JP2013115100A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】イメージセンサ3b、3gは、ダイクロイックプリズム2b、2g、2rにて分離された青色光Bおよび緑色光Gの光電変換を画素ごとに行い、イメージセンサ3rは、イメージセンサ3b、3gに対して光の吸収係数が異なる光電変換部が画素ごとに設けられ、ダイクロイックプリズム2b、2g、2rにて分離された赤色光Rの光電変換を画素ごとに行う。
【選択図】 図1
【解決手段】イメージセンサ3b、3gは、ダイクロイックプリズム2b、2g、2rにて分離された青色光Bおよび緑色光Gの光電変換を画素ごとに行い、イメージセンサ3rは、イメージセンサ3b、3gに対して光の吸収係数が異なる光電変換部が画素ごとに設けられ、ダイクロイックプリズム2b、2g、2rにて分離された赤色光Rの光電変換を画素ごとに行う。
【選択図】 図1
Description
本発明の実施形態は固体撮像装置に関する。
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。
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。
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、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のイメージセンサに対して光の吸収係数が異なる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。
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。
(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。
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。
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の吸収係数が異なる材料にて形成することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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、半導体層11r上には半導体層11r´が積層されている。半導体層11r´は、半導体層11r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11r´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、11r´の厚さは、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、11r´を支持する支持基板15rが設けられている。
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。
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。
また、図2(c)の構成では、光電変換層12rを形成するために、半導体層11r、11r´の2層構造を用いる方法について説明したが、半導体層11r´のみの1層構造を用いるようにしてもよい。
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。
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。
図4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4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。
図4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。
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。
ここで、半導体層11r´を用いて光電変換層12rを形成することにより、半導体層11rのみを用いて光電変換層12rを形成した場合に比べて、光電変換層12rの光電変換効率を向上させることができる。このため、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12rの深さを浅くすることができ、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ることから、解像度の低下を抑制することができる。
一方、青色光Bおよび緑色光Gは赤色光Rに比べて波長が短いため、光電変換層12bおよび光電変換層12gの深くまで届かない。このため、光電変換層12rの深さに合わせて光電変換層12bおよび光電変換層12gの深さを浅くした場合においても、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することができる。
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11r´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。
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。
図5(a)〜図5(c)、図6(a)および図6(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5(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11g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11gにドーピングすることができる。
図5(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11g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11gにドーピングすることができる。
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。
次に、図5(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。
次に、図5(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。
次に、図6(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。
次に、図6(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。
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。
なお、緑色用イメージセンサ3gの製造方法は、青色用イメージセンサ3bの製造方法と同様である。
図7(a)〜図7(c)、図8(a)および図8(b)は、図2(a)の赤色用イメージセンサ3r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7(a)において、エピタキシャル成長にて半導体基板10r上に半導体層11r、11r´を順次形成する。なお、半導体基板10rおよび半導体層11rとしてはSi、半導体層11r´としてはSiGeを用いることができる。この時、BなどのP型不純物を半導体層11r、11r´にドーピングすることができる。また、半導体層11rを省略し、半導体基板10r上に半導体層11r´を直接形成するようにしてもよい。
図7(a)において、エピタキシャル成長にて半導体基板10r上に半導体層11r、11r´を順次形成する。なお、半導体基板10rおよび半導体層11rとしてはSi、半導体層11r´としてはSiGeを用いることができる。この時、BなどのP型不純物を半導体層11r、11r´にドーピングすることができる。また、半導体層11rを省略し、半導体基板10r上に半導体層11r´を直接形成するようにしてもよい。
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11r、11r´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11r´に光電変換層12r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。
次に、図7(b)に示すように、層間絶縁層13rに埋め込まれた配線層14rを半導体層11r´上に形成する。そして、図7(c)に示すように、層間絶縁層13r上に支持基板15rを貼り付ける。
次に、図8(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10rを薄膜化し、半導体層11rの裏面から半導体基板10rを除去する。
次に、図8(b)に示すように、半導体層11r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11rの裏面側にピンニング層16r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16rを半導体層11rの裏面側に形成するようにしてもよい。
次に、図2(c)に示すように、ピンニング層16r上に反射防止膜17rを形成した後、オンチップレンズ19rを画素ごとに形成する。
(第2実施形態)
図9(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9(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9(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。なお、図9(a)〜図9(c)では、表面照射型イメージセンサを例にとった。
図9(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9(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9(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。なお、図9(a)〜図9(c)では、表面照射型イメージセンサを例にとった。
図9(a)において、青色用イメージセンサ3bには、半導体基板20bが設けられ、半導体基板20bにはウェル層21bが設けられている。なお、半導体基板20bおよびウェル層21bの材料は、例えば、Siを用いることができる。また、半導体基板20bの導電型はN型に設定することができる。また、ウェル層21bとしては、半導体基板20b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20b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。ウェル層21bの表面側には光電変換層22bが画素ごとに形成され、光電変換層22b上にはピンニング層25b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。ピンニング層25bは、ウェル層21bに形成されたP型不純物層を用いることができる。また、ウェル層21b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するポテンシャルを形成することができる。ピンニング層26b上には層間絶縁層23bが形成されている。層間絶縁層23bには配線層24bが埋め込まれている。なお、表面照射型イメージセンサでは、青色光Bが光電変換層22bに入射するのに妨げにならないようにするため、光電変換層22b上を避けるように配線層24bを配置することができる。また、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。
図9(b)において、緑色用イメージセンサ3gには、半導体基板20gが設けられ、半導体基板20gにはウェル層21gが設けられている。ウェル層21gの表面側には光電変換層22gが画素ごとに形成され、光電変換層22g上にはピンニング層25gが形成されている。なお、ウェル層21g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層22g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。ピンニング層25g上には層間絶縁層23gが形成されている。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上にはオンチップレンズ29gが画素ごとに形成されている。
なお、ウェル層21g、光電変換層22g、層間絶縁層23g、配線層24g、ピンニング層25gおよびオンチップレンズ29gは、ウェル層21b、光電変換層22b、層間絶縁層23b、配線層24b、ピンニング層25b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。
図9(c)において、赤色用イメージセンサ3rには、半導体基板20rが設けられ、半導体基板20rにはウェル層21rが設けられている。ウェル層21r上には半導体層21r´が積層されている。半導体層21r´は、ウェル層21r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21r´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21r´の表面側には光電変換層22rが画素ごとに形成され、光電変換層22r上にはピンニング層25rが形成されている。なお、ウェル層21r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するポテンシャルを形成することができる。また、ピンニング層25rは、半導体層21r´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25r上には層間絶縁層23rが形成されている。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上にはオンチップレンズ29rが画素ごとに形成されている。
なお、ウェル層21r、光電変換層22r、層間絶縁層23r、配線層24r、ピンニング層25rおよびオンチップレンズ29rは、ウェル層21b、光電変換層22b、層間絶縁層23b、配線層24b、ピンニング層25b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。
また、図9(c)の構成では、光電変換層22rを形成するために、ウェル層21rおよび半導体21r´の2層構造を用いる方法について説明したが、半導体層21r´のみの1層構造を用いるようにしてもよい。
ここで、半導体層21r´を用いて光電変換層22rを形成することにより、ウェル層21rのみを用いて光電変換層22rを形成した場合に比べて、光電変換層22rの光電変換効率を向上させることができる。このため、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ることから、解像度の低下を抑制することができる。
一方、青色光Bおよび緑色光Gは赤色光Rに比べて波長が短いため、光電変換層22bおよび光電変換層22gの深くまで届かない。このため、光電変換層22rの深さに合わせて光電変換層22bおよび光電変換層22gの深さを浅くした場合においても、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することができる。
(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、裏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、この裏面照射型イメージセンサには、半導体層31が設けられている。半導体層31の材料は、例えば、Siを用いることができる。また、半導体層31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31には埋め込み半導体層31´が一部の画素に埋め込まれている。埋め込み半導体層31´は、半導体層31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31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。
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、裏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、この裏面照射型イメージセンサには、半導体層31が設けられている。半導体層31の材料は、例えば、Siを用いることができる。また、半導体層31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31には埋め込み半導体層31´が一部の画素に埋め込まれている。埋め込み半導体層31´は、半導体層31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31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31の表面側には光電変換層32b、32gが画素ごとに形成されるとともに、埋め込み半導体層31´には光電変換層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、半導体層31の厚さは、自画素の光電変換層32b、32g、32rの外側で光電変換された電荷が他画素の光電変換層32b、32g、32rに流れ込まないように設定することができる。半導体層31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、裏面照射型イメージセンサでは、光電変換層32b、32g、32r上に配線層34を配置することができる。また、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。層間絶縁層33上には、半導体層31を支持する支持基板35が設けられている。支持基板35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。
一方、半導体層31の裏面側には、ピンニング層36が形成され、ピンニング層36上には反射防止膜37が形成されている。なお、ピンニング層36は、半導体層31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37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37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。
ここで、半導体層31´を用いて光電変換層32rを形成することにより、半導体層31のみを用いて光電変換層32rを形成した場合に比べて、光電変換層32rの光電変換効率を向上させることができる。このため、光電変換層32rの感度の低下を抑制しつつ、光電変換層32rの深さを浅くすることができ、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ることから、混色を抑制することができる。
一方、青色光Bおよび緑色光Gは赤色光Rに比べて波長が短いため、光電変換層32bおよび光電変換層32gの深くまで届かない。このため、光電変換層32rの深さに合わせて光電変換層32bおよび光電変換層32gの深さを浅くした場合においても、光電変換層32bおよび光電変換層32gの感度の低下を抑制することができる。
図11(a)〜図11(d)および図12(a)〜図12(c)は、図10のイメージセンサの製造方法を示す断面図である。
図11(a)において、エピタキシャル成長にて半導体基板30上に半導体層31を形成する。なお、半導体層31がSiの場合、半導体基板30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30にドーピングすることができる。
そして、CVDまたは熱酸化などの方法にて絶縁層40を半導体層30上に成膜する。なお、絶縁層40の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。
図11(a)において、エピタキシャル成長にて半導体基板30上に半導体層31を形成する。なお、半導体層31がSiの場合、半導体基板30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30にドーピングすることができる。
そして、CVDまたは熱酸化などの方法にて絶縁層40を半導体層30上に成膜する。なお、絶縁層40の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図11(b)に示すように、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いることにより、絶縁層40を介して半導体層30に凹部41を形成する。
次に、図11(c)に示すように、選択エピタキシャル成長を行うことにより、埋め込み半導体層31´を凹部41に選択的に埋め込む。なお、半導体層31がSiの場合、半導体層31としてはSiGeを用いることができる。この時、BなどのP型不純物を埋め込み半導体層31´にドーピングすることができる。
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30および埋め込み半導体層31´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30の表面側に光電変換層32b、32gを画素ごとに形成するとともに、埋め込み半導体層31´に光電変換層32rを画素ごとに形成するに。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。
次に、図11(d)に示すように、層間絶縁層33に埋め込まれた配線層34を半導体層31および埋め込み半導体層31´上に形成する。そして、図12(a)に示すように、層間絶縁層33上に支持基板35を貼り付ける。
次に、図12(b)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30を薄膜化し、半導体層31の裏面から半導体基板30を除去する。
次に、図12(c)に示すように、半導体層31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31の裏面側にピンニング層36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36を半導体層31の裏面側に形成するようにしてもよい。
次に、図10に示すように、ピンニング層31上に反射防止膜37を形成した後、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を反射防止膜37上に画素ごとに形成する。この時、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。そして、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上にオンチップレンズ39を画素ごとに形成する。
(第4実施形態)
図13は、第4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2実施形態では、表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4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13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50が設けられ、半導体基板50にはウェル層51が設けられている。なお、半導体基板50およびウェル層51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50の導電型はN型に設定することができる。また、ウェル層51としては、半導体基板50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50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。ウェル層51には埋め込み半導体層51´が一部の画素に埋め込まれている。埋め込み半導体層51´は、ウェル層51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、埋め込み半導体層51´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。
図13は、第4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2実施形態では、表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4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13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50が設けられ、半導体基板50にはウェル層51が設けられている。なお、半導体基板50およびウェル層51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50の導電型はN型に設定することができる。また、ウェル層51としては、半導体基板50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50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。ウェル層51には埋め込み半導体層51´が一部の画素に埋め込まれている。埋め込み半導体層51´は、ウェル層51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、埋め込み半導体層51´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。
ウェル層51の表面側には光電変換層52b、52gが画素ごとに形成されるとともに、埋め込み半導体層51´には光電変換層52rが画素ごとに形成されている。なお、光電変換層52b、52g、52rの導電型はN型に設定することができる。また、ウェル層51は、光電変換層52rの外側で光電変換された電荷が光電変換層52b、52g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52b、52g、52r上にはピンニング層55b、55g、55rがそれぞれ形成されている。なお、ピンニング層55b、55g、55rは、光電変換層52b、52g、52r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55b、55g、55r上には層間絶縁層53が形成されている。層間絶縁層53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53には配線層54が埋め込まれている。なお、配線層54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54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53上には、青色透過フィルタ58b、緑色透過フィルタ58gおよび赤色透過フィルタ58rが形成されている。青色透過フィルタ58bは光電変換層52b上に配置し、緑色透過フィルタ58gは光電変換層52g上に配置し、赤色透過フィルタ58rは光電変換層52r上に配置することができる。青色透過フィルタ58b、緑色透過フィルタ58gおよび赤色透過フィルタ58r上には、オンチップレンズ59が画素ごとに形成されている。なお、オンチップレンズ59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。
ここで、埋め込み半導体層51´を用いて光電変換層52rを形成することにより、ウェル層51のみを用いて光電変換層52rを形成した場合に比べて、光電変換層52rの光電変換効率を向上させることができる。このため、光電変換層52rの感度の低下を抑制しつつ、光電変換層52rの深さを浅くすることができ、光電変換層52rに斜めに入射した赤色光Rが光電変換層52b、52gに侵入するのを抑制することが可能となることから、混色を抑制することができる。
一方、青色光Bおよび緑色光Gは赤色光Rに比べて波長が短いため、光電変換層52bおよび光電変換層52gの深くまで届かない。このため、光電変換層52rの深さに合わせて光電変換層52bおよび光電変換層52gの深さを浅くした場合においても、光電変換層52bおよび光電変換層52gの感度の低下を抑制することができる。
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。
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、11r´、31 半導体層、12b、12g、12r、22b、22g、22r、32b、32g、32r、52b、52g、52r 光電変換層、13b、13g、13r、23b、23g、23r、33、53 層間絶縁層、14b、14g、14r、24b、24g、24r、34、54 配線層、15b、15g、15r、35 支持基板、16b、16g、16r、25b、25g、25r、36、55b、55g、55r ピンニング層、17b、17g、17r、37 反射防止膜、19b、19g、19r、29b、29g、29r、39、59 オンチップレンズ、10b、10r、20b、20g、20r、50 半導体基板、21b、21g、21r、51 ウェル層、31´、51´ 埋め込み半導体層、38b、58b 青色透過フィルタ、38g、58g 緑色透過フィルタ、38r、58r 赤色透過フィルタ、40 絶縁層、41 凹部
Claims (5)
- 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、
Siにて形成された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、
Siにて形成された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、
SiGeにて形成された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。 - 入射光を色ごとに分離する波長分離器と、
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のイメージセンサに対して光の吸収係数が異なる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。 - 前記第1のイメージセンサの光電変換部はSiにて構成され、前記第2のイメージセンサの光電変換部はSiGeまたは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2に記載の固体撮像装置。
- 半導体層と、
前記半導体層に形成され、前記半導体層と光の吸収係数が異なる埋め込み半導体層と、
前記半導体層に画素ごとに形成された第1の光電変換部と、
前記埋め込み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。 - Si層と、
前記Si層に埋め込まれたSiGe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Si層に画素ごとに形成された第2の光電変換部と、
前記SiGe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。
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