JP2011142330A

JP2011142330A - 固体撮像素子、カメラモジュール及び電子機器モジュール

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Publication number: JP2011142330A
Application number: JP2011026202A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Maruyama; 康丸山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP5429208B2

Abstract

【課題】反射防止効率を向上してより感度向上を可能にし、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減した、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子、及びこの固体撮像素子を備えたカメラモジュール、電子機器モジュールを提供する。
【解決手段】固体撮像素子は、半導体基板３２と、半導体基板３２の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域３３と、画素分離領域３３で分離された各画素領域内に形成され、半導体基板３２の表面側から裏面側に延在する光電変換部３４と半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、半導体基板３２の表面上に層間絶縁膜３８を介して形成された複数層の配線３９と、半導体基板３２の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜４１と、反射防止膜４１上に積層されたカラーフィルタ４２及びオンチップレンズ４３、または反射防止膜４１上に形成したオンチップレンズ４３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換素子で光電変換された信号電荷を電気信号に変換して出力する単位画素が複数配列されて成る固体撮像素子、この固体撮像素子を備えたカメラモジュール及び電子機器モジュールに関する。

固体撮像素子には、ＣＭＯＳイメージセンサに代表されるＣＭＯＳ固体撮像素子と、ＣＣＤイメージセンサに代表されるＣＣＤ固体撮像素子が知られている。ＣＭＯＳ固体撮像素子を例に採って、その断面構造の一例を図９に示す。

図９は、従来の表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の例である。このＣＭＯＳ固体撮像素子１は、第１導電型、例えばｎ型のシリコン半導体基板２に、第２導電型であるｐ型の半導体ウェル領域３を形成し、このｐ型半導体ウェル領域３の画素分離領域１０で区画された単位画素領域に光電変換部となるフォトダイオード５及び複数のＭＯＳトランジスタからなるＭＯＳトランジスタ群６を形成して成る。フォトダイオード５は、画素分離領域３及びｐ型半導体ウェル領域３で囲まれたｎ型半導体領域で形成される。すなわち、表面から深い位置にある低不純物濃度のｎ型半導体領域（ｎ−半導体領域）１１と表面側の高不純物濃度のｎ型半導体領域（ｎ＋半導体領域）１２により形成される。さらにｎ＋半導体領域１２の表面側の界面に暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のｐ型半導体領域からなるｐ＋アキュミュレーション層１３が形成される。このフォトダイオード５は、いわゆるＨＡＤ（ＨｏｌｅＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎＤｉｏｄｅ）センサとして構成されている。

ＭＯＳトランジスタ群６は、フォトダイオードに接続された読出しトランジスタ７と、その他のＭＯＳトランジスタ８で構成される。読出しトランジスタ７は、Ｐ型半導体ウェル領域３に形成されたｎ＋ソース・ドレイン領域１４と、フォトダイオード５のｎ＋半導体領域１２と、ｎ＋ソース・ドレイン領域１４及びフォトダイオード５間の基板表面にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極１８とにより形成される。他のＭＯＳトランジスタ８は、Ｐ型半導体ウェル領域３に形成されたｎ＋ソース・ドレイン領域１５及び１６と、両ｎ＋ソース・ドレイン領域１５及び１６間の基板表面にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極１９とにより形成される。例えば４つのＭＯＳトランジスタで構成される場合には、読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタで構成される。さらに、基板表面上には、層間絶縁膜２３を介して多層の配線層２５が形成される。また、図示せざるもカラーフィルタ、オンチップレンズ等も形成される。

フォトダイオード５に入射する光は、信号電荷蓄積、読出し動作を行うＭＯＳトランジスタが形成されている基板表面側から照射される。このような表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子１においては、基板表面側フォトダイオード５への集光効率を上げるために反射防止膜２６が形成される。表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子１では、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタ群及び配線層などの経時劣化を防止するための保護膜と、その下の層間絶縁膜などにより、通常４層以上のシリコン酸化（ＳｉＯ）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜がフォトダイオード５上に存在する。

光照射面側に４層以上の絶縁膜を形成するのは、多層の配線層２５を有するために真ん中に厚い層間絶縁膜（シリコン酸化膜２３）が必要になることも要因である。図示の例では、光照射面側にシリコン酸化（ＳｉＯ）膜２１、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜２２、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜２３及びシリコン窒化（ＳｉＮ）膜２４の４層膜が形成されている。

一方、表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子では、遮光する材料で形成される配線層が存在するため、画素内の集光の最適化をして感度向上を果たすべく、オンチップレンズとが別に層内レンズを形成する場合がある。層内レンズを有する場合には、５層、６層の屈折率の異なる絶縁膜がシリコン基板上に存在する。

ＣＣＤ固体撮像素子においても、層内レンズを有する場合もあり、光照射面側に同様の４層以上のシリコン酸化（ＳｉＯ）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜が形成される。

特許文献１には、表面側の光照射面上に４層以上の絶縁膜を形成した表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の例が提案されている。

特開２００３−２２４２４９号公報

ところで、４層以上のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜で反射防止膜を構成する場合、屈折率の膜での干渉により、短い周期で上下する所謂リップルのある分光特性となり、撮像素子の感度を損失している。図５は、光照射面上の反射防止膜の膜構成の違いによる、光電変換率の波長依存性を示すグラフである。図５の横軸は照射光の波長をある。縦軸は、光の透過率とシリコン中での光の吸収率の積（透過率×Ｓｉ吸収率）、つまり光電変換効率に比例し、感度に相当する。

図５の曲線Ｃは、膜厚５００ｎｍのプラズマシリコン窒化（ＰＳｉＮ）膜と、膜厚５０００ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ）膜と、膜厚５０ｎｍのシリコン窒化（ＳｉＮ）膜と、膜厚１５ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ）膜を順次下から堆積した４層膜構造の反射防止膜の分光特性を示す。曲線Ｃから分かるように、４層膜による反射防止膜の分光特性は、短い周期で上下するリップルのある分光特性となり、その積分値（光電変換効率の積分値）が感度になることから、感度をみると下方にシフトする。

図５の曲線Ｂは、膜厚５００ｎｍのプラズマシリコン窒化（ＰＳｉＮ）膜と、膜厚５０ｎｍのシリコン窒化（ＳｉＮ）膜と、膜厚１５ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ）膜を下から順次堆積した３層膜構造の反射防止膜の分光特性である。これは、４層膜による反射防止膜より粗い周期で上下する分光特性となっている。

また、表面照射型の固体撮像素子において、感度を向上するために層内レンズを形成した固体撮像素子の場合、５層または６層の屈折率の異なる膜がシリコン基板上に存在するため、上述の感度損失はより顕著になる。但し、層内レンズを形成した場合には、多層膜による反射防止膜の効果より、層内レンズによる集光効率の方が大きく作用していた。反射防止膜の構成としては、膜の層数が多いほど撮像素子の感度を低下させる。

本発明は、上述の点に鑑み、反射防止効率を向上してより感度向上を可能にした固体撮像素子及びこの固体撮像素子を備えたカメラモジュール、電子機器モジュールを提供するものである。
本発明は、併せて、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減した固体撮像素子、小型のセンサとレンズモジュールの実現を可能にした固体撮像素、カメラモジュール及び電子機器モジュールを提供するものである。

本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に積層されたカラーフィルタ及びオンチップレンズとを有する。

本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズとを有する。

本発明に係るカメラモジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に積層されたカラーフィルタ及びオンチップレンズとを有する。

本発明に係るカメラモジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズとを有する。前記光学レンズ系側にカラーフィルタを有する。

本発明に係る電子機器モジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に積層されたカラーフィルタ及びオンチップレンズとを有する。

本発明に係る電子機器モジュールは、固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備える。前記固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズとを有する。前記光学レンズ系側にカラーフィルタを有する。

本発明における固体撮像素子では、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子に構成され、半導体基板の光照射面となる裏面に反射防止膜が形成されるので、反射防止効率が向上し光電変換効率が向上する。さらに、反射防止膜上にカラーフィルタ及びオンチップレンズが積層されるので、最上層のオンチップレンズが半導体基板の光照射面となる裏面に近づき、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色とが低減する。

本発明における固体撮像素子では、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子に構成され、半導体基板の光照射面となる裏面に反射防止膜が形成されるので、反射防止効率が向上し光電変換効率が向上する。さらに、反射防止膜上にオンチップレンズが形成されるので、最上層のオンチップレンズが半導体基板の光照射面となる裏面に近づき、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色とが低減する。

本発明に係る固体撮像素子によれば、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の裏面の光照射面に反射防止膜を形成することにより、光電変換効率が向上し、裏面照射型固体撮像素子の感度の更なる向上を図ることができる。また、反射防止膜上にカラーフィルタ及びオンチップレンズを積層するので、最上層のオンチップレンズと光電変換する半導体基板面が近づき、画面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色を低減することができる。また、シェーディングと、光学的な混色を従来の表面照射型固体撮像素子と同等まで許容すれば、撮像領域周辺での入射角を大きくとることができ、すなわち射出瞳距離を短くすることができ、固体撮像素子とレンズを一体化して１つのデバイスとして構成した小型モジュール（例えばカメラモジュール、電子モジュール等）の実現を可能にする。さらに、反射防止膜を２層膜とするときは、工程数の削減が可能になり、コスト低減を図ることができる。

本発明に係る固体撮像素子によれば、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の裏面の光照射面に反射防止膜を形成し、この反射防止膜上にオンチップレンズを形成することにより、裏面照射型固体撮像素子の感度の更なる向上を図ると共に、更に、最上層のオンチップレンズと光電変換する半導体基板面が近づき、画面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色を更に低減することができる。

本発明に係るカメラモジュールによれば、上記固体撮像素子を備えることにより、感度向上し、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減し、さらに小型のカメラモジュールを実現することができる。
固体撮像素子の反射防止膜上にオンチップレンズを形成し、光学レンズ側にカラーフィルタを配置するときは、オンチップレンズと半導体基板裏面がさらに近づけることができ、シェーディング、混色が更に低減する。

本発明に係る電子機器モジュールによれば、上記固体撮像素子を備えることにより、感度向上し、シェーディング、隣接画素への光学的な混色を低減し、さらに小型の電子機器モジュールを実現することができる。
固体撮像素子の反射防止膜上にオンチップレンズを形成し、光学レンズ側にカラーフィルタを配置するときは、オンチップレンズと半導体基板裏面がさらに近づけることができ、シェーディング、混色が更に低減する。

本発明に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の実施の形態を示す概略構成図である。図１に示す実施の形態のＣＭＯＳ固体撮像素子における１画素の断面構造の一例を示す断面図である。図１に示す実施の形態のＣＭＯＳ固体撮像素子における反射防止膜の実施の形態を示す模式図である。Ａ〜Ｃ本発明に係る２層膜の反射防止膜の例を示す断面図である。光照射面上の膜構造の違いによる光電変換率の波長依存性を示すグラフである。本発明に係る反射防止膜の他の実施の形態を示す構成図である。本発明を固体撮像素子と光学レンズ系を備えたモジュール、あるいは撮像カメラに適用した場合の、カラーフィルタの配置の他の例を示す概略構成図である。本発明に係るモジュールの実施の形態を示す概略構成図である。従来の表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る固体撮像素子を、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した一実施の形態を示す画素部分の概略構成図である。図２は、その１画素の詳細断面図である。

本実施の形態に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子３１は、図１に示すように、第１導電型のシリコン半導体基板３２に第２導電型の半導体領域からなる画素分離領域３３を形成し、この画素分離領域３３で区画された各画素領域内に第２導電型半導体領域で囲われるように、光電変換部となるフォトダイオード３４と、このフォトダイオード３４に蓄積された信号電荷を読み出すための所要数のＭＯＳトランジスタ３５を形成して構成さる。画素分離領域３３は、基板３２の表面から裏面に至ように深さ方向に形成される。ＭＯＳトランジスタ３５は基板３２の表面側に形成され、フォトダイオード３４は一部ＭＯＳトランジスタ３５の下方に延びるように基板３２の裏面側に延在して形成される。

基板３２の表面上には、ＭＯＳトランジスタ３５のゲート電極３７が形成されると共に、その上に層間絶縁膜３８を介して多層の配線層３９が形成され、さらに層間絶縁膜３８上に支持基板４０が形成される。支持基板４０としては、例えばシリコン基板を用いることができる。一方、半導体基板３２の裏面上に後述する本発明に係る反射防止膜４１を介してオンチップカラーフィルタ４２が形成され、このカラーフィルタ４２上に各画素に対応するようにオンチップレンズ４３が形成される。このＣＭＯＳ固体撮像素子３１においては、基板裏面よりオンチップレンズ４３を通してフォトダイオード３４に対して光Ｌが照射されるようになされる。

この固体撮像素子３１の単位画素の具体的構成の一例を図２に示す。この例では、第１導電型であるｎ型のシリコン半導体基板３２に各画素領域１０１を区画するように第２導電型であるｐ型の半導体領域からなる画素分離領域３３が形成される。この画素分離領域３３は比較的低濃度のｐ型半導体領域で形成される。画素領域１０１のｎ型半導体基板３２には、その表面にｐ型画素分離領域３３に接続して一部画素領域１０１内に延在するようにｐ型半導体ウェル領域５１が形成される。光電変換部となるフォトダイオード３４は、ｐ型画素分離領域３３及びｐ型半導体ウェル領域５１により囲まれたｎ型半導体基板３２で形成される。すなわち、フォトダイオード３４は、ｎ半導体領域３２Ａとその表面側の高不純物濃度のｎ＋半導体領域３２Ｂとにより形成される。ｎ＋半導体領域３２Ｂの表面側の界面には、暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のｐ型半導体領域からなるｐ＋アキュミュレーション層５３が形成される。さらに、各画素領域に共通に、ｎ型半導体基板３２の裏面、すなわちｎ半導体領域３２Ａの裏面側の界面に暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のｐ型半導体領域からなるｐ＋アキュミュレーション層５４が形成される。

このフォトダイオード３４は、ｎ＋半導体領域３２Ｂの表面及びｎ半導体領域３２Ａの裏面にｐ＋アキュミュレーション層５３及び５４を有するので、いわゆるＨＡＤセンサとして構成される。また、フォトダイオード３４は、ｎ半導体領域３２Ａがｐ型半導体ウェル領域５１の下方に延在するので、画素領域の全体にわたるように大面積で形成される。

一方、ＭＯＳトランジスタ３５は、ｐ型半導体ウェル領域５１に形成される。すなわち、例えば１画素を１フォトダイオードと４つのＭＯＳトランジスタで構成するときは、ＭＯＳトランジスタ３５は、読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタを有する。図２では、ｐ型半導体ウェル領域５１内にフォトダイオード３４に近接して一方ｎ＋ソース・ドレイン領域６１が形成され、この一方のｎ＋ソース・ドレイン領域６１と他方のソース・ドレイン領域を兼ねるフォトダイオード３４のｎ＋半導体領域５２間のｐ型半導体ウェル領域５１上にゲート絶縁膜を介してゲート電極３７が形成されて読出しトランジスタＴｒ1 が形成される。

そして、ｐ型半導体ウェル領域５１の他部に、各対応したｎ＋ソース・ドレイン領域６２、６３が形成され、両ｎ＋ソース・ドレイン領域６２及び６３間のｐ型半導体ウェル領域５１上にゲート絶縁膜を介してゲート電極３７が形成されて、他のＭＯＳトランジスタ、すなわちリセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３、垂直選択トランジスタＴｒ４が形成される。

半導体基板の表面上には、例えばシリコン酸化膜等による層間絶縁膜３８を介して多層の配線層３９が形成され、層間絶縁膜３８上に例えばシリコン基板による支持基板４０が接合される。半導体基板の裏面の光照射面５６には、本発明の反射防止膜４１が形成され、の反射防止膜４１上にオンチップカラーフィルタ４２を介してオンチップレンズ４３が形成される。

そして、本実施の形態においては、特に図３に示すように、基板裏面側の光照射面５６上の反射防止膜４１が、シリコン基板３２と屈折率の異なる２層の膜６６、６７による反射防止膜４１１によって形成される。なお、図３では反射防止膜４１１の構成を明瞭にするため、反射防止膜４１１以外の部分は図１及び図２と同様であるので、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタ及び配線層等を省略した。この２層膜の反射防止膜４１１は、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜、シリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜、多結晶シリコンから選ばれた２層の膜６６、６７で形成することができる。図４は反射防止膜４１１の構成例を示している。

図４Ａでは、シリコン基板裏面の光照射面５６上にシリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜６７を順次堆積させて２層膜の反射防止膜４１１を構成する。
図４Ｂでは、シリコン基板裏面の光照射面５６上にシリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６、シリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜６７を順次堆積させて２層膜の反射防止膜４１１を構成する。
図４Ｃでは、シリコン基板裏面の光照射面５６上にシリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜６６、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜６７を順次堆積させて２層膜の反射防止膜４１１を構成する。
シリコン酸化窒化膜は、窒素Ｎの組成比で屈折率が変わり、窒素Ｎの組成比が多くなるにつれて屈折率が大きくなる。膜６６、６７は、光照射面５６から屈折率の小さい膜の順に堆積される。

反射防止膜４１１としては、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６とシリコン窒化（ＳｉＮ）膜６７の組み合わせが好ましい。このとき、シリコン酸化（ＳｉＯ）膜６６の膜厚としては、２５ｎｍ以下（０を含まず）とすることが好ましい。シリコン酸化膜の膜厚は、１ｎｍ程度でも可能であり、限りなく薄くても可能である。また、シリコン窒化膜６７の膜厚は、４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲とするこが好ましい。シリコン酸化膜６６の膜厚が２５ｎｍ以下であれば、後述する図５の曲線Ａで示す本発明に係る分光特性が、４層膜（曲線Ｃ参照）の平均的な分光特性よりも高くなり、光電変換効率の向上が図れる。シリコン窒化膜６７の膜厚が４０ｎｍ〜６０ｎｍの範囲であれば、上記と同様の理由により光電変換効率の向上が図れる。

図５において、曲線Ａは本実施の形態に係るシリコン酸化膜６６とシリコン窒化膜６７の２層膜による反射防止膜４１１の光電変換効率の波長依存性を示す分光特性である。この曲線Ａは、シリコン酸化膜６６の膜厚１５ｎｍ程度、シリコン窒化膜６７の膜厚を５０ｎｍ程度としたときの特性である。４層膜（曲線Ｃ参照）、３層膜（曲線Ｂ）に比べて光電変換効率が向上し、撮像素子の感度が向上している。

本実施の形態に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子３１によれば、基板裏面の光照射面に２層膜による反射防止膜４１１、好ましくはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の２層膜の反射防止膜を形成することにより、入射光の反射防止効率が向上し、撮像素子の感度を向上することができる。
２層膜による反射防止膜４１１の形成は、特に裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子であるために、多層の配線層の制約を受けずに形成可能となる。
本実施の形態の固体撮像素子３１では、基板裏面に臨むフォトダイオード３４が画素領域全体に形成されるので、フォトダイオード３４の開口が１００％になり、光電変換効率の更なる向上が得られ、高感度の固体撮像素子が得られる。

また、２層膜の反射防止膜４１１を有するので、光照射面の最上層であるオンチップレンズ４３と光電変換するシリコン面が近づくことにより、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色を低減することができる。
また、シェーディングと光学的混色を従来の表面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子と同等まで許容すれば、撮像領域周辺での入射角を大きくとることができ、いわゆる出射瞳距離を短くすることができ、固体撮像素子とレンズを一体化して１つのデバイスとして構成した小型モジュール（例えばカメラモジュール、電子モジュール等）の実現を可能にする。さらに２層膜による反射防止膜４１１を有することで、製造工程の削減、及び工程削減によるコストダウンを図ることができる。

図１で示す本発明に係る反射防止膜４１として、図４では、２層膜の反射防止膜４１１を構成したが、その他、図６に示すように、１層膜による反射防止膜４２２を構成することができる。この場合の１層膜の反射防止膜４１２は、膜厚方向で屈折率がステップ的に異なるように形成する。例えばシリコン酸化窒化（ＳｉＯＮ）膜を用い、その窒素組成比を膜厚方向で変えて１層膜の反射防止膜を形成することができる。

本発明は、上述した実施の形態固体撮像素子を組み込んで撮像カメラ、各種モジュールを構成することができる。図７は、裏面の光照射面に２層膜または１層膜の反射防止膜４１を形成した、上述の裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子３１と光学レンズ系８５の部分の実施の形態を示す。カラーフィルタは、反射防止膜４１とオンチップレンズ４３（または８９）との間に配置することもでき、または撮像カメラ、モジュールの機種に応じて図７に示すように、光学レンズ系８５側において、その固体撮像素子に対抗する側またはその反対側に配置することもできる。

図８は、本発明に係る電子機器モジュール、カメラモジュールの実施の形態を示す概略構成を示す。図８のモジュール構成は、電子機器モジュール、カメラモジュールの双方に適用可能である。本実施の形態のモジュール１１０は、上述した実施の形態のいずれかの固体撮像素子、例えば裏面照射型固体撮像素子３１、光学レンズ系１１１、入出力部１１２信号処理装置（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）１１３、光学レンズ系制御用の中央演算装置（ＣＰＵ）１１４を１つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール１１５としては、例えば裏面照射型固体撮像素子３１あるいは７１、光学レンズ系１１１及び入出力部１１２のみでモジュールを形成することもできる。また、例えば裏面照射型固体撮像素子３１あるいは７１、光学レンズ系１１１、入出力部１１２及び信号処理装置（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）１１３を備えたモジュール１１６を構成することもできる。

本実施の形態に係るカメラモジュール、電子機器モジュールによれば、固体撮像素子への入射光の反射防止効率が向上し、モジュールおける固体撮像素子の感度を向上することができる。また、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色が低減する。シェーディングと光学的混色を従来の表面照射型の固体撮像素子と同等まで許容すれば、出射瞳距離を短くすることができ、より小型のモジュールを実現することができる。

なお、本発明の固体撮像素子、特に裏面照射型の固体撮像素子を撮像カメラに適用した場合にも、固体撮像素子への入射光の反射防止効率が向上し、撮像カメラの感度を向上することができる。また、撮像面内の入射角の違いに起因するシェーディングと、隣接画素への光学的な混色が低減する。シェーディングと光学的混色を従来の表面照射型の固体撮像素子と同等まで許容すれば、出射瞳距離を短くすることができ、より小型の撮像カメラを実現することができる。

３１・・裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子、３２・・半導体基板、３２Ａ・・ｎ半導体領域、３３・・画素分離領域、３４・・フォトダイオード、３５・・ＭＯＳトランジスタ、Ｔｒ1 ・・読み出しトランジスタ、３７・・ゲート電極、３８・・層間絶縁膜、３９・・多層の配線層、４０・・支持基板、４１〔４１１〜４１３〕、４２２・・反射防止膜、４２・・カラーフィルタ、４３・・オンチップレンズ、５１・・ｐ型半導体ウェル領域、５２・・ｎ＋半導体領域、５３、５４・・ｐ＋アキュミュレーション層、５６・・光照射面、６６、６７・・絶縁膜

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に積層されたカラーフィルタ及びオンチップレンズと
を有する固体撮像素子。
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズと
を有する固体撮像素子。
前記反射防止膜は、前記半導体基板と屈折率を異にし、且つ光照射面から屈折率の小さい膜の順に堆積され、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、シリコン窒化膜から選ばれた２層膜で形成されている
請求項１又は２記載の固体撮像素子。
前記反射防止膜は、前記光照射面からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順に堆積させた２層膜で形成され、
前記シリコン酸化膜の膜厚を２５ｎｍ以下（０を含まず）とし、前記シリコン窒化膜の膜厚を４０ｎｍ〜６０ｎｍとした
請求項３記載の固体撮像素子。
固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に積層されたカラーフィルタ及びオンチップレンズと
を有する
カメラモジュール。
固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズと
を有し、
前記光学レンズ系側にカラーフィルタを有する
カメラモジュール。
前記反射防止膜は、前記半導体基板と屈折率を異にし、且つ光照射面から屈折率の小さい膜の順に堆積され、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、シリコン窒化膜から選ばれた２層膜で形成されている
請求項５又は６記載のカメラモジュール。
前記反射防止膜は、前記光照射面からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順に堆積させた２層膜で形成され、
前記シリコン酸化膜の膜厚を２５ｎｍ以下（０を含まず）とし、前記シリコン窒化膜の膜厚を４０ｎｍ〜６０ｎｍとした
請求項７記載のカメラモジュール。
固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に積層されたカラーフィルタ及びオンチップレンズと
を有する
電子機器モジュール。
固体撮像素子と、光学レンズ系と、信号処理装置とを備え、
前記固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から裏面に至る半導体領域による画素分離領域と、
前記画素分離領域で分離された各画素領域内に形成され、前記半導体基板の表面側から裏面側に延在する光電変換部と前記半導体基板の表面側に存する複数のトランジスタとからなる画素と、
前記半導体基板の表面上に層間絶縁膜を介して形成された複数層の配線と、
前記半導体基板の光照射面となる裏面に形成された反射防止膜と、
前記反射防止膜上に形成されたオンチップレンズと
を有し、
前記光学レンズ系側にカラーフィルタを有する
電子機器モジュール。
前記反射防止膜は、前記半導体基板と屈折率を異にし、且つ光照射面から屈折率の小さい膜の順に堆積され、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、シリコン窒化膜から選ばれた２層膜で形成されている
請求項９又は１０記載の電子機器モジュール。
前記反射防止膜は、前記光照射面からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順に堆積させた２層膜で形成され、
前記シリコン酸化膜の膜厚を２５ｎｍ以下（０を含まず）とし、前記シリコン窒化膜の膜厚を４０ｎｍ〜６０ｎｍとした
請求項１１記載の電子機器モジュール。