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JP6130221B2 - 固体撮像装置、および電子機器 - Google Patents

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Description

本技術は、固体撮像装置および電子機器に関し、特にはトレンチ素子分離を有する固体撮像装置、およびこの固体撮像装置を有する電子機器に関する。
固体撮像装置は、半導体基板の受光面側に沿って配列された複数の画素を有する。各画素は、半導体基板内に設けられた光電変換部と、半導体基板の上方に設けられたカラーフィルタ及びオンチップレンズを備えている。
このような構成の固体撮像装置においては、受光面に対して斜め方向から入射した光が隣接する画素の光電変換部に漏れ込むと、この光漏れが混色および色シェーディングを引き起こす要因となる。
そこで、半導体基板内の受光面側に各画素の光電変換部を分離するトレンチ素子分離を形成し、この内部に遮光膜を設けることにより、隣接する画素間での光漏れを防止する構成が提案されている。このような構成においては、トレンチの形状を受光面側の浅い位置で開口幅を広くし、浅い位置のトレンチ内のみに遮光膜を埋め込むようにすることで、ボイドを発生させること無く遮光膜を形成することができ、効果的に画素間の遮光が行われるとしている（例えば下記特許文献１参照）。
特開２０１２−１７８４５７号公報
しかしながら、半導体基板内にトレンチ素子分離を設けた構成の固体撮像装置であっても、受光目的とする波長および受光光の入射角度に依存する色バランスの崩れが発生し、これが色付きを引き起こす要因となっている。
そこで本技術は、色バランスが良好で色つきの無い固体撮像装置を提供すること、およびこの固体撮像装置を用いた電子機器を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本技術の固体撮像装置は、一主面側を受光面とし、当該受光面に沿って複数の画素が設定された半導体層と、前記画素毎に前記半導体層内に設けられた光電変換部とを備えている。また、前記半導体層の受光面側に形成された溝パターン内に絶縁層を設けて構成され、前記画素と画素との間の画素境界に対してずれた位置に設けられた溝型素子分離とを備えている。
このような構成の固体撮像装置では、画素境界に対して溝型素子分離をずらした構成である。このため、溝型素子分離のずれる方向を、各画素において受光目的とする光の波長に依存した方向とすることで、溝型素子分離が設けられる受光面側の光電変換部の体積および位置を、受光目的とする光の波長に依存させた構成とすることができる。これにより、溝型素子分離が設けられた受光面側の領域において光電変換される短波長の光と、これよりも深い領域において光電変換される長波長の光との色バランスの向上が図られる。
この結果、本技術によれば、色バランスが良好で色つきの無い撮像を行うことが可能になり、撮像特性の向上を図ることが可能である。
本技術が適用される固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。 第１実施形態の固体撮像装置における要部の平面図である。 第１実施形態の固体撮像装置における要部の断面図であり図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 各光電変換部で受光される各色光に対する相対出力を示すグラフである。 半導体層（Ｓｉ）の受光面からの深さに対する青色光の吸収量を示すグラフである。 第１実施形態の固体撮像装置の製造工程図である。 入射角度に対する規格化感度のグラフである。 入射角度に対する絶対感度のグラフである。 第２実施形態の固体撮像装置の要部の構成を示す断面図である。 第３実施形態の固体撮像装置の要部の構成を示す断面図である。 第４実施形態の固体撮像装置の要部の構成を示す断面図である。 第５実施形態の固体撮像装置の要部の平面図である。 第５実施形態の固体撮像装置の要部の断面図であり図１２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。 入射角度に対する隣接画素への混色量を示すグラフである。 本技術を適用した固体撮像素子を有する第６実施形態の電子機器の構成図である。
以下、本技術の実施の形態を、図面に基づいて次に示す順に説明する。
１．実施形態の固体撮像装置の概略構成例
２．第１実施形態（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第１の例）
３．第２実施形態（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第２の例）
４．第３実施形態（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第３の例）
５．第４実施形態（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第４の例）
６．第５実施形態（溝型素子分離を短波長の画素側にずらした例）
７．第６実施形態（固体撮像装置を用いた電子機器）
≪１．実施形態の固体撮像装置の概略構成例≫
図１に、本技術の固体撮像装置の一例として、ＭＯＳ型の固体撮像装置を用いた固体撮像装置の概略構成を示す。
この図に示す固体撮像装置１は、支持基板２の一面上に光電変換領域を含む複数の画素３が２次元的に配列された画素領域４を有している。画素領域４に配列された各画素３には、光電変換領域と、フローティングディフュージョンと、読出ゲートと、その他の複数のトランジスタ（いわゆるＭＯＳトランジスタ）および容量素子等で構成された画素回路とが設けられている。尚、複数の画素３で画素回路の一部を共有している場合もある。
以上のような画素領域４の周辺部分には、垂直駆動回路５、カラム信号処理回路６、水平駆動回路７、およびシステム制御回路８などの周辺回路が設けられている。
垂直駆動回路５は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線９を選択し、選択された画素駆動線９に画素３を駆動するためのパルスを供給し、画素領域４に配列された画素３を行単位で駆動する。すなわち、垂直駆動回路５は、画素領域４に配列された各画素３を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線９に対して垂直に配線された垂直駆動線１０を通して、各画素３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カラム信号処理回路６に供給する。
カラム信号処理回路６は、画素３の例えば列ごとに配置されており、１行分の画素３から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム信号処理回路６は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double sampling）や、信号増幅、アナログ／デジタル変換（ＡＤ：Analog/Digital Conversion）等の信号処理を行う。
水平駆動回路７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６の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路６の各々から画素信号を出力させる。
システム制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、システム制御回路８では、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５、カラム信号処理回路６、および水平駆動回路７などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路５、カラム信号処理回路６、および水平駆動回路７等に入力する。
以上のような各周辺回路５〜８と、画素領域４に設けられた画素回路とで、各画素３を駆動する駆動回路が構成されている。尚、周辺回路５〜８は、画素領域４に積層される位置に配置されていても良い。
≪２．第１実施形態≫
（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第１の例）
本第１実施形態においては、第１実施形態の固体撮像装置１-1の構成、固体撮像装置１-1の製造方法、第１実施形態の効果の順に説明を行う。
＜固体撮像装置１-1の構成＞
図２は、第１実施形態の固体撮像装置１-1における要部の平面図であり、画素領域４の半導体層２０部分を受光面側から平面視的に見た場合についての１２画素分の平面図である。また図３は、第１実施形態の固体撮像装置１-1における要部の断面図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する。以下、これらの図面に基づいて第１実施形態の固体撮像装置１-1の構成を説明する。
第１実施形態の固体撮像装置１-1は、ここでの図示を省略した支持基板上に貼り合わせた半導体層２０を有し、この半導体層２０の一主面を受光面Ｓとし、受光面Ｓとは逆側にここでの図示を省略したトランジスタや配線層を設けた裏面照射型の撮像装置である。
半導体層２０の内部には、不純物の拡散による分離領域２１が設けられ、これによって分離された各画素３に光電変換部２３が設けられている。また半導体層２０の受光面Ｓ側には、本実施形態において特徴的に配置された溝型素子分離２５が設けられている。また半導体層２０の受光面Ｓ上には、保護絶縁層３１、絶縁層３３、および遮光膜３５がこの順に設けられ、さらに平坦化絶縁膜３７を介してカラーフィルタ３９およびオンチップレンズ４１が積層されている。
以下、半導体層２０、半導体層２０に設けられた溝型素子分離２５、および半導体層２０の受光面Ｓ上に積層された各層の構成を、順に説明する。
［半導体層２０］
半導体層２０は、例えばｎ型の単結晶または多結晶シリコンで構成された層であり、一例としてｎ型の単結晶シリコンからなる半導体基板を薄型化して構成されたものである。この半導体層２０は、一主面側を受光面Ｓとし、この受光面Ｓに沿って複数の画素３が設定されている。各画素３は、赤色光を受光するための赤色画素３Ｒ、緑色光を受光するための緑色画素３Ｇ、青色光を受光するための青色画素３Ｂとして配列されている。ここでは一例として、各色の画素３がベイヤー配列で二次元的に配置されている場合を図示している。
ベイヤー配列された各色の画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、受光する光の波長によらずに受光面Ｓに対して同一形状で配置されている。例えば、画素３と画素３との間の境界を画素境界３ａとした場合、受光面Ｓにおいて画素境界３ａで囲まれた各画素３は、均等な大きさの略正方形の平面形状を有していることとする。
このような半導体層２０の内部には、ｐ型不純物の拡散領域として構成された分離領域２１が設けられている。この分離領域２１は、半導体層２０内において、画素境界３ａを中心とし、この画素境界３ａに沿って受光面Ｓとは逆側の面から受光面Ｓ側に向かって延設されている。
また、半導体層２０の内部には、画素３毎にｎ型の光電変換部２３が設けられている。ｎ型の光電変換部２３は、半導体層２０内において、分離領域２１と後に説明する溝型素子分離２５とで分離されたｎ型の領域で構成されている。これらの光電変換部２３は、ｐ型の分離領域２１と共にフォトダイオードを構成しており、各画素３において光電変換された電荷の蓄積領域となっている。
尚、半導体層２０内には、分離領域２１および光電変換部２３の他にも、通常の裏面照射型の固体撮像装置に配置されるトランジスタのソース／ドレインや表面拡散層等、各種の不純物領域が設けられているが、ここでの図示および説明は省略する。
［溝型素子分離２５］
溝型素子分離２５は、半導体層２０の受光面Ｓ側に設けられた溝パターン２０ａ内に、保護絶縁層３１および絶縁層３３を設け、さらにこれらを介して遮光膜３５を設けて構成されている。このような構成の溝型素子分離２５は、受光面Ｓにおいて画素境界３ａの中心からずれた位置に設けられているところが特徴的である。画素境界３ａに対する溝型素子分離２５のずれ方向は、溝型素子分離２５によって分離されている２つの画素３−画素３において、受光目的とする光の波長に依存する。
特に本第１実施形態においては、隣接して配置された２つの画素３のうち受光目的とする光の波長が長い画素の方向に、溝型素子分離２５がずれて設けられている。すなわち、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂがベイヤー配列された構成であれば、緑色画素３Ｇと青色画素３Ｂとの間の溝型素子分離２５は、緑色画素３Ｇ側にずれた位置に設けられている。また、緑色画素３Ｇと赤色画素３Ｒとの間の溝型素子分離２５は、赤色画素３Ｒ側にずれた位置に設けられている。
ここで、「溝型素子分離２５が画素境界３ａの中心からずれた位置に設けられる」とは、溝型素子分離２５を受光面Ｓ側から見た場合の幅方向の中心、すなわち溝パターン２０ａの開口幅の中心が、画素境界３ａに対してずれていることを示す。したがって、溝型素子分離２５が、画素境界３ａ上に配置されていても良い。
このような構成においては、溝型素子分離２５を受光面Ｓ側から見た場合の幅、すなわち溝パターン２０ａの開口幅は、受光面Ｓ内において一定であって良い。
これにより、半導体層２０内において、溝型素子分離２５が設けられた深さ領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの配列方向における光電変換部２３の幅が、受光目的とする光の波長が長い画素の方が大きい構成となっている。例えば、緑色画素３Ｇと青色画素３Ｂとが隣接する方向では、溝型素子分離２５が設けられた深さ領域において、緑色画素３Ｇにおける光電変換部２３の幅ｗＧと青色画素３Ｂにおける光電変換部２３の幅ｗＢとは、ｗＧ＜ｗＢである。また緑色画素３Ｇと赤色画素３Ｒとが隣接する方向では、溝型素子分離２５が設けられた深さ領域において、緑色画素３Ｇにおける光電変換部２３の幅ｗＧと赤色画素３Ｒにおける光電変換部２３の幅ｗＲとは、ｗＲ＜ｗＧである。
したがって、溝型素子分離２５が設けられている領域、すなわち受光面Ｓに近い表面領域であって、短い波長の光が光電変換される領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおける光電変換部２３の体積は、受光目的とする光の波長が短い画素ほど程大きくなる。
一方、半導体層２０内において、溝型素子分離２５が設けられていない深さ領域、すなわち受光面Ｓから遠い領域であって、長い波長の光が光電変換される領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの光電変換部２３の幅は、画素の配列方向においてほぼ同一である。したがって、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおける光電変換部２３の体積は均一である。
また受光面Ｓからの溝型素子分離２５の深さｄは、各画素３において受光目的とする波長の光のうち、最も短い波長の光がほぼ１００％吸収される深さであれば良い。例えば、図４には、以降に説明する各色のカラーフィルタを通過して各光電変換部で受光される波長に対する相対出力を示すグラフである。このグラフに示すように、光電変換部で受光される各波長光において、その８０％が光電変換部で変換されて出力される波長範囲を、受光目的とする各色光として設定する。これにより、青色光ｈＢの波長範囲を規定する。そして、図５に示すように、規定された波長範囲の青色光ｈＢが、ほぼ１００％吸収される受光面Ｓからの深さＤ（ここではＤ＝２３００ｎｍ）を最大値とし、溝型素子分離の深さｄを、この深さＤの範囲内に設定する。
例えば図５は、半導体層２０が単結晶シリコンである場合の青色光ｈＢの吸収量を示している。この場合受光面Ｓから２３００ｎｍ程度の深さで、青色光ｈＢがほぼ１００％吸収される。したがって、溝型素子分離２５の深さｄは、ｄ≦Ｄ＝２３００ｎｍに設定される。
以上のように配置された溝型素子分離２５は、半導体層２０の受光面Ｓ上に設けられた保護絶縁層３１および絶縁層３３によって、溝パターン２０ａの内壁が覆われている。さらに溝パターン２０ａの中央には、これらの保護絶縁層３１および絶縁層３３を介して遮光膜３５が埋め込まれた構成となっている。
このうち保護絶縁層３１は、負電荷を蓄積する金属酸化物で構成された層であり、半導体層２０の界面にホール蓄積層を形成する。このような保護絶縁層３１は、例えばハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）等の酸化物で構成された層である。また絶縁層３３は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成された層である。
［遮光膜３５］
遮光膜３５は、保護絶縁層３１および絶縁層３３を介して受光面Ｓの上部にパターン形成された層である。この遮光膜３５は、溝型素子分離２５の溝パターン２０ａ内に埋め込まれて溝型素子分離２５の一部を構成している。また遮光膜３５は、受光面Ｓの上部においては、光電変換部２３の上部に開口部３５ａを有するようにパターニングされている。この開口部３５ａは、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおいて同一形状であって良く、各開口部３５ａの中心は、画素中心φと一致している。
また、遮光膜３５は、受光面Ｓの上方において、画素境界３ａを中心とした線幅にパターン形成されている。この線幅は一定であって良く、線幅の中心が画素境界３ａと一致していて良い。例えば、受光面Ｓ側から平面視的に見た場合に溝型素子分離２５を覆う線幅を有している。
以上のような遮光膜３５は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）等の遮光性を有する金属材料で構成される。
また以上のようにパターニングされた遮光膜３５は平坦化絶縁膜３７で覆われている。
［カラーフィルタ３９］
カラーフィルタ３９は、平坦化絶縁膜３７上に設けられた層であり、画素３毎にパターニングされた各色のカラーフィルタによって構成されている。パターニングされた各カラーフィルタ３９は、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおいて受光目的とする波長範囲の光を通過させる構成である。これらのカラーフィルタ３９は、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおいて同一形状であって良く、各カラーフィルタ３９の中心は、画素中心φと一致していて良い。
［オンチップレンズ４１］
オンチップレンズ４１は、カラーフィルタ３９上において画素３毎に配置されたものであり、ここでは例えば光入射方向に対して凸となる凸型のレンズであることとする。このようなオンチップレンズ４１は、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおいて同一形状であり、各オンチップレンズ４１の中心が画素中心φと一致していることが好ましい。
＜固体撮像装置１-1の製造方法＞
図６は、第１実施形態の固体撮像装置の製造手順を示す断面工程図である。以下、図６に従って、図２および図３に示した第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する。
［図６Ａ］
先ず図６Ａに示すように、例えばｎ型の単結晶シリコンからなる半導体層２０において、受光面Ｓと逆側の面からの不純物の拡散によってｐ型の分離領域２１を形成する。この分離領域２１は、半導体層２０の受光面Ｓに対して二次元に均等配置された画素３間の境界（画素境界３ａ）を中心とし、一定の幅で形成される。
またここでの図示は省略したが、半導体層２０内に、必要に応じた不純物拡散層を形成し、その後半導体層２０の受光面Ｓとは逆側の面上に配線層を形成し、これを絶縁膜で覆って支持基板を貼り合わせる。その後、半導体層２０を受光面Ｓ側から研磨して必要膜厚とする。
次に、半導体層２０の受光面Ｓ側に溝パターン２０ａを形成する。この溝パターン２０ａは、画素境界３ａに対して幅方向の中心をずらした位置において、画素境界３ａに沿って受光面Ｓから分離領域２１に達する深さｄで形成される。画素境界３ａに対する溝パターン２０ａのずれおよび深さｄは、先に図３を用いて説明した溝型素子分離のずれおよび深さｄと同様である。このような溝パターン２０ａの形成は、リソグラフィー法を適用して受光面Ｓ上にマスクパターンを形成し、マスクパターン上から半導体層２０をエッチングすることによって行われる。
これにより、ｎ型の単結晶シリコンからなる半導体層２０を、ｐ型の分離領域２１と溝パターン２０ａとで分離し、分離した各部分をｎ型の光電変換部２３とする。各画素３の光電変換部２３は、溝パターン２０ａが設けられた深さ領域、すなわち受光面Ｓに近い表面領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの配列方向における幅および体積が、受光目的とする光の波長が短い画素の方が大きい構成となっている。一方、溝パターン２０ａが設けられていない深さ領域、すなわち受光面Ｓから遠い領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの光電変換部２３の幅および体積は均一である。
［図６Ｂ］
次に図６Ｂに示すように、溝パターン２０ａの内壁を覆う状態で、半導体層２０の受光面Ｓ上に保護絶縁層３１および絶縁層３３を順に成膜する。この際、例えば、原子層蒸着法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）によって、金属酸化物で構成された保護絶縁層３１を成膜する。次いで、プラズマＣＶＤ法によって、酸化シリコンまたは窒化シリコンで構成された絶縁層３３を成膜する。またここでは、溝パターン２０ａが埋め込まれることのない膜厚で、保護絶縁層３１と絶縁層３３とを成膜する。
その後は、溝パターン２０ａの内部が埋め込まれると共に遮光に十分な膜厚で、絶縁層３３上に遮光膜３５を成膜する。この際、例えば、スパッタ法によって、金属材料で構成された遮光膜３５を成膜する。
以上により、半導体層２０に形成した溝パターン２０ａに、保護絶縁層３１、絶縁層３３、および遮光膜３５で埋め込んで構成された溝型素子分離２５を得る。
［図６Ｃ］
次に図６Ｃに示すように、絶縁層３３の上部において遮光膜３５をパターニングし、光電変換部２３の上部に開口部３５ａを形成する。この際、各開口部３５ａは、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおいて同一形状であって良く、各開口部３５ａの中心を画素中心φと一致させる。また、開口部３５ａを形成した状態においての遮光膜３５の線幅の中心を、画素境界３ａを中心と一致させ、受光面Ｓ側から平面視的に見た場合に遮光膜３５で溝型素子分離２５が覆われるようにパターニングを行う。
［図３］
その後は図３に示すように、パターニングされた遮光膜３５を覆う状態で、絶縁層３３上に平坦化絶縁膜３７を形成する。次いで平坦化絶縁膜３７上の各画素３に各色のカラーフィルタ３９をパターン形成し、さらにカラーフィルタ３９上にオンチップレンズ４１をパターン形成する。カラーフィルタ３９およびオンチップレンズ４１は、先に説明したように各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおいて同一形状であって良く、これらの中心を画素中心φと一致させる。
以上のようにして、固体撮像装置１-1を完成させる。
＜第１実施形態の効果＞
以上説明した固体撮像装置１-1は、半導体層２０の受光面Ｓ側に形成される溝型素子分離２５を、受光目的とする波長に依存する方向にずらして設けた。これにより、短い波長の光が光電変換される領域においては、受光目的とする光の波長が短い画素ほど程大きい体積を確保しつつ、長い波長の光が光電変換される領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの体積を均一とした構成となっている。
したがって、溝型素子分離２５による受光面Ｓ側の体積減少に起因して、青色光ｈＢの受光感度が低下することを防止でき、青色画素３Ｂにおける感度シェーディングを改善することができる。これにより、図７Ａに示すように、受光面Ｓおいての光の入射角度に対する規格化感度を、赤色光ｈＲ、緑色光ｈＧ、青色光ｈＢで一致させることが可能になる。この結果、感度入射角依存の色バランスが向上し、色付きを防止することが可能となる。
尚、溝型素子分離２５の配置を画素境界３ａに対してずらしていない従来構成では、図７Ｂに示すように、青色光ｈＢの感度シェーディングが、赤色光ｈＲおよび緑色光ｈＧと比較して大きかった。このため、感度入射角依存の色バランスが崩れ、色付きが発生していたのである。
また本第１実施形態の構成においては、遮光膜３５は各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ間で共通であり、遮光膜３５の位置は画素境界３ａと一致している。このため、遮光膜３５においての入射光の蹴られは、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂで共通である。したがって、図８Ａに示すように、入射角度０°における絶対感度の低下を引き起こすことなく、感度シェーディングの均一化を図ることができる。
これに対して、溝型素子分離２５の配置を画素境界３ａに対してずらしていない従来構成では、図８Ｂに示すように、絶対感度には関わりなく青色光ｈＢの感度シェーディングが、赤色光ｈＲおよび緑色光ｈＧと比較して大きく劣化する。また青色光ｈＢの感度シェーディングを防止するために、遮光膜３５を長波長の画素側にずらした構成では、図８Ｃに示すように、感度シェーディングの色依存性は改善されるものの、短波長の青色画素３Ｂにおいての絶対感度の低下が引き起こされるのである。
しかしながら、本第１実施形態の構成においては、絶対感度の低下を引き起こすこともなく、感度入射角依存の色バランスの向上を図ることで色付きを防止することが可能となるため、撮像特性の向上を図ることができる。
また第１実施形態の構成では溝型素子分離２５が、溝パターン２０ａの内部に遮光膜３５を配置した構成である。このため、受光面Ｓと遮光膜３５との間の絶縁層３３を介しての、隣接する画素３からの光の漏れ込みが防止される。これにより、混色を防止することも可能である。
尚、以上の第１実施形態においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂがベイヤー配列された構成を例示して説明を行った。しかしながら本技術の固体撮像装置は、このような構成への適用に限定されることはない。例えば、カラーフィルタとして、シアンおよびイエローの補色系を用いた構成であれば、シアンの画素とイエローの画素との画素境界３ａに対して、シアンの画素側に溝型素子分離をずらして設ける。また、白色画素を用いた構成であれば、各色画素と白色画素との画素境界３ａに対して、白色画素側に溝型素子分離をずらして設ける。これにより同様の効果を得ることが可能である。
≪３．第２実施形態≫
（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第２の例）
＜固体撮像装置１-2の構成＞
図９は、第２実施形態の固体撮像装置１-2の要部の構成を示す断面図である。この図に示す第２実施形態の固体撮像装置１-2が、第１実施形態の固体撮像装置と異なるところは、遮光膜３５が溝型素子分離４５に埋め込まれていないところにあり、他の構成は同様であることとする。このため、第1実施形態と同様の構成要素についての重複する説明は省略する。
すなわち溝型素子分離４５は、半導体層２０の受光面Ｓ側に形成された溝パターン２０ａ内に、保護絶縁層３１を介して絶縁層３３が埋め込まれた構成である。画素境界３ａに対する溝パターン２０ａの配置状態は、第１実施形態と同様である。保護絶縁層３１および絶縁層３３の構成は、第１実施形態と同様であり、これらの膜厚のみが溝パターン２０ａ内を埋め込む膜厚である点で第１実施形態とは異なる。また遮光膜３５は、絶縁層３３上において第１実施形態と同様にパターニングされており、その膜厚が遮光に十分な膜厚であれば良いことにおいて第１実施形態とは異なる。
＜固体撮像装置１-2の製造方法＞
以上のような構成の固体撮像装置１-2の製造は、第１実施形態の固体撮像装置の製造において、図６Ｂを用いて説明した保護絶縁層３１および絶縁層３３を成膜する際、これらの保護絶縁層３１および絶縁層３３によって溝パターン２０ａを完全に埋め込めば良い。
他の工程は、第１実施形態と同様であって良い。
＜第２実施形態の効果＞
以上のような構成の第２実施形態の固体撮像装置１-2であっても、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに対しての、溝型素子分離４５、遮光膜３５、およびオンチップレンズ４１の配置状態は第１実施形態と同一である。このため、第１実施形態と同様に、絶対感度の低下を引き起こすことなく、感度入射角依存の色バランスの向上を図ることで色付きを防止することが可能となるため、撮像特性の向上を図ることができる。
≪４．第３実施形態≫
（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第３の例）
＜固体撮像装置１-3の構成＞
図１０は、第３実施形態の固体撮像装置１-3の要部の構成を示す断面図である。この図に示す第３実施形態の固体撮像装置１-3が、第１実施形態の固体撮像装置と異なるところは、溝型素子分離４７のパターン幅が深さ方向に段階的に形成されているところにあり、他の構成は同様であることとする。このため、第１実施形態と同様の構成要素についての重複する説明は省略する。
すなわち溝型素子分離４７のパターン幅は、受光面Ｓ側で広く、半導体層２０の深い位置で狭く構成された２段階の大きさを有している。このような溝型素子分離４７は、受光面Ｓ側のパターン幅が広い部分において、画素境界３ａに対してずれて設けられている。一方、溝型素子分離４７において受光面Ｓから離れたパターン幅が狭い部分は、画素境界３ａに対してパターン幅の中央が一致していて良い。
このような溝型素子分離４７は、パターン幅の広い部分の深さが、先の第１実施形態で説明した深さｄに設定されていることとする。
またこの溝型素子分離４７においては、パターン幅の広い部分にのみ、遮光膜３５が埋め込まれていて良く、これによりボイドの発生無く遮光膜３５を埋め込むことが可能な構成となっている。
＜固体撮像装置１-3の製造方法＞
以上のような構成の固体撮像装置１-3の製造は、第１実施形態の固体撮像装置の製造において、図６Ａを用いて説明した溝パターン２０ａを形成する際、２枚毎のマスクを用いた２回のエッチングにより、２段階の開口幅で溝パターン２０ａを形成すれば良い。他の工程は、第１実施形態と同様であって良い。
＜第３実施形態の効果＞
以上のような構成の第３実施形態の固体撮像装置１-3であっても、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに対しての、溝型素子分離４７、遮光膜３５、およびオンチップレンズ４１の配置状態は第１実施形態と同一である。このため、第１実施形態と同様に、絶対感度の低下を引き起こすことなく、感度入射角依存の色バランスの向上を図ることで色付きを防止することが可能となるため、撮像特性の向上を図ることができる。また、溝型素子分離４７は、溝パターン２０ａの内部に遮光膜３５を配置した構成である。このため、第１実施形態と同様に、隣接する画素３間での光の漏れ込みが防止され、混色を防止することも可能である。
≪５．第４実施形態≫
（溝型素子分離を長波長の画素側にずらした第４の例）
＜固体撮像装置１-4の構成＞
図１１は、第４実施形態の固体撮像装置１-4の要部の構成を示す断面図である。この図に示す第４実施形態は、第３実施形態の変形例である。この固体撮像装置１-4が、第１実施形態の固体撮像装置と異なるところは、溝型素子分離４９のパターン幅が深さ方向に段階的に形成されているところにあり、他の構成は同様であることとする。このため、第１実施形態と同様の構成要素についての重複する説明は省略する。
すなわち溝型素子分離４９のパターン幅は、受光面Ｓ側で広く、半導体層２０の深い位置で狭く構成された２段階の大きさを有している。このような溝型素子分離４９は、受光面Ｓ側のパターン幅が広い部分および狭い部分において、画素境界３ａに対してずれて設けられている。つまり、溝型素子分離４９を構成する溝パターン２０ａは、受光面Ｓ側に形成された幅の広い開口部分の底部中央から、幅の狭い開口部分が掘り下げられた形状である。
このような溝型素子分離４９は、パターン幅の広い部分と狭い部分を含めた全体の深さが、先の第１実施形態で説明した深さｄに設定されていることとする。
またこの溝型素子分離４９においては、パターン幅の広い部分にのみ、遮光膜３５が埋め込まれていて良く、これによりボイドの発生無く遮光膜３５を埋め込むことが可能な構成となっている。
＜固体撮像装置１-4の製造方法＞
以上のような構成の固体撮像装置１-4の製造は、第１実施形態の固体撮像装置の製造において、図６Ａを用いて説明した溝パターン２０ａを形成する際、先ず、マスクを用いたエッチングによって溝パターン２０ａにおける受光面Ｓ側の開口幅の広い部分を形成する。次に、溝パターン２０ａの側壁にサイドウォールを形成し、溝パターン２０ａの底部中央をさらにエッチングすることで、段階的に開口幅を狭めた溝パターン２０ａを形成すれば良い。他の工程は、第１実施形態と同様であって良い。
＜第４実施形態の効果＞
以上のような構成の第４実施形態の固体撮像装置１-4であっても、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに対しての、溝型素子分離４９、遮光膜３５、およびオンチップレンズ４１の配置状態は第１実施形態と同一である。このため、第１実施形態と同様に、絶対感度の低下を引き起こすことなく、感度入射角依存の色バランスの向上を図ることで色付きを防止することが可能となるため、撮像特性の向上を図ることができる。また、溝型素子分離４９は、溝パターン２０ａの内部に遮光膜３５を配置した構成である。このため、第１実施形態と同様に、隣接する画素３間での光の漏れ込みが防止され、混色を防止することも可能である。
≪６．第５実施形態≫
（溝型素子分離を短波長の画素側にずらした例）
＜固体撮像装置１-5の構成＞
図１２は、第５実施形態の固体撮像装置１-5における要部の平面図であり、画素領域４の半導体層部分を受光面側から平面視的に見た場合についての１２画素分の平面図である。また図１３は、第５実施形態の固体撮像装置１-5における要部の断面図であり、図１２のＡ−Ａ断面に相当する。以下、これらの図面に基づいて第５実施形態の固体撮像装置１-5の構成を説明する。
これらの図に示す第５実施形態の固体撮像装置１-5が、第１実施形態の固体撮像装置と異なるところは、画素境界３ａに対する溝型素子分離５１のずらし方向、および溝型素子分離５１に遮光膜３５が埋め込まれていないところにある。他の構成は第１実施形態と同様である。このため、第1実施形態と同様の構成要素についての重複する説明は省略する。
すなわち溝型素子分離５１は、溝パターン２０ａ内に、保護絶縁層３１および絶縁層３３を埋め込んだ構成である。このような構成の溝型素子分離５１は、受光面Ｓにおいて画素境界３ａの中心からずれた位置に設けられており、そのずれ方向は溝型素子分離５１によって分離されている２つの画素３−画素３において、受光目的とする光の波長に依存する。
特に本第５実施形態においては、隣接して配置された２つの画素３のうち受光目的とする光の波長が短い画素の方向に、溝型素子分離５１がずれて設けられている。すなわち、各色の画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂがベイヤー配列された構成であれば、緑色画素３Ｇと赤色画素３Ｒとの間の溝型素子分離５１は、緑色画素３Ｇ側にずれた位置に設けられている。また、緑色画素３Ｇと青色画素３Ｂとの間の溝型素子分離５１は、青色画素３Ｂ側にずれた位置に設けられている。
ここで、「溝型素子分離５１が画素境界３ａの中心からずれた位置に設けられる」とは、溝型素子分離５１を受光面Ｓ側から見た場合の幅方向の中心、すなわち溝パターン２０ａの開口幅の中心が、画素境界３ａに対してずれていることを示す。したがって、溝型素子分離５１が、画素境界３ａ上に配置されていても良い。
このような構成においては、溝型素子分離５１を受光面Ｓ側から見た場合の幅、すなわち溝パターン２０ａの開口幅は、受光面Ｓ内において一定であって良い。
これにより、半導体層２０内において、溝型素子分離５１が設けられた深さ領域、すなわち受光面Ｓに近い表面領域においては、受光目的とする光の波長が短い画素の方が、隣接する画素における遮光膜３５の開口部３５ａから遠く離れた構成となっている。例えば、緑色画素３Ｇと赤色画素３Ｒとが隣接する方向においては、溝型素子分離５１が緑色画素３Ｇ側にずれて配置されたことにより、赤色画素３Ｒにおける遮光膜３５の開口部３５ａから、緑色画素３Ｇの受光面Ｓが離れて配置される。
一方、半導体層２０内において、溝型素子分離５１が設けられていない深さ領域においては、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの光電変換部２３の幅は２つの配列方向においてほぼ同一であり、各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにおける光電変換部２３の体積は均一である。
＜固体撮像装置１-5の製造方法＞
以上のような構成の固体撮像装置１-5の製造は、第１実施形態の固体撮像装置の製造において、図６Ａを用いて説明した溝パターン２０ａを形成する際、溝パターン２０ａの形成位置を、受光目的とする波長範囲が短い画素側にずらして形成する。また、図６Ｂを用いて説明した保護絶縁層３１および絶縁層３３を成膜する際、これらの保護絶縁層３１および絶縁層３３によって溝パターン２０ａを完全に埋め込めば良い。他の工程は、第１実施形態と同様であって良い。
＜第５実施形態の効果＞
以上説明した第５実施形態の固体撮像装置１-5は、半導体層２０の受光面Ｓ側に形成される溝型素子分離５１を、画素境界３ａに対して、受光目的とする波長に依存する方向にずらして設けた。これにより、溝型素子分離５１が設けられた受光面Ｓ側の領域では、受光目的とする光の波長が短い画素を、隣接する画素における遮光膜３５の開口部３５ａから遠く離れて配置しつつ、これよりも深い領域においては各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの体積を均一とした構成となっている。
したがって、赤色画素３Ｒの遮光膜３５の開口部３５ａから、隣接する緑色画素３Ｇの光電変換部２３を遠ざけたことによる、赤色光ｈＲの回折による光漏れと、これによる混色の発生を防止することができる。これにより、図１４Ａに示すように、入射角度に対する隣接画素への混色量を、赤色光ｈＲ、緑色光ｈＧ、青色光ｈＢで一致させることが可能になる。この結果、感度入射角依存の色バランスが向上し、色付きを防止することが可能となる。
尚、溝型素子分離の配置を画素境界に対してずらしていない従来構成では、図１４Ｂに示すように、赤色光ｈＲの隣接画素への漏れ込み量が、青色光ｈＢおよび緑色光ｈＧと比較して大きくなる。このため、感度入射角依存の色バランスが崩れ、色付きが発生し易い構成であった。
また本第５実施形態の構成においては、遮光膜３５は各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ間で共通であり、遮光膜３５の位置は画素境界３ａと一致している。このため、遮光膜３５においての入射光の蹴られは各色画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂで共通であり、入射角度０°における絶対感度の低下が引き起こされることはない。
以上の結果本第５実施形態の固体撮像装置によれば、入射角依存の混色を防止して色付きを防止することが可能となるため、撮像特性の向上を図ることができる。
≪７．第６実施形態≫
（固体撮像装置を用いた電子機器）
上述した第１実施形態〜第５実施形態で説明した本技術に係る各構成の固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステム、さらには撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器などの電子機器用の固体撮像装置に設けることができる。
図１５は、本技術の第６実施形態に係る電子機器の一例として、固体撮像装置を用いたカメラの構成図を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。このカメラ９１は、固体撮像装置１と、固体撮像装置１の受光センサ部に入射光を導く光学系９３と、シャッタ装置９４と、固体撮像装置１を駆動する駆動回路９５と、固体撮像装置１の出力信号を処理する信号処理回路９６とを有する。
固体撮像装置１は、上述した第１実施形態〜第５実施形態で説明した構成の固体撮像装置である。光学系（光学レンズ）９３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。この撮像面には、複数の画素が配列され、この画素を構成する固体撮像装置の光電変換領域に対して、光学系９３からの入射光が導かれる。これにより、固体撮像装置１の光電変換領域内に、一定期間信号電荷が蓄積される。このような光学系９３は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としても良い。シャッタ装置９４は、固体撮像装置１への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路９５は、固体撮像装置１及びシャッタ装置９４に駆動信号を供給し、供給した駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号処理回路９６への信号出力動作の制御、およびシャッタ装置９４のシャッタ動作を制御する。すなわち、駆動回路９５は、駆動信号（タイミング信号）の供給により、固体撮像装置１から信号処理回路９６への信号転送動作を行う。信号処理回路９６は、固体撮像装置１から転送された信号に対して、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。
以上説明した本実施形態に係る電子機器によれば、上述した各実施形態で説明した撮像特性の良好な固体撮像装置を備えたことにより、撮像機能を有する電子機器における高精彩な撮像を達成することが可能になる。
尚、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
一主面側を受光面とし、当該受光面に沿って複数の画素が設定された半導体層と、
前記画素毎に前記半導体層内に設けられた光電変換部と、
前記半導体層の受光面側に形成された溝パターン内に絶縁層を設けて構成され、前記画素と画素との間の画素境界に対してずれた位置に設けられた溝型素子分離とを備えた
固体撮像装置。
（２）
前記画素境界に対する前記溝型素子分離のずれる方向は、前記各画素において受光目的とする光の波長に依存する
上記（１）記載の固体撮像装置。
（３）
前記半導体層における受光面の上方には、前記光電変換部の上方を開口する開口部を有し、前記画素境界を中心とした線幅にパターン形成された遮光膜が設けられた
上記（１）または（２）記載の固体撮像装置。
（４）
前記溝型素子分離は、前記遮光膜で覆われている
上記（３）記載の固体撮像装置。
（５）
前記半導体層における受光面の上方には、中心を前記画素の中心に対して一致させてパターン形成された各色のカラーフィルタが設けられた
上記（１）〜（４）の何れかに記載の固体撮像装置。
（６）
前記半導体層における受光面の上方には、中心を前記画素の中心に対して一致させてパターン形成されたオンチップレンズが設けられた
上記（１）〜（５）の何れかに記載の固体撮像装置。
（７）
前記溝型素子分離は、隣接して配置された前記画素のうち、受光目的とする光の波長が長い画素の方向にずれて設けられた
上記（１）〜（６）の何れかに記載の固体撮像装置。
（８）
前記溝型素子分離は、前記溝パターンの中央に遮光膜が埋め込まれた
上記（７）記載の固体撮像装置。
（９）
前記溝型素子分離は、パターン幅が前記受光面側で大きくなるように多段階に形成された
上記（１）〜（８）の何れかに記載の固体撮像装置。
（１０）
前記溝型素子分離は、少なくとも前記受光面側の部分が前記画素境界に対してずれている
上記（９）記載の固体撮像装置。
（１１）
前記溝型素子分離は、隣接して配置された前記画素のうち、受光目的とする光の波長が短い画素の方向にずれて設けられた
上記（１）〜（６）の何れかに記載の固体撮像装置。
（１２）
前記半導体層内には、前記受光面と逆側の面から前記溝型素子分離にまで達する前記画素境界上に、不純物領域で構成された分離領域を備えた
上記（１）〜（１１）の何れかに記載の固体撮像装置。
（１３）
一主面側を受光面とし、当該受光面に沿って複数の画素が設定された半導体層と、
前記画素毎に前記半導体層内に設けられた光電変換部と、
前記半導体層の受光面側に形成された溝パターン内に絶縁層を設けて構成され、前記画素と画素との間の画素境界に対してずれた位置に設けられた溝型素子分離と、
前記光電変換部に入射光を導く光学系とを備えた
電子機器。
１-1，１-2，１-3，１-4，１-5…固体撮像装置、３…画素、３ａ…画素境界、２０…半導体層、２０ａ…溝パターン、２１…分離領域、２３…光電変換部、２５，４５，４７，４９，５１…溝型素子分離、３１…保護絶縁層、３３…絶縁層、３５…遮光膜、３５ａ…開口部、３９…カラーフィルタ、４１…オンチップレンズ、９１…カメラ（電子機器）、９３…光学系、Ｓ…受光面、φ…画素中心

Claims (19)

  1. 一主面側を受光面とし、前記受光面に沿って複数の画素が設定された半導体層と、
    前記半導体層内に設けられた第１の光電変換部と、
    前記半導体層内に設けられ、前記第１の光電変換部と異なる領域に設けられた第２の光電変換部と、
    前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部に挟まれた領域に、半導体層の内部にｐ型不純物の拡散領域として構成された分離領域と、
    前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部に挟まれた領域の、前記半導体層の受光面側に形成された溝パターン内に絶縁層を設けて構成された溝型素子分離と、
    を備え、
    前記溝型素子分離と前記分離領域の中心が平面視的にずれた位置に形成され、
    前記分離領域は、前記受光面と逆側の面から前記溝型素子分離の底部に達する深さに設けられた
    固体撮像装置。
  2. 前記分離領域に対する前記溝型素子分離のずれる方向は、前記各画素において受光目的とする光の波長に依存する
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記半導体層における前記受光面の上方には、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の上方を開口する開口部を有し、前記分離領域を中心とした線幅にパターン形成された遮光膜が設けられた
    請求項１または２記載の固体撮像装置。
  4. 前記溝型素子分離は、前記遮光膜で覆われている
    請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 前記半導体層における前記受光面の上方には、中心を前記画素の中心に対して一致させてパターン形成された各色のカラーフィルタが設けられた
    請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像装置。
  6. 前記半導体層における前記受光面の上方には、中心を前記画素の中心に対して一致させてパターン形成されたオンチップレンズが設けられた
    請求項１〜５の何れかに記載の固体撮像装置。
  7. 前記溝型素子分離は、隣接して配置された前記画素のうち、受光目的とする光の波長が長い画素の方向にずれて設けられた
    請求項１〜６の何れかに記載の固体撮像装置。
  8. 前記溝型素子分離は、隣接して配置された前記画素のうち、受光目的とする光の波長が短い画素の方向にずれて設けられた
    請求項１〜６の何れかに記載の固体撮像装置。
  9. 前記溝型素子分離は、前記溝パターンの中央に遮光膜が埋め込まれた
    請求項１〜８の何れかに記載の固体撮像装置。
  10. 前記溝型素子分離は、パターン幅が前記受光面側で大きくなるように多段階に形成された
    請求項１〜９の何れかに記載の固体撮像装置。
  11. 前記溝型素子分離は、少なくとも前記受光面側の部分が前記分離領域に対してずれている
    請求項１０記載の固体撮像装置。
  12. 前記分離領域は、前記画素と画素との間の境界に対して中心を一致させて設けられている
    請求項１〜１１の何れかに記載の固体撮像装置。
  13. 前記画素は、平面形状が同一形状であり、
    前記分離領域は、一定の幅で設けられている
    請求項１〜１２の何れかに記載の固体撮像装置。
  14. 前記絶縁層は、前記半導体層の前記受光面側の上方にも形成された
    請求項１〜１３の何れかに記載の固体撮像装置。
  15. 記絶縁層は、酸化シリコンまたは窒化シリコンで構成された
    請求項１〜１４の何れかに記載の固体撮像装置。
  16. 前記溝型素子分離の内部には、保護絶縁層が形成された
    請求項１〜１５の何れかに記載の固体撮像装置。
  17. 前記保護絶縁層は、前記半導体層の前記受光面側の上方にも形成された
    請求項１６に記載の固体撮像装置。
  18. 前記保護絶縁層は、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、またはチタンの酸化物で構成された
    請求項１６または１７記載の固体撮像装置。
  19. 請求項１〜１８の何れかに記載の固体撮像装置と、
    前記前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部に入射光を導く光学系と、
    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た
    電子機器。

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