WO2011145158A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2011145158A1
WO2011145158A1 PCT/JP2010/006884 JP2010006884W WO2011145158A1 WO 2011145158 A1 WO2011145158 A1 WO 2011145158A1 JP 2010006884 W JP2010006884 W JP 2010006884W WO 2011145158 A1 WO2011145158 A1 WO 2011145158A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lower electrode
photoelectric conversion
solid
imaging device
state imaging
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/006884
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
博記 長崎
浩久 大槻
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
Publication of WO2011145158A1 publication Critical patent/WO2011145158A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14632—Wafer-level processed structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures

Definitions

  • the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion units arranged above a substrate, wherein the photoelectric conversion unit includes a lower electrode, a photoelectric conversion film formed on the lower electrode, and the photoelectric conversion
  • the present invention relates to a stacked solid-state image pickup device including an upper electrode formed on a film.
  • An image sensor (solid-state imaging device) used for a digital still camera or the like is a CCD in which pixel cells including photodiodes are arranged on a semiconductor substrate and charges generated by entering light into the photodiodes are read as signal charges. Sensors and CMOS sensors are well known.
  • photodiodes, wiring for driving circuits, and the like are formed on a semiconductor substrate.
  • the wiring of the pixel cell portion has a layout in which an opening is formed on the photodiode for light reception.
  • a photodiode which is a photoelectric conversion element, a CCD, a MOS transistor, and various wirings are generally arranged on the upper surface of a semiconductor substrate.
  • a photoelectric conversion film for detecting light is stacked above the semiconductor substrate, the signal charges accumulated in each film are accumulated in the accumulation diode formed on the semiconductor substrate, and the signal charges accumulated in the accumulation diode are accumulated in the semiconductor substrate.
  • a solid-state imaging device having a configuration in which it is read and transferred by a signal readout circuit such as a formed CCD or MOS transistor has been studied.
  • the solid-state imaging device having this configuration is called a conventional solid-state imaging device.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a pixel portion for explaining a conventional solid-state imaging device.
  • a charge accumulation unit 903 and a signal readout unit 904 are formed for each pixel on an n-type Si substrate 902 having a plurality of pixels. Further, an insulating film 905 is formed on the n-type Si substrate 902, and a lower electrode 906 corresponding to each pixel of the n-type Si substrate 902 is formed on the insulating film 905. The lower electrode 906 and the charge storage portion 903 are connected by a plug 907 that penetrates the insulating film 905 for each pixel. On the lower electrode 906, a photoelectric conversion film 908, an upper electrode 909, and protective films 910, 911, and 912 are formed over a plurality of pixels.
  • incident light is absorbed by the photoelectric conversion film 908 and converted into electric charge, and the electric charge is accumulated in the electric charge accumulation unit 903 via the lower electrode 906, and then the signal readout unit 904. Is output as a signal.
  • a charge accumulation unit 903 for accumulating charges generated in the photoelectric conversion film 908 is provided in the n-type Si substrate 902, and a signal readout unit 904 is provided in the insulating film 905. Wiring for driving is provided.
  • the present invention provides a solid-state imaging device capable of efficiently reading out signal charges and suppressing a decrease in sensitivity while suppressing a decrease in the aperture ratio of a light receiving region due to an increase in the number of pixels.
  • the purpose is to do.
  • a solid-state imaging device is formed between a lower electrode formed in a pixel unit, an upper electrode formed above the lower electrode, and the lower electrode and the upper electrode.
  • the insulating layer is wired with a portion overlapping the lower electrode in plan view
  • the lower electrode is made of a metal film, and has a removal portion in which a part of the metal film in a region overlapping with the conductive film in a plan view is removed.
  • the “removal portion” here does not include a recess from which a part of the metal film in the thickness direction has been removed, and means a portion that has been completely removed in the thickness direction, that is, has penetrated, for example, an opening, a slit, There are notches.
  • the upper surface of the substrate includes a charge storage unit that is connected to the lower electrode through a contact plug and stores the charge converted by the photoelectric conversion unit, and the removal unit is connected to the contact plug.
  • the lower electrode has the removal portion in a state in which the lower electrode maintains the same appearance shape as that of the corresponding pixel portion in plan view.
  • the minimum distance between the side surfaces facing each other across the removal portion in the lower electrode is less than half of the distance from the lower electrode of the adjacent pixel portion, or the lower electrode is the lower electrode
  • the conductive film is connected to a conductive film for wiring arranged immediately below the contact plug through a contact plug, and the conductive film to which the lower electrode is connected is for a signal line.
  • the facing area between the lower electrode and the conductive film overlapping the lower electrode in plan view can be made smaller than that of the lower electrode without the removal portion, and as a result, the parasitic capacitance can be reduced. Can do.
  • the amplifier gain can be increased, so that the signal charge can be read efficiently and the sensitivity can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pixel portion showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for explaining a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view for explaining the arrangement of the color filters of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • the solid-state imaging device 1 includes a plurality of pixel units (sometimes simply referred to as “pixels”) 3, and the plurality of pixel units 3 include, for example, as illustrated in FIG. Two-dimensionally arranged in a matrix (matrix). Note that what appears in FIG. 2 are color filters 11r, 11g, and 11b, which will be described later, constituting each pixel unit 3, and the solid-state imaging device 1 is a so-called color solid-state imaging device.
  • the color filter 11r mainly transmits light in the red (R) wavelength region
  • the color filter 11g mainly transmits light in the green (G) wavelength region
  • the color filter 11b mainly transmits the blue (B) wavelength. Transmits light in the area.
  • a portion that overlaps the color filter 11r is a red pixel portion 3r
  • a portion that overlaps the color filter 11g is a green pixel portion 3g
  • a portion that overlaps the color filter 11b is a blue pixel portion 3b.
  • each of the pixel portions 3r, 3g, and 3b is formed with a semiconductor substrate 5 and photoelectric elements corresponding to the pixel portions 3r, 3g, and 3b formed above the semiconductor substrate 5 with an insulating film 7 interposed therebetween.
  • Conversion units 9r, 9g, and 9b, color filters 11r, 11g, and 11b of predetermined colors formed on the photoelectric conversion units 9r, 9g, and 9b, and microlenses formed on the color filters 11r, 11g, and 11b Accordingly, the solid-state imaging device 1 can take out the electric charge converted according to the incident light in the photoelectric conversion unit 9 through the signal reading unit (29) formed in the semiconductor substrate 5 or the like. It becomes possible.
  • the photoelectric conversion unit 9 includes a lower electrode 15 formed by being divided in units of pixels, a photoelectric conversion film 17 formed on the upper surface of the lower electrode 15, an upper electrode 19 formed on the upper surface of the photoelectric conversion film 17, A protective film 21 formed on the upper electrode 19, and the color filter 11 and the microlens 13 are formed on the upper surface of the protective film 21.
  • Each photoelectric conversion unit 9 includes a lower electrode 15, a portion of the upper electrode 19 that overlaps the lower electrode 15 in plan view, and a portion of the photoelectric conversion film 17 that overlaps the lower electrode 15 in plan view.
  • a photoelectric conversion region that can extract charges according to the light transmitted through the filter 11 is configured.
  • the upper electrode 19 is made of a conductive material that is transparent to incident light (highly translucent) because it is necessary to make light transmitted through the color filter 11 incident on the photoelectric conversion film 17.
  • a transparent conductive oxide TCO: Transparent Conducting Oxide
  • the upper electrode 19 has a single configuration common to all the pixel units 3.
  • the lower electrode 15 is a thin film divided for each pixel unit 3, and a metal film that is mainly an opaque conductive material is used.
  • the upper surface of the semiconductor substrate 5 has a charge storage portion 27 that is connected to the lower electrode 15 via a contact plug 33 and stores the charges converted by the photoelectric conversion portion 9. It exists in the area
  • the lower electrode 15 is characterized by having a removal portion in a state in which the same appearance shape as that of the corresponding pixel portion in plan view is maintained. Thereby, the charges converted by the photoelectric conversion film 17 in the pixel portion can be efficiently moved to the lower electrode 15.
  • the “appearance shape” here is a schematic shape, not the outer shape itself. Specifically, when the contour of the outer periphery repeats unevenness in plan view, the outer shape itself means a shape with repeated unevenness, and the “appearance shape” virtually connects the convex portions of the outer periphery. A shape represented by a line segment. Further, the minimum distance L1 (see FIG.
  • the photoelectric conversion film 17 has a single-layer configuration common to all the pixel units 3 and includes a photoelectric conversion material that absorbs light in a specific wavelength region and generates charges according to the light.
  • a photoelectric conversion material an organic photoelectric conversion material can be used from the viewpoint of excellent spectral characteristics and sensitivity.
  • the photoelectric conversion unit 9 including the lower electrode 15, the photoelectric conversion film 17, and the upper electrode 19 (more precisely, including the protective film 21), a predetermined bias voltage is applied between the upper electrode 19 and the lower electrode 15.
  • a predetermined bias voltage is applied between the upper electrode 19 and the lower electrode 15.
  • one of the charges (holes and electrons) generated in the portion sandwiched between the lower electrode 15 and the upper electrode 19 (that is, the photoelectric conversion region) is moved to the upper electrode 19. The other can be moved to the lower electrode 15.
  • the semiconductor substrate 5 includes, for example, an n-type silicon substrate 23 and a p-well layer 25 formed on the silicon substrate 23.
  • a p-type silicon substrate may be used as the semiconductor substrate 5.
  • the semiconductor substrate 5 corresponds to the lower electrode 15 of each photoelectric conversion unit 9, a charge accumulation unit 27 for accumulating charges that have been photoelectrically converted by the photoelectric conversion film 17 and moved to the lower electrode 15, and a charge accumulation unit 27.
  • a signal reading unit 29 that converts the charge accumulated in the voltage into a voltage signal and outputs it, and a transfer gate 31 for transferring the charge accumulated in the charge accumulation unit 27 to the signal reading unit 29 are formed.
  • the charge storage portion 27 is made of an n-type impurity region, and is electrically connected to the lower electrode 15 by a contact plug 33 made of a conductive material that penetrates the insulating film 7. Thereby, the charge converted by each photoelectric conversion film 17 and collected by the lower electrode 15 can be moved to the charge storage unit 27.
  • the signal readout unit 29 is configured by a known CMOS circuit, a circuit combining a CCD and an amplifier, or the like.
  • the transfer gate 31 is composed of, for example, a transistor, the charge storage unit 27 is composed of a transistor source, the transfer gate 31 is composed of a transistor gate, and the signal readout unit 29 is composed of a transistor drain.
  • Insulating film 7 The insulating film 7 is disposed (formed) between the semiconductor substrate 5 and the photoelectric conversion unit 9, and a contact plug 33 that connects the lower electrode 15 and the charge storage unit 27 inside the insulating film 7.
  • wiring layers 35, 37, and 39 for driving the signal reading unit 29 and contacts 41 that connect the wiring layer (for example, the wiring layer 35) and the signal reading unit 29 are embedded.
  • Color filter 11 Each color filter 11r, 11g, 11b is formed on the upper surface of the protective film 21 of each photoelectric conversion unit 9r, 9g, 9b corresponding to each pixel unit 3r, 3g, 3b.
  • the arrangement of the color filters 11r, 11g, and 11b that is, the arrangement of the pixel units 3r, 3g, and 3b employs a color filter array (for example, a Bayer array) used in a known single-plate solid-state imaging device.
  • a color filter array for example, a Bayer array
  • vertical stripes, horizontal stripes, and the like can be employed.
  • Micro lens 13 The microlens 13 is formed, for example, in a dome shape on the upper surface of each color filter 11, and condenses the light incident on the microlens 13 onto the photoelectric conversion film 17 of the photoelectric conversion unit 9 in each pixel unit 3. 3.
  • the lower electrode 15 is composed of a thin metal film 43, a removal portion is formed in a part of the metal film 43 in a plan view, and a facing area with the wiring layer 39 directly under the lower electrode 15 is small. It has a structure.
  • FIG. 3 is a plan view of the lower electrode 15 per pixel.
  • the lower electrode 15 has a large number of openings 45 formed in a part of a metal film 43 having an overall shape (here, a square shape) that is the same shape or substantially the same shape as the planar view shape in one pixel portion in a planar view. ing.
  • the openings 45 are formed at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions (matrix) except for the central portion 47 of the metal film 43.
  • the central portion 47 of the metal film 43 serves as a connection portion with the contact plug 33 connected to the charge storage portion 27 as shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram when the lower electrode 15 and the wiring layer 39 immediately below the lower electrode 15 are viewed in a plan view.
  • the lower electrode 15 and the wiring layer 39 are arranged so that the lower electrode 15 and the wiring layer 39 overlap in a plan view. Since the lower electrode 15 has a plurality of openings 45, the area of the metal film 43 in plan view can be reduced, and as a result, the facing area with the wiring layer 39 immediately below the lower electrode 15 can be reduced. Thereby, the parasitic capacitance generated in the lower electrode 15, the insulating film 7, and the wiring layer 39 can be made smaller than the parasitic capacitance when no opening or slit is formed in the lower electrode. 4). Operation The operation of the solid-state imaging device 1 will be described with reference to FIG.
  • An electric charge corresponding to the incident light is generated in the photoelectric conversion film 17. Then, by applying a bias voltage between the lower electrode 15 and the upper electrode 19, an electric field is applied to the photoelectric conversion film 17, and charges generated in the photoelectric conversion film 17 are moved to the lower electrode 15.
  • the charge that has moved to the lower electrode 15 is transferred to and stored in the charge storage unit 27 via the contact plug 33 and transferred to the signal readout unit 29 by the transfer gate 31, and then a signal corresponding to the transferred charge is signaled.
  • the data is taken out by the reading unit 29.
  • the capacity is constituted by the lower electrode 15, the wiring layer 39 immediately below the lower electrode 15, and the insulating material (insulating film (7)) existing between the lower electrode 15 and the wiring layer 39, thereby forming a parasitic capacitance.
  • the facing area between the lower electrode 15 and the wiring layer 39 can be reduced by the presence of the opening 45, the parasitic capacitance can be reduced as compared with the case where no opening is provided. Thereby, the signal charge can be read efficiently, and the sensitivity can be improved. 5.
  • Embodiment (1) Lower electrode 15 As described above, the lower electrode 15 is composed of the metal film 43 formed in a predetermined shape for each pixel portion 3, and an opaque conductive material (Al, Ti, TiN, Cu, Cr, In, Ag, etc.) are used.
  • an opaque conductive material Al, Ti, TiN, Cu, Cr, In, Ag, etc.
  • the film thickness of the lower electrode 15 is in the range of 50 [nm] to 200 [nm], for example, 100 [nm].
  • the shape of the opening 45 formed in the metal film 43 is square, and the size (dimension) is 60 [nm] to 70 [nm] on one side.
  • the size of the opening depends on the unit pixel size, but the wiring layer (39 ) Is preferably less than half of the distance between the lower electrodes 15 for each pixel portion 3 (corresponding to “L2” in FIG. 1), and in particular, 60 [nm] to 70 It is preferable to form with [nm]. This is because the minimum dimensions for making holes and spaces in the diffusion line can be used.
  • the interval between the lower electrodes between adjacent pixels is 150 [nm] to 300 [nm].
  • an organic photoelectric conversion material is preferably used for the photoelectric conversion film 17.
  • quinacridone, a compound, or the like can be used, and the film thickness is 500 [nm] to 700 [nm].
  • Upper electrode 19 As described above, the upper electrode 19 is preferably made of a transparent conductive oxide (TCO) having a small resistance value, and ITO can be used.
  • TCO transparent conductive oxide
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • ZO zinc oxide
  • titanium oxide titanium oxide
  • the material of the transparent electrode is preferably one that can be formed by a plasma-free film forming apparatus, an EB vapor deposition apparatus, and a pulse laser vapor deposition apparatus, and ITO, IZO, tin oxide, antimony dope are particularly preferable.
  • the material is any one of tin oxide (ATO), FTO, zinc oxide, AZO, gallium-doped zinc oxide (GZO), and titanium oxide.
  • the signal readout unit 29 is connected via the contact 41 to the wiring layer 35 that is farthest from the photoelectric conversion unit 9, in other words, the semiconductor substrate 5. Alternatively, it may be connected to another wiring layer in the insulating film 7.
  • the signal readout unit 29 included in the semiconductor substrate is closest to the photoelectric conversion unit 9, in other words, the wiring farthest from the semiconductor substrate 5. It is connected to the layer 209 through a contact 211. As a result, the lower electrode 15 and the signal line have the same potential, so that the parasitic capacitance can be further reduced.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the solid-state imaging device 201 for explaining the second embodiment.
  • symbol shall be used about the same structure as the solid-state imaging device 1 which concerns on 1st Embodiment.
  • the solid-state imaging device 201 includes a semiconductor substrate 5, an insulating film 203, a photoelectric conversion unit 9, a color filter 11, and a microlens 13.
  • the semiconductor substrate 5 includes a charge storage unit 27 and a signal readout unit 29 on an upper portion of a p-well layer 25 formed on the n-type silicon substrate 23. Also in this case, the charge storage unit 27 and the signal readout unit 29 are connected via the transfer gate 31.
  • the photoelectric conversion unit 9 includes a lower electrode 15, a photoelectric conversion film 17, an upper electrode 19, and a protective film 21, and a color filter 11 and a microlens 13 are formed above the photoelectric conversion unit 9.
  • the lower electrode 15 is electrically connected to the charge storage unit 27 via the contact plug 33.
  • the lower electrode 15 is made of a metal film 43, and a part of the lower electrode 15 is opened (having an opening 45 as an example of a removal portion).
  • Wiring layers 205, 207, and 209 are embedded in the insulating film 203, and the uppermost layer (outermost layer) wiring layer 209 arranged at a position closest to the photoelectric conversion unit 9 is connected to the contact 211. ing.
  • the signal readout unit 29 is connected to the uppermost wiring layer 209 (for signal lines) as compared with the solid-state imaging device 1 shown in the first embodiment. It is formed.
  • the lower electrode 15 and the wiring layer 209 arranged immediately below the lower electrode 15 have substantially the same potential, and the parasitic capacitance can be further reduced. High sensitivity can be realized.
  • the removal part of the lower electrode 15 in the first and second embodiments is a square-shaped opening 45 formed in plural at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions of the metal film 43.
  • the openings may have other shapes. Hereinafter, modified examples of the shape of the opening will be described.
  • FIG. 6A shows the lower electrode 15 described in the embodiment and is shown for comparison.
  • a lower electrode 301 shown in FIG. 6B includes a metal film 303 having a square shape in plan view, and a slit-like opening extending in one of the vertical and horizontal directions (here, the horizontal direction) of the metal film 303.
  • a plurality of (305) 305 are formed at a predetermined interval in the other direction (here, the vertical direction), and the central portion 307 serves as a connection portion with the contact plug.
  • the shape of the opening is a slit shape.
  • a lower electrode 311 shown in FIG. 6C includes a metal film 313 having a square shape in plan view, and the metal film 313 is formed in a square shape having one side that is half the length of one side of the metal film 313 having a square shape as a whole. Is divided into four regions (in other words, in the first to fourth quadrants), “L” -shaped corners are located on the diagonal line of the metal film 313 and “L” -shaped opening side faces outward. ”-Shaped slits 315, openings 316 formed at the four corners of a square-shaped metal film 313, and slits 317 that are located at each of the four divided boundaries and extend in a direction perpendicular to each side.
  • the central portion 319 serves as a connection portion with the contact plug.
  • a lower electrode 321 shown in FIG. 6D includes a metal film 323 having a square shape in plan view, and the metal film 323 is formed in a square shape having one side that is half the length of one side of the metal film 323 having a square shape as a whole. Is divided into four regions (in other words, in the first to fourth quadrants), “L” corners are positioned on the diagonal of the metal film 323 and the “L” opening side faces inward. "-Shaped slit 325 is formed, and the central portion 327 is a connection portion with the contact plug.
  • the lower electrode 331 shown in FIG. 6 (e) has square cutouts 337 on each side forming a square shape with respect to the metal film 43 of the lower electrode 15 according to the first embodiment. It is a simple configuration.
  • the metal film 333 having a square shape in plan view is provided, the openings 335 are formed in the vertical and horizontal directions except for the central portion 339 of the metal film 334 having a square shape as a whole, and the openings 335 are formed on each side of the square shape.
  • a plurality of square cutouts 337 are formed at regular intervals.
  • the central portion 339 serves as a connection portion with the contact plug.
  • the lower electrode 341 shown in (f) of FIG. 6 has a configuration in which square notches 347 are provided on each side forming a square shape with respect to the metal film 303 of the lower electrode 301 of (b). .
  • the metal film 343 having a square shape in plan view is formed, slits 345 and 346 extending in the lateral direction are formed except for the central portion 349 of the metal film 343 having a square shape as a whole, and each of the square shapes is formed in a square shape.
  • a plurality of square notches 347 are formed at equal intervals on the side.
  • the central portion 349 is a connection portion with the contact plug.
  • the lower electrode 351 shown in FIG. 6G has a configuration in which a square notch 357 is provided on each side forming a square shape with respect to the metal film 313 of the lower electrode 311 in FIG. .
  • a slit 355 extending in a letter shape and an opening 356 on the outer side of the slit 355 located on the outermost periphery are formed, and a plurality of square notches 357 are provided at equal intervals on each side of the square shape as a whole. Is formed.
  • the central portion 359 is a connection portion with the contact plug.
  • the lower electrode 361 shown in (h) of FIG. 6 has a configuration in which square notches 367 are provided on each side forming a square shape with respect to the metal film 323 of the lower electrode 321 of (d). .
  • the metal film 363 having a square shape in plan view is provided, and a slit 365 extending in an “L” shape in the vertical and horizontal directions is formed except for the central portion 369 of the metal film 363 having a square shape as a whole.
  • a plurality of square notches 367 are formed at equal intervals on each side of the square shape.
  • the central portion 369 is a connection portion with the contact plug.
  • a lower electrode 371 shown in (i) of FIG. 7 includes a metal film 373 having a square shape in plan view, and passes through the center of the metal film 373 having a square shape as a whole. )), A slit 375 extending in a direction perpendicular to the band portion 377 (here, the lateral direction) is formed in a region excluding the band portion 377 extending on both sides of the band portion 377. A central portion 379 of the portion 377 serves as a connection portion with the contact plug.
  • the lower electrode 381 shown in (j) of FIG. 7 has a square notch 387 provided on each side forming a square shape with respect to the metal film 373 of the lower electrode 371 of FIG. 7 (i). It is a configuration.
  • the metal film 383 having a square shape in plan view is provided, and the metal film 383 having a square shape as a whole is stretched in one of the vertical and horizontal directions (here, the horizontal direction) except for the central band portion 386.
  • a slit 385 is formed, and a plurality of square cutouts 387 are formed at equal intervals on each side having a square overall shape.
  • the central portion 388 of the band portion 386 is a connection portion with the contact plug.
  • the removal portion when there are a plurality of openings, slits, and cutouts constituting the removal portion, all or some of them may have different shapes, or all or some of them may be different.
  • the size may be different. 6 and 7, the removal portion is formed with regularity (point symmetry, line symmetry, etc.), but may be formed without regularity.
  • the overall shape (external shape) of the lower electrode in plan view is preferably the same as the plan view shape of the pixel portion. Furthermore, it is preferable that the overall size of the lower electrode in plan view (the size of the overall shape) be as close as possible to the size of the pixel portion in plan view. This is because the charge generated in the photoelectric conversion film of each pixel portion is moved to the lower electrode in the pixel portion where the charge is generated.
  • the overall shape (external shape) of the pixel portion including the lower electrode 381 shown in FIG. 7J in plan view is a square shape.
  • the lower electrode 381 has a notch 387 on each side of the square shape in a plan view, but the outer shape is a square shape as indicated by a broken line 389 in FIG. It has the same shape as the visual shape.
  • FIG. 8 is a diagram showing a positional relationship between the lower electrode and the wiring layer.
  • the lower electrode 401 has a square shape in plan view, and a predetermined interval is provided in the vertical and horizontal directions in a region excluding one corner 407 of the square metal film 403. And a plurality of openings 405 formed in the above.
  • the corner portion 407 is a connection portion with the contact plug.
  • two wiring layers 411a and 411b are formed in an insulating layer (not shown) in a state of extending in parallel.
  • the lower electrode 401 is disposed so as to overlap the entire width of the wiring layer 411b, and the corner portion 407 is located between the wiring layer 411a and the wiring layer 411b.
  • the lower electrode 401 has the opening 405 in a region that does not overlap with the wiring layers 411a and 411b in a plan view, but the opening 405 may not be provided in a region that does not overlap.
  • the lower electrode 371 is the lower electrode described in (i) of FIG.
  • two wiring layers 421a and 421b are formed in an insulating layer (not shown) in a state of extending in parallel.
  • the lower electrode 371 is arranged so that the band portion 377 is positioned between the wiring layer 421a and the wiring layer 421b in a state of extending in parallel with the wiring layers 421a and 421b.
  • the contact plug is connected to the central portion 379 of the band portion 377, but may be connected to, for example, two places on both ends (here, the upper and lower ends) of the band portion 377.
  • (4) Relationship between the slit of the lower electrode and the wiring layer In the above embodiment and the like, the relationship between the extending direction of the slit of the lower electrode and the extending direction of the wiring (wiring direction) is particularly described. However, the direction in which the slit of the lower electrode extends is preferably a direction that intersects or even crosses the direction in which the wiring extends.
  • the extension direction of the slit and the extension direction of the wiring are parallel to each other, there is a concern that the facing area between the lower electrode and the wiring becomes larger than when the slit is provided so as to be perpendicular to the wiring. Because it is done.
  • Pixel Shape In the above-described embodiment and the like, the shape of the pixel portion in plan view is a square shape, but other shapes may be naturally used.
  • FIG. 9 is a diagram showing a modification of the pixel shape, (a) is a plan view excluding the microlens, and (b) is a plan view of the lower electrode.
  • the solid-state imaging device 501 includes a plurality of pixel units, and the color filters 503r, 503g, and 503b of each pixel unit include a plurality of green color filters 503g arranged in odd rows and red in even rows.
  • a plurality of color filters 503r and blue color filters 503b are alternately arranged, and odd and even rows are arranged so as to be shifted from each other by about 1 ⁇ 2 of the arrangement pitch in the row direction.
  • the resolution can be doubled.
  • the lower electrode 505 has an appearance that is substantially the same as the pixel shape in plan view, as shown in FIG. 5B, and is composed of a regular hexagonal metal film 507 here.
  • the lower electrode 505 extends in a direction extending outwardly through the center in a region excluding the central portion 513 of the metal film 507, and a slit 509 formed between the central portion 513 and the outer peripheral edge.
  • the removal part which consists of the notch 511 formed from the center part 513 to the outer periphery is provided.
  • the shape of the lower electrode can also be implemented by forming a square shape corresponding to the pixel portion and inclining 45 [°], and providing a removal portion, as in the first embodiment.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

　基板（５）の上方に絶縁層（７）を介して形成された下部電極（１５）と、下部電極（１５）の上方に形成された上部電極（１９）と、下部電極（１５）と上部電極（１９）との間に形成された光電変換膜（１７）とを有し、上部電極（１９）の上方に形成されたカラーフィルタ（１１）を備え、下部電極（１５）の形状は、下部電極（１５）の直下に配列された絶縁層（７）内の配線層（３９）との対面面積が小さくなるように開口（４５）が形成されている。

Description

固体撮像装置
　本発明は、基板上方に配列された複数の光電変換部を有する固体撮像装置であって、前記光電変換部が、下部電極と、前記下部電極上に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜上に形成された上部電極とを含んで構成された、積層型の固体撮像装置に関するものである。
　デジタルスチルカメラなどに利用されているイメージセンサ（固体撮像装置）は、半導体基板上にフォトダイオードを含む画素セルを配列し、フォトダイオードに光を入射することにより生じた電荷を信号電荷として読み出すＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサがよく知られている。これらの固体撮像装置は、半導体基板上にフォトダイオードおよび駆動回路の配線などが形成されている。画素セル部の配線は、受光のためにフォトダイオード上を開口したレイアウトとなっている。
　近年、デジタルスチルカメラなどの高画素数化に伴って、固体撮像装置の画素セルの微細化が進められている。このような固体撮像装置においては、光電変換素子であるフォトダイオードおよびＣＣＤやＭＯＳトランジスタや各種配線を半導体基板の上面に配置したものが一般的である。
　しかし、この場合、光電変換素子の受光領域が画素信号読み出し回路を避けるように配置する必要があるので、半導体基板の面積を増加させることなく画素数を増大させると、受光領域の開口率が小さくなり、感度が悪化する等の課題が生じていた。
　そこで、半導体基板上方に光を検出する光電変換膜を積層し、各膜に蓄積された信号電荷を半導体基板に形成された蓄積ダイオードに蓄積し、蓄積ダイオードに蓄積した信号電荷を、半導体基板に形成されているＣＣＤやＭＯＳトランジスタ等の信号読み出し回路で読み出して転送するという構成の固体撮像装置が検討されている。なお、この構成の固体撮像装置を従来の固体撮像装置という。
　図１０は、従来の固体撮像装置を説明するための画素部断面模式図である。
　従来の固体撮像装置９０１は、複数の画素を備えたｎ型Ｓｉ基板９０２に、画素ごとに電荷蓄積部９０３と信号読み出し部９０４が形成されている。さらに、ｎ型Ｓｉ基板９０２の上に絶縁膜９０５が形成され、絶縁膜９０５の上にはｎ型Ｓｉ基板９０２の画素ごとに対応した下部電極９０６が形成されている。この下部電極９０６と電荷蓄積部９０３とは画素ごとに絶縁膜９０５を貫通するプラグ９０７によって接続されている。
下部電極９０６の上には光電変換膜９０８、上部電極９０９、保護膜９１０，９１１，９１２が複数の画素にわたって形成されている。保護膜９１２の上には画素ごとにＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタ９１３とマイクロレンズ９１４が形成されている。
また、特許文献１の段落番号００４２には、絶縁膜９０５内に、信号読み出し回路を駆動するための配線などが埋設されていることが記載されている。
　このように構成された固体撮像装置９０１では、入射光が光電変換膜９０８で吸収されて電荷に変換され、この電荷が下部電極９０６を介し電荷蓄積部９０３に蓄積された後、信号読み出し部９０４によって信号として出力される。
特開２００８－２５２００４号公報
　しかしながら、従来の固体撮像装置においては、ｎ型Ｓｉ基板９０２内に、光電変換膜９０８で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部９０３を設け、また、絶縁膜９０５内に、信号読み出し部９０４を駆動するための配線を設けている。
　このため、下部電極９０６と、この下部電極９０６直下に配列されている配線との間に寄生容量が生じてしまう。その結果、出力信号が劣化してしまうという課題が生じる。
　なお、この課題は、カラーフィルタを備えるカラー固体撮像装置だけでなく、カラーフィルタを備えない固体撮像装置にも生じる。
　上記の課題に鑑みて、本発明は、高画素数増加に伴う受光領域の開口率の低下を抑制しつつ、効率よく信号電荷を読み出し、感度低下を抑制させることが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、画素単位で形成された下部電極と、前記下部電極上方に形成された上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に形成された光電変換膜とを有する光電変換部が絶縁層を介して基板上に配されてなる固体撮像装置において、前記絶縁層内には、平面視において前記下部電極と重なる部分を有する状態で配線用の導電膜が形成されており、前記下部電極は、金属膜により構成され、平面視において前記導電膜と重なる領域の金属膜の一部が除去された除去部を有することを特徴としている。
　ここでいう「除去部」とは、金属膜の厚み方向の一部を除去した凹は含まず、厚み方向に完全に除去した、つまり貫通した状態にあるものをいい、例えば、開口、スリット、切り欠き等がある。
　また、前記基板上面には、前記下部電極に対してコンタクトプラグを介して接続され且つ前記光電変換部で変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部を有し、前記除去部は、コンタクトプラグと接続される領域以外に存することを特徴とし、あるいは、前記下部電極は、対応する画素部の平面視における外観形状と同じ外観形状を維持する状態で、前記除去部を有することを特徴としている。
　さらに、下部電極における前記除去部を挟んで対向する側面間の最小距離が、隣接する画素部の下部電極との距離の半分未満であることを特徴とし、あるいは、前記下部電極は、当該下部電極の直下に配列された配線用の導電膜にコンタクトプラグを介して接続され、当該下部電極が接続されている導電膜は信号線用であることを特徴としている。
　上記構成により、下部電極と、平面視において当該下部電極と重なる導電膜との間の対向面積を、除去部を有しない下部電極よりも小さくすることができ、結果的に寄生容量が小さくすることができる。
　これにより、アンプゲインを大きくすることができるため信号電荷を効率よく読み出すことができ、また感度を向上させることが可能となる。
第１の実施の形態を説明するための固体撮像装置の概略構成を示す画素部断面模式図である。 第１の実施の形態の固体撮像装置のカラーフィルタの配列を説明するための平面模式図である。 １画素あたりの下部電極の平面図である。 下部電極と、下部電極の直下の配列された配線層とを平面視した際の模式図である。 第２の実施の形態を説明するための固体撮像装置の概略構成を示す断面模式図である。 下部電極の開口形状の変形例を示す図である。 下部電極の開口形状の変形例を示す図である。 下部電極と配線層との位置関係を説明する図である。 画素部形状の変形例を示す図である。 従来の固体撮像装置を説明するための画素部断面模式図である。
＜第１の実施の形態＞
１．全体構成
　図１は、第１の実施の形態を説明するための固体撮像装置の概略構成を示す画素部断面模式図である。図２は、第１の実施の形態の固体撮像装置のカラーフィルタの配列を説明するための平面模式図である。
　固体撮像装置１は、図１に示すように、複数の画素部（単に「画素」という場合もある。）３を有し、これら複数の画素部３は、図２に示すように、例えば、行列状（マトリクス状）に２次元配列されている。なお、図２で現れているのは、各画素部３を構成している後述のカラーフィルタ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂであり、本固体撮像装置１は、いわゆるカラー固体撮像装置である。
　ここで、カラーフィルタ１１ｒは主として赤色（Ｒ）の波長域の光を透過し、カラーフィルタ１１ｇは主として緑色（Ｇ）の波長域の光を透過し、カラーフィルタ１１ｂは主として青色（Ｂ）の波長域の光を透過する。
　また、平面視において、カラーフィルタ１１ｒと重なる部分を赤色画素部３ｒとし、カラーフィルタ１１ｇと重なる部分を緑色画素部３ｇとし、カラーフィルタ１１ｂと重なる部分を青色画素部３ｂとする。
　各画素部３ｒ，３ｇ，３ｂは、図１に示すように、半導体基板５と、当該半導体基板５の上方に絶縁膜７を介して形成され且つ各画素部３ｒ，３ｇ，３ｂに対応した光電変換部９ｒ，９ｇ，９ｂと、当該光電変換部９ｒ，９ｇ，９ｂ上に形成された所定色のカラーフィルタ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂと、当該カラーフィルタ１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ上に形成されたマイクロレンズ１３とを備える
　これにより、固体撮像装置１は、光電変換部９において入射光に応じて変換された電荷を半導体基板５内に形成されている信号読み出し部（２９）等を介して取り出すことが可能となる。
　なお、各色に関係なく、画素部を表す際には符号「３」を、光電変換部を表す際には符号「９」を、カラーフィルタを表す際には符号「１１」をそれぞれ用いる。
２．各部構成
（１）光電変換部９
　光電変換部９は、画素単位で分割して形成された下部電極１５と、下部電極１５の上面に形成された光電変換膜１７と、光電変換膜１７の上面に形成された上部電極１９と、上部電極１９上に形成された保護膜２１とを備え、当該保護膜２１の上面に、カラーフィルタ１１及びマイクロレンズ１３が形成されている。
　各光電変換部９は、下部電極１５と、下部電極１５と平面視において重なる部分の上部電極１９と、下部電極１５と平面視において重なる部分の光電変換膜１７とにより、各画素部３のカラーフィルタ１１を透過した光に応じた電荷を取り出すことが可能な光電変換領域が構成される。
　上部電極１９は、カラーフィルタ１１を透過した光を光電変換膜１７に入射させる必要があるため、入射光に対して透明となる（透光性の高い）導電性材料で構成される。上部電極１９の材料としては、可視光に対する透過率が高く、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（ＴＣＯ;Transparent Conducting Oxide）を用いることができる。なお、上部電極１９は、すべての画素部３で共通の一枚構成である。
　下部電極１５は、画素部３毎に分割された薄膜であり、主として不透明の導電性材料である金属膜を用いる。半導体基板５上面には、下部電極１５に対してコンタクトプラグ３３を介して接続され光電変換部９で変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部２７を有し、下部電極１５の除去部は、コンタクトプラグ３３と接続される領域以外に存することを特徴としている。これにより、下部電極１５に除去部が存しても、電荷蓄積部２７との電気的接続を確保することができる。
　また、下部電極１５は、対応する画素部の平面視における外観形状と同じ外観形状を維持する状態で、除去部を有することを特徴としている。これにより、画素部内の光電変換膜１７で変換された電荷を効率よく下部電極１５に移動させることができる。ここでいう「外観形状」とは、概略的な形状であり、外周の形状そのものでない。具体的に説明すると、平面視において、外周の輪郭が凹凸を繰り返している場合、外周の形状そのものは凹凸を繰り返している形状をいい、「外観形状」は外周の凸の部分を仮想的に結んだ線分から表される形状をいう。
さらに、下部電極１５における除去部を挟んで対向する側面間の最小距離Ｌ１（図１参照）が、隣接する画素部の下部電極１５との距離Ｌ２の半分未満があることを特徴としている。これにより、画素部内の光電変換膜１７で変換された電荷を効率よく下部電極に移動させることができる。
　なお、下部電極１５の構成、特に形状については後に詳細に説明する。
　光電変換膜１７は、全ての画素部３で共通の一枚構成であり、特定の波長域の光を吸収してこの光に応じた電荷を発生する光電変換材料を含んで構成される。光電変換材料としては、分光特性や感度に優れる点から有機光電変換材料を用いることができる。
　下部電極１５、光電変換膜１７、上部電極１９から構成される（正確には保護膜２１も含む）光電変換部９では、上部電極１９と下部電極１５の間に所定のバイアス電圧を印加することで、光電変換膜１７における下部電極１５と上部電極１９とで挟まれる部分（つまり、光電変換領域である。）で発生した電荷（正孔、電子）のうちの一方を上部電極１９に移動させ、他方を下部電極１５に移動させることができる。
　一般的には、上部電極１９に配線が接続され、この配線を介して負のバイアス電圧が上部電極１９に印加され、光電変換膜１７で変換・発生した電荷を下部電極１５へと移動させる。
（２）半導体基板５
　半導体基板５は、例えば、ｎ型シリコン基板２３と、当該シリコン基板２３上に形成されたｐウェル層２５とからなる。なお、半導体基板５としてｐ型シリコン基板を利用しても良い。
　半導体基板５は、各光電変換部９の下部電極１５に対応させて、光電変換膜１７で光電変換されて下部電極１５に移動した電荷を蓄積するための電荷蓄積部２７と、電荷蓄積部２７に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する信号読み出し部２９と、電荷蓄積部２７に蓄積された電荷を信号読み出し部２９へと転送するための転送ゲート３１とが形成されている。
　電荷蓄積部２７は、ｎ型不純物領域からなり、絶縁膜７を貫通して形成された導電性材料のコンタクトプラグ３３によって下部電極１５と電気的に接続されている。これにより、各光電変換膜１７で変換され、下部電極１５で捕集された電荷を電荷蓄積部２７へと移動させることができる。
　信号読み出し部２９は、公知のＣＭＯＳ回路や、ＣＣＤとアンプとを組み合わせた回路等によって構成されている。
　転送ゲート３１は、例えばトランジスタにより構成され、上記の電荷蓄積部２７はトランジスタのソースにより、転送ゲート３１はトランジスタのゲートにより、信号読み出し部２９はトランジスタのドレインによりそれぞれ構成される。
（３）絶縁膜７
　絶縁膜７は、半導体基板５と光電変換部９との間に配され（形成され）ており、当該絶縁膜７の内部には、下部電極１５と電荷蓄積部２７とを接続するコンタクトプラグ３３の他、信号読み出し部２９を駆動するための配線層３５，３７，３９や、配線層（例えば配線層３５である。）と信号読み出し部２９とを接続するコンタクト４１が埋設されている。
（４）カラーフィルタ１１
　各カラーフィルタ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、各画素部３ｒ，３ｇ，３ｂに対応して、各光電変換部９ｒ，９ｇ，９ｂの保護膜２１の上面に形成されている。
　カラーフィルタ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂの配列、つまり、各画素部３ｒ，３ｇ，３ｂの配列は、公知の単板式固体撮像装置に用いられているカラーフィルタ配列（例えばベイヤー配列）を採用している。なお、ベイヤー配列以外に、例えば縦ストライプ、横ストライプ等も採用することができる。
（５）マイクロレンズ１３
　マイクロレンズ１３は、各カラーフィルタ１１の上面に例えばドーム状に形成されており、マイクロレンズ１３に入射した光を各画素部３における光電変換部９の光電変換膜１７に集光させる。
３．下部電極１５について
　下部電極１５は、薄肉の金属膜４３から構成され、金属膜４３の一部に平面視において除去部が形成されており、下部電極１５直下の配線層３９との対面面積が小さい構造となっている。
　図３は、１画素あたりの下部電極１５の平面図である。
　下部電極１５は、平面視において１画素部における平面視形状と同じ形状または略同じ形状を全体形状（ここでは、正方形状である。）とする金属膜４３の一部に開口４５が多数形成されている。
　開口４５は、金属膜４３の中央部分４７を除いて、縦横（行列状）に所定の間隔をおいて形成されている。なお、金属膜４３の中央部分４７は、図１に示すように、電荷蓄積部２７に接続されているコンタクトプラグ３３との接続部となる。
　図４は、下部電極１５と、下部電極１５の直下の配線層３９とを平面視した際の模式図である。
　同図に示すように、平面視において、下部電極１５と配線層３９とが重なるように下部電極１５及び配線層３９が配されている。下部電極１５は、複数の開口４５を有しているため、金属膜４３の平面視の面積を小さくでき、結果的に下部電極１５直下の配線層３９との対面面積を小さくできる。これにより、下部電極１５、絶縁膜７及び配線層３９で発生する寄生容量を、下部電極に開口またはスリットが形成されていない場合の寄生容量よりも小さくできる。
４．動作
　図１を用いて固体撮像装置１の動作を説明する。
　まず、各マイクロレンズ１３側から光が入射され、その入射光のうち、所定の波長領域の光だけがマイクロレンズ１３下に配されているカラーフィルタ１１を透過した後、各カラーフィルタ１１下の光電変換部９に入射する。
　この入射光に応じた電荷が光電変換膜１７で発生する。そして、下部電極１５と上部電極１９との間にバイアス電圧を印加することにより、光電変換膜１７中に電界がかかり、光電変換膜１７中に発生した電荷を下部電極１５へと移動させる。
　下部電極１５に移動した電荷は、コンタクトプラグ３３を介して電荷蓄積部２７に移送して蓄積され、転送ゲート３１により信号読み出し部２９に転送された後、転送された電荷に応じた信号が信号読み出し部２９により外部に取り出される。
　この際、下部電極１５と、当該下部電極１５直下の配線層３９と、下部電極１５と配線層３９との間に存する絶縁材料（絶縁膜（７））とでキャパシティが構成され、寄生容量が発生してしまうが、下部電極１５と配線層３９との対面面積を開口４５の存在により小さくできるため、開口を設けていない場合に比べて寄生容量を小さくできる。これにより、効率良く信号電荷が読み出せ、感度を向上することができる。
５．実施例
（１）下部電極１５
　下部電極１５は、上述したように、画素部３毎に所定の形状に形成された金属膜４３により構成され、この金属膜４３の主の材料として不透明の導電性材料（Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｕ、Ｃｒ，Ｉｎ，Ａｇ等）が用いられる。
　下部電極１５の膜厚は、５０［ｎｍ］～２００［ｎｍ］の範囲内、例えば、１００［ｎｍ］で形成されている。金属膜４３に形成されている開口４５の形状は正方形状で、その大きさ（寸法）は、一辺が６０［ｎｍ］～７０［ｎｍ］である。
　開口の大きさ、つまり、下部電極１５における開口４５を挟んで対向する側面間の最小距離（図１の「Ｌ１」に相当する。）は、単位画素サイズにも依存するが、配線層（３９）との対面面積を最小限にするには、画素部３毎の下部電極１５間の距離（図１の「Ｌ２」に相当する。）の半分未満が望ましく、特に、６０［ｎｍ］～７０［ｎｍ］で形成されるのが好ましい。これは、拡散ラインでのホール、スペースを空ける際の最小寸法を利用できるからである。
　これは、各画素部３の光電変換膜１７において隣接する他の画素部３との境界付近に存在する電荷が、本来の画素部３の下部電極１５へ移動せずに、他の画素部３の下部電極１５に移動するようなことを防止するためである。
　なお、例えば、画素セルサイズが１．７５［ｕｍ］～１．４［ｕｍ］の場合、隣接する画素間の下部電極の間隔は、１５０［ｎｍ］～３００［ｎｍ］である。
（２）光電変換膜１７
　光電変換膜１７は、上述したように、有機光電変換材料を用いることが好ましく、例えば、キナクリドン、コンパウンド等を用いることができ、その膜厚は、５００［ｎｍ］～７００［ｎｍ］である。
（３）上部電極１９
　上部電極１９は、上述のように、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることが好ましく、ＩＴＯを用いることができる。
　しかしながら、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム、酸化錫、弗素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、酸化チタン等を用いることができる。なお、プロセス簡易性、低抵抗性、透明性の観点からもＩＴＯが好ましい。
　透明電極（上部電極１９）の材料は、プラズマフリーである成膜装置、ＥＢ蒸着装置、及びパルスレーザ蒸着装置により成膜できるものが好ましく、特に好ましいのは、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化錫、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）、ＦＴＯ、酸化亜鉛、ＡＺＯ、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化チタンのいずれかの材料である。
＜第２の実施の形態＞
　第１の実施の形態では、信号読み出し部２９が光電変換部９から最も離れた、換言すると、半導体基板５に最も近い配線層３５にコンタクト４１を介して接続されていたが、信号読み出し部は、絶縁膜７中の他の配線層に接続するようにしても良い。
　図５に示すように、第２の実施の形態に係るカラー固体接続素子２０１では、半導体基板に含まれる信号読み出し部２９が光電変換部９に最も近い、換言すると、半導体基板５から最も遠い配線層２０９にコンタクト２１１を介して接続されている。これにより、下部電極１５と信号線との間が同電位になるため、更に寄生容量を小さくすることができる。
　図５は、第２の実施の形態を説明するための固体撮像装置２０１の概略構成を示す断面模式図である。なお、第１の実施の形態に係る固体撮像装置１と同じ構成については、同じ符号を用いるものとする。
　固体撮像装置２０１は、半導体基板５、絶縁膜２０３、光電変換部９、カラーフィルタ１１、マイクロレンズ１３を備える。
　半導体基板５は、電荷蓄積部２７、信号読み出し部２９を、ｎ型シリコン基板２３上に形成されたｐウェル層２５の上部に備える。なお、ここでも、電荷蓄積部２７と信号読み出し部２９とは転送ゲート３１を介して接続されている。
　光電変換部９は、下部電極１５、光電変換膜１７、上部電極１９、保護膜２１を備え、当該光電変換部９の上方にカラーフィルタ１１、及びマイクロレンズ１３が形成されている。
　下部電極１５は、コンタクトプラグ３３を介して電荷蓄積部２７と電気的に接続されている。なお、下部電極１５は、金属膜４３からなり、その一部が開口している（除去部の一例である開口４５を有する。）。
　絶縁膜２０３の内部には、配線層２０５，２０７，２０９が埋設されており、光電変換部９に最も近い位置に配されている最上層（最表層）の配線層２０９がコンタクト２１１に接続されている。
　上記構成の固体撮像装置２０１は、第１の実施の形態に示す固体撮像装置１と比較して、信号読み出し部２９が、最上層の配線層２０９（信号線用である。）に繋がるように形成される。これにより、第１の実施の形態と比較して、下部電極１５と、下部電極１５の直下に配列された配線層２０９間が略同電位となり、寄生容量を更に減少することができ、更なる高感度化を実現することができる。
＜変形例＞
１．除去部
（１）形状
　第１及び第２の実施の形態における下部電極１５の除去部は、金属膜４３の縦横方向に所定の間隔を置いて複数形成された正方形状の開口４５であったが、他の形状の開口であっても良い。以下、開口の形状についての変形例を説明する。
　図６及び図７は、下部電極の開口形状の変形例を示す図である。なお、図６の（ａ）は、実施の形態で説明した下部電極１５であり、比較参考のために示す。
　図６の（ｂ）に示す下部電極３０１は、平面視正方形状の金属膜３０３を備え、金属膜３０３における縦横方向の何れか一方（ここでは横方向である。）に延伸するスリット状の開口３０５が、他方の方向（ここでは縦方向である。）に所定の間隔をおいて複数（本）形成され、中央部分３０７がコンタクトプラグとの接続部となっている。
　なお、ここでは、開口のうち、縦横方向の寸法の比が２より大きい場合に、開口形状をスリット状としている。
　図６の（ｃ）に示す下部電極３１１は、平面視正方形状の金属膜３１３を備え、全体が正方形状をした金属膜３１３の一辺の半分の長さを一辺とする正方形状に金属膜３１３を４分割した領域（換言すると第一～第四象限である。）において、金属膜３１３の対角線上に「Ｌ」字の角が位置し且つ「Ｌ」字の開口側が外側を向いた「Ｌ」字状のスリット３１５と、正方形状の金属膜３１３の４角に形成された開口３１６と、４分割された各境界に位置し且つ各辺に直交する方向に延伸するスリット３１７とが形成され、中央部分３１９がコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図６の（ｄ）に示す下部電極３２１は、平面視正方形状の金属膜３２３を備え、全体が正方形状をした金属膜３２３の一辺の半分の長さを一辺とする正方形状に金属膜３２３を４分割した領域（換言すると第一～第四象限である。）において、金属膜３２３の対角線上に「Ｌ」字の角が位置し且つ「Ｌ」字の開口側が内側を向いた「Ｌ」字状のスリット３２５が形成され、中央部分３２７がコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図６の（ｅ）に示す下部電極３３１は、第１の実施の形態に係る下部電極１５の金属膜４３に対して、正方形状を構成する各辺に正方形状の切り欠き３３７を設けたような構成である。
　つまり、平面視正方形状の金属膜３３３を備え、全体が正方形状をした金属膜３３４の中央部分３３９を除いて縦横方向に開口３３５が形成され、さらに全体形状が正方形状の各辺に開口３３５と同様な正方形状の切り欠き３３７が等間隔をおいて複数形成されている。なお、中央部分３３９はコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図６の（ｆ）に示す下部電極３４１は、（ｂ）の下部電極３０１の金属膜３０３に対して、正方形状を構成する各辺に正方形状の切り欠き３４７を設けたような構成である。
　つまり、平面視正方形状の金属膜３４３を備え、全体が正方形状をした金属膜３４３の中央部分３４９を除いて横方向に延伸するスリット３４５，３４６が形成され、さらに全体形状が正方形状の各辺に正方形状の切り欠き３４７が等間隔をおいて複数形成されている。なお、中央部分３４９はコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図６の（ｇ）に示す下部電極３５１は、（ｃ）の下部電極３１１の金属膜３１３に対して、正方形状を構成する各辺に正方形状の切り欠き３５７を設けたような構成である。
　つまり、平面視正方形状の金属膜３５３を備え、全体が正方形状をした金属膜３５３の中央部分３５９を除いて、縦横それぞれの方向に直線状に延伸するスリット３５４と、縦横方向に「Ｌ」字状に延伸するスリット３５５と、最外周に位置するスリット３５５の外側部分の開口３５６とが形成され、さらに全体形状が正方形状の各辺に正方形状の切り欠き３５７が等間隔をおいて複数形成されている。なお、中央部分３５９はコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図６の（ｈ）に示す下部電極３６１は、（ｄ）の下部電極３２１の金属膜３２３に対して、正方形状を構成する各辺に正方形状の切り欠き３６７を設けたような構成である。
　つまり、平面視正方形状の金属膜３６３を備え、全体が正方形状をした金属膜３６３の中央部分３６９を除いて、縦横方向に「Ｌ」字状に延伸するスリット３６５が形成され、さらに全体形状が正方形状の各辺に正方形状の切り欠き３６７が等間隔をおいて複数形成されている。なお、中央部分３６９はコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図７の（ｉ）に示す下部電極３７１は、平面視正方形状の金属膜３７３を備え、全体が正方形状をした金属膜３７３の中央を通り縦横方向のいずれか一方（ここでは縦方向である。）に延伸する帯部３７７を除いた領域であって帯部３７７の両側の領域において、帯部３７７と直交する方向（ここでは横方向である。）に延伸するスリット３７５が形成され、帯部３７７の中央部分３７９がコンタクトプラグとの接続部となっている。
　図７の（ｊ）に示す下部電極３８１は、図７の（ｉ）の下部電極３７１の金属膜３７３に対して、正方形状を構成する各辺に正方形状の切り欠き３８７を設けたような構成である。
　つまり、平面視正方形状の金属膜３８３を備え、全体が正方形状をした金属膜３８３の中央の帯部３８６を除いて、縦横方向のいずれか一方（ここでは横方向である。）に延伸するスリット３８５が形成され、さらに全体形状が正方形状の各辺に正方形状の切り欠き３８７が等間隔をおいて複数形成されている。なお、帯部３８６の中央部分３８８はコンタクトプラグとの接続部となっている。
　最後に、図示はしていないものの、除去部を構成する開口、スリット及び切り欠き等は、複数ある場合、すべて又は一部がその形状が異なるようにしても良いし、すべて又は一部がその大きさが異なるようにしても良い。また、図６及び図７では、除去部は規則性（点対称、線対称等である。）を持って形成されていたが、規則性なしに形成されていても良い。
（２）全体形状
　下部電極の平面視における全体形状（外観形状である。）は、画素部の平面視形状と同じ形状が好ましい。さらに、下部電極の平面視における全体の大きさ（全体形状の大きさ）は、画素部の平面視における大きさになるべく近い方が好ましい。
これは、各画素部の光電変換膜内で発生した電荷を、電荷が発生している画素部内の下部電極に移動させるためである。
　ここで、図７の（ｊ）の下部電極３８１を用いて説明する。
　図７の（ｊ）の下部電極３８１を含む画素部を平面視したときの全体形状（外観形状）は、図２に示すように、正方形状をしている。一方、下部電極３８１は、平面視において、正方形状の各辺に切り欠き３８７を有するものの、図７の（ｊ）の破線３８９で示すように、外観形状が正方形状をし、画素部の平面視形状と同じ形状をしている。
（３）配線層との位置関係
　図８は、下部電極と配線層との位置関係を示す図である。
　同図の（ａ）に示す変形例では、下部電極４０１の平面視形状が正方形状をし、正方形状の金属膜４０３の一つの隅部４０７を除いた領域において、縦横方向に所定の間隔をおいて形成された開口４０５を複数有している。なお、隅部４０７はコンタクトプラグとの接続部分である。
　一方、下部電極４０１の下方には、２本の配線層４１１ａ，４１１ｂが平行して延伸する状態で絶縁層（図示省略）に形成されている。
　下部電極４０１は、配線層４１１ｂの幅全体に重なるように配され、且つ、隅部４０７が配線層４１１ａと配線層４１１ｂとの間に位置している。なお、ここでの下部電極４０１は、配線層４１１ａ，４１１ｂと平面視において重ならない領域にも開口４０５を有しているが、重ならない領域では開口４０５がなくても良い。
　同図の（ｂ）に示す変形例では、下部電極３７１は、図７の（ｉ）に記載の下部電極である。
　下部電極３７１の下方には、２本の配線層４２１ａ，４２１ｂが平行して延伸する状態で絶縁層（図示省略）に形成されている。
　下部電極３７１は、その帯部３７７が、配線層４２１ａ，４２１ｂと平行に延伸する状態で配線層４２１ａと配線層４２１ｂとの間に位置するように、配されている。
　なお、ここでは、コンタクトプラグは、帯部３７７の中央部分３７９と接続されるが、例えば、帯部３７７の両端（ここでは上下の端である。）側の２箇所で接続されても良い。
（４）下部電極のスリットと配線層との関係
　上記の実施の形態等や変形例等では、下部電極のスリットの延伸方向と、配線の延伸する方向（配線方向）との関係について特に説明しなったが、下部電極のスリットの延伸方向は、配線の延伸する方向と交差したり、さらには直交したりする方向が好ましい。
　これは、例えば、スリットの延伸方向と配線の延伸方向とが互いに平行な場合、下部電極と配線との対面面積が、スリットを配線に対して垂直するように設けた場合より大きくなることが懸念されるからである。
２．画素形状
　上記実施の形態等や変形例等では、画素部の平面視形状が正方形状であったが、当然、他の形状であっても良い。
　図９は、画素形状の変形例を示す図であり、（ａ）はマイクロレンズを除いた平面図であり、（ｂ）は下部電極の平面図である。
　本変形例に係る固体撮像装置５０１は、複数の画素部を有し、各画素部のカラーフィルタ５０３ｒ，５０３ｇ，５０３ｂは、奇数行に緑色のカラーフィルタ５０３ｇが複数配列され、偶数行に赤色のカラーフィルタ５０３ｒと青色のカラーフィルタ５０３ｂとが交互に複数配列され、奇数行と偶数行とが行方向に配列ピッチの約１／２だけ互いにずらして配列されている。
　なお、このような構成をした固体撮像装置５０１では、各画素部から出力される信号の空間位置がハニカム配置になるため、信号が得られていない虚画素位置の信号を、その位置の周囲の信号から求める信号補間処理を行うことで、解像度を２倍にすることができる。
　この信号補間処理については、画素部がハニカム状に配列された従来からある固体撮像装置を搭載する撮像装置で行われている各種手法を用いることができる。
　下部電極５０５は、同図の（ｂ）に示すように、平面視の画素形状と略同一の外観形状を有し、ここでは、正六角形状の金属膜５０７から構成される。この下部電極５０５は、金属膜５０７の中央部分５１３を除いた領域に、中心を通る外方へと延伸する方向であって、中央部分５１３から外周縁手前までの間に形成されたスリット５０９と中央部分５１３から外周縁までに形成された切り欠き５１１とからなる除去部を有する。
　なお、第１の実施の形態で説明した、正方形の画素部が行列方向に正方格子状に配されている正方配列パターンを、例えば、４５［°］傾斜させたようなハニカム構造の場合は、下部電極の形状も、画素部に対応させて正方形状にして４５［°］傾斜させ、第１の実施の形態と同様に、除去部を設けることで実施できる。
　本発明の光電変換膜を有する積層型固体撮像装置に用いると、発生した信号電荷を効率よく読み出し、高感度の固体撮像装置を提供することができ産業上の利用可能性がある。
　　　１　　固体撮像装置
　　　５　　半導体基板
　　　７　　絶縁層
　　　９　　光電変換部
　　１１　　カラーフィルタ
　　１３　　マイクロレンズ
　　１５　　下部電極
　　１７　　光電変換膜
　　１９　　上部電極
　　２７　　電荷蓄積部
　　２９　　信号読み出し部
　　３１　　転送ゲート
　　３３　　コンタクトプラグ
　　４３　　金属膜
　　４５　　開口

Claims (5)

  1. 　画素単位で形成された下部電極と、前記下部電極上方に形成された上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に形成された光電変換膜とを有する光電変換部が絶縁層を介して基板上に配されてなる固体撮像装置において、
    　前記絶縁層内には、平面視において前記下部電極と重なる部分を有する状態で配線用の導電膜が形成されており、
    　前記下部電極は、金属膜により構成され、平面視において前記導電膜と重なる領域の金属膜の一部が除去された除去部を有する
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 　前記基板上面には、前記下部電極に対してコンタクトプラグを介して接続され且つ前記光電変換部で変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部を有し、
    　前記除去部は、コンタクトプラグと接続される領域以外に存する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 　前記下部電極は、対応する画素部の平面視における外観形状と同じ外観形状を維持する状態で、前記除去部を有する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 　下部電極における前記除去部を挟んで対向する側面間の最小距離が、隣接する画素部の下部電極との距離の半分未満である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 　前記下部電極は、当該下部電極の直下に配列された配線用の導電膜にコンタクトプラグを介して接続され、
    　当該下部電極が接続されている導電膜は信号線用である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
PCT/JP2010/006884 2010-05-20 2010-11-25 固体撮像装置 WO2011145158A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010116326A JP2011243851A (ja) 2010-05-20 2010-05-20 固体撮像装置
JP2010-116326 2010-05-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011145158A1 true WO2011145158A1 (ja) 2011-11-24

Family

ID=44991285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/006884 WO2011145158A1 (ja) 2010-05-20 2010-11-25 固体撮像装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2011243851A (ja)
WO (1) WO2011145158A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113658970A (zh) * 2015-04-02 2021-11-16 松下知识产权经营株式会社 摄像装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014002390A1 (ja) 2012-06-28 2014-01-03 パナソニック株式会社 固体撮像装置及びその製造方法
JP6164924B2 (ja) * 2013-05-15 2017-07-19 キヤノン株式会社 検出装置、及び、検出システム
JP6380752B2 (ja) * 2014-03-28 2018-08-29 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体撮像装置、撮像モジュールおよび撮像装置
WO2023149195A1 (ja) * 2022-02-01 2023-08-10 株式会社ジャパンディスプレイ 検出装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5728555U (ja) * 1980-07-25 1982-02-15

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5728555U (ja) * 1980-07-25 1982-02-15

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113658970A (zh) * 2015-04-02 2021-11-16 松下知识产权经营株式会社 摄像装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011243851A (ja) 2011-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9349766B2 (en) Solid-state imaging device
JP4538353B2 (ja) 光電変換膜積層型カラー固体撮像素子
WO2011148437A1 (ja) 固体撮像素子
WO2012035702A1 (ja) 固体撮像装置及びその製造方法
JP2012164768A (ja) 固体撮像装置
US9837454B2 (en) Image sensor
WO2011145158A1 (ja) 固体撮像装置
US7663144B2 (en) Solid-state imaging device including a plurality of pixel parts with a photoelectric conversion layer
US20220028918A1 (en) Imaging device
JP2005268477A (ja) 光電変換膜積層型固体撮像装置
JP5102692B2 (ja) カラー撮像装置
JP4533667B2 (ja) 光電変換膜積層型固体撮像装置
KR102520573B1 (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
JP2005353626A (ja) 光電変換膜積層型固体撮像素子及びその製造方法
JP5659759B2 (ja) 固体撮像装置
WO2013136981A1 (ja) 固体撮像装置、電子機器
JP2007165738A (ja) 固体撮像装置
US20210408099A1 (en) Imaging device
JP4852336B2 (ja) 固体撮像素子の製造方法
WO2017051749A1 (ja) 放射線画像撮影装置
JP4491352B2 (ja) 固体撮像素子
US20220014700A1 (en) Imaging device
WO2020218047A1 (ja) 撮像素子
JP2012204686A (ja) 固体撮像装置及びその製造方法
JP2022177339A (ja) 撮像素子

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10851722

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10851722

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1