JP2020005001A - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面照射型の固体撮像素子において画素の微細化を容易にする。【解決手段】光電変換膜は、二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して前記所定波長と異なる波長の光を透過する。光電変換部は、複数の画素のそれぞれにおいて光電変換膜を透過した光を光電変換する。電荷蓄積部は、複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて所定数の画素のそれぞれの光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する。複数の貫通電極は、画素ブロックにおいて所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置される。配線層は、複数の貫通電極を介して光電変換膜に接続される。【選択図】図４

Description

本技術は、固体撮像素子および撮像装置に関する。詳しくは、裏面照射型の固体撮像素子および撮像装置に関する。

従来より、画像を撮像するために、二次元格子状に画素を配列した固体撮像素子が用いられている。この固体撮像素子の解像度を向上させる目的で、例えば、光電変換膜とフォトダイオードとを積層した積層構造の画素が用いられる。この画素において光電変換膜は、ある波長の光（例えば、緑色光）を光電変換し、それ以外の光（赤色光や青色光など）を透過し、その透過された光をフォトダイオードが光電変換する。このため、画素毎に複数の色を光電変換することができ、解像度を向上させることができる。

また、解像度とともに感度を向上させるために、上述の積層構造の画素において回路配置面に対向する面（裏面）に光電変換膜を配置した裏面照射型の固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この固体撮像素子では、裏面の光電変換膜から回路配置面に電気信号を伝送するために、光電変換膜と回路配置面との間のシリコン層を貫通する貫通電極が画素毎に設けられる。

特開２０１１−２９３３７号公報

しかしながら、上述の従来技術では、画素を微細化するほど、貫通電極の間のスペースが狭くなり、そのスペースにトランジスタや浮遊拡散層を配置することができなくなるおそれがある。したがって、貫通電極を配置しない撮像素子と比較して画素の微細化が困難になるという問題がある。

本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、裏面照射型の固体撮像素子において画素の微細化を容易にすることを目的とする。

本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して上記所定波長と異なる波長の光を透過する光電変換膜と、上記複数の画素のそれぞれにおいて上記光電変換膜を透過した光を光電変換する光電変換部と、上記複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて上記所定数の画素のそれぞれの上記光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、上記画素ブロックにおいて上記所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極と、上記複数の貫通電極を介して上記光電変換膜に接続された配線層とを具備する固体撮像素子である。これにより、所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、所定の走査方向に沿って配列された上記画素からなる複数のラインを順に選択する走査回路をさらに具備してもよい。これにより、複数のラインが順に選択されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の貫通電極は、上記所定の走査方向において上記画素ピッチより広い間隔で配置されてもよい。これにより、走査方向において上記画素ピッチより広い間隔で配置された貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の貫通電極は、上記所定の走査方向に垂直な方向において上記画素ピッチより広い間隔で配置されてもよい。これにより、走査方向に垂直な方向において画素ピッチより広い間隔で配置された貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記電荷蓄積部は上記複数の画素のそれぞれの対角の一方に配置され、上記複数の貫通電極は上記対角の他方の周囲に設けられてもよい。これにより、対角の周囲に設けられた複数の貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記光電変換部から上記電荷蓄積部に上記電荷を転送する転送トランジスタをさらに具備し、上記光電変換部は、シリコン層に設けられ、上記転送トランジスタは、上記シリコン層内部に埋め込まれた埋め込みゲート領域を有してもよい。これにより、光電変換膜にゲート領域が埋め込まれた転送トランジスタにより電荷が転送されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記光電変換部の上記配線層側に形成されたイオン注入プラグをさらに具備してもよい。これにより、イオン注入プラグが配線層側に形成された光電変換部により光電変換が行われるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、所定の方向に沿って配列された上記画素からなる複数のラインを互いに絶縁するライン間絶縁部をさらに具備し、上記複数の貫通電極は、上記光電変換膜から上記ライン間絶縁部を貫通して上記配線層に接続されてもよい。これにより、ライン間絶縁部を貫通する貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の画素を互いに絶縁する画素間絶縁部をさらに具備し、上記複数の貫通電極は、上記画素間絶縁部を貫通して上記光電変換膜および上記配線層に接続されてもよい。これにより、画素間絶縁部を貫通する貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

また、本技術の第２の側面は、二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して前記所定波長と異なる波長の光を透過する光電変換膜と、前記複数の画素のそれぞれにおいて前記光電変換膜を透過した光を光電変換する光電変換部と、前記複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて前記所定数の画素のそれぞれの前記光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記画素ブロックにおいて前記所定数の画素ピッチの間隔より広い間隔で配置された複数の貫通電極と、前記複数の貫通電極を介して前記光電変換膜に接続された配線層と、前記蓄積された電荷の量に応じた電圧の画素信号を処理する処理部とを具備する撮像装置である。これにより、画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極により光電変換膜と配線層とが接続されるという作用をもたらす。

本技術によれば、裏面照射型の撮像素子において画素を容易に微細化することができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

第１の実施の形態における固体撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 第１の実施の形態における画素アレイ部の上面図の一例である。 比較例における画素アレイ部の上面図の一例である。 第１の実施の形態におけるＸ軸に沿った画素の断面図の一例である。 第１の実施の形態におけるＹ軸に沿った画素の断面図の一例である。 第１の実施の形態の変形例における画素アレイ部の上面図の一例である。 第２の実施の形態における画素アレイ部の上面図の一例である。 第３の実施の形態におけるＸ軸に沿った画素の断面図の一例である。 第４の実施の形態におけるＸ軸に沿った画素の断面図の一例である。 第５の実施の形態における画素アレイ部の上面図の一例である。 第５の実施の形態における画素のＹ軸に沿った断面図の一例である。 第６の実施の形態における画素アレイ部の上面図の一例である。 第６の実施の形態におけるＸ軸に沿った画素の断面図の一例である。 第６の実施の形態における、絶縁部の深さを変えた場合のＸ軸に沿った画素の断面図の一例である。

以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（画素より広いピッチで貫通電極を配置した例）
２．第２の実施の形態（浮遊拡散層を配置した角の対角周辺に貫通電極を配置した例）
３．第３の実施の形態（埋め込みゲートを設け、画素より広いピッチで貫通電極を配置した例）
４．第４の実施の形態（イオン注入プラグを設け、画素より広いピッチで貫通電極を配置した例）
５．第５の実施の形態（絶縁部で列を分離し、画素より広いピッチで貫通電極を配置した例）
６．第６の実施の形態（絶縁部で画素を分離し、画素より広いピッチで貫通電極を配置した例）

＜１．第１の実施の形態＞
［固体撮像素子の構成例］
図１は、第１の実施の形態における固体撮像素子１００の一構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子１００は、画像を撮像するものであり、垂直走査回路１１０、画素アレイ部１２０、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）部１３０および水平走査回路１４０を備える。また、この固体撮像素子１００は、カメラや、撮像機能を持つ携帯電話装置などの各種の電子装置に設けられる。

画素アレイ部１２０には、複数の画素２０１が二次元格子状に配列される。所定の方向に画素２０１を配列したものを以下、「行」または「ライン」と称し、行に垂直な方向に画素２０１を配列したものを以下、「列」と称する。これらの画素２０１のそれぞれは、波長の異なる２つの光を光電変換して２つの画素信号を生成する。例えば、画素２０１のうち半分は、青色光および緑色光を光電変換し、残りの半分は、赤色光および緑色光を光電変換する。

垂直走査回路１１０は、画素アレイ部１２０の行を順に選択して画素信号を出力させるものである。ＣＤＳ部１３０は、初期値の電荷量に応じたリセット信号と、光電変換された電荷量に応じた画素信号とを水平走査回路１４０の制御に従って画素アレイ部１２０から読み出し、それらの差分を求める相関二重サンプリング処理を行うものである。ＣＤＳ部１３０は、その差分の信号を画素データとして固体撮像素子１００の外部に出力する。これらの画素データからなる画像データに対して、デモザイク処理やホワイトバランス処理などの各種の画像処理が画像処理部により行われる。なお、垂直走査回路１１０は、特許請求の範囲に記載の走査回路の一例である。また、ＣＤＳ部１３０は、特許請求の範囲に記載の処理部の一例である。

水平走査回路１４０は、画素アレイ部１２０の列を順に選択して、ＣＤＳ部１３０に画素信号の読出しを行わせるものである。

［画素アレイ部の構成例］
図２は、第１の実施の形態における画素アレイ部１２０の上面図の一例である。この上面図は、画素アレイ部１２０におけるシリコン層の両面のうち光が照射される方の面を上面として示す。

画素アレイ部１２０には、二次元格子状に複数の画素ブロック２０５が配置される。画素ブロック２０５のそれぞれには、４つの画素２０１が２行２列で配置される。また、画素ブロック２０５のそれぞれの中央には、浮遊拡散層２７０が１つずつ配置される。

また、画素２０１ごとに貫通電極２４０が１つずつ配置される。ただし、行方向（Ｘ軸方向）において隣接する一対の画素２０１の一方に属する貫通電極２４０と、他方に属する貫通電極２４０とが列方向（Ｙ軸方向）に沿って一列に配列される。同図において隣り合う一対の画素２０１の境界上の２つの貫通電極２４０の一方が、一対の画素２０１の一方に属し、その２つの貫通電極２４０の他方が、一対の画素２０１の他方に属する。

貫通電極２４０は、受光面に垂直なＺ軸方向にシリコン層を貫通する電極である。フォトダイオード２５０は、所定の波長の光（赤色や青色など）を光電変換するものである。画素ブロック２０５内の４つのフォトダイオード２５０は、中央の浮遊拡散層２７０を共有しており、それらのフォトダイオード２５０からの電荷が浮遊拡散層２７０に蓄積される。なお、図２において、貫通電極２４０の周囲の灰色の部分は、貫通電極２４０を周囲から絶縁する絶縁部を示す。また、フォトダイオード２５０は、実際にはシリコン層の表面に現れず、その内部に形成されているが、図２では説明の便宜上、シリコン層の表面上に点線で囲って記載されている。また、フォトダイオード２５０以外のトランジスタ等の素子は、記載の便宜上、同図において省略されている。

なお、フォトダイオード２５０は、特許請求の範囲に記載の光電変換部の一例である。

浮遊拡散層２７０は、フォトダイオード２５０からの電荷を蓄積して、蓄積した電荷の量に応じた電圧の電気信号を画素信号として生成するものである。なお、浮遊拡散層２７０は、実際にはシリコン層の表面には表れず、その内部に形成されているが、図２では説明の便宜上、シリコン層の表面上に点線で囲って記載している。

ここで、隣接する画素２０１のそれぞれの代表点（例えば、中央点）の間の間隔を以下、「画素ピッチ」と称し、隣接する貫通電極のそれぞれの代表点の間の間隔を「電極ピッチ」と称する。

行方向（Ｘ軸方向）において、貫通電極２４０の電極ピッチｄｘは、画素ピッチＤより広い値に設定される。また、列方向（Ｙ軸方向）において、電極ピッチｄｙは、画素ピッチＤより狭い値に設定される。

このように、Ｘ軸方向において画素ピッチＤより広い電極ピッチｄｘで貫通電極２４０を配置したため、その広い電極ピッチｄｘにより空いたスペースに、各画素２０１で共有する浮遊拡散層２７０や画素回路を構成するトランジスタを配置することができる。

図３は、比較例における画素アレイ部の上面図の一例である。この比較例では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において画素ピッチと同じ値の電極ピッチで貫通電極が配置されるものとする。この配置では、同図に例示するように、Ｘ軸方向において貫通電極の間の間隔が図２と比較して狭くなり、４画素で共有する浮遊拡散層を配置することができなくなってしまう。

これに対して、固体撮像素子１００では、画素ブロック２０５内の貫通電極２４０を画素ピッチＤより広い電極ピッチｄｘで配置しているため、それらの貫通電極２４０の間に、４画素で共有する浮遊拡散層２７０を配置することができる。したがって、比較例の構成と異なり、複数の画素間で浮遊拡散層２７０を共有することができる。

［画素の構成例］
図４は、第１の実施の形態におけるＸ１およびＸ２を結ぶ線分に沿った画素２０１の断面図の一例である。同図に例示するように、画素２０１は、マイクロレンズ２１１、カラーフィルタ２１２、パッシベーション層２１３、上部電極２１４、光電変換膜２１５および下部電極２１６を備える。また、画素２０１は、シリコン層２２０、配線層２３０、貫通電極２４０、増幅トランジスタ２８１および転送トランジスタ２８２を備える。シリコン層２２０には、絶縁部２４１と、フォトダイオード２５０と、２７０とが設けられる。配線層２３０には、複数の配線２３１が設けられる。

ここで、配線層２３０は、シリコン層２２０の両面のうち一方に形成され、その配線層２３０の面に対向する面（いわゆる、裏面）に光が照射される。このように、裏面に光が照射される固体撮像素子１００は、裏面照射型の撮像素子と呼ばれる。以下、配線層２３０から裏面への方向を上方向とする。

シリコン層２２０の上に下部電極２１６が積層され、その下部電極２１６の上に光電変換膜２１５が形成される。この光電変換膜２１５の上に上部電極２１４が積層され、その上部電極２１４の上に、光電変換膜２１５等を保護するためのパッシベーション層２１３が積層される。このパッシベーション層２１３の上にカラーフィルタ２１２が設けられ、カラーフィルタ２１２の上方にマイクロレンズ２１１が設けられる。

また、貫通電極２４０は、シリコン層２２０を貫通して下部電極２１６と配線２３１とを接続する。シリコン層２２０において、この貫通電極２４０の周囲に、絶縁部２４１が形成される。

マイクロレンズ２１１は、入射光を集光するものである。カラーフィルタ２１２は、マイクロレンズ２１１からの光のうち、特定の波長の光を透過するものである。このカラーフィルタ２１２として、光電変換膜２１５およびフォトダイオード２５０のそれぞれに光電変換させる光の混合光を透過するフィルタが用いられる。例えば、光電変換膜２１５およびフォトダイオード２５０に緑色光および赤色光を光電変換させる場合には、それらを混合した黄色光を透過するカラーフィルタ２１２が用いられる。また、例えば、光電変換膜２１５およびフォトダイオード２５０に緑色光および青色光を光電変換させる場合には、それらを混合したマゼンダ光を透過するカラーフィルタ２１２が用いられる。

なお、カラーフィルタ２１２をパッシベーション層２１３の上方に配置しているが、この構成に限定されない。例えば、カラーフィルタ２１２を下部電極２１６とフォトダイオード２５０との間に配置してもよい。この場合には、カラーフィルタ２１２として、混合光でなく、フォトダイオード２５０に光電変換させる原色光（赤色や青色など）を透過するフィルタが用いられる。また、画素２０１の全てにカラーフィルタ２１２を設ける構成としているが、一部（例えば、半分）の画素にカラーフィルタ２１２を設けない構成としてもよい。このカラーフィルタ２１２の無い画素２０１は、白色光を光電変換する画素として用いられる。

光電変換膜２１５は、カラーフィルタ２１２を透過した光のうち、所定波長の光（例えば、緑色光）を光電変換し、それ以外の波長の光を透過するものである。この光電変換膜２１５により光電変換された電気信号は、貫通電極２４０を介して配線層２３０へ伝送される。

光電変換膜２１５により光電変換された電荷は、浮遊拡散層２７０とは異なる浮遊拡散層に蓄積される。この光電変換部２１５に対応する浮遊拡散散層は、図４の断面には表れない。

増幅トランジスタ２８１は、光電変換膜２１５に対応する浮遊拡散層が生成した電気信号を増幅して画素信号として出力するものである。なお、画素２０１には、垂直走査回路１１０からの制御信号に従って、増幅トランジスタ２８１からの画素信号を出力する選択トランジスタがさらに設けられているが、図４では、記載の便宜上、この選択トランジスタ等は省略されている。

フォトダイオード２５０は、カラーフィルタ２１２および光電変換膜２１５を透過した光（例えば、赤色光）を光電変換するものである。このフォトダイオード２５０は、転送トランジスタ２８２の直上に設けられる。なお、フォトダイオード２５０は、特許請求の範囲に記載の光電変換部の一例である。

転送トランジスタ２８２は、垂直走査回路１１０からの制御信号に従って、フォトダイオード２５０により光電変換された電荷を浮遊拡散層２７０に転送するものである。浮遊拡散層２７０は、フォトダイオード２５０により光電変換された電荷を蓄積して、その電荷量に応じた電気信号を生成するものである。なお、浮遊拡散層２７０は、特許請求の範囲に記載の電荷蓄積部の一例である。

なお、画素ブロック２０５内の４つの画素２０１のいずれかには、浮遊拡散層２７０により生成された電気信号を増幅する増幅トランジスタと、その増幅トランジスタからの信号を制御信号に従って出力する選択トランジスタがさらに設けられている。しかし、図４では、記載の便宜上、それらのトランジスタは省略されている。

図５は、第１の実施の形態におけるＹ１およびＹ２を結ぶ線分に沿った画素２０１の断面図の一例である。同図に例示するように、Ｙ軸方向において貫通電極２４０が２つ配置され、それらはＺ軸方向に伸びてシリコン層２２０を貫通する。

このように、本技術の第１の実施の形態によれば、Ｘ軸方向において画素ピッチより広い電極ピッチで貫通電極２４０を配置し、それらの間に４画素で共有する浮遊拡散層を配置したため、共有しない場合よりも浮遊拡散層の個数を少なくすることができる。これにより、画素を容易に微細化することができる。

［変形例］
上述の第１の実施の形態では、垂直走査回路１１０が順に選択する行方向（Ｘ軸方向）において、電極ピッチを画素ピッチよりも広くしていたが、行方向に垂直な列方向（Ｙ軸方向）において、電極ピッチを画素ピッチより広くしてもよい。この第１の実施の形態の変形例の固体撮像素子１００は、Ｙ軸方向において、画素ピッチより広い電極ピッチで貫通電極２４０を配置した点において第１の実施の形態と異なる。

図６は、第１の実施の形態の変形例における画素アレイ部１２０の上面図の一例である。変形例の固体撮像素子１００は、Ｙ軸方向における電極ピッチｄｙ'が画素ピッチＤより広い点において第１の実施の形態と異なる。また、Ｘ軸方向における電極ピッチｄｘ'は画素ピッチＤより狭い値に設定される。

このように、本技術の第１の実施の形態の変形例によれば、Ｙ軸方向において画素ピッチより広い電極ピッチで貫通電極２４０を配置し、それらの間に４画素で共有する浮遊拡散層を配置したため、複数の画素間で浮遊拡散層を共有することができる。

＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、Ｙ軸方向において画素ピッチより狭い電極ピッチで貫通電極２４０を配置していたために、Ｙ軸方向において、貫通電極２４０の間にトランジスタ等を配置することが困難になるおそれがある。このため、Ｙ軸方向においても電極ピッチを広くすることが望ましい。この第２の実施の形態の固体撮像素子１００は、Ｘ軸方向に加えてＹ軸方向においても電極ピッチを広くした点において第１の実施の形態と異なる。

図７は、第２の実施の形態における画素アレイ部１２０の上面図の一例である。第２の実施の形態の画素アレイ部１２０は、画素２０１において対角の一方に浮遊拡散層２７０を配置し、対角の他方の周辺に４つの貫通電極２４０を配置した点において第１の実施の形態と異なる。この配置により、画素ブロック２０５内のＸ軸方向における電極ピッチｄｘ１と、Ｙ軸方向における電極ピッチｄｙ１とは、いずれも画素ピッチＤより広い値となる。また、画素２０１の角の周辺に設けられた貫通電極２４０同士の電極ピッチｄｘ２およびｄｙ２は、いずれも画素ピッチＤより狭い値に設定される。画素ブロック２０５内のＹ軸方向の電極ピッチｄｙ１を画素ピッチＤより広くしたことにより、Ｙ軸方向において、貫通電極２４０の間にトランジスタ等を配置することができ、画素を容易に微細化することができる。

このように、本技術の第２の実施の形態によれば、画素２０１の対角の一方に浮遊拡散層２７０を配置し、対角の他方の周辺に４つの貫通電極２４０を配置したため、画素ブロック内のＸ軸方向およびＹ軸方向の両方における電極ピッチを広くすることができる。

＜３．第３の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、転送トランジスタ２８２の直上にフォトダイオード２５０を形成していた。しかし、この構成では、フォトダイオード２５０の下方のスペースが小さくなり、転送トランジスタ２８２以外の素子を配置することができなくなる。この第３の実施の形態の固体撮像素子１００は、フォトダイオード２５０の下方のスペースを大きくした点において第１の実施の形態と異なる。

図８は、第３の実施の形態におけるＸ１およびＸ２を結ぶ線分に沿った画素２０１の断面図の一例である。第３の実施の形態の画素２０１は、転送トランジスタ２８２の代わりに転送トランジスタ２８４を備え、Ｘ１およびＸ２を結ぶ線分に沿った断面において選択トランジスタ２８３をさらに配置した点において第１の実施の形態と異なる。また、第３の実施の形態の画素アレイ部１２０の上面図のレイアウトは、図７に例示した第２の実施の形態と同様であるものとする。

転送トランジスタ２８４は、シリコン層２２０の内部に埋め込まれた埋め込みゲート領域を備える点において、第１の実施の形態の転送トランジスタ２８２と異なる。

また、第３の実施の形態においてフォトダイオード２５０は、埋め込みゲート領域の長さに応じた距離Ｚ１の分、転送トランジスタ２８４から離して配置される。これにより、Ｘ軸方向において転送トランジスタ２８４から貫通電極２４０までに亘ってフォトダイオード２５０を形成することができる。この結果、フォトダイオード２５０の下方のスペースに余裕が生じ、選択トランジスタ２８３などをさらに配置することができる。

また、前述したように第３の実施の形態の画素アレイ部１２０の上面図のレイアウトは第２の実施の形態と同様であるため、埋め込みゲート領域と貫通電極２４０とが対角に位置することとなる。これにより、貫通電極２４０と、その埋め込みゲート領域との間の容量カップリングを抑制し、貫通電極２４０からの信号による干渉を抑制することができる。

このように、第３の実施の形態によれば、シリコン層内部に転送トランジスタ２８４のゲート領域を埋め込んで、フォトダイオード２５０を転送トランジスタ２８４から離したため、フォトダイオード２５０の下方のスペースを大きくすることができる。これにより、余裕の生じたスペースにさらにトランジスタなどの素子を配置することができる。

＜４．第４の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、転送トランジスタ２８２の直上にフォトダイオード２５０を形成していた。しかし、この構成では、フォトダイオード２５０の下方のスペースが小さくなり、転送トランジスタ２８２以外の素子を配置することができなくなる。この第４の実施の形態の固体撮像素子１００は、フォトダイオード２５０の下方のスペースを大きくした点において第１の実施の形態と異なる。また、第４の実施の形態の画素アレイ部１２０の上面図のレイアウトは、図７に例示した第２の実施の形態と同様であるものとする。

図９は、第４の実施の形態におけるＸ１およびＸ２を結ぶ線分に沿った画素２０１の断面図の一例である。第４の実施の形態の画素２０１は、フォトダイオード２５０の配線層２３０側の面にイオン注入プラグ２５１が形成されている点において第１の実施の形態と異なる。

イオン注入プラグ２５１は、シリコン層２２０の表面側から加速電圧を変更してイオン注入を複数回行うことにより形成された高濃度の半導体領域である。フォトダイオード２５０で生成された電荷は、イオン注入プラグ２５１および転送トランジスタ２８２を介して浮遊拡散層２７０に転送される。

また、第４の実施の形態においてフォトダイオード２５０は、イオン注入プラグ２５１のＺ方向の長さＺ１の分、転送トランジスタ２８２から離して配置される。これにより、Ｘ軸方向において転送トランジスタ２８２から貫通電極２４０までに亘ってフォトダイオード２５０を形成することができる。この結果、フォトダイオード２５０の下方のスペースに余裕が生じ、トランジスタなどをさらに配置することができる。

また、前述したように第４の実施の形態の画素アレイ部１２０の上面図のレイアウトは第２の実施の形態と同様であるため、イオン注入プラグ２５１と貫通電極２４０とが対角に位置することとなる。これにより、貫通電極２４０からの信号とフォトダイオード２５０からの信号との干渉を抑制することができる。

このように、第４の実施の形態によれば、フォトダイオード２５０の配線層２３０側にイオン注入プラグ２５１を形成したため、フォトダイオード２５０の下方のスペースを大きくすることができる。これにより、余裕の生じたスペースにさらにトランジスタなどの素子を配置することができる。

＜５．第５の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では絶縁部２４１を貫通電極２４０の周囲にのみ形成していたが、この構成では、画素２０１を微細化するほど絶縁部２４１の領域が狭くなり、製造が困難となるおそれがある。この第５の実施の形態の固体撮像素子１００は、絶縁部２４１の形成を容易にした点において第１の実施の形態と異なる。

図１０は、第５の実施の形態における画素アレイ部１２０の上面図の一例である。この第５の実施の形態の画素アレイ部１２０は、絶縁部２４１の代わりに絶縁部２４２が形成される点において第１の実施の形態と異なる。

絶縁部２４２は、画素２０１の列のそれぞれを互いに絶縁するものである。この絶縁部２４２は、画素２０１の列の両側のうち浮遊拡散層２７０が設けられた方と逆側において、列方向（Ｙ方向）に沿って形成される。この構成により、列方向に沿って並んだ画素２０１のそれぞれの絶縁部２４２が共通化される。なお、絶縁部２４２は、特許請求の範囲に記載のライン間絶縁部の一例である。

また、第５の実施の形態の貫通電極２４０は、光電変換膜２１５から絶縁部２４２を貫通して配線層２３０に接続される。

絶縁部２４２が列方向に沿って形成されているため、貫通電極２４０の周囲にのみ絶縁部２４１を形成する第１の実施の形態と比較して絶縁部の領域が広くなり、微細化しやすくなる。また、固体撮像素子１００の製造装置は、画素２０１の列ごとに絶縁部２４２を一括して形成するため、貫通電極２４０ごとに絶縁部２４１を形成する第１の実施の形態と比較して、絶縁部を製造する工程数を削減することができる。また、絶縁部２４２は、隣接する列同士を完全に分離するため、隣接する列同士の混色を抑制することができる。

図１１は、第５の実施の形態におけるＹ１およびＹ２を結ぶ線分に沿った画素２０１の断面図の一例である。同図に例示するように、列方向（Ｙ軸方向）に沿って、絶縁部２４２が形成される。また、貫通電極２４０は、光電変換膜２１５から絶縁部２４２を貫通して配線層２３０に接続される。

このように、本技術の第５の実施の形態によれば、列方向に沿って絶縁部２４２を形成し、その絶縁部２４２を貫通する貫通電極２４０を設けたため、貫通電極２４０の周囲にのみ絶縁部を形成する第１の実施の形態と比較して製造が容易になる。

＜６．第６の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では絶縁部２４１を貫通電極２４０の周囲にのみ形成していたが、この構成では、画素２０１を微細化するほど絶縁部２４１の領域が狭くなり、製造が困難となるおそれがある。この第６の実施の形態の固体撮像素子１００は、絶縁部２４１の形成を容易にした点において第１の実施の形態と異なる。

図１２は、第６の実施の形態における画素アレイ部１２０の上面図の一例である。この第６の実施の形態の画素アレイ部１２０は、絶縁部２４１の代わりに絶縁部２４３が形成される点において第１の実施の形態と異なる。

絶縁部２４３は、画素２０１のそれぞれを互いに絶縁するものである。この絶縁部２４３は、隣接する画素２０１同士の境界に沿って形成される。また、第６の実施の形態の貫通電極２４０は、光電変換膜２１５から絶縁部２４３を貫通して配線層２３０に接続される。この構成により、絶縁部２４３は、画素２０１に加えて、貫通電極２４０を互いに分離する。なお、絶縁部２４３は、特許請求の範囲に記載の画素間絶縁部の一例である。

絶縁部２４３は、隣接する画素の境界に沿って形成されているため、貫通電極２４０の周囲にのみ絶縁部２４１を形成する第１の実施の形態と比較して、絶縁部２４１を形成する領域が広くなり、微細化しやすくなる。また、固体撮像素子１００の製造装置は、画素２０１に加えて貫通電極２４０を互いに分離する絶縁部２４３を一括して形成する。このため、画素同士を分離する絶縁部と、貫通電極を分離する絶縁部とを別々に製造する構成と比較して、絶縁部を形成する工程数を削減することができる。また、画素２０１の周囲に絶縁部２４３を形成して、隣接する画素２０１を完全に分離するため、隣接する画素２０１の間において混色を防止することができる。

図１３は、第６の実施の形態におけるＸ１およびＸ２を結ぶ線分に沿った画素２０１の断面図の一例である。Ｘ方向においてフォトダイオード２５０の両側に絶縁部２４３が形成され、その一方の下部には浮遊拡散層２７０が設けられ、他方に貫通電極２４０が設けられる。

絶縁部２４３のうち浮遊拡散層２７０の上方に位置する部分は、Ｚ軸方向において、シリコン層２２０の受光面側の表面と浮遊拡散層２７０との間に形成される。なお、この絶縁部２４３は、図１４に例示するように、シリコン層２２０の受光面側の表面から一定の深さＺ２の位置と浮遊拡散層２７０との間に形成されてもよい。この構成では、その絶縁部２４３の上方にさらに素子を配置することができるため、受光面に平行な面の面積効率を向上させることができる。

このように、本技術の第６の実施の形態によれば、画素２０１を互いに絶縁する絶縁部２４３を形成し、その絶縁部２４３を貫通する貫通電極２４０を設けたため、貫通電極２４０の周囲にのみ絶縁部を形成する第１の実施の形態と比較して製造が容易になる。

なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の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において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して前記所定波長と異なる波長の光を透過する光電変換膜と、
前記複数の画素のそれぞれにおいて前記光電変換膜を透過した光を光電変換する光電変換部と、
前記複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて前記所定数の画素のそれぞれの前記光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記画素ブロックにおいて前記所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極と、
前記複数の貫通電極を介して前記光電変換膜に接続された配線層と
を具備する固体撮像素子。
（２）所定の走査方向に沿って配列された前記画素からなる複数のラインを順に選択する走査回路をさらに具備する
前記（１）記載の固体撮像素子。
（３）前記複数の貫通電極は、前記所定の走査方向において前記画素ピッチより広い間隔で配置される
前記（２）記載の固体撮像素子。
（４）前記複数の貫通電極は、前記所定の走査方向に垂直な方向において前記画素ピッチより広い間隔で配置される
前記（２）記載の固体撮像素子。
（５）前記電荷蓄積部は前記複数の画素のそれぞれの対角の一方に配置され、
前記複数の貫通電極は前記対角の他方の周囲に設けられる
前記（１）記載の固体撮像素子。
（６）前記光電変換部から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送する転送トランジスタをさらに具備し、
前記光電変換部は、シリコン層に設けられ、
前記転送トランジスタは、前記シリコン層内部に埋め込まれた埋め込みゲート領域を有する前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）前記光電変換部の前記配線層側に形成されたイオン注入プラグをさらに具備する
前記（１）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）所定の方向に沿って配列された前記画素からなる複数のラインを互いに絶縁するライン間絶縁部をさらに具備し、
前記複数の貫通電極は、前記光電変換膜から前記ライン間絶縁部を貫通して前記配線層に接続される
前記（１）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）前記複数の画素を互いに絶縁する画素間絶縁部をさらに具備し、
前記複数の貫通電極は、前記画素間絶縁部を貫通して前記光電変換膜および前記配線層に接続される
前記（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して前記所定波長と異なる波長の光を透過する光電変換膜と、
前記複数の画素のそれぞれにおいて前記光電変換膜を透過した光を光電変換する光電変換部と、
前記複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて前記所定数の画素のそれぞれの前記光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記画素ブロックにおいて前記所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極と、
前記複数の貫通電極を介して前記光電変換膜に接続された配線層と、
前記蓄積された電荷の量に応じた電圧の画素信号を処理する処理部と
を具備する撮像装置。

１００ 固体撮像素子
１１０ 垂直走査回路
１２０ 画素アレイ部
１３０ ＣＤＳ部
１４０ 水平走査回路
２０１ 画素
２０５ 画素ブロック
２１１ マイクロレンズ
２１２ カラーフィルタ
２１３ パッシべーション層
２１４ 上部電極
２１５ 光電変換膜
２１６ 下部電極
２２０ シリコン層
２３０ 配線層
２３１ 配線
２４０ 貫通電極
２４１、２４２、２４３ 絶縁部
２５０ フォトダイオード
２５１ イオン注入プラグ
２７０ 浮遊拡散層
２８１ 増幅トランジスタ
２８２、２８４ 転送トランジスタ
２８３ 選択トランジスタ

Claims (10)

1. 二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して前記所定波長と異なる波長の光を透過する光電変換膜と、
   前記複数の画素のそれぞれにおいて前記光電変換膜を透過した光を光電変換する光電変換部と前記複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて前記所定数の画素のそれぞれの前記光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と前記画素ブロックにおいて前記所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極とが形成されたシリコン層と、
   前記複数の貫通電極を介して前記光電変換膜に接続された配線層と
   を具備し、
   前記複数の貫通電極は、前記シリコン層を貫通する
   固体撮像素子。
2. 複数のラインを順に選択する走査回路をさらに具備し、
   前記複数のラインのそれぞれは、所定の走査方向に沿って配列された前記画素の集合である
   請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の貫通電極は、前記所定の走査方向において前記画素ピッチより広い間隔で配置される
   請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記複数の貫通電極は、前記所定の走査方向に垂直な方向において前記画素ピッチより広い間隔で配置される
   請求項２記載の固体撮像素子。
5. 前記電荷蓄積部は前記複数の画素のそれぞれの対角の一方に配置され、
   前記複数の貫通電極は前記対角の他方の周囲に設けられる
   請求項１記載の固体撮像素子。
6. 前記光電変換部から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送する転送トランジスタをさらに具備し、
   前記転送トランジスタは、前記シリコン層内部に埋め込まれた埋め込みゲート領域を有する
   請求項１記載の固体撮像素子。
7. 前記光電変換部の前記配線層側に形成されたイオン注入プラグをさらに具備する
   請求項１記載の固体撮像素子。
8. 複数のラインを互いに絶縁するライン間絶縁部をさらに具備し、
   前記複数のラインのそれぞれは、所定の走査方向に沿って配列された前記画素の集合であり、
   前記複数の貫通電極は、前記光電変換膜から前記ライン間絶縁部を貫通して前記配線層に接続される
   請求項１記載の固体撮像素子。
9. 前記複数の画素を互いに絶縁する画素間絶縁部をさらに具備し、
   前記複数の貫通電極は、前記画素間絶縁部を貫通して前記光電変換膜および前記配線層に接続される
   請求項１記載の固体撮像素子。
10. 二次元格子状に配列された複数の画素のそれぞれにおいて所定波長の光を光電変換して前記所定波長と異なる波長の光を透過する光電変換膜と、
    前記複数の画素のそれぞれにおいて前記光電変換膜を透過した光を光電変換する光電変換部と前記複数の画素のうち隣接する所定数の画素からなる画素ブロックにおいて前記所定数の画素のそれぞれの前記光電変換部により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と前記画素ブロックにおいて前記所定数の画素の画素ピッチより広い間隔で配置された複数の貫通電極とが形成されたシリコン層と、
    前記複数の貫通電極を介して前記光電変換膜に接続された配線層と、
    前記蓄積された電荷の量に応じた電圧の画素信号を処理する処理部と
    を具備し、
    前記複数の貫通電極は、前記シリコン層を貫通する
    撮像装置。

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