JP2006120800A - Ｃｍｏｓ固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＭＯＳ固体撮像素子における色分離性の向上を図る。
【解決手段】 半導体基体３４にフォトダイオードＰＤとトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 からなる画素３５｛３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂ〕が複数配列され、半導体基体３４上に多層配線層４５、カラーフィルタ４８及びオンチップマイクロレンズ４９が順次積層され、各色の画素３５Ｒ〜３５ＢのフォトダイオードＰＤ上に対応する位置で且つ半導体基体３４とオンチップマイクロレンズ４９との間に、色分離を増長するための光透過率依存性の多重干渉膜５１〔５２、５３〕が設けられて成る
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳ固体撮像素子に関し、特に微細画素を備えたＣＭＯＳ固体撮像素子の色分離性に関する。

固体撮像素子として、ＣＭＯＳ固体撮像素子が知られている。このＣＭＯＳ固体撮像素子は、フォトダイオードと複数のＭＯＳトランジスタにより単位画素を形成し、複数の単位画素を所要のパターンに配列して構成される。このフォトダイオードは、受光量に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換素子であり、複数のＭＯＳトランジスタはフォトダイオードからの信号を読み出すための素子である。

図７に、従来のＣＭＯＳ固体撮像素子の例を示す。図７は画素領域における画素の要部の概略断面構造を示している。このＣＭＯＳ固体撮像素子１は、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板２に第２導電型であるｐ型の半導体ウェル領域４を有する半導体基体２１の表面側に各画素を区画するための画素分離領域３が形成され、各区画領域に１つのフォトダイオードＰＤと複数のＭＯＳトランジスタ、例えば電荷読み出しトランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び垂直選択トランジスタの４つのＭＯＳトランジスタが形成されて単位画素５が構成される。そして、この画素５が多数個２次元マトリクス状に配列される。

図６では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）に対応した画素５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを示している。フォトダイオードＰＤは、ｐ型半導体基板２の表面側に形成したｎ型半導体領域、すなわちｎ型電荷蓄積領域６とその表面絶縁膜との界面に形成したｐ＋アキューミュレーション層７を有して形成される。このフォトダイオードＰＤに隣接して、ｎ型電荷蓄積領域６とフローティングディフュージョン（ＦＤ）となるｎ型ソース・ドレイン領域８とゲート絶縁膜９と転送ゲート電極１０とからなる電荷読み出しトランジスタＴｒ_１が形成される。また画素内にその他のゲート電極１１を有するＭＯＳトランジスタＴｒ_２が形成される。

半導体基体２１の表面上には、層間絶縁膜１２、１３を介して多層配線１４を配置した多層配線層１５が形成される。多層配線１４及びＭＯＳトランジスタの相互間は導電プラグ１６により接続される。多層配線層１５上にはパシベーション膜１７を介してカラーフィルタ１８及びオンチップレンズ１９が形成される。

このＣＭＯＳ固体撮像素子１は、半導体基体２１の表面側からオンチップレンズ１９を通して光を入射し、フォトダイオードＰＤにおいて光電変換して受光量に応じた信号電荷を蓄積するようになされる。

このような表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子は、特許文献１の図５においても開示されている。
特開平１１−１２２５３２号公報

上述した図７に示すＣＭＯＳ固体撮像素子では、カラーフィルタ１８のみで各画素５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに入射する光波長領域を制限してその画素の色情報を取得している。すなわち各画素の色分離をカラーフィルタ１８のみで行っている。しかし、カラーフィルタ１８のみの色分離では、波長帯域のカット特性が良くないため、例えば、青の画素に少なからず緑の感度情報も混在する領域がある。図８はカラーフィルタ１８の分光特性を示すものである。この図８から分かるように、分光特性のすそ引きが長く、青の画素では緑波長領域の帯域を含んでいる。

一方、画素セルの微細化に伴い、多層配線１４としてダマシン（Ｄａｍａｃｅｎｅ）法にて線幅が９０ｎｍ程度の銅（Ｃｕ）配線を形成したＣＭＯＳ固体撮像素子２１（図６参照）の開発が行われている。多層配線１４としてこのような銅配線を用いるときは、図６に示すように、銅拡散を防止するために、各銅の配線２９を上下で挟むように例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜による各層間絶縁膜１３間に、例えばＳｉＣ膜やＳｉＮ膜による拡散防止膜２９が形成される。

このＣＭＯＳ固体撮像素子２１では、絶縁膜１３の層間に光にとって干渉膜となるＳｉＣ膜やＳｉＮ膜のような拡散防止膜２９が形成されるために、入射光が各層間で多重反射して干渉を起こし、光透過率の波長依存性に変化をもたらす。

本発明は、上述の点に鑑み、各色波長帯域の光透過率の均一化を図り、色分離性を向上したＣＭＯＳ固体撮像素子を提供するものである。

本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像素子は、半導体基体にフォトダイオードとトランジスタからなる画素が複数配列され、半導体基体上に多層配線層、カラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズが順次積層され、各色の画素のフォトダイオード上に対応する位置で且つ半導体基体とオンチップマイクロレンズとの間に、色分離を増長するための光透過率依存性の多重干渉膜が設けられて成ることを特徴とする。

多重干渉膜の膜構成及び膜厚は、各色光に対応して設定される。
多重干渉膜としては、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ_２膜から選ばれた積層膜で形成することができる。

本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像素子によれば、各色の画素のフォトダイオード上に対応する位置で且つ半導体基体とオンチップマイクロレンズとの間に、色分離を増長するための光透過率依存性の多重干渉膜を設けることにより、カラーフィルタとの組み合わせで従来の分光特性より色分離性が向上した分光特性を実現することができる。従って、高Ｓ／Ｎ比のＣＭＯＳ固体撮像素子を実現でき、色再現性を向上することができる。

各色の画素に対応して多重干渉膜の膜構成（膜材料、膜層数）及び膜厚を設定することにより、各色の画素に対して所望の波長帯域の光のみを入射することができる。
多重干渉膜を、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ_２膜から選ばれた積層膜で形成することにより、所望の光透過率波長依存性を作り出すことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像素子の一実施の形態を示す。本実施の形態は、配線の線幅を９０ｎｍ程度にした微細画素を有するＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した場合である。図１は画素領域における画素の要部の概略断面構造を示している。
本実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像素子３０は、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板３１に第２導電型であるｐ型の半導体ウェル領域３２を形成してなる半導体基体３４の表面側に各画素を区画するための画素分離領域３３が形成され、各区画領域に１つのフォトダイオードＰＤと複数のＭＯＳトランジスタ、例えば電荷読み出しトランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び垂直選択トランジスタの４つのＭＯＳトランジスタが形成されて単位画素３５〔３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂ〕が構成される。そして、この画素３５が多数個２次元マトリクス状に配列される。

図１では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）に対応した画素３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂを示している。フォトダイオードＰＤは、ｐ型半導体ウェル領域３２の表面側に形成したｎ型半導体領域、すなわちｎ型電荷蓄積領域３６とその表面絶縁膜との界面に形成したｐ＋アキューミュレーション層３７を有して形成される。このフォトダイオードＰＤに隣接して、ｎ型電荷蓄積領域３６とフローティングディフュージョン（ＦＤ）となるｎ型ソース・ドレイン領域３８とゲート絶縁膜３９と転送ゲート電極４０とからなる電荷読み出しトランジスタＴｒ_１が形成される。また画素内にその他のゲート電極４１を有するＭＯＳトランジスタＴｒ_２が形成される。

半導体基体３４の表面上には、層間絶縁膜４２、４３を介して多層配線４４を配置した多層配線層４５が形成される。多層配線４４及びＭＯＳトランジスタの相互間は導電プラグ４６により接続される。多層配線４４、導体プラグ４６は、ダマシン法によりＣｕ膜で形成される。多層配線層４５上にはパシベーション膜４７を介して例えば赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の原色カラーフィルタ４８及びオンチップレンズ４９が形成される。

そして、本実施の形態においては、各色画素３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂの半導体基体３４とオンチップマイクロレンズ４９との間、本例ではフォトダイオードＰＤとカラーフィルタ４８との間の層間に、画素へ入射する色の波長帯域光の光透過率が高くなるような波長依存性を有する多重干渉膜５１〔５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ〕となる所要の多層膜が形成される。本例ではフォトダイオードＰＤに近い層間に第１の多重干渉膜５２５２〔５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂ〕を形成し、パシベーション膜４７に近い層間に第２の多重干渉膜５３〔５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂ〕を形成して構成される。この第１及び第２の多重干渉膜５２及び５３は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の画素３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂに対応して夫々最適な屈折率及び膜厚の多層膜で形成される。

例えば、赤（Ｒ）の画素３５Ｒでは、第１の多重干渉膜５２Ｒが膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．９のＳｉＣ膜５４Ｒと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率２．０のＳｉＮ膜５５Ｒと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．６５のＳｉＯＮ膜５６Ｒと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．４５のＳｉＯ_２膜５７Ｒとの４層膜で形成され、第２の多重干渉膜５３Ｒが膜厚０から０．５μm範囲、屈折率１．９のＳｉＣ膜６１Ｒと、膜厚０から０．５μm範囲、屈折率２．０のＳｉＮ膜６２Ｒと、膜厚０から０．５μm範囲、屈折率１．６５のＳｉＯＮ膜６３Ｒとの３層膜で形成される。
緑（Ｇ）の画素３５Ｇでは、第１の多重干渉膜５２Ｇが膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．９のＳｉＣ膜５４Ｇと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率２．０のＳｉＮ膜５５Ｇと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．６５のＳｉＯＮ膜５６Ｇと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．４５のＳｉＯ_２膜５７Ｇとの４層膜で形成され、第２の多重干渉膜５３Ｇが膜厚０から０．５μm範囲、屈折率１．９のＳｉＣ膜６１Ｇと、膜厚０から０．５μm範囲、屈折率２．０のＳｉＮ膜６２Ｇと、膜厚０から０．５μm範囲、屈折率１．６５のＳｉＯＮ膜６３Ｇとの３層膜で形成される。
青（Ｂ）の画素３５Ｂでは、第１の多重干渉膜５２Ｂが膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．９のＳｉＣ膜５４Ｂと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率２．０のＳｉＮ膜５５Ｂと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折１．６５のＳｉＯＮ膜５６Ｂと、膜厚０から１．５３μm範囲、屈折率１．４５のＳｉＯ_２膜５７Ｂとの４層膜で形成され、第２の多重干渉膜５３Ｂが膜厚０から０．５μm範囲、屈折率１．９のＳｉＣ膜６１Ｂと、膜厚０から０．５μm範囲、屈折率２．０のＳｉＮ膜６２Ｂと、膜厚０から０．５μm範囲、屈折率１．６５のＳｉＯＮ膜６３Ｂとの３層膜で形成される。
各赤の画素、緑の画素、青の画素に応じて、それぞれの多重干渉膜５１［５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ］の各膜厚を上記の範囲内で最適化して赤、緑、青専用の多重干渉膜を作成する。

本実施の形態に係る所望の光透過率波長依存性を有する多重干渉膜５１〔５２、５３〕は、９０ｎｍＣＭＯＳプロセスにおける既存の干渉膜の屈折率、膜厚を制御し、また新たに干渉膜を追加することにより作り出すことができる。

一方、多重干渉膜５２、５３が形成されない多層配線４４では、各配線４４を上下で挟むように例えばＳｉＣ膜やＳｉＮ膜等によるＣｕ拡散防止膜５９が形成される。

本実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像素子３１によれば、カラーフィルタ４８と多重干渉効果を有する多重干渉膜５１〔５２、５３〕との組み合わせにより、色分離性を向上することができる。図２は本実施の形態の分光特性のシミュレーションを示す。各分光曲線６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂは、重なる領域が少なく、色分離性に優れていることが認められる。即ち、各画素において他色情報が混在しない。また、図３は、各膜の膜厚を最適化して赤色光を透過させるように形成した多重干渉膜５１Ｒのみの光透過率波長依存性を示すグラフである。図４は、各膜の膜厚を最適化して緑色光を透過させるように形成した多重干渉膜５１ＧＲのみの光透過率波長依存性を示すグラフである。図５は、各膜の膜厚を最適化して青色光を透過させるように形成した多重干渉膜５１Ｂのみの光透過率波長依存性を示すグラフである。この各色に対応した多重干渉膜とカラーフィルタとを組み合わせたときの分光特性が図２である。

上述の実施の形態では、多重干渉膜として第１及び第２の多重干渉膜で形成したが、その他、最適条件によっては第１の多重干渉膜のみ、あるいは第２の多重干渉膜のみで形成することができる。

上例では、カラーフィルタ４８として、ＲＧＢ原色系フィルタの他、補色系フィルタなどを用いることもできる。この場合、多重干渉膜５２、５３としては補色の画素に対応して夫々最適な屈折率及び膜厚の多層膜で形成される。

本発明に係るＣＭＯＳ固体撮像素子の一実施の形態を示す要部の構成図である。 本実施の形態に係るＣＭＯＳ固体撮像素子の分光特性を示すグラフである。 本発明に係る赤の画素に対応した多重干渉膜の光透過率波長依存性のグラフである。 本発明に係る緑の画素に対応した多重干渉膜の光透過率波長依存性のグラフである。 本発明に係る青の画素に対応した多重干渉膜の光透過率波長依存性のグラフである。 比較例に係るＣＭＯＳ固体撮像素子の要部の構成図である。 従来例に係るＣＭＯＳ固体撮像素子の要部の構成図である。 従来例に係るＣＭＯＳ固体撮像素子の分光特性を示すグラフである。

符号の説明

３０・・ＣＭＯＳ固体撮像素子、３１・・ｎ型半導体基板、３２・・ｐ型半導体ウェル領域、３３・・画素分離領域、３４・・半導体基体、３５〔３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂ〕・・単位画素、ＰＤ・・フォトダイオード、３６・・ｎ型電荷蓄積領域、３７・・ｐ＋アキューミュレーション層、３８・・ソース・ドレイン領域（ＦＤ）、３９・・ゲート絶縁膜、４０，４１・・ゲート電極、４２，４３・・層間絶縁膜、４４・・多層配線、４５・・多層配線層、４７・・パシベーション膜、４８・・カラーフィルタ、４９・・オンチップマイクロレンズ、５１・・多重干渉膜、５２，５３・・第１、第２の多重干渉膜、５９・・Ｃｕ拡散防止膜

Claims (3)

1. 半導体基体にフォトダイオードとトランジスタからなる画素が複数配列され、
   前記半導体基体上に多層配線層、カラーフィルタ及びオンチップマイクロレンズが順次積層され、
   前記各色の画素のフォトダイオード上に対応する位置でかつ前記半導体基体と前記オンチップマイクロレンズとの間に、色分離を増長するための光透過率依存性の多重干渉膜が設けられて成る
   ことを特徴とするＣＭＯＳ固体撮像素子。
2. 前記多重干渉膜の膜構成及び膜厚が、各色光に対応して設定されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載のＣＭＯＳ固体撮像素子。
3. 前記多重干渉膜が、ＳｉＣ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯ_２膜から選ばれた積層膜で形成されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載のＣＭＯＳ固体撮像素子。

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