JP4337371B2

JP4337371B2 - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法

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Publication number: JP4337371B2
Application number: JP2003067678A
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Inventors: 勝則國分
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Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2009-09-30
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子およびその製造方法に関し、特には光電変換部、読出ゲート電極、および読出ゲート電極からの電荷が読み出される拡散層が半導体基板の深さ方向に配列された固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
撮像面側の撮像領域に複数の光電変換部を配列し、この光電変換部で光電変換された電荷を個々に読み出す機能を併せ持つ固体撮像素子として、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）によって電荷を転送するＣＣＤ型の固体撮像素子がある。
【０００３】
図１３には、このような固体撮像素子のうち、インターライン転送（ＩＴ：Interline Transfer）方式の固体撮像素子の断面図を示す。この図に示す固体撮像素子は、ｎ型の半導体基板１０１の表面層に、Ｐ⁺拡散層１０２とその下層のＮ⁺拡散層１０３とからなる光電変換部１０４がマトリックス状に配置され、これらの光電変換部１０４脇には読出領域１０５を介して垂直電荷転送領域１０６が配置された構成となっている。また、読出領域１０５および垂直電荷転送領域１０６上には、光電変換部１０４を開口する状態で２層構造の転送電極１０７ａ，１０７ｂが端部を重ねた状態で垂直方向に沿って配置されており、さらに遮光膜１０９が転送電極１０７ａ，１０７ｂを覆う状態で設けられている。尚、転送電極１０７ａは、読出領域１０５上にも配置されて読出ゲート電極を兼ねている。このように構成された固体撮像素子においては、光電変換部１０４が設けられた受光領域に入射した入射光は、この光電変換部１０４において電荷に変換され、読出領域１０５を介して垂直電荷転送領域１０６へ水平に読み出され、転送電極１０７ａ，１０７ｂの駆動によって垂直方向に転送される（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００４】
また、このような構成の固体撮像素子の他にも、画素メモリ素子を有する信号走行回路が形成された基板上に読出領域および光導電膜を積層してなる積層型の固体撮像素子がある。この積層型の固体撮像素子は、基板上に成膜したアモルファスＳｉ、アモルファスＳｅ、ニュ−ビコン膜（ZnSe/ZnCdTe接合）等を光導電膜に用い、この光導電膜で光電変換を行わせる構成となっている（例えば、下記特許文献２参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２３５６５８号公報
【特許文献２】
特公平７−８２７６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したＩＴ方式の固体撮像素子においては、光電変換部が設けられた受光領域と垂直電荷転送領域とが同一面上に配置されており、こられの領域の面積はトレードオフの関係となっている。このため、感度を向上させるべく、受光領域の面積を拡大すると垂直電荷転送領域の面積が縮小され、それに伴い取り扱い電荷量が減少してダイナミックレンジが縮小する。逆に垂直電荷転送領域を拡大すると受光領域の面積が縮小されるため、飽和信号量が減少して感度が低下すると言った問題が発生する。
【０００７】
そして、近年のデジタルスチルカメラ用の固体撮像素子の多画素化、カムコーダ用の固体撮像素子の小型化及び多画素化に伴い、光学系のサイズを維持した場合、固体撮像素子におけるユニットセルサイズが微細化する。しかしながら、上述したように、ＩＴ方式の固体撮像素子においては、受光領域と垂直電荷転送領域の面積がトレードオフの関係にあるため、ユニットセルサイズの微細化により、感度の低下およびダイナミックレンジの縮小の両方が生じることになる。これに対し従来は、単位面積当りの特性改善によって、このような問題に対処してきた。しかしながら、このような特性改善による対処法は既に限界にきており、上述したダイナミックレンジの縮小および感度の低下が、固体撮像素子のさらなる小型化および多画素化を妨げる要因となる。
【０００８】
尚、このようなＩＴ方式の固体撮像素子に対して、受光領域が垂直電荷転送領域を兼ねるフレーム転送方式（ＦＴ：Frame Transfer）方式のＣＣＤ固体撮像素子もある。しかしながら、ＦＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子は、受光領域の面積拡大に有効であるものの、受光領域上に存在する転送電極の光吸収による短波長側での感度低下、受光領域と垂直電荷転送領域を兼ねることによる暗電流やスミア等ノイズ成分がＩＴ方式に比較して大きく、Ｓ／Ｎ比の面からも不利となる。
【０００９】
一方、上述した積層型の固体撮像素子は、受光領域と転送領域とが深さ方向に積層されているため、撮像領域の全面が受光領域として用いられる。しかしながら、積層型の固体撮像素子は、光導電膜を用いたことにより、容量性残像、高輝度残像（焼付き）、光導電性の遅れなどの問題を有する。
【００１０】
そこで本発明は、光導電膜を用いることなく受光領域および転送領域の拡大を図ることが可能であり、これによりさらなる画素サイズの小型化が可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための固体撮像素子は、半導体基板の第１面側の表面層に設けられた第１拡散層と、当該第１拡散層の下層に設けられた当該第１拡散層と逆導電型の第２拡散層とからなる光電変換部を有している。また、半導体基板の第２面側から前記光電変換部に達する状態でトレンチが設けられ、この内壁を覆うゲート絶縁膜を備えている。また、トレンチ内には、読出ゲート電極が設けられている。さらに、半導体基板の第２面側には、ゲート絶縁膜に隣接しかつ光電変換部に対して離間させた位置に第３拡散層が設けられている。この第３拡散層には、読出ゲート電極への電圧印加によって光電変換部の電荷が読み出される。そして前記半導体基板の第１面には、当該第１面から当該半導体基板の深さ方向に延設された遮光部によって分離された状態で、前記光電変換部が配列されている。また半導体基板の第２面側には、前記各光電変換部に達する複数の前記読出ゲート電極が互いに絶縁性を保って設けられている。
【００１２】
このような構成の固体撮像素子では、光電変換部、この光電変換部に達するトレンチ内を覆うゲート絶縁膜とトレンチ内の読出ゲート電極、および光電変換部の電荷が読み出される第３拡散層が、半導体基板の第１面側から深さ方向に向かって順に配置された構成となっている。このため、半導体基板の第１面側の表面層には、光電変換部のみが配置されることになる。したがって、第１面側の撮像領域のほとんど全てを、光電変換部が配置された受光領域とすることができる。これにより、第１面側の撮像領域に占める受光領域の面積が拡大され、飽和信号量が確保される。一方、第１面側の表面層に設けられる光電変換部に対して、光電変換部の電荷が読み出される第３拡散層を、半導体基板の第２面側に設けた構成とした。このため、この第３拡散層の配置面積が受光領域の拡大によって制限されることもない。これにより、第３拡散層を転送領域として用いた場合、転送領域の面積が拡大され、取り扱い信号量が確保される。
【００１３】
また、本発明は、このような構成の固体撮像素子の製造方法でもあり、半導体基板の第１面側の表面層に上述した光電変換部を形成する工程、半導体基板の第２面側から上述した読出ゲート電極を形成する工程、さらには半導体基板の第２面側に上述した第３拡散層を形成する工程と共に、読出ゲート電極を形成した後、半導体基板の第２面側に支持基板を貼り合わせ、次いで半導体基板の第１面側を研磨する工程とを行うことを特徴としている。
【００１４】
このような製造方法では、読出ゲート電極が形成された第２面側に支持基板を貼り合わせて第１面側を研磨することで、半導体基板の第２面側の加工処理に続けて、半導体基板の第１面側の加工処理を行うことが可能になる。したがって、光電変換部および第２拡散層の形成は、第１面側または第２面側からの処理によって行われる。例えば、第１面側の表面層に形成される光電変換部の形成は、研磨の後に第１面側からの不純物導入によって行っても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、ここでは、本発明をＣＣＤ型の固体撮像素子に適用した実施形態を説明する。
【００１６】
＜固体撮像素子＞
図１は、実施形態の固体撮像素子の撮像領域を撮像面側から見た平面図である。また、図２は図１の平面図のＡ−Ａ’断面図であり、図３は図１の平面図のＢ−Ｂ’断面図である。
【００１７】
これらの図に示す固体撮像素子１は、例えばＮ型の単結晶シリコンからなる半導体基板３の第１面３ａ側を撮像面とし、この第１面３ａ側の撮像領域に受光領域５がマトリックス状に配置されている。ここでは、第１面３ａにおける垂直方向Ｖと水平方向Ｈとに受光領域５が配列されていることとする。そして、各受光領域５には、第１面３ａの表面層に設けられたＰ型の第１拡散層６と、その下層に設けられたＮ型の第２拡散層７とからなる光電変換部（いわゆるホトダイオード）８が配置されている。
【００１８】
ここで、光電変換部８は、第１面３ａ側から入射した光が、光電変換部８において十分に吸収される膜厚を有していることとする。例えば、この固体撮像素子１が、その撮像面（第１面３ａ）側に赤外光を遮断するＩＲカットフィルタを設けて使用される場合、このＩＲカットフィルタを透過した長波長側の光の波長は６００〜６５０ｎｍである。そして、この様な光の単結晶シリコンに対する吸収長は２．５〜３．０μｍであることから、この場合の光電変換部８は、少なくとも２．５〜３．０μｍ以上の膜厚を備えており、光電変換部８を構成する第２拡散層７は、第１面３ａから少なくとも２．５〜３．０μｍ以上の深さにまで達していることとする。
【００１９】
このような各光電変換部８は、半導体基板３の第１面３ａ側から深さ方向に延設された遮光部１０によって分離された状態でマトリックス状に配置されている。このため、遮光部１０は、第１面３ａ側から平面視的に見た場合に、例えば網目状に設けられていることになる。この遮光部１０は、例えば、半導体基板３の第１面３ａ側から深さ方向に形成されたトレンチの内部に、絶縁膜１１を介して埋め込まれた遮光性材料からなることとする。尚、図１の平面図においては、絶縁膜１１の図示を省略した。
【００２０】
また、半導体基板３の第１面３ａの裏面となる第２面３ｂ側には、第２面３ｂから各光電変換部８の第２拡散層７に達する状態で設けられたトレンチ内の内壁を覆うゲート絶縁膜１３と、このトレンチ内に埋め込まれた読出ゲート電極１５とが配置されている（図２のみに図示）。各読出ゲート電極１５は、互いに絶縁性を保って設けられていることとする。そして、読出ゲート電極１５と第２拡散層７とは、読出ゲート電極１５への電圧印加によって第２拡散層７の電荷が読み出されるのに十分な程度に深さ方向の重なり具合が調整されて配置されることとする。尚、図２においては、これらのゲート絶縁膜１３および読出ゲート電極１５が形成されるトレンチが、受光領域５の端部において各光電変換部８の第２拡散層７の端部に達している状態を示した。しかし、このトレンチは、受光領域５の中央において第２拡散層７に達する構成であっても良い。
【００２１】
また、半導体基板３の第２面３ｂ側には、第３拡散層１７が配列形成されている。これらの第３拡散層１７は、読出ゲート電極１５への電圧印加によって光電変換部８の電荷が読み出される領域であり、光電変換部８の第２拡散層７と同一の導電型、すなわちＮ型拡散層からなることとする。特に、この固体撮像素子１は、ＣＣＤ固体撮像素子であるため、これらの第３拡散層１７は電荷転送領域として用いられることになる。
【００２２】
このような第３拡散層１７は、第２面３ｂの表面層に設けられ、ゲート絶縁膜１３に隣接する状態で、かつ光電変換部８に対して離間して設けられている。そして特にここでは、各第３拡散層１７は、その水平方向Ｈがゲート絶縁膜１３によって分離され、その垂直方向Ｖに間隔を有して配列されていることとする。尚、第３拡散層１７は、ゲート絶縁膜１３に隣接する状態で、かつ光電変換部８に対して離間して設けられていることが必須であり、垂直方向Ｖにおける配置状態は、後に説明する駆動電極の駆動方式によって適宜選択されることとする。
【００２３】
また、光電変換部８の第２拡散層７から第３拡散層１７に掛けては、ゲート絶縁膜１３に沿ったチャネル形成層１９が設けられていることとする。このチャネル形成層１９は、Ｎ型不純物濃度の薄いＮ型または、Ｐ型不純物濃度の薄いＰ型であることとする。尚、図に示したように、１つのゲート絶縁膜１３が、複数の光電変換部８に達するか、または複数の光電変換部８の極近くにまで達している場合、１つの光電変換部８から１つの第２拡散層１７に電荷が読み出されるように、ゲート絶縁膜１３の一部の面に沿ってＰ型のチャネルストップ層２０を設けることが重要である。ただし、ゲート絶縁膜１３および読出ゲート電極１５が設けられるトレンチが、光電変換部８の中央部に達する構成である場合、このようなチャネルストップ層２０が必要ない場合もある。
【００２４】
そして、以上のように構成された半導体基板３の第１面３ａ上は絶縁膜２３で覆われ、この絶縁膜２３上に光電変換部８の第１拡散層６に接続された透明電極２５が設けられている。透明電極２５は、図示したような水平方向Ｈに延設され、水平方向Ｈに配列された光電変換部８を共通に接続する構成に限定されることはなく、必要に応じた接続状態として良い。またさらに、この透明電極２５を覆う状態でパッシベーション膜２７が設けられていることとする。これらの絶縁膜２３、透明電極２５およびパッシベーション膜２７は、入遮光の透過性が良好な材料で形成されていることとする。尚、図１の平面図においては、絶縁膜２３およびパッシベーション膜２７の図示を省略した。
【００２５】
また、ここでの図示は省略したが、表面平坦に設けられたパッシベーション膜２７上には、各受光領域５に対応する位置にカラーフィルタやマイクロレンズが設けられていることとする。
【００２６】
一方、半導体基板３の第２面３ｂ上は、図２，図３と共に図４の平面図を参照して次のように構成されている。尚、図２は図４の平面図のＡ−Ａ’断面図であり、図３は図１の平面図のＢ−Ｂ’断面図である。
【００２７】
すなわち、半導体基板３の第２面３ｂ上には、各読出ゲート電極１５に接続させて取出電極３１（図４では省略）が設けられている。そして、この取出電極３１の表面を含む第２面３ｂを覆う状態で、絶縁膜３３（図４では省略）が設けられており、この絶縁膜３３上に転送電極３５が配列形成されている。各転送電極３５は水平方向Ｈに延設され、この水平方向Ｈに延設された転送電極３５が垂直方向Ｖに配列されている。また、これらの転送電極３５は、各第３拡散層１７上に２枚ずつ配置され、第３拡散層１７の電荷を垂直方向Ｖに転送可能な間隔で配置されていることとする。
【００２８】
そして、このような転送電極３５上に、絶縁膜３７（図４では省略）を介してゲート配線３９が配列形成されている。各ゲート配線３９は、水平方向Ｈに延設され、この水平方向Ｈに延設されたゲート配線３９が垂直方向Ｖに配列されている。また、これらのゲート配線３９は、各第３拡散層１７上に１本ずつ配置され、絶縁膜３７，３３に形成された接続孔および取出電極３１を介して読出ゲート電極１５に接続されていることとする。そして、水平方向Ｈに配列された読出ゲート電極１５が、１本のゲート配線３９に共通に接続された状態となっている。
【００２９】
また、ゲート配線３９が形成された第２面３ｂ側には、絶縁膜４１を介して支持基板４３（図４では省略）が貼り合わせられている。
【００３０】
そして、以上の図２〜図４においての図示は省略したが、半導体基板３の第２面３ｂには、第３拡散層１７の垂直方向Ｖの端部に、第３拡散層１７と同一層からなる水平電荷転送領域が設けられており、またこの水平電荷転送領域上に転送電極３５と同一層からなる水平転送電極が設けられていることとする。尚、上述した第３拡散層１７が配列形成された領域を撮像領域とした場合、この撮像領域と、水平電荷転送領域および水平転送電極が設けられた水平転送領域との間に、第３拡散層１７と同一層からなる拡散層とその上部の転送電極３５と同一層からなる転送電極とさらにこの上部を覆う遮光膜とからなる蓄積領域を設けても良い。
【００３１】
以上、図１〜図４を用いて説明したように構成された固体撮像素子１の駆動は、次のように行われる。先ず、半導体基板３の第１面３ａ側からの入射光は、各受光領域５に設けられた光電変換部８で受光され、光電変換される。そして、光電変換部８に蓄積された電荷は、選択されたゲート配線３７を介して読出ゲート電極１５に電圧を印加することで、第３拡散層１７に読み出される。第３拡散層１７に読み出された電荷は、転送電極３５の駆動によって垂直方向Ｖに転送され、さらに垂直方向Ｖの端部に設けられた水平転送領域に転送され、水平転送電極の駆動によって水平方向に転送される。このため、この固体撮像素子１は、ＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子として構成されたものとなる。
【００３２】
尚、撮像領域と水平転送領域との間に蓄積領域を設けた場合、転送電極３５の駆動によって垂直方向Ｖに転送された電荷が、一端蓄積領域に蓄積された後、水平転送電極の駆動によって水平方向に転送される。このため、この固体撮像素子１は、ＦＩＴ方式のＣＣＤ固体撮像素子として構成されたものとなる。
【００３３】
また、光電変換部８に接続された透明電極２５に、選択的にシャッタ電圧を印加することにより、水平方向Ｈに配列された各光電変換部８の電荷を掃き捨てることが可能となる。尚、各光電変換部８の電荷の掃き捨ては、透明電極２５の接続状態および透明電極２５の選択によって適宜行われる。
【００３４】
そして、以上のような構成の固体撮像素子１においては、光電変換部８、この光電変換部８に達するトレンチ内を覆うゲート絶縁膜１３とトレンチ内の読出ゲート電極１５、読出ゲート電極１５への電圧印加によって光電変換部８の電荷が読み出される第３拡散層１７が、半導体基板３の第１面３ａ側から深さ方向に向かって順に配置された構成となっている。このため、半導体基板３の第１面３ａ側の表面層には、光電変換部８と各光電変換部８を分離する遮光部１０のみが配置されることになる。したがって、第１面３ａにおける撮像領域のほとんど全てを、光電変換部８が配置された受光領域５とすることができる。一方、光電変換部８の電荷が読み出される第３拡散層１７を、半導体基板３の第２面３ｂ側に設けた構成としたことで、この第３拡散層１７からなる転送領域の配置面積が、受光領域５の拡大によって制限されることもない。
【００３５】
以上により、撮像面側における撮像領域に占める受光領域５の面積が拡大され、飽和信号量を確保して感度の向上を図ることが可能になると共に、第３拡散層１７からなる転送領域の面積が拡大され、取り扱い信号量を確保したダイナミックレンジの拡大を図ることが可能になる。
【００３６】
また、転送電極３５は、撮像面となる第１面３ａと反対の第２面３ｂ側に設けられている。このため、これらの転送電極３５が、受光領域への入射光に対する遮蔽物となることもなく、遮光物による入射光のけられによる感度低下を抑制することも可能となる。
【００３７】
さらに、光電変換部８が、入射光を十分に吸収する深さにまで形成されていることで、光電変換部８よりも深い位置に設けられているチャネル形成層１９や第３拡散層１７への入射光の漏れ込みと、これによるスミア特性の劣化を防止することも可能である。
【００３８】
＜固体撮像素子の製造方法＞
次に、上記構成の固体撮像素子の製造方法を、図５〜図１２に基づいて詳細に説明する。尚、各図面において、（１）は断面図であり、（２）は（１）の断面図を上方から見た平面図であることとする。また、（１）は、（２）のＡ−Ａ’断面に対応していることとする。
【００３９】
先ず、図５に示すように、半導体基板３の一主面側（上述した第２面３ｂに相当する）に、フォトレジストや無機材料からなるパターン５１をマスクにしたエッチングによって所定深さのトレンチ５３を配列形成する。これらのトレンチ５３は、平面図中の２点鎖線で囲まれた各画素にそれぞれ独立した状態を保って形成される。ここでは、各画素の水平方向Ｈの端部に垂直方向Ｖに延設されたトレンチ５３を形成することとする。これらのトレンチ５３の深さは、後に形成する読出ゲート電極の長さに相当する。またここでは、後に行う第１面３ａ側からの処理の際に合わせマークとなる深いトレンチ（図示省略）を、要部に形成しておく。この深いトレンチは、上述のトレンチ５３の深さに、後に形成する光電変換部の厚みを加えた程度の深さを有していることとする。
【００４０】
次に、図６に示すように、トレンチ５３の内壁を酸化処理し、トレンチ５３の内壁を酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３で覆う。次いで、導電層として例えばポリシリコン膜を気相成長させてトレンチ５３内を埋め込み、その後エッチバックまたはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によってポリシリコン膜を平坦化する。その後、このポリシリコン膜をパターニングすることで、トレンチ５３内にポリシリコンからなる読出ゲート電極１５を形成すると共に、この読出ゲート電極１５に接続された取出電極３１（平面図では省略）を形成する。
【００４１】
次いで、半導体基板３の第２面３ｂ上に、ここでの図示を省略したイオン注入用の酸化膜を形成し、第２面３ｂの表面層にリンあるいは砒素、または両方の不純物種をイオン注入し、Ｎ型の第３拡散層１７を形成する。この際、ここでの図示を省略したマスクを用いることで、第３拡散層１７の水平方向Ｈおよび垂直方向Ｖが分離されるようにする。また、イオン注入終了後には、必要に応じてイオン注入用の酸化膜を除去する。この酸化膜は、そのまま残しても良い。
【００４２】
次に、図７に示すように、酸化膜、シリコンナイトライド膜、酸化膜をこの順に積層し、ＯＮＯ構造の絶縁膜３３（平面図では省略）を形成し、更にこの絶縁膜３３上に転送電極３５となる導電性パターンを形成する。転送電極３５の形成は、先ず、ポリシリコン膜を気相成長させ、次いでフォトレジストをマスクとしたドライエッチングによってポリシリコン膜を加工することにより行われる。尚、転送電極３５は、ポリシリコン膜の単層構造に限定されることはなく、２層や３層構造、フレームシフト周波数を上げるために、タングステンシリサイド膜、タングステン膜、またはタングステンナイトライド膜を、ポリシリコン膜と積層させたポリメタル膜を用いて形成しても良い。
【００４３】
その後、図８に示すように、層間用の絶縁膜３７（平面図では省略）を酸化膜の気相成長法などにより形成し、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングにより、絶縁膜３７、３３に配線用の接続孔を形成する。次いで、この絶縁膜３７上に、接続孔および取出電極３１を介して読出ゲート電極１５に接続されたゲート配線３９となる導電性パターンを、例えばアルミニウム膜のパターニングによって形成する。次に、このゲート配線３９を覆う状態で絶縁膜４１（平面図では省略）を形成し、絶縁膜４１の表面をエッチバック法やＣＭＰ法により平坦化する。
【００４４】
以上の後、図９（断面図のみ）に示すように、平坦化された絶縁膜４１を介して半導体基板３の第２面側３ｂに支持基板４３を貼り合わせる。この際、貼り合わせＳＯＩ（silicon on insulator）技術によって、半導体基板や絶縁性基板からなる支持基板４３と半導体基板３との貼り合わせが行われる。
【００４５】
次の図１０からの断面図は、以上の図９の断面図の上下をひっくり返した図となる。また、平面図は、半導体基板３の第２面３ａ側からの平面図となる。
【００４６】
先ず、図１０に示すように、半導体基板３の第１面３ａ側から所定深さに不純物をイオン注入して研磨ストッパ層（図示省略）を形成し、ＣＭＰ法により半導体基板３を研磨ストッパ層まで研磨し、半導体基板３を所望の膜厚にまで研磨する。またこの研磨によって、図５を用いて説明した、十分に深いトレンチ（図示省略）を第１面３ａ側に貫通させる。
【００４７】
次に、新たに形成された半導体基板３の第１面３ａに、前の研磨において第１面３ａ側に貫通させた十分に深いトレンチを基準にして、ここでの図示を省略した合わせマークを形成する。次いで、第１面３ａ上にイオン注入用の酸化膜を介してレジストパターン（図示省略）を形成し、半導体基板３のＮ型の第３領域１７上にイオン注入によりＰ型不純物を導入してチャネルストップ層２０を形成する。またこれにより、読出ゲート電極１５とチャネルストップ層２０とに挟まれた半導体基板３の領域にチャネル形成層１９を形成する。このイオン注入終了後には、レジストパターンを除去する。
【００４８】
次に、図１１（断面図のみ）に示すように、第１面３ａの撮像領域の全面に、イオン注入によりＮ型不純物を導入し、読出ゲート１５に対して深さ方向に所定の重なりを持つＮ型の第２拡散層７を形成する。また、第２拡散層７の直上から第１面３ａにかけての撮像領域の全面に、イオン注入によりＰ型不純物を導入してＰ型の第１拡散層６を形成する。これにより、第１面３ａ側の撮像領域に、Ｐ型の第１拡散層６とＮ型の第２拡散層７とを積層してなる光電変換部８を形成する。
【００４９】
その後、図１２に示すように、半導体基板３の第１面３ａ側に、フォトレジストや無機材料からなるパターン６１をマスクにしたエッチングによって所定深さのトレンチ６３を配列形成する。これらのトレンチ６３は、平面図中の２点鎖線で囲まれた各画素の境界領域に沿って網目状に形成され、その深さは読出ゲート電極１５に達する程度であることとする。
【００５０】
以上の後、図２および図３の断面図に示したように、酸化処理によってトレンチの内壁を酸化シリコンからなる絶縁膜１１を形成し、さらにＴｉ／ＴｉＮからなる密着層を形成した後、高い反射率を持った遮光性材料、例えばチタン（Ｔｉ）やタングステンシリサイド（ＷＳｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）またはこれらのうちの複数の材料をトレンチ内に埋め込む。その後、トレンチ内のみに遮光性材料を残すように、ＣＭＰによって第１面３ａ上の遮光性材料を除去して遮光部１０を形成する。この遮光部１０の形成により、第１拡散層６および第２拡散層７からなる光電変換部８を光学的に分離する。
【００５１】
以上の後、第１面３ａ上を覆う絶縁膜２３を形成し、フォトレジストをマスクとしたドライエッチングにより、絶縁膜２３に配線用の接続孔を形成する。次いで、この絶縁膜２３上に、接続孔を介して各光電変換部８の第１拡散層６に接続される透明電極２５を形成する。次に、この透明電極２５を覆う状態でパッシベーション膜２７を形成し、このパッシベーション膜２７の表面をエッチバック法やＣＭＰ法により平坦化する。
【００５２】
そして、この平坦化されたパッシベーション膜２７上に、各光電変換部８が設けられた受光領域５に対応させて、ここでの図示を省略したカラーフィルタやマイクロレンズを従来技術と同様に形成し、固体撮像素子１を完成させる。
【００５３】
以上説明した固体撮像素子の製造方法によれば、図９を用いて説明したように、読出ゲート電極１５、転送電極３５、さらにはゲート配線３９が形成された半導体基板３の第２面３ｂ側に、支持基板４３を貼り合わせた後、図１０を用いて説明したように半導体基板３の第１面３ａ側を研磨する構成とした。これにより、半導体基板４３の両面側に拡散層や電極等の素子部材が形成さられた、上述の構成の固体撮像素子１を得ることが可能になる。
【００５４】
尚、以上説明した製造手順は、本発明の固体撮像素子の製造方法の一例であり、光電変換部を構成する第１拡散層６、第３拡散層７、さらにチャネルストップ層２０および第３拡散層１７の形成は、半導体基板３の第１面３ａ側または第２面３ｂ側からの不純物拡散によって適宜のタイミングで行うことができる。ただし、第２面３ｂ側からの不純物拡散によってこれらの拡散層を形成する場合には、第２面３ｂ上に絶縁膜３３を形成する前に行われることとする。尚、既に形成された拡散層が拡大されるような温度の熱処理が行われる場合、この熱処理の後に各拡散層の形成を行うことで、拡散層の位置精度を保つことが可能になる。
【００５５】
また、上述した実施形態においては、ＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用した実施の形態を説明した。しかしながら、本発明の固体撮像素子は、ＭＯＳ型の固体撮像素子にも適応可能である。この場合、上述の実施形態で説明した転送電極を設けず、第２面３ｂ上に第３拡散層１７に接続された垂直信号配線やその他の駆動用の回路配線を設けることとする。このような構成のＭＯＳ型の固体撮像素子であっても、光電変換部が設けられた第１面３ａと反対側の第２面３ｂ側に垂直信号配線やその他の駆動用回路配線が設けられるため、感度の向上を図ることが可能になる。尚、このようなＭＯＳ型の固体撮像素子であれば、第３拡散層１７は、第２面３ｂの表面層より深い位置に配置されても良い。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、半導体基板の第１面側から深さ方向に、光電変換部、読出ゲート電極、光電変換部の電荷が読み出される第３拡散層を順に配置した構成とすることで、第１面側を撮像面とした場合に、この撮像面における撮像領域のほとんど全てを、光電変換部が配置された受光領域とすることが可能になり、撮像領域に占める受光領域の面積の拡大による感度の向上を図り、さらなる画素サイズの小型化を実現することが可能になる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、上述した構成の固体撮像装置を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の固体撮像素子の撮像領域を撮像面となる第１面側から見た平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】実施形態の固体撮像素子の半導体基板を第２面側から見た平面図である。
【図５】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その１）である。
【図６】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その２）である。
【図７】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その３）である。
【図８】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その４）である。
【図９】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その５）である。
【図１０】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その６）である。
【図１１】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その７）である。
【図１２】実施形態の固体撮像素子の製造方法を説明する図（その８）である。
【図１３】従来の固体撮像素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…固体撮像素子、３…半導体基板、３ａ…第１面側、３ｂ…第２面、６…第１拡散層、７…第２拡散層、８…光電変換部、１０…遮光部、１３…ゲート絶縁膜、１５…読出ゲート電極、１７…第３拡散層、１９…チャネル形成層、２５…透明電極、３３…絶縁膜、３５…転送電極、３９…ゲート配線、４３…支持基板、５３，６３…トレンチ

Claims

半導体基板の第１面側の表面層に設けられた第１拡散層と、当該第１拡散層の下層に設けられた当該第１拡散層と逆導電型の第２拡散層とからなる光電変換部と、
前記半導体基板の第２面側から前記光電変換部に達する状態で設けられたトレンチ内の内壁を覆うゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内に埋め込まれた読出ゲート電極と、
前記半導体基板の第２面側に前記ゲート絶縁膜に隣接しかつ前記光電変換部に対して離間して設けられ、前記読出ゲート電極への電圧印加によって前記光電変換部の電荷が読み出される第３拡散層とを備え、
前記半導体基板の第１面には、当該第１面から当該半導体基板の深さ方向に延設された遮光部によって分離された状態で前記光電変換部が配列され、
前記半導体基板の第２面側には、前記各光電変換部に達する複数の前記読出ゲート電極が互いに絶縁性を保って設けられている
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記光電変換部から前記第３拡散層にかけて、前記ゲート絶縁膜に沿ったチャネル形成層が設けられている
請求項１記載の固体撮像素子。
前記半導体基板の第２面の表面層に設けられた前記第３拡散層上を含む当該半導体基板の第２面上に、絶縁膜を介して転送電極が配列形成されている
請求項１または２に記載の固体撮像素子。
前記半導体基板の第２面上に前記第３拡散層に接続された配線が設けられている
請求項１または２に記載の固体撮像素子。
前記半導体基板の第１面上には、前記光電変換部に接続された透明電極が設けられている
請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像素子。
前記半導体基板の第２面側には支持基板が貼り合わせられている
請求項１〜５の何れかに記載の固体撮像素子。
半導体基板の第２面側から光電変換部の予定領域に達する深さのトレンチを形成し、当該トレンチの内壁を覆うゲート絶縁膜を形成した後、当該トレンチ内に導電性材料を埋め込んで読出ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の第２面側において、前記ゲート絶縁膜または当該ゲート絶縁膜の予定領域に隣接しかつ前記光電変換部の予定領域に対して離間される位置に、前記読出ゲート電極への電圧印加によって前記光電変換部の電荷が読み出される第３拡散層を形成する工程と、
前記読出ゲート電極および前記第３拡散層を形成した後、前記半導体基板の第２面側に支持基板を貼り合わせ、次いで前記半導体基板の第１面側を研磨する工程と、
前記研磨する工程の後に、前記半導体基板の第１面側の表面層に、第１拡散層と、当該第１拡散層と逆導電型の第２拡散層とを第１面側から順に設けてなる光電変換部を形成する工程とを行う
固体撮像素子の製造方法。
前記光電変換部を形成する工程は、前記研磨の後に前記第１面側からの不純物導入によって行われる
請求項７に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記研磨の後、前記第１面側から前記読出ゲート電極に達する深さのトレンチを網目状に形成し、当該トレンチの内部に遮光性材料を埋め込んで前記光電変換部または前記光電変換部の形成領域を分離する遮光部を形成する工程を行う
請求項７または８に記載の固体撮像素子の製造方法。
前記読出ゲート電極を形成した後、前記半導体基板の第２面側に支持基板を貼り合わせる前に、前記半導体基板の第２面上に導電性パターンを形成する工程を行う
請求項７〜９の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。