JP2008258316A - 固体撮像装置およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

固体撮像装置およびその製造方法、電子情報機器 Download PDF

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Abstract

【課題】カラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に低電圧にて読み出し可能な高感度かつ高解像度の固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１０１の深さ方向に、入射光の光吸収係数の波長依存性に対応する深さにて積層されたＮ層の各受光部１１１〜１１３を有する固体撮像素子１００が基板平面方向に２次元状で周期的に配置されており、各受光部１１１〜１１３に到達する所定深さを有し、かつ、各受光部１１１〜１１３に対して互いに異なる一基板平面方向の辺おいてのみ隣接するようにトレンチ部１１１ａ〜１１３ａが設けられている。このトレンチ部１１１ａ〜１１３ａの内壁は、ゲート絶縁膜１４１により覆われ、トレンチ部１１１ａ〜１１３ａ内に読み出しゲート電極材料が埋め込まれており、光入射面と反対側の基板表面においてトレンチ部１１１ａ〜１１３ａに隣接し、かつ、各受光部と離隔されて蓄積拡散層１６１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板または半導体層の深さ方向に積層された複数の受光部によって波長の異なる光を分離検出する方式の例えばＣＭＯＳ型イメージセンサやＣＣＤ型イメージセンサなどの固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたデジタルカメラやカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
ＣＭＯＳ型イメージセンサやＣＣＤ型イメージセンサなどに代表される従来のカラー固体撮像装置では、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部（複数の画素部）が二次元状でマトリックス状に配列された複数の固体撮像素子上に、３種類または４種類のカラーフィルタが受光部毎にそれぞれ対応するように各色毎のモザイク状に配置されている。これにより、各画素部からカラーフィルタに対応した色信号が出力され、これらの色信号を演算処理することによって他の色信号を含むカラー画像データを生成している。
しかしながら、各色毎のモザイク状のカラーフィルタが配列された従来のカラー固体撮像装置では、例えば三原色のカラーフィルタを用いた場合、入射光の約２／３がカラーフィルタによって吸収されてしまう。よって、実際の色信号を出力するために利用される光としては、残りの１／３しか、信号電荷を得るのに利用されていないため、光の利用効率が低く、低感度になるという問題がある。
また、従来のカラー固体撮像装置では、画素部毎に１色の色信号しか得られず、画素部毎の三原色のそれぞれの信号を別の画素部にて検出する必要がある。同一位置（画素部）の他の色データは、別の画素部で検出した色データから演算によって得ている。
さらに、従来のカラー固体撮像装置では、各受光部で得られた信号電荷の転送領域が同一面上に配置されるため、各画素部の受光領域面積を拡大することが困難となり、画素部サイズ（受光部サイズ）の縮小化に伴って受光感度が低下するといった問題もある。
以上の各問題に対して、従来は、各単位画素部当たりの受光特性を改善することによって対処してきた。しかしながら、画素部サイズの微細化に伴い、このような特性改善による対処は既に限界に来ており、上述した受光感度の低下が、固体撮像装置の更なる小型化および多画素化を妨げる要因となっている。
これらの問題を解決するために、例えば特許文献１には、各色に対応した複数の受光部（電荷蓄積部）が半導体基板の深さ方向に積層され、各受光部に高濃度不純物領域（高濃度拡散層）からなる転送通路が設けられた固体撮像装置が提案されている。この構成では、半導体の光吸収係数の波長依存性により各受光部においてその深さに対応した波長域の色光が分離検出され、異なる色の信号電荷が高濃度不純物領域からなる転送通路を介して別々に読み出されることによって、複数色の信号電荷が読み出される。
この半導体層の深さ方向に積層された複数の受光部によって波長の異なる光を分離検出する方式の従来の固体撮像装置は、例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）および赤（Ｒ）の各色光に対する信号電荷をそれぞれ発生させるフォトダイオード（受光部）が光入射側の表面から深い方向に順に積層された画素部断面構造を有している。この従来の固体撮像装置によれば、各画素部の色分離がシリコンにおける光吸収係数の波長依存性を利用して行なわれるため、各画素部の上方にカラーフィルタを設ける必要がなく、且つ、各画素部の深さ位置において三原色のそれぞれの信号が得られることから、高感度および高解像度で、さらに、偽色の問題がない良好なカラー画像を得ることができる。
また、特許文献２には、半導体基板の一方の表面に光電変換部（受光部）が設けられ、その反対側の基板面から光電変換部に達する状態で設けられたトレンチの内壁がゲート絶縁膜で覆われ、トレンチ内に読み出しゲート電極が埋め込まれ、トレンチ側面に形成されたゲート絶縁膜と隣接された状態で転送用の蓄積拡散層が設けられた固体撮像装置が提案されている。この構成では、トレンチ内に埋め込まれた読み出しゲート電極への電圧印加により、光電変換部の信号電荷が読み出される。
この方式の従来の固体撮像装置では、半導体基板の光入射面から深さ方向に、受光部、読み出しゲート電極、受光部からの信号電荷が読み出される転送用の蓄積拡散層が順に配置された構成とすることによって、光入射面における撮像領域のほとんど全てを受光領域とすることが可能となる。これにより、受光領域面積の拡大による受光感度の向上を図り、更なる画素サイズの小型化が可能となる。
さらに、特許文献３には、半導体基板の裏面側に受光部が設けられ、半導体基板の表面側に配線層が設けられ、受光部を構成する導電型領域から半導体基板の表面側に形成された画素形成回路へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタが半導体基板内部に設けられた固体撮像装置が提案されている。この構成では、例えば、半導体内部に読み出しゲートを構成する導電型領域が設けられて、受光部で得られた信号電荷が読み出される。
この方式の従来の固体撮像装置では、裏面側から光を入射させる構造により、フォトダイオードに蓄積可能な電荷量を増やし、受光感度を向上させることができる。さらに、読み出しに必要なトランジスタと読み出し選択線を半導体基板内部に形成することにより、半導体基板表面に形成されるトランジスタ数と配線数を削減して、画素サイズの微細化が可能となる。
特開２００４−２７３９５１号公報 特開２００４−２８１４９９号公報 特開２００５−３５３９９４号公報 特開２００４−４７９８５号公報
しかしながら、上記従来の固体撮像装置にはそれぞれ、以下のような問題がある。
上記特許文献１に開示されている従来の固体撮像装置では、画素部から出力される信号電荷を転送するために、各色に対して、電荷転送通路としての高濃度拡散層と、基板表面の読み出しゲート電極を、各画素部間のそれぞれに設ける必要があり、その配置面積の分だけ、固体撮像装置の解像度が低下する。
また、特許文献１に開示されている従来の固体撮像装置では、受光部と読み出しゲート電極間を接続する高濃度拡散層を、各色に対応する受光部の深さまで設けているため、受光部に蓄積された信号電荷を残すことなく読み出すためには、高い読み出し電圧が必要となる。よって、特に、低消費電力用途で用いられているＣＭＯＳ型イメージセンサに対して、特許文献１に開示されている従来の固体撮像装置をそのまま適用することは困難である。ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられるような低電圧にて読み出しを行った場合、受光部に信号電荷の読み残しが発生し、いわゆる残像不良が起こって画質が劣化する。
上記特許文献２に開示されている従来の固体撮像装置では、画素部毎に１色の色信号しか得られず、三原色のそれぞれの信号を別の画素部にて検出する必要がある。この場合、同一面上に各色の受光部が配置されているため、各画素部の受光領域面積を拡大することが困難となり、受光領域面積の縮小化に伴って受光感度が低下する。さらに、この構成では、カラーフィルタを設ける必要があるため、カラーフィルタにて吸収される分だけ入射光の利用効率も低く、受光感度が低下するという問題も生じる。
また、特許文献２に開示されている従来の固体撮像装置に対して、上述した特許文献１に提案されているような積層された受光部をそのまま適用した場合には、読み出しゲートを構成するトレンチが、積層された全ての受光部に隣接してしまうため、各色の信号電荷を独立して別々に読み出すことが不可能になる。
上記特許文献３に開示されている従来の固体撮像装置では、上述した特許文献２の場合と同様に、画素部毎に１色の色信号しか得られず、三原色のそれぞれの色信号を別の画素部にて検出する必要があり、同一面上に各色の受光部が配置されるため、各画素部の受光領域面積の拡大が困難となり、受光領域面積の縮小化に伴って受光感度が低下する。さらに、この構成においても、カラーフィルタを設ける必要があるため、その分だけ、入射光の利用効率が低く、受光感度が低下するという問題が生じる。
また、特許文献３に開示されている従来の固体撮像装置に対して、上述した特許文献１に提案されているような積層された受光部をそのまま適用した場合には、光の入射面から最下層の受光部しか信号電荷を読み出すことができず、各色の信号電荷を独立して別々に読み出すことは不可能である。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、カラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に、より低電圧にて読み出し可能で、さらに、高感度かつ高解像度の固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたデジタルカメラやカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が基板表面に沿った方向に周期的に配列され、入射される電磁波のうち、該半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が該各受光部でそれぞれ検出されて信号電荷がそれぞれ生成される固体撮像装置において、該半導体基板の光入射面または該光入射面と反対側の基板表面から、平面視で互いに重ならない受光部の位置にそれぞれ到達する各トレンチ部がそれぞれ設けられ、該各トレンチ部にそれぞれ読み出しゲート電極が設けられ、該読み出しゲート電極の駆動時に、該複数の受光部からそれぞれ該各トレンチ部の側壁部分をそれぞれ介して、該光入射面側または、該光入射面側と反対側の基板表面部側にそれぞれ独立して電荷転送可能とする電荷転送部が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の固体撮像装置における電荷転送部は、前記各トレンチ部がそれぞれ、積層された受光部の各層毎に、互いに異なる一基板平面方向においてそれぞれ隣接するように配置され、該各トレンチ部の内壁がゲート絶縁膜により覆われて、当該各トレンチ部内にそれぞれ各読み出しゲート電極材料がそれぞれ埋め込まれている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるトレンチ部の側壁に、該側壁を覆うゲート絶縁膜に沿って、前記複数の受光部とは電気的極性が異なる逆導電型拡散層が設けられている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記光入射面または該光入射面と反対側の基板表面に前記ゲート絶縁膜と隣接し、かつ、前記受光部と隔離された状態で蓄積拡散層が設けられており、前記逆導電型拡散層に、該受光部から該蓄積拡散層に信号電荷を転送するためのチャネル領域が設けられている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるチャネル領域は、前記受光部とは電気的極性が異なるチャネル拡散層である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部の形成領域と前記チャネル領域とが重なる領域には、低濃度のチャンネル拡散層が形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記光入射面と反対側の基板表面または該光入射面から前記複数の受光部の各深さまでの前記トレンチ部の側面に設けられた逆導電型拡散層により、基板表面に沿った方向に隣接する固体撮像素子が互いに電気的に素子分離されている。これにより、クロストークを防止できる。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部がそれぞれ平面視正方形または矩形格子状であり、該複数の受光部が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に該辺に隣接するように、前記トレンチ部が該辺に沿って互いに異なる２方向または３方向に配置されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部がそれぞれ六角形状でハニカム状に配置され、該複数の受光部が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に該辺に隣接するように、前記トレンチ部が該辺に沿って互いに異なる２方向または３方向に配置されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部がそれぞれ平面視正方形または矩形格子状であり、該複数の受光部が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた一部辺毎に該一部辺に隣接するように、前記トレンチ部が該一部辺に沿って互いに異なる４方向に配置されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における半導体基板がエピタキシャル層を有するシリコン基板であり、前記複数の受光部がそれぞれ、互いに異なる導電型の半導体接合によりそれぞれ形成されたフォトダイオードからそれぞれなっている。このシリコン基板によりゲート酸化膜が酸化処理により形成でき、色再現性がよい。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部から第Ｎ（Ｎは自然数）波長域の電磁波を検出する第Ｎ受光部のＮ個の受光部を有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部とを有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部とを有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部と、第４波長域の電磁波を検出する第４受光部とを有する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射面から前記第１受光部までの深さは０．２μｍ以上２．０μｍ以下の範囲内で白色光を検出し、該光入射面から前記第２受光部までの深さは３．０μｍ±０.３μｍの範囲内で赤外光を検出する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射面から前記第１受光部までの深さは０.１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で紫外光を検出し、該光入射面から前記第２受光部までの深さは空乏層厚として０．２μｍ以上２．０μｍの範囲で白色光を検出する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射面から前記第１受光部までの深さは０.１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で紫外光を検出し、該光入射面から前記第２受光部までの深さは３．０μｍ±０.３μｍの範囲内で赤外光を検出する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から前記第１受光部までの深さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第２受光部までの深さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第３受光部までの深さは０．８μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内であり、三原色光を検出する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から前記第１受光部までの深さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第２受光部までの深さは０．３μｍ以上０．６μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第３受光部までの深さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第３受光部までの深さは０．８μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内であり、三原色光とエメラルド色光を検出する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の固体撮像素子内にそれぞれ、該複数の固体撮像素子のうちの所定の固体撮像素子を選択して信号出力する信号出力回路が設けられ、該信号出力回路は、前記半導体基板の光入射面側とは反対側または、該光入射面側から形成された複数のトランジスタによって構成されている。反対側に信号出力回路を作るのは場所のメリットがある。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の固体撮像素子内にそれぞれ、該複数の固体撮像素子のうちの所定の固体撮像素子を選択して信号出力する信号出力回路が設けられ、該信号出力回路を構成するトランジスタは、該固体撮像素子内の不純物拡散層ウェル内および該不純物拡散層ウェル上に設けられている。この不純物拡散層ウェルによりトランジスタ特性が安定する。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における信号出力回路は、前記受光部から前記蓄積拡散層に電荷転送された信号電圧に応じて信号増幅させる増幅トランジスタと、電荷転送の前に、該蓄積拡散層の信号電圧を所定電圧にリセットするためのリセットトランジスタとを有している。これはＣＭＯＳ型イメージセンサの場合である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における信号出力回路からの信号出力経路は、前記半導体基板の光入射面側とは反対側に形成された配線層によって構成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるゲート絶縁膜は、酸化膜または高誘電体絶縁膜である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における酸化膜は酸化シリコン膜である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における高誘電体絶縁膜はハフニュウムオキサイトである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における読み出しゲート電極材料はドープトシリコン材料かまたは金属材料である。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、ＣＭＯＳ型イメージセンサまたはＣＣＤ型イメージセンサである。
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置が画像入力デバイスとして撮像部に設けられたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が基板表面に沿った方向に周期的に配列され、入射される電磁波のうち、該半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が該各受光部でそれぞれ検出されて信号電荷がそれぞれ生成される固体撮像装置の製造方法において、該半導体基板の深さ方向に第１受光部拡散層から第Ｎ受光部拡散層（Ｎは自然数）を、各層毎に平面視で互いに重ならない部分を有するように互いに重なり合う領域から一基板平面方向に領域を辺と共に延ばした状態で順に形成する受光部形成工程と、光入射面の基板表面に該各受光部と電気的極性が異なる逆導電型拡散層を形成する逆導電型拡散層形成工程と、該光入射面と反対側の基板表面から、該各受光部にそれぞれ到達する深さを有し、積層された受光部の各層毎に互いに異なる一基板平面方向の辺に隣接するように配置されたトレンチを形成するトレンチ形成工程と、該トレンチの側面に、該各受光部と電気的極性が異なる逆導電型拡散層を形成するトレンチ側面拡散層形成工程と、該トレンチの内壁を覆うようにゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、該トレンチ内を埋め込んで読み出しゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、該光入射面と反対側の基板表面に該ゲート絶縁膜と隣接し、かつ、該受光部と隔離して蓄積拡散層を形成する蓄積拡散層形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
本発明の固体撮像装置では、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が、半導体基板の平面方向に沿った方向に周期的に配列されている。これにより、入射される光（電磁波）のうち、半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の光（電磁波）が、各受光部でそれぞれ検出されて、信号電荷がそれぞれ生成されるため、カラーフィルタを設けることなく、各受光部において波長の異なる光成分（電磁波）が分離検出される。
また、少なくとも受光部に到達する深さを有し、積層された受光部の各層毎に、互いに異なる一基板平面方向において隣接するように各トレンチ部がそれぞれ配置され、受光部から信号電荷を転送するための読み出しゲート電極が、そのトレンチ部内に埋め込まれている。各受光部に隣接する各トレンチは、他の受光部には隣接していないため、読み出しゲート電極に読み出し電圧を印加して、その読み出しゲート電極（トレンチ部）に隣接する受光部から、各受光部よる各色に対応した信号電荷を独立して読み出すことが可能である。また、読み出しゲート電極と受光部とが隣接しているため、低い読み出し電圧により信号電荷を読み出すことが可能である。さらに、トレンチ部は、光入射面と反対側の基板表面から各受光部に到達する深さに形成されており、基板表面に読み出しゲート電極が接地されていないため、受光領域面積を拡大して受光効率を向上させることが可能である。
以上のように、少なくとも信号読み出しのための読み出し電極の場所が基板表面の光入射面側に、狭いトレンチではなく広く必要であるという問題、読み出し電極と受光部やチャネルの距離が離れて信号読み出し電圧が高くなるという問題、独立した位置および方向で各色の信号読み出しを行っているため、混色の問題を解決することが可能となる。
以上により、本発明によれば、固体撮像装置特有の光学的特性に係わる製造プロセスとしてのカラーフィルタ形成工程を削減することができるため、生産性を向上させることができる。また、各色信号に対する受光部を積層して形成することができるため、各画素部の受光領域面積を拡大して、受光感度の向上による高画質化を図ることができる。
また、読み出しゲート電極を半導体基板のトレンチ部内に形成して、各色信号に対する各受光部から縦方向に読み出すため、読み出しゲート電極と受光部とが隣接し、かつ読み出しゲート電極とチャネル部との距離が近いため、より低い読み出し電圧により信号電荷を読み出すことができて、消費電力を抑えることができる。さらに、転送通路としての高濃度拡散層を形成する必要がなく、また、基板表面に読み出しゲート電極を設置する必要がないため、その分、設置面積を小さくして、実質的に各画素の受光領域面積を拡大することができるため、感度の向上による高画質化を図ることができる。
さらに、配線層が光入射面と反対側表面に設けられているため、各画素部（各受光部）から出力される信号電荷を転送するための配線層を、各画素部間に配置する必要がなく、配線層の設置面積によって固体撮像装置の解像度低下を招くことがない。さらに、光入射面側と反対側に、信号電荷の増幅や受光部からの信号電荷の電気的リセットに必要なトランジスタを形成することが可能であり、トランジスタ配置面積により各画素部の受光領域面積が圧迫されることがないため、固体撮像装置の解像度低下を招くことがなく、受光領域面積を拡大することにより受光感度向上による高画質化を図ることができる。また、光入射面側（例えば各受光部と各受光部との間；隣接固体撮像素子間）に信号読出回路やその配線を設けてもよい。この場合には、トレンチ深さが浅くてもよいため、製造が容易になる。
したがって、本発明によれば、従来の固体撮像装置において必要とされていたカラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に低電圧にて読み出し可能な、高感度かつ高解像度の固体撮像装置を、カラーフィルター形成工程が削減された簡略な製造工程により実現することができる。また、その固体撮像装置を入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を実現することができる。
以下に、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施形態１〜３をＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合、この本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施形態１〜３を撮像部に用いた電子情報機器の実施形態４について、図面を参照しながら詳細に説明する。この場合に、ＣＭＯＳ型イメージセンサに限らず、ＣＣＤ型イメージセンサであってもよい。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の要部構成例を示す縦断面図である。
図１の本実施形態１の固体撮像素子１００では、複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部１１１と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部１１２と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部１１３とを有する場合について説明する。この場合の光の波長域の異なる３色としては、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の三原色が考えられる。ここでは、第１波長域に青色光、第２波長域に緑色光、第３波長域に赤色光を検出する場合について説明する。
図１において、本実施形態１の固体撮像装置１０は、単位画素部である固体撮像素子１００として、半導体基板１０１に、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部（青色の受光部拡散層）１１１と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部（緑色の受光部拡散層）１１２と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部（赤色の受光部拡散層）１１３とが、半導体基板１０１の深さ方向に順次積層して設けられている。
この固体撮像素子１００は、図１には示していないが、半導体基板１０１の平面方向に沿った方向に周期的（２次元状で例えばマトリクス状）に配列されている。各固体撮像素子１００では、入射される電磁波のうち、半導体基板１０１の材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が、各受光部によりそれぞれ検出されて、信号電荷がそれぞれ生成される。光入射面の半導体基板１０１の表面（第１受光部１１１上）には、表面準位での電荷発生を抑制するために、受光部拡散層とは電気的極性が異なる逆導電型の不純物拡散層１２１が設けられている。
各固体撮像素子１００には、半導体基板１０１における光入射面とは反対側の基板表面側から、各受光部に到達する深さを有するトレンチ（溝部）が、積層された受光部１１１〜１１３の各層毎に（平面視で位置を変えて）、受光部と互いに異なる一基板平面方向（基板面に沿った方向）において隣接するように配置されている。図１では、受光部１１２に隣接するトレンチ１１２ａと、受光部１１３に隣接するトレンチ１１３ａとが示されており、受光部１１１に隣接するトレンチ（１１１ａは図示せず）は紙面（図１）の奥方向側に配置されているために見えず、ここでは示されていない。
各トレンチ１１１ａ〜１１３ａの内壁は、ゲート絶縁膜１４１（熱酸化膜）により覆われており、各トレンチ１１１ａ〜１１３ａ内にはそれぞれ、読み出しゲート電極１５１の材料（例えば金属材料）が埋め込まれている。上記各トレンチ１１１ａ〜１１３ａの側壁をそれぞれ覆うゲート絶縁膜１４１（図１の上下方向）に沿って、各受光部１１１〜１１３から蓄積拡散層に信号電荷を転送する電荷転送経路して、受光部拡散層とは電気的極性が逆（逆導電型）のチャネル拡散層１３１（チャネル領域）が設けられている。
また、各受光部１１１〜１１３の形成領域（図１の左右方向の領域）と、各トレンチ１１１ａ〜１１３ａの形成領域（図１の上下方向の領域）とが一部で重なる領域（例えば受光部１１３とトレンチ１５１とが同じ深さ部分Ｂ）には、受光部拡散層の不純物と電気的特性が逆のチャネル拡散層１３１の不純物とが電気的に打ち消し合うことにより形成された低濃度チャンネル拡散層１３３が設けられている。
さらに、光照射側面から各受光部１１１〜１１３の深さまでのトレンチ側面にも、各受光部１１１〜１１３とは電気的極性が異なる逆導電型拡散層１３２が設けられている。上記トレンチ１１１ａ〜１１３ａおよび逆導電型拡散層１３２によって、基板平面方向に隣接する各受光部１１１〜１１３間が互いに電気的に素子分離されている。
さらに、光入射面とは反対側の基板表面側において、トレンチ１１１ａ〜１１３ａの各側壁に形成されたゲート絶縁膜１４１と隣接し、かつ、受光部１１１〜１１３とそれぞれ隔離して各蓄積拡散層１６１がそれぞれ設けられている。各読み出しゲート電極１５１に所定の読み出し電圧を印加することによって、各受光部１１１〜１１３にそれぞれ蓄積された信号電荷が、独立して各蓄積拡散層１６１にそれぞれ転送される。
各固体撮像素子１００内にはそれぞれ、複数の固体撮像素子１００からの特定の固体撮像素子１００の選択およびその固体撮像素子１００からの信号出力に係る回路を構成するトランジスタとして、各受光部１１１〜１１３から蓄積拡散層１６１にそれぞれ転送された信号電圧に応じて出力を増幅させる増幅トランジスタ１６３および、電荷転送された信号電荷を検出する電荷検出部（信号電圧変換部）としての蓄積拡散層１６１の信号電圧を所定電圧にリセットするためのリセットトランジスタ１６４などが設けられている。
これらのトランジスタは、半導体基板１０１の光入射側とは反対側から、不純物拡散層からなる各ウェル１６２内および各ウェル１６２上にそれぞれ形成されている。さらに、信号電荷の転送経路として、半導体基板１０１の光入射側とは反対側に金属材料からなる配線層１９１〜１９３が形成されている。これらの配線層１９１〜１９３はそれぞれ、層間絶縁膜１８１〜１８４をそれぞれ介して交互に積層されており、層間絶縁膜１８１〜１８４に設けられたビアコンタクトを介して読み出しゲート電極１５１や電荷蓄積領域１６１、および増幅トランジスタ１６３やリセットトランジスタ１６４などにそれぞれ接続されている。
これにより、読み出しゲート電極１５１および蓄積拡散層１６１はそれぞれ、金属材料からなる各配線層１９１をそれぞれ介して、各画素部としての固体撮像素子１００の画素選択および信号出力に係る信号読出回路に電気的に接続されている。
上記構成により、以下、その動作を説明する。
本実施形態１の固体撮像装置１０において、まず、半導体基板１０１の各受光部１１１〜１１３が形成されている面側から撮像時に被写体光が入射される。この入射された被写体光の電磁波のうち、半導体基板１０１の半導体材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部１１１〜１１３の深さに対応した波長域の電磁波がそれぞれ、各受光部１１１〜１１３でそれぞれ検出されて、各色毎の信号電荷がそれぞれ生成される。例えば、第１受光部１１１では青色光が検出され、第２受光部１１２では緑色光が検出され、第３受光部１１３では赤色光が検出される。各受光部で検出された信号電荷は、読み出しゲート電極１５１に電圧を印加することによって、低濃度チャネル拡散層１３３とチャネル拡散層１３１を介して、蓄積拡散層１６１に読み出される。
ここで、本実施形態１の固体撮像装置１０の製造方法について、まずは簡単に説明する。
半導体基板１０１の深さ方向に第１受光部１１１から第Ｎ受光部（ここでは第３受光部１１３）の各拡散層を、各層毎に平面視で互いに重ならない部分を有するように互いに重なり合う領域から一基板平面方向に領域を辺（正方形の辺）と共に延ばした状態で順に形成する受光部形成工程と、光入射面の基板表面に各受光部１１１〜１１３と電気的極性が異なる逆導電型拡散層を形成する逆導電型拡散層形成工程と、光入射面と反対側の基板表面から、各受光部１１１〜１１３にそれぞれ到達する深さを有し、積層された受光部１１１〜１１３の各層毎に互いに異なる一基板平面方向の辺に隣接するように配置されたトレンチ１１１ａ〜１１３ａを形成するトレンチ形成工程と、トレンチ１１１ａ〜１１３ａの側面に、各受光部１１１〜１１３と電気的極性が異なる逆導電型拡散層１３１〜１３３を形成するトレンチ側面拡散層形成工程と、トレンチ１１１ａ〜１１３ａの内壁を覆うようにゲート絶縁膜１４１を形成するゲート絶縁膜形成工程と、トレンチ１１１ａ〜１１３ａ内を埋め込んで読み出しゲート電極１５１〜１５３を形成するゲート電極形成工程と、光入射面と反対側の基板表面にゲート絶縁膜１４１と隣接し、かつ、各受光部１１１〜１１３と隔離して蓄積拡散層１６１を形成する蓄積拡散層形成工程とを有している。
このように、共通した掘り込み（トレンチ１１１ａ〜１１３ａ）の内壁に所定の不純物注入し、酸化シリコン膜（またはＣＶＤの高誘電体絶縁膜；ハフニュウムオキサイト：ＨｆＯ２・ＨｆＳｉＯ、これは同じ駆動電圧をかけてもチャネルに効率的に電圧がかかる）を形成して、ドープトシリコン（または金属材料）で内部を埋め込んで読み出しゲート電極１５１〜１５３を形成している。
以上の本実施形態１の固体撮像装置の製造方法を、図２〜図８を用いて更に詳細に説明する。
図２および図４〜図８はそれぞれ、本実施形態１の固体撮像装置の各製造工程を順次説明するための要部縦断面図、図３は、画素部配置例およびその画素部の平面視形状例とを示す平面図である。
図２に示すように、各色毎の所望の受光部拡散層を所望の深さに形成するために、半導体基板１０１に、青色光を検出する第１受光部拡散層１１１の形成領域が開口されるようにフォト・リソグラフィ技術を用いて図示しないレジストを開口させた後、イオン注入技術を用いて不純物注入を行い、その後、レジストを除去して、最上層として青色光を検出する第１受光部拡散層１１１を形成する。続いて同様に、フォト・リソグラフィ工程、イオン注入工程およびレジスト除去工程を繰り返し行うことによって、中間層として緑色光を検出する第２受光部拡散層１１２および、最下層として赤色光を検出する第３受光部拡散層１１３を順次形成する。
これらの受光部１１１〜１１３の拡散層と、電気的極性が異なる半導体基板１０１との半導体接合（ＰＮ接合）によって、光電変換部としてのフォトダイオード（受光部）が構成されている。なお、半導体基板１０１は、エピタキシャル層を一部または全部に有するシリコン基板であってもよく、フォトダイオード（受光部）は、そのエピタキシャル層内に形成してもよい。この場合には、信号電荷のノイズ成分を低減させて画質を向上させることができる。
各受光部としてそれぞれ、青色光を検出する第１受光部１１１は半導体基板１０１の光入射側表面から０．１μｍ以上０．４μｍ以下の深さの位置に設けられ、緑色光を検出する第２受光部１１２は半導体基板１０１の光入射側表面から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の深さの位置に設けられ、さらに、赤色光を検出する第３受光部１１３が半導体基板１０１の光入射側表面から０．８μｍ以上２．５μｍ以下の深さの位置に設けられている。このように、第１受光部１１１〜第３受光部１１３を配置することによって、光の三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の色信号全てを、１画素部内で、より正確に検出することが可能となる。
但し、各受光部１１１〜１１３の深さ位置は、検出される波長域および半導体基板材料の光吸収係数に応じて最適な深さ位置が設定されるので、上記深さ範囲は一般的な値であって、これに限定されるものではない。
上記各受光部１１１〜１１３は、各層毎に互いに異なる一基板平面方向において領域を延ばした状態で形成されている。例えば、図２では、最下層の受光部１１３が右側に延びており、中間層の受光部１１２が左側に延びており、最上層の受光部１１１は、図示されていないが、手前側かまたは奥側に延びて設けられている。また、平面視で説明すれば、図３（Ａ）に示すように、各受光部１１１〜１１３が正方形または矩形格子状に配列された画素部に対しては、各受光部１１１〜１１３を、異なる一基板平面方向の辺が延ばされた状態で形成する。このように、第１受光部１１１〜第３受光部１１３の形成領域を互いに異なる方向に延ばして配置し、トレンチを各受光部１１１〜１１３の延ばされた辺に隣接するように互いに異なる３方向に配置することによって、後述するが、読み出しゲート電極１５１〜１５３と各受光部領域１１１〜１１３とを、対応する色毎に各々独立して隣接させることが可能となり、よって、異なる色信号を別々に読み出すことが可能となる。
その後、図４に示すように、半導体基板１０１の全面にイオン注入を行い、第１受光部拡散層１１１の表面側に、受光部１１１と電気的極性が異なる逆導電型拡散層１２１を形成する。この逆導電型拡散層１２１を形成することによって、第１受光部１１１の拡散層から伸びた空乏層が半導体基板１０１の表面部に到達することを防ぐことが可能となり、基板表面の界面準位で発生した電荷による暗電圧ノイズを抑制して画質を向上させることができる。
続いて、図５に示すように、半導体基板１０１の両面上に、ＣＶＤ法などの手法によりシリコン酸化膜や窒化膜などの絶縁膜１２２を形成した後に、光入射面と反対側の基板表面にもフォト・リソグラフィ技術を用いて読み出しゲート電極の形成予定領域において図示しないレジストを開口させて、エッチング技術により絶縁膜１２２のエッチングを行い、レジストを除去した後、第１受光部拡散層１１１〜第３受光部拡散層１１３のそれぞれに達する深さまで半導体基板１０１のエッチングを行って、トレンチ１１１ａ〜１１３ａ（１１１ａは不図示）を形成する。この際、各トレンチはそれぞれ、上述した互いに異なる一基板平面方向に延ばされた状態で形成された第１受光部１１１〜第３受光部１１３の形成領域と重なり合う状態で配置されている。
さらに、図５に示すように、各受光部１１１〜１１３の拡散層と電気的極性が異なる導電型不純物の原料ガス雰囲気下においてアニールを施す。これにより、半導体基板１０１の表面では絶縁膜１２２により不純物拡散が阻止されるが、トレンチ側面からは気相拡散されるため、トレンチ側面のみ、第１受光部拡散層１１１〜第３受光部拡散層１１３と電気的極性が異なるチャネル拡散層１３１が形成される。このとき、第１受光部拡散層１１１〜第３受光部拡散層１１３の深さまでのトレンチ側面においても不純物が拡散され、逆導電型拡散層１３２が同時に形成される。これにより、第１受光部拡散層１１１〜第３受光部拡散層１１３から空乏層がトレンチ界面に伸びることを抑えることが可能となり、トレンチ界面に存在する界面準位において発生する暗電圧ノイズを抑制して、画質を向上させることができる。また、上述した互いに異なる一基板平面方向に延ばされた状態で形成された第１受光部１１１〜第３受光部１１３の形成領域とトレンチが重なり合った箇所においては、低濃度チャネル拡散層１３３が自己整合的に形成される。これにより、第１受光部１１１〜第３受光部１１３に相当する深さにおいて、完全空乏化させるために必要な読み出しゲート電圧が低くなり、低電圧での読み出しが可能となる。さらに、第１受光部１１１〜第３受光部１１３が直接トレンチ側面に接することがないため、トレンチ界面に存在する界面準位において発生する電荷による暗電圧ノイズを抑制して、画質を向上させることができる。
続いて、図６に示すように、半導体基板１０１の両表面の絶縁膜１２２を除去した後、例えば熱酸化によりトレンチ１１１ａ〜１１３ａ内の側壁（内壁）を覆うようにゲート絶縁膜１４１を形成する。トレンチ１１１ａ〜１１３ａ内に、ゲート電極材料として例えばリンドープ・ポリシリコンを気相成長させてトレンチ１１１ａ〜１１３ａ内を埋め込んだ後、例えば半導体基板１０１の表面全面をエッチングすることにより基板表面に形成された不要なゲート電極材料を除去して、読み出しゲート電極１５１〜１５３を形成する。ここで、各読み出しゲート電極１５１〜１５３は、互いに絶縁性を保って設けられているものとする。
次に、図７に示すように、光入射面に対して反対側の基板表面に対して、フォト・リソグラフィ工程を用いて図示しないレジストを開口させた後、イオン注入技術を用いて各受光部１１１〜１１３と同じ電気的極性を有する不純物の注入を行い、その後、レジストを除去して蓄積拡散層１６１を形成する。ここで、蓄積拡散層１６１は、上記トレンチ側面のゲート絶縁膜１４１に隣接する状態で、かつ、第１受光部１１１〜第３受光部１１３から離れた状態で形成することが必要である。また、蓄積拡散層１６１の不純物濃度は、受光部拡散層１１１〜１１３の不純物濃度よりも高く設定する必要がある。これにより、本実施形態１においては、読み出しゲート電極１５１〜１５３に電圧を印加した場合に、トレンチ側壁に形成されたチャネル拡散層１３１を経て、各受光部１１１〜１１３でそれぞれ生成された信号電荷を、半導体基板表面に形成された各蓄積拡散層１６１にそれぞれ読み出すことができる。
さらに、図８に示すように、公知のフォト・リソグラフィ技術およびイオン注入技術によって、各受光部１１１〜１１３の光入射面側とは反対側に、ウェル１６２を複数形成した後、信号出力に係る信号読出回路として、各蓄積拡散層１６１にて信号電荷を変換した信号電圧に応じて増幅するための増幅トランジスタ１６３および、各蓄積拡散層１６１を所定電圧にリセットするためのリセットトランジスタ１６４などの複数のトランジスタを、光入射面と反対側の基板表面に公知技術によって形成する。この信号読出回路の各トランジスタは、図８ではウェル１６２内およびその上に設けられている。その後、配線間を絶縁するための層間絶縁膜１８１〜１８４、信号電荷の転送経路となる配線層１９１〜１９３およびビアコンタクト１７１を、光入射面側とは反対側の半導体基板１０１の表面に公知の技術によって形成し、配線層１９１〜１９３を介して蓄積拡散層１６１と増幅トランジスタ１６３およびリセットトランジスタ１６４を接続し、読み出しゲート電極１５１〜１５３と図示しない画素選択回路とを接続する。
以上のようにして、図１に示すような本実施形態１に係る固体撮像装置１０を作製することができる。
図９は、図１中にＡ−Ｂ−Ｃで示した信号電荷の電荷転送径路におけるポテンシャル分布を模式的に示したポテンシャル分布図である。
図９に実線で示すように、読み出しゲート電極１５３に読み出し電圧が印加されていない場合には、チャネル拡散層１３１および低濃度チャネル拡散層１３３のポテンシャルが、受光部１１３の拡散層のポテンシャルよりも高くなっているため、受光部１１３側から信号電荷が流れ出ることがない。
また、図９に点線で示すように、読み出しゲート電極１５３に信号電圧が印加された場合には、チャネル拡散層１３１および低濃度チャネル拡散層１３３のポテンシャルが、受光部１１３の拡散層のポテンシャルよりも低く押し下げられるため、受光部１１３に蓄積された信号電荷が流れ出し、信号電荷検出部としての蓄積拡散層１６１に読み出される。
ここで、他の受光部１１１および１１２の拡散層に蓄積された多色の信号電荷に関しては、トレンチがそれらの受光部１１１および１１２の拡散層から離れているため、信号電荷が流れ出ることはない。このため、各色に対応した信号電荷を、独立して読み出すことができる。
以上のように、本実施形態１によれば、カラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に、低電圧にて読み出し可能な、高感度かつ高解像度の固体撮像装置１０を実現することができる。
なお、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、半導体基板１０１の光入射面と反対側の基板表面から、平面視で互いに重ならない受光部１１１〜１１３の位置にそれぞれ到達する各トレンチ１１１ａ〜１１３ａがそれぞれ設けられ、各トレンチ１１１ａ〜１１３ａにそれぞれ読み出しゲート電極１５１〜１５３が設けられ、読み出しゲート電極１５１〜１５３の駆動時に、複数の受光部１１１〜１１３からそれぞれ各トレンチ１１１ａ〜１１３ａの側壁部分をそれぞれ介して、光入射面と反対側の基板表面部側にそれぞれ独立して電荷転送可能とする電荷転送部が設けられている。この電荷転送部は、各トレンチ１１１ａ〜１１３ａがそれぞれ、積層された受光部１１１〜１１３の各層毎に、互いに異なる一基板平面方向においてそれぞれ隣接するように配置され、トレンチ１１１ａ〜１１３ａの内壁がゲート絶縁膜１４１により覆われて、各トレンチ１１１ａ〜１１３ａ内にそれぞれ各読み出しゲート電極材料がそれぞれ埋め込まれている。これによって、カラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に低電圧にて読み出し可能な、高感度かつ高解像度の固体撮像装置を得ることができる本発明の目的を達成することができる。
（実施形態２）
上記実施形態１では、図３（Ａ）に示すように、各受光部１１１〜１１３が平面視で正方形または矩形格子状に配列された複数の画素部のそれぞれに対して、３層の各受光部１１１〜１１３を、異なる一基板平面方向の辺が中心から離れる方向に延ばされた状態（各受光部１１１〜１１３が平面視で互いに重ならないように受光領域が外側に辺と共に延ばされた状態）で形成されているが、本実施形態２では、図３（Ｂ）に示すように、各画素部がそれぞれ、平面視で六角形状で互いに半周期分ずれたハニカム状（蜂の巣性）に配置されて、３層の各受光部２１１〜２１３を、異なる一基板平面方向の辺が中心から離れる方向に延ばされた状態（各受光部２１１〜２１３が平面視で互いに重ならないように受光領域が外側に辺と共に延ばされた状態）で形成されている場合について説明する。
各受光部２１１〜２１３がそれぞれ六角形状でハニカム状に配置され、各受光部２１１〜２１３が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に隣接するように、読み出し電極２５１ａ〜２５３ａが各辺に沿って互いに異なる３方向に配置されている。
このように、１画素部が六角形状の場合には、本実施形態２の固体撮像素子２００は、各受光部２１１〜２１３を、異なる一基板平面方向の辺が外側に領域と共に延ばされた状態で形成する。この場合のトレンチは、各受光部２１１〜２１３の延ばされた辺（６角形の一つ置きの辺）に隣接するように互いに異なる３方向に配置される。この構成では、各画素部をアレイ配列した場合においても、転送トランジスタ（電荷転送部）の読み出しゲート電極となるトレンチ部が、互いに隣接する各画素部（各受光部２１１〜２１３）の各辺に、平面視で互いに重ならないように配列されている。このため、六角形状の１画素部の周囲の全ての６辺が読み出しゲート電極となるトレンチ部（隣の固体撮像素子２００も含む）により囲まれることになる。これによって、このトレンチ部を用いて画素分離を行うことが可能となり、単位画素部の設置面積をより一層抑えて、更なる高解像度化を図ることができる。これによって、この固体撮像素子２００の他、信号読出回路を有する固体撮像装置２０が構成される。
なお、本実施形態２では、各受光部２１１〜２１３がそれぞれ六角形状でハニカム状に配置され、各受光部２１１〜２１３が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に隣接するように、読み出し電極２５１ａ〜２５３ａが各辺に沿って互いに異なる３方向に配置されている場合について説明したが、これに限らず、各受光部２１１〜２１３が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に隣接するように、読み出し電極２５１ａ〜２５３ａが各辺に沿って互いに異なる２方向に配置されていてもよい。
（実施形態３）
上記実施形態１では、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色光を検出するために３層の各受光部１１１〜１１３により積層された固体撮像素子１０について説明したが、本実施形態３では、四色の光を検出するために４層に各受光部が積層された固体撮像素子を持つ固体撮像装置の場合について説明する。
本実施形態３では、複数Ｎ層の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部から第Ｎ（Ｎは自然数）波長域の電磁波を検出する第Ｎ受光部というＮ個の受光部を半導体基板の深さ方向に有している。ここでは、複数Ｎ層の受光部が例えば４層の場合である。この場合には、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部と、さらに、第４波長域の電磁波を検出する第４受光部というように、４層（４色）の受光部を積層した場合においても、上記実施形態１の場合と同様に形成することができる。
各受光部は、例えば、青色光を検出する第１受光部が半導体基板の光入射側表面から０．１μｍ以上０．４μｍ以下の深さの位置に設けられ、エメラルド色光を検出する第２受光部が半導体基板の光入射側表面から０．３μｍ以上０．６μｍ以下の深さの位置に設けられ、緑色光を検出する第３受光部が半導体基板の光入射側表面から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の深さの位置に設けられ、赤色光を検出する第４受光部が半導体基板の光入射側表面から０．８μｍ以上２．５μｍ以下の深さの位置に設けられている。このように、第１受光部〜第４受光部を配置することによって、光の三原色とエメラルド色光の色信号全てを１画素部内で、より正確に検出することが可能となる。よって、空や海が鮮明な画像を得ることができる。また、人の肌色を鮮明に出すためには、このエメラルド色光を検出する受光部に代えて、肌色光を検出する受光部を、これに適合した半導体基板の深さ位置に設ければよい。但し、各受光部の深さ位置は、検出される波長域および半導体基板材料の光吸収係数に応じて最適な深さ位置が設定されるので、上記深さ範囲は一般的な値であって、これに限定されるものではない。
また、トレンチ部の配置であるが、本実施形態３の固体撮像素子３００では、例えば、図３（Ｃ）に示すように、平面視で正方形又は矩形格子状に配列された複数の画素部に対して、１画素部毎の各受光部３１１〜３１４を、互いに異なる一方向の辺の一部領域（例えば辺半分よりも短い辺部分）を外側に延ばした状態（延ばした部分が互いに重ならない状態）で形成している。このように、第１受光部３１１〜第４受光部３１４の形成領域を互いに異なる方向に外側に延ばして配置（４辺に配置）し、各トレンチ部３５１〜３５４を各受光部３１１〜３１４の延ばされた領域の辺（４角形の辺）に隣接するように互いに異なる４方向（辺に沿った方向）に配置することによって、三原色光の場合と全く同様に４色の異なる色信号を別々に読み出すことが可能となる。この場合においても、画素部の周囲の全ての正方形４辺が、読み出しゲート電極となるトレンチ部３５１〜３５４により囲まれているため、このトレンチ部３５１〜３５４を用いて画素分離を行うことも可能となり、単位画素部の設置面積をより一層抑えて、更なる高解像度化を図ることができる。
以上により、上記実施形態１〜３によれば、半導体基板１０１の深さ方向に、入射光の光吸収係数の波長依存性に対応する深さにて積層されたＮ層の各受光部を有する固体撮像素子が基板平面方向に２次元状で周期的に配置されており、各受光部に到達する所定深さを有し、かつ、各受光部に対して互いに異なる一基板平面方向おいてのみ隣接するようにトレンチ部が設けられている。このトレンチ部の内壁は、ゲート絶縁膜１４１により覆われ、トレンチ部内に読み出しゲート電極材料が埋め込まれており、光入射面と反対側の基板表面においてトレンチ部に隣接し、かつ、各受光部と離隔されて蓄積拡散層１６１が設けられている。これによって、カラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に低電圧にて読み出し可能とする高感度かつ高解像度の固体撮像装置を得ることができる。
なお、光入射側表面から第１受光部までの深さが、空乏層厚として０．２μｍ以上２．０μｍの範囲で白色光を検出し、光入射側表面から第２受光部までの深さが３．０μｍ±０.３μｍの範囲で赤外光を検出するように受光部が上下の２層としてもよい。また、受光部が上下の２層の別の場合として、光入射側表面から第１受光部までの深さが０.１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で紫外光を検出し、光入射側表面から第２受光部までの深さが、空乏層厚として０．２μｍ以上２．０μｍの範囲で白色光を検出するようにしてもよい。さらに、光入射側表面から第１受光部までの深さが０.１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で紫外光を検出し、光入射側表面から第２受光部までの深さが３．０μｍ±０.３μｍの範囲で赤外光を検出するようにしてもよい。この場合に、光入射側表面から各受光部までの深さとして、第１受光部の代わりに、正確に表現したい色光に対応する受光部深さに設定した受光部を追加するようにしていてもよい。
（実施形態４）
本実施形態４では、被写体からの画像光を光電変換して撮像する上記実施形態１〜３の固体撮像素子１００〜３００の少なくともいずれかを有する固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に設けた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラ、テレビジョン電話用カメラおよび携帯電話用カメラなどの画像入力カメラ、さらに、画像入力部を有するスキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器について説明する。
本実施形態４の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１〜３の固体撮像装置の少なくともいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。
以上により、本実施形態４によれば、例えばデジタルカメラや、各種画像入力カメラ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器において、固体撮像装置において必要とされていたカラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に低電圧にて読出し可能な、高感度かつ高解像度の固体撮像装置を備えた高性能な電子情報機器を実現することができる。
なお、上記実施形態１〜３では、ＣＭＯＳ型イメージセンサに適用した場合について説明したが、これに限らず、ＣＣＤ型イメージセンサのように垂直転送部に信号電荷を読み出して垂直転送し、さらに、水平転送部を介して信号検出部で信号検出を行う場合にも、本発明が適用できて垂直転送部および水平転送部が受光面側とは反対側に設けられていればよい。
また、上記実施形態１では、光入射面と反対側の基板表面にゲート絶縁膜１４１と隣接し、かつ、受光部１１１〜１１３と隔離された状態で蓄積拡散層１６１が設けられ、逆導電型拡散層に、受光部１１１〜１１３から蓄積拡散層１６１に信号電荷を転送するためのチャネル領域１３１が設けられており、反対側の基板表面から複数の受光部１１１〜１１３の各深さまでのトレンチ１１１ａ〜１１３ａの側面に設けられた逆導電型拡散層１３２により、基板表面に沿った方向に隣接する固体撮像素子が互いに電気的に素子分離されている場合について説明したが、これに限らず、光入射面側にゲート絶縁膜１４１と隣接し、かつ、受光部１１１〜１１３と隔離された状態で蓄積拡散層１６１が設けられ、逆導電型拡散層に、受光部１１１〜１１３から蓄積拡散層１６１に信号電荷を転送するためのチャネル領域１３１が設けられており、光入射面と反対側の基板表面側から複数の受光部１１１〜１１３の各深さまでのトレンチ１１１ａ〜１１３ａの側面に設けられた逆導電型拡散層１３２により、基板表面に沿った方向に隣接する固体撮像素子が互いに電気的に素子分離されているように構成することもできる。この場合には、トレンチ１１１ａ〜１１３ａの深さを浅く設定することができて製造方法が容易になる。
さらに、上記実施形態１では、複数の固体撮像素子１００内にそれぞれ、複数の固体撮像素子１００のうちの所定の固体撮像素子１００を選択して信号出力する信号出力回路が設けられ、この信号出力回路は、半導体基板１０１の光入射面側とは反対側から形成された複数のトランジスタによって構成されている場合について説明したが、これに限らず、この信号出力回路が、半導体基板１０１の光入射面側から形成された複数のトランジスタによって構成されていてもよい。
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜４を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜４に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜４の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、ＣＭＯＳ型イメージセンサやＣＣＤ型イメージセンサなどの固体撮像装置、特に、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部によって波長が異なる電磁波を分離検出する方式の固体撮像装置、および、その固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた、例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、各種画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、固体撮像装置特有の光学的特性に係わる製造プロセスとしてのカラーフィルタ形成工程を削減することができるため、生産性を向上させることができる。また、各色信号に対する受光部を積層して形成することができるため、各画素部の受光領域面積を拡大して、受光感度の向上による高画質化を図ることができる。
また、読み出しゲート電極を半導体基板のトレンチ部内に形成して、各色信号に対する各受光部から縦方向に読み出すため、読み出しゲート電極と受光部とが隣接し、かつ読み出しゲート電極とチャネル部との距離が近いため、より低い読み出し電圧により信号電荷を読み出すことができて、消費電力を抑えることができる。さらに、転送通路としての高濃度拡散層を形成する必要がなく、また、基板表面に読み出しゲート電極を設置する必要がないため、その分、設置面積を小さくして、実質的に各画素の受光領域面積を拡大することができるため、感度の向上による高画質化を図ることができる。
さらに、配線層が光入射面と反対側表面に設けられているため、各画素部（各受光部）から出力される信号電荷を転送するための配線層を、各画素部間に配置する必要がなく、配線層の設置面積によって固体撮像装置の解像度低下を招くことがない。さらに、光入射面側と反対側に、信号電荷の増幅や受光部からの信号電荷の電気的リセットに必要なトランジスタを形成することが可能であり、トランジスタ配置面積により各画素部の受光領域面積が圧迫されることがないため、固体撮像装置の解像度低下を招くことがなく、受光領域面積を拡大することにより受光感度向上による高画質化を図ることができる。また、光入射面側（例えば各受光部と各受光部との間；隣接固体撮像素子間）に信号読出回路やその配線を設けてもよい。この場合には、トレンチ深さが浅くてもよいため、製造が容易になる。
したがって、本発明によれば、従来の固体撮像装置において必要とされていたカラーフィルタが不要で、複数色に対応した信号電荷を別々に低電圧にて読み出し可能な、高感度かつ高解像度の固体撮像装置を、カラーフィルター形成工程が削減された簡略な製造工程により実現することができる。また、その固体撮像装置を入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を実現することができる。
本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の要部構成例を示す縦断面図である。 図１の固体撮像装置の製造方法における固体撮像素子製造工程を説明するための要部縦断面図である。 （Ａ）は、図１の固体撮像素子として正方形格子状に画素部が配置された場合に、各色で互いに異なる３方向に受光部拡散層を延ばして配置した固体撮像装置の撮像領域の要部構成例を示す平面図であり、（Ｂ）は、本実施形態２の固体撮像素子として六角形状の画素部がハニカム状に配置された場合に、互いに異なる３方向に受光部拡散層を延ばして配置した固体撮像装置の撮像領域の要部構成例を示す平面図であり、（Ｃ）は、本実施形態３の固体撮像素子として正方形格子状に画素部が配置された場合に、各色で互いに異なる４方向に受光部拡散層を延ばして配置した固体撮像装置の撮像領域の要部構成例を示す平面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造方法における製造工程を説明するための要部縦断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造方法における製造工程を説明するための要部縦断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造方法における製造工程を説明するための要部縦断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造方法における製造工程を説明するための要部縦断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造方法における製造工程を説明するための要部縦断面図である。 図１にＡ−Ｂ−Ｃで示す電荷転送径路におけるポテンシャル分布を示す図である。
符号の説明
１０、２０、３０ 固体撮像装置
１００、２００、３００ 固体撮像素子
１０１ 半導体基板
１１１ 第１受光部
１１２ 第２受光部
１１３ 第３受光部
１２１ 逆導電型拡散層
１２２ 絶縁膜
１３１ チャネル拡散層
１３２ 逆導電型拡散層
１３３ 低濃度チャネル拡散層
１４１ ゲート絶縁膜
１５１、１５２、１５３ 読み出しゲート電極
１６１ 蓄積拡散層
１６２ ウェル
１６３ 増幅トランジスタ
１６４ リセットトランジスタ
１７１ ビアコンタクト
１８１、１８２、１８３、１８４ 層間絶縁膜
１９１、１９２、１９３ 配線層
２１１、３１１ 第１受光部形成領域
２１２、３１２ 第２受光部形成領域
２１３ ３１３ 第３受光部形成領域
３１４ 第４受光部形成領域
２５１、３５１ 第１受光部用の読み出しゲート電極形成領域
２５２、３５２ 第２受光部用の読出しゲート電極形成領域
２５３、３５３ 第３受光部用の読出しゲート電極形成領域
３５４ 第４受光部用の読出しゲート電極形成領域

Claims (31)

  1. 半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が基板表面に沿った方向に周期的に配列され、入射される電磁波のうち、該半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が該各受光部でそれぞれ検出されて信号電荷がそれぞれ生成される固体撮像装置において、
    該半導体基板の光入射面または該光入射面と反対側の基板表面から、平面視で互いに重ならない受光部の位置にそれぞれ到達する各トレンチ部がそれぞれ設けられ、該各トレンチ部にそれぞれ読み出しゲート電極が設けられ、該読み出しゲート電極の駆動時に、該複数の受光部からそれぞれ該各トレンチ部の側壁部分をそれぞれ介して、該光入射面側または、該光入射面側と反対側の基板表面部側にそれぞれ独立して電荷転送可能とする電荷転送部が設けられている固体撮像装置。
  2. 前記電荷転送部は、前記各トレンチ部がそれぞれ、積層された受光部の各層毎に、互いに異なる一基板平面方向においてそれぞれ隣接するように配置され、該各トレンチ部の内壁がゲート絶縁膜により覆われて、当該各トレンチ部内にそれぞれ各読み出しゲート電極材料がそれぞれ埋め込まれている請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記トレンチ部の側壁に、該側壁を覆うゲート絶縁膜に沿って、前記複数の受光部とは電気的極性が異なる逆導電型拡散層が設けられている請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記光入射面または該光入射面と反対側の基板表面に前記ゲート絶縁膜と隣接し、かつ、前記受光部と隔離された状態で蓄積拡散層が設けられており、前記逆導電型拡散層に、該受光部から該蓄積拡散層に信号電荷を転送するためのチャネル領域が設けられている請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記チャネル領域は、前記受光部とは電気的極性が異なるチャネル拡散層である請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数の受光部の形成領域と前記チャネル領域とが重なる領域には、低濃度のチャンネル拡散層が形成されている請求項４または５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記光入射面と反対側の基板表面から、または、該光入射面から前記複数の受光部の各深さまでの前記トレンチ部の側面に設けられた逆導電型拡散層により、基板表面に沿った方向に隣接する固体撮像素子が互いに電気的に素子分離されている請求項３に記載の固体撮像装置。
  8. 前記複数の受光部がそれぞれ平面視正方形または矩形格子状であり、該複数の受光部が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に該辺に隣接するように、前記トレンチ部が該辺に沿って互いに異なる２方向または３方向に配置されている請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
  9. 前記複数の受光部がそれぞれ六角形状でハニカム状に配置され、該複数の受光部が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた辺毎に該辺に隣接するように、前記トレンチ部が該辺に沿って互いに異なる２方向または３方向に配置されている請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
  10. 前記複数の受光部がそれぞれ平面視正方形または矩形格子状であり、該複数の受光部が平面視で互いに重なる形状から、平面視で互いに重ならないように外側に延ばされた一部辺毎に該一部辺に隣接するように、前記トレンチ部が該一部辺に沿って互いに異なる４方向に配置されている請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
  11. 前記半導体基板がエピタキシャル層を有するシリコン基板であり、前記複数の受光部がそれぞれ、互いに異なる導電型の半導体接合によりそれぞれ形成されたフォトダイオードからそれぞれなっている請求項１、２、４および７のいずれかに記載の固体撮像装置。
  12. 前記複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部から第Ｎ（Ｎは自然数）波長域の電磁波を検出する第Ｎ受光部のＮ個の受光部を有する請求項１および８〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
  13. 前記複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部とを有する請求項１、８，９および１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
  14. 前記複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部とを有する請求項１、８、９および１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
  15. 前記複数の受光部として、第１波長域の電磁波を検出する第１受光部と、第２波長域の電磁波を検出する第２受光部と、第３波長域の電磁波を検出する第３受光部と、第４波長域の電磁波を検出する第４受光部とを有する請求項１、１０および１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
  16. 前記半導体基板の光入射面から前記第１受光部までの深さは０．２μｍ以上２．０μｍ以下の範囲内で白色光を検出し、該光入射面から前記第２受光部までの深さは３．０μｍ±０.３μｍの範囲内で赤外光を検出する請求項１２または１３に記載の固体撮像装置。
  17. 前記半導体基板の光入射面から前記第１受光部までの深さは０.１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で紫外光を検出し、該光入射面から前記第２受光部までの深さは空乏層厚として０．２μｍ以上２．０μｍの範囲で白色光を検出する請求項１２または１３に記載の固体撮像装置。
  18. 前記半導体基板の光入射面から前記第１受光部までの深さは０.１μｍ以上０．２μｍ以下の範囲で紫外光を検出し、該光入射面から前記第２受光部までの深さは３．０μｍ±０.３μｍの範囲内で赤外光を検出する請求項１２または１３に記載の固体撮像装置。
  19. 前記半導体基板の光入射側表面から前記第１受光部までの深さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第２受光部までの深さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第３受光部までの深さは０．８μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内であり、三原色光を検出する請求項１４に記載の固体撮像装置。
  20. 前記半導体基板の光入射側表面から前記第１受光部までの深さは０．１μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第２受光部までの深さは０．３μｍ以上０．６μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第３受光部までの深さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第３受光部までの深さは０．８μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内であり、三原色光とエメラルド色光を検出する請求項１５に記載の固体撮像装置。
  21. 前記複数の固体撮像素子内にそれぞれ、該複数の固体撮像素子のうちの所定の固体撮像素子を選択して信号出力する信号出力回路が設けられ、該信号出力回路は、前記半導体基板の光入射面側とは反対側または、該光入射面側から形成された複数のトランジスタによって構成されている請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
  22. 前記複数の固体撮像素子内にそれぞれ、該複数の固体撮像素子のうちの所定の固体撮像素子を選択して信号出力する信号出力回路が設けられ、該信号出力回路を構成するトランジスタは、該固体撮像素子内の不純物拡散層ウェル内および該不純物拡散層ウェル上に設けられている請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
  23. 前記信号出力回路は、前記受光部から前記蓄積拡散層に電荷転送された信号電圧に応じて信号増幅させる増幅トランジスタと、電荷転送の前に、該蓄積拡散層の信号電圧を所定電圧にリセットするためのリセットトランジスタとを有している請求項２１または２２に記載の固体撮像装置。
  24. 前記信号出力回路からの信号出力経路は、前記半導体基板の光入射面側とは反対側に形成された配線層によって構成されている請求項２１〜２３のいずれかに記載の固体撮像装置。
  25. 前記ゲート絶縁膜は、酸化膜または高誘電体絶縁膜である請求項２〜４および１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
  26. 前記酸化膜は酸化シリコン膜である請求項２５に記載の固体撮像装置。
  27. 前記高誘電体絶縁膜はハフニュウムオキサイトである請求項２５に記載の固体撮像装置。
  28. 前記読み出しゲート電極材料はドープトシリコン材料かまたは金属材料である請求項２に記載の固体撮像装置。
  29. ＣＭＯＳ型イメージセンサまたはＣＣＤ型イメージセンサである請求項１に記載の固体撮像装置。
  30. 請求項１〜２９のいずれかに記載の固体撮像装置が画像入力デバイスとして撮像部に設けられた電子情報機器。
  31. 半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が基板表面に沿った方向に周期的に配列され、入射される電磁波のうち、該半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が該各受光部でそれぞれ検出されて信号電荷がそれぞれ生成される固体撮像装置の製造方法において、
    該半導体基板の深さ方向に第１受光部拡散層から第Ｎ受光部拡散層（Ｎは自然数）を、各層毎に平面視で互いに重ならない部分を有するように互いに重なり合う領域から一基板平面方向に領域を辺と共に延ばした状態で順に形成する受光部形成工程と、
    光入射面の基板表面に該各受光部と電気的極性が異なる逆導電型拡散層を形成する逆導電型拡散層形成工程と、
    該光入射面と反対側の基板表面から、該各受光部にそれぞれ到達する深さを有し、積層された受光部の各層毎に互いに異なる一基板平面方向の辺に隣接するように配置されたトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
    該トレンチの側面に、該各受光部と電気的極性が異なる逆導電型拡散層を形成するトレンチ側面拡散層形成工程と、
    該トレンチの内壁を覆うようにゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
    該トレンチ内を埋め込んで読み出しゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
    該光入射面と反対側の基板表面に該ゲート絶縁膜と隣接し、かつ、該受光部と隔離して蓄積拡散層を形成する蓄積拡散層形成工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
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