JP2006229022A - 光電変換膜積層型固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換膜積層型固体撮像素子で検出する画像信号の画素分離性能を高め、また、色毎の感度差を抑えて画質を向上させる。
【解決手段】 共通電極膜１１３，１１７，１２１と画素対応の画素電極膜１１１，１１５，１１９とによって挟まれた光電変換膜１１２，１１６，１２０が絶縁膜１１４，１１８を介して半導体基板１００の上に少なくとも３層積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記３層の各層の光電変換膜１１２，１１６，１２０が前記画素対応に分離して形成されている。また、前記３層の各層の光電変換膜１１２，１１６，１２０の面積を、夫々の光電変換特性に応じて設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は信号読出回路が形成された半導体基板の上に入射光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換膜を積層した固体撮像素子に係り、特に、光電変換膜で得られる画像信号のＳ／Ｎを向上させた光電変換膜積層型固体撮像素子に関する。

光電変換膜積層型固体撮像素子の原型的な素子として、例えば下記特許文献１記載のものがある。この固体撮像素子は、半導体基板の上に感光層を３層積層し、各感光層で検出された赤色（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になっている。

斯かる構成の固体撮像素子が過去に提案されたが、その後、半導体基板表面部に多数の受光部（フォトダイオード）を集積すると共に各受光部上に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色カラーフィルタを積層したＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサが著しく進歩し、現在では、数百万もの受光部（画素）を１チップ上に集積したイメージセンサがデジタルスチルカメラに搭載される様になっている。

しかしながら、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは、その技術進歩が限界近くまで進み、１つの受光部の開口の大きさが２μｍ程度と、入射光の波長オーダに近づいており、製造歩留まりが悪いという問題に直面している。

また、微細化された１つの受光部に蓄積される光電荷量の上限は、電子３０００個程度と少なく、これで２５６階調を奇麗に表現するのが困難にもなってきている。このため、画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのは困難になっている。

そこで、これらの問題を解決する固体撮像素子として、特許文献１で提案された固体撮像素子が見直されるようになり、特許文献２や特許文献３に記載されているイメージセンサが新たに提案される様になってきている。

特許文献２に記載されたイメージセンサは、シリコンの超微粒子を媒質内に分散して光電変換層とし、超微粒子の粒径を変えた複数の光電変換層を半導体基板の上に３層積層し、夫々の光電変換層で、赤色，緑色，青色の夫々の受光量に応じた電気信号を発生させる様になっている。

特許文献３に記載されたイメージセンサも同様であり、粒径の異なるナノシリコン層を半導体基板の上に３層積層し、夫々のナノシリコン層で検出された赤色，緑色，青色の各電気信号を、半導体基板の表面部に形成されている蓄積ダイオードに読み出すようになっている。

図５は、この従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。図５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、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２と、赤色信号読出用のＭＯＳ回路３と、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４と、緑色信号読出用のＭＯＳ回路５と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６と、青色信号読出用の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、その上に、遮光膜１０が積層される。遮光膜は、多くの場合、金属薄膜で形成されるため、更にその上に絶縁膜１１を形成する。

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は、ＭＯＳ回路３，５，７によって外部に読み出される。

図５に示す絶縁膜１１の上に、画素毎に区分けされた画素電極膜１２が形成される。各画素毎の画素電極膜１２は、夫々各画素用の赤色信号蓄積用高濃度不純物領域２に柱状電極１３によって導通される。この柱状電極１３は、画素電極膜１２及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。

各画素電極膜１２の上部には、赤色検出用の光電変換膜１４が各画素共通に一枚構成で積層され、更にその上部に透明の共通電極膜１５が各画素共通に一枚構成で形成される。

同様に、共通電極膜１５の上部には透明の絶縁膜１６が形成され、その上部に、各画素毎に区分けされた透明の画素電極膜１７が形成される。各画素電極膜１７と対応する各画素毎の緑色信号蓄積用高濃度不純物領域４とは柱状電極１８によって導通される。この柱状電極１８は、画素電極膜１７及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。各画素電極膜１７の上部には緑色検出用の光電変換膜１９が光電変換膜１４と同様に一枚構成で形成され、その上部に、透明の共通電極膜２０が形成される。

共通電極膜２０の上部には透明の絶縁膜２１が形成され、その上部に、各画素毎に区分けされた画素電極膜２２が形成される。画素電極膜２２は、対応する各画素毎の青色信号蓄積用高濃度不純物領域６と柱状電極２６によって導通される。この柱状電極２６は、画素電極膜２２及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。画素電極膜２２の上部には青色検出用の光電変換膜２３が各画素共通に一枚構成で積層され、その上部に、透明の共通電極膜２４が形成され、最上層には透明の保護膜２５が形成される。

入射光がこの固体撮像素子に入射すると、青色光，緑色光，赤色光の各入射光量に応じた光電荷が各光電変換膜２３，１９，１４において励起され、共通電極膜２４，２０，１５と画素電極膜２２，１７，１２との間に電圧が印加されることで、夫々の光電荷が高濃度不純物領域２，４，６に流れ、ＭＯＳ回路３，５，７によって外部に青色信号，緑色信号，赤色信号として読み出される。

特開昭５８―１０３１６５号公報 特許第３４０５０９９号公報 特開２００２―８３９４６号公報

図５に示す従来の光電変換膜積層型固体撮像素子では、各光電変換膜１４，１９，２３の光電変換効率が同一でないと、色毎の感度差が生じて撮像画像の色バランスが崩れ画質を低下させてしまうという問題がある。また、各画素電極膜による検出信号の画素分離が不十分なため、Ｓ／Ｎが低下するという問題もあり、更に、デジタルスチルカメラ等に組み込んだとき、固体撮像素子周辺部の受光量が中央部の受光量より落ちてシェーディングが発生することがあるという問題もある。

本発明の目的は、検出信号の画素分離性能を高めてＳ／Ｎを向上させ、また、色毎の感度差を抑えて画質を向上させ、また、シェーディングの発生を抑制することができる光電変換膜積層型固体撮像素子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素子は、共通電極膜と画素対応の画素電極膜とによって挟まれた光電変換膜が絶縁膜を介して半導体基板の上に少なくとも３層積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記３層の各層の光電変換膜が前記画素対応に分離して形成されていることを特徴とする。

この構成により、各画素から検出される画像信号（検出信号）の画素分離性能が向上し、検出信号のＳ／Ｎが向上する。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、画素毎の前記３層の各層の光電変換膜の面積を夫々の光電変換特性に応じて設定したことを特徴とする。

この構成により、赤色光を光電変換する層と、緑色光を光電変換する層と、青色光を光電変換する層の感度を、各画素において均一化することが可能となり、色毎の感度差がなくなるため、色バランスが高く高品質のカラー画像を撮像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素子は、固体撮像素子の中央部における画素の前記３層の光電変換膜の夫々の面積に対して前記固体撮像素子の周辺部の画素の前記３層の光電変換膜の夫々の面積を広くしたことを特徴とする。

この構成により、シェーディングの発生を回避することが可能となる。

本発明によれば、検出信号の画素分離性能を高くなるためＳ／Ｎが向上し、また、色毎の感度差が抑制されるため画質が向上し、また、シェーディングの発生が抑制される。

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。

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素子の１画素分の断面模式図である。半導体基板１００の表面部には、信号読出回路が形成される。信号読出回路は、図５と同様にＭＯＳトランジスタ回路で構成しても、また、図１に示す様に、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様の電荷転送路で構成してもよい。

図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子では、ｎ型半導体基板１００の表面部にＰウェル層１０２が形成され、更にその表面部のＰ領域１０３には、第１色電荷蓄積領域となるダイオード部１４１と、第２色電荷蓄積領域となるダイオード部１４２と、第３色電荷蓄積領域となるダイオード部１４３とが形成され、各ダイオード部の間に電荷転送路１５１，１５２，１５３が形成される。対となるダイオード部１４１及び電荷転送路１５１と、ダイオード部１４２及び電荷転送路１５２と、ダイオード部１４３及び電荷転送路１５３との間には、ｐ＋領域でなるチャネルストッパ１０６が形成される。

半導体基板１００の表面には、絶縁層１０７が積層され、この絶縁層１０７の内部の電荷転送路１５１，１５２，１５３の上には電荷転送電極１８１，１８２，１８３が形成されると共に、各ダイオード部１４１，１４２，１４３に接続される電極１９１，１９２，１９３が埋設される。本実施形態の電極１９１，１９２，１９３は、入射光（入射光のうちの可視光部分は上層の光電変換膜で吸収されるため、主に赤外光）が半導体基板表面の信号読出回路に入射しないように遮光膜を兼用している。

絶縁層１０７の上には、画素毎に区画された第１色用の画素電極膜１１１が積層される。この画素電極膜１１１は、透明材料で形成される。

各画素電極膜１１１の上には、第１色の入射光を光電変換する第１層光電変換膜１１２が画素毎に区分けされて積層され、この第１層光電変換膜１１２の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１１の対向電極膜）１１３が積層される。

共通電極膜１１３の上には、透明の絶縁膜１１４が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第２色用の透明の画素電極膜１１５が積層される。そして、各画素電極膜１１５の上に、第２色の入射光を光電変換する第２層光電変換膜１１６が画素毎に区分けされて積層され、第２層光電変換膜１１６の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１５の対向電極）１１７が積層される。

共通電極膜１１７の上には、透明の絶縁膜１１８が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第３色用の透明の画素電極膜１１９が積層される。そして、各画素電極膜１１９の上に、第３色の入射光を光電変換する第３層光電変換膜１２０が画素毎に区分けされて積層され、第３層光電変換膜１２０の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１９の対向電極）１２１が積層される。更にその上に保護膜が形成される場合もあるが、これは図示を省略する。

第１色用の画素電極膜１１１は、第１色電荷蓄積用ダイオード部１４１の電極９１と縦配線（柱状電極）１２２により電気的に接続され、第２色用の画素電極膜１１５は、第２色電荷蓄積用ダイオード部１４２の電極１９２と縦配線（柱状電極）１２３により電気的に接続され、第３色用の画素電極膜１１９は、第３色電荷蓄積用ダイオード部１４３の電極１９３と縦配線１２４により電気的に接続される。各縦配線１２２，１２３，１２４は、対応の電極１９１，１９２，１９３及び画素電極膜１１１，１１５，１１９以外とは絶縁される。

各層の光電変換膜１１２，１１６，１２０の材質としては、有機，無機を問わないが、直接遷移型の薄膜構造，微粒子構造，グレッチェル構造のものを用いることが好ましい。微粒子構造とする場合、バンドギャップ端を制御することが可能となる。例えば、ＣｄＳｅ，ＩｎＰ，ＺｎＴｅ，ＺｎＳｅ等のナノ粒子径を制御することにより、光電変換される波長領域を制御可能となる。

今、第１色を赤色（Ｒ）、第２色を緑色（Ｇ）、第３色を青色（Ｂ）とする。この光電変換膜積層型固体撮像素子に光が入射すると、入射光の内の青色の波長領域の光は第３層光電変換膜１２０に吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１９から縦配線１２４及び電極１９３を通ってダイオード部１４３に流れ込む。

同様に、入射光の内の緑色の波長領域の光は、第３層光電変換膜１２０を透過して第２層光電変換膜１１６により吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１５から縦配線１２３及び電極１９２を通ってダイオード部１４２に流れ込む。

同様に、入射光の内の赤色の波長領域の光は、第３層，第２層光電変換膜１２０，１１６を透過して第１層光電変換膜１１２により吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１１から縦配線１２２及び電極１９１を通ってダイオード部１４１に流れ込む。

各ダイオード部１４１，１４２，１４３からの信号取出は、通常のシリコンの受光素子からの信号取出に準じた手法で行うことができる。例えば、一定量のバイアス電荷をダイオード部１４１，１４２，１４３に注入し（リフレッシュモード）ておき、光入射によって一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出す。有機受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。信号電荷の読み出しには、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサの読出手法を適用することができる。

以上述べた様に、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、従来の光電変換膜積層型固体撮像素子における第１層，第２層，第３層の光電変換膜が夫々各画素共通に一枚構成であったのに対し、画素毎に分離して形成したため、ダイオード１４１，１４２，１４３に流れ込む光電荷すなわち画像信号（検出信号）の画素分離性能が向上し、Ｓ／Ｎも向上する。

図２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素子の１画素分の要部断面模式図である。本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子では、その構成の大部分は図１に示す第１の実施形態における光電変換膜積層型固体撮像素子の構成と同じため、同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。

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素子では、１画素分の、第１層光電変換膜１１２の面積と、第２層光電変換膜１１６の面積と、第３層光電変換膜１２０の面積を同一面積としている。この構成は、第１層光電変換膜１１２と、第２層光電変換膜１１６と、第３層光電変換膜１２０の夫々の光電変換効率が同一であれば問題はない。

しかし、これら３層の光電変換膜１１２，１１６，１２０は光を吸収する波長範囲が異なるため、異なる材質で製造することがあり、同一の光電変換特性、特に同一の光電変換効率にならない場合もある。そこで、本実施形態では、各光電変換膜１１２，１１６，１２０の面積を、夫々の光電変換膜の材質に応じて異なる面積としたことを特徴とする。図２に図示する例では、緑色の光を光電変換する光電変換膜１１６ａの光電変換効率が高く感度が高いため、その面積を、他色用の光電変換膜１１２，１２０の面積より狭くしている。

これにより、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子では、３層の光電変換膜の感度差つまり色毎の感度差が無くなるため、撮像画像の色バランスが良くなり、高画質の画像を撮像することが可能となる。

図３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素子の表面模式図である。本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、素子中央部分の画素２０１の大きさに対して、周辺部の画素２０２の面積を大きくしている。つまり、素子中心部から周辺部に行くに従い、画素面積を増大させている。

図４（ａ）は、図３に示す素子中心部の画素２０１と素子周辺部の画素２０２の光電変換膜部分の断面模式図である。素子中心部の画素２０１の第１層，第２層，第３層の光電変換膜１１２，１１６，１２０の面積に対して、素子周辺部の画素２０２の第１層，第２層，第３層の各光電変換膜１１２，１１６，１２０の面積を増大させているところを示している。

本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子によれば、素子周辺部の画素ほど面積を増大させ受光面積を広げているため、周辺光量が落ちても周辺画素の受光面積が増えるため、シェーディングを避けることが可能となる。

図４（ｂ）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素子の説明図である。本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子は、第２の実施形態と第３の実施形態を組み合わせた構成を持っており、素子周辺部に行くほど画素面積を増大させると共に、各層の光電変換膜の面積を各層の光電変換膜の感度に応じて設定している。これにより、シェーディングを回避でき、また、各色用の光電変換膜の受光感度の均一化が図れ、高画質の画像を撮像することが可能となる。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、画素分離性能が高くなるため検出信号のＳ／Ｎが向上し、色バランスが向上し、シェーディングを回避することが容易となるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代わる固体撮像素子として有用である。

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素子の１画素分の断面模式図である。 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素子の１画素分の断面模式図である。 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素子の表面模式図である。 本発明の第３と第４の各実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の光電変換膜部分の断面模式図である。 従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。

符号の説明

１００ 半導体基板
１１１，１１５，１１９ 画素電極膜
１１２，１１６，１１６ａ，１２０ 光電変換膜
１１３，１１７，１２１ 共通電極膜
１１４，１１８ 絶縁膜
１２２，１２３，１２４ 縦配線
１４１，１４２，１４３ ダイオード部（電荷蓄積領域）
１５１，１５２，１５３ 電荷転送路
１９１，１９２，１９３ 電極（遮光膜を兼用する）

Claims (3)

1. 共通電極膜と画素対応の画素電極膜とによって挟まれた光電変換膜が絶縁膜を介して半導体基板の上に少なくとも３層積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記３層の各層の光電変換膜が前記画素対応に分離して形成されていることを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像素子。
2. 画素毎の前記３層の各層の光電変換膜の面積を夫々の光電変換特性に応じて設定した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素子。
3. 固体撮像素子の中央部における画素の前記３層の光電変換膜の夫々の面積に対して前記固体撮像素子の周辺部の画素の前記３層の光電変換膜の夫々の面積を広くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。

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