(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１主面及び第２主面を含むと共に、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第１の受光部が前記第１主面側に配列されたシリコン基板を備える固体撮像装置であって、
前記シリコン基板には、前記第２主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、前記第２主面における少なくとも前記第１の受光部に対向する領域に不規則な凹凸が形成され、
前記シリコン基板の前記第２主面における前記第１の受光部に対向する前記領域は、光学的に露出しており、
前記シリコン基板は、アイソレーション領域により、前記第１の受光部に対応する部分毎に光学的に実質的に分離されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記アイソレーション領域は、前記第２主面から前記シリコン基板の厚み方向に伸びるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記アイソレーション領域は、前記第１主面に達していることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、前記増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記シリコン基板には、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第２の受光部が前記第１主面側に更に配列され、前記第１の受光部と前記第２の受光部とで一つの画素領域が構成されており、
前記第２の受光部に対して、赤外光カットフィルタ及びカラーフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、前記増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有していることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記アイソレーション領域は、少なくとも前記第２主面側において、前記アイソレーション領域内に位置する前記アキュムレーション層と前記アイソレーション領域外に位置する前記アキュムレーション層とを接続するための不連続部分を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置として、互いに対向する第１主面及び第２主面を含むシリコン基板を備え、当該シリコン基板に、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の受光部が第１主面側に配列されているものが知られている（例えば、特許文献１公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３０９２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シリコン基板を用いた固体撮像装置では、一般に、シリコン基板の厚みを大きく設定することにより、長波長側での感度特性を高めることは可能である。しかしながら、シリコン基板の厚みを十分に大きく設定した場合でも（例えば、５００μｍ程度）、１１００ｎｍといった近赤外の波長帯域において、十分な感度特性を得ることは困難であった。これは、シリコンによる近赤外の波長帯域の光の吸収長が長い（例えば、１１００ｎｍの光では、シリコンの吸収長は５０μｍ以上である）ために、シリコン基板の奥深くで光電変換される確率が高く、この奥深くで光電変換された電荷を受光部に集めることが難しいことによる。このため、シリコン基板を用いて、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する固体撮像装置を実現することは困難であるとされてきた。シリコン基板の光入射面と対向する面に反射膜を塗布した先行例も見られるが、反射率は低く、感度上昇率はそれほど大きくなかった。
【０００５】
本発明は、シリコン基板を用いた固体撮像装置であって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る固体撮像装置は、互いに対向する第１主面及び第２主面を含むと共に、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第１の受光部が第１主面側に配列されたシリコン基板を備える固体撮像装置であって、シリコン基板には、第２主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第１の受光部に対向する領域に不規則な凹凸が形成され、シリコン基板の第２主面における第１の受光部に対向する領域は、光学的に露出しており、シリコン基板は、アイソレーション領域により、第１の受光部に対応する部分毎に光学的に実質的に分離されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る固体撮像装置では、近赤外を含む長波長帯域の光は、シリコン基板に入射した後、シリコン基板内を進み、第２主面における少なくとも第１の受光部に対向する領域に形成された不規則な凹凸に到達する。到達した光は、この不規則な凹凸にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を更に進む。これにより、近赤外を含む長波長帯域の光は、その大部分がシリコン基板を透過することなく、シリコン基板で吸収されて、電荷を発生させる。近赤外を含む長波長帯域の光により発生した電荷は、フォトダイオード（第１の受光部）へ移動し、光電流として検出される。したがって、上記固体撮像装置では、シリコン基板に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。
【０００８】
本発明に係る固体撮像装置では、シリコン基板の第２主面側に第１導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、第２主面側で光によらずに発生する不要電荷が再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記アキュムレーション層は、シリコン基板の第２主面付近で光により発生した電荷が該一主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生した電荷は、フォトダイオード（第１の受光部）へ効率的に移動し、固体撮像装置の光検出感度を向上することができる。
【０００９】
ところで、上記不規則な凹凸に入射した光が反射、散乱、又は拡散することにより、第１の受光部（フォトダイオード）間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、本発明に係る固体撮像装置では、シリコン基板が、アイソレーション領域により、第１の受光部に対応する部分毎に光学的に実質的に分離されているので、第１の受光部間でのクロストークの発生を抑制することができる。したがって、本発明に係る固体撮像装置では、解像度が低下するのを防ぐことができる。
【００１０】
好ましくは、アイソレーション領域は、第２主面からシリコン基板の厚み方向に伸びるように形成されている。この場合、各第１の受光部を確実に光学的に分離することができる。
【００１１】
好ましくは、アイソレーション領域は、第１主面に達している。この場合、各第１の受光部を完全に光学的に分離することができる。
【００１２】
好ましくは、第１の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有している。この場合、アクティブピクセル方式の固体撮像装置を実現することができる。
【００１３】
好ましくは、シリコン基板には、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第２の受光部が第１主面側に更に配列され、第１の受光部と第２の受光部とで一つの画素領域が構成されており、第２の受光部に対して、赤外光カットフィルタ及びカラーフィルタが設けられている。この場合、可視画像と近赤外画像とを取得することが可能な固体撮像装置を実現することができる。
【００１４】
好ましくは、第２の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有している。この場合、アクティブピクセル方式の固体撮像装置を実現することができる。
【００１５】
好ましくは、アイソレーション領域は、少なくとも第２主面側において、アイソレーション領域内に位置するアキュムレーション層とアイソレーション領域外に位置するアキュムレーション層とを接続するための不連続部分を有している。この場合、シリコン基板の第２主面側での電位を容易に取ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シリコン基板を用いた固体撮像装置であって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る固体撮像装置を示す構成図である。
【図２】第１実施形態に係る固体撮像装置が含む受光部の回路図である。
【図３】第１実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
【図４】第１実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図５】図４（ａ）のV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【図６】シリコン基板に形成された不規則な凹凸を観察したＳＥＭ画像である。
【図７】第１実施形態に係る固体撮像装置を示す構成図である。
【図８】第２実施形態に係る固体撮像装置を示す構成図である。
【図９】第２実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
【図１０】第２実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。
【図１１】図１０（ａ）のXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。
【図１２】第１及び第２実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
【図１３】第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
【図１４】第２実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
【図１５】第２実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置１Ａを示す構成図である。この図に示されるように、固体撮像装置１Ａは、シリコン基板上にＭ×Ｎ個の受光部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎが形成されたものである。受光部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎは、互いに同等の構成を有していて、Ｍ行Ｎ列に配列されている。受光部Ｐｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。ここで、Ｍ，Ｎそれぞれは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。なお、各受光部Ｐｍ,ｎの動作を制御するための制御信号を伝送する配線、その制御信号を発生する制御回路、各受光部Ｐｍ,ｎから出力される出力信号を伝送する配線、および、その出力信号を処理する信号処理回路については、図示が省略されている。各受光部Ｐｍ,ｎは、略矩形形状を呈しており、本実施形態においては、５μｍ×５μｍサイズとされている。すなわち、各受光部Ｐｍ,ｎのピッチは、５μｍとされる。
【００２０】
図２は、各受光部Ｐｍ,ｎの回路図である。この図に示される受光部Ｐｍ,ｎは、アクティブピクセル方式のものであって、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードＰＤ、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタＴ１、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を増幅用トランジスタＴ１のゲート端子へ転送する為の転送用トランジスタＴ２、増幅用トランジスタＴ１のゲート端子の電荷を放電する為の放電用トランジスタＴ３、及び、増幅用トランジスタＴ１から出力される電圧値を外部の配線Ｌｎへ出力する為の選択用トランジスタＴ４を含む。
【００２１】
フォトダイオードＰＤは、そのアノード端子が接地電位とされている。増幅用トランジスタＴ１は、そのドレイン端子がバイアス電位とされている。転送用トランジスタＴ２は、そのドレイン端子が増幅用トランジスタＴ１のゲート端子に接続され、そのソース端子がフォトダイオードＰＤのカソード端子に接続されている。放電用トランジスタＴ３は、そのソース端子が増幅用トランジスタＴ１のゲート端子に接続され、そのドレイン端子がバイアス電位とされている。選択用トランジスタＴ４は、そのソース端子が増幅用トランジスタＴ１のソース端子と接続され、そのドレイン端子が配線Ｌｎと接続されている。配線Ｌｎには定電流源が接続される。増幅用トランジスタＴ１および選択用トランジスタＴ４は、ソースフォロワ回路を構成している。
【００２２】
転送用トランジスタＴ２は、そのゲート端子に第ｍ行転送制御信号Ｓtrans，ｍを入力し、その第ｍ行転送制御信号Ｓtrans，ｍがハイレベルであるときに、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を増幅用トランジスタＴ１のゲート端子へ転送する。放電用トランジスタＴ３は、そのゲート端子に第ｍ行放電制御信号Ｓreset，ｍを入力し、その第ｍ行放電制御信号Ｓreset，ｍがハイレベルであるときに、増幅用トランジスタＴ１のゲート端子の電荷を放電する。選択用トランジスタＴ４は、そのゲート端子に第ｍ行選択制御信号Ｓaddress,ｍを入力し、その第ｍ行選択制御信号Ｓaddress,ｍがハイレベルであるときに、増幅用トランジスタＴ１から出力される電圧値を外部の配線Ｌｎへ出力する。
【００２３】
このように構成される各受光部Ｐｍ,ｎは、第ｍ行転送制御信号Ｓtrans，ｍがローレベルであって第ｍ行放電制御信号Ｓreset，ｍがハイレベルとなることで、増幅用トランジスタＴ１のゲート端子の電荷が放電され、第ｍ行選択制御信号Ｓaddress,ｍがハイレベルであれば、その初期化状態にある増幅用トランジスタＴ１から出力される電圧値（暗信号成分）が選択用トランジスタＴ４を経て配線Ｌｎに出力される。一方、第ｍ行放電制御信号Ｓreset，ｍがローレベルであって、第ｍ行転送制御信号Ｓtrans，ｍおよび第ｍ行選択制御信号Ｓaddress,ｍそれぞれがハイレベルであれば、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は増幅用トランジスタＴ１のゲート端子に入力して、その電荷の量に応じて増幅用トランジスタＴ１から出力される電圧値（明信号成分）が選択用トランジスタＴ４を経て配線Ｌｎに出力される。
【００２４】
第ｍ行転送制御信号Ｓtrans，ｍ、第ｍ行放電制御信号Ｓreset，ｍ、及び第ｍ行選択制御信号Ｓaddress,ｍそれぞれは、不図示の制御回路から出力され配線を経て受光部Ｐｍ,ｎに入力する。各受光部Ｐｍ,ｎの選択用トランジスタＴ４から配線Ｌｎに出力された電圧値（暗信号成分、明信号成分）は不図示の信号処理回路に入力し、この信号処理回路において差電圧値（＝明信号成分−暗信号成分）が求められて出力される。
【００２５】
図３は、固体撮像装置１Ａの断面構成を説明するための図である。図４（ａ）は、固体撮像装置１Ａをシリコン基板１０の第１主面１０ａ側から見た平面図であり、図４（ｂ）は、固体撮像装置１Ａをシリコン基板１０の第２主面１０ｂ側から見た平面図である。図５は、図４（ａ）のV−V線に沿った断面構成を示す図である。これらの図には、図２中のフォトダイオードＰＤ及び転送用トランジスタＴ２について示されており、他のトランジスタＴ１，Ｔ３，Ｔ４を含む回路ついては、画素回路ＰＣとして簡素化して図示されていると共に、各種配線については図示が省略されている。
【００２６】
固体撮像装置１Ａは、シリコン（Ｓｉ）基板１０を備えている。シリコン基板１０は、互いに対向する第１主面１０ａ及び第２主面１０ｂを含んでいる。シリコン基板１０の第１主面１０ａ側には、各受光部Ｐｍ,ｎが配列されている。シリコン基板１０は、不純物濃度が比較的低いｐ型の領域である。シリコン基板１０は、例えば、ｐ型ウエル領域にて構成することができる。
【００２７】
各受光部Ｐｍ,ｎは、シリコン基板１０の所定領域に形成されたｎ−型の第１半導体領域１１と、第１半導体領域１１及びその周囲の上に形成されたｐ＋型の第２半導体領域１２と、第１半導体領域１１に対して間隔を置いて形成されたｎ＋型の第３半導体領域１３と、シリコン基板１０上であって第１半導体領域１１と第３半導体領域１３との間に絶縁膜１５を介して設けられたゲート電極１６と、を備えている。第１半導体領域１１は、不純物濃度が比較的低いｎ型の領域である。第２半導体領域１２は、不純物濃度が比較的高いｐ型の領域である。第３半導体領域１３は、不純物濃度が比較的高いｎ型の領域である。
【００２８】
本実施形態では、「不純物濃度が比較的高い」とは例えば不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「不純物濃度が比較的低い」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
・シリコン基板１０：厚さ３〜２０μｍ／不純物濃度１×１０１４〜１０１７ｃｍ−３
・第１半導体領域１１：厚さ０．１〜０．５μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２１ｃｍ−３
・第２半導体領域１２：厚さ０．２〜２μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
・第３半導体領域１３：厚さ０．１〜０．３μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２１ｃｍ−３
【００２９】
各受光部Ｐｍ,ｎにおいて、シリコン基板１０、第１半導体領域１１、及び第２半導体領域１２は、埋込型の上記フォトダイオードＰＤを構成している。また、シリコン基板１０、第１半導体領域１１、第３半導体領域１３、及びゲート電極１６は、電界効果型の転送用トランジスタＴ２を構成している。すなわち、ゲート電極１６は転送用トランジスタＴ２のゲート端子に相当し、第１半導体領域１１は転送用トランジスタＴ２のソース端子に相当し、第３半導体領域１３は転送用トランジスタＴ２のドレイン端子に相当する。ゲート電極１６は、絶縁膜１７を介して、シリコン基板１０の第１主面１０ａ側に配置されている。
【００３０】
第３半導体領域１３（転送用トランジスタＴ２のドレイン端子）に接続される配線は、画素回路ＰＣ（他のトランジスタＴ１，Ｔ３，Ｔ４）と接続される。また、ゲート電極１６（転送用トランジスタＴ２のゲート端子）に接続される配線は、不図示の制御回路と接続される。
【００３１】
シリコン基板１０の第２主面１０ｂには、不規則な凹凸２０が形成されている。シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側には、アキュムレーション層２１が形成されており、第２主面１０ｂは光学的に露出している。第２主面１０ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１０ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１０ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００３２】
アキュムレーション層２１は、シリコン基板１０内において第２主面１０ｂ側からｐ型不純物をシリコン基板１０よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、形成される。アキュムレーション層２１の厚みは、例えば１μｍ程度である。アキュムレーション層２１は、不規則な凹凸２０を形成する前に形成してもよく、また、不規則な凹凸２０を形成した後に形成してもよい。なお、シリコン基板１０を熱処理して、アキュムレーション層２１を活性化させることが好ましい。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。このとき、シリコン基板１０の結晶性も回復することとなる。
【００３３】
不規則な凹凸２０は、シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側にパルスレーザ光を照射することにより、形成される。例えば、シリコン基板をガス導入部及びガス排出部を有するチャンバ内に配置し、チャンバの外側に配置されたパルスレーザ発生装置からパルスレーザ光をシリコン基板１０に照射する。チャンバ内には、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部から導入してガス排出部から排出することにより、不活性ガス流が形成される。これにより、パルスレーザ光を照射した際に生じる塵などが不活性ガス流によりチャンバ外に排出され、シリコン基板１０への加工屑や塵などの付着を防ぐことができる。
【００３４】
本実施形態では、パルスレーザ発生装置としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１０ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１０ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図６に示されるように、不規則な凹凸２０が第２主面１０ｂの全面に形成される。不規則な凹凸２０は、第１主面１０ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸２０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸２０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図６は、第２主面１０ｂに形成された不規則な凹凸２０を観察したＳＥＭ画像である。
【００３５】
不規則な凹凸２０を形成した後、シリコン基板１０を熱処理することが好ましい。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。熱処理により、シリコン基板１０における結晶損傷の回復及び再結晶化が図れ、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。なお、アキュムレーション層２１の形成後の熱処理を省略し、不規則な凹凸２０の形成後の熱処理のみとしてもよい。
【００３６】
シリコン基板１０は、アイソレーション領域２３により、各受光部Ｐｍ,ｎに対応する部分毎に光学的に分離されている。アイソレーション領域２３は、シリコン基板１０の厚み方向に伸びており、シリコン基板１０の第１主面１０ａから第２主面１０ｂまで貫通して形成されている。アイソレーション領域２３は、受光部Ｐｍ,ｎに対応する各部分を完全に囲うように、第２主面１０ｂ側から見て、格子状に形成されている。したがって、シリコン基板１０における各受光部Ｐｍ,ｎに対応する部分は、アイソレーション領域２３により、光学的だけでなく、電気的にも分離される。
【００３７】
図に示されているように、光学的に透明な導電膜２４が、シリコン基板１０の第２主面１０ｂ上に形成されている。これにより、シリコン基板１０における各受光部Ｐｍ，ｎに対応する部分のアキュムレーション層２１の電位を、周囲の電位と同じにできる。
【００３８】
アイソレーション領域２３は、例えばトレンチアイソレーションにより構成される。アイソレーション領域２３は、シリコン基板１０をエッチング等によりトレンチ溝を形成した後、トレンチ溝とシリコン基板１０との界面においてシリコン基板１０が吸収する波長帯域の光を反射させる物質（例えば、ＳｉＯ２等の絶縁性材料）でトレンチ溝を埋めることにより、形成される。アイソレーション領域２３の内側には、各受光部Ｐｍ,ｎを囲むように、シャロートレンチアイソレーション（ShallowTrench Isolation：ＳＴＩ）２５が形成されている。
【００３９】
実際に固体撮像装置１Ａを作製する際には、シリコン基板１０の第１主面１０ａ側には、支持基板（図示せず）が接着剤により張り合わされている。これにより、シリコン基板１０の強度が増し、アイソレーション加工などに対応できるようになる。アイソレーション領域２３が格子状に形成されているため、アキュムレーション層２１が画素ごとに分離することとなる。アキュムレーション層２１間の導通をとるために、シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側には、図に示されるように、光学的に透明な導電膜２４が形成されている。導電膜２４は、導電性樹脂等からなる。支持基板は工程終了後、シリコン基板１０から分離される。
【００４０】
固体撮像装置１Ａでは、第２主面１０ｂに不規則な凹凸２０が形成されているために、シリコン基板１０の第１主面１０ａ側からシリコン基板１０に入射した光Ｌは、図７に示されるように、シリコン基板１０内を進み、凹凸２０にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板１０内を長い距離進む。
【００４１】
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。固体撮像装置では、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、シリコン基板内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分と固体撮像装置を透過する光成分に分かれる。固体撮像装置を透過した光は、固体撮像装置の感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、シリコン基板内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
【００４２】
固体撮像装置１Ａでは、光入射面（第１主面１０ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１０ｂに形成された不規則な凹凸２０に到達すると、凹凸２０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸２０にて全反射される。凹凸２０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、シリコン基板１０内部で吸収される光成分もあれば、アイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａに到達する光成分もある。
【００４３】
アイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａに到達する光成分は、凹凸２０での拡散により様々な方向に進むため、アイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａに到達した光成分がアイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａにて全反射する可能性は極めて高い。アイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａにて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、固体撮像装置１Ａに入射した光は、シリコン基板１０の内部を長い距離進むうちに、シリコン基板１０で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００４４】
このように、固体撮像装置１Ａに入射した光Ｌは、その大部分が固体撮像装置１Ａを透過することなく、走行距離が長くされて、シリコン基板１０で吸収されることとなる。したがって、固体撮像装置１Ａでは、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。
【００４５】
第２主面１０ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１０ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、アイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａに到達した光成分がアイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａにて全反射する可能性は低くなる。このため、アイソレーション領域２３との界面や第１主面１０ａ、更には第２主面１０ｂにて透過する光成分が増加し、固体撮像装置に入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での感度特性を向上することは困難となる。
【００４６】
固体撮像装置１Ａでは、シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側にアキュムレーション層２１が形成されている。これにより、第２主面１０ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層２１は、第２主面１０ｂ付近で光により発生した電荷が当該第２主面１０ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生した電荷は、フォトダイオードＰＤ（受光部Ｐｍ,ｎ）へ効率的に移動し、固体撮像装置１Ａの光検出感度を更に向上することができる。
【００４７】
ところで、不規則な凹凸２０に入射した光が反射、散乱、又は拡散することにより、受光部Ｐｍ,ｎ（フォトダイオードＰＤ）間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、固体撮像装置１Ａでは、シリコン基板１０が、アイソレーション領域２３により、受光部Ｐｍ,ｎに対応する部分毎に光学的に実質的に分離されているので、受光部Ｐｍ,ｎ間でのクロストークの発生を抑制することができる。したがって、固体撮像装置１Ａでは、解像度が低下するのを防ぐことができる。
【００４８】
アイソレーション領域２３は、第２主面１０ｂからシリコン基板１０の厚み方向に伸びるように形成されている。これにより、各受光部Ｐｍ,ｎを確実に光学的に分離することができる。アイソレーション領域２３は、第１主面１０ａに達していることが好ましい。この場合、各受光部Ｐｍ,ｎを完全に光学的に分離することができる。
【００４９】
各受光部Ｐｍ,ｎは、増幅用トランジスタＴ１と、転送用トランジスタＴ２と、放電用トランジスタＴ３と、選択用トランジスタＴ４と、を有している。これにより、アクティブピクセル方式の固体撮像装置１Ａを実現することができる。
【００５０】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る固体撮像装置１Ｂを示す構成図である。この図に示されるように、固体撮像装置１Ｂは、シリコン基板上にそれぞれＭ×Ｎ個の、第１の受光部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎ及び第２の受光部ＰＲ１,１〜ＰＲＭ,Ｎ，ＰＧ１,１〜ＰＧＭ,Ｎ，ＰＢ１,１〜ＰＢＭ,Ｎが形成されたものである。各受光部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎ，ＰＲ１,１〜ＰＲＭ,Ｎ，ＰＧ１,１〜ＰＧＭ,Ｎ，ＰＢ１,１〜ＰＢＭ,Ｎは、互いに同等の構成を有していて、それぞれがＭ行Ｎ列に配列されている。受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎはそれぞれ第ｍ行第ｎ列に位置する。ここで、Ｍ，Ｎそれぞれは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の任意の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数である。なお、各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎの動作を制御するための制御信号を伝送する配線、その制御信号を発生する制御回路、各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎから出力される出力信号を伝送する配線、および、その出力信号を処理する信号処理回路については、図示が省略されている。
【００５１】
各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎは、アクティブピクセル方式のものであって、その図示は省略するが、第１実施形態における受光部Ｐｍ,ｎと同じ構成である。すなわち、各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎは、フォトダイオード、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタ、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する為の転送用トランジスタ、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する為の放電用トランジスタ、及び、増幅用トランジスタから出力される電圧値を外部の配線へ出力する為の選択用トランジスタを含む。
【００５２】
第１の受光部Ｐｍ,ｎは、近赤外の波長帯域の光を検出するための領域である。第２の受光部ＰＲｍ,ｎは、可視光、特に、赤の光成分を検出するための領域である。第２の受光部ＰＧｍ,ｎは、可視光、特に、緑の光成分を検出するための領域である。第２の受光部ＰＢｍ,ｎは、可視光、特に、青の光成分を検出するための領域である。受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎで、一つの画素領域が構成される。固体撮像装置１Ｂでは、可視画像と近赤外画像とを取得することが可能である。可視画像と近赤外画像とを取得する固体撮像装置としては、特開２００９−８９１５８号公報に記載された固体撮像装置が存在する。
【００５３】
図９は、固体撮像装置１Ｂの断面構成を説明するための図である。図１０（ａ）は、固体撮像装置１Ｂをシリコン基板１０の第１主面１０ａ側から見た平面図であり、図１０（ｂ）は、固体撮像装置１Ｂをシリコン基板１０の第２主面１０ｂ側から見た平面図である。図１１は、図１０（ａ）のXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。これらの図には、フォトダイオード及び転送用トランジスタについて示されており、他のトランジスタを含む回路ついては、画素回路ＰＣとして簡素化して図示されていると共に、各種配線については図示が省略されている。
【００５４】
固体撮像装置１Ｂは、シリコン（Ｓｉ）基板１０を備えている。シリコン基板１０の第１主面１０ａ側には、各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎが配列されている。各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎは、第１実施形態における受光部ＰＭ,Ｎと同じく、第１半導体領域１１と、第２半導体領域１２と、第３半導体領域１３と、ゲート電極１６と、を備えている。各第２の受光部ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎに対して、赤外光カットフィルタ３０及びカラーフィルタ３１が設けられている。赤外光カットフィルタ３０は、近赤外の波長帯域の光成分をカットするフィルタである。カラーフィルタ３１は、各第２の受光部ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎにて検出する光成分に対応する波長帯域の光を透過させるフィルタである。
【００５５】
シリコン基板１０の第２主面１０ｂには、不規則な凹凸２０が形成されている。シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側には、アキュムレーション層２１が形成されており、第２主面１０ｂは光学的に露出している。
【００５６】
シリコン基板１０は、アイソレーション領域２３により、各受光部Ｐｍ,ｎに対応する部分毎に光学的に実質的に分離されている。アイソレーション領域２３は、シリコン基板１０の厚み方向に伸びており、シリコン基板１０の第１主面１０ａから第２主面１０ｂまで貫通して形成されている。アイソレーション領域２３は、受光部Ｐｍ,ｎに対応する各部分を完全に囲うように、第２主面１０ｂ側から見て、矩形枠状に形成されている。
【００５７】
固体撮像装置１Ｂでは、各第２の受光部ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎに対して、赤外光カットフィルタ３０及びカラーフィルタ３１が設けられているので、各第２の受光部ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎには近赤外の波長帯域の光成分が入射することなく、各第２の受光部ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎにて検出する光成分に対応する波長帯域の光成分が入射する。したがって、各第２の受光部ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎでは、近赤外の波長帯域の光成分が検出されることなく、対応する波長帯域の光が検出されることとなる。一方、各第１の受光部Ｐｍ,ｎに対しては、赤外光カットフィルタ３０が設けられていないため、近赤外の波長帯域の光が入射することとなる。
【００５８】
第１の受光部Ｐｍ,ｎに入射した近赤外の波長帯域の光は、固体撮像装置１Ａと同様に、その走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなる。このため、固体撮像装置１Ｂにおいて、近赤外の波長帯域での感度特性を向上することができる。
【００５９】
各受光部Ｐｍ,ｎ，ＰＲｍ,ｎ，ＰＧｍ,ｎ，ＰＢｍ,ｎは、増幅用トランジスタと、転送用トランジスタと、放電用トランジスタと、選択用トランジスタと、を有している。これにより、アクティブピクセル方式の固体撮像装置１Ｂを実現することができる。
【００６０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００６１】
上記実施形態では、アイソレーション領域２３は、シリコン基板１０の第１主面１０ａから第２主面１０ｂまで貫通して形成されているが、これに限られない。例えば、図１２に示されるように、アイソレーション領域２３は、シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側からシリコン基板１０の途中部分まで伸びるように、すなわち第１主面１０ａに達しないように形成されていてもよい。
【００６２】
アイソレーション領域２３は、不規則な凹凸２０にて反射、散乱、又は拡散された光によるクロストークを抑制するためのものであり、第２主面１０ｂに達していることが極めて好ましい。すなわち、アイソレーション領域２３が第２主面１０ｂに達していることにより、クロストークを確実に防ぐことができる。シリコン基板１０は、アイソレーション領域２３により、受光部Ｐｍ,ｎに対応する各部分毎に光学的に実質的に分離されていればよい。例えば、アイソレーション領域２３は、第２主面１０ｂに必ず達している必要はなく、第２主面１０ｂから離れて形成されていてもよい。この場合は、クロストークを確実に防ぐことはできないが、クロストークを抑制する効果は得ることができる。
【００６３】
上記実施形態では、アイソレーション領域２３は、シリコン基板１０における受光部Ｐｍ,ｎに対応する各部分を完全に囲うように形成されているが、これに限られない。アイソレーション領域２３は、図１３（ａ）及び（ｂ）並びに図１４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、少なくとも第２主面１０ｂ側において、アイソレーション領域２３内に位置するアキュムレーション層２１とアイソレーション領域２３外に位置するアキュムレーション層２１とを接続するための不連続部分を有している、すなわち、第２主面１０ｂ側から見て、アイソレーション領域２３は、断続的に形成されていてもよい。いずれの場合においても、シリコン基板１０の第２主面１０ｂ側での電位を容易に取ることができる。これらの場合、導電膜２４は不要となる。
【００６４】
第２実施形態では、不規則な凹凸２０は、シリコン基板１０の第２主面１０ｂの略全面にわたって形成されているが、これに限られない。例えば、不規則な凹凸２０は、図１５に示されるように、シリコン基板１０の第２主面１０ｂにおける第１の受光部Ｐｍ,ｎに対応する領域のみに形成されていてもよい。
【００６５】
本実施形態に係る固体撮像装置１Ａ，１Ｂは、表面入射型の固体撮像装置であるが、これに限られることなく、裏面入射型の固体撮像装置であってもよい。
【００６６】
本実施形態に係る固体撮像装置１Ａ，１Ｂにおけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１Ａ，１Ｂ…固体撮像装置、１０…シリコン基板、１０ａ…第１主面、１０ｂ…第２主面、１１…第１半導体領域、１２…第２半導体領域、１３…第３半導体領域、１６…ゲート電極、２０…不規則な凹凸、２１…アキュムレーション層、２３…アイソレーション領域、３０…赤外光カットフィルタ、３１…カラーフィルタ、ＰＤ…フォトダイオード、Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎ…受光部（第１の受光部）、ＰＲ１,１〜ＰＲＭ,Ｎ，ＰＧ１,１〜ＰＧＭ,Ｎ，ＰＢ１,１〜ＰＢＭ,Ｎ…第２の受光部、Ｔ１…増幅用トランジスタ、Ｔ２…転送用トランジスタ、Ｔ３…放電用トランジスタ、Ｔ４…選択用トランジスタ。
【図１】
0005536517.tif 000002
【図２】
0005536517.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
0005536517.tif 000007
【図８】
0005536517.tif 000008
【図９】
0005536517.tif 000009
【図１０】
0005536517.tif 000010
【図１１】
0005536517.tif 000011
【図１２】
0005536517.tif 000012
【図１３】
0005536517.tif 000013
【図１４】
0005536517.tif 000014
【図１５】
0005536517.tif 000015
【図６】
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