JP2011014733A

JP2011014733A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2011014733A
Application number: JP2009157954A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Koshikawa; 英一郎越河
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】本発明は、カラーフィルタを用いずに光分離を行って光電変換を行なうことを特徴とする。
【解決手段】半導体基板１１内に形成され、カラーフィルタを介さずに光が照射される複数のフォトダイオード１２と、半導体基板１１の光照射面とは反対側の面上に複数のフォトダイオード１２に対応してそれぞれ形成され、それぞれ異なる波長帯域の光を反射して対応する複数のフォトダイオード１２に戻す波長選択性を有する複数の多層反射膜１５を具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置に係り、特に裏面照射型の固体撮像装置に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置では、チップサイズの小型化、すなわち画素の狭ピッチ化に伴い、フォトダイオードへの入射光量を確保するのに優位な裏面照射型のタイプに移行すると考えられている。裏面照射型の固体撮像装置とは、配線や電極などが形成されている面とは反対面、つまり半導体基板の裏面側に被写体からの入射光が照射される構造のものをいう。

通常、イメージセンサでは、カラーフィルタを用いて入射光を例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の三原色に分離している。しかし、カラーフィルタによって光が減衰されてしまうので、入射光を有効に利用できず、光電変換部（フォトダイオード）における変換効率が低下する。

さらに、裏面照射型のイメージセンサでは、光電変換部を透過した光が半導体基板の表面側に抜けてしまうことがあり、この光が配線などで反射され、迷光となって光電変換部に再照射され、これにより混色が発生する。

特許文献１には、読み出しゲート電極を被覆する反射膜を設けることで、隣接画素への混色を防止し、感度の向上を可能としたカラーフィルタを有する裏面照射型のイメージセンサが開示されている。また、特許文献２には、一部のフォトダイオードの入射面の反対側に、フォトダイオードを透過した光を反射する反射層を設けたカラーフィルタを有する裏面照射型のイメージセンサが開示されている。

特開２００６−２６１３７２号公報特開２００７−２７６０４号公報

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、光電変換部における変換効率の改善が図れるとともに迷光による混色の防止が図れる固体撮像装置を提供することである。

本発明の一実施形態の固体撮像装置は、半導体基板内に形成された複数の光電変換部と、前記半導体基板の光照射面とは反対側の面上に前記複数の光電変換部に対応してそれぞれ形成され、それぞれ異なる波長帯域の光を反射して対応する前記複数の光電変換部に戻す波長選択性を有する複数の反射膜を具備している。

本発明によれば、光電変換部における変換効率の改善が図れるとともに迷光による混色の防止が図れる固体撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の断面図。図１の固体撮像装置の多層反射膜の構成を示す断面図。図１の固体撮像装置の多層反射膜の特性図。図１の固体撮像装置の金属反射膜の形成方法を説明するための断面図。

以下、図面を参照して本発明の固体撮像装置を実施の形態により説明する。図１は本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。本実施形態の固体撮像装置は、光電変換部に半導体基板の裏面から光を照射する際に、カラーフィルタを介さずに直接に照射し、光電変換部を透過した光を、半導体基板の表面側に設けられた光の波長選択性を有する反射膜により反射させて光電変換部に戻すことにより、光電変換部に対して色毎に分離された光を入射させるようにしたものである。

図１に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１１内には、光電変換部である複数のフォトダイオード１２が配列形成されている。半導体基板１１の光照射面である裏面上にはカラーフィルタは形成されておらず、複数のフォトダイオード１２に対応して複数のマイクロレンズ１３が形成されている。また、半導体基板１１の光照射面とは反対面である表面上には層間絶縁膜１４が形成されている。そして、この層間絶縁膜１４内において、半導体基板１１上には複数のフォトダイオード１２に対応して複数の多層反射膜１５が形成されている。これら複数の多層反射膜１５は、複数のフォトダイオード１２が例えば青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の三原色の光を光電変換するものである場合、それぞれのフォトダイオードで光電変換される三原色の光に適合する波長選択性を有し、それぞれ異なる波長帯域の光を反射して各フォトダイオード１２に戻す機能を有する。さらに、複数の多層反射膜１５上には、一定の曲率の反射面を有する例えばアルミニウム等からなる複数の金属反射膜１６がそれぞれ形成されている。なお、図中の符号１７は複数のフォトダイオード１２で光電変換された信号電荷の読み出し制御を行なう読み出しゲート電極であり、符号１８は読み出しゲート電極１７に接続された電極であり、符号１９は電極１８に接続された配線である。

本実施形態の固体撮像装置では、配線１９や電極１８などが形成されている半導体基板１１の表面側とは反対面、つまり半導体基板１１の裏面側に、カラーフィルタを介さずに被写体からの入射光が照射される。この際、カラーフィルタによる光の減衰が発生しないので、複数のフォトダイオード１２に対して有効に入射光が照射される。さらに複数のマイクロレンズ１３によって集光されるので、複数のフォトダイオード１２に対して有効に入射光が照射される。

本実施形態の固体撮像装置では、カラーフィルタが設けられていないので、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の三原色の光を光電変換すべき複数のフォトダイオード１２には同色（白色）の光が照射される。ところが、半導体基板１１の表面側には、三原色の光に適合する波長選択性を有する複数の多層反射膜１５が形成されている。このため、複数のフォトダイオード１２を透過した光のうち複数の多層反射膜１５が有する波長選択性に適合した波長帯域の光のみが反射され、対応するフォトダイオード１２に戻される。この結果、複数のフォトダイオード１２により、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の三原色の光を分離して光電変換を行なうことができる。さらに、複数の多層反射膜１５上には複数の金属反射膜１６が形成されている。このため、多層反射膜１５を透過した光は金属反射膜１６により元の多層反射膜１５に戻されるので、各フォトダイオード１２を透過した光が半導体基板１１の表面側において他のフォトダイオードに再照射されて混色が発生することを防止することができる。

図２は、図１の固体撮像装置で用いられる多層反射膜１５の一例を示す断面図である。この多層反射膜１５は光屈折率が異なる二つの層を交互に積層して構成されている。光屈折率が高い層２１として例えばシリコン窒化層が使用でき、光屈折率が低い層２２として例えばlow-k膜もしくはシリコン酸化膜が使用できる。

図２に示す多層反射膜１５は、半導体基板１１上に光屈折率が高い層２１及び光屈折率が低い層２２を交互に多層積層した後、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の三原色毎に分けたマスクを用いて多層積層膜を選択的にエッチング除去し、光学膜厚が１／４λになるように残すことにより形成できる。このような構造の多層反射膜は１／４λ多層反射膜と称される。図３は上記のようにして形成された青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の三原色の多層反射膜１５の反射特性を示している。図３中、横軸は波長（ｎｍ）を示しており、縦軸はガラス板上にアルミニウムを蒸着させた場合に緑（Ｇ）色の光の反射で規格化した反射率を示している。

図４は、図１の固体撮像装置で用いられる金属反射膜１６の形成方法の一例を工程順に示す断面図である。金属反射膜は以下のようにして形成できる。すなわち、まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板上の層間絶縁膜３１上にレジスト膜３２を形成する。続いて、図４（ｂ）に示すように、凸状の一定の曲率形状を有するようにレジスト膜３２をパターニングする。次に、図４（ｃ）に示すように、レジスト膜３２を用いて層間絶縁膜３１をエッチングし、レジスト膜３２の形状を層間絶縁膜３１に転写する。続いて、図４（ｄ）に示すように、全面上にアルミニウム３３を一定の膜厚で堆積することにより金属反射膜が形成される。なお、金属反射膜の形成方法及び構造はあくまでも一例であり、他の形成方法及び構造であってもよい。

以上実施の形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。例えば、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１１…半導体基板、１２…フォトダイオード、１３…マイクロレンズ、１４…層間絶縁膜、１５…多層反射膜、１６…金属反射膜、１７…読み出しゲート電極、１８…電極、１９…配線。

Claims

半導体基板内に形成された複数の光電変換部と、
前記半導体基板の光照射面とは反対側の面上に前記複数の光電変換部に対応してそれぞれ形成され、それぞれ異なる波長帯域の光を反射して対応する前記複数の光電変換部に戻す波長選択性を有する複数の反射膜
を具備したことを特徴とする固体撮像装置。
前記半導体基板の光照射面上に前記複数の光電変換部に対応してそれぞれ形成された複数のマイクロレンズをさらに具備し、前記マイクロレンズを透過した光が前記光電変換部にカラーフィルタを介さずに照射されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記複数の反射膜上に形成された複数の金属反射膜をさらに具備したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記複数の反射膜はそれぞれ、光屈折率が異なる少なくとも二つの層が積層された多層反射膜であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記少なくとも二つの層の一方がシリコン窒化層であり、他方がlow-k膜もしくはシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。