JP2013254840A - Solid state image sensor - Google Patents

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Masayuki Hayashi
誠之 林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve both a wide dynamic range and high picture quality at low temperatures in a solid state image sensor.SOLUTION: In a solid state image sensor 1 including a plurality of pixels 5 arranged in two dimensional form, each of the plurality of pixels 5 include an on-substrate photoelectric conversion element 20 formed on the upper part of a semiconductor substrate and an intra-substrate photoelectric conversion element 13 formed inside the semiconductor substrate below the on-substrate photoelectric conversion element 20. The intra-substrate photoelectric conversion element 13 and the on-substrate photoelectric conversion element 20 in each pixel detect light having the same color and have mutually different photoelectric conversion sensitivities for incident light impinging upon the pixel. A distance in the lamination direction between the intra-substrate photoelectric conversion element 13 and the on-substrate photoelectric conversion element 20 in each pixel, d, is 1.5 μm to 4 μm, both ends inclusive.

Description

本発明は、光の照射を受けて電荷を発生する光電変換部を備えた固体撮像素子に関し、ダイナミックレンジの広帯域化を図った固体撮像素子に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device including a photoelectric conversion unit that generates charges when irradiated with light, and relates to a solid-state imaging device with a wide dynamic range.

固体撮像素子としては、近年、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R,G,Bの各色カラーフィタを積層した単板式の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カメラに搭載される様になっている。   As a solid-state imaging device, a single-plate CCD image sensor or CMOS in which a large number of light receiving parts (photodiodes) are integrated on the surface of a semiconductor substrate and R, G, B color filters are stacked on each light receiving part in recent years. The type image sensor has made significant progress, and at present, an image sensor in which millions of light receiving portions (pixels) are integrated on one chip is mounted on a digital camera.

微細化が進むと1画素あたりに蓄積できる電子数が原理的に減少してダイナミックレンジの低下を伴うという問題がある。電子数が飽和レベルを超えると、画像に白とびや黒つぶれ等が生じることとなる。この問題を解決するために、特許文献1には、赤外線(IR)吸収により電荷を生じる光電変換膜を基板内光電変換素子上に配置し、光電変換膜に印加する電圧を調整して、光電変換膜からの信号に飽和レベルを超えるものが存在しないようにした撮像装置が提案されている。さらに、光電変換膜と基板内光電変換素子の間にカラーフィルタを備えることにより、1回の撮像によってカラー画像データと赤外画像データとを取得でき、基板内光電変換素子からの信号が飽和した場合であっても、赤外画素データにより補完することにより被写体を忠実に再現することが可能となる。   As miniaturization progresses, there is a problem that the number of electrons that can be accumulated per pixel is reduced in principle, resulting in a decrease in dynamic range. When the number of electrons exceeds the saturation level, overexposure, blackout, or the like occurs in the image. In order to solve this problem, Patent Document 1 discloses that a photoelectric conversion film that generates a charge by infrared (IR) absorption is disposed on a photoelectric conversion element in a substrate, and a voltage applied to the photoelectric conversion film is adjusted so that photoelectric conversion is performed. An imaging apparatus has been proposed in which no signal exceeding the saturation level exists in the signal from the conversion film. Furthermore, by providing a color filter between the photoelectric conversion film and the in-substrate photoelectric conversion element, color image data and infrared image data can be acquired by one imaging, and the signal from the in-substrate photoelectric conversion element is saturated. Even in this case, the object can be faithfully reproduced by complementing with the infrared pixel data.

また、特許文献2には、広ダイナミックレンジ化と高画質化を両立させるため、1つの画素を、積層された異なる光電変換感度を有する2以上の光電変換素子で構成したハイブリッド型の撮像素子が提案されている。   Patent Document 2 discloses a hybrid type image pickup device in which one pixel is composed of two or more photoelectric conversion elements having different photoelectric conversion sensitivities in order to achieve both a wide dynamic range and high image quality. Proposed.

1つの画素について複数の光電変換素子を備えるという構成は、特許文献3にも開示されているが、特許文献3は、記録画像の撮像と位相差の検出を同時に行うことができ、記録画像の全体に対してオートフォーカスを行うことができる撮像素子を実現するため、マイクロレンズとその焦点との間に設けられた第1の光電変換部と、マイクロレンズの焦点に重なる位置であって、マイクロレンズの光軸に対して偏った方向に光電変換領域を有する第2の光電変換部とを備え、マイクロレンズの光軸に対して互いに偏った方向に光電変換領域を有する第2の光電変換部を備えた2つの画素群からなる撮像素子を開示するものであり、広ダイナミックレンジ化とは無関係である。   The configuration of including a plurality of photoelectric conversion elements for one pixel is also disclosed in Patent Document 3, but Patent Document 3 can simultaneously perform imaging of a recorded image and detection of a phase difference. In order to realize an image pickup device capable of performing auto-focusing on the whole, the first photoelectric conversion unit provided between the microlens and its focal point and a position overlapping the focal point of the microlens, And a second photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion region in a direction deviated from the optical axis of the lens, and having a photoelectric conversion region in a direction deviated from the optical axis of the microlens. An image sensor composed of two pixel groups having the above is disclosed, which is irrelevant to the wide dynamic range.

特開2009−49525号公報JP 2009-49525 A 特開2007−201009号公報JP 2007-201209 A 特開2011−103335号公報JP 2011-103335 A

特許文献2のハイブリッド型の固体撮像素子によれば、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。   According to the hybrid solid-state image sensor of Patent Document 2, the dynamic range can be expanded.

しかしながら、本発明者らの研究により、特許文献2に記載のハイブリッド型の固体撮像素子の構成では、0℃以下の動作環境温度において、残像が大きく生じる場合があるという問題が明らかになってきた。   However, studies by the present inventors have revealed a problem that in the configuration of the hybrid solid-state imaging device described in Patent Document 2, an afterimage may occur greatly at an operating environment temperature of 0 ° C. or lower. .

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広ダイナミックレンジ化と低温下においても残像の影響を抑え、高画質撮影が実現可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of realizing high-quality imaging while suppressing the influence of an afterimage even at a wide dynamic range and at low temperatures.

本発明の固体撮像素子は、二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像素子であって、
複数の画素のそれぞれは、半導体基板上方に形成された基板上光電変換素子と、該基板上光電変換素子下方の半導体基板内に形成された基板内光電変換素子とを含み、
各画素中の基板内光電変換素子と基板上光電変換素子は、同一色の光を検出するものであって、該画素に入射する入射光に対して互いに異なる光電変換感度を有するものであり、
該各画素中において基板内光電変換素子と基板上光電変換素子との積層方向距離が1.5μm以上、4μm以下であることを特徴とするものである。
The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged two-dimensionally,
Each of the plurality of pixels includes a substrate photoelectric conversion element formed above the semiconductor substrate, and a substrate photoelectric conversion element formed in the semiconductor substrate below the substrate photoelectric conversion element,
The in-substrate photoelectric conversion element and the on-substrate photoelectric conversion element in each pixel detect light of the same color and have different photoelectric conversion sensitivities with respect to incident light incident on the pixel,
In each pixel, the stacking direction distance between the in-substrate photoelectric conversion element and the on-substrate photoelectric conversion element is 1.5 μm or more and 4 μm or less.

本発明の固体撮像素子は、基板上光電変換素子を、画素電極、有機光電変換膜および上部電極がこの順に前記半導体基板上に積層されてなるものとし、画素電極の厚みを10nm以上、100nm以下とすることが好ましい。   In the solid-state imaging device of the present invention, a photoelectric conversion element on a substrate is formed by laminating a pixel electrode, an organic photoelectric conversion film, and an upper electrode on the semiconductor substrate in this order, and the thickness of the pixel electrode is 10 nm or more and 100 nm or less. It is preferable that

また、光電変換膜を、複数の画素に共通な膜として形成された有機パンクロマチック膜とし、基板上光電変換素子上にカラーフィルタを備えるものとすることができる。   Further, the photoelectric conversion film can be an organic panchromatic film formed as a film common to a plurality of pixels, and a color filter can be provided on the photoelectric conversion element on the substrate.

本発明の固体撮像素子においては、基板上光電変換素子と基板内光電変換素子の光電変換感度が異なっていればよく、いずれが相対的に高感度であってもよいが、特には、基板上光電変換素子を基板内光電変換素子よりも高感度とすることが望ましい。   In the solid-state imaging device of the present invention, the on-substrate photoelectric conversion element and the in-substrate photoelectric conversion element only have to have different photoelectric conversion sensitivities, and any of them may be relatively high in sensitivity. It is desirable that the photoelectric conversion element has higher sensitivity than the in-substrate photoelectric conversion element.

有機パンクロマチック膜の厚みを50nm以上、1000nm以下とし、入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率を50%以上としてもよい。このとき、基板上光電変換素子を基板内光電変換素子よりも高感度とすることができる。   The thickness of the organic panchromatic film may be 50 nm or more and 1000 nm or less, and the absorption rate of incident light in the photoelectric conversion element on the substrate may be 50% or more. At this time, the on-substrate photoelectric conversion element can be made more sensitive than the in-substrate photoelectric conversion element.

あるいは、有機パンクロマチック膜の厚みを2nm以上、200nm以下とし、入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率を50%未満としてもよい。このとき、基板内光電変換素子を基板上光電変換素子よりも高感度とすることができる。   Alternatively, the thickness of the organic panchromatic film may be 2 nm or more and 200 nm or less, and the absorption rate of incident light in the photoelectric conversion element on the substrate may be less than 50%. At this time, the in-substrate photoelectric conversion element can be made more sensitive than the on-substrate photoelectric conversion element.

本発明の固体撮像素子によれば、各画素が、基板上光電変換素子と基板内光電変換素子と含み、両者の間隔が1.5μm以上、4μm以下とされているので、広ダイナミックレンジ化と、環境温度0℃以下の低温下においても残像の少ない高画質な画像取得とを両立することができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, each pixel includes the on-substrate photoelectric conversion device and the in-substrate photoelectric conversion device, and the distance between both is 1.5 μm or more and 4 μm or less. Also, it is possible to achieve both high-quality image acquisition with little afterimage even at low temperatures of 0 ° C. or less.

本発明の第1の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す断面模式図1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 実施形態の固体撮像素子の基板上PDの信号読出回路の構成を示す図1 is a diagram showing a configuration of a signal readout circuit of a PD on a substrate of a solid-state imaging device according to an embodiment 第1の実施形態の固体撮像素子におけるダイナミックレンジの広帯域化を説明するための説明図Explanatory drawing for demonstrating the broadening of the dynamic range in the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す断面模式図Sectional schematic diagram which shows the structure of the solid-state image sensor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態の固体撮像素子におけるダイナミックレンジの広帯域化を説明するための説明図Explanatory drawing for demonstrating the broadening of the dynamic range in the solid-state image sensor of 2nd Embodiment. 残像のPD間距離依存性を示すグラフGraph showing afterimage PD distance dependence 残像の画素電極厚み依存性を示すグラフGraph showing afterimage pixel electrode thickness dependence

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子1の撮像部の一部の概略構成を示す断面模式図である。固体撮像素子1は、基板面に2次元状に配列形成された複数の画素を備えた撮像部を有している。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a part of an imaging unit of a solid-state imaging device 1 for explaining an embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 1 has an imaging unit including a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner on a substrate surface.

図1は、固体撮像素子1の基板面に垂直な断面の一部として撮像部における隣接する3つの画素5として、赤色を取得するR画素5R、緑色を取得するG画素5G、青色を取得するB画素5Bをそれぞれ示している。以下において、各要素について特にR,G,B画素のいずれかの要素であることを示す場合には、符号末尾にR,G,Bを付す。   FIG. 1 shows an R pixel 5R that acquires red, a G pixel 5G that acquires green, and blue as three adjacent pixels 5 in the imaging unit as part of a cross section perpendicular to the substrate surface of the solid-state imaging device 1. B pixels 5B are shown respectively. In the following description, R, G, and B are added to the end of the reference numerals to indicate that each element is any element of R, G, and B pixels.

固体撮像素子1は、n型シリコン基板11上にpウェル層12が形成された半導体基板10を備え、pウェル層12には、基板内光電変換素子としての埋め込み型のフォトダイオード13(以下において基板内PD13とする。)と、n型の不純物拡散領域14と信号読出回路15とが設けられている。信号読出回路15は、各基板内PD13と各不純物拡散領域14のそれぞれに対して1つずつ設けられている。   The solid-state imaging device 1 includes a semiconductor substrate 10 in which a p-well layer 12 is formed on an n-type silicon substrate 11. The p-well layer 12 includes an embedded photodiode 13 (hereinafter referred to as an in-substrate photoelectric conversion element). And an n-type impurity diffusion region 14 and a signal readout circuit 15 are provided. One signal readout circuit 15 is provided for each substrate PD 13 and each impurity diffusion region 14.

pウェル層12の上には透明な絶縁膜16が設けられている。絶縁膜16には、その上面と同一平面を形成するように埋め込まれた複数の画素電極21が設けられている。画素電極21は、ITO等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。   A transparent insulating film 16 is provided on the p-well layer 12. The insulating film 16 is provided with a plurality of pixel electrodes 21 embedded so as to form the same plane as the upper surface thereof. The pixel electrode 21 is made of an electrode material that is transparent to visible light, such as ITO.

絶縁膜16内には、柱状のコンタクト部18が絶縁膜16の厚み方向に延設されている。コンタクト部18の上方端部が各画素電極21に接続され、下方端部が半導体基板10のpウェル層12の表層に設けられた不純物拡散領域14に接続されている。コンタクト部18は、画素電極21及び不純物拡散領域14以外とは電気的に導通しないように、絶縁処理が施されていてもよい。絶縁処理としては、例えば、コンタクト部18と他の導電性材料との間に僅かに隙間を形成し、その隙間に絶縁材料で埋める構成が挙げられる。   A columnar contact portion 18 extends in the thickness direction of the insulating film 16 in the insulating film 16. An upper end portion of the contact portion 18 is connected to each pixel electrode 21, and a lower end portion is connected to the impurity diffusion region 14 provided in the surface layer of the p-well layer 12 of the semiconductor substrate 10. The contact portion 18 may be subjected to an insulation process so as not to be electrically connected to other than the pixel electrode 21 and the impurity diffusion region 14. Examples of the insulation treatment include a configuration in which a slight gap is formed between the contact portion 18 and another conductive material, and the gap is filled with an insulating material.

また、絶縁膜16内には、可視光に対して遮光性を有するタングステン等の材料からなる遮光膜17が形成されている。遮光膜17は、基板内PD13の上方が開口している。不純物拡散領域14と信号読出回路15の上方は、遮光膜17によって覆われているため、半導体基板10の基板内PD13以外の領域が遮光される。
なお、絶縁膜16内には、その他、図示しない配線層が形成されている。遮光膜17は配線層を兼ねていてもよい。
Further, a light shielding film 17 made of a material such as tungsten having a light shielding property with respect to visible light is formed in the insulating film 16. The light shielding film 17 is opened above the PD 13 in the substrate. Since the impurity diffusion region 14 and the signal readout circuit 15 are covered with the light shielding film 17, the region other than the substrate PD 13 of the semiconductor substrate 10 is shielded from light.
In addition, a wiring layer (not shown) is formed in the insulating film 16. The light shielding film 17 may also serve as a wiring layer.

さらに、絶縁膜16及び画素電極21の上面を覆うように、全ての画素電極上に共通膜として形成された光電変換膜22を備えている。光電変換膜22は、入射光を吸収し、その吸収した光量に応じた電荷を発生する有機材料またはアモルファスシリコンなどの無機材料いずれであってもよい。
本実施形態においては、光電変換膜22は可視光波長全域にわたって感度を有する、所謂、パンクロマティック膜である。特には、有機パンクロマティック膜が好適である。
Further, a photoelectric conversion film 22 formed as a common film is provided on all the pixel electrodes so as to cover the upper surfaces of the insulating film 16 and the pixel electrodes 21. The photoelectric conversion film 22 may be either an organic material that absorbs incident light and generates an electric charge according to the absorbed light amount, or an inorganic material such as amorphous silicon.
In the present embodiment, the photoelectric conversion film 22 is a so-called panchromatic film having sensitivity over the entire visible light wavelength range. In particular, an organic panchromatic film is suitable.

光電変換膜22上には同様の共通膜からなる対向電極24が設けられている。対向電極24は、画素電極21と同様に、ITO等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。
なお、光電変換膜22と対向電極24との間、または光電変換膜22と画素電極21との間に、電極から光電変換膜22へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けるようにしてもよい。
On the photoelectric conversion film 22, a counter electrode 24 made of a similar common film is provided. Similar to the pixel electrode 21, the counter electrode 24 is made of an electrode material that is transparent to visible light, such as ITO.
A function such as a charge blocking layer that suppresses the injection of charge from the electrode to the photoelectric conversion film 22 between the photoelectric conversion film 22 and the counter electrode 24 or between the photoelectric conversion film 22 and the pixel electrode 21. A layer may be provided.

画素電極21、光電変換膜22及び対向電極24により基板上光電変換素子20(以下において基板上PD20とする)が構成されている。画素電極21と対向電極24の間にバイアス電圧を印加することで、光電変換膜22で発生した信号電荷を画素電極21に移動させて、これを捕集することができる。   The pixel electrode 21, the photoelectric conversion film 22, and the counter electrode 24 constitute a substrate photoelectric conversion element 20 (hereinafter referred to as a substrate PD 20). By applying a bias voltage between the pixel electrode 21 and the counter electrode 24, the signal charge generated in the photoelectric conversion film 22 can be moved to the pixel electrode 21 and collected.

各PDで生じた電荷を蓄積し、読み出す信号読出回路15の構成を図2に示す。図2に示すように、信号読出回路15は、フローティングディフュージョンFD(蓄積部に相当する)(以下、単にFDという)と、出力トランジスタ112と、リセットトランジスタ113と、選択トランジスタ114とを備えている。そして、出力トランジスタ112、リセットトランジスタ113、選択トランジスタ114は、それぞれnチャネルのMOSトランジスタで構成されている。以下、基板上PD20に接続されている信号読出回路15を例に説明する。   FIG. 2 shows the configuration of the signal readout circuit 15 that accumulates and reads out the charges generated in each PD. As shown in FIG. 2, the signal readout circuit 15 includes a floating diffusion FD (corresponding to an accumulation unit) (hereinafter simply referred to as FD), an output transistor 112, a reset transistor 113, and a selection transistor 114. . The output transistor 112, the reset transistor 113, and the selection transistor 114 are each composed of an n-channel MOS transistor. Hereinafter, the signal readout circuit 15 connected to the on-substrate PD 20 will be described as an example.

本実施形態の基板上PD20においては、光電変換膜22で発生した電荷のうち正孔が画素電極21に移動し、電子が対向電極24に移動するように、対向電極24に対してバイアス電圧が印加される。   In the PD 20 on the substrate of the present embodiment, a bias voltage is applied to the counter electrode 24 so that holes move to the pixel electrode 21 and electrons move to the counter electrode 24 among charges generated in the photoelectric conversion film 22. Applied.

FDは、画素電極21と電気的につながったn形不純物領域からなるものである。画素電極21に捕集された正孔の量に応じてFDの電位が変化するため、FDは電荷蓄積部として機能する。   The FD is composed of an n-type impurity region electrically connected to the pixel electrode 21. Since the potential of the FD changes according to the amount of holes collected by the pixel electrode 21, the FD functions as a charge storage unit.

出力トランジスタ112は、FDに蓄積された電荷信号を電圧信号に変換して信号線に出力するものである。出力トランジスタ112のゲート端子はFDに電気的に接続され、ドレイン端子は固体撮像素子の電源電圧Vddが接続されている。また、出力トランジスタ112のソース端子は選択トランジスタ114のドレイン端子に接続されている。本実施形態における信号読出回路は、FDと光電変換素子20の画素電極21と出力トランジスタ112のゲート端子とが電気的に直接接続された、いわゆる3トランジスタの構成の回路である。   The output transistor 112 converts the charge signal stored in the FD into a voltage signal and outputs it to the signal line. The gate terminal of the output transistor 112 is electrically connected to the FD, and the drain terminal is connected to the power supply voltage Vdd of the solid-state imaging device. The source terminal of the output transistor 112 is connected to the drain terminal of the selection transistor 114. The signal readout circuit in the present embodiment is a circuit having a so-called three-transistor configuration in which the FD, the pixel electrode 21 of the photoelectric conversion element 20, and the gate terminal of the output transistor 112 are directly connected.

リセットトランジスタ113は、FDの電位を基準電位にリセットするものである。リセットトランジスタ113のドレイン端子にはFDが電気的に接続され、ソース端子にはリセット電源が接続され、電圧RDが供給されている。リセットトランジスタ113のゲート端子に印加されるリセットパルスRSがハイレベルになると、リセットトランジスタ113がオンし、リセットトランジスタ113のソースからドレインに電子が注入される。そして、この電子の注入によってFDの電位が降下してFDの電位が基準電位にリセットされる。選択トランジスタ114は、そのソース端子が信号線に接続されるものであり、各画素の出力トランジスタ112から出力される信号を列ごとに設けられた信号線に選択的に出力するためのものである。選択トランジスタ114のゲート端子に印加される選択パルスRWがハイレベルになると、選択トランジスタ114はオンし、これにより各画素の出力トランジスタ112から出力された信号が信号線に出力される。   The reset transistor 113 resets the potential of the FD to a reference potential. The FD is electrically connected to the drain terminal of the reset transistor 113, the reset power supply is connected to the source terminal, and the voltage RD is supplied. When the reset pulse RS applied to the gate terminal of the reset transistor 113 becomes a high level, the reset transistor 113 is turned on, and electrons are injected from the source to the drain of the reset transistor 113. Then, due to the injection of electrons, the potential of the FD drops and the potential of the FD is reset to the reference potential. The selection transistor 114 has a source terminal connected to the signal line, and selectively outputs a signal output from the output transistor 112 of each pixel to a signal line provided for each column. . When the selection pulse RW applied to the gate terminal of the selection transistor 114 becomes a high level, the selection transistor 114 is turned on, whereby a signal output from the output transistor 112 of each pixel is output to the signal line.

なお、基板内PD13に接続されている信号読出回路も同様の構成であるが、読み出す信号電荷は適宜選択することができる。例えば、基板上PD20からは正孔信号を読み出し、基板内PD13からは電子信号を読み出すなど、それぞれ最適な信号を得ることができる。   The signal readout circuit connected to the PD 13 in the substrate has the same configuration, but the signal charge to be read out can be selected as appropriate. For example, it is possible to obtain optimum signals such as reading a hole signal from the PD 20 on the substrate and reading an electronic signal from the PD 13 in the substrate.

なお、上記において、基板上PDについては正孔捕集型の信号読出しを行うものとして説明したが、基板上PDについても電子捕集型の信号読出しを行うものとしてもよい。しかしながら、正孔捕集型とすることにより、蓄積容量を大幅に増加させることができ好ましい。   In the above description, the on-substrate PD is described as performing the hole collection type signal readout, but the on-substrate PD may also be performed as the electron collection type signal readout. However, the hole collection type is preferable because the storage capacity can be greatly increased.

基板内PD13および基板上PD20は1:1で対応するように、それぞれが2次元状に画素の数だけ配列形成されている。すなわち、各画素5は、それぞれ1つの基板内PD13とその上方に配置された1つの基板上PD20を含むものである。   The in-substrate PD 13 and the on-substrate PD 20 are two-dimensionally arrayed by the number of pixels so as to correspond 1: 1. That is, each pixel 5 includes one in-substrate PD 13 and one on-substrate PD 20 disposed above the in-substrate PD 13.

対向電極24上には保護膜26が設けられており、その保護膜26上には、カラーフィルタ層30が配置されている。カラーフィルタ層30は、赤色波長の光を透過するRカラーフィルタ31Rと、緑色波長の光を透過するGカラーフィルタ31Gと、青色波長の光を透過するBカラーフィルタ31Bとを、例えばベイヤー配列で配置したものである。なお、カラーフィルタ層30における各カラーフィルタ31R,31G,31Bの配置はベイヤー配列に限定されるものではない。また、R,G,Bに加えW(白)カラーフィルタを備えてもよい。   A protective film 26 is provided on the counter electrode 24, and a color filter layer 30 is disposed on the protective film 26. The color filter layer 30 includes an R color filter 31R that transmits red wavelength light, a G color filter 31G that transmits green wavelength light, and a B color filter 31B that transmits blue wavelength light, for example, in a Bayer array. It is arranged. The arrangement of the color filters 31R, 31G, and 31B in the color filter layer 30 is not limited to the Bayer arrangement. In addition to R, G, and B, a W (white) color filter may be provided.

ここで、各画素5における2つの光電変換素子13、20は、各画素に入射す入射光に対して互いに異なる光電変換感度となるように設定されている。
光電変換感度(V/1x/sec)とは、所定量の光が入射したときに、光電変換素子から取り出せる信号から得られる電圧がどのくらいであるかを示す指標であるが、本明細書においては、各画素への入射光に対してその画素中の基板上PDおよび基板内PDから取り出せる信号から得られる電圧を示す指標として用いる。
Here, the two photoelectric conversion elements 13 and 20 in each pixel 5 are set to have different photoelectric conversion sensitivities with respect to incident light incident on each pixel.
Photoelectric conversion sensitivity (V / 1x / sec) is an index that indicates how much voltage is obtained from a signal that can be extracted from a photoelectric conversion element when a predetermined amount of light is incident. This is used as an index indicating a voltage obtained from a signal that can be extracted from the PD on the substrate and the PD in the substrate in the pixel with respect to the incident light to each pixel.

図2で示す信号読出回路において、電源電圧Vddを調整したり、FDに蓄積される容量を調整して電荷電圧変換利得(V/e-)を最適化すること等により基板内PDと基板上PDとの感度差を調整することができる。 In the signal readout circuit shown in FIG. 2, by adjusting the power supply voltage Vdd or adjusting the capacitance accumulated in the FD to optimize the charge-voltage conversion gain (V / e ), etc. The difference in sensitivity with PD can be adjusted.

高感度の光電変換素子は、少ない光量で多くの信号を得ることができるため、低照度の被写体を撮影するのに最適であるが、多くの光量が入射した場合には、信号が飽和してしまうため、高照度の被写体を撮影するのには適さない。一方、低感度の光電変換素子は、多くの光量が入射してもあまり多くの信号を得られないため、高照度の被写体を撮影するのに最適であるが、少ない光量が入射した場合には、得られる信号が少なすぎてしまい、低照度の被写体を撮影するのには適さない。   A high-sensitivity photoelectric conversion element can obtain a large number of signals with a small amount of light, so it is ideal for shooting subjects with low illuminance. However, when a large amount of light is incident, the signal is saturated. Therefore, it is not suitable for photographing a high-illuminance subject. On the other hand, a low-sensitivity photoelectric conversion element is optimal for shooting a high-illuminance subject because it cannot obtain a large number of signals even when a large amount of light is incident. The obtained signal is too small and is not suitable for photographing a low-illuminance subject.

本発明では、基板内PD13と基板上PD20の入射光に対する光電変換感度に感度差を与え、相対的に低感度の光電変換素子から得られる信号と、相対的に高感度の光電変換素子から得られる信号を合成することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを広げることができる。   In the present invention, a sensitivity difference is given to the photoelectric conversion sensitivity with respect to the incident light of the PD 13 on the substrate and the PD 20 on the substrate, and the signal obtained from the relatively low sensitivity photoelectric conversion element and the signal obtained from the relatively high sensitivity photoelectric conversion element are obtained. By combining these signals, the dynamic range of the solid-state imaging device can be expanded.

さらに、本発明においては、基板内PD13と基板上PD20との距離dを1.5μm以上、4μm以下とすることを特徴としている。距離dは基板内PD13の表面から基板上PD20の画素電極21下面までの距離である。距離が1.5μm未満である場合、絶縁膜16中に配置される図示しない配線層間の距離が近接してしまい配線層間でノイズが生じ、画像劣化に繋がる。また、距離が4μm以下にすることにより、低温環境下(概ね−45℃〜0℃)における残像を抑制することができることを本発明者らは見出している。
なお、PD間距離dが一様でない場合、いずれの箇所の距離を取っても1.5μm以上、4μm以下の範囲であることが好ましい。
Furthermore, the present invention is characterized in that the distance d between the in-substrate PD 13 and the on-substrate PD 20 is 1.5 μm or more and 4 μm or less. The distance d is a distance from the surface of the in-substrate PD 13 to the lower surface of the pixel electrode 21 of the on-substrate PD 20. When the distance is less than 1.5 μm, the distance between wiring layers (not shown) arranged in the insulating film 16 becomes close, and noise is generated between the wiring layers, leading to image degradation. Further, the present inventors have found that by setting the distance to 4 μm or less, the afterimage in a low temperature environment (approximately −45 ° C. to 0 ° C.) can be suppressed.
If the distance d between the PDs is not uniform, it is preferable that the distance is 1.5 μm or more and 4 μm or less regardless of the distance at any location.

さらに、画素電極21の厚みteは10nm以上、100nm以下であることが好ましい。厚みを10nm以上とすることにより、画素電極21のシート抵抗を十分に小さくすることができ、低温下における残像発生をさらに抑制する効果を得ることができる。シート抵抗を小さくするためには、厚みが厚い方がよいが、一方で、100nmを超えるほど厚くなると、画素電極の凹凸やエッジ部分での光電変換膜との接触が不十分となり好ましくない。   Further, the thickness te of the pixel electrode 21 is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. By setting the thickness to 10 nm or more, the sheet resistance of the pixel electrode 21 can be sufficiently reduced, and an effect of further suppressing the occurrence of afterimages at low temperatures can be obtained. In order to reduce the sheet resistance, it is preferable that the thickness is large. On the other hand, if the thickness exceeds 100 nm, the unevenness of the pixel electrode and the contact with the photoelectric conversion film at the edge portion are not preferable.

本発明の光電変換素子は、上記の通り1画素中に同色を検出する互いに感度の異なる1つの基板上光電変換素子と基板内光電変換素子とを備え、両者間の距離を1.5μm以上、4μm以下とすることにより、広いダイナミックレンジ化と、低温下におかる高画質な画像の取得とを両立させることができる。   The photoelectric conversion element of the present invention comprises one on-substrate photoelectric conversion element and in-substrate photoelectric conversion element having different sensitivities that detect the same color in one pixel as described above, and the distance between the two is 1.5 μm or more, By setting the thickness to 4 μm or less, it is possible to achieve both a wide dynamic range and high-quality image acquisition at low temperatures.

以下に、基板上PD20として、有機パンクロマティック材料を用いた有機光電変換素子(以下においてOPD20とする。)を備え、基板内PD13としてSi光電変換素子(以下においてSiPD13)を備えた場合であって、OPD20の感度がSiPD13の感度よりも高い固体撮像素子について説明する。   Hereinafter, an organic photoelectric conversion element (hereinafter referred to as OPD20) using an organic panchromatic material is provided as the PD 20 on the substrate, and a Si photoelectric conversion element (hereinafter referred to as SiPD13) is provided as the PD 13 in the substrate. A solid-state imaging device in which the sensitivity of the OPD 20 is higher than that of the SiPD 13 will be described.

既述の通り、電源電圧Vddを調整したり、FDに蓄積される容量を調整して電荷電圧変換利得(V/e)を最適化すること等により基板内PDと基板上PDとの感度差を調整し、基板上PDであるOPD20の感度を基板内PDであるSiPD13の感度より相対的に高くなるように設定する。感度設定は、OPD20およびSiPD13の外部量子効率についても考慮して行う。 As described above, the sensitivity between the in-substrate PD and the on-substrate PD is adjusted by adjusting the power supply voltage Vdd or adjusting the capacitance accumulated in the FD to optimize the charge voltage conversion gain (V / e ). The difference is adjusted, and the sensitivity of the OPD 20 that is the PD on the substrate is set to be relatively higher than the sensitivity of the SiPD 13 that is the PD in the substrate. Sensitivity is set in consideration of the external quantum efficiencies of OPD 20 and SiPD 13.

その上で、図1において、基板上PDであるOPD20の光電変換膜tpの厚みを50nm〜1000nm程度の範囲で、入射光の吸収率が50%以上となるように設定する。感度の高いOPD20において、吸収率が小さいと逆にノイズアップになることから、相対的に感度の高いOPD20での入射光の吸収率を50%以上とする。   Then, in FIG. 1, the thickness of the photoelectric conversion film tp of the OPD 20 that is the PD on the substrate is set so that the incident light absorption rate is 50% or more in the range of about 50 nm to 1000 nm. In the OPD 20 with high sensitivity, if the absorption rate is small, the noise is increased. Therefore, the absorption rate of incident light in the OPD 20 with relatively high sensitivity is set to 50% or more.

なお、光電変換膜22における吸収率と厚みtとの関係は、その構成材料の光電変換効率に依存するため一概には言えず、所望の吸収率に応じ、構成材料の光電変換効率を勘案して設定する必要がある。 The relationship between the absorptance and the thickness t p in the photoelectric conversion layer 22 is not be said sweepingly because it depends on photoelectric conversion efficiency of the construction materials, depending on the desired absorption rate, taking into account the photoelectric conversion efficiency of the material Need to be set.

上記構成におけるダイナミックレンジ広域化について図3を参照して説明する。
図3は、各画素への入射光の強度を横軸、その入射光に対する信号量を縦軸にとり、OPDの入射光に対する信号量の関係をa、SiPDの入射光に対する信号量の関係をbで示している。図3において、入射光に対する信号量の関係において傾きの大きい方がより感度が高いことを意味する。なお、図3に示すように、OPDの飽和信号量はSiPDの飽和信号量よりも大きくとることができる。
The wide dynamic range in the above configuration will be described with reference to FIG.
In FIG. 3, the horizontal axis represents the intensity of incident light to each pixel, the vertical axis represents the amount of signal with respect to the incident light, a represents the relationship between the amount of signal with respect to the incident light of OPD, and b represents the relationship with the amount of signal with respect to incident light of SiPD. Is shown. In FIG. 3, the larger the slope in the relationship of the signal amount with respect to the incident light, the higher the sensitivity. As shown in FIG. 3, the saturation signal amount of OPD can be made larger than the saturation signal amount of SiPD.

OPDを高感度として入射光の吸収量を高めておくことにより、光のロスが少ないという点で有利である。OPDのダイナミックレンジはIo1〜Io2であり、SiPDのダイナミックレンジはIS1〜IS2である。両者を組み合わせ、入射光量の小さい領域では高感度なOPDからの信号を用い、入射光量の大きい領域では低感度なSiPDからの信号を用いることにより、本素子としてのダイナミックレンジはIo1〜Is2に広げることができる。 By making OPD highly sensitive and increasing the amount of incident light absorbed, it is advantageous in that there is little loss of light. The dynamic range of OPD is I o1 to I o2 , and the dynamic range of SiPD is I S1 to I S2 . By combining the two, a signal from a highly sensitive OPD is used in a region where the amount of incident light is small, and a signal from a low-sensitivity SiPD is used in a region where the amount of incident light is large, so that the dynamic range of this element is I o1 to I s2. Can be spread.

特に、本例のように、基板上PDの光電変換膜として、入射光に対する開口率100%となる有機光電変換膜を用いることで、広ダイナミックレンジと高感度を両立させることが可能となる。高感度撮影はOPDが担い、低感度撮影はSiPDが担うものとして、入射光の大半を有機光電変換膜により吸収し、一部透過した光のみを基板内のSiPDにより受光させる構成であるため、強烈な光が入射した場合にもSiPDで発生する電荷は少なく抑えられるため白とびが抑制され、同時に開口率の高い有機光電変換膜が微量な光でも適切に受光し暗部の階調を維持することができる。1画素での同時撮影であるため、感度の異なる別画素を備える装置と比較して解像度を高く維持できる上に、製造も容易である。また、時間差で感度別の撮影を行う装置の場合には、動画撮影を行うことは困難であったが、本構成であれば、高感度と低感度を同時に撮影できるので動画についても高画質な撮影が可能となる。   In particular, as in this example, by using an organic photoelectric conversion film having an aperture ratio of 100% with respect to incident light as the photoelectric conversion film of the PD on the substrate, it is possible to achieve both a wide dynamic range and high sensitivity. As OPD is responsible for high-sensitivity imaging and SiPD is responsible for low-sensitivity imaging, most of the incident light is absorbed by the organic photoelectric conversion film, and only partially transmitted light is received by SiPD in the substrate. Even when intense light is incident, the charge generated in the SiPD can be suppressed to a small extent, so that the overexposure is suppressed, and at the same time, the organic photoelectric conversion film having a high aperture ratio appropriately receives even a small amount of light and maintains the gradation in the dark part. be able to. Since simultaneous shooting is performed with one pixel, the resolution can be maintained higher than that of a device including other pixels with different sensitivities, and the manufacturing is easy. In addition, in the case of a device that shoots by sensitivity with a time difference, it was difficult to shoot a movie, but with this configuration, high sensitivity and low sensitivity can be shot simultaneously, so that the video quality is also high. Shooting is possible.

また、光電変換膜に有機パンクロマティック膜を用いることにより画素毎の微細な塗り分けや感度のばらつきなども抑えられ、超微細化した場合でも量産歩留まり高く安定して製造することが可能となる。   In addition, by using an organic panchromatic film for the photoelectric conversion film, fine coating and sensitivity variations for each pixel can be suppressed, and even in the case of ultra miniaturization, it is possible to stably manufacture with a high mass production yield.

次に、上記と同様の構成であるが、OPD20の感度がSiPD13の感度よりも低い固体撮像素子について説明する。図4にその設計変更例の固体撮像素子の一部の断面図を示す。図4において、図1と同様の構成要素には同一符号を付している。   Next, a solid-state imaging device having the same configuration as described above, but the sensitivity of the OPD 20 is lower than that of the SiPD 13 will be described. FIG. 4 shows a cross-sectional view of a part of the solid-state imaging device of the design change example. In FIG. 4, the same components as those in FIG.

上記の場合と同様に、電源電圧Vddを調整したり、FDに蓄積される容量を調整して電荷電圧変換利得(V/e)を最適化すること等により基板内PDと基板上PDとの感度差を調整し、基板内PDであるSiPD13の感度を基板上PDであるOPD20の感度より相対的に高くなるように設定する。感度設定は、OPD20およびSiPD13の外部量子効率についても考慮して行う。 In the same manner as described above, the power supply voltage Vdd is adjusted, or the capacitance accumulated in the FD is adjusted to optimize the charge voltage conversion gain (V / e ). And the sensitivity of the SiPD 13 that is the PD in the substrate is set to be relatively higher than the sensitivity of the OPD 20 that is the PD on the substrate. Sensitivity is set in consideration of the external quantum efficiencies of OPD 20 and SiPD 13.

本例では、OPD20の光電変換膜tpの厚みを2nm〜200nm程度の範囲で、入射光の吸収率が50%未満となるように設定する。感度の高いSiPDでの入射光の吸収率が小さくなるとノイズアップに繋がることから、相対的に感度の高いSiPD13での吸収率を50%以上となるように、OPD20での吸収率は50%未満に抑制する。   In this example, the thickness of the photoelectric conversion film tp of the OPD 20 is set in a range of about 2 nm to 200 nm so that the absorption rate of incident light is less than 50%. When the absorption rate of incident light in a high-sensitivity SiPD decreases, noise increases. Therefore, the absorption rate in the OPD 20 is less than 50% so that the absorption rate in the relatively high-sensitivity SiPD 13 is 50% or more. To suppress.

上記実施形態の場合と同様に、光電変換膜22における吸収率と厚みtとの関係は、その構成材料の光電変換効率に依存するため一概には言えず、所望の吸収率に応じ、構成材料の光電変換効率を勘案して設定する必要がある。 As in the above embodiment, the relationship between the absorptance and the thickness t p in the photoelectric conversion layer 22 is not be said sweepingly because it depends on photoelectric conversion efficiency of the construction materials, depending on the desired absorptivity, structure It is necessary to set in consideration of the photoelectric conversion efficiency of the material.

この場合のダイナミックレンジ広域化について図5を参照して説明する。
図5において、上記実施形態の場合と同様に、基板上PDは有機パンクロマティック膜を光電変換膜に備えたものであり、基板内PDはSiPDであるとしている。図5は、各画素への入射光の強度を横軸、その入射光に対する信号量を縦軸にとり、OPDの入射光に対する信号量の関係をa、SiPDの入射光に対する信号量の関係をbで示している。図5において、入射光に対する信号量の関係において傾きの大きい方がより感度が高いことを意味する。なお、図5に示すように、OPDの飽和信号量はSiPDの飽和信号量よりも大きくとることができる。
The dynamic range widening in this case will be described with reference to FIG.
In FIG. 5, as in the case of the above embodiment, the on-substrate PD is provided with an organic panchromatic film in the photoelectric conversion film, and the in-substrate PD is SiPD. In FIG. 5, the horizontal axis represents the intensity of incident light to each pixel, the vertical axis represents the amount of signal with respect to the incident light, a represents the relationship between the amount of signal with respect to the incident light of OPD, and b represents the relationship with the amount of signal with respect to incident light of SiPD. Is shown. In FIG. 5, the larger the slope in the relationship of the signal amount with respect to the incident light, the higher the sensitivity. As shown in FIG. 5, the saturation signal amount of OPD can be made larger than the saturation signal amount of SiPD.

本例において、OPDのダイナミックレンジはIo1〜Io2であり、SiPDのダイナミックレンジはIS1〜IS2である。両者を組み合わせ、入射光量の小さい領域では高感度なSiPDからの信号を用い、入射光量の大きい領域では低感度なOPDからの信号を用いることにより、本素子としてのダイナミックレンジはIS1〜Io2に広げることができる。SiPDよりも飽和信号量の大きいOPDを低感度とすることにより、より入射光強度が大きい領域にダイナミックレンジを広げることができる。 In this example, the dynamic range of OPD is I o1 to I o2 , and the dynamic range of SiPD is I S1 to I S2 . By combining both, using a signal from a high-sensitivity SiPD in a region where the amount of incident light is small, and using a signal from a low-sensitivity OPD in a region where the amount of incident light is large, the dynamic range of this element is I S1 to I o2 Can be spread. By making the sensitivity of the OPD having a larger saturation signal amount than SiPD low, the dynamic range can be expanded to a region where the incident light intensity is higher.

OPD20とその信号読出回路15は、図2に示すような画素電極から正孔を読み出す正孔読出し方式にすることで蓄積容量を大きくすることができる。そこで、OPDを低感度層とすることにより、ハイライト側のダイナミックレンを飛躍的に拡大することができる。有機光電変換膜の膜厚を超薄膜化することで入射光の一部だけを有機光電変換膜が吸収し、ハイライト側の低感度撮影を行う。一方、OPD20を透過した光は基板内に設置したSiPD13が受光する。元来のSiフォトダイオードが有する高い光電変換効率により高感度撮影を行う一方で、光量の多い場面では有機光電変換膜の蓄積容量の大きさを利用し、これまでにないワイドダイナミックレンジな撮影を実現することができる。   The OPD 20 and its signal readout circuit 15 can increase the storage capacity by adopting a hole readout system that reads holes from the pixel electrode as shown in FIG. Therefore, by using OPD as a low sensitivity layer, the dynamic lens on the highlight side can be greatly expanded. By making the film thickness of the organic photoelectric conversion film ultra-thin, the organic photoelectric conversion film absorbs only a part of the incident light, and low-sensitivity photographing on the highlight side is performed. On the other hand, the light transmitted through the OPD 20 is received by the SiPD 13 installed in the substrate. While high-sensitivity shooting is performed by the high photoelectric conversion efficiency of the original Si photodiode, in the scene where the amount of light is large, the size of the storage capacity of the organic photoelectric conversion film is used to perform shooting with an unprecedented wide dynamic range. Can be realized.

上記において、OPDの蓄積容量はSiPDの蓄積容量よりも大きいものとして説明したが、各実施形態においては、必ずしもOPDの蓄積容量がSiPDよりも大きくなくても、両者の感度が異なっていれば、単独PDの場合と比較して広ダイナミック化の効果を得ることはできる。他方、上述の通りOPDを相対的に低感度とする場合には、OPDの蓄積容量を十分に大きくすることにより、さらなる広いダイナミック化を達成することができる。   In the above description, the storage capacity of the OPD is described as being larger than the storage capacity of the SiPD. However, in each embodiment, even if the storage capacity of the OPD is not necessarily larger than the SiPD, if the sensitivity of the two is different, Compared to the case of a single PD, it is possible to obtain a wide dynamic effect. On the other hand, when the OPD has a relatively low sensitivity as described above, a wider dynamic can be achieved by sufficiently increasing the storage capacity of the OPD.

また、カラーフィルタ層が、複数色のカラーフィルタを備えず、全ての画素が同一色(例えばG)のみを受光する単色のカラーフィルタからなるものである場合、モノクロ撮像のみが可能な固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大することが可能である。   Further, when the color filter layer does not include a plurality of color filters, and all the pixels are composed of a single color filter that receives only the same color (for example, G), a solid-state imaging device capable of only monochrome imaging It is possible to expand the dynamic range.

なお、以上で説明した固体撮像素子では、1つの画素において、平面視における基板内光電変換素子13の受光領域の面積(受光面積)が、平面視における基板上光電変換素子20の受光領域の面積に対して20%以上90%下であれば、効果的にシェーディングを低減することができる。より好ましい範囲は、40%以上90%以下、より好ましくは50%以上80%以下、より好ましくは60%以上80%以下である。シェーディングとは、固体撮像素子の周辺部と中央部で撮像性能が大きく異なる現象のことをいう。上記面積比が小さい場合のシェーディングは、低照度撮影時での感度性能が異なってしまうことがあり、また面積比が大きすぎる場合は、色にじみを生じてしまうことがあるため、上記範囲が好ましい。   In the solid-state imaging device described above, in one pixel, the area (light receiving area) of the in-substrate photoelectric conversion element 13 in plan view is equal to the area of the light receiving region of the on-substrate photoelectric conversion element 20 in plan view. On the other hand, if it is 20% or more and 90% lower, shading can be effectively reduced. A more preferable range is 40% to 90%, more preferably 50% to 80%, and more preferably 60% to 80%. Shading refers to a phenomenon in which imaging performance differs greatly between the peripheral part and the central part of a solid-state imaging device. The above range is preferable because shading when the area ratio is small may result in different sensitivity performance during low-illuminance photography, and when the area ratio is too large, color blur may occur. .

また、この現象は、1つの画素において、平面視における基板内光電変換素子13の受光領域の中心部と、平面視における基板上光電変換素子20の受光領域の中心部とのずれが、基板上光電変換素子20の受光領域の行方向又は列方向の幅に対して30%以下であればより抑えられ、より好ましくは、20%以下、より好ましくは10%以下、最も好ましいのは中心が一致した場合である。   In addition, in this pixel, in one pixel, the shift between the center of the light receiving region of the in-substrate photoelectric conversion element 13 in plan view and the center of the light receiving region of the on-substrate photoelectric conversion element 20 in plan view is If the width in the row direction or the column direction of the light receiving region of the photoelectric conversion element 20 is 30% or less, it is further suppressed, more preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and most preferably the center coincides. This is the case.

本発明の固体撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置に用いることができる。更には電子内視鏡および携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載して用いることができる。   The solid-state imaging device of the present invention can be used in imaging devices such as digital cameras and digital video cameras. Further, it can be used by being mounted on an imaging module such as an electronic endoscope and a mobile phone.

以下、本発明の実施例および比較例について説明する。
図1に示す構成の撮像素子を形成して評価した。
Examples of the present invention and comparative examples will be described below.
An imaging device having the configuration shown in FIG. 1 was formed and evaluated.

SiPD13および信号読出回路15が形成され、遮光膜17、配線層および層間絶縁膜16が形成されたSi基板上に、画素電極ITO21/電子ブロッキング層/光電変換層22/上部電極24からなるOPD20を形成した。画素電極ITO21は厚みte=50nmに形成した。画素電極21上に電子ブロッキング層としては下記化合物1で示される有機化合物を真空蒸着法で100nmの膜厚で形成した。なお、図1には電子ブロッキング層は図示されていない。この電子ブロッキング層上に、下記化合物2で示される有機化合物とC60の混合層(化合物2:C60=1:2(体積比))を、真空中で共蒸着により、tp=400nmの膜厚で形成し、化合物2とフラーレン(C60)とがバルクへテロ構造を形成した光電変換層22を形成した。有機化合物の蒸着は、いずれも5.0×10−4Pa以下真空度で、蒸着速度1Å/s〜10Å/sで成膜を行なった。光電変換層22の上に上部電極24として、ITOを高周波マグネトロンスパッタにより、10nmの膜厚で形成した。   An OPD 20 comprising a pixel electrode ITO21 / electron blocking layer / photoelectric conversion layer 22 / upper electrode 24 is formed on a Si substrate on which the SiPD 13 and the signal readout circuit 15 are formed and the light shielding film 17, the wiring layer, and the interlayer insulating film 16 are formed. Formed. The pixel electrode ITO21 was formed with a thickness te = 50 nm. On the pixel electrode 21, as an electron blocking layer, the organic compound shown with the following compound 1 was formed with the film thickness of 100 nm by the vacuum evaporation method. Note that the electron blocking layer is not shown in FIG. On this electron blocking layer, a mixed layer of an organic compound represented by the following compound 2 and C60 (compound 2: C60 = 1: 2 (volume ratio)) is co-evaporated in vacuum with a film thickness of tp = 400 nm. Thus, the photoelectric conversion layer 22 in which the compound 2 and fullerene (C60) formed a bulk heterostructure was formed. The vapor deposition of the organic compounds was performed at a vacuum degree of 5.0 × 10 −4 Pa or less and a deposition rate of 1 Å / s to 10 Å / s. ITO was formed as a top electrode 24 on the photoelectric conversion layer 22 with a film thickness of 10 nm by high frequency magnetron sputtering.

さらに、上部電極24上に保護膜26として、酸化アルミニウム、窒化珪素の積層膜を形成した。酸化アルミニウムは原子層堆積装置を使用し、200nmの膜厚で形成した。窒化珪素はマグネトロンスパッタにより、100nmの膜厚で形成した。さらに保護膜26上にRGBのカラーフィルタ層30を設置した。   Further, a laminated film of aluminum oxide and silicon nitride was formed as a protective film 26 on the upper electrode 24. Aluminum oxide was formed to a thickness of 200 nm using an atomic layer deposition apparatus. Silicon nitride was formed to a thickness of 100 nm by magnetron sputtering. Further, an RGB color filter layer 30 was provided on the protective film 26.

ここで、絶縁膜16と遮光膜17および図示しない配線層の厚みを調整することによりPD間距離dを変化させた素子を作製し、本発明の実施例および比較例とした。PD間距離dが1.4μm、1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm、4.0μm、5.0μm、6.0μmの各素子を作製した。   Here, an element in which the distance d between the PDs was changed by adjusting the thicknesses of the insulating film 16, the light shielding film 17, and the wiring layer (not shown) was prepared as an example and a comparative example of the present invention. Each element having a PD distance d of 1.4 μm, 1.5 μm, 2.0 μm, 2.5 μm, 3.0 μm, 4.0 μm, 5.0 μm, and 6.0 μm was fabricated.

このようにして作製したデバイスに、低温下(0℃)で500 lux/F4 の光をシャッター開閉動作により1秒おきに照射し、シャッターを切った直後(1/60秒)の出力信号がシャッター開時の出力信号に対して何%になるかを測定し、その10回平均を残像とした。そして残像が1%以下であれば良(G)、残像が1%超であれば不良(NG)と評価した。結果を表1に示す。   The device thus fabricated was irradiated with light of 500 lux / F4 at low temperature (0 ° C) every second by the shutter opening / closing operation, and the output signal immediately after the shutter was released (1/60 second) is the shutter. The percentage of the output signal at the time of opening was measured, and the average of 10 times was defined as an afterimage. When the afterimage was 1% or less, it was evaluated as good (G), and when the afterimage was more than 1%, it was evaluated as defective (NG). The results are shown in Table 1.

表1の結果を図6に示す。図6において、横軸はPD間距離dであり、縦軸は残像(%)である。図6に示す通り、PD間距離が1.5μm〜4.0μmの範囲であれば、残像を1%以下に抑えることができることが明らかである。なお、本実施例では、特にPD間距離2.5μm〜3.0μmで最も残像を抑制することができた。   The results of Table 1 are shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis is the distance d between PDs, and the vertical axis is the afterimage (%). As shown in FIG. 6, it is apparent that the afterimage can be suppressed to 1% or less when the distance between PDs is in the range of 1.5 μm to 4.0 μm. In this example, the afterimage could be suppressed most at a distance between PDs of 2.5 μm to 3.0 μm.

次に、上記において、PD間距離dを3.0μmに固定し、画素電極の厚みteを5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、75nm、100nm、125nm、150nmと変えて上記と同様にして残像を求めた。結果を表2に示す。   Next, in the above, the after-image is changed in the same manner as described above while the distance d between the PDs is fixed to 3.0 μm and the thickness te of the pixel electrode is changed to 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 50 nm, 75 nm, 100 nm, 125 nm, and 150 nm. Asked. The results are shown in Table 2.

表2の結果を図7に示す。図7において、横軸は画素電極厚みteであり、縦軸は残像(%)である。図7に示す通り、画素電極の厚みは30nmで最も残像が小さくなり、その後厚くなるほど残像は大きくなった。他方、30nmより薄くなるとやはり残像が増加した。厚みが10nm〜100nmの範囲の時、残像は0.8%以下に抑えられるため好ましい。特には20nm〜50nmの範囲であれば残像が0.6%以下であるため、より好ましい。   The results of Table 2 are shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents the pixel electrode thickness te, and the vertical axis represents the afterimage (%). As shown in FIG. 7, the afterimage was the smallest when the thickness of the pixel electrode was 30 nm, and the afterimage became larger as the thickness increased thereafter. On the other hand, afterimages increased as the thickness became thinner than 30 nm. When the thickness is in the range of 10 nm to 100 nm, the afterimage can be suppressed to 0.8% or less, which is preferable. In particular, the range of 20 nm to 50 nm is more preferable because the afterimage is 0.6% or less.

1 固体撮像素子
5 画素
10 半導体基板
13 基板内光電変換素子
16 絶縁層
20 基板上光電変換素子
21 画素電極
22 光電変換膜
24 対向電極
30 カラーフィルタ層
31 カラーフィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid-state image sensor 5 Pixel 10 Semiconductor substrate 13 Photoelectric conversion element 16 in a substrate Insulating layer 20 Photoelectric conversion element 21 on a substrate Pixel electrode 22 Photoelectric conversion film 24 Counter electrode 30 Color filter layer 31 Color filter

Claims (5)

二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像素子であって、
前記複数の画素のそれぞれは、半導体基板上方に形成された基板上光電変換素子と、該基板上光電変換素子下方の前記半導体基板内に形成された基板内光電変換素子とを含み、
前記各画素中の前記基板内光電変換素子と前記基板上光電変換素子は、同一色の光を検出するものであって、該画素に入射する入射光に対して互いに異なる光電変換感度を有するものであり、
該各画素中において前記基板内光電変換素子と前記基板上光電変換素子との積層方向距離が1.5μm以上、4μm以下であることを特徴とする固体撮像素子。
A solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged two-dimensionally,
Each of the plurality of pixels includes a substrate photoelectric conversion element formed above the semiconductor substrate, and a substrate photoelectric conversion element formed in the semiconductor substrate below the substrate photoelectric conversion element,
The in-substrate photoelectric conversion element and the on-substrate photoelectric conversion element in each pixel detect light of the same color and have different photoelectric conversion sensitivities for incident light incident on the pixel. And
A solid-state imaging device, wherein a distance in a stacking direction between the in-substrate photoelectric conversion device and the on-substrate photoelectric conversion device is 1.5 μm or more and 4 μm or less in each pixel.
前記基板上光電変換素子が、画素電極、有機光電変換膜および上部電極がこの順に前記半導体基板上に積層されてなるものであり、
前記画素電極の厚みが10nm以上、100nm以下であることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
The photoelectric conversion element on the substrate is formed by laminating a pixel electrode, an organic photoelectric conversion film, and an upper electrode in this order on the semiconductor substrate,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel electrode has a thickness of 10 nm to 100 nm.
前記光電変換膜が、前記複数の画素に共通な膜として形成された有機パンクロマチック膜であり、
前記基板上光電変換素子上にカラーフィルタを備えていることを特徴とする請求項1または2いずれか1項記載の固体撮像素子。
The photoelectric conversion film is an organic panchromatic film formed as a film common to the plurality of pixels,
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a color filter on the photoelectric conversion element on the substrate.
前記有機パンクロマチック膜の厚みが50nm以上、1000nm以下であり、前記入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率が50%以上であることを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。   4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the organic panchromatic film has a thickness of 50 nm or more and 1000 nm or less, and an absorptance of the incident light in the photoelectric conversion element on the substrate is 50% or more. 前記有機パンクロマチック膜の厚みが2nm以上、200nm以下であり、前記入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率が50%未満であることを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。   4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the organic panchromatic film has a thickness of 2 nm or more and 200 nm or less, and an absorptance of the incident light in the photoelectric conversion device on the substrate is less than 50%.
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