JP2006140249A - 積層型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体基板に設けられた光電変換部で受光する光を増やすことができる積層型固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る積層型固体撮像装置は、第１の波長の光を検出する第１の光電変換部と第２の波長の光を検出する第２の光電変換部とが２次元状に配列された半導体基板と、該半導体基板の上に積層され、第３の波長の光を検出する光電変換膜とを備え、光電変換膜には画素毎に一定の間隔で配置された画素電極膜が接続され、第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部が、半導体基板に対して垂直な方向から見たときに、画素電極膜同士の間にそれぞれ配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、カラー画像を撮像する積層型固体撮像装置に関する。

従来、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載されるＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の単版式カラー固体撮像装置は、数百万画素の光電変換素子と各画素から信号を読み出す信号読出回路とを同一の半導体基板上に形成する構成であった。この場合、各光電変換素子の受光面の面積を広くとることができず、受光面の寸法が入射光の波長オーダとなり、一画素で検出できる光量が少なくなって感度が低下してきていると共に、歩留りが低下してコストが嵩むという不利益があった。

そこで、従来では、半導体基板に信号読出回路だけを設け、半導体基板の上層部に赤色検出用の光電変換膜と緑色検出用の光電変換膜と青色検出用の光電変換膜とを積層させた構成を有する積層型固体撮像装置が開発されている。

しかし、光電変換膜を半導体基板上に３層の光電変換膜を積層することは構造が複雑になり製造することが困難であり、製造コストも嵩んでしまう欠点がある。このため、下記特許文献１では、半導体基板上に従来のＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサと同様に赤色検出用の光電変換素子と青色検出用の光電変換素子を製造し、この半導体基板の上部に緑色検出用の光電変換膜を一層だけ積層した構成の積層型固体撮像装置を提案している。
また、下記特許文献２，３では、積層型撮像素子において、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子上にアモルファスシリコンを積層して受光部の開口率を向上する構成が記載されている。

特開２００３−３３２５５１号公報 特開平１−２９５４５８号公報 特開平５−１６７０５６号公報

光電変換膜を１層だけ半導体基板の上に積層して３原色のうちの１色を検出し、他の２色が半導体基板に設けたフォトダイオード（光電変換素子）で検出する構成にすると、光電変換膜の１画素の面積を広くとることができるため、光電変換膜で受光する波長領域の光の受光量を増やすことができ、感度が向上する。

しかし、半導体基板に設けられたフォトダイオードに入射する光が、光電変換膜に接続された透明の画素電極膜を透過する際に吸収されてしまうため、光の利用効率で更なる改善の余地があった。

上記特許文献１には、光電変換膜に接続される画素電極膜の配置と半導体基板上に設けられたフォトダイオードの配置との関係が記載されていないため、光電変換膜に入射した光が光電変換膜に接続された透明電極膜によって吸収されてしまうといった問題を解決できなかった。

また、上記特許文献２，３では、半導体基板に設けられた蓄積ダイオードなどの光電変換素子上を覆うように画素電極膜が形成されているため、該画素電極膜によって吸収されることに起因して光電変換素子で受光される光の利用効率が低減することが避けられなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体基板に設けられた光電変換部で受光する光を増やすことができる積層型固体撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、第１の波長の光を検出する第１の光電変換部と第２の波長の光を検出する第２の光電変換部とが２次元状に配列された半導体基板と、該半導体基板の上に積層され、第３の波長の光を検出する光電変換膜とを備えた積層型固体撮像装置であって、前記光電変換膜には画素毎に一定の間隔で配置された画素電極膜が接続され、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部が、前記半導体基板に対して垂直な方向から見たときに、前記画素電極膜同士の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする積層型固体撮像装置によって達成される。

上記積層型固体撮像装置は、光電変換膜が透過性の有機半導体であることを特徴とする。

上記積層型固体撮像装置は、光電変換膜が、緑色の波長を検出して光電荷を発生する構成であることを特徴とする。

上記積層型固体撮像装置は、光電変換膜には電荷蓄積部が接続され、光の入射方向視において、電荷蓄積部の面積が、第１の光電変換部及び第２の光電変換部の各面積より小さいことを特徴とする。

上記積層型固体撮像装置は、第１の光電変換部及び第２の光電変換部に入射する光を透過するカラーフィルタがそれぞれ設けられ、カラーフィルタの光入射側にマイクロレンズがそれぞれ設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体基板に設けられた光電変換部で受光する光を増やすことができる積層型固体撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明に係る積層型固体撮像装置の第１の実施形態を示す平面図である。図１に示すように、積層型固体撮像装置１０は、半導体基板１を備え、該半導体基板１の表面には、複数の青色光電変換部３と複数の赤色光電変換部４とが配列されている。青色光電変換部３は、青色の波長を受光して青色の信号電荷を蓄積する構成であり、赤色光電変換部４は、赤色の波長の光を受光して赤色の信号電荷を蓄積する構成である。本実施形態では、青色光電変換部３と赤色光電変換部４としては、フォトダイオードを使用する。本実施形態では、青色光電変換部３と赤色光電変換部４は、光の入射方向（図１を正面視した方向）に対して垂直となる、菱形の平面を有する。

また、半導体基板１には、緑色の波長を受光して受光量に応じた電荷を発生する画素電極膜１２と、該画素電極膜１２に電気的に接続され、画素電極膜１２から緑色の信号電荷を蓄積する信号蓄積部２とが設けられている。本実施形態では、画素電極膜１２及び信号蓄積部２は、光の入射方向に対して垂直となる菱形の平面を有し、信号蓄積部２における該平面の面積は、青色光電変換部３及び赤色光電変換部４より小さく、青色光電変換部３及び赤色光電変換部４の各面積の２０％から３０％の範囲とする。

なお、図１において、Ｒは赤色を意味し、Ｇは緑色を意味し、Ｂは青色を意味しており、緑色の信号蓄積部２，青色光電変換部３及び赤色光電変換部４の配列を示している。

信号蓄積部２と青色光電変換部３と赤色光電変換部４とは、信号蓄積部２を介して青色光電変換部３と赤色光電変換部４とが交互に位置するように、正方の格子状に配置されている。具体的には、図１に示すように、水平方向及び垂直方向に対して、Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ・・・と繰り返し配置されている。

半導体基板１の上面には、平面視した状態で、信号蓄積部２と青色光電変換部３との間、及び、信号蓄積部２と赤色光電変換部４との間にはそれぞれ、図１の平面視において上下方向に延びるように垂直転送路６が設けられている。垂直転送路６は、信号蓄積部２の面積と青色光電変換部３並びに赤色光電変換部４の各面積の大きさに合わせて近接するように、蛇行した状態で形成されている。

半導体基板１の一部近傍には、垂直転送路６に対して垂直に延びる水平転送路７が設けられている。信号蓄積部２，青色光電変換部３及び赤色光電変換部４に蓄積された信号電荷は、後述するように順次に垂直転送路６に読み出されて該垂直転送路６に沿って転送され、垂直転送路６から水平転送路７に移送された後、水平転送路７から出力される。こうすることで、積層型固体撮像装置１０は、撮像時に受光した光からＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を読み出すことができる。

図２は、本実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。
積層型固体撮像装置１０は、半導体基板１の上面部に、信号蓄積部２と、青色光電変換部３と、赤色光電変換部４とが形成されている。本実施形態では、半導体基板１をｎ型半導体とし、青色光電変換部３及び赤色光電変換部４を構成するフォトダイオードにｐウェル層とｎ領域を形成した。

半導体基板１の上面部において、信号蓄積部２，青色光電変換部３及び赤色光電変換部４のそれぞれに対応するように水平方向に間隔をおいて垂直転送路６が設けられている。

垂直転送路６の上面には転送電極１７が形成されている。また、絶縁層１９に入射した光が垂直転送路６に照射されてスミアが生じることを防止するため、該転送電極１７を覆うように遮光膜１８が形成されている。

半導体基板１の上面部には、光透過性を有する絶縁層１９が積層されている。絶縁層１９において、青色光電変換部３の積層方向（図２の上下方向）に対して上方に青色を透過するカラーフィルタ１３が設けられ、赤色光電変換部４の席双方向の上方に赤色を透過するカラーフィルタ１４が設けられている。転送電極１７，遮光膜１８及びカラーフィルタ１３，１４は、絶縁層１９に埋設される。

絶縁層１９の上面には画素電極膜１２が画素毎に区分けして形成されている。これら画素電極膜１２が、半導体基板１に設けられた信号蓄積部２に、柱状の縦型配線１６によって電気的に接続されている。

画素電極膜１２の上には、光の入射方向からみた半導体基板１の面全体にわたって、透過性の有機半導体である光電変換膜１１が形成されている。光電変換膜１１の表面には光透過性を有する対向電極１５が形成されている。

積層型固体撮像装置１０に光が入射すると、入射光の緑色の波長領域の光が光電変換膜１１に吸収され、光電荷が光電変換膜１１内に発生する。そして、この光電荷は、対向電極１５にバイアス電圧を印加することで、縦型配線１６を通って信号蓄積部２に導かれて蓄積される。

入射光のうち青色及び赤色の波長領域の光は光電変換膜１１を透過する。青色光は、カラーフィルタ１３を透過して青色光電変換部３に入射し、青色光の光量に応じた信号電荷が発生して青色光電変換部３に蓄積される。赤色光は、カラーフィルタ１４を透過して赤色光電変換部４に入射し、赤色光の光量に応じた信号電荷が発生して赤色光電変換部４に蓄積される。

信号蓄積部２，青色光電変換部３及び赤色光電変換部４に蓄積された各色の信号電荷は、垂直転送路６に読み出されて水平転送路７に転送され、該水平転送路７を経由して半導体基板１から出力される。

本実施形態の積層型固体撮像装置１０は、画素変換膜１２が一定の間隔で配置され、青色光電変換部３及び赤色光電変換部４が、半導体基板１に対して垂直な方向（図１を正面視した状態の方向）から見たときに画素電極膜１２同士の間にそれぞれ配置されている。 すると、光電変換膜１１を透過して青色光電変換部３及び赤色光電変換部４に入射する光が、画素電極膜１２を透過する量をできるだけ小さくすることができる。このため、画素電極膜１２を透過することに起因して青色光電変換部３及び赤色光電変換部４に入射すべき光が吸収されてしまうことを抑制でき、赤色及び青色の波長領域の光の利用効率を向上させることができる。

ここで、青色光電変換部３及び赤色光電変換部４における光入射側の面における重点が、半導体基板１に対して垂直な方向から見たときに画素電極膜１２同士の間にそれぞれ位置している。青色光電変換部３及び赤色光電変換部４における光入射側の各面積のうち７０％から１００％が、光入射方向（図１の正面視の方向）に対して画素電極膜１２と重ならないことが好ましい。

また、本実施形態では、入射光を光電変換膜１１で受光して光電荷を蓄積する構成であるため、半導体基板１に設けられた信号蓄積部２に直接光を照射させる必要がない。このため、本実施形態の積層型固体撮像装置１０では、図２に示すように、光の入射方向視において、信号蓄積部２の表面の面積を、青色光電変換部３や赤色光電変換部４の各面積より小さくすることができる。

本実施形態の積層型固体撮像装置１０は、半導体基板１に青色光電変換部３と赤色光電変換部４とを設け、その上層に緑色の波長領域の光を受光する光電変換膜１１を形成する構成としたがこれに限定されない。以下の実施形態も含め、積層型固体撮像装置１０は、３原色のうち２色に対応する第１の光電変換部及び第２の光電変換部を半導体基板にそれぞれ設けて他の１色の波長領域の光を受光する光電変換膜を該半導体基板に積層する構成とすることができる。

次に、本発明にかかる第２の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図３は、本実施形態の積層型固体撮像装置の平面図を示し、図４は、本実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図を示している。
積層型固体撮像装置３０は、青色光電変換部３３と赤色光電変換部３４とが２次元状に配列された半導体基板３１と、該半導体基板３１の上に積層され、緑色の波長の光を検出する光電変換膜４１とを備えている。半導体基板３１に設けられた青色光電変換部３３、赤色光電変換部３４、信号蓄積部３２、画素電極膜４２，縦型配線４６、転送電極４７及び遮光膜４８の機能は、図１及び２に示した第１の実施形態と同様である。

図３に示すように、本実施形態の積層型固体撮像装置３０において、画素電極膜４２，青色光電変換膜３３及び赤色光電変換膜３４が、光の入射方向に対して垂直な、長方形状の面を有する。図３を正面視した状態において、青色光電変換膜３３と赤色光電変換膜３４の面が、上下方向に長尺となり、且つ、画素電極膜４２の面が左右方向に長尺となるように配置されている。

本実施形態の積層型固体撮像装置３０は、上記第１の実施形態と同様に、青色光電変換部３３及び赤色光電変換部３４が、半導体基板３１に対して垂直な方向から見たときに画素電極膜４２同士の間にそれぞれ配置されている。また、青色光電変換部３３及び赤色光電変換部３４における光入射側の面における重点が、半導体基板３１に対して垂直な方向から見たときに画素電極膜４２同士の間にそれぞれ位置している構成とすれば、図３に示すように、光の入射方向に対して、画素電極膜４２と青色光電変換部３３並びに赤色光電変換部３４とが一部重なっていても構わない。

また、入射光を光電変換膜４１で受光して光電荷を蓄積する構成であるため、光の入射方向において、信号蓄積部３２の表面の面積を、青色光電変換部３３や赤色光電変換部３４の各面積より小さくすることができる。このとき、図3に示すように、垂直転送路３６を、信号蓄積部３２，青色光電変換部３３及び赤色光電変換部３４にそれぞれ近接するように、適宜蛇行させた状態で形成する。

本実施形態の積層型固体撮像装置３０は、画素電極膜４２を透過することに起因して青色光電変換部３３及び赤色光電変換部３４に入射すべき光が吸収されてしまうことを抑制でき、赤色及び青色の波長領域の光の利用効率を向上させることができる。

次に、本発明にかかる第３の実施形態を説明する。
図５は、本実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。本実施形態の積層型固体撮像装置の構成は、基本的に図１及び図２に示す第１の積層型固体撮像装置と同様の構成であり、以下、異なる構成について説明する。

図５に示すように、積層型固体撮像装置５０は、青色の波長領域を透過するカラーフィルタ１３と、赤色の波長領域を透過するカラーフィルタ１４の上面のそれぞれに、光入射側に凸面を有し且つ下側面を平面としたマイクロレンズ５１を備えた構成である。マイクロレンズ５１の下側面の面積は、該カラーフィルタ１３，１４の上面の面積をよりも大きくすることが好ましい。

本実施形態の積層型固体撮像装置５０によれば、画素電極膜１２を透過することで青色光電変換部３及び赤色光電変換部４に入射すべき光が吸収されてしまうことを抑制できるとともに、画素電極膜１２を透過せずに絶縁層１９に入射した光がマイクロレンズ５１に照射されることによって集光され、カラーフィルタ１３，１４に射出されるようになる。 このため、積層型固体撮像装置５０の光入射面に対して斜めに入射した光が、画素電極膜１２を透過せずに絶縁層１９に入射しても、マイクロレンズ５１によってカラーフィルタ１３，１４へ導くことができるため、光の利用効率がより一層向上する。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、図２に示す固体撮像装置１０において、信号蓄積部２に光が入射することを防止するため画像電極膜１２の縁部に半導体基板１側に向って延設されたフランジ状の遮光部を設けてもよい。または、半導体基板１及び垂直転送路６の表面全体に遮光層を形成することで、信号蓄積部２に光が入射することを防止する構成としてもよい。

積層型固体撮像装置の第１の実施形態を示す平面図である。 第１の実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。 積層型固体撮像装置の第２の実施形態の平面図である。 第２の実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。 第３の実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。

符号の説明

１，３１ 半導体基板
２，３２ 信号蓄積部
３，３３ 青色光電変換部
４，３４ 赤色光電変換部
６，３６ 垂直転送路
７，３７ 水平転送路
１０，３０，５０ 積層型固体撮像装置
１１，４１ 光電変換膜
１２，４２ 画素電極膜
１３，１４，４３，４４ カラーフィルタ
５１ マイクロレンズ

Claims (5)

1. 第１の波長の光を検出する第１の光電変換部と第２の波長の光を検出する第２の光電変換部とが２次元状に配列された半導体基板と、該半導体基板の上に積層され、第３の波長の光を検出する光電変換膜とを備えた積層型固体撮像装置であって、
   前記光電変換膜には画素毎に一定の間隔で配置された画素電極膜が接続され、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部が、前記半導体基板に対して垂直な方向から見たときに、前記画素電極膜同士の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする積層型固体撮像装置。
2. 前記光電変換膜が透過性の有機半導体であることを特徴とする請求項１に記載の積層型固体撮像装置。
3. 前記光電変換膜が、緑色の波長を検出して光電荷を発生する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型固体撮像装置。
4. 前記光電変換膜には電荷蓄積部が接続され、光の入射方向視において、前記電荷蓄積部の面積が、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部の各面積より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の積層型固体撮像装置。
5. 前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射する光を透過するカラーフィルタがそれぞれ設けられ、前記カラーフィルタの光入射側にマイクロレンズがそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の積層型固体撮像装置。

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