JP4866656B2 - 光電変換膜積層型カラー固体撮像装置 - Google Patents

光電変換膜積層型カラー固体撮像装置 Download PDF

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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色の入射光を半導体基板に形成した光電変換素子(フォトダイオード)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、色分離性能が高くしかも光利用効率も高い光電変換膜積層型カラー固体撮像装置に関する。
CCD型イメージセンサやCMOS型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信号読出回路が設けられる。
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い。そこで、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生じ、演算負荷が高くなり、また、この加減算処理によって画像信号のS/Nが低下してしまうという問題が生じる。
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、半導体基板の深さ方向に形成された2つの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、光電変換膜で中間波長の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が改善され、色再現性が良好になると共にS/Nも改善される。
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(図5,図6)
上述したハイブリッド型の撮像装置は、色分離性能が改善されるが、半導体基板内への光侵入距離の波長依存性に基づいて赤色と青色を分離するため、高画質のカラー画像を撮像するのに未だ十分とはいえない。
本発明の目的は、色分離性能が高い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、半導体基板と、該半導体基板の上層に積層され3原色のうちの第1色光を吸収して光電荷を発生させる光電変換膜と、前記半導体基板の表面部に配列形成され前記光電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記半導体基板の表面部に配列形成され前記光電変換膜を透過した3原色のうちの第2色光及び第3色光の混色光を受光し発生した光電荷を蓄積する第1の複数のフォトダイオードと、前記半導体基板の表面部に配列形成され前記光電変換膜を透過した前記混色光のうち第2色光を受光し発生した光電荷を蓄積する第2の複数のフォトダイオードと、該第2のフォトダイオードの上部に設けられ前記第3色光を遮光するカラーフィルタ層と、前記電荷蓄積部前記第1及び第2のフォトダイオードの各々の蓄積電荷量を読み出す信号読出手段とを備えることを特徴とする。
本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記カラーフィルタ層が無機化合物材料で形成されることを特徴とする。
本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記無機化合物材料がアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであることを特徴とする。
本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記無機化合物材料が、前記第3色光に対する平均透過率が前記第2色光に対する平均透過率の1/2以下であることを特徴とする。
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色光が緑色であり、第2色光が赤色であり、第3色光が青色であることを特徴とする。
本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記信号読出手段がMOSトランジスタあるいは電荷結合素子で構成されることを特徴とする。
本発明の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、前記フォトダイオードの各々の上部に入射光を当該フォトダイオードに集光するマイクロレンズが搭載されることを特徴とする。
本発明によれば、カラーフィルタ層を設けるため色分離性能が高く、しかも、第1のフォトダイオード上にはカラーフィルタ層を設けないため光利用効率も高くなる。また、カラーフィルタ層を無機化合物材料で構成すると、光電変換膜の下側を半導体集積回路製造技術で製造でき、製造歩留まりも高くなる。
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、本発明の一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。本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置10は、基板11の受光面上に複数の画素12が正方格子状に配列形成される。
画素12は、2種類の画素12a,12bで構成され、画素12aは受光面上に市松状に形成され、残りの市松配列上に、画素12bが設けられる。尚、ストライプ状に配列した画素12a行(列)と、ストライプ状に配列した画素12b行(列)とを交互に配列することでも良い。
基板11の側部には行選択走査部13が設けられ、下辺部には画像信号処理部14が設けられ、また、タイミングパルスを生成したり制御信号を生成する制御部15が適宜箇所に設けられる。
各画素12には夫々の信号読出回路(図示せず)が設けられ、各画素12の信号読出回路と行選択走査部13とはリセット信号線16及び行選択信号線17で接続され、各画素12の信号読出回路と画像信号処理部14とは2本の列信号線18,19で接続される。
信号読出回路は、例えば既存のCMOS型イメージセンサで用いられる3トランジスタ構成または4トランジスタ構成等のトランジスタ回路が用いられ、行選択走査部13や画像信号処理部14も既存のCMOS型イメージセンサで用いられるものと同じものを用いることができる。
尚、図示する例の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、MOS型の信号読出回路を搭載するが、既存のCCD(電荷結合素子)型固体撮像装置と同様に、各画素12が検出した信号電荷を電荷転送路(垂直電荷転送路VCCD,水平電荷転送路HCCD)を用いて読み出す構造とすることも可能である。
図2は、図1に矩形点線IIで囲った二種類の画素12a,12bの断面模式図である。n型半導体基板21(=図1の符号11)の表面部にはp型ウェル層22が形成され、画素12a,12b共に、p型ウェル層22の表面部に入射光を受光するn型半導体層(n型領域)23が形成されることで、pn接合すなわちフォトダイオード(光電変換素子)が形成される。n型半導体層23の最表面には、周知のCCD型イメージセンサやCOMS型イメージセンサと同様に、暗電流抑制用の表面p層24が設けられる。
pウェル層23の各n型半導体層23の間には、小面積の電荷蓄積部25が設けられる。電荷蓄積部25は、図示しない遮蔽膜によって遮光され、光が電荷蓄積部25に入射しない様になっている。電荷蓄積部25は、高濃度不純物領域で構成され、n型とするかp型とするかは、蓄積する電荷を電子とするか正孔とするかによって決められる。
半導体基板21の表面には、透明絶縁層27が積層され、透明絶縁層27の表面に、1画素毎に区画された透明の画素電極膜28が積層され、各画素電極膜28と対応の電荷蓄積部25とが縦配線29によって接続されている。
画素電極膜28の上には、全画素共通に緑色光に感度を有する光電変換膜30が積層され、その上に、透明な共通電極膜(画素電極膜28に対向する対向電極膜)31が積層され、最表面に透明な保護膜32が積層される。
透明な電極膜28,31は、例えばITO等や薄い金属膜で形成することができる。尚、共通電極膜31は、全画素共通に1枚構成で積層することでも、画素毎に分離し共通配線することでも、或いは、列毎あるいは行毎に分離して形成し共通配線することでもよい。
光電変換膜30は、有機半導体材料を用いて構成したり、Alqやキナクリドン化合物で構成したり、或いは、最適な粒径のナノシリコンを積層することで構成することができる。これら材料を、スパッタ法やレーザアブレーション法,印刷技術,スプレー法等で画素電極膜28の上に積層する。
そして、本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置10では、画素12aにおける透明絶縁層27の内部にカラーフィルタ層を構成するポリシリコン膜(あるいはアモルファスシリコン膜)33を埋設し、画素12bにおける透明絶縁層27の内部にはカラーフィルタ層は設けないことを特徴とする。
カラーフィルタ層33は、縦配線29とは離間して設けられる。ポリシリコンは導電性を有するため、縦配線29に接触していると、縦配線29に流れる信号電荷がカラーフィルタ層33に流れ込む虞があるからである。
カラーフィルタ層33は、例えば、図3(a)に示す様に赤外線域をカットする透過率を有する材料で構成したり、図3(b)に示す様に赤外線域も透過する材料で構成する。ポリシリコンやアモルファスシリコンを用いると、図3(b)の透過率となる。カラーフィルタ層33は、赤色光Rに対する平均透過率が、青色光Bに対する平均透過率の2倍以上となることが好ましい。青色光と赤色光の選択比が2倍より小さい場合には、混色による色再現の劣化やS/Nの低下が懸念される。
本実施形態では、1画素に2つの信号読出回路が設けられる。この信号読出回路は半導体基板上に集積回路技術を用いて形成されるが、その詳細については周知のCMOS型イメージセンサと同じであるため省略する。
画素12aには第1信号読出回路41と第2信号読出回路42とが設けられ、信号読出回路41の入力端は画素12aの電荷蓄積部25に接続され、出力端は列信号線18に接続される。信号読出回路42の入力端は画素12aのn型半導体層23に接続され、出力端は列信号線19に接続される。
画素12bには第3信号読出回路43と第4信号読出回路44とが設けられ、信号読出回路43の入力端は画素12bの電荷蓄積部25に接続され、出力端は列信号線18に接続される。信号読出回路44の入力端は画素12bのn型半導体層23に接続され、出力端は列信号線19に接続される。
斯かる構成の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置10に被写体からの光が入射すると、各画素12a,12bの入射光の内の緑色光が光電変換膜30で吸収され、光電変換膜30で発生した信号電荷が縦配線29を介して各画素12a,12bに対応する電荷蓄積部25に流れ込み蓄積される。
入射光のうち青色光と赤色光は光電変換膜30を透過する。画素12aにおいては、光電変換膜30を透過した青色光と赤色光が透明絶縁層27に浸入するが、短波長である青色光は、ポリシリコン層33で吸収されてしまい、n型半導体層23に到達しない。即ち、n型半導体層23で光電変換され蓄積される信号は、赤色光の光量に応じた信号となる。
画素12bにおいては、透明絶縁層27にカラーフィルタ層を設けていないため、青色光と赤色光はn型半導体層23に入射し、光電変換され、蓄積される。この信号電荷量は、赤色と青色の混色すなわちマゼンダ色の光量に応じた信号となる。
各画素12a,12bの電荷蓄積部25,n型半導体層23の蓄積電荷に対応する信号が、各信号読出回路41〜44によって読み出され、画像信号処理部14で処理され、画像データとして出力される。この画像データは、緑色(G)の画像データと、赤色(R)の画像データと、マゼンダ色(赤色R+青色B)の画像データであるため、容易にR,G,Bの3原色の画像データを信号処理で得ることができる。
本実施形態では、画素12bにおいて、赤色光を遮断するカラーフィルタを設けずに、信号処理で青色の画像データBを得る構成にしている。これは、光利用効率を高めるためである。カラーフィルタを用いて色分離を行う場合、色分離性能は高くなるが、カラーフィルタでカットされた光が光電変換に寄与しないためその光は無駄になってしまう。
しかし、本実施形態の様に、2種類の画素のうちの一方にだけカラーフィルタを設ける構成とすることで、無駄となる光を最小限にすることが可能となる。しかも、R,G,Bの3原色のうち中間波長Gを光電変換膜30を用いて分離するため、マゼンダ色Mg(赤色光R+青色光B)から赤色光Rを分離するカラーフィルタ33の材料選択が容易となる。尚、カラーフィルタ33として青色光を透過し赤色光をカットする材料で構成しても良い。
しかしながら、カラーフィルタ33の材料成分を細かく制御すれば、光電変換膜30が赤色光Rを分離し、光電変換膜30を透過したシアン色Cy(青色光B+緑色光G)中の青色光Bまたは緑色光Gをカラーフィルタ33がカットする構成とすることも可能である。あるいは、光電変換膜30が青色光Bを分離し、光電変換膜30を透過したイエロー光Ye(赤色光R+緑色光G)中の赤色光Rまたは緑色光Gをカラーフィルタ33がカットする構成とすることも可能である。
赤色光を分離する光電変換膜としては、例えばGaAlAs,Si等の無機材料や、例えばZnPc(亜鉛フタロシアニン)/Alq3(キノリノールアルミ錯体)等の有機材料が使用できる。また、青色光を分離する光電変換膜としては例えばInAlP等の無機材料や、例えばC6/PHPPS(coumarin 6 (C6)-doped poly(m-hexoxyphenyl)phenylsilane)等の有機材料が使用できる。
光電変換膜30を無機材料で構成した場合、光電変換膜30で光が吸収され発生する正孔―電子対のうち移動度の大きい方は電子であるため、電子を信号電荷とするのが好ましい。移動度が大きいと、移動中に消滅する確率が小さく、トラップ準位に捕獲される確率も小さいためである。これに対し、光電変換膜30を有機半導体材料で構成すると、正孔の方が移動度が大きくなるため、正孔を信号電荷とするのが好ましい。
本実施形態では、カラーフィルタ層33を無機化合物材料のアモルファスシリコンやポリシリコンで形成している。カラーフィルタ層33を埋設する透明絶縁層27は、図2では単層膜として図示しているが、実際には窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等の多層膜で形成され、各層間に、信号読出回路41〜44とn型半導体層23,電荷蓄積部25とを接続する配線層が設けられるため、いずれかの層を形成するときに、カラーフィルタ層33をスパッタや蒸着で形成すれば良い。
本実施形態の様に、カラーフィルタ層33を無機化合物材料で形成すると、半導体基板21の表面上に図2の画素電極膜28を形成する工程まで(光電変換膜30を無機材料で構成する場合には保護膜32の形成工程まで)、既存の半導体集積回路製造技術をそのまま利用することができ、縦配線29の製造も容易となる。この結果、光電変換膜積層型カラー固体撮像装置の製造歩留まりが高くなり、製造コストの削減を図ることが可能となる。
また、無機材料でなるカラーフィルタ層33は一般に有機材料でなるカラーフィルタ層より光吸収係数が大きいため薄く形成でき、固体撮像装置の全体の高さを低くできるため、シェーディングを抑制することが可能となり、デバイスの微細化が容易となる。
尚、上述した実施形態では、マイクロレンズを設けていないが、各画素12a,12bの保護膜32の上に夫々マイクロレンズ(トップレンズ)を設け、あるいは、各画素12a,12bの光電変換膜30の下側にマイクロレンズ(インナーレンズ)を夫々設け、入射光をn型半導体層23の受光面に集光する構成とすることも可能である。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る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の断面模式図である。本実施形態の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置は、図2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と略同一構造になっており、カラーフィルタ層を有機材料で形成している点のみ異なる。このため、同一構造部材には図2と同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
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、透明絶縁層27と画素電極膜28との間に、有機材料でなる平滑層51を設ける。そして、画素12aにおいて、この平滑層51内に有機材料でなる赤色光透過用のカラーフィルタ層52を設ける。
カラーフィルタ層52は、既存のCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサで通常用いられるカラーフィルタ材料,形成方法で形成することができる。
本実施形態では、半導体集積回路製造技術によって透明絶縁層27までを製造し、その上に有機材料層51,52を形成するため、撮像装置全体の厚さが第1実施形態に比較して厚くなるが、既存の製造方法,材料を使用できるため、低コスト化を図るのに好適である。尚、縦配線29と画素電極膜28とを接続する縦配線53を有機材料層51に通す必要がある。
以上述べた各実施形態によれば、色分離性能が高くしかも光利用効率が高い光電変換膜積層型カラー固体撮像装置を低コストで製造することが可能となる。
本発明に係る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は、半導体基板に設ける複数のフォトダイオードの色分離性が向上し、色再現性の優れた高感度,高解像度のカラー画像を撮像できるため、しかも、安価に製造できるため、従来のCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサの代わりに用いると有用である。
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に示す点線矩形枠II内の断面模式図である。 図2に示すカラーフィルタ層の入射光波長に対する透過率を例示する図である。 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断面模式図である。
符号の説明
10 光電変換膜積層型カラー固体撮像装置
12 画素
12a 緑色G及び赤色Rの検出画素
12b 緑色G及びマゼンダ色Mgの検出画素
21 半導体基板
22 pウェル層
23 n型領域
24 表面p層
25 電荷蓄積部
27 透明絶縁層
28 画素電極膜
29,53 縦配線
30 緑色に感度を有する光電変換膜
31 共通電極膜(対向電極膜)
33 無機材料でなるカラーフィルタ層
41,42,43,44 信号読出回路
52 有機材料でなるカラーフィルタ層

Claims (7)

  1. 半導体基板と、該半導体基板の上層に積層され3原色のうちの第1色光を吸収して光電荷を発生させる光電変換膜と、前記半導体基板の表面部に配列形成され前記光電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記半導体基板の表面部に配列形成され前記光電変換膜を透過した3原色のうちの第2色光及び第3色光の混色光を受光し発生した光電荷を蓄積する第1の複数のフォトダイオードと、前記半導体基板の表面部に配列形成され前記光電変換膜を透過した前記混色光のうち第2色光を受光し発生した光電荷を蓄積する第2の複数のフォトダイオードと、該第2のフォトダイオードの上部に設けられ前記第3色光を遮光するカラーフィルタ層と、前記電荷蓄積部前記第1及び第2のフォトダイオードの各々の蓄積電荷量を読み出す信号読出手段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. 前記カラーフィルタ層が無機化合物材料で形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. 前記無機化合物材料がアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンであることを特徴とする請求項2に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
  4. 前記無機化合物材料は、前記第3色光に対する平均透過率が前記第2色光に対する平均透過率の1/2以下であることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の光電変換膜積層型カラー固体撮像装置。
  5. 前記第1色光が緑色であり、第2色光が赤色であり、第3色光が青色であることを特徴とする請求項1乃至請求項4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。
  6. 前記信号読出手段がMOSトランジスタあるいは電荷結合素子で構成され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及び第2のフォトダイオードの各々の上部に入射光を当該フォトダイオードに集光するマイクロレンズが搭載されることを特徴とする請求項1乃至請求項6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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