JP7359766B2 - 固体撮像素子、固体撮像装置、及び、固体撮像素子の読み出し方法 - Google Patents

固体撮像素子、固体撮像装置、及び、固体撮像素子の読み出し方法 Download PDF

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Description

本開示は、固体撮像素子、固体撮像装置、及び、固体撮像素子の読み出し方法に関する。
近年、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ‐Ｏｘｉｄｅ‐Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ（固体撮像装置）では、各単位画素（固体撮像素子）において、それぞれ赤色光、緑色光及び青色光により光電変換を行うことができる光電変換膜を縦方向に３層積層し、１つの単位画素で３色の光を検出することができるイメージセンサが提案されている（例えば、下記特許文献１、５）。また、１つの単位画素で３色の光を検出することができる他のイメージセンサとしては、以下のようなものが挙げられる。例えば、下記特許文献２に開示されているように、赤色光及び青色光をそれぞれ検出する２つのフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ；ＰＤ）（光電変換素子）が積層された半導体基板と、当該半導体基板の上方に設けられ、緑色光による光電変換を行うことができる光電変換膜とを有するイメージセンサを挙げることができる。
さらに、２つのＰＤが積層された半導体基板と、当該半導体基板の上方に設けられた光電変換膜とを有するイメージセンサにおいて、画素信号を取り出すための回路構成については、以下のようなものが挙げられる。例えば、下記特許文献３に開示されるように、上記回路が形成された回路形成層が、イメージセンサの受光面の反対側に形成された、裏面照射型構造を挙げることができる。
また、その他のイメージセンサとしては、下記特許文献４に開示されるようなイメージセンサを挙げることができる。下記特許文献４では、半導体基板の上方に設けられた光電変換膜の直下に、光電変換によって得られた電荷を蓄積し、転送を行うための半導体層と、絶縁膜を介して上記半導体層と対向する蓄積電極とが設けられた構造が開示されている。当該構造においては、光電変換膜による光電変換によって発生した電荷を、１種のキャパシタのように光電変換膜に効率的に蓄えることができる。
特開２００５－５１１１５号公報 特開２００３－３３２５５１号公報 特開２０１１－２９３３７号公報 特開２０１７－１５７８１６号公報 国際公開第２０１６／００２５７６号
上述のように複数のＰＤを単位画素（固体撮像素子）に設けた場合、ＰＤごとの光電変換により生成した電荷を取り出すために、半導体基板内には、ＰＤごとに電荷蓄積部（フローティングディフュージョン部）が設けられる。さらに、ＰＤごとの光電変換により生成した電荷を各電荷蓄積部に転送するために、上記半導体基板を貫通する貫通電極や配線等が、ＰＤごとに設けられることとなる。このような積層構造においては、貫通電極の形成による半導体基板の加工面積の増加に起因して、例えば、半導体基板内に設けられたＰＤの、光が入射するための入射面が縮小する。その結果、上記ＰＤに入射する光量が減少することから、当該ＰＤの感度特性が低下することとなる。一方、上記ＰＤの入射面の縮小を避けようとすると、イメージセンサ（固体撮像装置）が搭載されるチップの面積が増加し、固体撮像装置の製造コストの増加を避けることが難しくなる。
加えて、上述の積層構造においては、半導体基板を貫通する貫通電極をＰＤごとに形成することから、半導体基板の結晶性が低下し、イメージセンサの暗電流特性の劣化を避けることが難しくなる。
そこで、このような状況を鑑みて、本開示では、製造コストの増加を避けつつ、特性の劣化を避けることができる、新規且つ改良された固体撮像素子、固体撮像装置、及び、固体撮像素子の読み出し方法を提案する。
本開示によれば、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、を備え、前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、上部電極と、下部電極と、前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、を含む積層構造を有し、前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されている、固体撮像素子が提供される。
また、本開示によれば、マトリックス状に配置された複数の固体撮像素子を備える固体撮像装置であって、前記各固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、を有し、前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、上部電極と、下部電極と、前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、を含む積層構造を有し、前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されている、固体撮像装置が提供される。
さらに、本開示によれば、固体撮像素子の読み出し方法であって、前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、を備え、前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、上部電極と、下部電極と、前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、を含む積層構造を有し、前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されており、前記第１及び第２の光電変換部の前記蓄積電極をそれぞれ制御して、前記第１及び第２の光電変換部の前記光電変換膜のそれぞれに蓄積した電荷を、前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれへ時間差を持って順次転送し、前記第１及び前記第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれへ順次転送された前記電荷を、前記共通電荷蓄積部に順次蓄積し、順次読み出す、ことを含む、固体撮像素子の読み出し方法が提供される。
以上説明したように本開示によれば、製造コストの増加を避けつつ、特性の劣化を避けることができる、固体撮像素子、固体撮像装置、及び、固体撮像素子の読み出し方法を提供することができる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置１の平面構成例を示す説明図である。 本開示の第１の実施形態に係る画素アレイ部１０の断面図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子１００の断面図の一部を示す説明図である。 図３のＡ－Ａ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。 図３のＢ－Ｂ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子１００のＰＤ５００、６００の等価回路図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子１００に含まれるＰＤ４００の等価回路図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子１００の読み出し方法を説明するための説明図である。 本開示の第２の実施形態に係る画素アレイ部１０ａの断面図である。 本開示の第３の実施形態に係る画素アレイ部１０ｂの断面図である。 本開示の第４の実施形態に係る画素アレイ部１０ｃ及び外周部５０の断面図である。 本開示の第５の実施形態に係る電子機器９００の一例を示す説明図である。 比較例に係る画素アレイ部８０の断面図である。 本開示の第６の実施形態に係る画素アレイ部１０ｄの断面図である。 本開示の第６の実施形態の変形例１に係る画素アレイ部１０ｅの断面図である。 本開示の第６の実施形態の変形例２に係る画素アレイ部１０ｆの断面図である。 本開示の第７の実施形態に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。 ２画素共有における、図１７のＣ－Ｃ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。 ２画素共有における、図１７のＤ－Ｄ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。 ４画素共有における、図１７のＣ－Ｃ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面斜視図である。 ４画素共有における、図１７のＤ－Ｄ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面斜視図である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その１）である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その２）である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その３）である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その４）である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その５）である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その６）である。 本開示の第７の実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その７）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その１）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その２）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その３）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その４）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その５）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その６）である。 本開示の第７の実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その７）である。 本開示の第７の実施形態の変形例２に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。 本開示の第７の実施形態の変形例２に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その１）である。 本開示の第７の実施形態の変形例２に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その２）である。 本開示の第７の実施形態の変形例２に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その３）である。 本開示の第７の実施形態の変形例２に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その４）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その１）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その２）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その３）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その４）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その５）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その６）である。 本開示の第７の実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その７）である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その１）である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その２）である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その３）である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その４）である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その５）である。 本開示の第７の実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その６）である。 本開示の第７の実施形態の変形例５に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。 本開示の第７の実施形態の変形例５に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その１）である。 本開示の第７の実施形態の変形例５に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その２）である。 本開示の第７の実施形態の変形例５に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その３）である。 本開示の第７の実施形態の変形例５に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図（その４）である。 内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
また、本明細書及び図面において、異なる実施形態の類似する構成要素については、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合がある。ただし、類似する構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。
また、以下の説明で参照される図面は、本開示の実施形態の説明とその理解を促すための図面であり、わかりやすくするために、図中に示される形状や寸法、比などは実際と異なる場合がある。さらに、図中に示される固体撮像素子及び固体撮像装置は、以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。また、固体撮像素子の断面図を用いた説明における、固体撮像素子の積層構造の上下方向は、固体撮像素子に対して光が入射する入射面を上とした場合の相対方向に対応し、実際の重力加速度に従った上下方向とは異なる場合がある。
さらに、以下の回路構成の説明においては、特段の断りがない限りは、「電気的に接続」とは、複数の要素の間を電気が導通するように接続することを意味する。加えて、以下の説明における「電気的に接続」には、複数の要素を直接的に、且つ、電気的に接続する場合だけでなく、他の要素を介して間接的に、且つ、電気的に接続する場合も含むものとする。
また、以下の説明においては、「共有」とは、互いに異なる要素（例えば、ＰＤ等）間で１つの他の要素（例えば、電極等）を共に利用することであり、より具体的には、異なる要素の両者が１つの他の要素に電気的に接続されることにより、１つの他の要素を共に利用する状態のことをいう。
また、以下の説明においては、「ゲート」とは、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）のゲート電極を表す。「ドレイン」とは、ＦＥＴのドレイン電極またはドレイン領域を表し、「ソース」とは、ＦＥＴのソース電極またはソース領域を表す。
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１． 本発明者らが本開示の実施形態を創作するに至った背景
２． 第１の実施形態
２．１ 固体撮像装置１の概略構成について
２．２ 固体撮像素子１００の積層構造について
２．３ 固体撮像素子１００のレイアウト構成について
２．４ 固体撮像素子１００の等価回路について
２．５ 固体撮像素子１００の読み出し方法について
３． 第２の実施形態
４． 第３の実施形態
５． 第４の実施形態
６． 第５の実施形態
７． 第６の実施形態
８． 第７の実施形態
９． 内視鏡手術システムへの応用例
１０． 移動体への応用例
１１． まとめ
１２． 補足
＜＜１． 本発明者らが本開示の実施形態を創作するに至った背景＞＞
まずは、本開示の各実施形態の詳細を説明する前に、本発明者らが本開示の実施形態を創作するに至った背景について、図１３を参照して説明する。図１３は、比較例に係る画素アレイ部８０の断面図である。ここで、比較例とは、本発明者らが本開示の実施形態をなす前に、検討を重ねていた固体撮像装置（イメージセンサ）のことを意味するものとする。
近年、イメージセンサにおいて、画素サイズの縮小が求められているが、画素サイズが縮小されることに伴って、単位画素に入射する光量が減少することから、感度が低下し、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比の低下が生じるようになった。
また、イメージセンサにおいては、原色カラーフィルタを用いた、赤色、緑色及び青色の光をそれぞれ検出する各画素を平面上に配列させた構成（例えば、ベイヤー配列）が広く用いられている。このような構成の場合、例えば、赤色光を検出する画素においては、緑色光及び青色光は、当該画素の有するカラーフィルタを透過し難いことから、当該画素において光電変換されることはなく、すなわち、検出されることはない。従って、上述のような構成の場合には、画素毎に、特定の１つの色の光を検出し、他の色の光を検出することができないことから、各画素に入射した光を十分に利用しているとは言えず、言い換えると、画素感度の観点からは損失が生じていると言える。また、上述のような構成の場合には、画素間の補間処理を行うことから、補間的に色信号を生成することに伴う、偽色も生じる。
上述のような状況を解決する方法としては単位画素において、それぞれ赤色光、緑色光及び青色光により光電変換を行うことができる光電変換膜を縦方向に３層積層し、１つの単位画素で３色の光を検出することができるイメージセンサを挙げることができる（例えば、上記特許文献１、５）。また、１つの単位画素で３色の光を検出することができる他のイメージセンサとしては、以下のようなものが挙げられる。例えば、上記特許文献２に開示されているように、赤色光及び青色光をそれぞれ検出する２つのＰＤが積層された半導体基板と、当該半導体基板の上方に設けられ、緑色光による光電変換を行うことができる光電変換膜とを有するイメージセンサを挙げることができる。
さらに、２つのＰＤが積層された半導体基板と、当該半導体基板の上方に設けられた光電変換膜とを有するイメージセンサにおいて、画素信号を取り出すための回路構成については、以下のようなものが挙げられる。例えば、先に説明したように、上記特許文献３に開示されるように、上記回路が形成された回路形成層が、イメージセンサの受光面の反対側に形成された、裏面照射型構造を挙げることができる。上記構造の場合には、半導体基板内のＰＤと、半導体基板の上方に設けられた光電変換膜との間には、回路や配線等が設けられていない。従って、当該構造によれば、同一画素内の積層方向（縦方向）において、ＰＤと光電変換膜との間の距離を短くすることが可能となる。その結果、当該構造においては、各色のＦ値依存を抑制することができ、各色間の感度の違いを小さくすることができる。
また、その他のイメージセンサとしては、上記特許文献４に開示されるようなイメージセンサを挙げることができる。上記特許文献４では、半導体基板の上方に設けられた光電変換膜の直下に、光電変換によって得られた電荷を蓄積し、転送を行うための半導体層と、絶縁膜を介して上記半導体層と対向する蓄積電極とが設けられた構造が開示されている。当該構造においては、光電変換膜による光電変換によって発生した電荷を、１種のキャパシタのように光電変換膜に効率的に蓄えることができる。さらに、上記構造においては、光電変換膜に電荷を蓄積することができることから、露光開始時に、半導体基板内に設けられた電荷蓄積部（フローティングディフュージョン部）を完全空乏化し、電荷を消去することが可能となる。その結果、当該構造によれば、上記電荷蓄積部の電荷によるｋＴＣ雑音（電荷の熱的な揺らぎによって生じる雑音）の増加により、ランダムノイズが悪化し、イメージセンサの撮像画質が低下するといった現象の発生を抑制することができる。
ところで、上述のように複数のＰＤを単位画素に設けた場合（例えば、上記特許文献５）、ＰＤごとの光電変換により生成した電荷を取り出すために、半導体基板内には、ＰＤごとに電荷蓄積部が設けられる。さらに、ＰＤごとの光電変換により生成した電荷を各電荷蓄積部に転送するために、上記半導体基板を貫通する貫通電極や配線等が、ＰＤごとに設けられることとなる。このような構造を持つ固体撮像素子８００を、図１３を参照して説明する。図１３は、比較例に係る固体撮像装置の、半導体基板３００上にマトリックス状に２次元配置された複数の固体撮像素子８００を有する画素アレイ部８０の断面図である。図１３においては、固体撮像素子８００に対して光が入射する入射面が上となるように固体撮像素子８００が図示されている。
詳細には、比較例においては、図１３に示すように、ＰＤ８０２、８０４、８０６が、半導体基板３００上に積層されている。さらに、比較例においては、各ＰＤ８０２、８０４、８０６は、生成した電荷を一時的に蓄積するために、半導体基板３００内に設けられた各フローティングディフュージョン部（電荷蓄積部）８１４に電気的に接続されている。より具体的には、比較例においては、各ＰＤ８０２、８０４、８０６は、半導体基板３００を貫くように設けられた各貫通電極８６０を介して、各フローティングディフュージョン部８１４に電気的に接続されている。
このような比較例においては、複数の貫通電極８６０を設けることに起因して、例えば、各ＰＤ８０２、８０４、８０６の、光が入射するための入射面（図１３における左右方向の長さ）が縮小し、各ＰＤ８０２、８０４、８０６に入射する光量が減少する。その結果、比較例においては、上記ＰＤ８０２、８０４、８０６に入射する光量が減少することから、ＰＤ８０２、８０４、８０６の感度特性が低下することとなる。一方、上記ＰＤ８０２、８０４、８０６の入射面の縮小を避けようとすると、イメージセンサ（固体撮像装置）が搭載されるチップの面積が増加し、イメージセンサの製造コストの増加を避けることが難しくなる。
加えて、比較例においては、半導体基板３００を貫通する貫通電極８６０をＰＤ８０２、８０４、８０６の数分だけ設けることから、半導体基板３００の結晶性が低下し、イメージセンサの暗電流特性の劣化を避けることが難しくなる。
そこで、上述のような状況を鑑みて、本発明者らは、製造コストの増加を避けつつ、特性の劣化を避けることができる固体撮像素子について、鋭意検討を行っていた。検討を進める中で、本発明者らは、上述した蓄積電極を用いて、各ＰＤの光電変換膜に電荷を一時的に蓄積することが可能なことを利用することにより、異なるＰＤにおいて、１つの電荷蓄積部、及び、１つの貫通電極を共有することができることを独自に着想した。異なるＰＤにおいて、１つの電荷蓄積部、及び、１つの貫通電極を共有することができれば、複数の貫通電極を設けることに起因して、各ＰＤの入射面の縮小を避けることができることから、各ＰＤに入射する光量が減少することを避けることができる。従って、上述のような異なるＰＤ間での共有により、各ＰＤの感度特性の低下を避けることができる。さらに、上述のような異なるＰＤ間で電荷蓄積部及び貫通電極を共有することができれば、イメージセンサが搭載されるチップの面積の増加を避けることができることから、固体撮像装置の製造コストの増加を避けることができる。加えて、異なるＰＤ間において１つの貫通電極を共有することができれば、半導体基板を貫通する貫通電極の数を少なくすることができることから、半導体基板の結晶性が低下することに起因するイメージセンサの暗電流特性の劣化を避けることができる。
すなわち、本発明者らは、上述の着想を一着眼点にして、本開示の実施形態を創作するに至ったのである。以下に、本開示の実施形態の詳細を順次説明する。
＜＜２． 第１の実施形態＞＞
＜２．１ 固体撮像装置１の概略構成について＞
まずは、図１を参照して、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の平面構成例を示す説明図である。図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、例えばシリコンからなる半導体基板３００上に設けられた、画素アレイ部１０、垂直駆動回路部３２、カラム信号処理回路部３４、水平駆動回路部３６、出力回路部３８、制御回路部４０等を含む。以下に、本実施形態に係る固体撮像装置１の各ブロックの詳細について説明する。
（画素アレイ部１０）
画素アレイ部１０は、半導体基板３００上にマトリックス状に２次元配置された複数の固体撮像素子（画素）１００を有する。なお、ここで固体撮像素子１００とは、各色の光を検出し、検出結果を出力する際に、色ごとに１つの結果を出力する１つのユニットとしてとらえることができる固体撮像素子（単位画素）のことを意味する。各固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子（ＰＤ）（図示省略）と、複数の画素トランジスタ（例えばＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ）（図示省略）とを有している。さらに詳細には、当該画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、増幅トランジスタ等を含むことができる。なお、これら画素トランジスタによる回路（接続構成）の詳細については、後述する。
（垂直駆動回路部３２）
垂直駆動回路部３２は、例えばシフトレジスタによって形成され、画素駆動配線４２を選択し、選択された画素駆動配線４２に固体撮像素子１００を駆動するためのパルスを供給し、行単位で固体撮像素子１００を駆動する。すなわち、垂直駆動回路部３２は、画素アレイ部１０の各固体撮像素子１００を行単位で順次垂直方向（図１中の上下方向）に選択走査し、各固体撮像素子１００のＰＤの受光量に応じて生成された電荷に基づく画素信号を、垂直信号線４４を通して後述するカラム信号処理回路部３４に供給する。
（カラム信号処理回路部３４）
カラム信号処理回路部３４は、固体撮像素子１００の列ごとに配置されており、１行分の固体撮像素子１００から出力される画素信号に対して画素列ごとにノイズ除去等の信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路部３４は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためにＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関２重サンプリング)及びＡＤ（Ａｎａｌｏｇ－Ｄｅｇｉｔａｌ）変換等の信号処理を行う。
（水平駆動回路部３６）
水平駆動回路部３６は、例えばシフトレジスタによって形成され、水平走査パルスを順次出力することによって、上述したカラム信号処理回路部３４の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路部３４の各々から画素信号を水平信号線４６に出力させることができる。
（出力回路部３８）
出力回路部３８は、上述したカラム信号処理回路部３４の各々から水平信号線４６を通して順次に供給される画素信号に対し、信号処理を行い出力することができる。出力回路部３８は、例えば、バッファリング（ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ）を行う機能部として機能してもよく、もしくは、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理等の処理を行ってもよい。なお、バッファリングとは、画素信号のやり取りの際に、処理速度や転送速度の差を補うために、一時的に画素信号を保存することをいう。また、入出力端子４８は、外部装置との間で信号のやり取りを行うための端子である。
（制御回路部４０）
制御回路部４０は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像素子１００の内部情報等のデータを出力することができる。すなわち、制御回路部４０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、垂直駆動回路部３２、カラム信号処理回路部３４及び水平駆動回路部３６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路部４０は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路部３２、カラム信号処理回路部３４及び水平駆動回路部３６等に出力する。
なお、本実施形態に係る固体撮像装置１の平面構成例は、図１に示される例に限定されるものではなく、例えば、他の回路等を含んでもよく、特に限定されるものではない。
＜２．２ 固体撮像素子１００の積層構造について＞
以上、本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成について説明した。つぎに、図２を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００の積層構造について説明する。図２は、本実施形態に係る画素アレイ部１０の断面図である。図２においては、固体撮像素子１００に対して光が入射する入射面が上となるように固体撮像素子１００が図示されている。以下の説明においては、固体撮像素子１００の下側に位置する半導体基板３００から、半導体基板３００の上方に設けられたＰＤ５００（第１の光電変換部）、ＰＤ５００の上方に設けられたＰＤ６００（第２の光電変換部）に向かう順に従って、固体撮像素子１００における積層構造を説明する。
詳細には、図２に示すように、固体撮像素子１００においては、例えばシリコンからなる半導体基板３００の第１の導電型（例えばＰ型）を持つ半導体領域３１０に、第２の導電型（例えばＮ型）を持つ半導体領域４１０が設けられている。このような半導体領域４１０によるＰＮ接合によって、光を電荷に変換するＰＤ４００（第４の光電変換部）が半導体基板３００内に形成される。なお、本実施形態においては、ＰＤ４００は、例えば、赤色光（例えば、６００ｎｍ～７００ｎｍの波長を持つ光）を吸収して電荷を発生する光電変換素子である。
また、半導体基板３００の、入射面に対して反対側には（図２の下側）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）等によって形成される配線２３０と、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等によって形成される層間絶縁膜２４０とを含む配線層２００が設けられている。さらに、当該配線層２００には、ＰＤ４００、５００、６００で発生した電荷の読み出しを行うための複数の画素トランジスタのゲート電極として、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ等によって形成される複数の電極２３２が設けられている。具体的には、当該電極２３２は、絶縁膜４５０を介して、半導体基板３００内の第１の導電型（例えばＰ型）を持つ半導体領域３１０と対向するように設けられている。さらに、半導体基板３００内には、第１の導電型を持つ上記半導体領域３１０と隣り合うようにして第２の導電型（例えばＮ型）を持つ半導体領域３１２が設けられており、当該半導体領域３１２は、上記画素トランジスタのソース／ドレイン領域として機能する。なお、本実施形態においては、半導体基板３００内に設けられた画素トランジスタの一部は、半導体基板３００の上方に設けられたＰＤ５００、６００によって共有されることとなる。すなわち、本実施形態においては、複数の画素トランジスタの一部については、ＰＤ５００、６００に共有される共通画素トランジスタであると言える。
さらに、半導体基板３００内には、第２の導電型（例えばＮ型）を持つ半導体領域であるフローティングディフュージョン部（共通電荷蓄積部）３１４が設けられている。当該フローティングディフュージョン部３１４は、ＰＤ４００、５００、６００で生成された電荷を、一時的に蓄積することができる。本実施形態においては、複数のフローティングディフュージョン部３１４の一部は、ＰＤ５００、６００で生成された電荷を一時的に蓄積するために、ＰＤ５００、６００に共通して、言い換えると、ＰＤ５００、６００が共有するように設けられる。また、本実施形態においては、半導体基板３００内には、上記フローティングディフュージョン部３１４や各画素トランジスタのソース／ドレイン領域である半導体領域３１２と隣り合うように、ＳｉＯ２等によって形成される分離絶縁膜３４２が設けられていてもよい。
また、本実施形態においては、図２に示されるように、後述するＰＤ５００、６００で生成された電荷を配線２３０に取り出すための、ＰＤ５００、６００が共有する貫通電極（共通貫通電極）４６０が、半導体基板３００を貫通するように設けられている。当該貫通電極４６０は、Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ等の金属膜等から形成することができる。また、貫通電極４６０と半導体基板３００との短絡を防ぐために、ＳｉＯ２等からなる絶縁膜４６２が貫通電極４６０の外周を覆うように設けられている。さらに、本実施形態においては、貫通電極４６０と、当該貫通電極４６０の外周を取り囲む絶縁膜４６２との間には、バリアメタル膜（図示省略）が設けられていてもよい。当該バリアメタル膜は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、Ｒｕ、Ｃｏ等の材料から形成することができる。
上記貫通電極４６０は、後述するＰＤ５００、６００の読み出し電極（下部電極）５０８、６０８を、上述の配線層２００に設けられた配線２３０を介して、半導体基板３００に設けられたフローティングディフュージョン部３１４に電気的に接続することができる。従って、上記フローティングディフュージョン部３１４は、貫通電極４６０により、ＰＤ５００、６００における光電変換によって生成された電荷を一時的に蓄積することができる。さらに、当該貫通電極４６０は、ＰＤ５００、６００の読み出し電極５０８、６０８を、半導体基板３００に設けられた画素トランジスタに電気的に接続することができる。
なお、上記貫通電極４６０は、以下のようにして形成することができる。例えば、半導体基板３００を貫く貫通孔を作成し、当該貫通孔の内壁を覆うように、絶縁膜４６２及び上記バリアメタルを、物理的気相成長法（ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）、化学的気相成長法（ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）又は原子層堆積（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＡＬＤ）法等により成膜する。さらに、例えば、成膜した絶縁膜４６２及び上記バリアメタルをエッチングした後に、貫通孔を埋めるように、Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ等の金属膜等をめっき法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法又はＡＬＤ法により成膜する。このようにして、貫通電極４６０を形成することができる。
また、本実施形態においては、半導体基板３００の入射面には、第１の導電型（例えばＰ型）を持つ半導体領域（図示省略）が設けられてもよく、さらに当該半導体領域上には、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる反射防止膜４０２が設けられていてもよい。
そして、本実施形態においては、図２に示すように、半導体基板３００とＰＤ５００とに挟まれるようにして、例えば、ＳｉＯ２等からなる、光を透過することができる絶縁膜５４０と、Ｗ等によって形成される配線（第１の配線）５３０とを含む配線層（第１の配線層）５２０が設けられている。当該絶縁膜５４０は、光を透過させることができることから、絶縁膜５４０の下方に設けられたＰＤ４００は、光を受光し、光電変換を行うこと、すなわち、光を検出することができる。また、後述するＰＤ５００、６００の読み出し電極５０８、６０８は、配線５３０を介して、上述の貫通電極４６０に電気的に接続される。
そして、本実施形態においては、配線層５２０の上には、光電変換膜５０４が、隣り合う（詳細には、図２中の左右方向に隣り合う）固体撮像素子１００間で共有する共通電極（上部電極）５０２と、光電変換膜５０４で発生した電荷を読み出す読み出し電極５０８と、に挟まれるようにして設けられる。共通電極５０２と、光電変換膜５０４と、読み出し電極５０８とは、光を電荷に変換するＰＤ５００（第１の光電変換部）の積層構造の一部を構成する。本実施形態においては、当該ＰＤ５００は、例えば、緑色光（例えば５００ｎｍ～６００ｎｍの波長を持つ光）を吸収して電荷を発生（光電変換）する光電変換素子である。なお、共通電極５０２、光電変換膜５０４及び読み出し電極５０８を構成する材料の詳細については、後述する。
さらに、本実施形態においては、図２に示すように、ＰＤ５００は、光電変換膜５０４で発生した電荷を光電変換膜５０４において一時的に蓄積するために、光電変換膜５０４及び絶縁膜５０６を介して共通電極５０２と対向する蓄積電極５１０を有する。本実施形態においては、蓄積電極５１０は、光電変換膜５０４と絶縁膜５０６とに挟まれるように設けられた半導体層（図示省略）をさらに介して、共通電極５０２と対向してもよい。上記半導体層は、電荷の蓄積をより効率的に行うために設けられ、光を透過することができる酸化物半導体材料から形成されることが好ましい。なお、蓄積電極５１０、絶縁膜５０６及び半導体層を構成する材料の詳細については、後述する。
図２に示すように、光電変換膜５０４に接している読み出し電極５０８は、貫通電極４６０を介して、半導体基板３００に設けられたフローティングディフュージョン部３１４と電気的に接続されている。また、共通電極５０２は、当該共通電極５０２に所望の電位を印加する配線５７０と電気的に接続されている。さらに、蓄積電極５１０は、当該蓄積電極５１０に所望の電位を印加する配線５７２と電気的に接続されている。
従って、本実施形態においては、共通電極５０２、読み出し電極５０８及び蓄積電極５１０に印加される電位を制御することにより、光電変換膜５０４で発生した電荷を当該光電変換膜５０４又は光電変換膜５０４の界面に蓄積したり、当該電荷をフローティングディフュージョン部３１４に取り出したりすることができる。言い換えると、蓄積電極５１０は、印加される電位に応じて、光電変換膜５０４で発生した電荷を引き寄せて、当該電荷を光電変換膜５０４に蓄積するための電荷蓄積用電極として機能することができる。なお、本実施形態においては、固体撮像素子１００に入射した光を効果的に利用するために、入射面の上方から固体撮像素子１００を見た場合、蓄積電極５１０は、読み出し電極５０８よりも面積が広くなるように設けられることが好ましい。
そして、本実施形態においては、図２に示すように、ＰＤ５００とＰＤ６００とに挟まれるようにして、例えば、ＳｉＯ２等からなる、光を透過することができる絶縁膜６４０と、Ｗ等によって形成される配線（第２の配線）６３０とを含む配線層（第２の配線層）６２０が設けられている。当該絶縁膜６４０も、光を透過させることができることから、絶縁膜６４０の下方に設けられたＰＤ５００は、光を受光し、光電変換を行うこと、すなわち、光を検出することができる。また、後述するＰＤ６００の読み出し電極６０８は、配線６３０を介して、後述する貫通電極（第１の貫通電極）５６０に電気的に接続される。
本実施形態においては、貫通電極５６０は、図２に示すように、配線６３０からＰＤ５００の読み出し電極５０８まで、配線層６２０の一部及びＰＤ５００を貫通するように設けられている。詳細には、ＰＤ６００の読み出し電極６０８は、貫通電極５６０を介して、ＰＤ５００の読み出し電極５０８に電気的に接続されている。さらに、ＰＤ６００の読み出し電極６０８は、貫通電極５６０と貫通電極４６０とを介して、半導体基板３００に設けられたフローティングディフュージョン部３１４と電気的に接続されている。従って、上記フローティングディフュージョン部３１４は、貫通電極４６０、５６０により、ＰＤ６００における光電変換によって生成された電荷を一時的に蓄積することができる。さらに、ＰＤ６００の読み出し電極６０８は、貫通電極５６０と貫通電極４６０とを介して、半導体基板３００に設けられた画素トランジスタに電気的に接続されることができる。なお、本実施形態においては、貫通電極５６０は、配線層６２０の一部及びＰＤ５００を貫通してもよく、もしくは、ＰＤ５００のみを貫通してもよく、特に限定されるものではない。
本実施形態においては、貫通電極５６０は、Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ等の金属膜等から形成することができる。さらに、貫通電極５６０は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の透明導電膜で形成してもよい。また、当該貫通電極５６０の外周には、貫通電極５６０とＰＤ５００との短絡を防ぐために、ＳｉＯ２等からなる絶縁膜５６２が設けられていてもよい。さらに、本実施形態においては、貫通電極５６０と、当該貫通電極５６０の外周を取り囲む絶縁膜５６２との間に、バリアメタル膜（図示省略）が設けられていてもよい。当該バリアメタル膜は、例えばＴｉＮ等の材料から形成することができる。
なお、上記貫通電極５６０は、以下のようにして形成することができる。例えば、ＰＤ５００を貫く貫通孔を作成し、当該貫通孔の内壁を覆うように、絶縁膜５６２を、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、又はＡＬＤ法等により成膜する。さらに、例えば、成膜した絶縁膜５６２をエッチングした後に、貫通孔を埋めるように、Ｃｕ等の金属膜等をめっき法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法又はＡＬＤ法により成膜する。このようにして、貫通電極５６０を形成することができる。
さらに、本実施形態においては、配線層６２０の上に、光を電荷に変換するＰＤ６００（第２の光電変換部）が設けられている。当該ＰＤ６００は、例えば、青色光（例えば、４００ｎｍから５００ｎｍの波長を持つ光）を吸収して電荷を発生（光電変換）する光電変換素子である。詳細には、ＰＤ６００として、共通電極（上部電極）６０２と、光電変換膜６０４と、絶縁膜６０６と、読み出し電極（下部電極）６０８と、蓄積電極６１０とが順次積層されている。
また、光電変換膜６０４に接している読み出し電極６０８は、貫通電極５６０を介して、貫通電極４６０と電気的に接続されている。また、共通電極６０２は、当該共通電極６０２に所望の電位を印加する配線６７０と電気的に接続されている。さらに、蓄積電極６１０は、当該蓄積電極６１０に所望の電位を印加する配線６７２と電気的に接続されている。
すなわち、図２に示すように、ＰＤ５００及びＰＤ６００は、共通電極５０２、６０２、光電変換膜５０４、６０４及び読み出し電極５０８、５０８をそれぞれ有する。さらに、ＰＤ５００及びＰＤ６００のそれぞれが有する積層構造においては、上述の各層が積層する順序が同一である。言い換えると、ＰＤ５００、６００の光電変換積層構造においては、下方から、読み出し電極５０８、６０８、光電変換膜５０４、６０４、及び共通電極５０２、６０２が順次積層されている。
なお、本実施形態においては、ＰＤ５００及びＰＤ６００は、各層の積層の順序が上述した順序でなくてもよく、積層方向において対称関係となる順序で各層が積層されていてもよい。また、本実施形態においては、入射面の上方から固体撮像素子１００を見た場合、ＰＤ５００及びＰＤ６００の読み出し電極５０８、６０８及び蓄積電極５１０、６１０等が互いに完全に重なっていなくてもよい。すなわち、本実施形態においては、入射面の上方から固体撮像素子１００を見た場合、ＰＤ５００、６００の有する各層のレイアウトは特に限定されるものではない。
上述の光電変換膜５０４、６０４は、有機材料（有機系光電変換膜）又は無機材料（無機系光電変換膜）から形成することができる。例えば、光電変換膜を有機材料から形成する場合には、（ａ）Ｐ型有機半導体材料、（ｂ）Ｎ型有機半導体材料、（ｃ）Ｐ型有機半導体材料層、Ｎ型の有機半導体材料層、及び、Ｐ型有機半導体材料とＮ型有機半導体材料との混合層（バルクヘテロ構造）のうちの少なくとも２つの積層構造、（ｄ）Ｐ型有機半導体材料とＮ型有機半導体材料との混合層の４態様のいずれかを選択することができる。なお、有機材料を用いた光電変換膜は、例えば、読み出し電極５０８、６０８に接する電子ブロッキング膜兼バッファ膜と、光電変換膜と、正孔ブロッキング膜と、正孔ブロッキング兼バッファ膜と、仕事関数調整膜のように積層された積層構造等も含むものとする。
詳細には、Ｐ型有機半導体材料として、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、テトラセン誘導体、ペンタセン誘導体、キナクリドン誘導体、クマリン誘導体、ピロメテン誘導体、ピラン誘導体、フェノキサゾン誘導体、チオフェン誘導体、チエノチオフェン誘導体、ベンゾチオフェン誘導体、ベンゾチエノベンゾチオフェン（ＢＴＢＴ）誘導体、ジナフトチエノチオフェン（ＤＮＴＴ）誘導体、ジアントラセノチエノチオフェン（ＤＡＴＴ）誘導体、ベンゾビスベンゾチオフェン（ＢＢＢＴ）誘導体、ナフタレンビスベンゾチオフェン（ＮＢＢＴ）、チエノビスベンゾチオフェン（ＴＢＢＴ）誘導体、ジベンゾチエノビスベンゾチオフェン（ＤＢＴＢＴ）誘導体、ジチエノベンゾジチオフェン（ＤＴＢＤＴ）誘導体、ジベンゾチエノジチオフェン（ＤＢＴＤＴ）誘導体、ベンゾジチオフェン（ＢＤＴ）誘導体、ナフトジチオフェン（ＮＤＴ）誘導体、アントラセノジチオフェン（ＡＤＴ）誘導体、テトラセノジチオフェン（ＴＤＴ）誘導体、ペンタセノジチオフェン（ＰＤＴ）誘導体、トリアリルアミン誘導体、カルバゾール誘導体、ピセン誘導体、クリセン誘導体、フルオランテン誘導体、フタロシアニン誘導体、サブフタロシアニン誘導体、サブポルフィラジン誘導体、複素環化合物を配位子とする金属錯体、ポリチオフェン誘導体、ポリベンゾチアジアゾール誘導体、ポリフルオレン誘導体等を挙げることができる。
また、Ｎ型有機半導体材料として、フラーレン及びフラーレン誘導体（例えば、Ｃ６０や、Ｃ７０、Ｃ７４等のフラーレン（高次フラーレン）、内包フラーレン等）又はフラーレン誘導体（例えば、フラーレンフッ化物やＰＣＢＭ（Ｐｈｅｎｙｌ－Ｃ６１－Ｂｕｔｙｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｍｅｔｈｙｌ Ｅｓｔｅｒ）フラーレン化合物、フラーレン多量体等））、Ｐ型有機半導体よりもＨＯＭＯ（Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）及びＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｂｉｔａｌ）が深い有機半導体、光を透過することができる無機金属酸化物等を挙げることができる。より具体的には、Ｎ型有機半導体材料としては、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する複素環化合物、例えば、ピリジン誘導体、ピロメテン誘導体、ピラジン誘導体、ピリミジン誘導体、トリアジン誘導体、キノリン誘導体、キノキサリン誘導体、イソキノリン誘導体、クマリン誘導体、ピラン誘導体、フェノキサゾン誘導体、ペリレン誘導体、アクリジン誘導体、フェナジン誘導体、フェナントロリン誘導体、テトラゾール誘導体、ピラゾール誘導体、イミダゾール誘導体、チアゾール誘導体、オキサゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ベンズイミダゾール誘導体、ベンゾトリアゾール誘導体、ベンズオキサゾール誘導体、ベンズオキサゾール誘導体、カルバゾール誘導体、ベンゾフラン誘導体、ジベンゾフラン誘導体、サブポルフィラジン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリベンゾチアジアゾール誘導体、ポリフルオレン誘導体等を分子骨格の一部に有する有機分子、有機金属錯体やサブフタロシアニン誘導体を挙げることができる。また、フラーレン誘導体に含まれる基等として、分岐若しくは環状のアルキル基若しくはフェニル基；直鎖若しくは縮環した芳香族化合物を有する基；ハロゲン化物を有する基；パーシャルフルオロアルキル基；パーフルオロアルキル基；シリルアルキル基；シリルアルコキシ基；アリールシリル基；アリールスルファニル基；アルキルスルファニル基；アリールスルホニル基；アルキルスルホニル基；アリールスルフィド基；アルキルスルフィド基；アミノ基；アルキルアミノ基；アリールアミノ基；ヒドロキシ基；アルコキシ基；アシルアミノ基；アシルオキシ基；カルボニル基；カルボキシ基；カルボキソアミド基；カルボアルコキシ基；アシル基；スルホニル基；シアノ基；ニトロ基；カルコゲン化物を有する基；ホスフィン基；ホスホン基；これらの誘導体を挙げることができる。なお、有機材料から形成された光電変換膜の膜厚は、限定されるものではないが、例えば、１×１０－８ｍ～５×１０－７ｍ、好ましくは２．５×１０－８ｍ～３×１０－７ｍ、より好ましくは２．５×１０－８ｍから２×１０－７ｍとすることができる。また、上記説明においては、有機半導体材料をＰ型、Ｎ型に分類したが、ここでは、Ｐ型とは正孔を輸送し易いという意味であり、Ｎ型とは電子を輸送し易いという意味である。すなわち、有機半導体材料においては、無機半導体材料のように、熱励起の多数キャリアとして正孔又は電子を有しているというという解釈に限定されるものではない。
さらに、光電変換膜５０４、６０４は、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体やその誘導体により形成されてもよい。
また、光電変換膜５０４、６０４を無機材料から形成する場合には、無機半導体材料としては、結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、結晶セレン、アモルファスセレン、及び、カルコパライト系化合物であるＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ）、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ２）、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＡｌＳ２、ＣｕＡｌＳｅ２、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＡｇＡｌＳ２、ＡｇＡｌＳｅ２、ＡｇＩｎＳ２、ＡｇＩｎＳｅ２、あるいは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物であるＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、更には、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｓ３、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｂｉ２Ｓ３、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ等の化合物半導体を挙げることができる。加えて、本実施形態においては、上述のこれらの材料から成る量子ドットを、光電変換膜５０４、６０４として使用することも可能である。
さらに、光電変換膜５０４、６０４は、青色光、緑色光を検出するために、例えば、金属錯体色素、ローダミン系色素、キナクリドン系色素、シアニン系色素、メラシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素、キサンテン系色素、大環状アザアヌレン系色素、アズレン系色素、ナフトキノン、アントラキノン系色素、アントラセン、ピレン等の縮合多環芳香族および芳香環ないし複素環化合物が縮合した鎖状化合物、または、スクアリリウム基およびクロコニツクメチン基を結合鎖として持つキノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール等の２つの含窒素複素環、または、スクアリリウム基およびクロコニツクメチン基により結合したシアニン系類似の色素等を好ましく用いることができる。また、上記金属錯体色素では、ジチオール金属錯体系色素、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素、またはルテニウム錯体色素が好ましく、ルテニウム錯体色素が特に好ましいが、上記に限定するものではない。
なお、本実施形態においては、光電変換膜５０４、６０４は、特性向上のため、数種類の材料を混合して形成したり、積層したりすることができる。さらに、本実施形態においては、光電変換膜５０４、６０４は、特性向上のために、直接光電変換に寄与しない材料を積層したり、混合したりして形成することができる。
また、本実施形態においては、共通電極５０２、６０２、読み出し電極５０８、６０８及び蓄積電極５１０、６１０は、例えば、スズ－酸化インジウム（ＩＴＯ、結晶性ＩＴＯ及びアモルファスＩＴＯを含む）膜等の光を透過することができる透明導電膜で形成されることができる。しかしながら、本実施形態においては、共通電極５０２、６０２、読み出し電極５０８、６０８及び蓄積電極５１０、６１０は、上述のようなＩＴＯに限定されるものではなく、他の材料であってもよい。例えば、透明導電膜は、バンドギャップとしては２．５ｅＶ以上好ましくは３．１ｅＶ以上の材料であることが好ましい。例えば、透明導電膜としては、酸化スズ系材料では、酸化スズ、アンチモン－酸化スズ（ＳｎＯ２にＳｂをドーパンとして添加、例えばＡＴＯ）、フッ素－酸化スズ（ＳｎＯ２にＦをドーパンとして添加、例えばＦＴＯ）等を挙げることができる。酸化亜鉛系材料では、アルミニウム－亜鉛酸化物（ＺｎＯにＡｌをドーパントとして添加、例えばＡＺＯ）、ガリウム－亜鉛酸化物（ＺｎＯにＧａをドーパントとして添加、例えばＧＺＯ）、インジウム－亜鉛酸化物（ＺｎＯにＩｎをドーパントとして添加、例えばＩＺＯ）、インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物（ＺｎＯ４にＩｎ及びＧａをドーパントとして添加、例えば、ＩＧＺＯ）、インジウム－スズ－亜鉛酸化物（ＺｎＯにＩｎ及びＳｎをドーパントとして添加、例えば、ＩＴＺＯ）等を挙げることができる。また、他には、インジウム－ガリウム酸化物（Ｇａ２Ｏ３にＩｎをドーパントして添加、例えば、ＩＧＯ）や、ＣｕＩｎＯ２、ＭｇＩｎ２Ｏ４、ＣｕＩ、ＩｎＳｂＯ４、ＺｎＭｇＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳｎＯ３、グラフェン等を挙げることができる。
また、本実施形態においては、絶縁膜５０６、６０６は、例えば、光を透過することができる、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等によって形成することができ、特に限定されるものではない。
さらに、本実施形態においては、ＰＤ５００、６００に含まれる半導体層（図示省略）は、光電変換膜５０４、６０４よりも電荷の移動度が高く、且つ、バンドギャップが大きな材料を用いて形成されていることが好ましい。例えば、当該半導体層の構成材料のバンドギャップは、３．０ｅＶ以上であることが好ましい。このような材料としては、例えば、ＩＧＺＯ等の酸化物半導体材料及び有機半導体材料等が挙げられる。有機半導体材料としては、例えば、遷移金属ダイカルコゲナイド、シリコンカーバイド、ダイヤモンド、グラフェン、カーボンナノチューブ、縮合多環炭化水素化合物および縮合複素環化合物等が挙げられる。当該半導体層は、単膜により構成してもよく、あるいは複数の膜を積層して構成するようにしてもよい。
そして、本実施形態においては、図２に示すように、ＰＤ６００の上には、例えば、光を透過することができる、ＳｉＯ２膜等の材料からなる絶縁膜７８０が設けられている。さらに、絶縁膜７８０の上には、オンチップレンズ７９０が固体撮像素子１００ごとに設けられている。オンチップレンズ７９０は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、又は、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン－アクリル共重合系樹脂、若しくはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料によって形成することができる。
以上のように、本実施形態に係る固体撮像素子１００は、３色の光にそれぞれを検出するＰＤ４００、ＰＤ５００、ＰＤ６００が積層された積層構造を持つ。すなわち、上述の固体撮像素子１００は、例えば、青色光については半導体基板３００の上方に形成された光電変換膜６０４（ＰＤ６００）で光電変換し、緑色光については、ＰＤ６００の下方に設けられた光電変換膜５０４（ＰＤ５００）で光電変換し、赤色光については半導体基板３００内に設けられたＰＤ４００で光電変換する、縦方向分光型の固体撮像素子であるといえる。なお、本実施形態においては、上述の固体撮像素子１００は、上述のような縦方向分光型の積層構造に限定されるものではない。例えば、緑色光については半導体基板３００の上方に形成された光電変換膜６０４（ＰＤ６００）で光電変換し、青色光については、ＰＤ６００の下方に設けられた光電変換膜５０４（ＰＤ５００）で光電変換してもよい。
＜２．３ 固体撮像素子１００のレイアウト構成について＞
以上、本実施形態に係る固体撮像素子１００の積層構造について説明した。次に、図３から図５を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００のレイアウト構成について説明する。図３は、本実施形態に係る固体撮像素子１００の断面図の一部を示す説明図であり、詳細には、ＰＤ５００及びＰＤ６００が主に図示されている。図４は、図３のＡ－Ａ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。さらに、図５は、図３のＢ－Ｂ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。
先に説明したように、図３に示すように、本実施形態においては、ＰＤ５００及びＰＤ６００は、共通電極５０２、６０２、光電変換膜５０４、６０４、読み出し電極５０８、６０８、絶縁膜５０６、６０６及び蓄積電極５１０、６１０が順次積層された構造を有する。また、ＰＤ６００の読み出し電極６０８とＰＤ５００の読み出し電極５０８とは、配線５３０と貫通電極５６０とを介して電気的に接続されている。さらに、ＰＤ６００の読み出し電極６０８とＰＤ５００の読み出し電極５０８とは、配線５３０を介して貫通電極４６０に電気的に接続されている。
詳細には、図３に示すＡ－Ａ´線（絶縁膜６０６と蓄積電極６１０との界面）に沿って固体撮像素子１００を切断し、切断面を固体撮像素子１００の上方から見た場合を示す図４からわかるように、読み出し電極６０８には、絶縁膜６０６に設けられた開口６０６ａから露出して、光電変換膜６０４と接する露出領域（第２の露出領域）６０８ａが設けられている。さらに、露出領域６０８ａの一部には、貫通電極５６０と接続する配線６３０と電気的に接続するコンタクト領域（第２のコンタクト領域）６０８ｂが設けられている。
また、詳細には、図３に示すＢ－Ｂ´線（絶縁膜５０６と蓄積電極５１０との界面）に沿って固体撮像素子１００を切断し、切断面を固体撮像素子１００の上方から見た場合を示す図５からわかるように、読み出し電極５０８には、絶縁膜５０６に設けられた開口５０６ａから露出して、光電変換膜５０４と接する露出領域（第１の露出領域）５０８ａが設けられている。さらに、読み出し電極５０８の残りの領域の一部には、貫通電極５６０と接して、当該貫通電極５６０と電気的に接続されるコンタクト領域（第１のコンタクト領域）５０８ｂが設けられている。さらに、当該コンタクト領域５０８ｂは、貫通電極４６０と接続する配線５３０とも電気的に接続されている。
以上のように、本実施形態においては、異なるＰＤ５００、６００が、１つのフローティングディフュージョン部３１４、及び、１つの貫通電極４６０を共有している。従って、本実施形態によれば、貫通電極４６０の形成による半導体基板３００の加工面積の増加を避け、ＰＤ４００の入射面の縮小を避けることができることから、ＰＤ４００に入射する光量が減少せず、ＰＤ４００の感度特性の低下を避けることができる。さらに、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００が、フローティングディフュージョン部３１４及び貫通電極４６０を共有していることから、固体撮像装置１が搭載されるチップの面積の増加を避けることができる。その結果、本実施形態によれば、固体撮像装置１の製造コストの増加を避けることができる。加えて、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００において、１つの貫通電極４６０を共有することから、半導体基板３００を貫通する貫通電極４６０の数を少なくすることができる。その結果、本実施形態によれば、半導体基板３００の結晶性が低下することに起因する固体撮像装置１の暗電流特性の劣化を避けることができる。
＜２．４ 固体撮像素子１００の等価回路について＞
以上、本実施形態に係る固体撮像素子１００のレイアウト構成について説明した。次に、本実施形態に係る固体撮像素子１００の等価回路、詳細には、ＰＤ５００、６００の等価回路について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る固体撮像素子１００のＰＤ５００、６００の等価回路図である。
先に説明したように、本実施形態においては、ＰＤ５００、６００は、共通電極５０２、６０２と、読み出し電極５０８、５０８と、これらに挟まれた光電変換膜５０４、６０４とを有する。さらに、ＰＤ５００、６００は、絶縁膜５０６、６０６を介して光電変換膜５０４、６０４と接する蓄積電極５１０、６１０を有する。
図６に示されるように、読み出し電極５０８、６０８は、蓄積した電荷をリセットするためのリセットトランジスタＴＲ１ｒｓｔのドレイン／ソースの一方に配線等を介して電気的に接続される。リセットトランジスタＴＲ１ｒｓｔのゲートは、リセット信号線ＲＳＴ１に電気的に接続され、さらに上述した垂直駆動回路部３２に電気的に接続される。また、リセットトランジスタＴＲ１ｒｓｔのドレイン／ソースの他方（読み出し電極５０８、６０８に接続されていない側）は、電源回路（電源電位ＶＤＤ）に電気的に接続される。すなわち、本実施形態においては、図６に示すように、リセットトランジスタＴＲ１ｒｓｔは、ＰＤ５００、６００が共有する共通画素トランジスタであると言える。
さらに、読み出し電極５０８、６０８は、電荷を電圧に変換して画素信号として出力する増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐのゲートに配線を介して電気的に接続される。また、読み出し電極５０８、６０８、増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐのゲート及びリセットトランジスタＴＲ１ｒｓｔのドレイン／ソースの一方を接続するノードＦＤ１は、リセットトランジスタＴＲ１ｒｓｔの一部を構成する。さらに、ＦＤ１は、ＰＤ５００、６００が共有するフローティングディフュージョン部３１４としても機能する。読み出し電極５０８、６０８からの電荷は、ノードＦＤ１の電位を変化させ、増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐによって電圧に変換される。また、増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐのソース／ドレインの一方は、選択信号に従って、変換によって得た上記画素信号を信号線ＶＳＬ１に出力する選択トランジスタＴＲ１ｓｅｌのソース／ドレインの一方に配線を介して電気的に接続される。さらに、増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐのソース／ドレインの他方（選択トランジスタＴＲ１ｓｅｌに接続されていない側）は、電源回路（電源電位ＶＤＤ）に電気的に接続される。すなわち、本実施形態においては、増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐ及び選択トランジスタＴＲ１ｓｅｌは、ＰＤ５００、６００が共有する共通画素トランジスタであると言える。
さらに、選択トランジスタＴＲ１ｓｅｌのソース／ドレインの他方（増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐと接続されていない側）は、変換された電圧を画素信号として伝達する上記信号線ＶＳＬ１に電気的に接続され、さらに上述したカラム信号処理回路部３４に電気的に接続される。また、選択トランジスタＴＲ１ｓｅｌのゲートは、画素信号を出力する行を選択する選択線ＳＥＬ１に電気的に接続され、さらに上述した垂直駆動回路部３２に電気的に接続される。
また、図６に示すように、蓄積電極５１０、６１０は、電圧印加線ＡＳＥ１、ＡＳＥ２にそれぞれ電気的に接続される。先に説明したように、蓄積電極５１０、６１０は、印加される電位に応じて、光電変換膜５０４、６０４で発生した電荷を引き寄せて、当該電荷を光電変換膜５０４、６０４に蓄積し、もしくは、当該電荷を読み出し電極５０８、６０８へ転送することができる。さらに、共通電極５０２、６０２は、画素信号を出力する列を選択する選択線（図示省略）に電気的に接続されている。
次に、参考として、ＰＤ４００の等価回路についても、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る固体撮像素子１００に含まれるＰＤ４００の等価回路図である。
半導体基板３００内に設けられたＰＤ４００は、図７に示すように、半導体基板３００内に設けられた画素トランジスタ（増幅トランジスタＴＲ２ａｍｐ、転送トランジスタＴＲｔｒｓ、リセットトランジスタＴＲ２ｒｓｔ、選択トランジスタＴＲ２ｓｅｌ）に配線を介して接続されている。詳細には、ＰＤ４００の一方は、電荷を転送する転送トランジスタＴＲｔｒｓのソース／ドレインの一方と配線を介して電気的に接続される。さらに、転送トランジスタＴＲｔｒｓのソース／ドレインの他方（ＰＤ４００と接続されていない側）は、リセットトランジスタＴＲ２ｒｓｔのソース／ドレインの一方と配線を介して電気的に接続される。また、転送トランジスタＴＲｔｒｓのゲートは、転送ゲート線ＴＧに電気的に接続され、さらに上述した垂直駆動回路部３２に接続される。そして、リセットトランジスタＴＲ２ｒｓｔのソース／ドレインの他方（転送トランジスタＴＲｔｒｓと接続されていない側）は、電源回路（電源電位ＶＤＤ）に電気的に接続される。さらに、リセットトランジスタＴＲ２ｒｓｔのゲートは、リセット線ＲＳＴ２に電気的に接続され、さらに上述した垂直駆動回路部３２に接続される。
さらに、転送トランジスタＴＲｔｒｓのソース／ドレインの他方（ＰＤ４００と接続されていない側）は、電荷を増幅（変換）して画素信号として出力する増幅トランジスタＴＲ２ａｍｐのゲートにも配線を介して電気的に接続される。また、増幅トランジスタＴＲ２ａｍｐのソース／ドレインの一方は、選択信号に従って上記画素信号を信号線ＶＳＬ２に出力する選択トランジスタＴＲ２ｓｅｌのソース／ドレインの一方に、配線を介して電気的に接続される。そして、増幅トランジスタＴＲ２ａｍｐのソース／ドレインの他方（選択トランジスタＴＲ２ｓｅｌと接続されていない側）は、電源回路（電源電位ＶＤＤ）に電気的に接続される。また、選択トランジスタＴＲ２ｓｅｌのソース／ドレインの他方（増幅トランジスタＴＲ２ａｍｐと接続されていない側）は、上記信号線ＶＳＬ２に電気的に接続され、さらに上述したカラム信号処理回路部３４に電気的に接続される。そして、選択トランジスタＴＲ２ｓｅｌのゲートは、選択線ＳＥＬ２に電気的に接続され、さらに上述した垂直駆動回路部３２に電気的に接続される。
＜２．５ 固体撮像素子１００の読み出し方法について＞
以上、本実施形態に係る固体撮像素子１００の等価回路について説明した。次に、本実施形態に係る固体撮像素子１００の読み出し方法について、図８を参照して説明する。図８は、本実施形態に係る固体撮像素子１００の読み出し方法を説明するための説明図である。
まずは、本実施形態においては、図８の左側に示されるように、リセット動作を行う。当該リセット動作においては、選択線ＳＥＬ１の電位を０Ｖとし、リセット線ＲＳＴ１の電位を、開始時においては０Ｖとするものの、電源電位ＶＤＤに切り替える。次いで、リセット線ＲＳＴ１の電位を電源電位ＶＤＤに切り替えると同時に、ＰＤ５００の蓄積電極５１０の電位を、電圧印加線ＡＳＥ１を介して電源電位ＶＤＤから０Ｖに切替え、所定の時間経過後、電源電位ＶＤＤに再び戻す。そして、ＰＤ５００の蓄積電極５１０の電位を電源電位ＶＤＤに再び戻したと同時に、ＰＤ６００の蓄積電極６１０の電位を、電圧印加線ＡＳＥ２を介して電源電位ＶＤＤから０Ｖに切替え、所定の時間経過後、電源電位ＶＤＤに再び戻す。さらに、ＰＤ６００の蓄積電極６１０の電位を電源電位ＶＤＤに再び戻したと同時に、リセット線ＲＳＴ１の電位を０Ｖに再び戻す。このようなリセット動作により、ＰＤ５００、６００の光電変換膜５０４、６０４に蓄積された電荷をリセットすることができる。
次に、本実施形態においては、図８の中央に示されるように、露光、すなわち、ＰＤ５００、６００の光電変換膜５０４、６０４に光電変換によって電荷が蓄積される露光動作を行う。当該露光動作においては、選択線ＳＥＬ１及びリセット線ＲＳＴ１の電位を、０Ｖに維持する。一方、ＰＤ５００の蓄積電極５１０及びＰＤ６００の蓄積電極６１０の電位を、電圧印加線ＡＳＥ１、ＡＳＥ２を介して、電源電位ＶＤＤに維持する。このような露光動作により、蓄積電極５１０、６１０に引き寄せられるようにして、ＰＤ５００、６００の光電変換膜５０４、６０４に電荷が蓄積される。
さらに、本実施形態においては、図８の右側に示されるように、ＰＤ５００、６００の光電変換膜５０４、６０４に蓄積された電荷の読み出し動作を行う。当該読み出し動作においては、選択線ＳＥＬ１の電位を、電源電位ＶＤＤに維持し、読み出しを行う固体撮像素子１００を選択する。次いで、リセット線ＲＳＴ１の電位を０Ｖから電源電位ＶＤＤに切替え、所定の時間経過後、０Ｖに再び戻す。このようにすることで、フローティングディフュージョン部３１４に蓄積された電荷をリセットする。次いで、ＰＤ５００の蓄積電極５１０の電位を、電圧印加線ＡＳＥ１を介して電源電位ＶＤＤから０Ｖに切替え、所定の時間経過後、電源電位ＶＤＤに再び戻す。このようにすることで、蓄積電極５１０に引き寄せられるようにして光電変換膜５０４に蓄積された電荷が、読み出し電極５０８を介して、フローティングディフュージョン部３１４に転送される。そして、フローティングディフュージョン部３１４に転送された電荷は、さらに上記増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐによって電圧に変換されることにより、画素信号として読み出される。
次に、リセット線ＲＳＴ１の電位を０Ｖから電源電位ＶＤＤに切替え、所定の時間経過後、０Ｖに再び戻す。このようにすることで、フローティングディフュージョン部３１４に蓄積された電荷をリセットする。そして、ＰＤ６００の蓄積電極６１０の電位を、電圧印加線ＡＳＥ２を介して電源電位ＶＤＤから０Ｖに切替え、所定の時間経過後、電源電位ＶＤＤに再び戻す。このようにすることで、蓄積電極６１０に引き寄せられるようにして光電変換膜６０４に蓄積された電荷が、読み出し電極６０８を介して、フローティングディフュージョン部３１４に転送される。このようにして、ＰＤ６００の光電変換膜６０４に蓄積された電荷が読み出されることとなる。そして、フローティングディフュージョン部３１４に転送された電荷は、さらに上記増幅トランジスタＴＲ１ａｍｐによって電圧に変換されることにより、画素信号として読み出される。
以上のようにして、リセット動作、露光動作、読み出し動作といった一連の動作が完了する。すなわち、本実施形態に係る読み出し方法においては、蓄積電極５１０、６１０に印加する電位をそれぞれ制御して、光電変換膜５０４、６０４のそれぞれに蓄積した電荷を、読み出し電極５０８、６０８のそれぞれへ時間差を持って順次転送することができる。さらに、本実施形態においては、読み出し電極５０８、６０８に順次転送された電荷を、フローティングディフュージョン部３１４に順次蓄積し、順次読み出すことができる。
以上のように、本実施形態においては、上述のような動作を行うことにより、各ＰＤ５００、６００の光電変換膜５０４、６０４に電荷を一時的に蓄積することが可能である。そして、本実施形態においては、上述のような動作を行うことにより、各光電変換膜５０４、６０４のそれぞれに蓄積した電荷を、読み出し電極５０８、６０８のそれぞれへ時間差を持って順次転送し、時間差を持ってフローティングディフュージョン部３１４に順次蓄積することができる。従って、本実施形態によれば、順次時間差をもって電荷を転送することができることから、異なるＰＤ５００、６００において、１つのフローティングディフュージョン部３１４、及び、１つの貫通電極４６０を共有することができる。
その結果、本実施形態においては、異なるＰＤ５００、６００が、１つのフローティングディフュージョン部３１４、及び、１つの貫通電極４６０を共有することができる。従って、本実施形態によれば、貫通電極４６０の形成による半導体基板３００の加工面積の増加を避け、ＰＤ４００の入射面の縮小を避けることができることから、ＰＤ４００に入射する光量が減少せず、ＰＤ４００の感度特性の低下を避けることができる。さらに、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００が、フローティングディフュージョン部３１４及び貫通電極４６０を共有していることから、固体撮像装置１が搭載されるチップの面積が増加することを避けることができる。その結果、本実施形態によれば、固体撮像装置１の製造コストの増加を避けることができる。加えて、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００において、貫通電極４６０を共有することから、半導体基板３００を貫通する貫通電極４６０の数を少なくすることができる。その結果、本実施形態によれば、半導体基板３００の結晶性が低下することに起因する固体撮像装置１の暗電流特性の劣化を避けることができる。
＜＜３． 第２の実施形態＞＞
上述の第１の実施形態においては、固体撮像素子１００は、青色光については半導体基板３００の上方に形成された光電変換膜６０４で光電変換し、緑色光については、ＰＤ６００の下方に設けられた光電変換膜５０４で光電変換し、赤色光については半導体基板３００内に設けられたＰＤ４００で光電変換する固体撮像素子であった。しかしながら、本開示の実施形態においては、このような構成に限定されるものではなく、青色光、緑色光、及び赤色光を半導体基板３００上に積層された３つの光電変換膜で光電変換する固体撮像素子１００ａであってもよい。そこで、図９を参照して、本開示の第２の実施形態として、半導体基板３００上に積層された３つの光電変換膜５０４、６０４、７０４を有する固体撮像素子１００ａの積層構造を説明する。図９は、本実施形態に係る画素アレイ部１０ａの断面図であり、詳細には、当該画素アレイ部１０ａには、半導体基板３００上に積層された３つの光電変換膜５０４、６０４、７０４を有する固体撮像素子１００ａがマトリックス状に配列される。
詳細には、図９に示されるように、本実施形態に係る固体撮像素子１００ａは、半導体基板３００内にＰＤ４００が設けられていないこと除けば、配線層２００からＰＤ６００までは、上述した第１の実施形態と同様の構成を持つ。従って、ここでは、配線層２００からＰＤ６００までの詳細構成については、説明を省略する。
本実施形態においては、図９に示すように、ＰＤ６００とＰＤ７００（第３の光電変換部）とに挟まれるようにして、例えば、ＳｉＯ２等からなる、光を透過することができる絶縁膜７４０と、Ｗ等によって形成される配線（第３の配線）７３０とを含む配線層（第３の配線層）７２０が設けられている。また、後述するＰＤ７００の読み出し電極７０８は、配線７３０を介して、後述する貫通電極（第２の貫通電極）６６０に電気的に接続される。
本実施形態においては、貫通電極６６０は、図９に示すように、配線７３０からＰＤ６００の読み出し電極６０８まで、配線層７２０の一部及びＰＤ６００を貫通するように設けられている。詳細には、ＰＤ７００の読み出し電極７０８は、貫通電極６６０を介して、ＰＤ６００の読み出し電極６０８に電気的に接続されている。さらに、ＰＤ７００の読み出し電極７０８は、貫通電極４６０、５６０、６６０を介して、半導体基板３００に設けられたフローティングディフュージョン部３１４と電気的に接続されている。従って、上記フローティングディフュージョン部３１４は、貫通電極４６０、５６０、６６０により、ＰＤ７００における光電変換によって生成された電荷を一時的に蓄積することができる。さらに、当該貫通電極６６０は、ＰＤ７００の読み出し電極７０８を、貫通電極５６０と貫通電極４６０とを介して、半導体基板３００に設けられた画素トランジスタに電気的に接続することができる。なお、本実施形態においては、貫通電極６６０は、配線層７２０の一部及びＰＤ６００を貫通してもよく、もしくは、ＰＤ６００のみを貫通してもよく、特に限定されるものではない。
また、本実施形態においては、貫通電極６６０は、上述の貫通電極５６０と同様に、Ｃｕ等の金属膜等から形成することができる。また、当該貫通電極６６０の外周には、上述の貫通電極５６０と同様に、貫通電極６６０とＰＤ６００との短絡を防ぐために、ＳｉＯ２等からなる絶縁膜６６２が設けられていてもよい。なお、貫通電極６６０は、上述の貫通電極５６０と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
さらに、本実施形態においては、配線層７２０の上には、光を電荷に変換するＰＤ７００（第３の光電変換部）が設けられている。詳細には、ＰＤ７００として、上述のＰＤ５００、６００と同様に、共通電極（上部電極）７０２と、光電変換膜７０４と、絶縁膜７０６と、読み出し電極（下部電極）７０８と、蓄積電極７１０とが順次積層されている。なお、共通電極７０２、光電変換膜７０４、絶縁膜７０６、読み出し電極７０８、及び蓄積電極７１０は、上述のＰＤ５００、６００と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
また、図９に示すように、読み出し電極７０８は、貫通電極６６０を介して、貫通電極５６０と電気的に接続されている。共通電極７０２は、当該共通電極７０２に所望の電位を印加する配線７７０と電気的に接続されている。さらに、蓄積電極７１０は、当該蓄積電極７１０に所望の電位を印加する配線７７２と電気的に接続されている。
本実施形態に係る固体撮像素子１００ａは、例えば、青色光については半導体基板３００の上方に形成された光電変換膜７０４（ＰＤ７００）で光電変換し、緑色光については、ＰＤ７００の下方に設けられた光電変換膜６０４（ＰＤ６００）で光電変換し、赤色光については、ＰＤ６００の下方に設けられた光電変換膜５０４（ＰＤ５００）で光電変換することができる。
なお、光電変換膜５０４を、赤色光を検出する光電変換膜として機能させる場合には、当該光電変換膜５０４は、例えば、フタロシアニン系色素、サブフタロシアニン系色素（サブフタロシアニン誘導体）等を含むことができる。
本実施形態によれば、半導体基板３００上に積層された３つの光電変換膜５０４、６０４、７０４を有する固体撮像素子１００ａであっても、第１の実施形態と同様に、製造コストの増加を避けつつ、特性の劣化を避けることができる。
詳細には、本実施形態においても、上述の第１の実施形態の固体撮像素子１００の読み出し方法のような動作を行うことにより、蓄積電極５１０、６１０、７１０によって、各ＰＤ５００、６００、７００の光電変換膜５０４、６０４、７０４に電荷を一時的に蓄積することが可能である。従って、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００、７００において、フローティングディフュージョン部３１４及び貫通電極４６０を共有することができる。
その結果、本実施形態においても、貫通電極４６０の形成による半導体基板３００の加工面積の増加を避け、ＰＤ４００の入射面の縮小を避けることができることから、ＰＤ４００の感度特性の低下を避けることができる。さらに、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００、７００が、フローティングディフュージョン部３１４及び貫通電極４６０を共有していることから、固体撮像装置１が搭載されるチップの面積が増加することを避け、ひいては製造コストの増加を避けることができる。加えて、本実施形態によれば、異なるＰＤ５００、６００、７００において、貫通電極４６０を共有することから、半導体基板３００を貫通する貫通電極４６０の数を少なくすることができる。その結果、本実施形態によっても、半導体基板３００の結晶性が低下することに起因する固体撮像装置１の暗電流特性の劣化を避けることができる。
なお、本実施形態においては、半導体基板３００上に積層された３つの光電変換膜５０４、６０４、７０４を有する固体撮像素子１００ａに限定されるものではなく、例えば、半導体基板３００上に積層された４つ以上の光電変換膜を有する固体撮像素子であってもよい。
＜＜４． 第３の実施形態＞＞
さらに、本開示の実施形態においては、ＰＤ５００、６００は、転送電極５１２、６１２及びシールド電極５１４、６１４を有していてもよい。そこで、図１０を参照して、本開示の第３の実施形態として、転送電極５１２、６１２及びシールド電極５１４、６１４を持つＰＤ５００、６００を有する固体撮像素子１００ｂの積層構造を説明する。図１０は、本実施形態に係る画素アレイ部１０ｂの断面図であり、詳細には、当該画素アレイ部１０ｂには、転送電極５１２、６１２及びシールド電極５１４、６１４を持つＰＤ５００、６００を含む固体撮像素子１００ｂがマトリックス状に配列されている。
詳細には、本実施形態においては、図１０に示すように、ＰＤ５００、６００は、読み出し電極５０８、６０８と蓄積電極５１０、６１０との間に設けられ、共通電極５０２、６０２と、光電変換膜５０４、６０４及び絶縁膜５０６、６０６を介して対向する転送電極５１２、６１２をさらに有している。上記転送電極５１２、６１２は、読み出し電極５０８、６０８と蓄積電極５１０、６１０との間に設けられ、電荷の転送を制御する電極である。より具体的には、当該転送電極５１２、６１２は、光電変換膜５０４、６０４に電荷を蓄積する蓄積期間の間には、所定の電位が印加され、蓄積電極５１０、５１０に引き寄せられるようにして蓄積された電荷をせき止めることができる。さらに、当該転送電極５１２、６１２は、電荷を転送する転送期間の間には、開放状態になって、蓄積された電荷を読み出し電極５０８、６０８により容易に転送することができる。
さらに、本実施形態においては、図１０に示すように、各固体撮像素子１００ｂのＰＤ５００、６００は、画素アレイ部１０ｂを上方から見た場合、互いに隣り合う固体撮像素子１００ｂの間に設けられたシールド電極５１４、６１４をさらに有してもよい。上記シールド電極５１４、６１４は、例えば、所定の電位に維持され、隣り合う固体撮像素子１００ｂから、又は、隣り合う固体撮像素子１００ｂへの電荷のリークを抑制することができる。
なお、転送電極５１２、６１２及びシールド電極５１４、６１４は、上述した読み出し電極５０８、６０８及び蓄積電極５１０、６１０と同様の材料で形成することが可能である。さらに、転送電極５１２、６１２及びシールド電極５１４、６１４は、上述した読み出し電極５０８、６０８及び蓄積電極５１０、６１０と同時に形成することが可能である。
以上、本実施形態によれば、ＰＤ５００、６００が、転送電極５１２、６１２及びシールド電極５１４、６１４を有することにより、各ＰＤ５００、６００の特性をより向上させることができる。
＜＜５． 第４の実施形態＞＞
上述の第１の実施形態においては、固体撮像素子１００は、配線６３０からＰＤ５００の読み出し電極５０８まで、配線層６２０の一部及びＰＤ５００を貫通するように設けられている貫通電極５６０を有していた。そして、第１の実施形態においては、当該貫通電極５６０により、ＰＤ６００の読み出し電極６０８は、ＰＤ５００の読み出し電極５０８に電気的に接続されていた。しかしながら、本開示の実施形態においては、読み出し電極６０８を読み出し電極５０８に電気的に接続する貫通電極は、ＰＤ５００を貫通するように設けられている貫通電極に限定されるものではない。例えば、読み出し電極６０８を読み出し電極５０８に電気的に接続する貫通電極は、画素アレイ部１０の外周に位置する外周部５０に設けられた貫通電極７６０であってもよい。そこで、図１１を参照して、本開示の第４の実施形態として、外周部５０に設けられた貫通電極（第３の貫通電極）７６０を説明する。図１１は、本実施形態に係る画素アレイ部１０ｃ及び外周部５０の断面図であり、詳細には、外周部５０は、複数の固体撮像素子１００ｃが配列された上記画素アレイ部（画素領域）１０ｃを取り囲む外周に位置している。
詳細には、本実施形態においては、貫通電極７６０は、図１１に示すように、外周部５０において、配線層６２０の配線６３０と引き回し配線（図示省略）によって電気的に接続された配線６３０ａから、ＰＤ５００の読み出し電極５０８と引き回し配線（図示省略）によって電気的に接続された電極５３０ａまで、配線層６２０、５２０の一部を貫通するように設けられている。本実施形態においても、貫通電極７６０の外周には、絶縁膜７６２が設けられていることが好ましい。上記貫通電極７６０により、ＰＤ６００の読み出し電極６０８は、ＰＤ５００の読み出し電極５０８に電気的に接続され、さらに、貫通電極４６０に電気的に接続されることができる。なお、本実施形態に係る貫通電極７６０は、上述した貫通電極５６０と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
本実施形態においては、貫通電極７６０がＰＤ５００を貫通してないことから、貫通電極７６０の形成に起因する、ＰＤ５００の光電変換膜５０４の劣化をより避けることができる。その結果、本実施形態によれば、ＰＤ５００の光電変換膜５０４の特性の劣化をより避けることができる。
＜＜６． 第５の実施形態＞＞
上述した本開示の実施形態に係る固体撮像装置１は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機等、画像取込部に撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。さらに、本開示の実施形態は、上述の固体撮像装置１を含むロボット、ドローン、自動車、医療機器（内視鏡）等にも適用可能である。なお、本実施形態に係る固体撮像装置１は、ワンチップとして形成された形態であってもよく、撮像部と信号処理部又は光学系とが１つにパッケージングされた撮像機能を有するモジュールの形態であってもよい。以下に、上述した固体撮像装置１を有する撮像装置９０２を含む電子機器９００の一例を、本開示の第５の実施形態として、図１２を参照して説明する。図１２は、本実施形態に係る電子機器９００の一例を示す説明図である。
図１２に示すように、電子機器９００は、撮像装置９０２、光学レンズ９１０、シャッタ機構９１２、駆動回路ユニット９１４、及び、信号処理回路ユニット９１６を有する。光学レンズ９１０は、被写体からの像光（入射光）を撮像装置９０２の撮像面上に結像させる。これにより、撮像装置９０２の固体撮像素子１００内に、一定期間、信号電荷が蓄積される。シャッタ機構９１２は、開閉することにより、撮像装置９０２への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路ユニット９１４は、撮像装置９０２の信号の転送動作やシャッタ機構９１２のシャッタ動作等を制御する駆動信号をこれらに供給する。すなわち、撮像装置９０２は、駆動回路ユニット９１４から供給される駆動信号（タイミング信号）に基づいて信号転送を行うこととなる。信号処理回路ユニット９１６は、各種の信号処理を行う。例えば、信号処理回路ユニット９１６は、信号処理を行った映像信号を例えばメモリ等の記憶媒体（図示省略）に出力したり、表示部（図示省略）に出力したりする。
＜＜７． 第６の実施形態＞＞
ところで、上述した本開示の実施形態においては、複数の光電変換素子４００、５００、６００を積層することにより、固体撮像装置１を小型化していた（例えば、図２ 参照）。しかしながら、このような構造においては、複数の光電変換素子４００、５００、６００を積層していることから、固体撮像装置１が積層方向に沿って高くなる（厚みが増す）こととなる。その結果、このような構造においては、上方に位置する光電変換素子６００を透過した光を、下方に位置する光電変換素子５００、４００において十分に取り込むことが難しい場合がある。また、このような構造においては、積層方向に沿って高くなることに起因して、斜入射光による隣接する固体撮像素子（画素）１００へのクロストークが発生しやすくなる場合もある。
そこで、以下においては、本開示の第６の実施形態として、上方に位置する光電変換素子６００を透過した光を、下方に位置する光電変換素子５００、４００に高効率で集光することができる構造を提案する。詳細には、以下に説明する本実施形態においては、積層方向における、複数の光電変換素子４００、５００、６００の間に、集光するための集光要素（具体的には、導波路、インナーレンズ、隔壁等）を設ける。本実施形態によれば、このような集光要素を複数の光電変換素子４００、５００、６００の間に設けることにより、下方に位置する光電変換素子５００、４００に高効率で集光することが可能となる。その結果、本実施形態によれば、固体撮像装置１の感度特性を向上させることができ、さらには上述のクロストークの発生を抑えることができる。以下、本実施形態の詳細について順次説明する。
まず、図１４を参照して本実施形態の構造例の１つを説明する。図１４は、本実施形態に係る画素アレイ部１０ｄの断面図である。具体的には、本実施形態においては、図１４に示すように、反射防止膜４０２上の、ＳｉＯ２等からなる、光を透過することができる絶縁膜５４０内に、上記集光要素として導波路４０４ａを設ける。さらに、本実施形態においては、光電変換素子５００上の絶縁膜６４０内にも、上記集光要素として導波路４０４ｂを設ける。すなわち、本実施形態においては、下方に位置する光電変換素子５００、４００に集光することが可能な導波路４０４ａ、４０４ｂは、固体撮像素子１００の積層方向における、光電変換素子４００、５００、６００の間に設けられている。導波路４０４ａ、４０４ｂとしては、例えばＳｉ３Ｎ４（屈折率１．９程度）を用いて形成することが好ましく、この場合、絶縁膜５４０、６４０をＳｉＯ２（屈折率１．４程度）によって形成することにより、屈折率差により、導波路４０４ａ、４０４ｂに集光することが可能となる。なお、本実施形態においては、導波路４０４ａ、４０４ｂ及び絶縁膜５４０、６４０の材料は特に限定されるものではない。しかしながら、本実施形態においては、導波路４０４ａ、４０４ｂの材料の屈折率と絶縁膜５４０、６４０の材料の屈折率の差が０．２程度以上にすることが好ましく、このようにすることで、導波路４０４ａ、４０４ｂの集光効率をより向上させることができる。さらに、図１４に示す構造例は、各種の半導体プロセス技術により形成することが可能である。
以上のように、本実施形態によれば、上述のような導波路４０４ａ、４０４ｂを複数の光電変換素子４００、５００、６００の間に設けることにより、下方に位置する光電変換素子５００、４００に高効率で集光することが可能となる。その結果、本実施形態によれば、固体撮像装置１の感度特性を向上させることができ、さらには、上述したようなクロストークの発生を抑えることができる。
また、本実施形態は、図１５に示すように変形してもよい。次に、図１５を参照して、本実施形態の構造例の変形例１を説明する。図１５は、本実施形態の変形例１に係る画素アレイ部１０ｅの断面図である。具体的には、本変形例１においては、上述の導波路４０４ａ、４０４ｂの代わりに、下方に位置する光電変換素子５００、４００に集光することが可能なインナーレンズ４０６ａ、４０６ｂを設けている。当該インナーレンズ４０６ａ、４０６ｂは、絶縁膜５４０、６４０の材料の屈折率１．４～１．６程度に比べて高い屈折率を有する材料で形成することが好ましく、１．８以上の屈折率を有する材料で形成することがより好ましい。当該インナーレンズ４０６ａ、４０６ｂの材料としては、塗布系の高屈折率材料、例えば、ＴｉＯｘ、ＺｎＯｘ等の透明金属酸化膜微粒子が含有されたシロキサン系樹脂の材料膜や、ＣＶＤ法により形成するＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＴｉＯｘ膜等を挙げることができる。
図１５に示す構造は、例えば以下のようにして形成することができる。反射防止膜４０２上に高屈折率材料からなる高屈折率層（図示省略）を形成し、当該高屈折率層上にインナーレンズ４０６ａ、４０６ｂを形成するためのレジストを形成する。そして、レジスト形成後、リソグラフィによってレンズパターンを形成し、熱処理（リフロー）を行うことで、インナーレンズ４０６ａ、４０６ｂの外形に対応する円丘状のレジストが形成される。その後、ドライエッチングにより全面エッチバックを行うことにより、上記レジストの形状が高屈折率層に転写されることにより、インナーレンズ４０６ａ、４０６ｂが形成される。なお、上記エッチングに用いるエッチングガスとしては、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８等のフロロカーボンガスや酸素ガスＯ２等を挙げることができる。
以上のように、図１５に示す構造例によれば、インナーレンズ４０６ａ、４０６ｂを複数の光電変換素子４００、５００、６００の間に設けることにより、下方に位置する光電変換素子５００、４００に高効率で集光することができる。その結果、本変形例によれば、固体撮像装置１の感度特性を向上させることができ、さらには上述したようなクロストークの発生を抑えることができる。
また、本実施形態は、図１６に示すように変形することもできる。次に、図１６を参照して、本実施形態の構造例の変形例２を説明する。図１６は、本実施形態の変形例２に係る画素アレイ部１０ｆの断面図である。具体的には、本変形例２においては、上述の導波路４０４ａ、４０４ｂの代わりに、隔壁４０８ａ、４０８ｂを設けている。例えば、絶縁膜５４０、６４０をＳｉＯ２（屈折率１．４程度）で形成する場合には、隔壁４０８ａ、４０８ｂはＳｉ３Ｎ４（屈折率１．９程度）を用いて形成することが好ましい。本変形例においては、隔壁４０８ａ、４０８ｂの材料は特に限定されるものではないが、隔壁４０８ａ、４０８ｂの材料の屈折率と絶縁膜５４０、６４０の材料の屈折率の差が０．２程度以上にすることが好ましく、このようにすることで、集光効率をより向上させることができる。また、隔壁４０８ａ、４０８ｂの材料としては、メタル材料（Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌ（チタン－アルミニウム）、Ｃｕ、Ｔａ（タンタル）、ＴａＮ、Ｃｏ、Ｒｕ等、もしくはこれらの元素を含む材料）を用いてもよい。
以上のように、図１６に示す構造例によれば、このような隔壁４０８ａ、４０８ｂを複数の光電変換素子４００、５００、６００の間に設けることにより、下方に位置する光電変換素子５００、４００に高効率で集光することができる。その結果、本変形例によれば、固体撮像装置１の感度特性を向上させることができ、さらには上述のクロストークの発生を抑えることができる。
さらに、本開示においては、上述した本実施形態及び変形例１、２を適宜組み合わせて実施することも可能である。また、本実施形態においては、導波路４０４ａ、４０４ｂ、インナーレンズ４０６ａ、４０６ｂ、隔壁４０８ａ、４０８ｂを設ける位置は、上述した位置に限定されるものではなく、他の位置に設けられてもよく、特に限定されるものではない。
＜＜８． 第７の実施形態＞＞
ところで、上述した本開示の実施形態においては、複数の光電変換素子５００、６００を積層し、これらの光電変換素子５００、６００を電気的に接続する貫通電極５６０が設けられている。そして、上述した本開示の実施形態においては、例えば１つの貫通電極５６０が、これら光電変換素子５００、６００の間で共有されることにより、加工面積の縮小や、画素トランジスタの面積の拡大を図ることができる。しかしながら、上述した本開示の実施形態においては、図２からわかるように、光電変換素子６００に接続する貫通電極５６０と、光電変換素子５００（具体的には、開口から露出する光電変換膜５０４）との電気的接続を確保するために、読み出し電極５０８のサイズが大きくなってしまうことを避けることが難しい。その結果、上述した本開示の実施形態においては、読み出し電極５０８のサイズが大きくなることに起因して、光電変換素子５００、４００に光が入射するための入射面のサイズが縮小してしまうことを避けることが難しい場合がある。
そこで、以下において、光電変換素子５００、４００に光が入射するための入射面のサイズが縮小することを避けることを可能にする、本開示の第７の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態においては、光電変換素子５００（詳細には、光電変換膜５０４）と電気的に接続された透明導電層４８０を設け、光電変換素子６００（詳細には、光電変換膜６０４）と接続する貫通電極５６０ａを当該透明導電層４８０に電気的に接続するような構造を提案する。さらに、本実施形態においては、貫通電極５６０ａは、上記透明導電層４８０を介して、半導体基板３００を貫く貫通電極４６０ａと電気的に接続されているような構造を提案する（図１７ 参照）。このような構造によれば、貫通電極５６０ａ及び透明導電層４８０を介して、光電変換素子５００、６００間の電気的接続を確保することができる。さらに、このような構造によれば、画素アレイ部１０ｇを上方から見た場合、貫通電極５６０ａと貫通電極４６０ａとを、同じ位置、すなわち、これらの貫通電極５６０ａ、４６０ａを重ねるように配置することが可能となる。従って、上記電気的接続を確保するための、光電変換膜５０４の表面を露出する開口を不要とすることができることから、読み出し電極５０８のサイズが大きくなることを避けたり、読み出し電極５０８自体を不要にしたりすることができる。その結果、本実施形態によれば、読み出し電極５０８のサイズが大きくなることを避けたり、不要にしたりすることができることから、上記入射面が縮小することを避けることができる。以下に、本実施形態の詳細について順次説明する。
まずは、図１７を参照して本実施形態の構造例の１つを説明する。図１７は、本実施形態に係る画素アレイ部１０ｇの断面図であり、わかりやすくするために、本実施形態の要部のみを示している。詳細には、本実施形態においては、図１７に示すように、光電変換素子６００の光電変換膜６０４の下方に、当該光電変換膜６０４と電気的に接続された透明導電層５８０が設けられている。当該透明導電層５８０は、読み出し電極６０８を介して、絶縁膜６４０と光電変換素子５００の光電変換膜５０４とを貫く貫通電極５６０ａと電気的に接続されている。また、本実施形態においては、光電変換膜５０４の下方に、当該光電変換膜５０４と電気的に接続された透明導電層４８０が設けられている。当該透明導電層４８０は、半導体基板３００を貫く貫通電極４６０ａと電気的に接続されている。さらに、上述の貫通電極５６０ａは、当該透明導電層４８０を介して貫通電極４６０ａと電気的に接続されている。加えて、本実施形態においては、画素アレイ部１０ｇを上方から見た場合、貫通電極５６０ａと貫通電極４６０ａとは、同じ位置、すなわち、これらの貫通電極５６０ａ、４６０ａが重なるように配置されている。
本実施形態においては、透明導電層４８０、５８０は、ＩＧＺＯ（インジウム－ガリウム－亜鉛酸化物）等の酸化物半導体材料及び有機半導体材料等から形成することができる。さらに、他の酸化物半導体材料としては、ＩＧＺＯ以外にも、ＺＴＯ（亜鉛－スズ酸化物）、ＩＧＺＴＯ（インジウム－ガリウム－亜鉛－スズ酸化物）、ＧＴＯ（ガリウム－スズ酸化物）、及びＩＧＯ（インジウム－ガリウム酸化物）等を挙げることができる。なお、本実施形態においては、特性や作成のしやすさの観点で、ＩＧＺＯを選択することが好ましい。なお、透明導電層４８０における、貫通電極５６０ａとの接続領域は、低抵抗であることが好ましい。そこで、本実施形態においては、例えば、貫通電極５６０ａと電気的に接続するために透明導電層４８０に開口を設けた際には、開口後に、当該開口から露出した透明導電層４８０の表面に対して水素プラズマ処理を施すことが好ましい。
また、本実施形態においては、貫通電極５６０ａに用いられる金属材料としては、Ｗ、ＴｉＮ／Ｗ、Ｃｏ、ＣｏＷＢ（コバルト－タングステン－ボロン）、ＣｏＢＰ（コバルト－ボロン－リン）等を挙げることができる。
次に、図１８及び図１９を参照して、本実施形態における、２つの画素（固体撮像素子）１００において貫通電極４６０ａ、５６０ａを共有する場合（２画素共有）のレイアウト構成について説明する。図１８は、２画素共有における、図１７のＣ－Ｃ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図であり、図１９は、２画素共有における、図１７のＤ－Ｄ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面図である。詳細には、図１８に示すように、本実施形態においては、読み出し電極６０８には、絶縁膜６０６に設けられた開口６０６ａから露出して、透明導電層５８０を介して光電変換膜６０４と接する露出領域６０８ａが設けられている。さらに、本実施形態においては、露出領域６０８ａの一部には、貫通電極５６０ａと電気的に接続するコンタクト領域６０８ｂが設けられている。また、図１９に示すように、本実施形態においては、２つの蓄積電極５１０の間には、透明導電層４８０を介して貫通電極４６０ａと電気的に接続されるコンタクト領域５０８ｂが設けられている。
次に、図２０及び図２１を参照して、本実施形態における、４つの画素１００において貫通電極４６０ａ、５６０ａを共有する場合（４画素共有）のレイアウト構成について説明する。図２０は、４画素共有における、図１７のＣ－Ｃ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面斜視図であり、図２１は、４画素共有における、図１７のＤ－Ｄ´線に沿って固体撮像素子１００を切断した際の断面斜視図である。図２０に示すように、本実施形態においては、４つの画素１００の蓄積電極６１０を囲むようにシールドパターン６９０が設けられており、さらには、蓄積電極６１０を２つずつに区切るように、４つの蓄積電極６１０の中央に読み出し電極６０８が設けられている。そして、本実施形態においては、図２０に示すように、読み出し電極６０８の中心の下方には、下方に向かって延伸する貫通電極５６０ａが設けられている。また、本実施形態においては、図２１に示すように、４つの画素１００の蓄積電極５１０を囲むようにシールドパターン５９０が設けられており、４つの蓄積電極５１０に取り囲まれる中心の下方には、下方に向かって延伸する貫通電極４６０ａが設けられている。そして、本実施形態においては、図２０及び図２１に示すように、貫通電極５６０ａと貫通電極４６０ａとは、画素アレイ部１０ｇを上方から見た場合に重なるように配置されている。
なお、図１８から図２１に示すレイアウト構成は、本実施形態の一例であり、例えば、後述する本実施形態の各変形例においては、各変形例に応じて、図１８から図２１に示すレイアウト構成を適宜変更することが可能である。
次に、図２２から図２８を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明する。図２２から図２８は、本実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図であり、これらの図においては、本実施形態の要部のみを図示している。
まずは、図２２に示すように、反射防止膜４０２が形成された半導体基板３００（図示省略）上に、絶縁膜５４０を堆積し、蓄積電極５１０を絶縁膜５４０上に形成する。さらに、蓄積電極５１０間に絶縁膜５４０を埋め込んだ後に、表面に対してＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を施し、平坦化を行う。次に、図２３に示すように、貫通電極４６０ａのための、絶縁膜５４０を貫通するビアを形成し、当該ビアを埋め込むように、金属膜（例えば、Ｗ膜）２５０を堆積する。そして、図２４に示すように、蓄積電極５１０の表面までＣＭＰ法による平坦化を行うことにより、上記ビアから突出した金属膜２５０を除去することにより、貫通電極４６０ａを形成する。
さらに、蓄積電極５１０上に絶縁膜５４０を堆積し、堆積した絶縁膜５４０をフォトリソグラフィー及びドライエッチングによってパターニングし、貫通電極４６０ａ上に絶縁膜５４０から貫通電極４６０ａが露出する開口を形成する。そして、開口を埋め、且つ、絶縁膜５４０を覆うように、透明導電層４８０を堆積する。さらに、図２５に示すように、透明導電層４８０上に、光電変換膜５０４、共通電極５０２、有機膜１５０を順次堆積する。
次に、図２６に示すように、貫通電極５６０ａのための、共通電極５０２及び光電変換膜５０４を貫通するビアを、フォトリソグラフィー及びドライエッチング（詳細には、透明導電層４８０の表面までのエッチング）によって形成し、当該ビアの側壁及び共通電極５０２の表面を覆うように、絶縁膜６４０を堆積する。
そして、図２７に示すように、上記ビアの底に堆積した絶縁膜６４０をドライエッチングにより除去し、当該ビアを埋め込むように、金属膜（例えば、Ｗ膜）２５２を堆積する。さらに、図２８に示すように、ＣＭＰ法又はドライエッチング法を用いて、上記ビアから突出した金属膜２５２を除去することにより、貫通電極５６０ａを形成する。その後、読み出し電極６０８、蓄積電極６１０、透明導電層５８０、光電変換膜６０４、共通電極６０２を形成することにより、図１７に示すような画素アレイ部１０ｇを得ることができる。
以上のように、本実施形態によれば、読み出し電極５０８のサイズが大きくなることを避けたり、不要にしたりすることができることから、上記入射面が縮小することを避けることができる。
また、本実施形態は、図２９に示すように変形してもよい。次に、図２９を参照して、本実施形態の構造例の変形例１を説明する。図２９は、本実施形態の変形例１に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。詳細には、本変形例１においては、図２９に示すように、読み出し電極５０８を設けており、読み出し電極５０８及び透明導電層４８０を介して、貫通電極５６０ａと貫通電極４６０ａとは電気的に接続されている。図２９に示す本変形例１に係る構造は、上述の実施形態と同様に、入射面が縮小することを避けることができるだけでなく、さらには形成が容易である。
次に、図３０から図３６を参照して、本実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明する。図３０から図３６は、本実施形態の変形例１に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図であり、これらの図においては、本実施形態の要部のみを図示している。
まずは、本実施形態と同様に、反射防止膜４０２が形成された半導体基板３００（図示省略）上に、絶縁膜５４０を堆積し、蓄積電極５１０を絶縁膜５４０上に形成する。さらに、絶縁膜５４０を堆積した後に、貫通電極４６０ａのための、絶縁膜５４０を貫通するビアを形成し、当該ビアを埋め込むように、金属膜を堆積する。そして、図３０に示すように、蓄積電極５１０の表面までＣＭＰ法による平坦化を行うことにより、上記ビアから突出した金属膜を除去することにより、貫通電極４６０ａを形成する。次に、図３１に示すように、読み出し電極５０８及び蓄積電極５１０を形成し、その上に絶縁膜５４０を堆積する。さらに、図３２に示すように、読み出し電極５０８及び蓄積電極５１０の表面が露出するまで、ＣＭＰ法を施し、平坦化を行う。
さらに、読み出し電極５０８及び蓄積電極５１０上に絶縁膜５４０を堆積し、堆積した絶縁膜５４０に、貫通電極４６０ａ上の読み出し電極５０８の表面が絶縁膜５４０から露出する開口を形成する。そして、上記開口を埋め、且つ、絶縁膜５４０を覆うように、透明導電層４８０を堆積する。さらに、図３３に示すように、透明導電層４８０上に、光電変換膜５０４、共通電極５０２、有機膜１５０を順次堆積する。
次に、図３４に示すように、貫通電極５６０ａのための、共通電極５０２及び光電変換膜５０４を貫通するビアを、フォトリソグラフィー及びドライエッチング（詳細には、透明導電層４８０の表面までのエッチング）によって形成し、当該ビアの側壁及び共通電極５０２の表面を覆うように、絶縁膜６４０を堆積する。
そして、図３５に示すように、上記ビアの底に堆積した絶縁膜６４０を除去し、当該ビアを埋め込むように、金属膜２５４を堆積する。さらに、図３６に示すように、上記ビアから突出した金属膜２５４を除去することにより、貫通電極５６０ａを形成する。その後、読み出し電極６０８、蓄積電極６１０、透明導電層５８０、光電変換膜６０４、共通電極６０２を形成することにより、図２９に示すような画素アレイ部１０ｇを得ることができる。
また、本実施形態は、図３７に示すように変形してもよい。次に、図３７を参照して、本実施形態の構造例の変形例２を説明する。図３７は、本実施形態の変形例２に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。詳細には、本変形例２においては、貫通電極５６０ａは、貫通電極５６０ａの底面ではなく、側面で、透明導電層４８０と接することにより、電気的に接続している。図３７に示す本変形例２に係る構造は、上述の実施形態と同様に、入射面が縮小することを避けることができる。
次に、図３８から図４１を参照して、本実施形態の変形例２に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明する。図３８から図４１は、本実施形態の変形例２に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図であり、これらの図においては、本実施形態の要部のみを図示している。なお、本変形例２の製造方法は、先に説明した変形例１の図３０から図３２に対する説明を共通することから、共通する部分については説明を省略する。
本変形例においては、図３０から図３２に示す工程を経た後、図３８に示すように、読み出し電極５０８及び蓄積電極５１０上に、絶縁膜５４０、透明導電層４８０、光電変換膜５０４、共通電極５０２、有機膜１５０を順次堆積する。次に、図３９に示すように、貫通電極５６０ａのための、共通電極５０２及び光電変換膜５０４を貫通するビアを、フォトリソグラフィー及びドライエッチング（詳細には、透明導電層４８０の表面までのエッチング）によって形成し、当該ビアの側壁及び共通電極５０２の表面を覆うように、絶縁膜６４０を堆積する。
そして、図４０に示すように、読み出し電極５０８上に堆積した絶縁膜６４０を、透明導電層４８０の一部とともに、ドライエッチングにより除去し、当該ビアを埋め込むように、金属膜２５６を堆積する。さらに、図４１に示すように、上記ビアから突出した金属膜２５６を除去することにより、貫通電極５６０ａを形成する。その後、読み出し電極６０８、蓄積電極６１０、透明導電層５８０、光電変換膜６０４、共通電極６０２を形成することにより、図３７に示すような画素アレイ部１０ｇを得ることができる。
また、本実施形態は、図４２に示すように変形してもよい。次に、図４２を参照して、本実施形態の構造例の変形例３を説明する。図４２は、本実施形態の変形例３に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。詳細には、本変形例においては、読み出し電極５０８の代わりに、抵抗が低い金属膜からなる読み出し電極５１８を設けている。従って、図４２に示す本変形例３に係る構造は、上述の実施形態と同様に、入射面が縮小することを避けることができるだけでなく、貫通電極５６０ａと貫通電極４６０ａとの間の接続抵抗を小さくすることができる。
次に、図４３から図４９を参照して、本実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明する。図４３から図４９は、本実施形態の変形例３に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図であり、これらの図においては、本実施形態の要部のみを図示している。
まずは、本実施形態と同様に、反射防止膜４０２が形成された半導体基板３００（図示省略）上に、絶縁膜５４０を堆積し、蓄積電極５１０の一部を絶縁膜５４０上に形成する。さらに、貫通電極４６０ａのための、絶縁膜５４０を貫通するビアを形成し、当該ビアを埋め込むように、金属膜を堆積して、貫通電極４６０ａを形成する。そして、図４３に示すように、貫通電極４６０ａ上に、フォトリソグラフィー及びドライエッチングを用いて、金属膜からなる読み出し電極５１８を形成する。
次に、図４４に示すように、絶縁膜５４０を堆積した後、蓄積電極５１０を形成し、その上に絶縁膜５４０をさらに堆積する。さらに、図４５に示すように、蓄積電極５１０の表面が露出するまで、ＣＭＰ法を施し、平坦化を行う。そして、図４６に示すように、蓄積電極５１０上に、絶縁膜５４０、透明導電層４８０、光電変換膜５０４、共通電極５０２、有機膜１５０を順次堆積する。
次に、図４７に示すように、貫通電極５６０ａのための、共通電極５０２及び光電変換膜５０４を貫通するビアを、フォトリソグラフィー及びドライエッチング（詳細には、透明導電層４８０の表面までのエッチング）によって形成し、当該ビアの側壁及び共通電極５０２の表面を覆うように、絶縁膜６４０を堆積する。
そして、図４８に示すように、上記ビアの底に堆積した絶縁膜６４０を、透明導電層４８０の一部とともに除去し、当該ビアを埋め込むように、金属膜２５８を堆積する。さらに、図４９に示すように、上記ビアから突出した金属膜２５８を除去することにより、貫通電極５６０ａを形成する。その後、読み出し電極６０８、蓄積電極６１０、透明導電層５８０、光電変換膜６０４、共通電極６０２を形成することにより、図４２に示すような画素アレイ部１０ｇを得ることができる。
また、本実施形態は、図５０に示すように変形してもよい。次に、図５０を参照して、本実施形態の構造例の変形例４を説明する。図５０は、本実施形態の変形例４に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。詳細には、本変形例においては、貫通電極５６０ａの下端が細くなっており、当該下端が読み出し電極５０８を介して貫通電極４６０ａと電気的に接続している。図５０に示す本変形例４に係る構造は、上述の実施形態と同様に、入射面が縮小することを避けることができる。
次に、図５１から図５６を参照して、本実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明する。図５１から図５６は、本実施形態の変形例４に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図であり、これらの図においては、本実施形態の要部のみを図示している。なお、本変形例４の製造方法は、先に説明した変形例１の図３０から図３２に対する説明、及び、変形例２の図３８に対する説明と共通することから、共通する部分については説明を省略する。
本変形例においては、図３０から図３２に示す工程、及び図３８に示す工程を経た後、図５１に示すように、貫通電極５６０ａのための、共通電極５０２及び光電変換膜５０４を貫通するビアを、フォトリソグラフィー及びドライエッチング（詳細には、透明導電層４８０の表面までのエッチング）によって形成する。
次に、図５２に示すように、形成したビアを埋め込み、且つ、共通電極５０２上の有機膜３５０を形成して、表面を平坦化し、平坦化した表面に、パターニングされたフォトレジスト３５２を形成する。さらに、図５３に示すように、パターニングされたフォトレジスト３５２に従って、有機膜３５０、透明導電層４８０及び絶縁膜５４０を貫くビアを、ドライエッチングを用いて形成する。
次に、図５４に示すように、フォトレジスト３５２及び有機膜３５０を除去した後、読み出し電極５０８の表面、ビアの側壁及び共通電極５０２の表面を覆うように、絶縁膜６４０を堆積する。そして、図５５に示すように、上記ビアの底に堆積した絶縁膜６４０をドライエッチングにより除去し、当該ビアを埋め込むように、金属膜２６０を堆積する。さらに、図５６に示すように、上記ビアから突出した金属膜２６０を除去することにより、貫通電極５６０ａを形成する。その後、読み出し電極６０８、蓄積電極６１０、透明導電層５８０、光電変換膜６０４、共通電極６０２を形成することにより、図５０に示すような画素アレイ部１０ｇを得ることができる。
また、本実施形態は、図５７に示すように変形してもよい。次に、図５７を参照して、本実施形態の構造例の変形例５を説明する。図５７は、本実施形態の変形例５に係る画素アレイ部１０ｇの要部の断面図である。詳細には、本変形例においては、貫通電極５６０ａの下端が細くなっており、当該下端が、低抵抗な金属膜からなる読み出し電極５１８を介して貫通電極４６０ａと電気的に接続している。図５７に示す本変形例５に係る構造は、上述の実施形態と同様に、入射面が縮小することを避けることができる。
次に、図５８から図６１を参照して、本実施形態の変形例５に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明する。図５８から図６１は、本実施形態の変形例５に係る固体撮像素子１００の製造方法を説明するための断面図であり、これらの図においては、本実施形態の要部のみを図示している。なお、本変形例５の製造方法は、先に説明した変形例３の図４３から図４６に対する説明と共通することから、共通する部分については説明を省略する。
本変形例においては、図４３から図４６に示す工程を経た後、貫通電極５６０ａのための、共通電極５０２及び光電変換膜５０４を貫通するビアを、フォトリソグラフィー及びドライエッチング（詳細には、透明導電層４８０の表面までのエッチング）によって形成する。さらに、形成したビアを埋め込み、且つ、共通電極５０２上の有機膜３５０を形成して、表面を平坦化し、平坦化した表面に、パターニングされたフォトレジスト３５２を形成する。そして、図５８に示すように、パターニングされたフォトレジスト３５２に従って、有機膜３５０、透明導電層４８０及び絶縁膜５４０を貫くビアを形成する。
次に、図５９に示すように、フォトレジスト３５２及び有機膜３５０を除去した後、読み出し電極５１８の表面、ビアの側壁及び共通電極５０２の表面を覆うように、絶縁膜６４０を堆積する。そして、図６０に示すように、上記ビアの底に堆積した絶縁膜６４０をドライエッチングにより除去し、当該ビアを埋め込むように、金属膜２６２を堆積する。さらに、図６１に示すように、上記ビアから突出した金属膜２６２を除去することにより、貫通電極５６０ａを形成する。その後、読み出し電極６０８、蓄積電極６１０、透明導電層５８０、光電変換膜６０４、共通電極６０２を形成することにより、図５７に示すような画素アレイ部１０ｇを得ることができる。
＜＜９． 内視鏡手術システムへの応用例＞＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図６２は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図６２では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ： Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１２０１に送信される。
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザー光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザー光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザー光源それぞれからのレーザー光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
図６３は、図６２に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、内視鏡１１１００や、カメラヘッド１１１０２（の撮像部１１４０２）、ＣＣＵ１１２０１（の画像処理部１１４１２）等）に適用され得る。
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
＜＜１０． 移動体への応用例＞＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図６４は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図６４に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図６４の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図６５は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図６５では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図６５には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、撮像部１２０３１等に適用され得る。
＜＜１１． まとめ＞＞
以上説明したように、本開示の各実施形態によれば、製造コストの増加を避けつつ、特性の劣化を避けることができる、固体撮像素子１００、固体撮像装置１、及び、固体撮像素子１００の読み出し方法を提供することができる。
なお、上述した本開示の各実施形態においては、第１の導電型をＰ型とし、第２の導電型をＮ型とし、電子を信号電荷として用いた固体撮像素子１００について説明したが、本開示の実施形態はこのような例に限定されるものではない。例えば、各実施形態は、第１の導電型をＮ型とし、第２の導電型をＰ型とし、正孔を信号電荷として用いる固体撮像素子１００に適用することが可能である。
また、上述した本開示の各実施形態においては、半導体基板３００は、必ずしもシリコン基板でなくてもよく、他の基板（例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板やＳｉＧｅ基板等）でも良い。また、上記半導体基板３００は、このような種々の基板上に半導体構造等が形成されたものでも良い。
さらに、本開示の各実施形態に係る固体撮像素子１００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素子に限定されるものではない。例えば、本実施形態は、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素子や、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素子（物理量分布検知装置）に対して適用することができる。
また、本開示の各実施形態に係る固体撮像素子１００は、一般的な半導体装置の製造に用いられる、方法、装置、及び条件を用いることで製造することが可能である。すなわち、各実施形態に係る固体撮像素子１００は、既存の半導体装置の製造工程を用いて製造することが可能である。
なお、上述の方法としては、例えば、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法及びＡＬＤ法等を挙げることができる。ＰＶＤ法としては、真空蒸着法、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法、各種スパッタリング法（マグネトロンスパッタリング法、ＲＦ－ＤＣ結合形バイアススパッタリング法、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法、高周波スパッタリング法等）、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、レーザー転写法を挙げることができる。また、ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、有機金属（ＭＯ）ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法を挙げることができる。さらに、他の方法としては、電解メッキ法や無電解メッキ法、スピンコート法；浸漬法；キャスト法；マイクロコンタクトプリント法；ドロップキャスト法；スクリーン印刷法やインクジェット印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法、フレキソ印刷法といった各種印刷法；スタンプ法；スプレー法；エアドクタコーター法、ブレードコーター法、ロッドコーター法、ナイフコーター法、スクイズコーター法、リバースロールコーター法、トランスファーロールコーター法、グラビアコーター法、キスコーター法、キャストコーター法、スプレーコーター法、スリットオリフィスコーター法、カレンダーコーター法といった各種コーティング法を挙げることができる。さらに、パターニング法としては、シャドーマスク、レーザー転写、フォトリソグラフィー等の化学的エッチング、紫外線やレーザー等による物理的エッチング等を挙げることができる。加えて、平坦化技術としては、ＣＭＰ法、レーザー平坦化法、リフロー法等を挙げることができる。
＜＜１２． 補足＞＞
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
を備え、
前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、
上部電極と、
下部電極と、
前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、
前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、
を含む積層構造を有し、
前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、
前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されている、
固体撮像素子。
（２）
前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通画素トランジスタに、前記共通貫通電極を介して電気的に接続されている、上記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記半導体基板と前記第１の光電変換部とに挟まれた第１の配線層をさらに備え、
前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記第１の配線層が含む第１の配線を介して、前記共通貫通電極に電気的に接続される、上記（１）又は（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記第２の光電変換部の前記下部電極は、前記第１の光電変換部を貫く第１の貫通電極を介して、前記第１の光電変換部の前記下部電極に電気的に接続されている、
上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（５）
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とに挟まれた第２の配線層をさらに備え、
前記第２の光電変換部の前記下部電極は、前記第２の配線層が含む第２の配線を介して、前記第１の貫通電極に電気的に接続される、上記（４）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記第１の貫通電極は、前記第２の配線から、前記第１の光電変換部の前記下部電極まで、前記第２の配線層及び前記第１の光電変換部を貫通する、
上記（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記第２の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第３の光電変換部をさらに備え、
前記第３の光電変換部は前記積層構造を有し、
前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記共通貫通電極を介して前記共通電荷蓄積部に電気的に接続されている、
上記（２）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記共通貫通電極を介して前記共通画素トランジスタに電気的に接続されている、上記（７）に記載の固体撮像素子。
（９）
前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記第２の光電変換部を貫く第２の貫通電極を介して、前記第２の光電変換部の前記下部電極に電気的に接続されている、
上記（７）又は（８）に記載の固体撮像素子。
（１０）
前記第２の光電変換部と前記第３の光電変換部とに挟まれた第３の配線層をさらに備え、
前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記第３の配線層が含む第３の配線を介して、前記第２の貫通電極に電気的に接続される、上記（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記第２の貫通電極は、前記第３の配線から、前記第２の光電変換部の前記下部電極まで、前記第３の配線層及び前記第２の光電変換部を貫通する、
上記（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記積層構造は、前記下部電極と前記蓄積電極との間に設けられ、前記上部電極と、前記光電変換膜及び前記絶縁膜を介して対向する転送電極をさらに有する、
上記（１）～（１１）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記光電変換膜は、有機系材料からなる、上記（１）～（１２）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記半導体基板内に設けられた、光を電荷に変換する第４の光電変換部をさらに備える、上記（１）～（１３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記固体撮像素子の上方から見た場合、
前記第１の光電変換部の前記下部電極の一部には、前記第１の光電変換部の前記絶縁膜に設けられた開口から露出して、前記第１の光電変換部の前記光電変換膜と接する第１の露出領域が設けられ、
前記第１の光電変換部の前記下部電極の残りの部分には、前記第１の貫通電極と接する第１のコンタクト領域が設けられている、
上記（４）～（６）のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記固体撮像素子の上方から見た場合、
前記第２の光電変換部の前記下部電極には、前記第２の光電変換部の前記絶縁膜に設けられた開口から露出して、前記第２の光電変換部の前記光電変換膜と接する第２の露出領域が設けられ、
前記第２の露出領域の一部には、前記第１の貫通電極と電気的に接続される第２のコンタクト領域が設けられている、
上記（１５）に記載の固体撮像素子。
（１７）
マトリックス状に配置された複数の固体撮像素子を備える固体撮像装置であって、
前記各固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
を有し、
前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、
上部電極と、
下部電極と、
前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、
前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、
を含む積層構造を有し、
前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、
前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されている、
固体撮像装置。
（１８）
複数の固体撮像素子が配置された画素領域を取り囲む外周部に設けられた第３の貫通電極をさらに備え、
前記第２の光電変換部の前記下部電極は、第３の貫通電極を介して前記共通貫通電極に電気的に接続されている、
上記（１７）に記載の固体撮像装置。
（１９）
前記各固体撮像素子は、前記固体撮像装置を上方から見た場合、互いに隣り合う前記固体撮像素子の間に設けられたシールド電極をさらに有する、
上記（１７）又は（１８）に記載の固体撮像装置。
（２０）
固体撮像素子の読み出し方法であって、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
を備え、
前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、
上部電極と、
下部電極と、
前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、
前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、
を含む積層構造を有し、
前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、
前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されており、
前記第１及び第２の光電変換部の前記蓄積電極をそれぞれ制御して、前記第１及び第２の光電変換部の前記光電変換膜のそれぞれに蓄積した電荷を、前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれへ時間差を持って順次転送し、
前記第１及び前記第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれへ順次転送された前記電荷を、前記共通電荷蓄積部に順次蓄積し、順次読み出す、
ことを含む、
固体撮像素子の読み出し方法。
１ 固体撮像装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、８０ 画素アレイ部
３２ 垂直駆動回路部
３４ カラム信号処理回路部
３６ 水平駆動回路部
３８ 出力回路部
４０ 制御回路部
４２ 画素駆動配線
４４ 垂直信号線
４６ 水平信号線
４８ 入出力端子
５０ 外周部
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、８００ 固体撮像素子
１５０、３５０ 有機膜
２００、５２０、６２０、７２０ 配線層
２３０、５３０、５７０、５７２、６３０、６３０ａ、６７０、６７２、７３０、７７０、７７２ 配線
２３２、５３０ａ 電極
２４０ 層間絶縁膜
２５０、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２ 金属膜
３００ 半導体基板
３１０、３１２、４１０ 半導体領域
３１４、８１４ フローティングディフュージョン部
３４２ 分離絶縁膜
３５２ フォトレジスト
４００、５００、６００、７００、８０２、８０４、８０６ 光電変換素子
４０２ 反射防止膜
４０４ａ、４０４ｂ 導波路
４０６ａ、４０６ｂ インナーレンズ
４０８ａ、４０８ｂ 隔壁
４８０、５８０ 透明導電層
４５０、４６２、５０６、５４０、５６２、６０６、６４０、６６２、７０６、７４０、７６２、７８０ 絶縁膜
４６０、４６０ａ、５６０、５６０ａ、６６０、７６０、８６０ 貫通電極
５０２、６０２、７０２ 共通電極
５０４、６０４、７０４ 光電変換膜
５０６ａ、６０６ａ 開口
５０８、５１８、６０８、７０８ 読み出し電極
５０８ａ、６０８ａ 露出領域
５０８ｂ、６０８ｂ コンタクト領域
５１２、６１２ 転送電極
５１４、６１４ シールド電極
５１０、６１０、７１０ 蓄積電極
５９０、６９０ シールドパターン
７９０ オンチップレンズ
９００ 電子機器
９０２ 撮像装置
９１０ 光学レンズ
９１２ シャッタ機構
９１４ 駆動回路ユニット
９１６ 信号処理回路ユニット

Claims (17)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
    前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
    を備え、
    前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、
    上部電極と、
    下部電極と、
    前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、
    前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、
    を含む積層構造を有し、
    前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、
    前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されており、
    前記第２の光電変換部の前記下部電極は、前記第１の光電変換部を貫く第１の貫通電極を介して、前記第１の光電変換部の前記下部電極に電気的に接続されており、
    上方から見た場合、
    前記第１の光電変換部の前記下部電極の一部には、前記第１の光電変換部の前記絶縁膜に設けられた開口から露出して、前記第１の光電変換部の前記光電変換膜と接する第１の露出領域が設けられ、
    前記第１の光電変換部の前記下部電極の残りの部分には、前記第１の貫通電極と接する第１のコンタクト領域が設けられている、
    固体撮像素子。
  2. 前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通画素トランジスタに、前記共通貫通電極を介して電気的に接続されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記半導体基板と前記第１の光電変換部とに挟まれた第１の配線層をさらに備え、
    前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、前記第１の配線層が含む第１の配線を介して、前記共通貫通電極に電気的に接続される、請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とに挟まれた第２の配線層をさらに備え、
    前記第２の光電変換部の前記下部電極は、前記第２の配線層が含む第２の配線を介して、前記第１の貫通電極に電気的に接続される、請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第１の貫通電極は、前記第２の配線から、前記第１の光電変換部の前記下部電極まで、前記第２の配線層及び前記第１の光電変換部を貫通する、
    請求項４に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第２の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第３の光電変換部をさらに備え、
    前記第３の光電変換部は前記積層構造を有し、
    前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記共通貫通電極を介して前記共通電荷蓄積部に電気的に接続されている、
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  7. 前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記共通貫通電極を介して前記共通画素トランジスタに電気的に接続されている、請求項６に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記第２の光電変換部を貫く第２の貫通電極を介して、前記第２の光電変換部の前記下部電極に電気的に接続されている、
    請求項６又は７に記載の固体撮像素子。
  9. 前記第２の光電変換部と前記第３の光電変換部とに挟まれた第３の配線層をさらに備え、
    前記第３の光電変換部の前記下部電極は、前記第３の配線層が含む第３の配線を介して、前記第２の貫通電極に電気的に接続される、請求項８に記載の固体撮像素子。
  10. 前記第２の貫通電極は、前記第３の配線から、前記第２の光電変換部の前記下部電極まで、前記第３の配線層及び前記第２の光電変換部を貫通する、
    請求項９に記載の固体撮像素子。
  11. 前記積層構造は、前記下部電極と前記蓄積電極との間に設けられ、前記上部電極と、前記光電変換膜及び前記絶縁膜を介して対向する転送電極をさらに有する、
    請求項１～１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  12. 前記光電変換膜は、有機系材料からなる、請求項１～１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  13. 前記半導体基板内に設けられた、光を電荷に変換する第４の光電変換部をさらに備える、請求項１～１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  14. 前記固体撮像素子の上方から見た場合、
    前記第２の光電変換部の前記下部電極には、前記第２の光電変換部の前記絶縁膜に設けられた開口から露出して、前記第２の光電変換部の前記光電変換膜と接する第２の露出領域が設けられ、
    前記第２の露出領域の一部には、前記第１の貫通電極と電気的に接続される第２のコンタクト領域が設けられている、
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  15. マトリックス状に配置された複数の固体撮像素子を備える固体撮像装置であって、
    前記各固体撮像素子は、
    半導体基板と、
    前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
    前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
    を有し、
    前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、
    上部電極と、
    下部電極と、
    前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、
    前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、
    を含む積層構造を有し、
    前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、
    前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されており、
    複数の固体撮像素子が配置された画素領域を取り囲む外周部に設けられた第３の貫通電極をさらに備え、
    前記第２の光電変換部の前記下部電極は、第３の貫通電極を介して前記共通貫通電極に電気的に接続されている、
    固体撮像装置。
  16. 前記各固体撮像素子は、前記固体撮像装置を上方から見た場合、互いに隣り合う前記固体撮像素子の間に設けられたシールド電極をさらに有する、
    請求項１５に記載の固体撮像装置。
  17. 固体撮像素子の読み出し方法であって、
    前記固体撮像素子は、
    半導体基板と、
    前記半導体基板の上方に設けられ、光を電荷に変換する第１の光電変換部と、
    前記第１の光電変換部の上方に設けられ、光を電荷に変換する第２の光電変換部と、
    を備え、
    前記第１及び第２の光電変換部のそれぞれは、
    上部電極と、
    下部電極と、
    前記上部電極及び前記下部電極に挟まれた光電変換膜と、
    前記上部電極と、前記光電変換膜及び絶縁膜を介して対向する蓄積電極と、
    を含む積層構造を有し、
    前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれは、
    前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた、前記半導体基板を貫く共通貫通電極を介して、前記半導体基板内に前記第１及び第２の光電変換部に共通して設けられた共通電荷蓄積部に電気的に接続されており、
    前記第２の光電変換部の前記下部電極は、前記第１の光電変換部を貫く第１の貫通電極を介して、前記第１の光電変換部の前記下部電極に電気的に接続されており、
    前記固体撮像素子の上方から見た場合、
    前記第１の光電変換部の前記下部電極の一部には、前記第１の光電変換部の前記絶縁膜に設けられた開口から露出して、前記第１の光電変換部の前記光電変換膜と接する第１の露出領域が設けられ、
    前記第１の光電変換部の前記下部電極の残りの部分には、前記第１の貫通電極と接する第１のコンタクト領域が設けられており、
    前記第１及び第２の光電変換部の前記蓄積電極をそれぞれ制御して、前記第１及び第２の光電変換部の前記光電変換膜のそれぞれに蓄積した電荷を、前記第１及び第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれへ時間差を持って順次転送し、
    前記第１及び前記第２の光電変換部の前記下部電極のそれぞれへ順次転送された前記電荷を、前記共通電荷蓄積部に順次蓄積し、順次読み出す、
    ことを含む、
    固体撮像素子の読み出し方法。
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