JP6816014B2 - 固体撮像素子、製造方法、および電子機器 - Google Patents

固体撮像素子、製造方法、および電子機器 Download PDF

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Description

本開示は、固体撮像素子、製造方法、および電子機器に関し、特に、さらなる細密化を図ることができるようにした固体撮像素子、製造方法、および電子機器に関する。
従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像機能を備えた電子機器においては、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。また、近年、有機材料を含む光電変換層を有する固体撮像素子の開発が進められており、例えば、フォトダイオードが形成される半導体基板の受光面側に光電変換層を積層することで、1画素においてフォトダイオードと光電変換層とで光を受光する構成が実現される。
例えば、特許文献1には、有機材料を含む光電変換層を有する固体撮像素子において、絶縁膜(SiO2膜)下に電極を設け、電極による電圧印加によってポテンシャル障壁をコントロールすることができる固体撮像装置が開示されている。
国際公開第2013/001809号パンフレット
しかしながら、上述したような特許文献1に開示されているように、画素間に電極を設ける構成では、電極を設けるスペースが必要となるため、画素を分離する領域に、ある程度の幅が必要となる。そのため、近年、固体撮像素子に求められている高画素数化や小型化を実現することは困難であった。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、さらなる細密化を図ることができるようにするものである。
本開示の一側面の固体撮像素子は、上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極と、前記画素間で前記下部電極どうしを分離するように前記下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域とを備え、ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する
本開示の一側面の製造方法は、上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極を形成し、前記画素間で前記下部電極どうしを分離するように前記下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域を形成するステップを含み、ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する
本開示の一側面の電子機器は、上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極と、前記画素間で前記下部電極どうしを分離するように前記下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有する分離領域とを有し、ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する構成される固体撮像素子を備える。
本開示の一側面においては、下部電極は、上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられ、分離領域は、画素間で下部電極どうしを分離するように下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される。また、ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する。
本開示の一側面によれば、さらなる細密化を図ることができる。
本技術を適用した固体撮像素子の第1の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固定電荷膜の構成を説明する図である。 固体撮像素子の製造方法を説明する図である。 固体撮像素子の第2の実施の形態における固定電荷膜の構成を説明する図である。 固体撮像素子の製造方法を説明する図である。 電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<固体撮像素子の第1の実施の形態>
図1は、本技術を適用した固体撮像素子の第1の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。
図1には、固体撮像素子11のセンサ面に配置される複数の画素12のうち、3個の画素12−1乃至12−3が配置されている箇所における断面が示されている。
図1に示すように、固体撮像素子11は、半導体基板21、配線層22、絶縁膜23、有機光電変換膜24、およびオンチップレンズ層25が積層されて構成されている。また、固体撮像素子11では、オンチップレンズ層25側に全面的に形成される上部電極26と、絶縁膜23側に画素12−1乃至12−3ごとに形成される下部電極27−1乃至17−3とにより、有機光電変換膜24が挟み込まれる構成となっている。
また、固体撮像素子11において、画素12−1乃至12−3は、それぞれ同様に構成されており、以下適宜、画素12−1乃至12−3それぞれを区別する必要がない場合、単に画素12と称する。
半導体基板21は、例えば、単結晶のシリコンが薄くスライスされたウェハであり、画素12ごとにPN接合からなる光電変換部(フォトダイオード)が形成される。例えば、半導体基板21には、画素12ごとに、赤色の光を光電変換する光電変換部31Rが受光面側から深い方に形成され、青色の光を光電変換する光電変換部31Bが受光面側から浅い方に形成される。また、半導体基板21には、有機光電変換膜24において緑色の光を光電変換する光電変換部31Gで発生した電荷を半導体基板21の表面側から読み出すために、電荷の転送経路となる不純物領域36が形成される。
そして、半導体基板21の表面には、画素12ごとに、電荷を転送する転送トランジスタ32R、転送トランジスタ32G、および転送トランジスタ32Bが形成される。また、半導体基板21には、転送される電荷を一時的に蓄積するとともに電位に応じた画素信号に変換するためのFD部33R、FD部33G、およびFD部33Bが形成される。
配線層22は、半導体基板21の表面側に積層され、例えば、画素12から出力される画素信号を伝送する配線や、画素12を駆動するためのトランジスタに供給される駆動信号を伝送する配線などが形成される。例えば、配線層22には、FD部33R、FD部33G、およびFD部33Bと、図示しない増幅トランジスタのゲート電極とを接続する貫通電極34R、貫通電極34G、および貫通電極34Bが形成される。
絶縁膜23は、半導体基板21の裏面側に積層され、例えば、絶縁性を備えたシリコン酸化膜(SiO2膜)であり、半導体基板21の裏面側を平坦化するとともに、隣接する下部電極27どうしの間を絶縁する。また、絶縁膜23を貫通するように電極35が形成され、電極35を介して下部電極27および不純物領域36が接続される。
有機光電変換膜24は、有機材料を含む光電変換膜であり、例えば、緑色の光を光電変換する。有機光電変換膜24は、図示するように全面的に成膜されるが、上部電極26と、画素12ごとに形成される下部電極27との間で印加される電位により、受光した光に応じた電荷を画素12ごとに出力する光電変換部31Gとして機能する。
オンチップレンズ層25は、画素12ごとにマイクロレンズ28が形成されて構成され、照射される光を画素12ごとに集光する。
このように、固体撮像素子11は、1つの画素12において縦方向に、光電変換部31G、光電変換部31B、および光電変換部31Rが配置されて構成されることにより、1つの画素12で、緑色、青色、および赤色の光を光電変換することができる。
また、固体撮像素子11は、絶縁膜23において、下部電極27どうしの間に、分離領域40が設けられた構成となっている。例えば、下部電極27−1および17−2の間に分離領域40−1が設けられ、下部電極27−2および17−3の間に分離領域40−2が設けられる。
ここで、図2を参照して、固体撮像素子11の画素12間の構成について説明する。
図2には、画素12−1および12−2の間の有機光電変換膜24近傍における断面的な構成が拡大して示されている。
図2に示すように、分離領域40−1は、画素12−1および12−2の間で、下部電極27−1および17−2を分離するように配置され、例えば、正または負の固定電荷を有する固定電荷膜41−1を有して構成される。固定電荷膜41−1は、下部電極27−1および17−2の厚みよりも深く形成される凹部(図3参照)に埋め込まれるように形成される。
このように、固体撮像素子11では、下部電極27どうしを分離するように分離領域40に設けられる固定電荷膜41によってポテンシャル制御を行うことで、残像を改善することができるとともに、下部電極27の間におけるリークの発生を抑制することができる。また、固体撮像素子11は、上述した特許文献1に開示されているように、ポテンシャル制御するための電極を下部電極27どうしの間に設ける必要がないため、細密化を図ることができる。
例えば、固体撮像素子11の素子構造が、ホール読み出し方式であるとき、固定電荷膜41には正の固定電荷が与えられる。具体的には、固定電荷膜41として、シリコン窒化膜(SiN)やシリコン窒化酸化膜(SiON)を用いることができる。
従って、固体撮像素子11では、下部電極27間におけるポテンシャルが正に大きくなることで、絶縁膜23上において有機光電変換膜24を介した下部電極27間のポテンシャルの傾斜が大きくなる。その結果、固体撮像素子11では、ホールが読み出され易くなることによって、残像の改善を図ることができる。さらに、固体撮像素子11では、下部電極27間のポテンシャル障壁が大きくなることで、下部電極27間でホールが移動し難くなることによって、リークの発生を抑制することができる。
また、例えば、固体撮像素子11の素子構造が、電子読み出し方式であるとき、固定電荷膜41には負の固定電荷が与えられる。具体的には、固定電荷膜41として、酸化ハフニウム膜(HfO2)や、二酸化ジルコニウム膜(ZrO2)、アルミナ膜(AlO3)、二酸化チタン膜(TiO2)、五酸化タンタル膜(Ta2O5)などを用いることができる。
従って、固体撮像素子11では、下部電極27間におけるポテンシャルが負に大きくなることで、絶縁膜23上において有機光電変換膜24を介した下部電極27間のポテンシャルの傾斜が大きくなる。その結果、固体撮像素子11では、電子が読み出され易くなることによって、残像の改善を図ることができる。さらに、固体撮像素子11では、下部電極27間のポテンシャル障壁が大きくなることで、下部電極27間で電子が移動し難くなることで、リークの発生を抑制することができる。
以上のように、固体撮像素子11は、固定電荷膜41からなる分離領域40によって下部電極27間を分離することで、残像およびリークの発生を抑制しつつ、細密化を図ることができる。つまり、固体撮像素子11は、同一サイズのであれば高画素数化を図ることができ、画素数が同一であれば小型化を図ることができる。
次に、図3を参照して、固体撮像素子11の製造方法において分離領域40を設ける工程について説明する。
まず、第1の工程において、図1の半導体基板21に絶縁膜23が成膜され、下部電極27となる電極材料が全面的に成膜された後、その電極材料を画素12ごとに分離して下部電極27を形成するためのエッチングを行う。このとき、下部電極27−1および下部電極27−2の厚みよりも深くなるまでエッチングすることで、凹部51を形成する。
次に、第2の工程において、絶縁膜23および下部電極27に対して全面的に固定電荷膜52を成膜し、凹部51の内部にも固定電荷膜52が埋め込まれる。例えば、固体撮像素子11がホール読み出し方式であるとき、窒化シリコン(SiN)または窒化酸化シリコン(SiON)を、例えば、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法や化学蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法などによって成膜することで、固定電荷膜52が形成される。
そして、第3の工程において、例えば、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)を行って、下部電極27の上面に形成された固定電荷膜52を除去する。これにより、凹部51の内部に埋め込まれた固定電荷膜52の一部分によって固定電荷膜41−1が形成され、下部電極27−1および下部電極27−2の間に分離領域40が設けられる。その後、有機光電変換膜24や、上部電極26、オンチップレンズ層25が形成され、図1に示したような固体撮像素子11が製造される。
以上のような工程によって固定電荷膜41が形成され、下部電極27どうしを分離するように分離領域40が設けられた固体撮像素子11を製造することができる。
<固体撮像素子の第2の実施の形態>
次に、図4は、本技術を適用した固体撮像素子の第2の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図4には、図2と同様に、画素12−1および12−2の間の有機光電変換膜24近傍における断面的な構成が拡大して示されており、図2の固体撮像素子11と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
即ち、図4に示すように、固体撮像素子11Aは、画素12ごとに下部電極27が設けられ、下部電極27および上部電極26により有機光電変換膜24を挟み込むような構成とされる点で、図2の固体撮像素子11と共通する。
一方、固体撮像素子11Aは、下部電極27どうしの間に、絶縁膜42および固定電荷膜43の積層構造により構成される分離領域40Aが設けられる点で、図2の固体撮像素子11と異なる構成とされる。
即ち、画素12−1および12−2の間に設けられる分離領域40A−1は、下部電極27−1および17−2を分離するように配置され、有機光電変換膜24に接するように固定電荷膜43−1が形成され、固定電荷膜43−1の下層側に絶縁膜42−1が形成されて構成される。固定電荷膜43−1は、下部電極27−1および17−2の厚みよりも浅く形成され、絶縁膜42−1が、下部電極27−1および17−2の厚みよりも深くまで形成される。
このような構成の固体撮像素子11Aにおいても、図2の固体撮像素子11と同様に、残像の改善を図ることができるとともに、リークの発生を抑制することができ、細密化を図ることができる。また、固体撮像素子11Aは、固定電荷膜43を薄く形成することによって、図2の固体撮像素子11と比較して、有機光電変換膜24との界面により多くの固定電荷が発生し易い構造となるため、下部電極27間のポテンシャル障壁をより高くすることができる。
次に、図5を参照して、固体撮像素子11Aの製造方法において分離領域40Aを設ける工程について説明する。
まず、第11の工程において、図1の半導体基板21に絶縁膜23が成膜され、下部電極27となる電極材料が全面的に成膜された後、その電極材料を画素12ごとに分離して下部電極27を形成するためのエッチングを行う。このとき、下部電極27−1および下部電極27−2の厚みよりも深くなるまでエッチングすることで、凹部61を形成する。
次に、第12の工程において、絶縁膜23および下部電極27に対して全面的に、酸化シリコン(SiO2)を積層することによって絶縁膜62成膜し、凹部61の内部にも絶縁膜62が埋め込まれる。このとき、絶縁膜62の厚みは、凹部61の深さ未満とされ、少なくとも凹部61において固定電荷膜43を積層するだけの凹みを有するように絶縁膜62が成膜される。
また、第3の工程において、絶縁膜62に対して全面的に固定電荷膜63を成膜し、凹部61に応じた絶縁膜62の凹みの内部にも固定電荷膜63が埋め込まれる。
そして、第14の工程において、下部電極27の上面に形成された絶縁膜62および固定電荷膜63を除去する。これにより、凹部61の内部に埋め込まれた絶縁膜62および固定電荷膜63の一部分により絶縁膜42−1および固定電荷膜43−1が形成され、下部電極27−1および下部電極27−2の間に分離領域40A−1が設けられる。その後、有機光電変換膜24や、上部電極26、オンチップレンズ層25が形成される。
以上のような工程によって絶縁膜42および固定電荷膜43が形成され、下部電極27どうしを分離するように分離領域40Aが設けられた固体撮像素子11Aを製造することができる。
<電子機器の構成例>
なお、上述したような各実施の形態の固体撮像素子11は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
図6は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図6に示すように、撮像装置101は、光学系102、撮像素子103、信号処理回路104、モニタ105、およびメモリ106を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系102は、1枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光(入射光)を撮像素子103に導き、撮像素子103の受光面(センサ部)に結像させる。
撮像素子103としては、上述した各実施の形態の固体撮像素子11が適用される。撮像素子103には、光学系102を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子103に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路104に供給される。
信号処理回路104は、撮像素子103から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路104が信号処理を施すことにより得られた画像(画像データ)は、モニタ105に供給されて表示されたり、メモリ106に供給されて記憶(記録)されたりする。
このように構成されている撮像装置101では、上述した各実施の形態の固体撮像素子11を適用することで、例えば、高画素数化または小型化を図ることができる。
<イメージセンサの使用例>
図7は、上述のイメージセンサ(固体撮像素子11)を使用する使用例を示す図である。
上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極と、
前記画素間で前記下部電極どうしを分離する配置で、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域と
を備える固体撮像素子。
(2)
前記分離領域は、前記下部電極の厚みよりも深く形成された前記固定電荷膜により形成される
上記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記分離領域は、前記光電変換膜に接するように前記下部電極の厚みよりも浅く形成された前記固定電荷膜と、前記固定電荷膜の下層側において前記下部電極の厚みよりも深く形成された絶縁膜との積層構造により形成される
上記(1)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記固体撮像素子は、ホール読み出し方式であり、
前記固定電荷膜は、正の固定電荷を有する
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)
前記固体撮像素子は、電子読み出し方式であり、
前記固定電荷膜は、負の固定電荷を有する
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)
上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極を形成し、
前記画素間で前記下部電極どうしを分離する配置で、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域を形成する
ステップを含む固体撮像素子の製造方法。
(7)
上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極と、
前記画素間で前記下部電極どうしを分離する配置で、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域と
を有する固体撮像素子を備える電子機器。
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
11 固体撮像素子, 12 画素, 21 半導体基板, 22 配線層, 23 絶縁膜, 24 有機光電変換膜, 25 オンチップレンズ層, 26 上部電極, 27 下部電極, 28 マイクロレンズ, 40 分離領域, 41 固定電荷膜, 42 絶縁膜, 43 固定電荷膜

Claims (6)

  1. 上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極と、
    前記画素間で前記下部電極どうしを分離するように前記下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域と
    を備え
    ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、
    電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する
    固体撮像素子。
  2. 前記分離領域は、前記下部電極の厚みよりも深く形成された前記固定電荷膜により形成される
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  3. 前記分離領域は、前記光電変換膜に接するように前記下部電極の厚みよりも浅く形成された前記固定電荷膜と、前記固定電荷膜の下層側において前記下部電極の厚みよりも深く形成された絶縁膜との積層構造により形成される
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  4. 前記分離領域は、前記下部電極を前記画素ごとに分離するためのエッチングにより形成された凹部に前記固定電荷膜が埋め込まれて構成される
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  5. 上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極を形成し、
    前記画素間で前記下部電極どうしを分離するように前記下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域を形成する
    ステップを含み、
    ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、
    電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する
    固体撮像素子の製造方法。
  6. 上部電極との間に有機材料を含む光電変換膜を挟み込むように、画素ごとに設けられる下部電極と、
    前記画素間で前記下部電極どうしを分離するように前記下部電極との間に隙間を設けずに配置され、固定電荷を有する固定電荷膜を少なくとも有して構成される分離領域と
    を有し、
    ホール読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は正の固定電荷を有し、
    電子読み出し方式である場合には、前記固定電荷膜は負の固定電荷を有する
    固体撮像素子を備える電子機器。
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