JP2013084647A - 多層型撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】色再現性に優れる多層型撮像素子を提供する。
【解決手段】第１透明電極に積層される第１層間絶縁膜と、第１層間絶縁膜の上に配設される第２の信号読み出し部と、第２の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第２の波長の光に感度を有する第２光電変換膜と、第２光電変換膜に積層される第２透明電極と、第２透明電極に積層される第２層間絶縁膜と、第２層間絶縁膜の上に配設される第３の信号読み出し部と、第３の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第３の波長の光に感度を有する第３光電変換膜と、第３光電変換膜に積層される第３透明電極と、第１光電変換膜、第２光電変換膜、及び第３光電変換膜を画素毎に隔離する第１隔壁とを備え、前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部は、それぞれ複数の画素が２次元方向に配置された画素アレイの各画素の信号読み出し部を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を電流信号に変換する撮像素子に関し、特に、光の進行方向で入射光を色分離する多層型撮像素子に関する。

現在、高解像度と高感度が要求される放送用ＴＶカメラでは、レンズを通してカメラに入射された光を色分解プリズムで青・緑・赤の３原色に分けた後、３枚の撮像素子で受光する、３板カラー撮像方式が用いられている。

しかしながら、色分解プリズムと３枚の撮像素子のためにカメラサイズが大きくなり、撮像レンズを含めたカメラ全体の小型軽量化が困難となる。

撮像素子の小型軽量化を実現するためには、分光プリズムの必要がなく、撮像素子が１枚で済む単板式が望まれる。

撮像素子の小型軽量化を実現する手法として、１枚の撮像素子の画素上に３色、もしくは４色の微小なカラーフィルタをモザイク状に配置した単板式のカラー撮像方式があり、家庭用のビデオカメラやデジタルカメラではこの単板式が主流になっている。（例えば、非特許文献１参照）。

代表的な色配列としては、赤、緑、青の色フィルターを用いたベイヤー配列がある。しかし、３板式と比較すると、赤、緑、青のいずれか１色のみで１画素を形成しているため解像度が悪く、加えて所望の色以外の入射光はカラーフィルタに吸収されてしまうため、光の利用効率も低い。

ベイヤー配列等で問題となる低い解像度は、光の進入方向に３層のフォトダイオードを積層した光電変換部を形成することで改善することができる（例えば、特許文献１参照）。

これは、シリコン基板内部への光の進入深さが波長ごとに異なることを利用したものである。すなわち、光照射面から最も浅い位置にあるシリコンフォトダイオードで青色を検知し、中間のシリコンフォトダイオードで緑色を検知し、最も深い位置にあるシリコンフォトダイオードで赤色を検知する。

しかしながら、このように受光部にシリコンフォトダイオードを用いたこの構成では、青色検知用のフォトダイオードにおいても緑色、赤色を一定の割合で吸収しているため、色分解特性が不十分となる。

さらに、信号読み出し部が受光面と同一平面状に形成されるため、受光面に対する受光部の比率（開口率）が１００％に至らず、光の利用効率も十分ではない。

以上の問題を解決すべく、波長選択性を有する光電変換膜を積層することにより、すなわち、光の３原色のうち青のみに光感度を有する光電変換膜と、緑のみに光感度を有する光電変換膜と、赤のみに光感度を有する光電変換膜とを積層することで、光の利用効率が高く高解像度な単板式の多層型撮像素子を構築することが提案されている（例えば、特許文献２乃至５参照）。

例えば、有機材料は特定の波長域のみを吸収するといった特徴を有するものが多く、青、緑、赤の３原色それぞれに吸収を持つように分子設計を行なうことにより、それぞれの材料で構成される有機膜を積層することで単板式の撮像素子が構築される。

積層した有機膜からの信号読み出しには、各有機膜に光透過率の高い固体読み出し回路を備え、一つの色における光電変換と信号読み出しを１層の中で行う方法（例えば、特許文献３の図５参照）や、信号読み出し用のＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）回路等を最下層部に集積し、積層した有機膜からの信号は最下層部から伸ばした電極を介して読み出す方法（例えば、特許文献４の図１参照）等が提案されている。これらの方式を用いると、原理的に３板式と同等の色分解特性や光の利用効率が得られる。

多層型撮像素子では、その構造上、受光層の厚さ、すなわち、最上層の光電変換膜から最下層の光電変換膜までの距離が単層型撮像素子に比べて長くなる。

そのため、最上層の１つの画素（画素Ａとする）に斜め方向から光が入射した場合、その光が最下層に到達したときに、画素Ａの隣の画素領域に光が侵入する可能性がある。このように隣接する画素への光の侵入は混色をもたらす。

混色は、特に、レンズの集光角度が大きくなる、受光エリアの周辺部の画素で生じやすい。さらに、近年では画素縮小化が進み、１画素のサイズが２μｍ以下のものが主流となりつつあるが、画素サイズが小さくなるほど混色の発生頻度は高まるため、画像・映像の色再現性等が低下しやすい。

このような問題を解決するために、隣接する画素間に光不透過層を設けることが提案されている（例えば、特許文献６参照）。

このような光不透過層を設ける構造により、隣接する画素への光の入射を抑制して、隣接する画素への光の入射による光電変換を防止することができるため、色再現性等の低下を抑制することが可能になる。

「イメージセンサの基礎と応用」、木内雄二著、日刊工業新聞社 １９９１年１２月２５日出版、ｐ．１４５

米国特許第５，９６５，８７５明細書 特開２００２−２１７４７４号公報 特開２００５−０５１１１５号公報 特開２００７−０１３１２３号公報 特開２００９−０７１０５７号公報 特開２００５−１０１３５４号公報

しかしながら、上述の光不透過層は、積層構造の最上層から最下層まで連続して形成されているうえに、各層の間も層間絶縁膜で分離されているため、撮像素子の１つの単位画素が絶縁層で完全に分離されている。

このような構造では、単位画素内の光電変換膜への電圧の印加（画素の駆動）や、単位画素内の光電変換膜から信号を読み出すことができない。

そこで、本発明は、色再現性に優れ、各画素の駆動及び信号の読み出しを行うことのできる多層型撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の一局面の多層型撮像素子は、基板と、前記基板上に配設される第１の信号読み出し部と、前記第１の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第１の波長の光に感度を有する第１光電変換膜と、前記第１光電変換膜に積層される第１透明電極と、
前記第１透明電極に積層される第１層間絶縁膜と、前記第１層間絶縁膜の上に配設される第２の信号読み出し部と、前記第２の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第２の波長の光に感度を有する第２光電変換膜と、前記第２光電変換膜に積層される第２透明電極と、前記第２透明電極に積層される第２層間絶縁膜と、前記第２層間絶縁膜の上に配設される第３の信号読み出し部と、前記第３の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第３の波長の光に感度を有する第３光電変換膜と、前記第３光電変換膜に積層される第３透明電極と、前記第１光電変換膜、前記第２光電変換膜、及び前記第３光電変換膜を画素毎に隔離する第１隔壁とを備え、前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部は、それぞれ複数の画素が２次元方向に配置された画素アレイの各画素の信号読み出し部を形成している。

また、前記第１層間絶縁膜及び第２層間絶縁膜を画素毎に隔離する第２隔壁を更に備えてもよい。

また、前記第１の隔壁は、前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部において、各信号読み出し部の一部を構成する画素電極部を画素毎に隔離してもよい。

また、前記第１隔壁または前記第２隔壁は、可視光の反射材、又は不透過材で構成されてもよい。

また、前記第１隔壁の材料が導電性であり、前記第１隔壁と前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部の画素電極との間、さらに、前記第１隔壁と前記第１透明電極、前記第２透明電極、及び前記第３透明電極との間にそれぞれ絶縁層が形成されてもよい。

本発明によれば、色再現性に優れ、各画素の駆動及び信号の読み出しを行うことのできる多層型撮像素子を提供できるという特有の効果が得られる。

実施の形態の多層型撮像素子の断面構成を示す図である。 実施の形態の多層型撮像素子１００に光が入射した場合の動作を示す図である。 多層型撮像素子１００に斜めに光が入射した場合の動作を示す図である。 多層型撮像素子１００に斜めに光が入射した場合の動作を示す図である。 実施の形態の多層型撮像素子１００の受光部内隔壁６０の製造工程を示す図である。 実施の形態の多層型撮像素子１００の層間絶縁膜４０と層間絶縁膜内隔壁７０の作製工程を示す図である。 実施の形態の多層型撮像素子１００の受光部内隔壁６０の上下に形成する絶縁層を示す図である。 多層型撮像素子に入射する光の入射角と相対出力との関係を示す図である。 多層型撮像素子に入射する光の入射角と相対出力との関係を示す図である。

以下、本発明の多層型撮像素子を適用した実施の形態について説明する。

図１は、実施の形態の多層型撮像素子の断面構成を示す図である。

実施の形態の多層型撮像素子１００は、基板１、受光部１０、２０、３０、層間絶縁膜４０、５０、受光部内隔壁６０、及び層間絶縁膜内隔壁７０を含む。図１には、多層型撮像素子１００の一部分の断面を示すが、多層型撮像素子１００は、平面視でマトリクス状に画素が配列された画素アレイを有する。

受光部１０、層間絶縁膜４０、受光部２０、層間絶縁膜５０、及び受光部３０は、基板１の上にこの順で積層されている。受光部内隔壁６０は、受光部１０、２０、３０の内部に配設されて、各画素間で受光部１０、２０、３０を隔離している。層間絶縁膜内隔壁７０は、層間絶縁膜４０、５０の内部に配設されて、各画素間で層間絶縁膜４０、５０を隔離している。

なお、受光部１０と層間絶縁膜４０との間、及び、受光部２０と層間絶縁膜５０との間には、それぞれ、紫外光吸収部が設けられていてもよい。

基板１は、多層型撮像素子１００の基板であり、受光部１０、層間絶縁膜４０、受光部２０、層間絶縁膜５０、及び受光部３０がこの順で積層される。基板１としては、例えば、ガラスに代表される透明性基板を用いることが好適であるが、その詳細については後述する。

受光部１０は、第１受光部の一例であり、信号読み出し部１１、光電変換部１２、及び透明対向電極１３を含む。受光部１０は、基板１に積層される。受光部１０の詳細については後述する。

受光部２０は、第２受光部の一例であり、信号読み出し部２１、光電変換部２２、及び透明対向電極２３を含む。受光部２０は、層間絶縁膜４０に積層される。受光部２０の詳細については後述する。

受光部３０は、第３受光部の一例であり、信号読み出し部３１、光電変換部３２、及び透明対向電極３３を含む。受光部３０は、層間絶縁膜５０に積層される。受光部３０の詳細については後述する。

層間絶縁膜４０は、受光部１０と受光部２０との間に形成され、受光部１０と受光部２０を絶縁する。層間絶縁膜４０の材料等については後述する。

層間絶縁膜５０は、受光部２０と受光部３０との間に形成され、受光部２０と受光部３０との間を絶縁している。層間絶縁膜５０の材料等については後述する。

受光部内隔壁６０は、受光部１０、２０、３０の内部に配設されて、平面視でマトリクス状に画素が配列される多層型撮像素子１００において、各画素間で受光部１０、２０、３０を隔離している。受光部内隔壁６０は、基板１に平行な平面方向における画素間で、受光部１０、２０、３０を隔離している。受光部内隔壁６０は、平面視では、各画素の開口率に影響しない位置に配設されている。受光部内隔壁６０は、第１隔壁の一例である。

なお、詳細については後述するが、受光部内隔壁６０は、受光部１０、２０、３０のうちの光電変換部１２、光電変換部２２、光電変換部３２を隔離しており、信号読み出し部１１、信号読み出し部２１、信号読み出し部３１、透明対向電極１３、透明対向電極２３、透明対向電極３３は隔離されずに平面方向における画素間で接続されている。

すなわち、受光部内隔壁６０は、信号読み出し部１１、信号読み出し部２１、及び信号読み出し部３１において、各信号読み出し部の一部を構成する画素電極部を画素毎に隔離している。

層間絶縁膜内隔壁７０は、層間絶縁膜４０、５０の内部に配設されて、各画素間で層間絶縁膜４０、５０を隔離している。層間絶縁膜内隔壁７０は、平面視でマトリクス状に画素が配列される多層型撮像素子１００において、層間絶縁膜４０、５０の内部に形成されることにより、各画素間で層間絶縁膜４０、５０を隔離している。層間絶縁膜内隔壁７０は、平面視では、各画素の開口率に影響しない位置に配設されている。層間絶縁膜内隔壁７０は、第２隔壁の一例である。

次に、実施の形態の多層型撮像素子１００に含まれる各構成要素について詳細に説明する。

基板１は、ガラスに代表される透明性基板を用いることが好適である。図１には透明対向電極３３側から（図中上側から）光（光像）を照射する場合を示すが、これとは逆に光（光像）を基板１側から照射する場合は、透明性基板であることが必須であり、ガラス基板以外であれば、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート等の樹脂製の透明基板を用いてもよい。

また、図２のように、基板１とは反対側にある透明対向電極３３側から光（光像）を照射する場合には、基板１は必ずしも透明性基板である必要はなく、シリコン等の金属基板や半導体基板でもよい。基板１の厚さは、一例として、０．１ｍｍから１ｍｍ程度が良い。

信号読み出し部１１、２１、３１は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ（Thin Film Transistor））回路アレイが好適であり、スイッチトランジスタと、スイッチトランジスタのドレイン電極に接続された透明画素電極、スイッチトランジスタのゲート電極に接続された走査配線、スイッチトランジスタのソース電極に接続された信号読み出し配線を含む。

すなわち、信号読み出し部１１、信号読み出し部２１、及び信号読み出し部３１は、それぞれ複数の画素が２次元方向に配置された画素アレイの各画素の信号読み出し部を形成している。

なお、スイッチトランジスタ、透明画素電極等については、図５を用いて受光部内隔壁６０の作製方法を説明する際に説明する。図５には、信号読み出し部１１の絶縁層１１Ａ、スイッチトランジスタ１１Ｂ、及び透明画素電極１１Ｃを示す。

本実施の形態では、画素内にトランジスタが１つだけ配設される形態について説明するが、多層型撮像素子１００の低ノイズ化のために、画素内のトランジスタの数を増やすことも可能である。

ドレイン電極、ゲート電極、走査配線、ソース電極、信号読み出し配線には、アルミニウム、バナジウム、金、銀、白金、鉄、コバルト、炭素、ニッケル、タングステン、パラジウム、マグネシウム、カルシウム、スズ、鉛、チタン、モリブデン、イットリウム、リチウム、ルテニウム、マンガン等の金属及びそれらの合金等各種金属を用いることができる。しかしながら、ＴＦＴ回路アレイの光の透過率（開口率）を高めたい場合には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＴＯ）等の透明材料を用いることができる。

透明画素電極は、高い光透過率が要求されるため、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＴＯ）等の透明材料がよい。

透明画素電極の厚さは、１ｎｍ〜３０ｎｍの間がよい。トランジスタを構成する半導体層には、半導体上に到達した光を透過することはもちろん、可視域の光吸収により半導体の応答が変化することを防ぐために、およそ３．０ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料を用いる必要がある。

このような半導体材料としては酸化亜鉛（ＺｎＯ）やアモルファス酸化物半導体（インジウム・ガリウム・酸化亜鉛：ＩＧＺＯ）等を挙げることができる。また、各種有機半導体を用いることも可能である。

信号読み出し部１１、２１、３１の作製には、金属製の複数のマスクを利用し、所望の部分への成膜をマスクを交換しながら行うマスク成膜法や、フォトリソグラフィー法等を用いることができる。これらの中でも、現在の撮像素子では画素サイズの微細化が進んでいることから、微細加工が容易なフォトリソグラフィー法を用いることが好適である。

信号読み出し部１１、２１、３１の厚さは０．１μｍ〜１．０μｍの間がよく、特に、受光部内隔壁６０を形成する部分の厚さは、極力抑える必要がある。信号読み出し部１１、２１、３１のうち受光部内隔壁６０を形成する部分には、走査配線、信号配線、及びそれらを絶縁する絶縁膜が配設されるため、例えば、厚さを０．５μｍ以下に抑えることが望ましい。

受光部内隔壁６０は、可視域の光を透過しない材料で構成する必要があり、材料としては各種樹脂を用いることができる。光の不透過性を向上させるために、樹脂に各種の有機・無機顔料、色素等を添加してもよい。受光部内隔壁６０の作製には、フォトリソグラフィー法等を用いる。製造方法については後述する。

また、受光部内隔壁６０の可視光の反射率を高め、受光部内隔壁６０に到達した光を同じ画素領域の下層へ導くために、受光部内隔壁６０をアルミニウムや銀、インジウム等の反射性材料や硫酸バリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の拡散性材料で形成してもよい。

金属等の導電性のある材料で構成される反射性材料を用いる場合は、受光部内隔壁６０の下部には信号読み出し部１１、２１、３１の透明画素電極が接し、受光部内隔壁６０の上部には対向透明電極１３、２３、３３が接する。このことから、短絡を防ぐために、信号読み出し部１１、２１、３１及び透明画素電極と受光部内隔壁６０とが少なくとも５ｎｍ以上の絶縁層で絶縁されるとともに、受光部内隔壁６０の上部に少なくとも５ｎｍの厚さで絶縁層を形成すればよい。絶縁層としては、例えば、上述の各種樹脂をフォトリソグラフィー手法等によって形成するか、又は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によって形成すればよい。

光電変換膜１２、２２、３２は、有機光電変換膜が好適である。光電変換膜１２、２２、３２を構成する有機光電変換材料に求められる条件としては、光の３原色のうちの第１の光に感度があり、第２、第３の光には感度が無く、かつ第２、第３の光を透過する必要がある。

すなわち、受光部３０の光電変換膜３２が青色の光を検出する場合、この光電変換膜３２は青色の光に感度があり、緑色と赤色は透過する必要がある。また、受光部３０の光電変換膜３２が緑色の光を検出する場合、この光電変換膜３２は緑色の光に感度があり、青色と赤色を透過する必要がある。また、受光部３０の光電変換膜３２が赤色の光を検出する場合、この光電変換膜３２は赤色の光に感度があり、青色と緑色を透過する必要がある。

光電変換膜１２、２２、３２を構成する有機材料として、青のみに感度を有し、緑色と赤色は透過する有機材料としてはクマリン誘導体、緑のみに感度を有し、青色と赤色は透過する有機材料としてはキナクリドン誘導体、赤のみに感度を有し、青色と緑色は透過する有機材料としてはフタロシアニン誘導体が一例として挙げられるが、それ以外にも、アクリジン、クマリン、キナクリドン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチリルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェン及びこれらの誘導体等を単独で、もしくは、これらに代表される有機材料を２種類以上混合ないし積層することで青、緑、もしくは赤色光のみに感度を有する光電変換膜１２、２２、３２を形成することが可能である。

さらには、光電変換膜１２、２２、３２における暗電流（光未照射時に観測される電流）の低減や光電変換膜の量子効率向上のために、電子輸送材料、正孔輸送材料、電子ブロッキング材料、正孔ブロッキング材料等を混合又は積層することで光電変換膜１２、２２、３２を形成してもよい。

有機膜で構成する光電変換膜１２、２２、３２の膜厚は、５０ｎｍから１μｍの間が好適であるが、光吸収極大波長での吸収率として、９０％以上、すなわち、吸光度Ａ（Ａ＝−ｌｏｇ（透過率））にして１．０以上を有することが望ましい。

光電変換膜１２、２２、３２の形成には、インクジェット法、真空蒸着法、スピンコート法、ディップ法等、既知の手法を用いることができる。

受光部２０の光電変換膜２２については、光の３原色のうち受光部１０の光電変換膜１２とは異なる光の色に感度があり、少なくとも受光部１０の光電変換膜１２で検出する色の光は透過する必要がある。すなわち、受光部１０の光電変換膜１２が青色の光を検出する場合、受光部２０の光電変換膜２２は緑色の光に感度があり、少なくとも青色は透過する、もしくは、赤色の光に感度があり、少なくとも青色は透過する必要がある。また受光部１０の光電変換膜１２が緑色の光を検出する場合、受光部２０の光電変換膜２２は青色の光に感度があり、少なくとも緑色を透過する、もしくは、赤色の光に感度があり、少なくとも緑色は透過する必要がある。また、受光部１０の光電変換膜１２が赤色の光を検出する場合、受光部２０の光電変換膜２２は青色の光に感度があり、少なくとも赤色を透過する必要がある、もしくは緑色の光に感度があり、少なくとも赤色は透過する必要がある。

受光部１０の光電変換膜１２については、少なくとも光の３原色のうち受光部３０の光電変換膜３２、及び受光部２０の光電変換膜２２とは異なる光の色に感度がある必要がある。すなわち、受光部３０及び２０の２種類の膜で青色と緑色の光を検出する場合、受光部１０の光電変換膜１２は少なくとも赤色の光に感度がある必要がある。また、受光部２０及び３０の２種類の光電変換膜２２及び３２でそれぞれ青色と赤色の光を検出する場合は、受光部１０の光電変換膜１２は、少なくとも緑色の光に感度がある必要がある。

また、受光部２０及び３０の２種類の光電変換膜２２及び３２でそれぞれ緑色と赤色の光を検出する場合は、受光部１０の光電変換膜１２は、少なくとも青色の光に感度がある必要がある。

光電変換膜１２、２２、３２の形成には、インクジェット法、真空蒸着法、スピンコート法、ディップ法等、既知の手法を用いることができる。

透明対向電極１３、２３、３３は、光透過性が要求されるため、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＴＯ）等を用いて、膜厚１ｎｍ〜５０ｎｍ程度の透明電極を用いてもよい。

また、透明対向電極１３、２３、３３は、アルミニウム、バナジウム、金、銀、白金、鉄、コバルト、炭素、ニッケル、タングステン、パラジウム、マグネシウム、カルシウム、スズ、鉛、チタン、モリブデン、イットリウム、リチウム、ルテニウム、マンガン等の金属及びそれらの合金を用いて膜厚１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の半透明電極を形成してもよい。

また、透明対向電極１３、２３、３３は、ポリアセチレン系、ポリアニリン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系に代表される導電性高分子を用いることもできる。膜厚は、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍの間に設定すればよい。

層間絶縁膜４０、５０は、絶縁性があり可視光透過性の高い材料がよく、封止膜としての性質を併せ持つものが好適である。さらに、層間絶縁膜内隔壁７０や、受光部２０及び３０の信号読み出し部２１及び３１を形成する際にフォトリソグラフィーを用いる場合には、フォトリソグラフィーで使用する紫外線が光電変換膜１２、２２の特性に悪影響を及ぼす場合がある。

このため、層間絶縁膜４０、５０の材料として、可視光の透過性が高い一方、紫外線の透過率が低いことが要求される。一例として、酸化ケイ素、酸化窒素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、チッ化ケイ素、チッ化アルミニウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化セリウム、酸化亜鉛やアモルファス酸化物（インジウム・ガリウム・酸化亜鉛）等の無機材料、ポリシラン、ポリビニルカルバゾール、ポリイミド、ポリパラキシレンビニレン等の有機材料等を用いることができる。

層間絶縁膜４０、５０には、層間絶縁膜内隔壁７０が形成される。層間絶縁膜内隔壁７０は、受光部内隔壁６０と同様に、可視域の光を透過しない材料で構成する必要があり、材料としては各種樹脂を用いることができる。光の不透過性を向上させるために、樹脂に各種の有機・無機顔料、色素等を添加することもできる。

次に、図２を用いて、実施の形態の多層型撮像素子１００に光が入射した場合の動作について説明する。

図２は、実施の形態の多層型撮像素子１００に光が入射した場合の動作を示す図である。

実施の形態の多層型撮像素子１００の受光部３０側から白色光が入射した場合の動作を図２を用いて説明する。なお、既述のように、光は受光部１０側から入射してもよいが、ここでは受光部３０側から光が入射する場合について説明する。

白色光が受光部３０に入射すると、光の３原色のうちの１つの色の光（ここではＣ３と称す）が光電変換膜３２に吸収されるとともに、Ｃ３の光量に応じた電荷が光電変換膜３２内に生成される。

受光部３０の透明対向電極３３には一定の電圧が印加されており、生成された電荷のうち電子または正孔がこの印加電圧により信号読み出し部３１の画素電極（図示せず）に一定時間蓄積される。

蓄積された電荷は、信号読み出し部３１により順次、外部の回路へと読み出される。ここで、透明対向電極３３、及び、信号読み出し部３１の配線（図示せず）が受光部内隔壁６０で分離されていない構造であるために、光電変換膜３２で発生した電荷を外部へ読み出すことが可能になる。

一方、受光部３０の光電変換膜３２に吸収されない、光の３原色のうちの光成分Ｃ３の色以外の２色の光成分（ここでは光成分Ｃ２、Ｃ１と称す）は、受光部３０及び層間絶縁膜５０を通過し、受光部２０へ到達する。

ここで、光成分Ｃ２が光電変換膜２２に吸収されるとともに、光成分Ｃ２の光量に応じた電荷が光電変換膜２２内に生成される。

受光部３０と同様に、受光部２０の透明対向電極２３には一定の電圧（電圧の値は受光部３０とは異なっていてもよい）が印加されており、生成された電荷のうち電子または正孔がこの印加電圧により信号読み出し部２１の画素電極（図示せず）に一定時間蓄積される。蓄積された電荷は、信号読み出し部２１により順次、外部へと読み出される。

また、受光部２０の光電変換膜２２に吸収されない色の光成分Ｃ１は、受光部２０及び層間絶縁膜４０を通過し、受光部１０へ到達する。ここでも同様の動作が繰り返され、最終的に、光の３原色すべての情報を１つの画素の領域で得ることが可能になる。

次に、図３及び図４を用いて、実施の形態の多層型撮像素子１００の動作について説明する。

図３及び図４は、多層型撮像素子１００に斜めに光が入射した場合の動作を示す図である。

ある画素（ここでは画素Ａとする）に、画素Ａの垂直方向からではなく、斜め方向から白色光が入射した場合を考える。ここでは簡単のため、レーザー光のような線状の光が入射したと仮定する。

図３に示す入射角度の場合、光成分Ｃ３と光成分Ｃ２に関してはそれぞれ画素Ａを構成する受光部３０及び受光部２０で吸収される。

一方、光成分Ｃ１は、仮に受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０が存在しない場合には（すなわち従来の多層型撮像素子の場合には）、破線で示すように受光部１０の画素Ａの右隣の画素Ｂに到達し、隣の画素の情報として出力される（図３破線）。

これは、画素Ａでは受光部１０での光入射が足りない状況であるとともに、画素Ｂでは本来入射しない光が入射したことになる。この結果、混色や生成画像の色再現性の低下が生じうる。

これに対して、実施の形態の多層型撮像素子１００の場合は、受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０により、各画素には隣接画素と光学的な遮蔽が施されているため、光成分Ｃ１が画素Ａの隣の画素Ｂへ侵入することはなく、光成分Ｃ１は、図４に実線で示すように、受光部２０内の受光部内隔壁６０で反射され、受光部１０に入射する。この結果、混色等の発生を抑えることが可能になる。なお、光が層間絶縁膜内障壁７０で反射される場合も同様である。

受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０での光の反射は、特に、受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０を反射特性の高い材料で構成した場合に効率よく行われることになる。例えば、受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０、あるいは少なくとも受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０の表面をアルミニウムのような可視光の反射材で構成すれば、例えば、７５％程度の高い反射率を得ることができる。

ただし、受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０は、可視光の反射材のような必ずしも反射特性の高い材料で構成される必要はなく、到達した光を吸収する材料（不透過材）、もしくは等方的に反射／拡散する材料で構成してもよい。

受光部３０側から多層型撮像素子１００に光が入射した場合に、最下層となる受光部１０の光電変換膜１２に光成分Ｃ１が入射し、ある程度の色再現性が得られるのであれば、受光部内隔壁６０や層間絶縁膜内障壁７０の反射率は任意に設定できる。

また、最下層へより効率的に光を導くために、多層型撮像素子１００の表面にマイクロレンズを実装してもよい。

次に、図５を用いて、受光部内隔壁６０の製造方法について説明する。

図５は、実施の形態の多層型撮像素子１００の受光部内隔壁６０の製造工程を示す図である。

ここでは、一例として、受光部１０の信号読み出し部１１の上に形成する受光部内隔壁６０の製造工程について説明する。また、信号読み出し部１１は、絶縁層１１Ａ、スイッチトランジスタ１１Ｂ、及び透明画素電極１１Ｃを有するものとして説明する。

まず、図５（Ａ）に示すように、信号読み出し部１１の上に、受光部内隔壁材料６０Ａを一様に形成する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、受光部内隔壁６０に対応したレジスト６１をパターニングする。受光部内隔壁６０に対応したレジスト６１は、後に、受光部内隔壁６０が形成される場所に形成される。

そして、エッチングにより受光部内隔壁材料６０Ａの不要部分を除去すれば、図５（Ｃ）に示すように、受光部内隔壁６０を形成することができる。

受光部内隔壁６０の高さは、光電変換膜１２の厚さと同じ程度がよく、例えば、０．０５μｍ〜１．０μｍに設定すればよい。受光部内隔壁６０の幅は、小さければ小さいほどよく、画素ピッチの１／８以下が望ましく、画素ピッチの１／１０以下であればなおよい。

次に、図６を用いて、層間絶縁膜４０と層間絶縁膜内隔壁７０の作製方法について説明する。

図６は、実施の形態の多層型撮像素子１００の層間絶縁膜４０と層間絶縁膜内隔壁７０の作製工程を示す図である。

まず、図６（Ａ）に示すように、透明電極１３上に層間絶縁膜材料４０Ａを一様に形成する。

次に、図６（Ｂ）に示すように、層間絶縁膜材料４０Ａの上にレジスト４１を形成する。レジスト４１は、層間絶縁膜４０を形成しない位置に対応して形成される。

レジスト４１を層間絶縁膜材料４０Ａの上に形成した後にエッチングを行い、図６（Ｃ）に示すように、層間絶縁膜４０を形成する。層間絶縁膜４０が形成されていない位置は、後に、層間絶縁膜内隔壁７０を形成する位置である。

その後、図６（Ｄ）に示すように、層間絶縁膜内隔壁材７０Ａを少なくとも層間絶縁膜４０よりも厚く積み、ドライエッチング、ウェットエッチング、又は化学機械平坦化法（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））等を用いて不要部分を除去することで、図６（Ｅ）に示すように層間絶縁膜内隔壁７０を形成する。

また、受光部内隔壁６０の反射率を高め、受光部内隔壁６０に到達した光を同じ画素エリアの下層へ導くために、受光部内隔壁６０をアルミニウムや銀、インジウム等の反射性材料や、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の拡散性材料で形成してもよい。

金属による反射性材料を用いる場合は、反射性材料と透明対向電極１３及び信号読み出し部１１の画素電極との短絡を防ぐために、層間絶縁膜内隔壁７０の上下に絶縁層を形成することが望ましい。

絶縁層としては、例えば、上述の各種樹脂をフォトリソグラフィー手法等によって形成するか、又は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によって形成すればよい。絶縁層の厚さは、例えば、少なくとも１０ｎｍの厚さにすればよい。

次に、図７を用いて、実施の形態の多層型撮像素子１００の受光部内隔壁６０の上下に形成する絶縁層について説明する。

図７は、実施の形態の多層型撮像素子１００の受光部内隔壁６０の上下に形成する絶縁層を示す図である。図７には、一例として、受光部１０の内部に形成される受光部内隔壁６０を示す。

受光部内隔壁６０の下部には、画素電極１１Ｃとの間に絶縁層６２が形成される。絶縁層６２は、信号読み出し部１１の画素電極１１Ｃに凹部を形成した後に、凹部の壁部に沿って形成される第１絶縁層の一例である。絶縁層６２を形成した後に、受光部内隔壁６０を形成すればよい。

また、受光部内隔壁６０の上部には、第２絶縁層の一例としての絶縁層６３が形成される。絶縁層６３は、例えば、受光部内隔壁材料６０Ａ（図５（Ａ）参照）を形成した後に、受光部内隔壁材料６０Ａの上に絶縁層材料を形成し、レジスト６１（図５（Ａ）参照）を用いてエッチングを行うことにより、受光部内隔壁６０と同時に形成することができる。絶縁層６３により、受光部内隔壁６０と透明対向電極１３とは絶縁される。このため、受光部内隔壁６０がアルミニウム等の金属で構成されてもよく、あるいは、受光部内隔壁６０の表面にアルミニウムの薄膜等をスパッタリング法又は蒸着法等によって形成してもよい。

なお、図７には、受光部１０の内部に形成する受光部内隔壁６０を示したが、受光部２０、３０の内部に形成される受光部内隔壁６０も同様である。

すなわち、受光部２０の内部では、受光部内隔壁６０は、下部の絶縁層６２によって信号読み出し部２１の画素電極と絶縁される。また、受光部内隔壁６０は、上部の絶縁層６３によって透明対向電極２３と絶縁される。

同様に、受光部３０の内部では、受光部内隔壁６０は、下部の絶縁層６２によって信号読み出し部３１の画素電極と絶縁される。また、受光部内隔壁６０は、上部の絶縁層６３によって透明対向電極３３と絶縁される。

次に、実施の形態の多層型撮像素子１００について行ったシミュレーション結果について説明する。

図８及び図９は、多層型撮像素子に入射する光の入射角と相対出力との関係を示す図である。

実施の形態の多層型撮像素子１００の効果を検証するために、入射光の入射角を変化させたときの出力変化について、計算によるシミュレーションを行った。なお、入射光の入射角とは、多層型撮像素子１００の受光部３０の上面が水平になるように多層型撮像素子１００を設置した場合に、鉛直方向に対して入射光がなす角度をいう。

シミュレーションでは、多層型撮像素子１００の画素ピッチを３．０μｍ、信号読み出し部１１、２１、３１の厚さを０．３μｍ、受光部内隔壁６０の高さと幅をそれぞれ０．７μｍ、０．３μｍ、層間絶縁膜４０、５０の厚さを１．０μｍ、透明対向電極１３、２３、３３の厚さを５．０ｎｍに設定した。

また、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０は、アルミニウム製とし、その反射率を７５％に設定した。なお、マイクロレンズは用いない構造とした。

図８に示す結果は、上述のような多層型撮像素子１００の受光部３０の１つの画素に一様に光を入射させ、入射角を０°（基板１に垂直な方向）から３０°まで変化させたときに得られたものであり、最下層の受光部１０において、光が入射した画素（図３、４の画素Ａ参照）の隣の画素（図３、４の画素Ｂ参照）の出力を算出したものである。

光が入射した画素の隣の画素から得られる出力は、入射角が０°のときに光が入射した画素（図３、４の画素Ａ参照）の出力信号を１００として表した相対出力である。

なお、比較用に、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０を透明材料で形成した多層型撮像素子（すなわち、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０が形成されていない従来の多層型撮像素子）で得られた特性を白丸のプロットで示す。

受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０のない多層型撮像素子では、入射角が大きくなるにつれて、隣接画素の出力が増加することが分かった。入射角の増大に伴い、隣接する画素への光の入射量が増えたためと考えられる。これは、混色や色再現性の低下が生じている状態であると考えられる。

一方、実施の形態の多層型撮像素子１００では、入射角３０°においても隣接画素の出力はゼロであることがわかる。これは、入射角が増大しても、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０によって入射光が反射されることにより、光入射のあった画素内に光が留まり、隣接する画素への光の漏れが生じなかったためと考えられる。

また、図９に示す結果は、多層型撮像素子１００の受光部３０の１画素に、一様に光を入射させ、この入射光の入射角を０°（基板に垂直な方向）から３０°まで変化させた場合に、受光部１０の同一画素から得られる出力を示す。

光出力は、入射角が０°で受光部３０に光を入射させた場合における受光部１０の同一画素からの出力信号を１００とする相対出力で表す。

なお、比較用に、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０を透明材料で形成した多層型撮像素子（すなわち、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０が形成されていない従来の多層型撮像素子）で得られた特性を白丸のプロットで示す。

図９に示すように、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０のない多層型撮像素子では、入射角が大きくなるにつれて最下層の受光部１０の画素の出力が大幅に減少し、入射角３０°のときの出力は２４％であった。これは、入射角の増大に伴って隣接する画素への光の漏れが増大したためと考えられる。このような状況では、光入射のあった受光部３０と同一画素の受光部１０では、光の入射量が減少しているため、色再現性の低下が生じると考えられる。

これに対し、実施の形態の多層型撮像素子１００では、入射角が増大しても、６３％までの低下に留まった。これは、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０によって光の漏れが抑制されたためと考えられる。以上より、受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０を有する実施の形態の多層型撮像素子１００の効果が明らかになった。

以上、実施の形態によれば、信号読み出し部１１、２１、３１と、透明対向電極１３、２３、３３とを除いて受光部内隔壁６０及び層間絶縁膜内隔壁７０で受光部１０、２０、３０を画素毎に区分することにより、隣接する画素、又は、近隣の画素への光の漏れを抑制でき、この結果、色再現性に優れた高精細な単板式の多層型撮像素子を提供することができる。

なお、以上では、受光部内隔壁６０が光電変換膜１２、２２、３２の各々の内部で、透明対向電極１３、２３、３３に接する高さにまで形成される形態について説明したが、受光部内隔壁６０は、透明対向電極１３、２３、３３に接していなくてもよい。この場合は、光部内隔壁６０の高さは、透明対向電極１３、２３、３３に接しない分だけ低くなる。

また、層間絶縁膜内隔壁７０が反射材で作製される場合、又は、層間絶縁膜内隔壁７０の表面に反射層が形成される場合には、層間絶縁膜内隔壁７０と透明対向電極１３、２３との間に絶縁層を形成してもよい。なお、層間絶縁膜内隔壁７０を配設せずに、受光部内隔壁６０だけを配設してもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の多層型撮像素子について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００ 多層型撮像素子
１ 基板
１０、２０、３０ 受光部
１１、２１、３１ 信号読み出し部
１２、２２、３２ 光電変換膜
１３、２３、３３ 透明対向電極
４０、５０ 層間絶縁膜
６０ 受光部内隔壁
７０ 層間絶縁膜内隔壁

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に配設される第１の信号読み出し部と、
   前記第１の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第１の波長の光に感度を有する第１光電変換膜と、
   前記第１光電変換膜に積層される第１透明電極と、
   前記第１透明電極に積層される第１層間絶縁膜と、
   前記第１層間絶縁膜の上に配設される第２の信号読み出し部と、
   前記第２の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第２の波長の光に感度を有する第２光電変換膜と、
   前記第２光電変換膜に積層される第２透明電極と、
   前記第２透明電極に積層される第２層間絶縁膜と、
   前記第２層間絶縁膜の上に配設される第３の信号読み出し部と、
   前記第３の信号読み出し部の上に配設され、光の３原色のうち第３の波長の光に感度を有する第３光電変換膜と、
   前記第３光電変換膜に積層される第３透明電極と、
   前記第１光電変換膜、前記第２光電変換膜、及び前記第３光電変換膜を画素毎に隔離する第１隔壁と
   を備え、
   前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部は、それぞれ複数の画素が２次元方向に配置された画素アレイの各画素の信号読み出し部を形成している多層型撮像素子。
2. 前記第１層間絶縁膜及び第２層間絶縁膜を画素毎に隔離する第２隔壁を更に備える請求項１に記載の多層型撮像素子。
3. 前記第１の隔壁は、前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部において、各信号読み出し部の一部を構成する画素電極部を画素毎に隔離する請求項１または２に記載の多層型撮像素子。
4. 前記第１隔壁または前記第２隔壁は、可視光の反射材、又は不透過材で構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多層型撮像素子。
5. 前記第１隔壁の材料が導電性であり、
   前記第１隔壁と前記第１の信号読み出し部、前記第２の信号読み出し部、及び前記第３の信号読み出し部の画素電極との間、さらに、前記第１隔壁と前記第１透明電極、前記第２透明電極、及び前記第３透明電極との間にそれぞれ絶縁層が形成された請求項４に記載の多層型撮像素子。

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