(57)【要約】【課題】ＣＩＧＳを受光部に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い固体撮像素子を提供する。【解決手段】半導体基板１０上面に隣と間隔をあけているとともに画素Ｐｘ内に入るように設けられた複数個の下部電極１１と、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、複数個の下部電極１１を一括して覆う受光層１２と、受光層１２の上面に形成された透明導電層１４とを有し、下部電極１１の平面視の形状が多角形であり、全ての頂点が鈍角である。【選択図】図３
2016063180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、
前記受光層の上面に形成された透明導電層とを有し、
前記下部電極の平面視の形状が多角形であり、全ての頂点が鈍角である固体撮像素子。
【請求項２】
撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、
前記受光層の上面に形成された透明導電層とを有し、
前記下部電極の平面視の形状が曲線又は直線を滑らかに接続した閉じた形状である固体撮像素子。
【請求項３】
撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、
前記受光層の上面に形成された透明導電層とを有し、
前記画素に設けられた前記下部電極は当該画素に対して所定の面積比となるとともに、複数個に分割されている固体撮像素子。
【請求項４】
前記画素の平面視の形状が方形であり、
前記下部電極が、４の倍数個の辺を有する多角形状であって、前記画素を構成する４辺のそれぞれと  平行な４個の辺を有するように構成されているとともに配置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記画素の平面視の形状が六角形状であり、
前記下部電極が、６の倍数個の辺を有する多角形状であって、前記画素を構成する６辺のそれぞれと平行な６個の辺を有するように構成されているとともに配置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記下部電極が、平面視において、前記画素を構成する辺の１つと平行な対称軸を有する線対称形状である請求項１から請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の固体撮像素子を撮像部として備えている固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2）膜を用いた固体撮像素子及びこれを用いた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、レンズを用いて被写体からの光を固体撮像素子（イメージセンサ）に結像させている。前記イメージセンサは受光部の光電変換を利用し、入射した光を電気に変換することで、撮像画像の電気信号を取得（出力）する。光電変換を行なう受光部の材料には単結晶Ｓｉが主に使われている。これは単結晶Ｓｉの波長感度範囲が人間の眼の波長感度範囲をカバーする事、単結晶Siが半導体の加工、集積技術面から最適な材料であり、固体撮像素子も半導体集積回路と伴に進化してきたことが挙げられる。一方、Ｓｉは間接遷移型半導体であり、波長がバンドギャップに近づくに従い、吸収係数がなだらかに減少することから、近赤外領域の光電変換には必ずしも適した材料ではない。近年、前記固体撮像素子として、受光部にＳｉを用いたＳｉ系のイメージセンサに替わり、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2を用いたＣＩＧＳイメージセンサを用いたものが提案されている（例えば、特開２０１０−１０３２３３号公報等参照）。
【０００３】
ＣＩＧＳイメージセンサは、ＬＳＩウェハの上面に二次元配列された下部電極（アノード電極）の上面を覆うようにＣＩＧＳ層を積層した構造を有している。そして、前記下部電極及びその周辺が画素を形成している。前記ＣＩＧＳイメージセンサの受光部であるＣＩＧＳ材料は多結晶体であるため、エッチング端面に起因するリーク電流の抑制が困難であり、受光部を物理的に分離することは画素毎の均一化の観点から好ましくない。そのため、ＣＩＧＳイメージセンサでは、ＬＳＩウェハの上面全体をＣＩＧＳ層で一様に覆うＣＩＧＳベタ膜構造としている（例えば、特開２０１１−５３８９７号公報等参照）。
【０００４】
ＣＩＧＳイメージセンサでは、ｐ型半導体であるＣＩＧＳ層とｎ型半導体であるＣｄＳ、ＺｎＯ層とを接合したｐｎ接合構造のフォトダイオードが表面に形成されている。このようなフォトダイオードに逆バイアスを印加し、ＣＩＧＳ層を空乏化する。そして、光は空乏化したＣＩＧＳ層内で光電変換され、画素毎に、収集された電荷量に応じた電位変化を信号として取り出している。そして、ｎ型半導体の電極としてＺｎＯ透明電極が、全ての画素の共通電極として形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０３２３３号公報
【特許文献２】特開２０１１−５３８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
空乏化したＣＩＧＳ層内部では、ＣＩＧＳ層全体が絶縁膜として働き、部分的に形成された下部電極と、一様に形成されているＺｎＯ電極との間で電界が生じている。電界強度が大きくなると、下部電極とＺｎＯ電極との間にリーク電流（暗電流）が発生する。このリーク電流はフォトダイオードに光を照射したときに流れる光電流と同じ方向に流れるため、リーク電流が流れると、画像を白浮きさせたり、補正した場合にダイナミックレンジを低下させたりする。そして、ＣＩＧＳイメージセンサはＳｉ系イメージセンサに比べてリーク電流が大きく、ＣＩＧＳフォトダイオードの暗電流はＣＩＧＳイメージセンサにおける暗信号の主要因になっていた。
【０００７】
ＣＩＧＳフォトダイオードの暗電流を下げる手段の一つとして下部電極直上に生じる電界強度を下げることが挙げられる。下部電極に生じる電界強度を下げる方法として、下部電極の面積を大きくし、下部電極間隔を小さくすることが挙げられる。しかしながら、下部電極の面積を大きくすると、下部電極とＣＩＧＳ層との接触面積が増え、光電変化したキャリアの再結合が起こりやすくなる。そして、ＣＩＧＳベタ膜構造であることから、下部電極間隔が小さくなると光電変換されたキャリアが下部電極間を移動し易くなり、電気的なクロストークが発生し撮像画像の精度が低下する恐れがある。また、下部電極の面積が大きくなると一画素あたりのフォトダイオード容量が大きくなり、電位変化量が小さくなり光の検出の精度が低下する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、ＣＩＧＳを受光部に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い固体撮像素子及び固体撮像素子を用いた固体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】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、前記受光層の上面に形成された透明導電層とを有し、前記下部電極の平面視の形状が多角形であり、全ての頂点が鈍角である固体撮像素子を提供する。
【００１０】
この構成によると、前記下部電極の頂点を鈍角とすることで、電気力線の集中を抑制し、電界強度を低く抑えることでリーク電流の発生を低減できる。これにより、ＣＩＧＳを受光層に用い、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることができる。
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、前記受光層の上面に形成された透明導電層とを有し、前記下部電極の平面視の形状が曲線又は直線を滑らかに接続した閉じた形状である固体撮像素子を提供する。
【００１２】
この構成によると、前記下部電極の外周部分を滑らかにつないだ形状とすることで、電気力線が集中しやすい部分（頂点又は特異点）がない形状としているため、部分的に電界強度が高くなるのを抑制することができる。これにより、ＣＩＧＳを受光層に用い、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることができる。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、前記受光層の上面に形成された透明導電層とを有し、前記画素に設けられた前記下部電極は当該画素に対して所定の面積比となるとともに、複数個に分割されている固体撮像素子を提供する。
【００１４】
この構成によると、１個の前記下部電極の面積を小さくすることで、１個の下部電極からＣＩＧＳ層に注入される電荷電子を減らすことができるため、部分的に電界強度が高くなるのを抑制することができる。これにより、ＣＩＧＳを受光層に用い、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、ＣＩＧＳを受光部に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い固体撮像素子及び固体撮像素子を用いた固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明にかかる固体撮像装置の一例の概略図である。
【図２】図１に示す固体撮像装置のブロック図である。
【図３】本発明にかかる固体撮像素子の一例の平面図である。
【図４】図３に示す固体撮像素子を構成する画素のうち１個の画素の断面図である。
【図５】無光状態で撮影したときの理想の画像データの概略図である。
【図６】リーク電流が発生しているイメージセンサで無光状態の撮像を行ったときの画像データの概略図である。
【図７】実施例１のシミュレーションモデルの平面図である。
【図８】実施例１のシミュレーションモデルの断面図である。
【図９】比較例のシミュレーションモデルの平面図である。
【図１０】比較例のシミュレーションモデルの断面図である。
【図１１Ａ】実施例１の下部電極周りの電解強度分布を示す図である。
【図１１Ｂ】比較例の下部電極周りの電解強度分布を示す図である。
【図１２Ａ】図７に示す実施例１を破線で切断した断面の電界強度分布を示す図である。
【図１２Ｂ】図９に示す比較例を破線で切断した断面の電界強度分布を示す図である。
【図１３】比較例及び実施例１のそれぞれと同じ電極構造を設けたフォトダイオードの電流と電圧との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例の概略平面図である。
【図１５】本発明にかかる固体撮像素子の他の例の概略図である。
【図１６Ａ】本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例の平面図である。
【図１６Ｂ】下部電極の大きさを変更したときの各部の数値を示す一覧表である。
【図１７Ａ】実施例２の電界強度の分布を示す図である。
【図１７Ｂ】実施例３の電界強度の分布を示す図である。
【図１７Ｃ】比較例の電界強度の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明にかかる固体撮像装置の一例の概略図であり、図２は図１に示す固体撮像装置のブロック図である。図１及び図２に示す固体撮像装置は、本発明にかかる固体撮像素子を用いたカメラモジュールＣｍである。図２において、実線は信号（データ）の送受信を示しており、破線は電力の供給を示している。
【００１８】
図１、図２に示すように、カメラモジュールＣｍでは、固体撮像素子であるイメージセンサ１、制御部２、電源回路３、記憶部４及び外部接続インターフェース５が基板９に実装されている。また、図２に示すように、カメラモジュールＣｍでは、発振器６及び温度調整部７も基板９に実装されている。さらにカメラモジュールＣｍでは、レンズユニット８も基板９に取り付けられている。
【００１９】
基板９は、パターン配線が形成された基板である。基板９に実装された各素子の端子は、それぞれ対応するパターン配線に接続されており、パターン配線を介して電力の供給や他の素子と信号の送受信を行う。
【００２０】
図２に示すように、電源回路３は、カメラモジュールＣｍの外部に備えられている電源（例えば、バッテリ）から供給された電気を、予め定められた電圧及び（又は）電流に変換して、基板９に実装されている素子に供給するための回路である。図２に示すカメラモジュールＣｍにおいて電源回路３は、イメージセンサ１と制御部２に電力を供給している。
【００２１】
制御部２は、カメラモジュールＣｍの制御をしたり、取得した情報或いはコマンドの演算処理を行ったりする処理回路を備えている。制御部２としては、例えば、制御及び（又は）処理プログラミング可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ｗａｙ）を採用している。制御部２は、電源回路３から駆動電力の供給を受けている。制御部２には、イメージセンサ１、記憶部４、外部接続インターフェース５、発振器６及び温度調整部７が接続しており、各部と信号の送受信可能な構成となっている。
【００２２】
イメージセンサ１は入射した被写体からの光を画素ごとに電気に変換し、撮像画像の電子データ（撮像データ）を取得（出力）するセンサである。イメージセンサ１は、制御部２から制御コマンドを受信するとともに、取得した撮像データを制御部２に送信できるように制御部２と接続されている。イメージセンサ１は、制御部２からの制御コマンドに基づいて処理（例えば、撮像データの取得、送信等の処理）を行う。イメージセンサ１の詳細については、後述する。
【００２３】
イメージセンサ１は、レンズユニット８を介して入射した撮像画像の光を受光し、撮像データを取得している。レンズユニット８は、１個又は複数個のレンズを組み合わせた光学系を含む構成であり、レンズユニット８に入射した被写体からの光をイメージセンサ１に結像させるための光学系である。なお、イメージセンサ１に光を導く光学系としてレンズユニット８を挙げているが、これに限定されるものではなく、例えば、プリズム等を用いるものや光ファイバ、像導伝部材等を用いるものであってもよい。また、レンズユニット８が、焦点距離、絞り等を調整可能な構成である場合、電源回路３からレンズユニット８内部に設けられているアクチュエータを駆動する電力の供給を受けるようにしてもよい。また、電源回路３とは異なる系統から電力の供給を受けるようになっていてもよい。また、レンズユニット８が調整可能である場合、制御部２から制御コマンドを受信し、制御コマンドに基づいて調整されるようになっていてもよい。
【００２４】
外部接続インターフェース５は、外部機器との接続ケーブルを接続するためのコネクタである。外部接続インターフェース５としては、例えば、ＵＳＢインターフェース、ＩＥＥＥ１３９４インターフェース等、接続するケーブルの規格に対応したものを広く採用することができる。また、外部接続インターフェース５は、無線通信で外部機器と接続するものであってもよい。この場合、コネクタではなく、電波を送受信することができる構成を有している。
【００２５】
外部接続インターフェース５は、制御部２と接続されている。外部接続インターフェース５と外部機器とを接続することで、外部機器と制御部２との信号の送受信が可能となる。制御部２は外部機器からの制御コマンドを受信するとともに、外部機器対して画像データを送信することができるようになっている。
【００２６】
記憶部４は、基板１に実装されている内部メモリ４１と、フラッシュメモリ等の可搬性を有するメモリの着脱が可能な外部メモリスロット４２とを備えている。内部メモリ４１としては、制御部２の処理データ等を一時的に保管するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）や、読み出し専用のＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えている。また、これらに限定されるものではない。
【００２７】
外部メモリスロット４２は、カード状、棒状のメモリカードを抜き差し着脱し、メモリカードの内部にデータを記録したり、内部のデータを読み出したりする。なお、外部メモリスロット４２に装着するメモリとして、半導体メモリを挙げているが、これに限定されるものではない。
【００２８】
発振器６は、制御部２を含む半導体素子の動作の基準となる同期信号を送信する。発振器６としては、水晶振動子を備えた水晶発振器を挙げることができるが、これに限定されるものではない。発振器６から送信された同期信号は、制御部２に送信されるようになっている。
【００２９】
温度調整部７も制御部２に接続されている。温度調整部７はイメージセンサ１の温度を、一定の範囲に収まるように調整する。図２に示すように、温度調整部７は、イメージセンサ１に接触配置された熱交換器７１と、熱交換器７１を制御する温度制御回路７２とを備えている。
【００３０】
熱交換器７１は、イメージセンサ１の駆動時の熱を外部に排出するための素子である。熱交換器７１には、電圧を印加することで、温度差を発生するペルチェ素子が設けられている。また、熱交換器７１には、イメージセンサ１の温度を測定する素子も備えている。熱交換器７１はイメージセンサ１の温度を測定し、その温度情報を温度制御回路７２に送信している。
【００３１】
温度制御回路７２は、熱交換器７１の制御を行う制御信号を送信するとともに、熱交換器７１からの温度情報を取得している。また、温度制御回路７２は制御部２からの制御信号に基づいて、熱交換器７１を制御する制御信号を熱交換器７１に送信している。例えば、制御部２から温度制御回路７２に対して送信される制御信号には、イメージセンサ１の駆動時の温度条件を含んでいるとする。このとき、温度制御回路７２は、制御部２からの制御信号からイメージセンサ１の駆動時の目標温度を取得する。そして、温度制御回路７２は熱交換器７１からイメージセンサ１の温度の情報も取得している。温度制御回路７２は、熱交換器７１からの温度情報と目標温度とに基づいて、イメージセンサ１の温度が目標温度になるように、熱交換器７１を制御する。
【００３２】
このように、温度調整部７を備えていることでイメージセンサ１の温度上昇を抑制することが可能であり、イメージセンサ１の温度上昇による精度の低下を抑制することが可能である。なお、イメージセンサ１の温度上昇が精度低下を伴わない範囲である場合、温度調整部７は省略してもよい。また、カメラモジュールＣｍでは、発振器６、温度制御回路７２を制御部２と独立して設けた構成としているが、発振器６及び（又は）温度制御回路７２は制御部２の一部に含まれていてもよい。
【００３３】
（第１実施形態）
次に本発明の要部であるイメージセンサ１の詳細について図面を参照して説明する。図３は本発明にかかる固体撮像素子の一例の平面図であり、図４は図３に示す固体撮像素子を構成する画素のうち１個の画素の断面図である。なお、図３は後述の下部電極１１を明示するための図であり、イメージセンサ１のうち、後述のＬＳＩウェハ１０と下部電極１１だけ表示している。
【００３４】
図３に示すように本発明にかかる固体撮像素子であるイメージセンサ１は、正方形状の画素Ｐｘを２次元方向に隙間なく敷き詰めて配列した構成を有している。なお、図３はイメージセンサ１を模式的に示しているものであり、縦６ピクセル×横１０ピクセルとしているがこれに限定されるものではない。
【００３５】
図４では図３で示されている複数個の画素Ｐｘの１個の断面を示している。図４に示すようにイメージスキャナ１にはＬＳＩウェハ１０（半導体基板１０）、下部電極１１、受光層１２（ｐ型半導体層１２）、ｎ型半導体層１３、透明電極層１４及び保護膜１５が設けられている。受光層１２、ｎ型半導体層１３、透明電極層１４及び保護膜１５は、ＬＳＩウェハ１０の上面にこの順番で積層されている。
【００３６】
下部電極１１は、タングステン、モリブデン等の金属で形成された電極膜であり、ＳｉＯ2のＬＳＩウェハ１０の上面に形成されている。例えば、下部電極１１はスパッタリング、ＣＶＤ、エッチング等の処理で、ＬＳＩウェハ１０の上に形成される。なお、製造工程については、従来よく知られた方法で行われる。
【００３７】
図３に示すように、下部電極１１は平面視正八角形状である。下部電極１１が形成されたＬＳＩウェハ１０の上面に受光層１２が形成されている。受光層１２は、ｐ型半導体であるＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2（ＣＩＧＳ）からなり、ｐ型半導体層となる。なお、以下の説明において、受光層１２について、ＣＩＧＳ層１２又はｐ型半導体層１２と説明する場合もあるが同じものである。
【００３８】
受光層１２の上面にはｎ型半導体層１３が形成されている。ｎ型半導体層１３は、ＣｄＳバッファ層１３１と、アンドープＺｎＯ層１３２とを含んでいる。受光層１２の上面にＣｄＳバッファ層１３１が形成されており、さらに、ＣｄＳバッファ層１３１の上面にアンドープＺｎＯ層１３２が形成されている。なお、ＣｄＳ及びアンドープＺｎＯはｎ型半導体である。ｐ型半導体層１２とｎ型半導体層１３とでｐｎ接合が形成されており、受光層を構成している。
【００３９】
アンドープＺｎＯ層１３２の上面には、Ａｌを不純物として添加した（ドープした）ＺｎＯからなる透明電極１４（ＡｌドープＺｎＯ層１４）が形成されている。ＡｌドープＺｎＯは、低抵抗であるとともに透明な材料であり、透明電極として利用される。なお、透明電極１４としては、ＡｌドープＺｎＯ以外にも、透明で低抵抗な材料を広く採用することができる。透明電極１４の上面には、ＳｉＮ等からなる保護層１５が形成されている。保護層１５は、空気中の水分が上述の各層の内部に進入を防ぐための層である。なお、保護層１５としては、ＳｉＮ以外にも、水分の進入を防ぐとともに、イメージセンサ１の受光部に入射する波長の光の透光性が高い材料を広く採用することができる。
【００４０】
イメージセンサ１において、ＣＩＧＳ層１２とＣｄＳ層１３１及びアンドープＺｎＯ層１３２とがｐｎ接続となっており、フォトダイオードを構成している。そして、ＣＩＧＳ層１２側に配置される下部電極１１は、ｐ側電極でありアノード電極である。一方、ｎ型半導体層１３側に配置される透明電極１４は、ｎ側電極でありカソード電極である。
【００４１】
図３に示すように、イメージセンサ１では、画素Ｐｘ毎に下部電極１１を１個ずつ備えた構成を有している。一方、透明電極１４は、すべての画素Ｐｘで共通の電極となるように形成されている。
【００４２】
そのため、イメージセンサ１は、カソード電極が全ての画素Ｐｘで共通である、すなわち、カソードコモン構造である。また、下部電極１１以外の半導体層（膜）を全ての画素で一括して形成する、いわゆる、ベタ膜構造である。すなわち、イメージセンサ１は、カソードコモン構造であるとともにベタ膜構造である。
【００４３】
イメージセンサ１において、保護層１５及び透明電極１４は、可視光領域及びそれよりも長い近赤外領域の光が透過する材料で形成されている。また、アンドープＺｎＯ層１３２はワイドバンドギャップ半導体材料であり、ＣｄＳ層１３１はバッファ層であるため薄く形成されていることから、可視光領域以上の波長の光の大部分はｎ型半導体層１３を透過する。そのため、可視光領域及びそれよりも長い波長の光（近赤外光成分）がｐ型半導体層であるＣＩＧＳ層１２に到達する。
【００４４】
一般的にフォトダイオードでは、空乏層で光電変換されることで、光電変換効率を高めることができる。そのため、イメージセンサ１では、ｐｎ接合に逆バイアスとなるように下部電極１１と透明電極１４とに電圧を印加している。このように逆バイアスを印加することで、イメージセンサ１では、受光層１２が空乏化する。受光層１２を全空乏化させたとき、受光層１２全体が絶縁層として働き、部分的に形成されている下部電極１１直上にも電界が生じる。
【００４５】
受光層１２に生じる電界は、ｐｎ接合界面を除くと下部電極１１の直上で大きくなる。この電界の大きさによって、リーク電流が発生しやすくなる。このリーク電流の流れる方向が、受光部１２で光を受光したときに発生する光電流と同じであるため、光電流の一部として検出されてしまう。以下に、リーク電流について図面を参照して説明する。
【００４６】
図５は無光状態で撮影したときの理想の画像データの概略図であり、図６はリーク電流が発生しているイメージセンサで無光状態の撮像を行ったときの画像データの概略図である。なお、図５及び図６でハッチングしている部分は、黒の画像データを示しているものとする。また、図６に示す画像データＰｔ２は説明のための概略図であり、実際の画像データとは異なるものである。
【００４７】
リーク電流が発生していないイメージセンサ１で無光状態の撮影を行ったとき、図５に示すような一面黒の画像データＰｔ１が形成される。一方、ＣＩＧＳ層１２でリーク電流が発生しているイメージセンサ１で無光状態の撮影を行ったとき、図６に示すように、黒の画像データの一部に白い点ｗｐが現れた画像データＰｔ２が形成される。すなわち、受光部（ＣＩＧＳ層１２）で発生したリーク電流は、暗電流として検出され、そのような画素がまばらに存在する場合は、画像データ内に白い点ｗｐ（ノイズ）を構成する。
【００４８】
また、リーク電流によるノイズは、光電流を取得し画像データを取得した場合にも画像データに形成されてしまう。このようなリーク電流箇所が画素全体に生じている場合は、画像を白浮させてしまう原因となる。また、白浮きした画像の補正を行った場合、画像のダイナミックレンジが低下する。
【００４９】
このリーク電流は下部電極１１からＣＩＧＳ層１２への電子注入が考えられており、下部電極１１周りの最大電界強度を下げることで、ＣＩＧＳ層１２への電子注入、すなわち、リーク電流を抑制できる。
【００５０】
そこで、発明者は、下部電極１１の角部（頂点部）で電界強度が大きくなることを発見し、その角部の角度によって最大電界強度が変化することを想到した。このことを実証するため、下部電極１１の形状による最大電界強度の変化を数値シミュレーションによって確認した。以下に、実施したシミュレーションについて説明する。
【００５１】
本発明の実施例である実施例１として正八角形の下部電極１１を用いた。また、比較例として画素Ｐｘの形状に合わせた正方形の下部電極１１ａを用いた。以下に、実施例１及び比較例それぞれのシミュレーションの境界条件について説明する。
【００５２】
まず、実施例１の詳細について説明する。図７は実施例１のシミュレーションモデルの平面図であり、図８は実施例１のシミュレーションモデルの断面図である。図７に示すように、実施例１はＬＳＩウェハ１０の上面に、外接円の半径が１．４９μｍの正八角形の下部電極１１を備えている。そして、実施例１では７．５μｍ間隔で直交する２方向に配列されている。
【００５３】
下部電極１１はタングステンであり、厚みは０．１２μｍである。そして、ＬＳＩウェハ１０の上面に下部電極１１を一括して覆うようにＣＩＧＳ層１２を形成している。ＣＩＧＳ層１２の厚みは１．２μｍである。実施例１では、７．５μｍの正方形状の画素Ｐｘが直交する２方向に隙間なく配列されており、１画素Ｐｘにつき１個の下部電極１１を有している。
【００５４】
つぎに、比較例の詳細について説明する。図９は比較例のシミュレーションモデルの平面図であり、図１０は比較例のシミュレーションモデルの断面図である。図９に示すように、比較例はＬＳＩウェハ１０の上面に、一辺２．５μｍの正方形の下部電極１１ａを備えている。比較例では実施例１と同様、下部電極１１ａはタングステンであり、厚みは０．１２μｍであり、ＣＩＧＳ層１２の厚みは１．２μｍである。なお、下部電極１１は比較例と実施例１とで同じ面積である。
【００５５】
そして、比較例では７．５μｍ間隔で直交する２方向に配列されている。比較例でも実施例１と同様、７．５μｍの正方形状の画素が直交する２方向に隙間なく配列されている。
【００５６】
これらの２種のシミュレーションモデルに対し、ＣＩＧＳ層１２の厚み方向にイメージセンサ１で逆バイアスを印加したときと同じ方向の電界が発生するように、ＣＩＧＳ層１２に２．５Ｖの電圧を印加し、このときの電界強度の分布をシミュレーションで算出した。
【００５７】
図１１Ａは実施例１の下部電極周りの電解強度分布を示す図であり、図１１Ｂは比較例の下部電極周りの電解強度分布を示す図である。また、図１２Ａは図７に示す実施例１を破線で切断した断面の電界強度分布を示す図であり、図１２Ｂは図９に示す比較例を破線で切断した断面の電界強度分布を示す図である。
【００５８】
図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、実施例１及び比較例いずれも、下部電極の直上で電界強度が高くなっている。そして、下部電極の中央部分では電界強度が低く、辺縁部分で電界強度が高くなっていることがわかる。また、図１２Ａに示すように比較例において、下部電極１１ａが形成されている部分で電界強度が大きくなっており、角部で急激に大きくなっている。すなわち、最大電界強度は下部電極１１ａの角部で発生している。このことは下部電極１１ａの角部で電気力線が集中するためである。
【００５９】
そして、図１２Ａ、図１２Ｂを比較すればわかるように、実施例１の正八角形の下部電極１１は、比較例の正方形の下部電極１１ａに比べて最大電界強度が低くなっている。そして、正方形の下部電極１１ａを備えたイメージセンサで無光状態の撮影を行うと、暗電流によるノイズが発生することがわかっている。このことから、カソードコモン構造のイメージセンサ１において用いられる下部電極１１は、角部の角度が９０°よりも大きい、すなわち、すべての角部が鈍角である多角形とすることで、リーク電流（暗電流）を抑制することが可能である。
【００６０】
また、実施例１と比較例との構造のフォトダイオードを形成したときの電流と電圧の関係についても比較した。図１３は比較例及び実施例１のそれぞれと同じ電極構造を設けたフォトダイオードの電流と電圧との関係を示すグラフである。
【００６１】
図１３は縦軸が電流密度、横軸が電圧を示すグラフである。そして、図１３において、実線が実施例１を示しており、破線が比較例を示している。図１３に示すように、実施例１は比較例に比べて、逆バイアスが印加されている状態のときに、電流密度が低くなっており、全体として電界強度が低くなっていることがわかる。このことから、フォトダイオードのリーク電流が低減されていることがわかる。
【００６２】
Ｓｉ系に比べて、可視光領域から近赤外領域まで（波長約１２００ｎｍまで）の光に対して感度が高いＣＩＧＳを受光層１２として用い、上述のような形状の下部電極１１を備えたイメージセンサ１を用いることで、リーク電流（暗電流）を抑制することができる。これにより、本発明のイメージセンサ１は、暗電流によるノイズが少なく、可視光領域から近赤外領域までに感度が高いイメージセンサとすることができる。
【００６３】
また、図７等に示すように、本発明にかかるイメージセンサ１では画素Ｐｘの形状が正方形であることから、画素Ｐｘの辺の数が４である。そして、下部電極１１を正八角形とすることで、下部電極１１の少なくとも４個の辺を画素Ｐｘの境界線と平行となるように配置することが可能である。下部電極１１をこのような形状とすることで、直交する２方向に隣り合う下部電極１１同士の辺が平行となるように配列することが可能である。このように下部電極１１を形成するとともに配列することで、隣り合う画素Ｐｘの下部電極１１の隙間を容易に均一な長さとすることができる。
【００６４】
なお、このような特徴を有する下部電極１１の形状として、正八角形を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、下部電極１１の平面視の形状として、正十二角形であってもよく、全ての角部の角度が９０°よりも大きい（鈍角である）多角形を採用することができる。
【００６５】
画素Ｐｘの辺の数（ここでは、４）の倍数の辺の数を有する多角形（例えば、正八角形以外にも、十二角形、十六角形等）を採用することができる。また、画素Ｐｘの境界線（換言すると、下部電極１１の配列方向）と平行な対称軸を有する線対称形状を採用することもできる。
【００６６】
また、画素Ｐｘとして正方形のものを例に説明しているが、複数個の画素Ｐｘを隙間なく敷き詰めることができる形状で、全ての画素で同じ形状を有する形状、例えば、長方形、ひし形等であってもよい。その場合、下部電極１１も画素Ｐｘの形状に合わせた形状とすることで、リーク電流を抑制する効果を高めることができる。
【００６７】
本発明にかかるイメージセンサ１では、吸収係数の大きいＣＩＧＳ層１２がセンサ表面全体に形成されているため、斜めからの光に対しても光クロストークが少なく、よりＦ値の小さい明るいレンズとの相性も良い。また、イメージセンサ１のアンドープＺｎＯ層１３２はワイドバンドギャップ半導体であるため、可視光領域に対して透過率が高い。そして、ＣｄＳ層１３１の厚さが数１０ ｎｍであることから、多くの可視光、赤外光成分が直接空乏化したＣＩＧＳ層１２で吸収される。このことから、量子効率が高いという特徴がある。また、ＣＩＧＳはＳｉよりも、近赤外領域において感度が高い。つまり、ＣＩＧＳを受光層１２として用いた本発明のイメージセンサ１は、Ｓｉ系イメージセンサに比べて、可視領域から近赤外領域までの広い帯域で光の検出が可能である。
【００６８】
本実施形態のイメージセンサ１は、ＣＩＧＳを受光層１２に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることが可能である。
【００６９】
（第２実施形態）
本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例について図面を参照して説明する。図１４は本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例の概略平面図である。なお、図１４に示す固体撮像素子１Ｂは、下部電極１１ｂの形状が異なる以外、第１実施形態で示す固体撮像素子１と同じ構成を有している。そのため、固体撮像素子１Ｂにおいて、固体撮像素子１と実質上同じ部分には、同じ符号を付すとともに、同じ部分の詳細な説明は省略する。
【００７０】
図１４に示すように、固体撮像素子１Ｂの下部電極１１ｂは、平面視において、角部を曲線で面取りをした正方形状としている。このような形状として電界強度が集中しやすい角部（特異点）をなくすことで、逆バイアス印加時の最大電界強度を低く抑えることができ、リーク電流を低減することが可能である。
【００７１】
図１４に示す下部電極１１ｂの形状は、角部を丸めた高く形状であり、換言すると、直線と曲線とを滑らかに接続した閉じた形状である。しかしながらこれに限定されるものではない。１個の曲線を滑らかに接続した閉じた形状（例えば、円）で形成された下部電極１１ｂ２を採用することも可能である。或いは、複数の曲線を滑らかに接続した閉じた形状（例えば、楕円）で形成された下部電極１１ｂ３を採用することも可能である。下部電極をこのような形状とすることで、電界強度が集中しやすい角部を省略することができるため、最大電界強度を低く抑えることが可能である。
【００７２】
本実施形態のイメージセンサ１Ｂは、ＣＩＧＳを受光層１２に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることが可能である。
【００７３】
（第３実施形態）
本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例について図面を参照して説明する。図１５は本発明にかかる固体撮像素子の他の例の概略図である。図１５に示す固体撮像素子１Ｂは、画素Ｐｘｃが六角形で、その六角形の画素Ｐｘｃを隙間なく敷きつめた、いわゆる、ハニカム構造を有している。そして、下部電極１１ｂは正十二角形である。このように、下部電極１１ｃが６０°傾いた３本の軸のそれぞれに沿って一定間隔を開けて配列された構成を有するハニカム構造の場合、画素Ｐｘが六角形となる。そのため、下部電極１１ｃは画素Ｐｘｃに合わせて、正六角形で形成している。正六角形は、角の角度が１２０°で鈍角であるため、最大電界強度を低く抑えることができる。
【００７４】
図１５に示すように正六角形よりも角度が大きい正十二角形の下部電極１１ｃ２を用いてもよい。画素Ｐｘｃが六角形であることから、下部電極の形状を６の倍数の辺を有する多角形とすることで、下部電極１１ｃ２が画素Ｐｘｃの境界線と平行な辺を有するため、隣り合う下部電極１１ｃ２の間隔を容易に一定に保つことが可能である。
【００７５】
本実施形態のイメージセンサ１Ｃは、ＣＩＧＳを受光層１２に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることが可能である。
【００７６】
（第４実施形態）
本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例について説明する。本発明にかかる固体撮像素子であるイメージセンサでは、画素に設けられる下部電極の画素に対する面積比を維持しつつ、下部電極の面積を小さくすることで、画像データの品質低下を抑えつつリーク電流を小さくできることが分かった。そこで、下部基板の大きさと最大電界強度の関係についてシミュレーションに基づいて検証を行った。以下にシミュレーションの詳細及び結果について図面を参照して説明する。
【００７７】
図１６Ａは本発明にかかる固体撮像素子のさらに他の例の平面図であり、図１６Ｂは下部電極の大きさを変更したときの各部の数値を示す一覧表である。図１６Ａに示すように、本実施形態では、正方形状の下部電極１１ａを直交する２方向に等間隔で配列したイメージセンサを使用している。そして、下部電極１１ａの面積が異なる２個の実施例（実施例２、実施例３）を用い、比較に用いる比較例（第１実施形態で用いた比較例と同じ構成）と比較した。
【００７８】
本実施形態では、図１６Ａに示すように、正方形の下部電極１４の一辺の長さＴ１、下部電極１１の配列がピッチＰ１としている。そして、図１６Ｂには、２個の実施例及び比較例の下部基板１１の辺の長さ、ピッチ、画素に対する下部基板の面積比の表を示している。
【００７９】
本実施形態では、比較例は１つの画素に１つの下部電極を備えるように構成している。本発明にかかるイメージセンサでは、べた膜構造であるため、画素の仕切がないので画素の面積と画素に含まれる下部基板の面積比で比較しても、リーク電流の低減効果を確認することができる。
【００８０】
そこで、２個の実施例では、シミュレーション及び比較を容易に行うため、下部電極の大きさを、比較例の下部電極と比較しやすい大きさとしている。そして、実施例では、１ピッチの長さ×１ピッチの長さを画素の面積として採用しており、画素に対する下部基板の面積比を、画素の１ピッチ分の面積に対する下部基板１個の面積の比としている。
【００８１】
図１６Ｂに示すように、比較例は、下部電極１１ａの長さが２．５μｍであり、下部電極１１ａのピッチＰ１が７．５μｍである。そのため、画素の面積が５６．２５μｍ2で、下部電極１１の大きさが６．２５μｍである。このことから、比較例の下部電極１１ａの画素Ｐｘに対する面積比は１１．１％である。
【００８２】
また、実施例２は、下部基板１１ａの長さが１．５μｍであり、下部電極１１のピッチＰ１が４．５μｍである。そのため、１ピッチの画素の面積が９μｍ2で、下部電極１１の面積が２．２５μｍである。このことから、実施例２の下部電極１１の画素Ｐｘに対する面積比は１１．１％である。
【００８３】
さらに、実施例３は、下部基板１１ａの長さが１μｍであり、下部電極１１ａのピッチＰ１が３μｍである。そのため、１ピッチの画素の面積が９μｍ2で、下部電極１１の面積が１μｍである。このことから、実施例２の下部電極１１ａの画素Ｐｘに対する面積比は１１．１％である。
【００８４】
すなわち、２つの実施例及び比較例で、下部基板１１ａの画素に対する面積比が同じ（いずれも、１１．１％）になっている。また、シミュレーションを行った条件は、実施例１で行った条件と同じである、すなわち、ＣＩＧＳ層１２の厚さが１．２μｍ、下部基板１１の厚さが０．１２μｍとし、ＣＩＧＳ層１２に２．５Ｖが印加しているものとしている。
【００８５】
以下に、シミュレーション結果について図面を参照して説明する。図１７Ａは実施例２の電界強度の分布を示す図であり、図１７Ｂは実施例３の電界強度の分布を示す図であり、図１７Ｃは比較例の電界強度の分布を示す図である。
【００８６】
図１７Ａ〜図１７Ｃに示すように、比較例、実施例２及び実施例３のいずれの場合でも、下部電極１１の直上部分で電界強度が高くなっている。このことから、１個の下部電極１１ａの面積を小さくし、下部電極１１ａの画素に対する面積比が同じになるように、１画素に対して複数個の下部電極１１ａを配置するように構成することで、角度９０°の下部電極１１ａを用いてもリーク電流の発生を抑えることが可能である。
【００８７】
なお、下部電極１１ａの画素に対する面積比は、各画素で検出する光電流の大きさによって決定される。また、下部電極１１ａの分割数を増やすと、隣合う下部電極１１同士の間隔が狭くなり、キャリアの移動による電気的なクロストークが発生しやすい。そのため、１個の下部電極１１ａの大きさ、すなわち、１画素あたりの下部電極１１ａの個数は、キャリアの移動を抑制できるように設定されることが好ましい。
【００８８】
本実施形態のイメージセンサは、ＣＩＧＳを受光層１２に用いるとともにカソードコモン構造を有し、暗電流及び電気的なクロストークを抑制して信頼性を高めることが可能である。
【００８９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。また本発明の実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えることが可能である。また、上記各実施形態は適宜組み合わせて実施することも可能である。
【符号の説明】
【００９０】
Ｃｍ  カメラモジュール（固体撮像装置）
１  イメージセンサ（固体撮像素子）
１０  ＬＳＩウェハ（半導体基板）
１１  下部電極
１２  受光層（ｐ型半導体層）
１３  ｎ型半導体層
１３１  ＣｄＳバッファ層
１３２  アンドープＺｎＯ層
１４  透明電極
１５  保護層
２  制御部
３  電源回路
４  記憶部
４１  内部メモリ
４２  外部メモリスロット
５  外部接続インターフェース
６  発振器
７  温度調整部
７１  熱交換器
７２  温度制御回路
８  レンズユニット
９  基板
【図１】
2016063180.tif 000003
【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】
2016063180.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016063180.tif 000012
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2016063180.tif 000014
【図１３】
2016063180.tif 000015
【図１４】
2016063180.tif 000016
【図１５】
2016063180.tif 000017
【図１６Ａ】
2016063180.tif 000018
【図１６Ｂ】
2016063180.tif 000019
【図１１Ａ】
2016063180.tif 000020
【図１１Ｂ】
2016063180.tif 000021
【図１７Ａ】
2016063180.tif 000022
【図１７Ｂ】
2016063180.tif 000023
【図１７Ｃ】
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