(57)【要約】【課題】固体撮像装置の感度の低下を抑制しつつ、混色を低減させる。【解決手段】赤色用イメージセンサ３ｒの光電変換部１２ｒは、青色用イメージセンサ３ｂの光電変換部１２ｂおよび緑色用イメージセンサ３ｇの光電変換部１２ｇに対して光入射面から深い位置に配置する。【選択図】      図１
2013115101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を青色光、緑色光および赤色光に分離する波長分離器と、
第１の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された青色光の光電変換を画素ごとに行う青色用イメージセンサと、
前記第１の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置された第２の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された緑色光の光電変換を画素ごとに行う緑色用イメージセンサと、
前記第２の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置された第３の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された赤色光の光電変換を画素ごとに行う赤色用イメージセンサとを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
入射光を色ごとに分離する波長分離器と、
第１の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された第１色光の光電変換を画素ごとに行う第１のイメージセンサと、
前記第１の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置された第２の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された第２色光の光電変換を前記画素ごとに行う第２のイメージセンサとを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のイメージセンサには、自画素の第１の光電変換部の外側で光電変換された電荷が他画素の第１の光電変換部に流れ込まないようにする第１のポテンシャルが形成され、
前記第２のイメージセンサには、自画素の第２の光電変換部の外側で光電変換された電荷が他画素の第２の光電変換部に流れ込まないようにする第２のポテンシャルが形成され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の光電変換部が形成された第１の半導体層と、
前記第２の光電変換部が形成された第２の半導体層とを備え、
前記第１の半導体層のエッチング量に基づいて、前記第１のイメージセンサの光入射面からの前記第１の光電変換部の位置が設定され、
前記第２の半導体層のエッチング量に基づいて、前記第２のイメージセンサの光入射面からの前記第２の光電変換部の位置が設定されることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層はＳｉとＳｉＧｅとの積層構造にて構成されることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
半導体層に画素ごとに形成された第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置されるようにして前記半導体層に画素ごとに形成された第２の光電変換部と、
前記第１の光電変換部に第１色光を入射させる第１のカラーフィルタと、
前記第２の光電変換部に第２色光を入射させる第２のカラーフィルタとを備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
Ｓｉ層と、
前記Ｓｉ層に画素ごとに形成された第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置されるようにして前記Ｓｉ層に画素ごとに形成された第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置されるようにして前記Ｓｉ層に画素ごとに形成された第３の光電変換部と、
前記第１の光電変換部上に配置され、青色光を透過させる青色透過フィルタと、
前記第２の光電変換部上に配置され、緑色光を透過させる緑色透過フィルタと、
前記第３の光電変換部上に配置され、赤色光を透過させる赤色透過フィルタとを備え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】
本発明の実施形態は固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置では、入射光をＲＧＢの３原色に分離し、各色に対応した信号を取り出すことで、撮像画像のカラー化が図られている。この時、混色を防止するには、フォトダイオードを浅く形成した方がよいが、フォトダイオードを浅く形成すると、特に波長の長い光に対しては感度の低下が大きかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一つの実施形態の目的は、感度の低下を抑制しつつ、混色を低減させることが可能な固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の固体撮像装置によれば、波長分離器と、第１のイメージセンサと、第２のイメージセンサとが設けられている。波長分離器は、入射光を色ごとに分離する。第１のイメージセンサは、第１の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された第１色光の光電変換を画素ごとに行う。第２のイメージセンサは、前記第１の光電変換部よりも光入射面から深い位置に配置された第２の光電変換部が画素ごとに設けられ、前記波長分離器にて分離された第２色光の光電変換を前記画素ごとに行う。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の青色用イメージセンサ３ｂの概略構成を示す断面図、図２（ｂ）は、図１の緑色用イメージセンサ３ｇの概略構成を示す断面図、図２（ｃ）は、図１の赤色用イメージセンサ３ｒの概略構成を示す断面図である。
【図３】図３は、青色光Ｂ、緑色光Ｇおよび赤色光Ｒの波長と強度の関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、図２（ａ）の青色用イメージセンサ３ｂの製造方法を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、図２（ａ）の青色用イメージセンサ３ｂの製造方法を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置に適用される青色用イメージセンサの概略構成を示す断面図、図６（ｂ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置に適用される緑色用イメージセンサの概略構成を示す断面図、図６（ｃ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置に適用される赤色用イメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【図７】図７は、半導体材料ごとの波長に対する吸収係数を示す図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、図６（ａ）の青色用イメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）および図９（ｂ）は、図６（ａ）の青色用イメージセンサの製造方法を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態に係る固体撮像装置に適用されるイメージセンサの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態に係る固体撮像装置について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。なお、図１では、３板式固体撮像装置の例を示す。
図１において、この固体撮像装置には、入射光ＬＨを集光するレンズ１、入射光ＬＨを青色光Ｂ、緑色光Ｇおよび赤色光Ｒにそれぞれ分離するダイクロイックプリズム２ｂ、２ｇ、２ｒ、青色光Ｂを画素ごとに光電変換する青色用イメージセンサ３ｂ、緑色光Ｇを画素ごとに光電変換する緑色用イメージセンサ３ｇ、赤色光Ｒを画素ごとに光電変換する赤色用イメージセンサ３ｒおよび青色画像信号ＳＢと緑色画像信号ＳＧと赤色画像信号ＳＲを合成することでカラー画像信号ＳＯを生成する信号処理部４が設けられている。
【０００９】
ここで、赤色用イメージセンサ３ｒの光電変換部は、青色用イメージセンサ３ｂの光電変換部および緑色用イメージセンサ３ｇの光電変換部に対して光入射面から深い位置に配置することができる。
【００１０】
図２（ａ）は、図１の青色用イメージセンサ３ｂの概略構成を示す断面図、図２（ｂ）は、図１の緑色用イメージセンサ３ｇの概略構成を示す断面図、図２（ｃ）は、図１の赤色用イメージセンサ３ｒの概略構成を示す断面図である。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）では、裏面照射型イメージセンサを例にとった。
図２（ａ）において、青色用イメージセンサ３ｂには、半導体層１１ｂが設けられている。半導体層１１ｂの材料は、例えば、Ｓｉを用いることができる。また、半導体層１１ｂとしては、Ｐ型エピタキシャル半導体を用いることができる。半導体層１１ｂの表面側には光電変換層１２ｂが画素ごとに形成されるとともに、半導体層１１ｂ上には層間絶縁層１３ｂが形成されている。なお、光電変換層１２ｂの導電型はＮ型に設定することができる。層間絶縁層１３ｂの材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。また、半導体層１１ｂの厚さＴｂおよび光電変換層１２ｂの光入射面Ｍｂからの深さＦｂは、自画素の光電変換層１２ｂの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換層１２ｂに流れ込まないように設定することができる。層間絶縁層１３ｂには配線層１４ｂが埋め込まれている。なお、裏面照射型イメージセンサでは、光電変換層１２ｂ上に配線層１４ｂを配置することができる。また、配線層１４ｂの材料は、例えば、ＡｌまたはＣｕなどの金属を用いることができる。また、配線層１４ｂは、信号が読み出される画素を選択したり、画素から読み出された信号を伝送したりするのに用いることができる。層間絶縁層１３ｂ上には、半導体層１１ｂを支持する支持基板１５ｂが設けられている。支持基板１５ｂは、Ｓｉなどの半導体基板を用いるようにしてもよいし、ガラス、セラミックまたは樹脂などの絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
【００１１】
一方、半導体層１１ｂの裏面側には、ピンニング層１６ｂが形成され、ピンニング層１６ｂ上には反射防止膜１７ｂが形成されている。なお、ピンニング層１６ｂは、半導体層１１ｂに形成されたＰ型不純物層を用いることができる。反射防止膜１７ｂは、屈折率が互いに異なるシリコン酸化膜の積層構造を用いることができる。反射防止膜１７ｂ上には、オンチップレンズ１９ｂが画素ごとに形成されている。なお、オンチップレンズ１９ｂの材料は、例えば、アクリルまたはポリカーボネートなどの透明有機化合物を用いることができる。
【００１２】
図２（ｂ）において、緑色用イメージセンサ３ｇには、半導体層１１ｇが設けられている。半導体層１１ｇの表面側には光電変換層１２ｇが画素ごとに形成されるとともに、半導体層１１ｇ上には層間絶縁層１３ｇが形成されている。なお、半導体層１１ｇの厚さＴｇおよび光電変換層１２ｇの光入射面Ｍｇからの深さＦｇは、自画素の光電変換層１２ｇの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換層１２ｇに流れ込まないように設定することができる。層間絶縁層１３ｇには配線層１４ｇが埋め込まれている。層間絶縁層１３ｇ上には、半導体層１１ｇを支持する支持基板１５ｇが設けられている。
【００１３】
一方、半導体層１１ｇの裏面側には、ピンニング層１６ｇが形成され、ピンニング層１６ｇ上には反射防止膜１７ｇが形成されている。反射防止膜１７ｇ上には、オンチップレンズ１９ｇが画素ごとに形成されている。
【００１４】
なお、半導体層１１ｇ、光電変換層１２ｇ、層間絶縁層１３ｇ、配線層１４ｇ、支持基板１５ｇ、ピンニング層１６ｇ、反射防止膜１７ｇおよびオンチップレンズ１９ｇは、半導体層１１ｂ、光電変換層１２ｂ、層間絶縁層１３ｂ、配線層１４ｂ、支持基板１５ｂ、ピンニング層１６ｂ、反射防止膜１７ｂおよびオンチップレンズ１９ｂと同様の材料を用いることができる。
【００１５】
図２（ｃ）において、赤色用イメージセンサ３ｒには、半導体層１１ｒが設けられている。半導体層１１ｒの表面側には光電変換層１２ｒが画素ごとに形成されるとともに、半導体層１１ｒ上には層間絶縁層１３ｒが形成されている。なお、半導体層１１ｒの厚さＴｒおよび光電変換層１２ｒの光入射面Ｍｒからの深さＦｒは、自画素の光電変換層１２ｒの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換層１２ｒに流れ込まないように設定することができる。層間絶縁層１３ｒには配線層１４ｒが埋め込まれている。層間絶縁層１３ｒ上には、半導体層１１ｒを支持する支持基板１５ｒが設けられている。
【００１６】
一方、半導体層１１ｒの裏面側には、ピンニング層１６ｒが形成され、ピンニング層１６ｒ上には反射防止膜１７ｒが形成されている。反射防止膜１７ｒ上には、オンチップレンズ１９ｒが画素ごとに形成されている。
【００１７】
なお、半導体層１１ｒ、光電変換層１２ｒ、層間絶縁層１３ｒ、配線層１４ｒ、支持基板１５ｒ、ピンニング層１６ｒ、反射防止膜１７ｒおよびオンチップレンズ１９ｒは、半導体層１１ｂ、光電変換層１２ｂ、層間絶縁層１３ｂ、配線層１４ｂ、支持基板１５ｂ、ピンニング層１６ｂ、反射防止膜１７ｂおよびオンチップレンズ１９ｂと同様の材料を用いることができる。
【００１８】
ここで、光電変換部１２ｒが光電変換部１２ｂ、１２ｇに対して各光入射面Ｍｒから深い位置に配置されるようにするために、各半導体層１１ｂ、１１ｇ、１１ｒの厚さＴｂ、Ｔｇ、Ｔｒは、Ｔｂ≦Ｔｇ＜Ｔｒとなるように設定することができる。また、各光電変換層１２ｂ、１２ｇ、１２ｒの光入射面Ｍｂ、Ｍｇ、Ｍｒからの深さＦｂ、Ｆｇ、Ｆｒは、Ｆｂ≦Ｆｇ≦Ｆｒとなるように設定することができる。
【００１９】
図３は、青色光Ｂ、緑色光Ｇおよび赤色光Ｒの波長と強度の関係を示す図である。
図３において、青色光Ｂは、波長４５０ｎｍ付近に強度のピークを有している。緑色光Ｇは、波長５３０ｎｍ付近に強度のピークを有している。赤色光Ｒは、波長６００ｎｍ付近に強度のピークを有している。このため、赤色光Ｒは光電変換層１２ｒの深くまで届くのに対して、青色光Ｂおよび緑色光Ｇは光電変換層１２ｂおよび光電変換層１２ｇの深くまで届かない。
【００２０】
そして、図１において、入射光ＬＨがレンズ１を介してダイクロイックプリズム２ｂ、２ｇ、２ｒに入射されると、青色光Ｂ、緑色光Ｇおよび赤色光Ｒに分離される。そして、青色光Ｂは青色用イメージセンサ３ｂに入射され、緑色光Ｇは緑色用イメージセンサ３ｇに入射され、赤色光Ｒは赤色用イメージセンサ３ｒに入射される。青色用イメージセンサ３ｂにおいて、青色光Ｂが画素ごとに光電変換されることで青色画像信号ＳＢが生成され、信号処理部４に送られる。また、緑色用イメージセンサ３ｇにおいて、緑色光Ｇが画素ごとに光電変換されることで緑色画像信号ＳＧが生成され、信号処理部４に送られる。また、赤色用イメージセンサ３ｒにおいて、赤色光Ｒが画素ごとに光電変換されることで赤色画像信号ＳＲが生成され、信号処理部４に送られる。そして、信号処理部４において、青色画像信号ＳＢと緑色画像信号ＳＧと赤色画像信号ＳＲが合成されることでカラー画像信号ＳＯが出力される。
【００２１】
ここで、光電変換部１２ｂ、１２ｇに対して光入射面Ｍｒから深い位置に光電変換部１２ｒを配置することにより、光電変換層１２ｂおよび光電変換層１２ｇの深さを深くすることなく、光電変換層１２ｒの深さを深くすることができる。このため、青色用イメージセンサ３ｂおよび緑色用イメージセンサ３ｇの感度の低下を抑制しつつ、自画素の光電変換層１２ｒに斜めに入射した赤色光Ｒが他画素の光電変換層１２ｒに侵入するのを抑制することが可能となり、解像度の低下を抑制することができる。
【００２２】
なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）の実施形態では、青色用イメージセンサ３ｂ、緑色用イメージセンサ３ｇおよび赤色用イメージセンサ３ｒに青色光Ｂ、緑色光Ｇおよび赤色光Ｒをそれぞれ入射する方法について説明したが、青色用イメージセンサ３ｂ、緑色用イメージセンサ３ｇおよび赤色用イメージセンサ３ｒに入射光ＬＨを３分割して入射するようにしてもよい。この場合、青色光Ｂ、緑色光Ｇおよび赤色光Ｒを入射光ＬＨから抽出するために、青色用イメージセンサ３ｂ、緑色用イメージセンサ３ｇおよび赤色用イメージセンサ３ｒには、青色透過フィルタ、緑色透過フィルタおよび赤色透過フィルタをそれぞれ設けることができる。
【００２３】
図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）および図５（ｂ）は、図２（ａ）の青色用イメージセンサ３ｂの製造方法を示す断面図である。なお、この説明では、ゲート電極形成工程は省略した。
図４（ａ）において、エピタキシャル成長にて半導体基板１０ｂ上に半導体層１１ｂを形成する。なお、半導体層１１ｂがＳｉの場合、半導体基板１０ｂはＳｉを用いることが好ましい。この時、ＢなどのＰ型不純物を半導体層１１ｂにドーピングすることができる。
【００２４】
そして、フォトリソグラフィー技術およびイオン注入技術を用いて半導体層１１ｂに不純物を画素ごとに選択的に注入することにより、半導体層１１ｂの表面側に光電変換層１２ｂを画素ごとに形成する。なお、この時の不純物は、例えば、ＰまたはＡｓなどのＮ型不純物を用いることができる。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁層１３ｂに埋め込まれた配線層１４ｂを半導体層１１ｂ上に形成する。
【００２６】
次に、図４（ｃ）に示すように、層間絶縁層１３ｂ上に支持基板１５ｂを貼り付ける。なお、支持基板１５ｂを層間絶縁層１３ｂ上に貼り付ける方法としては、例えば、ＳｉＯ２直接接合を用いることができる。
【００２７】
次に、図５（ａ）に示すように、ＣＭＰまたはエッチバックなどの方法を用いることにより、半導体基板１０ｂを薄膜化し、半導体層１１ｂの裏面から半導体基板１０ｂを除去する。
【００２８】
次に、図５（ｂ）に示すように、半導体層１１ｂの裏面側に不純物を高濃度にイオン注入することにより、半導体層１１ｂの裏面側にピンニング層１６ｂを形成する。なお、この時の不純物は、例えば、ＢなどのＰ型不純物を用いることができる。また、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたエピタキシャル成長にてピンニング層１６ｂを半導体層１１ｂの裏面側に形成するようにしてもよい。
【００２９】
次に、図２（ａ）に示すように、ピンニング層１６ｂ上に反射防止膜１７ｂを形成した後、オンチップレンズ１９ｂを画素ごとに形成する。
【００３０】
なお、図２（ｂ）の緑色用イメージセンサ３ｇおよび図２（ｃ）の赤色用イメージセンサ３ｒの製造方法は、図２（ａ）の青色用イメージセンサ３ｂの製造方法と同様である。
【００３１】
（第２実施形態）
図６（ａ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置に適用される青色用イメージセンサの概略構成を示す断面図、図６（ｂ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置に適用される緑色用イメージセンサの概略構成を示す断面図、図６（ｃ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置に適用される赤色用イメージセンサの概略構成を示す断面図である。
図６（ａ）において、青色用イメージセンサ３ｂには、半導体層２１ｂが設けられ、半導体層２１ｂ上には半導体層２１ｂ´が積層されている。半導体層２１ｂの材料は、例えば、Ｓｉを用いることができる。また、半導体層２１ｂとしては、Ｐ型エピタキシャル半導体を用いることができる。半導体層２１ｂ´は、半導体層２１ｂよりも光の吸収係数が大きな材料を用いることができ、例えば、ＳｉＧｅを用いることができる。なお、ＳｉとＳｉＧｅとの間で格子整合をとるために、ＳｉＧｅ中のＧｅの含有量は０％より大きく、３０％以下であることが好ましい。また、半導体層２１ｂ´としては、Ｐ型エピタキシャル半導体を用いることができる。半導体層２１ｂ´の表面側には光電変換層２２ｂが画素ごとに形成されるとともに、半導体層２１ｂ´上には層間絶縁層２３ｂが形成されている。なお、光電変換層２２ｂの導電型はＮ型に設定することができる。層間絶縁層２３ｂの材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。また、半導体層２１ｂ、２１ｂ´全体の厚さＴｂおよび光電変換層２２ｂの光入射面Ｍｂからの深さＦｂは、自画素の光電変換層２２ｂの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換層２２ｂに流れ込まないように設定することができる。層間絶縁層２３ｂには配線層２４ｂが埋め込まれている。なお、配線層２４ｂの材料は、例えば、ＡｌまたはＣｕなどの金属を用いることができる。また、配線層２４ｂは、信号が読み出される画素を選択したり、画素から読み出された信号を伝送したりするのに用いることができる。層間絶縁層２３ｂ上には、半導体層２１ｂを支持する支持基板２５ｂが設けられている。支持基板２５ｂは、Ｓｉなどの半導体基板を用いるようにしてもよいし、ガラス、セラミックまたは樹脂などの絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
【００３２】
一方、半導体層２１ｂの裏面側には、ピンニング層２６ｂが形成され、ピンニング層２６ｂ上には反射防止膜２７ｂが形成されている。なお、ピンニング層２６ｂは、半導体層２１ｂに形成されたＰ型不純物層を用いることができる。反射防止膜２７ｂは、屈折率が互いに異なるシリコン酸化膜の積層構造を用いることができる。反射防止膜２７ｂ上には、オンチップレンズ２９ｂが画素ごとに形成されている。なお、オンチップレンズ２９ｂの材料は、例えば、アクリルまたはポリカーポネートなどの透明有機化合物を用いることができる。
【００３３】
図６（ｂ）において、緑色用イメージセンサ３ｇには、半導体層２１ｇが設けられ、半導体層２１ｇ上には半導体層２１ｇ´が積層されている。半導体層２１ｇ´の表面側には光電変換層２２ｇが画素ごとに形成されるとともに、半導体層２１ｇ´上には層間絶縁層２３ｇが形成されている。なお、半導体層２１ｇ、２１ｇ´全体の厚さＴｇおよび光電変換層２２ｇの光入射面Ｍｇからの深さＦｇは、自画素の光電変換層２２ｇの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換２２ｇに流れ込まないように設定することができる。層間絶縁層２３ｇには配線層２４ｇが埋め込まれている。層間絶縁層２３ｇ上には、半導体層２１ｇを支持する支持基板２５ｇが設けられている。
【００３４】
一方、半導体層２１ｇの裏面側には、ピンニング層２６ｇが形成され、ピンニング層２６ｇ上には反射防止膜２７ｇが形成されている。反射防止膜２７ｇ上には、オンチップレンズ２９ｇが画素ごとに形成されている。
【００３５】
なお、半導体層２１ｇ、２１ｇ´、光電変換層２２ｇ、層間絶縁層２３ｇ、配線層２４ｇ、支持基板２５ｇ、ピンニング層２６ｇ、反射防止膜２７ｇおよびオンチップレンズ２９ｇは、半導体層２１ｂ、２１ｂ´、光電変換層２２ｂ、層間絶縁層２３ｂ、配線層２４ｂ、支持基板２５ｂ、ピンニング層２６ｂ、反射防止膜２７ｂおよびオンチップレンズ２９ｂと同様の材料を用いることができる。
【００３６】
図６（ｃ）において、赤色用イメージセンサ３ｒには、半導体層２１ｒが設けられ、半導体層２１ｒ上には半導体層２１ｒ´が積層されている。半導体層２１ｒ´の表面側には光電変換層２２ｒが画素ごとに形成されるとともに、半導体層２１ｒ´上には層間絶縁層２３ｒが形成されている。なお、半導体層２１ｒ、２１ｒ´全体の厚さＴｒおよび光電変換層２２ｒの光入射面Ｍｒからの深さＦｒは、自画素の光電変換層２２ｒの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換層２２ｒに流れ込まないように設定することができる。層間絶縁層２３ｒには配線層２４ｒが埋め込まれている。層間絶縁層２３ｒ上には、半導体層２１ｒを支持する支持基板２５ｒが設けられている。
【００３７】
一方、半導体層２１ｒの裏面側には、ピンニング層２６ｒが形成され、ピンニング層２６ｒ上には反射防止膜２７ｒが形成されている。反射防止膜２７ｒ上には、オンチップレンズ２９ｒが画素ごとに形成されている。
【００３８】
なお、半導体層２１ｒ、２１ｒ´、光電変換層２２ｒ、層間絶縁層２３ｒ、配線層２４ｒ、支持基板２５ｒ、ピンニング層２６ｒ、反射防止膜２７ｒおよびオンチップレンズ２９ｒは、半導体層２１ｂ、２１ｂ´、光電変換層２２ｂ、層間絶縁層２３ｂ、配線層２４ｂ、支持基板２５ｂ、ピンニング層２６ｂ、反射防止膜２７ｂおよびオンチップレンズ２９ｂと同様の材料を用いることができる。
【００３９】
ここで、光電変換部２２ｒが光電変換部２２ｂ、２２ｇに対して光入射面Ｍｒから深い位置に配置されるようにするために、半導体層２１ｂ、２１ｂ´全体の厚さＴｂ、半導体層２１ｇ、２１ｇ´全体の厚さＴｇおよび半導体層２１ｒ、２１ｒ´全体の厚さＴｒは、Ｔｂ≦Ｔｇ＜Ｔｒとなるように設定することができる。また、各光電変換層２２ｂ、２２ｇ、２２ｒの光入射面Ｍｂ、Ｍｇ、Ｍｒからの深さＦｂ、Ｆｇ、Ｆｒは、Ｆｂ≦Ｆｇ≦Ｆｒとなるように設定することができる。
【００４０】
図７は、半導体材料ごとの波長に対する吸収係数を示す図である。
図７において、ＧｅはＳｉよりも光の吸収係数が高い。このため、Ｓｉの代わりにＧｅを用いることで光電変換効率を向上させることができる。
【００４１】
ここで、半導体層２１ｂ´、２１ｇ´、２１ｒ´をそれぞれ用いて光電変換層２２ｂ、２２ｇ、２２ｒを形成することにより、半導体層２１ｂ、２１ｇ、２１ｒのみをそれぞれ用いて光電変換層２２ｂ、２２ｇ、２２ｒを形成した場合に比べて、光電変換層２２ｂ、２２ｇ、２２ｒの光電変換効率を向上させることができる。このため、青色用イメージセンサ３ｂ、緑色用イメージセンサ３ｇおよび赤色用イメージセンサ３ｒの感度の低下を抑制しつつ、光電変換層２２ｂ、２２ｇ、２２ｒの深さを浅くすることができ、自画素に斜めに入射した光が隣接画素に侵入するのを抑制することが可能となることから、解像度の低下を抑制することができる。
【００４２】
例えば、ＳｉＧｅはＳｉよりも光吸収係数が大きい。このため、半導体層２１ｂ´、２１ｇ´、２１ｒ´としてＳｉＧｅを用いることにより、イメージセンサ全体として接合の浅いフォトダイオードを形成することができる。すなわち、イメージセンサ全体としてのフォトダイオードの接合の深さは、赤色光ＲのＳｉに対する侵入長（約３．０μｍ）で決めるとすると、ＳｉＧｅを用いた時に同等の感度を達成するには、フォトダイオードの接合の深さは約１．５μｍにすることができる。このため、自画素に斜めに入射した赤色光Ｒが隣接画素に侵入するのを抑制することが可能となり、解像度の低下を抑制することができる。
【００４３】
なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）の構成では、光電変換層２２ｂ、２２ｇ、２２ｒを形成するために、半導体層２１ｂ、２１ｂ´の２層構造、半導体層２１ｇ、２１ｇ´の２層構造および半導体層２１ｒ、２１ｒ´の２層構造をそれぞれ用いる方法について説明したが、半導体層２１ｂ´、２１ｇ´、２１ｒ´のみの１層構造をそれぞれ用いるようにしてもよい。
【００４４】
図８（ａ）〜図８（ｃ）、図９（ａ）および図９（ｂ）は、図６（ａ）の青色用イメージセンサの製造方法を示す断面図である。なお、この説明では、ゲート電極形成工程は省略した。
図８（ａ）において、エピタキシャル成長にて半導体基板２０ｂ上に半導体層２１ｂ、２１ｂ´を順次形成する。なお、半導体層２１ｂがＳｉの場合、半導体基板２０ｂはＳｉを用いることが好ましい。この時、ＢなどのＰ型不純物を半導体層２１ｂ、２１ｂ´にドーピングすることができる。また、半導体層２１ｂを省略し、半導体基板２０ｂ上に半導体層２１ｂ´を直接形成するようにしてもよい。
【００４５】
そして、フォトリソグラフィー技術およびイオン注入技術を用いて半導体層２１ｂ´に不純物を画素ごとに選択的に注入することにより、半導体層２１ｂ´に光電変換層２２ｂを画素ごとに形成する。なお、この時の不純物は、例えば、ＰまたはＡｓなどのＮ型不純物を用いることができる。
【００４６】
次に、図８（ｂ）に示すように、層間絶縁層２３ｂに埋め込まれた配線層２４ｂを半導体層２１ｂ´上に形成する。
【００４７】
次に、図８（ｃ）に示すように、層間絶縁層２３ｂ上に支持基板２５ｂを貼り付ける。なお、支持基板２５ｂを層間絶縁層２３ｂ上に貼り付ける方法としては、例えば、ＳｉＯ２直接接合を用いることができる。
【００４８】
次に、図９（ａ）に示すように、ＣＭＰまたはエッチバックなどの方法を用いることにより、半導体基板２０ｂを薄膜化し、半導体層２１ｂの裏面から半導体基板２０ｂを除去する。
【００４９】
次に、図９（ｂ）に示すように、半導体層２１ｂの裏面側に不純物を高濃度にイオン注入することにより、半導体層２１ｂの裏面側にピンニング層２６ｂを形成する。なお、この時の不純物は、例えば、ＢなどのＰ型不純物を用いることができる。また、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたエピタキシャル成長にてピンニング層２６ｂを半導体層２１ｂの裏面側に形成するようにしてもよい。
【００５０】
次に、図６（ａ）に示すように、ピンニング層２６ｂ上に反射防止膜２７ｂを形成した後、オンチップレンズ２９ｂを画素ごとに形成する。
【００５１】
なお、図６（ｂ）の緑色用イメージセンサ３ｇおよび図６（ｃ）の赤色用イメージセンサ３ｒの製造方法は、図６（ａ）の青色用イメージセンサ３ｂの製造方法と同様である。
【００５２】
（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態に係る固体撮像装置に適用されるイメージセンサの概略構成を示す断面図である。なお、上述した第１実施形態では、裏面照射型イメージセンサを３板式固体撮像装置に適用した例を示したが、この第３実施形態は、表面照射型イメージセンサを１板式固体撮像装置に適用する例を示す。
図１０において、この表面照射型イメージセンサには、半導体基板３０が設けられ、半導体基板３０にはウェル層３１が設けられている。なお、半導体基板３０およびウェル層３１の材料は、例えば、Ｓｉを用いることができる。また、半導体基板３０の導電型はＮ型に設定することができる。また、ウェル層３１としては、半導体基板３０に形成されたＰ型不純物拡散層であってもよいし、半導体基板３０上に形成されたＰ型エピタキシャル半導体層であってもよい。
【００５３】
ウェル層３１の表面側には光電変換層３２ｂ、３２ｇ、３２ｒが画素ごとに形成されている。なお、光電変換層３２ｂ、３２ｇ、３２ｒの導電型はＮ型に設定することができる。また、光電変換部３２ｒは光電変換部３２ｂ、３２ｇに対して光入射面Ｍから深い位置に配置することができる。ここで、光電変換部３２ｒが光電変換部３２ｂ、３２ｇに対して光入射面Ｍから深い位置に配置されるようにするために、各光電変換層３２ｂ、３２ｇ、３２ｒの光入射面Ｍからの深さＦｂ、Ｆｇ、Ｆｒは、Ｆｂ≦Ｆｇ＜Ｆｒとなるように設定することができる。また、ウェル層３１は、光電変換層３２ｒの外側で光電変換された電荷が光電変換層３２ｂ、３２ｇに流れ込まないようにするポテンシャルを形成することができる。光電変換層３２ｂ、３２ｇ、３２ｒ上にはピンニング層３６ｂ、３６ｇ、３
６ｒがそれぞれ形成されている。なお、ピンニング層３６ｂ、３６ｇ、３６ｒは、光電変換層３２ｂ、３２ｇ、３２ｒに形成されたＰ型不純物層を用いることができる。ピンニング層３６ｂ、３６ｇ、３６ｒ上には層間絶縁層３３が形成されている。層間絶縁層３３の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。層間絶縁層３３には配線層３４が埋め込まれている。なお、配線層３４の材料は、例えば、ＡｌまたはＣｕなどの金属を用いることができる。また、配線層３４は、信号が読み出される画素を選択したり、画素から読み出された信号を伝送したりするのに用いることができる。
【００５４】
層間絶縁層３３上には、青色透過フィルタ３８ｂ、緑色透過フィルタ３８ｇおよび赤色透過フィルタ３８ｒが形成されている。青色透過フィルタ３８ｂは光電変換層３２ｂ上に配置し、緑色透過フィルタ３８ｇは光電変換層３２ｇ上に配置し、赤色透過フィルタ３８ｒは光電変換層３２ｒ上に配置することができる。青色透過フィルタ３８ｂ、緑色透過フィルタ３８ｇおよび赤色透過フィルタ３８ｒ上には、オンチップレンズ３９が画素ごとに形成されている。なお、オンチップレンズ３９の材料は、例えば、アクリルまたはポリカーポネートなどの透明有機化合物を用いることができる。
【００５５】
ここで、光電変換部３２ｂ、３２ｇに対して光入射面Ｍから深い位置に光電変換部３２ｒを配置することにより、光電変換層３２ｂ、３２ｇの深さを深くすることなく、光電変換層３２ｒの深さを深くすることができる。一方、赤色光Ｒは光電変換層３２ｒの深くまで届くのに対して、青色光Ｂおよび緑色光Ｇは光電変換層３２ｂ、３２ｇの深くまで届かない。このため、光電変換層３２ｂ、３２ｇの感度の低下を抑制しつつ、光電変換層３２ｒに斜めに入射した赤色光Ｒが光電変換層３２ｂ、３２ｇに侵入するのを抑制することが可能となり、混色を抑制することができる。
【００５６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５７】
１  レンズ、２ｂ、２ｇ、２ｒ  ダイクロイックプリズム、３ｂ  青色用イメージセンサ、３ｇ  緑色用イメージセンサ、３ｒ  赤色用イメージセンサ、４  信号処理部、１１ｂ、１１ｇ、１１ｒ、２１ｂ、２１ｇ、２１ｒ、２１ｂ´、２１ｇ´、２１ｒ´  半導体層、１２ｂ、１２ｇ、１２ｒ、２２ｂ、２２ｇ、２２ｒ、３２ｂ、３２ｇ、３２ｒ  光電変換層、１３ｂ、１３ｇ、１３ｒ、２３ｂ、２３ｇ、２３ｒ、３３  層間絶縁層、１４ｂ、１４ｇ、１４ｒ、２４ｂ、２４ｇ、２４ｒ、３４  配線層、１５ｂ、１５ｇ、１５ｒ  ２５ｂ、２５ｇ、２５ｒ  支持基板、１６ｂ、１６ｇ、１６ｒ、２６ｂ、２６ｇ、２６ｒ、３６ｂ、３６ｇ、３６ｒ  ピンニング層、１７ｂ、１７ｇ、１７ｒ、２７ｂ、２７ｇ、２７ｒ  反射防止膜、１９ｂ、１９ｇ、１９ｒ、２９ｂ、２９ｇ、２９ｒ、３９  オンチップレンズ、１０ｂ、２０ｂ、３０  半導体基板、３１  ウェル層、３８ｂ  青色透過フィルタ、３８ｇ  緑色透過フィルタ、３８ｒ  赤色透過フィルタ
【図１】
2013115101.tif 000003
【図２】
2013115101.tif 000004
【図３】
2013115101.tif 000005
【図４】
2013115101.tif 000006
【図５】
2013115101.tif 000007
【図６】
2013115101.tif 000008
【図７】
2013115101.tif 000009
【図８】
2013115101.tif 000010
【図９】
2013115101.tif 000011
【図１０】
2013115101.tif 000012