JP2011216701A - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体撮像装置において画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大する。
【解決手段】半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部（フォトダイオード１１）が形成された受光面を有し、少なくとも一部の画素の形成領域において、光電変換部に対する光入射路において半導体基板上に、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜１６が形成されており、ここで、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法と設計方法並びに電子機器に関し、特に、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタを有する固体撮像装置及びその製造方法と設計方法並びに電子機器に関する。
デジタルビデオ電子機器、デジタルスチル電子機器などの電子機器は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Silicon Transistor）イメージセンサなどの固体撮像装置を有する。
固体撮像装置においては、半導体基板に複数の画素が水平方向と垂直方向とにおいてマトリクス状に配置され、受光面が構成されている。この受光面においては、各画素に例えばフォトダイオードなどの光電変換部であるセンサが設けられている。
受光面上には、被写体像による光を各画素のセンサに集光するための集光構造が形成されており、被写体像による光を受光し、受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成して画素信号を得る。
従来のＣＣＤ，ＣＭＯＳイメージセンサでは、センサ部に入射した光がフォトダイオードにて光電変換され入射光を電荷に変換して映像信号を得る。このようなデバイスでは一定の露光時間に入射する光を電荷に変換して蓄積する構造となっている。
電荷蓄積量は有限であるため、例えば強い光が入射したとき電荷が飽和し白と黒の階調が不十分となる。すなわち、前記固体撮像素子には適正な出力信号を得るための入射光量範囲が存在するが、この範囲は撮像対象に比べて非常に狭い。
そこで固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する技術が望まれている。
従来のダイナミックレンジ拡大技術として、非特許文献１には入射光量に応じて光電変換の刻みを変える技術が開示されている。また、特許文献１には入射光量に応じたゲインを設定する方法が開示されている。
また、特許文献２には光電変換部を遮光する遮光部材と、ＭＥＭＳを用いて該遮光部材を駆動するアクチュエータを備えた固体撮像素子が開示されている。
これらデバイスの構成でダイナミックレンジ拡大を図る方法の他に材料を用いてダイナミックレンジ拡大技術を実現しようとする提案もある。
また、特許文献３及び特許文献４には固体撮像素子のケース部分のガラスの表面に材料を塗布する、あるいはガラス表面と固体撮像素子の間に材料を入れて調光を行うことによってダイナミックレンジを拡大する方法が開示されている。
また、特許文献５にはセンサ部より手前に材料を成膜して調光を行うことでダイナミックレンジを拡大する方法が開示されている。
また、特許文献６にはフォトダイオードより外側に調光反応材料を塗布する方法が開示されている。
これら従来の技術で解決困難な問題として、動画撮影時や、連写時の時間ずれがある。
すなわち読み出し方式用いた手法では複数回読み出し時および長短電荷蓄積時の時間ずれが、またメカニカルシャッタを用いた手法では位置による時間ずれが起こる。そのため画像としての不自然さが除去しきれない。
一方、材料でダイナミックレンジ拡大を図る技術については透過率の波長依存性があることや、現固体撮像素子の信号処理スピードで決まるスペックを調光反応の反応速度が満たせていないことによる問題で固体撮像素子への搭載は困難であった。
特開２００８−１６７００４号公報 特開２００６−３３３４３９号公報 特開平１−２４８５４２号公報 特開平１０−６５１２９号公報 特開平１−２３６６４９号公報 特開平４−６５１６３号公報 特開昭５９−１０８８４６６号公報
2005 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors P.169, P.173
本発明が解決しようとする課題は、従来技術による固体撮像装置において、画像としての不自然さを発生させずにダイナミックレンジを拡大することが困難であったことである。
本発明の固体撮像装置は、マトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、少なくとも一部の前記画素の形成領域において、前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜とを有し、前記画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、前記フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
上記の本発明の固体撮像装置は、半導体基板にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部が形成された受光面を有する。
少なくとも一部の画素の形成領域において、光電変換部に対する光入射路において半導体基板上に、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜が形成されている。
ここで、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
また、本発明の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、マトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、少なくとも一部の前記画素の形成領域において、前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含む光透過率変動フォトクロミック膜とを有し、前記画素において光が受光されたときに生じる光信号が全画素に対して読み出される１フレームより、前記フォトクロミック膜の透過率の半減期が短い。
上記の本発明の電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。
上記の固体撮像装置は、半導体基板にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部が形成された受光面を有する。
少なくとも一部の画素の形成領域において、光電変換部に対する光入射路において半導体基板上に、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜が形成されている。
ここで、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
本発明の固体撮像装置によれば、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
本発明の電子機器によれば、搭載される固体撮像装置において、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
図１は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図２は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトクロミック膜の光透過率特性を示すグラフである。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の画素の出力を説明する模式図である。 図４は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の画素の出力を説明する模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図６は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図７は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置のフォトクロミック膜のフォトクロミック材料の光透過率特性を示すグラフである。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置のフォトクロミック膜のフォトクロミック材料の光透過率特性を示すグラフである。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図１２は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図１５は本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図１６（ａ）は本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図であり、図１６（ｂ）は一部拡大図である。 図１７（ａ）は本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図であり、図１７（ｂ）は一部拡大図である。 図１８は本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。 図１９は本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。 図２０は本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。 図２１は本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図２２は本発明の第８実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図２３は本発明の第９実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図２４（ａ）〜図２４（ｃ）は本発明の第９実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図２５は本発明の第１０実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図２６は本発明の第１１実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図２７（ａ）及び図２７（ｂ）は本発明の第１１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図２８（ａ）及び図２８（ｂ）は本発明の第１１実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図２９は本発明の第１２実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図３０（ａ）〜図３０（ｃ）は本発明の第１２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図３１（ａ）及び図３１（ｂ）は本発明の第１２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。 図３２は本発明の第１３実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。 図３３は本発明の第１４実施形態に係る電子機器の概略構成図である。
以下に、本発明の固体撮像装置及び電子機器の実施の形態について、図面を参照して説明する。
尚、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施形態（フォトクロミック膜と光量計測部を有する構成）
２．第２実施形態（カラーフィルタとフォトクロミック膜と光量計測部を有する構成）
３．第３実施形態（画素の色毎に異なる材料のフォトクロミック膜と光量計測部を有する構成）
４．第４実施形態（画素の色毎に異なる膜厚のフォトクロミック膜と光量計測部を有する構成）
５．第５実施形態（カラーフィルタとフォトクロミック膜が同一の層である構成）
６．第６実施形態（画素に対するフォトクロミック膜のレイアウト）
７．第７実施形態（第１実施形態に対してリセット部を省略した構成）
８．第８実施形態（第２実施形態に対してリセット部を省略した構成）
９．第９実施形態（第１実施形態に対して光量計測部を有さない構成）
１０．第１０実施形態（第２実施形態に対して光量計測部を有さない構成）
１１．第１１実施形態（第３実施形態に対して光量計測部を有さない構成）
１２．第１２実施形態（第４実施形態に対して光量計測部を有さない構成）
１３．第１３実施形態（第５実施形態に対して光量計測部を有さない構成）
１４．第１４実施形態（電子機器への適用）
＜第１実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部であるフォトダイオード１１が形成された受光面が構成されている。図面上は１つの画素のみを示している。
例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１などを被覆して全面に、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２が形成されている。
例えば、第１絶縁膜１２の上層に、酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３が形成されている。
例えば、第２絶縁膜１３の上層に、窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
例えば、少なくとも一部の画素の形成領域において、第３絶縁膜１４の上層に、下部電極１５、フォトクロミック膜１６、上部電極１７が積層されている。
フォトクロミック膜１６は、フォトダイオード１１に対する光入射路において設けられ、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含む。
図１は、さらに前記フォトクロミック膜１６が光電変換機能を有する場合のデバイス構造を示している。すなわち、フォトクロミック膜に入射した光が光電変換により電荷に変換され、電極を通じて前記電荷量をモニタする。この場合の下部電極１５及び上部電極１７は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などの透明電極である。
例えば、上部電極１７上に、オンチップレンズ１９が形成されている。
フォトクロミック材料は、上記のようにあらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動する。
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置のフォトクロミック膜の光透過率特性を示すグラフである。縦軸は光透過率（％）であり、横軸は光強度（相対値）である。
例えば、フォトクロミック膜は可視光領域の入射光強度に応じて光透過率が変わり、可視光領域における光透過率は入射光量が多いときより少ないときの方が高い特性を有する。また、例えば、フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量に応じて連続的に変化する。
上記のフォトクロミック膜は、光照射時に光透過率が低下し、光を遮断すると光透過率の低下が回復してもとの光透過率に戻る。このときの光の遮断から光透過率の変動幅の半分の値を回復するまでに必要な期間を半減期と称する。
本実施形態においては、画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間、即ち、１フレームより、フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い。
例えば、固体撮像装置のフレームレートが６０ｆｐｓである場合、１フレームは約１７ｍＳとなり、このような場合には、１７ｍＳより半減期の短いフォトクロミック材料が用いられる。
フォトクロミック材料は、例えば、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体である。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
図３（ａ）〜図３（ｄ）は本実施形態に係る固体撮像装置の画素の出力を説明する模式図である。
図３（ａ）はフォトクロミック膜を有さない構成の固体撮像装置の高照度時の出力を画素番号に対して並べたグラフであり、図３（ｂ）は図３（ａ）に対してフォトクロミック膜を設けた場合の高照度時の出力を画素番号に対して並べたグラフである。
フォトクロミック膜の光透過率が低下することにより、入射光に対する出力はいずれの画素の出力もＶ１分低下して出力される。
図３（ｃ）はフォトクロミック膜を有さない構成の固体撮像装置の低照度時の出力を画素番号に対して並べたグラフであり、図３（ｄ）は図３（ｃ）に対してフォトクロミック膜を設けた場合の低照度時の出力を画素番号に対して並べたグラフである。
フォトクロミック膜の光透過率の低下が高照度時より小さいため、実際Ｖ２は極わずかな量である。
上記のように、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度では透過率の低下がほとんどないため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
図４は本実施形態に係る固体撮像装置の画素の出力を説明する模式図である。
固体撮像装置の画素ごとに高照度から低照度に連続的に変化する光を照射した時の出力を画素に対して並べたグラフである。
例えば、フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量に応じて連続的に変化する構成を示している。
また、フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量に応じて不連続、例えば多段階に変化する構成であってもよい。
また、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
さらに、低照度では透過率低下の度合いが極わずかで光透過率は各フレームに対応して変化するので、低照度時のＳＮ比の低下を招くこともない。
また、例えば、フォトクロミック膜１６が吸収した光量を計測する光量計測部がさらに設けられている。この場合、フォトクロミック膜１６として、光が吸収すると光電効果により光電子が生成されるフォトクロミック膜が用いられる。光電子による電流またはそれに起因する電圧を計測することで光量を計測することができる。
例えば、画素領域とは異なる領域の半導体基板１０に、酸化シリコンなどのゲート絶縁膜３０及びポリシリコンなどのゲート電極３１などが形成されており、当該ゲート電極３１の両側部における半導体基板１０にソースドレイン３２，３３が形成されている。
また、例えば、同様に半導体基板１０に、酸化シリコンなどのゲート絶縁膜３４及びポリシリコンなどのゲート電極３５などが形成されており、当該ゲート電極３５の両側部における半導体基板１０にソースドレイン３６，３７が形成されている。
上記のように、半導体基板１０にＭＯＳトランジスタが構成されている。
上記の下部電極１５は、ソースドレイン３２及びゲート電極３５に接続され、上部電極１７は接地されている。
また、ソースドレイン３３，３６は所定の電圧が印加される。
上記の光量計測部は、上記のＭＯＳトランジスタにより構成される。
ソースドレイン３２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するフローティングディフュージョンに相当する。
ゲート電極３５が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成する増幅トランジスタに相当する。
即ち、フォトクロミック膜１６で生成された光電子はソースドレイン３２であるフローティングディフュージョンに蓄積される。蓄積された光電荷に応じてソースドレイン３７から出力Ｓが出力される。
得られる信号Ｓは、上記のフォトクロミック膜１６で生成された光電子に起因する電圧を計測した信号であり、フォトクロミック膜１６が吸収した光量を計測することができる。
また、ゲート電極３１が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するリセットトランジスタに相当する。
例えば、また、ゲート電極３１をオンとすることで、ソースドレイン３２、即ちフローティングディフュージョン中の光電荷をリセットすることができる。
また、光量計測部において計測された光量に係る光信号と各画素のフォトダイオードにおいて得られる光信号と組み合わせ、画素における画素信号とすることも可能である。この場合、光量計測部において計測された光量に係る光信号と各画素のフォトダイオードにおいて得られる光信号に必要な処理を行うための不図示の信号処理部がさらに設けられているものとする。信号処理部においては、各信号に対して必要な演算処理がなされる。例えば、各信号に対して予め決められた定数をかけ、これらの和を算出する。
例えば、図３（ｂ）の場合において出力Ｖ１分を加算し、図３（ｄ）の場合において出力Ｖ２を加算する。
本実施形態では、フォトクロミック膜の材料に光電変換機能を有する材料を用いたデバイスについて説明したが、前記光電変換機能がない場合は、フォトクロミック膜の入射光量と透過率との関係が得られれば、信号処理にてもとの出力を合成できる。この場合は図１のゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１、ソースドレイン３２，３３、ゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。この場合は、電子シャッタの最も短い時間に取り込む光量に合わせて信号処理のガンマテーブルを作成しておく。
また、図１で印加する電圧の範囲内でフォトクロミック膜内の電荷が飽和しなければゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１及びソースドレイン３２，３３の電荷をリセットするデバイスは不要となる。
［固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図５（ａ）に示すように、例えば、導電性不純物のイオン注入などにより、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して、フォトダイオード１１を形成する。
次に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより、半導体基板１０のフォトダイオード１１などを被覆して全面に、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２を形成する。
次に、例えばＣＶＤ法などにより、第１絶縁膜１２の上層に、酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３を形成する。
次に、例えばＣＶＤ法などにより、第２絶縁膜１３の上層に、窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４を形成する。
次に、例えばスパッタリング法などにより、第３絶縁膜１４の上層にＩＴＯなどからなる下部電極１５を形成する。
次に、その上層にフォトクロミック膜１６を形成する。フォトクロミック膜１６の形成は材料により種々の方法を選択可能であるが、例えばＣＶＤ法により形成することができる。フォトクロミック膜の材料をとしては、半減期が固体撮像装置の１フレームより短いものと用いる。
次に、例えばスパッタリング法などにより、その上層に上部電極１７を形成する。
以降の工程としては、例えば、上部電極１７上に、オンチップレンズ１９を形成する。
上記のようにして、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を製造することができる。
＜第２実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図６は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
赤画素、緑画素及び青画素を有することを除いて、実質的に第１実施形態の固体撮像装置と同様である。
赤画素、緑画素及び青画素を有することに対応して、赤画素においては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｒが形成されており、上部電極１７上に赤色のカラーフィルタ１８Ｒが形成されている。
緑画素においては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｇが形成されており、上部電極１７上に緑色のカラーフィルタ１８Ｇが形成されている。
青画素においては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｂが形成されており、上部電極１７上に青色のカラーフィルタ１８Ｂが形成されている。
また、下部電極１５、フォトクロミック膜１６及び上部電極１７は、赤画素、緑画素及び青画素で共通の膜として形成されている。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
また、第１実施形態と同様に光量計測部が形成されている。
フォトクロミック膜１６で生成された光電子はソースドレイン３２であるフローティングディフュージョンに蓄積される。蓄積された光電荷に応じてソースドレイン３７から出力Ｓが出力される。
得られる信号Ｓは、上記のフォトクロミック膜１６で生成された光電子に起因する電圧を計測した信号であり、フォトクロミック膜１６が吸収した光量を計測することができる。
また、ゲート電極３１が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するリセットトランジスタに相当する。
例えば、また、ゲート電極３１をオンとすることで、ソースドレイン３２、即ちフローティングディフュージョン中の光電荷をリセットすることができる。
本実施形態では、フォトクロミック膜の材料に光電変換機能を有する材料を用いたデバイスについて説明したが、前記光電変換機能がない場合は、フォトクロミック膜の入射光量と透過率との関係が得られれば、信号処理にてもとの出力を合成できる。この場合は図１のゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１、ソースドレイン３２，３３、ゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。この場合は、電子シャッタの最も短い時間に取り込む光量に合わせて信号処理のガンマテーブルを作成しておく。
また、図６で印加する電圧の範囲内でフォトクロミック膜内の電荷が飽和しなければゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１及びソースドレイン３２，３３の電荷をリセットするデバイスは不要となる。
＜第３実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図７は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
フォトクロミック膜が、赤画素、緑画素及び青画素で異なる材料からなることを除いて、実質的に第２実施形態の固体撮像装置と同様である。
赤画素においては、赤画素の波長領域に対応した光吸収特性を有するフォトクロミック膜１６Ｒが形成されている。
緑画素においては、緑画素の波長領域に対応した光吸収特性を有するフォトクロミック膜１６Ｇが形成されている。
青画素においては、青画素の波長領域に対応した光吸収特性を有するフォトクロミック膜１６Ｂが形成されている。
また、下部電極１５及び上部電極１７は、赤画素、緑画素及び青画素で共通の膜として形成されているが、区分されていても良い。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
また、第１実施形態と同様に光量計測部が形成されている。
フォトクロミック膜１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂで生成された光電子はソースドレイン３２であるフローティングディフュージョンに蓄積される。蓄積された光電荷に応じてソースドレイン３７から出力Ｓが出力される。
得られる信号Ｓは、上記のフォトクロミック膜１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂで生成された光電子に起因する電圧を計測した信号であり、フォトクロミック膜１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂが吸収した光量を計測することができる。
また、ゲート電極３１が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するリセットトランジスタに相当する。
例えば、また、ゲート電極３１をオンとすることで、ソースドレイン３２、即ちフローティングディフュージョン中の光電荷をリセットすることができる。
上記の赤画素用のフォトクロミック膜１６Ｒ、緑画素用のフォトクロミック膜１６Ｇ及び青画素用のフォトクロミック膜１６Ｂを構成する各材料としては、例えば、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体を用いることができる。
置換基を適宜変更することで、種々の吸収波長領域及び応答速度などを調節することができる。
例えば、青画素用のフォトクロミック膜の材料として、下記の化合物を好ましく用いることができる。
Figure 2011216701
図８（ａ）は、上記のヘキサアリールビスイミダゾール誘導体の光照射時のΔＯ．Ｄ．（光学密度変化）と、これから光を遮蔽したときのΔＯ．Ｄ．（光学密度変化）の時間変化であり、光吸収スペクトルの時間変化に相当する。スペクトルの間隔は、２０ｍＳである。
また、図８（ｂ）は２５℃における４００ｎｍのΔＯ．Ｄ．の時間変化である。半減期が約３３ｍＳであり、光照射に応じて高速に光透過率が変化するので、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
また例えば、緑画素用のフォトクロミック膜の材料として、下記の化合物を好ましく用いることができる。
Figure 2011216701
図９（ａ）は、上記のヘキサアリールビスイミダゾール誘導体の光照射時のΔＯ．Ｄ．（光学密度変化）と、これから光を遮蔽したときのΔＯ．Ｄ．（光学密度変化）の時間変化であり、光吸収スペクトルの時間変化に相当する。スペクトルの間隔は、２０ｍＳである。
また、図９（ｂ）は２５℃における４００ｎｍのΔＯ．Ｄ．の時間変化である。半減期が約１７３ｍＳであり、光照射に応じて高速に光透過率が変化するので、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能である。
上記の各ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体は、関東化学株式会社から高速発消色フォトクロミック化合物として購入可能である。
また例えば、赤画素用のフォトクロミック膜の材料としては、上記のヘキサアリールビスイミダゾール誘導体において置換基を適宜変更することで、好適な吸収波長領域及び応答速度などを調節することができる。
［固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図１０（ａ）〜図１１（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図１０（ａ）に示すように、例えば、導電性不純物のイオン注入などにより、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の赤画素、緑画素及び青画素の画素ごとに区分して、フォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを形成する。
次に、例えばＣＶＤ法などにより、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３及び第３絶縁膜１４を形成する。
次に、例えばスパッタリング法などにより、第３絶縁膜１４の上層にＩＴＯなどからなる下部電極１５を形成する。
次に、図１０（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜１６Ｂを形成する。次に、青画素の形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理などでパターン加工し、青画素領域を残して他の領域のフォトクロミック膜１６Ｂを除去する。
次に、図１１（ａ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜１６Ｇを形成する。次に、緑画素の形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、緑画素領域を残して他の領域のフォトクロミック膜１６Ｇを除去する。
次に、図１１（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜１６Ｒを形成する。次に、赤画素の形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、赤画素領域を残して他の領域のフォトクロミック膜１６Ｒを除去する。
上記のフォトクロミック膜１６Ｂ，１６Ｇ,１６Ｒとしては、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体において置換基を変更するなどして適宜特性を選択して用いることができる。
次に、例えばスパッタリング法などにより、フォトクロミック膜１６Ｂ，１６Ｇ，１６Ｒの上層にＩＴＯなどからなる上部電極１７を形成する。
以降の工程としては、例えば、上部電極１７上に、カラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂをそれぞれ形成し、その上層にオンチップレンズ１９を形成する。
上記の実施形態においては、フォトクロミック膜１６Ｂ、フォトクロミック膜１６Ｇ、フォトクロミック膜１６Ｒの順に成膜及びパターン加工しているが、これに限らず、適宜順番を変更できる。
上記のようにして、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を製造することができる。
本実施形態では、フォトクロミック膜の材料に光電変換機能を有する材料を用いたデバイスについて説明したが、前記光電変換機能がない場合は、フォトクロミック膜の入射光量と透過率との関係が得られれば、信号処理にてもとの出力を合成できる。この場合は図１のゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１、ソースドレイン３２，３３、ゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。この場合は、電子シャッタの最も短い時間に取り込む光量に合わせて信号処理のガンマテーブルを作成しておく。
また、図７で印加する電圧の範囲内でフォトクロミック膜内の電荷が飽和しなければゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１及びソースドレイン３２，３３の電荷をリセットするデバイスは不要となる。
＜第４実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１２は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
フォトクロミック膜が、赤画素、緑画素及び青画素で同一の材料で異なる膜厚であることを除いて、実質的に第２実施形態の固体撮像装置と同様である。
フォトクロミック膜１６は、赤画素においては、赤画素の波長領域に対応した光吸収特性となるように選択された膜厚ｔＲとなっている。
また、緑画素においては、緑画素の波長領域に対応した光吸収特性となるように選択された膜厚ｔＧとなっている
また、青画素においては、青画素の波長領域に対応した光吸収特性となるように選択された膜厚ｔＢとなっている。
また、上記のフォトクロミック膜１６の上層に、これらの膜厚の差に起因する段差を平坦化するための平坦化膜２０が形成されている。
下部電極１５及び上部電極１７は、赤画素、緑画素及び青画素で共通の膜として形成されているが、区分されていても良い。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
また、第１実施形態と同様に光量計測部が形成されている。
フォトクロミック膜１６で生成された光電子はソースドレイン３２であるフローティングディフュージョンに蓄積される。蓄積された光電荷に応じてソースドレイン３７から出力Ｓが出力される。
得られる信号Ｓは、上記のフォトクロミック膜１６で生成された光電子に起因する電圧を計測した信号であり、フォトクロミック膜１６が吸収した光量を計測することができる。
また、ゲート電極３１が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するリセットトランジスタに相当する。
例えば、また、ゲート電極３１をオンとすることで、ソースドレイン３２、即ちフローティングディフュージョン中の光電荷をリセットすることができる。
上記のフォトクロミック膜１６を構成する各材料としては、第３実施形態と同様に、例えば、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体を用いることができる。
置換基を適宜変更することで、種々の吸収波長領域及び応答速度などを調節することができる。
［固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図１３（ａ）〜図１４（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図１３（ａ）に示すように、例えば、導電性不純物のイオン注入などにより、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の赤画素、緑画素及び青画素の画素ごとに区分して、フォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを形成する。
次に、例えばＣＶＤ法などにより、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３及び第３絶縁膜１４を形成する。
次に、図１３（ｂ）に示すように、例えばスパッタリング法などにより、第３絶縁膜１４の上層にＩＴＯなどからなる下部電極１５を形成する。
次に、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜１６を形成する。
次に、図１３（ｃ）に示すように、例えば赤画素の形成領域を開口するレジスト膜２１をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、赤画素領域のフォトクロミック膜１６を薄膜化する。
次に、図１４（ａ）に示すように、例えば赤画素及び緑画素の形成領域を開口するレジスト膜２２をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、赤画素及び緑画素領域のフォトクロミック膜１６を薄膜化する。
上記エッチング処理により、赤画素において膜厚ｔＲ、緑画素において膜厚ｔＧ、青画素において膜厚ｔＢのフォトクロミック膜１６を得ることができる。赤画素において膜厚ｔＲは２回のエッチング処理で得られる膜厚とする。
次に、図１４（ｂ）に示すように、フォトクロミック膜１６の上層にＩＴＯなどからなる上部電極１７を形成する。
次に、フォトクロミック膜１６上に樹脂などを塗布して平坦化膜２０を形成する。
以降の工程としては、例えば、平坦化膜２０上に、オンチップレンズ１９を形成する。
上記の実施形態においては、フォトクロミック膜１６の膜厚として膜厚ｔＲが最薄であり、膜厚ｔＢが最厚であるので上記の工程としているが、膜厚の順番によって適宜変更可能である。最も薄い膜厚の領域で上記のように２回エッチングによる薄膜化を行うようにすればよい。
上記のようにして、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を製造することができる。
本実施形態では、フォトクロミック膜の材料に光電変換機能を有する材料を用いたデバイスについて説明したが、前記光電変換機能がない場合は、フォトクロミック膜の入射光量と透過率との関係が得られれば、信号処理にてもとの出力を合成できる。この場合は図１のゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１、ソースドレイン３２，３３、ゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。この場合は、電子シャッタの最も短い時間に取り込む光量に合わせて信号慮利のガンマテーブルを作成しておく。
また、図１２で印加する電圧の範囲内でフォトクロミック膜内の電荷が飽和しなければゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１及びソースドレイン３２，３３の電荷をリセットするデバイスは不要となる。
＜第５実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１５は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
フォトクロミック膜とカラーフィルタが同一の膜として形成されていることを除いて、実質的に第２実施形態の固体撮像装置と同様である。
即ち、赤画素においては、赤画素の波長領域に対応した光吸収特性を有し、赤色カラーフィルタを兼ねるフォトクロミック膜１６Ｒが形成されている。
緑画素においては、緑画素の波長領域に対応した光吸収特性を有し、緑色カラーフィルタを兼ねるフォトクロミック膜１６Ｇが形成されている。
青画素においては、青画素の波長領域に対応した光吸収特性を有し、青色カラーフィルタを兼ねるフォトクロミック膜１６Ｂが形成されている。
また、下部電極１５及び上部電極１７は、赤画素、緑画素及び青画素で共通の膜として形成されているが、区分されていても良い。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
また、第１実施形態と同様に光量計測部が形成されている。
フォトクロミック膜１６で生成された光電子はソースドレイン３２であるフローティングディフュージョンに蓄積される。蓄積された光電荷に応じてソースドレイン３７から出力Ｓが出力される。
得られる信号Ｓは、上記のフォトクロミック膜１６で生成された光電子に起因する電圧を計測した信号であり、フォトクロミック膜１６が吸収した光量を計測することができる。
また、ゲート電極３１が構成するＭＯＳトランジスタは、例えばＣＭＯＳイメージセンサの画素を構成するリセットトランジスタに相当する。
例えば、また、ゲート電極３１をオンとすることで、ソースドレイン３２、即ちフローティングディフュージョン中の光電荷をリセットすることができる。
上記の赤画素用のフォトクロミック膜１６Ｒ、緑画素用のフォトクロミック膜１６Ｇ及び青画素用のフォトクロミック膜１６Ｂを構成する各材料としては、例えば、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体を用いることができる。
上記はフォトクロミック特性を有するのみであるので、カラーフィルタとして機能する成分が別途混合して用いられる。
本実施形態では、フォトクロミック膜の材料に光電変換機能を有する材料を用いたデバイスについて説明したが、前記光電変換機能がない場合は、フォトクロミック膜の入射光量と透過率との関係が得られれば、信号処理にてもとの出力を合成できる。この場合は図１のゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１、ソースドレイン３２，３３、ゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。この場合は、電子シャッタの最も短い時間に取り込む光量に合わせて信号慮利のガンマテーブルを作成しておく。
また、図１５で印加する電圧の範囲内でフォトクロミック膜内の電荷が飽和しなければゲート絶縁膜３０、ゲート電極３１及びソースドレイン３２，３３の電荷をリセットするデバイスは不要となる。
＜第６実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
本実施形態は、上部電極及び下部電極の分割のパターンの変形例であり、第１実施形態〜第５実施形態のいずれにも適用できる。
図１６（ａ）は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図であり、図１６（ｂ）は一部拡大図である。
図中の太線Ｄは上部電極または下部電極が分割されている境界を示している。
本実施形態においては、赤画素Ｒ、緑画素Ｇ及び青画素Ｂの各画素が全て分割されている。
各画素のフォトクロミック膜と信号処理部４０をそれぞれ接続する配線が形成され、各画素の光電変換部であるフォトダイオードの出力とフォトクロミック膜の出力から各画素に対応する信号Ｓが出力される。
信号処理部４０の構成は、例えば特許文献７に記載の回路構成を参照して形成することができる。
図１７（ａ）は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図であり、図１７（ｂ）は一部拡大図である。
図中の太線Ｄは上部電極または下部電極が分割されている境界を示している。
本実施形態においては、１つの赤画素Ｒ、２つの緑画素Ｇ及び１つの青画素Ｂのいわゆるベイヤ配列と称せられる４画素からなる画素組ごとに、上部電極または下部電極が分割されている。
各画素組のフォトクロミック膜で生成された光電子は、信号処理部４０にそれぞれ接続する配線が形成され、各画素のフォトダイオードの出力と、対応する画素組のフォトクロミック膜の出力から、各画素に対応する信号Ｓが出力される。
図１８は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
図中の太線Ｄは上部電極または下部電極が分割されている境界を示している。
本実施形態においては、２列の画素からなる画素組ごとに、上部電極または下部電極が分割されている。
各画素組のフォトクロミック膜と信号処理部４０をそれぞれ接続する配線が形成され、各画素のフォトダイオードの出力と、対応する画素組のフォトクロミック膜の出力から、各画素に対応する信号Ｓが出力される。
図１９は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
図中の太線Ｄは上部電極または下部電極が分割されている境界を示している。
本実施形態においては、４列の画素からなる画素組ごとに、上部電極または下部電極が分割されている。
各画素組のフォトクロミック膜と信号処理部４０をそれぞれ接続する配線が形成され、各画素のフォトダイオードの出力と、対応する画素組のフォトクロミック膜の出力から、各画素に対応する信号Ｓが出力される。
図２０は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、上部電極と下部電極が分割されておらず、全画素で共通の上部電極及び下部電極が用いられている。
フォトクロミック膜と信号処理部４０に接続する配線が形成され、各画素のフォトダイオードの出力と、全画素共通のフォトクロミック膜の出力から、各画素に対応する信号Ｓが出力される。
＜第７実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図２１は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態に対してリセット部を省略した構成であることを除いて、実質的に第１実施形態の固体撮像装置と同様である。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
フォトクロミック膜が吸収する光を光電変換した電荷量が入射光の強さの変化に十分追従できれば電荷リセットの必要はない。また、低周波成分での飽和は稀であることや、信号の低周波成分での飽和が起こらないように設計されたフォトクロミック膜を用いればリセットトランジスタは不要である。
このようにリセットトランジスタを削減することで、面積および消費電力削減を実現できる。
さらに、フォトクロミック膜に入射する光量と透過率との関係が予め得られていれば、図２１のゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。
＜第８実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図２２は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第２実施形態に対してリセット部を省略した構成であることを除いて、実質的に第２実施形態の固体撮像装置と同様である。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
フォトクロミック膜が吸収する光を光電変換した電荷量が入射光の強さの変化に十分追従できれば電荷リセットの必要はない。また、低周波成分での飽和は稀であることや、信号の低周波成分での飽和が起こらないように設計されたフォトクロミック膜を用いればリセットトランジスタは不要である。
このようにリセットトランジスタを削減することで、面積および消費電力削減を実現できる。
さらに、フォトクロミック膜に入射する光量と透過率との関係が予め得られていれば、図２２のゲート絶縁膜３４、ゲート電極３５及びソースドレイン３６，３７は不要となる。
＜第９実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図２３は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態に対して下部電極、上部電極及び光量計測部が設けられていないことを除いて、実質的に第１実施形態の固体撮像装置と同様である。
例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部であるフォトダイオード１１が形成された受光面が構成されている。図面上は１つの画素のみを示している。
例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１などを被覆して全面に、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２が形成されている。
例えば、第１絶縁膜１２の上層に、酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３が形成されている。
例えば、第２絶縁膜１３の上層に、窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
例えば、少なくとも一部の画素の形成領域において、第３絶縁膜１４の上層にフォトクロミック膜２３が形成されている。
フォトクロミック膜１６は、フォトダイオード１１に対する光入射路において設けられ、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含む。フォトクロミック膜２３は、絶縁膜であってよい。
例えば、フォトクロミック膜２３上に、オンチップレンズ１９が形成されている。
本実施形態の固体撮像装置では、フォトクロミック膜２３で生成される光電子をモニタしない。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
［固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図２４（ａ）〜図２４（ｃ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図２４（ａ）に示すように、例えば、導電性不純物のイオン注入などにより、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して、フォトダイオード１１を形成する。
次に、図２４（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法などにより、半導体基板１０のフォトダイオード１１などを被覆して全面に、第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３及び第３絶縁膜１４を形成する。
次に、図２４（ｃ）に示すように、例えばＣＶＤ法などによりフォトクロミック膜２３を形成する。
以降の工程としては、例えば、フォトクロミック膜２３上に、オンチップレンズ１９を形成する。
上記のようにして、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を製造することができる。
＜第１０実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図２５は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第２実施形態に対して下部電極、上部電極及び光量計測部が設けられていないことを除いて、実質的に第２実施形態の固体撮像装置と同様である。
赤画素、緑画素及び青画素を有することに対応して、赤画素においては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｒが形成されており、上部電極１７上に赤色のカラーフィルタ１８Ｒが形成されている。
緑画素においては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｇが形成されており、上部電極１７上に緑色のカラーフィルタ１８Ｇが形成されている。
青画素においては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｂが形成されており、上部電極１７上に青色のカラーフィルタ１８Ｂが形成されている。
また、フォトクロミック膜２３は、赤画素、緑画素及び青画素で共通の膜として形成されている。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
＜第１１実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図２６は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
フォトクロミック膜が、赤画素、緑画素及び青画素で異なる材料からなることを除いて、実質的に第１０実施形態の固体撮像装置と同様である。
赤画素においては、赤画素の波長領域に対応した光吸収特性を有するフォトクロミック膜２３Ｒが形成されている。
緑画素においては、緑画素の波長領域に対応した光吸収特性を有するフォトクロミック膜２３Ｇが形成されている。
青画素においては、青画素の波長領域に対応した光吸収特性を有するフォトクロミック膜２３Ｂが形成されている。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
［固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図２７（ａ）〜図２８（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図２７（ａ）に示すように、例えば、導電性不純物のイオン注入などにより、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の赤画素、緑画素及び青画素の画素ごとに区分して、フォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを形成する。
次に、例えばＣＶＤ法などにより、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３及び第３絶縁膜１４を形成する。
次に、図２７（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜２３Ｂを形成する。次に、青画素の形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理などでパターン加工し、青画素領域を残して他の領域のフォトクロミック膜２３Ｂを除去する。
次に、図２８（ａ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜２３Ｇを形成する。次に、緑画素の形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、緑画素領域を残して他の領域のフォトクロミック膜２３Ｇを除去する。
次に、図２８（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜２３Ｒを形成する。次に、赤画素の形成領域を保護するレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、赤画素領域を残して他の領域のフォトクロミック膜２３Ｒを除去する。
上記のフォトクロミック膜２３Ｂ，２３Ｇ,２３Ｒとしては、ヘキサアリールビスイミダゾール誘導体において置換基を変更するなどして適宜特性を選択して用いることができる。
以降の工程としては、例えば、フォトクロミック膜２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｒ上にカラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂをそれぞれ形成し、その上層にオンチップレンズ１９を形成する。
上記の実施形態においては、フォトクロミック膜２３Ｂ、フォトクロミック膜２３Ｇ、フォトクロミック膜２３Ｒの順に成膜及びパターン加工しているが、これに限らず、適宜順番を変更できる。
上記のようにして、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を製造することができる。
＜第１２実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図２９は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
フォトクロミック膜が、赤画素、緑画素及び青画素で同一の材料で異なる膜厚であることを除いて、実質的に第１０実施形態の固体撮像装置と同様である。
フォトクロミック膜２３は、赤画素においては、赤画素の波長領域に対応した光吸収特性となるように選択された膜厚ｔＲとなっている。
また、緑画素においては、緑画素の波長領域に対応した光吸収特性となるように選択された膜厚ｔＧとなっている
また、青画素においては、青画素の波長領域に対応した光吸収特性となるように選択された膜厚ｔＢとなっている。
また、上記のフォトクロミック膜２３の上層に、これらの膜厚の差に起因する段差を平坦化するための平坦化膜２０が形成されている。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
［固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図３０（ａ）〜図３１（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図３０（ａ）に示すように、例えば、導電性不純物のイオン注入などにより、半導体基板１０にマトリクス状に配置された複数個の赤画素、緑画素及び青画素の画素ごとに区分して、フォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを形成する。
次に、例えばＣＶＤ法などにより、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３及び第３絶縁膜１４を形成する。
次に、図３０（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により全面にフォトクロミック膜２３を形成する。
次に、図３０（ｃ）に示すように、例えば赤画素の形成領域を開口するレジスト膜２４をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、赤画素領域のフォトクロミック膜２３を薄膜化する。
次に、図３１（ａ）に示すように、例えば赤画素及び緑画素の形成領域を開口するレジスト膜２５をパターン形成し、ＲＩＥ処理などでパターン加工し、赤画素及び緑画素領域のフォトクロミック膜２３を薄膜化する。
上記エッチング処理により、赤画素において膜厚ｔＲ、緑画素において膜厚ｔＧ、青画素において膜厚ｔＢのフォトクロミック膜２３を得ることができる。赤画素において膜厚ｔＲは２回のエッチング処理で得られる膜厚とする。
次に、図３１（ｂ）に示すように、フォトクロミック膜２３上に樹脂などを塗布して平坦化膜２０を形成する。
以降の工程としては、例えば、平坦化膜２０上に、オンチップレンズ１９を形成する。
上記の実施形態においては、フォトクロミック膜１６の膜厚として膜厚ｔＲが最薄であり、膜厚ｔＢが最厚であるので上記の工程としているが、膜厚の順番によって適宜変更可能である。最も薄い膜厚の領域で上記のように２回エッチングによる薄膜化を行うようにすればよい。
上記のようにして、半減期が１フレームより短いフォトクロミック材料をフォトクロミック膜として用いることにより、画像としての不自然さを発生させずに、ダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置を製造することができる。
＜第１３実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図３２は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
フォトクロミック膜とカラーフィルタが同一の膜として形成されていることを除いて、実質的に第１０実施形態の固体撮像装置と同様である。
即ち、赤画素においては、赤画素の波長領域に対応した光吸収特性を有し、赤色カラーフィルタを兼ねるフォトクロミック膜２３Ｒが形成されている。
緑画素においては、緑画素の波長領域に対応した光吸収特性を有し、緑色カラーフィルタを兼ねるフォトクロミック膜２３Ｇが形成されている。
青画素においては、青画素の波長領域に対応した光吸収特性を有し、青色カラーフィルタを兼ねるフォトクロミック膜２３Ｂが形成されている。
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。このため、フォトダイオードで光信号が飽和するに至る光量が大きくなり、高照度側のダイナミックレンジを拡大できる。
＜第１４実施形態＞
［電子機器への適用］
図３３は、本実施形態に係る電子機器である電子機器の概略構成図である。本実施形態に係る電子機器は、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオ電子機器の例である。
本実施形態に係る電子機器は、イメージセンサ（固体撮像装置）５０と、光学系５１と、信号処理回路５３などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ５０として、上記の第１実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
光学系５１は、被写体からの像光（入射光）をイメージセンサ５０の撮像面上に結像させる。これによりイメージセンサ５０内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は出力信号Ｖｏｕｔとして取り出される。
シャッタ装置は、イメージセンサ５０への光照射期間及び遮光期間を制御する。
画像処理部は、イメージセンサ５０の転送動作及びシャッタ装置のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。画像処理部から供給される駆動信号（タイミング信号）により、イメージセンサ５０の信号転送を行う。信号処理回路５３は、イメージセンサ５０の出力信号Ｖｏｕｔに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
上記の実施形態では、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるイメージセンサ５０に適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はイメージセンサ５０への適用に限られるものではない。画素アレイ部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らない。赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、デジタルスチル電子機器やビデオ電子機器、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器などに適用可能である。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち電子機器モジュールを撮像装置とする場合もある。
ビデオ電子機器やデジタルスチル電子機器、さらには携帯電話機等のモバイル機器向け電子機器モジュールなどの撮像装置において、その固体撮像装置として先述した実施形態に係るイメージセンサ５０を用いることができる。
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはＣＭＯＳセンサとＣＣＤ装置のいずれにも適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
１０…半導体基板、１１，１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ…フォトダイオード、１２…第１絶縁膜、１３…第２絶縁膜、１４…第３絶縁膜、１５…下部電極、１６，１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ…フォトクロミック膜、１７…上部電極、１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ…カラーフィルタ、１９…オンチップレンズ、２０…平坦化膜、２１，２２…レジスト膜、２３，２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ…フォトクロミック膜、２４，２５…レジスト膜、３０，３４…ゲート絶縁膜、３１，３５…ゲート電極、３２，３３，３６，３７…ソースドレイン、４０…信号処理部、５０…イメージセンサ、５１…光学系、５３…信号処理回路、Ｓ…信号

Claims (18)

  1. マトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、
    少なくとも一部の前記画素の形成領域において、前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含むフォトクロミック膜と
    を有し、
    前記画素において得られる画素信号が全画素に対して読み出される期間である１フレームより、前記フォトクロミック膜の光透過率の半減期が短い
    固体撮像装置。
  2. 前記フォトクロミック膜が吸収した光量を計測する光量計測部がさらに設けられている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記光量計測部において計測された光量に係る光信号と各画素の前記光電変換部において得られる光信号と組み合わせ、前記画素における画素信号とする信号処理部がさらに設けられている
    請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記フォトクロミック膜が光を吸収したときに生じる光信号をリセットするリセット部がさらに設けられている
    請求項２に記載の固体撮像装置。
  5. 前記画素が赤画素、緑画素及び青画素に区分され、前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタが形成されている
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  6. 前記フォトクロミック膜は前記カラーフィルタの透過する波長領域に対応して異なる材料で形成されている
    請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記フォトクロミック膜は前記カラーフィルタの透過する波長領域によらず同一の材料で形成されている
    請求項５に記載の固体撮像装置。
  8. 前記フォトクロミック膜と前記カラーフィルタが同一の膜として形成されている
    請求項５に記載の固体撮像装置。
  9. 前記フォトクロミック膜は可視光領域の入射光強度に応じて光透過率が変わる
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  10. 前記フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量が多いときより少ないときの方が高い
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  11. 前記フォトクロミック膜の可視光領域における光透過率は入射光量に応じて連続的に変化する
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  12. フォトクロミック材料がヘキサアリールビスイミダゾール誘導体である
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  13. 前記受光面に、前記フォトクロミック膜が形成された画素または複数個の画素からなる画素組と、前記フォトクロミック膜が形成されていない画素または複数個の画素からなる画素組が交互に配置されている
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  14. 前記画素組が、１つの前記赤画素、２つの前記緑画素及び１つの前記青画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている
    請求項１３に記載の固体撮像装置。
  15. 前記画素組が、１つの列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている
    請求項１３に記載の固体撮像装置。
  16. 前記画素組が、複数の列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている
    請求項１３に記載の固体撮像装置。
  17. 前記受光面全ての画素で共通のフォトクロミック膜が形成されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  18. 固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
    を有し、
    前記固体撮像装置は、
    マトリクス状に配置された複数個の画素ごとに区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、
    少なくとも一部の前記画素の形成領域において、前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、あらかじめ決められた波長領域での入射光強度に応じて光透過率が変動するフォトクロミック材料を含む光透過率変動フォトクロミック膜と
    を有し、
    前記画素において光が受光されたときに生じる光信号が全画素に対して読み出される１フレームより、前記フォトクロミック膜の透過率の半減期が短い
    電子機器。
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