JPWO2014112279A1 - 固体撮像素子および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
1.第1の実施形態(転送トランジスタのソースが光電変換素子の下部電極を兼ね、ドレインが増幅トランジスタのゲートに接続された固体撮像素子(4Tr)の例)
2.変形例1(遮光層を用いた場合の例)
3.変形例2(UVカットフィルタを用いた場合の例)
4.変形例3(4Tr全ての活性層およびソース/ドレインをワイドギャップ半導体により形成した場合の例)
5.第2の実施形態(増幅トランジスタのゲートと、ワイドギャップ半導体からなるリセットトランジスタのソースとが、光電変換素子の下部電極に接続された固体撮像素子(3Tr)の例)
6.変形例4(遮光層を用いた場合の例)
7.変形例5(遮光層を用いた場合の他の例)
8.変形例6(UVカットフィルタを用いた場合の例)
9.変形例7(3Tr全ての活性層およびソース/ドレインをワイドギャップ半導体により形成した場合の例)
9.適用例1(固体撮像装置の全体構成例)
10.適用例2(電子機器(カメラ)の例)
[構成]
図1は、本開示の第1の実施形態の固体撮像素子(固体撮像素子1)の断面構成を模式的に表したものである。固体撮像素子1は、例えばCCDまたはCMOSイメージセンサなどである。尚、図1では、後述の画素部(図18に示した画素部1a)のうちの1画素に相当する領域を示している。また、ここでは表面照射型の構造を例に挙げて説明するが、裏面照射型であってもよい。
光電変換素子10は、例えば有機半導体を用いて、選択的な波長の光(例えば緑色光)あるいは全波長の光を吸収して、電子・ホール対を発生させる有機光電変換素子である。光電変換素子10は、電荷を取り出すための一対の電極として、下部電極13A(第1電極)および上部電極16(第2電極)間に有機光電変換層15を挟み込んだ構成を有している。下部電極13A上には、開口Hを有する画素間絶縁膜14が形成されており、これにより光電変換領域が画素毎に分離されている。上部電極16上には、保護膜が形成され、また、必要に応じて、平坦化膜およびオンチップレンズ等が形成されている。以下、各構成要素について具体的に説明する。
転送トランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3および選択トランジスタTr4はいずれも、例えばゲート、ソースおよびドレインの3端子を有する電界効果型の薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)である。
上記のような固体撮像素子1では、光電変換素子10へ上部電極16側から光が入射すると、入射した光の一部または全部は、有機光電変換層15において検出(吸収)される。これにより、有機光電変換層15では、電子・正孔対が発生し、それらのうちの一方(例えば電子)が、信号電荷として読み出される。尚、以下では、下部電極13A側から、信号電荷と電子を読み出す場合を例に挙げて説明する。
図5は、比較例に係る固体撮像素子の断面構成を表したものである。この比較例では、本実施の形態の固体撮像素子と同様、半導体基板1011の面S1上に、多層配線層1012を介して、光電変換素子1010が形成されている。光電変換素子1010は、下部電極1013上に、有機光電変換層1014および上部電極1015をこの順に積層したものである。また、半導体基板1011の面S1上には、光電変換素子1010から信号読み出しを行うための複数のトランジスタ(ここでは、簡便化のため、リセットトランジスタTr101および増幅トランジスタTr102のみを示す)が形成されている。このような積層型の固体撮像素子の構造において、比較例では、下部電極1013が、半導体基板1011の表層に形成されたn型不純物拡散層1019に蓄積される。
図7は、変形例1に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。上記第1の実施の形態では、ワイドギャップ半導体層13を短波長域の光から保護するために、有機光電変換層15をワイドギャップ半導体層13に対向する領域を覆うように形成したが、本変形例のように、遮光層17を設けてもよい。遮光層17は、有機光電変換層15を構成する有機半導体とは異なる材料、例えばタングステン等により構成されている。このような構成によっても、ワイドギャップ半導体層13への光照射によるトランジスタ特性の変動を抑制することができる。
図8は、変形例2に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。上記第1の実施の形態では、ワイドギャップ半導体層13を短波長域の光から保護するために、有機光電変換層15をワイドギャップ半導体層13に対向する領域を覆うように形成したが、本変形例のように、例えば紫外線(UV)を、例えば80%以上遮断するUVカットフィルタ18を、光電変換素子10の光入射側に設けてもよい。このような構成によっても、ワイドギャップ半導体層13への光照射によるトランジスタ特性の変動を抑制することができる。
図9は、変形例3に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。上記第1の実施の形態では、4つのトランジスタTr1〜Tr4のうちの転送トランジスタTr1のみをワイドギャップ半導体により多層配線層12上に形成したが、これら4つのトランジスタTr1〜Tr4全てをワイドギャップ半導体により形成してもよい。
[構成]
図10は、本開示の第2の実施形態の固体撮像素子(固体撮像素子2)の断面構成を模式的に表したものである。固体撮像素子2は、上記第1の実施の形態の固体撮像素子と同様、例えばCCDまたはCMOSイメージセンサなどである。尚、図10では、後述の画素部(図18に示した画素部1a)のうちの1画素に相当する領域を示している。また、ここでは裏面照射型の構造を例に挙げて説明するが、表面照射型であってもよい。以下では、上記第1の実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
光電変換素子10aは、例えば有機半導体を用いて、選択的な波長の光(例えば緑色光)を吸収して、電子・ホール対を発生させる有機光電変換素子である。また、光電変換素子10aは、光電変換により生成された電荷を取り出すための一対の電極として、下部電極20(第1電極)および上部電極16(第2電極)間に有機光電変換層15を挟み込んだ構成を有している。また、上記第1の実施の形態と同様、画素間絶縁膜14により、光電変換領域が画素毎に分離されている。ここでは、下部電極20および画素間絶縁膜14の表面が平坦化されている。また、上部電極16上には保護膜が形成され、必要に応じて平坦化膜およびオンチップレンズ等が形成されている。尚、緑(G)は、例えば495nm〜570nmの波長域に対応する色であり、有機光電変換層15は、この波長域のうちの一部または全部の波長域の光を検出可能であればよい。
リセットトランジスタTr5、増幅トランジスタTr6および選択トランジスタTr7はいずれも、上記第1の実施の形態のトランジスタTr1〜Tr4と同様、例えばゲート、ソースおよびドレインの3端子を有する電界効果型の薄膜トランジスタである。
上記のような固体撮像素子2では、光電変換素子10aへ上部電極16側から光が入射すると、入射した光の一部(例えば緑色光)は、上記第1の実施の形態と同様、有機光電変換層15において検出(吸収)される。これにより、有機光電変換層15では、電子・正孔対が発生し、それらのうちの一方の電荷(例えば電子)が、下部電極20から取り出される。一方、有機光電変換層15によって吸収されなかった光(青色光,赤色光)は、半導体基板11内のフォトダイオード11B,11Rにおいて順に吸収され、光電変換される。
図14は、変形例4に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。上記第2の実施の形態では、裏面照射型の構造を採ることで、ワイドギャップ半導体層21を光照射に強い構造としたが、本変形例のように表面照射型の場合には、遮光層22を設けることが望ましい。
図15は、変形例5に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。このように、上部電極16上に、遮光層23を設けてもよい。この遮光層23の構成材料としては、例えば上記変形例1の遮光層17と同様の材料が挙げられる。このような構成によっても、ワイドギャップ半導体層21への光照射によるトランジスタ特性の変動を抑制することができる。また、リセットトランジスタTr5のレイアウト設計の自由度も高くなる。
図16は、変形例6に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。このように、例えば紫外線(UV)を遮断するUVカットフィルタ24を、光電変換素子10aの光入射側に設けてもよい。このような構成によっても、ワイドギャップ半導体層21への光照射によるトランジスタ特性の変動を抑制することができる。また、リセットトランジスタTr5のレイアウト設計の自由度も高くなる。
図17は、変形例7に係る固体撮像素子の断面構成を模式的に表したものである。上記第2の実施の形態では、3つのトランジスタTr5〜Tr7のうちのリセットトランジスタTr5のみをワイドギャップ半導体により形成したが、これら3つのトランジスタTr5〜Tr7全てをワイドギャップ半導体により形成してもよい。
図18は、上記第1,第2の実施の形態および変形例1〜7等において説明した固体撮像素子(固体撮像素子1,2)を各画素に用いた装置全体の構成を表したものである。このように、固体撮像素子1,2(以下、固体撮像素子1を例に挙げて説明する)は、半導体基板11上に、撮像エリアとしての画素部1aを有すると共に、この画素部1aの周辺領域に、例えば行走査部131、水平選択部133、水平選択部134およびシステム制御部132からなる周辺回路部130を有している。
上述の固体撮像装置1は、例えばデジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話など、撮像機能を備えたあらゆるタイプの電子機器に適用することができる。図19に、その一例として、電子機器3(カメラ)の概略構成を示す。この電子機器3は、例えば静止画または動画を撮影可能なビデオカメラであり、固体撮像素子1と、光学系(光学レンズ)310と、シャッタ装置311と、固体撮像素子1およびシャッタ装置311を駆動する駆動部313と、信号処理部312とを有する。
(1)
第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、転送トランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記転送トランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
ソースおよびドレインのうちの一方の端子が、前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極を兼ねると共に、他方の端子が、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子。
(2)
前記転送トランジスタは、
前記第2の半導体を含むワイドギャップ半導体層と、
前記ワイドギャップ半導体層の一部に対向配置されたゲート電極とを有し、
前記ワイドギャップ半導体層は、前記ゲート電極に対向する一部が前記活性層として機能すると共に、前記活性層に隣接して、前記ソースおよび前記第1電極として機能する領域と、前記ドレインおよびフローティングディフュージョンとして機能する領域とを含む
上記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記増幅トランジスタは、前記基板の回路形成面に設けられている
上記(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記複数のトランジスタは、前記転送トランジスタおよび増幅トランジスタと共に、リセットトランジスタおよび選択トランジスタを含み、
前記リセットトランジスタのソースまたはドレインは、前記増幅トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方の端子に接続され、
前記選択トランジスタのソースまたはドレインは、前記増幅トランジスタのソースおよびドレインのうちの他方の端子に接続されている
上記(2)または(3)に記載の固体撮像素子。
(5)
前記ワイドギャップ半導体層は、更に、前記リセットトランジスタ、前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタのそれぞれの活性層、ソースおよびドレインとして機能する部分を含む
上記(4)に記載の固体撮像素子。
(6)
前記第1の半導体はシリコンであり、
前記第2の半導体は、インジウム(In),ガリウム(Ga)および亜鉛(Zn)のうちの少なくとも1種を含む酸化物半導体である
上記(1)〜(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)
前記光電変換層は、前記ワイドギャップ半導体層の形成領域を覆って設けられている
上記(6)に記載の固体撮像素子。
(8)
前記ワイドギャップ半導体層よりも上層であって、前記光電変換素子の受光領域を除く領域に、前記光電変換層とは異なる材料からなる遮光層が設けられている
上記(6)または(7)に記載の固体撮像素子。
(9)
光入射側に紫外線カットフィルタが設けられている
上記(6)〜(8)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)
第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記リセットトランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極が、前記リセットトランジスタのソースおよびドレインのうちの一方の端子に接続されると共に、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子。
(11)
前記リセットトランジスタは、
前記第2の半導体を含むワイドギャップ半導体層と、
前記ワイドギャップ半導体層の一部に対向配置されたゲート電極とを有する
上記(10)に記載の固体撮像素子。
(12)
前記増幅トランジスタは、前記基板の回路形成面に設けられている
上記(11)に記載の固体撮像素子。
(13)
前記複数のトランジスタは、前記リセットトランジスタおよび増幅トランジスタと共に、選択トランジスタを含み、
前記選択トランジスタのソースまたはドレインは、前記増幅トランジスタのソースまたはドレインに接続されている
上記(11)または(12)に記載の固体撮像素子。
(14)
前記ワイドギャップ半導体層は、更に、前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタのそれぞれの活性層、ソースおよびドレインとして機能する部分を含む
上記(13)に記載の固体撮像素子。
(15)
前記第1の半導体はシリコンであり、
前記第2の半導体は、インジウム(In),ガリウム(Ga)および亜鉛(Zn)のうちの少なくとも1種を含む酸化物半導体である
上記(10)〜(14)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(16)
前記光電変換層は、前記ワイドギャップ半導体層の形成領域を覆って設けられている
上記(15)に記載の固体撮像素子。
(17)
前記ワイドギャップ半導体層よりも上層であって、前記光電変換素子の受光領域を除く領域に、前記光電変換層とは異なる材料からなる遮光層が設けられている
上記(15)または(16)に記載の固体撮像素子。
(18)
光入射側に紫外線カットフィルタが設けられている
上記(15)〜(17)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(19)
第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、転送トランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記転送トランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
ソースおよびドレインのうちの一方の端子が、前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極を兼ねると共に、他方の端子が、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子を有する電子機器。
(20)
第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記リセットトランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極が、前記リセットトランジスタのソースおよびドレインのうちの一方の端子に接続されると共に、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子を有する電子機器。
Claims (20)
- 第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、転送トランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記転送トランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
ソースおよびドレインのうちの一方の端子が、前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極を兼ねると共に、他方の端子が、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子。 - 前記転送トランジスタは、
前記第2の半導体を含むワイドギャップ半導体層と、
前記ワイドギャップ半導体層の一部に対向配置されたゲート電極とを有し、
前記ワイドギャップ半導体層は、前記ゲート電極に対向する一部が前記活性層として機能すると共に、前記活性層に隣接して、前記ソースおよび前記第1電極として機能する領域と、前記ドレインおよびフローティングディフュージョンとして機能する領域とを含む
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記増幅トランジスタは、前記基板の回路形成面に設けられている
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記複数のトランジスタは、リセットトランジスタおよび選択トランジスタを更に含み、
前記リセットトランジスタのソースまたはドレインは、前記増幅トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方の端子に接続され、
前記選択トランジスタのソースまたはドレインは、前記増幅トランジスタのソースおよびドレインのうちの他方の端子に接続されている
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記ワイドギャップ半導体層は、更に、前記リセットトランジスタ、前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタのそれぞれの活性層、ソースおよびドレインとして機能する部分を含む
請求項4に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の半導体はシリコンであり、
前記第2の半導体は、インジウム(In),ガリウム(Ga)および亜鉛(Zn)のうちの少なくとも1種を含む酸化物半導体である
請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記光電変換層は、前記ワイドギャップ半導体層の形成領域を覆って設けられている
請求項6に記載の固体撮像素子。 - 前記ワイドギャップ半導体層よりも上層であって、前記光電変換素子の受光領域を除く領域に、前記光電変換層とは異なる材料からなる遮光層が設けられている
請求項6に記載の固体撮像素子。 - 光入射側に紫外線カットフィルタが設けられている
請求項6に記載の固体撮像素子。 - 第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記リセットトランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極が、前記リセットトランジスタのソースおよびドレインのうちの一方の端子に接続されると共に、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子。 - 前記リセットトランジスタは、
前記第2の半導体を含むワイドギャップ半導体層と、
前記ワイドギャップ半導体層の一部に対向配置されたゲート電極とを有する
請求項10に記載の固体撮像素子。 - 前記増幅トランジスタは、前記基板の回路形成面に設けられている
請求項11に記載の固体撮像素子。 - 前記複数のトランジスタは選択トランジスタを更に含み、
前記選択トランジスタのソースまたはドレインは、前記増幅トランジスタのソースまたはドレインに接続されている
請求項11に記載の固体撮像素子。 - 前記ワイドギャップ半導体層は、更に、前記増幅トランジスタおよび前記選択トランジスタのそれぞれの活性層、ソースおよびドレインとして機能する部分を含む
請求項13に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の半導体はシリコンであり、
前記第2の半導体は、インジウム(In),ガリウム(Ga)および亜鉛(Zn)のうちの少なくとも1種を含む酸化物半導体である
請求項11に記載の固体撮像素子。 - 前記光電変換層は、前記ワイドギャップ半導体層の形成領域を覆って設けられている
請求項15に記載の固体撮像素子。 - 前記ワイドギャップ半導体層よりも上層であって、前記光電変換素子の受光領域を除く領域に、前記光電変換層とは異なる材料からなる遮光層が設けられている
請求項15に記載の固体撮像素子。 - 光入射側に紫外線カットフィルタが設けられている
請求項15に記載の固体撮像素子。 - 第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、転送トランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記転送トランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
ソースおよびドレインのうちの一方の端子が、前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極を兼ねると共に、他方の端子が、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子を有する電子機器。 - 第1の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられると共に、前記基板側から順に第1電極、光電変換層および第2電極を有する光電変換素子と、
前記光電変換素子から信号読み出しを行うための電界効果型の複数のトランジスタと
を備え、
前記複数のトランジスタは、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、
前記リセットトランジスタは、
前記第1の半導体よりもバンドギャップの大きな第2の半導体を含む活性層を有し、
前記光電変換素子の前記第1電極または前記第2電極が、前記リセットトランジスタのソースおよびドレインのうちの一方の端子に接続されると共に、前記増幅トランジスタのゲートに接続されている
固体撮像素子を有する電子機器。
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