JP5172819B2

JP5172819B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5172819B2
Application number: JP2009297658A
Authority: JP
Inventors: 田義典飯; 野梨紗子上; 木和拓鈴; 木英之舟
Original assignee: Toshiba Corp
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Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011138905A; US20110156186A1; US8445950B2

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

近年、固体撮像素子への小型化、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い。

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。画素内部のフォトダイオードで発生する雑音は、フォトダイオード内部でその体積に比例して発生する成分と、フォトダイオードとその周辺構造との界面で発生する成分とに分類できるが、支配的成分は後者であることが一般的に知られている。また、フォトダイオードとその周辺構造との界面で発生する成分のうち、画素分離面成分、すなわちフォトダイオードを入射光に直交する平面で切断した際のフォトダイオードの周辺長とフォトダイオードの深さとの積に比例する成分が支配的であることが知られている。この画素分離面成分の雑音のみが画素ピッチに比例し、その他の雑音および信号量は画素ピッチの二乗に比例する。したがって、フォトダイオード内部のみを考えた場合、画素微細化に伴って、画素分離面成分の雑音が相対的に増加し、ＳＮ比が低下する。

実際には、フォトダイオード以外の雑音成分の多くは、画素微細化の影響を直接受けないものであり、逆に、画素内におけるアナログトランジスタの雑音のように、画素微細化に伴い増加する雑音成分もあり、仮に、画素分離面成分の雑音が無視でき、フォトダイオード内のＳＮ比が画素ピッチに依存しないとしても、画素微細化に伴いＳＮ比は低下する。

画素微細化時に支配的となる画素分離面成分雑音を抑制するために、フォトダイオードの分離構造、いわゆる画素分離構造は固体撮像素子特有の不純物分離構造であり、一般的な微細化ＬＳＩの素子分離構造とは異なっている。

微細化ＬＳＩにおける素子分離構造としては、トレンチ構造に酸化膜を埋め込んだトレンチ分離構造が一般的である。このトレンチ分離構造を固体撮像素子の画素分離に適用した場合には、トレンチ分離構造の側壁に存在するＳｉとＳｉＯ_２との界面準位からの発生電流が雑音となり、ＳＮ比を急激に悪化させてしまう。このＳｉとＳｉＯ_２との界面準位の影響を受けないためには、トレンチ側壁に高濃度ｐ^＋不純物領域を形成することが効果的であることが知られている。

しかし、その高濃度ｐ^＋不純物領域を形成することは、必ずしも容易ではなく、さらに、トレンチ分離に加えてその周囲に高濃度ｐ^＋不純物領域を形成することは、画素分離面積の占有率の向上につながり、画素微細化の阻害要因でもある。

また、画素分離構造の幅と深さについては、トレードオフの関係にあることが知られているので、不純物分離構造を用いた微細画素では、画素分離幅の相対的拡大によるフォトダイオード体積の低下、あるいは、画素分離構造の深さ、そしてフォトダイオードの深さの低下という問題が発生する。

画素分離およびフォトダイオードの深さが低下すると、長波長光の吸収が低下し信号量が低下する。また、画素分離およびフォトダイオードより深い領域での光吸収により発生した電荷が隣接画素に混入する、いわゆるクロストークが発生する。前者がＳＮ比を低下させる要因となることは明らかであるが、後者も空間分解能の低下だけでなく、ＳＮ比低下の一因となる。

このクロストークについては、画素分離およびフォトダイオードの深さ以外の要因でも発生する。フォトダイオード内部で発生した信号電荷が、画素分離構造を介して隣接画素に混入する場合である。固体撮像素子で一般的な画素分離構造である高濃度ｐ^＋不純物領域の形成には、低加速から高加速までの複数回のイオン注入を行うことが必要であるが、注入され活性化された不純物プロファイルの谷、すなわち深さ方向において不純物濃度が低い部分のポテンシャル障壁高さが不十分な場合、その部分を介してクロストークが発生する場合がある。このクロストークを防止するためには、加速度電圧を変えてイオン注入を多数回行うことが必要となり、その製造工程の簡易化を阻害している。この画素分離を介したクロストークは、画素ピッチに比例する成分であり、画素ピッチの二乗に比例した信号成分に対して、クロストークの比率は画素微細化に伴い増加する傾向にある。

更に、これらの電気的クロストークの他に、光学的クロストークの抑制も重要である。撮像領域の周辺部においては、入射光は基板に垂直でなく斜めに入射する。特に、カメラモジュールを小型化、低背化したカメラ機能付き携帯電話向けの固体撮像素子においては、その入射角度が大きい。斜めに入射した光は、フォトダイオード断面を斜めに横切ることになり、フォトダイオード内部で十分に吸収されなかった成分がフォトダイオードを透過し、画素分離構造に到達する。固体撮像素子における標準的な画素分離構造である高濃度ｐ^＋不純物領域は、その領域の主成分が半導体基板材料である単結晶シリコンであり、光学的に見た場合には、フォトダイオード領域との間には境界が無く、画素分離領域に到達した透過光は直進する。さらに、画素分離領域で吸収されなかった成分は、画素分離領域を透過し、隣接するフォトダイオードに到達し吸収され、光学的クロストークが発生する。

この光学的クロストークの抑制のためには、その内部に入射光を反射する材料を埋め込んだトレンチ分離が有効である。

トレンチ構造の画素分離については、前述したように、固体撮像素子への適用において暗電流抑制のための付加的な高濃度ｐ^＋不純物領域の形成が必要であり、そのためにフォトダイオード開口が抑制されてしまうという課題がある。

高濃度ｐ^＋不純物領域が不要な構造として、トレンチ構造に埋め込んだ導電性材料を負電圧にバイアスすることで、フォトダイオードと画素分離構造の境界面近傍にホール蓄積層を形成することで画素分離面成分雑音を抑制することが可能である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、トレンチ構造内部に埋め込んだ導電性材料に負電圧を印加する場合には、導電性材料とフォトダイオードとの間に形成される絶縁材料に常に電界が形成されており、絶縁材料に欠陥が存在すると、局所的な電界集中が発生し、絶縁破壊によるリーク電流がフォトダイオードに注入され、白傷画像欠陥となる可能性があるという課題がある。また、負電圧を印加するための構造も付加的に必要となる。

一方、画素微細化におけるＳＮ比の低下の別の要因である、画素領域配線構造によるフォトダイオードへの入射光量低下を回避する方法として、配線構造とは逆側の、半導体基板の裏面側から光を入射させる、いわゆる裏面照射型固体撮像素子の開発が活発化している（例えば、非特許文献１参照）。

この裏面照射型固体撮像素子は、入射光がマイクロレンズ、カラーフィルターアレイを通過した後、配線構造を通過せずに、直接フォトダイオードに入射するために、光利用効率が高く、高感度化される。

同じく、入射光がシリコン基板に到達するまでの距離が短縮されることで、斜め入射光が屈折率の大きいシリコン基板入射時に屈折することで、光学的クロストークに関しても有利な構造である。

しかし、画素ピッチが１μｍ程度に微細化された状況では、フォトダイオードの深さが３μｍ程度であるため、斜め入射光が隣接画素に到達し発生する光学的クロストークに関する課題は残されている。

また、十分な赤色感度を得るためにはフォトダイオードの深さを５μｍ以上にすることが好ましいが、上記の光学的クロストークが増加する、あるいは高濃度ｐ^＋不純物領域を深く形成することが困難である等の理由により、裏面照射型固体撮像素子におけるシリコン基板の厚さは３μｍ程度であり、赤色に対する十分な感度が得られていない。

：特開２００６−１２０８０４号公報

ISSCC2006、16-8，A Back-Illuminated High-Sensitivity Small-Pixel Color CMOS Image Sensor with Flexible Layout of Metal Wiring

以上述べたように、画素微細化におけるＳＮ比（感度）の低下を抑制するためには、フォトダイオード近傍で発生する雑音成分を抑制し、さらに、光学的クロストークおよび電気的クロストークを抑制することが重要である。

そのためには、フォトダイオード体積を圧迫しないように、微細形成が可能で、かつ、十分に深く形成することが可能な画素分離構造が必要であり、特に光学的クロストークを抑制するためには、トレンチ構造の画素分離構造が望まれている。

しかし、トレンチ構造の画素分離構造においては、画素分離成分雑音の抑制のために必要な構造が、フォトダイオード体積を圧迫してしまう、あるいは、白傷の原因となってしまう、等の課題がある。

本発明は、微細化しても高い感度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。

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、前記半導体基板の、隣接する画素間に設けられた画素分離構造であって、前記画素分離構造は前記半導体基板の前記第１面側から設けられたトレンチ内に埋め込まれた積層膜を有し、前記積層膜は、前記トレンチの側面および底面に沿って設けられた第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を覆うように前記トレンチ内に設けられ固定電荷を保持する固定電荷膜とを含む画素分離構造と、を備えていることを特徴とする。

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、
前記半導体基板の、隣接する画素間に設けられた画素分離構造であって、前記画素分離構造は前記半導体基板の前記第１面側から設けられたトレンチ内に埋め込まれた積層膜を有し、前記積層膜は、前記トレンチの側面および底面に沿って設けられた第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を覆うように前記トレンチ内に設けられ固定電荷を保持する固定電荷膜とを含む画素分離構造と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、微細化しても高い感度を得ることができる。

第１実施形態による固体撮像装置を示す平面図。第１実施形態による固体撮像装置の画素の回路図。第１実施形態による固体撮像装置の画素の断面図。第１実施形態の第１変形例に係る画素分離構造の断面図。第２実施形態による固体撮像装置の断面図。第２実施形態の第１変形例による固体撮像装置の断面図。第２実施形態の第２変形例による固体撮像装置の断面図。第２実施形態の第３変形例による固体撮像装置の断面図。第３実施形態による固体撮像装置の断面図。第４実施形態による固体撮像装置の断面図。第５実施形態による固体撮像装置の断面図。第６実施形態による固体撮像装置の断面図。第７実施形態による固体撮像装置の断面図。第８実施形態による固体撮像装置の断面図。第９実施形態による固体撮像装置の断面図。第１０実施形態による固体撮像装置の断面図。第１１実施形態による固体撮像装置の断面図。第１２実施形態による固体撮像装置の断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（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。

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、下側の破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。

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。

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。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。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。

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トレンチ型の画素分離構造１６０が設けられた構成となっている。この画素分離構造１６０は、シリコン基板１５０に設けられたトレンチ内に、固定電荷を保持する固定電荷膜１６２が埋め込まれている。この固定電荷膜１６２とトレンチとの間には、例えば、数原子層程度の極めて薄いシリコン酸化層１６４が設けられている。すなわち、シリコン酸化層１６４は、トレンチの側面および底面に沿って設けられている。したがって、画素分離構造は、固定電荷膜１６２とシリコン酸化層１６４とを備えた構成となっている。固定電荷膜１６２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）のうちから選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物誘電体膜を用いる。例えば、ハフニウム酸化物用いる場合には、原料としてＴＤＥＡＨ（Tetrakis-DiEthylAmino-Hafnium）を用いたＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法による埋め込みが可能である。

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１６２には負の電荷を保持することで、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａ側の画素分離構造１６０の近傍、すなわちＰＤ＿ｎ領域２０１ａ側の、固定電荷膜１６２とシリコン酸化層１６４との界面近傍に正孔蓄積領域を形成する。具体的には、ＡＬＤ法により酸化ハフニウム膜を形成した後、塩酸ガス雰囲気中でアニールすることで、酸化ハフニウム膜とシリコン酸化層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。このとき、固定電荷密度として、１．０×１０^１２ｃｍ^−２以上とすることで、界面近傍には十分な正孔蓄積層が形成され、暗電流が抑制される。また、固定電荷密度として、１．０×１０^１３ｃｍ^−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。

本実施形態によれば、フォトダイオード２０１への斜め入射光が画素分離構造１６０に到達しても、その光は反射し、隣接画素に侵入しない。それは、シリコンの屈折率よりも、シリコン酸化層１６４および酸化ハフニウム膜のそれぞれの屈折率が小さいからである。すなわち、ｎ_１をシリコンの屈折率（＝３．９）、ｎ_２を酸化シリコンの屈折率（＝１．４）あるいは酸化ハフニウムの屈折率（＝２．０）とするとき、下記の（１）式
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_２／ｎ_１）（１）
で定義される臨界角θｃより浅い角度で入射した光が全反射するためである。したがって、光学的クロストークが大幅に抑制される。このとき、画素分離構造１６０が光入射側の開口径と比較して底面の開口径が小さい、いわゆるテーパー形状を有することで、上記の入射光が画素分離構造１６０に侵入する角度が浅くなり、光学的クロストーク抑制の範囲が拡大するので、より好ましい。

また、画素分離構造１６０により、深い画素分離を形成することが可能であり、赤色感度が高く、さらに、電気的クロストークも大幅に抑制される。

そして、従来例における課題も解決される。これを以下に説明する。

まず、画素分離する界面近傍で発生する雑音を抑制するための構造として、画素分離構造１６０の内部に埋め込んだ固定電荷膜１６２を用いることで、従来技術では必須であったトレンチ型の画素分離層に隣接形成されていた高濃度ｐ^＋不純物領域が不要となり、ＰＤ＿ｎ領域の体積を圧迫することが無くなり、また同時に、フォトダイオードの開口が低下することもないので、画素分離構造による感度低下が無くなる。

更に、固定電荷膜１６２とシリコン基板１５０との間のシリコン酸化層１６４に欠陥が存在したとしても、固定電荷膜１６２からの電荷の注入は起こらないので、白傷も発生しない。

以上説明したように、本実施形態によれば、画素分離構造１６０によって画素分離を行うことで、光学的クロストークが少なく、かつ電気的クロストークも少ない高感度な固体撮像装置を得ることができる。

なお、本実施形態においては、信号電荷として電子を用いたが、信号電荷として正孔を用いる場合には、固定電荷膜１６２に正の電荷を保持することで界面近傍に電子蓄積層が形成され、同様の効果を得ることが可能である。例えば、固定電荷膜１６２として酸化ハフニウム膜を用いる場合、前述したＡＬＤ法による形成が可能であり、酸化ハフニウムとシリコン酸化層と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が正電荷を保持する。

（第１変形例）
次に、第１実施形態の第１変形例による固体撮像装置を、図４を参照して説明する。第１変形例の固体撮像装置は、第１実施形態の固体撮像装置において、トレンチ型の画素分離構造１６０を図４に示すトレンチ型の画素分離構造１６０Ａに置き換えて構成となっている。この第１変形例に係る画素分離構造１６０Ａは、トレンチ内部に、シリコン酸化層１６４、窒化シリコン膜からなる電荷固定膜１６２、シリコン酸化層１６６、および多結晶シリコン膜１６８の積層膜を、この順序で形成した構成を有しており、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。このとき、シリコン酸化層１６６は多結晶シリコン膜１６８に１０Ｖ〜２０Ｖ程度の電圧を印加することで、トンネル電流が流れる程度の膜厚、例えば２ｎｍ程度とする。窒化シリコン膜１６２は、その内部に固定電荷を保持可能となるような組成であり、例えば、Ｓｉ_９Ｎ_１０のようなシリコンリッチな組成であり、その膜厚は例えば１０ｎｍ程度とする。そしてシリコン酸化層１６４として、シリコン基板１５０の内部での正孔蓄積層の形成のために、例えば２ｎｍ程度とする。

この第１変形例の画素分離構造１６０Ａにおいて、トレンチ構造に埋め込んだ多結晶シリコン膜１６８に、シリコン酸化層１６６にトンネル電流が流れる程度の電圧を印加することで、多結晶シリコン膜１６８から窒化シリコン膜１６２に電子を注入することが可能であり、窒化シリコン膜１６２の内部に注入された電子がトラップされ、固定電荷を得ることができる。

本変形例によれば、第１実施形態と同様の効果が得られ、光学的クロストークが少なく、かつ電気的クロストークも少ない高感度な固体撮像装置を得ることができる。

更に、上述した、窒化シリコン膜１６２の内部に固定電荷を形成する工程は、デバイス製造中あるいは、デバイス製造直後に実施することで十分な効果が得られ、その後は多結晶シリコン膜１６８には電圧を印加する必要がない。また、多結晶シリコン膜１６８と半導体基板１５０の間には、上述したシリコン酸化層１６４、窒化シリコン膜１６２、シリコン酸化層１６６からなる積層構造が形成されているので、ゲートリークに起因した白傷の発生の可能性も大幅に低減する。

（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５に示す。この第２実施形態の固体撮像装置は、第１実施形態と同様に、隣接する画素間にはトレンチ型の画素分離構造１６０が設けられるとともに、隣接する画素間の、フローティングディフュージョン２０３が設けられた側には、フローティングディフュージョン２０３と、画素分離構造１６０との間にｐ^＋画素分離領域２２０が設けられた構成となっている。なお、隣接する画素間のフローティングディフュージョン２０３が設けられた側と異なる側にはｐ^＋画素分離領域２２０は設けられていない。この第２実施形態においては、画素分離構造１６０は、図３で説明したように、半導体基板１５０に設けられたトレンチ内にシリコン酸化層１６４と、例えば、酸化ハフニウムを含む固定電荷膜１６２とが埋め込まれた構成を有している。また、図５においては、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａ上には、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。なお、画素上に設けられたカラーフィルタ２３７は、隣接する画素においては色が異なるように配置される。

本実施形態によれば、前述した画素回路共有方式に対応することが可能である。すなわち、画素回路共有方式の画素レイアウトの場合、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。しかし、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^＋画素分離領域２３０／フォトダイオード２０１という順に並んで形成されている。この場合、二つのフォトダイオード２０１間の画素分離のための画素分離構造１６０を、シリコン基板１５０の内部に埋め込むように形成し、画素分離構造１６０の配線側端面に接するような高濃度ｐ^＋不純物領域からなるｐ^＋画素分離領域２２０を形成し、さらに、シリコン基板１５０の表面側に転送トランジスタ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を形成することで図５に示す分離構造が得られる。

次に、図５に示す分離構造の製造方法の一例を説明する。

まず、シリコン基板１５０に画素分離構造１６０を形成する。続いて、高濃度ｐ^＋画素分離領域２２０を形成する領域についてのみ、画素分離構造１６０の一部分を所望の深さまでエッチング除去する。除去された画素分離構造１６０の一部分の跡には凹部が形成される。そして、エピタキシャル成長により、上記凹部を単結晶シリコン膜により埋め込む。このとき、必要に応じてシリコン基板１５０の表面の平坦化工程を施す。

その後は、通常の固体撮像装置の製造工程によって、ｐ^＋画素分離領域２２０、フローティングディフュージョン２０３、転送トランジスタを形成する。更に、層間絶縁膜２３０、金属配線２３５、カラーフィルタ２３７、およびマイクロレンズ２３９の形成を行う。

本実施形態においては、シリコン基板１５０の配線側領域に位置する、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が設けられた領域下に位置する、シリコン基板１５０の内部の領域に、ｐ^＋画素分離領域２２０が存在する。しかし、本実施形態は、画素分離構造の全てをｐ^＋画素分離領域で形成する従来構造と比較して、十分に浅い領域にのみ、ｐ^＋画素分離領域２２０を形成すればよいので、微細加工上の問題は無く、電気的クロストークも十分に抑制可能である。また、同時に光学的クロストークの原因となる、斜め入射光の隣接画素への光漏れも、大幅に抑制されている。

したがって、本実施形態によれば、画素回路共有方式の画素レイアウトを用いることが可能となり、より微細な画素を得ることが可能であり、かつ画素共有方式の特長である高感度特性と相まって、より高感度の固体撮像装置を得ることができる。

（第１変形例）
次に、第２実施形態の第１変形例による固体撮像装置を図６に示す。この第１変形例の固体撮像素子は、図５に示す固体撮像装置において、隣接する画素間のフローティングディフュージョン２０３が設けられた側と異なる側には、画素分離構造１６０上にｐ^＋画素分離領域２２１を設けた構成となっている。すなわち、隣接する画素間には、画素分離構造１６０と、ｐ^＋画素分離領域２２０または２２１とが設けられた構成となっている。この第１変形例のように、隣接する画素間における、シリコン基板１５０の表面側の画素分離構造として、全てｐ^＋画素分離領域２２０または２２１と、このｐ^＋画素分離領域２２０または２２１下に設けられる画素分離構造１６０と、備えた構造も可能である。

この第１変形例に係る画素分離構造を得るためには、第２実施形態で説明した製造工程と同様の工程を行う。

この第１変形例は、第２実施形態と同様の効果を得ることができ、画素回路共有方式の画素レイアウトを用いることが可能となり、より微細な画素を得ることが可能であり、かつ、画素共有方式の特長である高感度特性とあいまって、より高感度の固体撮像装置を得ることができる。

（第２変形例）
次に、第２実施形態の第２変形例による固体撮像装置を図７に示す。この第２変形例の固体撮像素子は、図５に示す固体撮像装置において、トレンチ型の画素分離構造１６０を、図４に示したトレンチ型の画素分離構造１６０Ａに置き換えた構成となっている。

この第２変形例の固体撮像装置も、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、光学的クロストークが少なく、かつ電気的クロストークも少ない高感度な固体撮像装置を得ることができる。

（第３変形例）
次に、第２実施形態の第３変形例による固体撮像装置を図８に示す。この第２変形例の固体撮像素子は、図６に示す第１変形例の固体撮像装置において、トレンチ型の画素分離構造１６０を、図４に示したトレンチ型の画素分離構造１６０Ａに置き換えた構成となっている。

この第３変形例の固体撮像装置も、第２実施形態の第１変形例と同様の効果を得ることができる。

（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を図９に示す。第１乃至第２実施形態およびその変形例の固体撮像装置は、入射光は表面側から入射される表面照射型であったが、この第３実施形態の固体撮像装置は、裏面照射型である。

この第３実施形態の固体撮像装置は、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａを有するフォトダイオード２０１が形成されたシリコン基板１５０内の隣接する画素間に、トレンチ型の画素分離構造１６０が設けられた構成となっている。この画素分離構造１６０は、シリコン基板１５０の裏面側から表面側に貫通するようにトレンチが設けられ、このトレンチ内にシリコン酸化層１６４と、誘電体酸化物からなる固定電荷膜１６２とが埋め込まれた構成となっている。すなわち、この画素分離構造１６０は、第１乃至第２実施形態およびその変形例で説明した画素分離構造１６０と同じ構成を有している。

また、シリコン基板１５０の表面側には、第１および第２実施形態で説明したと同様に、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、リセットトランジスタ（図示せず）、および増幅トランジスタ（図示せず）が設けられている。更に、シリコン基板１５０の表面上には、層間絶縁膜２３０が設けられ、この層間絶縁膜２３０中には金属配線２３５が設けられている。一方、第１実施形態と異なり、シリコン基板１５０の裏面側には、固定電荷膜１６２が設けられ、この固定電荷膜１６２上（図面上では、固定電荷膜１６２下）に、入射光が透過する絶縁膜２３６が設けられ、この絶縁膜２３６上（図面上では、絶縁膜２３６下）にマイクロレンズ２３９が設けられている。また、画素分離構造１６０に対応する、絶縁膜２３６の領域には、画素分離構造１６０と重なるまたは覆うように光シールド２４０が設けられている。なお、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａと層間絶縁膜２３０との間の、シリコン基板１５０の表面側の領域に、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを防止するためのｐ^＋領域２１０が設けられ、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａと固定電荷膜１６２との間の、シリコン基板１５０の裏面側の領域に、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを防止するためのｐ^＋領域２１０ａが設けられている。なお、本実施形態においては、固定電荷膜１６２には、一定の電位が印加されるため、ｐ^＋領域２１０ａを設けない構成としてもよい。

この第３実施形態の固体撮像装置の一製造方法は、以下のように行われる。

通常の裏面照射型固体撮像装置の製造工程に沿って、シリコン基板１５０上に金属配線２３５側の構造を完成し、その後、上記構造を支持基板（図示せず）に貼り合わせる。続いて、シリコン基板１５０の光入射側面に研削等を行うことでシリコン基板１５０を所望の厚さに加工し、シリコン基板１５０の表面のダメージ層を除去する。

続いて、光入射側からトレンチを形成し、このトレンチ内に固定電荷膜を形成する。例えば、シリコン酸化層１６４、固定電荷膜となる酸化ハフニウム膜１６２を順次形成し、トレンチ内部を埋め込むと同時に、光入射側のシリコン基板１５０の表面にも、固定電荷膜１６２を形成する。このとき、固定電荷膜１６２は、金属配線２３５および金属配線２３５に接触している部分へのダメージがほとんど無い十分に低温で形成することが可能であるので、裏面側からも形成可能である。

その後、通常の裏面照射型固体撮像装置の製造工程に沿って、絶縁膜層、画素間への光入射を防止する光シールド２４０、絶縁膜２３６、マイクロレンズ２３９を形成することで、図９に示す構造を得ることができる。

本実施形態によれば、裏面照射型固体撮像装置の特長である高感度化効果とあいまって、より微細かつ高感度な固体撮像装置を得ることができる。

また、固定電荷膜としての酸化ハフニウムの屈折率が２．０であり、かつシリコン基板である単結晶シリコンの屈折率３．９と、空気の屈折率１との積の平方根に近い値であることを利用して、入射光に対する反射防止構造を構成することも可能であり、より好ましい。このとき、反射防止構造のために必要な膜厚をｄ_１とし、画素分離構造を埋め込むために必要な膜厚をｄ_２とした場合、ｄ_１＝ｄ_２であることが理想的であるが、ｄ_１≠ｄ_２であっても、対応することは可能である。

まず、ｄ_１＞ｄ_２である場合には、画素分離構造１６０を埋めることが完了した時点でも、光入射面側の膜厚が不足していることになるが、その場合、トレンチ部分の埋め込みが完了した以降は、トレンチ領域の上部に光入射面と同じ速度での成膜が行われる。厳密には、トレンチ領域上部の膜厚は、入射面側の平坦部分と比較してわずかに凹形状を有するが、その領域には光シールド２４０が形成されるので問題とはならない。

逆に、ｄ_１＜ｄ_２である場合には、光入射面側の膜厚が十分になった時点でも画素分離構造の内部への埋め込みが完了していないことになるが、その場合２種類の対応がある。

一つは、さらに成膜を継続して、埋め込みに必要な膜厚ｄ_２を得た後に、全面エッチングを行い平坦部分の膜厚をｄ_１となるように、いわゆるエッチバック工程を行うことである。このときにも、厳密には、トレンチ領域の上部の膜厚は、入射面側の平坦部分と比較してわずかに凹形状を有するが、その領域には光シールド２４０が形成されるので問題とはならない。

もう一つの対応は、光入射面側の平坦部分の膜厚がｄ_１となった時点で成膜を完了し、その後、別材料によりトレンチ内部を埋め込む方法であり、この場合も、必要に応じて、この最後の埋め込み材料をエッチバックすることも可能である。この最後の埋め込み材料としては、例えば、酸化ハフニウムの屈折率２．０と空気の屈折率１．０との間の屈折率を有する材料である、屈折率１．４のシリコン酸化膜を用いることが可能である。さらに、この屈折率の関係を利用して反射防止構造の効果をより高めることが可能であり、より好ましい。また、この対応によれば、後述する第４実施形態の構造を得ることになり、光学的クロストーク抑制の効果がより高まり、さらに高感度化する効果も得られる。

さらに、トレンチ型画素分離構造が裏面側にも形成されることには、別の効果があり、より高感度化が可能である。それは、光シールド２４０を形成する際のリソグラフィー工程における合わせ精度が向上し、以下に説明するように光学的な開口が向上するからである。

光シールド２４０は、画素間に照射される光からフォトダイオード間の領域を遮光することで、シリコン基板１５０に入射する前の光学的クロストークを防止する構造である。したがって、フォトダイオードを構成するＰＤ＿ｎ領域２０１ａ、あるいは画素分離構造１６０との位置関係を精密に制御し形成する必要がある。図９に示す構造からも明らかなように、画素分離構造１６０がシリコン基板１５０の光入射面に開口しているために、この画素分離構造１６０と同じ断面構造を有する合わせマークを形成、そのマークを基準としてリソグラフィーを行うことで、高い合わせ精度を得ることができる。従来の高濃度ｐ^＋画素分離構造は、光学的に検出することが困難であり、その他の配線側表面に位置する構造により合わせマークを形成することになる。この合わせマークを、可視光および、より短波長の光において、光学的に不透明なシリコン基板を通して認識することは困難であり、同時に合わせ精度も低下する。あるいは、シリコン基板が透明となる波長１．１ミクロン以上の赤外線光による合わせも可能であるが、やはり、合わせ精度の低下は免れない。その合わせ精度の低下を吸収するために、従来構造においては光シールドの幅を拡大することで安定な光シールド構造を実現していた。

しかし、本実施形態の構造により、向上した合わせ精度のもとであれば、光シールドの幅を不一要に拡大することなく、フォトダイオードの開口を拡大することが可能となり、したがって、高感度化することになる。

さらに、従来の裏面照射型固体撮像装置では、画素分離構造の深さと微細さを両立できず、また、光学的クロストークの悪化を防止するために、そのシリコン基板の厚さ、すなわち入射光を吸収するフォトダイオードの深さは、２．５ミクロンあるいは３ミクロン程度に留まっていた。しかし、本実施形態の構造によれば、これらの問題は解決されるので、従来構造では十分に吸収できなかった赤色光の吸収が増加し、さらに高感度化することが可能となる。

本実施形態において、画素分離構造１６０を配線側表面から形成し、光入射側のシリコン基板１５０の表面の固定電荷膜を含む構造を裏面側から形成することも可能であるが、製造工程の短縮、およびそれに伴う製造コスト低下のためには、同時形成による製造工程がより好ましい。

（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１０に示す。この第４実施形態の固体撮像装置は、図９に示す第３実施形態の固体撮像装置において、トレンチ型の画素分離構造１６０を、トレンチ型の画素分離構造１６０Ｂに置き換えた構成となっている。

この画素分離構造１６０Ｂは、シリコン基板に設けられたトレンチの内部にシリコン酸化層１６４、固定電荷膜１６２、低屈折率材料からなる膜１６９を埋め込んだ構造を有している。この第４実施形態に係る画素分離構造１６０Ｂを得るための製造工程は、第３実施形態と同様であるが、画素分離構造１６０Ｂの内部を埋め込む工程において、シリコン酸化層１６４、酸化ハフニウムからなる固体電荷膜１６２に続いて、低屈折率膜１６９を埋め込むことのみが異なる。なお、本明細書では、
ここで言う低屈折率材料とは、半導体基板１５０よりも屈折率が低い材料を意味し、半導体基板が単結晶シリコンの場合、その屈折率は３．９であるので、屈折率が３．９未満の材料である。あるいは、第３実施形態において説明したように、光入射側の反射防止構造の効率を向上し、より高感度化する目的のためには、酸化ハフニウムの屈折率２．０より低い材料であることがより好ましい。また、以下に説明する、光学的クロストーク抑制効果向上のためには、酸化シリコンの屈折率１．４よりも低い屈折率を有する材料が、さらに好ましい。

本実施形態によれば、斜め入射光が隣接画素に侵入することに起因する光学的クロストーク抑制効果が高まり、より高感度な固体撮像装置を得ることができる。その理由は以下のとおりである。

画素分離構造による光学的クロストーク抑制については、前述のとおりであり、半導体基板である単結晶シリコンの屈折率３．９よりも屈折率の低い材料で埋め込まれた構造により、斜め入射光を全反射させることによる。

このとき、光学的クロストーク抑制のためには、全反射のための臨界角θｃを低減することが重要であり、これは、上述した臨界角を定義する（１）式より、入射側材料の屈折率ｎ_１に対して出射側材料の屈折率ｎ_２を小さくすることが必要である。すなわち、単結晶シリコンの屈折率ｎ_１（＝３．９）に対して、より低い屈折率材料を用いることが必要である。

斜め入射光に対する最初の界面は、屈折率３．９の単結晶シリコンと屈折率１．４のシリコン酸化層とであり、このときの臨界角は２１度である。したがって、固体撮像装置への入射角として６９度以下の斜め入射光はこの界面で全反射し、光学的クロストークの発生を抑制することになる。実際には、入射光の波長範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）より微細なサイズにより構成されている画素分離構造１６０への斜め入射光の挙動は、その波動性の影響で複雑であり、薄いシリコン酸化層１６４を超えて染み出すことも起こりうる。その場合には、シリコン酸化層１６４よりも屈折率の大きい酸化ハフニウム膜１６２と単結晶シリコンとの屈折率の関係により臨界角が決定され、臨界角は３０度に増加してしまう。

この入射光の波動性に起因する染み出しの影響を防止するために、酸化ハフニウム膜１６２の膜厚を、トレンチ内を埋め込むために必要な膜厚よりも薄く形成し、その後に、低屈折率材料を埋め込むことで、臨界角の増加を抑制し、光学的クロストーク抑制の範囲を拡大することが可能である。

例えば、トレンチを埋め込みきらない程度の膜厚の酸化ハフニウム膜の形成に続き、シリコン酸化層を埋め込むことで、２１度の臨界角を維持でき、あるいは、より低屈折率の、いわゆるｌｏｗ−ｋ膜（低誘電率材料膜）等を形成することで臨界角はより低減される。なお、低屈折率のｌｏｗ−ｋ膜の材料としては、酸化シリコン、ポーラスシリカ、高分子材料等を用いることができる。

本実施形態は、光学的クロストークの抑制効果に留まらず、製造工程時間の短縮による製造コスト低減の効果も得ることができる。

固定電荷膜としての酸化ハフニウム膜の成膜は、前述したようにＡＬＤ法等の工程により、アスペクト比の大きいトレンチ構造内部にコンフォーマルに形成するために、製造工程のスループットが低い。しかし、前述したように、固定電荷は、酸化ハフニウム膜とシリコン酸化層との界面に偏在するため、酸化ハフニウム膜の膜厚が薄くても、固定電荷保持効果を得ることが可能であるので、薄い酸化ハフニウム膜に続いて、高いスループットを有する工程により低屈折率材料を埋め込むことで、本実施形態の構造を実現可能である。

この低屈折材料としては、シリコン酸化膜のほかにも、各種の塗布膜を用いることも可能であり、その場合、スループット向上の効果は大きく、製造コストを大幅に低減することが可能となる効果がある。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による固体撮像装置を図１１に示す。この第５実施形態の固体撮像装置は、第３実施形態と同様に、隣接する画素間にはトレンチ型の画素分離構造１６０が設けられるとともに、隣接する画素間の、フローティングディフュージョン２０３が設けられた側には、フローティングディフュージョン２０３と、画素分離構造１６０との間にｐ^＋画素分離領域２２０が設けられている。また、隣接する画素間のフローティングディフュージョン２０３が設けられた側と異なる側にはｐ^＋画素分離領域２２１が設けられている。なお、この第５実施形態においては、画素分離構造１６０は、図３で説明したように、半導体基板１５０に設けられたトレンチ内にシリコン酸化層１６４と、例えば、酸化ハフニウムを含む固定電荷膜１６２とが埋め込まれた構成を有している。

また、この第５実施形態においては、層間絶縁膜２３０上には、第３実施形態の固体撮像装置の製造方法で説明した支持基板３００が設けられている。なお、この第５実施形態においては、第３実施形態と異なり、シリコン基板１５０の裏面側には、固定電極膜１６２が形成されず、入射光が透過する絶縁膜２３６が設けられ、この絶縁膜２３６上（図１１では、絶縁膜２３６下）にカラーフィルタ２３７が設けられ、このカラーフィルタ２３７上（図１１ではカラーフィルタ２３７下）にマイクロレンズ２３９が設けられている。また、画素分離構造１６０に対応する、絶縁膜２３６の領域には、画素分離構造１６０と重なるまたは覆うように光シールド２４０が設けられている。なお、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａと層間絶縁膜２３０との間の、シリコン基板１５０の表面側の領域に、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを防止するためのｐ^＋領域２１０が設けられ、ＰＤ＿ｎ領域２０１ａと絶縁膜２３６との間の、シリコン基板１５０の裏面側の領域に、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを防止するためのｐ^＋領域２１０ａが設けられている。なお、画素上に設けられたカラーフィルタ２３７は、隣接する画素においては色が異なるように配置される。すなわち、第５実施形態は、図６に示す第２実施形形態の第１変形例による表面照射型の固体撮像装置を裏面照射型に変えた構成となっている。

第５実施形態によれば、第２実施形態で説明した画素回路共有方式に対応することが可能である。すなわち、画素回路共有方式の画素レイアウトの場合、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。しかし、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^＋画素分離領域２３０／フォトダイオード２０１という順に並んで形成されている。この場合、二つのフォトダイオード２０１間の画素分離のための画素分離構造１６０を、シリコン基板１５０の内部に埋め込むように形成し、画素分離構造１６０の配線側端面に接するような高濃度ｐ^＋不純物領域からなるｐ^＋画素分離領域２２０を形成し、さらに、シリコン基板１５０の表面側に転送トランジスタ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を形成する。また、隣接する画素間のフローティングディフュージョン２０３が設けられた側と異なる側にはｐ^＋画素分離領域２２１を形成する。このように形成することで図１１に示す分離構造を有する本実施形態の固体撮像装置が得られる。

本実施形態も第２実施形態の第１変形例と同様に、電気的クロストークも十分に抑制可能である。また、同時に光学的クロストークの原因となる、斜め入射光の隣接画素への光漏れも、大幅に抑制されている。

以上説明したように、本実施形態によれば、画素回路共有方式の画素レイアウトを用いることが可能となり、より微細な画素を得ることが可能であり、かつ画素共有方式の特長である高感度特性と相まって、より高感度の固体撮像装置を得ることができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態による固体撮像装置を図１２に示す。この第６実施形態の固体撮像装置は、図１１に示す第５実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造１６０を図１０に示した第４実施形態に用いた画素分離構造１６０Ｂに置き換えた構成となっている。

この第６実施形態も第５実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、第４実施形態と同様に、斜め入射光が隣接画素に侵入することに起因する光学的クロストーク抑制効果を高めることが可能となり、より高感度な固体撮像装置を得ることができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態による固体撮像装置を図１３に示す。この第７実施形態の固体撮像装置は、図１１に示す第５実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造のトレンチに埋め込まれた固定電荷膜１６２およびシリコン酸化層１６４がＰＤ＿ｎ領域２０１ａの下面側にも延在するように構成されている。なお、本実施形態においては、図１１に示す第５実施形態と異なり、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａは設けられていない。これは、固定電荷膜１６２には一定の電位が印加されることにより、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制することが可能となるからである。

本実施形態によれば、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａを設けるための工程を省略することが可能であり、この工程短縮の効果により、製造歩留まりを向上するとともに、製造コストを低減することで、低コスト化が可能となるという効果を得ることができる。

この第６実施形態も第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態による固体撮像装置を図１４に示す。この第８実施形態の固体撮像装置は、図１２に示す第６実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造のトレンチに埋め込まれた固定電荷膜１６２およびシリコン酸化層１６４ならびに低屈折率膜１６９がＰＤ＿ｎ領域２０１ａの下面側にも延在するように構成されている。なお、本実施形態においては、図１２に示す第６実施形態と異なり、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａは設けられていない。これは、固定電荷膜１６２には一定の電位が印加されることにより、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制することが可能となるからである。

本実施形態によれば、第7実施形態と同様に、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａを設けるための工程を省略することが可能であり、この工程短縮の効果により、製造歩留まりを向上するとともに、製造コストを低減することで、低コスト化が可能となるという効果を得ることができる。

この第８実施形態も第６実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態による固体撮像装置を図１５に示す。この第９実施形態の固体撮像装置は、図１１に示す第５実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造１６０を、図４に示す第１実施形態の第１変形例に用いた画素分離構造１６０Ａに置き換えた構成となっている。
この第９実施形態も第５実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１実施形態の第１変形例の場合と同様に、ゲートリークに起因した白傷の発生を大幅に低減することができる。

（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態による固体撮像装置を図１６に示す。この第１０実施形態の固体撮像装置は、図１５に示す第９実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造１６０Ａを、トレンチ型の画素分離構造１６０Ｃに置き換えた構成となっている。この画素分離構造１６０Ｃは、画素分離構造１６０Ａの多結晶シリコン膜１６８内に低屈折材料膜１６９を更に設けた構成となっている。すなわち、画素分離構造１６０Ｃは、トレンチ内に、シリコン酸化層１６４、固定電荷膜１６２、シリコン酸化層１６６、多結晶シリコン膜１６８、低屈折材料膜１６９からなる積層膜を埋め込んだ構成となっている。
この第１０実施形態も第９実施形態と同様の効果を得ることができる。また、斜め入射光が隣接画素に侵入することに起因する光学的クロストーク抑制効果を高めることが可能となり、より高感度な固体撮像装置を得ることができる。

（第１１実施形態）
次に、本発明の第１１実施形態による固体撮像装置を図１７に示す。この第１１実施形態の固体撮像装置は、図１５に示す第９実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造１６０Ａのトレンチに埋め込まれたシリコン酸化層１６４、固定電荷膜１６２、シリコン酸化層１６６、および多結晶シリコン膜１６８がＰＤ＿ｎ領域２０１ａの下面側にも延在するように構成されている。なお、本実施形態においては、図１５に示す第９実施形態と異なり、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａは設けられていない。これは、固定電荷膜１６２には一定の電位が印加されることにより、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制することが可能となるからである。

本実施形態によれば、実施形態７と同様に、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａを設けるための工程を省略することが可能であり、この工程短縮の効果により、製造歩留まりを向上するとともに、製造コストを低減することで、低コスト化が可能となるという効果を得ることができる。

この第１１実施形態も第９実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第１２実施形態）
次に、本発明の第１２実施形態による固体撮像装置を図１８に示す。この第１２実施形態の固体撮像装置は、図１６に示す第１０実施形態の固体撮像装置において、画素分離構造１６０Ｃのトレンチに埋め込まれたシリコン酸化層１６４、固定電荷膜１６２、シリコン酸化層１６６、多結晶シリコン膜１６８、および低屈折材料膜１６９がＰＤ＿ｎ領域２０１ａの下面側にも延在するように構成されている。なお、本実施形態においては、図１６に示す第１０実施形態と異なり、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制するためのｐ^＋領域２１０ａは設けられていない。これは、固定電荷膜１６２には一定の電位が印加されることにより、暗電流がＰＤ＿ｎ領域２０１ａに流れ込むのを抑制することが可能となるからである。

この第１２実施形態も第１０実施形態と同様の効果を得ることができる。

第９乃至１２実施形態に示した裏面照射型の固体撮像装置において、光入射側に多結晶シリコン膜が存在することで、入射光が吸収されてしまい、感度が低下することが懸念されるが、この多結晶シリコン膜については、固定電荷の初期化工程としてのシリコン窒化膜への電子注入においてのみ動作が必要な構成物であり、必ずしも低抵抗であることが要求されるものではない。したがって、光吸収による感度低下が問題にならないように薄膜化することが可能である。例えば、通常の表面照射型固体撮像装置における埋め込みフォトダイオード構造においても、光入射側には、フォトダイオードの感度に寄与しない無効領域の深さが０．１μｍより大きいことが一般的であり、熱工程上の理由や、表面成分雑音抑制のために、薄くすることが困難であるという状況がある。

したがって、固定電荷膜としての多結晶シリコン膜の膜厚を０．１μｍ以下にすることで、通常の埋め込みフォトダイオード程度の感度低下を生じるに過ぎず、逆に、多結晶シリコン層の厚さを１００ｎｍ程度に形成することが可能であることから、むしろ、埋め込みフォトダイオードより高感度化可能であるとさえ言える。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、微細化された画素においても、トレンチ構造に埋め込まれた固定電荷を保持する固定電荷膜により、フォトダイオードの画素分離領域近傍に信号電荷と反対導電型の界面シールド電荷が誘起されるので、暗電流を抑制可能であり、フォトダイオードの体積を圧迫しない画素分離構造を実現することで、高感度な固体撮像素子を得ることができる。

また、画素分離構造に入射した斜め入射光は、その入射面で反射するため、隣接画素に侵入することが無くなるので、光学的クロストークを抑制することが可能であり、高感度な固体撮像素子を得ることができる。

さらに、赤色の長波長入射光の吸収が十分に行える深さの画素分離構造およびフォトダイオードを実現することが可能となり、赤感度の向上や電気的クロストークの低減により、高感度な固体撮像装置を得ることが可能となる。

１００固体撮像装置
１０１撮像領域
１０２負荷トランジスタ
１０３ＣＤＳ回路
１０４Ｖ選択回路
１０５Ｈ選択回路
１０６ＡＧＣ回路
１０７Ａ／Ｄ変換器
１０８デジタルアンプ
１０９ＴＧ回路
１５０シリコン基板
１６０トレンチ型の画素分離構造
１６０Ａトレンチ型の画素分離構造
１６０Ｂトレンチ型の画素分離構造
１６０Ｃトレンチ型の画素分離構造
１６２固定電荷膜
１６４シリコン酸化層
１６６シリコン酸化層
１６８多結晶シリコン膜
１６９低屈折率膜
２００画素
２０１フォトダイオード
２０１ａｎ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
２３０層間絶縁膜
２３５金属配線
２３７カラーフィルタ
２３９マイクロレンズ

Claims

ｐ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ｎ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、
前記半導体基板の、隣接する画素間に設けられた画素分離構造であって、前記画素分離構造は前記半導体基板の前記第１面側から設けられたトレンチ内に埋め込まれた積層膜を有し、前記積層膜は、前記トレンチの側面および底面に沿って設けられた第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を覆うように前記トレンチ内に設けられ負の電荷を保持する固定電荷膜と、前記固定電荷膜を覆うように前記トレンチ内に設けられた第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜を覆うように前記トレンチ内に設けられる多結晶シリコンの電極膜と、を含む画素分離構造と、
を備え、
前記電極膜は、電圧が印加されることを特徴とする固体撮像装置。
前記画素分離構造の底面に接するように前記半導体基板に設けられ、前記半導体基板よりも高濃度のｐ型の不純物領域を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記画素分離構造の前記積層膜は、前記画素の光入射面側に延在していることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記半導体基板はシリコン基板であり、前記第１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１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。