(57)【要約】【課題】固体撮像素子において、広ダイナミックレンジ化と低温下における高画質化を両立させる。【解決手段】二次元状に配列された複数の画素５を有する固体撮像素子１において、複数の画素５のそれぞれは、半導体基板上方に形成された基板上光電変換素子２０と、基板上光電変換素子２０下方の半導体基板内に形成された基板内光電変換素子１３とを含むものとし、各画素中の基板内光電変換素子１３と基板上光電変換素子２０は、同一色の光を検出するものであって、画素に入射する入射光に対して互いに異なる光電変換感度を有するものとして、各画素中において基板内光電変換素子１３と基板上光電変換素子２０との積層方向距離ｄを１．５μｍ以上、４μｍ以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像素子であって、
前記複数の画素のそれぞれは、半導体基板上方に形成された基板上光電変換素子と、該基板上光電変換素子下方の前記半導体基板内に形成された基板内光電変換素子とを含み、
前記各画素中の前記基板内光電変換素子と前記基板上光電変換素子は、同一色の光を検出するものであって、該画素に入射する入射光に対して互いに異なる光電変換感度を有するものであり、
該各画素中において前記基板内光電変換素子と前記基板上光電変換素子との積層方向距離が１．５μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記基板上光電変換素子が、画素電極、有機光電変換膜および上部電極がこの順に前記半導体基板上に積層されてなるものであり、
前記画素電極の厚みが１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下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】
前記光電変換膜が、前記複数の画素に共通な膜として形成された有機パンクロマチック膜であり、
前記基板上光電変換素子上にカラーフィルタを備えていることを特徴とする請求項１または２いずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記有機パンクロマチック膜の厚みが５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であり、前記入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率が５０％以上であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記有機パンクロマチック膜の厚みが２ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であり、前記入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率が５０％未満であることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【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に関し、ダイナミックレンジの広帯域化を図った固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子としては、近年、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Ｒ，Ｇ，Ｂの各色カラーフィタを積層した単板式の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カメラに搭載される様になっている。
【０００３】
微細化が進むと１画素あたりに蓄積できる電子数が原理的に減少してダイナミックレンジの低下を伴うという問題がある。電子数が飽和レベルを超えると、画像に白とびや黒つぶれ等が生じることとなる。この問題を解決するために、特許文献１には、赤外線（ＩＲ）吸収により電荷を生じる光電変換膜を基板内光電変換素子上に配置し、光電変換膜に印加する電圧を調整して、光電変換膜からの信号に飽和レベルを超えるものが存在しないようにした撮像装置が提案されている。さらに、光電変換膜と基板内光電変換素子の間にカラーフィルタを備えることにより、１回の撮像によってカラー画像データと赤外画像データとを取得でき、基板内光電変換素子からの信号が飽和した場合であっても、赤外画素データにより補完することにより被写体を忠実に再現することが可能となる。
【０００４】
また、特許文献２には、広ダイナミックレンジ化と高画質化を両立させるため、１つの画素を、積層された異なる光電変換感度を有する２以上の光電変換素子で構成したハイブリッド型の撮像素子が提案されている。
【０００５】
１つの画素について複数の光電変換素子を備えるという構成は、特許文献３にも開示されているが、特許文献３は、記録画像の撮像と位相差の検出を同時に行うことができ、記録画像の全体に対してオートフォーカスを行うことができる撮像素子を実現するため、マイクロレンズとその焦点との間に設けられた第１の光電変換部と、マイクロレンズの焦点に重なる位置であって、マイクロレンズの光軸に対して偏った方向に光電変換領域を有する第２の光電変換部とを備え、マイクロレンズの光軸に対して互いに偏った方向に光電変換領域を有する第２の光電変換部を備えた２つの画素群からなる撮像素子を開示するものであり、広ダイナミックレンジ化とは無関係である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−４９５２５号公報
【特許文献２】特開２００７−２０１００９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０３３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２のハイブリッド型の固体撮像素子によれば、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【０００８】
しかしながら、本発明者らの研究により、特許文献２に記載のハイブリッド型の固体撮像素子の構成では、０℃以下の動作環境温度において、残像が大きく生じる場合があるという問題が明らかになってきた。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広ダイナミックレンジ化と低温下においても残像の影響を抑え、高画質撮影が実現可能な固体撮像素子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】
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、二次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像素子であって、
複数の画素のそれぞれは、半導体基板上方に形成された基板上光電変換素子と、該基板上光電変換素子下方の半導体基板内に形成された基板内光電変換素子とを含み、
各画素中の基板内光電変換素子と基板上光電変換素子は、同一色の光を検出するものであって、該画素に入射する入射光に対して互いに異なる光電変換感度を有するものであり、
該各画素中において基板内光電変換素子と基板上光電変換素子との積層方向距離が１．５μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、基板上光電変換素子を、画素電極、有機光電変換膜および上部電極がこの順に前記半導体基板上に積層されてなるものとし、画素電極の厚みを１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１２】
また、光電変換膜を、複数の画素に共通な膜として形成された有機パンクロマチック膜とし、基板上光電変換素子上にカラーフィルタを備えるものとすることができる。
【００１３】
本発明の固体撮像素子においては、基板上光電変換素子と基板内光電変換素子の光電変換感度が異なっていればよく、いずれが相対的に高感度であってもよいが、特には、基板上光電変換素子を基板内光電変換素子よりも高感度とすることが望ましい。
【００１４】
有機パンクロマチック膜の厚みを５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とし、入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率を５０％以上としてもよい。このとき、基板上光電変換素子を基板内光電変換素子よりも高感度とすることができる。
【００１５】
あるいは、有機パンクロマチック膜の厚みを２ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とし、入射光の前記基板上光電変換素子における吸収率を５０％未満としてもよい。このとき、基板内光電変換素子を基板上光電変換素子よりも高感度とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像素子によれば、各画素が、基板上光電変換素子と基板内光電変換素子と含み、両者の間隔が１．５μｍ以上、４μｍ以下とされているので、広ダイナミックレンジ化と、環境温度０℃以下の低温下においても残像の少ない高画質な画像取得とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す断面模式図
【図２】実施形態の固体撮像素子の基板上ＰＤの信号読出回路の構成を示す図
【図３】第１の実施形態の固体撮像素子におけるダイナミックレンジの広帯域化を説明するための説明図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す断面模式図
【図５】第２の実施形態の固体撮像素子におけるダイナミックレンジの広帯域化を説明するための説明図
【図６】残像のＰＤ間距離依存性を示すグラフ
【図７】残像の画素電極厚み依存性を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
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１の撮像部の一部の概略構成を示す断面模式図である。固体撮像素子１は、基板面に２次元状に配列形成された複数の画素を備えた撮像部を有している。
【００２０】
図１は、固体撮像素子１の基板面に垂直な断面の一部として撮像部における隣接する３つの画素５として、赤色を取得するＲ画素５Ｒ、緑色を取得するＧ画素５Ｇ、青色を取得するＢ画素５Ｂをそれぞれ示している。以下において、各要素について特にＲ，Ｇ，Ｂ画素のいずれかの要素であることを示す場合には、符号末尾にＲ，Ｇ，Ｂを付す。
【００２１】
固体撮像素子１は、ｎ型シリコン基板１１上にｐウェル層１２が形成された半導体基板１０を備え、ｐウェル層１２には、基板内光電変換素子としての埋め込み型のフォトダイオード１３（以下において基板内ＰＤ１３とする。）と、ｎ型の不純物拡散領域１４と信号読出回路１５とが設けられている。信号読出回路１５は、各基板内ＰＤ１３と各不純物拡散領域１４のそれぞれに対して１つずつ設けられている。
【００２２】
ｐウェル層１２の上には透明な絶縁膜１６が設けられている。絶縁膜１６には、その上面と同一平面を形成するように埋め込まれた複数の画素電極２１が設けられている。画素電極２１は、ＩＴＯ等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。
【００２３】
絶縁膜１６内には、柱状のコンタクト部１８が絶縁膜１６の厚み方向に延設されている。コンタクト部１８の上方端部が各画素電極２１に接続され、下方端部が半導体基板１０のｐウェル層１２の表層に設けられた不純物拡散領域１４に接続されている。コンタクト部１８は、画素電極２１及び不純物拡散領域１４以外とは電気的に導通しないように、絶縁処理が施されていてもよい。絶縁処理としては、例えば、コンタクト部１８と他の導電性材料との間に僅かに隙間を形成し、その隙間に絶縁材料で埋める構成が挙げられる。
【００２４】
また、絶縁膜１６内には、可視光に対して遮光性を有するタングステン等の材料からなる遮光膜１７が形成されている。遮光膜１７は、基板内ＰＤ１３の上方が開口している。不純物拡散領域１４と信号読出回路１５の上方は、遮光膜１７によって覆われているため、半導体基板１０の基板内ＰＤ１３以外の領域が遮光される。
なお、絶縁膜１６内には、その他、図示しない配線層が形成されている。遮光膜１７は配線層を兼ねていてもよい。
【００２５】
さらに、絶縁膜１６及び画素電極２１の上面を覆うように、全ての画素電極上に共通膜として形成された光電変換膜２２を備えている。光電変換膜２２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材料またはアモルファスシリコンなどの無機材料いずれであってもよい。
本実施形態においては、光電変換膜２２は可視光波長全域にわたって感度を有する、所謂、パンクロマティック膜である。特には、有機パンクロマティック膜が好適である。
【００２６】
光電変換膜２２上には同様の共通膜からなる対向電極２４が設けられている。対向電極２４は、画素電極２１と同様に、ＩＴＯ等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。
なお、光電変換膜２２と対向電極２４との間、または光電変換膜２２と画素電極２１との間に、電極から光電変換膜２２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。
【００２７】
画素電極２１、光電変換膜２２及び対向電極２４により基板上光電変換素子２０（以下において基板上ＰＤ２０とする）が構成されている。画素電極２１と対向電極２４の間にバイアス電圧を印加することで、光電変換膜２２で発生した信号電荷を画素電極２１に移動させて、これを捕集することができる。
【００２８】
各ＰＤで生じた電荷を蓄積し、読み出す信号読出回路１５の構成を図２に示す。図２に示すように、信号読出回路１５は、フローティングディフュージョンＦＤ（蓄積部に相当する）（以下、単にＦＤという）と、出力トランジスタ１１２と、リセットトランジスタ１１３と、選択トランジスタ１１４とを備えている。そして、出力トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３、選択トランジスタ１１４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。以下、基板上ＰＤ２０に接続されている信号読出回路１５を例に説明する。
【００２９】
本実施形態の基板上ＰＤ２０においては、光電変換膜２２で発生した電荷のうち正孔が画素電極２１に移動し、電子が対向電極２４に移動するように、対向電極２４に対してバイアス電圧が印加される。
【００３０】
ＦＤは、画素電極２１と電気的につながったｎ形不純物領域からなるものである。画素電極２１に捕集された正孔の量に応じて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。
【００３１】
出力トランジスタ１１２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１１２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１１２のソース端子は選択トランジスタ１１４のドレイン端子に接続されている。本実施形態における信号読出回路は、ＦＤと光電変換素子２０の画素電極２１と出力トランジスタ１１２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。
【００３２】
リセットトランジスタ１１３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１１３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１１３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１１３がオンし、リセットトランジスタ１１３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１１４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１１２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１１４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１１４はオンし、これにより各画素の出力トランジスタ１１２から出力された信号が信号線に出力される。
【００３３】
なお、基板内ＰＤ１３に接続されている信号読出回路も同様の構成であるが、読み出す信号電荷は適宜選択することができる。例えば、基板上ＰＤ２０からは正孔信号を読み出し、基板内ＰＤ１３からは電子信号を読み出すなど、それぞれ最適な信号を得ることができる。
【００３４】
なお、上記において、基板上ＰＤについては正孔捕集型の信号読出しを行うものとして説明したが、基板上ＰＤについても電子捕集型の信号読出しを行うものとしてもよい。しかしながら、正孔捕集型とすることにより、蓄積容量を大幅に増加させることができ好ましい。
【００３５】
基板内ＰＤ１３および基板上ＰＤ２０は１：１で対応するように、それぞれが２次元状に画素の数だけ配列形成されている。すなわち、各画素５は、それぞれ１つの基板内ＰＤ１３とその上方に配置された１つの基板上ＰＤ２０を含むものである。
【００３６】
対向電極２４上には保護膜２６が設けられており、その保護膜２６上には、カラーフィルタ層３０が配置されている。カラーフィルタ層３０は、赤色波長の光を透過するＲカラーフィルタ３１Ｒと、緑色波長の光を透過するＧカラーフィルタ３１Ｇと、青色波長の光を透過するＢカラーフィルタ３１Ｂとを、例えばベイヤー配列で配置したものである。なお、カラーフィルタ層３０における各カラーフィルタ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの配置はベイヤー配列に限定されるものではない。また、Ｒ，Ｇ，Ｂに加えＷ（白）カラーフィルタを備えてもよい。
【００３７】
ここで、各画素５における２つの光電変換素子１３、２０は、各画素に入射す入射光に対して互いに異なる光電変換感度となるように設定されている。
光電変換感度（Ｖ／１ｘ／ｓｅｃ）とは、所定量の光が入射したときに、光電変換素子から取り出せる信号から得られる電圧がどのくらいであるかを示す指標であるが、本明細書においては、各画素への入射光に対してその画素中の基板上ＰＤおよび基板内ＰＤから取り出せる信号から得られる電圧を示す指標として用いる。
【００３８】
図２で示す信号読出回路において、電源電圧Ｖｄｄを調整したり、ＦＤに蓄積される容量を調整して電荷電圧変換利得（Ｖ／ｅ-）を最適化すること等により基板内ＰＤと基板上ＰＤとの感度差を調整することができる。
【００３９】
高感度の光電変換素子は、少ない光量で多くの信号を得ることができるため、低照度の被写体を撮影するのに最適であるが、多くの光量が入射した場合には、信号が飽和してしまうため、高照度の被写体を撮影するのには適さない。一方、低感度の光電変換素子は、多くの光量が入射してもあまり多くの信号を得られないため、高照度の被写体を撮影するのに最適であるが、少ない光量が入射した場合には、得られる信号が少なすぎてしまい、低照度の被写体を撮影するのには適さない。
【００４０】
本発明では、基板内ＰＤ１３と基板上ＰＤ２０の入射光に対する光電変換感度に感度差を与え、相対的に低感度の光電変換素子から得られる信号と、相対的に高感度の光電変換素子から得られる信号を合成することで、固体撮像素子のダイナミックレンジを広げることができる。
【００４１】
さらに、本発明においては、基板内ＰＤ１３と基板上ＰＤ２０との距離ｄを１．５μｍ以上、４μｍ以下とすることを特徴としている。距離ｄは基板内ＰＤ１３の表面から基板上ＰＤ２０の画素電極２１下面までの距離である。距離が１．５μｍ未満である場合、絶縁膜１６中に配置される図示しない配線層間の距離が近接してしまい配線層間でノイズが生じ、画像劣化に繋がる。また、距離が４μｍ以下にすることにより、低温環境下（概ね−４５℃〜０℃）における残像を抑制することができることを本発明者らは見出している。
なお、ＰＤ間距離ｄが一様でない場合、いずれの箇所の距離を取っても１．５μｍ以上、４μｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００４２】
さらに、画素電極２１の厚みｔeは１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることが好ましい。厚みを１０ｎｍ以上とすることにより、画素電極２１のシート抵抗を十分に小さくすることができ、低温下における残像発生をさらに抑制する効果を得ることができる。シート抵抗を小さくするためには、厚みが厚い方がよいが、一方で、１００ｎｍを超えるほど厚くなると、画素電極の凹凸やエッジ部分での光電変換膜との接触が不十分となり好ましくない。
【００４３】
本発明の光電変換素子は、上記の通り１画素中に同色を検出する互いに感度の異なる１つの基板上光電変換素子と基板内光電変換素子とを備え、両者間の距離を１．５μｍ以上、４μｍ以下とすることにより、広いダイナミックレンジ化と、低温下におかる高画質な画像の取得とを両立させることができる。
【００４４】
以下に、基板上ＰＤ２０として、有機パンクロマティック材料を用いた有機光電変換素子（以下においてＯＰＤ２０とする。）を備え、基板内ＰＤ１３としてＳｉ光電変換素子（以下においてＳｉＰＤ１３）を備えた場合であって、ＯＰＤ２０の感度がＳｉＰＤ１３の感度よりも高い固体撮像素子について説明する。
【００４５】
既述の通り、電源電圧Ｖｄｄを調整したり、ＦＤに蓄積される容量を調整して電荷電圧変換利得（Ｖ／ｅ−）を最適化すること等により基板内ＰＤと基板上ＰＤとの感度差を調整し、基板上ＰＤであるＯＰＤ２０の感度を基板内ＰＤであるＳｉＰＤ１３の感度より相対的に高くなるように設定する。感度設定は、ＯＰＤ２０およびＳｉＰＤ１３の外部量子効率についても考慮して行う。
【００４６】
その上で、図１において、基板上ＰＤであるＯＰＤ２０の光電変換膜ｔｐの厚みを５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲で、入射光の吸収率が５０％以上となるように設定する。感度の高いＯＰＤ２０において、吸収率が小さいと逆にノイズアップになることから、相対的に感度の高いＯＰＤ２０での入射光の吸収率を５０％以上とする。
【００４７】
なお、光電変換膜２２における吸収率と厚みｔｐとの関係は、その構成材料の光電変換効率に依存するため一概には言えず、所望の吸収率に応じ、構成材料の光電変換効率を勘案して設定する必要がある。
【００４８】
上記構成におけるダイナミックレンジ広域化について図３を参照して説明する。
図３は、各画素への入射光の強度を横軸、その入射光に対する信号量を縦軸にとり、ＯＰＤの入射光に対する信号量の関係をａ、ＳｉＰＤの入射光に対する信号量の関係をｂで示している。図３において、入射光に対する信号量の関係において傾きの大きい方がより感度が高いことを意味する。なお、図３に示すように、ＯＰＤの飽和信号量はＳｉＰＤの飽和信号量よりも大きくとることができる。
【００４９】
ＯＰＤを高感度として入射光の吸収量を高めておくことにより、光のロスが少ないという点で有利である。ＯＰＤのダイナミックレンジはＩo1〜Ｉo2であり、ＳｉＰＤのダイナミックレンジはＩS1〜ＩS2である。両者を組み合わせ、入射光量の小さい領域では高感度なＯＰＤからの信号を用い、入射光量の大きい領域では低感度なＳｉＰＤからの信号を用いることにより、本素子としてのダイナミックレンジはＩo1〜Ｉs2に広げることができる。
【００５０】
特に、本例のように、基板上ＰＤの光電変換膜として、入射光に対する開口率１００％となる有機光電変換膜を用いることで、広ダイナミックレンジと高感度を両立させることが可能となる。高感度撮影はＯＰＤが担い、低感度撮影はＳｉＰＤが担うものとして、入射光の大半を有機光電変換膜により吸収し、一部透過した光のみを基板内のＳｉＰＤにより受光させる構成であるため、強烈な光が入射した場合にもＳｉＰＤで発生する電荷は少なく抑えられるため白とびが抑制され、同時に開口率の高い有機光電変換膜が微量な光でも適切に受光し暗部の階調を維持することができる。１画素での同時撮影であるため、感度の異なる別画素を備える装置と比較して解像度を高く維持できる上に、製造も容易である。また、時間差で感度別の撮影を行う装置の場合には、動画撮影を行うことは困難であったが、本構成であれば、高感度と低感度を同時に撮影できるので動画についても高画質な撮影が可能となる。
【００５１】
また、光電変換膜に有機パンクロマティック膜を用いることにより画素毎の微細な塗り分けや感度のばらつきなども抑えられ、超微細化した場合でも量産歩留まり高く安定して製造することが可能となる。
【００５２】
次に、上記と同様の構成であるが、ＯＰＤ２０の感度がＳｉＰＤ１３の感度よりも低い固体撮像素子について説明する。図４にその設計変更例の固体撮像素子の一部の断面図を示す。図４において、図１と同様の構成要素には同一符号を付している。
【００５３】
上記の場合と同様に、電源電圧Ｖｄｄを調整したり、ＦＤに蓄積される容量を調整して電荷電圧変換利得（Ｖ／ｅ−）を最適化すること等により基板内ＰＤと基板上ＰＤとの感度差を調整し、基板内ＰＤであるＳｉＰＤ１３の感度を基板上ＰＤであるＯＰＤ２０の感度より相対的に高くなるように設定する。感度設定は、ＯＰＤ２０およびＳｉＰＤ１３の外部量子効率についても考慮して行う。
【００５４】
本例では、ＯＰＤ２０の光電変換膜ｔｐの厚みを２ｎｍ〜２００ｎｍ程度の範囲で、入射光の吸収率が５０％未満となるように設定する。感度の高いＳｉＰＤでの入射光の吸収率が小さくなるとノイズアップに繋がることから、相対的に感度の高いＳｉＰＤ１３での吸収率を５０％以上となるように、ＯＰＤ２０での吸収率は５０％未満に抑制する。
【００５５】
上記実施形態の場合と同様に、光電変換膜２２における吸収率と厚みｔｐとの関係は、その構成材料の光電変換効率に依存するため一概には言えず、所望の吸収率に応じ、構成材料の光電変換効率を勘案して設定する必要がある。
【００５６】
この場合のダイナミックレンジ広域化について図５を参照して説明する。
図５において、上記実施形態の場合と同様に、基板上ＰＤは有機パンクロマティック膜を光電変換膜に備えたものであり、基板内ＰＤはＳｉＰＤであるとしている。図５は、各画素への入射光の強度を横軸、その入射光に対する信号量を縦軸にとり、ＯＰＤの入射光に対する信号量の関係をａ、ＳｉＰＤの入射光に対する信号量の関係をｂで示している。図５において、入射光に対する信号量の関係において傾きの大きい方がより感度が高いことを意味する。なお、図５に示すように、ＯＰＤの飽和信号量はＳｉＰＤの飽和信号量よりも大きくとることができる。
【００５７】
本例において、ＯＰＤのダイナミックレンジはＩo1〜Ｉo2であり、ＳｉＰＤのダイナミックレンジはＩS1〜ＩS2である。両者を組み合わせ、入射光量の小さい領域では高感度なＳｉＰＤからの信号を用い、入射光量の大きい領域では低感度なＯＰＤからの信号を用いることにより、本素子としてのダイナミックレンジはＩS1〜Ｉo2に広げることができる。ＳｉＰＤよりも飽和信号量の大きいＯＰＤを低感度とすることにより、より入射光強度が大きい領域にダイナミックレンジを広げることができる。
【００５８】
ＯＰＤ２０とその信号読出回路１５は、図２に示すような画素電極から正孔を読み出す正孔読出し方式にすることで蓄積容量を大きくすることができる。そこで、ＯＰＤを低感度層とすることにより、ハイライト側のダイナミックレンを飛躍的に拡大することができる。有機光電変換膜の膜厚を超薄膜化することで入射光の一部だけを有機光電変換膜が吸収し、ハイライト側の低感度撮影を行う。一方、ＯＰＤ２０を透過した光は基板内に設置したＳｉＰＤ１３が受光する。元来のＳｉフォトダイオードが有する高い光電変換効率により高感度撮影を行う一方で、光量の多い場面では有機光電変換膜の蓄積容量の大きさを利用し、これまでにないワイドダイナミックレンジな撮影を実現することができる。
【００５９】
上記において、ＯＰＤの蓄積容量はＳｉＰＤの蓄積容量よりも大きいものとして説明したが、各実施形態においては、必ずしもＯＰＤの蓄積容量がＳｉＰＤよりも大きくなくても、両者の感度が異なっていれば、単独ＰＤの場合と比較して広ダイナミック化の効果を得ることはできる。他方、上述の通りＯＰＤを相対的に低感度とする場合には、ＯＰＤの蓄積容量を十分に大きくすることにより、さらなる広いダイナミック化を達成することができる。
【００６０】
また、カラーフィルタ層が、複数色のカラーフィルタを備えず、全ての画素が同一色（例えばＧ）のみを受光する単色のカラーフィルタからなるものである場合、モノクロ撮像のみが可能な固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００６１】
なお、以上で説明した固体撮像素子では、１つの画素において、平面視における基板内光電変換素子１３の受光領域の面積（受光面積）が、平面視における基板上光電変換素子２０の受光領域の面積に対して２０％以上９０％下であれば、効果的にシェーディングを低減することができる。より好ましい範囲は、４０％以上９０％以下、より好ましくは５０％以上８０％以下、より好ましくは６０％以上８０％以下である。シェーディングとは、固体撮像素子の周辺部と中央部で撮像性能が大きく異なる現象のことをいう。上記面積比が小さい場合のシェーディングは、低照度撮影時での感度性能が異なってしまうことがあり、また面積比が大きすぎる場合は、色にじみを生じてしまうことがあるため、上記範囲が好ましい。
【００６２】
また、この現象は、１つの画素において、平面視における基板内光電変換素子１３の受光領域の中心部と、平面視における基板上光電変換素子２０の受光領域の中心部とのずれが、基板上光電変換素子２０の受光領域の行方向又は列方向の幅に対して３０％以下であればより抑えられ、より好ましくは、２０％以下、より好ましくは１０％以下、最も好ましいのは中心が一致した場合である。
【００６３】
本発明の固体撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置に用いることができる。更には電子内視鏡および携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載して用いることができる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。
図１に示す構成の撮像素子を形成して評価した。
【００６５】
ＳｉＰＤ１３および信号読出回路１５が形成され、遮光膜１７、配線層および層間絶縁膜１６が形成されたＳｉ基板上に、画素電極ＩＴＯ２１／電子ブロッキング層／光電変換層２２／上部電極２４からなるＯＰＤ２０を形成した。画素電極ＩＴＯ２１は厚みｔe＝５０ｎｍに形成した。画素電極２１上に電子ブロッキング層としては下記化合物１で示される有機化合物を真空蒸着法で１００ｎｍの膜厚で形成した。なお、図１には電子ブロッキング層は図示されていない。この電子ブロッキング層上に、下記化合物２で示される有機化合物とＣ６０の混合層（化合物２：Ｃ６０＝１：２（体積比））を、真空中で共蒸着により、ｔｐ＝４００ｎｍの膜厚で形成し、化合物２とフラーレン（Ｃ６０）とがバルクへテロ構造を形成した光電変換層２２を形成した。有機化合物の蒸着は、いずれも５．０×１０−４Ｐａ以下真空度で、蒸着速度１Å／ｓ〜１０Å／ｓで成膜を行なった。光電変換層２２の上に上部電極２４として、ＩＴＯを高周波マグネトロンスパッタにより、１０ｎｍの膜厚で形成した。
【００６６】
【化１】
2013254840.tif 000003
【００６７】
さらに、上部電極２４上に保護膜２６として、酸化アルミニウム、窒化珪素の積層膜を形成した。酸化アルミニウムは原子層堆積装置を使用し、２００ｎｍの膜厚で形成した。窒化珪素はマグネトロンスパッタにより、１００ｎｍの膜厚で形成した。さらに保護膜２６上にＲＧＢのカラーフィルタ層３０を設置した。
【００６８】
ここで、絶縁膜１６と遮光膜１７および図示しない配線層の厚みを調整することによりＰＤ間距離ｄを変化させた素子を作製し、本発明の実施例および比較例とした。ＰＤ間距離ｄが１．４μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍ、４．０μｍ、５．０μｍ、６．０μｍの各素子を作製した。
【００６９】
このようにして作製したデバイスに、低温下（０℃）で500 lux/F4 の光をシャッター開閉動作により１秒おきに照射し、シャッターを切った直後（１/６０秒）の出力信号がシャッター開時の出力信号に対して何％になるかを測定し、その１０回平均を残像とした。そして残像が１％以下であれば良（Ｇ）、残像が１％超であれば不良（ＮＧ）と評価した。結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
2013254840.tif 000004
【００７１】
表１の結果を図６に示す。図６において、横軸はＰＤ間距離ｄであり、縦軸は残像（％）である。図６に示す通り、ＰＤ間距離が１．５μｍ〜４．０μｍの範囲であれば、残像を１％以下に抑えることができることが明らかである。なお、本実施例では、特にＰＤ間距離２．５μｍ〜３．０μｍで最も残像を抑制することができた。
【００７２】
次に、上記において、ＰＤ間距離ｄを３．０μｍに固定し、画素電極の厚みｔｅを５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、１２５ｎｍ、１５０ｎｍと変えて上記と同様にして残像を求めた。結果を表２に示す。
【００７３】
【表２】
2013254840.tif 000005
【００７４】
表２の結果を図７に示す。図７において、横軸は画素電極厚みｔeであり、縦軸は残像（％）である。図７に示す通り、画素電極の厚みは３０ｎｍで最も残像が小さくなり、その後厚くなるほど残像は大きくなった。他方、３０ｎｍより薄くなるとやはり残像が増加した。厚みが１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の時、残像は０．８％以下に抑えられるため好ましい。特には２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であれば残像が０．６％以下であるため、より好ましい。
【符号の説明】
【００７５】
１  固体撮像素子
５  画素
１０  半導体基板
１３  基板内光電変換素子
１６  絶縁層
２０  基板上光電変換素子
２１  画素電極
２２  光電変換膜
２４  対向電極
３０  カラーフィルタ層
３１  カラーフィルタ
【図１】
2013254840.tif 000006
【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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