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JP4525671B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、裏面照射型の固体撮像装置に関する。
裏面照射型の固体撮像装置は、図８に示すように、フォトダイオード２２１が形成されるシリコン基板２１１の一方の面から光を入射し、他方の面に信号回路２３１を形成する。このため、フォトダイオード２２１領域のシリコン層の厚さが数μｍ以下であるとすると、光入射面から入った光のうち長波長成分の光は、フォトダイオード２２１で十分吸収されることなく、信号回路２３１面側にまで透過することになる。特に長波長（例えば赤色の波長）側の光がフォトダイオード２２１領域を透過し、その透過した光が信号回路２３１へ抜けるため、長波長領域の光を有効に光電変換することが困難である。また、その透過した光が信号回路２３１に形成された配線層２３３で反射され、隣接画素のフォトダイオードへ入射するため、それが混色の原因となる。この混色の発生が問題となる。従来の技術として、フォトダイオード上にポリシリコン層を形成する構成やアルミニウム層を形成する構成（例えば、特許文献１参照。）があるが、赤外光、近赤外光等の長波長領域の光に対しての遮光性としては不十分であった。特にポリシリコン層では透過光量が多いため、またアルミニウム層はグレイン成長して成膜されるため、結晶粒界から光漏れが発生するため、反射率が低くなっていた。
特開２００６−２６１３７２号公報
解決しようとする問題点は、長波長領域の光が光電変換部（例えばフォトダイオード）を透過し、有効に光電変換することが困難な点であり、またフォトダイオードの光入射側とは反対側に反射用のポリシリコン層やアルミニウム層を形成したのでは、特に長波長領域の光の遮光性が不十分な点である。
本発明は、フォトダイオードを透過した長波長領域の光が有効に光電変換されるようにして、感度の向上を可能にすることを課題とする。
請求項１に係る本発明は、半導体層中に形成された光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された電気信号を取り出すもので、前記光電変換部に入射する光の入射側とは反対側の前記半導体層に形成された信号回路部とを備え、前記光電変換部を透過した光を前記光電変換部側に反射するもので、前記光電変換部の光入射側とは反対側に形成された反射層を備え、前記反射層は、タングステン層もしくは少なくともタングステンを含む層からなり、記光電変換部上の前記ゲート絶縁膜と前記反射層との間にポリシリコン電極層が形成され、前記ポリシリコン電極層は前記反射層を介してバイアス電圧が印加されることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、光電変換部の光入射側とは反対側に、光電変換部を透過した光を光電変換部側に反射する反射層を備えたことから、光電変換部に入射した光が光電変換部で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層で反射させて、再び光電変換部に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部を透過した光をもう一度光電変換部で受光することができるため、特に光電変換部で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部の長波長領域の感度を向上させることができる。特に反射層は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層で反射され、もとの光電変換部に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
さらに、電極層にバイアスを印加することによって、光電変換部の電荷を蓄積する領域のポテンシャルを変化させることが可能となる。現状のＣＭＯＳイメージセンサでは、電荷蓄積部分のポテンシャル深さは、電荷読み出し時に読み出し残り、つまり残像がなく完全に転送できるように設計しなければならない。そこで、電極層に、電荷読み出し時にバイアスを印加することによって、電荷蓄積部分のポテンシャルを浅い方向へ変化させ、読み出しの効率を保ったまま、電荷蓄積領域のポテンシャルを深くし、飽和電荷量を増加させることができる。
また、光電変換部上にバイアス印加が可能な電極層が形成されているので、ピニング対策となる。また、電極層がポリシリコンで形成されている場合、ポリシリコンのみでは反射膜としての機能が不十分であるが、電極層上に反射層を形成しているので、反射効率も確保されている。
請求項２に係る本発明は、半導体層中に形成された光電変換部と、前記光電変換部で光電変換された信号電荷を取り扱うもので、前記光電変換部に入射する光の入射側とは反対側の前記半導体層に形成された信号回路部と、前記半導体層の前記光の入射側とは反対側の面に形成されたゲート絶縁膜と、前記光電変換部に隣接する前記半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲートのゲート電極と、前記光電変換部上に前記ゲート絶縁膜を介して形成されていて前記光電変換部を透過した光を前記光電変換部側に反射する反射層とを備え、前記反射層は、タングステン層もしくは少なくともタングステン層を含む層からなり、前記ゲート絶縁膜を介して前記光電変換部の周囲上に沿って形成され、前記反射層上に接続する配線層が前記光電変換部上に延長形成されていて、前記配線層はタングステン層もしくは少なくともタングステンを含む層で形成されている
ことを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、光電変換部の光入射側とは反対側に、光電変換部を透過した光を光電変換部側に反射する反射層および配線層を備えたことから、光電変換部に入射した光が光電変換部で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層および配線層で反射させて、再び光電変換部に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部を透過した光をもう一度光電変換部で受光することができるため、特に光電変換部で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部の長波長領域の感度を向上させることができる。特に反射層および配線層は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層で反射され、もとの光電変換部に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
請求項１に係る本発明によれば、光電変換部を透過した光をその光電変換部側に反射するもので、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなる反射層が光電変換部の光入射側とは反対側に形成されるため、光電変換部の長波長領域の感度を向上させることで高感度となり、混色の発生が抑制でき、光電変換部に光量を多く取り入れることで高ダイナミックレンジとなる固体撮像装置が実現できるという利点がある。さらに、ポリシリコン電極層にバイアスを印加することによって、光電変換部の電荷を蓄積する領域のポテンシャルを変化させることが可能となり、ピニング対策ができる。
請求項２に係る本発明によれば、光電変換部を透過した光をその光電変換部側に反射するもので、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなる反射層および配線層が光電変換部の光入射側とは反対側に形成されるため、光電変換部の長波長領域の感度を向上させることで高感度となり、混色の発生が抑制でき、光電変換部に光量を多く取り入れることで高ダイナミックレンジとなる固体撮像装置が実現できるという利点がある。
本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第１実施例）を、図１の概略構成断面図によって説明する。
図１に示すように、半導体層１１には画素を分離する画素分離領域１２が形成されている。上記半導体層１１には、例えばシリコン層もしくはシリコン基板が用いられる。また、画素分離領域１２は、例えばｐ型ウエル領域で形成されている。上記画素分離領域１２によって区分される領域には、光電変換部２１が形成されている。光電変換部２１の光入射側（図面で光電変換部２１の下部側）には、ホール蓄積層２２が形成されている。このホール蓄積層２２は、例えばｐ+領域で形成されている。また、上記光電変換部２１の光入射側とは反対側（図面で光電変換部２１の上部側）にはホール蓄積層２３が形成され、その下層にはｎ型ウエル領域２４が形成されている。このホール蓄積層２３は、例えばｐ+領域で形成されている。また、光電変換部２１上にはゲート絶縁膜３１を介してゲート電極（例えば転送ゲート）３２が形成されている。また、ゲート電極３２の一方側の半導体層１１にはｎ+領域２５が形成されている。
上記ゲート電極３２上にはコンタクト部４１が接続され、上記画素分離領域１２上にはコンタクト部４２が接続されるとともに、上記光電変換部２１上には上記ゲート絶縁膜３１を介して上記コンタクト部４１、４２と同様なるコンタクト部からなる反射層４３が形成されている。また、図示はしていない信号回路部の他のトランジスタ（例えば、ゲート電極、ソース・ドレイン領域等）に接続するコンタクト部も形成されている。上記ゲート絶縁膜３１、ゲート電極３２上には絶縁膜８１が形成され、上記各コンタクト部はこの絶縁膜８１に形成された孔９１、９２、９３等に、例えば導電体を埋め込むことで形成されている。
上記反射層４３は、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射するものであることが必要である。例えば、少なくとも近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。上記反射層４３は、上記長波長領域の光とともに、それよりも短い波長の光、例えば可視光や、さらに近紫外光、紫外光等も反射するものであってもよい。このような特性を有する材料の一例として、タングステン層がある。したがって、上記反射層４３は、タングステン層で形成されることが好ましい。もしくは、タングステン層を含む層で形成されることが好ましい。このような積層構造として、ポリシリコン層とタングステン層との積層構造、タングステン層とシリサイド層との積層構造がある。
このように、反射層４３がタングステン層で形成されていることから、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射することができる。しかも、上記タングステン層は、従来のアルミニウム層のようにグレイン成長して成膜されるものではないので、結晶粒界ができ難い。このため、アルミニウム膜では結晶粒界から漏れていた近赤外光、赤外光等の長波長領域の光も反射することができる。
さらに、上記各コンタクト部４１、４２や上記反射層４３に接続する第１配線５１〜５３が形成されている。上記反射層４３に接続する第１配線５３は、例えば、上記電極層３４を投影した形状、もしくはその形状より大きい形状に形成されていることが好ましい。また、上記第１配線５１〜５２は、例えばタングステンで形成されることが好ましいが、その他の金属材料、例えば銅、アルミニウム等であってもよい。例えば、第１配線５１〜５３をタングステンで形成した場合には、上記反射層４３で反射しきれなかった、例えば反射層４３の周部から漏れた上記長波長領域の光を、第１配線５１〜５３によって、光電変換部２１側に反射させることが可能になる。
上記第１配線５１〜５３には、例えばビア５４〜５６を介して第２配線６１〜６３が接続されている。同様に、上記第２配線６１〜６３には、例えばビア６４〜６６を介して第３配線７１〜７３が接続されている。図面では３層構造の配線層を有する固体撮像装置１を示したが、配線層が４層以上であっても、本発明は適用できる。上記各配線層を被覆するように、前記絶縁膜８１を含む絶縁膜８０が形成されている。この絶縁膜８０は、配線形成に応じて、複数層の絶縁膜で形成されているものである。また、上記半導体層１１の光入射側とは反対側には、図示はしていないが、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等のトランジスタ群や、上記第１配線５１〜５３、ビア５４〜５６、第２配線６１〜６３、ビア６４〜６６、第３配線７１〜７３等の配線層からなる信号回路部が形成されている。
上記第１実施例の固体撮像装置１では、光電変換部２１の光入射側とは反対側に、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１側に反射する反射層４３を備えたことから、光電変換部２１に入射した光が光電変換部２１で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部２１を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層４３で反射させて、再び光電変換部２１に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部２１を透過した光をもう一度光電変換部２１で受光することができるため、特に光電変換部２１で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部２１の長波長領域の感度を向上させることができる。また、反射層４３は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部２１で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層４３で反射され、もとの光電変換部２１に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
上記第１実施例の構成の固体撮像装置１を製造するには、上記ゲート電極３２上にコンタクト部４１を形成し、上記画素分離領域１２上にコンタクト部４２を形成する際に、上記光電変換部２１上に上記ゲート絶縁膜３１を介して上記コンタクト部４１、４２と同様なるコンタクト部からなる反射層４３を形成すればよい。例えば、絶縁膜８１に形成された孔９１、９２にタングステンを埋め込んで上記コンタクト部４１、４２を形成するのと同時に、光電変換部２１上の絶縁膜８１に形成した孔９３にタングステンを埋め込むことで、反射層４３を形成する。
次に、本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第２実施例）を、図２の概略構成断面図によって説明する。この第２実施例は、上記第１実施例において、反射層４３が形成される孔９３の開口形状が大きい場合で、孔９３の内部をタングステン層で埋め込むこと
が困難になる場合の対応策の一例である。
図２に示すように、半導体層１１には画素を分離する画素分離領域１２が形成されている。上記半導体層１１には、例えばシリコン層が用いられる。また、画素分離領域１２は、例えばｐ型ウエル領域で形成されている。上記画素分離領域１２によって区分される領域には、光電変換部２１が形成されている。光電変換部２１の光入射側（図面で光電変換部２１の下部側）には、ホール蓄積層２２が形成されている。このホール蓄積層２２は、例えばｐ+領域で形成されている。また、上記光電変換部２１の光入射側とは反対側（図面で光電変換部２１の上部側）にはホール蓄積層２３が形成され、その下層にはｎ型ウエル領域２４が形成されている。このホール蓄積層２３は、例えばｐ+領域で形成されている。また、光電変換部２１上にはゲート絶縁膜３１を介してゲート電極（例えば転送ゲート）３２が形成されている。また、ゲート電極３２の一方側の半導体層１１にはｎ+領域２５が形成されている。
上記ゲート電極３２上にはコンタクト部４１が接続され、上記画素分離領域１２上にはコンタクト部４２が接続されるとともに、上記光電変換部２１上には上記ゲート絶縁膜３１を介して上記コンタクト部４１、４２と同様なるコンタクト部からなる反射層４３が形成されている。また、図示はしていない信号回路部の他のトランジスタ（例えば、ゲート電極、ソース・ドレイン領域等）に接続するコンタクト部も形成されている。上記ゲート絶縁膜３１、ゲート電極３２上には絶縁膜８１が形成され、上記各コンタクト部はこの絶縁膜８１に形成された孔に、例えば導電層を埋め込むことで形成されている。上記反射層４３も同様な方法が採用されるが、孔９３の開口形状が大きいため、孔９３の内部を埋め込むように反射層４３を形成することが困難である。そこで、上記反射層４３は孔９３の内面を被覆するように形成されている。
上記反射層４３は、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。例えば、少なくとも近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。上記反射層４３は、上記長波長領域の光とともに、それよりも短い波長の光、例えば可視光や、さらに近紫外光、紫外光等も反射するものであってもよい。このような特性を有する材料の一例として、タングステン層がある。したがって、上記反射層４３は、タングステン層で形成されることが好ましい。もしくは、タングステン層を含む層で形成されることが好ましい。このような積層構造として、ポリシリコン層とタングステン層との積層構造、タングステン層とシリサイド層との積層構造がある。また、上記孔９３の内面を被覆するように形成した反射層４３は、近赤外光や赤外光等の長波長領域の光が透過しない膜厚に形成されることが必要である。
このように、反射層４３がタングステン層で形成されていることから、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射することができる。しかも、上記タングステン層は、従来のアルミニウム層のようにグレイン成長して成膜されるものではないので、結晶粒界ができ難い。このため、アルミニウム膜では結晶粒界から漏れていた近赤外光、赤外光等の長波長領域の光も反射することができる。
上記孔９３の内部には、反射層４３を介して絶縁膜もしくは導電膜からなる埋め込み材料４４が埋め込まれている。このように、埋め込み材料４４によって孔９３を埋め込むことで、孔９３では段差を生じることが解消されている。
さらに、上記各コンタクト部４１、４２や上記反射層４３に接続する第１配線５１〜５３が形成されている。上記反射層４３に接続する第１配線５３は、例えば、上記電極層３４を投影した形状、もしくはその形状より大きい形状に形成されていることが好ましい。また、上記第１配線５１〜５３は、例えばタングステンで形成されることが好ましいが、その他の金属材料、例えば銅、アルミニウム等であってもよい。例えば、第１配線５１〜５３をタングステンで形成した場合には、上記反射層４３で反射しきれなかった、例えば反射層４３の周部から漏れた上記長波長領域の光を、第１配線５１〜５３によって、光電変換部２１側に反射させることが可能になる。
上記第１配線５１〜５３には、例えばビア５４〜５６を介して第２配線６１〜６３が接続されている。同様に、上記第２配線６１〜６３には、例えばビア６４〜６６を介して第３配線７１〜７３が接続されている。図面では３層構造の配線層を有する固体撮像装置２を示したが、配線層が４層以上であっても、本発明は適用できる。上記各配線層を被覆するように、前記絶縁膜８１を含む絶縁膜８０が形成されている。この絶縁膜８０は、配線形成に応じて、複数層の絶縁膜で形成されているものである。また、上記半導体層１１の光入射側とは反対側には、図示はしていないが、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等のトランジスタ群や、上記第１配線５１〜５３、ビア５４〜５６、第２配線６１〜６３、ビア６４〜６６、第３配線７１〜７３等の配線層からなる信号回路部が形成されている。
上記第２実施例の固体撮像装置２では、光電変換部２１の光入射側とは反対側に、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１側に反射する反射層４３を備えたことから、光電変換部２１に入射した光が光電変換部２１で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部２１を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層４３で反射させて、再び光電変換部２１に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部２１を透過した光をもう一度光電変換部２１で受光することができるため、特に光電変換部２１で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部２１の長波長領域の感度を向上させることができる。また、反射層４３は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部２１で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層４３で反射され、もとの光電変換部２１に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
上記第２実施例の構成の固体撮像装置２を製造するには、上記ゲート電極３２上にコンタクト部４１を形成し、上記画素分離領域１２上にコンタクト部４２を形成する際に、上記光電変換部２１上に上記ゲート絶縁膜３１を介して上記コンタクト部４１、４２と同様なるコンタクト部からなる反射層４３を形成すればよい。ただし、反射層４３で孔９３を埋め込むことができないので、反射層４３で埋め込めなかった部分に絶縁膜もしくは導電膜からなる埋め込み材料４４が埋め込む。例えば、絶縁膜８１に形成された孔９１、９２にタングステン膜を埋め込んで上記コンタクト部４１、４２を形成するのと同時に、光電変換部２１上の絶縁膜８１に形成した孔９３の内面にタングステン膜を成膜することで、反射層４３を形成する。次いで、孔９３の反射層４３で埋め込み切れなかった部分に絶縁膜もしくは導電膜からなる埋め込み材料４４を埋め込み、その後、余剰な埋め込み材料を除去する。
次に、本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第３実施例）を、図３の概略構成断面図および図４の平面レイアウト図によって説明する。
図３および図４に示すように、半導体層１１には画素を分離する画素分離領域１２が形成されている。上記半導体層１１には、例えばシリコン層が用いられる。また、画素分離領域１２は、例えばｐ型ウエル領域で形成されている。上記画素分離領域１２によって区分される領域には、光電変換部２１が形成されている。光電変換部２１の光入射側（図面で光電変換部２１の下部側）には、ホール蓄積層２２が形成されている。このホール蓄積層２２は、例えばｐ+領域で形成されている。また、上記光電変換部２１の光入射側とは反対側（図面で光電変換部２１の上部側）にはホール蓄積層２３が形成され、その下層にはｎ型ウエル領域２４が形成されている。このホール蓄積層２３は、例えばｐ+領域で形成されている。また、光電変換部２１上にはゲート絶縁膜３１を介してゲート電極（例えば転送ゲート）３２が形成されている。また、ゲート電極３２の一方側の半導体層１１にはｎ+領域２５が形成されている。
上記ゲート電極３２上にはコンタクト部４１が形成され、上記画素分離領域１２上にはコンタクト部４２が形成されるとともに、上記光電変換部２１の周部上には上記ゲート絶縁膜３１を介して上記コンタクト部４１、４２と同時に形成される反射層４３が形成されている。また、図示はしていない信号回路部の他のトランジスタ（例えば、ゲート電極、ソース・ドレイン領域等）に接続するコンタクト部も形成されている。上記ゲート絶縁膜３１、ゲート電極３２上には絶縁膜８１が形成され、上記各コンタクト部はこの絶縁膜８１に形成された孔に、例えば導電層を埋め込むことで形成されている。そこで、図４に示すように、上記反射層４３が形成される溝９４は、上記光電変換部２１の周部上に、溝９４が導電層で埋め込まれる幅に形成されている。なお、図４（１）は光電変換部２１と溝９４に形成された反射層４３の位置関係を示し、図４（２）はさらに第１配線５３を加えた光電変換部２１と溝９４に形成された反射層４３の位置関係を示している。
上記反射層４３は、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。例えば、少なくとも近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。上記反射層４３は、上記長波長領域の光とともに、それよりも短い波長の光、例えば可視光や、さらに近紫外光、紫外光等も反射するものであってもよい。このような特性を有する材料の一例として、タングステン層がある。したがって、上記反射層４３は、タングステン層で形成されることが好ましい。もしくは、タングステン層を含む層で形成されることが好ましい。このような積層構造として、ポリシリコン層とタングステン層との積層構造、タングステン層とシリサイド層との積層構造がある。また、上記溝９４を埋め込むように形成した反射層４３は、近赤外光や赤外光等の長波長領域の光が透過しない膜厚に形成されることが必要である。
このように、反射層４３がタングステン層で形成されていることから、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射することができる。しかも、上記タングステン層は、従来のアルミニウム層のようにグレイン成長して成膜されるものではないので、結晶粒界ができ難い。このため、アルミニウム膜では結晶粒界から漏れていた近赤外光、赤外光等の長波長領域の光も反射することができる。
さらに、上記各コンタクト部４１、４２や上記反射層４３に接続する第１配線５１〜５３が形成されている。上記反射層４３に接続する第１配線５３は、例えば、上記電極層３４を投影した形状、もしくはその形状より大きい形状に形成されていることが好ましい。また、上記第１配線５１〜５３は、例えばタングステン層もしくは少なくともタングステン層を含む層で形成される。上記第１配線５３がタングステン層もしくはタングステン層を含む層で形成されたことで、反射層４３に囲まれた領域を透過する上記長波長領域の光を光電変換部２１側に反射させることが可能になる。また、反射層４３が光電変換部２１の周部上に形成され、第１配線５３に接続されていることから、光電変換部２１を透過した光は、第１配線５３および反射層４３によって当該光電変換部２１側に反射されるので、他の画素に入射されることなく、当該光電変換部２１に再入射させることが可能になる。すなわち、この第３実施例では、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１に再入射させる機能からして、第１配線５３も反射層となっている。
また、上記反射層４３が形成される溝９４は、光電変換部２１に接続して形成される転送トランジスタ１０１に重ならないように形成されている。なお、一例として、光電変換部には、転送トランジスタ１０１、リセットトランジスタ１０２、増幅トランジスタ１０３が順に接続されている。また、例えば、転送トランジスタ１０１の転送ゲート１０１Ｇに接続するコンタクト部４１、各トランジスタのソースドレインに接続するコンタクトが設けられている。
上記第１配線５１〜５３には、例えばビア５４〜５６を介して第２配線６１〜６３が接続されている。同様に、上記第２配線６１〜６３には、例えばビア６４〜６６を介して第３配線７１〜７３が接続されている。図面では３層構造の配線層を有する固体撮像装置３を示したが、配線層が４層以上であっても、本発明は適用できる。上記各配線層を被覆するように、前記絶縁膜８１を含む絶縁膜８０が形成されている。この絶縁膜８０は、配線形成に応じて、複数層の絶縁膜で形成されているものである。また、上記半導体層１１の光入射側とは反対側には、転送トランジスタ１０１、リセットトランジスタ１０２、増幅トランジスタ１０３等のトランジスタ群や、上記第１配線５１〜５３、ビア５４〜５６、第２配線６１〜６３、ビア６４〜６６、第３配線７１〜７３等の配線層からなる信号回路部が形成されている。
上記第３実施例の固体撮像装置３では、光電変換部２１の光入射側とは反対側に、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１側に反射する反射層４３および第１配線５３を備えたことから、光電変換部２１に入射した光が光電変換部２１で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部２１を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層４３および第１配線５３、で反射させて、再び光電変換部２１に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部２１を透過した光をもう一度光電変換部２１で受光することができるため、特に光電変換部２１で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部２１の長波長領域の感度を向上させることができる。また、反射層４３および第１配線５３は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部２１で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層４３で反射され、もとの光電変換部２１に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
上記第３実施例の構成の固体撮像装置３を製造するには、上記ゲート電極３２上にコンタクト部４１を形成し、上記画素分離領域１２上にコンタクト部４２を形成する際に、上記光電変換部２１上に上記ゲート絶縁膜３１を介して上記コンタクト部４１、４２と同様なるコンタクト部からなる反射層４３を形成すればよい。例えば、絶縁膜８１に形成された孔９１、９２にタングステンを埋め込んで上記コンタクト部４１、４２を形成するのと同時に、光電変換部２１上の絶縁膜８１に形成した溝９４にタングステンを埋め込むことで、反射層４３を形成する。そして、コンタクト部４１に接続する第１配線５１、コンタクト部４２に接続する第１配線５２を形成するのと同時に、反射層４３に接続する第１配線５３を、上記光電変換部２１上を覆うように形成する。
本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第４実施例）を、図５の概略構成断面図によって説明する。
図５に示すように、半導体層１１には画素を分離する画素分離領域１２が形成されている。上記半導体層１１には、例えばシリコン層が用いられる。また、画素分離領域１２は、例えばｐ型ウエル領域で形成されている。上記画素分離領域１２によって区分される領域には、光電変換部２１が形成されている。光電変換部２１の光入射側（図面で光電変換部２１の下部側）には、ホール蓄積層２２が形成されている。このホール蓄積層２２は、例えばｐ+領域で形成されている。また、上記光電変換部２１の光入射側とは反対側（図面で光電変換部２１の上部側）にはホール蓄積層２３が形成され、その下層にはｎ型ウエル領域２４が形成されている。このホール蓄積層２３は、例えばｐ+領域で形成されている。また、光電変換部２１上にはゲート絶縁膜３１を介してゲート電極（例えば転送ゲート）３２が形成されている。また、ゲート電極３２の一方側の半導体層１１にはｎ+領域２５が形成されている。
上記光電変換部２１上には、上記ゲート絶縁膜３１を介して、上記ゲート電極３２と同一層で形成される電極層３４が形成されている。この電極層３４は、例えばポリシリコンで形成され、もしくはポリサイドで形成されることも可能である。上記電極層３４には、上記ゲート電極３２に接続するコンタクト部４１、図示はしていない信号回路部の他のトランジスタ（例えば、ゲート電極、ソース・ドレイン領域等）に接続するコンタクト部、画素分離領域１２に接続するコンタクト部４２とともに、複数のコンタクト部からなる反射層４３が形成されている。この反射層４３は、上記電極層３４上にできうる限り多数形成されていて、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。例えば、少なくとも近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。上記反射層４３は、上記長波長領域の光とともに、上記長波長領域の光よりも短い波長の光、例えば可視光や、さらに近紫外光、紫外光等も反射するものであってもよい。このような特性を有する材料の一例として、タングステン層がある。したがって、上記反射層４３は、タングステン層で形成されることが好ましい。もしくは、タングステン層を含む層で形成されることが好ましい。また、上記電極層３４上に形成される反射層４３は、その間隔が設計ルールの最小寸法となるように、かつ個々の反射層４３の大きさ（口径）が最大寸法と成るように形成されている。つまり、電極層３４上に形成される反射層４３が占める面積が最大となるように形成されている。
さらに、上記各コンタクト部４１、４２や上記反射層４３に接続する第１配線５１〜５３が形成されている。上記反射層４３に接続する第１配線５３は、例えば、上記電極層３４を投影した形状、もしくはその形状より大きい形状に形成されていることが好ましい。また、上記第１配線５１〜５３は、例えばタングステン層もしくは少なくともタングステン層を含む層で形成される。上記第１配線５３がタングステン層もしくはタングステン層を含む層で形成されたことで、反射層４３間を透過する上記長波長領域の光を光電変換部２１側に反射させることが可能になる。また、光電変換部２１を透過した光は、第１配線５３および反射層４３によって当該光電変換部２１側に反射されるので、他の画素に入射されることが低減され、当該光電変換部２１に再入射させることが可能になる。すなわち、この第４実施例では、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１に再入射させる機能からして、第１配線５３も反射層となっている。
上記第１配線５１〜５３には、例えばビア５４〜５６を介して第２配線６１〜６３が形成されている。同様に、上記第２配線６１〜６３には、例えばビア６４〜６６を介して第３配線７１〜７３が形成されている。図面では３層構造の配線層を有する固体撮像装置４を示したが、配線層が４層以上であっても、本発明は適用できる。上記各配線層を被覆するように、絶縁膜８１が形成されている。この絶縁膜８１は、配線形成に応じて、複数層の絶縁膜で形成されているものである。また、上記半導体層１１の光入射側とは反対側には、図示はしていないが、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等のトランジスタ群や、上記第１配線５１〜５３、ビア５４〜５６、第２配線６１〜６３、ビア６４〜６６、第３配線７１〜７３等の配線層からなる信号回路部が形成されている。
上記第４実施例の固体撮像装置４では、光電変換部２１の光入射側とは反対側に、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１側に反射する複数の反射層４３を備えたことから、光電変換部２１に入射した光が光電変換部２１で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部２１を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層４３で反射させて、再び光電変換部２１に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部２１を透過した光をもう一度光電変換部２１で受光することができるため、特に光電変換部２１で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部２１の長波長領域の感度を向上させることができる。また、反射層４３は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部２１で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層４３で反射され、もとの光電変換部２１に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
さらに、上記電極層３４にバイアスを印加することによって、光電変換部２１の電荷を蓄積する領域のポテンシャルを変化させることが可能となる。現状のＣＭＯＳイメージセンサでは、上記電荷蓄積部分のポテンシャル深さは、電荷読み出し時に読み出し残り、つまり残像がなく完全に転送できるように設計しなければならない。そこで、本発明のよう
に、電荷読み出し時にバイアスを印加することによって、電荷蓄積部分のポテンシャルを浅い方向へ変化させ、読み出しの効率を保ったまま、電荷蓄積領域のポテンシャルを深くし、飽和電荷量を増加させることができる。
また、光電変換部２１上にバイアス印加が可能な電極層３４が形成されているので、ピニング対策となる。また、電極層３４がポリシリコンで形成されている場合、ポリシリコンのみでは反射膜としての機能が不十分であるが、電極層３４上にコンタクト部と同様な構成のタングステンからなる反射層４３を形成しているので、反射効率も確保されている。
上記第４実施例の構成の固体撮像装置４を製造するには、ゲート電極３２を形成する工程で、光電変換部２１上のゲート絶縁膜３１上に電極層３４を形成する。すなわち、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等のトランジスタ群のゲート電極を形成する工程で電極層３４を形成する。さらに、上記ゲート電極３２上にコンタクト部４１を形成し、上記画素分離領域１２上にコンタクト部４２を形成する際に、上記電極層３４上に上記コンタクト部４１、４２と同様なるコンタクト部からなる複数の反射層４３を形成すればよい。例えば、絶縁膜８１に形成された孔９１、９２にタングステンを埋め込んで上記コンタクト部４１、４２を形成するのと同時に、光電変換部２１上の絶縁膜８１に形成した複数の孔９３にタングステンを埋め込むことで、反射層４３を形成する。このとき、上記電極層３４上に形成される反射層４３は、その間隔が設計ルールの最小寸法となるように、かつ個々の反射層４３の大きさ（口径）が最大寸法と成るように形成する。つまり、電極層３４上に形成される反射層４３が占める面積が最大となるように形成する。
次に、本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第５実施例）を、図６の概略構成断面図によって説明する。
図６に示すように、半導体層１１には画素を分離する画素分離領域１２が形成されている。上記半導体層１１には、例えばシリコン層が用いられる。また、画素分離領域１２は、例えばｐ型ウエル領域で形成されている。上記画素分離領域１２によって区分される領域には、光電変換部２１が形成されている。光電変換部２１の光入射側（図面で光電変換部２１の下部側）には、ホール蓄積層２２が形成されている。このホール蓄積層２２は、例えばｐ+領域で形成されている。また、上記光電変換部２１の光入射側とは反対側（図面で光電変換部２１の上部側）にはホール蓄積層２３が形成され、その下層にはｎ型ウエル領域２４が形成されている。このホール蓄積層２３は、例えばｐ+領域で形成されている。また、光電変換部２１上にはゲート絶縁膜３１を介してゲート電極（例えば転送ゲート）３２が形成されている。また、ゲート電極３２の一方側の半導体層１１にはｎ+領域２５が形成されている。
上記ゲート電極３２上にはコンタクト部４１が形成され、上記画素分離領域１２上には光電変換部２１の周囲に形成した溝９５を埋め込む反射層４３が形成されている。また、図示はしていない信号回路部の他のトランジスタ（例えば、ゲート電極、ソース・ドレイン領域等）に接続するコンタクト部も形成されている。上記ゲート絶縁膜３１、ゲート電極３２上には絶縁膜８１が形成され、上記各コンタクト部、反射層４３はこの絶縁膜８１に形成された孔および溝９５に、例えば導電層を埋め込むことで形成されている。
上記反射層４３は、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。例えば、少なくとも近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を上記光電変換部２１側に反射するものからなる。上記反射層４３は、上記長波長領域の光とともに、それよりも短い波長の光、例えば可視光や、さらに近紫外光、紫外光等も反射するものであってもよい。このような特性を有する材料の一例として、導電性を有するタングステン層がある。したがって、上記反射層４３は、タングステン層で形成されることが好ましい。もしくは、タングステン層を含む層で形成されることが好ましい。このような積層構造として、ポリシリコン層とタングステン層との積層構造、タングステン層とシリサイド層との積層構造がある。また、上記溝９５を埋め込むように形成した反射層４３は、近赤外光や赤外光等の長波長領域の光が透過しない膜厚に形成されることが必要である。
このように、反射層４３がタングステン層で形成されていることから、上記光電変換部２１を透過した光を上記光電変換部２１側に反射することができる。しかも、上記タングステン層は、従来のアルミニウム層のようにグレイン成長して成膜されるものではないので、結晶粒界ができ難い。このため、アルミニウム膜では結晶粒界から漏れていた近赤外光、赤外光等の長波長領域の光も反射することができる。
さらに、上記コンタクト部４１に接続する第１配線５１や上記反射層４３に接続する第１配線５３が形成されている。上記反射層４３に接続する第１配線５３は、例えば、上記光電変換部２１を囲む反射層４３の外形と同等の大きさもしくはその形状より大きい形状に形成されていることが好ましい。また、上記第１配線５１、５３は、例えばタングステン層もしくは少なくともタングステン層を含む層で形成される。上記第１配線５３がタングステン層もしくはタングステン層を含む層で形成されたことで、反射層４３に囲まれた領域を透過する上記長波長領域の光を光電変換部２１側に反射させることが可能になる。また、反射層４３が光電変換部２１の周部上に形成され、第１配線５３に接続されていることから、光電変換部２１を透過した光は、第１配線５３および反射層４３によって当該光電変換部２１側に反射されるので、他の画素に入射されることなく、当該光電変換部２１に再入射させることが可能になる。すなわち、この第５実施例では、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１に再入射させる機能からして、第１配線５３も反射層となっている。
上記第１配線５１、５３には、例えばビア５４、５６を介して第２配線６１、６３が接続されている。同様に、上記第２配線６１、６３には、例えばビア６４、６６を介して第３配線７１、７３が接続されている。図面では３層構造の配線層を有する固体撮像装置５を示したが、配線層が４層以上であっても、本発明は適用できる。上記各配線層を被覆するように、前記絶縁膜８１を含む絶縁膜８０が形成されている。この絶縁膜８０は、配線形成に応じて、複数層の絶縁膜で形成されているものである。また、上記半導体層１１の光入射側とは反対側には、図示はしていないが、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等のトランジスタ群や、上記第１配線５１〜５３、ビア５４〜５６、第２配線６１〜６３、ビア６４〜６６、第３配線７１〜７３等の配線層からなる信号回路部が形成されている。
上記第５実施例の固体撮像装置５では、光電変換部２１の光入射側とは反対側に、光電変換部２１を透過した光を光電変換部２１側に反射する反射層４３および第１配線５３を備えたことから、光電変換部２１に入射した光が光電変換部２１で吸収しきれなかった場合、特に光電変換部２１を透過し易い長波長領域の光、例えば近赤外光、赤外光等の長波長領域の光を反射層４３および第１配線５３、で反射させて、再び光電変換部２１に戻すことができる。すなわち、一旦光電変換部２１を透過した光をもう一度光電変換部２１で受光することができるため、特に光電変換部２１で受光できる長波長領域の光量が実質的に増大されることになる。このため、光電変換部２１の長波長領域の感度を向上させることができる。また、反射層４３および第１配線５３は、タングステン層もしくはタングステン層を含む層からなることから、グレイン成長して形成されるアルミニウム層からなる反射層よりも緻密に形成されるため、特に近赤外光や赤外光等の長波長領域の光を反射することができる。また、光入射面から入射した光のうち光電変換部２１で吸収しきれなかった光が、信号回路側の反射層４３で反射され、もとの光電変換部２１に戻されることによって、隣接する画素に光が漏れることで生じる混色を防止することができる。
上記第５実施例の構成の固体撮像装置５を製造するには、上記ゲート電極３２上にコンタクト部４１を形成する際に、上記ゲート電極３２上に形成されるコンタクト部４１と同様に、上記画素分離領域１２上にコンタクト部からなる反射層４３を形成すればよい。例えば、絶縁膜８１に形成された孔９１にタングステンを埋め込んで上記コンタクト部４１を形成するのと同時に、画素分離領域１２上の絶縁膜８１に形成した溝９５にタングステンを埋め込むことで、反射層４３を形成する。そして、コンタクト部４１に接続する第１配線５１を形成するのと同時に、反射層４３に接続する第１配線５３を、上記光電変換部２１上を覆うように形成する。
上記各固体撮像装置１〜５では、反射層４３にタングステンを用いたが、下層側にシリサイドを形成したタングステンとの積層構造、下層側にポリシリコンを形成したタングステンとの積層構造としてもよい。このような構造を採用することにより、タングステン加工の際に、シリサイドもしくはポリシリコンによって、下地の加工ダメージを防止することができる。
次に、本発明の撮像装置に係る一実施の形態（実施例）を、図７のブロック図によって説明する。
図７に示すように、撮像装置２００は、撮像部２０１に固体撮像装置（図示せず）を備えている。この撮像部２０１の集光側には像を結像させる結像光学系２０２が備えられ、また、撮像部２０１には、それを駆動する駆動回路、固体撮像装置で光電変換された信号
を画像に処理する信号処理回路等を有する信号処理部２０３が接続されている。また上記信号処理部によって処理された画像信号は画像記憶部（図示せず）によって記憶させることができる。このような撮像装置２００において、上記固体撮像装置には、前記実施の形態で説明した固体撮像装置１〜５を用いることができる。
本発明の撮像装置２００では、本願発明の固体撮像装置１〜５を用いることから、上記説明したのと同様に、各画素の光電変換部の面積が十分に確保される。よって、画素特性、例えば高感度化が可能になるという利点がある。
なお、本発明の撮像装置２００は、上記構成に限定されることはなく、固体撮像装置を用いる撮像装置であれば如何なる構成のものにも適用することができる。
上記固体撮像装置１〜５はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、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、固体撮像装置のみではなく、撮像装置にも適用可能である。この場合、撮像装置として、高画質化の効果が得られる。ここで、撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことを示す。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第１実施例）を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第２実施例）を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第３実施例）を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第３実施例）を示した平面レイアウト図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第４実施例）を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置に係る一実施の形態（第５実施例）を示した概略構成断面図である。 本発明の撮像装置に係る一実施の形態（実施例）を示したブロック図である。 従来の固体撮像装置の一例を示した概略構成断面図である。
１…固体撮像装置、１１…半導体層、２１…光電変換部、４３…反射層

Claims (2)

  1. 半導体層中に形成された光電変換部と、
    前記光電変換部で光電変換された信号電荷を取り扱うもので、前記光電変換部に入射する光の入射側とは反対側の前記半導体層に形成された信号回路部と、
    前記半導体層の前記光の入射側とは反対側の面に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記光電変換部に隣接する前記半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲートのゲート電極と、
    前記光電変換部上に前記ゲート絶縁膜を介して形成されていて前記光電変換部を透過した光を前記光電変換部側に反射する反射層とを備え、
    前記反射層は、タングステン層もしくは少なくともタングステン層を含む層からなり、
    前記光電変換部上の前記ゲート絶縁膜と前記反射層との間にポリシリコン電極層が形成され、
    前記ポリシリコン電極層は前記反射層を介してバイアス電圧が印加される
    固体撮像装置。
  2. 半導体層中に形成された光電変換部と、
    前記光電変換部で光電変換された信号電荷を取り扱うもので、前記光電変換部に入射する光の入射側とは反対側の前記半導体層に形成された信号回路部と、
    前記半導体層の前記光の入射側とは反対側の面に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記光電変換部に隣接する前記半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲートのゲート電極と、
    前記光電変換部上に前記ゲート絶縁膜を介して形成されていて前記光電変換部を透過した光を前記光電変換部側に反射する反射層とを備え、
    前記反射層は、タングステン層もしくは少なくともタングステン層を含む層からなり、前記ゲート絶縁膜を介して前記光電変換部の周囲上に沿って形成され、
    前記反射層上に接続する配線層が前記光電変換部上に延長形成されていて、
    前記配線層はタングステン層もしくは少なくともタングステンを含む層で形成されてい
    る
    固体撮像装置。
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