WO2011148574A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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WO2011148574A1
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solid
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light absorption
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悠介 大竹
廣瀬　裕
三佳 森
徹 沖野
加藤　剛久
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged two-dimensionally.
  • Solid-state imaging devices are used for mobile phone cameras, DSC (digital still cameras), HD (High Definition) movie cameras, and the like as devices for acquiring image information of subjects.
  • the solid-state imaging device a plurality of unit pixels having photodiodes are arranged on a silicon semiconductor substrate.
  • light from the subject is collected by a microlens formed on the photodiode, and the collected light is received by the photodiode.
  • the signal readout circuit outputs signal charges generated by photoelectric conversion by the photodiode.
  • a color filter is formed between the photodiode of each pixel and the microlens. This color filter transmits only light in a desired wavelength region of incident light from the subject.
  • the solid-state imaging device receives light in the desired wavelength region with a photodiode, and obtains a color image by performing arithmetic processing based on the obtained signal output.
  • a fine particle type pigment filter is used as the color filter.
  • the color filter needs to have a thickness of about 1 ⁇ m.
  • pixel size has been miniaturized.
  • solid-state imaging devices having fine pixels with a pixel size of about 1.0 ⁇ m have been developed.
  • the light receiving area of the photodiode in the unit pixel that is, the so-called aperture ratio decreases. This makes it difficult to maintain high sensitivity with fine pixels.
  • the aspect ratio between the distance between the microlens and the photodiode and the photodiode width increases. Thereby, the light condensed by the microlens enters not only the photodiode of the same pixel but also the photodiode of the adjacent pixel. That is, optical color mixing occurs.
  • a general back-illuminated solid-state imaging device needs to collect the charges generated by the light receiving unit on the side opposite to the light irradiation surface where the signal readout circuit is formed.
  • Patent Document 1 there is a technique in which a transparent electrode is provided on the light irradiation surface side of the light receiving unit in the backside illumination type solid-state imaging device, and a potential gradient is formed in the light receiving unit by bias to the transparent electrode. It is disclosed. Thereby, the solid-state imaging device described in Patent Document 1 can easily collect charges.
  • ITO Indium Thin Oxide
  • a method of simply forming a light shielding film to prevent color mixing is also conceivable.
  • the aspect ratio is further increased by the light shielding film, it is difficult to secure a sufficient amount of light.
  • an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of realizing a low aspect ratio.
  • a solid-state imaging device is a solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and each of the plurality of pixels signals light.
  • an opening is formed, and the light absorption is achieved by applying a voltage to the metal layer, and a metal layer that transmits light in a wavelength band corresponding to the shape of the opening to the light absorption layer.
  • a driving unit for generating a potential gradient for collecting the signal charges in the layer.
  • the solid-state imaging device can select the wavelength of the incident light by using the metal film used for collecting the signal charges generated in the light absorption layer. Accordingly, in the solid-state imaging device according to an aspect of the present invention, a color filter is not necessary, and a low aspect ratio can be realized. Thus, the solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention can improve sensitivity characteristics and suppress the occurrence of color mixing.
  • the driving unit may switch the signal charge accumulation operation, the read operation, and the reset operation by applying a voltage to the metal layer.
  • the solid-state imaging device can select the wavelength of incident light using the metal layer used for switching the operation of the pixel.
  • Each of the plurality of pixels is one of a plurality of types of pixels that convert light of different wavelength bands into signal charges, and the shape of the opening formed in the metal layer is the shape of the pixel. It may be different for each type.
  • the solid-state imaging device can adjust the transmission wavelength region for each pixel, and can perform color separation well.
  • the opening may have a taper shape in a cross-sectional shape of a plane perpendicular to the metal layer.
  • the solid-state imaging device can easily adjust the transmission wavelength region width, and thus can perform color separation satisfactorily.
  • Each of the plurality of pixels further includes a filter that is formed on at least one of the opening and in the opening and blocks light in a wavelength band shorter than a wavelength band corresponding to the shape of the opening. May be.
  • the solid-state imaging device can block light on the short wavelength side in the transmission wavelength region of incident light, and thus can perform color separation well.
  • Each of the plurality of pixels may further include a microlens formed on the light incident surface side of the opening, and the focal point of the microlens may be in the light absorption layer.
  • the solid-state imaging device can efficiently make incident light incident on the light absorption layer, and thus can improve sensitivity characteristics.
  • the solid-state imaging device includes a semiconductor substrate, the light absorption layer is formed in the semiconductor substrate, and the signal readout circuit is formed on the first surface side of the semiconductor substrate, The metal layer is formed on the second surface side of the semiconductor substrate that faces the first surface, and out of the light incident from the second surface side, emits light in a wavelength band corresponding to the shape of the opening. You may permeate
  • the solid-state imaging device can prevent the occurrence of vignetting due to the wiring layer.
  • the solid-state imaging device can improve the aperture ratio, sensitivity characteristics can be improved.
  • the solid-state imaging device includes a semiconductor substrate, the signal readout circuit is formed on the first surface side of the semiconductor substrate, and the light absorption layer is formed on the first surface side of the signal readout circuit.
  • the metal layer is formed above the first surface side of the light absorption layer, and the wavelength according to the shape of the opening of the light incident from the first surface side Band light may be transmitted through the light absorption layer.
  • the solid-state imaging device can improve the aperture ratio, the sensitivity characteristic can be improved.
  • the solid-state imaging device further includes a separation unit formed of a material having a lower refractive index than the light absorption layer, which electrically separates each of the light absorption layers included in the plurality of pixels. May be.
  • the solid-state imaging device can achieve confinement of light incident on the light absorption layer and a waveguiding effect, thereby preventing color mixing and improving sensitivity characteristics.
  • the light absorption layer may be formed of a planar organic material semiconductor, and the planar organic material semiconductor may have organic molecular surfaces stacked in a layered manner in the horizontal direction.
  • the solid-state imaging device can improve the light absorption efficiency of the light absorption layer, the sensitivity characteristic can be improved.
  • the light absorption layer may be formed of a planar organic molecular semiconductor, and the planar organic molecular semiconductor may have organic molecular planes arranged in a vertical direction.
  • the solid-state imaging device can improve the light absorption efficiency of the light absorption layer, the sensitivity characteristic can be improved.
  • the light absorption layer may be formed of at least two types of conductive semiconductors having different spectral characteristics.
  • the solid-state imaging device can improve the light absorption efficiency of the light absorption layer, the sensitivity characteristic can be improved.
  • the light absorption layer is formed of at least two types of conductive semiconductors having different spectral characteristics, and the position in the depth direction of the depletion region formed by the junction of the two types of conductive semiconductors is determined by the pixel. It may be different for each type.
  • the solid-state imaging device can prevent the generation of electric charges due to incident light outside the desired wavelength region, and thus can perform color separation well.
  • the present invention may be realized not only as such a solid-state imaging device but also as a method for manufacturing a solid-state imaging device for manufacturing such a solid-state imaging device.
  • the present invention may be realized as a semiconductor integrated circuit (LSI) that realizes part or all of the functions of such a solid-state imaging device, or may be realized as a camera including such a solid-state imaging device. Good.
  • LSI semiconductor integrated circuit
  • the present invention can provide a solid-state imaging device capable of realizing a low aspect ratio.
  • FIG. 1 is a block diagram of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the pixel according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of the metal layer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the metal layer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing filter spectral characteristics of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to a modification of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the modification of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a pixel according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to a modification of Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention causes the metal layer to function as a filter by forming an opening in the metal layer for generating a potential gradient in the light absorption layer.
  • the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention can realize a low aspect ratio because it is not necessary to separately form a filter.
  • FIG. 1 is a block diagram of a solid-state imaging device 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the solid-state imaging device 100 is a stacked MOS solid-state imaging device.
  • the present invention is not limited to a stacked solid-state imaging device, and the same effect can be achieved in a back-illuminated solid-state imaging device.
  • the pixel array unit 101 includes a plurality of pixels 106 arranged in a two-dimensional matrix.
  • Each of the plurality of pixels 106 (unit pixels) converts incident light into an electrical signal.
  • the vertical scanning circuit 102 selects a row of a plurality of pixels 106 arranged in a matrix.
  • the horizontal scanning circuit 103 selects a column of a plurality of pixels 106 arranged in a matrix.
  • the noise removal circuit 104 performs noise removal processing on the electric signal generated by the plurality of pixels 106.
  • the noise removal circuit 104 performs CDS (correlated double sampling) processing and the like.
  • the amplifier circuit 105 amplifies the electric signal converted by the pixel 106 arranged in the row selected by the vertical scanning circuit 102 and the column selected by the horizontal scanning circuit 103, and outputs the amplified signal to the outside. .
  • the drive circuit 107 controls the operation of the solid-state imaging device 100. Specifically, the drive circuit 107 controls the vertical scanning circuit 102, the horizontal scanning circuit 103, the noise removal circuit 104, and the amplifier circuit 105, thereby accumulating signal charges in each pixel 106, and each pixel. A read operation for reading an electric signal corresponding to the signal charge accumulated in the pixel 106 and a reset operation for resetting the signal charge accumulated in each pixel 106 are switched.
  • the solid-state imaging device 100 includes two vertical scanning circuits 102, a horizontal scanning circuit 103, a noise removal circuit 104, and an amplifier circuit 105, respectively. Only one vertical scanning circuit 102, horizontal scanning circuit 103, noise removal circuit 104, and amplifier circuit 105 may be provided.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the pixel 106.
  • the pixel 106 includes a light absorption layer 110 that generates signal charges by photoelectrically converting light, and a signal readout that selectively reads the signal charges generated in the light absorption layer 110 to the signal line 116.
  • a circuit 118 and a metal layer 111 are included.
  • the signal readout circuit 118 includes a reset transistor 113, a floating diffusion 114, an amplification transistor 115, and a selection transistor 117.
  • the signal readout circuit 118 is not limited to the configuration shown in FIG. 2, and the configuration of the signal readout circuit 118 does not affect the effects of the invention.
  • the signal readout circuit 118 may include a transfer transistor.
  • some transistors included in the signal readout circuit 118 may be shared between pixels.
  • the floating diffusion 114 is electrically connected to one end of the light absorption layer 110.
  • the reset transistor 113 is electrically connected between the floating diffusion 114 and a reset voltage line to which a reset voltage is applied. On / off of the reset transistor 113 is controlled by the vertical scanning circuit 102. Further, when the reset transistor 113 is turned on, the signal charge accumulated in the pixel 106 (the floating diffusion 114 and the light absorption layer 110) is reset.
  • the gate of the amplification transistor 115 is electrically connected to the floating diffusion 114.
  • the amplification transistor 115 amplifies the voltage of the floating diffusion 114 and outputs the amplified signal to the signal line 116.
  • the selection transistor 117 is electrically connected between the amplification transistor 115 and the signal line 116. On / off of the selection transistor 117 is controlled by the vertical scanning circuit 102. Further, when the selection transistor 117 is turned on, the signal amplified by the amplification transistor 115 is output to the signal line 116.
  • the metal layer 111 is electrically connected to the other end of the light absorption layer 110.
  • the drive circuit 107 switches between the read operation and the reset operation by switching the polarity of the bias voltage applied to the metal layer 111.
  • the bias voltage applied to the metal layer 111 may be controlled via the vertical scanning circuit 102 or the horizontal scanning circuit 103.
  • the pixel 106 shown in FIG. 2 assumes electrons as signal charges.
  • the drive circuit 107 applies a negative bias to the metal layer 111 during a read operation.
  • the drive circuit 107 applies a positive bias to the metal layer 111 during a read operation. In this manner, the drive circuit 107 generates a potential gradient for collecting signal charges in the light absorption layer 110 by applying a voltage to the metal layer 111.
  • the light incident on the pixel 106 is photoelectrically converted by the light absorption layer 110. Thereby, a signal charge is generated.
  • This signal charge is collected in the floating diffusion 114 by a potential gradient in the light absorption layer 110 formed by applying a bias to the metal layer 111.
  • the voltage applied to the gate of the amplification transistor 115 is changed by the electric charge collected in the floating diffusion 114.
  • the drive circuit 107 controls the horizontal scanning circuit 103 and the vertical scanning circuit 102 to turn on the selection transistor 117 of the pixel 106 from which a signal is read by the XY address method.
  • the signal amplified by the amplification transistor 115 is output to the signal line 116.
  • noise included in the signal is removed by the noise removal circuit 104, and the signal after the noise is removed is output from the amplifier circuit 105 to the outside of the solid-state imaging device 100 as a video signal.
  • FIG. 3 is a plan view of the metal layer 111 in the pixel 106.
  • An opening 120 is formed in the metal layer 111 of each pixel 106 immediately above the light absorption layer 110.
  • the metal layer 111 functions as a high-pass filter such as a waveguide.
  • the metal layer 111 may be a good conductor metal that is not transparent to the wavelength that the solid-state imaging device 100 receives light.
  • the metal layer 111 is formed of aluminum, gold, silver, copper, or the like.
  • a waveguide is a pipe having a hollow structure whose wall surface is made of a good conductor, and is generally used for a transmission line in a microwave band.
  • the waveguide is classified into a rectangular waveguide, a circular waveguide, and the like depending on the shape of the cross section.
  • the waveguide also has a cutoff frequency that is determined depending on the aperture size. That is, it is generally known that the waveguide has a high-pass filter characteristic that a signal is not transmitted at a frequency equal to or lower than the cutoff frequency.
  • microwave band used in the waveguide but also the light in the wavelength region handled by the solid-state imaging device 100 is an electromagnetic wave that conforms to the Maxwell equation, and thus has similar characteristics.
  • the rectangular waveguide of width a and height b, the cutoff frequency f c is expressed by the following equation (1). Further, the wavelength ⁇ c corresponding to the cutoff frequency is expressed by the following equation (2). If the inside of the waveguide is filled with an isotropic and homogeneous medium having a dielectric constant ⁇ and a magnetic permeability ⁇ , the plane wave velocity ⁇ in the medium is expressed by the following equation (3). It is.
  • the wavelength region of the light to be transmitted is determined according to the size of the opening 120 of the waveguide formed by the metal layer 111. Therefore, color separation of the solid-state imaging device 100 can be performed using this high-pass filter characteristic.
  • the maximum size of the opening 120 is smaller than the longest wavelength of light transmitted through the opening 120 of the metal layer 111. Since the longest wavelength of light received by the solid-state imaging device 100 is up to about 1100 nm, it is possible to provide the opening 120 having a sufficiently necessary size even with a fine pixel of less than 1.0 ⁇ m. Also in a circular waveguide, the cutoff frequency is determined by the size of the opening 120 as in the rectangular waveguide. In other words, the opening 120 of the metal layer 111 is not limited to a rectangular shape, and high-pass filter characteristics can be obtained in the same manner even if the opening 120 has another shape such as a polygon, a circle, or an ellipse.
  • the opening 120 of the metal layer 111 is disposed at the center of the pixel 106, but is not necessarily disposed at the center.
  • the light condensing position in the pixel 106 may be different between the pixel 106 located in the central part of the pixel array unit 101 and the pixel 106 located in the peripheral part.
  • the opening 120 is arranged at the center of the pixel 106, and in the pixel 106 located in the peripheral part, the metal layer 111 and the opening 120 are shifted from the center of the pixel 106. Deploy. Thereby, light can be efficiently incident on the waveguide.
  • the cutoff frequency of the waveguide slightly changes according to the incident angle of light to the pixel 106. Therefore, in order to cope with this, the size of the opening 120 may be changed according to the position in the pixel array unit 101.
  • the metal layer 111 can perform color separation even if it is not a thick film like a conventional color filter. Further, by changing the film thickness of the metal layer 111, it is possible to adjust the light transmission characteristics below the cutoff frequency.
  • the thickness of the metal layer 111 is preferably about 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m. Thereby, good transmission characteristics can be obtained.
  • the cross-sectional shape of the opening 120 a taper type that widens or narrows toward the signal readout circuit 118 side, the fall of the transmittance in the vicinity of the cutoff frequency can be moderated, so that the desired filter characteristics can be obtained. It becomes even easier to fit. That is, a filter that transmits a desired wavelength region can be manufactured by optimally designing the thickness of the thin metal layer 111 and the size and cross-sectional shape of the opening 120.
  • the sectional shape of the opening 120 is narrowed toward the signal readout circuit 118 side by using the tapered shape of the resist mask.
  • the structure which becomes can be formed easily.
  • the metal layer 111 is formed by a damascene process, the metal layer 111 is embedded in a groove formed in the planarization film, and the opening 120 is formed by using the tapered shape of the groove. It is possible to easily form a structure in which the cross-sectional shape is widened toward the signal readout circuit 118 side.
  • the solid-state imaging device 100 it is not necessary to use a conventional color filter, and the pixel structure can be reduced in height. Thereby, the solid-state imaging device 100 can prevent the oblique light from entering the adjacent pixels due to the high aspect ratio. Therefore, the solid-state imaging device 100 can improve sensitivity accordingly and can prevent color mixing.
  • the metal layer 111 serving as the waveguide and the light absorption layer 110 are formed in contact with each other, the light diffracted by the waveguide can be taken into the light absorption layer 110. Thereby, the solid-state imaging device 100 can further prevent color mixing. Furthermore, since the boundary region of the pixel 106 is covered with the metal layer 111, it also has a light shielding effect.
  • the solid-state imaging device 100 can be easily manufactured even with a fine pixel of about 1.0 ⁇ m, for example.
  • a cut filter that blocks infrared light of 750 nm or more can be formed.
  • the solid-state imaging device 100 according to Embodiment 1 of the present invention can eliminate an infrared light cut filter provided on the conventional solid-state imaging device.
  • FIG. 4 is a plan view of the metal layer 111 provided with the metal layer 111 having different filter characteristics for each pixel.
  • each of the plurality of pixels 106 arranged in the pixel array unit 101 is any of a plurality of types of pixels that convert light of different wavelength bands into signal charges. Further, the shape (aperture ratio) of the opening 120 is different for each type of pixel. Specifically, each of the plurality of pixels 106 is one of a pixel 106R that receives red component light, a pixel 106G that receives green component light, and a pixel 106B that receives blue component light. is there.
  • the dimension a r of the opening 120R is set to 0.375 ⁇ m so that the metal layer 111R blocks light with a wavelength of 750 nm or more.
  • the dimension a g of the opening 120G is set to 0.320 ⁇ m so that the metal layer 111G blocks light having a wavelength of 640 nm or more.
  • the dimension ab of the opening 120B is set to 0.265 ⁇ m so that the metal layer 111B blocks light having a wavelength of 530 nm or more.
  • the film thickness of the metal layers 111R, 111G, and 111B is preferably about 0.1 ⁇ m to 0.7 ⁇ m, whereby good transmission characteristics can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing the high-pass filter characteristics 130R, 130G, and 130B of the metal layers 111R, 111G, and 111B obtained with the above-described opening dimensions.
  • the opening size, film thickness, and cross-sectional shape of the metal layer 111 are specified by numerical analysis such as FDTD (Finite Difference Time Domain) method and spectroscopic measurement based on the target opening size. . Even if the size and shape of the opening 120 are slightly different from the design value due to manufacturing variations in manufacturing, etc., the cut-off frequency hardly changes.
  • FDTD Finite Difference Time Domain
  • the signal output from the pixel 106R includes a short wavelength optical signal other than the red signal
  • the signal output from the pixel 106G includes a short wavelength optical signal other than the green signal.
  • This signal output includes a short wavelength optical signal other than the B signal.
  • a protective film such as a silicon nitride film is formed on the outermost surface of the pixel 106. Since short wavelength light such as ultraviolet light is absorbed by this protective film, it is not necessary to perform the difference calculation.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the pixel 106 in the solid-state imaging device 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the solid-state imaging device 100 further includes a semiconductor substrate 140, an element isolation portion 141, an insulating film 142, a wiring 143, a contact 144, an electrode 145, and a microlens 147.
  • the signal readout circuit 118 is formed on the surface of the semiconductor substrate 140 for each pixel 106. As shown in FIG. 2, the signal readout circuit 118 includes a floating diffusion 114, an amplification transistor 115, a reset transistor 113, and a selection transistor 117, but only the gates of the floating diffusion 114 and the reset transistor 113 are shown in FIG. Has been.
  • the element isolation part 141 is formed on the surface of the semiconductor substrate 140.
  • the element isolation unit 141 electrically isolates the signal readout circuit 118 included in each pixel 106.
  • the insulating film 142 is laminated above the semiconductor substrate 140 so as to cover the surface of the semiconductor substrate 140 on which the signal readout circuit 118 and the element isolation portion 141 are formed.
  • the wiring 143 is formed in the insulating film 142 and electrically connects each element included in the signal readout circuit 118 and the like.
  • the electrode 145 is formed on the insulating film 142 for each pixel 106.
  • the contact 144 penetrates the insulating film 142 and electrically connects the floating diffusion 114 and the electrode 145.
  • the light absorption layer 110 is formed on the plurality of electrodes 145.
  • the metal layer 111 is formed on the light absorption layer 110 (light incident surface side).
  • the metal layer 111 transmits light in a wavelength band corresponding to the shape of the opening 120 to the light absorption layer 110.
  • the microlens 147 is formed above the metal layer 111 (on the light incident surface side) for each pixel 106.
  • the focal point of the micro lens 147 is in the light absorption layer 110.
  • the solid-state imaging device 100 uses a structure in which the light absorption layer 110 is stacked above the signal readout circuit 118 so that the aperture ratio can be improved.
  • the light absorption layer 110 can be made of a semiconductor crystal, an amorphous semiconductor, or an organic material semiconductor. Thereby, the light absorption layer 110 can be easily laminated by vapor deposition or the like.
  • an organic material semiconductor is a planar organic material semiconductor in which organic molecular planes are layered in the horizontal direction.
  • the planar organic material semiconductor may be a planar organic molecular semiconductor in which organic molecular planes are arranged in the vertical direction.
  • a material having a light absorption coefficient higher than that of silicon includes an organic material semiconductor or a compound semiconductor.
  • a favorable film can be easily stacked on the organic material semiconductor by vapor deposition or the like.
  • a compound semiconductor it is difficult to stack a good crystalline film on the signal readout circuit 118. Therefore, for example, a structure using the compound semiconductor layer can be manufactured by forming the signal reading circuit 118 and the compound semiconductor layer to be the light absorption layer 110 on different substrates and using a substrate bonding technique.
  • the compound semiconductor layer is a layered compound semiconductor crystal such as GaSe.
  • the light absorption layer 110 may be formed of at least two kinds of conductive semiconductors. For example, by using a pn junction, charge can be easily generated by light absorption in a depletion region formed in the junction region. Furthermore, if a pin junction is used, the region for generating electric charge can be expanded, so that sensitivity can be improved.
  • the light transmitted through the metal layer 111 spreads by diffraction and enters the light absorption layer 110.
  • diffracted light reaches an adjacent pixel in the light absorption layer 110, optical color mixing occurs.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device 100A, which is a modification of the solid-state imaging device 100, that can prevent this color mixture.
  • the separation unit 148 electrically separates each of the light absorption layers 110 included in the plurality of pixels 106.
  • the separation part 148 is a material having a lower refractive index than the light absorption layer 110.
  • the solid-state imaging device 100A can prevent optical color mixing.
  • an insulator containing Si or C can be used as the low refractive material.
  • SiN, SiO 2 , SiOF, SiOC, BCB (benzocyclobutene), or the like can be used as a low refraction material.
  • the separation unit 148 may be a groove (air).
  • FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views of a solid-state imaging device 100B that is a modification of the solid-state imaging device 100A.
  • the cross-sectional shape of the surface of the opening 120 of the metal layer 111 that is perpendicular to the metal layer 111 is a tapered shape that spreads toward the signal readout circuit 118 side.
  • the cross-sectional shape of the surface of the light absorption layer 110 of each pixel 106 that is perpendicular to the light absorption layer 110 is a tapered shape that spreads toward the signal readout circuit 118 side.
  • the cross-sectional shape of the surface of the opening 120 of the metal layer 111 perpendicular to the metal layer 111 is a tapered shape that becomes narrower toward the signal readout circuit 118 side.
  • the cross-sectional shape of the surface of the light absorption layer 110 of each pixel 106 that is perpendicular to the light absorption layer 110 is a tapered shape that spreads toward the signal readout circuit 118 side.
  • Embodiment 2 of the present invention an example in which the present invention is applied to a back-illuminated solid-state imaging device will be described.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of the pixel 106 in the back-illuminated solid-state imaging device 100C.
  • the pixel 106 shown in FIG. 9 further includes a transfer transistor 112 in addition to the configuration of the pixel 106 shown in FIG.
  • the signal readout circuit 118 is not limited to the configuration shown in FIG. 9, and the configuration of the signal readout circuit 118 does not affect the effects of the invention. For example, some transistors included in the signal readout circuit 118 may be shared between pixels.
  • the transfer transistor 112 is electrically connected between one end of the light absorption layer 110 and the floating diffusion 114. On / off of the transfer transistor 112 is controlled by the vertical scanning circuit 102. When the transfer transistor 112 is turned on, the signal charge accumulated in the light absorption layer 110 is transferred to the floating diffusion 114.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 100C according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a solid-state imaging device 100C shown in FIG. 10 is a back-illuminated solid-state imaging device in which light is incident from a surface opposite to one surface of the semiconductor substrate 140 on which the signal readout circuit 118 is formed. If a back-illuminated solid-state imaging device is used, the aperture ratio of the light receiving unit becomes almost 100% on the light receiving surface, so that the sensitivity can be improved.
  • the solid-state imaging device 100C illustrated in FIG. 10 further includes a semiconductor substrate 140, an element isolation unit 141, an insulating film 142, a wiring 143, a microlens 147, and a isolation unit 149.
  • the signal readout circuit 118 is formed on one surface of the semiconductor substrate 140 for each pixel 106. In FIG. 10, only the floating diffusion 114 and the gate of the transfer transistor 112 are shown.
  • the element isolation part 141 is formed on one surface of the semiconductor substrate 140.
  • the element isolation unit 141 electrically isolates the signal readout circuit 118 included in each pixel 106.
  • the insulating film 142 is laminated above one surface of the semiconductor substrate 140 so as to cover one surface of the semiconductor substrate 140 on which the signal readout circuit 118 and the element isolation portion 141 are formed.
  • the wiring 143 is formed in the insulating film 142 and electrically connects each element included in the signal readout circuit 118 and the like.
  • the light absorption layer 110 is formed in the semiconductor substrate 140.
  • the metal layer 111 is formed on the back surface (other surface) side (light incident surface side) of the light absorption layer 110.
  • the microlens 147 is formed on the back surface side (light incident surface side) of the metal layer 111 for each pixel 106.
  • the focal point of the micro lens 147 is in the light absorption layer 110.
  • the light absorption layer 110 is preferably made of at least two kinds of conductive semiconductors. For example, by using a pn junction, charge can be easily generated by light absorption in a depletion region formed in the junction. Furthermore, if a pin junction is used, the region for generating electric charge can be expanded, so that sensitivity can be improved.
  • the light absorption layers 110 are separated from each other by the injection separation unit 149.
  • the conductivity type of the separation portion 149 is formed as a p-type when the signal charge is an electron, and is formed as an n-type when the signal charge is a hole.
  • the microlens 147 is formed on the metal layer 111.
  • the charge generated in the light absorption layer 110 is read in the vicinity of the gate of the transfer transistor 112, the charge generated in each light absorption layer 110 is transferred to one side of the semiconductor substrate 140 on which the gate of the transfer transistor 112 is formed. It needs to be collected on the surface. For this purpose, charge collection is facilitated by forming a gradient in the impurity concentration distribution so that the potential becomes deeper toward one surface in the light absorption layer 110. However, in a fine pixel, it is difficult to provide a gradient in the impurity concentration distribution.
  • the metal layer 111 is formed on the back surface side (light incident surface side), and a bias voltage is applied to the metal layer 111 to generate an electric field in the light absorption layer 110. Thereby, charge collection to the one surface side of the semiconductor substrate 140 can be easily performed.
  • the configuration and function of the metal layer 111 are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • the signal output from the pixel 106R includes a short wavelength optical signal other than the red signal
  • the signal output from the pixel 106G includes a short wavelength optical signal other than the green signal
  • the signal output from the pixel 106B includes a short wavelength optical signal other than the B signal.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device 100D that enables prevention of false colors.
  • the depletion region 150 is formed by joining two types of conductive semiconductors. Further, light has a characteristic that the absorption coefficient in the light absorption layer 110 is different depending on the wavelength. Therefore, the position in the depth direction where the depletion region 150 that absorbs light is formed is adjusted by each RGB pixel. Long wavelength light such as red light is transmitted to a deep region of the light absorption layer 110, whereas short wavelength light such as blue light is almost absorbed in a shallow region of the light absorption layer. Therefore, in the light absorption layer 110 of the pixel 106R, a depletion region 150 is formed in a deep region so as not to absorb incident light in a shallow region. Thereby, the light absorption layer 110 of the pixel 106R does not absorb green light and blue light having a shorter wavelength than red light. Therefore, the output signal from the pixel 106R can be a red signal only.
  • a depletion region 150 is formed in the intermediate region so as not to absorb incident light in the shallow region and the deep region.
  • the light absorption layer 110 of the pixel 106G does not absorb blue light having a shorter wavelength than green light and red light having a longer wavelength than green light. Therefore, the output signal from the pixel 106G can be only a green signal.
  • a depletion region 150 is formed in a shallow region so that incident light is not absorbed in a deep region. Thereby, the light absorption layer 110 of the pixel 106B does not absorb red light and green light having a longer wavelength than blue light. Therefore, the output signal from the pixel 106B can be only a blue signal.
  • a depletion region 150 is formed in a depth region of 1.5 ⁇ m to 3.0 ⁇ m in the pixel 106R, and 0.7 ⁇ m to 1.5 ⁇ m is formed in the pixel 106G. If the depletion region 150 is formed in the depth region of the pixel and the depletion region 150 is formed in the pixel 106B in the depth region of 0.0 ⁇ m to 0.7 ⁇ m, good color separation is possible.
  • the depletion region 150 in the region shielded from light by the metal layer 111, a path for transferring the charge generated in each light absorption layer 110 to one surface can be secured.
  • an electric field is easily generated in the transfer path by applying a bias from the metal layer 111. Thereby, in the solid-state imaging device 100D, it is possible to easily read out charges.
  • the solid-state imaging device 100D according to the second embodiment of the present invention can eliminate the arithmetic processing required in the first embodiment.
  • Embodiment 3 In Embodiment 3 of the present invention, a modification of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 described above will be described.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 100E according to Embodiment 3 of the present invention.
  • a solid-state imaging device 100E shown in FIG. 12 includes low-pass filters 151R, 151G, and 151G that absorb light in a short wavelength region (high-frequency region) in addition to the configuration of the solid-state imaging device 100A shown in FIG.
  • the low pass filter 151R is formed on the metal layer 111 of the pixel 106R.
  • the low pass filter 151G is formed on the metal layer 111 of the pixel 106G.
  • the low-pass filter 151B is formed on the metal layer 111 of the pixel 106B.
  • the signal output from the pixel 106R includes a short wavelength optical signal other than the red signal
  • the signal output from the pixel 106G includes a short wavelength optical signal other than the green signal. Since the short-wavelength optical signal other than the B signal is included in the signal output from, a false color is generated.
  • low-pass filters 151R, 151G, and 151B are formed on the metal layer 111.
  • the low-pass filter 151R absorbs light having a shorter wavelength than red light.
  • the low-pass filter 151G absorbs light having a shorter wavelength than green light.
  • the low pass filter 151B absorbs light having a shorter wavelength than blue.
  • the pixel 106R can receive only red light.
  • the pixel 106G can receive only green light.
  • the pixel 106B can receive only blue light.
  • the solid-state imaging device 100E it is not necessary to use a general color filter.
  • the solid-state imaging device 100E needs to form the low-pass filters 151R, 151G, and 151B, it is not suitable for reducing the height of the pixel structure.
  • the metal layer 111 necessary as a bias applying unit when used as a waveguide, light that has passed through the opening 120 enters the light absorption layer 110, and a region outside the opening 120 is a metal layer. Since it is covered with 111, optical color mixing to adjacent pixels can be reduced even if the height is not reduced. Further, since the metal layer 111 and the light absorption layer 110 are formed in contact with each other, light diffracted by the waveguide can be taken into the light absorption layer, and color mixing due to this can be prevented.
  • the low-pass filters 151R, 151G, and 151B are formed both in the opening 120 and on the metal layer 111, but may be formed in only one of them.
  • MOS transistor an example using a MOS transistor is shown, but another transistor such as a bipolar transistor may be used.
  • the solid-state imaging device is typically realized as an LSI that is an integrated circuit. These may be individually made into one chip, or may be made into one chip so as to include a part or all of them.
  • circuits are not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor.
  • An FPGA Field Programmable Gate Array
  • reconfigurable processor that can reconfigure the connection and setting of circuit cells inside the LSI may be used.
  • some of the functions of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention may be realized by a processor such as a CPU executing a program.
  • the present invention may be the above program or a recording medium on which the above program is recorded.
  • the program can be distributed via a transmission medium such as the Internet.
  • the present invention can be used for high-resolution mobile phone cameras, DSCs, HD movie cameras, and the like.
  • Solid-state imaging device 101 Pixel array unit 102 Vertical scanning circuit 103 Horizontal scanning circuit 104 Noise removal circuit 105 Amplifier circuit 106, 106B, 106G, 106R Pixel 107 Drive circuit 110 Light absorption layer 111, 111B, 111G, 111R Metal layer 112 Transfer transistor 113 Reset transistor 114 Floating diffusion 115 Amplifying transistor 116 Signal line 117 Select transistor 118 Signal readout circuit 120, 120B, 120G, 120R Opening part 130B, 130G, 130R High-pass filter characteristic 140 Semiconductor substrate 141 Element isolation part 142 Insulating film 143 Wiring 144 Contact 145 Electrode 147 Microlens 148, 149 Separator 150 Depletion region 151B, 151G, 151R Low-pass filter

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Abstract

　本発明に係る固体撮像装置（１００）は、二次元状に配列された複数の画素（１０６）を有し、複数の画素（１０６）の各々は、光を信号電荷に変換する光吸収層（１１０）と、光吸収層（１１０）の光入射面とは反対側に形成されており、信号電荷を読み出すための信号読出し回路（１１８）と、光吸収層（１１０）の光入射面側に形成されているとともに、開口部（１２０）が形成されており、当該開口部（１２０）の形状に応じた波長帯域の光を光吸収層（１１０）に透過する金属層（１１１）と、金属層（１１１）に電圧を印加することにより、光吸収層（１１０）内に、信号電荷を収集するための電位勾配を発生させる駆動回路（１０７）とを備える。

Description

固体撮像装置
　本発明は、固体撮像装置に関し、特に、二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像装置に関する。
　固体撮像装置は、被写体の画像情報を取得するデバイスとして、携帯電話用カメラ、ＤＳＣ（デジタルスチルカメラ）、及びＨＤ（Ｈｉｇｈ　Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）ムービーカメラ等に使用されている。
　また、固体撮像装置では、フォトダイオードを有する複数の単位画素がシリコン半導体基板に配列形成されている。また、被写体からの光が、フォトダイオード上に形成されたマイクロレンズで集光され、集光された光がフォトダイオードで受光される。また、フォトダイオードで光電変換により生成された信号電荷を、信号読出し回路が出力する。これら一連の動作により、固体撮像装置は、画像情報を取得することができる。
　このような固体撮像装置でカラー撮像を行う場合は、各画素のフォトダイオードとマイクロレンズとの間にカラーフィルタが形成される。このカラーフィルタは、被写体からの入射光のうち所望の波長領域の光のみを透過する。固体撮像装置は、この所望の波長領域の光をフォトダイオードで受光し、得られる信号出力を基に演算処理を行うことで、カラー画像を取得している。一般的に、このカラーフィルタには、微粒子タイプの顔料フィルタが用いられている。また、良好な色分離を行うためには、このカラーフィルタには１μｍ程度の膜厚が必要となる。
　一方で、近年では、固体撮像装置の小型化と取得画像の高解像化とを実現するために、画素サイズの微細化が進展している。例えば、画素サイズ１．０μｍ程度の微細画素を有する固体撮像装置が開発されている。この画素サイズの微細化に伴い、単位画素におけるフォトダイオードの受光面積、いわゆる開口率が小さくなる。これにより、微細画素で高感度を維持することが困難になっている。また、マイクロレンズとフォトダイオードとの間の距離と、フォトダイオード幅とのアスペクト比が大きくなる。これにより、マイクロレンズで集光した光が同一画素のフォトダイオードだけでなく、隣接画素のフォトダイオードに入射する。つまり、光学的な混色が発生してしまう。
　このような課題に対して、信号読出し回路が形成される面とは反対側の面から光を入射させる、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置が開発されている。
　また、一般的な裏面照射型の固体撮像装置は、光照射面とは反対側の、信号読出し回路が形成された面側に受光部で生成した電荷を収集する必要がある。
　そこで、特許文献１に示された従来技術では、裏面照射型の固体撮像装置における受光部の光照射面側に透明電極を設け、透明電極へのバイアスで受光部内に電位勾配を形成する技術が開示されている。これにより、特許文献１記載の固体撮像装置は、電荷の収集を容易にできる。この透明電極には、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｈｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）が使用される。
特開２００６－１７３３５１号公報
　しかしながら、特許文献１で開示された従来技術では、固体撮像装置がカラー撮像を行う場合、受光部上にカラーフィルタを積層する必要がある。このカラーフィルタは厚膜であるため、特許文献１記載の技術は、微細画素ではアスペクト比が高くなるという課題を有する。これにより、従来の固体撮像装置では、感度特性が低下する。また、マイクロレンズを通して斜めに入射した光はカラーフィルタを通って隣接する画素に混入することにより、混色が発生してしまう。
　なお、混色を防ぐために単純に遮光膜を形成する方法も考えられる。しかし、この場合、さらに遮光膜の分アスペクト比が高くなるため十分な光量を確保することが困難になる。
　そこで、本発明は、低アスペクト比を実現できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記複数の画素の各々は、光を信号電荷に変換する光吸収層と、前記光吸収層の光入射面とは反対側に形成されており、前記信号電荷を読み出す信号読出し回路と、前記光吸収層の前記光入射面側に形成されているとともに、開口部が形成されており、当該開口部の形状に応じた波長帯域の光を前記光吸収層に透過する金属層と、前記金属層に電圧を印加することにより、前記光吸収層内に、前記信号電荷を収集するための電位勾配を発生させる駆動部とを備える。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光吸収層で生成された信号電荷を収集するために使用される金属膜を用いて、入射光の波長を選択できる。これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルタが不要となるので、低アスペクト比を実現できる。よって、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、感度特性の向上と、混色の発生の抑制とを実現できる。
　また、前記駆動部は、前記金属層に電圧を印加することにより、前記信号電荷の蓄積動作と読出し動作とリセット動作とを切り替えてもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、画素の動作の切り替えを行うために用いられる金属層を用いて、入射光の波長を選択できる。
　また、前記複数の画素の各々は、それぞれ異なる波長帯域の光を信号電荷に変換する複数種類の画素のいずれかであり、前記金属層に形成されている前記開口部の形状は、前記画素の種類ごとに異なってもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、透過波長領域を画素毎に調整できるため、色分離を良好に行える。
　また、前記開口部は、前記金属層に垂直な面の断面形状がテーパー形状であってもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、容易に透過波長領域幅を調整できるため、色分離を良好に行える。
　また、前記複数の画素の各々は、さらに、前記開口部上及び前記開口部内の少なくとも一方に形成され、前記開口部の形状に応じた波長帯域よりも短い波長帯域の光を遮断するフィルタを備えてもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、入射光の透過波長領域の短波長側の光を遮光できるため、色分離を良好に行える。
　また、前記複数の画素の各々は、さらに、前記開口部の前記光入射面側に形成されたマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズの焦点は前記光吸収層内にあってもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、入射光を効率的に光吸収層へ入射させることができるため、感度特性を向上できる。
　また、前記固体撮像装置は、半導体基板を備え、前記光吸収層は、前記半導体基板内に形成されており、前記信号読出し回路は、前記半導体基板の第１面側に形成されており、前記金属層は、前記半導体基板の、前記第１面と対向する第２面側に形成されており、前記第２面側から入射した光のうち前記開口部の形状に応じた波長帯域の光を前記光吸収層に透過してもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、配線層に起因するケラレの発生を防止できる。また、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、開口率を向上できるため、感度特性を向上できる。
　また、前記固体撮像装置は、半導体基板を備え、前記信号読出し回路は、前記半導体基板の第１面側に形成されており、前記光吸収層は、前記信号読出し回路の前記第１面側の上方に形成されており、前記金属層は、前記光吸収層の前記第１面側の上方に形成されており、前記第１面側から入射した光のうち前記開口部の形状に応じた波長帯域の光を前記光吸収層に透過してもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、開口率を向上できるため、感度特性を向上できる。
　また、前記固体撮像装置は、さらに、前記複数の画素に含まれる前記光吸収層の各々を電気的に分離する、前記光吸収層よりも低屈折率の材料で形成されている分離部を備えてもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光吸収層に入射した光の閉じ込めと導波効果とが得られるため、混色の防止と感度特性の向上とを実現できる。
　また、前記光吸収層は面状有機材料半導体で形成され、当該面状有機材料半導体は、有機分子面が水平方向に層状に積層されていてもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光吸収層の光吸収効率を向上できるため、感度特性を向上できる。
　また、前記光吸収層は面状有機分子半導体で形成され、当該面状有機分子半導体は、有機分子面が垂直方向に配列していてもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光吸収層の光吸収効率を向上できるため、感度特性を向上できる。
　また、前記光吸収層は、分光特性の異なる少なくとも二種類の導電性半導体で形成されていてもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、光吸収層の光吸収効率を向上できるため、感度特性を向上できる。
　また、前記光吸収層は、分光特性の異なる少なくとも二種類の導電性半導体で形成されており、前記二種類の導電性半導体の接合で形成される空乏領域の深さ方向の位置は、前記画素の種類ごとに異なってもよい。
　これにより、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、所望の波長領域外の入射光による電荷の発生を防止できるため、色分離を良好に行える。
　なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現できるだけでなく、このような固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法として実現してもよい。
　また、本発明は、このような固体撮像装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現してもよいし、このような固体撮像装置を備えるカメラとして実現してもよい。
　以上のように、本発明は、低アスペクト比を実現できる固体撮像装置を提供できる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置のブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る画素の回路図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る金属層の平面図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る金属層の平面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置のフィルタ分光特性を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面図である。 図７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の断面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の断面図である。 図９は、本発明の実施の形態２に係る画素の回路図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態２の変形例に係る固体撮像装置の断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の断面図である。
　以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　（実施の形態１）
　本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、光吸収層に電位勾配を発生させるための金属層に開口部を形成することにより、当該金属層をフィルタとして機能させる。これにより、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、別途フィルタを形成する必要がないので低アスペクト比を実現できる。
　図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００のブロック図である。例えば、固体撮像装置１００は、積層型のＭＯＳ型固体撮像装置である。なお、後述するが、本発明は積層型の固体撮像装置に限らず、裏面照射型の固体撮像装置においても同様の効果を発揮する。
　図１に示す固体撮像装置１００は、画素アレイ部１０１と、垂直走査回路１０２と、水平走査回路１０３と、ノイズ除去回路１０４と、アンプ回路１０５と、駆動回路１０７とを備える。また、画素アレイ部１０１は、二次元行列状に配置された複数の画素１０６を備える。
　複数の画素１０６（単位画素）の各々は、入射光を電気信号に変換する。
　垂直走査回路１０２は、行列状に配置された複数の画素１０６の行を選択する。
　水平走査回路１０３は、行列状に配置された複数の画素１０６の列を選択する。
　ノイズ除去回路１０４は、複数の画素１０６により生成された電気信号にノイズ除去処理を行う。例えば、ノイズ除去回路１０４は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理等を行う。
　アンプ回路１０５は、垂直走査回路１０２により選択された行、かつ、水平走査回路１０３により選択された列に配置された画素１０６により変換された電気信号を増幅し、増幅した信号を外部に出力する。
　駆動回路１０７は、固体撮像装置１００の動作を制御する。具体的には、駆動回路１０７は、垂直走査回路１０２、水平走査回路１０３、ノイズ除去回路１０４、及びアンプ回路１０５を制御することにより、各画素１０６に信号電荷を蓄積させる蓄積動作と、各画素１０６に蓄積された信号電荷に応じた電気信号を読み出す読出し動作と、各画素１０６に蓄積された信号電荷をリセットするリセット動作とを切り替える。
　なお、図１では、固体撮像装置１００が、それぞれ２つの垂直走査回路１０２、水平走査回路１０３、ノイズ除去回路１０４、及びアンプ回路１０５を備える例を示しているが、固体撮像装置１００は、それぞれ１つの垂直走査回路１０２、水平走査回路１０３、ノイズ除去回路１０４、及びアンプ回路１０５のみを備えてもよい。
　図２は、画素１０６の回路構成例を示す図である。
　図２に示すように画素１０６は、光を光電変換することにより信号電荷を生成する光吸収層１１０と、光吸収層１１０で生成された信号電荷を選択的に信号線１１６へと読み出す信号読出し回路１１８と、金属層１１１とを含む。
　また、信号読出し回路１１８は、リセットトランジスタ１１３と、フローティングディフュージョン１１４と、増幅トランジスタ１１５と、選択トランジスタ１１７とを含む。なお、信号読み出し回路１１８は図２の構成に限定されるわけではなく、信号読み出し回路１１８の構成が発明の効果に与える影響はない。例えば、信号読み出し回路１１８は転送トランジスタを備えていてもよい。また、信号読み出し回路１１８を構成する一部のトランジスタが画素間で共有化されていてもよい。
　フローティングディフュージョン１１４は、光吸収層１１０の一方端と電気的に接続されている。
　リセットトランジスタ１１３は、フローティングディフュージョン１１４と、リセット電圧が印加されるリセット電圧線との間に電気的に接続されている。このリセットトランジスタ１１３のオン及びオフは垂直走査回路１０２により制御される。また、リセットトランジスタ１１３がオンすることにより画素１０６（フローティングディフュージョン１１４及び光吸収層１１０）に蓄積された信号電荷がリセットされる。
　増幅トランジスタ１１５のゲートは、フローティングディフュージョン１１４に電気的に接続されている。この増幅トランジスタ１１５は、フローティングディフュージョン１１４の電圧を増幅し、増幅した信号を信号線１１６へ出力する。
　選択トランジスタ１１７は、増幅トランジスタ１１５と、信号線１１６との間に電気的に接続されている。この選択トランジスタ１１７のオン及びオフは垂直走査回路１０２により制御される。また、選択トランジスタ１１７がオンすることにより増幅トランジスタ１１５により増幅された信号が信号線１１６へ出力される。
　金属層１１１は、光吸収層１１０の他方端に電気的に接続されている。
　駆動回路１０７は、この金属層１１１へ印加するバイアス電圧の極性を切り替えることによって、読出し動作と、リセット動作とを切り替える。もちろん、この金属層１１１へ印加するバイアス電圧は垂直走査回路１０２又は水平走査回路１０３を介して制御されてもよい。
　なお、図２に示す画素１０６は、信号電荷として電子を想定している。この場合、駆動回路１０７は、読出し動作時には金属層１１１に負バイアスを印加する。なお、信号電荷が正孔の場合、駆動回路１０７は、読出し動作時には金属層１１１に正バイアスを印加する。このように、駆動回路１０７は、金属層１１１に電圧を印加することにより、光吸収層１１０内に、信号電荷を収集するための電位勾配を発生させる。
　以下、固体撮像装置１００の動作を説明する。
　画素１０６に入射した光は、光吸収層１１０で光電変換される。これにより、信号電荷が生成される。この信号電荷は、金属層１１１へのバイアス印加で形成される、光吸収層１１０内の電位勾配によって、フローティングディフュージョン１１４に収集される。フローティングディフュージョン１１４に収集された電荷によって、増幅トランジスタ１１５のゲートに印加される電圧が変化する。次に、駆動回路１０７は、水平走査回路１０３及び垂直走査回路１０２を制御し、ＸＹアドレス方式により、信号を読み出す対象の画素１０６の選択トランジスタ１１７をオン状態にする。これにより、増幅トランジスタ１１５により増幅された信号が信号線１１６に出力される。さらに、当該信号に含まれるノイズがノイズ除去回路１０４により除去され、ノイズが除去された後の信号がアンプ回路１０５から固体撮像装置１００の外部に映像信号として出力される。
　次に、金属層１１１の構造を詳細に説明する。
　図３は、画素１０６における金属層１１１の平面図である。各画素１０６の金属層１１１には、光吸収層１１０の直上に開口部１２０が形成されている。このように金属層１１１に開口部１２０を設けることで、当該金属層１１１を導波管のようなハイパスフィルタとして機能させている。この金属層１１１は、固体撮像装置１００が受光対象とする波長に対して透明でない良導体金属であればよい。例えば、金属層１１１は、アルミニウム、金、銀、及び銅などで形成される。
　ここで、導波管について説明する。導波管は、壁面が良導体で作られている中空構造を有するパイプであり、一般的にマイクロ波帯の伝送線路に使用されている。この導波管は、断面の形状によって、方形導波管、円形導波管などに分類される。また、導波管は、開口寸法に依存して決定される遮断周波数を有する。つまり、導波管は、遮断周波数以下の周波数では信号が伝達されないというハイパスフィルタ特性を有することが一般的に知られている。
　なお、導波管で使用されるマイクロ波帯に限らず、固体撮像装置１００で扱う波長領域の光も共にマクスウェル方程式に従う電磁波であるため、同様の特性を有している。
　例えば、横幅ａ及び高さｂの方形導波管において、遮断周波数ｆcは、以下の式（１）で示される。また、遮断周波数に対応する波長λcは、以下の式（２）で示される。なお、導波管の内部には、誘電率ε及び透磁率μの等方かつ均質な媒質が充填されているものとすると、媒質中の平面波の速度νは、以下の式（３）で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　このように、金属層１１１で形成される導波管の開口部１２０の寸法に応じて、透過する光の波長領域が決まる。よって、このハイパスフィルタ特性を用いて固体撮像装置１００の色分離を行うことができる。
　式（２）より、所望のフィルタ特性を得るには、開口部１２０の最大寸法は金属層１１１の開口部１２０を透過させる光の最長波長よりも小さくなる。固体撮像装置１００で受光する光の最長波長は１１００ｎｍ程度までであるため、１．０μｍを下回る微細画素でも十分に必要な寸法の開口部１２０を設けることができる。また、円形導波管においても、方形導波管と同様に開口部１２０の寸法で遮断周波数が決まる。言い換えると、金属層１１１の開口部１２０は方形に限らず、多角形、円形又は楕円形等の他の形状であっても、同様にハイパスフィルタ特性を得ることができる。
　また、図３では、金属層１１１の開口部１２０は、画素１０６の中心に配置されているが、必ずしも中心に配置されなくてもよい。例えば、画素アレイ部１０１の中央部に位置する画素１０６と周辺部に位置する画素１０６とでは、当該画素１０６内における光の集光位置が異なる場合がある。このため、中央部に位置する画素１０６では、開口部１２０を当該画素１０６の中心に配置し、周辺部に位置する画素１０６では、金属層１１１及び開口部１２０を当該画素１０６の中心からずらして配置する。これにより、効率よく光を導波管へ入射させることができる。
　また、画素１０６への光の入射角度に応じて、導波管の遮断周波数が僅かに変化してしまう。よって、これに対応するために、画素アレイ部１０１での位置に応じて開口部１２０の寸法を変化させてもよい。
　また、この金属層１１１は、従来のカラーフィルタのように厚膜でなくても色分離を行うことができる。また、金属層１１１の膜厚を変化させることによって、遮断周波数以下の光の透過特性を調整することができる。例えば、金属層１１１の膜厚は０．１μｍ～０．５μｍ程度が好ましい。これにより、良好な透過特性を得ることができる。
　さらに、開口部１２０の断面形状を信号読出し回路１１８側に向かって広がる、又は狭くなるテーパー型とすることで、遮断周波数近傍での透過率の立下りを緩やかにできるため、所望のフィルタ特性に合わせ込むことがより一層容易になる。つまり、薄膜の金属層１１１の膜厚と、開口部１２０の寸法及び断面形状とを最適設計することで、所望の波長領域を透過させるフィルタを作製することができる。
　例えば、金属層１１１を、レジストマスク等を用いたドライエッチングプロセスで形成する場合には、レジストマスクのテーパー形状を利用することで、開口部１２０の断面形状が信号読出し回路１１８側に向かって狭くなる構造を容易に形成することができる。また、例えば、金属層１１１を、ダマシンプロセスで形成する場合には、金属層１１１を平坦化膜に形成した溝内に埋め込むことになり、この溝のテーパー形状を利用することで、開口部１２０の断面形状が信号読み出し回路１１８側に向かって広がる構造を容易に形成することができる。
　なお、開口部１２０の断面形状が信号読出し回路１１８側に向かって狭くなるテーパー型の場合には、斜めに入射する光のケラレを低減することができるので、入射光を多く取り込むことができる。
　このため、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、従来のカラーフィルタを用いる必要がなくなり、画素構造を低背化することができる。これにより、固体撮像装置１００は、高アスペクト比であることによる斜め光の隣接画素への侵入を防止できる。よって、固体撮像装置１００は、その分感度を向上させることができ、且つ、混色を防止することができる。
　また、導波管となる金属層１１１と光吸収層１１０とが接して形成されるため、導波管により回折した光も光吸収層１１０に取り込むことができる。これにより、固体撮像装置１００は、混色をさらに防止することができる。さらに、画素１０６の境界領域は金属層１１１で覆われた状態であるため、遮光効果も備わっている。
　また、金属層１１１に開口部１２０が少なくとも１つ形成されていれば導波管機能を得ることができるため、例えば、１．０μｍ程度の微細画素でも固体撮像装置１００の製造が容易である。
　また、カラー撮像を行わない場合であっても、例えば、金属層１１１の開口寸法を遮断周波数に対応する波長が７５０ｎｍとなるように、ａ＝０．３７５μｍ、ｂ＝０．１８７５μｍに設定することで７５０ｎｍ以上の赤外光を遮断するカットフィルタを形成することができる。このため、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、従来の固体撮像装置上に設けられている赤外光カットフィルタを不要にすることができる。なお、ここでは、ａ＝２ｂとなるように開口寸法を設定して単一のモードを励起しやすくしているが、開口寸法はこれに限らず、例えばａ＝ｂとしてもよい。
　次に、方形の開口部１２０を有する金属層１１１により形成されるフィルタを用いてＲＧＢ３原色の色分離を行う方法を説明する。図４は、画素毎に異なるフィルタ特性を有する金属層１１１を備えた場合の当該金属層１１１の平面図である。
　ここで、画素アレイ部１０１に配置される複数の画素１０６の各々は、それぞれ異なる波長帯域の光を信号電荷に変換する複数種類の画素のいずれかである。また、開口部１２０の形状（開口率）は画素の種類ごとに異なる。具体的には、複数の画素１０６の各々は、赤色成分の光を受光する画素１０６Ｒと、緑色成分の光を受光する画素１０６Ｇと、青色成分の光を受光する画素１０６Ｂとのうちいずれかである。
　図４に示すように、画素１０６Ｒでは、金属層１１１Ｒが波長７５０ｎｍ以上の光を遮断するように、開口部１２０Ｒの寸法ａrを０．３７５μｍに設定する。
　また、画素１０６Ｇでは、金属層１１１Ｇが波長６４０ｎｍ以上の光を遮断するように、開口部１２０Ｇの寸法ａgを０．３２０μｍに設定する。
　また、画素１０６Ｂでは、金属層１１１Ｂが波長５３０ｎｍ以上の光を遮断するように、開口部１２０Ｂの寸法ａbを０．２６５μｍに設定する。
　また、金属層１１１Ｒ、１１１Ｇ、及び１１１Ｂの膜厚は０．１μｍ～０．７μｍ程度が好ましく、これにより良好な透過特性を得ることができる。
　次に、図５は、上述の開口寸法で得られる金属層１１１Ｒ、１１１Ｇ及び１１１Ｂのハイパスフィルタ特性１３０Ｒ、１３０Ｇ及び１３０Ｂを示す図である。
　実際には、目安とする開口寸法に基づいて、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ）法などの数値解析、及び分光測定などの実験によって金属層１１１の開口寸法、膜厚、及び断面形状が特定される。なお、製造上の加工バラツキ等によって開口部１２０の寸法及び形状が設計値とは若干前後しても、遮断周波数が大きく変化することはほとんどない。
　ここで、上記構成では、画素１０６Ｒからの信号出力には赤色信号以外の短波長光信号が含まれ、画素１０６Ｇからの信号出力には緑色信号以外の短波長光信号が含まれ、画素１０６Ｂからの信号出力にはＢ信号以外の短波長光信号が含まれてしまう。これにより、偽色が生じてしまう。
　これを解決するために、各画素１０６Ｒ、１０６Ｇ及び１０６Ｂからの出力信号に対して行列演算が行われることが好ましい。この行列演算によって、各ＲＧＢ画素の出力から余分な色信号を除去することができるため、ＲＧＢの各色信号のみを抽出することが可能となる。なお、通常、画素１０６の最表面には、窒化シリコン膜などの保護膜が形成されている。この保護膜で紫外光のような短波長光は吸収されるため、その分の差分演算は行わなくてもよい。
　次に、固体撮像装置１００の断面構造を説明する。
　図６は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００における画素１０６の断面図である。同図に示すように、固体撮像装置１００は、さらに、半導体基板１４０と、素子分離部１４１と、絶縁膜１４２と、配線１４３と、コンタクト１４４と、電極１４５と、マイクロレンズ１４７とを備える。
　信号読出し回路１１８は、画素１０６ごとに、半導体基板１４０の表面に形成されている。なお、図２に示すように、信号読出し回路１１８は、フローティングディフュージョン１１４、増幅トランジスタ１１５、リセットトランジスタ１１３、及び選択トランジスタ１１７を含むが、図６ではフローティングディフュージョン１１４及びリセットトランジスタ１１３のゲートのみが図示されている。
　素子分離部１４１は、半導体基板１４０の表面に形成されている。この素子分離部１４１は、各画素１０６に含まれる信号読出し回路１１８を電気的に分離する。
　絶縁膜１４２は、信号読出し回路１１８及び素子分離部１４１が形成された半導体基板１４０の表面を覆うように、当該半導体基板１４０の上方に積層されている。
　配線１４３は、絶縁膜１４２内に形成されており、信号読出し回路１１８等に含まれる各素子を電気的に接続する。
　電極１４５は、画素１０６ごとに絶縁膜１４２上に形成されている。
　コンタクト１４４は、絶縁膜１４２を貫通し、フローティングディフュージョン１１４と電極１４５とを電気的に接続する。
　光吸収層１１０は、複数の電極１４５上に形成されている。
　金属層１１１は、光吸収層１１０上（光入射面側）に形成されている。また、金属層１１１は、開口部１２０の形状に応じた波長帯域の光を光吸収層１１０に透過する。
　マイクロレンズ１４７は、画素１０６ごとに、金属層１１１の上方（光入射面側）に形成されている。このマイクロレンズ１４７の焦点は、光吸収層１１０内にある。このようなマイクロレンズ１４７を形成することにより集光効率を高めることができる。
　ここで、１．０μｍ程度の微細画素では、シリコン半導体基板内に形成されたフォトダイオードを用いた従来の構造では感度を維持することが困難である。このために、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００では、開口率を向上できるように、光吸収層１１０を信号読出し回路１１８の上方に積層した構造を用いている。
　また、例えば、光吸収層１１０には、半導体結晶、アモルファス半導体又は有機材料半導体を用いることができる。これにより、光吸収層１１０を蒸着等で容易に積層することができる。また、例えば、有機材料半導体は、有機分子面が水平方向に層状に積層されている面状有機材料半導体である。また、面状有機材料半導体は、有機分子面が垂直方向に配列している面状有機分子半導体であってもよい。
　また、シリコンよりも光の吸収係数の高い材料を光吸収層１１０に使用することで受光部での感度向上を併せて図ることができる。これによりさらに高感度化が見込める。例えば、シリコンよりも光の吸収係数の高い材料としては、有機材料半導体又は化合物半導体が挙げられる。有機材料半導体は上述のように、蒸着等で良好な膜を容易に積層することができる。一方、化合物半導体では、信号読出し回路１１８上に良好な結晶性の膜を積層することは困難である。そこで、例えば、信号読出し回路１１８と光吸収層１１０となる化合物半導体層とを別々の基板に形成し、基板貼り合わせ技術を用いることで、化合物半導体層を用いた構成を製造することができる。例えば、化合物半導体層は、ＧａＳｅなどの層状化合物半導体結晶である。
　また、光吸収層１１０は、少なくとも二種類の導電性半導体で形成してもよい。例えば、ｐｎ接合を用いることで、接合領域に形成される空乏領域で光吸収によって電荷を生成しやすくすることができる。さらに、ｐｉｎ接合を用いれば、電荷を生成する領域を拡大することができるため、感度を向上させることができる。
　また、金属層１１１を透過した光は、回折によって広がって光吸収層１１０に入射する。そして光吸収層１１０内で回折光が隣接画素に到達した場合は、光学的な混色が生じてしまう。
　図７は、この混色を防止できる、固体撮像装置１００の変形例である固体撮像装置１００Ａの断面図である。
　図７に示す固体撮像装置１００Ａは、図６に示す固体撮像装置１００の構成に加え、さらに、分離部１４８を備える。
　分離部１４８は、複数の画素１０６に含まれる光吸収層１１０の各々を電気的に分離する。例えば、分離部１４８は、光吸収層１１０より低屈折率の材料である。これにより、隣接画素へ向かう光は分離部１４８での屈折率差により反射される。よって、固体撮像装置１００Ａは、光学的な混色を防止することが可能となる。例えば、低屈折の材料としては、Ｓｉ又はＣを含む絶縁体を用いることができる。具体的には、低屈折の材料として、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＣ、又はＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等が使用可能である。なお、分離部１４８は、溝（空気）であってもよい。
　また、図８Ａ及び図８Ｂは、固体撮像装置１００Ａの変形例である固体撮像装置１００Ｂの断面図である。
　図８Ａに示す固体撮像装置１００Ｂでは、金属層１１１の開口部１２０の、金属層１１１に垂直な面の断面形状は、信号読出し回路１１８側に向かって広がるテーパー形状である。また、各画素１０６の光吸収層１１０の、当該光吸収層１１０に垂直な面の断面形状は、信号読出し回路１１８側に向かって広がるテーパー形状である。
　さらに、図８Ｂに示す固体撮像装置１００Ｂでは、金属層１１１の開口部１２０の、金属層１１１に垂直な面の断面形状は、信号読出し回路１１８側に向かって狭くなるテーパー形状である。また、各画素１０６の光吸収層１１０の、当該光吸収層１１０に垂直な面の断面形状は、信号読出し回路１１８側に向かって広がるテーパー形状である。このように、金属層１１１の開口部１２０において、金属層１１１に垂直な面の断面形状をテーパー形状とすることで、容易に透過波長領域幅を調整できる。よって、色分離を良好に行うことができる。
　なお、図８Ｂに示すテーパー形状の場合には、斜めに入射する光のケラレを低減することができるので、図８Ａに示すテーパー形状と比べて入射光を多く取り込むことができる。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２では、本発明を裏面照射型の固体撮像装置に適用した例を説明する。
　図９は、裏面照射型の固体撮像装置１００Ｃにおける画素１０６の回路図である。
　図９に示す画素１０６は、図２に示す画素１０６の構成に加え、さらに、転送トランジスタ１１２を備える。なお、信号読み出し回路１１８は図９の構成に限定されるわけではなく、信号読み出し回路１１８の構成が発明の効果に与える影響はない。例えば、信号読み出し回路１１８を構成する一部のトランジスタが画素間で共有化されていてもよい。
　転送トランジスタ１１２は、光吸収層１１０の一方端とフローティングディフュージョン１１４との間に電気的に接続されている。この転送トランジスタ１１２のオン及びオフは垂直走査回路１０２により制御される。また、転送トランジスタ１１２がオンすることにより光吸収層１１０に蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョン１１４に転送される。
　図１０は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置１００Ｃの断面図である。
　図１０に示す固体撮像装置１００Ｃは、信号読出し回路１１８が形成された半導体基板１４０の一方表面とは反対の面から光を入射させる裏面照射型の固体撮像装置である。裏面照射型の固体撮像装置を利用すれば、受光部の開口率が受光面でほぼ１００％になるため、感度を向上することができる。
　図１０に示す固体撮像装置１００Ｃは、さらに、半導体基板１４０と、素子分離部１４１と、絶縁膜１４２と、配線１４３と、マイクロレンズ１４７と、分離部１４９とを備える。
　信号読出し回路１１８は、画素１０６ごとに、半導体基板１４０の一方表面に形成されている。なお、図１０ではフローティングディフュージョン１１４及び転送トランジスタ１１２のゲートのみが図示されている。
　素子分離部１４１は、半導体基板１４０の一方表面に形成されている。この素子分離部１４１は、各画素１０６に含まれる信号読出し回路１１８を電気的に分離する。
　絶縁膜１４２は、信号読出し回路１１８及び素子分離部１４１が形成された半導体基板１４０の一方表面を覆うように、当該半導体基板１４０の一方表面上方に積層されている。
　配線１４３は、絶縁膜１４２内に形成されており、信号読出し回路１１８等に含まれる各素子を電気的に接続する。
　光吸収層１１０は、半導体基板１４０内に形成されている。
　金属層１１１は、光吸収層１１０の裏面（他方表面）側（光入射面側）に形成されている。
　マイクロレンズ１４７は、画素１０６ごとに、金属層１１１の裏面側（光入射面側）に形成されている。このマイクロレンズ１４７の焦点は、光吸収層１１０内にある。このようなマイクロレンズ１４７を形成することにより集光効率を高めることができる。
　また、光吸収層１１０は、少なくとも二種類の導電性半導体から成ることが好ましい。例えば、ｐｎ接合を用いることで、接合部に形成される空乏領域で光吸収によって電荷を生成しやすくすることができる。さらに、ｐｉｎ接合を用いれば、電荷を生成する領域を拡大することができるため、感度を向上させることができる。
　また、各画素１０６の光吸収層１１０間での混色を防止するために、光吸収層１１０は注入分離部１４９によって各々が分離されていることが好ましい。分離部１４９の導電型は、信号電荷が電子の場合はｐ型で形成され、信号電荷が正孔の場合はｎ型で形成される。
　また、集光効率を高めるために、金属層１１１上にマイクロレンズ１４７が形成されていることが好ましい。
　また、フローティングディフュージョン１１４からの電荷の読出し動作は実施の形態１と同様である。
　また、光吸収層１１０で生成される電荷の読出しは転送トランジスタ１１２のゲートの近傍で行われるため、各光吸収層１１０で生成した電荷を転送トランジスタ１１２のゲートが形成される半導体基板１４０の一方表面へ集める必要がある。そのために、光吸収層１１０内に一方表面に向かって電位が深くなるように不純物濃度分布に勾配を形成することで、電荷の収集を容易にしている。しかしながら、微細画素においては、不純物濃度分布に勾配を設けることが困難となる。このため、固体撮像装置１００Ｃでは、裏面側（光入射面側）に金属層１１１を形成し、金属層１１１にバイアス電圧を印加することで、光吸収層１１０内に電界を発生させる。これにより、半導体基板１４０の一方表面側への電荷収集を容易に行うことができる。
　なお、金属層１１１の構成及びその機能は、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。
　また、実施の形態１と同様に、画素１０６Ｒからの信号出力には赤色信号以外の短波長光信号が含まれ、画素１０６Ｇからの信号出力には緑色信号以外の短波長光信号が含まれ、画素１０６Ｂからの信号出力にはＢ信号以外の短波長光信号が含まれてしまう。これにより、偽色が生じてしまう。
　これを解決するために、実施の形態２に係る固体撮像装置１００Ｃでは、光吸収層１１０の空乏領域１５０の深さを調整している。図１１は、偽色の防止を可能にする固体撮像装置１００Ｄの断面図である。
　空乏領域１５０は、二種類の導電性半導体の接合で形成される。また、光はその波長に応じて光吸収層１１０内での吸収係数が異なっている特性を有している。このため、光吸収を行う空乏領域１５０が形成される深さ方向の位置を各ＲＧＢ画素で調整する。赤色光のような長波長光は光吸収層１１０の深い領域まで透過するのに対し、青色光のような短波長光は光吸収層の浅い領域でほとんど吸収される。そこで、画素１０６Ｒの光吸収層１１０には、浅い領域で入射光を吸収しないように、空乏領域１５０を深い領域に形成する。これによって、画素１０６Ｒの光吸収層１１０は、赤色光よりも短波長である緑色光及び青色光を吸収しなくなる。よって、画素１０６Ｒからの出力信号を赤色信号のみにできる。
　また、画素１０６Ｇの光吸収層１１０には、浅い領域及び深い領域で入射光を吸収しないように、空乏領域１５０を中間領域に形成する。これによって、画素１０６Ｇの光吸収層１１０は、緑色光よりも短波長である青色光と、緑色光よりも長波長である赤色光とを吸収しなくなる。よって、画素１０６Ｇからの出力信号を緑色信号のみにできる。
　また、画素１０６Ｂの光吸収層１１０には、深い領域で入射光を吸収しないように、空乏領域１５０を浅い領域に形成する。これによって、画素１０６Ｂの光吸収層１１０は、青色光よりも長波長である赤色光及び緑色光を吸収しなくなる。よって、画素１０６Ｂからの出力信号を青色信号のみにできる。
　例えば、光吸収層１１０の厚さが３．０μｍの場合、画素１０６Ｒには１．５μｍ～３．０μｍの深さ領域に空乏領域１５０を形成し、画素１０６Ｇには０．７μｍ～１．５μｍの深さ領域に空乏領域１５０を形成し、画素１０６Ｂには０．０μｍ～０．７μｍの深さ領域に空乏領域１５０を形成すると良好な色分離が可能である。
　また、金属層１１１で遮光された領域にも、空乏領域１５０を設けることで、各光吸収層１１０で生成した電荷を一方表面への転送する経路を確保することができる。また、この転送経路には金属層１１１からのバイアス印加で電界が発生しやすくなっている。これにより、固体撮像装置１００Ｄでは、電荷の読出しを容易に行うことができる。
　これによって、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置１００Ｄは、実施の形態１で必要であった演算処理を不要にすることができる。
　（実施の形態３）
　本発明の実施の形態３では、上述した実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例について説明する。
　図１２は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置１００Ｅの断面図である。
　図１２に示す固体撮像装置１００Ｅは、図７に示す固体撮像装置１００Ａの構成に加え、さらに、短波長領域（高周波領域）の光を吸収するローパスフィルタ１５１Ｒ、１５１Ｇ及び１５１Ｇを備える。
　ローパスフィルタ１５１Ｒは、画素１０６Ｒの金属層１１１上に形成されている。ローパスフィルタ１５１Ｇは、画素１０６Ｇの金属層１１１上に形成されている。ローパスフィルタ１５１Ｂは、画素１０６Ｂの金属層１１１上に形成されている。
　また、実施の形態１では、画素１０６Ｒからの信号出力には赤色信号以外の短波長光信号が含まれ、画素１０６Ｇからの信号出力には緑色信号以外の短波長光信号が含まれ、画素１０６Ｂからの信号出力にはＢ信号以外の短波長光信号が含まれてしまうため、偽色が生じてしまう。
　これを解決するために、実施の形態３に係る固体撮像装置１００Ｅでは、金属層１１１上にローパスフィルタ１５１Ｒ、１５１Ｇ及び１５１Ｂが形成されている。ローパスフィルタ１５１Ｒは、赤色光よりも短波長の光を吸収する。また、ローパスフィルタ１５１Ｇは、緑色光よりも短波長光を吸収する。また、ローパスフィルタ１５１Ｂは、青色よりも短波長の光を吸収する。
　これにより、画素１０６Ｒは赤色光のみを受光できる。また、画素１０６Ｇは緑色光のみを受光できる。また、画素１０６Ｂは青色光のみを受光できる。
　このため、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置１００Ｅでは、一般的なカラーフィルタを用いる必要がなくなる。ただし、固体撮像装置１００Ｅでは、ローパスフィルタ１５１Ｒ、１５１Ｇ及び１５１Ｂを形成する必要があるため、画素構造の低背化には不向きである。しかしながら、微細画素において、バイアス印加手段として必要な金属層１１１を導波管として使用した場合、開口部１２０を通った光は光吸収層１１０内に入射し、開口部１２０外の領域は金属層１１１で覆われているため、低背化されていなくても隣接画素への光学的な混色を低減することができる。また、金属層１１１と光吸収層１１０とが接して形成されるため、導波管により回折した光も光吸収層に取り込むことができ、これによる混色を防止することができる。
　なお、図１２では、ローパスフィルタ１５１Ｒ、１５１Ｇ及び１５１Ｂは、開口部１２０内、及び金属層１１１上の両方に形成されているが、いずれか一方のみに形成されていてもよい。
　以上、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記各図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
　また、上記実施の形態１～３に係る、固体撮像装置、及びその変形例の構成又は機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
　また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。
　また、上記説明では、ＭＯＳトランジスタを用いた例を示したが、バイポーラトランジスタ等の他のトランジスタを用いてもよい。
　また、上記実施の形態に係る固体撮像装置は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。
　また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
　また、本発明の実施の形態に係る、固体撮像装置の機能の一部を、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。
　さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
　更に、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
　本発明は高解像の携帯電話用カメラ、ＤＳＣ、及びＨＤムービーカメラ等に利用できる。
　１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ　固体撮像装置
　１０１　画素アレイ部
　１０２　垂直走査回路
　１０３　水平走査回路
　１０４　ノイズ除去回路
　１０５　アンプ回路
　１０６、１０６Ｂ、１０６Ｇ、１０６Ｒ　画素
　１０７　駆動回路
　１１０　光吸収層
　１１１、１１１Ｂ、１１１Ｇ、１１１Ｒ　金属層
　１１２　転送トランジスタ
　１１３　リセットトランジスタ
　１１４　フローティングディフュージョン
　１１５　増幅トランジスタ
　１１６　信号線
　１１７　選択トランジスタ
　１１８　信号読出し回路
　１２０、１２０Ｂ、１２０Ｇ、１２０Ｒ　開口部
　１３０Ｂ、１３０Ｇ、１３０Ｒ　ハイパスフィルタ特性
　１４０　半導体基板
　１４１　素子分離部
　１４２　絶縁膜
　１４３　配線
　１４４　コンタクト
　１４５　電極
　１４７　マイクロレンズ
　１４８、１４９　分離部
　１５０　空乏領域
　１５１Ｂ、１５１Ｇ、１５１Ｒ　ローパスフィルタ

Claims (13)

  1. 　二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像装置であって、
    　前記複数の画素の各々は、
    　光を信号電荷に変換する光吸収層と、
    　前記光吸収層の光入射面とは反対側に形成されており、前記信号電荷を読み出す信号読出し回路と、
    　前記光吸収層の前記光入射面側に形成されているとともに、開口部が形成されており、当該開口部の形状に応じた波長帯域の光を前記光吸収層に透過する金属層と、
    　前記金属層に電圧を印加することにより、前記光吸収層内に、前記信号電荷を収集するための電位勾配を発生させる駆動部とを備える
    　固体撮像装置。
  2. 　前記駆動部は、前記金属層に電圧を印加することにより、前記信号電荷の蓄積動作と読出し動作とリセット動作とを切り替える
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 　前記複数の画素の各々は、それぞれ異なる波長帯域の光を信号電荷に変換する複数種類の画素のいずれかであり、
    　前記金属層に形成されている前記開口部の形状は、前記画素の種類ごとに異なる
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 　前記開口部は、前記金属層に垂直な面の断面形状がテーパー形状である
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 　前記複数の画素の各々は、さらに、
    　前記開口部上及び前記開口部内の少なくとも一方に形成され、前記開口部の形状に応じた波長帯域よりも短い波長帯域の光を遮断するフィルタを備える
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 　前記複数の画素の各々は、さらに、
    　前記開口部の前記光入射面側に形成されたマイクロレンズを備え、
    　前記マイクロレンズの焦点は前記光吸収層内にある
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  7. 　前記固体撮像装置は、半導体基板を備え、
    　前記光吸収層は、前記半導体基板内に形成されており、
    　前記信号読出し回路は、前記半導体基板の第１面側に形成されており、
    　前記金属層は、前記半導体基板の、前記第１面と対向する第２面側に形成されており、前記第２面側から入射した光のうち前記開口部の形状に応じた波長帯域の光を前記光吸収層に透過する
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  8. 　前記固体撮像装置は、半導体基板を備え、
    　前記信号読出し回路は、前記半導体基板の第１面側に形成されており、
    　前記光吸収層は、前記信号読出し回路の前記第１面側の上方に形成されており、
    　前記金属層は、前記光吸収層の前記第１面側の上方に形成されており、前記第１面側から入射した光のうち前記開口部の形状に応じた波長帯域の光を前記光吸収層に透過する
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  9. 　前記固体撮像装置は、さらに、
    　前記複数の画素に含まれる前記光吸収層の各々を電気的に分離する、前記光吸収層よりも低屈折率の材料で形成されている分離部を備える
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  10. 　前記光吸収層は面状有機材料半導体で形成され、
    　当該面状有機材料半導体は、有機分子面が水平方向に層状に積層されている
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  11. 　前記光吸収層は面状有機分子半導体で形成され、
    　当該面状有機分子半導体は、有機分子面が垂直方向に配列している
    　請求項１０に記載の固体撮像装置。
  12. 　前記光吸収層は、分光特性の異なる少なくとも二種類の導電性半導体で形成されている
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  13. 　前記光吸収層は、分光特性の異なる少なくとも二種類の導電性半導体で形成されており、
    　前記二種類の導電性半導体の接合で形成される空乏領域の深さ方向の位置は、前記画素の種類ごとに異なる
    　請求項３に記載の固体撮像装置。
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