JP5533046B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 - Google Patents

固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置の駆動方法、及び電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、有機材料又は無機材料からなる光電変換膜を一対の電極で挟んで構成された光電変換素子を基板上部に備える固体撮像装置に関し、さらに、その製造方法、駆動方法、及びその固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
従来、有機光電変換膜からなる光電変換素子を半導体基板上部に積層して構成された固体撮像装置では、有機光電変換膜は、有機光電変換膜に電圧を印加するための上部電極及び下部電極により挟持されている。そして、有機光電変換膜で生成された信号電荷は、上部電極、又は下部電極のうち片方の電極を基板に形成されたトランジスタに接続することで読み出される構成とされる（特許文献１）。
図１４及び図１５に従来の固体撮像装置の概略断面構成図を示す。図１４は、アンプトランジスタＴｒｃ、リセットトランジスタＴｒｂ、選択トランジスタＴｒｄの３つのトランジスタで構成される従来の固体撮像装置１００である。また、図１５は、図１４の構成に、さらに転送トランジスタＴｒａを加えた４つのトランジスタで構成される従来の固体撮像装置１０１である。
図１４及び図１５に示すように、従来の固体撮像装置１００、１０１は、基板１０２に形成された各トランジスタと、基板１０２上に形成された配線層１０４と、配線層１０４上部に形成された光電変換素子１０９とを有して構成されている。光電変換素子１０９は、下部電極１０６、有機光電変換膜１０７、及び上部電極１０８が配線層１０４上に順に積層されることで形成される。トランジスタＴｒａ〜Ｔｒｃは、基板１０２の表面側の高濃度不純物領域で構成されたソース・ドレイン領域１１３と、基板１０２表面にゲート絶縁膜１０３を介して形成されたゲート電極１１１とから構成されている。配線層１０４には、層間絶縁膜１０５を介して複数層の配線１１０が積層して形成されており、所望の配線間、及び配線１１０と基板１０２との間は、コンタクト部１１２によって接続されている。
そして、図１５に示すように、転送トランジスタＴｒａを含む４つのトランジスタを有する固体撮像装置１０１では、下部電極１０６は、配線層１０４を介して基板１０２に形成されたＰ型又はＮ型の高濃度半導体領域（ソース・ドレイン領域１１３）に接続される。図１５に示す固体撮像装置１０１では、光電変換膜１０９で生成された信号電荷は、下部電極１０６、及び配線層１０４を介して、転送トランジスタＴｒａのソース領域となるフォトダイオード領域ＰＤに接続され、そのソース領域に信号電荷が蓄積される。その後、転送トランジスタＴｒａにより、フォトダイオード領域ＰＤに蓄積された信号電荷は、ドレン領域となるフローティングディフュージョン領域ＦＤに転送され、アンプトランジスタＴｒｃを介して、画素信号が出力される。また、フローティングディフュージョン領域ＦＤの電位は、リセットトランジスタＴｒｂによりリセットされる。
一方、図１４に示すように、転送トランジスタが構成されず、下部電極１０６が直接アンプトランジスタＴｒｃのゲート電極１１１に接続される場合でも、下部電極１０６は、リセットトランジスタＴｒｂのソース領域となる高濃度半導体領域に接続される。
このように、従来の固体撮像装置１００、１０１では、有機光電変換膜１０７で発生した信号電荷を蓄積するためや、下部電極１０６の電位をリセットするために下部電極１０６が基板１０２に形成した高濃度半導体領域にコンタクト部１１２を介して接続される。
ところで、従来の、光電変換素子を半導体基板内部に有する一般的な固体撮像装置では、半導体基板の界面で発生する暗電流を抑制するために、暗電流抑制領域を形成し暗電流の発生を低減することが行われている。
しかしながら、上述したように、有機光電変換膜１０７からなる光電変換素子１０９を有する従来の固体撮像装置１００、１０１では高濃度半導体領域とコンタクト部１１２との接続部分（破線ａの領域）に暗電流を低減するための半導体領域を形成することができない。このため、その接続部分が暗電流の発生源となってしまう。よって、従来の有機光電変換膜１０７からなる光電変換素子１０９で構成される固体撮像装置１００、１０１は、フォトダイオードからなる光電変換素子を半導体基板内部に有する一般的な固体撮像装置とは異なり、電荷蓄積中においても暗電流を蓄積してしまうことが問題となっていた。
ここでは、有機光電変換膜を上部電極及び下部電極で挟持して構成する光電変換素子について述べたが、無機光電変換膜を上部電極及び下部電極で挟持して構成する光電変換素子を基板上部に備えた場合にも同様の問題が起こる。
特開２００５−２６８４７６号公報
上述の点に鑑み、本発明は、有機材料又は無機材料からなる光電変換膜を一対の電極で挟んで構成された光電変換素子を基板上部に備える固体撮像装置において、電荷蓄積時における暗電流の発生を抑制することができる固体撮像装置を提供する。また、その固体撮像装置の製造方法、駆動方法、及びその固体撮像装置を用いた電気機器を提供する。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板と、基板の光入射面側に構成された光電変換素子と、アンプトランジスタと、電圧制御回路を有して構成される。光電変換素子は、有機材料、又は無機材料からなり、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換膜を、画素毎に別個に設けられた第１の電極と前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極との間に挟持して構成される。アンプトランジスタは、第１の電極と接続されたアンプゲート電極を有して構成される。電圧制御回路は、第２の電極と接続され、電荷蓄積動作時に光電変換膜で生成された信号電荷を第１の電極側に移動させる第１の電圧を供給し、リセット動作時に、信号電荷を第２の電極側に移動させる第２の電圧を供給する。また、光電変換素子は基板裏面側に形成され、第１の電極とアンプゲート電極との接続は、基板を貫通する貫通電極と、基板の表面側に形成された配線層によってなされる。
本発明の固体撮像装置では、光電変換素子を構成する第１の電極は、アンプトランジスタのアンプゲート電極に接続されるが、基板に直接接続されず、また、本発明の固体撮像装置の構成では、信号電荷が基板に蓄積する必要がない。このため、第１の電極から基板に直接コンタクトを取る構成が必要ないので、暗電流の発生を抑制することができる。また、電圧制御回路により、第２の電極に所望の電圧を供給することにより、リセット動作時には、第２の電極側から信号電荷を排出することができる。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に、複数のトランジスタを形成する工程と、基板を貫通する貫通電極を形成する工程と、基板上に、複数の配線が層間絶縁膜を介して積層された配線層であって、貫通電極と、複数のトランジスタのうちのアンプトランジスタのアンプゲート電極とを接続する配線を含む配線層を工程とを有する。また、基板の光照射面側に、複数のトランジスタのうちのアンプトランジスタのアンプゲート電極に電気的に接続される第１の電極を画素毎に形成する工程と、第１の電極上部に、有機材料又は無機材料からなる光電変換膜を形成する工程とを有する。さらに、光電変換膜上部に、電荷蓄積動作時に光電変換膜で生成された信号電荷を第１の電極側に移動させる第１の電圧を供給し、リセット動作時に、信号電荷を第２の電極側に移動させる第２の電圧を供給する電圧制御回路に電気的に接続される第２の電極を形成する工程を有する。
本発明の固体撮像装置の製造方法では、上述した固体撮像装置が完成される。これにより、光電変換素子を構成する第１の電極は、アンプトランジスタのアンプゲート電極に接続されるが、基板に直接接続されない。このため、第１の電極から基板に直接コンタクトを取る構成が必要ないので、暗電流の発生を抑制することができる。また、電圧制御回路により、第２の電極に所望の電圧を供給することにより、リセット動作時には、第２の電極側から信号電荷を排出することができる。
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、上述した本発明の固体撮像装置において、電荷蓄積動作時には、第２の電極に、電圧制御回路から第１の電圧を供給する。これにより、光電変換膜に生成された信号電荷を第１の電極側に移動させ、アンプトランジスタで第１の電極の電位を検出することにより画素信号を出力する。また、リセット動作時には、第２の電極に、電荷蓄積時とは異なる第２の電圧を電圧制御回路から供給する。これにより、第１の電極側に蓄積された信号電荷を排出する。
本発明の固体撮像装置の駆動方法では、電荷蓄積動作時と、リセット動作時とでは、信号電荷が逆方向に移動する構成とされる。また、第１の電極は、信号電荷が読み出される側のアンプトランジスタのアンプゲート電極に接続され、リセット動作は、第２の電極側から行うため、第１の電極と基板とを直接接続する構成が必要ない。このため、第１の電極から基板に直接コンタクトをとることに起因する暗電流の発生を抑制することができる。
本発明の電子機器は、上述した固体撮像装置と、光学レンズと、信号処理回路とを有する。光学レンズは、入射した光を集光させ、固体撮像装置に入射させる。信号処理回路は、固体撮像装置から出力される出力信号を処理する。
本発明によれば、有機材料又は無機材料からなる光電変換膜を一対の電極で挟んで構成された光電変換素子を基板上部に備える固体撮像装置において、電荷蓄積時における暗電流の発生を抑制され、画素特性の向上が図られる。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素２の概略断面構成図（一部回路ブロック図を含む）である。本発明の 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の、撮像領域に対する第２の電極の平面構成図である 電荷蓄積動作時とリセット動作時における光電変換膜のエネルギーバンドの変化図である。 １フレーム期間における信号電荷の蓄積時間と、読み出し走査を概略的に示した図である。 は、第２の電極に供給されるリセットパルスと、メカニカルシャッタのシャッタ動作のタイミング図と、それに対応する第１の電極の電圧変化を示した図である。 変形例１に係る撮像領域に対する第２の電極の平面構成図である 変形例２に係る撮像領域に対する第２の電極の平面構成図である 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の概略断面構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の概略断面構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の概略断面構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の概略断面構成図である。 本発明の第６の実施形態に係る電子機器の概略断面構成図である。 従来の固体撮像装置の概略断面構成図である。 従来の固体撮像装置の概略断面構成図である。
以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置及び、電子機器の一例を、図１〜図１３を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１． 固体撮像装置の全体構成
２． 第１の実施形態：表面照射型の固体撮像装置
２−１ 構成及び製造方法
２−２ 駆動方法
３． 第２の実施形態：表面照射型の固体撮像装置
４． 第３の実施形態：表面照射型の固体撮像装置
５． 第４の実施形態：裏面照射型の固体撮像装置
６． 第５の実施形態：裏面照射型の固体撮像装置
７． 第６の実施形態：電子機器
〈１．固体撮像装置の全体構造〉
まず、図１を用いて、以下に説明する実施形態が適用されるＣＭＯＳ型の固体撮像装置、すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサの全体構造について説明する。
固体撮像装置１は、図１に示すように、シリコンからなる基板１１に、複数の画素２からなる撮像領域３と、垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。
画素２は、受光した光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換素子と、その信号電荷を読み出し転送するための複数のＭＯＳトランジスタとから構成され、基板１１上に、２次元アレイ状に規則的に複数配列される。
撮像領域３は、２次元アレイ状に規則的に複数配列された画素２から構成される。そして、撮像領域３は、実際に光を受光し、光電変換によって生成された信号電荷を蓄積することのできる有効画素領域と、有効画素領域の周囲に形成され、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域とから構成される。
制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、及び水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路８で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２の光電変換素子において生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線を通してカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線９０とのあいだに設けられている。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線９０に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線９０を通して、順次に供給される画素信号に対し、信号処理を行って出力する。
以下に説明する実施形態における固体撮像装置は、図１における固体撮像装置１を構成するものであり、特に有効撮像領域における画素の断面構成を示すものである。
〈２．第１の実施形態：表面照射型の固体撮像装置〉
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
［２−１ 構成、及び製造方法］
まず、本実施形態例の固体撮像装置の構成、及び製造方法について説明する。図２は、本実施形態例の固体撮像装置１における画素２の概略断面構成図（一部回路ブロック図を含む）である。
本実施形態例の固体撮像装置１における画素２は、基板１３と、配線層１５と、基板１３上部に設けられた光電変換素子２１と、基板１３に形成されたアンプトランジスタＴｒ１と、選択トランジスタＴｒ２と、電圧制御回路２２とを有して構成されている。
基板１３は、例えば第１導電型（以下、ｐ型）のシリコン基板により構成されている。
基板１３には、アンプトランジスタＴｒ１、選択トランジスタＴｒ２、電圧制御回路２２が形成されている。アンプトランジスタＴｒ１は、基板１３の表面側に形成されたソース・ドレイン領域２６と、ソース・ドレイン領域２６間の基板１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成されたアンプゲート電極２４とで構成されている。
選択トランジスタＴｒ２は、基板１３の表面側に形成されたソース・ドレイン領域２６と、ソース・ドレイン領域２６間の基板１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成された選択ゲート電極２５とで構成されている。図２では、アンプトランジスタＴｒ１のソース・ドレイン領域２６と選択トランジスタＴｒ２のソース・ドレイン領域２６を共有がする構成としているが、共有しても良いし、共有しなくても良い。共有した場合には、画素面積を縮小することができる。
図２に示すように、アンプトランジスタＴｒ１及び選択トランジスタＴｒ２のソース・ドレイン領域２６は、基板１３の表面側に第２導電型（以下、ｎ型）の不純物を高濃度にイオン注入することによって形成される。また、ゲート絶縁膜１４は、例えばシリコン酸化膜で構成され、基板１３表面に形成される。また、アンプゲート電極２４、選択ゲート電極２５は、ゲート絶縁膜１４表面にポリシリコンを成膜し、所望の形状にパターニングすることにより形成される。
このように、本実施形態例のアンプトランジスタＴｒ１及び選択トランジスタＴｒ２はｎ−チャネルＭＯＳトランジスタで構成される。
アンプトランジスタＴｒ１のアンプゲート電極２４は、後述する第１の電極１８と電気的に接続される。また、選択トランジスタＴｒ２の選択ゲート電極２５には、所望の選択パルス電圧が印加される。また、アンプトランジスタＴｒ１のドレインは、例えば電源電圧に接続されており、選択トランジスタＴｒ２のソースは、図示しない信号配線に接続されている。
電圧制御回路２２は、後述する第２の電極２０に接続されており、第２の電極２０に、第１の電圧Ｖｌ、及び第２の電圧Ｖｈを所定のタイミングで供給する。電圧制御回路２２は、図示しないが、上述したアンプトランジスタＴｒ１や選択トランジスタＴｒ２と同様に基板１３に形成され、例えばｎチャネルＭＯＳトランジスタを含んで構成されている。
配線層１５は、基板１３の表面側に設けられており、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１６を介して形成されたアルミニウム（Ａｌ）、又は銅（Ｃｕ）からなる複数層の配線１７（図では２層）を有して構成されている。異なる層に形成された所望の配線１７間は、層間絶縁膜１６に形成されたコンタクト部２３を介して接続されており、所望の配線１７と基板１３に形成されたトランジスタとの間は、コンタクト部２３ａを介して接続されている。
これらの配線層１５は、層間絶縁膜１６と配線１７とを交互に形成することにより形成する。また、コンタクト部２３、２３ａは、所望の領域にコンタクトホールを形成し、金属材料で埋め込むことにより形成する。配線１７と配線１７との間のコンタクト部２３を構成する金属材料としては、例えば、タングステン（Ｗ）を用いることができる。また、配線１７と基板１３間のコンタクト部２３ａを構成する金属材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。
光電変換素子２１は、有機材料からなる光電変換膜１９を、第１の電極１８と、第１の電極１８に対向して設けられた第２の電極２０との間に挟持した構成とされ、配線層１５を介して基板１３の光照射面側に積層されている。
光電変換膜１９は、有機材料で構成され、受光した光の光量に応じて信号電荷を生成する。光電変換膜１９を構成する有機材料としては、ペンタセン及びその誘導体（ＴＩＰＳ−ペンタセン等）、ナフタセン及びその誘導体（ルブレン、ヘキサプロピルナフタセン）、チオフェン及びその誘導体（Ｐ３ＨＴ等）、フラーレン及びその誘導体（ＰＣＢＭ等）、ＴＣＮＱ、ペリレン及びその誘導体、ポルフィリン及びそのポルフィリン誘導体、アクリジン及びその誘導体、クマリン及びその誘導体、キナクリドン及びその誘導体、シアニン及びその誘導体、スクエアリリウム及びその誘導体、オキサジン及びその誘導体、キサンテントリフェニルアミン及びその誘導体、ベンジジン及びその誘導体、ピラゾリン及びその誘導体、スチルアミン及びその誘導体、ヒドラゾン及びその誘導体、トリフェニルメタン及びその誘導体、カルバゾール及びその誘導体、ポリシラン及びその誘導体、チオフェン及びその誘導体、ポリアミン及びその誘導体、オキサジアゾール及びその誘導体、トリアゾール及びその誘導体、トリアジン及びその誘導体、キノキサリン及びその誘導体、フェナンスロリン及びその誘導体、アルミニウムキノリン及びその誘導体、ポリパラフェニレンビニレン及びその誘導体、ポリフルオレン及びその誘導体、ポリビニルカルバゾール及びその誘導体、ポリチオール及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体を例示することができる。これらに代表される有機材料は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの波長域にピーク感度を有する材料をそれぞれ選ぶことで、Ｒ、Ｇ、Ｂ、それぞれの画素２を構成する光電変換素子２１を構成することができる。また、これらに代表される有機材料を、単独で用いることで光電変換膜１９を形成してもよく、また、これらに代表される有機材料を２種類以上混合ないし積層して光電変換膜１９を形成してもよい。
例えば、緑の波長の光を光電変換する画素２を構成する場合には、光電変換膜１９として、例えばローダーミン系色素、メラシアニン系色素、キナクリドン等を含む有機材料を用いることができる。また、赤の波長の光を光電変換する画素２を構成する場合には、光電変換膜１９として、フタロシアニン系色素を含む有機材料を用いることができる。また、青の波長の光を光電変換する光電変換膜１９としては、クマリン系色素、トリス−８−ヒドリキシキノリンＡｌ（Ａｌｑ３）、メラシアニン系色素等を含む有機材料を用いることができる。
光電変換膜１９は、全画素２において同色の波長の光を光電変換する有機材料を用いてもよいし、画素２ごとに異なる色の波長の光を光電変換する有機材料を用いてもよい。
下部電極となる第１の電極１８は、光電変換膜１９の配線層１５側に設けられており、画素２毎に別個に設けられている。また、上部電極となる第２の電極２０は、光電変換膜１９の配線層１５側とは反対側の光入射面側に設けられている。
図３は、撮像領域３に対する第２の電極２０の平面構成図である。図３に示すように、本実施形態例では、第２の電極２０は、撮像領域３を被覆する大きさに形成されており、全画素２に渡って共通に形成されている。
また、第１の電極１８、及び第２の電極２０の構成材料としては、透明な電極材料を用いることができ、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛膜等の透明導電膜で構成することができる。
光電変換素子２１は、第１の電極１８、光電変換膜１９、第２の電極２０を配線層１５上部に順に積層することにより形成する。第１の電極１８は、撮像領域３の配線層１５上部全面に電極材料を形成した後、画素２毎に分離されるようにパターニングすることにより形成することができる。このとき、第１の電極１８は、配線層１５を介してアンプゲート電極２４と電気的に接続される必要があるため、画素２毎に形成されたそれぞれの第１の電極１８は、アンプゲート電極２４に接続するコンタクト部２３に接続するように形成する。
光電変換膜１９は、第１の電極１８を含む配線層１５上全面に、ＣＶＤ法、スタンプ法、蒸着法、塗布法、スピンコート法、インクジェット法、浸漬法等を用いて有機材料を成膜することにより、単層、あるいは多層に形成することができる。光電変換膜１９の厚みとしては、数ｎｍ〜数μｍとする。
第２の電極２０は、光電変換膜１９上部全面に、電極材料を形成することにより、形成することができる。また、第２の電極２０は、電圧制御回路２２に接続する。電圧制御回路２２は、上述したように、アンプトランジスタＴｒ１及び選択トランジスタＴｒ２と同様に基板１３の所望の領域に形成されるので、第２の電極２０と電圧制御回路２２との接続は配線層１５に形成される配線１７、及びコンタクト部２３を介して行う。
本実施形態例では、第２の電極２０は、全画素２共通に形成されるため撮像領域３内でパターニングする必要がなく、加工が容易である。また、第２の電極２０が全画素２で共通に形成されるため、電圧制御回路２２を画素２毎に形成する必要がないため、電圧制御回路２２の規模を小さくすることができ、撮像領域３の面積拡大や、周辺回路面積の拡大が可能となる。また、電圧制御回路２２と第２の電極２０を接続する配線も少ないため、配線配置が容易である。さらに、第２の電極２０を画素２毎に別個に形成する場合に比較し、電極間にスリットが無いため、画素２の開口率を大きくすることが可能となる。
第１の電極１８、光電変換膜１９、第２の電極２０を順に積層することで光電変換素子２１を形成した後は、第２の電極２０上部に図示しない平坦化膜、オンチップマイクロレンズ等を形成することで、本実施形態例の固体撮像装置１が完成する。なお、平坦化膜、オンチップマイクロレンズ等の形成は、一般的な固体撮像装置と同様に行うことができる。また、本実施形態例の固体撮像装置１では、光電変換膜１９を特定の波長の光に応じた信号電荷を生成する有機材料で構成する例としているので、カラーフィルタは形成されない。
［２−２ 駆動方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の駆動方法について説明する。本実施形態例の固体撮像装置１は、図２に示すように、基板１３表面側の光電変換素子２１が形成された側から光Ｌを照射する表面型固体撮像装置であり、電子−ホール対のうち、電子を信号電荷として用いる例である。
まず、図４を用いて、本実施形態例の固体撮像装置１における電荷蓄積動作時とリセット動作時について説明する。電荷蓄積動作時とは、光電変換素子２１に光Ｌを照射して信号電荷を生成、蓄積を開始してから終了するまでの時間を指す。また、リセット動作時とは、光電変換素子２１で蓄積された信号電荷を排出し、光電変換素子２１の電位を電荷蓄積前の電位にリセットするタイミングを指す。
図４は、電荷蓄積動作時とリセット動作時における光電変換膜１９のエネルギーバンドの変化図である。本実施形態例の固体撮像装置１では、第１の電極１８の電位は操作しないが、第１の電極１８の電位は、図４に示すように、第２の電極２０の電圧が操作されることで、光電変換膜１９を介して第１の電極２０の電位に追従して変化する。
また、第２の電極２０には、電荷蓄積時において、第１の電極１８の電圧Ｖよりも低い第１の電圧Ｖｌを印加し、リセット時において、第１の電極１８の電圧Ｖよりも高い第２の電圧Ｖｈ（リセットパルス）を印加する。
電荷蓄積動作時においては、画素２に光Ｌが入射すると光の波長及び光量に応じて光電変換膜１９において光電変換され、光電変換膜１９において電子・ホール対が形成される。この光電変換により生成された電子・ホール対のうち、信号電荷となる電子ｅが、第２の電極２０に印加されている第１の電圧Ｖｌよりも高い電圧Ｖが印加されている第１の電極１８に引かれ、第１の電極１８側に蓄積される。
このとき、ホールは第１の電極１８よりも低い電圧である第１の電圧Ｖｌが印加されている第２の電極２０に引かれ、図示しない所要の配線を通じて排出される。
この結果、電荷蓄積時に光電変換膜１９で生成された信号電荷は、第１の電極１８側に蓄積されるので、第１の電極１８の電位が変動し、第１の電極１８と電気的に接続されたアンプトランジスタＴｒ１のアンプゲート電極２４に印加される電圧が変化する。そして、第１の電極１８の電位をアンプトランジスタＴｒ１で増幅することにより画素信号を検出する。なお、アンプトランジスタＴｒ１検出された画素信号は、選択トランジスタＴｒ２により選択的に信号配線に出力される。
そして、電荷蓄積動作時において、光電変換素子２１のバンド構造を適切に設定することで、第２の電極２０側と光電変換膜１９との間で障壁を形成することができる。これにより、電圧制御回路２２等で発生するノイズの原因となる暗電流が第２の電極２０側から第１の電極１８側に移動することを防ぐことができる。この結果、第２の電極２０側から第１の電極１８側に流れるノイズを防止することができる。したがって、電荷蓄積時では、電圧制御回路２２側で生じるノイズは、第１の電極１８側に転送されにくい構成とされている。
次に、リセット動作時においては、第１の電極１８の電圧Ｖに対して高い電圧となる第２の電圧Ｖｈを第２の電極２０に印加することで、図４に示すようにバンド構造が変化する。
これにより、第１の電極１８側に蓄積された信号電荷である電子ｅが第２の電極２０に移動し、電圧制御回路２２に排出される。この場合、リセット時における光電変換素子２１のバンド構造を適切に設定することで、第１の電極１８からアンプゲート電極２４にかけて蓄積されていた信号電荷を全て電圧制御回路２２側に排出させることができる。
これにより、第２の電極２０からアンプトランジスタＴｒ１のアンプゲート電極２４に至るまでの電気的に接続された部分（すなわち、信号電荷が蓄積されていた領域）の電位がリセットされる。
このように、本実施形態例では、電荷蓄積時とリセット時において、第１の電極１８と第２の電極２０に印加する電圧の大小関係を変えることにより、光電変換膜１９で生成された信号電荷の流れる方向を変えることができる。
また、本実施形態例では、信号電荷が蓄積される第１の電極１８は、アンプトランジスタＴｒ１のアンプゲート電極２４にのみ接続されており、第１の電極１８が基板１３には接続されていない。そして、リセット動作は、アンプゲート電極２４に接続されない側の第２の電極２０から行われる。
すなわち、本実施形態例の固体撮像装置１では、従来の固体撮像装置のように、光電変換膜で生成された電荷を蓄積される部位が、基板の高濃度不純物領域ではない。そして、光電変換膜１９で発生した信号電荷を蓄積するためや、第１の電極１８の電位をリセットするために第１の電極１８が基板１３に形成した高濃度半導体領域にコンタクト部２３を介して接続されことがない。このため、信号電荷の蓄積時間中における高濃度不純物領域に起因する暗電流の影響を防ぐことができる。
また、電荷蓄積動作時、及びリセット動作時における第１の電極１８及び第２の電極２０のバンド構造が、図４のような構成となるように設定することで、電荷蓄積時において、第２の電極２０側から暗電流成分が第１の電極１８側に流れるのを防止することができる。
［相間二重サンプリング方法］
ところで、一般的に、固体撮像装置では、光電変換素子をリセットした直後に検出した信号出力（Ｐ相出力）と、電荷蓄積後に検出した信号出力（Ｄ相出力）に対して相間二重サンプリングを用いることにより、ノイズの低減が図られている。
次に、本実施形態例の固体撮像装置１において、相間二重サンプリングを用いる場合の駆動方法を説明する。
まず、電圧制御回路２２により、第２の電極２０に、第１の電極１８に印加されている電圧Ｖよりも高い第２の電圧Ｖｈ（リセットパルス）を印加する。これにより、第２の電極２０からアンプゲート電極２４に至るまでの電気的に接続された部分の電位をリセットする。
次に、電圧制御回路２２により、第２の電極２０に、第１の電極１８に印加されている電圧Ｖよりも低い第１の電圧Ｖｌを印加すると共に、光電変換素子において信号電荷の生成、蓄積を開始する。そして、所定の蓄積時間内で生成された信号電荷は、第１の電極１８側に引き込まれ、蓄積される。そうすると、第１の電極１８の電位が変動し、第１の電極１８に電気的に接続されたアンプゲート電極２４の電位も変動する。そして、アンプゲート電極２４の電位変動により電荷量が検出され、選択トランジスタＴｒ２により選択的に画素信号が信号配線に出力される。
これにより、Ｄ相出力を得る。
次に、第２の電極２０に、第１の電極１８に印加されている電圧よりも高い第２の電圧Ｖｈ（リセットパルス）を印加する。これにより、第１の電極１８からアンプゲート電極２４に至るまでの電気的に接続された部分の電位を電荷蓄積前の電位にリセットする。そして、リセット直後のアンプトランジスタＴｒ１のアンプゲート電極２４の電位変動により、リセット時の電荷量（暗電流量）が検出され、選択トランジスタＴｒ２により選択的にリセット信号が信号配線に出力される。これによりＰ相出力を得る。
以上のようにして得られたＤ相出力と、その後のリセット後に得られたＰ相出力とに対して相間二重サンプリングを行うことにより、ノイズ信号が検出され、この結果ノイズの低減を図ることができる。
本実施形態例の固体撮像装置１では、先にＰ相出力を得ると信号電荷の蓄積時間が必要となるためＤ相出力までに時間がかかり、Ｐ相出力とＤ相出力との時間差により正確なノイズを検出できないおそれがある。このため、上述したように、相間二重サンプリングを行う場合には、Ｄ相出力を得た後にＰ相出力を得て、この両者をサンプリングすることが望ましい。
［グローバル露光による駆動］
本実施形態例の固体撮像装置１では、メカニカルシャッタを用いることで、グローバル露光が可能となる。図５、及び図６を用いて、グローバル露光について説明する。
図５は、１フレーム期間における信号電荷の蓄積時間と、読み出し走査を概略的に示した図である。また、図６は、第２の電極２０に供給されるリセットパルス（第２の電圧Ｖｈ）と、メカニカルシャッタのシャッタ動作のタイミング図と、それに対応する第１の電極１８の電圧変化を示した図である。
まず、電圧制御回路２２により、第２の電極２０にリセットパルス（ここでは第２の電圧Ｖｈ）を印加する。これにより、第１の電極１８がリセットされる。次に、メカニカルシャッタを開いて露光を開始し、一定の蓄積時間後、メカニカルシャッタを閉じて露光を終了する。露光することにより、各画素２の光電変換膜１９では、光電変換によって信号電荷が発生し、信号電荷が第１の電極１８側に引かれるので、第１の電極１８の電圧が下降する。そして、このようにして、全画素２で同時に信号電荷の蓄積が行われる。
次に、メカシャッタを閉じた後、走査戦を順に走査することで、画素２毎に画素信号を信号配線に出力する。これにより、画素２毎にＤ相出力が得られる。
次に、第２の電極２０に、第２の電圧Ｖｈ（リセットパルス）を印加する。これにより、第１の電極１８の電位がリセットされ、このリセットされた電位を画素２毎に読み出すことにより、画素２毎のリセット信号を信号配線に出力する。これにより、画素２毎にＰ相出力が得られる。
そして、得られたＤ相出力とＰ相出力により、相間二重サンプリングを画素毎に実施することによりノイズ信号を検出し、アンプトランジスタＴｒ１による固定パターンノイズを除去することができる。
その後、上述の工程を繰り返すことにより、グローバル露光による駆動がなされる。
このように、メカニカルシャッタを用い、Ｄ相出力の前にメカニカルシャッタの開閉動作をすることにより、信号電荷の蓄積の同時性を実現することができ、全画素２で同時刻の画像を取得することが可能となる。
なお、本実施形態例では、光電変換膜１９の材料として、有機材料を用いる例としたが、無機材料を用いてもよい。無機材料としては、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ等のカルコバイライト系の化合物等が挙げられる。この場合には、光電変換素子２１の光照射側に所望の波長の光を通すカラーフィルタ層を設けることで分光することができる。
また、本実施形態例では、第２の電極２０を全画素で共通に形成する例としたが、画素毎に形成したり、画素２の行毎に形成したり、複数画素で共有するように形成することが可能となる。次に、第２の電極２０の構成を変形した変形例１及び変形例２について説明する。
［変形例１］
図７は、変形例１に係る撮像領域に対する第２の電極２０の平面構成図である。変形例１は、第１の実施形態とは、第２の電極２０の構成のみを異ならせたものである。
変形例１では、図７に示すように、第２の電極２０を、画素２の行ごとに形成している。このような第２の電極２０は、光電変換膜１９上に電極材料を形成した後、パターニングすることにより形成される。
変形例１の構成では、行毎に形成された第２の電極２０のそれぞれに、電圧制御回路２２が接続されており、行毎に制御が可能となる。そして、変形例１では、第２の電極２０を行ごとに別個に制御が可能となるので、行毎の感度の調整が可能となる効果がある。
［変形例２］
図８は、変形例２に係る撮像領域３に対する第２の電極２０の平面構成図である。変形例２は、第１の実施形態とは、第２の電極２０の構成のみを異ならせたものである。
変形例２では、図８に示すように、第２の電極２０を、画素２毎に形成している。このような第２の電極２０は、光電変換膜１９上に電極材料を形成した後、パターニングすることにより形成される。
変形例２では、画素２毎に形成された第２の電極２０のそれぞれに、電圧制御回路２２が接続されており、画素２ごとに制御が可能となる。そして、変形例２では、第２の電極２０を画素２毎に別個に制御が可能となるので、画素２毎の感度の調整が可能となる効果がある。
〈３．第２の実施形態：表面照射型の固体撮像装置〉
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図９は、本実施形態例の固体撮像装置５０の１画素分の概略断面構成図である。図９において、図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例の固体撮像装置５０の全体の構成は、図１と同様であるから、重複説明を省略する。
本実施形態例は、配線層１５上部に、３つの光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃを３層に積層する例である。各光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、例えば有機材料からなる光電変換膜１９と、その光電変換巻く１９を挟持して設けられる第１の電極１８，及び第２の電極２０で構成される。そして、それらの光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃが、光の入射面側に層間絶縁膜１６を介して３層積層して構成されている。
また、各光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃの第１の電極１８は、それぞれのアンプトランジスタＴｒ１を構成するアンプゲート電極２４に、配線１７、コンタクト部２３を介して接続されている。さらに、各光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃの第２の電極２０は、それぞれの電圧制御回路２２に接続されている。また、図示を省略するが、それぞれのアンプトランジスタＴｒ１の後段には、第１の実施形態と同様に、選択トランジスタが設けられている。
そして、この３層の光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃを構成する光電変換膜１９は、異なる波長帯、例えば、赤色、青色、緑色の光を吸収する有機材料で構成されている。したがって、入射面側から光Ｌが入射すると、上層の光電変換膜１９を透過した光は、下層の光電変換膜１９に吸収され、各光電変換素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃでは、各波長の光の光量に応じた信号電荷が、生成され、蓄積される。
本実施形態例の固体撮像装置５０では、図９に示すように、基板１３の裏面側から光Ｌが照射される。そして、本実施形態例では異なる波長帯を吸収する光電変換膜１９からなる光電変換素子２１を積層することで、１画素内において、縦方向の分光が可能となる。
本実施形態例においても、第１の実施形態と同様の駆動方法を用いることができる。そして、本実施形態例においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈４．第３の実施形態：表面照射型の固体撮像装置〉
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１０は、本実施形態例の固体撮像装置５１の１画素分の概略断面構成図である。図１０において図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例の固体撮像装置５１の全体に構成は、図１と同様であるから、重複説明を省略する。
本実施形態例は、光電変換膜１９からなる光電変換素子２１と、基板１３内に形成されるフォトダイオードからなる光電変換素子を光の入射方向に積層する例である。図１０に示すように、配線層１５上部には、例えば、緑色の光の波長を吸収する光電変換膜１９からなる光電変換素子２１を形成し、基板１３内の深さ方向に、第１のフォトダイオード、ＰＤ１及び第２のフォトダイオードＰＤ２を形成する。
第１のフォトダイオードＰＤ１は、基板１３の表面から深さ方向に順に形成されたｐ型の高濃度不純物領域（ｐ+領域）２７、ｎ型の不純物領域（ｎ領域）２８で構成される。第１のフォトダイオードＰＤ１は、主に、ｐ＋領域２７とｎ領域２８との接合面であるｐｎ接合により構成されるものである。そして、基板１３表面に形成されたｐ+領域２７は、基板１３界面で発生する暗電流を抑制するための暗電流抑制領域となる。
第２のフォトダイオードＰＤ２は、第１のフォトダイオードＰＤ１よりも基板１３の深い領域に形成されており、ｎ領域２８の下層に順に形成されたｐ+領域２９、ｎ領域３０で構成される。第２のフォトダイオードＰＤ２は、主に、ｐ+領域２９とｎ領域３０との接合面であるｐｎ接合により構成されるものである。また、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｎ領域３０は、その一部が電荷転送路３１として、基板１３表面側にまで連続して形成されている。
シリコンからなる基板１３は、光の入射深さに応じて、吸収される光の波長が異なるため、基板１３内で縦方向に分光することができる。本実施形態例では、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成するｐｎ接合を、青色の光を光電変換する基板深さに設け、第２のフォトダイオードＰＤ２を構成するｐｎ接合を、赤色の光を光電変換する基板深さに設ける。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１では、青色の光に応じた信号電荷が生成され、ｎ領域２８に蓄積される。また、第２のフォトダイオードＰＤ２では、赤色の光に応じた信号電荷が生成され、ｎ領域３０に蓄積される。
第１のフォトダイオードＰＤ１に隣接する領域には、ドレインがフローティングディフュージョン部ＦＤ１とされた第１の転送トランジスタＴｒ３が構成される。第１の転送トランジスタＴｒ３は、フローティングディフュージョン部ＦＤ１と、転送ゲート電極３９とで構成される。フローティングディフュージョン部ＦＤ１は、基板１３の表面側に形成されたｎ型の高濃度不純物領域で構成されている。また、転送ゲート電極３９は、フローティングディフュージョン部ＦＤ１と第１のフォトダイオードＰＤ１間の基板１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成される。
また、第２のフォトダイオードＰＤ２の電荷転送路３１に隣接する領域には、ドレインがフローティングディフュージョン部ＦＤ２とされた第２の転送トランジスタＴｒ４が構成される。第２の転送トランジスタＴｒ４は、フローティングディフュージョン部ＦＤ２と、転送ゲート電極４０とで構成される。フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、基板１３の表面側に形成されたｎ型の高濃度不純物領域で構成されている。また、転送ゲート電極４０は、フローティングディフュージョン部ＦＤ２と電荷転送路３１間の基板１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成される。
また、図示を省略するが、第１の転送トランジスタＴｒ３、及び第２の転送トランジスタＴｒ４の後段には、それぞれ、リセットトランジスタ、選択トランジスタなどの画素トランジスタがそれぞれ形成されている。
本実施形態例の固体撮像装置５１では、図１０に示すように、基板１３の表面側から光Ｌが照射される。画素２に入射した光Ｌのうち、緑色の光は光電変換膜１９に吸収され、その他の光は、光電変換膜１９を透過して基板１３に入射する。基板１３に入射した光のうち、青色の光は、基板１３表面側に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１に吸収され、赤色の光は、基板１３の深い側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２に吸収される。そして、光電変換膜１９では、緑色の光による信号電荷が生成、蓄積され、第１のフォトダイオードＰＤ１では、青色の光による信号電荷が生成、蓄積され、第２のフォトダイオードＰＤ２では、赤色の光による信号電荷が生成、蓄積される。
光電変換膜１９で生成、蓄積された信号電荷は、第１の実施形態と同様にして画素信号として出力され、また、画素信号が出力された後は、第１の実施形態と同様にして光電変換膜がリセットされる。
第１のフォトダイオードＰＤ１、及び第２のフォトダイオードＰＤ２で生成、蓄積された信号電荷は、第１の転送トランジスタＴｒ３、及び第２の転送トランジスタＴｒ４により、それぞれのフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に読み出される。そして、フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に読み出された信号電荷は、図示しない、アンプトランジスタにより増幅され、選択トランジスタにより選択的に信号配線に出力される。また、フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２の電位は、図示しないリセットトランジスタによりリセットされる。
本実施形態例の固体撮像装置５１では、光電変換膜１９からなる光電変換素子２１と、基板１３に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＤ２により、１画素内で３色の光の波長による画素信号を得ることができる。
本実施形態例では、最も光入射側に形成される光電変換膜１９を緑色の光の波長を吸収する有機材料で構成し、その他の波長の光を基板内に吸収する例としたが、これに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。本実施形態例のように、光電変換膜１９を緑色の光の波長を吸収する有機材料で構成し、互いに波長域の遠い青色、赤色の光を基板１３内で縦型分光する構成とすることで、基板１３内での分光精度を向上させることができる。
また、本実施形態例では、基板１３内に２層のフォトダイオードを形成する例としたが、基板１３内に形成されるフォトダイオードは、１層以上であればよい。例えば、基板１３内に１つのフォトダイオードのみを構成する例とした場合には、光電変換膜１９上部に特定の波長の光を通すカラーフィルタを搭載することで、より分光精度を上げることができる。光電変換膜１９の上部にカラーフィルタを搭載する場合には、例えば、２色の光を透過するカラーフィルタとする。またカラーフィルタは、光電変換膜１９と基板１３との間に設けてもよい。
本実施形態例においても、第２の電極２０を全画素で共有に形成することにより、リセットに用いるトランジスタの数を削減することができ、画素サイズの縮小が可能となる。また、基板１３内に形成されたフォトダイオードの面積を大きくとることも可能となり、開口率の向上が図られる。
そして、本実施形態例においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈５．第４の実施形態：裏面照射型の固体撮像装置〉
次に、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１１は、本実施形態例の固体撮像装置５２の１画素分の概略断面構成図である。図１１において図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例の固体撮像装置５２の全体に構成は、図１と同様であるから、重複説明を省略する。
本実施形態例は、光電変換膜３６と、光電変換膜３６を挟持する第１の電極３５、及び第２の電極３７とからなる光電変換素子３８を、基板１３の裏面側に設ける例である。図１１に示すように、基板１３の裏面側には、絶縁膜４９を介して第１の電極３５が形成されている。そして、第１の電極３５は、基板１３を裏面側から表面側に貫通して形成された貫通電極３３を介して、基板１３表面に形成された配線層１５のコンタクト部２３ａ及び配線１７に接続され、アンプトランジスタＴｒ１のアンプゲート電極２４に接続される。
貫通電極３３は、基板１３の表面側から基板１３を貫通するように貫通孔を形成し、その貫通孔の側壁を絶縁膜３４で被覆した後、金属材料や、ポリシリコン、不純物を含むアモルファスシリコン等を埋め込むことで形成することができる。また、貫通電極３３は、ｎ型の不純物、又はｐ型の不純物をイオン注入し、イオン注入からなる配線を用いて行っても良く、その場合には、イオン注入によって形成された貫通電極とは反対導電型の不純物領域により、貫通電極の側壁を覆う必要がある。
本実施形態例の固体撮像装置５２は、基板１３表面側に、アンプトランジスタＴｒ１等を形成し、貫通電極３３を形成した後、貫通電極３３とアンプゲート電極２４が電気的に接続されるように配線層１５を形成する。その後、基板１３を反転して基板１３裏面側に絶縁膜４９を介して第１の電極３５、光電変換膜３６、第２の電極３７を積層することで形成することができる。また、本実施形態例においても第２の電極３７は、電圧制御回路２２に接続されるが、この電圧制御回路２２は基板１３表面側に形成しても、基板１３の裏面側に形成してもよい。電圧制御回路２２を基板１３の表面側に形成する場合には、第２の電極３７と電圧制御回路２２との接続も基板１３を貫通する貫通電極３３によって行う。
本実施形態例においても光入射側となる第２の電極３７上部には、図示しない平坦化膜や、オンチップマイクロレンズ等が形成される。そして、本実施形態例の固体撮像装置５２では、図１１に示すように、基板１３の裏面側から光Ｌが照射される。基板１３の裏面側から入射した光Ｌは、光電変換膜３６により光電変換され、第１の実施形態と同様の駆動方法により、第１の電極３５側に蓄積される。そして、電荷蓄積時における第１の電極３５の電位の変動は貫通電極３３を介して、基板１３表面側に形成されたアンプゲート電極２４に伝導する。そして、本実施形態例においても、アンプゲート電極２４の電位変動により光電変換膜３６で光電変換された信号電荷の電荷量が検出され、図示しない選択トランジスタにより画素信号が信号配線に転送される。
また、本実施形態例の固体撮像装置５２においてもリセット時には、第２の電極３７側に信号電荷が排出されることにより、リセットが行われる。
このように、本実施形態例では、貫通電極３３を介して基板１３の裏面側に形成された第１の電極３５と基板１３表面側に形成されたアンプゲート電極２４を接続することで、光電変換膜３６を用いた裏面照射型の固体撮像装置を構成することができる。そして、本実施形態例の固体撮像装置５２においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈６．第５の実施形態：裏面照射型の固体撮像装置〉
次に、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１２は、本実施形態例の固体撮像装置５３の１画素分の概略断面構成図である。図１２において図２及び図１１に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例の固体撮像装置５３の全体に構成は、図１と同様であるから、重複説明を省略する。
本実施形態例の固体撮像装置５３は、光電変換膜３６からなる光電変換素子３８を基板１３の裏面側に設け、光電変換膜３６からなる光電変換素子３８と、基板１３内に形成されたフォトダイオードからなる光電変換素子を光の入射方向に積層する例である。
図１２に示すように、基板１３の裏面側には、例えば、緑色の光の波長を吸収する光電変換膜３６からなる光電変換素子３８を形成し、基板１３内の裏面側から表面側にかけて、第１のフォトダイオードＰＤ１、及び第２のフォトダイオードＰＤ２を形成する。
第１のフォトダイオードＰＤ１は、基板１３の裏面から表面側に順に形成されたｐ型の高濃度不純物領域（ｐ+領域）４１、ｎ型の不純物領域（ｎ領域）４２で構成される。第１のフォトダイオードＰＤ１は、主に、ｐ＋領域４１とｎ領域４２との接合面であるｐｎ接合により構成されるものである。そして、基板１３裏面に形成されたｐ+領域４１は、基板１３界面で発生する暗電流を抑制するための暗電流抑制領域となる。また、第１のフォトダイオードＰＤ１を構成するｎ領域４２は、その一部が電荷転送路４８として、基板１３表面側にまで連続して形成されている。
第２のフォトダイオードＰＤ２は、第１のフォトダイオードＰＤ１よりも基板１３の表面領域に形成されており、ｎ領域４２よりも表面側に順に形成されたｐ+領域４３、ｎ領域４４で構成される。第２のフォトダイオードＰＤ２は、主に、ｐ+領域４３とｎ領域４４との接合面であるｐｎ接合により構成されるものである。また、基板１３表面の基板１３と配線層１５の界面には、ｐ型の高濃度不純物領域（ｐ+領域）４５からなる暗電流抑制領域が形成されている。
本実施形態例の固体撮像装置５３は、図１１に示すように、基板１３の裏面側から光Ｌが照射される。このため、基板１３の裏面側に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１で青色の光が光電変換され、表面側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２で赤色の光が光電変換される。
第１のフォトダイオードＰＤ１の電荷転送路４８に隣接する基板１３の表面側には、ドレインがフローティングディフュージョン部ＦＤ１とされた第１の転送トランジスタＴｒ３が構成される。第１の転送トランジスタＴｒ３は、フローティングディフュージョン部ＦＤ１と、転送ゲート電極４６とで構成される。フローティングディフュージョン部ＦＤ１は、基板１３の表面側に形成されたｎ型の高濃度不純物領域で構成されている。また、転送ゲート電極４６は、フローティングディフュージョン部ＦＤ１と電荷転送路４８間の基板１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成される。
また、第２のフォトダイオードＰＤ２に隣接する基板１３の表面側には、ドレインがフローティングディフュージョン部ＦＤ２とされた第２の転送トランジスタＴｒ４が構成される。第２の転送トランジスタＴｒ４は、フローティングディフュージョン部ＦＤ２と、転送ゲート電極４７とで構成される。フローティングディフュージョン部ＦＤ２は、基板１３の表面側に形成されたｎ型の高濃度不純物領域で構成されている。また、転送ゲート電極４７は、フローティングディフュージョン部ＦＤ２と第２のフォトダイオードＰＤ２間の基板１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成される。
また、図示を省略するが、第１の転送トランジスタＴｒ３、及び第２の転送トランジスタＴｒ４の後段には、それぞれ、リセットトランジスタ、選択トランジスタなどの画素トランジスタがそれぞれ形成されている。
本実施形態例の固体撮像装置では、画素２に入射した光Ｌのうち、緑色の光は光電変換膜に吸収され、その他の光は、光電変換膜３６を透過して基板１３に入射する。基板１３に入射した光のうち、青色の光は、基板１３表面側に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１に吸収され、赤色の光、基板の深い側に形成された第２のフォトダイオードＰＤ２に吸収される。そして、光電変換膜３６では、緑色の光による信号電荷が生成、蓄積され、第１のフォトダイオードでＰＤ１は、青色の光による信号電荷が生成、蓄積され、第２のフォトダイオードＰＤ２では、赤色の光による信号電荷が生成、蓄積される。
光電変換膜３６で生成、蓄積された信号電荷は、第１の実施形態と同様にして画素信号として出力され、また、画素信号が出力された後は、第１の実施形態と同様にして光電変換膜がリセットされる。
第１のフォトダイオードＰＤ１、及び第２のフォトダイオードＰＤ２で生成、蓄積された信号電荷は、第１の転送トランジスタＴｒ３、及び第２の転送トランジスタＴｒ４により、それぞれのフローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に読み出される。そして、フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２に読み出された信号電荷は、図示しない、アンプトランジスタにより増幅され、選択トランジスタにより選択的に出力される。また、フローティングディフュージョン部ＦＤ１、ＦＤ２の電位は、図示しないリセットトランジスタによりリセットされる。
本実施形態例の固体撮像装置５３では、光電変換膜３６からなる光電変換素子３８と、基板１３に形成された第１のフォトダイオードＰＤ１、第２のフォトダイオードＰＤ２により、１画素内で３色の光の波長による画素信号を得ることができる。
電荷蓄積時、及びリセット持における駆動方法については、第１の実施形態と同様であり、また、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上のように、本発明の固体撮像装置では、光電変換膜を第１の電極及び第２の電極で挟持して構成された光電変換素子を有する固体撮像装置において、信号電荷が読み出される側の電極（第１の電極）は、アンプトランジスタのゲート電極にのみ接続される。さらに、信号電荷のリセットは、第２の電極側から行われる。このため、信号電荷を読み出す側となる第１の電極を基板の高濃度半導体領域に接続する構成が必要なく、暗電流の原因となる高濃度半導体領域を設ける必要がない。これにより、暗電流の発生を抑制することができ、ノイズの抑制が可能となる。
上述の第１〜第５の実施形態では、入射光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるＣＭＯＳ型固体撮像装置に適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はＣＭＯＳ型固体撮像装置への適用に限られるものではない。また画素が二次元マトリックス状に形成された画素部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に限定するものでもない。
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。また、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
さらに、本発明は、撮像領域の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
また、本発明の実施の形態は、上述の第１〜第５の実施形態に限られるものではなく、種々の変更が可能である。また、上述した例では、主としてｎチャネルＭＯＳトランジスタを構成とした場合であるが、ｐチャネルＭＯＳトランジスタを構成とすることもできる。ｐチャネルＭＯＳトランジスタとする場合は、各図において、その導電型を反転した構成となる。
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
〈７．第６の実施形態：電子機器〉
次に、本発明の第６の実施形態に係る電子機器について説明する。図１３は、本発明の第６の実施形態に係る電子機器２００の概略構成図である。
本実施形態例の電子機器２００は、上述した本発明の第１の実施形態における固体撮像装置１を電子機器（カメラ）に用いた場合の実施形態を示す。
本実施形態に係る電子機器２００は、固体撮像装置１と、光学レンズ２１０と、シャッタ装置２１１と、駆動回路２１２と、信号処理回路２１３とを有する。
光学レンズ２１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。
シャッタ装置２１１は、固体撮像装置１への光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路２１２は、固体撮像装置１の転送動作およびシャッタ装置２１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路２１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行なう。信号処理回路２１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
本実施形態例の電子機器２００では、固体撮像装置１において暗電流によるノイズの発生が防止されるので、画質の向上が図られる。
固体撮像装置１を適用できる電子機器２００としては、カメラに限られるものではなく、デジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。
本実施形態例においては、固体撮像装置１を電子機器に用いる構成としたが、前述した第２の実施形態で製造した固体撮像装置を用いることもできる
１・・・固体撮像装置、 ２・・・画素、 ３・・・・撮像領域、 ４・・・垂直駆動回路、 ５・・・カラム信号処理回路、 ６・・・水平駆動回路、 ７・・・出力回路、 ８・・・制御回路、 １３・・・基板、 １４・・・ゲート絶縁膜、 １５・・・配線層、 １６・・・層間絶縁膜、 １７・・・配線、 １８・・・第１の電極、 １９・・・光電変換膜、 ２０・・・第２の電極、 ２１・・・光電変換素子、 ２２・・・電圧制御回路、 ２３・・・コンタクト部、 ２４・・・アンプゲート電極、 ２５・・・選択ゲート電極、 ２６・・・ソース・ドレイン領域、 ３１・・・電荷転送路、 ３３・・・貫通電極、 ３４・・・絶縁膜 ＦＤ１・・・フローティングディフュージョン部 ＦＤ２・・・フローティングディフュージョン部 ＰＤ１・・・第１のフォトダイオード、 ＰＤ２・・・第２のフォトダイオード、 Ｔｒ１・・・アンプトランジスタ

Claims (11)

  1. 基板と、
    基板の光入射面側に設けられ、有機材料、又は無機材料からなり、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換膜を、画素毎に別個に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極との間に挟持して構成された光電変換素子と、
    前記第１の電極と接続されたアンプゲート電極を有するアンプトランジスタと、
    前記第２の電極と接続され、前記第２の電極に所望の電圧を供給する電圧制御回路と、
    を備え、
    前記電圧制御回路は、電荷蓄積動作時に光電変換膜で生成された信号電荷を前記第１の電極側に移動させる第１の電圧を供給し、リセット動作時に、前記信号電荷を前記第２の電極側に移動させる第２の電圧を供給し、
    前記光電変換素子は、基板裏面側に形成され、前記第１の電極とアンプゲート電極との接続は、基板を貫通する貫通電極と、基板の表面側に形成された配線層によってなされる
    固体撮像装置。
  2. 前記第２の電極が画素毎に別個に設けられている
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記第２の電極が全画素共通に設けられている
    請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 前記画素は２次元マトリクス状に配置され、前記第２の電極は前記画素の行毎に共通に設けられている
    請求項１記載の固体撮像装置。
  5. 前記光電変換素子が、基板の光入射面側に複数層積層して設けられている
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  6. 基板内に、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオードが、少なくとも１つ設けられている
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  7. 基板に、複数のトランジスタを形成する工程と、
    前記基板を貫通する貫通電極を形成する工程と、
    前記基板上に、複数の配線が層間絶縁膜を介して積層された配線層であって、前記貫通電極と、前記複数のトランジスタのうちのアンプトランジスタのアンプゲート電極とを接続する配線を含む配線層を形成する工程と、
    前記基板の光照射面側に、前記複数のトランジスタのうちのアンプトランジスタのアンプゲート電極に電気的に接続される第１の電極を画素毎に別個に形成する工程と、
    前記第１の電極上部に、有機材料又は無機材料からなる光電変換膜を形成する工程と、
    前記光電変換膜上部に、電圧制御回路に電気的に接続される第２の電極を形成する工程と、を含み、前記電圧制御回路は、電荷蓄積動作時に光電変換膜で生成された信号電荷を前記第１の電極側に移動させる第１の電圧を供給し、リセット動作時に、前記信号電荷を前記第２の電極側に移動させる第２の電圧を供給する
    固体撮像装置の製造方法。
  8. 基板と、
    基板の光入射面側に設けられ、有機材料、又は無機材料からなり、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換膜を、画素毎に別個に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極との間に挟持して構成された光電変換素子と、
    前記第１の電極と接続されたアンプゲート電極を有するアンプトランジスタと、
    前記第２の電極と接続され、前記第２の電極に所望の電圧を供給する電圧制御回路と、を備え、前記光電変換素子は、基板裏面側に形成され、前記第１の電極とアンプゲート電極との接続は、基板を貫通する貫通電極と、基板の表面側に形成された配線層によってなされる固体撮像装置の駆動方法であって、
    電荷蓄積動作時には、前記第２の電極に、前記電圧制御回路から第１の電圧を供給することにより、前記光電変換膜に生成された信号電荷を前記第１の電極側に移動させ、前記アンプトランジスタで前記第１の電極の電位を検出することにより画素信号を出力し、
    リセット動作時には、前記第２の電極に、前記電荷蓄積動作時とは異なる第２の電圧を前記電圧制御回路から供給することにより、前記第１の電極側に蓄積された信号電荷を排出する
    固体撮像装置の駆動方法。
  9. 前記リセット動作により前記第１の電極側に蓄積された信号電荷を排出した直後に前記アンプトランジスタで前記第１の電極の電位を検出することによりリセット信号を読み出し、
    前記画素信号とリセット信号とを比較することにより、ノイズ信号を検出する
    請求項８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  10. 前記電荷蓄積動作時は、メカニカルシャッタを開けることで、全画素で同時に露光を開始し、前記メカニカルシャッタを閉じることで、全画素で同時に露光を終了する
    請求項９に記載の固体撮像装置の駆動方法。
  11. 光学レンズと、
    基板と、基板の光入射面側に設けられ、有機材料、又は無機材料からなり、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成する光電変換膜を、画素毎に別個に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対向して設けられた第２の電極との間に挟持して構成された光電変換素子と、前記第１の電極と接続されたアンプゲート電極を有するアンプトランジスタと、前記第２の電極と接続され、前記第２の電極に所望の電圧を供給する電圧制御回路とを備え、前記電圧制御回路は、電荷蓄積動作時に光電変換膜で生成された信号電荷を前記第１の電極側に移動させる第１の電圧を供給し、リセット動作時に、前記信号電荷を前記第２の電極側に移動させる第２の電圧を供給し、前記光電変換素子は、基板裏面側に形成され、前記第１の電極とアンプゲート電極との接続は、基板を貫通する貫通電極と、基板の表面側に形成された配線層によってなされる固体撮像装置であって、前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    を含む電子機器。
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