JP2012099743A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路ノイズ及び混色を低減しながら、高感度化を図る。
【解決手段】本発明の一形態に係る固体撮像装置１０は、シリコン層１０１の第一主面側から入射した光を電荷に変換する第一導電型の複数のフォトダイオード１１１と、シリコン層１０１の第一主面側の表面に形成されている第二導電型の埋め込み層１２６と、フォトダイオード１１１間に形成されるとともに、シリコン層１０１の第二主面から埋め込み層１２６まで到達するように形成されている第二導電型の分離部１２０と、分離部１２０の第二主面側に形成されているトランジスタ１１２と、シリコン層１０１の第ニ主面側に形成されている周辺回路部１３０と、シリコン層１０１の、フォトダイオード１１１間の領域の第一主面側と、周辺回路部１３０が形成されている領域の第一主面側とに埋め込み形成されている導電性の遮光部１１９とを備える。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、マトリックス状に配列されている複数の光電変換部を含む固体撮像装置に関する。

ＭＯＳ型の固体撮像装置は、低消費電力駆動及び高速撮像が可能な装置として注目されており、デジタルカメラ、携帯機器カメラ及び車載カメラと幅広い分野で搭載され始めている。このような固体撮像装置では、最近の小型化及び多画素化の要望から、画素サイズの微細化が進んでいる。しかしながら、画素サイズが１μｍ台になると、配線層における開口率が可視光波長に近づくために、入射光がフォトダイオード部へ到達することが妨げられる。これにより、感度特性が悪化するという問題ある。また、隣接するフォトダイオードとのピッチが狭小となるため、斜入射光が隣接フォトダイオードへ漏れこむ可能性が増加する。これにより、混色特性が悪化するという問題がある。

そこで、このような特性悪化の対策として、特許文献１に記載されているように、フォトダイオードからの電荷を読み出すための配線層が形成されていない裏面から光を入射する構造（裏面照射型）が提案されている。

図７は、特許文献１に記載の従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。図７に示す固体撮像装置では、フォトダイオード部（光電変換部）２２２からの電荷を転送する垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２２１が半導体基板２０１の第一面側の表面に形成されている。また、当該第一面側と反対の第二面側（裏面側）に、カラーフィルタ層２２３及びマイクロレンズ２２４が形成されている。そして、斜入射光が隣接画素へ漏れこむことを防止するために、半導体基板２０１内に埋め込まれるとともに、各カラーフィルタ層２２３の間まで形成されている遮光部材２２８が設けられている。また、裏面側の表面からフォトダイオード部２２２までの距離は９μｍと厚くしている。

また、裏面側の表面に正孔引き抜き用の高濃度ｐ＋＋層２２５が設けられており、この上方に酸化膜２２６が形成され、さらに反射防止膜２２７が積層されている。また、遮光部材２２８を埋め込む箇所に、凹所を形成し、その後にタングステン膜をＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜する。そして、当該タングステン膜を、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を用いて反射防止膜２２７の位置まで研磨する。次に、遮光部材２２８をＰＶＤ又はＣＶＤ法で成膜して、埋め込まれた遮光部材２２８がある箇所のみ残存するように、エッチングでパターニングすることにより当該遮光部材２２８を形成する。これにより、遮光部材２２８が埋め込まれると同時に、当該遮光部材２２８が突出する形状となる。この構成により、量子効率を確保しながら、斜入射光による画素間の混色を防止することができる。

特開２００９−６５０９８号公報

しかしながら、従来の構造では、次のような課題が生じる。

図７に示すような構造は、裏面側の表面からフォトダイオード部までの距離が離れている。これにより、特に短波長の可視光（青色光）がフォトダイオード部に到達するまでに半導体基板内で吸収されてしまう。よって、光電変換により蓄積されるフォトダイオード部の電荷量が少なくなるので、感度が低下する。例えば、４５０ｎｍ波長の光は、シリコンで構成される半導体基板で３μｍの深さまで到達すると、ほぼ１００％吸収される。つまり、裏面から３μｍ以上の深さにフォトダイオードを形成しても４５０ｎｍ波長の光は、ほぼ到達しないことになる。

一方で、フォトダイオード部を裏面側の表面の近くに形成すると、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）に入射光が入り回路ノイズが増加する。これにより、スミアが発生するという課題が生じる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、回路ノイズ及び混色を低減しながら、高感度化を図ることが可能な固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成され、マトリックス状に配列されているとともに、前記半導体基板の第一主面側から入射した光を信号電荷に変換する第一導電型の複数の光電変換部と、前記半導体基板の、前記第一主面側の表面に形成されている、前記第一導電型と反対の第二導電型の埋め込み層と、前記半導体基板内の前記光電変換部間に形成されるとともに、前記半導体基板の、前記第一主面の反対側の第二主面から、前記埋め込み層まで到達するように形成されている、前記第二導電型の分離部と、前記分離部の前記第二主面側に形成されており、前記複数の光電変換部で変換された信号電荷を読み出すための複数の検出回路部と、前記半導体基板の前記第二主面側に形成されており、前記複数の光電変換部から前記複数の検出回路部を介して順次信号電荷を読み出す周辺回路部と、前記半導体基板の、前記光電変換部間の領域の前記第一主面側と、前記周辺回路部が形成されている領域の前記第一主面側とに埋め込み形成されている導電性の遮光部とを備える。

このような構成により、遮光部が検出回路部の上方に形成されているので、レンズ又はカラーフィルタと光電変換（フォトダイオード）部との距離を近くした場合でも、光電変換部の蓄積電荷を読み出すための検出回路部に光が入射することを防止できる。これにより、検出回路部内で光電変換が発生することに起因する回路ノイズを低減できるので、高感度化を実現できる。

さらに、遮光部が周辺回路部の上方に形成されているので、レンズ又はカラーフィルタと光電変換部との距離を近くした場合でも、周辺回路部に光が入射することを防止できる。これにより、周辺回路部で発生する回路ノイズを低減できるので、高感度化を実現できる。

さらに、光電変換部を第一主面（裏面）側の表面近傍に形成できるので、特に短波長（４５０ｎｍ）の可視光に対する感度を向上できる。また、分離部内に所定の厚みを有する遮光部を設けることにより、斜入射光による隣接画素への漏れこみを低減できる。これにより、混色を低減できる。

このように、本発明の一形態に係る固体撮像装置は、回路ノイズ及び混色を低減しながら、高感度化を図ることができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記第一主面側の前記半導体基板の上方に形成されている、シリコン酸化膜に比べて屈折率が高く、かつ前記半導体基板に比べて屈折率が低い反射防止膜と、前記反射防止膜の前記第一主面側の上方に形成されている、異なる波長の光を透過する複数のカラーフィルタとを備え、前記遮光部は、前記反射防止膜を貫通するとともに、前記カラーフィルタに到達しないように形成されていてもよい。

このような構成により、遮光部の形成工程でＣＭＰ法を用いてパターンを形成しても、半導体基板及び反射防止膜を研磨しなくてよい。これにより、遮光部の各々の厚みばらつきを低減できるので、各画素及び各固体撮像装置での感度特性バラツキを低減できる。

また、前記遮光部は、前記埋め込み層を貫通しないように形成されていてもよい。

このような構成により、遮光部側壁の結晶欠陥に起因する暗時発生電荷が光電変換部まで到達しないため、暗電流が低減できる。

また、前記検出回路部はトランジスタを含み、前記遮光部の幅は、前記分離部の幅より狭く、かつ前記トランジスタの活性領域の幅より広くてもよい。

このような構成により、検出回路部に光が入射することを防止できるので、検出回路部内で光電変換が発生することに起因する回路ノイズを低減できる。

また、前記遮光部は、前記埋め込み層と電気的に接続されていてもよい。

このような構成により、光電変換部間の分離部幅が狭小となった場合でも、埋め込み層の電位を、遮光部を介して固定できる。これにより、光電変換領域を増大させることにより高感度化を実現できるとともに、光電変換部内の全電荷を検出回路部により読み出すことができる。

また、前記遮光部は、タングステン、アルミニウム、銅及びチタンの何れかを含んでもよい。

このような構成により、遮光部のパターンを、ＣＭＰ法を用いて容易に形成できる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、前記カラーフィルタの前記第一主面側の上方に形成され、光を集光するレンズを備えてもよい。

このような構成により、遮光部による光反射を防止できるとともに、入射光の集光が可能となるので、感度を増加できる。

なお、本発明は、このような固体撮像装置として実現できるだけでなく、このような固体撮像装置を製造する固体撮像装置の製造方法として実現してもよい。

また、本発明は、このような固体撮像装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現したり、このような固体撮像装置を備える撮像装置（カメラ）として実現できる。

以上より、本発明は、回路ノイズ及び混色を低減しながら、高感度化を図ることが可能な固体撮像装置及びその製造方法を提供できる。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の一例を示す固体撮像装置である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置の製造過程における断面図である。 従来の画素部の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、２次元状に配列された複数の画素部１００を備える。また、半導体基板の第二主面側には、光電変換部からの信号電荷を読み出すための検出回路部及び周辺回路部が形成されている。さらに、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、当該半導体基板の第二主面と反対の第一主面（裏面）側の検出回路部及び周辺回路部の上方に、半導体基板内に埋め込まれた遮光部を備える。

これにより、レンズ又はカラーフィルタと光電変換部との距離を近くした場合でも、検出回路部及び周辺回路部に光が入射することを防止できる。よって、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、回路ノイズ及び混色を低減しながら、高感度化を図ることができる。

まず、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０の回路構成の一例について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０の一例を示す回路構成図である。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、図１に示すように、複数の画素部１００がアレイ状に配列されたＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の固体撮像装置である。図１に示すように、固体撮像装置１０は、撮像領域１７と、垂直シフトレジスタ１８と、水平シフトレジスタ１９と、出力端子２１とを備える。なお、図１では、簡単化のため、４個の画素部１００のみを記載しているが、固体撮像装置１０が備える画素部１００の数は任意の数でよい。

撮像領域１７には、複数の画素部１００が、アレイ状（行列状）に配列されている。

垂直シフトレジスタ１８は、複数の画素部１００の行を順次選択する。

水平シフトレジスタ１９は、複数の画素部１００の列を順次選択する。

複数の画素部１００の各々は、光電変換部（フォトダイオード）１１と、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）１２と、転送トランジスタ１３と、増幅トランジスタ１４と、リセットトランジスタ１５と、選択トランジスタ１６とを備える。

光電変換部１１は、入射光を光電変換することで、信号電荷を生成する。

転送トランジスタ１３は、光電変換部１１によって生成された信号電荷を浮遊拡散層１２に転送する。

増幅トランジスタ１４は、浮遊拡散層１２に転送された信号電荷を増幅することで画素信号を生成する。

垂直シフトレジスタ１８によって選択された行に配置されている選択トランジスタ１６は、画素信号を出力信号線２０へ伝達する。また、水平シフトレジスタ１９は、選択した列の出力信号線２０に伝達された画素信号を出力端子２１へ伝達する。

また、リセットトランジスタ１５は、浮遊拡散層１２に蓄積されている余剰電荷を排出する。

なお、図１には示していないが、画素部１００毎に、各光電変換部１１の上方に、緑色光を透過する緑フィルタ、赤色光を透過する赤フィルタ、及び、青色光を透過する青フィルタのいずれかが形成される。

続いて、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０が備える画素部１００の構成の一例について、図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。

図２Ａは、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０の画素部１００の周辺の構成例を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、シリコン層（半導体基板）１０１と、支持基板１０２と、フォトダイオード１１１と、トランジスタ１１２と、絶縁膜１１３と、多層配線１１４と、シリコン酸化膜１１５及び１１７と、シリコン窒化膜１１６と、遮光部１１９と、分離部１２０と、カラーフィルタ１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃと、埋め込み層１２６とを備える。

シリコン層１０１は、第一主面と、当該第一主面の反対側の面である第二主面とを有する半導体基板である。

フォトダイオード１１１は、シリコン層１０１内に画素部１００毎に形成されている。このフォトダイオード１１１は、第一主面側から入射した光を光電変換することで、信号電荷を生成する。例えば、フォトダイオード１１１は、ｎ型（第一導電型）の拡散領域である。このフォトダイオード１１１は、半導体基板平面にマトリックス状（行列状）に配列されている。

また、フォトダイオード１１１は、光電変換部の一例であり、シリコン層１０１の第一主面側の表面付近から第二主面側の表面付近まで広がっている。なお、フォトダイオード１１１は、図１に示す光電変換部１１に相当している。

また、トランジスタ１１２は、シリコン層１０１の第二主面側に形成されている。トランジスタ１１２は、複数のフォトダイオード１１１によって生成された信号電荷を読み出すために用いられる検出回路部に含まれる。

なお、トランジスタ１１２は、画素部１００が備えるトランジスタであり、例えば、増幅トランジスタ１４、又は、選択トランジスタ１６である。言い換えると、上記検出回路部は、図１に示す、浮遊拡散層１２と、転送トランジスタ１３と、増幅トランジスタ１４と、リセットトランジスタ１５と、選択トランジスタ１６とを含む。

分離部１２０は、複数のフォトダイオード１１１のそれぞれの間、及び、複数のフォトダイオード１１１とトランジスタ１１２との間に形成されている。分離領域１１２ｂは、複数のフォトダイオード１１１のそれぞれの間、及び、複数のフォトダイオード１１１とトランジスタ１１２との間を電気的に分離するＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）である。また、分離部１２０は、例えば、ｐ型（第二導電型）である。この分離部１２０は、シリコン層１０１の、第二主面から埋め込み層１２６まで到達するように形成されている。

また、図２Ｂは、分離部１２０を示す平面図である。なお、図２Ｂでは、簡単化のため、９個の画素部１００のみを記載しているが、固体撮像装置１０が備える画素部１００の数は任意の数でよい。また、撮像領域１７の一方にのみ周辺回路部１３０が配置されているが、周辺回路部１３０は、撮像領域１７の複数の辺に配置されていてもよい。また、これらは後述する図２Ｃにおいても同様である。

また、図２Ｂにおいて、ハッチング部分が分離部１２０を示しており、点線は遮光部１１９の境界を示している。

なお、周辺回路部１３０は、複数のフォトダイオード１１１から複数の検出回路部を介して順次電荷を読み出す。また、この周辺回路部１３０は、例えば、図１に示す垂直シフトレジスタ１８、及び水平シフトレジスタ１９である。また、この周辺回路部１３０は、シリコン層１０１の第二主面側に形成されている。

埋め込み層１２６は、ｐ型であり、シリコン層１０１の、第一主面側の表面に形成されている。言い換えると、埋め込み層１２６は、フォトダイオード１１１と第一主面との間、及び分離部１２０と第一主面との間に形成されている。

なお、シリコン層１０１の第一主面は、フォトダイオード１１１に光が入射する面である光入射面であり、図２では、シリコン層１０１の上面である。また、シリコン層１０１の第二主面は、光入射面と反対側の面であり、図２では、シリコン層１０１の下面である。なお、以下では、図２Ａの記載にあわせて、第一主面側を上（上方）、第二主面側を下（下方）とも記す。

トランジスタ１１２は、ＭＯＳ型構造を有する。このトランジスタ１１２は、拡散領域１１２ａと、分離領域１１２ｂと、ゲート電極１１２ｃと、ゲート酸化膜（図示せず）とを含む。分離領域１１２ｂは、絶縁膜で構成されるＳＴＩであり、拡散領域１１２ａを取り囲むように形成されている。ゲート電極１１２ｃは、拡散領域１１２ａ下方にゲート酸化膜（図示せず）を介して、形成されている。また、拡散領域１１２ａは、トランジスタ１１２のチャネルが形成される活性領域である。

絶縁膜１１３は、ゲート電極１１２ｃ下方に形成されている。この絶縁膜１１３は、例えば、シリコン酸化膜、又は、シリコン窒化膜である。

多層配線１１４は、絶縁膜１１３内に形成されており、トランジスタ１１２を制御するために用いられる。

このように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０では、光入射面とは反対側の面（第二主面）から、フォトダイオード１１１によって生成された信号電荷を電気信号として検出する。

支持基板１０２は、多層の絶縁膜１１３の下方に貼り合わされている。シリコン層１０１は、例えば、１〜５μｍと薄層であるため、支持基板１０２は、例えば、シリコン基板であって、補強の役割を担う。これにより、固体撮像装置１０の強度を向上させることができる。

シリコン酸化膜１１５は、シリコン層１０１の第一主面上に形成されている。シリコン窒化膜１１６は、シリコン酸化膜１１５上に形成されている。このシリコン窒化膜１１６は、反射防止膜として機能する。具体的には、シリコン窒化膜１１６は、シリコン酸化膜１１５より高屈折率の膜であり、５〜１００ｎｍの厚みで形成されている。このようにシリコン窒化膜１１６を設けることで、フォトダイオード１１１への入射光強度が増加する。例えば、緑色光（波長５５０ｎｍ）を高透過させるカラーフィルタ１２２ｂが上方に形成されているフォトダイオード１１１の感度が、約２０％向上する。

なお、固体撮像装置１０は、反射防止膜として、シリコン窒化膜１１６以外の膜を備えてもよい。具体的には、反射防止膜は、シリコン酸化膜１１５より高屈折率であり、シリコン層１０１より低屈折率の膜であればよい。例えば、固体撮像装置１０は、反射防止膜として、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、タンタル酸化物（ＴａＯ）、酸化ハフニウム、又は酸化亜鉛の膜を備えてもよい。

シリコン酸化膜１１７は、シリコン窒化膜１１６上に形成されている。

また、フォトダイオード１１１間において、分離領域１１２ｂ上には、分離部１２０が形成されている。これにより、フォトダイオード１１１に蓄積されている蓄積電荷が隣接画素へ漏れこむことを電気的な障壁で防止している。

カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃは、シリコン層１０１の上方（シリコン酸化膜１１７上）に、画素毎に形成されている。

なお、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、例えば、ベイヤ配列の固体撮像装置である。例えば、カラーフィルタ１２２ａは、青色光の透過率が高い青フィルタであり、カラーフィルタ１２２ｂは、緑色光の透過率が高い緑フィルタであり、カラーフィルタ１２２ｃは、赤色光の透過率が高い赤フィルタである。なお、各カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃの厚みは、３００〜１０００ｎｍである。

なお、ここでは、ＲＧＢ系のカラーフィルタを用いる例を述べるが、補色系のフィルタ等の他の方式のカラーフィルタを用いてもよい。また、色配置はベイヤ配列以外であってもよい。

遮光部１１９は、シリコン層１０１の第一主面側の表面に埋め込まれている。この遮光部１１９は、シリコン窒化膜１１６、シリコン酸化膜１１５、及び埋め込み層１２６を貫通している。また、遮光部１１９は、分離部１２０に形成されているトランジスタ１１２上方に形成されている。また、遮光部１１９の上端は、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃに到達しないように形成されている。

この遮光部１１９は、斜入射光が、カラーフィルタの境界部を通過しての隣接画素のフォトダイオード１１１への到達すること、及びトランジスタ１１２の拡散領域１１２ａへ到達することを防止する。なお、遮光部１１９は、画素部１００間に、格子状に形成されている。また、図２Ｃは、遮光部１１９を示す平面図である。また、遮光部１１９の幅は、分離部１２０の幅より狭く、かつ拡散領域１１２ａの幅より広い。また、図２Ｃにおいて、ハッチング部分が遮光部１１９を示しており、点線は分離部１２０の境界を示している。

また、遮光部１１９は、周辺回路部１３０の上方にも形成されている。これにより、周辺回路部１３０が光入射により誤動作することを防止するとともに、周辺回路部１３０の光ノイズ低減できる。

また、遮光部１１９は、導電性を有し、例えば、金属で構成される。具体的には、遮光部１１９には、薄膜での光遮光性が高いタングステン材料を用いる。また、遮光部１１９の膜厚は、２００〜５００ｎｍである。なお、遮光部１１９は、アルミニウム、銅、又はチタンで構成されてもよい。この場合の遮光部１１９の膜厚は、タングステンを用いた場合と同様に２００〜５００ｎｍである。また、遮光部１１９は、埋め込み層１２６の深さより深く形成されている。

このような遮光部１１９を形成することで、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、従来（第一主面側からフォトダイオードを９μｍ深さに形成する固体撮像装置）に比べ１０倍以上、青色光（光波長４５０ｎｍ）に対する感度を向上できる。また、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃと第一主面間の距離が近くなっていても、遮光部１１９がフォトダイオード１１１の近距離にあることで斜入射光の隣接画素への漏れこみを低減できる。これらにより、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、遮光部１１９がシリコン層１０１の第二主面側の上方に形成されている固体撮像装置に比べて、３０％以上、感度を向上できる。

また、ＣＭＰ法で遮光部１１９のパターンを形成する際に、シリコン層１０１及びシリコン窒化膜１１６の厚みが変動しないため、画素間及び固体撮像装置間での感度特性ばらつきを低減できる。例えば、従来例に比べて、感度特性ばらつきを半減できる。

さらに、図３に示すように、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃの上方に、平坦化膜（図示せず）を介してマイクロレンズ１２４を形成してもよい。このマイクロレンズ１２４は、入射光をフォトダイオード１１１に集光する。これにより、さらなる高集光が可能となる。例えば、赤色光（波長６５０ｎｍ）を高透過させるカラーフィルタ１２２ｃが上方に形成されているフォトダイオード１１１の感度は、従来に比べ５０％向上する。

さらに、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０では、トランジスタ１１２及び周辺回路部１３０の上方に、同構造の遮光部１１９を設けている。これにより、トランジスタ１１２を構成する拡散領域１１２ａにおける光電変換に起因するノイズを低減できるので、例えば、感度を１０％改善できる。

さらに、撮像領域１７と周辺回路部１３０とで同様の高さの遮光部１１９を同時に形成できるため短ＴＡＴ及び低コストを実現できる。また、カラーフィルタを簡便なスピンコート法で塗布しても段差起因による膜厚ムラが発生しない。よって、遮光部１１９が撮像領域１７と周辺回路部１３０とで異なる高さの場合に比べて、感度特性ばらつきが半減できる。

また、図４は、固体撮像装置１０の変形例である固体撮像装置１０Ａの断面図である。

図４に示す固体撮像装置１０Ａは、図２Ａに示す固体撮像装置１０の構成に対して、遮光部１１９Ａの構成が遮光部１１９と異なる。

遮光部１１９Ａは、埋め込み層１２６を貫通しない。この場合も、上記の場合と同様の効果が得られる。さらに、埋め込み層１２６より浅くに遮光部１１９Ａを設けることで、遮光部１１９Ａの側壁の結晶欠陥に起因する暗時発生電荷がフォトダイオード１１１への流入することを防止できる。例えば、ＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）画素数の固体撮像装置で、暗時において６９ｍＶ以上を出力する画素の数が１００画素から、８０画素以下まで減少する。

また、遮光部１１９（１１９Ａ）を埋め込み層１２６と電気的に接続してもよい。これにより、分離部１２０が狭小幅となっても、安定的に埋め込み層１２６の電位を固定できる。例えば、分離部１２０の幅が０．４μｍから０．２μｍになっても、フォトダイオード１１１の蓄積電荷を全て読み出すことが可能である。一方、分離部１２０の幅が０．２μｍであり、かつ遮光部１１９と埋め込み層１２６とを電気的に接続しない場合は、画素アレイの中心部分で、読み出せない電荷（残像電荷）が２０個以上になる。

次に、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０の製造方法について、図５Ａ〜図５Ｆを用いて説明する。図５Ａ〜図５Ｆは、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０の製造過程における断面図である。

まず、図５Ａに示すように、シリコン基板１０１Ａ（ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ））内に、一般的な固体撮像装置の製造方法を用いて、フォトダイオード１１１、分離部１２０、埋め込み層１２６、トランジスタ１１２を含む各種トランジスタ、多層の絶縁膜１１３、及び、多層配線１１４を形成する。

続いて、図５Ｂに示すように、支持基板１０２としてのシリコン基板を絶縁膜１１３に貼り付ける。本発明の実施の形態では、接着剤（図示せず）を用いて支持基板１０２と絶縁膜１１３とを貼り付けている。なお、絶縁膜１１３をＣＭＰ法で平坦化し、次に、プラズマ中で表面活性化することにより、支持基板１０２と絶縁膜１１３とを貼り付けてもよい。

続いて、図５Ｃに示すように、フォトダイオード１１１を形成しているシリコン基板１０１Ａを薄化加工する。具体的には、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層（シリコン酸化膜）まで薄化加工することで、シリコン層１０１を残す。なお、フォトダイオード１１１は、シリコン層１０１の表面近傍から裏面近傍まで到達する構造である。

続いて、図５Ｄに示すように、シリコン層１０１の第一主面の上方に、シリコン酸化膜１１５と、シリコン窒化膜１１６と、シリコン酸化膜１１７とを積層する。例えば、ＣＶＤ法などを用いて、これらの膜を積層する。シリコン窒化膜１１６は、入射光がシリコン層１０１界面で反射することを低減する役割を担う。

続いて、図５Ｅに示すように、リソグラフィ法を用いてパターニングしたうえで、ドライエッチングを用いて、シリコン酸化膜１１５とシリコン窒化膜１１６とシリコン酸化膜１１７とを貫通する、格子状の溝を、シリコン層１０１の第一主面側に形成する。その後、タングステンで構成される金属膜をスパッタリング法又はＣＶＤ法を用いて成膜することで、当該金属膜を溝内に埋め込む。その後、ＣＭＰ法を用いて当該金属膜を研磨する。このとき、当該金属膜とシリコン酸化膜１１７との研磨速度の違いを利用して、溝内のみに金属膜を残存させることで、格子状の遮光部１１９を撮像領域１７内に形成する。また、このとき、シリコン窒化膜１１６が研磨されないようにしている。これにより、各画素及び固体撮像装置でのフォトダイオード１１１への入射光の強度バラツキを低減している。また、フォトダイオード１１１の上方に遮光部１１９が配置されることで遮光部１１９が入射光を妨げないように、遮光部１１９の幅を、分離部１２０幅より狭く形成している。

また、周辺回路部１３０にも同様の断面構造で遮光部１１９を設けるが、当該遮光部１１９の形状は、島状又は格子状等の任意の形でよい。

また、画素部１００内の遮光部１１９へ電圧印加する場合は、遮光部１１９とパッドとを電気的に接続する必要がある。この場合、周辺回路部１３０及び撮像領域１７の遮光部１１９は、この配線としても用いられる。

また、シリコン層１０１内に形成される溝は、埋め込み層１２６の深さより深くまで形成されている。つまり、当該溝は、分離部１２０内まで形成されている。これにより、斜入射光が隣接フォトダイオードへの漏れこむことを防止できるとともに、溝側面の暗時発生電荷がフォトダイオード１１１へ流入することを防止できる。これらにより、感度を向上できる。

また、本実施の形態では、例えば、分離部１２０の幅は０．４μｍであり、トランジスタ１１２の拡散領域１１２ａの幅は０．２μｍである。また、遮光部１１９の幅は約０．３μｍであり、その厚さは約０．４μｍである。

続いて、図５Ｆに示すように、有機膜で構成される絶縁膜又はシリコン酸化膜１１７を、遮光部１１９を覆うために、塗布法又はＣＶＤ法などを用いて成膜する。

続いて、ベイヤ配列となるように、塗布法を用いてカラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃを形成する。これにより、図２に示す構造が形成される。なお、裏面側（第二主面側）にパッド開口が形成されることを考慮して、パッド上方にはカラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃを配置していない。

続いて、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃの上方に平坦化するための有機膜（図示せず）を形成し、その後、従来と同様の方法でマイクロレンズ１２４を形成する。

以上の工程を経ることで、図３に示す固体撮像装置１０を製造することができる。

以上のように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、シリコン窒化膜１１６を貫通するとともにシリコン層１０１内に形成される、金属で構成される遮光部１１９を備える。さらに、遮光部１１９の幅が検出回路部（トランジスタ１１２）の拡散領域１１２ａの幅より広い。また、周辺回路部１３０にも同構造の遮光部１１９を設ける。

これらにより、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０は、斜入射による隣接フォトダイオードへの光漏れこみを低減できる。さらに、当該固体撮像装置１０は、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃとフォトダイオード１１１との間の距離を近づけた場合でも、検出回路部及び周辺回路部１３０のノイズの増加を抑制できるので、高感度化を実現できる。また、当該固体撮像装置１０は、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃとフォトダイオード１１１との間の距離を近づけることによる高集光を実現できる。

また、当該固体撮像装置１０は、遮光部１１９を形成するための溝を分離部１２０内に設けることで、溝側壁部の結晶欠陥に起因する暗時発生電荷がフォトダイオード１１１へ流入することを防止できる。これにより、高感度化を実現できる。また、段差が少ない状態で、塗布法を用いてカラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃを形成できるので、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃの厚みのばらつきに起因する画素間又は固体撮像装置の感度特性バラツキを低減できる。

以上、本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法について、実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上述したように、遮光部１１９は、埋め込み層１２６より浅い位置に形成されてもよい。これにより、溝側壁部の結晶欠陥に起因する暗時発生電荷が、フォトダイオード１１１から距離的に遠くなるめに、当該暗時発生電荷がフォトダイオード１１１に流入することを防止できる。

以下では、図４に示す、埋め込み層１２６内で遮光部１１９Ａが終端している固体撮像装置１０Ａの製造方法の一例について、図６Ａ〜図６Ｃを用いて説明する。

図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置１０Ａの製造過程における断面図である。

なお、シリコン酸化膜１１７を形成するまでの工程は、上述した図５Ａ〜図５Ｄに示す工程と同じであるので説明は省略する。

図５Ｄに示す工程の後、図６Ａに示すように、リソグラフィ法を用いてパターニングしたうえで、ドライエッチングを用いて、シリコン酸化膜１１５とシリコン窒化膜１１６とシリコン酸化膜１１７とを貫通する、格子状の溝を、シリコン層１０１の第一主面側に形成する。その際に、溝の深さが埋め込み層１２６より深くならないように、当該溝の深さを、エッチング時間を調整することで調整する。その後、タングステンで構成される金属膜をスパッタリング法又はＣＶＤ法を用いて成膜することで、当該金属膜を溝内に埋め込む。その後、ＣＭＰ法を用いて当該金属膜を研磨する。このとき、当該金属膜とシリコン酸化膜１１７との研磨速度の違いを利用して、溝内のみに金属膜を残存させることで、格子状の遮光部１１９Ａを撮像領域１７内に形成する。また、遮光部１１９Ａの幅は約０．３μｍであり、厚さは約０．３μｍである。また、遮光部１１９Ａが分離部１２０まで到達しないため、遮光部１１９Ａの厚さが薄くなり遮光性が低減される場合には、シリコン窒化膜１１６上のシリコン酸化膜１１７の厚みを厚くすることで、遮光部１１９Ａの厚みを調節してもよい。

続いて、図６Ｂに示すように、遮光部１１９Ａを覆うために、有機膜で構成される絶縁膜又はシリコン酸化膜１１７を、塗布法又はＣＶＤ法などにより成膜する。

続いて、図６Ｃに示すように、ベイヤ配列となるように、塗布法を用いてカラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃを形成する。なお、裏面側（第二主面側）にパッド開口が形成されることを考慮して、パッド上方にはカラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃを配置していない。

続いて、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃの上方に平坦化するための有機膜（図示せず）を形成し、その後、従来と同様の方法でマイクロレンズ１２４を形成する。以上により、図４に示す構造が形成される。

以上のようにして、カラーフィルタ１２２ａ〜１２２ｃとフォトダイオード１１１との間の距離を近づけても高集光が可能となる。また、遮光部１１９Ａを形成するための溝を分離部１２０内に設けることで、遮光部１１９Ａの側壁部の結晶欠陥に起因する暗時発生電荷がフォトダイオード１１１へ流入することを防止できる。また、撮像領域１７内の検出回路部及び周辺回路部１３０に入射光が到達しないので回路ノイズの発生を抑制できる。さらに、斜入射光の隣接画素への漏れこみを低減できるので、高感度化が実現できる。なお、遮光部１１９Ａの形成方法は、上記説明に限らず、他の方法を用いて形成してもよい。

また、上記実施の形態に係る固体撮像装置に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。

また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

また、上記図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。

また、上記実施の形態に係る、固体撮像装置、及びその変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。

また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。

本発明は、固体撮像装置に適用できる。また、本発明は、デジタルカメラなどの撮像装置に利用することができる。

１０、１０Ａ 固体撮像装置
１１ 光電変換部
１２ 浮遊拡散層
１３ 転送トランジスタ
１４ 増幅トランジスタ
１５ リセットトランジスタ
１６ 選択トランジスタ
１７ 撮像領域
１８ 垂直シフトレジスタ
１９ 水平シフトレジスタ
２０ 出力信号線
２１ 出力端子
１００ 画素部
１０１ シリコン層
１０１Ａ シリコン基板
１０２ 支持基板
１１１ フォトダイオード
１１２ トランジスタ
１１２ａ 拡散領域
１１２ｂ 分離領域
１１２ｃ ゲート電極
１１３ 絶縁膜
１１４ 多層配線
１１５ シリコン酸化膜
１１６ シリコン窒化膜
１１７ シリコン酸化膜
１１９、１１９Ａ 遮光部
１２０ 分離部
１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ カラーフィルタ
１２４ マイクロレンズ
１２６ 埋め込み層
１３０ 周辺回路部
２０１ 半導体基板
２２１ 垂直電荷転送路
２２２ フォトダイオード部
２２３ カラーフィルタ層
２２４ マイクロレンズ
２２５ 高濃度ｐ＋＋層
２２６ 酸化膜
２２７ 反射防止膜
２２８ 遮光部材

Claims (8)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板内に形成され、マトリックス状に配列されているとともに、前記半導体基板の第一主面側から入射した光を信号電荷に変換する第一導電型の複数の光電変換部と、
   前記半導体基板の、前記第一主面側の表面に形成されている、前記第一導電型と反対の第二導電型の埋め込み層と、
   前記半導体基板内の前記光電変換部間に形成されるとともに、前記半導体基板の、前記第一主面の反対側の第二主面から、前記埋め込み層まで到達するように形成されている、前記第二導電型の分離部と、
   前記分離部の前記第二主面側に形成されており、前記複数の光電変換部で変換された信号電荷を読み出すための複数の検出回路部と、
   前記半導体基板の前記第二主面側に形成されており、前記複数の光電変換部から前記複数の検出回路部を介して順次信号電荷を読み出す周辺回路部と、
   前記半導体基板の、前記光電変換部間の領域の前記第一主面側と、前記周辺回路部が形成されている領域の前記第一主面側とに埋め込み形成されている導電性の遮光部とを備える
   固体撮像装置。
2. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記第一主面側の前記半導体基板の上方に形成されている、シリコン酸化膜に比べて屈折率が高く、かつ前記半導体基板に比べて屈折率が低い反射防止膜と、
   前記反射防止膜の前記第一主面側の上方に形成されている、異なる波長の光を透過する複数のカラーフィルタとを備え、
   前記遮光部は、前記反射防止膜を貫通するとともに、前記カラーフィルタに到達しないように形成されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記遮光部は、前記埋め込み層を貫通しないように形成されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記検出回路部はトランジスタを含み、
   前記遮光部の幅は、前記分離部の幅より狭く、かつ前記トランジスタの活性領域の幅より広い
   請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記遮光部は、前記埋め込み層と電気的に接続されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記遮光部は、タングステン、アルミニウム、銅及びチタンの何れかを含む
   請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記固体撮像装置は、さらに、
   前記カラーフィルタの前記第一主面側の上方に形成され、光を集光するレンズを備える
   請求項１記載の固体撮像装置。
8. 半導体基板内に、マトリックス状に配列されているとともに、前記半導体基板の第一主面側から入射した光を信号電荷に変換する第一導電型の複数の光電変換部を形成する工程と、
   前記半導体基板の、前記第一主面側の表面に、前記第一導電型と反対の第二導電型の埋め込み層を形成する工程と、
   前記半導体基板内の前記光電変換部間に、前記半導体基板の、前記第一主面の反対側の第二主面から、前記埋め込み層まで到達するように、前記第二導電型の分離部を形成する工程と、
   前記分離部の前記第二主面側に、前記複数の光電変換部で変換された信号電荷を読み出すための複数の検出回路部を形成する工程と、
   前記半導体基板の前記第二主面側に、前記複数の光電変換部から前記複数の検出回路部を介して順次信号電荷を読み出す周辺回路部を形成する工程と、
   前記半導体基板の、前記光電変換部間の領域の前記第一主面側と、前記周辺回路部が形成されている領域の前記第一主面側とに導電性の遮光部を埋め込み形成する工程とを含む
   固体撮像装置の製造方法。

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