JP5432979B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

特許文献１には、裏面入射型の固体撮像装置が記載されている。その固体撮像装置においては、半導体基板の裏面に入射した被撮像体からの光が、半導体基板の内部で光電変換される。そして、それにより生じた電荷を受光部が受けることにより、被撮像体が撮像される。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１の他に、特許文献２，３が挙げられる。

特開２００２−３３４６９号公報 特開２０００−２５２４５２号公報 特開平３−１４８１７２号公報

しかしながら、かかる固体撮像装置には次の課題があることを本発明者は発見した。すなわち、上記固体撮像装置においては、撮像面である裏面と反対側の面（表面）から、受光部が設けられた半導体基板内に迷光が入り込む可能性がある。迷光が入り込んだ場合、偽信号が発生し、それにより撮像画像が劣化してしまう。

本発明による固体撮像装置は、半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、上記半導体基板中に設けられ、当該半導体基板と共にＰＮ接合ダイオードを構成し、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、上記半導体基板の表面側に上記受光部を覆うように設けられ、当該固体撮像装置の外部から上記表面に入射しようとする光を遮る遮光膜と、を備えることを特徴とする。

この固体撮像装置においては、半導体基板の表面側に遮光膜が設けられている。これにより、迷光が当該表面から半導体基板内に入り込むのを防ぐことができる。

本発明によれば、良好な撮像画像を得ることが可能な固体撮像装置が実現される。

本発明による固体撮像装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明による固体撮像装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明による固体撮像装置の第３実施形態を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）

図１は、本発明による固体撮像装置の第１実施形態を示す断面図である。固体撮像装置１は、半導体基板１０、受光部１４、および遮光膜２０を備えている。この固体撮像装置１は、裏面入射型であり、半導体基板１０の裏面Ｓ２に入射した被撮像体からの光を半導体基板１ の内部で光電変換し、その光電変換により発生した電荷を受光部１４で受けて当該被撮像体を撮像する。撮像は、被撮像体が上記裏面Ｓ２に直接接触した状態で行われることが好ましい。また、被撮像体は、例えば指である。

本実施形態において半導体基板１０は、Ｐ型シリコン基板である。この半導体基板１０はＰ型ウエル領域１２を含んでおり、このＰ型ウエル領域１２に受光部１４が形成されている。受光部１４は、Ｎ型不純物拡散層（第１の不純物拡散層）であり、半導体基板１０と共にＰＮ接合ダイオードを構成している。

半導体基板１０の表面Ｓ１側には、受光部１４を覆うように遮光膜２０が設けられている。遮光膜２０は、受光部１４が設けられた領域の全体を覆っている。本実施形態においては特に、半導体基板１０の表面Ｓ１の略全体が遮光膜２０によって覆われている。この遮光膜２０は、固体撮像装置１の外部から上記表面Ｓ１に入射しようとする光を遮るものである。

半導体基板１０上には配線層３０が設けられており、この配線層３０中に上述の遮光膜２０が設けられている。配線層３０は、配線３２，３４，３６を含んでいる。遮光膜２０は、これらの配線３２，３４，３６と同一の材料によって形成されている。かかる材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、ＷまたはＴｉ等が挙げられる。

半導体基板１０の表面Ｓ１上には、ゲート絶縁膜４２が形成されている。このゲート絶縁膜４２は、上述の受光部１４と隣接して設けられている。また、ゲート絶縁膜４２上には、配線３４に接続されたゲート電極４４が形成されている。ゲート絶縁膜４２およびゲート電極４４は、例えば、それぞれ酸化シリコンおよびポリシリコンによって構成される。

さらに、ゲート絶縁膜４２およびゲート電極４４を挟んで、受光部１４の反対側にはＮ型不純物拡散層４６（第２の不純物拡散層）が形成されている。Ｎ型不純物拡散層４６は、配線３６に接続されている。これらのゲート絶縁膜４２、ゲート電極４４およびＮ型不純物拡散層４６は、受光部１４と共に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を構成している。このＦＥＴにおいて、ゲート電極４４およびＮ型不純物拡散層４６は、それぞれリセットゲートおよびリセットドレインとして機能する。また、このＦＥＴは、素子分離領域６２によって、他の素子と隔てられている。素子分離領域６２は、例えば、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）領域またはＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）領域である。

受光部１４には、配線６４を介して、ソースフォロアアンプ５０が接続されている。この配線６４も配線層３０中に形成された配線であるが、図１においては、この配線６４およびソースフォロアアンプ５０を回路図で表している。

ソースフォロアアンプ５０は、選択スイッチ用ＦＥＴ５２、検出用ＦＥＴ５４、および負荷用ＦＥＴ５６を含んでいる。これらは、高電位側の電源端子（Ｖ_ｄｄ）と低電位側の電源端子（Ｖ_ｓｓ）との間に、設けられている。具体的には、電源端子（Ｖ_ｄｄ）から電源端子（Ｖ_ｓｓ）に向かって、検出用ＦＥＴ５４、選択スイッチ用ＦＥＴ５２および負荷用ＦＥＴ５６の順に、互いに直列に設けられている。また、負荷用ＦＥＴ５６のドレイン端子（選択スイッチ用ＦＥＴ５２側の端子）に、ソースフォロアアンプ５０の出力端子５８が接続されている。

次に、固体撮像装置１の動作を説明する。まず、ゲート電極４４にハイパルスが印加されることにより、受光部１４の電位がリセットされる。次に、ゲート電極４４にローパルスが印加されることにより、光電変換により発生した電荷が受光部１４中に蓄積される。すると、受光部１４の電位は、蓄積された電荷量に依存した値となり、ソースフォロアアンプ５０の出力端子５８から出力される。

続いて、固体撮像装置１の効果を説明する。固体撮像装置１においては、半導体基板１０の表面Ｓ１側に遮光膜２０が設けられている。これにより、迷光が当該表面Ｓ１から半導体基板１０内に入り込むのを防ぐことができる。よって、良好な撮像画像を得ることが可能な固体撮像装置１が実現されている。

受光部１４が設けられた領域の全体が遮光膜２０によって覆われていることにより、迷光による撮像画像の劣化を特に効果的に防ぐことができる。さらに、本実施形態においては半導体基板１０の表面Ｓ１の略全体が遮光膜２０によって覆われているため、迷光が半導体基板１０内に入り込むのを一層確実に防ぐことができる。

遮光膜２０が、配線層３０中に設けられるとともに、配線３２，３４，３６と同一の材料によって形成されている。これにより、遮光膜２０の形成を配線形成プロセスで行うことができるため、遮光膜２０の形成、ひいては固体撮像装置１の製造が容易となる。例えば、遮光膜２０は、電極パッド（図示せず）と同時に形成することが可能である。

受光部１４、ゲート絶縁膜４２、ゲート電極４４およびＮ型不純物拡散層４６がＦＥＴを構成している。これにより、簡素な構成で、受光部１４の電位をリセットするための構造を実現することができる。

ところで、特許文献３には、半導体基板の表面側に遮光膜が設けられた固体撮像装置が開示されている。しかしながら、その固体撮像装置は、受光部にショットキーバリアダイオードが採用されている点で、ＰＮ接合ダイオードが採用されている固体撮像装置１と相違する。同文献の固体撮像装置においては、使用される光が赤外光（波長が約５μｍ以下）に限定されているため、ＰＮ接合ダイオードを用いることができないのである。すなわち、ＰＮ接合ダイオードを用いたとすると、バンドギャップが広くて、受光部が赤外光を充分に受けられなくなってしまう。

また、同文献の固体撮像装置は、上述のとおり赤外光を対象とするため、熱線に対して感度を発揮する。したがって、被撮像体が指である場合には、その指全体からの熱線の影響を受けてしまう。そのため、同固体撮像装置は、指紋の撮像には不向きである。この点、固体撮像装置１であれば、指紋の撮像に好適に適用することができる。

また、同文献の固体撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型であるため、配線層が単層である。それゆえ、配線層中のスペースが限られており、遮光膜を配線層中に形成することが困難である。実際、同固体撮像装置においては、配線層の上部に遮光膜が設けられている。したがって、固体撮像装置１とは異なり、配線形成プロセスで遮光膜を形成できないため、遮光膜を形成する分だけ工程数が増大してしまう。
（第２実施形態）

図２は、本発明による固体撮像装置の第２実施形態を示す断面図である。固体撮像装置２においては、遮光膜２０が配線３４と一体に形成されている。すなわち、この遮光膜２０は、配線層３０中の配線の一部であり、遮光膜としての機能および配線としての機能を兼ね備えている。固体撮像装置２のその他の構成、および動作は、固体撮像装置１と同様である。

かかる構成の固体撮像装置２によれば、遮光膜２０を配線３４と同時に形成することができるので、製造工程数を少なく抑えることが可能である。固体撮像装置２のその他の効果は、固体撮像装置１と同様である。なお、本実施形態において遮光膜２０が、配線層３０中の配線３４以外の配線（例えば配線３２，３６）と一体に形成されていてもよいことは言うまでもない。
（第３実施形態）

図３は、本発明による固体撮像装置の第３実施形態を示す断面図である。固体撮像装置３においては、半導体基板１０の表面Ｓ１側の表層に、Ｎ型不純物拡散層４８（第２の不純物拡散層）が形成されている。このＮ型不純物拡散層４８は、受光部１４と隣接して設けられている。また、半導体基板１０の表面Ｓ１上に、Ｎ型不純物拡散層４８と隣接してゲート絶縁膜４２が形成されている。ゲート絶縁膜４２上には、ゲート電極４４が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜４２およびゲート電極４４を挟んで、Ｎ型不純物拡散層４８の反対側にはＮ型不純物拡散層４６（第３の不純物拡散層）が形成されている。

これらのＮ型不純物拡散層４８、ゲート絶縁膜４２、ゲート電極４４およびＮ型不純物拡散層４６は、ＦＥＴを構成している。このＦＥＴにおいても、ゲート電極４４およびＮ型不純物拡散層４６は、それぞれリセットゲートおよびリセットドレインとして機能する。固体撮像装置３のその他の構成、および動作は、固体撮像装置１と同様である。また、固体撮像装置３の効果も固体撮像装置１と同様である。なお、本実施形態においても、第２実施形態と同様、遮光膜２０を配線層３０中の配線と一体に形成してもよい。

本発明による固体撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、Ｐ型の半導体基板およびＮ型の受光部を例示したが、Ｎ型の半導体基板およびＰ型の受光部であってもよい。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、
前記半導体基板中に設けられ、当該半導体基板と共にＰＮ接合ダイオードを構成し、前記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、
前記半導体基板の表面側に前記受光部を覆うように設けられ、当該固体撮像装置の外部から前記表面に入射しようとする光を遮る遮光膜と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
２． １に記載の固体撮像装置において、
前記遮光膜は、前記受光部が設けられた領域の全体を覆っている固体撮像装置。
３． ２に記載の固体撮像装置において、
前記遮光膜は、前記半導体基板の前記表面の略全体を覆っている固体撮像装置。
４． １乃至３いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板の前記表面上に設けられ、配線を含む配線層を備え、
前記遮光膜は、前記配線と同一の材料によって形成されている固体撮像装置。
５． ４に記載の固体撮像装置において、
前記遮光膜は、前記配線層中に設けられている固体撮像装置。
６． ５に記載の固体撮像装置において、
前記遮光膜は、前記配線の一部である固体撮像装置。
７． １乃至６いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板の前記裏面は、前記被撮像体が直接に接触する面である固体撮像装置。
８． １乃至７いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記被撮像体は、指である固体撮像装置。
９． １乃至８いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記受光部は、第１の不純物拡散層である固体撮像装置。
１０． ９に記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板の前記表面上に、前記受光部と隣接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を挟んで、前記受光部の反対側に設けられた第２の不純物拡散層と、を備え、
前記受光部、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記第２の不純物拡散層は、電界効果トランジスタを構成している固体撮像装置。
１１． ９に記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板中に、前記受光部と隣接して設けられた第２の不純物拡散層と、
前記半導体基板の前記表面上に、前記第２の不純物拡散層と隣接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を挟んで、前記第２の不純物拡散層の反対側に設けられた第３の不純物拡散層と、を備え、
前記第２の不純物拡散層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記第３の不純物拡散層は、電界効果トランジスタを構成している固体撮像装置。

１ 固体撮像装置
２ 固体撮像装置
３ 固体撮像装置
１０ 半導体基板
１２ Ｐ型ウエル領域
１４ 受光部
２０ 遮光膜
３０ 配線層
３２，３４，３６ 配線
４２ ゲート絶縁膜
４４ ゲート電極
４６ Ｎ型不純物拡散層
４８ Ｎ型不純物拡散層
５０ ソースフォロアアンプ
５８ 出力端子
６２ 素子分離領域
６４ 配線
５２ 選択スイッチ用ＦＥＴ
５４ 検出用ＦＥＴ
５６ 負荷用ＦＥＴ
Ｓ１ 表面
Ｓ２ 裏面

Claims (12)

1. 半導体基板中に設けられた受光部と、
   前記半導体基板の表面側に設けられた配線層と、
   前記配線層中に設けられた遮光膜と、
   前記受光部に隣接するように設けられ、ゲート電極を有するトランジスタと、
   前記ゲート電極と電気的に接続する配線と、
   を備え、
   前記ゲート電極は、前記半導体基板と前記遮光膜との間に設けられ、
   前記遮光膜は、前記ゲート電極と、前記配線と、前記受光部とを覆っている固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記遮光膜は、前記受光部が設けられた領域の全体を覆っている固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記遮光膜は、前記半導体基板の前記表面の全体を覆っている固体撮像装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記遮光膜は、前記配線と同一の材料によって形成されている固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   前記遮光膜は、前記配線と電気的に接続している固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   前記遮光膜は、前記配線の一部である固体撮像装置。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記半導体基板の裏面は、被撮像体が直接に接触する面である固体撮像装置。
8. 請求項７に記載の固体撮像装置において、
   前記被撮像体は、指である固体撮像装置。
9. 請求項１乃至８いずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記受光部は、第１の不純物拡散層である固体撮像装置。
10. 請求項９に記載の固体撮像装置において、
    前記半導体基板の前記表面上に、前記受光部と隣接し、前記ゲート電極の下に設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を挟んで、前記受光部の反対側に設けられた第２の不純物拡散層と、を備え、
    前記受光部、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記第２の不純物拡散層は、電界効果トランジスタを構成している固体撮像装置。
11. 請求項９に記載の固体撮像装置において、
    前記半導体基板中に、前記受光部と隣接して設けられた第２の不純物拡散層と、
    前記半導体基板の前記表面上に、前記第２の不純物拡散層と隣接し、前記ゲート電極の下に設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を挟んで、前記第２の不純物拡散層の反対側に設けられた第３の不純物拡散層と、を備え、
    前記第２の不純物拡散層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極および前記第３の不純物拡散層は、電界効果トランジスタを構成している固体撮像装置。
12. 半導体基板中に設けられた受光部と、
    前記半導体基板の表面側に設けられた配線層と、
    前記配線層中に設けられた遮光膜と、
    を備え、
    前記配線層は前記半導体基板と前記遮光膜との間に設けられ、前記遮光膜は、前記配線層と前記受光部とを覆っている固体撮像装置。

Images