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JP7383597B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。
特許文献１の公報には、次のような固体撮像装置が開示されている。
半導体基板には、光電変換部及び信号走査回路部を含み単位画素行列を配置して成る撮像領域が設けられている。撮像領域は、隣接する単位画素との境界部分に対応して各単位画素を囲むように設けられる素子分離絶縁膜と、半導体基板の表面上且つ素子分離絶縁膜の下方領域に設けられるＭＯＳＦＥＴと、半導体基板内の素子分離絶縁膜の近傍領域に設けられた第１導電型の第１の拡散層とを備える。素子分離絶縁膜は、信号走査回路部が形成される半導体基板の表面から半導体基板中にオフセットされて設けられ且つ半導体基板の裏面に達して形成されている。ＭＯＳＦＥＴは、ゲート電極と、半導体基板内且つゲート電極の上方に形成される第１導電型の第２の拡散層とを備えている。第１の拡散層と、第２の拡散層とが接し、半導体基板の垂直方向において、垂直方向に直交する第１の方向に沿った第１の拡散層の幅の中心は、第１の方向に沿った第２の拡散層の幅の中心近傍に位置する。
日本国特許５５４７２６０号
しかし、近年要求される高速読み出し（たとえば、１００～１００００フレーム／秒）では露出時間が短縮される。そのため、光電変換により発生する電荷量が少なくなり、感度の劣化が懸念される。
本発明の第１の態様による撮像素子は、マイクロレンズを透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送された電荷を蓄積するメモリと、前記メモリから転送された電荷を蓄積する蓄積部と、側面に配置される第１部と底面に配置される第２部とを有し前記光電変換部の周囲に設けられる凹部と、前記光電変換部の受光面に沿った方向において、前記マイクロレンズの光軸方向と交差する方向に延びる第３部と、を有し、前記光電変換部の周囲に設けられ、前記メモリに入射する光を遮光する遮光部と、を備える。
第１実施形態による固体撮像素子１００の概略構成を示す図 第１実施形態の画素２０の等価回路を示す図 第１実施形態の画素２０の断面図 （ａ）は第２実施形態の画素２０の概略を説明する断面図、（ｂ）は（ａ）の等価回路図 第２実施形態による固体撮像素子１００の平面図 第２実施形態の画素２０のＶＩ方向から観た断面図 第２実施形態の画素２０のＶＩＩ方向から観た断面図 第２実施形態の画素２０のＶＩＩＩ方向から観た断面図 第２実施形態の変形例１を説明する図６に対応する断面図 第２実施形態の変形例１の等価回路を示す図 第２実施形態の変形例２を説明する図６に対応する断面図 第２実施形態の変形例２の等価回路を示す図 第２実施形態の変形例３を説明する図７に対応する断面図 第３実施形態の画素２０の断面図 第４実施形態の画素２０の断面図 第５実施形態の画素２０の断面図 第１～第５実施形態の変形例を説明する図であり、裏面照射型素子に適用した画素２０の要部のみ示す断面図 図１７の変形例を表面照射型素子に適用した画素２０の要部のみ示す断面図 図１７の変形例を一画素に一対のＰＤを設けた素子に適用した画素２０の要部のみ示す断面図 図１９の変形例を表面照射型素子に適用した画素２０の要部のみ示す断面図 第３実施形態の変形例を説明する図１４に対応する断面図 本発明の撮像装置を説明するブロック図
《第１実施形態》
（素子概略構成）
図１は、本実施形態の固体撮像素子１００の概略構成を示す図である。
固体撮像素子１００は、受光面に画素２０を配列した撮像部３０を備える。これらの画素２０には、垂直制御線３２を介して、垂直走査回路３１から駆動パルスが供給される。また、画素２０は、列単位に垂直信号線２１に接続される。この垂直信号線２１は画素電流源２２にそれぞれ接続される。
一方、画素２０から垂直信号線２１に対して時分割に出力されるノイズ出力と信号出力は、列アンプ２３を介して、ＣＤＳ回路２４（相関二重サンプリング回路）に順次に入力される。このＣＤＳ回路２４は、両出力の差分をとって真の信号出力を生成する。この真の信号出力は、水平走査回路３３からの駆動信号により水平走査され、水平信号線２５に順次出力される。この水平信号線２５の信号出力は、出力アンプ２６を介して出力端子２７に出力する。
（画素２０の等価回路）
図２は、上述した画素２０の等価回路を示す図である。
画素２０には、フォトダイオード（ＰＤ）１が設けられる。ＰＤ１は、転送駆動信号（転送ゲート電圧）でゲート制御される転送トランジスタ（ＴＧ：以下で転送ゲートとも呼ぶ）４を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）８に接続される。ＦＤ８は、増幅トランジスタ（ＡＭＰ）１１のゲート電極に接続される。また、ＦＤ８は、リセット駆動信号（リセットゲート電圧）でゲート制御されるリセットトランジスタ（ＲＳＴ：以下でリセットゲートとも呼ぶ）１３を介して基準電位Ｖｄｄに接続される。増幅トランジスタ１１は、ドレインが電位Ｖｄｄに接続され、ソースが選択駆動信号（選択ゲート電圧）でゲート制御される選択トランジスタ（ＳＥＬ：以下で選択ゲートとも呼ぶ）１２を介して垂直信号線２１に接続される。
転送トランジスタ４の転送ゲート電圧は転送配線４Ｈを介して供給される。リセットトランジスタ１３のリセットゲート電圧はリセット配線１３Ｈを介して供給される。選択トランジスタ１２の選択ゲート電圧は選択配線１２Ｈを介して供給される。転送配線４Ｈ、リセット配線１３Ｈ、および選択配線１２Ｈは、ＰＤ１やＦＤ８が形成される基板と同じ基板内の配線領域２０３（配線層）に形成される。
その他の構成は図１と同じため、ここでの重複説明を省略する。
なお、第１実施形態では、増幅トランジスタ１１のトップゲート電極にＦＤ８の電位が接続され、バックゲート電極はＧＮＤ電位に接続される。後述する第４および第５実施形態も同様である。後述する第２実施形態（図４（ｂ）参照）では、増幅トランジスタ１１のトップゲート電極は所定電位に接続され、バックゲート電極はＦＤ８の電位に接続される。後述する第３実施形態（図１０参照）では、増幅トランジスタ１１のトップゲート電極およびバックゲート電極はともにＦＤ８の電位に接続される。
（画素２０の素子構造）
図３は、画素２０の素子構造の一部を示す断面図である。入射光は、図３の上方から入射する。
固体撮像素子１００は半導体基板２００に形成される。半導体基板２００はモノリシック半導体基板である。半導体基板２００は、図３の上方（受光面側）から下方（配線領域側）に向かって積層される概略３つの層で構成される。最上方には酸化膜２０１、最下方には配線領域２０３、酸化膜２０１と配線領域２０３との間には拡散領域２０２が形成される。なお、拡散領域２０２を半導体領域と呼ぶ。配線領域２０３は配線以外の領域が酸化層である。なお、酸化膜および酸化層は、主として半導体基板を酸化した領域から成る膜および層である。
（半導体領域２０２）
半導体基板２００の半導体領域（拡散領域）２０２には、基板厚み方向（光が入射する方向）に長い縦長形状のＰＤ１と、基板の面方向に配設される信号読み出し回路３００とが形成されている。半導体領域２０２は、基部領域２０２Ｋと、基部領域２０２Ｋから光が入射する受光面側に延びる凸領域２０２Ｔとを有する。凸領域２０２ＴにはＰＤ１が形成され、基部領域２０２Ｋには信号読み出し回路３００が形成されている。ＰＤ１や信号読み出し回路３００は、ｐ型領域の所定箇所にｐ型不純物とｎ型不純物を適宜の濃度で選択的に注入することにより形成される。
半導体領域２０２には、入射した光を光電変換により電荷に変換するＰＤ１と、ＰＤ１で光電変換された電荷を画素信号として垂直信号線２１に出力するための信号読み出し回路３００とが形成される。
半導体領域２０２に形成される信号読み出し回路３００は、ＰＤ１の電荷をＦＤ８に転送する転送トランジスタ４と、転送された電荷を蓄積して電圧に変換するＦＤ８と、ＦＤ８の出力電圧を増幅する増幅トランジスタ１１と、画素を選択する選択トランジスタ１２と、ＦＤ８をリセットするリセットトランジスタ１３とを含んで構成される。
転送トランジスタ４は、ゲート電極４ｇにゲート電圧が印加されると、ＰＤ１で発生した電荷をＦＤ８に転送する。
ＦＤ８は、転送トランジスタ４から転送される電荷を蓄積して電圧に変換するキャパシタである。光電変換によりＰＤ１で発生した電荷はＦＤ８のキャパシタにより電圧に変換され、この電圧が増幅トランジスタ１１のゲート電圧となる。ＰＤ１で発生した電荷ＱをＦＤ８の容量Ｃで除した値が画素２０の画素信号の基であるから、ＦＤ８の容量を小さくすることが撮像素子の感度向上に寄与する。
増幅トランジスタ１１は、ゲート電極１１ｇに印加されるＦＤ８の電圧を増幅する。増幅トランジスタ１１で増幅された電圧が選択トランジスタ１２から画素信号として出力される。
リセットトランジスタ１３は、ゲート電極１３ｇにゲート電圧が印加されると、ＦＤ８に蓄積された電荷を排出して基準電位Ｖｄｄにリセットする。
（配線領域２０３）
配線領域２０３には配線２０３Ｈが設けられている。配線２０３Ｈは、上述した転送配線４Ｈ、リセット配線１３Ｈ、および選択配線１２Ｈを含む。
（酸化膜２０１）
酸化膜２０１の表面、すなわち半導体基板２００の裏面となる受光面には遮光膜４５０が形成されている。遮光膜４５０は、信号読み出し回路３００などに光が入射することを防ぐために設けられる。遮光膜４５０には、ＰＤ１へ光が入射するために開口４０１があけられている。遮光膜４５０は、半導体領域２０２の少なくとも一部を遮光する。
（ＰＤ１の詳細）
図３を参照してＰＤ１を詳細に説明する。
ＰＤ１は、ｎ型不純物をｐ型半導体領域２０２の所定領域に選択的に注入して形成したｐ－ｎ接合の光電変換部である。ＰＤ１は角柱形状に形成されている。角柱の内方はｎ型光電変換領域１ａ、表面はｐ＋領域１ｂである。ＰＤ１の表面の一部分にはｎ領域が露出している。転送トランジスタ４のゲート電極４ｇにゲート電圧が印加されると、ＰＤ１に蓄積された電荷による電流が流れてＦＤ８に電荷が蓄積される。なお、ＰＤ１は角柱形状に限定されず、光が入射する方向に延びた立体であればよい。例えば、円柱、楕円柱、角錐、円錐、楕円錐、球体、楕円体、多面体などでもよい。
ＰＤ１の表面領域１ｂのｐ＋領域は、光電変換領域１ａの空乏層が表面に到達することを防ぐ。この空乏層によって、半導体界面で発生する暗電流が光電変換領域１ａへ流れることを防ぐ。すなわち、第１実施形態のＰＤ１は、埋め込み型フォトダイオードである。
ＰＤ１は、信号読み出し回路３００が形成される半導体領域２０２から受光面側に突出して形成されている。換言すると、ＰＤ１は、信号読み出し回路３００が形成されている半導体領域２０２の基部領域２０２Ｋから受光面側に延在して突出する凸領域２０２Ｔに形成されている。すなわち、図３において、ＰＤ１は、信号読み出し回路３００が形成される基部領域２０２Ｋから受光面側に延びる凸形状である。換言すると、ＰＤ１の少なくとも一部は、光が入射する方向に沿って延びる凸部を有している。ＰＤ１の少なくとも一部は、後述する遮光部４５２が有する開口部４５２Ａ（図３参照）よりも光が入射する方向に向かって延びており、遮光部４５２よりも受光面側にある。なお、ＰＤ１の少なくとも一部は、反射膜４５０または開口４０１より光が入射する方向に向かって延びていてもよい。
（酸化膜２１０）
半導体基板２００の受光面側には酸化膜２０１が形成されている。半導体領域２０２の凸領域２０２Ｔに形成されているＰＤ１の外周には、入射光が進行する光路領域４００が形成されている。光路領域４００の断面および開口４０１の形状は、ＰＤ１の断面と同様の形状である。光路領域４００の受光面側の断面は矩形であり、光路領域４００において、ＰＤ上面１ｃから遮光膜４５２までの間、すなわち光路領域４００の底部側（配線領域側）の断面は角環である。光路領域４００には酸化層が堆積されている。開口４０１の形状は矩形である。
可視光成分の透過率が所定以上であれば、光路領域４００内部の材質は酸化層に限定されない。光路領域４００内部を空洞としてもよい。なお、光路領域４００の断面および開口４０１の形状は矩形に限定されない。例えば、光路領域４００の断面および開口４０１の形状は、円、楕円、多角形、円環であってもよい。
光路領域４００の内周面には反射膜４５１が形成され、光路領域４００の底部（配線領域側の底面）には遮光膜４５２が形成されている。ＰＤ１は、遮光膜４５２の開口部４５２Ａを貫通して基部領域２０２Ｋからマイクロレンズ４６２に向かって凸形状に形成されている。反射膜４５１および遮光膜４５２は、たとえば反射率の高いアルミなどをＰＶＤにて形成することができる。反射膜４５１は反射率の高い材料、遮光膜４５２は光透過率の低い材料で形成されればよく、同じ材料であっても、異なる材料であってもよい。
光路領域４００の開口４０１にはカラーフィルタ４６１とマイクロレンズ４６２が設けられている。後述するように、カラーフィルタ４６１とマイクロレンズ４６２を省略することもできる。
半導体領域２０２の下方の配線領域２０３には、酸化層２０３Ｓで互いに絶縁される各種配線２０３Ｈが形成されている。配線２０３Ｈは、垂直信号線２１など、単位画像２０の画素信号を外部チップ、すなわち別の半導体基板に形成した画像メモリなどに出力する種々の配線を含む。上述した転送配線４Ｈ、リセット配線１３Ｈ、選択配線１２Ｈなども含まれる。
以上説明した固体撮像素子１００による光電変換動作を説明する。
固体撮像素子１００の受光面にはマトリクス状に画素が配列されている。撮像素子１００に入射した光は、画素ごとに設けられているマイクロレンズ４６２で集光される。集光された光はカラーフィルタ４６１で波長選択されて開口４０１から光路領域４００に入射する。入射光の一部はＰＤ１の面１ｃから内部に入射する。光路領域４００に入射した光のうち面１ｃからＰＤ１に入射した光以外の光、すなわちＰＤ１の側面１ｄと反射膜４５１との間の光路領域４００に入射した光は、反射膜４５１で反射してＰＤ１に側面１ｄから入射する。ＰＤ１は、面１ｃと側面１ｄのから入射する光を電荷に光電変換する。これにより、ＰＤ１は入射した光からより効率良く電荷を発生させる。
光路領域４００の底部に入射する光は遮光膜４５２で遮光される。遮光膜４５２は、入射光が信号読み出し回路３００が形成されている半導体領域２０２に入射することを防ぐ。これにより、読み出し回路３００へ入射した光によるノイズの発生を低減することができる。遮光膜４５２は、上述したようにＰＤ１は凸形状であるため、ＰＤ１が光の入射する方向に向かって延びる部分に開口部４５２Ａ（図３参照）を有する。
転送トランジスタ４とリセットトランジスタ１３でＰＤ１とＦＤ８をリセットしてから所定の蓄積時間が経過した時点で転送トランジスタ４をオンすると、ＰＤ１に蓄積された電荷による検出電流によりＦＤ８に電荷が蓄積される。ＦＤ８の容量による電圧は増幅トランジスタ１１のゲート電極１１ｇに印加され、増幅トランジスタ１１はＦＤ８の電圧を増幅する。増幅された電圧は選択トランジスタ１２により選択されて画素信号として垂直信号線２１に出力される。
ＰＤ１からＦＤ８への検出電流は、半導体基板の表面の厚み方向成分を持った矢印４Ｃのような方向に流れる。
特許文献１の固体撮像素子において、電荷を画素信号として取り出す信号読み出し回路は、転送回路と増幅回路と選択回路の間で信号を半導体基板表面に沿って転送する。
第１実施形態の固体撮像素子１では、ＰＤ１からＦＤ８までの信号経路が基板厚み方向の成分を持った経路４Ｃとなり、その分、転送トランジスタ４の基板表面方向の大きさを小さくすることができる。すなわち、画素の小型化を図ることができる。
以上説明した第１実施形態による固体撮像素子の作用効果は以下のとおりである。
（１）固体撮像素子１００は、入射した光を光電変換して電荷を生成するＰＤ（光電変換領域）と、ＰＤ１から電荷が転送されるＦＤ（電荷転送領域）８を含む読み出し回路３００とが形成された半導体領域２０２を備える。半導体領域２０２，すなわちＰＤ１の少なくとも一部は、受光面側に設けた光路領域（入射領域）４００に突出して設けられている。
このようなＰＤ１の構成により、入射光がＰＤ１の面１ｃと側面１ｄをから入射するので、ＰＤ１の受光面積が大きくなる。したがって、Ｓ／Ｎ比が大きくなり、感度が向上する。また、露出時間の短縮によるＳ／Ｎ比の劣化、画素の微小化に伴うＳ／Ｎ比の劣化を防止することができる。したがって、たとえば１０００～１００００フレームのような高速読み出しされる固体撮像素子であってもノイズの少ない高画質の画像を得ることができる。
（２）ＰＤ１は光路領域４００の底部を貫通して受光面側まで延在している。ＰＤ１の側面から入射する光の一部が、ＰＤ１の側面に沿って光路領域内を下方に入射し、受光面側から読み出し回路３００が形成されている半導体領域２０２に光が入射しないように、光路領域４００の底部には遮光膜４５２が形成されている。
そのため、ＰＤ１の側面からの光の入射を可能とした構成を採用しても、読み出し回路３００への漏れ光によるノイズの発生を低減することができる。
（３）ＰＤ１の少なくとも一部は、ＦＤ８を含む読み出し回路３００の形成面より受光面側に延びている。そのため、ＰＤ１で発生した電荷をＦＤ８に転送する方式が半導体基板の面に平行な横転送方式ではなく、半導体基板厚み方向の成分を有する信号経路４ｃで電荷の転送が行われる。その結果、ＰＤ１の電荷をＦＤ８に横転送する従来技術の固体撮像素子に比べると、画素を小型化できる。
第１実施形態による固体撮像素子１００は次のように説明することもできる。
（１）固体撮像素子１００は、マイクロレンズ４６２を透過して入射した光を受光するＰＤ１（受光部）を有する半導体基板２０２と、マイクロレンズ４６２を透過して半導体基板２０２（の光路領域４００）に入射する光の一部を遮光する遮光膜（遮光部）４５２とを備える。ＰＤ１は、マイクロレンズ４６２と遮光膜４５２との間で、マイクロレンズ４６２を透過して入射した光を受光する。
（２）第１実施形態による固体撮像素子１００のＰＤ１（受光部）は、マイクロレンズ４６２と遮光膜（遮光部）４５２との間で、マイクロレンズ４６２の光軸と交差する方向から入射した光を受光する受光面１ｄを有する。
（３）第１実施形態による固体撮像素子１００のＰＤ１（受光部）は、マイクロレンズ４６２と遮光膜（遮光部）４５２との間で、マイクロレンズ４６２を透過して入射した光を受光する複数の受光面１ｃ，１ｄを有する。
（４）第１実施形態による固体撮像素子１００のＰＤ１（受光部）は、遮光膜（遮光部）４５２よりも光が入射してくる側で光を受光する受光面１ｃ，１ｄを有する。
（５）第１実施形態による固体撮像素子１００のＰＤ１（受光部）の少なくとも一部は、遮光膜（遮光部）４５２よりも入射光が入射してくる側に突出する。換言すると、ＰＤ１（受光部）の少なくとも一部は、光路領域４００の底部とマイクロレンズ４６２との間に凸形状に形成されている。
（６）上記（５）の固体撮像素子１００の遮光膜（遮光部）４５２は、ＰＤ１が貫通する領域である開口部４５２Ａを有し、ＰＤ１（受光部）の少なくとも一部は、開口部４５２Ａから、遮光膜（遮光部）４５２よりも入射光が入射してくる側に突出する。
（７）上記（１）～（４）の固体撮像素子１００の半導体基板２０２は、マイクロレンズ４６２と遮光膜（遮光部）４５２との間に、マイクロレンズ４６２を透過した光をＰＤ１（光電変換部）に入射させる光路領域（導波路）４００を有する。
（８）上記（５）の固体撮像素子１００の光路領域（導波路）４００は、マイクロレンズ４６２を透過し遮光膜（遮光部）４５２で遮光された光をＰＤ１（光電変換部）に入射させる。
（９）上記（７）、（８）の固体撮像素子１００の遮光膜（遮光部）４５２は、ＰＤ１が貫通する領域である開口部４５２Ａを有し、光路領域（導波路）４００は、マイクロレンズ４６２と開口部４５２Ａとの間に設けられる。
（１０）第１実施形態の固体撮像素子１００の受光部の少なくとも一部は、受光した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有する。
第１実施形態の固体撮像素子１００はまた、光電変換部で生成された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（蓄積部）８と、光電変換部で生成された電荷をフローティングディフュージョン（蓄積部）８に転送する転送トランジスタ（転送部）４とを備える。転送トランジスタ（転送部）４は、マイクロレンズ４６２の光軸方向において、光電変換部とフローティングディフュージョン（蓄積部）８との間に設けられる。
第１実施形態の固体撮像素子１００は、図３に示す矢印４ｃが、光電変換部で生成された電荷をフローティングディフュージョン（蓄積部）８に転送する転送路である。
《第２実施形態》
図４～図８に基づいて第２実施形態の固体撮像素子を説明する。
第２実施形態が第１実施形態と相違する点は以下のとおりである。
（１）固体撮像素子１００ＡがＳＯＩ基板５００を用いて形成されている点
（２）ＰＤ１の基板表面側の直下にＦＤ８が配置されている点
（３）ＰＤ１とＦＤ８と転送回路とリセット回路が一方の基板に形成され、増幅トランジスタ１１が他方の基板に形成されている点
（４）ＦＤ８が配線を介さず増幅トランジスタ１１のバックゲート電極に直接接続されている点
（５）増幅トランジスタ１１のトップゲート電極に所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）が印加される点
（６）光路領域底部の遮光膜が転送トランジスタ４の転送配線４Ｈで構成される点
（７）選択トランジスタ１２を異なる基板に設けた点
（画素２０の素子パターンの概略）
図４（ａ）は、固体撮像素子１００Ａにおける画素２０Ａの素子パターンの一部を示す断面図である。図３と同様の箇所には同様の符号を付して詳細説明は省略する。
固体撮像素子１００ＡはＳＯＩ半導体基板５００に形成される。半導体基板５００は、第１半導体基板５０１と第２半導体基板５０２とを埋め込み酸化層５０３で一体化して形成されている。
第１半導体基板５０１には、基板厚み方向（光が入射する方向）に長い縦長形状のＰＤ１と、転送トランジスタ４を含む転送回路と、ＦＤ８と、リセットトランジスタ１３を含むリセット回路とが形成されている。
第２半導体基板５０２には、増幅トランジスタ１１を含む増幅回路と、ＰＤ１のアノードをグランド電位に接続するＧＮＤ端子のスルーホール配線５０２Ｈと、リセットトランジスタ１３のドレインと増幅トランジスタ１１のドレインを所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）に接続するスルーホール配線５０２Ｈとが形成されている。第２半導体基板５０２はＳＴＩ５１により素子分離を行っている。
符号４Ｈは、転送トランジスタ４のゲート電極４ｇにゲート電圧を印加する転送配線である。符号１３ｇはリセットトランジスタ１３のゲート電極であり、このゲート電極１３ｇに図示しないリセットゲート配線からリセット電圧が供給される。
（画素２０の等価回路）
図４（ｂ）は図４（ａ）に対応する画素２０の等価回路を示す図である。
図２に示す第１実施形態の等価回路と相違する点は以下である。
ＦＤ８が増幅トランジスタ１１のバックゲート電極に接続される点と、トップゲート電極に所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）が印加される点と、選択トランジスタ１２を含む選択回路が別基板に設けられる点である。
（固体撮像素子１００Ａの詳細）
図５～図８も参照して第２実施形態の固体撮像素子１００Ａの詳細を説明する。
図５は、第２実施形態の固体撮像素子１００Ａの画素２０の平面構造を示し、図６は、図５の矢印ＶＩ方向から観た縦断面図である。図７は、図５の矢印ＶＩＩ方向から観た縦断面図である。図８は、図５の矢印ＶＩＩＩ方向から観た縦断面図である。
（第１半導体基板５０１）
図６を参照して第１半導体基板５０１について説明する。
第１半導体基板５０１は、ＰＤ１に対応する箇所が受光面側に延びる半導体領域５０１ａを含む。半導体領域５０１ａは、薄い層形状の基部領域５０１ａＫと、基部領域５０１ａＫから受光面側にＰＤ１が延びる凸領域５０１ａＴとを有する。凸領域５０１ａＴには、ｐ型半導体領域５０１ａの所定箇所にｎ型不純物やｐ型不純物を選択的に注入することにより、ＰＤ１が形成されている。基部領域５０１ａＫにも同様の不純物注入により、転送トランジスタ４を含む転送回路と、ＦＤ８と、リセットトランジスタ１３を含むリセット回路とが形成されている。
（半導体領域５０１ａ）
図６を参照すると、半導体領域５０１ａの薄い層形状の基部領域５０１ａＫには、スルーホールによってＧＮＤ端子に接続されるｐ+コンタクト領域と、スルーホールによって基準電位端子Ｖｄｄに接続されるｎ+コンタクト領域が形成されている。ｐ+コンタクト領域によってＰＤ１のアノードとｐ＋表面領域１ｂはＧＮＤ電位に固定される。ｎ+コンタクト領域によって、リセットトランジスタ１３のドレインと増幅トランジスタ１３のドレインが基準電位端子Ｖｄｄに接続される。
第１半導体基板５０１は、半導体領域５０１ａの受光面側に設けられた酸化膜５０１ｂを有する。酸化膜５０１ｂは、半導体領域５０１ａの凸領域５０１ａＴとＰＤ１の外周に形成した光路領域４００Ａを除いた箇所に形成されている。
酸化膜５０１ｂには、半導体領域５０１ａの突部であるＰＤ１を横断するように転送配線４Ｈが形成されている。酸化膜５０１ｂにはまた、転送配線４Ｈよりも受光面側の領域において、凸形状のＰＤ１の外周を取り囲む断面矩形の光路領域４００Ａが設けられている。
転送配線４Ｈは、光路領域４００Ａに入射した光が図４の下方（受光面とは反対側）に入射しないよう、光路領域４００Ａを横断して形成されている。したがって、図３で説明した遮光膜４５２と同様の機能を有することになり、専用の遮光膜４５２は不要である。
ＰＤ１は、第１実施形態と同様に、光電変換領域１ａと表面領域１ｂとを有する埋め込み型フォトダイオードである。表面領域１ｂのｐ＋領域は、光電変換領域１ａの空乏層が表面に到達することを防ぐ。これによって、半導体界面で発生する暗電流が光電変換領域１ａへ流れることを抑制する。
（ＰＤ１，ＦＤ８の詳細）
ＰＤ１，ＦＤ８の構成について図６～図８を参照して詳細に説明する。
半導体基板５０１ａの凸領域５０１ａＴの上面側の所定領域、すなわち、転送配線４Ｈよりも受光面側のｐ型領域において、ｎ型不純物を適宜の濃度で注入してｐ－ｎ接合のＰＤ１を形成する。図６では、ＰＤ１にはｎ領域とｎ＋領域が形成されている。
ＦＤ８は、半導体基板基部領域５０１ａＫと凸領域５０１ａＴとの境界領域においてｎ型不純物を注入して形成されている。図５のＶＩ方向から観た図６において、ＦＤ８は便宜上Ｌ字形状で示している。ＰＤ１は、第１実施形態と同様の形状を有している。ＰＤ１は、少なくとも一部が光の入射する方向に向かって凸部を有している。換言すれば、ＰＤ１の少なくとも一部は、転送配線４Ｈが有する開口部４ＨＡを貫通して光が入射する方向に向かって延びており、転送配線４Ｈよりも受光面側にある。なお、ＰＤ１の少なくとも一部は、反射膜４５０または開口４０１よりも光が入射する方向に向かって延びていてもよい。
ＦＤ８の上端のｎ型領域がｐ型領域を介してＰＤ１のｎ領域と対向している。この対向領域で、ＰＤ１に蓄積された電荷による検出電流を流すように、このチャンネルを制御する転送ゲート電極４ｇが凸領域５０１ａＴの外周部の酸化膜５０１ｂにポリシリコンで形成されている。転送ゲート電極４ｇは転送配線４Ｈと接続されている。転送配線４Ｈは図８に示すようにスルーホールで貫通するＴＧ端子４Ｔに接続されている。転送ゲート信号がＴＧ端子４Ｔに供給されると、転送トランジスタ４によりＰＤ１の電荷がＦＤ８に転送される。
一方、ＦＤ８の下部（受光面側の反対側）は、埋め込み分離層５０３を介して増幅トランジスタ１１のチャネル部を覆っており、バックゲート電極として働く。
転送ゲート電極４ｇの下方の酸化膜５０１ｂにはリセットゲート電極１３ｇがポリシリコンで形成されている。リセットゲート電極１３ｇは、図８に示すように、第１半導体基板５０１と第２半導体基板５０２を貫通するスルーホール配線５０２Ｈによりリセットゲート端子ＲＳＴと接続されている。
転送トランジスタ４により、ＰＤ１で発生した電荷による検出電流が、半導体基板の表面の厚み方向成分を持った矢印４Ｃ（図６参照）のような方向に流れる。ＦＤ８は、増幅トランジスタ１１のバックゲート電極として働く。増幅トランジスタ１１のトップゲート電極１１ｇには所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）が接続されている。ＦＤ８の電位が変動し、それに応じて増幅トランジスタ１１はＦＤ８の電圧を増幅する。増幅トランジスタ１１で増幅した電圧は、基板表面に沿った横転送方式で図示しない選択トランジスタ１２に供給されて垂直信号線から画素信号として出力される。
従来は、ＰＤ１で発生した電荷による検出電流が半導体基板の表面に沿った方向に流れる。一方、第１実施形態の固体撮像素子１では、ＰＤ１からＦＤ８までの信号経路は基板厚み方向の成分を持った経路となり、その分、転送トランジスタ４の基板表面方向の大きさを小さくすることができる。すなわち、画素の小型化を図ることができる。
第２実施形態の固体撮像素子１００Ａは第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
すなわち、第２実施形態の固体撮像素子１００Ａは、マイクロレンズ４６２を透過して入射した光を受光するＰＤ１（受光部）を有する半導体基板５００と、マイクロレンズ４６２を透過して半導体基板５００に入射する光の一部を遮光するＴＧ配線４Ｈ（遮光部）とを備える。ＰＤ１は、マイクロレンズ４６２とＴＧ配線４Ｈ（遮光部）との間で、マイクロレンズ４６２を透過して入射した光を受光する。
第２実施形態の固体撮像素子１００ＡのＰＤ１（受光部）の少なくとも一部は、受光した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有する。
第２実施形態の固体撮像素子１００Ａはまた、光電変換部で生成された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（蓄積部）８と、光電変換部で生成された電荷をフローティングディフュージョン（蓄積部）８に転送する転送トランジスタ（転送部）４とを備える。転送トランジスタ（転送部）４は、マイクロレンズ４６２の光軸方向において、光電変換部とフローティングディフュージョン（蓄積部）８との間に設けられる。図６を参照すると、転送トランジスタ４により、ＰＤ１で発生した電荷による検出電流が、半導体基板の表面の厚み方向成分を持った矢印４Ｃ（図６参照）のような方向に流れる。
第２実施形態の固体撮像素子１００Ａは、図６に示す矢印４ｃが、光電変換部で生成された電荷をフローティングディフュージョン（蓄積部）８に転送する転送路である。
加えて、次のような作用効果を奏することができる。
（１）ＦＤ８をＰＤ１の直下に配設したので画素を高密度に実装できる。
（２）ＰＤ１の直下に配設したＦＤ８が配線を介さず、増幅トランジスタ１１のバックゲート電極として働くようにしたので、ＦＤ８の容量を小さくでき、変換ゲインを大きくすることができる。
（３）光路領域底部の遮光を転送配線４Ｈで行うようにしたので、第１実施形態で必要であった専用の遮光膜４５２が不要となる。
以上説明した第２実施形態を次のように変形して実施することもできる。
《第２実施形態の変形例１》
図９は、第２実施形態の変形例１の固体撮像素子１００Ｂの構成を示す図であり、第２実施形態の図６と対応する。図１０は図９の固体撮像素子１００Ｂの等価回路を示す図であり、第２実施形態の図４（ｂ）と対応する。図６および図４（ｂ）と同様な箇所には同一の符号を付して相違点のみ主に説明する。
図６の固体撮像素子１００Ａでは、ＦＤ８を配線を介さず増幅トランジスタ１１のバックゲート電極に接続し、トップゲート電極１１ｇには所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）を印加するものとした。これに対して、図９の固体撮像素子１００Ｂでは、増幅トランジスタ１１のトップゲート電極１１ｇに配線６０１によりＦＤ８を接続する。したがって、増幅トランジスタ１１のバックゲート電極とトップゲート電極１１ｇとに同電位のゲート駆動信号が入力される。
第２実施形態の変形例１の固体撮像素子１００Ｂも第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
第２実施形態の変形例１の固体撮像素子１００Ｂでは、増幅トランジスタ１１のバックゲート電極とトップゲート電極の双方にＦＤ８由来の同電位のゲート駆動信号が入力されるので、次のような作用効果も得られる。
（１）第２実施形態ではトップゲート電極に印加する所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）を電荷読み出しタイミングでトップゲート電極に印加する必要があり、回路構成が複雑になる。ＦＤ８由来のゲート駆動信号をトップゲート電極とバックゲート電極とに入力することにより、そのようなタイミング回路が不要となり回路が簡素化される。
《第２実施形態の変形例２》
図１１は、第２実施形態の変形例２の固体撮像素子１００Ｃの構成を示す図であり、第２実施形態の変形例１の図９と対応する。図１２は図１１の固体撮像素子１００Ｃの等価回路を示す図であり、第２実施形態の図４（ｂ）と対応する。図９および図４（ｂ）と同様な箇所には同一の符号を付して相違点のみ主に説明する。
図６の固体撮像素子１００Ａでは、ＦＤ８を配線を介さず増幅トランジスタ１１のバックゲート電極に接続し、トップゲート電極には所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）を印加するものとした。これに対して、図１１の固体撮像素子１００Ｃでは、増幅トランジスタ１１のバックゲート電極の電位をｐ領域のＧＮＤ電位とする。
第２実施形態の変形例２の固体撮像素子１００Ｃも第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
《第２実施形態の変形例３》
図１３は、第２実施形態の変形例３の固体撮像素子１００Ｄの構成を示す図であり、第２実施形態の図７と対応する。図１３の固体撮像素子１００Ｄの等価回路は図１２で示される。図７および図４（ｂ）と同様な箇所には同一の符号を付して相違点のみ主に説明する。
図６の固体撮像素子１００Ａでは、ＦＤ８を配線を介さず増幅トランジスタ１１のバックゲート電極に接続し、トップゲート電極１１ｇには所定電位（たとえば基準電位Ｖｄｄ）を印加するものとした。これに対して、図１３の固体撮像素子１００Ｄでは、増幅トランジスタ１１のトップゲート電極を配線を介さずにＦＤ８に接続し、増幅トランジスタ１１のバックゲート電極はＧＮＤ端子を直接ｐ領域に接続する。すなわち、バックゲート電極の構造はいわゆるＭＯＳ構造ではない。
第２実施形態の変形例３の固体撮像素子１００Ｄも第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
《第３実施形態》
図１４は、第３実施形態の固体撮像素子１００Ｅの構成を示す図であり、第１実施形態の図２、図３と対応する。図２、図３と同様な箇所には同一の符号を付して相違点のみ主に説明する。
第３実施形態の固体撮像素子１００Ｅは、いわゆるグローバルシャッタを可能とする素子であり、画素ごとに画素信号を保存するメモリを備える。
固体撮像素子１００Ｅは、１枚の半導体基板内２００に形成される。薄い層の半導体基部２０２Ｋ内に、ＦＤ８，メモリ８１、さらに、オーバーフローティングゲート８２が形成されている。ＴＧ１，ＴＧ２は、ＰＤ１の電荷をメモリ８１とＦＤ８に転送する転送ゲートのゲート電極である。転送ゲート電極ＴＧ２をゲート電極ＴＧ１と重複して形成することにより、読み出し回路への光の入射を防止できる。
また、凸状半導体領域２０２Ｔ内に形成したＰＤ１の外周の光路領域４００Ｂの形状を角柱形状ではなく、角錐形状としたものである。光路領域４００Ｂは、受光面から凹んだすり鉢状の光入射領域を形成する。光路領域４００Ｂは空洞である。
第１実施形態と同様に光路領域４００ＢにＳｉＯ２などの可視光の透過率が高い材料を堆積させてもよい。
白黒の固体撮像素子であれば、カラーフィルタは不要である。 酸化膜２０１の受光面の遮光膜４５０と、光路領域４００の周面反射膜４５１と、光路領域４００の底面の遮光膜４５２を別々の材料で形成せず、同一の材料で形成してもよい。
第３実施形態の固体撮像素子１００Ｅも第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
《第４実施形態》
図１５は、第４実施形態の固体撮像素子１００Ｆの構成を示す図であり、第３実施形態の図１４と対応する。図１４と同様な箇所には同一の符号を付して相違点のみ主に説明する。
第３実施形態の固体撮像素子１００Ｅはいわゆる裏面照射型の素子である。第４実施形態の固体撮像素子１００Ｆは受光面側に配線領域を配置した表面照射型の素子である。光路領域４００のさらに外側の領域、すなわち受光面側の酸化膜２０１に配線２０３Ｈが形成されている。その他の構成は第３実施形態と同様であり説明を省略する。
第４実施形態の固体撮像素子１００Ｆも第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
《第５実施形態》
図１６は、第５実施形態の固体撮像素子１００Ｇの構成を示す図であり、第４実施形態の図１５と対応する。図１５と同様な箇所には同一の符号を付して相違点のみ主に説明する。
第５実施形態の固体撮像素子１００Ｇも受光側に配線領域を配置した表面照射型の素子である。第４実施形態の固体撮像素子１００Ｆとの相違点は、縦長のＰＤ１の外周に形成した光路領域の形状である。
第５実施形態の固体撮像素子１００Ｇは、１枚の半導体基板内に形成される。薄い層の半導体基部２０２Ｋ内に、ＦＤ８，メモリ８１、さらに、オーバーフローティングゲート８２が形成されている。また、凸状半導体領域２０２Ｔ内に形成したＰＤ１の外周には、光路領域４００Ｂに代えて、断面矩形の角柱状の光導波路４００Ｃが形成されている。
第５実施形態の固体撮像素子１００Ｇも第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
以上説明した各実施形態を次のように変形して実施することもできる。
以下説明する変形例は、固体撮像素子の色別の高感度化と分離特性を向上させるようにしたものである。
一般的に、撮像素子の内部量子効率はフォトダイオードの形成位置と光の波長で決まる光吸収深さに依存する。シリコン表面側にフォトダイオードが形成される表面照射型の画素では、内部量子効率は短波長光ほど高く、長波長光ほど低い。逆に、裏面照射型の画素では、シリコン基板の深い領域にフォトダイオードが形成されるので、内部量子効率は長波長光ほど高く、短波長光ほど低くなる。
フォトダイオードをある固定の深さに形成するのではなく、波長毎に最適な深さにフォトダイオードを形成できれば、表面照射型でも裏面照射型でも内部量子効率は向上する。しかし、シリコン基板の深い領域にフォトダイオードを形成してしまうと完全転送が難しくなるため、従来は作成が困難であった。
また、像面位相差検出機能を持つ撮像素子は、一般に画素内にＰ型分離で左右に分割された二つのフォトダイオードを持つ。上記のようにフォトダイオード深さを波長毎に変える場合、Ｐ型分離深さも同じ深さに形成する必要があるが、シリコンの深い領域で良好なＰ型分離構造を形成することは困難である。シリコンの深い領域でＰ型分離が不十分だと、表面照射型素子では長波長光で、裏面照射型素子では逆に短波長光で分離特性が悪くなる。
以下の変形例の構成を有する固体撮像素子は、垂直型転送ゲート構造を用いて光波長に応じた深さのフォトダイオードを実現することで、感度を向上させ、また、光波長に応じてフォトダイオード開口率を調整することで、分離特性を向上させることができる。
《変形例１》
第１実施形態～第５実施形態では、受光面からＰＤまでの深さ位置は波長選択した光にかかわらず固定である。変形例１では、入射面（受光面）からＰＤまでの深さ位置を波長選択した光に応じた位置、すなわちＲＧＢ画素に応じた位置とする。さらに変形例１では、垂直型転送ゲート構造を採用してＰＤからＦＤへ電荷を転送する。
図１７～図２０の固体撮像素子１００Ｈ～１００Ｋは、いずれもＰＤ１をＲＧＢの波長に応じた深さに配置し、ＰＤ１の電荷を垂直型転送ゲートＦＤ６１Ｒ、６１Ｇ、６１ＢでＦＤ８に転送するものである。
図１７の固体撮像素子１００Ｈは、Ｓｉ層６５１と配線領域６５２とから成る半導体基板６００上にＲＧＢの画素をベイヤ配列などで形成したものである。
例えば、カラーフィルタがベイヤ配列の表面照射型画素では、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順でフォトダイオードをシリコン層の深い位置に形成し、垂直型転送ゲート６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂのゲート長もそれに応じて長さを変える。裏面照射型画素では逆にフォトダイオードをＢ画素、Ｇ画素、Ｒ画素の順で深く形成し、ゲート長もそれに応じた長さにする。
具体的には、Ｒ画素のＳｉ層６５１内には、Ｓｉ層６５１の表面から第１の深さ位置にＰＤ１が、Ｓｉ層６５１の表面にはＦＤ８が形成されている。Ｇ画素のＳｉ層６５１内には、Ｓｉ層６５１の表面から第２の深さ位置にＰＤ１が、Ｓｉ層６５１の表面にはＦＤ８が形成されている。Ｂ画素のＳｉ層６５１内には、Ｓｉ層６５１の表面から第３の深さ位置にＰＤ１が、Ｓｉ層６５１の表面にはＦＤ８が形成されている。第１の深さ位置＜第２の深さ位置＜第３の深さ位置である。
ＲＧＢの各画素において、ＰＤ１とＦＤ８との間で電荷を転送する垂直型転送ゲート６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂ（以下、代表して符号６１とする）がＳｉ層６５１内に設けられている。ゲート長は、転送ゲート６１Ｒ＜転送ゲート６１Ｇ＜転送ゲート６１Ｂである。
配線領域６５２には、垂直型転送ゲート６１にゲート制御信号を入力する配線６５２Ｈが設けられている。配線領域６５２Ｈにはまた、ＦＤ８の電位を不図示の増幅トランジスタに転送する配線６５３Ｈも設けられている。なお、配線領域６５２の配線以外の領域はＳｉＯ２等の酸化膜６５２Ｓである。
図１８の固体撮像素子１００Ｉは、図１７の固体撮像素子１００Ｈを表面照射型の素子に代えたものである。
具体的には、Ｒ画素のＳｉ層６５１内には、Ｓｉ層６５１の表面から第４の深さ位置にＰＤ１が、Ｓｉ層６５１の表面にはＦＤ８が形成されている。Ｇ画素のＳｉ層６５１内には、Ｓｉ層６５１の表面から第５の深さ位置にＰＤ１が、Ｓｉ層６５１の表面にはＦＤ８が形成されている。Ｂ画素のＳｉ層６５１内には、Ｓｉ層６５１の表面から第６の深さ位置にＰＤ１が、Ｓｉ層６５１の表面にはＦＤ８が形成されている。第４の深さ位置＞第５の深さ位置＞第６の深さ位置である。
ＲＧＢの各画素において、ＰＤ１とＦＤ８との間で電荷を転送する垂直型転送ゲート６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂ（以下、代表して符号６１とする）がＳｉ層６５１内に設けられている。ゲート長は、転送ゲート６１Ｒ＞転送ゲート６１Ｇ＞転送ゲート６１Ｂである。
図１７と同一の箇所には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図１７、図１８の固体撮像素子１００Ｈ、１００Ｉは次のような作用効果を奏する。
（１）図１７および図１８に示した変形例の固体撮像素子１００Ｈと１００Ｉは、画素内のフォトダイオードの形成深さと、垂直型転送ゲートのゲート長が、カラーフィルタ色毎に異なるようにした。色毎にＰＤ１が異なる深さに形成されていても、垂直型転送ゲート長を最適化し、転送ゲートをＰＤ１に隣接して配置させることで、転送特性を悪化させずに内部量子効率を向上できる。
《変形例２》
画素内に２つのフォトダイオードがある場合にも同構造を適用しても良い。
具体的には、図１９の固体撮像素子１００Ｊは、図１７の固体撮像素子１００Ｈの一つの画素に一対のＰＤ１Ｌ，ＰＤ１Ｒを設けたいわゆる２ＰＤ型の素子である。一対のＰＤ１Ｌ，ＰＤ１Ｒに対応するＦＤ８Ｌ、８Ｒが設けられている。
同一の箇所には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
フォトダイオードが４つ、８つ、・・・と増えた場合も同様である。
図２０の固体撮像素子１００Ｋは、図１８の固体撮像素子１００Ｉの一つの画素に一対のＰＤ１Ｌ，ＰＤ１Ｒを設けたいわゆる２ＰＤ型の素子である。一対のＰＤ１Ｌ，ＰＤ１Ｒに対応するＦＤ８Ｌ、８Ｒが設けられている。一対のＰＤ１ＬとＰＤ１Ｒとの間隔は波長が長いほど広くしている。
同一の箇所には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
フォトダイオードが４つ、８つ、・・・と増えた場合も同様である。
図１９、図２０の固体撮像素子１００Ｈ、１００Ｉは次のような作用効果を奏する。
（１）図１９、図２０固体撮像素子は、画素内に２つのフォトダイオードがある構造で、カラーフィルタ色毎にフォトダイオード開口率が異なる。図１８、図１９の例では、２つのフォトダイオード間の距離を波長が長いほど小さくしている。そのようにすることで、色毎にフォトダイオードが異なる深さに形成されていても、色毎に２つのフォトダイオード間の距離を調整することで、フォトダイオード分離部の電子の収集効率を変化させることが出来るので、分離特性の最適化が出来る。
例えば、ベイヤ配列の表面照射型画素構造では、深い領域で吸収されるＲ波長ほど分離が悪いので、二つのフォトダイオード間距離をＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順で広く作ると、Ｒ画素でも分離が良くなる。逆に、裏面照射型画素構造では、浅い領域で吸収されるＢ波長ほど分離が悪いので、二つのフォトダイオード間距離をＢ画素、Ｇ画素、Ｒ画素の順で広く作ると、Ｂ画素でも分離が良くなる。
以上説明した図１７～図２０の固体撮像素子１００Ｈ～１００Ｋによれば、色別の感度を向上による高ＳＮ比が実現でき、分離特性向上によりオートフォーカス精度が向上する。
《第３実施形態の変形例》
図２１は、第３実施形態の変形例である固体撮像素子１００Ｌを示す図である。
第３実施形態を示す図１４と同様な箇所には同様な符号を付して相違点を説明する。
主たる相違点は次の通りである。第３実施形態の固体撮像素子１００Ｅの半導体基板２０２は、半導体基部２０２Ｋと、凸状半導体領域２０２Ｔとを含む。凸状半導体領域２０２Ｔ内にはＰＤ１が形成され、その外周に断面が角錐形状の光路領域４００Ｂを形成したものである。
第３実施形態の変形例の固体撮像素子１００Ｌは、半導体基板２０００を備えている。半導体基は２０００は、半導体基部２０００Ｋと、その上面に係止された遮光部２０００Ｓと、遮光部２０００Ｓを間に介在させて上層に形成された酸化層２００１と、半導体基部２０００Ｋの下面に形成された配線層２００２とを備えている。酸化層２００１には画素単位を構成する角錘形状の凹部２００１Ｒが形成されている。酸化層２００１の上面には、凹部２００１Ｒの開口を除いた領域に遮光部２００１Ｓが形成されている。凹部２００１Ｒの表面には遮光部が形成されず、傾斜する側壁面と底面にＰＤ（光電変換部）２００３が形成されている。凹部２００１Ｒは入射光を受光する光路領域４００Ｄである。
半導体基部２０００Ｋには、フロ－ティングディフュージョン（ＦＤ）８と、ＰＤ２００３で光電変換された電荷をフロ－ティングディフュージョン８に転送するための転送トランジス４とが形成されている。転送トランジスタ４はゲート電極ＴＧ１の信号制御による導通非導通が制御される。フロ－ティングディフュージョン８に蓄積された電荷は、増幅回路ＳＦampで増幅され、垂直信号線に読み出される。
このように構成された第３実施形態の変形例の固体撮像素子１００Ｌは、図示しないマイクロレンズを透過して入射した光を受光するＰＤ２００３と、ＰＤ２００３が形成される半導体基部２０００Ｋと、マイクロレンズを透過して半導体基板２０００Ｋに入射する光の一部を遮光する遮光部２０００Ｓとを備えている。ＰＤ２００３は、図示しないマイクロレンズと遮光部２０００Ｓとの間で、マイクロレンズを透過して入射した光を受光する。
本発明による撮像素子は以上で説明した実施形態や変形例に限定されず、以下のような撮像素子も本発明に含まれる。図も参照して説明する。
図１～図３を参照して説明する。
（１）固体撮像素子１００は、入射光を光電変換する光電変換部１を含む光電変換領域、および、光電変換された電荷を読み出す回路３００が形成される半導体領域２０２と、開口部４０１を有し、半導体領域２０２の少なくとも一部を遮光する遮光部４５０とを備える。光電変換部１の少なくとも一部は、開口部４０１から入射する光の入射方向に沿って設けられる。すなわち、光電変換部１の少なくとも一部は、マイクロレンズ４６２の光軸方向に延在している。
光電変換部１の少なくとも一部が開口部４０１から入射する光の入射方向に沿って設けられているので、基板平面視において、開口部４０１と光電変換部１が重なって配置され、画素の小型化に寄与する。
（２）上記（１）の固体撮像素子１００において、光電変換領域の少なくとも一部は、開口部４０１から入射光が入射する側に突出されている。
たとえば、光電変換領域は、開口部４０１から入射光が入射する側に凸部を有する。
（４）固体撮像素子１００は、入射光を光電変換して電荷を生成する光電変換部１を含む光電変換領域と、光電変換領域から電荷が転送される電荷転送部４を含む電荷転送領域と、光電変換領域と電荷転送領域とが設けられる半導体領域２０２とを備える。半導体領域２０２の少なくとも一部は、入射光の入射する側に凸領域２０２Ｔを有し、光電変換部１の少なくとも一部は凸領域２０２Ｔに設けられる。
半導体領域２０２の少なくとも一部が、開口部４０１から入射光の入射する側に凸領域２０２Ｔを有し、光電変換部１の少なくとも一部が凸領域２０２Ｔに設けられている。基板平面視において、開口部４０１と光電変換部１が重なって配置されているので、画素を小型化することができる。
（５）上記（４）の固体撮像素子１００は開口部４０１を有し、固体撮像素子１００は、半導体領域２０２の少なくとも一部を遮光する遮光部４５０を備え、光電変換領域は、開口部４０１から入射する光の入射方向の凸領域２０２Ｔに設けられる。
（６）固体撮像素子１００は、入射した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部１を含む光電変換領域と、光電変換領域から電荷が転送される電荷転送部４を含む電荷転送領域と、光電変換領域と電荷転送領域とが設けられる半導体領域２０２とを備える。半導体領域２０２の少なくとも一部は、入射領域４００に突出して設けられ、光電変換領域の少なくとも一部は、入射領域４００に突出して設けられる。
半導体領域２０２の少なくとも一部が入射領域４００に突出して設けられ、光電変換領域の少なくとも一部が入射領域４００に突出して設けられているので、画素を小型化することができる。また、入射領域４００に光電変換領域の少なくとも一部が突出して設けられているので、光電変換領域の周囲からも光が入射されるので、素子の変換ゲインが向上する。
（７）上記（６）の固体撮像素子１００において、半導体領域２０２の少なくとも一部は、入射領域４００に入射光の入射する方向に凸の領域２０２Ｔを有し、光電変換領域１の少なくとも一部は、凸領域２０２Ｔに設けられている。
（８）上記（７）の固体撮像素子１００は開口部４０１を有し、固体撮像素子１００は半導体領域２０２の少なくとも一部を遮光する遮光部４５０を備える。凸領域２０２Ｔは、開口部４０１から入射する光の入射方向に延在する領域である。
（９）上記（６）～（８）の固体撮像素子１００において、入射領域は、入射光の光路領域４００である。
（１０）上記（１）～（９）の固体撮像素子１００において、遮光部４５０は、光電変換領域を除いた半導体領域２０２を遮光するように形成されている。
（１１）上記（１）～（１０）の固体撮像素子において、入射光を受光する面と対向する他の面に配線が形成され配線領域２０３が設けられている。
図４～図８を参照して説明する。
（１２）上記（４）～（９）の固体撮像素子において、固体撮像素子は、埋め込み酸化層５０３で一の半導体領域５０１と他の半導体領域５０２に分離されたＳＯＩ基板５００に設けられ、また、固体撮像素子は、電荷転送領域の電荷蓄積部８の出力を増幅する増幅部１１を含む増幅領域を含み、光電変換領域と電荷転送領域とは一の半導体領域５０１に形成され、増幅領域は他の半導体領域５０２に形成されている。
（１３）上記（１２）の固体撮像素子において、電荷転送領域には、光電変換領域で光電変換された電荷を転送する転送部４と、転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン８とが設けられ、フローティングディフュージョン８は光電変換部１の下方に形成されている。
（１４）上記（１３）に記載の固体撮像素子において、増幅部１１はフローティングディフュージョン８の直下に配置され、埋め込み酸化層５０３を貫通する配線でフローティングディフュージョン８と接続されている。
（１５）上記（１２）～（１４）の固体撮像素子において、増幅部１１で増幅した出力を選択する選択部１２を有するＩＳＯ基板５００とは別の半導体基板が、ＩＯＳ基板５００の他の半導体領域５０２に積層されている。
本発明は、以上説明した実施形態、変形例に限定されない。本発明を逸脱しない範囲で種々の変形、変更を行った固体撮像素子も本発明の範囲内である。
また本発明は、図２２に示すように、上述した各実施形態、変形例の撮像素子１００～１００Ｌと、撮像素子１００～１００Ｌから出力された信号に基づいて画像データを生成する生成部１５００と備える撮像装置１６００としても実施することができる。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１５年第１９５３４７号（２０１５年９月３０日出願）
１…フォトダイオード、１ａ…光電変換領域、１ｂ…表面領域、１ｃ…面，１ｄ…周面、４…転送トランジスタ、４ｇ…転送ゲート電極、４Ｈ…転送配線、８…フローティングディフュージョン、１１…増幅トランジスタ、１２…選択トランジスタ、１３…リセットトランジスタ、２０…画素、２１…垂直信号線、１００～１００Ｋ…固体撮像素子、２００…半導体基板、２０１…酸化膜、２０２…半導体領域、２０３…配線領域、２０２Ｋ、５０１ａＫ…基部領域、２０２Ｔ，５０１ａＴ…凸領域、４００…光路領域、４０１…開口、４５０，４５２…遮光膜、４５１…反射膜、５００…ＳＯＩ基板、５０１…第１半導体基板、５０２…第２半導体基板、５０３…埋め込み酸化層

Claims (9)

  1. マイクロレンズを透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、
    前記光電変換部から転送された電荷を蓄積するメモリと、
    前記メモリから転送された電荷を蓄積する蓄積部と、
    側面に配置される第１部と底面に配置される第２部とを有し前記光電変換部の周囲に設けられる凹部と、前記光電変換部の受光面に沿った方向において、前記マイクロレンズの光軸方向と交差する方向に延びる第３部と、を有し、前記光電変換部の周囲に設けられ、前記メモリに入射する光を遮光する遮光部と、を備える撮像素子。
  2. 請求項１に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部は、半導体層の酸化膜に埋め込んで設けられ、
    前記遮光部は、前記光電変換部の周囲の酸化膜に光が入射しないよう遮光する撮像素子。
  3. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部は、柱形状であり、前記柱形状の側面である前記マイクロレンズの光軸方向に沿った面のうち第１面と前記第１面とは異なる第２面と有し、
    前記遮光部は、前記光電変換部の前記第１面側と前記第２面側とに配置される撮像素子。
  4. 請求項３に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部は、前記マイクロレンズの光軸方向と交差する方向において、前記第１面側に配置された前記遮光部と、前記第２面側に配置された前記遮光部との間に設けられる撮像素子。
  5. 請求項３または４に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部の前記第１面と前記第２面とは、前記光電変換部に光を入射させる光路領域に面している撮像素子。
  6. 請求項３から５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記メモリは、前記光電変換部の前記第１面側の半導体層に設けられる撮像素子。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部と前記メモリと前記遮光部が設けられる半導体層と、
    前記メモリに保持された電荷に基づく信号が出力される信号線が設けられる配線層と、
    を備え、
    前記マイクロレンズと前記半導体層と前記配線層とは、前記マイクロレンズの光軸方向に沿って、前記マイクロレンズ、前記半導体層、前記配線層の順に設けられる撮像素子。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部から前記メモリに電荷を転送する第１転送部と、
    前記メモリから前記蓄積部に電荷を転送する第２転送部と、を備える撮像素子。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子から出力された信号に基づいて画像データを生成する生成部と、を備える撮像装置。
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