JP7624825B2

JP7624825B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP7624825B2
Application number: JP2020197355A
Authority: JP
Inventors: 孝則宇宿
Original assignee: シャープセミコンダクターイノベーション株式会社
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2025-01-31
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: JP2022085593A; CN114566511A; US11843012B2; CN114566511B; US20220173147A1

Description

本発明は、グローバルシャッター機能を有する固体撮像装置に関する。

固体撮像装置は、固体撮像装置のサイズを増大させることなく高画質を得るために、固体撮像装置に設けられる固体撮像装置の画素サイズを縮小させる傾向にある。特許文献１では、固体撮像装置の配線層に設けられた透明絶縁膜上に四辺形の平面形状を有する柱状の突起部を設けて、入射光が屈折によって受光部に集中的に入射されることにより、感度を高めて光学ノイズを低減させた固体撮像装置が開示されている。

国際公開第2017/131009号パンフレット

しかし特許文献１の固体撮像装置では、屈折して受光部に向かう入射光が遮光膜を回折してメモリー部に入射することによって発生する寄生光感度ノイズを除去することができないという問題がある。

本発明は、寄生光感度ノイズを除去して、感度の高い高画質の画像を表示することができる固体撮像装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、基板に複数の画素が行列状に配列された固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれが、前記基板に入射する光を電荷に変換するために前記基板の内部に配置された光電変換領域と、前記光電変換領域で変換された電荷を保持するために前記基板の内部の前記光電変換領域よりも前記光の入射側に配置された電荷保持領域と、前記基板の前記光の入射側の表面から前記光電変換領域に向かって少なくとも前記電荷保持領域に対応する深さまで掘り込まれた掘り込み領域と、前記電荷保持領域の前記基板の前記表面側を覆って前記掘り込み領域の側壁を延伸するように形成された遮光膜とを備えていることを特徴とする。

本発明の一態様による固体撮像装置によれば、寄生光感度ノイズを除去して、感度の高い高画質の画像を表示することができる。

実施形態１に係る固体撮像装置に配列された画素の構成を示す図である。実施形態１に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。上記固体撮像装置の画素の平面図である。比較例に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。他の比較例に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１に係る固体撮像装置に設けられた遮光膜の波長に対する反射率のスペクトルを示すグラフである。実施形態１に係る固体撮像装置に設けられたパッシベーション膜の応力と暗電流との間の関係を示すグラフである。実施形態１の変形例１に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例２に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例３に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例４に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例５に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例６に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例７に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態１の変形例８に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。図１４に示される線ＡＢに沿った断面図である。上記固体撮像装置の画素の平面図である。実施形態２に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。実施形態２の変形例に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

図１は実施形態１に係る固体撮像装置１８に配列された画素２１の構成を示す図である。図２は、実施形態１に係る固体撮像装置１８の画素２１の構造断面図である。図３は画素２１の平面図である。

固体撮像装置１８は、基板１９を備える。基板１９は、半導体基板１と、半導体基板１の上に形成されたエピタキシャル層２とを含む。

固体撮像装置１８は、基板１９の上に行列状に配列された複数の画素２１を備える。各画素２１は、基板１９に入射する光を電荷に変換するための光電変換領域３と、光電変換領域３で変換された電荷を保持するための電荷保持領域４と、光電変換領域３に形成された光電変換素子に蓄積した信号電荷を電圧に変換したり、画素をリセット及び選択したりする為に必要なトランジスタが形成される画素トランジスタ領域１７とを含む。

光電変換領域３は、基板１９に入射する光を電荷に変換するためにエピタキシャル層２の内部に配置される。電荷保持領域４は、エピタキシャル層２の内部の光電変換領域３よりも光の入射側に配置される。

各画素２１は、エピタキシャル層２の光の入射側の表面から光電変換領域３に向かって少なくとも電荷保持領域４に対応する深さまで掘り込まれた掘り込み領域２０と、電荷保持領域４への光の到達を遮るために、電荷保持領域４のエピタキシャル層２の表面側を覆って掘り込み領域２０の側壁を延伸するように形成された遮光膜８とを備える。

各画素２１は、電荷を光電変換領域３から電荷保持領域４へ転送するための電荷転送ゲート電極６をさらに備える。光電変換領域３により光から変換された電荷は、光電変換領域３から電荷転送ゲート電極６を経由して電荷保持領域４に到達する電荷転送経路を通って電荷保持領域４へ転送される。

電荷転送経路とは、何れの実施形態においても、光電変換領域３と電荷転送ゲート電極６とがオーバーラップする領域（正確には電荷転送ゲート電極６がオン時の光電変換領域３のポテンシャルの最も深い領域）から電荷保持領域４のポテンシャルの最も深い領域までの経路を意味する。

電荷保持領域４まで電荷を転送した後は、いわゆる一般的なローリングシャッター方式のＣＩＳ（CMOS Image Sensor）と動作は同じである。即ち、電荷保持領域４からフローティングディフュージョン（ＦＤ）に電荷が転送される前にＦＤをリセットトランジスタによりリセットし、リセット時のＦＤの電荷をソースフォロアトランジスタにより電圧に変換する。そして、セレクトトランジスタにより検出画素を選択することでリセット信号をアナログ－デジタル変換（ＡＤ変換）し、ラッチ回路により取得する。その後、すぐに電荷保持領域４に蓄積していた光信号電荷をＦＤに転送し、ＦＤに転送された電荷をソースフォロアトランジスタより電圧に変換する。そして、オン状態のセレクトトランジスタを介して光信号とリセット信号とをＡＤ変換しラッチ回路より取得する。その後、デジタル回路によって光信号及びリセット信号からリセット信号を引き算することで光電変換により生じた信号を正しく取得することができる。

図２及び図３に示すように、電荷転送ゲート電極６が光電変換領域３のポテンシャルの深い部分と電荷保持領域４との両方にオーバーラップしている。このため、光電変換領域３から電荷保持領域４に電荷を転送する電荷転送経路が形成される。

電荷転送ゲート電極６がオンの時、電荷転送ゲート電極６下に電界が印加され、電荷転送ゲート電極６下のポテンシャルが深い側に変調する。この時、エピタキシャル層２の表面の方が電界による影響を強く受け、さらに不純物注入とレイアウトによって形成された電荷保持領域４のポテンシャルスロープはこの時も引き継がれ、電荷転送ゲート電極６がオフの時のポテンシャルにオフセット分だけ深くなったポテンシャル形状となる。

したがって、電荷転送ゲート電極６がオンの時に光電変換領域３のポテンシャルの最も深い領域が、光電変換領域３と電荷転送ゲート電極６とがオーバーラップする領域下に形成される。そして、そこから電荷転送ゲート電極６で変調した分、光電変換領域３のポテンシャルの最も深い領域より、もっと深い電荷保持領域４のポテンシャルスロープに沿って、電荷保持領域４のポテンシャルの最も深い領域まで電荷は移動する。

光電変換領域３は、掘り込み領域２０の下側から電荷保持領域４の下側まで延伸して形成される。光電変換領域３上の堀り込み領域２０は電荷保持領域４よりも深い位置まで掘り込まれて形成されている。この時、電荷は、電荷保持領域４の下方の光電変換領域３からその直上の電荷保持領域４に垂直に転送される。そして、電荷が垂直に転送される箇所の光電変換領域３と電荷保持領域４との間の距離を適切に構成するために、電荷保持領域４に向かって突出する突出部分が光電変換領域３に形成されている。光電変換領域３の直上の掘り込み領域２０の掘り込み深さ次第では、突出部分が形成されない場合もあるし、逆に、電荷が垂直に転送される箇所の光電変換領域３と電荷保持領域４との間の距離を保たなくてはならない場合もある。この転送部の光電変換領域３と電荷保持領域４との間のおおよその距離は０．３５μｍ～０．４５μｍ程度であり得る。

エピタキシャル層２の上に絶縁膜５が形成される。

電荷転送ゲート電極６は、絶縁膜５の上に形成されて掘り込み領域２０の側壁を掘り込み領域２０の底に到達するまで延伸する。

基板１９に入射する光のロスを低減する反射防止膜７が、電荷転送ゲート電極６の上、及び掘り込み領域２０の上に形成される。遮光膜８は、反射防止膜７の上に形成される。

遮光膜８は、タングステン単層より光反射率が高くなる単数又は複数の膜構造で形成されている。

各画素２１は、遮光膜８上に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも１層の配線層１０と、遮光膜８の上に形成された層間絶縁膜９とを備えている。

半導体基板１としては、公知の半導体基板が用いられ、例えばシリコン基板を用いることができる。光電変換領域３は、入射した光を電荷に変換できる構造を有していればよく、例えばフォトダイオードにより構成される。行列状に配列された複数の画素２１において、図１に示すように、行方向に沿って互いに隣接する光電変換領域３の間に電荷保持領域４が設けられている。例えば、電荷保持領域４は、エピタキシャル層２内のｎ型層で構成されており、光電変換領域３と電荷保持領域４との間には、ポテンシャルバリアが形成されている。

また、光電変換領域３の上方には、掘り込み領域２０が形成されている。電荷保持領域４の上側および掘り込み領域２０の側壁には遮光膜８が配置されている。また、電荷転送ゲート電極６は、エピタキシャル層２および絶縁膜５を介して電荷保持領域４の上面および側面を覆うように配置されている。

本実施形態の固体撮像装置１８は、配線層１０上および層間絶縁膜９上を覆い、層間絶縁膜９よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜１２と、パッシベーション膜１２上に設けられた平坦化膜１３と、平坦化膜１３上に光電変換領域３を覆うように配置されたマイクロレンズ１５とを備えている。

パッシベーション膜１２は、窒化シリコン系材料で構成されていてもよく、層間絶縁膜９は酸化シリコン系材料で構成されていてもよい。なお、窒化シリコン系材料とは、窒化シリコンを主成分とする材料を意味し、任意の不純物等が含まれていてもよい。また、酸化シリコン系材料とは、酸化シリコンを主成分とする材料を意味し、ここでは、絶縁性を有する限り、酸化シリコンに任意の不純物等が含まれていてもよい。

図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置１８に入射した光は、マイクロレンズ１５によってマイクロレンズ１５の中心軸方向に屈折して平坦化膜１３およびパッシベーション膜１２に入射する。その後、光は層間絶縁膜９を通過して光電変換領域３へと入射する。光電変換領域３に入射した光は、電荷へと変換される。この光電変換によって生じた電荷は、電荷転送ゲート電極６への電圧印加によって電荷保持領域４へと転送される。電荷保持領域４に蓄積された電荷は、画像信号として利用され、信号処理により撮像画像を構成する。なお、本実施形態の固体撮像装置１８は、グローバルシャッター方式を採用しているので、光電変換領域３での光電変換および光電変換領域３から電荷保持領域４への電荷の転送は、全ての画素について同じタイミングで行われる。

上述の光電変換の際に、電荷保持領域４に直接光が入射すると、寄生光感度ノイズが発生する。これは、電荷保持領域４においても光電変換を生じてしまうためである。

電荷保持領域４は、Ｓｉを含むエピタキシャル層２中にＡｓやＰｈなどのドナーを不純物注入により形成し、それにより形成された主に表面部のｐｎジャンクション容量により電荷を保持する。すなわち、光電変換領域３に形成されるフォトダイオードと同様に、電荷保持領域４は光が入射すると光電変換によりキャリアを発生させる。

また、直接電荷保持領域４に光が入射しなくても、電荷保持領域４の下方のｐ領域（画素分離領域）で光電変換された電荷が拡散により電荷保持領域４に到達する成分もある。

そこで、電荷保持領域４に光が入射するのを防ぐために、電荷転送ゲート電極６の上面および側面に遮光膜８が設けられている。この遮光膜８の構成材料としては、タングステン等の金属が用いられる。タングステンは、光の吸収係数が大きく、薄い膜厚でも高い遮光能力を有するので、遮光膜の材料としては好ましい。

図４は比較例に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。図５は他の比較例に係る固体撮像装置の画素の構造断面図である。

掘り込み領域２０は、図２で前述した実施形態１の固体撮像装置１８と異なり、電荷保持領域４よりも浅い位置までしかエピタキシャル層２に掘り込まれていない。そして、光電変換領域３の上面と電荷保持領域４の上面とがエピタキシャル層２内に同じ深さで配置されている。遮光膜８は、電荷転送ゲート電極６を覆うように配置される。

図４に示す固体撮像装置は、カラーフィルタ１４および光導波路１１を有している。カラーフィルタ１４は、入射した光を赤、緑、青に着色させてそれぞれの色素毎の光を光電変換領域３において電気信号に置き換えるための機能を有する。光導波路１１は、入射した光を画素２１の中心軸に集光させて、光電変換領域３に効率よく入射させる機能を有する。図５に示す固体撮像装置は、インナーレンズ１６と上記カラーフィルタ１４とを有している。

このような図４及び図５に示す比較例の固体撮像装置の構造では、基板１９に入射する光は、光電変換領域３だけでなく、電荷保持領域４にも入射するため、電荷保持領域４においても光電変換が生じてしまう。これにより、比較例の固体撮像装置では、光電変換領域３で光電変換された電荷以外の電荷が１フレーム前の信号電荷を保持している電荷保持領域４に蓄積されることになり、寄生光感度ノイズが生じることになる。

これに対して、本実施形態の固体撮像装置１８は、光電変換領域３を電荷保持領域４の位置から半導体基板１側へ後退させて、電荷保持領域４の下面に沿って光電変換領域３を延伸させている。光電変換領域３を半導体基板１側に後退させて生じた空いたスペースに、掘り込み領域２０を形成している。

掘り込み領域２０の側壁は、電荷保持領域４の側面と対向している。遮光膜８は、反射防止膜７および電荷転送ゲート電極６を介して、電荷保持領域４のエピタキシャル層２の表面側を覆って掘り込み領域２０の側壁を延伸するように形成される。

このような構成を採用することで、層間絶縁膜９を通過してエピタキシャル層２に入射した光は遮光膜８によって遮られて電荷保持領域４に入射できなくなる。これによって、電荷保持領域４における光電変換が生じなくなり寄生光感度ノイズが発生しなくなる。

さらに、光電変換領域３は、電荷保持領域４の下側まで拡張させたことで、電荷保持領域４の下方のｐ領域（画素分離領域）で光電変換された電荷が拡散により電荷保持領域４に到達する成分を限りなく低減させるだけでなく、飽和容量を向上させることができる。そして、寄生光感度ノイズの消滅によって、本実施形態の固体撮像装置１８は感度やＦ値特性（斜入射特性）の向上及びシェーディング抑制の為だけに基板上の集光構造を最適化できる。

集光構造を決定する時、感度と寄生光感度ノイズとがトレードオフの関係になってしまうことがしばしばある。例えば、光電変換領域３上の遮光膜８の開口を広くすれば、感度が向上するが寄生光感度ノイズは悪化する。逆に、開口を狭くすれば感度は減少するが寄生光感度ノイズは改善する。

実際に集光構造を設計する時には、感度と寄生光感度ノイズとのバランスがとれる開口で設計される。ところが、本実施形態に係る集光構造では寄生光感度ノイズは原理的に発生しない。このため、遮光膜８の開口は製造限界まで広げることができるので、制限なく感度を向上するための集光構造を設計することができる。

また、感度と寄生光感度ノイズとの間のトレードオフ、または、シェーディング（撮像する際はレンズを介してＣＭＯＳイメージセンサーに光が入射されるため画面端の画素は角度のついた光が入射するので、一般に画面中央の画素よりも、画面端の画素の方が感度が落ちる感度のばらつきの現象）と寄生光感度ノイズとの間のトレードオフを気にせずに集光構造を決定することができる。このため、本実施形態に係る固体撮像装置１８の集光構造は感度（光学特性）を向上させることができる。

比較例に係る図４及び図５に示す構造の場合、光電変換領域３と電荷保持領域４とのポテンシャルの深い部分（電荷蓄積の主要部分）はどちらもＳｉを含むエピタキシャル層２の最表面に位置するので、一定の距離離すようにレイアウトしなければならない。接近すると短チャネル化が起こり飽和容量が著しく減少するからである（光電変換領域３と電荷保持領域４の空乏層とが繋がることに起因する）。接近すると、それだけではなく、電荷保持領域４側に溢れるブルーミングが著しく劣化してしまう。したがって、上記のように光電変換領域３と電荷保持領域４とが接近しないように各画素２１のレイアウトの大きさが制限されてしまう。また、画素２１の画素トランジスタ領域１７内の画素トランジスタ（フローティングディフュージョン（ＦＤ））に転送された電子を排出するリセットトランジスタ、電荷を電位に変換するソースフォロアトランジスタ、電子シャッターの役割である電荷排出用トランジスタ、セレクト有りの画素構造であれば、画素を選択するセレクトトランジスタはＳｉを含むエピタキシャル層２最表面に存在し、普通、画素トランジスタの周りはシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）で囲み光電変換領域３や電荷保持領域４から分離する。これは、画素トランジスタには濃度の高い不純物注入を行うため、空乏層の伸びが大きく、かなり距離をとらないと光電変換領域３などのＮ型領域と空乏層が繋がってしまい、リーク源となってしまうからである。ＳＴＩを形成すれば、空乏層はＳＴＩの下を周りこまなければならないので、画素トランジスタと光電変換領域３との間の距離をＳＴＩの幅までは近づけることができる。このように、画素トランジスタによっても光電変換領域３のレイアウトサイズは制限されてしまう。

これに対して、図２に示される固体撮像装置１８に形成された光電変換領域３の電荷蓄積の主要部分（ポテンシャルの深い部分、この部分はなるべく電荷保持領域４に寄せたい）は、電荷保持領域４にも画素トランジスタにも影響されない深さに位置している。このため、この光電変換領域３は、隣接する画素２１に形成された光電変換領域３（隣接フォトダイオード）との画素分離が十分できる大きさまでは拡大することができる。したがって、比較例よりも大幅に光電変換領域３の飽和領域を拡大することができる。

図６は実施形態１に係る固体撮像装置１８に設けられた遮光膜８の波長に対する反射率のスペクトルを示すグラフである。

遮光膜８のタングステン（Ｗ）単層より光反射率が高くなる単数の膜構造としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）／窒化チタン（ＴｉＮ）の膜構造、銅（Ｃｕ）／タンタル（Ｔａ）の膜構造、Ｗ／ＴｉＮの膜構造、ＴｉＮ／Ｔｉ／Ｗ／ＴｉＮの膜構造が挙げられる。

図６のグラフは、上記各膜構造における反射率スペクトルをシミュレーションした結果を示している。Ａｌ／ＴｉＮの膜構造、Ｃｕ／Ｔａの膜構造の方が、どの波長領域においても、タングステン単層の膜構造よりも反射率が大幅に高いことが分かる。従って、反射率のみを考慮すれば、Ａｌ、Ｃｕの方が、遮光膜８の材料としてはＷよりも適切である。ただし、Ｃｕ製膜プロセスは遮光膜配線用の溝を形成後、Ｃｕが絶縁膜中へ拡散することを防止するため、ＴａやＴａＮなどの安定な金属・金属化合物を絶縁膜上に製膜し、遮光膜配線溝にＣｕを埋め込んだ後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）により不要な部分を除去・平坦化するというプロセスフローでしか形成できない為、製造プロセス的な制約を受ける。すなわち、遮光膜構造の自由度が小さくなる。また、Ｃｕが絶縁膜中や基板表面へ拡散してしまうと、金属汚染起因の白傷ピークを悪化させるなどデバイス特性を著しく劣化させる。このような理由から、実際遮光膜にＣｕは採用されていない。

また、信頼性等の観点から、遮光膜８はタングステン単層よりも絶縁膜上のＴｉＮ膜上にＷを製膜するＷ／ＴｉＮの膜構造の方が好ましい。Ｗ／ＴｉＮ膜構造の反射率スペクトルはＷ単層の反射率スペクトルとほとんど一致している。さらに、Ｗ／ＴｉＮ膜上にＴｉＮ／Ｔｉ膜を形成することで反射率を高めることができる。ただし、この時の副作用として、Ｔｉの水素吸蔵の性質が基板の界面準位の水素終端効果を妨害する方向に働き、暗時特性を悪化させてしまう可能性がある。

図７は実施形態１に係る固体撮像装置１８に設けられたパッシベーション膜１２の応力と暗電流との間の関係を示すグラフである。

パッシベーション膜１２は、－５．０×１０^－９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２以下のコンプレッシブ方向のストレスを有することが好ましい。パッシベーション膜１２の膜質を変化させると、屈折率も変化するが、パッシベーション膜１２がコンプレッシブ方向のストレスを持ち、イメージセンサー（固体撮像装置１８の基板１９）の反り（イメージセンサー全体にかかる応力）を、－５．０×１０^－９ｄｙｎｅ/ｃｍ^２以下に調節することができる。

これにより、光導波路１１を導入することによる副作用をカバーすることができる。光導波路１１は他の周辺の部材の材料と比較して熱収縮率が圧倒的に大きく、これにより暗電圧を悪化させる方向に働く応力がＳｉを含む基板１９に伝搬する。そこで、イメージセンサーにかかる反りを暗電流に良い方向に調節するようにパッシベーション膜１２の膜質を決定することが重要になってくる。

パッシベーション膜１２のストレスをコンプレッシブ方向に制御すると、パッシベーション膜１２のコンプレッシブ方向のストレスが、光電変換領域３を含むエピタキシャル層２の表面のシリコンまで伝搬することにより、光電変換領域３を含むエピタキシャル層２の表面のシリコンのバンドギャップは大きくなる。このバンドギャップが大きくなると、暗電流は指数関数的に低減される。

図７に示すように、コンプレッシブ方向のストレスが－５．０×１０^－９ｄｙｎｅ/ｃｍ^２以下で暗電流の変化が緩やかになっていることから、－５．０×１０^－９ｄｙｎｅ/ｃｍ^２以下にパッシベーション膜１２のコンプレッシブ方向のストレスを設定すると、暗電流を指数関数的に低減することができる。

〔実施形態１の変形例１〕
図８は、実施形態１の変形例１に係る固体撮像装置１８Ａの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、パッシベーション膜１２と平坦化膜１３との間に光導波路１１が配置されていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

固体撮像装置１８Ａに光導波路１１を配置することによってマイクロレンズ１５に入射した光は平坦化膜１３を透過して光導波路１１に入射する。光導波路１１では、入射した光が基板１９に対して垂直方向の中心軸に集光させられる。集光した入射光は、光導波路１１を出射して、層間絶縁膜９を透過して光電変換領域３に入射する。

このように、光導波路１１は光電変換領域３に、光を集光して入射させるので、光導波路１１が配置されない構成に比べて、光電変換領域３に入射する光量を増加させることができる。本実施形態の固体撮像装置１８Ａは、感度をより高くすることができる。

表面照射型（FSI : Front side illumination）の構造においては、光入射側に配線層１０が配置され、マイクロレンズ１５で集めた光の一部が配線層１０により遮られロスとなってしまう（メタルけられ）。さらに、グローバルシャッターＣＩＳでは、画素２１内に電荷保持領域４（メモリーノード）も形成しなければならない為、画素面積に対する光電変換領域３（フォトダイオード部）の開口率（フィルファクター）がより小さくなってしまう。結果として、感度やＦ値特性（斜入射特性）、シェーディング特性が劣化してしまう。

その解決手段として、光導波路構造があり、光導波路１１は、層間絶縁膜９よりも屈折率の高い材料を用いることにより光を閉じ込める効果を発揮する。すなわち、マイクロレンズ１５から集光した光は光導波路１１の入り口（上側開口）に入射さえすれば、周りに漏れることなく出口（下側開口）から照射されるので、マイクロレンズ１５に入射した光を効率よく光電変換領域３まで導くことができる。

光電変換領域３の直上を掘りこみ、マイクロレンズ１５から基板１９までの距離が遠くなっている本実施形態の構成において、光導波路１１は特に効果を発揮する。掘り込み領域２０まで光導波路１１により入射光を導きさえすれば、どんな方向で光導波路１１から出てきた光が基板１９上に入射しようが寄生光感度ノイズ（ＰＬＳ）は起こらない。このため、光導波路１１のテーパー角を気にすることなく設計できるので、自由度が増し感度やＦ値特性、シェーディングを向上させやすい。

〔実施形態１の変形例２〕
図９は、実施形態１の変形例２に係る固体撮像装置１８Ｂの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、平坦化膜１３とマイクロレンズ１５の間にカラーフィルタ１４が配置されていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

固体撮像装置１８Ｂにカラーフィルタ１４を配置することによって、マイクロレンズ１５に入射した光はカラーフィルタ１４で特定の波長の光のみ透過し、それ以外の光はカラーフィルタ１４で吸収される。したがって、特定の波長の光のみ光電変換領域３に入射して光電変換される。

このように、本実施形態の固体撮像装置１８Ｂは、画素２１ごとに透過する光の波長を変えたカラーフィルタ１４を配置することで、光の３原色である赤色、緑色、青色の光を画素２１ごと電気信号に変換させることができる。赤色、緑色、青色の３色の光を電気信号に変換後、再び電気信号を光に変換すれば、カラー画像を表示することができる。

〔実施形態１の変形例３〕
図１０は、実施形態１の変形例３に係る固体撮像装置１８Ｃの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、パッシベーション膜１２と平坦化膜１３との間に光導波路１１を配置し、平坦化膜１３とマイクロレンズ１５との間にカラーフィルタ１４が配置されていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

本実施形態の固体撮像装置１８Ｃは、実施形態１の変形例１と変形例２とを組み合わせたものである。固体撮像装置１８Ｃにカラーフィルタ１４を配置することによって、マイクロレンズ１５に入射した光はカラーフィルタ１４で特定の波長の光のみ透過し、それ以外の光はカラーフィルタ１４で吸収される。カラーフィルタ１４を透過した特定の波長の光は平坦化膜１３を透過して光導波路１１に入射する。光導波路１１では、入射した特定の波長の光が基板１９に対して垂直方向の中心軸に集光させられる。集光した特定の波長の入射光は、光導波路１１を出射して、層間絶縁膜９を透過して光電変換領域３に入射する。

このように、本実施形態の固体撮像装置１８Ｃは、特定の波長の光のみを取り出して、光電変換領域３に入射する光量を増加させることができる。光導波路１１とカラーフィルタ１４とを固体撮像装置１８Ｃに配置することで、感度のより高いカラー画像を表示することが可能となる。

〔実施形態１の変形例４〕
図１１は、実施形態１の変形例４に係る固体撮像装置１８Ｄの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、パッシベーション膜１２と平坦化膜１３との間にインナーレンズ１６を配置していることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

固体撮像装置１８Ｄに、インナーレンズ１６を配置したことによって、マイクロレンズ１５を透過した入射光は、平坦化膜１３を透過してインナーレンズ１６に入射して基板１９と垂直方向の中心軸に向けて集光する。集光した入射光は、パッシベーション膜１２および層間絶縁膜９を透過して光電変換領域３に入射する。インナーレンズ１６を配置することによって、外からの入射光を集光して、光電変換領域３に入射させることができる。

これによって、外からの入射光を効率的に光電変換領域３で電子に変換することができるので、感度をより向上させることができる。

前述したように、ＦＳＩ型のグローバルシャッターＣＩＳはフィルファクターの減少により集光率が悪化してしまうことが課題となる。前述した光導波路構造の他に、このようなインナーレンズ１６を用いて、マイクロレンズ１５から入射した光を効率よく基板１９に集光することができる。

〔実施形態１の変形例５〕
図１２は、実施形態１の変形例５に係る固体撮像装置１８Ｅの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、パッシベーション膜１２と平坦化膜１３との間にインナーレンズ１６を配置し、平坦化膜１３とマイクロレンズ１５との間にカラーフィルタ１４が配置されていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

本実施形態の固体撮像装置１８Ｅは、実施形態１の変形例２と変形例４とを組み合わせたものである。固体撮像装置１８Ｅにカラーフィルタ１４を配置することによって、マイクロレンズ１５に入射した光はカラーフィルタ１４で特定の波長の光のみ透過し、それ以外の光はカラーフィルタ１４で吸収される。カラーフィルタ１４を透過した特定の波長の光は平坦化膜１３を透過してインナーレンズ１６に入射する。インナーレンズ１６では、入射した特定の波長の光は基板１９に対して垂直方向の中心軸に集光させられる。集光した特定の波長の入射光は、インナーレンズ１６を出射して、層間絶縁膜９を透過して光電変換領域３に入射する。

このように、本実施形態の固体撮像装置１８Ｅは、特定の波長の光のみを取り出して、光電変換領域３に入射する光の光量を増加させることができる。インナーレンズ１６とカラーフィルタ１４とを固体撮像装置１８Ｅに配置することで、感度のより高いカラー画像を表示することが可能となる。

〔実施形態１の変形例６〕
図１３は実施形態１の変形例６に係る固体撮像装置１８Ｆの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、パッシベーション膜１２と平坦化膜１３との間に光導波路１１及びインナーレンズ１６が配置されていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

マイクロレンズ１５に入射した光は、平坦化膜１３を透過してインナーレンズ１６に入射して基板１９と垂直方向の中心軸に向けて集光する。集光した入射光は、光導波路１１に入射する。光導波路１１では、入射した特定の波長の光が基板１９に対して垂直方向の中心軸に集光させられる。集光した特定の波長の入射光は、光導波路１１を出射して、層間絶縁膜９を透過して光電変換領域３に入射する。

〔実施形態１の変形例７〕
図１４は実施形態１の変形例７に係る固体撮像装置１８Ｇの画素２１の構造断面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、パッシベーション膜１２と平坦化膜１３との間に光導波路１１及びインナーレンズ１６が配置され、平坦化膜１３とマイクロレンズ１５との間にカラーフィルタ１４が配置されていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

マイクロレンズ１５に入射した光は、カラーフィルタ１４で特定の波長の光のみ透過し、それ以外の光はカラーフィルタ１４で吸収される。カラーフィルタ１４を透過した特定の波長の光は平坦化膜１３を透過してインナーレンズ１６に入射する。インナーレンズ１６では、入射した特定の波長の光は基板１９に対して垂直方向の中心軸に集光させられる。集光した特定の波長の入射光は、インナーレンズ１６を出射して、光導波路１１に入射する。光導波路１１では、入射した特定の波長の光が基板１９に対して垂直方向の中心軸に集光させられる。集光した特定の波長の入射光は、光導波路１１を出射して、層間絶縁膜９を透過して光電変換領域３に入射する。

〔実施形態１の変形例８〕
図１５は実施形態１の変形例８に係る固体撮像装置１８Ｈの画素２１の構造断面図である。図１６は図１５に示される線ＡＢに沿った断面図である。図１７は画素２１の平面図である。

実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、電荷転送ゲート電極６Ｈが、電荷保持領域４の両側面を覆って電荷保持領域４を挟むようにエピタキシャル層２に埋め込まれていることである。その他の構造および作用効果については、実施形態１の固体撮像装置１８と同じであるので説明は省略する。

固体撮像装置１８Ｈに入射した光は、マイクロレンズ１５によってマイクロレンズ１５の中心軸方向に屈折されて平坦化膜１３およびパッシベーション膜１２に入射する。その後、当該光は層間絶縁膜９を通過して光電変換領域３へと入射する。

光電変換領域３に入射した光は、電荷へと変換される。この光電変換によって生じた電荷は、電荷転送ゲート電極６Ｈへの電圧印加によって電荷保持領域４へと転送される。

図１５～図１７に示すように、電荷転送ゲート電極６Ｈが光電変換領域３のポテンシャルの深い部分と電荷保持領域４との両方にオーバーラップしている。このため、光電変換領域３から電荷保持領域４に電荷を転送する電荷転送経路が形成される。

このように、電荷保持領域４の両側面を覆って電荷保持領域４を挟むようにエピタキシャル層２に電荷転送ゲート電極６Ｈを埋め込んでしまえば、掘り込み領域２０の側壁と電荷保持領域４との間に電荷転送ゲート電極６Ｈが形成されていなくても、光電変換領域３から電荷保持領域４への電荷の転送が可能になる。

このような電荷転送ゲート電極６Ｈの埋め込み構造は、光電変換領域３から電荷保持領域４への電荷の転送に有利なポテンシャルを形成しやすい。これにより、掘り込み領域２０の側壁と電荷保持領域４との間に電荷転送ゲート電極６Ｈが存在しない分だけ、掘り込み領域２０の側壁を延伸する遮光膜８の開口寸法を拡大することができる。従って、光電変換領域３の集光率が高められ、固体撮像装置１８Ｈの感度が向上する。

このように、Ｓｉをシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）と同じようにエッチングし、ポリシリコンゲート電極をエピタキシャル層２に埋め込むことにより、電荷保持領域４の両横に電荷転送ゲート電極６Ｈを埋め込み、電荷保持領域４の両横から挟むように電圧を電荷保持領域４に印加し、電荷転送をアシストするように構成される。

なお、図１６及び図１７では両横から電荷保持領域４を電荷転送ゲート電極６Ｈで挟み込む構造を示しているが、電荷保持領域４の片側だけに電荷転送ゲート電極６Ｈを設けてもよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図１８は実施形態２に係る固体撮像装置１８Ｉの画素２１の構造断面図である。実施形態１の固体撮像装置１８との違いは、光電変換領域３の直上の掘り込み領域２０の深さが電荷保持領域４の下端の深さよりも浅いこと、及び、光電変換領域３が掘り込み領域２０の下側にのみ形成され、電荷保持領域４の下側に延伸していないことである。

電荷保持領域４まで光電変換領域３を伸ばすと、光電変換領域３と電荷保持領域４とが繋がってしまうため、光電変換領域３を電荷保持領域４まで拡大することができず、このような構成になっている。

電荷転送ゲート電極６は、電荷保持領域４を覆うようにエピタキシャル層２の上に形成され、掘り込み領域２０の側壁を延伸して底面に到達し、底面の一部を延伸して。光電変換領域３及び電荷保持領域４とオーバーラップする。

電荷転送ゲート電極６に電圧が印加されると、光電変換領域３により変換された電荷は、光電変換領域３から電荷転送ゲート電極６を通って電荷保持領域４に転送される。

〔実施形態２の変形例８〕
図１９は実施形態２の変形例に係る固体撮像装置１８Ｊの画素２１の構造断面図である。実施形態２の固体撮像装置１８Ｉとの違いは、光電変換領域３（フォトダイオード）の深い側の領域を電荷保持領域４（メモリーノード）の下側まで拡張していることである。

この光電変換領域３は、深い側から浅い側にポテンシャルスロープが形成され、深い側で発生した電荷も浅い側に流れ、蓄積されるように不純物注入が調節される。これにより、光電変換領域３の飽和容量を図１８に示す構成よりも拡大することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る固体撮像装置１８・１８Ａ～１８Ｊは、基板１９に複数の画素２１が行列状に配列された固体撮像装置１８・１８Ａ～１８Ｊであって、前記複数の画素２１のそれぞれが、前記基板１９に入射する光を電荷に変換するために前記基板１９の内部に配置された光電変換領域３と、前記光電変換領域３で変換された電荷を保持するために前記基板１９の内部の前記光電変換領域３よりも前記光の入射側に配置された電荷保持領域４と、前記基板１９の前記光の入射側の表面から前記光電変換領域３に向かって少なくとも前記電荷保持領域４に対応する深さまで掘り込まれた掘り込み領域２０と、前記電荷保持領域４の前記基板１９の前記表面側を覆って前記掘り込み領域２０の側壁を延伸するように形成された遮光膜８とを備えている。

上記の構成によれば、光電変換領域で変換された電荷を保持するための電荷保持領域が基板の内部の光電変換領域よりも光の入射側に配置される。そして、基板の光の入射側の表面から掘り込まれる掘り込み領域が光電変換領域に向かって少なくとも電荷保持領域に対応する深さまで配置される。また、光の電荷保持領域への到達を遮るための遮光膜が電荷保持領域の基板の表面側を覆って掘り込み領域の側壁を延伸するように形成される。

このため、電荷保持領域の上面だけでなく電荷保持領域の側面も遮光膜により覆われる。この結果、基板の中に入射した光のうち電荷保持領域に回折して漏れこむ光に起因する寄生光感度ノイズが原理的に発生しない固体撮像装置を提供することができる。

本発明の態様２に係る固体撮像装置１８・１８Ａ～１８Ｊは、上記態様１において、前記電荷を前記光電変換領域３から前記電荷保持領域４へ転送するための電荷転送ゲート電極６・６Ｈをさらに備え、前記電荷は、前記光電変換領域３から前記電荷転送ゲート電極６・６Ｈを経由して前記電荷保持領域４に到達する電荷転送経路を通って前記電荷保持領域４へ転送されることが好ましい。

上記の構成によれば、電荷転送ゲート電極に電圧を印加することにより、基板に入射する光から変換された電荷を、光電変換領域から電荷保持領域へ転送することができる。

本発明の態様３に係る固体撮像装置１８・１８Ａ～１８Ｈ、１８Ｊでは、前記光電変換領域３は、前記掘り込み領域２０の下側から前記電荷保持領域４の下側まで延伸して形成されることが好ましい。

上記の構成によれば、光電変換領域の飽和容量を拡大することができる。

本発明の態様４に係る固体撮像装置１８Ｈは、前記電荷転送ゲート電極６Ｈが、前記電荷保持領域４の側面を覆うように前記基板（エピタキシャル層２）に埋め込まれていることが好ましい。

上記の構成によれば、電荷保持領域の掘り込み領域側に電荷転送ゲート電極を設ける必要が無くなり、遮光膜の開口を拡大することができる。このため、光電変換領域の集光率を高めることができ、固体撮像装置の感度を向上させることができる。

本発明の態様５に係る固体撮像装置１８・１８Ａ～１８Ｊでは、前記遮光膜８は、タングステン単層より光反射率が高くなる単数又は複数の膜構造で形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、電荷保持領域に向かう光の遮光膜による反射率を増大させることができるので、遮光膜の遮光性能を高めることができると同時に、光電変換領域に向かう光を増大させることができる為、感度を向上することができる。

本発明の態様６に係る固体撮像装置１８Ａ・１８Ｃ・１８Ｆ・１８Ｇは、前記遮光膜８の上に形成された層間絶縁膜９と、前記光を前記光電変換領域３まで導くために、前記層間絶縁膜９と屈折率が異なる材料により前記層間絶縁膜９上に形成された光導波路１１とをさらに備えることが好ましい。

上記の構成によれば、基板に入射する光を、掘り込み領域の下側に配置された光電変換領域まで、光導波路により効率よく導くことができる。

本発明の態様７に係る固体撮像装置１８Ｄ・１８Ｅ・１８Ｆ・１８Ｇは、前記遮光膜８の上に形成された層間絶縁膜９と、前記光を前記光電変換領域３まで導くように前記光を集光するために、前記層間絶縁膜９上に形成されたインナーレンズ１６とをさらに備え、上記インナーレンズ１６は、前記層間絶縁膜９を構成する材料と同一の材料または前記層間絶縁膜９を構成する材料と屈折率の異なる少なくとも１つ以上の材料で形成されていることが好ましい。

上記の構成によれば、基板に入射する光を、掘り込み領域の下側に配置された光電変換領域まで、インナーレンズにより効率よく導くことができる。

本発明の態様８に係る固体撮像装置１８Ａ・１８Ｃ・１８Ｄ・１８Ｅ・１８Ｆ・１８Ｇは、前記層間絶縁膜９と前記光導波路１１又は前記インナーレンズ１６との間に形成されたパッシベーション膜１２をさらに備え、前記パッシベーション膜１２は、－５．０×１０^－９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２以下のコンプレッシブ方向ストレスを有することが好ましい。

上記の構成によれば、固体撮像装置の暗電流を指数関数的に低減することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１半導体基板（基板）
２エピタキシャル層（基板）
３光電変換領域
４電荷保持領域
５絶縁膜
６電荷転送ゲート電極
７反射防止膜
８遮光膜
９層間絶縁膜
１０配線層
１１光導波路
１２パッシベーション膜
１３平坦化膜
１４カラーフィルタ
１５マイクロレンズ
１６インナーレンズ
１７画素トランジスタ領域
１８固体撮像装置
１９基板
２０掘り込み領域
２１画素

Claims

基板に複数の画素が行列状に配列された固体撮像装置であって、
前記複数の画素のそれぞれが、
前記基板に入射する光を電荷に変換するために前記基板の内部に配置された光電変換領域と、
前記光電変換領域で変換された電荷を保持するために前記基板の内部の前記光電変換領域よりも前記光の入射側に配置された電荷保持領域と、
前記基板の前記光の入射側の表面から前記光電変換領域に向かって少なくとも前記電荷保持領域よりも深い位置まで掘り込まれて、前記光を前記光電変換領域に導く掘り込み領域と、
前記電荷保持領域の前記基板の前記表面側を覆って前記掘り込み領域の側壁を延伸するように形成された遮光膜とを備え、
前記光電変換領域は、前記掘り込み領域の下側から前記電荷保持領域の下面に沿って延伸して形成されており、
前記光電変換領域は、前記電荷保持領域に向かって突出する突出部分を有することを特徴とする固体撮像装置。
前記電荷を前記光電変換領域から前記電荷保持領域へ転送するための電荷転送ゲート電極をさらに備え、
前記電荷は、前記光電変換領域から前記電荷転送ゲート電極を経由して前記電荷保持領域に到達する電荷転送経路を通って前記電荷保持領域へ転送される請求項１に記載の固体撮像装置。
前記電荷転送ゲート電極が、前記電荷保持領域の側面を覆うように前記基板に埋め込まれている請求項２に記載の固体撮像装置。
前記遮光膜は、タングステン単層より光反射率が高くなる単数又は複数の膜構造で形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記遮光膜の上に形成された層間絶縁膜と、
前記光を前記光電変換領域まで導くために、前記層間絶縁膜と屈折率が異なる材料により前記層間絶縁膜上に形成された光導波路とをさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記遮光膜の上に形成された層間絶縁膜と、
前記光を前記光電変換領域まで導くように前記光を集光するために、前記層間絶縁膜上に形成されたインナーレンズとをさらに備え、
上記インナーレンズは、前記層間絶縁膜を構成する材料と同一の材料または前記層間絶縁膜を構成する材料と屈折率の異なる少なくとも１つ以上の材料で形成されている請求項５に記載の固体撮像装置。
前記層間絶縁膜と前記光導波路又は前記インナーレンズとの間に形成されたパッシベーション膜をさらに備え、
前記パッシベーション膜は、－５．０×１０ ^－９ｄｙｎｅ／ｃｍ ^２以下のコンプレッシブ方向ストレスを有する請求項６に記載の固体撮像装置。