(57)【要約】【課題】クロストークによるノイズを低減することができる固体撮像素子を提供することである。【解決手段】実施形態の固体撮像素子は、光電変換膜と、複数の光電変換素子とを持つ。光電変換膜は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板の一方の面側に、複数の画素に亘って設けられ、光の３原色における任意の第１及び第２の色の波長域の光を吸収して光電変換するとともに、第３の色の波長域の光を透過する。光電変換素子は、複数の画素に対応するようにｐ型単結晶Ｓｉ基板に内設され、いずれも光電変換膜を透過した第３の色の波長域の光を吸収して光電変換する。【選択図】図１
2016152265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方の面側に、複数の画素に亘って設けられ、光の３原色における任意の第１及び第２の色の波長域の光を吸収して光電変換するとともに、第３の色の波長域の光を透過する光電変換膜と、
前記複数の画素に対応するように前記基板に内設され、前記光電変換膜を透過した前記第３の色の波長域の光を吸収して光電変換する複数の光電変換素子と、
を備える、固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換膜を挟んで任意の前記光電変換素子と対向するように設けられ、前記第１の色の波長域の光を吸収するとともに、前記第２及び第３の色の波長域の光を透過させる第１のカラーフィルタと、
前記光電変換膜を挟んで任意の前記光電変換素子と対向するように設けられ、前記第２の色の波長域の光を吸収するとともに、前記第１及び第３の色の波長域の光を透過させる第２のカラーフィルタと、
を備える、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１のカラーフィルタが設けられた画素と、前記第２のカラーフィルタが設けられた画素とが、交互に設けられる、請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記光電変換膜を挟んで任意の前記光電変換素子と対向するように設けられ、前記第１の色の波長域の光を吸収するとともに、前記第２及び第３の色の波長域の光を透過させるカラーフィルタを備える、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記カラーフィルタが設けられた画素と、前記カラーフィルタが設けられない画素とが、交互に設けられる、請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記カラーフィルタが、隣接する２×２の４つの画素のうち、任意に選択された３つの画素に設けられる、請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記光電変換膜は、光の３原色のうちの青色の波長域の光を吸収する材料として、ポルフィリンコバルト錯体、クマリン誘導体、フラーレン、フラーレンの誘導体、フルオレン化合物、及びピラゾール誘導体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記光電変換膜は、光の３原色のうちの緑色の波長域の光を吸収する材料として、キナクリドン誘導体、ペリレンビスイミド誘導体、オリゴチオフェン誘導体、サブフタロシアニン誘導体、ローダミン化合物、及びケトシアニン誘導体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記光電変換膜は、光の３原色のうちの赤色の波長域の光を吸収する材料として、フタロシアニン誘導体、スクアリリウム誘導体、及びサブナフタロシアニン誘導体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記基板の受光面側に複数設けられる下部透明電極と、
前記光電変換膜と前記下部透明電極との間に設けられる平坦化層と、
を備える、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記光電変換素子で吸収される光が緑色の波長域の光である、請求項１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光利用効率向上の観点から、積層型の固体撮像素子が注目されている。しかしながら、このような固体撮像素子は、異なる波長域の光を吸収するフォトダイオードを複数備えるため、クロストークによるノイズが大きくなる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１１５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、クロストークによるノイズを低減することができる固体撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の固体撮像素子は、光電変換膜と、複数の光電変換素子とを持つ。光電変換膜は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板の一方の面側に、複数の画素に亘って設けられ、光の３原色における任意の第１及び第２の色の波長域の光を吸収して光電変換するとともに、第３の色の波長域の光を透過する。光電変換素子は、複数の画素に対応するようにｐ型単結晶Ｓｉ基板に内設され、いずれも光電変換膜を透過した第３の色の波長域の光を吸収して光電変換する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図。
【図２】第１の実施形態の固体撮像素子を受光面側から見たときのカラーフィルタの配列を示す平面模式図。
【図３】第１の実施形態の固体撮像素子を受光面側から見たときの検出する色の配列を示す平面模式図。
【図４】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図５】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図６】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図７】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図８】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図９】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図１０】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図１１】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図１２】第１の実施形態の固体撮像素子の製造方法を示す断面図。
【図１３】第１の実施形態の固体撮像素子を適用したＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す斜視図。
【図１４】第１の実施形態の固体撮像素子を適用したＣＭＯＳイメージセンサの他の例を示す斜視図。
【図１５】ＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラを備える車の一例を示す平面図。
【図１６】ＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラを備える車の他の例を示す平面図。
【図１７】ＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラを備えるスマートフォンを示す平面図。
【図１８】ＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラを備えるタブレットを示す平面図。
【図１９】第２の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図。
【図２０】第２の実施形態の固体撮像素子を受光面側から見たときのカラーフィルタの配列を示す平面模式図。
【図２１】第２の実施形態の固体撮像素子を受光面側から見たときの検出する色の配列を示す平面模式図。
【図２２】第３の実施形態の固体撮像素子を受光面側から見たときのカラーフィルタの配列を示す平面模式図。
【図２３】第３の実施形態の固体撮像素子を受光面側から見たときの検出する色の配列を示す平面模式図。
【図２４】第４の実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の固体撮像素子を、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で用いられる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明で例示される材料、寸法等は一例であって、実施形態はそれらに必ずしも限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能である。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の固体撮像素子１の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、固体撮像素子１は、隣接する画素２ａ、２ｂを備えて構成されている。なお、図１に示す固体撮像素子１では、２つの画素２ａ、２ｂのみが描かれているが、第１の実施形態の固体撮像素子１では、複数の画素が２次元に配列している。
【０００９】
第１の実施形態の固体撮像素子１は、支持基板３と、配線部４と、第１の光電変換部５と、第２の光電変換部６と、カラーフィルタ部７と、マイクロレンズ８と、を備える。
第１の実施形態の固体撮像素子１は、裏面照射型であり、受光面１ａに入射した光を検知する。なお、固体撮像素子１は裏面照射型に限られず、表面照射型であってもよい。
【００１０】
支持基板３は、配線部４を支持するための基板である。支持基板３としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）ウエハ等を用いる事ができる。
【００１１】
配線部４は、支持基板３の受光面１ａ側に設けられている。配線部４と支持基板３とは接着層９を介して積層されている。配線部４は、絶縁層１０と、多層配線１１と、読み出し用トランジスタ１２と、を有する。
【００１２】
絶縁層１０は、接着層９と第１の光電変換部５との間に隣接して設けられている。絶縁層１０の材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等が挙げられる。
【００１３】
多層配線１１は、絶縁層１０内部に、画素２ａ、２ｂごとにそれぞれ設けられており、読み出し用トランジスタ１２、ストレージダイオード１６、及び周辺回路（不図示）と接続されている。多層配線１１により、光電変換素子１３ａ、１３ｂ及びストレージダイオード１６に蓄積された電荷を、電気信号として周辺回路（不図示）に出力することができる。多層配線１１の材料としては、導電性材料であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属、及びチタンシリサイド（ＴｉＳｉ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）等の高融点金属のシリサイドが挙げられる。
【００１４】
読み出し用トランジスタ１２は、配線部４における第１の光電変換部５側の表面に、画素２ａ、２ｂごとにそれぞれ設けられている。読み出し用トランジスタ１２は、光電変換素子１３a、１３ｂに蓄積された電荷の移動を制御する。
【００１５】
第１の光電変換部５は、配線部４と第２の光電変換部６との間に隣接して設けられている。第１の光電変換部５は、光電変換素子１３a、１３ｂと、透明絶縁層１４と、コンタクトプラグ１５と、ストレージダイオード１６と、を有する。
【００１６】
光電変換素子１３a、１３ｂは、アレイ状に配列されている画素２ａ、２ｂに対応するようにｐ型単結晶Ｓｉ基板１７に内設されている。光電変換素子１３ａ、１３ｂにより、光の３原色のうちの１色の波長域の光であって、後述する光電変換膜２３を透過した光を吸収して光電変換する。
【００１７】
ここで、「光の３原色」とは、「青色」、「緑色」、「赤色」の３色である。青色光（青色の波長域の光）の波長域は４００〜５００ｎｍであり、緑色光（緑色の波長域の光）の波長域は５００〜６００ｎｍであり、赤色光（赤色の波長域の光）の波長域は６００〜７００ｎｍである。
【００１８】
第１の実施形態の固体撮像素子１では、光電変換素子１３a、１３ｂをはじめとする全ての光電変換素子で、同一の波長域の光を吸収するものが配設される。
例えば、光電変換素子１３ａ、１３ｂで赤色光を吸収する場合、それ以外の全ての光電変換素子も赤色光を吸収するものが配設される。
【００１９】
光電変換素子１３a、１３ｂとしては、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７内に設けられたｎ型不純物拡散領域１８が挙げられる。ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７とｎ型不純物拡散領域１８との間には、ＰＮ接合面が形成されている。なお、第１の実施形態では、光電変換素子１３a、１３ｂは、ｐ型の単結晶Ｓｉ基板内に設けられたｎ型の不純物拡散領域に限られず、ｎ型の単結晶Ｓｉ基板内に設けられたｐ型の不純物拡散領域であってもよい。
【００２０】
ｐ型単結晶Ｓｉ基板（基板）１７は、配線部４と透明絶縁層１４との間に隣接して設けられている。ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７としては、例えば、ホウ素等のｐ型の不純物がドープされたＳｉ等を用いることができる。また、ｎ型不純物拡散領域１８としては、例えば、Ｓｉにリン等のｎ型の不純物をイオン注入したもの等が挙げられる。
【００２１】
透明絶縁層１４は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７と第２の光電変換部６との間に隣接して設けられている。透明絶縁層１４により、光を透過しつつ、光電変換膜２３とｐ型単結晶Ｓｉ基板１７とを絶縁する。透明絶縁層１４の材料としては、例えば、ＳｉＯ２等が挙げられる。
【００２２】
コンタクトプラグ１５は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７を貫通するように設けられており、配線部４と第２の光電変換部６との間を電気的に接続する。また、コンタクトプラグ１５は、各光電変換素子１３ａ、１３ｂにより四方を囲まれる領域に位置するように、画素２ａ、２ｂごとにそれぞれ配列されている。
【００２３】
コンタクトプラグ１５は、下部透明電極２１及びストレージダイオード１６と電気的に接続されており、下部透明電極２１で集められた電荷をストレージダイオード１６に送ることができる。コンタクトプラグ１５は、導電膜１９と、絶縁膜２０と、を含み構成される。導電膜１９の材料としては、導電性の材料であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、Ｓｉ等が挙げられる。また、絶縁膜２０の材料としては、絶縁性の材料であれば特に限定されないが、具体的には、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）等が挙げられる。
【００２４】
ストレージダイオード１６は、コンタクトプラグ１５の配線部４側の末端に設けられている。ストレージダイオード１６は、下部透明電極２１で集められた電荷を一時的に蓄積する。フローティングディフュージョン（不図示）は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７内に設けられている。蓄積された電荷は、ストレージダイオード１６からフローティングディフュージョン（不図示）へ送られ、電気信号に変換される。
【００２５】
第２の光電変換部６は、第１の光電変換部５とカラーフィルタ部７との間に隣接して設けられている。第２の光電変換部６は、下部透明電極２１と、上部透明電極２２と、光電変換膜２３と、無機保護膜２４と、を有する。
【００２６】
下部透明電極２１は、透明絶縁層１４の受光面１ａ側の表面に画素２ａ、２ｂごとにそれぞれ設けられる。また、下部透明電極２１をｐ型単結晶Ｓｉ基板１７へ投影して形成される投影領域の周縁部は、平面視において、光電変換素子１３a、１３ｂの受光面と重なる。下部透明電極２１の材料としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明な導電性材料が挙げられる。
【００２７】
上部透明電極２２は、光電変換膜２３の受光面１ａ側の表面に、複数の光電変換素子１３ａ、１３ｂを覆うように１枚のシートとして設けられている。上部透明電極２２により、外部から供給されたバイアス電圧を光電変換膜２３へ印加することができる。
バイアス電圧により、光電変換膜２３で発生した電荷を、各下部透明電極２１にそれぞれ集めることができる。上部透明電極２２の材料としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明な導電性材料が挙げられる。
【００２８】
光電変換膜２３は、下部透明電極２１と上部透明電極２２との間に隣接するように、複数の画素２ａ、２ｂに亘って１枚のシートとして設けられる。光電変換膜２３は、光の３原色における任意の２色の波長域の光を吸収して光電変換するとともに、残りの１色の波長域の光を透過する。例えば、光電変換膜２３で青色光及び緑色光を吸収する場合、赤色光が透過される。透過された赤色光は、光電変換素子１３ａ、１３ｂで吸収される。
【００２９】
以降において、光電変換膜２３により吸収される２色の波長域の光を「第１色の波長域の光」及び「第２色の波長域の光」とし、透過する残りの１色の波長域の光を「第３色の波長域の光」とする。すなわち、上述した光電変換素子１３ａ、１３ｂでは、第３色の波長域の光が吸収される。
【００３０】
光電変換膜２３の材料としては、青色光を吸収させる場合は、例えば、ポルフィリンコバルト錯体、クマリン誘導体、フラーレン、フラーレンの誘導体、フルオレン化合物、及びピラゾール誘導体等のうちの少なくとも１つを選択することができる。
【００３１】
また、緑色光を吸収させる場合は、キナクリドン誘導体、ペリレンビスイミド誘導体、オリゴチオフェン誘導体、サブフタロシアニン誘導体、ローダミン化合物、及びケトシアニン誘導体等のうちの少なくとも１つを選択することができる。
【００３２】
また、赤色光を吸収させる場合は、フタロシアニン誘導体、スクアリリウム誘導体、及びサブナフタロシアニン誘導体等のうちの少なくとも１つを選択することができる。
上記材料は光の吸収率が高いため、光電変換膜２３の膜厚を薄くすることができる。また、画素間でのクロストークを抑制することができる。
【００３３】
無機保護膜２４は、上部透明電極２２の受光面１ａ側の表面に１枚のシートとして設けられている。無機保護膜２４の材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等が挙げられる。
【００３４】
カラーフィルタ部７は、第２の光電変換部６とマイクロレンズ８との間に隣接して設けられている。カラーフィルタ部７は、平坦化層２５と、複数の第１のカラーフィルタ２６ａ及び第２のカラーフィルタ２６ｂと、を有す。
【００３５】
平坦化層２５は、第２の光電変換部６とマイクロレンズ８との間に隣接して設けられている。平坦化層２５の材料としては、例えば、ポリチオフェン誘導体にポリスチレンスルホン酸をドーピングしたものであって、具体的には、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（スチレンスルホン酸）混合物（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）等が挙げられる。
【００３６】
第１のカラーフィルタ２６ａ及び第２のカラーフィルタ２６ｂは、平坦化層２５内部に複数設けられ、光電変換素子１３ａ、１３ｂと対向するように設けられている。第１のカラーフィルタ２６ａは、上記第１の色の波長域の光を吸収するとともに、上記第２及び第３の色の波長域の光を透過させる。また、第２のカラーフィルタ２６ｂは、上記第２の色の波長域の光を吸収するとともに、上記第１及び第３の色の波長域の光を透過させる。
【００３７】
例えば、第１のカラーフィルタ２６ａは、青色（第１の色）光を吸収し、緑色（第２の色）光及び赤色（第３の色）光を透過させる。一方、第２のカラーフィルタ２６ｂは、緑色（第２の色）光を吸収し、青色（第１の色）光及び赤色（第３の色）光を透過させる。
【００３８】
第１のカラーフィルタ２６ａ及び第２のカラーフィルタ２６ｂが吸収する光の波長域を適宜選択することで、光電変換膜２３が吸収する光の波長域を選択することができる。
【００３９】
図２は、第１の実施形態の固体撮像素子１を受光面１ａ側から見たときの第１のカラーフィルタ２６ａ及び第２のカラーフィルタ２６ｂの配列を示す平面模式図である。図２に示すように、第１のカラーフィルタ２６ａ及び第２のカラーフィルタ２６ｂは、画素２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄごとに交互に設けられている。
【００４０】
マイクロレンズ８は、カラーフィルタ部７の受光面１ａ側に、各光電変換素子１３ａ、１３ｂに対向する位置に設けられている。マイクロレンズ８は、例えば、平面視円状のレンズとすることができ、マイクロレンズ８により入射光が集光されるようにすることができる。各マイクロレンズ８の光学中心は、各光電変換素子１３a、１３ｂの受光面の中心にそれぞれある。マイクロレンズ８の平面視面積は、光電変換素子１３a、１３ｂの受光面の面積よりも大きくなっている。
【００４１】
次に、実施形態の固体撮像素子１の動作の概要について、図１を参照しながら説明する。なお、ここでは画素２ａにおける動作について説明する。
先ず、マイクロレンズ８から入射した光のうち、第１のカラーフィルタ２６ａにより、第１の色の波長域の光を吸収するとともに、第２及び第３の色の波長域の光を透過させる。透過した第２及び第３の色の波長域の光は光電変換膜２３に到達する。
【００４２】
次に、光電変換膜２３により、第２の色の波長域の光を吸収し、光電変換することで電荷が発生する。このとき、入射光量に応じて発生する電荷の量が変化する。発生した電荷は、ストレージダイオード１６に蓄積される。
【００４３】
次に、光電変換素子１３ａにより、第３の色の波長域の光を吸収し、光電変換することで電荷が発生し、蓄積される。このとき、入射光量に応じて発生する電荷の量が変化する。
【００４４】
次に、ストレージダイオード１６及び光電変換素子１３ａに蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン（不図示）へ送られる。フローティングディフュージョンに送られた電荷は電気信号に変換され、多層配線１１を介して周辺回路（不図示）に送られる。以上のように、画素２ａは、２種類の色の波長域の光を別々に検出することができる。また、第１のカラーフィルタ２６ａが透過することのできる光の波長域を選択することで、検出する光の波長域を選択することができる。
【００４５】
図３は、第１の実施形態の固体撮像素子１を受光面１ａ側から見たときの検出する色の配列を示す平面模式図である。図３は隣接する２×２の４つの画素について、検出する色の配列を示している。また、四角形１つで１画素２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを示し、四角形内の対角線より上側にある色は光電変換膜で光電変換される光の波長域の色、下側にある色は光電変換素子で光電変換される光の波長域の色を示している。なお、「Ｂ」は３原色のうち青色を示し、「Ｇ」は緑色を示し、「Ｒ」は赤色を示す。
【００４６】
ここでは、一例として、光電変換膜で、青色（第１の色）光及び緑色（第２の色）光が光電変換され、光電変換素子で、赤色（第３の色）光が光電変換される場合について示す。また、画素２ａ、２ｄには、青色（第１の色）光を吸収するとともに、緑色（第２の色）光及び赤色（第３の色）光を透過する第１のカラーフィルタ２６ａが設けられている。一方、画素２ｂ、２ｃには、緑色（第２の色）光を吸収するとともに、青色（第１の色）光及び赤色（第３の色）光を透過する第２のカラーフィルタ２６ｂが設けられている。
【００４７】
図３に示すように、画素２ａ、２ｄでは、第１のカラーフィルタ２６ａにより緑色光及び赤色光が透過されるため、光電変換膜において緑色光が光電変換される。また、光電変換膜を透過した赤色光は、光電変換素子において光電変換される。一方、画素２ｂ、２ｃでは、第２のカラーフィルタ２６ｂにより青色光及び赤色光が透過されるため、光電変換膜において青色光が光電変換される。また、光電変換膜を透過した赤色光は、光電変換素子において光電変換される。
【００４８】
次に、第１の実施形態の固体撮像素子１の製造方法について、図４〜図１２を参照しながら説明する。図４〜図１２は、第１の実施形態の固体撮像素子１の製造方法を示す断面図である。
【００４９】
先ず、図４に示すように、Ｓｉウエハなどの半導体基板３１上に、例えばホウ素などのｐ型の不純物がドープされたＳｉ層をエピタキシャル成長させることにより、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７を形成する。
【００５０】
次に、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７内部に画素２ａ、２ｂごとに、例えば、リンなどのｎ型の不純物をイオン注入し、アニール処理を行うことにより、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７内にｎ型不純物拡散領域１８を配置する。これにより、固体撮像素子１には、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７とｎ型不純物拡散領域１８とのＰＮ接合によって、フォトダイオードである光電変換素子１３ａ、１３ｂが形成される。
【００５１】
次に、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７の内面に、例えば、リンなどのｎ型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことにより、ストレージダイオード１６などの他のｎ型不純物拡散領域を形成する。さらに、必要に応じて、ホウ素などのｐ型の不純物をイオン注入してアニール処理を行うことで、画素分離領域等（不図示）を形成することができる。
【００５２】
次に、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７上に多層配線１１や読み出し用トランジスタ１２とともに、絶縁層１０を形成する。具体的には、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７の上面に読み出し用トランジスタ１２などを形成した後、酸化Ｓｉ層を形成する工程と、酸化Ｓｉ層に所定の配線パターンを形成する工程と、配線パターン内にＣｕなどを埋め込む工程とを繰り返す。これにより、内部に多層配線１１や読み出し用トランジスタ１２等が設けられた絶縁層１０が形成される。
【００５３】
次に、絶縁層１０の上面に接着剤を塗布して接着層９を設け、接着層９の上面に、例えば、Ｓｉウエハなどの支持基板３を貼着する。なお、絶縁層１０と支持基板３との貼着は、接着剤による貼着に代わって、絶縁層１０の表面を平坦かつ平滑となるよう、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等による研磨を行い、支持基板３と直接接合することも可能である。
【００５４】
次に、光電変換素子１３ａ、１３ｂを有するＳｉウエハの、支持基板３の反対側の表面を、例えば、グラインダ等の研削装置により所定の厚さになるまで薄層化する。その後、ＣＭＰ等の研磨装置により半導体基板表面を研磨し、さらに、ウェットエッチング等により半導体基板表面のダメージ層を除去する。これにより、図５に示すように、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７の受光面を露出させる。その後、ｐ型単結晶Ｓｉ基板１７の上面に、例えば、ＳｉＯ２等の透明な絶縁材料からなる透明絶縁層１４を形成する。
【００５５】
次に、図６に示すように、各光電変換素子により四方を囲まれる位置における透明絶縁層１４及びｐ型単結晶Ｓｉ基板１７を、例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、ストレージダイオード１６の上端まで除去する。これにより、トレンチ３２が形成される。この、トレンチ３２の内側面に、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＳｉＮなどの絶縁材料からなる絶縁膜２０を形成する。
【００５６】
次に、図７に示すように、絶縁膜２０によって内側面が被覆されたトレンチ３２の内部に、例えば、ＣＶＤ法により、例えば、Ｓｉなどの導電性材料からなる導電膜１９を埋設する。なお、導電膜１９については、上記の方法に代わって、ストレージダイオード１６などの不純物拡散領域を形成する工程の前後において、リンなどのｎ型不純物をイオン注入したのちアニール処理することでｎ型不純物拡散領域を形成し、このｎ型不純物拡散領域をもって導電膜１９とすることも可能である。
【００５７】
次に、図８に示すように、透明絶縁層１４の上面及び露出したコンタクトプラグ１５の上面に、例えば、ＩＴＯなどの透明な導電性材料からなる導電層３３を形成する。
【００５８】
次に、図９に示すように、導電層３３の上面に、例えば、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーにより下部透明電極２１の形成位置となる部分のレジストを残し、それ以外のレジストを除去する。残ったレジスト３４をマスクとして使用して、例えば、ＲＩＥを行い、レジストに覆われていない部分の導電層を除去し、図１０に示すように、下部透明電極２１を形成する。この後、マスクとして使用したレジスト３４は除去される。
【００５９】
次に、図１１に示すように、下部透明電極２１の上面に、例えば、真空蒸着法により、光電変換膜２３を形成する。この光電変換膜２３は、例えば、緑色光及び青色光を選択的に吸収し、赤色光を透過させる性質を有する材料等からなる。具体的には、所望の２種類の波長域の光を選択的に吸収する材料をそれぞれ１種ずつ選択し、それらを共蒸着することで、光電変換膜２３を形成する。
【００６０】
次に、光電変換膜２３の上面に、例えば、スパッタリング法により、例えば、ＩＴＯなどの透明な導電性材料からなる上部透明電極２２を形成する。その後、上部透明電極２２の上面に、例えば、スパッタリング法により、例えば、Ａｌ２Ｏ３からなる無機保護膜２４を形成する。その後さらに、無機保護膜２４の上に、図１２に示すように、透明樹脂からなる平坦化層２５を形成する。
【００６１】
次に、平坦化層２５における各光電変換素子１３ａ、１３ｂの受光面とそれぞれ対向する位置に、例えば、緑色と赤色を透過するカラーフィルタ用の顔料もしくは染料を用いてフォトリソグラフィーにより第１及び第２のカラーフィルタ２６ａ、２６ｂを形成する。そして第１及び第２のカラーフィルタ２６ａ、２６ｂを覆うように、さらに透明樹脂からなる平坦化層２５を形成する。これにより、第１及び第２のカラーフィルタ２６ａ、２６ｂが平坦化層２５に埋め込まれることになる。
【００６２】
最後に、平坦化層２５の上面に、各光電変換素子１３ａ、１３ｂの受光面とそれぞれ対向する位置に、例えば、アクリル系の有機化合物などからなるマイクロレンズ８を、平面視において受光面を覆う大きさに形成する。以上により、第１の実施形態の固体撮像素子１が製造される。
【００６３】
以上説明したように、第１の実施形態の固体撮像素子１によれば、各画素の光電変換素子１３ａ、１３ｂにおいて同一の波長域の光を光電変換するため、クロストークによるノイズを低減することができる。
【００６４】
また、第１の実施形態の固体撮像素子１によれば、光電変換膜２３を用いているため、光電変換膜２３に集光する必要がない。そのため、マイクロレンズ８の設置面積を大きくすることができ、光電変換素子１３ａ、１３ｂの受光面に入射する光の量を大幅に増やすことができる。
【００６５】
また、第１の実施形態の固体撮像素子１によれば、光電変換膜２３は光の３原色のうち２色の波長域の光を吸収することができる。そのため、光電変換膜２３に用いる材料の選択自由度が高い。
【００６６】
また、第１の実施形態の固体撮像素子１によれば、光電変換素子１３ａ、１３ｂで吸収される光を緑色光にすることで、全画素において比視感度が最も高い緑色光が検出されるため、輝度Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００６７】
図１３は、第１の実施形態の固体撮像素子１を適用したＣＭＯＳイメージセンサ４１の一例を示す斜視図である。ＣＭＯＳイメージセンサ４１は、Ｆｕｌｌ  ＨＤ（１０８０ｐ）タイプのＣＭＯＳイメージセンサである。ＣＭＯＳイメージセンサ４１は、固体撮像素子１と、モールド樹脂４２と、を備える。
モールド樹脂４２は、固体撮像素子１の受光面１ａ以外を覆うように設けられている。固体撮像素子１とモールド樹脂４２とを一体化することにより、固体撮像素子１を外部からの応力、湿気、汚染物質から守ることができる。
【００６８】
ＣＭＯＳイメージセンサ４１は、デジタルカメラ、携帯電話（スマートフォンも含む）等の各種モバイル端末や、監視カメラ、インターネットを利用したウェブカメラ等の撮像装置に使用される。
【００６９】
図１４は、第１の実施形態の固体撮像素子１を適用したＣＭＯＳイメージセンサ５１の他の例を示す斜視図である。ＣＭＯＳイメージセンサ５１は、ＶＧＡタイプのＣＭＯＳイメージセンサである。ＣＭＯＳイメージセンサ５１は、固体撮像素子１と、モールド樹脂５２と、を備える。
モールド樹脂５２は、固体撮像素子１の受光面１ａ以外を覆うように設けられている。固体撮像素子１とモールド樹脂５２とを一体化することにより、固体撮像素子１を外部からの応力、湿気、汚染物質から守ることができる。
【００７０】
ＣＭＯＳイメージセンサ５１は、デジタルカメラ、携帯電話（スマートフォンも含む）等の各種モバイル端末や、監視カメラ、インターネットを利用したウェブカメラ等の撮像装置に使用される。
【００７１】
図１５は、上述したＣＭＯＳイメージセンサ４１又はＣＭＯＳイメージセンサ５１を搭載したカメラ６２を備える車６１の一例を示す平面図である。車６１は、カメラ６２と、ディスプレイ６３と、を備える。カメラ６２は、車６１の前方端部に設けられ、車６１の前方を撮影することができる。また、ディスプレイ６３は、車６１の運転席正面に設けられ、カメラ６２で撮影した画像を表示することができる。カメラ６２により撮影した画像をディスプレイ６３で確認することにより、例えば駐車の際に、死角を確認することができる。
【００７２】
図１６は、上述したＣＭＯＳイメージセンサ４１又はＣＭＯＳイメージセンサ５１を搭載したカメラ７２を備える車７１の他の例を示す平面図である。車７１は、カメラ７２と、ディスプレイ７３と、を備える。カメラ７２は、車７１の後方端部に設けられ、車７１の後方を撮影することができる。また、ディスプレイ７３は、車７１の運転席正面に設けられ、カメラ７２で撮影した画像を表示することができる。カメラ７２により撮影した画像をディスプレイ７３で確認することにより、後方を確認することができる。
【００７３】
図１７は、上述したＣＭＯＳイメージセンサ４１又はＣＭＯＳイメージセンサ５１を搭載したカメラを備えるスマートフォン８１を示す平面図である。スマートフォン８１は、カメラ（不図示）と、タッチパネル８２と、を備える。カメラは、例えば、スマートフォン８１の正面上部に設けた場合、スマートフォン８１の正面を撮影することができる。また、タッチパネル８２は、スマートフォン正面中央に設けられ、カメラにより撮影した画像を表示することができる。
【００７４】
図１８は、上述したＣＭＯＳイメージセンサ４１又はＣＭＯＳイメージセンサ５１を搭載したカメラを備えるタブレット９１を示す平面図である。タブレット９１は、カメラ（不図示）と、タッチパネル９２と、を備える。カメラは、例えば、タブレット９１の正面上部に設けた場合、タブレット９１の正面を撮影することができる。また、タッチパネル９２は、タブレット正面中央に設けられ、カメラにより撮影した画像を表示することができる。
【００７５】
（第２の実施形態）
図１９は、第２の実施形態の固体撮像素子１０１の構成を模式的に示す断面図である。
第２の実施形態の固体撮像素子１０１は、支持基板３と、配線部４と、第１の光電変換部５と、第２の光電変換部６と、カラーフィルタ部７、マイクロレンズ８と、を備える。すなわち、第２の実施形態の固体撮像素子１０１は、一部の画素においてカラーフィルタ１０３を備えていないこと以外は、第１の実施形態と同様であり、同様の部分に関しては説明を省略する。
【００７６】
図２０は、第２の実施形態の固体撮像素子１０１を受光面１ａ側から見たときのカラーフィルタ１０３の配列を示す平面模式図である。図２０に示すように、カラーフィルタ１０３が設けられた画素１０２ａ、１０２ｄと、カラーフィルタ１０３が設けられない画素１０２ｂ、１０２ｃとが、交互に設けられている。
【００７７】
図２１は、第２の実施形態の固体撮像素子１０１を受光面１ａ側から見たときの、検出する色の配列を示す平面模式図である。図２１は、図３と同様に、隣接する２×２の４つの画素について、検出する色の配列を示している。また、四角形１つで１画素１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを示し、四角形内の対角線より上側にある色は光電変換膜２３で光電変換される光の波長域の色、下側にある色は光電変換素子で光電変換される光の波長域の色を示している。なお、「Ｇ」は３原色のうち緑色を示し、「Ｂ」は青色を示し、「Ｒ」は赤色を示す。
【００７８】
ここでは、一例として、カラーフィルタ１０３が、青色（第１の色）光を吸収するとともに、緑色（第２の色）光及び赤色（第３の色）光を透過する。また、光電変換膜が青色（第１の色）光及び緑色（第２の色）光を光電変換し、光電変換素子が赤色（第３の色）光を光電変換する。第２の実施形態の固体撮像素子１０１では、カラーフィルタ１０３が設けられていない画素１０２ｂ、１０２ｃにおいて、光電変換膜が青色と緑色の２色からなるブレンドカラーを検出する。
【００７９】
第２の実施形態の固体撮像素子１０１の製造方法では、上述した図１１のように無機保護膜２４を形成した後に、カラーフィルタ１０３を一画素おきに形成する。その後は第１の実施形態の固体撮像素子１と同様にして第２の実施形態の固体撮像素子１０１を作製することができる。
【００８０】
第２の実施形態の固体撮像素子１０１によれば、第１の実施形態と比較して、カラーフィルタの数が半分になるため、材料コストを抑えることができる。
【００８１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の固体撮像素子１１１は、支持基板３と、配線部４と、第１の光電変換部５と、第２の光電変換部６と、カラーフィルタ部７と、マイクロレンズ８と、を備える。第３の実施形態では、カラーフィルタ１０３が、隣接する２×２の４つの画素のうち、任意に選択された３つの画素に設けられており、カラーフィルタ１０３の配列が第２の実施形態と異なる。それ以外は、第２の実施形態と同様であり、同様の部分に関しては説明を省略する。
【００８２】
図２２は、第３の実施形態の固体撮像素子１１１を受光面１ａ側から見たときのカラーフィルタ１０３の配列を示す平面模式図である。図２２に示すように、カラーフィルタ１０３は、隣接する２×２の４つの画素１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄのうち、任意に選択された３つの画素１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｄに設けられている。
【００８３】
図２３は、第３の実施形態の固体撮像素子１１１を受光面１ａ側から見たときの、検出する色の配列を示す平面模式図である。図２３は、図３と同様に、隣接する２×２の４つの画素について、検出する色の配列を示している。また、四角形１つで１画素１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄを示し、四角形内の対角線より上側にある色は光電変換膜２３で光電変換される光の波長域の色、下側にある色は光電変換素子で光電変換される光の波長域の色を示している。なお、「Ｇ」は３原色のうち緑色を示し、「Ｂ」は青色を示し、「Ｒ」は赤色を示す。
【００８４】
ここでは、一例として、カラーフィルタ１０３が、青色（第１の色）光を吸収するとともに、緑色（第２の色）光及び赤色（第３の色）光を透過する。また、光電変換膜が青色（第１の色）光及び緑色（第２の色）光を光電変換し、光電変換素子が赤色（第３の色）光を光電変換する。第３の実施形態の固体撮像素子１１１では、カラーフィルタ１０３が設けられていない画素１０２ｂにおいて、光電変換膜が青色と緑色の２色からなるブレンドカラーを検出する。
【００８５】
第３の実施形態の固体撮像素子１１１によれば、光電変換膜により緑色光を検出する場合、第１の実施形態と比較して、比視感度が最も高い緑色のサンプリング点が１．５倍に増加するため、輝度Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００８６】
（第４の実施形態）
図２４は、第４の実施形態の固体撮像素子１２１の構成を模式的に示す断面図である。
第４の実施形態の固体撮像素子１２１は、支持基板３と、配線部４と、第１の光電変換部５と、第２の光電変換部６と、カラーフィルタ部７と、マイクロレンズ８と、平坦化層１２２と、を備える。すなわち、第４の実施形態の固体撮像素子１２１は、平坦化層１２２を備えること以外は、第１の実施形態と同様であり、同様の部分に関しては説明を省略する。
【００８７】
平坦化層１２２は、下部透明電極２１及び透明絶縁層１４と光電変換膜２３との間に隣接して設けられており、下部透明電極２１及び透明絶縁層１４の表面の凹凸を平滑化することができる。平坦化層１２２の材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。
【００８８】
平坦化層１２２は、上述した図１０のように、下部透明電極２１が形成された後に、スピンコートなどの塗布プロセスにより、透明樹脂を下部透明電極２１及び透明絶縁層１４の上に塗布することで成膜することができる。平坦化層１２２を成膜した後は、平坦化層１２２の上に、光電変換膜２３を塗布し、その後は第１の実施形態の固体撮像素子１と同様にして第４の実施形態の固体撮像素子１２１を作製することができる。
【００８９】
第４の実施形態の固体撮像素子１２１によれば、下部透明電極２１及び透明絶縁層１４の表面凹凸の光電変換膜２３に与える影響を低減し、上部透明電極２２と下部透明電極２１との短絡を防止することができる。これにより、暗電流（遮光時に光電変換膜２３を流れる電流）が低減され、Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００９０】
第４の実施形態では、下部透明電極２１及び透明絶縁層１４と光電変換膜２３との間に隣接するように平坦化層１２２を備えていたが、他の実施形態においても同様に平坦化層１２２を備えていてもよい。これにより、他の実施形態においても、暗電流（遮光時に光電変換膜２３を流れる電流）が低減され、Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００９１】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、光電変換膜２３と、複数の光電変換素子１３ａ、１３ｂとを持つことにより、クロストークによるノイズを低減することができる。
【００９２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９３】
１、１０１、１１１、１２１…固体撮像素子、１ａ…受光面、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…画素、３…支持基板、４…配線部、５…第１の光電変換部、６…第２の光電変換部、７…カラーフィルタ部、８…マイクロレンズ、９…接着層、１０…絶縁層、１１…多層配線、１２…読み出し用トランジスタ、１３ａ、１３ｂ…光電変換素子、１４…透明絶縁層、１５…コンタクトプラグ、１６…ストレージダイオード、１７…ｐ型単結晶Ｓｉ基板（基板）、１８…ｎ型不純物拡散領域、１９…導電膜、２０…絶縁膜、２１…下部透明電極、２２…上部透明電極、２３…光電変換膜、２４…無機保護膜、２５…平坦化層、２６ａ…第１のカラーフィルタ、２６ｂ…第２のカラーフィルタ、３１…半導体基板、３２…トレンチ、３３…導電層、３４…レジスト、４１、５１…ＣＭＯＳイメージセンサ、４２、５２…モールド樹脂、６１、７１…車、６２、７２…カメラ、６３、７３…ディスプレイ、８１…スマートフォン、８２…タッチパネル、９１…タブレット、９２…タッチパネル、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ…画素、１０３…カラーフィルタ、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ…画素、１２２…平坦化層
【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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【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】
2016152265.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2016152265.tif 000017
【図１６】
2016152265.tif 000018
【図１７】
2016152265.tif 000019
【図１８】
2016152265.tif 000020
【図１９】
2016152265.tif 000021
【図２０】
2016152265.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2016152265.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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