JP7013425B2 - 光電変換装置、及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、撮像システム、及び光電変換装置の製造方法に関する。

回路が設けられた半導体基板の上に設けられた光電変換膜を有する光電変換装置が知られている。特許文献１には、光電変換膜として有機光電変換膜を用いた固体撮像素子が開示されている。

また、特許文献２には、シリコン半導体基板の内部に光電変換素子を有する光電変換装置において、半導体基板のダングリングボンドを低減する方法が開示されている。特許文献２には、配線等を形成した後に、熱処理を行うことで、シリコン酸化膜から水素を拡散させて、ダングリングボンドを終端させている。半導体基板のダングリングボンドを低減することで、光電変換装置のノイズが低減される。

特開２０１４－０６７９４８ 特開２００９－２９５７９９

特許文献１のような光電変換膜を用いた光電変換装置において、ノイズを低減するために特許文献２に記載の熱処理を行うと、有機光電変換膜が変質してしまう可能性がある。その他の材料からなる光電変換膜でも、高い温度の熱処理によって、光電変換膜が変質してしまう可能性がある。

よって、本発明では、光電変換膜の特性を維持しつつ、ノイズが低減された光電変換装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の光電変換装置の製造方法の一例は、ＭＯＳトランジスタが設けられた半導体基板を準備する第１工程と、前記半導体基板の上に、複数の層間絶縁膜を形成する第２工程と、前記半導体基板の上に、光電変換部を形成する第３工程と、を有し、前記第２工程は、水素を含有した第１膜を形成する工程を有し、前記第３工程は、第１電極を形成する工程と、光電変換膜を形成する工程と、第２電極を形成する工程とを有し、前記第１膜を形成する工程と前記光電変換膜を形成する工程との間に、熱処理を行う工程を有する。

また、本発明の光電変換装置の一例は、半導体基板を有する光電変換装置において、前記半導体基板の上に配された複数の層間絶縁膜と、前記半導体基板の上に配された第１電極と、前記第１電極の上に配された光電変換膜と、前記光電変換膜の上に配された第２電極とを有する光電変換部と、前記半導体基板に配されたＭＯＳトランジスタを含む読み出し回路部と、を有し、前記第１電極は、前記ＭＯＳトランジスタと電気的に接続し、前記複数の層間絶縁膜は、前記第１電極と前記半導体基板との間に配された、水素を含有する第１膜を含む。

本発明によって、光電変換膜の特性を維持しつつ、ノイズが低減された光電変換装置、及びその製造方法を提供することが可能となる。

第１の実施形態を説明するための光電変換装置の断面模式図。 第２の実施形態を説明するための光電変換装置の断面模式図。 第３の実施形態を説明するための光電変換装置の断面模式図。 第４の実施形態を説明するための光電変換装置の断面模式図。

（第１実施形態）
第１実施形態について図１を用いて説明する。図１では、同一層の部材については同一の符号を付している。なお、本明細書で図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。

図１は、本実施形態を説明するための光電変換装置の断面模式図である。光電変換装置は、複数の画素が２次元アレイ状に配列されている。ここでは、４つの画素１６１～１６４を示している。各画素１６１～１６４は、少なくとも１つの光電変換部と、光電変換部にて生じた信号を読み出すための読み出し回路を含む。画素１６１～１６４のうち、画素１６４は、黒のカラーフィルタ１３２が設けられたオプティカルブラック画素（ＯＰＢ画素）である。ＯＰＢ画素にて得られた信号は基準信号として利用される。読み出し回路は、例えば、光電変換部と電気的に接続した転送トランジスタや、光電変換部と電気的に接続したゲート電極を有する増幅トランジスタや、光電変換部をリセットするためのリセットトランジスタを含む。光電変換装置は、画素の他に、周辺回路部１６５と、パッド部１６６などを有する。パッド部１６６は、外部との電気的接続を取る部分であり、導電体からなるパッドが露出する部分である。周辺回路部１６５は、画素の動作の制御や読み出された信号の処理を行う部分であり、増幅回路、水平走査回路、垂直走査回路等の処理回路を含む。ここでは、周辺回路部１６５として、画素の電極に電圧を供給する回路の一部が示されている。

図１の各構成について、説明する。まず、半導体基板１０１に、画素１６１～１６４、周辺回路部１６５、パッド部１６６にあるＭＯＳトランジスタ等の素子が設けられている。画素１６１～１６４には、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン１０２、ゲート１０３が設けられ、周辺回路部１６５には半導体領域１０４が設けられ、パッド部１６６には半導体領域１０５が設けられている。ここで、半導体基板１０１は表面１０６を有する。表面１０６に対して垂直な方向であって、基板内部に向かう方向を下方向とし、その反対方向を上方向とする。また、表面１０６を基準とした場合、上方向の距離は高さとも言う。また、ソース・ドレイン１０２は、ソース及びドレインのいずれか一方をさす場合も含む。

半導体基板１０１の表面１０６の上には、ゲート絶縁膜１０７が設けられ、更に、複数の層間絶縁膜１０８～１１４と、複数の配線層１１６、１１８、１２０、１２２が設けられている。各配線層１１６、１１８、１２０、１２２を電気的に接続させるため、コンタクト層１１５やビア層１１７、１１９、１２１、１２３は、タングステンを主成分とする導電体によってプラグが構成されており、チタン等のバリアメタルを有していてもよい。各配線層１１６、１１８、１２０、１２２と接続されている。複数の層間絶縁膜１０８～１１４と、複数の配線層１１６、１１８、１２０、１２２の上には、第１電極層１２４と、分離膜１２５と、光電変換膜１２６と、第２電極層１２７が設けられている。第２電極層１２７の上には、平坦化膜１２８と、カラーフィルタ層が設けられている。ここで、各配線層１１６、１１８、１２０、１２２は複数の配線パターンを含む。各コンタクト層は複数のコンタクトプラグを、各ビア層は複数のビアプラグを含む。各第１電極層１２４は、複数の第１電極を含む。分離膜１２５は複数の分離部を含む。カラーフィルタ層は、例えば青色のカラーフィルタ１２９と、緑色のカラーフィルタ１３０と、赤色のカラーフィルタ１３１と、黒色のカラーフィルタ１３２を含む。黒色のカラーフィルタは遮光部材として機能する。以降の説明において、各層の含むパターンなどに対しても各層と同一の符号を付して説明する。

１つの光電変換部は、半導体基板１０１の上であって、複数の層間絶縁膜１０８～１１４と複数の配線層１１６、１１８、１２０、１２２の上に設けられており、第１電極１２４と、光電変換膜１２６と、第２電極１２７を含む。ここで、光電変換膜１２６と第２電極１２７は、複数の画素にまたがって設けられているが、各画素で分離されていてもよい。

このような光電変換装置において、複数の層間絶縁膜１０８～１１４は、水素を含有する第１膜１１０を、第１電極１２４と半導体基板１０１との間に有する。水素を含有する膜とは、例えば、シリコン酸化膜や、シリコン酸窒化膜や、シリコン窒化膜である。シリコン酸化膜としては、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）や、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）や、ＵＳＧ（Ｕｎ－ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）等も含む。シリコン酸窒化膜は、シリコンと酸素と窒素を含む膜とも言える。半導体基板１０１に近い位置に水素を含有する第１膜１１０が配されることで、半導体基板１０１の表面１０６におけるダングリングボンドを水素によって終端することができる。よって、ダングリングボンドに起因するノイズを低減することが可能となる。

更に、複数の層間絶縁膜１０８～１１４は、水素の移動を抑制する機能を有する第２膜１１４を、第１膜１１０と第１電極１２４との間に有する。水素の移動を抑制する機能を有する膜とは、例えば、シリコン窒化膜（シリコンと窒素を含む膜）やシリコン炭化膜（シリコンと炭素を含む膜）などの緻密な膜である。つまり、第２膜１１４は、第１膜１１０よりも単位体積当たりの密度が高い膜である、あるいは第１膜１１０よりも水素透過率が低い膜であればよい。第２膜１１４が第１膜１１０の上に設けられていることで、第１膜１１０から拡散する水素が半導体基板１０１と反対側に拡散することを低減することが可能となる。よって、半導体基板１０１への水素の拡散量が増大し、よりノイズを低減することが可能となる。

次に、各構成について詳述する。半導体基板１０１は、例えば、シリコンからなる半導体基板である。ゲート１０３は、例えば、ポリシリコンからなる。ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜などである。複数の層間絶縁膜１０８～１１４は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の無機材料、及びＳｉＬＫ等の有機材料を用いることができる。複数の配線層１１６、１１８、１２０、１２２は、アルミニウムや銅を主成分とする導電体からなる。コンタクト層１１５やビア層１１７、１１９、１２１、１２３は、本実施形態では、配線層１２２はパッド部１６６のパッドを含むため、アルミニウムを主成分とする導電体からなる。第１電極１２４は、下部電極とも称し、アルミニウムや銅を主成分とする導電体からなる。第１電極１２４は、複数の配線層１１６、１１８、１２０、１２２を介して、読み出し回路のＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン１０２に電気的に接続される。第２電極１２７は、上部電極とも称し、第１電極よりも光入射面側に位置する。第２電極１２７は、透明導電材料からなることが望ましく、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）や、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）を主成分とする導電体からなる。第２電極１２７は、第１電極層１２４にある導電体を介して、配線層１２２に電気的に接続され、周辺回路部１６５に設けられた素子と電気的に接続する。光電変換膜１２６は、無機材料あるいは有機材料からなる光電変換可能な材料からなる。光電変換膜１２６として、例えば、無機材料の場合には、アモルファスシリコン層、アモルファスセレン層、量子ドット層、化合物半導体層等を適宜選択できる。光電変換膜２２０の材料として、有機材料を用いることができる。有機材料の例としては、金属錯体色素、シアニン系色素等の色素等である。その他には、アクリジン、クマリン、トリフェニルメタン、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、ポリチオフェンなどの誘導体を用いることができる。また、その他の光電変換膜１２６の例として、量子ドット層を用いることができる。例えば、量子ドット層は、ＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓのバッファ材と、ＩｎＡｓあるいはＩｎＧａＡｓの量子ドットからなる。また、量子ドット層は、有機材料からなるバッファ材に、光電変換材料が分散された層であってもよい。分離膜１２５は、シリコン酸化膜などの絶縁体を用いることができる。平坦化膜１２８の材料として、無機材料あるいは有機材料を用いることができ、例えば、シリコン窒化膜、シリコン炭化膜、アクリル樹脂などを用いることができる。

次に、本実施形態の光電変換装置の製造方法について、説明する。以下の製造方法において、一般の半導体プロセスにて形成可能である部分については、説明を省略する。

まず、ＭＯＳトランジスタ（１０２、１０３、１０７）等の半導体素子が形成された半導体基板を準備する。そして、半導体基板の上に、複数の層間絶縁膜１０８～１１４と、複数の配線層１１６、１１８、１２０、１２２と、コンタクト層１１５と、複数のビア層１１７、１１９、１２１とを形成する。

ここで、水素を拡散させるための熱処理を行う（熱処理工程）。熱処理は、水素雰囲気、窒素雰囲気、あるいは不活性ガス雰囲気で、２５０℃～４５０℃の間で行われる。特に、水素雰囲気が好ましい。

第２膜１１４が形成された後、且つ、熱処理工程の後に、ビア層１２３を形成する。ビア層１２３を形成した後、第１電極層１２４と、分離膜１２５と、光電変換膜１２６と、第２電極層１２７をこの順に形成する。ここで、分離膜１２５は、例えば、シリコン酸化膜を形成した後、各第１電極１２４の一部を露出する開口を形成する。光電変換膜１２６は、第１電極１２４が露出した部分を覆って、形成される。第２電極層１２７は画素１６１～１６４において光電変換膜１２６を覆い、周辺回路部１６５において第１電極層１２４の１つのパターンに接続されるように形成される。

その後、平坦化膜１２８が形成され、カラーフィルタ１２９～１３２が形成される。そして、カラーフィルタ１２９～１３２の上に、平坦化膜（不図示）やマイクロレンズ（不図示）を形成してもよい。そして、平坦化膜１２８に開口１３３を形成し、パッドを形成することで、光電変換装置が完成する。

ここで、複数の層間絶縁膜１０８～１１４の製造方法について詳述する。複数の層間絶縁膜１０８～１１４のうち、第１膜１１０と第２膜１１４以外の膜として、シリコン酸化膜が形成される。このシリコン酸化膜は、例えば、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰ－ＣＶＤ）法によって、形成される。そして、第１膜１１０は、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法によって形成され、原料ガスに水素を添加して形成される。第１膜１１０を形成する時の温度（成膜温度）は、４５０℃以下、より好ましくは４００℃以下である。第２膜１１４は、誘導結合（ＩＣＰ）型ＨＤＰ－ＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法によって、シリコン窒化膜が形成される。原料ガスには、ＳｉＨ４と、Ｏ２を含む。場合によって、キャリアガスとしてＡｒを添加する。または、原料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）とＯ２を用いてもよい。第２膜１１４を形成する時の温度（成膜温度）は、４５０℃以下、より好ましくは４００℃以下である。ここで、第１膜１１０を形成する時の温度をＴ１、第２膜１１４を形成する時の温度をＴ２とすると、Ｔ１≦Ｔ２であることが望ましい。第１膜１１０より第２膜１１４の密度を高めるためである。また、第１膜１１０を形成する時のＣＶＤ装置のチャンバーの圧力は、第２膜１１４を形成する時のＣＶＤ装置のチャンバーの圧力よりも低い。また、第１膜１１０、及び第２膜１１４を形成する時の温度は、熱処理工程の温度以下であることが望ましい。熱処理工程の温度をＴ３とすると、Ｔ１≦Ｔ３、且つ、Ｔ２≦Ｔ３である。よって、望ましくは、Ｔ１≦Ｔ２＜Ｔ３である。

このような条件によって、第１膜１１０と第２膜１１４を形成した後、熱処理工程を行う。熱処理工程は、少なくとも光電変換膜１２６を形成する工程の前に行う。このような工程によって、光電変換膜１２６の特性変化を抑制することができる。

本実施形態では、第２膜１１４を形成した後、且つ第１電極層１２４を形成する前に熱処理工程を行う場合を説明した。しかし、第１電極層１２４を形成した後に、熱処理工程を行ってもよい。製造過程にて生じる半導体基板のダメージを低減するためにも、出来る限り、製造工程の終わりに近い工程に熱処理工程を行うことが望ましい。また、第２電極層１２７を形成する前に、熱処理工程を行うことで、第２電極層１２７の抵抗値の変化を抑制することが可能となる。

本実施形態では、シリコン窒化膜からなる平坦化膜１２８と第２膜１１４とで光電変換膜１２６を囲んでいる。このような構成によって、光電変換膜１２６への水やイオンの侵入を低減することが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について、図２を用いて説明する。第２実施形態は、第１実施形態と第１電極１２４と光電変換膜１２６との間に、絶縁膜２０１を設けた点が異なる。本実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態では、光電変換部は、第１電極１２４と、絶縁膜２０１と、光電変換膜１２６と、第２電極１２７とを有する。本実施形態の光電変換部の構造は、ＭＩＳ型構造とも称する。絶縁膜２０１は、第１電極１２４を覆って、分離部１２５の上に位置する。この絶縁膜２０１は、少なくとも第１電極１２４と光電変換膜１２６との間にあればよく、分離部１２５の下に設けられていてもよい。このような構成においても、第１実施形態と同様に、光電変換装置のノイズを低減することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態について、図３を用いて説明する。第３実施形態は、第１実施形態とパッド部１６６の構成が異なる。本実施形態において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態では、パッド部１６６において、開口１３３によって露出するパッドが配線層１２２にある配線パターンではなく、第１電極層１２４にあるパターン３０２を用いている点が異なる。パターン３０２は、ビア層１２３のビアプラグ３０１を介して配線層１２２の配線パターンに接続される。このような構成においても、第１実施形態と同様に、光電変換装置のノイズを低減することが可能となる。

（第４実施形態）
第４実施形態について、図４を用いて説明する。第４実施形態は、第１実施形態と分離膜１２５を設けていない点が異なる。本実施形態において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態では、分離膜１２５が設けられていないため、第１電極層４０１の膜厚を第１実施形態の第１電極層１２４の膜厚よりも薄く（上面と下面の距離が短く）している。このような構成によって、分離膜１２５が設けられていなくても、第１電極４０１間のリークを低減することができる。そして、分離膜１２５が設けられていないため、光電変換膜４０２が平坦な上面を有し、第２電極層４０３も平坦な上面を有する。光電変換膜４０２が平坦な上面を有するため、第２電極層４０３の膜厚を薄く形成することができる。光電変換膜４０２が凹凸のある上面があると、第２電極層４０３の膜厚が薄い場合には、断線が生じ得る。このような構成によって、平坦化膜４０４の膜厚も薄くすることが可能となる。

以下、上記の各実施形態に係る光電変換装置の応用例として、該光電変換装置が組み込まれた撮像システムについて例示的に説明する。撮像システムの概念には、撮影を主目的とするカメラなどの装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る光電変換装置と、該光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。該信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

各実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。例えば、各実施形態において、カラーフィルタ層の上にマイクロレンズ層を設けていてもよい。少なくとも１つの電極と光電変換膜との間に、電極から光電変換膜へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けてもよい。また、層間絶縁膜、絶縁膜、電極層等は単層でも多層でもよく、各層が異なる材料からなっていてもよい。その他、各実施形態は、適宜変更、組み合わせが可能である。また、各実施形態は公知の半導体製造技術によって製造可能である。

１６１～１６４ 画素
１０１ 半導体基板
１０２ ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン
１０３ ＭＯＳトランジスタのゲート
１２４ 第１電極層
１２６ 光電変換膜
１２７ 第２電極層
１１０ 第１膜
１１４ 第２膜

Claims (17)

1. 半導体基板を有する光電変換装置において、
   前記半導体基板の上に配された第１電極と、前記第１電極の上に配された第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配された光電変換膜と、を有する光電変換部と、
   前記半導体基板と前記第１電極との間に配された第１配線層と、
   前記第１配線層と前記第１電極との間に配された第２配線層と、
   前記第２電極と電気的に接続する導電体パターンと、
   前記第１電極と前記光電変換膜との間に配され、前記第１電極を露出する開口と前記導電体パターンを露出する開口を有する第２の絶縁膜と、
   外部との電気的接続を取るパッドと、を有し、
   前記光電変換装置は、
   前記第２配線層と前記第１電極との間に配された、シリコン窒化膜またはシリコン炭化膜である第１膜と、
   前記第２電極の上に配され、前記第２の絶縁膜の側面を覆い、無機材料からなる第１の絶縁膜と、を有し、
   前記第１膜と前記第１の絶縁膜とで、前記光電変換膜が囲まれており、
   前記第１膜は、前記導電体パターンと前記第２配線層との間に配されていることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記光電変換装置は、前記第１電極を含む第１電極層を有し、
   前記パッドは、前記第１電極層に含まれることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記パッドは、前記第２配線層に含まれることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
4. 前記光電変換装置は、複数の画素が配された第１領域を有し、
   前記複数の画素のそれぞれは、少なくとも１つの前記第１電極を含み、
   前記パッドは、前記第１領域の外のパッド部に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記光電変換膜は、前記第１領域に渡って延在し、
   前記光電変換膜は、前記パッド部に位置しないことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記光電変換装置は、複数の画素が配された第１領域を有し、
   前記複数の画素のそれぞれは、少なくとも１つの前記第１電極を含み、
   前記パッドは、前記第１領域の外のパッド部に位置し、
   前記導電体パターンは、前記第１領域と前記パッド部との間の第２領域に位置することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
7. 前記第１膜は、前記第１領域と、前記第２領域と、前記パッド部に渡って配されていることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 前記半導体基板の表面に平行な第２方向において、前記第１膜の幅は、前記光電変換膜の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記第２電極は、前記光電変換膜の側面を覆うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記第１膜は、前記パッドの下面と接していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 前記第１配線層と前記半導体基板との間に配された、シリコン酸化膜である第２膜を有し、
    前記第１膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記第１膜は、前記第２膜よりも単位体積当たりの密度が高いことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
13. 前記第２電極は、ＩＴＯやＩＺＯを主成分とする導電体のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
14. 前記光電変換膜は有機材料からなることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
15. 前記光電変換装置は、前記第２電極の上に配されたカラーフィルタ層を有し、前記カラーフィルタ層は、黒色のカラーフィルタを有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
16. 前記第２膜は、水素供給膜として機能し、
    前記第１膜は、水素阻止膜として機能することを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理部と、を有する撮像システム。

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