JP2012129358A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イメージエリアへの光の入射効率を向上させ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。
【解決手段】固体撮像装置は、基板１５内に設けられ、かつ第１導電型の半導体領域１７をそれぞれが有する複数のフォトダイオードＰＤと、基板１５内に設けられ、かつ第２導電型の半導体領域から構成され、かつ複数のフォトダイオードＰＤをそれぞれ分離する素子分離領域１９とを含む。素子分離領域１９は、複数のフォトダイオードＰＤが配列されたイメージエリアの中心方向に傾いている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置及びその製造方法に関する。

固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、或いは監視カメラ等の多様な用途で使用されている。この固体撮像装置としては、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサが広く用いられている。

固体撮像装置は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードを含んで構成され、イメージエリアに投影された像を電気的に読み出す。また、半導体基板の裏面（受光面）側にフォトダイオードを設け、受光面と反対面に外部との間で電気信号の入出力を行うための配線層を設けた構造を有する裏面照射型固体撮像装置が開発され、画素の微細化がより進んでいる。

フォトダイオードは、半導体基板の膜厚とほぼ同じ深さを有する。このため、イメージエリアの周辺では、受光面に垂直な方向に対して角度を持ってフォトダイオードに光が入射することになり、光の入射効率が低下してしまう。さらに、フォトダイオードがより微細化された場合には、入射効率がより低下してしまう。これにより、固体撮像装置の受光感度が低下してしまう。

特開２００４−１３４７９０号公報

実施形態は、イメージエリアへの光の入射効率を向上させ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。

実施形態に係る固体撮像装置は、基板内に設けられ、かつ第１導電型の半導体領域をそれぞれが有する複数のフォトダイオードと、前記基板内に設けられ、かつ第２導電型の半導体領域から構成され、かつ前記複数のフォトダイオードをそれぞれ分離する素子分離領域とを具備する。前記素子分離領域は、前記複数のフォトダイオードが配列されたイメージエリアの中心方向に傾いている。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図。 図１に示したＡ−Ａ´線に沿った固体撮像装置の断面図。 固体撮像装置のカラーフィルタの配置例を説明する図。 固体撮像装置のイメージエリアのスケーリングを説明する概略図。 固体撮像装置の素子分離領域の構成を示す平面図。 固体撮像装置の製造工程を示す平面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図。 第３の実施形態に係る固体撮像装置のイメージエリアを示す概略図。 固体撮像装置の中央部に配置される画素の構成を示す断面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の構成を示す平面図である。図２は、図１に示したＡ−Ａ´線に沿った固体撮像装置１０の断面図である。

支持基板１１は、固体撮像装置１０全体の強度及び剛性を増すために設けられており、例えばシリコン（Ｓｉ）から構成される。支持基板１１上には、配線構造体としての多層配線層１２が設けられている。多層配線層１２は、例えばシリコン酸化物からなる層間絶縁層１３と、この層間絶縁層１３内に設けられた多層の金属配線１４とを含む。多層配線層１２には、フォトダイオードの電荷を読み出すためのトランスファーゲート２４が設けられている。

多層配線層１２上には、例えばシリコン（Ｓｉ）からなるｎ型半導体基板１５が設けられている。ｎ型半導体基板１５としては、シリコン（Ｓｉ）からなるｎ型エピタキシャル層であってもよいし、基板内に形成されたｎ型ウェルであってもよい。半導体基板１５は、多層配線層１２と接する面が表面であり、カラーフィルタ側が裏面である。半導体基板１５の裏面は、受光面となる。

半導体基板１５内には、複数のフォトダイオードＰＤがマトリクス状に設けられている。複数のフォトダイオードＰＤは、格子状（網目状）の素子分離領域１９によって電気的に分離されている。素子分離領域１９は、ｐ型不純物、例えばボロン（Ｂ）を半導体基板１５に導入して形成したｐ型半導体領域から構成される。素子分離領域１９のより具体的な構成については後述する。

ここでは、１個の画素に、１個のフォトダイオードＰＤが含まれる例を示す。各フォトダイオードＰＤは、電荷蓄積領域１７、及びｎ^＋型半導体領域１６を備えている。電荷蓄積領域１７は、ｎ型半導体領域からなり、入射光を光電変換する受光部として機能する。ｎ^＋型半導体領域１６は、電荷蓄積領域１７に蓄積された電荷を集める機能を有する。ｎ^＋型半導体領域１６は、フォトダイオードＰＤの下部に設けられ、高濃度のｎ型不純物、例えばリン（Ｐ）を半導体基板１５に導入して形成される。フォトダイオードＰＤの平面形状は、例えば、ほぼ正方形である。

フォトダイオードＰＤ上には、ｐ型半導体層１８が設けられている。ｐ型半導体層１８は、素子分離領域１９と同様に、複数のフォトダイオードＰＤを電気的に分離する素子分離領域として機能する。

ｐ型半導体層１８上には、例えばシリコン酸化物からなる平坦化膜２０が設けられている。平坦化膜２０上には、画素毎に、カラーフィルタ２１が設けられている。カラーフィルタ２１は、主に赤色の波長領域の光を透過させる赤色フィルタＲ、主に緑色の波長領域の光を透過させ緑色フィルタＧ、主に青色の光を透過させる青色フィルタＢを備えている。図３は、カラーフィルタ２１の配置例を説明する図である。なお、図３には、５×５画素に対応する数のカラーフィルタを図示している。本実施形態では、カラーフィルタ２１は、例えば、ベイヤー（Bayer）配列を用いて配置される。図示するように、隣接するカラーフィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）は、ロウ方向及びカラム方向において、互いに異なる色信号を取得するように配置されている。

カラーフィルタ２１の上には、例えばシリコン酸化物からなる保護膜２２が設けられている。保護膜２２上には、画素に対応する数のマイクロレンズ（集光レンズ）２３が設けられている。

このような構成により、本実施形態の固体撮像装置１０は、図２の上方から光を入射させ、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域１７によって光電変換を行うことで、入射光を受光検出することができる。そして、フォトダイオードＰＤが形成された半導体基板１５から見て、下方にある多層配線層１２の側（表面側）とは反対側（裏面側）の上方から光を入射させるので、いわゆる裏面照射型構造となっている。

一般的に、カメラレンズからフォトダイオードＰＤに入射する光は、イメージエリアの中央と周辺とで違った角度となる。このため、イメージエリアの周辺に行くにつれて、マイクロレンズ２３及びカラーフィルタ２１をフォトダイオードＰＤを基準にして、イメージエリアの中心方向にずらし（スケーリング）、イメージエリアの周辺部でも光が効率的に入射するようにしている。

図４は、イメージエリアのスケーリングを説明する概略図である。なお、図４では、簡略化のために、イメージエリアを５×５画素で構成した場合のスケーリングについて示している。図４から理解されるように、マイクロレンズ２３及びカラーフィルタ２１は、イメージエリアの周辺に行くにつれて、フォトダイオードＰＤ（具体的には、ｎ^＋型半導体領域１６）の中心からイメージエリアの中心方向にずらして配置されている。また、各画素に含まれるトランスファーゲート２４及び配線層は、スケーリングに合わせて、フォトダイオードＰＤのｎ^＋型半導体領域１６の下方に配置される。

ここで、図２から理解されるように、複数のフォトダイオードＰＤをそれぞれ分離する素子分離領域１９を、イメージエリアの周辺に行くにつれて、イメージエリアの中心方向に傾けている。換言すると、素子分離領域１９は、イメージエリアの中心から離れるにつれて、イメージエリアの中心方向への傾きが大きくなるように構成される。このような構造の素子分離領域１９を実現するために、素子分離領域１９は、複数のｐ型拡散層が積層されて構成され、これら複数のｐ型拡散層が上の層に行くにつれてイメージエリアの中心方向にずれるようにして斜め方向に積層される。

図５は、素子分離領域１９の構成を示す平面図である。図５の実線で示した四角は、素子分離領域１９を構成する複数のｐ型拡散層とフォトダイオードＰＤとの境界を示している。また、図５には、簡略化のために、素子分離領域１９を構成する複数のｐ型拡散層として、３個のｐ型拡散層１９−１〜１９−３を示している。素子分離領域１９を図５のように形成することで、素子分離領域１９によって分離される複数のフォトダイオードＰＤは、イメージエリアの周辺に行くにつれて、イメージエリアの中心方向に傾いている。これにより、イメージエリアの周辺部でも、光をフォトダイオードＰＤに効率的に入射させることができ、よって、受光感度を向上させることができる。

（製造方法）
次に、固体撮像装置１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。

図６は、固体撮像装置１０の製造工程を示す平面図であり、図７は、図６のＢ−Ｂ´線に沿った断面図である。なお、図６の平面図は、イメージエリアのうち図１の平面図と同じ部分に対応する。

まず、裏面側にｐ型半導体層１８が形成されたｎ型半導体基板１５を準備する。図７では、半導体基板１５の表面が上になっている。続いて、第１回目のリソグラフィ工程により、半導体基板１５上に、複数のレジスト層３０−１からなるレジストパターンを形成する。レジストパターンは、ロウ方向及びカラム方向に所定の間隔を空けて配置された複数のレジスト層３０−１から構成され、各レジスト層３０−１は、フォトダイオードＰＤの平面形状と同じ正方形である。また、レジストパターンによって露出される領域は、素子分離領域１９の平面形状と同じ格子状である。

続いて、図８に示すように、第１回目のイオン注入工程により、レジスト層３０−１をマスクとして、ｐ型不純物を半導体基板１５にイオン注入する。この時、イオン注入の加速エネルギーを大きくすることで、不純物イオンがｐ型半導体層１８に到達するようにし、半導体基板１５の下部にｐ型半導体領域１９−１を形成する。これにより、半導体基板１５の下部に、格子状のｐ型半導体領域１９−１が形成される。その後、レジスト層３０−１を剥離する。

続いて、図９に示すように、第２回目のリソグラフィ工程により、半導体基板１５上に、複数のレジスト層３０−２からなるレジストパターンを形成する。複数のレジスト層３０−２はそれぞれ、イメージエリアの周辺に行くにつれて、複数のレジスト層３０−１の中心からイメージエリアの中心方向にずらして配置される。各レジスト層３０−２は、レジスト層３０−１と同じ平面形状である。

続いて、図１０に示すように、第２回目のイオン注入工程により、レジスト層３０−２をマスクとして、ｐ型不純物を半導体基板１５にイオン注入する。この時、イオン注入の加速エネルギーを第１回目より小さくすることで、ｐ型半導体領域１９−２をｐ型半導体領域１９−１上に互いが接触するように形成する。これにより、半導体基板１５内に、イメージエリアの周辺に行くにつれて、ｐ型半導体領域１９−１からイメージエリアの中心方向にずれている格子状のｐ型半導体領域１９−２が形成される。その後、レジスト層３０−２を剥離する。

以後、同様に、イオンの加速エネルギーを変え（イオン注入深さを変え）つつ、リソグラフィ工程及びイオン注入工程が複数回繰り返される。これにより、図１１に示すように、半導体基板１５内に、半導体基板１５の表面に到達する素子分離領域１９が形成される。

続いて、図１２に示すように、リソグラフィ工程により、半導体基板１５上に、フォトダイオードＰＤの形成予定領域を露出するレジスト層３１を形成する。続いて、図１３に示すように、イオン注入工程により、レジスト層３１をマスクとして、ｎ型不純物を半導体基板１５にイオン注入する。これにより、半導体基板１５の表面側の表面領域に、フォトダイオードＰＤを構成するｎ^＋型半導体領域１６が形成される。このようにして、半導体基板１５内に、素子分離領域１９によって電気的に分離され、かつほぼ正方形の平面形状を有する複数のフォトダイオードＰＤが形成される。

続いて、一般的な製造方法により、フォトダイオードＰＤ及び素子分離領域１９が形成された半導体基板１５を用いて、図２に示す固体撮像装置１０を形成する。

（効果）
以上詳述したように第１の実施形態では、裏面照射型固体撮像装置１０は、ｎ型半導体基板１５内に、複数のフォトダイオードＰＤと、複数のフォトダイオードＰＤを電気的に分離する格子状の素子分離領域１９とを備えている。素子分離領域１９は、半導体基板１５内に、ｐ型不純物を導入して形成されたｐ型半導体領域から構成される。そして、素子分離領域１９を、イメージエリアの周辺に行くにつれ、イメージエリアの中心方向に傾ける（スケーリング）ようにしている。

従って第１の実施形態によれば、フォトダイオードＰＤが、イメージエリアの周辺に行くにつれ、イメージエリアの中心方向に傾いて形成される。これにより、イメージエリア周辺部において、光の入射効率及び受光感度を向上させることができる。この結果、イメージエリア全体で良好な画質が得られる固体撮像装置１０を実現することができる。

同様に、カラーフィルタ２１及びマイクロレンズ２３もスケーリングしている。これにより、フォトダイオードＰＤに効率良く光を入射させることができる。

なお、ｐ型半導体領域からなる素子分離領域１９は、半導体基板１５の表面まで形成されていなくてもよい。例えば、半導体基板１５の表面側の表面領域に素子分離絶縁層を形成し、この素子分離絶縁層をＰ型半導体領域で覆う。そして、このＰ型半導体領域から半導体基板１５の裏面まで延在するようにｐ型半導体領域からなる素子分離領域を形成してもよい。すなわち、この変形例では、本実施形態の素子分離領域１９が、素子分離絶縁層及びｐ型半導体領域から構成される。

また、カラーフィルタ２１及びマイクロレンズ２３は、本実施形態で示したようにスケーリングを実施してもよいし、これに限らず、フォトダイオードＰＤの受光面の中心とカラーフィルタ２１及びマイクロレンズ２３の中心とがほぼ同じになるように配置してもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、Ｐ型半導体基板にＮ型半導体領域からなる複数のフォトダイオードを形成し、この複数のフォトダイオードを、イメージエリアの周辺に行くにつれ、イメージエリアの中心方向に傾けるようにしている。

図１４は、第２の実施形態に係る固体撮像装置１０の構成を示す断面図である。多層配線層１２上には、例えばシリコン（Ｓｉ）からなるｐ型半導体基板１５が設けられている。ｐ型半導体基板１５としては、シリコン（Ｓｉ）からなるｐ型エピタキシャル層であってもよいし、基板内に形成されたｐ型ウェルであってもよい。

半導体基板１５内には、複数のフォトダイオードＰＤがマトリクス状に設けられている。各フォトダイオードＰＤは、電荷蓄積領域１７、及びｎ^＋型半導体領域１６を備えている。電荷蓄積領域１７は、ｎ型半導体領域からなり、入射光を光電変換する受光部として機能する。フォトダイオードＰＤの平面形状は、例えば、ほぼ正方形である。

複数のフォトダイオードＰＤは、イメージエリアの周辺に行くにつれて、イメージエリアの中心方向に傾いている。このような構造のフォトダイオードＰＤを実現するために、電荷蓄積領域１７は、複数のｎ型拡散層が積層されて構成され、これら複数のｎ型拡散層が上の層に行くにつれてイメージエリアの中心方向にずれるようにして斜め方向に積層される。フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域１７は、ｎ型不純物イオンの加速エネルギーを変え（イオン注入深さを変え）つつ、リソグラフィ工程及びイオン注入工程を複数回繰り返して形成することができる。

半導体基板１５のうち、フォトダイオードＰＤを除く領域は、ｐ型半導体領域からなる素子分離領域１９となる。また、フォトダイオードＰＤの上面を素子分離領域１９の上面より低くすることで、複数のフォトダイオードＰＤの上部をｐ型半導体領域によって電気的に分離することが可能である。

以上詳述したように第２の実施形態によれば、フォトダイオードＰＤが、イメージエリアの周辺に行くにつれ、イメージエリアの中心方向に傾いて形成される。これにより、イメージエリア周辺部において、光の入射効率及び受光感度を向上させることができる。この結果、イメージエリア全体で良好な画質が得られる固体撮像装置１０を実現することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、イメージエリアをその中心を含む中央部と、この中央部を囲む周辺部とに分け、周辺部のみ素子分離領域を傾けるようにしている。

図１５は、第３の実施形態に係るイメージエリアを示す概略図である。イメージエリアは、その中心を含む中央部４０と、この中央部４０を囲む周辺部４１とに区画される。周辺部４１に配置される画素では、第１の実施形態の図２と同様に、素子分離領域１９は、イメージエリアの周辺に行くにつれ、イメージエリアの中心方向に傾ける（スケーリング）ようにする。これにより、フォトダイオードＰＤが、イメージエリアの周辺に行くにつれ、イメージエリアの中心方向に傾いて形成される。

一方、中央部４０に配置される画素には、受光面に垂直に近い角度で光が入射する。このため、本実施形態では、中央部４０に配置される画素において、素子分離領域１９及びフォトダイオードＰＤのスケーリングを行わない。図１６は、中央部４０に配置される画素の構成を示す断面図である。

複数のフォトダイオードＰＤを電気的に分離する素子分離領域１９は、受光面に垂直な方向に延在するようにして、格子状に形成されている。従って、フォトダイオードＰＤも、受光面に垂直な方向に延在するように形成される。フォトダイオードＰＤの平面形状は、例えば、ほぼ正方形である。また、フォトダイオードＰＤの上方に配置されたカラーフィルタ２１及びマイクロレンズ２３についても、スケーリングが行われていない。

以上詳述したように第３の実施形態によれば、イメージエリアの中央部４０において受光感度を確保しつつ、イメージエリアの周辺部４１において光の入射効率及び受光感度を向上させることができる。この結果、イメージエリア全体で良好な画質が得られる固体撮像装置１０を実現することができる。

なお、周辺部４１の素子分離領域１９及びフォトダイオードＰＤは、第１の実施形態の構成に限らず、同じ角度でイメージエリアの中心方向に傾いていてもよい。また、第３の実施形態に第２の実施形態を適用することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

ＰＤ…フォトダイオード、１０…固体撮像装置、１１…支持基板、１２…多層配線層、１３…層間絶縁層、１４…金属配線、１５…半導体基板、１６…ｎ^＋型半導体領域、１７…電荷蓄積領域、１８…ｐ型半導体層、１９…素子分離領域、２０…平坦化膜、２１…カラーフィルタ、２２…保護膜、２３…マイクロレンズ、２４…トランスファーゲート、３０，３１…レジスト層。

Claims (5)

1. 基板内に設けられ、かつ第１導電型の半導体領域をそれぞれが有する複数のフォトダイオードと、
   前記基板内に設けられ、かつ第２導電型の半導体領域から構成され、かつ前記複数のフォトダイオードをそれぞれ分離する素子分離領域と、
   を具備し、
   前記素子分離領域は、前記複数のフォトダイオードが配列されたイメージエリアの中心方向に傾いていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記素子分離領域の傾きは、前記イメージエリアの中心から離れるにつれて大きくなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記イメージエリアの中央部に配置された素子分離領域は、前記基板の受光面に垂直方向に延在し、
   前記イメージエリアの周辺部に配置された素子分離領域は、前記イメージエリアの中心方向に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記基板の受光面上に設けられた複数のカラーフィルタと、
   前記複数のカラーフィルタ上に設けられた複数の集光レンズと、
   前記基板の受光面と反対面に設けられた配線層と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 複数のフォトダイオードが配列されたイメージエリアを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   第１導電型の半導体基板を準備する工程と、
   前記半導体基板内に、前記複数のフォトダイオードをそれぞれ分離しかつ前記イメージエリアの中心方向に傾いている素子分離領域を形成する工程と、
   を具備し、
   前記素子分離領域を形成する工程は、前記半導体基板上にレジスト層を形成する工程と、前記レジスト層をマスクとして前記半導体基板内に第２導電型の不純物を導入する工程とが繰り返され、
   前記レジスト層を、前記繰り返しの回数が増えるごとに、前記イメージエリアの中心方向にずらして形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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