JP2010153658A

JP2010153658A - 固体撮像素子

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Publication number: JP2010153658A
Application number: JP2008331427A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hirose; 裕廣瀬
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】チップ面積の縮小を実現し、さらに高い色分離性能と、高信頼性とを実現できる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像素子３００は、二次元状に配列された複数の単位セル４０２を備え、単位セル４０２の各々は、ＳＯＩ基板３２０の上に積層され、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６と、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６により変換された電気信号を読み出す読み出し回路３１２、３１１及び３１０とを備え、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、単位セル４０２の各々において、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６は、上層に形成される層ほど広いバンドギャップを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に、垂直方向にオーバーラップするように積層され、それぞれが異なる波長帯域の光を電気信号に変換する複数の光電変換層を備える固体撮像素子に関する。

ＭＯＳセンサ、及び電荷結合素子（ＣＣＤ）等の固体撮像素子は、デジタルカメラ又は携帯電話機器などに搭載されている。このようなデジタルカメラ及び携帯電話機器に対して、より高精彩な画像の撮像機能と、機器の小型化とが求められている。よって、これらを実現するために、固体撮像素子、ひいては画素（セル）の縮小化が要求されている。

以下、従来の固体撮像素子について説明する。
図５は、第１のタイプの従来の固体撮像素子１００における画素部の断面を模式的に示す図である。図５に示す固体撮像素子１００は、ＭＯＳセンサであり、Ｓｉ基板１０１と、光電変換素子１０２と、読み出し回路１０３と、層間絶縁膜１０４と、配線１０５と、カラーフィルタ１０６と、オンチップマイクロレンズ１０７を備える。

光電変換素子１０２は、Ｓｉ基板１０１の表面に形成され、入射光を電気信号（信号電荷）に変換する。

読み出し回路１０３は、光電変換素子１０２に隣接して形成され、光電変換素子１０２により変換された電気信号を読み出す。

配線１０５は、層間絶縁膜１０４を介して、Ｓｉ基板１０１上に形成される。
カラーフィルタ１０６は、層間絶縁膜１０４上に形成される。このカラーフィルタ１０６は、画素毎に異なる色の光を透過し、光電変換素子１０２に異なる色の光を入射させる。

マイクロレンズ１０７は、カラーフィルタ１０６上に形成され、入射光を光電変換素子１０２に集光する。このマイクロレンズ１０７は、プラスチックにより構成される。

ここで、人間の色覚に合うカラー画像を撮像するには、色の三刺激値に対応する３種類のカラーフィルタを搭載した３種類の画素が必要である。

図６は、第１のタイプの従来技術における典型的なカラーフィルタの配列を示す図である。図６に示すように、一画素分のデータを構成するために４つの光電変換素子１０２が用いられる。４つの光電変換素子１０２上には、それぞれ、波長６００ｎｍに透過率のピークを有し、赤色光のみを透過する赤色フィルタ２０１と、波長５３０ｎｍに透過率のピークを有し、緑色光のみを透過する緑色フィルタ２０２ａ及び２０２ｂと、波長４５０ｎｍ付近に透過率ピークを有し、青色光のみを透過する青色フィルタ２０３とが配置される。

各フィルタを通過した光は、フィルタ下にある各光電変換素子１０２により光電変換される。これにより、三刺激値に対応する光信号が生成される。

このように一画素の信号を得るために４つのフォトダイオードからの信号が必要である。これにより、第１のタイプの従来の固体撮像素子１００は、チップ面積が増加するという課題を有する。

これに対して、赤色の画素に対応する緑色の信号を隣接画素の信号で補間する方法が知られている。しかしながら、この方法を用いた場合、出力画像が実画像データから乖離するという別の課題が生じる。

また、チップ面積の増加を低減する別の技術として、上記第１のタイプの固体撮像素子１００を改良し、一つの画素分の面積で３種類の色に対応する波長帯域の光を受光し、３種類の色に対応する出力信号を発生させる第２タイプの従来の固体撮像素子が知られている。この第２のタイプの従来の固体撮像素子においては、一画素分の面積内に、複数の色に対応する複数の光電変換素子が光学系光軸方向に積層される。また、複数の光電変換素子の受光面が光学系光軸方向にオーバーラップするように積層される。

また、第２タイプの従来の固体撮像素子として、以下に示すタイプＡ〜Ｃの固体撮像素子が知られている。

タイプＡの固体撮像素子は、光伝搬特性に含まれる色分散を利用して、各光電変換素子の位置によって、色分離を行う（例えば、特許文献１参照）。タイプＢの固体撮像素子は、各光電変換素子間に配置された、受光する光に対応するカラーフィルタを備える（例えば、特許文献２参照）。タイプＣの固体撮像素子は、光電変換素子そのものがカラーフィルタの役割を担う（例えば、特許文献３及び４参照）。
米国特許第５９６５８７５号明細書特表２００８−５００７２４号公報特開２００５−３０３２６６号公報特表２００８−５００７２３号公報特開２００３−３０４４５０号公報

しかしながら、タイプＡの固体撮像素子は、各光電変換素子間を電気的に分離するための分離層が形成されないので、十分な色分離性能が低下するという課題がある。また、これを補うために、例えば特許文献５に記載のように補正回路を備えることもできるが、補正回路を備えることにより読み出し回路が複雑になるという新たな課題が発生する。

また、タイプＢの固体撮像素子は、光電変換素子とカラーフィルタを少なくとも３層ずつ積層するので、一画素分の積層厚さが厚くなる。これにより、画素に入射した光が長い光路を伝搬する間に他の画素に混入することにより、色分離性能が低下するという別の課題を有する。

また、タイプＣの特許文献３に記載の固体撮像素子では、光電変換層に有機材料を用いているため、対候性及び信頼性が低いという課題を有する。

これに対して、タイプＣの特許文献４に記載の固体撮像素子は、光電変換層にＩｎＧａＮを用いることにより、対候性及び信頼性を向上できる。しかしながら、特許文献４記載の固体撮像素子は、各光電変換層を別々の基板に形成し、当該基板を張り合わせた構成を有する。これにより、タイプＢの固体撮像素子と同様に一画素内において光伝搬距離が非常に長くなることにより、隣接画素間との混色が発生し、これにより色分離性能が低下するという課題を有する。さらに、特許文献４記載の固体撮像素子を製造するためには、少なくとも２回の貼り合わせ工程を行う必要があり、工程が非常に複雑になるという課題も有する。

本発明は、上記課題を解決するものであり、チップ面積の縮小を実現し、さらに高い色分離性能と、高信頼性とを実現できる固体撮像素子を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、製造工程の複雑化の回避できる固体撮像素子を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板に二次元状に配列された複数の単位セルとを備え、前記単位セルの各々は、前記半導体基板の上に、垂直方向にオーバーラップするように積層され、それぞれが異なる波長帯域の光を電気信号に変換する複数の光電変換層と、前記複数の光電変換層と一対一で対応し、対応する光電変換層により変換された電気信号を読み出す複数の読み出し回路とを備え、前記複数の光電変換層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、前記単位セルの各々において、前記複数の光電変換層は、光入射面側に形成される光電変換層ほど広いバンドギャップを有する。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、複数の光電変換層が垂直方向に積層されるので、単位セルの面積を縮小できる。これにより、本発明に係る固体撮像素子は、チップ面積を縮小できる。

さらに、本発明に係る固体撮像素子は、光入射面側からエネルギーの高い順に、すなわち短波長の光から順に、順次光電変換を行える。さらに、本発明に係る固体撮像素子は、単一の半導体基板上に複数の光電変換層を積層することにより、一画素内において光伝搬距離の増加を抑制できる。これらにより、本発明に係る固体撮像素子は、高い色分離特性を実現できる。

さらに、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換層をＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成することにより、高い対候性、及び信頼性を実現できる。

また、前記固体撮像素子は、さらに、前記複数の光電変換層の間にそれぞれ形成される１以上の第１分離層を備え、前記１以上の第１分離層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、前記１以上の第１分離層のそれぞれは、上側及び下側に隣接する２つの光電変換層より、広いバンドギャップを有してもよい。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換された各色の信号を電気的に絶縁できる。これにより、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換層外に信号を読み出すまでの間において高い色分離特性を保証できる。さらに、第１分離層を、光電変換層と同様にＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成することにより、例えば、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）エピ層を形成することにより、高い品質の光電変換層及び第１分離層を形成できる。

また、前記固体撮像素子は、さらに、前記複数の光電変換層のうち最下層に形成される光電変換層と、前記半導体基板との間に形成される第２分離層を備え、前記第２分離層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、前記最下層に形成される光電変換層及び前記半導体基板より、広いバンドギャップを有してもよい。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換された最長波長に対応する色信号と基板間を電気的に絶縁できる。これにより、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換層外に信号を読み出すまでの間において高い色分離特性を保証できる。さらに、第２分離層を、光電変換層及び第１分離層と同様にＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成することにより、例えば、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）エピ層を形成することにより、高い品質の光電変換層、第１分離層及び第２分離層を形成できる。

また、前記複数の光電変換層及び前記１以上の分離層は、前記垂直方向に連続的に積層されてもよい。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、複数の光電変換層及び第１分離層の総膜厚を低減できる。これにより、本発明に係る固体撮像素子は、他画素への光混入を防止できるので、画素間色分離性能を高めることができる。さらに、本発明に係る固体撮像素子は、貼り合わせ工程を必要としない簡便な画素形成工程を実現できる。つまり、本発明に係る固体撮像素子は、製造工程の複雑化の回避できる。

また、前記固体撮像素子は、さらに、前記単位セルの各々において、前記複数の光電変換層及び前記１以上の第１分離層よりも低い屈折率の絶縁材料により形成され、前記複数の光電変換層及び前記１以上の第１分離層の周囲を覆い、かつ前記複数の光電変換層及び前記１以上の第１分離層の合計の高さ以上の高さを有する画素分離層を備えてもよい。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、各画素部の各光電変換層と第１分離層とがコアとして、また、その周辺を覆う低屈折率材料で構成される画素分離層がクラッドとして作用する光導波路を形成できる。これにより、最上層から入射した光をコア内に高い効率で閉じ込めることができる。従って、本発明に係る固体撮像素子は、量子効率と色分離特性とを向上させることができる。

また、前記半導体基板は、Ｓｉで構成されてもよい。
この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、高い品質のＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）エピ層を形成することにより、量子効率の高い光電変換層を形成することができる。さらに、本発明に係る固体撮像素子は、画素部（複数の光電変換層等）を形成後に、通常のＳｉＭＯＳプロセスを用いて信号読み出し回路を、画素部と同一の基板に形成できる。

また、前記読み出し回路は、前記半導体基板に形成されてもよい。
この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、チップの小型化、及びプロセスの簡易化を実現できる。

また、前記読み出し回路は、前記半導体基板の前記複数の光電変換層が形成される面に対して反対側の面に形成されてもよい。

この構成によれば、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換層を形成後に、サーマルバジェットが低く、かつ、貼り合わせ工程の必要のない通常のＳｉプロセスを用いて読み出し回路を形成できる。さらに、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換層と読み出し回路との間の配線をより簡便にできる。

また、前記半導体基板は、片面がＳｉ（１１１）であり、反対側の面がＳｉ（１００）であるＳＯＩ基板であり、前記光電変換層は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ（１１１）面上に形成され、前記読み出し回路は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ（１００）面上に形成されてもよい。

この構成によれば、Ｓｉ（１１１）面上に、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）エピ層が形成され、Ｓｉ（１００）面に読み出し回路が形成される。ここで、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系結晶は、一般に対称性により、Ｓｉ（１１１）面上に良質のエピ層が成長する。一方、通常のＳｉ集積回路は移動度が高く、ノイズの低いＳｉ（１００）面に形成することが好ましい。従って、上述のような構成とすることによって、本発明に係る固体撮像素子は、高い品質の光電変換層と、高速度及び低ノイズを実現できる読み出し回路とを同時に有することができる。

なお、本発明は、このような固体撮像素子として実現できるだけでなく、このような固体撮像素子を含む半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現したり、このような固体撮像素子を備えるデジタルカメラ又は携帯電話機器として実現したりできる。

以上より、本発明は、チップ面積の縮小を実現し、さらに高い色分離性能と、高信頼性とを実現できる固体撮像素子を提供できる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を用いて具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。

本発明の実施の形態に係る固体撮像素子は、複数の光電変換層を垂直方向に積層することにより単位セルの面積を縮小できる。さらに、本発明に係る固体撮像素子は、単一の半導体基板上に複数の光電変換層を積層することにより、高い色分離特性を実現できるとともに、製造工程の複雑化の回避できる。さらに、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子は、光電変換層をＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成することにより、高い対候性及び信頼性を実現できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子３００の一画素分と、当該一画素と隣接する画素の一部の光電変換部と読み出し回路部との断面構造を模式的に示す図である。

図１に示すように、固体撮像素子は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板３２０と、分離層３０２ａ、３０２ｂ、及び３０５ａと、赤色光吸収層３０３と、緑色光吸収層３０４と、青色光吸収層３０６と、紫外線カットフィルタ３０５ｂと、保護層３０７と、画素分離層３０８と、マイクロレンズ３０９と、読み出し回路３１０〜３１２と、ビア配線３１３〜３１５と、配線層３１６と、絶縁膜３１７とを備える。

ＳＯＩ基板３２０は、表面Ｓｉ層３２１と、埋め込み酸化膜３２２と、裏面Ｓｉ層３２３とを含む。表面Ｓｉ層３２１は、Ｓｉ（１１１）面を基板方位面（図１の上側の面）とするＳｉ基板である。また、裏面Ｓｉ層３２３は、Ｓｉ（１００）面を基板方位面（図１の下側の面）とするＳｉ基板である。埋め込み酸化膜３２２は、表面Ｓｉ層３２１と裏面Ｓｉ層３２３との間に形成されるシリコン酸化膜等の、埋め込み絶縁膜である。なお、以下では、表面Ｓｉ層３２１のＳｉ（１１１）面をＳＯＩ基板３２０の主面と呼び、裏面Ｓｉ層３２３のＳｉ（１００）面をＳＯＩ基板３２０の裏面と呼ぶ。

分離層３０２ａは、例えば厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層であり、ＳＯＩ基板３２０の主面上に形成される。この分離層３０２ａは、赤色光吸収層３０３とＳＯＩ基板３２０との間に形成され、赤色光吸収層３０３とＳＯＩ基板３２０とを電気的に分離する。

赤色光吸収層３０３は、例えば厚さ１μｍのＩｎ_0.95Ｇａ_0.05Ｎ層であり、分離層３０２ａ上に積層される。この赤色光吸収層３０３は、赤色光を吸収し、吸収した赤色光を電気信号に変換する光電変換層である。

分離層３０２ｂは、例えば厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層であり、赤色光吸収層３０３上に積層される。この分離層３０２ｂは、赤色光吸収層３０３と緑色光吸収層３０４との間に形成され、赤色光吸収層３０３と緑色光吸収層３０４とを電気的に分離する。

緑色光吸収層３０４は、例えば厚さ０．８μｍのＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層であり、分離層３０２ｂ上に積層される。この緑色光吸収層３０４は、緑色光を吸収し、吸収した緑色光を電気信号に変換する光電変換層である。

分離層３０５ａは、例えば厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮ層であり、緑色光吸収層３０４上に積層される。この分離層３０５ａは、緑色光吸収層３０４と青色光吸収層３０６との間に形成され、緑色光吸収層３０４と青色光吸収層３０６とを電気的に分離する。

青色光吸収層３０６は、例えば厚さ５００ｎｍのＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層であり、分離層３０５ａ上に積層される。この青色光吸収層３０６は、青色光を吸収し、吸収した青色光を電気信号に変換する光電変換層である。

紫外線カットフィルタ３０５ｂは、例えば厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮ層であり、青色光吸収層３０６上に積層される。この紫外線カットフィルタ３０５ｂは、紫外線を遮断し、可視光を透過する。

これら一連のＩＩＩ族窒化物半導体層Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）（分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂ）はＳＯＩ基板３２０の主面上に金属有機化学気相成長法を用いて、８００℃以上の高温下で連続的にエピタキシャル成長することにより生成される。これにより、量子効率の高い光電変換層（赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６）を形成することができる。

また、分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂは、垂直方向（図１の縦方向）に、互いにオーバーラップするように積層される。また、分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂは、垂直方向に連続的に積層される。

保護層３０７は、例えば、ＳｉＮ層であり、複数の画素の紫外線カットフィルタ３０５ｂ上に積層される。

画素分離層３０８は、ＳｉＯ₂等の絶縁材料で構成され、各画素間を分離する。具体的には、画素分離層３０８は、各画素の分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂの周囲を覆い、かつ、分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂの合計の高さ以上の高さを有する。

また、画素分離層３０８は、各画素の分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂより低い屈折率を有する。具体的には、画素分離層３０８（ＳｉＯ₂）の屈折率は１．４５程度であり、ＩＩＩ族窒化物半導体層（分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂ）の屈折率は３以上である。よって、この単位画素の構造自体が、光導波路の機能を有する。つまり、当該光導波路では、ＩＩＩ族窒化物半導体積層部（分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂ）がコアとして、また、画素分離層３０８がクラッドとして作用する。これにより、各画素は、高い光閉じ込め作用を実現できる。

マイクロレンズ３０９は、保護層３０７上に形成され、上述した光導波路に最適な入射角度で光を入射する。

このような構成によって、各画素に入射した光は隣接画素に漏洩することなく、同一画素内において、高い量子効率で光電変換される。

読み出し回路３１０、３１１及び３１２は、ＳＯＩ基板３２０の裏面上に形成される。この読み出し回路３１０、３１１及び３１２は、それぞれ青色光吸収層３０６、緑色光吸収層３０４及び赤色光吸収層３０３により変換された電気信号を読み出す。

ビア配線３１３は、読み出し回路３１０と青色光吸収層３０６とを電気的に接続する。ビア配線３１４は、読み出し回路３１１と緑色光吸収層３０４とを電気的に接続する。ビア配線３１５は、読み出し回路３１２と赤色光吸収層３０３とを電気的に接続する。

配線層３１６は、読み出し回路３１０、３１１及び３１２に接続される。
配線間絶縁膜３１７は、複数の配線層３１６を互いに絶縁する絶縁膜である。

このように本発明の実施の形態に係る固体撮像素子３００は、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６を垂直方向に積層することにより、一画素内で三色分の光電変換信号を生成できる。これにより、固体撮像素子３００は、チップ面積を縮小できる。

さらに、固体撮像素子３００は、光入射面側から、青色光吸収層３０６、緑色光吸収層３０４及び赤色光吸収層３０３の順に、光電変換層が配置される。これにより、固体撮像素子３００は、エネルギーの高い順に、すなわち短波長の光から順に、順次光電変換を行える。これにより、固体撮像素子３００は、高い色分離特性を実現できる。

さらに、固体撮像素子３００は、分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂをＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成することにより、高い対候性及び信頼性を実現できる。

さらに、固体撮像素子３００は、分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂを、単一のＳＯＩ基板３２０上に積層することにより、一画素内において光伝搬距離の増加を抑制できる。これにより、固体撮像素子３００は、他画素への光混入を防止できるので、画素間色分離性能を高めることができる。

さらに、固体撮像素子３００は、貼り合わせ工程を必要としない簡便な画素形成工程を実現できるので、製造工程の複雑化を回避できる。

さらに、固体撮像素子３００は、読み出し回路３１０、３１１及び３１２をＳＯＩ基板３２０の裏面に形成することによって、光電変換部と読み出し回路が表裏一体となった高い光受光率と、高い集積度とを両立できる。

さらに、固体撮像素子３００は、画素部をＳＯＩ基板３２０の主面上に形成し、読み出し回路３１１、３１２及び３１３をＳＯＩ基板３２０の裏面上に形成する。ここで、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系結晶は、一般に対称性により、Ｓｉ（１１１）面上に良質のエピ層が成長する。一方、通常のＳｉ集積回路は移動度が高く、ノイズの低いＳｉ（１００）面に形成することが好ましい。従って、上述のような構成とすることによって、固体撮像素子３００は、高い品質の赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６と、高速度及び低ノイズを実現できる読み出し回路３１１、３１２及び３１３とを同時に有することができる。

次に、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子３００の全体の回路構成を説明する。
図２は、固体撮像素子３００の回路構成を模式的に示す図である。

図２に示すように、固体撮像素子３００は、垂直走査回路４０１と、ＳＯＩ基板３２０に２次元状に配置された複数の単位セル４０２と、列信号線群４０４と、列増幅器群４０５と、水平走査回路４０６と、列選択トランジスタ群４０７と、水平信号出力線群４０８と、出力増幅器群４０９とを備える。

垂直走査回路４０１は、２次元状に配置された単位セル４０２の行を選択する選択信号を生成する。

水平走査回路４０６は、２次元状に配置された単位セル４０２の列を選択する選択信号を生成する。

また、各単位セル４０２は、単位受光セル４１０と、行選択トランジスタ群４０３とを含む。

単位受光セル４１０は、赤色単位受光セル４１０Ｒと、緑色単位受光セル４１０Ｇと、青色単位受光セル４１０Ｂとを含む。赤色単位受光セル４１０Ｒ、緑色単位受光セル４１０Ｇ、及び青色単位受光セル４１０Ｂは、それぞれ、赤色光、緑色光及び青色光を電気信号に変換する。ここで、赤色単位受光セル４１０Ｒは、図１に示す読み出し回路３１２及び赤色光吸収層３０３に対応し、緑色単位受光セル４１０Ｇは、読み出し回路３１１及び緑色光吸収層３０４に対応し、青色単位受光セル４１０Ｂは、読み出し回路３１０及び青色光吸収層３０６に対応する。

行選択トランジスタ群４０３は、行選択トランジスタ４０３Ｒ、４０３Ｇ及び４０３Ｂを含む。行選択トランジスタ４０３Ｒ、４０３Ｇ及び４０３Ｂは、それぞれ、赤色単位受光セル４１０Ｒ、緑色単位受光セル４１０Ｇ、及び青色単位受光セル４１０Ｂにより変換された各色の電気信号を、垂直走査回路４０１より生成された選択信号に応じて、選択的に列信号線群４０４に接続する。

列信号線群４０４は、列毎に設けられ、列信号線４０４Ｒ、４０４Ｇ及び４０４Ｂを含む。列信号線４０４Ｒ、４０４Ｇ及び４０４Ｂは、それぞれ、各列に配置される複数の行選択トランジスタ４０３Ｒ、４０３Ｇ及び４０３Ｂに接続される。

列増幅器群４０５は、列毎に設けられ、列増幅器４０５Ｒ、４０５Ｇ及び４０５Ｂを含む。列増幅器４０５Ｒ、４０５Ｇ及び４０５Ｂは、それぞれ、列信号線４０４Ｒ、４０４Ｇ及び４０４Ｂの電気信号を増幅する。

列選択トランジスタ群４０７は、列毎に設けられ、列選択トランジスタ４０７Ｒ、４０７Ｇ及び４０７Ｂを含む。列選択トランジスタ４０７Ｒ、４０７Ｇ及び４０７Ｂは、水平走査回路４０６により生成された選択信号に応じて、それぞれ、列増幅器４０５Ｒ、４０５Ｇ及び４０５Ｂにより増幅された信号を、水平信号出力線群４０８に出力する。

水平信号出力線群４０８は、水平信号出力線４０８Ｒ、４０８Ｇ及び４０８Ｂを含む。水平信号出力線４０８Ｒ、４０８Ｇ及び４０８Ｂは、それぞれ、複数の列選択トランジスタ４０７Ｒ、４０７Ｇ及び４０７Ｂに接続される。

出力増幅器群４０９は、出力増幅器４０９Ｒ、４０９Ｇ及び４０９Ｂを含む。出力増幅器４０９Ｒ、４０９Ｇ及び４０９Ｂは、それぞれ、水平信号出力線４０８Ｒ、４０８Ｇ及び４０８Ｂの信号を増幅し、増幅した信号を後段に出力する。

次に、単位受光セル４１０の回路構成を説明する。なお、以下では、一例として、赤色単位受光セル４１０Ｒの回路構成を説明するが、緑色単位受光セル４１０Ｇ及び青色単位受光セル４１０Ｂの回路構成も同様である。

図３Ａは、赤色光吸収層３０３を電荷蓄積型のフォトダイオードとして使用した場合の赤色単位受光セル４１０Ｒの回路構成を示す図である。

図３Ａに示す赤色単位受光セル４１０Ｒは、フォトダイオード５０１（赤色光吸収層３０３）と、読み出し回路３１２とを含む。また、読み出し回路３１２は、リセットトランジスタ５０２と、転送トランジスタ５０３と、電圧変換用容量５０４と、読み出し用増幅器５０５とを含む。

リセットトランジスタ５０２は、フォトダイオード５０１及び電圧変換用容量５０４に蓄積されている信号電荷を、リセットする。

転送トランジスタ５０３は、フォトダイオード５０１により光電変換された信号電荷を電圧変換用容量５０４に転送する。

電圧変換用容量５０４は、転送トランジスタ５０３により転送された信号電荷を蓄積することにより、電圧に変換する。

読み出し用増幅器５０５は、電圧変換用容量５０４により変換された電圧を増幅し、増幅した電圧を後段の行選択トランジスタ４０３Ｒに出力する。

以上の構成の赤色単位受光セル４１０Ｒにおいて、まず、リセットトランジスタ５０２により、予めフォトダイオード５０１及び電圧変換用容量５０４に蓄積されている信号電荷がリセットされる。次に、フォトダイオード５０１は、所定の蓄積期間、照射された光を信号電荷に変換し、変換した信号電荷を蓄積する。また、蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ５０３により、電圧変換用容量５０４に転送される。次に、転送された信号電荷が、読み出し用増幅器５０５により読み出され、後段の行選択トランジスタ４０３Ｒを介して、列信号線４０４Ｒに出力される。

このような構成とすることによって、各色用フォトダイオードからの出力信号を高感度に読み出すことができる。また、読み出し用増幅器５０５の利得を、各色で異なる値に調節することもできる。

図３Ｂは、赤色光吸収層３０３を光伝導素子として使用した場合の赤色単位受光セル４１０Ｒの回路構成を示す図である。

図３Ｂに示す赤色単位受光セル４１０Ｒは、フォトダイオード５０１（赤色光吸収層３０３）と、読み出し回路３１２とを含む。また、読み出し回路３１２は、転送トランジスタ５０３と、積分器５０９とを含む。

転送トランジスタ５０３は、フォトダイオード５０１により光電変換された電子−正孔対電流を積分器５０９の入力端に転送する。

積分器５０９は、入力された電流を積分することにより、電圧に変換し、変換した電圧を後段の行選択トランジスタ４０３Ｒに出力する。

この積分器５０９は、積分用容量５０６と、初期化用トランジスタ５０７と、増幅器５０８とを含む。積分用容量５０６は、増幅器５０８の入力端と出力端との間に接続される。初期化用トランジスタ５０７は、増幅器５０８の入力端と出力端との間に接続される。この初期化用トランジスタ５０７は、積分器５０９を初期化するためのトランジスタである。

以上の構成の赤色単位受光セル４１０Ｒにおいて、フォトダイオード５０１により光電変換された電子−正孔対電流は、転送トランジスタ５０３を介して積分器５０９に入力される。次に、積分器５０９は、入力された電子−正孔対電流を積分することにより、電圧に変換する。積分器５０９により変換された電圧は、後段の行選択トランジスタ４０３Ｒを介して、列信号線４０４Ｒに出力される。これにより、フォトダイオード５０１において電荷蓄積を行わなくても、所定の電荷積分期間に光電変換された電流が積分される。このような構成とすることによって、各色用フォトダイオードからの出力信号を高感度に読み出すことができる。

以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子３００の変形例を説明する。
上述した機能に加え、さらに、固体撮像素子３００は、フォトダイオード５０１で正負両極性の電荷を蓄積し、蓄積した正負両極性の電荷を信号として処理してもよい。

以下、図４を用いてその原理を説明する。図４は、単位セル４０２のＩＩＩ族窒化物半導体（分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、赤色光吸収層３０３、緑色光吸収層３０４、青色光吸収層３０６、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂ）の積層方向（図１の縦方向）におけるエネルギーバンド図である。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付している。また、図４は、表面Ｓｉ層３２１から紫外線カットフィルタ３０５ｂまでのエネルギーバンド図を示し、保護層３０７等は図示していない。

図４に示すように、青色光吸収層３０６は、緑色光吸収層３０４より広いバンドギャップを有し、緑色光吸収層３０４は、赤色光吸収層３０３より広いバンドギャップを有する。つまり、複数の光電変換層（青色光吸収層３０６、緑色光吸収層３０４、及び赤色光吸収層３０３）は、光入射面側（上層）に形成される光電変換層ほど広いバンドギャップを有する。

また、分離層３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ、及び紫外線カットフィルタ３０５ｂは、それぞれ、隣接する光電変換層及び表面Ｓｉ層３２１より広いバンドギャップを有する。つまり、分離層３０２ａは、表面Ｓｉ層３２１及び赤色光吸収層３０３より広いバンドギャップを有し、分離層３０２ｂは、赤色光吸収層３０３及び緑色光吸収層３０４より広いバンドギャップを有し、分離層３０５ａは、緑色光吸収層３０４及び青色光吸収層３０６より広いバンドギャップを有し、紫外線カットフィルタ３０５ｂは、青色光吸収層３０６より広いバンドギャップを有する。

また、赤色光吸収層３０３は、自発分極方向が互いに正負反転した分離層３０２ａ及び３０２ｂに挟まれ、緑色光吸収層３０４は、自発分極方向が互いに正負反転した分離層３０２ｂ及び３０５ａに挟まれ、青色光吸収層３０６は、自発分極方向が互いに正負反転した分離層３０５ａ及び紫外線カットフィルタ３０５ｂに挟まれる。すなわち、各光電変換層は、自発分極方向が互いに正負反転した絶縁層に挟まれている。

これにより、図４に示すように、電界傾斜は、固体撮像素子３００の表面（紫外線カットフィルタ３０５ｂ側）から表面Ｓｉ層３２１側に向かう方向となる。このため、光入射によって各光電変換層で発生した電子及び正孔は、分極に起因して生じる電界によって、電子が表面側に、正孔が表面Ｓｉ層３２１側に、自然に分離される。また、この分離された電子及び正孔は、再結合することなく長時間蓄積される。

図４では、緑色光吸収層３０４についての電子及び正孔が分離される様子を模式的に示している。なお、同様の現象は青色光吸収層３０６、及び赤色光吸収層３０３においても発生する。

従って、これらの電荷（電子及び正孔）を各々別々の電圧変換用容量５０４ａ及び５０４ｂによって電圧に変換し、さらに、それぞれの変換された電圧を読み出し用増幅器５０５ａ及び５０５ｂによって増幅したうえで読み出すことで、高感度な固体撮像素子３００を実現できる。具体的には、本発明に係る固体撮像素子３００は、通常の正負どちらかの電荷のみによる信号レベルを用いる固体撮像素子に比べて、約２倍の信号レベルを得ることができる。

本発明は、固体撮像素子に適用でき、特に、固体撮像素子を備えるデジタルカメラ、及び携帯電話機器などに適用できる。

本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の断面図である。本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る読み出し回路の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る読み出し回路の変形例の回路構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る固体撮像素子のエネルギーバンド図である。従来の固体撮像素子の断面図である。従来のカラーフィルタの配置例を示す図である。

符号の説明

１００、３００固体撮像素子
１０１Ｓｉ基板
１０２光電変換素子
１０３読み出し回路
１０４層間絶縁膜
１０５配線
１０６カラーフィルタ
１０７マイクロレンズ
２０１赤色フィルタ
２０２ａ、２０２ｂ緑色フィルタ
２０３青色フィルタ
３０２ａ、３０２ｂ、３０５ａ分離層
３０３赤色光吸収層
３０４緑色光吸収層
３０５ｂ紫外線カットフィルタ
３０６青色光吸収層
３０７保護層
３０８画素分離層
３０９マイクロレンズ
３１０、３１１、３１２読み出し回路
３１３、３１４、３１５ビア配線
３１６配線層
３１７絶縁膜
３２０ＳＯＩ基板
３２１表面Ｓｉ層
３２２埋め込み酸化膜
３２３裏面Ｓｉ層
４０１垂直走査回路
４０２単位セル
４０３行選択トランジスタ群
４０３Ｒ、４０３Ｇ、４０３Ｂ行選択トランジスタ
４０４列信号線群
４０４Ｒ、４０４Ｇ、４０４Ｂ列信号線
４０５列増幅器群
４０５Ｒ、４０５Ｇ、４０５Ｂ列増幅器
４０６水平走査回路
４０７列選択トランジスタ群
４０７Ｒ、４０７Ｇ、４０７Ｂ列選択トランジスタ
４０８水平信号出力線群
４０８Ｒ、４０８Ｇ、４０８Ｂ水平信号出力線
４０９出力増幅器群
４０９Ｒ、４０９Ｇ、４０９Ｂ出力増幅器
４１０単位受光セル
４１０Ｒ赤色単位受光セル
４１０Ｇ緑色単位受光セル
４１０Ｂ青色単位受光セル
５０１フォトダイオード
５０２リセットトランジスタ
５０３転送トランジスタ
５０４、５０４ａ、５０４ｂ電圧変換用容量
５０５、５０５ａ、５０５ｂ読み出し用増幅器
５０６積分用容量
５０７初期化用トランジスタ
５０８増幅器
５０９積分器

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板に二次元状に配列された複数の単位セルとを備え、
前記単位セルの各々は、
前記半導体基板の上に、垂直方向にオーバーラップするように積層され、それぞれが異なる波長帯域の光を電気信号に変換する複数の光電変換層と、
前記複数の光電変換層と一対一で対応し、対応する光電変換層により変換された電気信号を読み出す複数の読み出し回路とを備え、
前記複数の光電変換層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、前記単位セルの各々において、前記複数の光電変換層は、光入射面側に形成される光電変換層ほど広いバンドギャップを有する
固体撮像素子。
前記固体撮像素子は、さらに、
前記複数の光電変換層の間にそれぞれ形成される１以上の第１分離層を備え、
前記１以上の第１分離層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、前記１以上の第１分離層のそれぞれは、上側及び下側に隣接する２つの光電変換層より、広いバンドギャップを有する
請求項１記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子は、さらに、
前記複数の光電変換層のうち最下層に形成される光電変換層と、前記半導体基板との間に形成される第２分離層を備え、
前記第２分離層は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成され、前記最下層に形成される光電変換層及び前記半導体基板より、広いバンドギャップを有する
請求項２記載の固体撮像素子。
前記複数の光電変換層及び前記１以上の分離層は、前記垂直方向に連続的に積層される
請求項２又は３記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子は、さらに、
前記単位セルの各々において、前記複数の光電変換層及び前記１以上の第１分離層よりも低い屈折率の絶縁材料により形成され、前記複数の光電変換層及び前記１以上の第１分離層の周囲を覆い、かつ前記複数の光電変換層及び前記１以上の第１分離層の合計の高さ以上の高さを有する画素分離層を備える
請求項２〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記半導体基板は、Ｓｉで構成される
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記読み出し回路は、前記半導体基板に形成される
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記読み出し回路は、前記半導体基板の前記複数の光電変換層が形成される面に対して反対側の面に形成される
請求項７記載の固体撮像素子。
前記半導体基板は、片面がＳｉ（１１１）であり、反対側の面がＳｉ（１００）であるＳＯＩ基板であり、
前記光電変換層は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ（１１１）面上に形成され、
前記読み出し回路は、前記ＳＯＩ基板のＳｉ（１００）面上に形成される
請求項８記載の固体撮像素子。