JP2008060476A - Solid state imaging apparatus, and electronic information apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばCMOS型イメージセンサやCCD型イメージセンサなどの固体撮像装置に関し、特に、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部によって波長が異なる光(電磁波)を分離検出する方式の固体撮像装置および、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、各種画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CMOS type image sensor or a CCD type image sensor, and in particular, a system for separating and detecting light (electromagnetic waves) having different wavelengths by a plurality of light receiving units stacked in the depth direction of a semiconductor substrate. A solid-state imaging device, and a digital camera such as a digital video camera and a digital still camera using the solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit, various image input cameras, scanners, facsimiles, camera-equipped mobile phone devices, etc. It relates to electronic information equipment.
例えばCMOS型イメージセンサやCCD型イメージセンサなどに代表される従来のカラー固体撮像装置では、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の受光部(複数の画素部)がマトリックス状に配列された複数の固体撮像素子上に3種類または4種類のカラーフィルタが複数の受光部にそれぞれ対応するようにモザイク状に配置されている。これにより、各画素部からカラーフィルタに対応した色信号が出力されて、これらの色信号を演算処理することによってカラー画像データが生成されている。 For example, in a conventional color solid-state imaging device represented by a CMOS type image sensor, a CCD type image sensor, etc., a plurality of light receiving units (a plurality of pixel units) that photoelectrically convert incident light to generate signal charges are arranged in a matrix. On the plurality of solid-state imaging devices, three or four types of color filters are arranged in a mosaic so as to correspond to the plurality of light receiving units, respectively. As a result, color signals corresponding to the color filter are output from each pixel unit, and color image data is generated by performing arithmetic processing on these color signals.
しかしながら、モザイク状にカラーフィルタが配列された従来のカラー固体撮像装置では、例えば三原色のカラーフィルタを用いた場合、入射光の約2/3がカラーフィルタによって吸収されてしまう。よって、実際に色信号を出力するために利用される光としては、残りの約1/3しか用いられていないため、光の利用効率が低く、低感度になるという問題がある。また、各画素部において1色の色信号しか得られず、三原色のそれぞれの信号が異なる位置で検出されるために、解像度が低く、偽色の問題が発生しやすいという問題もある。 However, in a conventional color solid-state imaging device in which color filters are arranged in a mosaic pattern, for example, when three primary color filters are used, about 2/3 of incident light is absorbed by the color filters. Therefore, since only about 1/3 of the remaining light is used for actually outputting the color signal, there is a problem that the light use efficiency is low and the sensitivity is low. Further, since only one color signal is obtained in each pixel portion, and the signals of the three primary colors are detected at different positions, there is a problem that the resolution is low and a false color problem is likely to occur.
これらの問題を解決するために、例えば特許文献1には、各色に対応した複数の受光部を半導体基板の深さ方向に積層し、半導体基板を構成するシリコンにおける光吸収係数の波長依存性を利用して、各受光部においてその深さに対応した波長域の光を検出することにより色分離を行う方式の固体撮像装置が提案されている。
In order to solve these problems, for example, in
この方式の従来の固体撮像装置では、例えば、青色光、緑色光および赤色光に対する信号電荷を発生させるフォトダイオードが光入射側の表面から順に積層された画素部断面構造を有している。この従来の固体撮像装置によれば、各画素の色分離が、シリコンにおける光吸収係数の波長依存性を利用して行われるため、カラーフィルタを設ける必要がなく、入射光の殆どが光電変換されて信号電荷となる。よって、光利用効率が100%に近く、かつ、各画素部の深さ位置において三原色のそれぞれの信号が得られることから、高感度、高解像度で、さらに偽色の問題がない、良好なカラー画像データを生成することができる。即ち、従来は、赤(R)、二つの緑(G)、青(B)の各色光に対応した四つの画素部(受光部)を平面状に配列していたが、R、G、Bの三原色に対応した受光部を縦積みにして一つの画素部として用いることができるため、4倍の解像度が得られる。また、この方式の従来の固体撮像装置によれば、カラーフィルタを設ける必要がないため、その分、製造工程を大幅に簡略化することができる。 The conventional solid-state imaging device of this system has, for example, a pixel section sectional structure in which photodiodes that generate signal charges for blue light, green light, and red light are sequentially stacked from the surface on the light incident side. According to this conventional solid-state imaging device, since color separation of each pixel is performed using the wavelength dependence of the light absorption coefficient in silicon, there is no need to provide a color filter, and most of the incident light is photoelectrically converted. Signal charge. Therefore, the light utilization efficiency is close to 100%, and the signals of the three primary colors can be obtained at the depth position of each pixel portion. Therefore, high sensitivity, high resolution, and no false color problem can be obtained. Image data can be generated. That is, in the past, four pixel portions (light receiving portions) corresponding to each color light of red (R), two green (G), and blue (B) were arranged in a planar shape, but R, G, B Since the light receiving portions corresponding to the three primary colors can be stacked vertically and used as one pixel portion, four times the resolution can be obtained. In addition, according to the conventional solid-state imaging device of this system, since it is not necessary to provide a color filter, the manufacturing process can be greatly simplified accordingly.
次に、特許文献2には、Pウェル層にMOS回路部を設け、その上に有機半導体で三原色に対応した各光電変換膜を縦積みにし、その上から各光電変換膜に光照射する構成が開示されている。この場合、フォトダイオードの下方位置にそのMOS回路部が設けられている。また、特許文献3には、また、基板表面に沿った方向に配列された各フォトダイオード上に多層配線層が形成されており、その多層配線側とは反対側の裏面から各フォトダイオードに光照射する裏面照射型固体撮像素子が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置には、以下のような問題がある。
However, the conventional solid-state imaging device disclosed in
特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置では、各画素部から出力される信号電荷を転送するために必要とされる多層の配線層が、半導体基板面に対して光が入射される側と同じ側に設けられている。このため、画素アレイ内において、配線層が多層になればなるほど受光部が深い位置になって、特に、斜め方向から入ってくる光に対して、これら配線層により光路上で光がけられることを防ぐために、配線層上にオンチップマイクロレンズを形成して光を受光部上に効率よく集光させることが必要となる。したがって、特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置では、固体撮像装置特有の光学的特性に係わる製造プロセスとしてのカラーフィルタ形成工程とオンチップマイクロレンズ形成工程のうち、前者のカラーフィルタ形成工程は削減することが可能であるが、後者のオンチップマイクロレンズ形成工程は削減することができない。また、半導体製造装置は、他の半導体デバイスを製造するために転用可能であることが望ましく、固体撮像装置特有の形成プロセス(例えばオンチップマイクロレンズ形成プロセス)が残存していると、他の半導体デバイスと同じラインにより固体撮像装置を製造する上で効率が悪いという問題がある。また、他の半導体デバイスと固体撮像装置を同一チップモジュールセットに混載する場合に、例えばオンチップマイクロレンズ形成プロセスがあると、プロセスの整合性が悪く、開発の難易度が高くなるため、従来の固体撮像装置の高機能化を望めないという問題もある。
In the conventional solid-state imaging device disclosed in
また、特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置では、オンチップマイクロレンズを備えていても、多層配線化が進むと、光路上で光の蹴られにより集光率が急激に低下するため、配線層の積層数には上限が存在する。現実的には、その上限は4層〜5層であるため、それ以上の多層配線が必要とされる回路を固体撮像装置に組み込むことができない。したがって、特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置では、チップサイズの増大を招くことなく高感度化と高解像度化を達成しても、高機能な画像演算処理回路などを混載することができないために、チップモジュールセット全体でのダウンスケーリングを実現することができない。
In addition, in the conventional solid-state imaging device disclosed in
さらに、特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置では、各画素部から出力される信号電荷を転送するための配線層を各画素部間に備える必要があり、その配線幅や配線の配置に要する面積分だけ、固体撮像装置の解像度が低下する。特に、CMOS型イメージセンサでは、各画素部の信号電荷を増幅したり、電荷転送するために、複数種類のトランジスタを画素アレイ内にそれぞれ配置する必要があり、解像度の低下を招かないように、これらトランジスタのサイズに対しては可能な限り微細化されることが求められている。しかしながら、トランジスタの微細化に伴って、そのトランジスタ形成に係わる構造ばらつきが増加し、その結果、構造ばらつきに起因した信号電荷増幅特性も個々の画素部において変動するため、画質が低下するという問題がある。この特許文献1に開示されている従来の固体撮像装置においても、この状況は同様であり、画素部内のトランジスタ特性の安定化が要求される程、解像度が低下するか、または画質自体が劣化するという問題が生じる。
Furthermore, in the conventional solid-state imaging device disclosed in
次に、特許文献2では、光が照射される光電変換膜の下方位置にMOS回路部が設けられているものの、三原色に対応した有機半導体の光電変換膜の配置深さは、各光電変換膜が透明電極膜でそれぞれ挟み込まれており、本発明で用いる、深さ位置で各色光を検出するフォトダイオードよりも深く、撮像領域の周辺部分では入射光が斜め光となるため、これを曲げて良好に集光させる必要から、オンチップマイクロレンズが必要となる。よって、前述したような特許文献1による問題と同様の問題が生じる。
Next, in
また、特許文献3では、光が照射されるフォトダイオードの下方位置に配線層が設けられているものの、この場合のフォトダイオードの配置深さは、カラーフィルタおよびオンチップマイクロレンズを形成するために平坦化膜を形成するので、本発明で用いる、深さ位置で各色光を検出するフォトダイオードよりも深いので、撮像領域の周辺部分では入射光が斜め光となるため、これを曲げて良好に集光させる必要から、オンチップマイクロレンズが必要となる。よって、前述したような特許文献1による問題と同様の問題が生じる。
Further, in
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、カラーフィルタとオンチップマイクロレンズが不要で、高感度、高解像度かつシェーディングが発生しない固体撮像装置および、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and does not require a color filter and an on-chip microlens, and has a high sensitivity, a high resolution, and does not generate shading, and uses this solid state imaging device as an image input device. It is an object to provide an electronic information device used in a department.
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する複数の固体撮像素子が半導体基板の平面に沿った方向に周期的に配列され、入射される電磁波のうち、該半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が該各受光部でそれぞれ検出されて信号電荷がそれぞれ生成される固体撮像装置であって、該各受光部からの信号電荷をそれぞれ転送するための各転送路が、該半導体基板の一方表面側に設けられ、該半導体基板の該各転送路が設けられている側とは反対側の他方表面側から該各受光部に電磁波が入射されるように構成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。 In the solid-state imaging device of the present invention, a plurality of solid-state imaging devices having a plurality of light receiving portions stacked in the depth direction of a semiconductor substrate are periodically arranged in a direction along the plane of the semiconductor substrate, and incident electromagnetic waves Of these solid-state imaging devices, signal charges are generated by detecting each electromagnetic wave in the wavelength region corresponding to the depth of each light receiving part due to the wavelength dependence of the light absorption coefficient of the semiconductor substrate material. Thus, each transfer path for transferring the signal charge from each light receiving portion is provided on one surface side of the semiconductor substrate, and the side opposite to the side on which the respective transfer paths are provided on the semiconductor substrate. The electromagnetic wave is configured to be incident on each light receiving portion from the other surface side of the substrate, whereby the above-described object is achieved.
また、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板がエピタキシャル層を有するシリコン基板であり、前記各受光部が互いに異なる導電型の半導体接合により形成された各フォトダイオードからなっている。 Preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the semiconductor substrate is a silicon substrate having an epitaxial layer, and the light receiving portions are photodiodes formed by different types of semiconductor junctions.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記固体撮像素子内にそれぞれ、前記複数の固体撮像素子からの特定の固体撮像素子の選択および当該固体撮像素子からの信号出力に係る回路が設けられ、該回路を構成するトランジスタが、前記半導体基板の光入射側とは反対側から形成されて設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a circuit relating to selection of a specific solid-state imaging device from the plurality of solid-state imaging devices and signal output from the solid-state imaging device is provided in each of the solid-state imaging devices. The transistor constituting the circuit is provided from the side opposite to the light incident side of the semiconductor substrate.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記固体撮像素子内にそれぞれ、前記複数の固体撮像素子からの特定の固体撮像素子の選択および当該固体撮像素子からの信号出力に係る回路が設けられ、該回路を構成するトランジスタが、前記受光部を構成する不純物拡散層ウェルおよび該不純物拡散層ウェル上に設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a circuit relating to selection of a specific solid-state imaging device from the plurality of solid-state imaging devices and signal output from the solid-state imaging device is provided in each of the solid-state imaging devices. The transistors constituting the circuit are provided on the impurity diffusion layer well and the impurity diffusion layer well constituting the light receiving portion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記固体撮像素子内にそれぞれ、前記トランジスタにより、前記受光部から電荷検出部に転送された信号電圧に応じて増幅する増幅部が構成されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, an amplification unit configured to amplify according to the signal voltage transferred from the light-receiving unit to the charge detection unit is configured in each of the solid-state imaging elements by the transistor. .
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記固体撮像素子内に、前記増幅部によって増幅された信号を読み出し制御することにより前記受光部を選択可能とする選択部と、前記電荷検出部の信号電圧を所定電圧にリセットするためのリセット部とがそれぞれ前記トランジスタによりそれぞれ構成されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, a selection unit that enables selection of the light-receiving unit by reading and controlling a signal amplified by the amplification unit in the solid-state imaging device, and the charge detection unit And a reset section for resetting the signal voltage to a predetermined voltage are respectively constituted by the transistors.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記信号電荷の転送路は配線層で構成されている。 Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the signal charge transfer path is formed of a wiring layer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記受光部と前記配線層の少なくとも一部とが、該受光部と該配線層との間の層間絶縁膜内に設けられたコンタクト部で電気的に接続されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the light receiving portion and at least a part of the wiring layer are electrically connected by a contact portion provided in an interlayer insulating film between the light receiving portion and the wiring layer. Connected.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、・・・第N(Nは2以上の自然数)波長域の電磁波を検出する第N受光部とのN個の受光部を有する。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, as the plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a first wavelength range;... Nth (N is a natural number of 2 or more) wavelength range N light receiving parts for detecting the electromagnetic wave of the first and second light receiving parts.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部とを有する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, as the plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a first wavelength region and a second light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a second wavelength region are provided. Have.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部と、第3波長域の電磁波を検出する第3受光部とを有する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, as the plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a first wavelength range, a second light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a second wavelength range, And a third light receiving unit for detecting electromagnetic waves in the third wavelength region.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部と、第3波長域の電磁波を検出する第3受光部と、第4波長域の電磁波を検出する第4受光部とを有する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, as the plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a first wavelength range, a second light receiving unit that detects an electromagnetic wave in a second wavelength range, It has the 3rd light-receiving part which detects the electromagnetic wave of a 3rd wavelength range, and the 4th light-receiving part which detects the electromagnetic wave of a 4th wavelength range.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から前記第1受光部までの深さが、空乏層厚として0.2μm以上2.0μmの範囲で白色光を検出し、前記半導体基板の光入射側表面から前記第2受光部までの深さが5.0μm±2.5μmの範囲で赤外光を検出する。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the first light receiving portion is in the range of 0.2 μm to 2.0 μm as a depletion layer thickness. Infrared light is detected in a range of 5.0 μm ± 2.5 μm in depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the second light receiving part.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から前記第1受光部までの深さが0.1μm以上0.2μm以下の範囲で紫外光を検出し、該半導体基板の光入射側表面から前記第2受光部までの深さが、空乏層厚として0.2μm以上2.0μmの範囲で白色光を検出する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, ultraviolet light is detected in a range from 0.1 μm to 0.2 μm in depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the first light receiving part, White light is detected when the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the second light receiving portion is in the range of 0.2 μm to 2.0 μm as the depletion layer thickness.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から前記第1受光部までの深さは0.1μm以上0.4μm以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第2受光部までの深さは0.4μm以上0.8μm以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第3受光部までの深さは0.8μm以上2.5μm以下の範囲内で三原色光を検出する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the first light receiving portion is in a range of 0.1 μm to 0.4 μm, The depth from the light incident side surface to the second light receiving part is in the range of 0.4 μm to 0.8 μm, and the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the third light receiving part is 0. Three primary color lights are detected within a range of 8 μm to 2.5 μm.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から前記第1受光部までの深さは0.1μm以上0.4μm以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第2受光部までの深さは0.3μm以上0.6μm以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第3受光部までの深さは0.4μm以上0.8μm以下の範囲内であり、該半導体基板の光入射側表面から前記第4受光部までの深さは0.8μm以上2.5μm以下の範囲内で三原色光とエメラルド色光を検出する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the first light receiving portion is in a range of 0.1 μm to 0.4 μm, The depth from the light incident side surface to the second light receiving unit is in the range of 0.3 μm to 0.6 μm, and the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the third light receiving unit is 0. Detects primary color light and emerald color light within the range of 4 μm to 0.8 μm, and the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the fourth light receiving portion is within the range of 0.8 μm to 2.5 μm. To do.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面から受光部までの深さとして、正確に表現したい色光に対応する受光部深さに設定した受光部を追加する。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a light receiving unit set to a light receiving unit depth corresponding to the color light to be accurately expressed is added as a depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the light receiving unit. .
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面は研磨されて前記各受光部までの距離が最適化されている。 Still preferably, in a solid-state imaging device according to the present invention, the light incident side surface of the semiconductor substrate is polished to optimize the distance to each light receiving portion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面に、隣接する固体撮像素子を互いに分離するための所定幅の素子分離層が平面視で格子状に設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, element separation layers having a predetermined width for separating adjacent solid-state imaging elements from each other are provided in a lattice shape in plan view on the light incident side surface of the semiconductor substrate. Yes.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面に赤外線カットフィルタが設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, an infrared cut filter is provided on the light incident side surface of the semiconductor substrate.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面とは反対側表面に、強度を高めるための支持基板が設けられている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a support substrate for increasing the strength is provided on the surface opposite to the light incident side surface of the semiconductor substrate.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における支持基板は、シリコン基板またはガラス基板である。この支持基板は、透明なシリコン基板または透明ガラス基板であってもよいが、支持基板は透明である必要はなく、むしろ不透明である方が画素内トランジスタの低ノイズ化が図られるので望ましい。 Further preferably, the support substrate in the solid-state imaging device of the present invention is a silicon substrate or a glass substrate. The support substrate may be a transparent silicon substrate or a transparent glass substrate. However, the support substrate does not need to be transparent, but rather is opaque because it can reduce the noise of the in-pixel transistor.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記固体撮像素子の一辺の大きさが1.0μm以上20.0μm以下の範囲内である。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the size of one side of the solid-state imaging element is in the range of 1.0 μm to 20.0 μm.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記固体撮像素子の有効配置個数が10万画素以上5000万画素以下の範囲内である。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the effective arrangement number of the solid-state imaging elements is in a range of 100,000 pixels to 50 million pixels.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置は、CMOS型イメージセンサまたはCCD型イメージセンサである。 Further preferably, the solid-state imaging device of the present invention is a CMOS image sensor or a CCD image sensor.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、外部への引き出し電極が、チップ底面側または、前記半導体基板の光入射側表面側に設けられている。 Furthermore, preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, an extraction electrode to the outside is provided on the chip bottom surface side or the light incident side surface side of the semiconductor substrate.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における半導体基板の光入射側表面は、最も浅い受光部までの距離まで研磨されている。 Further preferably, the light incident side surface of the semiconductor substrate in the solid-state imaging device of the present invention is polished to a distance to the shallowest light receiving portion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記半導体基板の光入射側表面上には平坦化膜およびその上のオンチップマイクロレンズが設けられていない。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a planarizing film and an on-chip microlens thereon are not provided on the light incident side surface of the semiconductor substrate.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における受光部は平坦面で構成されている。 Further, preferably, the light receiving unit in the solid-state imaging device of the present invention is configured with a flat surface.
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置が画像入力部として撮像部に設けられたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The electronic information device of the present invention is such that the solid-state imaging device of the present invention is provided in an imaging unit as an image input unit, and thereby the above-described object is achieved.
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below with the above configuration.
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する固体撮像素子が基板平面方向に周期的に配置されており、入射される光(電磁波)のうち、半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が各受光部で検出されて信号電荷が生成されるため、カラーフィルタを設けなくても、各受光部において波長が異なる光成分(電磁波)が分離検出される。 In the solid-state imaging device of the present invention, solid-state imaging elements having a plurality of light receiving portions stacked in the depth direction of the semiconductor substrate are periodically arranged in the plane direction of the substrate, and among the incident light (electromagnetic wave), Due to the wavelength dependence of the light absorption coefficient in the semiconductor substrate material, electromagnetic waves in the wavelength region corresponding to the depth of each light receiving part are detected at each light receiving part, and signal charges are generated. Light components (electromagnetic waves) having different wavelengths are separated and detected in the light receiving unit.
また、受光部から信号電荷を転送するための転送路(配線層)および所定回路を組むための必要個数のトランジスタが、電磁波入射側とは反対側の表面に設けられているため、画素アレイ内において、これら配線層により光路上で光が蹴られることがなく、オンチップマイクロレンズを形成して光を受光部に集光させる必要もない。 In addition, since a transfer path (wiring layer) for transferring signal charges from the light receiving portion and a necessary number of transistors for assembling a predetermined circuit are provided on the surface opposite to the electromagnetic wave incident side, In this case, light is not kicked on the optical path by these wiring layers, and it is not necessary to form an on-chip microlens and collect light on the light receiving portion.
したがって、本発明の固体撮像装置では、固体撮像装置特有の光学的特性に係わる製造プロセスとしてのカラーフィルタ形成工程とオンチップマイクロレンズ形成工程を削減して、他の半導体デバイスと同じラインにより製造することが可能となり、他の半導体デバイスと固体撮像装置を同一チップモジュールセットに混載する場合にも、プロセスの整合性を向上させることができる。また、本発明の固体撮像装置では、配線層が電磁波入射側とは反対側の表面に設けられており、光路上で光の蹴られにより集光率が低下しないため、多層配線化を図ることが可能となり、高機能な画像演算処理回路なども混載することが可能となる。さらに、本発明の固体撮像装置では、各画素部(各受光部)から出力される信号電荷を転送するための配線層を各画素部間に設ける必要がないため、配線層の配置面積によって固体撮像装置の解像度が低下することはない。各受光部への光入射側とは反対側に配線層やトランジスタがあると、配線層幅や、配線層およびトランジスタの配置の自由度も大幅に向上する。また、CMOS型イメージセンサにおいて、各画素の信号電荷を増幅したり、転送するためのトランジスタについても、電磁波入射側とは反対側の表面に設けることによって、トランジスタの配置面積によって解像度が低下することはなく、トランジスタの特性安定化を図るために十分なサイズを確保することができる。 Therefore, in the solid-state imaging device of the present invention, the color filter forming process and the on-chip microlens forming process as manufacturing processes related to the optical characteristics peculiar to the solid-state imaging device are reduced, and the solid-state imaging device is manufactured on the same line as other semiconductor devices. Therefore, even when another semiconductor device and a solid-state imaging device are mixedly mounted on the same chip module set, process consistency can be improved. In the solid-state imaging device of the present invention, the wiring layer is provided on the surface opposite to the electromagnetic wave incident side, and the light collection rate does not decrease due to the kicking of light on the optical path. It is possible to mount a high-performance image arithmetic processing circuit or the like. Furthermore, in the solid-state imaging device of the present invention, it is not necessary to provide a wiring layer for transferring signal charges output from each pixel unit (each light receiving unit) between the pixel units. The resolution of the imaging device does not decrease. If there is a wiring layer or a transistor on the side opposite to the light incident side to each light receiving section, the wiring layer width and the degree of freedom of arrangement of the wiring layer and transistor are greatly improved. In addition, in a CMOS image sensor, a transistor for amplifying or transferring a signal charge of each pixel is provided on the surface opposite to the electromagnetic wave incident side, so that the resolution is lowered depending on the arrangement area of the transistor. Rather, a sufficient size can be secured to stabilize the transistor characteristics.
以上により、本発明によれば、従来の固体撮像装置において必要とされていたカラーフィルタとオンチップマイクロレンズが共に不要で、高感度、高解像度かつシェーディングが発生しない固体撮像装置を実現することができる。特に、CMOS型イメージセンサに本発明を適用した場合、画素内に配置されるトランジスタにおいて高度な微細化が不要であり、信号電荷の転送特性を安定化させて、高解像度を保ったまま画質を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a solid-state imaging device that does not require a color filter and an on-chip microlens that are required in a conventional solid-state imaging device, and that has high sensitivity, high resolution, and does not generate shading. it can. In particular, when the present invention is applied to a CMOS type image sensor, it is not necessary to make a high degree of miniaturization in a transistor disposed in a pixel, and the signal charge transfer characteristics are stabilized to improve image quality while maintaining high resolution. Can be improved.
以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態1〜6および、これらの固体撮像装置の実施形態1〜6のいずれかを画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器を実施形態7として、図面を参照しながら順次詳細に説明する。
(実施形態1)
本実施形態1では、複数の受光部として、第1波長域の光(電磁波)を検出する第1受光部と、第2波長域の光(電磁波)を検出する第2受光部とを有する場合について説明する。この場合の波長域が異なる2色とは、衛星写真などに用いるように、赤外線と可視光や、紫外線と可視光などの2色が考えられる。
Hereinafter,
(Embodiment 1)
In the first embodiment, as the plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects light (electromagnetic waves) in the first wavelength range and a second light receiving unit that detects light (electromagnetic waves) in the second wavelength range are provided. Will be described. In this case, the two colors having different wavelength ranges may be two colors such as infrared rays and visible light, and ultraviolet rays and visible light, as used in satellite photographs.
図1は、本発明の実施形態1に係る固体撮像装置において、装置内部に備えられる固体撮像素子の概略構成例を示す断面図である。なお、本実施形態1の固体撮像装置では、複数の単位画素部が半導体基板の平面に沿った方向に2次元状でマトリクス状に周期的に配列されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging element provided in the solid-state imaging device according to
図1において、本実施形態1に係る固体撮像装置100は、単位画素部としての固体撮像素子として、半導体基板101に第1波長域の電磁波を検出する第1受光部111と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部112とが、半導体基板101の深さ方向に積層されて設けられている。
In FIG. 1, a solid-
半導体基板101の下方部には、金属材料層からなる配線層141〜143が設けられており、これらの配線層141〜143によって互いに接続されて固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路が構成されている。これらの回路と第1受光部111および第2受光部112とを電気的に繋ぐために、コンタクト部121および122が設けられて、配線層141の一部と第1受光部111および第2受光部112が電気的にそれぞれ接続されている。配線層141〜143とコンタクト部121および122とは、層間絶縁膜131〜134によって埋設されて、3層の多層配線層となっている。
In the lower part of the
上記構成により、この固体撮像装置100において、撮像時には、半導体基板101の第1受光部111および第2受光部112が形成されている側から光が入射される。入射される電磁波(光)のうち、半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が各受光部でそれぞれ検出されて、各波長域に対応した各信号電荷がそれぞれ生成される。
With the above configuration, in the solid-
配線層141〜143は、半導体基板101における光入射面とは反対側の表面、即ち、第1受光部111および第2受光部112の裏側に設けられているため、配線層141〜143による光路上の光の蹴られが全く発生せず、シェーディングの問題は起こらない。また、これによって、光路を変える必要がないため、オンチップマイクロレンズを形成する必要もない。
Since the wiring layers 141 to 143 are provided on the surface opposite to the light incident surface of the
図2は、本実施形態1に係る変形例の固体撮像装置100Aにおいて、単位画素部としての固体撮像素子の第1受光部111Aおよび第2受光部112Aを互いに異なる導電型の半導体接合により形成されたフォトダイオードにより構成した一例を示す断面図である。
2A and 2B, in the solid-
図2において、この固体撮像装置100Aは、単位画素部としての固体撮像素子として、第1導電型半導体基板101Aの内部に、第2導電型の不純物拡散層ウェル102が設けられ、さらに不純物拡散層ウェル102の内部に第1導電型の不純物拡散層ウェル103が設けられている。半導体基板101Aと不純物拡散層ウェル102との界面、および不純物拡散層ウェル102と不純物拡散層ウェル103との界面には、それぞれ空乏層が形成されて各PN接合によるフォトダイオードが構成されており、光が入射された際に、波長域の異なる光成分に対応した各信号電荷をそれぞれ生成する第1受光部111Aおよび第2受光部112Aとして機能するようになっている。
In FIG. 2, this solid-
なお、半導体基板101Aは、エピタキシャル層を一部または全部に有するシリコン基板であってもよく、フォトダイオードはそのエピタキシャル層内に形成してもよい。この場合には、信号電荷のノイズ成分を低減させて画質を向上させることができる。
Note that the
図3は、本発明の実施形態1に係る他の変形例の固体撮像装置100Bにおいて、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路を構成するトランジスタを、固体撮像素子内の不純物拡散層ウェル103に設けた構成例を示す断面図である。
FIG. 3 shows an impurity diffusion layer well 103 in the solid-state image sensor, in the solid-
図3において、この固体撮像装置100Bは、単位画素部としての固体撮像素子毎に、ゲート電極151、ドレイン拡散領域152およびソース拡散領域153を有するトランジスタが、不純物拡散層ウェル103に設けられている。トランジスタのゲート電極151は、受光部111Aおよび112Aと配線層141〜143との間の層間絶縁膜131内に設けられ、トランジスタのドレイン拡散領域152およびソース拡散領域153は、不純物拡散層ウェル103内に設けられている。このトランジスタは、層間絶縁膜131内に設けられたドレインコンタクト部124およびソースコンタクト部125によって配線層141〜143と接続されている。
In FIG. 3, in this solid-
なお、図3では、不純物拡散層ウェル103上に設けられているトランジスタの個数が1個である場合を一例として示しているが、複数個のトランジスタが設けられている場合についても本発明は適用可能であり、複数個のトランジスタのそれぞれのサイズやチャネル注入条件などが異なっている場合についても本発明は適用可能である。また、複数個のトランジスタを配置する場合には、ドレインコンタクト部やソースコンタクト部を複数個のトランジスタによって共有させてもよい。さらに、隣接する複数の固体撮像素子において、それぞれの不純物拡散層ウェル103に設けられているトランジスタの種類や配線が異なっている場合についても本発明は適用可能である。
Note that FIG. 3 shows an example in which the number of transistors provided on the impurity diffusion layer well 103 is one, but the present invention is also applied to a case where a plurality of transistors are provided. The present invention can also be applied to the case where the sizes and channel injection conditions of the plurality of transistors are different. When a plurality of transistors are arranged, the drain contact portion and the source contact portion may be shared by the plurality of transistors. Furthermore, the present invention can be applied to a case where the types and wirings of transistors provided in the respective impurity
図4は、本発明の実施形態1に係る更に他の変形例の固体撮像装置100Cにおいて、固体撮像素子内に設けられている、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路の具体的構成例を示す断面図である。 FIG. 4 shows a specific configuration example of a circuit related to selection and signal output of a solid-state image sensor provided in the solid-state image sensor in the solid-state image sensor 100C of still another modified example according to the first embodiment of the present invention. FIG.
図4において、この固体撮像装置100Cは、単位画素部としての固体撮像素子として設けられた画素アレイ内で、受光部からの信号電荷を検出する信号検出部FDの電位をリセット可能とする(無効電荷を排出する)ためのリセット部としてのリセットトランジスタR1およびR2と、信号検出部FDの電位に応じて増幅する増幅部としての増幅トランジスタA1およびA2と、増幅トランジスタA1およびA2からそれぞれ出力された各信号を各信号線にそれぞれ読み出し可能とする選択部としての選択トランジスタS1およびS2とをそれぞれ有する各回路が、第1受光部111Aおよび第2受光部112Aにそれぞれ接続されている。要するに、第1受光部111Aに対応して、リセットトランジスタR1、増幅トランジスタA1および選択トランジスタS1からなる回路が設けられ、第1受光部111Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。また、第2受光部112Aに対応して、リセットトランジスタR2、増幅トランジスタA2および選択トランジスタS2からなる回路が設けられ、第2受光部112Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。
In FIG. 4, the solid-
上記構成により、第1受光部111Aおよび第2受光部112Aにおいて、各光の波長域に応じてそれぞれ発生した信号電荷は、それぞれ独立した2種類の信号として、各信号検出部FDに読み出されて増幅トランジスタA1およびA2によって増幅され、選択トランジスタA1およびA2に印加される選択信号Vselect1およびVselect2によって信号線Vout1およびVout2に所定タイミングでそれぞれ読み出される。
With the above configuration, in the first
増幅トランジスタA1およびA2の各ゲート電位(各信号検出部FDの電位)は、次の第1受光部111Aおよび第2受光部112Aへの電荷蓄積前に、リセットトランジスタR1およびR2に印加されるリセット信号Vreset1およびVreset2によって電源電位Vdd1およびVdd2(Vdd2はVdd1と同等でもよい)にそれぞれリセットされる。このリセットレベルを基準として、2つの異なる光の波長域に対応する第1受光部111Aおよび第2受光部112Aにおいてそれぞれ発生した信号電荷が、それぞれ独立した2種類の信号として増幅されて各ゲート電位(各信号検出部FDの電位)にそれぞれ読み出される。
The gate potentials of the amplification transistors A1 and A2 (the potentials of the signal detection units FD) are reset applied to the reset transistors R1 and R2 before the next charge accumulation in the first
なお、図4に示す回路構成例は、これに限定されるものではなく、同等の機能を有するものであれば、様々な回路構成とすることが可能である。例えば選択トランジスタS1およびS2がない場合もあり得る。また、複数の固体撮像素子によって、固体撮像素子の選択および信号出力を行う回路が共用されるように、同等の機能を有する回路を構成してもよい。 Note that the circuit configuration example illustrated in FIG. 4 is not limited thereto, and various circuit configurations can be used as long as they have equivalent functions. For example, there may be a case where the selection transistors S1 and S2 are not provided. In addition, a circuit having an equivalent function may be configured so that a circuit for selecting a solid-state image sensor and outputting a signal is shared by a plurality of solid-state image sensors.
また、CMOS型イメージセンサに限らず、CCD型イメージセンサのように垂直転送部に信号電荷を読み出して垂直転送し、さらに、水平転送部を介して信号検出部で信号検出を行う場合にも、本発明が適用されて垂直転送部および水平転送部が受光面側とは反対側に設けられていればよい。 Also, not only in a CMOS type image sensor, but also in the case where a signal charge is read out and transferred vertically to a vertical transfer unit like a CCD type image sensor, and further a signal detection unit performs signal detection via a horizontal transfer unit, It is only necessary that the vertical transfer unit and the horizontal transfer unit are provided on the side opposite to the light receiving surface side by applying the present invention.
さらに、半導体基板101Aの光入射側表面から第1受光部111Aまでの深さが、空乏層厚として0.2μm以上2.0μmの範囲で白色光を検出し、半導体基板101Aの光入射側表面から第2受光部112Aまでの深さが5.0μm±2.5μmの範囲で赤外光を検出するようにしてもよい。また、半導体基板101Aの光入射側表面から第1受光部111Aまでの深さが0.1μm以上0.2μm以下の範囲で紫外光を検出し、半導体基板101Aの光入射側表面から第2受光部112Aまでの深さが、空乏層厚として0.2μm以上2.0μmの範囲で白色光を検出するようにしてもよい。さらに、半導体基板101Aの光入射側表面から第1受光部111Aまでの深さが0.1μm以上0.2μm以下の範囲で紫外光を検出し、半導体基板101Aの光入射側表面から第2受光部112Aまでの深さが5.0μm±2.5μmの範囲で赤外光を検出するようにしてもよい。この場合に、半導体基板101Aの光入射側表面から各受光部までの深さとして、第1受光部111Aまたは112Aの代わりに、正確に表現したい色光に対応する受光部深さに設定した受光部を追加するようにしてもよい。
(実施形態2)
上記実施形態1では、複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部とを有する場合について説明したが、本実施形態2では、複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部と、第3波長域の電磁波を検出する第3受光部とを有する場合について説明する。この場合の光の波長域の異なる3色としては、例えばR(赤)、G(緑)およびB(青)の三原色が考えられる。
Further, white light is detected when the depth from the light incident side surface of the
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case where the plurality of light receiving units includes the first light receiving unit that detects the electromagnetic wave in the first wavelength range and the second light receiving unit that detects the electromagnetic wave in the second wavelength range has been described. In the second embodiment, as a plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects electromagnetic waves in the first wavelength range, a second light receiving unit that detects electromagnetic waves in the second wavelength range, and electromagnetic waves in the third wavelength range are detected. The case where it has a 3rd light-receiving part is demonstrated. In this case, for example, three primary colors of R (red), G (green) and B (blue) are conceivable as three colors having different wavelength ranges of light.
図5は、本発明の実施形態2に係る固体撮像装置において、装置内部に備えられる固体撮像素子の概略構成例を示す断面図である。なお、本実施形態2の固体撮像装置では、複数の単位画素部が半導体基板の平面に沿った方向に2次元状でマトリクス状に周期的に配列されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging element provided inside the solid-state imaging device according to
図5において、本実施形態2に係る固体撮像装置200は、単位画素部としての固体撮像素子として、半導体基板201に、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部111と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部112と、第3波長域の電磁波を検出する第3受光部113とが、半導体基板201の深さ方向に積層して設けられている。
In FIG. 5, the solid-state imaging device 200 according to the second embodiment includes, as a solid-state imaging device as a unit pixel unit, a first
半導体基板201の下方部には、金属材料層からなる配線層141〜143が設けられており、これらの配線層141〜143によって固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路が構成されている。これらの回路と第1受光部111、第2受光部112および第3受光部113とを電気的に繋ぐために、コンタクト部121〜123が設けられて、配線層141の一部と第1受光部111、第2受光部112および第3受光部113が電気的に接続されている。配線層141〜143とコンタクト部121〜123とは、層間絶縁膜131〜134によって埋設されて、3層の多層配線層となっている。
In the lower part of the
上記構成により、この固体撮像装置200において、撮像時に、半導体基板201の第1受光部111〜第3受光部113が形成されている側から光が入射される。入射される光の電磁波のうち、半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が各受光部111〜113で検出されて、信号電荷が生成される。例えば、第1受光部111では青色光が検出され、第2受光部112では緑色光が検出され、第3受光部113では赤色光が検出される。
With the above configuration, in the solid-state imaging device 200, light is incident from the side on which the first
配線層141〜143は、半導体基板201における光入射面とは反対側の表面に設けられているため、配線層141〜143による光路上の光の蹴られが全く発生せず、シェーディングの問題は起こらない。また、光路を変える必要がないため、オンチップマイクロレンズを形成する必要もない。
Since the wiring layers 141 to 143 are provided on the surface of the
図6は、本発明の実施形態2に係る変形例の固体撮像装置200Aにおいて、固体撮像素子の第1受光部111A、第2受光部112Aおよび第3受光部113Aを互いに異なる導電型の半導体接合(PN接合)により形成されたフォトダイオードにより構成した例を示す断面図である。
FIG. 6 is a diagram showing a modification of the solid-
図6において、この固体撮像装置200Aは、単位画素部としての固体撮像素子として、第2導電型半導体基板201Aの内部に、第1導電型の不純物拡散層ウェル202が設けられ、不純物拡散層ウェル202の内部に第2導電型の不純物拡散層ウェル203が設けられ、さらに不純物拡散層ウェル203の内部に第1導電型の不純物拡散層ウェル204が設けられている。半導体基板201Aと不純物拡散層ウェル202との界面、不純物拡散層ウェル202と不純物拡散層ウェル203との界面、および不純物拡散層ウェル203と不純物拡散層ウェル204との界面には、それぞれ空乏層が形成されて各フォトダイオードがそれぞれ構成されており、光が入射された際に信号電荷を生成する第1受光部111A、第2受光部112Aおよび第3受光部113Aとして機能する。
In FIG. 6, this solid-
なお、この半導体基板201Aは、エピタキシャル層を一部もしくは全部に有するシリコン基板であってもよく、フォトダイオードはそのエピタキシャル層内に形成してもよい。その場合には、信号電荷のノイズ成分を低減させて画質を向上させることができる。
The
また、第1受光部111Aによって検出される波長域は青色光であり、第2受光部112Aによって検出される波長域は緑色光であり、第3受光部113Aによって検出される波長域は赤色光であり、光の三原色の色信号全てを1画素部内で、深さ方向に設けた各受光部111A〜113Aにより検出することができる。
The wavelength range detected by the first
図7は、本発明の実施形態2に係る上記変形例の固体撮像装置において、第1受光部111A〜第3受光部113Aによって光の三原色の色信号全てを1画素内で検出するために最も効果的な配置位置の具体例を説明するための断面図である。
FIG. 7 shows the most modification of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the invention for detecting all three primary color signals of light within one pixel by the first
図7において、この固体撮像装置200Aは、単位画素部としての固体撮像素子として、第2導電型半導体基板201Aの内部に、青色光を検出する第1受光部111Aが半導体基板201Aの光入射側表面から0.1μm以上0.4μm以下の深さの位置に設けられ、緑色光を検出する第2受光部112Aが半導体基板201の光入射側表面から0.4μm以上0.8μm以下の深さの位置に設けられ、赤色光を検出する第3受光部113Aが半導体基板201Aの光入射側表面から0.8μm以上2.5μm以下の深さの位置に設けられている。このように、第1受光部111A〜第3受光部113Aを配置することによって、光の三原色の色信号全てを1画素内でより正確に検出することが可能となる。
In FIG. 7, the solid-state imaging device 200 </ b> A includes a first
なお、各受光部の深さ位置は、検出される波長域および半導体基板材料の光吸収係数によって最適な深さ位置が設定されるので、上記深さ範囲は一般的な値であって、これに限定されるものではない。 The depth position of each light receiving unit is set to an optimum depth position depending on the detected wavelength region and the light absorption coefficient of the semiconductor substrate material, and the depth range is a general value. It is not limited to.
図8は、本発明の実施形態2に係る他の変形例の固体撮像装置200Bにおいて、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路を構成するトランジスタを、固体撮像素子内の不純物拡散層ウェル204に設けた構成例を示す断面図である。
FIG. 8 shows an impurity diffusion layer well 204 in a solid-state image sensor, in a solid-
図8において、この固体撮像装置200Bは、単位画素部としての固体撮像素子毎に、ゲート電極151、ドレイン拡散領域152およびソース拡散領域153を有するトランジスタが、不純物拡散層ウェル204に設けられている。トランジスタのゲート電極151は、受光部111A〜113Aと配線層141〜143との間の層間絶縁膜131内に設けられ、トランジスタのドレイン拡散領域152およびソース拡散領域153は、不純物拡散層ウェル204内に設けられている。このトランジスタは、層間絶縁膜131内に設けられたドレインコンタクト部124およびソースコンタクト部125によって配線層141〜143と電気的に接続されている。
In FIG. 8, in this solid-state imaging device 200 </ b> B, a transistor having a
なお、図8では、不純物拡散層ウェル204に設けられているトランジスタの個数が1個である場合を一例として示しているが、複数個のトランジスタが設けられている場合についても本発明は適用可能であり、複数個のトランジスタのそれぞれのサイズやチャネル注入条件などが異なっている場合についても本発明は適用可能である。また、複数個のトランジスタを配置する場合には、ドレインコンタクト部やソースコンタクト部を複数個のトランジスタによって共有させてもよい。さらに、隣接する複数の固体撮像素子において、それぞれの不純物拡散層ウェル204に設けられているトランジスタの種類や配線が異なっている場合についても本発明は適用可能である。
FIG. 8 shows an example in which the number of transistors provided in the impurity diffusion layer well 204 is one, but the present invention can also be applied to a case where a plurality of transistors are provided. The present invention is also applicable to the case where the sizes and channel injection conditions of the plurality of transistors are different. When a plurality of transistors are arranged, the drain contact portion and the source contact portion may be shared by the plurality of transistors. Furthermore, the present invention can also be applied to a case where the types and wirings of transistors provided in the respective impurity
図9は、本発明の実施形態2に係る更に他の変形例の固体撮像装置200Cにおいて、固体撮像素子内に設けられている、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路の具体的構成例を示す断面図である。
FIG. 9 shows a specific configuration example of a circuit related to selection and signal output of a solid-state imaging device provided in the solid-state imaging device in a solid-state imaging device 200C of still another modified example according to
図9において、この固体撮像装置200Cは、単位画素部としての固体撮像素子として設けられた画素アレイ内で、受光部からの信号電荷を検出する信号検出部FDの電位をリセット可能とする(無効電荷を排出する)ためのリセット部としてのリセットトランジスタR1,R2およびR3と、この信号検出部FDの電位に応じて増幅する増幅部としての増幅トランジスタA1,A2およびA3と、増幅トランジスタA1,A2およびA3からそれぞれ出力された各信号を各信号線Vout1〜3にそれぞれ読み出し可能とする選択部としての選択トランジスタS1,S2およびS3とをそれぞれ有する各回路が、第1受光部111A〜第3受光部113Aにそれぞれ接続されている。要するに、第1受光部111Aに対応して、リセットトランジスタR1、増幅トランジスタA1および選択トランジスタS1からなる回路が設けられ、第1受光部111Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。また、第2受光部112Aに対応して、リセットトランジスタR2、増幅トランジスタA2および選択トランジスタS2からなる回路が設けられ、第2受光部112Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。さらに、第3受光部113Aに対応して、リセットトランジスタR3、増幅トランジスタA3および選択トランジスタS3からなる回路が設けられ、第3受光部113Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。
In FIG. 9, the solid-state imaging device 200 </ b> C can reset the potential of the signal detection unit FD that detects the signal charge from the light receiving unit in the pixel array provided as the solid-state imaging device as the unit pixel unit (invalid Reset transistors R1, R2, and R3 as reset units for discharging electric charges, amplification transistors A1, A2, and A3 as amplification units that amplify according to the potential of the signal detection unit FD, and amplification transistors A1, A2 Each of the circuits having selection transistors S1, S2, and S3 as selection units that can read out the signals output from A3 and A3 to the signal lines Vout1 to Vout3, respectively. Each is connected to the
上記構成により、第1受光部111A、第2受光部112Aおよび第3受光部113Aにおいて、各光の波長域に応じてそれぞれ発生した信号電荷は、それぞれ独立した3種類の信号として、増幅トランジスタA1、A2およびA3によって増幅され、選択トランジスタA1、A2およびA3に印加される選択信号Vselect1、Vselect2およびVselect3によって信号線Vout1、Vout2およびVout3にそれぞれ読み出される。
With the above configuration, in the first
増幅トランジスタA1、A2およびA3の各ゲート電位(各信号検出部FDの電位)は、次の第1受光部111A〜113Aへの電荷蓄積前にリセットトランジスタR1、R2およびR3に印加されるリセット信号Vreset1、Vreset2およびVreset3によって各信号検出部FDの電位がそれぞれ電源電位Vdd1、Vdd2およびVdd3にそれぞれリセットされる。このリセットを基準にして、3つの異なる波長域に対応する第1受光部111A、第2受光部112Aおよび第3受光部113Aにおいてそれぞれ発生した信号電荷が、それぞれ独立した3種類の信号として増幅されて信号線Vout1、Vout2およびVout3にそれぞれ読み出される。
The gate potentials of the amplification transistors A1, A2, and A3 (the potentials of the signal detection units FD) are reset signals that are applied to the reset transistors R1, R2, and R3 before the next charge accumulation in the first
なお、図9に示す回路構成は、これに限定されるものではなく、同等の機能を有するものであれば、様々な回路構成とすることが可能である。例えば選択トランジスタS1〜S3がない場合もあり得る。また、複数の固体撮像素子によって、固体撮像素子の選択および信号出力を行う回路が共用されるように、同等の機能を有する回路を構成してもよい。 Note that the circuit configuration illustrated in FIG. 9 is not limited thereto, and various circuit configurations are possible as long as they have equivalent functions. For example, the select transistors S1 to S3 may not be provided. In addition, a circuit having an equivalent function may be configured so that a circuit for selecting a solid-state image sensor and outputting a signal is shared by a plurality of solid-state image sensors.
なお、半導体基板201Aの光入射側表面から各受光部までの深さとして、三原色を検出する第1受光部111A〜第3受光部113Aに加えて、正確に表現したい色光に対応する受光部深さに設定した受光部を追加するようにしていもよい。
(実施形態3)
上記実施形態1では、縦積みされた複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部とを有する場合について説明したが、本実施形態3では、複数の受光部として、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部と、第3波長域の電磁波を検出する第3受光部と、第4波長域の電磁波を検出する第4受光部とを有する場合について説明する。この場合の4色は、例えばR(赤)、G(緑)およびB(青)の三原色に、G(緑)とB(青)間の色は人間の目に敏感であるためエメラルド色を加えてもよい。また、例えばR(赤)付近の色を正確に強調したい場合にはR(赤)付近の色を加えてもよい。さらに、肌色や空色、さらには水の色を正確に表現したい場合には、その付近の色を加えればよい、肌色を出すために、赤色と黄色間の色に対応した深さ位置にPN接合部を設ければよい。要するに、半導体基板の光入射側表面から受光部までの深さとして、正確に表現したい色光に対応する受光部深さに設定した受光部を追加すればよい。これは一つの色の追加に限らず、複数色を追加してもよいが、ここでは、説明を簡略化するために一つの色としてエメラルド色を加える場合について説明する。
As the depth from the light incident side surface of the
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the case where the plurality of light receiving units stacked vertically includes a first light receiving unit that detects electromagnetic waves in the first wavelength range and a second light receiving unit that detects electromagnetic waves in the second wavelength range will be described. However, in the third embodiment, as a plurality of light receiving units, a first light receiving unit that detects an electromagnetic wave in the first wavelength range, a second light receiving unit that detects an electromagnetic wave in the second wavelength range, and a third wavelength range The case where it has the 3rd light-receiving part which detects electromagnetic waves, and the 4th light-receiving part which detects the electromagnetic waves of a 4th wavelength range is demonstrated. The four colors in this case are, for example, the three primary colors R (red), G (green), and B (blue), and the color between G (green) and B (blue) is sensitive to the human eye, so emerald colors are used. May be added. For example, when a color near R (red) is to be emphasized accurately, a color near R (red) may be added. In addition, if you want to accurately express the skin color, sky blue, and water color, you can add a nearby color. To produce the skin color, a PN junction at a depth corresponding to the color between red and yellow. What is necessary is just to provide a part. In short, as the depth from the light incident side surface of the semiconductor substrate to the light receiving portion, a light receiving portion set to the light receiving portion depth corresponding to the color light to be accurately expressed may be added. This is not limited to the addition of one color, but a plurality of colors may be added. Here, in order to simplify the description, a case where an emerald color is added as one color will be described.
図10は、本発明の実施形態3に係る固体撮像装置において、装置内部に備えられる固体撮像素子の概略構成例を示す断面図である。なお、本実施形態3の固体撮像装置では、複数の単位画素部が半導体基板の平面に沿った方向に2次元状でマトリクス状に周期的に配列されている。
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging device provided inside the solid-state imaging device according to
図10において、本実施形態3に係る固体撮像装置300は、単位画素部としての固体撮像素子として、半導体基板301に、第1波長域の電磁波を検出する第1受光部111と、第2波長域の電磁波を検出する第2受光部112と、第3波長域の電磁波を検出する第3受光部113と、第4波長域の電磁波を検出する第4受光部114とが、半導体基板301の深さ方向に積層して設けられている。
In FIG. 10, the solid-
半導体基板301の下方部には、金属材料層からなる配線層141〜143が設けられており、これらの配線層141〜143によって固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路が構成されている。これらの回路と第1受光部111、第2受光部112、第3受光部113および第4受光部114とを電気的に繋ぐために、コンタクト部121〜124が設けられて、配線層141の一部と第1受光部111、第2受光部112、第3受光部113および第4受光部114が電気的に接続されている。配線層141〜143とコンタクト部121〜124とは、層間絶縁膜131〜134によって埋設されて、3層の多層配線層となっている。
In the lower part of the
上記構成により、この固体撮像装置300において、撮像時に、半導体基板301の第1受光部111〜第4受光部114が形成されている側から光が入射される。入射される光の電磁波のうち、半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が各受光部111〜114で検出されて、信号電荷が生成される。例えば、第1受光部111では青色光が検出され、第2受光部112ではエメラルド色光が検出され、第3受光部113では緑色光が検出され、第4受光部114では赤色光が検出される。
With the above configuration, in the solid-
配線層141〜143は、半導体基板301における光入射面とは反対側の表面に設けられているため、配線層141〜143による光路上の光の蹴られが全く発生せず、シェーディングの問題は起こらない。また、光路を変える必要がないため、オンチップマイクロレンズを形成する必要もない。
Since the wiring layers 141 to 143 are provided on the surface of the
図11は、本発明の実施形態3に係る変形例の固体撮像装置300Aにおいて、固体撮像素子の第1受光部111A、第2受光部112A、第3受光部113Aおよび第4受光部114Aを互いに異なる導電型の半導体接合(PN接合)により形成された各フォトダイオードにより構成した例を示す断面図である。
FIG. 11 shows a modification of the solid-
図11において、この固体撮像装置300Aは、単位画素部としての固体撮像素子として、第2導電型半導体基板301Aの内部に、第1導電型の不純物拡散層ウェル302が設けられ、不純物拡散層ウェル302の内部に第2導電型の不純物拡散層ウェル303が設けられ、さらに不純物拡散層ウェル303の内部に第1導電型の不純物拡散層ウェル304が設けられ、不純物拡散層ウェル304の内部に第2導電型の不純物拡散層ウェル305が設けられている。半導体基板301Aと不純物拡散層ウェル302との界面、不純物拡散層ウェル302と不純物拡散層ウェル303との界面、不純物拡散層ウェル303と不純物拡散層ウェル304との界面、および不純物拡散層ウェル304と不純物拡散層ウェル305との界面には、それぞれ空乏層が形成されて各フォトダイオードがそれぞれ構成されており、光が入射された際に信号電荷を生成する第1受光部111A、第2受光部112A、第3受光部113Aおよび第4受光部114Aとして機能する。
In FIG. 11, a solid-
なお、この半導体基板201Aは、エピタキシャル層を一部または全部に有するシリコン基板であってもよく、フォトダイオードはそのエピタキシャル層内に形成してもよい。その場合には、信号電荷のノイズ成分を低減させて画質を向上させることができる。
The
また、第1受光部111Aによって検出される波長域は青色光であり、第2受光部112Aによって検出される波長域はエメラルド色光であり、第3受光部113Aによって検出される波長域は緑色光であり、第4受光部114Aによって検出される波長域は赤色光であり、光の四色の色信号全てを1画素内で、深さ方向に設けた各受光部111A〜114Aにより検出することができる。
The wavelength range detected by the first
図12は、本発明の実施形態3に係る他の変形例の固体撮像装置300Bにおいて、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路を構成するトランジスタを、固体撮像素子内の不純物拡散層ウェル305に設けた構成例を示す断面図である。
FIG. 12 shows an impurity diffusion layer well 305 in the solid-state image sensor, in the solid-state
図12において、この固体撮像装置300Bは、単位画素部としての固体撮像素子毎に、ゲート電極151、ドレイン拡散領域152およびソース拡散領域153を有するトランジスタが、不純物拡散層ウェル305に設けられている。トランジスタのゲート電極151は、受光部111A〜114Aと配線層141〜143との間の層間絶縁膜131内に設けられ、トランジスタのドレイン拡散領域152およびソース拡散領域153は、不純物拡散層ウェル305内に設けられている。このトランジスタは、層間絶縁膜131内に設けられたドレインコンタクト部124およびソースコンタクト部125によって配線層141〜143と電気的に接続されている。
In FIG. 12, in this solid-
なお、図12では、不純物拡散層ウェル305に設けられているトランジスタの個数が1個である場合を一例として示しているが、複数個のトランジスタが設けられている場合についても本発明は適用可能であり、複数個のトランジスタのそれぞれのサイズやチャネル注入条件などが異なっている場合についても本発明は適用可能である。また、複数個のトランジスタを配置する場合には、ドレインコンタクト部やソースコンタクト部を複数個のトランジスタによって共有させてもよい。さらに、隣接する複数の固体撮像素子において、それぞれの不純物拡散層ウェル305に設けられているトランジスタの種類や配線が異なっている場合についても本発明は適用可能である。
FIG. 12 shows an example in which the number of transistors provided in the impurity diffusion layer well 305 is one, but the present invention can also be applied to a case where a plurality of transistors are provided. The present invention is also applicable to the case where the sizes and channel injection conditions of the plurality of transistors are different. When a plurality of transistors are arranged, the drain contact portion and the source contact portion may be shared by the plurality of transistors. Furthermore, the present invention can also be applied to the case where the types and wirings of the transistors provided in the respective impurity
図13は、本発明の実施形態3に係る更に他の変形例の固体撮像装置300Cにおいて、固体撮像素子内に設けられている、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路の具体的構成例を示す断面図である。
FIG. 13 shows a specific configuration example of a circuit related to selection and signal output of a solid-state image sensor provided in the solid-state image sensor in a solid-
図13において、この固体撮像装置300Cは、単位画素部としての固体撮像素子として設けられた画素アレイ内で、受光部からの信号電荷を検出する信号検出部FDの電位をリセット可能とする(無効電荷を排出する)ためのリセット部としてのリセットトランジスタR1,R2,R3およびR4と、この信号検出部FDの電位に応じて増幅する増幅部としての増幅トランジスタA1,A2,A3およびA4と、増幅トランジスタA1,A2,A3およびA4からそれぞれ出力された各信号を各信号線Vout1〜4にそれぞれ読み出し可能とする選択部としての選択トランジスタS1,S2,S3およびS4とをそれぞれ有する各回路が、第1受光部111A〜第3受光部113Aにそれぞれ接続されている。要するに、第1受光部111Aに対応して、リセットトランジスタR1、増幅トランジスタA1および選択トランジスタS1からなる回路が設けられ、第1受光部111Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。また、第2受光部112Aに対応して、リセットトランジスタR2、増幅トランジスタA2および選択トランジスタS2からなる回路が設けられ、第2受光部112Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。さらに、第3受光部113Aに対応して、リセットトランジスタR3、増幅トランジスタA3および選択トランジスタS3からなる回路が設けられ、第3受光部113Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。さらに、第4受光部114Aに対応して、リセットトランジスタR4、増幅トランジスタA4および選択トランジスタS4からなる回路が設けられ、第4受光部114Aから信号電荷を読み出して、固体撮像素子の選択および信号出力を行う。
In FIG. 13, the solid-
上記構成により、第1受光部111A、第2受光部112A、第3受光部113Aおよび第4受光部114Aにおいてそれぞれ発生した信号電荷は、それぞれ独立した4種類の信号として、増幅トランジスタA1,A2,A3およびA4によって増幅され、選択トランジスタA1,A2,A3およびA4に印加される選択信号Vselect1、Vselect2、Vselect3およびVselect4によって信号線Vout1、Vout2、Vselect3およびVout4にそれぞれ読み出される。
With the configuration described above, the signal charges generated in the first
増幅トランジスタA1,A2,A3およびA4の各ゲート電位(各信号検出部FDの電位)は、次の第1受光部111A〜第4受光部114Aへの電荷蓄積前にリセットトランジスタR1,R2,R3およびR4に印加されるリセット信号Vreset1、Vreset2、Vreset3およびVreset4によって各信号検出部FDがそれぞれ電源電位Vdd1、Vdd2、Vdd3およびVdd4にそれぞれリセットされる。これによって、4つの異なる波長域に対応する第1受光部111A、第2受光部112A、第3受光部113Aおよび第4受光部114Aにおいてそれぞれ発生した信号電荷が、それぞれ独立した4種類の信号として信号線Vout1、Vout2、Vout3およびVout4にそれぞれ読み出される。
The gate potentials of the amplification transistors A1, A2, A3, and A4 (the potentials of the signal detection units FD) are reset by the reset transistors R1, R2, R3 before the charge accumulation in the first
なお、図13に示す回路構成は、これに限定されるものではなく、同等の機能を有するものであれば、様々な回路構成とすることが可能である。例えば選択トランジスタS1〜S4がない場合もあり得る。また、複数の固体撮像素子によって、固体撮像素子の選択および信号出力を行う回路が共用されるように、同等の機能を有する回路を構成してもよい。 Note that the circuit configuration illustrated in FIG. 13 is not limited thereto, and various circuit configurations are possible as long as they have equivalent functions. For example, the select transistors S1 to S4 may not be provided. In addition, a circuit having an equivalent function may be configured so that a circuit for selecting a solid-state image sensor and outputting a signal is shared by a plurality of solid-state image sensors.
また、半導体基板301Aの光入射側表面から第1受光部111Aまでの深さは0.1μm以上0.4μm以下の範囲内であり、半導体基板301Aの光入射側表面から第2受光部112Aまでの深さは0.3μm以上0.6μm以下の範囲内であり、半導体基板301の光入射側表面から第3受光部113Aまでの深さは0.4μm以上0.8μm以下の範囲内であり、半導体基板301Aの光入射側表面から第4受光部114Aまでの深さは0.8μm以上2.5μm以下の範囲内で三原色光とエメラルド色光を検出する。この場合に、半導体基板301Aの光入射側表面から各受光部までの深さとして、エメラルド色光を検出する第2受光部112Aの代わりにまたは、第1受光部111A〜第4受光部114に加えて、正確に表現したい色光に対応する受光部深さに設定した受光部を追加するようにしていもよい。
(実施形態4)
図14は、本発明の実施形態4に係る固体撮像装置において、図6の半導体基板201Aの光入射面側に、赤外線カットフィルタを設けた構成例を示す断面図である。
The depth from the light incident side surface of the
(Embodiment 4)
14 is a cross-sectional view showing a configuration example in which an infrared cut filter is provided on the light incident surface side of the
図14に示すように、本実施形態4の固体撮像装置400Aにおいて、半導体基板201Aの光入射面側に赤外線カットフィルタ161を設けることにより、光の入射面から深い領域において発生するノイズが抑制されて、画質を向上させることができる。
As shown in FIG. 14, in the solid-
この場合に、半導体基板201Aの光入射側表面は研磨されて各受光部111A〜113Aまでの距離(深さ位置)が最適化されている。この研磨された光入射側表面上に赤外線カットフィルタ161が設けられる。
In this case, the light incident side surface of the
さらに、半導体基板201Aの光入射側表面は研磨されて各受光部111A〜113Aまでの距離(深さ位置)が最適化され、この研磨された光入射側表面に、図19に示すように隣接する固体撮像素子603を互いに分離するための所定幅の素子分離層606が平面視で格子状に設けられる。この表面上に、赤外線カットフィルタ161が設けられてもよい。
Further, the light incident side surface of the
なお、本実施形態4の固体撮像装置において、赤外光の入射に起因するノイズ発生を抑制する方法は、これに限定されるものでなく、同等の機能を有するものであれば、様々な方法で実現することが可能である。例えば、赤外光のみを反射する膜を半導体基板の光入射面に設けてもよい。 In the solid-state imaging device according to the fourth embodiment, the method for suppressing noise generation due to the incidence of infrared light is not limited to this, and various methods can be used as long as they have equivalent functions. Can be realized. For example, a film that reflects only infrared light may be provided on the light incident surface of the semiconductor substrate.
また、本実施形態4では、図6の半導体基板201Aの光入射面側に赤外線カットフィルタ161を設けたが、この赤外線カットフィルタ161は、上記実施形態1〜3のいずれの固体撮像装置に設けてもよい。
(実施形態5)
図15は、本発明の実施形態5に係る固体撮像装置において、図14の半導体基板201Aの光入射面とは反対側の表面に、強度を高めるための支持基板を設けた構成例を示す断面図である。
In the fourth embodiment, the
(Embodiment 5)
15 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a support substrate for increasing the strength is provided on the surface opposite to the light incident surface of the
図15に示すように、本実施形態5の固体撮像装置500Aにおいて、半導体基板201の光入射面とは反対側の表面に、強度を高めるための支持基板162を設けている。これにより、本実施形態5の固体撮像装置500Aを製造する際に、ハンドリングが容易になって製造プロセスの難易度を低下させることが可能となり、特に、製造ラインにおけるウェハの搬送が容易なものとなる。支持基板162の材質は、例えばシリコンや二酸化シリコンまたはガラス基板などであっても良く、極めて薄いウェハの強度を高める効果を有するものであれば、どのような材質を選んでもよい。この支持基板162は、透明なシリコン基板または透明ガラス基板であってもよいが、支持基板162は透明である必要はなく、むしろ不透明である方が画素内トランジスタの低ノイズ化が図られるので望ましい。
As shown in FIG. 15, in the solid-state imaging device 500 </ b> A according to the fifth embodiment, a
なお、本実施形態5では、図14の半導体基板201Aの光入射面とは反対側の表面に、強度を高めるための支持基板162を設けたが、この支持基板162は、上記実施形態1〜3のいずれの固体撮像装置に設けてもよい。
(実施形態6)
図16は、本発明の実施形態6に係る固体撮像装置において、感度と解像度を向上させる上で最も効果的な固体撮像素子の大きさの具体例を説明するための断面図である。なお、本実施形態6では図6の固体撮像装置を用いて説明するが、これに限らない。
In the fifth embodiment, the
(Embodiment 6)
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining a specific example of the size of the solid-state imaging device that is most effective in improving sensitivity and resolution in the solid-state imaging device according to Embodiment 6 of the present invention. Although the sixth embodiment will be described using the solid-state imaging device of FIG. 6, the present invention is not limited to this.
図16において、本実施形態6の固体撮像装置600Aにおいて、単位画素部を構成する固体撮像素子の受光面形状が平面視で正方形の場合にその一辺の長さを、1.0μm以上20.0μm以下の範囲内に設定する。素子サイズをこの範囲内に設定することにより、固体撮像素子の一辺の長さを設定することによって、固体撮像装置の感度と解像度を最も効果的に向上させることができる。
In FIG. 16, in the solid-
図17は、本発明の実施形態6に係る固体撮像装置の概略構成例を示す平面図である。 FIG. 17 is a plan view illustrating a schematic configuration example of a solid-state imaging apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
図17において、本実施形態6の固体撮像装置600Aは、行選択信号線およびリセット信号線601と列画像信号線602とが3本ずつを1組として互いに交差するように配線され、両信号線の交差部に固体撮像素子603が周期的に配置されて、行選択信号線およびリセット信号線601と列画像信号線602とが固体撮像素子603にそれぞれ接続されている。行選択信号線およびリセット信号線601は基板左端部に設けられた行選択走査部604に接続され、列画像信号線602は基板下端部に設けられた画像信号出力部605に接続されている。
In FIG. 17, the solid-
固体撮像素子603は、固体撮像装置600Aに10万画素以上5000万画素以下の範囲内で配置されている。このように固体撮像素子603の有効配置個数を設定することによって、固体撮像装置600Aの感度と解像度を最も効果的に向上させることができる。
The solid-
この場合に、図19に示すように、撮像領域は、隣接する固体撮像素子603を互いに分離するための所定幅の素子分離層606が平面視で格子状に設けられているだけであり、固体撮像素子603の周囲には配線層がなく、撮像領域はほとんど全てが受光部領域になっており、究極的に効率のよい受光部領域になっている。
(実施形態7)
図18は、本発明の実施形態7として、本発明の実施形態1〜6のいずれかの固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
In this case, as shown in FIG. 19, the imaging region is simply provided with element separation layers 606 having a predetermined width for separating adjacent solid-
(Embodiment 7)
FIG. 18 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of an electronic information device using the solid-state imaging device according to any one of
図18において、本実施形態7の電子情報機器70は、上記実施形態1〜6のいずれかの例えば固体撮像装置200Aと、この固体撮像装置200Aからのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部40と、この固体撮像装置200Aからのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段50と、この固体撮像装置200Aからのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段60とを有している。
In FIG. 18, the
この電子情報機器70としては、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
Examples of the
したがって、本実施形態7によれば、固体撮像装置200Aからのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力装置により良好にプリントアウトしたり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部40に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
Therefore, according to the seventh embodiment, based on the color image signal from the solid-
以上により、上記実施形態1〜6によれば、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部を有する固体撮像素子が基板平面方向に周期的に配置されており、入射される光の電磁波のうち、半導体基板材料における光吸収係数の波長依存性により各受光部の深さに対応した波長域の電磁波が各受光部で検出されて信号電荷が生成されるため、カラーフィルタを設けなくても、各受光部において波長が異なる電磁波を分離検出することができる。受光部から信号電荷を転送するための配線層および必要個数のトランジスタが、電磁波入射側とは反対側に設けられているため、画素アレイ内において、これら配線層により光路上で光が蹴られることがなく、オンチップマイクロレンズを形成して光を受光部に集光させる必要がない。これによって、カラーフィルタとオンチップマイクロレンズが不要で、高感度、高解像度かつシェーディングが発生しない固体撮像装置を得ることができる。 As described above, according to the first to sixth embodiments, the solid-state imaging devices having a plurality of light receiving portions stacked in the depth direction of the semiconductor substrate are periodically arranged in the substrate plane direction, and the incident light Of the electromagnetic waves, the wavelength dependence of the light absorption coefficient in the semiconductor substrate material detects the electromagnetic waves in the wavelength region corresponding to the depth of each light receiving part and generates signal charges, so no color filter is provided. However, it is possible to separate and detect electromagnetic waves having different wavelengths in each light receiving unit. Since the wiring layer for transferring signal charges from the light receiving unit and the required number of transistors are provided on the side opposite to the electromagnetic wave incident side, light is kicked on the optical path by these wiring layers in the pixel array. Therefore, there is no need to form an on-chip microlens and collect light on the light receiving portion. Accordingly, a solid-state imaging device that does not require a color filter and an on-chip microlens, has high sensitivity, high resolution, and does not generate shading can be obtained.
なお、上記実施形態1〜3では、2色から4色を光の波長に合わせた半導体基板の所定深さ位置にPN接合部を深さ方向に2つ〜4つ設けたが、これに鍵らず、複数色を光の波長に合わせた半導体基板の所定深さ位置にPN接合部を深さ方向に複数設けてもよい。色の解像度の観点からは多数の色を検出する方がよいが、PN接合部の数が多いほど製造工数が多くなる。 In the first to third embodiments, two to four PN junctions are provided in the depth direction at a predetermined depth position of the semiconductor substrate in which two to four colors are matched to the light wavelength. Instead, a plurality of PN junctions may be provided in the depth direction at a predetermined depth position of the semiconductor substrate in which a plurality of colors are matched to the wavelength of light. From the viewpoint of color resolution, it is better to detect a large number of colors, but the number of manufacturing steps increases as the number of PN junctions increases.
また、上記実施形態1〜6では、3層の金属配線141〜143が設けられた構成を一例として説明したが、3層以外の異なる層数の多層配線が設けられた構成についても本発明は適用可能であり、また、1層の金属配線が設けられた構成についても本発明は適用可能である。
In the first to sixth embodiments, the configuration in which the three-
さらに、上記実施形態1〜6では、複数の配線層141〜143の間を繋ぐビアコンタクト部を示していないが、固体撮像素子の選択および信号出力に係る回路を形成するために、配線層141〜143のそれぞれの層間に、配線層の間を電気的に接続するためのビアコンタクト部が形成されていることは言うまでもないことである。
Furthermore, in the first to sixth embodiments, the via contact portion that connects the plurality of
さらに、上記実施形態1〜6では、受光部に蓄えられた信号電荷を配線層へ転送するための引き出し部(コンタクト部)が、固体撮像素子のある一辺に全て備えられている場合を一例として説明したが、異なる波長域毎に信号電荷の引き出し部の配置場所を変えた場合についても、本発明は適用可能である。
Furthermore, in
さらに、上記実施形態1〜6では、特に説明しなかったが、外部への引き出し電極が、チップ底面側または、半導体基板の光入射側表面側に設けられるように構成することができる。 Further, although not particularly described in the first to sixth embodiments, the lead-out electrode to the outside can be provided on the chip bottom surface side or the light incident side surface side of the semiconductor substrate.
さらに、上記実施形態1〜6では、特に説明しなかったが、半導体基板の光入射側表面は研磨されて各受光部までの距離が最適化されているが、この場合、本発明では、最も浅い受光部までの距離まで研磨されている。各受光部までの距離は、例えば、第1受光部111Aで光入射側表面から0.1μm以上0.4μm以下の深さ、第2受光部112Aで光入射側表面から0.4μm以上0.8μm以下の深さ、第3受光部112Aで光入射側表面から0.8μm以上2.5μm以下の深さであり、これは、各受光部上に平坦化膜、その上のカラーフィルタおよびその上のオンチップマイクロレンズを設ける従来技術に比べて、各受光部の位置が浅い位置にある。これによっても、受光部上に平坦化膜およびその上のオンチップマイクロレンズを設ける必要がなくなる。よって、本発明では、半導体基板の光入射側表面上に平坦化膜およびその上のオンチップマイクロレンズが設けられていない構造である。言うまでもないが、各受光部は平坦面で構成されている。
Further, although not particularly described in the first to sixth embodiments, the light incident side surface of the semiconductor substrate is polished and the distances to the respective light receiving portions are optimized. Polished to the distance to the shallow light receiving part. The distance to each light receiving unit is, for example, a depth of 0.1 μm or more and 0.4 μm or less from the light incident side surface in the first
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜7を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜7に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜7の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-7 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-7. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific
本発明は、CMOS型イメージセンサやCCD型イメージセンサなどの固体撮像装置に関し、特に、半導体基板の深さ方向に積層された複数の受光部によって波長が異なる電磁波を分離検出する方式の固体撮像装置および、この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、各種画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、従来の固体撮像装置において必要とされていたカラーフィルタとオンチップマイクロレンズが共に不要で、高感度、高解像度かつシェーディングが発生しない固体撮像装置を実現することができる。特に、CMOS型イメージセンサに本発明を適用した場合、画素内に配置されるトランジスタにおいて高度な微細化が不要であり、信号電荷の転送特性を安定化させて、高解像度を保ったまま画質を向上させることができる。 The present invention relates to a solid-state image pickup device such as a CMOS image sensor or a CCD image sensor, and more particularly to a solid-state image pickup device that separates and detects electromagnetic waves having different wavelengths by a plurality of light receiving portions stacked in the depth direction of a semiconductor substrate. In addition, for example, digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras using this solid-state imaging device as an image input device in an imaging unit, various image input cameras, scanners, facsimiles, electronic information devices such as camera-equipped mobile phone devices, etc. In the field, both the color filter and the on-chip microlens required in the conventional solid-state imaging device are unnecessary, and a solid-state imaging device with high sensitivity, high resolution, and no shading can be realized. In particular, when the present invention is applied to a CMOS type image sensor, it is not necessary to make a high degree of miniaturization in a transistor disposed in a pixel, and the signal charge transfer characteristics are stabilized to improve image quality while maintaining high resolution. Can be improved.
100、100A、100B、100C、200、200A、200B、200C、300、300A、300B、300C、400A、500A、600A 固体撮像装置
101、101A、201、201A、301、301A 半導体基板
102、103、104、202、203、204、302、303、304,305 不純物拡散層ウェル
111、111A、112、112A、113、113A、114,114A 受光部
121、122、123,124 受光部からの信号電荷を配線層へ転送するためのコンタクト部
124 コンタクト部(ドレインコンタクト)
125 コンタクト部(ソースコンタクト)
131、132、133、134 層間絶縁膜
141、142、143 金属配線層
151 トランジスタゲート電極
152 高濃度不純物拡散層(ドレイン領域)
153 高濃度不純物拡散層(ソース領域)
161 赤外線カットフィルタ
162 支持基板
601 行選択信号線およびリセット信号線
602 列画像信号線
603 固体撮像素子
604 行選択走査部
605 画像信号出力部
606 素子分離層
40 メモリ部
50 表示手段
60 通信手段
70 電子情報機器
100, 100A, 100B, 100C, 200, 200A, 200B, 200C, 300, 300A, 300B, 300C, 400A, 500A, 600A Solid-
125 Contact part (source contact)
131, 132, 133, 134
153 High concentration impurity diffusion layer (source region)
161 Infrared cut
Claims (30)
該各受光部からの信号電荷をそれぞれ転送するための各転送路が、該半導体基板の一方表面側に設けられ、該半導体基板の該各転送路が設けられている側とは反対側の他方表面側から該各受光部に電磁波が入射されるように構成されている固体撮像装置。 A plurality of solid-state imaging devices having a plurality of light-receiving portions stacked in the depth direction of the semiconductor substrate are periodically arranged in a direction along the plane of the semiconductor substrate, and among the incident electromagnetic waves, the light in the semiconductor substrate material A solid-state imaging device in which an electromagnetic wave in a wavelength region corresponding to the depth of each light receiving unit is detected by each light receiving unit due to the wavelength dependency of the absorption coefficient, and a signal charge is generated respectively.
Each transfer path for transferring a signal charge from each light receiving portion is provided on one surface side of the semiconductor substrate, and the other side of the semiconductor substrate opposite to the side on which each transfer path is provided A solid-state imaging device configured such that an electromagnetic wave is incident on each light receiving unit from the surface side.
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