JP2010267680A

JP2010267680A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2010267680A
Application number: JP2009115919A
Authority: JP
Inventors: Keiji Nagata; 桂次永田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: US20120043636A1; WO2010131534A1; JP5438374B2; CN102396066B; CN102396066A; US8653617B2; US20130032917A1; US8319305B2

Abstract

【課題】赤外光がオプティカルブラック部に入射することを抑制することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、光電変換を行うセンサ部１１と、センサ部の信号線を含む複数層の配線２１とを半導体基板１０に形成し、センサ部に光が入射するように構成された有効画素部３１と、センサ部に光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック部３２とを備え、半導体基板の裏面側を受光面とした固体撮像装置であって、オプティカルブラック部は、センサ部と、センサ部よりも半導体基板の裏面側に配置された第１の遮光膜３０と、センサ部よりも半導体基板の表面側に配置された第２の遮光膜２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置の構造に関するものである。

特許文献１には、赤外光によるオプティカルブラック部（以下ＯＢ部とする）への影響を低減させるための技術が開示されている。また特許文献２には、裏面入射型の固体撮像装置において、半導体基板の表面側から有効画素部に入射する光への対策を行う技術が開示されている。

特開２００７―３０５６７５号公報特開２００８−０１６７３３号公報

ところで、赤外光は、遮光膜で遮ることができるが、可視光線よりも吸収されにくいため、可視光線よりも到達可能距離が長い。そのため、受光面において有効画素部に斜めに入射した赤外光が、半導体基板を透過して反対側の面で反射してＯＢ部のセンサ部に入射することが起こる。その場合、ＯＢ部で光電変換が起こってしまい、ＯＢ部の目的である黒レベルの検出が正しく行われない現象が起こる可能性がある。

また、開口率を向上させるために、光電変換が行われるセンサ部とそのセンサ部の駆動用信号線を含む複数層の配線を半導体基板の表面側に形成し、半導体基板の裏面側を受光面とした裏面入射型の固体撮像装置が提案されている。しかし、この構造では、開口率を向上させることができる反面、ＯＢ部に入射する赤外光も多くなる問題がある。

ここで、従来の裏面入射型固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図４に示す。図４に示すように、有効画素部４１内の画素においては、センサ部１１の上方にＯＢ部を遮光するための遮光膜３０が配置されており、有効画素部に対してはこの遮光膜３０は開口している。赤外光はシリコン基板１０の受光面に入射する。そして、図４に示すように、シリコン基板１０に斜めに入射した赤外光Ｌは、シリコン基板１０を透過し受光面とは反対側の絶縁層２０の表面で反射し、ＯＢ部４２内の画素のセンサ部１１に入射することがある。

赤外光は、可視光線よりも吸収されにくいが、全く吸収されないわけではない。特に、波長８００ｎｍ〜１３００ｎｍ程度の赤外光は、シリコンにある程度吸収されるため、ＯＢ部４２内の画素のセンサ部１１に赤外光が入射すると、センサ部１１で吸収されて光電変換が起こってしまう。

上述の現象への対策としては、固体撮像素子の前方に、赤外線をカットするＩＲカットフィルタを設けてカメラ等の撮像装置を構成することが考えられる。このようにＩＲカットフィルタを設けることにより、ＯＢ部だけでなく、有効画素部へも赤外線が入射しないようにすることができる。しかしながら、広い波長範囲をカットすることが可能なＩＲカットフィルタは非常に高価であるため、撮像装置のコストが増大してしまう、という問題がある。また、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置（例えば、赤外光を利用する監視カメラや、赤外光を利用することによって解像度を上げるもの）等には、ＩＲカットフィルタを設ける対策をとることができない。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、赤外光がオプティカルブラック部に入射することを抑制することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる固体撮像装置は、光電変換を行うセンサ部と、該センサ部の信号線を含む複数層の配線とを半導体基板に形成し、前記センサ部に光が入射するように構成された有効画素部と、前記センサ部に光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック部とを備え、前記半導体基板の裏面側を受光面とした固体撮像装置であって、前記オプティカルブラック部は、前記センサ部と、前記センサ部よりも前記半導体基板の裏面側に配置された第１の遮光膜と、前記センサ部よりも前記半導体基板の表面側に配置された第２の遮光膜とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係わる固体撮像装置は、光電変換を行うセンサ部と該センサ部の信号線を含む複数層の配線とを半導体基板に形成し、前記センサ部に光が入射するように構成された有効画素部と、前記センサ部に光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック部とを備え、前記半導体基板の裏面側を受光面とした固体撮像装置であって、前記オプティカルブラック部は、前記センサ部と、前記センサ部よりも前記半導体基板の裏面側に配置された遮光膜と、前記センサ部よりも前記半導体基板の表面側に配置された複数層の配線とを備え、前記複数層の配線は、前記センサ部に入射する光を遮光するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、赤外光がオプティカルブラック部に入射することを抑制することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係わる固体撮像装置の構造を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係わる固体撮像装置の構造を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係わる固体撮像装置の構造を示す断面図である。従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる固体撮像装置の構造を示す断面図である。本実施形態における固体撮像装置１は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置である。本実施形態において半導体基板１０は、Ｐ型ウエル領域１２を含んでおり、このＰ型ウエル領域１２に光電変換を行うセンサ部１１が形成されている。センサ部１１は、Ｎ型不純物拡散層（第１の不純物拡散層）であり、半導体基板１０と共にＰＮ接合ダイオードを構成している。各画素のセンサ部１１の間は、一部がシリコン基板１０に埋め込まれたＳｉＯ2層から成る不図示の素子分離層により、分離されている。センサ部１１の下方には、絶縁層２０を介して配線２１が設けられている。

この固体撮像装置１は、裏面入射型であり、半導体基板１０の裏面（受光面）に入射した被写体からの光をセンサ部１１で光電変換することで被写体を撮像する。画素領域には、多数の画素が形成されており、センサ部１１に光を入射して光電変換することにより画像信号を得るための有効画素部３１と、画像信号の黒レベルの基準を求めるために、センサ部１１に光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック（ＯＢ）部３２が設けられている。図示しないが、有効画素部３１が画素領域の主要部分を占めており、ＯＢ部３２は画素領域の端部に形成される。

半導体基板１０の裏面側（受光面）には、黒レベルを検出するためのオプティカルブラック部においてセンサ部１１に光が入射しないように遮光するための遮光膜３０（第１の遮光膜）が設けられている。さらに上層には、オンチップレンズ５０が設けられている。カラー固体撮像素子として使用する場合には、図示しないが、オンチップレンズ５０の下に、カラーフィルタが設けられる。なお、各画素において、図１に示す断面以外の部分に、センサ部１１で光電変換された信号電荷を読み出したり、信号電荷を電圧に変換して信号として取り出したりするためのトランジスタを備えた、トランジスタ部が設けられる。

本実施形態では、オプティカルブラック部において、半導体基板１０の絶縁層２０内には、遮光膜２４（第２の遮光膜）が設けられている。半導体基板１０の下方の絶縁層２０には複数層で構成された信号線を含む配線２１が設けられており、この配線２１のいずれかの層が上述の遮光膜２４を兼ねている。遮光膜２４は、これらの配線２１と同一の材料によって形成されている。かかる材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、ＷまたはＴｉ等が挙げられる。

続いて、本実施形態のような固体撮像装置１を構成することによる効果を説明する。ＯＢ部における固体撮像装置１の表面側には、半導体基板１０の絶縁層２０内に遮光膜２４が設けられている。これにより、有効画素部における半導体基板１０の裏面側の遮光膜３０が存在しない領域から入射した赤外光が、半導体基板１０を透過して半導体基板１０の表面側にある絶縁層２０の表面で反射し、オプティカルブラック部３２のセンサ部１１に向かって入射するのを防ぐことができる。これによって、オプティカルブラック部３２で正しい黒レベルの検出が可能となり、良好な撮像画像を得ることができる。

このように、オプティカルブラック部のみに遮光膜２４が設けられていることにより、有効画素部では赤外光が遮光膜２４で反射して迷光となることなく半導体基板１０の絶縁層２０の表面まで到達する。そして、この表面で反射された赤外光がオプティカルブラック部に入射しても、配線層内に設けられた遮光膜２４によって遮光され、オプティカルブラック部３２のセンサ１１への入射は遮断される。遮光膜２４が、絶縁層２０中に設けられるとともに、配線２１と同一の材料によって形成されている。これにより、遮光膜２４の形成を配線形成プロセスで行うことができるため、遮光膜２４の形成、ひいては固体撮像装置１の製造が容易となる。

ところで、特許文献１では開口領域から入射した赤外光が半導体基板の界面で内面反射し、オプティカルブラック部に入射する問題に対し、半導体基板界面に低反射膜を形成して対策を行っている。これを裏面入射型の固体撮像装置に応用することも可能であるが、裏面入射型の固体撮像装置は、開口率が高くなることから、より赤外光の入射も強くなり、オプティカルブラック部への赤外光の入射量がより大きくなる傾向がある。特許文献１の低反射膜による対策では、反射を低減させるだけで反射を完全に無くすことはできない。また反射を抑えるための低反射膜の光学膜厚は一定であるため、広い波長範囲の赤外光に対し効果を得ることが出来ない。

また、特許文献２では、裏面入射型の固体撮像装置における外部からの入射光に対する対策として、受光部全体を覆う遮光膜を半導体基板の表面側に形成することを提案している。しかし、特許文献２では、本発明の課題である、受光面側から入射し半導体基板を透過し反対の面で反射し、センサ部に入射する光に対して効果が得られない。また、遮光膜を配線層と同一材で形成した場合、返って反射を多くし、オプティカルブラック部への赤外線の入射を助長してしまう懸念すらある。

（第２の実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係わる固体撮像装置の構造を示す断面図である。本実施形態の固体撮像装置２においては、有効画素部３１とオプティカルブラック部３２との境界に、遮光ダミー画素部３３を設けている。また、遮光膜２４が遮光膜３０の遮光領域よりも内側に形成されている。すなわち、遮光膜２４の遮光領域は、遮光膜３０の遮光領域よりも狭くなっており、遮光膜３０によりセンサ部１１が遮光され、遮光膜２４により遮光されていない領域が、遮光ダミー画素部３３である。固体撮像装置２のその他の構成、および動作は、固体撮像装置１と同様である。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成と比較するために、遮光膜２４がオプティカルブラック部を形成する遮光膜３０の遮光領域の内側に形成されていない例を示した断面図である。図２（ｂ）の構成では、有効画素部３１の端において、赤外光の入射する角度によっては、入射した赤外光が半導体基板１０の絶縁層２０の表面まで到達せずに遮光膜２４の裏面側（受光面側）で反射し、迷光となってセンサ部に入射してしまう場合がある。

したがって、図２（ａ）のような構造にすることにより、有効画素部３１から浅い角度で光が入射した場合にも、遮光膜３０と遮光膜２４との間にその光が直接入射して迷光となることを防ぎ、オプティカルブラック部３２を確実に遮光することが可能となる。なお、本実施形態では、遮光膜２４は遮光膜３０の遮光領域に対して１画素分内側に形成したが、それ以上内側に形成してもよい。例えば、不図示のカラーフィルタが２×２の４画素で１組の色が構成される場合（いわゆるベイヤー配列）、信号処理上２画素内側に形成してもよい。また、固体撮像装置からの出力信号を複数チャンネルで読み出す構成の場合には、ＯＢ部の信号処理を出力チャンネルで同じにするために、出力チャンネル数の整数倍分内側に形成してもよい。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係わる固体撮像装置の構造を示す断面図である。固体撮像装置３においては、配線２１の複数の層がオプティカルブラック部３２における半導体基板２０の表面側の遮光膜を兼ねている。固体撮像装置３のその他の構成、および動作は、固体撮像装置１と同様である。

一つの配線層によって遮光膜を構成した場合、有効画素部３１との配線形状が大きく異なるため、有効画素部３１とオプティカルブラック部３２との間で配線抵抗や容量の違いが発生する。そのため、有効画素部３１とオプティカルブラック部３２との電気的特性の違いから、正確に黒レベルが検出し難い等の問題が発生する可能性がある。これを改善するために、本実施形態では、複数の配線層２１によってオプティカルブラック部３２のセンサ部１１への赤外反射光（有効画素部３１から入射して半導体基板１０の表面で反射した赤外光）の遮光を行う構成としている。そのように構成することで、有効画素部３１とオプティカルブラック部３２の配線形状の差を緩和あるいは一致させ、電気的特性を合わせることができる。また、複数の配線層２１を使うことによって遮光の方向性を持たせることができる。例えば、有効画素部３１から半導体基板１０の表面への入射に対しては、配線層で反射して迷光となる成分を減らすために、複数の配線を重ねて反射面積を小さくする。また、半導体基板１０の絶縁層２０の表面からオプティカルブラック部３２への入射に対しては反射面積を大きくして遮光とする構成をとることができる。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、裏面入射型固体撮像装置において、半導体基板の表面で反射してオプティカルブラック部のセンサ部に入射する赤外光を遮光することができる。そのため、オプティカルブラック部から正確に黒レベルの基準を決定することができる。また、黒レベルを決めるための画像に色が付いたり、明るさが変化してしまったりする問題を抑制することができる。これにより、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を構成することができる。

さらに、撮像装置に備えるＩＲカットフィルタを安価なものとすることや、省略することが可能になる。また、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置においても、赤外光の反射光による問題を抑制して、良好な画像を得ることが可能になる。また、配線層を用いて遮光膜を形成するため、配線形成プロセスで遮光膜を形成できるため、工程数が増加することもない。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、遮光膜２４はＯＢ部の有効画素部近傍にのみ配置しても、有効画素からの赤外光を遮断する効果を得ることができる。またＰ型の半導体基板およびＮ型の受光部を例示したが、Ｎ型の半導体基板およびＰ型の受光部であってもよい。

Claims

光電変換を行うセンサ部と、該センサ部の信号線を含む複数層の配線とを半導体基板に形成し、前記センサ部に光が入射するように構成された有効画素部と、前記センサ部に光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック部とを備え、前記半導体基板の裏面側を受光面とした固体撮像装置であって、
前記オプティカルブラック部は、前記センサ部と、前記センサ部よりも前記半導体基板の裏面側に配置された第１の遮光膜と、前記センサ部よりも前記半導体基板の表面側に配置された第２の遮光膜とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記第２の遮光膜は、前記有効画素部から入射して前記半導体基板の表面で反射し、前記オプティカルブラック部の前記センサ部に向かう光を遮光することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記有効画素部と前記オプティカルブラック部の間に、前記センサ部が前記第１の遮光膜により遮光され、前記第２の遮光膜により遮光されないダミー画素部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記第２の遮光膜は、前記半導体基板の前記表面側に形成された前記配線と同一の材料によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
光電変換を行うセンサ部と、該センサ部の信号線を含む複数層の配線とを半導体基板に形成し、前記センサ部に光が入射するように構成された有効画素部と、前記センサ部に光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック部とを備え、前記半導体基板の裏面側を受光面とした固体撮像装置であって、
前記オプティカルブラック部は、前記センサ部と、前記センサ部よりも前記半導体基板の裏面側に配置された遮光膜と、前記センサ部よりも前記半導体基板の表面側に配置された複数層の配線とを備え、前記複数層の配線は、前記センサ部に入射する光を遮光するように配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記複数層の配線は、前記有効画素部から入射して前記半導体基板の表面で反射し、前記オプティカルブラック部の前記センサ部に向かう光を遮光することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。