JP5547260B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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<1.構成例>
まず、図1乃至図7を用いて、第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例について説明する。本例では、受光面が信号走査回路部の形成される半導体基板表面と反対側の半導体基板の裏面側に設けられる裏面照射型の固体撮像装置を一例に挙げて、以下説明する。
図1を用いて、本例に係る固体撮像装置の全体構成例について説明する。図1は、本例に係る固体撮像装置の全体構成例を示すシステムブロック図である。図1では、画素アレイのカラム位置にAD変換回路が配置された場合の一構成について示した。
撮像領域12は、半導体基板に、光電変換部及び信号走査回路部を含み単位画素行列を配置して成るものである。
光電変換部は、光電変換し蓄積するフォトダイオードを含む単位画素1を備え、撮像部として機能する。信号走査回路部は、後述する増幅トランジスタ3等を備え、光電変換部からの信号を読み出し増幅しAD変換回路15に送信する。本例の場合、受光面(光電変換部)は、信号走査回路部が形成される半導体基板表面と反対側の半導体基板の裏面側に設けられる。
次に、図2を用いて、図1中の画素アレイ(撮像領域)12の構成例について説明する。図2は、本例に係る画素アレイの構成例を示す等価回路図である。本例では、単一の画素アレイ12で複数の色情報を取得する単版式撮像素子を一例に挙げて説明する。
増幅トランジスタ3は、浮遊拡散層(フローティングディフュージョン)42からの信号を増幅して出力するように構成されている。増幅トランジスタ3のゲートは浮遊拡散層42に接続され、ソースは垂直信号線VSLに接続され、ドレインはアドレストランジスタ41のソースに接続されている。垂直信号線VSLにより送信される単位画素1の出力信号は、CDS雑音除去回路8により雑音が除去された後、出力端子81から出力される。
この画素アレイ構造による読み出し駆動動作は、次のようになっている。まず、読み出し行の行選択トランジスタ41が、垂直シフトレジスタ13から送られる行選択パルスによりオン(ON)状態になる。
次に、図3を用いて、本例に係る固体撮像装置が有する色フィルタ406の平面構成例について説明する。図3は、単版式固体撮像素子構造において色信号を取得するために、どのように色フィルタが配置されているかを示したレイアウト図である。
次に、図4および図5を用いて、本例に係る固体撮像装置が有する画素アレイ12の平面構成例について説明する。ここでは、上記増幅トランジスタ3等により構成される信号走査回路部15の回路が形成される半導体基板の表面(表面側)とは反対側の基板表面(裏面側)に受光面が形成される裏面照射型の固体撮像装置を一例に挙げて説明する。
図4に示すように、シリコン(Si)基板404の裏面上に、ロウ方向およびカラム方向においてマトリクス状に単位画素(PXCEL)1が配置されている。
図5に示す平面構成では、素子分離絶縁膜408が、シリコン基板404の裏面上に隣接する単位画素1との境界部分を囲むように非連続的に平面形状が穴状に配置されている点で、図4に示した上記平面構造(1)と相違する。同様に、素子分離絶縁膜408は、単位画素1を、ロウ方向およびカラム方向において囲むように格子状に配置されている。
次に、図6および図7を用いて、本例に係る固体撮像装置が有する画素アレイ12の断面構成例について説明する。ここでは、図4、図5中のVI−VI線に沿った断面を一例に挙げて説明する。
次に、上記図6を用いて、本例に係る固体撮像装置の光学的作用・効果について、説明する。上記1−4.1−5.において説明したように、本例に係る固体撮像装置は、シリコン(Si)基板404の裏面上に、隣接する単位画素1との境界部分を囲むように素子分離領域を区画する素子分離絶縁膜(絶縁膜)408が設けられている。このような構成とすることで、次のような光学的作用・効果が得られる。
θin = ARCTAN ( nin / nsi ) … 式(1)
上記式(1)に示すように、素子分離絶縁膜408の屈折率ninが、Siの屈折率nsiよりも低ければそれだけ光が反射されることになり、その分クロストークが低減することが分かる。ここで、素子分離絶縁膜408の平面形状は、上記1−4.において、図4に示したように画素境界に沿って隙間無く連続的に格子状に形成すると、光は素子分離絶縁膜408で漏れなく反射される。
図6に示した構造において、入射光の波長領域は可視光である。その中でもG画素、R画素へ入射する光は、シリコン(Si)基板404中の深くまで進行するため、クロストークの原因となりうる。従って、式(2)によれば、G画素のピーク波長540nmに対して、画素間境界にある素子分離絶縁膜408の隙間が270nm程度以下であれば、隙間dがあったとしても隙間を通して隣接する単位画素1に進行していく光のエネルギーは十分に小さく、従ってクロストークを生じさせることは無いことが分かる。
次に、図8乃至図16を用いて、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。この説明では、図6に示した構成を一例に挙げて、説明する。
(ステップ1)
まず、図8には、加工前のシリコン(Si)基板404を示している。
続いて、図9に示すように、シリコン(Si)基板404に対して信号走査回路等が形成される側(表面側)の基板404の表面上に、例えば、シリコン(Si)等からなる第1支持基板31を接着する。
続いて、図10に示すように、信号走査回路等が形成される半導体基板の反対側(裏面側)であって、受光領域となる側のシリコン基板404の表面上を、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法等のエッチングにより薄膜化する。本例の場合、この工程の際、シリコン基板404の厚さを、例えば、3〜7um程度となるまで薄くする。
続いて、図11に示すように、受光領域が形成されるシリコン基板404の表面上(裏面側)の単位画素の素子分離境界となるシリコン基板404に、例えば、フォトリソグラフィ等により選択的にエッチングを第1支持基板31の表面上まで行い、溝33を形成する。
続いて、図12に示すように、上記ステップ4で形成した溝33(あるいは穴状の開口)中に、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法又はスピンコート等により、シリコン(Si)の屈折率より低い屈折率を持つシリコン酸化膜(SiO2膜)やチタンオキサイド(TiO)膜等の絶縁材料を埋め込み、素子分離絶縁膜408を形成する。例えば、素子分離絶縁膜408は、入射される波長400nm-700nm程度の光に対する屈折率が、3.9程度以下である絶縁材料により形成されることが望ましい。
続いて、図13に示すように、受光側となるシリコン基板404の裏面側の反射防止膜405上に、例えば、シリコン(Si)等からなる第2支持基板32を接着する。
続いて、図14に示すように、上記ステップ2の工程でシリコン基板404の表面側に接着させた信号操作回路側の第1支持基板を、取り外す。
続いて、図15に示すように、第2支持基板32およびシリコン基板404を反転させ、シリコン基板404の表面上に、例えば、通常のLSI製造プロセスを用いて、p型、n型拡散層403等を形成し、フォトダイオード2や読み出しトランジスタ4(図示せず)等の能動素子を形成する。
続いて、上記ステップ8にて形成した信号操作回路側(表面側)に、第3支持基板(図示せず)をさらに接着する。
以上の製造工程により、図6に示す固体撮像装置を製造する。
この実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、少なくとも下記(1)乃至(2)の効果が得られる。
次に、第2の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について、図17乃至図22を用いて説明する。この実施形態は、素子分離絶縁膜48の側壁上に沿って半導体基板404中に設けられるp型の拡散層55を更に備える一例に関するものである。この説明において、上記第1の実施形態と重複する部分の詳細な説明を省略する。
まず、図17および図18を用いて、この実施形態に係る画素アレイ12の平面構成例について説明する。
次に、図19を用いて、本例に係る断面構造例およびその光学的作用・効果について説明する。ここでは、図17、図18中のXIX−XIX線に沿った断面構造を一例に挙げる。
本例のような構成にすることにより、以下のような光学的作用・効果が得られる。
まず、図19(b)に示すように、斜め方向に入射した光L2は素子分離絶縁膜408で反射されるため、隣接する単位画素に入射することを防止することができる。上記第1の実施形態と同様に、クロストークおよび混色を発生させることは無く、再生画面上での色再現性の向上に対して有利である。
次に、図20乃至図22を用いて、第2の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。この説明では、上記第1の実施形態と重複する部分の詳細な説明を省略する。
図20に示すように、受光領域が形成されるシリコン基板404の裏面側の単位画素の素子分離境界となるシリコン基板404に、例えば、フォトリソグラフィ等により選択的にエッチングを第1支持基板31の表面上まで行い、溝33を形成する。
以下、上記第1の実施形態と同様の製造工程を用いて、本例に係る固体撮像装置を製造する。
上記のように、この実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、少なくとも上記(1)乃至(2)と同様の効果が得られる。さらに、本例によれば、少なくとも下記(3)の効果が得られる。
次に、図23乃至図31を用いて、第3の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について説明する。この実施形態は、素子分離絶縁膜408、p型拡散層55が、信号走査回路部が形成される半導体基板の表面上(表面側)から所定の距離(d1またはd2)を持ってオフセットされて設けられる一例に関するものである。この説明において、上記第1の実施形態と重複する部分の詳細な説明を省略する。
図23に示す断面構成は、素子分離絶縁膜408が、信号走査回路部が形成される半導体基板404の表面上(表面側)から所定の距離(d1)を持って半導体基板404中にオフセットされて設けられる点で、上記第1の実施形態と相違している。
次に、図25および図26を用いて、上記断面構成例(1)を製造するための製造方法について説明する。
以後、上記第1の実施形態と同様の製造工程を用いて、図23に示す固体撮像装置を製造する。
次に、図27に示す断面構成は、素子分離絶縁膜408に加えてp型拡散層55が、信号走査回路部が形成される半導体基板404の表面上(表面側)から所定の距離(d2)を持って半導体基板404中にオフセットされて設けられる点で、上記第1の実施形態と相違している。換言すると、図示する構成は、隣接する単位画素1の間の素子分離絶縁膜408およびp型拡散層55が、信号走査回路の形成される表面側のシリコン(Si)基板404上には形成されていない点で、上記第1の実施形態と相違している。
次に、図29乃至図31を用いて、上記断面構成例(2)を製造するための製造方法について説明する。
以後、上記第1の実施形態と同様の製造工程を用いて、図27に示す固体撮像装置を製造する。
上記のように、この実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、少なくとも上記(1)乃至(3)と同様の効果が得られる。さらに、本例によれば、少なくとも下記(4)の効果が得られる。
次に、図32を用いて、上記第1乃至第3の実施形態に係る固体撮像装置と比較するために、比較例に係る固体撮像装置について説明する。この比較例は、素子分離領域において素子分離絶縁膜を備えていない一例に関するものである。
Claims (4)
- 半導体基板に、光電変換部及び信号走査回路部を含み単位画素行列を配置して成る撮像領域を具備し、
前記撮像領域は、隣接する単位画素との境界部分に対応して各単位画素を囲むように設けられる素子分離絶縁膜と、
前記半導体基板の表面上且つ前記素子分離絶縁膜の下方領域に設けられるMOSFETと、
前記半導体基板内の前記素子分離絶縁膜の近傍領域に設けられた第1導電型の第1の拡散層と、
を備え、
前記素子分離絶縁膜は、前記信号走査回路部が形成される前記半導体基板の表面から前記半導体基板中にオフセットされて設けられ且つ前記半導体基板の裏面に達し、
前記MOSFETは、ゲート電極と、前記半導体基板内且つ前記ゲート電極の上方に形成される前記第1導電型の第2の拡散層と、を備え、
前記第1の拡散層と、前記第2の拡散層とが接し、
前記半導体基板の垂直方向において、前記垂直方向に直交する第1の方向に沿った前記第1の拡散層の幅の中心は、第1の方向に沿った前記第2の拡散層の幅の中心近傍に位置すること
を特徴とする固体撮像装置。 - 前記半導体基板の垂直方向において、前記第1の方向に沿った前記素子分離絶縁膜の幅の中心は、前記第1の方向に沿った前記ゲート電極の幅の中心近傍に位置すること
を特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記素子分離絶縁膜の平面形状は、各単位画素を囲むように格子状に配置されること
を特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。 - 前記素子分離絶縁膜の平面形状は、各単位画素を囲むように非連続的な穴状に配置されていること
を特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。
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