JP2006093521A

JP2006093521A - 光電変換膜積層型固体撮像素子

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Publication number: JP2006093521A
Application number: JP2004279021A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Fukunaga; 敏明福永; Daisuke Yokoyama; 大輔横山
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】半導体ナノ粒子により構成される光電変換膜の利点を有しながら、クロストークやキャリアの輸送効率低下による光電変換効率の低下を抑制することが可能な光電変換膜積層型固体撮像素子を提供する。
【解決手段】光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記半導体基板上方に積層された３つの赤色検出用の光電変換膜１３と、青色検出用の光電変換膜１８と、緑色検出用の光電変換膜２３とを備え、赤色検出用の光電変換膜１３は有機材料により構成されたものであり、光電変換膜１３以外の光電変換膜は、表面をキャリアのトンネル伝導が可能な厚さの絶縁膜で覆われた半導体ナノ粒子により構成されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上方に積層される光電変換膜と、半導体基板に形成される信号読出回路とを有し、光電変換膜に蓄積される信号電荷に応じた信号を信号読出回路によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子に関する。

従来、半導体基板の上に光電変換膜を３層積層し、各光電変換膜で検出された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の夫々の電気信号を、半導体基板表面に形成されているＭＯＳ回路で読み出すという構成の光電変換膜積層型固体撮像素子が提案されている。各光電変換膜は、バンドギャップ（格子定数）の異なる半導体結晶を空間的に隣接させて作成することで製造可能である。しかし、バンドギャップの異なる半導体結晶を空間的に隣接させて作成することは、格子定数差に基づく歪みにより容易ではない。

このような問題を解決するために、特許文献１や特許文献２に記載されている光電変換膜を上記光電変換膜積層型固体撮像素子に適用することが考えられている。

特許文献１，２に記載された光電変換膜は、キャリアのトンネル伝導が可能な厚さの絶縁膜で表面を覆われた半導体ナノ粒子（例えば、シリコンナノ粒子）により構成されたものであり、シリコンナノ粒子の粒径を変えることで、赤色，緑色，青色の各電気信号を検出できるようになっている。ここでいう半導体ナノ粒子とは、その粒径（直径）が数ナノメートルである超微小な半導体粒子のことを言う。

特許文献１，２に記載された光電変換膜は、この光電変換膜を光電変換膜積層型固体撮像素子の各光電変換膜として用いるにあたり、格子定数差に基づく歪みの問題が発生しないため、その製造が容易である。又、シリコンナノ粒子により構成される光電変換膜は、高解像度特性、一様性、及び基板に対する積層の容易性を有しながら、半導体結晶材料と同等の熱的安定性、キャリア動特性、及びアバランシェ増倍特性を持つことができ、更に、吸収波長を膜厚方向や基板面内方向に容易に調節できるという利点がある。

特開２００１−７３８１号公報特開２００３−５１６０８号公報

上記のようなシリコンナノ粒子により構成される光電変換膜を用いて光電変換膜積層型固体撮像素子を作る場合、シリコンナノ粒子は、検出する光の波長が長波側になるほど、その粒径を大きくしなければならないため、赤色の光を検出する光電変換膜の厚みが厚くなってしまう。光電変換膜の厚みが厚くなると、光電変換膜積層型固体撮像素子のある画素に斜めから入射した光が、その隣接する画素に侵入しやすくなり、クロストークが発生するという問題がある。又、光電変換膜の厚みが厚くなると、光電変換に寄与する電子が途中でトラップされて、光電変換膜を挟む２つの電極の下側の電極に電子が到達する確率が低下するという問題もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体ナノ粒子により構成される光電変換膜の利点を有しながら、クロストークやキャリアの輸送効率低下による光電変換効率の低下を抑制することが可能な光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、半導体基板上方に積層される光電変換膜と、前記半導体基板に形成される信号読出回路とを有し、前記光電変換膜に蓄積される信号電荷に応じた信号を前記信号読出回路によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子であって、
前記光電変換膜は前記半導体基板上方に少なくとも３つ積層され、前記少なくとも３つの光電変換膜は、有機材料により構成される赤色検出用光電変換膜を含み、前記赤色検出用光電変換膜以外の光電変換膜は、キャリアのトンネル伝導が可能な厚さの絶縁膜で表面を覆われた半導体ナノ粒子により構成される。

この構成により、赤色検出用光電変換膜が有機材料により構成され、それ以外の光電変換膜が半導体ナノ粒子により構成されているため、半導体ナノ粒子により構成した光電変換膜の利点を有しながら、赤色検出用光電変換膜の厚みを薄くすることができ、クロストークやキャリアの輸送効率低下による光電変換効率の低下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素子は、前記赤色検出用光電変換膜が最も上に積層される。

この構成により、製造プロセスを簡易化することができる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、最下層の前記光電変換膜と前記半導体基板との間に、前記最下層の光電変換膜を通過した光を反射する反射膜を備える。

この構成により、最下層の光電変換膜の厚みを薄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素子は、前記最下層の光電変換膜が、緑色の光を検出できるように前記半導体ナノ粒子の平均粒径が決められる。

この構成により、緑色検出用の光電変換膜の厚みを薄くすることができる。

本発明によれば、半導体ナノ粒子により構成される光電変換膜の利点を有しながら、クロストークやキャリアの輸送効率低下による光電変換効率の低下を抑制することが可能な光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。
図１において、ｎ型シリコン基板に形成されたＰウェル層１の表面部には、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域２と、緑色信号読出用のＭＯＳ回路３と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域４と、青色信号読出用のＭＯＳ回路５と、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域６と、赤色信号読出用のＭＯＳ回路７とが形成されている。

各ＭＯＳ回路３，５，７は、半導体基板表面に形成されたソース用，ドレイン用の不純物領域と、ゲート絶縁膜８を介して形成されたゲート電極とから成る。これらのゲート絶縁膜８及びゲート電極の上部には絶縁膜９が積層されて平坦化される。この絶縁膜９の表面に遮光膜を形成する場合もあるが、遮光膜を形成した場合には遮光膜を絶縁する関係で更に絶縁膜１０を積層する。遮光膜は、多くの場合、金属薄膜で形成されるためである。遮光膜をこの場所に設けない場合には、図示の絶縁膜９，１０は一体でよい。

上述した色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６に蓄積された信号電荷量に応じた信号は、ＭＯＳ回路３，５，７によって読み出され、更に、図示は省略したが、半導体基板に形成された読み出し電極によって外部に取り出されるが、その構成は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサと同様である。

また、この例は、半導体基板に形成したＭＯＳ回路で信号電荷量に応じた信号を読み出す構成としたが、色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６の蓄積電荷を、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に、垂直転送路に沿って移動させ、水平転送路に沿って外部に読み出す構成とすることもできる。

以上の構成は、従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの半導体プロセスによって製造され、以後に述べる構成を付加することで、光電変換膜積層型固体撮像素子を製造する。

図１に示す絶縁膜１０の上に、反射膜２７を形成する。この反射膜２７は、そこに到達した入射光を全反射するものであっても良いし、一部を反射するものであっても良いが、特に好ましいのは全反射するものである。反射膜としては、金属薄膜や誘電体多層膜を用いることができる。

反射膜２７の上に透明電極膜１１を形成する。この透明電極膜１１は、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域２に電極１２によって導通される。この電極１２は、透明電極膜１１及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。そして、透明電極膜１１の上部に、緑色検出用の光電変換膜１３を形成し、更にその上部に透明電極膜１４を形成する。即ち、１対の透明電極膜１１，１４間に光電変換膜１３を挟む構成となっている。尚、最下層となる透明電極膜１１を不透明にして遮光膜を兼用させてもよい。又、透明電極膜１１を、光を反射する金属薄膜等により形成して、反射膜２７を兼用させても良い。又、遮光膜を設ける場合には、この遮光膜を、光を反射する金属薄膜等により形成して、反射膜２７を兼用させても良い。

透明電極膜１４の上部には透明絶縁膜１５が形成され、その上部に、透明電極膜１６が形成される。この透明電極膜１６は、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域４に電極１７によって導通される。この電極１７は、透明電極膜１６及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜１６の上部には青色検出用の光電変換膜１８が形成され、その上部に、透明電極膜１９が形成される。即ち、１対の透明電極膜１６，１９間に光電変換膜１８を挟む構成となっている。

透明電極膜１９の上部には透明絶縁膜２０が形成され、その上部に、透明電極膜２１が形成される。この透明電極膜２１は、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域６に電極２２によって導通される。この電極２２は、透明電極膜２１及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜２１の上部には赤色検出用の光電変換膜２３が形成され、その上部に、透明電極膜２４が形成される。即ち、１対の透明電極膜２１，２４間に光電変換膜２３を挟む構成となっている。

最上層には透明絶縁膜２５が設けられ、この実施形態では、この透明絶縁膜２５中に、この画素への入射光の入射範囲を制限する遮光膜２６が設けられる。本実施形態で最上層に遮光膜２６を設けたのは、画素間の混色をより一層低減するためである。均質な透明電極膜としては、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。その形成方法としては、レーザアブレージョン法，スパッタ法などがある。透明絶縁膜としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を用いるが、これに限るものではない。その形成方法としては、スパッタ法などがある。

図２は、図１に示すＭＯＳ回路３，５，７の回路図である。このＭＯＳ回路は、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に３つのＦＥＴ素子で構成され、その回路構成は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いる回路と同じである。

従来のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、半導体表面に「受光部」を設ける必要があったため、これらのＭＯＳ回路を半導体表面に製造する場合、受光部を広くする関係で狭い場所に製造しなければならなかった。しかし、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、「受光部」を半導体表面に設ける必要がないため、ＭＯＳ回路の製造は容易となる。また、配線スペースに余裕ができるため、図２ではＲ，Ｇ，Ｂのうちの１つをセレクト信号で選択しながら順次読み出す構成であるが、Ｒ，Ｇ，Ｂを一緒に読める配線接続にすることも容易となる。これは、読み出し回路を、ＭＯＳ回路ではなく、ＣＣＤ型イメージセンサの様に電荷転送路を設けるタイプでも同様である。

図１に示す構造は、１画素分であるが、これらの画素が半導体基板の表面側に縦横にアレイ状に設けられる。最も、一画素一画素に応じて光電変換膜を区分して積層する必要はなく、半導体基板の表面全面に光電変換膜を一枚構成で積層することができる。そして、一画素一画素は、各光電変換膜を挟む一対の透明電極のうちの一方を一画素一画素に分離して形成することで、画素を分離できる。

光電変換膜１３と光電変換膜１８は、それぞれ、キャリアのトンネル伝導が可能な厚さの絶縁膜で表面を覆われた半導体ナノ粒子により構成されており、そのバンドギャップは、半導体ナノ粒子を覆う絶縁膜のバンドギャップよりも小さくなっている。光電変換膜１３と光電変換膜１８は、例えば特許文献１，２に記載のものを用いることができる。

光電変換膜２３は、有機材料により構成されている。光電変換膜２３ではバンドギャップが５６０〜６４０ｎｍとなるように膜厚や材料等が選択されている。

図３は、図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子のＲ膜の断面模式図である。
図３に示すように、光電変換膜２３は、透明電極膜２１の上に形成された有機材料層であるＺｎＰｃ（亜鉛フタロシアニン）層３２と、ＺｎＰｃ層３２の上に形成された有機材料層であるＡｌｑ_３（トリス−８−ヒドロキシキノリンアルミニウム）層３１とを含む。ＺｎＰｃ層３２は、電荷輸送層として機能する。Ａｌｑ_３層３１は、光吸収層として機能する。このため、Ａｌｑ_３層３１で吸収された光に応じた電荷はＺｎＰｃ層３２を通って透明電極膜２１に到達し、ここから高濃度不純物領域６に蓄積される。

図３に示す光電変換膜２３は、透明導電膜２１の上に真空蒸着法を用いて例えば膜厚１００ｎｍのＺｎＰｃ層３２を形成し、ＺｎＰｃ層３２の上に真空蒸着法を用いて例えば膜厚１００ｎｍのＡｌｑ_３層３１を形成し、Ａｌｑ_３層３１の上に例えば２００ｎｍの透明電極膜２４を形成するといった工程で製造することができる。

図４は、図１に示す固体撮像素子のＢ膜の断面模式図である。Ｇ膜は、半導体ナノ粒子の平均粒径が異なる以外は、Ｂ膜と同一の構成であるため、その説明を省略する。
図４に示すように、光電変換膜１８（１３）は、透明電極膜１６（１１）上に形成されているキャリアのトンネル伝導が可能な厚さの透明絶縁膜（ここではＳｉＯ_２）３３の上に形成されており、絶縁膜３３上に堆積された多数の半導体ナノ粒子（ここではシリコンナノ粒子）３５によって構成されている。シリコンナノ粒子３５の表面は、キャリアのトンネル伝導が可能な厚さの透明絶縁膜（ここではＳｉＯ_２）３４によって覆われている。光電変換膜１８（１３）は、シリコンナノ粒子３５の粒径を変えることで、分光感度特性を変えることができる。尚、光電変換膜１８（１３）のバンドギャップは、それを構成するシリコンナノ粒子３５を覆っている絶縁膜３４のバンドギャップよりも小さくなっている。光電変換膜１８のシリコンナノ粒子３５の平均粒径は、バンドギャップが４６０〜５００ｎｍとなるように（青色の光を検出できるように）選択し、光電変換膜１３のシリコンナノ粒子３５の平均粒径は、バンドギャップが５２０〜５６０ｎｍとなるように（緑色の光を検出できるように）選択する。光電変換膜１８のシリコンナノ粒子３５の平均粒径は、光電変換膜１３のシリコンナノ粒子３５の平均粒径よりも小さい。

シリコンナノ粒子３５内で吸収されたフォトンは同粒子内で電子と正孔を形成する。光励起された電子は光電変換膜１８（１３）に印加された電界により下方に走行する。この時、電子はシリコンナノ粒子３５内を弾道的に走行することが、多孔質シリコンでの実験でわかっている。シリコンナノ粒子３５内を弾道的に走行した電子は絶縁層３４内をトンネルし、隣接のシリコンナノ粒子３５に突入する。走行電子のエネルギがバンドギャップエネルギよりも十分大きくなった場合には、シリコンナノ粒子３５内で衝撃イオン化が起こる。この衝撃イオン化がシリコンナノ粒子３５内で次々と繰り返されることで、信号電荷が増倍されながら輸送される。

図５は、図１に示す固体撮像素子のＢ膜の別の例を示す断面模式図である。図５において図４と同様の構成には同一符号を付してある。
図５に示す光電変換膜１８（１３）は、キャリアのトンネル伝導が可能な厚さの絶縁膜としてのＳｉＣ３６，３７によって挟まれた構成となっている。このように、光電変換膜１８（１３）をＳｉＣ等のバンドギャップの大きい材料で挟んで形成することにより、暗電流等を低減することができる。

図４に示す光電変換膜１８（１３）は次の方法により作製する。
光電変換膜１８（１３）を作製するにあたり、まず、透明電極膜１６（１１）上にキャリアがトンネル伝導可能な厚さのＳｉＯ_２３３をスパッタ法等で形成して、光電変換膜１８（１３）の下地を作製する。そして、堆積温度を５００度〜６００度とした低圧化学気相法（LPCVD：Low Pressure Chemical Vapor Deposition）により、ＳｉＯ_２３３の上にシリコン膜を堆積させる。この方法では、シリコン膜堆積の初期に原料の供給を止めることで自己組織的にシリコンナノ粒子３５を形成することができる。シリコンナノ粒子３５の粒径は、シリコン膜の堆積時の基板温度、堆積時間、及び原料ガスの圧力によって制御することができる。シリコンナノ粒子３５の形成後、非常に低速度で酸素プラズマ処理を行い、シリコンナノ粒子３５の表面を酸化させる。酸化膜厚は、酸素プラズマ処理の時間と温度によって制御することができる。シリコンナノ粒子３５の堆積、表面酸化を繰り返すことで、光電変換膜１８（１３）を形成する。これらのプロセスは、真空一貫プロセスで行うのが好ましい。

本方法のメリットは、シリコン膜の堆積条件やシリコンナノ粒子３５の酸化条件を調整することで、シリコンナノ粒子の粒径、密度、及び酸化膜厚の制御を比較的容易に行うことができることである。さらに、他の方法と比べてシリコンナノ粒子の均一性も高い。

一般に、バンドギャップのことなる半導体結晶を基板にエピタキシャル成長させたり、空間的に隣接して作製したりするのは、格子定数差に基づく歪みにより困難である。しかし、シリコンナノ粒子３５の堆積はエピタキシャル成長ではないので格子整合の制限が無く、さらにはほぼ完全なシリコンナノ粒子を作製できるというメリットがある。又、シリコンナノ粒子３５によって構成される光電変換膜１８（１３）は、非晶質材料からなる光電変換膜と同等の高解像度特性、一様性、及び基板に対する堆積の容易性を有しながら、結晶材料と同等の熱的安定性、キャリア動特性、及びアバランシェ増倍特性を併せ持ち、さらに、吸収波長を膜厚方向にも基板面内方向にも調節できる利点がある。

尚、光電変換膜１８（１３）では、バンドギャップを大きく変えるために、シリコンナノ粒子３５に類似したゲルマニウム粒子やシリコンゲルマニウム粒子やＳｉＣ粒子などその他の半導体ナノ粒子を用いることも可能である。

図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子は、ＭＯＳ回路３，５，７が形成されたｎ型シリコン基板上に図４に示す光電変換膜１３を形成し、その上に、図４に示す光電変換膜１８を形成し、その上に図３に示す光電変換膜２３を形成することで作製することができる。光電変換膜２３を最も上に積層することにより、光電変換膜積層型固体撮像素子の製造プロセスを簡略化することができる。又、エピタキシャル成長を行う光電変換膜は１つのみであるため、光電変換膜２３自体の形成も容易となる。

光電変換膜２３の膜厚は、赤色の光を十分に吸収して次層の光電変換膜１８に赤色光が入射しない様にするのがよい。仮に赤色光が次層の光電変換膜１８に入射して光励起が起きると、色分離が悪くなるためである。同様に、光電変換膜１８の膜厚は、青色の光を十分に吸収して次層の光電変換膜１３に青色光が入射しない様にするのがよい。光電変換膜１３の膜厚は、反射膜２７によって反射した光も入射されるため、緑色の光が２回通過した場合にその光を十分に吸収できるようにするのが良い。ただし、反射膜２７を設けない場合には、光電変換膜１３の膜厚は、緑色の光が１回通過した場合にその光を十分に吸収できるようにするのが良い。

以下、図１の光電変換膜積層型固体撮像素子の動作を説明する。
上述した図１の光電変換膜積層型固体撮像素子に、被写体からの光が入射すると、入射光のうちの赤色の光が光電変換膜２３で吸収され、光電変換膜２３に赤色信号電荷が蓄積される。この状態で、透明電極２１，２４間に電圧を印加すると、赤色信号電荷が透明電極２１から電極２２を通って高濃度不純物領域６に流れ、ここで蓄積される。

入射光のうちの青色の光は光電変換膜１８で吸収され、光電変換膜１８に緑色信号電荷が蓄積される。この状態で、透明電極１６，１９間に電圧を印加すると、青色信号電荷が透明電極１６か電極１７を通って高濃度不純物領域４に流れ、ここで蓄積される。

入射光のうちの緑色の光は光電変換膜１３で吸収されると共に、ここで吸収しきれなかった光が反射膜２７によって全反射又は一部が反射されて光電変換膜１３で再び吸収される。そして、光電変換膜１３に緑色信号電荷が蓄積される。この状態で、透明電極１１，１４間に電圧を印加すると、緑色信号電荷が透明電極１１から電極１２を通って高濃度不純物領域２に流れ、ここで蓄積される。

そして、高濃度不純物領域２、４、６に蓄積された信号電荷に応じた信号が、ＭＯＳ回路３、５、７によって外部に読み出される。

以上のように、図１の光電変換膜積層型固体撮像素子は、光電変換膜２３のみを有機材料により構成したものとし、その他の光電変換膜１３，１８をシリコンナノ粒子により構成したものとしている。有機材料により構成した光電変換膜２３は、光電変換膜２３をシリコンナノ粒子により構成したものに比べて膜厚を薄くすることができる。このため、クロストークやキャリアの輸送効率低下による光電変換効率の低下を抑制することができる。又、光電変換膜１３，１８をシリコンナノ粒子により構成したものとしているため、半導体ナノ粒子により構成した光電変換膜の利点を有しながら、上記効果を得ることができる。

又、本実施形態では、光電変換膜１３とｎ型シリコン基板との間に反射膜２７を設けており、光電変換膜１３で吸収しきれなかった緑色の光を、反射膜２７で反射させて光電変換膜１３で再度吸収することが可能である。このため、光電変換膜１３の膜厚は、反射膜２７を設けない場合の膜厚の半分程度にすることができる。光電変換膜１３の膜厚は、光電変換膜２３をシリコンナノ粒子で構成したものより薄いが、光電変換膜１８の膜厚よりは厚い。このため、反射膜２７を設けて光電変換膜１３の膜厚を半分程度にすることで、クロストークやキャリアの輸送効率低下による光電変換効率の低下をより抑制することができる。

尚、各光電変換膜から対応する高濃度不純物領域等に信号電荷を移動させる方法としては、通常のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの受光素子から信号を取り出す手法に準じた手法を採用してもよい。例えば、一定量のバイアス電荷を高濃度不純物領域等（蓄積ダイオード）に注入して（リフレッシュモード）おき、光入射によって一定の電荷を蓄積（光電変換モード）した後、信号電荷を読み出すという方法である。光電変換膜そのものを蓄積ダイオードとして用いることもでき、別途、蓄積ダイオードを付設することも可能である。

高濃度不純物領域等に移動された信号電荷の読み出しには、通常のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの読み出し手法をそのまま適用することができる。

従来から、ＣＣＤ型の固体撮像素子においては、光電変換機能を有した受光素子と、変換された信号の蓄積機能、蓄積された信号の読み出し機能や、画素位置の選択機能などを有する。受光部で光電変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのもの若しくは付設されたキャパシタに蓄えられる。蓄えられた電荷は、いわゆる電荷結合素子（ＣＣＤ）や、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いたＭＯＳ型撮像素子（いわゆるＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択と共に読み出される。

ＣＣＤ型イメージセンサでは、画素の電荷信号を、転送スイッチによりアナログシフトレジスタに転送する電荷転送部を有しており、レジスタの動作で信号を出力端に順次読み出す方法が挙げられる。ラインアドレス（line address）型、フレーム転送（frame transfer）型やインターライン転送（interline transfer）型、フレームインターライン転送（frame interline transfer）型方式などが挙げられる。また、ＣＣＤには２相構造、３相構造、４相構造、さらには埋め込みチャンネル構造などが知られるが、本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子における垂直転送路の構造はこれらのうちの任意の構造を採用できる。

他には、アドレス選択方式として、１画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧（または電荷）として読み出す方式が挙げられる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス走査の撮像素子がＣＭＯＳセンサとして知られる。これは、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に設けられたスイッチが垂直シフトレジスタに接続され、垂直走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に設けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを通して順番に出力端から読み出される。

出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling）の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上を図ることができる。

信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。ＮＴＳＣ信号に用いる際は、ＲＧＢ信号をＹＩＱ信号の変換処理を施すことができる。これらは、従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサと同じである。

上述した実施形態では、マイクロレンズや赤外線カットフィルタ，紫外線カットフィルタについては述べなかったが、図１の構成で、赤外線カットフィルタを最下層や最上層に設けることも可能であり、又、マイクロレンズを使用して集光率を上げることも可能である。マイクロレンズを設けた場合には、入射光を画素に対して垂直方向にさせることができるため、クロストークの防止に繋がる。又、紫外線カットフィルタを、最上層に設けたり、或いは、光電変換膜積層型固体撮像素子を搭載するカメラの撮影レンズと光電変換膜との間の適宜箇所に入れたりしてもよい。

更に、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、光電変換膜を３層構造とすることで、様々な利点を有することができる。例えば、撮像画像にモアレが発生しない、一つの画素でＲ，Ｇ，Ｂを一緒に検出できるため光学ローパスフィルタが不要となり高解像度が得られる、輝度，色とも解像度が良く色にじみがない、信号処理が単純でしかも擬信号が発生しないため髪の毛等の再現性が良くなる、画素混合が容易でまた部分読みも容易となる、マイクロレンズを使用しなくても開口率１００％である、撮像レンズに対する射出瞳距離に制約ないためシェーディングが無く、このため、レンズ交換カメラに適し、更に、レンズの薄型化に貢献する等、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサが持っていた問題を解決することができる。

又、本実施形態では、光電変換膜を３層構造としているが、光電変換膜を４層以上積層した構造であっても同様の効果を得ることができる。４層構造にした場合には、例えば、赤色検出用の光電変換膜と、青色検出用の光電変換膜と、エメラルド色検出用の光電変換膜（バンドギャップが波長４８０〜５００ｎｍに設定されたもの）と、緑色検出用の光電変換膜とをこの順に上から積層した構造とすれば良い。

又、本実施形態では、光電変換膜１３、光電変換膜１８、光電変換膜２３をこの順に積層した構造を例にして説明したが、本発明の目的を達成するためには、この順番は任意である。ただし、製造プロセスを簡略化するという目的のためには、有機材料で構成されている光電変換膜２３を最上層に設けることが重要であり、光電変換膜積層型固体撮像素子の全体の厚みを最も薄くするという目的のためには、光電変換膜１３を最下層に設けることが重要である。

又、本実施形態では、反射膜２７を設けたことにより、最下層の光電変換膜の厚みを薄くできるという効果を得ているが、光電変換膜１３，１８，２３の各々がシリコンナノ粒子により構成されたものであった場合でも、この効果を得ることは可能である。この場合には、赤色検出用の光電変換膜２３の膜厚が３つの光電変換膜の中で最も大きくなってしまうため、図６（図１と同一符号を付してある）に示すように、最下層に赤色検出用の光電変換膜２３を設け、その上に緑色検出用の光電変換膜１３を設け、最上層に青色検出用の光電変換膜１８を設けた構成が好ましい。この構成にすることで、赤色検出用の光電変換膜２３の厚みを薄くすることができ、本発明の目的を達成することができる。

尚、反射膜２７を設けて最下層の光電変換膜の膜厚を薄くするという考えは、３層以上の積層構造に限らず、基板上方に光電変換膜が一層以上積層された構造であれば適用することができる。又、光電変換膜の構成は特に限定されることなく、無機材料や有機材料により構成した公知のものを用いることができる。

本発明の実施形態を説明するための光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図図１に示すＭＯＳ回路の回路図図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子のＲ膜の断面模式図図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子のＢ膜の断面模式図図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子のＢ膜の別の例を示す断面模式図本発明の実施形態を説明するための別の例の光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図

符号の説明

１３緑色検出用光電変換膜
１８青色検出用光電変換膜
２３赤色検出用光電変換膜
２，４，６ＭＯＳ回路（信号読出回路）

Claims

半導体基板上方に積層される光電変換膜と、前記半導体基板に形成される信号読出回路とを有し、前記光電変換膜に蓄積される信号電荷に応じた信号を前記信号読出回路によって外部に読み出す光電変換膜積層型固体撮像素子であって、
前記光電変換膜は前記半導体基板上方に少なくとも３つ積層され、
前記少なくとも３つの光電変換膜は、有機材料により構成される赤色検出用光電変換膜を含み、
前記赤色検出用光電変換膜以外の光電変換膜は、キャリアのトンネル伝導が可能な厚さの絶縁膜で表面を覆われた半導体ナノ粒子により構成される光電変換膜積層型固体撮像素子。
請求項１記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、
前記赤色検出用光電変換膜は最も上に積層される光電変換膜積層型固体撮像素子。
請求項１又は２記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、
最下層の前記光電変換膜と前記半導体基板との間に、前記最下層の光電変換膜を通過した光を反射する反射膜を備える光電変換膜積層型固体撮像素子。
請求項３記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、
前記最下層の光電変換膜は、緑色の光を検出できるように前記半導体ナノ粒子の平均粒径が決められる光電変換膜積層型固体撮像素子。