JP2010539675A - 光学的クロストークの改善を伴うカラー画像センサ - Google Patents

Abstract

本発明は薄膜化したシリコン基盤上に作られる画像センサに関する。
隣接するフィルタ間、とりわけ異なる色のフィルタ間の光学的クロストークを制限するため、本発明は第１の画素に対応する決められたフィルタに対して斜めに届く光が、隣接するフィルタに向かって、又は隣接する画素に対応する光電性領域に向かって通る傾向を示さず、壁によって第１のフィルタへ、又は第１の画素に対応する光電性領域へ戻されるように、光を反射する傾向のある材料の壁（２０）を、異なる色（ＦＲ、ＦＢ、ＦＶ）の隣接するフィルタ間に配置することを提案する。壁はアルミニウムのような高い反射率を有する材料で作られることが望ましく、それは層がｐ型の場合には、該層内に形成される望ましくはｐ^＋拡散の、薄膜化した半導体層（１６）の中へ深く沈み込む。
【選択図】 図５

Description

本発明は薄膜化したシリコン基板上に製作される画像センサに関する。その上に画像センサが作られるシリコンの薄化は、隣接する画像点、とりわけカラー・センサに関して、異なる色に対応する点の間のあらゆる妨害を最小化することにより、光学的クロストークを改善するために用いられる技術である。妨害は、照度がシリコン・ウェーハの裏面を介して生成され、前面を介してではないという事実によって低減される。前面とは、その上で大部分の光検出器のマトリックス及びその制御回路を形成する層の堆積とエッチングの作業が行なわれる面である。カラー・フィルタが堆積されるとき、それらはシリコン中に形成される光電性の領域により近い。

薄膜化したシリコン上の画像センサは次のように製作され得る：その前面上においてマスキング、不純物の注入、様々な暫定的あるいは最終的な成分の層の堆積、これらの層のエッチング、熱処理等々を伴う作業が行なわれる、半導体ウェーハ（原則としてシリコン、又は絶縁物上のシリコン）からスタートする。これらの作業は、光電性画素のマトリックス及び、これら画素に関連する電気信号処理回路の定義を可能にする。ウェーハは次にその前面を介して支持基板の前面に対し接着される。半導体ウェーハの厚みの大部分は、光電性の領域及び関連する回路を備えた薄い半導体の層を支持基板の前面上に残して除去される（それは薄化作業である）。又それに続いて様々な層が、例えば不透明な金属層及び（カラー・センサ用の）モザイク状のカラー・フィルタ層を含む、十分に薄膜化した半導体層の裏面上に堆積され、エッチングされる。

この方法を用いては、光が半導体ウェーハの製作中に光電性の領域において（ＣＭＯＳ技術、又は別の技術で）、堆積されている可能性がある絶縁層及び導電層の積み重ねを通って届かないことが理解されるであろう。その反対に、光はセンサの裏面の横側から届き、場合によってはカラー・フィルタを通過し、そして絶縁層及び導電層の積み重ねを通る必要無しに、直接的に光電性の領域に達するであろう。

薄化後のシリコン残留厚さは約３〜２０μｍである。

しかしながら、実際には隣接する画素間に画像の乱調（英語ではクロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ））現象が存在することが観察される。本発明の目的はクロストーク欠陥、とりわけ隣接する画素間のクロストークに起因する測色の欠陥をさらに低減することである。この問題は画素の表面積がより小さい程、大きくなる。

クロストークは光学的な原因（上記で説明された隣接する画素への光子の分散）を持ち得るが、電子的な原因もまた有し得る。電子的なクロストークは、決められた画素に対応する光電性領域内で発生し、この画素に対応する電極により収集されるべきであるが、しかし実際には光電性領域内で不十分に制御された電界の存在のために、隣接する画素の電極によって引き付けられた、電子の分散から生じる。

本発明は、第１の画素上に斜めに到着する光が、隣接する画素に対応する光電性領域を通る傾向が無く、壁によって第１の画素に対応する光電性領域へ戻されるように、隣接する画素間に光を反射する傾向のある材料の壁を配置することを提案する。壁はアルミニウムのような強く反射する材料で作られることが望ましいが、十分に小さい斜めの入射角で到着する光の全反射を可能にするため、それがフィルタの屈折率よりも小さい屈折率を有する、透明な材料で作られることもまた想定することができよう。本発明によれば、壁は、光電性の領域が中に形成される単結晶の半導体層の内側に深く延びる。言い換えれば、壁は光電性の領域に対応するシリコンの表面下へ延びる。光学的に引き起こされたクロストークと、電子的に引き起こされたクロストークとの双方における改善は、壁が１つの画素から隣接する画素への光発生電荷の通過を少なくとも部分的に妨げるため、従って組み合わされる。

従って本発明は、その面によって光電性領域と回路とのネットワークが、これらの領域により光を発生した電荷を収集するために形成された当該面と反対側の面を介して照らされる薄膜化した半導体層を有する画像センサであって、前記反対側の面が、各光電性領域の周りに、光を反射する材料の壁を含み、この壁が、薄膜化した半導体層の中へと深く延びることを特徴とする画像センサを提案する。各フィルタと関連する光電性領域を含む半導体層の上に堆積された、異なる色のカラー・フィルタのネットワークを備えるカラー画像センサの場合、各カラー・フィルタは光を反射する材料の壁により、異なる色の隣接するフィルタから分離される。

壁が層の中へより深く延びる程、その壁は隣接する画素間の光子的及び電子的クロストークの双方を低減する。シリコンの中へ沈み込んだそのような壁は、それが拡散及び、薄膜化しない面の側に位置する電気回路を妨げたであろうため、薄膜化しないセンサでは実際に想定され得なかった。

分離壁は、光電性の領域を含むｎ型の照らされた面の側において、半導体層の中へ導入された又は拡散したｐ^＋型の半導体領域（原則としてシリコン）を貫通することが望ましく、ｐ^＋型の拡散領域自体は、隣接する光電性領域間に部分的な電気的分離を形成する。

壁の沈み込んだ部分は、また絶縁層で囲まれ得る。

反射壁の最上部は反射防止材料のコーティングを含むことが望ましい。この材料は望ましくは窒化チタンである。

センサがカラー画像センサである場合、それは各々がそれぞれの光電性領域と関連し、反射壁により互いに横方向に分離されたカラー・フィルタを備える。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して与えられる、以下の詳細説明を読むことによって明らかになるであろう。

薄膜化した半導体基板を有する画像センサの概略的な横断面を表わす。 反射壁が拡散したｐ^＋型の領域を覆う変形の実施形態を表わす。 反射壁が部分的にシリコン内へ沈み込む、本発明によるセンサを表わす。 壁の沈み込んだ部分が絶縁層により、又は拡散したｐ^＋型の領域により囲まれた変形を表わす。 壁の沈み込んだ部分が絶縁層により、又は拡散したｐ^＋型の領域により囲まれた変形を表わす。

本発明はカラー画像センサに関して説明されるが、それは薄膜化した面上に何らカラー・フィルタのない、白黒センサに対しても適用可能である。

図１は横方向の断面において、その画素がＣＭＯＳ技術を用いて作られる、薄膜化したタイプのカラー画像センサの概略構造を示す。

センサは、それ自体が各画素により生成される電荷の収集に役立つ一組の導電層及び絶縁層によって覆われた、平坦化層１２によりカバーされた支持基板１０を含む。導電層及び絶縁層の組は概略的に表わされ、参照番号１４により示されている。これらの層の正確な構造及び構成は各画素の電気的構造に依存する。例えば、３個又は４個、あるいは５個のトランジスタを有する画素を提供することが可能であり、これらのトランジスタを形成するために用いられる導電層は、画素の構造に適した接続形態を有することが理解されよう。例えば、それらが接続される必要がある場合、互いに下記レベルを接続するための導電性ビアホールを有する、絶縁層により分離された４つ又は５つの導電性レベルをそこに持ち得る。

導電層と絶縁層の組１４は、光の影響下で電荷を発生し収集することを可能にする、内部に光電性の領域が形成される原則としてシリコンの半導体層１６により覆われる。典型的には、光電性の領域はフォトダイオードにより構成され、フォトダイオードは各画素と関連している。フォトダイオードは層１６を構成するｐ型シリコン内への、ｎ型の拡散１７により構成される。ｐ型の層１６内に光生成された電荷の収集を可能にするのは、ｎ型の拡散であり、光電性の領域は、ｎ型の拡散領域１７の上方に位置する、ｐ型の層１６の一部分により構成されると考えることが出来る。導電性の型は動作原理を変えることなく全て反転され得る。

個々のカラー・フィルタは、一般的に３色のモザイクの形で半導体層１６の上方に堆積される。フィルタは、同一色（最も一般には緑）の２つのフィルタを含む、対角線上に向き合った、原則として４つの隣接するフィルタの組へと結集され、一方でその他の２つの対角線上に向き合ったフィルタは、その他の２つの色（一般的に青と赤）に対応する。５の目型の配置が時々用いられる。フィルタの外形は正方形又は六角形であり得る。各々の基本的な光電性領域又は画素の上方にカラー・フィルタがある。

図は３色に対応する３つの隣接する画素：緑、赤、及び青を示す。フィルタはＦＧ（緑色）、ＦＲ（赤色）、ＦＢ（青色）と称される。

シリコン層１６は上記に想起された既知の技術を用いて形成される、薄膜化した層である。光電性領域内に光生成された電荷の収集に役立つ、拡散１７と絶縁層及び導電層の堆積１４は、半導体基板の前面（すなわち図中で下向きの面）と呼ばれる面を介して形成された。次に、この前面は支持基板１０に接着された。次に、半導体基板はその裏面（すなわち図中で上向きの面）を介して、わずか数μｍ（典型的には３〜２０μｍ）の残留厚さのみが残されるまで薄膜化された。光電性の領域は層１６の裏面を介して、従って図１において上方から、すなわち堆積１４を含まない面を介して照らされる。

異なる色の隣接したフィルタは反射壁２０により分離される。この壁は窒化チタンの薄い層２２により覆われた、アルミニウムの壁２１によって形成されることが望ましく、窒化チタンの薄い層２２は画像ソースからの入射光が、そのソースに返されることを防ぐために、反射防止層として作用する。

フィルタ上方の垂直入射の下で到着する光は、このフィルタを通過し、そのフィルタに対応する光電性領域に達する。斜め入射の下でフィルタの縁に到着する光は、隣接するフィルタに対応する光電性領域を通過する代わりに、フィルタに対応する光電性領域に返される。

アルミニウムの壁で囲まれたフィルタを、薄膜化した画像センサ上へ置くために、以下のように進めることが可能である：
−一様なアルミニウム層がセンサの裏面上、すなわち光電性領域を含むシリコンの層１６の接近可能な面上に堆積され、
−窒化チタン層がアルミニウム層の上に堆積され、
−壁位置の上方のフォトレジストの残留を可能にすることにより、製作されるべき壁に対応するパターンに従ってエッチングされる、フォトレジストの層が堆積され、
−レジストを著しくエッチングすることなく窒化チタンを除去するエッチング液を用いて、レジストにより保護されていない所の窒化チタンがエッチングされ、次に同様に、レジストをエッチングすることなくアルミニウムを除去するエッチング液を用いて、アルミニウムが除去され、
−レジストが除去され、
−第１の色の着色レジストの層が堆積され、アルミニウムの壁に囲まれた位置の内側のみに、それが残ることを可能にするフォトリソグラフィー法によりエッチングされ、そして関連する色のフィルタ用に保存され、
−第２の色の着色レジストの層が堆積され、アルミニウムの壁に囲まれた位置の内側のみに、それが残ることを可能にするフォトリソグラフィー法によりエッチングされ、そして第２の色のフィルタ用に保存され、
−第３の色の着色レジストの層が堆積され、アルミニウムの壁に囲まれた位置の内側のみに、それが残ることを可能にするフォトリソグラフィーによりエッチングされ、そして第３の色のフィルタ用に保存される。

これらのカラー・フィルタの堆積及びエッチングのステップは、全てのカラー画像センサに対して伝統的であるが、しかしこの場合はカラー・フィルタがアルミニウムの壁に囲まれたスペースの内側に堆積される。センサがカラー・センサではない場合、フィルタの堆積及びエッチングのステップは用意されない。

変形として、アルミニウムの壁を次のように形成することが可能である：反射壁が作られるべき場所に開始された、例えば酸化シリコンの犠牲層が堆積され、作られた開口を埋めるアルミニウムが堆積され、開口の外側に存在する余分なアルミニウムが削り取られ、そして犠牲層が、アルミニウムを攻撃せずこの層を除去するエッチング液を用いて除去され、それゆえアルミニウムの壁を元のまま残す。窒化チタン（反射防止層）は犠牲層の除去前に堆積され、エッチングされることができ、その場合、犠牲層用のエッチング液は窒化チタンを攻撃してはならない。

電子的クロストークを改善するため、すなわち電子が光によって生成された領域に隣接する光電性領域に向かう、電子の拡散の危険性を制限するため、図２に示すように反射壁の上方に、ｐ型の半導体層１６の中へしみ込むｐ^＋型のドーピングを与えることもまた可能である。このドーピングは、半導体層１６内に定義された隣接する光電性の領域を少なくとも部分的に互いから分離する領域２４を作り出す。ｐ^＋型の領域は実際に電子に関して反発する電界を作り出し、電子が基板内に形成された空間の電荷の領域と、光電性領域に関連するフォトダイオードの接続部の周りの拡散領域１７とによって収集されるまで、電子をそれらが生成された光電性の領域内に保つ傾向がある。領域２４は、反射壁を形成するために用いられるアルミニウム層の堆積前に形成される。それらはとりわけ完全な位置調整の利点と共に、上記の犠牲層の開始後に形成され得る。

ｐ^＋型の領域２４は、反対側の面（導電層及び絶縁層１４の堆積を支持する面）が支持基板１０に接着された後に、半導体層の接近可能な面に導入される。反射壁２０はドーピングされた領域２４の製作後に形成される。

図３に表わされている本発明において、反射壁２０が半導体層１６内へ部分的に沈み込む備えがなされる。この沈み込みは光学的クロストークを改善し、また隣接する光電性の領域を電気的に分離するのを助ける。それは従って隣接する画素間の電子的クロストークの低減に貢献する。この場合の構造を作るために、シリコンの層１６における開口はアルミニウム層を堆積する前に穿たれる。これらの開口を穿つためのエッチング・マスクは、壁の位置を定義する犠牲層のためのエッチング・マスクと同じである。

図３から派生し、図４により表わされる１つの変形において、反射壁の沈み込んだ部分は、アルミニウム壁がシリコンと直接電気的に接触しないように、シリコンから絶縁される。この絶縁は、例えば酸化ケイ素の層２６により与えられる。反射壁の沈み込んだ部分及び絶縁部分は隣接する光電性領域の間に分離を作り出し、電気的クロストークを改善する。

図５に表わされている変形において、反射壁の沈み込んだ部分が、図２の領域２４と同じ隣接する光電性領域間の分離機能を提供する、ｐ^＋型のドーピングされた領域２８により囲まれるという備えがなされる。領域２８を形成するために用いられる、導入又は拡散に基づくシリコン・ドーピング作業は、層１６のシリコンにおける開口のエッチングの前あるいは後に行なわれ得る（開口はアルミニウム壁２０の沈み込んだ部分を受けるために設計される）。

ｐ^＋型のドーピングされた領域２８もまた図４の絶縁層２６のように、光電性の電荷を発生するために用いられる、より少なくｐ型にドーピングされた層とアルミニウムとの直接的な接触の回避を可能にする。実際に、アルミニウム−シリコンのインターフェースにおいて作り出されるであろう欠陥は、厄介な暗電流を発生するであろう。ｐ^＋型の領域は、これらの欠陥により生成されたキャリアの直接的な再結合を提供する。

薄膜化されないシリコンを伴う、より伝統的な画像センサ構造は、壁の沈み込みが拡散１７及び、画素の形成に用いられる導電層と絶縁層の堆積１４が行なわれた側において実施されたならば、それが著しく構造を混乱させるため、シリコン層内に深く沈み込むそのような反射壁が作られるのを、通常は可能にしないであろうことに注意されたい。

最後に、フォトダイオードに関連する電荷蓄積領域を一般的に備えた能動ＭＯＳトランジスタを有する画素においては、この蓄積領域が直接的な照度を受けることを極力避けることが望ましいかも知れない。反射壁が画素の素子の残り（トランジスタ及び電荷蓄積領域）を全体的に覆うことによって、全ての画素でなく、より的確に実際の光電性領域の外形を囲む周囲を持つべきであると、有利にも提案される理由がこれである。アルミニウムの層あるいは別の反射材料の層は、従って隣接する画素のフォトダイオード間に存在する全て又は殆ど全ての空間を占め、カラー・フィルタはそのとき拡散領域１７により定義されたフォトダイオードのみを覆う。

Claims (7)

1. その面により光電性領域と回路とのネットワークが、これらの領域によって光を発生した電荷を収集するために形成された当該面と反対側の面を介して照らされる、薄膜化した半導体層（１６）を有する画像センサであって、前記反対側の面が、各光電性領域の周りに、光を反射する材料の壁（２０）を含み、この壁が、前記薄膜化した半導体層の中へと深く延びることを特徴とする画像センサ。
2. 壁（２０）がアルミニウムで作られることを特徴とする、請求項１に記載の画像センサ。
3. 壁（２０）の上部が反射防止材料の表面層（２２）、とりわけ窒化チタンの表面層により形成されることを特徴とする、請求項１に記載の画像センサ。
4. 壁（２０）が、前記光電性領域を含む半導体層（１６）内に形成されたｐ^＋型の半導体領域（２４）の中へ沈み込み、この層がｐ型であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像センサ。
5. 壁の沈み込んだ部分が絶縁層（２６）により囲まれることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像センサ。
6. 壁が、隣接する画素のフォトダイオード間に存在する全ての空間を実際的に占め、カラー・フィルタがフォトダイオードのみを覆うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像センサ。
7. 各々がそれぞれの光電性領域と関連し、反射壁によって互いに横方向に分離されているカラー・フィルタを備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のカラー画像センサ。

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