JP4500702B2 - 光電変換膜積層型固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に赤色光を光電変換する光電変換膜と緑色光を光電変換する光電変換膜と青色光を光電変換する光電変換膜を積層した固体撮像素子に係り、特に、色シェーディングが起きず高品質のカラー画像を撮像することができる光電変換膜積層型固体撮像素子に関する。

光電変換膜積層型固体撮像素子の原型的な素子として、例えば下記特許文献１記載のものがある。この固体撮像素子は、半導体基板の上に感光層を３層積層し、各感光層で検出された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の夫々の電気信号を、半導体基板表面に形成されているＭＯＳ回路で読み出すという構成になっている。

斯かる構成の固体撮像素子が過去に提案されたが、その後、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赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色カラーフィルタを積層した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スチルカメラに搭載される様になっている。

しかしながら、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは、その技術進歩が限界近くまで進み、１つの受光部の開口の大きさが２μｍ程度と、入射光の波長オーダに近づいており、製造歩留まりが悪いという問題に直面している。

また、微細化された１つの受光部に蓄積される光電荷量の上限は、電子３０００個程度と少なく、これで２５６階調を奇麗に表現するのが困難にもなってきている。このため、画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのは困難になっている。

そこで、これらの問題を解決する固体撮像素子として、特許文献１で提案された固体撮像素子が見直されるようになり、特許文献２や特許文献３に記載されているイメージセンサが新たに提案される様になってきている。

特許文献２に記載されたイメージセンサは、シリコンの超微粒子を媒質内に分散して光電変換層とし、超微粒子の粒径を変えた複数の光電変換層を半導体基板の上に３層積層し、夫々の光電変換層で、赤色，緑色，青色の夫々の受光量に応じた電気信号を発生させる様になっている。

特許文献３に記載されたイメージセンサも同様であり、粒径の異なるナノシリコン層を半導体基板の上に３層積層し、夫々のナノシリコン層で検出された赤色，緑色，青色の各電気信号を、半導体基板の表面部に形成されている蓄積ダイオードに読み出すようになっている。

図３は、従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。図３において、ｎ型シリコン基板に形成されたＰウェル層１の表面部には、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２と、赤色信号読出用のＭＯＳ回路３と、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４と、緑色信号読出用のＭＯＳ回路５と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６と、青色信号読出用のＭＯＳ回路７とが形成されている。

各ＭＯＳ回路３，５，７は、半導体基板表面に形成されたソース用，ドレイン用の不純物領域と、ゲート絶縁膜８を介して形成されたゲート電極とから成る。これらのゲート絶縁膜８及びゲート電極の上部には絶縁膜９が積層されて平坦化され、その上に、遮光膜１０が積層される。遮光膜は、多くの場合、金属薄膜で形成されるため、更にその上に絶縁膜１１を形成する。

上述した色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６に蓄積された信号電荷は、ＭＯＳ回路３，５，７によって外部に読み出される。

図３に示す絶縁膜１１の上に、画素毎に区分けされた画素電極膜１２が形成される。各画素毎の画素電極膜１２は、夫々各画素用の赤色信号蓄積用高濃度不純物領域２に柱状のコンタクト電極１３によって導通される。このコンタクト電極１３は、画素電極膜１２及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。

各画素電極膜１２の上部には、赤色検出用の光電変換膜１４が各画素共通に一枚構成で積層され、更にその上部に透明の共通電極膜１５が各画素共通に一枚構成で形成される。

同様に、共通電極膜１５の上部には透明の絶縁膜１６が形成され、その上部に、各画素毎に区分けされた透明の画素電極膜１７が形成される。各画素電極膜１７と対応する各画素毎の緑色信号蓄積用高濃度不純物領域４とは柱状のコンタクト電極１８によって導通される。このコンタクト電極１８は、画素電極膜１７及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。各画素電極膜１７の上部には緑色検出用の光電変換膜１９が光電変換膜１４と同様に一枚構成で形成され、その上部に、透明の共通電極膜２０が形成される。

共通電極膜２０の上部には透明の絶縁膜２１が形成され、その上部に、各画素毎に区分けされた画素電極膜２２が形成される。画素電極膜２２は、対応する各画素毎の青色信号蓄積用高濃度不純物領域６と柱状のコンタクト電極２６によって導通される。このコンタクト電極２６は、画素電極膜２２及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。画素電極膜２２の上部には青色検出用の光電変換膜２３が各画素共通に一枚構成で積層され、その上部に、透明の共通電極膜２４が形成され、最上層には透明の保護膜２５が形成される。

入射光がこの固体撮像素子に入射すると、青色光，緑色光，赤色光の各入射光量に応じた光電荷が各光電変換膜２３，１９，１４において励起され、共通電極膜２４，２０，１５と画素電極膜２２，１７，１２との間に電圧が印加されることで、夫々の光電荷が高濃度不純物領域２，４，６に流れ、ＭＯＳ回路３，５，７によって外部に青色信号，緑色信号，赤色信号として読み出される。

特開昭５８―１０３１６５号公報 特許第３４０５０９９号公報 特開２００２―８３９４６号公報

図３に示す従来の光電変換膜積層型固体撮像素子は、各光電変換膜１４，１９，２３が夫々一枚構成で固体撮像素子の受光面全域を覆う構成のため、各色の入射光の入射条件が異なり、色シェーディングが起き画質が劣化することがあるという問題がある。

本発明の目的は、色シェーディングの発生を抑制し高品質なカラー画像を撮像することが可能な光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、赤色用の共通電極膜と赤色用の画素電極膜とによって挟まれ赤色光を光電変換する第１の光電変換膜と、緑色用の共通電極膜と緑色用の画素電極膜とによって挟まれ緑色光を光電変換する第２の光電変換膜と、青色用の共通電極膜と青色用の画素電極膜とによって挟まれ青色光を光電変換する光電変換膜とが絶縁層を介して半導体基板の上に積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１，第２，第３の光電変換膜が夫々赤色用，緑色用，青色用の前記画素電極膜に対応して画素毎に分離して形成されると共に、前記第１，第２，第３の光電変換膜の積層順を隣接する画素で巡回的に入れ替えたことを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子の受光面にマトリクス状に配列された各画素毎に赤色，緑色，青色を夫々受光する光電変換膜の積層順を巡回的に入れ替えたため、色シェーディングが起きず、高品質なカラー画像を得ることができる。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。半導体基板１００の表面部には、信号読出回路が形成される。信号読出回路は、図３の従来技術と同様にＭＯＳトランジスタ回路で構成しても良いが、本実施形態では、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に電荷転送路で構成する。

図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子では、ｎ型半導体基板１００の表面部にＰウェル層１０２が形成され、更にその表面部のＰ領域１０３には、第１色電荷蓄積領域となるダイオード部１４１と、第２色電荷蓄積領域となるダイオード部１４２と、第３色電荷蓄積領域となるダイオード部１４３とが形成され、各ダイオード部の間に電荷転送路１５１，１５２，１５３が形成される。対となるダイオード部１４１及び電荷転送路１５１と、ダイオード部１４２及び電荷転送路１５２と、ダイオード部１４３及び電荷転送路１５３との間には、ｐ＋領域でなるチャネルストッパ１０６が形成される。

半導体基板１００の表面には、絶縁層１０７が積層され、この絶縁層１０７の内部の電荷転送路１５１，１５２，１５３の上には電荷転送電極１８１，１８２，１８３が形成されると共に、各ダイオード部１４１，１４２，１４３に接続される電極１９１，１９２，１９３が埋設される。本実施形態の電極１９１，１９２，１９３は、入射光（入射光のうちの可視光部分は上層の光電変換膜で吸収されるため、主に赤外光）が半導体基板表面の信号読出回路（電荷転送電極１８１，１８２，１８３等）に入射しないように遮光膜を兼用している。

絶縁層１０７の上には、画素毎に区画された第１色用の画素電極膜１１１が積層される。この画素電極膜１１１は、透明材料で形成される。

各画素電極膜１１１の上には、第１色の入射光を光電変換する第１層光電変換膜１１２が画素毎に区分けされて積層され、この第１層光電変換膜１１２の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１１の対向電極膜）１１３が積層される。

共通電極膜１１３の上には、透明の絶縁膜１１４が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第２色用の透明の画素電極膜１１５が積層される。そして、各画素電極膜１１５の上に、第２色の入射光を光電変換する第２層光電変換膜１１６が画素毎に区分けされて積層され、第２層光電変換膜１１６の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１５の対向電極）１１７が積層される。

共通電極膜１１７の上には、透明の絶縁膜１１８が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第３色用の透明の画素電極膜１１９が積層される。そして、各画素電極膜１１９の上に、第３色の入射光を光電変換する第３層光電変換膜１２０が画素毎に区分けされて積層され、第３層光電変換膜１２０の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１９の対向電極）１２１が積層される。更にその上に保護膜が形成される場合もあるが、これは図示を省略する。

第１色用の画素電極膜１１１は、第１色電荷蓄積用ダイオード部１４１の電極９１と柱状のコンタクト電極１２２により電気的に接続され、第２色用の画素電極膜１１５は、第２色電荷蓄積用ダイオード部１４２の電極１９２と柱状のコンタクト電極１２３により電気的に接続され、第３色用の画素電極膜１１９は、第３色電荷蓄積用ダイオード部１４３の電極１９３と柱状のコンタクト電極１２４により電気的に接続される。各コンタクト電極１２２，１２３，１２４は、対応の電極１９１，１９２，１９３及び画素電極膜１１１，１１５，１１９以外とは絶縁される。

各層の光電変換膜１１２，１１６，１２０の材質としては、有機，無機を問わないが、直接遷移型の薄膜構造，微粒子構造，グレッチェル構造のものを用いることが好ましい。微粒子構造とする場合、バンドギャップ端を制御することが可能となる。例えば、ＣｄＳｅ，ＩｎＰ，ＺｎＴｅ，ＺｎＳｅ等のナノ粒子径を制御することにより、光電変換される波長領域を制御可能となる。

今、図１の中央に示す１画素の第１色を赤色（Ｒ）、第２色を緑色（Ｇ）、第３色を青色（Ｂ）とする。この光電変換膜積層型固体撮像素子に光が入射すると、入射光の内の青色の波長領域の光は第３層光電変換膜１２０に吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１９からコンタクト電極１２４及び電極１９３を通ってダイオード部１４３に流れ込む。

同様に、入射光の内の緑色の波長領域の光は、第３層光電変換膜１２０を透過して第２層光電変換膜１１６により吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１５からコンタクト電極１２３及び電極１９２を通ってダイオード部１４２に流れ込む。

同様に、入射光の内の赤色の波長領域の光は、第３層，第２層光電変換膜１２０，１１６を透過して第１層光電変換膜１１２により吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１１からコンタクト電極１２２及び電極１９１を通ってダイオード部１４１に流れ込む。

各ダイオード部１４１，１４２，１４３からの信号取出は、通常のシリコンの受光素子からの信号取出に準じた手法で行うことができる。例えば、一定量のバイアス電荷をダイオード部１４１，１４２，１４３に注入し（リフレッシュモード）ておき、光入射によって一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出す。有機受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。

以上が、本実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の基本構成と基本動作であるが、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、更に、画素毎に、隣接画素に対して、光電変換膜の積層順を入れ替えている。即ち、図１に示す左隣の画素では、下側から、青色（Ｂ）光検出用の光電変換膜、赤色（Ｒ）光検出用の光電変換膜、緑色（Ｇ）光検出用の光電変換膜を積層し、右隣の画素では、下側から、緑色（Ｇ）光検出用の光電変換膜、青色（Ｂ）光検出用の光電変換膜、赤色（Ｒ）光検出用の光電変換膜を積層している。

図２は、固体撮像素子にマトリクス状に設ける各画素の内、３×３＝９画素分の各色用光電変換膜の積層順を示す図である。本実施形態では、図２に示す様に、光電変換膜を重ねる色順番を、マトリクス状に入れ替えている。

本実施形態によれば、画素毎に光電変換膜の色順番を入れ替えているため、固体撮像素子全体的には、各色光の入射条件が同一となり、色シェーディングの発生が抑制され、高品質なカラー画像を撮像することが可能となる。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、色シェーディングが回避されるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代わる高画質なカラー画像を撮像できる固体撮像素子として有用である。

本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。 図１に示す光電変換膜積層型固体撮像素子で用いる光電変換膜の色順序の配置例を示す図である。 従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。

符号の説明

１００ 半導体基板
１１１，１１５，１１９ 画素電極膜
１１２，１１６，１２０ 光電変換膜
１１３，１１７，１２１ 共通電極膜
１１４，１１８ 絶縁膜
１２２，１２３，１２４ コンタクト電極
１４１，１４２，１４３ 電荷蓄積領域
１５１，１５２，１５３ 電荷転送路
１９１，１９２，１９３ 電極（遮光膜を兼用する）

Claims (1)

1. 赤色用の共通電極膜と赤色用の画素電極膜とによって挟まれ赤色光を光電変換する第１の光電変換膜と、緑色用の共通電極膜と緑色用の画素電極膜とによって挟まれ緑色光を光電変換する第２の光電変換膜と、青色用の共通電極膜と青色用の画素電極膜とによって挟まれ青色光を光電変換する光電変換膜とが絶縁層を介して半導体基板の上に積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１，第２，第３の光電変換膜が夫々赤色用，緑色用，青色用の前記画素電極膜に対応して画素毎に分離して形成されると共に、前記第１，第２，第３の光電変換膜の積層順を隣接する画素で巡回的に入れ替えたことを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像素子。

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