(57)【要約】【課題】  光電変換膜積層型固体撮像素子で撮像した画像信号の画素分離性能を高め、画素間の混色を回避する。【解決手段】  共通電極膜と画素対応の画素電極膜とによって挟まれた光電変換膜１１２，１１６，１２０が、信号読出回路が形成された半導体基板の上に遮光膜を介して積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、光電変換膜１１２，１１６，１２０を通過した入射光が前記遮光膜で反射したとき該反射光の隣接画素方向への入射を阻止する阻止構造（遮蔽壁１９０，凹部１９０ａ）を設ける。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通電極膜と画素対応の画素電極膜とによって挟まれた光電変換膜が、信号読出回路が形成された半導体基板の上に遮光膜を介して積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記光電変換膜を通過した入射光が前記遮光膜で反射したとき該反射光の隣接画素方向への入射を阻止する阻止構造を設けたことを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像素子。
【請求項２】
前記遮光膜上の画素境界部に立設した遮蔽壁を前記阻止構造としたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
【請求項３】
各画素の下部に当たる前記遮光膜の断面形状を画素毎に凹形状にした凹部を前記阻止構造としたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
【請求項４】
請求項２記載の遮蔽壁と請求項３記載の凹部の両方を前記阻止構造として備えることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
【請求項５】
前記凹部は、画素中心部の深さを画素周辺部の深さより深くして形成したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
【請求項６】
固体撮像素子の受光面の中央部に設ける前記凹部に対して前記受光面の周辺に行くに従って前記凹部の凹構造を深く形成したことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に複数層の光電変換膜が積層された固体撮像素子に係り、特に、最下層の光電変換膜と半導体基板との間に遮光膜を備える光電変換膜積層型固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換膜積層型固体撮像素子の原型的な素子として、例えば下記特許文献１記載のものがある。この固体撮像素子は、半導体基板の上に感光層を３層積層し、各感光層で検出された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の夫々の電気信号を、半導体基板表面に形成されているＭＯＳ回路で読み出すという構成になっている。
【０００３】
斯かる構成の固体撮像素子が過去に提案されたが、その後、半導体基板表面部に多数の受光部（フォトダイオード）を集積すると共に各受光部上に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色カラーフィルタを積層したＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサが著しく進歩し、現在では、数百万もの受光部（画素）を１チップ上に集積したイメージセンサがデジタルスチルカメラに搭載される様になっている。
【０００４】
しかしながら、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは、その技術進歩が限界近くまで進み、１つの受光部の開口の大きさが２μｍ程度と、入射光の波長オーダに近づいており、製造歩留まりが悪いという問題に直面している。
【０００５】
また、微細化された１つの受光部に蓄積される光電荷量の上限は、電子３０００個程度と少なく、これで２５６階調を奇麗に表現するのが困難にもなってきている。このため、画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのは困難になっている。
【０００６】
そこで、これらの問題を解決する固体撮像素子として、特許文献１で提案された固体撮像素子が見直されるようになり、特許文献２や特許文献３に記載されているイメージセンサが新たに提案される様になってきている。
【０００７】
特許文献２に記載されたイメージセンサは、シリコンの超微粒子を媒質内に分散して光電変換層とし、超微粒子の粒径を変えた複数の光電変換層を半導体基板の上に３層積層し、夫々の光電変換層で、赤色，緑色，青色の夫々の受光量に応じた電気信号を発生させる様になっている。
【０００８】
特許文献３に記載されたイメージセンサも同様であり、粒径の異なるナノシリコン層を半導体基板の上に３層積層し、夫々のナノシリコン層で検出された赤色，緑色，青色の各電気信号を、半導体基板の表面部に形成されている蓄積ダイオードに読み出すようになっている。
【０００９】
図５は、従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。図５において、ｎ型シリコン基板に形成されたＰウェル層１の表面部には、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２と、赤色信号読出用のＭＯＳ回路３と、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４と、緑色信号読出用のＭＯＳ回路５と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６と、青色信号読出用のＭＯＳ回路７とが形成されている。
【００１０】
各ＭＯＳ回路３，５，７は、半導体基板表面に形成されたソース用，ドレイン用の不純物領域と、ゲート絶縁膜８を介して形成されたゲート電極とから成る。これらのゲート絶縁膜８及びゲート電極の上部には絶縁膜９が積層されて平坦化され、その上に、遮光膜１０が積層される。遮光膜１０は、多くの場合、金属薄膜で形成されるため、更にその上に絶縁膜１１を形成する。
【００１１】
上述した色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６に蓄積された信号電荷は、ＭＯＳ回路３，５，７によって外部に読み出される。
【００１２】
図５に示す絶縁膜１１の上に、画素毎に区分けされた画素電極膜１２が形成される。各画素毎の画素電極膜１２は、夫々各画素用の赤色信号蓄積用高濃度不純物領域２に柱状のコンタクト電極１３によって導通される。このコンタクト電極１３は、画素電極膜１２及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。
【００１３】
各画素電極膜１２の上部には、赤色検出用の光電変換膜１４が各画素共通に一枚構成で積層され、更にその上部に透明の共通電極膜１５が各画素共通に一枚構成で形成される。
【００１４】
同様に、共通電極膜１５の上部には透明の絶縁膜１６が形成され、その上部に、各画素毎に区分けされた透明の画素電極膜１７が形成される。各画素電極膜１７と対応する各画素毎の緑色信号蓄積用高濃度不純物領域４とは柱状のコンタクト電極１８によって導通される。このコンタクト電極１８は、画素電極膜１７及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。各画素電極膜１７の上部には緑色検出用の光電変換膜１９が光電変換膜１４と同様に一枚構成で形成され、その上部に、透明の共通電極膜２０が形成される。
【００１５】
共通電極膜２０の上部には透明の絶縁膜２１が形成され、その上部に、各画素毎に区分けされた画素電極膜２２が形成される。画素電極膜２２は、対応する各画素毎の青色信号蓄積用高濃度不純物領域６と柱状のコンタクト電極２６によって導通される。このコンタクト電極２６は、画素電極膜２２及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。画素電極膜２２の上部には青色検出用の光電変換膜２３が各画素共通に一枚構成で積層され、その上部に、透明の共通電極膜２４が形成され、最上層には透明の保護膜２５が形成される。
【００１６】
入射光がこの固体撮像素子に入射すると、青色光，緑色光，赤色光の各入射光量に応じた光電荷が各光電変換膜２３，１９，１４において励起され、共通電極膜２４，２０，１５と画素電極膜２２，１７，１２との間に電圧が印加されることで、夫々の光電荷が高濃度不純物領域２，４，６に流れ、ＭＯＳ回路３，５，７によって外部に青色信号，緑色信号，赤色信号として読み出される。
【００１７】
【特許文献１】特開昭５８―１０３１６５号公報
【特許文献２】特許第３４０５０９９号公報
【特許文献３】特開２００２―８３９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
図５に示す従来の光電変換膜積層型固体撮像素子に斜め方向から入射した入射光５０は、光電変換膜２３で青色光が吸収され、光電変換膜１９で緑色光が吸収され、光電変換膜１４で赤色光が吸収され、赤外光が遮光膜１０に照射される。この赤外光は、遮光膜１０で熱に変換される他、一部は反射する。
【００１９】
光電変換膜１４，１９，２３の材質等にもよるが、各光電変換膜１４，１９，２３で吸収しきれなかった可視光も遮光膜１０で反射することになる。この反射光５１は、遮光膜１０から逆に光電変換膜１４→１９→２３と通り、再び各光電変換膜１４，１９，２３で光電荷を発生させることになる。
【００２０】
図５に示す様に、斜め入射光５０が画素の境界付近で反射すると、入射光５０により信号電荷が発生する画素と、反射光５１により信号電荷が発生する画素とが異なる画素となり、信号電荷の画素分離が不十分となり、また、画素間の混色の問題も無視できなくなる。
【００２１】
本発明の目的は、信号電荷の画素分離を十分に行うと共に画素間の混色を回避し高品質なカラー画像を撮像することが可能な光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、共通電極膜と画素対応の画素電極膜とによって挟まれた光電変換膜が、信号読出回路が形成された半導体基板の上に遮光膜を介して積層される光電変換膜積層型固体撮像素子において、前記光電変換膜を通過した入射光が前記遮光膜で反射したとき該反射光の隣接画素方向への入射を阻止する阻止構造を設けたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記遮光膜上の画素境界部に立設した遮蔽壁を前記阻止構造としたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、各画素の下部に当たる前記遮光膜の断面形状を画素毎に凹形状にした凹部を前記阻止構造としたことを特徴とする。
【００２５】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記遮蔽壁と前記凹部の両方を前記阻止構造として備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子の前記凹部は、画素中心部の深さを画素周辺部の深さより深くしたことを特徴とする。
【００２７】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、固体撮像素子の受光面の中央部に設ける前記凹部に対して前記受光面の周辺に行くに従って前記凹部の凹構造を深く形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、斜めに入射した入射光が遮光膜で反射したとき該反射光が隣接画素に入射しない構造にしたため、画像信号の画素分離性能が向上すると共に画素間の混色が回避され、高品質の画像を撮像することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。基本的構成は図５で説明した従来の光電変換膜積層型固体撮像素子と同じため、従来の光電変換膜積層型固体撮像素子と同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
【００３１】
本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、絶縁膜１１中の画素境界部分に、遮光膜１０から立設し遮光膜１０と同一材料でなる遮蔽壁１０ａを設けている。遮蔽壁１０ａは、なるべく高く形成するのが好ましいが、一枚構成で形成される最下層の共通電極膜１５によって阻まれるため、また、図１の例では、光電変換膜１４も各画素共通に一枚構成で形成されるため、光電変換膜１４に近づく程度の高さとする。この遮蔽壁１０ａを設けることで、画素境界部分の遮光膜１０で反射した反射光は、この遮蔽壁１０ａで反射して、入射光が通過した画素と同じ画素内に入射するため、画素間の混色が回避され、信号電荷の画素分離性能が向上する。
【００３２】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。半導体基板１００の表面部には、信号読出回路が形成される。信号読出回路は、図１と同様にＭＯＳトランジスタ回路で構成しても良いが、本実施形態では、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に電荷転送路で構成する。
【００３３】
図３に示す光電変換膜積層型固体撮像素子では、ｎ型半導体基板１００の表面部にＰウェル層１０２が形成され、更にその表面部のＰ領域１０３には、第１色電荷蓄積領域となるダイオード部１４１と、第２色電荷蓄積領域となるダイオード部１４２と、第３色電荷蓄積領域となるダイオード部１４３とが形成され、各ダイオード部の間に電荷転送路１５１，１５２，１５３が形成される。対となるダイオード部１４１及び電荷転送路１５１と、ダイオード部１４２及び電荷転送路１５２と、ダイオード部１４３及び電荷転送路１５３との間には、ｐ＋領域でなるチャネルストッパ１０６が形成される。
【００３４】
半導体基板１００の表面には、絶縁層１０７が積層され、この絶縁層１０７の内部の電荷転送路１５１，１５２，１５３の上には電荷転送電極１８１，１８２，１８３が形成されると共に、各ダイオード部１４１，１４２，１４３に接続される電極１９１，１９２，１９３が埋設される。本実施形態の電極１９１，１９２，１９３は、電荷転送電極１８１，１８２，１８３を覆うように形成され、電荷転送電極１８１，１８２，１８３に入射光（入射光のうちの可視光部分は上層の光電変換膜で殆ど吸収されるため、主に赤外光）が入射しないように遮光膜を兼用している。
【００３５】
本実施形態の遮光膜（電極１９１，１９２，１９３）の表面は平坦に形成され、画素境界部分に、上方向に立設する凸部（遮蔽壁）１９０が設けられている。
【００３６】
絶縁層１０７の上には、画素毎に区画された第１色用の画素電極膜１１１が積層される。この画素電極膜１１１は、透明材料で形成される。
【００３７】
各画素電極膜１１１の上には、第１色の入射光を光電変換する第１層光電変換膜１１２が画素毎に区分けされて積層され、この第１層光電変換膜１１２の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１１の対向電極膜）１１３が積層される。
【００３８】
共通電極膜１１３の上には、透明の絶縁膜１１４が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第２色用の透明の画素電極膜１１５が積層される。そして、各画素電極膜１１５の上に、第２色の入射光を光電変換する第２層光電変換膜１１６が画素毎に区分けされて積層され、第２層光電変換膜１１６の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１５の対向電極）１１７が積層される。
【００３９】
共通電極膜１１７の上には、透明の絶縁膜１１８が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第３色用の透明の画素電極膜１１９が積層される。そして、各画素電極膜１１９の上に、第３色の入射光を光電変換する第３層光電変換膜１２０が画素毎に区分けされて積層され、第３層光電変換膜１２０の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１９の対向電極）１２１が積層される。更にその上に保護膜が形成される場合もあるが、これは図示を省略する。
【００４０】
第１色用の画素電極膜１１１は、第１色電荷蓄積用ダイオード部１４１の電極９１と柱状のコンタクト電極１２２により電気的に接続され、第２色用の画素電極膜１１５は、第２色電荷蓄積用ダイオード部１４２の電極１９２と柱状のコンタクト電極１２３により電気的に接続され、第３色用の画素電極膜１１９は、第３色電荷蓄積用ダイオード部１４３の電極１９３と柱状のコンタクト電極１２４により電気的に接続される。各コンタクト電極１２２，１２３，１２４は、対応の電極１９１，１９２，１９３及び画素電極膜１１１，１１５，１１９以外とは絶縁される。
【００４１】
各層の光電変換膜１１２，１１６，１２０の材質としては、有機，無機を問わないが、直接遷移型の薄膜構造，微粒子構造，グレッチェル構造のものを用いることが好ましい。微粒子構造とする場合、バンドギャップ端を制御することが可能となる。例えば、ＣｄＳｅ，ＩｎＰ，ＺｎＴｅ，ＺｎＳｅ等のナノ粒子径を制御することにより、光電変換される波長領域を制御可能となる。
【００４２】
本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、上述した様に、遮光膜（電極１９１，１９２，１９３）の画素境界部分に凸部１９０を設けている。遮光膜によって反射された反射光がこの凸部１９０で邪魔され隣接画素内に絶対に入射しない様にするためには、凸部１９０の高さを更に高くするのが良い。しかし、実際には、各画素共通に一枚構成でなる共通電極膜１１３を突き破るように凸部１９０を製造することはできないので、代わりに、画素毎に分離形成された光電変換膜１１２，１１６，１２０の隣接画素の光電変換膜１１２，１１６，１２０との間を埋める絶縁層を不透明絶縁層とするのが良い。
【００４３】
今、第１色を赤色（Ｒ）、第２色を緑色（Ｇ）、第３色を青色（Ｂ）とする。この光電変換膜積層型固体撮像素子に光が入射すると、入射光の内の青色の波長領域の光は第３層光電変換膜１２０に吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１９からコンタクト電極１２４及び電極１９３を通ってダイオード部１４３に流れ込む。
【００４４】
同様に、入射光の内の緑色の波長領域の光は、第３層光電変換膜１２０を透過して第２層光電変換膜１１６により吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１５からコンタクト電極１２３及び電極１９２を通ってダイオード部１４２に流れ込む。
【００４５】
同様に、入射光の内の赤色の波長領域の光は、第３層，第２層光電変換膜１２０，１１６を透過して第１層光電変換膜１１２により吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１１からコンタクト電極１２２及び電極１９１を通ってダイオード部１４１に流れ込む。
【００４６】
各ダイオード部１４１，１４２，１４３からの信号取出は、通常のシリコンの受光素子からの信号取出に準じた手法で行うことができる。例えば、一定量のバイアス電荷をダイオード部１４１，１４２，１４３に注入し（リフレッシュモード）ておき、光入射によって一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出す。有機受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。
【００４７】
光電変換膜積層型固体撮像素子に斜めに入射した入射光のうち、光電変換膜１１２，１１６，１２０が吸収しきれなかった入射光が遮光膜（電極１９１，１９２，１９３）で反射し、隣接画素方向に反射した場合、この反射光は、凸部１９０によって更に自画素方向に反射される。このため、画素間の混色の問題は回避される。
【００４８】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の遮光膜（下部電極）の構成を示す図である。第１，第２の実施形態では、画素境界部に設けた遮蔽壁（凸部）１０ａ，１９０の間に挟まれた部分の遮光膜の形状を平坦形状としたが、自画素下の遮光膜で反射した反射光が隣接画素方向ではなく自画素方向に反射させる構造にしている。
【００４９】
即ち、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、遮蔽壁１９０で挟まれた領域の下部電極の表面形状を、画素中心部１９０ａでは低く、画素周辺部１９０ｂでは少し高い形状とした凹形状としている。これにより、遮光膜表面における反射光は、効率的に自画素方向に反射することになる。
【００５０】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の説明図である。図４（ａ）は、光電変換膜積層型固体撮像素子の受光面の表面模式図であり、矩形で示す多数の画素が二次元的に縦横に配置されており、各画素が、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色の信号を検出する構成になっている。
【００５１】
この光電変換膜積層型固体撮像素子の各画素の下部に設ける遮光膜の断面形状を凹形状にして、斜めに入射してきた光が隣接画素方向に反射しないようにするのは、図３に示す第３の実施形態と同様である。このとき、本実施形態では、図４（ｂ）に示す様に、素子中央部の画素５５の遮光膜の凹形状１９０ａ，１９０ｂに対して、素子周辺部の画素５６（図４（ａ）参照）程、遮光膜の凹形状１９０ａ’，１９０ｂ’を深くする。これは、素子周辺部の画素ほど、入射光が斜めに入射するため、遮光膜での反射光が隣接画素方向に反射しないようにするためである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、画像信号の画素分離性能が向上し、画素間の混色が回避されるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代わる高画質なカラー画像を撮像できる固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の下部電極（遮光膜）の表面形状を示す断面模式図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の説明図である。
【図５】従来の光電変換膜積層型固体撮像素子の２画素分の断面模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，１００  半導体基板
１０  遮光膜
１０ａ，１９０  遮蔽壁（凸部）
１２，１７，２２，１１１，１１５，１１９  画素電極膜
１４，１９，２３，１１２，１１６，１２０  光電変換膜
１５，２０，２４，１１３，１１７，１２１  共通電極膜
１６，２１，１１４，１１８  絶縁膜
１３ａ，１８ａ，２６ａ，１２２，１２３，１２４  コンタクト電極
２，４，６，１４１，１４２，１４３  電荷蓄積領域
１５１，１５２，１５３  電荷転送路
１９１，１９２，１９３  下部電極（遮光膜を兼用）
【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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