JP2010135700A - 固体撮像装置、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率が高く、感度の向上が図られた固体撮像装置を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、光を受光して信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部４ｂ、４ｇ、４ｒを基板１２ｂ、１２ｇ、１２ｒ内に有する半導体チップ１０ｂ、１０ｇ、１０ｒが積層された構成の画素部３を有するものである。画素部３を構成するこれらの複数の半導体チップ１０は、それぞれ異なる波長の光Ｌｂ、Ｌｇ，Ｌｒに応じて信号電荷を生成、蓄積するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置、及び当該固体撮像装置を備えた電子機器に関する。

従来、固体撮像装置として、ＣＣＤ型や、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。
ＣＣＤ型の固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ）や、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）における色分光は、主にカラーフィルタを用いることで実現される。カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、１画素に１種類のカラーフィルタを搭載し、主に赤、緑、青のカラーフィルタを有する３つの画素回路を隣り合わせて配置する。そして、このようなカラーフィルタを用いたイメージセンサでは、異なる色のカラーフィルタを搭載する隣り合う画素に入射した光の情報を用いることで、色の生成が行われている。そのため、カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、任意の画素に生成される色と、実際にその画素に入射した光の色が異なるという偽色が生じる。

また、このようにカラーフィルタを用いるイメージセンサでは、１画素において受光できる光は、厳密には、カラーフィルタに対応した１色のみであり、三分の一の光しか利用することができない。よって、光利用効率が悪く、感度も低くなる。また、三分の二の光がカラーフィルタに吸収されることになるので、カラーフィルタの耐光性次第で、製品寿命に響くこともある。

そこで、入射光量を効率よく利用するために、１画素において、基板内の深さ方向に複数のフォトダイオードを形成することで、分光する方法が開発されている。

特許文献１においては、例えば、図１３に示すように、ｐ型のＳｉ基板１００中に、ｎ型半導体層１０２／ｐ型半導体層１０４／ｎ型半導体層１０６の３層構造を形成し、深さ方向に浅い方から、青、緑、赤の光を光電変換して取り出す色分離方法が記載されている。この方法においては、Ｓｉ基板１００表面において、それぞれの層に接続されたそれぞれの端子により、青、緑、赤の信号が外部に出力される。これは、波長の長さと、深さ方向における光の吸収の性質を利用したものである。これにより、１画素での色分離が可能となる。さらに、カラーフィルタを用いないため、赤、緑、青の波長の異なる色が単位画素内に入射する。このために光量の損失も少なくなる。

しかしながら、図１３に示す構成では、全ての色分離が、バルクの中で行われるため、構造設計の自由度が低く、混色の発生も避けられない問題がある。また、バルク中のポテンシャルの形成が難しく、信号電荷の取り出しも難しいという欠点も存在する。

一方、特許文献２には、光電変換膜を複数段に積層した受光部を有する固体撮像装置についての記載がある。光電変換膜を用いるときには、膜中に電荷が蓄積されるため、この電荷を読み出すときに、電荷が残留し、原理的に残像が発生しやすい。また、特許文献２では、３層の光電変換膜を半導体基板の上に順に積層し、且つ、各光電変換膜で発生したＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）毎の信号をそれぞれ半導体基板に形成した信号読み出し回路に接続する縦配線を形成する必要がある。このため、製造が困難で、製造の歩留まりが低いため、コストがかかるという問題がある。

また、特許文献３には、光電変換膜とカラーフィルタとを交互に積層した受光部を有する固体撮像装置についての記載がある。この場合も、前述と同様、光電変換膜中に電荷が蓄積されるため、電荷読み出し時において、電荷が残留し残像が発生しやすい。
特表２００２−５１３１４５号公報 特開２００４−３３５６２６号公報 特開２００５−３４７３８６号公報

上述の点に鑑み、本発明は、光の利用効率が高く、感度の向上が図られた固体撮像装置を提供するものである。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供するものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光を受光して信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を基板内に有する半導体チップが複数積層された構成の画素部を有するものである。画素部を構成するこれらの複数の半導体チップは、それぞれ異なる波長の光に応じて信号電荷を生成、蓄積するものである。

本発明の固体撮像装置では、画素部が、異なる光に応じた信号電荷を生成、蓄積することのできる複数の半導体チップが積層されて構成されているので、１画素分で、複数の色の光が吸収され、光電変換される。また、各半導体チップでは、それぞれ異なる波長の光に応じた信号電荷が生成、蓄積される。これにより、混色が低減される。

また、本発明の電子機器は、光学レンズと、固体撮像装置と、信号処理回路とから構成される。この固体撮像装置は、光を受光して信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を基板内に有する半導体チップが複数積層された構成の画素部を有するものである。画素部を構成するこれらの複数の半導体チップは、それぞれ異なる波長の光に応じて信号電荷を生成、蓄積するものである。

本発明の電子機器では、固体撮像装置において、画素部が、異なる光に応じた信号電荷を生成、蓄積することのできる複数の半導体チップが積層されて構成されているので、１画素分で、複数の色の光に応じた信号電荷が発生し、これにより、画像が得られる。

本発明によれば、感度の向上、及び残像の低減が図られた固体撮像装置及び電子機器が得られる。

以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器の一例を、図１〜図１２を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．固体撮像装置（ＣＣＤ型）の全体構成例
２．第１の実施形態：基本構成例
３．第２の実施形態：カラーフィルタを用いる例
４．第３の実施形態：カラーフィルタ及び支持層を用いる例
５．第４の実施形態：カラーフィルタを兼ねた支持層を用いる例
６．第５の実施形態：半導体チップにおいて、受光部と電荷転送部とで基板の厚みが異なる例
７．第６の実施形態：隣接する半導体チップを直接貼り合わせる例
８．第７の実施形態：ＣＭＯＳ型の固体撮像装置に適用する例
９．第８の実施形態：電子機器（カメラ）

〈１．固体撮像装置（ＣＣＤ型）の全体構成例〉
まず、図１に、以下の第１〜第６の実施形態で共通の構成とされる、ＣＣＤ型の固体撮像装置の全体構成を示す。

図１に示すように、ＣＣＤ型の固体撮像装置１は、水平方向及び垂直方向に形成された複数の受光センサ部４と、ＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ５と、ＣＣＤ構造の水平転送レジスタ６と、出力回路８とを有して構成される。

受光センサ部４は、光電変換素子、すなわちフォトダイオードにより構成されるものであり、受光した光の光量に応じて信号電荷の生成、蓄積をするものである。
垂直転送レジスタ５は、垂直方向に配列される受光センサ部４に共通して、列ごとに複数本形成されるものであり、受光センサ部４に蓄積された信号電荷を読み出して、垂直方向に転送するものである。

各受光センサ部４と、受光センサ部４に隣接する垂直転送レジスタ５の一部を有して、各画素７が構成されている。そして、この画素７が水平方向及び垂直方向にマトリクス状に形成されている領域が画素部３とされている。画素部３は、光を受光して信号を出力するための有効画素領域と、黒レベルの基準になる光学的黒（ＯＰＢ：Optical Black ）の為の無効画素領域とから構成されている。図示しないが、無効画素領域は、有効画素領域の周辺に形成されるものである。

水平転送レジスタ６は、例えば、垂直転送レジスタ５の一端に形成されるものであり、垂直転送レジスタ５により垂直転送された信号電荷を、一水平ライン毎に転送するものである。

出力回路８は、水平転送レジスタ６により水平転送された信号電荷を電荷電圧変換することにより、画素信号として出力するものである。

以下に説明する第１〜第６の実施形態では、固体撮像装置の画素部３の断面構成について説明する。

〈２．第１の実施形態：基本構成例〉
［断面構成］
図２Ａは本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の、１画素分の概略斜視図であり、図２Ｂは１画素分の概略断面構成図である。

本実施形態例の固体撮像装置の画素部３は、図２Ａに示すように、複数段（本実施形態例では３段）に積層された複数の半導体チップ１０と、その複数の半導体チップ１０を互いに接続する接続パッド９を有する。
本実施形態例では、画素部３を構成する各半導体チップ１０を、光が入射される側から順に、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒとして説明する。また、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒを特に区別しない場合は、半導体チップ１０として説明する。

図２Ｂに示すように、第１半導体チップ１０ｂは、基板１２ｂ内に形成された受光センサ部４ｂと、受光センサ部４ｂで蓄積された信号電荷を読み出し、出力する出力部となる垂直転送レジスタ５ｂとを有して構成れている。第２半導体チップ１０ｇは、基板１２ｇ内に形成された受光センサ部４ｇと、受光センサ部４ｇで蓄積された信号電荷を読み出し、出力する出力部となる垂直転送レジスタ５ｇを有して構成れている。第３半導体チップ１０ｒは、基板１２ｒ内に形成された受光センサ部４ｒと、受光センサ部４ｒで蓄積された信号電荷を読み出し、出力する出力部となる垂直転送レジスタ５ｒを有して構成れている。

接続パッド９は、導電性の材料から構成されている。この接続パッド９により、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒが縦に積層され、接続支持されている。また、本実施形態例では、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒは、それぞれ、隣接する半導体チップ１０と所定の間隔を有して積層されている。

図３Ａ〜Ｃに、本実施形態例の第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒの詳細な断面構成を示す。

まず、図３Ａを用いて半導体チップ１０ｂについて説明する。
図３Ａに示すように、基板１２ｂは、第１導電型、例えばｎ型のシリコン基板から構成されている。また、基板１２ｂの裏面側には、第２導電型、例えばｐ型の不純物領域からなるｐ型半導体ウェル領域１３が形成されている。

受光センサ部４は、基板１２ｂ表面に形成されたｐ型の高濃度不純物領域（ｐ＋）からなる正孔蓄積領域１５と、ｎ型の不純物領域（ｎ）からなる電荷蓄積領域１４と、ｐ型半導体ウェル領域１３とからなるフォトダイオードにより構成れている。正孔蓄積領域１５は、光入射側である基板１２の最表面に形成されている。電荷蓄積領域１４は、正孔蓄積領域１５直下から、ｐ型半導体ウェル領域１３に達する深さまで形成されている。
本実施形態例において、受光センサ部４ｂとなるフォトダイオードは、主に、電荷蓄積領域１４とｐ型半導体ウェル領域１３との界面に形成されるｐｎ接合ｊにより構成される。受光センサ部４ｂに入射してきた光は、フォトダイオードにおいて光電変換し、これにより信号電荷が生成される。そして生成された信号電荷は、ｎ型の不純物領域からなる電荷蓄積領域１４に蓄積される。

出力部となる垂直転送レジスタ５ｂは、読み出し部１８と、垂直転送チャネル１７と、転送電極１６とから構成されている。
読み出し部１８は、ｐ型の不純物領域からなり、受光センサ部４の一方の側（図３Ａでは、紙面左側）の、基板１２表面側に、受光センサ部４を構成する電荷蓄積領域１４に接するように形成されている。
垂直転送チャネル１７は、ｎ型の不純物領域からなり、読み出し部１８に隣接する基板１２表面側に形成されている。
転送電極１６は、読み出し部１８及び垂直転送チャネル１７が形成された基板１２上部に、絶縁膜１１を介して形成される。

次に、図３Ｂを用いて半導体チップ１０ｇについて説明する。図３Ｂにおいて、図３Ａに対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

図３Ｂに示すように、基板１２ｇは、第１導電型、例えばｎ型のシリコン基板から構成されている。また、基板１２ｇの裏面側には、第２導電型、例えばｐ型の不純物領域からなるｐ型半導体ウェル領域１３が形成されている。

受光センサ部４ｇは、基板１２ｇ表面に形成されたｐ型の高濃度不純物領域（ｐ＋）からなる正孔蓄積領域１５と、ｎ型の不純物領域（ｎ）からなる電荷蓄積領域１４と、ｐ型半導体ウェル領域１３とからなるフォトダイオードにより構成れている。正孔蓄積領域１５は、光入射側である基板１２の最表面に形成されている。電荷蓄積領域１４は、正孔蓄積領域１５直下から、ｐ型半導体ウェル領域１３に達する深さまで形成されている。
本実施形態例において、受光センサ部４ｇとなるフォトダイオードは、主に、電荷蓄積領域１４とｐ型半導体ウェル領域１３との界面に形成されるｐｎ接合ｊにより構成される。受光センサ部４ｇに入射してきた光は、フォトダイオードにおいて光電変換し、これにより信号電荷が生成される。そして生成された信号電荷は、ｎ型の不純物領域からなる電荷蓄積領域１４に蓄積される。

出力部となる垂直転送レジスタ５ｇは、垂直転送レジスタ５ｂと同様の構成を有する。

次に、図３Ｃを用いて半導体チップ１０ｒについて説明する。図３Ｃにおいて、図３Ａに対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

図３Ｃに示すように、基板１２ｒは、第１導電型、例えばｎ型のシリコン基板から構成されている。また、基板１２ｒの所望の深さには、第２導電型、例えばｐ型の不純物領域からなるｐ型半導体ウェル領域１３が形成されている。

受光センサ部４ｒは、基板１２ｒ表面に形成されたｐ型の高濃度不純物領域（ｐ＋）からなる正孔蓄積領域１５と、ｎ型の不純物領域（ｎ）からなる電荷蓄積領域１４と、ｐ型半導体ウェル領域１３とからなるフォトダイオードにより構成れている。正孔蓄積領域１５は、光入射側である基板１２の最表面に形成されている。電荷蓄積領域１４は、正孔蓄積領域１５直下から、ｐ型半導体ウェル領域１３に達する深さまで形成されている。
本実施形態例において、受光センサ部４ｒとなるフォトダイオードは、主に、電荷蓄積領域１４とｐ型半導体ウェル領域１３との界面に形成されるｐｎ接合ｊにより構成される。受光センサ部４ｒに入射してきた光は、フォトダイオードにおいて光電変換し、これにより信号電荷が生成される。そして生成された信号電荷は、ｎ型の不純物領域からなる電荷蓄積領域１４に蓄積される。

出力部となる垂直転送レジスタ５ｒは、垂直転送レジスタ５ｂと同様の構成を有する。

ところで、シリコンに吸収される光の吸収長の波長依存性は、図４に示す関係を有する。図４の横軸は波長（ｎｍ）で、縦軸は光の吸収に必要なシリコンの厚さ（μｍ）である。図４からわかるように、波長４５０ｎｍの青色の光を７０％以上吸収するためには、０．６μｍ以上のシリコンの厚みが必要である。また、波長５５０ｎｍの緑色の光を７０％以上吸収するためには、１．７μｍ以上のシリコンの厚みが必要である。また、波長６５０ｎｍの赤色の光を７０％以上吸収するためには、３．７μｍ以上のシリコンの厚みが必要である。

本実施形態例では、第１半導体チップ１０ｂの受光センサ部４ｂにおいて、青色（Ｂ）の光Ｌｂを７０％程度吸収するため、基板１２ｂの厚みを、０．６μｍ程度としている。基板１２ｂの厚みが、０．６μｍよりも明かに薄い場合には、青色の光の吸収がなされず、また、０．６μｍよりも明かに厚い場合には、緑色の光や、赤色の光までも吸収してしまうこととなる。また、受光センサ部４ｂに入射した光は、フォトダイオードを構成するｐｎ接合付近にて光電変換されるので、ｐｎ接合深さも、基板１２ｂの厚みに応じた深さに形成されることが好ましい。
また、第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇにおいて、緑色（Ｇ）の光Ｌｇを７０％程度吸収するため、基板１２ｇの厚みを、１．７μｍ程度としている。基板１２ｇの厚みが、１．７μｍよりも明かに薄い場合には、緑色の光の吸収がなされず、また、１．７μｍよりも明かに厚い場合には、赤色の光までも吸収してしまうこととなる。また、受光センサ部４ｇに入射した光は、フォトダイオードを構成するｐｎ接合付近にて光電変換されるので、ｐｎ接合深さも、基板１２ｇの厚みに応じた深さに形成されることが好ましい。
また、第３半導体チップ１０ｒの受光センサ部４ｒにおいて、赤色（Ｒ）の光Ｌｒを７０％程度吸収するため、基板１２ｒ表面からｐｎ接合ｊまでの厚みを、３．７μｍ程度としている。基板１２ｒ表面からｐｎ接合ｊまでの厚みが、３．７μｍよりも明かに薄い場合には、赤色の光の吸収がなされない。第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇでは、その受光センサ部４ｂ，４ｒで光電変換させない波長の光は透過させる必要があるので、基板１２ｂ、１２ｇ自体の厚みを調整する必要がある。しかしながら、第３半導体チップ１０ｒでは、受光センサ部４ｒにおいて、一番波長の長い光が光電変換され、また、光を透過させる必要が無いので、基板１２ｒの厚みは、受光センサ部が形成された従来の半導体チップと同様の厚みに構成することができる。すなわち、基板１２ｒの厚みは、３．７μｍよりも厚く形成することができ、電荷蓄積領域１４より溢れた信号電荷を、ｐ型半導体ウェル領域１３を超えて、基板１２ｒ側にオーバーフローさせる構造をとることができる。

以上の構成を有する第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒが、所定の間隔を有して積層され、接続パッドにより接続支持されることにより、画素部３が構成されている。

図２では、１画素分の半導体チップについて説明した。ところで、実際の固体撮像装置の画素部３では、図５に示すように、積層された各半導体チップ１０は、基板１２の垂直方向及び水平方向に形成された複数の受光センサ部４と、受光センサ部４の列ごとに形成された複数本の垂直転送レジスタ５（出力部）とを有している。この場合、図３Ｂに示した垂直転送レジスタ５を構成する垂直転送チャネル１７は、垂直方向に形成された受光センサ部４の列ごとに形成されている。そして、複数の受光センサ部４が形成された半導体チップ１０は、隣接する半導体チップ１０と所定の間隔を有して積層され、端部において接続パッド９により接続支持されている。

［動作］
以上の構成を有する固体撮像装置の動作について、図１〜図３を参照しながら説明する。

まず、図２Ｂに示すように、画素部３の第１半導体チップ１０ｂ側から光が入射する。第１半導体チップ１０ｂでは、受光センサ部４ｂを構成するフォトダイオードは、青色の光Ｌｂが吸収される基板１２ｂ深さに形成されている。このため、第１半導体チップ１０ｂ側から入射した光のうち、青色の光Ｌｂは、第１半導体チップ１０ｂに形成された受光センサ部４ｂにより吸収され光電変換される。このため、第１半導体チップ１０ｂの受光センサ部４ｂでは、青色の波長の光Ｌｂに応じた信号電荷が生成、蓄積される。そして、受光センサ部４ｂにおいて吸収されなかった光、すなわち、青色の光Ｌｂ以外の光は、第１半導体チップ１０ｂを透過して、第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇに入射する。

第２半導体チップ１０ｇでは、受光センサ部４ｇを構成するフォトダイオードは、緑色の波長の光Ｌｇが吸収される基板１２ｇ深さに形成されている。また、第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇに入射する光は、第１半導体チップ１０ｂの受光センサ部４ｂを透過しているため、青色の波長の光Ｌｂは既に分離されている。このため、第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇでは、緑色の波長の光Ｌｇに応じた信号電荷が生成、蓄積される。そして、受光センサ部４ｇにおいて吸収されなかった光は、第２半導体チップ１０ｇを透過して、第３半導体チップ１０ｒの受光センサ部４ｒに入射する。

第３半導体チップ１０ｒでは、受光センサ部４ｒを構成するフォトダイオードは、赤色の波長の光Ｌｒが吸収される基板１２ｒ深さに形成されている。また、第３半導体チップ１０ｒの受光センサ部４ｒに入射する光は、第１半導体チップ１０ｂの受光センサ部４ｂ、及び第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇを透過しているため、青色の波長の光Ｌｂと緑色の波長の光Ｌｇは既に分離されている。このため、第３半導体チップ１０ｒの受光センサ部４ｇでは、赤色の波長の光Ｌｒに応じた信号電荷が生成、蓄積される。

ここで、接続パッド９は、導電性の材料から構成されており、動作中に一定電圧が印加されている。これにより、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒは、一定電圧に、安定に保持される。すなわち、各半導体チップ１０の受光センサ部４において溢れた信号電荷が基板１２のｎ型半導体領域側にオーバーフローされた場合も、各半導体チップ１０は、一定電圧に保持できる。

そして、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒでは、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒに蓄積されたＲＧＢに対応する信号電荷は、垂直転送レジスタ５ｂ，５ｇ，５ｒにより、垂直方向に転送される。
このとき、各垂直転送レジスタ５では、図３に示す転送電極１６に所定の電圧を印加することにより、受光センサ部４に蓄積された信号電荷が読み出し部１８を介して垂直転送チャネル１７に読み出される。そして、受光センサ部４の行方向に複数本形成された転送電極１６に、例えば４相の駆動パルスを印加することにより、垂直方向に信号電荷が転送される。

そして、本実施形態例の固体撮像装置では、半導体チップ１０毎に垂直転送レジスタ５により転送された信号電荷は、図１に示すように、水平転送レジスタ６により水平方向に転送され、出力回路８を介して画素信号として出力される。

本実施形態例の固体撮像装置によれば、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇ、第３半導体チップ１０ｒを、光入射側から波長の短い光を吸収する順に積層することにより、１画素で、ＲＧＢの３色の光に応じた信号電荷を得ることができる。すなわち、ＲＧＢに対応した３層の半導体チップ１０を縦に積層することにより、１画素あたりの光の利用効率が、従来のカラーフィルタを用いて分光を行う画素よりも３倍高くなる。このため、感度の向上が図られる。

また、本実施形態例の固体撮像装置によれば、１画素で、ＲＧＢの全ての光に応じた信号電荷をそれぞれに得ることができるので、他の色を補完する必要が無く、原理的に偽色を発生しない。

また、従来の有機光電変換膜を用いた固体撮像装置では、有機光電変換膜が光により劣化してしまうという問題があったが、本実施形態例の固体撮像装置によれば、各半導体チップ１０は、シリコンからなる基板１２によって構成されるので、耐光性の向上が図られる。

また、従来の光電変換膜を用いた固体撮像装置では、光電変換膜中に信号電荷が蓄積されるため、読み出し時に信号電荷が膜中に残留し、原理的に残像が発生する。本実施形態例の固体撮像装置によれば、各半導体チップ１０において生成、蓄積された信号電荷は、基板１２内の電位の変動によって転送を行う通常の垂直転送レジスタ５によって転送することができる。これにより、信号電荷の読み出し時における残留電荷の発生を抑え、残像を抑制することができる。

また、図に示した従来の固体撮像装置のように、１枚の基板内に、３層のフォトダイオードを形成し、１枚の基板内で色分離を行う構成では、飽和電荷量が制限され、また、信号電荷の取り出しも難しいという問題があった。本実施形態例の固体撮像装置によれば、各半導体チップ１０を構成する１枚の基板１２内に形成されるフォトダイオードは、１色の波長の光のみを光電変換するので、各半導体チップ１０において、飽和電荷量を向上させることができる。

本実施形態例の固体撮像装置では、受光センサ部で蓄積された信号電荷は、受光センサ部が形成されている基板と同一の基板内に形成された出力部である垂直転送レジスタで読み出し、転送することができる。このため、信号電荷を読み出し、転送するための複雑な配線を別途設ける必要がなく、製造上の歩留まりを向上させることができる。

ところで、本実施形態例の固体撮像装置では、それぞれ独立に形成された複数の半導体チップ１０を、縦に積層する構成とされているので、隣接する半導体チップ１０と半導体チップ１０と間に、所望の機能を有する層を更に構成することも可能である。
次の第２〜第５の実施形態では、積層される半導体チップ１０と半導体チップ１０との間に、所望の機能を有する層を構成する例を説明する。

〈３．第２の実施形態：カラーフィルタが形成される例〉
図６に本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図６は、図１の固体撮像装置の１画素分の概略断面構成である。図６において、図２Ｂに対応する部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置では、第１半導体チップ１０ｂを構成する基板１２ｂの、光入射側とは反対側の面（裏面）に、イエローフィルタ１９が形成されている。また、第２半導体チップ１０ｇを構成する基板１２ｇの、光入射側とは反対側の面（裏面）に、レッドフィルタ２０が形成されている。これらのイエローフィルタ１９及びレッドフィルタ２０は、各受光センサ部４ｂ，４ｇ直下の基板１２ｂ，１２ｇの裏面側に形成される。イエローフィルタ１９は、黄色の波長、すなわち、緑色（Ｇ）と赤色（Ｒ）の波長の光Ｌｇ，Ｌｒのみを透過するカラーフィルタである。また、レッドフィルタ２０は、赤色（Ｒ）の波長の光Ｌｒのみを透過するカラーフィルタである。

このような構成を有する本実施形態例の固体撮像装置においても、第１の実施形態例の固体撮像装置と同様の動作により、信号電荷が生成、蓄積され、転送される。

本実施形態例の固体撮像装置では、第１半導体チップ１０ｂと第２半導体チップ１０ｇとの間にイエローフィルタ１９が形成され、第２半導体チップ１０ｇと第３半導体チップ１０ｒとの間にレッドフィルタ２０が形成されている。このため、第１半導体チップ１０ｂの受光センサ部４ｂにおいて吸収しきれなかった青色（Ｂ）の光Ｌｂは、イエローフィルタ１９によって吸収され、緑色（Ｇ）と赤色（Ｒ）の光Ｌｇ，Ｌｒのみが第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇに入射する。また、第２半導体チップ１０ｇの受光センサ部４ｇにおいて吸収しきれなかった緑色（Ｇ）の光Ｌｇは、レッドフィルタ２０により吸収され、赤色（Ｒ）の光Ｌｒのみが第３半導体チップ１０ｒの受光センサ部４ｒに入射する。これにより、色分離が完全になされるので、混色の発生を有効的に抑制することができる。

〈４．第３の実施形態：カラーフィルタと支持層が形成される例〉
図７に本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図７は、図１の固体固体撮像装置の１画素分の概略断面構成である。図７において、図２Ｂ，図６に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置では、第１半導体チップ１０ｂを構成する基板１２ｂ裏面の、イエローフィルタ１９が形成された面を含む全面に支持層２１が形成されている。また、第２半導体チップ１０ｇを構成する基板１２ｇ裏面の、レッドフィルタ２０が形成された面を含む全面に支持層２２が形成されている。支持層２１，２２は、第１半導体チップ１０ｂ及び第２半導体チップ１０ｇの基板強度を向上させるために形成されるものであり、光を吸収せず、導電性であり、なおかつ一定の強度を有する層である必要がある。支持層２１，２２の材料には、例えば、ＩＴＯ等の透明導電性材料を用いることができる。そして、この支持層２１，２２は、それぞれの基板面に、周知の手法により接着保持することで形成することができる。

青色（Ｂ）の光Ｌｂを吸収する基板１２ｂや、緑色（Ｇ）の光Ｌｇを吸収する基板１２ｇの厚みは、前述したように、非常に薄くする必要があり、加工の難しさが懸念される。本実施形態例では、第１半導体チップ１０ｂを構成する基板１２ｂ及び、第２半導体チップ１０ｇを構成する基板１２ｇを支持層２１，２２で支持することにより、第１半導体チップ１０ｂ、第２半導体チップ１０ｇの強度の向上が図られる。

このように、本実施形態例では、ＲＧＢに対応する受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが、それぞれ独立の基板１２ｂ，１２ｇ，１２ｒに形成されて、それぞれの基板１２ｂ，１２ｇ，１２ｒが積層される構造を有する。このため、各半導体チップ１０構成する基板の基板強度が低い場合には、その半導体チップ１０の基板面全面に支持層を形成することが可能である。

〈５．第４の実施形態：支持層がカラーフィルタを兼ねる例〉
図８に本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図８は、図１の固体撮像装置の１画素分の概略断面構成である。図８において、図２Ｂに対応する部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置では、第１半導体チップ１０ｂを構成する基板１２ｂ裏面に、イエローフィルタを兼ねる支持層２３が形成されている。また、第２半導体チップ１０ｇを構成する基板１２ｇ裏面に、レッドフィルタを兼ねる支持層２４が形成されている。
このイエローフィルタを兼ねる支持層２３は、例えば、ＩＴＯ等の透明導電性材料を黄色の顔料により染色することにより形成することができる。また、レッドフィルタを兼ねる支持層２４も、同じように、ＩＴＯ等の透明導電性材料を赤色の顔料により染色することにより形成することができる。

本実施形態例の固体撮像装置では、第３の実施形態と同様の効果が得られる他、支持層２３，２４はカラーフィルタを兼ねた構成であるので、第３の実施形態に比較し、製造時の工程数の削減が可能となる。

〈６．第５の実施形態：半導体チップにおいて、受光部と電荷転送部とで基板の厚みが異なる例〉
図９に本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図９は、図１の固体撮像装置の１画素分の概略断面構成である。図９において、図２Ｂに対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置では、各半導体チップ１０を構成する基板において、受光センサ部４が形成される部分と、それ以外の部分では基板の厚みが異なるように形成されている。

第１半導体チップ１０ｂを構成する基板２５ｂでは、受光センサ部４ｂが形成される部分の厚みは、０．６μｍ程度とされ、それ以外の部分では、０．６μｍよりも厚く形成されている。
第２半導体チップ１０ｇを構成する基板２５ｇでは、受光センサ部４ｇが形成される部分の厚みは、１．７μｍ程度とされ、それ以外の部分では、１．７μｍよりも厚く形成されている。
第３半導体チップ１０ｒを構成する基板２５ｒでは、受光センサ部４ｒのｐｎ接合は、基板２５ｒ表面から３．７μｍの深さに形成され、ている。また、基板２５ｒでは、受光センサ部４ｒが形成される部分より、それ以外の部分の厚みが厚く形成されている。
なお、これらの受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが形成される部分の基板２５ｂ，２５ｇ，２５ｒの厚みは、第１の実施形態と同様の理由で決定されるものである。

このように、本実施形態例の固体撮像装置では、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが形成される部分の厚みのみが、所定の波長の光を吸収できる厚みにできればよい。このため、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが形成される部分と、それ以外の例えば垂直転送レジスタ５ｂ，５ｇ，５ｒが形成される部分の基板２５ｂ，２５ｇ，２５ｒの厚みを同一にする必要はない。本実施形態例では、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが形成される部分以外の基板２５ｂ，２５ｇ，２５ｒは、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒよりも厚く形成されるため、各半導体チップ１０で基板強度を向上さることができる。

このように、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが形成される部分を薄く形成する必要がある場合でも、受光センサ部４ｂ，４ｇ，４ｒが形成される領域以外の基板２５ｂ，２５ｇ，２５ｒを厚く形成することにより、基板強度を向上させることができる。

〈７．第６の実施形態：隣接する半導体チップを直接貼り合わせる例〉
図１０に本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図１０は、図１の固体撮像装置の１画素分の概略断面構成である。図１０において、図８に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置では、第１〜第３半導体チップ１０ｂ、１０ｇ、１０ｒを構成する各基板１２ｂ、１２ｇ、１２ｒの上面に、パッシベーション膜２７ｂ、２７ｇ、２７ｒがそれぞれ形成されている。このパッシベーション膜２７ｂ、２７ｇ、２７ｒは、垂直転送レジスタ５ｂ、５ｇ、５ｒを含む基板全面を保護するために形成されるもので、例えば、窒化シリコン膜、酸化チタン、又は酸化シリコン等により形成されている。そして、これらのパッシベーション膜２７ｂ、２７ｇ、２７ｒ上面は、平坦化されており、隣接する第１〜第３半導体チップ１０ｂ、１０ｇ、１０ｒは、それぞれ直接張り合わされている。この例では、第１半導体チップ１０ｂに形成された支持層２３下面と、第２半導体チップ１０ｇに形成されたパッシベーション膜２７ｇ上面が張り合わされている。また、第２半導体チップ１０ｇに形成された支持層２４下面と、第３半導体チップ１０ｒに形成されたパッシベーション膜２７ｒ上面が張り合わされている。

このように、本実施形態例の固体撮像装置では、基板上面に形成されるパッシベーション膜を平坦化し、隣接する第１〜第３半導体チップ１０ｂ、１０ｇ、１０ｒを直接貼り合わせる構成とすることにより、固体撮像装置全体の強度を向上させることができる。

上述した第１〜第６の実施形態は、ＣＣＤ型の固体撮像装置を用いて説明したが、本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像装置に限られるものではなく、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置に適用することができる。その場合、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置の画素部も、複数の半導体チップを積層する構成とすることができる。

〈８．第７の実施形態：ＣＭＯＳ型の固体撮像装置に適用する例〉
図１１に、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置の画素部の１画素分を構成する半導体チップの概略断面構成を示す。

図１１に示すように、本実施形態例の半導体チップ３０は、ｐ型のシリコン基板からなる基板３１の表面側に、フォトダイオードからなる受光センサ部３２と、複数のＭＯＳトランジスタを有する。複数のＭＯＳトランジスタは、それぞれ、電荷読み出しトランジスタＴｒ１、リセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３である。半導体チップでは、この画素が、複数個、２次元マトリクス状に配列されている。

受光センサ部３２を構成するフォトダイオードは、基板３１の表面から所要の深さ方向に順に形成したｐ型の高濃度不純物領域からなる正孔蓄積領域３４と、ｎ型の不純物領域からなる電荷蓄積領域３３とから構成されている。本実施形態例において、受光センサ部３２となるフォトダイオードは、主に、電荷蓄積領域３３と基板３１のｐ型不純物領域との界面に形成されるｐｎ接合ｊにより構成される。受光センサ部３２に入射してきた光は、フォトダイオードにおいて光電変換し、これにより信号電荷が生成される。そして生成された信号電荷は、ｎ型の不純物領域からなる電荷蓄積領域３３に蓄積される。

電荷読み出しトランジスタＴｒ１は、ゲート電極３８と、ソース・ドレイン領域３５とから構成されている。ゲート電極３８は、フォトダイオードが形成された領域に隣接する基板３１上に図示しない絶縁膜を介して形成されている。また、ソース・ドレイン領域３５は、ゲート電極３８に隣接する基板３１の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域により形成されている。このソース・ドレイン領域３５は、フローティングディフュージョン領域を構成するものである。

リセットトランジスタＴｒ２は、ソース・ドレイン領域３５，３６と、ゲート電極３９とから構成されている。ゲート電極３９は、ソース・ドレイン領域３５に隣接する領域の、基板３１上に図示しない絶縁膜を介して形成されている。ソース・ドレイン領域３６は、ゲート電極３９に隣接する基板３１の表面側にｎ型の高濃度不純物領域により形成されている。

アンプトランジスタＴｒ３は、ソース・ドレイン領域３６，３７と、ゲート電極４０とから構成されている。ゲート電極４０は、ソース・ドレイン領域３６が形成された領域に隣接する基板３１上に図示しない絶縁膜を介して形成されている。ソース・ドレイン領域３７は、ゲート電極４０に隣接する基板３１の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域により形成されている。

そして、ソース・ドレイン領域には、出力部となる列信号線Ｈｓが接続されている。また、ソース・ドレイン領域３６は、電源配線Ｖｄｄに接続されている。
また、アンプトランジスタＴｒ３を構成するゲート電極４０と、フローティングディフュージョン領域となるソース・ドレイン領域３５は、配線４１により接続されている。

本実施形態例では、図１１に示す半導体チップ３０を複数段に積層することにより、本発明の固体撮像装置を構成することができる。例えば、それぞれの半導体チップ３０の受光センサ部３２の構成を、第１〜第６の実施形態と同様にし、３層に積層することにより、それぞれの半導体チップ３０においてＲＧＢの光に応じた信号電荷を生成、蓄積することができる。すなわち、基板３１の厚みを変えた３つの半導体チップ３０を、図２Ｂに示すように３層に積層すればよい。また、このとき、図２Ｂに形成されている、出力部となる垂直転送レジスタ５ｂ，５ｇ，５ｒを、半導体チップ３０のアンプトランジスタＴｒ３を構成するソース・ドレイン領域３７に接続される列信号線Ｈｓに置き換えることにより、本実施形態例の固体撮像装置と見ることができる。

このように、本発明は、基板内にフォトダイオードからなる受光センサ部を有する固体撮像装置であれば適用が可能である。

〈９．第８の実施形態〉
［電子機器の構成例］
以下に、上述した本発明の第１〜第７の実施形態に係る固体撮像装置を電子機器に用いた場合の実施形態を示す。以下の説明では、一例として、カメラに、図１に示した固体撮像装置１を用いる例を説明する。

図１２に、本発明の一実施形態に係るカメラの概略断面構成を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。

本実施形態例のカメラは、固体撮像装置１と、光学レンズ２１０と、シャッタ装置２１１と、駆動回路２１２と、信号処理回路２１３とを有する。

光学レンズ２１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上面に結像させる。これにより、固体撮像装置１内に、一定期間信号電荷が蓄積される。
シャッタ装置２１１は、固体撮像装置１への光照射期間及び遮光期間を制御する。
駆動回路２１２は、固体撮像装置１の転送動作及びシャッタ装置２１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路２１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行う。信号処理回路２１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。

本実施形態例によれば、残像、偽色が低減され、感度が向上したカメラが得られる。

本発明の第１〜第６の実施形態における固体撮像装置の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の１画素分の斜視図及び概略断面構成図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置を構成する半導体チップの断面構成図である。 シリコンに吸収される光の吸収長の波長依存性を示した図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。 本発明の第７の実施形態に係る固体撮像装置を構成する半導体チップの概略断面構成図である。 本発明の第８の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。 従来例の固体撮像装置の概略断面構成である。

符号の説明

１・・固体撮像装置、３・・画素部、４，４ｂ，４ｇ，４ｒ・・受光センサ部、５，５ｂ，５ｇ，５ｒ・・垂直転送レジスタ，６・・水平転送レジスタ、７・・画素、８・・出力回路、９・・接続パッド、１０・・半導体チップ、１０ｂ・・第１半導体チップ、１０ｇ・・第２半導体チップ、１０ｒ・・第３半導体チップ、１１・・絶縁膜、１２，１２ｂ，１２ｇ，１２ｒ・・基板、１３・・ｐ型半導体ウェル領域、１４・・電荷蓄積領域、１５・・正孔蓄積領域、１６・・転送電極、１７・・垂直転送チャネル、１８・・読み出し部、１９・・イエローフィルタ、２０・・レッドフィルタ、２１，２２，２３，２４・・支持層
２５ｂ，２５ｇ，２５ｒ・・基板、２７ｂ，２７ｇ，２７ｒ・・パッシベーション膜、３０・・半導体チップ、３１・・基板、３２・・受光センサ部、３３・・電荷蓄積領域、３４・・正孔蓄積領域、３５，３６，３７・・ソース・ドレイン領域、３８，３９，４０・・ゲート電極、４１・・配線、１００・・Ｓｉ基板、１０２・・ｎ型半導体層、１０４・・ｐ型半導体層、１０６・・ｎ型半導体層、２１０・・光学レンズ、２１１・・シャッタ装置、２１２・・駆動回路、２１３・・信号処理回路、Ｈｓ・・列信号線、Ｌｂ，Ｌｇ，Ｌｒ・・光、Ｔｒ１・・電荷読み出しトランジスタ、Ｔｒ２・・リセットトランジスタ、Ｔｒ３・・アンプトランジスタ、Ｖｄｄ・・電源配線、ｊ・・ｐｎ接合

Claims (12)

1. 光を受光して信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を基板内に有する半導体チップであって、異なる波長の光に応じて信号電荷を生成、蓄積する複数の半導体チップが、複数段に積層されて構成された画素部を
   有して構成された固体撮像装置。
2. 前記半導体チップを構成する基板の厚みは、前記画素部を構成する複数段の半導体チップのうち、光が入射される側に配置される半導体チップにおいて最も薄く、光が入射される側とは反対側に配置される半導体チップにおいて最も厚く形成される請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記半導体チップは、受光センサ部において蓄積された信号電荷を読み出し、出力する出力部を有する請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記画素部を構成する各半導体チップは、隣接する半導体チップと所定の間隔を有して積層されている請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記画素部を構成する各半導体チップは、隣接する半導体チップと直接張り合わされて積層されている請求項３記載の固体撮像装置。
6. 前記画素部を構成する各半導体チップは、光が入射される側から順に、青色の波長の光に応じて信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を有する第１半導体チップ、緑色の波長の光に応じて信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を有する第２半導体チップ、赤色の波長の光に応じて信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を有する第３半導体チップとされる請求項４記載の固体撮像装置。
7. 前記画素部は、隣接する半導体チップ間に、所定の波長の光のみを透過するカラーフィルタ層を有する請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記画素部は、隣接する半導体チップ間に、前記半導体チップを補強する支持層を有する請求項７記載の固体撮像装置。
9. 前記画素部は、隣接する半導体チップ間に、前記半導体チップを補強する支持層を有する請求項５記載の固体撮像装置。
10. 前記画素部を構成する複数段の半導体チップは、導電部材からなる接続パッドにより互いに接続されている請求項１記載の固体撮像装置。
11. 前記半導体チップを構成する基板は、前記受光部が形成される部分と、前記出力部が形成される部分とで、その厚みが異なる請求項６記載の固体撮像装置。
12. 光学レンズと、
    光を受光して信号電荷を生成、蓄積する受光センサ部を基板内に有する半導体チップであって、異なる波長の光に応じた信号電荷を生成、蓄積する複数の半導体チップが、複数段に積層されて構成された画素部を有して構成された固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、
    を有する電子機器。

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