of the visible light filters, and constitute a first light-receiving part that receives light of the corresponding color.
  • a part of the light can be absorbed if infrared light is incident.
  • a part can be absorbed.
  • a shallow horizontal separation part 31 is provided between the shallow light receiving parts 11.
  • the shallow light receiving unit 11 is two-dimensionally arranged via the shallow horizontal separating unit 31.
  • a deep horizontal separation portion 32 is provided between the deep light receiving portions 12.
  • the deep light receiving unit 12 is two-dimensionally arranged via the deep horizontal separation unit 32.
  • a vertical separation unit 33 is provided between the shallow light receiving unit 11 and the deep light receiving unit 12. The light receiving parts are separated from each other by these separating parts.
  • a vertical overflow barrier 34 that separates the deep light-receiving part 12 from the semiconductor substrate 71 in the lower part is provided below the deep light-receiving part 12.
  • the above shallow layer light receiving unit 11 (11a and 11b), deep layer light receiving unit 12, connection unit 21, shallow layer horizontal separation unit 31, deep layer horizontal separation unit 32, vertical separation unit 33, and vertical overflow barrier 34 are all, for example, It is formed by introducing impurities into the semiconductor substrate 71.
  • the potential barrier of the vertical separation unit 33 is set to be smaller than the potential barrier of the shallow horizontal separation unit 31.
  • the potential (potential) in the vertical separation unit 33 is made higher than the potential in the shallow horizontal separation unit 31.
  • FIG. 11 and FIG. 12 shows a conventional solid-state imaging device in which a second light receiving unit is provided below the first light receiving unit, one light receiving unit 61, a readout circuit unit 62 for reading a signal from the light receiving unit 61, and a light receiving unit.
  • 6 is a plan view schematically showing a relationship with a drain part 63 for discharging excess charges generated in the part 61.
  • FIG. In the conventional solid-state imaging device, it is necessary to provide the drain part 63 on the surface side of the semiconductor substrate 71, and the area where the light receiving part 61 can be provided is reduced by the area occupied by the drain part 63. As a result, the saturation output is lowered, the light path is narrowed, the light that can be received is reduced, and the sensitivity is lowered.
  • FIG. 11 includes one light receiving unit 61 and a readout circuit unit 62 for reading a signal from the light receiving unit 61
  • the drain unit 63 includes the exemplary solid-state imaging device 50 of the present application. It is a top view which shows not. This is realized by eliminating the excessive charge in the shallow light-receiving part 11a of FIG. 2 to the deep light-receiving part 12, so that it is not necessary to provide the drain part 63 on the surface side of the semiconductor substrate 71. As a result, in the configuration of FIG. 12, the area of the light receiving unit 61 can be increased compared to the configuration of FIG. 11, and the sensitivity can be improved.
  • the potential barriers of the vertical separation unit 33 and the vertical overflow barrier 34 of the solid-state imaging device 50 are both smaller than the potential barrier of the deep horizontal separation unit 32 (if the charge carriers are electrons, the potential is increased). May be. Thereby, when acquiring an infrared image, excess charges generated in the deep light receiving unit 12 are discharged to the shallow light receiving unit 11 a side or the semiconductor substrate 71 side below the vertical overflow barrier 34. That is, excessive charges leak out in the horizontal direction (to the adjacent deep light receiving unit 12) and color mixing is suppressed, and a good infrared image can be acquired. Also in this case, as shown in FIGS. 11 and 12, it is unnecessary to provide a drain portion for discharging excess charges on the surface side of the semiconductor substrate 71, and the effect of improving the saturation output and sensitivity can be obtained. can get.
  • the potential barrier of the vertical overflow barrier 34 may be made smaller than the potential barrier of the vertical separation unit 33 (if the charge carriers are electrons, the potential is increased). In this case, excess charges generated in the deep light receiving unit 12 are discharged to the semiconductor substrate 71 below the vertical overflow barrier 34.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the exemplary solid-state imaging device 50.
  • the shallow light-receiving unit 11 a first light-receiving unit
  • the second light-receiving unit 13 a vertical separation unit 33 that separates them
  • the second light-receiving unit 13 and the semiconductor substrate therebelow are separated.
  • a separating vertical overflow barrier 34 is shown.
  • transfer gates TG1 and TG2 for reading signals from the shallow light receiving unit 11a and the second light receiving unit 13 and a readout circuit connected to them are shown.
  • the shallow layer light receiving unit 11a or the second light receiving unit 13 When light enters the shallow layer light receiving unit 11a or the second light receiving unit 13, photoelectric conversion is performed, and signal electrons are generated and accumulated.
  • the signal electrons are read out to an electronic voltage conversion circuit including a floating diffusion (FD) by controlling the voltage applied to the transfer gates TG1 and TG2, and output as a voltage signal SIG1 or SIG2.
  • reset gates RST1 and RST2 for resetting the read electrons are mounted. By controlling these reset gates, the signal electrons are read out as a voltage signal, and then the signal electrons are discharged through the drain adjacent to the reset gate. Selection of a pixel from which a signal is read is performed by controlling the select transistor SEL1 or SEL2. Note that VDD is a power supply voltage.
  • FIG. 4 shows an example of operation timings of TG1 and TG2 and RST1 and RST2 at the time of image acquisition regarding the solid-state imaging device 50 having the equivalent circuit of FIG.
  • FIG. 5 shows a driving method for obtaining a better image when acquiring a visible light image.
  • the transfer gate TG2 and the reset gate RST2 on the second light receiving unit side are set in a reading (open) state during the exposure time and the first light receiving unit reading period.
  • excess charge discharged from the first light receiving part (shallow light receiving part 11a) to the second light receiving part (deep light receiving part 12) can be discharged through the transfer gate TG2.
  • the backflow of excess charge from the second light receiving unit to the first light receiving unit does not occur, and a good visible image can be obtained more reliably by suppressing deterioration in image quality.
  • FIG. 6 shows a driving method for obtaining a better image when acquiring an infrared image.
  • the transfer gate TG1 and the reset gate RST1 of the first light receiving unit are set to a reading (open) state during the exposure time and the second light receiving unit reading period.
  • the transfer gate TG1 and the reset gate RST1 of the first light receiving unit are set to a reading (open) state during the exposure time and the second light receiving unit reading period.
  • each pixel has an array of 2 ⁇ 2 light receiving portions (shallow layer light receiving portions 11a and 11b) has been described, other arrangements such as 3 ⁇ 3 and 2 ⁇ 3 are also applicable. is there.
  • a transparent filter is provided on the shallow light receiving part 11b constituting the second light receiving part 13 so that the sensitivity is not only in the infrared light but also in the visible light region. Is increasing.
  • an IR cut filter 42 for blocking infrared light is provided on the first light receiving part (shallow light receiving part 11a) on which the RGB color filters 41 are provided, and the first light receiving part is provided. Infrared light is prevented from entering. Thereby, color reproducibility can be improved about a visible light image.
  • the boundary is located at a thick line in FIG. 1, which is a plan view.
  • the shallow horizontal separation part 31 and the deep horizontal separation part 32 overlap.
  • the present invention is not limited to this.
  • the deep horizontal separation part 32 is formed in a square lattice shape centered on the position of the shallow light receiving part 11 b constituting the second light receiving part 13.
  • the boundary of the unit pixel including the RGB and IR light receiving portions in the shallow layer (indicated by a thick line) and the boundary of the deep light receiving portion 12 in the deep layer (indicated by the broken line) exist at different positions in the plan view.
  • the deep horizontal separation part 32 can be omitted. As a result, the image quality of the infrared image may be deteriorated, but the manufacturing process of the solid-state imaging device can be simplified and the cost can be reduced. Such a configuration is also conceivable when priority is given to low cost.
  • the present invention can also be applied to a global shutter type imaging apparatus in which a memory unit is arranged after the transfer gate.
  • the transfer gate from the light receiving unit to the memory unit, the charge transfer from the memory unit to the electronic voltage conversion circuit unit, and the reset gate are all set to the open state, and an excess voltage is efficiently applied from the light receiving unit to the reset gate. Set to discharge. Thereby, it is possible to obtain a good image with no color mixture.
  • the solid-state imaging device can obtain a good image by suppressing the occurrence of color mixture due to excess charge even when the infrared light pixel is extended below the visible light pixel. And is useful as a solid-state imaging device with no sensitivity reduction.

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Abstract

固体撮像装置は、半導体基板（７１）上に二次元配列された複数の画素を備え、各画素は、半導体基板（７１）の表面近傍に形成された少なくとも一つの浅層受光部（１１ａ、１１ｂ）と、浅層受光部（１１）の下方に形成された少なくとも一つの深層受光部（１２）とを備える。浅層受光部の一部（１１ｂ）と、深層受光部（１２）とが接続されて第２の受光部（１３）を構成すると共に、他の浅層受光部（１１ａ）は第１の受光部を構成する。第１の受光部における過剰電荷は、深層受光部（１２）に排出される。

Description

固体撮像装置
　本発明は、二次元イメージセンサ等として用いられる固体撮像装置に関する。
　近年、可視領域の画像と赤外領域の画像の両方を取得可能なイメージセンサが多く提案されている。特に、シリコン基板を用いたイメージセンサに関して、赤外光は可視光に比べてシリコンによる吸収係数が小さいことから、赤外感度を向上するための工夫が提案されている。例えば、特許文献１によれば、赤外光の光電変換を行うフォトダイオードを、可視光を光電変換するフォトダイオードの下部へ延伸して、赤外感度を向上することが示されている。
特開2009-272620号公報
　固体撮像装置において、受光部に過剰電荷が発生すると、隣接する画素に電荷が溢れて混色等の画質低下が発生する。これを抑制するためには、過剰の電荷を排出するためのドレイン部を設けることが行われる。
　しかしながら、特許文献１の開示のように、赤外光受光部を可視光受光部の下に延伸する構造では、可視光受光部にて発生した過剰電荷を排出するためのドレイン部を、基板表面側に形成することが必要になる。この結果、受光部が狭くなり、飽和出力及び感度が低下する。
　この点に鑑み、本発明の目的は、赤外光受光部を可視光受光部の下に延伸した場合にも、混色、飽和出力及び感度低下が抑制された良好な画質を得ることが可能な撮像装置を提供することである。
　上記の目的を実現するために、本開示の固体撮像装置は、半導体基板上に二次元配列された複数の画素を有する。複数の画素は、それぞれ、半導体基板の表面近傍に形成された少なくとも一つの浅層受光部と、浅層受光部の下方に形成された少なくとも一つの深層受光部とを備える。浅層受光部の一部と、深層受光部とが接続されて第２の受光部を構成すると共に、他の浅層受光部は第１の受光部を構成する。第１の受光部における過剰電荷は、前記深層受光部に排出される。
　本開示の固体撮像装置によると、第１の受光部における過剰電荷を、深層受光部に排出することにより、当該過剰電荷を排出するためのドレイン部を基板表面側に設けることが不要となっている。この結果、受光部を狭くすること無く、且つ、過剰電荷を適切に排出して混色等を抑制し、良好な画像が得られる。
図１は、本開示の例示的固体撮像装置における画素及び受光部の二次元配列を模式的に示す平面図である。 図２は、図１の固体撮像装置のII-II'線における断面を模式的に示す図である。 図３は、例示的固体撮像装置の等価回路図である。 図４は、例示的固体撮像装置の撮像時における駆動方法の一例を示す図である。 図５は、例示的固体撮像装置の撮像時におけるより好ましい駆動方法の一例を示す図である。 図６は、例示的固体撮像装置の撮像時におけるより好ましい駆動方法の一例を示す図である。 図７は、本開示の固体撮像装置のカラーフィルタに関する変形例を示す図である。 図８は、本開示の固体撮像装置のカラーフィルタに関する変形例を示す図である。 図９は、本開示の固体撮像装置における画素の配置に関する変形例を示す図である。 図１０は、本開示の固体撮像装置における変形例を示す図である。 図１１は、本開示の固体撮像装置について、受光部と読み出し回路部の配置を模式的に示す平面図である。 図１２は、従来の固体撮像装置について、受光部及び読み出し回路部に加えて、ドレイン部を備えることを模式的に示す平面図である。
　以下、本開示の例示的固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
　図１及び図２は、例示的固体撮像装置５０の構成を示す模式図である。図１は、固体撮像装置５０の画素及び受光部の配列について示す平面図であり、図２は、図１のII-II'線による断面の構成を示す断面図である。
　図１に示す通り、シリコン等の半導体基板上に二次元的に複数の画素が配列され、各画素は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の可視光と、赤外光（ＩＲ）との四色に対応するカラーフィルタを備える受光部を２×２の配列で有する。ここで、Ｒ、Ｇ及びＢに対応するカラーフィルタは各色の可視光及び赤外光を透過し、ＩＲフィルターは赤外光のみを透過する。
　次に、図２に示す通り、固体撮像装置５０は、半導体基板７１の表面近傍に形成された浅層受光部１１（１１ａ及び１１ｂ）と、その下方に形成された深層受光部１２とを有する。一例としての固体撮像装置５０の場合、深層受光部１２は、１つの画素に含まれる２×２の４つの浅層受光部１１の下方に亘って伸びており、且つ、接続部２１により浅層受光部の一部（１１ｂ）と接続されて、第２の受光部１３を構成する。第２の受光部１３を構成する浅層受光部１１ｂ上方にはＩＲフィルターが備えられている。また、第２の受光部１３を構成しない他の浅層受光部１１ａは、それぞれ可視光フィルターのうち一色を備え、該当する色の光を受光する第１の受光部を構成する。但し、第１の受光部でも、赤外光が入射すればその一部は吸収され得る。また、第２の受光部でも、可視光が入射すればその一部（特に、長波長側である赤色光）は吸収され得る。
　浅層受光部１１同士の間には浅層水平分離部３１が設けられている。言い換えると、浅層受光部１１は、浅層水平分離部３１を介して二次元的に配置されている。同様に、深層受光部１２同士の間には深層水平分離部３２が設けられている。言い換えると、深層受光部１２は、深層水平分離部３２を介して二次元的に配置されている。また、浅層受光部１１と、深層受光部１２との間には、垂直分離部３３が設けられている。これらの各分離部により、受光部同士の間が分離されている。更に、深層受光部１２の下方には、深層受光部１２とその下方の部分の半導体基板７１とを分離する垂直オーバーフローバリア３４が設けられている。
　以上の浅層受光部１１（１１ａ及び１１ｂ）、深層受光部１２、接続部２１、浅層水平分離部３１、深層水平分離部３２、垂直分離部３３、垂直オーバーフローバリア３４は、いずれも、例えば半導体基板７１に対して不純物を導入することにより形成されている。
　固体撮像装置５０において、垂直分離部３３のポテンシャル障壁は、浅層水平分離部３１のポテンシャル障壁よりも小さくなるように設定する。これは、例えば電荷のキャリアが電子であれば、垂直分離部３３におけるポテンシャル（電位）を、浅層水平分離部３１におけるポテンシャルよりも高くすることにより実現される。
　この結果、第１の受光部を構成する浅層受光部１１ａにおいて発生した過剰電荷について、浅層水平分離部３１よりもポテンシャル障壁を越えやすい垂直分離部３３を介して溢れさせ、深層受光部１２に排出させることができる。このようにすると、可視光画像を取得するとき、浅層受光部１１ａにて発生した過剰電荷が水平方向に漏れ出して混色が発生することを抑制し、良好な可視光画像を取得することができる。
　また、過剰電荷を排出するためのドレイン部を、浅層受光部１１の半導体基板７１表面付近に設ける必要が無いので、受光部の面積が狭くなって飽和出力及び感度が低下するのを避けることができる。
　これに関して、図１１及び図１２に示す。図１２は、第１の受光部の下方に第２の受光部を設ける従来の固体撮像装置について、１つの受光部６１と、当該受光部６１から信号を読み出すための読み出し回路部６２と、受光部６１において発生した過剰電荷を排出するためのドレイン部６３との関係を模式的に示す平面図である。従来の固体撮像装置では、ドレイン部６３を半導体基板７１の表面側に設ける必要があり、当該ドレイン部６３が占める面積のぶん受光部６１を設けることのできる面積が小さくなる。この結果、飽和出力が低下すると共に、光の経路が狭くなり、受光可能な光が少なくなって感度が低下する。
　これに対し、図１１は、本願の例示的固体撮像装置５０について、１つの受光部６１と、当該受光部６１から信号を読み出すための読み出し回路部６２とを有し、ドレイン部６３は備えていないことを示す平面図である。これは、図２の浅層受光部１１ａにおける過剰電荷を深層受光部１２に排出する構成により、ドレイン部６３を半導体基板７１の表面側に設けることが不要となって実現している。この結果、図１２の構成では図１１の構成に比べて受光部６１の面積を大きくすることができ、感度を向上することができる。
　また、固体撮像装置５０の垂直分離部３３及び垂直オーバーフローバリア３４のポテンシャル障壁を、いずれも、深層水平分離部３２のポテンシャル障壁よりも小さく（電荷のキャリアが電子であれば、電位を高く）しても良い。これにより、赤外画像を取得する際に、深層受光部１２において発生した過剰電荷は、浅層受光部１１ａ側又は垂直オーバーフローバリア３４の下方の半導体基板７１側に排出される。つまり、過剰電荷が水平方向に（隣接する深層受光部１２に）漏れ出して混色を発生させることが抑制され、良好な赤外画像を取得することができる。また、この場合にも、図１１及び図１２に示した通り、過剰電荷を排出するためのドレイン部を半導体基板７１表面側に設けることが不要であって、飽和出力及び感度を向上できる効果が得られる。
　更に、垂直オーバーフローバリア３４のポテンシャル障壁を、垂直分離部３３のポテンシャル障壁よりも小さく（電荷のキャリアが電子であれば、電位を高く）しても良い。この場合、深層受光部１２にて発生した過剰電荷は、垂直オーバーフローバリア３４の下方の半導体基板７１に排出される。
　このようにすると、可視光画像を取得する際に、浅層受光部１１ａから深層受光部１２に排出された過剰電荷が深層受光部１２において蓄積されたとしても、当該電荷を更に垂直オーバーフローバリア３４を介して半導体基板７１側に排出させ、浅層受光部１１ａ側に逆流するのを抑制できる。これにより、画質劣化の無い良好な可視光画像を取得することができる。また、赤外画像を取得する際に、深層受光部１２から浅層受光部１１ａに過剰電荷を排出した場合、浅層受光部１１ａにて電荷が過剰になると、深層受光部１２に逆流する可能性がある。これに対し、垂直オーバーフローバリア３４のポテンシャル障壁を垂直分離部３３のポテンシャル障壁よりも小さくすると、深層受光部１２にて発生した過剰電荷を、半導体基板７１側に効率よく排出できる。従って、画質劣化の無い良好な赤外画像を取得することができる。
　このように、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）及び第２の受光部１３において発生した過剰電荷に限らず、他の箇所から排出された過剰電荷についても、本実施形態の構成により適切に排出できる。
　次に、図３は、例示的固体撮像装置５０の等価回路図である。図３において、浅層受光部１１ａ（第１の受光部）及び第２の受光部１３とこれらの間を分離する垂直分離部３３と、第２の受光部１３とその下方の半導体基板とを分離する垂直オーバーフローバリア３４とが示されている。また、浅層受光部１１ａ及び第２の受光部１３から信号を読み出す転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２と、これらの接続された読み出し回路とが示されている。
　浅層受光部１１ａ又は第２の受光部１３に光が入射すると光電変換が行われ、信号電子が発生し、蓄積される。信号電子は、転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２に印加される電圧を制御することにより、フローティングディフュージョン（ＦＤ）を含む電子電圧変換回路に読み出され、電圧信号ＳＩＧ１又はＳＩＧ２として出力される。また、読み出した電子をリセットするリセットゲートＲＳＴ１及びＲＳＴ２が搭載されている。これらのリセットゲートを制御することにより、信号電子が電圧信号として読み出された後、リセットゲートに隣接したドレインを通じて、信号電子が排出される。信号を読み出す画素の選択は、セレクトトランジスタＳＥＬ１又はＳＥＬ２の制御により行われる。尚、ＶＤＤは電源電圧である。
　図４に、図３の等価回路を有する固体撮像装置５０に関し、画像取得時のＴＧ１及びＴＧ２と、ＲＳＴ１及びＲＳＴ２との動作タイミングの一例を示す。
　図４の動作では、露光時間中は、リセットゲートＲＳＴ１及びＲＳＴ２と、転送ゲートＴＧ１及びＴＧ２との全てについて閉じた状態とする。第１の受光部読み出しの際には、リセットゲートＲＳＴ１を一時的に開放してＦＤをリセットした後、転送ゲートＴＧ１を一時的に開放することにより信号電子を読み出す。このように単純に第１の受光部の信号を読み出す動作により、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）において過剰電荷が生じた場合、これを深層受光部１２に排出して良好な可視光画像を得ることができる。この効果は、前記のように、浅層水平分離部３１及び垂直分離部３３のポテンシャル障壁を設定することにより実現する。第２の受光部読み出しの際には、リセットゲートＲＳＴ２を一時的に開放してＦＤをリセットした後、転送ゲートＴＧ２を一時的に開放して信号電子を読み出す。
　図５は、可視光画像を取得する際について、より良好な画像を得るための駆動方法を示す。この駆動方法では、露光時間及び第１の受光部読み出しの期間において、第２の受光部側の転送ゲートＴＧ２及びリセットゲートＲＳＴ２を読み出し（開放）状態に設定する。これにより、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）から第２の受光部（深層受光部１２）に排出された過剰電荷を、転送ゲートＴＧ２を通じて排出することができる。この結果、第２の受光部から第１の受光部への過剰電荷の逆流が発生しなくなり、より確実に画質の劣化を抑制して良好な可視画像を得ることができる。
　また、図６は、赤外画像を取得する際について、より良好な画像を得る駆動方法を示す。この駆動方法では、露光時間及び第２の受光部読み出しの期間において、第１の受光部の転送ゲートＴＧ１及びリセットゲートＲＳＴ１を読み出し（開放）状態に設定する。このようにすると、第１の受光部（浅層受光部１１ａ）において過剰電荷が発生したとしても、該電荷は転送ゲートＴＧ１及びリセットゲートＲＳＴ１を通じて排出され、第２の受光部（深層受光部１２）に排出されることは無い。従って、画質劣化の抑制された良好な赤外画像を得ることができる。
　（変形例）
　以上に説明した事項はいずれも例示であり、これらに限定されるものではない。以下に更に変形例を示すが、やはりこれらに限定されることは無い。
　まず、実施例としては図１のカラーフィルタ配列で説明したが、他の配列とすることも可能である。例えば、第２の受光部と白色受光部とが交互に配列された千鳥パターン等も可能である。また、画素毎に２×２の受光部（浅層受光部１１ａ及び１１ｂ）の配列を有する例を説明したが、この他に、３×３、２×３等のあらゆる配列に関しても適用可能である。
　また、図７及び図８に示すように、カラーフィルタに関しても様々な例が挙げられる。図７の場合、第２の受光部１３を構成する浅層受光部１１ｂ上には透明フィルターを設置し、赤外光だけではなく可視光領域にも感度があるようにすることで、更に感度を高めている。また，図８の場合、ＲＧＢの各色のフィルター４１を設置した第１の受光部（浅層受光部１１ａ）上に、赤外光を遮断するＩＲカットフィルタ４２を設置し、第１の受光部には赤外光が入らないようにしている。これにより、可視光画像について色再現性を高めることができる。
　また、実施例の固体撮像装置５０では、図１に示す通り、深層受光部１２を水平方向に分離する深層水平分離部３２について、ＲＧＢ及びＩＲの２×２の受光部を含む単位画素の境界に設けている。当該境界は、平面図である図１では太線の位置にあり、この位置では、浅層水平分離部３１及び深層水平分離部３２が重なっている。しかし、これには限られず、例えば図９に示すようにしても良い。図９では、深層水平分離部３２は、第２の受光部１３を構成する浅層受光部１１ｂの位置を中心とする正方格子状に形成されている。従って、浅層におけるＲＧＢ及びＩＲの受光部を含む単位画素の境界（太線により示す）と、深層における深層受光部１２の境界（破線により示す）とは、平面図において、異なる位置に存在する。
　また、深層水平分離部３２を省略することも可能である。これにより赤外画像について画質が劣化することがあるが、固体撮像装置の製造工程を簡略化し、コストを低くすることができる。低コストであることが優先されるような場合、このような構成も考えられる。
　更に、以上に説明した固体撮像装置では、受光部から、信号電子読み出しのための転送ゲート及びリセットゲートを通じて電荷を排出するようにしている。しかし、これには限られない。例えば、転送ゲートの後段にメモリー部が配置されたグローバルシャッター型の撮像装置にも適用可能である。この場合、受光部からメモリー部への転送ゲート、メモリー部から電子電圧変換回路部への電荷転送、及び、リセットゲートを全て開放状態に設定し、受光部からリセットゲートに効率的に過剰電圧を排出するように設定する。これにより、混色の発生しない良好な画像を取得できる。
　以上説明してきたように、本開示に係る固体撮像装置は、赤外光画素を可視光画素の下に延伸しても、過剰電荷による混色の発生を抑制して良好な画像を得ることが可能であり、且つ、感度低下のない固体撮像装置として有用である。
１１、１１ａ、１１ｂ　　　浅層受光部
１２　　　　　　　　　　　深層受光部
１３　　　　　　　　　　　第２の受光部
２１　　　　　　　　　　　接続部
３１　　　　　　　　　　　浅層水平分離部
３２　　　　　　　　　　　深層水平分離部
３３　　　　　　　　　　　垂直分離部
３４　　　　　　　　　　　垂直オーバーフローバリア
４１、３１ａ　　　　　　　カラーフィルタ
４２　　　　　　　　　　　ＩＲカットフィルタ
５０、５１、５２、５３　　固体撮像装置
６１　　　　　　　　　　　受光部
６２　　　　　　　　　　　読み出し回路部
６３　　　　　　　　　　　ドレイン部
７１　　　　　　　　　　　半導体基板

Claims (8)

  1. 　半導体基板上に二次元配列された複数の画素を備え、
    　前記複数の画素は、それぞれ、前記半導体基板の表面近傍に形成された少なくとも一つの浅層受光部と、前記浅層受光部の下方に形成された少なくとも一つの深層受光部とを備え、
    　前記浅層受光部の一部と、前記深層受光部とが接続されて第２の受光部を構成すると共に、他の前記浅層受光部は第１の受光部を構成し、
    　前記第１の受光部における過剰電荷は、前記深層受光部に排出されることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 　請求項１の固体撮像装置において、
    　前記浅層受光部と前記深層受光部との間に設けられた垂直分離部におけるポテンシャル障壁は、前記複数の浅層受光部同士の間に設けられた浅層水平分離部におけるポテンシャル障壁よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 　請求項１又は２の固体撮像装置において、
    　前記第２の受光部における過剰電荷は、前記第１の受光部又は前記半導体基板に排出されることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 　請求項３の固体撮像装置において、
    　前記浅層受光部と前記深層受光部との間に設けられた垂直分離部におけるポテンシャル障壁、及び、前記深層受光部の下方に設けられた垂直オーバーフローバリアにおけるポテンシャル障壁は、前記深層受光部同士の間に設けられた深層水平分離部におけるポテンシャル障壁よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。
  5. 　請求項１又は２の固体撮像装置において、
    　前記第２の受光部における過剰電荷は、前記半導体基板に排出されることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 　請求項５の固体撮像装置において、
    　前記深層受光部の下方に設けられた垂直オーバーフローバリアにおけるポテンシャル障壁は、前記浅層受光部と前記深層受光部との間に設けられた垂直分離部におけるポテンシャル障壁、及び、前記深層受光部同士の間に設けられた深層水平分離部におけるポテンシャル障壁よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１つにおいて、
    　前記複数の画素は、それぞれ、前記第１の受光部から信号を転送するための第１の転送ゲートを更に備え、
    　前記第２の受光部を用いて撮像する際に、前記第１の転送ゲートを開放し、前記第１の受光部から前記第１の転送ゲートを通じて電荷を排出することを特徴とする固体撮像装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか１つにおいて、
    　前記複数の画素は、それぞれ、前記第２の受光部から信号を転送するための第２の転送ゲートを更に備え、
    　前記第１の受光部を用いて撮像する際に、前記第２の転送ゲートを開放し、前記第２の受光部から前記第２の転送ゲートを通じて電荷を排出することを特徴とする固体撮像装置。
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