JP2015037121A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換部における、混色の低減を図り、薄型化及び製造プロセスの簡素化の可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】受光面を構成する第１の主面１１Ａと、第１の主面１１Ａに対向する第２の主面１１Ｂを有する半導体基板１１と、半導体基板１１内又は半導体基板１１上に形成され、入射する光を信号電荷に光電変換する光電変換部とを具備する。そして光電変換部は、半導体基板１１の少なくとも一部を第１の光電変換層とする第１の光電変換部１０と、第２の主面１１Ｂに形成された、半導体基板１１とは異種の無機半導体材料を第２の光電変換層とする第２の光電変換部２０とを具備している。この第２の光電変換部２０は第１の主面１１Ａ側から、第１の光電変換部１０を透過した波長域の光を光電変換するものであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。

従来、光電変換膜を用いて入射光を光電変換し、１画素で３原色の光信号を取り出すことが可能な固体撮像素子技術が開示されている。

固体撮像素子としては、例えばＲＧＢの３原色に対応する画素を平面上に配列し、各画素にて３原色の光に対しそれぞれ光電変換を行う方式が一般的である。平面上の画素配列では、Ｇ(緑色)画素を対角に２画素配置し、Ｒ(赤色)画素とＢ(青色)画素が一画素ずつ配置されるベイヤー配列が一般的に用いられる。この種の固体撮像素子では異なる位置で検出するため、出力画像に色分離や偽色が発生し画質劣化を招くという問題がある。この画質劣化を回避するために、ＲＧＢの３原色の光を検出する画素を積層した積層型の画素構造が提案されている。このような固体撮像素子ではＳｉ中に光入射面からみてＢ受光用、Ｇ受光用、Ｒ受光用の光電変換部を積層する。このような画素構造における色分離は光学吸収定数の波長依存性を用いて行うため、Ｒ−Ｇ間、Ｇ−Ｂ間、Ｒ−Ｂ間のそれぞれで混色が発生する場合がある。

この積層型の画素構造特有の混色問題に対し、Ｇ受光用の光電変換部を配線層に近接して形成しＲ、Ｂより先にＧの光電変換を実施することでＲ−Ｇ、Ｇ−Ｂの混色を低減する構造が提案されている。しかし、このような構造ではＲ−Ｂの混色を低減することはできない。又、このような素子構造は光電変換部としてフォトダイオードを積層した構造を用いており、厚いＳｉ基板にフォトダイオードを積層するため、非常に高加速のインプラント装置を必要とする。又、高加速のインプラント装置を用いたイオン注入工程においては非常に厚い特殊なハードマスクを必要とするため、煩雑なプロセスが必要となる。

特開２００６−２７８４４６号公報 特開２０１１−１３８９２７号公報

本発明の一つの実施形態は、光電変換部における混色の低減を図り、薄型化及び製造プロセスの簡素化の可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、受光面を構成する第１の主面と、第１の主面に対向する第２の主面を有する半導体基板と、半導体基板内又は半導体基板上に形成され、入射する光を信号電荷に光電変換する光電変換部とを具備する。そして光電変換部は、半導体基板の少なくとも一部を第１の光電変換層とする第１の光電変換部と、第２の主面に形成された、半導体基板とは異種の無機半導体材料を第２の光電変換層とする第２の光電変換部とを具備している。この第２の光電変換部は第１の主面側から、第１の光電変換部を透過した波長域の光を光電変換する。

図１は、第１の実施形態の固体撮像素子の光電変換部の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、第１の実施形態の固体撮像素子の光電変換部で用いられるキナクリドンの分光感度特性を示す図である。 図３は、第１の実施形態の固体撮像素子の光電変換部で用いられるシリコンの分光感度特性を示す図である。 図４は、第１の実施形態の固体撮像素子の光電変換部で用いられるゲルマニウムの分光感度特性を示す図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図及び平面図であり、（ｂ）のＡ−Ａ断面が（ａ）の画素領域Ｒ₁の右側部分に相当し、（ｂ）のＢ−Ｂ断面が（ａ）の画素領域Ｒ₁の左側部分に相当する。 図６（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図及び平面図であり、（ｂ）のＡ−Ａ断面が（ａ）の画素領域Ｒ₁の右側部分に相当し、（ｂ）のＢ−Ｂ断面が（ａ）の画素領域Ｒ₁の左側部分に相当する。 図７は、バイアスと量子効率との関係を示す図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、第４の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図及び平面図であり、（ｂ）のＡ−Ａ断面が（ａ）の画素領域Ｒ₁の右側部分に相当し、（ｂ）のＢ−Ｂ断面が（ａ）の画素領域Ｒ₁の左側部分に相当する。 図９−１は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−２は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−３は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−４は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−５は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−６は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−７は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−８は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−９は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図９−１０は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。 図１０は、第５の実施形態の固体撮像素子の光電変換部の構成を模式的に示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像素子を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本実施形態の固体撮像素子は、入射する光を信号電荷に光電変換する光電変換部と、光電変換部で生成された信号電荷を、光電変換部から、フローティングディフュージョン部に転送する転送部とを具備し、画像信号を出力するように構成されたもので、光電変換部に特徴を有するものである。図１は、第１の実施形態の固体撮像素子の光電変換部の構成を模式的に示す断面図である。この固体撮像素子の光電変換部は、厚さ０．５μｍの単結晶シリコン基板１１からなる半導体基板を第１の光電変換層とする第１の光電変換部１０と、この単結晶シリコン基板１１の受光面を構成する第１の主面１１Ａに対向する第２の主面１１Ｂに形成された、半導体基板とは異種の半導体材料であるシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層２１を第２の光電変換層とする第２の光電変換部２０と、第１の主面側に塗布されたキナクリドンからなる有機膜３１を第３の光電変換層とする第３の光電変換部３０を具備し、各光電変換部間は酸化シリコン膜などの層間絶縁膜４０で被覆されている。

受光面側に位置する第３の光電変換部３０は第１及び第２の電極３２，３３で挟まれた有機膜３１で構成され、第１の主面１１Ａ側から入射した光Ｌのうち、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色（Ｇ）光を光電変換する。又、この第３の光電変換部３０を透過した、波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの波長域の青色（Ｂ）光は、単結晶シリコン基板１１内に形成された第１の光電変換部１０で選択的に吸収され光電変換される。又この第１の光電変換部１０は光フィルタとして作用し、第１の主面１１Ａ側から入射し第１の光電変換部１０で選択的に吸収された波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの光を除き、第２の光電変換部２０は波長６００ｎｍ以上の長波長領域の赤色（Ｒ）光を選択的に光電変換する。

ここで第１の光電変換部１０は、単結晶シリコン基板１１内に所望の深さのｐｎ接合を形成すると共に、図示しない電極によって、信号の取り出しが行われるようになっている。

第２の光電変換部２０は、単結晶シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに層間絶縁膜４０を介してＣＶＤ法などで成膜された第２の光電変換層としてのシリコンゲルマニウム層２１と、このシリコンゲルマニウム層２１を挟む図示しない電極で構成される。

第３の光電変換部３０は、単結晶シリコン基板１１の第１の主面１１Ａに層間絶縁膜４０を介して塗布法などで形成された第３の光電変換層としてのキナクリドンからなる有機膜３１と、この有機膜３１を挟むＩＴＯなどの透光性導電膜からなる第１及び第２の電極３２，３３とで構成される。

第１〜第３の光電変換部１０，２０，３０の出力を取り出し、信号処理を行う配線部が第２の主面１１Ｂ側に設けられるがここでは省略している。なお、受光領域を規定する遮光膜が設けられている場合には、配線部は、第１の主面１１Ａ側の遮光膜で被覆される領域に形成してもよい。又、第１の主面１１Ａ側を含めて第２の主面１１Ｂにも形成し両面に形成することも可能である。

次に本実施の形態の固体撮像素子についてその撮像原理を説明する。入射光Ｌはまず、第３の光電変換部３０に入射する。第３の光電変換部３０を構成する有機膜３１は両面を第１及び第２の電極３２，３３で挟まれており、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの光、すなわち緑色光の光電変換を行う。図２にキナクリドンの分光感度特性を示す。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は感度を量子効率で示す。図２から明らかなようにキナクリドンは波長５８０ｎｍをピーク波長とし、その近傍で高い感度を示す。

そして、キナクリドンからなる有機膜３１を第３の光電変換層とする第３の光電変換部３０を透過した光は単結晶シリコン基板１１で構成される第１の光電変換部１０で光電変換される。

図３にシリコン（Ｓｉ）の分光感度特性を示す。横軸は単結晶シリコン基板１１の深さ（厚さ：μｍ）、縦軸は透過率を示す。ａ₁は４００ｎｍ、ａ₂は４２０ｎｍ、ａ₃は４４０ｎｍ、ａ₄は４６０ｎｍ、ａ₅は４８０ｎｍ、ｂ₁は５００ｎｍ、ｂ₂は５２０ｎｍ、ｂ₃は５４０ｎｍ、ｂ₄は５６０ｎｍ、ｂ₅は５８０ｎｍ、ｃ₁は６００ｎｍ、ｃ₂は６２０ｎｍ、ｃ₃は６４０ｎｍ、ｃ₄は６６０ｎｍ、ｃ₅は６８０ｎｍの分光感度曲線を示す。この図から明らかなように、Ｓｉはそのバンドギャップ構造から波長５００ｎｍ以下の波長域である青色光に高い吸収感度をもつが、波長６００ｎｍ以上の波長域である赤色光の吸収感度は高くない。

所定の厚さのシリコン基板を用いた場合、横軸の深さにおける透過率に相当する透過率をもつと考えられる。図３によれば、例えば１μｍの膜厚のＳｉを用いた場合、４２０ｎｍの波長をもつ光は９５％吸収するが、６４０ｎｍの波長をもつ光は３０％しか吸収しないことがわかる。

よってＳｉで構成される第１の光電変換部１０の膜厚を薄く調整することで青色光に吸収感度をもち、赤色光を透過させることの可能な光電変換部を形成することができる。単結晶シリコン基板１１を透過した光は光の波長６００ｎｍ以上の長波長領域において高い光電変換特性を示す材料で構成される第２の光電変換部２０で光電変換される。

このようにして、第３の光電変換部３０で、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの光、すなわち緑色光の光電変換を行う。そして第１の光電変換部１０では、第３の光電変換部３０を透過した波長域の光のうち、波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの光、すなわち青色光の光電変換を行う。そして最後に、第２の光電変換部２０では、第３光電変換部３０及び第１の光電変換部１０を透過した、波長６００ｎｍ以上の光すなわち赤色光を光電変換する。このようにして本実施形態の固体撮像素子では、カラー画像の読み取りが実現される。

次に第１の実施の形態についてその効果を詳細に説明する。本実施の形態の固体撮像素子では、単結晶シリコン基板１１など、Ｓｉ内部で短波長である青色光及び長波長である赤色光の両方の光電変換を実施するのではなく、単結晶シリコン基板１１内部では短波長である青色光の光電変換のみを行う。そして、受光面である第１の主面１１Ａ側に対向する、第２の主面１１Ｂ側に設けられた第２の光電変換部２０で、第１の光電変換部１０で吸収された青色光を除く波長の光の信号を光電変換している。

つまり、受光面である第１の主面１１Ａ側から入射した光は、まず第３の光電変換部３０で波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長域成分が光電変換される。そして第１の光電変換部１０である単結晶シリコン基板１１内部では短波長である青色光３００ｎｍ〜５００ｎｍの光電変換のみを行う。

そしてさらに、第１の光電変換部１０及び第３の光電変換部３０で吸収された波長域以外の波長域つまり、６００ｎｍ以上の長波長領域の光が第２の光電変換部２０で光電変換される。

本実施形態によれば、単結晶シリコン基板１１をフィルタとして用い、単結晶シリコン基板１１を透過してきた６００ｎｍ以上の波長域である赤色光をシリコンとは異種の半導体材料で形成されたＳｉＧｅ層２１において選択的に取り込み、光電変換する。このためシリコンの分光特性により、１μｍ以下の薄い単結晶シリコン基板１１を用いて形成することができる。図３から明らかなように、１μｍ以下の薄い単結晶シリコン基板１１によって、４２０ｎｍの波長をもつ光は９５％吸収することができる。したがってＲ−Ｂ混色がほとんどなく、薄型化が可能となり、微細化も可能となる。

これに対し、シリコン基板内部で複数の波長域の光電変換部を積層する場合、光入射面側に短波長の光の信号を取りだす光電変換部を形成し、その下部に長波長の光の信号を取り出す光電変換部を作る必要がある。通常のイメージセンサでは３μｍ程度の厚さのシリコン基板が用いられるが、この程度の厚さでは、図３に示すように長波長側の吸収率が５０％程度に過ぎない。したがってこの素子構造において長波長側の光を取り出す光電変換部は十分な信号強度を得ることができない。そのため、このようにシリコン基板内に短波長域と長波長域との光電変換部を積層する構造において、Ｒ−Ｂ混色を低減するためには、シリコン膜厚を４μｍ〜８μｍ程度の厚さにする必要がある。

４μｍ〜８μｍ程度の厚さの基板に対し、イオン注入を用いて光電変換部を形成するためには、４μｍ〜８μｍ程度の厚さを持つ特殊なハードマスクが必要となる。このため、プロセスコストの増大が避けられない。又、４μｍ〜８μｍ程度の厚さを持つ特殊なハードマスクを加工する必要があるため、画素ピッチの微細化も難しい。

一方、基板の裏面側に異種材料で光電変換部を形成する、本実施形態の素子構造とすることにより、これらの課題を解決することができる。本実施形態の素子構造ではＳｉが吸収しにくい波長６００ｎｍ以上の長波長の光を別の材料を用いた光電変換部で受光する構造を取るため、Ｓｉ膜厚は１．５μｍ以下、望ましくは１μｍ以下に抑えることができる。この場合、Ｓｉで構成される第１の光電変換部１０の形成はリソグラフィを用いたレジストマスクでのイオン注入が可能であるうえ、上記従来構造のような積層構造を持たないため、プロセスコストの増加を抑えることができる。

又、厚い特殊なハードマスクを加工する必要もないため、画素の微細化を行うことも容易になる。さらに光の波長６００ｎｍ以上の長波長領域において高い光電変換特性を示す材料で構成される第２の光電変換部２０はＳｉ基板では実現不可能な厚さに匹敵する赤色光感度を実現することが可能である。したがって、従来の素子構造で課題となっていたＲ-Ｂ混色を相対的に低減することが可能である。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子における光電変換部は、単結晶シリコン基板１１で構成される第１の光電変換部１０、単結晶シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに形成される光の波長６００ｎｍ以上の長波長領域において高い光電変換特性を示す第２の光電変換層を備えた第２の光電変換部２０、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの光に対し高い光電変換効果を示す有機膜３１からなる第３の光電変換層を備えた第３の光電変換部３０、及び各光電変換部の間に形成される層間絶縁膜４０で構成される。有機膜３１からなる第３の光電変換部３０を透過した光を光電変換する第１の光電変換部１０は単結晶シリコン基板１１を用いて０．１μｍ〜１．５μｍの厚さで構成することができる。０．１μｍに満たないと短波長域の光を十分に吸収して短波長域の出力を十分に得ることが難しい。又フィルタとしての効果も不十分となるため、十分なＲ−Ｂ混色低減の実現が困難となる。又単結晶シリコン基板１１の厚さが１．５μｍを越えると、波長６００ｎｍ以上の長波長側の吸収も大きくなってくるため、やはり十分なＲ−Ｂ混色低減の実現が困難となる。

なお、単結晶シリコン基板１１を透過した光を光電変換する波長６００ｎｍ以上の長波長領域において高い光電変換特性を示す材料で構成される第２の光電変換部２０は、ＳｉＧｅに限定されることなく、他の材料を用いることも可能である。例えば、Ｓｉよりも狭いバンドギャップを持つ材料であるＧｅや、ＳｉＧｅ、及び太陽電池等で用いられるＣｄＳ、ＣＩＧＳ等の化合物半導体を用いることができる。厚さは材料により異なるが、Ｇｅであれば１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の厚さであればよい。例えばＧｅを用いた場合の分光感度特性を図４に示す。Ｓｉを用いて６００ｎｍ以上の波長をもつ光を９０％程度吸収するには６μｍ以上の厚さが必要になるため深い不純物拡散層を形成する必要がある。しかし、Ｇｅを用いた場合は図４に示す通り１００ｎｍの厚さがあれば９０％程度吸収することができる。

又、Ｇｅ基板を第１の光電変換部１０として用いることも可能である。Ｇｅを用いた場合は図４に示す通り１００ｎｍの厚さがあれば９０％まで吸収することができる。つまり１００ｎｍの厚さのＧｅ層を用いて短波長域用の第１の光電変換部３０を形成し、６００ｎｍ以上の長波長域用の第２の光電変換部２０をシリコンゲルマニウムで構成することも可能である。図４に示す通り５００ｎｍ〜６００ｎｍの中波長域の光はＧｅ層で吸収されるが、受光面である第１の主面１１Ａ側に有機膜３１を配し、第３の光電変換部３０を構成することで、まず、受光面に到達した５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長域の光はこの第３の光電変換部３０でほぼ吸収される。つまり緑色の光が分離されることになる。そして３００ｎｍ〜５００ｎｍの短波長の光と６００ｎｍ以上の長波長の光が第１の光電変換部１０に到達し、３００ｎｍ〜５００ｎｍの短波長の光が選択的に第１の光電変換部１０で光電変換される。そして残る６００ｎｍ以上の長波長域の光が第２の光電変換部２０を構成するシリコンゲルマニウム層２１などで光電変換されるようにしてもよい。この場合第２の光電変換部２０を半導体基板で構成し、第１の光電変換部１０はＣＶＤ法などで成膜された薄いＧｅ層、第３の光電変換部３０は塗布法で形成された有機膜という構成であってもよい。Ｇｅを第１の光電変換部１０として用いた例については第５の実施形態で後述する。

（第２の実施形態）
図５（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図及び平面図である。Ｒ₁は画素領域、Ｒ₂は光入射面接続領域、Ｒ₃は周辺回路領域を示す。図５（ｂ）のＡ−Ａ断面が画素領域Ｒ₁の右側部分に相当し、図５（ｂ）のＢ−Ｂ断面が画素領域Ｒ₁の左側部分に相当する。なお図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ面からみた平面図である。第１の実施形態で光電変換部の基本構造を説明した固体撮像素子を実際に実現するための素子構造を説明する。図５に示すように、本実施形態の固体撮像素子は裏面照射型の素子構造をもつ。つまり、半導体基板として厚さ１μｍ程度のｐ型の単結晶シリコン基板１１を用い、受光面である第１の主面１１Ａの対向面側に位置する第２の主面１１Ｂに、信号処理回路を構成する素子や配線部が形成される。そして前記第１の実施形態の固体撮像素子の光電変換部と同様、単結晶シリコン基板１１を第１の光電変換層とする第１の光電変換部１０と、第２の主面１１Ｂに形成された、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層２１を第２の光電変換層とする第２の光電変換部２０と、第１の主面１１Ａ側に塗布されたキナクリドンからなる有機膜３１を第３の光電変換層とする第３の光電変換部３０を具備し、各光電変換部間は酸化シリコン膜などの層間絶縁膜４０で被覆されている。

すなわち、第１の主面１１Ａ側には波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの光に対し高い光電変換効果を示す有機膜３１としてキナクリドン、及び下部電極（第１の電極）３２としての透明導電膜、上部電極（第２の電極）３３としての透明導電膜、それらをつなぐ遮光性の導電膜からなる遮光性電極５８及びそれらの間に酸化シリコン層などの絶縁材料からなる層間絶縁膜４０が形成されている。この遮光性の導電膜からなる遮光性電極５８は窓Ｗを持つパターンとなっており、受光領域を規定している。この遮光性電極５８は単層のみならず、複数層で構成し、投影像が窓Ｗを構成するものであってもよい。

なお、このように有機膜３１などの光電変換膜を第１及び第２の電極３２，３３で挟んだサンドイッチ型センサ構造をとる場合、光電変換部の光電変換効率は第１及び第２の電極３２，３３で挟まれた有機膜３１の面積に依存するため、第１及び第２の電極はなるべく対向部分が大面積となるように形成するのが望ましい。

又、第２の主面１１Ｂ側には、シリコンゲルマニウム層２１を光電変換層とする６００ｎｍ以上の長波長側の光に対し高い光電変換効果を示す第２の光電変換部２０が形成されている。そして、第２の主面１１Ｂ側には単結晶シリコン基板１１に形成された信号処理回路を構成する素子をつなぐ配線５６、及びそれらの間に層間絶縁膜４０が形成される。

又、単結晶シリコン基板１１内には、３００ｎｍ〜５００ｎｍの短波長の光に高い感度を持つ、第１の光電変換部１０を構成するフォトダイオード１２を有する。フォトダイオード１２はｎ型不純物領域からなりｐ型の単結晶シリコン基板１１との間にｐｎ接合を形成する。このフォトダイオード１２で光電変換されたおもに青色光に対応する電荷を、単結晶シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに形成された第１のトランスファーゲート２６Ｂを介して第１のフローティングディフュージョン１７に、転送するように構成されている。

又、第２の光電変換部２０を構成するシリコンゲルマニウム層２１で光電変換された、おもに赤色光に対応する電荷についても、単結晶シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに形成されたｎ型不純物領域からなる第２の電荷蓄積部２４から、第２の主面１１Ｂに形成された第２のトランスファーゲート２６Ｒを介してｎ型不純物領域からなる第２のフローティングディフュージョン２７に電荷を転送するように構成されている。

さらに又、第３の光電変換部３０を構成する有機膜３１で光電変換された、おもに緑色光に対応する電荷についても、単結晶シリコン基板１１の第１の主面１１Ａに形成され、第２の主面１１Ｂ近傍まで到達するように形成されたｎ型不純物領域からなる第３の電荷蓄積部３４から、第２の主面１１Ｂに形成された第３のトランスファーゲート２６Ｇを介してｎ型不純物領域からなる第３のフローティングディフュージョン３７に電荷を転送するように構成されている。

又、第３の光電変換部３０の表面全体を覆う第２の電極３３は、光入射面接続領域Ｒ₂において第１の主面１１Ａから第２の主面１１Ｂまで貫通する貫通孔１５に充填された多結晶シリコン層のシリコン柱１６からなるシリコン貫通電極ＴＳＶを介して、第２の主面１１Ｂの配線５６に接続されている。

周辺回路領域Ｒ₃には、ｎウエル５１内に形成されたｐ型ソース・ドレイン領域５２とゲート電極５６Ｇとで構成されるｐチャネルトランジスタ、ｐ型の単結晶シリコン基板１１内に形成されたｎ型ソース・ドレイン領域５３とゲート電極５６Ｇとで構成されるｎチャネルトランジスタなどの半導体素子が設けられ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、アドレス選択トランジスタ等を備えた信号処理回路を構成している。

次にこの固体撮像素子の動作について簡単に説明する。第１の光電変換部１０を構成するフォトダイオード１２は、ｐ型の単結晶シリコン基板１１の画素領域Ｒ₁に設けられ、ｎ型不純物領域からなる電荷蓄積領域と、表面に設けられ正孔を蓄積するｐ型不純物領域（図示せず）とを備える。かかるフォトダイオード１２は、ｐ型の単結晶シリコン基板１１との間にｐｎ接合を形成するｎ型不純物領域である電荷蓄積領域と、正孔蓄積層であるｐ型不純物領域を備えた、フォトダイオードであり、図示しないマイクロレンズから入射する入射光を光量に応じた量の電子に光電変換して電荷蓄積領域（フォトダイオード１２）に蓄積する。

第１のトランスファーゲート２６Ｂは、所定のゲート電圧が印加された場合に、フォトダイオード１２から第１のフローティングディフュージョン１７へ電子を転送するゲートとして機能する。第１のフローティングディフュージョン１７は、フォトダイオード１２から転送されてきた電子を一時的に保持する。

第２の光電変換部２０は、単結晶シリコン基板１１の裏面側に相当する第２の主面１１Ｂに層間絶縁膜４０を介して設けられたシリコンゲルマニウム層２１を光電変換層とするものである。ここでは、ｐ型の単結晶シリコン基板１１を透過してきて、シリコンゲルマニウム層２１に到達した波長６００ｎｍ以上の入射光を光量に応じた量の電子に光電変換して、単結晶シリコン基板１１の画素領域Ｒ₁に設けられたｎ型不純物領域からなる第２の電荷蓄積部２４に蓄積する。

第２のトランスファーゲート２６Ｒは、所定のゲート電圧が印加された場合に、第２の電荷蓄積部２４から第２のフローティングディフュージョン２７へ電子を転送するゲートとして機能する。第２のフローティングディフュージョン２７は、第２の光電変換層であるシリコンゲルマニウム層２１で生成されて転送されてきた電子を一時的に保持する。

第３の光電変換部３０は、単結晶シリコン基板１１の受光面側に相当する第１の主面１１Ａに層間絶縁膜４０を介して設けられた有機膜３１を光電変換層とするものである。ここでは、入射してきた波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの入射光を光量に応じた量の電子に光電変換して、単結晶シリコン基板１１の画素領域Ｒ₁に設けられたｎ型不純物領域からなる第３の電荷蓄積部３４に蓄積する。

第３のトランスファーゲート２６Ｇは、所定のゲート電圧が印加された場合に、第３の電荷蓄積部３４から第３のフローティングディフュージョン３７へ電子を転送するゲートとして機能する。第３のフローティングディフュージョン３７は、第３の光電変換層である有機膜３１で生成されて転送されてきた電子を一時的に保持する。

第１〜第３のフローティングディフュージョン１７，２７，３７に転送された信号電荷は、周辺回路領域Ｒ₃の図示しない増幅トランジスタによって増幅され、図示しないアドレス選択トランジスタが選択された場合に、画素信号として周辺回路部に読み出され、撮像画像が生成される際に、一画素の輝度情報として用いられる。

このようにして、本実施形態の構造を用いることで１つの画素から３色の信号を取ることが可能なイメージセンサを実現することができる。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果があり、同様の変形例も適用可能である。別途フィルタを形成することなく、単結晶シリコン基板１１をフィルタとして用い、単結晶シリコン基板１１を透過してきた６００ｎｍ以上の波長域である赤色光をシリコンゲルマニウム層２１において選択的に取り込み、光電変換する。シリコンの分光特性により、１μｍ以下の薄い単結晶シリコン基板１１を用いて形成することができ、Ｒ−Ｂ混色がほとんどなく、薄型化が可能となり、微細化も可能となる。

（第３の実施形態）
図６（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図及び平面図である。Ｒ₁は画素領域、Ｒ₂は光入射面接続領域、Ｒ₃は周辺回路領域を示す。図６（ｂ）のＡ−Ａ断面が画素領域Ｒ１の右側部分に相当し、図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面が画素領域Ｒ１の左側部分に相当する。なお図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ面からみた平面図である。本実施の形態の固体撮像素子は、第２の実施形態で説明した固体撮像素子に対し、第２の光電変換部２０のシリコンゲルマニウム層２１で光電変換した電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部２４、及び第３の光電変換部３０の有機膜３１で光電変換した電荷を蓄積する第３の電荷蓄積部３４に、それぞれ低濃度不純物領域からなる第１及び第２のオーバーフローバリア（Overflow Barrier）２５，３５を形成した点が異なる。他部については、前記第２の実施形態の固体撮像素子と同様であり、説明を省略するが、同一部位には同一符号を付した。

ここで、第２及び第３の電荷蓄積部２４，３４にオーバーフローバリアを形成する効果について記載する。まず６００ｎｍ以上の長波長側の光に対し高い光電変換効果を示す光電変換材料を用いた第２の光電変換部２０における効果について記載する。本実施形態の固体撮像素子では、長波長側の光に対し高い光電変換効果を示す光電変換材料としてシリコンゲルマニウム層２１を用いている。Ｓｉよりも狭いバンドギャップを持つ材料であるＧｅ、ＳｉＧｅ、及び太陽電池等で用いられるＣｄＳやＣＩＧＳ等の化合物半導体は、Ｓｉに比べｐｎ接合に逆バイアスをかけたときの暗電流が大きい。オーバーフローバリアを形成しない場合、光電変換された信号を取り出すためにはこれらの材料のｐｎ接合に逆バイアスを印加するため、その高い暗電流成分は光電変換された信号のノイズ成分となる。しかし、第１のオーバーフローバリア２５を蓄積部に設け、その第１のオーバーフローバリア２５を超えた信号のみを光電変換された信号として読み出すことで、第２の光電変換部２０では逆バイアスをかけることなく動作させることが可能となる。逆バイアスをかけることなく第２の光電変換部２０を動作させた場合、シリコンゲルマニウム層２１から流入する暗電流は劇的に減少するためＳ／Ｎが向上する。

次に５００ｎｍ〜６００ｎｍの光に対し高い光電変換効果を示す第３の光電変換部３０を構成するキナクリドンからなる有機膜３１における効果について記載する。図７はキナクリドンを光電変換層として用いた光電変換部の特性を示す図であり、ａは印加電圧と量子効率（光電変換効率）との関係を示す曲線であり、ｂは印加電圧と暗電流との関係を示す曲線である。図７に示すように有機膜３１は印加するバイアスによって光電変換効率が変化する特性をもつ。そのため、第３の電荷蓄積部３４と第１の電極３２とを直接接続した場合、有機膜３１によって光電変換された電子によって、第１の電極３２の電圧が変動し光学的な感度の直線性が悪くなるという問題がある。これに対し、本実施形態の固体撮像素子のように、第２のオーバーフローバリア３５を第３の電荷蓄積部３４に設けることで、有機膜３１における光電変換によって生じたバイアスの変化分を信号として読み出すことが可能となりこの問題を解決することが可能となる。

本実施形態によれば、第２及び第３の光電変換部２０，３０において第２及び第３の電荷蓄積部２４，３４に第１及び第２のオーバーフローバリア２５，３５を設けている。その結果、前記第１及び第２の実施形態の固体撮像素子の持つ作用効果に加え、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができるという効果を得ることができる。また、直線性の高い出力特性を得ることができる。

（第４の実施形態）
図８（ａ）及び（ｂ）は、第４の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図及び平面図である。Ｒ₁は画素領域、Ｒ₂は光入射面接続領域、Ｒ₃は周辺回路領域を示す。図８（ｂ）のＡ−Ａ断面が画素領域Ｒ₁の右側部分に相当し、図８（ｂ）のＢ−Ｂ断面が画素領域Ｒ₁の左側部分に相当する。なお図８（ｂ）は図８（ａ）のＣ−Ｃ面からみた平面図である。本実施の形態の固体撮像素子は、第３の実施形態で説明した固体撮像素子の遮光性電極５８で受光領域を規定するのに代えて、受光面側である第１の主面１１Ａ側の最表面にタングステン膜からなる遮光膜５９を形成し、この遮光膜５９に形成される窓Ｗｏによって受光領域を規定したことを特徴とするものである。ここで遮光性電極５８を構成する導電膜は第３の実施形態に比べ、パターンが小パターンの集合体となり、配線の引き回しが少なくなっている点で第３の実施形態の固体撮像素子とは異なっている。これは、遮光性電極５８に関しては受光領域の規定を考慮することなく電極パターンを形成し、最表面の遮光膜５９のパターンによって受光領域を規定しているためである。他部については、前記第３の実施形態の固体撮像素子と同様であり、説明を省略するが、同一部位には同一符号を付した。ここで遮光膜５９としては、密着性及びバリア性を考慮してチタン、窒化チタン、タングステンの３層構造を用いるのが望ましい。

本実施形態によれば、遮光膜５９が受光面側の最表面に形成されている。このため、前記第１〜第３の実施形態の固体撮像素子の持つ作用効果に加え、確実に受光領域を規定することができる。又、この遮光膜５９を導電性材料で構成した場合には、透光性電極である第２の電極３３上に積層して通電抵抗を下げるという効果もある。

なお、この遮光膜５９はタングステン膜などの導電性材料で構成してもよいが、酸化タングステンなどの絶縁性材料で形成してもよい。

次に、第４の実施形態の固体撮像素子の製造方法について説明する。図９−１〜図９−１０は、第４の実施形態の固体撮像素子の製造工程を示す工程断面図である。

本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法では、まず、図９−１に示すように、厚さｔ＝１μｍのｐ型の単結晶シリコン基板１１を用意する。

次いで、図９−２に示すように、光入射面接続領域Ｒ₂となる領域に、異方性エッチングにより貫通孔１５を形成し、高濃度にドープされた多結晶シリコン層を充填し、シリコン柱１６を形成してシリコン貫通電極ＴＳＶとする。このシリコン貫通電極ＴＳＶは、受光面側である第１の主面１１Ａで生成される第３の光電変換部３０の出力を裏面側である第２の主面１１Ｂに形成された配線部に接続するために用いられる。

この後、図９−３に示すように、イオン注入によりリンなどのｎ型不純物を注入し、その後、アニール処理を行うことで、ｎウエル５１、フォトダイオード１２、第２の電荷蓄積部２４、第３の電荷蓄積部３４を形成する。形成に際しては深さも濃度もそれぞれ異なるため、順次所望の濃度及び深さとなるように形成する。ここで第３の電荷蓄積部３４については、第２のオーバーフローバリア３５も同時に形成される。

続いて、図９−４に示すように、単結晶シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂにゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層を形成し、第１のトランスファーゲート２６Ｂ、第２のトランスファーゲート２６Ｒ、第３のトランスファーゲート２６Ｇ、ゲート電極５６Ｇを形成する。具体的には、単結晶シリコン基板１１の第２の主面１１Ｂに、膜厚が５ｎｍ程度の薄い酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜の上面に膜厚が１５０ｎｍ程度の多結晶シリコン層を形成する。その後、フォトリソグラフィー及びエッチングを行って、不要な部分のポリシリコン層及び酸化シリコン膜を除去することによってゲート絶縁膜及びトランスファーゲート、ゲート電極を形成する。

こののち、図９−５に示すように、イオン注入によりボロンなどのｐ型不純物を注入し、その後、アニール処理を行うことで、ｎウエル５１内に、ｐ型ソース・ドレイン領域５２を形成する。又、イオン注入によりリンなどのｎ型不純物を注入し、その後、アニール処理を行うことで、ｎ型ソース・ドレイン領域５３、第１〜第３のフローティングディフュージョン１７，２７，３７を形成する。

そして、図９−６に示すように、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜４０を形成し、第２の光電変換層を形成するための開口ｈを形成する。

そして、図９−７に示すように、ＣＶＤ法によりシリコンゲルマニウムを堆積しエッチバックを行なうことにより、開口ｈ内にシリコンゲルマニウム層２１を形成する。

さらに、図９−８に示すように、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜４０を形成し、配線５６などを形成する。

この後、図９−９に示すように、受光面側である第１の主面１１Ａ側に層間絶縁膜４０、遮光性電極５８、第３の光電変換層の第１の電極３２としての酸化インジウム錫（ＩＴＯ）層を形成した、配線部を貼着する。この配線部は樹脂基板上に形成されており、貼着後樹脂基板は剥離される。

最後に、図９−１０に示すように、第３の光電変換層を構成する有機膜３１をスクリーン印刷により塗布し、第２の電極３３としてのＩＴＯ層を形成する。そして最後に遮光膜５９であるタングステン層を形成する。この後、フォトリソグラフィーにより開口を形成することで、窓が形成され、受光領域が規定される。

その後、層間絶縁膜、マイクロレンズ(図示せず)などの光学系を順次積層し、ＣＭＯＳイメージセンサ（固体撮像素子）を得る。

このようにして、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法では、薄型のシリコン基板を用いて形成できることから、フォトリソグラフィーのフォーカス合わせが容易で、高精度のパターンを得ることができ、製造が容易で出力特性の優れた固体撮像素子を製造することが可能となる。

（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態の固体撮像素子の光電変換部の構成を模式的に示す断面図である。基本的には第１の実施形態の固体撮像素子と同様であるが、この固体撮像素子の光電変換部は、厚さ４μｍの単結晶シリコン基板１２１からなる半導体基板を第２の光電変換層とする第２の光電変換部１２０と、この単結晶シリコン基板１２１の受光面を構成する第１の主面１２１Ａ側に形成された、半導体基板とは異種の半導体材料である厚さ１００ｎｍのゲルマニウム（Ｇｅ）層１１１を第１の光電変換層とする第１の光電変換部１１０と、さらにこの上層に層間絶縁膜１４０を介して塗布されたキナクリドンからなる有機膜１３１を第３の光電変換層とする第３の光電変換部１３０を具備している。そして、各光電変換部間は酸化シリコン膜などの層間絶縁膜１４０で被覆されている。

受光面側に位置する第３の光電変換部１３０は第１の実施形態と同様であり、第１及び第２の電極１３２，１３３で挟まれた有機膜１３１で構成され、第１の主面１２１Ａ側から入射した光Ｌのうち、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色（Ｇ）光を光電変換する。又、この第３の光電変換部１３０を透過した、波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの波長域の青色（Ｂ）光は、ゲルマニウム層１１１で形成された第１の光電変換部１１０で選択的に吸収され光電変換される。又この第１の光電変換部１１０は光フィルタとして作用し、第１の主面１２１Ａ側から入射し第１の光電変換部１１０で選択的に吸収された波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの光を除き、第２の光電変換部１２０は波長６００ｎｍ以上の長波長領域の赤色（Ｒ）光を選択的に光電変換する。

ここで第１の光電変換部１１０は、単結晶シリコン基板１２１上の層間絶縁膜１４０を介して形成された膜厚１００ｎｍの薄いゲルマニウム層１１１で構成され、図示しない、第１及び第２の電極ではさまれて、信号の取り出しがなされるようになっている。

第２の光電変換部１２０は、単結晶シリコン基板１２１に形成されたフォトダイオードで構成され、第１の主面１２１Ａに層間絶縁膜１４０を介してＣＶＤ法などで成膜された第１の光電変換部１１０を担持している。第３の光電変換部１３０は、前記第１の実施形態と同様である。

第１〜第３の光電変換部１１０，１２０，１３０の出力を取り出し、信号処理を行う配線部が第１の主面１２１Ａの対向面側に設けられるがここでは省略している。

このように、Ｇｅ層を第１の光電変換部１１０として用いることも可能である。Ｓｉでは４００ｎｍ以上の厚さで４００ｎｍの波長をもつ光を９０％まで吸収することが可能となる。一方、Ｇｅを用いた場合は図４に示す通り１００ｎｍの厚さがあれば９０％まで吸収することができる。つまり１００ｎｍの厚さのＧｅ層を用いて短波長域用の第１の光電変換部１１０を形成し、長波長域用の第２の光電変換部１２０をシリコン基板で構成することも可能である。図４に示す通り５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長域の光はＧｅ層でも吸収されるが、受光面側に有機膜１３１を配し、第３の光電変換部１３０を構成することで、まず、受光面に到達した５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長域の光はこの第３の光電変換部１３０でほぼ吸収される。つまり緑色の光が分離されることになる。そして３００ｎｍ〜５００ｎｍの短波長域の光と５００ｎｍ〜６００ｎｍ以上の中波長域の光が第１の光電変換部１１０に到達し、短波長域の光のみが第１の光電変換部１１０で光電変換される。そして残る長波長域の光が第２の光電変換部１２０を構成するシリコンなどで光電変換される。本実施形態では、第２の光電変換部を半導体基板で構成し、第１の光電変換部１１０はＣＶＤ法などで成膜された薄いＧｅ層、第３の光電変換部１３０は塗布法で形成された有機膜という構成としたが、第１の光電変換部１１０を薄いゲルマニウム基板で構成し、第２の光電変換部１２０を異種の半導体材料を用いた無機膜の塗布膜などで構成してもよい。

なお、ゲルマニウム層１１１の膜厚は１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度とするのが望ましい。１０ｎｍに満たないと安定な膜形成が困難である。一方１００ｎｍを越えても吸収効率も透過率もほとんど変化がない。

かかる構成によれば第２の光電変換部１２０が基板であり第１の光電変換部１１０は薄膜で構成しているが、この場合にも極めて薄い膜で青色光を選択的に吸収することができ、Ｒ−Ｂ混色がなく、信頼性の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。

前記第１〜第５の実施形態については、３色の光電変換部を有する例について説明したが、２色でもよいことはいうまでもなく、又４色以上の光電変換部を有する例にも適用可能である。また、それぞれの構成についても相互に組み合わせ可能である。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１０ 第１の光電変換部、１１ 単結晶シリコン基板、１１Ａ 第１の主面（受光面）、１１Ｂ 第２の主面、１２ フォトダイオード、１５ 貫通孔、１６ シリコン柱、ＴＳＶ シリコン貫通電極、１７ 第１のフローティングディフュージョン、２０ 第２の光電変換部、２１ シリコンゲルマニウム層、２４ 第２の電荷蓄積部、２５ 第１のオーバーフローバリア、２６Ｂ 第１のトランスファーゲート、２６Ｒ 第２のトランスファーゲート、２６Ｇ 第３のトランスファーゲート、２７ 第２のフローティングディフュージョン、３０ 第３の光電変換部、３１ 有機膜、３２ 第１の電極、３３ 第２の電極、３４ 第３の電荷蓄積部、３５ 第２のオーバーフローバリア、３７ 第３のフローティングディフュージョン、４０ 層間絶縁膜、５１ ｎウエル、５２ ｐ型ソース・ドレイン領域、５３ ｎ型ソース・ドレイン領域、５６ 配線、５６Ｇ ゲート電極、１１０ 第１の光電変換部、１１１ ゲルマニウム層、１２０ 第２の光電変換部、１２１ 単結晶シリコン基板、１２１Ａ 第１の主面（受光面）、１３０ 第３の光電変換部、１３１ 有機膜、１３１ 第１の電極、１３３ 第２の電極、１４０ 層間絶縁膜、Ｗ，Ｗｏ 窓。

Claims (5)

1. 受光面を構成する第１の主面と、前記第１の主面に対向する第２の主面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板内又は前記半導体基板上に形成され、入射する光を信号電荷に光電変換する光電変換部とを具備し、
   前記光電変換部が、
   前記半導体基板の少なくとも一部を第１の光電変換層とする第１の光電変換部と、
   前記第２の主面に形成された、前記半導体基板とは異種の無機半導体材料を第２の光電変換層とする第２の光電変換部とを具備し、
   前記第２の光電変換部は前記第１の主面側から、前記第１の光電変換部を透過した波長域の光を光電変換するものであることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記光電変換部が、
   さらに前記半導体基板の第１の主面上に形成された有機膜からなる第３の光電変換部を具備したことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記半導体基板は、シリコン基板であり、
   前記第１の光電変換部は、青色の波長域の光を光電変換する領域であるとともに、
   前記第２の光電変換部は、赤色の波長域の光を光電変換する領域であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記第３の光電変換部は、緑色の波長域の光を光電変換する膜であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 受光面を構成する第１の主面と、前記第１の主面に対向する第２の主面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板内又は前記半導体基板上に形成され、入射する光を信号電荷に光電変換する光電変換部とを具備し、
   前記光電変換部が、
   前記第１の主面に形成された、前記半導体基板とは異種の無機半導体材料を第１の光電変換層とする第１の光電変換部と、
   前記半導体基板の少なくとも一部を第２の光電変換層とする第２の光電変換部とを具備し、
   前記第２の光電変換部は前記第１の主面側から、前記第１の光電変換部を透過した波長域の光を光電変換するものであることを特徴とする固体撮像素子。

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