JP2016152265A - Solid-state image pickup device - Google Patents
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Images
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。 Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device.
近年、光利用効率向上の観点から、積層型の固体撮像素子が注目されている。しかしながら、このような固体撮像素子は、異なる波長域の光を吸収するフォトダイオードを複数備えるため、クロストークによるノイズが大きくなる場合があった。 In recent years, a stacked solid-state imaging device has attracted attention from the viewpoint of improving light utilization efficiency. However, since such a solid-state imaging device includes a plurality of photodiodes that absorb light in different wavelength ranges, noise due to crosstalk may increase.
本発明が解決しようとする課題は、クロストークによるノイズを低減することができる固体撮像素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reducing noise due to crosstalk.
実施形態の固体撮像素子は、光電変換膜と、複数の光電変換素子とを持つ。光電変換膜は、p型単結晶Si基板の一方の面側に、複数の画素に亘って設けられ、光の3原色における任意の第1及び第2の色の波長域の光を吸収して光電変換するとともに、第3の色の波長域の光を透過する。光電変換素子は、複数の画素に対応するようにp型単結晶Si基板に内設され、いずれも光電変換膜を透過した第3の色の波長域の光を吸収して光電変換する。 The solid-state imaging device of the embodiment has a photoelectric conversion film and a plurality of photoelectric conversion devices. The photoelectric conversion film is provided over a plurality of pixels on one surface side of the p-type single crystal Si substrate, and absorbs light in the wavelength regions of arbitrary first and second colors in the three primary colors of light. While performing photoelectric conversion, light in the wavelength region of the third color is transmitted. The photoelectric conversion element is provided in the p-type single crystal Si substrate so as to correspond to a plurality of pixels, and all of them photoelectrically convert the light in the third color wavelength range that has passed through the photoelectric conversion film.
以下、実施形態の固体撮像素子を、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で用いられる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明で例示される材料、寸法等は一例であって、実施形態はそれらに必ずしも限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
In the drawings used in the following description, in order to make each component easy to see, the scale of the size may be changed depending on the component. In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the embodiment is not necessarily limited thereto, and can be implemented with appropriate modifications.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の固体撮像素子1の構成を模式的に示す断面図である。図1に示すように、固体撮像素子1は、隣接する画素2a、2bを備えて構成されている。なお、図1に示す固体撮像素子1では、2つの画素2a、2bのみが描かれているが、第1の実施形態の固体撮像素子1では、複数の画素が2次元に配列している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solid-
第1の実施形態の固体撮像素子1は、支持基板3と、配線部4と、第1の光電変換部5と、第2の光電変換部6と、カラーフィルタ部7と、マイクロレンズ8と、を備える。
第1の実施形態の固体撮像素子1は、裏面照射型であり、受光面1aに入射した光を検知する。なお、固体撮像素子1は裏面照射型に限られず、表面照射型であってもよい。
The solid-
The solid-
支持基板3は、配線部4を支持するための基板である。支持基板3としては、例えば、シリコン(Si)ウエハ等を用いる事ができる。
The
配線部4は、支持基板3の受光面1a側に設けられている。配線部4と支持基板3とは接着層9を介して積層されている。配線部4は、絶縁層10と、多層配線11と、読み出し用トランジスタ12と、を有する。
The
絶縁層10は、接着層9と第1の光電変換部5との間に隣接して設けられている。絶縁層10の材料としては、例えば、酸化シリコン(SiO2)等が挙げられる。
The
多層配線11は、絶縁層10内部に、画素2a、2bごとにそれぞれ設けられており、読み出し用トランジスタ12、ストレージダイオード16、及び周辺回路(不図示)と接続されている。多層配線11により、光電変換素子13a、13b及びストレージダイオード16に蓄積された電荷を、電気信号として周辺回路(不図示)に出力することができる。多層配線11の材料としては、導電性材料であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の高融点金属、及びチタンシリサイド(TiSi)、モリブデンシリサイド(MoSi)、タングステンシリサイド(WSi)等の高融点金属のシリサイドが挙げられる。
The
読み出し用トランジスタ12は、配線部4における第1の光電変換部5側の表面に、画素2a、2bごとにそれぞれ設けられている。読み出し用トランジスタ12は、光電変換素子13a、13bに蓄積された電荷の移動を制御する。
The
第1の光電変換部5は、配線部4と第2の光電変換部6との間に隣接して設けられている。第1の光電変換部5は、光電変換素子13a、13bと、透明絶縁層14と、コンタクトプラグ15と、ストレージダイオード16と、を有する。
The first
光電変換素子13a、13bは、アレイ状に配列されている画素2a、2bに対応するようにp型単結晶Si基板17に内設されている。光電変換素子13a、13bにより、光の3原色のうちの1色の波長域の光であって、後述する光電変換膜23を透過した光を吸収して光電変換する。
The
ここで、「光の3原色」とは、「青色」、「緑色」、「赤色」の3色である。青色光(青色の波長域の光)の波長域は400〜500nmであり、緑色光(緑色の波長域の光)の波長域は500〜600nmであり、赤色光(赤色の波長域の光)の波長域は600〜700nmである。 Here, “three primary colors of light” are three colors of “blue”, “green”, and “red”. The wavelength range of blue light (light in the blue wavelength range) is 400 to 500 nm, the wavelength range of green light (light in the green wavelength range) is 500 to 600 nm, and red light (light in the red wavelength range). The wavelength region is 600 to 700 nm.
第1の実施形態の固体撮像素子1では、光電変換素子13a、13bをはじめとする全ての光電変換素子で、同一の波長域の光を吸収するものが配設される。
例えば、光電変換素子13a、13bで赤色光を吸収する場合、それ以外の全ての光電変換素子も赤色光を吸収するものが配設される。
In the solid-
For example, when the
光電変換素子13a、13bとしては、p型単結晶Si基板17内に設けられたn型不純物拡散領域18が挙げられる。p型単結晶Si基板17とn型不純物拡散領域18との間には、PN接合面が形成されている。なお、第1の実施形態では、光電変換素子13a、13bは、p型の単結晶Si基板内に設けられたn型の不純物拡散領域に限られず、n型の単結晶Si基板内に設けられたp型の不純物拡散領域であってもよい。
Examples of the
p型単結晶Si基板(基板)17は、配線部4と透明絶縁層14との間に隣接して設けられている。p型単結晶Si基板17としては、例えば、ホウ素等のp型の不純物がドープされたSi等を用いることができる。また、n型不純物拡散領域18としては、例えば、Siにリン等のn型の不純物をイオン注入したもの等が挙げられる。
A p-type single crystal Si substrate (substrate) 17 is provided adjacent to the
透明絶縁層14は、p型単結晶Si基板17と第2の光電変換部6との間に隣接して設けられている。透明絶縁層14により、光を透過しつつ、光電変換膜23とp型単結晶Si基板17とを絶縁する。透明絶縁層14の材料としては、例えば、SiO2等が挙げられる。
The transparent insulating
コンタクトプラグ15は、p型単結晶Si基板17を貫通するように設けられており、配線部4と第2の光電変換部6との間を電気的に接続する。また、コンタクトプラグ15は、各光電変換素子13a、13bにより四方を囲まれる領域に位置するように、画素2a、2bごとにそれぞれ配列されている。
The
コンタクトプラグ15は、下部透明電極21及びストレージダイオード16と電気的に接続されており、下部透明電極21で集められた電荷をストレージダイオード16に送ることができる。コンタクトプラグ15は、導電膜19と、絶縁膜20と、を含み構成される。導電膜19の材料としては、導電性の材料であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、Si等が挙げられる。また、絶縁膜20の材料としては、絶縁性の材料であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、窒化シリコン(SiN)等が挙げられる。
The
ストレージダイオード16は、コンタクトプラグ15の配線部4側の末端に設けられている。ストレージダイオード16は、下部透明電極21で集められた電荷を一時的に蓄積する。フローティングディフュージョン(不図示)は、p型単結晶Si基板17内に設けられている。蓄積された電荷は、ストレージダイオード16からフローティングディフュージョン(不図示)へ送られ、電気信号に変換される。
The
第2の光電変換部6は、第1の光電変換部5とカラーフィルタ部7との間に隣接して設けられている。第2の光電変換部6は、下部透明電極21と、上部透明電極22と、光電変換膜23と、無機保護膜24と、を有する。
The second
下部透明電極21は、透明絶縁層14の受光面1a側の表面に画素2a、2bごとにそれぞれ設けられる。また、下部透明電極21をp型単結晶Si基板17へ投影して形成される投影領域の周縁部は、平面視において、光電変換素子13a、13bの受光面と重なる。下部透明電極21の材料としては、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)等の透明な導電性材料が挙げられる。
The lower
上部透明電極22は、光電変換膜23の受光面1a側の表面に、複数の光電変換素子13a、13bを覆うように1枚のシートとして設けられている。上部透明電極22により、外部から供給されたバイアス電圧を光電変換膜23へ印加することができる。
バイアス電圧により、光電変換膜23で発生した電荷を、各下部透明電極21にそれぞれ集めることができる。上部透明電極22の材料としては、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)等の透明な導電性材料が挙げられる。
The upper
Due to the bias voltage, the charges generated in the
光電変換膜23は、下部透明電極21と上部透明電極22との間に隣接するように、複数の画素2a、2bに亘って1枚のシートとして設けられる。光電変換膜23は、光の3原色における任意の2色の波長域の光を吸収して光電変換するとともに、残りの1色の波長域の光を透過する。例えば、光電変換膜23で青色光及び緑色光を吸収する場合、赤色光が透過される。透過された赤色光は、光電変換素子13a、13bで吸収される。
The
以降において、光電変換膜23により吸収される2色の波長域の光を「第1色の波長域の光」及び「第2色の波長域の光」とし、透過する残りの1色の波長域の光を「第3色の波長域の光」とする。すなわち、上述した光電変換素子13a、13bでは、第3色の波長域の光が吸収される。
Hereinafter, the light of the two color wavelength ranges absorbed by the
光電変換膜23の材料としては、青色光を吸収させる場合は、例えば、ポルフィリンコバルト錯体、クマリン誘導体、フラーレン、フラーレンの誘導体、フルオレン化合物、及びピラゾール誘導体等のうちの少なくとも1つを選択することができる。
As a material for the
また、緑色光を吸収させる場合は、キナクリドン誘導体、ペリレンビスイミド誘導体、オリゴチオフェン誘導体、サブフタロシアニン誘導体、ローダミン化合物、及びケトシアニン誘導体等のうちの少なくとも1つを選択することができる。 When green light is absorbed, at least one of quinacridone derivatives, perylene bisimide derivatives, oligothiophene derivatives, subphthalocyanine derivatives, rhodamine compounds, ketocyanine derivatives, and the like can be selected.
また、赤色光を吸収させる場合は、フタロシアニン誘導体、スクアリリウム誘導体、及びサブナフタロシアニン誘導体等のうちの少なくとも1つを選択することができる。
上記材料は光の吸収率が高いため、光電変換膜23の膜厚を薄くすることができる。また、画素間でのクロストークを抑制することができる。
When red light is absorbed, at least one of phthalocyanine derivatives, squarylium derivatives, subnaphthalocyanine derivatives, and the like can be selected.
Since the above materials have high light absorptance, the thickness of the
無機保護膜24は、上部透明電極22の受光面1a側の表面に1枚のシートとして設けられている。無機保護膜24の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)等が挙げられる。
The inorganic
カラーフィルタ部7は、第2の光電変換部6とマイクロレンズ8との間に隣接して設けられている。カラーフィルタ部7は、平坦化層25と、複数の第1のカラーフィルタ26a及び第2のカラーフィルタ26bと、を有す。
The
平坦化層25は、第2の光電変換部6とマイクロレンズ8との間に隣接して設けられている。平坦化層25の材料としては、例えば、ポリチオフェン誘導体にポリスチレンスルホン酸をドーピングしたものであって、具体的には、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン):ポリ(スチレンスルホン酸)混合物(PEDOT:PSS)等が挙げられる。
The
第1のカラーフィルタ26a及び第2のカラーフィルタ26bは、平坦化層25内部に複数設けられ、光電変換素子13a、13bと対向するように設けられている。第1のカラーフィルタ26aは、上記第1の色の波長域の光を吸収するとともに、上記第2及び第3の色の波長域の光を透過させる。また、第2のカラーフィルタ26bは、上記第2の色の波長域の光を吸収するとともに、上記第1及び第3の色の波長域の光を透過させる。
A plurality of
例えば、第1のカラーフィルタ26aは、青色(第1の色)光を吸収し、緑色(第2の色)光及び赤色(第3の色)光を透過させる。一方、第2のカラーフィルタ26bは、緑色(第2の色)光を吸収し、青色(第1の色)光及び赤色(第3の色)光を透過させる。
For example, the
第1のカラーフィルタ26a及び第2のカラーフィルタ26bが吸収する光の波長域を適宜選択することで、光電変換膜23が吸収する光の波長域を選択することができる。
By appropriately selecting the wavelength range of light absorbed by the
図2は、第1の実施形態の固体撮像素子1を受光面1a側から見たときの第1のカラーフィルタ26a及び第2のカラーフィルタ26bの配列を示す平面模式図である。図2に示すように、第1のカラーフィルタ26a及び第2のカラーフィルタ26bは、画素2a、2b、2c、2dごとに交互に設けられている。
FIG. 2 is a schematic plan view showing the arrangement of the
マイクロレンズ8は、カラーフィルタ部7の受光面1a側に、各光電変換素子13a、13bに対向する位置に設けられている。マイクロレンズ8は、例えば、平面視円状のレンズとすることができ、マイクロレンズ8により入射光が集光されるようにすることができる。各マイクロレンズ8の光学中心は、各光電変換素子13a、13bの受光面の中心にそれぞれある。マイクロレンズ8の平面視面積は、光電変換素子13a、13bの受光面の面積よりも大きくなっている。
The microlens 8 is provided on the
次に、実施形態の固体撮像素子1の動作の概要について、図1を参照しながら説明する。なお、ここでは画素2aにおける動作について説明する。
先ず、マイクロレンズ8から入射した光のうち、第1のカラーフィルタ26aにより、第1の色の波長域の光を吸収するとともに、第2及び第3の色の波長域の光を透過させる。透過した第2及び第3の色の波長域の光は光電変換膜23に到達する。
Next, an outline of the operation of the solid-
First, of the light incident from the microlens 8, the
次に、光電変換膜23により、第2の色の波長域の光を吸収し、光電変換することで電荷が発生する。このとき、入射光量に応じて発生する電荷の量が変化する。発生した電荷は、ストレージダイオード16に蓄積される。
Next, the
次に、光電変換素子13aにより、第3の色の波長域の光を吸収し、光電変換することで電荷が発生し、蓄積される。このとき、入射光量に応じて発生する電荷の量が変化する。
Next, the
次に、ストレージダイオード16及び光電変換素子13aに蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン(不図示)へ送られる。フローティングディフュージョンに送られた電荷は電気信号に変換され、多層配線11を介して周辺回路(不図示)に送られる。以上のように、画素2aは、2種類の色の波長域の光を別々に検出することができる。また、第1のカラーフィルタ26aが透過することのできる光の波長域を選択することで、検出する光の波長域を選択することができる。
Next, the electric charges accumulated in the
図3は、第1の実施形態の固体撮像素子1を受光面1a側から見たときの検出する色の配列を示す平面模式図である。図3は隣接する2×2の4つの画素について、検出する色の配列を示している。また、四角形1つで1画素2a、2b、2c、2dを示し、四角形内の対角線より上側にある色は光電変換膜で光電変換される光の波長域の色、下側にある色は光電変換素子で光電変換される光の波長域の色を示している。なお、「B」は3原色のうち青色を示し、「G」は緑色を示し、「R」は赤色を示す。
FIG. 3 is a schematic plan view illustrating an arrangement of colors to be detected when the solid-
ここでは、一例として、光電変換膜で、青色(第1の色)光及び緑色(第2の色)光が光電変換され、光電変換素子で、赤色(第3の色)光が光電変換される場合について示す。また、画素2a、2dには、青色(第1の色)光を吸収するとともに、緑色(第2の色)光及び赤色(第3の色)光を透過する第1のカラーフィルタ26aが設けられている。一方、画素2b、2cには、緑色(第2の色)光を吸収するとともに、青色(第1の色)光及び赤色(第3の色)光を透過する第2のカラーフィルタ26bが設けられている。
Here, as an example, blue (first color) light and green (second color) light are photoelectrically converted by the photoelectric conversion film, and red (third color) light is photoelectrically converted by the photoelectric conversion element. The case will be shown. The
図3に示すように、画素2a、2dでは、第1のカラーフィルタ26aにより緑色光及び赤色光が透過されるため、光電変換膜において緑色光が光電変換される。また、光電変換膜を透過した赤色光は、光電変換素子において光電変換される。一方、画素2b、2cでは、第2のカラーフィルタ26bにより青色光及び赤色光が透過されるため、光電変換膜において青色光が光電変換される。また、光電変換膜を透過した赤色光は、光電変換素子において光電変換される。
As shown in FIG. 3, in the
次に、第1の実施形態の固体撮像素子1の製造方法について、図4〜図12を参照しながら説明する。図4〜図12は、第1の実施形態の固体撮像素子1の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the solid-
先ず、図4に示すように、Siウエハなどの半導体基板31上に、例えばホウ素などのp型の不純物がドープされたSi層をエピタキシャル成長させることにより、p型単結晶Si基板17を形成する。
First, as shown in FIG. 4, a p-type single
次に、p型単結晶Si基板17内部に画素2a、2bごとに、例えば、リンなどのn型の不純物をイオン注入し、アニール処理を行うことにより、p型単結晶Si基板17内にn型不純物拡散領域18を配置する。これにより、固体撮像素子1には、p型単結晶Si基板17とn型不純物拡散領域18とのPN接合によって、フォトダイオードである光電変換素子13a、13bが形成される。
Next, for example, n-type impurities such as phosphorus are ion-implanted into the p-type single
次に、p型単結晶Si基板17の内面に、例えば、リンなどのn型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことにより、ストレージダイオード16などの他のn型不純物拡散領域を形成する。さらに、必要に応じて、ホウ素などのp型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことで、画素分離領域等(不図示)を形成することができる。
Next, another n-type impurity diffusion region such as the
次に、p型単結晶Si基板17上に多層配線11や読み出し用トランジスタ12とともに、絶縁層10を形成する。具体的には、p型単結晶Si基板17の上面に読み出し用トランジスタ12などを形成した後、酸化Si層を形成する工程と、酸化Si層に所定の配線パターンを形成する工程と、配線パターン内にCuなどを埋め込む工程とを繰り返す。これにより、内部に多層配線11や読み出し用トランジスタ12等が設けられた絶縁層10が形成される。
Next, the insulating
次に、絶縁層10の上面に接着剤を塗布して接着層9を設け、接着層9の上面に、例えば、Siウエハなどの支持基板3を貼着する。なお、絶縁層10と支持基板3との貼着は、接着剤による貼着に代わって、絶縁層10の表面を平坦かつ平滑となるよう、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等による研磨を行い、支持基板3と直接接合することも可能である。
Next, an adhesive is applied to the upper surface of the insulating
次に、光電変換素子13a、13bを有するSiウエハの、支持基板3の反対側の表面を、例えば、グラインダ等の研削装置により所定の厚さになるまで薄層化する。その後、CMP等の研磨装置により半導体基板表面を研磨し、さらに、ウェットエッチング等により半導体基板表面のダメージ層を除去する。これにより、図5に示すように、p型単結晶Si基板17の受光面を露出させる。その後、p型単結晶Si基板17の上面に、例えば、SiO2等の透明な絶縁材料からなる透明絶縁層14を形成する。
Next, the surface of the Si wafer having the
次に、図6に示すように、各光電変換素子により四方を囲まれる位置における透明絶縁層14及びp型単結晶Si基板17を、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)により、ストレージダイオード16の上端まで除去する。これにより、トレンチ32が形成される。この、トレンチ32の内側面に、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、SiNなどの絶縁材料からなる絶縁膜20を形成する。
Next, as shown in FIG. 6, the transparent insulating
次に、図7に示すように、絶縁膜20によって内側面が被覆されたトレンチ32の内部に、例えば、CVD法により、例えば、Siなどの導電性材料からなる導電膜19を埋設する。なお、導電膜19については、上記の方法に代わって、ストレージダイオード16などの不純物拡散領域を形成する工程の前後において、リンなどのn型不純物をイオン注入したのちアニール処理することでn型不純物拡散領域を形成し、このn型不純物拡散領域をもって導電膜19とすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 7, a
次に、図8に示すように、透明絶縁層14の上面及び露出したコンタクトプラグ15の上面に、例えば、ITOなどの透明な導電性材料からなる導電層33を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, a conductive layer 33 made of a transparent conductive material such as ITO is formed on the upper surface of the transparent insulating
次に、図9に示すように、導電層33の上面に、例えば、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーにより下部透明電極21の形成位置となる部分のレジストを残し、それ以外のレジストを除去する。残ったレジスト34をマスクとして使用して、例えば、RIEを行い、レジストに覆われていない部分の導電層を除去し、図10に示すように、下部透明電極21を形成する。この後、マスクとして使用したレジスト34は除去される。
Next, as shown in FIG. 9, for example, a resist is applied to the upper surface of the conductive layer 33, and a portion of the resist where the lower
次に、図11に示すように、下部透明電極21の上面に、例えば、真空蒸着法により、光電変換膜23を形成する。この光電変換膜23は、例えば、緑色光及び青色光を選択的に吸収し、赤色光を透過させる性質を有する材料等からなる。具体的には、所望の2種類の波長域の光を選択的に吸収する材料をそれぞれ1種ずつ選択し、それらを共蒸着することで、光電変換膜23を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, the
次に、光電変換膜23の上面に、例えば、スパッタリング法により、例えば、ITOなどの透明な導電性材料からなる上部透明電極22を形成する。その後、上部透明電極22の上面に、例えば、スパッタリング法により、例えば、Al2O3からなる無機保護膜24を形成する。その後さらに、無機保護膜24の上に、図12に示すように、透明樹脂からなる平坦化層25を形成する。
Next, the upper
次に、平坦化層25における各光電変換素子13a、13bの受光面とそれぞれ対向する位置に、例えば、緑色と赤色を透過するカラーフィルタ用の顔料もしくは染料を用いてフォトリソグラフィーにより第1及び第2のカラーフィルタ26a、26bを形成する。そして第1及び第2のカラーフィルタ26a、26bを覆うように、さらに透明樹脂からなる平坦化層25を形成する。これにより、第1及び第2のカラーフィルタ26a、26bが平坦化層25に埋め込まれることになる。
Next, at the positions of the
最後に、平坦化層25の上面に、各光電変換素子13a、13bの受光面とそれぞれ対向する位置に、例えば、アクリル系の有機化合物などからなるマイクロレンズ8を、平面視において受光面を覆う大きさに形成する。以上により、第1の実施形態の固体撮像素子1が製造される。
Finally, a microlens 8 made of, for example, an acrylic organic compound is covered on the upper surface of the
以上説明したように、第1の実施形態の固体撮像素子1によれば、各画素の光電変換素子13a、13bにおいて同一の波長域の光を光電変換するため、クロストークによるノイズを低減することができる。
As described above, according to the solid-
また、第1の実施形態の固体撮像素子1によれば、光電変換膜23を用いているため、光電変換膜23に集光する必要がない。そのため、マイクロレンズ8の設置面積を大きくすることができ、光電変換素子13a、13bの受光面に入射する光の量を大幅に増やすことができる。
Further, according to the solid-
また、第1の実施形態の固体撮像素子1によれば、光電変換膜23は光の3原色のうち2色の波長域の光を吸収することができる。そのため、光電変換膜23に用いる材料の選択自由度が高い。
Moreover, according to the solid-
また、第1の実施形態の固体撮像素子1によれば、光電変換素子13a、13bで吸収される光を緑色光にすることで、全画素において比視感度が最も高い緑色光が検出されるため、輝度S/Nを向上することができる。
Further, according to the solid-
図13は、第1の実施形態の固体撮像素子1を適用したCMOSイメージセンサ41の一例を示す斜視図である。CMOSイメージセンサ41は、Full HD(1080p)タイプのCMOSイメージセンサである。CMOSイメージセンサ41は、固体撮像素子1と、モールド樹脂42と、を備える。
モールド樹脂42は、固体撮像素子1の受光面1a以外を覆うように設けられている。固体撮像素子1とモールド樹脂42とを一体化することにより、固体撮像素子1を外部からの応力、湿気、汚染物質から守ることができる。
FIG. 13 is a perspective view illustrating an example of a
The
CMOSイメージセンサ41は、デジタルカメラ、携帯電話(スマートフォンも含む)等の各種モバイル端末や、監視カメラ、インターネットを利用したウェブカメラ等の撮像装置に使用される。
The
図14は、第1の実施形態の固体撮像素子1を適用したCMOSイメージセンサ51の他の例を示す斜視図である。CMOSイメージセンサ51は、VGAタイプのCMOSイメージセンサである。CMOSイメージセンサ51は、固体撮像素子1と、モールド樹脂52と、を備える。
モールド樹脂52は、固体撮像素子1の受光面1a以外を覆うように設けられている。固体撮像素子1とモールド樹脂52とを一体化することにより、固体撮像素子1を外部からの応力、湿気、汚染物質から守ることができる。
FIG. 14 is a perspective view showing another example of the
The
CMOSイメージセンサ51は、デジタルカメラ、携帯電話(スマートフォンも含む)等の各種モバイル端末や、監視カメラ、インターネットを利用したウェブカメラ等の撮像装置に使用される。
The
図15は、上述したCMOSイメージセンサ41又はCMOSイメージセンサ51を搭載したカメラ62を備える車61の一例を示す平面図である。車61は、カメラ62と、ディスプレイ63と、を備える。カメラ62は、車61の前方端部に設けられ、車61の前方を撮影することができる。また、ディスプレイ63は、車61の運転席正面に設けられ、カメラ62で撮影した画像を表示することができる。カメラ62により撮影した画像をディスプレイ63で確認することにより、例えば駐車の際に、死角を確認することができる。
FIG. 15 is a plan view showing an example of a
図16は、上述したCMOSイメージセンサ41又はCMOSイメージセンサ51を搭載したカメラ72を備える車71の他の例を示す平面図である。車71は、カメラ72と、ディスプレイ73と、を備える。カメラ72は、車71の後方端部に設けられ、車71の後方を撮影することができる。また、ディスプレイ73は、車71の運転席正面に設けられ、カメラ72で撮影した画像を表示することができる。カメラ72により撮影した画像をディスプレイ73で確認することにより、後方を確認することができる。
FIG. 16 is a plan view showing another example of a
図17は、上述したCMOSイメージセンサ41又はCMOSイメージセンサ51を搭載したカメラを備えるスマートフォン81を示す平面図である。スマートフォン81は、カメラ(不図示)と、タッチパネル82と、を備える。カメラは、例えば、スマートフォン81の正面上部に設けた場合、スマートフォン81の正面を撮影することができる。また、タッチパネル82は、スマートフォン正面中央に設けられ、カメラにより撮影した画像を表示することができる。
FIG. 17 is a plan view showing a
図18は、上述したCMOSイメージセンサ41又はCMOSイメージセンサ51を搭載したカメラを備えるタブレット91を示す平面図である。タブレット91は、カメラ(不図示)と、タッチパネル92と、を備える。カメラは、例えば、タブレット91の正面上部に設けた場合、タブレット91の正面を撮影することができる。また、タッチパネル92は、タブレット正面中央に設けられ、カメラにより撮影した画像を表示することができる。
FIG. 18 is a plan view showing a
(第2の実施形態)
図19は、第2の実施形態の固体撮像素子101の構成を模式的に示す断面図である。
第2の実施形態の固体撮像素子101は、支持基板3と、配線部4と、第1の光電変換部5と、第2の光電変換部6と、カラーフィルタ部7、マイクロレンズ8と、を備える。すなわち、第2の実施形態の固体撮像素子101は、一部の画素においてカラーフィルタ103を備えていないこと以外は、第1の実施形態と同様であり、同様の部分に関しては説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solid-
The solid-
図20は、第2の実施形態の固体撮像素子101を受光面1a側から見たときのカラーフィルタ103の配列を示す平面模式図である。図20に示すように、カラーフィルタ103が設けられた画素102a、102dと、カラーフィルタ103が設けられない画素102b、102cとが、交互に設けられている。
FIG. 20 is a schematic plan view showing the arrangement of the
図21は、第2の実施形態の固体撮像素子101を受光面1a側から見たときの、検出する色の配列を示す平面模式図である。図21は、図3と同様に、隣接する2×2の4つの画素について、検出する色の配列を示している。また、四角形1つで1画素102a、102b、102c、102dを示し、四角形内の対角線より上側にある色は光電変換膜23で光電変換される光の波長域の色、下側にある色は光電変換素子で光電変換される光の波長域の色を示している。なお、「G」は3原色のうち緑色を示し、「B」は青色を示し、「R」は赤色を示す。
FIG. 21 is a schematic plan view illustrating an arrangement of colors to be detected when the solid-
ここでは、一例として、カラーフィルタ103が、青色(第1の色)光を吸収するとともに、緑色(第2の色)光及び赤色(第3の色)光を透過する。また、光電変換膜が青色(第1の色)光及び緑色(第2の色)光を光電変換し、光電変換素子が赤色(第3の色)光を光電変換する。第2の実施形態の固体撮像素子101では、カラーフィルタ103が設けられていない画素102b、102cにおいて、光電変換膜が青色と緑色の2色からなるブレンドカラーを検出する。
Here, as an example, the
第2の実施形態の固体撮像素子101の製造方法では、上述した図11のように無機保護膜24を形成した後に、カラーフィルタ103を一画素おきに形成する。その後は第1の実施形態の固体撮像素子1と同様にして第2の実施形態の固体撮像素子101を作製することができる。
In the method of manufacturing the solid-
第2の実施形態の固体撮像素子101によれば、第1の実施形態と比較して、カラーフィルタの数が半分になるため、材料コストを抑えることができる。
According to the solid-
(第3の実施形態)
第3の実施形態の固体撮像素子111は、支持基板3と、配線部4と、第1の光電変換部5と、第2の光電変換部6と、カラーフィルタ部7と、マイクロレンズ8と、を備える。第3の実施形態では、カラーフィルタ103が、隣接する2×2の4つの画素のうち、任意に選択された3つの画素に設けられており、カラーフィルタ103の配列が第2の実施形態と異なる。それ以外は、第2の実施形態と同様であり、同様の部分に関しては説明を省略する。
(Third embodiment)
The solid-
図22は、第3の実施形態の固体撮像素子111を受光面1a側から見たときのカラーフィルタ103の配列を示す平面模式図である。図22に示すように、カラーフィルタ103は、隣接する2×2の4つの画素112a、112b、112c、112dのうち、任意に選択された3つの画素112a、112c、112dに設けられている。
FIG. 22 is a schematic plan view illustrating the arrangement of the
図23は、第3の実施形態の固体撮像素子111を受光面1a側から見たときの、検出する色の配列を示す平面模式図である。図23は、図3と同様に、隣接する2×2の4つの画素について、検出する色の配列を示している。また、四角形1つで1画素112a、112b、112c、112dを示し、四角形内の対角線より上側にある色は光電変換膜23で光電変換される光の波長域の色、下側にある色は光電変換素子で光電変換される光の波長域の色を示している。なお、「G」は3原色のうち緑色を示し、「B」は青色を示し、「R」は赤色を示す。
FIG. 23 is a schematic plan view illustrating an arrangement of colors to be detected when the solid-
ここでは、一例として、カラーフィルタ103が、青色(第1の色)光を吸収するとともに、緑色(第2の色)光及び赤色(第3の色)光を透過する。また、光電変換膜が青色(第1の色)光及び緑色(第2の色)光を光電変換し、光電変換素子が赤色(第3の色)光を光電変換する。第3の実施形態の固体撮像素子111では、カラーフィルタ103が設けられていない画素102bにおいて、光電変換膜が青色と緑色の2色からなるブレンドカラーを検出する。
Here, as an example, the
第3の実施形態の固体撮像素子111によれば、光電変換膜により緑色光を検出する場合、第1の実施形態と比較して、比視感度が最も高い緑色のサンプリング点が1.5倍に増加するため、輝度S/Nを向上することができる。
According to the solid-
(第4の実施形態)
図24は、第4の実施形態の固体撮像素子121の構成を模式的に示す断面図である。
第4の実施形態の固体撮像素子121は、支持基板3と、配線部4と、第1の光電変換部5と、第2の光電変換部6と、カラーフィルタ部7と、マイクロレンズ8と、平坦化層122と、を備える。すなわち、第4の実施形態の固体撮像素子121は、平坦化層122を備えること以外は、第1の実施形態と同様であり、同様の部分に関しては説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solid-
The solid-
平坦化層122は、下部透明電極21及び透明絶縁層14と光電変換膜23との間に隣接して設けられており、下部透明電極21及び透明絶縁層14の表面の凹凸を平滑化することができる。平坦化層122の材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。
The
平坦化層122は、上述した図10のように、下部透明電極21が形成された後に、スピンコートなどの塗布プロセスにより、透明樹脂を下部透明電極21及び透明絶縁層14の上に塗布することで成膜することができる。平坦化層122を成膜した後は、平坦化層122の上に、光電変換膜23を塗布し、その後は第1の実施形態の固体撮像素子1と同様にして第4の実施形態の固体撮像素子121を作製することができる。
As shown in FIG. 10 described above, after the lower
第4の実施形態の固体撮像素子121によれば、下部透明電極21及び透明絶縁層14の表面凹凸の光電変換膜23に与える影響を低減し、上部透明電極22と下部透明電極21との短絡を防止することができる。これにより、暗電流(遮光時に光電変換膜23を流れる電流)が低減され、S/Nを向上することができる。
According to the solid-
第4の実施形態では、下部透明電極21及び透明絶縁層14と光電変換膜23との間に隣接するように平坦化層122を備えていたが、他の実施形態においても同様に平坦化層122を備えていてもよい。これにより、他の実施形態においても、暗電流(遮光時に光電変換膜23を流れる電流)が低減され、S/Nを向上することができる。
In the fourth embodiment, the
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、光電変換膜23と、複数の光電変換素子13a、13bとを持つことにより、クロストークによるノイズを低減することができる。
According to at least one embodiment described above, noise due to crosstalk can be reduced by having the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1、101、111、121…固体撮像素子、1a…受光面、2a、2b、2c、2d…画素、3…支持基板、4…配線部、5…第1の光電変換部、6…第2の光電変換部、7…カラーフィルタ部、8…マイクロレンズ、9…接着層、10…絶縁層、11…多層配線、12…読み出し用トランジスタ、13a、13b…光電変換素子、14…透明絶縁層、15…コンタクトプラグ、16…ストレージダイオード、17…p型単結晶Si基板(基板)、18…n型不純物拡散領域、19…導電膜、20…絶縁膜、21…下部透明電極、22…上部透明電極、23…光電変換膜、24…無機保護膜、25…平坦化層、26a…第1のカラーフィルタ、26b…第2のカラーフィルタ、31…半導体基板、32…トレンチ、33…導電層、34…レジスト、41、51…CMOSイメージセンサ、42、52…モールド樹脂、61、71…車、62、72…カメラ、63、73…ディスプレイ、81…スマートフォン、82…タッチパネル、91…タブレット、92…タッチパネル、102a、102b、102c、102d…画素、103…カラーフィルタ、112a、112b、112c、112d…画素、122…平坦化層
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記複数の画素に対応するように前記基板に内設され、前記光電変換膜を透過した前記第3の色の波長域の光を吸収して光電変換する複数の光電変換素子と、
を備える、固体撮像素子。 Provided across a plurality of pixels on one surface side of the substrate, absorbs light in the wavelength regions of any of the first and second colors in the three primary colors of light and performs photoelectric conversion, and A photoelectric conversion film that transmits light in the wavelength range;
A plurality of photoelectric conversion elements which are provided in the substrate so as to correspond to the plurality of pixels and which absorb and photoelectrically convert light in the wavelength region of the third color transmitted through the photoelectric conversion film;
A solid-state imaging device.
前記光電変換膜を挟んで任意の前記光電変換素子と対向するように設けられ、前記第2の色の波長域の光を吸収するとともに、前記第1及び第3の色の波長域の光を透過させる第2のカラーフィルタと、
を備える、請求項1に記載の固体撮像素子。 It is provided so as to face any of the photoelectric conversion elements across the photoelectric conversion film, and absorbs light in the wavelength range of the first color and emits light in the wavelength range of the second and third colors. A first color filter to transmit;
It is provided so as to face any of the photoelectric conversion elements across the photoelectric conversion film, and absorbs light in the wavelength region of the second color and emits light in the wavelength region of the first and third colors. A second color filter to transmit;
The solid-state imaging device according to claim 1, comprising:
前記光電変換膜と前記下部透明電極との間に設けられる平坦化層と、
を備える、請求項1に記載の固体撮像素子。 A plurality of lower transparent electrodes provided on the light-receiving surface side of the substrate;
A planarization layer provided between the photoelectric conversion film and the lower transparent electrode;
The solid-state imaging device according to claim 1, comprising:
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2015
- 2015-02-16 JP JP2015027733A patent/JP2016152265A/en active Pending
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