JP2022046719A - 固体撮像装置、及び、電子機器 - Google Patents

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到 押山
Itaru Oshiyama
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晴美 池田
Harumi Ikeda
慎一郎 伊澤
Shinichiro Izawa
敦彦 山本
Atsuhiko Yamamoto
和伸 太田
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Abstract

【課題】光学混色の低減等の特性を向上させた固体撮像装置を提供する。【解決手段】基板と、基板に設けられた第1のn型半導体領域と、第1のn型半導体領域に隣接し、基板に設けられた第2のn型半導体領域と、基板の光入射面と反対側の面に設けられた配線層と、第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域との間に設けられた第1の素子分離部と、第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域の光入射面の上方に設けられた固定電荷を有する第1の絶縁膜と、第1の素子分離部の上方に設けられた遮光膜とを備える固体撮像装置を構成する。固体撮像装置において、第1の素子分離部は導電体を含み、導電体は基板上に設けられた遮光膜と接続する。【選択図】図2

Description

本開示は、裏面照射型の固体撮像装置及び電子機器に関する。
近年、基板上の配線層が形成される側とは反対側から光を照射する、裏面照射型の固体撮像装置が提案されている(下記特許文献1参照)。裏面照射型の固体撮像装置では、光照射側に配線層や回路素子等が形成されないため、基板に形成された受光部の開口率を高くできる他、入射光が配線層等に反射されることなく受光部に入射されるので、感度の向上が図られる。
特許文献1の固体撮像装置は、光学混色を低減するために、画素境界に遮光膜を設けている。
特開2010-186818号公報
このような固体撮像装置において、光学混色の低減等のさらなる特性向上が求められている。
本開示は、光学混色の低減等の特性をさらに向上させた固体撮像装置を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
本開示の固体撮像装置は、基板と、基板に設けられた第1のn型半導体領域と、第1のn型半導体領域に隣接し、基板に設けられた第2のn型半導体領域と、基板の光入射面と反対側の面に設けられた配線層と、第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域との間に設けられた第1の素子分離部と、第1のn型半導体領域と第2のn型半導体領域の光入射面の上方に設けられた固定電荷を有する第1の絶縁膜と、第1の素子分離部の上方に設けられた遮光膜とを備える。そして、第1の素子分離部は導電体を含み、導電体は基板上に設けられた遮光膜と接続する。
本開示の電子機器は、光学レンズと、上述の固体撮像装置と、固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路とを備える。
本開示によれば、固体撮像装置において、混色低減等の特性のさらなる向上が図られる。また、その固体撮像装置を用いることにより、画質の向上が図られた電子機器が得られる。
本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示す図である。 本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の平面レイアウトである。 図4A及び図4Bは、本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 図4C及び図4Dは、本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置と従来の固体撮像装置の要部のポテンシャル分布図である。 第1の実施形態の変形例1に係る固体撮像装置の平面レイアウトである。 第1の実施形態の変形例2に係る固体撮像装置の平面レイアウトである。 本開示の第2の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 図10A~図10Cは、本開示の第2の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本開示の第3の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 本開示の第4の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 図13A及び図13Bは、本開示の第4の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 図14Cは、本開示の第4の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本開示の第5の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 本開示の第6の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 本開示の第7の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 図18A及び図18Bは、本開示の第7の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 本開示の第8の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 図20A及び図20Bは、本開示の第8の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の要部の断面構成を示す図である。 本開示の第9の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。
本発明者らは、特許文献1の固体撮像装置において、以下の課題を発見した。
裏面型の固体撮像装置では、フォトダイオードが形成される半導体層が表面照射型の固体撮像装置と比較して薄く形成される。このため、従来の表面照射型の固体撮像装置では、フォトダイオードで溢れた信号電荷は半導体層の深さ方向(縦方向)にオーバーフローさせる構成が採られていたが、裏面照射型の固体撮像装置では、半導体層の深さ方向にオーバーフローさせることができない。このため、裏面照射型の固体撮像装置では、フォトダイオードで溢れた電子は、フローティングディフュージョンへ流れるように構成されている(いわゆる、ラテラルオーバーフロー)。
ラテラルオーバーフロー構造を採用する場合、フォトダイオードから溢れた電子が、フローティングディフュージョン側に流れるか、隣接するフォトダイオード側に流れるかは、基板内のポテンシャルによって決まる。したがって、電荷蓄積時に、フォトダイオードとフローティングディフュージョンとの間のポテンシャルを、隣接するフォトダイオード間のポテンシャルよりも高く設定することで、溢れた電子を随時フローティングディフュージョンに転送することができる。このため、溢れた電子をフローティングディフュージョンに転送可能な構成とする場合、飽和電荷量(Qs)の低下が大きな課題となる。一方、飽和電荷量を大きくした場合には、長時間蓄積時に白点画素から溢れた信号電荷が隣接する画素に漏れ込んでいくことでブルーミングが発生し、解像度劣化、画質劣化の一因となる。
また、画素境界に遮光膜を設ける構造では、斜めの光が入った場合に遮光膜の下で発生する混色を完全に抑制することができない。
本開示の実施形態では、混色低減、ブルーミングの抑制や飽和特性の向上が可能な固体撮像装置について説明する。
以下に、本開示の実施形態に係る固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器の一例を、図1~図22を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
1.第1の実施形態:固体撮像装置(4画素で一つのフローティングディフュージョン部を共有する例)
1-1 固体撮像装置全体の構成
1-2 要部の構成
1-3 固体撮像装置の製造方法
1-4 変形例1
1-5 変形例2
2.第2の実施形態:固体撮像装置(素子分離部内に遮光膜が形成される例)
3.第3の実施形態:固体撮像装置(素子分離部の基板裏面側の端部のみがp型半導体領域に接する例)
4.第4の実施形態:固体撮像装置(素子分離部が基板を貫通する例)
5.第5の実施形態:固体撮像装置(素子分離部内に形成された遮光層が配線層に接続される例)
6.第6の実施形態:固体撮像装置(素子分離部に2層の固定電荷膜を形成する例)
7.第7の実施形態:固体撮像装置(素子分離部が中空構造である例)
8.第8の実施形態:固体撮像装置(素子分離部が中空構造である例)
8-1 変形例
9.第9の実施形態:電子機器
〈1.第1の実施形態:固体撮像装置〉
[1-1 固体撮像装置全体の構成]
図1は、本開示の第1の実施形態に係るCMOS型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。
本実施形態の固体撮像装置1は、シリコンからなる基板11上に配列された複数の画素2を有する画素領域3と、垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6、出力回路7と、制御回路8等を有して構成される。
画素2は、フォトダイオードからなる光電変換部と、複数の画素トランジスタとから構成され、基板11上に、2次元アレイ状に規則的に複数配列される。画素2を構成する画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、アンプトランジスタで構成される4つのMOSトランジスタであってもよく、また、選択トランジスタを除いた3つのトランジスタであってもよい。
画素領域3は、2次元アレイ状に規則的に配列された複数の画素2を有する。画素領域3は、実際に光を受光し光電変換によって生成された信号電荷を増幅してカラム信号処理回路5に読み出す有効画素領域と、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域(図示せず)とから構成されている。黒基準画素領域は、通常は、有効画素領域の外周部に形成されるものである。
制御回路8は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5、及び水平駆動回路6等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路8で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6等に入力される。
垂直駆動回路4は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素領域3の各画素2を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素2のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線を通してカラム信号処理回路5に供給する。
カラム信号処理回路5は、例えば、画素2の列毎に配置されており、1行分の画素2から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域(図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される)からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路5の出力段には、水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10とのあいだに設けられている。
水平駆動回路6は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路5の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路5の各々から画素信号を水平信号線10に出力させる。
出力回路7は、カラム信号処理回路5の各々から水平信号線10を通して、順次に供給される信号に対し信号処理を行い出力する。
[1-2 要部の構成]
図2に、本実施形態の固体撮像装置1の画素領域3における断面構成を示し、図3に、本実施形態の固体撮像装置1の画素領域3の平面レイアウトを示す。本実施形態の固体撮像装置1は、裏面照射型のCMOS型固体撮像装置を例としたものであり、4つの光電変換部に対して所要の画素トランジスタを共有させた、いわゆる4画素共有を1単位とした例である。また、以下の説明では、第1導電型をp型とし、第2導電型をn型として説明する。
図2に示すように、本実施形態の固体撮像装置1は、複数の画素を有する基板12と、基板12の表面側に形成された配線層13と、支持基板31とを備える。また、基板12の裏面側に順に形成された固定電荷を有する絶縁膜(以下、固定電荷膜)20と、絶縁膜21と、遮光膜25と、平坦化膜26と、カラーフィルタ層27と、オンチップレンズ28とをさらに備える。
基板12は、シリコンからなる半導体基板で構成され、例えば1μm~6μmの厚みを有して形成されている。基板12の画素領域3にはフォトダイオードからなる光電変換部40と、画素回路部を構成する複数の画素トランジスタ(Tr1~Tr4)とから構成される画素が複数個、二次元マトリクス状に形成されている。そして、隣接する光電変換部40間は素子分離部19により電気的に分離されている。また、図2では図示を省略するが、基板12に形成された画素領域の周辺領域には、周辺回路部が構成されている。
光電変換部40は、基板12の表面側及び裏面側に形成される第1導電型(以下p型)半導体領域23,24と、その間に形成される第2導電型(以下n型)半導体領域22とで構成されている。光電変換部40では、そのp型半導体領域23,24とn型半導体領域22との間のpn接合で主なフォトダイオードが構成されている。光電変換部40では、入射した光の光量に応じた信号電荷が生成され、n型半導体領域22に蓄積される。また、基板12の界面で発生する暗電流の原因となる電子は基板12の表面及び裏面に形成されたp型半導体領域23,24の多数キャリアである正孔に吸収されることにより、暗電流が抑制される。
また、各光電変換部40はp型半導体領域で構成された画素分離層18と、その画素分離層18内に形成された素子分離部19によって電気的に分離されている。
画素トランジスタは、本実施形態においては、図3に示すように、転送トランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3、選択トランジスタTr4の4つのトランジスタで構成されている。
転送トランジスタTr1は、図3に示すように、2行2列に形成された4つの光電変換部40の中心部に形成されたフローティングディフュージョン部30と、転送ゲート電極16とで構成されている。フローティングディフュージョン部30は、図2に示すように、基板12の表面側に形成されたp-ウェル層29に、n型の不純物が高濃度にイオン注入されることで形成されたn型半導体領域で構成される。また、転送ゲート電極16は、光電変換部40とフローティングディフュージョン部30との間の基板12表面側に、ゲート絶縁膜17を介して形成されている。
画素トランジスタのうち、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3、選択トランジスタTr4はフローティングディフュージョン部30を共有する4つの光電変換部40毎に形成されている。これらの画素トランジスタは、図3に示すように4つの光電変換部40で構成される群の一方の側に配置されている。
リセットトランジスタTr2は、対のソース・ドレイン領域35及び36と、そのソース・ドレイン領域35,36の間に形成されたリセットゲート電極32により構成される。増幅トランジスタTr3は、対のソース・ドレイン領域36及び37と、そのソース・ドレイン領域36,37の間に形成された増幅ゲート電極33とにより構成される。選択トランジスタTr4は、対のソース・ドレイン領域37及び38と、そのソース・ドレイン領域37,38の間に形成された選択ゲート電極34とにより構成される。
リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3、選択トランジスタTr4については断面構成の図示を省略するが、これらの画素トランジスタについても転送トランジスタTr1と同様の構成とされている。すなわち、ソース・ドレイン領域35~38は、フローティングディフュージョン部30と同様、基板12の表面のp-ウェル層29内に形成されたにn型の高濃度不純物領域で構成される。また、リセットゲート電極32、増幅ゲート電極33、選択ゲート電極34は、基板12の表面側にゲート絶縁膜17を介して形成されている。
素子分離部19は、基板12の裏面側から深さ方向に形成された溝部39内に順に埋め込んで形成された固定電荷膜20、及び絶縁膜21とで構成され、基板12に形成された画素分離層18内に彫り込まれて形成されている。すなわち、素子分離部19は、図に示すように画素を取り囲むように格子状に形成されている。また、隣接する光電変換部40と光電変換部40との間に画素トランジスタが形成されている場合には、フローティングディフュージョン部30やソース・ドレイン領域に重なるように配置されている。
また、素子分離部19は、画素トランジスタが形成されるp-ウェル層29に達する深さに形成され、フローティングディフュージョン部30やソース・ドレイン領域には達しない深さに形成されている。フローティングディフュージョン部30やソース・ドレイン領域の深さが1μm未満とすると、素子分離部19は、基板12表面から0.25~5.0μm程度の深さまで形成することができる。本実施形態では、画素トランジスタのp-ウェル層29に達する深さに形成されているが、素子分離部19の基板12裏面側の端部がp型の半導体層に接するように形成されればよく、必ずしもp-ウェル層29に達する深さでなくともよい。本実施形態のように、p型半導体層からなる画素分離層18内に形成される場合には、p-ウェル層29に達しない構成でも絶縁分離の効果を得ることができる。
また、溝部39に形成される固定電荷膜20は溝部39の内周面及び底面に成膜されると共に、基板12の裏面全面に形成されている。なお、以下の説明では、溝部39の内周面及び底面を合わせて、「内壁面」として説明する。固定電荷膜20としては、シリコン等の基板上に堆積することにより固定電荷を発生させてピニングを強化させることが可能な材料を用いることが好ましく、負の電荷を有する高屈折率材料膜または高誘電体膜を用いることができる。具体的な材料としては、例えば、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)及びチタン(Ti)のうち少なくとも1つの元素を含む酸化物または窒化物を適用することができる。成膜方法としては、例えば、化学気相成長法(以下、CVD(Chemical Vapor Deposition)法)、スパッタリング法、原子層蒸着法(以下、ALD(Atomic Layer Deposition)法)等が挙げられる。ALD法を用いれば、成膜中に界面準位を低減するSiO2膜を同時に1nm程度の膜厚に形成することができる。また、上記以外の材料としては、ランタン(La)、プラセオジム(Pr)、セリウム(Ce)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)及びイットリウム(Y)のうち少なくとも1つの元素を含む酸化物または窒化物等が挙げられる。さらに、上記固定電荷膜は、酸窒化ハフニウム膜または酸窒化アルミニウム膜で形成することも可能である。
上述の固定電荷膜20の材料には、絶縁性を損なわない範囲で、膜中にシリコン(Si)や窒素(N)が添加されていてもよい。その濃度は、膜の絶縁性が損なわれない範囲で適宜決定される。このように、シリコン(Si)や窒素(N)が添加されることによって、膜の耐熱性やプロセスの中でイオン注入の阻止能力を上げることが可能になる。
本実施形態では、溝部39の内壁面及び基板12の裏面に負の電荷を有する固定電荷膜20が形成されているため、固定電荷膜20に接する面に反転層が形成される。これにより、シリコン界面が反転層によりピンニングされるため、暗電流の発生が抑制される。また、基板12に溝部39を形成する場合、溝部39の側壁及び底面に物理的ダメージが発生し、溝部39の周辺部でピニング外れが発生する可能性がある。この問題点に対し、本実施形態では、溝部39の側壁及び底面に固定電荷を多く持つ固定電荷膜20を形成することによりピニング外れが防止される。
絶縁膜21は、固定電荷膜20が形成された溝部39内に埋め込まれると共に、基板12の裏面側全面に形成されている。絶縁膜21の材料としては、固定電荷膜20とは異なる屈折率を有する材料で形成することが好ましく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、樹脂などを用いることができる。また、正の固定電荷を持たない、又は正の固定電荷が少ないという特徴を持つ材料を絶縁膜21に用いることができる。
そして、溝部39が絶縁膜21に埋め込まれることにより、各画素を構成する光電変換部40が絶縁膜21を介して分離される。これにより、隣接画素に信号電荷が漏れ込みにくくなるため、飽和電荷量(Qs)を超えた信号電荷が発生した場合において、溢れた信号電荷が隣接する光電変換部40へ漏れ込むことを低減することができる。このため、電子混色を抑制することができる。
また、基板12の入射面側となる裏面側に形成された固定電荷膜20と絶縁膜21の2層構造はその屈折率の違いにより、反射防止膜の役割を有する。これにより、基板12の裏面側から入射した光の基板12の裏面側における反射が防止される。
遮光膜25は、基板12の裏面に形成された絶縁膜21上の所望の領域に形成されており、画素領域では、光電変換部40を開口するように格子状に形成されている。すなわち、遮光膜25は、素子分離部19に対応する位置に形成されている。遮光膜25を構成する材料としては、光を遮光する材料であればよく、例えば、タングステン(W)、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)を用いることができる。
平坦化膜26は、遮光膜25を含む絶縁膜21上全面に形成され、これにより基板12の裏面側の面が平坦とされる。平坦化膜26の材料としては、例えば、樹脂などの有機材料を用いることができる。
カラーフィルタ層27は、平坦化膜26上面に形成されており、画素毎に例えば、R(赤色)、G(緑色)、B(青色)に対応して形成されている。カラーフィルタ層27では、所望の波長の光が透過され、透過した光が基板12内の光電変換部40に入射する。
オンチップレンズ28は、カラーフィルタ層27上面に形成されている。オンチップレンズ28では照射された光が集光され、集光された光はカラーフィルタ層27を介して各光電変換部40に効率良く入射する。
配線層13は、基板12の表面側に形成されており、層間絶縁膜14を介して複数層(本実施形態では3層)に積層された配線15を有して構成されている。配線層13に形成される配線15を介して、画素2を構成する画素トランジスタTrが駆動される。
支持基板31は、配線層13の基板12に面する側とは反対側の面に形成されている。この支持基板31は、製造段階で基板12の強度を確保するために構成されているものであり、例えばシリコン基板により構成されている。
以上の構成を有する固体撮像装置1では、基板12の裏面側から光が照射され、オンチップレンズ28及びカラーフィルタ層27を透過した光が光電変換部40にて光電変換することにより、信号電荷が生成される。そして光電変換部40にて生成された信号電荷は、基板12の表面側に形成された画素トランジスタを介して、配線層13の所望の配線15で形成された垂直信号線により画素信号として出力される。
[1-3 固体撮像装置の製造方法]
次に、本実施形態の固体撮像装置の製造方法について説明する。図4及び図5は、本実施形態の固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
まず、図4Aに示すように、基板12に、光電変換部40、画素トランジスタ、画素分離層18を形成した後、基板12表面に層間絶縁膜14と配線15とを交互に形成することで配線層13を形成する。基板12に形成される光電変換部40等の不純物領域は、所望の不純物を基板12の表面側からイオン注入することで形成する。
続いて、配線層13の最上層にシリコン基板からなる支持基板31(図4B参照)を接着して反転させる。ここまでの製造工程は、通常の裏面照射型の固体撮像装置と同様である。なお、図示を省略するが、一般的には、基板12を反転させた後、基板12を裏面側から研磨し所望の厚さまで薄肉化する。
次に、図4Bに示すように、基板12の各画素の境界、すなわち、画素分離層18が形成された部分において、基板12の裏面側から深さ方向に選択的にエッチングすることにより、所望の深さの溝部39を形成する。
溝部39を形成する工程では、基板12の裏面に、所望の開口を有するハードマスク(図示せず)を形成し、そのハードマスクを介してエッチングすることにより、溝部を形成する。分光特性を考慮し、溝部39の深さは、基板12の裏面から0.2μm以上であることが好ましく、1.0μm以上であることがより好ましい。また、溝部39の幅は、分光特性により、0.02μm以上であることが好ましい。溝部39の幅を広く設定することにより溝部39の加工が容易になるが、溝部39の幅が広いほど分光特性や飽和電荷量が低下するため、溝部39の幅は0.02μm程度であることがより望ましい。
本実施形態は、図4Bに示すように、画素トランジスタのp-ウェル層29に達し、かつ、フローティングディフュージョン部30やソース・ドレイン領域に達しない深さの溝部39を形成した。なお、溝部39を形成する工程は、他の基板貫通工程と共通化して行うことが可能であり、共通化した場合には、工程数の削減を図ることができる。
次に、溝部39の加工に用いたハードマスクを除去し、図5Cに示すようにCVD法、スパッタリング法、ALD等を用いて、溝部39の側壁、底面、及び基板12の裏面を被覆するように固定電荷膜20を成膜する。その後、CVD法等を用いて、溝部39内に絶縁膜21を埋め込んで形成すると共に、基板12裏面側の固定電荷膜20上面にも絶縁膜21を成膜する。
次に、絶縁膜21の上部全面に遮光材料層を成膜した後、その遮光材料層を所望の形状にパターニングする。これにより、図5Dに示すように光電変換部40を開口し、隣接する画素と画素との間を遮光する遮光膜25を形成する。
その後、カラーフィルタ層27及びオンチップレンズ28を通常の方法で形成することにより、図2に示す固体撮像装置1が完成する。
以上により、基板12に絶縁膜21が埋め込まれて形成された素子分離部19によって画素分離がなされた固体撮像装置1が形成される。
本実施形態の固体撮像装置1では、各画素の光電変換部40が、溝部39に絶縁膜21が埋め込まれて形成された素子分離部19によって分離されている。このため、光電変換部40に蓄積された信号電荷の隣接する光電変換部40側への漏れを、不純物領域のみで分離する場合より低減することができる。この結果、光電変換部40において飽和電荷量以上の信号電荷が生成された場合に、より効率的にフローティングディフュージョン部30側へ掃き出させることが可能となる。これにより、ブルーミングの発生が抑制される。
図6は、電荷蓄積時のポテンシャル分布を示したものであり、横型オーバーフロー構造(ラテラルオーバーフロー構造)を説明する図である。図6では、本実施形態の固体撮像装置1の隣接する2つの光電変換部40と、転送トランジスタTr1が形成された部分における基板12のポテンシャル分布図を示している。さらに、図6では、比較例として、隣接する光電変換部をイオン注入で形成した素子分離領域100のみで分離した従来の固体撮像装置の光電変換部及び転送トランジスタが形成された部分における基板のポテンシャル分布図も併せて示している。図6において、図2に対応する部分には同一符号を付している。
図6に示すように、従来の固体撮像装置では、電荷蓄積時において飽和電荷量を超えた信号電荷を横方向にオーバーフローさせるため、転送ゲートのポテンシャルを隣接する2つの光電変換部40の間の素子分離領域100のポテンシャルよりも深く設定しておく。そうすることで、光電変換部40の飽和電荷量を超えた信号電荷は、隣接する光電変換部40の方向へは流れず、転送ゲートを通ってフローティングディフュージョン部30に掃き出され、これによりブルーミングが抑制される構成とされている。
このように、従来の固体撮像装置においてラテラルオーバーフローを採用する場合には、転送ゲートのポテンシャルを隣接する2つの光電変換部40の間の素子分離領域100のポテンシャルよりも深く設定しておく必要がある。このため、電荷蓄積時に転送ゲート電極に所定の電位を供給して転送ゲートのポテンシャルを深く設定する必要があり、その分だけ飽和電荷量(Qs)が下がっていた。
一方、本実施形態の固体撮像装置1は、隣接する光電変換部40は素子分離部19で分離されている。これにより、電荷蓄積時において、転送ゲートのポテンシャルが浅い状態であっても光電変換部40の飽和電荷量を超えた信号電荷は、隣接する光電変換部40の方向へは流れず、フローティングディフュージョン部30に掃き出される。
本実施形態の固体撮像装置1では、光電変換部40を絶縁膜21で構成された素子分離部19で分離することにより、従来に比較して、素子分離部19のポテンシャルがΔx1だけ浅くなる。このため、電荷蓄積時において転送ゲートのポテンシャルを深くする必要がなくなる。図6に示すように、転送ゲートのポテンシャルを従来に比較してΔx2だけ浅くすることができ、その結果、本実施形態の固体撮像装置1では、従来に比較して飽和電荷量を増やすことができる。すなわち、本実施形態の固体撮像装置1では、ブルーミングを抑制しながらも、飽和電荷量を向上させることができる。また、飽和特性向上のために光電変換部40内の電界を上げる必要がなく、光電変換部40を構成するn型半導体領域の濃度を低く設定できるので、白点を低いレベルに維持することが可能である。
また、本実施形態の固体撮像装置1では、溝部39に負の電荷を有する固定電荷膜20を形成されている。このため、固定電荷膜20の負バイアス効果により、界面準位の発生を抑制することができ、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。さらに、固定電荷膜20に接する面には反転層(p型)が形成され、プラスの電荷が誘起される。このため、p型半導体領域で構成されるp-ウェル層29や画素分離層18を、従来の固体撮像装置よりも1桁程度薄いp型不純物濃度で形成しても、画素の分離機能や、暗電流抑制の効果を十分に発揮することができる。
また、本実施形態ではp-ウェル層29や画素分離層18を従来の固体撮像装置よりも薄い不純物濃度で形成することができるので、光電変換部40を構成するn型半導体領域22がp型半導体領域に浸食されることがない。これにより、飽和電荷量の向上が図られる。さらに、p-ウェル層29や画素分離層18のp型不純物濃度を低く設定することができるので、p-ウェル層29や画素分離層18において強電界の発生が抑制され、ノイズの発生を抑制することができる。
また、素子分離部19が、グランド電位とされたp-ウェル層29に接するように形成されることで、素子分離部19の周りに形成された反転層(p型)がグランド電位に固定されピ二ングされ、これにより、暗電流発生が抑制される。
さらに、本実施形態の固体撮像装置1では、素子分離部19は、画素トランジスタと光の入射方向に重なる領域に形成することができる。このため、素子分離部19は画素トランジスタのレイアウトに何ら影響を及ぼすことなく形成することができ、素子分離部19の為の領域を別途設ける必要もないため、画素面積が増大することがない。
以上では、4つの光電変換部40に対して所要の画素トランジスタを共有させた4画素共有を1単位とした例を説明したが、これに限られるものではなく、2画素共有を1単位とした例や、画素トランジスタを共有しない場合等、種々の構成が可能である。
[1-4 変形例1]
本実施形態の変形例1に係る固体撮像装置として、2つの光電変換部に対して所用の画素トランジスタを共有させた2画素共有を1単位とした例を説明する。図7は、変形例1に係る固体撮像装置の平面レイアウトである。図7において、図3に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
変形例1では、転送トランジスタは、図7に示すように、1行2列に形成された2つの光電変換部40の中心部に形成されたフローティングディフュージョン部30と、転送ゲート電極16とで構成されている。また、画素トランジスタのうち、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3、選択トランジスタTr4はフローティングディフュージョン部30を共有する2つの光電変換部40毎に形成される。これらのリセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3、選択トランジスタTr4は、2つの光電変換部40で構成される群の一方の側に配置されている。
そして、2画素共有の場合においても、素子分離部19は、各画素の光電変換部40を囲むように格子状に形成されており、画素トランジスタが形成された領域では、画素トランジスタに重なる領域に配置されている。
また、変形例1に係る固体撮像装置の転送トランジスタTr1を含む断面構成も、図2と同様の構成とされている。
このような2画素共有を1単位とした固体撮像装置においても、各画素の光電変換部40は素子分離部19で絶縁されているため、各光電変換部40で生成された信号電荷が隣接する画素の光電変換部40に漏れ込みにくい。これにより、飽和特性を維持しながらも、ブルーミングを抑制することができる等、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
[1-5 変形例2]
本実施形態の変形例2に係る固体撮像装置として、各画素の光電変換部40毎に画素トランジスタが形成される例を説明する。図8は、変形例2に係る固体撮像装置の画素領域における平面レイアウトである。図8において、図3に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
変形例2では、転送トランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3が画素毎に形成されており選択トランジスタは構成されていない。そして、光電変換部40毎に形成された画素トランジスタは、光電変換部40の一方向に形成されている。また、素子分離部19は、各画素の光電変換部40を囲むように格子状に形成されており、一部、画素トランジスタに重なる領域に配置されている。
また、変形例2に係る固体撮像装置の断面構成については図示を省略するが、変形例2における固体撮像装置では、フローティングディフュージョン部30が各光電変換部40に対して1つずつ形成されている。変形例2においても、各画素の光電変換部40は素子分離部19で絶縁されているため、各光電変換部40で生成された信号電荷が隣接する画素の光電変換部40に漏れ込みにくい。これにより、飽和特性を維持しながらも、ブルーミングを抑制することができる等、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
このように、レイアウトの異なる固体撮像装置でも、光電変換部40に対する素子分離部19の構成は、いずれも同様の構成とすることができる。
〈2.第2の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第2の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図9は、本実施形態の固体撮像装置52の要部の断面構成図である。図9において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置52は、素子分離部49の構成が、第1の実施形態と異なる例である。
本実施形態の固体撮像装置52では、素子分離部49は、溝部39に順に埋め込まれた固定電荷膜20、絶縁膜48、遮光層50で構成されている。遮光層50は、固定電荷膜20及び絶縁膜48が形成された溝部39内の深さ方向に形成されており、基板12の裏面側に形成された遮光膜25に接続された構成とされている。
図10A~Cは、本実施形態の固体撮像装置52の製造工程を示す断面図である。本実施形態において、溝部39を形成するまでの工程は、図4A及び図4Bで説明した工程と同様であるから、その後の工程から説明する。
光電変換部40を囲む領域に溝部39を形成した後、図10Aに示すように、溝部39の内壁面及び基板12の裏面側を被覆するように固定電荷膜20を形成する。この固定電荷膜20は、第1の実施形態と同様にして形成する。次に、固定電荷膜20を被覆するように、溝部39内、及び基板12の裏面側に絶縁膜48を形成する。このとき、溝部39に形成する絶縁膜48は溝部39内を全て埋め込まない厚みに形成する。この絶縁膜48は、例えば、スパッタ法を用いて形成することができる。
次に、図10Bに示すように、溝部39内を全て埋め込むと共に、基板12の裏面側を被覆するように遮光材料層24aを形成する。遮光材料層24aは、第1の実施形態と同様にして形成することができるが、特に、埋め込み性のよい材料を用いることが好ましい。
次に、図10Cに示すように、隣接する画素と画素との境界部分に遮光材料層が残るように遮光材料層24aをパターニングする。これにより、溝部39に埋め込まれた遮光層50と、その遮光層50に電気的に接続された遮光膜25とが形成される。
その後、通常の製造方法を用いて平坦化膜26、カラーフィルタ層27、オンチップレンズ28を順に形成することにより、本実施形態の固体撮像装置52が完成する。
本実施形態の固体撮像装置52では、遮光膜25及び遮光層50にはグランド電位、又は負の電位が供給されている。遮光膜25及び遮光層50にグランド電位又は負の電位を供給することにより、素子分離部19表面におけるホールピニングの効果を安定させることができる。また、遮光膜25及び遮光層50に負の電位を供給した場合には、素子分離部19に接する基板12面に反転層が形成されやすくなり、暗電流の抑制効果を高めることができる。
さらに、本実施形態では、遮光層50が溝部39内に形成されているため、斜めに入射した光が隣接する光電変換部40に入射するのを防ぐことができ、光学混色が抑制される。その他、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈3.第3の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第3の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図11は、本実施形態の固体撮像装置55の要部の断面構成図である。図11において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置55は、第1の実施形態に係る固体撮像装置1において、基板12に形成されたp型半導体領域からなる画素分離層18が形成されない例である。すなわち、本実施形態の固体撮像装置55では、光電変換部56が、素子分離部19のみで画素毎に分離されている。ただし、この場合も、素子分離部19の表面側の端部は、画素トランジスタのp-ウェル層29に接するように形成する。
本実施形態の固体撮像装置55では、光電変換部56は、基板12の表面側に形成されたp型半導体領域23と、そのp型半導体領域23の下部から基板12の裏面側にかけて形成されたn型半導体領域51によって構成されている。すなわち、本実施形態では、光電変換部56における電荷蓄積領域となるn型半導体領域51が、第1の実施形態における光電変換部40の電荷蓄積領域となるn型半導体領域22に比較して大きく形成されている。このため、飽和電荷量の向上をさらに図ることができる。
本実施形態では、各画素の光電変換部56をp型の不純物領域で分離する画素分離層や、基板12の裏面側において、暗電流抑制のためのp型半導体領域が形成されていない。しかしながら、素子分離部19には、負の固定電荷を有する絶縁膜20が形成されているため、固定電荷膜20に接する面には反転層が形成され、暗電流の発性を抑制することができる。このように、少なくとも素子分離部19の基板12表面側の端部が隣接するn型半導体領域51同士を電気的に分離するp-ウェル層29等のp型半導体領域に接する構成であれば、光電変換部56間の電荷の漏れを十分に抑制することができる。
その他、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈4.第4の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第4の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図12は、本実施形態の固体撮像装置57の要部の断面構成図である。図12において、図2に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置57は、一部の素子分離部59が基板12を貫通する例である。図12に示すように、画素トランジスタ(図12では転送トランジスタTr1のフローティングディフュージョン部30)に重ならない領域では、素子分離部59が基板12を貫通して形成されている。すなわち、画素トランジスタと重ならない領域の素子分離部19は、基板12を貫通して形成された溝部60内に順に埋め込まれた固定電荷膜20及び絶縁膜21で構成されている。
一方、画素トランジスタと重なる領域では、第1の実施形態と同様、素子分離部19の表面側の端部が、画素トランジスタのp-ウェル層29に接するように形成されている。このとき、素子分離部19の表面側の端部は、画素トランジスタを構成するフローティングディフュージョン部30やソース・ドレイン領域に達することがないように形成されている。
図13及び図14は、本実施形態の固体撮像装置57の製造工程を示す断面図である。本実施形態において、溝部39、60を形成する前の工程までは、図4Aで説明した工程と同様であるから、その後の工程から説明する。
本実施形態では、配線層13及び支持基板31を形成した基板12を反転して所定の厚みになるまで薄肉化した後、図13Aに示すように、異なる深さの溝部39,60を形成する。基板12を貫通する素子分離部59を形成する領域では、基板12を貫通する溝部60を形成し、貫通しない素子分離部19を形成する領域では、画素トランジスタのp-ウェル層29に達する深さに溝部39を形成する。これらの異なる深さの溝部39,60は、複数段階に分けたエッチング処理を行うことで形成することができる。
次に、図13Bに示すように、深さの異なる溝部39,60内に、図5C同様にして固定電荷膜20、及び絶縁膜21を形成することで、深さの異なる素子分離部19,59を形成することができる。
その後、絶縁膜21の上部全面に遮光材料層を成膜した後、その遮光材料層を所望の形状にパターニングする。これにより、図14Cに示すように光電変換部40を開口し、隣接する画素と画素との間を遮光する遮光膜25を形成する。
その後、カラーフィルタ層27及びオンチップレンズ28を通常の方法で形成することにより、図12に示す固体撮像装置57が完成する。
本実施形態の固体撮像装置57では、画素トランジスタに重なる領域以外の領域では、素子分離部59が基板12を貫通して形成されるので、隣接する光電変換部40間の信号電荷の漏れをより低減することができる。これにより、ブルーミングの抑制効果を高めることができる。その他、1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈5.第5の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第5の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図15は、本実施形態の固体撮像装置64の要部の断面構成図である。図15において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置64は、第2の実施形態に係る固体撮像装置52において、画素領域の一部(例えば端辺)において、基板12を貫通する素子分離部62を有し、その素子分離部62内に基板12の表面側に露出する遮光層63を形成する例である。
基板12を貫通する素子分離部62は、基板12を貫通して形成された溝部60と、その溝部60内に順に形成された固定電荷膜20、絶縁膜48、遮光層63とによって構成されており、遮光層63が基板12の表面側に露出するように形成されている。基板12の表面側に露出するように形成された遮光層63は、配線層13を構成する層間絶縁膜14に形成されたコンタクト部61を介して所望の配線15に接続されている。この遮光層63には、配線15からグランド電位又は負の電位が供給されることにより、画素領域に形成された遮光層50及び遮光膜25にグランド電位又は負の電位が供給されることとなる。
本実施形態の固体撮像装置64を製造する場合は、まず、図13Aと同様にして、深さの異なる溝部39,60を形成し、次に、図10Aと同様にして固定電荷膜20と絶縁膜48を形成する。その後、基板12を貫通する溝部60の底面に形成された固定電荷膜20と絶縁膜48のみをエッチバックにより除去する。そして、基板12を貫通する溝部60の底面に配線層13が露出した状態で、溝部39,60内に遮光材料を埋め込むと共に基板12の裏面側に遮光材料を形成し、所望の形状にパターニングすることで、遮光層50,63及び遮光膜25を形成する。これにより、基板12を貫通する遮光層50を配線層13側に引き出すことができ、遮光層50に配線層13の配線15から所望の電位を供給することができる。なお、本実施形態では、配線層13を形成する工程において、遮光層63に接続されるコンタクト部61を予め形成しておく。
本実施形態の固体撮像装置64では、一部の素子分離部62を、基板12を貫通するように形成することで遮光層63を基板12の配線層13側に引き出すことができる。また、遮光膜25及び遮光層50,63と配線15との電気的な接続と、素子分離部19,62との製造を同一工程で行うことができるので、工程数の削減が可能となる。
その他、第1及び第2の実施形態に係る固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。
〈6.第6の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第6の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図16は、本実施形態の固体撮像装置41の要部の断面構成図である。図16において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置41は、素子分離部42の構成が第1の実施形態と異なる。本実施形態では、素子分離部42は、溝部39内に順に埋め込んで形成された第1固定電荷膜43、第2固定電荷膜44、第1絶縁膜45及び第2絶縁膜46を備える。なお、本実施形態では、溝部39の側面をテーパ形状とし、基板12の深さ方向に開口径が小さくなるように形成した。以下に、溝部39内及び基板12の裏面に形成される各膜を、その製造方法と共に説明する。
第1固定電荷膜43は、溝部39の内壁面及び基板12の裏面を被覆するように形成されており、CVD法又はALD法を用いて形成されている。第1固定電荷膜43を形成する材料としては、第1の実施形態における固定電荷膜20の材料と同様の材料を用いることができる。
CVD法又はALD法を用いて第1固定電荷膜43を形成する場合、成膜中に界面準位を低減するSiO2膜が同時に形成される。このSiO2膜は、1nm程度の厚さで形成することが好ましい。この基板界面に形成されるSiO2膜の厚みを除いた場合、第1固定電荷膜43は、3nm以上の厚さで形成されることが好ましく、例えば、3nm以上20nm以下に形成されるのが好ましい。
第2固定電荷膜44は、第1固定電荷膜43を被覆するように溝部39内及び基板12の裏面に形成されており、例えば、PVD(Physical Vapor Deposition)法を用いて形成されている。第2固定電荷膜44を形成する材料についても、第1固定電荷膜43と同様、第1の実施形態における固定電荷膜20の材料と同様の材料を用いることができる。また、第2固定電荷膜44は、第1固定電荷膜43と同じ材料で形成されてもよく、また、異なる材料で形成されてもよい。
第2固定電荷膜44は、基板12の裏面において、例えば40nm以上60nm以下の膜厚で形成されるのが好ましい。第2固定電荷膜44を40nm以上60nm以下の膜厚に形成することにより、基板12の裏面側におけるピニングの効果や、後述する反射防止膜の効果をより確実に得ることができる。
第1絶縁膜45は、第2固定電荷膜44を被覆するように溝部39内及び基板12の裏面に形成されており、PVD法やCVD法で形成される異方性酸化膜、例えば、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)材料やシラン材料を含む酸化膜で形成される。第1絶縁膜45は、基板12の裏面において、例えば、0nm以上600nm以下の膜厚で形成されるのが好ましい。
第2絶縁膜46は、第1絶縁膜45を被覆するように溝部39内及び基板12の裏面に形成されており、本実施形態では、ALD法やCVD法を用いて形成された等方性酸化膜、例えば、シリコン酸化膜等で形成されている。本実施形態では、第2絶縁膜46により溝部39内を全て埋め込む。また、第2絶縁膜46は、基板12の裏面において、例えば0nm以上300nm以下の膜厚で形成されるのが好ましく、第1絶縁膜45と第2絶縁膜46とを合わせた膜厚が10nm以上900nm以下、好ましくは50nm以上700nm以下、より好ましくは、100nm以上500nm以下となるように形成される。
また、基板12の裏面側及び溝部39内部に形成された第1固定電荷膜43、第2固定電荷膜44、第1絶縁膜45及び第2絶縁膜46からなる積層膜は、反射防止膜の役割も果たす。
なお、本実施形態では、第1絶縁膜45、第2絶縁膜46の2層の絶縁膜を形成する場合について説明しているが、本開示はこれに限らず、第1、第2絶縁膜45、46のいずれかが形成されればよい。また、第1絶縁膜45として異方性酸化膜、第2絶縁膜46として等方性酸化膜を形成する場合について説明しているが、逆の場合であってもよい。
さらに、溝部39の内周面は、第1固定電荷膜43、第2固定電荷膜44、第1絶縁膜45及び第2絶縁膜46の全てまたは一部が積層されている構造であっても、上記いずれの膜も積層されていない構造であってもよい。
〈7.第7の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第7の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図17は、本実施形態の固体撮像装置47の要部の断面構成図である。図17において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置47は、素子分離部53が中空構造とされる点で、第1の実施形態と異なる。本実施形態では、図17に示すように、素子分離部53は、基板12の裏面側から深さ方向に形成された溝部39内に順に埋め込んで形成された固定電荷膜20及び絶縁膜54を有し、溝部39内部には中空部(いわゆるボイド)58が形成されている。
絶縁膜54は、溝部39の内壁面及び基板12の裏面に形成された固定電荷膜20を被覆するように形成されている。また、溝部39において中空部58を形成するため、絶縁膜54は、溝部39の内部では溝部39を全て埋め込まない膜厚で形成され、溝部39の開口端では溝部39を閉塞するように形成されている。絶縁膜54は、第1の実施形態で用いた絶縁膜21の材料と同様の材料で形成することができる。
図18A及び図18Bに、本実施形態の固体撮像装置47の製造工程を示す。溝部39を形成する工程までは、第1の実施形態と同様であるから、重複説明を省略する。溝部39を形成した後、図18Aに示すように、CVD法、スパッタリング法、又はALD法等を用いて、溝部39の内周面、底面、及び基板12の裏面を被覆するように固定電荷膜20を成膜する。
次に、図18Bに示すように、CVD法、スパッタリング法、塗布法などを用いて、溝部39の内壁面及び基板12の裏面に形成された固定電荷膜20を被覆するように絶縁膜54を成膜する。この絶縁膜54の成膜工程では、溝部39の内部が絶縁膜54で全て埋め込まれる前に、溝部39の開口端側が閉塞されるような成膜条件とする。このように、成膜条件を最適化することで、図18Bに示すような中空部58を有する素子分離部53を形成することができる。
素子分離部53に形成された中空部58の内部は空気が充填された状態であっても、真空の状態であってもよい。また、入射側に近い部分での光の混入を防ぐため、裏面のシリコン面(基板12と固定電荷膜20の界面)より上部(光入射側)まで中空部が存在することがより好ましい。
その後、第1の実施形態と同様の工程により、図17に示す本実施形態の固体撮像装置47が完成する。本実施形態では、中空部58の屈折率が1であり、固定電荷膜20及び絶縁膜54の屈折率がいずれも1以上であるため、素子分離部53において光の反射が起こりやすく、光学混色の抑制を図ることができる。これにより、本実施形態では、素子分離部53において光学的な遮光性を向上させることができる。また、本実施形態でも、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、素子分離部53において固定電荷膜20を形成したが、固定電荷膜20を形成しなくてもよい。この場合も、絶縁膜を形成する材料として、屈折率が1よりも大きい絶縁材料を用い、絶縁膜を、溝部39の内部に中空部を形成するように成膜することにより、光学的な遮光性の向上と、光学混色の抑制とを図ることができる。
〈8.第8の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第8の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図19は、本実施形態の固体撮像装置65の要部の断面構成図である。図19において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の固体撮像装置65は、素子分離部66が中空構造とされる点で、第7の実施形態と同じであるが、素子分離部66における膜構造及びその成膜方法が異なる。本実施形態では、図19に示すように、素子分離部66が、基板12の裏面側から深さ方向に形成された溝部39内に順に埋め込んで形成された第1の膜67及び第2の膜68を有し、溝部39内部には中空部58が形成されている。
第1の膜67は、溝部39の内壁面及び基板12の裏面を被覆するように形成されており、第2の膜68は、第1の膜67に積層して溝部39の内壁面及び基板12の裏面に形成されている。そして、溝部39では、内部に中空部58が形成された状態で、溝部39の開口端側が第1の膜67及び第2の膜68によって閉塞されている。
後述するが、第1の膜67は、異方的な成膜方法で形成されており、溝部39の開口端側における開口径を狭めるように設けられている。一方、第2の膜68は、等方的な成膜方法で形成されており、第1の膜67によって狭められた溝部39の開口端を閉塞するように設けられている。
第1の膜67及び第2の膜68は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、樹脂等の絶縁材料を用いて形成することができる。また、第1の膜67及び第2の膜68は、同じ材料で形成されてもよく、異なる材料で形成されてもよい。第1の膜67と第2の膜68とを異なる材料で形成する場合には、第1の膜67の膜応力が第2の膜68の膜応力よりも小さく、かつ、第1の膜67の屈折率が第2の膜68の屈折率よりも大きくなる条件の材料をそれぞれ選択することが好ましい。本実施形態では、一例として、第1の膜67及び第2の膜68をどちらも酸化シリコンで形成した場合について説明する。
図20A及び図20Bに、本実施形態の固体撮像装置65の製造工程を示す。溝部39を形成する工程までは、第1の実施形態と同様であるから重複説明を省略する。溝部39を形成した後、図20Aに示すように、酸化シリコンからなる第1の膜67を形成する。第1の膜67は、異方的な成膜方法、例えばプラズマCVD法やPVD法を用いて形成する。
第1の膜67の成膜が異方的になされるため、溝部39の底面及び基板12の裏面における第1の膜67の膜厚が、溝部39の内周面における第1の膜67の膜厚よりも厚くなる。このため、基板12の裏面と溝部39の内周面における成膜レートの違いにより、図20Aに示すように、第1の膜67は溝部39の開口端側でオーバーハング形状となり、溝部39の開口端側の開口径が、溝部39の底面側の開口径よりも小さくなる。ここでは、溝部39を完全に閉塞しない程度の膜厚で第1の膜67を形成する。
次に、図20Bに示すように、酸化シリコンからなる第2の膜68を成膜する。第2の膜68は、等方的な方法、例えばALD法を用いて成膜する。第2の膜68の成膜が等方的になされるため、溝部39の内壁面、及び基板12の裏面では、第2の膜68が第1の膜67上部にほぼ同一の膜厚で成膜される。
また、第2の膜68は、溝部39の開口端側で溝部39を閉塞する膜厚に成膜されている。本実施形態では、第1の膜67により、溝部39の開口端側の開口径は溝部39の底面側の開口径よりも狭められている。したがって、第2の膜68は、溝部39の中空構造を維持した状態で、開口端側を閉塞する。これにより、溝部39内には中空部58が形成される。また、第1の膜67を等方性成膜、第2の膜68を異方性成膜と入れ替えても溝部39の中空構造を維持した状態で開口端側を閉塞することが可能である。本実施形態においても、入射側に近い部分での光の混入を防ぐため、裏面のシリコン面(基板12と第1の膜67の界面)より上部(光入射側)まで中空部が存在することがより好ましい。
その後、第1の実施形態と同様の工程により、図19に示す本実施形態の固体撮像装置65が完成する。本実施形態においても、素子分離部66において中空部58が形成されるため、第7の実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、素子分離部66を、第1の膜67及び第2の膜68の2層の膜で形成する例としたが、必要に応じて3層以上の膜で形成してもよい。本実施形態のように、2層以上の膜で素子分離部66を形成する場合には、先に成膜する材料の応力が、後に成膜する材料の応力と比較して低いものとすれば、基板12への応力を抑制することができ、応力に起因する暗電流及び白点の発生を抑制できる。さらに、後に成膜する材料の屈折率を、先に成膜する材料の屈折率に比較して低いものとすることにより、光学的混色の抑制を図ることができる。
また、本実施形態においても、第1の膜67と基板12との間に、負の固定電荷を有する膜(図2の固定電荷膜20に相当)を形成してもよい。この固定電荷膜としては、第1の実施形態と同様の材料を用いることができる。
さらに、第2の膜68は、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)等の金属材料、又は、これらの酸化物もしくは窒化物で形成してもよい。第2の膜68を金属材料で形成した場合には、光電変換部40の光入射側に形成された金属材料膜を除去する必要がある。以下に、変形例として、第1の膜67を酸化シリコンで形成し、第2の膜68を金属材料で形成した場合について説明する。
[8-1 変形例]
図21は、変形例に係る固体撮像装置70の断面構成図である。図21において、図19に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。変形例に係る固体撮像装置70では、素子分離部72を構成する第2の膜71が、本実施形態と異なる。
変形例では、第2の膜71は、例えば、タングステン(W)で形成されており、溝部39の内壁面、及び、基板12の裏面側の遮光領域において、第1の膜67を被覆するように形成されている。すなわち、基板12の裏面側では、第2の膜71は遮光膜25が形成された位置に対応する領域に形成され、光電変換部40を開口するように格子状に設けられている。
変形例においても、本実施形態と同様、等方的な成膜方法を用いて第1の膜67の表面に第2の膜71を成膜する。そして、基板12の裏面側において、第2の膜71の上部全面に遮光膜25となる遮光材料層を成膜した後、その遮光材料層と第2の膜71とを同時にパターニングすることにより、光電変換部40上部の第2の膜71を除去する。その後、第1の実施形態と同様の工程により、図21に示す固体撮像装置70を作製することができる。
変形例に示すように、溝部39内に形成する膜を、金属材料を用いて形成した場合には、基板12の裏面側に形成する遮光膜25のパターニング工程と同時にパターニングすることで、光電変換部40上部の金属材料を除去することができる。また、変形例では、遮光膜25を形成する例としたが、第2の膜71のみで十分な遮光が可能である場合には、遮光膜25を別途設けなくてもよい。この場合には、基板12の光入射面側に形成される膜の積層数を減らすことができるため、オンチップレンズ28の表面と基板12との距離を短くすることができ、感度の向上を図ることができる。
また、変形例に係る固体撮像装置70においても、第2の実施形態と同様、金属材料からなる第2の膜71にグランド電位又は負の電位を供給する構成としてもよい。第2の膜71にグランド電位又は負の電位を供給することにより、素子分離部72表面におけるホールピニングの効果を安定させることができ、暗電流の抑制を図ることができる。
第7の実施形態及び第8の実施形態では、溝部39の開口端側が溝部39内に形成される膜で閉塞されているが、基板12の裏面側に形成される膜で溝部39内の中空部58を閉じることができればよい。したがって、溝部39の開口端側が必ずしも溝部39内に形成される膜で閉塞される必要はない。
以上の第1~第8の実施形態に係る固体撮像装置では、CMOS型の固体撮像装置を例に説明したが、裏面照射型のCCD型固体撮像装置に適用することもできる。この場合も、光電変換部を電気的に分離する素子分離部を、光入射面とは反対側の面から形成した溝部に絶縁膜を埋め込んで形成することにより、上述した第1~第5の実施形態における効果と同様の効果を得ることができる。
また、第1~第8の実施形態に係る固体撮像装置では、ラテラルオーバーフロー構造として、フローティングディフュージョン部に溢れた信号電荷をオーバーフローさせる構成とした。しかしながら、本開示は、このような構成に限られるものではなく、その他の画素トランジスタのソース・ドレイン領域にオーバーフローさせる構成としてもよい。例えば、リセットトランジスタのドレイン領域など、VDD電位が供給される領域に溢れた信号電荷をオーバーフローさせる構成としてもよい。
また、第1~第8の実施形態に係る固体撮像装置では、負の電荷(電子)を信号電荷として用いる場合の構成を示したが、正の電荷(ホール)を信号電荷として用いる場合にも本開示は適用できる。ホールを信号電荷として用いる場合には、固定電荷膜として、正の固定電荷を有する材料を用いればよく、また、基板内のp型領域とn型領域を逆に構成すればよい。すなわち、信号電荷と同じ電荷を固定電荷とした材料を固定電荷膜として用いる構成であればよい。
また、素子分離部として、溝部に固定電荷膜を形成し、さらに、絶縁膜を埋め込む構成としたが、固定電荷膜のみを溝部に埋め込む構成としても本開示の構成は成り立つ。また、第1~第8の実施形態を適宜組み合わせることも可能である。また、第1~第8の実施形態では、素子分離部は光電変換部を囲む格子状に形成したが、格子状でなくてもよく、種々の構成が可能である。
また、本開示では、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置(物理量分布検知装置)全般に対して適用可能である。
さらに、本開示は、画素領域の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すX-Yアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素領域と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
また、本開示は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
〈9.第9の実施形態:電子機器〉
次に、本開示の第9の実施形態に係る電子機器について説明する。図22は、本開示の第9の実施形態に係る電子機器200の概略構成図である。
本実施形態に係る電子機器200は、固体撮像装置203と、光学レンズ201と、シャッタ装置202と、駆動回路205と、信号処理回路204とを有する。本実施形態の電子機器200は、固体撮像装置203として上述した本開示の第1の実施形態における固体撮像装置1を電子機器(カメラ)に用いた場合の実施形態を示す。
光学レンズ201は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置203の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置203内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。シャッタ装置202は、固体撮像装置203への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路205は、固体撮像装置203の転送動作及びシャッタ装置202のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路205から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置203の信号転送を行なう。信号処理回路204は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
本実施形態の電子機器200では、固体撮像装置203においてブルーミングの抑制や飽和特性の向上が図られるため、画質の向上が図られる。
固体撮像装置1を適用できる電子機器200としては、カメラに限られるものではなく、デジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。
本実施形態においては、固体撮像装置203として、第1の実施形態における固体撮像装置1を電子機器に用いる構成としたが、前述した第2~第8の実施形態で製造した固体撮像装置を用いることもできる。
なお、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
(1)
基板と、
前記基板に形成された複数の光電変換部と、
を有し、
前記複数の光電変換部は、第1の光電変換部と第2の光電変換部とを含み、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部は、隣接して形成され、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部との間に、第1の溝部を有し、
前記第1の溝部の内壁面及び前記基板の光入射面側を被覆するように形成された固定電荷を有する第1の絶縁膜を有し、
光入射方向に切断したある断面において、前記第1の溝部の周囲に接する領域、及び、前記基板の光入射面側に第1導電型からなる半導体領域が形成された
固体撮像装置。
(2)
光入射方向のある断面において、前記第1の光電変換部と前記第1の溝部の間に第1導電型からなる半導体領域が形成され、
光入射方向のある断面において、前記第2の光電変換部と前記第1の溝部の間に第1導電型からなる半導体領域が形成された、
(1)に記載の固体撮像装置。
(3)
前記第1の溝部の底部は、光入射方向のある断面において、第1導電型からなる半導体領域と接するように形成された
(1)または(2)に記載の固体撮像装置。
(4)
前記第1の溝部の一部は、第1導電型からなる半導体領域に埋め込まれて形成された
(1)~(3)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(5)
前記複数の光電変換部の電荷蓄積領域は、第1導電型とは反対導電型である第2導電型からなる半導体領域で形成された
(1)~(4)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(6)
前記第1の絶縁膜を被覆するように、第2の絶縁膜が形成された
(1)~(5)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(7)
前記第1の絶縁膜は、ハフニウム酸化物を含んで形成された
(1)~(6)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(8)
前記第2の絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンのいずれかを含んで形成された
(6)に記載の固体撮像装置。
(9)
前記複数の光電変換部は、第3の光電変換部を含み、
前記第3の光電変換部は、前記第2の光電変換部と隣接して形成され、
前記第2の光電変換部と前記第3の光電変換部の間に、第2の溝部を有し、
前記第2の溝部の内壁面を被覆するように形成された固定電荷を有する第1の絶縁膜を有し、
前記第2の溝部は、光入射方向に切断したある断面において、前記第2の溝部の周囲に接するように第1導電型からなる半導体領域が形成され、
前記第1の溝部と前記第2の溝部は、光入射方向に異なる深さに形成された
(1)~(8)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(10)
前記基板の光入射面と反対側には、層間絶縁膜と複数の配線層が形成された
(1)~(9)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(11)
前記層間絶縁膜と前記複数の配線層は、前記複数の光電変換部よりも前記基板の光入射面と反対側に形成された
(10)に記載の固体撮像装置。
(12)
前記基板の光入射面と反対側には画素トランジスタが形成された
(10)または(11)に記載の固体撮像装置。
(13)
前記画素トランジスタは、前記第1の溝部と光入射方向に重なる領域に形成された
(12)に記載の固体撮像装置。
(14)
前記第2の溝部は、前記層間絶縁膜に達する深さに形成された
(10)~(13)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(15)
前記第1の溝部の光入射面側の上方に遮光膜が形成された
(1)~(14)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(16)
前記第1の溝部の光入射面と反対側の下方にフローティングディフュージョンが形成された
(1)~(15)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(17)
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部の光入射面側に、前記第1の絶縁膜が形成された
(1)~(16)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(18)
前記第2の絶縁膜は、前記第1の溝部内に埋め込まれて形成された
(6)~(17)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(19)
前記基板の光入射面側に第3の絶縁膜が形成された
(1)~(18)のいずれかに記載の固体撮像装置。
(20)
光学レンズと、
(1)~(19)のいずれかに記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
を含む電子機器。
1、52、55、57、64・・・固体撮像装置、2・・・画素、3・・・画素領域、4・・・垂直駆動回路、5・・・カラム信号処理回路、6・・・水平駆動回路、7・・・出力回路、8・・・制御回路、10・・・水平信号線、11、12・・・基板、13・・・配線層、14・・・層間絶縁膜、15・・・配線、16・・・転送ゲート電極、17・・・ゲート絶縁膜、18・・・画素分離層、19・・・素子分離部、20・・・固定電荷膜、21・・・絶縁膜、22・・・n型半導体領域、23、24・・・p型半導体領域、25・・・遮光膜、26・・・平坦化膜、27・・・カラーフィルタ層、28・・・オンチップレンズ、29・・・p-ウェル層、30・・・フローティングディフュージョン部、31・・・支持基板、32・・・リセットゲート電極、33・・・増幅ゲート電極、34・・・選択ゲート電極、35、36、37・・・ソース・ドレイン領域、39、60・・・溝部、40・・・光電変換部、48・・・絶縁膜、49・・・素子分離部、50・・・遮光層、51・・・n型半導体領域、51・・・遮光材料層、52・・・固体撮像装置、200・・・電子機器、201・・・光学レンズ、202・・・シャッタ装置、203・・・固体撮像装置、204・・・信号処理回路、205・・・駆動回路

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板に設けられた第1のn型半導体領域と、
    前記第1のn型半導体領域に隣接し、前記基板に設けられた第2のn型半導体領域と、
    前記基板の光入射面と反対側の面に設けられた配線層と、
    前記第1のn型半導体領域と前記第2のn型半導体領域との間に設けられた第1の素子分離部と、
    前記第1のn型半導体領域と前記第2のn型半導体領域の光入射面の上方に設けられた固定電荷を有する第1の絶縁膜と、
    前記第1の素子分離部の上方に設けられた遮光膜と、を備え、
    前記第1の素子分離部は導電体を含み、
    前記導電体は前記基板上に設けられた前記遮光膜と接続する
    固体撮像装置。
  2. 前記第1の素子分離部は、前記基板を貫通する溝部を有する
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記溝部の内壁に酸化シリコンが形成されている
    請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第1の素子分離部はボイドを有する
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  5. 前記導電体は負の電位が供給される
    請求項1から4のいずれかに記載の固体撮像装置。
  6. 前記遮光膜は金属を含む
    請求項1から5のいずれかに記載の固体撮像装置。
  7. 前記第1の絶縁膜は酸化膜である
    請求項1から6のいずれかに記載の固体撮像装置。
  8. 前記第1の素子分離部に隣接する第2の素子分離部を有する
    請求項1から7のいずれかに記載の固体撮像装置。
  9. 前記第2の素子分離部は、前記基板の光入射面からの深さが前記第1の素子分離部よりも浅く形成されている
    請求項8に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第2の素子分離部の下方にフローティングディフュージョン部が形成されている
    請求項9に記載の固体撮像装置。
  11. 前記フローティングディフュージョン部は、前記第1のn型半導体領域と前記第2のn型半導体領域とに共有される
    請求項10に記載の固体撮像装置。
  12. 前記第1の絶縁膜の上方に、第2の絶縁膜が形成されている
    請求項1から11のいずれかに記載の固体撮像装置。
  13. 前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜とが前記素子分離部内に形成されている
    請求項12に記載の固体撮像装置。
  14. 前記基板の光入射面とは反対側に画素トランジスタを備える
    請求項1から13のいずれかに記載の固体撮像装置。
  15. 光学レンズと、
    請求項1から14のいずれかに記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    を含む電子機器。
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