(57)【要約】【課題】製造が容易で、高いＳ／Ｎの画像を得ることができる光電変換膜積層型撮像素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板に形成された読出回路部１と、読出回路部１の上に積層された複数の光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂとを備え複数の光電変換層がそれぞれ、光電変換膜１４ｒ，１４ｇ，１４ｂと、光電変換膜１４ｒ，１４ｇ，１４ｂの上に形成された対向電極と、光電変換膜１４ｒ，１４ｇ，１４ｂを対向電極１９と挟む位置に形成された画素電極１６ｒ，１６ｇ，１６ｂとを備え、複数の光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの積層方向に貫通するように充填された長尺形状の複数のプラグ部材Ｐを有し、複数のプラグ部材Ｐがそれぞれ、異なる画素電極１６ｒ，１６ｇ，１６ｂに電気的に接続する。【選択図】図１
2009123780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された読出回路部と、
前記読出回路部の上に積層された複数の光電変換層とを備えた光電変換膜積層型撮像素子であって、
前記複数の光電変換層がそれぞれ、光電変換膜と、前記光電変換膜の上に形成された対向電極と、前記光電変換膜を前記対向電極と挟む位置に形成された画素電極とを備え、前記複数の光電変換層の積層方向に貫通するように充填された長尺形状の複数のプラグ部材を有し、前記複数のプラグ部材がそれぞれ、異なる画素電極に電気的に接続するように形成されていることを特徴とする光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項２】
前記半導体基板にフォトダイオードが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項３】
前記複数の光電変換層には、前記複数のプラグ部材を充填させるためのプラグ充填孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項４】
前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成され、残りが前記光電変換層において前記画素電極を形成していない部分を貫通するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項５】
前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成され、残りが前記光電変換層に形成された絶縁層を貫通するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項６】
各光電変換層において、前記画素電極と電気的に接続される前記プラグ部材が充填された前記プラグ充填孔の周囲に、低抵抗導電性部材が形成されていることを特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項７】
前記読出回路部の光入射側に遮光膜が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項８】
前記読出回路部の光入射側に遮光膜が形成され、前記遮光膜には前記フォトダイオード上に位置する開口部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項９】
前記光電変換膜が有機材料を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子。
【請求項１０】
半導体基板に読出回路部を形成し、
前記読出回路部の上に、光電変換膜と、前記光電変換膜の上に形成された対向電極と、前記光電変換膜を前記対向電極と挟む位置に形成された画素電極とを備えた光電変換層を複数形成し、
前記複数の光電変換層を前記読出回路部上に積層し、
その後、前記複数の光電変換層の積層方向に貫通するように長尺形状の複数のプラグ部材を充填し、前記複数のプラグ部材をそれぞれ、異なる画素電極に電気的に接続するように形成することを特徴とする光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
前記半導体基板にフォトダイオードを形成することを特徴とする請求項１０に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
前記複数の光電変換層を前記読出回路部上に積層する前に、前記複数の光電変換層のそれぞれに、前記複数のプラグ部材を充填させるためのプラグ充填孔を複数形成することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成し、残りが前記光電変換層において前記画素電極を形成していない部分を貫通するように形成することを特徴とする請求項１２に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成し、残りが前記光電変換層に形成された絶縁層を貫通するように形成することを特徴とする請求項１２に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
各光電変換層において、前記画素電極と電気的に接続される前記プラグ部材が充填された前記プラグ充填孔の周囲に、低抵抗導電性部材が形成されていることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１６】
前記読出回路部の光入射側に遮光膜を形成することを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１７】
前記読出回路部の光入射側に遮光膜を形成し、前記遮光膜に前記フォトダイオード上に位置する開口部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【請求項１８】
前記光電変換膜が有機材料を含むことを特徴とする請求項１０から１７のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型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、半導体基板の上に光電変換膜を積層して構成される光電変換膜積層型撮像素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光電変換膜積層型撮像素子は、半導体基板の上に感光層を３層積層し、各感光層で検出された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のそれぞれの電気信号を、半導体基板表面に形成されている読出回路で読み出す構成を有する。このような構成の撮像素子としては、例えば下記特許文献に示すものがある。
【０００３】
特許文献１は、第１の素子及び第２の素子を厚さ方向に上下に配設して電気的に接続してなる半導体装置であって、厚さ方向に貫通する信号伝送部を有する接続基板を該第１の素子及び第２の素子の間に備え、該信号伝送部を介して該第１の素子及び第２の素子を電気的に接続してなる構成である。
【０００４】
特許文献２は、第１シリコン基板の片面にＳＯＩ絶縁層を設けたＳＯＩ基板と、前記ＳＯＩ基板のＳＯＩ絶縁層側に接合された第２シリコン基板と、前記第１シリコン基板または第２シリコン基板のいずれか一方に設けられた光電変換部と、前記第１シリコン基板または第２シリコン基板のいずれか他方に設けられた電荷読み出し部と、前記第１シリコン基板から第２シリコン基板にわたって前記ＳＯＩ絶縁層を貫通する状態で形成され、前記光電変換部によって生成された信号電荷を前記電荷読み出し部側に伝送するプラグ部と、を有する構成である。
【０００５】
特許文献３は、信号読み出し回路が形成された半導体基板の上に複数の光電変換膜が積層され、各光電変換膜が共通電極膜と画素対応の対向電極膜とによって挟まれ、各光電変換膜で発生した光電荷が前記対向電極膜から取り出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、第１の光電変換膜に設ける前記共通電極膜と第２の光電変換膜に設ける前記共通電極膜とを共用し該共用電極膜の下に前記第１の光電変換膜が積層され該共通電極膜の上に前記第２の光電変換膜が積層される構成である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３３５３８号公報
【特許文献２】特開２００４−５５５９０号公報
【特許文献３】特開２００５−２６８４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の半導体装置は、第１の素子および第２の素子は具体的には、光電変換部と走査回路部を示しており、光電変換部が１層である場合は問題ないが、光利用効率を向上させるために複数層の光電変換部を積層する半導体装置の場合は、第２層目以降の光電変換部と走査回路を電気的に接続することができなかった。
特許文献２は、光電変換部を有するシリコン基板と電荷読み出し部を有するシリコン基板を接合した後に伝送プラグを形成するためのコンタクトホールを形成している。光電変換部を有機材料を用いた有機光電変換膜で構成する場合には、コンタクトホールの形成時に有機材料が汚染され著しく性能が劣化してしまう。
特許文献３は、光電変換膜からの信号を読出回路部に伝送するためのプラグを備え、そのプラグが対向電極のうち対応するものに選択的に電気的接続され、他の対向電極に対しては電気的絶縁状態となるように構成する必要があり、製造上困難であった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、製造が容易で、高いＳ／Ｎの画像を得ることができる光電変換膜積層型撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）半導体基板と、
前記半導体基板に形成された読出回路部と、
前記半導体基板の上に積層された複数の光電変換層とを備えた光電変換膜積層型撮像素子であって、
前記複数の光電変換層がそれぞれ、光電変換膜と、前記光電変換膜の上に形成された対向電極と、前記光電変換膜を前記対向電極と挟む位置に形成された画素電極とを備え、前記複数の光電変換層の積層方向に貫通するように充填された長尺形状の複数のプラグ部材を有し、前記複数のプラグ部材がそれぞれ、異なる画素電極に電気的に接続するように形成されていることを特徴とする光電変換膜積層型撮像素子。
（２）前記半導体基板にフォトダイオードが設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（３）前記複数の光電変換層には、前記複数のプラグ部材を充填させるためのプラグ充填孔が複数形成されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（４）前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成され、残りが前記光電変換層において前記画素電極を形成していない部分を貫通するように形成されていることを特徴とする上記（３）に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（５）前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成され、残りが前記光電変換層に形成された絶縁層を貫通するように形成されていることを特徴とする上記（３）に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（６）各光電変換層において、前記画素電極と電気的に接続される前記プラグ部材が充填された前記プラグ充填孔の周囲に、低抵抗導電性部材が形成されていることを特徴とする上記（３）から（５）のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（７）前記読出回路部の光入射側に遮光膜が形成されていることを特徴とする上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（８）前記読出回路部の光入射側に遮光膜が形成され、前記遮光膜には前記フォトダイオード上に位置する開口部が形成されていることを特徴とする上記（２）に記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（９）前記光電変換膜が有機材料を含むことを特徴とする上記（１）から（８）のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子。
（１０）半導体基板に読出回路部を形成し、
前記半導体基板の上に、光電変換膜と、前記光電変換膜の上に形成された対向電極と、前記光電変換膜を前記対向電極と挟む位置に形成された画素電極とを備えた光電変換層を複数形成し、
前記複数の光電変換層と半導体基板上に積層し、
その後、前記複数の光電変換層の積層方向に貫通するように長尺形状の複数のプラグ部材を充填し、前記複数のプラグ部材をそれぞれ、異なる画素電極に電気的に接続するように形成することを特徴とする光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１１）前記半導体基板にフォトダイオードを形成することを特徴とする上記（１０）に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１２）前記複数の光電変換層を前記読出回路部上に積層する前に、前記複数の光電変換層のそれぞれに、前記複数のプラグ部材を充填させるためのプラグ充填孔を複数形成することを特徴とする上記（１０）又は（１１）に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１３）前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成し、残りが前記光電変換層において前記画素電極を形成していない部分を貫通するように形成することを特徴とする上記（１２）に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１４）前記複数のプラグ充填孔のうち少なくとも一つが前記画素電極を貫通するように形成し、残りが前記光電変換層に形成された絶縁層を貫通するように形成することを特徴とする上記（１２）に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１５）各光電変換層において、前記画素電極と電気的に接続される前記プラグ部材が充填された前記プラグ充填孔の周囲に、低抵抗導電性部材が形成されていることを特徴とする上記（１２）から（１４）のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１６）前記読出回路部の光入射側に遮光膜を形成することを特徴とする上記（１０）から（１５）のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１７）前記読出回路部の光入射側に遮光膜を形成し、前記遮光膜に前記フォトダイオード上に位置する開口部を形成することを特徴とする上記（１１）に記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
（１８）前記光電変換膜が有機材料を含むことを特徴とする上記（１０）から（１７）のいずれか１つに記載の光電変換膜積層型撮像素子の製造方法。
【００１０】
本発明は、光電変換膜と画素電極とを有する光電変換層と、読出回路部をそれぞれ予め作成し、読出回路部に光電変換層を貼り合せた後、各光電変換層の画素電極と読出回路部とをプラグ部材を光電変換層に充填させることによって電気的に接続させることができる。このとき、プラグ部材を充填させるためのプラグ充填孔を各光電変換層に予め形成しておけばよく、光電変換層を積層させた後で、プラグ充填孔にプラグ部材を充填させることによって積層された光電変換層の画素電極と読出回路部とを接続させることができる。このため、容易に製造することができる。
また、各光電変換層を製造する際に、所定の位置にプラグ充填孔を形成し、その後で、光電変換膜を形成することができるため、有機材料を含む光電変換膜を用いる場合に、有機材料が汚染されることに起因して素子の光学性能が劣化してしまうことを防止することができる。このため、このような構成の光電変換膜積層型撮像素子によれば、高いＳ／Ｎ比の画像を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造が容易で、高いＳ／Ｎの画像を得ることができる光電変換膜積層型撮像素子及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる光電変換膜積層型撮像素子の第１実施形態の断面構造を示す撮像素子である。
光電変換膜積層型撮像素子１０は、シリコンなどの半導体基板において、光入射側の表面に形成された読出回路部１と、半導体基板の上に積層された複数（本実施形態では３つ）の光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒとを備えている。
【００１３】
読出回路部１は、表面に信号電荷を蓄積させるために用いるｎ型の高濃度不純物拡散領域８が形成された回路基板２と、該回路基板２において高濃度不純物拡散領域８が形成された面に積層された絶縁層６とを備えている。絶縁層６には、入射光が回路基板２の表面に照射させることを回避するため、回路基板２の上方を覆うように遮光膜４が形成されている。
【００１４】
読出回路部１の上には、赤色の信号電荷を検出する光電変換層１２ｒと、該光電変換層１２ｒの上に積層され、緑色の信号電荷を検出する光電変換層１２ｇと、該光電変換層１２ｂの上に積層され、青色の信号電荷を検出する光電変換層１２ｂとが積層された構成である。光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、例えば、有効材料などを含む光電変換材料から構成されている。
【００１５】
光電変換層１２ｒは、透明薄膜１１を有し、該透明薄膜１１の上には、赤色の波長の光を検出する光電変換膜１４ｂと、絶縁層１３とが水平方向に並べて形成されている。光電変換膜１４ｂの上には対向電極１９が形成され、光電変換膜１４ｂを対向電極１９と挟む位置に画素電極１６ｂが形成されている。同様に、光電変換層１２ｇは、透明薄膜１１を有し、該透明薄膜１１の上には、緑色の波長の光を検出する光電変換膜１４ｇと、絶縁層１３とが並べて形成されている。光電変換膜１４ｇの上には対向電極１９が形成され、光電変換膜１４ｇを対向電極１９と挟む位置に画素電極１６ｇが形成されている。また、同様に、光電変換層１２ｂは、透明薄膜１１を有し、該透明薄膜１１の上には、青色の波長の光を検出する光電変換膜１４ｂと、絶縁層１３とが並べて形成されている。光電変換膜１４ｂの上には対向電極１９が形成され、光電変換膜１４ｂを対向電極１９と挟む位置に画素電極１６ｂが形成されている。
【００１６】
各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの対向電極１９は、該対向電極１９にバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加回路に接続されている。また、対向電極１９の上には、製造時に、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ及び対向電極１９を保護するために、光透過性を有する保護膜１７が形成されている。
【００１７】
本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子１０は、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒの形状がそれぞれ異なっており、すなわち、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの積層方向（図１の上下方向）に対して重なり合う領域と、重なり合わない領域とを有している。
【００１８】
また、光電変換膜積層型撮像素子１０は、光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを貫通することで積層方向に延設された長尺形状の複数（図１においては３つ）のプラグ部材Ｐが形成され、これらプラグ部材Ｐがそれぞれ、異なる画素電極１４ｂ，１４ｇ，１４ｒに電気的に接続するように形成されている。プラグ部材Ｐはそれぞれ、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの絶縁層１３の中に積層方向に延設されている。プラグ部材Ｐは、読出回路部１の絶縁層６に形成された挿通孔９に充填され、その下方端部が回路基板２の高濃度不純物拡散領域８に接続されている。
【００１９】
本実施形態では、複数のプラグ部材Ｐのうち少なくとも一つが光電変換層１２ｂの画素電極１６ｂに対して電気的に接続され、他の光電変換層１２ｇ，１２ｒの各画素電極１６ｇ，１６ｒに対しては絶縁層１３によって電気的に絶縁されている。また、複数のプラグ部材Ｐのうち少なくとも一つが光電変換層１２ｇの画素電極１６ｇに対して電気的に接続され、他の光電変換層１２ｂ，１２ｒの各画素電極１６ｂ，１６ｒに対しては絶縁層１３によって電気的に絶縁されている。さらに、複数のプラグ部材Ｐのうち少なくとも一つが光電変換層１２ｒの画素電極１６ｒに対して電気的に接続され、他の光電変換層１２ｂ，１２ｇの各画素電極１６ｂ，１６ｇに対しては絶縁層１３によって電気的に絶縁されている。
【００２０】
本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子１０は、駆動時に、光電変換層１２ｂにおいて入射光に含まれる青色の波長の光を検出し、検出した信号電荷を画素電極１６ｂに電気的に接続されたプラグ部材Ｐによって導通させて読出回路部１に転送する。また、光電変換層１２ｇにおいて入射光に含まれる緑色の波長の光を検出し、検出した信号電荷を画素電極１６ｇに電気的に接続されたプラグ部材Ｐによって導通させて読出回路部１に転送する。光電変換層１２ｒにおいて入射光に含まれる赤色の波長の光を検出し、検出した信号電荷を画素電極１６ｒに電気的に接続されたプラグ部材Ｐによって導通させて読出回路部１に転送する。このように、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒによって検出された信号電荷をそれぞれ読出回路部１で読み出すことで、カラーの画像を得ることができる。
【００２１】
次に、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子１０を製造する手順を説明する。図２から図６は、光電変換層を形成する手順を示す図である。なお、以下では、光電変換層１２ｂを形成する手順を一例に説明するが、光電変換層１２ｇ，１２ｒについても基本的に同じである。
【００２２】
図２に示すように、最初に、支持体Ｓの上面に剥離層７を形成し、剥離層７の上に、透明薄膜１１を形成する。なお、支持体Ｓは、光電変換層１２ｂを形成する際に、該光電変換層１２ｂを支持するために用いる。
【００２３】
透明薄膜１１の上に画素電極１６ｂをパターン形成する。その後、透明薄膜１１の上に、画素電極１６の一部と重なり合うように、絶縁層１３を形成する。
【００２４】
図３に示すように、絶縁層１３を形成した後で、絶縁層１３にエッチングなどによりプラグ部材Ｐを充填するためのプラグ充填孔１８を形成する。プラグ充填孔１８は、絶縁層１３と、該絶縁層１３の下に形成された画素電極１６ｂと、透明薄膜１１とを積層方向（図３の上下方向）に貫通するように形成される。
【００２５】
図４に示すように、プラグ充填孔１８を形成した後で、画素電極１６ｂを含めた全面に、順に、光電変換膜１４ｂと、対向電極１９と、保護膜１７とを形成する。そして、絶縁層１３及びプラグ充填孔１８の内部に積層した、光電変換膜１４ｂ，対向電極１９，保護膜１７からなる層を、エッチングやＣＭＰ等の手法によって除去する。こうすることで、図５に示すように、絶縁層１３が形成されていない領域の画素電極１６ｂ上に光電変換膜１４ｂ，対向電極１９及び保護膜１７が形成された状態とすることができる。エッチングやＣＭＰ等の手法による除去を行うときには、光電変換膜１２ｂ及び対向電極１９が保護膜１７によって保護されているため、例えば光電変換膜１２ｂに含まれる有機材料がダメージを受けてしまうことを防止することができる。
【００２６】
図６は、図５に示す光電変換層の、図５の断面に対して垂直方向の断面視した構成を示す図である。図７は、図１の各光電変換層の画素電極の構成を示す図である。図７（ａ）は光電変換層１２ｂの画素電極１６ｂを示し、図７（ｂ）は光電変換層１２ｇの画素電極１６ｇを示し、図７（ｃ）は光電変換層１２ｒの画素電極１６ｒを示している。図２から５は、図７（ａ）に示す画素電極１６ｂの横方向に平行な断面をみた状態を示し、図６は、図７（ａ）に示す画素電極１６ｂの縦方向に平行な断面をみた状態を示している。図８は、光電変換層１２ｇの構成を示す図であり、図７（ｂ）に示す画素電極１６ｇの横方向に平行な断面をみた状態を示している。図９は、光電変換層１２ｇを、図７（ｂ）に示す画素電極１６ｇの縦方向に平行な断面をみた状態を示している。図１０は、光電変換層１２ｒの構成を示す図であり、図７（ｃ）に示す画素電極１６ｒの横方向に平行な断面をみた状態を示している。図１１は、光電変換層１２ｒを、図７（ｂ）に示す画素電極１６ｒの縦方向に平行な断面をみた状態を示している。
【００２７】
図７に示すように、本実施形態においては、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒはそれぞれ異なる形状を有し、プラグ部材を充填するための複数のプラグ充填孔１８がそれぞれ、各画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒにおいて異なる位置に形成されている。各画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒにおいてプラグ充填孔１８が形成されていない領域には、絶縁層１３が形成され、絶縁層１３に、接続されないプラグ部材を充填するためのプラグ充填孔１８が形成されている。
【００２８】
図８及び図９に示すように、光電変換層１２ｇは、図２から図６に示す光電変換層１２ｂと同じ手順によって絶縁層１３に複数のプラグ充填孔１８を形成している。ここで、光電変換層１２ｇに形成された複数のプラグ充填孔１８のうち、上記光電変換層１２ｂとは、異なる位置のプラグ充填孔１８に対して電気的接続をとれる位置に画素電極１６ｇが形成されている。
【００２９】
図１０及び図１１に示すように、光電変換層１２ｒは、図２から図６に示す光電変換層１２ｂと同じ手順によって絶縁層１３に複数のプラグ充填孔１８を形成している。ここで、光電変換層１２ｒに形成された複数のプラグ充填孔１８のうち、上記光電変換層１２ｂ及び光電変換層１２ｇとは、異なる位置のプラグ充填孔１８に対して電気的接続をとれる位置に画素電極１６ｒが形成されている。
【００３０】
図１２は、読出回路部を平面視した状態を模式的に示す図である。図１３は、図１２の破線で示す断面をみた状態を示す図である。読出回路部１は、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂとは、別途に作成される。図１３に示すように、読出回路部１は、シリコン等からなる回路基板２を、通常の半導体製造プロセスを用いて作成することができる。本実施形態では、先ず、回路基板２に絶縁層６を積層させ、該絶縁層６において、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを積層させた状態でそれぞれのプラグ充填孔１８と同じ位置になるように、プラグ部材Ｐを充填させるための充填孔９を開口する。その後、開口から露呈する回路基板２の表面に、信号電荷を蓄積させるための蓄積部として機能させるため、他の領域よりも不純物濃度が高い（本実施形態ではｎ＋型とした。）高濃度不純物拡散領域８を形成する。また、絶縁層６には、入射光が回路基板２の表面に照射されることを防止するための遮光膜４を形成する。
【００３１】
図１４は、読出回路部における回路構成の一例を示す図である。図１４に示すように、本実施形態では、３個のトランジスタからなるＣＭＯＳ回路を用いている。しかし、読出回路部１における回路構成としては、ＣＭＯＳ回路に限定されず、他の読み出し方式のＣＭＯＳ回路やＣＣＤを用いることができ、または、信号を読み出すことができれば別の回路を適用することもできる。
【００３２】
図１５は、読出回路部に光電変換層を貼り合せることで積層させた状態を示す図である。図１５に示すように、読出回路部１を形成した後、別途作成した光電変換層１２ｒ，１２ｇ、１２ｂをそれぞれ、支持体Ｓの剥離層７から透明薄膜１１を剥離させ、読出回路部１に所定の順で貼り合せる。光電変換層１２ｒ，１２ｇ、１２ｂを積層させた状態で、それぞれの絶縁層１３のプラグ充填孔１８同士が積層方向に連通し、また、最も下部に位置する光電変換層１２ｒのプラグ充填孔１８が読出回路部１の充填孔９に連通する。そして、プラグ部材Ｐを構成する導電性材料をＣＶＤなどによってそれぞれのプラグ充填孔１８に充填させることで、各プラグ充填孔１８にプラグ部材Ｐが形成される。また、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ、１２ｂの対向電極１９にバイアス電圧印加回路を接続することで、図１に示す光電変換膜積層型撮像素子１０を得ることができる。
【００３３】
次に、本発明にかかる光電変換膜積層型撮像素子の第２の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。
【００３４】
図１６は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の読出回路部の構成を模式的に示す図である。図１７は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子２０は、読出回路部１の回路基板２にフォトダイオード（ＰＤ）が形成させている。フォトダイオードＰＤは、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂの光電変換膜１４ｒ，１４ｇ，１４ｂの積層方向（図１７の上下方向）の下方に形成されている。また、読出回路部１に形成された遮光膜４には、フォトダイオードＰＤの上方の位置を開口させることで開口部４ａが形成されている。こうすることで、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂに吸収されず通過した光を遮光膜４の開口部４ａを介してフォトダイオードＰＤに受光させ、フォトダイオードＰＤで光電変換することで信号電荷を生成することができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、フォトダイオードＰＤの信号電荷を読み出すための手段としてトランジスタ部Ｔｒを備えたＣＭＯＳ回路としたが、読出回路の回路構成はこれに限定されない。
【００３６】
次に、本発明にかかる光電変換膜積層型撮像素子の第３の実施形態を説明する。図１８から図２１は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。なお、図１８から図２０に示す手順では、光電変換層１２ｂを例に説明しているが、光電変換層１２ｇ，１２ｒも同様の手順で形成することができる。
【００３７】
図１８に示すように、先ず、上記第１実施形態と同様に、支持体Ｓに剥離層７を形成し、その上に画素電極１６ｂ及び絶縁層１３を形成する。その後、絶縁層１３にエッチング等で孔を形成し、この孔に低抵抗金属などの低抵抗導電性部材２６を充填する。
【００３８】
図１９に示すように、絶縁層１３の孔に低抵抗導電性部材２６を充填した後、該低抵抗導電性部材２６にスパッタリング等によってプラグ充填孔１８を形成する。プラグ充填孔１８は、低抵抗導電性部材２６と、その下方の画素電極１６ｂと、透明薄膜１１と積層方向に貫通した状態で開口する。
【００３９】
図２０に示すように、低抵抗導電性部材２６にプラグ充填孔１８を開口させた後、上記第１実施形態と同様に、画素電極１６ｂを含めた全面に、順に、光電変換膜１４ｂと、対向電極１９と、保護膜１７とを形成する。そして、絶縁層１３及び低抵抗導電性部材２６の上と、プラグ充填孔１８の内部とに積層した、光電変換膜１４ｂ，対向電極１９，保護膜１７からなる層を、エッチングやＣＭＰ等の手法によって除去する。
【００４０】
本実施形態では、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂにおいて、画素電極１６ｒ，１６ｇ，１６ｂと電気的に接続するプラグ部材Ｐを充填するプラグ充填孔１８の近傍にのみ低抵抗導電性部材２６を形成し、電気的に接続するプラグ部材Ｐを充填するプラグ充填孔１８については、上記第１実施形態と同様に絶縁層１３にスパッタによってプラグ充填孔１８のみを形成し、低抵抗導電性部材２６は形成しない。
【００４１】
そして、上記第１実施形態と同様に形成した読出回路部１の上に各光電変換層１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを順に貼り合わせる。
【００４２】
図２１は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。光電変換膜積層型撮像素子３０は、読出回路部１に光電変換層１２ｒ，１２ｇ、１２ｂを積層させた状態で、それぞれの絶縁層１３のプラグ充填孔１８同士が積層方向に連通し、また、最下部に位置する光電変換層１２ｒのプラグ充填孔１８が読出回路部１の充填孔９に連通する。そして、プラグ部材Ｐを構成する導電性材料をＣＶＤなどによってそれぞれのプラグ充填孔１８に充填させることで、各プラグ充填孔１８にプラグ部材Ｐが形成される。また、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ、１２ｂの対向電極１９にバイアス電圧印加回路を接続する。
【００４３】
本実施形態の構成によれば、各光電変換層１２ｒ，１２ｇ、１２ｂの画素電極１６ｒ，１６ｇ，１６ｂとプラグ部材Ｐが接続されるプラグ充填孔１８が低抵抗導電性部材２６に形成されているため、プラグ部材Ｐと画素電極１６ｒ，１６ｇ，１６ｂとの接触面積を大きく確保できない場合であっても、低抵抗導電性部材２６を介して導電させることで電気的接触をより確実に実現することができる。
【００４４】
次に、本発明にかかる光電変換膜積層型撮像素子の第４の実施形態を説明する。図２２は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の光電変換層の画素電極の構成を模式的に示す平面図である。図２３から図２６は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。なお、図２３から図２６に示す手順では、光電変換層１２ｂを例に説明しているが、光電変換層１２ｇ，１２ｒも同様の手順で形成することができる。
【００４５】
図２２に示すように、本実施形態において、各光電変換素子１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極３６ｂ，３６ｇ，３６ｒは全て同じ形状を有し、プラグ充填孔がすべて画素電極を貫通するように形成されている点で、上記実施形態の構成とは相違する。
【００４６】
図２３に示すように、先ず、支持体Ｓに剥離層７を形成し、剥離層７の上に画素電極３６ｂを形成する。そして、画素電極３６ｂの一部をスパッタなどで開口し、開口した部分に第１の絶縁層３３をエッチングなどで形成する。その後、図２４に示すように、第１の絶縁体３３の周囲に、一部が画素電極３６ｂと重なるように第２の絶縁層１３をエッチングなどで形成する。
【００４７】
図２５に示すように、第１の絶縁層３３及び第２の絶縁層１３を形成した後、第１の絶縁層３３にエッチングなどによってプラグ充填孔１８を形成する。ここで、第１の絶縁層３３に形成されるプラグ充填孔１８は、第１の絶縁層３３と、透明薄膜１１とを積層方向に貫通するように形成する。
【００４８】
図２６は、本実施形態の光電変換層の構成を示す図である。なお、図２６では、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの透明薄膜１１の下方の剥離層及び支持体は記載せず省略している。図２６に示すように、光電変換層１２ｂにおいて、第２の絶縁層３３に形成され、プラグ部材Ｐを充填したときに画素電極３６と接触することがないプラグ充填孔１８と、該プラグ挿通孔１８とは別に、第２の絶縁層１３に形成され、プラグ部材Ｐを充填したときに画素電極３６と接触するプラグ充填孔３８とが設けられている。光電変換層１２ｇにおいて、光電変換層１２ｂのプラグ充填孔１８のうち、少なくとも一つに連通するプラグ充填孔３８が画素電極３６ｇと電気的に接続するように第２の絶縁層１３及び透明薄膜１１を貫通するように開口する。また、他のプラグ充填孔１８は、第１の絶縁層３３を貫通するように形成され、画素電極３６ｇに対して電気的に絶縁される。光電変換層１２ｒにおいて、光電変換層１２ｂのプラグ充填孔３８と光電変換層１２ｇのプラグ充填孔３８とのいずれにも連通しない位置に設けられたプラグ充填孔３８が、画素電極３６ｒと電気的に接続するように第２の絶縁層１３及び透明薄膜１１を貫通するように開口する。また、他のプラグ充填孔１８は、第１の絶縁層３３を貫通するように形成され、画素電極３６ｒに対して電気的に絶縁される。
【００４９】
図２７は、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。図２７に示すように、光電変換膜積層型撮像素子４０は、読出回路部１に各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒを積層し、プラグ充填孔１８，３８にプラグ部材Ｐが充填される。また、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極１９には、バイアス電圧印加回路が接続される。本実施形態の構成によれば、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極３６ｂ，３６ｇ，３６ｒの形状を共通化することができるため、より一層容易に製造することができる。
【００５０】
図２８は、本発明にかかる光電変換膜積層型撮像素子の第５の実施形態を示す図である。図２８に示すように、本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子５０は、上記第４の実施形態の構成と基本的に同様であり、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ、１２ｒにおいて、画素電極３６ｂ，３６ｇ，３６ｒとプラグ部材Ｐとを電気的に接続するプラグ充填孔１８の周囲に上記第３の実施形態と同様に、低抵抗導電性部材２６を形成した点において相違する。このような構成によれば、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極３６ｂ，３６ｇ，３６ｒの形状を共通化することで、製造を容易にできるうえ、画素電極３６ｂ，３６ｇ，３６ｒとそれに対応するプラグ部材Ｐとを、低抵抗導電性部材によってより確実に電気接続することができる。
【００５１】
本発明は、光電変換膜１４ｂ，１４ｇ，１４ｒと画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒとを有する光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒと、読出回路部１を予め作成し、読出回路部１に光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒを貼り合せた後、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒと読出回路部１とを、プラグ部材Ｐを光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒのプラグ充填孔１８に充填させることによって電気的に接続させることができる。このとき、プラグ部材を充填させるためのプラグ充填孔１８を各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒに予め形成しておけばよく、光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒを積層させた後で、プラグ充填孔１８にプラグ部材Ｐを充填させることによって積層された光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒの画素電極１６ｂ，１６ｇ，１６ｒと読出回路部１とを接続させることができる。このため、容易に製造することができる。
また、各光電変換層１２ｂ，１２ｇ，１２ｒを製造する際に、所定の位置にプラグ充填孔１８を形成し、その後で、光電変換膜１４ｂ，１４ｇ，１４ｒを形成することができるため、有機材料を含む光電変換膜１４ｂ，１４ｇ，１４ｒを用いる場合に、有機材料が汚染されることに起因して素子の光学性能が劣化してしまうことを防止することができる。このため、このような構成の光電変換膜積層型撮像素子によれば、高いＳ／Ｎ比の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明にかかる光電変換膜積層型撮像素子の第１実施形態の断面構造を示す撮像素子である。
【図２】光電変換層を形成する手順を示す図である。
【図３】光電変換層を形成する手順を示す図である。
【図４】光電変換層を形成する手順を示す図である。
【図５】光電変換層を形成する手順を示す図である。
【図６】光電変換層を形成する手順を示す図である。
【図７】図１の各光電変換層の画素電極の構成を示す図である。
【図８】他の光電変換層の構成を示す図である。
【図９】図８とは異なる断面でみた図である。
【図１０】他の光電変換層の構成を示す図である。
【図１１】図１０とは異なる断面でみた図である。
【図１２】読出回路部を平面視した状態を模式的に示す図である。
【図１３】図１２の破線で示す断面をみた状態を示す図である。
【図１４】読出回路部における回路構成の一例を示す図である。
【図１５】読出回路部に光電変換層を貼り合せることで積層させた状態を示す図である。
【図１６】本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の読出回路部の構成を模式的に示す図である。
【図１７】本実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。
【図１８】第３の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図１９】第３の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図２０】第３の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図２１】第３の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。
【図２２】第４の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の光電変換層の画素電極の構成を模式的に示す平面図である。
【図２３】第４の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図２４】第４の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図２５】第４の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図２６】第４の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子を形成する手順を示す図である。
【図２７】第４の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。
【図２８】第５の実施形態の光電変換膜積層型撮像素子の断面構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    読出回路部
４    遮光膜
１０，２０，３０，４０，５０    光電変換膜積層型撮像素子
１１    透明薄膜
１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ    光電変換層
１３，３３    絶縁層
１４ｒ，１４ｇ，１４ｂ    光電変換膜
１６ｒ，１６ｇ，１６ｂ    画素電極
１８，３８    プラグ充填孔
２６    低抵抗導電性部材
３６ｒ，３６ｇ，３６ｂ    画素電極
Ｐ    プラグ部材
【図１】
2009123780.tif 000003
【図２】
2009123780.tif 000004
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2009123780.tif 000020
【図１９】
2009123780.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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