JP4759396B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上方に積層された異なる色を検出する複数の光電変換膜を有する固体撮像素子に関する。

従来、光を吸収してこれに応じた電荷を発生する光電変換膜と、この光電変換膜で発生した電荷のうち画像データの生成に用いる電荷を移動させる電極膜である画素電極膜と、該光電変換膜を介して該画素電極膜に対向する対向電極膜とを含む光電変換部が、半導体基板上方に複数積層された固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、光電変換部として、赤色（Ｒ）を検出する光電変換膜を含むＲ光電変換部と、緑色（Ｇ）を検出する光電変換膜を含むＧ光電変換部と、青色（Ｂ）を検出する光電変換膜を含むＢ光電変換部とがこの順に積層された構成が開示されている。このような固体撮像素子では、複数の光電変換部の各々において、画素電極膜と対向電極膜に電圧を印加して光電変換膜にバイアス電圧を加えることで、光電変換膜で発生した電荷を画素電極膜に移動させ、ここから半導体基板内に形成された電荷蓄積部に電荷を移動させ、電荷蓄積部に蓄積された電荷をＣＣＤに読み出して転送し、転送した電荷を信号に変換して出力している。

特開２００２−８３９４６号公報

上述した構成の固体撮像素子において、各光電変換膜に加わるバイアス電圧を個別に制御する場合を考える。この場合、各光電変換膜に加わったバイアス電圧が他の光電変換膜のバイアス電圧に影響を与えてしまい、良好な画像が得られない可能性がある。又、半導体基板に形成されたＣＣＤにおいて、Ｇ光電変換部で発生したＧ電荷を読み出した後、Ｒ，Ｂ光電変換部で発生したＲ，Ｂ電荷を読み出すといったインターレース駆動を行う場合を考える。この場合には、Ｇ電荷を読み出す際にＧ電荷が蓄積されている電荷蓄積部の電位が変動するが、この電位変動はＧ光電変換部の画素電極膜に伝わる可能性がある。Ｇ光電変換部の画素電極膜の電位が変動してしまい、この変動がＲ光電変換部やＢ光電変換部の画素電極膜にも伝わると、電荷蓄積部からまだ読み出されていないＲ電荷及びＢ電荷が、電荷蓄積部から画素電極膜に逆流する等して所望の電荷量が得られず、良好な画像が得られない可能性がある。このため、従来の積層型の固体撮像素子では、その駆動方法に制限をかける必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、駆動方法の選択の幅を広げ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、複数種類の光電変換部が、半導体基板上方に積層された固体撮像素子であって、前記複数種類の光電変換部のそれぞれは、入射光のうちの異なる波長領域の光に応じた信号電荷を発生するものであり、前記光電変換部は、光電変換膜と、前記光電変換膜で発生した電荷のうち画像データの生成に用いる電荷が移動する電極膜である画素電極膜と、前記光電変換膜を介して前記画素電極膜に対向する電極膜である対向電極膜とを含み、積層方向に隣接する前記光電変換部の間に、当該光電変換部同士の電気的シールドを行うシールド膜を有する。

本発明の固体撮像素子は、前記シールド膜が複数層で構成される。

本発明の固体撮像素子は、前記シールド膜が固定電位に接続される。

本発明の固体撮像素子は、前記固定電位が接地電位である。

本発明の固体撮像素子は、前記シールド膜がＩＴＯで構成される。

本発明によれば、駆動方法の選択の幅を広げ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平面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図である。

図２に示すように、ｎ型の半導体基板１上方には、Ｒ光を検出すると共に、それに応じたＲ成分の信号電荷を発生するＲ光電変換膜１５と、Ｇ光を検出すると共に、それに応じたＧ成分の信号電荷を発生するＧ光電変換膜１９と、Ｂ光を検出すると共に、それに応じたＢ成分の信号電荷を発生するＢ光電変換膜２３とがこの順に積層されている。尚、各光電変換膜の積層順序はこれに限らない。又、各光電変換膜の材料としては有機材料を用いるのが好ましい。又、光電変換膜は３つである必要はなく、２つ以上積層されていれば良い。

図１に示すように、ｎ型半導体基板１の表面部には、Ｒ光電変換膜１５で発生した信号電荷を蓄積する高濃度のｎ型の不純物領域であるｎ＋領域３と、Ｇ光電変換膜１９で発生した信号電荷を蓄積する高濃度のｎ型の不純物領域であるｎ＋領域４と、Ｂ光電変換膜２３で発生した信号電荷を蓄積する高濃度のｎ型の不純物領域であるｎ＋領域５とが形成され、列方向（図１のＹ方向）に配列されたｎ＋領域３〜５が１つの画素部に対応し、画素部が行方向（図１のＸ方向）及び列方向に正方格子状に配列されている。１つの画素部からは、各光電変換膜の同一位置で検出されたＲ，Ｇ，Ｂの信号電荷に応じた信号を得ることができるため、この信号に基づいて１画素データを生成することが可能となる。

ｎ型半導体基板１には、ｎ＋領域３〜５の各々に蓄積された信号電荷を読み出して列方向に転送する垂直転送部２０と、垂直転送部２０から転送されてきた信号電荷を行方向に転送する水平転送部３０と、水平転送部３０から転送されてきた信号電荷に応じた信号を外部に出力する出力部４０とが形成されている。このように、固体撮像素子１００は、垂直転送部２０、水平転送部３０、及び出力部４０を含むＣＣＤ型の信号読出部によって信号を読み出す構成である。尚、信号読出部は、ＭＯＳ型のものであっても良い。

図２に示すように、Ｒ光電変換膜１５は、Ｒ光電変換膜１５で発生した電荷のうち、画像データの生成に用いる電荷（一般には電子）が移動する画素電極膜１４と、画素電極膜１４に対向する対向電極膜１６とに挟まれている。１つの画素部に含まれる画素電極膜１４、Ｒ光電変換膜１５、及び対向電極膜１６のまとまりを以下ではＲ光電変換部という。

Ｇ光電変換膜１９は、Ｇ光電変換膜１９で発生した電荷のうち、画像データの生成に用いる電荷が移動する画素電極膜１８と、画素電極膜１８に対向する対向電極膜２０とに挟まれている。１つの画素部に含まれる画素電極膜１８、Ｇ光電変換膜１９、及び対向電極膜２０のまとまりを以下ではＧ光電変換部という。

Ｂ光電変換膜２３は、Ｂ光電変換膜２３で発生した電荷のうち、画像データの生成に用いる電荷が移動する画素電極膜２２と、画素電極膜２２に対向する対向電極膜２４とに挟まれている。１つの画素部に含まれる画素電極膜２２、Ｂ光電変換膜２３、及び対向電極膜２４のまとまりを以下ではＢ光電変換部という。

画素電極膜１４，１８，２２は、画素部毎に区分けされている。対向電極膜１６，２０，２４は、全画素部で共通して用いることができるため、画素部毎に区分けされていないが、区分けしてあっても良い。又、各光電変換膜も同様、画素部毎に区分けしてあっても良い。

光電変換膜を介さずに隣接する対向電極膜１６と画素電極膜１８の間には、透明絶縁膜１７及び透明絶縁膜２７で挟まれたシールド膜２６が設けられ、光電変換膜を介さずに隣接する対向電極膜２０と画素電極膜２２の間には、透明絶縁膜２１及び透明絶縁膜２９で挟まれたシールド膜２８が設けられている。シールド膜２６は、対向電極膜１６を含むＲ光電変換部及び画素電極膜１８を含むＧ光電変換部同士の電気的シールドを行うものである。シールド膜２８は、対向電極膜２０を含むＧ光電変換部及び画素電極膜２２を含むＢ光電変換部同士の電気的シールドを行うものである。

シールド膜２６及びシールド膜２８を設けることで、ある光電変換部の光電変換膜に加わる電圧が、その隣の光電変換部に与える電気的な影響を防ぐことができる。シールド膜２６及びシールド膜２８は、それぞれ、例えばＩＴＯで構成されており、固定電位である接地電位に接続されている。又、シールド膜２６及びシールド膜２８は、単層の膜であっても良いし、複数層からなる膜であっても良い。複数層にすることで、シールド効果を高めることができる。

ｎ型半導体基板１の表面部にはｐウェル層２が形成され、ｐウェル層２の表面部にはｎ＋領域３が形成されている。画素電極膜１４とｎ＋領域３は縦配線２６によって接続されており、これにより、Ｒ光電変換膜１５とｎ＋領域３は電気的に接続される。縦配線２６は、接続される画素電極膜１４及びｎ＋領域３以外とは電気的に絶縁される。ｎ＋領域３には、Ｒ光電変換膜１５で発生した信号電荷が、画素電極膜１４及び縦配線２６を伝って流れ込み、蓄積される。

尚、図２では、ｎ＋領域３の断面部を示したが、ｎ＋領域４，５の断面部は、図２に示したｎ＋領域３をｎ＋領域４又は５とし、縦配線２６の接続先を、ｎ＋領域４の場合は画素電極膜１８に、ｎ＋領域５の場合は画素電極膜２２にすること以外は図２と同様である。このため、ｎ＋領域４，５の断面部の説明は省略する。

図２に戻り、ｎ＋領域３の右側には、少し離間して、Ｙ方向に延びるｎ＋領域３よりも濃度の薄いｎ型の不純物領域であるｎ領域６が形成される。ｎ領域６の上にはｎ＋領域３の上まで達する読み出し電極を兼用するポリシリコンからなる転送電極１１が形成され、転送電極１１の上には、遮光膜１２が設けられる。ｎ領域６と転送電極１１が垂直転送部２０を構成する。この転送電極１１に高電位の読み出しパルスが印加されることにより、ｎ＋領域３とｎ領域６との間のｐウェル層２の転送電極１１と重なる領域ｇが、ｎ＋領域３に蓄積されている信号電荷を読み出すための信号電荷読み出し領域となり、ｎ＋領域３に蓄積されている信号電荷は、この信号読み出し領域を通ってｎ領域６に読み出される。

ｎ＋領域３の左側面部にはｐウェル層２よりも濃度の濃いｐ＋領域や酸化シリコン等からなる素子分離領域７が設けられ、隣接垂直転送部２０との分離が図られる。ｎ型半導体基板１の最表面には、酸化シリコン膜１０が形成され、その上に、上記の転送電極１１が形成される。

遮光膜１２，転送電極１１は透明の絶縁層１３内に埋設される。

斯かる構成の固体撮像素子に被写体からの光が入射すると、入射光の内のＢの波長領域の光がＢ光電変換膜２３に吸収され、吸収された光量に応じた正孔電子対が発生する。この状態で、画素電極膜２２及び対向電極膜２４間に所定の電圧を印加して、Ｂ光電変換膜２３に電圧を加えると、Ｂ光電変換膜２３で発生した電子が画素電極膜２２から縦配線２６を通してｎ＋領域５に流れ込み、ここに蓄積される。

同様に、入射光の内のＧの波長領域の光がＧ光電変換膜１９に吸収され、吸収された光量に応じた正孔電子対が発生する。この状態で、画素電極膜１８及び対向電極膜２０間に所定の電圧を印加して、Ｇ光電変換膜１９に電圧を加えると、Ｇ光電変換膜１９で発生した電子が画素電極膜１８から縦配線２６を通してｎ＋領域４に流れ込み、ここに蓄積される。

同様に、入射光の内のＲの波長領域の光がＲ光電変換膜１５に吸収され、吸収された光量に応じた正孔電子対が発生する。この状態で、画素電極膜１４及び対向電極膜１６間に所定の電圧を印加して、Ｒ光電変換膜１５に電圧を加えると、Ｒ光電変換膜１５で発生した電子が画素電極膜１４から縦配線２６を通してｎ＋領域３に流れ込み、ここに蓄積される。

光入射によって光電変換膜内で発生する正孔電子対は、この光電変換膜内で再結合する場合がある。そこで、本実施形態の固体撮像素子では、画素電極膜及び対向電極膜間に電圧を印加する手段としての配線（この配線はどの様に設けても良く、所望の制御電圧が画素電極膜と対向電極膜間に印加されれば良い。）を設けておき、この配線を通して、印加電圧を調整し、画素電極膜と対向電極膜との間の光電変換膜内における電位勾配を制御する。

これにより、正孔電子対に電離した電子が画素電極膜に、正孔が対向電極膜に速やかに移動して再結合が抑制され、電位勾配の制御によって各色成分の感度調整が可能となる。

図３は、図１，２に示す固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック構成図である。
動画像や静止画像を撮像する本実施形態に係るデジタルカメラは、固体撮像素子１００の光入射側に、レンズ２ｄ，絞り／シャッタ３ｄ，光学ローパスフィルタ４ｄを備えると共に、固体撮像素子１００の撮像データを構成するＲ，Ｇ，Ｂの画像信号を受け取り相関二重サンプリング処理，Ａ／Ｄ変換処理，色分離処理などのアナログ処理を行うアナログ信号処理回路５ｄと、アナログ処理されたデジタルの画像信号を受け取りＲＧＢ／ＹＣ変換処理などの信号処理を行って撮像画像データを生成するデジタル信号処理回路６ｄと、デジタル処理された撮像画像データを表示するモニタ７ｄと、デジタル処理された撮像画像データをＪＰＥＧ形式等の撮像画像データに圧縮する圧縮信号処理回路８ｄと、圧縮された撮像画像データを記録するメモリカード９ｄとを備える。

このデジタルカメラは更に、アナログ信号処理回路５ｄから出力されるＲ，Ｇ，Ｂの画像信号を受信してオートホワイトバランス（ＡＷＢ）処理用に各色信号を積算するＡＷＢ積算回路１０ｄと、アナログ信号処理回路５ｄから出力されるＲ，Ｇ，Ｂの画像信号を受信して自動露出（ＡＥ）処理用に積算し積算結果をデジタル信号処理回路６ｄに出力すると共に積算結果で絞り／シャッタ３ｄを制御するＡＥ積算回路１１ｄと、同じくアナログ信号処理回路５ｄから出力されるＲ，Ｇ，Ｂの画像信号を受信して自動焦点（ＡＦ）処理用に積算しレンズ２ｄのフォーカス位置を調整するＡＦ用積算回路１２ｄとを備える。

本実施形態のデジタルカメラは更に、タイミングジェネレータ１３ｄ及び印加電圧調整回路１４ｄを備える。印加電圧調整回路１４ｄは、ＡＷＢ積算回路１０ｄの積算結果により、固体撮像素子１００のＲ光電変換部，Ｂ光電変換部の画素電極膜・対向電極膜間の印加電圧を調整して固体撮像素子１００自体の感度調整を行い、タイミングジェネレータ１３ｄは、ＡＥ用積算回路１１ｄの積算結果を受け取り印加電圧調整回路１４ｄと協働するタイミングで固体撮像素子１００の駆動タイミングを固体撮像素子１００に出力する。尚、印加電圧調整回路１４ｄは、Ｇ光電変換部の画素電極膜及び対向電極膜間の印加電圧を調整することも可能である。

図４は、図３に示すデジタルカメラが実行するオートホワイトバランス（ＡＷＢ）処理の処理手順を示すフローチャートである。
ＡＷＢ処理が開始されると、先ず、ＡＷＢ積算回路１０ｄがＲ，Ｇ，Ｂの各画像信号を積算して積算結果を取得する（ステップＳ１）。次に、Ｒの積算値とＧの積算値とが所定範囲内で等しいか否かを判定し（ステップＳ２）、範囲結果が肯定の場合には、次のステップＳ３に進み、今度は、Ｂの積算値とＧの積算値とが所定範囲内で等しいか否かを判定する。この判定結果が肯定の場合には、このＡＷＢ処理を終了する。

一般的に、カラー画像を撮像した場合、どの様なシーンであっても、その中には赤色Ｒ，緑色Ｇ，青色Ｂが同じだけ含まれるということが前提のため、ステップＳ２，Ｓ３が成立する（Ｒ≒Ｇ≒Ｂ）ということは、この前提を満たすカラー画像が撮像されていると判断でき、このＡＷＢ処理では、印加電圧調整回路１４ｄによる調整制御は行わない。

ステップＳ２の判定結果が否定のときは、ステップＳ２からステップＳ４に進み、積算値Ｒ＞積算値Ｇが成立するか否かを判定する。成立する場合には、赤色の感度が高すぎると判定してステップＳ５に進み、Ｒ光電変換部の画素電極膜１４及び対向電極膜１６間の印加電圧を低減させ、ステップＳ１に戻る。即ち、フィードバック制御が行われ、リアルタイムに感度調整が行われる（以下同様）。

ステップＳ４の判定結果が否定すなわちカラー画像中の赤色の積算値が緑色の積算値よりかなり少ない場合には、赤色感度が低すぎると判定してステップＳ６に進み、Ｒ光電変換部の画素電極膜１４及び対向電極膜１６間の印加電圧を増加させ、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ３の判定結果が否定のときは、ステップＳ３からステップＳ７に進み、積算値Ｂ＞積算値Ｇが成立するか否かを判定する。成立する場合には、青色の感度が高すぎると判定してステップＳ８に進み、Ｂ光電変換部の画素電極膜２２及び対向電極膜２４間の印加電圧を低減させ、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ７の判定結果が否定すなわちカラー画像中の青色の積算値が緑色の積算値よりかなり少ない場合には、青色感度が低すぎると判定してステップＳ９に進み、Ｂ光電変換部の画素電極膜２２及び対向電極膜２４間の印加電圧を増加させ、ステップＳ１に戻る。

以上により、本実施形態の固体撮像素子１００を搭載したデジタルカメラでは、各色を検出する光電変換部の感度を略均一に制御可能となり、良好なカラー画像を撮像することが可能となる。

また、入射光量の全体が少ない暗いシーンを撮像する場合には、デジタルカメラの図示しない操作スイッチを操作して、ＩＳＯ感度を増加させる。これにより、各光電変換部における画素電極膜及び対向電極膜間の印加電圧が全体的に増加され、各光電変換膜で発生した正孔電子対の再結合による消滅割合が少なくなり、明るくノイズの少ない画像を撮像することが可能となる。

また、固体撮像素子１００によれば、Ｒ光電変換部の画素電極膜１４及び対向電極膜１６間の印加電圧が変動した場合でも、Ｒ光電変換部とＧ光電変換素部の間にシールド膜２６が介在しているため、その印加電圧の変動が、他の光電変換部の印加電圧に影響を与えることはない。同様に、Ｂ光電変換部の画素電極膜２２及び対向電極膜２４間の印加電圧が変動した場合でも、Ｂ光電変換部とＧ光電変換素部の間にシールド膜２８が介在しているため、その印加電圧の変動が、他の光電変換部の印加電圧に影響を与えることはない。又、Ｇ光電変換部の画素電極膜１８及び対向電極膜２０間の印加電圧が変動した場合でも、Ｇ光電変換部とＲ，Ｂ光電変換素部の間にシールド膜２６，２８が介在しているため、その印加電圧の変動が、他の光電変換部の印加電圧に影響を与えることはない。したがって、各色の感度変更を精度良く行うことができる。

また、固体撮像素子１００によれば、半導体基板１に形成されたＣＣＤをインターレース駆動する場合でも、後に読み出す電荷が画素電極膜に逆流してしまうといった事態を防ぐことができ、良好な画像を得ることができる。

このように、固体撮像素子１００の構成によれば、画質を維持しながら、様々な駆動方法を採用することができる。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図 図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図 図１，２に示す固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック構成図 図３に示すデジタルカメラが実行するオートホワイトバランス（ＡＷＢ）処理の処理手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 半導体基板
３，４，５ ｎ＋領域
２０ 垂直転送部
３０ 水平転送部
４０ 出力部
１５ Ｒ光電変換膜
１９ Ｇ光電変換膜
２３ Ｂ光電変換膜
１４，１８，２２ 画素電極膜
１６，２０，２４ 対向電極膜
２６，２８ シールド膜

Claims (5)

1. 複数種類の光電変換部が、半導体基板上方に積層された固体撮像素子であって、
   前記複数種類の光電変換部のそれぞれは、入射光のうちの異なる波長領域の光に応じた信号電荷を発生するものであり、
   前記光電変換部は、光電変換膜と、前記光電変換膜で発生した電荷のうち画像データの生成に用いる電荷が移動する電極膜である画素電極膜と、前記光電変換膜を介して前記画素電極膜に対向する電極膜である対向電極膜とを含み、
   積層方向に隣接する前記光電変換部の間に、当該光電変換部同士の電気的シールドを行うシールド膜を有する固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記シールド膜が複数層で構成される固体撮像素子。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
   前記シールド膜が固定電位に接続される固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記固定電位が接地電位である固体撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか記載の固体撮像素子であって、
   前記シールド膜がＩＴＯで構成される固体撮像素子。

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