【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を用いて色毎の光検出を行う撮像センサ、特に現在問題となっている赤感度を向上させたそれに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像センサにはＣＣＤや図９に示したＣＭＯＳセンサ等がある。これら撮像デバイスは、半導体プロセスに用いられる微細化技術によってその集積度を増大させ、前記デバイスのチップ面積を縮小させてきている。
【０００３】
前記集積度の増大とは前記センサの画素数の増大であり、前記撮像する画像の解像度向上に寄与し、高精彩、高画質な絵を提供可能となっている。
【０００４】
又、前記チップ面積の縮小は前記チップの取れ数を増大させ、前記撮像センサの大幅な安価化を達成している。又、それだけでなく、用いる光学系の口径をも縮小させ、ポータブルな各種撮像機器を出現させている。近年、携帯電話にも搭載されていることは、周知の象徴的な出来事である。
【０００５】
このように前記センサの画素を微細化することは前記撮像センサのパフォーマンスとコストの両方の向上を達成するが、それに伴って前記微細化の制約となる要因が次第に明らかになりつつある。
【０００６】
１つは微細化技術そのものであり、これらはプロセスドライバーとなる例えばプロセッサやＤＲＡＭといったデバイスによって開発、蓄積される。
【０００７】
又、前記画素の大きさが光の波長程度になった場合には、前記画素に光が入射しない、といった問題が生じる。これらを解決する手段として、例えば特開平９−９７８９１号等が公知である。
【０００８】
又、以前は光電変換素子であるホトダイオードの直上には、電荷転送のためのポリシリコン電極が被されていたために、青色感度が低下していたが、今日では埋め込みホトダイオード構造を採用することによって、前記青色感度の低下の問題は解決されている。
【０００９】
更に、前記微細化によるホトダイオード開口率の低下に対処するため、例えば特許第３０４４７３４号に記載の層内レンズ、２重レンズ系等が公知である。
【００１０】
又、半導体基板の一種であるＳＯＩ基板の種類には例えば酸素イオンをＳｉウエハ中に注入して作成するＳＩＭＯＸ基板、２枚の基板を陽極接合によって貼り合わせて作る貼り合わせ基板等がある。本出願人のＥＬＴＲＡＮ基板も後者の一種である。
【００１１】
前記ＳＩＭＯＸ基板中の埋め込み酸化膜の膜厚は大略５００Å程度である。又、後者の基板の貼り合わせ酸化膜厚には、或る程度の膜厚自由度がある。
【００１２】
前記ＳＯＩ基板は微細化ＭＯＳ用に検討されている基板の一候補であるが、前記基板を用いて撮像センサを形成した例には、例えばＩＥＤＭ‘８６、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ＰＰ３６９−３７２、特許第２５５９４６５号、第２５９４９９２号があるが、これらは主に前記画素構造を縮小するための構成手段を論じている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記画素の微細化の制約となる他の重要な要因として、長波長光即ち赤色光の透過特性が挙げられる。前記画素の微細化は横方向だけでなく、縦方向にも進行する。すると、Ｓｉ基板の内方まで到達する比較的波長の長い光は、前記浅く形成された光電変換素子であるホトダイオードによっては充分に検出されなくなる。これが現在ＣＣＤカラーセンサやＣＭＯＳカラーセンサで問題となっている赤感度問題である。
【００１４】
例えば、波長５００ｎｍの緑色光は吸収係数は１．１×１０４ ｃｍ−１程度であるが、波長８００ｎｍの赤色光のそれは１．０×１０３ ｃｍ−１であり、両者の光強度が半減する距離は０．６３μｍと６．９μｍと大きく異なっている。
【００１５】
不純物濃度が低い基板を用い、比較的高電圧な電圧を印加し、空乏層を前記Ｓｉ基板の内方深くまで張ることによっても前記長波長光の検出は可能となるが、深さ方向に深いホトダイオードは前記画素の微細化の妨げとなる。
【００１６】
又、例えば特許第３０４９０１５号に開示されているように、Ｓｉ−Ｇｅ等のＳｉとは異なるバンドギャップを持つ半導体層を前記光電変換素子部に形成することによっても前記長波長光の光電変換特性は改善されるが、前記Ｓｉ基板上に他種の半導体層を形成したりすることは、必然的にプロセスを複雑、困難、高価にする。
【００１７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、赤感度の高い撮像センサを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の問題を解決するものである。
【００１９】
本発明は光を検出する光電変換素子が形成された半導体層の下方に、少なくとも特定の波長の光、即ち現在問題となっている長波長光である赤色光を反射するための反射構造を設けることによって、前記赤色光の感度向上を図る。
【００２０】
前記光電変換素子に吸収されず透過した赤色光は前記反射構造により正反射され、元来た方向へと戻される。前記反射された赤色光は再び光電変換素子部へと戻され前記光電変換素子によって少なくともその一部は吸収される。これにより赤感度が向上する。
【００２１】
前記感度向上に反射膜を用いる特許には例えば特公平７−４４６６４号公報に記載されいるが、前記特許では光センサと反射膜の間には透光性絶縁膜が横たわっており、しかも、前記反射膜が島状である点が本発明とは異なっている。
【００２２】
本発明においては前記透光性絶縁膜は半導体層であり、前記反射膜は必ずしも島状に分離している必要はない。又、本発明に用いる反射構造は前記反射膜に限定しない。
【００２３】
又、本発明では前記反射構造によって反射される光は主に赤色光を含む長波長光のみであり、短波長光である青色光はその殆どが前記光電変換素子（光センサ）によって直接吸収、変換されるため、前記反射構造の深さまでは殆ど到達しない。従って、前記反射構造の前記短波長光である青色光に対する特性には殆ど制約がない。
【００２４】
本発明では前記反射構造は特定の厚さを有する絶縁膜、光学干渉膜を多層積層して形成された干渉フィルタ、或は金属又は金属酸化物を含む反射面によって実現される。
【００２５】
前記絶縁膜の材質としては半導体プロセスの実績があり、しかも、清浄な、例えばシリコン酸化膜（熱酸化膜）、シリコン窒化膜が適当である。前記膜厚は特定の光である赤色光、例えば波長λ＝６５０ｎｍの光に対して最適化される。
【００２６】
前記受光部が形成されている単結晶シリコン基板中に、反射構造として前述の特定の厚さを有する単層絶縁膜を形成した場合には、良く知られた干渉条件式
２＊ｎ＊ｔ＝（Ｎ＋１／２）λ
ｔ：薄膜の膜厚
Ｎ：自然数
によって、前記絶縁膜の最適な膜厚をおおよそ決定することができる。前式を計算することにより熱酸化膜の場合には１１１ｎｍ、窒化膜の場合には８１ｎｍという値が求まる。
【００２７】
又、多層膜から成る干渉フィルタに関しても、市販の光学シミュレータによって容易に最適化設計することができる。前記干渉フィルタは反射バンドの幅を広く取れるので、単一膜による特定の波長の光（波長λ＝６５０ｎｍ）だけでなく、例えば赤色光全体（波長λ＝５７５−７００ｎｍ）に対して反射するように作成することも可能である。具体的な数値例は、後の実施例で開示することとする。
【００２８】
又、金属は特定の波長だけでなく全ての波長の光を反射するが、その存在は半導体プロセスにとっては有害となる場合が多い。従って、用いる金属は融点の高い高融点金属であり、しかも、プロセスの実績がある、例えばＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ等が望ましい。
【００２９】
これら金属製の反射膜は全ての波長の光を反射するので、赤色だけでなく短波長の青色の感度も同時に向上可能である。本構成は特に光電変換素子を内蔵する半導体層が薄膜化された極限においては、非常に有効である。
【００３０】
又、前記絶縁膜を反射構造として用いる実施例においては、前記撮像センサを製造する基板にＳＯＩ基板を選択することも可能である。
【００３１】
前記基板のＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ 部分は半導体層に、Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ 部分は反射膜としても用いることができる。
【００３２】
前述のように、ＳＯＩ基板は微細化ＭＯＳを形成する基板の候補に上がってきており、前記基板の採用は今後予定される撮像センサの微細化に際しては特に障害とはならない。
【００３３】
又、前記高融点金属から成る反射膜を表面上に形成した基板に、表面を熱酸化した単結晶シリコン基板を陽極接合等で貼り合わせて、本発明の半導体層、反射構造を形成することもできる。
【００３４】
又、特にＳＯＩ基板を用いなくとも、前記撮像センサを公知の単結晶シリコン基板上に形成した後に、表面に保護フィルム等を貼り付け公知のバックグラインド法により薄膜化し、その後反射膜が形成されている基板に接着することによって本発明の撮像センサを形成することもできる。
【００３５】
又、前記半導体層であるシリコン層には各種の半導体デバイスが形成されるので、或る一定以上の厚さは必要である。しかし、撮像センサにおいては前述したように赤感度を向上させる必要があることから、その厚さ以上に前記光電変換素子であるホトダイオード部においては更なる厚さが必要となる。
【００３６】
前記光電変換素子部における縦方向の構造は、検出すべき全ての光の中で最も検出感度の低い長波長光、即ち赤色光に対して最適化されるべきである。
【００３７】
前記シリコン層、反射膜等により形成される光学構造の光学特性は、前述のように市販のシミュレータでその縦構造を容易に最適化することができる。
【００３８】
又、前記光電変換素子部は画素が微細化されるに連れて更に小さくなり、光が入射しないような面積になることが想定される。その際にも前述した公報のように前記素子部の上方に集光用の第１レンズを設けることによって、前記入射光の減少を防止することができる。
【００３９】
本発明の特殊事情として、前記半導体層を透過し前記反射構造に斜め方向から光が入射すると、反射した光は入射方向とはずれて戻るため隣接する画素とクロストークを生じる可能性がある。従って、前記光電変換素子部に入射する光は、なるべくならば前記半導体層の垂線に対して平行な平行光（半導体層に対しては垂直）であることが望ましい。
【００４０】
そのような入射光の構成は、前記集光用第１レンズの下方に平行光作成のための第２レンズを追加することで実現することができる。
【００４１】
前記第２レンズは図１０に示したような公報に開示されている凸レンズ２重系ではなく、例えば凹レンズによって実現される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００４３】
＜実施の形態１＞
図１に本発明に係る撮像センサの画素部の概略断面図を示す。
【００４４】
前記画素の大きさは１０μｍ角である。
【００４５】
１５は半導体層であるシリコン層であり、厚さは１０μｍである。又、１４は厚さ２０００ÅのＣＶＤシリコン酸化膜であり、前記シリコン層の裏面に蒸着、形成されている。
【００４６】
１６は厚さ１５０Åのゲート酸化膜であり、２１、２２はＭＯＳＦＥＴのゲート電極、２３は金属配線、１７はそれらを電気的に保護する保護膜である。
【００４７】
前記１５〜１７までの構造は公知の半導体プロセスにより、単結晶シリコン基板上に形成される。その後、前記基板を裏面から３０μｍの厚さになるまでバックグラインドする。その後、前記薄膜化された基板を更にフッ硝酸やアルカリ溶液によって化学的に薄膜化し、最終的に１０μｍの厚さまで仕上げる。その後、前記基板の裏面にＣＶＤ法でシリコン酸化膜を蒸着する。
【００４８】
１２は厚さ７００μｍのサファイア基板であり、前記基板の表面は還元され、Ａｌ光沢を有している。１３は前記サファイア基板１２と前記薄膜化されたシリコン基板とを接着するための厚さ３０μｍの接着剤であり、波長６５０ｎｍの赤色光を透過する性質を有する。
【００４９】
撮像センサに入射する撮像光である赤色光２４は、その一部が光電変換素子であるホトダイオード１９によって吸収され、光電荷として前記ダイオード中に蓄積される。他方、吸収されなかった光は、前記半導体層１５を透過し、前記酸化膜１４、接着剤１３をも通り前記サファイア基板１２との界面まで到達する。前述のようにこの界面に形成されたＡｌ反射面によって前記赤色光は反射され、元来た方向へと戻される。前記反射された赤色光は再び前記ホトダイオード１９によってその一部が吸収され、前記光電荷となる。
【００５０】
本実施の形態によれば、従来基板内方へと透過逸散していた前記赤色光を有効に検出することができるため、赤感度が向上する。
【００５１】
本実施の形態に用いる基板１２は何もサファイア基板である必要はなく、その他の安価で清浄な赤色光反射特性を有する金属基板であっても良い。
【００５２】
又、前記基板を還元して作成したＡｌ反射面は、新たに基板上に金属膜を蒸着して形成しても良い。
【００５３】
又、前記両基板を接着するための手段は何も接着材によらずとも、例えば陽極接合等の直接接合手段であっても良い。
【００５４】
更に、前記半導体層は何も単結晶シリコン層である必要はなく、例えばポリシリコン層、アモルファスシリコン層、Ｓｉ−Ｇｅ層等他の半導体層であっても構わない。
【００５５】
＜実施の形態２＞
図２に本発明の実施の形態２に係るＣＭＯＳ撮像センサの画素部の概略断面図を示す。
【００５６】
前記画素の大きさは３μｍ角である。
【００５７】
３１は厚さ６２５μｍのＳＩＭＯＸ基板である。３２は基板部分であり、３４は厚さ１１１０Åの埋め込み酸化膜である。３５は厚さ３μｍの半導体層である単結晶シリコン層である。
【００５８】
前記埋め込み酸化膜３４の厚さは、波長６５０ｎｍの赤色光の反射率が高くなる値に設定されている。
【００５９】
又、前記半導体層３５の厚さは、赤色光の半減距離（６μｍ程度）の約半分の値に設定している。
【００６０】
３６は厚さ１５０Åの熱酸化膜であり、ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜を形成している。
【００６１】
３９は拡散深さ０．３μｍのｎ＋拡散層から成るホトダイオードであり、入射した光４４を吸収して光電荷である電子を発生させる。
【００６２】
４０はフローティング拡散層であり、ＭＯＳＦＥＴのゲート４１が開かれると、前記ホトダイオード３９に蓄積した電荷が流れ込む。前記拡散層４０は金属配線４３によってアンプＦＥＴのゲート４２に接続されており、前記ＦＥＴを流れる信号電流を前記光蓄積電荷によって変調させる。
【００６３】
前記各画素は隣接する画素と、ｐ＋拡散層から成るアイソレーション拡散層３８と保護膜３７によって電気的に絶縁されている。
【００６４】
本実施の形態によれば、図１０に示した従来例とは異なり、特定の波長を有する光、即ち波長６５０ｎｍの赤色光は前述のようにＳｉ基板下方に透過逸散することなく前記反射膜３４によってその大部分は反射されるため、前記赤色光に対してその検出感度を高めることができる。
【００６５】
前記感度の制約となっている赤色光の感度を高められるということは、それだけ画素を小さくできることを意味する。これは前記撮像センサの低コスト化或は多画素化が可能であることを意味している。
【００６６】
又、本実施の形態がＳＯＩ基板を使用することによって生じるコストアップは、前記プロセスコストの１０分の１程度であるので、前記画素の縮小化によるコストダウンメリットの方がより大きく、問題とならない。
【００６７】
本実施の形態に用いる反射膜１３の材質は、Ｓｉプロセスを制約せず汚染を生じない他の材質、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜等であっても良い。
【００６８】
又、本発明に用いる基板は何もＳＩＭＯＸ基板である必要はなく、他の貼り合わせ基板、例えばＥＬＴＲＡＮ基板であっても良い。
【００６９】
＜実施の形態３＞
本発明の撮像センサの第３の実施の形態として、前記赤色光を反射する反射膜に干渉薄膜の多層膜から成る反射フィルタを用いたそれを示す。
【００７０】
図３は本実施の形態で使用されている前記反射フィルタの縦構造であり、６１は厚さ６２５μｍの単結晶シリコン基板、６２は厚さ９８０ÅのＳｉＯ２ 、６３は厚さ９２０ÅのＳｉＮ、６４は厚さ９４０ÅのＳｉＯ２ 、６５は厚さ９１０ÅのＳｉＮ、６６は厚さ９００ÅのＳｉＯ２ 、６７は厚さ３μｍの単結晶シリコン層である。受光部であるホトダイオード６８は、前記シリコン層６７中に形成されている。又、前記ＳｉＯ２ の光学屈折率は１．４６、ＳｉＮのそれは２．０である。
【００７１】
図７に本実施の形態の受光部における分光透過特性を、幾何光学シミュレータで計算した結果を示す。図から分かるように、λ＝５７０〜７００ｎｍの範囲では透過率が４０％以下であり、前記干渉フィルタによって効率良く界面反射が生じていることが分かる。
【００７２】
前記干渉薄膜から成る反射フィルタは、図５に示した製造方法により作成することができる。
【００７３】
即ち、先ず前記干渉薄膜の全部或は一部が、ＳＩＯ基板となる基板８１，８２の貼り合わせ面の一方或は両方に形成され（８３，８６）、その後、両者の基板を公知の手法、例えば陽極接合法等により貼り合わせる。その結果、本発明の撮像センサが製造可能なＳＯＩ基板８８が最終的に形成される。ここで、８４は前記単結晶シリコン層である半導体層である。
【００７４】
本実施の形態によれば、前記反射膜の材質に汚染の心配がある各種金属を用いておらず、又、前記シリコン酸化膜やシリコン窒化膜は長い間Ｓｉプロセスに使用されてきた公知の材料であるので、撮像センサチップの歩留まりを低下させる恐れがない。
【００７５】
又、前記干渉薄膜の膜面は金属膜に見られるような凹凸が少なく平坦平滑であり、散乱成分の少ない正反射成分の多い反射光を得ることができる。そのため、それだけ隣接する画素へのクロストークが減少し、良好な光電変換、画素特性を得ることができる。これにより、高歩留まり安価に前記撮像センサを製造することができる。
【００７６】
＜実施の形態４＞
図４に本発明の第４の実施の形態に係る撮像センサの受光部の断面図を示す。
【００７７】
本実施の形態は、撮像センサの微細化が進行し、受光部であるホトダイオード等のデバイスを作り込む活性層の厚さが極限に達した例である。７１は単結晶シリコン基板であり、７４は厚さ１５００Åの熱酸化膜である。又、７７は前記活性層である厚さ４５０Åの単結晶シリコン層であり、その中には拡散深さ２００Åの前記ホトダイオード７８が形成されている。
【００７８】
本実施の形態の前記受光部の分光透過特性を図８に示す。図８によれば、波長λ＝４７０ｎｍから前記透過率は単調に減少し、前記赤色領域では充分に低い透過率、即ち高い反射率を示している。
【００７９】
本実施の形態によれば、微細化された撮像センサにおいても、従来の撮像センサよりも高い赤色感度を得ることができる。
【００８０】
＜実施の形態５＞
本発明の第５の実施の形態として、反射構造に干渉薄膜の多層膜ではなく、金属或は金属酸化物の反射面を用いた構成を以下に示す。
【００８１】
世の中では無酸素銅やコバール合金とホウケイ酸ガラスとの陽極接合は良く知られている。
【００８２】
従って、一方の基板に半導体層とアルカリ金属を含むガラスを形成しておき、他方に前記半導体プロセスに耐えるような例えば高融点金属の薄膜を蒸着しておき、両者の基板を陽極接合することで前記反射構造が金属反射面であるＳＯＩ基板を作製することができる。
【００８３】
その後の撮像センサのプロセスは上述したプロセスと同様である。
【００８４】
本実施の形態によれば、特定の波長ではなく、ほぼ全域に亘って反射する反射構造を入手することができるため、必要であるならば赤色光だけでなくより短波長光である青色光の感度をも向上させることが可能である。
【００８５】
＜実施の形態６＞
本発明の第６の実施の形態に係る撮像センサの画素部の概略断面図を図５に示す。
【００８６】
本発明では前記長波長側の光電変換効率を向上させるためにＳＯＩ基板中に形成された反射膜１００を利用しているが、前記反射膜１００に入射光が斜めに入射すると、前記入射した光は来た方向に戻らないで隣接する画素に入射し、クロストークの原因となってしまう。
【００８７】
そこで、本実施の形態では、前記画素に入射する光を集光する集光構造に工夫を凝らしている。
【００８８】
撮像センサに使用する集光構造は図１０に示したような２重レンズ系が一般的であるが、これだとホトダイオード２３６に入射する光は可成りの角度をもって入射するようになる。
【００８９】
それに対して、本実施の形態では、図５に示したように、第２レンズ１０７に凹レンズを採用し、前記第１凸レンズ１０９を通して入射する集光光を前記第２レンズ１０７で平行光線化することによって、前記シリコン層１０１と前記反射膜１００の界面に対してなるべく垂直に入射させるようにすることで、前述の画素間のクロストークを防いでいる。
【００９０】
本実施の形態によれば、クロストークの少ない良好な画像を得ることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、赤感度の高い撮像センサを提供することが可能であり、更に多画素低コストな撮像センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る撮像センサの画素部の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係るＣＭＯＳ撮像センサの画素部の概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る撮像センサの反射フィルタの縦構造図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る撮像センサの受光部の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態６に係る撮像センサの画素部の概略断面図である。
【図６】本発明の実施の形態６に係る撮像センサの画素部の概略断面図である。
【図７】本発明に係る撮像センサの受光部における分光透過特性を幾何光学シミュレータで計算した結果を示す図である。
【図８】本発明に係る撮像センサの受光部の分光透過特性を示す図である。
【図９】従来のＣＭＯＳセンサの断面図である。
【図１０】従来の撮像センサ（凸レンズ２重系）の断面図である。
【符号の説明】
１２，３２ 基板部分
１３ 接着材
１４，３４ 酸化膜
１５，３５ 半導体層
１６，３６ ゲート膜
１７，３７ 保護膜
１８，３８ イソレーション
１９，３９ ホトダイオード
２０，４０ 拡散層
２１，４１ ゲート電極
２２，４２ ゲート電極
２３，４３ 配線
２４，４４ 赤色光
３１ 基板
６１，７１ 基板
６２，６４，６６，７４ ＳｉＯ２
６３，６５ ＳｉＮ
６７，７７ シリコン
６８，７８ ホトダイオード
８１，８２ 基板
８３，８６ 干渉膜
８４ 半導体層
８５，８７ 基板部分
８８ ＳＯＩ基板
１００ 反射構造
１０１ 半導体層
１０２ 保護膜
１０３ カラーフィルタ
１０４ 平坦化層
１０５ ｐ型シリコン
１０６ ホトダイオード
１０７ 凹レンズ
１０８ 赤色カラーフィルタ
１０９ 凸レンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image sensor that performs light detection for each color using a semiconductor, and more particularly to an image sensor that has improved red sensitivity, which is currently a problem.
[0002]
[Prior art]
Conventional imaging sensors include a CCD and a CMOS sensor shown in FIG. The degree of integration of these imaging devices has been increased by miniaturization techniques used in semiconductor processes, and the chip area of the devices has been reduced.
[0003]
The increase in the degree of integration refers to an increase in the number of pixels of the sensor, which contributes to an improvement in the resolution of the image to be captured, and can provide a high-definition, high-quality picture.
[0004]
Also, the reduction in the chip area increases the number of chips that can be obtained, and achieves a significant cost reduction of the image sensor. In addition, the aperture of the optical system to be used has been reduced, and various portable imaging devices have appeared. In recent years, it is a well-known symbolic event that the mobile phone is also mounted.
[0005]
Although miniaturization of the pixels of the sensor achieves both improvement in performance and cost of the image sensor, factors limiting the miniaturization are becoming clearer.
[0006]
One is the miniaturization technology itself, which is developed and accumulated by a device such as a processor or a DRAM, which serves as a process driver.
[0007]
Further, when the size of the pixel becomes about the wavelength of light, there is a problem that light does not enter the pixel. As means for solving these problems, for example, JP-A-9-97891 is known.
[0008]
In addition, the blue sensitivity was reduced because a polysilicon electrode for charge transfer was covered immediately above a photodiode which was a photoelectric conversion element, but today, by adopting a buried photodiode structure, The problem of the decrease in the blue sensitivity has been solved.
[0009]
Furthermore, in order to cope with a decrease in the aperture ratio of the photodiode due to the miniaturization, for example, an in-layer lens, a double lens system, and the like described in Japanese Patent No. 3044734 are known.
[0010]
The SOI substrate, which is a type of semiconductor substrate, includes, for example, a SIMOX substrate formed by injecting oxygen ions into a Si wafer and a bonded substrate formed by bonding two substrates by anodic bonding. The applicant's ELTRAN substrate is also a type of the latter.
[0011]
The thickness of the buried oxide film in the SIMOX substrate is about 500 °. The latter substrate has a certain degree of freedom in the thickness of the bonded oxide film.
[0012]
The SOI substrate is a candidate for a substrate that has been studied for a miniaturized MOS. Examples of forming an image sensor using the substrate include, for example, IEDM'86, Technical Digest PP369-372, and Japanese Patent No. 2559465. , No. 2549992, which mainly discuss the means for reducing the pixel structure.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Another important factor that restricts the miniaturization of the pixel is the transmission characteristic of long-wavelength light, that is, red light. The miniaturization of the pixel proceeds not only in the horizontal direction but also in the vertical direction. Then, light having a relatively long wavelength reaching the inside of the Si substrate is not sufficiently detected by the photodiode which is a shallow photoelectric conversion element. This is the red sensitivity problem that is currently a problem with CCD color sensors and CMOS color sensors.
[0014]
For example, green light having a wavelength of 500 nm has an absorption coefficient of about 1.1 × 10 4 cm −1 , while red light having a wavelength of 800 nm has an absorption coefficient of 1.0 × 10 3 cm −1 , and the light intensity of both is reduced by half. The distances are significantly different between 0.63 μm and 6.9 μm.
[0015]
The long-wavelength light can be detected by using a substrate having a low impurity concentration, applying a relatively high voltage, and extending the depletion layer to the inside of the Si substrate. The photodiode hinders miniaturization of the pixel.
[0016]
Further, as disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3049015, by forming a semiconductor layer such as Si-Ge having a band gap different from that of Si in the photoelectric conversion element portion, the photoelectric conversion characteristic of the long-wavelength light can be obtained. However, the formation of other types of semiconductor layers on the Si substrate necessarily complicates the process, makes it difficult and expensive.
[0017]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an image sensor having high red sensitivity.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-mentioned problem.
[0019]
The present invention provides a reflection structure for reflecting at least light of a specific wavelength, that is, red light, which is a long-wavelength light that is currently a problem, below a semiconductor layer on which a photoelectric conversion element for detecting light is formed. Thereby, the sensitivity of the red light is improved.
[0020]
The red light transmitted through the photoelectric conversion element without being absorbed by the photoelectric conversion element is specularly reflected by the reflection structure and returned to the original direction. The reflected red light is returned to the photoelectric conversion element section again, and at least a part thereof is absorbed by the photoelectric conversion element. This improves the red sensitivity.
[0021]
Although a patent using a reflective film for improving the sensitivity is described in, for example, Japanese Patent Publication No. 7-44664, a translucent insulating film lies between the optical sensor and the reflective film in the patent. This is different from the present invention in that the reflection film has an island shape.
[0022]
In the present invention, the translucent insulating film is a semiconductor layer, and the reflective film does not necessarily need to be separated into islands. Further, the reflection structure used in the present invention is not limited to the reflection film.
[0023]
Further, in the present invention, light reflected by the reflection structure is mainly only long-wavelength light including red light, and most of blue light, which is short-wavelength light, is directly absorbed by the photoelectric conversion element (optical sensor). Since it is converted, it hardly reaches the depth of the reflection structure. Therefore, there is almost no restriction on the characteristics of the reflection structure with respect to the blue light which is the short wavelength light.
[0024]
In the present invention, the reflection structure is realized by an insulating filter having a specific thickness, an interference filter formed by laminating an optical interference film in multiple layers, or a reflection surface containing metal or metal oxide.
[0025]
As the material of the insulating film, a clean silicon oxide film (thermal oxide film) or a silicon nitride film, for example, having a proven track record in a semiconductor process is suitable. The film thickness is optimized for specific light, red light, for example, light having a wavelength λ = 650 nm.
[0026]
When a single-layer insulating film having the above-mentioned specific thickness is formed as a reflective structure in a single-crystal silicon substrate on which the light-receiving portion is formed, a well-known interference condition expression 2 * n * t = (N + 1/2) λ
t: The thickness of the thin film N: The optimum thickness of the insulating film can be roughly determined by a natural number. By calculating the above equation, a value of 111 nm is obtained for a thermal oxide film and 81 nm for a nitride film.
[0027]
Also, the interference filter composed of a multilayer film can be easily optimized and designed by a commercially available optical simulator. Since the interference filter can increase the width of the reflection band, the interference filter reflects not only light of a specific wavelength (wavelength λ = 650 nm) by a single film, but also, for example, the entire red light (wavelength λ = 575-700 nm). It is also possible to create it. Specific numerical examples will be disclosed in later examples.
[0028]
Also, metals reflect light of all wavelengths, not just specific wavelengths, but their presence is often detrimental to semiconductor processing. Therefore, it is desirable that the metal used is a high melting point metal having a high melting point, and furthermore, for example, W, Mo, Ta, Ti, or the like that has a track record in the process.
[0029]
Since these metal reflecting films reflect light of all wavelengths, the sensitivity of not only red but also blue of short wavelength can be improved at the same time. This configuration is very effective especially in the limit where the semiconductor layer containing the photoelectric conversion element is thinned.
[0030]
Further, in the embodiment using the insulating film as a reflection structure, an SOI substrate can be selected as a substrate for manufacturing the image sensor.
[0031]
The Semiconductor portion of the substrate can be used as a semiconductor layer, and the Insulator portion can be used as a reflection film.
[0032]
As described above, the SOI substrate is becoming a candidate for a substrate for forming a miniaturized MOS, and the use of the substrate does not particularly hinder the miniaturization of an image sensor to be planned in the future.
[0033]
Further, the semiconductor layer of the present invention may be formed by bonding a single crystal silicon substrate whose surface is thermally oxidized to a substrate having a reflective film made of the high melting point metal formed on the surface by anodic bonding or the like. it can.
[0034]
Also, even without using an SOI substrate, after forming the image sensor on a known single-crystal silicon substrate, a protective film or the like is attached to the surface and thinned by a known back grinding method, and then a reflection film is formed. The image sensor according to the present invention can also be formed by bonding to an existing substrate.
[0035]
Further, since various semiconductor devices are formed on the silicon layer as the semiconductor layer, a certain thickness or more is required. However, since it is necessary to improve the red sensitivity in the image sensor as described above, a further thickness is required in the photodiode portion, which is the photoelectric conversion element, beyond the thickness.
[0036]
The structure in the vertical direction of the photoelectric conversion element portion should be optimized for long-wavelength light having the lowest detection sensitivity among all light to be detected, that is, red light.
[0037]
As described above, the optical structure of the optical structure formed by the silicon layer, the reflection film, and the like can be easily optimized for its vertical structure by a commercially available simulator.
[0038]
In addition, it is assumed that the photoelectric conversion element portion becomes smaller as pixels become finer and has an area where light does not enter. Also in this case, by providing the first lens for condensing light above the element portion as described in the above-mentioned publication, it is possible to prevent the incident light from decreasing.
[0039]
As a special circumstance of the present invention, when light passes through the semiconductor layer and enters the reflective structure from an oblique direction, the reflected light returns off the incident direction and may cause crosstalk with adjacent pixels. Therefore, it is desirable that the light incident on the photoelectric conversion element portion be parallel light (perpendicular to the semiconductor layer) parallel to a perpendicular to the semiconductor layer if possible.
[0040]
Such a configuration of incident light can be realized by adding a second lens for creating parallel light below the first lens for condensing.
[0041]
The second lens is realized by, for example, a concave lens instead of the double convex lens system disclosed in the publication as shown in FIG.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0043]
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic sectional view of a pixel portion of an image sensor according to the present invention.
[0044]
The size of the pixel is 10 μm square.
[0045]
Reference numeral 15 denotes a silicon layer which is a semiconductor layer, and has a thickness of 10 μm. Reference numeral 14 denotes a CVD silicon oxide film having a thickness of 2000 °, which is deposited and formed on the back surface of the silicon layer.
[0046]
Reference numeral 16 denotes a gate oxide film having a thickness of 150 °, reference numerals 21 and 22 denote MOSFET gate electrodes, reference numeral 23 denotes a metal wiring, and reference numeral 17 denotes a protective film for electrically protecting them.
[0047]
The structures 15 to 17 are formed on a single crystal silicon substrate by a known semiconductor process. Thereafter, the substrate is back-ground from the back surface to a thickness of 30 μm. Thereafter, the thinned substrate is further chemically thinned with hydrofluoric nitric acid or an alkaline solution, and finally finished to a thickness of 10 μm. Thereafter, a silicon oxide film is deposited on the back surface of the substrate by a CVD method.
[0048]
Reference numeral 12 denotes a sapphire substrate having a thickness of 700 μm, and the surface of the substrate is reduced and has Al gloss. Reference numeral 13 denotes an adhesive having a thickness of 30 μm for adhering the sapphire substrate 12 and the thinned silicon substrate, and has a property of transmitting red light having a wavelength of 650 nm.
[0049]
A part of the red light 24 which is the imaging light incident on the imaging sensor is absorbed by the photodiode 19 which is a photoelectric conversion element, and is accumulated in the diode as a photocharge. On the other hand, the light that has not been absorbed passes through the semiconductor layer 15 and reaches the interface with the sapphire substrate 12 through the oxide film 14 and the adhesive 13. As described above, the red light is reflected by the Al reflecting surface formed at this interface, and is returned to the original direction. A part of the reflected red light is again absorbed by the photodiode 19 and becomes the photocharge.
[0050]
According to the present embodiment, the red light, which has conventionally been transmitted and dissipated into the substrate, can be effectively detected, so that the red sensitivity is improved.
[0051]
The substrate 12 used in the present embodiment does not need to be a sapphire substrate, and may be another metal substrate having an inexpensive and clean red light reflection characteristic.
[0052]
The Al reflecting surface formed by reducing the substrate may be formed by newly depositing a metal film on the substrate.
[0053]
The means for bonding the two substrates may be a direct bonding means such as anodic bonding without using any adhesive.
[0054]
Further, the semiconductor layer does not need to be a single-crystal silicon layer, and may be another semiconductor layer such as a polysilicon layer, an amorphous silicon layer, or a Si—Ge layer.
[0055]
<Embodiment 2>
FIG. 2 is a schematic sectional view of a pixel portion of a CMOS image sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
[0056]
The size of the pixel is 3 μm square.
[0057]
Reference numeral 31 denotes a 625 μm-thick SIMOX substrate. 32 is a substrate portion, and 34 is a buried oxide film having a thickness of 1110 °. Reference numeral 35 denotes a single crystal silicon layer which is a semiconductor layer having a thickness of 3 μm.
[0058]
The thickness of the buried oxide film 34 is set to a value at which the reflectance of red light having a wavelength of 650 nm increases.
[0059]
Further, the thickness of the semiconductor layer 35 is set to a value that is about half of the half distance (about 6 μm) of red light.
[0060]
Reference numeral 36 denotes a thermal oxide film having a thickness of 150 °, which forms a gate oxide film of the MOSFET.
[0061]
Reference numeral 39 denotes a photodiode formed of an n + diffusion layer having a diffusion depth of 0.3 μm, and absorbs incident light 44 to generate electrons as photocharges.
[0062]
Reference numeral 40 denotes a floating diffusion layer. When the gate 41 of the MOSFET is opened, charges accumulated in the photodiode 39 flow. The diffusion layer 40 is connected to the gate 42 of the amplifier FET by a metal wiring 43, and modulates a signal current flowing through the FET by the light storage charge.
[0063]
Each pixel is electrically insulated from an adjacent pixel by an isolation diffusion layer 38 made of a p + diffusion layer and a protective film 37.
[0064]
According to the present embodiment, unlike the conventional example shown in FIG. 10, light having a specific wavelength, that is, red light having a wavelength of 650 nm, is not transmitted and scattered below the Si substrate as described above, and the reflection film is formed. Since most of the light is reflected by the light 34, the detection sensitivity of the red light can be increased.
[0065]
Being able to increase the sensitivity of red light, which is a constraint on the sensitivity, means that the pixels can be reduced accordingly. This means that the cost and the number of pixels of the image sensor can be reduced.
[0066]
In addition, the cost increase caused by using the SOI substrate in the present embodiment is about one-tenth of the process cost. Therefore, the merit of cost reduction by reducing the size of the pixel is greater and does not pose a problem. .
[0067]
The material of the reflective film 13 used in the present embodiment may be another material that does not restrict the Si process and does not cause contamination, such as a silicon nitride film and a silicon oxynitride film.
[0068]
Further, the substrate used in the present invention does not need to be a SIMOX substrate, and may be another bonded substrate, for example, an ELTRAN substrate.
[0069]
<Embodiment 3>
As a third embodiment of the image sensor according to the present invention, a reflection filter using a multilayer film of an interference thin film is used as the reflection film for reflecting the red light.
[0070]
FIG. 3 shows a vertical structure of the reflection filter used in the present embodiment. 61 is a single-crystal silicon substrate having a thickness of 625 μm, 62 is SiO 2 having a thickness of 980 °, 63 is SiN having a thickness of 920 °, 64 Is SiO 2 with a thickness of 940 °, 65 is SiN with a thickness of 910 °, 66 is SiO 2 with a thickness of 900 °, and 67 is a single-crystal silicon layer with a thickness of 3 μm. A photodiode 68 as a light receiving section is formed in the silicon layer 67. The optical refractive index of SiO 2 is 1.46 and that of SiN is 2.0.
[0071]
FIG. 7 shows the result of calculation of the spectral transmission characteristics of the light receiving unit of the present embodiment by a geometrical optics simulator. As can be seen from the figure, the transmittance is 40% or less in the range of λ = 570 to 700 nm, and it can be seen that interface reflection is efficiently generated by the interference filter.
[0072]
The reflection filter made of the interference thin film can be manufactured by the manufacturing method shown in FIG.
[0073]
That is, first, all or a part of the interference thin film is formed on one or both of the bonding surfaces of substrates 81 and 82 serving as SIO substrates (83 and 86). For example, they are bonded by an anodic bonding method or the like. As a result, an SOI substrate 88 on which the image sensor of the present invention can be manufactured is finally formed. Here, reference numeral 84 denotes a semiconductor layer which is the single crystal silicon layer.
[0074]
According to the present embodiment, the reflective film is made of a material that does not use various metals that may cause contamination, and the silicon oxide film or the silicon nitride film is a known material that has been used in a Si process for a long time. Therefore, there is no possibility that the yield of the imaging sensor chip is reduced.
[0075]
Further, the film surface of the interference thin film is flat and smooth with little unevenness as seen in a metal film, and it is possible to obtain reflected light having a small scattering component and a large regular reflection component. As a result, crosstalk to adjacent pixels is reduced, and good photoelectric conversion and pixel characteristics can be obtained. Thus, the imaging sensor can be manufactured at a high yield and at a low cost.
[0076]
<Embodiment 4>
FIG. 4 is a sectional view of a light receiving section of an image sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
[0077]
This embodiment is an example in which the miniaturization of an image sensor has progressed, and the thickness of an active layer for forming a device such as a photodiode serving as a light receiving unit has reached the limit. 71 is a single crystal silicon substrate, and 74 is a thermal oxide film having a thickness of 1500 °. Reference numeral 77 denotes a single-crystal silicon layer having a thickness of 450 °, which is the active layer, in which the photodiode 78 having a diffusion depth of 200 ° is formed.
[0078]
FIG. 8 shows the spectral transmission characteristics of the light receiving unit of the present embodiment. According to FIG. 8, the transmittance monotonously decreases from the wavelength λ = 470 nm, and shows a sufficiently low transmittance, that is, a high reflectance in the red region.
[0079]
According to the present embodiment, even in a miniaturized image sensor, red sensitivity higher than that of a conventional image sensor can be obtained.
[0080]
<Embodiment 5>
As a fifth embodiment of the present invention, a configuration using a reflecting surface of a metal or a metal oxide instead of a multilayer film of an interference thin film in a reflecting structure will be described below.
[0081]
The anodic bonding of oxygen-free copper or Kovar alloy with borosilicate glass is well known in the world.
[0082]
Therefore, a semiconductor layer and glass containing an alkali metal are formed on one substrate, and a thin film of, for example, a refractory metal that can withstand the semiconductor process is deposited on the other substrate, and the two substrates are anodically bonded. An SOI substrate in which the reflection structure is a metal reflection surface can be manufactured.
[0083]
Subsequent processes of the image sensor are the same as those described above.
[0084]
According to the present embodiment, it is possible to obtain a reflecting structure that reflects light not over a specific wavelength, but over almost the entire region. Therefore, if necessary, not only red light but also blue light that is shorter wavelength light can be obtained. Sensitivity can also be improved.
[0085]
<Embodiment 6>
FIG. 5 is a schematic sectional view of a pixel portion of an image sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
[0086]
In the present invention, the reflective film 100 formed in the SOI substrate is used to improve the photoelectric conversion efficiency on the long wavelength side. However, when incident light is obliquely incident on the reflective film 100, the incident light Does not return in the direction in which it came, and enters the adjacent pixels, causing crosstalk.
[0087]
Thus, in the present embodiment, a light-collecting structure for collecting light incident on the pixel is devised.
[0088]
The light-collecting structure used in the image sensor is generally a double lens system as shown in FIG. 10, but in this case, light incident on the photodiode 236 comes at a considerable angle.
[0089]
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, a concave lens is adopted as the second lens 107, and the condensed light incident through the first convex lens 109 is converted into a parallel light by the second lens 107. In this way, the light is incident on the interface between the silicon layer 101 and the reflection film 100 as perpendicularly as possible, thereby preventing the above-described crosstalk between pixels.
[0090]
According to the present embodiment, a good image with little crosstalk can be obtained.
[0091]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to provide an image sensor with high red sensitivity, and it is possible to provide an image sensor with low cost and a large number of pixels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a pixel portion of an image sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a pixel portion of a CMOS image sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a vertical structural view of a reflection filter of an image sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a light receiving section of an image sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a pixel portion of an image sensor according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a pixel portion of an image sensor according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a result of calculating a spectral transmission characteristic in a light receiving unit of the image sensor according to the present invention by a geometrical optics simulator.
FIG. 8 is a diagram showing a spectral transmission characteristic of a light receiving section of the image sensor according to the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional CMOS sensor.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional image sensor (double convex lens system).
[Explanation of symbols]
12, 32 Substrate portion 13 Adhesive 14, 34 Oxide film 15, 35 Semiconductor layer 16, 36 Gate film 17, 37 Protective film 18, 38 Isolation 19, 39 Photodiode 20, 40 Diffusion layer 21, 41 Gate electrode 22, 42 Gate electrodes 23, 43 Wirings 24, 44 Red light 31 Substrates 61, 71 Substrates 62, 64, 66, 74 SiO 2
63,65 SiN
67, 77 silicon 68, 78 photodiode 81, 82 substrate 83, 86 interference film 84 semiconductor layer 85, 87 substrate portion 88 SOI substrate 100 reflection structure 101 semiconductor layer 102 protective film 103 color filter 104 planarization layer 105 p-type silicon 106 photodiode 107 concave lens 108 red color filter 109 convex lens
