JP2005268476A - 光電変換膜積層型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 読出パルスの電位が変動しても、これに起因するノイズが信号電荷量に重畳しない光電変換膜積層型固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 信号電荷蓄積領域１３２ｒと電荷結合素子型の信号読出回路１３０ｒ，１４２とが形成された半導体基板１４０と、半導体基板１４０の上に積層された光電変換膜１２３ｒとを備え、各光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号電荷が信号電荷蓄積領域１３２ｒに蓄積され前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像装置において、光電変換膜１２３ｒで生成された信号電荷を信号電荷蓄積領域１３２ｒに流す配線接続部１３１ｒの周りに該配線接続部１３１ｒの電荷に対して一定電位障壁となる電位障壁手段１３４ｒを設ける。これにより、配線接続部の電荷が一定電位障壁によって保持され、読出パルスの電位が変動しても信号電荷に重畳しない。
【選択図】 図５

Description

本発明は、受光量に応じた電荷を発生する光電変換膜を半導体基板上に積層した光電変換膜積層型固体撮像装置に係り、特に、光電変換膜で発生した信号電荷を半導体基板上に形成した電荷転送路によって転送し外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像装置に関する。

デジタルカメラに搭載されているＣＣＤ型固体撮像装置やＣＭＯＳ型固体撮像装置では、半導体基板の表面に、受光部となる多数の光電変換素子（フォトダイオード）と、各光電変換素子で得られた光電変換信号を外部に読み出す信号読出回路が形成されている。 信号読出回路は、ＣＣＤ型であれば電荷転送回路と転送電極、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳ回路と信号配線で構成される。

従って、従来の固体撮像装置は、多数の受光部と信号読出回路とを同じ半導体基板の表面に形成しなければならず、受光部の面積を広くとることができないという問題がある。

また、従来の単板式の固体撮像装置は、各受光部に、例えば赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のカラーフィルタのうちの１つが積層され、各受光部が夫々１色の光信号を検出する構成になっている。このため、例えば赤色の光を検出する受光部位置における青色光の信号及び緑色光の信号は、周りの青色光，緑色光を検出する各受光部の検出信号を補間演算して求めており、これが偽色の原因となり、また、解像度を低下させている。しかも、赤色のカラーフィルタが形成された受光部に入射した青色光と緑色光は光電変換に寄与することなくカラーフィルタに熱として吸収されてしまい、このため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題もある。

従来の固体撮像装置は、上述したように様々な問題を抱えている一方、多画素化が進展して、現在では、数百万画素という多数の受光部を１チップの半導体基板上に集積しており、１つ１つの受光部の開口寸法が波長オーダに近づいている。このため、上述した各問題を解決し画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのが困難になっている。

そこで、例えば下記特許文献１に記載されている固体撮像装置の構造が見直されている。この固体撮像装置は、信号読出回路を表面に形成した半導体基板上に、赤色検出用の感光層と、緑色検出用の感光層と、青色検出用の感光層を成膜技術によって積層し、これらの感光層を受光部とし、各感光層で得られた光電変換信号を、信号読出回路によって外部に取り出すという構造、即ち、光電変換膜積層型の構造になっている。

斯かる構造にすれば、半導体基板表面に受光部を設ける必要が無くなるため、信号読出回路の設計上の制約が大幅になくなり、また、入射光の光利用効率が向上して感度が向上する。更に、１画素で赤色，緑色，青色の３原色の光を検出できるため、解像度が向上し、偽色もなくなり、上述した従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が抱えていた問題を解決することが可能となる。

そこで、近年では、下記特許文献２，３，４，５に記載されている光電変換膜積層型固体撮像装置が提案されるようになってきており、上記の感光層として、有機半導体を使用したり、ナノ粒子を使用したりしている。

しかし、これらの光電変換膜積層型固体撮像装置を使用して高精細な静止画像を撮像するには、信号読出回路を形成する半導体基板側の構造が不十分であり、読出信号にノイズが多いという問題がある。これを図１３を用いて説明する。

図１３（ａ）は、半導体基板表面部における要部断面模式図であり、信号読出回路として電荷結合素子型の電荷転送路を用いている。半導体基板１の表面部には、ｎ型半導体領域でなる信号電荷蓄積部２が設けられ、また、これと離間して、ｎ型半導体領域でなる電荷転送チャネル３が設けられており、最表面は絶縁膜４で覆われている。この絶縁膜４を貫通する柱状の配線電極５が信号電荷蓄積部２に立設され、対応する光電変換膜の電極（図示せず）に接続されている。また、絶縁膜４の表面には、信号電荷蓄積部２と電荷転送チャネル３とを架け渡す転送電極（読出電極）６が設けられている。

図１３（ｂ）は、図１に示す構成の電位井戸を示す図である。信号電荷蓄積部２には柱状の配線電極５が接続され一体になっているため、信号電荷蓄積部２の下にできた井戸７内には、大量の自由電子ＱＢが存在する。この自由電子ＱＢの上に、光電変換によって発生した信号電荷Ｑｓｉｇが配線電極５を通して流れ込むことになる。

ここで、転送電極６に読出パルスを印加すると、図１３（ｃ）に示す様に、電荷転送チャネル３下の井戸８と井戸７との間の障壁９が下がり、信号電荷Ｑｓｉｇが井戸７から井戸８に移動して信号電荷Ｑｓｉｇの読み出しが行われ、自由電子ＱＢは井戸７内に残る。

しかし、井戸７内の自由電子ＱＢが常に一定すなわち、読出パルス印加時の電位障壁９の電位が常に一定であれば問題無いが、信号電荷Ｑｓｉｇの読み出しを行うときに、転送電極６に印加する読出パルスの電位Ｖ１がΔＶ１だけ変動すると、自由電子ＱＢの一部が井戸８内に移動してしまい、信号電荷に対してノイズになってしまうという問題がある。

特開昭５８―１０３１６５号公報 特開２００２―８３９４６号公報 特表２００２―５０２１２０号公報 特表２００３―５０２８４７号公報 特許第３４０５０９９号公報

上述したように、光電変換膜積層型固体撮像装置では、光電変換膜の電極と信号電荷蓄積部とを接続する配線電極部に存在する大量の自由電子が読出パルスの電位変動によって信号電荷と共に電荷転送チャネルに読み出されてしまい、ノイズになるという問題があり、この問題を解決しないと、光電変換膜積層型固体撮像装置をデジタルスチルカメラ等に搭載して高精細，高画質の静止画像を撮像することができない。

また、従来の光電変換膜積層型固体撮像装置には、電子シャッタ機能を実現するオーバーフロードレイン構造を設けていないため、この構造をどのようにして設けるかを研究する必要がある。

本発明の目的は、読出パルスの電位が変動してもこれが原因となって転送路に読み出された信号電荷量のノイズが増大しない構造を備えた光電変換膜積層型固体撮像装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、電子シャッタ機能を実現するオーバーフロードレイン構造を設けた光電変換膜積層型固体撮像装置を提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、信号電荷蓄積領域と電荷結合素子型の信号読出回路とが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層された光電変換膜とを備え、該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号電荷が前記信号電荷蓄積領域に蓄積され前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記光電変換膜で生成された信号電荷を前記信号電荷蓄積領域に流す配線接続部の周りに該配線接続部の電荷に対して一定電位障壁となる電位障壁手段を設けたことを特徴とする。

この構成により、読出パルスの電位が変動しても、配線電極部に存在する大量の自由電子は一定電位障壁によって保持されるため、読出パルスによって読み出された信号電荷量に読出パルス電位の変動に起因するノイズが混入することが回避される。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記信号電荷蓄積領域に近接配置され該信号電荷蓄積領域の蓄積電荷を外部に排出する電荷排出手段を備えることを特徴とする。

この構成により、電子シャッタ機能を実現することが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記電荷排出手段は、横型オーバーフロードレイン構造または縦型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする。

本発明によれば、横型，縦型のいずれのオーバーフロードレイン構造にも対処できる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記電位障壁手段は、前記配線接続部及び前記信号電荷蓄積領域の導電型と反対導電型の不純物を前記配線接続部周りに注入して構成されることを特徴とする。

この構成により、電位障壁の形成及び制御が容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記反対導電型の不純物を注入した領域に重なる部分のうち前記配線接続部側によった位置の前記信号電荷蓄積領域の厚さを信号電荷蓄積を行う本体部分の厚さより薄くし、該薄くした前記信号電荷蓄積領域を前記本体部分に流れる信号電荷の電荷通路として使用すると共に該電荷通路部分に形成される電位障壁によって前記配線接続部の電荷を保持する構成としたことを特徴とする。

この構成により、電位障壁によってより確実に自由電子の移動を阻止可能になると共に、信号電荷の読出が容易且つ迅速にでき、残像現象を抑制することができる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記信号読出回路は、前記信号電荷蓄積領域から信号電荷を読み出すための読出ゲートと読み出した信号電荷を列方向（垂直方向）に順次転送する複数の転送電極とを有する列方向ＣＣＤレジスタ群と、前記列方向ＣＣＤレジスタ群から信号電荷を受けて１行分の信号電荷を行方向に順次転送する行方向（水平方向）ＣＣＤレジスタと、該行方向ＣＣＤレジスタの一方端にあり前記行方向ＣＣＤレジスタで転送されてきた信号電荷を検出し出力信号として外部に取り出す出力部とを備えることを特徴とする。

この構成により、従来のＣＣＤ型イメージセンサで使用した垂直転送路，水平転送路の構成を使用することが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、複数の受光部が表面部にアレイ状に配列された光電変換膜積層型固体撮像装置であって、平面状に配置され一画素毎に区分けされた複数の画素電極膜と各画素共通の共通電極膜とで挟まれた前記光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、各光電変換膜が異なる波長の入射光による信号電荷を検出し、各光電変換膜の前記画素電極膜が各光電変換膜間で入射光方向に整列するように前記画素電極膜が形成され、同一位置に整列した光電変換膜数の前記画素電極膜が前記受光部の１つを区画する単位となることを特徴とする。

この構成により、１受光部で複数色の同時検出が可能となり、解像度の向上、光利用効率の向上、偽色の抑制、高感度化等、従来のＣＣＤ型イメージセンサ、ＣＭＯＳ型イメージセンサが抱えていた問題を解決することができる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記各光電変換膜対応に設けられる検出色別の前記信号電荷蓄積領域が、対応する前記受光部の下の前記半導体の領域に前記列方向に並べて形成され、前記検出色別の各信号電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が同じ前記列方向ＣＣＤレジスタによって読み出されることを特徴とする。

この構成により、列方向ＣＣＤレジスタを検出色別に設ける必要がなくなるため、列方向ＣＣＤレジスタの転送容量を大きくすることができる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記列方向に並べて設けられる前記検出色別の前記各信号電荷蓄積領域の配列順が、各受光部毎に同一であることを特徴とする。

この構成により、列方向レジスタ及び転送電極（読出電極）の設計が容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記列方向に並べて設けられる前記検出色別の前記各信号電荷蓄積領域の配列順を、前記行方向に隣接する受光部で巡回的に入れ替えることを特徴とする。

この構成により、各列の同一行の信号電荷蓄積領域から異なる色の信号電荷を同時に読み出すことができ、動画データを生成するときの画質向上を図ることが可能となり、また、動画データの読出時間の短縮を図ることが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記複数層設ける光電変換膜は、赤色に分光感度特性のピークが有る第１の光電変換膜と、緑色に分光感度特性のピークがある第２の光電変換膜と、青色に分光感度特性のピークがある第３の光電変換膜でなることを特徴とする。

この構成により、３原色によるカラー画像の撮像ができると共に、既存のＲ，Ｇ，Ｂ信号用の信号処理回路を利用可能となる。

本発明によれば、読出パルスの電位が変動してもこれに起因するノイズが信号電荷量に重畳する事態を回避できる光電変換膜積層型固体撮像装置を提供することができる。

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の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。光電変換膜積層型固体撮像装置１００には、多数の受光部１０１が、この例では正方格子状に配列されている。光電変換膜積層型固体撮像装置１０の受光部１０１の下側に設けられた半導体基板の表面には、列方向に並ぶ受光部１０１と重なる位置に垂直転送路（列方向ＣＣＤレジスタ）１０２が形成されており、該半導体基板の下辺部には水平転送路（行方向ＣＣレジスタ）１０３が形成されている。

水平転送路１０３の出口部分には増幅器１０４が設けられ、各受光部１０１で検出された信号電荷は、先ず、垂直転送路１０２によって水平転送路１０３に転送され、次に水平転送路１０３によって増幅器１０４まで転送され、増幅器１０４から出力信号１０５として出力される。

半導体基板の表面には、垂直転送路１０２に重ねて設けられた図示しない転送電極に接続された電極端子１０６，１０７，１０８が設けられ、また、受光部１０１の後述する画素電極に接続される電極端子１０９，１１０，１１１が設けられ、水平転送路１０３の転送用の電極端子１１２，１１３が設けられ、更に、オーバーフロードレイン用の電極端子１１４と電荷排出制御用の電極端子１１５とが設けられる。

図２は、図１の矩形枠II内の拡大模式図であり、４つの受光部１０１を部分的に切り取った拡大図である。列方向に並ぶ受光部１０１と隣の列の受光部１０１との間には、受光部１個に対してこの例では３つの接続部１２１ｒ，１２１ｇ，１２１ｂが設けられている。尚、ｒ，ｇ，ｂの添え字は、以下も同様であるが、検出する入射光の色である赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）に対応する。

図３は、図２のIII―III線断面模式図である。半導体基板１２５の上部には、先ず透明絶縁膜１２４が積層され、その上に、受光部１０１毎に区分けされた電極膜（以下、画素電極膜という。）１２０ｒが積層され、その上部に、赤色（Ｒ）を検出する光電変換膜１２３ｒが積層される。この光電変換膜１２３ｒは受光部毎に区分けして設ける必要はなく、各受光部１０１が集合する受光面全面に対し１枚構成で積層される。

光電変換膜１２３ｒの上には、赤色信号を検出する各受光部１０１に共通の共通電極膜１２２ｒがこれも一枚構成で積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２４が積層される。

絶縁膜１２４の上部には、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｇが積層され、その上に、緑色（Ｇ）を検出する光電変換膜１２３ｇが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２２ｇが積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２４が積層される。

この絶縁膜１２４の上部には、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｂが積層され、その上に、青色（Ｂ）を検出する光電変換膜１２３ｂが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２２ｂが積層される。

各受光部毎の画素電極膜１２０ｂ，１２０ｇ，１２０ｒは、入射光方向に整列して設けられる。即ち、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置１０１では、１つの受光部１０１で赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色を検出する構成であり、以下、単に「画素」と述べた場合には、３色を検出する受光部１０１を指し、色画素とか赤色画素，緑色画素，青色画素と述べた場合には、夫々の色を検出する部分画素（共通電極膜と１つの画素電極膜とで挟まれた光電変換膜の部分）というものとする。

図２に示す接続部１２１ｂは青色画素電極膜１２０ｂに接続され、接続部１２１ｇは緑色画素電極膜１２０ｇに接続され、接続部１２１ｒは赤色画素電極膜１２０ｒに接続される。また、図１の電極端子１０９，１１０，１１１は、夫々、共通電極膜１２２ｂ，１２２ｇ，１２２ｒに接続される。

均質な透明の電極膜１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ，１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂとしては、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化インジウム（ＩｎＯ_２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。

光電変換膜１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂとしては、単層膜でも多層膜でもよく、膜材料としては、シリコンや化合物半導体等の無機材料，有機半導体，有機色素などを含む有機材料，ナノ粒子で構成した量子ドット堆積膜など種々の材料が使用できる。

図４は、図２に示す状態から、図３の絶縁膜１２４より上（後述の光遮光膜１４４から上）を取り払った状態を示す半導体基板の表面模式図である。１つの画素１０１に対して３つの転送電極１３０ｒ，１３０ｇ，１３０ｂが設けられており、転送電極１３０ｒの左隣には当該画素１０１の赤色画素で発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域１３２ｒが形成され、転送電極１３０ｇの左隣には当該画素１０１の緑色画素で発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域１３２ｇが形成され、転送電極１３０ｂの左隣には当該画素１０１の青色画素で発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域１３２ｂが形成されている。

各転送電極１３０ｒ，ｇ，ｂの下には、転送チャネル１０２が設けられており、これらの電荷転送チャネル１０２と電荷蓄積領域１３２ｒ，ｇ，ｂとの間には電位障壁が設けられ、各転送電極１３０ｒ，１３０ｇ，１３０ｂは対応する電位障壁を越えて電荷蓄積領域１３２ｒ，１３２ｇ，１３２ｂの端部上まで延設される。即ち、これらの転送電極１３０ｒ，１３０ｇ，１３０ｂは夫々赤色信号電荷，緑色信号電荷，青色信号電荷の読出電極も兼用している。

各電荷蓄積領域１３２ｒ，１３２ｇ，１３２ｂの中央には、図１３で説明した柱状の配線電極に接続する接続部１３１ｒ，１３１ｇ，１３１ｂが設けられており、夫々、赤色画素電極膜１２０ｒ，緑色画素電極膜１２０ｇ，青色画素電極膜１２０ｂに接続される。これらの接続部１３１ｒ，１３１ｇ，１３１ｂは、信号電荷蓄積領域を構成するｎ型半導体領域の表面部にｎ^＋領域を形成してなり、配線電極をオーミックコンタクトできるようになっている。このため、大量の自由電子ＱＢがこの配線接続部１３１ｒ，１３１ｇ，１３１ｂに存在することになる。

更に、各電荷蓄積領域１３２ｒ，１３２ｇ，１３２ｂの左隣には、夫々、多層シリコンでなる電荷排出制御用の電極１３５が設けられる。この電極１３５は、図１に示す電荷排出制御用電極端子１１５に接続される。また、各電極１３５の左隣には、高濃度不純物領域（ｎ^＋領域）でなる横型オーバーフロードレイン１３６が形成されている。

図５は、図４のＶ―Ｖ線断面模式図であり、図３に示す半導体基板１２５上に積層された部分の断面も含む図である。ｎ型半導体基板１４０の表面部にはＰウェル層１４１が形成され、このＰウェル層１４１に、電荷転送チャネルを構成するｎ型半導体領域１４２と、中心表面部に上記接続部１３１ｒが形成された赤色信号電荷蓄積領域１３２ｒと、横型オーバーフロードレイン１３６とが形成されている。

Ｐウェル層１４１の表面にはゲート絶縁膜１４３が形成され、その上に、電荷排出制御用の電極１３５と、転送電極（読出電極）１３０ｒとが形成され、また、接続部１３１ｒには、ゲート絶縁膜１４３を貫通し赤色画素電極膜１２０ｒの図２に示す接続部１２１ｒまで達する柱状の配線電極１４６ｒが形成されている。

電極１３５や転送電極１３０ｒの上部には、絶縁膜１４５が積層され、この絶縁膜１４５内には光遮光膜１４４が埋設され、絶縁膜１４５の上に、図３に示す最下層の絶縁膜１２４が積層されている。図３に示す半導体基板１２５は、図４では、ｎ型半導体基板１４０から絶縁膜１４５までに相当する。

更に、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置では、ｎ型半導体領域でなる信号電荷蓄積領域１３２ｒの表面側に、高濃度のｐ型不純物領域（ｐ^＋領域）１３４ｒを設けたことを特徴とする。

信号電荷蓄積領域１３２ｒのオーバーフロードレイン１３６側の端部には、電極１３５の端部が覆う様に形成され、信号電荷蓄積領域１３２ｒの電荷転送チャネル１４２側の端部にも、転送電極１３０ｒの端部が覆うように形成される。

上記のｐ型不純物領域１３４ｒは、転送電極１３０ｒに重ならない位置から中心位置近くまで設けられ、また、電極１３５に重ならない位置から中心位置近くまで設けられている。

図５は、図４のＶ―Ｖ線断面模式図であるため、赤色画素電極膜１２０ｒに接続される配線電極１４６ｒが示されるが、緑色画素電極膜１２０ｇに達する配線電極や、青色画素電極膜１２０ｂに達する配線電極は、図５の紙面の向こう側および手前側に立設される。 そして、赤色（Ｒ）用の配線電極１４６ｒ周りの信号電荷蓄積領域１３２ｒや転送電極１３０ｒ，電荷転送チャネル１４２，電荷排出制御用の電極１３５，横型オーバーフロードレイン１３６の配置位置及び構造は、他色用の配線電極周りでも同じである。

図６は、図５に示す構造の電荷移動の説明図である。図６（ａ）は図５中の要部構造を取り出して再掲した図であり、図６（ｂ）は転送電極１３０ｒや電荷排出制御用電極１３５に読出パルスや電荷排出制御用の電圧を印加していないときの電位井戸の状態を示している。

赤色画素電極膜１２０ｒには、非常に明るい被写体像に対しても光発生した電荷が速やかに光電変換膜１２３ｒから赤色信号電荷蓄積領域１３２ｒに移動し、この部分に形成されている井戸１１から溢れた電荷がオーバーフロードレイン１３６に排出されるようなドリフト電界を発生させる電圧が印加されている。

この井戸１１の中央部の深い部分には、大量の自由電子ＱＢが入っており、井戸１１の上部は信号電荷蓄積領域１３２ｒの大きさに拡径され、この拡径部分に、光電変換膜１２３ｒから流出した信号電荷Ｑｓｉｇが蓄積され、過剰電荷がオーバーフロードレイン１３６に排出される。

後述の電子シャッタ開のタイミングから所定時間後に読出電極（転送電極）１３０ｒに所定電位Ｖ４の読出パルスが印加されると、図６（ｃ）に示すように、読出電極１３０ｒ先端部の下に形成される電位障壁の高さが、ｐ型不純物領域１３４ｒの厚さや不純物濃度、その下の信号電荷蓄積領域１３２ｒの厚さや不純物濃度等で決まる電位障壁Ｖ３より低くなり、井戸１１内に蓄積されている信号電荷Ｑｓｉｇが電荷転送チャネル１４２の井戸内に読み出され、以後、垂直転送路１０２に沿って水平転送路１０３（図１）まで転送される。

ここで、読出パルスの電位が変動し、図６（ｃ）に示す電位障壁Ｖ４が変動しても、井戸１１内の中央部分に保持されている自由電子ＱＢは、周りの電位障壁Ｖ３の高さが一定のため、すなわち、ｐ型不純物領域１３４ｒの不純物濃度等で決まる一定の電位障壁Ｖ３によって保持されるため、電荷転送チャネル１４２に移動する信号電荷Ｑｓｉｇに自由電子ＱＢが混じることはない。

電荷排出制御用の電極１３５に電位Ｖ５を印加すると、図６（ｄ）に示すように、電極１３５下に形成される電位障壁の高さがｐ型不純物領域１３４ｒの不純物濃度等で決まる電位障壁Ｖ３より低くなり、井戸１１内の電荷がドレイン１３６に排出され、井戸１１内の信号電荷蓄積用の拡径部分が空になる。

井戸１１内の信号電荷を空にした後、電極１３５の電位を元の電位Ｖ２に戻すことで、電子シャッタが「開」となり、光電変換膜１２３ｒから流れてきた信号電荷Ｑｓｉｇが井戸１１に新たに蓄積される。

オーバーフロードレイン１３６に井戸１１内の信号電荷を廃棄する場合にも、井戸１１内に残る自由電子ＱＢは電位障壁Ｖ３により一定量に保持されるため、電極１３５に印加する電位が変動しても、この変動が信号電荷Ｑｓｉｇの蓄積量に変動を与えることはない。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。この光電変換膜積層型固体撮像装置２００は、縦型オーバーフロードレインを使用している点が図１に示す第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置１００と異なり、表面の構造は第１の実施形態と殆ど同じである。このため、第１の実施形態と同様の部材には同一符号を付してその説明は省略する。縦型オーバーフロードレインを使用しているため、電荷排出制御用の電極端子１１５は設けていない。

図８は、図７の矩形枠VIII内における図４に相当する図である。この構成も第１の実施形態の図４の構成と殆ど同じであるので、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。図４の構成のうち、横型オーバーフロードレイン構造で必要となっていた電極１３５とドレイン１３６が図８には設けられていない点が異なる。

図９は、図８のIX―IX線断面模式図である。ゲート絶縁膜１４３より上の構成は図５の構成と同じであるので、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

ｎ型半導体基板２４０の表面側にはＰウェル層２４１が形成されている。Ｐウェル層２４１の表面側には、転送電極１３０ｒの下位置に電荷転送チャネル１４２が設けられ、柱状の配線電極１４６ｒの接続部１３１ｒには、転送電極１３０ｒまで延びるｎ型半導体領域でなる信号電荷蓄積領域１３２ｒが形成されている。

この信号電荷蓄積領域１３２ｒの転送電極１３０ｒ側の表面部には、ｐ型不純物領域１３４ｒが形成されている。そして、ｎ型半導体領域でなる信号電荷蓄積領域１３２ｒは、本実施形態では、接続部１３１ｒの下部に当たるｎ型半導体領域が薄い領域ｒ１と、これに連接しｐ型不純物領域１３４ｒの下部に当たるｎ型半導体領域が薄い領域ｒ２と、これに連接しｐ型不純物領域１３４ｒの下部においてｎ型半導体領域が深さ方向に厚い領域ｒ３とからなる。領域ｒ３の転送電極１３０ｒ側端部において、ｎ型半導体領域がゲート絶縁膜１４３まで達し且つ転送電極１３０ｒ側端部に重なる様になっている。

斯かる構成の信号電荷蓄積領域１３２ｒでは、領域ｒ１，ｒ２の電荷蓄積機能は小さく、電荷通路として機能する。そして、領域ｒ３に信号電荷の多くが蓄積される。

更に、上記の領域ｒ３の下部２４１’においては、Ｐウェル層２４１が薄く形成され、これにより、ｎ型半導体領域の領域ｒ３と基板のｎ型半導体領域とが近接する様になっている。

図１０は、図９に示す構造の電荷移動の説明図である。図１０（ａ）は図９中の要部構造を取り出して再掲した図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の構造における電位井戸を示す図である。配線電極１４６ｒ直下に形成されている井戸１２には自由電子ＱＢが蓄積されている。そして、この自由電子ＱＢは、薄い領域ｒ２の上部に形成されているｐ型不純物領域１３４ｒの不純物濃度等によって決まる一定の電位障壁によって保持され、外部に漏れ出ることはない。

光電変換膜から流れ出た信号電荷Ｑｓｉｇは、配線電極１４６ｒ→接続部１３１ｒ→領域ｒ１→領域ｒ２→領域ｒ３と流れ、領域ｒ３の下に形成されている井戸１３に蓄積される。

ここで、図１０（ｃ）に示す様に、読出電極（転送電極）１３０ｒに読出パルスが印加されて、井戸１３と電荷転送チャネル１４２の下に形成されている井戸１４との間の電位障壁が下がると、井戸１３内の信号電荷Ｑｓｉｇは井戸１４に読み出され、以後、垂直転送路に沿って転送される。

読出パルスの電位が変動しても、この変動分を考慮して読出パルスの電位を設定しておけば、読出パルス印加時の井戸１３，１４間の電子障壁Ｖ７が井戸１３の電位Ｖ６より確実に低くなり、井戸１３内の信号電荷Ｑｓｉｇが残留することはない。

井戸１３に蓄積されている電荷を廃棄する場合には、ｎ型半導体基板２４０に電圧を印加する。これにより、図１０（ｄ）に示す様に、井戸１３内の信号電荷Ｑｓｉｇは薄いＰウェル層２４１’を通って矢印１５方向すなわちｎ型半導体基板２４０に廃棄される。

以上述べた実施形態では、信号電荷蓄積領域１３２ｒの全てを信号電荷の蓄積領域とするのではなく、電位障壁を作る領域ｒ２と電荷蓄積専用の領域ｒ３とを分けたので、信号電荷の転送路への信号読出を速やかに行うことができ、残像現象が抑制されるという利点がある。また、縦型オーバーフロードレイン構造を採用しているため、より小さな画素のイメージセンサを実現できるという利点がある。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の図４に相当する図である。この実施形態も横型オーバーフロードレインの構造を持っているため、電荷排出制御用の電極１３５と横型オーバーフロードレイン１３６が設けられている。

第１の実施形態では、図６（ａ）に示す様に、信号電荷蓄積領域１３２ｒの大きさ（深さ）を均一とし、この領域１３２ｒの全体に信号電荷が蓄積されるようにしていた。これに対し、第２の実施形態では、図１０（ａ）に示す様に、信号電荷蓄積領域１３２ｒ（ｒ１＋ｒ２＋ｒ３）のうち、領域ｒ１，ｒ２を薄くして領域ｒ２の箇所に電位障壁が形成され、信号電荷は主に領域ｒ３に蓄積する構成としている。

この第２の実施形態の構成を第１の実施形態に適用したのが本実施形態であり、信号電荷蓄積領域１３２ｒのうち、配線電極１４６ｒに接続される接続部１３１ｒの周りのｎ型半導体領域の厚さを薄くした領域ｒ２とし、その周りの信号電荷蓄積領域１３２ｒの深さを深くすることで、電位障壁領域と電荷蓄積領域とを分けている。これにより、信号電荷の読み出しやオーバーフロードレインへの不要電荷の廃棄が速やかに行われることになる。

尚、図１１に示す実施形態では、更に、信号配線１４６ｒに接続する接続部１３１ｒの場所を、信号電荷蓄積領域１３２ｒの縁に寄せている。この様にすることで、接続部１３１ｒ周りの製造が容易になる。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置のうちの６画素分の平面模式図である。上述した各実施形態の光電変換膜積層型固体撮像装置では、各画素で、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色の信号を読み出すことができ、そのため、各画素の下に、例えば図８に示す様に、赤色信号電荷蓄積領域１３２ｒ，緑色信号電荷蓄積領域１３２ｇ，青色信号電荷蓄積領域１３２ｂがＲ，Ｇ，Ｂの順に設けられている。そして、隣接する画素全てで同じＲ，Ｇ，Ｂの順に各信号電荷蓄積領域が設けられている。

これに対し、本実施形態では、図１２に示す様に、画素１０１でＲ，Ｇ，Ｂの順に信号電荷蓄積領域１３２ｒ，１３２ｇ，１３２ｂを設けたとき、水平方向に隣接する画素１０１では、Ｂ，Ｒ，Ｇの順に信号電荷蓄積領域１３２ｂ，１３２ｒ，１３２ｇを設け、更に水平方向に隣接する画素１０１では、Ｇ，Ｂ，Ｒの順に信号電荷蓄積領域１３２ｇ，１３２ｂ，１３２ｒを設ける。

これにより、φ１，φ２，φ３のいずれかの転送パルスが印加されると、水平方向に並ぶ３つの画素１０１から、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の信号が一緒に読み出されることになる。この光電変換膜積層型固体撮像装置をデジタルスチルカメラに搭載して高精細な静止画像だけを撮像する場合には、図１２に示す配列にしなくても良い。しかし、画像データの間引き処理を行って動画像データを生成する必要がある場合には、図１２に示す配列にしておくと、時間差の無いＲ，Ｇ，Ｂの３色のデータが得られ、間引き処理して動画像データを生成する場合でも色のおかしな不自然な動画像データになることはない。

また、一旦読み出した画像データを間引き処理するのではなく、読み出す画素を選択して動画像データを生成する場合には、時間差の無いＲ，Ｇ，Ｂの３色のデータが読み出されるため、読み出し時間が１／３となる。

上述した各実施形態では、光電変換膜を３層とし、入射光をＲ，Ｇ，Ｂの３原色に分けて検出したが、例えばＲ，Ｇ，Ｂの他に緑色と青色の中間色を検出する４番目の光電変換膜を設け、入射光を４色に分けて検出する構成でもよい。これにより、色分解が細かくなり、色の再現性が向上する。

また、上述した実施形態では、固体撮像装置の上から順に、入射光の波長が短い青色，緑色，赤色の各色検出用の光電変換膜を設けたが、この順に限るものではない。更に、各光電変換膜を挟むように設けた共通電極膜と画素電極膜とは、必ずしも共通電極膜を光電変換膜の上側に設けなくてもよく、下側に設けることでもよい。

更にまた、画素電極膜と共通電極膜はすべて透明、または光吸収が少ない材料で形成したが、半導体基板に最も近い電極膜だけは、不透明な材料で形成しても良い。

更に上述した実施形態では、垂直転送路のＣＣＤレジスタ１個の転送電極に対して１個の信号電荷蓄積領域を対応させているが、ＣＣＤレジスタの複数の転送電極に対して１個の信号電荷蓄積領域を対応させても良い。これは、画素サイズが大きい場合に有効である。例えば、４個の転送電極に対して１個の信号電荷蓄積領域を対応させて、垂直転送路のＣＣＤレジスタを４相駆動すれば、１回の読出し動作で、全画素の信号電荷を読み出すことができるという利点がある。

更にまた、上述した実施形態では、垂直転送路のＣＣＤレジスタを３相駆動としたが、３の倍数の相数で駆動しても良い。例えば、６相駆動させると、６回の読出し動作で全画素の信号電荷が読み出される。垂直方向のＣＣＤレジスタで転送できる電荷量がおよそ４倍になり、大きな飽和出力信号が得られるという利点がある。また、４層の光電変換膜構造では、通常４相駆動であるが、同様に８相駆動としても良い。

以上述べた様に、本発明の各実施形態によれば、光電変換膜の画素電極膜に接続された接続部（実施形態の符号１３１ｒ，ｇ，ｂ）に近接して、電荷に対して一定の電位障壁となる電位障壁形成手段と信号電荷蓄積手段を設け、この電荷蓄積手段に近接して信号電荷を垂直転送路のＣＣＤレジスタヘ読み出すための読出ゲートを設け、更に、信号電荷蓄積手段に近接して不要電荷を排出するための不要電荷排出手段を設けた構造にしたため、読出しパルスに、電圧変動や雑音が重畳された場合でも、読出される信号電荷に雑音発生が無く、且つ、電子シャッタ機能を持ち、しかも、電子シャッタ動作時においても良好な出力信号を得ることが可能となる。また、容易に３層，４層構造のカラー画像撮像装置が実現でき、、同一画素位置の異なる色信号に対応した信号電荷を同一の垂直転送路で読み出す構成にすることができ、画素の微細化を図ることも容易となる。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像装置は、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサの代わりに使用でき、しかも、一画素で赤色，緑色，青色の３色の信号をカラーフィルタを用いることなく得ることができるという利点があるため、デジタルカメラ等に搭載すると有用である。

本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。 図１に示す矩形枠II内の拡大模式図である。 図２のIII―III線断面模式図である。 図２の状態から半導体基板の上に積層されている光電変換膜等を取り払った状態を示す半導体表面の模式図である。 図４のＶ―Ｖ線断面模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置における電荷移動の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。 図７に示す矩形枠VIII内の拡大模式図である。 図８に示すIX―IX線断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置における電荷移動の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の図４に相当する図である。 本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置のうちの６画素分の平面模式図である。 従来の光電変換膜積層型固体撮像装置における電荷移動の説明図である。

符号の説明

１０１ 受光部（画素）
１０２ 垂直転送路
１０３ 水平転送路
１１４ 横型オーバーフロードレイン電極端子
１１５ 電荷排出制御用電極端子
１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂ 透明の画素電極膜
１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ 透明の共通電極膜
１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ 光電変換膜
１２４ 透明絶縁膜
１３０ｒ 転送電極（読出電極）
１３１ｒ 接続部
１３２ｒ 信号電荷蓄積領域（ｎ型半導体領域）
１３４ｒ ｐ型不純物領域
１３５ 電極
１３６ 横型オーバーフロードレイン
１４０ ｎ型半導体基板
１４１ Ｐウェル層
１４２ 電荷転送チャネル
１４３ ゲート絶縁膜
１４６ｒ 柱状の配線電極
ｒ２ 電位障壁形成領域
ｒ３ 信号電荷蓄積領域

Claims (11)

1. 信号電荷蓄積領域と電荷結合素子型の信号読出回路とが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層された光電変換膜とを備え、該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号電荷が前記信号電荷蓄積領域に蓄積され前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記光電変換膜で生成された信号電荷を前記信号電荷蓄積領域に流す配線接続部の周りに該配線接続部の電荷に対して一定電位障壁となる電位障壁手段を設けたことを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置。
2. 前記信号電荷蓄積領域に近接配置され該信号電荷蓄積領域の蓄積電荷を外部に排出する電荷排出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
3. 前記電荷排出手段は、横型オーバーフロードレイン構造または縦型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
4. 前記電位障壁手段は、前記配線接続部及び前記信号電荷蓄積領域の導電型と反対導電型の不純物を前記配線接続部周りに注入して構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
5. 前記反対導電型の不純物を注入した領域に重なる部分のうち前記配線接続部側によった位置の前記信号電荷蓄積領域の厚さを信号電荷蓄積を行う本体部分の厚さより薄くし、該薄くした前記信号電荷蓄積領域を前記本体部分に流れる信号電荷の電荷通路として使用すると共に該電荷通路部分に形成される電位障壁によって前記配線接続部の電荷を保持する構成としたことを特徴とする請求項４に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
6. 前記信号読出回路は、前記信号電荷蓄積領域から信号電荷を読み出すための読出ゲートと読み出した信号電荷を列方向（垂直方向）に順次転送する複数の転送電極とを有する列方向ＣＣＤレジスタ群と、前記列方向ＣＣＤレジスタ群から信号電荷を受けて１行分の信号電荷を行方向に順次転送する行方向（水平方向）ＣＣＤレジスタと、該行方向ＣＣＤレジスタの一方端にあり前記行方向ＣＣＤレジスタで転送されてきた信号電荷を検出し出力信号として外部に取り出す出力部とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
7. 複数の受光部が表面部にアレイ状に配列された光電変換膜積層型固体撮像装置であって、平面状に配置され一画素毎に区分けされた複数の画素電極膜と各画素共通の共通電極膜とで挟まれた前記光電変換膜が前記半導体基板の上に複数層積層され、各光電変換膜が異なる波長の入射光による信号電荷を検出し、各光電変換膜の前記画素電極膜が各光電変換膜間で入射光方向に整列するように前記画素電極膜が形成され、同一位置に整列した光電変換膜数の前記画素電極膜が前記受光部の１つを区画する単位となることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
8. 請求項６記載の構成及び請求項７記載の構成を備える光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記各光電変換膜対応に設けられる検出色別の前記信号電荷蓄積領域が、対応する前記受光部の下の前記半導体の領域に前記列方向に並べて形成され、前記検出色別の各信号電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が同じ前記列方向ＣＣＤレジスタによって読み出されることを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置。
9. 前記列方向に並べて設けられる前記検出色別の前記各信号電荷蓄積領域の配列順が、各受光部毎に同一であることを特徴とする請求項８に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
10. 前記列方向に並べて設けられる前記検出色別の前記各信号電荷蓄積領域の配列順を、前記行方向に隣接する受光部で巡回的に入れ替えることを特徴とする請求項８に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
11. 前記複数層設ける光電変換膜は、赤色に分光感度特性のピークが有る第１の光電変換膜と、緑色に分光感度特性のピークがある第２の光電変換膜と、青色に分光感度特性のピークがある第３の光電変換膜でなることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。

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