JP2013115100A

JP2013115100A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2013115100A
Application number: JP2011257441A
Authority: JP
Inventors: Maki Sato; 麻紀佐藤; Koichi Kokubu; 弘一国分
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-06-10
Also published as: US20130134538A1

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

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。

特開２００４−２０７２８５号公報

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。

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（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５（ａ）〜図５（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。図７（ａ）〜図７（ｃ）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。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。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。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。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）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。

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。

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。

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。

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、ＳｉＯ_２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。

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）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。

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。

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。

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

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。