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JP5509846B2 - 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器 - Google Patents

固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、複数の画素が配列された光電変換部を含むＣＭＯＳイメージセンサや、ＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置に関し、特に、基板の一方面に信号回路を形成し、基板の他方面から受光を行う裏面照射型の固体撮像装置、及びその製造方法に関する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
近年のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサでは、画素サイズの縮小とともに単位画素に入射するフォトン数の減少が起こり、このため、感度の低下や、Ｓ／Ｎ比の低下が問題となっている。また、現在広く用いられているレッド、グリーン、ブルーの画素を平面状に並べた画素配列とするために、例えば原色カラーフィルタを用いたベイヤー配列とした場合では、レッド画素では、グリーンとブルーの光はカラーフィルタを透過しない。このため、レッド画素では、グリーンとブルーの光は光電変換に用いられないので、光の利用効率にロスが生じる。また、これらの画素構成では、画素間の補間処理を行い色信号を作ることに伴う、偽色という問題が生じる。
これらの問題を解決方法として、下記特許文献１では、同一の画素の縦方向にグリーン、ブルー、レッドのそれぞれの波長の光を光電変換する光電変換領域を積層し、かつグリーンの光電変換領域は、有機光電変換膜で構成するという固体撮像装置が提案されている。このような特許文献１に示される構造を用いれば、カラーフィルタでの光のロスを生じないというメリットがあるとともに、補間処理を行わない為に偽色が発生しないという効果が期待できる。
しかしながら、有機光電変換膜で光電変換された電荷をＳｉ基板に貯める場合には、有機膜からの信号をＳｉ基板に転送するために、Ｓｉ基板にオーミックコンタクトをとる必要がある。例えば、光電変換されたキャリア（信号電荷）として電子を用いる場合には、高濃度のＮ型の不純物をＳｉ基板にイオン注入し、Ｎ型拡散層を形成する必要があり、そのＮ型拡散層と周辺のＰウェル間に高い電界を有するＰＮ接合が形成される。そのため、高電界のかかるＰＮ接合部に起因する暗電流がノイズの原因となる。また、有機光電変換膜からコンタクトを取ったＮ型拡散層にそのまま光電変換された信号電荷を蓄積すると、信号電荷の蓄積とともに、Ｎ型拡散層の電位が変動し、有機光電変換膜に印加される電界が信号電荷の蓄積とともに変動する。そうすると、光量に対する出力のリニアリティーが得られなくなるという問題がある。
これらの問題を解決する方法として、下記特許文献２には、有機光電変換膜からの信号電荷をＳｉ基板に形成されたＮ型拡散層に転送した後、オーバーフローさせる構成が提案されている。その方法について、図１７〜図１８を用いて説明する。図１７は、従来の有機光電変換膜を用いた固体撮像装置の概略断面構成である。図１８Ａは、図１７の要部の平面構成であり、図１８Ｂは、図１８Ａに対応する断面構成であり、図１８Ｃは、図１８ＢのＡ−Ａ断面に沿ったポテンシャル図である。
図１７に示すように、従来の固体撮像装置１２０では、半導体基板１００の光入射側の直上には、上部電極１１３及び下部電極１１１で挟持された有機光電変換膜１１２が積層されている。有機光電変換膜１１２は、例えばグリーンの光を光電変換するために設けられた膜である。下部電極１１１は、コンタクト部１１０を介して、半導体基板１００のウェル領域１０１の表面に、ｎ型の不純物が高濃度にイオン注入されることで形成されたｎ型拡散層（Ｎ＋）１０８に接続されている。すなわち、ｎ型拡散層１０８には、有機光電変換膜１１２で得られた信号電荷が転送されてくる。
そして、従来の構造では、ｎ型拡散層１０８に接する領域に、ｎ型半導体領域からなる電荷蓄積領域１０７が形成され、電荷蓄積領域１０７の表面側にはｐ型高濃度不純物領域１０９が形成されている。そして、電荷蓄積領域１０７に隣接する領域にはフローティングディフュージョン部ＦＤが形成されており、電荷蓄積領域１０７とフローティングディフュージョン部ＦＤとの間の半導体基板１００上には、ゲート絶縁膜を介して転送ゲート電極１０６が形成されている。フローティングディフュージョン部ＦＤは、ｎ型の高濃度不純物領域より構成されている。
図１７に示す従来の構造では、有機光電変換膜１１２で得られた信号電荷がｎ型拡散層１０８に転送され、ｎ型拡散層１０８に転送されてきた信号電荷は、電荷蓄積領域１０７にオーバーフローされる構成とされている。このように、信号電荷を横方向にオーバーフローさせるために、実際には、ｎ型拡散層１０８と電荷蓄積領域１０７との間には、薄い濃度のp型不純物領域からなるオーバーフローバリアが形成されており、図１８Ｃのようなポテンシャル構成となる。そして、ｎ型拡散層１０８の電位は、オーバーフローバリアで決まり、オーバーフローバリアを超えた信号電荷が電荷蓄積領域１０７にオーバーフローされる。
図１７，１８に示した従来の固体撮像装置１２０のように、信号電荷を横方向にオーバーフローさせる構造では、画素内に２つのキャパシタを形成するような構成であるため、画素サイズの縮小の観点からは不利になる。また、横方向のオーバーフローを用いるため、ｎ型拡散層１０８から電荷蓄積領域１０７へのオーバーフローパスが一次元的であるから、効率よくオーバーフローさせるためには横方向のポテンシャル勾配も必要となり、ポテンシャル設計の難易度が大きい。
また、有機光電変換膜１１２とコンタクト部１１０によって接続されたｎ型拡散層１０８から、さらに半導体基板１００の深い領域に信号電荷をオーバーフローさせるような縦型のオーバーフローパスも提案されている。図１９Ａに、縦型オーバーフローパスを構成した場合の概略断面構成を示し、図１９Ｂにその要部拡大図を示す。図１８Ａ，Ｂにおいて、図１８に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
縦型のオーバーフローパスを形成する場合には、ｎ型拡散層１０８の下方であって、半導体基板１００内部に電荷蓄積層１１７を形成する。このような縦型のオーバーフローパスを形成する場合には、オーバーフローパスは２次元的にとることができ、面積が大きくとれるため、オーバーフローに有利になる。また、深さ方向のポテンシャル設計をすればよいのでイオン注入エネルギーでポテンシャル勾配を付けることができるため、プロセス的な難易度は下がる。しかしながら、実際には、図１９Ｂに示すように、ｎ型拡散層１０８は半導体基板１００とコンタクト部１１０のダメージをカバーできるだけ深く形成しなければならず、そのため、電荷蓄積層１１７も半導体基板１００表面から深い方向に離れていく。そのため、電荷蓄積層１１７から転送ゲートを介してフローティングディフュージョン部ＦＤへ信号電荷を転送する場合電荷蓄積層１１７が転送ゲートから離れるため、転送が不利になる。
特開２００２−１５１６７３号公報 特開２００３−３１７８５号公報
上述の点に鑑み、本発明は、半導体基板の受光面側に形成された光電変換部を有する固体撮像装置において、画素の微細化を損なうことなく転送効率が向上された固体撮像装置、及びその製造方法を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は以下の構成を有する。まず、裏面側が受光面とされ、表面側が回路形成面とされた半導体基板と、下部電極及び上部電極で挟持された光電変換部であって、半導体基板の受光面側に積層された光電変換部とを有する。また、光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板側に読み出すために、下部電極と半導体基板とを接続するように形成されたコンタクトプラグを有する。また、コンタクトプラグを半導体基板に電気的に接続するための接続部と、接続部に読み出された信号電荷を蓄積する電荷蓄積層と、接続部と前記電荷蓄積層との間で、ポテンシャルバリアを構成する電位障壁層とを有する。そして、それらの接続部、電位障壁層、及び電荷蓄積層が半導体基板の縦方向に順に積層されることにより、縦型転送路が構成されている。また、半導体基板の回路形成面側には、電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を半導体基板の回路形成面側に読み出す電荷読み出し部が形成されている。
また、本発明の固体撮像装置は以下の構成を有する。まず、裏面側が受光面とされ、表面側が回路形成面とされた半導体基板を有する。また、半導体基板内にｐｎ接合を有して構成された第１フォトダイオードからなる第１光電変換部と、第１光電変換部に対して受光面とは反対側の半導体基板内に、ｐｎ接合を有して構成された第２フォトダイオードからなる第２光電変換部を有する。また、下部電極及び上部電極で挟持された光電変換部であって、半導体基板の受光面側に積層された第３光電変換部を有する。また、第３光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板側に読み出すために、下部電極と半導体基板とを接続するように形成されたコンタクトプラグを有する。また、コンタクトプラグを半導体基板に電気的に接続するための接続部と、接続部に読み出された信号電荷を蓄積する電荷蓄積層と、接続部と電荷蓄積層との間で、ポテンシャルバリアを構成する電位障壁層とを有する。そして、それらの接続部、電位障壁層、及び電荷蓄積層が半導体基板の縦方向に順に積層されることにより、縦型転送路が構成されている。また、半導体基板の回路形成面側には電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を半導体基板の回路形成面側に読み出す電荷読み出し部が形成されている。
本発明の固体撮像装置では、半導体基板の縦方向に、接続部、電位障壁層、及び電荷蓄積層からなる縦型転送路が形成されるので、半導体基板の受光面側に構成された光電変換部で生成された信号電荷は、半導体基板内において縦方向にオーバーフローされる。そして、オーバーフローされた信号電荷は電荷蓄積層に蓄積された後、半導体基板の回路形成面側に形成された読み出し部により読み出される。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、以下の工程を有する。まず、半導体基板を準備し、半導体基板の所望の領域に、所望の導電型の不純物をイオン注入することにより半導体基板の受光面となる裏面側に接続部を形成する工程を有する。次に、半導体基板を所定の厚さまでエピタキシャル成長させる工程と、半導体基板に形成された接続部の縦方向上部に、接続部と反対導電型の不純物をイオン注入することにより、電位障壁層を形成する工程を有する。次に、電位障壁層の縦方向上部に、接続部と同導電型の不純物をイオン注入することにより、電荷蓄積層を形成する工程を有する。次に、半導体基板の回路形成面となる表面側に電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を読み出す電荷読み出し部を形成し、半導体基板表面側に、複数の配線を有する多層配線層を形成する工程を有する。次に、半導体基板の裏面側に絶縁膜を形成し、絶縁膜内に接続部に接続されるコンタクトプラグを形成する工程を有する。次に、コンタクトプラグを含む絶縁膜上部に下部電極を形成し、下部電極上部に光電変換部を形成し、光電変換部上部に上部電極を形成する工程を有する。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、以下の工程を有する。まず、半導体基板を準備し、半導体基板の所望の領域に、所望の導電型の不純物をイオン注入することにより、半導体基板の裏面側に電位障壁層を形成する工程を有する。次に、電位障壁層の縦方向上部に、電位障壁層と反対導電型の不純物をイオン注入することにより、電荷蓄積層を形成する工程を有する。次に、半導体基板の回路形成面となる表面側に電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を読み出す電荷読み出し部を形成し、半導体基板表面側に、複数の配線を有する多層配線層を形成する工程を有する。次に、半導体基板を反転し、電位障壁層の縦方向上部であって、半導体基板の最裏面側に電位障壁層と反対導電型の不純物をイオン注入することにより、接続部を形成する工程を有する。次に、半導体基板の裏面側に絶縁膜を形成し、絶縁膜内に接続部に接続されるコンタクトプラグを形成する工程を有する。次に、コンタクトプラグを含む絶縁膜上部に下部電極を形成し、下部電極上部に光電変換部を形成し、光電変換部上部に上部電極を形成する工程を有する。
本発明の固体撮像装置の製造方法では、半導体基板内の縦方向に、接続部、電位障壁部、及び電荷蓄積層が順に積層されて形成される。これらの領域のポテンシャルは半導体基板の深さ方向に設計すればよく、不純物のイオン注入におけるエネルギーを制御することで容易にポテンシャル勾配を形成することができる。このように形成された固体撮像装置では、半導体基板の受光面側に構成された光電変換部で生成された信号電荷が、半導体基板内において縦方向にオーバーフローされる。そして、オーバーフローされた信号電荷は電荷蓄積層に蓄積された後、半導体基板の回路形成面側に形成された読み出し部により読み出される。
本発明の電子機器は、光学レンズと、上述した本発明の固体撮像装置と、信号処理回路とを有して構成される。光学レンズは、入射した光を集光し固体撮像装置に入射させる。信号処理回路は、固体撮像装置からの出力信号を処理する。
本発明によれば、画素の微細化や、転送効率の向上に有利な固体撮像装置が得られる。また、その固体撮像装置を用いることにより、画質の向上が図られた電子機器が得られる。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素における平面構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素における概略断面構成図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部の断面構成図と、そのｘ−ｘ’線上沿うポテンシャル勾配を示した図である。 Ａ，Ｂ，Ｃ 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 Ｄ，Ｅ 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 Ｆ，Ｇ 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 Ｈ，Ｉ 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 他の例に係る固体撮像装置の画素領域における平面構成図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 Ｃ，Ｄ 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 Ｅ，Ｆ 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 Ｇ，Ｈ 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略断面構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の要部の概略断面構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。 従来例の固体撮像装置の概略断面構成図である。 Ａ，Ｂ，Ｃ 従来例の固体撮像装置の要部の平面構成図と、その断面構成図と、そのＡ−Ａ’線上に沿うポテンシャル勾配を示す図である。 Ａ，Ｂ 従来例の固体撮像装置の概略断面構成図と、要部の断面拡大図である。
以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器の一例を、図１〜図１５を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：固体撮像装置
１−１ 全体構成
１−２ 要部の構成
１−３ 製造方法
１−４ 駆動方法
２．第２の実施形態：固体撮像装置の製造方法
３．第３の実施形態：固体撮像装置
４．第４の実施形態：固体撮像装置
５．第５の実施形態：電子機器
〈１．第１の実施形態：固体撮像装置〉
まず、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置１について、図１を用いて説明する。図１の構成は、下記に説明する第１〜第３の実施形態に係る固体撮像装置に共通の構成である。また、本実施形態例では、固体撮像装置１を、裏面照射型のＣＭＯＳ型固体撮像装置として説明する。
［１−１ 固体撮像装置の全体構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置１の全体を示す概略構成図である。
本実施形態例の固体撮像装置１は、シリコンからなる基板１１上に配列された複数の画素２から構成される画素領域３と、垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。
画素２は、光電変換素子であるフォトダイオードと、複数の画素トランジスタとから構成され、基板１１上に、２次元アレイ状に規則的に複数配列される。画素２を構成する画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタで構成される４つの画素トランジスタであってもよく、また、選択トランジスタを除いた３つのトランジスタであってもよい。
画素領域３は、２次元アレイ状に規則的に複数配列された画素２から構成される。画素領域３は、実際に光を受光し光電変換によって生成された信号電荷を増幅してカラム信号処理回路５に読み出す有効画素領域と、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域（図示せず）とから構成されている。黒基準画素領域は、通常は、有効画素領域の外周部に形成されるものである。
制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、及び水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路８で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線９を通してカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０とのあいだに設けられている。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して、順次に供給される信号に対し信号処理を行い出力する。
［１−２ 要部の構成］
図２は、本実施形態例の固体撮像装置の単位画素２における概略平面構成である。
図２に示すように、単位画素２は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のそれぞれの波長の光を光電変換する第１〜第３光電変換部が３層に積層された光電変換領域１５と、各光電変換部に対応する電荷読み出し部とから構成されている。本実施形態例においては、電荷読み出し部は、第１〜第３光電変換部に対応した第１〜第３画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣで構成されている。本実施形態例の固体撮像装置１では、単位画素２において縦方向の分光がなされる。
第１〜第３画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣは、光電変換領域１５の周辺に形成されており、それぞれ４つのＭＯＳ型トランジスタで構成されている。第１画素トランジスタＴｒＡは、後述する第１光電変換部で生成、蓄積された信号電荷を画素信号として出力するもので、第１転送トランジスタＴｒ１、リセットトランジスタＴｒ４、増幅トランジスタＴｒ５、選択トランジスタＴｒ６で構成されている。第２画素トランジスタＴｒＢは、後述する第２光電変換部で生成、蓄積された信号電荷を画素信号として出力するもので、第２転送トランジスタＴｒ２、リセットトランジスタＴｒ７、増幅トランジスタＴｒ８、選択トランジスタＴｒ９で構成されている。第３画素トランジスタＴｒＣは、後述する第３光電変換部で生成、蓄積された信号電荷を画素信号として出力するもので、第３転送トランジスタＴｒ３、リセットトランジスタＴｒ１０、増幅トランジスタＴｒ１１、選択トランジスタＴｒ１２で構成されている。
図３に、本実施形態例の固体撮像装置１の単位画素２における要部の概略断面構成を示す。図３では、第１〜第３画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣのうち第１〜第３転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３のみ図示し、他の画素トランジスタの図示を省略する。本実施形態例の固体撮像装置１は、半導体基板１７の表面側の画素トランジスタが形成された側とは反対側の裏面側から光が入射される裏面照射型の固体撮像装置である。図３では、上側を受光面側とし、下側を画素トランジスタや、ロジック回路等の周辺回路などが形成された回路形成面とする。
光電変換領域１５は、半導体基板１７に形成される第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からなる第１及び第２光電変換部と、半導体基板１７の裏面側に形成された有機光電変換膜３２からなる第３光電変換部とが光の入射方向に積層された構成とされる。
第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、シリコンからなる半導体基板１７の、第１導電型（本実施形態例ではｐ型とする）の半導体領域からなるウェル領域１６に形成されている。
第１フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板１７の受光面側に形成された第２導電型（本実施形態例ではｎ型とする）不純物によるｎ型半導体領域１９と、その一部が半導体基板の表面側に達するように延長して形成された延長部１９ａを有する。延長部１９ａは、３層の光電変換部が積層された部分で構成される光電変換領域１５の周辺に形成されるもので、その延長部１９ａの表面（半導体基板の表面）には、ホール蓄積層となる高濃度のｐ型半導体領域２０が形成されている。また、この延長部１９ａは、第１フォトダイオードのｎ型半導体領域１９に蓄積された信号電荷を半導体基板１７の表面側に抜き出すための抜き出し層として形成されるものである。
第２フォトダイオードＰＤ２は、半導体基板１７の表面側に形成されたｎ型半導体領域１９と、その表面側の半導体基板１７界面に形成されたホール蓄積層となる高濃度のｐ型半導体領域１８とで構成されている。
第１フォトダイオードＰＤ１及び第２フォトダイオードＰＤ２において、半導体基板１７の界面にｐ型半導体領域２０，１８が形成されることにより、半導体基板１７界面で発生する暗電流の抑制が図られる。
受光面から一番離れた領域に形成された第２フォトダイオードＰＤ２は、赤色の波長の光を光電変換する光電変換部とされる。また、受光面側に形成された第１フォトダイオードＰＤ１は、青色の波長の光を光電変換する光電変換部とされる。
有機光電変換膜３２は、半導体基板１７の裏面上に形成された反射防止膜となる絶縁膜２８を介して形成されており、その上下両面は、上部電極３３及び下部電極３１で挟まれた構成とされている。本実施形態例では、有機光電変換膜３２は、緑色の波長の光を光電変換する光電変換部とされ、例えば、ローダーミン系色素、メラシアニン系色素、キナクリドン等を含む有機光電変換材料で構成される。また、上部電極３３及び下部電極３１は、光透過性の材料で構成され、例えば、インジウム錫（ＩＴＯ）膜、酸化インジウム亜鉛膜等の透明導電膜で構成される。
本実施形態例では、有機光電変換膜３２の材料を緑色の光を光電変換する材料で構成したが、青色あるいは赤色の波長の光を光電変換する材料で構成し、第１フォトダイオードＰＤ１及び第２フォトダイオードＰＤ２をその他の波長に対応させて構成してもよい。有機光電変換膜３２で青色の光を吸収させる場合には、半導体基板１７の受光面側に形成される第１フォトダイオードＰＤ１は、緑色の光を光電変換する光電変換部として設定し、第２フォトダイオードＰＤ２を赤色の光を光電変換する光電変換部として設定する。また、有機光電変換膜３２で赤色の光を吸収させる場合には、半導体基板１７の受光面側に形成される第１フォトダイオードＰＤ１は、青色の光を光電変換する光電変換部として設定し、第２フォトダイオードＰＤ２を緑色の光を光電変換する光電変換部として設定する。青色の光を光電変換する有機光電変換膜としては、クマリン酸色素、トリス−８−ヒドリキシキノリＡｌ（Ａｌｑ３）、メラシアニン系色素等を含む有機光電変換材料を用いることができる。また、赤色の光を光電変換する有機光電変換膜としては、フタロシアニン系色素を含む有機光電変換材料を用いることができる。
また、本実施形態例のように、半導体基板１７内で光電変換する光を、青色及び赤色とし、有機光電変換膜３２で光電変換する光を緑色と設定することで、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間における分光特性を向上させることができる。
そして、上述の有機光電変換膜３２の半導体基板１７側に形成される下部電極３１は、絶縁膜２８を貫通するコンタクトプラグ２９を介して、半導体基板１７裏面側から表面側にかけて形成された縦型転送路５０に接続されている。縦型転送路５０は、半導体基板１７の裏面側から表面側にかけて縦方向に形成された接続部２１、電位障壁層２２、電荷蓄積層２３、ｐ型半導体領域２４の積層構造により構成とされている。接続部２１は、半導体基板１７の裏面側に形成された高不純物濃度のｎ型不純物領域からなり、コンタクトプラグ２９とのオーミックコンタクトのために構成されている。電位障壁層２２は、低濃度のｐ型不純物領域からなり、接続部２１と電荷蓄積層２３間においてポテンシャルバリアを構成する。電荷蓄積層２３は、有機光電変換膜３２から転送された信号電荷を蓄積する層であり、接続部２１よりも低濃度のｎ型不純物領域で構成される。半導体基板１７の最表面に形成されたｐ型半導体領域２４は、高濃度のｐ型不純物領域で構成され、これにより半導体基板１７界面における暗電流の発生が抑制される。
図４Ａに、半導体基板１７のうち、縦型転送路５０の領域における拡大図を示し、図４Ｂに、図４Ａにおけるｘ−ｘ’線上に沿う断面構成図を示す。
本実施形態例における縦型転送路５０では、図４Ｂに示すようなポテンシャル勾配が形成される。このため、有機光電変換膜３２からコンタクトプラグ２９を介して接続部２１に転送されてきた信号電荷ｅは電位障壁層２２で形成されるオーバーフローバリアを超えて電荷蓄積層２３に蓄積されていく。電荷蓄積層２３に蓄積された信号電荷ｅが、半導体基板１７の回路形成面となる表面側に読み出されることとなる。
そして、半導体基板１７の回路形成面となる表面側には、図２で示したように、第１フォトダイオードＰＤ１、第２フォトダイオードＰＤ２及び有機光電変換膜３２に対応する第１〜第３画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣが構成されている。図３では、簡単のため、第１〜第３画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣのうち、第１〜第３転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３のみを図示している。
第１転送トランジスタＴｒ１は、第１フォトダイオードＰＤ１の延長部１９ａに隣接する半導体基板表面側に形成されたフローティングディフュージョン部ＦＤ１と、半導体基板１７上にゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極３７とで構成される。
第２転送トランジスタＴｒ２は、第２フォトダイオードＰＤ２に隣接する半導体基板表面側に形成されたフローティングディフュージョン部ＦＤ２と、半導体基板１７上にゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極３８とで構成される。
第３転送トランジスタＴｒ３は、縦型転送路５０に隣接する半導体基板表面側に形成されたフローティングディフュージョン部ＦＤ３と、半導体基板１７上にゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極３９とで構成される。
フローティングディフュージョン部ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、いずれもｎ型の高濃度不純物領域で構成され、転送ゲート電極３７，３８，３９は、例えばポリシリコンで構成される。
半導体基板１７の表面側には、層間絶縁膜２７を介して複数層（本実施形態例では３層）に積層された配線２６を有する多層配線層２５が形成されている。また、多層配線層２５の表面には、製造段階において形成される支持基板５３が形成されている。
また、上部電極３３上部の受光面側には、縦型転送路５０及び、第１フォトダイオードＰＤ１からの電荷引き抜き部となる延長部１９ａを遮光する遮光膜３６が形成されている。遮光膜３６としては、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｗ等を用いることができる。図３では、上部電極３３上に絶縁膜を介して、遮光膜３６を形成する構成としているが、上部電極３３上部に絶縁膜を介して遮光膜３６を形成する場合には、遮光膜３６の電位が固定されない。そのため、上部電極３３と接触するように遮光膜３６を形成する例としてもよく、この場合には、遮光膜３６の電位が上部電極３３と等電位に保持される。
そして、遮光膜３６上部には、平坦化膜３４を介して、オンチップレンズ３５が形成されている。本実施形態例の固体撮像装置では、単位画素２において縦方向に分光がなされるので、カラーフィルタは構成されていない。
そして、図２に示したように、実際には、半導体基板１７の表面側に、リセットトランジスタＴｒ４，Ｔｒ７，Ｔｒ１０、増幅トランジスタＴｒ５，Ｔｒ８，Ｔｒ１１、選択トランジスタＴｒ６，Ｔｒ９，Ｔｒ１２で構成されている。リセットトランジスタＴｒ４，Ｔｒ７，Ｔｒ１０は、ソース・ドレイン領域４３，４４とゲート電極４０とで構成されている。増幅トランジスタＴｒ５，Ｔｒ８，Ｔｒ１１は、ソース・ドレイン領域４４，４５、ゲート電極４１とで構成されている。選択トランジスタＴｒ６，Ｔｒ９，Ｔｒ１２は、ソース・ドレイン領域４５，４６と、ゲート電極４２とで構成されている。
そしてこれらの画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣにおいては、フローティングディフュージョン部ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３が対応するリセットトランジスタＴｒ４，Ｔｒ７，Ｔｒ１０の一方のソース・ドレイン領域４３に接続されている。さらに、フローティングディフュージョン部ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３は、対応する増幅トランジスタＴｒ５，Ｔｒ８，Ｔｒ１１のゲート電極４１に接続されている。
また、リセットトランジスタＴｒ４，Ｔｒ７，Ｔｒ１０と増幅トランジスタＴｒ５，Ｔｒ８，Ｔｒ１１とで共通のソース・ドレイン領域４４には、電源電圧配線ＶＤＤが接続されている。また、選択トランジスタＴｒ６，Ｔｒ９，Ｔｒ１２の一方のソース・ドレイン領域４６には、選択信号配線ＶＳＬが接続されている。
［１−３ 製造方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法について説明する。図５〜図８は、本実施形態例の固体撮像装置１の製造工程図であり、特に、縦型転送路５０が形成された領域における製造工程を示す図である。
まず、図５Ａに示すように、シリコンからなる基板５１上に、埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸ層５２）及びシリコンからなる半導体層１７が順に形成されたＳＯＩ基板を準備する。この半導体層１７は、図３における半導体基板１７に相当するものである。図５ＡにおけるＳＯＩ基板における半導体層１７はｐ型の半導体層とされ、その厚みは例えば、２００〜３００ｎｍに形成されている。この時の半導体層１７の厚みは、次の工程におけるｎ型拡散層の為のイオン注入が可能な厚みに形成されている。
次に、図５Ｂに示すように、ＢＯＸ層５２界面の半導体層１７に、ｎ型の不純物を高濃度にイオン注入することにより、接続部２１を形成する。この接続部２１は、有機光電変換膜３２からの信号電荷を取り出すためのコンタクトプラグ２９と、オーミックコンタクトをとる必要があるため、１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３程度の濃度とされる。そして、このとき、ＳＯＩ基板の半導体層１７が薄く形成された状態でイオン注入を行うことができるので、高濃度のイオン注入が可能となり、また、半導体層１７の深い位置に精度よく接続部２１を形成することができる。
次に、図５Ｃに示すように、エピタキシャル成長法を用いて、半導体層１７上部にさらにｐ型半導体領域を形成し、半導体層１７の膜厚を所望の厚さまで形成する。半導体層１７に、青色の光に対応する第１フォトダイオードＰＤ１や、赤色の光に対応する第２フォトダイオードＰＤ２を形成し、特に、赤色の波長の光に対する感度を十分に確保するためには、少なくとも半導体層１７の厚みは３μｍ程度とすることが好ましい。
尚、はじめから３μｍ程度の半導体層１７を形成し、１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３の濃度の接続部２１を半導体層１７の深い領域に形成することは生産性の観点から困難である。したがって、本実施形態例のように、半導体層１７が薄く形成された時点で、接続部２１を形成し、その後エピタキシャル成長法を用いて、必要な膜厚の半導体層１７を得る例とすることが好ましい。
そして、エピタキシャル成長法によって形成された半導体層１７は、画素２が形成されるウェル領域１６とされる。
次に、図６Ｄに示すように、接続部２１の上部縦方向に、ｐ型の不純物を低濃度にイオン注入することで電位障壁層２２を形成し、続いて、電位障壁層２２の上部縦方向にｎ型の不純物をイオン注入することで電荷蓄積層２３を形成する。電荷蓄積層２３の不純物濃度は接続部２１よりも薄く、また、電位障壁層２２側から半導体層１７表面側にかけて除々に濃くなるように段階的なイオン注入によって形成する。そして、電荷蓄積層２３の上部縦方向であって、半導体層１７の最表面には、ｐ型の不純物を高濃度にイオン注入することによりｐ型半導体領域２４からなる暗電流抑制領域を形成する。そして、これにより、半導体層１７のＢＯＸ層５２に接する面から表面側にかけて縦方向に形成された縦型転送路５０が形成される。
その後、半導体層１７表面には、図示しないゲート酸化膜を介して転送ゲート電極３９を形成する。また、半導体層１７表面の所望の領域には、ｎ型の不純物を高濃度にイオン注入することによりフローティングディフュージョン部ＦＤ３を形成する。図５Ｄでは図示を省略するが、この時点で、半導体層１７の他の領域には、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２や、第１〜第３画素トランジスタＴｒＡ，ＴｒＢ，ＴｒＣを構成するソース・ドレイン領域や、ゲート電極が形成される。
次に、図６Ｅに示すように、半導体層１７の表面側に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２７の堆積工程と、メタルコンタクト（図示せず）、及び金属材料からなる配線２６の形成工程を繰り返す。これにより、層間絶縁膜２７と複数層（本実施形態例では３層）の配線２６からなる多層配線層２５を形成する。配線２６を構成する金属材料としては、例えば、銅やアルミニウムを用いることができる。
次に、図７Ｆに示すように、多層配線層２５上部に、例えばシリコンからなる支持基板５３を貼り付ける。
次に、図７Ｇに示すように、素子を反転させ、ＳＯＩ基板を構成する基板５１、及びＢＯＸ層５２を除去し、光入射面となる半導体層１７の裏面上に、反射防止膜を兼ねる絶縁膜２８を形成する。この絶縁膜２８には、半導体層１７に形成する第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に対する入射光の反射を抑制するため、高い屈折率を持ちながら、さらに、半導体層と欠陥準位の少ない界面を有する材料を用いる必要がある。そのような特性を有する絶縁膜２８としては、例えば、半導体層１７の界面に、１ｎｍ〜２ｎｍの厚みに成膜されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）と、その上部に、屈折率ｎが２程度の酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）とからなる積層膜を用いることが好ましい。
また、半導体層１７裏面側に形成される絶縁膜２８は、負の固定電荷を有する膜を用いることが好ましい。酸化ハフニウムは、負の固定電荷を用いるので、半導体層１７裏面側の界面にホールの蓄積状態が強化される。これにより、暗電流の発生が抑制される。
負の固定電荷を持つ材料としては、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）の他、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、もしくは酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることができる。成膜方法としては、例えば、化学気相成長法、スパッタリング法、原子層蒸着法等が挙げられえる。原子層蒸着法を用いれば、成膜中に界面準位を低減するＳｉＯ２膜を同時に１ｎｍ程度形成することが好適である。また、上記以外の材料としては、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化プラセオジム（Ｐｒ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化プロメチウム（Ｐｍ２Ｏ３）等が挙げられる。さらに、上記材料としては、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、酸化ユウロピウム（Ｅｕ２Ｏ３）、酸化ガドリニウム（（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化テルビウム（Ｔｂ２Ｏ３）、酸化ジスプロシウム（Ｄｙ２Ｏ３）等が上げられる。さらに、上記材料としては、酸化ホルミウム（Ｈｏ２Ｏ３）、酸化ツリウム（Ｔｍ２Ｏ３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）、酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等が挙げられる。さらに、上記負の固定電荷を有する膜は、窒化ハフニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸窒化ハフニウム膜または酸窒化アルミニウム膜で形成することも可能である。
上記負の固定電荷を有する膜は、絶縁性を損なわない範囲で、膜中にシリコン（Ｓｉ）や窒素（Ｎ）が添加されていてもよい。その濃度は、膜の絶縁性が損なわれない範囲で適宜決定される。このように、シリコン（Ｓｉ）や窒素（Ｎ）が添加されることによって、膜の耐熱性やプロセスの中でイオン注入の阻止能力を上げることが可能になる。
次に、図８Ｈに示すように、絶縁膜２８を貫通して半導体層１７の接続部２１に接続されるコンタクトプラグ２９を形成する。このコンタクトプラグ２９は、絶縁膜２８の所定の位置を開口することにより、接続部２１が臨むコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールの側壁及び底部にバリメタル膜を成膜し、さらに金属材料を埋め込むことによって形成する。半導体層１７との間でオーミックコンタクトを有するために、バリアメタル膜としてチタン（Ｔｉ）と窒化チタン（ＴｉＮ）の積層膜、コンタクトホールに埋め込み金属材料としては、タングステン（Ｗ）を用いることが好ましい。その後、コンタクトプラグ２９を含む絶縁膜２８上部の所望の領域に、下部電極３１を形成する。下部電極３１である透明電極としては、例えばスパッタ法を用いて成膜された１００ｎｍ程度の厚みのＩＴＯ膜を用いることができ、また、ドライエッチングやウェットエッチングを用いて所望の形状にパターニングして形成する。ドライエッチングでは、例えばＣｌ２とＢＣｌ３とＡｒとの混合エッチングガスを用いることができ、ウェットエッチングでは、リン酸溶液、又はシュウ酸及びリン酸を含んだ混合溶液等のエッチング液を用いることができる。
次に、図８Ｉに示すように、下部電極３１を被覆するように、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜３０を形成し、下部電極３１上部の絶縁膜３０に、下部電極３１が露出するような開口部を形成する。この開口部は、下部電極３１のエッジ部分の段差抑制のために、図７Ｉに示すようにテーパー形状に形成するのが好ましい。より好ましくは、絶縁膜３０の開口部のテーパー角は３０度以下とする。例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜３０上に、テーパー形状のレジストマスクを形成し、エッチパックすることで、所望のテーパー角を形成することができる。
その後、開口部を被覆して絶縁膜３０の上部全面に有機光電変換膜３２を形成する。本実施形態例では、有機光電変換膜３２として、緑の光を選択的に吸収する有機光電変換材料であるキナクリドンを用い、例えば真空蒸着を用いて約１００ｎｍ程度の厚みに成膜する。その後、有機光電変換膜３２上部全面に、上部電極３３を形成する。上部電極３３も下部電極３１と同様、例えばスパッタ法を用い、１００ｎｍ程度の厚みのＩＴＯ膜を用いる。
その後、上部電極３３上部に、遮光膜３６及び平坦化膜３４を形成し、その上部にオンチップレンズを形成することで、図３に示す本実施形態例の固体撮像装置１が完成する。
本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法では、縦型転送路５０における縦方向のポテンシャルをイオン注入時のエネルギーで容易にコントロールすることができるので、制御がし易く、また設計が容易である。
［１−４ 駆動方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の駆動方法について説明する。駆動方法については、図２及び図３を用いて説明する。
本実施形態例では、有機光電変換膜３２の受光面側に形成された上部電極３３には、固定の負電圧ＶＬが印加され、コンタクトプラグ２９に接続されている下部電極３１に電荷蓄積時において、電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨが印加されている。電圧ＶＨはオーバーフローバリアの電位によって決定される。
電荷蓄積時において、１つの画素２に光が入射すると、緑の波長の光は、緑の波長光に吸収特性を有する有機光電変換膜３２において光電変換され、有機光電変換膜３２において電子・ホール対が形成される。この光電変換により生成された電子・ホール対のうち、信号電荷となる電子が、高い電圧ＶＨが印加されている下部電極３１に引かれ、コンタクトプラグ２９を通って接続部２１に転送される。そして、接続部２１の飽和電荷量を超えた信号電荷は、電位障壁層２２を超えて、電荷蓄積層２３にオーバーフローされ、電荷蓄積層２３において蓄積される。
このとき、ホールは負電圧ＶＬが印加された上部電極３３に引かれ、図示しない所要の配線を通じて排出される。また、本実施形態例においては、下部電極３１には高い電圧ＶＨが印加されているので、半導体基板１７の裏面側界面に暗電流が発生するバイアス電圧の極性に相当する。しかしながら、反射防止膜を構成する絶縁膜２８において酸化ハフニウムを用いることにより半導体基板１７裏面にホールが励起された状態とされる。このため、下部電極３１に印加する電圧ＶＨに起因して半導体基板１７界面に発生する暗電流を抑制することができる。
また、青色の波長の光は、受光面に近い半導体基板１７内に形成された第１フォトダイオードＰＤ１に吸収され光電変換される。これにより、青色の光に対応する信号電荷が第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域１９に蓄積される。赤色の波長の光は、受光面から深さ方向に深い半導体基板１７内に形成された第２フォトダイオードＰＤ２に吸収され光電変換される。これにより、赤色の光に対応する信号電荷が第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域１９に蓄積される。
そして、電荷蓄積が終了した後、第１〜第３転送トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３の転送ゲート電極３７，３８，３９に所望の転送パルスが印加されることにより、電荷の読み出しが開始される。第１転送トランジスタＴｒ１では、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域１９に蓄積された青色の光に対応する信号電荷が延長部１９ａを通ってフローティングディフュージョン部ＦＤ１に読み出される。また、第２転送トランジスタＴｒ２では、第２フォトダイオードＰＤ２のｎ型半導体領域１９に蓄積された赤色の光に対応する信号電荷がフローティングディフュージョン部ＦＤ２に読み出される。また、第３転送トランジスタＴｒ３では、縦型転送路５０の電荷蓄積層２３に蓄積された緑色の光に対応する信号電荷がフローティングディフュージョン部ＦＤ３に読み出される。
そして、それぞれの信号電荷がそれぞれのフローティングディフュージョン部ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３に読み出されることによる電位変化が増幅トランジスタＴｒ５，Ｔｒ８，Ｔｒ１１によって増幅され、画素信号とされて図示しない垂直信号配線に読み出される。垂直信号配線に読み出されるタイミングは、選択トランジスタＴｒ６，Ｔｒ９，Ｔｒ１２によって決定される。
信号電荷の読み出し、転送後は、リセットトランジスタＴｒ４，Ｔｒ７，Ｔｒ１０によって、フローティングディフュージョン部ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３に読み出された信号電荷がリセットされる。
本実施形態例によれば、有機光電変換膜３２で生成された信号電荷を半導体基板１７に形成した縦型転送路５０において、接続部２１から電荷蓄積層２３内に縦方向にオーバーフローさせて転送し、電荷蓄積層２３内に蓄積することができる。このような縦方向のオーバーフロー構造を有する縦型転送路５０の形成は上述したように、イオン注入のエネルギーによって精密に制御できるため、横方向のオーバーフロー構造よりも製造し易く、プロセスの制御性を向上させることができる。また、縦型転送路５０は、半導体基板１７の裏面側から表面側にかけて縦方向に形成されるため、画素サイズの増大を伴うことがなく、有機光電変換膜３２で生成された信号電荷を半導体基板１７の裏面側から表面側に読み出すことができる。
また、電荷蓄積層２３は転送ゲート電極３９に近接して形成できることから、電荷蓄積層２３からフローティングディフュージョン部ＦＤ３への転送にも有利な構成である。さらに、裏面照射型の固体撮像装置であるため、受光面となる半導体基板１７の裏面側には多層配線層２５が形成されないので、有機光電変換膜３２と半導体基板１７に形成された第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２とを近い距離に形成できる。これにより、有機光電変換膜３２と第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の距離が遠い場合に発生するＦ値による色毎の感度変動の影響も低減することができる。
本実施形態例では、図２に示すような画素２の構成としたが、各画素トランジスタを複数の画素で共有する例としてもよい。図９は、他の実施形態例における回路構成図である。図８において、図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態例では、第１画素２ａ、第２画素２ｂ、第３画素２ｃを列状に配置した図である。第１画素２ａでは、光電変換領域１５の周辺部に赤色の波長の光に対応する信号電荷を読み出すためのリセットトランジスタＴｒ７、増幅トランジスタＴｒ８、選択トランジスタＴｒ９が構成されている。第２画素２ｂでは、光電変換領域１５の周辺部に緑色の波長の光に対応する信号電荷を読み出すためのリセットトランジスタＴｒ１０、増幅トランジスタＴｒ１１、選択トランジスタＴｒ１２が構成されている。第３画素２ｃでは、光電変換領域１５の周辺部に青色の波長の光に対応する信号電荷を読み出すためのリセットトランジスタＴｒ４、増幅トランジスタＴｒ５、選択トランジスタＴｒ６が構成されている。
そして、第１〜第３画素２ａ〜２ｃにおけるフローティングディフュージョン部ＦＤ２は、第１画素２ａの周辺領域に形成されたリセットトランジスタＴｒ７のソース・ドレイン領域４３、及び増幅トランジスタＴｒ８のゲート電極４１に接続されている。また、第１〜第３画素２ａ〜２ｃにおけるフローティングディフュージョン部ＦＤ３は、第２画素２ｂの周辺領域に形成されたリセットトランジスタＴｒ１０のソース・ドレイン領域４３、及び増幅トランジスタＴｒ１１のゲート電極４１に接続されている。第１〜第３画素２ａ〜２ｃにおけるフローティングディフュージョン部ＦＤ１は、第３画素２ｃの周辺領域に形成されたリセットトランジスタＴｒ４のソース・ドレイン領域４３、及び増幅トランジスタＴｒ５のゲート電極４１に接続されている。
図９に示す例では、第１〜第３画素２ａ〜２ｃにおける光電変換部毎に、リセットトランジスタ、転送トランジスタ、転送トランジスタを共有するので、画素トランジスタの数を減らすことができ、画素サイズの縮小に有利である。また、画素トランジスタの数を減らすことができるので、画素サイズを保った状態において光電変換領域１５の受光面積を拡大することができる。また、この例においても、上述した本実施形態例の効果を得ることができる。
〈２．第２の実施形態：固体撮像装置の製造方法〉
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図１０〜図１３は、本実施形態例の固体撮像装置の製造工程図である。本実施形態例で完成される固体撮像装置は、図３に示した固体撮像装置と同様であるから重複説明を省略する。また、図１０〜図１３において、図５〜図８に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
まず、図１０Ａに示すように、シリコンからなる基板５１上に、ＢＯＸ層５２及びシリコンからなる半導体層１７が順に形成されたＳＯＩ基板を準備する。この半導体層１７は、図３における半導体基板１７に相当するものである。ＳＯＩ基における半導体層１７はｐ型の半導体層とされ、その厚みは例えば、３μｍ程度に形成されている。
次に、図１０Ｂに示すように、半導体層１７の縦型転送路５０が形成される領域の深さ方向に深い位置に、ｐ型の不純物を低濃度にイオン注入することで電位障壁層２２を形成する。続いて、電位障壁層２２の上部縦方向にｎ型の不純物をイオン注入することで電荷蓄積層２３を形成する。電荷蓄積層２３の不純物濃度は接続部２１よりも薄く、また、電位障壁層２２側から半導体層１７表面側にかけて除々に濃くなるように段階的なイオン注入によって電荷蓄積層を形成する。そして、電荷蓄積層２３の上部縦方向であって、半導体層１７の最表面には、ｐ型の不純物を高濃度にイオン注入することによりｐ型半導体領域２４からなる暗電流抑制領域を形成する。また、本実施形態例においては、半導体層１７の一番深い領域に形成される接続部２１は、半導体層１７の表面からのイオン注入で形成することは困難であるため、この段階では未だ形成されない。
その後、半導体層１７表面には、図示しないゲート酸化膜を介して転送ゲート電極３９を形成する。また、半導体層１７表面の所望の領域には、ｎ型の不純物を高濃度にイオン注入することによりフローティングディフュージョン部ＦＤ３を形成する。図９Ｂでは図示を省略するが、この時点で、半導体層１７の他の領域には、第１及び第２フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２や、画素トランジスタが形成される。
次に、図１１Ｃに示すように、半導体層１７の回路形成面である表面側に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２７の堆積工程と、メタルコンタクト（図示せず）、及び金属材料からなる配線２６の形成工程を繰り返す。これにより、層間絶縁膜２７と複数層（本実施形態例では３層）の配線２６からなる多層配線層２５を形成する。配線２６を構成する金属材料としては、例えば、銅やアルミニウムを用いることができる。
次に、図１１Ｄに示すように、多層配線層２５上部に、例えばシリコンからなる支持基板５３を貼り付ける。
次に、図１２Ｅに示すように、素子を反転させ、ＳＯＩ基板を構成する基板５１、及びＢＯＸ層５２を除去し、半導体層１７の受光面となる裏面側を露出する。次に、露出された半導体層１７の最表面の電位障壁層２２の上部領域に、ｎ型の不純物を高濃度にイオン注入することにより、接続部２１を形成する。この接続部２１は、有機光電変換膜３２からの信号電荷を取り出すためのコンタクトプラグ２９と、オーミックコンタクトをとる必要があるため、ドーズ量は１×１０１５／ｃｍ３程度とされる。その後、半導体層１７に形成された不純物領域の活性化を行う。ここで、本実施形態例ではこの段階において半導体層１７の表面側に多層配線層２５が既に形成されているため、配線２６の耐熱性の観点から、瞬間的に活性化が可能な活性化方法であるレーザーアニールを用いることが好ましい。
その後の図１２Ｆ〜図１３Ｈに示す工程は、第１の実施形態における図７Ｇ〜図８Ｉの工程と同様であるから、説明を省略する。
以上のように、本実施形態例においても、半導体層１７に縦方向に不純物領域が積層された構成の縦型転送路５０を精度よく形成することができる。その他、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
上述した第１及び第２の実施形態では、半導体基板１７に２つの光電変換部を形成し、その上部に、有機光電変換膜３２からなる光電変換部を積層させた縦型分光法を用いた例であるが、本発明は、この構成に限られるものではない。半導体基板上部に光電変換部を構成し、その光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板に形成された縦型転送路に転送、蓄積させて読み出す構成であれば適用が可能である。
〈３．第３の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態例の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置における所望の転送トランジスタを縦型トランジスタとした例である。
図１４は、本実施形態例の固体撮像装置の要部の概略断面構成である。図１４において、図３に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態例においては、半導体基板１７の受光面側に形成される第１フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板１７の裏面側に形成されたｎ型半導体領域６０と、ｎ型半導体領域６０に接して半導体基板１７の表面側に形成されたｐ型半導体領域６１とから構成される。すなわち、本実施形態例の第１フォトダイオードＰＤ１では、図３に示した延長部１９ａが形成されない。
また、有機光電変換膜３２で生成された信号電荷が転送されてくる半導体基板１７内の縦型転送路５０は、半導体基板１７の裏面側から順に縦方向に積層された接続部２１、電位障壁層２２、電荷蓄積層２３から構成されている。
そして、本実施形態例では、第１転送トランジスタＴｒ１及び第３転送トランジスタＴｒ３は縦型ゲート電極６２，６３を有する縦型転送トランジスタとされている。すなわち、第１転送トランジスタＴｒ１を構成する縦型ゲート電極６２は、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域６０に達するように、半導体基板１７表面側から半導体基板１７に埋め込まれて形成されている。また、第３転送トランジスタＴｒ３を構成する縦型ゲート電極６３は、縦型転送路５０の電荷蓄積層２３に達するように、半導体基板１７表面側から半導体基板１７に埋め込まれて形成されている。
このような縦型ゲート電極６２，６３は、半導体基板１７の所望の領域に、半導体基板１７表面側から所望の深さの開口部を形成し、その開口部の側面及び底部にゲート酸化膜６４を形成した後、例えばポリシリコンからなる電極材料を埋め込むことによって形成する。また、縦型ゲート電極６２，６３では、柱状のゲート電極に沿って転送チャネルが形成され、第１フォトダイオードＰＤ１のｎ型半導体領域６０に蓄積された信号電荷が転送される。このため、第１フォトダイオードＰＤ１を構成するｐ型半導体領域６１は、転送チャネルの形成を阻止しないように縦型ゲート電極６２から所定の距離だけ離して形成する。
また、本実施形態例では、縦型転送路５０の電荷蓄積層２３に蓄積される信号電荷も、縦型ゲート電極６２に沿って形成される転送チャネルを通ってフローティングディフュージョン部ＦＤ３に読み出される。縦型ゲート電極６３を用いる場合には、電荷蓄積層２３を半導体基板１７の表面側にまで形成する必要がない。このため、縦型転送路５０内のポテンシャルの設計がより容易になる。
〈４．第４の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態例の固体撮像装置は、半導体基板の上部に形成される光電変換膜を、無機材料で形成する例であり、また、縦型分光を用いない例である。図１５は、本実施形態例の固体撮像装置の概略断面構成である。図１５において、図３に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
図１５では、３画素分の断面構成を示している。本実施形態例の固体撮像装置における単位画素は、無機光電変換材料であるアモルファスシリコンからなる光電変換部７２を有する。また、光電変換部７２で生成された信号電荷を読み出して蓄積し、半導体基板１７の表面側に転送する縦型転送路５０を有する。縦型転送路５０、及び縦型転送路５０の電荷蓄積層２３に蓄積された信号電荷を半導体基板１７表面側に読み出す転送トランジスタＴｒの構成は、第１の実施形態と同様である。
光電変換部７２を構成するアモルファスシリコンは、半導体基板１７の裏面上に絶縁膜７４を介して形成されており、光入射方向の上下に形成された上部電極７０及び下部電極７１に挟持された構成とされている。上部電極７０透明電極であるＩＴＯ膜で構成される。下部電極７１には、Ｓｉへの光の透過を防止するために、ＡｌやＴｉ、Ｗなどの遮光性をもつ電極を用いることが好ましい。また、下部電極７１は、絶縁膜７４内に形成されたコンタクトプラグ７５を介して、縦型転送路５０の接続部２１に電気的に接続されている。
そして、アモルファスシリコンからなる光電変換部７２は、平坦化膜７３に被覆され、平坦化膜上７３には、画素毎に異なるカラーフィルタ７８が形成されている。本実施形態例では、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応するカラーフィルタ７８が、例えばベイヤー配列となるように各画素に構成されている。そして、カラーフィルタ７８上部には画素毎にオンチップレンズ３５が形成されている。
本実施形態例は、単位画素あたり、１色の光の光電変換による信号電荷が生成される例である。
本実施形態例では、オンチップレンズ３５及びカラーフィルタ７８を介して入射した光は、アモルファスシリコンからなる光電変換部７２に吸収され、そこにおいて光電変換される。各画素の光電変換部７２において、カラーフィルタ７８に応じた光の光電変換により、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する信号電荷が生成される。上部電極７０及び下部電極７１に所定の電圧を印加することにより、生成された信号電荷がコンタクトプラグ７５を介して、各縦型転送路５０の接続部２１に転送され、電位障壁層２２を超えた信号電荷は、電荷蓄積層２３に蓄積される。
その後は、第１の実施形態と同様に、画素トランジスタによって読み出され、画素信号とされて出力される。
本実施形態例のように、光電変換部７２を有機光電変換膜ではない、アモルファスシリコン等の無機材料によって構成した場合にも、半導体基板１７の裏面側から表面側に縦方向に縦型転送路５０において、信号電荷を容易に転送し、蓄積することができる。この場合にも、接続部２１に読み出された信号電荷は、縦方向にオーバーフローされるので、画素の微細化に有利となる。
上述の第１〜第４の実施形態では、電子を信号電荷としたもので、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としているが、本発明は正孔を信号電荷とする固体撮像装置にも適用できる。この場合には、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型として、前述の各半導体領域を逆の導電型の半導体領域で構成することができる。
上述の第１〜第４の実施形態では、入射光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるＣＭＯＳ型固体撮像装置に適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はＣＭＯＳ型固体撮像装置への適用に限られるものではない。また画素が二次元マトリックス状に形成された画素部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に限定するものでもない。また、第１〜第３の実施形態では、転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの３つの画素トランジスタによって画素を構成する例としたが、これに選択トランジスタを加えた４つの画素トランジスタによって画素を構成する例としてもよい。また、各画素内の光電変換素子や、各ＭＯＳトランジスタのレイアウトに関しても、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
また、第１〜第４の実施形態では、ＣＭＯＳ型固体撮像装置に適用した場合を説明したが、ＣＣＤ型固体撮像装置にも本発明を適用することができる。この場合に、本発明の縦型転送路を通って読み出し部で読み出された信号電荷は、ＣＣＤ型構造の垂直転送レジスタによって垂直方向に転送され、水平転送レジスタによって水平方向に転送され、増幅されることにより映像信号が出力される。
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。また、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
さらに、本発明は、画素部の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
〈５．第５の実施形態：電子機器〉
次に、本発明の第５の実施形態に係る電子機器について説明する。図１６は、本発明の第５の実施形態に係る電子機器２００の概略構成図である。
本実施形態例の電子機器２００は、上述した本発明の第１の実施形態における固体撮像装置１を電子機器（カメラ）に用いた場合の実施形態を示す。
本実施形態に係る電子機器２００は、固体撮像装置１と、光学レンズ２１０と、シャッタ装置２１１と、駆動回路２１２と、信号処理回路２１３とを有する。
光学レンズ２１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。
シャッタ装置２１１は、固体撮像装置１への光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路２１２は、固体撮像装置１の転送動作およびシャッタ装置２１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路２１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行なう。信号処理回路２１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
本実施形態例の電子機器２００では、固体撮像装置１において画素サイズを微細化及び転送効率が向上されるので、画素特性の向上が図られた電子機器２００を得ることができる。
固体撮像装置１を適用できる電子機器２００としては、カメラに限られるものではなく、デジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。
本実施形態例においては、固体撮像装置１を電子機器に用いる構成としたが、前述した第２〜第４の実施形態で製造した固体撮像装置を用いることもできる。
１…固体撮像装置 ２…画素 ３…画素領域 １５…光電変換領域 １６…ウェル領域 １７…半導体基板（半導体層） １８…ｐ型半導体領域 １９…ｎ型半導体領域 １９ａ…延長部 ２０…ｐ型半導体領域 ２１…接続部 ２２…電位障壁層 ２３…電荷蓄積層 ２４…ｐ型半導体領域 ２５…多層配線層 ２６…配線 ２７…層間絶縁膜 ２８…絶縁膜 ２９…コンタクトプラグ ３０…絶縁膜 ３１…下部電極 ３２…有機光電変換膜 ３３…上部電極 ３４…平坦化膜
３５…オンチップレンズ ３７，３８，３９…転送ゲート電極

Claims (14)

  1. 裏面側が受光面とされ、表面側が回路形成面とされた半導体基板と、
    下部電極及び上部電極で挟持された光電変換部であって、半導体基板の受光面側に積層された光電変換部と、
    前記光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板側に読み出すために、前記下部電極と半導体基板とを接続するように形成されたコンタクトプラグと、
    前記コンタクトプラグを半導体基板に電気的に接続するための接続部と、前記接続部に読み出された信号電荷を蓄積する電荷蓄積層と、前記接続部と前記電荷蓄積層との間で、ポテンシャルバリアを構成する電位障壁層とが半導体基板の縦方向に順に積層されて構成される縦型転送路と、
    前記電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を前記半導体基板の回路形成面側に読み出す電荷読み出し部と、
    から構成される固体撮像装置。
  2. 前記光電変換部は、有機光電変換材料で構成されている
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記光電変換部は、無機光電変換材料で構成されている
    請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 前記電荷読み出し部は、縦型ゲート電極と縦型ゲート電極に隣接する半導体基板表面側に形成されたフローティングディフュージョン部で構成される縦型トランジスタで構成されている
    請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 更に、前記半導体基板内に、ｐｎ接合を有して構成されるフォトダイオードからなる光電変換部が形成されている
    請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 裏面側が受光面とされ、表面側が回路形成面とされた半導体基板と、
    前記半導体基板内にｐｎ接合を有して構成された第１フォトダイオードからなる第１光電変換部と、
    前記第１光電変換部に対して受光面とは反対側の半導体基板内に、ｐｎ接合を有して構成された第２フォトダイオードからなる第２光電変換部と、
    下部電極及び上部電極で挟持された光電変換部であって、前記半導体基板の受光面側に積層された第３光電変換部と、
    前記第３光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板側に読み出すために、前記下部電極と半導体基板とを接続するように形成されたコンタクトプラグと、
    前記コンタクトプラグを半導体基板に電気的に接続するための接続部と、前記接続部に読み出された信号電荷を蓄積する電荷蓄積層と、前記接続部と前記電荷蓄積層との間で、ポテンシャルバリアを構成する電位障壁層とが半導体基板の縦方向に順に積層されて構成される縦型転送路と、
    前記電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を前記半導体基板の回路形成面側に読み出す電荷読み出し部と、
    から構成される固体撮像装置。
  7. 前記第１光電変換部、第２光電変換部、及び第３光電変換部は、光の入射方向に積層して構成されている
    請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 前記第３光電変換部は、有機光電変換膜で構成され、前記第１光電変換部で吸収される光の波長よりも長く、前記第２光電変換部で吸収される光の波長よりも短い波長の光に応じた信号電荷を生成する
    請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
  9. 半導体基板の所望の領域に所望の導電型の不純物をイオン注入することにより、前記半導体基板の受光面となる裏面側に接続部を形成する工程と、
    前記半導体基板を所定の厚さまでエピタキシャル成長させる工程と、
    前記半導体基板に形成された接続部の縦方向上部に、前記接続部とは反対導電型の不純物をイオン注入することにより、電位障壁層を形成する工程と、
    前記電位障壁層の縦方向上部に、前記接続部と同導電型の不純物をイオン注入することにより、電荷蓄積層を形成する工程と、
    前記半導体基板の回路形成面となる表面側に前記電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を読み出す電荷読み出し部を形成し、前記半導体基板表面側に、複数の配線を有する多層配線層を形成する工程と、
    前記半導体基板の裏面側に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜内に前記接続部に接続されるコンタクトプラグを形成する工程と、
    前記コンタクトプラグを含む前記絶縁膜の上部に下部電極を形成し、前記下部電極の上部に光電変換部を形成し、前記光電変換部の上部に上部電極を形成する工程と、
    を含む固体撮像装置の製造方法。
  10. 半導体基板の所望の領域に所望の不純物をイオン注入することにより、前記半導体基板の裏面側に電位障壁層を形成する工程と、
    前記電位障壁層の縦方向上部に、前記電位障壁層とは反対導電型の不純物をイオン注入することにより、電荷蓄積層を形成する工程と、
    前記半導体基板の回路形成面となる表面側に前記電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を読み出す電荷読み出し部を形成し、前記半導体基板表面側に、複数の配線を有する多層配線層を形成する工程と、
    前記半導体基板を反転し、前記電位障壁層の縦方向上部であって、半導体基板の最裏面側に前記電位障壁層と反対導電型の不純物をイオン注入することにより、接続部を形成する工程、
    前記半導体基板の裏面側に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜内に前記接続部に接続されるコンタクトプラグを形成する工程と、
    前記コンタクトプラグを含む前記絶縁膜の上部に下部電極を形成し、前記下部電極の上部に光電変換部を形成し、前記光電変換部の上部に、上部電極を形成する工程と、
    を含む固体撮像装置の製造方法。
  11. 前記電荷蓄積層は、半導体基板の裏面側から表面側にかけて不純物濃度が濃くなるように段階的なイオン注入によって形成する
    請求項９又は１０記載の固体撮像装置の製造方法。
  12. 前記多層配線層を形成する前の工程において、前記半導体基板の所望の領域にｐｎ接合を形成し、フォトダイオードからなる光電変換部を形成する工程を更に有する
    請求項９〜１０のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
  13. 光学レンズと、
    前記光学レンズで集光された光が入射される固体撮像装置であって、裏面側が受光面とされ、表面側が回路形成面とされた半導体基板と、下部電極及び上部電極で挟持された光電変換部であって、半導体基板の受光面側に積層された光電変換部と、前記光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板側に読み出すために、前記下部電極と半導体基板とを接続するように形成されたコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグを半導体基板に電気的に接続するための接続部と、前記接続部に読み出された信号電荷を蓄積する電荷蓄積層と、前記接続部と前記電荷蓄積層との間で、ポテンシャルバリアを構成する電位障壁層とが半導体基板の縦方向に順に積層されて構成される縦型転送路と、前記電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を前記半導体基板の回路形成面側に読み出す電荷読み出し部と、を含んで構成される固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、
    を備える電子機器。
  14. 光学レンズと、
    前記光学レンズで集光された光が入射される固体撮像装置であって、裏面側が受光面とされ、表面側が回路形成面とされた半導体基板と、前記半導体基板内にｐｎ接合を有して構成された第１フォトダイオードからなる第１光電変換部と、前記第１光電変換部に対して受光面とは反対側の半導体基板内に、ｐｎ接合を有して構成された第２フォトダイオードからなる第２光電変換部と、下部電極及び上部電極で挟持された光電変換部であって、前記半導体基板の受光面側に積層された第３光電変換部と、前記第３光電変換部で生成された信号電荷を半導体基板側に読み出すために、前記下部電極と半導体基板とを接続するように形成されたコンタクトプラグと、前記コンタクトプラグを半導体基板に電気的に接続するための接続部と、前記接続部に読み出された信号電荷を蓄積する電荷蓄積層と、前記接続部と前記電荷蓄積層との間で、ポテンシャルバリアを構成する電位障壁層とが半導体基板の縦方向に順に積層されて構成される縦型転送路と、前記電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を前記半導体基板の回路形成面側に読み出す電荷読み出し部と、を含んで構成される固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、
    を備える電子機器。
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