JP4491323B2 - 光電変換膜積層型カラー固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の上に積層した光電変換膜で３原色のうちの１色の入射光を受光し光電変換膜を透過した残り２色の入射光の各々を半導体基板に形成した光電変換素子で受光する光電変換膜積層型カラー固体撮像装置に係り、特に、光電変換膜で受光して得た色信号と光電変換素子で受光して得た色信号との色バランスをとるのが容易な光電変換膜積層型カラー固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代表される単板式カラー固体撮像装置では、光電変換する画素の配列上に３種または４種の色フィルタをモザイク状に配置している。これにより、各画素から色フィルタに対応した色信号が出力され、これ等の色信号を信号処理することでカラー画像が生成される。

しかし、モザイク状に色フィルタを配列したカラー固体撮像装置は、原色の色フィルタの場合、およそ入射光の２／３が色フィルタで吸収されてしまうため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題がある。また、各画素で１色の色信号しか得られないため、解像度も悪く、特に、偽色が目立つという問題もある。

そこで、斯かる問題を克服するために、信号読出回路が形成された半導体基板の上に３層の光電変換膜を積層する構造の撮像装置が研究・開発されている（例えば、下記の特許文献１，２）。この撮像装置は、例えば、光入射面から順次、青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ）の光に対して信号電荷（電子，正孔）を発生する光電変換膜を重ねた画素構造を備え、しかも各画素毎に、各光電変換膜で光発生した信号電荷を独立に読み出すことができる読出部が設けられる。

斯かる構造の撮像装置の場合、入射光が殆ど光電変換されて読み出され、可視光の利用効率は１００％に近く、しかも各画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号が得られるため、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像が生成できる。

また、下記特許文献３に記載された撮像装置では、シリコン基板内に光信号を検出する３重のウエル（フォトダイオード）を設け、シリコン基板の深さの違いにより、分光感度の異なる信号（表面からＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の波長にピークを持つ）を得るようになっている。これは、入射光のシリコン基板内への侵入距離が波長に依存することを利用している。この撮像装置も、特許文献１，２に記載された撮像装置と同様に、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像を得ることができる。

しかし、特許文献１，２に記載された撮像装置は、３層の光電変換膜を半導体基板の上に順に積層し、且つ、各光電変換膜で発生したＲ，Ｇ，Ｂ毎の信号電荷を夫々半導体基板に形成した信号読出回路に接続する縦配線を形成する必要があるが、その製造は難しく、製造歩留まりが低いためコストが嵩んでしまうという問題がある。

一方、特許文献３に記載された撮像装置は、青色光は最浅部のフォトダイオード、赤色光は最深部のフォトダイオード、緑色光は中間部のフォトダイオードで検出する構造になっているが、例えば最浅部のフォトダイオードでは緑色光や赤色光によっても光電荷が発生してしまうため、Ｒ信号，Ｇ信号，Ｂ信号の分光感度特性の分離が十分でなく、色再現性が悪いという問題がある。しかも、真のＲ信号，Ｇ信号，Ｂ信号を得るために各フォトダイオードからの出力信号を加減算処理する必要があり、この加減算処理により画像信号のＳ／Ｎが劣化してしまうという問題もある。

前述した特許文献１，２，３記載の撮像装置の各問題点を改善するものとして、特許文献４記載の撮像装置が提案されている。この撮像装置は、特許文献１，２記載の撮像装置と特許文献３記載の撮像装置のハイブッリド型となっており、その構造は、緑（Ｇ）に感度を持つ光電変換膜を１層だけ半導体基板の上に積層し、光電変換膜を透過した青（Ｂ）と赤（Ｒ）の入射光は、従来のイメージセンサと同様に、半導体基板に形成されたフォトダイオードで受光する構造になっている。

光電変換膜が１層で済むため、製造工程が簡単になり、コストアップや歩留り低下を避けることができる。また、光電変換膜で緑色光が吸収されるため、半導体基板内の青色用と赤色用の各フォトダイオードの分光感度特性の分離は改善され、色再現性が良好になると共に、Ｓ／Ｎも改善されるという利点がある。

特表２００２−５０２１２０号公報 開２００２−８３９４６号公報 特表２００２−５１３１４５号公報 特開２００３−３３２５５１号公報

特許文献４に記載されている様なハイブリッド型の撮像装置は、製造コストの低減や、色再現性の向上，Ｓ／Ｎの向上という利点があるが、次の様な別の問題が生じてしまう。

尚、ハイブリッド型の撮像装置の半導体基板に設けられる信号読出回路としては、ＣＣＤ型の信号読出回路（電荷転送路及び転送電極等）と、ＣＭＯＳ型の信号読出回路（ＭＯＳトランジスタ及び信号配線等）とがあるが、ここでは、ＣＭＯＳ型の信号読出回路に限定して説明する。

（１）光電変換膜の光電変換特性は、膜内の電界（または、光電変換膜の端子間電圧）により大きく変化する。同じ光強度の光が入射する場合、常に一定の割合で信号電荷を蓄積することが望ましいが、信号電荷が膜内に蓄積されて行くに従い、膜の端子間電圧が下がり、膜内に蓄積される電荷量の割合が減少して行ってしまう。

そのため、光強度と出力信号の関係が比例関係からズレ、光電変換特性の直線性が劣化してしまう。その一方で、半導体基板に設けたフォトダイオードでは斯かる問題は発生しないため、ハイブリッド型の撮像装置では、フォトダイオードで検出する赤色及び青色と、光電変換膜で検出する緑色とのバランスをとることが難しく、画質が低下してしまう。

（２）光電変換膜の透過光は、緑色（Ｇ）光が吸収されるため赤色（Ｒ）光と青色（Ｂ）光のみとなる。Ｒ光とＢ光とを、半導体基板に形成した２層構造のフォトダイオードで受光する場合、Ｂ光に対する半導体の吸収係数がＲ光に対する半導体の吸収係数より大きいため、半導体基板表面に近いフォトダイオードはＢ光に対して相対的に感度が高く、深部のフォトダイオードは相対的にＲ光に対する感度が高い。

各フォトダイオードに入射する光の中にＧ光が無いため、ＲとＢの色分離は良くなるが、半導体基板の光吸収係数の違いを利用する限り、色分離の改善は十分でない。例えば、青色用のフォトダイオードに赤色光が入射しても光電荷が発生してしまい、十分に良好な色再現性を得ることができない。

本発明の第１の目的は、光電変換膜における光電変換特性の直線性が良好なＣＭＯＳ型信号読出回路を持つハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の色分離を改善し良好な色再現性が得られるＣＭＯＳ型信号読出回路を持つハイブリッド型の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置を提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、３原色のうちの第１色用の信号読出回路と第２色用の信号読出回路と第３色用の信号読出回路とがＭＯＳトランジスタ回路により形成されると共に前記第１色の入射光受光用フォトダイオードと前記第２色の入射光受光用フォトダイオードとが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層され前記第３色の入射光を受光して光電荷を発生させる光電変換膜と、該光電変換膜に画素毎に分離して被着された画素電極膜を前記半導体基板に形成されたコンタクト部に接続する縦配線と、前記半導体基板に形成され前記コンタクト部と前記第３色用の信号読出回路との間に設けられた電位障壁部とを備えることを特徴とする。

この構成により、第３色の入射光により発生した光電荷が蓄積しても光電変換膜の膜電圧は一定電圧に保たれ、膜内の平均電界が一定に保たれるため、光電変換特性の直線性の劣化が起きず、第３色と、第１色，第２色との間の色バランスを保つことが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の前記信号読出回路は、信号電荷を電圧信号に変換する出力用トランジスタと、行選択用トランジスタと、信号電荷をリセットするリセット用トランジスタとで構成されることを特徴とする。

この構成により、公知の３トランジスタ構成の信号読出回路を利用可能となる。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の前記電位障壁部は電位障壁用トランジスタであり、該電位障壁用トランジスタのソースが前記コンタクト部として形成され、前記電位障壁用トランジスタのドレインが前記第３色用の信号読出回路に電気的に接続され、前記電位障壁用トランジスタのゲートが直流電源に接続されていることを特徴とする。

この構成により、電位障壁部を既知のトランジスタ構造で製造でき、電位障壁部を容易に形成することが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記電位障壁部と前記信号読出回路との間に電荷蓄積部を設けたことを特徴とする。

この構成により、光電変換膜で発生した光電荷を速やかに電荷蓄積部に移動させることが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記縦配線から前記コンタクト部を通して流れ込む信号電荷を蓄積する導電型の第１の半導体層と、該第１の半導体層の上側に設けられ該第１の半導体層と反対導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層の下側に設けられ該第１の半導体層と反対導電型の第３の半導体層との３層構造を備えると共に該３層構造と前記第３色用の信号読出回路との間に読出用トランジスタを備え、前記３層構造のうちの前記第１の半導体層の厚みまたは不純物密度が小さく形成された部分を前記電位障壁部にすると共に前記３層構造のうちの前記第１の半導体層の厚みまたは不純物密度が前記電位障壁部より大きく形成された部分を前記電荷蓄積部とし、前記第１の半導体層の前記電位障壁部側の端子が前記コンタクト部に電気的に接続され、前記第１の半導体層の前記電荷蓄積部側の端子が前記読出用トランジスタのソースに電気的に接続されていることを特徴とする。

この構成によっても、第３色の入射光により光電変換膜で発生した光電荷が速やかに電荷蓄積部に移動すると共に膜電位が一定に保たれ、光電変換特性の直線性の劣化が起きない。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記第１色の入射光受光用フォトダイオードと前記第２色の入射光受光用フォトダイオードは、前記半導体基板の深さ方向に積層して設けられていることを特徴とする。

この構成により、１受光部で第１色，第２色，第３色の３原色の信号を得ることが可能となり、高感度で、偽色が目立たない高解像度の画像を得ることが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記第１色の入射光受光用フォトダイオードと前記第２色の入射光受光用フォトダイオードとは前記半導体基板の表面部に市松状に配列形成され、前記第１色の入射光受光用フォトダイオードの上には前記第１色の入射光を透過すると共に前記第２色の入射光を遮断するカラーフィルタが積層され、前記第２色の入射光受光用フォトダイオードの上には前記第２色の入射光を透過すると共に前記第１色の入射光を遮断するカラーフィルタが積層されていることを特徴とする。

この構成により、第１色と第２色の色分離性能が高くなり、画像の色再現性を高めることが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記第１色が青色であり、前記第２色が赤色であり、前記第３色が緑色であることを特徴とする。

この構成により、輝度信号として使用できる緑色の画素数を多くとることができ、高感度，高解像度の画像を得ることが可能となる。

本発明によれば、光電変換膜で構成される画素の信号電荷に対して電位障壁として振舞う電位障壁領域を設けたため、蓄積された信号電荷量に関係なく光電変換膜の端子電圧を一定に保つことができ、光電変換特性の直線性の劣化が生じず、色バランスが崩れることがなくなる。また、カラーフィルタを用いて色分離を行うことで色再現性を高めることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図である。光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００には、多数の受光部１０１が、この例では正方格子状に配列されている。光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００を構成する半導体基板の表面部には、後述する青色光検出用フォトダイオード及び赤色光検出用フォトダイオードと、ＭＯＳトランジスタ回路で構成される信号読出回路が集積回路技術を用いて形成され、この半導体基板の上層に、光電変換膜が製膜技術等により積層されている。

各受光部１０１毎に設けられた３つの信号読出回路は、行選択走査回路１０２と行選択信号線１０６とリセット信号線１０７により接続され、各信号読出回路と画像信号出力部１０３とは、列信号（画像信号）線１０５ｒ，１０５ｇ，１０５ｂによって接続され、画像信号出力部１０３から出力信号１０４が出力される。

画像信号出力部１０３は、列信号（画像信号）線１０５ｒ，１０５ｇ，１０５ｂから取り込んだ赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の画像信号をアナログ信号として出力するものでも、また、画像信号をデジタル変換してデジタル信号として出力するものでもよい。

尚、ｒ，ｇ，ｂの添え字は、以下も同様であるが、検出する入射光の色である赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）に対応する。

図２は、図１に示す受光部１０１の拡大模式図である。光遮蔽膜１１０には縦横に配列して多数の矩形の開口１１１が穿設されており、各開口１１１の位置には、開口１１１より若干広い、後述の画素電極膜１１２が開口１１１に整合して設けられている。各開口１１１の位置が、夫々、図１に示す受光部１０１となる。

図３は、図２のIII―III線断面模式図であり、図４は図２のIV―IV線断面模式図であり、図５は図２のＶ―Ｖ線断面模式図である。図３，図４，図５には、夫々、ＣＭＯＳ型の信号読出回路１１４ｇ，１１４ｂ，１１４ｒの断面構造の図示は省略しているが、その等化回路図を併記してある。

ｎ型半導体基板１２０の表面部にはｐウェル層１２１が形成され、ｐウェル層１２１内の深部にはｎ型半導体層１２４が形成され、ｐウェル層１２１内の浅部にはｎ型半導体層１２４と離間したｎ型半導体層１２３が形成されている。ｎ型半導体層１２３の表面にはｐ^＋層１２５が形成され、半導体基板１２０の最表面にはゲート絶縁膜１２２が形成されている。

ゲート絶縁膜１２２の上には、４層の透明絶縁膜１２６〜１２９が基板１２０側から順に積層され、上層の透明絶縁膜１２９の上には、図２で説明した光遮蔽膜１１０が形成される。光遮蔽膜１１０は、各開口１１１（図２参照）が、ｎ型半導体層１２４，１２３の上方位置に整列するように形成される。

光遮蔽膜１１０で覆われる位置の４層の透明絶縁膜１２６〜１２９の各層間には、図１で説明した行選択線１０６やリセット線１０７、列信号線１０５ｒ，１０５ｇ，１０５ｂ、電源線等が形成される。これは、信号読出回路が４層メタル構造で製造されるためである。

ｎ型半導体層１２４は、図５に示す様に、光遮蔽膜１１０に覆われる端部位置において、ゲート絶縁膜１２２に達する表面位置まで立ち上げられ、信号配線４１ｒによって信号読出回路１１４ｒに接続され、ｎ型半導体層１２３は、図４に示す様に、光遮蔽膜１１０に覆われる端部位置において、信号配線４１ｂによって信号読出回路１１４ｂに接続される。

図３，図４，図５に等価回路図で示す信号読出回路１１４ｇ，１１４ｂ，１１４ｒは、半導体基板のｐウェル層１２１内に形成した図示しないソース領域，ドレイン領域とゲート絶縁膜１２２の上に形成したゲート電極膜とによって構成される公知のＭＯＳトランジスタで構成され、光遮蔽膜１１０に覆われる位置に形成される。光遮蔽膜１１０で信号読出回路を覆うことで、信号読出回路に光が入ることにより起きる混色を避けることができる。

光遮蔽膜１１０の上には透明絶縁膜１３０が積層され、透明絶縁膜１３０の上の開口１１１の上部に当たる位置に、開口１１１より若干広い画素電極膜１１２が形成される。画素電極膜１１２は、光学的に透明または光吸収が少ない材料で形成される。例えば、ＩＴＯ等のような金属化合物や、非常に薄い金属膜等で形成される。

各受光部１０１の各画素電極膜１１２の上には、全受光部１０１共通の１枚構成でなる光電変換膜１４０が積層される。この光電変換膜１４０は、主として緑色（Ｇ）の波長領域の光に感度を有し、入射光の内の緑色の入射光量に応じた光電荷を発生する。光電変換膜１４０の構造は、単層膜構造でも多層膜構造でもよく、主に緑に感度がある無機材料（シリコンや化合物半導体、それらのナノ粒子等）、有機半導体材料、有機色素を含む有機材料または無機材料等で形成される。

光電変換膜１４０の上には透明の共通電極膜（各画素電極膜１１２の対向電極膜）１４１が形成され、その上には、透明の保護膜１４２が形成される。対向電極膜１４１は、全受光部１０１共通の一枚の膜状電極でも良く、また、画素電極膜１１２と同様に矩形の電極膜を区画して形成しこれらを共通配線した構成でも良い。材料としては、例えばＩＴＯ等のような金属化合物や非常に薄い金属膜等で形成されるが、光学的に透明または光吸収が少ない材料とする必要がある。

各画素電極膜１１２によって区画される領域がＧ画素となる。また、ｎ型半導体層１２３とその下のｐウェル層１２１との間で形成されるｐｎ接合がフォトダイオード（光電変換素子）を構成する。このフォトダイオードは、半導体基板１２０の表面部に近いため、波長の短い青色（Ｂ）光の吸収係数が大きく、Ｂ光に感度があるＢ画素となる。

ｎ型半導体層１２４とその上下のｐウェル層１２１との間に形成されるｐｎ接合もフォトダイオードを構成する。このフォトダイオードは、半導体基板１２０の深部にあるため、入射光のうち到達する光は光吸収係数が小さい赤色（Ｒ）光の成分が支配的になり、Ｒ光に感度があるＲ画素となる。

上述した各受光部１０１におけるＲ画素の中心，Ｇ画素の中心，Ｂ画素の中心、および開口１１１の中心は、半導体基板１２０の垂直方向（光入射方向）から見て一致する様に製造するのが望ましい。

画素電極膜１１２と、半導体基板１２０の表面部に形成された緑色用の信号読出回路１１４ｇとを接続するために、各透明絶縁膜１２６〜１３０間に縦配線接続用金属膜１３１〜１３４が設けられると共に、各透明絶縁膜１２６〜１３０を貫通する縦配線１３５〜１３９が設けられる。縦配線１３５〜１３９は、例えばタングステンＷや銅Ｃｕ等のプラグで形成される。

縦配線１３６〜１３９は開口１１１内の隅に設けられるが、半導体基板１２０の表面部に接続される最終の縦配線１３５は、縦配線接続用金属膜１３１を光遮蔽膜１１０に覆われる位置に延ばすことで、入射光が当たらない位置に設けられる。

本実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置では、最終の縦配線１３５と、緑色検出用の信号読出回路１１４ｇとの間に、電位障壁用トランジスタ１４３を設ける。

電位障壁用トランジスタ１４３は、半導体基板１２０のｐウェル層１２１表面部に形成されたソース領域１４４及びドレイン領域１４５と、ゲート絶縁膜１２２を介してソース領域１４４／ドレイン領域１４５間に渡されたゲート電極膜１４６とからなり、縦配線１３５はソース領域１４４に接続され、ドレイン領域１４５が配線４１ｇにより信号読出回路１１４ｇに接続される。即ち、ソース領域１４４が縦配線１３５のコンタクト部となる。

信号読出回路１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂは、夫々、公知の３トランジスタ構成でなり、同一構成であるため、信号読出回路１１４ｇについてその接続構成を説明する。

出力用トランジスタ１１５ｇのドレインは直流電源線１１３に接続され、ゲートが配線４１ｇにより電位障壁用トランジスタ１４３のドレイン１４５に接続される。行選択用トランジスタ１１６ｇのドレインは出力用トランジスタ１１５ｇのソースに接続され、行選択用トランジスタ１１６ｇのソースが列信号線１０５ｇに接続され、ゲートが行選択信号線１０６に接続される。リセット用トランジスタ１１７ｇのドレインは直流電源線１１３に接続され、ソースは出力用トランジスタ１１５ｇのゲートに接続され、リセット用トランジスタ１１７ｇのゲートはリセット信号線１０７に接続される。

信号読出回路１１４ｂにおいては、出力用トランジスタ１１５ｂのゲートが配線４１ｂによりｎ型半導体層１２３に接続され、信号読出回路１１４ｒにおいては、出力用トランジスタ１１５ｒのゲートが配線４１ｒによりｎ型半導体層１２４に接続される。

本実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、上述した構成でなり、被写体からの光が、先ず、光電変換膜１４０に入射すると、入射光の内の緑色光の光量に応じた信号電荷が光電変換膜１４０で発生する。この信号電荷は、画素電極膜１１２から縦配線１３９，１３８，１３７，１３６，１３５を通して半導体基板上のソース領域１４４に流れ、電位障壁用トランジスタ１４３を通して出力用トランジスタ１１５ｇのゲート部分に蓄積される。これにより、緑色の信号電荷量に応じた信号が信号読出回路１１４ｇによって読み出される。

入射光のうちの青色光と赤色光とは光電変換膜１４０を透過し、光遮蔽膜１１０の開口１１１を通して半導体基板にまで達する。そのうち、短波長の青色光は半導体基板表面部分で吸収され、この部分に設けられたフォトダイオードにより信号電荷が発生し、出力用トランジスタ１１５ｂのゲート部分に蓄積される。これにより、青色の信号電荷量に応じた信号が信号読出回路１１４ｂによって読み出される。

入射光のうちの長波長の赤色光は半導体基板の深部に達し、この部分に設けられたフォトダイオードにて信号電荷が発生する。この信号電荷は、出力用トランジスタ１１５ｒのゲート部分に蓄積され、赤色の信号電荷量に応じた信号が信号読出回路１１４ｒによって読み出される。

本実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、光電変換膜１４０で発生した信号電荷を縦配線を介して出力用トランジスタ１１５ｇのゲート部分に流す途中に電位障壁用トランジスタ１４３を設けている。この電位障壁用トランジスタは次の様に機能する。

電位障壁用トランジスタ１４３のゲート１４６に、図示しない配線によって直流電圧を印加すると、ゲート１４６下のチャネル電位は一定になり、これが電位障壁部として作用する。

光電変換膜１４０に光が入射することで発生するＧ画素の信号電荷は、電位障壁用トランジスタ１４３のゲート下チャネル（電位障壁部）を経て出力用トランジスタ１１５ｇのゲート部に流れ、蓄積される。従来の場合、信号電荷が蓄積されるに従って、光電変換膜１４０の膜電位が変化したが、本実施形態では、Ｇ画素の画素電極膜１１２の電圧は、電位障壁部が存在することにより、出力用トランジスタ１１５ｇのゲート部に蓄積される電荷量に関係なく、ほぼ電位障壁部の電圧Ｖｌに固定される。

従って、本実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置では、光電変換膜１４０で良好な光電変換特性が得られる膜端子間電圧をＶ２とすれば、（Ｖ１＋Ｖ２）の電圧を共通電極膜１４１に印加することで、トランジスタ１１５ｇのゲート部に蓄積される電荷量に関係なく常に良好な光電変換が光電変換膜１４０で行われ、光電変換膜１４０への光入射強度と光電変換膜１４０からの出力信号強度との間の直線性は良くなる。これにより、半導体基板１２０側に設けたＲ画素，Ｂ画素で検出した赤色信号，青色信号と、光電変換膜１４０で検出した緑色信号との色バランスが崩れることがなくなり、良好な画像を得ることが可能となる。

尚、電位障壁部の電位障壁が所望する値となるように、印加する直流電圧の値や、チャネル部分への不純物の注入ドープ量を選択しておくのは当然である。また、本実施形態では、電位障壁用トランジスタをＭＯＳ型トランジスタ１４３で構成したが、接合型トランジスタで構成することでもよいことはいうまでもない。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置２００の表面模式図である。図１に示す第１の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置１００と比較して、各受光部１０１の信号読出回路と行選択走査部１０２とを接続する読出信号線２０８が追加されている点が異なる。

図７，図８，図９は、夫々、第１の実施形態に係る図３，図４，図５に対応する本実施形態に係る撮像装置の断面模式図である。第１の実施形態と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

本実施形態では、図１で説明した電位障壁用トランジスタ１４３の代わりに別構造の電位障壁部２５１ｂ等を設け、また、信号読出回路１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂの出力用トランジスタ１１５ｒ，１１５ｇ，１１５ｂのベースと電位障壁部との間に読出用トランジスタ２１８ｒ，２１８ｇ，２１８ｂを介装して４トランジスタ構成にすると共に読出用トランジスタの各ベースに読出信号線２０８を接続した点が異なる。

本実施形態では、図７に示す様に、ｐウェル層１２１表面部に設けられ縦配線１３５が接続されるコンタクト用ｎ^＋型半導体層２５０に隣接してｎ型半導体層２５１が設けられ、また、このｎ型半導体層２５１の表面部にｐ^＋型半導体層２５２が設けられている。

ｎ型半導体層２５１は、コンタクト用ｎ^＋型半導体層２５０側の層厚が薄く形成された部分（または、不純物濃度が低く形成された部分）２５１ｂと、読出用トランジスタ２１８ｇのソースが接続される側の層厚が厚く形成された部分（または、不純物濃度が高く形成された部分）２５１ａとを有する。部分２５１ｂは、電位井戸が浅いため電位障壁部として機能し、部分２５１ａは、電位井戸が深いため信号電荷の蓄積部として機能する。

本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置では、Ｇ画素の信号電荷は電位障壁部２５１ｂを経て電荷蓄積部２５１ａに蓄積されるため、画素電極膜１１２の電圧は、電荷蓄積部２５１ａに蓄積される電荷量に関係なくほぼ電位障壁部２５１ｂの電圧Ｖ１に固定される。

従って、良好な光電変換特性が得られる光電変換膜端子間電圧をＶ２とすれば、（Ｖ１＋Ｖ２）の電圧を対向電極膜１４１に印加すれば、蓄積される電荷量に関係なく常に良好な光電変換が行われ、光電変換特性の直線性は良くなる。

また、本実施形態では、信号読出回路を４トランジスタ構成とし、読出信号線２０８に行選択走査部１０２がオン信号を出力して読出用トランジスタ２１８をオンしたとき信号電荷を電荷蓄積部２５１ａから出力用トランジスタ１１５のゲート部に移動させる構成のため、予めリセットした状態の信号（ｋＴＣ雑音）から、これに信号が重畳した信号（ｋＴＣ雑音＋信号）を減算することが可能となり、Ｓ／Ｎが良くなるという利点を有する。

尚、本実施形態では、電位障壁部２５１ｂと電荷蓄積部２５１ａを暗電流が少ない埋め込みフォトダイオードに似た構造で実現したが、これに限るものでなく、様々な方法で電位障壁部と電荷蓄積部を実現することが可能である。例えば、電位障壁部は第１の実施形態のようにＭＯＳ型トランジスタとし、電荷蓄積部を普通のｐｎ接合ダイオード、または、ＭＯＳ型キャパシタとしてもよい。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図である。図１に示す第１の実施形態では、半導体基板の深さ方向に２つのｎ型半導体層１２３，１２４を設け、光の侵入距離が波長依存性を持つことを利用して青色信号と赤色信号とを分離して検出する構成としたが、本実施形態では、色分離性能を高めるために、従来と同様に、カラーフィルタを用いて赤色信号と青色信号を分離する構成としている。即ち、図１に「Ｒ」と記載した受光部１０１に赤色フィルタを形成し、「Ｂ」と記載した受光部１０１に青色フィルタを形成している。

本実施形態では、１つの受光部１０１で、緑色と青色の２色を検出し、これに隣接する受光部１０１で緑色と赤色の２色を検出する構成のため、列信号線は、緑色用の画像信号線１０５ｇと、青色用と赤色用の共通の画像信号線３０５ｂｒの２本で済む。

図１１は、受光部の拡大模式図である。本実施形態では、光遮蔽膜１１０の開口１１１の位置に赤色フィルタ３５０ｒを設けて、隣接する受光部の開口１１１の位置に青色フィルタ（図示せず）を設けている。

図１２は図１１のＸII―ＸII線断面模式図であり、図１３は、図１１のＸIII―ＸIII線断面模式図である。尚、第１の実施形態と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

本実施形態では、透明絶縁膜１３０の中に赤色のカラーフィルタ３５０ｒを設けた点が第１の実施形態と異なり、赤色の信号を検出する受光部１０１では赤色と青色とを分離して検出する必要がないため、ｎ型半導体層１２４を設けていない。青色と緑色を検出する受光部１０１では、図１２，図１３に示す赤色フィルタ３５０ｒの代わりに青色フィルタを設ける点が異なりだけで、他の構成は図１２，図１３と同じである。

本実施形態では、光学フィルタによってＲ画素に対し青色光がカットされ、Ｂ画素に対し赤色光がカットされるため、赤色と青色の色分離が第１の実施形態に比較して改善され、色再現性が良くなる。

尚、通常の赤色フィルタは、青色光と緑色光を遮断し、赤色光を透過するものであるが、光電変換膜１４０を透過した光は緑色成分が少ないため、本実施形態で用いる赤色フィルタは青色光のみ遮断するフィルタでよく、同様に、青色フィルタは赤色光のみ遮断するフィルタでよい。

また、図示した例は信号読出回路が３トランジスタ構成であるが、第２の実施形態と同様に４トランジスタ構成ですることでもよい。また、電位障壁部の構成は第１の実施形態と同じものを図示したが、その構成に限定されるものでないことは上述した通りである。

更に、第３の実施形態では、光学フィルタを画素電極膜１１２と光遮蔽膜１１０との間に設けたが、対向電極膜１４１の上面に設けてもよい。この場合、光電変換膜１４０に緑色（Ｇ）光が届く必要があるため、Ｂ画素に対しては、Ｂ光とＧ光を透過する光学フィルタを、Ｒ画素に対しては、Ｒ光とＧ光を透過するフィルタを設ける必要がある。

更にまた、第３の実施形態では、Ｇ信号数がＲ信号数とＢ信号数の２倍になり、高解像度の画像が得られる反面、信号処理が複雑になる。このため、ＲＧＢの各信号数を同数とし、信号処理をより簡単にするために、隣接するＢ画素とＲ画素の位置にある画素電極膜１１２を共通に配線してＧ画素信号を加算し読み出す方式としても良い。

更に、上述した各実施形態に対して、集光効率を上げるために、各受光部１０１上にマイクロレンズを設けても良い。これにより、感度（特にＢ画素とＲ画素）が高くなる。

上述した各実施形態によれば、光電変換膜からなるＧ画素において画素電極側に信号電荷に対して電位障壁として振舞う電位障壁領域を設けたため、蓄積された信号電荷量に関係なく光電変換膜には一定の端子電圧（内部として、一定の平均電界）が保たれ、膜内で発生した信号電荷が膜内から電荷蓄積部に速やかに移動することができる。このため、光電変換特性の直線性の劣化が生じず、色バランスが崩れることがなくなる。

また、カラーフィルタを用いて青色と赤色とを分離する構成を採用することで、色再現性が高まる。

本発明に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、製造が容易で製造歩留まりが高くなるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代わるカラー固体撮像装置として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図である。 図１に示す受光部の拡大模式図である。 図２に示すIII―III線断面模式図である。 図２に示すIV―IV線断面模式図である。 図２に示すＶ―Ｖ線断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図である。 図６に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の図３に相当する部分の断面模式図である。 図６に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の図４に相当する部分の断面模式図である。 図６に示す光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の図５に相当する部分の断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の表面模式図である。 図１０に示す受光部の拡大模式図である。 図１１に示すＸII―ＸII線断面模式図である。 図１１に示すＸIII―ＸIII線断面模式図である。

符号の説明

１００，２００，３００ 光電変換膜積層型カラー固体撮像装置
１０１ 受光部
１０２ 行選択走査部
１０３ 画像信号出力部
１０５ｒ，１０５ｇ，１０５ｂ 列信号線（画像信号線）
１０６ 行選択信号線
１０７ リセット信号線
１１０ 光遮蔽膜
１１１ 開口
１１２ 画素電極膜
１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂ 信号読出回路（電荷検出部）
１２０ ｎ型半導体
１２１ ｐウェル層
１２２ ゲート絶縁膜
１２３，１２４ ｎ型半導体層
１２６〜１３０ 透明絶縁膜
１４０ 光電変換膜
１４１ 共通電極膜（対向電極膜）
１４３ 電位障壁用トランジスタ
２５１ ｎ型半導体領域
２５１ａ 電荷蓄積部
２５１ｂ 電位障壁部

Claims (8)

1. ３原色のうちの第１色用の信号読出回路と第２色用の信号読出回路と第３色用の信号読出回路とがＭＯＳトランジスタ回路により形成されると共に前記第１色の入射光受光用フォトダイオードと前記第２色の入射光受光用フォトダイオードとが形成された半導体基板と、該半導体基板の上に積層され前記第３色の入射光を受光して光電荷を発生させる光電変換膜と、該光電変換膜に画素毎に分離して被着された画素電極膜を前記半導体基板に形成されたコンタクト部に接続する縦配線と、前記半導体基板に形成され前記コンタクト部と前記第３色用の信号読出回路との間に設けられた電位障壁部とを備えることを特徴とする光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
2. 前記信号読出回路は、信号電荷を電圧信号に変換する出力用トランジスタと、行選択用トランジスタと、信号電荷をリセットするリセット用トランジスタとで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
3. 前記電位障壁部は電位障壁用トランジスタであり、該電位障壁用トランジスタのソースが前記コンタクト部として形成され、前記電位障壁用トランジスタのドレインが前記第３色用の信号読出回路に電気的に接続され、前記電位障壁用トランジスタのゲートが直流電源に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
4. 前記電位障壁部と前記信号読出回路との間に電荷蓄積部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
5. 前記縦配線から前記コンタクト部を通して流れ込む信号電荷を蓄積する導電型の第１の半導体層と、該第１の半導体層の上側に設けられ該第１の半導体層と反対導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層の下側に設けられ該第１の半導体層と反対導電型の第３の半導体層との３層構造を備えると共に該３層構造と前記第３色用の信号読出回路との間に読出用トランジスタを備え、前記３層構造のうちの前記第１の半導体層の厚みまたは不純物密度が小さく形成された部分を前記電位障壁部にすると共に前記３層構造のうちの前記第１の半導体層の厚みまたは不純物密度が前記電位障壁部より大きく形成された部分を前記電荷蓄積部とし、前記第１の半導体層の前記電位障壁部側の端子が前記コンタクト部に電気的に接続され、前記第１の半導体層の前記電荷蓄積部側の端子が前記読出用トランジスタのソースに電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
6. 前記第１色の入射光受光用フォトダイオードと前記第２色の入射光受光用フォトダイオードは、前記半導体基板の深さ方向に積層して設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
7. 前記第１色の入射光受光用フォトダイオードと前記第２色の入射光受光用フォトダイオードとは前記半導体基板の表面部に市松状に配列形成され、前記第１色の入射光受光用フォトダイオードの上には前記第１色の入射光を透過すると共に前記第２色の入射光を遮断するカラーフィルタが積層され、前記第２色の入射光受光用フォトダイオードの上には前記第２色の入射光を透過すると共に前記第１色の入射光を遮断するカラーフィルタが積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
8. 前記第１色は青色であり、前記第２色は赤色であり、前記第３色は緑色であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。

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