JP4637196B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明は、１つの色信号を得ることが可能な画素部が同一平面上に複数配列された固体撮像素子に関する。
特許文献１には、シリコン基板上に下部電極を形成し、この下部電極上に有機光電変換材料からなる光電変換膜を形成し、この光電変換膜上に画素毎に分割した上部電極を形成し、各上部電極上に画素毎に分割したカラーフィルタを形成した構成の固体撮像素子が開示されている。このような固体撮像素子によれば、現在主流となっている単板式固体撮像素子に比べて、各画素の受光領域を大きくすることができ、高感度化を期待することができる。又、シリコン基板全体を光電変換膜で発生した電荷に応じた信号の読み出し回路のために用いることができるため、回路の微細化にこだわることなく、画素数の増加が可能となる。
しかし、上記構成の固体撮像素子では、斜めに入射してくる光があった場合、ある画素のカラーフィルタを透過した光が、その画素の隣の画素の光電変換膜に入射してしまい、混色が発生する可能性がある。カラーフィルタの上にマイクロレンズを設ければ混色の心配は減るが、この場合は、マイクロレンズ形成のためのコストがかかる、マイクロレンズ分の厚みが増加してしまう、マイクロレンズに起因した輝度シェーディングが発生する等の問題点が発生してしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板上方に光電変換素子とカラーフィルタを備える固体撮像素子であって、最上部にマイクロレンズを設けることなく、斜め入射光による混色を防止することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子は、１つの色信号を得ることが可能な画素部が同一平面上に複数配列された固体撮像素子であって、前記画素部は、基板上方に形成された下部電極、前記下部電極上方に形成された上部電極、及び前記下部電極と前記上部電極に挟まれた複数の前記画素部で共通の一枚構成の光電変換膜を含む光電変換素子と、前記上部電極上方に形成されたカラーフィルタとを備え、前記光電変換膜下面から前記カラーフィルタ上面までの距離をｄとし、前記光電変換素子の配列ピッチをｐとしたときに、ｄ＜ｐとなっており、前記画素部が、前記上部電極と前記カラーフィルタとの間に前記光電変換素子を保護する、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光透過率が８０％以上である無機材料の保護膜を備える。
また、本発明の固体撮像素子は、前記保護膜が、無機酸化物で構成されている。
また、本発明の固体撮像素子は、前記保護膜が原子層堆積（ＡＬＤ）法で成膜されたものである。
また、本発明の固体撮像素子は、前記保護膜の材料が金属酸化物を含む。
また、本発明の固体撮像素子は、前記金属酸化物がＡｌ２Ｏ３である。
また、本発明の固体撮像素子は、前記保護膜と前記カラーフィルタの間、又は、前記保護膜と前記上部電極との間に保護膜をもう１つ備え、前記もう１つの保護膜が高分子化合物からなる。
また、本発明の固体撮像素子は、前記高分子化合物がパラキシリレン系樹脂である。
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本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜が有機光電変換材料を含んで構成される。
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜が直接遷移型無機結晶性半導体材料を含んで構成される。
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜の膜厚が３μｍよりも小さい。
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換素子の配列ピッチｐが３μｍよりも小さい。
本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光吸収率が５０％以上である。
本発明の固体撮像素子は、前記上部電極がインジウム錫オキサイド、インジウムオキサイド、錫オキサイド、及び亜鉛オキサイドのいずれかで構成される。
本発明の固体撮像素子は、前記複数の画素部に含まれるカラーフィルタが原色カラーフィルタである。
本発明の固体撮像素子は、前記複数の画素部に含まれるカラーフィルタが補色カラーフィルタである。
本発明の固体撮像素子は、前記画素部を３つ以上有し、前記補色カラーフィルタが、イエロー，シアン，マゼンタの３種類、イエロー，シアン，透明の３種類、イエロー，透明，マゼンタの３種類、透明，シアン，マゼンタの３種類、及びイエロー，シアン，マゼンタ，透明の４種類のいずれかである。
本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタが金属粒子を含んで構成されたものである。
本発明の固体撮像素子は、前記金属粒子が金粒子又は銀粒子である。
本発明の固体撮像素子は、前記下部電極が、入射光が入射して反射した光が隣の前記画素部に侵入するのを防ぐための光侵入防止部を備える。また、本発明の固体撮像素子は、前記保護膜の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光透過率が８０％以上である。
本発明によれば、基板上方に光電変換素子とカラーフィルタを備える固体撮像素子であって、最上部にマイクロレンズを設けることなく、斜め入射光による混色を防止することが可能な固体撮像素子を提供することができる。
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。
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の構成を示す表面模式図である。図２は、図１の固体撮像素子の１画素部の断面模式図である。
図１に示す固体撮像素子２００は、同一平面上の行方向及びこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素部（２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂ）を備える。多数の画素部は、赤色成分の色信号を得るための画素部２０１ｒと、緑色成分の色信号を得るための画素部２０１ｇと、青色成分の色信号を得るための画素部２０１ｂとの３種類を含んでいる。多数の画素部の配列は、画素部２０１ｂと画素部２０１ｇとを行方向に交互に配列したｂｇ画素部行と、画素部２０１ｇと画素部２０１ｒとを行方向に交互に配列したｇｒ画素部行とが、列方向に交互に配列されたものとなっている。
図１に示す固体撮像素子２００は、同一平面上の行方向及びこれに直交する列方向に正方格子状に配列された多数の画素部（２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂ）を備える。多数の画素部は、赤色成分の色信号を得るための画素部２０１ｒと、緑色成分の色信号を得るための画素部２０１ｇと、青色成分の色信号を得るための画素部２０１ｂとの３種類を含んでいる。多数の画素部の配列は、画素部２０１ｂと画素部２０１ｇとを行方向に交互に配列したｂｇ画素部行と、画素部２０１ｇと画素部２０１ｒとを行方向に交互に配列したｇｒ画素部行とが、列方向に交互に配列されたものとなっている。
固体撮像素子２００は、各画素部に含まれる信号読み出し回路２０９を駆動するための駆動信号を信号読み出し回路２０９に供給する行選択走査部２０２と、各画素部の信号読み出し回路２０９から出力された色信号に相関二重サンプリング処理やＡ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う信号処理部２０３と、各画素部を駆動するためのタイミングパルスを生成して、これを各画素部に供給したり、行選択走査部２０２及び信号処理部２０３を制御したりする制御部２０５とを備える。
画素部２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂの各々の信号読み出し回路２０９は、２種類の信号線（リセット信号線２０６，行選択信号線２０７）を介して行選択走査部２０２に接続されており、ここに行選択走査部２０２から駆動信号が供給されることで、信号読み出し回路２０９の信号読み出し動作が制御される。
画素部２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂの各々の信号読み出し回路２０９は、信号出力線２０８を介して信号処理部２０３に接続されており、信号読み出し回路２０９から出力された色信号が信号出力線２０８を介して信号処理部２０３へと伝達される。
図２に示すように、固体撮像素子２００の画素部は、基板２１０上方に絶縁膜２１２を介して形成された下部電極２１５と、下部電極２１５上に形成された光電変換膜２１６と、光電変換膜２１６上に形成された上部電極２１７と、上部電極２１７上に形成された保護膜２１８と、保護膜２１８上に形成されたカラーフィルタ２１９とを備える。下部電極２１５と、上部電極２１７と、これらに挟まれた光電変換膜２１６とにより、光電変換素子が構成されている。
上部電極２１７は、光電変換膜２１６に光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明な導電性材料で構成される。上部電極２１７の材料としては、可視光に対する透過率が高く、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（TCO;Transparent Conducting Oxide）を用いることができる。Ａｕなどの金属薄膜も用いることができるが、透過率を９０%以上得ようとすると抵抗値が極端に増大するため、ＴＣＯの方が好ましい。ＴＣＯとして、特に、ＩＴＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２等を好ましく用いることができ、プロセス簡易性、低抵抗性、透明性の観点からはＩＴＯが最も好ましい。尚、上部電極２１７は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。
下部電極２１５は、画素部毎に分割された薄膜であり、透明又は不透明の導電性材料で構成される。下部電極２１５の材料としてＣｒ，Ｉｎ，Ａｌ，Ａｇ等の金属やＴＣＯを用いることができる。
光電変換膜２１６は、特定の波長域の光を吸収してこの光に応じた電荷を発生する光電変換材料を含んで構成される。光電変換膜２１６は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。固体撮像素子２００では、各画素部での分光をカラーフィルタ２１９によって行うため、光電変換膜２１６は、可視域全域にわたって吸収率の高い吸収スペクトルを持つ材料で構成されている。又、光電変換膜２１６は、高感度を維持するために量子効率も高い材料を用いることが望ましい。光吸収率を大きくするために膜厚を大きくすることは、量子効率の低下につながるので、吸収係数が大きい材料を用いて、より薄い膜厚で十分に光を吸収できることが好ましい。
光電変換膜２１６は、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光吸収率が５０％以上であるような材料を用いることで、撮影に問題ない程度の画質を得ることが可能となる。例えば、有機半導体、有機色素を含む有機材料、及び直接遷移型のバンドギャップをもつ吸収係数の大きい無機半導体結晶等を単体又は組み合わせることにより、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光吸収率が５０％以上となる光電変換膜を作成可能である。
画素部に含まれる光電変換素子は、下部電極２１５、光電変換膜２１６、上部電極２１７を少なくとも含んでいれば良い。このような光電変換素子では、上部電極２１７と下部電極２１５の間に所定のバイアス電圧を印加することで、光電変換膜２１６の下部電極２１５と上部電極２１７とで挟まれる部分で発生した電荷（正孔、電子）のうちの一方を上部電極２１７に移動させ、他方を下部電極２１５に移動させることができる。本実施形態では、上部電極２１７に配線が接続され、この配線を介してバイアス電圧が上部電極２１７に印加されるものとする。又、バイアス電圧は、光電変換膜２１６で発生した正孔が上部電極２１７に移動し、電子が下部電極２１５に移動するように極性が決められているものとするが、この極性は逆であっても良い。
尚、画素部に含まれる光電変換素子において、下部電極２１５と光電変換膜２１６との間、上部電極２１７と光電変換膜２１６との間、又はこれらの両方に、光電変換素子の機能を向上させるための機能膜（例えば、暗電流を抑制するための電荷ブロッキング層）を設けることも可能である。
画素部の下部電極２１５下方の基板２１０内には、この下部電極２１５に対応させて、この下部電極２１５に移動した電荷を蓄積するための電荷蓄積部２１１と、電荷蓄積部２１１に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する信号読み出し回路２０９とが形成されている。基板２１０は、シリコン等の半導体基板の他、ガラス基板や石英基板等、基板内部及び基板上に電子回路を設置できるものであれば良い。
電荷蓄積部２１１は、絶縁膜２１２を貫通して形成された導電性材料のプラグ２１３によって下部電極２１５と電気的に接続されており、これにより、下部電極２１５で捕集された電荷を電荷蓄積部２１１に移動させることができる。信号読み出し回路２０９は、公知のＣＭＯＳ回路やＣＣＤによって構成されている。
絶縁膜２１２内には、プラグ２１３の他に、電荷蓄積部２１１や信号読み出し回路２０９に光が当たらないようにするための遮光膜や、リセット信号線２０６，行選択信号線２０７，信号出力線２０８等の配線２１４が埋設されている。
カラーフィルタ２１９は、画素部毎に分割されたものであり、画素部毎に異なる材料で構成されている。画素部２０１ｒの場合、カラーフィルタ２１９は、赤色光を透過する公知のカラーフィルタであり、このカラーフィルタをカラーフィルタ２１９ｒと呼ぶことにする。画素部２０１ｇの場合、カラーフィルタ２１９は、緑色光を透過する公知のカラーフィルタであり、このカラーフィルタをカラーフィルタ２１９ｇと呼ぶことにする。画素部２０１ｂの場合、カラーフィルタ２１９は、青色光を透過する公知のカラーフィルタであり、このカラーフィルタをカラーフィルタ２１９ｂと呼ぶことにする。このように、カラーフィルタ２１９は画素部毎に分割して形成する必要があり、その形成方法としては、単板式固体撮像素子等で用いられている公知の方法が用いられる。
固体撮像素子２００は、各画素部の光電変換素子を形成した後に、カラーフィルタ２１９ｒ，ｇ，ｂをフォトリソグラフィ工程及びベーク工程によって形成するが、光電変換膜２１６が上部電極２１７のみによって覆われた状態で、このフォトリソグラフィ工程やベーク工程が行われると、光電変換膜２１６の材料として有機光電変換材料を用いた場合、光電変換膜２１６の特性が劣化してしまう。又、カラーフィルタ２１９ｒ，ｇ，ｂ形成後も、水分や酸素が光電変換膜２１６に侵入する可能性があり、これによって光電変換膜２１６の性能が劣化することもある。そこで、固体撮像素子２００では、このような製造工程に起因する光電変換膜２１６の特性劣化と水分や酸素等による光電変換膜２１６の経時劣化を防止するために、保護膜２１８が設けられている。
保護膜２１８は、光電変換膜２１６の保護機能（水分や酸素が浸入しにくい緻密性）と透明性とを兼ね備えた材料の薄膜である。保護膜２１８は、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光透過率が８０％以上であれば、光電変換膜２１６に十分に可視光を入射させることができる。
保護膜２１８は、無機材料をＡＬＣＶＤ法によって成膜したものであることが好ましい。ＡＬＣＶＤ法は原子層ＣＶＤ法であり緻密な無機膜を形成することが可能で、光電変換膜２１６の有効な保護膜となり得るからである。ＡＬＣＶＤ法はＡＬＥ法もしくはＡＬＤ法としても知られている。ＡＬＣＶＤ法により成膜すべき無機材料は、無機酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＭｇＯ，ＨｆＯ２，Ｔａ２Ｏ５）であることが好ましく、その中でも最も効果が高いのはＡｌ２Ｏ３である。
尚、光電変換膜２１６の保護性能をより向上させるために、保護膜２１８上又は保護膜２１８下に更にもう１つ保護膜を設けても良い。この場合の保護膜は、高分子化合物であることが好ましい。保護膜２１８がＡＬＤ法で形成した金属酸化物である場合、高分子化合物としては、この保護膜２１８との被覆性が高いパラキシリレン系樹脂を用いることが好ましい。尚、光電変換層９の保護効果が特に高いのは、保護膜２１８上にもう１つ保護膜を設けた構成である。
このように構成された固体撮像素子２００では、入射光のうちの赤色光が画素部２０１ｒの光電変換膜２１６で吸収されて電荷に変換され、この電荷が電荷蓄積部２１１に蓄積された後、信号読み出し回路２０９によって赤色信号として出力される。又、入射光のうちの緑色光が画素部２０１ｇの光電変換膜２１６で吸収されて電荷に変換され、この電荷が電荷蓄積部２１１に蓄積された後、信号読み出し回路２０９によって緑色信号として出力される。又、入射光のうちの青色光が画素部２０１ｇの光電変換膜２１６で吸収されて電荷に変換され、この電荷が電荷蓄積部２１１に蓄積された後、信号読み出し回路２０９によって青色信号として出力される。このように、固体撮像素子２００からは、撮像によって赤色信号、緑色信号、及び青色信号が出力されるため、公知の信号処理により、カラー画像データを生成することが可能となる。
このような構成の固体撮像素子２００では、上述したように、ある画素部に斜めに入射してきた光が、その画素部の隣の画素部の光電変換膜２１６に入射してしまう現象、いわゆる混色の発生が問題となる。固体撮像素子２００は、この混色を防止するための工夫がなされており、以下、この工夫した点について説明する。
図３は、焦点距離３５ｍｍのレンズを用いて本実施形態の固体撮像素子により撮像を行う場合の固体撮像素子への光の入射状態を示した図である。図４は、図１のＡ−Ａ線の断面模式図である。図４では、下部電極よりも下の図示を省略している。
図３に示すように、一般的な光学系である固体撮像素子２００のサイズを３６ｍｍ×２４ｍｍ（対角４３ｍｍ）とすると、固体撮像素子２００の中央では画素部に垂直に光が入射するのに対し、固体撮像素子２００の端部では約３１°の傾きを持って画素部に光が入射する。このため、光電変換膜２１６の下面からカラーフィルタ２１９上面までの距離をｄとし、画素部に含まれる光電変換素子の配列ピッチ（下部電極２１５の配列ピッチと同じ）をｐとしたとき、ｄがｐよりも大きいと、図４に示したように、固体撮像素子２００の端部にある画素部２０１ｂに入射角θ＝３１°で入射してきた光が、その隣の画素部２０１ｇの光電変換膜２１６まで到達してしまい、混色が発生する。又、画素部２０１ｂで光電変換されるべき光が他の画素部に入ってしまうため、画素部２０１ｂの感度が低下する。そこで、このような混色と感度低下を防止するためには、ｄ＜２×ｐ×ｔａｎθ（θ＝３１°）の関係、即ち、ｄ＜ｐの関係が成り立つことが必要となる。固体撮像素子２００では、ｄ＜ｐの関係が成り立つように、光電変換膜２１６からカラーフィルタ２１９までの材料や厚み等が設定されている。
この関係を満たす場合、画素部の微細化に伴ってｐの値を小さくすると、ｄの値もその分小さくする必要がある。このため、固体撮像素子２００の各画素部の光電変換膜２１６からカラーフィルタ２１９までの材料は、ｄの値を小さくできるような材料を選択することが好ましい。
例えば、カラーフィルタ２１９には、従来の有機カラーフィルタに比べて膜厚の薄くなる金属粒子を用いたカラーフィルタを用いることが好ましい。特に金粒子や銀粒子は、スペクトル制御が容易であるため、これらを用いたカラーフィルタを利用することで、製造が容易で且つ薄いカラーフィルタを実現可能となる。又、カラーフィルタ２１９を、原色カラーフィルタに比べて厚みを薄くすることができる補色カラーフィルタにすることも好ましい。
固体撮像素子２００の画素部の種類を３種類としたときに、固体撮像素子２００に用いる３種類の補色カラーフィルタは、例えば（イエロー，シアン，マゼンタ）の３種類、（イエロー，シアン，透明）の３種類の、（イエロー，透明，マゼンタ）の３種類、及び（透明，シアン，マゼンタ）の３種類が考えられる。又、固体撮像素子２００の画素部の種類を４種類としたときに、固体撮像素子２００に用いる４種類の補色カラーフィルタは、例えば（イエロー，シアン，マゼンタ，透明）の４種類が考えられる。尚、これら補色カラーフィルタを用いたときの各画素部の配列は、カラー画像データを生成できるように、適宜決定すれば良い。
又、光電変換膜２１６には、その厚みが薄く且つ光吸収率が大きい材料を用いることが好ましい。薄くても光吸収率の大きい光電変換材料としては、有機半導体や直接遷移型無機結晶性半導体を好ましく用いることができる。
以下の表１は、光電変換材料として、吸収係数が約１７００００／ｃｍの有機半導体と、吸収係数が約３０００／ｃｍの結晶シリコンとに、波長６５０ｎｍの赤色光を入射したときの、各材料の膜厚と光吸収率との関係を示したものである。又、表２は、光電変換材料として、吸収係数が約１１５０００／ｃｍのＣｕＩｎＳｅ２（直接遷移型無機結晶性半導体の一例）と、吸収係数が約３０００／ｃｍの結晶シリコンとに、波長６５０ｎｍの赤色光を入射したときの、各材料の膜厚と光吸収率との関係を示したものである。
表１と表２より、光電変換膜２１６の厚みが３μｍより小さい場合、光電変換膜２１６の材料を結晶シリコンにすると、光電変換膜２１６は光を６０％以下しか吸収することができないため、混色や感度低下が顕著となってしまう。
このように、従来の一般的な材料である結晶シリコンでは、光電変換膜厚が３μｍを下回ると充分な吸光ができない。一方で、光学系の観点では前述の通りｄ＜ｐとせざるを得ない。つまり、結晶シリコンでは、充分な光吸収を行わせるために光電変換膜厚を３μｍ以上にする必要があるため、これに伴ってｄ＞３μｍとなり、これに伴ってｐ＞３μｍとなるため、画素部の集積率を上げることが難しい。
しかし、吸光係数の高い材料で光電変換膜を作成することによって光電変換膜厚は３μｍよりもさらに薄くできる。光電変換膜厚を３μｍより薄くできるということは、ｄの値も３μｍより薄くできるということであるため、上述した光電変換素子の配列ピッチｐの値もｐ＜３μｍとすることができ、結果として、結晶シリコンと同等の吸収率を維持しながら画素部の集積率を上げる事が可能となる。
このように、従来の一般的な材料である結晶シリコンでは、光電変換膜厚が３μｍを下回ると充分な吸光ができない。一方で、光学系の観点では前述の通りｄ＜ｐとせざるを得ない。つまり、結晶シリコンでは、充分な光吸収を行わせるために光電変換膜厚を３μｍ以上にする必要があるため、これに伴ってｄ＞３μｍとなり、これに伴ってｐ＞３μｍとなるため、画素部の集積率を上げることが難しい。
しかし、吸光係数の高い材料で光電変換膜を作成することによって光電変換膜厚は３μｍよりもさらに薄くできる。光電変換膜厚を３μｍより薄くできるということは、ｄの値も３μｍより薄くできるということであるため、上述した光電変換素子の配列ピッチｐの値もｐ＜３μｍとすることができ、結果として、結晶シリコンと同等の吸収率を維持しながら画素部の集積率を上げる事が可能となる。
尚、上述した保護膜２１８の好ましい材料や、保護膜２１８の上又は下に設けるもう１つの保護膜の材料は、その厚みが薄くても光電変換膜２１６の保護性能を十分に維持することが可能な材料である。このため、これらの材料を用いることも、ｄの値を小さくする上で有利となる。
図５は、図１に示す固体撮像素子２００の画素部の変形例を示した図である。図５において図１と同じ構成には同一符号を付してある。
図５に示す画素部は、図１に示した画素部の下部電極２１５に斜めに入射してきた光がここで反射してしまい、隣接する画素部の光電変換膜２１６に侵入してしまうのを防ぐための光侵入防止部として、下部電極２１５の端部上面に、突起部３００を設けた構成となっている。この突起部３００は、下部電極２１５と同じ材料で形成されている。この構成により、下部電極２１５で反射した光が隣接する画素部の光電変換膜２１６に侵入することによる混色を防止することができる。
図５に示す画素部は、図１に示した画素部の下部電極２１５に斜めに入射してきた光がここで反射してしまい、隣接する画素部の光電変換膜２１６に侵入してしまうのを防ぐための光侵入防止部として、下部電極２１５の端部上面に、突起部３００を設けた構成となっている。この突起部３００は、下部電極２１５と同じ材料で形成されている。この構成により、下部電極２１５で反射した光が隣接する画素部の光電変換膜２１６に侵入することによる混色を防止することができる。
尚、本実施形態では、光電変換膜２１６を全ての画素部で共通の一枚構成にしているため、画素部の光電変換膜２１６同士の間に不透明な絶縁層等を設けて、下部電極２１５で反射した光が隣の画素部の光電変換膜２１６に到達しないようにするといったことができない。このため、図５に示すような突起部３００を設けることが、一枚構成の光電変換膜２１６を有する素子において混色を防止する上で有効となる。
又、混色の原因は、図４に示すように、任意の画素部の光電変換膜２１６を通過して、その隣の画素部の光電変換膜２１６に漏れてしまう斜め光の他に、隣の画素部の光電変換膜２１６よりも上にある構成要素を通過して、ここから隣の画素部の光電変換膜２１６に漏れてしまう斜め光も考えられる。
光電変換膜２１６が画素部毎に分割されていた場合には、画素部の光電変換膜２１６同士の間に不透明な絶縁層等を設けることができるため、光電変換膜２１６より上の構成要素からの斜め光だけが問題となる。しかし、光電変換膜２１６が全ての画素部で共通の一枚構成であると、光電変換膜２１６より上の構成要素からの斜め光の他に、隣接する光電変換膜２１６からの斜め光も問題となるため、混色の影響がより大きくなってしまう。
したがって、ｄ＜ｐとすることによる混色防止の効果は、光電変換膜２１６が全ての画素部で共通の一枚構成である場合に、より顕著なものとなる。
このように、固体撮像素子２００によれば、ｄ＜ｐの関係が成り立つように、光電変換膜２１６、上部電極２１７、保護膜２１８、及びカラーフィルタ２１９が設計されているため、マイクロレンズを設けることなく、斜め光入射による混色及び感度低下を防止することができる。このため、マイクロレンズ形成のためのコストがかかる、マイクロレンズ分の厚みが増加してしまう、マイクロレンズに起因した輝度シェーディングが発生する等の問題点を発生させることなく、高画質の撮影が可能な撮像素子を提供することができる。
２００ 固体撮像素子
２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂ 画素部
２１０ 基板
２１５ 下部電極
２１６ 光電変換膜
２１７ 上部電極
２１８ 保護膜
２１９ カラーフィルタ
２０１ｒ，２０１ｇ，２０１ｂ 画素部
２１０ 基板
２１５ 下部電極
２１６ 光電変換膜
２１７ 上部電極
２１８ 保護膜
２１９ カラーフィルタ
Claims (20)
- １つの色信号を得ることが可能な画素部が同一平面上に複数配列された固体撮像素子であって、
前記画素部は、
基板上方に形成された下部電極、前記下部電極上方に形成された上部電極、及び前記下部電極と前記上部電極に挟まれた複数の前記画素部で共通の一枚構成の光電変換膜を含む光電変換素子と、
前記上部電極上方に形成されたカラーフィルタとを備え、
前記光電変換膜下面から前記カラーフィルタ上面までの距離をｄとし、前記光電変換素子の配列ピッチをｐとしたときに、ｄ＜ｐとなっており、
前記画素部が、前記上部電極と前記カラーフィルタとの間に前記光電変換素子を保護する無機材料の保護膜を備える固体撮像素子。 - 請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記保護膜が、無機酸化物で構成されている固体撮像素子。 - 請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記無機酸化物が金属酸化物である固体撮像素子。 - 請求項３記載の固体撮像素子であって、
前記金属酸化物がＡｌ２Ｏ３である固体撮像素子。 - 請求項２〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記保護膜が原子層堆積（ＡＬＤ）法で成膜されたものである固体撮像素子。 - 請求項４又は５記載の固体撮像素子であって、
前記保護膜と前記カラーフィルタの間、又は、前記保護膜と前記上部電極との間に保護膜をもう１つ備え、
前記もう１つの保護膜が高分子化合物からなる固体撮像素子。 - 請求項６記載の固体撮像素子であって、
前記高分子化合物がパラキシリレン系樹脂である固体撮像素子。 - 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換膜が有機光電変換材料を含んで構成される固体撮像素子。 - 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換膜が直接遷移型無機結晶性半導体材料を含んで構成される固体撮像素子。 - 請求項１〜９のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換膜の膜厚が３μｍよりも小さい固体撮像素子。 - 請求項１０記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換素子の配列ピッチｐが３μｍよりも小さい固体撮像素子。 - 請求項１〜１１のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換膜の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光吸収率が５０％以上である固体撮像素子。 - 請求項１〜１２のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記上部電極がインジウム錫オキサイド、インジウムオキサイド、錫オキサイド、及び亜鉛オキサイドのいずれかで構成される固体撮像素子。 - 請求項１〜１３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記複数の画素部に含まれるカラーフィルタが原色カラーフィルタである固体撮像素子。 - 請求項１〜１３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記複数の画素部に含まれるカラーフィルタが補色カラーフィルタである固体撮像素子。 - 請求項１５記載の固体撮像素子であって、
前記画素部を３つ以上有し、
前記補色カラーフィルタが、イエロー，シアン，マゼンタの３種類、イエロー，シアン，透明の３種類、イエロー，透明，マゼンタの３種類、透明，シアン，マゼンタの３種類、及びイエロー，シアン，マゼンタ，透明の４種類のいずれかである固体撮像素子。 - 請求項１〜１６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記カラーフィルタが金属粒子を含んで構成されたものである固体撮像素子。 - 請求項１７記載の固体撮像素子であって、
前記金属粒子が金粒子又は銀粒子である固体撮像素子。 - 請求項１〜１８のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記下部電極が、入射光が入射して反射した光が隣の前記画素部に侵入するのを防ぐための光侵入防止部を備える固体撮像素子。 - 請求項１〜１９のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記保護膜の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍにおける光透過率が８０％以上である固体撮像素子。
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