JP4751690B2

JP4751690B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4751690B2
Application number: JP2005293775A
Authority: JP
Inventors: 信雄鈴木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: JP2007103785A

Description

本発明は、行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の画素を有する固体撮像素子に関する。

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素子では、光電変換する受光部の配列上に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、各受光部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素子は、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、各受光部で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素子が研究・開発されている（例えば、下記の特許文献１，２）。この撮像素子は、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受光部構造を備え、しかも各受光部毎に、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信号読み出し回路が設けられる。

斯かる構造の撮像素子の場合、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、しかも各受光部で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に記載された撮像素子では、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。この撮像素子も、特許文献１，２に記載された撮像素子と同様に、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に記載された撮像素子は、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に記載された撮像素子は、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記載の撮像素子の各問題点を改善するものとして、特許文献４記載の撮像素子が提案されている。この撮像素子は、特許文献１，２記載の撮像素子と特許文献３記載の撮像素子のハイブリッド型となっており、シリコン基板内のフォトダイオードでＢとＲの光を検出し、シリコン基板上方の光電変換素子でＧの光を検出するものである。シリコン基板上方に設けられる光電変換素子は、シリコン基板上に積層された第一電極膜と、第一電極膜上に積層された有機材料からなる光電変換膜と、光電変換膜上に積層された第二電極膜とを含んで構成されており、第一電極膜と第二電極膜に電圧を印加することで、光電変換膜内で発生した信号電荷が第一電極膜と第二電極膜に移動し、いずれかの電極膜に移動した信号電荷に応じた信号が、シリコン基板内に設けられたＣＣＤやＣＭＯＳ回路等の信号読み出し回路で読み出される構成となっている。本明細書において、光電変換膜とは、そこに入射した特定の波長の光を吸収し、吸収した光量に応じた電子及び正孔を発生する膜のことを言う。

この構成によれば、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号公報特開２００２−８３９４６号公報特表２００２−５１３１４５号公報特開２００３−３３２５５１号公報

Ｂ光とＲ光を検出する２つのフォトダイオードや信号読出し回路等が設けられているシリコン基板は、電子の移動度が正孔の移動度より約３倍大きい。したがって、信号読出し回路を構成するトランジスタはｎチャネルＭＯＳ型トランジスタが一般的に使用される。これに対応して、シリコン基板上内の光電変換膜から取り出す電荷も電子が利用される。

しかしながら、光電変換膜は有機半導体が使用されることが多く、この有機半導体の一般的な性質として電子の移動度より正孔の移動度の方が大きいことが知られている。Ｇ光を検出する光電変換膜から取り出す電荷として移動度が小さい電子を利用すると、電子が移動中に消滅する確率が大きく、さらに、トラップ準位に電子が捕獲される確率も大きい。その結果、Ｇ光の感度が低下する恐れがある。

また、第二電極膜上方から光を入射した場合、有機半導体からなる光電変換膜は、光吸収係数が大きい波長の光に対しては、電子を、第二電極膜付近に比較的多く発生する。したがって、第一電極膜で電子を捕集するものとすると、光吸収係数が大きい波長の光の場合、電子は第一電極膜まで長い距離を移動することになる。この結果、光吸収係数が大きい波長の光に対する感度低下は非常に大きくなる。一方、有機半導体からなる光電変換膜は、光吸収係数が比較的小さい波長の光に対しては、電子を、光電変換膜内でほぼ一様に発生する。したがって、光吸収係数が大きい波長の光に比べると、感度低下はそれほど大きくない。これらの理由から、ハイブリッド型の撮像素子において、光電変換膜でＧ光を検出する場合、Ｇ光の分光感度特性は、ピーク感度が低下し、緩やかな山のような分布となるため、Ｇ光の色分離特性が劣化し、結果としてカラー再生画像の色再現性が悪くなる。光電変換膜でＲ光やＢ光を検出する場合でも色再現性は悪化するが、Ｇ光を検出する場合に、特に顕著となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ハイブリッド型の固体撮像素子において、感度及び色再現性を向上させることを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の画素を有する固体撮像素子であって、前記画素は、半導体基板内に形成された異なる色の光を検出する複数種類の基板内光電変換素子と、前記複数種類の基板内光電変換素子上方に積層され、前記複数種類の基板内光電変換素子で検出される色とは異なる色の光を検出する基板上光電変換素子とを含む受光部と、前記基板内光電変換素子で発生して蓄積される電荷に応じた信号を読みだす前記半導体基板に形成される第一の信号読出し回路及び前記基板上光電変換素子で発生して蓄積される電荷に応じた信号を読み出す前記半導体基板に形成される第二の信号読み出し回路とを含んで構成され、前記基板上光電変換素子は、前記半導体基板上方に積層された第一の電極膜と、前記第一の電極膜上方に積層された光電変換膜と、前記光電変換膜上方に積層された第二の電極膜とからなり、前記光電変換膜は、内部での正孔の移動度が電子の移動度より大きい有機半導体を含み、撮像期間中、前記第一の電極膜と前記第二の電極膜には、前記光電変換膜で発生した正孔が前記第一の電極膜に蓄積されるように電圧が印加されるものであり、前記基板内光電変換素子で発生して蓄積される電荷は電子であり、前記第一の信号読み出し回路は、前記基板内光電変換素子で発生して蓄積される電子に応じた信号を出力するための複数のトランジスタからなる第一の信号出力回路と、前記電子を前記第一の信号出力回路に読み出すための第一の読み出しトランジスタとを含み、前記第二の信号読み出し回路は、前記基板上光電変換素子で発生して前記第一の電極膜に蓄積される正孔に応じた信号を出力するための複数のトランジスタからなる第二の信号出力回路と、前記正孔を前記第二の信号出力回路に読み出すための第二の読み出しトランジスタとを含み、前記第二の信号読み出し回路に含まれるトランジスタのうち、前記第二の読み出しトランジスタはｐチャネルＭＯＳ型トランジスタであり、その他のトランジスタはｎチャネルＭＯＳ型トランジスタである。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の信号出力回路は、前記第一の読み出しトランジスタによって読み出された電子をリセットするためのリセットトランジスタを含む２つ又は３つのトランジスタからなり、前記第二の信号出力回路は、前記第二の読み出しトランジスタによって読み出された正孔をリセットするためのリセットトランジスタを含む２つ又は３つのトランジスタからなり、前記第二の信号出力回路の前記リセットトランジスタのドレイン電圧は、前記第一の信号出力回路の前記リセットトランジスタのドレイン電圧よりも低く設定される。

本発明の固体撮像素子は、前記複数種類の基板内光電変換素子が、前記半導体基板の深さ方向に積層されている固体撮像素子。

本発明の固体撮像素子は、前記複数種類の基板内光電変換素子が、青色の光を検出する基板内光電変換素子と、赤色の光を検出する基板内光電変換素子との２種類であり、前記基板上光電変換素子が、緑色の光を検出する。

本発明によれば、ハイブリッド型の固体撮像素子において、感度及び色再現性を向上させることができる。

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ハイブリッド型の固体撮像素子の構成を示す表面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、図中の行方向及びこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素１００を備える。多数の画素１００は、行方向に配列された複数の画素１００からなる行を画素行とし、この画素行を列方向に多数配列した配置、又は、列方向に配列された複数の画素１００からなる列を画素列とし、この画素列を行方向に多数配列した配置となっている。各画素１００は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各光を検出してそれに応じた電荷を発生して蓄積する部分である受光部と、該受光部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すためのＭＯＳ型トランジスタからなる信号読み出し回路とが含まれる。

ｎ型シリコン基板１２０上には、各画素１００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号を該信号読み出し回路に供給する行選択走査部１０２と、各画素１００の信号読み出し回路から読み出されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの色信号に相関二重サンプリング処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う信号処理部１０３と、各画素１００に含まれる受光部を駆動するためのタイミングパルスを生成して、これを各受光部に供給したり、行選択走査部１０２及び信号処理部１０３を制御したりする制御部１０４とが形成されている。

ｎ型シリコン基板１２０上には、各画素１００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号を供給するための４種類の信号線（ｒｂ読み出し信号線１０７，ｇ読み出し信号線１０８，リセット信号線１０９，行選択信号線１１０）が、各画素行の間を行方向に延びて形成されている。ｒｂ読み出し信号線１０７，ｇ読み出し信号線１０８，リセット信号線１０９，行選択信号線１１０は、これらを１組にして各画素行に対応して設けられている。ｒｂ読み出し信号線１０７，ｇ読み出し信号線１０８，リセット信号線１０９，行選択信号線１１０は、これらに対応する画素行に含まれる各画素１００の信号読み出し回路と、行選択走査部１０２とに接続されている。行選択走査部１０２から、ｒｂ読み出し信号線１０７，ｇ読み出し信号線１０８，リセット信号線１０９，行選択信号線１１０を介して駆動信号が信号読み出し回路に供給されることで、信号読み出し回路の信号読み出し動作が制御される。

行選択走査部１０２は、図１に示す固体撮像素子の上端側から順に配列される画素行を、１つずつ上から順次選択して、１画素行単位で信号を読み出させる制御を行う。

ｎ型シリコン基板１２０上には、各画素１００に含まれる信号読み出し回路から読み出されたＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を信号処理部１０３に伝達するための３種類の信号線（色列信号線１１１ｒ，色列信号線１１１ｇ，色列信号線１１１ｂ）が、各画素列の間を列方向に延びて形成されている。色列信号線１１１ｇ，色列信号線１１１ｂ，色列信号線１１１ｒは、各画素列に対応して設けられている。色列信号線１１１ｇ，色列信号線１１１ｂ，色列信号線１１１ｒは、これらに対応する画素列に含まれる各画素１００の信号読み出し回路と、信号処理部１０３とに接続される。

図２は、図１に示す１つの画素の概略構成を示す模式図であり、受光部の概略断面と、そこに接続される信号読み出し回路とを模式的に示した図である。図２に示すように、画素１００には、受光部１００ａと、信号読み出し回路１００ｂが含まれる。

ｎ型シリコン基板１２０表面部にはｐウェル層１２１が形成され、ｐウェル層１２１内には、ｐ＋型半導体層１２５、ｎ型半導体層１２４、ｐ型半導体層１２３、ｎ型半導体層１２２がこの順に、浅い位置から深い位置に向かって形成されている。

ｎ型シリコン基板１２０上には透明絶縁膜１２６が積層され、透明絶縁膜１２６上に受光部１００ａ毎に分割された画素電極膜１２７（特許請求の範囲の第一の電極膜に相当）が形成されている。画素電極膜１２７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。

画素電極膜１２７上には、全ての画素に含まれる受光部１００ａで共通の１枚構成でなる光電変換膜１２８が積層される。この光電変換膜１２８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信号電荷を発生する。光電変換膜１２８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有機半導体材料、有機色素を含む有機材料等で形成される。光電変換膜１２８は、例えば、その膜厚の大部分（５０％以上）を有機半導体材料が占めており、この有機半導体材料の内部での正孔の移動度が電子の移動度よりも大きくなっているものが用いられる。

光電変換膜１２８上には透明の共通電極膜（画素電極膜１２７の対向電極膜；特許請求の範囲の第二の電極膜に相当）１２９が形成され、その上には、透明の保護膜１３０が形成される。対向電極膜１２９は、全ての画素に含まれる受光部１００ａで共通の一枚の膜状電極でも良く、また、画素電極膜１２７と同様に受光部１００ａ毎に分割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。画素電極膜１２７と対向電極膜１２９には、撮像期間中、光電変換膜１２８で発生した正孔が画素電極膜１２７に移動するに十分な電界が光電変換膜１２８内に誘起されるような電圧が印加される。

画素電極膜１２７と、光電変換膜１２８と、対向電極膜１２９とのうち、画素電極膜１２７によって区画される部分がＧ光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する基板上光電変換素子であるＧ光電変換素子を構成する。又、ｎ型半導体層１２４とｐ型半導体層１２３で形成されるｐｎ接合は、シリコン基板１２０の表面部に近いため、そこに到達する光は光吸収係数が大きい青色（Ｂ）光の成分が支配的になり、Ｂ光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する基板内光電変換素子であるＢ光電変換素子（フォトダイオード）を構成する。ｎ型半導体層１２２とｐウェル層１２１で形成されるｐｎ接合は、シリコン基板１２０の深部にあるため、そこに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光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する基板内光電変換素子であるＲ光電変換素子（フォトダイオード）を構成する。

Ｇ光電変換素子を透過した光はＢ光電変換素子によって吸収され、Ｂ光電変換素子を透過した光はＲ光電変換素子によって吸収されるように、Ｇ光電変換素子、Ｂ光電変換素子、及びＲ光電変換素子は積層されている。

画素電極膜１２７には、光電変換膜１２８で光電変換されて、ここに蓄積された正孔に応じた信号を読み出すための信号読み出し回路１１２ｇの入力端子が接続されている。信号読み出し回路１１２ｇは、ｐウェル層１２１内部及び透明絶縁膜１２６内に形成されている。

ｎ型半導体層１２４には、Ｂ光電変換素子で光電変換されて、ここに蓄積された電子に応じた信号を読み出すための信号読み出し回路１１２ｂの入力端子が接続されている。信号読み出し回路１１２ｂは、ｐウェル層１２１内部及び透明絶縁膜１２６内に形成されている。

ｎ型半導体層１２２には、Ｒ光電変換素子で光電変換されて、ここに蓄積された電子に応じた信号を読み出すための信号読み出し回路１１２ｒの入力端子が接続されている。信号読み出し回路１１２ｒは、ｐウェル層１２１内部及び透明絶縁膜１２６内に形成されている。

次に、信号読み出し回路１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂの回路構成を図３を参照して説明する。信号読み出し回路１１２ｒと１１２ｂは同一構成であるため、ここでは信号読み出し回路１１２ｒと、信号読み出し回路１１２ｇについてその回路構成を説明する。図３は、図２に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図であり、（ａ）は、信号読み出し回路１１２ｇの回路構成を示す図、（ｂ）は信号読み出し回路１１２ｒ，ｂの回路構成を示す図である。

図３（ａ）に示すように、信号読み出し回路１１２ｇは、Ｇ光電変換素子で発生して画素電極膜１２７に蓄積される正孔に応じた信号を出力するための信号出力回路１０５ｇ（特許請求の範囲の第二の信号出力回路に相当）と、Ｇ光電変換素子で発生して画素電極膜１２７に蓄積された正孔を信号出力回路１０５ｇに読み出すための読み出しトランジスタ１１３ｇ（特許請求の範囲の第二の読み出しトランジスタに相当）とを備える。

信号出力回路１０５ｇは、読み出しトランジスタ１１３ｇによって読み出された正孔を、その量に応じた信号に変換するための出力トランジスタ１１４と、画素行を選択するための行選択トランジスタ１１５と、読み出しトランジスタ１１３ｇによって読み出された正孔をリセットするためのリセットトランジスタ１１６とを備える。これらのトランジスタは、光が入ることによる混色を避けるため、図示しない光遮蔽膜で覆われているＰウェル層１２１内に形成される。信号読み出し回路１１２ｇに含まれるトランジスタのうち、読み出しトランジスタ１１３ｇだけがｐチャネルＭＯＳ型トランジスタであり、それ以外は全てｎチャネルＭＯＳ型トランジスタである。

読み出しトランジスタ１１３ｇは、そのゲートがｇ読み出し信号線１０８に接続され、そのソースが入力端子１１８ｇに接続される。出力トランジスタ１１４は、そのゲートが読み出しトランジスタ１１３ｇのドレインに接続され、そのドレインが電源端子１１９に接続される。リセットトランジスタ１１６は、そのゲートがリセット信号線１０９に接続され、そのソースが読み出しトランジスタ１１３ｇのドレインに接続され、そのドレインが電源端子１１７に接続される。行選択トランジスタ１１５は、そのゲートが行選択信号線１１０に接続され、そのドレインが出力トランジスタ１１４のソースに接続され、そのソースが色列信号線１１１ｇに接続される。

図３（ｂ）に示すように、信号読み出し回路１１２ｒは、Ｒ光電変換素子で発生してここに蓄積された電子に応じた信号を出力するための信号出力回路１０５ｒ（特許請求の範囲の第一の信号出力回路に相当）と、Ｒ光電変換素子で発生してここに蓄積された電子を信号出力回路１０５ｒに読み出すための読み出しトランジスタ１１３ｒ（特許請求の範囲の第一の読み出しトランジスタに相当）とを備える。

信号出力回路１０５ｒは、読み出しトランジスタ１１３ｒによって読み出された電子を、その量に応じた信号に変換するための出力トランジスタ１１４と、行選択トランジスタ１１５と、読み出しトランジスタ１１３ｒによって読み出された電子をリセットするためのリセットトランジスタ１１６とを備える。これらのトランジスタは、光が入ることによる混色を避けるため、図示しない光遮蔽膜で覆われているＰウェル層１２１内に形成される。信号読み出し回路１１２ｒに含まれるトランジスタは全てｎチャネルＭＯＳ型トランジスタである。

読み出しトランジスタ１１３ｒは、そのゲートがｒｂ読み出し信号線１０７に接続され、そのソースが入力端子１１８ｒに接続される。出力トランジスタ１１４は、そのゲートが読み出しトランジスタ１１３ｒのドレインに接続され、そのドレインが電源端子１１９に接続される。リセットトランジスタ１１６は、そのゲートがリセット信号線１０９に接続され、そのソースが読み出しトランジスタ１１３ｒのドレインに接続され、そのドレインが電源端子１１９に接続される。行選択トランジスタ１１５は、そのゲートが行選択信号線１１０に接続され、そのドレインが出力トランジスタ１１４のソースに接続され、そのソースが色列信号線１１１ｒに接続される。

信号読み出し回路１１２ｂの説明は、段落００４３〜００４５の説明において、ＲをＢに変更し、ｒをｂに変更するだけである。

信号読み出し回路１１２ｇのリセットトランジスタ１１６のドレイン電圧は所定値よりも低い電圧に設定され、信号読み出し回路１１２ｒ，１１２ｂのリセットトランジスタ１１６のドレイン電圧は所定値よりも高い電圧に設定される。信号読み出し回路１１２ｇのリセットトランジスタ１１６が低電圧にリセットされることにより、正孔に対応するプラスの電圧信号を列信号線に出力させることができるためである。

以上のような構成の固体撮像素子では、撮影指示に応じた露光期間（撮像期間）の終了後、行選択走査部１０２が、行選択信号線１１０に行選択信号を供給して、ｍ（ｍは整数）行目の画素行を選択する。そして、読み出し信号線１０７，１０８に読み出し信号を供給する。これにより、画素電極膜１２７に蓄積された正孔が、出力トランジスタ１１４のゲート部分に蓄積され、蓄積された正孔量に応じた信号が色列信号線１１１ｇに読み出される。同様に、ｎ型半導体層１２４に蓄積された電子が出力トランジスタ１１４のゲート部分に蓄積され、蓄積された電子量に応じた信号が色列信号線１１１ｂに読み出される。同様に、ｎ型半導体層１２２に蓄積された電子が出力トランジスタ１１４のゲート部分に蓄積され、蓄積された電子量に応じた信号が色列信号線１１１ｒに読み出される。そして、信号処理部１０３によって信号処理が行われ、各画素行から得られた信号が、その信号の生成元の画素の配列順にしたがって出力される。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子は、Ｇ光電変換素子については、光電変換層１２８で発生した電荷のうちの正孔を画素電極膜１２７に蓄積し、蓄積した正孔に応じた信号を信号読み出し回路１１２ｇによって読み出し、Ｒ光電変換素子とＢ光電変換素子については、ここで発生した電荷のうち電子を蓄積して、蓄積した電子に応じた信号を信号読み出し回路１１２ｒ，１１２ｂによって読み出すようにしている。光電変換膜１２８で発生した正孔を信号読み出し用の電荷とすることで、光電変換膜１２８で発生した電荷が光電変換膜１２８内を移動中に消滅してしまう確率やトラップ準位に捕獲される確率を低くすることができる。特に、Ｇ光の場合、光電変換膜１２８内の対向電極膜１２９側で多く電子が発生するため、電子を信号読み出し用の電荷にした場合と比べると、上記確率をより低くすることができる。この結果、Ｇ光の感度を向上させ、Ｇ光の感度をシャープ化させることができ、Ｇ光の色分離特性及び色再現性を向上させることができる。

一方、Ｂ光とＲ光については、シリコン基板内で電荷を処理する必要があるため、正孔よりも移動度が大きい電子を信号読み出し用の電荷としている。これにより、信号読み出し回路に用いる全てのトランジスタを、ｐチャネルＭＯＳ型トランジスタよりも面積の小さいｎチャネルＭＯＳ型トランジスタで構成することが可能となり、画素面積の削減が可能となる。又、Ｂ光，Ｒ光に応じて発生した電子が移動中に消滅してしまう確率も少なくすることができ、Ｒ光，Ｂ光の感度低下も防ぐことができる。

又、本実施形態の固体撮像素子に用いた信号読み出し回路１１２ｇ，１１２ｒ，１１２ｂの構成は、一般によく知られている４つのトランジスタを用いる構成であるが、信号読み出し回路１１２ｇについては、正孔を扱う必要があるため、読み出しトランジスタ１１３ｇをｐチャネルＭＯＳ型トランジスタとしている。そして、それ以外のトランジスタは、小面積化を図るためにｎチャネルＭＯＳ型トランジスタとしている。このような構成により、固体撮像素子の感度向上と小型化が可能となる。

尚、本実施形態の固体撮像素子において、画素１００以外に含まれるトランジスタは、ｐチャネルＭＯＳ型トランジスタでも、ｎチャネルＭＯＳ型トランジスタでもどちらでも良い。

又、本実施形態では、信号出力回路１０５ｒ，１０５ｇ，１０５ｂをそれぞれ３つのトランジスタで構成したが、これに限らず、例えば２つのトランジスタで構成することも可能である。本実施形態のように、３つのトランジスタを用いた場合には、ｋＴＣ雑音をＣＤＳ処理により除去することができるため、低雑音の撮像信号を得る事ができる。

図４は、信号出力回路を２つのトランジスタで構成する場合の回路構成を示す図である。図４において図３（ａ）と同じ構成には同一符号を付してある。
図４に示す信号読み出し回路１１２ｇは、図３（ａ）に示すリセットトランジスタ１１６のドレインに接続される電源端子１１７をパルス駆動して、行選択トランジスタ１１５を省略した構成である。このようにすることで、トランジスタ数を減らすことができ、画素の微細化が容易になる。尚、信号読み出し回路１１２ｒ，１１２ｂについても同様に、図３（ｂ）に示すリセットトランジスタ１１６のドレイン接続される電源端子１１９をパルス駆動して、行選択トランジスタ１１５を省略した構成にすれば良い。

又、本実施形態では、画素１００内に３個の信号出力回路を設けたが、読出しトランジスタ１１２ｒ，１１２ｇ，１１２ｂを駆動するための読み出し信号を独立に供給することにより、１個の信号出力回路を共用する構成としてもよい。読出し信号線が増加する不利はあるが、画素１００内のトランジスタが６個または４個減少するという利点がある。これにより画素の微細化が容易になる。

以上のように、本実施形態では、シリコン基板上で発生した電荷については正孔を利用し、シリコン基板内で発生した電荷については電子を利用することで、感度の向上を図ったが、シリコン基板上で発生した電荷については正孔を利用し、シリコン基板内で発生した電荷についても正孔を利用する構成であっても、感度の向上を図ることは可能である。以下、この場合の構成を第二実施形態で説明する。

（第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態を説明するためのハイブリッド型の固体撮像素子の構成を示す表面模式図である。
図５に示す固体撮像素子は、図中の行方向及びこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素２００を備える。多数の画素２００は、行方向に配列された複数の画素２００からなる行を画素行とし、この画素行を列方向に多数配列した配置、又は、列方向に配列された複数の画素２００からなる列を画素列とし、この画素列を行方向に多数配列した配置となっている。各画素２００は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各光を検出してそれに応じた電荷を発生して蓄積する部分である受光部と、該受光部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すためのＭＯＳ型トランジスタからなる信号読み出し回路とが含まれる。

ｐ型シリコン基板２２０上には、各画素２００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号を該信号読み出し回路に供給する行選択走査部２０２と、各画素２００の信号読み出し回路から読み出されたＲ，Ｇ，Ｂの３つの色信号に相関二重サンプリング処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う信号処理部２０３と、各画素２００に含まれる受光部を駆動するためのタイミングパルスを生成して、これを各受光部に供給したり、行選択走査部２０２及び信号処理部２０３を制御したりする制御部２０４とが形成されている。

ｐ型シリコン基板２２０上には、各画素２００に含まれる信号読み出し回路を駆動するための駆動信号を供給するための３種類の信号線（読み出し信号線２０８，リセット信号線２０９，行選択信号線２１０）が、各画素行の間を行方向に延びて形成されている。読み出し信号線２０８，リセット信号線２０９，行選択信号線２１０は、これらを１組にして各画素行に対応して設けられている。読み出し信号線２０８，リセット信号線２０９，行選択信号線２１０は、これらに対応する画素行に含まれる各画素２００の信号読み出し回路と、行選択走査部２０２とに接続されている。行選択走査部２０２から、読み出し信号線２０８，リセット信号線２０９，行選択信号線２１０を介して駆動信号が信号読み出し回路に供給されることで、信号読み出し回路の信号読み出し動作が制御される。

行選択走査部２０２は、図５に示す固体撮像素子の上端側から順に配列される画素行を、１つずつ上から順次選択して、１画素行単位で信号を読み出させる制御を行う。

ｎ型シリコン基板２２０上には、各画素２００に含まれる信号読み出し回路から読み出されたＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を信号処理部２０３に伝達するための３種類の信号線（色列信号線２１１ｒ，色列信号線２１１ｇ，色列信号線２１１ｂ）が、各画素列の間を列方向に延びて形成されている。色列信号線２１１ｇ，色列信号線２１１ｂ，色列信号線２１１ｒは、各画素列に対応して設けられている。色列信号線２１１ｇ，色列信号線２１１ｂ，色列信号線２１１ｒは、これらに対応する画素列に含まれる各画素２００の信号読み出し回路と、信号処理部２０３とに接続される。

図６は、図５に示す１つの画素の概略構成を示す模式図である。図６（ａ）は、受光部の概略断面と、そこに接続される信号読み出し回路とを模式的に示した図であり、（ｂ）は（ａ）に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図である。図６（ａ）に示すように、画素２００には、受光部２００ａと、信号読み出し回路２００ｂが含まれる。

ｐ型シリコン基板２２０表面部にはｎウェル層２２１が形成され、ｎウェル層２２１内には、ｎ＋型半導体層２２５、ｐ型半導体層２２４、ｎ型半導体層２２３、ｐ型半導体層２２２がこの順に、浅い位置から深い位置に向かって形成されている。

ｐ型シリコン基板２２０上には透明絶縁膜２２６が積層され、透明絶縁膜２２６上に受光部２００ａ毎に分割された画素電極膜２２７が形成されている。画素電極膜２２７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。

画素電極膜２２７上には、全ての画素に含まれる受光部２００ａで共通の１枚構成でなる光電変換膜２２８が積層される。この光電変換膜２２８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Ｇ信号電荷を発生する。光電変換膜２２８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有機半導体材料、有機色素を含む有機材料等で形成される。光電変換膜２２８は、例えば、その膜厚の大部分（５０％以上）を有機半導体材料が占めており、この有機半導体材料の内部での正孔の移動度が電子の移動度よりも大きくなっているものが用いられる。

光電変換膜２２８上には透明の共通電極膜（画素電極膜２２７の対向電極膜）２２９が形成され、その上には、透明の保護膜２３０が形成される。対向電極膜２２９は、全ての画素に含まれる受光部２００ａで共通の一枚の膜状電極でも良く、また、画素電極膜２２７と同様に受光部２００ａ毎に分割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。画素電極膜２２７と対向電極膜２２９には、撮像期間中、光電変換膜２２８で発生した正孔が画素電極膜２２７に移動するに十分な電界が光電変換膜２２８内に誘起されるような電圧が印加される。

画素電極膜２２７と、光電変換膜２２８と、対向電極膜２２９とのうち、画素電極膜２２７によって区画される部分がＧ光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する基板上光電変換素子であるＧ光電変換素子を構成する。又、ｐ型半導体層２２４とｎ型半導体層２２３で形成されるｐｎ接合は、シリコン基板２２０の表面部に近いため、そこに到達する光は光吸収係数が大きい青色（Ｂ）光の成分が支配的になり、Ｂ光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する基板内光電変換素子であるＢ光電変換素子（フォトダイオード）を構成する。ｐ型半導体層２２２とｎウェル層２２１で形成されるｐｎ接合は、シリコン基板２２０の深部にあるため、そこに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光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する基板内光電変換素子であるＲ光電変換素子（フォトダイオード）を構成する。

画素電極膜２２７には、光電変換膜２２８で光電変換されて、ここに蓄積された正孔に応じたＧ信号を読み出すための信号読み出し回路２１２ｇの入力端子が接続されている。信号読み出し回路２１２ｇは、ｎウェル層２２１内部及び透明絶縁膜２２６内に形成されている。

ｐ型半導体層２２４には、Ｂ光電変換素子で光電変換されて、ここに蓄積された正孔に応じたＢ信号を読み出すための信号読み出し回路２１２ｂの入力端子が接続されている。信号読み出し回路２１２ｂは、ｎウェル層２２１内部及び透明絶縁膜２２６内に形成されている。

ｐ型半導体層２２２には、Ｒ光電変換素子で光電変換されて、ここに蓄積された正孔に応じたＲ信号を読み出すための信号読み出し回路２１２ｒの入力端子が接続されている。信号読み出し回路２１２ｒは、ｎウェル層２２１内部及び透明絶縁膜２２６内に形成されている。

次に、信号読み出し回路２１２ｒ，２１２ｇ，２１２ｂの回路構成を説明する。信号読み出し回路２１２ｒ，２１２ｇ，２１２ｂはそれぞれ同一構成であるため、ここでは信号読み出し回路２１２ｇについてその回路構成を説明する。

図６（ｂ）に示すように、信号読み出し回路２１２ｇは、Ｇ光電変換素子で発生して蓄積された正孔に応じたＧ信号を出力するための信号出力回路２０５ｇと、Ｇ光電変換素子で発生して蓄積された正孔を信号出力回路２０５ｇに読み出すための読み出しトランジスタ２１３ｇとを備える。

信号出力回路２０５ｇは、読み出しトランジスタ２１３ｇによって読み出された正孔を、その量に応じた信号に変換するための出力トランジスタ２１４と、画素行を選択するための行選択トランジスタ２１５と、読み出しトランジスタ２１３ｇによって読み出された正孔をリセットするためのリセットトランジスタ２１６とを備える。これらのトランジスタは、光が入ることによる混色を避けるため、図示しない光遮蔽膜で覆われているｎウェル層２２１内に形成される。信号読み出し回路２１２ｇに含まれるトランジスタは全てｐチャネルＭＯＳ型トランジスタである。

読み出しトランジスタ２１３ｇは、そのゲートが読み出し信号線２０８に接続され、そのソースが入力端子２１８ｇに接続される。出力トランジスタ２１４は、そのゲートが読み出しトランジスタ２１３ｇのドレインに接続され、そのドレインが電源端子２１９に接続される。リセットトランジスタ２１６は、そのゲートがリセット信号線２０９に接続され、そのソースが読み出しトランジスタ２１３ｇのドレインに接続され、そのドレインが電源端子２１７に接続される。行選択トランジスタ２１５は、そのゲートが行選択信号線２１０に接続され、そのドレインが出力トランジスタ２１４のソースに接続され、そのソースが色列信号線２１１ｇに接続される。

信号読み出し回路２１２ｂの説明は、段落００７２〜００７４の説明において、ＧをＢに変更し、ｇをｂに変更するだけである。信号読み出し回路２１２ｒの説明は、段落００７２〜００７４の説明において、ＧをＲに変更し、ｇをｒに変更するだけである。

以上のような構成の固体撮像素子では、撮影指示に応じた露光期間（撮像期間）の終了後、行選択走査部２０２が、行選択信号線２１０に行選択信号を供給して、ｍ（ｍは整数）行目の画素行を選択する。そして、読み出し信号線２０８に読み出し信号を供給する。これにより、画素電極膜２２７に蓄積された正孔が、出力トランジスタ２１４のゲート部分に蓄積され、蓄積された正孔量に応じた信号が色列信号線２１１ｇに読み出される。同様に、ｐ型半導体層２２４に蓄積された正孔が出力トランジスタ２１４のゲート部分に蓄積され、蓄積された正孔量に応じた信号が色列信号線２１１ｂに読み出される。同様に、ｐ型半導体層２２２に蓄積された正孔が出力トランジスタ２１４のゲート部分に蓄積され、蓄積された正孔量に応じた信号が色列信号線２１１ｒに読み出される。そして、信号処理部２０３によって信号処理が行われ、各画素行から得られた信号が、その信号の生成元の画素の配列順にしたがって出力される。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子は、シリコン基板上で発生した電荷については正孔を利用しているため、第一実施形態と同様に感度を向上させることができる。又、シリコン基板内で発生した電荷についても正孔を利用しているため、電子を利用する場合に比べてＲ，Ｂの感度が低下するが、画像を作る際はＧの感度が重要であるため、結果的に、感度を向上させることができる。

尚、本実施形態の固体撮像素子において、画素２００以外に含まれるトランジスタは、ｐチャネルＭＯＳ型トランジスタでも、ｎチャネルＭＯＳ型トランジスタでもどちらでも良い。

又、本実施形態では、信号出力回路２０５ｒ，２０５ｇ，２０５ｂをそれぞれ３つのトランジスタで構成したが、これに限らず、例えば２つのトランジスタで構成することも可能である。

又、本実施形態では、画素２００内に３個の信号出力回路を設けたが、読出しトランジスタ２１２ｒ，２１２ｇ，２１２ｂを駆動するための読み出し信号を独立に供給することにより、１個の信号出力回路を共用する構成としてもよい。読出し信号線が増加する不利はあるが、画素２００内のトランジスタが６個または４個減少するという利点がある。これにより画素の微細化が容易になる。

本発明の第一実施形態を説明するためのハイブリッド型の固体撮像素子の構成を示す表面模式図図１に示す１つの画素の概略構成を示す模式図図２に示す信号読み出し回路の具体構成例を示した図信号出力回路を２つのトランジスタで構成する場合の回路構成を示す図本発明の第二実施形態を説明するためのハイブリッド型の固体撮像素子の構成を示す表面模式図図５に示す１つの画素の概略構成を示す模式図

符号の説明

１００画素
１０２行選択走査部
１０３信号処理部
１０４制御部
１０５ｒ，ｇ，ｂ信号出力回路
１０７ｒｂ読み出し信号線
１０８ｇ読み出し信号線
１０９リセット信号線
１１０行選択信号線
１１１ｒ，ｇ，ｂ色列信号線
１１２ｒ，ｇ，ｂ信号読み出し回路
１１３ｒ，ｇ，ｂ読み出しトランジスタ
１１４出力トランジスタ
１１５行選択トランジスタ
１１６リセットトランジスタ
１２０シリコン基板

Claims

行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の画素を有する固体撮像素子であって、
前記画素は、半導体基板内に形成された異なる色の光を検出する複数種類の基板内光電変換素子と、前記複数種類の基板内光電変換素子上方に積層され、前記複数種類の基板内光電変換素子で検出される色とは異なる色の光を検出する基板上光電変換素子とを含む受光部と、前記基板内光電変換素子で発生して蓄積される電荷に応じた信号を読みだす前記半導体基板に形成される第一の信号読出し回路及び前記基板上光電変換素子で発生して蓄積される電荷に応じた信号を読み出す前記半導体基板に形成される第二の信号読み出し回路とを含んで構成され、
前記基板上光電変換素子は、前記半導体基板上方に積層された第一の電極膜と、前記第一の電極膜上方に積層された光電変換膜と、前記光電変換膜上方に積層された第二の電極膜とからなり、
前記光電変換膜は、内部での正孔の移動度が電子の移動度より大きい有機半導体を含み、
撮像期間中、前記第一の電極膜と前記第二の電極膜には、前記光電変換膜で発生した正孔が前記第一の電極膜に蓄積されるように電圧が印加されるものであり、
前記基板内光電変換素子で発生して蓄積される電荷は電子であり、
前記第一の信号読み出し回路は、前記基板内光電変換素子で発生して蓄積される電子に応じた信号を出力するための複数のトランジスタからなる第一の信号出力回路と、前記電子を前記第一の信号出力回路に読み出すための第一の読み出しトランジスタとを含み、
前記第二の信号読み出し回路は、前記基板上光電変換素子で発生して前記第一の電極膜に蓄積される正孔に応じた信号を出力するための複数のトランジスタからなる第二の信号出力回路と、前記正孔を前記第二の信号出力回路に読み出すための第二の読み出しトランジスタとを含み、
前記第二の信号読み出し回路に含まれるトランジスタのうち、前記第二の読み出しトランジスタはｐチャネルＭＯＳ型トランジスタであり、その他のトランジスタはｎチャネルＭＯＳ型トランジスタである固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記第一の信号出力回路は、前記第一の読み出しトランジスタによって読み出された電子をリセットするためのリセットトランジスタを含む２つ又は３つのトランジスタからなり、
前記第二の信号出力回路は、前記第二の読み出しトランジスタによって読み出された正孔をリセットするためのリセットトランジスタを含む２つ又は３つのトランジスタからなり、
前記第二の信号出力回路の前記リセットトランジスタのドレイン電圧は、前記第一の信号出力回路の前記リセットトランジスタのドレイン電圧よりも低く設定される固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記複数種類の基板内光電変換素子は、前記半導体基板の深さ方向に積層されている固体撮像素子。
請求項１〜３のいずれか記載の固体撮像素子であって、
前記複数種類の基板内光電変換素子が、青色の光を検出する基板内光電変換素子と、赤色の光を検出する基板内光電変換素子との２種類であり、
前記基板上光電変換素子が、緑色の光を検出する固体撮像素子。