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JP2015179731A - 固体撮像装置 - Google Patents

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崇 宮崎
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Abstract

【課題】画素内で積層された光電変換部の間で混色が発生することを抑えつつ、各光電変換部での受光感度を更に向上できる固体撮像装置を提供することである。【解決手段】実施形態の固体撮像装置は、第１の無機光電変換部と、半導体基板部と、微細構造体とを備える第１の部分を持つ。半導体基板部は、前記第１の無機光電変換部と対向し、光が入射する受光面と、読み出し回路を含む回路が形成された回路形成面とがあり、内部に第２の無機光電変換部を持つ。微細構造体は、前記第１の無機光電変換部と前記第２の無機光電変換部との間に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
従来より、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサーや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに広く用いられている。また、近年では撮像機能を備えた携帯電話機器などのモバイル機器にも固体撮像素子が搭載されている。モバイル機器では、固体撮像素子の中でも、電源電圧が低く、低消費電力であるという観点から、ＣＭＯＳイメージセンサーが多く採用されている。
ＣＭＯＳイメージセンサーでは、マトリクス状に配列された各画素の受光面に光が入射することによって、画素毎に配置された光電変換部としてのフォトダイオード（ＰＤ：Photodiode）で光電変換される。ＰＤで発生した電荷は、転送トランジスタを介して浮遊拡散領域であるフローティングディフュージョン（ＦＤ：Floating Diffusion）に転送される。その後、増幅トランジスタによってＦＤに蓄積されている電荷に応じたレベルの画素信号が出力される。
また、フルカラー固体撮像素子の場合は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光に対応した画素を平面状に並べた画素配列としている。画素配列には多くの場合、ベイヤー配列が用いられる。画素配列には、赤、緑、青の各色光に対応した吸収型のカラーフィルターが配置され、各色光を選択的に透過させる。
ＣＭＯＳイメージセンサーでは、画素サイズの縮小化に伴って、単位画素に入射するフォトン数の減少により感度が低下し、Ｓ／Ｎ比が低下する問題が生じている。また、ベイヤー配列の場合、例えば赤色光に対応した画素では、緑色光及び青色光が赤色カラーフィルターを透過せず、光電変換に用いられないことから、感度の面で損失が発生してしまう。さらに、画素間の補間処理を行い、色信号を作ることによって、偽色が発生することがある。
これらの問題を解決する方法として、同一画素の深さ方向に緑、青、赤の光電変換層を積層した固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置では、シリコン基板内の深さ方向に、青色ＰＤ（光電変換部）と、赤色ＰＤ（光電変換部）とが形成され、シリコン基板の受光面側の表面上層に、有機光電変換膜を電極を挟んだ緑色の有機光電変換部が形成された構造を有している。この構造によれば、上述したカラーフィルターでの光の損失が生じないために感度が向上すると共に、画素間の補間処理を行わないために偽色が発生しないという効果が期待できる。
一方、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサーにおいて、カラーフィルターと、深さ方向に積層したＰＤと、有機光電変換膜とを備えた固体撮像装置が提案されている。この固体撮像装置では、イエローとシアンのカラーフィルターを市松模様に配置し、それぞれのカラーフィルターに対応して赤、青のＰＤが配置される。さらに、各ＰＤの上層に有機光電変換部が配置される。この固体撮像装置では、有機光電変換部から緑の信号を取り出し、イエローフィルターの下にあるＰＤから赤の信号を取り出し、シアンフィルターの下にあるＰＤから青の信号を取り出すようになっている。
ところで、上述したシリコン基板内に深さ方向に青色ＰＤと赤色ＰＤとを積層した固体撮像装置では、青色光と赤色光を分光する原理として、シリコン基板の吸収係数が波長分散を持つことを利用している。すなわち、シリコン基板では、波長の短い光ほど吸収され易いといった特徴を持つ。この場合、青色光がシリコン基板の受光面側の表面に近い、浅い領域で光電変換により全て吸収される。一方、赤色光のみが受光面側から離れた、より深い領域まで進行する。したがって、このような積層型の固体撮像装置では、シリコン基板の受光面側の表面に近い、浅い領域に青色ＰＤを配置し、受光面側から離れた、より深い領域に赤色ＰＤを配置することで、青色光と赤色光の分光が行われている。
また、積層型の固体撮像装置の場合、赤色ＰＤで光電変換される青色光（以下、青混色と呼ぶ。）を充分低い値に抑えるため、青色ＰＤと赤色ＰＤとの間で深さ方向の距離を十分大きく取る必要がある。具体的には、青色ＰＤ及び赤色ＰＤの総厚を７μｍ程度まで厚くする必要がある。しかしながら、画素の厚みが厚くなった場合、斜め光が入射したときに、隣接する画素間での混色が発生し易くなる。
また、青色光の受光感度を充分に確保するためには、青色ＰＤの空乏層領域を厚くとる必要がある。しかしながら、青色ＰＤの空乏層領域が厚くなると、青色ＰＤで光電変換される赤色光（以下、赤混色と呼ぶ。）が増加してしまう。
特開２０１１−２９３３７号公報 特開２００８−２５８４７４号公報
本発明が解決しようとする課題は、画素内で積層された光電変換部の間で混色が発生することを抑えつつ、各光電変換部での受光感度を更に向上できる固体撮像装置を提供することである。
実施形態の固体撮像装置は、第１の無機光電変換部と、半導体基板部と、微細構造体とを備える第１の部分を持つ。半導体基板部は、前記第１の無機光電変換部と対向し、光が入射する受光面と、読み出し回路を含む回路が形成された回路形成面とがあり、内部に第２の無機光電変換部を持つ。微細構造体は、前記第１の無機光電変換部と前記第２の無機光電変換部との間に配置されている。
実施形態の固体撮像装置の概略構成を示す模式図。 第１の実施形態の固体撮像装置の断面構造を示す断面図。 図２に示す実施形態の固体撮像装置について、赤混色と青混色とが生じる割合を計算したグラフ。 従来の固体撮像装置の断面構造を示す断面図。 図４に示す従来の固体撮像装置について、赤混色と青混色とが生じる割合を計算したグラフ。 第２の実施形態の固体撮像装置の断面構造を示す断面図。 第３の実施形態の固体撮像装置の断面構造を示す断面図。
以下、実施形態の固体撮像装置を、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で用いられる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明で例示される材料、寸法等は一例であって、実施形態はそれらに必ずしも限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の概略構成を示す模式図である。
固体撮像装置１は、図１に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサーとして、例えばシリコン基板などを有する半導体基板部２の面内に、複数の画素３がマトリックス状に配列された画素部（撮像領域）４を備えている。
各画素３は、複数の光電変換部と、複数の画素トランジスタ（いわゆるＭＯＳトランジスタ）とを有して構成されている。複数の画素トランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタを含む３つのトランジスタ（図示せず。）で構成されている。さらに、複数の画素トランジスタは、選択トランジスタを追加して４つのトランジスタで構成することもできる。各画素３については、複数の光電変換部と、転送トランジスタを除く他の画素トランジスタとを共有し、且つフローティングディフージョン（ＦＤ）を共有する、いわゆる画素共有構造を採用することができる。なお、各画素３の等価回路は、通常と同じあるので、その説明を省略するものとする。
固体撮像装置１は、画素部４の周辺に周辺回路部５を備えている。周辺回路部５は、垂直駆動回路６、カラム信号処理回路７、水平駆動回路８、出力回路９、制御回路１０、垂直信号線１１、水平信号線１２、及び入出力端子１３等から構成されている。
垂直駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素を駆動する。すなわち、垂直駆動回路６は、各画素３を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線１１を通して画素信号をカラム信号処理回路７に供給する。画素信号は、各画素３の光電変換部となる例えばフォトダイオード（ＰＤ）において受光量に応じて生成した信号電荷に基く。
カラム信号処理回路７は、例えば画素３の列毎に配置されて、１行分の画素３から出力される信号を画素列毎にノイズ除去などの信号処理を行う。すなわち、カラム信号処理回路７は、画素３の固有の固定パターンノイズを除去するためのＣＤＳ（Correlated double sampling）や、信号増幅、ＡＤ変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路７の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず。）が水平信号線１２との間に接続されて設けられている。
水平駆動回路８は、例えばシフトレジスタによって構成されている。水平駆動回路８は、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路７の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路７の各々から画素信号を水平信号線１２に出力する。
出力回路９は、カラム信号処理回路７の各々から水平信号線１２を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。例えば、信号処理としては、バファリングのみ行う場合や、黒レベル調整や、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などを行う場合がある。
制御回路１０は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取る。また、この固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路１０では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直駆動回路６、カラム信号処理回路７及び水平駆動回路８などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路６、カラム信号処理回路７及び水平駆動回路８等に入力する。外部と信号のやりとりは、入出力端子１３を介して行われる。
（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態として図２に示す固体撮像装置１Ａについて説明する。
図２は、第１の実施形態の固体撮像装置１Ａが備える１つの画素３に対応した断面構造を示す断面図である。なお、第１の実施形態の固体撮像装置１Ａでは、上記図１に示す固体撮像装置１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
第１の実施形態の固体撮像装置１Ａにおいて、各画素３は、第１の部分を備える。第１の部分は、第１の無機光電変換部と、半導体基板部と、微細構造体と、を備える。半導体基板部は、第１の無機光電変換部と対向し光が入射する受光面と、読み出し回路を含む回路が形成された回路形成面とを有し、内部に第２の無機光電変換部を有する。微細構造体は、第１の無機光電変換部と第２の無機光電変換部との間に配置されている。
具体的に、この固体撮像装置１Ａは、図２に示すように、いわゆる裏面照射型として、半導体基板部２の裏面（図２に示す半導体基板部２の上面）を光ＷＬが入射する受光面２ａとし、半導体基板部２の表面（図２に示す半導体基板部２の下面）を読み出し回路を含む回路が形成された回路形成面２ｂとしている。
半導体基板部２は、イオン不純物のドーピングによりｐｎ接合が作製可能なシリコン基板を用いて形成されている。シリコン基板としては、クリスタルシリコン（ｃＳｉ）やアモルファスシリコン（ａＳｉ）等からなるものを挙げることができる。
固体撮像装置１Ａは、いわゆる積層型のＣＭＯＳイメージセンサーとして、半導体基板部２の層内において受光面２ａ側から深さ方向に積層された第１の無機光電変換部２１及び第２の無機光電変換部２２と、半導体基板部２の受光面２ａ側の面上に形成された有機光電変換部２３とを備えている。すなわち、この固体撮像装置１Ａは、受光面２ａ側から順に、有機光電変換部２３と、第１の無機光電変換部２１と、第２の無機光電変換部２２とが積層された構造を有している。したがって、１つの画素３内において、第１の無機光電変換部２１及び第２の無機光電変換部２２と有機光電変換部２３とは、平面視で重なる位置に配置されている。
固体撮像装置１Ａでは、受光面２ａに入射した光ＷＬのうち、緑色光（第３の波長成分の光）ＧＬを有機光電変換部２３が光電変換し、青色光（第１の波長成分の光）ＢＬを第１の無機光電変換部２１が光電変換し、赤色光（第２の波長成分の光）ＲＬを第２の無機光電変換部２２が光電変換する。
第１の無機光電変換部２１は、内部の空乏層がＰ型のアモルファスシリコンにより構成された、青色用フォトダイオード（ＰＤ）により構成されている。具体的に、第１の無機光電変換部２１には、青色光ＢＬを吸収する青色吸収層２１ａとして、薄層化されたＰ型アモルファスシリコン層が形成されている。また、青色吸収層２１ａの内部で青色光ＢＬにより励起された電子・正孔対を分離する空乏層領域を形成するため、Ｐ型アモルファスシリコン層の受光面２ａ側には、負の固定電荷を持ったハフニウム酸化膜２１ｂが形成されている。
アモルファスシリコンのように吸収係数の高い材料では、波長が短いほど光の吸収率が大きくなる。第１の無機光電変換部２１では、このような吸収係数が波長に対して依存する性質を利用して、青色光ＢＬを選択的に吸収する厚みまでアモルファスシリコン層（青色吸収層２１ａ）が薄層化されている。
青色吸収層２１ａの下層には、絶縁層２４として、受光面２ａ側から順にシリコン窒化膜２４ａと、シリコン酸窒化膜２４ｂと、シリコン酸化膜２４ｃとが形成されている。絶縁層２４では、青色吸収層２１ａとシリコン酸化膜２４ｃとの間で、段階的に屈折率を下げるように、受光面２ａ側からシリコン窒化膜２４ａと、シリコン酸窒化膜２４ｂと、シリコン酸化膜２４ｃとを形成することによって、この間の界面反射を防ぐことが可能となっている。
なお、本実施形態では、厚み１０ｎｍの青色吸収層２１ａと、厚み５０ｎｍのシリコン窒化膜２４ａと、厚み５０ｎｍのシリコン酸窒化膜２４ｂと、厚み７５ｎｍのシリコン酸化膜２４ｃとが形成されている。
第２の無機光電変換部２２は、ｐｎ接合を有する赤色用フォトダイオード（ＰＤ）により構成されている。具体的に、第２の無機光電変換部２２は、赤色光ＲＬを吸収する赤色吸収層２２ａとしてのシリコン層の内部にイオン不純物のドーピングによりｐｎ接合が形成されてなる。なお、本実施形態では、赤色吸収層２２ａとして厚み３００ｎｍのアモルファスシリコン層を用いている。
ここで、青色吸収層２１ａの吸収係数をαＢ［ｎｍ−１］とし、青色吸収層２１ａの厚みをｄＢ［ｎｍ］としたときに、下記式（１）の関係を満足することが好ましい。
０．２１＜αＢ・ｄＢ＜２．３ …（１）
すなわち、青色光ＢＬの波長範囲を例えば４００〜５００ｎｍ（本実施形態では４７０ｎｍ）とした場合、青色吸収層２１ａを透過する青色光ＢＬの割合を受光面２ａに入射した光ＷＬの１０％未満とすれば、αＢ・ｄＢ＜２．３となる。一方、青色吸収層２１ａで吸収される赤色光ＲＬの割合を受光面２ａに入射した光ＷＬの１０％未満とすれば、０．２１＜αＢ・ｄＢとなる。このように、青色吸収層２１ａが吸収する青色光ＢＬに含まれる一波長において式（１）の関係が満足される。好ましくは、青色光ＢＬのピーク波長において式（１）の関係が満足される。さらに好ましくは、青色光ＢＬのピーク波長を含む波長領域において式（１）の関係が満足される。
また、赤色吸収層２２ａの吸収係数をαＲ［ｎｍ−１］とし、赤色吸収層の厚みをｄＲ［ｎｍ］としたときに、下記式（２）の関係を満足することが好ましい。
１．４＜αＲ・ｄＲ＜２．６ …（２）
赤色光ＲＬの波長範囲を例えば６００〜７００ｎｍ（本実施形態では６３０ｎｍ）とし、赤色光ＲＬの吸収される割合を受光面２ａに入射した光ＷＬの７５％以上とした場合、第１の無機光電変換部２１及び有機光電変換部２３で吸収される赤色光ＲＬの割合を受光面２ａに入射した光ＷＬの１０％未満とすれば、αＲ・ｄＲ＜２．６となる。一方、第１の無機光電変換部２１及び有機光電変換部２３で吸収される赤色光ＲＬの割合が受光面２ａに入射した光ＷＬの０％とすれば、１．４＜αＲ・ｄＲとなる。このように、赤色吸収層２２ａが吸収する赤色光ＲＬに含まれる一波長において式（２）の関係が満足される。好ましくは、赤色光ＲＬのピーク波長において式（２）の関係が満足される。さらに好ましくは、赤色光ＲＬのピーク波長を含む波長領域において式（２）の関係が満足される。
第１の無機光電変換部２１と第２の無機光電変換部２２との間には、微細構造体２５が配置されている。微細構造体２５は、第１の無機光電変換部２１で吸収される青色光ＢＬを反射し、第２の無機光電変換部２２で吸収される赤色光ＲＬを透過するものであり、青色光ＢＬと赤色光ＲＬとに分光する機能を有している。
具体的に、微細構造体２５は、複数の微細なドット２５ａがアレイ状に並ぶ、いわゆるナノアレイ構造を有している。各ドット２５ａは、半導体基板部２（第２の無機光電変換部２２）の受光面２ａ側の面上に、シリコン窒化膜２６を介して形成されている。また、微細構造体２５には、例えば、アルミニウムや金、銀、銅などの金属や、シリコン、誘電体等を用いることができる。
微細構造体２５では、このようなナノアレイ構造とすることで、青色光ＢＬを反射し、赤色光ＲＬを透過するといった波長選択性を持たせることが可能である。すなわち、微細構造体２５では、実効屈折率の異なる材料を積層することによって波長選択性を持たせることができる。また、微細構造体２５では、表面プラズモン共鳴を利用して波長選択性を持たせることができる。
また、各ドット２５ａは、円形や正多角形（正方形など）といった面内で対称な平面形状を有することが好ましく、より好ましくは円形である。ドット２５ａが対称性の小さい平面形状となる場合、光の入射方向と偏光方向によって微細構造体２５を透過する光の波長範囲が変化してしまう場合がある。例えば、微細構造体２５が基板面内において長手方向と短手方向とを有した非対称な形状の場合、長手方向に偏光を持った光と短手方向に偏光を持った光で、微細構造体２５を透過する波長域が各々赤色域と青色域とになってしまい、第２の無機光電変換部２２で吸収されなくなる光成分が発生する。
微細構造体２５では、例えば各ドット２５ａの幅が２０〜３００ｎｍの範囲とする。例えば、各ドット２５ａの厚みは１０〜３００ｎｍの範囲とする。例えば、隣接する各ドット２５ａの間隔は２０〜２５０ｎｍの範囲とする。また、好ましくは各ドット２５ａの幅は６０〜２００ｎｍの範囲である。好ましくは各ドット２５ａの厚みは３０〜１００ｎｍの範囲である。好ましくは、隣接する各ドット２５ａの間隔は４０〜１２０ｎｍの範囲である。なお、ここで言うドット２５ａの幅とは、ドット２５ａの平面形状が円形の場合は直径を表し、正多角形の場合には一辺の長さを表すものとする。
また、シリコン酸化膜２４ｃの屈折率をｎとし、シリコン酸化膜２４ｃの厚みをｄ［ｎｍ］としたときに、下記式（３）の関係を満足することが好ましい。
１００＜ｎ・ｄ＜１２５ …（３）
青色光ＢＬの波長範囲を例えば４００〜５００ｎｍ（本実施形態では４３０ｎｍ）とした場合、ｎ・ｄが波長の１／４となるように設定（４００／４＜ｎ・ｄ＜５００／４）することで、多層干渉による効果を得ることができる。但し、この多層干渉による効果は、必ずしも必須のものではなく、必要に応じて規定を満たすようにすればよい。
なお、本実施形態では、厚み５ｎｍのシリコン窒化膜２６が形成され、この上に、微細構造体２５のドット２５ａとして、アルミニウムのナノドットがアレイ状に並んで形成されている。各ドット２５ａの平面形状は、一辺が１７０ｎｍの正方形であり、ドット２５ａの厚みは７０ｎｍである。また、隣接するドット２５ａの間隔は４５ｎｍである。このような微細構造体２５は、電子線リソグラフィーにより作製される。
また、微細構造体２５のドット２５ａとして、シリコンのナノドットをアレイ状に並べて形成した場合、各ドット２５ａの最適な平面形状としては、例えば、一辺が１０５ｎｍの正方形であり、ドット２５ａの厚みが１００ｎｍであり、隣接するドット２５ａの間隔が１０５ｎｍである場合が挙げられる。
有機光電変換部２３は、有機光電変換膜２７を下部電極２８と上部電極２９とで挟持した構造を有している。有機光電変換膜２３は、緑色光ＧＬを選択的に吸収し、それ以外の色光ＢＬ，ＲＬを透過させるものであり、例えば、キナクリドン等を用いて形成されている。下部電極２８及び上部電極２９は、透明電極として、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等を用いて形成されている。
下部電極２８の下層には、絶縁層３０が設けられている。絶縁層３０しては、有機光電変換部２３の光出射側での界面反射を低減するために、透明且つＩＴＯと屈折率が近い材料を用いることが好ましい。具体的には、ハフニウム酸化膜、シリコン窒化膜、リコン酸窒化膜などが挙げられる。なお、本実施形態では、絶縁層３０として、シリコン窒化膜が形成されている。
半導体基板部２の回路形成面２ｂには、読み出し回路３１と、多層配線層３２とが設けられている。また、第１の無機光電変換部２１と第２の無機光電変換部２２と有機光電変換部２３とは、それぞれ独立に半導体基板部２を貫通するコンタクトプラグ３３を介して読み出し回路３１と電気的に接続されている。
コンタクトプラグ３３は、半導体基板部２を貫通するビアにタングステン等の導電性材料を埋め込むことにより形成されている。また、コンタクトプラグ３３は、イオン注入による半導体層等により形成することもできる。
固体撮像装置１Ａの製造工程については、先ず、半導体基板部２の各画素３となる領域に、ｐｎ接合を有する赤色用ＰＤ（第２の無機光電変換部２２）と、半導体基板部２を貫通する２本のコンタクトプラグ３３を形成する。次に、半導体基板部２の回路形成面２ｂとなる表面側に、画素トランジスタ等の読み出し回路３１を形成した後、その上に多層配線層３２を形成する。次に、半導体基板部２の受光面２ａとなる裏面側に、微細構造体２５を形成する。次に、無色透明な絶縁層２４を積層した後、その上に薄層化された青色吸収層２１ａを含む青色用ＰＤ（第１の無機光電変換部２１）を形成する。次に、絶縁層２４及び青色吸収層２１ａを貫通する２本のコンタクトプラグ３３を形成する。この２本のコンタクトプラグ３３は、上述した半導体基板部２を貫通する２本のコンタクトプラグ３３と接続されている。次に、１本のコンタクトプラグ３３と接続された下部電極２８を形成する。次に、下部電極２８の上に有機光電変換膜２７を形成した後、この上に上部電極２９を形成する。これにより、第１の無機光電変換部２１及び第２の無機光電変換部２２と平面視で重なる位置に有機光電変換部２３が形成される。以上のような工程を経ることによって、固体撮像装置１Ａを製造することができる。
以上のような構成を有する固体撮像装置１Ａでは、１つの画素３内において、受光面２ａ側から入射した光ＷＬのうち、緑色光ＧＬが有機光電変換部２３に吸収されて光電変換される。また、有機光電変換部２３を透過したマゼンタ光（青色光ＢＬ及び赤色光ＲＬ）のうち、青色光ＢＬ及び赤色光ＲＬの一部が第１の無機光電変換部２１により吸収されて光電変換される。
このとき、第１の無機光電変換部２１では、青色光ＢＬの受光感度が例えば５０％となる厚みまで青色吸収層２１ａが薄層化されている。したがって、第１の無機光電変換部２１では、５０％の青色光ＢＬが吸収されて光電変換される。また、残り５０％の青色光ＢＬが吸収されずに第１の無機光電変換部２１を透過する。
一方、第１の無機光電変換部２１では、赤色光ＲＬの一部が吸収されて赤混色が生じるものの、赤混色が生じる割合は、青色光ＢＬの受光感度を１００％とした場合に比べて、５０％ほど低減される。そして、残りの赤色光ＲＬは、第１の無機光電変換部２１を透過することになる。
第１の無機光電変換部２１を透過した青色光ＢＬは、微細構造体２５で反射されて、回路形成面２ｂ側から第１の無機光電変換部２１に再入射する。これにより、残り５０％の青色光ＢＬは、第１の無機光電変換部２１で吸収されて光電変換される。
これにより、無機光電変換部２１で光電変換される青色光ＢＬは、受光面２ａ側から入射した青色光ＢＬによる光電荷と、回路形成面２ｂ側から再入射した青色光ＢＬによる光電荷との総和となる。したがって、無機光電変換部２１では、青色光ＢＬの受光感度が５０％となる厚みまで青色吸収層２１ａを薄層化した場合でも、青色光ＢＬに対して十分な受光感度を確保できる。
一方、第１の無機光電変換部２１を透過した赤色光ＲＬは、微細構造体２５を透過して第２の無機光電変換部２２に入射する。これにより、赤色光ＲＬは、第２の無機光電変換部２２で吸収されて光電変換される。第２の無機光電変換部２２では、微細構造体２５によって青色光ＢＬが吸収されて青混色が生じる割合を十分小さい値まで抑えることができる。
以上のように、本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、画素１内で積層された第１の無機光電変換部２１と第２の無機光電変換部２２の間で混色が発生することを抑えつつ、各光電変換部２１，２２での受光感度の更なる向上を図ることが可能である。
ここで、本実施形態の固体撮像装置１Ａについて、赤混色と青混色とが生じる割合をＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）により計算した。その結果を図３のグラフに示す。
一方、比較対象として、図４に示す従来の固体撮像装置１００について、赤混色と青混色とが生じる割合をＲＣＷＡにより計算した。その結果を図５に示す。図４に示す従来の固体撮像装置１００は、上記図１に示す固体撮像装置１から微細構造体２５を省略した構成であり、クリスタルシリコンからなる半導体基板部１０１の層内に、受光面側から深さ方向に青色ＰＤ１０２と赤色ＰＤ１０３とを積層した構造を有している。
図３及び図５に示す結果から、本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、赤混色と青混色の発生した割合がそれぞれ０．０５と０．０７であった。一方、従来の固体撮像装置１００では、赤混色と青混色の発生した割合がそれぞれ０．１３と０．３０であった。したがって、本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、従来の固体撮像装置１００に対して、赤混色の発生する割合を６２％、青混色の発生する割合を７７％低減することができた。また、本実施形態の固体撮像装置１Ａでは、青色光ＢＬの吸収率と赤色光ＲＬの吸収率のピーク値が、それぞれ６６％と５５％であり、必要とされる受光感度を十分確保できていることがわかった。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図６に示す固体撮像装置１Ｂについて説明する。
図６は、第２の実施形態の固体撮像装置１Ｂが備える１つの画素３に対応した断面構造を示す断面図である。なお、第２の実施形態の固体撮像装置１Ｂでは、上記図２に示す第１の実施形態の固体撮像装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
第２の実施形態の固体撮像装置１Ｂは、第１の部分の隣に設けられ第２の無機光電変換部を有する第２の部分と、第１のカラーフィルターと、第２のカラーフィルターと、を有する。第１のカラーフィルターは、第１の部分における第１の無機光電変換部と対向して設けられ、第１の波長成分の光及び第２の波長成分の光を吸収する。第２のカラーフィルターは、第２の部分における第２の無機光電変換部と対向して設けられ、第３の波長成分の光を吸収する。
具体的に、この固体撮像装置１Ｂは、図６に示すように、１つの画素３内において、第１の無機光電変換部２１及び第２の無機光電変換部２２が設けられた第１の領域（第１の部分）Ｓ１と、第１の無機光電変換部２１が設けられた第２領域（第２の部分）Ｓ２とが、平面視で隣接する位置に配置された構成となっている。第１の領域Ｓ１における第２の無機光電変換部２２の上には、マゼンタ光（青色光ＢＬ及び赤色光ＲＬ）を透過させるマゼンダカラーフィルター（第１のカラーフィルター）３５が配置されている。第２の領域における第１の無機光電変換部２１の上には、緑色光ＧＬを透過させる緑色カラーフィルター（第２のカラーフィルター）３６が配置されている。それ以外の構成については、上記図２に示す第１の実施形態の固体撮像装置１Ａと基本的に同じである。
以上のような構成を有する固体撮像装置１Ｂでは、第１の無機光電変換部２１と第２の無機光電変換部２２との間に微細構造体２５が配置されることによって、受光面２ａ側から入射した光ＷＬのうち、第１の無機光電変換部２１で吸収される青色光ＢＬが微細構造体２５で反射され、第２の無機光電変換部２２で吸収される赤色光ＲＬが微細構造体２５を透過する。
したがって、この固体撮像装置１Ｂでは、上記固体撮像装置１Ａと同様に、画素１内で積層された第１の無機光電変換部２１と第２の無機光電変換部２２の間で混色が発生することを抑えつつ、各光電変換部２１，２２での受光感度の更なる向上を図ることが可能である。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として図７に示す固体撮像装置１Ｃについて説明する。
図７は、第３の実施形態の固体撮像装置１Ｃが備える１つの画素３に対応した断面構造を示す断面図である。なお、第３の実施形態の固体撮像装置１Ｃでは、上記図２に示す第１の実施形態の固体撮像装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
第３の実施形態の固体撮像装置１Ｃは、図７に示すように、上記青色吸収層２１ａの代わりに、青色光（第１の波長成分の光）ＢＬを吸収する有機光電変換膜４０ａを用いた有機光電変換部４０により構成されている。それ以外の構成については、上記図２に示す第１の実施形態の固体撮像装置１Ａと基本的に同じである。
有機光電変換膜４０ａとしては、例えばクマリンを用いることができる。但し、クマリンの波長選択性は充分でないため、可視光域における青色光ＢＬ以外の波長域において２０％程度の吸収がある。そこで、青色光ＢＬの受光感度が５０％となる厚みまで有機光電変換膜４０ａを薄膜化することによって、赤混色の発生を低減する。この場合、有機光電変換膜４０ａの膜厚は１００ｎｍ程度が望ましい。
以上のような構成を有する固体撮像装置１Ｃでは、有機光電変換部４０と第２の無機光電変換部２２との間に微細構造体２５が配置されることによって、受光面２ａ側から入射した光ＷＬのうち、有機光電変換部４０で吸収される青色光ＢＬが微細構造体２５で反射され、第２の無機光電変換部２２で吸収される赤色光ＲＬが微細構造体２５を透過する。
したがって、この固体撮像装置１Ｃでは、上記固体撮像装置１Ａと同様に、画素１内で積層された有機光電変換部４０と第２の無機光電変換部２２の間で混色が発生することを抑えつつ、各光電変換部４０，２２での受光感度の更なる向上を図ることが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１，１Ａ〜１Ｃ…固体撮像装置、２…半導体基板部、２ａ…受光面、２ｂ…回路形成面、３…画素、４…画素部、５…周辺回路部、２１…第１の無機光電変換部、２１ａ…青色吸収層（アモルファスシリコン層）、２２…第２の無機光電変換部、２２ｂ…赤色吸収層、２３…有機光電変換部、２４ｃ…シリコン酸化膜、２５…微細構造体、２５ａ…ドット、２７…有機光電変換膜、３１…読み出し回路、３２…多層配線層、３３…コンタクトプラグ、３５…マゼンダカラーフィルター（第１のカラーフィルター）、３６…緑色カラーフィルター（第２のカラーフィルター）、４０ａ…有機光電変換膜、４０…有機光電変換部、ＷＬ…受光面側から入射した光、Ｓ１…第１の領域（第１の部分）、Ｓ２…第２の領域（第２の部分）、ＧＬ…緑色光（第３の波長成分の光）、ＢＬ…青色光（第１の波長成分の光）、ＲＬ…赤色光（第２の波長成分の光）
第１の無機光電変換部２１は、内部に空乏層を有するＰ型のアモルファスシリコンにより構成された、青色用フォトダイオード（ＰＤ）により構成されている。具体的に、第１の無機光電変換部２１には、青色光ＢＬを吸収する青色吸収層２１ａとして、薄層化されたＰ型アモルファスシリコン層が形成されている。また、青色吸収層２１ａの内部で青色光ＢＬにより励起された電子・正孔対を分離する空乏層領域を形成するため、Ｐ型アモルファスシリコン層の受光面２ａ側には、負の固定電荷を持ったハフニウム酸化膜２１ｂが形成されている。
具体的に、この固体撮像装置１Ｂは、図６に示すように、１つの画素３内において、第１の無機光電変換部２１及び第２の無機光電変換部２２が設けられた第１の領域（第１の部分）Ｓ１と、第２の無機光電変換部２２が設けられた第２領域（第２の部分）Ｓ２とが、平面視で隣接する位置に配置された構成となっている。第１の領域Ｓ１における第１の無機光電変換部２１の上には、マゼンタ光（青色光ＢＬ及び赤色光ＲＬ）を透過させるマゼンダカラーフィルター（第１のカラーフィルター）３５が配置されている。第２の領域における第２の無機光電変換部２２の上には、緑色光ＧＬを透過させる緑色カラーフィルター（第２のカラーフィルター）３６が配置されている。それ以外の構成については、上記図２に示す第１の実施形態の固体撮像装置１Ａと基本的に同じである。

Claims (11)

  1. 第１の無機光電変換部と、
    前記第１の無機光電変換部と対向し、光が入射する受光面と、読み出し回路を含む回路が形成された回路形成面とを有し、内部に第２の無機光電変換部を有する半導体基板部と、
    前記第１の無機光電変換部と前記第２の無機光電変換部との間に配置された微細構造体とを備える第１の部分を含む固体撮像装置。
  2. 前記受光面側から入射した光のうち、前記第１の無機光電変換部で吸収される第１の波長成分の光が前記微細構造体で反射され、前記第２の無機光電変換部で吸収される第２の波長成分の光が前記微細構造体を透過する請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記微細構造体は、アレイ状に並ぶ複数のドットにより構成され、
    前記各ドットは、面内で対称な平面形状を有する請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第１の波長成分の光が青色光であり、前記第２の波長成分の光が赤色光であり、
    前記微細構造体において、各ドットの幅が２０〜３００ｎｍの範囲にあり、各ドットの厚みが１０〜３００ｎｍの範囲にあり、隣接する各ドットの間隔が２０〜２５０ｎｍの範囲にある請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第１の無機光電変換部は、前記青色光を吸収する青色吸収層を含み、
    前記第２の無機光電変換部は、前記赤色光を吸収する赤色吸収層を含み、
    前記青色吸収層の吸収係数をαＢ［ｎｍ−１］とし、前記青色吸収層の厚みをｄＢ［ｎｍ］としたときに、
    ０．２１＜αＢ・ｄＢ＜２．３
    の関係を満足し、
    前記赤色吸収層の吸収係数をαＲ［ｎｍ−１］とし、前記赤色吸収層の厚みをｄＲ［ｎｍ］としたときに、
    １．４＜αＲ・ｄＲ＜２．６
    の関係を満足する請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記青色吸収層がアモルファスシリコンを含む請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記青色吸収層と前記微細構造体との間にシリコン酸化膜を含み、
    前記シリコン酸化膜の屈折率をｎとし、前記シリコン酸化膜の厚みをｄ［ｎｍ］としたときに、
    １００＜ｎ・ｄ＜１２５
    の関係を満足する請求項５又は６に記載の固体撮像装置。
  8. 前記半導体基板部の前記受光面側の面上に形成された有機光電変換部を備え、
    前記有機光電変換部は、第３の波長成分の光を吸収する有機光電変換膜を含む請求項４〜７の何れか一項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記第３の波長成分の光が緑色光であり、
    前記有機光電変換部は、前記第１の無機光電変換部及び前記第２の無機光電変換部の形成位置と平面視で重なる位置に設けられている請求項８に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第１の部分の隣に設けられ、前記第２の無機光電変換部を有する第２の部分と、
    前記第１の部分における前記第１の無機光電変換部と対向して設けられ、前記第１の波長成分の光及び前記第２の波長成分の光を吸収する第１のカラーフィルターと、
    前記第２の部分における前記第２の無機光電変換部と対向して設けられ、第３の波長成分の光を吸収する第２のカラーフィルターとを有する請求項１に記載の固体撮像装置。
  11. 前記第１の無機光電変換部及び前記第２の無機光電変換部は、それぞれ前記読み出し回路に対して独立に接続されている請求項１〜１０の何れか一項に記載の固体撮像装置。
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