JP4538336B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、カラー画像を撮像する固体撮像装置に関する。

従来、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載されるＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の単版式カラー固体撮像装置は、数百万画素の光電変換素子と各画素から信号を読み出す信号読出回路とを同一の半導体基板上に形成する構成であった。この場合、各光電変換素子の受光面の面積を広くとることができず、受光面の寸法が入射光の波長オーダとなり、一画素で検出できる光量が少なくなって感度が低下してきているとともに、歩留りが低下してコストが嵩むという不利益があった。

そこで、図４に示すように、従来の積層型固体撮像装置１００では、半導体基板１１０に信号読出回路だけを設け、半導体基板１１０の上層部に青色検出用の光電変換膜１０１と緑色検出用の光電変換膜１０２と赤色検出用の光電変換膜１０３とを積層させた構成を有する積層型固体撮像装置が開発されている（例えば、下記特許文献１，２，３及び４）。

従来の積層型固体撮像装置１００は、各光電変換膜１０１，１０２，１０３で受光した光を電子に変換し、各光電変換膜１０１，１０２，１０３の画素電極１０４，１０５，１０６ごとにコンタクト部１１１を介して半導体基板１１０上に２次元状に配置された電荷蓄積部１０７，１０８，１０９に導いている。そして、電荷蓄積部１０７，１０８，１０９から、信号読出回路による所定の制御のもとで半導体基板上に形成された転送路１１２に電荷を移し、電荷蓄積部１０７，１０８，１０９の列ごとに転送している。

特開昭５８−１０３１６５号公報 特開昭６３−３００５７５号公報 特開２００３−３３２５５１号公報 特開２００３−２３４４６０号公報

ところで、入射した光が上層の光電変換膜１０１，１０２，１０３を透過し、電荷蓄積部１０７，１０８，１０９に入射すると、該電荷蓄積部１０７，１０８，１０９にコンタクト部１１１によって接続された光電変換膜１０１，１０２，１０３に対応する波長の光を表す電子が発生してしまい、この結果、形成される画像において混色が生じてしまうといった現象がある。

従来では、電荷蓄積部１０７，１０８，１０９に光が入射することを避けるため、半導体基板１１０の上方に電荷蓄積部１０７，１０８，１０９を覆うようにして遮光膜を形成していた。しかし、半導体基板１１０における電荷蓄積部１０７，１０８，１０９と光電変換膜とを接続するためのコンタクト部１１１を設ける必要があり、遮光膜を半導体基板１１０の上面の全てに形成することができないため、遮光膜同士の間を光が通り抜け、電荷蓄積部１０７，１０８，１０９に入射して画像の混色が生じてしまう可能性がある点で改善の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体基板に設けられた電荷蓄積部に光が入射することを防止することで画像の混色が生じてしまうことを防止できる固体撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、半導体基板の上方に、光を受光し電荷を発生させる光電変換部が設けられた固体撮像装置であって、前記半導体基板の上面に形成された転送路と、前記半導体基板の上面に形成され、前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、前記半導体基板上に設けられ、前記電荷蓄積部に蓄積した前記電荷を前記転送路に誘導できる読み出し電極と、前記電荷蓄積部と前記光電変換部とを電気的に接続され、前記電荷蓄積部から前記光電変換部にわたって延びる柱状のコンタクト部と、前記読み出し電極の上面を覆うように設けられた遮光膜と、を備え、前記コンタクト部に一体に突設されたフランジ部を有し、前記コンタクト部及び前記フランジ部は遮光機能を有することを特徴とする固体撮像装置によって達成される。

本発明の固体撮像装置は、光電変換部と半導体基板における電荷蓄積部との間に設けられたコンタクト部にフランジ部が設けられている。このため、遮光膜同士の間に向って入射した光がコンタクト部のフランジ部によって遮光できるとともに、光が斜めに入射する場合であっても、フランジ部と遮光膜とが半導体基板の垂直方向に対して重なり合うように配置されていることから、フランジ部と遮光膜との間を光が通過することを防止することができる。したがって、半導体基板の電荷蓄積部に光が入射することを防止して、該電荷蓄積部において電子が発生することなく、形成された画像に混色が生じことを防止することができる。

上記固体撮像装置は、フランジ部が遮光膜の少なくとも一部と半導体基板の垂直方向に対して重なり合うように設けられていることが好ましい。こうすれば、遮光膜同士の間に向って斜めに入射した光がコンタクト部のフランジ部によって遮光でき、フランジ部と遮光膜との間を光が通過することをより一層確実に防止することができる。

上記固体撮像装置は、遮光膜に延設部が設けられ、延設部がフランジ部と半導体基板の垂直方向に対して重なり合うことが好ましい。こうすれば、半導体基板の垂直方向に対してフランジ部と遮光膜の少なくとも一部が重なるうえ、更に遮光膜の延設部も重なる構成であるため、光が遮光膜同士の間を通過して電荷蓄積部に入射してしまうことをより一層確実に防止することができる。さらに、遮光膜が、前記フランジ部を上下から離間して挟むような部分を有することがより好ましい。こうすれば、光が遮光膜同士の間を通過して電荷蓄積部に入射してしまうことを更に確実に防止することができる。

上記固体撮像装置は、フランジ部が、コンタクト部の、電荷蓄積部と接触する端部に、該電荷蓄積部の上面を覆うように形成されていることが好ましい。こうすれば、半導体基板の垂直方向に対してフランジ部と遮光膜の少なくとも一部とが重なるうえ、コンタクト部の端部が電荷蓄積部の上面を覆う構成であるため、入射した光を遮光膜とコンタクト部の端部に形成されたフランジ部とによって遮光することができ、電荷蓄積部に入射してしまうことをより一層確実に防止することができる。

本発明によれば、半導体基板に設けられた電荷蓄積部に光が入射することを防止することで画像の混色が生じてしまうことを防止できる固体撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。なお、以下の説明においては、上方、下方はそれぞれ図面を正面視した状態における上方向、下方向を指すものとする。
最初に、本発明に係る固体撮像装置の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、以下の実施形態では、光電変換部を積層させた、いわゆる積層型固体撮像装置を用いて説明したが、本願の構成は、光電変換部を一層に形成し、特定の波長範囲の入射光に対して電荷を発生さえる、いわゆるハイブリッド型の固体撮像装置に適用することもできる。

図１に示すように、固体撮像装置１０は、半導体基板と、該半導体基板の上方に積層された３つの光電変換部２１，２２，２３とを備えている。

３つの光電変換部２１，２２，２３は、それぞれ、光電変換膜と、該光電変換膜の表面に２次元状に配列され、該光電変換膜を介して対向する光透過性の画素電極膜とを備えている。光電変換部２１，２２，２３のそれぞれは、入射光のうち青色，緑色，赤色のうち１つであって、互いに異なる波長領域の光を吸収し、光電変換膜において光電荷を発生させる構成である。

本実施形態では、最下層の光電変換部２１で赤色の波長領域の光を吸収し、その上に積層された光電変換部２２で緑色の波長領域の光を吸収し、最上層の光電変換部２３で青色の波長領域の光を吸収する構成とした。しかし、光電変換部の積層の順番は、これに限定しない。

半導体基板は、ｎ層１１と、該ｎ層１１の上方に積層されたｐウェル層１２とで概略構成されている。ｐウェル層１２の表面近傍には、複数の電荷蓄積部１３が、半導体基板の面方向に対して平行に２次元状に配列されている。電荷蓄積部１３は、３つの光電変換部２１，２２，２３のうちいずれか１つと電気的に接続され、接続された光電変換部に発生した光電荷を一時的に保持する機能を有している。

ｐウェル層１２の表面には、電荷蓄積部１３の上方を覆うように設けられたｐプラス領域１４と、電荷蓄積部１３及びｐプラス領域１４の端部に隣接するｐプラス領域１５と、ｐプラス領域１５と隣接するｎ領域１６とが形成されている。

ｎ領域１６は、図１の奥行き方向に延びるように直線状に配設され、電荷蓄積部１３に保持された電荷を、図示しない水平転送路へ転送させることができる構成である。

半導体基板において、ｐプラス領域１４及びｐプラス領域１５はｎ領域１６と分離されており、半導体基板の表面部の欠陥準位低減が図られている。半導体基板の最表面には、図示しない酸化シリコン膜が形成されている。

半導体基板の表面の酸化シリコン膜上には読み出し電極１８が設けられている。読み出し電極１８は、ｎ領域１６の上部に位置するとともに、該読み出し電極１８の一部がｐプラス領域１５の上部に達するように配置されている。

また、読み出し電極１８の上部及び端部を覆うように、遮光膜１９が設けられている。遮光膜１９は、光電変換部２１，２２，２３を透過した光が読み出し電極１８に入射することを防止する機能を有する。また、遮光膜１９は、読み出し電極１８の端部を覆う部位の一部がｐプラス領域１４の上方に達するように形成されている。

読み出し電極１８及び遮光膜１９は、半導体基板と光電変換部２１，２２，２３との間に形成された透明の絶縁層（図示しない）の内部に埋設されている。

光電変換部２１，２２，２３のうち１つと該光電変換部に対応する電荷蓄積部１３とが、コンタクト部１７によって電気的に接続されている。コンタクト部１７は、半導体基板に対して垂直な方向（図１の上下方向）に略柱状に配線されている。各光電変換部２１，２２，２３で発生した光電荷は、上記コンタクト部１７を通って、電荷蓄積部１３に運ばれ、該電荷蓄積部１３で蓄積される。このとき、光電変換部２１，２２，２３の画素電極膜にバイアス電位を印加することで、光電荷の電荷蓄積部１３への流れが促進される。

本実施形態の固体撮像装置１０において、コンタクト部１７にフランジ部１７ａが設けられている。フランジ部１７ａは、半導体基板の垂直方向に対して遮光膜１９の少なくとも一部と重なり合うように突設されている。つまり、図１において上下方向に延びる鉛直直線を想定した際に、該鉛直直線がフランジ部１７ａと重なり合う場合に遮光膜１９とも重なり合うことを意味している。

固体撮像装置１０は、光電変換部２１，２２，２３と半導体基板における電荷蓄積部１３との間に設けられたコンタクト部１７にフランジ部１７ａを設け、フランジ部１７ａが半導体基板の垂直方向に対して遮光膜１９の少なくとも一部と重なり合うように設けられている。このため、遮光膜１９同士の間に向って入射した光がコンタクト部１７のフランジ部１７ａによって遮光できるとともに、光が斜めに入射する場合であっても、半導体基板の垂直方向に対してフランジ部１７ａと遮光膜１９とが重なり合うように配置されていることから、フランジ部１７ａと遮光膜１９との間を光が通過することを防止することができる。したがって、半導体基板の電荷蓄積部１３に光が入射することを防止することで、該電荷蓄積部１３において電子が発生することがなく、画像に混色が生じことを防止することができる。

次に、本発明にかかる第２の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図２は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置２０は、遮光膜２９の一部に延設部２９ａを設けている点で、上記第１の実施形態の構成とは相違する。

延設部２９ａは、半導体基板の垂直方向（図２の上下方向）に対してコンタクト部１７のフランジ部１７ａと重なり合うように、設けられている。

固体撮像装置２０は、半導体基板の垂直方向に対してフランジ部１７ａと遮光膜２９の少なくとも一部が重なるうえ、更に遮光膜２９の延設部２９ａも重なる構成であるため、入射光がこれら遮光膜２９同士の間を通過して電荷蓄積部１３に入射してしまうことをより一層確実に防止することができる。

次に、本発明にかかる第３の実施形態を説明する。図３は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。
図３に示すように、本実施形態の固体撮像装置３０は、コンタクト部２７の、電化蓄積部１３側の端部に、該電荷蓄積部１３の上面を覆うようにフランジ部２７ａが設けられている。

フランジ部２７ａは、遮光膜１９の少なくとも一部と半導体基板の垂直方向に対して重なり合うように形成されていることが好ましい。

本実施形態の固体撮像装置３０は、フランジ部２７ａと遮光膜１９の少なくとも一部とが半導体基板の垂直方向に対して重なるうえ、コンタクト部２７の端部が電荷蓄積部１３の上面を覆う構成であるため、入射した光を遮光膜１９とコンタクト部２７の端部に形成されたフランジ部２７ａとによって遮光することができ、電荷蓄積部１３に入射してしまうことをより一層確実に防止することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、図３の、コンタクト部２７における電荷蓄積部１３側の端部にフランジ部２７ａを設ける構成を、図１及び図２の構成に適用してもよい。

第１の実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。 第２の実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。 第３の実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。 従来の積層型固体撮像装置の構成を説明する図である。

符号の説明

１０，２０，３０ 固体撮像装置
１１ ｎ層
１２ ｐウェル層
１３ 電荷蓄積部
１４ ｐプラス領域
１５ ｐプラス領域
１６ 転送路
１７，２７ コンタクト部
１７ａ，２７ａ フランジ部
１８ 読み出し電極
１９，２９ 遮光膜
２９ａ 延設部
２１，２２，２３ 光電変換部

Claims (6)

1. 半導体基板の上方に、光を受光し電荷を発生させる光電変換部が設けられた固体撮像装置であって、
   前記半導体基板の上面に形成された転送路と、
   前記半導体基板の上面に形成され、前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
   前記半導体基板上に設けられ、前記電荷蓄積部に蓄積した前記電荷を前記転送路に誘導できる読み出し電極と、
   前記電荷蓄積部と前記光電変換部とを電気的に接続され、前記電荷蓄積部から前記光電変換部にわたって延びる柱状のコンタクト部と、
   前記読み出し電極の上面を覆うように設けられた遮光膜と、を備え、
   前記コンタクト部に一体に突設されたフランジ部を有し、前記コンタクト部及び前記フランジ部は遮光機能を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記フランジ部が、前記遮光膜の少なくとも一部と前記半導体基板の垂直方向に対して重なり合うように、突設されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記遮光膜に延設部が設けられ、前記延設部が前記フランジ部と前記半導体基板の垂直方向に対して重なり合うことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記遮光膜が、前記フランジ部を上下から離間して挟むような部分を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
5. 前記フランジ部が、前記コンタクト部の、前記電荷蓄積部と接触する端部に、該電荷蓄積部の上面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
6. 前記半導体基板の上方に、前記光電変換部が複数積層されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の固体撮像装置。

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