JP2007323390A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の固体撮像装置においては、ある受光部に到達すべき信号電荷が、別の受光部（特に隣接する受光部）に到達してしまうことがある。
【解決手段】固体撮像装置１は、半導体基板１０、受光部２０、および遮断膜３０を備えている。この固体撮像装置１は、裏面入射型であり、半導体基板１０の裏面Ｓ１に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する。受光部２０は、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける。半導体基板１０中の受光部２０が設けられた領域Ｄ１と裏面Ｓ１との間には、遮断膜３０が設けられている。この遮断膜３０は、上記信号電荷の拡散を遮る。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
従来の固体撮像装置としては、例えば特許文献１，２に記載されたものがある。これらの文献に記載の固体撮像装置は、二次元的に配列された複数の受光部（受光素子）を備えている。なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１，２の他に、特許文献３が挙げられる。
特開２０００−２１７８０３号公報 特開２００２−３３４６９号公報 特開２００６−１９７５７号公報
しかしながら、上述の固体撮像装置においては、ある受光部に到達すべき信号電荷が、別の受光部（特に隣接する受光部）に到達してしまうことがある。このことは、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）の劣化につながる。
本発明による固体撮像装置は、半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、上記半導体基板中に設けられ、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、上記半導体基板中の上記受光部が設けられた領域と上記裏面との間に設けられ、上記信号電荷の拡散を遮る遮断膜と、を備えることを特徴とする。
この固体撮像装置においては、半導体基板中に信号電荷の拡散を遮る遮断膜が設けられている。これにより、ある受光部に到達すべき信号電荷が別の受光部に到達する確率を低減させることができる。したがって、ＭＴＦの向上を図ることができる。
本発明によれば、高いＭＴＦを有する固体撮像装置が実現される。
以下、図面を参照しつつ、本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による固体撮像装置の第１実施形態を示す断面図である。固体撮像装置１は、半導体基板１０、受光部２０、および遮断膜３０を備えている。本実施形態において半導体基板１０は、Ｐ型シリコン基板である。この固体撮像装置１は、裏面入射型であり、半導体基板１０の裏面Ｓ１に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する。
半導体基板１０中には、複数の受光部２０が所定の間隔を空けて設けられている。具体的には、受光部２０は、半導体基板１０の上面（裏面Ｓ１と反対側の面）側の表層中に設けられている。これらの受光部２０は、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける。本実施形態において受光部２０は、Ｎ型不純物拡散層である。各受光部２０は、隣接する半導体基板１０と共にフォトダイオードを構成している。
半導体基板１０中の受光部２０が設けられた領域Ｄ１と裏面Ｓ１との間には、遮断膜３０が設けられている。具体的には、遮断膜３０は、平面視で、上記複数の受光部２０間の間隔に位置している。この遮断膜３０は、上記信号電荷の拡散を遮る。本実施形態において遮断膜３０は、シリコン酸化膜等の絶縁膜である。
半導体基板１０には、ＭＯＳＦＥＴ４０も形成されている。すなわち、固体撮像装置１には、受光部２０等により構成されるＭＯＳイメージセンサ部と、ＭＯＳＦＥＴ４０等により構成されるロジック回路部とが混載されている。ＭＯＳＦＥＴ４０は、ソース・ドレイン領域として機能するＮ型不純物拡散層４２、ゲート絶縁膜４３およびゲート電極４４を含んでいる。
半導体基板１０の上面上には、配線層５０が設けられている。この配線層５０中には、配線５２が形成されている。
図２を参照しつつ、固体撮像装置１の動作の一例を説明する。同図においては、裏面Ｓ１に、被撮像体である指９０を接触させている。蛍光灯やＬＥＤ等の光源からの光Ｌ１を指９０に入射させると、その透過光Ｌ２が裏面Ｓ１に入射する。このとき、透過光Ｌ２は、指９０の指紋９２の形状についての情報を含んだものとなる。すると、透過光Ｌ２は、半導体基板１０の内部で光電変換される。その光電変換により発生した信号電荷を受光部２０が受けることにより、指紋９２の像が撮像される。なお、光Ｌ１は、可視光、近赤外光または赤外光の何れであってもよい。
本実施形態の効果を説明する。固体撮像装置１においては、半導体基板１０中に信号電荷の拡散を遮る遮断膜３０が設けられている。これにより、ある受光部２０に到達すべき信号電荷が別の受光部２０に到達する確率を低減させることができる。したがって、ＭＴＦの向上、ひいては解像度の向上を図ることができる。
遮断膜３０が、平面視で複数の受光部２０間の間隔に位置している。これにより、ある受光部２０に到達すべき信号電荷がその受光部２０に到達するのを妨げることなく、別の受光部２０に到達するのを妨げることができる。
遮断膜３０として絶縁膜が用いられている。これにより、遮断膜３０が設けられた半導体基板１０を容易に得ることができる。例えば、部分ＳＯＩ構造を有する基板を半導体基板１０として用いてもよい。
固体撮像装置１は、裏面入射型である。このため、固体撮像装置１の表面側（配線層５０側）に被撮像体を接触させる必要がない。これにより、固体撮像装置１の破損、特性劣化および静電破壊等の発生を抑えることができる。このことは、固体撮像装置１の信頼性の向上に寄与する。例えば、被撮像体が指である場合、帯電した指とは反対側に配線が位置することになるため、指による過大な静電気が半導体基板１０中に設けられた素子（受光部２０やＭＯＳＦＥＴ４０等）に印加されるのを防ぐことができる。
光Ｌ１（図２参照）として近赤外光または赤外光を用いた場合、可視光を用いた場合よりも、裏面Ｓ１から深い位置まで透過光Ｌ２を到達させることができる。それにより、透過光Ｌ２が光電変換されて生じた信号電荷が、受光部２０に達し易くなる。
ところで、特許文献３には、シリコン基板の裏面上に遮光膜が設けられた固体撮像装置が開示されている。この遮光膜は、文字通り、光すなわち上記裏面への入射光を遮るものである。したがって、この遮光膜は、光電変換により生じた電子の拡散を遮る遮断膜３０とは異なる。
（第２実施形態）
図３は、本発明による固体撮像装置の第２実施形態を示す断面図である。固体撮像装置２は、半導体基板１０、受光部２０、および遮断膜３０を備えている。固体撮像装置２においては、遮断膜３０の構成が図１の固体撮像装置１と相違する。固体撮像装置２のその他の構成は、固体撮像装置１と同様である。
本実施形態において遮断膜３０は、半導体基板１０の裏面Ｓ１から当該半導体基板１０の内部に向かって延在している。すなわち、遮断膜３０の一端が裏面Ｓ１に露出しており、他端が半導体基板１０の内部に止まっている。
ここで固体撮像装置１と固体撮像装置２とを比較すると、固体撮像装置１においては、ある受光部２０に到達すべき信号電荷が遮断膜３０の上部（遮断膜３０と裏面Ｓ１との間の領域）を通って別の受光部２０に到達してしまう可能性がある。一方、固体撮像装置２においては、遮断膜３０が半導体基板１０の裏面Ｓ１に達しているため、遮断膜３０の上部の信号電荷の経路が断たれている。このため、固体撮像装置２によれば、ある受光部２０に到達すべき信号電荷が別の受光部２０に到達する確率を、固体撮像装置１よりも低減させることができる。固体撮像装置２のその他の効果は、固体撮像装置１と同様である。
なお、本実施形態のように半導体基板１０の裏面Ｓ１に露出する遮断膜３０を形成するには、例えば、内部に遮断膜３０が埋め込まれた半導体基板１０（図１の半導体基板１０参照）を準備した後、その半導体基板１０の裏面Ｓ１を遮断膜３０が露出するまで研削すればよい。あるいは、半導体基板１０の裏面Ｓ１に溝を形成し、その溝を絶縁膜で埋め込むことにより、遮断膜３０を形成してもよい。
（第３実施形態）
図４は、本発明による固体撮像装置の第３実施形態を示す断面図である。固体撮像装置３は、半導体基板１０、受光部２０、および遮断膜３０を備えている。固体撮像装置３においては、遮断膜３０の構成が図１の固体撮像装置１と相違する。固体撮像装置３のその他の構成は、固体撮像装置１と同様である。
本実施形態において遮断膜３０は、半導体基板１０の上面から当該半導体基板１０の内部に向かって延在している。すなわち、遮断膜３０の一端が上面に露出しており、他端が半導体基板１０の内部に止まっている。
ここで固体撮像装置１と固体撮像装置３とを比較すると、固体撮像装置１においては、ある受光部２０に到達すべき信号電荷が遮断膜３０の下部（遮断膜３０と半導体基板１０の上面との間の領域）を通って別の受光部２０に到達してしまう可能性がある。一方、固体撮像装置３においては、遮断膜３０が半導体基板１０の上面に達しているため、遮断膜３０の下部の信号電荷の経路が断たれている。このため、固体撮像装置３によれば、ある受光部２０に到達すべき信号電荷が別の受光部２０に到達する確率を、固体撮像装置１よりも低減させることができる。固体撮像装置３のその他の効果は、固体撮像装置１と同様である。
（第４実施形態）
図５は、本発明による固体撮像装置の第４実施形態を示す断面図である。固体撮像装置４は、半導体基板１０、受光部２０、および遮断膜３０を備えている。固体撮像装置４においては、遮断膜３０の構成が図１の固体撮像装置１と相違する。固体撮像装置４のその他の構成は、固体撮像装置１と同様である。
本実施形態において遮断膜３０は、半導体基板１０を貫通している。すなわち、遮断膜３０の一端が裏面Ｓ１に露出しており、他端が半導体基板１０の上面に露出している。
固体撮像装置４においては、遮断膜３０の上部および下部の信号電荷の経路が共に断たれている。その理由は、第２および第３実施形態で説明したとおりである。このため、固体撮像装置４によれば、ある受光部２０に到達すべき信号電荷が別の受光部２０に到達する確率を、固体撮像装置２，３よりも更に低減させることができる。固体撮像装置４のその他の効果は、固体撮像装置１と同様である。
本発明による固体撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においてはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（図１等のＭＯＳＦＥＴ４０）が設けられた例を示したが、さらにＰチャネルＭＯＳＦＥＴが設けられていてもよい。また、Ｐ型の半導体基板およびＮ型の受光部を例示したが、Ｎ型の半導体基板およびＰ型の受光部であってもよい。さらに、本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置に適用してもよい。
また、上記実施形態においては、半導体基板１０の裏面Ｓ１が露出した例を示した。しかし、図６に示すように、半導体基板１０の裏面Ｓ１上に保護膜６０が設けられていてもよい。このように保護膜６０を設けることにより、指に付着した不純物等が半導体基板１０を拡散し、反対側に形成された受光部２０やＭＯＳＦＥＴ４０に悪影響を及ぼすのを効果的に抑制することができる。保護膜６０としては、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜等を用いることができる。保護膜６０の厚さは、例えば０．３μｍ程度である。保護膜６０の厚さが０．３μｍ程度と入射光の波長に比べて薄い場合、撮像への影響を非常に小さく抑えることができる。
また、上記実施形態においては、絶縁膜を遮断膜として用いる例を示した。しかし、遮断膜としては、信号電荷の拡散を遮ることができれば、絶縁膜以外のものを用いてもよい。例えば、Ｐ＋型不純物拡散層を遮断膜として用いることもできる。その場合、例えば、Ｐ型シリコン基板１２の表層の所定の領域にボロン等を注入することによりＰ＋型不純物拡散層３２を形成し（図７（ａ））、そのＰ型シリコン基板１２上にＰ型エピタキシャル層１４を形成すればよい（図７（ｂ））。それにより、Ｐ＋型不純物拡散層３２が設けられた半導体基板１０ａが得られる。さらに、受光部２０およびＮ型不純物拡散層４２をＰ型エピタキシャル層１４内に形成し、Ｐ型エピタキシャル層１４上にゲート絶縁膜４３、ゲート電極４４、配線５２を含む配線層５０を形成して、図７（ｃ）の構造を得る。このＰ＋型不純物拡散層３２は、信号電荷と再結合することにより、当該信号電荷の拡散を遮る。
本発明による固体撮像装置の第１実施形態を示す断面図である。 図１の固体撮像装置の動作の一例を説明するための断面図である。 本発明による固体撮像装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明による固体撮像装置の第３実施形態を示す断面図である。 本発明による固体撮像装置の第４実施形態を示す断面図である。 実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、実施形態の他の変形例を説明するための断面図である。
符号の説明
１ 固体撮像装置
２ 固体撮像装置
３ 固体撮像装置
４ 固体撮像装置
１０ 半導体基板
１０ａ 半導体基板
１２ Ｐ型シリコン基板
１４ Ｐ型エピタキシャル層
２０ 受光部
３０ 遮断膜
３２ Ｐ＋型不純物拡散層
４０ ＭＯＳＦＥＴ
４２ Ｎ型不純物拡散層
４３ ゲート絶縁膜
４４ ゲート電極
５０ 配線層
５２ 配線
６０ 保護膜
９０ 指
９２ 指紋
Ｄ１ 受光部が設けられた領域
Ｌ１ 光源からの光
Ｌ２ 透過光
Ｓ１ 裏面

Claims (6)

  1. 半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、
    前記半導体基板中に設けられ、前記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、
    前記半導体基板中の前記受光部が設けられた領域と前記裏面との間に設けられ、前記信号電荷の拡散を遮る遮断膜と、
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
    所定の間隔を空けて設けられた複数の前記受光部を備え、
    前記遮断膜は、平面視で、当該複数の受光部間の前記間隔に位置する固体撮像装置。
  3. 請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
    前記遮断膜は、絶縁膜である固体撮像装置。
  4. 請求項１乃至３いずれかに記載の固体撮像装置において、
    前記遮断膜は、前記裏面から前記半導体基板の内部に向かって延在している固体撮像装置。
  5. 請求項１乃至４いずれかに記載の固体撮像装置において、
    前記遮断膜は、前記半導体基板の前記裏面と反対側の面である上面から当該半導体基板の内部に向かって延在している固体撮像装置。
  6. 請求項４または５に記載の固体撮像装置において、
    前記遮断膜は、前記半導体基板を貫通している固体撮像装置。
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