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JP2019102623A - Color imaging device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2019102623A JP2017231257A JP2017231257A JP2019102623A JP 2019102623 A JP2019102623 A JP 2019102623A JP 2017231257 A JP2017231257 A JP 2017231257A JP 2017231257 A JP2017231257 A JP 2017231257A JP 2019102623 A JP2019102623 A JP 2019102623A
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俊克 堺
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友望 高木
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Yosuke Hori
洋祐 堀
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Abstract

【課題】色選択性および光電変換効率に優れ、信号の読出し特性が良好であり、煩雑な工程によらずに製造することのできる垂直色分離型のカラー撮像素子を提供する。【解決手段】カラー撮像素子10は、Si基板20に形成された埋込フォトダイオード23を備えるCMOSイメージセンサである第3撮像素子13の上に第2撮像素子12を形成し、その上に、透明基板91上に形成された第1撮像素子11を裏返して接合して製造される。第1撮像素子11、第2撮像素子12はそれぞれ、高温プロセスを用いてTFTで読出回路61,62を形成した後に、有機光電変換膜41,42を形成される。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vertical color separation type color image sensor which is excellent in color selectivity and photoelectric conversion efficiency, has good signal readout characteristics, and can be manufactured without a complicated process. A color image pickup device (10) forms a second image pickup device (12) on a third image pickup device (13), which is a CMOS image sensor including an embedded photodiode 23 formed on a Si substrate (20). It is manufactured by turning over the first image sensor 11 formed on the transparent substrate 91 and joining them. The first image sensor 11 and the second image sensor 12 respectively form the organic photoelectric conversion films 41 and 42 after forming the read circuits 61 and 62 by the TFT using a high temperature process. [Selection diagram] Fig. 2

Description

本発明は、垂直色分離型のカラー撮像素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a vertical color separation type color imaging device and a method of manufacturing the same.

テレビジョン(TV)カメラやデジタルカメラ等に使用されているカラー撮像素子(イメージセンサ)には、単板式と多板式が存在する。単板式は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色の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。固体撮像素子(以下、撮像素子)には、例えば、可視領域を含む広い分光感度を有するシリコン(Si)からなるフォトダイオードが光電変換素子に適用され、電気信号の読出回路のトランジスタと共にSi基板に形成することができる(例えば、特許文献1,2)。単板式は、撮像素子が1枚で足りるため、比較的小型で、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(非特許文献1)。しかし、単板式は、1色で1画素が構成されるので画素サイズに対して解像度が低く、また、カラーフィルタにその色以外の光を吸収されるので入射光の利用効率が低い。これに対して、多板式(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、緑、青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。多板式は、高解像度と高感度が要求される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。   There are single-plate and multi-plate color imaging devices (image sensors) used in television (TV) cameras and digital cameras. The single-plate type has minute color filters of each color of red (R), green (G), and blue (B) arranged in a mosaic on one solid-state imaging device, and the light transmitted for each color filter is Convert to electrical signals. For a solid-state imaging device (hereinafter, imaging device), a photodiode made of silicon (Si) having a wide spectral sensitivity including a visible region is applied to a photoelectric conversion device, for example. It can form (for example, patent documents 1 and 2). The single-plate type is relatively compact and is mainly adopted for consumer video cameras, digital cameras, and the like because only one image sensor is required (Non-Patent Document 1). However, in the single plate type, since one pixel is formed of one color, the resolution is low with respect to the pixel size, and light of other colors is absorbed by the color filter, so the utilization efficiency of incident light is low. On the other hand, in the multi-plate type (three-plate type), light incident on the camera through the lens is separated into single colors of red, green, and blue by a color separation prism, and light of each color is made incident on separate imaging devices . The multi-plate type is adopted for TV cameras and the like that require high resolution and high sensitivity, but since three imaging elements are disposed on the light extraction surface of each color of the color separation prism, downsizing of the camera etc. It is difficult to reduce the weight.

そこで、高解像度、高感度および小型化を両立させるべく、光電変換素子を光の進入方向に3層に配置した垂直色分離型のカラー撮像素子が開発されている。例えば、光電変換素子として、SiフォトダイオードをSi基板に3層に積層したカラー撮像素子が開示されている(例えば、特許文献3)。これは、シリコンにおける光の進入深さが長波長ほど深いことを利用するものであり、各層のSiフォトダイオードは、光の入射側から順に、青色光、緑色光、赤色光を吸収して電荷に変換する。   Therefore, in order to simultaneously achieve high resolution, high sensitivity, and miniaturization, a vertical color separation type color imaging device in which photoelectric conversion devices are arranged in three layers in the light entering direction has been developed. For example, as a photoelectric conversion element, a color imaging element in which Si photodiodes are stacked in three layers on a Si substrate is disclosed (for example, Patent Document 3). This utilizes the fact that the penetration depth of light in silicon is as deep as the wavelength, and the Si photodiodes in each layer absorb blue light, green light, and red light in order from the light incident side to charge them. Convert to

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材料を備えた撮像素子を積層したカラー撮像素子が開示されている。このような光電変換材料としては、色選択性および光電変換効率に優れた有機材料からなるものが多く適用されている。具体的には、光電変換材料からなる光電変換膜を上下から対向電極と画素毎に区画された画素電極とで挟み、電気信号の読出回路を画素電極に接続した撮像素子を、光電変換材料の異なる3層で積層したものである。電気信号の読出回路および配線、電極は、光を透過するように、薄膜トランジスタ(TFT)や透明電極材料で形成される(例えば、特許文献4〜7)。あるいは、Si基板に形成したトランジスタで読出回路を構成し、その上に画素電極と対向電極で挟まれた光電変換膜を3組積層したカラー撮像素子や、下層側(光の入射側の反対側)の1、2層を同じくSi基板に形成したSiフォトダイオードに置き換えたカラー撮像素子が開示されている(例えば、特許文献8,9)。   In addition, a color imaging device is disclosed in which imaging devices including photoelectric conversion materials that absorb light in a specific wavelength range and convert it into charges and transmit light other than that are stacked. As such a photoelectric conversion material, many materials made of an organic material excellent in color selectivity and photoelectric conversion efficiency are applied. Specifically, an image pickup element in which a photoelectric conversion film made of a photoelectric conversion material is sandwiched between counter electrodes and pixel electrodes partitioned for each pixel from above and below, and an electric signal readout circuit is connected to the pixel electrodes is a photoelectric conversion material. It is laminated in three different layers. Readout circuits for electrical signals, wirings, and electrodes are formed of thin film transistors (TFTs) or transparent electrode materials so as to transmit light (for example, Patent Documents 4 to 7). Alternatively, a color imaging device in which a readout circuit is formed of a transistor formed on a Si substrate, and three sets of photoelectric conversion films sandwiched between pixel electrodes and counter electrodes are stacked, or a lower side (opposite side of light incident side Patent Document 8 and 9 disclose color imaging devices in which the first and second layers are replaced with a Si photodiode similarly formed on a Si substrate.

特許第3759435号公報Patent No. 3759435 特開2015−56518号公報JP, 2015-56518, A 特表2002−513145号公報Japanese Patent Application Publication No. 2002-513145 特開2005−51115号公報JP 2005-51115 A 特許第5102692号公報Patent No. 5102692 特開2002−217174号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-217174 特許第5572108号公報Patent No. 5572108 gazette 特開2007−311647号公報JP 2007-311647 A 特開2017−174936号公報JP, 2017-174936, A

木内雄二,“イメージセンサの基礎と応用” ,日刊工業新聞社,1991年12月25日,p.145Y. Kiuchi, "Basics and Applications of Image Sensors", Nikkan Kogyo Shimbun, December 25, 1991, p. 145

しかしながら、特許文献3に記載されたSiフォトダイオードを積層した撮像素子は、例えば青色光の光電変換用Siフォトダイオードが緑色光や赤色光もある程度吸収するため、色分解特性が不十分である。また、3層分の読出回路のトランジスタがSiフォトダイオードと共にSi基板の同じ層に形成されるため、受光部(Siフォトダイオード)の面積比(開口率)が低く、光の利用効率が十分ではない。   However, in the imaging device in which the Si photodiodes described in Patent Document 3 are stacked, for example, the Si photodiode for blue light photoelectric conversion absorbs the green light and the red light to some extent, so the color separation characteristics are insufficient. In addition, since the transistors of the readout circuit for three layers are formed on the same layer of the Si substrate together with the Si photodiode, the area ratio (aperture ratio) of the light receiving portion (Si photodiode) is low and the light utilization efficiency is sufficient. Absent.

特許文献4,5に記載された撮像素子は、3枚のガラス基板のそれぞれに薄膜トランジスタや光電変換膜を形成して、これらを貼り合わせて得られる。そのため、各層の光電変換膜同士の間隔がガラス基板の板厚で広くなるので、すべての光電変換膜に入射光の焦点を合わせて到達させることが困難であり、改良の余地がある。一方、特許文献6,7に記載された撮像素子は、1枚のガラス基板上に交互に薄膜トランジスタと光電変換膜が形成されるので、入射光の焦点のずれは小さい。しかし、有機材料からなる光電変換膜は耐熱温度150℃程度で熱に弱いため、その上に形成される薄膜トランジスタは室温等の低温で成膜可能な半導体材料に限られる。このような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、電子移動度が低い等、特性が劣る。一方、耐熱性を有する無機材料からなる光電変換膜は、光電変換の対象となる波長域よりも短波長の光も吸収するため、光の入射側でより短波長の波長域の光を変換するように、B,G,Rの順に制約される。   The imaging device described in Patent Documents 4 and 5 is obtained by forming a thin film transistor and a photoelectric conversion film on each of three glass substrates and bonding them together. Therefore, since the distance between the photoelectric conversion films of each layer becomes wide with the thickness of the glass substrate, it is difficult to focus incident light on all the photoelectric conversion films and reach them, and there is room for improvement. On the other hand, in the imaging devices described in Patent Documents 6 and 7, thin film transistors and photoelectric conversion films are alternately formed on one glass substrate, so that the shift of the focal point of incident light is small. However, since the photoelectric conversion film made of an organic material is weak to heat at a heat resistance temperature of about 150 ° C., the thin film transistor formed thereon is limited to a semiconductor material which can be formed at a low temperature such as room temperature. Such a thin film transistor is inferior in characteristics such as low electron mobility as compared with a thin film transistor formed of a semiconductor material deposited at about 300 to 400 ° C. On the other hand, a photoelectric conversion film made of a heat-resistant inorganic material also absorbs light of a shorter wavelength than the wavelength region targeted for photoelectric conversion, and thus converts light of a shorter wavelength region on the light incident side Thus, constraints are imposed in the order of B, G, R.

特許文献8,9に記載された2〜3層の光電変換膜をSi基板上に積層した撮像素子は、最上層(光の入射側)の光電変換膜の画素電極を読出回路のトランジスタに接続するために、画素電極からSi基板まで到達するビア(貫通電極)を形成する必要がある。しかし、最上層よりも下の有機材料からなる光電変換膜を加工してビアを通すスルーホール(ビアホール)を形成することは困難である。   In the imaging device in which two or three layers of photoelectric conversion films described in Patent Documents 8 and 9 are stacked on a Si substrate, the pixel electrode of the photoelectric conversion film of the uppermost layer (light incident side) is connected to the transistor of the readout circuit. In order to achieve this, it is necessary to form vias (through electrodes) that reach from the pixel electrode to the Si substrate. However, it is difficult to process a photoelectric conversion film made of an organic material below the uppermost layer to form a through hole (via hole) passing through the via.

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、色選択性および光電変換効率に優れ、信号の読出し特性が良好で、さらに煩雑な工程によらずに製造することのできる垂直色分離型のカラー撮像素子を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and has excellent color selectivity and photoelectric conversion efficiency, good signal readout characteristics, and vertical color separation which can be manufactured without complicated processes. It is an object of the present invention to provide a type color imaging device.

本発明に係るカラー撮像素子は、第1の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ第2の波長域および第3の波長域の光を透過する第1の光電変換層と、前記第2の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ前記第3の波長域の光を透過する第2の光電変換層と、少なくとも一部の領域において前記第3の波長域の光を吸収して電荷に変換する第3の光電変換層と、を上から順に備え、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、前記カラー撮像素子はさらに、薄膜トランジスタを備えて前記第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の読出回路を、前記第1の光電変換層よりも上に備え、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の読出回路と、前記第3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3の読出回路と、を前記第2の光電変換層よりも下に備え、前記第1の光電変換層および前記第2の光電変換層のそれぞれは、有機材料を含有し、両面を透明電極膜で挟まれていることを特徴とする。   A color imaging device according to the present invention comprises: a first photoelectric conversion layer which absorbs light in a first wavelength range to convert it into electric charge, and transmits light in a second wavelength range and a third wavelength range; A second photoelectric conversion layer that absorbs light in the second wavelength range and converts it into charge and transmits light in the third wavelength range; and at least in part of the third wavelength range A third photoelectric conversion layer which absorbs light and converts it into charges is provided in order from the top, and light including a plurality of wavelength ranges is incident from the top. The color imaging device further includes a first readout circuit provided with a thin film transistor and outputting the electric charge converted by the first photoelectric conversion layer as an electric signal, above the first photoelectric conversion layer. A second readout circuit for outputting the charge converted by the second photoelectric conversion layer as an electric signal, and a third readout circuit for outputting the electric charge converted by the third photoelectric conversion layer as an electric signal; It is provided below the second photoelectric conversion layer, and each of the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer contains an organic material, and both surfaces are sandwiched by transparent electrode films. I assume.

かかる構成により、カラー撮像素子は、高温で形成した読出回路と有機材料からなる光電変換層とを短い間隔で繰り返し積層して備えることができる。   With this configuration, the color imaging device can be provided by repeatedly laminating the readout circuit formed at high temperature and the photoelectric conversion layer made of an organic material at short intervals.

本発明に係るカラー撮像素子の製造方法は、2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撮像手段を下側基板に形成する撮像手段積層体形成工程と、前記2以上の波長域と異なる波長域の光を電気信号に変換して出力する撮像手段を透明基板上に形成する上部撮像手段形成工程と、を順不同で行った後に、前記下側基板と前記透明基板とを接合する基板接合工程を行う。そして、前記上部撮像手段形成工程は、前記透明基板上に薄膜トランジスタを形成する第1薄膜トランジスタ形成工程と、透明電極膜を所定の領域に形成する第1画素電極形成工程と、光電変換層を形成する第1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第1対向電極成膜工程と、を行い、前記撮像手段積層体形成工程は、前記下側基板にトランジスタおよび光電変換層を形成する下部撮像手段形成工程と、透明電極膜を所定の領域に形成する第2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第2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第2対向電極成膜工程と、を行い、前記基板接合工程は、前記下側基板および前記透明基板の前記透明電極膜が形成された側同士を対面させて接合し、前記上部撮像手段形成工程における前記第1光電変換層形成工程の前、および前記撮像手段積層体形成工程における前記第2光電変換層形成工程の前の少なくとも一方で、熱処理を行うことを特徴とする。   In the method of manufacturing a color imaging device according to the present invention, an imaging unit laminate forming step of forming an imaging unit for converting light of two or more wavelength regions into an electric signal for each wavelength region and outputting the electric signal on a lower substrate; An upper imaging means forming step of forming on the transparent substrate an imaging means for converting light of a wavelength range different from the two or more wavelength ranges into an electric signal and outputting the electric signal; A substrate bonding step of bonding with a transparent substrate is performed. The upper imaging means forming step includes a first thin film transistor forming step of forming a thin film transistor on the transparent substrate, a first pixel electrode forming step of forming a transparent electrode film in a predetermined region, and a photoelectric conversion layer. A first photoelectric conversion layer forming step and a first counter electrode film forming step of laminating a transparent electrode film on the photoelectric conversion layer are performed, and in the imaging unit laminate forming step, a transistor and photoelectric conversion are provided on the lower substrate. Layer forming step, a second pixel electrode forming step of forming a transparent electrode film in a predetermined area, and a second photoelectric conversion layer forming a photoelectric conversion layer on the side on which the transparent electrode film is formed A forming step and a second counter electrode film forming step of laminating a transparent electrode film on the photoelectric conversion layer are performed, and in the substrate bonding step, the transparent electrode film of the lower substrate and the transparent substrate is formed ~ side At least one of before the first photoelectric conversion layer forming process in the upper imaging means forming process and before the second photoelectric conversion layer forming process in the imaging means laminate forming process, Heat treatment is performed.

かかる手順により、煩雑な工程によらずに、読出回路を高温で形成し、かつ有機材料で光電変換層を形成することができる。   According to this procedure, the readout circuit can be formed at high temperature and the photoelectric conversion layer can be formed of an organic material regardless of complicated steps.

本発明に係るカラー撮像素子によれば、色選択性および光電変換効率に優れ、信号の読出し特性が良好な垂直色分離型のカラー撮像素子が得られる。本発明に係るカラー撮像素子の製造方法によれば、前記のカラー撮像素子を簡易に製造することができる。   According to the color imaging device of the present invention, it is possible to obtain a vertical color separation type color imaging device which is excellent in color selectivity and photoelectric conversion efficiency and has a good signal readout characteristic. According to the method of manufacturing a color imaging device according to the present invention, the color imaging device can be easily manufactured.

本発明に係るカラー撮像素子の概念を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the concept of the color imaging device which concerns on this invention. 本発明の第1実施形態に係るカラー撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which illustrates the structure of the color imaging device concerning a 1st embodiment of the present invention typically. カラー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。It is an equivalent circuit schematic of 1 pixel of the image pick-up element which comprises a color image pick-up element. カラー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。It is an equivalent circuit schematic of 1 pixel of the image pick-up element which comprises a color image pick-up element. カラー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。It is an equivalent circuit schematic of 1 pixel of the image pick-up element which comprises a color image pick-up element. 本発明に係るカラー撮像素子を構成する第1撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which explains typically the structure of the 1st image sensor which constitutes the color image sensor concerning the present invention. 本発明に係るカラー撮像素子の製造方法を説明するフローチャートである。It is a flow chart explaining a manufacturing method of a color image sensor concerning the present invention. 本発明に係るカラー撮像素子の製造方法における上部撮像手段形成工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the upper imaging means formation process in the manufacturing method of the color imaging device concerning this invention. 本発明の第1実施形態に係るカラー撮像素子の製造方法における撮像手段積層体形成工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the imaging means laminated body formation process in the manufacturing method of the color imaging device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which illustrates the structure of the color imaging device concerning the modification of a 1st embodiment of the present invention typically. 本発明の第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子の製造方法における撮像手段積層体形成工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the imaging means laminated body formation process in the manufacturing method of the color imaging device concerning the modification of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るカラー撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which illustrates the structure of the color imaging device concerning a 2nd embodiment of the present invention typically. 本発明の第2実施形態に係るカラー撮像素子の製造方法における撮像手段積層体形成工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the imaging means laminated body formation process in the manufacturing method of the color imaging device concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係るカラー撮像素子の構造を模式的に説明する部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which illustrates the structure of the color imaging device concerning a 3rd embodiment of the present invention typically. 本発明の第3実施形態に係るカラー撮像素子の製造方法における撮像手段積層体形成工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the imaging means laminated body formation process in the manufacturing method of the color imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

本発明に係るカラー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。図面に示すカラー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。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A color imaging device according to the present invention and a mode for carrying out the manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings. The color imaging device and its elements shown in the drawings may exaggerate the size, positional relationship, etc. in order to clarify the description, and may simplify the shape.

〔カラー撮像素子〕
カラー撮像素子は、所望の数の画素を平面に2次元配列し、上方から入射する光(可視光を含む光を指す)に含まれる3つの波長域の光L1,L2,L3を、各画素において、それぞれ電気信号IS1,IS2,IS3に個別に変換して出力する。そのために、図1に示すように、カラー撮像素子10は、上から順に、第1の波長域の光L1を吸収して電荷に変換し、かつ第2、第3の波長域の光L2,L3を透過する第1の光電変換層41と、第2の波長域の光L2を吸収して電荷に変換し、かつ第3の波長域の光L3を透過する第2の光電変換層42と、第3の波長域の光L3を吸収して電荷に変換する第3の光電変換層23と、を備え、さらに、光L1,L2,L3から変換された電荷をそれぞれ電気信号IS1,IS2,IS3として出力する読出回路61,62,63を備える。以下、本発明に係るカラー撮像素子の実施形態を詳細に説明する。
[Color imaging device]
The color imaging device arranges a desired number of pixels in a two-dimensional array in a plane, and lights L1, L2, and L3 of three wavelength ranges included in light incident from above (refers to light including visible light). , Individually convert them into electric signals IS1, IS2, and IS3 and output them. Therefore, as shown in FIG. 1, the color imaging device 10 absorbs the light L1 in the first wavelength range and converts it into electric charge in order from the top, and converts the light L2 in the second and third wavelength ranges into light A first photoelectric conversion layer 41 transmitting L3, and a second photoelectric conversion layer 42 absorbing the light L2 in the second wavelength range and converting it into a charge, and transmitting the light L3 in the third wavelength range , And a third photoelectric conversion layer 23 for absorbing light L3 in the third wavelength range and converting it into charges, and further, the charges converted from the lights L1, L2, and L3 are converted to electric signals IS1, IS2, and The readout circuits 61, 62, 63 output as IS3 are provided. Hereinafter, an embodiment of a color imaging device according to the present invention will be described in detail.

〔第1実施形態〕
図2に示すように、本発明の第1実施形態に係るカラー撮像素子10は、第1有機光電変換膜(第1の光電変換層)41と、第2有機光電変換膜(第2の光電変換層)42と、フォトダイオード(第3の光電変換層)23と、を上から順に備え、さらに、第1回路層(第1の読出回路)61を第1有機光電変換膜41の上に、第2回路層(第2の読出回路)62を第2有機光電変換膜42の下かつフォトダイオード23を形成されたSi基板20の上に、第3回路部(第3の読出回路)63をSi基板20とその下に形成された配線31に、それぞれ備える。カラー撮像素子10はさらに、第1回路層61の上に入射光を透過する透明基板91を、Si基板20の下に配線31間を絶縁する絶縁膜83を、Si基板20の上に層間膜84を、それぞれ備える。また、第1有機光電変換膜41が上下面を画素電極51と対向電極52に挟まれ、第2有機光電変換膜42が上下面を対向電極54と画素電極53に挟まれている。なお、図2に、カラー撮像素子10の画素間の境界を一点鎖線で表す。本実施形態では、第1、第2、第3の波長域の光L1,L2,L3を、それぞれ緑色光LG(ピーク波長500〜540nm)、青色光LB(ピーク波長450nm)、赤色光LR(ピーク波長650nm)に設定して説明する。
First Embodiment
As shown in FIG. 2, the color imaging device 10 according to the first embodiment of the present invention includes a first organic photoelectric conversion film (first photoelectric conversion layer) 41 and a second organic photoelectric conversion film (second photoelectric A conversion layer) 42 and a photodiode (third photoelectric conversion layer) 23 are provided in order from the top, and further, a first circuit layer (first readout circuit) 61 is formed on the first organic photoelectric conversion film 41. A third circuit portion (third readout circuit) 63 on the Si substrate 20 on which the second circuit layer (second readout circuit) 62 is formed under the second organic photoelectric conversion film 42 and on which the photodiode 23 is formed. Are provided on the Si substrate 20 and the wiring 31 formed thereunder. The color imaging device 10 further includes a transparent substrate 91 for transmitting incident light on the first circuit layer 61, an insulating film 83 for insulating the wiring 31 under the Si substrate 20, and an interlayer film on the Si substrate 20. Each has 84. The first organic photoelectric conversion film 41 is sandwiched between the pixel electrode 51 and the counter electrode 52 on the upper and lower surfaces, and the second organic photoelectric conversion film 42 is sandwiched between the counter electrode 54 and the pixel electrode 53 on the upper and lower surfaces. In FIG. 2, the boundaries between the pixels of the color imaging device 10 are indicated by alternate long and short dashed lines. In the present embodiment, light L1, L2 and L3 in the first, second and third wavelength ranges are respectively green light L G (peak wavelength 500 to 540 nm), blue light L B (peak wavelength 450 nm) and red light Description will be made by setting it to L R (peak wavelength 650 nm).

カラー撮像素子10は、透明基板91上に、画素毎のマイクロレンズを備えることができる(図示省略)。カラー撮像素子10はさらに、透明基板91とマイクロレンズの間に、赤外線等の可視領域外の光を吸収するフィルタを備えることが好ましい(図示省略)。   The color imaging device 10 can include a microlens for each pixel on the transparent substrate 91 (not shown). Preferably, the color imaging device 10 further includes a filter (not shown) that absorbs light outside the visible region, such as infrared light, between the transparent substrate 91 and the microlens.

カラー撮像素子10は、第1有機光電変換膜41の上面(光の入射側の面、受光面)からフォトダイオード23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、第1有機光電変換膜41、第2有機光電変換膜42、およびフォトダイオード23のいずれにおいても、入射光の焦点のずれが抑制される。具体的には、第1有機光電変換膜41の上面からフォトダイオード23の上面(Si基板20の上面から所定深さの位置)までの距離(以下、受光面差)が10μm以下であることが好ましく、第1有機光電変換膜41の上面からフォトダイオード23の下面までの距離が10μm以下であることがさらに好ましい。   It is preferable that the color imaging element 10 has a short distance (length in the thickness direction) from the upper surface (the surface on the light incident side, light receiving surface) of the first organic photoelectric conversion film 41 to the light receiving surface of the photodiode 23. As the distance is shorter, in any of the first organic photoelectric conversion film 41, the second organic photoelectric conversion film 42, and the photodiode 23, the shift of the focal point of the incident light is suppressed. Specifically, the distance (hereinafter, light receiving surface difference) from the upper surface of the first organic photoelectric conversion film 41 to the upper surface of the photodiode 23 (position from the upper surface of the Si substrate 20 to a predetermined depth) is 10 μm or less Preferably, the distance from the upper surface of the first organic photoelectric conversion film 41 to the lower surface of the photodiode 23 is 10 μm or less.

また、カラー撮像素子10において、第1有機光電変換膜41および第1回路層61を備える部分を第1撮像素子11、第2有機光電変換膜42および第2回路層62を備える部分を第2撮像素子12、フォトダイオード23および第3回路部63を備える部分を第3撮像素子13、とそれぞれ称する。すなわち、撮像素子11,12,13は、それぞれ1つの波長域の光(単色光)の撮像素子である。第1撮像素子11および第2撮像素子12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3撮像素子13は、1画素が、例えば図5に示す等価回路図で表される。   Further, in the color imaging device 10, a portion including the first organic photoelectric conversion film 41 and the first circuit layer 61 is referred to as a portion including the first imaging device 11, the second organic photoelectric conversion film 42 and the second circuit layer 62 The portion provided with the imaging device 12, the photodiode 23, and the third circuit unit 63 is referred to as a third imaging device 13, respectively. That is, the imaging elements 11, 12 and 13 are imaging elements of light of one wavelength range (monochromatic light). One pixel of the first imaging device 11 and the second imaging device 12 is represented, for example, by an equivalent circuit diagram shown in FIG. 3 or FIG. 4. One pixel of the third imaging element 13 is represented, for example, by an equivalent circuit diagram shown in FIG.

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画素分の第1有機光電変換膜41、第2撮像素子12における一対の電極53,54に挟まれた1画素分の第2有機光電変換膜42である。そして、電極51,52、電極53,54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51,53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。選択トランジスタT1が画素選択線SLで選択されると、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。   FIG. 3 shows a pixel of the simplest configuration provided with a photodiode PD and a selection transistor T1. The photodiode PD is disposed between the first organic photoelectric conversion film 41 for one pixel sandwiched between the pair of electrodes 51 and 52 of the first imaging device 11 and the pair of electrodes 53 and 54 of the second imaging device 12. It is a second organic photoelectric conversion film 42 for a pixel. The electrodes 51 and 52 and the electrodes 53 and 54 are terminals of the photodiode PD. The side of the photodiode PD connected to the pixel electrodes 51 and 53 is connected to the source or drain of the selection transistor T1. The photodiode PD is connected to a reverse bias to function as a capacitor, and accumulates charge upon light reception. In FIG. 3, the anode is connected to the selection transistor T1 and the cathode is connected to a common external power supply PS. When the select transistor T1 is selected by the pixel select line SL, the accumulated charge is output as an electrical signal to the read line OL via the select transistor T1.

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。 FIG. 4 shows a pixel of a 1-pixel 3T-type image sensor including three transistors T1, T2 and T3. An amplification transistor T2 is connected to the selection transistor T1, and a photodiode PD is connected to the gate of the amplification transistor T2. ing. With such a configuration, the electric signal of the photodiode PD is output as a voltage from the drain power supply V DD via the amplification transistor T2 and the selection transistor T1. The reset transistor T3 initializes the charge stored in the photodiode PD when it is selected by the reset selection line RL. The reset power supply V RST may be common to the drain power supply V DD .

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3撮像素子13におけるフォトダイオード23である。第3撮像素子13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および第2撮像素子12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。   FIG. 5 shows an example of a pixel of a Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) image sensor having a buried photodiode and a 1-pixel 4T-type having four transistors T1, T2, T3 and T4. In the figure, the photodiode PD is the photodiode 23 in the third imaging device 13. The third imaging device 13 has a transfer transistor T4 inserted between the photodiode PD of the first imaging device 11 of 1 pixel 3T type shown in FIG. 4 and the gate of the amplification transistor T2, and the anode and the cathode of the photodiode PD. And the anode is connected to GND. The transfer transistor T4 completely transfers the charge stored in the floating diffusion layer (FD) of the photodiode PD when selected by the transfer selection line TL, thereby eliminating the occurrence of an afterimage and noise due to the residual charge. The first imaging device 11 and the second imaging device 12 may also be one-pixel 4T-type pixels. In this case, the transfer transistor T4 is inserted between the photodiode PD of FIG. 4 and the gate of the amplification transistor T2. Do.

第1撮像素子11は、下から順に、保護膜81、対向電極52、第1有機光電変換膜41、画素電極51、第1回路層61を積層してなり、さらにその上に透明基板91が設けられている。第2撮像素子12は、下から順に、第2回路層62、画素電極53、第2有機光電変換膜42、対向電極54、保護膜82を積層してなる。第1撮像素子11と第2撮像素子12は、積層順が逆である以外、ほぼ同じ積層構造を有する。これは、後記製造方法で説明するように、第1撮像素子11が、透明基板91を土台として、光の入射側から順に形成されるからであり、図6に、透明基板91を下に向けた断面図を示す。一方、第3撮像素子13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、下から順に、絶縁膜83と配線31、フォトダイオード23を形成されたSi基板20、層間膜84を積層してなる。以下、カラー撮像素子10の各要素について詳細に説明する。   The first imaging device 11 is formed by laminating a protective film 81, an opposing electrode 52, a first organic photoelectric conversion film 41, a pixel electrode 51, and a first circuit layer 61 in order from the bottom, and further on the transparent substrate 91 It is provided. The second imaging element 12 is formed by laminating the second circuit layer 62, the pixel electrode 53, the second organic photoelectric conversion film 42, the counter electrode 54, and the protective film 82 in order from the bottom. The first imaging device 11 and the second imaging device 12 have substantially the same layered structure except that the stacking order is reversed. This is because the first imaging device 11 is sequentially formed from the light incident side with the transparent substrate 91 as a base, as described later in the manufacturing method, and the transparent substrate 91 is directed downward in FIG. Shows a cross-sectional view. On the other hand, the third imaging device 13 is a backside illuminated CMOS image sensor (for example, Patent Documents 1 and 2), and an Si substrate 20 on which an insulating film 83, a wiring 31, and a photodiode 23 are formed in order from the bottom, an interlayer film. 84 is stacked. Hereinafter, each element of the color imaging device 10 will be described in detail.

(透明基板)
透明基板91は、前記したように第1撮像素子11を形成するための土台であり、光の入射側と反対側の面(下面)上に第1撮像素子11が形成される。透明基板91は、カラー撮像素子10において最上層に設けられるため、光(可視光)を透過し、さらに第1回路層61を形成するための耐熱温度を有する絶縁材料で形成される。具体的には、SiO2(酸化ケイ素、ガラス)、MgO(酸化マグネシウム)、サファイア、GGG(ガドリニウムガリウムガーネット)等が挙げられる。
(Transparent substrate)
The transparent substrate 91 is a base for forming the first imaging device 11 as described above, and the first imaging device 11 is formed on the surface (lower surface) opposite to the light incident side. The transparent substrate 91 is provided on the uppermost layer in the color imaging element 10, and thus is formed of an insulating material that transmits light (visible light) and has a heat resistant temperature for forming the first circuit layer 61. Specifically, SiO 2 (silicon oxide, glass), MgO (magnesium oxide), sapphire, GGG (gadolinium gallium garnet) and the like can be mentioned.

(第1有機光電変換膜、第2有機光電変換膜)
第1有機光電変換膜41および第2有機光電変換膜42は、それぞれ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、その余の光は透過させる有機材料からなる。最下層(フォトダイオード23)以外の光電変換層にこのような材料を適用することにより、光の入射側からR,G,Bの各色の光を任意の順序で受光することができる。本実施形態においては、最も入射側寄りに配置される第1有機光電変換膜41に、視感度の高い緑色光LGに感度を有する有機材料を適用し、第2有機光電変換膜42に青色光LBに感度を有する有機材料を適用する。有機光電変換膜41,42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、カラー撮像素子10において第1有機光電変換膜41からフォトダイオード23までの距離が長くなるため、有機光電変換膜41,42は、それぞれの膜厚が1μm以下であることが好ましい。
(First organic photoelectric conversion film, second organic photoelectric conversion film)
Each of the first organic photoelectric conversion film 41 and the second organic photoelectric conversion film 42 has sensitivity to light of a specific wavelength range, absorbs it, converts it into electric charge, and transmits the remaining light from organic materials Become. By applying such a material to the photoelectric conversion layer other than the lowermost layer (photodiode 23), it is possible to receive light of each color of R, G, and B in an arbitrary order from the light incident side. In the present embodiment, most first organic photoelectric conversion layer 41 arranged on the incident side closer to apply an organic material having a high sensitivity to green light L G luminosity, blue second organic photoelectric conversion layer 42 applying an organic material having sensitivity to light L B. The film thickness of the organic photoelectric conversion films 41 and 42 is preferably 50 nm or more, and the absorptivity at the light absorption maximum wavelength is 90% or more, that is, the absorbance A (A = −log (I / I 0 ), (I It is preferable that / I 0 : transmittance)) is 1.0 or more. On the other hand, since the distance from the first organic photoelectric conversion film 41 to the photodiode 23 in the color imaging device 10 becomes long, the thickness of each of the organic photoelectric conversion films 41 and 42 is preferably 1 μm or less.

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、緑色光のみに感度を有する有機材料としてはキナクリドン誘導体やペリレン誘導体が、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。   Coumarin derivatives and porphyrin derivatives as organic materials sensitive to only blue light, quinacridone derivatives and perylene derivatives as organic materials sensitive to only green light, phthalocyanine derivatives and organic materials sensitive to only red light Naphthalocyanine derivatives are mentioned. Besides, acridine, cyanine, squarylium, oxazine, xanthene triphenylamine, benzidine, pyrazoline, stilylamine, hydrazone, triphenylmethane, carbazole, polysilane, thiophene, polyamine, oxadiazole, triazole, triazine, quinoxaline, phenanth Lorin, fullerene, aluminum quinoline, polyparaphenylene vinylene, polyfluorene, polyvinylcarbazole, polythiol, polypyrrole, polythiophene and derivatives thereof alone or a mixture or lamination of two or more kinds of organic materials represented by these It is possible to prepare organic materials that are sensitive only to blue light, green light or red light.

第1有機光電変換膜41および第2有機光電変換膜42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41,42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、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。   The first organic photoelectric conversion film 41 and the second organic photoelectric conversion film 42 are for reducing dark current (current output when light is not incident) and improving the quantum efficiency of the organic photoelectric conversion films 41 and 42. , An electron transport material, a hole transport material, an electron injection blocking (electron blocking) material, a hole injection blocking (hole blocking) material, etc. even when mixed or laminated to the organic material (organic photoelectric conversion material) Good. Examples of electron injection blocking materials include triphenylamine compounds, styrylamine compounds, carbazole compounds and the like, and hole injection blocking materials include phenanthroline compounds, aluminum quinoline compounds and oxadiazole compounds And silole compounds and the like, and materials generally used in organic devices can be applied. As the electron injection blocking material and the hole injection blocking material, inorganic materials can also be used. When these materials are provided, an electron injection blocking layer or a hole injection blocking layer may be laminated on one side of the organic photoelectric conversion layer, or an electron injection blocking layer and a hole injection blocking layer may be laminated on each side. Is preferred.

(画素電極、対向電極)
画素電極51と対向電極52は第1有機光電変換膜41の両面に接続され、画素電極53と対向電極54は第2有機光電変換膜42の両面に接続され、それぞれ一対の電極である。画素電極51,53は、カラー撮像素子10の画素毎に区画、離間したパターンに形成され、回路層61,62のトランジスタに電気的に接続する(図3、図4参照)。対向電極52,54は、全面に形成され、外部の電源やGNDに接続する。画素電極51,53および対向電極52,54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。
(Pixel electrode, counter electrode)
The pixel electrode 51 and the counter electrode 52 are connected to both sides of the first organic photoelectric conversion film 41, and the pixel electrode 53 and the counter electrode 54 are connected to both sides of the second organic photoelectric conversion film 42, which are a pair of electrodes. The pixel electrodes 51 and 53 are formed in a pattern divided and separated for each pixel of the color imaging element 10, and electrically connected to the transistors of the circuit layers 61 and 62 (see FIGS. 3 and 4). The counter electrodes 52 and 54 are formed on the entire surface and connected to an external power supply or GND. The pixel electrodes 51 and 53 and the counter electrodes 52 and 54 are formed to have a film thickness that can achieve the required conductivity, and specifically, the film thickness is preferably 1 to 100 nm.

画素電極51,53は、有機光電変換膜41,42およびフォトダイオード23に光を到達させるために、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52,54は、画素電極51,53と同様に、光を透過するように前記の透明電極材料で形成することができる。ただし、対向電極52,54は、有機光電変換膜41,42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52,54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。また、対向電極52,54は、後記の第1回路層61および第2回路層62のゲート電極71等に挙げた金属電極材料からなる半透明電極としてもよい。 The pixel electrodes 51 and 53 are formed of a transparent electrode material in order to allow the light to reach the organic photoelectric conversion films 41 and 42 and the photodiode 23. As transparent electrode materials, indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony-doped tin oxide (ATO), indium oxide / zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2) And the like, and two or more of these films may be laminated. Similar to the pixel electrodes 51 and 53, the counter electrodes 52 and 54 can be formed of the above-described transparent electrode material so as to transmit light. However, since the counter electrodes 52 and 54 are formed on the organic photoelectric conversion films 41 and 42, ITO, IZO or the like is preferable because relatively good conductivity can be obtained even without film formation (such as room temperature). is there. In addition, conductive polymers represented by polyacetylene type, polyaniline type, polypyrrole type, and polythiophene type can also be used as the counter electrodes 52 and 54. In addition, the counter electrodes 52 and 54 may be semitransparent electrodes made of metal electrode materials listed as the gate electrodes 71 and the like of the first circuit layer 61 and the second circuit layer 62 described later.

第1有機光電変換膜41と対向電極52の間、第2有機光電変換膜42と対向電極54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52,54が成膜される際に、有機光電変換膜41,42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。   A buffer layer may be provided between the first organic photoelectric conversion film 41 and the counter electrode 52, and between the second organic photoelectric conversion film 42 and the counter electrode 54 (not shown). By providing the buffer layer, damage to the organic photoelectric conversion films 41 and 42 can be reduced when the counter electrodes 52 and 54 are formed. The buffer layer preferably has a thickness of 10 to 500 nm. As the buffer layer, dipyrazino [2,3-f: 2 ′, 3′-h] quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile (HAT-CN), naphthalene-1,4 , 5, 8- tetracarboxylic acid dianhydride (NTCDA) etc. can be applied.

(第1回路層、第2回路層)
第1回路層61および第2回路層62は、薄膜トランジスタ(TFT)構造を有し、積層順が上下入れ替わる以外は同じ積層構造である。さらに図2に示すように、第1回路層61と第2回路層62は、平面視で重複するように、それぞれの形成時におけるレイアウトが互いに鏡像に設計されているが、異なるレイアウト、さらには異なる回路であってもよい。図6に示すように、第1回路層61は、一例として、半導体層6と、ゲート絶縁膜86と、絶縁膜87と、ゲート電極71と、ソース・ドレイン電極72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88と、を備える。第1回路層61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2回路層62も同様である。回路層61,62は、画素毎に少なくとも一部の領域が光を透過する構造とし、より高い面積率で光を透過することが好ましい。また、第2回路層62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88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。
(First circuit layer, second circuit layer)
The first circuit layer 61 and the second circuit layer 62 have a thin film transistor (TFT) structure, and have the same laminated structure except that the order of lamination is reversed. Furthermore, as shown in FIG. 2, the first circuit layer 61 and the second circuit layer 62 are designed such that the layouts at the time of their formation are mirror images of each other so that the first circuit layer 61 and the second circuit layer 62 overlap in plan view. It may be a different circuit. As shown in FIG. 6, the first circuit layer 61 is, for example, a semiconductor layer 6, a gate insulating film 86, an insulating film 87, a gate electrode 71, a source / drain electrode 72, and a horizontal signal line (figure 3 and FIG. 4 and the vertical signal line (read line OL, V DD power supply wiring, V RST power supply wiring shown in FIGS. 3 and 4), and a protective film 88 Prepare. The first circuit layer 61 is formed by depositing a material for each of these elements and patterning it by etching, as will be described later in the manufacturing method. The same applies to the second circuit layer 62. It is preferable that the circuit layers 61 and 62 have a structure in which at least a part of the region transmits light for each pixel, and transmits light at a higher area ratio. The second circuit layer 62 preferably has a thickness of at most 1 μm or less. Therefore, it is preferable that the protective film 88 or the like is not formed to be excessively thick as a film thickness that can ensure necessary insulation and the like.

半導体層6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6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6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6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。第2回路層62に設けられる半導体層6はさらに、第3撮像素子13(Si基板20、配線31)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31の材料等によるが、半導体層6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。 The semiconductor layer 6 can apply the semiconductor material applied to TFT, and the material which has high electron mobility is preferable. The electron mobility of the semiconductor layer 6 is preferably 5 cm 2 / V · s or more, and more preferably 10 cm 2 / V · s or more. The semiconductor layer 6 is formed to exhibit such high electron mobility at a film forming temperature or an annealing temperature of about 300 to 450 ° C., depending on the material and the like. The semiconductor layer 6 is preferably made of a material having a band gap of 3.0 eV or more in order to absorb visible light (light L R , L G , L B ) and prevent the switching response of the semiconductor from changing. And highly transparent materials are preferred. As such a semiconductor material, zinc oxide (ZnO), an amorphous oxide semiconductor (indium gallium, zinc oxide: InGaZnO 4 ) and the like can be mentioned. The semiconductor layer 6 provided in the second circuit layer 62 further applies a material formed at a heat resistance temperature or less of the third imaging device 13 (Si substrate 20, wiring 31). Specifically, depending on the material of the wiring 31, etc., the semiconductor layer 6 is preferably formed at a film forming temperature or an annealing temperature of 400 ° C. or more, more preferably 350 ° C. or more, still more preferably 300 ° C. or more It is.

ゲート電極71、ソース・ドレイン電極72、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71,72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、隣り合う画素の間隙に設ける等、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71,72や信号線等は、前記の画素電極51,53と同様の透明電極材料で形成することもできる。電極71,72や信号線等は、光を遮らない透明電極材料を適用することにより、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6の前に形成されるゲート電極71等は、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。 The gate electrode 71, the source / drain electrode 72, and the horizontal signal line and the vertical signal line are Al, Cu, Au, Ag, Pt, Pd, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, W, Mo, V, Mn, It can be formed of a general metal electrode material such as a metal such as Ta or Ru or an alloy thereof, C (carbon) or the like. It is preferable that the electrodes 71 and 72, the signal lines, and the like have a shape and layout that do not block much light, such as designing the width small to the extent that the necessary conductivity can be ensured or providing the gap between adjacent pixels. . Alternatively, the electrodes 71 and 72, the signal lines and the like can be formed of the same transparent electrode material as the pixel electrodes 51 and 53 described above. The layout of the electrodes 71 and 72, the signal line and the like can be freely designed by applying a transparent electrode material which does not block light. However, when the temperature exceeds 300 ° C. in an oxidizing atmosphere such as air, the conductivity of ITO decreases. Therefore, it is preferable to apply SnO 2 , FTO or the like, which is excellent in heat resistance among metal electrode materials or transparent electrode materials, to the gate electrode 71 etc. formed especially in front of the semiconductor layer 6.

ゲート絶縁膜86は、ゲート電極71を被覆して半導体層6との間に形成される。絶縁膜87は、チャネル保護膜として半導体層6を被覆する。保護膜88は、回路層61,62の最上層に設けられる絶縁膜であり、回路層61,62とその上の画素電極51,53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86、絶縁膜87、および保護膜88は、TFTに適用される絶縁材料のうち、前記の半導体層6と同様、透明基板91や第3撮像素子13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(Si34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(Al23)、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。 The gate insulating film 86 is formed between the semiconductor layer 6 and the gate electrode 71. The insulating film 87 covers the semiconductor layer 6 as a channel protective film. The protective film 88 is an insulating film provided on the uppermost layer of the circuit layers 61 and 62, and contacts a predetermined area to electrically connect the circuit layers 61 and 62 and the pixel electrodes 51 and 53 thereon. A hole is formed. The gate insulating film 86, the insulating film 87, and the protective film 88 are formed at a temperature equal to or lower than the heat resistance temperature of the transparent substrate 91 and the third imaging element 13 as in the semiconductor layer 6 among the insulating materials applied to the TFT. Materials can be applied. Specifically, silicon nitride (Si 3 N 4 etc., expressed as SiN), silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO) And inorganic materials such as titanium oxide (TiO 2 ), tantalum oxide, aluminum nitride, vanadium oxide, chromium oxide, cerium oxide, zinc oxide, and amorphous oxide (indium-gallium-zinc oxide).

(保護膜)
保護膜81,82は、これらの積層された2層膜で第1撮像素子11と第2撮像素子12の間の層間膜を構成する絶縁膜である。さらに、保護膜81,82は、カラー撮像素子10の製造過程において互いに貼り合わされて接合される際に、それぞれ第1撮像素子11と第2、第3撮像素子12,13、特に第1回路層61と第2回路層62への衝撃を抑制する等、保護するために設けられる。また、保護膜81,82は、当該保護膜81,82のそれぞれの表面を平坦かつ水平、さらに平滑な接合面とするための平坦化膜である。本実施形態に係るカラー撮像素子10においては、有機光電変換膜41,42およびその上の対向電極52,54が均一な膜厚で形成されているため、回路層61,62および画素電極51,53の表面(有機光電変換膜41,42に対面する側の面)の凹凸が対向電極52,54の表面に持ち越されている。そのため、保護膜81,82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81,82は、有機光電変換膜41,42の対向電極52,54を挟んだ上に成膜されるため、対向電極52,54と同様、150℃以下の低温で成膜可能な絶縁材料で形成される。具体的には、SiO2,SiN,Al23,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光を透過する樹脂材料で形成することができる。保護膜81,82は、保護膜として作用するために厚いことが好ましく、具体的には、膜厚が0.1μm以上であることが好ましい。さらに、保護膜81,82は、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、カラー撮像素子10の受光面差を抑えるために、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。
(Protective film)
The protective films 81 and 82 are insulating films that constitute an interlayer film between the first imaging device 11 and the second imaging device 12 with these stacked two-layer films. Furthermore, when the protective films 81 and 82 are bonded and bonded to each other in the manufacturing process of the color imaging device 10, the first imaging device 11 and the second and third imaging devices 12 and 13, respectively, particularly the first circuit layer It is provided in order to suppress the impact to 61 and the 2nd circuit layer 62, or to protect. Further, the protective films 81 and 82 are planarizing films for making the surfaces of the protective films 81 and 82 flat, horizontal, and smooth. In the color imaging device 10 according to the present embodiment, the organic photoelectric conversion films 41 and 42 and the counter electrodes 52 and 54 thereon are formed to have a uniform film thickness, so the circuit layers 61 and 62 and the pixel electrode 51, Unevenness of the surface of the surface 53 (surface facing the organic photoelectric conversion films 41 and 42) is carried over to the surface of the counter electrodes 52 and 54. Therefore, the protective films 81 and 82 are formed to have an uneven thickness corresponding to the unevenness. The protective films 81 and 82 are formed on both sides of the opposing electrodes 52 and 54 of the organic photoelectric conversion films 41 and 42. Therefore, like the opposing electrodes 52 and 54, the insulating films can be formed at a low temperature of 150 ° C. or less. It is formed of a material. Specifically, inorganic materials such as SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 and TiO 2 may be mentioned, and two or more of these materials may be laminated. Alternatively, it can be formed of a resin material that transmits light, such as polysilane, polyvinylcarbazole, polyimide, polyparaxylene vinylene, and the like. The protective films 81 and 82 are preferably thick in order to function as protective films, and specifically, the film thickness is preferably 0.1 μm or more. Furthermore, it is preferable that the protective films 81 and 82 have a minimum thickness of 1 μm or more when the films are formed and the surface is processed to be smooth by CMP (Chemical Mechanical Polishing) after film formation. On the other hand, in order to suppress the light receiving surface difference of the color imaging element 10, the maximum is preferably 3 μm or less, and more preferably 2 μm or less.

(Si基板)
Si基板20は、第3回路部63のトランジスタT1,T2,T3,T4を構成するトランジスタ21、およびフォトダイオード23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21がMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)で形成されるため、Si基板20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23の構成に対応して、p型Si基板(p−sub)を適用する。また、第3撮像素子13が裏面照射型CMOSイメージセンサであることから、Si基板20は、下側(光の入射側の反対側)の表層にトランジスタ21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。
(Si substrate)
The Si substrate 20 is a material of the transistor 21 and the photodiode 23 constituting the transistors T1, T2, T3 and T4 of the third circuit portion 63, and is a base for forming these. In the present embodiment, since the transistor 21 is formed of a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), the Si substrate 20 is preferably made of a single crystal silicon substrate. Here, the configuration of the photodiode 23 is used. Correspondingly, a p-type Si substrate (p-sub) is applied. Also, since the third imaging device 13 is a backside illuminated CMOS image sensor, the Si substrate 20 has the transistor 21 formed on the surface layer on the lower side (the side opposite to the light incident side), and is thick by grinding from the backside. The thickness is reduced to several micrometers to several tens of micrometers, and the ground back surface is directed upward.

(フォトダイオード)
フォトダイオード23は、Si基板20に形成された埋込みフォトダイオード(Pinned Photodiode)である。Siは、可視領域を含む広い分光感度を有するので、第3撮像素子13は、いずれの波長域の光(LB,LG,LR)も光電変換することができる。カラー撮像素子10においては、緑色光LGおよび青色光LBが有機光電変換膜41,42に吸収されているので、フォトダイオード23は赤色光LRを入射されて受光する。赤色光LRを受光するために、フォトダイオード23は、Si基板20の上面(層間膜84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20において下から順に、n-エピタキシャル層(図中、「n−epi」)20n、p-エピタキシャル層(図中、「p−epi」)20p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23が形成される。また、Si基板20は、n-エピタキシャル層20n内に、画素毎に当該画素を囲うようにpウェル(図中、「p−well」)21pが形成されている。フォトダイオード23はさらに、Si基板20の下側表層に、n-エピタキシャル層20nのpウェル21pに囲われた領域を覆うn+拡散層(図中、「n+」)23n、およびn+拡散層23nに積層されたp+拡散層(図中、「p+」)23pを備える。また、Si基板20のp+層(図中、「p−sub」)20sは、フォトダイオード23のアノードとして、GNDに接続されるため、カラー撮像素子10の周縁部において、Si基板20の上面に接続する電極(図示省略)が形成されている。
(Photodiode)
The photodiode 23 is a buried photodiode formed in the Si substrate 20. Since Si has a wide spectral sensitivity including the visible region, the third imaging device 13 can photoelectrically convert light (L B , L G , L R ) in any wavelength range. In the color image pickup device 10, the green light L G and the blue light L B is so absorbed in the organic photoelectric conversion film 41, the photodiode 23 receives light incident red light L R. In order to receive the red light L R , the photodiode 23 is formed in a region at a depth of at least about 3 μm from the upper surface (the interface with the interlayer film 84) of the Si substrate 20. In the present embodiment, in the p-type Si substrate 20, an n - epitaxial layer ("n-epi" in the figure, 20n) and a p - epitaxial layer ("p-epi", 20p) are sequentially stacked from the bottom. The photodiode 23 is formed of an np double epitaxial substrate. Further, in the Si substrate 20, ap well ("p-well" in the figure) 21p is formed in the n - epitaxial layer 20n so as to surround the pixel for each pixel. The photodiode 23 further includes an n + diffusion layer ("n + " in the figure) 23n covering an area surrounded by the p well 21p of the n - epitaxial layer 20n in the lower surface layer of the Si substrate 20, and n + diffusion. A p + diffusion layer ("p + " in the figure) 23p stacked on the layer 23n is provided. In addition, since the p + layer (“p-sub” in the figure) 20s of the Si substrate 20 is connected to GND as the anode of the photodiode 23, the upper surface of the Si substrate 20 at the peripheral portion of the color imaging device 10 An electrode (not shown) connected to the

(第3回路部)
トランジスタ21は、Si基板20に形成されたpウェル21p、pウェル21p内に形成されたn+拡散層(図中、「n+」)21n、およびSi基板20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21gからなる。さらに、pウェル21p内には、pウェル21p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21g、n+拡散層21n、およびp+拡散層には、配線31が接続される。なお、図2においては、第3回路部63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21p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。
(Third circuit unit)
The transistor 21 includes a p well 21 p formed on the Si substrate 20, an n + diffusion layer (“n + ” in the figure) 21 n formed in the p well 21 p, and a thin oxide film (gate It consists of a gate 21g which consists of a poly-Si film formed on both sides of an oxide film. Furthermore, in the p well 21 p, ap + diffusion layer (not shown) for electrically connecting the p well 21 p to GND (0 V) is formed. A wire 31 is connected to the gate 21 g, the n + diffusion layer 21 n, and the p + diffusion layer. Note that FIG. 2 shows a transistor formed of an n-type MOS (NMOS), which is a part of the third circuit unit 63. The p-type MOS (PMOS) forms an n-well (n-well) in the p-well 21p, and further forms ap + diffusion layer in this n-well to be a source and a drain of the transistor.

配線31は、トランジスタ21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3回路部63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20の下側に形成される。すなわち、配線31は、カラー撮像素子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31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31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31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3撮像素子13の耐熱温度は450℃程度となり、第2撮像素子12の第2回路層62(半導体層6)を高温プロセスで形成することができる。 The wiring 31 includes a gate electrode and a source / drain electrode connected to the transistor 21, and a horizontal signal line and a vertical signal line of the third circuit portion 63 (the pixel selection line SL, the readout line OL, the reset selection line RL shown in FIG. The transfer selection line TL, V DD power supply wiring, and V RST power supply wiring are formed, and formed under the Si substrate 20. That is, since the wiring 31 is provided in the lowermost layer of the color imaging element 10, it is not necessary to transmit light. Therefore, the wiring 31 can be disposed in a desired area without restriction on the width and thickness and the number of layers. Such a wire 31 is generally made of a metal such as Al, Cu, Au, Ag, Pt, Pd, Fe, Co, Ni, Cr, Ti, W, Mo, V, Mn, Ta, Ru, or an alloy thereof. Metal electrode material. In particular, Al or Cu generally applied to the wiring of the semiconductor element is preferable, and a barrier film (barrier metal film) made of Ti, W or the like is further provided as needed. Here, the wiring 31 is made of Al or Al alloy which is relatively excellent in heat resistance and easy to process. With such a configuration, the heat resistance temperature of the third imaging device 13 is about 450 ° C., and the second circuit layer 62 (semiconductor layer 6) of the second imaging device 12 can be formed by a high temperature process.

絶縁膜83は、Si基板20の下面を被覆し、配線31、トランジスタ21間や配線31同士等を絶縁する。絶縁膜83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,Al23,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。絶縁膜83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。 The insulating film 83 covers the lower surface of the Si substrate 20 and insulates the wirings 31, the transistors 21, the wirings 31, and the like. As the insulating film 83, an insulating material applied to an interlayer insulating film of a semiconductor device can be applied. Specifically, inorganic materials such as SiO 2 , SiN, SiON, Al 2 O 3 , MgO, MgF 2 , SiC (silicon carbide) and the like can be mentioned. SiO 2 also includes BPSG (Boron Phosphorus Silicon Glass) and PSG (Phosphorus Silicon Glass). The insulating film 83 may not be a single material, and may be formed of different materials depending on layers or regions.

(層間膜)
層間膜84は、第2撮像素子12と第3撮像素子13の間、すなわち第2回路層62とSi基板20の間に設けられる絶縁膜である。層間膜84は、上に半導体層6を形成されるための耐熱性を有するように、絶縁膜83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84は、膜厚が2μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがさらに好ましい。
(Interlayer film)
The interlayer film 84 is an insulating film provided between the second imaging device 12 and the third imaging device 13, that is, between the second circuit layer 62 and the Si substrate 20. The interlayer film 84 can be formed of the same inorganic insulating material as the insulating film 83 or the like so as to have heat resistance for forming the semiconductor layer 6 thereon. The interlayer film 84 preferably has a thickness of 2 μm or less, and more preferably 1 μm or less.

〔カラー撮像素子の製造方法〕
本発明の第1実施形態に係るカラー撮像素子の製造方法について、図7〜図9、図2および図6を参照して説明する。本実施形態に係るカラー撮像素子10は、透明基板91上に第1撮像素子11(図6参照)を製造する第1撮像素子製造工程(上部撮像手段形成工程)S1と、Si基板20に第3撮像素子13および第2撮像素子12を製造する撮像素子積層体製造工程(撮像手段積層体形成工程)S2と、を順不同で行った後に、これらの基板20,91を接合する基板接合工程S3を行って得られる。
[Method of Manufacturing Color Image Sensor]
A method of manufacturing a color imaging device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9, 2 and 6. FIG. The color imaging device 10 according to the present embodiment includes a first imaging device manufacturing process (upper imaging means forming process) S1 for manufacturing the first imaging device 11 (see FIG. 6) on a transparent substrate 91 and a Si substrate 20 as a first substrate. 3) After performing an imaging element laminate manufacturing step (imaging means lamination body forming step) S2 for manufacturing the imaging element 13 and the second imaging element 12 in a random order, a substrate bonding step S3 for bonding the substrates 20 and 91 Can be obtained by

(第1撮像素子製造工程)
第1撮像素子製造工程S1は、透明基板91上に薄膜トランジスタで第1回路層61を形成する第1薄膜トランジスタ形成工程S11と、透明電極膜で所定の領域に画素電極51を形成する第1画素電極形成工程S12と、第1有機光電変換膜41を形成する第1光電変換膜形成工程S13と、第1有機光電変換膜41に透明電極膜を積層して対向電極52を形成する第1対向電極成膜工程S14と、を行い、さらに対向電極52上に保護膜81を成膜して、平坦な表面とする保護膜形成工程S16を行う。
(First imaging device manufacturing process)
The first imaging device manufacturing step S1 includes a first thin film transistor forming step S11 of forming a first circuit layer 61 of thin film transistors on a transparent substrate 91, and a first pixel electrode of forming a pixel electrode 51 in a predetermined area of a transparent electrode film. Forming step S12, first photoelectric conversion film forming step S13 for forming the first organic photoelectric conversion film 41, and first counter electrode for forming the counter electrode 52 by laminating the transparent electrode film on the first organic photoelectric conversion film 41 A film forming process S14 is performed, and further, a protective film 81 is formed on the counter electrode 52 to perform a protective film forming process S16 having a flat surface.

第1薄膜トランジスタ形成工程S11を行う。透明基板91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71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86とする。ゲート絶縁膜86上に酸化物半導体材料を成膜、加工して、半導体層6を形成する。さらに絶縁膜87を構成するSiO2等の絶縁膜を成膜し、この絶縁膜87およびゲート絶縁膜86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72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88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6を構成する酸化物半導体材料は、300℃以上で成膜するか、成膜後に300℃以上でのアニール処理を行う。半導体層6のアニール処理は、第1光電変換膜形成工程S13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第1画素電極形成工程S12よりも前に行う。さらに、ソース・ドレイン電極72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。 A first thin film transistor forming step S11 is performed. An electrode material is deposited on the transparent substrate 91, and the electrode film is processed to form horizontal signal lines such as the gate electrode 71 and the pixel selection line SL. An insulating film such as SiN is formed thereon to form a gate insulating film 86. An oxide semiconductor material is deposited and processed over the gate insulating film 86 to form the semiconductor layer 6. Further, an insulating film such as SiO 2 constituting the insulating film 87 is formed, and the insulating film 87 and the gate insulating film 86 are processed. An electrode material is deposited and processed thereon to form vertical signal lines such as the source / drain electrodes 72 and the read lines OL. Further, an insulating film which constitutes the protective film 88 is formed to form a contact hole. The film formation method of each material applies a method corresponding to the material, such as a sputtering method, and the processing can be performed by photolithography and an etching or lift-off method. Moreover, the oxide semiconductor material which comprises the semiconductor layer 6 forms into a film at 300 degreeC or more, or performs annealing treatment at 300 degreeC or more after film-forming. The annealing treatment of the semiconductor layer 6 can be performed at any stage prior to the first photoelectric conversion film formation step S13, but when the treatment temperature exceeds the heat resistance temperature of the pixel electrode 51, the first pixel electrode formation is performed. It is performed before step S12. Furthermore, in the case of applying a transparent electrode material having a low heat resistance temperature to the source / drain electrode 72 and the like, annealing is performed prior to film formation of the transparent electrode material.

第1画素電極形成工程S12を行う。第1回路層61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。   A first pixel electrode forming step S12 is performed. A transparent electrode material is deposited on the first circuit layer 61, and the transparent electrode film is processed to form a pixel electrode 51. A transparent electrode material is formed into a film by well-known methods, such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a coating method. Furthermore, in the case of a crystalline transparent electrode material such as ITO, post-annealing may be applied to form a film after film formation at a low temperature (no heating) such as room temperature. Further, processing of the transparent electrode film can be performed by photolithography and etching.

次に、第1有機光電変換膜41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(第1光電変換膜形成工程S13)。さらに、第1有機光電変換膜41上に透明電極材料を成膜して、対向電極52とする(第1対向電極成膜工程S14)。透明電極材料は、第1画素電極形成工程S12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、第1有機光電変換膜41の耐熱温度を超えない低温(無加熱)で行う。   Next, the first organic photoelectric conversion film 41 is formed by a known method such as a vacuum evaporation method, an inkjet method, a spin coating method, a dip method or the like (first photoelectric conversion film forming step S13). Further, a transparent electrode material is formed on the first organic photoelectric conversion film 41 to form an opposing electrode 52 (first opposing electrode film forming step S14). The transparent electrode material can be formed by sputtering or the like in the same manner as the first pixel electrode forming step S12, but it is performed at a low temperature (no heating) which does not exceed the heat resistance temperature of the first organic photoelectric conversion film 41, such as room temperature. .

最後に、保護膜形成工程S16を行う。対向電極52上に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(化学機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法等により平坦な、さらに基板接合工程S3での接合方法に対応した平滑な表面に加工して、保護膜81を形成する。あるいは、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81とすることもできる。 Finally, a protective film forming step S16 is performed. An insulating film such as SiO 2 is formed on the counter electrode 52 by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) or sputtering, etc., and planarized by CMP (chemical mechanical polishing) or the like, and further the substrate bonding step The surface is processed to a smooth surface corresponding to the bonding method in S3 to form a protective film 81. Alternatively, a resin material may be applied by spin coating or the like to form a protective film 81 on a flat surface.

(撮像素子積層体製造工程)
撮像素子積層体製造工程S2は、Si基板20にトランジスタ21およびフォトダイオード23を形成し、その上に配線31および配線31間の絶縁膜83を形成するシリコン処理工程S21と、透明電極膜で所定の領域に画素電極53を形成する第2画素電極形成工程S42と、第2有機光電変換膜42を形成する第2光電変換膜形成工程S43と、第2有機光電変換膜42に透明電極膜を積層して対向電極54を形成する第2対向電極成膜工程S44と、を行う。ここで、本実施形態に係るカラー撮像素子10は、第2撮像素子12と第3撮像素子13とが層間膜84に隔てられて上下に分断された構造であり、また、第3撮像素子13は裏面照射型CMOSイメージセンサである。したがって、言い換えると、撮像素子積層体製造工程S2は、第3撮像素子13を製造する第3撮像素子製造工程(下部撮像手段形成工程)S20と、第2撮像素子12を製造する第2撮像素子製造工程S40を行う。第3撮像素子製造工程S20は、シリコン処理工程S21を行い、さらにその次に、Si基板20の裏面を研削して薄化する裏面研削工程S25と、Si基板20の裏面上に層間膜84を成膜する層間膜成膜工程S26を行う。第2撮像素子製造工程S40は、まず、層間膜84上に薄膜トランジスタで第2回路層62を形成する第2薄膜トランジスタ形成工程S41を行った後に、第2画素電極形成工程S42と、第2光電変換膜形成工程S43と、対向電極54を形成する第2対向電極成膜工程S44と、を行い、さらに対向電極54上に保護膜82を成膜して、平坦な表面とする保護膜形成工程S46を行う。
(Image sensor stack manufacturing process)
In the imaging element laminate manufacturing step S2, the transistor 21 and the photodiode 23 are formed on the Si substrate 20, and the insulating film 83 between the wiring 31 and the wiring 31 is formed thereon. A second pixel electrode forming step S42 for forming the pixel electrode 53 in the second region, a second photoelectric conversion film forming step S43 for forming the second organic photoelectric conversion film 42, and a transparent electrode film as the second organic photoelectric conversion film 42 And forming a second counter electrode film forming step S44 of forming a counter electrode 54 by laminating. Here, the color imaging element 10 according to the present embodiment has a structure in which the second imaging element 12 and the third imaging element 13 are separated by the interlayer film 84 and divided into upper and lower parts, and the third imaging element 13. Is a backside illuminated CMOS image sensor. Therefore, in other words, the imaging element laminate manufacturing step S2 is a third imaging element manufacturing step (lower imaging means forming step) S20 for manufacturing the third imaging element 13 and a second imaging element for manufacturing the second imaging element 12 The manufacturing process S40 is performed. In the third imaging device manufacturing step S20, a silicon processing step S21 is performed, and then, a back surface grinding step S25 of grinding and thinning the back surface of the Si substrate 20; and an interlayer film 84 on the back surface of the Si substrate 20 An interlayer film forming step S26 is performed to form a film. In the second imaging device manufacturing step S40, first, after performing a second thin film transistor forming step S41 of forming a second circuit layer 62 of thin film transistors on the interlayer film 84, a second pixel electrode forming step S42 and a second photoelectric conversion A film forming step S43 and a second counter electrode film forming step S44 for forming the counter electrode 54 are performed, and a protective film 82 is further formed on the counter electrode 54 to form a protective film forming step S46. I do.

(第3撮像素子製造工程)
第3撮像素子製造工程S20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)。まず、シリコン処理工程S21を行って、Si基板20にトランジスタ21およびフォトダイオード23を形成し、Si基板20の上にトランジスタ21に接続する配線31を形成する。シリコン処理工程S21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20に、p-エピタキシャル層20p、n-エピタキシャル層20n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20の表面(n-エピタキシャル層20n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21pを形成する。Si基板20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21のゲート21gを形成する。さらに不純物を注入して、n+拡散層21n,23nおよびp+拡散層23pを形成する。トランジスタ21およびフォトダイオード23を形成したSi基板20の上に、絶縁膜83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21に接続する配線31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31および絶縁膜83を形成する。
(Third imaging device manufacturing process)
For the third imaging device manufacturing step S20, a known manufacturing method of a backside illumination type CMOS image sensor can be applied (see, for example, Patent Document 2). First, in the silicon processing step S21, the transistor 21 and the photodiode 23 are formed on the Si substrate 20, and the wiring 31 connected to the transistor 21 is formed on the Si substrate 20. In the silicon processing step S21, each step is performed with the lower side in FIG. 2 as the upper side. the Si substrate 20 is a p-type Si substrate, p - epitaxial layer 20p, n - are sequentially forming an epitaxial layer 20n, and np double epitaxial substrate. Next, an impurity is injected from the surface (side of the n epitaxial layer 20 n) of the Si substrate 20 and thermally diffused to form ap well 21 p in a predetermined region. A thin SiO 2 film (gate oxide film) is formed on the surface of the Si substrate 20, and a poly-Si film is formed thereon to form the gate 21 g of the transistor 21. Further, impurities are implanted to form n + diffusion layers 21 n and 23 n and p + diffusion layer 23 p. An insulating film forming the insulating film 83 is formed on the Si substrate 20 on which the transistor 21 and the photodiode 23 are formed, a contact hole is formed in the insulating film, and the wiring 31 connected to the transistor 21 is Al or the like. It is formed of a metal electrode material. Similarly, film formation and processing of the insulating film and the metal electrode material are repeated to form the wiring 31 and the insulating film 83.

次に、Si基板20の表側(絶縁膜83上)に支持基板(図示省略)を貼り合わせ、Si基板20の裏面を研削して所定の厚さとする(裏面研削工程S25)。Si基板20の研削された裏面上に、絶縁膜を成膜して層間膜84とする(層間膜成膜工程S26)。   Next, a support substrate (not shown) is bonded to the front side (on the insulating film 83) of the Si substrate 20, and the back surface of the Si substrate 20 is ground to a predetermined thickness (back surface grinding step S25). An insulating film is formed on the ground back surface of the Si substrate 20 to form an interlayer film 84 (interlayer film forming step S26).

(第2撮像素子製造工程)
第2撮像素子製造工程S40は、第1撮像素子製造工程S1と同様に行う。すなわち、第2撮像素子製造工程S40の工程S41,S42,S43,S44,S46は、第1撮像素子製造工程S1の工程S11,S12,S13,S14,S16とそれぞれ同様である。ただし、第2撮像素子製造工程S40、特に第2薄膜トランジスタ形成工程S41は、第3撮像素子13の耐熱温度(例えば450℃)を超えない処理条件で行う。
(Second imaging element manufacturing process)
The second imaging element manufacturing step S40 is performed in the same manner as the first imaging element manufacturing step S1. That is, steps S41, S42, S43, S44, and S46 of the second imaging device manufacturing step S40 are the same as steps S11, S12, S13, S14, and S16 of the first imaging device manufacturing step S1, respectively. However, the second imaging element manufacturing step S40, particularly the second thin film transistor forming step S41, is performed under processing conditions that do not exceed the heat resistance temperature (for example, 450 ° C.) of the third imaging element 13.

(基板接合工程)
基板接合工程S3は、第1撮像素子11が形成された透明基板91と、撮像素子12,13が形成されたSi基板20と、をそれぞれの対向電極52,54が形成された側、すなわち保護膜81,82を対面させて接合する。接合方法は、保護膜81,82の材料に対応し、有機光電変換膜41,42の耐熱温度を超えない低温で、かつ低加圧で、好ましくは無加圧で接合する。このような接合方法として、半導体素子基板同士を常温接合する公知の方法を適用することができ、具体的には、原子間力、分子間力による接合、表面活性化接合等が挙げられる。あるいは、カラー撮像素子10は、上下面の周縁や側面に枠体(図示せず)等を設けて、保護膜81と保護膜82とを接触させた状態で固定されていてもよい。
(Substrate bonding process)
In the substrate bonding step S3, the transparent substrate 91 on which the first imaging device 11 is formed and the Si substrate 20 on which the imaging devices 12 and 13 are formed are on the side on which the opposing electrodes 52 and 54 are formed, that is, protection The membranes 81 and 82 face each other and are joined. The bonding method corresponds to the material of the protective films 81 and 82, and bonding is performed at a low temperature not exceeding the heat resistance temperature of the organic photoelectric conversion films 41 and 42, and at low pressure, preferably without pressure. As such a bonding method, a known method of bonding semiconductor element substrates at normal temperature can be applied, and specific examples thereof include bonding by atomic force and intermolecular force, surface activation bonding and the like. Alternatively, the color imaging device 10 may be fixed in a state in which the protective film 81 and the protective film 82 are in contact with each other by providing a frame (not shown) or the like on the peripheral edge or side of the upper and lower surfaces.

第1撮像素子11の第1有機光電変換膜41および対向電極52の少なくとも一方、第2撮像素子12の第2有機光電変換膜42および対向電極54の少なくとも一方が、それぞれスピンコート法等で成膜されて表面が平坦に形成されている場合には、保護膜81,82で接合面を平坦化する必要がない。また、カラー撮像素子10は、受光面差が10μm以下に抑えられているのであれば、保護膜81,82間に3μm程度以下の空隙を有していてもよい。このようなカラー撮像素子10は、基板接合工程S3で、透明基板91とSi基板20とを、周縁や側面に枠体(図示せず)等を設けて固定する。あるいは、保護膜81,82間を充填するように、光を透過する接着剤で貼り合わせてもよい。これらの場合には、保護膜81と保護膜82は、基板接合工程S3で互いに接触しないので、膜厚を薄く形成されても回路層61,62等へのダメージが防止され、また、表面が平坦でなくてもよい。   At least one of the first organic photoelectric conversion film 41 and the counter electrode 52 of the first imaging device 11 and at least one of the second organic photoelectric conversion film 42 and the counter electrode 54 of the second imaging device 12 are respectively formed by spin coating or the like. When the film is formed and the surface is formed flat, there is no need to flatten the bonding surface with the protective films 81 and 82. The color imaging device 10 may have a gap of about 3 μm or less between the protective films 81 and 82 as long as the light receiving surface difference is suppressed to 10 μm or less. In such a color imaging device 10, in the substrate bonding step S3, a transparent substrate 91 and the Si substrate 20 are fixed by providing a frame (not shown) or the like on the peripheral edge or the side surface. Alternatively, an adhesive that transmits light may be attached to fill the space between the protective films 81 and 82. In these cases, since the protective film 81 and the protective film 82 do not contact each other in the substrate bonding step S3, damage to the circuit layers 61, 62 and the like is prevented even if the film thickness is formed thin, and the surface is It does not have to be flat.

画素電極51,53は、回路層61,62のソース・ドレイン電極72と一体に形成されてもよい。この場合には、これらの電極上に形成される保護膜88が、画素電極51,53として有機光電変換膜41,42に接続する領域を空けるように加工される。   The pixel electrodes 51 and 53 may be integrally formed with the source and drain electrodes 72 of the circuit layers 61 and 62. In this case, the protective film 88 formed on these electrodes is processed so as to leave an area connected to the organic photoelectric conversion films 41 and 42 as the pixel electrodes 51 and 53.

画素の微細化のために、撮像素子11,12,13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3撮像素子13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。   For miniaturization of pixels, each of the imaging elements 11, 12 and 13 is a part of the transistors T1, T2, T3 and T4 (see FIG. 4 and FIG. 5) or two or more predetermined numbers of adjacent pixels. You may share the whole thing. The third imaging device 13 may be a charge coupled device (CCD) image sensor.

以上のように、本発明の第1実施形態に係るカラー撮像素子によれば、最下層の第3撮像素子以外の第1、第2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を備え、さらにTFT構造を有する読出回路を有機光電変換膜の形成前に形成することができ、信号の読出し特性が良好となる上、各撮像素子同士の間隔が短いので入射光の焦点のずれが抑制される。また、光の入射側から所望の順序で各波長域の光を受光することができる。そして、有機光電変換膜を備える第1、第2撮像素子により、第3撮像素子には1つの波長域の光のみが入射されるので、光電変換層が少なくともこの波長域に感度を有するものであればよく、例えば可視光全域に感度を有するSiを適用することができる。また、第3撮像素子は、読出回路に単結晶シリコン基板に形成されたMOSFETを備えることで、信号の読出し特性に特に優れる。さらに、本実施形態に係るカラー撮像素子によれば、第3撮像素子を裏面照射型CMOSイメージセンサとすることで、画素の開口率が第1、第2撮像素子と同様に高くなる。   As described above, according to the color imaging device according to the first embodiment of the present invention, the first and second imaging devices other than the lowermost third imaging device are organic that are excellent in color selectivity and photoelectric conversion efficiency. A readout circuit having a photoelectric conversion film and having a TFT structure can be formed before the formation of the organic photoelectric conversion film, and the readout characteristics of the signal are improved and the distance between the imaging elements is short. A focus shift is suppressed. In addition, light of each wavelength range can be received in a desired order from the light incident side. And since only light of one wavelength region is incident on the third imaging device by the first and second imaging devices having the organic photoelectric conversion film, the photoelectric conversion layer is sensitive to at least this wavelength region. For example, Si having sensitivity to the entire visible light can be applied. The third imaging device is particularly excellent in signal readout characteristics by including the MOSFET formed on the single crystal silicon substrate in the readout circuit. Furthermore, according to the color imaging device according to the present embodiment, by making the third imaging device a back-illuminated CMOS image sensor, the aperture ratio of the pixels becomes high as in the first and second imaging devices.

〔第1実施形態の変形例〕
第3撮像素子13は、表面照射型CMOSイメージセンサであってもよい。この場合には、Si基板20の表層に形成されるトランジスタ21が、フォトダイオード23に対して同じ高さ位置または光の入射側寄りに配置される。したがって、画素に占めるフォトダイオード23の面積(開口率)が大きくなるように、フォトダイオード23およびトランジスタ21のレイアウトを設計されることが好ましい。また、フォトダイオード23(Si基板20)と第2撮像素子12との間に配線31が設けられるため、配線31は、フォトダイオード23の直上を避けて配置され、かつ層数を少なく設計されることが好ましい。配線31は一方で、トランジスタ21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21が形成された領域全体に配置されるように設計される。そのために、配線31は、導電性に特に優れたCuで形成されることが好ましい。ただし、第3撮像素子13の耐熱温度は350℃程度となるので、第2撮像素子製造工程S40はこの温度を超えない処理条件で行う。一方、第3撮像素子製造工程S20で、裏面研削工程S25および層間膜成膜工程S26を行わなくてよく、工程を削減することができる。
Modification of First Embodiment
The third imaging device 13 may be a surface-illuminated CMOS image sensor. In this case, the transistors 21 formed on the surface layer of the Si substrate 20 are disposed at the same height position or near the light incident side with respect to the photodiode 23. Therefore, it is preferable to design the layout of the photodiode 23 and the transistor 21 so that the area (aperture ratio) of the photodiode 23 occupied in a pixel is increased. Further, since the wiring 31 is provided between the photodiode 23 (Si substrate 20) and the second imaging device 12, the wiring 31 is disposed so as not to be directly above the photodiode 23, and the number of layers is designed to be small. Is preferred. On the other hand, the wiring 31 is designed to be disposed over the entire region where the transistor 21 is formed, including the dummy wiring and the like in plan view, so that light does not reach the transistor 21. Therefore, the wiring 31 is preferably formed of Cu particularly excellent in conductivity. However, since the heat resistance temperature of the third imaging device 13 is about 350 ° C., the second imaging device manufacturing step S40 is performed under processing conditions that do not exceed this temperature. On the other hand, in the third imaging device manufacturing process S20, the back surface grinding process S25 and the interlayer film forming process S26 may not be performed, and the processes can be reduced.

第1実施形態に係るカラー撮像素子10は、第2撮像素子12の第2回路層62が薄膜トランジスタで形成されて第3撮像素子13の上に設けられ、第2撮像素子12と第3撮像素子13が層間膜84で分断された構造であるが、第2回路層62を、第3撮像素子13の第3回路部63と同様にSi基板に形成することもできる。以下、第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子について説明する。第1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。   In the color imaging device 10 according to the first embodiment, the second circuit layer 62 of the second imaging device 12 is formed of a thin film transistor and provided on the third imaging device 13, and the second imaging device 12 and the third imaging device Although the structure 13 is divided by the interlayer film 84, the second circuit layer 62 can also be formed on the Si substrate in the same manner as the third circuit portion 63 of the third imaging device 13. Hereinafter, a color imaging device according to a modification of the first embodiment will be described. The same elements as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図10に示すように、第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子10Aは、上から順に、透明基板91、第1回路層(第1の読出回路)61および第1有機光電変換膜(第1の光電変換層)41を備える第1撮像素子11、対向電極54と画素電極53に両面を挟まれた第2有機光電変換膜(第2の光電変換層)42、配線31A,32および配線31A,32の間を絶縁する絶縁膜83、フォトダイオード(第3の光電変換層)23Aを形成されたSi基板20Aを備える。カラー撮像素子10Aはさらに、第3回路部(第3の読出回路)63、および第2回路部(第2の読出回路)62Aを、Si基板20Aおよび配線31A,32に備える。図10では、透明基板91の上部を省略して示す。また、図10に、カラー撮像素子10Aの画素間の境界を一点鎖線で表す。なお、カラー撮像素子10Aにおいて、第2有機光電変換膜42および第2回路部62Aを備える部分を第2撮像素子12A、フォトダイオード23Aおよび第3回路部63を備える部分を第3撮像素子13A、とそれぞれ称する。本変形例では、第1、第2、第3の波長域の光L1,L2,L3を、それぞれ緑色光LG、赤色光LR、青色光LBに設定する。第2撮像素子12Aおよび第3撮像素子13Aは、それぞれ第1実施形態の第2撮像素子12および第3撮像素子13と同じ等価回路図(図3、図4、図5参照)で表される。 As shown in FIG. 10, a color imaging device 10A according to a modification of the first embodiment includes, in order from the top, a transparent substrate 91, a first circuit layer (first readout circuit) 61, and a first organic photoelectric conversion film ( A first image sensor 11 having a first photoelectric conversion layer 41, a second organic photoelectric conversion film (second photoelectric conversion layer) 42, wirings 31A and 32, and both surfaces of which are sandwiched between the counter electrode 54 and the pixel electrode 53 The semiconductor substrate 20A is provided with an insulating film 83 which insulates between the wirings 31A and 32 and a Si substrate 20A on which a photodiode (third photoelectric conversion layer) 23A is formed. The color imaging device 10A further includes a third circuit unit (third readout circuit) 63 and a second circuit unit (second readout circuit) 62A in the Si substrate 20A and the wirings 31A and 32. In FIG. 10, the upper part of the transparent substrate 91 is omitted. Further, in FIG. 10, the boundary between the pixels of the color imaging element 10A is indicated by an alternate long and short dash line. In the color imaging device 10A, the portion including the second organic photoelectric conversion film 42 and the second circuit portion 62A is a portion including the second imaging device 12A, the photodiode 23A, and the third circuit portion 63 a third imaging device 13A, It is called respectively. In this modification, light L1, L2, and L3 in the first, second, and third wavelength ranges are set to green light L G , red light L R , and blue light L B , respectively. The second imaging device 12A and the third imaging device 13A are represented by the same equivalent circuit as the second imaging device 12 and the third imaging device 13 of the first embodiment (see FIGS. 3, 4 and 5). .

第1撮像素子11の構成は、第1実施形態に説明した通りである。第2撮像素子12Aは、下から順に、画素電極53、第2有機光電変換膜42、対向電極54、保護膜82を積層して備え、さらに画素電極53の下に第2回路部62Aを備える。第3撮像素子13A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23Aおよび第3回路部63のトランジスタ21を表層に形成されたSi基板20Aと、Si基板20Aの上に形成された配線31Aおよび絶縁膜83を備える。ここで、第2撮像素子12Aは、第2回路部62Aのトランジスタ22がSi基板20Aの表層に形成され、配線32がSi基板20A上に形成されて画素電極53に接続する。したがって、本変形例に係るカラー撮像素子10Aは、第2撮像素子12Aと第3撮像素子13Aとが完全には分断されていない構造である。   The configuration of the first imaging element 11 is as described in the first embodiment. The second imaging element 12A includes, in order from the bottom, the pixel electrode 53, the second organic photoelectric conversion film 42, the counter electrode 54, and the protective film 82, and further includes a second circuit portion 62A under the pixel electrode 53. . The third imaging device 13A is a surface-illuminated CMOS image sensor, and has a Si substrate 20A formed on the surface layer of the photodiode 23A and the transistor 21 of the third circuit portion 63, and a wire 31A formed on the Si substrate 20A. An insulating film 83 is provided. Here, in the second imaging element 12A, the transistor 22 of the second circuit portion 62A is formed on the surface layer of the Si substrate 20A, and the wiring 32 is formed on the Si substrate 20A and connected to the pixel electrode 53. Accordingly, the color imaging device 10A according to the present modification has a structure in which the second imaging device 12A and the third imaging device 13A are not completely separated.

第2有機光電変換膜42は、赤色光LRに感度を有する有機材料が適用されること以外は、第1実施形態に説明した通りである。第2回路部62Aは、トランジスタ22が第3回路部63のトランジスタ21と同様にMOSFETでSi基板20Aに形成されているので、後記の第3撮像素子13Aの構成と共に説明する。 The second organic photoelectric conversion film 42 is as described in the first embodiment except that an organic material having sensitivity to red light L R is applied. The second circuit unit 62A is a MOSFET formed on the Si substrate 20A in the same manner as the transistor 21 of the third circuit unit 63. Therefore, the second circuit unit 62A will be described together with the configuration of a third imaging device 13A described later.

(Si基板)
Si基板20Aは、フォトダイオード23Aおよび第3回路部63のトランジスタ21に加え、第2回路部62Aのトランジスタ22の材料であり、これらを形成するための土台である。本変形例では、フォトダイオード23Aの構成に対応して、n型Si基板(n−sub)を適用する。
(Si substrate)
The Si substrate 20A is a material of the transistor 22 of the second circuit portion 62A in addition to the photodiodes 23A and the transistor 21 of the third circuit portion 63, and is a base for forming these. In this modification, an n-type Si substrate (n-sub) is applied corresponding to the configuration of the photodiode 23A.

(フォトダイオード)
フォトダイオード23Aは、Si基板20Aに形成された埋込みフォトダイオードであり、Si基板20Aのpウェル21p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。カラー撮像素子10Aにおいては、緑色光LGおよび赤色光LRが有機光電変換膜41,42に吸収されているので、フォトダイオード23Aには青色光LBが受光される。そのため、フォトダイオード23Aは、Si基板20Aの上面から300nm程度の深さの領域に形成される。また、第3撮像素子13Aが表面照射型CMOSイメージセンサで、Si基板20Aの光の入射側寄りの表層にトランジスタ21,22を形成されているので、画素に占めるフォトダイオード23Aの面積(開口率)が大きくなるように、フォトダイオード23Aおよびトランジスタ21,22のレイアウトを設計されることが好ましい。なお、図10においては、フォトダイオード23Aおよびトランジスタ21,22を同程度の大きさで表す。
(Photodiode)
The photodiode 23A is a buried photodiode formed in the Si substrate 20A, and an n + diffusion layer (in the figure, “n + ”) formed in the p well 21p of the Si substrate 20A, and this n + diffusion layer And a p + diffusion layer (“p + ” in the figure) stacked on the In the color imaging device 10A, the green light L G and the red light L R is because it is absorbed by the organic photoelectric conversion film 41, the photodiode 23A is received blue light L B. Therefore, the photodiode 23A is formed in a region about 300 nm deep from the upper surface of the Si substrate 20A. Further, since the third imaging element 13A is a surface-illuminated CMOS image sensor and the transistors 21 and 22 are formed on the surface layer of the Si substrate 20A near the light incident side, the area of the photodiode 23A occupied in pixels (aperture ratio Preferably, the layout of the photodiode 23A and the transistors 21 and 22 is designed to be large. In FIG. 10, the photodiode 23A and the transistors 21 and 22 are represented by the same size.

(第2回路部、第3回路部)
第3回路部63のトランジスタ21は、第1実施形態で説明した通り、Si基板20Aに形成されたpウェル21p、pウェル21p内に形成されたn+拡散層21n、およびSi基板20Aの上面にゲート酸化膜を挟んで形成されたゲート21gからなる。そして、ゲート21gおよびn+拡散層21nには、配線31Aが接続される。第2回路部62Aのトランジスタ22は、Si基板20Aに形成されたpウェル22p、pウェル22p内に形成されたn+拡散層22n、およびSi基板20Aの上面にゲート酸化膜を挟んで形成されたゲート22gからなる。そして、ゲート22gおよびn+拡散層22nには、配線32が接続される。さらに、配線32の一部は、絶縁膜83を厚さ方向に貫通して画素電極53に接続する。また、pウェル21p,22p内に、それぞれを個別のGNDに配線31A,32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10においては、第2回路部62Aおよび第3回路部63の一部のトランジスタおよび配線を示す。
(Second circuit unit, third circuit unit)
As described in the first embodiment, the transistor 21 of the third circuit portion 63 includes the p well 21p formed on the Si substrate 20A, the n + diffusion layer 21n formed in the p well 21p, and the upper surface of the Si substrate 20A. And a gate 21g formed on both sides of the gate oxide film. A wire 31A is connected to the gate 21g and the n + diffusion layer 21n. The transistor 22 of the second circuit portion 62A is formed on the upper surface of the p well 22p formed on the Si substrate 20A, the n + diffusion layer 22n formed in the p well 22p, and the upper surface of the Si substrate 20A with a gate oxide film interposed. The gate 22g. A wire 32 is connected to the gate 22g and the n + diffusion layer 22n. Further, part of the wiring 32 penetrates the insulating film 83 in the thickness direction and is connected to the pixel electrode 53. Further, in the p wells 21p and 22p, p + diffusion layers (not shown) for electrically connecting the respective GNDs to the individual GNDs by the wirings 31A and 32 are formed. In FIG. 10, part of the transistors and wirings of the second circuit portion 62A and the third circuit portion 63 are shown.

配線31Aは、第1実施形態の配線31と同様に、トランジスタ21に接続する電極、ならびに第3回路部63の水平信号線および垂直信号線を構成する。配線32は、トランジスタ22に接続する電極、ならびに第2回路部62Aの水平信号線および垂直信号線を構成する。配線31Aおよび配線32は、配線31と同様に金属電極材料で形成することができる。ただし、配線31A,32は、フォトダイオード23Aの上側、すなわち光の入射側に配置される。そのため、配線31A,32は、フォトダイオード23Aに入射される光を遮らないように、フォトダイオード23Aの直上を避けて配置される。かつ、配線31A,32は、フォトダイオード23Aと第2有機光電変換膜42との距離が大きく空かないように、すなわち受光面差が大きくならないように、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31A,32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31A,32は一方で、トランジスタ21,22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21,22が形成された領域全体に配置されるように設計される。   Similarly to the wiring 31 of the first embodiment, the wiring 31A constitutes an electrode connected to the transistor 21 and a horizontal signal line and a vertical signal line of the third circuit unit 63. The wiring 32 constitutes an electrode connected to the transistor 22, and horizontal signal lines and vertical signal lines of the second circuit portion 62A. The wiring 31A and the wiring 32 can be formed of a metal electrode material in the same manner as the wiring 31. However, the wires 31A and 32 are disposed on the upper side of the photodiode 23A, that is, on the light incident side. Therefore, the wirings 31A and 32 are disposed avoiding directly above the photodiode 23A so as not to block the light incident on the photodiode 23A. The wirings 31A and 32 are preferably designed to have a small number of layers so that the distance between the photodiode 23A and the second organic photoelectric conversion film 42 is not large, that is, the light receiving surface difference is not large. Therefore, the wirings 31A and 32 are preferably formed of Cu particularly excellent in conductivity. The wires 31A and 32 are designed to be disposed on the entire region where the transistors 21 and 22 are formed in plan view, including dummy wires and the like so that light does not reach the transistors 21 and 22 on the other hand .

(カラー撮像素子の製造方法)
本発明の第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子の製造方法について、図7、図8、図11、および図10を参照して説明する。本変形例に係るカラー撮像素子10Aは、第1実施形態と同様に、透明基板91上に第1撮像素子11(図6参照)を製造する第1撮像素子製造工程S1と、Si基板20Aに第3撮像素子13Aおよび第2撮像素子12Aを製造する撮像素子積層体製造工程S2と、を順不同で行った後に、これらの基板20A,91を接合する基板接合工程S3を行って得られる。第1撮像素子製造工程S1は、第1実施形態で説明した通りである。以下、撮像素子積層体製造工程S2について、第1実施形態と異なる工程について詳細に説明する。
(Method of manufacturing color imaging device)
A method of manufacturing a color imaging device according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7, 8, 11, and 10. FIG. As in the first embodiment, the color imaging device 10A according to the present modification includes the first imaging device manufacturing step S1 of manufacturing the first imaging device 11 (see FIG. 6) on the transparent substrate 91, and the Si substrate 20A. After the imaging element laminate manufacturing step S2 for manufacturing the third imaging element 13A and the second imaging element 12A is performed in random order, a substrate bonding step S3 for bonding the substrates 20A and 91 is obtained. The first imaging device manufacturing step S1 is as described in the first embodiment. Hereinafter, in the imaging element laminate manufacturing step S2, steps different from the first embodiment will be described in detail.

撮像素子積層体製造工程S2は、図11に示すように、シリコン処理工程S21Aと、第2画素電極形成工程S42と、第2光電変換膜形成工程S43と、第2対向電極成膜工程S44と、保護膜形成工程S46と、を行う。シリコン処理工程S21Aは、第1実施形態のシリコン処理工程S21(図9参照)と同様に、Si基板20Aに第3回路部63のトランジスタ21およびフォトダイオード23Aを形成し、その上に配線31Aを形成するが、本変形例ではさらに、第2回路部62Aのトランジスタ22および配線32を形成する。また、配線32の画素電極53に接続する部分を表面に露出させる。したがって、シリコン処理工程S21Aが第3撮像素子13Aを製造する第3撮像素子製造工程(下部撮像手段形成工程)S20Aであり、工程S21A,S42,S43,S44,S46すなわち撮像素子積層体製造工程S2の全工程が第2撮像素子12Aを製造する第2撮像素子製造工程S40Aである。言い換えると、第2撮像素子製造工程S40Aは、第1実施形態の第2撮像素子製造工程S40において第2薄膜トランジスタ形成工程S41に代えて、シリコン処理工程S21Aを行う。   As shown in FIG. 11, the imaging element laminate manufacturing step S2 includes a silicon processing step S21A, a second pixel electrode forming step S42, a second photoelectric conversion film forming step S43, and a second counter electrode film forming step S44. And a protective film forming step S46. In the silicon processing step S21A, as in the silicon processing step S21 (see FIG. 9) of the first embodiment, the transistor 21 and the photodiode 23A of the third circuit portion 63 are formed on the Si substrate 20A, and the wiring 31A is formed thereon. Although formed, in this modification, the transistor 22 and the wiring 32 of the second circuit portion 62A are further formed. Further, the portion of the wiring 32 connected to the pixel electrode 53 is exposed on the surface. Therefore, the silicon processing step S21A is a third imaging element manufacturing step (lower imaging means forming step) S20A for manufacturing the third imaging element 13A, and steps S21A, S42, S43, S44, S46, ie, imaging element laminate manufacturing step S2 Is the second imaging device manufacturing step S40A for manufacturing the second imaging device 12A. In other words, in the second imaging device manufacturing step S40A, the silicon processing step S21A is performed in place of the second thin film transistor forming step S41 in the second imaging device manufacturing step S40 of the first embodiment.

第2画素電極形成工程S42は、画素毎に配線32が露出した絶縁膜83上に、透明電極材料を成膜すること以外は、第1実施形態と同様であり、以降の工程S43,S44,S46もそれぞれ第1実施形態と同様に行う。   The second pixel electrode forming step S42 is the same as the first embodiment except that a transparent electrode material is formed on the insulating film 83 where the wiring 32 is exposed for each pixel, and the subsequent steps S43, S44, S46 is also performed similarly to the first embodiment.

基板接合工程S3は、第1実施形態と同様であり、本変形例では、Si基板20Aの表側が接合面となる。   The substrate bonding step S3 is the same as that of the first embodiment, and in this modification, the front side of the Si substrate 20A is the bonding surface.

以上のように、本発明の第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子によれば、第1実施形態と同様に、信号の読出し特性が良好となる上、入射光の焦点のずれが抑制され、また、光の入射側から所望の順序で各波長域の光を受光することができる。本変形例に係るカラー撮像素子によれば、さらに、第2撮像素子が、第3撮像素子と同様に、読出回路に単結晶シリコン基板に形成されたMOSFETを備えることで、信号の読出し特性に特に優れる。一方、第1撮像素子は透明基板に直接に高温プロセスで形成された読出回路を有するので、良好な信号の読出し特性となる。また、第3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。   As described above, according to the color imaging device according to the modification of the first embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the signal readout characteristics are improved and the shift of the incident light is suppressed. It is also possible to receive light of each wavelength range in a desired order from the light incident side. According to the color imaging device of the present modification, as in the third imaging device, the second imaging device further includes a MOSFET formed on a single crystal silicon substrate in the readout circuit, thereby improving the signal readout characteristics. Especially excellent. On the other hand, since the first imaging device has the readout circuit formed directly on the transparent substrate by a high temperature process, it has a good signal readout characteristic. In addition, by using the surface illumination type CMOS image sensor as the third imaging element, it is possible to manufacture more easily.

〔第2実施形態〕
第1実施形態で説明したように、本発明に係るカラー撮像素子は、最上層の第1撮像素子とそれ以外の第2、第3撮像素子とを別々に製造した後にこれらを接合することで、それぞれの接合面側に形成された第1撮像素子と第2撮像素子が、有機光電変換膜と高温プロセスで形成された薄膜トランジスタの両方を備えるものである。一方、最下層の第3撮像素子は、その上に第2撮像素子の読出回路の薄膜トランジスタを形成されるために、光電変換層としてSiフォトダイオードを備える。このことから、第2撮像素子の下側に耐熱性を有する光電変換層を追加することにより、可視光の3つの波長域の光に加え、例えば赤外線(IR)にも対応したカラー撮像素子が得られる。以下、第2実施形態に係るカラー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。
Second Embodiment
As described in the first embodiment, in the color imaging device according to the present invention, the first imaging device in the top layer and the other second and third imaging devices are manufactured separately and then joined. The first imaging device and the second imaging device formed on the respective bonding surfaces include both the organic photoelectric conversion film and the thin film transistor formed by the high temperature process. On the other hand, the lowermost third imaging element is provided with a Si photodiode as a photoelectric conversion layer in order to form a thin film transistor of the readout circuit of the second imaging element thereon. From this, by adding a heat-resistant photoelectric conversion layer to the lower side of the second imaging device, a color imaging device compatible with, for example, infrared (IR) light in addition to light in the three wavelength regions of visible light is can get. Hereinafter, a color imaging device according to the second embodiment will be described. The same elements as those of the first embodiment and the modification thereof are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図12に示すように、第2実施形態に係るカラー撮像素子10Bは、上から順に、透明基板91、第1撮像素子11、第2撮像素子12、第4の波長域の光L4を電気信号に変換して出力する第4撮像素子14、第3撮像素子13を備える。したがって、カラー撮像素子10Bは、図2に示す第1実施形態に係るカラー撮像素子10の第2撮像素子12と第3撮像素子13の間に、第4撮像素子14を挿入した構成である。第4撮像素子14は、第4の波長域の光L4を吸収して電荷に変換し、かつ第3の波長域の光L3を透過する無機光電変換膜(第4の光電変換層)44、および前記電荷を電気信号として出力する第4回路層(第4の読出回路)64を備える。また、本実施形態においては、撮像素子11,12の有機光電変換膜41,42は、第4の波長域の光L4をさらに透過する。本実施形態では、第1、第2、第4、第3の波長域の光L1,L2,L4,L3を、それぞれ近赤外線LIR(波長750〜900nm)、緑色光LG、青色光LB、赤色光LRに設定する。なお、図12では、カラー撮像素子10Bの下部(第3撮像素子13の一部)を省略して示す。また、図12に、カラー撮像素子10Bの画素間の境界を一点鎖線で表す。 As shown in FIG. 12, the color imaging device 10B according to the second embodiment includes, in order from the top, the transparent substrate 91, the first imaging device 11, the second imaging device 12, and the electric light L4 of the fourth wavelength range. And a third imaging element 13 that converts the image data into an image and outputs the converted image data. Therefore, the color imaging device 10B has a configuration in which the fourth imaging device 14 is inserted between the second imaging device 12 and the third imaging device 13 of the color imaging device 10 according to the first embodiment shown in FIG. The fourth imaging element 14 absorbs the light L4 in the fourth wavelength range to convert it into charges, and transmits the light L3 in the third wavelength range as an inorganic photoelectric conversion film (fourth photoelectric conversion layer) 44, And a fourth circuit layer (fourth readout circuit) 64 for outputting the charge as an electrical signal. Further, in the present embodiment, the organic photoelectric conversion films 41 and 42 of the imaging elements 11 and 12 further transmit the light L4 in the fourth wavelength range. In this embodiment, first, second, fourth, light L1 of the third wavelength region, L2, L4, and L3, respectively NIR L IR (wavelength 750~900Nm), the green light L G, the blue light L B, and set to red light L R. In FIG. 12, the lower part (a part of the third imaging element 13) of the color imaging element 10B is omitted. Further, in FIG. 12, the boundaries between the pixels of the color imaging element 10B are indicated by alternate long and short dashed lines.

カラー撮像素子10Bは、第1実施形態に係るカラー撮像素子10と同様に、透明基板91上に、フィルタおよびマイクロレンズを備えることができる(図示省略)。ただし、フィルタは、近赤外線LIRを透過するものとする。また、カラー撮像素子10Bは、第1有機光電変換膜41の上面(光の入射側の面、受光面)からフォトダイオード23の受光面までの距離(厚さ方向長)が短いことが好ましい。特に、可視光(光LR,LG,LB)を受光する第2有機光電変換膜42、無機光電変換膜44、およびフォトダイオード23について、第2有機光電変換膜42の上面からフォトダイオード23の上面までの距離が10μm以下であることが好ましい。さらに、第1有機光電変換膜41の上面からフォトダイオード23の上面までの距離が10μm以下であることがより好ましい。 The color imaging device 10B can include filters and microlenses on the transparent substrate 91 (not shown), as in the color imaging device 10 according to the first embodiment. However, the filter transmits near infrared light L IR . The color imaging element 10B preferably has a short distance (length in the thickness direction) from the upper surface (the surface on the light incident side, the light receiving surface) of the first organic photoelectric conversion film 41 to the light receiving surface of the photodiode 23. In particular, for the second organic photoelectric conversion film 42 that receives visible light (light L R , L G , and L B ), the inorganic photoelectric conversion film 44, and the photodiode 23, the photodiode is viewed from the upper surface of the second organic photoelectric conversion film 42. The distance to the upper surface of 23 is preferably 10 μm or less. Furthermore, the distance from the top surface of the first organic photoelectric conversion film 41 to the top surface of the photodiode 23 is more preferably 10 μm or less.

撮像素子11,12,13の各構成は、第1実施形態に説明した通りである。ただし本実施形態では、第1撮像素子11の第1有機光電変換膜41は、赤外線LIRに感度を有し、可視光(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等が挙げられる。また、第2撮像素子12の第2有機光電変換膜42は、緑色光LGに感度を有する有機材料が適用される。 The configuration of each of the imaging elements 11, 12, and 13 is as described in the first embodiment. However, in the present embodiment, the first organic photoelectric conversion film 41 of the first imaging device 11 is made of an organic material having sensitivity to infrared light L IR and transmitting visible light (L B , L G , L R ). Ru. Examples of such organic materials include phenylene vinylene derivatives and squarylium derivatives. The second organic photoelectric conversion layer 42 of the second imaging element 12, an organic material sensitive to green light L G is applied.

(第4撮像素子)
第4撮像素子14は、下から順に、対向電極58、無機光電変換膜44、画素電極57、絶縁膜89、第4回路層64、層間膜85を積層して備える。したがって、第4撮像素子14は、第2撮像素子12に対して、第4回路層64と無機光電変換膜44の積層順を入れ替えた構成である。第4撮像素子14を構成するこれらの要素はいずれも、第3撮像素子13の耐熱温度(例えば450℃)を超えない処理条件で形成可能であり、かつ、耐熱温度が、第2撮像素子12、特に第2回路層62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4撮像素子14は、第1実施形態の第1、第2撮像素子11,12と同じ等価回路図(図3、図4参照)で表される。
(4th imaging device)
The fourth imaging element 14 includes, in order from the bottom, the counter electrode 58, the inorganic photoelectric conversion film 44, the pixel electrode 57, the insulating film 89, the fourth circuit layer 64, and the interlayer film 85. Therefore, the fourth imaging device 14 has a configuration in which the stacking order of the fourth circuit layer 64 and the inorganic photoelectric conversion film 44 is switched with respect to the second imaging device 12. Any of these elements constituting the fourth imaging element 14 can be formed under processing conditions that do not exceed the heat resistance temperature (for example, 450 ° C.) of the third imaging element 13, and the heat resistance temperature is the second imaging element 12. In particular, the temperature is higher than the temperature at which the second circuit layer 62 is formed, specifically, 300 ° C., preferably 350 ° C. or higher. The fourth imaging device 14 is represented by the same equivalent circuit (see FIGS. 3 and 4) as the first and second imaging devices 11 and 12 of the first embodiment.

(無機光電変換膜)
無機光電変換膜44は、第1、第2撮像素子11,12の有機光電変換膜41,42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44は、前記したように、耐熱温度が300℃超、好ましくは350℃以上とする。そのため、無機光電変換膜44は無機材料からなるが、有機材料と異なり、そのバンドギャップ(吸収端)に対応する波長の光よりも高エネルギーの光はすべて吸収する。すなわち、無機光電変換膜44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、これよりも長波長域の光のみを透過させる。したがって、第4撮像素子14は、第3撮像素子13が変換する第3の波長域の光L3(赤色光LR)よりも短波長域の光を変換するように無機光電変換膜44の材料を選択し、ここでは青色光LBに感度を有するものを選択する。無機光電変換膜44は、有機光電変換膜41,42と同様に、膜厚が50nm以上1μm以下であることが好ましい。
(Inorganic photoelectric conversion film)
The inorganic photoelectric conversion film 44 constitutes a photodiode PD (see FIGS. 3 and 4) in the pixel as a photoelectric conversion layer corresponding to the organic photoelectric conversion films 41 and 42 of the first and second imaging elements 11 and 12. As described above, the heat resistance temperature of the inorganic photoelectric conversion film 44 is higher than 300 ° C., preferably 350 ° C. or higher. Therefore, the inorganic photoelectric conversion film 44 is made of an inorganic material, but unlike an organic material, it absorbs all light of higher energy than light of a wavelength corresponding to its band gap (absorption end). That is, the inorganic photoelectric conversion film 44 has sensitivity to light in a specific wavelength range, absorbs it, converts it into charge, and transmits only light in a wavelength range longer than this. Therefore, the material of the inorganic photoelectric conversion film 44 so that the fourth imaging element 14 converts light of a shorter wavelength range than light L3 (red light L R ) of the third wavelength range converted by the third imaging element 13 select, here selected to have a sensitivity to blue light L B. Similar to the organic photoelectric conversion films 41 and 42, the inorganic photoelectric conversion film 44 preferably has a thickness of 50 nm or more and 1 μm or less.

このような無機材料としては、太陽電池等に適用される、Cd,Se,S,Zn,As,In,P,Ga,Te,Si等の元素から選択される2種以上で構成される量子ドットが挙げられ、ドット径を変化させて、吸収端を青色光、緑色光、赤色光の任意の波長域に調整される。   As such an inorganic material, a quantum composed of two or more elements selected from elements such as Cd, Se, S, Zn, As, In, P, Ga, Te, Si, etc., which are applied to solar cells etc. Dots can be mentioned, and the dot diameter is changed to adjust the absorption edge to any wavelength range of blue light, green light and red light.

また、青色光〜緑色光に感度を有する、数〜20原子%程度の水素原子を含有する非晶質シリコン(水素化アモルファスシリコン、a−Si:H)を適用することができる。カラー撮像素子10Bにおいては、上側2層の有機光電変換膜41,42によって、無機光電変換膜44には青色光LBと赤色光LRのみが入射するので、このような材料によれば、無機光電変換膜44は青色光LBを吸収、光電変換し、赤色光LRを透過する。また、赤色光に感度を有する無機材料として、非晶質シリコンゲルマニウム(a−SiGe)が挙げられる。 In addition, amorphous silicon (hydrogenated amorphous silicon, a-Si: H) having sensitivity to blue light to green light and containing about several to 20 atomic% of hydrogen atoms can be applied. In the color image pickup device 10B, by the organic photoelectric conversion film 41 in the upper two layers, since the inorganic photoelectric conversion film 44 only the blue light L B and the red light L R is incident, according to such a material, inorganic photoelectric conversion film 44 absorbs the blue light L B, photoelectric conversion, and transmits the red light L R. Further, as an inorganic material having sensitivity to red light, amorphous silicon germanium (a-SiGe) can be given.

画素電極57と対向電極58は、無機光電変換膜44の両面に接続する一対の電極であり、第1、第2撮像素子11,12の画素電極51,53と対向電極52,54と同様の構成である。したがって、画素電極57および対向電極58は、画素電極51,53と同様の透明電極材料で形成することができる。さらに、画素電極57および対向電極58のいずれとも、高温(無機光電変換膜44および第3撮像素子13の耐熱温度以下)プロセスで成膜することができる。なお、ITOは、大気中等の酸化雰囲気で300℃を超えると、温度が高くなるにしたがい導電性が低下し、350℃を超えると十分な導電性が得られない。そのため、画素電極57および対向電極58は、表面が露出した状態やSiO2等の酸化膜に接触して、350℃を超える温度で第4回路層64、第2回路層62の半導体層6のアニール処理等を行う場合には、耐熱性に優れたSnO2,FTO等を適用する、またはFTO膜を導電性の高いITO膜に積層することが好ましい。 The pixel electrode 57 and the counter electrode 58 are a pair of electrodes connected to both sides of the inorganic photoelectric conversion film 44, and are similar to the pixel electrodes 51 and 53 and the counter electrodes 52 and 54 of the first and second imaging elements 11 and 12. It is a structure. Therefore, the pixel electrode 57 and the counter electrode 58 can be formed of the same transparent electrode material as the pixel electrodes 51 and 53. Furthermore, film formation can be performed by a process of high temperature (less than the heat resistance temperature of the inorganic photoelectric conversion film 44 and the third imaging element 13) for both the pixel electrode 57 and the counter electrode 58. When the temperature exceeds 300 ° C. in an oxidizing atmosphere such as the air, the conductivity of ITO decreases, and when it exceeds 350 ° C., sufficient conductivity can not be obtained. Therefore, the pixel electrode 57 and the counter electrode 58 contact with an exposed surface or an oxide film such as SiO 2, and the temperature of the semiconductor layer 6 of the fourth circuit layer 64 and the second circuit layer 62 exceeds 350.degree. When annealing or the like is performed, it is preferable to apply SnO 2 , FTO, or the like excellent in heat resistance, or to stack an FTO film on a highly conductive ITO film.

絶縁膜89は第4回路層64の下に設けられ、さらにその下の画素電極57と第4回路層64とを、コンタクトホールを通じて接続させる。絶縁膜89は、回路層61,62の保護膜88に挙げた無機材料を適用することができる。   The insulating film 89 is provided under the fourth circuit layer 64, and further connects the pixel electrode 57 and the fourth circuit layer 64 thereunder through the contact holes. As the insulating film 89, the inorganic materials listed for the protective film 88 of the circuit layers 61 and 62 can be applied.

第4回路層64は、回路層61,62と同様の構成である(図6参照)。ただし、第4回路層64は、無機光電変換膜44の上側に設けられる。そのため、第4回路層64は、下側の画素電極57に絶縁膜89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72のパターンが設計され、一方、最上層の保護膜88にはコンタクトホールが形成されない。   The fourth circuit layer 64 has the same configuration as the circuit layers 61 and 62 (see FIG. 6). However, the fourth circuit layer 64 is provided on the upper side of the inorganic photoelectric conversion film 44. Therefore, in the fourth circuit layer 64, the pattern of the source / drain electrode 72 is designed to be connected to the lower pixel electrode 57 through the contact hole of the insulating film 89, while the uppermost protective film 88 is in contact No hole is formed.

層間膜85は、第2撮像素子12と第4撮像素子14の間、すなわち第2回路層62と第4回路層64の間に設けられる絶縁膜である。さらに層間膜85は、上に形成される第2回路層62の形成面を平坦にするための平坦化膜である。したがって、層間膜85は、第1、第2撮像素子11,12の保護膜81,82と同様に、第4回路層64の表面の凹凸に対応して厚さが不均一に形成される。層間膜85は、無機光電変換膜44および第3撮像素子13の耐熱温度以下で成膜可能であればよく、一方、無機光電変換膜44と同様の耐熱温度を有するように、絶縁膜89と同様に無機材料を適用され、2種以上を積層してもよい。あるいは、層間膜85は、第4回路層64の保護膜88と一体に形成されてもよい。層間膜85は、膜厚が保護膜88との合計で最大で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。層間膜85は、膜厚の下限は特に規定されないが、成膜後にCMP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。   The interlayer film 85 is an insulating film provided between the second imaging device 12 and the fourth imaging device 14, that is, between the second circuit layer 62 and the fourth circuit layer 64. Furthermore, the interlayer film 85 is a planarizing film for flattening the formation surface of the second circuit layer 62 formed thereon. Therefore, the interlayer film 85 is formed to have an uneven thickness corresponding to the unevenness of the surface of the fourth circuit layer 64, similarly to the protective films 81 and 82 of the first and second imaging elements 11 and 12. The interlayer film 85 may be capable of forming a film at a temperature equal to or lower than the heat resistance temperature of the inorganic photoelectric conversion film 44 and the third imaging element 13, and on the other hand, the insulating film 89 and the insulating film 89 have the same heat resistance temperature as the inorganic photoelectric conversion film 44. Similarly, an inorganic material may be applied and two or more may be stacked. Alternatively, the interlayer film 85 may be integrally formed with the protective film 88 of the fourth circuit layer 64. The interlayer film 85 preferably has a maximum film thickness of 3 μm or less in total with the protective film 88, and more preferably 2 μm or less. The lower limit of the film thickness of the interlayer film 85 is not particularly limited, but in the case where the surface is processed to be smooth by CMP after film formation, the minimum is preferably 1 μm or more.

〔カラー撮像素子の製造方法〕
本発明の第2実施形態に係るカラー撮像素子の製造方法について、図7、図8、図13、および図12を参照して説明する。本実施形態に係るカラー撮像素子10Bは、透明基板91上に第1撮像素子11(図6参照)を製造する第1撮像素子製造工程S1と、Si基板20に第3撮像素子13、第4撮像素子14、および第2撮像素子12を製造する撮像素子積層体製造工程S2と、を順不同で行った後に、これらの基板20,91を接合する基板接合工程S3を行って得られる。第1撮像素子製造工程S1および基板接合工程S3は、第1実施形態で説明した通りである。撮像素子積層体製造工程S2は、図13に示すように、第3撮像素子13を製造する第3撮像素子製造工程S20と、第4撮像素子14を製造する第4撮像素子製造工程S30と、第2撮像素子12を製造する第2撮像素子製造工程S40を行う。すなわち、本実施形態では、図9に示す第1実施形態の撮像素子積層体製造工程S2の第3撮像素子製造工程S20の次に第4撮像素子製造工程S30を行って、その後に第2撮像素子製造工程S40を行う。第3撮像素子製造工程S20は、第1実施形態で説明した通りである。以下、第4撮像素子製造工程S30について説明する。
[Method of Manufacturing Color Image Sensor]
A method of manufacturing a color imaging device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7, 8, 13 and 12. The color imaging device 10B according to the present embodiment includes a first imaging device manufacturing step S1 for manufacturing the first imaging device 11 (see FIG. 6) on the transparent substrate 91, and a third imaging device 13 and a fourth imaging device 13 for the Si substrate 20. After performing the imaging element laminate manufacturing step S2 of manufacturing the imaging element 14 and the second imaging element 12 in random order, a substrate bonding step S3 of bonding the substrates 20 and 91 is obtained. The first imaging device manufacturing step S1 and the substrate bonding step S3 are as described in the first embodiment. As shown in FIG. 13, the imaging element laminate manufacturing step S2 includes a third imaging element manufacturing step S20 for manufacturing the third imaging element 13 and a fourth imaging element manufacturing step S30 for manufacturing the fourth imaging element 14; A second imaging device manufacturing step S40 of manufacturing the second imaging device 12 is performed. That is, in the present embodiment, the fourth imaging element manufacturing step S30 is performed after the third imaging element manufacturing step S20 of the imaging element laminate manufacturing step S2 of the first embodiment shown in FIG. 9, and then the second imaging is performed. The element manufacturing process S40 is performed. The third imaging element manufacturing step S20 is as described in the first embodiment. Hereinafter, the fourth imaging element manufacturing step S30 will be described.

(第4撮像素子製造工程)
第4撮像素子製造工程S30は、第3撮像素子13の層間膜84上に透明電極膜を成膜して対向電極58を形成する第4対向電極成膜工程S31と、無機光電変換膜44を形成する第4光電変換膜形成工程S32と、透明電極膜で所定の領域に画素電極51を形成する第4画素電極形成工程S33と、絶縁膜89を成膜する絶縁膜成膜工程S34と、薄膜トランジスタで第4回路層64を形成する第4薄膜トランジスタ形成工程S35と、を行い、さらに第4回路層64上に層間膜85を成膜して、平坦な表面とする平坦化工程S36を行う。
(Fourth imaging device manufacturing process)
In the fourth imaging element manufacturing step S30, a transparent electrode film is formed on the interlayer film 84 of the third imaging element 13 to form an opposing electrode 58, and the inorganic photoelectric conversion film 44 is formed. A fourth photoelectric conversion film formation step S32 to be formed, a fourth pixel electrode formation step S33 to form the pixel electrode 51 in a predetermined region with a transparent electrode film, and an insulation film deposition step S34 to form the insulation film 89; A fourth thin film transistor forming step S35 of forming a fourth circuit layer 64 by thin film transistors is performed, and further, an interlayer film 85 is formed on the fourth circuit layer 64 to perform a flattening step S36 of forming a flat surface.

層間膜84の上に透明電極材料を成膜して対向電極58とする(第4対向電極成膜工程S31)。次に、対向電極58の上に無機光電変換膜44を成膜する(第4光電変換膜形成工程S32)。無機光電変換膜44は、量子ドットであればスピンキャスト法等の溶液薄膜堆積法でコロイド分散液を堆積させて、a−Si:HであればプラズマCVD法等で、それぞれ公知の方法により成膜する。さらに、無機光電変換膜44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57とする(第4画素電極形成工程S33)。工程S31,S33の透明電極膜の成膜、加工方法は、第1画素電極形成工程S12と同様である。   A transparent electrode material is formed on the interlayer film 84 to form an opposing electrode 58 (fourth opposing electrode film forming step S31). Next, the inorganic photoelectric conversion film 44 is formed on the counter electrode 58 (fourth photoelectric conversion film forming step S32). If the inorganic photoelectric conversion film 44 is a quantum dot, a colloidal dispersion is deposited by a solution thin film deposition method such as spin casting, and if it is a-Si: H, it is formed by a known method by a plasma CVD method. Membrane. Further, a transparent electrode material is formed on the inorganic photoelectric conversion film 44, and the transparent electrode film is processed to form a pixel electrode 57 (fourth pixel electrode forming step S33). The film formation and processing method of the transparent electrode film in steps S31 and S33 are the same as in the first pixel electrode formation step S12.

次に、絶縁膜89を構成するSiN等を成膜し(絶縁膜成膜工程S34)、この絶縁膜89の上に第4回路層64を形成する(第4薄膜トランジスタ形成工程S35)。第4薄膜トランジスタ形成工程S35は、第1、第2薄膜トランジスタ形成工程S11,S41と同様である。ただし、第3撮像素子13、無機光電変換膜44、および電極57,58の耐熱温度を超えない処理条件で行う。また、絶縁膜87およびゲート絶縁膜86と共に絶縁膜89を加工して、画素電極57上にコンタクトホールを形成する。一方、保護膜88の加工は不要である。   Next, SiN or the like constituting the insulating film 89 is formed (insulating film forming step S34), and the fourth circuit layer 64 is formed on the insulating film 89 (fourth thin film transistor forming step S35). The fourth thin film transistor forming step S35 is the same as the first and second thin film transistor forming steps S11 and S41. However, the processing is performed under processing conditions that do not exceed the heat resistance temperatures of the third imaging element 13, the inorganic photoelectric conversion film 44, and the electrodes 57 and 58. Further, the insulating film 89 is processed together with the insulating film 87 and the gate insulating film 86 to form a contact hole on the pixel electrode 57. On the other hand, processing of the protective film 88 is unnecessary.

最後に、平坦化工程S36を行う。平坦化工程S36は、保護膜形成工程S16と同様に行うことができる。すなわち保護膜88上に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法等により平坦、平滑な表面に加工して、層間膜85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85とする。 Finally, a planarization step S36 is performed. The planarization step S36 can be performed in the same manner as the protective film formation step S16. That is, an insulating film such as SiO 2 is formed on the protective film 88 by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) or sputtering, and processed to a flat and smooth surface by CMP or the like to form the interlayer film 85. Do. Alternatively, a Si compound is applied and converted to SiO 2 to form an interlayer film 85.

(第2撮像素子製造工程)
第2撮像素子製造工程S40は、第2薄膜トランジスタ形成工程S41で第2回路層62を第4撮像素子14の層間膜85上に形成する以外は、第1実施形態で説明した通りである。ただし、第3撮像素子13および第4撮像素子14の耐熱温度を超えない処理条件で行う。
(Second imaging element manufacturing process)
The second imaging device manufacturing step S40 is as described in the first embodiment except that the second circuit layer 62 is formed on the interlayer film 85 of the fourth imaging device 14 in the second thin film transistor forming step S41. However, processing is performed under processing conditions that do not exceed the heat resistance temperatures of the third imaging device 13 and the fourth imaging device 14.

本実施形態に係るカラー撮像素子10Bは、第2撮像素子12が近赤外線LIRを変換してもよい。また、第1撮像素子11または第2撮像素子12が青色光LBを変換してもよく、この場合には、第4撮像素子14が緑色光LGを変換する。あるいは、第1撮像素子11または第2撮像素子12が赤色光LRを変換してもよく、この場合には、第4撮像素子14が青色光LBを、第3撮像素子13が緑色光LGを、それぞれ変換する。 In the color imaging device 10B according to the present embodiment, the second imaging device 12 may convert the near infrared light L IR . The first image sensor 11 or the second image sensor 12 may be converted to blue light L B, in this case, the fourth image sensor 14 converts the green light L G. Alternatively, the first imaging device 11 or the second imaging device 12 may convert red light L R , in which case the fourth imaging device 14 emits blue light L B and the third imaging device 13 emits green light. Convert L G respectively.

第4撮像素子14は、第2撮像素子12と同様に、無機光電変換膜44の下に第4回路層64を備えてもよい。この場合、第4撮像素子製造工程S30は、第2撮像素子製造工程S40と同様の手順となり、第2光電変換膜形成工程S43に代えて第4光電変換膜形成工程S32を行う。   Similar to the second imaging device 12, the fourth imaging device 14 may include the fourth circuit layer 64 under the inorganic photoelectric conversion film 44. In this case, the fourth imaging device manufacturing step S30 has the same procedure as the second imaging device manufacturing step S40, and the fourth photoelectric conversion film forming step S32 is performed instead of the second photoelectric conversion film forming step S43.

本実施形態に係るカラー撮像素子10Bは、第3撮像素子13と第4撮像素子14が、それぞれ、第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子10A(図10参照)の第3撮像素子13Aと第2撮像素子12Aと同様の構造であってもよい。このようなカラー撮像素子10Bは、撮像素子積層体製造工程S2において、図11に示す手順で、第2撮像素子製造工程S40Aの第2光電変換膜形成工程S43に代えて第4光電変換膜形成工程S32を行って、第3撮像素子13Aおよび第4撮像素子14を形成する。その後、さらに第2撮像素子製造工程S40を行って、第2撮像素子12を第4撮像素子14の上に形成する。   In the color imaging device 10B according to the present embodiment, the third imaging device 13 and the fourth imaging device 14 are respectively the third imaging device 13A of the color imaging device 10A (see FIG. 10) according to the modification of the first embodiment. And the same structure as that of the second imaging element 12A. Such a color imaging device 10B is replaced with the second photoelectric conversion film forming step S43 of the second imaging device manufacturing step S40A in the procedure shown in FIG. 11 in the imaging device laminate manufacturing step S2 to form a fourth photoelectric conversion film Step S32 is performed to form the third imaging device 13A and the fourth imaging device 14. Thereafter, a second imaging device manufacturing step S40 is performed to form the second imaging device 12 on the fourth imaging device 14.

以上のように、本発明の第2実施形態に係るカラー撮像素子によれば、第1実施形態と同様に、信号の読出し特性が良好となる上、入射光の焦点のずれが抑制され、さらに、赤外線撮像素子を搭載したものとなる。   As described above, according to the color imaging device according to the second embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the signal readout characteristic is improved, and the shift of the focal point of the incident light is suppressed. , And an infrared imaging device.

〔第3実施形態〕
第1、第2実施形態では、最下層の第3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、耐熱性を有する材料であればよく、例えば、第2実施形態の第4撮像素子の無機光電変換膜を適用することもできる。以下、第3実施形態に係るカラー撮像素子について説明する。第1、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。
Third Embodiment
In the first and second embodiments, the lowermost third imaging device is provided with a Si photodiode as a photoelectric conversion layer, but any material having heat resistance may be used. For example, the fourth imaging device of the second embodiment An inorganic photoelectric conversion film can also be applied. The color imaging device according to the third embodiment will be described below. The same elements as those in the first and second embodiments are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.

図14に示すように、第3実施形態に係るカラー撮像素子10Cは、透明基板91と、第1撮像素子11と、第2撮像素子12と、第3の波長域の光L3を吸収して電荷に変換する無機光電変換膜(第3の光電変換層)43および第3回路層(第3の読出回路)63Aを備える第3撮像素子13Bと、基板92と、を上から順に備え、無機光電変換膜43が上下面を対向電極56と画素電極33に挟まれている。すなわち、カラー撮像素子10Cは、図2に示す第1実施形態に係るカラー撮像素子10の第3撮像素子13を第3撮像素子13Bに置き換えた構成であり、第1、第2撮像素子11,12の構成は第1実施形態に説明した通りである。なお、図14に、カラー撮像素子10Cの画素間の境界を一点鎖線で表す。本実施形態では、第1、第2、第3の波長域の光L1,L2,L3を、それぞれ緑色光LG、赤色光LR、青色光LBに設定する。 As shown in FIG. 14, the color imaging device 10C according to the third embodiment absorbs the light L3 in the third wavelength range by absorbing the transparent substrate 91, the first imaging device 11, the second imaging device 12, and the third wavelength range. An inorganic photoelectric conversion film (third photoelectric conversion layer) 43 for converting charges and a third imaging element 13B including a third circuit layer (third readout circuit) 63A, and a substrate 92 in order from the top, The photoelectric conversion film 43 is sandwiched between the counter electrode 56 and the pixel electrode 33 on the upper and lower surfaces. That is, the color imaging device 10C has a configuration in which the third imaging device 13 of the color imaging device 10 according to the first embodiment shown in FIG. 2 is replaced with a third imaging device 13B, and the first and second imaging devices 11 and 11 are used. The configuration of 12 is as described in the first embodiment. In FIG. 14, the boundaries between the pixels of the color imaging device 10C are indicated by alternate long and short dashed lines. In the present embodiment, the lights L1, L2, and L3 in the first, second, and third wavelength ranges are set to green light L G , red light L R , and blue light L B , respectively.

(基板)
基板92は、第3撮像素子13B、さらにその上の第2撮像素子12を形成するための土台であり、上(光の入射側)に第3撮像素子13Bが形成される。基板92は、第3撮像素子13B、特に第3回路層63Aを形成するための耐熱温度を有する絶縁材料で形成される。具体的には、透明基板91と同様の透明基板材料や、表面に熱酸化膜を形成されたSi基板等が挙げられる。
(substrate)
The substrate 92 is a base for forming the third imaging device 13B and the second imaging device 12 thereon, and the third imaging device 13B is formed on the light incident side. The substrate 92 is formed of an insulating material having a heat resistant temperature for forming the third imaging device 13B, particularly the third circuit layer 63A. Specifically, a transparent substrate material similar to the transparent substrate 91, a Si substrate having a thermal oxide film formed on the surface, and the like can be mentioned.

(第3撮像素子)
第3撮像素子13Bは、下から順に、第3回路層63A、画素電極33、無機光電変換膜43、対向電極56、層間膜84Aを備える。第3撮像素子13Bを構成するこれらの要素はいずれも、耐熱温度が、第2撮像素子12、特に第2回路層62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3撮像素子13Bは、第2実施形態に係るカラー撮像素子10Bの第4撮像素子14の積層順を第1、第2撮像素子11,12のように入れ替えた構成であり、第1、第2撮像素子11,12と同じ等価回路図(図3、図4参照)で表される。
(Third imaging device)
The third imaging device 13B includes, in order from the bottom, the third circuit layer 63A, the pixel electrode 33, the inorganic photoelectric conversion film 43, the counter electrode 56, and the interlayer film 84A. The heat resistance temperature of any of these elements constituting the third imaging device 13B is higher than the formation temperature of the second imaging device 12, particularly the second circuit layer 62, specifically more than 300 ° C., preferably 350 ° C. or more I assume. The third imaging device 13B has a configuration in which the stacking order of the fourth imaging device 14 of the color imaging device 10B according to the second embodiment is interchanged like the first and second imaging devices 11 and 12, and This is represented by the same equivalent circuit as the two imaging elements 11 and 12 (see FIGS. 3 and 4).

無機光電変換膜43は、第2実施形態に係るカラー撮像素子10Bの無機光電変換膜44と同様の無機材料から、少なくとも第3の波長域の光L3(青色光LB)を吸収、変換するものを選択され、一方、光を透過しなくてよい。 The inorganic photoelectric conversion film 43 absorbs and converts light L3 (blue light L B ) of at least a third wavelength range from the same inorganic material as the inorganic photoelectric conversion film 44 of the color imaging device 10B according to the second embodiment. It does not have to be transparent as it is selected.

画素電極33と対向電極56は、無機光電変換膜43の両面に接続する一対の電極である。画素電極33は、第1、第2撮像素子11,12の画素電極51,53と同様に、カラー撮像素子10Cの画素毎に区画、離間したパターンに形成される。ただし、画素電極33は、無機光電変換膜43の下面に接続するので、光を透過しなくてよく、第1実施形態に係るカラー撮像素子10の配線31等のように、金属電極材料で形成することができる。対向電極56は、第2実施形態に係るカラー撮像素子10Bの対向電極58と同様の構成で、全面に形成された透明電極膜であり、耐熱性を有し、高温(無機光電変換膜43の耐熱温度以下)プロセスで成膜することができる。   The pixel electrode 33 and the counter electrode 56 are a pair of electrodes connected to both sides of the inorganic photoelectric conversion film 43. Like the pixel electrodes 51 and 53 of the first and second imaging elements 11 and 12, the pixel electrode 33 is formed in a pattern divided and separated for each pixel of the color imaging element 10C. However, since the pixel electrode 33 is connected to the lower surface of the inorganic photoelectric conversion film 43, it does not have to transmit light, and is formed of a metal electrode material like the wiring 31 of the color imaging device 10 according to the first embodiment. can do. The counter electrode 56 is a transparent electrode film formed on the entire surface with the same configuration as the counter electrode 58 of the color imaging device 10B according to the second embodiment, and has heat resistance and a high temperature (inorganic photoelectric conversion film 43 It is possible to form a film by the process of heat resistant temperature or less.

第3回路層63Aは、第1、第2撮像素子11,12の回路層61,62と同様に、薄膜トランジスタ(TFT)構造を有する。ただし、第3回路層63Aは、すべての光電変換層(有機光電変換膜41,42、無機光電変換膜43)の下側に設けられるので、光が入射せず、光を透過しなくてよい。したがって、第3回路層63Aは、第1実施形態の第3回路部63と同様にSi系材料を適用することができ、一例として、高い電子移動度を示す多結晶シリコン(poly−Si)からなる半導体層6Aを備える。このような第3回路層63Aは、半導体層6Aの上にゲート絶縁膜86を挟んでゲート電極71が設けられ、さらにその上に絶縁膜87が設けられる。また、ゲート電極71、ソース・ドレイン電極72、ならびに水平信号線および垂直信号線は、画素電極33と同様に、金属電極材料で形成されることが好ましい。   The third circuit layer 63A has a thin film transistor (TFT) structure, similarly to the circuit layers 61 and 62 of the first and second imaging elements 11 and 12. However, since the third circuit layer 63A is provided below all the photoelectric conversion layers (organic photoelectric conversion films 41 and 42, inorganic photoelectric conversion film 43), light does not enter and does not have to be transmitted. . Therefore, the Si-based material can be applied to the third circuit layer 63A similarly to the third circuit portion 63 of the first embodiment, and as an example, polycrystalline silicon (poly-Si) exhibiting high electron mobility is used. The semiconductor layer 6A is provided. In the third circuit layer 63A, the gate electrode 71 is provided on the semiconductor layer 6A with the gate insulating film 86 interposed therebetween, and the insulating film 87 is further provided thereon. Further, like the pixel electrode 33, the gate electrode 71, the source / drain electrode 72, and the horizontal signal line and the vertical signal line are preferably formed of a metal electrode material.

層間膜84Aは、第2撮像素子12と第3撮像素子13Bの間、すなわち第2回路層62と対向電極56の間に設けられる絶縁膜である。さらに層間膜84Aは、上に形成される第2回路層62の形成面を平坦にするための平坦化膜である。したがって、層間膜84Aは、第2実施形態に係るカラー撮像素子10Bの層間膜85と同様の構成とする。   The interlayer film 84A is an insulating film provided between the second imaging element 12 and the third imaging element 13B, that is, between the second circuit layer 62 and the counter electrode 56. Furthermore, the interlayer film 84A is a planarization film for flattening the formation surface of the second circuit layer 62 formed thereon. Therefore, the interlayer film 84A has the same configuration as the interlayer film 85 of the color imaging device 10B according to the second embodiment.

〔カラー撮像素子の製造方法〕
本発明の第3実施形態に係るカラー撮像素子の製造方法について、図7、図8、図15、および図14を参照して説明する。本実施形態に係るカラー撮像素子10Cは、透明基板91上に第1撮像素子11(図6参照)を製造する第1撮像素子製造工程S1と、基板(下側基板)92上に第3撮像素子13Bおよび第2撮像素子12を製造する撮像素子積層体製造工程S2と、を順不同で行った後に、これらの基板91,92を接合する基板接合工程S3を行って得られる。第1撮像素子製造工程S1および基板接合工程S3は、第1実施形態で説明した通りである。撮像素子積層体製造工程S2は、図15に示すように、第3撮像素子13Bを製造する第3撮像素子製造工程(下部撮像手段形成工程)S20Bと、第2撮像素子12を製造する第2撮像素子製造工程S40を行う。第2撮像素子製造工程S40は、第1実施形態で説明した通りである。以下、第3撮像素子製造工程S20Bについて説明する。
[Method of Manufacturing Color Image Sensor]
A method of manufacturing a color imaging device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7, 8, 15, and 14. FIG. The color imaging device 10C according to the present embodiment includes a first imaging device manufacturing step S1 for manufacturing the first imaging device 11 (see FIG. 6) on the transparent substrate 91, and a third imaging on the substrate (lower substrate) 92. The image pickup device laminate manufacturing step S2 of manufacturing the element 13B and the second image pickup device 12 is performed in random order, and then the substrate bonding step S3 of bonding the substrates 91 and 92 is performed. The first imaging device manufacturing step S1 and the substrate bonding step S3 are as described in the first embodiment. As shown in FIG. 15, in the imaging element laminate manufacturing step S2, a third imaging element manufacturing step (lower imaging means forming step) S20B for manufacturing the third imaging element 13B and a second one for manufacturing the second imaging element 12 An imaging element manufacturing process S40 is performed. The second imaging element manufacturing step S40 is as described in the first embodiment. Hereinafter, the third imaging element manufacturing step S20B will be described.

(第3撮像素子製造工程)
第3撮像素子製造工程S20Bは、基板92上に薄膜トランジスタで第3回路層63Aを形成する第3薄膜トランジスタ形成工程S21Bと、金属電極材料で所定の領域に画素電極33を形成する第3画素電極形成工程S22と、無機光電変換膜43を形成する第3光電変換膜形成工程S23と、無機光電変換膜43に透明電極膜を積層して対向電極56を形成する第3対向電極成膜工程S24と、を行い、さらに対向電極56上に層間膜84Aを成膜して、平坦な表面とする平坦化工程S26Aを行う。
(Third imaging device manufacturing process)
The third imaging device manufacturing step S20B includes a third thin film transistor forming step S21B of forming a third circuit layer 63A of thin film transistors on a substrate 92, and forming a third pixel electrode of forming a pixel electrode 33 in a predetermined region of metal electrode material. Step S22, third photoelectric conversion film forming step S23 for forming the inorganic photoelectric conversion film 43, and third counter electrode film forming step S24 for forming the counter electrode 56 by laminating the transparent electrode film on the inorganic photoelectric conversion film 43 , And an interlayer film 84A is formed on the counter electrode 56 to perform a planarization step S26A for forming a flat surface.

第3薄膜トランジスタ形成工程S21Bを行う。基板92上に非晶質Si(a−Si)をCVD法等で成膜し、600℃程度のアニール処理でa−Si膜をpoly−Siに結晶化する。poly−Si膜を加工して、半導体層6Aを形成する。この上にゲート絶縁膜86を成膜する。ゲート絶縁膜86上に、金属電極材料を成膜、加工して、ゲート電極71および画素選択線SL等の水平信号線を形成する。この上から半導体層6Aに不純物を注入する。次に、絶縁膜87を構成する絶縁膜を成膜し、この絶縁膜87あるいはさらにゲート絶縁膜86にコンタクトホールを形成する。この上に金属電極材料を成膜、加工して、ソース・ドレイン電極72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88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。   The third thin film transistor formation step S21B is performed. Amorphous Si (a-Si) is deposited on the substrate 92 by the CVD method or the like, and the a-Si film is crystallized into poly-Si by annealing at about 600 ° C. The poly-Si film is processed to form the semiconductor layer 6A. A gate insulating film 86 is formed thereon. A metal electrode material is deposited and processed on the gate insulating film 86 to form horizontal signal lines such as the gate electrode 71 and the pixel selection line SL. Impurities are implanted into the semiconductor layer 6A from above. Next, an insulating film forming the insulating film 87 is formed, and a contact hole is formed in the insulating film 87 or further in the gate insulating film 86. A metal electrode material is deposited and processed thereon to form vertical signal lines such as the source / drain electrodes 72 and the read lines OL. Further, an insulating film which constitutes the protective film 88 is formed to form a contact hole.

第3回路層63Aの上に、金属電極材料を成膜、加工して、画素電極33を形成する(第3画素電極形成工程S22)。そして、無機光電変換膜43を成膜し(第3光電変換膜形成工程S23)、さらにその上に透明電極膜を積層して対向電極56を形成する(第3対向電極成膜工程S24)。最後に、対向電極56の上に層間膜84Aを形成する(平坦化工程S26A)。これらの工程S23,S24,S26Aは、それぞれ第2実施形態の第4撮像素子製造工程S30の第4光電変換膜形成工程S32、第4対向電極成膜工程S31、平坦化工程S36(図13参照)と同様に行うことができる。   A metal electrode material is film-formed and processed on the third circuit layer 63A to form the pixel electrode 33 (third pixel electrode forming step S22). Then, the inorganic photoelectric conversion film 43 is formed (third photoelectric conversion film forming step S23), and a transparent electrode film is further stacked thereon to form the counter electrode 56 (third counter electrode film forming step S24). Finally, an interlayer film 84A is formed on the counter electrode 56 (planarization step S26A). These steps S23, S24 and S26A are respectively the fourth photoelectric conversion film forming step S32, the fourth opposing electrode film forming step S31, and the flattening step S36 of the fourth imaging element manufacturing step S30 of the second embodiment (see FIG. 13). Can be done in the same way as

(変形例)
第3撮像素子13Bは、無機光電変換膜43の形成前に平坦化処理されてもよく、第3回路層63Aの保護膜88を平坦化膜とすることができる。詳しくは、第3薄膜トランジスタ形成工程S21Bにおいて、保護膜88を構成するSiO2等を第3回路層63Aの段差に対して十分な厚さ(例えば膜厚1μm超)に成膜し、CMP法で表面を研削して所定の厚さとし、かつ平坦な表面とした後に、コンタクトホールを形成する。この上に画素電極33を形成することで、第3撮像素子13Bの表面の段差が、隣り合う画素の間隙における画素電極33の膜厚によるものと、保護膜88のコンタクトホールによるもののみとなる。したがって、層間膜84Aは、その表面が平坦化されなくてよく、膜厚を小さく成膜して、カラー撮像素子10Cの受光面差を小さくすることができる。なお、第2撮像素子12の第2回路層62のトランジスタ(半導体層6)は、段差のない領域に配置されることが好ましい。
(Modification)
The third imaging element 13B may be planarized before the formation of the inorganic photoelectric conversion film 43, and the protective film 88 of the third circuit layer 63A can be used as a planarizing film. Specifically, in the third thin film transistor formation step S21B, SiO 2 or the like constituting the protective film 88 is formed to a sufficient thickness (for example, a film thickness of more than 1 μm) with respect to the step of the third circuit layer 63A. After the surface is ground to a predetermined thickness and a flat surface, contact holes are formed. By forming the pixel electrode 33 thereon, the difference in level on the surface of the third imaging element 13B is only due to the film thickness of the pixel electrode 33 in the gap between adjacent pixels and that due to the contact hole of the protective film 88. . Therefore, the surface of the interlayer film 84A does not have to be planarized, and the film thickness can be reduced to reduce the light receiving surface difference of the color imaging element 10C. It is preferable that the transistor (semiconductor layer 6) of the second circuit layer 62 of the second imaging element 12 be disposed in a region without steps.

第3回路層63Aは、回路層61,62と同様に、酸化物半導体からなる半導体層6を備える光を透過するTFT構造(図6参照)としてもよく、この場合には、第3回路層63Aが無機光電変換膜43の上に設けられてもよい。このような第3撮像素子13Bは、第2実施形態に係るカラー撮像素子10B(図12参照)の第4撮像素子14と同様の構造となり、無機光電変換膜43の上面に透明電極膜で画素電極33を形成される。一方、無機光電変換膜43の下面に接続する対向電極56は、金属電極膜で形成することができる。   Similar to the circuit layers 61 and 62, the third circuit layer 63A may have a TFT structure (see FIG. 6) that transmits light provided with the semiconductor layer 6 made of an oxide semiconductor. In this case, the third circuit layer 63A may be provided on the inorganic photoelectric conversion film 43. Such a third imaging device 13B has a structure similar to that of the fourth imaging device 14 of the color imaging device 10B (see FIG. 12) according to the second embodiment, and a transparent electrode film is formed on the upper surface of the inorganic photoelectric conversion film 43 An electrode 33 is formed. On the other hand, the counter electrode 56 connected to the lower surface of the inorganic photoelectric conversion film 43 can be formed of a metal electrode film.

さらに、前記のように第3回路層63Aが無機光電変換膜43の上に設けられる場合、無機光電変換膜43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。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-yy)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43は、CIGS膜の上に、正孔注入阻止層として酸化ガリウム(Ga23)を積層して備えることが好ましい。また、無機光電変換膜43の下面に接続する対向電極56に、Mo等の高融点金属を適用する。 Furthermore, when the third circuit layer 63A is provided on the inorganic photoelectric conversion film 43 as described above, a material formed at a high temperature (for example, 500 ° C. or higher) can be applied to the inorganic photoelectric conversion film 43. Specifically, Cu and, In, and at least one Ga, S, compounds of the chalcopyrite structure composition CuIn 1-x Ga x (Se 1-y S y) containing at least one Se semiconductor (CIGS) membranes, which are sensitive to the whole visible range and to near infrared radiation. Furthermore, it is preferable that the inorganic photoelectric conversion film 43 has gallium oxide (Ga 2 O 3 ) laminated as a hole injection blocking layer on the CIGS film. In addition, a high melting point metal such as Mo is applied to the counter electrode 56 connected to the lower surface of the inorganic photoelectric conversion film 43.

第3撮像素子13Bは、第1、第2実施形態と同様に、Si基板に形成されたMOSFETからなるトランジスタ21を有する第3回路部63を備える構成とすることもできる。この場合、第3撮像素子13Bは、第1実施形態の変形例に係るカラー撮像素子10A(図10参照)の第2撮像素子12Aと同様の構造となり、Si基板20A上に形成された配線31Aでトランジスタ21に画素電極33が接続される。   Similar to the first and second embodiments, the third imaging device 13B can also be configured to include a third circuit unit 63 having a transistor 21 formed of a MOSFET formed on a Si substrate. In this case, the third imaging device 13B has the same structure as the second imaging device 12A of the color imaging device 10A (see FIG. 10) according to the modification of the first embodiment, and the wiring 31A formed on the Si substrate 20A. Thus, the pixel electrode 33 is connected to the transistor 21.

カラー撮像素子10Cは、第2実施形態と同様に、第2撮像素子12と第3撮像素子13Bの間に第4撮像素子14を挿入して、赤外線撮像素子を搭載したものとすることができる。さらにこのとき、無機光電変換膜43にCIGS膜を適用して、第3の波長域の光L3を近赤外線LIRに設定し、第1、第2、第4の波長域の光L1,L2,L4を、可視光(LB,LG,LR)に設定することもできる。 Similar to the second embodiment, the color imaging device 10C may have the infrared imaging device mounted by inserting the fourth imaging device 14 between the second imaging device 12 and the third imaging device 13B. . Further, at this time, a CIGS film is applied to the inorganic photoelectric conversion film 43, and the light L3 in the third wavelength range is set to the near infrared light L IR, and the light L1, L2 in the first, second, and fourth wavelength ranges is set. , L 4 can also be set to visible light (L B , L G , L R ).

以上のように、本発明の第3実施形態に係るカラー撮像素子によれば、第1実施形態と同様に、信号の読出し特性が良好となる上、入射光の焦点のずれが抑制され、さらに、最下層の第3撮像素子が、第1、第2撮像素子と同様に画素の開口率が高くなり、また、光電変換層に結晶シリコンよりも吸収効率の高い非晶質シリコン等を適用することで薄型化される。また、第3撮像素子の読出回路にTFT構造を適用することで、いっそう薄型化されたものとなる。   As described above, according to the color imaging device of the third embodiment of the present invention, as in the first embodiment, the readout characteristics of the signal are improved, and the shift of the focal point of the incident light is suppressed. In the lowermost third imaging device, the aperture ratio of the pixels is increased similarly to the first and second imaging devices, and amorphous silicon or the like having higher absorption efficiency than crystalline silicon is applied to the photoelectric conversion layer. Can be made thinner. In addition, by applying the TFT structure to the readout circuit of the third imaging element, the thickness can be further reduced.

以上、本発明に係るカラー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。   Although the embodiments for carrying out the color imaging device and the method for manufacturing the same according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications may be made within the scope of the claims. Changes are possible.

10,10A,10B,10C カラー撮像素子
11 第1撮像素子
12,12A 第2撮像素子
13,13A,13B 第3撮像素子
20,20A Si基板(下側基板)
21,22 トランジスタ
23,23A フォトダイオード(第3の光電変換層)
31,31A 配線
32 配線
33 画素電極
41 第1有機光電変換膜(第1の光電変換層)
42 第2有機光電変換膜(第2の光電変換層)
43 無機光電変換膜(第3の光電変換層)
44 無機光電変換膜(第4の光電変換層)
51,53,57 画素電極
52,54,56,58 対向電極
61 第1回路層(第1の読出回路)
62 第2回路層(第2の読出回路)
62A 第2回路部(第2の読出回路)
63 第3回路部(第3の読出回路)
63A 第3回路層(第3の読出回路)
64 第4回路層(第4の読出回路)
6 半導体層
71 ゲート電極
72 ソース電極、ドレイン電極
81,82 保護膜
83 絶縁膜
84,84A 層間膜
85 層間膜
86 ゲート絶縁膜
87 絶縁膜
88 保護膜
89 絶縁膜
91 透明基板
92 基板(下側基板)
S1 第1撮像素子製造工程(上部撮像手段形成工程)
S2 撮像素子積層体製造工程(撮像手段積層体形成工程)
S3 基板接合工程
S11 第1薄膜トランジスタ形成工程
S12 第1画素電極形成工程
S13 第1光電変換層形成工程
S14 第1対向電極成膜工程
S20,S20A,S20B 第3撮像素子製造工程(下部撮像手段形成工程)
S21,S21A シリコン処理工程
S21B 第3薄膜トランジスタ形成工程
S22 第3画素電極形成工程
S23 第3光電変換層形成工程
S24 第3対向電極成膜工程
S25 裏面研削工程
S30 第4撮像素子製造工程
S31 第4対向電極成膜工程
S32 第4光電変換層形成工程
S33 第4画素電極形成工程
S35 第4薄膜トランジスタ形成工程
S40,S40A 第2撮像素子製造工程
S41 第2薄膜トランジスタ形成工程
S42 第2画素電極形成工程
S43 第2光電変換層形成工程
S44 第2対向電極成膜工程
10, 10A, 10B, 10C Color imaging device 11 1st imaging device 12, 12A 2nd imaging device 13, 13A, 13B 3rd imaging device 20, 20A Si substrate (lower substrate)
21, 22 transistors 23, 23 A photodiode (third photoelectric conversion layer)
31, 31A wiring 32 wiring 33 pixel electrode 41 first organic photoelectric conversion film (first photoelectric conversion layer)
42 Second organic photoelectric conversion film (second photoelectric conversion layer)
43 Inorganic photoelectric conversion film (third photoelectric conversion layer)
44 Inorganic photoelectric conversion film (fourth photoelectric conversion layer)
51, 53, 57 pixel electrode 52, 54, 56, 58 counter electrode 61 first circuit layer (first readout circuit)
62 Second Circuit Layer (Second Readout Circuit)
62A Second Circuit Unit (Second Readout Circuit)
63 Third Circuit Unit (Third Readout Circuit)
63A Third Circuit Layer (Third Readout Circuit)
64 Fourth Circuit Layer (Fourth Readout Circuit)
Reference Signs List 6 semiconductor layer 71 gate electrode 72 source electrode, drain electrode 81, 82 protective film 83 insulating film 84, 84 A interlayer film 85 interlayer film 86 gate insulating film 87 insulating film 88 protective film 89 insulating film 91 transparent substrate 92 substrate (lower substrate )
S1 First imaging device manufacturing process (upper imaging means forming process)
S2 Image pickup element laminate manufacturing process (image pickup means laminate forming process)
S3 Substrate bonding process S11 First thin film transistor formation process S12 First pixel electrode formation process S13 First photoelectric conversion layer formation process S14 First opposing electrode film formation process S20, S20A, S20B Third imaging device manufacturing process (lower imaging means formation process )
S21, S21A Silicon Processing Step S21B Third Thin Film Transistor Forming Step S22 Third Pixel Electrode Forming Step S23 Third Photoelectric Conversion Layer Forming Step S24 Third Counter Electrode Film Forming Step S25 Back Surface Grinding Step S30 Fourth Image Pickup Element Manufacturing Step S31 Fourth Opposite Electrode film forming process S32 fourth photoelectric conversion layer forming process S33 fourth pixel electrode forming process S35 fourth thin film transistor forming process S40, S40A second imaging element manufacturing process S41 second thin film transistor forming process S42 second pixel electrode forming process S43 second Photoelectric conversion layer formation process S44 second counter electrode film formation process

Claims (6)

第1の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ第2の波長域および第3の波長域の光を透過する第1の光電変換層と、前記第2の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ前記第3の波長域の光を透過する第2の光電変換層と、少なくとも一部の領域において前記第3の波長域の光を吸収して電荷に変換する第3の光電変換層と、を上から順に備え、複数の波長域を含む光を上から入射されるカラー撮像素子であって、
薄膜トランジスタを備えて前記第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の読出回路を、前記第1の光電変換層よりも上に備え、
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の読出回路と、前記第3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3の読出回路と、を前記第2の光電変換層よりも下に備え、
前記第1の光電変換層および前記第2の光電変換層のそれぞれは、有機材料を含有し、両面を透明電極膜で挟まれていることを特徴とするカラー撮像素子。
A first photoelectric conversion layer that absorbs light in a first wavelength range and converts it into charges, and transmits light in a second wavelength range and a third wavelength range; and light in the second wavelength range A second photoelectric conversion layer that absorbs light and converts it into charges, and transmits light in the third wavelength range, and absorbs light in the third wavelength range and converts it into charges in at least a part of the area A color imaging device comprising, in order from the top, a third photoelectric conversion layer, and in which light including a plurality of wavelength ranges is incident from above,
A first readout circuit provided with a thin film transistor and outputting electric charge converted by the first photoelectric conversion layer as an electric signal is provided above the first photoelectric conversion layer,
A second readout circuit for outputting the charge converted by the second photoelectric conversion layer as an electric signal, and a third readout circuit for outputting the electric charge converted by the third photoelectric conversion layer as an electric signal; Below the second photoelectric conversion layer,
A color image pickup device characterized in that each of the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer contains an organic material, and both surfaces thereof are sandwiched by transparent electrode films.
前記第3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に記載のカラー撮像素子。   The color imaging device according to claim 1, wherein the third readout circuit includes crystalline silicon. 前記第3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2に記載のカラー撮像素子。   The color imaging device according to claim 2, wherein the third photoelectric conversion layer contains crystalline silicon. 前記第2の読出回路は、薄膜トランジスタを備え、前記第3の光電変換層よりも上に設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のカラー撮像素子。   The color imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the second readout circuit includes a thin film transistor, and is provided above the third photoelectric conversion layer. . 第4の波長域の光を吸収して電荷に変換し、かつ前記第3の波長域の光を透過する第4の光電変換層を、前記第2の読出回路と前記第3の光電変換層の間に備え、前記電荷を電気信号として出力させる第4の読出回路を、前記第2の光電変換層よりも下に備え、
前記第1の光電変換層および前記第2の光電変換層は、前記第4の波長域の光を透過することを特徴とする請求項4に記載のカラー撮像素子。
A fourth photoelectric conversion layer that absorbs light in a fourth wavelength range and converts it into charges and transmits light in the third wavelength range comprises the second readout circuit and the third photoelectric conversion layer. Between the second photoelectric conversion layer and the fourth readout circuit for outputting the electric charge as an electric signal,
The color imaging device according to claim 4, wherein the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer transmit light in the fourth wavelength range.
2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撮像手段を下側基板に形成する撮像手段積層体形成工程と、前記2以上の波長域と異なる波長域の光を電気信号に変換して出力する撮像手段を透明基板上に形成する上部撮像手段形成工程と、を順不同で行った後に、前記下側基板と前記透明基板とを接合する基板接合工程を行うカラー撮像素子の製造方法であって、
前記上部撮像手段形成工程は、前記透明基板上に薄膜トランジスタを形成する第1薄膜トランジスタ形成工程と、透明電極膜を所定の領域に形成する第1画素電極形成工程と、光電変換層を形成する第1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第1対向電極成膜工程と、を行い、
前記撮像手段積層体形成工程は、前記下側基板にトランジスタおよび光電変換層を形成する下部撮像手段形成工程と、透明電極膜を所定の領域に形成する第2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第2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第2対向電極成膜工程と、を行い、
前記基板接合工程は、前記下側基板および前記透明基板の前記透明電極膜が形成された側同士を対面させて接合し、
前記上部撮像手段形成工程における前記第1光電変換層形成工程の前、および前記撮像手段積層体形成工程における前記第2光電変換層形成工程の前の少なくとも一方で、熱処理を行うことを特徴とするカラー撮像素子の製造方法。
An imaging means laminate forming step of forming on the lower substrate an imaging means for converting light of two or more wavelength bands into an electric signal for each wavelength band and outputting the light, and light of a wavelength band different from the two or more wavelength bands Upper imaging means forming step of forming an imaging means on the transparent substrate by converting it into an electric signal and outputting the same, and then performing a substrate bonding step of bonding the lower substrate and the transparent substrate in random order A method of manufacturing an imaging device,
The upper imaging means forming step includes a first thin film transistor forming step of forming a thin film transistor on the transparent substrate, a first pixel electrode forming step of forming a transparent electrode film in a predetermined region, and a first forming a photoelectric conversion layer. Performing a photoelectric conversion layer forming step and a first counter electrode film forming step of laminating a transparent electrode film on the photoelectric conversion layer,
The imaging means laminate formation step includes a lower imaging means formation step of forming a transistor and a photoelectric conversion layer on the lower substrate, a second pixel electrode formation step of forming a transparent electrode film in a predetermined region, and the transparent electrode Performing a second photoelectric conversion layer forming step of forming a photoelectric conversion layer on the side on which the film is formed, and a second counter electrode film forming step of laminating a transparent electrode film on the photoelectric conversion layer,
In the substrate bonding step, the lower substrate and the side of the transparent substrate on which the transparent electrode film is formed are faced to each other for bonding.
Heat treatment is performed before at least one of the first photoelectric conversion layer forming step in the upper imaging means forming step and the second photoelectric conversion layer forming step in the imaging means laminate forming step. Method of manufacturing a color imaging device.
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