JP4681853B2 - Stacked solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、カラー画像を撮像する積層型固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a stacked solid-state imaging device that captures a color image.
従来、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載されるCCDやCMOSイメージセンサ等の単版式カラー固体撮像装置は、数百万画素の光電変換素子と各画素から信号を読み出す信号読出回路とを同一の半導体基板上に形成する構成であった。この場合、各光電変換素子の受光面の面積を広くとることができず、受光面の寸法が入射光の波長オーダとなり、一画素で検出できる光量が少なくなって感度が低下してきていると共に、歩留りが低下してコストが嵩むという不利益があった。 Conventionally, single-type color solid-state imaging devices such as CCD and CMOS image sensors mounted on digital cameras and digital video cameras have the same photoelectric conversion elements of millions of pixels and signal readout circuits for reading signals from each pixel. It was the structure formed on a semiconductor substrate. In this case, the area of the light receiving surface of each photoelectric conversion element cannot be widened, the size of the light receiving surface is in the wavelength order of incident light, the amount of light that can be detected by one pixel is reduced, and the sensitivity is reduced. There was a disadvantage that the yield decreased and the cost increased.
そこで、従来では、半導体基板に信号読出回路だけを設け、半導体基板の上層部に赤色検出用の光電変換膜と緑色検出用の光電変換膜と青色検出用の光電変換膜とを積層させた構成を有する積層型固体撮像装置が開発されている。 Therefore, conventionally, only a signal readout circuit is provided on a semiconductor substrate, and a red detection photoelectric conversion film, a green detection photoelectric conversion film, and a blue detection photoelectric conversion film are laminated on the upper layer portion of the semiconductor substrate. A stacked solid-state image pickup device having the above has been developed.
しかし、光電変換膜を半導体基板上に3層の光電変換膜を積層することは構造が複雑になり製造することが困難であり、製造コストも嵩んでしまう欠点がある。このため、下記特許文献1では、半導体基板上に従来のCCDやCMOSイメージセンサと同様に赤色検出用の光電変換素子と青色検出用の光電変換素子を製造し、この半導体基板の上部に緑色検出用の光電変換膜を一層だけ積層した構成の積層型固体撮像装置を提案している。
また、下記特許文献2,3では、積層型撮像素子において、CCD型やCMOS型の撮像素子上にアモルファスシリコンを積層して受光部の開口率を向上する構成が記載されている。
However, laminating three layers of photoelectric conversion films on a semiconductor substrate has a drawback that the structure becomes complicated and difficult to manufacture, and the manufacturing cost increases. For this reason, in the following
光電変換膜を1層だけ半導体基板の上に積層して3原色のうちの1色を検出し、他の2色が半導体基板に設けたフォトダイオード(光電変換素子)で検出する構成にすると、光電変換膜の1画素の面積を広くとることができるため、光電変換膜で受光する波長領域の光の受光量を増やすことができ、感度が向上する。 When a single photoelectric conversion film is stacked on a semiconductor substrate to detect one of the three primary colors, and the other two colors are detected by photodiodes (photoelectric conversion elements) provided on the semiconductor substrate, Since the area of one pixel of the photoelectric conversion film can be increased, the amount of light received in the wavelength region received by the photoelectric conversion film can be increased, and the sensitivity is improved.
しかし、半導体基板に設けられたフォトダイオードに入射する光が、光電変換膜に接続された透明の画素電極膜を透過する際に吸収されてしまうため、光の利用効率で更なる改善の余地があった。 However, since light incident on the photodiode provided on the semiconductor substrate is absorbed when passing through the transparent pixel electrode film connected to the photoelectric conversion film, there is room for further improvement in light utilization efficiency. there were.
上記特許文献1には、光電変換膜に接続される画素電極膜の配置と半導体基板上に設けられたフォトダイオードの配置との関係が記載されていないため、光電変換膜に入射した光が光電変換膜に接続された透明電極膜によって吸収されてしまうといった問題を解決できなかった。
また、上記特許文献2,3では、半導体基板に設けられた蓄積ダイオードなどの光電変換素子上を覆うように画素電極膜が形成されているため、該画素電極膜によって吸収されることに起因して光電変換素子で受光される光の利用効率が低減することが避けられなかった。
In
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体基板に設けられた光電変換部で受光する光を増やすことができる積層型固体撮像装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a stacked solid-state imaging device capable of increasing light received by a photoelectric conversion unit provided on a semiconductor substrate.
本発明の上記目的は、青の波長の光を検出する青色光電変換部と赤の波長の光を検出する赤色光電変換部とが2次元状に配列された半導体基板と、該半導体基板の上に積層され、緑の波長の光を検出する光電変換膜とを備えた積層型固体撮像装置であって、前記光電変換膜が前記青色光電変換部及び前記赤色光電変換部を覆うように配され、前記光電変換膜には画素毎に一定の間隔で配置された画素電極膜が接続され、前記青色光電変換部及び前記赤色光電変換部が、前記半導体基板に対して垂直な方向から見たときに、前記画素電極膜同士の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする積層型固体撮像装置によって達成される。 The object of the present invention is to provide a semiconductor substrate in which a blue photoelectric conversion unit for detecting light of a blue wavelength and a red photoelectric conversion unit for detecting light of a red wavelength are arranged two-dimensionally, and on the semiconductor substrate. And a photoelectric conversion film that detects light having a green wavelength, and the photoelectric conversion film is disposed so as to cover the blue photoelectric conversion unit and the red photoelectric conversion unit. The photoelectric conversion film is connected to pixel electrode films arranged at regular intervals for each pixel, and when the blue photoelectric conversion unit and the red photoelectric conversion unit are viewed from a direction perpendicular to the semiconductor substrate. In addition, the present invention is achieved by a stacked solid-state imaging device, which is disposed between the pixel electrode films.
上記積層型固体撮像装置は、光電変換膜が透過性の有機半導体であることを特徴とする。 In the stacked solid-state imaging device, the photoelectric conversion film is a transmissive organic semiconductor.
上記積層型固体撮像装置は、光電変換膜には電荷蓄積部が接続され、光の入射方向視において、電荷蓄積部の面積が、青色光電変換部及び赤色光電変換部の各面積より小さいことを特徴とする。 In the stacked solid-state imaging device, a charge accumulation unit is connected to the photoelectric conversion film, and the area of the charge accumulation unit is smaller than each area of the blue photoelectric conversion unit and the red photoelectric conversion unit in the incident direction of light. Features.
上記積層型固体撮像装置は、前記青色光電変換部及び前記赤色光電変換部の上方で且つ前記光電変換膜の下方に、入射する光を透過するカラーフィルタがそれぞれ設けられ、前記カラーフィルタの光入射側の面にマイクロレンズがそれぞれ設けられていることを特徴とする。 In the stacked solid-state imaging device, a color filter that transmits incident light is provided above the blue photoelectric conversion unit and the red photoelectric conversion unit and below the photoelectric conversion film , respectively. Microlenses are provided on the side surfaces, respectively.
本発明によれば、半導体基板に設けられた光電変換部で受光する光を増やすことができる積層型固体撮像装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lamination type solid-state imaging device which can increase the light received by the photoelectric conversion part provided in the semiconductor substrate can be provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1は、本発明に係る積層型固体撮像装置の第1の実施形態を示す平面図である。図1に示すように、積層型固体撮像装置10は、半導体基板1を備え、該半導体基板1の表面には、複数の青色光電変換部3と複数の赤色光電変換部4とが配列されている。青色光電変換部3は、青色の波長を受光して青色の信号電荷を蓄積する構成であり、赤色光電変換部4は、赤色の波長の光を受光して赤色の信号電荷を蓄積する構成である。本実施形態では、青色光電変換部3と赤色光電変換部4としては、フォトダイオードを使用する。本実施形態では、青色光電変換部3と赤色光電変換部4は、光の入射方向(図1を正面視した方向)に対して垂直となる、菱形の平面を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of a stacked solid-state imaging device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the stacked solid-
また、半導体基板1には、緑色の波長を受光して受光量に応じた電荷を発生する画素電極膜12と、該画素電極膜12に電気的に接続され、画素電極膜12から緑色の信号電荷を蓄積する信号蓄積部2とが設けられている。本実施形態では、画素電極膜12及び信号蓄積部2は、光の入射方向に対して垂直となる菱形の平面を有し、信号蓄積部2における該平面の面積は、青色光電変換部3及び赤色光電変換部4より小さく、青色光電変換部3及び赤色光電変換部4の各面積の20%から30%の範囲とする。
The
なお、図1において、Rは赤色を意味し、Gは緑色を意味し、Bは青色を意味しており、緑色の信号蓄積部2,青色光電変換部3及び赤色光電変換部4の配列を示している。
In FIG. 1, R means red, G means green, B means blue, and the arrangement of the green
信号蓄積部2と青色光電変換部3と赤色光電変換部4とは、信号蓄積部2を介して青色光電変換部3と赤色光電変換部4とが交互に位置するように、正方の格子状に配置されている。具体的には、図1に示すように、水平方向及び垂直方向に対して、G,R,G,B,G・・・と繰り返し配置されている。
The
半導体基板1の上面には、平面視した状態で、信号蓄積部2と青色光電変換部3との間、及び、信号蓄積部2と赤色光電変換部4との間にはそれぞれ、図1の平面視において上下方向に延びるように垂直転送路6が設けられている。垂直転送路6は、信号蓄積部2の面積と青色光電変換部3並びに赤色光電変換部4の各面積の大きさに合わせて近接するように、蛇行した状態で形成されている。
On the upper surface of the
半導体基板1の一部近傍には、垂直転送路6に対して垂直に延びる水平転送路7が設けられている。信号蓄積部2,青色光電変換部3及び赤色光電変換部4に蓄積された信号電荷は、後述するように順次に垂直転送路6に読み出されて該垂直転送路6に沿って転送され、垂直転送路6から水平転送路7に移送された後、水平転送路7から出力される。こうすることで、積層型固体撮像装置10は、撮像時に受光した光からR,G,Bの各色信号を読み出すことができる。
A horizontal transfer path 7 extending perpendicularly to the
図2は、本実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。
積層型固体撮像装置10は、半導体基板1の上面部に、信号蓄積部2と、青色光電変換部3と、赤色光電変換部4とが形成されている。本実施形態では、半導体基板1をn型半導体とし、青色光電変換部3及び赤色光電変換部4を構成するフォトダイオードにpウェル層とn領域を形成した。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the stacked solid-state imaging device of the present embodiment.
In the stacked solid-
半導体基板1の上面部において、信号蓄積部2,青色光電変換部3及び赤色光電変換部4のそれぞれに対応するように水平方向に間隔をおいて垂直転送路6が設けられている。
On the upper surface of the
垂直転送路6の上面には転送電極17が形成されている。また、絶縁層19に入射した光が垂直転送路6に照射されてスミアが生じることを防止するため、該転送電極17を覆うように遮光膜18が形成されている。
A
半導体基板1の上面部には、光透過性を有する絶縁層19が積層されている。絶縁層19において、青色光電変換部3の積層方向(図2の上下方向)に対して上方に青色を透過するカラーフィルタ13が設けられ、赤色光電変換部4の積層方向の上方に赤色を透過するカラーフィルタ14が設けられている。転送電極17,遮光膜18及びカラーフィルタ13,14は、絶縁層19に埋設される。
On the upper surface portion of the
絶縁層19の上面には画素電極膜12が画素毎に区分けして形成されている。これら画素電極膜12が、半導体基板1に設けられた信号蓄積部2に、柱状の縦型配線16によって電気的に接続されている。
A
画素電極膜12の上には、光の入射方向からみた半導体基板1の面全体にわたって、透過性の有機半導体である光電変換膜11が形成されている。光電変換膜11の表面には光透過性を有する対向電極15が形成されている。
On the
積層型固体撮像装置10に光が入射すると、入射光の緑色の波長領域の光が光電変換膜11に吸収され、光電荷が光電変換膜11内に発生する。そして、この光電荷は、対向電極15にバイアス電圧を印加することで、縦型配線16を通って信号蓄積部2に導かれて蓄積される。
When light enters the stacked solid-
入射光のうち青色及び赤色の波長領域の光は光電変換膜11を透過する。青色光は、カラーフィルタ13を透過して青色光電変換部3に入射し、青色光の光量に応じた信号電荷が発生して青色光電変換部3に蓄積される。赤色光は、カラーフィルタ14を透過して赤色光電変換部4に入射し、赤色光の光量に応じた信号電荷が発生して赤色光電変換部4に蓄積される。
Of the incident light, light in the blue and red wavelength regions passes through the
信号蓄積部2,青色光電変換部3及び赤色光電変換部4に蓄積された各色の信号電荷は、垂直転送路6に読み出されて水平転送路7に転送され、該水平転送路7を経由して半導体基板1から出力される。
The signal charges of each color accumulated in the
本実施形態の積層型固体撮像装置10は、画素変換膜12が一定の間隔で配置され、青色光電変換部3及び赤色光電変換部4が、半導体基板1に対して垂直な方向(図1を正面視した状態の方向)から見たときに画素電極膜12同士の間にそれぞれ配置されている。 すると、光電変換膜11を透過して青色光電変換部3及び赤色光電変換部4に入射する光が、画素電極膜12を透過する量をできるだけ小さくすることができる。このため、画素電極膜12を透過することに起因して青色光電変換部3及び赤色光電変換部4に入射すべき光が吸収されてしまうことを抑制でき、赤色及び青色の波長領域の光の利用効率を向上させることができる。
In the stacked solid-
ここで、青色光電変換部3及び赤色光電変換部4における光入射側の面における重点が、半導体基板1に対して垂直な方向から見たときに画素電極膜12同士の間にそれぞれ位置している。青色光電変換部3及び赤色光電変換部4における光入射側の各面積のうち70%から100%が、光入射方向(図1の正面視の方向)に対して画素電極膜12と重ならないことが好ましい。
Here, the points on the light incident side of the blue
また、本実施形態では、入射光を光電変換膜11で受光して光電荷を蓄積する構成であるため、半導体基板1に設けられた信号蓄積部2に直接光を照射させる必要がない。このため、本実施形態の積層型固体撮像装置10では、図2に示すように、光の入射方向視において、信号蓄積部2の表面の面積を、青色光電変換部3や赤色光電変換部4の各面積より小さくすることができる。
Further, in the present embodiment, the configuration is such that incident light is received by the
本実施形態の積層型固体撮像装置10は、半導体基板1に青色光電変換部3と赤色光電変換部4とを設け、その上層に緑色の波長領域の光を受光する光電変換膜11を形成する構成としたがこれに限定されない。以下の実施形態も含め、積層型固体撮像装置10は、3原色のうち2色に対応する第1の光電変換部及び第2の光電変換部を半導体基板にそれぞれ設けて他の1色の波長領域の光を受光する光電変換膜を該半導体基板に積層する構成とすることができる。
In the stacked solid-
次に、本発明にかかる第2の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。 Next, a second embodiment according to the present invention will be described. In the embodiments described below, members having the same configuration / action as those already described are denoted by the same or corresponding reference numerals in the drawings, and description thereof is simplified or omitted.
図3は、本実施形態の積層型固体撮像装置の平面図を示し、図4は、本実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図を示している。
積層型固体撮像装置30は、青色光電変換部33と赤色光電変換部34とが2次元状に配列された半導体基板31と、該半導体基板31の上に積層され、緑色の波長の光を検出する光電変換膜41とを備えている。半導体基板31に設けられた青色光電変換部33、赤色光電変換部34、信号蓄積部32、画素電極膜42,縦型配線46、転送電極47及び遮光膜48の機能は、図1及び2に示した第1の実施形態と同様である。
FIG. 3 is a plan view of the stacked solid-state imaging device of the present embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the stacked solid-state imaging device of the present embodiment.
The stacked solid-
図3に示すように、本実施形態の積層型固体撮像装置30において、画素電極膜42,青色光電変換膜33及び赤色光電変換膜34が、光の入射方向に対して垂直な、長方形状の面を有する。図3を正面視した状態において、青色光電変換膜33と赤色光電変換膜34の面が、上下方向に長尺となり、且つ、画素電極膜42の面が左右方向に長尺となるように配置されている。
As shown in FIG. 3, in the stacked solid-
本実施形態の積層型固体撮像装置30は、上記第1の実施形態と同様に、青色光電変換部33及び赤色光電変換部34が、半導体基板31に対して垂直な方向から見たときに画素電極膜42同士の間にそれぞれ配置されている。また、青色光電変換部33及び赤色光電変換部34における光入射側の面における重点が、半導体基板31に対して垂直な方向から見たときに画素電極膜42同士の間にそれぞれ位置している構成とすれば、図3に示すように、光の入射方向に対して、画素電極膜42と青色光電変換部33並びに赤色光電変換部34とが一部重なっていても構わない。
As in the first embodiment, the stacked solid-
また、入射光を光電変換膜41で受光して光電荷を蓄積する構成であるため、光の入射方向において、信号蓄積部32の表面の面積を、青色光電変換部33や赤色光電変換部34の各面積より小さくすることができる。このとき、図3に示すように、垂直転送路36を、信号蓄積部32,青色光電変換部33及び赤色光電変換部34にそれぞれ近接するように、適宜蛇行させた状態で形成する。
In addition, since the
本実施形態の積層型固体撮像装置30は、画素電極膜42を透過することに起因して青色光電変換部33及び赤色光電変換部34に入射すべき光が吸収されてしまうことを抑制でき、赤色及び青色の波長領域の光の利用効率を向上させることができる。
The stacked solid-
次に、本発明にかかる第3の実施形態を説明する。
図5は、本実施形態の積層型固体撮像装置の構成を説明する断面図である。本実施形態の積層型固体撮像装置の構成は、基本的に図1及び図2に示す第1の積層型固体撮像装置と同様の構成であり、以下、異なる構成について説明する。
Next, a third embodiment according to the present invention will be described.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the stacked solid-state imaging device of the present embodiment. The configuration of the multilayer solid-state imaging device of this embodiment is basically the same as that of the first multilayer solid-state imaging device shown in FIGS. 1 and 2, and different configurations will be described below.
図5に示すように、積層型固体撮像装置50は、青色の波長領域を透過するカラーフィルタ13と、赤色の波長領域を透過するカラーフィルタ14の上面のそれぞれに、光入射側に凸面を有し且つ下側面を平面としたマイクロレンズ51を備えた構成である。マイクロレンズ51の下側面の面積は、該カラーフィルタ13,14の上面の面積をよりも大きくすることが好ましい。
As shown in FIG. 5, the stacked solid-
本実施形態の積層型固体撮像装置50によれば、画素電極膜12を透過することで青色光電変換部3及び赤色光電変換部4に入射すべき光が吸収されてしまうことを抑制できるとともに、画素電極膜12を透過せずに絶縁層19に入射した光がマイクロレンズ51に照射されることによって集光され、カラーフィルタ13,14に射出されるようになる。 このため、積層型固体撮像装置50の光入射面に対して斜めに入射した光が、画素電極膜12を透過せずに絶縁層19に入射しても、マイクロレンズ51によってカラーフィルタ13,14へ導くことができるため、光の利用効率がより一層向上する。
According to the stacked solid-
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、図2に示す固体撮像装置10において、信号蓄積部2に光が入射することを防止するため画像電極膜12の縁部に半導体基板1側に向って延設されたフランジ状の遮光部を設けてもよい。または、半導体基板1及び垂直転送路6の表面全体に遮光層を形成することで、信号蓄積部2に光が入射することを防止する構成としてもよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A suitable deformation | transformation, improvement, etc. are possible.
For example, in the solid-
1,31 半導体基板
2,32 信号蓄積部
3,33 青色光電変換部
4,34 赤色光電変換部
6,36 垂直転送路
7,37 水平転送路
10,30,50 積層型固体撮像装置
11,41 光電変換膜
12,42 画素電極膜
13,14,43,44 カラーフィルタ
51 マイクロレンズ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記光電変換膜が前記青色光電変換部及び前記赤色光電変換部を覆うように配され、
前記光電変換膜には画素毎に一定の間隔で配置された画素電極膜が接続され、前記青色光電変換部及び前記赤色光電変換部が、前記半導体基板に対して垂直な方向から見たときに、前記画素電極膜同士の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする積層型固体撮像装置。 A semiconductor substrate in which a blue photoelectric conversion unit for detecting light of a blue wavelength and a red photoelectric conversion unit for detecting light of a red wavelength are arranged two-dimensionally, and the semiconductor substrate is stacked on the semiconductor substrate, and the green wavelength A stacked solid-state imaging device comprising a photoelectric conversion film for detecting the light of
The photoelectric conversion film is arranged so as to cover the blue photoelectric conversion unit and the red photoelectric conversion unit,
A pixel electrode film disposed at a constant interval for each pixel is connected to the photoelectric conversion film, and the blue photoelectric conversion unit and the red photoelectric conversion unit are viewed from a direction perpendicular to the semiconductor substrate. A stacked solid-state imaging device, wherein the stacked-type solid-state imaging device is disposed between the pixel electrode films.
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