JP2011066204A - 固体撮像素子及びその製造方法並びに撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】画素の微細化が進んでも各色画素からの不要電荷の引き抜き特性の均一化，混色の抑制を図ることができる固体撮像素子等を提供する。
【解決手段】半導体基板１１０に二次元アレイ状に配列形成される複数の画素と、各画素上に積層されるカラーフィルタとを有する固体撮像素子であって、前記各画素を構成する各々の光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの深さが前記カラーフィルタの色にかかわらず同一に形成され該光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの浅部と深部の夫々の幅が前記カラーフィルタの色によって異なる。
【選択図】図４
【解決手段】半導体基板１１０に二次元アレイ状に配列形成される複数の画素と、各画素上に積層されるカラーフィルタとを有する固体撮像素子であって、前記各画素を構成する各々の光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの深さが前記カラーフィルタの色にかかわらず同一に形成され該光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの浅部と深部の夫々の幅が前記カラーフィルタの色によって異なる。
【選択図】図４
Description
本発明はＣＭＯＳ型イメージセンサやＣＣＤ型イメージセンサ等の固体撮像素子及びその製造方法並びにこの固体撮像素子を搭載した撮像装置に関する。
ＣＭＯＳ型イメージセンサやＣＣＤ型イメージセンサ等の固体撮像素子では、半導体基板に二次元アレイ状に複数の画素を配列形成し、各画素の光電変換領域が受光量に応じて蓄積した信号を、ＣＭＯＳ型であればＭＯＳトランジスタによって、ＣＣＤ型であれば電荷転送路によって外部に読み出す様になっている。
下記の特許文献１記載の固体撮像素子では、カラーフィルタを用いずにＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）３色のカラー画像を撮像するために、各画素がＲＧＢのうちの１色のカラー画像信号を検出できるようにしている。具体的には、各色光の半導体基板への光侵入距離が波長依存性を持つことを利用して、Ｂ光検出用の光電変換領域の深さを浅く、Ｒ光検出用の光電変換領域の深さを深く、Ｇ光検出用の光電変換領域の深さを両者の中程度としている。
しかし、この固体撮像素子は、Ｒ光検出用，Ｇ光検出用，Ｂ光検出用の各光電変換領域の深さが異なるため、半導体基板にＯＦＤパルスを印加して各光電変換領域内の不要電荷を基板側に引き抜き（廃棄し）空にする特性が、Ｒ用，Ｇ用，Ｂ用で異なってしまうという問題がある。
特許文献２記載の固体撮像素子は、カラーフィルタを併用するが、半導体基板内に設けるＲ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の各光電変換領域の形成深さを変えており、これも引き抜き特性が色画素毎に異なってしまうという問題がある。
特許文献３記載の固体撮像素子は、各画素の光電変換領域の形成深さは同一となっているが、各光電変換領域が、表面から垂直下方に延びるのではなく、深い場所が浅い場所より横方向の一方にずれる様に形成している。
この構造により、斜め入射光が吸収される範囲の入射角依存性を弱め、また、深さが同一のため引き抜き特性の均一化を図ることができる。しかし、光電変換領域の深部におけるずらす方向を色毎に調整していないため、カラーフィルタ配列によっては色分離に支障を来たし混色が発生する虞がある。
近年の固体撮像素子は、１千万画素以上を搭載し、各画素は製造限界近くまで微細化されてきており、各光電変換領域からの不要電荷の引き抜き特性の向上，混色の抑制等を図る必要がある。
本発明の目的は、画素の微細化が進んでも各色画素からの不要電荷の引き抜き特性の均一化，混色の抑制を図ることができる固体撮像素子及びその製造方法並びに撮像装置を提供することにある。
本発明の固体撮像素子は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成される複数の画素と、各画素上に積層されるカラーフィルタとを有する固体撮像素子であって、前記各画素を構成する各々の光電変換領域の深さが前記カラーフィルタの色にかかわらず同一に形成され該光電変換領域の浅部と深部の夫々の幅が前記カラーフィルタの色によって異なることを特徴とする。
本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換領域の前記幅の縮小部分，拡大部分は、該光電変換領域を形成するイオン注入工程における注入範囲を変えることで形成することを特徴とする。
本発明の撮像装置は、上記記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子を駆動する駆動手段と、該固体撮像素子から出力される撮像画像信号を処理する信号処理手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、画素の微細化を図っても、各色画素からの不要電荷の引き抜き特性の均一化，混色の抑制を図ることが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラ（撮像装置）２０の機能ブロック図である。このデジタルカメラは、撮像部２１と、撮像部２１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ）等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，撮像部２１の駆動制御を行う駆動部（タイミングジェネレータＴＧを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。
撮像部２１は、被写界からの光を集光する光学レンズ系２１ａと、該光学レンズ系２１ａを通った光を絞る絞りや静止画像撮像時に用いるメカニカルシャッタ２１ｂと、光学レンズ系２１ａによって集光され絞りによって絞られた光を受光し撮像画像データ（アナログ画像データ）を出力する単板式のカラー画像撮像用固体撮像素子１００とを備える。本実施形態の固体撮像素子１００は、ＣＣＤ型であるが、ＣＭＯＳ型でも良い。
本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
ユーザ操作部３３は、撮影モードを静止画像撮影モードとするか動画像撮影モードとするかの指示スイッチやシャッタレリーズボタン等を備える。ＣＰＵ２９は、ユーザ操作部３３からの入力内容に従って固体撮像素子１００の駆動制御を撮像素子駆動部２４を介して行う。
図２は、固体撮像素子１００の表面模式図である。このＣＣＤ型固体撮像素子１００は、半導体基板上に二次元アレイ状、図示する例では正方格子状に配列形成された複数の画素１０１と、各画素列に沿って形成された垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１０２と、各垂直電荷転送路１０２の転送方向端部に沿って形成された水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１０３と、水平電荷転送路１０３の出力端部に設けられ転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として図１のアナログ信号処理部２２に出力するアンプ１０４とを備える。
図示する例のＣＣＤ型固体撮像素子１００では、原色系カラーフィルタが各画素１０１上にベイヤ配列されており、各画素１０１上に記載したＲ，Ｇ，Ｂはカラーフィルタの色を表している。
図３は、図２の任意位置の３×３画素部分の拡大図である。各画素１０１の上にはＲＧＢの１色のカラーフィルタが積層され、各画素列に沿って垂直電荷転送路１０２が形成されている。
垂直電荷転送路１０２は、半導体基板内に形成された埋め込みチャネル（ｎ型半導体のｐウェル層表面部に形成されたｎ領域）と、この埋め込みチャネル上にゲート絶縁膜を介して形成されたポリシリコン膜でなる垂直転送電極膜とで構成される。図３に示すＣＣＤ型固体撮像素子１００では、１画素当たり２枚の転送電極膜１０５，１０６が交互に単層構造で形成されている。
各画素１０１は、半導体基板内に形成された光電変換領域と、半導体基板表面に形成された上記のゲート絶縁膜の上に形成された遮光膜開口，平坦化層を介してカラーフィルタ層が設けられ、その上に、平坦化層を介してマイクロレンズ（トップレンズ）が設けられている。
図４は、図３のＩＶ―ＩＶ線断面模式図であり、Ｇ画素―Ｂ画素―Ｇ画素に沿う断面模式図である。また、図５は、図３のＶ―Ｖ線断面模式図であり、Ｒ画素―Ｇ画素―Ｒ画素に沿う断面模式図である。更に、図６は、図３のＶＩ―ＶＩ線断面模式図であり、Ｒ画素―Ｂ画素―Ｒ画素に沿う断面模式図である。
半導体基板の上記したｐウェル層１１０の表面には、ゲート絶縁膜１１１が形成され、その上に、垂直電荷転送路１０２を形成する垂直転送電極膜１０５，１０６が形成される。転送電極膜１０６，１０５のゲート絶縁膜１１１下には、埋め込みチャネル１１２が形成される。
各画素１０１の上には、上記したように遮光膜開口やカラーフィルタ層，マイクロレンズ等が設けられるが、これらは、図４〜図６では図示を省略している。
各画素の遮光膜開口下には、各画素１０１の光電変換領域５０ｇ，５０ｂ，５０ｒが設けられる。添え字のｒ，ｇ，ｂは、Ｒ画素（Ｒフィルタを積層した画素），Ｇ画素（Ｇフィルタを積層した画素），Ｂ画素（Ｂフィルタを積層した画素）に対応していることを示す。
Ｇ画素の光電変換領域５０ｇは多層構造で構成される。本実施形態では３層構造にしている。即ち、浅部領域５１ｇと中間領域５２ｇと深部領域５３ｇとで構成される。同様に、Ｂ画素の光電変換領域５０ｂは、浅部領域５１ｂと中間領域５２ｂと深部領域５３ｂとで構成され、Ｒ画素の光電変換領域５０ｒは、浅部領域５１ｒと中間領域５２ｒと深部領域５３ｒとで構成される。
本実施形態では、各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの深さを同一とし、各３層の夫々の厚さも略同一としている。
各画素の浅部５１ｒ，５１ｇ，５１ｂの最表面には、暗電流による白キズを防止する高濃度ｐ型不純物表面層５５が設けられている。
各画素１０１は、図３に示す様に、上面視で矩形形状をなしており、横方向から見たとき、各光電変換領域の３層夫々の大きさを変えている。各画素の３層の中心軸は同一であり、３層の各幅（側面視したときの横幅。矩形の１辺の長さでも良く、矩形の対角長の長さでも良い。）を、受光する色によって変えている。本実施形態では、３層の各幅として「大」「中」「小」の３つを使用している。
即ち、本実施形態のＲ画素については、「浅部領域５１ｒ」「中間領域５２ｒ」「深部領域５３ｒ」の各幅を「小」「中」「大」としており、半導体基板内に深く浸入する赤色（Ｒ）光を受光する光電変換領域５０ｒのうち、深部領域５３ｒを「大」とし、浅部領域５１ｒを「小」とすることで、光電変換効率の向上を図っている。
Ｂ画素については、「浅部領域５１ｂ」「中間領域５２ｂ」「深部領域５３ｂ」の各幅を「大」「中」「小」としており、半導体基板への浸入距離が短く半導体基板の表面部分で多く光電変換される青色（Ｂ）光を受光する光電変換領域５０ｂでは、浅部５１ｂを「大」とし深部５３ｂを「小」とすることで、光電変換効率の向上を図っている。
Ｇ画素については、「浅部領域５１ｇ」「中間領域５２ｇ」「深部領域５３ｇ」の各幅を「中」「大」「中」としており、半導体基板への浸入距離が赤色光，青色光の中間となる緑色（Ｇ）光を受光する光電変換領域５０ｂでは、中間領域５２ｂを「大」とすることで、光電変換効率の向上を図っている。
上述したように、本実施形態では、各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂを複数層にして各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの幅を局所的，選択的に拡大，縮小しているが、これは、各層５１，５２，５３をイオン注入で形成するときのマスクの大きさを変えることで容易に製造することができる。
これにより、本実施形態によれば、各色ＲＧＢの光電変換効率が向上し、感度を上昇させることが可能となる。また、斜め入射光に対する各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの深部での混色も軽滅され、色分離の優れた品質良好な撮像画像信号を得ることが可能となる。
また、図３に示す様に、各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの半導体基板表面部における面積が等しくなるように設計されるため、各色の暗時出力のバラツキや読出特性のばらつきは発生しない。
更に、各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの拡散深さが均質なため、ＣＣＤ型で一般的に用いられる余剰信号電荷の基板掃出も、各色画素に等しい電圧を印加して行なうことが可能となる。
更にまた、図４〜図６の実施形態によれば、各色の光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの体積が略等しくなるように形成されるため、各色の飽和出力が等しくなり、各色での飽和出力のバラツキも抑制される。
更にまた、各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂの間の素子分離帯が深さ方向で略幅が等しくなるため、各色画素間の素子分離が良好となり、ブルーミングを抑制することが可能となる。
図７，図８，図９は、本発明の別実施形態に係る図であり、夫々、図３のＩＶ―ＩＶ線断面模式図、Ｖ―Ｖ線断面模式図、ＶＩ―ＶＩ線断面模式図である。図４〜図６の実施形態では、各光電変換領域５０ｒ，５０ｇ，５０ｂを３層構造としたが、本実施形態では、２層構造としている点が異なる。
即ち、本実施形態では、図４〜図６で説明した浅部領域５１（ｒ，ｇ，ｂ）と中間領域５２（ｒ，ｇ，ｂ）とを各色で共通の幅「中」とし、深部領域５３ｒ，５３ｇ，５３ｂのみその幅を色毎に変える様にしている。図示する例では、Ｒ画素の深部領域５３ｒの幅を「大」とし、Ｇ画素の深部領域５３ｇの幅を「中」とし、Ｂ画素の深部領域５３ｂの幅を「小」としている。
本実施形態では、浅部領域，中間領域まで「中」のマスクを使用して光電変換領域を形成できるため、用意するマスク数が少なく製造工程数も少なくなるため製造コストを低減することができ、しかも、図４〜図６の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、本実施形態でも、Ｒ画素の深部領域５３ｒの幅を広くし、これと隣接するＢ画素の深部領域５３ｂの幅を狭くしたため、赤色の混色を防止することができ、高品質な撮像画像信号を得ることができる。
以上述べた様に、本実施形態による固体撮像素子は、半導体基板に二次元アレイ状に配列形成される複数の画素と、各画素上に積層されるカラーフィルタとを有する固体撮像素子であって、前記各画素を構成する各々の光電変換領域の深さが前記カラーフィルタの色にかかわらず同一に形成され該光電変換領域の浅部と深部の夫々の幅が前記カラーフィルタの色によって異なることを特徴とする。
本実施形態の固体撮像素子は、前記カラーフィルタが原色系カラーフィルタであり、赤色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅を広く青色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅を狭く形成したことを特徴とする。
本実施形態の固体撮像素子は、前記カラーフィルタが原色系カラーフィルタであり、赤色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅を浅部の幅より幅広に形成し、青色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅より浅部の幅を幅広に形成し、緑色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部と浅部の中間領域の幅を該深部及び浅部の幅より幅広に形成したことを特徴とする。
本実施形態の固体撮像素子は、隣接する２つの前記光電変換領域の間に形成される素子分離領域の幅が前記半導体基板の深さ方向で略同一となることを特徴とする。
本実施形態の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換領域の前記幅の縮小部分，拡大部分は、該光電変換領域を形成するイオン注入工程における注入範囲を変えることで形成することを特徴とする。
本実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子を駆動する駆動手段と、該固体撮像素子から出力される撮像画像信号を処理する信号処理手段とを備えることを特徴とする。
実施形態によれば、各色用の光電変換領域の不純物拡散深さが同一のため不要電荷の引き抜きのために基板に印加する電圧を色毎に変える必要がなくなり、引き抜き特性が均一化される。
また、各色毎に、光電変換される場所の光電変換層の幅を広くしているため、光電変換効率が向上し、感度が向上する。更に、隣接する２つの光電変換領域間の間隔を、半導体基板の深さ方向で略均一としているため、各色画素間での素子分離性能が向上する。
本発明に係る固体撮像素子は、画素が微細化されても各色画素からの不要電荷の引き抜き特性の均一化，混色抑制を図ることができ、デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話機，カメラ付電子装置，監視カメラ，内視鏡，車載カメラ等に適用すると有用である。
５０ｒ Ｒ画素の光電変換領域
５０ｇ Ｇ画素の光電変換領域
５０ｂ Ｂ画素の光電変換領域
５１ｒ，５１ｇ，５１ｂ 浅部領域
５２ｒ，５２ｇ，５２ｂ 中間領域
５３ｒ，５３ｇ，５３ｂ 深部領域
１００ 固体撮像素子
１０１ 画素
５０ｇ Ｇ画素の光電変換領域
５０ｂ Ｂ画素の光電変換領域
５１ｒ，５１ｇ，５１ｂ 浅部領域
５２ｒ，５２ｇ，５２ｂ 中間領域
５３ｒ，５３ｇ，５３ｂ 深部領域
１００ 固体撮像素子
１０１ 画素
Claims (6)
- 半導体基板に二次元アレイ状に配列形成される複数の画素と、各画素上に積層されるカラーフィルタとを有する固体撮像素子であって、前記各画素を構成する各々の光電変換領域の深さが前記カラーフィルタの色にかかわらず同一に形成され該光電変換領域の浅部と深部の夫々の幅が前記カラーフィルタの色によって異なる固体撮像素子。
- 請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記カラーフィルタが原色系カラーフィルタであり、赤色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅を広く青色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅を狭く形成した固体撮像素子。
- 請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子であって、前記カラーフィルタが原色系カラーフィルタであり、赤色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅を浅部の幅より幅広に形成し、青色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部の幅より浅部の幅を幅広に形成し、緑色フィルタが積層された前記光電変換領域の深部と浅部の中間領域の幅を該深部及び浅部の幅より幅広に形成した固体撮像素子。
- 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子であって、隣接する２つの前記光電変換領域の間に形成される素子分離領域の幅が前記半導体基板の深さ方向で略同一となる固体撮像素子。
- 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記光電変換領域の前記幅の縮小部分，拡大部分は、該光電変換領域を形成するイオン注入工程における注入範囲を変えることで形成する固体撮像素子の製造方法。
- 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子を駆動する駆動手段と、該固体撮像素子から出力される撮像画像信号を処理する信号処理手段とを備える撮像装置。
Priority Applications (2)
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