JP2011100894A - 光電変換膜積層型撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各画素電極膜を分離する隙間による影響を抑制した製造精度の高い光電変換膜積層型固体撮像素子を提供する。
【解決手段】信号読出手段が形成された半導体基板２と、半導体基板２の光入射側の表面に絶縁層４を介し画素毎に分離して形成され前記信号読出手段と電気的に接続された複数の画素電極膜５と、該複数の画素電極膜５の上に積層された光電変換膜８と、隣接する画素電極膜５の間の隙間９を埋めることで光電変換膜８の表面部に形成された凹部を埋める絶縁材１０と、光電変換膜８の上に積層された対向電極膜１２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換膜積層型固体撮像素子及びその製造方法に係り、特に、各画素電極膜が隣接する画素電極膜と離間して形成される光電変換膜積層型固体撮像素子及びその製造方法に関する。

近年のＣＣＤ型固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子は、半導体基板上に集積する画素数（フォトダイオード数）が１千万画素以上となり、１画素の大きさも１．４μｍ□と、赤色光波長の２倍程度に微細化されてきている。

この様な撮像素子では、受光面全面を各光電変換素子（フォトダイオード）の受光面として利用できる訳ではなく、各光電変換素子で検出した信号を撮像素子外部に読み出す信号読出手段（ＣＣＤ型であれば電荷転送路、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳ型トランジスタ回路）を設ける面積も必要なため、高感度な被写体画像を撮影するのが困難になってきている。

そこで、下記の特許文献１，２に記載されている様に、半導体基板に信号読出手段を形成し、受光量に応じた光電変換は、半導体基板の上面に積層した光電変換膜で行う光電変換膜積層型固体撮像素子が提案されている。

特開２００６―２１０３９７号公報 特開２００６―２６９９２３号公報

この様な光電変換膜積層型固体撮像素子では、各画素毎に区分け分離された画素電極膜と対向電極膜との間に光電変換膜を挟む構造をとっている。この光電変換膜は厚さが１．０μｍ程度と極めて薄いため、画素電極膜の上に光電変換膜を積層したとき、各画素毎に分離した画素電極膜間の隙間に起因する凹凸が光電変換膜の表面にも現れうねりが生じてしまい、その上に積層する構造物（対向電極膜など）の製造精度を劣化させてしまうという問題がある。

本発明の目的は、各画素電極膜を分離する隙間による影響を抑制した製造精度の高い光電変換膜積層型固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、信号読出手段が形成された半導体基板と、該半導体基板の光入射側の表面に絶縁層を介し画素毎に分離して形成され前記信号読出手段と電気的に接続された複数の画素電極膜と、該複数の画素電極膜の上に積層された光電変換膜と、隣接する前記画素電極膜の間の隙間を埋めることで前記光電変換膜の表面部に形成された凹部を埋める絶縁材と、該光電変換膜の上に積層された対向電極膜とを備えることを特徴とする。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法は、上記記載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法であって、前記光電変換膜を前記複数の画素電極膜の上に積層した後、該光電変換膜の上に絶縁膜を積層し、その後に、該光電変換膜上の該絶縁膜を削成することで前記凹部の中の前記絶縁材を残すことを特徴とする。

本発明によれば、画素電極膜間を分離する隙間に起因する凹部を絶縁体で埋めてから上層部を形成するため、製造精度の高い光電変換膜積層型固体撮像素子を製造することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の表面模式図である。 図１の矢印IIで示す撮像素子中央位置の断面模式図である。 図１の矢印IIIで示す撮像素子右端位置の断面模式図である。 図１の矢印IVで示す撮像素子左端位置の断面模式図である。 撮像素子周辺部に行くほど画素電極膜をずらした状態を示す平面図である。 有機膜の膜厚に対して隣接画素電極膜間の間隔が広くなったときの画質劣化の説明図である。 本発明の別実施形態に係る撮像素子周辺部の断面模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の表面模式図である。この光電変換膜積層型固体撮像素子１の表面には、３原色のカラーフィルタ（Ｒ＝赤，Ｇ＝緑，Ｂ＝青）がベイヤ配列されており、水平方向（横方向）にＲＧＲＧＲＧ…の順に形成された行とＧＢＧＢＧＢ…の順に形成された行とが垂直方向（縦方向）に交互に設けられている。

図１に示す個々のＲ，Ｇ，Ｂは、１画素１画素のＲ信号検出画素，Ｇ信号用検出画素，Ｂ信号検出画素を示しており、個々の画素対応のカラーフィルタＲ，Ｇ，Ｂは、縦方向，横方向共に等間隔に設けられている。カラーフィルタ配列は、ベイヤ配列に限らず、他の配列、例えばＲＧＢの縦ストライプ配列でも良い。

図２は、図１の矢印IIで示す撮像素子中央位置における断面模式図である。半導体基板２には、電荷蓄積用ダイオードのｎ領域３（以下、ダイオード３という。）が各画素毎に形成されている。この半導体基板２には、図示を省略した複数のＭＯＳトランジスタ回路も形成されており、各ダイオード３の蓄積電荷に応じた信号（撮像画像信号）を各々のＭＯＳトランジスタ回路によって撮像素子外部に読み出す構成になっている。

ＭＯＳトランジスタ回路の構造は、従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子に設けられるＭＯＳトランジスタ回路と同様である。なお、信号読出手段として複数の電荷転送路を設け、各ダイオード３の蓄積電荷を撮像素子外部に読み出す構成、つまりＣＣＤ型とすることも可能である。

半導体基板２の表面部には酸化シリコン等の絶縁膜４が積層されており、この絶縁膜４の表面に、画素毎に区分けされた画素電極膜５が積層されている。画素電極膜５は、導電性材料、例えば、アルミニウムや酸化インジウム錫（ＩＴＯ）で形成される。各画素電極膜５と、画素対応の上記電荷蓄積用ダイオード３とは、絶縁膜４内に立設されたビアプラグ６によって電気的に接続されている。

各画素電極膜５の上には、撮像素子１のほぼ全体に渡る１枚構成の光電変換膜８が積層される。光電変換膜８としては、本実施形態では入射光量に応じた電荷を発生させる有機膜が用いられる。有機膜の材料としては、例えば、メタロシアニン，フタロシアニン，４Ｈピランを用いる。

この有機膜８は厚さが約１．０μｍで形成され、画素電極膜５間の隙間９が有機膜８で埋められる関係で、隙間９の上部位置の有機膜８には、凹部（窪み）が形成されてしまう。この凹部をそのままにして上層材料を積層していくと、有機膜８がうねりを生じてしまう虞がある。そこで、本実施形態では、この凹部を、絶縁材１０で埋めてしまう。

例えば、有機膜８を画素電極膜５上に形成した後、その上全面を酸化シリコン膜で覆い、酸化シリコン膜を等方性エッチングしたり、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）で削り、凹部１０以外の有機膜８表面が露出する様にする。

その後に、有機膜８の上をＩＴＯ等の透明な対向電極膜１２で覆い、その上を保護膜１３で覆う。そして、保護膜１３の上に、カラーフィルタ（図１のＲＧＢ）１４を積層する。

この様に、本実施形態では、有機膜８の凹部を絶縁材１０で埋めるため、有機膜８の表面が平面となり、うねることがなくなる。このため、その上に積層する対向電極膜１２や保護膜１３，カラーフィルタ１４が平面で形成され、製造精度が向上する。

斯かる光電変換膜積層型固体撮像素子１では、入射光がカラーフィルタ１４を通して有機膜８内に入ると、受光量に応じた正孔・電子対が有機膜８内に発生する。画素電極膜５と対向電極膜１２との間に電界が発生し、電子は電界に沿って画素電極膜５側に移動することになる。このとき、本実施形態の撮像素子１では、各画素毎に分離される画素電極膜５の輪郭部に対応して有機膜８の上記凹部に絶縁材１０が埋設されるため、有機膜８内の隣接画素間での電界が絶縁材１０の存在により弱められ、画素毎に良好に分離された状態で電子が各画素電極膜５側に移動することになる。

各画素電極膜５で集められた電子（受光量に応じた信号電荷）は、夫々ビアプラグ６を通して電荷蓄積用のダイオード３に蓄積され、この蓄積電荷に応じた撮像画像信号が信号読出手段によって撮像素子１の外部に出力される。

図３は、図１の矢印IIIで示す撮像素子右端位置における断面模式図である。この撮像素子１を搭載したデジタルカメラの図示しない撮影レンズを通して被写体からの入射光が撮像素子１の受光面に入射するとき、図１の矢印IIで示す撮像素子中央位置における各画素（画素電極膜５と対向電極膜１２とで挟まれた有機膜８部分）には、受光面に対して垂直に入射光が入射することになる。このため、撮像素子中央位置の各画素の画素電極膜５は、その上方に設けられた画素対応カラーフィルタの直下に設ければ良いことになる。

これに対し、図３に示す撮像素子右端位置の各画素には、左斜め上から入射光が入射することになる。このため、例えば図３のカラーフィルタＲの垂直直下にＲ光検出用の画素電極膜５を設けると、この画素には、カラーフィルタＲの左隣のカラーフィルタＧを通った光が入射してしまい、混色が発生する。

そこで、本実施形態では、特許文献１に記載されたと同様に、斜め入射光が入ってくる画素位置では、画素電極膜５を該画素対応のカラーフィルタ位置から斜め入射光が進む方向Ｘに少しずらして設けている。これにより、混色が発生しないようにしている。

なお、図３に示す絶縁膜４中の右端にあるビアプラグ６ａは、対向電極膜１２に電気的に接続されるビアプラグであり、撮像素子１の外部からダイオード３ａ，ビアプラグ６ａを介して所定電位が対向電極膜１２に印加される。

図４は、図１の矢印IVで示す撮像素子左端位置における断面模式図である。撮像素子左端位置の各画素には、図３とは逆方向から斜め入射光が入射する。このため、画素電極膜５をずらす方向Ｙが、図３と反対になる。

図３，図４では、撮像素子右端位置，左端位置における画素電極膜５のずらし方向を示したが、図１に示す撮像素子１の全体では、中央位置から離れるほどズラシ量を大きく、また、中央位置を中心として放射状にずらすのが良い。

図５は、画素毎に垂直方向，水平方向に等間隔に設けたカラーフィルタに対して、画素電極膜をずらす様子を示す平面図である。中心画素においては、画素電極膜５はずらさないが、中心から離れるほど、画素電極膜５（図５の点線矩形枠）を当該画素のカラーフィルタ層１４（図５の実線矩形枠）から放射状にずらしていく。これにより、混色を回避可能となる。

例えば、隣接画素電極膜５との間を所定間隔（例えば０．１μｍ）づつ離間して設けると、撮像素子１の周辺部に行くほど、撮像素子中心からの距離に比例して画素電極膜５のズラシ量が大きくなり、撮像素子１の周辺部における混色は少なくなる。

しかし、絶縁材１０の幅（即ち、画素電極膜５間の隙間９の幅）が広く、例えば有機膜の材料としてメタロシアニン，フタロシアニン，４Ｈピランを用いる場合、隣接画素電極膜５間の間隔が３μｍ以上になることがある。この様に、有機膜の膜厚に対して、隣接画素電極膜５間の間隔（隙間９，絶縁材１０の幅）が広くなると、別の問題が顕著になる。

図３に示す様に、入射光が斜めになるほど隙間９と絶縁材１０との間の有機膜８に光が入り、この部分でも正孔・電子対が発生する。上記したように、絶縁材１０の存在箇所の電界は弱められるため、電子の速やかな画素電極膜５方向への移動が阻害され、電子が有機膜８内に残る確率が高くなる。この残留電子は、残像として次の撮像画像に重なって現れてしまい、混色よりも大きな画質劣化を引き起こす。

図６は、有機膜の膜厚に対して隣接画素電極膜５間の間隔が広くなったときの画質劣化の説明図であり、図６（ａ）は撮像素子の撮像領域中央部から少し右寄り位置の隙間９と絶縁材１０との間の拡大図、図６（ｂ）は更に右寄り位置の同拡大図、図６（ｃ）は撮像領域右端位置の同拡大図である。

図中の点線矢印２０は、入射光の方向を示しており、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）の順に、即ち、撮像素子の撮像領域周辺部に行くほど、入射光２０の入射角は大きくなっている。この結果、入射光２０に対する画素電極膜５間（即ち隙間９の真上位置）における実質光路長が撮像領域周縁部に行くほど長くなり、隙間９の真上位置で光電変換する確率が高くなる。この光電変換で発生した電子は、有機膜８内に残留する確率が高くなり、残像が撮像領域周縁部で大きくなってしまう。

この電子の残留は、絶縁材１０の幅が狭いほど少なくなる。そこで、図７に示す構成が有効となる。即ち、図７では、撮像素子１の周辺部に行くほど、画素電極膜５間の隙間９の幅（即ち、絶縁材１０の幅）を狭くする。撮像素子１の中央部分における画素電極膜５間の隙間を例えば０．３μｍ程度としたとき、周辺部の画素電極膜５間の隙間を０．１μｍ未満にする。これにより、混色を抑えつつ、特に周辺部の残像が抑制され、高品質な被写体画像を撮像することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、画素電極膜５間の隙間９の存在により有機膜８上面（対向電極膜１２側）に形成されてしまう凹部を、絶縁材１０で埋めることで有機膜８上面を平面化したが、有機膜８上面を単に平面化するだけであれば、隙間９を絶縁材で埋めてから有機膜８を形成すれば済む。しかし、本実施形態の様に、有機膜８上面に形成された凹部を絶縁材１０で埋めることで、この絶縁材１０を通る電界（対向電極膜―画素電極膜間の電界）を弱めることができ、画素分離が良好となる。

以上述べた様に、本実施形態による光電変換膜積層型固体撮像素子は、信号読出手段が形成された半導体基板と、該半導体基板の光入射側の表面に絶縁層を介し画素毎に分離して形成され前記信号読出手段と電気的に接続された複数の画素電極膜と、該複数の画素電極膜の上に積層された光電変換膜と、隣接する前記画素電極膜の間の隙間を埋めることで前記光電変換膜の表面部に形成された凹部を埋める絶縁材と、該光電変換膜の上に積層された対向電極膜とを備えることを特徴とする。

また、実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換膜が有機膜であることを特徴とする。

また、実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記対向電極膜の上に保護膜を介してカラーフィルタが積層されることを特徴とする。

また、実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記画素電極膜が、該画素電極膜対応の前記カラーフィルタに対し斜め入射光の入射方向にずらして形成されることを特徴とする。

また、実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記画素電極膜の隣接画素電極膜との間の隙間を、撮像素子周辺部に行くほど狭くすることを特徴とする。

また、実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換膜を前記複数の画素電極膜の上に積層した後、該光電変換膜の上に絶縁膜を積層し、その後に、該光電変換膜上の該絶縁膜を削成することで前記凹部の中の前記絶縁材を残すことを特徴とする。

また、実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法の前記絶縁膜の削成は、等方性エッチングまたはケミカルメカニカルポリッシングで行うことを特徴とする。

以上述べた実施形態によれば、薄い光電変換膜が製造中にうねることがなくなり、また、光電変換膜表面に形成された凹部中の絶縁材によって画素分離性能が向上する。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、薄い光電変換膜の凹凸やうねりを抑制できるため、精度の高い撮像素子を製造することができ、この撮像素子をデジタルカメラ等に搭載することで、高感度な被写体画像を撮像することが可能となり、新規な構成の撮像素子として有用である。

１ 光電変換膜積層型固体撮像素子
２ 半導体基板
３ ｎ領域（ダイオード）
４ 絶縁膜
５ 画素電極膜
６ ビアプラグ
８ 光電変換膜（有機膜）
９ 画素電極膜間の隙間
１０ 絶縁材
１２ 対向電極膜
１３ 保護膜
１４ カラーフィルタ層

Claims (7)

1. 信号読出手段が形成された半導体基板と、該半導体基板の光入射側の表面に絶縁層を介し画素毎に分離して形成され前記信号読出手段と電気的に接続された複数の画素電極膜と、該複数の画素電極膜の上に積層された光電変換膜と、隣接する前記画素電極膜の間の隙間を埋めることで前記光電変換膜の表面部に形成された凹部を埋める絶縁材と、該光電変換膜の上に積層された対向電極膜とを備える光電変換膜積層型固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記光電変換膜が有機膜である光電変換膜積層型固体撮像素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記対向電極膜の上に保護膜を介してカラーフィルタが積層される光電変換膜積層型固体撮像素子。
4. 請求項３に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記画素電極膜が、該画素電極膜対応の前記カラーフィルタに対し斜め入射光の入射方向にずらして形成される光電変換膜積層型固体撮像素子。
5. 請求項４に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子であって、前記画素電極膜の隣接画素電極膜との間の隙間を、撮像素子周辺部に行くほど狭くする光電変換膜積層型固体撮像素子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法であって、前記光電変換膜を前記複数の画素電極膜の上に積層した後、該光電変換膜の上に絶縁膜を積層し、その後に、該光電変換膜上の該絶縁膜を削成することで前記凹部の中の前記絶縁材を残す光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法。
7. 請求項６に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法であって、前記絶縁膜の削成は、等方性エッチング又はケミカルメカニカルポリッシングで行う光電変換膜積層型固体撮像素子の製造方法。

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