JP2011091128A

JP2011091128A - 固体撮像素子

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Publication number: JP2011091128A
Application number: JP2009242053A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Yamada; 大輔山田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP5538811B2; US8330847B2; US20110090384A1

Abstract

【課題】基板を透過する入射光を光電変換部に反射させる構造の固体撮像素子を構成するに当たり、反射光によるノイズの発生を低減し、光利用効率を向上させることが可能となる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】画素ごとに基板内部に形成された光電変換部と、
前記基板に対して入射光が入射する側に設けられ、該入射光を前記光電変換部に集光する集光部と、を有する固体撮像素子であって、
前記基板に対して前記集光部の反対側に設けられ、該基板に向かって凹型形状を有する反射部を有し、
前記反射部は、該反射部の等倍結像位置を前記集光部の集光位置と一致させる構成を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いる固体撮像素子に関する。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ素子などを２次元状に複数配列した固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどで用いられている。
固体撮像素子は、基板にイオン注入などの不純物導入によって光電変換部や拡散層を形成し、その後、膜を堆積・加工することで配線層や絶縁膜を形成して製造される。
固体撮像素子に入射した光は、光電変換部で吸収され、電荷に変換される。この電荷を光電変換部で蓄積し、蓄積した全電荷量の大きさを検出することで、入射光強度に応じた信号を得ることができる。

しかしながら、基板の深さより入射光の侵入長が長いと、入射光は光電変換部で十分吸収されずに、一部が基板を透過する。
そのため、入射光の一部は電荷信号に変換できず、光利用効率が低下する。
このようなことから、特許文献１では、透過した光を再び光電変換部に反射させるようにした撮像装置が提案されている。
但し、ここでの入射光の侵入長とは、光強度が吸収損失により入射光強度の１／ｅ倍になるまでの伝播距離を意味している。

特開２００７−０２７６０４号公報

しかしながら、上記特許文献１の撮像装置における反射膜の構造では、図１０に示すように、マイクロレンズ９１０によって屈折された入射光９３０は反射膜９０１で反射され、隣接画素へ伝播する。
このため、反射光によりクロストークなどのノイズが発生し、画像のＳＮ比を低下させる。

本発明は、上記課題に鑑み、基板を透過する入射光を光電変換部に反射させる構造の固体撮像素子を構成するに当たり、反射光によるノイズの発生を低減し、光利用効率を向上させることが可能となる固体撮像素子の提供を目的とする。

本発明の固体撮像素子では、画素ごとに基板内部に形成された光電変換部と、
前記基板に対して入射光が入射する側に設けられ、該入射光を前記光電変換部に集光する集光部と、を有する固体撮像素子であって、
前記基板に対して前記集光部の反対側に設けられ、該基板に向かって凹型形状を有する反射部を有し、
前記反射部は、該反射部の等倍結像位置を前記集光部の集光位置と一致させる構成を備えていることを特徴としている。

本発明によれば、基板を透過する入射光を光電変換部に反射させる構造の固体撮像素子を構成するに当たり、反射光によるノイズの発生を低減し、光利用効率を向上させることが可能となる固体撮像素子を実現することができる。

本発明の実施例１における裏面照射型のＣＭＯＳ撮像素子の構成例について説明する断面図。本発明の実施例１における可視光用の固体撮像素子の数値実施例を説明する図。本発明の実施例１における撮像素子の反射部での反射率を示すグラフ。本発明の実施例１における撮像素子の光利用効率を示すグラフ。反射部がない場合の固体撮像素子の光利用効率を示すグラフ。本発明の実施例２における２次元配列構造を備えたＣＭＯＳ撮像素子の構成例について説明する断面図。本発明の実施例２における２次元的に配列されたＣＭＯＳ撮像素子の構成例について説明する図。本発明の実施例２における中心画素と周辺画素における光線とマイクロレンズを含む光学配置について説明する概略図。本発明の実施例３における裏面照射型のＣＭＯＳ撮像素子の製造方法について説明する図。従来例における固体撮像素子の構成を説明する図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により図を用いて説明する。
なお、以下の実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものには同一符号を付け、その重複する構成についての説明は省略する。

［実施例１］
図１を用いて、本発明を適用した裏面照射型のＣＭＯＳ撮像素子の構成例について説明する。
図１において、１００は裏面照射型のＣＭＯＳ撮像素子である。
１１３は基板であり、この基板内部に画素ごとに設けられた光電変換部１１４と、基板１１３に向かって特定の曲率半径をもつ凹型形状の反射部１０１が構成されている。
また、１１０は集光部であるマイクロレンズであり、基板より入射側に設けられている。
また、本実施例の撮像素子は、カラーフィルタ１１１、絶縁部１１２、拡散層１１５、反射防止層１１６、凸型絶縁部１１７、層間絶縁膜１１８、配線部１１９、支持基板１２０を備える。
配線部１１９は、ゲート電極１１９ａと３層の配線層１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄで構成される。

入射光１３０は、マイクロレンズ１１０によって集光され、焦点位置１３１で結像する。
また、入射光１３０の一部は光電変換部を透過し、凹型形状の反射部１０１で反射される。
この反射光の等倍結像位置とマイクロレンズの焦点位置１３１とを一致させることが可能に構成されている。そのため、反射光は再び焦点位置１３１で結像する。
このような構成により、反射部１０１に到達した光はすべて反射光となり、この反射光は入射時とほぼ同じ光路を逆進する。
このため、全反射光は再び光電変換部へ入射するため、固体撮像素子の感度が高くなる。

これに対して、例えば、入射光と反射光が同じ光路を通らない構成の場合には、反射光の一部は隣接画素へ伝播し、また、配線部などによって散乱され、クロストークなどのノイズの原因になる。
特に、マイクロレンズを含む固体撮像素子では、光電変換部へ入射する角度が大きくなるため、入射光を単純に反射させても、光電変換部へは通らず、隣接画素へ伝播し易くなる。
また、固体撮像素子の画素サイズが小さくなれば、ますます隣接画素との距離が短くなるため、クロストークなどのノイズが大きくなる。

本実施例では、以上のように入射光と反射光が同じ光路となるように反射部１０１を構成したことにより、入射光１３０はクロストークなどのノイズを低減し、かつ、光電変換部内の伝播距離が長くなり光利用効率が向上する。
このため、画像のＳＮ比を向上させることができる。

図２を用いて、画素サイズが２．０μｍ、シリコンから成る基板１１３の膜厚が２．５０μｍである可視光用の固体撮像素子の数値実施例を説明する。
ただし、基板１１３の入射側表面を第一面１３４、基板１１３の反射部１０１を有する側の表面を第二面１３５とする。
マイクロレンズ１１０、カラーフィルタ１１１、絶縁部１１２、凸型絶縁部１１７の屈折率は全て１．５０であり、画素の中心での膜厚はそれぞれ０．７５０μｍ、０．７５０μｍ、０．５００μｍ、１．００μｍある。
入射光１３０が基板１１３中の光電変換部に効率よく入射するため、焦点位置１３１を光電変換部の中心で基板１１３と反射防止層１１６との界面（第二面１３５）になるように、マイクロレンズ１１０の曲率半径を０．９７９μｍとした。また、マイクロレンズから入射した複数の角を持つ光が、反射部１０１で全て同じ焦点位置１３１に逆進するように、曲率半径を１．００μｍとした。
このような構成にしたことで、反射部１０１の等倍結像位置とマイクロレンズ（集光部）１１０の焦点位置（集光位置）は、第二面１３５上で一致する。

本実施例において、この反射部１０１は、凸型絶縁部１１７の表面にアルミニウムを堆積させて形成される。
これにより、図３に示す反射率が得られ、可視全域で反射率が８０％以上を得ることが可能となる。
このとき、固体撮像素子の光利用効率を図４に示す。
また、反射部１０１がない場合の固体撮像素子の光利用効率を図５に示す。
波長５００ｎｍより長波長側において、反射部１０１を設けることで光利用効率が高くなり、波長７００ｎｍでは１．５倍程度高くなる。
但し、カラーフィルタ１１１の吸光率は本発明の内容と無関係であるため、吸光率が零として見積もった。
このように、反射部１０１の等倍結像位置とマイクロレンズ１１０の焦点位置とを一致させることで、光利用効率を向上させ、感度を高くすることができる。
また、反射部からの反射光は入射時とほぼ同じ光路を逆進するため、配線部などで生じる散乱を低減し、クロストークを低減することができる。
このため、画像のＳＮ比が向上する。

また、本実施例の固体撮像素子の反射部は金属で形成したが、必ずしも金属である必要はなく、誘電体などによる反射膜であってもよい。
誘電体による反射膜であっても入射光を反射させることさえできれば、同様に光利用効率は向上する。
しかしながら、誘電体の反射膜であれば、屈折率差を大きくすることが材料選択性の観点から困難であるため、高反射率が得られない。
また、誘電体多層膜による反射膜を用いると、波長依存性が大きいため、可視光全域で高反射率を得ることはできない。
一方、金属を用いれば、波長依存性が小さく、かつ、高反射率を得ることができる。このため、反射部に金属を用いた方が光利用効率が向上するため望ましい。
また、本実施例の固体撮像素子は基板１１３に対してマイクロレンズ１１０と反対側に配線部１１９を配した裏面照射型としたが、必ずしも裏面照射型である必要はなく、マイクロレンズと配線部が同じ側に配した表面照射型であってもよい。
表面照射型の固体撮像素子においても、本発明の構成であれば裏面照射型の固体撮像素子と同様に、光利用効率が向上する。
しかしながら、表面照射型固体撮像素子の場合、入射光側に支持基板を作製することが困難であるため、基板を薄くして、入射光と対向する側に反射部を作製するのが困難である。
一方、裏面照射型固体撮像素子は後述するように、入射光と対向する側に支持基板を貼り合わせ、基板を薄くすることができる。このため、裏面照射型固体撮像素子の方が、容易に作製することができるため望ましい。

また、本実施例のマイクロレンズ１１０の焦点位置１３１と反射部１０１の等倍結像位置は、基板１１３の反射部を有する側の第二面１３５上に形成したが、必ずしも基板の第二面上に形成する必要はない。
基板中または基板の外部に結像させても、光電変換部１１４中に入射光１３０が伝播さえすれば、入射光は電荷信号として検出できる。
しかしながら、裏面入射型固体撮像素子は光電変換部で得られた電荷を転送するトランジスタのドレイン領域となる拡散層１１５が、基板１１３の第二面１３５側に形成される。
この拡散層１１５に入射光が伝播すると、拡散層に電荷が発生する。この電荷は、白点ノイズなどのノイズの要因となる。
このため、拡散層に光を入射しないように、第二面に入射光を結像させることが望ましい。
また、本実施例では配線部１１９が複数の配線層１１９ｂ〜ｄを有し、反射部１０１はすべての配線層１１９ｂ〜ｄより基板側に配した構造としたが、必ずしも、そのような構成である必要はない。
反射部が配線層より支持基板側に配した構造としても、光電変換部を透過した入射光は、反射部によって光電変換部へ反射させることができ、光利用効率は向上する。
但し、光電変換部を透過した光は広がって伝播するため、一部の光は、反射部に到達する前に配線層によって散乱される。
この散乱光は隣接画素の光電変換部に到達すると、クロストークとなる。
このため、反射部は配線層より基板側にあった方が望ましい。

また、本実施例では、配線層１１９ｂ〜ｄと反射部１０１をアルミニウムで形成したが、必ずしも同一の材料で形成しなくてもよい。
例えば、配線層１１９ｂ〜ｄを銅で形成し、反射部をアルミニウムで形成しても、本発明の効果が得られる。
但し、同一の材料で形成すれば、作製コストを低くすることができるため望ましい。
また、本実施例では基板１１３と凸型絶縁部１１７との間に反射防止層１１６を形成した。
反射防止層がなくても、光電変換部を透過する光は、反射部で反射され光電変換部に再入射するため、光利用効率は向上する。
しかしながら、基板と凸型絶縁部との界面の反射光は、図１０で示した反射膜と同様に、光電変換部に集光せず拡散層１１５や隣接画素へ伝播する。
このため、白点ノイズやクロストークの要因となり、画像のＳＮ比を低下させる。
このようなことから、基板と凸型絶縁部の間に反射防止層を形成し、界面からの反射光を抑制する方が望ましい。

［実施例２］
実施例では、図６を用いて本発明を適用した２次元配列構造を備えたＣＭＯＳ撮像素子の構成例について説明する。
図６において、２００は固体撮像素子であり、本実施例では光電変換部を含む画素２１０を２次元状に複数配列した構造とされている（図７（ａ））。
このとき、通常、カメラレンズの射出瞳２１１と固体撮像素子２００との距離が有限長であるため周辺画素では、主光線２３１が傾いて入射する（図７（ｂ））。
このため、周辺画素では入射光を効率よく光電変換部に入射させるため、入射光を光電変換部へ屈折させるマイクロレンズなどの集光部が必要となる。
仮に、集光部を用いなければ、斜入射光は隣接画素へ伝播しクロストークノイズの要因となる。

図６は、マイクロレンズ１１０によって入射光２３１が集光され、また反射部１０１により反射した光が入射光と同じ光路を逆進する構成をとっている。
このため、反射光は再び光電変換部へ入射するため、固体撮像素子の感度が高くなる。
一方、例えば、入射光と反射光が同じ光路を通らない構成で、特に主光線２３１が傾いている場合、反射部からの反射光は、光電変換部を通らず、主光線の傾きと同じ方向の隣接画素へ伝播する。
このため、クロストークなどのノイズの要因となる。特に、入射光を集光させる集光部を用いない構成では、反射光は固体撮像素子内部で広がるため、クロストークなどのノイズが大きくなる。

以上により、入射光と反射光が同じ光路となるように反射部１０１を構成したことで、入射光１３０はクロストークなどのノイズを低減し、かつ、光電変換部内の伝播距離が長くなり光利用効率を向上させる。このため、画像のＳＮ比が向上する。

次に、主光線が傾いた場合における入射光と反射光が同じ光路となるための構成を説明する。
図８に中心画素と周辺画素における光線とマイクロレンズを含む光学配置の概略図を示す。
中心画素の場合、入射光２３０は垂直入斜となるため、焦点位置１３１は中心画素の中心軸２３５上に位置する（図８（ａ））。
一方、周辺画素の場合、入射光２３１は傾いて入射するため、焦点位置は周辺画素の中心軸上に位置せず、該中心軸より中心画素側と反対側にズレて位置することになる。
このため、マイクロレンズ１１０を周辺画素の中心軸より中心画素側に変位させて配することで、焦点位置１３１を周辺画素の中心軸２３５に変位させることができる（図８（ｂ））。

以上のように、マイクロレンズを中心画素側へ変位させることで、すべての画素で焦点位置を画素中心軸２３５に位置させることができる。
この場合、反射部１０１の曲率中心を焦点位置１３１と一致させると、すべての画素で反射部の曲率中心は入射光の焦点位置である画素中心軸２３５上に位置し、反射光を入射光と同じ光路となるように設計できる。
このとき、反射部１０１はすべての画素で同じように設計すればよく、マイクロレンズとは独立に設計できる。
但し、マイクロレンズ１１０を中心画素側に変位させなくて、反射部の曲率中心を面内で変位させれば、焦点位置と等倍結像位置が一致する。
この場合においても、本発明による光利用効率の向上の効果が得られる。
しかしながら、焦点位置が画素中心軸にないと、光電変換部を透過した光は広がって伝播するため、配線部などによる散乱が生じる。散乱光はクロストークの要因となり、画像のＳＮ比の低下を引き起こす。
そのため、マイクロレンズを変位させて、マイクロレンズの焦点位置と反射部の等倍結像位置を画素中心軸上で一致させた方が、画像のＳＮ比が向上し望ましい。

また、このとき、図６に示すように、光電変換部１１４側から入射した透過光２３３は、周辺画素側に伝播する。
この透過光２３３を反射させるためには、反射部１０１を周辺画素側にまで大きく形成する必要がある。
しかしながら、反射部１０１を周辺画素側にまで大きく形成すると、反射部１０１と配線層１１９ｂは近接するため、電気的に導電し、固体撮像素子２００は正常に動作しなくなる。
よって、配線層１１９ｂを周辺画素の中心軸より中心画素側と反対側に変位させて配し、反射部１０１と配線層１１９ｂの距離を長くし、絶縁させる。
以上により、周辺画素において、反射部を周辺画素側まで形成しても、配線層を周辺画素側に変位させることで、感度が高く、ノイズの小さな固体撮像素子を得ることができる。
また、本実施例では、ゲート電極１１９ａを周辺画素の中心軸より中心画素側に変位させて配置したことで、透過光２３３は周辺画素側に伝播し、ゲート電極１１９ａに入射しにくくなる。
通常、ゲート電極１１９ａはポリシリコンで形成されるため、ゲート電極１１９ａに透過光が入射すると、透過光は吸収され、光電変換部に再入射する光量が減少する。
このため、ゲート電極１１９ａを周辺画素の中心軸より中心画素側に形成する方が光利用効率が向上するため望ましい。

［実施例３］
実施例３では、図９は、本発明を適用した裏面照射型のＣＭＯＳ撮像素子を製造する際の製造方法の構成例について説明する。
本実施例の製造方法においては、まず、熱酸化によりシリコン基板１１３の表面にシリコン酸化膜を形成する。
続いて、シリコン基板１１３中に光電変換部１１４を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。
その後、レジストマスクをアッシング等により除去する。続いて、同様のイオン打ち込みの方法で、拡散層１１５を形成する（図９（ａ））。
次に、光電変換部１１４にて発生した電荷を転送するためのゲート電極１１９ａを形成するために、ポリシリコン膜を形成する。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極１１９ａを形成する。
その後、シリコン基板１１３、およびゲート電極１１９ａ上に例えばＢＰＳＧなどの層間絶縁膜を形成し、ＣＭＰ法により平坦化を行う（図９（ｂ））。
さらに、レジストマスクを形成し、１６０℃前後でリフロー処理を行い、凸型形状のレジスト３０１を作製する（図９（ｃ））。
その後、ドライエッチングによりレジストマスクの凸型形状を層間絶縁膜に転写し凸型絶縁部１１７を形成する（図９（ｄ））。

続いて、凸型絶縁部１１７にアルミニウムなどの金属を堆積させて、凸型絶縁部１１７の形状を転写した反射部１０１を形成する（図９（ｅ））。
次に、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線層に電気的に接続させる。
同様に、第一配線層１１９ｂ、第二配線層１１９ｃおよび第三配線層１１９ｄをそれぞれ形成し、これら配線層を層間絶縁膜１１８で覆う（図９（ｆ））。
続いて、層間絶縁膜１１８の上部に支持基板１２０を貼り合わせ、支持基板１２０を下側にし、基板１１３を光電変換部１１４が形成されている領域までＣＭＰ法により研磨する（図９（ｇ））。
さらに、シリコン基板１１３の第一面１３４側に、絶縁部１１２を形成する。また、必要に応じて、遮光膜を形成する（不図示）。
その後、カラーフィルタ１１１を形成し、マイクロレンズ１１０をリフロー処理によって形成する（図９（ｈ））。
なお、上記の実施例１から実施例３においては、すべてＣＭＯＳ撮像素子に関して説明したが、本発明はＣＭＯＳ撮像素子に限られるものではない。
例えば、ＣＣＤ撮像素子などその他の固体撮像素子に関しても同様に適用できる。

１００：固体撮像素子
１０１：反射部
１１０：マイクロレンズ
１１１：カラーフィルタ
１１２：絶縁部
１１３：基板
１１４：光電変換部
１１５：拡散層
１１６：反射防止層
１１７：凸型絶縁部
１１８：層間絶縁膜
１１９：配線部
１１９ａ：ゲート電極
１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄ：配線層
１２０：支持基板
１３０：光線
１３１：焦点位置

Claims

画素ごとに基板内部に形成された光電変換部と、
前記基板に対して入射光が入射する側に設けられ、該入射光を前記光電変換部に集光する集光部と、を有する固体撮像素子であって、
前記基板に対して前記集光部の反対側に設けられ、該基板に向かって凹型形状を有する反射部を有し、
前記反射部は、該反射部の等倍結像位置を前記集光部の集光位置と一致させる構成を備えていることを特徴とする固体撮像素子。
前記反射部は、金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子は、前記基板に対して前記集光部と反対側に配線部を有する裏面照射型固体撮像素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
前記等倍結像位置と前記焦点位置は、前記基板における前記反射部を有する側の面上にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記配線部は、ゲート電極と複数の配線層によって構成され、
前記反射部は、前記配線層よりも前記基板側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子が複数配列された該固体撮像素子の周辺画素において、
前記集光部の焦点位置が、前記周辺画素の中心軸に変位するように、
前記集光部を、前記周辺画素の中心軸より前記固体撮像素子の中心画素側に変位させて配されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子が複数配列された該固体撮像素子の周辺画素において、
前記配線層を、前記周辺画素の中心軸より前記固体撮像素子の中心画素側と反対側に変位させて配されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記固体撮像素子が複数配列された該固体撮像素子の周辺画素において、
前記ゲート電極が、該周辺画素の中心軸より前記固体撮像素子の中心画素側に変位させて配されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記配線層は、前記反射部を形成している金属と同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記基板と前記絶縁部の間に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。