JP2016058507A - 裏面入射型固体撮像装置 - Google Patents

裏面入射型固体撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光検出面側からの半導体基板への光の再入射を抑制しつつ、エタロニング現象の発生を抑制することが可能な裏面入射型固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、裏面側に光入射面を有すると共に、光入射に応じて電荷が発生する受光部１３を有する半導体基板１と、半導体基板１の光入射面とは反対側の光検出面７側に設けられているシフトレジスタ１９と、半導体基板１の光検出面７側に設けられている遮光膜５７と、を備えている。遮光膜５７は、光検出面７に対向する凹凸面５７ａを有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、裏面入射型固体撮像装置に関する。
裏面側に光入射面を有すると共に、光入射に応じて電荷が発生する受光部を有する半導体基板と、半導体基板の光入射面とは反対側の光検出面側に設けられている電荷転送部と、半導体基板の光検出面側に設けられている遮光膜と、を備えている裏面入射型固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１では、遮光膜は、裏面入射型固体撮像装置以外の箇所（たとえば、裏面入射型固体撮像装置が実装される基板など）で反射又は散乱した光が光検出面側から半導体基板に再入射するのを抑制している。
特開２００２−３３４７３号公報
裏面入射型固体撮像装置（半導体基板）に光入射面側から入射した光と、半導体基板を通った光のうち、遮光膜で反射して光入射面側に向かう光との間で干渉が生じることがある。上記光の干渉が生じると、分光感度特性が波打ち、すなわち、エタロニング現象が生じ、感度が安定し難い。
本発明は、光検出面側からの半導体基板への光の再入射を抑制しつつ、エタロニング現象の発生を抑制することが可能な裏面入射型固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、裏面入射型固体撮像装置であって、裏面側に光入射面を有すると共に、光入射に応じて電荷が発生する受光部を有する半導体基板と、半導体基板の光入射面とは反対側の光検出面側に設けられている電荷転送部と、半導体基板の光検出面側に設けられている遮光膜と、を備え、遮光膜は、光検出面に対向する凹凸面を有している。
本発明では、遮光膜が、半導体基板の光検出面側に設けられているので、光検出面側からの半導体基板への光の再入射が抑制される。また、遮光膜が、光検出面に対向する凹凸面を有しているので、半導体基板に光入射面側から入射した光の位相に対して、凹凸面で反射される光が、分散した位相差を有する。これにより、これらの光同士が相殺され、エタロニング現象が抑制される。
半導体基板と遮光膜との間に位置し、遮光膜が設けられる絶縁膜を更に備え、絶縁膜には、凹凸が形成されており、遮光膜の凹凸面は、絶縁膜に形成されている凹凸に対応していてもよい。この場合、凹凸面を有する遮光膜を簡易に実現することができる。
絶縁膜内に位置し、光検出面に沿うように並んで配置されている複数の導体を更に備え、絶縁膜の凹凸が、複数の導体に対応して形成されていてもよい。この場合、凹凸が形成されている絶縁膜を簡易に実現することができる。
遮光膜は、導電性金属材料からなり、複数の導体のうち、所定の信号が入力される導体以外の導体は、遮光膜と電気的に接続されていてもよい。この場合、所定の信号が入力される電極の機能を阻害することなく、所定の信号が入力される電極以外の電極の電位が安定する。
複数の導体は、それぞれの端部が重なるように交互に配置されている複数の第一及び第二導体を含み、絶縁膜の凹凸は、第一導体と第二導体との段差に対応して形成されていてもよい。この場合、凹凸が形成されている絶縁膜を簡易に実現することができる。
受光部は、複数の画素を含み、絶縁膜は、少なくとも複数の画素毎で離間するように形成されており、遮光膜は、絶縁膜における離間している部分の間にも設けられていてもよい。この場合、画素間における光（凹凸面で反射される光）のクロストークの発生を抑制することができる。
受光部は、第一方向に並んで配置されている複数の光感応領域を有し、半導体基板の光検出面側には、第一方向に交差する第二方向に沿って高くされた電位勾配を各光感応領域に対して形成する複数の電位勾配形成部が設けられ、電荷転送部は、複数の光感応領域から取得した電荷を第一方向に転送し、遮光膜は、複数の電位勾配形成部及び電荷転送部を覆うように設けられていてもよい。この場合、光感応領域にて発生した電荷は、電位勾配形成部により形成される電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って移動するため、光感応領域での電荷の移動には、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極群が設けられている必要はない。すなわち、遮光膜と光検出面との間には、上述したような転送電極群が存在しないため、エタロニング現象が、顕著に生じ易い。したがって、凹凸面を有している遮光膜は、光感応領域での電荷が電位勾配形成部により形成される電位勾配によって移動する構成において、特に、有効である。
各光感応領域の平面形状は、第二方向を長辺方向とする矩形状であり、遮光膜の凹凸面は、第二方向に沿って凹凸が繰り返して連続する面であってもよい。この場合、光感応領域の長辺方向にわたって、エタロニング現象を確実に抑制することができる。
本発明によれば、光検出面側からの半導体基板への光の再入射を抑制しつつ、エタロニング現象の発生を抑制することが可能な裏面入射型固体撮像装置を提供することができる。
本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の斜視図である。 本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の構成を説明するための概念図である。 図２におけるIII−III線に沿った断面構成を説明するための概念図である。 図２におけるIV−IV線に沿った断面図である。 図２におけるV−V線に沿った断面図である。 本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。 本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。 本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。 実施例１及び比較例１における、波長（ｎｍ）と出力（Ａ）との関係を示すグラフである。 本実施形態の変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。 本実施形態の変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。 本実施形態の更なる変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。 本実施形態の更なる変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。 画素と遮光膜との位置関係を説明するための模式図である。 図１２の（ａ）に示された変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。 図１２の（ｂ）に示された変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１〜図５を参照して、本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置ＳＩの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の斜視図である。図２は、本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の構成を説明するための概念図である。図３は、図２におけるIII−III線に沿った断面構成を説明するための概念図である。図４は、図２におけるIV−IV線に沿った断面図である。図５は、図２におけるV−V線に沿った断面図である。
裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、図１に示されるように、半導体基板１が裏面側から薄化されたＢＴ（Back-Thinned）−ＣＣＤリニアイメージセンサである。半導体基板１は、たとえば、ＫＯＨ水溶液などでエッチングすることにより、薄化される。半導体基板１の中央領域には凹部３が形成され、凹部３の周囲には厚い枠部が存在している。凹部３の側面は、底面５に対して鈍角を成して傾斜している。
半導体基板１の薄化された中央領域は撮像領域（受光部）であり、この撮像領域に光Ｌが入射する。半導体基板１の凹部３の底面５は、光入射面を構成している。半導体基板１の裏面、すなわち光入射面とは反対側の面が、光検出面７（図２、図４及び図５を参照）を構成している。上記枠部は、エッチングによって除去し、全領域が薄化された裏面入射型固体撮像装置とすることも可能である。
裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、図２に示されるように、受光部１３と、複数のストレージ部１５と、複数の転送部１７と、電荷転送部としてのシフトレジスタ１９と、を光検出面７側に備えている。
受光部１３は、複数の光感応領域２１と、複数の電位勾配形成部２３と、を有している。光感応領域２１は、光の入射に感応して、入射光の強度に応じた電荷を発生する。光感応領域２１の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる矩形状を呈している。複数の光感応領域２１は、第一方向Ｄ１に並んで配置されている。本実施形態では、第一方向Ｄ１は、光感応領域２１の短辺方向に沿う方向である。複数の光感応領域２１は、第一方向Ｄ１を一次元方向として、当該一次元方向にアレイ状に配置されている。一つの光感応領域２１は、受光部１３における一画素を構成する。
各電位勾配形成部２３は、光感応領域２１にそれぞれ対応して配置されている。電位勾配形成部２３は、対応する光感応領域２１に対して、第一方向Ｄ１と交差する第二方向Ｄ２に沿って高くされた電位勾配を形成する。本実施形態では、第一方向Ｄ１と第二方向Ｄ２とは直交しており、第二方向Ｄ２は、光感応領域２１の長辺方向に沿う方向である。電位勾配形成部２３により、光感応領域２１に発生した電荷は、光感応領域２１の他方の短辺側から排出される。すなわち、電位勾配形成部２３は、光感応領域２１の一方の短辺側よりも光感応領域２１の他方の短辺側が高くされた電位勾配を形成する。
各ストレージ部１５は、光感応領域２１にそれぞれ対応し、かつ、光感応領域２１の他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数のストレージ部１５は、光感応領域２１の他方の短辺側に、第二方向Ｄ２で光感応領域２１と並ぶように配置されている。ストレージ部１５は、光感応領域２１と転送部１７との間に位置する。本実施形態では、電位勾配形成部２３によって光感応領域２１から排出された電荷がストレージ部１５に蓄積される。ストレージ部１５に蓄積された電荷は、対応する転送部１７に送られる。
各転送部１７は、ストレージ部１５にそれぞれ対応し、かつ、対応するストレージ部１５とシフトレジスタ１９との間に配置されている。すなわち、複数の転送部１７は、光感応領域２１の他方の短辺側に、第二方向Ｄ２でストレージ部１５と並ぶように配置されている。転送部１７は、ストレージ部１５とシフトレジスタ１９との間に位置する。転送部１７は、ストレージ部１５に蓄積されている電荷を取得し、取得した電荷をシフトレジスタ１９に向けて転送する。
シフトレジスタ１９は、各ストレージ部１５とで各転送部１７を挟むように配置されている。すなわち、シフトレジスタ１９は、光感応領域２１の他方の短辺側に配置されている。シフトレジスタ１９は、各転送部１７から転送された電荷を取得し、第一方向Ｄ１に転送して、出力部２５に順次出力する。シフトレジスタ１９から出力された電荷は、出力部２５によって電圧に変換され、光感応領域２１毎の電圧として裏面入射型固体撮像装置ＳＩの外部に出力される。出力部２５は、たとえば、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ）などから構成される。
隣り合う光感応領域２１の間、隣り合うストレージ部１５の間、及び隣り合う転送部１７の間には、アイソレーション領域が配置されている。アイソレーション領域は、光感応領域２１間、ストレージ部１５間、及び転送部１７間それぞれにおける電気的な分離を実現している。
受光部１３、複数のストレージ部１５、複数の転送部１７、及びシフトレジスタ１９は、図３にも示されるように、半導体基板１に形成されている。半導体基板１は、半導体基板１の基体となるｐ型半導体層３１と、ｐ型半導体層３１の一方面側（半導体基板１の光検出面７側）に形成されたｎ型半導体層３２，３４，３６，３８、ｎ−型半導体層３３，３５，３７、及びｐ＋型半導体層３９と、を含んでいる。本実施形態では、半導体基板１としてシリコン基板が用いられている。導電型に付された「＋」は、高不純物濃度を示す。高不純物濃度とは、不純物濃度がたとえば１×１０１７ｃｍ−３以上である。導電型に付された「−」は、低不純物濃度を示す。低不純物濃度とは、不純物濃度がたとえば１×１０１５ｃｍ−３以下である。ｎ型の不純物としてはＮ、Ｐ又はＡｓなどがあり、ｐ型の不純物としてはＢ又はＡｌなどがある。
ｐ型半導体層３１とｎ型半導体層３２とはｐｎ接合を形成しており、ｎ型半導体層３２により、光の入射により電荷を発生する光感応領域２１が構成される。ｎ型半導体層３２は、平面視で、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる矩形状を呈している。ｎ型半導体層３２は、第一方向Ｄ１に沿って並んでおり、一次元方向にアレイ状に位置している。すなわち、各ｎ型半導体層３２は、ｎ型半導体層３２の短辺方向に沿う方向に並んでいる。複数のｎ型半導体層３２は、半導体基板１の薄化された中央領域に位置している。上述したアイソレーション領域は、ｐ＋型半導体層により構成できる。
ｎ型半導体層３２に対して、電極４１が配置されている。電極４１は、絶縁層（図３では図示せず）を介してｎ型半導体層３２上に形成されている。電極４１により、電位勾配形成部２３が構成される。電極４１は、いわゆるレジスティブゲート電極を構成しており、第二方向Ｄ２に延びるように形成されている。
電極４１は、第二方向Ｄ２での両端（ＲＥＧＬ，ＲＥＧＨ）に電位差が与えられることにより、電極４１の第二方向Ｄ２での電気抵抗成分に応じた電位勾配を形成する。すなわち、電極４１は、光感応領域２１の一方の短辺側から他方の短辺側に向けて第二方向Ｄ２に沿って高くされた電位勾配を形成する。この電位勾配により、ｎ型半導体層３２における電極４１の直下の領域には、ポテンシャルの傾斜が形成される。光入射に応じてｎ型半導体層３２にて発生した電荷は、電極４１の直下の領域におけるポテンシャルの傾斜に沿って第二方向Ｄ２に移動する。
ｎ型半導体層３２に対して、電極４２が配置されている。電極４２は、電極４１と第二方向Ｄ２で隣接している。電極４２は、絶縁層（図３では図示せず）を介して、ｎ型半導体層３２上に形成されている。
電極４２には、電極４１の両端に印加される電圧よりも高い電圧（ＳＴＧ）が印加されている。したがって、ｎ型半導体層３２における電極４２の直下の領域のポテンシャルが、ｎ型半導体層３２における電極４１の直下の領域のポテンシャルよりも低い。このため、電極４１の直下の領域におけるポテンシャルの傾斜に沿って移動してきた電荷は、電極４２の直下の領域に形成されるポテンシャル井戸内に流れ込み、当該ポテンシャル井戸に蓄積される。電極４２及びｎ型半導体層３２によって、ストレージ部１５が構成される。
電極４２と第二方向Ｄ２に隣接して、一対の転送電極４３，４４が配置されている。転送電極４３，４４は、絶縁層（図３では図示せず）を介して、ｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４上にそれぞれ形成されている。ｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４は、ｎ型半導体層３２と第二方向Ｄ２に隣接して配置されている。
転送電極４３，４４には、制御回路（図示せず）から信号ＴＧが与えられる。ｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４のポテンシャルの深さは、転送電極４３，４４に与えられる信号ＴＧに応じて変わり、電極４２の直下の領域に蓄積されている電荷を取得し、シフトレジスタ１９に送り出す。転送電極４３，４４と、転送電極４３，４４下のｎ−型半導体層３３及びｎ型半導体層３４とによって、転送部１７が構成される。
転送電極４４と第二方向Ｄ２に隣接して、二対の転送電極４５，４６，４７，４８が配置されている。転送電極４５，４６，４７，４８は、絶縁層（図３では図示せず）を介して、ｎ−型半導体層３５，３７及びｎ型半導体層３６，３８上にそれぞれ形成されている。ｎ−型半導体層３５，３７及びｎ型半導体層３６，３８は、ｎ型半導体層３４と第二方向Ｄ２に隣接して配置されている。
転送電極４５，４６には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ１Ｈが与えられ、転送電極４７，４８には、制御回路（図示せず）から信号Ｐ２Ｈが与えられる。信号Ｐ１Ｈと信号Ｐ２Ｈとは、逆位相である。ｎ−型半導体層３５，３７及びｎ型半導体層３６，３８のポテンシャルの深さは、転送電極４５，４６，４７，４８に与えられる信号Ｐ１Ｈ及び信号Ｐ２Ｈに応じて変わり、転送部１７から取得した電荷を出力部２５に転送する。転送電極４５，４６，４７，４８と、転送電極４５，４６，４７，４８下のｎ−型半導体層３５，３７及びｎ型半導体層３６，３８とによって、シフトレジスタ１９が構成される。
ｐ＋型半導体層３９は、ｎ型半導体層３２，３４，３６，３８及びｎ−型半導体層３３，３５，３７を、半導体基板１の他の部分から電気的に分離している。電極４１，４２及び転送電極４３，４４，４５，４６，４７，４８は、光を透過する材料、たとえばポリシリコン膜からなる。上述した絶縁層は、たとえばシリコン酸化膜からなる。ｎ型半導体層３２を除く、ｎ型半導体層３２，３４，３６，３８及びｎ−型半導体層３３，３５，３７（複数のストレージ部１５と、複数の転送部１７と、シフトレジスタ１９）と、ｐ＋型半導体層３９とは、半導体基板１の枠部に位置している。
裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、図４及び図５に示されるように、半導体基板１の光検出面７側に配置されている、絶縁膜５１と、それぞれ複数の第一導体５３及び第二導体５５と、遮光膜５７とを備えている。絶縁膜５１は、電極４１，４２及び転送電極４３，４４，４５，４６，４７，４８などを覆うように、これらの電極４１〜４８上に設けられている。絶縁膜５１は、半導体基板１の光検出面７側から見て、光検出面７全体を覆うように形成されている。絶縁膜５１は、光を透過する材料、たとえばＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）からなる。
第一導体５３及び第二導体５５は、絶縁膜５１内に位置し、光検出面７に沿うように並んで配置されている。第一導体５３及び第二導体５５は、電極４１（ｎ型半導体層３２）上、すなわち受光部１３（複数の光感応領域２１）上に位置している。第一導体５３及び第二導体５５は、受光部１３の第一方向Ｄ１での端部間にわたって、第一方向Ｄ１に沿って延びている。第一導体５３及び第二導体５５は、光を透過する材料、たとえばポリシリコン膜からなる。
第一導体５３と第二導体５５とは、それぞれの第二方向Ｄ２での端部が重なるように、第二方向Ｄ２に沿って交互に配置されている。第一導体５３と第二導体５５とが重なって存在している領域は、第一導体５３又は第二導体５５のみが存在している領域に比して、一方の導体５３，５５の厚みに対応して、厚くなっている。第一導体５３と第二導体５５とが重なって存在している領域が凸となり、第一導体５３又は第二導体５５のみが存在している領域が凹となる。すなわち、第一導体５３と第二導体５５とが重なって存在している領域と、第一導体５３又は第二導体５５のみが位置している領域とにより、第二方向Ｄ２において段差が形成される。
遮光膜５７は、絶縁膜５１上に、絶縁膜５１全体を覆うように設けられている。すなわち、遮光膜５７も、半導体基板１の光検出面７側から見て、光検出面７全体を覆うように形成されている。絶縁膜５１は、半導体基板１と遮光膜５７との間に位置している。遮光膜５７は、裏面入射型固体撮像装置ＳＩ以外の箇所（たとえば、裏面入射型固体撮像装置ＳＩが実装される基板など）で反射又は散乱した光が光検出面７側から半導体基板１に再入射するのを抑制する。遮光膜５７は、たとえば導電性金属材料（Ａｌ又はＡｌＳｉＴｉなど）からなる。遮光膜５７が導電性金属材料からなる場合、遮光膜５７は反射膜として機能する。
絶縁膜５１には、凹凸が形成されている。絶縁膜５１の凹凸は、第一導体５３と第二導体５５とにより形成されている段差に対応して形成されている。絶縁膜５１は、第一導体５３と第二導体５５とが重なって存在している領域に対応する位置で「山」となり、第一導体５３又は第二導体５５のみが存在している領域に対応する位置で「谷」となる。絶縁膜５１の凹凸は、第二方向Ｄ２に沿って繰り返して連続している。
転送電極４５，４６，４７，４８それぞれは、第一方向Ｄ１での端部が重なるように、第一方向Ｄ１に沿って交互に配置されているため、転送電極４５，４６，４７，４８により、第一方向Ｄ１において段差が形成される。したがって、絶縁膜５１には、転送電極４５，４６，４７，４８により形成されている段差に対応した凹凸も形成されている。
遮光膜５７は、光検出面７に対向する凹凸面５７ａを有している。凹凸面５７ａは、絶縁膜５１に形成されている凹凸に対応している。したがって、凹凸面５７ａは、第二方向に沿って凹凸が繰り返して連続する面である。凹凸面５７ａの半導体基板１（絶縁膜５１）の厚み方向に平行な断面は、凹曲線と凸曲線とが交互に連続してなる波形状である。本実施形態では、第二方向Ｄ２に平行で、かつ、上記厚み方向に平行な断面において、凹凸面５７ａは波形状である。したがって、凹凸面５７ａの山部及び谷部は、第一方向Ｄ１に伸びている。凹凸面５７ａの凹凸パターンは、各光感応領域２１において同一である。ここで同一とは、数学的に厳密な同一ではなく、実質的な同一を意味し、形状の寸法誤差又は高さ（深さ）の誤差などが±１０％以内であれば、パターンが同一であるとする。
光検出面７に直交する方向における光検出面７から凹凸面５７ａまでの距離は、第二方向Ｄ２に沿って、連続的に且つ周期的に変化している。すなわち、半導体基板１の厚み方向（半導体基板１での光入射面と光検出面７とが対向する方向）における、半導体基板１の光入射面（底面５）から凹凸面５７ａまでの光路長は、凹凸面５７ａ（絶縁膜５１に形成されている凹凸）に対応して、様々な値とされる。
絶縁膜５１には、第一導体５３と第二導体５５とに対応する所望の位置にコンタクトホールが形成されている。遮光膜５７は、絶縁膜５１に形成されたコンタクトホールを通して、第一導体５３と第二導体５５とに電気的かつ物理的に接続されている。転送電極４５，４６，４７，４８には、電荷を転送するための信号Ｐ１Ｈ，Ｐ２Ｈが入力されるため、遮光膜５７に接続されていない。すなわち、所定の信号が入力される導体（たとえば、転送電極４５，４６，４７，４８など）以外の導体（第一導体５３及び第二導体５５）は、遮光膜５７と電気的に接続されている。
続いて、図６〜図８を参照して、上述した裏面入射型固体撮像装置ＳＩの製造過程を説明する。図６〜図８は、本実施形態に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。
まず、ｐ型半導体層３１、ｎ型半導体層３２，３４，３６，３８、ｎ−型半導体層３３，３５，３７、及びｐ＋型半導体層３９を備える半導体基板１を準備する。各半導体層は、対応する導電型の不純物を半導体基板１に添加することにより形成される。不純物の添加は、イオン注入法などが用いられる。次に、準備した半導体基板１の光検出面７側に、酸化膜６１を介して、ポリシリコン膜６３を形成する（図６の（ａ）参照）。酸化膜６１は、半導体基板１の表面（光検出面７）を熱酸化することにより、形成できる。この場合、酸化膜６１は、シリコン酸化膜である。
次に、ポリシリコン膜６３を、光感応領域２１（受光部１３）に対応する部分を除いて、エッチングにより除去する（図６の（ｂ）参照）。除去されずに残ったポリシリコン膜６３は、電極４１などを構成する。次に、除去されずに残ったポリシリコン膜６３上に、絶縁膜６５を形成する（図６の（ｃ）参照）する。絶縁膜６５は、たとえばＢＰＳＧからなる。絶縁膜６５は、上述した絶縁膜５１の一部を構成する。その後、酸化膜６１における、ポリシリコン膜６３（絶縁膜６５）から露出している部分上と、絶縁膜６５上とに、ポリシリコン膜６７を形成する（図６の（ｄ）参照）。
次に、ポリシリコン膜６７をパターニングする（図７の（ａ）参照）。パターニングは、たとえばエッチングにより実施することができる。ポリシリコン膜６７における酸化膜６１上に位置する部分は、転送電極４６，４８を構成し、同じく、ポリシリコン膜６７における絶縁膜６５上に位置する部分は、第二導体５５を構成する。その後、パターニングされたポリシリコン膜６７上に、絶縁膜６９を形成する（図７の（ｂ）参照）する。絶縁膜６９も、たとえばＢＰＳＧからなり、上述した絶縁膜５１の一部を構成する。
次に、絶縁膜６９上にポリシリコン膜７１を形成し（図７の（ｃ）参照）、形成したポリシリコン膜７１をパターニングする（図７の（ｄ）参照）。パターニングは、たとえばエッチングにより実施することができる。ポリシリコン膜７１における酸化膜６１及び絶縁膜６９上に位置する部分は、転送電極４５，４７を構成し、同じく、ポリシリコン膜７１における絶縁膜６５及び絶縁膜６９上に位置する部分は、第一導体５３を構成する。それぞれパターニングされたポリシリコン膜６３とポリシリコン膜７１は、それぞれの端部が重なるように、交互に配置されるため、ポリシリコン膜６３とポリシリコン膜７１とにより、段差が形成される。
次に、ポリシリコン膜７１上及び絶縁膜６９（ポリシリコン膜６３）上に、絶縁膜７３を形成する（図８の（ａ）参照）。絶縁膜７３も、たとえばＢＰＳＧからなり、上述した絶縁膜５１の一部を構成する。絶縁膜７３には、それぞれパターニングされたポリシリコン膜６３とポリシリコン膜７１とにより形成される段差に対応した凹凸が形成されている。その後、リフロー（熱処理）により、絶縁膜７３に形成されている凹凸の形状を変化させる（図８の（ｂ）参照）。絶縁膜７３が溶融することにより、絶縁膜７３の凹凸の形状が滑らかになる。
次に、絶縁膜７３の所望の位置に、コンタクトホールを形成し、所定のポリシリコン膜６３及びポリシリコン膜７１の一部を露出させる（図８の（ｃ）参照）。コンタクトホールは、たとえばエッチングなどにより形成することができる。その後、絶縁膜７３上に、遮光膜５７を形成する（図８の（ｄ）参照）。遮光膜５７は、たとえばスパッタ法などにより形成することができる。
これらの過程により、裏面入射型固体撮像装置ＳＩが得られる。
以上のように、本実施形態では、遮光膜５７が、半導体基板１の光検出面７側に設けられているので、裏面入射型固体撮像装置ＳＩの外部からの光が、光検出面７側から半導体基板１に再入射するのが抑制される。また、遮光膜５７が、光検出面７に対向する凹凸面５７ａを有しているので、半導体基板１に底面５（光入射面）側から入射した光の位相に対して、凹凸面５７ａで反射される光が、分散した位相差を有する。これにより、これらの光同士が相殺され、エタロニング現象が抑制される。
裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、半導体基板１と遮光膜５７との間に位置し、遮光膜５７が設けられる絶縁膜５１を備えている。絶縁膜５１には、凹凸が形成されており、遮光膜５７の凹凸面５７ａは、絶縁膜５１に形成されている凹凸に対応している。これにより、凹凸面５７ａを有する遮光膜５７を簡易に実現することができる。
裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、絶縁膜５１内に位置し、光検出面７に沿うように並んで配置されているそれぞれ複数の第一導体５３及び第二導体５５を備えている。絶縁膜５１の凹凸は、第一導体５３及び第二導体５５に対応して形成されている。これにより、凹凸が形成されている絶縁膜５１を簡易に実現することができる。
遮光膜５７は、導電性金属材料からなり、第一導体５３及び第二導体５５は、遮光膜５７と電気的に接続されている。これにより、第一導体５３及び第二導体５５の電位が安定する。所定の信号が入力される電極（たとえば、転送電極４５，４６，４７，４８など）は、遮光膜５７と電気的に接続されておらず、当該電極の機能を阻害することはない。
第一導体５３と第二導体５５とは、それぞれの端部が重なるように交互に配置されており、絶縁膜５１の凹凸は、第一導体５３と第二導体５５との段差に対応して形成されていている。これにより、凹凸が形成されている絶縁膜５１を簡易に実現することができる。
受光部１３は、第一方向Ｄ１に並んで配置されている複数の光感応領域２１を有し、半導体基板１の光検出面７側には、複数の電位勾配形成部２３が設けられ、シフトレジスタ１９は、複数の光感応領域２１から取得した電荷を第一方向Ｄ１に転送し、遮光膜５７は、複数の電位勾配形成部２３及びシフトレジスタ１９を覆うように設けられている。これにより、光感応領域２１にて発生した電荷は、電位勾配形成部２３により形成される電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って移動するため、光感応領域２１での電荷の移動には、異なる位相の電荷転送信号が与えられる転送電極群が設けられている必要はない。すなわち、遮光膜５７と光検出面７との間には、上述したような転送電極群が存在しないため、エタロニング現象が、顕著に生じ易い。したがって、凹凸面５７ａを有している遮光膜５７は、光感応領域２１での電荷が電位勾配形成部２３により形成される電位勾配によって移動する構成において、特に、有効である。
各光感応領域２１の平面形状は、第二方向Ｄ２を長辺方向とする矩形状であり、遮光膜５７の凹凸面５７ａは、第二方向Ｄ２に沿って凹凸が繰り返して連続する面である。これにより、光感応領域２１の長辺方向（第二方向Ｄ２）にわたって、エタロニング現象を確実に抑制することができる。
ここで、裏面入射型固体撮像装置ＳＩにおいて、エタロニング現象を抑制し得る効果を、比較例１との比較結果に基づいて説明する。実施例１として、上述した実施形態の裏面入射型固体撮像装置ＳＩを用いた。比較例１として、第一導体５３及び第二導体５５を備えることなく、絶縁膜５１が平坦であり、かつ、遮光膜５７における光検出面７に対向する面が平坦である裏面入射型固体撮像装置を作製した。比較例１に係る裏面入射型固体撮像装置は、第一導体５３及び第二導体５５を備えていない点、絶縁膜５１が平坦である点、及び遮光膜５７における光検出面７に対向する面が平坦である点を除いて、裏面入射型固体撮像装置ＳＩと同じ構成である。
実施例１として用いた裏面入射型固体撮像装置ＳＩでは、光検出面７に直交する方向での光検出面７から凹凸面５７ａの山部の頂点までの距離は、１００ｎｍ〜１００００ｎｍに設定され、光検出面７に直交する方向での光検出面７から凹凸面５７ａの谷部の最深点までの距離は、１００ｎｍ〜１００００ｎｍに設定されている。すなわち、凹凸面５７ａの凹凸の高さは、１００ｎｍ〜５０００ｎｍである。凹凸面５７ａの山部の頂点の間隔は、１００ｎｍ〜１００００ｎｍに設定されている。
実施例１及び比較例１の感度特性を測定した。ここでは、実施例１の裏面入射型固体撮像装置ＳＩと比較例１の裏面入射型固体撮像装置との出力の波長特性をそれぞれ測定した。測定結果を、図９に示す。図９は、実施例１及び比較例１における、波長（ｎｍ）と出力（Ａ）との関係を示すグラフである。図９から理解できるように、実施例１は、比較例１に比して、エタロニング現象が抑制されている。
次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態の変形例に係る裏面入射型固体撮像装置ＳＩの構成を説明する。図１０及び図１１は、本実施形態の変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
図１０に示されるように、第一導体５３及び第二導体５５は、遮光膜５７と電気的に接続されていなくてもよい。また、図１１に示されるように、裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、第一導体５３及び第二導体５５の代わりに、複数の導体８１を備えていてもよい。
複数の導体８１は、絶縁膜５１内に位置し、半導体基板１の光検出面７に沿うように並んで配置されている。複数の導体８１は、第一導体５３及び第二導体５５と同様に、受光部１３（複数の光感応領域２１）上に位置している。各導体８１は、受光部１３の第一方向Ｄ１での端部間にわたって、第一方向Ｄ１に沿って延びている。導体８１も、光を透過する材料、たとえばポリシリコン膜からなる。
複数の導体８１は、第二方向Ｄ２に沿って、互いに離間して配置されている。絶縁膜５１の凹凸は、導体８１に対応して形成されている。絶縁膜５１は、導体８１が存在している領域に対応する位置で「山」となり、導体８１が存在していない領域に対応する位置で「谷」となる。したがって、本変形例でも、絶縁膜５１の凹凸は、第二方向Ｄ２に沿って繰り返して連続している。
導体８１は、図１１の（ａ）に示されるように、遮光膜５７と電気的に接続されていなくてもよい。また、導体８１は、図１１の（ｂ）に示されるように、遮光膜５７と電気的に接続されていてもよい。導体８１が遮光膜５７と電気的に接続されている場合、各導体８１の電位が安定する。
次に、図１２〜図１４を参照して、本実施形態の更なる変形例に係る裏面入射型固体撮像装置ＳＩの構成を説明する。図１２及び図１３は、本実施形態の更なる変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。図１４は、画素と遮光膜との位置関係を説明するための模式図である。
図１２に示されるように、裏面入射型固体撮像装置ＳＩは、絶縁膜５１内に位置する複数の導体５３，５５，８１を備えていなくてもよい。すなわち、絶縁膜５１には、複数の導体５３，５５，８１を配置することなく、凹凸が形成されている。
図１２の（ｂ）に示された変形例では、絶縁膜５１は、凹凸の山部毎に離間するように形成されている。すなわち、絶縁膜５１は、互いに離間するように位置している複数の膜部分５２からなる。遮光膜５７は、絶縁膜５１の凹凸の山部上だけでなく、隣り合う膜部分５２の間にも設けられている。すなわち、遮光膜５７は、絶縁膜５１上に位置する膜部分５８ａと、膜部分５２の間に位置する膜部分５８ｂと、を有する。膜部分５８ｂは、光検出面７と直交する方向に延びている。遮光膜５７と電極４１とのショートを防ぐために、遮光膜５７は、絶縁膜８３を介して、電極４１上に形成されている。
図１３に示されるように、絶縁膜５１は、複数の画素Ｐ（光感応領域２１）毎で離間するように形成されていてもよい。したがって、膜部分５８ｂは、図１４の（ａ）に示されるように、画素ピッチ毎に位置する。これにより、光感応領域２１間における光（凹凸面５７ａで反射される光）のクロストークが発生するのを抑制できる。図１４の（ｂ）に示されるように、裏面入射型固体撮像装置ＳＩが、複数の画素Ｐが二次元に配置されたＢＴ−ＣＣＤエリアイメージセンサである場合でも、膜部分５８ｂは、画素ピッチ毎に位置する。画素Ｐは、平面視で、膜部分５８ｂに囲まれている。
続いて、図１５を参照して、図１２の（ａ）に示された変形例の製造過程を説明する。図１５は、図１２の（ａ）に示された変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。
まず、図６の（ａ）〜（ｃ）に示された過程と同様に、準備した半導体基板１の光検出面７側に、ポリシリコン膜６３（電極４１など）を形成した後、ポリシリコン膜６３上に、絶縁膜６５を形成する（図１５の（ａ）参照）。次に、絶縁膜６５をパターニングする（図１５の（ｂ）参照）。パターニングは、エッチングにより実施することができる。たとえば、絶縁膜５１に形成される凹凸の谷部に対応する位置に開口が形成されたマスクを用い、絶縁膜５１に形成される凹凸の山部に対応する位置が残るように、絶縁膜５１における上記開口から露出する部分をエッチングにより除去する。
次に、パターニングされた絶縁膜６５上に、絶縁膜９１を形成する（図１５の（ｃ）参照）。このとき、絶縁膜６５が除去されることにより露出しているポリシリコン膜６３上にも、絶縁膜９１が形成される。したがって、絶縁膜６５と絶縁膜９１とにより、凹凸が形成される。絶縁膜６５が残っている位置では、すなわち絶縁膜５１に形成される凹凸の山部に対応する位置では、絶縁膜６５と絶縁膜９１とが存在し、絶縁膜６５が除去されている位置では、すなわち絶縁膜５１に形成される凹凸の谷部に対応する位置では、絶縁膜９１が存在する。絶縁膜９１も、たとえばＢＰＳＧからなり、上述した絶縁膜５１の一部を構成する。
次に、リフロー（熱処理）により、絶縁膜６５と絶縁膜９１とに形成されている凹凸の形状を変化させる（図１５の（ｄ）参照）。絶縁膜６５と絶縁膜９１とが溶融することにより、凹凸の形状が滑らかとされた絶縁膜５１が形成される。その後、絶縁膜５１上に、遮光膜５７を形成することにより、図１２の（ａ）に示された変形例の構成が得られる。
次に、図１６を参照して、図１２の（ｂ）に示された変形例の製造過程を説明する。図１６は、図１２の（ｂ）に示された変形例に係る裏面入射型固体撮像装置の製造過程を示す図である。
凹凸の形状が滑らかとされた絶縁膜５１が形成される過程までは、図１５の（ａ）〜（ｄ）に示された過程と同じであり、説明を省略する。リフローの後、絶縁膜５１における凹凸の谷部に対応する部分を除去し、ポリシリコン膜６３（電極４１など）を露出させる（図１６の（ａ）参照）。絶縁膜５１の除去は、エッチングにより実施することができる。
次に、ポリシリコン膜６３における露出した部分上に、絶縁膜８３を形成する（図１６の（ｂ）参照）。このとき、同時に、絶縁膜５１上にも絶縁膜８３が形成されるが、絶縁膜５１上に位置する絶縁膜８３は、必ずしも必要ではない。絶縁膜８３は、たとえばシリコン酸化膜などからなる。その後、絶縁膜８３上に、遮光膜５７を形成することにより、図１２の（ｂ）に示された変形例の構成が得られる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
遮光膜５７は、たとえば光吸収材料（カーボンブラックなど）からなっていてもよい。この場合、遮光膜５７は、光吸収膜として機能する。遮光膜５７が光吸収膜として機能する場合でも、遮光膜５７と絶縁膜５１との界面で光の反射が生じるおそれがある。このため、光吸収膜として機能する遮光膜５７であっても、凹凸面５７ａを有することにより、エタロニング現象を抑制することができる。
第一導体５３及び第二導体５５と導体８１とは、第一方向Ｄ１に沿って延びているが、これに限られない。第一導体５３及び第二導体５５と導体８１とは、第二方向Ｄ２に沿って延びていてもよい。光感応領域２１の平面形状が、第二方向Ｄ２を長辺方向とする矩形状である場合には、上述したように、第一導体５３及び第二導体５５と導体８１とは、第一方向Ｄ１に沿って延びていることが好ましい。
第一導体５３及び第二導体５５と導体８１とは、受光部１３の第一方向Ｄ１での端部間にわたって、第一方向Ｄ１に沿って延びているが、これに限られない。第一導体５３及び第二導体５５と導体８１とは、第一方向Ｄ１に沿って、互いに離間するように配置された複数の導体部分から構成されていてもよい。
１…半導体基板、５…底面、７…光検出面、１３…受光部、１５…ストレージ部、１７…転送部、１９…シフトレジスタ、２１…光感応領域、２３…電位勾配形成部、５１…絶縁膜、５３…第一導体、５５…第二導体、５７…遮光膜、５７ａ…凹凸面、８１…導体、Ｄ１…第一方向、Ｄ２…第二方向、ＳＩ…裏面入射型固体撮像装置。

Claims (8)

  1. 裏面入射型固体撮像装置であって、
    裏面側に光入射面を有すると共に、光入射に応じて電荷が発生する受光部を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記光入射面とは反対側の光検出面側に設けられている電荷転送部と、
    前記半導体基板の前記光検出面側に設けられている遮光膜と、を備え、
    前記遮光膜は、前記光検出面に対向する凹凸面を有している、裏面入射型固体撮像装置。
  2. 前記半導体基板と前記遮光膜との間に位置し、前記遮光膜が設けられる絶縁膜を更に備え、
    前記絶縁膜には、凹凸が形成されており、
    前記遮光膜の前記凹凸面は、前記絶縁膜に形成されている前記凹凸に対応している、請求項１に記載の裏面入射型固体撮像装置。
  3. 前記絶縁膜内に位置し、前記光検出面に沿うように並んで配置されている複数の導体を更に備え、
    前記絶縁膜の前記凹凸が、前記複数の導体に対応して形成されている、請求項２に記載の裏面入射型固体撮像装置。
  4. 前記遮光膜は、導電性金属材料からなり、
    前記複数の導体のうち、所定の信号が入力される導体以外の導体は、前記遮光膜と電気的に接続されている、請求項３に記載の裏面入射型固体撮像装置。
  5. 前記複数の導体は、それぞれの端部が重なるように交互に配置されている複数の第一及び第二導体を含み、
    前記絶縁膜の前記凹凸は、前記第一導体と前記第二導体との段差に対応して形成されている、請求項３又は４に記載の裏面入射型固体撮像装置。
  6. 前記受光部は、複数の画素を含み、
    前記絶縁膜は、少なくとも前記複数の画素毎で離間するように形成されており、
    前記遮光膜は、前記絶縁膜における離間している部分の間にも設けられている、請求項２に記載の裏面入射型固体撮像装置。
  7. 前記受光部は、第一方向に並んで配置されている複数の光感応領域を有し、
    前記半導体基板の前記光検出面側には、前記第一方向に交差する第二方向に沿って高くされた電位勾配を各前記光感応領域に対して形成する複数の電位勾配形成部が設けられ、
    前記電荷転送部は、前記複数の光感応領域から取得した電荷を前記第一方向に転送し、
    前記遮光膜は、前記複数の電位勾配形成部及び前記電荷転送部を覆うように設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の裏面入射型固体撮像装置。
  8. 各前記光感応領域の平面形状は、前記第二方向を長辺方向とする矩形状であり、
    前記遮光膜の前記凹凸面は、前記第二方向に沿って凹凸が繰り返して連続する面である、請求項７に記載の裏面入射型固体撮像装置。
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