(57)【要約】【課題】  光電変換膜積層型固体撮像素子の積層工程数を削減し、製造コストの低廉化と、製造歩留まりの向上を図る。【解決手段】  信号読出回路が形成された半導体基板１の上に複数の光電変換膜３３，３５，４１が積層され、各光電変換膜が共通電極膜と画素対応の対向電極膜とによって挟まれ、各光電変換膜で発生した光電荷が前記対向電極から取り出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、第１の光電変換膜３３に設ける共通電極膜３４と第２の光電変換膜３５に設ける共通電極膜３４とを共用し該共用電極膜３４の下に第１の光電変換膜３３が積層され該共通電極膜３４の上に第２の光電変換膜３５が積層される。これにより、積層数が削減され、低コスト化等が実現できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号読出回路が形成された半導体基板の上に複数の光電変換膜が積層され、各光電変換膜が共通電極膜と画素対応の対向電極膜とによって挟まれ、各光電変換膜で発生した光電荷が前記対向電極膜から取り出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、第１の光電変換膜に設ける前記共通電極膜と第２の光電変換膜に設ける前記共通電極膜とを共用し該共用電極膜の下に前記第１の光電変換膜が積層され該共通電極膜の上に前記第２の光電変換膜が積層される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】
赤色検出用，緑色検出用，青色検出用の３つ光電変換膜を検出波長の短い順に上から順に備え、３つの光電変換膜のうち２つの光電変換膜に設ける前記共通電極膜を共用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】
赤色検出用，緑色検出用，青色検出用，エメラルド色検出用の４つの光電変換膜を検出波長の短い順に上から備え、４つの光電変換膜のうちの隣接する２つの光電変換膜に設ける前記共通電極膜を共用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】
前記半導体基板の上に積層される最下層の光電変換膜に設ける前記共通電極膜を該光電変換膜の下に設けると共に該共通電極膜を遮光膜と兼用したことを特徴とする請求項２または請求項３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、信号読出回路が表面に形成された半導体基板の上に光電変換膜を積層して構成され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注目を集めるようになり、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、この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３，５，６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対向電極膜１２が形成される。各画素毎の対向電極膜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に柱状電極１３によって導通される。この柱状電極１３は、対向電極膜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】
各対向電極膜１２の上部には、赤色検出用の光電変換膜１４が形成され、更にその上部に透明の共通電極膜１５が形成される。これらの光電変換膜１４及び共通電極膜１５は、画素毎に区分して設ける必要はなく、半導体基板上の全面に夫々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対向電極膜１７が形成される。各画素毎の対向電極膜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とは柱状電極１８によって導通される。この柱状電極１８は、対向電極膜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。各対向電極膜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対向電極膜２２が形成される。各画素毎の対向電極膜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に柱状電極２３によって導通される。この柱状電極２３は、対向電極膜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。対向電極膜２１の上部には青色検出用の光電変換膜２３が形成され、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が形成されている。
【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と対向電極膜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に示す構成の光電変換膜積層型固体撮像素子では、半導体基板表面の絶縁膜１１の上に、図示の例では、対向電極膜１２，赤色用光電変換膜１４，共通電極膜１５，絶縁膜１６，対向電極膜１７，緑色用光電変換膜１９，共通電極膜２０，絶縁膜２１，対向電極膜２２，青色用光電変換膜２３，共通電極膜２４，保護膜２５と、計１２層の膜を積層する必要がある。
【００１９】
光電変換膜積層型固体撮像素子を製造する場合、製造歩留まりを向上させ、また、製造コストを削減するために、製造工程数を減らす必要がある。上記の１２層の膜の積層工程のうち１層でも削減できれば、それだけ製造歩留まりが向上し、製造コストが低減することになる。
【００２０】
本発明の目的は、製造コストを削減でき製造歩留まりを向上させることができる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】
【００２１】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に複数の光電変換膜が積層され、各光電変換膜が共通電極膜と画素対応の対向電極膜とによって挟まれ、各光電変換膜で発生した光電荷が前記共通電極膜から取り出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、第１の光電変換膜に設ける前記共通電極膜と第２の光電変換膜に設ける前記共通電極膜とを共用し該共用電極膜の下に前記第１の光電変換膜が積層され該共通電極膜の上に前記第２の光電変換膜が積層されることを特徴とする。
【００２２】
この構成により、半導体基板の上の積層数を減らすことができ、製造コストが低減されると共に、製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００２３】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、赤色検出用，緑色検出用，青色検出用の３つ光電変換膜を検出波長の短い順に上から順に備え、３つの光電変換膜のうち２つの光電変換膜に設ける前記共通電極膜を共用したことを特徴とする。
【００２４】
この構成により、３原色を検出できる光電変換膜積層型固体撮像素子の製造コストの低減と製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００２５】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、赤色検出用，緑色検出用，青色検出用，エメラルド色検出用の４つの光電変換膜を検出波長の短い順に上から備え、４つの光電変換膜のうちの隣接する２つの光電変換膜に設ける前記共通電極膜を共用したことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、人の視感度に応じた色再現が可能な光電変換膜積層型固体撮像素子の製造コストの低減と製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００２７】
本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記半導体基板の上に積層される最下層の光電変換膜に設ける前記共通電極膜を該光電変換膜の下に設けると共に該共通電極膜を遮光膜と兼用したことを特徴とする。
【００２８】
この構成によっても、製造工程数を削減でき、低コストで高製造歩留まりの光電変換膜積層型固体撮像素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、光電変換膜積層型固体撮像素子の成膜積層工程数を削減できるため、製造コストの低廉化と、製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
図１は、本発明の一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。本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子の構造のうち、図５で説明した光電変換膜積層型固体撮像素子の半導体基板部分の構造は同じである。すなわち、絶縁膜１１までの構造は同じである。
【００３２】
図１において、絶縁膜１１の上に、画素毎に区分けした対向電極膜３１を形成する。この対向電極膜３１を、柱状の電極３２によって、対応画素の高濃度不純物領域２と導通させる。この柱状の電極３２は、対向電極膜３１及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。
【００３３】
対向電極膜３１の上に、赤色検出用の光電変換膜３３を画素毎に区分けすることなく全面に１枚構成で積層し、更にその上部に、同様に１枚構成の透明の共通電極膜３４を積層する。
【００３４】
本実施形態では、この共通電極膜３４の上に、画素毎に区分けせずに１枚構成の緑色検出用の光電変換膜３５を積層し、その上部に、画素毎に区分けした透明の対向電極膜３６を積層する。この対向電極膜３６は、柱状の電極３７によって、対応画素の高濃度不純物領域４に導通される。この柱状の電極３７は、対向電極膜３６及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。
【００３５】
対向電極膜３６の上には、透明の絶縁膜３８が積層され、その上に、画素毎に区分けされた透明の対向電極膜３９が積層される。各対向電極膜３９は、夫々柱状の電極４０によって、対応画素の高濃度不純物領域６に導通される。この柱状の電極４０は、対向電極膜３９及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。
【００３６】
対向電極膜３９の上には、画素毎に区分けせずに１枚構成の青色検出用の光電変換膜４１が積層され、その上に、同様に１枚構成の透明の共通電極膜４２が積層され、最上層に透明の保護膜４３が積層される。
【００３７】
本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子は、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色の色信号を検出する構成に関わらず、共通電極膜を２枚だけ用い、２枚の共通電極膜４２，３４をバイアス電圧Ｖｂに接続している。
【００３８】
即ち、本実施形態では、半導体基板側の絶縁膜１１の上に、対向電極膜３１，赤色用光電変換膜３３，共通電極膜３４，緑色検出用光電変換膜３５，対向電極膜３６，絶縁膜３８，対向電極膜３９，青色検出用光電変換膜４１，共通電極膜４２，保護膜４３と、計１０層の膜を積層しており、図５の構成に比較して２層分の積層工程が省略される。
【００３９】
斯かる構成の光電変換膜積層型固体撮像素子では、被写体からの光が入射すると、青色光の入射光量に応じた光電荷が光電変換膜４１で発生し、共通電極膜４２と対向電極膜３９との間に電圧が印加されると青色光の光電荷が高濃度不純物領域６に流れる。
【００４０】
同様に、入射光のうちの緑色光の光量に応じた光電荷が光電変換膜３５で発生し、共通電極膜３４と対向電極膜３６との間に電圧が印加されると緑色光の光電荷が高濃度不純物領域４に流れる。
【００４１】
同様に、入射光のうちの赤色光の光量に応じた光電荷が光電変換膜３３で発生し、共通電極膜３４と対向電極膜３１との間に電圧が印加されると緑色光の光電荷が高濃度不純物領域２に流れる。
【００４２】
この様に、本実施形態によれば、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色の信号を読み出すことができると共に、製造工程数を減らすことができるため、製造歩留まりが向上し、製造コストの低減も図れる。
【００４３】
また、図５，図１に示す例では、例えば、画素ｉの青色（Ｂ）検出用の光電変換膜に斜めに入射した光が隣接する画素ｉ＋１の緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の光電変換膜に入射して画素間のクロストークが発生する可能性があるが、図５に比較して図１の構成は２層分だけ全体の膜厚が薄くなるため、画素間のクロストークが減り、色再現性が向上するという利点もある。
【００４４】
尚、この実施形態は、半導体基板に形成したＭＯＳ回路で信号を読み出す構成としたが、色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６の蓄積電荷を、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に、垂直転送路に沿って移動させ、水平転送路に沿って外部に読み出す構成とすることもできる。
【００４５】
図１に示した実施形態は、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３原色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子の例であるが、４色を検出できる構成にすることも可能である。図２は、４色を検出す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り、図１の構成に対し、緑色（Ｇ）と青色（Ｂ）の中間色（ＧＢ：エメラルド色）を検出する光電変換膜５０及び電極を、以下に述べる積層順に形成している点が異なる。
【００４６】
例えば、波長４８０〜５２０ｎｍのエメラルド（ＧＢ）色を検出する利点は、人間の視感度に応じて赤色を補正するためである。人間の視感度は、図３にα，β，γとして示す様に、緑色（Ｇ），赤色（Ｒ），青色（Ｂ）で負の感度を持っている。このため、固体撮像素子でＲ，Ｇ，Ｂの正の感度のみ検出して色再現を行っても、人間の見た画像を再現することはできない。そこで、負感度の一番大きいβすなわち赤の負感度を光電変換膜５０によって検出し、光電変換膜３１で検出した赤の感度から、この負感度分を差し引くことで、人間の赤色に対する感度を再現することができる。
【００４７】
図２において、絶縁膜３８を形成するまでは、図１の実施形態と同じである。この実施形態では、絶縁膜３８の上に、エメラルド色検出用の画素毎に区分けされた透明の対向電極膜４９が形成される。各対向電極膜４９は、夫々柱状の電極５１によって、各画素対応に半導体基板表面に設けられたＧＢ色用の高濃度不純物領域５２に導通される。この柱状の電極５２は、対向電極膜４９及び高濃度不純物領域５２以外とは電気的に絶縁され、また、高濃度不純物領域５２の信号電荷量は、領域５２に隣接して設けられたＭＯＳ回路５３によって読み出される。
【００４８】
各対向電極膜４９の上には、エメラルド（ＧＢ）色検出用の光電変換膜５０が画素毎に区分けせずに１枚構成で積層され、その上に、透明の共通電極膜４２が１枚構成で形成される。
【００４９】
共通電極膜４２の上には、青色（Ｂ）検出用の光電変換膜４１が積層され、その上に、画素毎に区分けされた透明の対向電極膜３９が積層される。各対向電極膜３９は、夫々柱状の電極４０によって、対応画素の高濃度不純物領域６に導通される。この柱状の電極４０は、対向電極膜３９及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。最上層には、透明の保護膜４３が形成される。
【００５０】
青色，エメラルド色，緑色，赤色の４色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子を、図５の示す３色用と同様に構成した場合、ＧＢ色用の光電変換膜と共通電極膜，対向電極膜及び他層との間に設ける絶縁膜が追加され、絶縁膜１１の上部に計１６層必要となる。しかし、本実施形態の積層構造にすることで、計１２層となり、４層分の積層工程が削減される。
【００５１】
図４は、青色（Ｂ），エメラルド色（ＧＢ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の４色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子の別実施形態の積層構造を示す図である。検出する波長が短い順に、青色検出用光電変換膜４１，ＧＢ色検出用光電変換膜５０，緑色検出用光電変換膜３５，赤色検出用光電変換膜３３と上から順に設けるのは図２の実施形態と同じであるが、共通電極膜と対向電極膜の積層順が異なる。
【００５２】
即ち、本実施形態では、絶縁膜１１の上に、共通電極膜６０，赤色検出用光電変換膜３３，赤色用対向電極膜３１，絶縁膜６１，緑色用対向電極膜３６，緑色検出用光電変換膜３５，共通電極膜６２，ＧＢ色検出用光電変換膜５０，ＧＢ色用対向電極膜４９，絶縁膜６３，青色用対向電極膜３９，青色検出用光電変換膜４１，共通電極膜６４，保護膜４３の順に積層している。
【００５３】
図２に示す実施形態と比較して、本実施形態では、絶縁膜１１の上に計１４層積層（図２では計１２層）する必要が生じる。しかし、最下層に共通電極膜６０が設けられるため、この共通電極膜６０を不透明電極膜にすることで、遮光膜を兼用させることが可能となる。即ち、図２に示す遮光膜１０が削除でき、このため、絶縁膜９と絶縁膜１１とを一緒にすることができる。
【００５４】
以上述べた様に、本実施形態によれば、複数層の光電変換膜を積層する固体撮像素子において、共通電極膜の上下に光電変換膜を積層する構成としたため、半導体基板上に設ける積層数を減らすことが可能となり、製造コストの低減と製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、低コスト，高製造歩留まりを図ることが可能となるため、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサの代わりに使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る３層構造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２】本発明の第２の実施形態に係る４層構造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３】人間の視感度を示すグラフである。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る４層構造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】従来の３層構造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】
【００５７】
１  Ｐウェル層（半導体基板）
２，４，６，５２  高濃度不純物領域
３，５，７，５３  ＭＯＳ回路
８  ゲート絶縁膜
９，１１，３８，６１，６３  絶縁膜
３１，３６，３９，４９  対向電極膜
３４，４２，６０，６２，６４  共通電極膜
３３，３５，４１，５０  光電変換膜
４３  保護膜
【図１】
2005268471.tif 000003
【図２】
2005268471.tif 000004
【図３】
2005268471.tif 000005
【図４】
2005268471.tif 000006
【図５】
2005268471.tif 000007