JP2008060195A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板厚み方向に信号電荷を効率的に転送する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、半導体基体、光電変換部、不純物領域、転送ゲート、および画素出力回路を備える。半導体基体は、第１主面に配線層を有し、第２主面に受光領域を有する。光電変換部は、第２主面側に画素単位に配列される。不純物領域は、第１主面側に設けられ、光電変換部の少なくとも一部と中間層を介して対向する。転送ゲートは、半導体基体の内部に絶縁膜で覆われて配置されてチャネル制御により、光電変換部から不純物領域へ信号電荷を転送する。画素出力回路は、不純物領域の電気的状態に基づく画素出力を走査出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関する。

従来、背面照射型の撮像素子が知られている（例えば、特許文献１の図４参照）。この撮像素子では、半導体基体の片面を受光面とし、反対面に配線層が形成される。光電変換部（領域４４，４５）は、この受光面から配線層の近傍まで届くように基板厚み方向に形成される。
さらに、配線層側の光電変換部（領域４４）には、転送ゲート（転送トランジスタ４６）、浮遊拡散部（ＦＤ４７）とが面方向に沿って配置される。この転送ゲートは、面方向にチャネルを形成することにより、光電変換部の信号電荷を浮遊拡散部へ転送する。
特開２００３−３１７８５号公報

ところで、従来技術では、信号電荷の転送を配線層側で行うため、背面照射型であっても配線層側まで光電変換部を延在させる必要があり、画素の微細化に限界があった。また、配線層側に光電変換部の延在領域が存在するため、配線層側の回路レイアウトの自由度が低かった。

さらに、従来技術では、転送ゲートの配置位置が配線層側に在って受光面から遠いため、受光面の浅い領域で生成される信号電荷を、反対面の浮遊拡散部へ完全転送することが難しかった。この場合、光電変換部に信号電荷が残留しやすいため、撮像画像に残像を生じるなどの弊害が懸念される。
この問題点を補うために半導体基体を薄くすると、光電変換部を通過した長波長光が配線層側の浮遊拡散部などに漏れ込み、偽信号が発生するという問題点があった。

そこで、本発明では、信号電荷を基板厚み方向に効率的に転送する固体撮像装置を提供することを目的とする。

《１》 本発明の固体撮像装置は、半導体基体、光電変換部、不純物領域、転送ゲート、および画素出力回路を備える。
半導体基体は、第１主面に配線層を有し、反対の第２主面に受光領域を有する。
光電変換部は、第２主面側に画素単位に配列され、光電変換により信号電荷を生成する。
不純物領域は、第１主面側に設けられ、光電変換部の少なくとも一部と、中間層を介して対向する。
転送ゲートは、半導体基体の内部に絶縁膜で覆われて配置され、中間層に基板厚み方向のチャネルを発生させて、光電変換部から不純物領域へ信号電荷を転送する。
画素出力回路は、第１主面側に設けられ、不純物領域の電気的状態に基づく画素出力を走査出力する。
《２》 なお好ましくは、転送ゲートは、光電変換部と不純物領域との間に配置される。
《３》 また好ましくは、転送ゲートは、光電変換部と画素出力回路との間まで延長して設けられる。
《４》 なお好ましくは、転送ゲートには、光電変換部と不純物領域とをつなぐ中間層を通すためのトンネル部が開口する。
《５》 また好ましくは、不純物領域は、転送ゲートによって光電変換部から読み出された信号電荷を一旦保持する格納部である。一方、画素出力回路は、格納部に画素単位に保持される信号電荷に基づいて、画素出力の走査読み出しを行うことを特徴とする。
《６》 なお好ましくは、転送ゲートによる電荷転送の期間を除いて、転送ゲートには周辺空乏化を阻止する電圧が印加される。
《７》 本発明の固体撮像装置の製造方法は、下記の工程を備える。
(1)半導体基体の第１主面側にトレンチ部を形成し、トレンチ部の内面に絶縁膜を形成する工程
(2)トレンチ部に導電材を堆積し、その導電材を覆う絶縁膜を追加形成して、転送ゲートとする工程
(3)転送ゲートの上に第１導電型の層を形成して、転送ゲートを埋め込む工程
(4)第１主面側から導電材に到達するコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの側壁を絶縁膜で覆う工程
(5)コンタクトホールに導電材を通して、転送ゲートの端子を第１主面側に引き出す工程
(6)第１主面に第２導電型の不純物領域、および画素出力回路を形成する工程
(7)第１主面を支持材で補強し、第２主面を加工して薄板化する工程
(8)第２主面に画素単位の光電変換部を形成する工程

本発明では、半導体基体の内側に転送ゲートを埋め込むことで、不純物領域および画素出力回路と、光電変換部とを別々の面側に形成する。したがって、画素の微細化に適し、かつ不純物領域および画素出力回路のレイアウト設計が容易になる。

《第１実施形態》
図１は、背面照射型の固体撮像装置１００の全体の画素配列とその周辺回路を示す図である。
まず、固体撮像装置１００には、単位画素４０が画素配列される。これらの単位画素４０には、画素出力の副走査を制御する垂直走査部４１から制御パルスが与えられる。また、単位画素４０は、垂直列の単位に垂直読み出し線８に接続される。この垂直読み出し線８には、電流源４２および相関二重サンプリング回路４３がそれぞれ接続される。相関二重サンプリング回路４３の各出力は、水平走査部４４を介して水平転送される。

図２は、この固体撮像装置１００の画素部分を具体的に示す図である。図２［Ａ］には、画素部分の平面構成を示す。また、図２［Ｂ］には、図２［Ａ］に示すＡ−Ａ′箇所の断面構成を示す。なお、この断面構成では、垂直信号線８などの配線パターンを省略して示す。実際には、層間絶縁膜６５の中には、金属による配線が配置される（図３，図４，図６，図７，図８も同様）

以下、図１および図２を参照しながら、固体撮像装置１００の画素構造とその動作について説明する。

まず、Ｐウェル層１０１の第１主面側には配線層が設けられ、第２主面側には入射光を受光する受光領域が設けられる。この第２主面には、Ｎ＋型の光電変換部１が画素単位に配列される。この光電変換部１は、Ｎ−層およびＰ＋層（空乏化阻止層）を介して、第２主面の界面下に埋め込まれ、埋め込み型のフォトダイオードを構成する。
一方、浮遊拡散部２は、光電変換部１の一部と対向する形で、第１主面側に配置される。この浮遊拡散部２と光電変換部１との端側には、両方にまたがるように、転送ゲート３が配置される。この転送ゲート３は、導電材（ポリシリコンなど）の周囲を絶縁膜で覆って、Ｐウェル層１０１との電気的接続を絶縁したものである。この転送ゲート３には、コンタクトホール（不図示）を介して、第１主面側の配線層から転送電圧が印加される。この転送電圧は垂直走査部４１において生成される。

浮遊拡散部２に一時的に蓄積される電荷は、リセットゲート４のゲート制御によって、リセットドレイン１１を介して電源線７に排出される。また、光電変換部１の不要電荷も、転送ゲート３およびリセットゲート４のゲート制御によって、リセットドレイン１１を介して電源線７に排出される。
このようなリセット動作の後、転送ゲート３およびリセットゲート４を非導通にすることにより、浮遊拡散部２は電気的に浮遊状態となる。浮遊拡散部２は、この浮遊状態になった瞬間のリセット電位を保持する。

この浮遊拡散部２のリセット電位は、ゲート配線５ａを通して、増幅素子５のゲートに印加される。この増幅素子５のドレイン（リセットドレイン１１と共通）は、電源線７から電源電圧が印加される。増幅素子５のソース側は、選択ゲート６が導通することによって、垂直信号線８に接続される電流源４２に接続される。このように選択ゲート６が導通することにより、増幅素子５はソースホロワ回路として動作し、リセット電位を垂直信号線８に出力する。このリセット電位は、垂直信号線８を経由して、公知の相関二重サンプリング回路４３に一旦保持される。

続いて、第１主面側の配線層から転送ゲート３に転送電圧が印加されると、転送ゲート３は基体内部において近傍の電子を引き寄せ、光電変換部１と浮遊拡散部２の中間層にＮ型チャネルを発生させる。このＮ型チャネルは基板厚み方向に沿って形成されるため、光電変換部１と浮遊拡散部２とを短距離で確実に結ぶことができる。その結果、Ｎ型チャネルは低抵抗となり、光電変換部１から浮遊拡散部２へ信号電荷を高効率かつ高速に転送することができる。この転送動作を完了すると、転送ゲート３への転送電圧の供給は停止され、浮遊拡散部２は再び浮遊状態となる。

この信号電荷の転送に伴って浮遊拡散部２の電位は、リセット電位から信号電位に変化する。この信号電位は、ゲート配線５ａを通して、増幅素子５のゲートに印加される。増幅素子５は、この信号電位を垂直信号線８にソースホロワ出力する。相関二重サンプリング回路４３は、先に保持していたリセット電位と、この信号電位との差分をとることで、真の画素出力を生成する。画素単位に生成された画素出力は、水平走査部４４を介して水平転送され、固体撮像装置１００の外部に走査出力される。

（第１実施形態の効果など）
上述したように第１実施形態では、転送ゲート３を、Ｐウェル層１０１の内側に配置し、第１主面側に光電変換部１が延在しない。そのため、特許文献１のような光電変換部が第１主面側に延在する構成に比べて、画素の微細化に適し、かつ第１主面側の設計に自由度が増す。さらに、光電変換部１および浮遊拡散部２の近傍に対して転送電圧を直接的に作用させることが可能になる。その結果、光電変換部１と浮遊拡散部２との間に低抵抗のチャネルを発生させ、信号電荷を完全転送することが可能になる。その結果、離れた面から転送電圧を作用させて信号電荷を転送していた従来技術に比べ、信号電荷の転送効率を一段と高めることが可能になる。

また、このような作用効果によりＰウェル層１０１を比較的厚くしても、信号電荷を確実に転送することが可能になる。そのため、固体撮像装置の基体部分の厚みを増やして基板強度を高めることが可能になる。また、Ｐウェル層１０１を厚くすることによって、光電変換部１を必要に応じて更に厚くすることが可能になる。その結果、長波長側の受光感度を高めることが可能になる。さらに、Ｐウェル層１０１を厚くすることによって、浮遊格納部などへの漏光を低減することが可能になり、漏光による偽信号（スミアなど）の発生を軽減することが可能になる。

《第２実施形態》
図３は、第２実施形態の固体撮像装置２００を示す図である。図３［Ａ］には、画素部分の平面構成を示す。また、図３［Ｂ］には、図３［Ａ］に示すＡ−Ａ′箇所の断面構成を示す。なお、この断面構成では、垂直信号線８などの配線パターンを省略して示す。
固体撮像装置２００の構造上の特徴は、光電変換部１と浮遊拡散部２の電荷転送の経路間に、中継点として格納部１３を設けた点である。この格納部１３は、光電変換部１の一部と対向する形態で、第１主面側に配置される。さらに、この格納部１３と光電変換部１との端には、両方にまたがるように、転送ゲート３が配置される。この転送ゲート３は、第１実施形態と同一構造で、Ｐウェル層１０１の内部に埋め込まれる。一方、格納部１３と浮遊拡散部２との間にまたがるように、第２転送ゲート１０が配置される。この第２転送ゲート１０のゲート制御によって、格納部１３に保持された信号電荷は、浮遊拡散部２に転送される。なお、その他の構造は、第１実施形態（図１，図２）と同じため、ここでの重複説明を省略する。

第２実施形態では、光電変換部１の信号電荷を格納部１３へ一時的に格納した上で、その格納部１３から信号電荷を画素単位に走査出力させることができる。この場合、光電変換部１のリセット動作を全画素で同時刻に実施し、かつ光電変換部１から格納部１３への信号電荷の格納を同時刻に実施することにより、グローバルシャッタ機能（全画素の露光タイミングを一致させる機能）を実現することができる。

（第２実施形態の効果など）
上述した第２実施形態においても、転送ゲート３を、Ｐウェル層１０１の内部に配置し、第１主面側に光電変換部１が延在しないようにしている。そのため、グローバルシャッタ機能を実現した構成においても微細化することが可能となる。さらに、Ｐウェル層１０１の内部に転送電圧を近傍から作用させて、光電変換部１と格納部１３の間に低抵抗のチャネルを確実に形成できる。その結果、離れた面から転送電圧を作用させて信号電荷を転送していた従来技術に比べ、信号電荷の転送効率を更に高めることが可能になる。

《第３実施形態》
図４は、第３実施形態の固体撮像装置３００を示す図である。図４［Ａ］には、画素部分の平面構成を示す。また、図４［Ｂ］には、図４［Ａ］に示すＡ−Ａ′箇所の断面構成を示す。なお、この断面構成では、垂直信号線８などの配線パターンを省略して示す。
固体撮像装置３００の構造上の特徴は、転送ゲート３ａを、光電変換部１と浮遊拡散部２の間を占有するように配置した点である。この転送ゲート３ａの脇にはコンタクトホール（不図示）が形成される。このコンタクトホールを介して、第１主面側の配線層から転送ゲート３ａに転送電圧が印加される。

第３実施形態では、転送ゲート３ａに転送電圧を印加することで、転送ゲート３ａの外周域に電子を引き寄せ、Ｎ型チャネルを形成する。このＮ型チャネルを介して、光電変換部１の信号電荷は、浮遊拡散部２へ転送される。
この転送ゲート３ａによる電荷転送の実施期間を除いては、転送ゲート３ａに対して、周辺空乏化を阻止する負電圧が印加される。
なお、その他の構造および動作は、第１実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。

（電荷混入の抑制効果）
第３実施形態では、光電変換部１と浮遊拡散部２の間を占有するように、転送ゲート３ａを配置する。この転送ゲート３ａは絶縁膜で覆われるため、この転送ゲート３ａ自体を電荷は通り抜けることができない。したがって、転送ゲート３ａは、光電変換部１と浮遊拡散部２の間の壁となって、光電変換部１、中間層、および浮遊拡散部２の間で勝手に生じる電荷の移動（拡散）を阻止することができる。その結果、不要な電荷移動に伴うノイズ発生を抑制することができる。

（漏光の抑制効果）
さらに、第３実施形態では、転送ゲート３ａによって、浮遊拡散部２への漏光入射を抑制することができる。図５は、この漏光抑制の原理を説明する図である。
図５に示すように、光電変換部１および浮遊拡散部２をシリコン層とした場合、屈折力ｎ≒４となる。転送ゲート３ａの導電材３１の箇所をポリシリコンとした場合、屈折率ｎ≒４となる。一方、転送ゲート３ａの周囲を覆う絶縁膜５４，５６を酸化シリコン膜とした場合、屈折率ｎ≒１．５となる。

また一般に、屈折率ｎ１の媒体側から屈折率ｎ２の媒体側へ光が垂直入射する場合、この媒体の界面における透過率Ｔは、
Ｔ＝１−［（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）］²
＝４ｎ１・ｎ２／（ｎ１＋ｎ２）² ・・・［１］
となる。

以下、これらの条件を前提として、漏光抑制のプロセスを説明する。
まず、光電変換部１で吸収されなかった漏光（主に長波長光）は、絶縁膜５４の界面Ａに到達する。この界面Ａの到達した漏光の内、絶縁膜５４へ入射する漏光は、［１］式から約７９％になる。（なお、残りの約２１％の漏光は、界面Ａで反射されて光電変換部１へ戻る。この反射光は光電変換に寄与するため、光電変換部１の受光効率を高めることができる。）
絶縁膜５４内に入射した漏光は、導電材３１との界面Ｂに到達する。この界面Ｂの透過率も約７９％である。したがって、導電材３１へ直接入射する漏光は、光電変換部１の漏光全体の約６２％となる。なお、界面Ａと界面Ｂの間で複数回の反射が生じることを考慮すると、導電材３１へ実際に入射する漏光は、光電変換部１の漏光全体の約６７％となる。

導電材３１に入射した漏光は、導電材３１によって光吸収されて減少する。なお、この光吸収時に導電材３１の内部に電子−ホール対が発生しても、周囲の絶縁膜５４，５６で遮られるため、不要電荷が近傍の周辺領域に混入するおそれはない。
このような経過を経て、導電材３１内に入射した漏光は、絶縁膜５６の界面Ｃ，Ｄに到達する。上述した界面Ａ，Ｂと同様に、この界面Ｃ，Ｄの透過率は約６７％である。したがって、浮遊拡散部２に最終的に入射する漏光は、光電変換部１の漏光全体を１として、
（０．６７×（１−導電材３１の光吸収割合）×０．６７）
＝０．４５×（１−導電材３１の光吸収割合）
となる。すなわち、転送ゲート３ａの界面部分において漏光の約５５％を確実に遮り、かつ導電材３１の厚み方向の光吸収によって、漏光を更に減少させることができる。
なお、漏光を更に抑制するためには、転送ゲート３ａの導電材３１の厚みを、電荷転送に支障ない範囲で、なるべく厚くすることが好ましい。
また、光電変換部１を厚く（または第２主面から深い位置に）形成することにより、光電変換部１の漏光自体を抑制することも効果的である。

（暗電流混入の抑制効果）
さらに、第３実施形態では、転送ゲート３ａによる電荷転送の実施期間を除いて、転送ゲート３ａに負電圧を印加する。この負電圧によって、界面Ａおよび界面Ｄの近傍をＰ型層に反転させ、界面Ａおよび界面Ｄの周辺空乏化を阻止する。通常、絶縁膜５４，５６の界面Ａ，Ｄでは、界面準位などの作用により暗電流が生じやすい。この暗電流は、空乏化阻止用のＰ型層の内部に封じ込まれるため、光電変換部１や浮遊拡散部２への暗電流混入を少なくすることができる。

《第４実施形態》
図６は、第４実施形態の固体撮像装置４００を示す図である。図６［Ａ］には、画素部分の平面構成を示す。また、図６［Ｂ］には、図６［Ａ］に示すＡ−Ａ′箇所の断面構成を示す。なお、この断面構成では、垂直信号線８などの配線パターンを省略して示す。
固体撮像装置４００の構造上の特徴は、転送ゲート３ｂを、光電変換部１と格納部１３の間を占有するように配置した点である。なお、コンタクトホール（不図示）は、この転送ゲート３ｂの脇などに設けられる。

この第４実施形態では、転送ゲート３ｂに転送電圧を印加して、光電変換部１の信号電荷を格納部１３に一括に転送することにより、グローバルシャッタ機能を実現することができる。
また、第４実施形態では、転送ゲート３ｂによる電荷転送の実施期間を除いて、転送ゲート３ｂに対して周辺空乏化を阻止する負電圧を印加する。
なお、その他の構造および動作は、第２実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。

（電荷混入の抑制効果）
第４実施形態では、光電変換部１と格納部１３の間を占有するように、絶縁膜で覆われた転送ゲート３ｂを配置する。したがって、光電変換部１、中間層、および格納部１３の間で勝手に生じる電荷の移動（拡散）を阻止することができる。

（漏光の抑制効果）
格納部１３は、光電変換部１の信号電荷を保持した状態で、画素出力の走査順が来るのを待たなければならない。そのため、格納部１３は、信号電荷の保持期間が平均して長く、走査読み出しの瞬間だけ信号電荷を保持する浮遊拡散部２に比べ、漏光の悪影響（スミア発生など）を受けやすい。
しかしながら、第４実施形態では、転送ゲート３ｂにより、この格納部１３への漏光入射を効果的に抑制することができる（なお、漏光抑制の原理については、第３実施形態と同じため、ここでの説明を省略する）。

（暗電流混入の抑制効果）
上述したように、信号電荷の保持期間が平均して長いため、暗電流混入の影響も受けやすい。
しかしながら、第４実施形態では、転送ゲート３ｂにより、この格納部１３への暗電流混入を効果的に抑制することができる（なお、暗電流混入を抑制する原理については、第３実施形態と同じため、ここでの説明を省略する）。

《第５実施形態》
図７は、第５実施形態の固体撮像装置５００を示す図である。図７［Ａ］には、画素部分の平面構成を示す。また、図７［Ｂ］には、図７［Ａ］に示すＡ−Ａ′箇所の断面構成を示す。なお、この断面構成では、垂直信号線８などの配線パターンを省略して示す。
固体撮像装置５００の構造上の特徴は、転送ゲート３ｃを、画素区画のほぼ全体まで広げた点である。さらに、転送ゲート３ｃには、光電変換部１と浮遊拡散部２とを基板厚み方向に結ぶ箇所に開口部を設け、トンネル部３ｘとしている。なお、このトンネル部３ｘの内壁も、絶縁膜で覆われる。

第５実施形態では、転送ゲート３ｃに転送電圧を印加することで、このトンネル部３ｘの内壁内側に電子を引き寄せ、Ｎ型チャネルを形成する。このトンネル部３ｘでは、内壁全体から転送電圧がかかるため、Ｎ型チャネルを更に効率的に発生させることができる。
このトンネル部３ｘ内のチャネルを介して、光電変換部１の信号電荷は浮遊拡散部２へ転送される。
なお、その他の構造や動作については、第３実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。

（第５実施形態の効果など）
第５実施形態では、転送ゲート３ｃを、画素区画のほぼ全体まで広げる。そのため、画素区画のほぼ全体に対して、第３実施形態で説明した効果（電荷混入の抑制効果、漏光の抑制効果、および暗電流混入の抑制効果）を得ることができる。
なお、トンネル部３ｘの開口面積は、信号電荷の転送に支障がない範囲で、なるべく小さくすることが好ましい。トンネル部３ｘの開口面積を最小サイズとすることにより、第３実施形態で説明した効果（電荷混入の抑制効果、漏光の抑制効果、および暗電流混入の抑制効果）を最大限に得ることができる。

《第６実施形態》
図８は、第６実施形態の固体撮像装置６００を示す図である。図８［Ａ］には、画素部分の平面構成を示す。また、図８［Ｂ］には、図８［Ａ］に示すＡ−Ａ′箇所の断面構成を示す。なお、この断面構成では、垂直信号線８などの配線パターンを省略して示す。
固体撮像装置６００の構造上の特徴は、転送ゲート３ｃを、画素区画または受光領域のほぼ全体まで広げた点である。なお、転送ゲート３ｃを受光領域のほぼ全体まで広げた場合には、受光領域の全画素に対して、１枚の転送ゲート３ｃが配置される。

また、転送ゲート３ｃには、光電変換部１と格納部１３とを基板厚み方向に結ぶ箇所に開口部を設け、トンネル部３ｘとする。なお、このトンネル部３ｘの内壁も、絶縁膜で覆われる。
第６実施形態では、転送ゲート３ｃに転送電圧を印加することで、トンネル部３ｘの内側に電子を引き寄せ、Ｎ型チャネルをトンネル部３ｘに形成する。このチャネルを介して、光電変換部１の信号電荷を格納部１３へ転送することができる。

また、第６実施形態では、転送ゲート３ｂに転送電圧を印加して、光電変換部１の信号電荷を格納部１３に一括に転送することにより、グローバルシャッタ機能を実現することができる。
なお、その他の構造や動作については、第４実施形態と同じため、ここでの重複説明を省略する。

（第６実施形態の効果など）
第６実施形態では、転送ゲート３ｃを、画素区画または受光領域のほぼ全体まで広げる。そのため、画素区画または受光領域のほぼ全体に対して、第４実施形態で説明した効果（電荷混入の抑制効果、漏光の抑制効果、および暗電流混入の抑制効果）を得ることができる。

《製造方法の説明》
図９〜図１１は、上述した固体撮像装置６００の製造方法を説明する図である。なお、その他の固体撮像装置１００〜５００の製造方法については、半導体回路のレイアウトの違いに合わせて、本製造方法のパターンニング等を一部変更すればよい。
以下、図９〜図１１に示す工程順に、固体撮像装置６００の製造方法を説明する。

［図９Ａ］ まず、半導体基板５１の第１主面側に、半導体基体となるＰウェル層１０１を形成する。このＰウェル層１０１の第１主面側にエッチングなどを施して、転送ゲート３ｃの予定箇所にトレンチ部５３を形成する。なお、このトレンチ部５３の形成に当たって、トンネル部３ｘの予定箇所にはＰウェル層１０１を凸状に残す。次に、このトレンチ部５３の内面を覆うように、絶縁膜５４を第１主面側に形成する。

［図９Ｂ］ 続いて、トレンチ部５３に対して導電材３１（ポリシリコンなど）を堆積する。堆積後の導電材３１に対して、その上面を覆うように絶縁膜５６を形成する。

［図９Ｃ］ 導電材３１の上面を覆う絶縁膜５６を残して、それ以外の箇所の絶縁膜５６を除去する。この工程によって、導電材３１の周囲を絶縁膜５４，５６で覆った転送ゲート３ｃが完成する。

［図１０Ｄ］ 次に、ＣＶＤ法（例えば、エピタキシャル成長法）によって、Ｐウェル層１０１の第１主面側にＰ領域を追加し、転送ゲート３ｃをＰウェル層１０１の内部に埋め込む。このとき、転送ゲート３ｃの存在によってＰウェル層１０１に表面段差が発生する場合、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、表面段差の平坦化を行う。なお、この段階で、素子分離（画素分離など）も行ってもよい。

［図１０Ｅ］ 転送ゲート３ｃのコンタクトホール６１を第１主面側から形成する。次いで、絶縁膜６３を形成する。この後、パターンニングを行い、コンタクトホール６１の側壁に絶縁膜を残し、かつ転送ゲート３ｃの表面からは絶縁膜を除去する。

［図１０Ｆ］ コンタクトホール６１を埋めるように、導電材（ポリシリコンなど）を堆積する。次に、第１主面側の導電材をエッチングなどでパターンニング除去することにより、転送ゲート３ｃの端子６４を第１主面側に形成する。なお、このエッチング時に、第１主面側のポリシリコンゲート（第２転送ゲート１０、リセットゲート４、増幅素子５のゲート５Ｇ、選択ゲート６など）を一緒に形成してもよい。

［図１１Ｇ］ Ｐウェル層１０１の第１主面側からＮ型不純物をイオン注入し、格納部１３、浮遊拡散部２、リセットドレイン１１、増幅素子５のソース５ｓ、垂直信号線８のコンタクト領域６ｘを形成する。
なお、格納部１３の底部が転送ゲート３ｃのトンネル部３ｘに届くよう、格納部１３は比較的深めに形成される。一方、それ以外の領域（浮遊拡散部２、リセットドレイン１１、ソース５ｓ、コンタクト領域６ｘ）の底部については、転送ゲート３ｃの周囲に発生するチャネルと接触しないよう、比較的浅めに形成される。
続いて、Ｐウェル層１０１の第１主面側に、金属配線や層間絶縁膜６５などを形成する。

［図１１Ｈ］ 層間絶縁膜６５の上に、支持材６７を形成または貼り付けて、Ｐウェル層１０１の第１主面側を補強する。このように第１主面側を補強した状態で、半導体基板５１をＣＭＰ法で１０μｍ程度まで研磨する。なお、この支持材６７側にパッドや周辺回路などを別途形成してもよい。

［図１１Ｉ］ 次に、第２主面側からＮ型不純物をイオン注入して、画素単位の光電変換部１（埋め込み型フォトダイオード）をパターン形成する。
さらに、第２主面側からＰ型不純物を表面近傍にイオン注入し、空乏化阻止層６８を形成する。この空乏化阻止層６８によって、光電変換部１の表面空乏化を防ぐことにより、第２主面側の酸化シリコン界面からの暗電流混入を抑制することができる。
なお、隣接画素間における光電変換部１への電荷混入（クロストーク）を防止するために、隣接画素間にＰ＋型のチャネルストップを形成してもよい。
次に、遮光膜やパッシベーション膜などの形成工程、色フィルタやマイクロレンズを第２主面側に形成する工程などを経て、固体撮像装置６００が完成する。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、説明を簡明にするため、半導体の導電型や材料を明記した。しかしながら、本発明はこれらの導電型や材料に限定されるものではない。例えば、導電型の一部または全部を逆にすることも可能である。また、導電材の材料として減光性や遮光性を有する素材（例えば白金などの金属材料）を使用してもよい。

また、上述した実施形態では、Ｐウェル層１０１を半導体基体とするケースについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体のウェハ基板を半導体基体として加工することにより、本発明の固体撮像装置を構成してもよい。

なお、上述した第３および第４の実施形態では、転送ゲートの外周域にチャネルを形成する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、転送ゲートに、光電変換部と転送先とをつなぐ中間層を通すためのトンネル部を設けてもよい。

さらに、本発明は、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

以上説明したように、本発明は、固体撮像装置などに利用可能な技術である。

固体撮像装置１００の画素配列と周辺回路を示す図である。 第１実施形態の固体撮像装置１００を示す図である。 第２実施形態の固体撮像装置２００を示す図である。 第３実施形態の固体撮像装置３００を示す図である。 漏光抑制の原理を説明する図である。 第４実施形態の固体撮像装置４００を示す図である。 第５実施形態の固体撮像装置５００を示す図である。 第６実施形態の固体撮像装置６００を示す図である。 固体撮像装置６００の製造方法を説明する図である。 固体撮像装置６００の製造方法を説明する図である。 固体撮像装置６００の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１…光電変換部，２…浮遊拡散部，３…転送ゲート，３ａ…転送ゲート，３ｂ…転送ゲート，３ｃ…転送ゲート，３ｘ…トンネル部，４…リセットゲート，５…増幅素子，６…選択ゲート，７…電源線，８…垂直信号線，１０…第２転送ゲート，１１…リセットドレイン，１３…格納部，３１…導電材，５１…半導体基板，５３…トレンチ部，５４…絶縁膜，６１…コンタクトホール，６４…端子，６５…層間絶縁膜，６７…支持材，１００…固体撮像装置，１０１…Ｐウェル層，２００…固体撮像装置，３００…固体撮像装置，４００…固体撮像装置，５００…固体撮像装置，６００…固体撮像装置

Claims (7)

1. 第１主面に配線層を有し、反対側の第２主面に受光領域を有する半導体基体と、
   前記第２主面側に画素単位に配列され、光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、
   前記第１主面側に設けられ、前記光電変換部の少なくとも一部と、中間層を介して対向する不純物領域と、
   前記半導体基体の内部に絶縁膜で覆われて配置され、前記中間層に基板厚み方向のチャネルを発生させることで、前記光電変換部から前記不純物領域へ前記信号電荷を転送する転送ゲートと、
   前記第１主面側に設けられ、前記不純物領域の電気的状態に基づく画素出力を走査出力する画素出力回路と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記転送ゲートは、前記光電変換部と前記不純物領域との間に配置される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記転送ゲートは、前記光電変換部と前記画素出力回路との間まで延長して設けられる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記転送ゲートには、前記光電変換部と前記不純物領域とをつなぐ前記中間層を通すためのトンネル部が開口する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記不純物領域は、前記転送ゲートによって前記光電変換部から読み出された前記信号電荷を一旦保持する格納部であり、
   前記画素出力回路は、前記格納部に画素単位に保持される前記信号電荷に基づいて、前記画素出力の走査読み出しを行う
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記転送ゲートによる電荷転送の期間を除いて、前記転送ゲートには周辺空乏化を阻止する電圧が印加される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 半導体基体の第１主面側にトレンチ部を形成し、前記トレンチ部の内面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記トレンチ部に導電材を堆積し、前記導電材を覆う絶縁膜を追加形成して、転送ゲートとする工程と、
   前記転送ゲートの上に第１導電型の層を形成して、前記転送ゲートを埋め込む工程と、
   前記第１主面側から前記導電材に到達するコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの側壁を絶縁膜で覆う工程と、
   前記コンタクトホールに導電材を通して、前記転送ゲートの端子を前記第１主面側に引き出す工程と、
   前記第１主面に第２導電型の不純物領域、および画素出力回路を形成する工程と、
   前記第１主面を支持材で補強し、前記第２主面を加工して薄板化する工程と、
   前記第２主面に画素単位の光電変換部を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
   

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