JP2007287977A - 固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単板式カラー固体撮像素子よりも高画質で、積層型撮像素子よりも薄型化を実現することが可能な固体撮像素子の製造方法であって、素子の特性劣化を少なくすることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１上方の同一平面上に形成された多数の光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂと、多数の光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部４ｒ，４ｇ，４ｂとを有する固体撮像素子の製造方法であって、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々を構成する材料を、同一平面上にマスクを介して選択的に順次成膜して、多数の光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成する光電変換膜形成工程と、光電変換膜形成工程に先立ち、半導体基板１上方に、前記マスクを載置するためのマスク載置部材１０を形成するマスク載置部材形成工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板上方の同一平面上に形成された多数の光電変換膜と、前記多数の光電変換膜の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部とを有する固体撮像素子の製造方法に関する。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代表される単板式カラー固体撮像素子では、光電変換素子の配列上に３種または４種の色フィルタをモザイク状に配置している。これにより、各光電変換素子から色フィルタに対応した色信号が出力され、これ等の色信号を信号処理することでカラー画像が生成される。

しかし、モザイク状に色フィルタを配列した単板式カラー固体撮像素子は、原色の色フィルタの場合、およそ入射光の２／３が色フィルタで吸収されてしまうため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題がある。また、各光電変換素子で１色の色信号しか得られないため、解像度も悪く、特に、偽色が目立つという問題もある。

そこで、斯かる問題を克服するために、信号読出回路が形成された半導体基板の上に３層の光電変換膜を積層する構造の撮像素子（以下、積層型撮像素子ともいう）が研究・開発されている（例えば、下記の特許文献１，２）。この積層型撮像素子は、例えば、光入射面から順次、青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ）の光に対して信号電荷を発生する光電変換膜を重ねた受光部構造を備え、しかも各受光部毎に、各光電変換膜で光発生した信号電荷を独立に読み出すことができる信号読み出し回路が設けられる。

斯かる構造の積層型撮像素子の場合、入射光が殆ど光電変換されて読み出され、可視光の利用効率は１００％に近く、しかも各受光部でＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号が得られるため、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像が生成できる。

特表２００２−５０２１２０号公報 特開２００２−８３９４６号公報

上述した積層型撮像素子は、半導体基板上方に３層の光電変換膜が積層されているため、単板式のカラー固体撮像素子に比べると、その厚みが大きくなってしまう。積層型撮像素子の考えを応用し、半導体基板上方にＲ，Ｇ，Ｂの各色を検出する光電変換膜を同一平面上に配列した素子にすることで、単板式カラー固体撮像素子よりも高画質化を実現しながら、薄型化を実現することが可能である。このような構成を実現するには、３つの光電変換膜のそれぞれをパターニングして形成する必要がある。パターニングには一般にフォトリソグラフィ法が用いられるが、この方法だと、パターニングを行う度に、光電変換膜が高温下に置かれたり、現像液や洗浄液に曝されたりするため、その特性が劣化してしまう。光電変換膜が有機材料からなる場合には、この特性劣化がより顕著となる。このように、半導体基板上方の同一平面上に多数の光電変換膜を配列した構成にする場合には、特性劣化を防ぐことが難しかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、単板式カラー固体撮像素子よりも高画質で、積層型撮像素子よりも薄型化を実現することが可能な固体撮像素子の製造方法であって、素子の特性劣化を少なくすることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、基板上方の同一平面上に配列された多数の光電変換膜と、前記多数の光電変換膜の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記多数の光電変換膜は、それぞれ異なる波長を検出する２種類以上の光電変換膜に分類され、前記２種類以上の光電変換膜の各々を構成する材料を、前記同一平面上にマスクを介して選択的に順次成膜して、前記多数の光電変換膜を形成する光電変換膜形成工程と、前記光電変換膜形成工程に先立ち、前記基板上方に、前記マスクを載置するためのマスク載置部材を形成するマスク載置部材形成工程とを含む。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記マスク載置部材形成工程では、前記マスク載置部材を、平面視において前記光電変換膜が形成されるべき領域の周囲に点在させて形成する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記基板には、それぞれに１つの前記固体撮像素子が形成される多数のチップ領域が設けられ、前記マスク載置部材形成工程では、前記マスク載置部材を、前記多数のチップ領域の各々の周りを囲むように形成する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記マスク載置部材形成工程では、前記マスク載置部材を、形成すべき前記光電変換膜の上面よりも所定量だけ高い位置に形成する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記所定量が０．１μｍ〜５μｍの範囲である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記マスク載置部材が絶縁体である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記マスクが磁性体材料で構成され、前記光電変換膜形成工程では、磁石によって前記マスクを前記基板側に引き寄せた状態で前記光電変換膜を形成する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記多数の光電変換膜と前記基板の間に、前記多数の光電変換膜毎に対応する多数の第一の電極膜を形成する第一の電極膜形成工程と、前記多数の光電変換膜の上に、前記多数の第一の電極膜の各々に対向し、前記多数の光電変換膜で共通化された第二の電極膜をマスクを介して形成する第二の電極膜形成工程と、前記第二の電極膜形成工程及び前記光電変換膜形成工程に先立ち、前記第二の電極膜に外部から電圧を供給するための第二電極膜用電極パッドを含む多数の電極パッドを形成する電極パッド形成工程とを含み、前記第二の電極膜形成工程で用いるマスクは、前記第二電極膜を形成すべき位置に形成された第一の開口と、前記開口の周縁の一部から前記第二電極膜用電極パッドの一部の上まで張り出した第二の開口とを有し、前記第二の開口を介して形成した前記第二の電極膜により、前記第一の開口を介して形成された前記第二の電極膜と前記第二電極膜用電極パッドとの電気的接続を行う。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記マスクの断面開口形状が、前記基板側に向かって細くなるテーパー状となっている。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記マスクが、開口の形成された本体部と、前記本体部を前記マスク載置部に向かって支持する支持部とを有する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換膜を構成する材料が有機材料である。

本発明の固体撮像素子は、基板上方の同一平面上に配列された多数の第一の電極膜と、前記多数の第一の電極膜の各々の上に形成された多数の光電変換膜と、前記多数の光電変換膜上に形成された前記多数の光電変換膜で共通の第二の電極膜と、前記多数の光電変換膜の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部と、前記多数の光電変換膜の各々の周囲に点在して設けられた部材であって、前記多数の光電変換膜の形成時に用いるマスクを載置するためのマスク載置部材とを備える。

本発明の固体撮像素子は、前記マスク載置部材が、前記光電変換膜の上面よりも所定量だけ高い位置に形成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記所定量が０．１μｍ〜５μｍの範囲である。

本発明の固体撮像素子は、前記マスク載置部材が絶縁体である。

本発明の固体撮像素子は、前記第二の電極膜に外部から電圧を供給するための第二電極膜用電極パッドを備え、前記第二の電極膜は、平面視において、前記光電変換膜上から前記第二電極膜用電極パッド上まで延びて形成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換膜を構成する材料が有機材料である。

本発明によれば、単板式カラー固体撮像素子よりも高画質で、積層型撮像素子よりも薄型化を実現することが可能な固体撮像素子の製造方法であって、素子の特性劣化を少なくすることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の部分表面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図である。
ｎ型シリコン基板１上にはｐウェル層２が形成されている。以下では、ｎ型シリコン基板１とｐウェル層２とを併せて半導体基板という。半導体基板上方には、主としてＲの波長領域の光に感度を有し、入射光の内の赤色の入射光量に応じたＲ信号電荷を発生する多数のＲ光電変換膜（Ｒ膜）９ｒと、主としてＧの波長領域の光に感度を有し、入射光の内の緑色の入射光量に応じたＧ信号電荷を発生する多数のＧ光電変換膜（Ｇ膜）９ｇと、主としてＢの波長領域の光に感度を有し、入射光の内の青色の入射光量に応じたＢ信号電荷を発生する多数のＢ光電変換膜（Ｂ膜）９ｂとを含む多数の光電変換膜が、同一平面上の行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されている。図１の例では、列方向に並ぶ多数のＲ光電変換膜９ｒからなる光電変換膜列と、列方向に並ぶ多数のＧ光電変換膜９ｇからなる光電変換膜列と、列方向に並ぶ多数のＢ光電変換膜９ｂからなる光電変換膜列とが、この順番で行方向に繰り返し配列された構成となっている。

Ｒ光電変換膜９ｒを構成する材料は、無機材料でも有機材料でも良い。無機材料の場合は、例えば、ＧａＡｌＡｓ，Ｓｉを用いる。有機材料の場合は、例えば、ＺｎＰｃ（亜鉛フタロシアニン）／Ａｌｑ３（キノリノールアルミ錯体）を用いる。

Ｇ光電変換膜９ｇを構成する材料は、無機材料でも有機材料でも良い。無機材料の場合は、例えば、ＩｎＧａＡｌＰやＧａＰＡｓを用いる。有機材料の場合は、例えば、Ｒ６Ｇ／ＰＭＰＳ（rhodamine 6G (R6G)-doped polymethylphenylsilane）を用いる。

Ｂ光電変換膜９ｂを構成する材料は、無機材料でも有機材料でも良い。無機材料の場合は、例えば、ＩｎＡｌＰを用いる。有機材料の場合は、例えば、Ｃ６／ＰＨＰＰＳ（coumarin 6 (C6)-doped poly(m-hexoxyphenyl)phenylsilane）を用いる。

Ｒ光電変換膜９ｒの下方のｐウェル層２表面にはＲ光電変換膜９ｒで発生した信号電荷を蓄積するための高濃度のｎ型不純物領域３ｒ（以下、ｎ＋領域３ｒと略す）が形成されている。Ｇ光電変換膜９ｇの下方のｐウェル層２表面にはＧ光電変換膜９ｇで発生した信号電荷を蓄積するための高濃度のｎ型不純物領域３ｇ（以下、ｎ＋領域３ｇと略す）が形成されている。Ｂ光電変換膜９ｂの下方のｐウェル層２表面にはＢ光電変換膜９ｂで発生した信号電荷を蓄積するための高濃度のｎ型不純物領域３ｂ（以下、ｎ＋領域３ｂと略す）が形成されている。

ｐウェル層２表面のｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂが形成されている以外の領域には、ｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂのそれぞれに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出すための信号読み出し部４ｒ，４ｇ，４ｂが形成されている。

信号読み出し部４ｒは、ｎ＋領域３ｒに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出す。信号読み出し部４ｇは、ｎ＋領域３ｇに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出す。信号読み出し部４ｂは、ｎ＋領域３ｂに蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出す。信号読み出し部４ｒ，４ｇ，４ｂは、ＣＣＤやＭＯＳ回路を用いた公知の構成を採用することができる。

ｎ＋領域３ｒ上にはアルミニウム等の金属からなるコンタクト部５ｒが形成され、コンタクト部５ｒ上にＲ光電変換膜９ｒに対応する第一の電極膜７ｒが形成されており、第一の電極膜７ｒ上にＲ光電変換膜９ｒが形成されている。ｎ＋領域３ｒと第一の電極膜７ｒはコンタクト部５ｒによって電気的に接続されている。第一の電極膜７ｒは、ｎ＋領域３ｒの遮光を兼ねるために不透明であることが好ましい。

ｎ＋領域３ｇ上にはアルミニウム等の金属からなるコンタクト部５ｇが形成され、コンタクト部５ｇ上にＧ光電変換膜９ｇに対応する第一の電極膜７ｇが形成されており、第一の電極膜７ｇ上にＧ光電変換膜９ｇが形成されている。ｎ＋領域３ｇと第一の電極膜７ｇはコンタクト部５ｇによって電気的に接続されている。第一の電極膜７ｇは、ｎ＋領域３ｇの遮光を兼ねるために不透明であることが好ましい。

ｎ＋領域３ｂ上にはアルミニウム等の金属からなるコンタクト部５ｂが形成され、コンタクト部５ｂ上にＢ光電変換膜９ｂに対応する第一の電極膜７ｂが形成されており、第一の電極膜７ｂ上にＢ光電変換膜９ｂが形成されている。ｎ＋領域３ｂと第一の電極膜７ｂはコンタクト部５ｂによって電気的に接続されている。第一の電極膜７ｂは、ｎ＋領域３ｂの遮光を兼ねるために不透明であることが好ましい。

コンタクト部５ｒ，５ｇ，５ｂは、それぞれ絶縁膜６内に埋設されている。第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂは、それぞれ絶縁膜８内に埋設されている。ｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂと、信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂを遮光するために、絶縁膜６や絶縁膜８を不透明なものにしておくことが好ましい。絶縁膜６や絶縁膜８を透明にした場合には、第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂ同士の間から半導体基板に光が漏れないようにするための遮光膜を絶縁膜６内又は絶縁膜８内に設けておく必要がある。

各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの上には、第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂの各々に対向し、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂで共通の１枚構成の第二の電極膜１１が形成されている。第二の電極膜１１は、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂに光を入射させるために透明電極である必要がある。第二の電極膜１１上には透明な保護膜１２が形成されている。このように、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂは、それぞれ、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂ毎に分離された第一の電極膜と、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂで共通の第二の電極膜１１とによって挟まれる構造となっている。

第二の電極膜１１は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物、及び金薄膜の透明導電性材料を用いることができる。
第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂは、上記透明導電性材料や、アルミニウム、モリブデン、タングステン、銅、金、インジウム、及びポリシリコン等の導電性材料を用いることができる。

信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂのそれぞれの上には、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成するために用いるマスクを載置するための絶縁体等からなるマスク載置部材１０が形成されている。マスク載置部材１０は、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの上面よりも所定量だけ高い位置まで延びて形成されている。又、マスク載置部材１０は、平面視において、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの周囲に点在するように形成されている。

図３は、マスク載置部材１０の配置例を示す図であり、図２に示す固体撮像素子において第二電極膜１１及び保護膜１２を取り除いた状態を示す平面図である。
図３に示す例では、マスク載置部材１０が、平面視において、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの４隅に形成されている。

以上のような構成の固体撮像素子では、入射光のうちのＲの波長域の光がＲ光電変換膜９ｒで吸収され、ここでＲ光の光量に応じた信号電荷が発生する。同様に、入射光のうちのＧの波長域の光がＧ光電変換膜９ｇで吸収され、ここでＧ光の光量に応じた信号電荷が発生する。同様に、入射光のうちのＢの波長域の光がＢ光電変換膜９ｂで吸収され、ここでＢ光の光量に応じた信号電荷が発生する。

第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂの各々と、第二の電極膜１１に所定のバイアス電圧を印加すると、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂで発生した信号電荷が第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂとコンタクト部５ｒ，５ｇ，５ｂを介してｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂに移動し、ここに蓄積される。そして、ｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂに蓄積された信号電荷に応じた信号が、信号読み出し部４ｒ，４ｇ，４ｂによって読み出され、固体撮像素子外部に出力される。出力された信号の配列は、図１のようなカラーフィルタ配列の単板式カラー固体撮像素子から出力される信号の配列と同様となるため、単板式カラー固体撮像素子で用いられる信号処理を行うことで、カラー画像データを生成することができる。

以上のような固体撮像素子によれば、光電変換膜を半導体基板上方に形成しているため、光電変換領域を大きくすることができる。したがって、信号読出部とフォトダイオードとを同一平面上に形成した従来の単板式カラー固体撮像素子に比べ、感度を向上させることができる。

又、以上のような固体撮像素子によれば、光電変換膜は開口率がほぼ１００％であるため、光電変換膜上方にマイクロレンズを設ける必要がない。このため、マイクロレンズを設けたことによる光量減少がなく、高感度化を実現することができる。又、マイクロレンズを設けたことによるシェーディングの発生を抑えることもできる。

又、以上のような固体撮像素子によれば、半導体基板上方に光電変換膜を１層設ける構成であるため、半導体基板上方に光電変換膜を３層設ける固体撮像素子に比べ、その厚み（図２の上下方向の長さ）を薄くすることができる。

又、以上のような固体撮像素子によれば、従来からある固体撮像素子の信号読出部の製造技術や、デジタルカメラ等で従来から行われている信号処理をそのまま利用することができる。

以上のような構成の固体撮像素子を製造するにあたり、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂをパターニングする際にフォトリソグラフィ法を用いると、上述したように、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの特性が劣化してしまう。本発明では、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂをメタルマスク等のマスクを介して順次成膜することによって、この特性劣化を防いでいる。以下、図１に示した固体撮像素子の製造方法について説明する。

図４及び図５は、図２に示した固体撮像素子の製造工程を示す図である。図４及び図５において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
ｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂと、信号読み出し部４ｒ，４ｇ，４ｂを、従来の単板式カラー固体撮像素子の製造プロセスと同様のプロセスによって形成後、半導体基板上にフォトリソグラフィ法及びエッチングによってパターニングしたコンタクト部５ｒ，５ｇ，５ｂを形成する。次に、コンタクト部５ｒ，５ｇ，５ｂ上に不透明な絶縁膜６を形成してこれを平坦化し、コンタクト部５ｒ，５ｇ，５ｂの表面を露出させる。次に、絶縁膜６及びコンタクト部５ｒ，５ｇ，５ｂ上にフォトリソグラフィ法及びエッチングによってパターニングした第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂを形成する。次に、第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂ上に透明又は不透明な絶縁膜８を形成してこれを平坦化し、第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂの表面を露出させる。次に、信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂのそれぞれの上の絶縁膜６及び絶縁膜８に、フォトリソグラフィ法及びエッチングによって開口を形成し、その後、この開口上に、後に形成すべき各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの上面よりも高い位置まで到達する膜厚の絶縁材料膜を形成し、この絶縁材料膜をフォトリソグラフィ法及びエッチングによってパターニングして、マスク載置部材１０を形成する。このときの状態を示した図が図４（ａ）である。ここまでの工程では、光電変換膜がまだ存在しないため、フォトリソグラフィ法を使用しても、光電変換膜の特性が劣化することはない。

次に、マスク載置部材１０上に、Ｇ光電変換膜９ｇを形成すべき領域に相当する部分にのみ開口が形成されたメタルマスクＭｇを載置する。そして、メタルマスクＭｇを介して絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂ上にＧ光電変換膜９ｇを選択的に成膜する（図４（ｂ））。例えば、メタルマスクＭｇ上にＧ光電変換膜９ｇを構成する材料を蒸着することで、メタルマスクＭｇの開口下方の絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂの表面にのみ、Ｇ光電変換膜９ｇを選択的に成膜することができる。尚、メタルマスクＭｇの開口面積は、第一の電極膜７ｇの平面視での面積よりも大きいことが好ましい。このようにしておくことで、第一の電極膜７ｇ上の一部に光電変換材料がのらないという事態を防ぐことができ、第一の電極膜７ｇ上に確実にＧ光電変換膜９ｇを形成することができる。

次に、メタルマスクＭｇを取り外し、マスク載置部材１０上に、Ｂ光電変換膜９ｂを形成すべき領域に相当する部分にのみ開口が形成されたメタルマスクＭｂを載置する。そして、メタルマスクＭｂを介して絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂ上にＢ光電変換膜９ｂを選択的に成膜する（図５（ｃ））。例えば、メタルマスクＭｂ上にＢ光電変換膜９ｂを構成する材料を蒸着することで、メタルマスクＭｂの開口下方の絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂの表面にのみ、Ｂ光電変換膜９ｂを選択的に成膜することができる。尚、メタルマスクＭｂの開口面積は、第一の電極膜７ｂの平面視での面積よりも大きいことが好ましい。このようにしておくことで、第一の電極膜７ｂ上の一部に光電変換材料がのらないという事態を防ぐことができ、第一の電極膜７ｂ上に確実にＢ光電変換膜９ｂを形成することができる。

次に、メタルマスクＭｂを取り外し、マスク載置部材１０上に、Ｒ光電変換膜９ｒを形成すべき領域に相当する部分にのみ開口が形成されたメタルマスクＭｒを載置する。そして、メタルマスクＭｒを介して絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂ上にＲ光電変換膜９ｒを選択的に成膜する（図５（ｄ））。例えば、メタルマスクＭｒ上にＲ光電変換膜９ｒを構成する材料を蒸着することで、メタルマスクＭｒの開口下方の絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂの表面にのみ、Ｒ光電変換膜９ｒを選択的に成膜することができる。尚、メタルマスクＭｒの開口面積は、第一の電極膜７ｒの平面視での面積よりも大きいことが好ましい。このようにしておくことで、第一の電極膜７ｒ上の一部に光電変換材料がのらないという事態を防ぐことができ、第一の電極膜７ｒ上に確実にＲ光電変換膜９ｒを形成することができる。

次に、メタルマスクＭｒを取り外し、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂ上にＩＴＯ等からなる第二の電極膜１１を形成し、その上に透明な絶縁材料等からなる保護膜１２を形成して、図２に示す構成の固体撮像素子を得る。

尚、以上の説明では、メタルマスクを用いたが、マスクの材料はメタルに限らず、光電変換膜を構成する材料が半導体基板側に到達しないように遮蔽できるものであれば良い。

以上の製造方法によれば、フォトリソグラフィ法を用いることなく各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成することができる。又、第二の電極膜１１を各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂで共通化しているため、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂ形成後にフォトリソグラフィ法を実施する必要がない。したがって、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの特性劣化を防ぐことができる。

フォトリソグラフィ法を用いて光電変換膜を形成するには、まず、絶縁膜８及び第一の電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂ上に全体に渡って光電変換膜を形成し、形成した光電変換膜上にパターニングしたレジストを形成し、このレジストをマスクにして光電変換膜を選択的にエッチング除去するといった工程を３回繰り返し行う必要がある。これに対して、本実施形態の製造方法は光電変換膜形成時の工程数を大幅に削減することができるため、製造コストを削減することができる。

又、図２に示すような構成の固体撮像素子の場合、第一電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂがそれぞれ分離されていれば、光電変換膜同士でショートが起こることはない。このため、各光電変換膜の位置合わせ精度はそれほど要求されない。したがって、本実施形態のように、マスクを介して光電変換膜を選択的に成膜する方法を採用しても、十分に性能を維持することが可能である。

図２に示す固体撮像素子と同じような構成を持つ素子として有機ＥＬ素子が挙げられる。有機ＥＬ素子においても、Ｒ，Ｇ，Ｂに発光する有機膜からなる発光膜をマスクを介した蒸着によって形成することが行われている。有機ＥＬ素子では、基板上に回路基板を形成した後、各発光膜を形成すべき領域の周囲を取り囲むように隔壁を形成し、この隔壁上にマスクを載置して蒸着を行うことで、発光膜を形成する技術が知られている。

この有機ＥＬ素子の製造方法と、本実施形態で説明した固体撮像素子の製造方法とが大きく異なる点は、マスク載置部材１０が、平面視において、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの周囲を取り囲むように形成されているのではなく、その周囲に点在するように形成されている点である。有機ＥＬ素子では、色の異なる発光膜同士が混ざってしまうと表示性能に大きく影響してしまうため、各発光膜を形成すべき領域の周囲を取り囲むようにマスク載置部材を形成することが必須である。これに対し、図２に示す固体撮像素子は、光電変換膜同士が混ざっても、信号処理によって補正することが可能であるため、図３に示すように、マスク載置部材を点在させることが可能である。固体撮像素子の場合、サイズが非常に小さいため、マスク載置部材を形成したことによるデッドスペースはなるべく小さいことが好ましいことから、マスク載置部材を点在させることは、デッドスペースを少なくする上で有効な手段となる。

又、固体撮像素子の場合、光電変換膜の特性劣化が画質に大きく影響することから、光電変換膜の特性劣化は避けたい。上述した製造方法によれば、マスク載置部材１０が光電変換膜の高さよりも高いため、マスク載置部材１０にマスクを載置した場合に光電変換膜が傷付いてしまうといった事態を避けることができる。尚、マスク載置部材１０の各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂ上面からの高さ（上記所定量）は、マスク載置部材１０に載置されるマスクと各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂとの接触を確実に防ぐことと、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの形成精度を十分に得ることとから、０．１μｍ〜５μｍの範囲が好ましい。

又、本実施形態の製造方法によれば、マスク載置部材１０を各光電変換膜の周囲に点在させて形成することで、光電変換膜を形成すべき領域にマスクを安定して載置することができ、蒸着パターンの寸法精度を向上させることができる。

以上のような製造方法によって図２に示す固体撮像素子を製造することで、単板式カラー固体撮像素子よりも高画質で、積層型撮像素子よりも薄く、光電変換膜の特性劣化の少ない固体撮像素子を実現することができる。

尚、以上の説明では、マスク載置部材１０を、平面視において、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの周囲に点在するように形成するものとしたが、図６に示すように、本実施形態で説明した１つの固体撮像素子が形成されるチップ領域Ｃを囲むように形成しても良い。図６は、本実施形態で説明した固体撮像素子が多数形成されるシリコンウェハの平面模式図である。図６に示すように、シリコンウェハには、多数のチップ領域Ｃが設けられ、各チップ領域Ｃには、図１に示した固体撮像素子が１つ形成されている。図６に示す例では、この多数のチップ領域Ｃの各々の周りを囲むようにシリコンウェハ上にマスク載置部材１０が形成されている。このマスク載置部材１０は、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの形成前に形成すれば良い。

固体撮像素子は、有機ＥＬ素子に比べるとサイズが小さいため、図６に示すようにマスク載置部材１０を形成した場合でも、チップ領域Ｃの上方においてマスクがしなってしまうことはほとんどない。又、上述したように、光電変換膜同士が混ざってしまうことも許される。このようなことから、チップ領域Ｃの周りを囲うようにマスク載置部材１０を形成することが可能である。図６のようにマスク載置部材１０を形成した場合には、チップ領域Ｃにマスク載置部材１０を形成する場合に比べて、固体撮像素子のデッドスペースを減らすことができる。

上述したマスクＭｒ，Ｍｇ，Ｍｂ（総称してマスクＭという）は、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂのサイズを数μｍ以下にすることから考えると、その厚さも数μｍ以下にする必要があり、マスクＭは非常に薄くて軽いものとなる。このため、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂ形成時には、マスクＭが動かないようにする工夫が必要である。例えば、マスクＭを磁性体材料で構成し、マスクＭをマスク載置部材１０に載置した後、図７に示すように、シリコン基板１の裏側に設けた電磁石１３を通電して、この電磁石１３によってマスクＭをシリコン基板１側に引き寄せた状態で、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成する方法が考えれる。このようにすることで、マスクＭをマスク載置部材１０に密着させた状態で各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成することができる。尚、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成する工程以外の工程時には、電磁石１３を非通電としておけば良い。

マスクＭをマスク載置部材１０に密着させる方法として、マスクＭ自体の構造を工夫しても良い。図８は、マスクＭの構造を工夫した例を示す図であり、（ａ）はマスクＭの断面図、（ｂ）はマスクＭの平面図である。図８に示すマスクＭは、開口ｋが形成されたマスク本体部Ｈと、マスク本体部Ｈをマスク載置部材１０に向かって支持する支持部１４（本体部Ｈが動かないような重さのもの）とを有する２層構造となっている。このような２層構造とすることで、支持部１４によりマスクＭをマスク載置部材１０に密着させることが可能となる。

以上の説明では、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成する際に、３種類のマスクを用いるものとしたが、図９に示すような開口ｋを有する１種類のマスクＭを順次移動させて、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成することも可能である。

尚、マスクＭの断面開口形状は、図１０に示すように、シリコン基板１側に向かって細くなるテーパー状となっていることが好ましい。このような形状にすることで、光電変換膜の形成パターンの寸法精度を向上させることができる。

各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを蒸着により形成するためには、光電変換膜９ｒを蒸着するためのＲ蒸着源、光電変換膜９ｇを蒸着するためのＧ蒸着源、光電変換膜９ｂを蒸着するためのＢ蒸着源の３つが必要となる。各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの形成方法としては、マスクＭｒをマスク載置部材１０に載置してＲ蒸着源により光電変換膜９ｒを形成し、マスクＭｇをマスク載置部材１０に載置してＧ蒸着源により光電変換膜９ｇを形成し、マスクＭｂをマスク載置部材１０に載置してＢ蒸着源により光電変換膜９ｂを形成するといった方法や、マスクｍをマスク載置部材１０に載置してＲ蒸着源により光電変換膜９ｒを形成し、マスクｍを移動させてＧ蒸着源により光電変換膜９ｇを形成し、マスクｍを移動させてＢ蒸着源により光電変換膜９ｂを形成するといった方法がある。本実施形態では、このような方法の他に、図１１に示すように、Ｒ蒸着源１８ｒ、Ｇ蒸着源１８ｇ、Ｂ蒸着源１８ｂを配置し、マスクｍを移動させることなく、蒸着方向を工夫することで、３種類の光電変換膜を形成する方法を採用することもできる。

本実施形態で説明した固体撮像素子の特徴の一つに、第二電極膜１１を各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂで共通の一枚構成とすることができる点が挙げられる。以下、この第二電極膜１１の形成方法について説明する。

図１２は、本実施形態の固体撮像素子の第二電極膜の形成工程を説明するための斜視図である。
まず、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成する前に、図６に示した各チップ領域Ｃに、第二の電極膜１１に外部から電圧を供給するための第二電極膜用電極パッド１６を含む多数の電極パッド１５を、図１２に示すように、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂが形成される領域１７の周りに形成しておく。そして、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂを形成後、第二電極膜１１を形成すべき位置に形成された第一の開口Ｋ１と、開口Ｋ１の周縁の一部から第二電極膜用電極パッド１５の一部の上まで張り出した第二の開口Ｋ２とを有するマスクｍを介して、例えば蒸着によって第二の電極膜１１を形成する。このようなマスクｍを用いて第二の電極膜１１を形成することで、第二の開口Ｋ２を介して形成された第二の電極膜１１が、第一の開口Ｋ１を介して形成された第二の電極膜１１と第二電極膜用電極パッド１６との電気的接続を行う接続部の役割を果たし、第二電極膜１１の形成と、第二の電極膜１１と第二電極膜用電極パッド１６との電気的接続とを同時に行うことができる。

尚、マスクｍは、第二電極膜１１の形成に用いる蒸着装置側に固定しても良いし、図３や図６に示したようなパターンで形成されたマスク載置部材１０上に載置して固定しても良い。又、マスクｍについても、マスクＭと同様に、磁性体材料で構成したり、本体部と支持部との２層構造にしたり、断面開口形状をシリコン基板１に向かって細くなるテーパー状としたりすることが好ましい。

図２に示す構成の固体撮像素子では、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂで発生した信号電荷をｎ＋領域３ｒ，３ｇ，３ｂに移動させるために、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂにバイアス電圧を印加する必要がある。各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂに印加するバイアス電圧が全て同じであっても、撮影を行ってカラー画像を得ることは可能である。しかし、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂは、それぞれ特性が異なるものであるため、全てに同一のバイアス電圧が印加されてしまうと、良好な画質が得られない。例えば、ある光電変換膜では信号電荷の再結合が少ないが、他の光電変換膜では信号電荷の再結合が多くなってしまい、色毎に感度差が生じるといったことが起こる。そこで、本実施形態では、画質を向上させるために、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々に印加するバイアス電圧を独立に制御可能にしている。

図１３は、図２の固体撮像素子の構成を等価的に示した図である。図１３において図２と同じ構成には同一符号を付してある。図１３に示す固体撮像素子は、図２に示す信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂとして、公知の３トランジスタからなるＭＯＳ回路を用いた構成である。
信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂの各々の構成は同一であるため、信号読出し部４ｒについて説明する。信号読出し部４ｒは、出力トランジスタ２１と、出力トランジスタ２１のゲートに移動した信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタ２０と、行方向に並ぶ多数の光電変換膜からなる光電変換膜行を選択するための行選択トランジスタ２２とを備える。

リセットトランジスタ２０は、そのソースが入力端子Ｉに接続され、そのドレインが電源Ｖｎ（Ｒ）に接続され、そのゲートがリセット信号線Ｒｅｓｅｔに接続される。出力トランジスタ２１は、そのゲートが入力端子Ｉとリセットトランジスタ２０のソースに接続され、そのソースが電源Ｖｃｃに接続され、そのドレインが行選択トランジスタ２２のソースに接続される。行選択トランジスタ２２は、そのゲートが行選択信号線Ｒｏｗに接続され、そのドレインが出力信号線Ｖ−ｏｕｔ（Ｒ）に接続される。

信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂそれぞれの違いは、リセットトランジスタ２０のドレインに接続される電源が異なる点と、出力信号線が異なる点である。リセットトランジスタ２０のドレインに接続される電源を、信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂ毎に異なるものとすることで、第一電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂに印加するバイアス電圧を、それぞれ独立に制御することができる。このような構成にすることで、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々に印加するバイアス電圧を最適な値に設定することができ、画質向上を図ることができる。

有機材料からなる光電変換膜は、そこに印加するバイアス電圧を変えることで、量子効率を変化させることが可能である。このため、光電変換膜を構成する材料が有機材料である場合には、本実施形態のように、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々に印加するバイアス電圧を独立に制御することで、光電変換時に、ＲＧＢ各成分の光の感度調整を行うことができるといった効果も得られる。

尚、図１３に示した構成は一例であり、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々に印加するバイアス電圧を独立に制御するためには、第一電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂに接続される電源がそれぞれ異なっていれば良い。又、信号読出し部４ｒ，４ｇ，４ｂがＣＣＤを用いたものであっても、第一電極膜７ｒ，７ｇ，７ｂに接続される電源をそれぞれ異なるものにすることで、光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの各々に印加するバイアス電圧を最適な値に設定することが可能である。

又、各光電変換膜９ｒ，９ｇ，９ｂの配列は図１に示したものに限らず、図１４の（ａ）や（ｂ）に示したような配列であっても良い。

又、本実施形態では、固体撮像素子が有する多数の光電変換膜に、Ｒ光電変換素子９ｒ、Ｇ光電変換素子９ｇ、Ｂ光電変換素子９ｂの３種類が含まれるものとしたが、２種類又は４種類以上含まれていても良い。又、光電変換膜の種類も、ＲＧＢの光を検出するものに限らず、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）の光を検出するものとしても良い。例えば、多数の光電変換膜が、Ｃｙの光を検出する多数の光電変換膜Ｃｙと、Ｍｇの光を検出する多数の光電変換膜Ｍｇと、Ｙｅの光を検出する多数の光電変換膜Ｙｅと、Ｇの光を検出する多数の光電変換膜Ｇとを含み、これらが図１４（ｃ）に示したように配列された構成であっても良い。

又、以上の説明では、光電変換膜が無機材料からなるものでも、有機材料からなるものでもどちらでも良いとしたが、上述した製造方法の効果が大きいのは、光電変換素子が有機材料からなる場合である。このため、光電変換膜を構成する材料は有機材料であることが特に好ましい。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の部分表面模式図 図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線の断面模式図 図１に示した固体撮像素子のマスク載置部材の配置例を示す図 図１に示した固体撮像素子の製造工程を示す図 図１に示した固体撮像素子の製造工程を示す図 図１に示した固体撮像素子のマスク載置部材の配置例を示す図 図１に示した固体撮像素子のマスク載置部材にマスクを密着させる方法を説明するための図 図１に示した固体撮像素子のマスク載置部材に載せるマスクの構造例を示す図 図１に示した固体撮像素子のマスク載置部材に載せるマスクの開口パターン例を示す図 図１に示した固体撮像素子のマスク載置部材に載せるマスクの断面開口形状を示す図 図１に示す固体撮像素子の各光電変換膜の蒸着方法を説明するための図 図１に示した固体撮像素子の第二の電極膜の形成方法を説明するための図 図２の固体撮像素子の構成を等価的に示した図 光電変換膜配列の変形例を示す図

符号の説明

１ シリコン基板
２ ｐウェル層
６，８ 絶縁膜
５ｒ，５ｇ，５ｂ 接続部
７ｒ，７ｇ，７ｂ 第一電極膜
９ｒ Ｒ光電変換膜
９ｇ Ｇ光電変換膜
９ｂ Ｂ光電変換膜
１０ マスク載置部材
１１ 第二電極膜
１２ 保護膜

Claims (17)

1. 基板上方の同一平面上に配列された多数の光電変換膜と、前記多数の光電変換膜の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記多数の光電変換膜は、それぞれ異なる波長を検出する２種類以上の光電変換膜に分類され、
   前記２種類以上の光電変換膜の各々を構成する材料を、前記同一平面上にマスクを介して選択的に順次成膜して、前記多数の光電変換膜を形成する光電変換膜形成工程と、
   前記光電変換膜形成工程に先立ち、前記基板上方に、前記マスクを載置するためのマスク載置部材を形成するマスク載置部材形成工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
2. 請求項１記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記マスク載置部材形成工程では、前記マスク載置部材を、平面視において前記光電変換膜が形成されるべき領域の周囲に点在させて形成する固体撮像素子の製造方法。
3. 請求項１記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記基板には、それぞれに１つの前記固体撮像素子が形成される多数のチップ領域が設けられ、
   前記マスク載置部材形成工程では、前記マスク載置部材を、前記多数のチップ領域の各々の周りを囲むように形成する固体撮像素子の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記マスク載置部材形成工程では、前記マスク載置部材を、形成すべき前記光電変換膜の上面よりも所定量だけ高い位置に形成する固体撮像素子の製造方法。
5. 請求項４記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記所定量が０．１μｍ〜５μｍの範囲である固体撮像素子の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記マスク載置部材が絶縁体である固体撮像素子の製造方法。
7. 請求項１〜５のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記マスクが磁性体材料で構成され、
   前記光電変換膜形成工程では、磁石によって前記マスクを前記基板側に引き寄せた状態で前記光電変換膜を形成する固体撮像素子の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記多数の光電変換膜と前記基板の間に、前記多数の光電変換膜毎に対応する多数の第一の電極膜を形成する第一の電極膜形成工程と、
   前記多数の光電変換膜の上に、前記多数の第一の電極膜の各々に対向し、前記多数の光電変換膜で共通化された第二の電極膜をマスクを介して形成する第二の電極膜形成工程と、
   前記第二の電極膜形成工程及び前記光電変換膜形成工程に先立ち、前記第二の電極膜に外部から電圧を供給するための第二電極膜用電極パッドを含む多数の電極パッドを形成する電極パッド形成工程とを含み、
   前記第二の電極膜形成工程で用いるマスクは、前記第二電極膜を形成すべき位置に形成された第一の開口と、前記開口の周縁の一部から前記第二電極膜用電極パッドの一部の上まで張り出した第二の開口とを有し、
   前記第二の開口を介して形成した前記第二の電極膜により、前記第一の開口を介して形成された前記第二の電極膜と前記第二電極膜用電極パッドとの電気的接続を行う固体撮像素子の製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記マスクの断面開口形状が、前記基板側に向かって細くなるテーパー状となっている固体撮像素子の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記マスクが、開口の形成された本体部と、前記本体部を前記マスク載置部に向かって支持する支持部とを有する固体撮像素子の製造方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記光電変換膜を構成する材料が有機材料である固体撮像素子の製造方法。
12. 基板上方の同一平面上に配列された多数の第一の電極膜と、
    前記多数の第一の電極膜の各々の上に形成された多数の光電変換膜と、
    前記多数の光電変換膜上に形成された前記多数の光電変換膜で共通の第二の電極膜と、
    前記多数の光電変換膜の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部と、
    前記多数の光電変換膜の各々の周囲に点在して設けられた部材であって、前記多数の光電変換膜の形成時に用いるマスクを載置するためのマスク載置部材とを備える固体撮像素子。
13. 請求項１２記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記マスク載置部材が、前記光電変換膜の上面よりも所定量だけ高い位置に形成されている固体撮像素子。
14. 請求項１３記載の固体撮像素子の製造方法であって、
    前記所定量が０．１μｍ〜５μｍの範囲である固体撮像素子。
15. 請求項１２〜１４のいずれか記載の固体撮像素子であって、
    前記マスク載置部材が絶縁体である固体撮像素子。
16. 請求項１２〜１５のいずれか記載の固体撮像素子であって、
    前記第二の電極膜に外部から電圧を供給するための第二電極膜用電極パッドを備え、
    前記第二の電極膜は、平面視において、前記光電変換膜上から前記第二電極膜用電極パッド上まで延びて形成されている固体撮像素子。
17. 請求項１２〜１６のいずれか記載の固体撮像素子であって、
    前記光電変換膜を構成する材料が有機材料である固体撮像素子。

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