(57)【要約】【課題】波長域の選択性に優れて２以上の波長域の光の情報を波長域毎に独立して取得可能であり、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好な撮像素子を提供する。【解決手段】撮像素子１０は、Ｓｉ基板７０に形成されたトランジスタ７１と埋込フォトダイオード７２を備えるＣＭＯＳイメージセンサである第２撮像素子１２の上に、高温プロセスで形成されたＴＦＴを有する読出回路２１と有機光電変換膜６１とを順に積層した第１撮像素子１１を備え、さらに第１撮像素子１１と第２撮像素子１２の間に、フォトニック結晶構造を有するカラーフィルタアレイ８０を備える。光の入射側の第１撮像素子１１が近赤外線画像を取得し、第２撮像素子１２がカラー画像を取得する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ１以上の波長域の光を透過させる第１の光電変換層と、前記第１の光電変換層が変換した電荷を電気信号として出力させる第１の読出回路と、前記第１の光電変換層を透過した１以上の波長域の光を吸収して電荷に変換する第２の光電変換層と、を上から順に備え、さらに前記第２の光電変換層が変換した電荷を電気信号として出力させる第２の読出回路を前記第１の読出回路よりも下方に備え、複数の波長域を含む光を上から入射される撮像素子であって、
前記第１の光電変換層は、耐熱温度が３００℃未満の材料を含有し、両面を透明電極膜で挟まれ、
前記第１の読出回路は、薄膜トランジスタを備え、
前記第２の光電変換層は、耐熱温度が３００℃以上の材料からなることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記第１の光電変換層は、有機材料を含有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記第１の光電変換層は、近赤外線を吸収することを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記第１の光電変換層は、結晶セレンを含有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第２の読出回路は、結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記第２の光電変換層は、結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記第２の光電変換層よりも上方に、前記第２の光電変換層が吸収する波長域の光を透過するカラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記第２の光電変換層は２以上の波長域の光を吸収し、
前記カラーフィルタは、前記第２の光電変換層が吸収する光のうちの固有の１波長域の光を透過しその余を吸収する２種類以上を周期的に配列して備えることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記第１の光電変換層は２以上の波長域の光を吸収し、
前記カラーフィルタは、前記第１の光電変換層の上に設けられ、前記第１の光電変換層が吸収する光のうちの固有の１波長域の光を透過しその余を吸収する２種類以上を周期的に配列して備えることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項１０】
１以上の波長域の光を前記波長域毎に電気信号に変換して出力する下部撮像手段を形成する下部撮像手段形成工程と、前記下部撮像手段上に、前記１以上の波長域と異なる１以上の波長域の光を電気信号に変換して出力する上部撮像手段を形成する上部撮像手段形成工程と、を行う撮像素子の製造方法であって、
前記下部撮像手段形成工程は、光電変換層およびトランジスタを形成し、
前記上部撮像手段形成工程は、薄膜トランジスタを形成する工程と、透明電極膜を所定の領域に形成する画素電極形成工程と、前記透明電極膜が形成された側に光電変換層を形成する光電変換層形成工程と、前記光電変換層に透明電極膜を積層する対向電極成膜工程と、を行い、さらに前記光電変換層形成工程よりも前に熱処理を行うことを特徴とする撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カラー撮像素子のように、複数の波長域の光の情報を波長域毎に取得する撮像素子（イメージセンサ）には、単板式と３板式が存在する。３板式は、レンズを通してカメラに入射された光を色分解プリズムで赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の単色光に分解して、各色の光を別々の撮像素子に入射させる。３板式は、高解像度と高感度が要求されるテレビジョン（ＴＶ）カメラ等に採用されるが、３枚の撮像素子が色分解プリズムの各色の光の取出し面に配置されるため、カメラ等の小型化、軽量化が困難である。これに対して、単板式は、赤、緑、青の各色の光を透過する微小なカラーフィルタを１枚の固体撮像素子上にモザイク状に配列して備え、カラーフィルタ毎に透過した光を電気信号に変換する。単板式は、撮像素子が１枚で足りるので、比較的小型であり、民生用のビデオカメラやデジタルカメラ等に主に採用される。
【０００３】
単板式のカラー撮像素子用の固体撮像素子（以下、撮像素子）は、可視〜赤外領域を含む広い分光感度を有するシリコン（Ｓｉ）を光電変換材料に適用し、Ｓｉ基板に埋込みフォトダイオードとして、電気信号の読出回路のトランジスタと共に形成される（例えば、特許文献１，２）。また、可視領域全体に分光感度を有し、かつＳｉよりも光電変換効率の高い光電変換材料として、結晶セレン（ｃ−Ｓｅ）（例えば、非特許文献１）や、組成ＣｕＩｎ1-xＧａx(Ｓｅ1-yＳy)のカルコパイライト構造の化合物半導体（ＣＩＧＳ）（例えば、特許文献３，４）が開発されている。これらの材料からなる光電変換膜を対向電極と画素毎に区画された画素電極とで挟み、画素電極を読出回路に接続して撮像素子が構成される。
【０００４】
さらに、防犯や防災といったセキュリティ用途、工場での品質検査等のマシンビジョン用途、自動運転等の車載用途等に向けて、可視光と同時に近赤外線（ＮＩＲ）の情報も取得するシステムが要求されている。そこで、前記のＳｉフォトダイオードを有する単板式のカラー撮像素子において、カラーフィルタに近赤外線を透過するものを追加して、赤外線画像の撮像を可能としたカラー撮像素子が開発されている（例えば、特許文献５、非特許文献２）。なお、カラーフィルタは、各色の顔料等を含有する有機材料で、フォトリソグラフィ等によってパターニングされて形成される（例えば、特許文献５）。また、近年、耐久性に優れた無機材料からなり、より狭い波長域の光を選別することができるフォトニック結晶構造による光学フィルタが開発されている（例えば、非特許文献３）。
【０００５】
また、固有の波長域の光を吸収して電荷に変換し、それ以外の光を透過する光電変換膜を、複数種類積層した撮像素子が開発されている（例えば、特許文献６，７）。さらに、可視光に感度を有する光電変換膜と近赤外線に感度を有する光電変換膜とを積層した二層膜を備え、この二層膜をまとめて挟む画素電極と対向電極から印加される電圧の大きさを切り替えることにより、共通の読出回路でカラー（可視光）画像と赤外線画像の撮像を可能とする撮像素子が開発されている（例えば、非特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７５９４３５号公報
【特許文献２】特開２０１５−５６５１８号公報
【特許文献３】特開２０１７−１０９９９号公報
【特許文献４】特開２０１８−５６５８９号公報
【特許文献５】特開２０１７−１３９２８６号公報
【特許文献６】特開２００２−２１７１７４号公報
【特許文献７】特許第５５７２１０８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】為村成亨，他，“結晶セレンヘテロ接合ダイオードを積層した高感度イメージセンサ” ，映像情報メディア学会技術報告，Vol. 39，No. 16，IST2015-17，p. 29-32，２０１５年３月
【非特許文献２】Hayato Teranaka, Yusuke Monno, Masayuki Tanaka, Masatoshi Okutomi, “Single-Sensor RGB and NIR Image Acquisition: Toward Optimal Performance by Taking Account of CFA Pattern, Demosaicking, and Color Correction”, Electronic Imaging, Digital Photography and Mobile Imaging XII, pp. 1-6(6), February 2016
【非特許文献３】Yuichi Inaba, Masahiro Kasano, Kohichi Tanaka, T. Yamaguchi, “Degradation-free MOS image sensor with photonic crystal color filter”, IEEE Electron Device Letters, Volume 27, Number 6, pp 457-459, October 2006
【非特許文献４】町田真一，他，“有機薄膜の積層構造を用いたイメージセンサの近赤外感度可変技術” ，映像情報メディア学会技術報告，Vol. 41，No. 10，IST2017-19，p. 43-46，２０１７年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献５および非特許文献２に記載された撮像素子は、赤外線の撮像領域が１／４の面積であるので感度が低く、撮像素子と共にデジタルカメラ等のシステムに搭載される近赤外光源の光の強度を高くする必要がある。また、カラー撮像素子のカラーフィルタは、視感度の高い緑色光を多く受光するように、２×２に配列した４画素を一組として対角上の２画素を緑色に、残りを赤色と青色に１画素ずつ割り当てたベイヤー配列が一般的である。ところが、近赤外線用のカラーフィルタを追加すると、各色１画素ずつとなって緑色の受光領域が赤色、青色と同面積になるので、カラー画像の見かけ上の解像度が低くなる。
【０００９】
非特許文献４に記載された撮像素子は、小さな電圧で可視光の情報のみを、大きな電圧で可視光および赤外線の両方の情報を取得するので、可視光のカラー画像を撮像するために大きな電圧を印加することができず、感度を高くすることができない。また、可視光が照射されている昼間等には赤外線画像のみを撮像することができない。光を透過するように薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で形成された読出回路を、光電変換膜毎に備える垂直色分離型のカラー撮像素子も開発されているが（例えば、特許文献６，７）、薄膜トランジスタが室温等、１５０℃程度以下の低温で成膜可能な半導体材料に限られる。これは、色（波長域）選択性および光電変換効率に優れた光電変換膜が熱に弱い有機材料からなるものが多く、その耐熱温度よりも高温での処理ができないことによる。このような低温で形成された薄膜トランジスタは、３００〜４００℃程度で成膜された半導体材料で構成されるものと比較して電子移動度が低く、読出回路が高い読出し特性を得られない。
【００１０】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、波長域の選択性に優れて２以上の波長域の光の情報を波長域毎に独立して取得可能とし、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好な撮像素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る撮像素子は、１以上の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ１以上の波長域の光を透過させる第１の光電変換層と、前記第１の光電変換層が変換した電荷を電気信号として出力させる第１の読出回路と、前記第１の光電変換層を透過した１以上の波長域の光を吸収して電荷に変換する第２の光電変換層と、を上から順に備え、さらに前記第２の光電変換層が変換した電荷を電気信号として出力させる第２の読出回路を前記第１の読出回路よりも下方に備え、複数の波長域を含む光を上から入射されるものである。そして、前記第１の光電変換層が、耐熱温度が３００℃未満の材料を含有し、両面を透明電極膜で挟まれ、前記第１の読出回路が薄膜トランジスタを備え、前記第２の光電変換層が耐熱温度３００℃以上の材料からなる構成とする。
【００１２】
かかる構成により、撮像素子は、光の入射方向に２層の光電変換層を備えて、それぞれで異なる波長域の光を変換させるので、複数の波長域の光のそれぞれについて受光面積が小さくならず、感度および解像度が低いものとならない。そして、光の入射側の第１の光電変換層が、耐熱性の低い有機材料等を含有することによって光電変換効率や選択性の高いものとすることができ、入射した光から特定の波長域の光を選択的に吸収しかつ高効率で変換しつつ、前記波長域外の光を多く透過して、第２の光電変換層において感度を高いものとする。また、第２の光電変換層が耐熱性の高い材料を適用されることによって、その上の第１の読出回路を、下の第２の読出回路と同様に高温プロセスで形成された読出し特性の高いものとすることができる。
【００１３】
本発明に係る撮像素子の製造方法は、１以上の波長域の光を前記波長域毎に電気信号に変換して出力する下部撮像手段を形成する下部撮像手段形成工程と、前記下部撮像手段上に、前記１以上の波長域と異なる１以上の波長域の光を電気信号に変換して出力する上部撮像手段を形成する上部撮像手段形成工程と、を行う。そして、前記下部撮像手段形成工程は、光電変換層およびトランジスタを形成し、前記上部撮像手段形成工程は、薄膜トランジスタを形成する工程と、透明電極膜を所定の領域に形成する画素電極形成工程と、前記透明電極膜が形成された側に光電変換層を形成する光電変換層形成工程と、前記光電変換層に透明電極膜を積層する対向電極成膜工程と、を行い、さらに前記光電変換層形成工程よりも前に熱処理を行う手順とする。
【００１４】
かかる手順により、煩雑な工程によらずに、上下２つの読出回路を共に高温で形成し、かつ上部撮像手段の光電変換層を耐熱性の低い材料で形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る撮像素子によれば、波長域の選択性に優れて２以上の波長域の光の情報を波長域毎に独立して取得可能であり、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好な撮像素子が得られる。本発明に係る撮像素子の製造方法によれば、前記撮像素子を簡易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る撮像素子の概念を説明する分解図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。
【図３】撮像素子を構成する撮像素子の１画素の等価回路図である。
【図４】撮像素子を構成する撮像素子の１画素の等価回路図である。
【図５】撮像素子を構成する撮像素子の１画素の等価回路図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る撮像素子の製造方法を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る撮像素子の製造方法を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第２実施形態の変形例に係る撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る撮像素子の製造方法を説明するフローチャートである。
【図１２】本発明の第３実施形態の変形例に係る撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る撮像素子の製造方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る撮像素子およびその製造方法を実施するための形態について、図を参照して説明する。図面に示す撮像素子およびその要素は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状を単純化していることがある。
【００１８】
〔第１実施形態〕
カラー画像を撮像することが可能な撮像素子は、入射する光に含まれる青色光ＬB（ピーク波長λB＝４５０ｎｍ）、緑色光ＬG（ピーク波長λG＝５００〜５４０ｎｍ）、赤色光ＬR（ピーク波長λR＝６５０ｎｍ）を、それぞれ個別に電気信号に変換して出力し、さらに近赤外線画像を撮像するためには、入射する光に含まれる近赤外線ＬIR（波長７５０〜９００ｎｍ）を、光ＬB，ＬG，ＬRとは別に電気信号に変換して出力する。そのために、本発明の第１実施形態に係る撮像素子１０は、図１に示すように、上から順に、マイクロレンズ９を画素毎に配列したマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）９０と、画素毎に近赤外線ＬIRを電気信号に変換して出力する第１撮像素子１１と、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｇ，８ｂを画素に合わせてかつ周期的に配列したカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）８０と、画素毎に光ＬB，ＬG，ＬRの１つを電気信号に変換して出力する第２撮像素子１２と、を備える。
【００１９】
第１撮像素子１１および第２撮像素子１２はそれぞれ、構造上の最小単位である画素が二次元配列されている。第１撮像素子１１は、近赤外線画像の撮像素子であり、また、平面視で各画素の少なくとも一部の領域において、可視光（光ＬB，ＬG，ＬR）を透過するように構成される。そのために、第１撮像素子１１は、近赤外線ＬIRを吸収して電荷に変換し、かつ光ＬB，ＬG，ＬRを透過する第１の光電変換層６１と、その下に、第１の光電変換層６１が変換した電荷を電気信号として出力する第１の読出回路２１を備える。第２撮像素子１２は、カラーフィルタアレイ８０と併せて単板式カラー撮像素子を構成し、そのために、光ＬB，ＬG，ＬRを含む波長域の光を吸収して電荷に変換する第２の光電変換層７２、および第２の光電変換層７２が変換した電荷を電気信号として出力する第２の読出回路２２を備える。読出回路２１，２２はそれぞれ、画素の配列方向に延設した信号線を備え、水平信号線は外部の垂直走査回路に、垂直信号線は外部の水平走査回路に、それぞれ接続される（図示省略）。図１では簡潔に表すために、水平方向と垂直方向に１本ずつの信号線ＳＬ，ＯＬを示すが、後記するように、読出回路２１，２２の構成に応じて信号線が増加する。
【００２０】
このような撮像素子１０に入射した光（可視〜近赤外領域を含む光）は、マイクロレンズ９によって画素の中心へ集光されながら下方へ進行する。なお、図１においては、この光を、光ＬB，ＬG，ＬR，ＬIRをそれぞれ表した矢印の束で示す。そして、第１撮像素子１１に入射した光のうち、近赤外線ＬIRが第１の光電変換層６１で吸収されて電荷に変換され、画素毎に第１の読出回路２１で電気信号として読出線ＯＬに出力し、その他の光、すなわち可視光は透過する。そして、カラーフィルタアレイ８０において、カラーフィルタ８ｒで赤色光ＬR以外の可視光が、カラーフィルタ８ｇで緑色光ＬG以外の可視光が、カラーフィルタ８ｂで青色光ＬB以外の可視光が、それぞれ遮光され、その結果、画素毎に光ＬB，ＬG，ＬRの一つの色（波長域）の光が透過する。第２撮像素子１２に入射した光ＬB，ＬG，ＬRは、第２の光電変換層７２で吸収されて電荷に変換される。第２撮像素子１２において、光ＬB，ＬG，ＬRは、画素毎に一色（１波長域）ずつ入射するので、画素毎に第２の読出回路２２でそれぞれ個別の電気信号として読出線ＯＬに出力する。
【００２１】
本実施形態に係る撮像素子１０の詳細な構造を、図２を参照して説明する。第１撮像素子１１は、上下面を対向電極５２と画素電極５１とに挟まれた有機光電変換膜（第１の光電変換層）６１、第１回路層（第１の読出回路）２１、および対向電極５２を被覆する保護膜４６を備える。第２撮像素子１２は、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサ（例えば、特許文献１，２）であり、フォトダイオード（第２の光電変換層）７２、およびフォトダイオード７２が形成されたＳｉ基板７０とその下に形成された配線３３とからなる第２回路部（第２の読出回路）２２を備え、さらに、Ｓｉ基板７０の下に配線３３間を絶縁する絶縁層４１を備える。また、第２撮像素子１２の上（Ｓｉ基板７０の上）にカラーフィルタアレイ８０を備え、さらにその上に層間膜４２を備える。すなわち、撮像素子１０は、上から順に、マイクロレンズアレイ９０、保護膜４６、対向電極５２、有機光電変換膜６１、画素電極５１、第１回路層２１、層間膜４２、カラーフィルタアレイ８０、Ｓｉ基板７０、配線３３および絶縁層４１を備える。なお、図２に、撮像素子１０の画素間の境界を一点鎖線で表す。
【００２２】
撮像素子１０は、有機光電変換膜６１の上面（光の入射側の面、受光面）からフォトダイオード７２の受光面までの距離（厚さ方向長）が短いことが好ましい。前記距離が短いほど、有機光電変換膜６１およびフォトダイオード７２の両方において、入射光の焦点のずれが抑制される。具体的には、有機光電変換膜６１の上面からフォトダイオード７２の受光面までの距離（以下、受光面差）が１０μｍ以下であることが好ましい。フォトダイオード７２の受光面は、Ｓｉ基板７０の上面から所定深さの位置であり、受光する波長域によって異なる。また、撮像素子１０は、マイクロレンズアレイ９０からフォトダイオード７２の受光面までの距離が短いことが好ましい。そのため、第１撮像素子１１およびカラーフィルタアレイ８０については、全体の厚さが厚過ぎないように、各要素について、必要かつ過剰とならない膜厚に設計されることが好ましい。
【００２３】
第１撮像素子１１は、１画素が、例えば図３または図４に示す等価回路図で表される。第１撮像素子１１は、厚さを抑制し、かつ、少なくとも一部の領域で可視光（光ＬB，ＬG，ＬR）を透過するように、第１回路層２１が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）構造を有する。一方、第２撮像素子１２は、１画素が、例えば図５に示す等価回路図で表される。第２撮像素子１２は、光を透過する必要がなく、また、フォトダイオード７２と同じくＳｉ基板７０に第２回路部２２を形成するために、第２回路部２２がＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を備える。
【００２４】
図３は、フォトダイオードＰＤおよび選択トランジスタＴ１を備える最も簡易な構成の画素を示す。フォトダイオードＰＤは、第１撮像素子１１における一対の電極５１，５２に挟まれた１画素分の有機光電変換膜６１である。そして、電極５１，５２は、フォトダイオードＰＤの端子である。そして、フォトダイオードＰＤの画素電極５１に接続する側が選択トランジスタＴ１のソースまたはドレインに接続される。フォトダイオードＰＤは、逆バイアスに接続されてコンデンサとして機能し、受光により電荷を蓄積する。図３では、アノードが選択トランジスタＴ１に接続され、カソードが共通の外部の電源ＰＳに接続されている。前記したように、画素選択線ＳＬは外部の垂直走査回路に、読出線ＯＬは外部の水平走査回路に、それぞれ接続される。垂直走査回路によって画素選択線ＳＬで選択トランジスタＴ１が選択されると、蓄積した電荷が選択トランジスタＴ１を経由して読出線ＯＬに電気信号として出力される。
【００２５】
図４は、３つのトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３を備える１画素３Ｔ型のイメージセンサの画素を示し、選択トランジスタＴ１には増幅トランジスタＴ２が接続され、フォトダイオードＰＤが増幅トランジスタＴ２のゲートに接続されている。このような構成により、ドレイン電源ＶDDから増幅トランジスタＴ２と選択トランジスタＴ１を経由して、フォトダイオードＰＤの電気信号が電圧として出力される。リセットトランジスタＴ３は、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を、リセット選択線ＲＬで選択されたときに初期化する。なお、リセット電源ＶRSTはドレイン電源ＶDDと共通でもよい。
【００２６】
図５は、４つのトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を備える１画素４Ｔ型の、埋込みフォトダイオードを備える相補型金属−酸化物半導体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor：ＣＭＯＳ）イメージセンサの画素の一例を示し、フォトダイオードＰＤは、第２撮像素子１２におけるフォトダイオード７２である。第２撮像素子１２は、図４に示す１画素３Ｔ型の第１撮像素子１１のフォトダイオードＰＤと増幅トランジスタＴ２のゲートとの間に、転送トランジスタＴ４を挿入し、フォトダイオードＰＤのアノードとカソードを入れ替えてアノードをＧＮＤに接続した構成である。転送トランジスタＴ４は、フォトダイオードＰＤの浮遊拡散層（ＦＤ）に蓄積された電荷を、転送選択線ＴＬで選択されたときに完全に転送し、これによって残留電荷による残像とノイズの発生をなくす。なお、第１撮像素子１１についても、１画素４Ｔ型の画素としてもよく、この場合、図４のフォトダイオードＰＤと増幅トランジスタＴ２のゲートとの間に転送トランジスタＴ４を挿入する。
以下、撮像素子１０の各要素について詳細に説明する。
【００２７】
（有機光電変換膜）
有機光電変換膜６１は、固有の波長域の光に感度を有してこれを吸収して電荷に変換し、その余の光を透過させる有機材料からなる。本実施形態に係る撮像素子１０においては第１撮像素子１１が近赤外線画像を撮像するために、有機光電変換膜６１は、近赤外線ＬIRに感度を有し、可視光（光ＬB，ＬG，ＬR）を透過させる有機材料が適用される。このような有機材料としては、フェニレンビニレン誘導体、スクエアリリウム誘導体、ポリメチン誘導体、ナフトキノン誘導体等が挙げられる。光の入射側の第１撮像素子１１に光電変換層としてこのような材料を適用することにより、第２撮像素子１２が可視光を受光することができる。有機光電変換膜６１は、膜厚が５０ｎｍ以上であることが好ましく、光吸収極大波長での吸収率が９０％以上、すなわち吸光度Ａ（Ａ＝−ｌｏｇ(Ｉ／Ｉ0)、（Ｉ／Ｉ0：透過率））が１．０以上であることが好ましい。一方で、第１撮像素子１１の全体の厚さが厚過ぎないことが好ましいので、有機光電変換膜６１の膜厚が１μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
有機光電変換膜６１は、暗電流（光が入射されていない時に出力される電流）の低減や当該有機光電変換膜６１の量子効率向上のために、電子輸送材料、正孔輸送材料、電子注入阻止（電子ブロッキング）材料、正孔注入阻止（正孔ブロッキング）材料等を、前記有機材料（有機光電変換材料）に混合または積層して備えてもよい。電子注入阻止材料としては、トリフェニルアミン系化合物、スチリルアミン系化合物、カルバゾール系化合物等が挙げられ、正孔注入阻止材料としては、フェナンスロリン系化合物、アルミニウムキノリン系化合物、オキサジアゾール系化合物、シロール系化合物等が挙げられ、一般に有機デバイスで扱われている材料を適用することができる。電子注入阻止材料、正孔注入阻止材料についてはさらに、酸化ガリウム、酸化ニッケル等の無機材料を用いることもできる。これらの材料を備える場合、有機光電変換層の片面に電子注入阻止層または正孔注入阻止層を、あるいは上下から挟むように電子注入阻止層と正孔注入阻止層をそれぞれの面に積層することが好ましい。
【００２９】
（画素電極、対向電極）
画素電極５１と対向電極５２は有機光電変換膜６１の両面に接続される一対の電極である。画素電極５１は、撮像素子１０の画素毎に区画、離間したパターンに形成され、第１回路層２１のトランジスタ（図３のトランジスタＴ１、図４のトランジスタＴ３）に電気的に接続する。対向電極５２は、全面に形成され、外部の電源やＧＮＤに接続する。画素電極５１および対向電極５２は、必要な導電性が得られる膜厚以上に形成され、具体的には、それぞれの膜厚が１〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００３０】
画素電極５１は、第２撮像素子１２に光ＬB，ＬG，ＬRを到達させるために、可視光の透過率の高い透明電極材料で形成される。透明電極材料としては、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）等が挙げられ、また、これらの膜を２種類以上積層してもよい。対向電極５２は、画素電極５１と同様に、前記の透明電極材料で形成することができ、光ＬB，ＬG，ＬRを透過させると共に、有機光電変換膜６１に近赤外線ＬIRを到達させるために、可視〜近赤外領域の光の透過率の高い透明電極材料で形成される。また、対向電極５２は、有機光電変換膜６１の上に成膜されるため、無加熱（室温等）成膜でも比較的良好な導電性が得られるＩＴＯ，ＩＺＯ等が好適である。また、対向電極５２は、ポリアセチレン系、ポリアニリン系、ポリピロール系、ポリチオフェン系に代表される導電性高分子を用いることもできる。
【００３１】
有機光電変換膜６１と対向電極５２の間にバッファ層を備えてもよい（図示せず）。バッファ層が設けられていることによって、対向電極５２が成膜される際に、有機光電変換膜６１へのダメージを低減することができる。バッファ層は、膜厚が１０〜５００ｎｍであることが好ましい。バッファ層としては、ジピラジノ[２，３−ｆ：２'，３'−ｈ]キノキサリン−２，３，６，７，１０，１１−ヘキサカルボニトリル（ＨＡＴ−ＣＮ）や、ナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボン酸二無水物（ＮＴＣＤＡ）等を適用することができる。
【００３２】
（第１回路層）
第１回路層２１は、ＴＦＴ構造を有し、一例として図２に示すように、半導体層２と、ゲート絶縁膜４３と、絶縁膜４４と、ゲート電極３１と、ソース・ドレイン電極３２と、水平信号線（図３および図４に示す画素選択線ＳＬ、リセット選択線ＲＬ）および垂直信号線（図３および図４に示す読出線ＯＬ、ＶDD電源配線、ＶRST電源配線）と、保護膜４５と、を備える。第１回路層２１は、これらの各要素について、後記製造方法で説明するように、材料を成膜し、エッチングでパターニングして形成される。第１回路層２１は、画素毎に少なくとも一部の領域が光ＬB，ＬG，ＬRを透過する構造とし、より高い面積率でこれらの光を透過することが好ましい。また、第１回路層２１は、厚さが最大１μｍ以下であることが好ましい。そのために、保護膜４５等は、必要な絶縁性等を確保できる程度の膜厚として、過剰に厚く形成しないことが好ましい。なお、図２、および後記のその他断面図においては、第１撮像素子１１は、半導体層２等を有するＴＦＴ構造を形成された部分の断面を示す。
【００３３】
半導体層２は、ＴＦＴに適用される半導体材料を適用することができ、高い電子移動度を有する材料が好ましい。半導体層２の電子移動度は、５ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上が好ましく、１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上がさらに好ましい。半導体層２は、材料等によるが、成膜温度やアニール温度が３００〜４５０℃程度でこのような高い電子移動度を示すものが形成される。また、半導体層２は、第２撮像素子１２（Ｓｉ基板７０、配線３３）の耐熱温度以下で形成される材料を適用する。具体的には、配線３３の材料等によるが、半導体層２は、成膜温度またはアニール温度が４００℃以上で形成されるものが好ましく、より好ましくは３５０℃以上で、さらに好ましくは３００℃以上である。また、半導体層２は、可視光（光ＬR，ＬG，ＬB）を吸収して半導体のスイッチング応答が変化することを防止するために、３．０ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料が好ましく、透明度の高い材料が好ましい。このような半導体材料として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やアモルファス酸化物半導体（インジウム・ガリウム・酸化亜鉛：ＩｎＧａＺｎＯ4）等が挙げられる。
【００３４】
ゲート電極３１、ソース・ドレイン電極３２、ならびに水平信号線および垂直信号線は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｍｎ，Ｔａ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料やＣ（炭素）等で形成することができる。これらの電極３１，３２や信号線等は、必要な導電性を確保できる程度に幅を小さく設計したり、画素の中央を避けて境界近傍や四隅に配置する等の光を多く遮らない形状、レイアウトとすることが好ましい。あるいは、電極３１，３２および信号線は、一部または全部を前記の画素電極５１と同様の透明電極材料で形成することもできる。電極３１，３２等を、光を遮らない透明電極材料で形成することにより、第１回路層２１は、レイアウトを自由に設計することができる。ただし、ＩＴＯは、大気中等の酸化雰囲気で３００℃を超えると、導電性が低下する。そのため、特に半導体層２の前に形成されるゲート電極３１および水平信号線は、金属電極材料か、透明電極材料の中でも耐熱性に優れたＳｎＯ2，ＦＴＯ等を適用することが好ましい。
【００３５】
ゲート絶縁膜４３は、ゲート電極３１を被覆して半導体層２との間に形成される。絶縁膜４４は、チャネル保護膜として半導体層２を被覆する。保護膜４５は、第１回路層２１の最上層に設けられる絶縁膜であり、第１回路層２１とその上の画素電極５１とを電気的に接続するために、所定の領域にコンタクトホールが形成されている。ゲート絶縁膜４３、絶縁膜４４、および保護膜４５は、ＴＦＴに適用される絶縁材料のうち、前記の半導体層２と同様、第２撮像素子１２の耐熱温度以下で成膜される材料を適用することができる。具体的には、シリコン窒化物（Ｓｉ3Ｎ4等、ＳｉＮと表す）、シリコン酸化物（ＳｉＯ2）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化タンタル、窒化アルミニウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化セリウム、酸化亜鉛やアモルファス酸化物（インジウム・ガリウム・酸化亜鉛）等の無機材料が挙げられる。
【００３６】
（保護膜）
保護膜４６は、第１撮像素子１１の対向電極５２を保護する絶縁膜であり、また、必要に応じて、当該保護膜４６の表面を平坦な面とするための平坦化膜である。本実施形態に係る撮像素子１０においては、有機光電変換膜６１およびその上の対向電極５２が均一な膜厚で形成されているため、第１回路層２１および画素電極５１の表面（有機光電変換膜６１に対面する側の面）の凹凸が対向電極５２の表面に持ち越されている。そのため、保護膜４６は、この凹凸に対応して厚さが不均一に形成される。保護膜４６は、有機光電変換膜６１の対向電極５２を挟んだ上に成膜されるため、対向電極５２と同様、１５０℃以下の低温で成膜可能な、可視〜近赤外領域の光を透過する材料で形成される。具体的には、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＴｉＯ2等の無機材料が挙げられ、これらの材料を２種以上積層してもよい。あるいは、ポリシラン、ポリビニルカルバゾール、ポリイミド、ポリパラキシレンビニレン等の樹脂材料で形成することができる。保護膜４６は、膜厚が０．１μｍ以上であることが好ましく、成膜後にＣＭＰ（化学機械研磨：Chemical Mechanical Polishing）法で表面を平滑に加工されて形成される場合には、最小で１μｍ以上であることが好ましい。一方で、マイクロレンズアレイ９０から第２撮像素子１２のフォトダイオード７２までの距離を抑えるために、膜厚が最大で３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。
【００３７】
（Ｓｉ基板）
Ｓｉ基板７０は、第２回路部２２のトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を構成するトランジスタ７１、およびフォトダイオード７２の材料であり、これらを形成するための土台である。本実施形態では、トランジスタ７１がＭＯＳＦＥＴで形成されるため、Ｓｉ基板７０は、単結晶シリコン基板を材料とすることが好ましく、ここでは、フォトダイオード７２の構成に対応して、ｐ型Ｓｉ基板（ｐ−ｓｕｂ）を適用する。また、第２撮像素子１２が裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサであることから、Ｓｉ基板７０は、下側（光の入射側の反対側）の表層にトランジスタ７１が形成され、裏面からの研削により厚さが数μｍ〜数十μｍに薄化され、研削された裏面が上に向けられている。
【００３８】
（フォトダイオード）
フォトダイオード７２は、Ｓｉ基板７０に形成された埋込みフォトダイオード（Pinned Photodiode）である。Ｓｉは、可視〜赤外領域を含む広い分光感度を有するので、第２撮像素子１２は、いずれの波長域の光（ＬB，ＬG，ＬR，ＬIR）も電荷に変換することができる。撮像素子１０においては、近赤外線ＬIRが有機光電変換膜６１に吸収されているので、フォトダイオード７２は可視光（光ＬB，ＬG，ＬR）を入射されて受光する。可視光のうちＳｉに最も深く進入する赤色光ＬRを受光するために、フォトダイオード７２は、Ｓｉ基板７０の上面（カラーフィルタアレイ８０との界面）から少なくとも３μｍ程度の深さの領域に形成される。本実施形態では、ｐ型のＳｉ基板７０において下から順に、ｎ-エピタキシャル層（図中、「ｎ−ｅｐｉ」）７０ｎ、ｐ-エピタキシャル層（図中、「ｐ−ｅｐｉ」）７０ｐが積層されたｎｐ二重エピタキシャル基板でフォトダイオード７２が形成される。また、Ｓｉ基板７０は、ｎ-エピタキシャル層７０ｎ内に、画素毎に当該画素を囲うようにｐウェル（図中、「ｐ−ｗｅｌｌ」）７１ｐが形成されている。フォトダイオード７２はさらに、Ｓｉ基板７０の下側表層に、ｎ-エピタキシャル層７０ｎのｐウェル７１ｐに囲われた領域を覆うｎ+拡散層（図中、「ｎ+」）７２ｎ、およびｎ+拡散層７２ｎに積層されたｐ+拡散層（図中、「ｐ+」）７２ｐを備える。また、Ｓｉ基板７０のｐ+層（図中、「ｐ−ｓｕｂ」）７０ｓは、フォトダイオード７２のアノードとして、ＧＮＤに接続されるため、撮像素子１０の周縁部において、Ｓｉ基板７０の上面に接続する電極（図示省略）が形成されている。
【００３９】
（第２回路部）
トランジスタ７１は、Ｓｉ基板７０に形成されたｐウェル７１ｐ、ｐウェル７１ｐ内に形成されたｎ+拡散層（図中、「ｎ+」）７１ｎ、およびＳｉ基板７０の下面に薄い酸化膜（ゲート酸化膜）を挟んで形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉ膜からなるゲート７１ｇからなる。さらに、ｐウェル７１ｐ内には、ｐウェル７１ｐをＧＮＤ（０Ｖ）に電気的に接続するためのｐ+拡散層（図示省略）が形成されている。そして、ゲート７１ｇ、ｎ+拡散層７１ｎ、およびｐ+拡散層には、配線３３が接続される。なお、図２においては、第２回路部２２の一部の、ｎ型ＭＯＳ（ＮＭＯＳ）からなるトランジスタを示す。ｐ型ＭＯＳ（ＰＭＯＳ）は、ｐウェル７１ｐ内にｎウェル（ｎ−ｗｅｌｌ）を形成し、このｎウェル内にさらにｐ+拡散層を形成して、トランジスタのソース、ドレインとする。
【００４０】
配線３３は、トランジスタ７１に接続するゲート電極およびソース・ドレイン電極、ならびに第２回路部２２の水平信号線および垂直信号線（図５に示す画素選択線ＳＬ、読出線ＯＬ、リセット選択線ＲＬ、転送選択線ＴＬ、ＶDD電源配線、ＶRST電源配線）を構成し、Ｓｉ基板７０の下側に形成される。すなわち、配線３３は、撮像素子１０の最下層に設けられるので、光を透過しなくてよい。したがって、配線３３は、幅および厚さならびに層数に制約なく、所望の領域に配置することができる。このような配線３３は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｍｎ，Ｔａ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成することができる。特に、半導体素子の配線に一般に適用されるＡｌやＣｕが好ましく、さらに必要に応じてＴｉ，Ｗ等からなるバリア膜（バリアメタル膜）が設けられる。ここでは、配線３３は、耐熱性に比較的優れ、加工の容易なＡｌまたはＡｌ合金で形成される。このような構成により、第２撮像素子１２の耐熱温度は４５０℃程度となり、第１撮像素子１１の第１回路層２１（半導体層２）を高温プロセスで形成することができる。
【００４１】
絶縁層４１は、Ｓｉ基板７０の下面を被覆し、配線３３、トランジスタ７１間や配線３３同士等を絶縁する。絶縁層４１は、半導体装置の層間絶縁膜に適用される絶縁材料を適用することができる。具体的には、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＭｇＦ2，ＳｉＣ（シリコンカーバイド）等の無機材料が挙げられる。ＳｉＯ2には、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass）、ＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）も含まれる。絶縁層４１は、単一の材料でなくてよく、層や領域によって異なる材料で形成されてもよい。
【００４２】
（カラーフィルタアレイ）  
カラーフィルタアレイ８０は、画素別に固有の波長域の光を入射させるために設けられる。本実施形態に係る撮像素子１０において、第２撮像素子１２は、光ＬB，ＬG，ＬRを個別の電気信号として出力するが、フォトダイオード７２が可視〜赤外領域の光に感度を有する。一方、近赤外線ＬIRは、有機光電変換膜６１に吸収されているので、第２撮像素子１２には入射しない。そのために、カラーフィルタアレイ８０は、それぞれ、赤色光ＬR、緑色光ＬG、青色光ＬBの一つを透過して、少なくとも可視領域におけるその余の光を遮光するカラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂを、画素毎に配列する。ここでは、図１に示すように、２×２に配列した４画素の対角上の２画素にカラーフィルタ８ｇ，８ｇを、残りに１画素ずつカラーフィルタ８ｒ，８ｂを、それぞれ配列したベイヤー配列とする。さらに、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂは、第２撮像素子１２の耐熱温度以下で形成され、かつ上に半導体層２を形成されるための耐熱性を有するように、可視光の透過率の高い無機材料からなる。このようなカラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂは、フォトニック結晶構造による公知の光学フィルタを適用することができる。以下、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂについて、いずれか特定しない場合にはカラーフィルタ８と称して説明する。
【００４３】
カラーフィルタ８は、屈折率の異なる２種類以上の膜を積層した誘電体多層膜であり、特定の波長域の光を透過し、それ以外の光を反射し、または打ち消すことができる。詳しくは、カラーフィルタ８は、高屈折率層８１、ならびに高屈折率層８１よりも屈折率の低い低屈折率層８２および欠陥層８３を備え、上から順に、層８１，８２，８１，８３，８１，８２，８１を積層し、さらに最下層に低屈折率層８２を備える。高屈折率層８１および低屈折率層８２の各層は、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂで同じ膜厚であり、欠陥層８３のみが異なる膜厚に形成される。カラーフィルタ８は、このような構成とすることにより、層数が多くなくても十分に狭い波長域の光を選別することができ、カラーフィルタアレイ８０の全体の厚さが抑制される。また、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂで、欠陥層８３の１層のみが異なる膜厚であればよいので、カラーフィルタアレイ８０を形成するための工数が多くならない。
【００４４】
高屈折率層８１は、第２撮像素子１２の耐熱温度以下で成膜可能な無機材料のうち、屈折率の比較的高いものが選択され、例えば、Ｓｉ3Ｎ4等のＳｉＮ（２．０〜２．６、数値は屈折率であり、組成により変化する）、ＴｉＯ2（２．５）、ＺｒＯ（２．４）、Ｎｂ2Ｏ5（２．３３）、Ｔａ2Ｏ5（２．１６）、ＨｆＯ2（１．９５）が挙げられる。低屈折率層８２および欠陥層８３は、高屈折率層８１に対して十分に屈折率の低い無機材料が選択され、例えば、ＭｇＦ2（１．３８）、ＳｉＯ2（１．４６）、ＣａＦ2（１．３９）、ＢａＦ2（１．４９）、ＬｉＦ（１．３９）、ＮａＣｌ（１．４９）、ＫＢｒ（１．５２）、ＫＣｌ（１．４５）が挙げられる。低屈折率層８２と欠陥層８３は、同一の材料であっても異なる種類の材料であってもよい。
【００４５】
欠陥層８３の上下それぞれに設けられた、高屈折率層８１と低屈折率層８２を交互に積層した多層膜は、可視領域全体の光を反射させるように設計され、高屈折率層８１および低屈折率層８２は、それぞれ屈折率をｎ、膜厚をｄで表すと、ｎ・ｄ＝(２Ｎ−１)／４・λ0（Ｎ：任意の自然数、好ましくはＮ＝１）の関係となるように、材料に応じて膜厚が設定される。λ0は、可視光の中心波長であり、例えば、緑色光ＬGのピーク波長λGと同じ５４０ｎｍと設定する。また、欠陥層８３の屈折率をｎ3、膜厚をｄ3でそれぞれ表すと、カラーフィルタ８を透過する光のピーク波長は、ｎ3・ｄ3＋λ0（ただし、ｎ3・ｄ3＜λ0／４）またはｎ3・ｄ3＋λ0／２（ただし、λ0／４＜ｎ3・ｄ3＜３／４・λ0）となる。
【００４６】
前記したようにλ0＝λGであるから、緑色光ＬGを透過するカラーフィルタ８ｇは、欠陥層８３についてｎ3・ｄ3＝０、すなわち膜厚ｄ3が０であり、図２の右側の画素に示すように、欠陥層８３を設けない構成となる。また、赤色光ＬRを透過するカラーフィルタ８ｒは、欠陥層８３についてｎ3・ｄ3＝λR−λ0に、青色光ＬBを透過するカラーフィルタ８ｂは、欠陥層８３についてｎ3・ｄ3＝λB−λ0／２に、それぞれ設計される。λB＝４５０ｎｍ、λR＝６５０ｎｍの場合、カラーフィルタ８ｂの欠陥層８３の方が、カラーフィルタ８ｒの欠陥層８３よりも厚い。このように、欠陥層８３の膜厚を異なるものとすることにより、光ＬB，ＬG，ＬRの１つを透過するカラーフィルタ８ｂ，８ｇ，８ｒが得られる。
【００４７】
（層間膜）  
層間膜４２は、第１撮像素子１１とカラーフィルタアレイ８０の間に設けられて第１回路層２１の下地となる絶縁膜であり、必要に応じて、カラーフィルタアレイ８０の上面のカラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂ間の段差を平坦化する。層間膜４２は、カラーフィルタアレイ８０と同様、上に半導体層２を形成されるための耐熱性を有し、また、光ＬB，ＬG，ＬRを透過するように、絶縁層４１等と同様の無機絶縁材料で形成することができる。層間膜４２の膜厚は、０．１μｍ以上であることが好ましく、一方で、マイクロレンズアレイ９０から第２撮像素子１２のフォトダイオード７２までの距離を抑えるために、最大で３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。また、層間膜４２は、成膜後にＣＭＰ法で表面を平坦化される場合には、加工し易いＳｉＯ2が好ましく、また、カラーフィルタアレイ８０との合計の厚さが最小で１μｍ以上であることが好ましい。
【００４８】
（マイクロレンズアレイ）  
マイクロレンズアレイ９０は、第１撮像素子１１および第２撮像素子１２のそれぞれの受光部（開口部）に光を効率的に入射して感度を向上させるために設けられる。第１撮像素子１１の受光部は、有機光電変換膜６１における、画素電極５１の直上の領域であり、第２撮像素子１２の受光部はフォトダイオード７２である。なお、第１撮像素子１１および第２撮像素子１２は、それぞれ画素の中央部を受光部とする。本実施形態に係る撮像素子１０においては、各画素のフォトダイオード７２に集光されるように、上面が略球面の凸レンズ形状のマイクロレンズ９を画素毎に備える。マイクロレンズ９の形状は、マイクロレンズ９からフォトダイオード７２の受光面までの距離、第１撮像素子１１における第１回路層２１の信号線等で遮光される領域、第２撮像素子１２の開口率等に応じて設計され、可視〜近赤外領域の光の透過率の高い樹脂や無機材料で形成される。また、マイクロレンズアレイ９０は、最薄部であるマイクロレンズ９の端における厚さが１μｍ以下であることが好ましい。
【００４９】
撮像素子１０は、必要に応じて、第２撮像素子１２の下に、これを支持するための土台として支持基板を備える（図示省略）。支持基板は、Ｓｉ基板７０を裏面研削で薄化する際に、表側の絶縁層４１の表面に貼り合わされる。支持基板は、第１撮像素子１１、特に半導体層２を形成されるための耐熱性を有する、公知の基板材料が適用される。
【００５０】
フォトダイオード７２を構成するＳｉは、可視〜近赤外領域外の光（紫外線等）にも感度を有するので、撮像素子１０は、このような光を遮光するフィルタを、Ｓｉ基板７０よりも上に、例えば第１撮像素子１１とマイクロレンズアレイ９０の間に備えることが好ましい（図示省略）。
【００５１】
〔撮像素子の製造方法〕
本発明の第１実施形態に係る撮像素子の製造方法について、図６を参照して説明する。本実施形態に係る撮像素子１０は、第２撮像素子１２を形成する第２撮像素子形成工程（下部撮像手段形成工程）Ｓ１０と、カラーフィルタアレイ８０を形成する層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０と、第１撮像素子１１を形成する第１撮像素子形成工程（上部撮像手段形成工程）Ｓ４０と、マイクロレンズアレイ９０を形成するマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２と、を行って得られる。
【００５２】
（第２撮像素子形成工程）
第２撮像素子形成工程Ｓ１０は、Ｓｉ基板７０にトランジスタ７１およびフォトダイオード７２を形成し、その上に配線３３および配線３３間の絶縁層４１を形成するシリコン処理工程Ｓ１１と、Ｓｉ基板７０の裏面を研削して薄化する裏面研削工程Ｓ１２と、を行う。第２撮像素子形成工程Ｓ１０は、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサの公知の製造方法を適用することができる（例えば、特許文献２参照）。
【００５３】
シリコン処理工程Ｓ１１においては、図２における下側を上として各工程を行う。ｐ型Ｓｉ基板であるＳｉ基板７０に、ｐ-エピタキシャル層７０ｐ、ｎ-エピタキシャル層７０ｎを順次形成して、ｎｐ二重エピタキシャル基板とする。次に、Ｓｉ基板７０の表面（ｎ-エピタキシャル層７０ｎの側）から不純物を注入し、熱拡散して所定の領域にｐウェル７１ｐを形成する。Ｓｉ基板７０の表面に薄いＳｉＯ2膜（ゲート酸化膜）を成膜し、その上にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を成膜して、トランジスタ７１のゲート７１ｇを形成する。さらに不純物を注入して、ｎ+拡散層７１ｎ，７２ｎおよびｐ+拡散層７２ｐを形成する。トランジスタ７１およびフォトダイオード７２を形成したＳｉ基板７０の上に、絶縁層４１を構成する絶縁膜を成膜してこの絶縁膜にコンタクトホールを形成し、トランジスタ７１に接続する配線３３をＡｌ等の金属電極材料で形成する。同様に、絶縁膜と金属電極材料の成膜および加工を繰り返して、配線３３および絶縁層４１を形成する。そして、Ｓｉ基板７０の表側（絶縁層４１上）に支持基板（図示省略）を貼り合わせ、Ｓｉ基板７０の裏面を研削して所定の厚さとして（裏面研削工程Ｓ１２）、第２撮像素子１２が得られる。
【００５４】
（層内カラーフィルタアレイ形成工程）
層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０は、Ｓｉ基板７０の研削された裏面上に、カラーフィルタアレイ８０を形成する。まず、全面に、低屈折率層８２としてＳｉＯ2を、高屈折率層８１としてＳｉＮを、それぞれ所定の厚さで交互に２回ずつスパッタ法等により成膜して、計４層に積層する。次に、高屈折率層８１上のカラーフィルタ８ｒ，８ｂを形成するそれぞれの領域に、欠陥層８３，８３を互いに異なる膜厚で形成する。一例として、膜厚の厚いカラーフィルタ８ｂの欠陥層８３を２回に分けて成膜する。まず、全面にＳｉＯ2を、カラーフィルタ８ｒ，８ｂの欠陥層８３の膜厚差の厚さに成膜する。ＳｉＯ2膜の上にカラーフィルタ８ｂを形成する領域を覆うレジストマスクを形成し、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のようなエッチング選択性の高いエッチングで、ＳｉＮ膜（高屈折率層８１）をエッチングストッパ膜として、ＳｉＯ2膜を完全に除去する。レジストマスクを除去し、ＳｉＯ2をカラーフィルタ８ｒの欠陥層８３の膜厚に成膜する。ＳｉＯ2膜の上にカラーフィルタ８ｇを形成する領域を空けたレジストマスクを形成し、再びＳｉＯ2膜を完全に除去して、レジストマスクを除去する。これにより、２通りの膜厚の欠陥層８３，８３が形成される。この上に、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＮを順次成膜して積層し、カラーフィルタアレイ８０が得られる。
【００５５】
（第１撮像素子形成工程）
第１撮像素子形成工程Ｓ４０は、カラーフィルタアレイ８０上に層間膜４２を形成して平坦な表面とする層間膜形成工程Ｓ４１と、層間膜４２上に薄膜トランジスタで第１回路層２１を形成する薄膜トランジスタ形成工程Ｓ４２と、透明電極膜で所定の領域に画素電極５１を形成する画素電極形成工程Ｓ４３と、有機光電変換膜６１を形成する光電変換膜形成工程Ｓ４４と、有機光電変換膜６１に透明電極膜を積層して対向電極５２を形成する対向電極成膜工程Ｓ４５と、対向電極５２上に保護膜４６を成膜する保護膜形成工程Ｓ４６と、を行う。
【００５６】
層間膜形成工程Ｓ４１を行う。カラーフィルタアレイ８０上に、ＳｉＯ2をカラーフィルタアレイ８０の段差に対して十分な膜厚に成膜し、ＣＭＰ法により平坦な表面に加工して、層間膜４２を形成する。または、Ｓｉ化合物を塗布してＳｉＯ2に転化して層間膜４２とすることもできる。
【００５７】
薄膜トランジスタ形成工程Ｓ４２を行う。層間膜４２上に電極材料を成膜し、この電極膜を加工して、ゲート電極３１および画素選択線ＳＬ等の水平信号線を形成する。この上にＳｉＮ等の絶縁膜を成膜して、ゲート絶縁膜４３とする。ゲート絶縁膜４３上に酸化物半導体材料を成膜、加工して、半導体層２を形成する。さらに絶縁膜４４を構成するＳｉＯ2等の絶縁膜を成膜し、この絶縁膜４４およびゲート絶縁膜４３を加工する。この上に電極材料を成膜、加工して、ソース・ドレイン電極３２および読出線ＯＬ等の垂直信号線を形成する。さらに、保護膜４５を構成する絶縁膜を成膜し、コンタクトホールを形成する。各材料の成膜方法はスパッタ法等、その材料に対応した方法を適用し、加工はフォトリソグラフィとエッチングまたはリフトオフ法で行うことができる。また、半導体層２を構成する酸化物半導体材料は、３００℃以上かつ第２撮像素子１２の耐熱温度（例えば４５０℃）以下で成膜するか、成膜後に前記温度範囲でのアニール処理を行う。半導体層２のアニール処理は、光電変換膜形成工程Ｓ４４よりも前であればどの段階でも行うことができるが、処理温度が画素電極５１の耐熱温度を超える場合には画素電極形成工程Ｓ４３よりも前に行う。さらに、ソース・ドレイン電極３２等に耐熱温度の低い透明電極材料を適用する場合には、この透明電極材料の成膜よりも前にアニール処理を行う。
【００５８】
画素電極形成工程Ｓ４３を行う。第１回路層２１の上に透明電極材料を成膜し、この透明電極膜を加工して画素電極５１とする。透明電極材料は、スパッタ法、真空蒸着法、または塗布法等の公知の方法により成膜される。さらに、ＩＴＯ等の結晶性の透明電極材料の場合には、室温等の低温（無加熱）にて成膜後に、ポストアニールを施して結晶化させてもよい。また、透明電極膜の加工はフォトリソグラフィとエッチングで行うことができる。
【００５９】
次に、有機光電変換膜６１を、真空蒸着法、インクジェット法、スピンコート法、ディップ法等の公知の方法で成膜する（光電変換膜形成工程Ｓ４４）。さらに、有機光電変換膜６１上に透明電極材料を成膜して、対向電極５２とする（対向電極成膜工程Ｓ４５）。透明電極材料は、画素電極形成工程Ｓ４３と同様にスパッタ法等で成膜することができるが、室温等、有機光電変換膜６１の耐熱温度を超えない低温（無加熱）で行う。
【００６０】
保護膜形成工程Ｓ４６を行う。対向電極５２上に樹脂材料をスピンコート法等により塗布して、平坦な表面の保護膜４６とする。あるいは、ＳｉＯ2等の絶縁膜をプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法やスパッタ法等で成膜し、ＣＭＰ法により平坦な表面に加工して、保護膜４６を形成することもできる。
【００６１】
（マイクロレンズアレイ形成工程）
マイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２は、１５０℃以下の低温で形成する方法として、例えばエッチバック法を適用することができる。保護膜４６上に、マイクロレンズアレイ９０の材料として樹脂材料を塗布または無機材料をスパッタ法等で成膜して、透明な膜を形成する。この透明膜上に、マイクロレンズアレイ９０と同じ凹凸形状の表面のレジストマスクを形成する。詳しくは、ポジレジストに、光の透過量を連続的に変化させたフォトマスク（グレースケールマスク）でハーフ露光することにより、現像で表層を溶解させて凹凸形状を形成する。または光ナノインプリント法で形成することができ、透明膜上に塗布した紫外線硬化樹脂に、石英やアクリル等からなる金型（モールド）を押し付けて前記凹凸形状を転写し、金型の上から紫外線を照射して硬化させた後、金型を離型する。形成したマスクの上から、異方性エッチングを行って、マスクを完全に除去し、さらにその下の透明膜を部分的に除去する。これにより、エッチング前のマスクの表面の凹凸形状が透明膜の表面に転写されて、マイクロレンズアレイ９０が形成される。また、マイクロレンズアレイ９０は、紫外線硬化樹脂で、マスクを使用せず直接に光ナノインプリント法によって形成することもできる。また、インクジェットプリンタ等のノズルから樹脂材料を画素毎に滴下して、表面張力で凸レンズ形状とし、硬化させてもよい（インクジェット法）。
【００６２】
（変形例）
マイクロレンズアレイ９０をガラス等の透明基板（図示せず）上に形成して、透明基板を上に向けて第１撮像素子１１（保護膜４６）上に貼り付けてもよい。このような構成によれば、マイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２において、有機光電変換膜６１の耐熱温度に制約されない。したがって、例えば、マイクロレンズアレイ９０をエッチバック加工するためのレジストマスクを、レジストを画素毎に円柱形状にパターン露光した後に２００℃程度に加熱して溶融させること（リフロー）により凸レンズ形状に変形させて形成することができる。あるいは、マイクロレンズアレイ９０を、感光性樹脂で直接に、パターン露光とリフローにより成形することができる（溶融法）。また、マイクロレンズアレイ９０を、熱硬化樹脂で、熱ナノインプリント法や射出成形により形成することができる。
【００６３】
マイクロレンズアレイ９０は、上下を反転して、マイクロレンズ９の下面を略球面としてもよい。このようなマイクロレンズアレイ９０は、樹脂材料や無機材料を第１撮像素子１１上に成膜し、この膜にエッチバック法等によって画素毎に凹みを形成し、その上に凹みを形成した膜よりも高屈折率の樹脂材料を塗布して凹みに充填して形成される。また、マイクロレンズ９は、凸レンズ形状の他に、平面視でサブ波長幅に同心円状の刻みを形成したデジタルマイクロレンズを適用することもできる。このようなマイクロレンズアレイ９０は、無機材料を成膜して、エッチングで加工して形成される。また、カラーフィルタアレイ８０は、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｇ，８ｂのベイヤー配列に限定されない。
【００６４】
第１回路層２１の画素電極５１に接続するソース・ドレイン電極（図３のトランジスタＴ１、図４のトランジスタＴ３）は、画素電極５１と一体に透明電極膜で形成されてもよい。また、画素の微細化のために、撮像素子１１，１２のそれぞれは、隣り合う２以上の所定数の画素で、トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４（図４、図５参照）の一部または全部を共有してもよい。また、第２撮像素子１２は、電荷結合素子（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）イメージセンサであってもよい。
【００６５】
撮像素子１０は、第１撮像素子１１および第２撮像素子１２のそれぞれの開口率が十分に高い等、感度が不足していなければ、マイクロレンズアレイ９０を備えなくてよい。特に、本実施形態においては、第２撮像素子１２が、比較的開口率の高い裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサであり、第１撮像素子１１が、画素サイズや第１回路層２１の構成にもよるが十分に高い開口率で、さらに光電変換効率の高い有機光電変換膜６１を備えるので、撮像素子１０の入射面全面にまとめて集光するメインレンズ（図示省略）のみで、カラー画像および赤外線画像を撮像し得る。
【００６６】
撮像素子１０において、第１撮像素子１１と第２撮像素子１２は、同じ画素サイズでなくてもよく、例えば、第２撮像素子１２が第１撮像素子１１の１／４（縦横１／２）の画素サイズとして、カラー画像の解像度が高くなるように設計することもできる。第２撮像素子１２は、比較的微細化し易いＭＯＳＦＥＴで第１回路層２１が形成されているので、ＴＦＴ構造を有する第１撮像素子１１の画素サイズに合わせずに、高精細化してもよい。また、第２撮像素子１２が第１撮像素子１１の１／２（１／２×１）の画素サイズとしてもよい。このように、第１撮像素子１１が第２撮像素子１２の整数倍の画素サイズであればよく、カラー画像および近赤外線画像の所望する解像度に応じて、第１撮像素子１１および第２撮像素子１２のそれぞれの画素サイズを設計すればよい。なお、第１撮像素子１１と第２撮像素子１２で画素サイズが異なる場合には、マイクロレンズアレイ９０は、小さい方の第２撮像素子１２の画素に合わせてマイクロレンズ９を配列する。
【００６７】
第２撮像素子１２は、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサであってもよく、Ｓｉ基板の裏面を研削する必要がないので工程を削減することができる。ただし、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは光の入射側に配線（信号線）が設けられるので、マイクロレンズアレイからフォトダイオードの受光面までの距離が長く、この距離が第２撮像素子１２の画素サイズ比で大きいと、撮像可能な光の入射角の範囲が狭くなる。そのため、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは、画素のサイズがあまり小さくない場合に適用することが好ましく、また、配線３３の層数が少なくなるように設計する等、前記距離をより短くすることが好ましい（後記第２実施形態参照）。
【００６８】
本実施形態に係る撮像素子１０は、カラー画像のみを撮像する撮像素子とすることもできる。すなわち、第１撮像素子１１を、光ＬB，ＬG，ＬRのうちの１波長域の光の撮像素子とし、第２撮像素子１２を、残りの２波長域の光の撮像素子とする。この場合、第１撮像素子１１を、視感度の高い緑色光ＬGの撮像素子とすることが好ましい。そのために、有機光電変換膜６１は、緑色光ＬGを吸収して電荷に変換し、光ＬB，ＬRを透過する有機材料を適用する。このような緑色光ＬGのみに感度を有する有機材料としては、例えばキナクリドン誘導体やペリレン誘導体が挙げられる。一方、第２撮像素子１２は、画素毎に赤色光ＬRまたは青色光ＬBを電気信号に変換して出力する。そのために、カラーフィルタアレイ８０は、カラーフィルタ８ｒとカラーフィルタ８ｂとが、画素に合わせて市松模様状やストライプ状に配置されてなる。また、第２撮像素子１２のフォトダイオード７２を構成するＳｉが赤外線にも感度を有するので、撮像素子１０は、赤外線カットフィルタを、例えば第１撮像素子１１の上に備えることが好ましい。
【００６９】
有機光電変換膜６１の材料およびカラーフィルタアレイ８０の構成によって、第１撮像素子１１を青色光ＬBまたは赤色光ＬRの撮像素子として、第２撮像素子１２を、残りの２波長域の光の撮像素子とすることもできる。青色光のみに感度を有する有機材料としてはクマリン誘導体やポルフィリン誘導体が、赤色光のみに感度を有する有機材料としてはフタロシアニン誘導体やナフタロシアニン誘導体が挙げられる。その他に、アクリジン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチリルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェン、およびこれらの誘導体等を単独で、もしくはこれらに代表される有機材料を２種類以上混合ないし積層することで、青色光、緑色光、または赤色光のみに感度を有する有機材料を調製することが可能である。また、カラーフィルタアレイ８０の構成によって、近赤外線ＬIRを透過するカラーフィルタ８を設けることもでき、例えば、第１撮像素子１１を、光ＬB，ＬG，ＬRのうちの１波長域の光の撮像素子とし、第２撮像素子１２を、可視光の残りの２波長域の光および近赤外線ＬIRの撮像素子としてもよい。
【００７０】
以上のように、本発明の第１実施形態およびその変形例に係る撮像素子によれば、光の入射側の第１撮像素子が、色選択性および光電変換効率に優れた有機光電変換膜と、高温プロセスで形成された読出し特性の良好なＴＦＴ構造を有する読出回路とを備える。また、第２撮像素子は、広い分光感度を有するＳｉフォトダイオードとＭＯＳＦＥＴとを単結晶シリコン基板に備えることで、信号の読出し特性に特に優れ、また、カラーフィルタアレイと組み合わせて複数の波長域の光の情報を取得することができ、さらに、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサとすることで、画素の開口率が第１撮像素子と同様に高くなる。また、カラーフィルタアレイが第１撮像素子と第２撮像素子の間に設けられていることにより、第１撮像素子が取得する光がカラーフィルタアレイに吸収されないので感度が低下しない。したがって、第１撮像素子、第２撮像素子のそれぞれが、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好となり、特に、第１撮像素子が、全画素で１波長域の光の情報を取得し、かつ有機光電変換膜を備えるので高感度となる。
【００７１】
〔第２実施形態〕
第２撮像素子は表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサであってもよく、Ｓｉ基板の裏面を研削する必要がないので工程を削減することができる。一方で、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサと比較して、Ｓｉ基板の表層にフォトダイオードと共にトランジスタが形成されていることにより開口率が低いので、感度を確保するためにマイクロレンズアレイが必要となる。しかし、第２撮像素子の入射側に配線（信号線）が設けられるので、最上層のマイクロレンズアレイからフォトダイオードの受光面までの距離が長く、特に画素サイズが小さいと、撮像可能な光の入射角の範囲が狭くなる。そこで、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサを備える撮像素子を以下の構成とする。以下、第２実施形態に係る撮像素子について説明する。第１実施形態およびその変形例と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００７２】
本発明の第２実施形態に係る撮像素子１０Ａは、図７に示すように、上から順に、近赤外線画像を撮像する第１撮像素子１１と、マイクロレンズアレイ９０Ａと、カラーフィルタアレイ８０と、カラー画像を撮像する第２撮像素子１２Ａと、を備える。撮像素子１０Ａは、第１実施形態に係る撮像素子１０について、第２撮像素子１２を第２撮像素子１２Ａに置き換え、また、最上層のマイクロレンズアレイ９０に代えて第１撮像素子１１の下にマイクロレンズアレイ９０Ａを配置したものである。
【００７３】
第１撮像素子１１およびカラーフィルタアレイ８０の構成は、第１実施形態に説明した通りである。ただし、第１撮像素子１１は、上方に画素毎に集光するマイクロレンズアレイが配置されていないので、十分に開口率が高くなるように、第１回路層２１のレイアウト等を設計することが好ましい。第２撮像素子１２Ａは表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサであり、フォトダイオード７２Ａおよび第２回路部２２のトランジスタ７１を表層に形成されたＳｉ基板７０Ａと、Ｓｉ基板７０Ａの上に形成された配線３３Ａおよび絶縁層４１を備える。
【００７４】
（Ｓｉ基板）
Ｓｉ基板７０Ａは、第２回路部２２のトランジスタ７１およびフォトダイオード７２Ａの材料であり、これらを形成するための土台である。本実施形態では、フォトダイオード７２Ａの構成に対応して、ｎ型Ｓｉ基板（ｎ−ｓｕｂ）を適用する。
【００７５】
（フォトダイオード）
フォトダイオード７２Ａは、Ｓｉ基板７０Ａに形成された埋込みフォトダイオードであり、Ｓｉ基板７０Ａのｐウェル７１ｐ内に形成されたｎ+拡散層（図中、「ｎ+」）、およびこのｎ+拡散層に積層したｐ+拡散層（図中、「ｐ+」）を備える。撮像素子１０Ａにおいては、第１実施形態と同様に、フォトダイオード７２Ａは、光ＬB，ＬG，ＬRを入射されて受光するため、Ｓｉ基板７０Ａの上面から少なくとも３μｍ程度の深さの領域に形成される。また、第２撮像素子１２Ａが表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサで、Ｓｉ基板７０Ａの光の入射側寄りの表層にトランジスタ７１を形成されているので、画素に占めるフォトダイオード７２Ａの面積（開口率）が大きくなるように、フォトダイオード７２Ａおよびトランジスタ７１のレイアウトを設計されることが好ましい。
【００７６】
（第２回路部）
第２回路部２２のトランジスタ７１は、第１実施形態で説明した通り、Ｓｉ基板７０Ａに形成されたｐウェル７１ｐ、ｐウェル７１ｐ内に形成されたｎ+拡散層７１ｎ、およびＳｉ基板７０Ａの上面にゲート酸化膜を挟んで形成されたゲート７１ｇからなる。そして、ゲート７１ｇおよびｎ+拡散層７１ｎには、配線３３Ａが接続される。また、ｐウェル７１ｐ内に、ＧＮＤに配線３３Ａで電気的に接続するためのｐ+拡散層（図示省略）が形成されている。なお、図７においては、第２回路部２２の一部のトランジスタおよび配線を示す。
【００７７】
配線３３Ａは、第１実施形態の配線３３と同様に、トランジスタ７１に接続する電極、ならびに第２回路部２２の水平信号線および垂直信号線を構成し、金属電極材料で形成することができる。ただし、配線３３Ａは、フォトダイオード７２Ａの上側、すなわち光の入射側に配置される。そのため、配線３３Ａは、フォトダイオード７２Ａに入射される光を遮らないように、フォトダイオード７２Ａの直上を避けて配置される。かつ、配線３３Ａは、フォトダイオード７２Ａとマイクロレンズアレイ９０Ａとの距離が大きく空かないように、層数を少なく設計されることが好ましい。そのために、配線３３Ａは、導電性に特に優れたＣｕで形成されることが好ましい。配線３３Ａは一方で、トランジスタ７１に光が到達しないように、平面視で、ダミー配線等も含めて、トランジスタ７１が形成された領域全体に配置されるように設計される。
【００７８】
（マイクロレンズアレイ）
マイクロレンズアレイ９０Ａは、第２撮像素子１２Ａのフォトダイオード７２Ａに光を効率的に入射して感度を向上させるために設けられる。マイクロレンズアレイ９０Ａは、第１実施形態のマイクロレンズアレイ９０と同様に、凸レンズ形状のマイクロレンズ９を画素毎に備える。マイクロレンズアレイ９０Ａは、上に第１撮像素子１１を形成されるために、カラーフィルタアレイ８０と同様に、第２撮像素子１２Ａの耐熱温度以下で形成され、かつ上に半導体層２を形成されるための耐熱性を有するように、無機材料からなる。また、マイクロレンズアレイ９０Ａは、高屈折率層９１とその上を被覆する低屈折率層９２とからなる。高屈折率層９１は、マイクロレンズアレイ９０Ａの本体であり、マイクロレンズアレイ９０と同様の形状で上面に凹凸を有する。低屈折率層９２は、高屈折率層９１よりも屈折率が低く、高屈折率層９１の上面を被覆して表面を平坦化するために設けられる。高屈折率層９１および低屈折率層９２は、それぞれカラーフィルタアレイ８０の高屈折率層８１および低屈折率層８２と同様の材料を適用することができ、低屈折率層９２はＣＭＰ法で平坦化され易いＳｉＯ2が好ましい。低屈折率層９２の膜厚は、０．１μｍ以上であることが好ましく、３μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。また、マイクロレンズアレイ９０Ａの全体の厚さは、１μｍ以上であることが好ましい。
【００７９】
〔撮像素子の製造方法〕
本発明の第２実施形態に係る撮像素子の製造方法について、図８を参照して説明する。本実施形態に係る撮像素子１０Ａは、第２撮像素子１２Ａを形成する第２撮像素子形成工程（下部撮像手段形成工程）Ｓ１０Ａと、カラーフィルタアレイ８０を形成する層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０と、マイクロレンズアレイ９０Ａを形成するマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３１と、第１撮像素子１１を形成する第１撮像素子形成工程（上部撮像手段形成工程）Ｓ４０と、を行って得られる。以下、第１実施形態と異なる工程について詳細に説明する。
【００８０】
（第２撮像素子形成工程）
第２撮像素子形成工程Ｓ１０Ａは、シリコン処理工程Ｓ１１Ａのみを行う。シリコン処理工程Ｓ１１Ａは、第１実施形態のシリコン処理工程Ｓ１１（図６参照）と同様に、Ｓｉ基板７０Ａに第２回路部２２のトランジスタ７１およびフォトダイオード７２Ａを形成し、その上に配線３３Ａおよび絶縁層４１を形成する。
【００８１】
（層内カラーフィルタアレイ形成工程）
層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０は、カラーフィルタアレイ８０をＳｉ基板７０Ａの表側の絶縁層４１上に形成すること以外は、第１実施形態で説明した通りである。また、配線３３ＡがＣｕで形成されている場合、第２撮像素子１２Ａの耐熱温度は３５０℃程度となるので、この温度を超えない処理条件で行う。
【００８２】
（マイクロレンズアレイ形成工程）
マイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３１は、高屈折率層９１を、第１実施形態のマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２と同様にエッチバック法で形成する。例えばＳｉＮをスパッタ法等で成膜し、その上に表面に凹凸を有するレジストマスクを形成し、異方性エッチングを行ってＳｉＮ膜の表面にレジストマスクの凹凸形状を転写する（エッチバック法）。本実施形態では、第２撮像素子１２Ａの耐熱温度以下の範囲で高温処理が可能であるので、レジストマスクの表面の凹凸をリフローで成形することができる。
【００８３】
（第１撮像素子形成工程）
第１撮像素子形成工程Ｓ４０は、層間膜形成工程Ｓ４１で、層間膜４２に代えてマイクロレンズアレイ９０Ａの低屈折率層９２を形成すること以外は、第１実施形態で説明した通りである。また、第２撮像素子１２Ａの耐熱温度以下で形成する（特に、薄膜トランジスタ形成工程Ｓ４２の半導体層２の成膜またはアニール処理）。
【００８４】
（変形例）
撮像素子１０Ａは、第１実施形態と同様に、カラーフィルタアレイ８０上を層間膜４２で平坦化して、その上にマイクロレンズアレイ９０Ａを形成してもよい。また、撮像素子１０Ａは、最上層すなわち第１撮像素子１１の上にさらに、マイクロレンズ９を配列したマイクロレンズアレイ９０を備えてもよい（図示せず）。第１実施形態に係る撮像素子１０のように、第１撮像素子１１の上側にマイクロレンズアレイ９０を設けることにより、赤外線画像の感度が向上する。また、マイクロレンズアレイ９０Ａを、カラーフィルタアレイ８０の下に、すなわち第２撮像素子１２Ａのすぐ上に設けてもよい。マイクロレンズアレイ９０Ａは、カラーフィルタアレイ８０の下に設けられることにより、フォトダイオード７２Ａまでの距離を短縮されてフォトダイオード７２Ａへの集光効率がいっそう向上する。すなわち、本発明の第２実施形態の変形例に係る撮像素子１０Ｂは、図９に示すように、上から順に、マイクロレンズアレイ９０と、第１撮像素子１１と、層間膜４２と、カラーフィルタアレイ８０と、マイクロレンズアレイ９０Ａと、第２撮像素子１２Ａと、を備える。以下、第２実施形態の変形例に係る撮像素子について説明する。第１実施形態および第２実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００８５】
第１撮像素子１１、第２撮像素子１２Ａ、層間膜４２、カラーフィルタアレイ８０およびマイクロレンズアレイ９０，９０Ａのそれぞれの構成は、第１、第２実施形態で説明した通りである。また、撮像素子１０Ｂにおいて、マイクロレンズアレイ９０およびマイクロレンズアレイ９０Ａのそれぞれのマイクロレンズ９は、それぞれトップレンズとインナーレンズ（層内レンズ）であり、２層に設けられることによって、第２撮像素子１２Ａの受光部であるフォトダイオード７２Ａへの集光効率をいっそう高くする。また、マイクロレンズアレイ９０で第１撮像素子１１の、マイクロレンズアレイ９０Ａで第２撮像素子１２Ａの、各受光部に合わせて集光することができる。
【００８６】
本変形例に係る撮像素子１０Ｂは、第２撮像素子１２を形成する第２撮像素子形成工程（下部撮像手段形成工程）Ｓ１０Ａと、マイクロレンズアレイ９０Ａを形成するマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３１と、カラーフィルタアレイ８０を形成する層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０と、第１撮像素子１１を形成する第１撮像素子形成工程（上部撮像手段形成工程）Ｓ４０と、マイクロレンズアレイ９０を形成するマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２と、を行って得られる。すなわち、第２実施形態において、層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０とマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３１の順序を入れ替え、さらにマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３１において、高屈折率層９１を形成した次に、層間膜形成工程Ｓ４１のように低屈折率層９２を形成して表面を平坦化する。また、第１実施形態と同様に、第１撮像素子形成工程Ｓ４０の次にマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２を行う。その他の各工程は、第１実施形態および第２実施形態で説明した通りである。
【００８７】
第２実施形態およびその変形例に係る撮像素子１０Ａ，１０Ｂは、第１実施形態に係る撮像素子１０と同様に、カラー画像のみを撮像する撮像素子とすることもできる。すなわち、第１撮像素子１１を緑色光ＬGの撮像素子とし、カラーフィルタアレイ８０をカラーフィルタ８ｒ，８ｂを配列したものとして、第２撮像素子１２Ａを赤色光ＬRと青色光ＬBの撮像素子とし、さらに赤外線カットフィルタを備える。
【００８８】
以上のように、本発明の第２実施形態およびその変形例に係る撮像素子によれば、第１実施形態と同様に、第１撮像素子が、色選択性および光電変換効率に優れた有機光電変換膜と、高温プロセスで形成されたＴＦＴ構造を有する読出回路とを備え、第２撮像素子が、単結晶シリコン基板に形成されたＳｉフォトダイオードと読出回路を備える。さらに、第２撮像素子を表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサとすることでより簡易に製造することができる一方、第１撮像素子の下にマイクロレンズアレイを設けたことにより、第２撮像素子の開口率が高くなくても十分な感度が得られる。したがって、第１撮像素子、第２撮像素子のそれぞれが、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好となる。
【００８９】
〔第３実施形態〕
カラーフィルタは、顔料等を含有する有機材料を適用して簡易にパターン形成することもできる。このようなカラーフィルタは、可視光における特定の波長域の光と共に赤外線を透過させるものが多く、近赤外線画像を撮像する第１撮像素子の上に設けることができる。以下、第３実施形態に係る撮像素子について説明する。第１実施形態および第２実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００９０】
本発明の第３実施形態に係る撮像素子１０Ｃは、図１０に示すように、上から順に、マイクロレンズアレイ９０と、カラーフィルタアレイ８０Ａと、近赤外線画像を撮像する第１撮像素子１１と、層間膜４２Ａと、カラー画像を撮像する第２撮像素子１２と、を備える。撮像素子１０Ｃは、第１実施形態に係る撮像素子１０（図２参照）について、カラーフィルタアレイ８０を第１撮像素子１１の下から上に配置を替えると共に、カラーフィルタアレイ８０Ａに置き換えたものである。また、第１撮像素子１１の第１回路層２１と第２撮像素子１２のＳｉ基板７０とを絶縁するために、間に層間膜４２Ａを備える。第１撮像素子１１、第２撮像素子１２、およびマイクロレンズアレイ９０のそれぞれの構成は、第１実施形態で説明した通りである。層間膜４２Ａは、第１実施形態の層間膜４２と同様に無機絶縁材料からなるが、平坦化処理を要せず、絶縁を確保できる範囲で膜厚が薄いことが好ましい。以下に、カラーフィルタアレイ８０Ａの構成について説明する。
【００９１】
（カラーフィルタアレイ）  
カラーフィルタアレイ８０Ａは、第１、第２実施形態のカラーフィルタアレイ８０（図１参照）と同様に、画素別に固有の波長域の光を入射させるために設けられ、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｇ，８ｂを配列してなる。本実施形態に係る撮像素子１０Ｃにおいては、カラーフィルタアレイ８０Ａが第１撮像素子１１の上に設けられるため、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂは、それぞれ、可視光のうちの赤色光ＬR、緑色光ＬG、青色光ＬBの一つを透過してその余の光を遮光すると共に、少なくとも一種が近赤外線ＬIRを透過するものとし、３種すべてが近赤外線ＬIRを透過することが好ましく、さらにその透過率がより高いことが好ましい。このようなカラーフィルタアレイ８０Ａのカラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂは、それぞれ赤、緑、青の各色の顔料や染料等の着色材を、可視〜近赤外領域の光を透過する樹脂に分散させたもので形成される。具体的には、公知のカラーフィルタ材料である、感光性樹脂に顔料を分散させたカラーレジストや、インクジェット用インクを適用することができるが、ベーク（プリベーク、ポストベーク）温度や乾燥温度等が１５０℃以下の材料を選択する。カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂの厚さは、必要とする透過する光の波長域の幅や感度が得られるように設計されるが、より薄いことが好ましい。具体的には、厚さ１．５μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がさらに好ましく、このような厚さに形成される材料を選択する。また、カラーフィルタアレイ８０Ａは、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂで厚さが異なっていてもよく、この場合には、必要に応じて表面を透明な樹脂膜で被覆して平坦化される。
【００９２】
〔撮像素子の製造方法〕
本発明の第３実施形態に係る撮像素子の製造方法について、図１１を参照して説明する。本実施形態に係る撮像素子１０Ｃは、第２撮像素子１２を形成する第２撮像素子形成工程（下部撮像手段形成工程）Ｓ１０と、第１撮像素子１１を形成する第１撮像素子形成工程（上部撮像手段形成工程）Ｓ４０と、カラーフィルタアレイ８０Ａを形成するカラーフィルタアレイ形成工程Ｓ５０と、マイクロレンズアレイ９０を形成するマイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２と、を行って得られる。
【００９３】
第２撮像素子形成工程Ｓ１０は、第１実施形態で説明した通りである。第１撮像素子形成工程Ｓ４０は、層間膜形成工程Ｓ４１で、層間膜４２Ａの平坦化処理が不要であること以外は、第１実施形態で説明した通りである。以下に、カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ５０について詳細に説明する。
【００９４】
（カラーフィルタアレイ形成工程）
カラーフィルタアレイ８０Ａは、例えばレジスト法（フォトリソグラフィ法）で形成することができる。赤色の顔料を含有するカラーレジストを保護膜４６上の全面に塗布し、フォトマスク（レチクル）を介してカラーフィルタ８ｒを形成する領域に紫外線を照射する（パターン露光）。露光領域外のカラーレジストを現像液で除去し（現像）、熱処理でカラーレジストを硬化して（ポストベーク）カラーフィルタ８ｒを形成する。同様に塗布からポストベークまでの工程をさらに２回行ってカラーフィルタ８ｂ，８ｇを順次形成し、カラーフィルタアレイ８０Ａが得られる。さらに、必要に応じて、透明な樹脂材料を全面に塗布して、表面を平坦化してもよい。なお、カラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂを形成する順序は、特に規定されない。また、インクジェットプリンタでカラーフィルタ８ｒ，８ｇ，８ｂの材料となる各色のインクを印刷して、カラーフィルタアレイ８０Ａを形成することもできる（インクジェット法）。
【００９５】
マイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２は、マイクロレンズアレイ９０をカラーフィルタアレイ８０Ａ上に形成すること以外は、第１実施形態で説明した通りである。また、第１実施形態で説明したように、マイクロレンズアレイ９０を透明基板上に形成してから貼り付けてもよく、この場合、カラーフィルタアレイ８０Ａを、透明基板上に形成したマイクロレンズアレイ９０上に形成して、第１撮像素子１１（保護膜４６）上に貼り付けることができる。
【００９６】
カラーフィルタアレイ８０Ａは、補色カラーフィルタを適用してもよい（図示省略）。すなわち、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの補色である、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黄（Ｙ）、そして緑を加えた計４色を１色ずつ画素に配置する。
【００９７】
（変形例）
本実施形態に係る撮像素子１０Ｃは、第２撮像素子１２に代えて表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである第２撮像素子１２Ａを備えてもよく、さらに、画素が小さい場合には、第２撮像素子１２Ａのすぐ上にマイクロレンズアレイ９０Ａを備えることが好ましい。すなわち、上から順に、マイクロレンズアレイ９０と、カラーフィルタアレイ８０Ａと、第１撮像素子１１と、マイクロレンズアレイ９０Ａと、第２撮像素子１２Ａと、を備える。この撮像素子（図示せず）は、第２実施形態の変形例に係る撮像素子１０Ｂ（図１０参照）について、カラーフィルタアレイ８０を第１撮像素子１１の下から上に配置を替えると共に、カラーフィルタアレイ８０Ａに置き換えたものである。
【００９８】
第３実施形態およびその変形例に係る撮像素子１０Ｃは、第１、第２実施形態に係る撮像素子１０（１０Ａ，１０Ｂ）と同様に、カラー画像のみを撮像する撮像素子とすることもできる。すなわち、第１撮像素子１１を緑色光ＬGの撮像素子とし、カラーフィルタアレイ８０Ａをカラーフィルタ８ｒ，８ｂを配列したものとして、第２撮像素子１２（１２Ａ）を赤色光ＬRと青色光ＬBの撮像素子とし、さらに赤外線カットフィルタを備える。
【００９９】
第３実施形態に係る撮像素子は、光の入射側の第１撮像素子をカラー画像の撮像素子、第２撮像素子を赤外線の撮像素子とすることもできる。そのために、本発明の第３実施形態の変形例に係る撮像素子１０Ｄは、可視光（光ＬB，ＬG，ＬR）を吸収して電荷に変換し、かつ近赤外線ＬIRを透過する第１の光電変換層６１Ａを備える。すなわち、撮像素子１０Ｄは、図１２に示すように、上から順に、カラーフィルタアレイ８０Ａと、第１の光電変換層６１Ａを備えてカラー画像を撮像する第１撮像素子１１Ａと、マイクロレンズアレイ９０Ａと、近赤外線画像を撮像する第２撮像素子１２Ａと、を備える。
【０１００】
第１の光電変換層６１Ａは、可視領域全体の光に感度を有してこれを吸収して電荷に変換し、これよりも長波長の光である近赤外線ＬIRを透過させる材料からなる。このような材料として、セレン（Ｓｅ）が挙げられ、特に光電変換効率の高い結晶セレン（ｃ−Ｓｅ）を適用する。多結晶光電変換膜（第１の光電変換層）６１Ａは、有機光電変換膜６１と同様、膜厚が５０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、光吸収極大波長での吸収率が９０％以上であることが好ましい。多結晶光電変換膜６１Ａは、結晶セレン層の下地に、テルル（Ｔｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）の一種以上からなる、厚さ０．１〜１０ｎｍの接合膜を備え、特にＴｅ膜が好ましい。結晶セレンは、真空蒸着法で、Ｔｅ、Ｓｅ（非晶質）を順次成膜し、次に大気中に曝露して約２００℃に加熱することにより、アモルファスセレンが結晶化して得られる。また、多結晶光電変換膜６１Ａは、結晶セレン層の片面に、ｎ型半導体として機能する、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、酸化セリウム（ＣｅＯ2）、または酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等からなる正孔注入阻止層を積層して備えることが好ましく、さらにもう片面に、三硫化アンチモン（Ｓｂ2Ｓ3）からなる電子注入阻止層を積層して備えてもよい。
【０１０１】
第１撮像素子１１Ａの、多結晶光電変換膜６１Ａ以外の要素の構成は、第１実施形態の第１撮像素子１１と同様である。ただし、結晶セレンの耐熱温度が２５０℃程度であるので、多結晶光電変換膜６１Ａよりも上に形成される対向電極５２および保護膜４６は、２５０℃以下で形成可能な構成とする。
【０１０２】
第２撮像素子１２Ａの構成は、第２実施形態で説明した通りであるが、フォトダイオード７２Ａが近赤外線ＬIRを受光するために、Ｓｉ基板７０Ａの上面から少なくとも７μｍ程度の深さの領域に形成される。また、カラーフィルタアレイ８０Ａの構成は、第３実施形態で説明した通りであり、ただし、結晶セレンの耐熱温度である２５０℃以下で形成可能な構成とする。また、マイクロレンズアレイ９０Ａの構成は、第２実施形態で説明した通りである。本変形例においては、第１撮像素子１１Ａの下側にマイクロレンズアレイ９０Ａを備えて、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである第２撮像素子１２Ａのフォトダイオード７２Ａへの集光効率を高くする。一方、カラー画像を撮像する第１撮像素子１１Ａは、開口率が高くかつ光電変換効率が高く、さらにすぐ上にカラーフィルタアレイ８０Ａが設けられているため、メインレンズ（図示省略）のみで集光する構成とする。なお、さらにマイクロレンズアレイ９０をカラーフィルタアレイ８０Ａ上に備えてもよいし、フォトダイオード７２Ａへの集光効率が十分に得られれば、マイクロレンズアレイ９０のみを備える構成としてもよい。また、撮像素子１０Ｄは、第２撮像素子１２Ａに代えて、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである第２撮像素子１２を備えてもよい。
【０１０３】
撮像素子１０Ｃ，１０Ｄは、カラー画像が不要であれば、カラーフィルタアレイ８０Ａを備えず、可視光のモノクロ画像と近赤外線画像を撮像する撮像素子とすることもできる。このような構成によれば、撮像素子１０Ｃの第２撮像素子１２や撮像素子１０Ｄの第１撮像素子１１Ａで高精細なモノクロ画像を撮像することができる。また、カラーフィルタアレイ８０Ａがないので、撮像素子１０Ｃの第１撮像素子１１や撮像素子１０Ｄの第２撮像素子１２Ａに近赤外線ＬIRが全面に均一かつ多く入射されて、近赤外線画像を感度よく撮像することができる。
【０１０４】
以上のように、本発明の第３実施形態およびその変形例に係る撮像素子によれば、第１実施形態と同様に、第１撮像素子が、色選択性および光電変換効率に優れた有機光電変換膜と、高温プロセスで形成されたＴＦＴ構造を有する読出回路とを備え、第２撮像素子が、単結晶シリコン基板に形成されたＳｉフォトダイオードと読出回路を備える。したがって、第１撮像素子、第２撮像素子のそれぞれが、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好となる。さらに、有機材料からなるカラーフィルタを適用することにより、より簡易に製造することができる。そして、第１撮像素子が有機光電変換膜を備えるので、上に設けられたカラーフィルタによってある程度光を吸収されても十分な感度が得られる。または、第１撮像素子が、カラーフィルタと組み合わせて複数の波長域の光の情報を取得することもできる。
【０１０５】
〔第４実施形態〕
第１、第２、第３実施形態では、下側の第２撮像素子が光電変換層としてＳｉフォトダイオードを備えるが、可視領域全体に感度を有しかつ耐熱性を有する材料であればこれに限られない。以下、第４実施形態に係る撮像素子について説明する。第１〜第３実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１０６】
本発明の第４実施形態に係る撮像素子１０Ｅは、図１３に示すように、上から順に、近赤外線画像を撮像する第１撮像素子１１と、層間膜４２と、カラーフィルタアレイ８０と、層間膜４８と、無機光電変換膜（第２の光電変換層）６２および第２回路層（第２の読出回路）２２Ｂを備えてカラー画像を撮像する第２撮像素子１２Ｂと、基板４０と、を備える。撮像素子１０Ｅは、第１実施形態に係る撮像素子１０（図２参照）について、第２撮像素子１２を第２撮像素子１２Ｂに置き換え、マイクロレンズアレイ９０を削除したものである。以下に、第２撮像素子１２Ｂの構成について説明する。
【０１０７】
（第２撮像素子）
第２撮像素子１２Ｂは、上下面を画素電極５３と対向電極３４に挟まれた無機光電変換膜（第２の光電変換層）６２、第２回路層（第２の読出回路）２２Ｂ、および第２回路層２２Ｂの下に絶縁膜４７を備える。すなわち、第２撮像素子１２Ｂは、下から順に、対向電極３４、無機光電変換膜６２、画素電極５３、絶縁膜４７、第２回路層２２Ｂを備える。第２撮像素子１２Ｂを構成するこれらの要素はいずれも、耐熱温度が、第１撮像素子１１、特に第１回路層２１の半導体層２の形成温度以上で、具体的には３００℃超、好ましくは３５０℃以上とする。第２撮像素子１２Ｂは、第１撮像素子１１とは逆に無機光電変換膜６２の上に第２回路層２２Ｂを配置した構成であり、このような構成とすることで、無機光電変換膜６２に高温（例えば５００℃以上）で形成される材料を適用することができる。
【０１０８】
無機光電変換膜６２は、第１撮像素子１１の有機光電変換膜６１に相当する光電変換層として、画素におけるフォトダイオードＰＤ（図３、図４参照）を構成する。無機光電変換膜６２は、前記したように、可視領域全体に感度を有しかつ耐熱性を有する材料からなる。具体的には、Ｃｕと、Ｉｎ，Ｇａの少なくとも１種と、Ｓ，Ｓｅの少なくとも１種とを含有する組成ＣｕＩｎ1-xＧａx(Ｓｅ1-yＳy)のカルコパイライト構造の化合物半導体（ＣＩＧＳ）膜が挙げられ、可視領域全体および近赤外線に感度を有する。さらに、無機光電変換膜６２は、ＣＩＧＳ膜の上に、正孔注入阻止層として酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）を積層して備えることが好ましい。
【０１０９】
画素電極５３と対向電極３４は、無機光電変換膜６２の両面に接続する一対の電極である。無機光電変換膜６２の上面に接続する画素電極５３は、第１撮像素子１１の画素電極５１と同様に、可視光の透過率の高い透明電極材料からなり、さらに、上に第２回路層２２Ｂおよび第１回路層２１の半導体層２を形成されるための耐熱性を有するように、透明電極材料の中でも耐熱性に優れたＳｎＯ2，ＦＴＯ等を適用することが好ましい。対向電極３４は、無機光電変換膜６２の下面に接続するため、光を透過しなくてよく、一方で、無機光電変換膜６２、特にＣＩＧＳ膜の形成時の温度に対する耐熱性を有する導電材料からなり、具体的にはＭｏ等の高融点金属を適用する。
【０１１０】
第２回路層２２Ｂは、第１回路層２１（図２参照）と同様に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）構造を有する。ただし、第２回路層２２Ｂは、上に第１回路層２１を形成されるので、すべての要素が半導体層２を形成されるための耐熱性を有する材料で形成される。また、第２回路層２２Ｂは、無機光電変換膜６２の上側に設けられるため、下側の画素電極５３に絶縁膜４７のコンタクトホールを通じて接続するように、ソース・ドレイン電極３２のパターンが設計される。一方、最上層の保護膜４５は、コンタクトホールが形成されず、全面を被覆する。
【０１１１】
絶縁膜４７は、第１回路層２１における保護膜４５のように、画素電極５３と第１回路層２１の間に設けられて、コンタクトホールを通じて互いを接続する。層間膜４８は、第１撮像素子１１の保護膜４６のように、必要に応じて第２回路層２２Ｂの表面の凹凸を平坦な面とするために設けられる。絶縁膜４７および層間膜４８は、第１回路層２１や第２回路層２２Ｂにおける絶縁材料と同様に、無機材料で形成され、特に層間膜４８はＣＭＰ法で加工し易いＳｉＯ2が好ましい。
【０１１２】
（基板）
基板４０は、第２撮像素子１２Ｂを形成するための土台であり、無機光電変換膜６２の形成時の温度に対する耐熱性を有する公知の基板材料からなり、例えば高耐熱ガラス基板が適用される。
【０１１３】
〔撮像素子の製造方法〕
本発明の第４実施形態に係る撮像素子の製造方法について、図１４を参照して説明する。本実施形態に係る撮像素子１０Ｅは、第２撮像素子１２Ｂを形成する第２撮像素子形成工程（下部撮像手段形成工程）Ｓ１０Ｂと、カラーフィルタアレイ８０を形成する層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０と、第１撮像素子１１を形成する第１撮像素子形成工程（上部撮像手段形成工程）Ｓ４０と、を行って得られる。すなわち、本発明の第１実施形態に係る撮像素子の製造方法（図６参照）について、第２撮像素子形成工程Ｓ１０を置き換え、また、マイクロレンズアレイ形成工程Ｓ３２を除いた手順である。層内カラーフィルタアレイ形成工程Ｓ２０および第１撮像素子形成工程Ｓ４０は、第１実施形態で説明した通りである。以下に、第２撮像素子形成工程Ｓ１０Ｂについて説明する。
【０１１４】
（第２撮像素子形成工程）
第２撮像素子形成工程Ｓ１０Ｂは、基板４０上に金属膜を成膜して対向電極３４を形成する対向電極成膜工程Ｓ１３と、対向電極３４上に無機光電変換膜６２を形成する光電変換膜形成工程Ｓ１４と、透明電極膜で所定の領域に画素電極５３を形成する画素電極形成工程Ｓ１５と、無機材料を成膜して絶縁膜４７を形成する絶縁膜成膜工程Ｓ１６と、薄膜トランジスタで第２回路層２２Ｂを形成する薄膜トランジスタ形成工程Ｓ１７と、層間膜４８を形成して平坦な表面とする層間膜形成工程Ｓ１８と、を行う。
【０１１５】
基板４０上に、スパッタ法でＭｏを成膜して対向電極３４を形成する（対向電極成膜工程Ｓ１３）。この上に、多元蒸着法でＣＩＧＳ膜を成膜し、さらにスパッタ法でＧａ2Ｏ3膜を積層して、無機光電変換膜６２とする（光電変換膜形成工程Ｓ１４）。無機光電変換膜６２の上に透明電極材料を成膜し、この透明電極膜を加工して画素電極５３とする（画素電極形成工程Ｓ１５）。画素電極形成工程Ｓ１５は、第１撮像素子形成工程Ｓ４０の画素電極形成工程Ｓ４３と同様である。
【０１１６】
さらに、絶縁膜４７を構成するＳｉＮ等を成膜し（絶縁膜成膜工程Ｓ１６）、この絶縁膜４７の上に第２回路層２２Ｂを形成する（薄膜トランジスタ形成工程Ｓ１７）。薄膜トランジスタ形成工程Ｓ１７は、第１撮像素子形成工程Ｓ４０の薄膜トランジスタ形成工程Ｓ４２と同様である。ただし、絶縁膜４４およびゲート絶縁膜４３と共に絶縁膜４７を加工して、画素電極５３上にコンタクトホールを形成する。一方、保護膜４５は、成膜のみで、コンタクトホールの形成は不要である。
【０１１７】
層間膜形成工程Ｓ１８は、第１撮像素子形成工程Ｓ４０の層間膜形成工程Ｓ４１と同様である。なお、第２回路層２２Ｂの保護膜４５を層間膜４８と一体の膜として形成してもよい。
【０１１８】
（変形例）
第２撮像素子１２Ｂは、第１実施形態等の第２撮像素子１２と同様に、ＭＯＳＦＥＴで形成された第２回路部２２を備えてもよい。この場合には、Ｓｉ基板にトランジスタ７１を形成し、Ｓｉ基板の上に配線３３および絶縁層４１を形成し、さらにトランジスタ７１と電気的に接続する画素電極を表面に露出させて形成する。このＳｉ基板を、基板４０上に形成した無機光電変換膜６２に貼り合わせた後、基板４０を剥離する。そして、無機光電変換膜６２の基板４０を剥離された面に透明電極材料を成膜して、対向電極とする。そして、この対向電極の側を上として、第１撮像素子１１を形成する。
【０１１９】
撮像素子１０Ｅは、第１撮像素子１１と第２撮像素子１２Ｂが共に、開口率および光電変換効率が高く、さらに第２撮像素子１２Ｂのすぐ上にカラーフィルタアレイ８０を備えるので、メインレンズ（図示省略）のみで集光する構成としているが、第１撮像素子１１の上にマイクロレンズアレイ９０を備えてもよい。さらに、カラーフィルタアレイ８０に代えて、第１撮像素子１１の上（マイクロレンズアレイ９０との間）にカラーフィルタアレイ８０Ａを備えてもよい。また、撮像素子１０Ｅは、第３実施形態と同様に、カラー画像のみを撮像する撮像素子とすることもできる。すなわち、第１撮像素子１１を緑色光ＬGの撮像素子とし、カラーフィルタアレイ８０（８０Ａ）をカラーフィルタ８ｒ，８ｂを配列したものとして、第２撮像素子１２Ｂを赤色光ＬRと青色光ＬBの撮像素子とし、さらに赤外線カットフィルタを備える。
【０１２０】
以上のように、本発明の第４実施形態およびその変形例に係る撮像素子によれば、第１実施形態と同様に、第１撮像素子が、色選択性および光電変換効率に優れた有機光電変換膜と、高温プロセスで形成されたＴＦＴ構造を有する読出回路とを備え、第２撮像素子も、光電変換効率に優れた光電変換膜と、高温プロセスで形成されたＴＦＴ構造を有する読出回路または単結晶シリコン基板に形成された読出回路とを備える。したがって、第１撮像素子、第２撮像素子のそれぞれが、感度および解像度が高く、信号の読出し特性が良好となる。
【０１２１】
以上、本発明に係る撮像素子およびその製造方法を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２２】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ  撮像素子
１１，１１Ａ  第１撮像素子
１２，１２Ａ，１２Ｂ  第２撮像素子
２１    第１回路層（第１の読出回路）
２２    第２回路部（第２の読出回路）
２２Ｂ  第２回路層（第２の読出回路）
２      半導体層
３１    ゲート電極
３２    ソース電極、ドレイン電極
３３，３３Ａ  配線
３４    対向電極
４０    基板
４１    絶縁層
４２，４８  層間膜
４３    ゲート絶縁膜
４４    絶縁膜
４５    保護膜
４６    保護膜
４７    絶縁膜
５１，５３  画素電極
５２    対向電極
６１    有機光電変換膜（第１の光電変換層）多結晶光電変換膜
６１Ａ  多結晶光電変換膜（第１の光電変換層）
６２    無機光電変換膜（第２の光電変換層）
７０，７０Ａ  Ｓｉ基板
７０ｎ  ｎ-エピタキシャル層
７０ｐ  ｐ-エピタキシャル層
７０ｓ  ｐ+層
７１    トランジスタ
７１ｇ  ゲート
７１ｎ  ｎ+拡散層
７１ｐ  ｐウェル
７２，７２Ａ  フォトダイオード（第２の光電変換層）
７２ｎ  ｎ+拡散層
７２ｐ  ｐ+拡散層
８０，８０Ａ  カラーフィルタアレイ
８１    高屈折率層
８２    低屈折率層
８３    欠陥層
８ｒ，８ｇ，８ｂ  カラーフィルタ
９０，９０Ａ  マイクロレンズアレイ
９      マイクロレンズ
９１    高屈折率層
９２    低屈折率層
Ｓ１０，Ｓ１０Ａ，Ｓ１０Ｂ  第２撮像素子形成工程（下部撮像手段形成工程）
Ｓ１１，Ｓ１１Ａ  シリコン処理工程
Ｓ１２  裏面研削工程
Ｓ１３  対向電極成膜工程
Ｓ１４  光電変換膜形成工程
Ｓ１５  画素電極形成工程
Ｓ１６  絶縁膜成膜工程
Ｓ１７  薄膜トランジスタ形成工程
Ｓ１８  層間膜形成工程
Ｓ２０  層内カラーフィルタアレイ形成工程
Ｓ３１，Ｓ３２  マイクロレンズアレイ形成工程
Ｓ４０  第１撮像素子形成工程（上部撮像手段形成工程）
Ｓ４１  層間膜形成工程
Ｓ４２  薄膜トランジスタ形成工程
Ｓ４３  画素電極形成工程
Ｓ４４  光電変換膜形成工程
Ｓ４５  対向電極成膜工程
Ｓ４６  保護膜形成工程
Ｓ５０  カラーフィルタアレイ形成工程
【図１】
2020021855.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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