(57)【要約】【課題】固体撮像素子において、Ｗ画素を備えた構成とした場合に生じる混色を防止する。【解決手段】基板１上に二次元状に配置された複数の光電変換部17上に、異なる複数色のカラーフィルタ21を有するカラーフィルタ層CFを、各カラーフィルタ21が各光電変換部17に１：１で対応するように配置した固体撮像素子において、光電変換部17が各画素毎に区画された画素電極12と、全画素に共通の光電変換膜14と、光電変換膜14を挟み画素電極12と対向して配置される対向電極16とからなるものとし、カラーフィルタ層CFの下面から光電変換膜14上面までの光路長ｄ1を1.2μｍ以下とし、光電変換膜14の厚みの光路長ｄ2を1.4μｍ以下とする。【選択図】図１１
2014003190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に画素単位で区画された画素電極、入射光の光量に応じた信号電荷を発生する光電変換膜、および該光電変換膜を挟んで前記画素電極に対向して設けられた対向電極を含む光電変換部を有する画素が、二次元状に複数配列されてなる撮像部を有する固体撮像素子において、
前記光電変換膜および前記対向電極が、全ての前記画素に共通な共通膜状に形成されてなり、
前記対向電極上に保護膜を備え、
前記保護膜上に、異なる複数色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層が、該各カラーフィルタが前記各光電変換部と対応するように配置され、
該カラーフィルタ層が、前記異なる複数色のカラーフィルタとして、所定の色領域の波長のみを透過する所定色フィルタと、該所定色フィルタに隣接して配置された全可視光領域に亘る波長を透過する白色フィルタとを含み、少なくとも前記所定の色領域の波長以外の可視光領域において、前記所定色フィルタと前記白色フィルタとの間に屈折率差を有するものであり、
前記カラーフィルタ層の底面から前記光電変換膜の上面までの光路長ｄ１が１．２μｍ以下であり、
前記光電変換膜の厚みの光路長ｄ２が１．４μｍ以下であることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換膜が有機材料を含むものであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記白色フィルタと前記所定色フィルタとの屈折率差をΔｎとすると、前記所定色フィルタが透過しない可視光波長領域においてΔｎと前記光路長ｄ１（μｍ）、ｄ２（μｍ）との間に、
Δｎ × （ｄ１＋ｄ２）２ ＜ ２．０
の関係が成り立つことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記所定の色が青、緑および赤のいずれかであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記所定の色領域の波長のみを透過する前記所定色フィルタとして、青色領域の波長のみを透過する青色フィルタ、緑色領域の波長のみを透過する緑色フィルタ、および赤色領域の波長のみを透過する赤色フィルタを備えたことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記所定の色領域の波長のみを透過する前記所定色カラーフィルタとして、黄色領域の波長のみを透過する黄色フィルタ、マゼンダ領域の波長のみを透過するマゼンダフィルタ、シアン領域の波長のみを透過するシアンフィルタを備えたことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記基板に前記光電変換部において生じる電荷に応じた信号を読み出すＭＯＳトランジスタ回路が形成されており、該ＭＯＳトランジスタ回路は、前記光電変換部と電気的に接続された電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の電位をリセット電位にリセットするリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部の電位に応じた信号を出力する出力トランジスタとを含み、前記リセットトランジスタ及び前記出力トランジスタは、キャリアの極性が前記光電変換部で発生した捕集される電荷と逆極性であることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記光電変換膜と前記画素電極との間に、暗電流を抑制する機能層が設けられていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項９】
請求項１から８いずれか１項記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射を受けて電荷を発生する光電変換部を備えた固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、内視鏡用カメラ等に利用されているイメージセンサとして、シリコン（Ｓｉ）チップなどの半導体基板にフォトダイオードを含む画素を配列し、各画素のフォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷をＣＣＤ型やＣＭＯＳ型読出し回路で取得する、固体撮像素子（所謂ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ）が広く知られている。
【０００３】
近年、固体撮像素子の画素微細化が進んでいる。画素を微細化すると各画素に入射するフォトン数が減少するため、一般に画像の感度が低下するという問題が伴う。そこで、高感度化を図るために、色フィルタ配列にＷｈｉｔｅ画素（白画素）を導入し、ＷＲＧＢカラーフィルタを備えることが提案されている（特許文献１、特許文献２など。）。
【０００４】
従来型の撮像素子としては、シリコンなどの半導体基板内に光電変換部が読出し回路と共に形成された構成が一般的である。しかしながら、光電変換部と読出し回路を基板内に備えるために、微細化に伴い、光電変換部の開口率の低下、集光効率の低下が問題となっている。
【０００５】
また、信号読出回路が形成された半導体基板の上に３層の光電変換膜を積層する構造の撮像素子や、半導体基板内のフォトダイオードでＢとＲの光を検出し、シリコン基板上方の光電変換素子でＧの光検出する構造の撮像素子（特許文献３）などの１画素で３色の受光を同時行う積層型の撮像素子も提案されているが、このような１画素で複数色の受光を行う構造は、作製が困難でコストが嵩むという問題がある。
【０００６】
一方、信号読出し回路等が形成されたシリコン基板の上方に一対の電極とこれらで挟まれた光電変換膜を含む光電変換部を設け、この光電変換部上に従来の固体撮像素子の場合と同様のカラーフィルタ層を備えることにより、各カラーフィルタを透過して光電変換膜で発生した電荷を上記一対の電極の一方からシリコン基板に移動させて蓄積し、この蓄積電荷に応じた信号を、シリコン基板に形成した信号読出し回路で読み出す積層型の固体撮像素子が近年注目されている。光電変換膜を全画素に共通の１枚膜として形成することにより、光電変換部と読出し回路を基板内に設けた従来の固体撮像素子と比べて、各画素の受光領域を大きく（開口率をほぼ１００％に）することができるため、高感度化が期待されている（特許文献４、５等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３０４７０６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４３８１７号公報
【特許文献３】特開２００７−１０３７８６号公報
【特許文献４】特開２００８−２６３１７８号公報
【特許文献５】特開２０１１−１８７６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献４、５等に記載の積層型の固体撮像素子においても、特許文献１、２等に記載のＷ画素を備えたフィルタ配列を適用することにより、さらなる微細化、高感度化を図ることができると考えられる。
【０００９】
しかしながら、この積層型の固体撮像素子にＷ画素を適用するに当たり、開口率１００％ならではの別の問題が生じることが発明者の検討により明らかになった。以下にその問題点について詳細に説明する。
【００１０】
本発明者は、Ｗ画素を含むフィルタ層を単に積層型撮像素子に備えた場合、Ｗフィルタとそれ以外の色フィルタとの間の屈折率差によって、Ｗフィルタに入射した光が他の色フィルタ側に曲がるという現象から混色の問題が生じ、Ｓ／Ｎの低下に繋がることを見出した。ＷＲＧＢフィルタについて、各色毎の屈折率の波長依存性を図１に示す。図１に示すように、ＷフィルタはＲ、Ｇ、Ｂフィルタと比較して屈折率が小さく、波長依存性も小さい。一般に、光は屈折率の低い媒質から屈折率の高い媒質側に曲がる。
【００１１】
図２は、一般的なベイヤー配列のＲＧＢフィルタ９０を用いた場合の、Ｂ光入射時９０Ｂ、Ｇ光入射時９０Ｇ、Ｒ光入射時９０Ｒの各フィルタ間における光侵入領域（図２中右上がり斜線で示す領域）を示す平面模式図である。また、図３は、ＲＧＢベイヤー配列のＧフィルタの１つをＷフィルタに変更したＷＲＧＢフィルタ９５の場合の、Ｂ光入射時９５Ｂ、Ｇ光入射時９５Ｇ、Ｒ光入射９５Ｒの各フィルタ間における光侵入領域（図３中右上がり斜線で示す領域）を示す平面模式図である。ここで、各フィルタと画素の大きさは一致している。
【００１２】
図２に示すように、ＲＧＢフィルタ９０を用いた場合、Ｂ光入射時９０ＢはＢ画素のみ光が透過し、青色波長域においてＧフィルタの屈折率はＢフィルタより小さいため、光の広がりは起こらない。また、Ｒ光入射時９０ＲはＲ画素のみ光が透過し、赤色波長域においてＧフィルタの屈折率がＲフィルタより小さいため、光の広がりは起こらない。一方、Ｇ光入射時９０Ｇは、Ｇ画素のみ光が透過するが、緑色波長域においてＧフィルタの屈折率がＲフィルタ、Ｂフィルタより小さいため、光の広がりが起こる。したがって、Ｇフィルタを通った光のみが周辺の画素に侵入する。
【００１３】
一方、図３に示すように、ＷＲＧＢフィルタ９５を用いた場合、Ｂ光入射時９５ＢはＢ画素およびＷ画素で光が透過し、青色波長域においてＷフィルタの屈折率がＲフィルタより小さいため、ＷフィルタからＲフィルタへの広がりが起こる。また、Ｒ光入射時９５ＲはＲ画素およびＷ画素で光が透過し、赤色波長域においてＷフィルタの屈折率がＢフィルタより小さいため、光の広がりが起こる。さらに、Ｇ光入射時９５Ｇは、Ｇ画素、Ｗ画素で光が透過し、緑色波長域においてＷフィルタ、Ｇフィルタの屈折率がＲフィルタ、Ｂフィルタより小さいため、光の広がりが起こる。すなわち、ＲＧＢフィルタのみを用いた場合はＧ画素からの光の漏れ出しのみなのに対し、Ｗフィルタを用いた場合には、各画素間で非常に複雑な光の侵入が発生することが分かる。
【００１４】
これらの侵入光が光電変換部で受光され信号電荷が発生してしまうと混色となる。Ｗフィルタを用いない場合には、侵入光の色も決まっているため、信号処理等で混色を低減することも可能ではあるが、Ｗフィルタを用いた場合には非常に複雑な混色となってしまい、信号処理等による低減も難しい。このため、このような光の侵入がおこらないように全てのカラーフィルタの屈折率を揃えることが出来れば望ましい。しかし実際には、色分離のためにカラーフィルタの吸収率を調整しながら、屈折率も揃えるという極めて困難である。
【００１５】
続いて、受光部の構造について説明する。図４、図５には従来の固体撮像素子の構成を示している。図４は従来の固体撮像素子のうち表面照射型構造の画素断面模式図であり、図５は従来の固体撮像素子のうち裏面照射型構造の画素断面模式図である。なお、図４、５において、紙面上方が光入射側である。
【００１６】
図４に示すように、表面照射型の撮像素子は、光電変換部１１７および信号読出回路１１１が形成された半導体基板１０１上に配線層１０６および層間絶縁層１０５を備えている。通常、この層間絶縁層１０５上方にカラーフィルタ層が形成される。光電変換部１１７は各画素毎に信号読出回路１１１等が形成された素子分離領域を隔てて配置されている。図４中破線Ａが光電変換部１１７を中心とする１画素単位の境界である。
【００１７】
図５に示すように、裏面照射型の撮像素子は、光電変換部１１７および信号読出回路１１１が形成された半導体基板１０１上に形成された配線層１０６および層間絶縁層１０５とは反対側から受光する構成となっており、表面照射型とは天地が逆となっており、光入射側でない面には別途、支持基板１０２が設けられている。なお、光電変換部１１７は各画素毎に信号読出回路１１１等が形成された素子分離領域を隔てて配置されており、表面照射型と同様に、図５中破線Ａが光電変換部１１７を中心とする１画素単位の境界である。なお、この場合、基板１０１の配線層が形成されている面とは逆の面側にカラーフィルタ層は形成されるため、光電変換部１１７とカラーフィルタ層との間に配線層１０６および層間絶縁層１０５が存在しない構成となる。表面照射型と異なり、光電変換部とカラーフィルタ層との間にこれらの層がないことから、表面照射型では配線層等でケラレていた光を受光することができ、表面照射型に比べて受光率を大幅に改善する構成となっている。
【００１８】
図６は従来の固体撮像素子の画素領域と受光領域（光電変換部の平面視領域）との関係を模式的に示す平面図である。表面照射型、裏面照射型いずれであっても同様であり、画素領域（図６において点線Ａで示す領域）に対して光電変換部１１７による受光領域（図６において左上がり斜線で示す領域）は一回り小さい。これは、前述の通り光電変換部１１７と信号読出回路１１１を同一基板中に設け、光電変換部１１７を各画素毎に素子分離する必要があるためである。
【００１９】
次に、積層型の固体撮像素子の構成を簡単に説明する。図７は本発明の対象となる積層型撮像素子の画素断面模式図であり、図８は積層型撮像素子の画素領域と受光領域（光電変換部の平面視領域）との関係を示す平面模式図である。
【００２０】
図７に示すように、積層型撮像素子は、信号読出し回路等が形成された半導体基板１上に配線層６および層間絶縁層５が形成され、その上に、各画素毎に区画された画素電極１２、画素電極１２上に全画素に共通して設けられる光電変換膜１４および対向電極１６を備えている。一般に、カラーフィルタ層は、対向電極１６上に保護膜を介して配置される。１画素のサイズは二次元状に配列された画素電極の繰り返し周期に応じて決定される。光電変換部を中心にすると、図７中破線Ａで示すように画素電極間の中心線を境界として１画素単位の領域が決定される。
【００２１】
上記構成の積層型撮像素子では光電変換膜１４および対向電極１６が全画素に共通の膜で形成されていることから、画素電極間１２の隙間の領域における光電変換膜１４においても、光が照射されると信号電荷が発生する。画素電極間１２の隙間の領域で発生した信号電荷は破線Ａで示した画素電極間の中心線を境として、それぞれの画素電極に捕集される。１画素の領域の面積と光電変換部が信号電荷を捕集できる面積が一致していることから開口率が１００％である。
【００２２】
つまり、図８に示すように、破線Ａで示される画素境界で区切られる画素領域と、受光領域（左上がり斜線で示す領域）とが一致している。
【００２３】
さて、図９および図１０は、図３に示したＷＲＧＢフィルタにおける光の侵入領域を図６および８の従来の固体撮像素子および積層型撮像素子の平面図とそれぞれ重ねて示した図である。
【００２４】
図９に示すように、従来の固体撮像素子ではＷ画素の隣接画素への光の侵入領域（右上がり斜線部）が隣接画素（Ｒ，Ｂ画素）の受光領域（左上がり斜線）と重ならないことが分かる。つまりＷフィルタの低い屈折率の影響により光が他の画素に侵入したとしても、他の画素の光電変換部には入射しないため、混色が生じないのである。一方、図１０に示すように、積層型撮像素子の場合には、開口率が１００％であるため、Ｗフィルタを透過した光が他画素の受光領域に入射してしまい混色が生じることが分かる。
従って、積層型撮像素子において、Ｗフィルタを有するフィルタ層を適用する際には、従来の固体撮像素子では生じない新たな混色が発生するため、Ｓ／Ｎが低下しないようにこの混色を抑制することが大きな課題となる。
【００２５】
本発明は、上記の事情に鑑み、積層型撮像素子において、Ｗフィルタを有するフィルタ層を備え、かつ混色によるＳ／Ｎの低下を抑制することができる固体撮像素子およびその固体撮像素子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】
【００２６】
本発明の固体撮像素子は、基板上に画素単位で区画された画素電極、入射光の光量に応じた信号電荷を発生する光電変換膜、およびその光電変換膜を挟んで画素電極に対向して設けられた対向電極を含む光電変換部を有する画素が、二次元状に複数配列されてなる撮像部を有する固体撮像素子において、
光電変換膜および対向電極が、全ての画素に共通な共通膜状に形成されてなり、
対向電極上に保護膜を備え、
保護膜上に、異なる複数色のカラーフィルタを有するカラーフィルタ層が、各カラーフィルタが各光電変換部と対応するように配置され、
カラーフィルタ層が、異なる複数色のカラーフィルタとして、所定の色領域の波長のみを透過する所定色フィルタと、所定色フィルタに隣接して配置された全可視光領域に亘る波長を透過する白色フィルタとを含み、少なくとも所定の色領域の波長以外の可視光領域において、所定色フィルタと白色フィルタとの間に屈折率差を有するものであり、
カラーフィルタ層の底面から光電変換膜の上面までの光路長ｄ１が１．２μｍ以下であり、
光電変換膜の厚みの光路長ｄ２が１．４μｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
ここで、フィルタを透過する可視光領域の波長のうち最大透過率を有する波長の透過率の５０％以上でそのフィルタを透過する波長は「透過する」波長であり、５０％未満であれば「透過してない」波長とする。
【００２８】
本発明の固体撮像素子においては、光電変換膜が有機材料を含むものであることが好ましい。
【００２９】
白色フィルタと所定色フィルタとの屈折率差をΔｎとすると、所定色フィルタが透過しない可視光波長領域全域においてΔｎと光路長ｄ１（μｍ）、ｄ２（μｍ）との間に、
Δｎ × （ｄ１＋ｄ２）２ ＜ ２．０
の関係が成り立つことが好ましい。
【００３０】
上記所定の色が青、緑および赤のいずれかであることが好ましい。
【００３１】
所定の色領域の波長のみを透過する所定色フィルタとして、青色領域の波長のみを透過する青色フィルタ、緑色領域の波長のみを透過する緑色フィルタ、および赤色領域の波長のみを透過する赤色フィルタを備えることが好ましい。
【００３２】
上記所定の色領域の波長のみを透過する所定色カラーフィルタとして、黄色領域の波長のみを透過する黄色フィルタ、マゼンダ領域の波長のみを透過するマゼンダフィルタ、シアン領域の波長のみを透過するシアンフィルタを備えてもよい。
【００３３】
基板に光電変換部において生じる電荷に応じた信号を読み出すＭＯＳトランジスタ回路が形成されており、そのＭＯＳトランジスタ回路は、光電変換部と電気的に接続された電荷蓄積部と、その電荷蓄積部の電位をリセット電位にリセットするリセットトランジスタと、電荷蓄積部の電位に応じた信号を出力する出力トランジスタとを含み、リセットトランジスタ及び出力トランジスタは、キャリアの極性が前記光電変換部で発生した捕集される電荷と逆極性であることが好ましい。
【００３４】
光電変換膜と画素電極との間に、暗電流を抑制する機能層が設けられていることが好ましい。
【００３５】
本発明の撮像装置は、上記固体撮像素子を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の固体撮像素子および撮像装置によれば、全画素共通膜状の光電変換膜を備えた積層型の固体撮像素子において、Ｗフィルタを含むカラーフィルタ層を備え、カラーフィルタ層底面から光電変換膜の上面までの光路長ｄ１を１．２μｍ以下、光電変換膜の厚み光路長ｄ２を１．４μｍ以下としているので、Ｗフィルタを備えた場合に生じ得る混色を抑制してＳ／Ｎ低下を防止することができ、Ｗフィルタを備えることによる高感度化の効果を十分に得ることできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】各カラーフィルタの屈折率の波長依存性を示す図
【図２】従来のＲＧＢフィルタにおける光浸み出しを説明するための図
【図３】ＷＲＧＢフィルタにおける光浸み出しを説明するための図
【図４】表面照射型の従来の固体撮像素子の一部を示す断面模式図
【図５】裏面照射型の従来の固体撮像素子の一部を示す断面模式図
【図６】従来の固体撮像素子の画素と受光領域（光電変換部）を示す平面図
【図７】積層型撮像素子の一部を示す断面模式図
【図８】積層型撮像素子の画素と受光領域（光電変換部）を示す平面図
【図９】図６に示す従来の固体撮像素子の平面図にＷＲＧＢフィルタを重ねて示した平面図
【図１０】図８に示す積層型撮像素子の平面図にＷＲＧＢフィルタを重ねて示した平面図
【図１１】本発明の実施形態にかかる固体撮像素子の一部を示す断面模式図
【図１２】混色率のフィルタ底面から光電変換膜上面までの光路長ｄ１依存性を示す図
【図１３】混色率の光電変換膜の厚みの光路長ｄ２依存性を示す図
【図１４】混色率の画素サイズ依存性を示す図
【図１５】Ｗフィルタを透過した光の隣接画素へ漏れ出しを模式的に示す図
【図１６】屈折率差Δｎが０．２の場合のＷフィルタを透過した光の隣接画素へ漏れ出しを模式的に示す図
【図１７】屈折率差Δｎが０、４の場合のＷフィルタを透過した光の隣接画素へ漏れ出しを模式的に示す図
【図１８】屈折率差Δｎと光路長をｄ１を変化させた場合の混色率の光路長ｄ２依存性を示す図
【図１９】混色率のΔｎ×（ｄ1＋ｄ2）2依存性を示す図
【図２０】実施形態の固体撮像素子の１画素の構成を示す回路図
【図２１】本発明の実施形態にかかる固体撮像素子の全体構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態の固体撮像素子１００の撮像部（画素領域）の一部を模式的に示す断面図である。
【００３９】
図１１に示すように、固体撮像素子１００の撮像部は、半導体回路基板１と、半導体回路基板１上に層間絶縁層５およびその絶縁層５中に配された配線層６を介して、２次元状に配置された複数の画素電極（下部電極）１２と、複数の画素電極１２上に共通して形成された有機材料からなる光電変換膜１４と、光電変換膜１４上に形成された複数の画素電極に対向する対向電極１６とを備えている。また、対向電極１６の上には透明な保護膜１８が積層されており、この保護膜１８上に、互いに異なる複数色のカラーフィルタ２１を備えたカラーフィルタ層ＣＦが設けられている。図１１においては、白（Ｗ）フィルタ２１ｗおよび青（Ｂ）フィルタ２１ｂのみが示されているが、カラーフィルタ層ＣＦは、さらに赤（Ｒ）フィルタおよび緑（Ｇ）フィルタを備えた図３に示す配列のようなＷＲＧＢフィルタ９５である。
【００４０】
１つの画素電極１２と該画素電極１２上の光電変換膜１４および対向電極１６により１つの光電変換部１７が構成されている。隣接する画素電極間の隙間上の光電変換膜も光電変換に寄与するものであり、隣接する画素電極間の中心線（図１１中の破線Ａ）が隣接する光電変換素子の境界となる。
【００４１】
カラーフィルタ層ＣＦは、１つの光電変換部につき１つのカラーフィルタが対応し、平面視において両者の領域が一致するように配置されており、光電変換部の平面視における面積とカラーフィルタの平面視における面積は同一である。
【００４２】
半導体回路基板１の表層には、各光電変換部１７において発生した電荷を蓄積する蓄積部および該蓄積部の信号電荷に応じた電圧を出力する出力回路を含む信号読出回路１１が備えられており、１つの画素部２０は、１つの光電変換部１７、その下方の基板表層部に形成された信号読出回路１１および光電変換部上に配置された各色フィルタ２１を含んでなる。なお、図１１においては、Ｗフィルタを備えたＷ画素２０Ｗ、Ｂフィルタを備えたＢ画素２０Ｂのみが示されている。
【００４３】
画素電極１２は、光電変換部１７毎に区分された薄膜電極であり、たとえばＩＴＯやアルミニウムや窒化チタンなどのような透明または不透明な導電性材料から形成されるものである。画素電極１２は、光電変換膜１４において発生した電荷を光電変換部１７毎に捕集するものである。各光電変換部１７の画素電極１２は、絶縁層５を貫通するように形成された導電性材料からなる接続部７を介して信号読出回路１１に電気的に接続されている。
【００４４】
対向電極１６は、画素電極１２との間に配置されている光電変換膜１４に電圧を印加し、光電変換膜１４に電界を生じさせるための電極であり、全画素に共通な膜状に形成されている。対向電極１６は、光電変換膜１４よりも光の入射面側に設けられており、対向電極１６を透過して光電変換膜１４に光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明なＩＴＯなどの導電性材料から形成される。
【００４５】
光電変換膜１４は、入射光を吸収し、その吸収した光量に応じた電荷を発生する有機光電変換膜または無機光電変換膜からなる。光電変換膜１４を全画素共通の膜とすることで開口率を１００％とし、高い感度を得ることができる。なお、光電変換膜１４と対向電極１６との間、または光電変換膜１４と画素電極１２との間に、電極から光電変換膜１４へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けるようにしてもよい。
【００４６】
なお、画素電極と光電変換膜の間に機能層を設けた場合、この機能層は光電変換層よりも光の入射面に対して下にあるため、混色には寄与しない。一方、対向電極と光電変換膜の間に機能層を設けた場合、この機能層中でも混色が広がるため、この機能層の厚みは出来る限り薄く、後述する光路長を満たすことが必要である。好ましくは、画素電極側にのみ機能層を有し、対向電極と光電変換膜の間には機能層を有さない。
【００４７】
光電変換膜１４は、後述の通りその厚みを光路長で１．４μｍ以下とするため、膜厚が小さくても十分に高い感度が発現するように吸収係数の大きく、かつ吸収した光を信号電荷に変換する量子効率が高い材料を用いることが必要である。シリコン膜では、そのような薄い厚みで十分な光電変換を行うことができないため、薄くても十分大きい吸収係数を達成するためには有機材料を用いることが好ましい。
【００４８】
高い量子効率を得るには、有機材料の中でも特にｐ型有機半導体とｎ型有機半導体とを含む構成が好ましい。ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体を接合させてドナ‐アクセプタ界面を形成することにより励起子解離効率を増加させることができる。このために、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体を接合させた構成の光電変換層は高い光電変換効率を発現する。特に、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体を混合した光電変換層は、接合界面が増大して光電変換効率が向上するので好ましい。
【００４９】
ｐ型有機半導体（化合物）は、ドナ性有機半導体であり、有機半導体である場合は、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある化合物半導体をいう。さらに詳しくは２つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナ性有機半導体としては、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。
【００５０】
ｐ型半導体としては、特に限定されないが、例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等を用いることができる。なお、これに限らず、上記したように、ｎ型（アクセプタ性）化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用いてよい。
【００５１】
ｎ型有機半導体（化合物）は、アクセプタ性半導体であり、主に電子輸送性化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある化合物半導体をいう。さらに詳しくは、ｎ型半導体とは、２つの化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の化合物をいう。したがって、アクセプタ性化合物は、電子受容性のある化合物であればいずれの化合物も使用可能である。
【００５２】
ｎ型半導体としては、特に限定されないが、例えば、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５〜７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。なお、これに限らず、上記したように、ｐ型（ドナ性）化合物として用いた化合物よりも電子親和力の大きな化合物であればアクセプタ性半導体として用いてよい。
【００５３】
ｐ型有機半導体、又はｎ型有機半導体としては、いかなる有機色素を用いても良いが、好ましくは、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素（ゼロメチンメロシアニン（シンプルメロシアニン）を含む）、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラー色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素、クマリン色素、アリーリデン色素、アントラキノン色素、トリフェニルメタン色素、アゾ色素、アゾメチン色素、スピロ化合物、メタロセン色素、フルオレノン色素、フルギド色素、ペリレン色素、ペリノン色素、フェナジン色素、フェノチアジン色素、キノン色素、ジフェニルメタン色素、ポリエン色素、アクリジン色素、アクリジノン色素、ジフェニルアミン色素、キナクリドン色素、キノフタロン色素、フェノキサジン色素、フタロペリレン色素、ジケトピロロピロール色素、ジオキサン色素、ポルフィリン色素、クロロフィル色素、フタロシアニン色素、金属錯体色素、縮合芳香族炭素環系色素（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）が挙げられる。
【００５４】
ｎ型有機半導体として、電子輸送性に優れた、フラーレン又はフラーレン誘導体を用いることが特に好ましい。フラーレンとは、フラーレンＣ６０、フラーレンＣ７０、フラーレンＣ７６、フラーレンＣ７８、フラーレンＣ８０、フラーレンＣ８２、フラーレンＣ８４、フラーレンＣ９０、フラーレンＣ９６、フラーレンＣ２４０、フラーレン５４０、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブを表し、フラーレン誘導体とはこれらに置換基が付加された化合物のことを表す。
【００５５】
フラーレン誘導体の置換基として好ましくは、アルキル基、アリール基、又は複素環基である。アルキル基として更に好ましくは、炭素数１〜１２までのアルキル基であり、アリール基、及び複素環基として好ましくは、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、フルオレン環、トリフェニレン環、ナフタセン環、ビフェニル環、ピロール環、フラン環、チオフェン環、イミダゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、インドリジン環、インドール環、ベンゾフラン環、ベンゾチオフェン環、イソベンゾフラン環、ベンズイミダゾール環、イミダゾピリジン環、キノリジン環、キノリン環、フタラジン環、ナフチリジン環、キノキサリン環、キノキサゾリン環、イソキノリン環、カルバゾール環、フェナントリジン環、アクリジン環、フェナントロリン環、チアントレン環、クロメン環、キサンテン環、フェノキサチイン環、フェノチアジン環、またはフェナジン環であり、さらに好ましくは、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、ピリジン環、イミダゾール環、オキサゾール環、またはチアゾール環であり、特に好ましくはベンゼン環、ナフタレン環、またはピリジン環である。これらはさらに置換基を有していてもよく、その置換基は可能な限り結合して環を形成してもよい。なお、複数の置換基を有しても良く、それらは同一であっても異なっていても良い。また、複数の置換基は可能な限り結合して環を形成してもよい。
【００５６】
光電変換層がフラーレン又はフラーレン誘導体を含むことで、フラーレン分子またはフラーレン誘導体分子を経由して、光電変換により発生した電子を画素電極又は対向電極まで早く輸送できる。フラーレン分子またはフラーレン誘導体分子が連なった状態になって電子の経路が形成されていると、電子輸送性が向上して光電変換素子の高速応答性が実現可能となる。このためにはフラーレン又はフラーレン誘導体が光電変換層に４０％以上含まれていることが好ましい。もっとも、フラーレン又はフラーレン誘導体が多すぎるとｐ型有機半導体が少なくなって接合界面が小さくなり励起子解離効率が低下してしまう。
【００５７】
光電変換層において、フラーレン又はフラーレン誘導体と共に混合されるｐ型有機半導体として、特許第４２１３８３２号公報等に記載されたトリアリールアミン化合物を用いると薄膜でも高い吸収および高い量子効率が発現可能になり、特に好ましい。光電変換層内のフラーレン又はフラーレン誘導体の比率が大きすぎると該トリアリールアミン化合物が少なくなって入射光の吸収量が低下する。これにより光電変換効率が減少するので、光電変換層に含まれるフラーレン又はフラーレン誘導体は８５％以下の組成であることが好ましい。この構成により、光電変換層において高い感度を発現しつつ、可視光全域でｄ２を１．０〜１．２とすることが出来る。
【００５８】
保護膜１８は、特に、光電変換膜が有機材料を含むものである場合、光電変換層を水分子、酸素などの劣化因子から保護する機能を担うものである。また、保護膜１８は、撮像素子１０の各製造工程において、有機溶媒等の溶液やプラズマなどに含まれる光電変換層の性能を劣化させる因子の浸入を阻止して光電変換層を保護する機能を担う。また、撮像素子１０の製造後に、水分子、酸素などの光電変換層の性能を劣化させる因子の浸入を阻止して、長期間の保存、および長期の使用にわたって、光電変換層の性能劣化を防止する。また、入射光（可視光）は、保護膜１８を通じて光電変換膜１４に到達する。このため、保護膜１８は、光電変換素子１７で検知する波長の光、可視光に対して透明である。保護膜１８は、光透過率が６０％以上であることが好ましく、より好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上であり、さらには９５％以上であることがより好ましい。
【００５９】
保護膜の厚みは、概ね５０〜１０００ｎｍであるが、後記条件を満たす範囲で決定される。但し、保護膜１８の厚さが５０ｎｍを下回るとバリア性の低下や、カラーフィルタの現像液に対する耐性が低下する虞がある。一方、保護膜１８の膜厚が厚いと、後述するように混色の増加につながるため、保護膜１８は薄い方が好ましい。
【００６０】
保護膜は、特には、気相成膜した無機材料膜が好ましい。無機材料の方が有機材料に比べて薄膜でも保護性能の高い膜を得られやすい。気相成膜法は他の成膜法に比べ緻密な膜が得られるため、薄膜でも高い保護性能が得られる。気相成膜法の中でも特にＣＶＤ法は緻密な膜が得られるため、好ましい。また、成膜速度が速いため、製造に適している。ＣＶＤ法の中でもＡＬＣＶＤ法は特に緻密な膜が得られるため、保護膜の薄膜化には非常に適している。
【００６１】
無機材料の中でも、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）がほぼ性能および光路長低減の観点から好ましい。特にＣＶＤ法で成膜したＳｉＯＮは成膜条件を変えてＯとＮの比を調整することで屈折率と保護性能を変えることが出来、短い光路長で高い保護性能が得られる。
またＡＬＣＶＤ法で成膜したＡｌＯｘは１００ｎｍ以下と他の成膜法より一桁近く小さい膜厚でも高い保護性能を得ることが出来る。
したがって、例えばＡＬＣＶＤ法で成膜した１００ｎｍ以下のＡｌＯｘとＣＶＤ法で成膜した１００〜５００ｎｍのＳｉＯＮの積層膜は光路長、保護性能の観点から非常に好ましい。
【００６２】
保護膜とカラーフィルタの間に反射防止層やカラーフィルタ密着強化層などの機能層を有していても良い。ただし、これらの層を用いる場合にも、後述するようにカラーフィルタ層の底面から光電変換膜の上面までの光路長が１．２μｍ以下となるように薄膜を用いることが必要である。
【００６３】
なお、本実施形態においては、光電変換膜１４と画素電極との間に、光電変換素子の機能を向上させるための機能層、具体的には、暗電流低減のための電荷ブロッキング層を備えている。
本発明の撮像素子においては、光電変換膜の膜厚を薄くしているために、ショートやリークによる暗電流増大の危険性が高いので、電荷ブロッキング層を備えることによる暗電流抑制の効果が高い。
【００６４】
カラーフィルタ層ＣＦは、各フィルタ２１が保護膜１８上の各画素電極１２と対向する位置となるように配置形成されている。
カラーフィルタ層ＣＦは、図３に示すようにＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれ異なる波長の光を透過するカラーフィルタおよび可視光全域を透過するＷフィルタを有する。Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタは、赤／青／緑色の顔料、もしくは染料の入った有機材料により形成される。
【００６５】
各カラーフィルタは一般的にはカラーレジストを紫外線にて露光・現像することにより形成する。カラーレジストは各色の顔料、光硬化樹脂、粘度調整剤等より構成されるが、露光、現像してパターン形成後のカラーフィルタの屈折率は主成分となる顔料と光硬化樹脂とで決まる。そのため、図１に示したように、カラーフィルタの屈折率はＷＲＧＢの各色で異なり、また入射光の波長によっても異なる。
図１は、ＷＲＧＢフィルタの一例を示すものであるが、カラーフィルタ層の各色のフィルタはいずれも光硬化樹脂を用いるのが一般的であるため、各色毎の屈折率差自体は図１と同様に０〜０．４程度である。
【００６６】
本発明では、カラーフィルタ層ＣＦの底面から光電変換膜１４までの光路長ｄ１が１．２μｍ以下であり、光電変換膜１４の厚みの光路長ｄ２が１．４μｍ以下であることを特徴とする。
【００６７】
本実施形態においては、カラーフィルタ層ＣＦと光電変換膜１４との間に保護膜１８および対向電極１６を備えたものとしたが、さらに他の層が入っていてもよい。なお、光路長は、空間的な距離と屈折率の積で表わされ、ここで、光路長ｄ１は複数の異なる屈折率の層を有するため、各層の光路長の和で表わされる。例えば、図１１に示す構成において、保護膜１８の厚みがｔ１、屈折率がｎ１、対向電極１６の厚みがｔ２、屈折率がｎ２であるとき、光路長ｄ１＝ｎ１・ｔ１＋ｎ２・ｔ２である。
【００６８】
また、光電変換膜１４の厚みの光路長、すなわち光電変換膜１４の上面から底面までの光路長ｄ２は、その厚みｔ３、屈折率ｎ３とからｄ２＝ｎ３・ｔ３で表わされる。
【００６９】
本発明者は、種々検討を重ね、少なくとも上記範囲であれば混色率を十分に低減できることを見出した。上記範囲が好ましいことを見出すに至った検討について以下に説明する。
【００７０】
レジスト中に色素等を混入して作製される一般的なカラーフィルタにおいては、ＷとＲ、Ｇ、Ｂとの屈折率差は、図１に示すように、いずれも０．４程度以下である。また、屈折率差が十分小さければほとんど混色は発生しない。本発明者らの検討によれば、屈折率差が０．１未満であれば問題となるほどの混色は生じなかった。そこで、Ｗ画素と他の画素との屈折率差は０．１〜０．４程度を想定して検討した。また、入射光はフィルタ上方から垂直に入射する場合について検討した。
【００７１】
Ｗフィルタを透過した光の隣接画素への浸みだしは、フィルタの底面から離れるほど広がると考え、フィルタの底面から光電変換膜底面までの距離について検討を行った。
図１１に示す構成の撮像素子において、隣接する２つの異なる色のフィルタ間の屈折率差が０．１、０．４であるとき、屈折率の低いフィルタから屈折率の高いフィルタ側の光電変換部に入射する光による混色率について、ｄ１、ｄ２を変化させて検討を行った。なお、ここでは画素サイズは３μｍとした。
【００７２】
屈折率差Δｎ＝０．４としては、Ｒ光（６５０ｎｍ）を入射したときのＷ画素からＢ画素への光の漏れ出しを検討した。ＢフィルタのＲ光透過率はほぼ０であるため、Ｂ画素の信号は全て漏れ込みによるものと考えられる。そこでＢ画素で発生した信号電荷を画素サイズ（３μｍ）で割ったものを混色率としてプロットを行った。
Δｎ＝０．１としては、Ｂ光（４５０ｎｍ）を入射したときのＷ画素からＲ画素への光の漏れ出しを検討した。ＲフィルタのＢ光透過率はほぼ０であるため、Ｒ画素の信号は全て漏れ込みによるものと考えられる。そこでＲ画素で発生した信号電荷を画素サイズ（３μｍ）で割ったものを混色率としてプロットを行った。
【００７３】
図１２は、ｄ２を１．４μｍとしたときの混色率のｄ１依存性を示すグラフである。図１２に示すように、混色率はｄ１が１．２μｍ以下ではほとんど変化しないが、１．２μｍを超えると急激に増加した。
【００７４】
また、図１３は、ｄ１を１．２μｍとしたときの混色率のｄ２依存性を示すグラフである。図１３に示すように、混色率はｄ２が１．４μｍ以下ではほとんど変化しないが、１．４μｍを超えると急激に増加した。
【００７５】
なお、ｄ１＝１．２μｍ、ｄ２＝１．４μｍとし、画素サイズを変更して混色率の変化を調べたところ、図１４に示すように、混色率は画素サイズにはあまり依存しなかった。このことから光の浸みだしが、画素境界付近の僅かな領域のみで発生していることが明らかとなった。
【００７６】
以上の結果より、固体撮像素子中での光の漏れ出しは図１５のようであることが明らかとなった。図１５は、固体撮像素子中において、Ｗフィルタを透過した光の隣接画素へ漏れ出しを模式的に示す図である。図１５おいて厚みは実際の膜厚ではなく光路長で示している。Ｗカラーフィルタを透過した光は、Ｗカラーフィルタと隣接するカラーフィルタとの屈折率差に起因して保護膜中および光電変換膜中で徐々に隣接画素に漏れ出していく。ただし、漏れ出しは深さ方向に対してリニアに増加するのではなく、カラーフィルタに近い上部では漏れ出し領域は狭く、深くなるにつれて漏れ出し領域が急激に広がるような漏れ出し方である。
【００７７】
このようにして漏れ出した光のうち、隣接画素の光電変換層で吸収される光が混色の原因となる。ただし、光は光電変換層に吸収されながら深さ方向に浸透するため、仮に漏れ出し領域が同じだとすると、光電変換層上部では多くの信号電荷が発生し、光電変換層下部で発生する信号電荷は少ない。すなわち、光電変換層上部の漏れ出し領域を狭めることが重要である。これはｄ１の値が大きいと、光電変換層の上部における漏れだし領域が大きくなり、混色が飛躍的に増加することを示しており、図１２に示したようにｄ１を１．２μｍ以下とすることが混色低減に必要である。
【００７８】
一方、光電変換層下部については、ｄ2が大きくなるほど漏れ出し領域の面積が非線形に大きくなる。図１３に示したように、ｄ2が１．４μｍを越えると爆発的に混色が増加することから、ｄ2を１．４μｍ以下とすることが必要である。
【００７９】
すなわち、本発明は、半導体回路基板上に全画素共通膜状の光電変換膜を備えた積層型撮像素子において、Ｗフィルタを含むカラーフィルタ層を備え、カラーフィルタ層底面から光電変換膜の上面までの光路長ｄ１を１．２μｍ以下、光電変換膜の厚み光路長ｄ２を１．４μｍ以下とした。これにより、Ｗフィルタを備えた場合に生じ得る混色を抑制してＳ／Ｎ低下を防止することができ、Ｗフィルタを備えることによる高感度化の効果を十分に得ることできる。
【００８０】
更に、フィルタ間の屈折率差Δｎが大きくなることで、光の漏れ出し領域が大きくなることが分かった。図１６および図１７はそれぞれ屈折率差Δｎが０．２、０、４の場合の、Ｗフィルタを透過した光の隣接画素へ漏れ出しを模式的に示す図である。図１６および図１７に示すように、屈折率差Δｎが大きくなると、漏れ出し領域が大きくなる。図１６および図１７より、屈折率差Δｎが大きくなると、漏れ出し領域が急激に大きくなるような広がり方である。
【００８１】
屈折率差Δｎと漏れ出し領域に上記のような相関があることを考えると、屈折率差Δｎに応じてｄ１、ｄ２に適切な範囲が存在することが考えられる。ただし、図１６および図１７に示すように漏れ出し領域が深さ方向に行くほど広がる複雑な形状をしている上に、光電変換膜中で光が吸収されて光電変換部下部にはわずかな光しか到達しないなど複雑な現象であるため、混色を制御するための屈折率差Δｎとｄ１、ｄ２の適切な相関は一意には求まらない。
【００８２】
そこで発明者はまず図１８に示すように、ｄ１、ｄ２および屈折率差Δｎを変化させた場合の混色率のデータを取得した。図１８においては、ｄ１＝１．２μｍの場合の、Δｎ＝０．１、０．２、０．３、０．４と変化させた場合についてのみ示しているが、ｄ１を０．２、０．６μｍとした場合についても同様にデータを取得している。しかしながら、データ値が重なり視認性が低下するため、図１８には示していない。次に得られたデータに対してｄ１、ｄ２および屈折率差Δｎの間に適当な関係式（例えば、Δｎ × （ｄ１＋ｄ２））を予想し、その値に対して混色率との関係をプロットすることで、ｄ１が１．２μｍ以下、ｄ２が１．４μｍ以下の条件下において、更に効果的に混色を抑圧できる条件を探索した。この結果、図１９に示すようにΔｎ × （ｄ１＋ｄ２）２を２．０以下とすることで混色がより効果的に抑圧できることが分かった。
【００８３】
図１９は図１８の結果をもとに、ｄ１が１．２μｍ以下、ｄ２が１．４μｍ以下の場合について、横軸にΔｎ × （ｄ１＋ｄ２）２を、縦軸に混色率をプロットしたグラフである。図１９に外挿線を示す通り、Δｎ × （ｄ１＋ｄ２）２が２．０を境に傾きが大きく変化し、Δｎ × （ｄ１＋ｄ２）２が２．０以上となると、２．０未満の場合に比べて混色の増加が顕著になることを見出した。すなわち、
Δｎ × （ｄ１＋ｄ２）２ ＜ ２．０
とすることにより混色をより効果的に抑圧できることを見出した。
【００８４】
なお、上記実施形態においては、カラーフィルタの配列をＲＧＢのベイヤー配列のうちのＧの１つをＷに置き換えた配列としているが、カラーフィルタ配列は上記配列に限定されず、任意に変更可能である。また、Ｒ、Ｇ、Ｂに代えて補色型のカラーフィルタを備えていてもよく、イエロー、マゼンダ、シアン、白の４種のカラーフィルタを備えたカラーフィルタ層を備えてもよい。その場合でも、通常は白が最も屈折率が小さいことから、同様に白画素から他の画素への光の浸みだしが生じるため、上記実施形態と同様に光路長ｄ１、ｄ２を制御することにより光の浸み出しによる影響を抑制し、高いＳ／Ｎの画像を取得することができる。
【００８５】
図２０は、各画素部２０における信号読出回路１１および該回路部１１と光電変換部１７との関係を示す回路図である。図２０に示すように、信号読出回路１１には、出力トランジスタ３２と、リセットトランジスタ３３と、選択トランジスタ３４が形成されている。そして、出力トランジスタ３２、リセットトランジスタ３３、選択トランジスタ３４は、それぞれｎチャネルのＭＯＳトランジスタで構成されている。光電変換部１７と出力トランジスタ３２のゲートが電気的につながっており、このノードをフローティングディフュージョンＦＤ（以下、単にＦＤという）と称する。図１１において、信号読出回路１１は１つの領域として示されているが、実際には、この領域に上述の各要素が形成されている。
【００８６】
本実施形態の画素部２０においては、光電変換膜１４で発生した電荷のうち正孔が画素電極１２に移動し、電子が対向電極１６に移動するように、画素電極１２に対してバイアス電圧が印加される。光電変換膜１４が十分に高い感度を発現するように、バイアス電圧としては、読み出し回路の電源電圧Ｖｄｄ（図２０において出力トランジスタのドレインに供給されている電圧、たとえば３Ｖ）よりも高い電圧（５〜２０Ｖ程度、たとえば１０Ｖ）を用いることが望ましい。
【００８７】
ＦＤは、画素電極１２と電気的につながったｎ形不純物領域を含むノードである。ＦＤは光電変換部１７や各トランジスタの寄生容量等に起因して容量を持つ。画素電極１２に捕集された電荷の量に応じてＦＤの電位が変化するため、ＦＤは電荷蓄積部として機能する。
【００８８】
出力トランジスタ３２は、ＦＤに蓄積された電荷信号を電圧信号に変換して信号線に出力するものである。出力トランジスタ３２のゲート端子はＦＤに電気的に接続され、ドレイン端子は固体撮像素子の電源電圧Ｖｄｄが接続されている。また、出力トランジスタ３２のソース端子は選択トランジスタ３４のドレイン端子に接続されている。本実施形態における画素部２０は、ＦＤと光電変換部１７の画素電極１２と出力トランジスタ３２のゲート端子とが電気的に直接接続された、いわゆる３トランジスタの構成の回路である。
【００８９】
リセットトランジスタ３３は、ＦＤの電位を基準電位にリセットするものである。リセットトランジスタ３３のドレイン端子にはＦＤが電気的に接続され、ソース端子にはリセット電源が接続され、電圧ＲＤが供給されている。リセットトランジスタ３３のゲート端子に印加されるリセットパルスＲＳがハイレベルになると、リセットトランジスタ３３がオンし、リセットトランジスタ３３のソースからドレインに電子が注入される。そして、この電子の注入によってＦＤの電位が降下してＦＤの電位が基準電位にリセットされる。選択トランジスタ３４は、そのソース端子が信号線に接続されるものであり、各画素の出力トランジスタ３２から出力される信号を列ごとに設けられた信号線に選択的に出力するためのものである。選択トランジスタ３４のゲート端子に印加される選択パルスＲＷがハイレベルになると、選択トランジスタ３４はオンし、これにより各画素の出力トランジスタ３２から出力された信号が信号線に出力される。
【００９０】
なお、上記実施形態の固体撮像素子においては、信号読出回路１１をリセットトランジスタ３３、出力トランジスタ３２および選択トランジスタ３４をｎチャネルＭＯＳトランジスタから構成し、画素電極１２によって正孔を捕集するようにしたが、これに限らず、リセットトランジスタ３３、出力トランジスタ３２および選択トランジスタ３４をｐチャネルＭＯＳトランジスタから構成するようにし、画素電極１２で電子を捕集し、その電子の量に応じた電荷信号を、ｐチャネルＭＯＳトランジスタで構成された信号読出し回路１１で読み出すようにしてもよい。
【００９１】
上記実施形態のように画素電極１２で正孔を捕集し、これをｎチャネルＭＯＳトランジスタで構成された信号読出回路１１で読み出す構成としたり、もしくは上述したように画素電極１２で電子を捕集し、これをｐチャネルＭＯＳトランジスタで構成された信号読出回路１１読み出す構成とした場合、画素電極によって電子を捕集し、これをｎチャネルＭＯＳトランジスタで構成された信号読出回路によって読み出す構成とした場合と比較すると、飽和電子数を大きくすることができ、飽和しやすいＷ画素のダイナミックレンジを大きくすることができる。なお、従前のシリコン基板中に形成されるフォトダイオードでは、信号読出回路とフォトダイオードを同じ基板中に形成するため、読出回路の極性と捕集電荷の極性を逆極性とすることができなかった。
【００９２】
図２１は、本実施形態の固体撮像素子１００の全体構成を示す図である。図２１に示すように、本実施形態の固体撮像素子１００は、垂直ドライバ１２１と、制御部１２２と、信号処理回路１２３と、水平ドライバ１２４と、ＬＶＤＳ１２５と、シリアル変換部１２６と、パッド１２７とを含む周辺回路と、図１１に示す画素部２０が複数２次元状に配列された画素領域（撮像部に相当する）とを備えている。図２１の画素領域については、画素部２０の信号読出回路１１のみを模式的に示している。
【００９３】
制御部１２２は、タイミングジェネレータなどを備えたものであり、フレーム同期信号ＶＤや行同期信号ＨＤを出力するとともに、垂直ドライバ１２１や水平ドライバ１２４の動作を制御することによって画素部２０における電荷信号の読出しなどを制御するものである。
【００９４】
垂直ドライバ１２１は、制御部１２２から出力されたフレーム同期信号ＶＤおよび行同期信号ＨＤに基づいて、信号読出回路１１に対してリセットパルスＲＳや選択パルスＲＷを出力し、信号読出回路１１におけるリセット動作や電荷信号の読出し動作を制御するものである。
【００９５】
信号処理回路１２３は、信号読出回路１１の各列に対応して設けられるものである。信号処理回路１２３は、対応する列から出力された信号に対し、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理を行ない、処理後の信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ回路を備えたものである。信号処理回路１２３で処理後の信号は、列毎に設けられたメモリに記憶される。
【００９６】
水平ドライバ１２４は、信号処理回路１２３のメモリに記憶された画素部２０の１行分の信号を順次読出してＬＶＤＳ１２５に出力する制御を行うものである。
【００９７】
ＬＶＤＳ１２５は、ＬＶＤＳ（ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）に従ってデジタル信号を伝送する。シリアル変換部１２６は、入力されるパラレルのデジタル信号をシリアルに変換して出力するものである。パッド１２７は、外部との入出力に用いるインターフェースである。
【００９８】
なお、本実施形態においてはカラーフィルタ上にマイクロレンズを備えていない構成を説明したが、カラーフィルタ上にマイクロレンズを備えていてもよい。
【００９９】
上述した実施形態の固体撮像素子は、種々の撮像装置に用いることができる。撮像装置としては、たとえばデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子内視鏡、カメラ付携帯電話などがある。
【符号の説明】
【０１００】
１     半導体回路基板
１１   信号読出回路
１２   画素電極
１４   光電変換膜
１６   対向電極
１７   光電変換部
１８   保護膜
２０   画素部
２１   カラーフィルタ
３２   出力トランジスタ
３３   リセットトランジスタ
３４   選択トランジスタ
１００ 固体撮像素子
ＦＤ  フローティングディフュージョン
ＣＦ  カラーフィルタ層
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図１８】
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