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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】有機半導体層と無機膜との積層構造を有し、歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能な半導体素子とその製造方法および固体撮像装置を提供する。
【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

本開示は、例えば有機光電変換素子などの半導体素子、半導体素子の製造方法、固体撮像装置および電子機器に関する。
近年、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、あるいはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像装置では、画素サイズの縮小化が進んでいる。これにより、単位画素へ入射するフォトン数が減少することから感度が低下すると共に、S/N比の低下が生じている。また、カラー化のために、赤,緑,青の原色フィルタを2次元配列してなるカラーフィルタを用いた場合、赤画素では、緑と青の光がカラーフィルタによって吸収されるために、感度の低下を招いている。また、各色信号を生成する際に、画素間で補間処理を行うことから、いわゆる偽色が発生する。
そこで、1つの画素内に3つの光電変換層を積層し、各光電変換層において、赤色光,緑色光または青色光の光電変換を行い、1画素において3色の信号を得る固体撮像装置が提案されている(例えば、特許文献1)。特許文献1では、例えば、シリコン基板上に、緑色光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する有機光電変換部を設け、シリコン基板内に赤色光および青色光をそれぞれ検出するフォトダイオード(無機光電変換部)を設けている。
また、特許文献2には、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置において、上記のような有機光電変換部と無機光電変換部との積層構造を実現した構造が提案されている。裏面照射型の固体撮像装置では、シリコン基板の受光面とは反対側の面に、回路および配線の多層構造(以下、単に配線層という)が形成されることから、シリコン基板(無機光電変換部)上に配線層を介さずに有機光電変換部を設けることができる。このため、画素内において、有機光電変換部と無機光電変換部との間の距離を近づけることができ、オンチップレンズのF値に依存して生じる各色間の感度のばらつきを軽減することが可能となる。
特開2003−332551号公報 特開2011−29337号公報
上記特許文献1,2のように、有機光電変換部を有する固体撮像装置では、光電変換機能を有する有機半導体層を、無機膜である一対の電極で挟み込んだ構造を有する。このような有機半導体層と無機膜との積層構造を有する半導体素子において、損失なく有機半導体層を形成し、歩留まりおよび信頼性の向上の実現が望まれている。
本開示はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、有機半導体層と無機膜との積層構造を有し、歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能な半導体素子とその製造方法、固体撮像装置および電子機器を提供することにある。
本開示の半導体素子は、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。
本開示の半導体素子の製造方法は、基板上に有機半導体層を形成する工程と、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、有機半導体層の周縁部よりも外側の領域において、無機膜および保護膜の一部を選択的に除去することにより、無機膜を加工する工程とを含むものである。
本開示の半導体素子の製造方法では、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、無機膜の加工を行う。ここで、フォトリソグラフィ法を用いて加工を行う場合、加工後には薬液による洗浄を行うが、上記のように、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パターニングを行うことにより、洗浄工程において、有機半導体層の露出がない。このため、有機半導体層の損傷が抑制される。
本開示の固体撮像装置は、各画素が1または複数の有機光電変換部を含み、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、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。
本開示の電子機器は、上記本開示の固体撮像装置を有するものである。
本開示の半導体素子の製造方法によれば、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、無機膜を選択的に除去する。これにより、無機膜加工の際に、有機半導体層の露出をなくし、有機半導体層の損傷を抑制することができる。よって、有機半導体層と無機膜との積層構造を有し、歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
本開示の半導体素子によれば、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が、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ことにより、製造プロセスにおいて、有機半導体層の損傷を抑制することができる。よって、有機半導体層と無機膜との積層構造を有する半導体素子において、歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
本開示の固体撮像装置および電子機器によれば、各画素の有機光電変換部において、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、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。これにより、製造プロセスにおいて、有機半導体層の損傷を抑制することができる。よって、画素内に、有機半導体層と無機膜(第2電極)との積層構造を有する固体撮像装置および電子機器において、歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
本開示の一実施の形態に係る半導体素子(光電変換素子)の概略構成を表す断面図である。 (A),(B)は、無機光電変換部の一構成例を表す断面図である。 有機光電変換部の電荷(電子)蓄積層の構成(下部側電子取り出し)を表す断面図である。 有機光電変換部付近の要部構成を拡大して示した断面図である。 有機光電変換層、保護膜(上部電極)およびコンタクトホールの形成位置関係を表す平面図である。 (A),(B)は、図1に示した光電変換素子の製造方法を説明するための断面図である。 図6に続く工程を表す断面図である。 図7に続く工程を表す断面図である。 図8に続く工程を表す断面図である。 図9に続く工程を表す断面図である。 図10に続く工程を表す断面図である。 図11に続く工程を表す断面図である。 (A),(B)は、図12に続く工程を表す断面図である。 図13に続く工程を表す断面図である。 図14に続く工程を表す断面図である。 図15に続く工程を表す断面図である。 (A),(B)は、図16に続く工程を表す断面図である。 図17に続く工程を表す断面図である。 図18に続く工程を表す断面図である。 図19に続く工程を表す断面図である。 図1に示した光電変換素子の作用を説明する要部断面図である。 図1に示した光電変換素子の作用を説明するための模式図である。 比較例に係る上部電極の加工方法を説明するための断面図である。 他の比較例に係る上部電極の加工方法を説明するための断面図である。 変形例1に係る光電変換素子の製造方法(上部電極のパターニング方法)を説明するための断面図である。 図25に続く工程を表す断面図である。 (A),(B)は、図26に続く工程を表す断面図である。 図27に続く工程を表す断面図である。 図28に続く工程を表す断面図である。 変形例2に係る光電変換素子の要部構成を表す断面図である。 変形例3に係る光電変換素子の要部構成を表す断面図である。 (A),(B)は、図31に示した光電変換素子の製造方法(絶縁膜の形成方法)を説明するための断面図である。 変形例4に係る光電変換素子(下部側ホール取り出し)を表す断面図である。 変形例5に係る光電変換素子(上部側取り出し)を表す断面図である。 図1に示した光電変換素子を画素として用いた固体撮像装置の機能ブロック図である。 図35に示した固体撮像装置を用いた電子機器の概略構成を表すブロック図である。
以下、本開示における実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
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)
<1.実施の形態>
[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。
光電変換素子10は、半導体基板11の表面(受光面と反対側の面S2)側に、画素トランジスタ(後述の転送トランジスタTr1〜3を含む)が形成されると共に、多層配線層(多層配線層51)を有するものである。
この光電変換素子10は、互いに異なる波長域の光を選択的に検出して光電変換を行う有機光電変換部と無機光電変換部とを縦方向に積層した構造を有している。これにより後述の固体撮像装置では、カラーフィルタを用いることなく、1画素において複数種類の色信号を取得可能となる。本実施の形態では、光電変換素子10が、1つの有機光電変換部11Gと2つの無機光電変換部11B,11Rとの積層構造を有しており、これにより、赤(R),緑(G),青(B)の各色信号を取得するようになっている。具体的には、有機光電変換部11Gは、半導体基板11の裏面(面S1)上に形成され、無機光電変換部11B,11Rは、半導体基板11内に埋め込み形成されている。以下、各部の構成について説明する。
(半導体基板11)
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。
画素トランジスタとしては、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび選択トランジスタが挙げられる。これらの画素トランジスタは、いずれも例えばMOSトランジスタにより構成され、面S2側のp型半導体ウェル領域に形成されている。このような画素トランジスタを含む回路が、赤、緑、青の光電変換部毎に形成されている。各回路では、これらの画素トランジスタのうち、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタからなる、計3つのトランジスタを含む3トランジスタ構成を有していてもよいし、これに選択トランジスタを加えた4トランジスタ構成であってもよい。ここでは、これらの画素トランジスタのうち、転送トランジスタTr1〜Tr3についてのみ図示および説明を行っている。また、転送トランジスタ以外の他の画素トランジスタについては、光電変換部間あるいは画素間において共有することもできる。また、フローティングディフージョンを共有する、いわゆる画素共有構造を適用することもできる。
転送トランジスタTr1〜Tr3は、ゲート電極(ゲート電極TG1〜TG3)と、フローティングディフージョン(FD113,114,116)とを含んで構成されている。転送トランジスタTr1は、有機光電変換部11Gにおいて発生し、緑用蓄電層110Gに蓄積された、緑色に対応する信号電荷(本実施の形態では電子)を、後述の垂直信号線Lsigへ転送するものである。転送トランジスタTr2は、無機光電変換部11Bにおいて発生し、蓄積された、青色に対応する信号電荷(本実施の形態では電子)を、後述の垂直信号線Lsigへ転送するものである。同様に、転送トランジスタTr3は、無機光電変換部11Rにおいて発生し、蓄積された、赤色に対応する信号電荷(本実施の形態では電子)を、後述の垂直信号線Lsigへ転送するものである。
無機光電変換部11B,11Rはそれぞれ、pn接合を有するフォトダイオード(Photo Diode)であり、半導体基板11内の光路上において、面S1側から無機光電変換部11B,11Rの順に形成されている。これらのうち、無機光電変換部11Bは、青色光を選択的に検出して青色に対応する信号電荷を蓄積させるものであり、例えば半導体基板11の面S1に沿った選択的な領域から、多層配線層51との界面近傍の領域にかけて延在して形成されている。無機光電変換部11Rは、赤色光を選択的に検出して赤色に対応する信号電荷を蓄積させるものであり、例えば無機光電変換部11Bよりも下層(面S2側)の領域にわたって形成されている。尚、青(B)は、例えば450nm〜495nmの波長域、赤(R)は、例えば620nm〜750nmの波長域にそれぞれ対応する色であり、無機光電変換部11B,11Rはそれぞれ、各波長域のうちの一部または全部の波長域の光を検出可能となっていればよい。
図2(A)は、無機光電変換部11B,11Rの詳細構成例を表したものである。図2(B)は、図2(A)の他の断面における構成に相当するものである。尚、本実施の形態では、光電変換によって生じる電子およびホールの対のうち、電子を信号電荷として読み出す場合(n型半導体領域を光電変換層とする場合)について説明を行う。また、図中において、「p」「n」に上付きで記した「+(プラス)」は、p型またはn型の不純物濃度が高いことを表している。また、画素トランジスタのうち、転送トランジスタTr2,Tr3のゲート電極TG2,TG3についても示している。
無機光電変換部11Bは、例えば、ホール蓄積層となるp型半導体領域(以下、単にp型領域という、n型の場合についても同様。)111pと、電子蓄積層となるn型光電変換層(n型領域)111nとを含んで構成されている。p型領域111pおよびn型光電変換層111nはそれぞれ、面S1近傍の選択的な領域に形成されると共に、その一部が屈曲し、面S2との界面に達するように延在形成されている。p型領域111pは、面S1側において、図示しないp型半導体ウェル領域に接続されている。n型光電変換層111nは、青色用の転送トランジスタTr2のFD113(n型領域)に接続されている。尚、p型領域111pおよびn型光電変換層111nの面S2側の各端部と面S2との界面近傍には、p型領域113p(ホール蓄積層)が形成されている。
無機光電変換部11Rは、例えば、p型領域112p1,112p2(ホール蓄積層)間に、n型光電変換層112n(電子蓄積層)を挟み込んで形成されている(p−n−pの積層構造を有する)。n型光電変換層112nは、その一部が屈曲し、面S2との界面に達するように延在形成されている。n型光電変換層112nは、赤色用の転送トランジスタTr3のFD114(n型領域)に接続されている。尚、少なくともn型光電変換層111nの面S2側の端部と面S2との界面近傍にはp型領域113p(ホール蓄積層)が形成されている。
図3は、緑用蓄電層110Gの詳細構成例を表したものである。尚、ここでは、有機光電変換部11Gによって生じる電子およびホールの対のうち、電子を信号電荷として、下部電極15a側から読み出す場合について説明を行う。また、図3には、画素トランジスタのうち、転送トランジスタTr1のゲート電極TG1についても示している。
緑用蓄電層110Gは、電子蓄積層となるn型領域115nを含んで構成されている。n型領域115nの一部は、導電性プラグ120a1に接続されており、下部電極15a側から導電性プラグ120a1を介して伝送される電子を蓄積するようになっている。このn型領域115nは、また、緑色用の転送トランジスタTr1のFD116(n型領域)に接続されている。尚、n型領域115nと面S2との界面近傍には、p型領域115p(ホール蓄積層)が形成されている。
導電性プラグ120a1,120b1は、後述の導電性プラグ120a2,120b2と共に、有機光電変換部11Gと半導体基板11とのコネクタとして機能すると共に、有機光電変換部11Gにおいて生じた電子またはホールの伝送経路となるものである。本実施の形態では、導電性プラグ120a1は、有機光電変換部11Gの下部電極15aと導通しており、緑用蓄電層110Gと接続されている。導電性プラグ120b1は、有機光電変換部11Gの上部電極18と導通しており、ホールを排出するための配線となっている。
これらの導電性プラグ120a1,120b1はそれぞれ、例えば導電型の半導体層により構成され、半導体基板11に埋め込み形成されたものである。この場合、導電性プラグ120a1はn型とし(電子の伝送経路となるため)、導電性プラグ120b1は、p型とする(ホールの伝送経路となるため)とよい。あるいは、導電性プラグ120a1,120b1は、例えば貫通ビアにタングステン等の導電膜材料が埋設されたものであってもよい。この場合、例えばシリコンとの短絡を抑制するために、酸化シリコン(SiO2)または窒化シリコン(SiN)などの絶縁膜でビア側面が覆われていることが望ましい。
(多層配線層51)
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)
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。
具体的には、有機光電変換部11Gでは、半導体基板11の面S1上に、層間絶縁膜12,14が形成され、層間絶縁膜12には、導電性プラグ120a1,120b1のそれぞれと対向する領域に貫通孔が設けられ、各貫通孔に導電性プラグ120a2,120b2が埋設されている。層間絶縁膜14には、導電性プラグ120a2,120b2のそれぞれと対向する領域に、配線層13a,13bが埋設されている。この層間絶縁膜14上に、下部電極15aが設けられると共に、この下部電極15aと絶縁膜16によって電気的に分離された配線層15bが設けられている。これらのうち、下部電極15a上に、有機光電変換層17が形成され、有機光電変換層17を覆うように上部電極18が形成されている。詳細は後述するが、上部電極18上には、その表面を覆うように保護膜19が形成されている。保護膜19の所定の領域にはコンタクトホールHが設けられ、保護膜19上には、コンタクトホールHを埋め込み、かつ配線層15bの上面まで延在するコンタクトメタル層20が形成されている。
導電性プラグ120a2は、上述のように導電性プラグ120a1と共にコネクタとして機能すると共に、導電性プラグ120a1および配線層13aと共に、下部電極15aから緑用蓄電層110Gへの電荷(電子)の伝送経路を形成するものである。導電性プラグ120b2は、上述のように導電性プラグ120b1と共にコネクタとして機能すると共に、導電性プラグ120b1、配線層13b、配線層15bおよびコンタクトメタル層20と共に、上部電極18からの電荷(ホール)の排出経路を形成するものである。導電性プラグ120a2,120b2は、遮光膜としても機能させるために、例えばチタン(Ti)、窒化チタン(TiN)およびタングステンなどの金属材料の積層膜により構成されることが望ましい。また、このような積層膜を用いることにより、導電性プラグ120a1,120b1をn型またはp型の半導体層として形成した場合にも、シリコンとのコンタクトを確保することができるため望ましい。
層間絶縁膜12は、半導体基板11(シリコン層110)との界面準位を低減させると共に、シリコン層110との界面からの暗電流の発生を抑制するために、界面準位の小さな絶縁膜から構成されることが望ましい。このような絶縁膜としては、例えば、酸化ハフニウム(HfO2)膜と酸化シリコン(SiO2)膜との積層膜を用いることができる。層間絶縁膜14は、例えば酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコン(SiON)等のうちの1種よりなる単層膜か、あるいはこれらのうちの2種以上よりなる積層膜により構成されている。
絶縁膜16は、例えば酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコン(SiON)等のうちの1種よりなる単層膜か、あるいはこれらのうちの2種以上よりなる積層膜により構成されている。本実施の形態では、絶縁膜16は、その表面が平坦化されており、下部電極15aとほぼ段差のない形状およびパターンを有している。この絶縁膜16は、光電変換素子10が、固体撮像装置の画素として用いられる場合に、各画素の下部電極15a間を電気的に分離する機能を有している。
下部電極15aは、半導体基板11内に形成された無機光電変換部11B,11Rの受光面と正対して、これらの受光面を覆う領域に設けられている。この下部電極15aは、光透過性を有する導電膜により構成され、例えば、ITO(インジウム錫酸化物)により構成されている。但し、下部電極15aの構成材料としては、このITOの他にも、ドーパントを添加した酸化スズ(SnO2)系材料、あるいはアルミニウム亜鉛酸化物(ZnO)にドーパントを添加してなる酸化亜鉛系材料を用いてもよい。酸化亜鉛系材料としては、例えば、ドーパントとしてアルミニウム(Al)を添加したアルミニウム亜鉛酸化物(AZO)、ガリウム(Ga)添加のガリウム亜鉛酸化物(GZO)、インジウム(In)添加のインジウム亜鉛酸化物(IZO)が挙げられる。また、この他にも、CuI、InSbO4、ZnMgO、CuInO2、MgIN24、CdO、ZnSnO3等が用いられてもよい。尚、本実施の形態では、上述のように下部電極15aから信号電荷(電子)の取り出しがなされるので、光電変換素子10を画素として用いた後述の固体撮像装置では、この下部電極15aは画素毎に分離されて形成される。
有機光電変換層17は、選択的な波長域の光を、光電変換する一方、他の波長域の光を透過させる有機半導体により構成されている。有機半導体としては、有機p型半導体および有機n型半導体のうちの一方または両方を含んで構成されることが望ましい。このような有機半導体としては、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、およびフルオランテン誘導体のうちのいずれか1種が好適に用いられる。あるいは、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体やその誘導体が用いられていてもよい。加えて、金属錯体色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素、キサンテン系色素、大環状アザアヌレン系色素、アズレン系色素、ナフトキノン、アントラキノン系色素、アントラセンおよびピレン等の縮合多環芳香族および芳香環ないし複素環化合物が縮合した鎖状化合物、または、スクアリリウム基およびクロコニツクメチン基を結合鎖として持つキノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール等の二つの含窒素複素環、または、スクアリリウム基およびクロコニツクメチン基により結合したシアニン系類似の色素等を好ましく用いることができる。尚、上記金属錯体色素としては、ジチオール金属錯体系色素、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素、またはルテニウム錯体色素が好ましいが、これに限定されるものではない。本実施の形態では、この有機光電変換層17が、例えば495nm〜570nmの波長域の一部または全部の波長域に対応する緑色光を光電変換可能となっている。このような有機光電変換層17の厚みは、例えば50nm〜500nmである。
この有機光電変換層17の下部電極15aとの間、および上部電極18との間には、図示しない他の層が設けられていてもよい。例えば、下部電極15a側から順に、下引き膜 、電子ブロッキング膜 、有機光電変換層17、正孔ブロッキング膜、バッファ膜および仕事関数調整膜が積層されていてもよい。
上部電極18は、下部電極15aと同様の光透過性を有する導電膜により構成されている。本実施の形態では、上述のように、上部電極18から取り出されたホールは排出されるので、光電変換素子10を画素として用いた固体撮像装置では、この上部電極18が画素毎に分離されていてもよいし、各画素に共通の電極として形成されていてもよい。上部電極18の厚みは、例えば10nm〜200nmである。
保護膜19は、光透過性を有する材料により構成され、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコン等のうちのいずれかよりなる単層膜、あるいはそれらのうちの2種以上よりなる積層膜である。この保護膜19の厚みは、例えば100nm〜30000nmである。
コンタクトメタル層20は、例えば、チタン、タングステン、窒化チタンおよびアルミニウム等のいずれか、あるいはそれらのうちの2種以上よりなる積層膜により構成されている。
(有機光電変換層17,上部電極18,保護膜19の位置関係)
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。
具体的には、保護膜19(上部電極18も同様)の周縁部e2は、有機光電変換層17の周縁部e1よりも外側に位置しており、保護膜19および上部電極18は、有機光電変換層17よりも外側に張り出して形成されている。詳細には、上部電極18は、有機光電変換層17の上面および側面を覆うと共に、絶縁膜16上まで延在するように形成されている。保護膜19は、そのような上部電極18の上面を覆って、上部電極18と同等の平面形状で形成されている。コンタクトホールHは、保護膜19のうちの有機光電変換層17に非対向の領域(周縁部e1よりも外側の領域)に設けられ、上部電極18の表面の一部を露出させている。周縁部e1,e2間の距離は、特に限定されるものではないが、例えば1μm〜500μmである。尚、図4では、有機光電変換層17の端辺に沿った1つの矩形状のコンタクトホールHを設けているが、コンタクトホールHの形状や個数はこれに限定されず、他の形状(例えば、円形、正方形など)であってもよいし、複数設けられていてもよい。
有機光電変換部11Gでは、保護膜19およびコンタクトメタル層20上の全面を覆うように、平坦化膜21が形成されている。平坦化膜21上には、オンチップレンズ22(マイクロレンズ)が設けられている。オンチップレンズ22は、その上方から入射した光を、有機光電変換層11G、無機光電変換層11B,11Rの各受光面へ集光させるものである。本実施の形態では、多層配線層51が半導体基板11の面S2側に形成されていることから、有機光電変換層11G、無機光電変換層11B,11Rの各受光面を互いに近づけて配置することができ、オンチップレンズ22のF値に依存して生じる各色間の感度のばらつきを低減することができる。
尚、本実施の形態の光電変換素子10では、下部電極15aから信号電荷(電子)を取り出すことから、これを画素として用いる固体撮像装置においては、上述のように、上部電極18を共通電極としてもよい。この場合には、上述したコンタクトホールH、コンタクトメタル層20、配線層15b,13b、導電性プラグ120b1,120b2からなる伝送経路は、全画素に対して少なくとも1箇所に形成されればよい。
[製造方法]
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。
まず、半導体基板11を形成する。具体的には、図6(A)に示したように、シリコン基体1101上にシリコン酸化膜1102を介して、シリコン層110が形成された、いわゆるSOI基板を用意する。尚、シリコン層110のシリコン酸化膜1102側の面が半導体基板11の裏面(面S1)となる。図6〜図8では、図1に示した構造と上下を逆転させた状態で図示している。
続いて、図6(B)に示したように、シリコン層110に、導電性プラグ120a1,120b1を形成する。この際、導電性プラグ120a1,120b1は、例えばシリコン層110に貫通ビアを形成した後、この貫通ビア内に、上述したような窒化シリコン等のバリアメタルと、タングステンを埋め込むことにより形成することができる。あるいは、例えばシリコン層110へのイオン注入により導電型不純物半導体層を形成してもよい。この場合、導電性プラグ120a1をn型半導体層、導電性プラグ120b1をp型半導体層として形成する。この後、シリコン層110内の深さの異なる領域に(互いに重畳するように)、例えば図2に示したようなp型領域およびn型領域をそれぞれ有する無機光電変換部11B,11Rを、イオン注入により形成する。また、導電性プラグ120a1に隣接する領域には、緑用蓄積層110Gをイオン注入により形成する。このようにして、半導体基板11が形成される。
尚、この後、図示はしないが、半導体基板11の面S2側に、転送トランジスタTr1〜Tr3を含む画素トランジスタと、ロジック回路などの周辺回路を形成する。
次いで、図7に示したように、半導体基板11の面S2上に、層間絶縁膜52を介して複数層の配線51aを形成することにより、多層配線層51を形成する。
続いて、図8に示したように、多層配線層51上に、シリコンよりなる支持基板53を貼り付ける。この後、半導体基板11の面S1側から、シリコン基体1101およびシリコン酸化膜1102を剥離し、半導体基板11の面S1を露出させる。
次に、半導体基板11の面S1上に、有機光電変換部11Gを形成する。具体的には、まず、図9に示したように、半導体基板11の面S1上に、上述したような酸化ハフニウム膜と酸化シリコン膜との積層膜よりなる層間絶縁膜12を形成する。例えば、ALD(原子層堆積)法により酸化ハフニウム膜を成膜した後、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により酸化シリコン膜を成膜する。
この後、図10に示したように、層間絶縁膜12の導電性プラグ120a1,120b1に対向する位置に、コンタクトホールH1a,H1bを形成し、これらのコンタクトホールH1a,H1bをそれぞれ埋め込むように、上述した材料よりなる導電性プラグ120a2,120b2を形成する。この際、導電性プラグ120a2,120b2を、遮光したい領域まで張り出して(遮光したい領域を覆うように)形成してもよいし、導電性プラグ120a2,120b2とは分離した領域に遮光層を形成してもよい。
続いて、図11に示したように、上述した材料よりなる層間絶縁膜14を、例えばプラズマCVD法により成膜する。尚、成膜後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)法により、層間絶縁膜14の表面を平坦化することが望ましい。次いで、層間絶縁膜14の導電性プラグ120a2,120b2に対向する位置に、コンタクトホールをそれぞれ開口し、上述した材料を埋め込むことにより、配線層13a,13bを形成する。尚、この後、例えばCMP法等を用いて、層間絶縁膜14上の余剰の配線層材料(タングステン等)を除去することが望ましい。
次いで、図12に示したように、層間絶縁膜14上に下部電極15aを形成する。具体的には、まず、層間絶縁膜14上の全面にわたって、例えばスパッタ法により、上述した透明導電膜を成膜する。この後、フォトリソグラフィ法を用いて(フォトレジスト膜の露光、現像、ポストベーク等を行い)、例えばドライエッチングまたはウェットエッチングを用いて、選択的な部分を除去することにより、下部電極15aを形成する。この際、下部電極15aを、配線層13aに対向する領域に形成する。また、透明導電膜の加工の際には、配線層13bに対向する領域にも透明導電膜を残存させることにより、ホールの伝送経路の一部を構成する配線層15bを、下部電極15aと共に形成する。
続いて、絶縁膜16を形成する。この際、まず、図13(A)に示したように、半導体基板11上の全面にわたって、層間絶縁膜14、下部電極15aおよび配線層15bを覆うように、上述した材料よりなる絶縁膜16を、例えばプラズマCVD法により成膜する。この後、図13(B)に示したように、成膜した絶縁膜16を、例えばCMP法により研磨することにより、下部電極15aおよび配線層15bを絶縁膜16から露出させると共に、下部電極15aおよび絶縁膜16間の段差を緩和する(望ましくは、平坦化する)。
次に、図14に示したように、下部電極15a上に有機光電変換層17を形成する。この際、上述した材料よりなる光電変換材料を、例えばメタルマスクを用いた真空蒸着法によりパターン形成する。尚、上述のように、有機光電変換層17の上層または下層に、他の有機層(電子ブロッキング層等)を形成する際には、各層を同一のメタルマスクを用いて、真空工程において連続的に(真空一貫プロセスで)形成することが望ましい。また、有機光電変換層17の成膜方法としては、必ずしも上記のようなメタルマスクを用いた手法に限られず、他の手法、例えばプリント技術等を用いても構わない。
(上部電極18の成膜、加工)
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。
次いで、上部電極18上に保護膜19を形成した後、上部電極18を加工する。この際、本実施の形態では、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18および保護膜19の選択的な部分を一括除去する。具体的には、まず、図17(A)に示したように、保護膜19上にフォトレジスト210を成膜し、これを所定の形状にパターニングする。この際、フォトレジスト210の周縁部(e2)が、有機光電変換層17の周縁部e1よりも外側に位置するようにパターニングを行う。
続いて、図17(B)に示したように、例えばドライエッチングにより保護膜19および上部電極18の一部を一括して除去する。
次いで、図18に示したように、アッシングによりフォトレジスト210を保護膜19上から剥離する。この後、洗浄などの後処理を行い、残渣物を除去する。洗浄の際には、例えば、フッ化アンモニウム系有機薬液、アミン系有機薬液、濃硫酸系薬液または濃硝酸系薬液などの薬液を用いるが、これらの薬液が有機光電変換層17などの有機膜に浸入すると、有機膜に損傷を与えたり、膜自体を消失したりする。本実施の形態では、上記のように、上部電極18を加工する前に保護膜19を形成し、その後、有機光電変換層17の周縁部e1よりも外側の領域において、上部電極18および保護膜19の加工を行う。これにより、上部電極18を加工する過程(特に洗浄工程)において、有機光電変換層17が露出することがない。上部電極18にピンホール(欠陥)が生じている場合にも、保護膜19により薬液の侵入が防止されるため、有機光電変換層17の損傷を抑制することができる。
次に、図19に示したように、保護膜19に、コンタクトホールHを、例えば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。この際、コンタクトホールHは、有機光電変換層17と非対向の領域に形成することが望ましい。このコンタクトホールHの形成後においても、上記と同様、フォトレジストを剥離して、薬液を用いた洗浄を行うため、コンタクトホールHに対向する領域では、上部電極18が保護膜19から露出することになる。このため、上述したようなピンホールの発生を考慮すると、有機光電変換層17の形成領域を避けて、コンタクトホールHが設けられることが望ましい。
続いて、図20に示したように、上述した材料よりなるコンタクトメタル層20を、例えばスパッタ法等を用いて形成する。この際、コンタクトメタル層20は、保護膜19上に、コンタクトホールHを埋め込み、かつ配線層15bの上面まで延在するように形成する。
最後に、図示はしないが、半導体基板11上の全面にわたって、平坦化膜21を形成した後、この平坦化膜21上にオンチップレンズ22を形成することにより、図1に示した光電変換素子10を完成する。
[作用・効果]
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。
(有機光電変換部11Gによる緑色信号の取得)
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。
具体的には、次のようにして信号電荷を蓄積する。即ち、本実施の形態では、下部電極15aに、例えば所定の負電位VL(<0V)が印加され、上部電極18には、電位VLよりも低い電位VU(<VL)が印加される。尚、電位VLは、例えば多層配線層51内の配線51aから、伝送経路Aを通じて、下部電極15aへ与えられる。電位VLは、例えば多層配線層51内の配線51aから、伝送経路Bを通じて、上部電極18へ与えられる。これにより、電荷蓄積状態(図示しないリセットトランジスタおよび転送トランジスタTr1のオフ状態)では、有機光電変換層17で発生した電子・ホール対のうち、電子が、相対的に高電位となっている下部電極15a側へ導かれる(ホールは上部電極18側へ導かれる)。このようにして、下部電極15aから電子Egが取り出され、伝送経路Aを介して緑用蓄電層110G(詳細には、n型領域115n)に蓄積される。また、この電子Egの蓄積により、緑用蓄電層110Gと導通する下部電極15aの電位VLも変動する。この電位VLの変化量が信号電位(ここでは、緑色信号の電位)に相当する。
そして、読み出し動作の際には、転送トランジスタTr1がオン状態となり、緑用蓄電層110Gに蓄積された電子Egが、FD116に転送される。これにより、緑色光Lgの受光量に基づく緑色信号が、図示しない他の画素トランジスタを通じて後述の垂直信号線Lsigに読み出される。この後、図示しないリセットトランジスタおよび転送トランジスタTr1がオン状態となり、n型領域であるFD116と、緑用蓄電層110Gの蓄電領域(n型領域115n)とが、例えば電源電圧VDDにリセットされる。
(無機光電変換部11B,Rによる青色信号,赤色信号の取得)
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。
電荷蓄積状態では、上述のように、有機光電変換部11Gの下部電極15aに負の電位VLが印加されることから、無機光電変換部11Bのホール蓄積層であるp型領域(図2のp型領域111p)の正孔濃度が増える傾向になる。このため、p型領域111pと層間絶縁膜12との界面における暗電流の発生を抑制することができる。
読み出し動作の際には、上記有機光電変換部11Gと同様、転送トランジスタTr2,Tr3がオン状態となり、n型光電変換層111n,112nにそれぞれ蓄積された電子Eb,Erが、FD113,114に転送される。これにより、青色光Lbの受光量に基づく青色信号と、赤色光Lrの受光量に基づく赤色信号とがそれぞれ、図示しない他の画素トランジスタを通じて後述の垂直信号線Lsigに読み出される。この後、図示しないリセットトランジスタおよび転送トランジスタTr2,3がオン状態となり、n型領域であるFD113,114が、例えば電源電圧VDDにリセットされる。
このように、縦方向に有機光電変換部11Gを、無機光電変換部11B,11Rを積層することにより、カラーフィルタを設けることなく、赤、緑、青の色光を分離して検出すし、各色の信号電荷を得ることができる。これにより、カラーフィルタの色光吸収に起因する光損失(感度低下)や、画素補間処理に伴う偽色の発生を抑制することができる。
ところで、上記のような光電変換素子10では、有機光電変換部11Gにおいて、有機半導体からなる有機光電変換層17上に、ITOなどの無機膜よりなる上部電極18を所定のパターンで形成する必要がある。ここで、上部電極の形成方法としては、上述したフォトリソグラフィ法を用いた手法の他にも、例えばメタルマスクを用いてパターン形成する手法があり、このような手法が一般的である。しかしながら、メタルマスクを用いる手法では、アライメント精度が低下し易く、位置ずれによるマージンを考慮すると有機光電変換層を形成する領域が小さくなり、有効画素領域(開口率)が縮小してしまう。また、メタルマスクを用いることによって、ダスト等が発生して歩留まりが低下する懸念もある。
このような理由から、本実施の形態のように、メタルマスクを用いず、フォトリソグラフィ法を用いて上部電極18の加工を行うことが望ましい。これにより、アライメント精度も改善され、有効画素領域を広く確保す易くなる。また、ダスト等による歩留まり低下を回避することができる。
(比較例)
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。
このため、図24(A)に示したように、有機半導体層102と上部電極103との積層膜を形成した後、ハードマスク104を所定のパターンで形成し、この後、図24(B)に示したように、ハードマスク104を用いて、有機半導体層102および上部電極103をエッチングする手法がある。しかしながら、この手法では、ハードマスク104の加工時にフォトリソグラフィ法を用いるために、その加工後に使用する薬液が、ハードマスク104から露出した上部電極103の表面および有機半導体層102の側面から侵入する可能性がある(図24(A))。また、上部電極103の加工後に、有機半導体層102が露出し、薬液が上部電極103の側面および有機半導体層102の側面から侵入する可能性もある(図24(B))。
そこで、本実施の形態では、上述したように、上部電極18を形成する際、上部電極18を所定の形状に加工する前に、上部電極18上に、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜よりなる保護膜19を形成する。また、これらの上部電極18および保護膜19の積層膜の一部をフォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより選択的に除去することにより、上部電極18の加工を行う。この際、上部電極18および保護膜19の周縁部が、有機光電変換層17の周縁部よりも外側となるように加工を行うことにより、上部電極18の加工および洗浄工程において、有機光電変換層17が露出することがない。保護膜19によって、上部電極18にピンホール(欠陥)が生じている場合にも、薬液の侵入が防止されるため、有機光電変換層17の損傷を抑制することができる。
以上説明したように本実施の形態では、有機光電変換部11Gおよび無機光電変換部11B,11Rを積層してなる光電変換素子10において、有機光電変換部11Gにおける上部電極18の加工を次のようにして行う。即ち、有機光電変換層17上に上部電極18および保護膜19をこの順に成膜した後、有機光電変換層17の周縁端e1よりも外側の領域において、上部電極18を選択的に除去する。これにより、上部電極18の加工の際に、有機光電変換層17の露出をなくし、有機光電変換層17への損傷を抑制することができる。よって、有機光電変換層17(有機半導体層)と上部電極18(無機膜)との積層構造を有する光電変換素子10(半導体素子)において、歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
次に、上記実施の形態の光電変換素子10の変形例(変形例1〜5)について説明する。以下では、上記実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
<変形例1>
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。
具体的には、まず、上記実施の形態と同様にして、図25に示したように、有機光電変換層17を覆うように、上部電極18を成膜する。このとき、上部電極18は、上述しように、有機光電変換層17の上面および側面を覆って形成する。
続いて、図26に示したように、上部電極18上に、保護膜19aを形成する。保護膜19aは、上記実施の形態の保護膜19と同様、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜および酸窒化シリコン膜等から構成されるが、後段の工程における膜減りを考慮した厚み(t)で成膜する。この厚みtは、エッチングによる薄膜化(膜減り)後の保護膜19aが、有機光電変換層17への薬液の侵入を防止できる程度の厚みが残るように、設定されればよい。
次いで、図27(A)に示したように、保護膜19上に、フォトレジスト210をパターン形成する。この際、上記実施の形態と同様、フォトレジスト210の周縁部(e2)が、有機光電変換層17の周縁部e2よりも外側に位置するようにパターニングを行う。この後、図27(B)に示したように、フォトレジスト210をマスクとしたドライエッチングにより、保護膜19aの一部のみを選択的に除去する。
この後、図28に示したように、保護膜19a上からフォトレジスト210をアッシングにより剥離し、洗浄を行う。洗浄の際には、上述のように薬液を用いるが、この際、本変形例においても、有機光電変換層17は、上部電極18および保護膜19aによって覆われているため、薬液の侵入により損傷を受けずに済む。
続いて、図29に示したように、周縁部e2の位置においてパターニングされた保護膜19aをマスクとしたエッチングを行い、上部電極18を加工する。これにより、保護膜19aが薄膜化される(厚みt’(<t)となる)と共に、上部電極18が周縁部e2の位置において加工される。このように、保護膜19aの加工を行った後に、この保護膜19aをマスクとして上部電極18の加工を行うこともできる。
<変形例2>
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。
<変形例3>
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。
<変形例4>
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。
<変形例5>
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。
<適用例1>
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。
画素部1aは、例えば行列状に2次元配置された複数の単位画素P(光電変換素子10に相当)を有している。この単位画素Pには、例えば画素行ごとに画素駆動線Lread(具体的には行選択線およびリセット制御線)が配線され、画素列ごとに垂直信号線Lsigが配線されている。画素駆動線Lreadは、画素からの信号読み出しのための駆動信号を伝送するものである。画素駆動線Lreadの一端は、行走査部131の各行に対応した出力端に接続されている。
行走査部131は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素部1aの各画素Pを、例えば行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部131によって選択走査された画素行の各画素Pから出力される信号は、垂直信号線Lsigの各々を通して水平選択部133に供給される。水平選択部133は、垂直信号線Lsigごとに設けられたアンプや水平選択スイッチ等によって構成されている。
水平選択部134は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部133の各水平選択スイッチを走査しつつ順番に駆動するものである。この水平選択部134による選択走査により、垂直信号線Lsigの各々を通して伝送される各画素の信号が順番に水平信号線19に出力され、当該水平信号線19を通して基板11の外部へ伝送される。
行走査部131、水平選択部133、水平選択部134および水平信号線19からなる回路部分は、基板11上に直に形成されていてもよいし、あるいは外部制御ICに配設されたものであってもよい。また、それらの回路部分は、ケーブル等により接続された他の基板に形成されていてもよい。
システム制御部132は、基板11の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータなどを受け取り、また、放射線撮像装置1の内部情報などのデータを出力するものである。システム制御部132はさらに、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に行走査部131、水平選択部133および水平選択部134などの周辺回路の駆動制御を行う。
<適用例2>
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。
光学系310は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1の画素部1aへ導くものである。この光学系310は、複数の光学レンズから構成されていてもよい。シャッタ装置311は、固体撮像装置1への光照射期間および遮光期間を制御するものである。駆動部313は、固体撮像装置1の転送動作およびシャッタ装置311のシャッタ動作を制御するものである。信号処理部312は、固体撮像装置1から出力された信号に対し、各種の信号処理を行うものである。信号処理後の映像信号Doutは、メモリなどの記憶媒体に記憶されるか、あるいは、モニタ等に出力される。
以上、実施の形態および変形例を挙げて説明したが、本開示内容は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、光電変換素子(固体撮像装置)として、緑色光を検出する有機光電変換部11Gと、青色光,赤色光をそれぞれ検出する無機光電変換部11B,11Rとを積層させた構成としたが、本開示内容はこのような構造に限定されるものではない。即ち、有機光電変換部において赤色光あるいは青色光を検出するようにしてもよいし、無機光電変換部において緑色光を検出するようにしてもよい。また、これらの有機光電変換部および無機光電変換部の数やその比率も限定されるものではなく、2以上の有機光電変換部を設けてもよいし、有機光電変換部だけで複数色の色信号が得られるようにしてもよい。また、有機光電変換部および無機光電変換部を縦方向に積層させる構造に限らず、基板面に沿って並列させてもよい。
また、上記実施の形態等では、裏面照射型の固体撮像装置の構成を例示したが、本開示内容は表面照射型の固体撮像装置にも適用可能である。
更に、上記実施の形態等では、本開示の半導体素子として光電変換素子を例に挙げたが、この他にも、有機半導体上に無機膜がパターン形成された積層構造を有する様々な半導体素子、例えば、有機薄膜トランジスタあるいは有機電界発光素子等にも適用可能である。
更に、本開示の固体撮像装置(光電変換素子)では、上記実施の形態で説明した各構成要素を全て備えている必要はなく、また逆に他の層を備えていてもよい。
尚、本開示は、以下のような構成であってもよい。
(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。
1…固体撮像装置、10…光電変換素子、11…半導体基板、11G…有機光電変換部、11B,11R…無機光電変換部、12,14…層間絶縁膜、13a,13b,15b…配線層、15a…下部電極、16,16a…絶縁膜、17…有機光電変換層、18…上部電極、19…保護膜、20…コンタクトメタル層、21…平坦化膜、22…オンチップレンズ、110…シリコン層、110G,110G1,110G2…緑用蓄電層、120a1,120a2,120b1,120b2…導電性プラグ、51…多層配線層、53…支持基板。

Claims (20)

  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
    請求項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
    請求項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
    請求項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
    請求項1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
    請求項2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
    請求項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
    請求項7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
    請求項7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
    請求項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
    請求項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
    請求項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
    請求項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
    請求項13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
    請求項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
    請求項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
    請求項17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。
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