(57)【要約】【課題】微細化しても高いＳＮ比を得ることを可能にする。【解決手段】第１導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素２０１であって、それぞれが半導体基板の第１面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第２導電型の半導体領域２０１ａを有する複数の画素２０１と、半導体基板の第１面と反対の第２面側に設けられ、画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、半導体領域の光が入射する側の面上に周期的に設けられた微細金属構造２５０と、微細金属構造と半導体領域との間に設けられた絶縁膜２３６ａと、を備えている。【選択図】図３
2011187857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素であって、それぞれが前記半導体基板の第１面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第２導電型の半導体領域を有する複数の画素と、
前記半導体基板の前記第１面と反対の第２面側に設けられ、前記画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、
前記半導体領域の前記光が入射する側の面上に周期的に設けられた微細金属構造と、
前記微細金属構造と前記半導体領域との間に設けられた絶縁膜と、
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記微細金属構造には負電圧が印加されることにより、前記半導体領域の前記微細金属構造に対向する面に正孔が誘起される正孔誘起領域が形成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記光が入射する側と反対側の前記半導体領域に、前記半導体基板よりも高濃度の第１導電型の不純物領域が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記微細金属構造と前記絶縁膜との間に設けられ、負の固定電荷を保持する固定電荷膜と、
前記半導体領域の、前記固定電荷膜に対向する面側に設けられ、正孔が蓄積される正孔蓄積領域と
を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
第１導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素であって、それぞれが前記半導体基板の第１面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第２導電型の半導体領域を有する複数の画素と、
前記半導体基板の前記第１面側に設けられ、前記画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、
前記半導体領域の前記光が入射する側の面上に周期的に設けられた微細金属構造と、
前記微細金属構造と前記半導体領域との間に設けられた絶縁膜と、
を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
前記微細金属構造には負電圧が印加されることにより、前記半導体領域の前記微細金属構造に対向する面に正孔が誘起される正孔誘起領域が形成されることを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記微細金属構造と前記絶縁膜との間に設けられ、負の固定電荷を保持する固定電荷膜と、
前記半導体領域の、前記固定電荷膜に対向する面側に設けられ、正孔が蓄積される正孔蓄積領域と
を更に備えていることを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記半導体基板はシリコン基板であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であり、前記固定電荷膜は、ハフニウム（Ｈｆ）ジルコニウム（Ｚｒ）、及びチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つを含む酸化物誘電体膜であることを特徴とする請求項４または７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記絶縁体層における固定電荷数の面密度が、１×１０１２（ｃｍ−２）以上であることを特徴とする請求項４または７記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記微細金属構造は、各画素によって信号電荷に変換される光の波長に応じた周期で配置されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか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】
近年、固体撮像装置に対する小型化および多画素化の要求に基づき、画素サイズの微細化が急激に進んでいる。特に、カメラモジュールの小型化と多画素化の要求を両立する必要から、カメラ機能付き携帯電話向け撮像素子において画素微細化への要求が強く、その画素サイズは１．７μｍから１．４μｍへと移行しつつあり、さらには１．１μｍピッチの画素開発が進められている。
【０００３】
しかし、画素微細化に伴いＳＮ比が低下する傾向は避けられない。特に、可視光に対する単結晶シリコンの吸収係数が低いために、光電変換を行うためのフォトダイオードの深さとして３μｍ以上を維持する必要がある。このことから、画素サイズの微細化に伴い、画素断面構造におけるフォトダイオードのアスペクト比が増大することは避けられない。その結果として、斜め入射光に起因するクロストーク雑音が増加してしまう。このクロストーク雑音を抑制することは、画素微細化のトレンドにおける重要な課題となっている。このように、画素微細化におけるＳＮ比の低下を抑制するためには、クロストーク雑音を抑制することが重要である。
【０００４】
クロストーク雑音を抑制する際には、フォトダイオードの雑音を増加させないことも重要である。固体撮像装置のフォトダイオード雑音については、ＳｉとＳｉＯ２膜との界面準位における発生電流がフォトダイオードに流入することを防止するために、ＳｉとＳｉＯ２膜との界面近傍に高濃度のｐ＋不純物領域を形成する、いわゆる埋め込みフォトダイオード構造が極めて有効であり、固体撮像装置における標準技術となっている。
【０００５】
しかし、埋め込みフォトダイオード構造を形成するために、界面近傍において高濃度のｐ＋不純物領域を極薄く形成することは困難であり、その厚さは１００ｎｍ以上となることが一般的である。
【０００６】
一方、クロストーク雑音を抑制するためには、フォトダイオードにおける光吸収効率を高めることで、フォトダイオードを薄層化することが有効である。これは、斜め入射光の侵入長を短くすることで、斜め入射光が隣接画素に侵入することを防止することができるからである。
【０００７】
光吸収係数が低い単結晶シリコンからなるフォトダイオードを薄層化するために、表面プラズモン共鳴により局在化した強電場を形成することが有効であることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−３８３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、強電場が局在する領域は、表面プラズモン共鳴構造の極近傍であり、前述の埋め込みフォトダイオード構造における界面近傍における高濃度のｐ＋不純物領域に含まれてしまう。この界面近傍における高濃度のｐ＋不純物領域において光電変換された信号電子は、フォトダイオードに流入しないために、光感度に寄与することなく失われてしまい、感度は向上しない。
【００１０】
一方、感度向上のために、界面近傍において高濃度のｐ＋不純物領域を形成しなければ、感度は向上するものの、ＳｉとＳｉＯ２膜との界面準位からの発生電流もフォトダイオードに流入してしまうので雑音が増加し、ＳＮ比が悪化し、結果的には高感度特性を得ることができない。
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、微細化しても高いＳＮ比を得ることのでき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】
【００１２】
本発明の第１の態様による固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素であって、それぞれが前記半導体基板の第１面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第２導電型の半導体領域を有する複数の画素と、前記半導体基板の前記第１面と反対の第２面側に設けられ、前記画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、前記半導体領域の前記光が入射する側の面上に周期的に設けられた微細金属構造と、微細金属構造と前記半導体領域との間に設けられた絶縁膜と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の態様による固体撮像装置は、第１導電型の半導体基板上に設けられた複数の画素であって、それぞれが前記半導体基板の第１面側から入射する光を信号電荷に変換し蓄積する第２導電型の半導体領域を有する複数の画素と、前記半導体基板の前記第１面側に設けられ、前記画素に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出し回路と、前記半導体領域の前記光が入射する側の面上に周期的に設けられた微細金属構造と、前記微細金属構造と前記半導体領域との間に設けられた絶縁膜と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、微細化しても高いＳＮ比を得ることの可能な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】
【００１５】
【図１】第１実施形態による固体撮像装置を示す平面図。
【図２】第１実施形態による固体撮像装置の画素の回路図。
【図３】第１実施形態の固体撮像装置を示す断面図。
【図４】微細金属構造による強電場領域の局在化を説明する図。
【図５】シリコンと絶縁膜との界面近傍における正孔の濃度の分布を示す図。
【図６】シリコンと絶縁膜との界面近傍における正孔の濃度の分布を示す図。
【図７】微細金属構造とシリコンとの間に設けられるＳｉＯ２膜の厚さを変えた場合における近接場強度のスペクトルを示す図。
【図８】微細金属構造とシリコンとの間にＳｉＯ２膜とＨｆＯ２膜との積層構造を用いた場合における近接場強度のスペクトルを示す図。
【図９】微細金属構造と近接場スペクトルのピーク波長との関係を示す図。
【図１０】微細金属構造のピッチを変えた場合における近接場強度のスペクトルを示す図。
【図１１】微細金属構造の配置を正方格子および三角格子とした場合における近接場強度のスペクトルを示す図。
【図１２】単板カラー素子の画素部における微細金属構造のピッチが各色により異なることを説明する図。
【図１３】単板カラー素子の画素部において、青色を検出する画素にのみ微細金属構造を設けない場合を説明する図。
【図１４】単板カラー素子の画素部における微細金属構造のピッチが各色により異なることを説明する図。
【図１５】Ａｕからなる微細金属構造の透過率のスペクトルを示す図。
【図１６】図１６（ａ）、１６（ｂ）は、Ｎｅａｒ−ＦｉｅｌｄおよびＦａｒ−Ｆｉｅｌｄのスペクトルを示す図。
【図１７】図１７（ａ）、１７（ｂ）は微細金属構造に残部が存在しない場合および存在する場合を説明する断面図。
【図１８】図１８（ａ）は微細金属構造に残部が存在しない場合および存在する場合における近接場のスペクトルを示す図、図１８（ｂ）は微細金属構造に残部が存在しない場合および存在する場合における透過率のスペクトルを示す図。
【図１９】第２実施形態による固体撮像装置の断面図。
【図２０】固定電荷膜により誘起される正孔誘起層における正孔密度に関する深さ依存性を示す図。
【図２１】固定電荷膜により誘起される正孔誘起層における正孔密度に関する深さ依存性を示す図。
【図２２】第３実施形態による固体撮像装置の断面図。
【図２３】第４実施形態による固体撮像装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いながら説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による固体撮像装置を図１に示す。本実施形態の固体撮像装置１００は、撮像領域１０１に、マトリクス状に配列された、光電変換画素２００が設けられている。光電変換画素２００は光電変換により入射光信号を電気信号に変換する。また、この撮像領域１０１の周囲には、負荷トランジスタ部１０２、ＣＤＳ回路部１０３、Ｖ選択回路１０４、Ｈ選択回路１０５、ＡＧＣ（自動ゲイン制御回路）１０６、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１０７、デジタルアンプ１０８、ＴＧ（タイミングジェネレータ）回路１０９等が配置されている。ＡＤＣ１０７は、ＣＤＳ回路１０３と一体構成され、カラム型のＣＤＳ−ＡＤＣ回路構成とすることも可能である。あるいは、ＴＧ１０９、ＡＧＣ１０６、ＡＤＣ１０７、デジタルアンプ１０８等を別チップにしても構わない。
【００１８】
撮像領域１０１を構成する、画素２００内部の回路構成を図２に示す。図２において、下側の実線で囲まれた部分が、画素２００の回路構成である。光電変換を行うフォトダイオード２０１は、転送トランジスタ２０２を介してフローティングディフュージョン２０３に接続され、フローティングディフュージョン２０３は、例えば、高濃度ｎ＋型不純物領域からなっており、フローティングディフュージョン２０３をリセットするためのリセットトランジスタ２０４を介してＶｄｄに接続される。フローティングディフュージョン２０３は、増幅トランジスタ２０５のゲートに接続され、増幅トランジスタ２０５のドレインは駆動電圧Ｖｄｄに接続され、増幅トランジスタ２０５のソースは選択トランジスタ２０６を介して垂直信号線２０７に接続される。垂直信号線２０７の一端は、図２の上側破線で囲まれた、撮像領域外部の負荷トランジスタ２０８を介してグラウンドに接続され、もう一端は撮像領域１０１の外部のＣＤＳ回路１０３（図１参照）に接続される。垂直信号線２０７を介して直列に接続される負荷トランジスタ２０８、増幅トランジスタ２０５はソースフォロア回路を構成し、フローティングディフュージョン２０３に発生する信号電圧をＣＤＳ回路１０３に出力する。
【００１９】
図２においては、単位画素２００内部に光電変換、信号電荷蓄積、電荷／電圧変換、ソースフォロア回路形成のための機能を全て持たせているが、必要に応じて、複数のフォトダイオード２０１、転送トランジスタ２０２を一つのフローティングディフュージョン２０３に接続することで、その他の構成物であるフローティングディフュージョン２０３、リセットトランジスタ２０４、増幅トランジスタ２０５、選択トランジスタ２０６という画素内の回路を共有することが可能である。すなわち、２画素１セル構成、および４画素１セル構成等をとることにより、画素２００の微細化への対応が容易になる。なお、図２において、増幅トランジスタ２０５と選択トランジスタ２０６との配置を入れ替えても良い。
【００２０】
次に、第１実施形態による固体撮像装置の断面構造を図３に示す。この実施形態の固体撮像装置は、裏面照射型の固体撮像装置であって、フォトダイオードを構成するｎ型不純物領域であるＰＤ＿ｎ領域２０１ａと、色フィルタ２３７との間の絶縁膜２３６内に、光の電場成分と共振する自由電子を有しかつ１μｍ以下の微細構造を持つ金属構造としての微細金属構造２５０が配置された構成となっている。この微細金属構造２５０は、それぞれがナノメートルのサイズ（例えば、２０ｎｍ〜２００ｎｍ）を有し、メッシュ状に周期的に配置された構成となっている。
【００２１】
このように、この第１実施形態の固体撮像装置は、ｐ型シリコン基板（半導体基板）１５０の内部に、フォトダイオード２０１を構成するｎ型不純物領域（以下、ＰＤ＿ｎ領域ともいう）２０１ａが形成されている。このＰＤ＿ｎ領域２０１ａとｐ型半導体基板１５０とからなるｐｎ接合を有するフォトダイオード２０１（図２参照）において光電変換によって発生した信号電子はＰＤ＿ｎ領域２０１ａに蓄積される。そして、シリコン基板１５０の表面に形成された転送トランジスタ２０２をオンすることで、シリコン基板１５０の表面下に形成されたフォローティングデイフュージョン２０３に転送され、フローティングディフュージョン２０３とそのゲートとが電気的に接続された増幅トランジスタ２０５（図２参照）を変調することで、入射光量に応じた信号が読み出される。転送トランジスタ２０２、フォローティングデイフュージョン２０３、リセットトランジスタ２０４、増幅トランジスタ２０５、および選択トランジスタ２０６等が読み出し回路を構成する。
【００２２】
なお、本実施形態においては、フローティングディフュージョン２０３は、隣接する複数（本実施形態では２つ）の画素に共通に設けられている。これらの転送トランジスタ２０２および増幅トランジスタ２０５は層間絶縁膜２３０によって覆われており、この層間絶縁膜２３０中には、これらのトランジスタまたはフローティングディフュージョン２０３に接続される金属配線２３５が設けられている。また、層間絶縁膜２３０上には、支持基板３００が設けられている。
【００２３】
ＰＤ＿ｎ領域２０１ａは、低雑音化のためにシリコン基板１５０の内部に完全に埋め込まれた、いわゆる埋め込みフォトダイオード構造となっており、隣接画素との素子分離のための画素分離構造として高濃度のｐ＋不純物領域２２０、２２１が設けられている。ｐ＋不純物領域２２０は、フローティングディフュージョン２０３の下面からｐ型シリコン基板１５０の裏面に貫通するように設けられている。また、ｐ＋不純物領域２２１は、フローティングディフュージョン２０３を共有しない隣接する画素間に、ｐ型シリコン基板１５０の表面から裏面に貫通するように設けられている。なお、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａと層間絶縁膜２３０との間の半導体基板１５０には、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを防止するために、ｐ＋領域２１０が設けられている。このｐ＋領域２１０には一定の電位（例えば、０Ｖ）が印加される。
【００２４】
本実施形態においては、フローティングディフュージョン２０３を共有する隣接する画素が存在するので、画素回路共有方式に対応している。すなわち、本実施形態による固体撮像装置の画素レイアウトは、フローティングディフュージョン２０３を共有する二つのフォトダイオードは、配線側のシリコン基板１５０の表面においては、フォトダイオード２０１／転送トランジスタ２０２／フローティングディフュージョン２０３／転送トランジスタ２０２／フォトダイオード２０１という順に並んで形成されている。そして、シリコン基板１５０の内部においては、フォトダイオード２０１／ｐ＋不純物領域２２０／フォトダイオード２０１という順に並んで形成されている。
【００２５】
シリコン基板１５０の裏面側には、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜２３６が設けられ、この絶縁膜２３６中に、撮像領域１０１内にメッシュ状に周期的に配置された微細金属構造２５０が設けられている。なお、絶縁膜２３６は、ｎ型不純物領域であるＰＤ＿ｎ領域２０１ａと、微細金属構造２５０との間に設けられた絶縁膜２３６ａと、微細金属構造２５０を覆う絶縁膜２３６ｂとを備えている。これらの微細金属構造２５０は、ｐ型シリコン基板１５０に近接するように絶縁膜２３６中に設けられている。また、絶縁膜２３６（２３６ｂ）中には、ｐ＋不純物領域２２０、２２１と重なるように、光シールド２４０が設けられている。この絶縁膜２３６の、シリコン基板１５０とは反対側の面にカラーフィルタ２３７が設けられている。カラーフィルタ２３７は、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａに対応して設けられる。各カラーフィルタ２３７の、絶縁膜２３６と反対側の面にはマイクロレンズ２３９が設けられている。
【００２６】
本実施形態のように、メッシュ状に周期的に微細金属構造２５０が配置されている場合には、図４に示すように、微細金属構造２５０に光が照射されると、微細金属構造２５０の表面における自由電子が光の電場により集団的に振動し微細金属構造２５０の表面で分極状態になる。そして、この自由電子の集団振動は微細金属の末端部においては電子の運動が制限されるため、電子が溜まる状態になる。この結果、微細金属構造の末端部ではこの自由電子の密度が極端に高くなり、非常に強い電場が発生する。この結果、微細金属構造２５０の表面近傍で電場が大きく増幅される。すなわち、この微細金属構造の電場の動きは、Ｍａｘｗｅｌｌの式に従い、微細金属構造の近傍に強い「増強電場」を生じる。この電場は、伝播方向（本実施形態では、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａに向かう方向）に局所的に増強される。この増強された光の強さ（電場の強度）は、微細金属構造２５０からの距離が短い（深さが浅い）ほど、微細金属構造が配置されない場合の伝播光の強さよりも強く、微細金属構造２５０からの深さが深くなるにつれて急激に減少する。このように、表面プラズモン共鳴により局在化した強電場はシリコン（ＰＤ＿ｎ領域２０１ａ）中に伝播しないため、斜めに入射された光が隣接画素に侵入することは無くなり、その結果として、クロストーク雑音を大幅に低減することが可能となる。なお、図４においては、微細金属構造の材料として、Ａｌを用いた。また、微細金属構造の材料としては、Ａｌ以外にＡｕ、Ａｇを用いても同じ効果を得ることができる。これは、プラズマ周波数より低い金属により構成された微細金属構造に、紫外、可視、赤外、マイクロ波を問わず、電磁波が照射された際に、共通しておこる現象である。このため、ほぼ全ての金属でプラズマ周波数以下であれば、本発明の一実施形態の微細金属構造として採用することが可能である。
【００２７】
また、本実施形態の微細金属構造が金属部分が連続である場合は、電気的な導通が取れるため、電極として使用することが可能である。この際の導電性は、構造的に一般の金属からなるため、抵抗値が高くないのが特徴である。たとえば、Ａｌで本発明の一実施形態である金属部分が連続した微細金属構造を作成したときは、一般的なＩＴＯに比べ、１／１０から１／１００の低効率であるという特徴を持つ。
【００２８】
また、本発明の一実施形態として微細金属構造の金属部分が連続していない場合でも、上記で示した「増強電場」の原理により、強い電場は発生するため、本発明の効果を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態において、微細金属構造２５０に負電圧を印加することで、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａのＳｉとＳｉＯ２膜２３６との界面近傍には、図３に示すように正孔誘起領域２６０が形成される。この正孔誘起領域２６０が形成されることで、ＳｉとＳｉＯ２膜２３６との界面準位での発生電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流入することを防止することが可能となり、低暗電流特性を維持することができる。このときの、負バイアス電圧は、絶縁膜の材料、厚さにより最適化することが重要であるが、低暗電流の特性を実現するための目安としては、界面近傍の正孔誘起領域２６０における正孔の体積密度として１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにすれば良い。この低暗電流特性を実現するため、ＳｉＯ２膜の膜厚と負バイアス電圧の条件についてシミュレーションを行った結果を図５、図６に示す。
【００３０】
図５は、微細金属構造２５０と、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａとの間のＳｉＯ２膜の膜厚を２ｎｍとし、微細金属構造２５０に負電圧として−１Ｖ、−２Ｖ、−５Ｖ、−１０Ｖをそれぞれ印加したときの、ＳｉＯ２膜との界面近傍のＰＤ＿ｎ領域２０１ａに誘起される正孔の濃度（ｃｍ−３）と、ＳｉＯ２膜との界面からの深さとの関係を示すグラフである。図５からわかるように、負電圧として−２Ｖ、−５Ｖ、−１０Ｖを印加した場合は、ほぼ同じ特性を示す。このことから、微細金属構造２５０と、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａとの間のＳｉＯ２膜の膜厚を２ｎｍとした場合、微細金属構造に印加する負電圧は−２Ｖ〜−１０Ｖであればよい。
【００３１】
図６は、微細金属構造２５０に負電圧として−２Ｖを印加し、微細金属構造２５０と、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａとの間のＳｉＯ２膜の膜厚を、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変化させた場合における、ＳｉＯ２膜との界面近傍のＰＤ＿ｎ領域２０１ａに誘起される正孔の濃度（ｃｍ−３）と、ＳｉＯ２膜との界面からの深さとの関係を示すグラフである。図６からわかるように、微細金属構造２５０に負電圧として−２Ｖを印加した場合、ＳｉＯ２膜の膜厚が２ｎｍ〜１０ｎｍであればよい。
【００３２】
さらに、微細金属構造を設けない、従来の固体撮像装置においては、可視光の中でも長波長である赤色光の光電変換効率を十分に得るために必要な５μｍ以上の厚さのＰＤ＿ｎ領域を実現できないために、赤色光の感度を十分に高めることができなかった。しかし、本実施形態の固体撮像装置においては、入射光の表面プラズモン共鳴により、強電場が表面近傍に局在化し、その局在化した領域において光電変換が行われるので、赤色光に対する吸収係数が低い単結晶シリコンからなるＰＤ＿ｎ領域においても十分に高い光電変換効率を得ることができるので、薄いＰＤ＿ｎ領域でも高感度特性を得ることが可能となる。
【００３３】
また、一般的な低暗電流化構造を有する従来の固体撮像装置においては、ＰＤ＿ｎ領域との間のＳｉＯ２膜との間の界面には高濃度のｐ＋不純物領域が設けられており、このｐ＋不純物領域の深さは０．１μｍ以上と厚いために、吸収係数の高い青色光の大部分がｐ＋不純物領域で吸収されてしまい、青色感度が低下してしまうという課題があった。しかし、本実施形態においては、界面近傍に誘起される正孔誘起領域２６０の深さは、１０ｎｍ以下にまで薄く形成することが可能であるので、上記の微細金属構造により局所的に増強された強電場エネルギーを有効に吸収することになり、したがって、青色についても高感度にすることが可能となる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、フォトダイオードの低暗電流特性を維持しながら、クロストーク雑音を大幅に抑制可能であり、さらに青色感度、赤色感度の向上効果もあるために、ＳＮ比の高い高感度の固体撮像装置を実現することが可能となる。
【００３５】
さらに、ＰＤ＿ｎ領域を浅く形成しても高感度特性を実現できる。このため、従来では光吸収特性を維持するために基板深さ方向に対して微細化ができず、画素微細化におけるスケーリングが非等方的であったのに対して、本実施形態によれば、等方的なスケーリングが可能となる。したがって、深いＰＤ＿ｎ領域や深い素子分離を形成するという、固体撮像装置固有の設計、プロセスの必要性が薄まるため、デバイスの開発の難易度を大幅に低減することが可能であり、デバイスの開発期間の短縮、デバイスの開発コストの低下、という効果も得られる。
【００３６】
次に、本実施形態のように、シリコン基板と微細金属構造との間に、絶縁膜が存在する場合の電場強度（近接場強度）に関する波長依存性を、図７（ａ）乃至図９を参照して説明する。この絶縁膜としては、ＳｉＯ２膜あるいはＳｉＯ２膜とＨｆＯ２膜との積層構造を有している。
【００３７】
まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板上に膜厚が２ｎｍ、４ｎｍのＳｉＯ２膜が形成され、ＳｉＯ２膜上に電極材料としてＡｌを用いた微細金属構造が形成されたそれぞれの試料を用意する。また、シリコン基板上にＳｉＯ２膜を形成しないで、シリコン基板上に直接、Ａｌからなる微細金属構造を形成した試料も用意する。これらの微細金属構造は１６０ｎｍの周期（ピッチ）で正方格子状に配置され、電極ギャップ開口幅が８０ｎｍ（周期の１／２）、厚さが３０ｎｍとなっている。ここで、電極ギャップ開口幅とは、電極ギャップ開口の平面形状が三角形であれば最大の辺の長さ、多角形であれば最大の対角線の長さ、楕円形であれば長軸の長さ等を意味する。これらの試料の微細金属構造に光を照射した場合における電場強度に関する波長依存性（プラズモン共鳴によるスペクトル）を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）からわかるように、ＳｉＯ２膜が形成されない場合における電場強度がピークとなる波長（ピーク位置）は７２０ｎｍ程度であるが、膜厚が２ｎｍまたは４ｎｍのＳｉＯ２膜を形成することにより、１００ｎｍ程度短波長側にピーク位置がシフトする。また、膜厚が４ｎｍＳｉＯ２膜を形成した場合は、膜厚が２ｎｍのＳｉＯ２膜を形成した場合に比べて、ピーク位置における電場強度は半分以下に低下する。なお、ＳｉＯ２膜が形成されない場合の、電場強度がピーク位置における電場強度が他の場合に比べて低いのは、７２０ｎｍ近辺の波長域にＡｌのバルク吸収が存在するためである。したがって、本実施形態のように、シリコン基板と微細金属構造との間に、単層のＳｉＯ２膜を形成する場合には、その膜厚は２ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
次に、図８（ａ）に示すように、シリコン基板上に膜厚が２ｎｍのＳｉＯ２膜が形成され、ＳｉＯ２膜上に膜厚が２ｎｍのＨｆＯ２膜が形成され、このＨｆＯ２膜上に電極材料としてＡｌを用いた微細金属構造が形成された試料を用意する。また、シリコン基板上にＳｉＯ２膜を形成しないで、シリコン基板上に直接、Ａｌからなる微細金属構造が形成された試料と、シリコン基板上に膜厚が２ｎｍのＳｉＯ２膜が形成され、ＳｉＯ２膜上にＡｌからなる微細金属構造が形成された試料も用意する。これらの微細金属構造は１６０ｎｍの周期で正方格子状に配置され、電極ギャップ開口幅が８０ｎｍ（周期の１／２）、厚さが３０ｎｍとなっている。これらの試料の微細金属構造に光を照射した場合における電場強度に関する波長依存性を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）からわかるように、ＳｉＯ２膜が形成されない場合に比べて、膜厚が２ｎｍのＳｉＯ２膜および膜厚が２ｎｍのＨｆＯ２膜の積層構造を形成することにより、ピーク位置が１００ｎｍ程度短波長側にシフトする。また、膜厚が２ｎｍのＳｉＯ２膜および膜厚が２ｎｍのＨｆＯ２膜の積層構造を形成した場合は、膜厚が２ｎｍのＳｉＯ２膜を形成した場合に比べて、ピーク位置における電場強度はわずかに低下するのみである。したがって、ＳｉＯ２膜上に誘電率の高い材料の絶縁膜を形成することにより、図７に示した厚いＳｉＯ２膜を形成した場合と比較して、ピーク位置における電場強度の低下を抑制することができることがわかる。したがって、本実施形態のように、シリコン基板と微細金属構造との間に、厚いＳｉＯ２膜を形成する場合には、ＳｉＯ２膜上に高誘電率膜を形成することが好ましい。また、後述する実施形態におけるＨｆＯ２膜とＳｉＯ２膜の積層構造を絶縁膜として配置した場合においても、十分な電場強度を維持することが可能であると言える。
【００３９】
次に、微細金属構造のピッチ（周期）を６０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で変化させた場合におけるピーク位置の変化を図９に示す。このとき、微細金属構造の電極ギャップ開口幅は微細金属構造のピッチの半分とし、厚さは３０ｎｍとしている。図９からわかるように、ピーク位置は、微細金属構造のピッチにほぼ比例している。しかし、波長が７００ｎｍから９００ｎｍの範囲（図９の一点鎖線で示す領域）では、Ａｌのバルク吸収があるため、微細金属構造の見かけの誘電率が大きく変化するので、微細金属構造のピッチが１６０ｎｍより大きく１８０ｎｍ未満の範囲では、それ以外の範囲とは特性が異なっている。これはあくまでもＡｌ特有の現象であり、Ａｇなどで同じ構造を作成すると、この吸収はみられない。  
次に、微細金属構造のピッチ（周期）を６０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で変化させた場合における電場強度に関する波長依存性（プラズモン共鳴によるスペクトル）を図１０に示す。このとき、微細金属構造のギャップ開口幅はギャップ開口部のピッチの半分とし、厚さは３０ｎｍとしている。図１０からわかるように、Ａｌのバルク吸収がある波長域（図１０の一点鎖線で示す領域）を除き、微細金属構造のピッチが減少するにつれてピーク位置における電場（近接場）の強さも減少している。しかし、微細金属構造のピッチが６０ｎｍ〜１６０ｎｍの範囲であれば、可視領域、すなわち波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域では、プラズモン共鳴を利用することができることがわかる。なお、微細金属構造の材料にＡｌ以外のＡｕまたはＡｇを用いた場合でも可視領域では、プラズモン共鳴を利用することができる。
【００４０】
次に、微細金属構造を正方格子状に配列した場合と、三角格子状に配列した場合における、電場強度に関する波長依存性（プラズモン共鳴によるスペクトル）を図１１に示す。なお、微細金属構造は、材料はＡｌで形成され、ピッチが１０ｎｍで、電極ギャップ開口幅がピッチの半分（５０ｎｍ）であり、厚さが３０ｎｍである。図１１からわかるように、正方格子状に配列した場合は三角格子状に配列した場合に比べてピーク位置が少し高い位置となっており、ピーク位置における強度も強くなっている。したがって、各々の配列に対して電極ピッチと電極ギャップ開口幅を最適設計することで所望のスペクトルを得ることが可能であることがわかる。
【００４１】
三板カラー素子、すなわち、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色に対して、固体撮像素子（固体撮像装置の撮像領域に形成された部分）を三個用いる場合においては、各固体撮像素子に対して、所望の光波長に対して、材料、ピッチ等が最適な微細金属構造を形成すればよい。０．７μｍ〜１．１μｍの近赤外線領域を撮像する固体撮像装置の場合も、同様に、所望の光波長に対して、材料、ピッチ等が最適な微細金属構造を形成すればよい。
【００４２】
一方、単板カラー素子においては、ＲＧＢの三原色に対応する画素ごとに、所望の光波長に対して、材料、ピッチ等が最適な微細金属構造を形成すればよい。例えば、単板カラー素子において、図１２（ａ）に示すようにカラーフィルタがＢａｙｅｒ配列で、図１２（ｂ）に示すようにＲ、Ｇ、Ｂすべての画素に微細金属構造が形成される場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素に対して、最適なピッチで形成すればよい。この場合、光波長の中心値として、Ｒ画素は６３０ｎｍ、Ｇ画素は５５０ｎｍ、そして、Ｂ画素は４５０ｎｍを所望の共鳴波長とした場合、Ａｌからなる微細金属構造のピッチは、図９からわかるように、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素において、各々、１３０ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとする。
【００４３】
また、単板カラー素子において、図１３（ａ）に示すようにカラーフィルタがＢａｙｅｒ配列で、図１３（ｂ）に示すようにＲ、Ｇの画素のみに微細金属構造を形成することも可能であり、その場合には、Ｒ、Ｇの各画素に対して、最適なピッチで形成すればよい。このとき、光波長の中心値として、Ｒ画素は６３０ｎｍ、Ｇ画素は５５０ｎｍを所望の共鳴波長とした場合、Ａｌからなる微細金属構造のピッチは、図９からわかるように、Ｒ、Ｇの各画素において、各々、１３０ｎｍ、１００ｎｍとする。この場合、Ｂ画素には微細金属構造が形成されていないので、プラズモン共鳴は起こらないが、青色光は短波長であり、単結晶シリコンの吸収係数が高く、フォトダイオードの表面近傍で大部分が吸収されるので、微細金属構造が形成されていなくとも青色感度は低下しない。
【００４４】
また、単板カラー素子において、図１４（ａ）に示すようにカラーフィルタがＢａｙｅｒ配列で、図１４（ｂ）に示すようにＲ、Ｇ、Ｂのすべての画素に、Ａｕ（金）からなる微細金属構造が形成される場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素に対して、同一のピッチで形成すればよい。この場合、微細金属構造の材料にＡｕが選択されているので、青色光との共鳴が起こらず、非共鳴の伝播光のままフォトダイオードに吸収されるが、青色光は短波長であり、単結晶シリコンの吸収係数が高く、フォトダイオードの表面近傍で大部分が吸収されるので、問題ない。また、Ａｕからなる微細金属構造はブロードな共鳴スペクトルを有するため、Ｇ、Ｒ画素における微細金属構造の構造（ピッチ、厚さ等）が同一であってもかまわない。この場合、画素ごとにピッチを変える必要が無いので、高コストのフォトリソグラフィー工程に替わって、自己組織化等の低コストの製造工程により製造可能である。
【００４５】
図１４のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの全画素に同一ピッチの微細金属構造を形成した場合でも、Ｂ色が微細金属構造を透過することと、微細金属構造ピッチが同一でもＲ光、Ｇ光が同様に共鳴することを説明する。
【００４６】
微細金属構造をＡｕ（金）で形成し、微細金属構造のピッチを２００ｎｍ、１００ｎｍ、６０ｎｍとした場合における、微細金属構造の透過率に関する波長依存性（透過率スペクトル）を図１５に示す。なお、微細金属構造は、電極ギャップ開口幅がピッチの半分であり、厚さが２０ｎｍであって、正方格子状に配置されている。図１５からわかるように、透過率スペクトルは、可視領域（波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域）では、ほぼ同じ特性となるとともに、青色近辺では透過スペクトルは変化せず、透過率も高い。
【００４７】
第１実施形態および後述の第２乃至第４実施形態においても、微細金属構造は、撮像領域１０１内に周期的に配置されているが、この微細金属構造のそれぞれの厚さが１０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。また、微細金属構造のピッチおよびサイズは、透過する色の波長に応じて適宜選択することが好ましい。
【００４８】
また、第１実施形態と同様に後述の第２乃至第４実施形態においては、微細金属構造を撮像領域内の画素に対して形成することにより生じる表面プラズモン共鳴を用いているので、フォトダイオードの低暗電流特性を維持しながら、クロストーク雑音を大幅に抑制し、ＳＮ比の高い高感度の固体撮像装置を得ることが可能となる。
【００４９】
これに対して、特許文献１においては、光電変換領域を構成する半導体自身の表面に微細な２次元周期構造を形成し、プラズモン共鳴を利用することが開示されている。そして、このプラズモン共鳴を利用して、単板カラー素子の色フィルタアレイを削除することが可能であるが開示されている。しかし、表面プラズモン共鳴による局在化した電場（Near Field（近接場））のスペクトルは、図１６（ａ）に示すようにブロードであるので、所望の色分離を行うことができないだけでなく、クロストークが発生する。すなわち、混色成分が多く、雑音が増加してしまい、感度が低下する。なお、図１６（ｂ）に示すように、Ｆａｒ−ｆｉｅｌｄのスペクトルは、特定の波長を透過するが、その半値幅は狭く、また、文字通り、Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄスペクトルを得るためには微細金属構造から数ミクロンの距離を要するため、斜め入射光の侵入長を短縮することによるクロストーク低減の効果を得ることはできない。
【００５０】
また、微細金属構造を形成する際に、微細金属構造間には金属材料が残存していない方がよく、金属材料が残存している場合（残部が存在する場合）には、電場強度および透過率に悪影響を及ぼす。例えば、図１７（ａ）に示すようにＡｌからなる微細金属構造間の底部にシリコンが露出している場合と、図１７（ｂ）に示すようにＡｌからなる微細金属構造間の底部にＡｌの残部が存在している場合の電場強度および透過率のスペクトルを図１８（ａ）、１８（ｂ）に示す。なお、どちらの場合も、Ａｌからなる微細金属構造は１００ｎｍのピッチで、直径が５０ｎｍである。また、微細金属構造の厚さは３０ｎｍとしているが、Ａｌの残部が存在する場合は、微細金属構造の厚さと残部の厚さとの和を３０ｎｍとしている。Ａｌの残部が存在する場合は、その厚さが５ｎｍと、１０ｎｍとのついてのスペクトルを表示している。図１８（ａ）からわかるように、残存部が存在しない場合には、存在する場合に比べて電場強度も大きくなっている。また、透過率も波長が４５０ｎｍ〜５２０ｎｍの領域を除き、高くなっている。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、微細化しても高いＳＮ比を得ることができる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による固体撮像装置を、図１９（ａ）、１９（ｂ）を参照して説明する。図１９（ａ）は第２実施形態による固体撮像装置の断面図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）に示す破線で囲んだ部分の拡大断面図である。この第２実施形態の固体撮像装置は、図３に示す第１実施形態の固体撮像装置において、微細金属構造２５０と絶縁膜２３６ａとの間に固定電荷が保持される固定電荷膜２８０を設けた構成となっている。本実施形態においては、信号電荷が電子であるので、ＳｉＯ２膜とシリコン半導体基板との界面近傍に正孔を誘起する目的で、固定電荷膜２８０には負の電荷が保持される。これにより、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａの固定電荷膜２８０に対向する領域に正孔蓄積領域２６２が形成される。このため、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、微細金属構造２５０には、負電圧のバイアスを行わなくても、フォトダイオードの低暗電流特性を維持することが可能となる。
【００５３】
また、固定電荷膜２８０としては、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つの元素を含む酸化物誘電体膜を用いることが好ましい。例えば、ハフニウム酸化物を用いる場合には、原料としてＴＤＥＡＨ(Tetrakis-DiEthylAmido-Hafnium)を用いたＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法による膜形成が可能である。具体的には、ＡＬＤ法により酸化ハフニウム膜を形成したのち、塩酸ガス雰囲気中でアニールすることで、酸化ハフニウムと酸化シリコンの界面に存在するハフニウム原子のダングリングボンドを塩素原子により終端することで、負の固定電荷を形成し、保持させることが可能である。
【００５４】
なお、低暗電流の特性を実現するためには、正孔蓄積領域２６２における正孔の体積密度として１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにすれば良い。この低暗電流特性を実現するため、ＳｉＯ２膜の膜厚と固定電荷密度の条件についてシミュレーションを行った結果を図２０、図２１に示す。
【００５５】
図２０は、微細金属構造２５０と、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａとの間のＳｉＯ２膜２３６ａの膜厚を２ｎｍとし、固定電荷膜２６２の固定電荷の面密度として、５×１０１１ｃｍ−２、１×１０１２ｃｍ−２、２×１０１２ｃｍ−２、５×１０１２ｃｍ−２としたときの、ＳｉＯ２膜との界面近傍のＰＤ＿ｎ領域２０１ａに誘起される正孔の濃度（ｃｍ−３）と、ＳｉＯ２膜との界面からの深さとの関係を示すグラフである。図２０からわかるように、微細金属構造２５０と、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａとの間のＳｉＯ２膜２３６ａの膜厚を２ｎｍとした場合、固定電荷膜２６２の固定電荷の面密度としては、２×１０１２ｃｍ−２以上であることが好ましい。
【００５６】
図２１は、固定電荷膜の固定電荷の面密度を１×１０１２ｃｍ−２とし、微細金属構造２５０と、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａとの間のＳｉＯ２膜２３６ａの膜厚を、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと変化させた場合における、ＳｉＯ２膜２３６ａとの界面近傍のＰＤ＿ｎ領域２０１ａに誘起される正孔の濃度（ｃｍ−３）と、ＳｉＯ２膜２３６ａとの界面からの深さとの関係を示すグラフである。図２１からわかるように、ＳｉＯ２膜の膜厚が２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍである場合は、同一の特性を示す。
【００５７】
図２０および図２１からわかるように、固定電荷膜２８０の面密度は、１×１０１２ｃｍ−２以上とすることで、界面近傍には十分な正孔蓄積層２６２が形成され、暗電流が抑制される。また、固定電荷の面密度として、１×１０１３ｃｍ−２以上とすることで、暗電流の抑制効果をより安定的に得ることが可能であり、より好ましい。
【００５８】
本実施形形態も第１実施形態と同様に、フォトダイオードの低暗電流特性を維持しながら、クロストーク雑音を大幅に抑制可能であり、さらに青色感度、赤色感度の向上効果もあるために、ＳＮ比の高い高感度の固体撮像装置を実現することが可能となる。
【００５９】
さらに、ＰＤ＿ｎ領域を浅く形成しても高感度特性を実現できる。このため、従来では光吸収特性を維持するために基板深さ方向に対して微細化ができず、画素微細化におけるスケーリングが非等方的であったのに対して、本実施形態によれば、等方的なスケーリングが可能となる。したがって、深いＰＤ＿ｎ領域や深い素子分離を形成するという、固体撮像装置固有の設計、プロセスの必要性が薄まるため、デバイスの開発の難易度を大幅に低減することが可能であり、デバイスの開発期間の短縮、デバイスの開発コストの低下、という効果も得られる。また、微細化しても高いＳＮ比を得ることができる。さらに、第１実施形態と異なり、微細金属構造へのバイアス電圧印加が不要となるので、デバイス構造を簡略化し、デバイス面積の縮小等の効果も得られる。
【００６０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による固体撮像装置の断面を図２２に示す。この第３実施形態の固体撮像装置は、表面照射型の固体撮像装置である。ｐ型シリコン基板１５０の内部には、フォトダイオード２０１を構成するＰＤ＿ｎ領域２０１ａが形成されている。このＰＤ＿ｎ領域２０１ａとｐ型半導体基板１５０とからなるｐｎ接合を有するフォトダイオード２０１において光電変換によって発生した信号電子はＰＤ＿ｎ領域２０１ａに蓄積される。そして、シリコン基板１５０に形成された転送トランジスタ２０２をオンすることで、フォローティングデイフュージョン２０３に転送され、フローティングディフュージョン２０３とそのゲートとが電気的に接続された増幅トランジスタ２０５（図２参照）を変調することで、入射光量に応じた信号が読み出される。これらの転送トランジスタ２０２および増幅トランジスタ２０５は層間絶縁膜２３０によって覆われており、この層間絶縁膜２３０中には、これらのトランジスタまたはフローティングディフュージョン２０３に接続される金属配線２３５が設けられている。また、層間絶縁膜２３０上には、カラーフィルタ２３７が設けられ、このカラーフィルタ２３７上にはマイクロレンズ２３９が設けられている。この層間絶縁膜２３０は、絶縁膜２３０ａと、絶縁膜２３０ｂとを有している。本実施形態においては、絶縁膜２３０ａ上には、第１乃至第２実施形態で説明した微細金属構造２５０が形成され、この微細金属構造２５０を覆うように絶縁膜２３０ｂが形成されている。微細金属構造２５０は、第１乃至第２実施形態で説明したと同様に、それぞれがナノメートルのサイズを有し、メッシュ状に周期的に配置された構成となっている。更に、本実施形態においては、第１実施形態と同様に、例えば−２Ｖ〜−１０Ｖの負電圧がバイアスされる。このため、第１実施形態と同様に、微細金属構造２５０に対向するＰＤ＿ｎ領域２０１ａの表面には、正孔誘起領域２６０が形成される。第１実施形態と同様に、この正孔誘起領域２６０が形成されることにより、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを防止することができる。
【００６１】
ＰＤ＿ｎ領域２０１ａは、低雑音化のためにシリコン基板１５０の内部に完全に埋め込まれた、いわゆる埋め込みフォトダイオード構造となっており、隣接画素との素子分離のための画素分離構造として高濃度のｐ＋不純物領域２２０、２２１が設けられている。ｐ＋不純物領域２２０は、フローティングディフュージョン２０３の下面からＰＤ＿ｎ領域２０１ａの下面を超えて、ｐ型シリコン基板１５０に達するように設けられている。また、ｐ＋不純物領域２２１は、フローティングディフュージョン２０３を共有しない隣接する画素間に、ｐ型シリコン基板１５０の表面からＰＤ＿ｎ領域２０１ａの下面を超えて、ｐ型シリコン基板１５０に達するように設けられている。
【００６２】
本実施形態においては、フローティングディフュージョン２０３を共有する隣接する画素が存在するので、画素回路共有方式に対応している。すなわち、本実施形態による固体撮像装置の画素レイアウトは、フローティングディフュージョン２０３を共有する二つのフォトダイオードは、配線側のシリコン基板１５０の表面においては、フォトダイオード２０１／転送トランジスタ２０２／フローティングディフュージョン２０３／転送トランジスタ２０２／フォトダイオード２０１という順に並んで形成されている。そして、シリコン基板１５０の内部においては、フォトダイオード２０１／ｐ＋不純物領域２２０／フォトダイオード２０１という順に並んで形成されている。
【００６３】
本実施形態も第１実施形態と同様に、フォトダイオードの低暗電流特性を維持しながら、クロストーク雑音を大幅に抑制可能であり、さらに青色感度、赤色感度の向上効果もあるために、ＳＮ比の高い高感度の固体撮像装置を実現することが可能となる。
【００６４】
さらに、ＰＤ＿ｎ領域を浅く形成しても高感度特性を実現できる。このため、従来では光吸収特性を維持するために基板深さ方向に対して微細化ができず、画素微細化におけるスケーリングが非等方的であったのに対して、本実施形態によれば、等方的なスケーリングが可能となる。したがって、深いＰＤ＿ｎ領域や深い素子分離を形成するという、固体撮像装置固有の設計、プロセスの必要性が薄まるため、デバイスの開発の難易度を大幅に低減することが可能であり、デバイスの開発期間の短縮、デバイスの開発コストの低下、という効果も得られる。また、微細化しても高いＳＮ比を得ることができる。
【００６５】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による固体撮像装置を、図２３（ａ）、２３９（ｂ）を参照して説明する。図２３（ａ）は第２実施形態による固体撮像装置の断面図であり、図２３（ｂ）は図２３（ａ）に示す破線で囲んだ部分の拡大断面図である。この第４実施形態の固体撮像装置は、図２２に示す第３実施形態の固体撮像装置において、微細金属構造２５０と絶縁膜２３６ａとの間に固定電荷が保持される固定電荷膜２８０を設けた構成となっている。本実施形態においては、信号電荷が電子であるので、固定電荷膜２８０には負の電荷が保持される。これにより、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａの固定電荷膜２８０に対向する領域に正孔蓄積領域２６２が形成される。このため、第４実施形態では、第２実施形態と同様に、微細金属構造２５０には、負電圧のバイアスを行わなくても、フォトダイオードの低暗電流特性を維持することが可能となる。また、本実施形態においては、絶縁膜２３６ａは、例えば数原子層程度の極めて薄い酸化シリコン膜であることが好ましい。
【００６６】
また、本実施形態においては、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａ上には薄い絶縁膜２３０ａを介して固定電荷膜２８０を形成される。また、固定電荷膜２８０は、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａと、ｐ型シリコン基板１５０との境界部分では、ｐ型シリコン基板１５０の上面から層間絶縁膜２３０の上面に向かって延在するように形成される。このため、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａ上の微細金属構造２５０は埋め込み絶縁膜２９０によって覆われる。なお、第４実施形態においては、第２実施形態と同様に、絶縁膜２３６ａは、例えば数原子層程度の極めて薄い酸化シリコン膜であることが好ましい。
【００６７】
また、第２実施形態と同様に、固定電荷膜２８０としては、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つの元素を含む酸化物誘電体膜を用いることが好ましい。例えば、ハフニウム酸化物を用いる場合には、原料としてＴＤＥＡＨ(Tetrakis-DiEthylAmido-Hafnium)を用いたＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法による膜形成が可能である。具体的には、ＡＬＤ法により酸化ハフニウム膜を形成したのち、塩酸ガス雰囲気中でアニールすることで、酸化ハフニウムと酸化シリコンの界面に存在するハフニウム原子のダングリングボンドを塩素原子により終端することで、負の固定電荷を形成し、保持させることが可能である。
【００６８】
なお、低暗電流の特性を実現するためには、正孔蓄積領域２６２における正孔の体積密度として１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにすれば良い。
【００６９】
また、第４実施形態においては、第２実施形態と同様に、固定電荷膜２８０の面密度は、１×１０１２ｃｍ−２以上とすることで、界面近傍には十分な正孔蓄積層２６２が形成され、暗電流が抑制される。また、固定電荷の面密度として、１×１０１３ｃｍ−２以上とすることで、暗電流の抑制効果をより安定的に得ることが可能であり、より好ましい。
【００７０】
本実施形形態も第１実施形態と同様に、フォトダイオードの低暗電流特性を維持しながら、クロストーク雑音を大幅に抑制可能であり、さらに青色感度、赤色感度の向上効果もあるために、ＳＮ比の高い高感度の固体撮像装置を実現することが可能となる。
【００７１】
さらに、ＰＤ＿ｎ領域を浅く形成しても高感度特性を実現できる。このため、従来では光吸収特性を維持するために基板深さ方向に対して微細化ができず、画素微細化におけるスケーリングが非等方的であったのに対して、本実施形態によれば、等方的なスケーリングが可能となる。したがって、深いＰＤ＿ｎ領域や深い素子分離を形成するという、固体撮像装置固有の設計、プロセスの必要性が薄まるため、デバイスの開発の難易度を大幅に低減することが可能であり、デバイスの開発期間の短縮、デバイスの開発コストの低下、という効果も得られる。また、微細化しても高いＳＮ比を得ることができる。さらに、第３実施形態と異なり、微細金属構造へのバイアス電圧印加が不要となるので、デバイス構造を簡略化し、デバイス面積の縮小等の効果も得られる。
【００７２】
以上の説明においては、光生成キャリアとして、電子を蓄積し読み出すものとしたが、光生成キャリアとして正孔を読み出す場合にも同様に適用することが可能である。その場合には、半導体基板、不純物領域の導電型を逆導電型として、微細金属構造に印加するバイアス電圧、および固定電荷の極性を反転させることで、同様の効果を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１００  固体撮像装置    
１０１  撮像領域
１０２  負荷トランジスタ
１０３  ＣＤＳ回路
１０４  Ｖ選択回路
１０５  Ｈ選択回路
１０６  ＡＧＣ回路
１０７  Ａ／Ｄ変換器
１０８  デジタルアンプ
１０９  ＴＧ回路
１５０  シリコン基板
２００  画素
２０１  フォトダイオード
２０１ａ  ｎ型不純物領域（ＰＤ＿ｎ領域）
２０２  転送トランジスタ
２０３  フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２０５  増幅トランジスタ
２０６  選択トランジスタ
２１０  ｐ＋領域
２２０  ｐ＋不純物領域（画素分離構造）
２２１  ｐ＋不純物領域（画素分離構造）
２３０  層間絶縁膜
２３５  金属配線
２３６  絶縁膜
２３７  カラーフィルタ
２３９  マイクロレンズ
２４０  光シールド
２５０  微細金属構造
２６０  正孔誘起領域
２６２  正孔蓄積領域
２８０  固定電荷膜
２９０  埋め込み絶縁膜  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図４】
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