JP4714428B2 - 光電変換膜積層型固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、受光量に応じた電荷を発生する光電変換膜を半導体基板上に複数層積層した光電変換膜積層型固体撮像装置に係り、特に、製造工程数の低減を図り高性能化と低コスト化を図った光電変換膜積層型固体撮像装置及びその製造方法に関する。
デジタルカメラに搭載されているＣＣＤ型固体撮像装置やＣＭＯＳ型固体撮像装置では、半導体基板の表面に、受光部となる多数の光電変換素子（フォトダイオード）と、各光電変換素子で得られた光電変換信号を外部に読み出す信号読出回路が形成されている。信号読出回路は、ＣＣＤ型であれば電荷転送回路と転送電極、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳトランジスタ回路と信号配線で構成される。
従って、従来の固体撮像装置は、多数の受光部と信号読出回路とを同じ半導体基板の表面に形成しなければならず、受光部の面積を広くとることができないという問題がある。
また、従来の単板式の固体撮像装置は、各受光部に、例えば赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のカラーフィルタのうちの１つが積層され、各受光部が夫々１色の光信号を検出する構成になっている。このため、例えば赤色の光を検出する受光部位置における青色光の信号及び緑色光の信号は、周りの青色光，緑色光を検出する各受光部の検出信号を補間演算して求めており、これが偽色の原因となり、また、解像度を低下させている。しかも、赤色のカラーフィルタが形成された受光部に入射した青色光と緑色光は光電変換に寄与することなくカラーフィルタに熱として吸収されてしまい、このため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題もある。
従来の固体撮像装置は、上述したように様々な問題を抱えている一方、多画素化が進展して、現在では、数百万画素という多数の受光部を１チップの半導体基板上に集積しており、１つ１つの受光部の開口寸法が波長オーダに近づいている。このため、上述した各問題を解決し画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのが困難になっている。
そこで、例えば下記特許文献１に記載されている固体撮像装置の構造が見直されている。この固体撮像装置は、信号読出回路を表面に形成した半導体基板上に、赤色検出用の感光層と、緑色検出用の感光層と、青色検出用の感光層を成膜技術によって積層し、これらの感光層を受光部とし、各感光層で得られた光電変換信号を、信号読出回路によって外部に取り出すという構造、即ち、光電変換膜積層型の構造になっている。
斯かる構造にすれば、半導体基板表面に受光部を設ける必要が無くなるため、信号読出回路の設計上の制約が大幅になくなり、また、入射光の光利用効率が向上して感度が向上する。更に、１画素で赤色，緑色，青色の３原色の光を検出できるため、解像度が向上し、偽色もなくなり、上述した従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が抱えていた問題を解決することが可能となる。
そこで、近年では、下記特許文献２，３，４，５に記載されている光電変換膜積層型固体撮像装置が提案されるようになってきており、上記の感光層として、有機半導体を使用したり、ナノ粒子を使用したりしている。
光電変換膜積層型固体撮像装置を製造する場合、半導体基板側の信号読出回路の製造は、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサと同じであり、半導体装置の製造技術をそのまま利用することができる。また、半導体基板の上に積層する光電変換膜や光電変換膜を挟む電極膜及び絶縁膜も、印刷技術を用いた成膜方法やスプレー法、真空蒸着法，スパッタ法，ＣＶＤ法等を利用することで容易に製造することができる。
しかし、光電変換膜積層型固体撮像装置では、半導体基板表面部に製造された信号読出回路と、その上に積層された光電変換膜の電極膜とを接続する配線を製造する必要があり、しかも、この配線は、電極膜の膜平面や半導体基板の表面に対して垂直方向の縦配線にしなければならない。
この縦配線を製造する場合、例えば、上記の特許文献２に記載の従来技術では、光電変換膜を成膜したときこの光電変換膜を貫通する縦配線形成部分をエッチングで削って導体を埋め込み、更に光電変換膜の上に電極膜を形成したときはこの電極膜の縦配線形成部分をエッチングで削って導体を埋め込む、という作業を、膜を成膜する毎に何回も繰り返している。このため、縦配線の製造工程数が多くなり、製造コストが嵩んでしまうという問題がある。
また、半導体基板の上に光電変換膜を積層しながら縦配線を製造するため、縦配線の製造工程数が多いと、縦配線の製造プロセス中に光電変換膜が高温に晒されて光電変換膜の材質が劣化し、光電変換性能に影響が及ぶ虞がある。このため、縦配線の製造工程数をできる限り少なくしたいという要請もある。
更に、縦配線の製造プロセスは、例えば、レジスト膜の塗布、露光、エッチングによる縦配線部分の開口、縦配線用導体の埋め込み、レジスト膜の除去及び表面のポリッシングの繰り返しとなるため、光電変換膜の上に電極膜を形成するとき両者の間に縦配線製造プロセスが介在すると、光電変換膜と電極膜との間の界面がレジスト膜の塗布及び除去，ポリッシングによって荒れてしまい、光電変換性能が劣化する虞がある。この理由からも、縦配線の製造工程数を少なくする必要がある。
本発明の目的は、縦配線製造用の工程数を削減して製造コストの低減と光電変換性能の向上を図った光電変換膜積層型固体撮像装置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装置の製造方法は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に、画素毎にパターニングされた画素電極膜と該画素電極膜に対向する対向電極膜とによって挟まれた光電変換膜が絶縁層を介して複数積層され、上層の前記光電変換膜の前記画素電極膜を下層の前記光電変換膜を貫通する縦配線によって前記信号読出回路に接続する光電変換膜積層型固体撮像装置の製造方法において、前記下層の光電変換膜の積層工程に連続して該下層の光電変換膜に積層される前記対向電極膜を積層し、該対向電極膜の積層後に同一工程で該対向電極膜及び該下層の光電変換膜の所定箇所に第１開口部を形成し、該第１開口部を前記絶縁層で埋めた後に該第１開口部より小径の第２開口部を該第１開口部内に形成し、該第２開口部を導電材料で埋めることで、前記縦配線のうち前記下層の光電変換膜を貫通する部分を形成することを特徴とする。
この構成により、製造工程数が減り、また、光電変換膜と対向電極膜との間の界面の荒れを防止可能となるので、製造コストが低減すると共に光電変換性能の向上を図ることが可能となる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に、画素毎にパターニングされた画素電極膜と該画素電極膜に対向する対向電極膜とによって挟まれた光電変換膜が絶縁層を介して複数積層され、上層の前記光電変換膜の前記画素電極膜を下層の前記光電変換膜を貫通する縦配線によって前記信号読出回路に接続する光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記縦配線のうち前記下層の光電変換膜を貫通する貫通部分が、該下層の光電変換膜が積層されている前記画素電極膜の同一面から、該下層の光電変換膜の上に積層される前記絶縁層の上端面までの間に開口された開口部を一導電材料で一度に埋めることで形成されていることを特徴とする。
この構成により、製造工程数が減り、また、光電変換膜と対向電極膜との間の界面の荒れを防止可能となるので、製造コストが低減すると共に光電変換性能の向上を図ることが可能となる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置の前記貫通部分が接する前記同一面の部分には、前記下層の前記画素電極膜をパターニングするときに同時にパターニングされた導電膜が設けられ、前記貫通部分が接する前記絶縁層の前記上端面には、前記上層の前記画素電極膜をパターニングするときに同時にパターニングされた導電膜が配置されることを特徴とする。
この構成により、縦配線の貫通部分の製造精度が向上する。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置では、前記画素電極膜がパターニングされ除去された導電膜部分に平滑用透明絶縁膜が設けられていることを特徴とする。
この構成により、光電変換膜の平滑性が向上し、光電変換性能の更なる向上を図ることが可能となる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、赤色の分光感度特性にピークがある赤色検出用の光電変換膜と、緑色の分光感度特性にピークがある緑色検出用の光電変換膜と、青色の分光感度特性にピークがある青色検出用の光電変換膜を備えることを特徴とする。
この構成により、３原色の画像信号を得ることができるため、カラー画像の撮像が可能となる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記光電変換膜の端部箇所且つ該光電変換膜から離れた箇所に立設された対向電極膜用第１縦配線と、各層の前記対向電極膜上に積層した前記絶縁層の上端面から該対向電極膜までに至る各層毎に設けられた対向電極膜用第２縦配線と、各対向電極膜用第２縦配線と前記対向電極膜用第１縦配線とを各絶縁膜の上端面の上で電気的に接続する接続用導電膜とを有することを特徴とする。
この構成により、各対向電極膜に、同一のバイアス電位を容易に印加することができる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置では、最上層以外の前記接続用導電膜は、前記絶縁層の上端面の上に形成された導電膜をパターニングして前記画素電極膜を形成するとき同時に形成されることを特徴とする。
この構成により、対向電極膜にバイアス電位を印加する部分を容易に構成可能となる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線との間の前記絶縁層の上端面に凹所を設け該凹所を前記対向電極膜用第１縦配線及び前記対向電極膜用第２縦配線と同一導電材料で埋めることで前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線とを電気的に接続することを特徴とする。
この構成により、前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線との間の接続が容易となり、また、上記の導電膜と併用することで、両者間の接続抵抗を下げることが可能となる。
本発明の光電変換膜積層型固体撮像装置は、前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線とは前記画素電極膜を前記信号読出回路に接続する縦配線と同一製造工程により製造されることを特徴とする。
この構成により、光電変換膜積層型固体撮像装置の全体の製造コストを低減することができる。
本発明によれば、画素電極膜を信号読出回路に接続する縦配線の製造工程数を削減することができ、製造コストの低減と、光電変換性能の向上を図ることが可能となる。
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。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。光電変換膜積層型固体撮像装置１００には、多数の受光部（画素）１０１が、この例では縦横に格子状に配列されている。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の表面模式図である。光電変換膜積層型固体撮像装置１００には、多数の受光部（画素）１０１が、この例では縦横に格子状に配列されている。
光電変換膜積層型固体撮像装置１００の受光部１０１の下側に設けられた半導体基板の表面には、列方向に並ぶ受光部１０１の各列の夫々に対応して３本の垂直転送路（列方向ＣＣＤレジスタ）１０２ｂ，１０２ｇ，１０２ｒ（添え字ｂ，ｇ，ｒは、以下も同様であるが、夫々、青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）に対応する。）が形成されており、該半導体基板の下辺部には水平転送路（行方向ＣＣＤレジスタ）１０３が形成されている。
水平転送路１０３の出口部分には増幅器１０４が設けられ、各受光部１０１で検出された信号電荷は、先ず、垂直転送路１０２ｂ，１０２ｇ，１０２ｒによって水平転送路１０３に転送され、次に水平転送路１０３によって増幅器１０４まで転送され、増幅器１０４から出力信号１０５として出力される。
半導体基板の表面には、垂直転送路１０２ｂ，１０２ｇ，１０２ｒに重ねて設けられた図示しない４相の転送電極に接続され４相の転送パルスが印加される電極端子１０６，１０７，１０８，１０９と、後述の共通電極膜に接続される電極端子１１０と、水平転送路１０３の２相の転送用電極端子１１１，１１２とが設けられる。
図２（ａ）は、図１に示す点線矩形枠II内の拡大模式図であり、９画素分の受光部１０１と、電極端子１１０が接続される共通電極膜用の縦配線１１９部分を図示している。尚、この図２（ａ）では、図１に示す垂直転送路１０２ｒ，１０２ｇ，１０２ｂは省略している。
各受光部１０１は、矩形の画素電極膜１２０によって画成されている。図２（ａ）に示す画素電極膜１２０は、図２（ｂ）に示す様に、３枚の画素電極膜１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂが後述の光電変換膜等を介して光入射方向に整列して設けられている。
赤色用の画素電極膜１２０ｒには該画素電極膜１２０ｒと同一平面上に縦配線接続用のパッド１１７ｒが突設され、緑色用の画素電極膜１２０ｇにも同様に縦配線接続用のパッド１１７ｇが突設され、青色用の画素電極膜１２０ｂにも同様に縦配線接続用のパッド１１７ｂが突設されている。同一画素（受光部）１０１の各パッド１１７ｒ，１１７ｇ，１１７ｂは、図２（ａ）に示す様に、位置がずれるように突設される。
図２（ａ）に示す符号１２２は、共通電極膜を示す。本実施形態では、この共通電極膜１２２も、後述する様に、赤色用の共通電極膜１２２ｒと緑色用の共通電極膜１２２ｇと青色用の共通電極膜１２２ｂとが、光電変換膜等を介して重ねて設けられる。
図３は、図２（ａ）のIII―III線断面模式図であり、パッド１１７ｒ，１１７ｇ，１１７ｂ部分の断面を示し、図４は、図２（ａ）のIV―IV線断面模式図であり、画素の中央部分の断面を示す。
ｎ型半導体基板１３０の表面部分にはＰウェル層１３１が形成され、Ｐウェル層１３１の表面部分にはｎ型領域でなる電荷蓄積部１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂが形成されると共に、チャネルストップ１１５で画成された垂直転送路（ｎ型半導体層）１０２ｒ，１０２ｇ，１０２ｂが形成される。各電荷蓄積部１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂの中央部にはｎ＋領域でなる縦配線接続部１３７ｒ，１３７ｇ，１３７ｂが形成される。
半導体基板１３０の表面には、ゲート絶縁膜１３２が形成され、その上に、ポリシリコンでなる転送電極１３９が形成され、その上部に絶縁膜１３４が形成される。この絶縁膜１３４中には光遮蔽膜１３３が形成され、入射光が垂直転送路に入射しないようになっている。
絶縁膜１３４の上には、導電膜が形成され、パターニングすることにより、図３に示す横配線１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂが形成される。電荷蓄積部１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂの縦配線接続部１３７ｒ，１３７ｇ，１３７ｂと横配線１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂとは第１縦配線１２６ｒ，１２６ｇ，１２６ｂによって接続される。
横配線１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂが設けられた層の上部には絶縁層１２５が形成され、その上に、透明な導電膜が積層される。この導電膜はパターニングされ、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｒが形成される。また、このパターニングにより、図２（ｂ）に示すパッド１１７ｒが形成されると共に、パッド１１７ｂ，１１７ｇに光入射方向に整列し他から分離した導電膜１１６ｂ，１１６ｇが残される。
これらの画素電極膜１２０ｒ，パッド１１７ｒ，導電膜１１６ｂ，１１６ｇの上部には、赤色（Ｒ）を検出する光電変換膜１２１ｒが積層される。この光電変換膜１２１ｒは受光部毎に区分けして設ける必要はなく、各受光部１０１が集合する受光面全面に対し１枚構成で積層される。
光電変換膜１２１ｒの上には、赤色信号を検出する各受光部１０１に共通の共通電極膜（画素電極膜に対向するため、「対向電極膜」ともいう。）１２２ｒがこれも一枚構成で積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２７が積層される。
絶縁膜１２７の上部には、透明な導電膜が積層され、この導電膜がパターニングされ、上記と同様に、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｇ及びパッド１１７ｇと、他から分離し図２（ｂ）に示すパッド１１７ｂに整列する導電膜１１８ｂが形成される。これらの画素電極膜１２０ｇ等の上には、緑色（Ｇ）を検出する光電変換膜１２１ｇが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２２ｇが積層され、その上部に、透明の絶縁膜１２８が積層される。
この絶縁膜１２８の上部には、透明な導電膜が積層され、パターニングされることで、受光部１０１毎に区分けされた画素電極膜１２０ｂ及びパッド１１７ｂが形成され、その上に、青色（Ｂ）を検出する光電変換膜１２１ｂが上記と同様に１枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜１２２ｂが積層され、最上層に透明の保護膜１２９が積層される。
横配線１２４ｂと青色画素電極膜１２０ｂのパッド１１７ｂとは第２縦配線１１４ｂによって接続され、横配線１２４ｇと緑色画素電極膜１２０ｇのパッド１１７ｇとは第２縦配線１１４ｇによって接続され、横配線１２４ｒと赤色画素電極膜１２０ｒのパッド１１７ｒとは第２縦配線１１４ｒによって接続される。各縦配線１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂ，１２６ｒ，１２６ｇ，１２６ｂは、対応の画素電極膜のパッド，導電膜１１６ｇ，１１６ｂ，１１８ｂ、横配線以外とは、詳細は後述するように、電気的に絶縁して製造される。
図５は、図２（ａ）のV―V線断面模式図であり、図１の電極端子１１０と、各共通電極膜１２２ｂ，１２２ｇ，１２２ｒとの接続構成を示す図である。ｎ型半導体基板１３０の表面部に形成されたＰウェル層１３１の表面部には、高濃度Ｐ層１４１が形成され、その上部に、フィールド領域（絶縁膜）１４２が形成される。
この高濃度Ｐ層１４１は、図３，図４に示すチャネルストップ１１５と同一工程で形成しても、また、別工程で形成してもよい。絶縁膜１４２は、図３，図４に示すゲート絶縁膜１３２の形成と同時に形成すると共に、ゲート絶縁膜１３２の形成後にも引き続き絶縁膜形成工程を続け、膜厚をゲート絶縁膜１３２より厚くする。
絶縁膜１４２の上には、図３，図４と同じ絶縁膜１３４が形成され、その上に、導電膜１２４ｋが積層される。この導電膜１２４ｋは、図３，図４に示す横配線１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂを形成する導電膜をパターニングすることで形成され、図１に示す電極端子１１０はこの導電膜１２４ｋに接続される。
画素電極膜１２０ｒを形成する導電膜をパターニングすることにより導電膜１２０ｋ―１が形成され、導電膜１２４ｋと導電膜１２０ｋ―１との間に縦配線１４３―１が形成される。
同様に、画素電極膜１２０ｇを形成する導電膜をパターニングすることにより導電膜１２０ｋ―２が形成され、共通電極膜１２２ｒと導電膜１２０ｋ―２との間に縦配線１４３―２が形成されると共に、導電膜１２０ｋ―２と導電膜１２０ｋ―１との間に縦配線１４３―３が形成される。これにより、共通電極膜１２２ｒと導電膜１２４ｋとが電気的に接続され、共通電極膜１２２ｒが電極端子１１０に接続される。
同様に、画素電極膜１２０ｂを形成する導電膜をパターニングすることにより導電膜１２０ｋ―３が形成され、共通電極膜１２２ｇと導電膜１２０ｋ―３との間に縦配線１４３―４が形成されると共に、導電膜１２０ｋ―３と導電膜１２０ｋ―２との間に縦配線１４３―５が形成される。これにより、共通電極膜１２２ｇと導電膜１２４ｋとが電気的に接続され、共通電極膜１２２ｇが電極端子１１０に接続される。
保護膜１２９の上面部隅には透明導電膜１４４が積層され、共通電極膜１２２ｂと導電膜１４４との間に縦配線１４３―６が形成されると共に、導電膜１４４と導電膜１２０ｋ―３との間に縦配線１４３―７が形成される。これにより、共通電極膜１２２ｂと導電膜１２４ｋとが電気的に接続され、共通電極膜１２２ｂが電極端子１１０に接続される。
均質な透明の電極膜１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ，１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂ等としては、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化インジウム（ＩｎＯ２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。
光電変換膜１２１ｒ，１２１，１２１ｂとしては、単層膜でも多層膜でもよく、膜材料としては、シリコンや化合物半導体等の無機材料，有機半導体，有機色素などを含む有機材料，ナノ粒子で構成した量子ドット堆積膜など種々の材料が使用できる。
斯かる構成の光電変換膜積層型固体撮像装置１００に被写体からの光が入射すると、入射光のうちの青色の光量に応じた光電荷が青色光電変換膜１２１ｂにて発生し、この光電荷が縦配線１１４ｂ，横配線１２４ｂ，縦配線１２６ｂを通って電荷蓄積部１３８ｂに蓄積される。同様に、緑色の入射光量に応じた光電荷が電荷蓄積部１３８ｇに蓄積され、赤色の入射光量に応じた光電荷が電荷蓄積部１３８ｒに蓄積される。各電荷蓄積部１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂに蓄積された電荷（信号電荷）は、垂直転送路１０２ｒ，１０２ｇ，１０２ｂに読み出されて水平転送路１０３まで転送され、水平転送路１０３を転送されてこの光電変換膜積層型固体撮像装置１００から出力される。
図６〜図２０は、図３〜図５に示した本発明の第１の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の製造手順を示す図であり、各図（ａ）は図３と同じ位置における断面模式図であり、各図（ｂ）は図５と同じ位置における断面模式図である。製造完了を示す図２０（ａ）は図３と同じとなり、図２０（ｂ）は図５と同じとなる。
図６に示す状態までは、従来のＣＣＤ型，ＣＭＯＳ型の固体撮像装置と同様の半導体製造手順で製造され、半導体基板１３０のＰウェル層１３１に、電荷蓄積部１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂや垂直転送路１０２ｒ，１０２ｇ，１０２ｂが形成され、表面部に絶縁膜１３４が形成される。この絶縁膜１３４に第１縦配線１２６ｒ，１２６ｇ，１２６ｂ用の開口がエッチングにより形成された後、各開口がタングステンや銅等の金属あるいは導電性を有する多結晶シリコンで埋められ、第１縦配線１２６ｒ，１２６ｇ，１２６ｂが形成される。そして、表面部に透明の導電膜が形成され、パターニングされることで、横配線１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂおよび導電膜１２４ｋが形成される。パターニングは、例えば、レジスト塗布、露光、現像、エッチングの順に行われる。
次に、図７に示す様に、表面部に絶縁膜１２５が積層され、図８に示す様に、横配線１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂ，導電膜１２４ｋに夫々到達する開口１５０ｒ，１５０ｇ，１５０ｂ，１５０ｋがエッチングにより形成される。そして、図９に示す様に、透明な導電材料で開口１５０ｒ，１５０ｇ，１５０ｂ，１５０ｋが埋められ、縦配線１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂの一部と、図６で説明した縦配線１４３―１が形成される。そして更に、図１０に示す様に、表面部に透明の導電膜１５１が形成される。
次に、図１１に示す様に、導電膜１５１をパターニングすることで、画素電極膜１２０ｒを形成すると共に、パッド１１７ｒや図３で説明した導電膜１１６ｂ，１１６ｇ，１２０ｋ―１が形成される。その後、図１２に示す様に、表面部に赤色検出用の光電変換膜１２１ｒが積層され、更に、図１３に示す様に、光電変換膜１２１ｒの上に、共通電極膜１２２ｒが積層される。
次に、図１４に示す様に、表面にレジスト膜１５２が形成され、導電膜１１６ｒ，１１６ｇの位置に整合する開口１５３ｂ，１５３ｇがエッチングにより形成され、また、導電膜１２０ｋ―１上の光電変換膜１２１ｒ及び共通電極膜１２２ｒの端部が、図１４（ｂ）に示す様に、削成される。
このように、本実施形態では、光電変換膜１２１ｒの積層工程に続けて共通電極膜１２２ｒの積層を連続して行い、共通電極膜１２２ｒと光電変換膜１２１ｒとを一緒にエッチングして開口１５３ｇ，１５３ｂを形成するため、光電変換膜１２１ｒと共通電極膜１２２ｒとの間の界面が荒れることはなく、しかも、縦配線用開口のエッチング回数を減らすことができる。また、エッチングを行うときに、開口底部に導電膜１１６ｇ，１１６ｂを設けてあるため、この導電膜１１６ｇ，１１６ｂの箇所でエッチングを精度良く止めることが可能となる。
開口１５３ｂ，１５３ｇが形成された後は、図１５に示す様に、表面部に絶縁膜１２７を積層して開口１５３ｂ，１５３ｇを埋めると共に、図１４（ｂ）に示す削成部に絶縁層１２７を積層する。そして次に、図１６に示す様に、開口１５３ｂ，１５３ｇより小径の開口１５４ｇ，１５４ｂをエッチングにより開けると共に、端部（図１６（ｂ））において、共通電極膜１２２ｒに到達する開口１５４ｋ―１と、導電膜１２０ｋ―１に到達する開口１５４―２とを開ける。
次に、図１７に示す様に、開口１５４ｇ，１５４ｂ，１５４ｋ―１，１５４ｋ―２を透明導電材料で埋め、縦配線１１４ｇ，１１４ｂ，１４３―２，１４３―３を形成する。各開口を透明導電材料で埋めた後は、表面を平滑処理する。これは、例えばエッチバックやＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）にて行う。
この様に、本実施形態では、絶縁層１２７と共通電極膜１２２ｒと光電変換膜１２１ｒの３層を貫通する縦配線１１４ｇ，１１４ｂを同一工程にて製造するため、縦配線製造工程数が少なくなる。
そして、図１０〜図１７の製造手順と同様の手順を繰り返すことで、図１８に示す様に、緑色検出用の光電変換膜１２１ｇ及び共通電極膜１２２ｇを貫通する縦配線１１４ｂを形成すると共に、端部において縦配線１４３―４，１４３―５を形成する。
更に、図１９に示す様に、画素電極膜１２０ｂ及びパッド１１７ｂを形成してその上に青色検出用の光電変換膜１２１ｂ、共通電極膜１２２ｂ、透明の保護膜１２９を形成し、透明保護膜１２９の所定箇所に開口をエッチングにより開けて導電材料で埋め、縦配線１４３―６，１４３―７を形成する。最後に、図２０に示す様に、縦配線１４３―６と縦配線１４３―７とを接続する導電膜１４４を形成する。
以上述べた様に、本実施形態では、光電変換膜の積層工程に続けて共通電極膜の積層を連続的に行い、共通電極膜と光電変換膜とを一緒にエッチングして開口を設けるため、光電変換膜と共通電極膜との間の界面が荒れることがなくなり、しかも、縦配線用開口のエッチング回数を減らすことが可能となる。これにより、光電変換性能が向上すると共に製造コストの低減を図ることができる。
（第２の実施形態）
図２１は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の断面模式図であり、図２２は、その製造途中における断面模式図である。各図（ａ）は図３と同じ位置における断面模式図であり、各図（ｂ）は図５と同じ位置における断面模式図であるのは図６〜図２０と同様である。
図２１は、本発明の第２の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の断面模式図であり、図２２は、その製造途中における断面模式図である。各図（ａ）は図３と同じ位置における断面模式図であり、各図（ｂ）は図５と同じ位置における断面模式図であるのは図６〜図２０と同様である。
図２２は、第１の実施形態における図１１の製造工程後の製造手順を示す図である。第１の実施形態では、導電膜１５１をパターニングした図１１の後、図１２に示す様に、光電変換膜１２１ｒを積層している。導電膜１５１をパターニングして導電膜１１６ｇ，１１６ｂ，パッド１１７ｂ，画素電極膜１２０ｂを形成したとき、各膜の端部には段差ができる。
この段差は、導電膜１５１の膜厚が薄ければ問題ないが、厚さを無視できない場合には、その上に積層した光電変換膜１２１ｒの表面にも膜１１６ｇ，１１６ｂ，パッド１１７ｂ，画素電極膜１２０ｂの端部の段差に応じた凹凸ができてしまい、暗時電流（リーク電流）の増大や画素欠陥等の原因になる虞がある。また、画素電極膜１２０ｂはシート抵抗を小さくするために厚くするのが好ましいが、厚くすると上記の段差が大きくなってしまう。
そこで、本実施形態では、膜１１６ｇ，１１６ｂ，パッド１１７ｂ，画素電極膜１２０ｂをパターニングした後、膜間を透明絶縁膜１６０で埋め、表面を平滑処理する。これは、上層の緑色用，青色の光電変換膜１２１ｇ，１２１ｂにおける電極膜の段部においても、同様（図２１参照）であり、透明絶縁膜１６０で埋める。これにより、光電変換膜の凹凸を無くすことができ、光電変換性能の更なる向上を図ることが可能となる。
（第３の実施形態）
図２３は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の断面模式図であり、図２４〜図２６は、その製造途中を示す図である。各図（ａ）は図３と同じ位置における断面模式図であり、各図（ｂ）は図５と同じ位置における断面模式図であるのは図６〜図２０と同様である。
図２３は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像装置の断面模式図であり、図２４〜図２６は、その製造途中を示す図である。各図（ａ）は図３と同じ位置における断面模式図であり、各図（ｂ）は図５と同じ位置における断面模式図であるのは図６〜図２０と同様である。
第１，第２の実施形態では、例えば図５に示す様に、縦配線１４３―２と縦配線１４３―３とは、導電膜１２０ｋ―２で接続される。この導電膜１２０ｋ―２は、画素電極膜１２０ｇを形成する導電膜をパターニングして形成されるが、第２の実施形態で述べた様に、画素電極膜は薄い方が光電変換膜の凹凸が抑制され好ましい。しかし、画素電極膜を薄くすると、同一パターニングで形成される導電膜１２０ｋ―２も薄くなり、縦配線１４３―２と縦配線１４３―３との接続抵抗が高くなってしまう。
そこで、本実施形態では、図１５に示す絶縁膜１２７の積層後、図２４（ｂ）に示す様に、上層に積層される導電膜１２０ｋ―２（図１８参照）に整合する箇所に凹所１７０を削成しておく。これにより、図１６と同様に図２５に示す様に、開口１５４ｂ，１５４ｇ，１５４ｋ―１，１５４ｋ―２を開けた後、図２６に示す様に、その上に導電材料を積層して開口１５４ｂ，１５４ｇ，１５４ｋ―１，１５４ｋ―２を埋めたとき、凹所１７０も導電材料で埋められ、縦配線１４３―２と縦配線１４３―３を接続する架橋部１７１ｒが形成される。従って、架橋部１７１ｒの上に導電膜１２０ｋ―２が形成されると、縦配線１４３―２と縦配線１４３―３との接続抵抗は小さくなる。
図２３に示す様に、本実施形態では、最上層の保護膜１２９の上に、図５に示す導電膜１４４を設けていない。最上層の架橋部１７１ｂの接続抵抗が小さければ導電膜１４４を設ける必要はなく、最上面を平面にすることが可能となる。勿論、導電膜１４４を設ける構成とすることも可能である。また、架橋部１７１ｒ，１７１ｇの抵抗が小さければ、導電部１２０ｋ―２，１２０ｋ―３を省略することも可能である。
尚、上述した各実施形態は、ＣＣＤ型の信号読出回路を半導体基板に形成した例であるが、信号読出回路がＭＯＳ型トランジスタ回路で構成される光電変換膜積層型固体撮像装置にも本発明を同様に適用可能である。また、画素電極膜１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂの周辺外側に接続用のパッド１１７ｒ，１１７ｇ，１１７ｂを突設した例で説明したが、画素電極膜１２０の内側に縦配線を接続する構成でも本発明を適用できる。
また、実施形態では、例えば絶縁膜を形成した後にレジスト膜を形成し、縦配線用の開口をエッチングで形成したが、透明のレジスト膜を絶縁膜１２５，１２７，１２８等として使用することも可能である。これは、レジスト膜と絶縁膜のエッチングの選択比が大きくない場合に有効である。
上述した各実施形態では、赤色，緑色，青色の３色を検出するための３層の光電変換膜を積層した固体撮像装置について述べたが、本発明は少なくとも２層の光電変換膜を積層する固体撮像装置に適用可能である。
本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像装置は、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサの代わりに使用でき、しかも、３層の光電変換膜を設けることで赤色，緑色，青色の３色の信号をカラーフィルタ無しに得ることができるため、デジタルカメラ等に搭載すると有用である。
１００ 光電変換膜積層型固体撮像装置
１０１ 受光部（画素）
１０２ｒ，１０２ｇ，１０２ｂ 垂直転送路
１０３ 水平転送路
１０５ 出力信号
１１０ 電極端子
１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂ 第２の縦配線
１１５ チャネルストップ
１１６ｇ，１１６ｂ，１１８ｂ 導電膜
１１７ｒ，１１７ｇ，１１７ｂ 縦配線接続用のパッド
１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂ 透明の画素電極膜
１２０ｋ―１，１２０ｋ―２，１２０ｋ―３ 導電膜
１２１ｒ，１２１ｇ，１２１ｂ 光電変換膜
１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ 透明の共通電極膜
１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂ 横配線
１２４ｋ 電極膜
１２５ 絶縁膜
１２６ｒ，１２６ｇ，１２６ｂ 第１縦配線
１２７，１２８ 透明絶縁膜
１２９ 透明保護膜
１３０ ｎ型半導体基板
１３１ Ｐウェル層
１３２ ゲート絶縁膜
１３３ 光遮蔽膜
１３７，１３７ｒ，１３７ｇ，１３７ｂ 縦配線接続部
１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂ 電荷蓄積部
１４３―ｉ（ｉ＝１〜７） 共通電極膜の接続用縦配線
１５０ｒ，１５０ｇ，１５０ｂ，１５３ｇ，１５３ｂ，１５４ｇ，１５４ｂ，１５４ｋ―１，１５４ｋ―２ 開口
１６０ 平坦化用の透明絶縁膜
１７０ 凹所
１７１ｒ，１７１ｇ，１７１ｂ 導体による架橋部
１０１ 受光部（画素）
１０２ｒ，１０２ｇ，１０２ｂ 垂直転送路
１０３ 水平転送路
１０５ 出力信号
１１０ 電極端子
１１４ｒ，１１４ｇ，１１４ｂ 第２の縦配線
１１５ チャネルストップ
１１６ｇ，１１６ｂ，１１８ｂ 導電膜
１１７ｒ，１１７ｇ，１１７ｂ 縦配線接続用のパッド
１２０ｒ，１２０ｇ，１２０ｂ 透明の画素電極膜
１２０ｋ―１，１２０ｋ―２，１２０ｋ―３ 導電膜
１２１ｒ，１２１ｇ，１２１ｂ 光電変換膜
１２２ｒ，１２２ｇ，１２２ｂ 透明の共通電極膜
１２４ｒ，１２４ｇ，１２４ｂ 横配線
１２４ｋ 電極膜
１２５ 絶縁膜
１２６ｒ，１２６ｇ，１２６ｂ 第１縦配線
１２７，１２８ 透明絶縁膜
１２９ 透明保護膜
１３０ ｎ型半導体基板
１３１ Ｐウェル層
１３２ ゲート絶縁膜
１３３ 光遮蔽膜
１３７，１３７ｒ，１３７ｇ，１３７ｂ 縦配線接続部
１３８ｒ，１３８ｇ，１３８ｂ 電荷蓄積部
１４３―ｉ（ｉ＝１〜７） 共通電極膜の接続用縦配線
１５０ｒ，１５０ｇ，１５０ｂ，１５３ｇ，１５３ｂ，１５４ｇ，１５４ｂ，１５４ｋ―１，１５４ｋ―２ 開口
１６０ 平坦化用の透明絶縁膜
１７０ 凹所
１７１ｒ，１７１ｇ，１７１ｂ 導体による架橋部
Claims (9)
- 信号読出回路が形成された半導体基板の上に、画素毎にパターニングされた画素電極膜と該画素電極膜に対向する対向電極膜とによって挟まれた光電変換膜が絶縁層を介して複数積層され、上層の前記光電変換膜の前記画素電極膜を下層の前記光電変換膜を貫通する縦配線によって前記信号読出回路に接続する光電変換膜積層型固体撮像装置の製造方法において、前記下層の光電変換膜の積層工程に連続して該下層の光電変換膜に積層される前記対向電極膜を積層し、該対向電極膜の積層後に同一工程で該対向電極膜及び該下層の光電変換膜の所定箇所に第１開口部を形成し、該第１開口部を前記絶縁層で埋めた後に該第１開口部より小径の第２開口部を該第１開口部内に形成し、該第２開口部を導電材料で埋めることで、前記縦配線のうち前記下層の光電変換膜を貫通する部分を形成することを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置の製造方法。
- 信号読出回路が形成された半導体基板の上に、画素毎にパターニングされた画素電極膜と該画素電極膜に対向する対向電極膜とによって挟まれた光電変換膜が絶縁層を介して複数積層され、上層の前記光電変換膜の前記画素電極膜を下層の前記光電変換膜を貫通する縦配線によって前記信号読出回路に接続する光電変換膜積層型固体撮像装置において、前記縦配線のうち前記下層の光電変換膜を貫通する貫通部分が、該下層の光電変換膜が積層されている前記画素電極膜の同一面から、該下層の光電変換膜の上に積層される前記絶縁層の上端面までの間に開口された開口部を一導電材料で一度に埋めることで形成されていることを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像装置。
- 前記貫通部分が接する前記同一面の部分には、前記下層の前記画素電極膜をパターニングするときに同時にパターニングされた導電膜が設けられ、前記貫通部分が接する前記絶縁層の前記上端面には、前記上層の前記画素電極膜をパターニングするときに同時にパターニングされた導電膜が配置されることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
- 前記画素電極膜がパターニングされ除去された導電膜部分に平滑用透明絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
- 赤色の分光感度特性にピークがある赤色検出用の光電変換膜と、緑色の分光感度特性にピークがある緑色検出用の光電変換膜と、青色の分光感度特性にピークがある青色検出用の光電変換膜を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
- 前記光電変換膜の端部箇所且つ該光電変換膜から離れた箇所に立設された対向電極膜用第１縦配線と、各層の前記対向電極膜上に積層した前記絶縁層の上端面から該対向電極膜までに至る各層毎に設けられた対向電極膜用第２縦配線と、各対向電極膜用第２縦配線と前記対向電極膜用第１縦配線とを各絶縁膜の上端面の上で電気的に接続する接続用導電膜とを有することを特徴とする請求項２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装置。
- 最上層以外の前記接続用導電膜は、前記絶縁層の上端面の上に形成された導電膜をパターニングして前記画素電極膜を形成するとき同時に形成されることを特徴とする請求項６に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
- 前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線との間の前記絶縁層の上端面に凹所を設け該凹所を前記対向電極膜用第１縦配線及び前記対向電極膜用第２縦配線と同一導電材料で埋めることで前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線とを電気的に接続することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
- 前記対向電極膜用第１縦配線と前記対向電極膜用第２縦配線とは前記画素電極膜を前記信号読出回路に接続する縦配線と同一製造工程により製造されることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像装置。
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