(57)【要約】【課題】画素部サイズが１μｍオーダーでも、混色を実用上問題ないレベルまで低減することが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】ｐ型シリコン基板１上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子であって、該画素部が、ｐ型シリコン基板１上方に設けられた光電変換部（下部電極６、光電変換層７、上部電極８）と、該光電変換部上方に設けられたカラーフィルタ１０とを含み、隣接する画素部のカラーフィルタ１０同士の間に、画素部のカラーフィルタ１０に入射した光が隣の画素部に入射するのを防止するための隔壁１１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子であって、
前記画素部が、前記基板上方に設けられた光電変換部と、前記光電変換部上方に設けられたカラーフィルタとを含み、
前記画素部の前記カラーフィルタに入射した光が隣の前記画素部に入射するのを防止するための隔壁を備える固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記カラーフィルタ同士の間に前記カラーフィルタの側面を覆って設けられている固体撮像素子。
【請求項３】
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記隔壁が、光を吸収又は反射する材料で構成されたもの、又は、光を全反射する空気層である固体撮像素子。
【請求項４】
請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部が、前記光電変換部で発生した信号電荷に応じた信号を出力するための回路が形成される基板上に設けられた半導体基板内に形成されたフォトダイオードである固体撮像素子。
【請求項５】
請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部が、前記基板上方に設けられた下部電極、前記下部電極上方に設けられた上部電極、及び前記下部電極と前記上部電極の間に設けられた光電変換層を含み、
前記画素部が、前記カラーフィルタと前記上部電極との間に設けられた、前記光電変換部を保護するための保護層を含み、
前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記保護層同士の間にも設けられている固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像素子であって、
前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記光電変換部同士の間にも設けられている固体撮像素子。
【請求項７】
請求項５又は６記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換層が、可視域の光を吸収し、吸収した光に応じた信号電荷を発生する光電変換材料で構成されており、
前記多数の画素部に含まれる前記カラーフィルタが、それぞれ異なる波長域の光を透過する３種類以上のカラーフィルタを含む固体撮像素子。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換層が有機又は無機の光電変換材料で構成されている固体撮像素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記画素部が、前記カラーフィルタ上に、前記光電変換部に光を集光するためのマイクロレンズを備える固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視域の光を吸収して信号電荷を発生するアモルファスシリコン及び化合物半導体等の無機光電変換材料や有機光電変換材料と、この上方に設けられたモザイクカラーフィルタとを有する積層型カラー撮像素子が知られている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
これら積層型カラー撮像素子は、可視光全域に感度を有する、いわゆるパンクロ光電変換層が画素電極と透明対向電極で挟まれ、透明対向電極上に保護層を介してモザイクカラーフィルタが積層されている。モザイクカラーフィルタは、画素部毎にＲＧＢやＣｙＭｇＹｅの何れかの光を透過するカラーフィルタが配置された構成であり、撮像素子に入射した光線は、モザイクカラーフィルタにより画素部毎にＲＧＢやＣｙＭｇＹｅの何れかの色に分光された後、光電変換層で信号電荷に変換される。光電変換層で発生した信号電荷は画素電極に集められ、画素電極に接続されたプラグを介してシリコン基板内に形成された電荷蓄積ダイオードに一定時間蓄えられた後、ＣＭＯＳ回路やＣＣＤ等の信号読み出し回路によって外部に読み出される。
【０００４】
これらの積層型カラー撮像素子は、画素電極と透明対向電極間にバイアス電圧を印加して電位勾配を形成して光電変換層内で発生した信号電荷のほとんどを画素電極側に読み出す。そのため、画素電極間のギャップを狭くすれば、開口率が１に近い、高光利用率の高感度撮像素子を実現することができる。しかしながら、光電変換層とモザイクカラーフィルタの間に距離があると、斜め入射した光線が隣接画素部に漏れこむ場合があり、混色の発生が懸念される。
【０００５】
従来、この種の積層型カラー撮像素子は、モザイクカラーフィルタの厚さが0.6〜1.2μ、保護層の厚さが0.2〜0.5μ、パンクロ光電変換層の厚さが0.3〜1.0μに対して画素部サイズが3〜10μであったため、斜め入射光に対しても隣接画素部への光漏れ比率は小さく、混色の心配は少なかった。しかしながら、今後、画素部の微細化が進み、画素部サイズが2μ以下、特に1μオーダーになるとこの混色が無視できなくなる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３４７４７５号公報
【非特許文献１】日立製作所  テレビジョン学会技術報告  TEBS76-1-1「非晶質Siを用いた単板カラー固体撮像素子」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、画素部サイズが１μｍオーダーでも、混色を実用上問題ないレベルまで低減することが可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、基板上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子であって、前記画素部が、前記基板上方に設けられた光電変換部と、前記光電変換部上方に設けられたカラーフィルタとを含み、前記画素部の前記カラーフィルタに入射した光が隣の前記画素部に入射するのを防止するための隔壁を備える。
【０００９】
この構成により、任意の画素部に入射した光が隣の画素部に漏れこむのを防ぐことができるため、混色を抑制することができる。
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記カラーフィルタ同士の間に前記カラーフィルタの側面を覆って設けられている。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、前記隔壁が、光を吸収又は反射する材料で構成されたもの、又は、光を全反射する空気層である。
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換部が、前記光電変換部で発生した信号電荷に応じた信号を出力するための回路が形成される基板上に設けられた半導体基板内に形成されたフォトダイオードである。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換部が、前記基板上方に設けられた下部電極、前記下部電極上方に設けられた上部電極、及び前記下部電極と前記上部電極の間に設けられた光電変換層を含み、前記画素部が、前記カラーフィルタと前記上部電極との間に設けられた、前記光電変換部を保護するための保護層を含み、前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記保護層同士の間にも設けられている。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記光電変換部同士の間にも設けられている。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換層が、可視域の光を吸収し、吸収した光に応じた信号電荷を発生する光電変換材料で構成されており、前記多数の画素部に含まれる前記カラーフィルタが、それぞれ異なる波長域の光を透過する３種類以上のカラーフィルタを含む。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換層が有機又は無機の光電変換材料で構成されている。
【００１７】
本発明の固体撮像素子は、前記画素部が、前記カラーフィルタ上に、前記光電変換部に光を集光するためのマイクロレンズを備える。
【００１８】
本発明の撮像装置は前記固体撮像素子を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、画素部サイズが１μｍオーダーでも、混色を実用上問題ないレベルまで低減することが可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いられるものである。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。図１に示す固体撮像素子は、基板の一例であるｐ型シリコン基板１上方に２次元状（例えば正方格子状）又は１次元状に配列された例えば四角形状の多数の画素部を備える。図１では、所定方向に並ぶ３つの画素部の断面を示している。
【００２２】
各画素部は、ｐ型シリコン基板１上方に設けられた下部電極６、下部電極６上方に設けられた上部電極８、及び下部電極６と上部電極８の間に設けられた光電変換層７を含む光電変換部と、上部電極８上に設けられた保護層９と、保護層９上に設けられたカラーフィルタ１０とを備える。
【００２３】
下部電極６は、アルミニウムやチタンナイトライド等の入射光に対して不透明な電極であり、画素部毎に分離されている。
【００２４】
光電変換層７は、可視域の光を吸収し、吸収した光に応じた信号電荷を発生する光電変換材料で構成されている。この光電変換材料としては、公知の有機又は無機の材料を用いることができる。光電変換層７は、全ての画素部で共通の一枚構成となっているが、画素部毎に分離した構成としても良い。
【００２５】
上部電極８は、ＩＴＯ等の入射光に対して透明な電極であり、全ての画素部で共通の一枚構成となっている。上部電極８は、画素部毎に分離した構成としても良い。上部電極８には、光電変換層７に電界をかけられるように、所定のバイアス電圧が印加可能となっている。
【００２６】
保護層９は、光電変換部を保護するためのものであり、入射光に対して透明な絶縁材料等で構成されている。光電変換層７を有機材料で形成する場合、有機材料は一般に水や溶剤による特性劣化が大きく、フォトリソグラフィ法に不向きである。しかし、カラーフィルタ１０形成時にはフォトリソグラフィ法が一般的に用いられるため、保護層９を設けないと、光電変換層７の特性劣化が懸念される。そこで、図１に示す固体撮像素子では光電変換層７とカラーフィルタ１０との間に保護層９を設けている。保護層９は、例えばアルミナ膜や窒化膜を用いることができる。
【００２７】
カラーフィルタ１０には、赤色（Ｒ）の波長域の光を透過するＲカラーフィルタと、緑色（Ｇ）の波長域の光を透過するＧカラーフィルタと、青色（Ｂ）の波長域の光を透過するＢカラーフィルタとの３種類が含まれる。多数の画素部は、Ｒカラーフィルタを含む画素部と、Ｇカラーフィルタを含む画素部と、Ｂカラーフィルタを含む画素部で構成されており、カラー画像を生成できるように、各画素部が所定のパターンで配置されている。
【００２８】
ｐ型シリコン基板１内には、画素部に対応させて高濃度のｎ型不純物層からなる電荷蓄積部２が形成されている。電荷蓄積部２は、対応する画素部の光電変換層７で発生した信号電荷を蓄積するものであり、タングステン等の導電性材料のプラグ５を介して、対応する画素部の下部電極６と電気的に接続されている。
【００２９】
ｐ型シリコン基板１には、更に、電荷蓄積部２に対応させて信号読み出し回路４が形成されている。信号読み出し回路４は、対応する電荷蓄積部２に蓄積された信号電荷に応じた電圧信号を出力するためのものであり、ＣＭＯＳ回路やＣＣＤとアンプを用いた回路等を用いることができる。
【００３０】
図２は、図１に示す信号読み出し回路４の構成例を示した図である。
図２に示すように、信号読み出し回路４は、電荷蓄積部２に蓄積された信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタ４ａと、電荷蓄積部２に蓄積された信号電荷を電圧信号に変換するための出力トランジスタ４ｂと、出力トランジスタ４ｂから出力された電圧信号を列信号線に出力するための選択トランジスタ４ｃとを備えた公知の３トランジスタ構成となっている。ｐ型シリコン基板１上には、これらトランジスタのゲート酸化膜３が形成されている。ゲート酸化膜３は例えば酸化シリコンで構成されている。
【００３１】
図１に示す固体撮像素子は、任意の画素部のカラーフィルタ１０に入射した光が該画素部の隣の画素部に入射するのを防止するための隔壁１１を備える。隔壁１１は、隣接する画素部のカラーフィルタ１０同士の間に、カラーフィルタ１０の側面を覆って設けられている。
【００３２】
隔壁１１は、入射光を吸収又は反射する領域であれば良く、入射光を吸収又は反射する材料（例えばタングステンやアルミニウム等の金属、黒色の染料や顔料等）で構成したり、入射光を全反射する空気層で構成したりすることができる。空気層で入射光を全反射させるには、画素部のカラーフィルタ１０への入射光の入射角をαとし、空気層の屈折率をｎとすると、「ｓｉｎ（９０°−α）＞（１／ｎ）」の条件を満たせば良い。例えば、ｎ＝１．５とすると、α＜４８．２°で条件を満たすため、ほとんどの斜め光を全反射させることができる。
【００３３】
カラーフィルタ１０及び隔壁１１の上には固体撮像素子全体を封止する封止ガラス１２が設けられている。
【００３４】
以上のように構成された固体撮像素子の動作について説明する。
【００３５】
入射光のうちのＲ光はＲカラーフィルタ１０を透過し、Ｒカラーフィルタ１０下方の光電変換層７に入射し、ここでＲ光に応じた信号電荷が発生する。入射光のうちのＧ光はＧカラーフィルタ１０を透過し、Ｇカラーフィルタ１０下方の光電変換層７に入射し、ここでＧ光に応じた信号電荷が発生する。入射光のうちのＢ光はＢカラーフィルタ１０を透過し、Ｂカラーフィルタ１０下方の光電変換層７に入射し、ここでＢ光に応じた信号電荷が発生する。各カラーフィルタ１０に斜めに入射してきた光は、その一部がカラーフィルタ１０の側面を覆う隔壁１１によって吸収又は反射されるため、隣の画素部に到達してしまう光は減少する。
【００３６】
各光電変換層７で発生した信号電荷は、そこに加わる電界によって下部電極６に集められ、ここからプラグ５を介して電荷蓄積部２に移動し、ここで蓄積される。蓄積された信号電荷は、信号読み出し回路４によって電圧信号として列信号線に順次出力される。固体撮像素子から出力された電圧信号に所定の信号処理を施すことで、カラー画像データを生成することができる。
【００３７】
以上のように、図１に示した固体撮像素子によれば、カラーフィルタ１０同士の間に隔壁１１が設けられているため、任意の画素部のカラーフィルタ１０に入射してきた光が該画素部の隣の画素部に入射してしまう確率を減らすことができる。このため、混色を低減することができ、高画質撮像が可能な固体撮像素子を実現することができる。画素部のサイズ（画素部を正方形状とした場合、１辺の長さ）が２μｍ以下になると、光電変換層７の下面からカラーフィルタ１０の上面までの厚みと、画素部のサイズが同程度となり、斜め入射光が隣の画素部に漏れこみやすくなる。そこで、隔壁１１を設けて、斜め入射光が隣の画素部に漏れこむ確率を減らすことで、微細化が進んだ場合でも、画質を維持することが可能となる。
【００３８】
なお、隔壁１１は、Ｒカラーフィルタ、Ｇカラーフィルタ、Ｂカラーフィルタを保護層９上に順に形成後、カラーフィルタ１０同士の境界部分に開口を形成し、この開口に光を反射又は吸収する材料を埋めたり、開口内に何も埋めないまま封止ガラス１２を形成したりすることで形成することができる。または、光を反射又は吸収する材料によって保護層９上に隔壁１１を形成した後、隔壁１１で囲まれた空間内にカラーフィルタ１０を埋め込む方法を採用しても良い。これらの製造方法を採用することで、異なる色のカラーフィルタ１０が境界部分でオーバーラップしてしまうのを防ぐことができるため、混色を更に防止することが可能となる。また、隔壁１１を空気層で形成した場合は、製造工程を簡略化することができるため、製造コストを削減することができる。
【００３９】
以下、図１に示した固体撮像素子の別の構成例について説明する。
【００４０】
図３は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例（１）を示す断面模式図である。図３に示す固体撮像素子は、図１に示す固体撮像素子の隔壁１１を上部電極８の上面まで延在させて、隣接する画素部のカラーフィルタ１０同士の間だけでなく、保護層９同士の間にも隔壁１１を設けた構成となっている。このような構成により、入射光が隣の画素部に漏れこむ確率を更に低くすることができる。
【００４１】
図４は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例（２）を示す断面模式図である。図４に示す固体撮像素子は、図１に示す固体撮像素子の隔壁１１を下部電極６の下面と同位置まで延在させて、隣接する画素部のカラーフィルタ１０同士の間だけでなく、保護層９同士の間と、光電変換部同士の間にも隔壁１１を設けた構成となっている。このような構成により、入射光が隣の画素部に漏れこむ確率を更に低くすることができる。
【００４２】
なお、図４に示す構成の場合、隔壁１１を導電性材料にすると、下部電極６同士が導通してしまうため、非導電性材料にすることが好ましい。隔壁１１を導電性材料にする場合には、隔壁１１を下部電極６に接しない位置まで延在させた構成としたり、隔壁１１が下部電極６と接しないように隔壁１１を薄くする、又は、下部電極６同士の隙間を大きくする構成としたりすれば良い。
【００４３】
図５は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例（３）を示す断面模式図である。図５に示す固体撮像素子は、図１に示す固体撮像素子の各画素部が、カラーフィルタ１０上に設けられたマイクロレンズ１３を備える構成となっている。マイクロレンズ１３は、画素部の光電変換層７に入射光を集光するためのものであり、光電変換層７の中心位置に光が集まるように設計されている。
【００４４】
図５に示した構成によれば、マイクロレンズ１３によって隣の画素部に入射光が漏れこむ確率を更に減らすことができると共に、光を効率的に光電変換層７に集めることができる。このため、更なる混色の防止や光利用率の向上を図ることができる。
【００４５】
図６は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例（４）を示す断面模式図である。図６に示す固体撮像素子は、図３に示す固体撮像素子の各画素部が、カラーフィルタ１０上に設けられたマイクロレンズ１３を備える構成となっている。マイクロレンズ１３は、画素部の光電変換層７に入射光を集光するためのものであり、光電変換層７の中心位置に光が集まるように設計されている。
【００４６】
図６に示した構成によれば、マイクロレンズ１３によって隣の画素部に入射光が漏れこむ確率を更に減らすことができると共に、光を効率的に光電変換層７に集めることができる。このため、更なる混色の防止や光利用率の向上を図ることができる。
【００４７】
図７は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例（５）を示す断面模式図である。図７に示す固体撮像素子は、図４に示す固体撮像素子の各画素部が、カラーフィルタ１０上に設けられたマイクロレンズ１３を備える構成となっている。マイクロレンズ１３は、画素部の光電変換層７に入射光を集光するためのものであり、光電変換層７の中心位置に光が集まるように設計されている。
【００４８】
図７に示した構成によれば、マイクロレンズ１３によって隣の画素部に入射光が漏れこむ確率を更に減らすことができると共に、光を効率的に光電変換層７に集めることができる。このため、更なる混色の防止や光利用率の向上を図ることができる。
【００４９】
図８は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例（６）を示す断面模式図である。図８に示す固体撮像素子は、図５に示す固体撮像素子の保護層９、上部電極８、光電変換層７、下部電極６、プラグ５、信号読み出し回路４、電荷蓄積部２を削除し、ゲート酸化膜３とカラーフィルタ１０との間に、シリコン基板１５と保護層１７を設けた構成となっている。
【００５０】
シリコン基板１５は、例えばｐ型シリコン基板であり、ゲート酸化膜３上に形成されている。シリコン基板１５内には、画素部毎にｎ型不純物層が形成され、これによりｐｎ接合フォトダイオード１６が形成されている。シリコン基板１５上には保護層１７が形成され、この保護層１７上にカラーフィルタ１０と隔壁１１が設けられている。
【００５１】
ｐ型シリコン基板１には、画素部に対応させて信号読み出し回路１４が形成されている。信号読み出し回路１４は、対応する画素部のフォトダイオード１６で発生した信号電荷に応じた信号を出力するものであり、信号読み出し回路４と同じ構成を採用することができる。
【００５２】
図８に示した固体撮像素子は、マイクロレンズ１３で集光された光がカラーフィルタ１０を透過して各画素部のフォトダイード１６に入射し、ここで発生した信号電荷に応じた信号が信号読み出し回路１４を介して外部に出力されるものである。この固体撮像素子は、シリコン基板にフォトダイオードと信号読み出し回路を形成し、信号読み出し回路側から光を入射して用いる一般的な固体撮像素子に対し、フォトダイオード側から光を入射する、いわゆる裏面照射型撮像素子となっている。
【００５３】
つまり、一般的な固体撮像素子では、図８に示す基板１の下面にカラーフィルタ１０とマイクロレンズ１３を設け、ここに光を入射して用いるが、裏面照射型撮像素子では、シリコン基板１５の信号読み出し回路１４から遠い側の表面にカラーフィルタ１０とマイクロレンズ１３を設け、ここに光を入射して用いる構成となっている。この構成によれば、フォトダイオード１６を大きくすることができる、フォトダイオードに入射する光が信号読み出し回路によって遮られないため光利用率を向上することができる等の利点が得られる。
【００５４】
一方で、シリコン基板１５にはある程度の厚みが必要となるため、斜め入射光による混色が発生しやすい構成であるとも言える。そこで、このような裏面照射型撮像素子のカラーフィルタ１０同士の間に隔壁１１を設けることが特に有効となる。
【００５５】
なお、固体撮像素子に含まれるカラーフィルタ１０を、それぞれ異なる波長域の光を透過する４種類以上で構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す断面模式図
【図２】図１に示す信号読み出し回路の構成例を示した図
【図３】図１に示した固体撮像素子の別の構成例（１）を示す断面模式図
【図４】図１に示した固体撮像素子の別の構成例（２）を示す断面模式図
【図５】図１に示した固体撮像素子の別の構成例（３）を示す断面模式図
【図６】図１に示した固体撮像素子の別の構成例（４）を示す断面模式図
【図７】図１に示した固体撮像素子の別の構成例（５）を示す断面模式図
【図８】図１に示した固体撮像素子の別の構成例（６）を示す断面模式図
【符号の説明】
【００５７】
１  ｐ型シリコン基板
６  下部電極
７  光電変換層
８  上部電極
１０  カラーフィルタ
１１  隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010067827.tif 000007
【図６】
2010067827.tif 000008
【図７】
2010067827.tif 000009
【図８】
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