JP2011171646A - カラー用固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】視感度補正用の赤外線除去フィルタを不要とし、かつ色再現性を人間の視感度に合わせたカラー用固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１０上に形成された回路部３０と、回路部３０上に配置された下部電極層２５と、下部電極層２５上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４と、化合物半導体薄膜２４上に配置された透明電極層２６と、透明電極層２６上に配置された可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂとを備え、下部電極層２５、化合物半導体薄膜２４、および透明電極層２６は、回路部３０上に順次積層されると共に、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの下方の化合物半導体薄膜２４の膜厚を薄層化して、可視光のみを吸収するカラー用固体撮像装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、カラー用固体撮像装置に関し、特に、視感度補正用の赤外線除去フィルタを不要とし、かつ色再現性を人間の視感度に合わせたカラー用固体撮像装置に関する。
Ｉｂ族元素とＩＩＩｂ族元素とＶＩｂ族元素とからなる、カルコパイライト構造の半導体薄膜であるＣｕＩｎＳｅ2（ＣＩＳ系薄膜）、或いはこれにＧａを固溶したＣｕ（Ｉｎ,Ｇａ）Ｓｅ2（ＣＩＧＳ系薄膜）を光吸収層に用いた薄膜太陽電池は、高いエネルギー変換効率を示し、光照射などによる効率の劣化が少ないという利点を有している。
カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を利用し、かつ暗電流を大幅に低減した固体撮像装置およびその製造方法については、既に開示されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
通常固体撮像素子として用いる電荷転送デバイス（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）イメージセンサまたは相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ：Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを一枚だけで固体撮像装置を構成する、単板型のイメージセンサにおいては、色分解を行う色フィルタとして、画素ごとに異なる色のものがセンサ上に設けられている（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）。
色フィルタは、目的の色を透過させるように分光透過特性が設計されている。しかしながら、これらの色フィルタは、近赤外の波長領域に対しても、一定の透過率を有する。また、固体撮像素子の光電変換部は主にシリコン（Ｓｉ）などの半導体で構成されているため、光電変換部の分光感度特性は波長の長い近赤外領域まで感度を有している。よって、色フィルタを具備した固体撮像素子から得られた信号は、近赤外領域の光線にも反応した信号成分を含む。
人間の色に対する感度特性である色覚特性および明るさに対する感度特性である比視感度特性はその感度が可視域といわれる３８０ｎｍから７８０ｎｍまでの感度特性であり、７００ｎｍより長波長域ではほとんど感度を有さない。そこで固体撮像素子の色再現性を人間の視感度に合わせるためには、固体撮像素子の前に近赤外領域の光線を通過させない視感度補正用の赤外線除去フィルタを設ける必要がある。
特開２００７−１２３７２０号公報 特開２００７−１２３７２１号公報 特開２００８−１１２９４４号公報 特開２００５−３２３１４１号公報
現在ＣＩＳ系薄膜ならびにＣＩＧＳ系薄膜は、太陽電池としての利用が主流である。
本発明の発明者らは、この化合物半導体薄膜材料の高い光吸収係数と、可視光から近赤外光までの広い波長域にわたって高い感度を持つ特性に着目し、この化合物半導体薄膜材料を、セキュリティカメラ（昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ）や、個人認証カメラ（外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ）、或いは車載カメラ（夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ）用のイメージセンサとして利用することについて検討している。
本発明の目的は、視感度補正用の赤外線除去フィルタを不要とし、かつ色再現性を人間の視感度に合わせたカラー用固体撮像装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板上に形成された回路部と、前記回路部上に配置された下部電極層と、前記下部電極層上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜と、前記化合物半導体薄膜上に配置された透明電極層と、前記透明電極層上に配置されたフィルタとを備え、前記下部電極層、前記化合物半導体薄膜、および前記透明電極層は、前記回路部上に順次積層されると共に、前記フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚を薄層化して、可視光のみを吸収するカラー用固体撮像装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、行方向に配置された複数のワード線ＷＬi（ｉ＝１〜ｍ：ｍは整数）と、列方向に配置された複数のビット線ＢＬj（j＝１〜n：nは整数）と、下部電極層と、前記下部電極層上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜と、前記化合物半導体薄膜上に配置された透明電極層とを有するフォトダイオードと、前記透明電極層上に配置されたフィルタと、前記複数のワード線ＷＬiと前記複数のビット線ＢＬjの交差部に配置された画素とを備え、前記下部電極層、前記化合物半導体薄膜、および前記透明電極層は、前記回路部上に順次積層されると共に、前記フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚を薄層化して、可視光のみを吸収するカラー用固体撮像装置が提供される。
本発明によれば、視感度補正用の赤外線除去フィルタを不要とし、かつ色再現性を人間の視感度に合わせたカラー用固体撮像装置を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の模式的全体平面パターン構成図。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の模式的断面構造図。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係るカラー用固体撮像装置の模式的断面構造図。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用するカラーフィルタの配置例、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する別のカラーフィルタの配置例。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用するカラーフィルタの透過特性。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する化合物半導体薄膜の量子効率の波長特性。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する化合物半導体薄膜の光吸収特性。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、Ｇａ含有率（Ｇａ／ＩＩＩ族比の値）＝０．４の時の、化合物半導体薄膜の膜厚をパラメータとする量子効率の波長依存性。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する化合物半導体薄膜のＧａ含有率（Ｇａ／ＩＩＩ族比の値）をパラメータとする量子効率の波長依存性。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する化合物半導体薄膜のＣｕ含有率（Ｃｕ／ＩＩＩ族比の値）をパラメータとする量子効率の波長依存性。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、Ｃｕ含有率をパラメータとする（αｈν）2とバンドギャップエネルギーＥｇとの関係を示す図。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その１）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その２）、（ｃ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その３）。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その４）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その５）、（ｃ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その６）。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その７）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その８）。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その９）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その１０）。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法において、層間絶縁膜に段差を設けない場合の化合物半導体薄膜の形成工程の説明図。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法において、層間絶縁膜に段差を設けた場合の化合物半導体薄膜の形成工程の説明図。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法において、層間絶縁膜に段差を設けた場合の化合物半導体薄膜の膜厚抑制効果を説明する断面ＳＥＭ写真。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その１）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その２）。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その３）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その４）。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その５）、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その６）。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その７）。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その８）。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、（ａ）光電変換部の模式的断面構造図、（ｂ）化合物半導体薄膜部分の模式的断面構造図。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の製造方法により形成される光電変換部において、（ａ）ｐｉｎ接合を形成する化合物半導体薄膜の構成図、（ｂ）図２５（ａ）に対応する電界強度分布図。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、（ａ）アバランシェ増倍を利用する場合の１画素の回路構成図、（ｂ）アバランシェ増倍を利用しない場合の１画素の回路構成図。 本発明の第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の模式的回路ブロック構成図。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[第１の実施の形態]
（平面パターン構成）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の模式的全体平面パターン構成は、図１に示すように、パッケージ基板１と、パッケージ基板１上の周辺部に配置された複数のボンディングパッド２と、ボンディングパッド２とボンディングパッド接続部４によって接続され、かつカラー用固体撮像装置の画素５上に配置された透明電極層２６とカラー用固体撮像装置の周辺部において接続されるアルミニウム電極層３とを備える。すなわち、透明電極層２６の端部領域をアルミニウム電極層３が被覆していて、かつアルミニウム電極層３は、ボンディングパッド接続部４によって１つのボンディングパッド２に接続されている。また、図１の拡大された点線内に示されるように、画素５は、微細なマトリックス状に配置されている。また、図１の例では各画素５には、透明電極層２６上に、Ｒ（Red: 赤）用、Ｇ（Green: 緑）用、Ｂ（Blue: 青）用の可視光フィルタが、所定の規則性をもって配置されている。尚、図１の例では、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用の可視光フィルタをベイヤ−（Bayer）パターンで配置する例が示されているが、可視光フィルタに隣接して、赤外光フィルタを配置しても良い。
（カラー用固体撮像装置）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の概略の断面構造は、図２に示すように、半導体基板１０上に形成された回路部３０と、回路部３０上に配置された光電変換部２８を備える。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置は、図２に示すように、半導体基板１０上に形成された回路部３０と、回路部３０上に配置された下部電極層２５と、下部電極層２５上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４と、化合物半導体薄膜２４上に配置されたバッファ層３６と、バッファ層３６上に配置された透明電極層２６と、透明電極層２６上に配置されたフィルタ４４とを備える。
また、下部電極層２５、化合物半導体薄膜２４、バッファ層３６および透明電極層２６は、回路部３０上に順次積層されると共に、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの下方の化合物半導体薄膜２４の膜厚を薄層化して、可視光のみを吸収するようにしている。
また、図２に示すように、透明電極層２６上に配置された赤外光フィルタ４４Ｉを備え、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの下方の化合物半導体薄膜２４の膜厚を、赤外光フィルタ４４Ｉの下方の化合物半導体薄膜２４の膜厚よりも薄層化して、赤外光フィルタ４４Ｉの下方の化合物半導体薄膜２４は近赤外光のみを吸収するようにしても良い。すなわち、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置は、可視光のみならず、近赤外光領域にも感度を持たせる構成とすることもできる。
また、化合物半導体薄膜２４上に配置されるバッファ層３６は、半導体基板表面全面に一体的に形成されている。また、透明電極層２６は、半導体基板表面全面に一体的に形成され、かつ電気的に共通にされている。
透明電極層２６上には層間絶縁膜４０が配置され、層間絶縁膜４０の平坦化された表面上にフィルタ４４が配置されている。さらに、フィルタ４４上には、パッシベーション膜などで形成されたクリアフィルタ４５が配置され、さらに、クリアフィルタ４５上には、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲの画素に対応させてマイクロレンズ４８を配置しても良い。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、例えば、透明電極層２６と下部電極層２５間に逆バイアス電圧を印加して、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４内で衝突電離により、光電変換により発生した電荷の増倍を起こさせても良い。
回路部３０は、下部電極層２５がゲートに接続されたトランジスタを備える。
図２に示すカラー用固体撮像装置おいて、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４は、Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)で形成される。
下部電極層２５としては、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、およびタングステン（Ｗ）などを使用することができる。
バッファ層３６の形成材料としては、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＳｅ、Ｉｎ2Ｓ3などを使用することができる。
透明電極層２６は、化合物半導体薄膜２４上に配置されたノンドープのＺｎＯ膜からなる半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１と、半絶縁層２６１上に配置されたｎ型のＺｎＯ膜からなる上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２とを備える。
また、化合物半導体薄膜２４は、表面に高抵抗層（ｉ型ＣＩＧＳ層）を備えている。
回路部３０は、例えば、ＣＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）を備えていても良い。
図２において、回路部３０には、ＣＭＯＳの一部を構成するｎチャネルＭＯＳトランジスタが示されており、半導体基板１０と、半導体基板１０内に形成されたソース・ドレイン拡散層１２と、ソース・ドレイン拡散層１２間の半導体基板１０上に配置されるゲート絶縁膜１４と、ゲート絶縁膜１４上に配置されるゲート電極１６と、ゲート電極１６上に配置されるＶＩＡ電極３２とを備える。
ゲート電極１６、ＶＩＡ電極３２は、いずれも層間絶縁膜２０内に形成される。
図２に示すカラー用固体撮像装置においては、ゲート電極１６上に配置されるＶＩＡ電極３２によって、ＣＭＯＳの一部を構成するｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート電極１６と光電変換部２８とを電気的に接続している。
ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート電極１６に光電変換部２８を構成するフォトダイオードのアノードが接続されることから、フォトダイオードにおいて検出された光情報は、当該ｎチャネルＭＯＳトランジスタによって増幅される。
なお、回路部３０は、例えば、ガラス基板上に形成された薄膜上に形成されたＣＭＯＳ構成の薄膜トランジスタによって形成することもできる。
（変形例）
第１の実施の形態の変形例に係るカラー用固体撮像装置の模式的断面構造は、図３に示すように表される。図３は、化合物半導体薄膜２４が薄層化されたＲ，Ｇ，Ｂ用の画素領域部分の拡大図であり、図示は省略されているが、図２と同様に、隣接して相対的に厚い膜厚の化合物半導体薄膜２４を有するＩＲ用の画素が配置されている。
図３から明らかなように、隣接する画素間で、下部電極層２５上に配置される化合物半導体薄膜２４が互いに素子分離領域３４を介して分離されている。素子分離領域３４は、層間絶縁膜２０によって形成しても良い。また、素子分離領域３４に対応する透明電極層２６上の場所には、素子分離領域３４と同程度の幅を有し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）などで形成された遮光層４２を配置している。
なお、化合物半導体薄膜２４と下部電極層２５の幅は同等であってもよく、或いは、より詳細には、図３に示すように、化合物半導体薄膜２４の幅が、下部電極層２５の幅よりも大きくなるように設定してもよい。
その他の構成は、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の構成と同様であるため、重複説明は省略する。
（フィルタ）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用するカラーフィルタの配列例は、図４（ａ）に示すように、Ｒ用およびＢ用フィルタに対して、Ｇ用フィルタを２倍配列したベイヤーパターンである。また、図４（ｂ）に示すように、Ｒ用、Ｇ用、およびＢ用フィルタに対して、さらにＩＲ用フィルタを配置しても良い。このようなフィルタの配列方法は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示される正方格子配列に限定されるものではなく、例えば、ハニカム配列を採用しても良い。カラーフィルタには、例えば、顔料をベースとしたカラーレジスト、ナノインプリント技術を用いて形成した透過型レジスト、或いはゼラチン膜などが適当可能である。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用するカラーフィルタの透過特性は、図５に示すように表される。図５から明らかなように、Ｒ用、Ｇ用、およびＢ用可視光フィルタは、いずれも所望のＲ、Ｇ、Ｂの波長範囲以外のΔλＩで示される近赤外の波長範囲にも一定の透過率を有する。このため、後述するように、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４の厚さおよび／またはバンドギャップエネルギーＥｇを制御することによって、赤外光、近赤外光に対する感度を遮断している。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用するＣＩＧＳ膜の量子効率の波長特性は、図６に示すように表される。即ち、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４は、可視光から近赤外光まで幅広い波長領域において、高い量子効率の光電変換特性を示している。シリコン（Ｓｉ）の場合の光電変換特性に比べ、量子効率は倍以上である。特に、ＣｕＩｎＳｅ2とＣｕＧａＳｅ2の混晶で、可視光領域において、最高の量子効率の値が得られる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用するＣＩＧＳ膜の光吸収特性は、図７に示すように表される。即ち、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４は、可視光から近赤外光まで幅広い波長領域において、強い吸収性能を有する。
例えば、可視光領域においてもシリコン（Ｓｉ）の吸収係数の約１００倍である。
（ＣＩＧＳ膜の膜厚依存性）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４の膜厚を制御することによって、量子効率を制御することができる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、Ｇａ含有率（Ｇａ／ＩＩＩ族比の値）＝０．４の時の、化合物半導体薄膜２４の膜厚をパラメータとする量子効率の波長依存性は、図８に示すように表される。例えば、化合物半導体薄膜２４の膜厚が１．２μｍでは、量子効率の値が０．３以上となる波長範囲は、約４００ｎｍ〜約１０５０ｎｍであり、膜厚が０．９μｍでは、量子効率の値が０．３以上となる波長範囲は、約４００ｎｍ〜約９５０ｎｍであり、膜厚が０．６μｍでは、量子効率の値が０．３以上となる波長範囲は、約４００ｎｍ〜約８５０ｎｍである。化合物半導体薄膜２４の膜厚を１．２μｍ、０．９μｍ、０．６μｍと薄層化するにしたがって、所定の量子効率の値が得られる波長範囲が狭まることがわかる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４の膜厚を制御することによって、特に可視光領域に量子効率を持たせることができる。このため、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、図２に示すように、化合物半導体薄膜２４を薄層化し、かつ透明電極層２６上に層間絶縁膜４０を介して、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを配置することによって、Ｒ，Ｇ、Ｂに対応した波長範囲の入射光のみを吸収することが可能となる。
一方、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４の膜厚を所定の厚さに設定することによって、特に、赤外光、近赤外光の波長範囲に量子効率を持たせることもできる。このため、図２に示すように、化合物半導体薄膜２４を所定の厚さに設定し、かつ透明電極層２６上に層間絶縁膜４０を介して、赤外光フィルタ４４Ｉを配置することによって、赤外光、近赤外光に対応した波長範囲の入射光のみを吸収することも可能となる。
以上から、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、可視光のみならず赤外光、近赤外光の波長範囲に対しても量子効率を持たせることができるため、可視光と赤外光、近赤外光の両方を併用する固体撮像装置に対しても適用可能である。例えば、昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするセキュリティカメラ用の固体撮像装置として好適である。
（ＣＩＧＳ膜のバンドギャップエネルギー制御）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４のバンドギャップエネルギーの値を制御することによっても、量子効率を制御することができる。すなわち、化合物半導体薄膜２４のバンドギャップエネルギーＥｇを制御することによって、所定の量子効率の得られる波長範囲を制御することができるため、例えば、波長範囲を可視光に設定し、近赤外光を吸収しないようにすることもできる。
ここで、ｈをプランク定数、ｃを光速、λを吸収される光の波長とすると、バンドギャップエネルギーＥｇ＝ｈｃ／λで表されるため、例えば、バンドギャップエネルギーＥｇの値を増加することによって、波長範囲を狭めることができる。
―Ｇａ含有率依存性―
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４のＧａ含有率（Ｇａ／ＩＩＩ族比の値）をパラメータとする量子効率の波長依存性は、図９に示すように表される。Ｇａ含有率は、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）で表される。Ｇａ含有率の値を０、０．４、０．６、１．０と増加することによって、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４のバンドギャップエネルギーＥｇの値を増加することができるため、結果として、図９に示すように、所定の量子効率の得られる波長範囲を狭めることができる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４のＧａ含有率を、例えば、０．４〜１．０とすることによって、赤外光、近赤外光を遮断し、可視光の波長範囲に所定の量子効率の値を設定可能である。
尚、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、同様の効果は、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４のＩｎ含有率（Ｉｎ／ＩＩＩ族比の値）を減少することによっても得ることができる。Ｉｎ含有率は、Ｉｎ／（Ｇａ＋Ｉｎ）で表されるため、Ｉｎ含有率の値を減少することによって、化合物半導体薄膜２４のバンドギャップエネルギーＥｇの値を増加することができるため、結果として、所定の量子効率の得られる波長範囲を狭めることができるからである。
―Ｃｕ含有率依存性―
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４のＣｕ含有率（Ｃｕ／ＩＩＩ族比の値）をパラメータとする量子効率の波長依存性は、図１０に示すように表される。Ｃｕ含有率は、Ｃｕ／（Ｇａ＋Ｉｎ）で表される。Ｃｕ含有率の値を０．９３、０．７５、０．６３、０．５０と減少することによって、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４のバンドギャップエネルギーＥｇの値を増加することができるため、結果として、図１０に示すように、所定の量子効率の得られる波長範囲を狭めることができる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４のＣｕ含有率を、例えば、０．５〜１．０とすることによって、赤外光、近赤外光を遮断し、可視光の波長範囲に所定の量子効率の値を設定可能である。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、Ｃｕ含有率をパラメータとする（αｈν）2とバンドギャップエネルギーＥｇとの関係は、図１１に示すように表される。ここで、αは吸収係数（ｃｍ-1）、νは振動数を表す。
Ａを比例定数とすると、吸収係数α＝Ａ（ｈν−Ｅｇ）1/2／（ｈν）で表されるため、（αｈν）2＝Ａ2（ｈν−Ｅｇ）＝Ａ2（ｈν−Ｅｇ）で表される。すなわち、図１１に示すように、Ｃｕ含有率を０．９３から０．５０に減少すると、バンドギャップエネルギーＥｇの値は、例えば、約１．３５ｅＶから約１．６ｅＶにシフトすることができる。Ｃｕ含有率を減少すると、化合物半導体薄膜２４のバンドギャップエネルギーＥｇの値を増加することができるためである。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４の膜厚と同時にバンドギャップエネルギーＥｇを制御することによって、可視光フィルタを配置する画素部分は可視光のみを吸収し、近赤外光フィルタを配置する画素部分は近赤外光のみを吸収する構成を実現することができる。
（第１の製造方法）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第１の製造方法は、図１２〜図１８に示すように表される。第１の製造方法においては、化合物半導体薄膜２４に段差構造を形成するために、予め、層間絶縁膜２０に段差構造を形成している。
（ａ）まず、図１２（ａ）に示すように、半導体基板１０上にソース・ドレイン拡散層１２、ゲート絶縁膜１４、およびゲート電極１６を形成後、層間絶縁膜２０を堆積する。層間絶縁膜２０は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、或いはこれらの複合膜で形成することができる。また、層間絶縁膜２０は、化学的気相堆積（ＣＶＤ:Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法、真空蒸着法などで形成することができる。
（ｂ）次に、図１２（ｂ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ:Reactive Ion Etching）技術を用いて、層間絶縁膜２０に対してＶＩＡホールを形成する。ＶＩＡホールの底部には、ゲート電極１６が露出している。
（ｃ）次に、図１２（ｃ）に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの可視光検出用の画素領域において、さらにＲＩＥ技術を用いて、層間絶縁膜２０をエッチングにより一部除去して層間絶縁膜２０を薄層化し、層間絶縁膜２０に段差構造を形成する。赤外、近赤外光検出用の画素領域においては、層間絶縁膜２０の薄層化は実施しない。なお、図１２（ｃ）に示すように、隣接する画素間に、層間絶縁膜２０からなる壁を形成して、層間絶縁膜２０からなる素子分離領域を形成している。隣接する画素間のパターンピッチは、例えば、約６〜８μｍであり、隣接する画素間に形成された層間絶縁膜２０からなる壁の高さは、例えば、約３００ｎｍ〜５００ｎｍである。
（ｄ）次に、図１３（ａ）に示すように、層間絶縁膜２０の表面上に、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、或いはタングステン（Ｗ）などからなる金属層（２５，３２）を形成する。
（ｅ）次に、図１３（ｂ）に示すように、金属層（２５，３２）をパターニングすることによって、ＶＩＡ電極３２および下部電極層２５を形成する。
（ｆ）次に、図１３（ｃ）に示すように、段差構造を有する層間絶縁膜２０および下部電極層２５上に、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４を形成する。
（ｆ−１）第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の製造方法において、層間絶縁膜２０に段差を設けない場合の化合物半導体薄膜２４の形成工程では、図１６に示すように、ＣＩＧＳの形成元素の飛来粒子５０は、一様に、層間絶縁膜２０上に堆積される。
（ｆ−２）一方、層間絶縁膜２０に段差構造を設けた場合には、図１７に示すように、ＣＩＧＳの形成元素の飛来粒子５０は、段差部において制御される。このため、段差部の層間絶縁膜２０上に堆積される化合物半導体薄膜２４の厚さｔ２は、平坦部の層間絶縁膜２０上に堆積される化合物半導体薄膜２４の厚さｔ１に比べて薄くなる。例えば、ｔ１の値は、例えば、約１．２μｍに対して、ｔ２の値は、例えば、約０．９μｍである。層間絶縁膜２０に段差を設けた場合の化合物半導体薄膜２４の断面ＳＥＭ写真を、図１７に示す。図１７から明らかなように、明らかに、ｔ１＞ｔ２であることから、層間絶縁膜２０に段差構造を設けることによって、段差部に形成される化合物半導体薄膜２４は、膜厚が抑制されていることがわかる。
（ｇ）次に、図１４（ａ）に示すように、化合物半導体薄膜２４上に、バッファ層３６、半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１、および上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２を順次形成する。
（ｈ）次に、図１４（ｂ）に示すように、上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２上に、層間絶縁膜２０と同様の材料および形成方法によって、層間絶縁膜４０を形成する。
（ｉ）次に、図１５（ａ）に示すように、層間絶縁膜４０を平坦化する。この平坦化工程には、例えば、化学的機械研磨（ＣＭＰ:Chemical Mechanical Polishing）技術を適用することができる。
（ｊ）次に、図１５（ｂ）に示すように、平坦化された層間絶縁膜４０上にフィルタ４４を形成する。Ｒ、Ｇ、Ｂの可視光検出用の画素領域に対応する層間絶縁膜４０上には、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを配置し、赤外光検出用の画素領域に対応する層間絶縁膜４０上には、赤外光フィルタ４４Ｉを配置する。
（ｋ）次に、図２に示すように、フィルタ４４および層間絶縁膜４０上に、例えばパッシベーション膜からなるクリアフィルタ４５を形成後、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂ、赤外光フィルタ４４Ｉの上方のクリアフィルタ４５上に、光情報の集光用のマイクロレンズ４８をそれぞれ配置することによって、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置が完成する。
（第２の製造方法）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の第２の製造方法は、図１９〜図２３に示すように表される。第２の製造方法においては、化合物半導体薄膜２４に直接段差構造を形成している。
（ａ）まず、図１９（ａ）に示すように、半導体基板１０上にソース・ドレイン拡散層１２、ゲート絶縁膜１４、およびゲート電極１６を形成後、層間絶縁膜２０を堆積する。層間絶縁膜２０は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、或いはこれらの複合膜で形成することができる。また、層間絶縁膜２０は、ＣＶＤ法、スパッタリング法、真空蒸着法などで形成することができる。次に、ＲＩＥ技術を用いて、層間絶縁膜２０に対してＶＩＡホールを形成後、層間絶縁膜２０の表面上に、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、或いはタングステン（Ｗ）などからなる金属層（２５，３２）を形成し、金属層（２５，３２）をパターニングすることによって、ＶＩＡ電極３２および下部電極層２５を形成する。
（ｂ）次に、図１９（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２０および下部電極層２５上に、化合物半導体薄膜（Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)）２４を形成する。
（ｃ）次に、図２０（ａ）に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの可視光検出用の画素領域において、ＲＩＥ技術を用いて、化合物半導体薄膜２４をエッチングにより厚さａだけ除去して化合物半導体薄膜２４を薄層化し、化合物半導体薄膜２４に段差構造を形成する。赤外、近赤外光検出用の画素領域においては、化合物半導体薄膜２４の薄層化は実施しない。
（ｄ）次に、図２０（ｂ）に示すように、化合物半導体薄膜２４上に、バッファ層３６、半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１、および上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２を順次形成する。
（ｅ）次に、図２１（ａ）に示すように、上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２上に、層間絶縁膜２０と同様の材料および形成方法によって、層間絶縁膜４０を形成する。
（ｆ）次に、図２１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜４０を平坦化する。この平坦化工程には、例えば、ＣＭＰ技術を適用することができる。
（ｇ）次に、図２２に示すように、平坦化された層間絶縁膜４０上に、フィルタ４４を形成する。Ｒ、Ｇ、Ｂの可視光検出用の画素領域に対応する層間絶縁膜４０上には、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを配置し、赤外光検出用の画素領域に対応する層間絶縁膜４０上には、赤外光フィルタ４４Ｉを配置する。
（ｈ）次に、図２３に示すように、フィルタ４４および層間絶縁膜４０上に、例えばパッシベーション膜からなるクリアフィルタ４５を形成後、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂ、赤外光フィルタ４４Ｉの上方のクリアフィルタ４５上に、光情報の集光用のマイクロレンズ４８をそれぞれ配置することによって、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置が完成する。
（化合物半導体薄膜の形成工程）
光吸収層として機能する化合物半導体薄膜は、物理的気相堆積（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）法と呼ばれる真空蒸着法やスパッタ法、あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法によって、回路部３０が形成された半導体基板１０やガラス基板上に、形成可能である。ここで、ＰＶＤ法とは、真空中で蒸発させた原材料を堆積させて、成膜する方法をいうものとする。
真空蒸着法を用いる場合、化合物の各成分（Ｃｕ,Ｉｎ,Ｇａ,Ｓｅ,Ｓ）を別々の蒸着源として、回路部３０が形成された基板上に蒸着させる。
スパッタ法では、カルコパイライト化合物をターゲットとして用いるか、或いは、その各成分を別々にターゲットとして用いる。
なお、化合物半導体薄膜を回路部３０が形成されたガラス基板上に形成する場合、基板を高温に加熱するため、カルコゲナイド元素の離脱による組成ずれが起こる場合がある。この場合は、成膜後にＳｅまたはＳの蒸気雰囲気中で４００〜６００℃の温度で１〜数時間程度の熱処理を行うことにより、ＳｅまたはＳを補充することもできる（セレン化処理または硫化処理）。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する化合物半導体薄膜２４の製造方法は、基板温度を第１の温度Ｔ１に保持し、ＩＩＩ族元素が過剰な状態において、（Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ））の組成比を０に維持する第１ステップ（第１段階：１ａ期間）と、基板温度を第１の温度Ｔ１から第１の温度Ｔ１よりも高い第２の温度Ｔ２に保持し、（Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ））の組成比を１．０以上のＣｕ元素が過剰な状態に移行させる第２ステップ（第２段階：２ａ期間）と、（Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ））の組成比が１．０以上のＣｕ元素が過剰な状態から、１．０以下のＩＩＩ族元素が過剰な状態に移行させる第３ステップ（第３段階）とを有する。第３のステップ（第３段階）は、基板温度を第２の温度Ｔ２に保持する第１の期間（期間３ａ）と、基板温度を第２の温度Ｔ２から第１の温度Ｔ１よりも低い第３の温度Ｔ３に保持する第２の期間（３ｂ）を有することにより、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する。
また、第３の温度Ｔ３は、例えば、約３００℃以上４００℃程度以下である。
また、第２の温度は、例えば、約５５０℃程度以下である。
また、第３段階は、例えば第１のステップ（期間３ａ）の終了時の（Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ））を例えば約０．５〜１．３の範囲とし、第２のステップ（期間３ｂ）の終了時の（Ｃｕ／（Ｉｎ＋Ｇａ））を１．０以下の値としてもよい。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置に適用する化合物半導体薄膜２４の製造方法においては、第３段階を２段に分けて、３ａ期間は温度Ｔ２の高温プロセス段階であるが、３ｂ期間は、温度Ｔ３の低温プロセス段階に移行させて、化合物半導体薄膜２４の表面に、積極的にｉ型ＣＩＧＳ層２４２を形成する。基板温度は、３００℃〜４００℃であり、例えば、約３００℃とする。
上記においては、各構成元素の蒸着を同時に蒸着するのではなく、三段階に分けて行っており、膜内における各構成元素の分布を、ある程度制御できる。Ｉｎ元素、Ｇａ元素のビームフラックスは、化合物半導体薄膜２４のバンドギャップの制御に用いる。一方、Ｃｕ／ＩＩＩ族（Ｉｎ＋Ｇａ）比は、化合物半導体薄膜２４内のＣｕ濃度の制御に用いることができる。Ｃｕ／ＩＩＩ族（Ｉｎ＋Ｇａ）比の設定が比較的容易である。また、膜厚の制御も容易である。Ｓｅは常に一定量供給されている。
Ｃｕ／ＩＩＩ族（Ｉｎ＋Ｇａ）比の設定が比較的容易であることから、第３段階において、Ｃｕ／ＩＩＩ族（Ｉｎ＋Ｇａ）比を低下させて、化合物半導体薄膜２４の表面に、ｉ型ＣＩＧＳ層２４２を、膜厚の制御性よく、容易に形成することができる。ｉ型ＣＩＧＳ層２４２は、膜内のキャリア濃度を調整するＣｕの濃度が低く、キャリアの数が少ないためにｉ層として機能する。
なお、上記では三段階法に引き続いて低温ステップ３ｂを行う例について説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、三段階法を行った後に一旦プロセスを終了し、その後に期間３ｂで示したような温度へと温度変化させつつＣｕ分率を減らして、所望のＣＩＧＳ表面層を形成することもできる。また、三段階法を例として説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、バイレイヤー法を利用して本発明を実施することもできる。バイレイヤー法とは、第１段階でＣｕ,Ｉｎ,Ｇａ,Ｓｅの４元素を用い、引き続く第２段階においてはＣｕを除いたＩｎ,Ｇａ,Ｓｅの３元素を用いて、例えば蒸発法やスパッタリング法などによりＣＩＧＳ膜を成膜する方法である。バイレイヤー法により成膜した後に、期間３ｂの上記温度へと温度変化させつつＣｕ分率を減らして、所望のＣＩＧＳ表面層を形成することもできる。また、その他の成膜方法（硫化法、セレン化／硫化法、同時蒸着法、インライン式同時蒸着法、高速固相セレン化法、ＲＲ（ロール・ツー・ロール）法、イオン化蒸着・ＲＲ法、同時蒸着・ＲＲ法、電着法、ハイブリッドプロセス、ハイブリッドスパッタ・ＲＲ法、ナノ粒子印刷法、ナノ粒子印刷・ＲＲ法、ＦＡＳＳＴ（登録商標）プロセス）を用いて作成したＣＩＧＳ薄膜に、さらに上述のような低温成膜ステップを行うことによって、本発明を実施することもできるのはもちろんである。
（光電変換部の増倍機構）
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の光電変換部２８は、図２４（ａ）に示すように、下部電極層２５と、下部電極層２５上に配置された化合物半導体薄膜２４と、化合物半導体薄膜２４上に配置されたバッファ層３６と、バッファ層３６上に配置された半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１と、半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１上に設けられる上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２とを備える。
この構成によれば、透明電極層２６としてノンドープのＺｎＯ層からなる半絶縁層２６１を設けることにより、下地の化合物半導体薄膜２４に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、リークを防ぐことができる。ただし、これに限るものではなく、半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１と上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２からなるＺｎＯ層を、上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２のみとすることもできる。
また、化合物半導体薄膜２４のバッファ層３６と接する界面には、ｉ型ＣＩＧＳ層（高抵抗層）２４２が形成される。結果として、下地のｐ型ＣＩＧＳ層２４１は、ｐ型であることから、図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示すように、ｐ型ＣＩＧＳ層２４１、ｉ型ＣＩＧＳ層２４２、ｎ型のバッファ層（ＣｄＳ）３６とからなるｐｉｎ接合が形成される。
上部電極層（ｎＺｎＯ層）２６２／半絶縁層（ｉＺｎＯ層）２６１／バッファ層３６／ｉ型ＣＩＧＳ層２４２／ｐ型ＣＩＧＳ層２４１／下部電極層２５からなる構造によって、導電性の上部電極層２６２を化合物半導体薄膜２４と直接に接触させた場合に起こるトンネル電流によるリークを防ぐことができる。また、ノンドープのＺｎＯ層からなる半絶縁層２６１を厚膜化することによって、暗電流を低減することができる。
上部電極層２６２の厚さは、例えば約２００〜３００ｎｍ程度であり、半絶縁層２６１の厚さは、例えば約２００ｎｍであり、全体として透明電極層２６の厚さは、約６００ｎｍである。バッファ層３６の厚さは、例えば約１００ｎｍである。ｉ型ＣＩＧＳ層２４２の厚さは、例えば約２００ｎｍ〜６００ｎｍであり、ｐ型ＣＩＧＳ層２４１の厚さは、例えば約２００ｎｍ〜６００ｎｍであり、全体として化合物半導体薄膜２４の厚さは、１．２μｍ程度である。下部電極層２５の厚さは、例えば約６００ｎｍ程度である。下部電極層２５から透明電極層２６までの全体の厚さは、例えば約１．８μｍ〜３μｍである。
また、透明電極層２６としては他の電極材料を適用することもできる。例えば、ＩＴＯ膜、酸化錫（ＳｎＯ2）膜、或いは酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）膜を用いることができる。
図２５（ａ）は、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の光電変換部２８において、ｐｉｎ接合を形成する化合物半導体薄膜の構成図、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に対応する電界強度分布図を示す。
特に、アバランシェ増倍を利用する場合には、ターゲット電圧を増加させてゆくと、信号電流が劇的に増加する。これによって、センサの感度を高めることができる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、アバランシェ増倍を利用する場合には、ｎ型のＺｎＯからなる上部電極層２６２と、ｐ型ＣＩＧＳ層２４１にオーミックコンタクトされた下部電極層２５との間にｐｉｎ接合の逆バイアス電圧に相当するターゲット電圧Ｖtが印加される。
電界強度Ｅ（Ｖ／ｃｍ）のピーク値Ｅ１は、図２５に示すように、ｐｉｎ接合の界面において得られることから、強電界は、化合物半導体薄膜２４の内部において発生している。
上記の構造において、電界強度Ｅ（Ｖ／ｃｍ）のピーク値Ｅ１の値は、約４×１０4〜４×１０5（Ｖ／ｃｍ）程度である。Ｅ１の値は、化合物半導体薄膜２４のＣＩＧＳ組成および膜厚によって変化する。第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、アバランシェ増倍を得るためには、ターゲット電圧Ｖtとして約１０Ｖ程度でよい。一方、通常のシリコンデバイスの場合には、アバランシェ増倍を得るためには約１００Ｖ程度必要である。
また、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置において、比較的低いターゲット電圧Ｖtを印加した状態において、光照射がある場合と、光照射がない場合の電流値の変化はわずかである。一方、相対的に高電圧を印加してアバランシェ増倍作用が起こり得る状態において、光照射がある場合と、光照射がない場合の電流値の変化はきわめて顕著である。光照射がない場合の暗電流は、略同程度であるため、第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、Ｓ／Ｎ比も改善される。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置の１画素Ｃijの回路構成は、アバランシェ増倍を利用する場合には、例えば、図２６（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤと３個のＭＯＳトランジスタで表される。一方、アバランシェ増倍を利用しない場合には、例えば、図２６（ｂ）に示すように表される。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置は、図２７に示すように、行方向に配置された複数のワード線ＷＬi（ｉ＝１〜ｍ：ｍは整数）と、列方向に配置された複数のビット線ＢＬj（j＝１〜n：nは整数）と、下部電極層２５と、下部電極層２５上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜２４と、化合物半導体薄膜２４上に配置された透明電極層２６とを有するフォトダイオードＰＤと、透明電極層２６上に配置された可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂと、複数のワード線ＷＬiと複数のビット線ＢＬjの交差部に配置された画素Ｃijとを備える。なお、図２７の構成例では３×３のマトリックスで示されているが、上記の通り、ｍ×ｎのマトリックスに拡張可能である。フォトダイオードは、図２の光電変換部２８に対応する。
図２７中に示される各画素の回路構成は、図２７（ａ）に対応している。なお、図２７（ｂ）の回路構成を用いても良い。バッファ１００が、図２７（ａ）の破線で囲まれたソースフォロワであって、定電流源ＩｃとＭＯＳトランジスタＭSFで構成される。選択ＭＯＳトランジスタＭSEL のゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。フォトダイオードＰＤのカソードにはターゲット電圧Ｖt（Ｖ）が印加されている。キャパシタＣPDは、フォトダイオードＰＤの空乏層容量であり、電荷蓄積を行うためのキャパシタである。
ソースフォロワ用のＭＯＳトランジスタＭSFのドレインは電源電圧ＶDDPDに接続されている。フォトダイオードＰＤのアノードはリセット用のＭＯＳトランジスタＭRSTに接続されており、リセット端子ＲＳＴに入力する信号のタイミングで、フォトダイオードＰＤは、初期状態にリセットされる。
第１の実施の形態によれば、化合物半導体薄膜２４の膜厚を制御することにより、近赤外領域の光への感度をほとんど有しないようにすることができるため、赤外カットフィルタが不要となり、可視領域にのみ高い感度を持つカラー用固体撮像装置を提供することができる。
第１の実施の形態にかかるカラー用固体撮像装置においては、層間絶縁膜２０に段差を形成することにより、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂに適した可視光感度特性を有する化合物半導体薄膜２４の膜厚に制御することが可能となる。
カラーの信号を得るとき、色信号はホワイトバランスを合わせて調整するが近赤外領域の光まで吸収層が感度を有すると、そのカラーの映像信号は人間の色覚特性とは違ってくるため正確な色再現性が得られない。そのための信号処理方法が必要となるが、第１の実施の形態にかかるカラー用固体撮像装置およびその変形例によれば、近赤外の感度を有しないため、そのような信号処理が不要となる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４の膜厚を制御することによって、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを配置する画素部分は可視光のみを吸収する構成を実現することができる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４のバンドギャップエネルギーＥｇを制御することによって、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを配置する画素部分は可視光のみを吸収する構成を実現することができる。
第１の実施の形態に係るカラー用固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４の膜厚と同時にバンドギャップエネルギーＥｇを制御することによって、可視光フィルタ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを配置する画素部分は可視光のみを吸収し、近赤外光フィルタ４４Ｉを配置する画素部分は近赤外光のみを吸収する構成を実現することができる。
第１の実施の形態およびその変形例によれば、視感度補正用の赤外線除去フィルタを不要とし、かつ色再現性を人間の視感度に合わせたカラー用固体撮像装置を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、第１およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
第１の実施の形態およびその変形例に係るカラー用固体撮像装置においては、光電変換部にカルコパイライト構造をもつ化合物半導体薄膜として、Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)を用いているが、これに限定されるものではない。
化合物半導体薄膜に適用するＣＩＧＳ薄膜としては、Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）(ＳｅY, Ｓ1-Y) (０≦X≦１,０≦Y≦１)という組成のものも知られており、このような組成をもつＣＩＧＳ薄膜も利用可能である。
カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜としては、この他、ＣｕＡｌＳ2,ＣｕＡｌＳｅ2,ＣｕＡｌＴｅ2,ＣｕＧａＳ2,ＣｕＧａＳｅ2, ＣｕＧａＴｅ2, ＣｕＩｎＳ2, ＣｕＩｎＳｅ2, ＣｕＩｎＴｅ2, ＡｇＡｌＳ2, ＡｇＡｌＳｅ2, ＡｇＡｌＴｅ2, ＡｇＧａＳ2, ＡｇＧａＳｅ2, ＡｇＧａＴｅ2, ＡｇＩｎＳ2, ＡｇＩｎＳｅ2, ＡｇＩｎＴｅ2など、他の化合物半導体薄膜も適用可能である。
また、上記では実施形態としてバッファ層を有する構成について説明したが、本発明はこれに限るものではない。化合物半導体薄膜(ＣＩＧＳ)層の上にバッファ層なしで透明電極層２６を設ける構成であってもよい。
また、第１の実施の形態に係る固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４からなるフォトダイオードのアノードが回路部のＭＯＳトランジスタのゲート電極に接続される構成、すなわち、画素単位で増幅機能を有する例を主として説明したが、このような構成に限定されるものではなく、フォトダイオードのアノードが回路部のＭＯＳトランジスタのソース若しくはドレイン電極に接続される構成、すなわち、画素単位で増幅機能を有しない例を採用しても良い。
また、第１の実施の形態に係る固体撮像装置においては、化合物半導体薄膜２４からなるフォトダイオードにアバランシェ増倍機能を有する例を主として説明したが、光電変換部２８の構成は、アバランシェ増倍機能を有する場合にが限定されない。アバランシェ増倍機能を持たない化合物半導体薄膜２４のフォトダイオードを用いても良い。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明のカラー用固体撮像装置は、可視光用のカラーイメージセンサ、セキュリティカメラ（昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ）や、個人認証カメラ（外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ）、或いは車載カメラ（夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ）用のカラーイメージセンサなどに適用可能である。
１…パッケージ基板
２…ボンディングパッド
３…アルミニウム電極層
４…ボンディングパッド接続部
５…画素
１０…半導体基板
１２…ソース・ドレイン拡散層
１４…ゲート絶縁膜
１６…ゲート電極
１７…ＶＩＡ０電極
１８…配線層
２０、４０…層間絶縁膜
２２,２３…ＶＩＡ１電極
２４…化合物半導体薄膜（ＣＩＧＳ膜）
２５…下部電極層
２６…透明電極層
２８…光電変換部
３０…回路部
３２…ＶＩＡ電極
３４…素子分離領域
３６…バッファ層
４４…フィルタ
４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂ…可視光フィルタ
４４Ｉ…赤外光フィルタ
４５…クリアフィルタ
４８…マイクロレンズ
１２０…垂直走査回路
１４０…水平走査回路
１６０…読出し回路
２４１…ｐ型ＣＩＧＳ層
２４２…ｉ型ＣＩＧＳ層（高抵抗層）
２６１…半絶縁層（ｉＺｎＯ層）
２６２…上部電極層（ｎＺｎＯ層）
ＷＬｉ（ｉ＝１〜ｍ：ｍは整数）…ワード線
ＢＬｊ（ｊ＝１〜ｎ：ｎは整数）…ビット線

Claims (20)

  1. 基板上に形成された回路部と、
    前記回路部上に配置された下部電極層と、
    前記下部電極層上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜と、
    前記化合物半導体薄膜上に配置された透明電極層と、
    前記透明電極層上に配置されたフィルタと
    を備え、前記下部電極層、前記化合物半導体薄膜、および前記透明電極層は、前記回路部上に順次積層されると共に、前記フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚を薄層化して、可視光のみを吸収することを特徴とするカラー用固体撮像装置。
  2. 前記透明電極層上に配置された赤外光フィルタを備え、前記フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚を、前記赤外光フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚よりも薄層化して、前記赤外光フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜は赤外光のみを吸収することを特徴とする請求項１に記載のカラー用固体撮像装置。
  3. 前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを制御することにより近赤外の光を吸収しないようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のカラー用固体撮像装置。
  4. 前記化合物半導体薄膜のＧａ含有率を増加させることによって、前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを増加させることを特徴とする請求項３に記載のカラー用固体撮像装置。
  5. 前記化合物半導体薄膜のＣｕ含有率を減少させることによって、前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを増加させることを特徴とする請求項３に記載のカラー用固体撮像装置。
  6. 前記化合物半導体薄膜のＩｎ含有率を減少させることによって、前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを増加させることを特徴とする請求項３に記載のカラー用固体撮像装置。
  7. 前記回路部は、前記下部電極層がゲートに接続されたトランジスタを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のカラー用固体撮像装置。
  8. 前記回路部は、前記下部電極層がソース，若しくはドレインに接続されたトランジスタを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のカラー用固体撮像装置。
  9. 前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、Ｃｕ（ＩｎX,Ｇａ1-X）Ｓｅ2(０≦X≦１)で形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のカラー用固体撮像装置。
  10. 前記透明電極層は、前記化合物半導体薄膜上に設けられるノンドープのＺｎＯ膜と、前記ノンドープのＺｎＯ膜上に設けられるｎ型のＺｎＯ膜とを備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のカラー用固体撮像装置。
  11. 前記化合物半導体薄膜は、表面に高抵抗層を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のカラー用固体撮像装置。
  12. 前記Ｇａ含有率は、０．４〜１．０であることを特徴とする請求項４に記載のカラー用固体撮像装置。
  13. 前記Ｃｕ含有率は、０．５〜１．０であることを特徴とする請求項５に記載のカラー用固体撮像装置。
  14. 行方向に配置された複数のワード線ＷＬi（ｉ＝１〜ｍ：ｍは整数）と、
    列方向に配置された複数のビット線ＢＬj（j＝１〜n：nは整数）と、
    下部電極層と、前記下部電極層上に配置されたカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜と、前記化合物半導体薄膜上に配置された透明電極層とを有するフォトダイオードと、
    前記透明電極層上に配置されたフィルタと、
    前記複数のワード線ＷＬiと前記複数のビット線ＢＬjの交差部に配置された画素と
    を備え、前記下部電極層、前記化合物半導体薄膜、および前記透明電極層は、前記回路部上に順次積層されると共に、前記フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚を薄層化して、可視光のみを吸収することを特徴とするカラー用固体撮像装置。
  15. 前記透明電極層上に配置された赤外光フィルタを備え、前記フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚を、前記赤外光フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜の膜厚よりも薄層化して、前記赤外光フィルタの下方の前記化合物半導体薄膜は赤外光のみを吸収することを特徴とする請求項１４に記載のカラー用固体撮像装置。
  16. 前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを制御することにより近赤外の光を吸収しないようにしたことを特徴とする請求項１４または１５に記載のカラー用固体撮像装置。
  17. 前記化合物半導体薄膜のＧａ含有率を増加させることによって、前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを増加させることを特徴とする請求項１６に記載のカラー用固体撮像装置。
  18. 前記化合物半導体薄膜のＣｕ含有率を減少させることによって、前記化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーを増加させることを特徴とする請求項１６に記載のカラー用固体撮像装置。
  19. 前記複数のワード線ＷＬiに接続された垂直走査回路と、前記複数のビット線ＢＬjに接続された読み出し回路と、前記読み出し回路に接続された水平走査回路とをさらに備えることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載のカラー用固体撮像装置。
  20. 前記画素は、ゲートを前記ワード線ＷＬi（ｉ＝１〜ｍ：ｍは整数）に接続され、ドレインを前記ビット線ＢＬj（j＝１〜n：nは整数）に接続された選択用トランジスタを備えることを特徴とする請求項１４〜１９のいずれか1項に記載のカラー用固体撮像装置。
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