(57)【要約】【課題】画素を微細化しても混色による画像劣化が少ない固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置１は、第１の光電変換領域１３と、第１の光電変換領域１３よりも浅い領域に形成された第２の光電変換領域１５とを有し、平面視において、第１の光電変換領域１３が形成された位置は、第２の光電変換領域１５が形成された位置に比べ、当該第２の光電変換領域１５に入射する主光線３、５の向かう方向に沿ってずれており、第１の光電変換領域１３が形成された位置の第２の光電変換領域１５が形成された位置に対するずれの大きさは、第２の光電変換領域１５に入射する主光線３、５の傾きの大きさに応じて画素セルごとに異なっている。【選択図】図２
2018190749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主光線を含む入射光を受ける画素セルが２次元状に配置された撮像領域を有する半導体基板を備え、
前記画素セルの各々は、前記半導体基板内に形成された第１の光電変換領域と、前記半導体基板のうち前記第１の光電変換領域よりも浅い領域に形成された第２の光電変換領域とを有し、
平面視において、前記第１の光電変換領域が形成された位置は、前記第２の光電変換領域が形成された位置に比べ、当該第２の光電変換領域に入射する前記主光線の向かう方向に沿ってずれており、
前記第１の光電変換領域が形成された位置の前記第２の光電変換領域が形成された位置に対するずれの大きさは、前記第２の光電変換領域に入射する前記主光線の傾きの大きさに応じて前記画素セルごとに異なっている固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記第１の光電変換領域が形成された位置の前記第２の光電変換領域が形成された位置に対するずれの大きさは、前記第２の光電変換領域に入射する前記主光線の傾きが大きくなるにつれて大きくなることを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示された技術は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外感度を向上したイメージセンサが多く提案されている。赤外感度を向上させる技術の１つが特許文献１に記載されている。図１０は、特許文献１に記載された固体撮像装置（従来の固体撮像装置）を模式的に示す断面図である。同図に示す固体撮像装置は、シリコン基板１１１に設けられ、厚さが１０μｍ以上のフォトダイオード１１３を備えている。シリコンの赤外線吸収は比較的小さいが、フォトダイオード１１３の厚みを増すことによって赤外感度の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６０１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年はより解像度の高い画像を得るために画素の微細化が進められている。フォトダイオード１１３の厚みが１０μｍと厚い構造において画素の微細化が進むと、図１０に示すように、フォトダイオード１１３が細長い構造になり、マイクロレンズ１１９を通してシリコン基板１１１に入射する斜め光が所定の画素を通過して隣接する画素に到達することがある。その結果、従来の固体撮像装置では、混色が発生する可能性がある。
【０００５】
ここで、図１０を用いて混色が発生するメカニズムをより詳しく説明する。
【０００６】
光電変換を行うフォトダイオード１１３では、一般にシリコン基板内の画素間領域に不純物を導入するなどして、互いに隣接する画素１２３ａ、１２３ｂ間にポテンシャル勾配を有するポテンシャル障壁を形成し、画素間を電気的に分離している。
【０００７】
図１０に示すように、画素１２３ａの開口から入射した斜め光が、画素１２３ｂに近い領域Ａで光電変換されるとすると、上記ポテンシャル勾配によって、本来画素１２３ａの信号として取り出されなければならない信号電荷が隣接する画素１２３ｂに流れ込んでしまい、混色が発生してしまう。
【０００８】
このような課題に鑑み、本発明は、画素を微細化しても混色による画像劣化が少ない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】
【０００９】
本明細書に開示された実施形態に係る固体撮像装置は、主光線を含む入射光を受ける画素セルが２次元状に配置された撮像領域を有する半導体基板を備えている。前記画素セルの各々は、前記半導体基板内に形成された第１の光電変換領域と、前記半導体基板のうち前記第１の光電変換領域よりも浅い領域に形成された第２の光電変換領域とを有し、平面視において、前記第１の光電変換領域が形成された位置は、前記第２の光電変換領域が形成された位置に比べ、当該第２の光電変換領域に入射する前記主光線の向かう方向に沿ってずれており、前記第１の光電変換領域が形成された位置の前記第２の光電変換領域が形成された位置に対するずれの大きさは、前記第２の光電変換領域に入射する前記主光線の傾きの大きさに応じて前記画素セルごとに異なっている。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書に開示された固体撮像装置によれば、画素を微細化しても混色による画像劣化が生じにくくなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る固体撮像装置と、これに入射する光線を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す固体撮像装置の領域Ａ、Ｂを拡大して示す断面図である。
【図３】図３は、固体撮像装置の撮像領域において、第１の光電変換領域と第２の光電変換領域との位置ずらし量の一例を示す図である。
【図４】図４は、実施形態の一例に係る固体撮像装置において、撮像領域の中心からの距離と主光線の入射角との関係を示す図である。
【図５】図５は、固体撮像装置の撮像領域において、第１の光電変換領域と第２の光電変換領域との位置ずらし量の他の例を示す図である。
【図６】図６は、固体撮像装置において、不純物の分布を示す断面図である。
【図７】図７は、本開示の一例に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】図８は、本開示の一例に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】図９は、本開示の一例に係る固体撮像装置の製造方法の変形例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、従来の固体撮像装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施形態に係る固体撮像装置について、図を用いて説明する。
【００１３】
−固体撮像装置の構成−
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置と、これに入射する光線を概略的に示す断面図であり、図２は、図１に示す固体撮像装置の領域Ａ、Ｂを拡大して示す断面図である。
【００１４】
本実施形態の固体撮像装置１は、携帯電話やデジタルカメラ等の撮像装置に用いられる。撮像装置において、図１に示す例では、固体撮像装置１の領域Ａにレンズ１０を通った主光線３と従属光線７、９とが入射し、固体撮像装置１の領域Ｂには主光線５が入射する。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、主光線３、５及び従属光線７、９を含む入射光を受ける複数の画素セル２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ．．．が２次元状に配置された撮像領域を有する半導体基板１１を備えている。半導体基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）で構成されているが、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等の他の半導体で構成されていてもよい。半導体基板１１は、Ｓｉ等からなる基板上にＳｉ等からなる半導体層をエピタキシャル成長させて作製されたものであってもよい。
【００１６】
画素セル２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ．．．の各々は、半導体基板１１内に形成された第１の光電変換領域１３と、半導体基板１１のうち第１の光電変換領域１３よりも浅い領域に形成された第２の光電変換領域１５とを有している。図２に示す固体撮像装置１では、第１の光電変換領域１３の例として具体的に第１の光電変換領域１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが挙げられ、第２の光電変換領域１５の例として具体的に第２の光電変換領域１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが示されている。
【００１７】
また、第２の光電変換領域１５ａ上にはｐ型層２２ａが、第２の光電変換領域１５ｂ上にはｐ型相２２ｂが、第２の光電変換領域１５ｃ上にはｐ型相２２ｃが、第２の光電変換領域１５ｄ上にはｐ型相２２ｄが、それぞれ形成されている。
【００１８】
半導体基板１１において、互いに隣接する第１の光電変換領域１３同士は、ポテンシャル障壁によって電気的に分離されている。例えば、画素セル２３ａに含まれる第１の光電変換領域１３ａと画素セル２３ｂに含まれる第１の光電変換領域１３ｂとは、ポテンシャル障壁２１ａ（第１のポテンシャル障壁）によって電気的に分離されている。画素セル２３ｃに含まれる第１の光電変換領域１３ｃと画素セル２３ｄに含まれる第１の光電変換領域１３ｄとは、ポテンシャル障壁２１ｘによって電気的に分離されている。
【００１９】
互いに隣接する第２の光電変換領域１５同士は、ポテンシャル障壁によって電気的に分離されている。例えば、画素セル２３ａに含まれる第２の光電変換領域１５ａと画素セル２３ｂに含まれる第２の光電変換領域１５ｂとは、ポテンシャル障壁２１ｂ（第２のポテンシャル障壁）によって電気的に分離されている。画素セル２３ｃに含まれる第２の光電変換領域１５ｃと画素セル２３ｄに含まれる第２の光電変換領域１５ｄとは、ポテンシャル障壁２１ｙによって電気的に分離されている。
【００２０】
ポテンシャル障壁２１ａ、２１ｂは互いに接続されており、同じ導電型の不純物を含んでいる。ポテンシャル障壁２１ｘ、２１ｙも互いに接続されており、同じ導電型の不純物を含んでいる。ここでは、ポテンシャル障壁２１ａ、２１ｂ、２１ｘ、２１ｙはｐ型不純物を含んでいる。この構成により、隣接する画素セルへの電荷の漏れを抑えている。
【００２１】
また、半導体基板１１の第１の光電変換領域１３の底部と接し、ポテンシャル障壁２１ａ、２１ｘに接続されるオーバーフローバリア２０を設けてもよい。オーバーフローバリア２０を設けることにより、第１の光電変換領域１３に蓄積された電荷が隣接する画素セルへと抜けるのを防ぐことができる。
【００２２】
半導体基板１１上にはトランジスタ（図示せず）、複数層の配線１７及びマイクロレンズ１９等が設けられている。マイクロレンズ１９は入射光を光電変換領域に集光させるための部材であり、画素セルごとに設けられている。
【００２３】
本実施形態の固体撮像装置１では、平面視において、第１の光電変換領域１３が形成された位置は、第２の光電変換領域１５が形成された位置に比べ、当該第２の光電変換領域１５に入射する主光線の向かう方向に沿ってずれている。つまり、第２の光電変換領域１５に対して第１の光電変換領域１３をずらす方向は、撮像領域６（図３参照）の中心から離れる方向（すなわち、撮像領域６の中心に向かう方向とは逆の方向）となっている。第１の光電変換領域１３が形成された位置の第２の光電変換領域１５が形成された位置に対するずれの大きさは、第２の光電変換領域１５に入射する主光線の傾きの大きさに応じて画素セルごとに異なっている。
【００２４】
図３は、本実施形態の固体撮像装置１の撮像領域６において、第１の光電変換領域１３と第２の光電変換領域１５との位置ずらし量（即ち、オフセット量））の一例を示す図である。
【００２５】
同図に示す例では、平面視における撮像領域６の中心の座標を（０，０）とするとき、当該中心からｘ方向にＸ、ｙ方向にＹだけ離れた座標（Ｘ，Ｙ）に位置する画素セルでのｘ方向の位置ずらし量はａＸ、ｙ方向の位置ずらし量はａＹとなっている。ここで、ｘ方向とｙ方向とは基板の上面において互いに直交する方向であり、ａは定数とする。定数ａは、光学シミュレーションにより求められてもよいし、実験によって求められてもよい。
【００２６】
図４は、本実施形態の一例に係る固体撮像装置１において、撮像領域６の中心からの距離と主光線の入射角との関係を示す図であり、図５は、固体撮像装置１の撮像領域６において、第１の光電変換領域１３と第２の光電変換領域１５との位置ずらし量の他の例を示す図である。図４に示すように、主光線の入射角θと撮像領域６の中心からの距離Ｚとの関係はθ＝ｆ（Ｚ）で表される。従って、位置ずらし量を主光線の入射角θに比例、あるいは関連付けるように設定してもよい。
【００２７】
図５に示す例では、ｘ方向の位置ずらし量をａ・（Ｘ／Ｚ）・θ＝ａ・（Ｘ／Ｚ）・ｆ（Ｚ）とし、ｙ方向の位置ずらし量をａ・（Ｙ／Ｚ）・θ＝ａ・（Ｙ／Ｚ）・ｆ（Ｚ）としている。
【００２８】
以上のような構成をとることにより、図２に示すように、主光線が撮像領域６に対して傾いている場合であっても図１０に示す従来の固体撮像装置に比べて第１の光電変換領域１３でより確実に主光線を光電変換することができるので、光電変換の感度を向上させることができる。また、画素セルのサイズが小さい場合であっても主光線が隣接する画素セル内に漏れにくくなるので、混色の発生を低減することができる。その結果、本実施形態の固体撮像装置１によれば、良好な画像を得ることが可能となる。
【００２９】
なお、従属光線の入射方向は主光線の入射方向とは異なるが、従属光線の光量は主光線を中心に分布しているので、主光線を吸収しやすい位置に第１の光電変換領域１３をずらして配置することが混色の発生防止や感度の向上に効果的である。
【００３０】
また、上述のように第１の光電変換領域１３のずらし量を最適化することにより、光学的により優れた固体撮像装置１を実現することができる。
【００３１】
本実施形態の固体撮像装置１では、平面視においてポテンシャル障壁２１ａが形成された位置が、ポテンシャル障壁２１ｂが形成された位置に比べてポテンシャル障壁２１ｂに隣接する第２の光電変換領域１５ａに入射する主光線５の向かう方向に沿ってずれている。ポテンシャル障壁２１ａが形成された位置のポテンシャル障壁２１ｂが形成された位置に対するずれの大きさは、ポテンシャル障壁２１ｂに隣接する第２の光電変換領域１５ａに入射する主光線５の傾きが大きくなるにつれて大きくなる。ポテンシャル障壁２１ｙに対するポテンシャル障壁２１ｘのずれもポテンシャル障壁２１ａとポテンシャル障壁２１ｂとの関係と同様である。
【００３２】
なお、第１の光電変換領域１３の第２の光電変換領域１５に対するｘ方向及びｙ方向のずれ量は任意であってもよいが、ずれ量が大きくなりすぎると例えば画素セル２３ｂ内の第１の光電変換領域１３ｂで光電変換された信号電荷が、隣接する画素セル２３ａから読み出されることとなる。従って、ｘ方向及びｙ方向のずれ量の上限をそれぞれ画素セルの画素間ピッチの半分としてもよい。
【００３３】
主光線の傾きが大きく、第１の光電変換領域１３の位置をより大きくずらす必要がある場合、第１の光電変換領域と第２の光電変換領域のように光電変換領域を２つに分割するのではなく、３つ以上に分割し、それぞれ下方の領域を上方の領域に対して所望の方向にずらせばよい。
【００３４】
また、第２の光電変換領域１５の中心は、配線１７により半導体基板１１の上方に形成される開口の中心と一致させてもよい。この構成によれば、主に半導体基板１１の上面近傍で光電変換される短波長光を効率的に光電変換することが可能となる。
【００３５】
図６は、本実施形態の固体撮像装置１において、不純物の分布を示す断面図である。同図に示すように、ｐ型層であるポテンシャル障壁２１ａ、２１ｂとｎ型層である第１の光電変換領域１３ａ、１３ｂ及び第２の光電変換領域１５ａ、１５ｂとの境界は実際には一部凹凸のある形状になっている。
【００３６】
図６に示す例では、第１の光電変換領域１３ａ、１３ｂとその直上の第２の光電変換領域１５ａ、１５ｂとはそれぞれ電気的及び物理的に接続されており、第１の光電変換領域１３ａと第２の光電変換領域１５ａ、及び第１の光電変換領域１３ｂと第２の光電変換領域１５ｂとでそれぞれ１つずつのフォトダイオード１８ａ、１８ｂを形成している。つまり、フォトダイオード１８ａは、ｎ型の第１の光電変換領域１３ａと、ｎ型の第２の光電変換領域１５ａと、第２の光電変換領域１５ａ上に形成されたｐ型層２２ａとを有している。
【００３７】
半導体基板１１がシリコンで構成されている場合、ｐ型層２２ａ、２２ｂは例えば半導体基板１１の上面から深さ５ｎｍ〜２５０ｎｍ程度までの位置に形成され、第２の光電変換領域１５ａ、１５ｂは半導体基板１１の上面から深さ３〜１０μｍ程度以内の位置に形成される。第１の光電変換領域１３ａ、１３ｂは半導体基板１１の上面から深さ５μｍ〜    ２０μｍ以内の位置に形成される。
【００３８】
ｐ型層２２ａ、２２ｂ中の不純物濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度であり、第２の光電変換領域１５ａ、１５ｂ中の不純物濃度は、１×１０１３ｃｍ−３〜１×１０１６ｃｍ−３程度である。第１の光電変換領域１３ａ、１３ｂ中の不純物濃度は、１×１０１３ｃｍ−３〜１×１０１６ｃｍ−３程度である。ポテンシャル障壁２１ａ、２１ｂ中の不純物濃度は、それぞれ１×１０１３ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３程度、及び１×１０１３ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３程度である。
【００３９】
なお、以上で説明した固体撮像装置１の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４０】
例えば、図２、６に示す例では、第１の光電変換領域１３と第２の光電変換領域１５とが接続されており、同じ画素セル内に形成された第１の光電変換領域１３と第２の光電変換領域１５から１つの信号電荷を読み出しているが、第１の光電変換領域１３と第２の光電変換領域１５とをそれぞれ電気的に分離された別個のフォトダイオードとしてもよい。この場合、それぞれのフォトダイオードから独立に信号電荷が読み出される。
【００４１】
また、図２に示すマイクロレンズ１９は必ずしも設けられていなくてもよいが、設けられていることによって入射光を効果的に光電変換領域へと導くことができる。マイクロレンズ１９を設ける場合、配線１７により形成される開口に対してマイクロレンズ１９の位置をずらしてもよい。主光線の傾きが大きくなるにつれてレンズ１０の光軸に近づく方向にマイクロレンズ１９の位置をずらすことにより、斜め方向の入射光をより効率的に光電変換領域へと導くことが可能となり、固体撮像装置１の感度を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態の固体撮像装置１では、ｐ型のポテンシャル障壁を設けてポテンシャル勾配を形成することで光電変換領域間の電気的分離を図っているが、シリコン酸化膜や金属膜等によって物理的に分離してもよい。
【００４３】
また、以上では、配線層を形成した面の側から光が入射する表面照射型の撮像装置として説明した。しかしながら、これには限られず、配線層を形成した面とは反対側から光を入射する裏面照射型の撮像装置であっても良い。  
【００４４】
−固体撮像装置の製造方法−
次に、本実施形態の固体撮像装置１の製造方法の一例を説明する。図７及び図８は、本実施形態の固体撮像装置１の製造方法を示す断面図である。
【００４５】
まず、ｎ型不純物を含む半導体基板１１を準備する。この半導体基板１１の深い位置にはｐ型のオーバーフローバリア２０をあらかじめ形成しておいてもよい。
【００４６】
次に、図７に示す工程では、半導体基板１１の上面上にレジストマスク１４を形成した後、第１の光電変換領域１３となる領域の上方を覆い、それ以外の領域を露出させるように当該レジストマスク１４をパターニングする。次いで、ドーズ量１×１０１０ｃｍ−２〜１×１０１３ｃｍ−２、注入エネルギー２０００〜３００００ｋｅＶ程度でｐ型不純物（例えばボロン）１２Ａを半導体基板１１の深い位置に注入する。これにより、半導体基板１１内にｎ型の第１の光電変換領域１３と、互いに隣接する第１の光電変換領域１３間に配置されたｐ型のポテンシャル障壁２１ａ、２１ｘが形成される。
【００４７】
次に、図８に示す工程では、レジストマスク１４を除去した後、第２の光電変換領域１５となる領域の上方を覆い、それ以外の領域を露出させるレジストマスク１６を形成する。レジストマスク１４の位置とレジストマスク１６の位置とは、撮像領域の中心からの平面上の距離によって、あらかじめ設定された分ずらせている。
【００４８】
次いで、ドーズ量１×１０１０ｃｍ−２〜１×１０１３ｃｍ−２、注入エネルギー５０〜１００００ｋｅＶ程度でｐ型不純物１２Ｂをｎ型層８（すなわち、半導体基板１１の上部領域）に注入し、所定の熱処理を行う。これにより、ｎ型の第２の光電変換領域１５と、互いに隣接する第２の光電変換領域１５間に配置されたｐ型のポテンシャル障壁２１ｂ、２１ｙを形成する。なお、ここではｐ型不純物をイオン注入することのみを説明しているが、第１の光電変換領域１３及び第２の光電変換領域１５にリンやヒ素などのｎ型不純物を追加で注入してもよい。
【００４９】
その後、レジストマスク１６を除去してから、トランジスタや配線等の部材を公知の方法により形成することで、本実施形態の固体撮像装置１が作製できる。なお、ポテンシャル障壁２１ａ、２１ｘの形成とポテンシャル障壁２１ｂ、２１ｙの形成とはどちらを先に行ってもよい。
【００５０】
図９は、固体撮像装置１の製造方法の変形例を示す断面図である。同図に示すように、本変形例に係る方法では、上述の製造方法と同様に、半導体基板１１内の第１の領域にポテンシャル障壁３０形成する工程と、第１の領域よりも浅い第２の領域に、ポテンシャル障壁３０と電気的に接続するポテンシャル障壁４０を形成する工程とを行う。
【００５１】
本変形例の方法では、ポテンシャル障壁３０、４０の形成工程を行う際に、ポテンシャル障壁３０の上部の深さ位置とポテンシャル障壁４０の下部の深さ位置とを一部重複させる点が、上述の方法と異なっている。
【００５２】
具体的には、ポテンシャル障壁３０を形成するために例えば図９に示す領域Ｄ、Ｅ、Ｆにｐ型不純物を注入する。そして、ポテンシャル障壁４０を形成するために領域Ａ、Ｂ、Ｃにｐ型不純物を注入する。この際に、領域Ｃと領域Ｄとの深さ位置が同じになるようにする。
【００５３】
この方法によれば、第１の光電変換領域１３のずらし量が大きくなってもポテンシャル障壁３０とポテンシャル障壁４０とが分断されることがなくなるので、画素セル間で光電変換領域の分離を確実に行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したように、本開示の一例に係る固体撮像装置は、携帯電話やデジタルカメラ等、撮影機能を有する種々の機器に適用されうる。
【符号の説明】
【００５５】
１      固体撮像装置
３、５  主光線
６      撮像領域
７、９  従属光線
８      ｎ型層
１０      レンズ
１１      半導体基板
１２Ａ、１２Ｂ    ｐ型不純物
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ    第１の光電変換領域
１４、１６      レジストマスク
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ    第２の光電変換領域
１７      配線
１８ａ、１８ｂ  フォトダイオード
１９      マイクロレンズ 
２２ａ、２２ｂ      ｐ型層
２０      オーバーフローバリア
２１ａ、２１ｂ、２１ｘ、２１ｙ、３０、４０    ポテンシャル障壁
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ    画素セル
【図１】
2018190749.tif 000003
【図２】
2018190749.tif 000004
【図３】
2018190749.tif 000005
【図４】
2018190749.tif 000006
【図５】
2018190749.tif 000007
【図６】
2018190749.tif 000008
【図７】
2018190749.tif 000009
【図８】
2018190749.tif 000010
【図９】
2018190749.tif 000011
【図１０】
2018190749.tif 000012