JP4741015B2 - 撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、入射光に応じて光電変換部で電荷を生成する撮像素子に関する。

従来のＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子は、フォトダイオードが設けられた半導体基板と、該半導体基板の光入射側の表面に、フォトダイオードで生成された電荷を転送するための配線層を含む電荷転送路等の信号読出回路とを備えている。

現在では、シリコン等の基板上に設けられた下部電極と、該下部電極の上に積層され、有機材料を含む光電変換層と、該光電変換層上に透明な上部電極とを備えた構成の撮像素子が提案されている。上部電極の上には、所定の色の波長域の光を透過するようにカラーパターンが配列されたカラーフィルタが設けられている。この光電変換素子は、基板上に光電変換層を積層させた構成であるため、積層型撮像素子ともいう。積層型撮像素子では、光電変換層で生成された電荷を下部電極から基板側に転送し、信号読出回路によって読み出す。積層型撮像素子としては、例えば下記特許文献１に示すものがある。

また、信号読出回路が形成された半導体基板の表面に対して反対側の裏面から入射光を半導体基板内に設けられたフォトダイオードで受光し、該フォトダイオードで生成された電荷を信号読出回路によって読み出す固体撮像素子が提案されている。このような構成の固体撮像素子を、信号読出回路が形成されている半導体基板の表面に入射光を受光させる従来の構成に対し、裏面照射型撮像素子ともいう。裏面照射型撮像素子としては、例えば、下記の特許文献２に示すものがある。

積層型撮像素子及び裏面照射型撮像素子はいずれも、従来の固体撮像素子に比べて、受光面積を拡大させることができ、光電変換効率を向上させることによって高感度化を図れる点で有利である。

これら撮像素子は、入射光が照射する側にカラーフィルタが設けられている。積層型撮像素子は、下部電極と半導体基板の表面とを電気導電性を有する接続部で接続し、該半導体基板内に設けられた信号読出部で電荷を読み出す構成である。カラーフィルタと光電変換層との間には平坦化膜や絶縁膜のみが設けられ、両者の距離を近くすることができる。裏面照射型撮像素子は、裏面の表面にカラーフィルタが設けられ、信号読出回路が半導体基板の表面側に配置される。カラーフィルタとフォトダイオードとの間には平坦化膜や絶縁膜のみが形成され、両者の距離を短くすることができる。

したがって、これら撮像素子では、受光面積が大きく、かつ、カラーフィルタから光電変換層又はフォトダイオードまでの距離を近くする構成を採用でき、入射光の透過効率を向上させることができる。

なお、特許文献３は、半導体基板と、該半導体基板にマトリクス状に形成された受光素子と、受光素子の上層に形成された複数のカラーフィルタ層とを備えた固体撮像素子であって、複数のカラーフィルタ同士の間に隙間が設けられている構成である。

特開２００８−２５２００４号公報 特開２００８−２０５２５６号公報 特開２００６−２９５１２５号公報

しかし、積層型撮像素子や裏面照射型撮像素子が用いられるデジタルカメラ等の撮像装置では、光学的な特性の改善や画質の向上に対する要求がますます強くなる傾向があり、透過効率についても更なる向上を図る必要がある。特に、近年は、画素数の増大に伴う画素の微細化によって、各画素部における透過効率を向上させることが必要となってきた。
また、積層型光電変換素子や裏面照射型撮像素子は、光が入射した画素部に隣接する画素部の光電変換部へ進入する、所謂、クロストーク（混色）が発生してしまう点でも改善の余地があった。

そこで、本発明は、透過効率をより一層向上させることができるとともに、クロストークを低減させることができる撮像素子を提供する。

複数の画素部と、前記複数の画素部それぞれに形成されたカラーフィルタとを備える撮像素子であって、
前記画素部が、入射光に応じて電荷を生成する光電変換部を含み、
前記カラーフィルタが前記光電変換部の上方に設けられ、前記光電変換部と前記カラーフィルタとの距離が３μｍ以下で、かつ、隣り合う前記カラーフィルタ同士の間に該カラーフィルタを互いに分離するための分離壁が設けられている撮像素子。

本発明者は、カラーフィルタ同士の間に分離壁を設けることで、各画素部の光電変換部における光の透過効率をより一層向上させることができることを見出した。上述のように、積層型撮像素子や裏面照射型撮像素子の構成では、光電変換部とカラーフィルタとの間に、電荷転送電極などが設けられた従来の撮像素子の構成に比べて、光電変換部とカラーフィルタとの距離（例えば、５μｍ以下）が近く、かつ、受光領域を大きく設けた構成が採用できる。このような構成を採用すれば、カラーフィルタを透過した入射光が光電変換部以外の領域に侵入することを防止しており、既に十分な透過効率を得られていると考えられていた。このため、仮に各画素部ごとに分離する構成としても、透過効率が改善するとは考えられていなかった。また、本発明者は、光電変換部とカラーフィルタとの距離が近ければ近いほど、また、画素部の受光領域の大きさ（以下、画素サイズともいう。）が小さければ小さいほど、分離壁を設けた方が分離壁を設けない方に比べて透過効率の改善を図ることが可能であることを見出した。
さらに、撮像素子は分離壁を設けたことによって、同時にクロストークを低減することも可能である。

本発明によれば、透過効率をより一層向上させることができるとともに、クロストークを低減させることができる撮像素子を提供できる。

撮像素子の構成例の一つを示す図である。 図１の撮像素子を平面視した状態を示す図である。 画素部に光が照射している状態を示す図である。 図３の画素部の深さｄ＝０．４μｍの位置において、光が照射している状態を示す図である。 図３の画素部の深さｄ＝５．０μｍの位置において、光が照射している状態を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。

図１は、撮像素子の構成例を示す、模式的な断面図である。撮像素子１０は、概略的に説明すると、基板上に複数の画素部を有し、複数の画素部それぞれに形成されたカラーフィルタ層ＣＦとを備える構成である。各画素部は、カラーフィルタ層ＣＦと、基板上に形成された下部電極１２と、下部電極１２上に形成された光電変換部として機能する光電変換層１４と、光電変換部１４上に形成された上部電極１６とを含む。

なお、以下の構成例の説明では、図中の光が入射する側を上方とし、光が入射する側に対して反対側を下方として説明する。

具体的に構成を説明すると、撮像素子１は、ｎ型シリコン基板（以下、単に基板ともいう。）１を備え、該基板１の表面にｐ型のウェル領域２が形成され、ウェル領域２には、ｎ型の不純物拡散領域３が複数形成されている。複数の不純物拡散領域３は、基板１の表面に、後述する画素部に対応するように所定の間隔で配列されている。また、ウェル領域２表面において、不純物拡散領域３の近傍には、該不純物拡散領域３に蓄積した電荷に応じた信号を出力する信号読み出し部４が設けられている。

信号読み出し部４は、不純物拡散領域３に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する回路であって、例えば公知のＣＣＤやＣＭＯＳ回路によって構成することができる。

基板１のウェル領域２が形成された表面上に、絶縁層５が積層されている。

絶縁層５の上には、上面視略矩形状の下部電極（画素電極）１２が複数形成され、所定の間隔で配列されている。各下部電極１２は、絶縁層５に形成された導電性材料からなる接続部６を介して、基板１の不純物拡散領域３に電気的に接続されている。

複数の下部電極１２の上には、光電変換層１４が積層され、該光電変換層１４上には、単一の層として画素部間で共通に構成された上部電極１６が形成されている。なお、上部電極１６は、光電変換層１４に光を入射させる必要があるため、透明な導電性材料で構成されている。ここで、透明電極材料は、例えば波長が約４２０ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の可視光域で約８０％以上の透過率であるものが好ましい。

撮像素子１０は、光電変換層１４に光が入射されると、光電変換層１４で発生した電荷（正孔及び電子）のうち、正孔を上部電極１６に移動させ、電子を下部電極１２に移動させるように、下部電極１２及び上部電極１６間には、図示しない電圧供給部によってバイアス電圧が印加される。この場合、上部電極１６を正孔捕集電極とし、下部電極１２を電子捕集電極とする。なお、ここでは、電荷を電子を例に説明するが、正孔であってもよい。

上部電極１６と下部電極１２の導電性材料は、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる。金属材料としては、例えば、Li、Na、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Cs、Ba、Fr、Ra、Sc、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe，Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In，Tl、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、Se、Te、Po、Br、I、At、B、C、N、F、O、S、Nの中から選ばれる任意の組み合わせを挙げることができる。

上部電極１６及び下部電極１２は、光電変換層１４との密着性や、電子親和力や、イオン化ポテンシャル、安定性等を考慮して選ばれる。

上部電極１６及び下部電極１２の作製には、その材料によって種々の方法が用いられるが、例えばＩＴＯの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法（ゾルーゲル法など）、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で膜形成される。ＩＴＯの場合、ＵＶ−オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。

上部電極１６としては、例えば、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電性金属酸化物、あるいは金、銀、クロム、ニッケル等の金属、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、シリコン化合物およびこれらとＩＴＯとの積層物などが挙げられ、好ましくは、導電性の金属酸化物であり、特に、生産性、高導電性、透明性等の点からＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、が好ましい。

下部電極１２は、導電性材料であればよく、透明である必要はない。しかし、下部電極１２の下方の基板１側にも光を透過させることが必要である場合には、下部電極１２も透明電極材料で構成することができる。このとき、下部電極１２の透明電極材料としては、上部電極１６と同様に、ＩＴＯを用いることが好ましい。

光電変換層１４は、光電変換機能を有する有機材料を含んで構成される。有機材料としては、例えば電子写真の感光材料に用いられているような、様々な有機半導体材料を用いることができる。その中でも、高い光電変換性能を有すること、分光する際の色分離に優れていること、長時間の光照射に対する耐久性が高いこと、真空蒸着を行いやすいこと、等の観点から、キナクリドン骨格を含む材料やフタロシアニン骨格を含む有機材料が特に好ましい。

光電変換層１４としてキナクリドンを用いた場合には、光電変換層１４にて緑色の波長域の光を吸収してこれに応じた電荷を発生することが可能となる。

光電変換層１４として亜鉛フタロシアニンを用いた場合には、光電変換層１４にて赤色の波長域の光を吸収してこれに応じた電荷を発生することが可能となる。

また、光電変換層１４を構成する有機材料は、ｐ型有機半導体及びｎ型有機半導体の少なくとも一方を含んでいることが好ましい。例えば、ｐ型有機型半導体及びｎ型有機半導体として、それぞれキナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体のいずれかを特に好ましく用いることができる。

光電変換層１４を有機材料で構成すれば、シリコン基板などに形成したフォトダイオードを光電変換部として用いる構成に比べて、可視光に対する光吸収係数が大きい。このため、光電変換層１４に入射した光が吸収されやすくなる。この性質によれば、光電変換層１４に斜めに入射した光も隣接する画素部へ漏れにくくなり、画素部で光電変換されることになり、透過効率の向上とクロストークの抑制を図ることができる。

上部電極１６の上には、平坦化層１８が積層されている。なお、図示しないが、上部電極１６の上には他の窒化膜などの絶縁膜が形成されていてもよい。

平坦化層１８の上には、カラーフィルタ層ＣＦが形成されている。図２に示すように、カラーフィルタ層ＣＦは、それぞれ異なる波長の光を透過する複数のカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを含む。

カラーフィルタ２１ｒは、入射光のうち赤色の波長の光を透過する構成を有するＲ光カラーフィルタとして機能し、図中「Ｒ」を付して示している。カラーフィルタ２１ｇは、入射光のうち緑色の波長の光を透過する構成を有するＧ光カラーフィルタとして機能し、図中「Ｇ」を付して示している。カラーフィルタ２１ｂは、入射光のうち青色の波長の光を透過する構成を有するＢ光カラーフィルタとして機能し、図中「Ｂ」を付して示している。

複数のカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂは、各画素部にいずれか１つが含まれ、画素部の配列に応じてベイヤー配列などのカラーパターンで配列されている。図２では、一例として、４つの画素部におけるカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの配列を示している。複数のカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの配列はこの構成例で説明するものに限定されず、任意に変更可能である。

カラーフィルタ層ＣＦは、配列された複数のカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの隣り合うカラーフィルタ同士の間に、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを互いに分離するための分離壁２２が設けられている。分離壁２２は、図２に示す平面視においては、略格子状に形成され、各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂそれぞれを個別に囲うように形成されている。

分離壁２２は、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの屈折率よりも低い透明な材料で形成されている。

また、分離壁２２は、隣り合うカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ同士の間隔に相当する寸法（以下、厚みともいう。）ｔが、０．０５μｍ〜０．２μｍであることが好ましい。分離壁２２の厚みｔは、薄ければ薄い分だけ画素部における受光面積を大きく設計することが可能となり望ましいが、製造プロセスの適正を考慮した場合には上記範囲とすることが好ましい。

撮像素子１０は、基板１の上方に光電変換層１４が積層された積層型撮像素子である。撮像素子１０は、従来の撮像素子のようなフォトダイオードが形成された基板上に電荷転送路が形成され、その上に平坦化膜などを挟んでカラーフィルタ層が設けられる構成に比べ、カラーフィルタ層ＣＦと光電変換層１４との距離ｄを短くすることが可能である。具体的に、距離ｄは、カラーフィルタ層ＣＦの下側面から光電変換層１４の上側面までの距離である。撮像素子１０の構成によれば、距離ｄを３μｍ以下とすることが可能である。

また、各画素部は、撮像素子１０の光入射側から見た状態で、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂとその周囲の分離壁２２とを含む、一辺が約１．４μｍ以下の略正方形状を有し、その大きさのことを画素部サイズともいう。

撮像素子１０を構成する各部の寸法が入射光の波長と同程度の大きさとなると、幾何光学的な挙動よりも入射光の波動的な挙動が顕著となる。例えば、画素部サイズが１．４μｍ程度の場合には、入射光の波長と該画素部サイズがほぼ同じとなり、入射光が撮像素子１０において波動的に振うことで、透過効率の低減やクロストークの増大の要因となると考えられる。なお、入射光の波動的な挙動に伴う回折・干渉の影響は、カラーフィルタ層ＣＦと光電変換層１４との距離ｄが長いほど顕著である。

そこで、撮像素子１０のように、カラーフィルタ層ＣＦの、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ同士の間に分離壁２２を設けて、分離壁２２によって各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを透過する光を、光電変換層１４に積極的に集光させる。こうすれば、入射光が波動的に振舞っても、透過効率の低減やクロストークの増大を抑えることができる。積層型撮像素子の場合には、画素部サイズを１．４μｍ以下とするとき、距離ｄを０．８μｍ以下とすることが好ましい。

次に、撮像素子のカラーフィルタ層に分離壁を設けた構成とすることによって、透過効率を改善することができることを検証する。この検証では、既に説明した上記構成例の撮像素子の構成と同じ素子を用いることとする。

入射光の波長を４５０ｎｍとし、撮像素子のカラーフィルタ層の光入射側の面に対する光入射角度を０°とした。また、光照射時の偏光方向をｐ波とｓ波の中間に設定した。画素部サイズを１．０μｍ（≒１．００５μｍ）とし、分離壁の厚みｔを０．１μｍの空気層とした。カラーフィルタ層及び各カラーフィルタの厚みを０．５μｍとし、該厚みに相当する分離壁２２の高さの寸法も同じ０．５μｍとした。

図３は、入射光を照射したときの光電変換部での光エネルギーの分布を示している。図３（ａ）に示す撮像素子は分離壁がない構成であり、図３（ｂ）に示す撮像素子は分離壁が設けられた構成である。なお、図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、互いに隣り合う２つの画素部の断面を示し、左側の画素部が青色の光を透過するカラーフィルタに対応する画素部を示し、右側の画素部が緑色の光を透過するカラーフィルタに対応する画素部を示している。図３中、白い領域は、その明るさに比例して光エネルギーが大きいことを示している。図３（ｂ）の撮像素子では、図３（ａ）の撮像素子に比べて、入射光のうち分離壁によって反射される光成分の効果が加わることで、透過したカラーフィルタに対応する画素部の中心部に、光エネルギーが集中していることがわかる。

図４は、図３に示す撮像素子それぞれのカラーフィルタ下側面から０．４μｍの位置の断面において、光エネルギーの分布を示している。なお、図４に見られように、縦２画素部と横２画素部からなる４画素部の配列のうち、青色のカラーフィルタに対応する画素部（左下の画素部）の分布を主に検証する。

図４（ｂ）の撮像素子では、分離壁を設けることで光の回折・干渉を効果的に利用して画素部の中心部に光エネルギーが集中していることがわる。一方で、図４（ａ）では、光の回折・干渉を有効に利用できず、光を集光させることができないため、該画素分やその周辺にかけて光分布が広がってしまい、光エネルギーが全体的に低くなっていることがわかる。

図５は、図３に示す撮像素子それぞれのカラーフィルタ下側面から５．０μｍの位置の断面において、光エネルギーの分布を示している。図５（ｂ）に示す分離壁を有する撮像素子の方が、図５（ａ）に示す分離壁のないものよりも、若干集光の効率が良いが、カラーフィルタからの距離が大きい場合には、分離壁の有無にかかわらず、光を集光させることができないうえ、隣接する画素部に光が漏れ込んでしまうことがわかる。

上記の検証と同様の方法で、画素部サイズとカラーフィルタ層からの距離を変化させて、分離壁の有無による透過効率への影響を検証した。なお、検証する撮像素子は別途説明を加えない限りは上記構成と同じとする。検証の結果を以下表にまとめる。

表１は、カラーフィルタ層ＣＦ下側面から０．５μｍの位置で、画素部サイズ１．００５μｍ□，１．４０２５μｍ□，１．７０２５μｍ□，２．１６μｍ□のそれぞれで、分離壁の有無のそれぞれの透過効率とその比率（分離壁なしの場合の透過効率に対する分離壁ありの場合の透過効率の比とする。以下同じ。）を測定したものである。つまり、透過効率とその比率が高いほど、分離壁によって透過効率が改善されたことを意味する。

表２は、カラーフィルタ層ＣＦ下側面から１．０μｍの位置で、画素部サイズ１．００５μｍ□，１．４０２５μｍ□，１．７０２５μｍ□，２．１６μｍ□のそれぞれで、分離壁の有無のそれぞれの透過効率とその比を測定したものである。

表３は、カラーフィルタ層ＣＦ下側面から５．０μｍの位置で、画素部サイズ１．００５μｍ□，１．４０２５μｍ□，１．７０２５μｍ□，２．１６μｍ□のそれぞれで、分離壁の有無のそれぞれの透過効率とその比率を測定したものである。

検証の結果、分離壁を設けた撮像素子の構成のほうが、分離壁を設けていない構成の撮像素子に比べて、画素部サイズやカラーフィルタ層の下側面からの位置によらず、光エネルギーの集光を効率良く行うことができ、結果として透過効率の比を改善することができる。また、透過効率の比は、画素部サイズが小さいほど良くなり、また、カラーフィルタ層の下側面からの位置が近いほど良い。さらに、分離壁を設けた撮像素子の構成のほうが、分離壁を設けていない構成の撮像素子に比べて、クロストークを抑えることができる。

次に、撮像素子の他の構成例を説明する。なお、以下に説明する各構成例において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図６は、撮像素子の他の構成例を示す模式的な断面図である。図６に示すように、撮像素子１０は、各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを互いに分離する分離壁２２が、空気層２２ｇである。空気の光屈折率は、ほぼ１であり、各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを構成する材料に対して十分に低くすることができる。このため、各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂに入射する光を、それらの周囲の分離壁２２によって反射の効果を強くさせ、下方の光電変換層１４に集光することができる。

図７に示すように、撮像素子１０は、各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを互いに分離する分離壁２２が、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ同士の間だけでなく、それらの上面を覆うように一体的に設けられていてもよい。

カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの上方を保護する膜がない場合には、製造プロセスにおけるウェハ上で素子作成後の後工程（例えば、ＰＡＤ穴あけやダイシングなど）において該カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂに損傷が生じる可能性が大きい。このため、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを覆うように分離壁２２を形成すれば、製造プロセスにおけるカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの損傷を防止できるとともに、入射光の透過効率を改善することができる。また、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの上方の膜を分離壁２２と同じ材料を用いるため、製造プロセスの工程の数を低減させることができる。

図８の撮像素子３０は裏面照射型の構成を示している。この撮像素子３０は、シリコンなどの基板Ｓ２内にシリコンフォトダイオードＰＤが形成され、該シリコンフォトダイオードが光電変換部として機能する。基板Ｓ２の光入射側の表面には、平坦化膜や絶縁膜などを挟んでカラーフィルタ層ＣＦが形成されている。カラーフィルタ層ＣＦは、上記構成例と同様に、カラーフィルタ３１ｒ，３１ｇ，３１ｂを含む。また、カラーフィルタ３１ｒ，３１ｇ，３１ｂ同士の間に、カラーフィルタ３１ｒ，３１ｇ，３１ｂを互いに分離するための分離壁３２が設けられている。分離壁３２の厚みｔは、上記構成例と同様の理由で、０．０５μｍ〜０．２μｍとすることが好ましい。

また、撮像素子３０は、基板Ｓ２におけるカラーフィルタ層ＣＦが形成された側の面に対して反対側に回路基板Ｓ１が設けられ、該回路基板Ｓ１には、該シリコンフォトダイオードＰＤで生成された電荷を信号として読み出すための信号読み出し回路が設けられている。なお、図中のＭは配線層を示している。

各画素部は基板内に形成されたシリコンフォトダイオードを含む。画素部のシリコンフォトダイオードＰＤによって、画素部ごとに対応するカラーフィルタ３１ｒ，３１ｇ，３１ｂを透過した光を吸収して光電変換を行い、電荷を生成する。生成された電荷は、回路基板Ｓ１の配線層Ｍによって読み出される。

撮像素子３０によれば、カラーフィルタ層ＣＦとシリコンフォトダイオードＰＤとの間に、電荷転送電極などを設ける必要がなく、カラーフィルタ層ＣＦとシリコンフォトダイオードＰＤとの距離ｄを短くすることができる。

この構成によれば、カラーフィルタ３１ｒ，３１ｇ，３１ｂ同士の間に分離壁３２を設けることで、各画素部のシリコンフォトダイオードＰＤにおける光の透過効率をより一層向上させることができる。同時に、クロストークの発生を抑えることができる。

撮像素子３０は、光電変換部がシリコンフォトダイオードであるため、通常の半導体プロセスを用いて製造可能である。

図７及び図８は、光電変換部に対して、入射光が照射する側とは反対側に信号読み出し部や配線層が設けられているため、光入射側のカラーフィルタと光電変換部との間を十分に近づけることができる。カラーフィルタと光電変換部とは、３μｍ以下とすることが十分に可能である。このように、入射光が照射する側とは反対側に信号読み出し部や配線層が設けられている構成であれば、撮像素子は積層型や裏面照射型の構成に限定されず、カラーフィルタ層に設けられる分離壁によって画素部同士を分離できる範囲で、適宜変更可能である。

図９に示す撮像素子１０は、カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、画素部ごとにカラーフィルタと光電変換部との距離が異なるように構成したものである。具体的には、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを透過する光の波長に応じてカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの厚みに差を持たせることで、画素部ごとにカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂと光電変換層１４との距離ｄｒ，ｄｇ，ｄｂがそれぞれ異なる。ここでは、カラーフィルタ２１ｒと光電変換層１４との距離をｄｒとし、カラーフィルタ２１ｇと光電変換層１４との距離をｄｇとし、カラーフィルタ２１ｂと光電変換層１４との距離をｄｂとした。

カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの厚みに差を持たせる方法としては、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの光学濃度を調整できる場合には、赤色カラーフィルタ２１ｒを最も厚くし、緑色カラーフィルタ２１ｇを赤色カラーフィルタ２１ｒより薄く且つ青色カラーフィルタ２１ｂよりも厚くし、青色カラーフィルタ２１ｂを最も薄くすることができる。そして、カラーフィルタ層ＣＦの厚みを画素部ごとにカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの厚みに応じて段差状に変えて形成することで、カラーフィルタ層ＣＦの表面を平坦に構成することができる。このとき、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ同士の間に必ず分離壁２２が存在するように構成する。例えば、カラーフィルタ２１ｒとカラーフィルタ２１ｇとの間には、厚みの大きいカラーフィルタ２１ｒの側面に合わせた高さを有する分離壁２２を構成する。こうすることで、カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの各側面から他の画素部へと光が漏れることを分離壁２２によって防止できる。

カラーフィルタを透過する光の波長によって、集光する位置が異なる。例えば、赤色などの光波長が長い光は、カラーフィルタから比較的近い位置で集光され、青色などの光波長が短い光は、カラーフィルタから比較的遠い位置で集光される。また、光の波長ごとに光エネルギーが強くなる位置の範囲も異なっている。そこで、本構成例のようにカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの厚みに差を持たせることで、画素部ごとにカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂと光電変換層１４との距離ｄｒ，ｄｇ，ｄｂを変えることによって、適宜調節することができる。すなわち、Ｒ光カラーフィルタ２１ｒに対応する画素部の距離ｄｒよりＧ光カラーフィルタ２１ｇに対応する画素部の距離ｄｇの方が大きく、Ｇ光カラーフィルタ２１ｇに対応する画素部の距離ｄｇよりＢ光カラーフィルタ２１ｂに対応する画素部の距離ｄｂ方が大きい。このため、光電変換層１４において、画素部ごとに吸収される光エネルギーをより強くすることができ、透過効率をより一層改善することができる。

なお、図９の撮像素子は、積層型撮像素子の構成を例に説明しているが、裏面照射型撮像素子であっても、カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、画素部ごとにカラーフィルタとフォトダイオードとの距離が異なるように構成できる。このとき、カラーフィルタの厚みに差を持たせることで、画素部ごとにカラーフィルタとフォトダイオードとの距離が異なるように構成してもよい。

図１０に示す撮像素子１０は、図９に示す構成例と同様の概念に基づき、カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、画素部ごとにカラーフィルタと光電変換部との距離が異なるように構成した例である。

この構成例では、カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、下部電極１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの厚みに差を持たせることで、画素部ごとにカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂと光電変換層１４との距離が異なるように構成している。具体的には、Ｂ光カラーフィルタ２１ｂに対応する画素部の下部電極１２ｂが最も厚みが薄く、次に、Ｇ光カラーフィルタ２１ｇに対応する画素部の下部電極１２ｇの厚みが薄く、Ｒ光カラーフィルタ２１ｒに対応する画素部の下部電極１２ｒが最も厚く形成されている。こうすることで、Ｂ光カラーフィルタ２１ｂと下部電極１２ｂとの距離ｄｂが最も長く、次に、Ｇ光カラーフィルタ２１ｇと下部電極１２ｇとの距離ｄｇが長く、Ｒ光カラーフィルタ２１ｒと下部電極１２ｒとの距離ｄｒが最も短くすることができる。

図９及び図１０の撮像素子１０にように、Ｒ光カラーフィルタ２１ｒを含む画素部をＲ画素部とし、Ｇ光カラーフィルタ２１ｇを含む画素部をＧ画素部とし、Ｂ光カラーフィルタ２１ｂを含む画素部をＢ画素部とする。このとき、カラーフィルタと光電変換層１４との距離ｄｒ，ｄｇ，ｄｂを、Ｒ画素部≦Ｇ画素部≦Ｂ画素部の関係にすることで、各画素部で光電変換層１４における光の集光を効率化することができ、分離壁２２による透過効率をより一層向上することができる。

（１）複数の画素部と、前記複数の画素部それぞれに形成されたカラーフィルタとを備える撮像素子であって、
前記画素部が、入射光に応じて電荷を生成する光電変換部を含み、サイズが２．１６μｍ□以下であり、
前記カラーフィルタが前記光電変換部の上方に設けられ、前記光電変換部と前記カラーフィルタとの距離が３μｍ以下であり、
隣り合う前記カラーフィルタ同士の間に該カラーフィルタを互いに分離する、前記カラーフィルタの屈折率よりも低い透明な分離壁が設けられている撮像素子。
（２）（１）に記載の撮像素子であって、
前記画素部が、基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された上部電極とを含み、
前記基板に、前記下部電極で捕集された電荷に応じた信号を出力する信号読み出し部とを備えている撮像素子。
（３）（２）に記載の撮像素子であって、
前記光電変換層が有機材料を含む撮像素子。
（４）（３）に記載の撮像素子であって、
前記有機材料がｐ型有機半導体及びｎ型有機半導体のうち少なくとも一方を含む撮像素子。
（５）（２）から（４）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、前記上部電極の上方に前記カラーフィルタが設けられている撮像素子。
（６）（１）に記載の撮像素子であって、
前記光電変換部が、基板内に形成されたシリコンフォトダイオードを含み、前記基板における前記カラーフィルタが形成された側の面に対して反対側に、前記シリコンフォトダイオードで生成された電荷に応じた信号を出力する信号読み出し部を備えている撮像素子。
（７）（１）から（６）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、前記画素部ごとに前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が異なる撮像素子。
（８）（１）から（６）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、前記カラーフィルタの厚みに差を持たせることで、前記画素部ごとに前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が異なる撮像素子。
（９）（２）から（５）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、前記下部電極の厚みに差を持たせることで、前記画素部ごとに前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が異なる撮像素子。
（１０）（１）から（９）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記複数の画素部それぞれの上方に設けられた前記カラーフィルタが、赤色の波長の光を透過するＲ光カラーフィルタと、緑色の波長の光を透過するＧ光カラーフィルタと、青色の波長の光を透過するＢ光カラーフィルタとのうちいずれか１つであり、各画素部における前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が、前記Ｒ光カラーフィルタに対応する前記画素部より前記Ｇ光カラーフィルタに対応する前記画素部の方が大きく、前記Ｇ光カラーフィルタに対応する前記画素部より前記Ｂ光カラーフィルタに対応する前記画素部の方が大きい撮像素子。
（１１）（１）から（１０）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記分離壁が透明な材料からなる撮像素子。
（１２）（１１）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記カラーフィルタの上方に、前記分離壁と同じ材料からなる膜が形成されている撮像素子。
（１３）（１）から（１０）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記分離壁が、空気層である撮像素子。
（１４）（１）から（１３）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記分離壁の、隣り合う前記カラーフィルタ同士の間隔に相当する寸法が、０．０５μｍ〜０．２μｍである撮像素子。

１０ 撮像素子
１２ 下部電極
１４ 光電変換層
１６ 上部電極
２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ カラーフィルタ
２２ 分離壁

Claims (14)

1. 複数の画素部と、前記複数の画素部それぞれに形成されたカラーフィルタとを備える撮像素子であって、
   前記画素部が、入射光に応じて電荷を生成する光電変換部を含み、サイズが２．１６μｍ□以下であり、
   前記カラーフィルタが前記光電変換部の上方に設けられ、前記光電変換部と前記カラーフィルタとの距離が３μｍ以下であり、
   隣り合う前記カラーフィルタ同士の間に該カラーフィルタを互いに分離する、前記カラーフィルタの屈折率よりも低い透明な分離壁が設けられている撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子であって、
   前記画素部が、基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に形成された光電変換層と、前記光電変換層上に形成された上部電極とを含み、
   前記基板に、前記下部電極で捕集された電荷に応じた信号を出力する信号読み出し部とを備えている撮像素子。
3. 請求項２に記載の撮像素子であって、
   前記光電変換層が有機材料を含む撮像素子。
4. 請求項３に記載の撮像素子であって、
   前記有機材料がｐ型有機半導体及びｎ型有機半導体のうち少なくとも一方を含む撮像素子。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の撮像素子であって、前記上部電極の上方に前記カラーフィルタが設けられている撮像素子。
6. 請求項１に記載の撮像素子であって、
   前記光電変換部が、基板内に形成されたシリコンフォトダイオードを含み、前記基板における前記カラーフィルタが形成された側の面に対して反対側に、前記シリコンフォトダイオードで生成された電荷に応じた信号を出力する信号読み出し部を備えている撮像素子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
   前記カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、前記画素部ごとに前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が異なる撮像素子。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
   前記カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、前記カラーフィルタの厚みに差を持たせることで、前記画素部ごとに前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が異なる撮像素子。
9. 請求項２から５のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
   前記カラーフィルタを透過する光の波長に応じて、前記下部電極の厚みに差を持たせることで、前記画素部ごとに前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が異なる撮像素子。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
    前記複数の画素部それぞれの上方に設けられた前記カラーフィルタが、赤色の波長の光を透過するＲ光カラーフィルタと、緑色の波長の光を透過するＧ光カラーフィルタと、青色の波長の光を透過するＢ光カラーフィルタとのうちいずれか１つであり、各画素部における前記カラーフィルタと前記光電変換部との距離が、前記Ｒ光カラーフィルタに対応する前記画素部より前記Ｇ光カラーフィルタに対応する前記画素部の方が大きく、前記Ｇ光カラーフィルタに対応する前記画素部より前記Ｂ光カラーフィルタに対応する前記画素部の方が大きい撮像素子。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
    前記分離壁が透明な材料からなる撮像素子。
12. 請求項１１に記載の撮像素子であって、
    前記カラーフィルタの上方に、前記分離壁と同じ材料からなる膜が形成されている撮像素子。
13. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
    前記分離壁が、空気層である撮像素子。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
    前記分離壁の、隣り合う前記カラーフィルタ同士の間隔に相当する寸法が、０．０５μｍ〜０．２μｍである撮像素子。

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