KR101676972B1 - 고체 촬상 소자 및 촬상 장치 - Google Patents

고체 촬상 소자 및 촬상 장치 Download PDF

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Abstract

(과제) 고체 촬상 소자에 있어서, W 화소를 구비한 구성으로 한 경우에 발생하는 혼색을 방지한다.
(해결 수단) 기판 (1) 상에 이차원상으로 배치된 복수의 광전 변환부 (17) 상에, 상이한 복수색의 컬러 필터 (21) 를 갖는 컬러 필터층 (CF) 을, 각 컬러 필터 (21) 가 각 광전 변환부 (17) 에 1 : 1 로 대응하도록 배치한 고체 촬상 소자에 있어서, 광전 변환부 (17) 가 각 화소별로 구획된 화소 전극 (12) 과, 전체 화소에 공통되는 광전 변환막 (14) 과, 광전 변환막 (14) 을 사이에 두고 화소 전극 (12) 과 대향하여 배치되는 대향 전극 (16) 으로 이루어는 것으로 하고, 컬러 필터층 (CF) 의 하면부터 광전 변환막 (14) 상면까지의 광로 길이 (d1) 를 1.2 ㎛ 이하로 하고, 광전 변환막 (14) 의 두께의 광로 길이 (d2) 를 1.4 ㎛ 이하로 한다.

Description

고체 촬상 소자 및 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND IMAGING DEVICE}
본 발명은, 광의 조사를 받아 전하를 발생하는 광전 변환부를 구비한 고체 촬상 소자 및 그 고체 촬상 소자를 구비한 촬상 장치에 관한 것이다.
디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라, 휴대 전화용 카메라, 내시경용 카메라 등에 이용되고 있는 이미지 센서로서, 실리콘 (Si) 칩 등의 반도체 기판에 포토 다이오드를 포함하는 화소를 배열하고, 각 화소의 포토 다이오드에서 발생한 광 전자에 대응하는 신호 전하를 CCD 형이나 CMOS 형 판독 회로로 취득하는, 고체 촬상 소자 (소위 CCD 센서나 CMOS 센서) 가 널리 알려져 있다.
최근, 고체 촬상 소자의 화소 미세화가 진행되고 있다. 화소를 미세화하면 각 화소에 입사하는 포톤 수가 감소하기 때문에, 일반적으로 화상의 감도가 저하한다는 문제가 수반한다. 그래서, 고감도화를 도모하기 위해서, 색 필터 배열에 White 화소 (백색 화소) 를 도입하고, WRGB 컬러 필터를 구비하는 것이 제안되어 있다 (특허문헌 1, 특허문헌 2 등).
종래형의 촬상 소자로는, 실리콘 등의 반도체 기판 내에 광전 변환부가 판독 회로와 함께 형성된 구성이 일반적이다. 그러나, 광전 변환부와 판독 회로를 기판 내에 구비하기 때문에, 미세화에 수반하여, 광전 변환부의 개구율의 저하, 집광 효율의 저하가 문제가 되고 있다.
또한, 신호 판독 회로가 형성된 반도체 기판 상에 3 층의 광전 변환막을 적층하는 구조의 촬상 소자나, 반도체 기판 내의 포토 다이오드로 B (Blue) 와 R (Red) 의 광을 검출하고, 실리콘 기판 상방의 광전 변환 소자로 G (Green) 의 광을 검출하는 구조의 촬상 소자 (특허문헌 3) 등의 1 화소로 3 색의 수광을 동시 실시하는 적층형의 촬상 소자도 제안되어 있지만, 이와 같은 1 화소로 복수 색의 수광을 실시하는 구조는, 제작이 곤란하고 비용이 높아진다는 문제가 있다.
한편, 신호 판독 회로 등이 형성된 실리콘 기판의 상방에 1 쌍의 전극과 이들 사이에 끼인 광전 변환막을 포함하는 광전 변환부를 형성하고, 이 광전 변환부 상에 종래의 고체 촬상 소자의 경우와 동일한 컬러 필터층을 구비함으로써, 각 컬러 필터를 투과하여 광전 변환막에서 발생한 전하를 상기 1 쌍의 전극의 일방으로부터 실리콘 기판에 이동시켜 축적하고, 이 축적 전하에 따른 신호를, 실리콘 기판에 형성한 신호 판독 회로로 판독하는 적층형의 고체 촬상 소자가 최근 주목 받고 있다. 광전 변환막을 전체 화소에 공통되는 1 장 막으로 하여 형성함으로써, 광전 변환부와 판독 회로를 기판 내에 형성한 종래의 고체 촬상 소자와 비교하여, 각 화소의 수광 영역을 크게 (개구율을 대략 100 ％ 로) 할 수 있기 때문에, 고감도화가 기대되고 있다 (특허문헌 4, 5 등).
일본 공개특허공보 2004-304706호 일본 공개특허공보 2011-243817호 일본 공개특허공보 2007-103786호 일본 공개특허공보 2008-263178호 일본 공개특허공보 2011-187663호
특허문헌 4, 5 등에 기재된 적층형의 고체 촬상 소자에 있어서도, 특허문헌 1, 2 등에 기재된 W 화소를 구비한 필터 배열을 적용함으로써, 추가적인 미세화, 고감도화를 도모할 수 있는 것으로 생각된다.
그러나, 이 적층형의 고체 촬상 소자에 W 화소를 적용하는 데에 있어서, 개구율 100 ％ 에서만의 다른 문제가 발생하는 것이 발명자의 검토에 의해 밝혀졌다. 이하에 그 문제점에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명자는, W 화소를 포함하는 필터층을 단순히 적층형 촬상 소자에 구비한 경우, W 필터와 그 이외의 색 필터 사이의 굴절률차에 의해, W 필터에 입사한 광이 다른 색필터측으로 구부러진다는 현상으로부터 혼색의 문제가 발생하고, S/N 의 저하로 연결되는 것을 알아냈다. WRGB 필터에 대하여, 각 색별 굴절률의 파장 의존성을 도 1 에 나타낸다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, W 필터는 R, G, B 필터와 비교하여 굴절률이 작고, 파장 의존성도 작다. 일반적으로, 광은 굴절률이 낮은 매질로부터 굴절률이 높은 매질측으로 구부러진다.
도 2 는, 일반적인 베이어 (Bayer) 배열의 RGB 필터 (90) 를 사용한 경우의, B 광 입사시 (90B), G 광 입사시 (90G), R 광 입사시 (90R) 의 각 필터 사이에 있어서의 광 침입 영역 (도 2 중 우상 사선으로 나타내는 영역) 을 나타내는 평면 모식도이다. 또한, 도 3 은, RGB 베이어 배열의 G 필터의 1 개를 W 필터로 변경한 WRGB 필터 (95) 의 경우의, B 광 입사시 (95B), G 광 입사시 (95G), R 광 입사시 (95R) 의 각 필터 사이에 있어서의 광 침입 영역 (도 3 중 우상 사선으로 나타내는 영역) 을 나타내는 평면 모식도이다. 여기서, 각 필터와 화소의 크기는 일치하고 있다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, RGB 필터 (90) 를 사용한 경우, B 광 입사시 (90B) 는 B 화소만 광이 투과하고, 청색 파장역에 있어서 G 필터의 굴절률은 B 필터보다 작기 때문에, 광의 확산은 일어나지 않는다. 또한, R 광 입사시 (90R) 는 R 화소만 광이 투과하고, 적색 파장역에 있어서 G 필터의 굴절률이 R 필터보다 작기 때문에, 광의 확산은 일어나지 않는다. 한편, G 광 입사시 (90G) 는, G 화소만 광이 투과하지만, 녹색 파장역에 있어서 G 필터의 굴절률이 R 필터, B 필터보다 작기 때문에, 광의 확산이 일어난다. 따라서, G 필터를 통과한 광만이 주변의 화소에 침입한다.
한편, 도 3 에 나타내는 바와 같이, WRGB 필터 (95) 를 사용한 경우, B 광 입사시 (95B) 는 B 화소 및 W 화소에서 광이 투과하고, 청색 파장역에 있어서 W 필터의 굴절률이 R 필터보다 작기 때문에, W 필터로부터 R 필터에의 확산이 일어난다. 또한, R 광 입사시 (95R) 는 R 화소 및 W 화소에서 광이 투과하고, 적색 파장역에 있어서 W 필터의 굴절률이 B 필터보다 작기 때문에, 광의 확산이 일어난다. 또한, G 광 입사시 (95G) 는, G 화소, W 화소에서 광이 투과하고, 녹색 파장역에 있어서 W 필터, G 필터의 굴절률이 R 필터, B 필터보다 작기 때문에, 광의 확산이 일어난다. 즉, RGB 필터만을 사용한 경우에는 G 화소로부터의 광의 누출만인 데에 반하여, W 필터를 사용한 경우에는, 각 화소 사이에서 매우 복잡한 광의 침입이 발생하는 것을 알 수 있다.
이들 침입 광이 광전 변환부에서 수광되어 신호 전하가 발생하게 되면 혼색이 된다. W 필터를 이용하지 않은 경우에는, 침입 광의 색도 정해져 있기 때문에, 신호 처리 등으로 혼색을 저감시키는 것도 가능하기는 하지만, W 필터를 사용한 경우에는 매우 복잡한 혼색이 되어, 신호 처리 등에 의한 저감도 어렵다. 이 때문에, 이와 같은 광의 침입이 일어나지 않도록 모든 컬러 필터의 굴절률을 일정하게 할 수 있으면 바람직하다. 그러나 실제로는, 색 분리를 위해서 컬러 필터의 흡수율을 조정하면서, 굴절률도 일정하게 하는 것은 매우 곤란하다.
계속해서, 수광부의 구조에 대하여 설명한다. 도 4, 도 5 에는 종래의 고체 촬상 소자의 구성을 나타내고 있다. 도 4 는 종래의 고체 촬상 소자 중 표면 조사형 구조의 화소 단면 모식도이고, 도 5 는 종래의 고체 촬상 소자 중 이면 조사형 구조의 화소 단면 모식도이다. 또한, 도 4, 5 에 있어서, 지면 상방이 광 입사측이다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 표면 조사형의 촬상 소자는, 광전 변환부 (117) 및 신호 판독 회로 (111) 가 형성된 반도체 기판 (101) 상에 배선층 (106) 및 층간 절연층 (105) 을 구비하고 있다. 통상적으로, 이 층간 절연층 (105) 상방에 컬러 필터층이 형성된다. 광전 변환부 (117) 는 각 화소별로 신호 판독 회로 (111) 등이 형성된 소자 분리 영역이 떨어져 배치되어 있다. 도 4 중 파선 (A) 이 광전 변환부 (117) 를 중심으로 하는 1 화소 단위의 경계이다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 이면 조사형의 촬상 소자는, 광전 변환부 (117) 및 신호 판독 회로 (111) 가 형성된 반도체 기판 (101) 상에 형성된 배선층 (106) 및 층간 절연층 (105) 과는 반대측으로부터 수광하는 구성으로 되어 있다. 이면 조사형의 촬상 소자는, 표면 조사형과는 위아래가 반대가 되어 있으며, 광 입사측이 아닌 면에는 별도로, 지지 기판 (102) 이 형성되어 있다. 또한, 광전 변환부 (117) 는 각 화소별로 신호 판독 회로 (111) 등이 형성된 소자 분리 영역이 떨어져 배치되어 있고, 표면 조사형과 동일하게, 도 5 중 파선 (A) 이 광전 변환부 (117) 를 중심으로 하는 1 화소 단위의 경계이다. 또한, 이 경우, 컬러 필터층은, 기판 (101) 의 배선층이 형성되어 있는 면과는 반대의 면측에 형성되기 때문에, 광전 변환부 (117) 와 컬러 필터층 사이에 배선층 (106) 및 층간 절연층 (105) 이 존재하지 않는 구성이 된다. 표면 조사형과 달리, 광전 변환부와 컬러 필터층 사이에 이들 층 (배선층 및 층간 절연층) 이 없는 점에서, 표면 조사형에서는 배선층 등에서 비네팅이 발생해 있는 광을 수광할 수 있어, 표면 조사형에 비하여 수광률을 대폭 개선하는 구성이 되어 있다.
도 6 은 종래의 고체 촬상 소자의 화소 영역과 수광 영역 (광전 변환부의 평면에서 보았을 때 영역) 의 관계를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 표면 조사형, 이면 조사형의 어느 것도 동일하고, 화소 영역 (도 6 에 있어서 점선 (A) 으로 나타내는 영역) 에 대하여 광전 변환부 (117) 에 의한 수광 영역 (도 6 에 있어서 좌상 사선으로 나타내는 영역) 은 한층 작다. 이것은, 전술한 바와 같이 광전 변환부 (117) 와 신호 판독 회로 (111) 를 동일 기판 중에 형성하고, 광전 변환부 (117) 를 각 화소별로 소자 분리할 필요가 있기 때문이다.
다음으로, 적층형의 고체 촬상 소자의 구성을 간단하게 설명한다. 도 7 은 본 발명의 대상이 되는 적층형 촬상 소자의 화소 단면 모식도이고, 도 8 은 적층형 촬상 소자의 화소 영역과 수광 영역 (광전 변환부의 평면에서 보았을 때 영역) 의 관계를 나타내는 평면 모식도이다.
도 7 에 나타내는 바와 같이, 적층형 촬상 소자는, 신호 판독 회로 등이 형성된 반도체 기판 (1) 상에 배선층 (6) 및 층간 절연층 (5) 이 형성되고, 그 위에, 각 화소별로 구획된 화소 전극 (12), 화소 전극 (12) 상에 전체 화소에 공통으로 형성되는 광전 변환막 (14) 및 대향 전극 (16) 을 구비하고 있다. 일반적으로, 컬러 필터층은, 대향 전극 (16) 상에 보호막을 개재하여 배치된다. 1 화소의 사이즈는 이차원상으로 배열된 화소 전극의 반복 주기에 따라 결정된다. 광전 변환부를 중심으로 하면, 도 7 중 파선 (A) 으로 나타내는 바와 같이 화소 전극 사이의 중심선을 경계로 하여 1 화소 단위의 영역이 결정된다.
상기 구성의 적층형 촬상 소자에서는 광전 변환막 (14) 및 대향 전극 (16) 이 전체 화소에 공통되는 막으로 형성되어 있는 점에서, 화소 전극 사이 (12) 의 간극의 영역에 있어서의 광전 변환막 (14) 에 있어서도, 광이 조사되면 신호 전하가 발생한다. 화소 전극 사이 (12) 의 간극의 영역에서 발생한 신호 전하는 파선 (A) 으로 나타낸 화소 전극 사이의 중심선을 경계로 하여, 각각의 화소 전극에 포집된다. 1 화소의 영역의 면적과 광전 변환부가 신호 전하를 포집할 수 있는 면적이 일치하고 있는 점에서 개구율이 100 ％ 이다.
요컨대, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 파선 (A) 으로 나타내는 화소 경계로 구분되는 화소 영역과, 수광 영역 (좌상 사선으로 나타내는 영역) 이 일치하고 있다.
한편, 도 9 및 도 10 은, 도 3 에 나타낸 WRGB 필터에 있어서의 광의 침입 영역을 도 6 및 도 8 의 종래의 고체 촬상 소자 및 적층형 촬상 소자의 평면도와 각각 겹쳐서 나타낸 도면이다.
도 9 에 나타내는 바와 같이, 종래의 고체 촬상 소자에서는 W 화소의 인접 화소에 대한 광의 침입 영역 (우상 사선부) 이 인접 화소 (R, B 화소) 의 수광 영역 (좌상 사선) 과 겹치지 않는 것을 알 수 있다. 요컨대 W 필터의 낮은 굴절률의 영향에 의해 광이 다른 화소에 침입했다고 해도, 다른 화소의 광전 변환부에는 입사하지 않기 때문에, 혼색이 발생하지 않는 것이다. 한편, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 적층형 촬상 소자의 경우에는, 개구율이 100 ％ 이기 때문에, W 필터를 투과한 광이 다른 화소의 수광 영역에 입사하게 되어 혼색이 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서, 적층형 촬상 소자에 있어서, W 필터를 갖는 필터층을 적용할 때에는, 종래의 고체 촬상 소자에서는 발생하지 않는 새로운 혼색이 발생하기 때문에, S/N 이 저하하지 않도록 이 혼색을 억제하는 것이 큰 과제가 된다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여, 적층형 촬상 소자에 있어서, W 필터를 갖는 필터층을 구비하고, 또한 혼색에 의한 S/N 의 저하를 억제할 수 있는 고체 촬상 소자 및 그 고체 촬상 소자를 구비한 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 고체 촬상 소자는, 기판 상에 화소 단위로 구획된 화소 전극, 입사광의 광량에 따른 신호 전하를 발생하는 광전 변환막, 및 그 광전 변환막을 사이에 두고 화소 전극에 대향하여 형성된 대향 전극을 포함하는 광전 변환부를 갖는 화소가, 이차원상으로 복수 배열되어 이루어지는 촬상부를 갖는 고체 촬상 소자에 있어서,
광전 변환막 및 대향 전극이, 모든 화소에 공통된 공통막상으로 형성되어 이루어지고,
대향 전극 상에 보호막을 구비하고,
보호막 상에, 상이한 복수 색의 컬러 필터를 갖는 컬러 필터층이, 각 컬러 필터가 각 광전 변환부와 대응하도록 배치되고,
컬러 필터층이, 상이한 복수색의 컬러 필터로서, 소정의 색 영역의 파장만을 투과시키는 소정 색 필터와, 소정 색 필터에 인접하여 배치된 전체 가시광 영역에 이르는 파장을 투과시키는 백색 필터를 포함하고, 적어도 소정의 색 영역의 파장 이외의 가시광 영역에 있어서, 소정 색 필터와 백색 필터 사이에 굴절률차를 갖는 것이고,
컬러 필터층의 저면부터 광전 변환막의 상면까지의 광로 길이 (d1) 가 1.2 ㎛ 이하이고,
광전 변환막의 두께의 광로 길이 (d2) 가 1.4 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
여기서, 필터를 투과하는 가시광 영역의 파장 중 최대 투과율을 갖는 파장의 투과율의 50 ％ 이상으로 그 필터를 투과하는 파장은 「투과하는」 파장이고, 50 ％ 미만이면 「투과하지 않는」 파장으로 한다.
본 발명의 고체 촬상 소자에 있어서는, 광전 변환막이 유기 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
백색 필터와 소정 색 필터의 굴절률차를 Δn 이라고 하면, 소정 색 필터가 투과시키지 않는 가시광 파장 영역 전역에 있어서 Δn 과 광로 길이 d1 (㎛), d2 (㎛) 사이에,
Δn × (d1 ＋ d2)2 ＜ 2.0
의 관계가 성립하는 것이 바람직하다.
상기 소정의 색이 청, 녹 및 적의 어느 것인 것이 바람직하다.
소정의 색 영역의 파장만을 투과시키는 소정 색 필터로서, 청색 영역의 파장만을 투과시키는 청색 필터, 녹색 영역의 파장만을 투과시키는 녹색 필터, 및 적색 영역의 파장만을 투과시키는 적색 필터를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 소정의 색 영역의 파장만을 투과시키는 소정 색 컬러 필터로서, 황색 영역의 파장만을 투과시키는 황색 필터, 마젠타 영역의 파장만을 투과시키는 마젠타 필터, 시안 영역의 파장만을 투과시키는 시안 필터를 구비해도 된다.
기판에 광전 변환부에 있어서 발생하는 전하에 따른 신호를 판독하는 MOS 트랜지스터 회로가 형성되어 있고, 그 MOS 트랜지스터 회로는, 광전 변환부와 전기적으로 접속된 전하 축적부와, 그 전하 축적부의 전위를 리셋 전위로 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 전하 축적부의 전위에 따른 신호를 출력하는 출력 트랜지스터를 포함하고, 리셋 트랜지스터 및 출력 트랜지스터는, 캐리어의 극성이 상기 광전 변환부에서 발생한 포집되는 전하와 반대 극성인 것이 바람직하다.
광전 변환막과 화소 전극 사이에, 암전류를 억제하는 기능층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 촬상 장치는, 상기 고체 촬상 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 고체 촬상 소자 및 촬상 장치에 의하면, 전체 화소 공통막상의 광전 변환막을 구비한 적층형의 고체 촬상 소자에 있어서, W 필터를 포함하는 컬러 필터층을 구비하고, 컬러 필터층 저면부터 광전 변환막의 상면까지의 광로 길이 (d1) 를 1.2 ㎛ 이하, 광전 변환막의 두께 광로 길이 (d2) 를 1.4 ㎛ 이하로 하고 있기 때문에, W 필터를 구비한 경우에 발생할 수 있는 혼색을 억제하여 S/N 저하를 방지할 수 있고, W 필터를 구비하는 것에 의한 고감도화의 효과를 충분히 얻을 수 있다.
도 1 은 각 컬러 필터의 굴절률의 파장 의존성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 종래의 RGB 필터에 있어서의 광 침출을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 은 WRGB 필터에 있어서의 광 침출을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 는 표면 조사형의 종래의 고체 촬상 소자의 일부를 나타내는 단면 모식도이다.
도 5 는 이면 조사형의 종래의 고체 촬상 소자의 일부를 나타내는 단면 모식도이다.
도 6 은 종래의 고체 촬상 소자의 화소와 수광 영역 (광전 변환부) 을 나타내는 평면도이다.
도 7 은 적층형 촬상 소자의 일부를 나타내는 단면 모식도이다.
도 8 은 적층형 촬상 소자의 화소와 수광 영역 (광전 변환부) 을 나타내는 평면도이다.
도 9 는 도 6 에 나타내는 종래의 고체 촬상 소자의 평면도에 WRGB 필터를 겹쳐서 나타낸 평면도이다.
도 10 은 도 8 에 나타내는 적층형 촬상 소자의 평면도에 WRGB 필터를 겹쳐서 나타낸 평면도이다
도 11 은 본 발명의 실시형태에 관한 고체 촬상 소자의 일부를 나타내는 단면 모식도이다.
도 12 는 혼색률의 필터 저면부터 광전 변환막 상면까지의 광로 길이 (d1) 의존성을 나타내는 도면이다.
도 13 은 혼색률의 광전 변환막의 두께의 광로 길이 (d2) 의존성을 나타내는 도면이다.
도 14 는 혼색률의 화소 사이즈 의존성을 나타내는 도면이다.
도 15 는 W 필터를 투과한 광의 인접 화소에 누출을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16 은 굴절률차 Δn 이 0.2 인 경우의 W 필터를 투과한 광의 인접 화소에 누출을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 17 은 굴절률차 Δn 이 0.4 인 경우의 W 필터를 투과한 광의 인접 화소에 누출을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 18 은 광로 길이 (d1) 와 굴절률차 Δn 을 변화시킨 경우의 혼색률의 광로 길이 (d2) 의존성을 나타내는 도면이다.
도 19 는 혼색률의 Δn × (d1 ＋ d2)2 의존성을 나타내는 도면이다.
도 20 은 실시형태의 고체 촬상 소자의 1 화소의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 21 은 본 발명의 실시형태에 관한 고체 촬상 소자의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 고체 촬상 소자의 실시형태에 대하여 설명한다.
도 11 은, 본 실시형태의 고체 촬상 소자 (100) 의 촬상부 (화소 영역) 의 일부를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, 고체 촬상 소자 (100) 의 촬상부는, 반도체 회로 기판 (1) 과, 반도체 회로 기판 (1) 상에 층간 절연층 (5) 및 그 절연층 (5) 중에 배치된 배선층 (6) 을 개재하여, 2 차원상으로 배치된 복수의 화소 전극 (하부 전극) (12) 과, 복수의 화소 전극 (12) 상에 공통으로 형성된 유기 재료로 이루어지는 광전 변환막 (14) 과, 광전 변환막 (14) 상에 형성된 복수의 화소 전극에 대향하는 대향 전극 (16) 을 구비하고 있다. 또한, 대향 전극 (16) 상에는 투명한 보호막 (18) 이 적층되어 있고, 이 보호막 (18) 상에, 서로 상이한 복수 색의 컬러 필터 (21) 를 구비한 컬러 필터층 (CF) 이 형성되어 있다. 도 11 에 있어서는, 백색 (W) 필터 (21w) 및 청색 (B) 필터 (21b) 만이 나타나 있지만, 컬러 필터층 (CF) 은, 추가로 적색 (R) 필터 및 녹색 (G) 필터를 구비한 도 3 에 나타내는 배열과 같은 WRGB 필터 (95) 이다.
1 개의 화소 전극 (12) 과 그 화소 전극 (12) 상의 광전 변환막 (14) 및 대향 전극 (16) 에 의해 1 개의 광전 변환부 (17) 가 구성되어 있다. 인접하는 화소 전극 사이의 간극 상의 광전 변환막도 광전 변환에 기여하는 것으로, 인접하는 화소 전극 사이의 중심선 (도 11 중의 파선 (A)) 이 인접하는 광전 변환 소자의 경계가 된다.
컬러 필터층 (CF) 은, 1 개의 광전 변환부에 대하여 1 개의 컬러 필터가 대응하고, 평면에서 보았을 때에 있어서 양자의 영역이 일치하도록 배치되어 있고, 광전 변환부의 평면에서 보았을 때에 있어서의 면적과 컬러 필터의 평면에서 보았을 때에 있어서의 면적은 동일하다.
반도체 회로 기판 (1) 의 표층에는, 각 광전 변환부 (17) 에 있어서 발생한 전하를 축적하는 축적부 및 그 축적부의 신호 전하에 따른 전압을 출력하는 출력 회로를 포함하는 신호 판독 회로 (11) 가 구비되어 있으며, 1 개의 화소부 (20) 는, 1 개의 광전 변환부 (17), 그 하방의 기판 표층부에 형성된 신호 판독 회로 (11) 및 광전 변환부 상에 배치된 각 색 필터 (21) 를 포함하여 이루어진다. 또한, 도 11 에 있어서는, W 필터를 구비한 W 화소 (20W), B 필터를 구비한 B 화소 (20B) 만이 나타나 있다.
화소 전극 (12) 은, 광전 변환부 (17) 별로 구분된 박막 전극으로서, 예를 들어 ITO 나 알루미늄이나 질화티탄 등과 같은 투명 또는 불투명한 도전성 재료로부터 형성되는 것이다. 화소 전극 (12) 은, 광전 변환막 (14) 에 있어서 발생한 전하를 광전 변환부 (17) 별로 포집하는 것이다. 각 광전 변환부 (17) 의 화소 전극 (12) 은, 절연층 (5) 을 관통하도록 형성된 도전성 재료로 이루어지는 접속부 (7) 를 개재하여 신호 판독 회로 (11) 에 전기적으로 접속되어 있다.
대향 전극 (16) 은, 화소 전극 (12) 과의 사이에 배치되어 있는 광전 변환막 (14) 에 전압을 인가하고, 광전 변환막 (14) 에 전계를 발생시키기 위한 전극으로, 전체 화소에 공통된 막상으로 형성되어 있다. 대향 전극 (16) 은, 광전 변환막 (14) 보다 광의 입사면측에 형성되어 있으며, 대향 전극 (16) 을 투과하여 광전 변환막 (14) 에 광을 입사시킬 필요가 있기 때문에, 입사광에 대하여 투명한 ITO 등의 도전성 재료로부터 형성된다.
광전 변환막 (14) 은, 입사광을 흡수하고, 그 흡수한 광량에 따른 전하를 발생하는 유기 광전 변환막 또는 무기 광전 변환막으로 이루어진다. 광전 변환막 (14) 을 전체 화소 공통의 막으로 함으로써 개구율을 100 ％ 로 하고, 높은 감도를 얻을 수 있다. 또한, 광전 변환막 (14) 과 대향 전극 (16) 사이, 또는 광전 변환막 (14) 과 화소 전극 (12) 사이에, 전극으로부터 광전 변환막 (14) 에 전하가 주입되는 것을 억제하는 전하 블로킹층 등의 기능층을 형성하도록 해도 된다.
또한, 화소 전극과 광전 변환막 사이에 기능층을 형성한 경우, 이 기능층은 광전 변환층보다 광의 입사면에 대하여 아래에 있기 때문에, 혼색에는 기여하지 않는다. 한편, 대향 전극과 광전 변환막 사이에 기능층을 형성한 경우, 이 기능층 중에서도 혼색이 확산되기 때문에, 이 기능층의 두께는 가능한 한 얇고, 후술하는 광로 길이를 만족할 필요가 있다. 바람직하게는, 화소 전극측에만 기능층을 갖고, 대향 전극과 광전 변환막 사이에는 기능층을 갖지 않는다.
광전 변환막 (14) 은, 후술한 바와 같이 그 두께를 광로 길이로 1.4 ㎛ 이하로 하기 때문에, 막두께가 작아도 충분히 높은 감도가 발현하도록 흡수 계수가 크고, 또한 흡수한 광을 신호 전하로 변환하는 양자 효율이 높은 재료를 사용할 필요가 있다. 실리콘막으로는, 그러한 얇은 두께로 충분한 광전 변환을 실시할 수 없기 때문에, 얇아도 충분히 큰 흡수 계수를 달성하기 위해서는 유기 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
높은 양자 효율을 얻는 데에는, 유기 재료 중에서도 특히 p 형 유기 반도체와 n 형 유기 반도체를 포함하는 구성이 바람직하다. p 형 유기 반도체와 n 형 유기 반도체를 접합시켜 도너-억셉터 계면을 형성함으로써 여기자 해리 효율을 증가시킬 수 있다. 이 때문에, p 형 유기 반도체와 n 형 유기 반도체를 접합시킨 구성의 광전 변환층은 높은 광전 변환 효율을 발현한다. 특히, p 형 유기 반도체와 n 형 유기 반도체를 혼합한 광전 변환층은, 접합 계면이 증대하여 광전 변환 효율이 향상되기 때문에 바람직하다.
p 형 유기 반도체 (화합물) 는, 도너성 유기 반도체로, 유기 반도체인 경우에는, 주로 정공 수송성 유기 화합물로 대표되고, 전자를 공여하기 쉬운 성질이 있는 화합물 반도체를 말한다. 더욱 상세하게는 2 개의 유기 재료를 접촉시켜 사용했을 때에 이온화 포텐셜이 작은 쪽의 유기 화합물을 말한다. 따라서, 도너성 유기 반도체로는, 전자 공여성이 있는 유기 화합물이면 어느 유기 화합물도 사용 가능하다.
p 형 반도체로는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 트리아릴아민 화합물, 벤지딘 화합물, 피라졸린 화합물, 스티릴아민 화합물, 히드라존 화합물, 트리페닐메탄 화합물, 카르바졸 화합물, 폴리실란 화합물, 티오펜 화합물, 프탈로시아닌 화합물, 시아닌 화합물, 메로시아닌 화합물, 옥소놀 화합물, 폴리아민 화합물, 인돌 화합물, 피롤 화합물, 피라졸 화합물, 폴리아릴렌 화합물, 축합 방향족 탄소 고리 화합물 (나프탈렌 유도체, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 테트라센 유도체, 피렌 유도체, 페릴렌 유도체, 플루오란텐 유도체), 함질소 헤테로 고리 화합물을 배위자로서 갖는 금속 착물 등을 사용할 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 상기한 바와 같이, n 형 (억셉터성) 화합물로서 사용한 유기 화합물보다 이온화 포텐셜이 작은 유기 화합물이면 도너성 유기 반도체로서 이용해도 된다.
n 형 유기 반도체 (화합물) 는, 억셉터성 반도체로, 주로 전자 수송성 화합물로 대표되고, 전자를 수용하기 쉬운 성질이 있는 화합물 반도체를 말한다. 더욱 상세하게는, n 형 반도체란, 2 개의 화합물을 접촉시켜 사용했을 때에 전자 친화력이 큰 쪽의 화합물을 말한다. 따라서, 억셉터성 화합물은, 전자 수용성이 있는 화합물이면 어느 화합물도 사용 가능하다.
n 형 반도체로는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 축합 방향족 탄소 고리 화합물 (나프탈렌 유도체, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 테트라센 유도체, 피렌 유도체, 페릴렌 유도체, 플루오란텐 유도체), 질소 원자, 산소 원자, 황 원자를 함유하는 5 ∼ 7 원자의 헤테로 고리 화합물 (예를 들어 피리딘, 피라진, 피리미딘, 피리다진, 트리아진, 퀴놀린, 퀴녹살린, 퀴나졸린, 프탈라진, 신놀린, 이소퀴놀린, 프테리딘, 아크리딘, 페나진, 페난트롤린, 테트라졸, 피라졸, 이미다졸, 티아졸, 옥사졸, 인다졸, 벤즈이미다졸, 벤조트리아졸, 벤조옥사졸, 벤조티아졸, 카르바졸, 푸린, 트리아졸로피리다진, 트리아졸로피리미딘, 테트라자인덴, 옥사디아졸, 이미다조피리딘, 피리미딘, 피롤로피리딘, 티아디아졸로피리딘, 디벤즈아제핀, 트리벤즈아제핀 등), 폴리아릴렌 화합물, 플루오렌 화합물, 시클로펜타디엔 화합물, 실릴 화합물, 함질소 헤테로 고리 화합물을 배위자로서 갖는 금속 착물 등을 들 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 상기한 것과 같이, p 형 (도너성) 화합물로서 사용한 화합물보다 전자 친화력이 큰 화합물이면 억셉터성 반도체로서 이용해도 된다.
p 형 유기 반도체, 또는 n 형 유기 반도체로는, 어떠한 유기 색소를 이용해도 되지만, 바람직하게는, 시아닌 색소, 스티릴 색소, 헤미시아닌 색소, 메로시아닌 색소 (제로메틴메로시아닌 (심플 메로시아닌) 을 포함한다), 3 핵 메로시아닌 색소, 4 핵 메로시아닌 색소, 로다시아닌 색소, 콤플렉스 시아닌 색소, 콤플렉스 메로시아닌 색소, 아로포라 색소, 옥소놀 색소, 헤미옥소놀 색소, 스쿠알륨 색소, 크로코늄 색소, 아자메틴 색소, 쿠마린 색소, 아릴리덴 색소, 안트라퀴논 색소, 트리페닐메탄 색소, 아조 색소, 아조메틴 색소, 스피로 화합물, 메탈로센 색소, 플루오레논 색소, 풀자이드 색소, 페릴렌 색소, 페리논 색소, 페나진 색소, 페노티아진 색소, 퀴논 색소, 디페닐메탄 색소, 폴리엔 색소, 아크리딘 색소, 아크리디논 색소, 디페닐아민 색소, 퀴나크리돈 색소, 퀴노프탈론 색소, 페녹사진 색소, 프탈로페릴렌 색소, 디케토피롤로피롤 색소, 디옥산 색소, 포르피린 색소, 클로로필 색소, 프탈로시아닌 색소, 금속 착물 색소, 축합 방향족 탄소 고리계 색소 (나프탈렌 유도체, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 테트라센 유도체, 피렌 유도체, 페릴렌 유도체, 플루오란텐 유도체) 를 들 수 있다.
n 형 유기 반도체로서, 전자 수송성이 우수한, 풀러렌 또는 풀러렌 유도체를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 풀러렌이란, 풀러렌 C60, 풀러렌 C70, 풀러렌 C76, 풀러렌 C78, 풀러렌 C80, 풀러렌 C82, 풀러렌 C84, 풀러렌 C90, 풀러렌 C96, 풀러렌 C240, 풀러렌 C540, 믹스드 풀러렌, 풀러렌 나노 튜브를 나타내고, 풀러렌 유도체란 이들에 치환기가 부가된 화합물을 나타낸다.
풀러렌 유도체의 치환기로서 바람직하게는, 알킬기, 아릴기, 또는 복소 고리기이다. 알킬기로서 더욱 바람직하게는, 탄소수 1 ∼ 12 까지의 알킬기이고, 아릴기, 및 복소 고리기로서 바람직하게는, 벤젠 고리, 나프탈렌 고리, 안트라센 고리, 페난트렌 고리, 플루오렌 고리, 트리페닐렌 고리, 나프타센 고리, 비페닐 고리, 피롤 고리, 푸란 고리, 티오펜 고리, 이미다졸 고리, 옥사졸 고리, 티아졸 고리, 피리딘 고리, 피라진 고리, 피리미딘 고리, 피리다진 고리, 인돌리진 고리, 인돌 고리, 벤조푸란 고리, 벤조티오펜 고리, 이소벤조푸란 고리, 벤즈이미다졸 고리, 이미다조피리딘 고리, 퀴놀리진 고리, 퀴놀린 고리, 프탈라진 고리, 나프티리딘 고리, 퀴녹살린 고리, 퀴녹사졸린 고리, 이소퀴놀린 고리, 카르바졸 고리, 페난트리딘 고리, 아크리딘 고리, 페난트롤린 고리, 티안트렌 고리, 크로멘 고리, 잔텐 고리, 페녹사티인 고리, 페노티아진 고리, 또는 페나진 고리이고, 더욱 바람직하게는, 벤젠 고리, 나프탈렌 고리, 안트라센 고리, 페난트렌 고리, 피리딘 고리, 이미다졸 고리, 옥사졸 고리, 또는 티아졸 고리이고, 특히 바람직하게는 벤젠 고리, 나프탈렌 고리, 또는 피리딘 고리이다. 이들은 추가로 치환기를 가지고 있어도 되고, 그 치환기는 가능한 한 결합하여 고리를 형성해도 된다. 또한, 복수의 치환기를 가져도 되고, 그것들은 동일해도 되고 상이해도 된다. 또한, 복수의 치환기는 가능한 한 결합하여 고리를 형성해도 된다.
광전 변환층이 풀러렌 또는 풀러렌 유도체를 포함함으로써, 풀러렌 분자 또는 풀러렌 유도체 분자를 경유하여, 광전 변환에 의해 발생한 전자를 화소 전극 또는 대향 전극까지 빠르게 수송할 수 있다. 풀러렌 분자 또는 풀러렌 유도체 분자가 나열된 상태가 되어 전자의 경로가 형성되어 있으면, 전자 수송성이 향상되어 광전 변환 소자의 고속 응답성이 실현 가능해진다. 이를 위해서는 풀러렌 또는 풀러렌 유도체가 광전 변환층에 40 ％ 이상 포함되어 있는 것이 바람직하다. 무엇보다, 풀러렌 또는 풀러렌 유도체가 지나치게 많으면 p 형 유기 반도체가 적어져 접합 계면이 작아지고 여기자 해리 효율이 저하하게 된다.
광전 변환층에 있어서, 풀러렌 또는 풀러렌 유도체와 함께 혼합되는 p 형 유기 반도체로서, 일본 특허 제4213832호 등에 기재된 트리아릴아민 화합물을 사용하면 박막이어도 높은 흡수 및 높은 양자 효율이 발현 가능해져, 특히 바람직하다. 광전 변환층 내의 풀러렌 또는 풀러렌 유도체의 비율이 지나치게 크면 그 트리아릴아민 화합물이 적어져 입사광의 흡수량이 저하한다. 이로써 광전 변환 효율이 감소하기 때문에, 광전 변환층에 포함되는 풀러렌 또는 풀러렌 유도체는 85 ％ 이하의 조성인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 광전 변환층에 있어서 높은 감도를 발현하면서, 가시광 전역에서 d2 를 1.0 ∼ 1.2 로 할 수 있다.
보호막 (18) 은, 특히, 광전 변환막이 유기 재료를 포함하는 것인 경우, 광전 변환층을 물 분자, 산소 등의 열화 인자로부터 보호하는 기능을 하는 것이다. 또한, 보호막 (18) 은, 촬상 소자 (10) 의 각 제조 공정에 있어서, 유기 용매 등의 용액이나 플라즈마 등에 포함되는 광전 변환층의 성능을 열화시키는 인자의 침입을 저지하여 광전 변환층을 보호하는 기능을 한다. 또한, 촬상 소자 (10) 의 제조 후에, 물 분자, 산소 등의 광전 변환층의 성능을 열화시키는 인자의 침입을 저지하여, 장기간의 보존, 및 장기간의 사용에 걸쳐서, 광전 변환층의 성능 열화를 방지한다. 또한, 입사광 (가시광) 은, 보호막 (18) 을 통해서 광전 변환막 (14) 에 도달한다. 이 때문에, 보호막 (18) 은, 광전 변환 소자 (17) 에서 검지하는 파장의 광, 가시광에 대하여 투명하다. 보호막 (18) 은, 광 투과율이 60 ％ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80 ％ 이상, 보다 바람직하게는 90 ％ 이상이고, 나아가 95 ％ 이상인 것이 보다 바람직하다.
보호막의 두께는, 대체로 50 ∼ 1000 ㎚ 이지만, 후기 조건을 만족하는 범위에서 결정된다. 단, 보호막 (18) 의 두께가 50 ㎚ 를 하회하면 배리어성의 저하나, 컬러 필터의 현상액에 대한 내성이 저하할 우려가 있다. 한편, 보호막 (18) 의 막두께가 두꺼우면 후술하는 바와 같이 혼색의 증가로 연결되기 때문에, 보호막 (18) 은 얇은 것이 바람직하다.
보호막은, 특히는, 기상 성막한 무기 재료막이 바람직하다. 무기 재료인 것이 유기 재료에 비하여 박막이어도 보호 성능이 높은 막이 얻어지기 쉽다. 기상 성막법은 다른 성막법에 비하여 치밀한 막이 얻어지기 때문에, 박막이어도 높은 보호 성능이 얻어진다. 기상 성막법 중에서도 특히 CVD 법은 치밀한 막이 얻어지기 때문에 바람직하다. 또한, 성막 속도가 빠르기 때문에, 제조에 적합하다. CVD 법 중에서도 ALCVD 법은 특히 치밀한 막이 얻어지기 때문에, 보호막의 박막화에는 매우 적합하다.
무기 재료 중에서도, 산화알루미늄 (AlOx), 산화규소 (SiOx), 질화규소 (SiNx), 산화질화규소 (SiON) 가 대략 성능 및 광로 길이 저감의 관점에서 바람직하다. 특히 CVD 법으로 성막한 SiON 은 성막 조건을 바꾸어 O 와 N 의 비를 조정함으로써 굴절률과 보호 성능을 바꿀 수 있고, 짧은 광로 길이로 높은 보호 성능이 얻어진다.
또한 ALCVD 법으로 성막한 AlOx 는 100 ㎚ 이하로 다른 성막법보다 1 자리수 가깝게 작은 막두께여도 높은 보호 성능을 얻을 수 있다.
따라서, 예를 들어 ALCVD 법으로 성막한 100 ㎚ 이하의 AlOx 와 CVD 법으로 성막한 100 ∼ 500 ㎚ 의 SiON 의 적층막은 광로 길이, 보호 성능의 관점에서 매우 바람직하다.
보호막과 컬러 필터 사이에 반사 방지층이나 컬러 필터 밀착 강화층 등의 기능층을 가지고 있어도 된다. 단, 이들 층을 사용하는 경우에도, 후술하는 바와 같이 컬러 필터층의 저면부터 광전 변환막의 상면까지의 광로 길이가 1.2 ㎛ 이하가 되도록 박막을 사용할 필요가 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 광전 변환막 (14) 과 화소 전극 사이에, 광전 변환 소자의 기능을 향상시키기 위한 기능층, 구체적으로는, 암전류 저감을 위한 전하 블로킹층을 구비하고 있다.
본 발명의 촬상 소자에 있어서는, 광전 변환막의 막두께를 얇게 하고 있기 때문에, 쇼트나 리크에 의한 암전류 증대의 위험성이 높기 때문에, 전하 블로킹층을 구비하는 것에 의한 암전류 억제의 효과가 높다.
컬러 필터층 (CF) 은, 각 필터 (21) 가 보호막 (18) 상의 각 화소 전극 (12) 과 대향하는 위치가 되도록 배치 형성되어 있다.
컬러 필터층 (CF) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이 R, G, B 의 각각 상이한 파장의 광을 투과시키는 컬러 필터 및 가시광 전역을 투과시키는 W 필터를 갖는다. R, G, B 의 각 필터는, 적/청/녹색의 안료, 혹은 염료가 들어간 유기 재료에 의해 형성된다.
각 컬러 필터는 일반적으로는 컬러 레지스트를 자외선으로 노광·현상함으로써 형성한다. 컬러 레지스트는 각 색의 안료, 광 경화 수지, 점도 조정제 등으로 구성되지만, 노광, 현상하여 패턴 형성 후의 컬러 필터의 굴절률은 주성분이 되는 안료와 광 경화 수지로 정해진다. 그 때문에, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 컬러 필터의 굴절률은 WRGB 의 각 색에서 상이하고, 또한 입사광의 파장에 의해서도 상이하다.
도 1 은, WRGB 필터의 일례를 나타내는 것이지만, 컬러 필터층의 각 색의 필터는 모두 광 경화 수지를 사용하는 것이 일반적이기 때문에, 각 색별 굴절률차 자체는 도 1 과 마찬가지로 0 ∼ 0.4 정도이다.
본 발명에서는, 컬러 필터층 (CF) 의 저면부터 광전 변환막 (14) 까지의 광로 길이 (d1) 가 1.2 ㎛ 이하이고, 광전 변환막 (14) 의 두께의 광로 길이 (d2) 가 1.4 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 실시형태에 있어서는, 컬러 필터층 (CF) 과 광전 변환막 (14) 사이에 보호막 (18) 및 대향 전극 (16) 을 구비한 것으로 했지만, 추가로 다른 층이 들어가 있어도 된다. 또한, 광로 길이는, 공간적인 거리와 굴절률의 곱으로 나타내고, 여기서, 광로 길이 (d1) 는 복수의 상이한 굴절률의 층을 갖기 때문에, 각 층의 광로 길이의 합으로 나타낸다. 예를 들어, 도 11 에 나타내는 구성에 있어서, 보호막 (18) 의 두께가 t1, 굴절률이 n1, 대향 전극 (16) 의 두께가 t2, 굴절률이 n2 일 때, 광로 길이 (d1) = n1·t1 ＋ n2·t2 이다.
또한, 광전 변환막 (14) 의 두께의 광로 길이, 즉 광전 변환막 (14) 의 상면부터 저면까지의 광로 길이 (d2) 는, 그 두께 t3, 굴절률 n3 으로부터 d2 = n3·t3 으로 나타낸다.
본 발명자는, 다양한 검토를 거듭하여, 적어도 상기 범위이면 혼색률을 충분히 저감시킬 수 있는 것을 알아냈다. 상기 범위가 바람직한 것을 알아내기에 이른 검토에 대하여 이하에 설명한다.
레지스트 중에 색소 등을 혼입하여 제작되는 일반적인 컬러 필터에 있어서는, W 와 R, G, B 의 굴절률차는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 모두 0.4 정도 이하이다. 또한, 굴절률차가 충분히 작으면 거의 혼색은 발생하지 않는다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 굴절률차가 0.1 미만이면 문제가 될 정도의 혼색은 발생하지 않았다. 그래서, W 화소와 다른 화소의 굴절률차는 0.1 ∼ 0.4 정도를 상정하여 검토하였다. 또한, 입사광은 필터 상방으로부터 수직으로 입사하는 경우에 대하여 검토하였다.
W 필터를 투과한 광의 인접 화소에 대한 침출은, 필터의 저면으로부터 멀어질수록 확산되는 것으로 생각하여, 필터의 저면부터 광전 변환막 저면까지의 거리에 대하여 검토를 실시하였다.
도 11 에 나타내는 구성의 촬상 소자에 있어서, 인접하는 2 개의 상이한 색의 필터 사이의 굴절률차가 0.1, 0.4 일 때, 굴절률이 낮은 필터로부터 굴절률이 높은 필터측의 광전 변환부에 입사하는 광에 의한 혼색률에 대하여, d1, d2 를 변화시켜 검토를 실시하였다. 또한, 여기서는 화소 사이즈는 3 ㎛ 로 하였다.
굴절률차 Δn = 0.4 로는, R 광 (650 ㎚) 을 입사했을 때의 W 화소로부터 B 화소에 대한 광의 누출을 검토하였다. B 필터의 R 광 투과율은 대략 0 이기 때문에, B 화소의 신호는 모두 누출에 의한 것으로 생각된다. 그래서 B 화소에서 발생한 신호 전하를 화소 사이즈 (3 ㎛) 로 나눈 것을 혼색률로 하여 플롯을 실시하였다.
Δn = 0.1 로는, B 광 (450 ㎚) 을 입사했을 때의 W 화소로부터 R 화소에 대한 광의 누출을 검토하였다. R 필터의 B 광 투과율은 대략 0 이기 때문에, R 화소의 신호는 모두 누출에 의한 것으로 생각된다. 그래서 R 화소에서 발생한 신호 전하를 화소 사이즈 (3 ㎛) 로 나눈 것을 혼색률로 하여 플롯을 실시하였다.
도 12 는, d2 를 1.4 ㎛ 로 했을 때의 혼색률의 d1 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 12 에 나타내는 바와 같이, 혼색률은 d1 이 1.2 ㎛ 이하에서는 거의 변화하지 않지만, 1.2 ㎛ 를 초과하면 급격하게 증가하였다.
또한, 도 13 은, d1 을 1.2 ㎛ 로 했을 때의 혼색률의 d2 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 13 에 나타내는 바와 같이, 혼색률은 d2 가 1.4 ㎛ 이하에서는 거의 변화하지 않지만, 1.4 ㎛ 를 초과하면 급격하게 증가하였다.
또한, d1 = 1.2 ㎛, d2 = 1.4 ㎛ 로 하고, 화소 사이즈를 변경하여 혼색률의 변화를 조사한 결과, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 혼색률은 화소 사이즈에는 그다지 의존하지 않았다. 이 점으로부터 광의 침출이, 화소 경계 부근의 약간의 영역에서만 발생하고 있는 것이 분명해졌다.
이상의 결과로부터, 고체 촬상 소자 중에서의 광의 누출은 도 15 와 같은 것이 분명해졌다. 도 15 는, 고체 촬상 소자 중에 있어서, W 필터를 투과한 광의 인접 화소에 누출을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 15 에 있어서 두께는 실제의 막 두께가 아니고 광로 길이로 나타내고 있다. W 컬러 필터를 투과한 광은, W 컬러 필터와 인접하는 컬러 필터의 굴절률차에서 기인하여 보호막 중 및 광전 변환막 중에서 서서히 인접 화소로 누출되어 간다. 단, 누출은 깊이 방향에 대하여 리니어하게 증가하는 것이 아니라, 컬러 필터에 가까운 상부에서는 누출 영역은 좁고, 깊어짐에 따라 누출 영역이 급격하게 확산되는 것과 같은 누출 방법이다.
이와 같이 하여 누출된 광 중, 인접 화소의 광전 변환층에서 흡수되는 광이 혼색의 원인이 된다. 단, 광은 광전 변환층에 흡수되면서 깊이 방향으로 침투하기 때문에, 만일 누출 영역이 동일하다면, 광전 변환층 상부에서는 많은 신호 전하가 발생하고, 광전 변환층 하부에서 발생하는 신호 전하는 적다. 즉, 광전 변환층 상부의 누출 영역을 좁히는 것이 중요하다. 이것은 d1 의 값이 크면, 광전 변환층의 상부에 있어서의 누출 영역이 커져, 혼색이 비약적으로 증가하는 것을 나타내고 있으며, 도 12 에 나타낸 바와 같이 d1 을 1.2 ㎛ 이하로 하는 것이 혼색 저감에 필요하다.
한편, 광전 변환층 하부에 대해서는, d2 가 커질수록 누출 영역의 면적이 비선형으로 커진다. 도 13 에 나타낸 바와 같이, d2 가 1.4 ㎛ 를 초과하면 폭발적으로 혼색이 증가하는 점에서, d2 를 1.4 ㎛ 이하로 할 필요가 있다.
즉, 본 발명은, 반도체 회로 기판 상에 전체 화소 공통막상의 광전 변환막을 구비한 적층형 촬상 소자에 있어서, W 필터를 포함하는 컬러 필터층을 구비하고, 컬러 필터층 저면부터 광전 변환막의 상면까지의 광로 길이 (d1) 를 1.2 ㎛ 이하, 광전 변환막의 두께 광로 길이 (d2) 를 1.4 ㎛ 이하로 하였다. 이로써, W 필터를 구비한 경우에 발생할 수 있는 혼색을 억제하여 S/N 저하를 방지할 수 있고, W 필터를 구비하는 것에 의한 고감도화의 효과를 충분히 얻을 수 있다.
또한, 필터 사이의 굴절률차 Δn 이 커짐으로써, 광의 누출 영역이 커지는 것을 알 수 있었다. 도 16 및 도 17 은 각각 굴절률차 Δn 이 0.2, 0.4 인 경우의, W 필터를 투과한 광의 인접 화소에 누출을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 16 및 도 17 에 나타내는 바와 같이, 굴절률차 Δn 이 커지면, 누출 영역이 커진다. 도 16 및 도 17 에서, 굴절률차 Δn 이 커지면, 누출 영역이 급격하게 커지는 것과 같은 확산 방법이다.
굴절률차 Δn 과 누출 영역에 상기와 같은 상관이 있는 것을 생각하면, 굴절률차 Δn 에 따라 d1, d2 에 적절한 범위가 존재하는 것을 생각할 수 있다. 단, 도 16 및 도 17 에 나타내는 바와 같이 누출 영역이 깊이 방향으로 갈수록 확산되는 복잡한 형상을 하고 있고, 게다가 광전 변환막 중에서 광이 흡수되어 광전 변환부 하부에는 약간의 광만이 도달하는 등 복잡한 현상이기 때문에, 혼색을 제어하기 위한 굴절률차 Δn 과 d1, d2 의 적절한 상관은 한번에는 구해지지 않는다.
그래서 발명자는 먼저 도 18 에 나타내는 바와 같이, d1, d2 및 굴절률차 Δn 을 변화시킨 경우의 혼색률의 데이터를 취득하였다. 도 18 에 있어서는, d1 = 1.2 ㎛ 의 경우의, Δn = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 로 변화시킨 경우에 대해서만 나타내고 있지만, d1 을 0.2, 0.6 ㎛ 로 한 경우에 대해서도 동일하게 데이터를 취득하였다. 그러나, 데이터치가 겹쳐서 시인성이 저하하기 때문에, 도 18 에는 나타내지 않았다. 다음으로 얻어진 데이터에 대하여 d1, d2 및 굴절률차 Δn 사이에 적당한 관계식 (예를 들어, Δn × (d1 ＋ d2)) 을 예상하고, 그 값에 대하여 혼색률과의 관계를 플롯함으로써, d1 이 1.2 ㎛ 이하, d2 가 1.4 ㎛ 이하의 조건하에 있어서, 더욱 효과적으로 혼색을 억압할 수 있는 조건을 탐색하였다. 이 결과, 도 19 에 나타내는 바와 같이 Δn × (d1 ＋ d2)2 를 2.0 이하로 함으로써 혼색을 보다 효과적으로 억압할 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 19 는 도 18 의 결과를 기초로, d1 이 1.2 ㎛ 이하, d2 가 1.4 ㎛ 이하인 경우에 대하여, 가로축에 Δn × (d1 ＋ d2)2 를, 세로축에 혼색률을 플롯한 그래프이다. 도 19 에 외삽선을 나타내는 바와 같이, Δn × (d1 ＋ d2)2 가 2.0 을 경계로 기울기가 크게 변화하여, Δn × (d1 ＋ d2)2 가 2.0 이상이 되면, 2.0 미만의 경우에 비하여 혼색의 증가가 현저해지는 것을 알아냈다. 즉,
Δn × (d1 ＋ d2)2 ＜ 2.0
으로 함으로써 혼색을 보다 효과적으로 억압할 수 있는 것을 알아냈다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 컬러 필터의 배열을 RGB 의 베이어 배열 중 G 의 1 개를 W 로 치환한 배열로 하였지만, 컬러 필터 배열은 상기 배열에 한정되지 않고, 임의로 변경 가능하다. 또한, R, G, B 대신에 보색형의 컬러 필터를 구비하고 있어도 되고, 옐로우, 마젠타, 시안, 백색의 4 종의 컬러 필터를 구비한 컬러 필터층을 구비해도 된다. 그 경우에도, 통상적으로는 백색이 가장 굴절률이 작은 점에서, 동일하게 백색 화소로부터 다른 화소에 대한 광의 침출이 발생하기 때문에, 상기 실시형태와 마찬가지로 광로 길이 (d1, d2) 를 제어함으로써 광의 침출에 의한 영향을 억제하고, 높은 S/N 의 화상을 취득할 수 있다.
도 20 은, 각 화소부 (20) 에 있어서의 신호 판독 회로 (11) 및 그 회로부 (11) 와 광전 변환부 (17) 의 관계를 나타내는 회로도이다. 도 20 에 나타내는 바와 같이, 신호 판독 회로 (11) 에는, 출력 트랜지스터 (32) 와 리셋 트랜지스터 (33) 와 선택 트랜지스터 (34) 가 형성되어 있다. 그리고, 출력 트랜지스터 (32), 리셋 트랜지스터 (33), 선택 트랜지스터 (34) 는, 각각 n 채널의 MOS 트랜지스터로 구성되어 있다. 광전 변환부 (17) 와 출력 트랜지스터 (32) 의 게이트가 전기적으로 연결되어 있으며, 이 노드를 플로팅 디퓨전 FD (이하, 간단히 FD 라고 한다) 라고 칭한다. 도 11 에 있어서, 신호 판독 회로 (11) 는 1 개의 영역으로서 나타내고 있지만, 실제로는, 이 영역에 상기 서술한 각 요소가 형성되어 있다.
본 실시형태의 화소부 (20) 에 있어서는, 광전 변환막 (14) 에서 발생한 전하 중 정공이 화소 전극 (12) 으로 이동하고, 전자가 대향 전극 (16) 으로 이동하도록, 화소 전극 (12) 에 대하여 바이어스 전압이 인가된다. 광전 변환막 (14) 이 충분히 높은 감도를 발현하도록, 바이어스 전압으로는, 판독 회로의 전원 전압 (Vdd) (도 20 에 있어서 출력 트랜지스터의 드레인에 공급되고 있는 전압, 예를 들어 3 V) 보다 높은 전압 (5 ∼ 20 V 정도, 예를 들어 10 V) 을 사용하는 것이 바람직하다.
FD 는, 화소 전극 (12) 과 전기적으로 연결된 n 형 불순물 영역을 포함하는 노드이다. FD 는 광전 변환부 (17) 나 각 트랜지스터의 기생 용량 등에서 기인하여 용량을 가진다. 화소 전극 (12) 에 포집된 전하의 양에 따라 FD 의 전위가 변화하기 때문에, FD 는 전하 축적부로서 기능한다.
출력 트랜지스터 (32) 는, FD 에 축적된 전하 신호를 전압 신호로 변환하여 신호선에 출력하는 것이다. 출력 트랜지스터 (32) 의 게이트 단자는 FD 에 전기적으로 접속되고, 드레인 단자는 고체 촬상 소자의 전원 전압 (Vdd) 이 접속되어 있다. 또한, 출력 트랜지스터 (32) 의 소스 단자는 선택 트랜지스터 (34) 의 드레인 단자에 접속되어 있다. 본 실시형태에 있어서의 화소부 (20) 는, FD 와 광전 변환부 (17) 의 화소 전극 (12) 과 출력 트랜지스터 (32) 의 게이트 단자가 전기적으로 직접 접속된, 이른바 3 트랜지스터의 구성의 회로이다.
리셋 트랜지스터 (33) 는, FD 의 전위를 기준 전위로 리셋하는 것이다. 리셋 트랜지스터 (33) 의 드레인 단자에는 FD 가 전기적으로 접속되고, 소스 단자에는 리셋 전원이 접속되고, 전압 (RD) 이 공급되고 있다. 리셋 트랜지스터 (33) 의 게이트 단자에 인가되는 리셋 펄스 (RS) 가 하이 레벨이 되면, 리셋 트랜지스터 (33) 가 온되고, 리셋 트랜지스터 (33) 의 소스로부터 드레인에 전자가 주입된다. 그리고, 이 전자의 주입에 의해 FD 의 전위가 강하하여 FD 의 전위가 기준 전위로 리셋된다. 선택 트랜지스터 (34) 는, 그 소스 단자가 신호선에 접속되는 것으로, 각 화소의 출력 트랜지스터 (32) 로부터 출력되는 신호를 열 별로 형성된 신호선에 선택적으로 출력하기 위한 것이다. 선택 트랜지스터 (34) 의 게이트 단자에 인가되는 선택 펄스 (RW) 가 하이 레벨이 되면, 선택 트랜지스터 (34) 는 온되고, 이로써 각 화소의 출력 트랜지스터 (32) 로부터 출력된 신호가 신호선에 출력된다.
또한, 상기 실시형태의 고체 촬상 소자에 있어서는, 신호 판독 회로 (11) 를 리셋 트랜지스터 (33), 출력 트랜지스터 (32) 및 선택 트랜지스터 (34) 를 n 채널 MOS 트랜지스터로 구성하고, 화소 전극 (12) 에 의해 정공을 포집하도록 하였지만, 이에 한정되지 않고, 리셋 트랜지스터 (33), 출력 트랜지스터 (32) 및 선택 트랜지스터 (34) 를 p 채널 MOS 트랜지스터로 구성하도록 하고, 화소 전극 (12) 으로 전자를 포집하고, 그 전자의 양에 따른 전하 신호를, p 채널 MOS 트랜지스터로 구성된 신호 판독 회로 (11) 로 판독하도록 해도 된다.
상기 실시형태와 같이 화소 전극 (12) 으로 정공을 포집하고, 이것을 n 채널 MOS 트랜지스터로 구성된 신호 판독 회로 (11) 로 판독하는 구성으로 하거나, 혹은 상기 서술한 바와 같이 화소 전극 (12) 으로 전자를 포집하고, 이것을 p 채널 MOS 트랜지스터로 구성된 신호 판독 회로 (11) 로 판독하는 구성으로 한 경우, 화소 전극에 의해 전자를 포집하고, 이것을 n 채널 MOS 트랜지스터로 구성된 신호 판독 회로에 의해 판독하는 구성으로 한 경우와 비교하면, 포화 전자 수를 크게 할 수 있고, 포화하기 쉬운 W 화소의 다이나믹 레인지를 크게 할 수 있다. 또한, 종전의 실리콘 기판 중에 형성되는 포토 다이오드에서는, 신호 판독 회로와 포토 다이오드를 동일한 기판 중에 형성하기 때문에, 판독 회로의 극성과 포집 전하의 극성을 반대 극성으로 할 수 없었다.
도 21 은, 본 실시형태의 고체 촬상 소자 (100) 의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 도 21 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자 (100) 는, 수직 드라이버 (121) 와, 제어부 (122) 와, 신호 처리 회로 (123) 와, 수평 드라이버 (124) 와, LVDS (125) 와, 시리얼 변환부 (126) 와, 패드 (127) 를 포함하는 주변 회로와, 도 11 에 나타내는 화소부 (20) 가 복수 2 차원상으로 배열된 화소 영역 (촬상부에 상당한다) 을 구비하고 있다. 도 21 의 화소 영역에 대해서는, 화소부 (20) 의 신호 판독 회로 (11) 만을 모식적으로 나타내고 있다.
제어부 (122) 는, 타이밍 제너레이터 등을 구비한 것으로, 프레임 동기 신호 (VD) 나 행 동기 신호 (HD) 를 출력함과 함께, 수직 드라이버 (121) 나 수평 드라이버 (124) 의 동작을 제어하는 것에 의해 화소부 (20) 에 있어서의 전하 신호의 판독 등을 제어하는 것이다.
수직 드라이버 (121) 는, 제어부 (122) 로부터 출력된 프레임 동기 신호 (VD) 및 행 동기 신호 (HD) 에 기초하여, 신호 판독 회로 (11) 에 대하여 리셋 펄스 (RS) 나 선택 펄스 (RW) 를 출력하고, 신호 판독 회로 (11) 에 있어서의 리셋 동작이나 전하 신호의 판독 동작을 제어하는 것이다.
신호 처리 회로 (123) 는, 신호 판독 회로 (11) 의 각 열에 대응하여 형성되는 것이다. 신호 처리 회로 (123) 는, 대응하는 열로부터 출력된 신호에 대하여, 상관 이중 샘플링 (CDS) 처리를 실시하고, 처리 후의 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC 회로를 구비한 것이다. 신호 처리 회로 (123) 에서 처리 후의 신호는, 열 별로 형성된 메모리에 기억된다.
수평 드라이버 (124) 는, 신호 처리 회로 (123) 의 메모리에 기억된 화소부 (20) 의 1 행 분의 신호를 순차적으로 판독하여 LVDS (125) 에 출력하는 제어를 실시하는 것이다.
LVDS (125) 는, LVDS (low voltage differential signaling) 에 따라 디지털 신호를 전송한다. 시리얼 변환부 (126) 는, 입력되는 패럴렐의 디지털 신호를 시리얼로 변환하여 출력하는 것이다. 패드 (127) 는, 외부와의 입출력에 사용하는 인터페이스이다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 구비하고 있지 않은 구성을 설명했지만, 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈를 구비하고 있어도 된다.
상기 서술한 실시형태의 고체 촬상 소자는, 다양한 촬상 장치에 사용할 수 있다. 촬상 장치로는, 예를 들어 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 전자 내시경, 카메라가 부착된 휴대 전화 등이 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 화소 단위로 구획된 화소 전극, 입사광의 광량에 따른 신호 전하를 발생하는 광전 변환막, 및 그 광전 변환막을 사이에 두고 상기 화소 전극에 대향하여 형성된 대향 전극을 포함하는 광전 변환부를 갖는 화소가, 이차원상으로 복수 배열되어 이루어지는 촬상부를 갖는 고체 촬상 소자에 있어서,
    상기 광전 변환막 및 상기 대향 전극이, 모든 상기 화소에 공통적인 공통막상으로 형성되어 이루어지고,
    상기 대향 전극 상에 보호막을 구비하고,
    상기 보호막 상에, 상이한 복수 색의 컬러 필터를 갖는 컬러 필터층이, 그 각 컬러 필터가 상기 각 광전 변환부와 대응하도록 배치되고,
    그 컬러 필터층이, 상기 상이한 복수 색의 컬러 필터로서, 소정의 색 영역의 파장만을 투과시키는 소정 색 필터와, 그 소정 색 필터에 인접하여 배치된 전체 가시광 영역에 이르는 파장을 투과시키는 백색 필터를 포함하고, 적어도 상기 소정의 색 영역의 파장 이외의 가시광 영역에 있어서, 상기 소정 색 필터와 상기 백색 필터 사이에 굴절률차를 갖는 것이고,
    상기 컬러 필터층의 저면부터 상기 광전 변환막의 상면까지의 광로 길이 (d1) 가 1.2 ㎛ 이하이고,
    상기 광전 변환막의 두께의 광로 길이 (d2) 가 1.4 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환막이 유기 재료를 포함하는 것임을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 백색 필터와 상기 소정 색 필터의 굴절률차를 Δn 이라고 하면, 상기 소정 색 필터가 투과시키지 않는 가시광 파장 영역에 있어서 Δn 과 상기 광로 길이 d1 (㎛), d2 (㎛) 사이에,
    Δn × (d1 ＋ d2)2 ＜ 2.0
    의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 색이 청, 녹 및 적의 어느 것인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 색 영역의 파장만을 투과시키는 상기 소정 색 필터로서, 청색 영역의 파장만을 투과시키는 청색 필터, 녹색 영역의 파장만을 투과시키는 녹색 필터, 및 적색 영역의 파장만을 투과시키는 적색 필터를 구비한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 색 영역의 파장만을 투과시키는 상기 소정 색 필터로서, 황색 영역의 파장만을 투과시키는 황색 필터, 마젠타 영역의 파장만을 투과시키는 마젠타 필터, 시안 영역의 파장만을 투과시키는 시안 필터를 구비한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에 상기 광전 변환부에 있어서 발생하는 전하에 따른 신호를 판독하는 MOS 트랜지스터 회로가 형성되어 있고, 그 MOS 트랜지스터 회로는, 상기 광전 변환부와 전기적으로 접속된 전하 축적부와, 상기 전하 축적부의 전위를 리셋 전위로 리셋하는 리셋 트랜지스터와, 상기 전하 축적부의 전위에 따른 신호를 출력하는 출력 트랜지스터를 포함하고, 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 출력 트랜지스터는, 캐리어의 극성이 상기 광전 변환부에서 발생한 포집되는 전하와 반대 극성인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환막과 상기 화소 전극 사이에, 암전류를 억제하는 기능층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
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