JP5101925B2 - 光電変換膜積層型固体撮像素子 - Google Patents

Description

この発明は、光電変換膜積層型固体撮像素子に関し、特に、信号読み出し回路が表面に形成された半導体基板の上に光電変換膜を積層して構成され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として、従来、例えば、特開２００５−３５３６２６号公報（特許文献１）開示のものが知られている。次に、図11を用いて、上記公報開示のものについて説明する。この固体撮像素子900 は、半導体基板908 の上に、バイアス電圧を印加するための電極膜901b，901g，901rと画素電極膜903b，903g，903rによってそれぞれはさまされた光電変換膜902b，902g，902rを積層した構造になっている。ここで、各符号に付したｂ，ｇ，ｒはそれぞれ青色成分、緑色成分、赤色成分を示している。光電変換膜902b，902g，902rにおいて、それぞれの各色成分に応じて発生する電荷をコンタクト部906b，906g，906rを介して半導体基板908 上に形成された高濃度不純物領域904b，904g，904rに蓄積し、同じく半導体基板908 上に形成された読み出し回路905b，905g，905rで高濃度不純物領域904b，904g，904rに蓄積された信号電荷を読み出すという構成になっている。なお、907 はＳｉＯ₂ などの絶縁膜層である。

また、特開２００６−４９８７３号公報（特許文献２）には、光電変換積層型固体撮像素子の平面的な配置構成について開示がなされている。この配置構成を図12を用いて説明する。バイアス電圧を印加するための電極膜と光電変換膜層と画素電極膜により構成される画素1001が、アレイ状に画素領域1000に配列されている。そして、各色成分に応じて発生した信号電荷を読み出すための半導体基板上に構成される読み出し回路と画素電極膜とを接続するためのコンタクト部1002が、図12に示す平面図において、各画素1001の下側に配置されている。１つの画素1001につき３つのコンタクト部1002があるが、それぞれ青色成分、緑色成分、赤色成分に対応している。
特開２００５−３５３６２６号公報 特開２００６−４９８７３号公報

上記特許文献１開示の従来技術に示されているような光電変換膜積層型固体撮像素子では、画素電極膜と半導体基板上の高濃度不純物領域を接続するためのコンタクト部は、図11の906b，906g，906rで示されているように柱状のものとなっている。よって、光電変換膜層が複数積層される場合には、上部に積層される画素電極膜に接続されるコンタクト部により、例えば、図11において、ａ，ｂ，ｃ部で示すように、下部の光電変換膜層では感度を持たない不感領域が生じる。したがって、感度向上のためには不感領域をなるべく減らすようなコンタクト部の配置が重要となる。

しかしながら、光電変換膜層の不感領域を減らすため、図12に示すようにコンタクト部を配置した場合には、不感領域となる画素の間隔が無駄に広くなってしまうという問題がある。また、平面図でみた場合、画素の下側のみにコンタクト部が配置されているため、平面図に対する垂直方向に対して斜めに入ってくる光はコンタクト部でケラれてしまい、平面図において水平方向、垂直方向で斜めに入ってくる光の角度に対する感度特性が異なるという問題も発生する。そのときの水平方向、垂直方向で斜めに入ってくる光の角度に対する特性を、それぞれ図13の（Ａ），（Ｂ）に示す。水平方向の特性に対して垂直方向の特性はケラレのため、ある角度で感度が急激に落ちてしまう。

また、上記特許文献１においては、コンタクト部の平面的な配置に関しては、特に言及されていない。本発明は、従来の光電変換膜積層型固体撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、不感領域を低減して感度向上を可能とし、斜め入射光に対する感度特性が水平方向、垂直方向で差の少ない光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、第１の光電変換膜、該第１の光電変換膜にバイアスを印加するための第１のバイアス電極膜、前記第１の光電変換膜を挟んで前記第１のバイアス電極膜に対向し、画素単位に区分されて形成された第１の画素電極膜、及び前記画素電極膜の画素領域の第１の側縁部に、前記第１のバイアス電極膜と平面的に重ならないようにその一端が接続され、前記第１の光電変換膜にて生成された信号が出力される第１のコンタクト部を有する第１のセットと、第２の光電変換膜、該第２の光電変換膜にバイアスを印加するための第２のバイアス電極膜、前記第２の光電変換膜を挟んで前記第２のバイアス電極膜に対向し、前記画素単位に区分されて形成された第２の画素電極膜、及び前記第２の画素電極膜の画素領域の第２の側縁部に、前記第１及び第２のバイアス電極膜とは平面的に重ならないようにその一端が接続され、前記第２の光電変換膜にて生成された信号が出力される第２のコンタクト部を有し、前記第１のセットとは絶縁層を介して積層される第２のセットと、前記第１及び第２のコンタクト部の他端が接続され、前記第１及び第２のセットから各々独立して信号を読み出すための信号読み出し回路とを有して光電変換膜積層型固体撮像素子を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１及び第２のコンタクト部は、各々が平面的には重ならないように、各々の前記一端が前記第１の側縁部及び第２の側縁部に接続されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１及び第２のコンタクト部は、各々の前記一端が接続される前記第１の側縁部及び第２の側縁部の位置が、平面的に見て、前記画素中心から略等距離となるように配置されることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１及び第２の画素電極膜は、各々、前記第１及び第２のバイアス電極膜と平面的に重ならない少なくとも２つの第１の隅部を有し、前記第１及び第２のコンタクト部は、各前記第１の隅部に各前記一端が接続されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に係る光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１及び第２のバイアス電極膜にバイアス電位を供給するバイアス電位供給源と、前記第１及び第２のバイアス電極膜に一端が、他端が前記バイアス電位供給源に各々接続された第３のコンタクト部とを更に有することを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項５に係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及び第３のコンタクト部は、各々の前記一端が接続される前記第１の側縁部、第２の側縁部、及び前記第１及び第２のバイアス電極膜に対する位置が、平面的に見て前記画素中心から略等距離となるように配置されることを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項６に係る光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記第１及び第２のバイアス電極膜の少なくとも一方は、少なくとも１つの第２の隅部を有し、前記第３のコンタクト部は、前記第２の隅部に前記一端が接続されることを特徴とするものである。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に係る光電変換膜積層型固体撮像素子において、受光面側に、前記画素単位でマイクロレンズが設けられていることを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によれば、同一画素の他の色成分の受光に影響のないようにコンタクト部を設けることができ、不感領域を低減して感度向上を可能とし、斜め入射光に対する感度特性が水平方向及び垂直方向で差の少ない光電変換膜積層型固体撮像素子を実現することができる。
請求項２に係る発明によれば、複数の色成分の電荷を独立して読み出すことが可能になる。
請求項３に係る発明によれば、画素の周辺のスペースを効率的に使い画素を配列することができるので、不感領域となる画素間隔を狭くし感度向上を図ることができる。
請求項４に係る発明によれば、固体撮像素子上で各画素の間隔のスペースを効率的に使い画素を配列することができ、感度向上を図ることができ、なお且つ斜め入射光に対する感度特性が水平方向、垂直方向で差の少ないようにすることができる。
請求項５に係る発明によれば、バイアス電位の画素領域内での均一性を向上させることができる。
請求項６に係る発明によれば、固体撮像素子上で各画素の間隔のスペースを効率的に使うことで感度向上を図りながら、バイアス電位の画素領域内での均一性を向上させることができる。
請求項７に係る発明によれば、固体撮像素子上で各画素の間隔のスペースを効率的に使い画素を配列することができ、感度向上を図ることができ、なお且つ斜め入射光に対する感度特性が水平方向、垂直方向で差が少ないようにしながら、バイアス電位の画素領域内での均一性を向上させることができる。
請求項８に係る発明によれば、入射光を受光部に集光させることで、更に感度向上を図ることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施例１）
まず、本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る光電変換膜積層型固体撮像素子１の構成を示す平面模式図である。この実施例に係る光電変換膜積層型固体撮像素子１は、画素領域２と垂直走査部３と水平読み出し部４と出力アンプ５とで構成されている。画素領域２は、複数の画素がアレイ状に形成されている。垂直走査部３からは、画素の駆動を行単位で制御する信号が出力される。各画素の信号は、垂直走査部３からの信号により行単位で制御・駆動され、垂直信号線６に出力される。垂直信号線６に出力された画素信号は、水平読み出し部４にて水平方向に順次走査・読み出され、出力アンプ５を介して外部に出力されるようになっている。

次に、図２，図３及び図４を用いて図１に示した光電変換膜積層型固体撮像素子１に用いられている画素の構成について説明をする。図２は、３行３列分の画素の平面的な配置を示した図であり、図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図２のＩ−Ｉ′，II−II′線に沿った画素断面を示した図であり、図４は図２の III−III ′線に沿った断面を示した図である。図２では、画素を構成する要素のうち後述する、第１又は第２のコンタクト部に対応するコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒとバイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒと画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒについての平面的な位置関係が分かるように示している。

図２，図３及び図４において示すように、各画素は、青色（Ｂ）成分用のバイアス電極膜10ｂと、青色（Ｂ）成分用の光電変換膜11ｂと、青色（Ｂ）成分用の画素電極膜12ｂと、青色（Ｂ）成分用のコンタクト部13ｂと、青色（Ｂ）成分信号蓄積用の高濃度不純物領域16ｂと、ＭＯＳトランジスタ回路で構成される青色（Ｂ）成分信号用の信号読出し回路17ｂと、緑色（Ｇ）成分用のバイアス電極膜10ｇと、緑色（Ｇ）成分用の光電変換膜11ｇと、緑色（Ｇ）成分用の画素電極膜12ｇと、緑色（Ｇ）成分用のコンタクト部13ｇと、緑色（Ｇ）成分信号蓄積用の高濃度不純物領域16ｇと、ＭＯＳトランジスタ回路で構成される緑色（Ｇ）成分信号用の信号読出し回路17ｇと、赤色（Ｒ）成分用のバイアス電極膜10ｒと、赤色（Ｒ）成分用の光電変換膜11ｒと、赤色（Ｒ）成分用の画素電極膜12ｒと、赤色（Ｒ）成分用のコンタクト部13ｒと、赤色（Ｒ）成分信号蓄積用の高濃度不純物領域16ｒと、ＭＯＳトランジスタ回路で構成される赤色（Ｒ）成分信号用の信号読出し回路17ｒとから構成され、それぞれの膜やコンタクト部はＳｉＯ₂ などの絶縁層14で絶縁されている。また、画素の最上部には、入射光を集光するためのマイクロレンズ15が設けられている。

ここで、青色（Ｂ）成分用の光電変換膜11ｂは、青色（Ｂ）成分用のバイアス電極膜10ｂと青色（Ｂ）成分用の画素電極膜12ｂとによってはさまれている。緑色（Ｇ）成分用の光電変換膜11ｇは、緑色（Ｇ）成分用のバイアス電極膜10ｇと緑色（Ｇ）成分用の画素電極膜12ｇとによってはさまれている。赤色（Ｒ）成分用の光電変換膜11ｒは、赤色（Ｒ）成分用のバイアス電極膜10ｒと赤色（Ｒ）成分用の画素電極膜12ｒとによってはさまれている。

また、更に青色（Ｂ）成分用の画素電極膜12ｂは、青色（Ｂ）成分用のコンタクト部13ｂを介して信号読み出し回路17ｂに接続されている。緑色（Ｇ）成分用の画素電極膜12ｇは、緑色（Ｇ）成分用のコンタクト部13ｇを介して信号読み出し回路17ｇに接続されている。赤色（Ｒ）成分用の画素電極膜12ｒは、赤色（Ｒ）成分用のコンタクト部13ｒを介して信号読み出し回路17ｒに接続されている。

ここで、図４からわかるように、各色成分用の画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒは、画素毎に区切られているが、光電変換膜11ｂ，11ｇ，11ｒとバイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒは画素毎に区切られておらず全画素領域にわたって積層されている。

図５は、各色成分毎に同一形状となるバイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒの平面的な形状を示したものであり、各画素毎に設けられたコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒと重ならないように画素間ですきまの空いた形状となっている。また、バイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒは、図１に示した画素領域２の外側において、それぞれ定電位源ＶＢＩＡＳｂ，ＶＢＩＡＳｇ，ＶＢＩＡＳｒに接続されている。

かかる構成の光電変換膜積層型撮像素子１に対して、各色成分用のバイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒと画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒ間にバイアス電圧が印加された状態で、被写体からの光が入射すると、画素の最上部に設けられたマイクロレンズ15で集光された入射光のうちの青色の光量に応じた電荷が青色成分用の光電変換膜11ｂにて発生し、この光電変換膜11ｂで発生した電荷は、画素電極膜12ｂからコンタクト部13ｂを介して高濃度不純物領域16ｂに伝達される。この電荷は青色成分の信号電荷として高濃度不純物領域16ｂに蓄積される。同様に緑色の入射光量に応じて光電変換膜11ｇで発生した電荷は高濃度不純物領域16ｇに蓄積され、赤色の入射光量に応じて光電変換膜11ｒで発生した電荷は高濃度不純物領域16ｒに蓄積される。

上述した各高濃度不純物領域16ｂ，16ｇ，16ｒに蓄積された信号電荷は、それぞれ各色毎に半導体基板に形成された信号読出し回路17ｂ，17ｇ，17ｒによって読み出される。信号読み出し回路17の一例を図６に示す。図６において、801b，801g，801rは高濃度不純物領域16ｂ，16ｇ，16ｒに蓄積された電荷をリセットするためのリセットトランジスタ、802b，802g，802rは高濃度不順分領域16ｂ，16ｇ，16ｒに蓄積された電荷信号を増幅するための増幅トランジスタ、803b，803g，803rは垂直信号線６に増幅した信号を読み出すための選択トランジスタである。ここで、リセットトランジスタ801b，801g，801r、及び選択トランジスタ803b，803g，803rには、図１における垂直走査部３の出力信号が印加される。

図７の（Ａ）〜（Ｄ）は、画素電極膜とコンタクト部の平面形状を示す図で、図７の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ青色（Ｂ）成分用、緑色（Ｇ）成分用、赤色（Ｒ）成分用の画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒとコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒの平面的な形状を示している。

各色成分用の画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒとコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒが接続される位置は、画素の４隅のうちいずれかに配置されるようになっており、互いにコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒが接続される領域が重ならないようになっている。本実施例では、図７の（Ａ）が青色成分用の画素電極膜12ｂ，図７の（Ｂ）が緑色成分用の画素電極膜12ｇ，図７の（Ｃ）が赤色成分用の画素電極膜12ｒとしているが、異なる色成分間で同一の形状でなければ、図７の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示した形状のうち、いずれの形状となっていてもよいことはいうまでもない。なお、各コンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒは画素中心から略等距離となるように配置される。

上記実施例１によれば、画素電極膜と読み出し回路を接続するコンタクト部を画素の４隅のいずれかに配置していることによって、不感領域となる画素の受光部同士の間隔を狭くすることができるので感度向上を図れる。また、上記実施例１によれば、入射光はマイクロレンズによって集光されるので、画素電極膜と読み出し回路を接続するコンタクト部による光線のケラレが生じにくくなるので、感度が向上し、光線のケラレがあることで生じていた斜め入射光に対する感度特性が水平方向、垂直方向で異なるという問題もなくなる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。実施例１では、バイアス電極膜は各色成分で形状は同一のものとし、画素領域外において各色成分に対応した定電位源ＶＢＩＡＳｂ，ＶＢＩＡＳｇ，ＶＢＩＡＳｒに接続されていたが、本実施例は、バイアス電位の均一性を向上させるために、画素領域内にて定電位供給源とバイアス電極膜の接続部を複数設ける構成としたものである。ここでは、バイアス電極膜の形状についてのみ説明し、他の構成は実施例１と同じなので説明は省略する。

図８，図９，図10は、それぞれ青色、緑色、赤色成分用のバイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒと画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒと、第３のコンタクト部たる画素コンタクト部701b，701g，701rとの平面的な位置関係と形状を示したものである。バイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒは、画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒと同様に、各画素の４隅のうちのひとつで画素コンタクト部701b，701g，701rと接続できる形状となっている。また、バイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒに接続されている画素コンタクト部701b，701g，701rと、画素電極膜12ｂ，12ｇ，12ｒに接続されているコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒとは重ならないような形状となっている。

また、バイアス電極膜10ｂ，10ｇ，10ｒは、画素コンタクト部701b，701g，701rとの接続部分が各色成分間で重ならないように、いくつかの画素置きに画素周囲での画素コンタクト部701b，701g，701rと接続する形状となっている。例えば、１行目１列目の画素では、図８に示すように青色成分用のバイアス電極膜10ｂは、画素コンタクト部701bと接続されているが、図９及び図10に示すように緑色、赤色成分用のバイアス電極膜10ｇ，10ｒは他の画素で接続されている。なお、それぞれの画素内において、上記画素コンタクト部701b，701g，701rとコンタクト部13ｂ，13ｇ，13ｒは画素中心から略等距離となるように配置されている。

上記実施例２によれば、画素領域内で、バイアス電極膜と半導体基板に設けられる定電位供給源を、画素コンタクト部を介して接続することにより、バイアス電位の均一性を向上させながら、実施例１と同様に感度向上を図ることができる。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の実施例１の構成を示す平面模式図である。 図１に示した実施例１における画素領域の平面的な配置構成を示す図である。 図２のＩ−Ｉ′線及びII−II′線に沿った断面図である。 図２の III−III ′線に沿った断面図である。 図２に示した画素領域のバイアス電極膜の平面的な形状を示す図である。 図３における信号読み出し回路の構成例を示す回路構成図である。 図２に示した画素領域における画素電極膜とコンタクト部の平面的な形状を示す図である。 実施例２における青色成分用のバイアス電極膜と画素電極膜と画素コンタクト部との平面的な位置関係と形状を示す図である。 実施例２における緑色成分用のバイアス電極膜と画素電極膜と画素コンタクト部との平面的な位置関係と形状を示す図である。 実施例２における赤色成分用のバイアス電極膜と画素電極膜と画素コンタクト部との平面的な位置関係と形状を示す図である。 従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。 従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の他の構成例を示す平面的な配置構成図である。 図12に示した従来例において、水平方向及び垂直方向で斜めに入ってくる光の角度に対する感度特性を示す図である。

符号の説明

１ 光電変換膜積層型固体撮像素子
２ 画素領域
３ 垂直走査部
４ 水平読み出し部
５ 出力アンプ
６ 垂直信号線
10ｂ，10ｇ，10ｒ バイアス電極膜
11ｂ，11ｇ，11ｒ 光電変換膜
12ｂ，12ｇ，12ｒ 画素電極膜
13ｂ，13ｇ，13ｒ コンタクト部
14 絶縁層
15 マイクロレンズ
16ｂ，16ｇ，16ｒ 高濃度不純物領域
17ｂ，17ｇ，17ｒ 信号読み出し回路
701b，701g，701r 画素コンタクト
801b，801g，801r リセットトランジスタ
802b，802g，802r 増幅トランジスタ
803b，803g，803r 選択トランジスタ

Claims (8)

1. 第１の光電変換膜、該第１の光電変換膜にバイアスを印加するための第１のバイアス電極膜、前記第１の光電変換膜を挟んで前記第１のバイアス電極膜に対向し、画素単位に区分されて形成された第１の画素電極膜、及び前記画素電極膜の画素領域の第１の側縁部に、前記第１のバイアス電極膜と平面的に重ならないようにその一端が接続され、前記第１の光電変換膜にて生成された信号が出力される第１のコンタクト部を有する第１のセットと、
   第２の光電変換膜、該第２の光電変換膜にバイアスを印加するための第２のバイアス電極膜、前記第２の光電変換膜を挟んで前記第２のバイアス電極膜に対向し、前記画素単位に区分されて形成された第２の画素電極膜、及び前記第２の画素電極膜の画素領域の第２の側縁部に、前記第１及び第２のバイアス電極膜とは平面的に重ならないようにその一端が接続され、前記第２の光電変換膜にて生成された信号が出力される第２のコンタクト部を有し、前記第１のセットとは絶縁層を介して積層される第２のセットと、
   前記第１及び第２のコンタクト部の他端が接続され、前記第１及び第２のセットから各々独立して信号を読み出すための信号読み出し回路とを有する光電変換膜積層型固体撮像素子。
2. 前記第１及び第２のコンタクト部は、各々が平面的には重ならないように、各々の前記一端が前記第１の側縁部及び第２の側縁部に接続されていることを特徴とする請求項１に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。
3. 前記第１及び第２のコンタクト部は、各々の前記一端が接続される前記第１の側縁部及び第２の側縁部の位置が、平面的に見て、前記画素中心から略等距離となるように配置されることを特徴とする請求項２に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。
4. 前記第１及び第２の画素電極膜は、各々、前記第１及び第２のバイアス電極膜と平面的に重ならない少なくとも２つの第１の隅部を有し、前記第１及び第２のコンタクト部は、各前記第１の隅部に各前記一端が接続されていることを特徴とする請求項３に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。
5. 前記第１及び第２のバイアス電極膜にバイアス電位を供給するバイアス電位供給源と、前記第１及び第２のバイアス電極膜に一端が、他端が前記バイアス電位供給源に各々接続された第３のコンタクト部とを更に有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。
6. 前記第１，第２及び第３のコンタクト部は、各々の前記一端が接続される前記第１の側縁部、第２の側縁部、及び前記第１及び第２のバイアス電極膜に対する位置が、平面的に見て前記画素中心から略等距離となるように配置されることを特徴とする請求項５に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。
7. 前記第１及び第２のバイアス電極膜の少なくとも一方は、少なくとも１つの第２の隅部を有し、前記第３のコンタクト部は、前記第２の隅部に前記一端が接続されることを特徴とする請求項６に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。
8. 受光面側に、前記画素単位でマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に係る光電変換膜積層型固体撮像素子。

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