(57)【要約】  本開示は、固体撮像素子のさらなる細密化を図ることができるようにする固体撮像素子、製造方法、および電子機器に関する。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。そして、分離領域は、下部電極の厚みよりも深く形成された固定電荷膜により形成される。例えば、固体撮像素子がホール読み出し方式であるとき、固定電荷膜は正の固定電荷を有し、固体撮像素子が電子読み出し方式であるとき、固定電荷膜は負の固定電荷を有する。本技術は、例えば、有機光電変換膜を有する固体撮像素子に適用できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項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
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／００１８０９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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配置で、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て構成される固体撮像素子を備える。【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２】固定電荷膜の構成を説明する図である。
【図３】固体撮像素子の製造方法を説明する図である。
【図４】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。
【図５】固体撮像素子の製造方法を説明する図である。
【図６】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７】イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
＜固体撮像素子の第１の実施の形態＞
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
＜固体撮像素子の第２の実施の形態＞
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
＜電子機器の構成例＞
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
＜イメージセンサの使用例＞
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
・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
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
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
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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2017086180.tif 000011
2017086180.tif 000012
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