(57)【要約】【課題】長波光により生成された信号電荷のクロストークを低減することが可能な固体撮像素子、撮像装置および固体撮像素子の製造方法を提供する。【解決手段】第１導電型の半導体基板又はウェルと、前記半導体基板又は前記ウェルに不純物を注入して形成され、所定幅を有する分離領域により互いに分離された前記第１導電型とは異なる第２導電型の複数の拡散領域と、前記複数の拡散領域を覆うように形成されたマイクロレンズと、前記分離領域の下方に形成された領域であって、前記半導体基板又は前記ウェルに不純物を注入して形成された前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高濃度の不純物濃度を有する前記第１導電型の不純物領域と、を備えることを特徴とする固体撮像素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板又はウェルと、
前記半導体基板又は前記ウェルに不純物を注入して形成され、所定幅を有する分離領域により互いに分離された前記第１導電型とは異なる第２導電型の複数の拡散領域と、
前記複数の拡散領域を覆うように形成されたマイクロレンズと、
前記分離領域の下方に形成された領域であって、前記半導体基板又は前記ウェルに不純物を注入して形成された前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高濃度の不純物濃度を有する前記第１導電型の不純物領域と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記分離領域の不純物濃度は、前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高く、前記不純物領域の不純物濃度よりも低いことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記分離領域は、絶縁物が充填された溝が設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
第１導電型の半導体基板又はウェルと、
前記半導体基板又は前記ウェルに形成され、所定幅を有する分離領域により互いに分離された前記第１導電型とは異なる第２導電型の複数の拡散領域と、
前記複数の拡散領域を覆うように形成されたマイクロレンズと、
前記分離領域の下方に形成され、前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高濃度の不純物濃度を有する前記第１導電型の不純物領域と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
第１導電型の半導体基板又はウェルに第１不純物を注入し、所定幅を有する分離領域により互いに分離された第２導電型の複数の拡散領域を形成する拡散領域形成工程と、
前記第１不純物とは異なる第２不純物を前記半導体基板又は前記ウェルに注入し、前記分離領域の下方に、前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する不純物領域を形成する不純物領域形成工程と、
前記複数の拡散領域を覆うマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、撮像装置および固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮影光学系の異なる瞳からの光束をそれぞれ受光する複数の受光素子を１つの画素内に設けた固体撮像素子が知られている。例えば特許文献１には、一対の光電変換部を備えた焦点検出画素の受光出力に対して相関演算処理を行い、デフォーカス量を算出するデジタルカメラが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３４０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように、１つの画素に複数のフォトダイオードを作り込む場合、長波光により生成された信号電荷のクロストークが増大するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の固体撮像素子は、第１導電型の半導体基板又はウェルと、前記半導体基板又は前記ウェルに不純物を注入して形成され、所定幅を有する分離領域により互いに分離された前記第１導電型とは異なる第２導電型の複数の拡散領域と、前記複数の拡散領域を覆うように形成されたマイクロレンズと、前記分離領域の下方に形成された領域であって、前記半導体基板又は前記ウェルに不純物を注入して形成された前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高濃度の不純物濃度を有する前記第１導電型の不純物領域と、を備えることを特徴とする。
請求項５に記載の撮像装置は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする。
請求項６に記載の固体撮像素子の製造方法は、第１導電型の半導体基板又はウェルに第１不純物を注入し、所定幅を有する分離領域により互いに分離された第２導電型の複数の拡散領域を形成する拡散領域形成工程と、前記第１不純物とは異なる第２不純物を前記ウェルに注入し、前記分離領域の下方に、前記半導体基板又は前記ウェルの不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する不純物領域を形成する不純物領域形成工程と、前記複数の拡散領域を覆うマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、長波光により生成された信号電荷のクロストークを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明を適用した撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】撮像素子１５の撮像面の拡大図である。
【図３】Ｇ画素２１ｇの構成を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る撮像素子１５の構成を示す、Ｇ画素２１ｇの断面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る撮像素子１５の構成を示す、Ｇ画素２１ｇの断面図である。
【図６】各実施形態の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置１は、複数のレンズ１１、１２、１３から成る撮影光学系と、撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子１５とを有する。制御装置１９は、撮像素子１５から出力された撮像信号（受光信号）に基づいて撮影光学系の焦点調節状態を検出したり、撮影画像データを作成して液晶ディスプレイ１８や電子ビューファインダー１６に表示したりする。
【０００９】
次に、第１の実施の形態に係る撮像装置１が備える撮像素子１５の詳細について説明する。撮像素子１５はＣＭＯＳイメージセンサとして構成され、撮像面（撮影光学系を透過した被写体光が入射する面）には複数の画素が二次元状に配列されている。
【００１０】
次に、第１の実施の形態に係る撮像装置１が備える撮像素子１５の詳細について説明する。撮像素子１５はＣＭＯＳイメージセンサとして構成され、撮像面（撮影光学系を透過した被写体光が入射する面）には複数の画素が二次元状に配列されている。
【００１１】
図２は、撮像素子１５の撮像面の拡大図である。撮像素子が有する各々の画素は、マイクロレンズとその後側に配置されマイクロレンズを透過した被写体光を受光するフォトダイオードとを備える。
【００１２】
マイクロレンズとフォトダイオードとの間には、画素ごとに赤、青、緑のカラーフィルタが設置されている。以下、赤のカラーフィルタを有する画素をＲ画素と、青のカラーフィルタを有する画素をＢ画素と、緑のカラーフィルタを有する画素をＧ画素と、それぞれ称する。Ｒ画素２１ｒ、Ｇ画素２１ｇ、Ｂ画素２１ｂの配列パターンは、周知のベイヤー配列である。
【００１３】
本実施形態では、緑のカラーフィルタを備えるＧ画素２１ｇは、Ｒ画素２１ｒやＢ画素２１ｂが備えるフォトダイオードを左右に２分割した形状の、一対のフォトダイオードを有している。一対のフォトダイオードは、撮影光学系の異なる瞳から出射した一対の光束をそれぞれ受光する。制御装置１９は、この一対の光束による受光出力を用いて、周知の位相差検出演算を行うことにより、撮影光学系の焦点調節状態を検出する。また、制御装置１９は、画像データを作成する際、一対のフォトダイオードの各々における受光出力を合算することにより、Ｇ画素２１ｇから、１つのフォトダイオードのみを有する他の画素（Ｒ画素２１ｒやＢ画素２１ｂ）と同様の受光出力を得る。
【００１４】
図３は、Ｇ画素２１ｇの構成を示す断面図である。一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂは、Ｎ型の半導体基板３１上のＰ型ウェル３２に不純物を注入して形成されている。一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂによりそれぞれ生成された信号電荷は、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの各々に接続された転送トランジスタ３５ａ、３５ｂを介して個別に読み出すことが可能である。なお図３では図示を省略しているが、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの受光面は、１つのマイクロレンズにより被覆されている。
【００１５】
Ｇ画素２１ｇを有する撮像素子１５の製造方法は以下の通りである。まず、Ｎ型の半導体基板３１上にＰ型ウェル３２を形成する。そして、Ｐ型のウェル３２にＮ型の不純物を注入して一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂを形成する。一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂは一定の間隙ｄにより互いに分離して形成されるが、この間隙ｄは可能な限り小さくすることが望ましい。例えばＧ画素２１ｇの幅を５マイクロメートルとしたとき、間隙ｄを０．５マイクロメートル程度とする。これにより、フォトダイオード近傍で生成されたキャリアのクロストークを低減することができる。
【００１６】
このとき、間隙ｄの下方の、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂより深い（一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂよりも半導体基板３１に近い）Ｐ型のウェル３２内にＰ型不純物を注入し、Ｐ型のウェル３２の不純物濃度よりも高濃度の不純物濃度を有するＰ型不純物領域３６を形成しておく。その後、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの上部にＰ型の表面領域３４を形成する。なお、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの各々を形成する前に、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの各々により生成された信号電荷をウェル３２から読み出すための転送トランジスタ３５ａ、３５ｂが形成される。
【００１７】
例えば、Ｐ型のウェル３２の不純物濃度を５．０×１０１１〜４．０×１０１２ｃｍ−３程度とし、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂを構成するＮ型の拡散領域の不純物濃度を１．７×１０１３ｃｍ−３程度としたとき、高濃度のＰ型不純物領域３６の不純物濃度を６．０×１０１２ｃｍ−３程度とする。
【００１８】
上述した第１の実施の形態による撮像装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）Ｐ型のウェル３２にＮ型の不純物を注入し、所定幅を有する間隙ｄにより互いに分離されたＮ型の一対の拡散領域を形成した。更に、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂを覆うようにマイクロレンズを形成した。すなわち、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂは１つの画素に含まれている。そして、Ｐ型のウェル３２に不純物を注入し、Ｐ型ウェル３２の不純物濃度よりも高濃度の不純物濃度を有する不純物領域３６を形成した。不純物領域３６は、間隙ｄの下方に形成された領域である。このようにしたので、長波光により生成されたキャリアのクロストークを低減することができる。また、間隙ｄへの不純物注入量はＰ型のウェル３２と同量であり、不純物注入量を抑えることができる。このようにしたので、不純物注入起因の結晶欠陥密度を低減することができ、暗電流を低減できる。
【００１９】
（２）Ｐ型不純物領域３６が存在することにより、Ｐ型のウェル３２の比較的深い位置において、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの間には高いポテンシャル障壁が形成されることになる。つまり、Ｐ型のウェル３２には、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの各々により生成された信号電荷をそれぞれ蓄積する複数の電荷蓄積領域が存在するが、それら複数の電荷蓄積部の間には高ポテンシャル領域が形成されている。従って、Ｐ型のウェル３２の比較的深い位置において生成される長波光により生成されたキャリアのクロストークが低減される。
【００２０】
（３）Ｐ型不純物領域３６は、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂよりも深い位置に形成される。従って、より浅い位置までＰ型不純物領域３６を形成する場合に比べて、Ｐ型不純物領域３６の形成のために注入される不純物が、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂに浸食する量を低減することができる。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る撮像素子１５の構成を示す、Ｇ画素２１ｇの断面図である。本実施形態では、第１の実施の形態で説明したＰ型不純物領域３６に加えて、更に、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの間の間隙ｄに、Ｐ型不純物領域３６よりも不純物濃度の薄いＰ型不純物領域４１が形成されている。
【００２２】
例えば、Ｐ型のウェル３２の不純物濃度を５．０×１０１１〜４．０×１０１２ｃｍ−３程度とし、高濃度のＰ型不純物領域３６の不純物濃度を６．０×１０１２ｃｍ−３程度としたとき、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂ間に形成されるＰ型不純物領域４１の不純物濃度を５．０×１０１２ｃｍ−３以下とする。
【００２３】
以上のように、不純物領域３６に注入した不純物の濃度よりも低濃度の不純物をウェル３２に注入し、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂを分離する間隙ｄに不純物領域４１を形成した。これにより、フォトダイオード間の分離幅を小さく保ったまま、フォトダイオード近傍で生成されたキャリアの吸い込み口となるフォトダイオードを大きくとることができるため、クロストークを低減することができる。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態に係る撮像素子１５の構成を示す、Ｇ画素２１ｇの断面図である。本実施形態では、第１の実施の形態で説明したＰ型不純物領域３６に加えて、更に、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの間の間隙ｄに、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂを電気的に分離するためのトレンチ５１が形成されている。
【００２５】
トレンチ５１は、例えばシャロートレンチアイソレーション法などにより形成され、その内部にはシリコンの酸化膜等が充填されている。また、トレンチ５１の周囲には、トレンチ５１の存在により生じる暗電流を低減するための高濃度のＰ型不純物領域５２が形成されている。例えば、Ｐ型のウェル３２の不純物濃度を５．０×１０１１〜４．０×１０１２ｃｍ−３程度とし、高濃度のＰ型不純物領域３６の不純物濃度を６．０×１０１２ｃｍ−３程度としたとき、トレンチ５１の周囲に形成されるＰ型不純物領域５２の不純物濃度は５．０×１０１３ｃｍ−３程度とすればよい。
【００２６】
以上のように、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂ間の間隙ｄに、絶縁物を充填したトレンチ５１を形成することで、第２の実施の形態と同様に、フォトダイオード間のクロストークを低減することができる。
【００２７】
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
【００２８】
（変形例１）
１つの画素内に作り込まれるフォトダイオードの数および配置は、図２に示したものに限定されない。例えば図６（ａ）に示すように、一対のフォトダイオードの向きが図２と異なっていてもよい。この場合も第１の実施の形態等と同様に、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの間の間隙の下方に高濃度のＰ型不純物領域３６を形成すればよい。つまり、一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂの向きに合わせてＰ型不純物領域３６を形成すればよい。図６（ａ）では一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂが紙面の水平方向に沿って配置されているので、Ｐ型不純物領域３６も紙面の水平方向に沿って配置されている。
【００２９】
また、別の例を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）の例では、１つの画素内に計４つのフォトダイオード３３ａ〜３３ｄが２行２列に配置されている。このような画素を用意することで、水平方向と垂直方向の両方の方向について位相差を検出することができる。この場合も前述の例と同様に、各フォトダイオード３３ａ〜３３ｄの間隙の下方に高濃度のＰ型不純物領域３６を形成すればよい。図６（ｂ）では十字型の間隙が形成されているので、Ｐ型不純物領域３６もこれに併せて十字型としている。
【００３０】
（変形例２）
一対のフォトダイオードの形状は、図３等に示したものに限定されない。例えば図６（ｃ）のように、間隙ｄに面したフォトダイオード３３ａ、３３ｂの端部が、Ｐ型のウェル３２の奥に向かって伸びていてもよい。一対のフォトダイオード３３ａ、３３ｂがこのような形状を有していた場合でも、Ｐ型不純物領域３６を間隙ｄの下方に形成することで、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
（変形例３）
１つのフォトダイオードのみを有する画素と、複数のフォトダイオードを有する画素と、の数および配列は、図２に示したものと異なっていてもよい。例えば、撮像素子１５のすべての画素がＧ画素２１ｇのように複数のフォトダイオードを有していてもよいし、特定の列の画素のみがＧ画素２１ｇのように複数のフォトダイオードを有していてもよい。また、緑ではないカラーフィルタを有する画素が複数のフォトダイオードを有していてもよい。
【００３２】
（変形例４）
上述した各実施形態において挙げた半導体基板や不純物の導電型、不純物濃度、各部の寸法等は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上述した半導体基板や不純物の導電型、不純物濃度、各部の寸法等を変更した場合であっても、本発明を適用し、上述した効果を得ることが可能である。
【００３３】
（変形例５）
上述した各実施形態では、表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサである撮像素子１５に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサに適用することも可能である。
【００３４】
（変形例６）
上述した各実施の形態では、Ｎ型半導体基板３１上のＰ型ウェル３２にフォトダイオードを形成した例について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されない。例えば、Ｐ型半導体基板にフォトダイオードを形成した場合であっても、本発明を適用することが可能である。
【００３５】
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１…撮像装置、１５…撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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