JP2011258729A

JP2011258729A - 固体撮像装置及びその製造方法

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Publication number: JP2011258729A
Application number: JP2010131539A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takase; 雅之高瀬
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-22
Also published as: WO2011155121A1

Abstract

【課題】いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることのできる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置１００は、半導体基板１０１と、半導体基板の上に形成された配線層と、配線層の上に形成された、複数の画素に対応する複数の下部電極層１０４ｂ及び１０４ｇと、複数の下部電極層１０４ｂ及び１０４ｇ上に形成された有機光電変換膜１０６と、有機光電変換膜１０６上に形成された上部電極層１０７と、上部電極層１０７の上に形成された、複数の画素に対応する複数のカラーフィルタとを備え、複数のカラーフィルタは、主に第１の波長の光を透過するカラーフィルタ１０８ｇと、主に第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過するカラーフィルタ１０８ｂとを含み、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚さは、第１のカラーフィルタの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚さより厚い。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は固体撮像装置に関し、特に光電変換膜を有する積層型固体撮像装置に関する。

デジタルスチルカメラなどに利用されているイメージセンサは、半導体基板上にフォトダイオードを含む画素セルを配列し、フォトダイオードに光を入射することにより生じた電荷を信号電荷として読み出すＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサがよく知られている。これらの固体撮像装置は、半導体基板上にフォトダイオードおよび駆動回路の配線などが形成されている。画素セル部の配線は、受光のためにフォトダイオード上を開口したレイアウトとなっている。

近年、デジタルスチルカメラなどの高画素数化に伴って、固体撮像装置の画素セルの微細化が進められている。画素セルが微細になるにつれて、受光領域となるフォトダイオード上の配線開口が狭くなることによる感度低下が問題となっている。

そこで、受光領域を拡大するために、フォトダイオードと回路の配線を形成した半導体基板上方に光電変換層を積層させた積層型固体撮像装置が提案されている。

積層型固体撮像装置の構成と動作の一例を図８によって説明する。

図８に示す固体撮像装置９００は、半導体基板９０１上に積層された下部電極９０２と、前記下部電極９０２上に積層された有機材料からなる有機光電変換膜９０３と、前記有機光電変換膜９０３上に積層された上部電極９０４とを含む光電変換素子を半導体基板上に配列した構成である。光電変換素子の下部電極９０２と上部電極９０４との間に電圧を印加することで、有機光電変換膜９０３内で発生した信号電荷が下部電極９０２と上部電極９０４とに移動し、いずれかの電極に移動した電荷に応じた信号を、半導体基板９０１内の回路によって読み出される。

また、カラー固体撮像装置を実現する方法として、光入射面側に色分離のための特定の波長の光のみを透過するカラーフィルタを設ける構造が一般的であり、図９に示すような、青光、緑光、赤光をそれぞれ透過するカラーフィルタを規則的に配置した単板式センサがよく知られている。

特開２００７−２７３８９４号公報

しかしながら、従来技術においては、有機光電変換膜の量子効率および画素電極の反射率に波長依存性があるため、それぞれのカラーフィルタを透過する光の波長によって、光利用効率に差があるという課題が存在する。

図１０は、有機光電変換膜の光吸収率の波長依存性を示すグラフである。同図の横軸には入射光の波長が示され、縦軸には光吸収率が示されている。

図１１は、下部電極の反射率の波長依存性を示すグラフである。同図の縦軸には、入射光の波長が示され、縦軸には反射率が示されている。

具体的には、図１０は、有機光電変換膜として用いられるキナクリドン（膜厚５０ｎｍ）の光吸収率の波長依存性を示す。また、図１１は、下部電極に用いられる金属の一例として、下部電極にＴｉＮを用いた場合の反射率の波長依存性を示す。

有機光電変換膜を厚くした場合、光吸収の割合は高くなるが、５００ｎｍ〜５８０ｎｍの波長の光については、有機光電変換膜の裏面に設けられた下部電極から離れた有機光電変換膜表面で光電子（信号電荷）が発生することになる。その結果、電子移動度の小さい有機光電変換膜では応答性が悪くなる。つまり、５００ｎｍ〜５８０ｎｍの波長の光には十分な感度が得られない。

一方、有機光電変換膜を薄くした場合、４００ｎｍ〜５００ｎｍおよび５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光は光電変換膜を透過してしまうため、十分な感度を得ることができない。このうち、５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光は、図１１に示すように下部電極での反射率が高いので、下部電極で反射されるが、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光は、図１１に示すように下部電極での反射率が低いので、光電変換膜から下部電極へと透過してしまう。よって、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光には十分な感度が得られない。

上記の課題に鑑みて、本発明は、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることのできる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素が２次元状に配列された固体撮像装置であって、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された配線層と、前記配線層の上に形成された、前記複数の画素に対応する複数の下部電極層と、前記複数の下部電極層上に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜上に形成された上部電極層と、前記上部電極層の上に形成された、前記複数の画素に対応する複数のカラーフィルタとを備え、前記複数のカラーフィルタは、主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタと、主に前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタとを含み、前記第２のカラーフィルタの下方に位置する前記光電変換膜の厚さは、前記第１のカラーフィルタの下方に位置する前記光電変換膜の厚さより厚い。

これにより、光電変換膜の厚さを、光電変換膜の量子効率の波長依存性、及び、下部電極層の反射率の波長依存性に応じた厚さとするので、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることができる。

例えば、光電変換膜の量子効率の高い波長と、下部電極層の反射率の高い波長とに対応する画素の光電変換膜を薄くする場合、光電変換膜中において信号電荷を下部電極層に近い位置で発生させることできる上に、光電変換膜中の電界強度を大きくできるため、信号電荷の読出し効率を向上させることができる。

一方、光電変換膜の量子効率の高い波長と、下部電極層の反射率の低い波長とに対応する画素の光電変換膜を、他の画素の光電変換膜と比較して厚くする場合、光電変換膜中での低量子効率を補うことができる。

つまり、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることが可能となる。

また、前記複数の下部電極層は、前記第１のカラーフィルタの下方に位置する第１の下部電極と、前記第２のカラーフィルタの下方に位置する第２の下部電極とを含み、前記第２の下部電極の上面は、前記第１の下部電極の上面よりも前記半導体基板に近くてもよい。

また、前記第２のカラーフィルタの下方に位置する前記上部電極の下面は、前記第１のカラーフィルタの下方に位置する前記上部電極の下面よりも前記半導体基板から遠くてもよい。

また、隣接するカラーフィルタの境界を含む領域の下方に位置する前記光電変換膜の厚さは、他の領域の下方に位置する前記光電変換膜の厚さより薄くてもよい。

これにより、一の画素に対応する光電変換膜で発生した信号電荷が、隣接する他の画素に対応する光電変換膜へと移動する経路が狭くなる。また、隣接画素との境界の光電変換膜中の電界強度が強くなる。これにより、一の画素で発生した信号電荷が隣接する他の画素に対応する光電変換膜へと移動して偽信号として読み出されることを防止できる。つまり、混色を防止し、分光特性が向上する。

また、前記第１の波長における前記光電変換膜の量子効率は、前記第２の波長における前記光電変換膜の量子効率より高くてもよい。

これにより、光電変換膜中で、量子効率の高い第１の波長の光に応じて発生する信号電荷を、下部電極層に近い位置で発生できるので、信号電荷の読み出し効率を確実に向上できる。一方、光電変換膜の量子効率の低い第２の波長の光が入射する光電変換膜の厚さを厚くできるので、光電変換膜中で発生する信号電荷を多くすることができ、低量子効率を確実に補うことができる。

また、前記第１の波長における前記複数の下部電極層の反射率は、前記第２の波長における前記複数の下部電極層の反射率より高くてもよい。

これにより、第１のカラーフィルタの下方に位置する光電変換膜が薄い場合であっても、光電変換膜に入射した第１の波長の光が下部電極層へ透過せずに反射する。よって、第１の波長における光電変換膜の量子効率が低い場合であっても、光電変換膜中でより多くの信号電荷を発生させることができる。つまり、感度が向上する。

また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、複数の画素が２次元状に配列された固体撮像装置の製造方法であって、半導体基板の上に配線層を形成する工程と、前記配線層の上に、前記複数の画素に対応する複数の下部電極層を形成する工程と、前記複数の下部電極層上に光電変換膜を形成する工程と、前記光電変換膜上に上部電極層を形成する工程と、前記上部電極層の上に、前記複数の画素に対応する複数のカラーフィルタを形成する工程とを含み、前記複数のカラーフィルタを形成する工程は、主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタを形成する工程と、主に前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタを形成する工程とを含み、前記光電変換膜を形成する工程では、前記第２のカラーフィルタに対応する前記光電変換膜の厚さが、前記第１のカラーフィルタに対応する前記光電変換膜の厚さより厚くなるように前記光電変換膜を形成する。

また、前記複数の下部電極層を形成する工程は、前記第２のカラーフィルタに対応する第２の下部電極を形成する工程と、前記第２の下部電極を形成する工程の後に、前記配線層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、前記第１のカラーフィルタに対応する第１の下部電極を形成する工程とを含んでもよい。

また、前記複数の下部電極層を形成する工程では、前記複数の下部電極層を同時に形成し、前記光電変換膜を形成する工程は、前記複数の下部電極層上に、均一な厚みの前記光電変換膜を形成する工程と、前記第１のカラーフィルタに対応する前記均一な厚みの光電変換膜を選択的にエッチングする工程とを含んでもよい。

これにより、製造プロセスを簡易化することができる。

上記手段によって、本発明は、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることのできる固体撮像装置及びその製造方法を実現できる。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す上面図である。図１ＡのＡ−Ａ’断面における固体撮像装置の構成を示す断面図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の他の一例を示す工程断面図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。従来の実施形態に係る固体撮像装置の断面模式図である。カラーフィルタの配置例を示す上面図である。有機光電変換膜の光吸収率の波長依存性を示すグラフである。下部電極の反射率の波長依存性を示すグラフである。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置は、複数の画素が２次元状に配列された固体撮像装置であって、半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層と、配線層の上に形成された、複数の画素に対応する複数の下部電極層と、複数の下部電極層上に形成された光電変換膜と、光電変換膜上に形成された上部電極層と、上部電極層の上に形成された、複数の画素に対応する複数のカラーフィルタとを備え、複数のカラーフィルタは、主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタと、主に第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタとを含み、第２のカラーフィルタの下方に位置する光電変換膜の厚さは、第１のカラーフィルタの下方に位置する光電変換膜の厚さより厚い。

これにより、本実施形態に係る固体撮像装置は、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることができる。

以下、図面を用いて本実施形態に係る固体撮像装置について説明する。

図１Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す上面図であり、特に、当該固体撮像装置に含まれる撮像領域の構成を示す上面図である。

図１Ａに示すように、本実施形態に係る固体撮像装置の１００は、２次元状に配列された複数の画素を有する。この複数の画素は、赤系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｒを有する画素と、緑系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｇを有する画素と、青系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｂを有する画素とを含む。例えば、赤系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｒは主に波長５８０〜７００ｎｍを透過帯域とし、緑系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｇは主に波長５００〜５８０ｎｍを透過帯域とし、青系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｂは主に波長４００〜５００ｎｍを透過帯域とする。これらのカラーフィルタ１０８ｒ、１０８ｇ及び１０８ｂは、例えばベイヤ配列に従って配置されている。

なお、緑系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｇは本発明の第１のカラーフィルタに相当し、青系の光を透過するカラーフィルタ１０８ｂは本発明の第２のカラーフィルタに相当する。また、カラーフィルタ１０８ｇを透過する波長５００〜５８０ｎｍの光は、本発明の第１の波長の光に相当し、カラーフィルタ１０８ｂを透過する波長４００〜５００ｎｍの光は本発明の第２の波長の光に相当する。

図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’断面における固体撮像装置１００の構成を示す断面図である。

同図に示す固体撮像装置１００は、半導体基板１０１上に、金属配線１０２、層間絶縁膜１０３、コンタクト・ビア１０４ａからなる配線部を備える。配線部の上方に下部電極１０５ｂ、１０５ｇと下部電極１０５ｂ、１０５ｇに対向する上部電極１０７と、下部電極１０５ｂ、１０５ｇと上部電極１０７の間に有機光電変換膜１０６を有する。上部電極１０７の上方にそれぞれ下部電極１０５ｂ、１０５ｇに対向するようにカラーフィルタ１０８ｂ、１０８ｇを設ける構成となっている。さらに、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇの上方にマイクロレンズ１０９を形成する構成としてもよい。なお、カラーフィルタ１０８ｒが配置された画素の断面構成は、カラーフィルタ１０８ｇが配置された断面構成と同様である。

つまり、固体撮像装置１００は、半導体基板１０１と、複数の金属配線１０２と、層間絶縁膜１０３と、複数のコンタクト・ビア１０４ａ〜１０４ｃと、複数の下部電極１０５ｂ及び１０５ｇと、有機光電変換膜１０６と、上部電極１０７と、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇとを含み、さらに、マイクロレンズ１０９を含んでもよい。

半導体基板１０１は、複数の画素に対応する複数の不純物領域が形成され、有機光電変換膜１０６で生成された信号電荷を保持する、例えば、シリコン基板である。

複数の金属配線１０２は、層間絶縁膜１０３を介して積層され、コンタクト・ビア１０４ａを介して電気的に接続されている。

コンタクト・ビア１０４ｂは、下部電極１０５ｂと、カラーフィルタ１０８ｂの下方に形成された最上層の金属配線１０２とを電気的に接続する。

コンタクト・ビア１０４ｃは、下部電極１０５ｇと、カラーフィルタ１０８ｇの下方に形成された最上層の金属配線１０２とを電気的に接続する。

層間絶縁膜１０３は、複数の金属配線１０２間及び複数の下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ間に形成され、複数の金属配線１０２間及び複数の下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ間を絶縁する。

下部電極１０５ｂ及び１０５ｇのそれぞれは、本発明の下部電極層に対応し、下部電極１０５ｂはカラーフィルタ１０８ｂの下方に配置され、下部電極１０５ｇはカラーフィルタ１０８ｇの下方に配置されている。また、下部電極１０５ｂの上面は、下部電極１０５ｇの上面よりも半導体基板１０１に近い。これら下部電極１０５ｂ及び１０５ｇの具体的な材料については後述するが、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇは、例えば図１１に示すような反射率の波長依存性を有する。つまり、波長５００〜５８０ｎｍにおける下部電極１０５ｂ及び１０５ｇの反射率は、波長４００〜５００ｎｍにおける下部電極１０５ｂ及び１０５ｇの反射率より高い。なお、下部電極１０５ｇは本発明の第１の下部電極に相当し、下部電極１０５ｂは本発明の第２の下部電極に相当する。

有機光電変換膜１０６は、本発明の光電変換膜に相当し、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ上に設けられ、入射光を光電変換することにより入射光に応じた信号電荷を生成する。この有機光電変換膜１０６で生成された信号電荷は、上部電極１０７と下部電極１０５ｂ及び１０５ｇとの間に印加されるバイアス電圧に応じて下方に位置する下部電極１０５ｂ及び１０５ｇへ移動し、コンタクト・ビア１０４ａ〜１０４ｃ及び複数の金属配線１０２を介して半導体基板１０１へ移動する。

この有機光電変換膜１０６は、例えばキナクリドンからなり、図１０に示すような光吸収率の波長依存性を有する。つまり、波長５００〜５８０ｎｍにおける有機光電変換膜１０６の光吸収率は、波長４００〜５００ｎｍにおける有機光電変換膜１０６の光吸収率より高い。言い換えると、波長５００〜５８０ｎｍにおける有機光電変換膜１０６の量子効率は、波長４００〜５００ｎｍにおける有機光電変換膜１０６の量子効率より高い。

ここで、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚みは、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚みより厚くなっている。このように、波長の短い光を透過するカラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚みを厚くすることにより、カラーフィルタ１０８ｂを介して有機光電変換膜１０６に入射した光が有機光電変換膜１０６を透過してしまうことによる感度の低下を防止できる。

一方、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚みを薄くすることにより、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜１０６は、下面側で信号電荷を発生できる。つまり、下部電極１０５ｇに近い位置で信号電荷を発生できる。これにより、カラーフィルタ１０８ｇを透過する光に対する応答性が向上する。さらに、上部電極１０７と下部電極１０５ｇとの距離が近くなるので、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜１０６中の電界強度が大きくなる。その結果、有機光電変換膜１０６で発生した信号電荷の読み出し効率が高くなる。

上部電極１０７は、本発明の上部電極層に相当し、有機光電変換膜１０６上に設けられる。下部電極１０５ｇ及び１０５ｇとの間にバイアス電圧を印加する。

マイクロレンズ１０９は、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇ上に形成され、入射した光を集光する。

このように構成された固体撮像装置１００は、マイクロレンズ１０９側から光が入射され、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇによって特定の波長の光のみ透過させ、この光に応じた信号電荷が有機光電変換膜１０６で発生する。そして、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇと上部電極１０７との間にバイアス電圧を印加することにより、有機光電変換膜１０６中に電界をかけ、発生した信号電荷を下部電極１０５ｂ及び１０５ｇに移動させて、移動した信号電荷に応じた信号を外部に取り出すことができる構成となっている。

上述した有機光電変換膜１０６は、２種類以上の膜厚を有する構造であり、波長の短い光（４００ｎｍ〜５００ｎｍ）を透過するカラーフィルタ１０８ｂの下方で、膜厚が厚い構成となっている。

以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１００は、複数の画素が２次元状に配列された固体撮像装置であって、半導体基板１０１と、半導体基板１０１の上に形成された配線層と、配線層の上に形成された、複数の画素に対応する下部電極１０５ｂ及び１０５ｇと、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ上に形成された有機光電変換膜１０６と、有機光電変換膜１０６上に形成された上部電極１０７と、上部電極１０７の上に形成された、複数の画素に対応するカラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇとを備え、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇは、主に５００〜５８０ｎｍの波長の光を透過するカラーフィルタ１０８ｇと、主に４００〜５００ｎｍの波長の光を透過するカラーフィルタ１０８ｂとを含み、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚さは、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜１０６の厚さより厚い。

この構成により、有機光電変換膜１０６の量子効率の高い５００ｎｍ〜５８０ｎｍの波長の光を吸収する画素と、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇの反射率の高い５８０ｎｍ〜７００ｎｍの波長の光を吸収する画素との有機光電変換膜１０６を薄くすることができ、信号電荷を下部電極１０５ｇに近い位置で発生させることできる上に、有機光電変換膜１０６中の電界強度を大きくできるため、信号電荷の読出し効率を向上させることができる。

一方、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光については、有機光電変換膜１０６の膜厚を他の画素と比較して厚くすることで、有機光電変換膜１０６中での低量子効率を補うことができる。

言い換えると、カラーフィルタ１０８ｇを介して有機光電変換膜１０６に入射される５００ｎｍ〜５８０ｎｍの波長の光に対応する信号電荷を、有機光電変換膜１０６の下部電極１０５ｇに近い位置で発生させることができる。また、下部電極１０５ｇと上部電極１０７との間で発生される電界強度を大きくできる。これにより、信号電荷の読み出し効率が向上する。

また、カラーフィルタ１０８ｒを介して有機光電変換膜１０６に入射される５８０ｎｍ〜７００ｎｍの光に対しては、カラーフィルタ１０８ｒの下方に位置する下部電極の５８０ｎｍ〜７００ｎｍの光の反射率が高いことにより、同様の効果を奏する。

一方、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜１０６の膜厚を厚くすることにより、カラーフィルタ１０８ｂを介して有機光電変換膜１０６に入射される４００〜５００ｎｍの波長の光の下部電極１０５ｂへの透過を防止でき、膜厚が薄い場合と比較して、入射した光に対して発生させる信号電荷の変換効率を向上できる。

つまり、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００は、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることができる。

次に、上述した固体撮像装置１００の製造方法について説明する。ここで、固体撮像装置１００の製造方法は、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇに用いる材料により一部異なる。

まず、下部電極の材料としてＴｉＮ、Ａｌ又はＡｌを含む化合物を用いた場合の製造方法について説明する。

図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法の一例を示す工程断面図である。具体的には、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇにＴｉＮ、Ａｌ又はＡｌを含む化合物を用い、半導体基板１０１の表面からの距離が異なる複数の下部電極１０５ｂ及び１０５ｇを形成することにより、有機光電変換膜１０６の膜厚を複数持たせる第１の実施形態の第１の製造方法例の各工程の断面図を示している。

まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板上１０１上に金属配線１０２、層間絶縁膜１０３及びコンタクト・ビア１０４ａを積層して形成して、固体撮像装置１００を駆動するための回路を形成する。金属配線１０２及びコンタクト・ビア１０４ａの材料としては銅（Ｃｕ）を用いることで、層間絶縁膜１０３に対してダマシンプロセスと用いることができ、配線の微細化が可能となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１０３を堆積し、エッチングによりビアホールを形成した後に、コンタクト・ビア１０４ｂの材料を堆積して、ビアホールの埋め込みを行う。その後、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械的研磨）によりコンタクト・ビア１０４ｂを形成する。コンタクト・ビア１０４ｂの材料としては、Ｗ、Ａｌ、ＴｉＮなどが挙げられる。なお、ここまでの工程で構成された、層間絶縁膜１０３と、金属配線１０２と、コンタクト・ビア１０４ａ及び１０４ｂとからなる積層配線層１２０は、本発明の配線層に相当する。

次に、図２（ｃ）に示すように、下部電極１０５ｂを形成する。また、波長の長い光を透過するカラーフィルタ１０８ｇに対向する位置に形成される下部電極１０５ｇと電気的な接続が取れるように金属配線１０２を形成する。ここで、下部電極１０５ｂの材料としては、上述したようにＴｉＮ、Ａｌ又はＡｌを含む化合物などが挙げられる。

次に、図２（ｄ）及び図２（ｅ）に示すように、図２（ｂ）から図２（ｃ）に示した工程と同様の工程で、コンタクト・ビア１０４ｃを形成した後、下部電極１０５ｇを形成する。

次に、図２（ｆ）に示すように、下部電極１０５ｂ上の層間絶縁膜１０３を選択的にエッチングして、下部電極１０５ｂを露出させる。

次に、図２（ｇ）に示すように、有機光電変換膜１０６を下部電極１０５ｂ及び１０５ｇの上方に蒸着または堆積する。有機光電変換膜１０６を蒸着または堆積した後、平坦化を行ってもよい。

次に、図２（ｈ）に示すように、有機光電変換膜１０６上に、上部電極１０７を形成した後、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｃを形成する。なお、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｃの上方にマイクロレンズ１０９を形成しても良い。

以上のようにして、図１Ａ及び図１Ｂに示す固体撮像装置１００を製造することができる。

つまり、本実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法は、半導体基板１０１の上に積層配線層１２０を形成する工程と、積層配線層１２０の上に、複数の画素に対応する下部電極１０５ｂ及び１０５ｇを形成する工程と、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ上に有機光電変換膜１０６を形成する工程と、有機光電変換膜１０６上に上部電極１０７を形成する工程と、上部電極１０７の上に、複数の画素に対応するカラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇを形成する工程とを含み、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇを形成する工程は、主に５００〜５８０ｎｍの波長の光を透過するカラーフィルタ１０８ｇを形成する工程と、主に４００〜５００ｎｍの波長の光を透過するカラーフィルタ１０８ｂを形成する工程とを含み、有機光電変換膜１０６を形成する工程では、カラーフィルタ１０８ｂに対応する光電変換膜の厚さが、カラーフィルタ１０８ｇに対応する有機光電変換膜１０６の厚さより厚くなるように有機光電変換膜１０６を形成する。

具体的には、下部電極１０５ｂ及び１０８ｇを形成する工程は、カラーフィルタ１０８ｂに対応する下部電極１０５ｂを形成する工程と、下部電極を形成する工程の後に、積層配線層１２０上に層間絶縁膜１０３を形成する工程と、層間絶縁膜１０３上に、カラーフィルタ１０８ｇに対応する下部電極１０５ｂを形成する工程とを含む。

これにより、下部電極１０５ｂの上面を、下部電極１０５ｇの上面よりも半導体基板１０１に近くなるように形成できる。よって、有機光電変換膜１０６を表面が実質的に平坦になるように下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ上に蒸着又は堆積させることで、カラーフィルタ１０８ｂに対応する有機光電変換膜１０６の厚さが、カラーフィルタ１０８ｇに対応する有機光電変換膜１０６の厚さより厚くなる。

したがって、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることができる固体撮像装置１００を製造できる。

次に、下部電極の材料としてＣｕ又はＣｕを含む化合物を用いた場合の製造方法について説明する。

図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法の他の一例を示す工程断面図である。具体的には、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇにＣｕ又はＣｕを含む化合物を用い、半導体基板１０１の表面からの距離が異なる複数の下部電極１０５ｂ及び１０５ｇを形成することにより、有機光電変換膜１０６の膜厚を複数持たせる第１の実施形態の第２の製造方法例の各工程の断面図を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に金属配線１０２、層間絶縁膜１０３及びコンタクト・ビア１０４ａを積層して、固体撮像装置１００を駆動するための回路を形成する。金属配線１０２及びコンタクト・ビア１０４ａの材料としては銅（Ｃｕ）を用いることで、層間絶縁膜１０３に対してダマシンプロセスと用いることができ、配線の微細化が可能となる。さらに本実施形態では後の下部電極１０５ｇの工程まで同じ銅（Ｃｕ）プロセスを用いることができるため、プロセスを簡略化できる。

次に、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１０３を堆積し、エッチングにより、堆積した層間絶縁膜１０３の一部を除去することにより溝を形成する。この除去する層間絶縁膜１０３は、後の工程で形成されるコンタクト・ビア１０４ｂ及び下部電極１０５ｂに対応する。

次に、図３（ｃ）に示すように、層間絶縁膜１０３に形成した溝部分にＣｕまたはＣｕを含む金属材料を埋め込んだ後、ＣＭＰにより、コンタクト・ビア１０４ｂ及び下部電極１０５ｇを形成する。

次に、図３（ｄ）及び図３（ｅ）に示すように、図３（ｂ）〜図３（ｃ）と同様の手順で、コンタクト・ビア１０４ｃ及び下部電極１０５ｇを形成する。

次に、図３（ｆ）〜図３（ｈ）に示すように、図２（ｆ）〜図２（ｈ）に示した製造方法の工程と同様の手順により、図１Ａ及び図１Ｂに示す固体撮像装置１００を得ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較してほぼ同じであるが、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する上部電極の下面がカラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する上部電極の下面よりも半導体基板１０１から遠く、下部電極１０５ｇの上面から半導体基板１０１までの距離と、下部電極１０５ｂの上面から半導体基板１０１までの距離とは実質的に等しい点が異なる。

図４は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、この断面は、図１ＡのＡ−Ａ’断面に相当する。

図４に示す固体撮像装置２００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較して、全ての画素で下部電極１０５ｂ及び１０５ｇが半導体基板１０１の表面から同じ高さに形成される。言い換えると、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇは、同じ配線層に形成されている。

また、固体撮像装置２００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較して、有機光電変換膜１０６に代わり有機光電変換膜２０６を備え、上部電極１０７に代わり上部電極２０７を備える。この上部電極２０７は、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する当該上部電極２０７の下面がカラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する当該上部電極２０７の下面よりも半導体基板１０１から遠い。言い換えると、実施形態１では、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜の厚みが、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜の厚みより厚くなるように、有機光電変換膜１０６は下面に凹凸を有した。これに対して、実施形態２では、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜の厚みが、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜の厚みより厚くなるように、有機光電変換膜２０６は上面に凹凸を有する。

したがって、第２の実施形態に係る固体撮像装置２００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と同様の効果を奏する。つまり、いずれの波長の光においても、十分な感度を得ることができる。

以上のように、第２の実施形態に係る固体撮像装置２００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較して、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する上部電極２０７の下面がカラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する上部電極２０７の下面よりも半導体基板１０１から遠く、下部電極１０５ｇの上面から半導体基板１０１までの距離と、下部電極１０５ｂの上面から半導体基板１０１までの距離とは実質的に等しい点が異なる。

次に、上述した固体撮像装置２００の製造方法について説明する。

図５は、第２の実施形態に係る固体撮像装置２００の製造方法の一例を示す工程断面図である。

まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の工程と同様の工程により、半導体基板１０１上に、積層配線層１２０を形成する。但し、図５（ｂ）に示す積層配線層１２０は、この後の工程で形成される下部電極１０５ｇと接続されるコンタクト・ビア１０４ｃも含む。つまり、図５（ｂ）に示す積層配線層１２０は、層間絶縁膜１０３と、金属配線１０２と、コンタクト・ビア１０４ａ〜１０４ｃとからなる。

次に、図５（ｃ）に示すように、図２（ｃ）に示した第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の工程と同様の工程により、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇを同時に形成する。

次に、図５（ｄ）に示すように、有機光電変換膜２０６’を蒸着又は堆積する。ここで、蒸着又は堆積されることにより形成される有機光電変換膜２０６’は、複数の画素のいずれにおいても均一な厚みである。言い換えると、有機光電変換膜２０６’の上面は同一平面である。

次に、図５（ｅ）に示すように、有機光電変換膜２０６’を選択的にエッチングすることにより、下部電極１０５ｇの上方の有機光電変換膜２０６’のみ薄膜化する。その結果、有機光電変換膜２０６が形成される。言い換えると、カラーフィルタ１０８ｇに対応する有機光電変換膜２０６’を選択的にエッチングすることにより、カラーフィルタ１０８ｂの下方に位置する有機光電変換膜２０６の厚みが、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜２０６の厚みより厚い有機光電変換膜２０６を形成する。

次に、図５（ｆ）に示すように、第１の実施形態と同様に、有機光電変換膜２０６上に上部電極２０７と、カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇを形成する。カラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇの上方にマイクロレンズ１０９を形成しても良い。

以上のようにして、図４に示す固体撮像装置２００を製造することができる。

つまり、本実施形態に係る固体撮像装置２００の製造方法は、図２及び図３に示した第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法と比較して、下部電極１０５ｂと下部電極１０５ｇとを同じ工程で形成する。その後、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇ上に、均一な厚みの有機光電変換膜２０６’を形成する工程と、カラーフィルタ１０８ｇに対応する均一な厚みの有機光電変換膜２０６’を選択的にエッチングすることにより有機光電変換膜２０６を形成する工程とを含む。

これにより、本実施形態に係る固体撮像装置２００の製造方法によれば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法と比較して、下部電極１０５ｂ及び１０５ｇを形成する工程を削減することができるため、製造プロセスを簡易化することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較してほぼ同じであるが、隣接するカラーフィルタの境界を含む領域の下方に位置する光電変換膜の厚さが、他の領域の下方に位置する光電変換膜の厚さより薄い点が異なる。

図６は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、この断面は、図１ＡのＡ−Ａ’断面に相当する。

第３の実施形態に係る固体撮像装置３００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００において、隣接する画素の境界にあたる部分の有機光電変換膜３０６の膜厚をその他の部分と比べて最も薄くする構造である。

言い換えると、本実施形態に係る固体撮像装置３００は、図１Ｂに示す固体撮像装置１００と比較して、有機光電変換膜１０６に代わり有機光電変換膜３０６を有し、上部電極１０７に代わり上部電極３０７を有する。この有機光電変換膜３０６は、隣接するカラーフィルタ１０８ｂとカラーフィルタ１０８ｇとの境界を含む領域の下方の厚みが、他の領域の下方の厚みより薄くなっている。また、それに伴い、隣接するカラーフィルタ１０８ｂとカラーフィルタ１０８ｇとの境界を含む領域の下方の上部電極３０７が厚くなっている。

これにより、一の画素に対応する有機光電変換膜３０６で発生した信号電荷が、隣接する他の画素に対応する有機光電変換膜３０６へと移動する経路が狭くなる。また、隣接画素との境界の有機光電変換膜３０６中の電界強度が強くなる。これにより、一の画素で発生した信号電荷が隣接する他の画素に対応する有機光電変換膜３０６へと移動して偽信号として読み出されることを防止できる。つまり、第３の実施形態に係る固体撮像装置３００は、混色を防止し、分光特性が向上する。

なお、図６では、有機光電変換膜３０６を選択的にエッチングすることにより、隣接画素との境界の有機光電変換膜３０６の膜厚を薄くした場合の構造を示しているが、有機光電変換膜３０６の下地に段差を形成することによって、有機光電変換膜３０６の膜厚差を設ける構成としても構わない。言い換えると、図６に示す固体撮像装置３００は、上面に高低差を設けることにより、隣接するカラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇの境界を含む領域の下方の有機光電変換膜３０６の膜厚を薄くした。これに対し、隣接するカラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇの境界を含む領域の下方の層間絶縁膜１０３を厚くすることにより、当該領域の下方の有機光電変換膜３０６の膜厚を薄くしてもよい。

また、第３の実施形態に係る固体撮像装置３００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の構成に対して、隣接するカラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇの境界を含む領域の下方に位置する有機光電変換膜３０６の膜厚を薄くする構成であったが、第２の実施形態に係る固体撮像装置２００に対して、隣接するカラーフィルタ１０８ｂ及び１０８ｇの境界を含む領域の下方に位置する光電変換膜の膜厚を薄くする構成であってもよい。この場合も、第３の実施形態と同様の効果と奏する。

（第４の実施形態）
本実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、下部電極層が駆動回路の配線層と同時に形成されている点が異なる。

図７は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。

同図に示す第４の実施形態に係る固体撮像装置４００は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と比較して、下部電極１０５ｂに代わり下部電極４０５ｂを有する。この下部電極４０５ｂは、固体撮像装置４００の駆動回路の金属配線１０２と同時に形成されている。

本実施形態に係る固体撮像装置４００の構成によれば、工程数を大幅に増やすことなく有機光電変換膜１０６の膜厚を複数有する構成とすることができる。また、下部電極４０５ｂの下方のスペースを固体撮像装置４００の駆動回路の配線領域として活用することができ、配線レイアウトの自由度を拡大することができる。

以上、本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、こららの実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施形態では、カラーフィルタ１０８ｇの下方の構造と、カラーフィルタ１０８ｒの下方の構造とは同一であるとしたが、これらは異なる構造であってもよい。具体的には、カラーフィルタ１０８ｇの下方に位置する有機光電変換膜の膜厚と、カラーフィルタ１０８ｒの下方に位置する有機光電変換膜の膜厚とは異なっていてもよい。

本発明を有機光電変換膜を有する積層型固体撮像装置に用いると、カラーフィルタを透過する光の波長によらず、発生した信号電荷を効率よく読み出すことのできるという効果を奏し、例えば、デジタルカメラなどの撮像装置に利用することができる。

１００、２００、３００、４００、９００固体撮像装置
１０１、９０１半導体基板
１０２金属配線
１０３層間絶縁膜
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃコンタクト・ビア
１０５ｂ、１０５ｇ、４０５ｂ、９０２下部電極
１０６、２０６、３０６、９０３有機光電変換膜
１０７、２０７、３０７、９０４上部電極
１０８ｂ、１０８ｇ、１０８ｒカラーフィルタ
１０９マイクロレンズ
１２０積層配線層

Claims

複数の画素が２次元状に配列された固体撮像装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された配線層と、
前記配線層の上に形成された、前記複数の画素に対応する複数の下部電極層と、
前記複数の下部電極層上に形成された光電変換膜と、
前記光電変換膜上に形成された上部電極層と、
前記上部電極層の上に形成された、前記複数の画素に対応する複数のカラーフィルタとを備え、
前記複数のカラーフィルタは、
主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタと、
主に前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタとを含み、
前記第２のカラーフィルタの下方に位置する前記光電変換膜の厚さは、前記第１のカラーフィルタの下方に位置する前記光電変換膜の厚さより厚い
固体撮像装置。
前記複数の下部電極層は、
前記第１のカラーフィルタの下方に位置する第１の下部電極と、
前記第２のカラーフィルタの下方に位置する第２の下部電極とを含み、
前記第２の下部電極の上面は、前記第１の下部電極の上面よりも前記半導体基板に近い
請求項１記載の固体撮像装置。
前記第２のカラーフィルタの下方に位置する前記上部電極の下面は、前記第１のカラーフィルタの下方に位置する前記上部電極の下面よりも前記半導体基板から遠い
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
隣接するカラーフィルタの境界を含む領域の下方に位置する前記光電変換膜の厚さは、他の領域の下方に位置する前記光電変換膜の厚さより薄い
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の波長における前記光電変換膜の量子効率は、前記第２の波長における前記光電変換膜の量子効率より高い
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の波長における前記複数の下部電極層の反射率は、前記第２の波長における前記複数の下部電極層の反射率より高い
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
複数の画素が２次元状に配列された固体撮像装置の製造方法であって、
半導体基板の上に配線層を形成する工程と、
前記配線層の上に、前記複数の画素に対応する複数の下部電極層を形成する工程と、
前記複数の下部電極層上に光電変換膜を形成する工程と、
前記光電変換膜上に上部電極層を形成する工程と、
前記上部電極層の上に、前記複数の画素に対応する複数のカラーフィルタを形成する工程とを含み、
前記複数のカラーフィルタを形成する工程は、
主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタを形成する工程と、
主に前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタを形成する工程とを含み、
前記光電変換膜を形成する工程では、
前記第２のカラーフィルタに対応する前記光電変換膜の厚さが、前記第１のカラーフィルタに対応する前記光電変換膜の厚さより厚くなるように前記光電変換膜を形成する
固体撮像装置の製造方法。
前記複数の下部電極層を形成する工程は、
前記第２のカラーフィルタに対応する第２の下部電極を形成する工程と、
前記第２の下部電極を形成する工程の後に、前記配線層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記第１のカラーフィルタに対応する第１の下部電極を形成する工程とを含む
請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
前記複数の下部電極層を形成する工程では、前記複数の下部電極層を同時に形成し、
前記光電変換膜を形成する工程は、
前記複数の下部電極層上に、均一な厚みの前記光電変換膜を形成する工程と、
前記第１のカラーフィルタに対応する前記均一な厚みの光電変換膜を選択的にエッチングする工程とを含む
請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。