JP5118715B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態による固体撮像装置を図1に示す。本実施形態の固体撮像装置100は、撮像領域101に、マトリクス状に配列された、光電変換画素200が設けられている。光電変換画素200は光電変換により入射光信号を電気信号に変換する。また、この撮像領域101の周囲には、負荷トランジスタ部102、CDS回路部103、V選択回路104、H選択回路105、AGC(自動ゲイン制御回路)106、ADC(A/D変換器)107、デジタルアンプ108、TG(タイミングジェネレータ)回路109等が配置されている。ADC107は、CDS回路103と一体構成され、カラム型のCDS−ADC回路構成とすることも可能である。あるいは、TG109、AGC106、ADC107、デジタルアンプ108等を別チップにしても構わない。
次に、微細金属構造のピッチ(周期)を60nm〜200nmの範囲で変化させた場合における電場強度に関する波長依存性(プラズモン共鳴によるスペクトル)を図10に示す。このとき、微細金属構造のギャップ開口幅はギャップ開口部のピッチの半分とし、厚さは30nmとしている。図10からわかるように、Alのバルク吸収がある波長域(図10の一点鎖線で示す領域)を除き、微細金属構造のピッチが減少するにつれてピーク位置における電場(近接場)の強さも減少している。しかし、微細金属構造のピッチが60nm〜160nmの範囲であれば、可視領域、すなわち波長が400nm〜700nmの領域では、プラズモン共鳴を利用することができることがわかる。なお、微細金属構造の材料にAl以外のAuまたはAgを用いた場合でも可視領域では、プラズモン共鳴を利用することができる。
次に、本発明の第2実施形態による固体撮像装置を、図19(a)、19(b)を参照して説明する。図19(a)は第2実施形態による固体撮像装置の断面図であり、図19(b)は図19(a)に示す破線で囲んだ部分の拡大断面図である。この第2実施形態の固体撮像装置は、図3に示す第1実施形態の固体撮像装置において、微細金属構造250と絶縁膜236aとの間に固定電荷が保持される固定電荷膜280を設けた構成となっている。本実施形態においては、信号電荷が電子であるので、SiO2膜とシリコン半導体基板との界面近傍に正孔を誘起する目的で、固定電荷膜280には負の電荷が保持される。これにより、PD_n領域201aの固定電荷膜280に対向する領域に正孔蓄積領域262が形成される。このため、第2実施形態では、第1実施形態と異なり、微細金属構造250には、負電圧のバイアスを行わなくても、フォトダイオードの低暗電流特性を維持することが可能となる。
次に、本発明の第3実施形態による固体撮像装置の断面を図22に示す。この第3実施形態の固体撮像装置は、表面照射型の固体撮像装置である。p型シリコン基板150の内部には、フォトダイオード201を構成するPD_n領域201aが形成されている。このPD_n領域201aとp型半導体基板150とからなるpn接合を有するフォトダイオード201において光電変換によって発生した信号電子はPD_n領域201aに蓄積される。そして、シリコン基板150に形成された転送トランジスタ202をオンすることで、フォローティングデイフュージョン203に転送され、フローティングディフュージョン203とそのゲートとが電気的に接続された増幅トランジスタ205(図2参照)を変調することで、入射光量に応じた信号が読み出される。これらの転送トランジスタ202および増幅トランジスタ205は層間絶縁膜230によって覆われており、この層間絶縁膜230中には、これらのトランジスタまたはフローティングディフュージョン203に接続される金属配線235が設けられている。また、層間絶縁膜230上には、カラーフィルタ237が設けられ、このカラーフィルタ237上にはマイクロレンズ239が設けられている。この層間絶縁膜230は、絶縁膜230aと、絶縁膜230bとを有している。本実施形態においては、絶縁膜230a上には、第1乃至第2実施形態で説明した微細金属構造250が形成され、この微細金属構造250を覆うように絶縁膜230bが形成されている。微細金属構造250は、第1乃至第2実施形態で説明したと同様に、それぞれがナノメートルのサイズを有し、メッシュ状に周期的に配置された構成となっている。更に、本実施形態においては、第1実施形態と同様に、例えば−2V〜−10Vの負電圧がバイアスされる。このため、第1実施形態と同様に、微細金属構造250に対向するPD_n領域201aの表面には、正孔誘起領域260が形成される。第1実施形態と同様に、この正孔誘起領域260が形成されることにより、暗電流がPD_n領域201aに流れ込むのを防止することができる。
次に、本発明の第4実施形態による固体撮像装置を、図23(a)、239(b)を参照して説明する。図23(a)は第2実施形態による固体撮像装置の断面図であり、図23(b)は図23(a)に示す破線で囲んだ部分の拡大断面図である。この第4実施形態の固体撮像装置は、図22に示す第3実施形態の固体撮像装置において、微細金属構造250と絶縁膜236aとの間に固定電荷が保持される固定電荷膜280を設けた構成となっている。本実施形態においては、信号電荷が電子であるので、固定電荷膜280には負の電荷が保持される。これにより、PD_n領域201aの固定電荷膜280に対向する領域に正孔蓄積領域262が形成される。このため、第4実施形態では、第2実施形態と同様に、微細金属構造250には、負電圧のバイアスを行わなくても、フォトダイオードの低暗電流特性を維持することが可能となる。また、本実施形態においては、絶縁膜236aは、例えば数原子層程度の極めて薄い酸化シリコン膜であることが好ましい。
101 撮像領域
102 負荷トランジスタ
103 CDS回路
104 V選択回路
105 H選択回路
106 AGC回路
107 A/D変換器
108 デジタルアンプ
109 TG回路
150 シリコン基板
200 画素
201 フォトダイオード
201a n型不純物領域(PD_n領域)
202 転送トランジスタ
203 フローティングディフュージョン(FD)
205 増幅トランジスタ
206 選択トランジスタ
210 p+領域
220 p+不純物領域(画素分離構造)
221 p+不純物領域(画素分離構造)
230 層間絶縁膜
235 金属配線
236 絶縁膜
237 カラーフィルタ
239 マイクロレンズ
240 光シールド
250 微細金属構造
260 正孔誘起領域
262 正孔蓄積領域
280 固定電荷膜
290 埋め込み絶縁膜
Claims (6)
- 第1導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素であって、それぞれが前記半導体基板の第1面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第2導電型の半導体領域を有する複数の画素と、
前記半導体基板の前記第1面と反対の第2面側に設けられ、前記画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、
前記半導体領域の前記光が入射する側の面上にメッシュ状に周期的に設けられた微細金属構造と、
前記微細金属構造と前記半導体領域との間に設けられた絶縁膜と、
を備え、
前記微細金属構造に負電圧が印加されることにより、前記半導体領域の前記微細金属構造に対向する面に正孔が誘起される正孔誘起領域が形成されることを特徴とする固体撮像装置。 - 第1導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素であって、それぞれが前記半導体基板の第1面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第2導電型の半導体領域を有する複数の画素と、
前記半導体基板の前記第1面と反対の第2面側に設けられ、前記画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、
前記半導体領域の前記光が入射する側の面上にメッシュ状に周期的に設けられた微細金属構造と、
前記微細金属構造と前記半導体領域との間に設けられた絶縁膜と、
前記微細金属構造と前記絶縁膜との間に設けられ、負の固定電荷を保持する固定電荷膜と、
前記微細金属構造を設けるとともに前記固定電荷膜を設けたことにより、前記半導体領域の、前記固定電荷膜に対向する面側に誘起され、正孔が蓄積される正孔蓄積領域と、
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記半導体基板はシリコン基板であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であり、前記固定電荷膜は、ハフニウム(Hf)ジルコニウム(Zr)、及びチタン(Ti)のうちの少なくとも1つを含む酸化物誘電体膜であることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。
- 前記絶縁体層における固定電荷数の面密度が、1×1012(cm−2)以上であることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。
- 前記光が入射する側と反対側の前記半導体領域に、前記半導体基板よりも高濃度の第1導電型の不純物領域が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記微細金属構造は、各画素によって信号電荷に変換される光の波長に応じた周期で配置されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置。
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