JP2013135122A - 半導体素子、半導体素子の製造方法、固体撮像装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体素子は、基板上に、有機半導体層、無機膜および保護膜をこの順に備え、無機膜および保護膜の各周縁部は、有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されているものである。有機半導体層上に無機膜および保護膜をこの順に成膜した後、有機半導体層の周縁端よりも外側の領域において、無機膜の加工が行われる。フォトリソグラフィ法を用いた加工(パターニング)を行う場合には、加工後、薬液による洗浄を行うが、無機膜上に保護膜を形成し、かつ有機半導体層の周縁部よりも外側の領域において無機膜の加工を行うことにより、洗浄工程において、有機半導体層の露出がない。薬液による有機半導体層の損傷が抑制される。
【選択図】図1
Description
1.実施の形態(有機光電変換部と無機光電変換部とを積層した光電変換素子の例)
2.変形例1(上部電極形成方法の他の例)
3.変形例2(上部電極端部にテーパを形成した例)
4.変形例3(絶縁膜形成方法の他の例)
5.変形例4(下部電極側からホールを信号電荷として取り出す場合の例)
6.変形例5(上部電極側から電子/ホールを信号電荷として取り出す場合の例)
7.適用例1(固体撮像装置の例)
8.適用例2(電子機器(カメラ)の例)
[構成]
図1は、本開示の一実施の形態の半導体素子(光電変換素子10)の断面構成を表すものである。光電変換素子10は、例えばCCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置(後述)において1つの画素を構成するものである。
半導体基板11は、例えばn型のシリコン(Si)層110の所定の領域に、無機光電変換部11B,11Rと緑用蓄電層110Gとが埋め込み形成されたものである。半導体基板11には、また、有機光電変換部11Gからの電荷(電子または正孔(ホール))の伝送経路となる導電性プラグ120a1,120b1が埋設されている。本実施の形態では、この半導体基板11の裏面(面S1)が受光面となっていえる。半導体基板11の表面(面S2)側には、有機光電変換部11G,無機光電変換部11B,11Rのそれぞれに対応する複数の画素トランジスタ(転送トランジスタTr1〜Tr3を含む)が形成されると共に、ロジック回路等からなる周辺回路が形成されている。
上記のような半導体基板11の面S2上には、多層配線層51が形成されている。多層配線層51では、複数の配線51aが層間絶縁膜52を介して配設されている。このように、光電変換素子10では、多層配線層51が受光面とは反対側に形成されており、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置を実現可能となっている。この多層配線層51には、例えばシリコンよりなる支持基板53が貼り合わせられている。
有機光電変換部11Gは、有機半導体を用いて、選択的な波長域の光(ここでは緑色光)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。有機光電変換部11Gは、信号電荷を取り出すための一対の電極(下部電極15a,上部電極18)間に有機光電変換層17を挟み込んだ構成を有している。下部電極15aおよび上部電極18は、後述するように、配線層やコンタクトメタル層を介して、半導体基板11内に埋設された導電性プラグ120a1,120b1に電気的に接続されている。尚、本実施の形態の有機光電変換層17が、本開示における「有機半導体層」の一具体例であり、上部電極18が「無機膜」の一具体例である。
本実施の形態では、上記のような有機光電変換部11Gにおいて、上部電極18および保護膜19が有機光電変換層17を覆うように設けられている。図4に、上記有機光電変換部11Gの一部を拡大したもの、図5に、有機光電変換層17、保護膜19(上部電極18)およびコンタクトホールHの平面構成について示す。
上記のような光電変換素子10は、例えば次のようにして製造することができる。図6〜図20は、光電変換素子10の製造方法を工程順に表したものである。尚、図13〜図20では、光電変換素子10の要部構成のみを示している。
続いて、上部電極18を形成する。まず、図15に示したように、上述した透明導電膜よりなる上部電極18を基板全面にわたって、例えば真空蒸着法またはスパッタ法により、有機光電変換層17の上面および側面を覆うように成膜する。尚、有機光電変換膜17は、水分、酸素、水素などの影響を受けて特性が変動し易いため、上部電極18は、有機光電変換膜17と真空一貫プロセスにより成膜することが望ましい。この後(上部電極18をパターニングする前に)、図16に示したように、上部電極18の上面を覆うように、上述した材料よりなる保護膜19を、例えばプラズマCVD法により成膜する。
上記のような光電変換素子10では、例えば固体撮像装置の画素として、次のようにして信号電荷が取得される。即ち、図21に示したように、光電変換素子10に、オンチップレンズ22(図21には図示せず)を介して光Lが入射すると、光Lは、有機光電変換部11G、無機光電変換部11B,11Rの順に通過し、その通過過程において赤、緑、青の色光毎に光電変換される。図22に、入射光に基づく信号電荷(電子)取得の流れを模式的に示す。以下、各光電変換部における具体的な信号取得動作について説明する。
光電変換素子10へ入射した光Lのうち、まず、緑色光Lgが、有機光電変換部11Gにおいて選択的に検出(吸収)され、光電変換される。これにより、発生した電子・ホール対のうちの電子Egが下部電極15a側から取り出された後、伝送経路A(配線層13aおよび導電性プラグ120a1,120a2)を介して緑用蓄電層110Gへ蓄積される。蓄積された電子Egは、読み出し動作の際にFD116へ転送される。尚、ホールHgは、上部電極18側から伝送経路B(コンタクトメタル層20、配線層13b,15bおよび導電性プラグ120b1,120b2)を介して排出される。
続いて、有機光電変換部11Gを透過した光のうち、青色光は無機光電変換部11B、赤色光は無機光電変換部11Rにおいて、それぞれ順に吸収され、光電変換される。無機光電変換部11Bでは、入射した青色光に対応した電子Ebがn型領域(n型光電変換層111n)に蓄積され、蓄積された電子Edは、読み出し動作の際にFD113へと転送される。尚、ホールは、図示しないp型領域に蓄積される。同様に、無機光電変換部11Rでは、入射した赤色光に対応した電子Erがn型領域(n型光電変換層112n)に蓄積され、蓄積された電子Erは、読み出し動作の際にFD114へと転送される。尚、ホールは、図示しないp型領域に蓄積される。
ところが、フォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより上部電極を加工する場合、有機半導体が損傷を受ける虞がある。例えば、図23に示したように、シリコン基板101に設けられた有機半導体層102上に、上部電極103をフォトリソグラフィ法により加工形成した場合、フォトレジスト剥離後の洗浄工程において、薬液が上部電極102のピンホール等を通じて、有機半導体層102へ侵入し、有機半導体に損傷を受け(X)、歩留まりが低下する。
図25〜図29は、変形例1に係る光電変換素子の製造方法(上部電極18の加工方法)について工程順に表したものである。本変形例の加工方法は、上部電極18上に形成した保護膜19をパターニングした後、このパターニングされた保護膜18をマスクとして上部電極18をエッチングするものである。尚、半導体基板11および図示しない配線層51、支持基板53の形成方法は、上記実施の形態と同様である。
図30(A)は、変形例2に係る光電変換素子の要部構成(有機光電変換部11Gおよび半導体基板11)を表したものである。図30(B)は、上部電極18の端部付近の構成を拡大して示したものである。上記実施の形態では、保護膜19にコンタクトホールHを形成することにより、上部電極18とコンタクトメタル20との電気的接続を確保したが、本変形例のように、上部電極18の端部にテーパ18e1を形成してもよい。コンタクトメタル層20は、この上部電極18の端部のテーパ18e1を覆うように形成されている。テーパ18e1のテーパ角θは、コンタクトメタル層20との接触面積を確保すると共に、コンタクトメタル層20のカバレージを向上させるため、できるだけ小さい方がよく、例えば80°以下、望ましくは50°以下である。このようなテーパ18e1は、フォトリソグラフィ法を用いて保護膜19および上部電極18をパターニングする際、例えばエッチング条件を調整することにより形成可能である。あるいは、フォトレジストの側面形状をリフローによりなだらかにした状態でエッチングを行うことによっても、形成可能である。これにより、コンタクトホールHの形成工程を省略することができ、工程が簡易化する。
図31は、変形例3に係る光電変換素子の要部構成(有機光電変換部11Gおよび半導体基板11)を表したものである。図32(A),(B)は、この光電変換素子の製造方法(絶縁膜の形成方法)について工程順に表したものである。上記実施の形態では、下部電極15a間を電気的に分離する絶縁膜16が平坦化され、下部電極15aとの段差が緩和された構造を例に挙げたが、本変形例のような、絶縁膜16aを用いてもよい。本変形例の絶縁膜16aは、下部電極15a上に開口H2を有して設けられ、下部電極15aと段差を有している。但し、開口H2の側面が緩やかなテーパ形状となっており、この絶縁膜16aの開口H2に有機光電変換層17が形成されている。このような絶縁膜16aは、次のようにして形成可能である。例えば、まず、図32(A)に示したように、下部電極15aを覆うように、基板全面にわたって、絶縁膜16aを成膜した後、図32(B)に示したように、開口H2をフォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより形成する。絶縁膜16aとしては、上述した材料の他、感光性樹脂等を用いることもでき、この場合には、開口H2形成後にリフローすることにより、角部をなくしてなだらかな形状を形成することができる。
図33は、変形例4に係る光電変換素子の要部構成(半導体基板11の一部)を表したものである。上記実施の形態では、有機光電変換部11Gにおいて、下部電極15aから信号電荷として電子を取り出す場合を例に挙げて説明したが、下部電極15aから信号電荷としてホールを取り出すように構成してもよい。この場合、半導体基板11の面S1上の構成は、上記実施の形態と同様でよいが、半導体基板11内に形成される蓄電層(緑用蓄電層110G1)と、フローティングディフージョン(FD116a)の構成が異なるものとなる。即ち、緑用蓄電層110G1では、p型領域115pがホール蓄積層として、導電性プラグ120a1に接続され、このp型領域115pと面S2との界面近傍に電子蓄積層となるn型領域115nが形成される。また、FD116aはp型領域として形成される。尚、電荷蓄積状態において、下部電極15aには、上部電極18よりも低い電位VLが印加される。これにより、有機光電変換層17において生じた電子・ホール対のうち、ホールが下部電極15a側に導かれ、下部電極15aからホールが取り出される。このホールが、導電性プラグ120a1,120a2等を通じて、緑用蓄電層110G1のp型領域115pに蓄積される。読み出し動作の際にはこの蓄積されたホールが、FD116aに転送される。
図34は、変形例5に係る光電変換素子の要部構成(有機光電変換部11Gおよび半導体基板11)を表したものである。上記実施の形態および変形例4では、有機光電変換部11Gにおいて、下部電極15aから信号電荷(電子またはホール)を取り出す場合を例に挙げて説明したが、上部電極18から信号電荷を取り出すように構成してもよい。この場合には、半導体基板11に埋め込み形成される緑用蓄電層110G2が、導電性プラグ120b1に接続され、導電性プラグ120b2、配線層13b,15bおよびコンタクトメタル層20を介して、上部電極18に導通した構成とする。尚、緑用蓄電層110G2の構成およびFD(図示せず)の導電型を、上記実施の形態と同様に設定すると共に、電荷蓄積時において、上部電極18への印加電位を下部電極15aへの印加電位よりも高く設定することにより、上部電極18から電子を信号電荷として取り出し、緑用蓄電層110G2へ蓄積することができる。この場合、ホールは、下部電極15a側から、配線層13a、導電性プラグ120a1,120a2を介して排出される。あるいは、緑用蓄電層110G2の構成およびFD(図示せず)の導電型を、上記変形例4と同様に設定すると共に、電荷蓄積時において、上部電極18への印加電位を下部電極15aへの印加電位よりも低く設定することにより、上部電極18からホールを信号電荷として取り出し、緑用蓄電層110G2へ蓄積することができる。この場合、電子は、下部電極15a側から、配線層13a、導電性プラグ120a1,120a2を介して排出される。
図35は、上記実施の形態および変形例等において説明した光電変換素子を各画素に用いた固体撮像装置(固体撮像装置1)の全体構成を表したものである。この固体撮像装置1は、CMOSイメージセンサであり、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36に、その一例として、電子機器2(カメラ)の概略構成を示す。この電子機器2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、固体撮像装置1と、光学系(光学レンズ)310と、シャッタ装置311と、固体撮像装置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)
基板上に、有機半導体層、無機膜および保護膜をこの順に備え、
前記無機膜および保護膜の各周縁部は、前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されている
半導体素子。
(2)
前記基板上に、第1電極、前記有機半導体層、および前記無機膜としての第2電極をこの順に備え、
前記有機半導体層が光電変換機能を有する
上記(1)に記載の半導体素子。
(3)
前記保護膜の前記第2電極に対向する領域であって、前記有機半導体層に非対向な領域に設けられたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールを介して前記第2電極に電気的に接続されたコンタクトメタル層とを備えた
上記(2)に記載の半導体素子。
(4)
前記第2電極の端部がテーパを有し、
前記第2電極の端部を覆ってコンタクトメタル層が設けられている
上記(2)に記載の半導体素子。
(5)
前記保護膜は、窒化シリコン、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンのうちの1種よりなる単層膜か、あるいは前記窒化シリコン、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンのうちの2種以上よりなる積層膜である
上記(1)〜(4)のいずれかに記載の半導体素子。
(6)
前記第1電極および前記第2電極は透明導電膜よりなる
上記(2)〜(5)のいずれかに記載の半導体素子。
(7)
基板上に有機半導体層を形成する工程と、
前記有機半導体層上に無機膜および保護膜をこの順に成膜する工程と、
前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域において、前記無機膜および前記保護膜の一部を選択的に除去することにより、前記無機膜を加工する工程と
を含む半導体素子の製造方法。
(8)
前記無機膜を加工する工程では、
フォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより、前記保護膜および前記無機膜の一部を一括して除去する
上記(7)に記載の半導体素子の製造方法。
(9)
前記無機膜を加工する工程では、
フォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより前記保護膜の一部を除去した後、その保護膜をマスクとしたエッチングにより前記無機膜の一部を除去する
上記(7)または(8)に記載の半導体素子の製造方法。
(10)
基板上に、第1電極、前記有機半導体層および前記無機膜として第2電極を、この順に形成し、
前記有機半導体層として光電変換材料を用いる
上記(7)〜(9)のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
(11)
前記第2電極を形成した後、
前記保護膜の前記第2電極に対向する領域であって、前記有機半導体層に非対向な領域にコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを介して前記第2電極に電気的に接続されたコンタクトメタル層を形成する
上記(10)に記載の半導体素子の製造方法。
(12)
前記第2電極を形成した後、
前記第2電極の端部にテーパを形成し、その第2電極の端部を覆ってコンタクトメタル層を形成する
上記(10)に記載の半導体素子の製造方法。
(13)
各画素が1または複数の有機光電変換部を含み、
前記有機光電変換部は、基板上に、第1電極、光電変換機能を有する有機半導体層、第2電極および保護膜をこの順に備え、
前記無機膜および保護膜の各周縁部は、前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されている
固体撮像装置。
(14)
前記保護膜の前記第2電極に対向する領域であって、前記有機半導体層に非対向な領域に設けられたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールを介して前記第2電極に電気的に接続されたコンタクトメタル層とを備えた
上記(13)に記載の固体撮像装置。
(15)
前記第2電極の端部がテーパを有し、
前記第2電極の端部を覆ってコンタクトメタル層が設けられている
上記(13)に記載の固体撮像装置。
(16)
各画素では、1または複数の前記有機光電変換部と、前記有機光電変換部とは異なる波長域の光電変換を行う1または複数の無機光電変換部とが積層されている
上記(13)〜(15)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(17)
前記無機光電変換部は、半導体基板内に埋め込み形成され、
前記有機光電変換部は、前記半導体基板の第1面側に形成されている
上記(16)に記載の固体撮像装置。
(18)
前記半導体基板の第2面側に多層配線層が形成されている
上記(17)に記載の固体撮像装置。
(19)
前記有機光電変換部が緑色光の光電変換を行い、
前記半導体基板内に、青色光の光電変換を行う無機光電変換部と、赤色光の光電変換を行う無機光電変換部とが積層されている
上記(17)または(18)に記載の固体撮像装置。
(20)
各画素が1または複数の有機光電変換部を含み、
前記有機光電変換部は、基板上に、第1電極、光電変換機能を有する有機半導体層、第2電極および保護膜をこの順に備え、
前記無機膜および保護膜の各周縁部は、前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されている
固体撮像装置を有する電子機器。
Claims (20)
- 基板上に、有機半導体層、無機膜および保護膜をこの順に備え、
前記無機膜および保護膜の各周縁部は、前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されている
半導体素子。 - 前記基板上に、第1電極、前記有機半導体層、および前記無機膜としての第2電極をこの順に備え、
前記有機半導体層が光電変換機能を有する
請求項1に記載の半導体素子。 - 前記保護膜の前記第2電極に対向する領域であって、前記有機半導体層に非対向な領域に設けられたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールを介して前記第2電極に電気的に接続されたコンタクトメタル層とを備えた
請求項2に記載の半導体素子。 - 前記第2電極の端部がテーパを有し、
前記第2電極の端部を覆ってコンタクトメタル層が設けられている
請求項2に記載の半導体素子。 - 前記保護膜は、窒化シリコン、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンのうちの1種よりなる単層膜か、あるいは前記窒化シリコン、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンのうちの2種以上よりなる積層膜である
請求項1に記載の半導体素子。 - 前記第1電極および前記第2電極は透明導電膜よりなる
請求項2に記載の半導体素子。 - 基板上に有機半導体層を形成する工程と、
前記有機半導体層上に無機膜および保護膜をこの順に成膜する工程と、
前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域において、前記無機膜および前記保護膜の一部を選択的に除去することにより、前記無機膜を加工する工程と
を含む半導体素子の製造方法。 - 前記無機膜を加工する工程では、
フォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより、前記保護膜および前記無機膜の一部を一括して除去する
請求項7に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記無機膜を加工する工程では、
フォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより前記保護膜の一部を除去した後、その保護膜をマスクとしたエッチングにより前記無機膜の一部を除去する
請求項7に記載の半導体素子の製造方法。 - 基板上に、第1電極、前記有機半導体層および前記無機膜として第2電極を、この順に形成し、
前記有機半導体層として光電変換材料を用いる
請求項7に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記第2電極を形成した後、
前記保護膜の前記第2電極に対向する領域であって、前記有機半導体層に非対向な領域にコンタクトホールを形成し、前記コンタクトホールを介して前記第2電極に電気的に接続されたコンタクトメタル層を形成する
請求項10に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記第2電極を形成した後、
前記第2電極の端部にテーパを形成し、その第2電極の端部を覆ってコンタクトメタル層を形成する
請求項10に記載の半導体素子の製造方法。 - 各画素が1または複数の有機光電変換部を含み、
前記有機光電変換部は、基板上に、第1電極、光電変換機能を有する有機半導体層、第2電極および保護膜をこの順に備え、
前記無機膜および保護膜の各周縁部は、前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されている
固体撮像装置。 - 前記保護膜の前記第2電極に対向する領域であって、前記有機半導体層に非対向な領域に設けられたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールを介して前記第2電極に電気的に接続されたコンタクトメタル層とを備えた
請求項13に記載の固体撮像装置。 - 前記第2電極の端部がテーパを有し、
前記第2電極の端部を覆ってコンタクトメタル層が設けられている
請求項13に記載の固体撮像装置。 - 各画素では、1または複数の前記有機光電変換部と、前記有機光電変換部とは異なる波長域の光電変換を行う1または複数の無機光電変換部とが積層されている
請求項13に記載の固体撮像装置。 - 前記無機光電変換部は、半導体基板内に埋め込み形成され、
前記有機光電変換部は、前記半導体基板の第1面側に形成されている
請求項16に記載の固体撮像装置。 - 前記半導体基板の第2面側に多層配線層が形成されている
請求項17に記載の固体撮像装置。 - 前記有機光電変換部が緑色光の光電変換を行い、
前記半導体基板内に、青色光の光電変換を行う無機光電変換部と、赤色光の光電変換を行う無機光電変換部とが積層されている
請求項17に記載の固体撮像装置。 - 各画素が1または複数の有機光電変換部を含み、
前記有機光電変換部は、基板上に、第1電極、光電変換機能を有する有機半導体層、第2電極および保護膜をこの順に備え、
前記無機膜および保護膜の各周縁部は、前記有機半導体層の周縁部よりも外側の領域に形成されている
固体撮像装置を有する電子機器。
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