JP4491352B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上に積層された複数の光電変換膜を含む画素部を複数有する固体撮像素子に関する。

従来、カラーフィルタを用いない構成の固体撮像素子として、例えば特許文献１〜３記載の積層型固体撮像素子が提案されている。この積層型固体撮像素子は、半導体基板上方に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の光を検出する３つの有機材料からなる光電変換膜を積層し、各膜で発生した信号電荷を半導体基板上に形成された蓄積ダイオードに蓄積し、蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷を、半導体基板上に形成されている垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤ等の信号読み出し回路で読み出して転送するというものである。このような積層型固体撮像素子によれば、光利用効率を向上させ、偽色を抑えて、高画質のカラー画像を生成することが可能となる。

特開昭５８−１０３１６５号公報 特開昭６３−３００５７５号公報 特開２００３−３３２５５１号公報

積層型固体撮像素子は、半導体基板上に複数の光電変換膜を積層した構造のため、上層にある光電変換膜と下層にある光電変換膜とで、光の入射状況が異なるといったことが生じる。例えば、射出瞳距離の非常に短いレンズを採用した場合、固体撮像素子の周辺部に入射する光線の入射角は３０°を越えることも珍しくない。この場合、周辺部では、上層の光電変換膜に入射した光と、下層の光電変換膜に入射した光とが別の位置からの光となってしまい、画像に色付きが生じてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、周辺部における画像の色付きを抑えることが可能な積層型固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上に積層された複数の光電変換膜を含む画素部を複数有する固体撮像素子であって、前記画素部に含まれる光電変換膜のうち、１画素データを生成するために用いる信号電荷を発生する領域を画素領域とし、前記固体撮像素子の周辺部にある前記画素部では、下層にある画素領域の中心位置が、それよりも上層にある画素領域の中心位置よりも前記周辺部側にずれている。

この構成により、周辺部に発生する色付きを抑制することが可能となる。

本発明の固体撮像素子は、少なくとも前記周辺部にある前記画素部では、前記画素領域の大きさが最下層から最上層にかけて小さくなっている。

この構成により、より効果的に色付きを抑制することが可能となる。

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜が前記複数の画素部毎に区分けされており、少なくとも前記周辺部にある前記画素部に含まれる各光電変換膜は、その端部に、該端部に入射する光の経路に沿った傾斜面を有する。

この構成により、画素部に入射してきた光が他の画素部に含まれる光電変換膜に入射してしまうことを確実に防ぐことができる。

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜が有機材料で構成される。

本発明によれば、周辺部における画像の色付きを抑えることが可能な積層型固体撮像素子を提供することができる。

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。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の１画素部の基本構造を示す断面模式図である。本実施形態の固体撮像素子は、図１に示す画素部が同一平面上に複数配列（例えば正方格子状）されたものである。

図１に示すように、ｎ型半導体基板１上方には、赤色（Ｒ）の光を検出すると共に、それに応じた赤色の信号電荷を発生するＲ光電変換膜１５と、緑色（Ｇ）の光を検出すると共に、それに応じた緑色の信号電荷を発生するＧ光電変換膜１９と、青色（Ｂ）の光を検出すると共に、それに応じた青色の信号電荷を発生するＢ光電変換膜２３とがこの順に積層されている。尚、各光電変換膜の積層順序はこれに限らない。又、各光電変換膜の材料としては有機材料を用いるのが好ましい。

Ｒ光電変換膜１５は、画素電極膜１４と対向電極膜１６とに挟まれている。Ｇ光電変換膜１９は、画素電極膜１８と対向電極膜２０とに挟まれている。Ｂ光電変換膜２３は、画素電極膜２２と対向電極膜２４とに挟まれている。

対向電極膜１６と画素電極膜１８の間には透明絶縁膜１７が設けられ、対向電極膜２０と画素電極膜２２の間には透明絶縁膜２１が設けられ、対向電極膜２４の上には透明絶縁膜２５が設けられている。

画素電極膜１４，１８，２２は、画素部毎に区分けされている。対向電極膜１６，２０，２４は、全画素部で共通して用いることができるため、画素部毎に区分けされていないが、区分けしてあっても良い。又、各光電変換膜も同様、画素部毎に区分けしてあっても良い。本実施形態では、画素電極膜１４，１８，２２のそれぞれを固体撮像素子の上方から見たときの形状を例えば正方形とする。

Ｒ光電変換膜１５のうち、画素電極膜１４と対向電極膜１６とで挟まれる領域（以下、Ｒ画素領域という）で発生した信号電荷が、この画素部から得られる１画素データ（１画素を生成するためのデータ）を生成するために用いる信号電荷となる。Ｇ光電変換膜１９のうち、画素電極膜１８と対向電極膜２０とで挟まれる領域（以下、Ｇ画素領域という）で発生した信号電荷が、この画素部から得られる１画素データを生成するために用いる信号電荷となる。Ｂ光電変換膜２３のうち、画素電極膜２２と対向電極膜２４とで挟まれる領域（以下、Ｂ画素領域という）で発生した信号電荷が、この画素部から得られる１画素データを生成するために用いる信号電荷となる。

ｎ型半導体基板１の表面部にはｐウェル層２が形成され、ｐウェル層２の表面部には、Ｂ画素領域で発生した信号電荷を蓄積するｎ領域３と、Ｇ画素領域で発生した信号電荷を蓄積するｎ領域４と、Ｒ画素領域で発生した信号電荷を蓄積するｎ領域５が形成されている。

各ｎ領域３〜５の右側には、夫々少し離間して、紙面に対して垂直方向に延びるｎ領域８が設けられ、夫々のｎ領域８が垂直転送路（ＶＣＣＤ）を構成する。ｎ領域８の表面部にはｎ領域３〜５まで達する読み出し電極を兼用するポリシリコンからなる転送電極１０が形成され、各転送電極１０の上には、遮光膜１１が設けられる。

各ｎ領域３〜５の左側面部及び表面部にはｐ＋領域６，７が設けられ、隣接垂直転送路８との分離が図られると共に、表面部の欠陥準位低減が図られる。ｎ型半導体基板１の最表面には、酸化シリコン膜９が形成され、その上に、上記の転送電極１０が形成される。

画素電極膜２２とｎ領域３とは、縦配線２６によって接続される。この縦配線２６は、接続される画素電極膜２２及びｎ領域３以外とは電気的に絶縁される。画素電極膜１８とｎ領域４とは、縦配線２５によって接続される。この縦配線２５は、接続される画素電極膜１８及びｎ領域４以外とは電気的に絶縁される。画素電極膜１４とｎ領域５とは、縦配線２４によって接続される。この縦配線２４は、接続される画素電極膜１４及びｎ領域５以外とは電気的に絶縁される。

遮光膜１１，転送電極１０は透明の絶縁層１２内に埋設される。

本実施形態の固体撮像素子は、Ｂ画素領域で発生した信号電荷がｎ領域３に蓄積され、Ｇ画素領域で発生した信号電荷がｎ領域４に蓄積され、Ｒ画素領域で発生した信号電荷がｎ領域５に蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に、ｎ領域８によって垂直方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない水平転送路（ＨＣＣＤ）によって水平方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力される構成である。

このように、本実施形態の固体撮像素子の１つの画素部には、Ｒ光電変換膜１５，Ｇ光電変換膜１９，Ｂ光電変換膜２３と、各光電変換膜に対応して設けられたｎ領域３〜５及びｎ領域８とが含まれている。この画素部からは、Ｒ信号と、Ｇ信号と、Ｂ信号とが得られるため、これらによって１画素データを生成することができる。

以上が、固体撮像素子の基本構造であるが、本実施形態では、固体撮像素子の周辺部における画像の色付きを抑えるための対策を行っている。以下、この対策について説明する。尚、固体撮像素子の周辺部とは、固体撮像素子に入射する光の入射角が、上記色付きが無視できないほど大きくなるような部分のことであり、中心部とは、固体撮像素子に入射する光の入射角が、上記色付きが無視できるほど小さくなるような部分のことである。

図２は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の中心部と周辺部にある画素部のうち、ｎ型半導体基板上方に積層された部分のみを示した断面模式図である。図２では、画素電極膜の両端と対向電極膜とを点線で結んでおり、この点線で囲まれる領域が画素領域を示している。

図２に示すように、固体撮像素子の中心部にある画素部では、画素電極膜１４，１８，２２の中心位置（Ｒ画素領域，Ｇ画素領域，Ｂ画素領域の中心位置と同義）が一致している。一方、固体撮像素子の周辺部にある画素部では、画素電極膜１４，１８，２２の中心位置が、上層から下層に行くに連れて周辺部側にずれている。

このようにすることで、入射角度がきつくなる周辺部においても、同一位置からの光を同一画素部の各光電変換膜で受光することが可能になるため、従来のような色付きを抑制することができ、高画質の撮影が可能となる。尚、画素電極膜の中心位置のずらし量は、固体撮像素子を搭載するデジタルカメラの光学系の設計値によって決まる、固体撮像素子の周辺部の画素部の最上層にある画素領域への光の入射角に応じて決定すれば良い。又、このずらし量は、中心部から周辺部に行くにしたがって大きくしていくようにしても良いし、周辺部で全て同一の値としても良い。

（第二実施形態）
本実施形態では、第一実施形態で説明した固体撮像素子のより好適な構成例について説明する。本実施形態で説明する固体撮像素子の基本構成は第一実施形態と同様である。

図３は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の中心部と周辺部にある画素部のうち、ｎ型半導体基板上方に積層された部分のみを示した断面模式図である。図３では、画素電極膜の両端と対向電極膜とを点線で結んでおり、この点線で囲まれる領域が画素領域を示している。
図３に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、第一実施形態と同様に、周辺部にある画素部において、下層の画素電極膜の中心位置が、上層の画素電極膜の中心位置よりも周辺部側にずれており、且つ、各画素部において、各画素領域の大きさ（対向電極膜と接触する面の面積、以下、この面を表面という）が上層に向かうにしたがって小さくなっている。具体的には、Ｒ画素領域の表面の端部に入射される光線が、Ｇ画素領域，Ｂ画素領域の各々の表面の端部を通過できるように、Ｇ画素領域，Ｂ画素領域の大きさが小さくなっている。

図２のように、下層の画素電極膜の中心位置を、上層の画素電極膜の中心位置よりも周辺部側にずらしただけでは、最上層のＢ画素領域の周辺部側の端部に入射した光が、隣接する画素部に含まれる画素領域に入射してしまう可能性があり、色付き抑制対策が十分とはいえない。そこで、図３に示すように、各画素部において、最下層のＲ画素領域の表面の端部に入射する光の経路に応じて、Ｇ画素領域，Ｂ画素領域の大きさを上層に向かうにしたがって小さくすることで、より効果的に色付きを抑制することができる。

尚、図３では、中心部にある画素部についても、各画素領域の大きさを変えているが、中心部においてはもともと色付きが発生しにくいことから、中心部にある画素部については各画素領域の大きさを同一としておいても良い。

（第三実施形態）
本実施形態では、第二実施形態で説明した固体撮像素子のより好適な構成例について説明する。本実施形態で説明する固体撮像素子の基本構成は第一実施形態で説明した構成において、各光電変換膜１５，１９，２３を画素部毎に区分けした構成としたものである。

図４は、本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の中心部と周辺部にある画素部のうち、ｎ型半導体基板上方に積層された一部分のみを示した断面模式図である。図２では、画素電極膜の両端と、各光電変換膜の上に積層される対向電極膜（不図示）とを点線で結んでおり、この点線で囲まれる領域が画素領域を示している。

図４に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、第二実施形態と同様に、周辺部にある画素部において、下層の画素電極膜の中心位置が、上層の画素電極膜の中心位置よりも周辺部側にずれており、且つ、各画素部において、各画素領域（画素電極膜）の大きさが上層に向かうにしたがって小さくなっており、且つ、各光電変換膜１５，１９，２３が、その端部に、該端部に入射する光の経路に沿った傾斜面を有する形状となっている。

このような構成にすることで、色付き抑制効果が得られると共に、入射光を無駄なく各光電変換膜で吸収することができるため、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。又、画素部の各光電変換膜に入射した光が、隣接する画素部の各光電変換膜に入射してしまうことを確実に防ぐことができる。

尚、図４では、中心部にある画素部についても、各光電変換膜に傾斜面を持たせているが、中心部にある画素部については各光電変換膜を第一実施形態と同様の形状にしておいても良い。

本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の１画素部の基本構造を示す断面模式図 本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の中心部と周辺部にある画素部のうち、ｎ型半導体基板上方に積層された部分のみを示した断面模式図 本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の中心部と周辺部にある画素部のうち、ｎ型半導体基板上方に積層された部分のみを示した断面模式図 本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の中心部と周辺部にある画素部のうち、ｎ型半導体基板上方に積層された一部分のみを示した断面模式図

符号の説明

１５，１９，２３ 光電変換膜
１４，１８，２２ 画素電極膜
１６，２０，２４ 対向電極膜

Claims (4)

1. 半導体基板上に積層された複数の光電変換膜を含む画素部を複数有する固体撮像素子であって、
   前記画素部に含まれる光電変換膜のうち、１画素データを生成するために用いる信号電荷を発生する領域を画素領域とし、
   前記固体撮像素子の周辺部にある前記画素部では、下層にある画素領域の中心位置が、それよりも上層にある画素領域の中心位置よりも前記周辺部側にずれている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   少なくとも前記周辺部にある前記画素部では、前記画素領域の大きさが最下層から最上層にかけて小さくなっている固体撮像素子。
3. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   前記光電変換膜は前記複数の画素部毎に区分けされており、
   少なくとも前記周辺部にある前記画素部に含まれる各光電変換膜は、その端部に、該端部に入射する光の経路に沿った傾斜面を有する固体撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか記載の固体撮像素子であって、
   前記光電変換膜は、有機材料で構成される固体撮像素子。

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