JP2006237136A - 光電変換膜積層型固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 残像現象の発生を抑制することができ高品質なカラー画像を撮像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】 共通電極膜１５，２０，２４と画素対応の画素電極膜１２，１７，２２とによって挟まれた光電変換膜１４，１９，２３が絶縁層１６，２１を介して半導体基板１の上に少なくとも３層積層され、各層毎の光電変換膜に夫々被着される画素電極膜１２，１７，２２と半導体基板１に形成された電荷蓄積部２，４，６とを柱状のコンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａで接続する光電変換膜積層型固体撮像素子において、３層の各々の画素電極膜１２，１７，２２に接続される高さの異なるコンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａの抵抗値を同一にする。例えば、夫々の太さを変えて抵抗値を同一抵抗値にする。
【選択図】 図２

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複数層の光電変換膜が積層された固体撮像素子に係り、特に、各層の光電変換膜で発生した夫々の信号電荷を半導体基板側に均一に移動させ残像の発生を抑制し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６は、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６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６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に柱状のコンタクト電極１３によって導通される。このコンタクト電極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とは柱状のコンタクト電極１８によって導通される。このコンタクト電極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と柱状のコンタクト電極２６によって導通される。このコンタクト電極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６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で発生した信号電荷が、夫々、コンタクト電極１３，１８，２６を通して信号電荷蓄積部（高濃度不純物領域）２，４，６に流れ、ＭＯＳ回路３，５，７によって読み出される。低層の光電変換膜１４に被着されている画素電極膜１２に接続されるコンタクト電極１３の長さは、中層の光電変換膜１９の画素電極膜１７に接続されるコンタクト電極１８の長さより短く、高層の光電変換膜２３の画素電極膜２２に接続されるコンタクト電極２６の長さはコンタクト電極１８より長い。このため、各コンタクト電極１３，１８，２６の抵抗値は、コンタクト電極１３＜コンタクト電極１８＜コンタクト電極２６の順となる。

コンタクト電極１３，１８，２６の抵抗値が異なると、各光電変換膜１４，１９，２３で発生した信号電荷が電荷蓄積部２，４，６に移動するまでの時間が不均一になり、低層の光電変換膜１４で発生した信号電荷を読み出したとき、中層，高層の光電変換膜１９，２３で発生した信号電荷が光電変換膜内やコンタクト電極内等に残ってしまい、これが、次に信号電荷の読み出し時に一緒に読み出されることになる。つまり、残像現象が発生してしまうという問題がある。

本発明の目的は、残像現象の発生を抑制することができ高品質なカラー画像を撮像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層を介して半導体基板の上に少なくとも３層積層され、各層毎の光電変換膜に夫々被着される前記画素電極膜と前記半導体基板に形成された電荷蓄積部とを柱状のコンタクト電極で接続する光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記３層の各々の前記画素電極膜に接続されるコンタクト電極の抵抗値を同一抵抗値に製造したことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、高さの異なる前記コンタクト電極のうち高さが高いコンタクト電極ほど横断面積を広げて抵抗値を下げ高さの低いコンタクト電極と同一抵抗値にしたことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、高さの異なるコンタクト電極を横断面積を同一に製造すると共に高さの異なるコンタクト電極を異なる材料で形成することで同一抵抗値に製造したことを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記３層の光電変換膜を画素毎に分離して形成すると共に赤色光を吸収する光電変換膜と緑色光を吸収する光電変換膜と青色光を吸収する光電変換膜の積層順を隣接する画素で巡回的に入れ替えて製造したことを特徴とする。

本発明によれば、高さの異なるコンタクト電極を同一抵抗値としたため、各層の光電変換膜から読み出す信号を同一時間で読み出すことができ、残像のない高画質なカラー画像を得ることが可能となる。また、各色用の光電変換膜の積層順を隣接する画素で巡回的に入れ替えることで、コンタクト電極の製造誤差による電荷移動遅延を相殺して緩和することが可能となる。

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素子の低層用コンタクト電極と中層用コンタクト電極と高層用コンタクト電極の関係説明図である。従来は、図１（ａ）に示すように、低層用コンタクト電極１３と、中層用コンタクト電極１８と、高層用コンタクト電極２６とが同一太さで横断面積が同一となるように製造されていたのに対し、本実施形態では、図１（ｂ）に示す様に、低層用コンタクト電極１３ａに対して中層用コンタクト電極１８ａが太く、高層用コンタクト電極２６ａは更に太くなるように製造し、各コンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａの両端間の抵抗値が同じになるようにしている。

図２は、図１（ｂ）に示すコンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａを、図６に示す光電変換膜積層型固体撮像素子に適用した２画素分の断面模式図である。図６の説明と重複するため、図２に示す光電変換膜積層型固体撮像素子の詳細構成については図６の光電変換膜積層型固体撮像素子と同一部材に同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、図１で説明したように、コンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａの横断面積の広さを高層用のコンタクト電極ほど広くし、コンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａの抵抗値を同一にしたことを特徴としている。

これにより、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、赤色の信号電荷と、緑色の信号電荷と、青色の信号電荷とを同一時間で読み出すことが可能となり、残像の無い高品質なカラー画像を得ることが可能となる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、コンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａの抵抗を同一とするためにも、その横断面積の広さを変えたが、本実施形態では、コンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａを同一太さとし、各コンタクト電極１３ａ，１８ａ，２６ａの材質を変えたことを特徴とする。即ち、導電率の高い材料をコンタクト電極２６ａに使用し、導電率の低い材料をコンタクト電極１３ａに使用し、中間の導電率の材料をコンタクト電極１８ａに使用する。これにより、本実施形態でも第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
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２と同様にＭＯＳトランジスタ回路で構成しても良いが、本実施形態では、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に電荷転送路で構成する。

図３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（電荷転送電極１８１，１８２，１８３等）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と柱状のコンタクト電極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と柱状のコンタクト電極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と柱状のコンタクト電極１２４により電気的に接続される。各コンタクト電極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。

本実施形態では、低層用のコンタクト電極１２２に対して中層用のコンタクト電極１２３が太く、高層用のコンタクト電極１２４が更に太くなるように製造され、各コンタクト電極１２２，１２３，１２４の抵抗値が同じになるようにしている。尚、第２の実施形態と同様に、コンタクト電極１２２，１２３，１２４を同一太さで製造し、夫々の材料を変えて同一抵抗値となるようにしても良いことはいうまでもない。

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からコンタクト電極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からコンタクト電極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からコンタクト電極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。

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では、第１，第２の実施形態と同様に、各色の信号電荷を同一時間で読み出すことができるため、残像のない高画質のカラー画像を得ることが可能となる。また、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、第１層，第２層，第３層の光電変換膜を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の画素分離性能が向上するという利点もある。

（第４の実施形態）
図４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の構成は、基本的には図３に示す実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子と同じであり、本実施形態では、更に、赤色（Ｒ）検出用の光電変換膜と、緑色（Ｇ）検出用の光電変換膜と、青色（Ｂ）検出用の光電変換膜とを重ねる順番を、隣接する画素で巡回的に入れ替えて製造している。図４は、各色用の光電変換膜だけの配置例を示す図であり、光電変換膜を重ねる色順番を、マトリクス状に入れ替えているところを示している。

図５は、或る画素の或る色の信号電荷を求める信号補正処理の説明図である。この例では、該当画素（３×３の画素のうちの中央の画素）を取り囲む周辺８画素における同一色の信号を或る比率で加算する様に補正する。

例えば、該当画素の緑色（Ｇ）信号は、３×３の９画素の左上から右方向にＧ１，Ｇ２，Ｇ３、次行の左側からＧ４，Ｇ５，Ｇ６、次行の左側からＧ７，Ｇ８，Ｇ９とした場合、
Ｇ＝0.05G1+0.05G2+0.05G3+0.05G4+0.6G5+0.05G6+0.05G7+0.05G8+0.05G9
と演算して求める。赤色信号や青色信号も同様の式で求める。

本実施形態でも、低層用のコンタクト電極と、中層用のコンタクト電極と、高層用のコンタクト電極とを同一抵抗値となるように製造するが、どんなに精度良く製造しても、製造誤差を無くすことはできない。このため、若干の読み出し不良が生じることもあり得る。

そこで、本実施形態の様に、各画素における光電変換膜の色順序を図４に示す様に巡回的に変え、上式に従って色信号を求めると、一画素毎に発生している電荷の移動速度遅延に伴う読み出し不良の影響は緩和され、良好な画質のカラー画像を得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、コンタクト電極に起因する残像の発生を回避できるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代わる高画質なカラー画像を撮像でき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説明図である。 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素子の２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１画素分の断面模式図である。 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素子の光電変換膜の色順序の配置例を示す図である。 図４に示す光電変換膜積層型固体撮像素子における色信号の補正例を示す図である。 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

１，１００ 半導体基板
１２，１７，２２，１１１，１１５，１１９ 画素電極膜
１４，１９，２３，１１２，１１６，１２０ 光電変換膜
１５，２０，２４，１１３，１１７，１２１ 共通電極膜
１６，２１，１１４，１１８ 絶縁膜
１３ａ，１８ａ，２６ａ，１２２，１２３，１２４ コンタクト電極
２，４，６，１４１，１４２，１４３ 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 (4)

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層を介して半導体基板の上に少なくとも３層積層され、各層毎の光電変換膜に夫々被着される前記画素電極膜と前記半導体基板に形成された電荷蓄積部とを柱状のコンタクト電極で接続する光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記３層の各々の前記画素電極膜に接続されるコンタクト電極の抵抗値を同一抵抗値に製造したことを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像素子。
2. 高さの異なる前記コンタクト電極のうち高さが高いコンタクト電極ほど横断面積を広げて抵抗値を下げ高さの低いコンタクト電極と同一抵抗値に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. 高さの異なるコンタクト電極を横断面積を同一に製造すると共に高さの異なるコンタクト電極を異なる材料で形成することで同一抵抗値に製造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。
4. 前記３層の光電変換膜を画素毎に分離して形成すると共に赤色光を吸収する光電変換膜と緑色光を吸収する光電変換膜と青色光を吸収する光電変換膜の積層順を隣接する画素で巡回的に入れ替えて製造した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素子。
   

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