JP6775977B2 - 光電変換装置、及び撮像システム - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換装置、及び、光電変換装置を用いた撮像装置に関する。
撮像素子には、半導体中に光電変換部位を有する素子を２次元的に配列して画素とし、各画素の光電変換により発生した信号をＣＣＤ回路やＣＭＯＳ回路により電荷転送、読み出しを行う受光素子が広く用いられている。
特許文献１には、２つの透明電極に挟まれた光電変換膜を有する光電変換部が半導体基板上に設けられた構成が記載され、光電変換膜が半導体基板に対して傾斜して設けられることで感度の向上を図る構成が記載されている。
特許文献１に係る光電変換装置の断面構成図を図５に示す。半導体基板５上の凹部７の内壁に、下部電極と光電変換層１１と上部電極１２が形成され、上部電極１２の上には保護層１７が全面に形成されている。また、下部電極１２１と上部電極１２は、プラグ１４によって半導体基板上に接続される。特許文献１のような構成は、凹部の側面と上面が交差する頂点領域（領域Ｂ）において、上部電極１２の断線が発生しやすい構成である。これは、凹部の頂点領域（領域Ｂ）の段差によって、上部電極の膜厚が薄くなりやすいことに起因する。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板上の凹部の側面において上部電極と接続配線とが電気的に接続されることで、光電変換層に所望の電圧を安定に印加することができる信頼性の高い光電変換装置を提供することを目的とする。
本発明は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた電荷蓄積部と、光電変換層および上部電極をこの順で有し、前記光電変換層が前記基板の面内に複数配置されている光電変換装置であって、前記複数の光電変換層の間に配置され、接続配線が設けられている絶縁層をさらに有し、前記接続配線の側面と、前記上部電極と、が電気的に接続されていることを特徴とする光電変換装置を提供する。
本発明によれば、半導体基板上の絶縁層の側面において上部電極と接続配線とが電気的に接続されることで、光電変換層に所望の電圧を安定して印加することができる信頼性の高い光電変換装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本明細書で特に図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用できる。
本発明は、複数の光電変換素子を面内に有する基板上において、光電変換素子と、他の光電変換素子との間に配置されている絶縁層、いわゆるバンク、を有し、上部電極が光電変換素子間で連続している光電変換装置である。上部電極が接続配線の側面と接続する点を、絶縁層の側面に有することを特徴とする。絶縁層の側面に接続配線の側面と電気的に接続する点を設けることで、上部電極の電気的接続の切断を抑制した光電変換装置になる。
図１は光電変換装置１の平面図である。光電変換装置１は、受光領域２と、遮光領域３と、周辺回路領域４から構成される。受光領域２および遮光領域３には、複数の画素が２次元アレイ状に配置されている。画素は少なくとも光電変換膜と、光電変換膜にて生じた信号を読み出すための読み出し回路を含む。
読み出し回路は、例えば光電変換膜と電気的に接続された転送トランジスタや、光電変換膜をリセットするためのリセットトランジスタなどを含む。周辺回路４は、受光領域２の動作制御や受光領域２から読み出された信号処理をおこなう周辺回路が設けられた領域で、例えば不図示の増幅回路、水平走査回路および垂直走査回路などを含む。遮光領域３と周辺回路領域４は、半導体基板の表面に対して垂直な方向から見た場合に、遮光膜によって覆われている。
一方、受光領域２は遮光膜が設けられていないか、受光領域の遮光膜は画素ごとに開口されている。遮光領域３に配置された画素の少なくとも一部はオプティカルブラック画素であり、オプティカルブラック画素で得られた信号は固定バターンノイズ除去のための信号として利用される。
図２は、図１に示した受光領域２におけるＡ−Ａ′線に沿った断面模式図であり、２つの画素が図示されている。半導体基板５の上には、絶縁層６によって凹部７が形成されており、この凹部の底部に位置する半導体基板５には電荷蓄積部８が形成されている。
電荷蓄積部８は、後述するように半導体基板５に不純物半導体領域として形成される。また、電荷蓄積部８の上には、光電変換膜１１と上部電極１２が順に形成されている。電荷蓄積部の隣にはフローティングディフュージョン９（以下ＦＤ）が配置され、電荷蓄積部８とＦＤ９との間にはゲート電極１０が配置されている。ＦＤ９は、ゲート電極１０とともに転送トランジスタを形成している。
本発明に係る光電変換装置は、図２における領域Ａに示すような凹部の側面において、上部電極１２と接続配線１３とが電気的に接続される。接続配線１３はプラグ１４を介して、半導体基板上の給電配線１５に電気的に接続されている。凹部の側面とは、凹部の半導体基板の主面に対して傾斜を有する面である。凹部のうち、半導体基板との距離が変化する面であるということもできる。
図２における領域Ｂにおいては、上部電極の膜厚が薄くなりやすい。その結果、上部電極が断線してしまう可能性がある。これに対して、領域Ａにおいては、このような上部電極の断線の可能性が低いため、光電変換装置に安定して電圧を供給することができる。
絶縁層６には、配線層１６が設けられている。配線層１６は、受光領域２に配置された不図示の転送トランジスタやリセットトランジスタなどと、周辺回路領域４に配置された不図示の増幅回路、水平走査回路や垂直走査回路などを電気的に接続する。
上部電極１２の上には、保護層１７が形成され、光電変換装置の構成部材を保護している。保護層１７の上には、カラーフィルタ１８が配置され、カラーフィルタにより光電変換層に入射する光の波長が選択される。カラーフィルタ１８の上には、光電変換層へ集光するようにマイクロレンズ１９が配置されている。
半導体基板５は、不純物の注入により電荷蓄積部、ＦＤが形成できるものであれば、構成元素は限定されない。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等があげられる。
絶縁層６は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁体で構成されており、光電変換装置が有する複数の光電変換層同士の間に配置されており、バンクとも呼ばれる。絶縁層は、凹部７を形成していて、凹部の側面において、上部電極と接続配線とが電気的に接続される。この凹部の側面は、基板に対して傾斜していてよい。
電荷蓄積部８は、イオン注入によって半導体基板５に形成されたＮ型半導体領域あるいはＰ型半導体領域であり、光電変換部で発生した電荷を蓄積する領域である。
電子を蓄積する場合には、半導体基板表面にＮ型半導体領域が形成してもよいし、あるいは基板表面からＰＮ構造の蓄積用のダイオードを形成してもよい。いずれの場合もＮ型半導体領域に電子を蓄積することができる。
一方、正孔を蓄積する場合には、半導体基板にＰ型半導体領域が形成してもよいし、あるいは基板表面からＮＰ構造の蓄積用のダイオードを形成してもよい。いずれの場合もＰ型半導体領域に電子を蓄積することができる。
蓄積された電荷は、電荷蓄積部からＦＤへと転送される。この電荷の転送は、ゲート電極１０によって、制御することができる。光電変換層１１で生成された電荷は、電荷蓄積部８に蓄積され、電荷蓄積部８に蓄積された電荷はＦＤ９に転送されて、ＦＤ９に接続された不図示の増幅トランジスタにより電圧に変換される。
ゲート電極１２には、低抵抗な材料を用いることができ、例えば、ポリシリコンや銅、ニッケル、チタン、アルミニウムなどの金属やこれらの合金があげられる。
本発明の光電変換装置は、電荷蓄積部８と光電変換膜９が電極を介さずに直接接してもよいし、不図示の下部電極を有してもよい。下部電極を有する場合は、光電変換層と、電荷蓄積部との間に下部電極を配置してよい。好ましくは、光電変換層と電荷蓄積部とが接している構成である。
本発明に係る光電変換装置は、光電変換膜と電荷蓄積部の間に電極を有さないことにより、すなわち、光電変換層と、電荷蓄積部とが接していることにより、リセット時に発生する熱雑音（ｋＴＣノイズ）を低減することが可能となる。
光電変換層１１は、無機材料、有機材料または有機・無機ハイブリッド材料のいずれかを含んだ半導体層により構成される。無機材料を含んだ光電変換層としては、例えば、アモルファスシリコンやＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＣｓＳｅ、ＺｎＳ、ＨｄＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、ＣｕＯなどのＩＶ−ＶＩ族化合物半導体などを用いることができる。また、これらの化合物半導体で構成された量子ドット層を光電変換層に用いることができる。量子ドット層は有機材料中に分散された膜として用いることもできる。
有機材料を含んだ光電変換層１１としては、例えば、フラーレン系材料、フタロシアニン系材料、金属錯体系材料、スクアリウム系材料、アミン系材料、インダン系材料、フルオレン系材料などを用いることができる。これらの有機材料で層を形成してもよいし、複数の材料で層を形成してもよい。またそれらの層を積層した構成としてもよい。
有機・無機ハイブリッド材料を含んだ光電変換層１１としては、例えば、有機・無機ハイブリッド型ペロブスカイト膜を用いることができる。有機・無機ハイブリッド型ペロブスカイト膜を構成する材料とは、一般式ＡＢＸ３で表わされるものである。ここで一般式においてＡおよびＢはカチオン材料であり、Ｘはアニオン材料である。有機・無機ハイブリッド材料はＡ、ＢあるいはＸのいずれかが有機材料であり、Ａ＝ＣＨ３ＮＨ３、Ｂ＝Ｐｂ、Ｘ＝ＩであるＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３を例にあげることができる。
本発明に係る光電変換装置は、光電変換層と、電荷蓄積層との間に機能層を有してよい。機能層は光電変換層の一部とみなすことができ、他の構成との配置関係は、機能層の有無に関わらず、光電変換層との配置関係に準ずる。すなわち、光電変換装置が下部電極を有する場合は、光電変換層と下部電極の間に機能層が配置される。
機能層としては、例えば電荷輸送層、電荷ブロック層が挙げられる。電荷輸送層の材料としては、正孔や電子の移動度が高い材料を用いることができる。また、正孔ブロック層の材料としては、ＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ；最高占有準位）が深い（真空準位に対してエネルギー的に遠い）材料を用いることができる。一方、電子ブロック層としは、ＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ；最高被占有準位）が浅い（真空準位に対して近い）材料を用いることができる。
ＨＯＭＯ、ＬＵＭＯは、絶対値の大きさに基づいて、高い、低いとも表現することができる。具体的には、ＨＯＭＯが深いとは、ＨＯＭＯが高いとも表現できる。その他についても同様である。
また、光電変換層とは異なる波長の光を光電変換する別種の光電変換層をさらに有してもよい。別種の光電変換層は、前記光電変換層と、前記上部電極との間に配置されていてもよいし、上部電極の上に配置されていてもよい。
別種の光電変換層を有することで、同じ位置で異なる波長の光を受光することができる。
上部電極１２は光が入射する側の電極であり、多くの光を光電変換膜に入射させるために光透過性が高いことが望ましい。電極材料としては、酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化インジウム亜鉛などの透明酸化物導電材料を用いることが好ましい。
但し、アルミニウムや銅などの金属材料と比較すると透明酸化物導電材料は導電性が低くなってしまう。また、光透過性を高くすることと製造タクトを短くすることから、上部電極１２の膜厚は薄い方が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
上部電極１２に導電性が低い透明酸化物導電材料を用いた場合、膜厚も薄いことからシート抵抗が高い。しかしながら、領域Ａに示すような凹部の側面において、上部電極１２と接続配線１３とが電気的に接続されることで、シート抵抗が高い上部電極１２を電子が移動する距離を短くすることができる。
よって、導電性が低い材料を用いた場合であっても、上部電極に高い電圧を短いパルスで印加することが可能となる。電荷移動度が無機材料に比べて小さい有機材料を含んだ光電変換層１１を有する場合には、特に、上部電極１２に高い電圧を短いパルス信号で印加できる利点がある。
下部電極を有する場合は、下部電極は導電性の高い金属材料であることが好ましい。例えば、アルミニウムや銅、銀、モリブデン、窒化チタンなどの金属材料を用いることができる。
接続配線１３は、光電変換層１１を囲むように配置されてもよい。このような配置とすることで、隣の光電変換層のカラーフィルタを通過した光が光電変換層に達することを接続配線１３によって抑制することができる。その結果、撮像素子における混色を抑制することができる。
接続配線１３としては導電性の高い金属材料を用いることができる。例えば、アルミニウムや銅、銀、モリブデン、窒化チタンなどの金属材料を用いることができる。
プラグ１４は、接続配線１３と、給電配線１５とを接続するものであり、その材質は、タングステン、チタン、銅などの金属やこれらの合金があげられる。
給電配線１５は、光電変換装置に電圧を供給する外部電源に接続されており、その材質は、銅、ニッケル、チタン、アルミニウムなどの金属やこれらの合金があげられる。
配線層１６は、受光領域２と周辺回路領域４を電気的に接続するために半導体基板５上に形成される層である。凹部を形成している絶縁層６に配置することが好ましい。配線層１６は、導電性の材料で構成され、例えば、銅があげられる。配線層は公知の方法で形成され、例えば、無電解メッキ等があげられる。
保護層１７は、上部電極１２上に形成される。保護層１７には、シリコン窒化物、シリコン窒化酸化物、シリコン酸化物、酸化物アルミニウムを用いることができる。
保護層１７は、公知の方法で形成することができ、スパッタリング法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＡＬＤ法（原子層堆積法）があげられる。
保護層１７は、上記いずれかの材料の単層、もしくは単層を積層して用いてよい。
カラーフィルタ１８は、所定の波長の光を、他の波長の光よりも多く透過させるフィルタである。例えば、ＲＧＢの３種類を用いて、可視光の全域に対応することができる。ＲＧＢの３種類を用いる場合、カラーフィルタの配置は、ベイヤー配列などを用いてよい。
マイクロレンズ１９は、光電変換層へ集光するための光学部材である。図２においては、半球形状のレンズを例示しているが、形状はこれに限られない。集光の障害にならない限りにおいて、形状のみならず、材質も限定されない。
本発明に係る光電変換装置が有する光電変換層は、２次元に配列されていてよい。
本発明に係る光電変換装置は、光電変換装置に接続されている読み出し回路、読み出された信号を処理する信号処理部をさらに有する撮像素子であってよい。信号処理回路は、読み出し回路に読みだされた情報により信号処理を行う回路であり、ＣＣＤ回路、ＣＭＯＳ回路等があげられる。
本発明に係る光電変換装置は、複数の光電変換層を有し、これら光電変換層が、それぞれ異なる波長の光を光電変換する層であり、複数の光電変換層が積層されていてもよい。
これら複数の光電変換層の対応する波長がＲＧＢであれば、可視光領域の撮像を行うことができる。
複数のレンズと、本発明に係る撮像素子を有する撮像装置を構成してもよい。撮像装置が有する撮像素子は、複数のレンズを通過した光を受光し、受光した光により信号処理部に転送される情報が生成される。
本発明に係る光電変換装置は、外部にデータを送信する送信部、外部からのデータを受信する受信部をさらに有してもよい。受信部または送信部を有する撮像装置は、一点に配置され続ける、ネットワークカメラなどであってよい。
［本発明に係る光電変換装置の製造方法］
本発明に係る光電変換装置の実施例について図面を用いて説明する。図２は本実施例の光電変換装置１の断面構造図である。本実施例は、複数の画素が２次元アレイ状に配置されている。
本発明に係る光電変換装置の実施例について図面を用いて説明する。図２は本実施例の光電変換装置１の断面構造図である。本実施例は、複数の画素が２次元アレイ状に配置されている。
図２の断面構成図は、そのうちの２つの画素が図示されている。また、図３と図４は本実施形態の製造フローを説明する概略図である。
半導体基板５上に、転送トランジスタや不図示のリセットトランジスタなどの回路を形成する。図３（ａ）には、電荷蓄積部８とＦＤ９、転送トランジスタのゲート電極１０および、給電配線１５が示されている。
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体基板５上に絶縁層６を全面に形成して、接続配線１３や配線層１６を順次形成していく。また、接続配線１３と給電配線１５はプラグ１４によって電気的に接続されている。
次に、図３（ｃ）に示すように、電荷蓄積部８を形成した基板上に凹部７を形成する。凹部７の形成方法としてはドライエッチングを用いることができ、凹部の側面（領域Ａ）において接続配線を露出させる。このとき、凹部の側面と上面が交差する頂点領域（領域Ｂ）においては角が切り立った形状となりやすい。
次に、図３（ｄ）に示すように、電荷蓄積部８上に光電変換層１１を形成する。光電変換層１１の形成方法としては、真空蒸着法、インクジェット法、スクリーン印刷法、フォトリソグラフィ法などを用いることができる。
次に、図３（ｅ）に示すように、上部電極１２を全面に形成する。上部電極１２の作成方法としては真空蒸着法やスパッタリング法を用いることができる。このとき、領域Ａに示すような凹部の側面において、上部電極１２と接続配線１３とが電気的に接続される。
次に、図３（ｆ）に示すように、上部電極１２上には保護層１７とカラーフィルタ１８とマイクロレンズ１９を順次形成する。
本実施例の光電変換装置は、領域Ａに示すような凹部の側面において接続配線１３と上部電極１２が電気的に安定して接続され、上部電極１２に高い電圧のパルス信号を安定して印加することができる。
［他の実施形態］
本実施形態について図面を用いて説明する。図４は本実施形態の光電変換装置１の断面構造の模式図である。本実施形態は、複数の画素が２次元アレイ状に配置されている。図４においては、そのうちの２つの画素が図示されている。
本実施形態について図面を用いて説明する。図４は本実施形態の光電変換装置１の断面構造の模式図である。本実施形態は、複数の画素が２次元アレイ状に配置されている。図４においては、そのうちの２つの画素が図示されている。
本実施形態の光電変換装置は、接続配線１３の位置が異なる以外は実施形態１と同様である。本実施形態では、接続配線を実施形態１に比べて上部電極の上面に近い位置に配置した。上部電極の上面に近い位置は、光電変換装置の基板と上部電極との間であり、かつ光入射側と表現することもできる。
接続配線を図４で示す位置に設けることで、隣の画素の光線Ｃが光電変換層に入射することを抑制することができる。その結果、撮像素子における混色を抑制することができる。
また、半導体基板の主面に対して垂直方向から見た場合、接続配線は、光電変換層を囲むように配置されていてもよい。この場合、いずれの角度からの混色も抑制することができる。
１ 光電変換装置
８ 電荷蓄積部
５ 半導体基板
１１ 光電変換膜
１２ 上部電極
１３ 接続配線
１５ 給電配線
１６ 配線層
１７ 保護層
１８ カラーフィルタ
１９ マイクロレンズ
６ 絶縁層
７ 凹部
領域Ａ 凹部の側面領域
領域Ｂ 凹部の側面と上面が交差する頂点領域
光線Ｃ 隣の画素からの混色光
８ 電荷蓄積部
５ 半導体基板
１１ 光電変換膜
１２ 上部電極
１３ 接続配線
１５ 給電配線
１６ 配線層
１７ 保護層
１８ カラーフィルタ
１９ マイクロレンズ
６ 絶縁層
７ 凹部
領域Ａ 凹部の側面領域
領域Ｂ 凹部の側面と上面が交差する頂点領域
光線Ｃ 隣の画素からの混色光
Claims (10)
- 半導体基板と、前記半導体基板に設けられた電荷蓄積部と、光電変換層および上部電極をこの順で有し、複数の前記光電変換層を前記基板の面内に有する光電変換装置であって、
前記複数の光電変換層の間に配置され、接続配線が設けられている絶縁層をさらに有し、
前記接続配線の側面と、前記上部電極と、が電気的に接続されていることを特徴とする光電変換装置。 - 前記電荷蓄積部と前記光電変換層とが接していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
- 前記電荷蓄積部と前記光電変換層の間に下部電極が配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
- 前記絶縁層の側面は、前記半導体基板に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
- 前記光電変換層が、有機材料、又は有機・無機ハイブリッド材料を有することを特徴とする特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
- 前記半導体基板の主面に対して垂直方向から見た場合に、前記接続配線が前記光電変換層を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
- 前記光電変換層とは異なる波長の光を光電変換する別種の光電変換層をさらに有し、
前記別種の光電変換層は、前記光電変換層と、前記上部電極との間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光電変換装置。 - 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置に接続されている読み出し回路と、前記読み出し回路から転送される情報により、信号処理を行う信号処理回路とを有することを特徴とする撮像素子。
- 請求項８に記載の撮像素子と、複数のレンズとを有し、前記撮像素子は前記複数のレンズを通過した光を受光することを特徴とする撮像装置。
- 外部からの情報を受信する受信部または外部へ情報を送信する送信部をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
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