JP2012099843A - Solid state image sensor - Google Patents

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亮司 鈴木
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圭司 馬渕
Tomonori Mori
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state image sensor, represented by a CMOS image sensor, which allows for microfabrication of pixels and a high aperture ratio by employing a backside light-receiving structure.SOLUTION: The solid state image sensor includes a silicon layer 31 having a photodiode 37, a wiring layer provided on the other surface of the silicon layer 31 opposite from the light-receiving surface, a photoelectric conversion region consisting of a P+ layer 45 provided on the surface layer on the other side in the silicon layer 31 and an N- type region 41 provided in the silicon layer 31, and a second conductivity type N+ region 44 having concentration higher than that of the photoelectric conversion region and provided between the photoelectric conversion region consisting of the P+ layer 45 and N- type region 41 in the silicon layer 31.

Description

本技術は、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能動素子を含む単位画素が行列状に配置されてなる固体撮像素子に関する。   The present technology relates to a solid-state imaging device in which unit pixels including active elements that convert and output signal charges photoelectrically converted by a photoelectric conversion element are arranged in a matrix.

固体撮像素子は、CCDイメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像素子と、CMOSイメージセンサに代表されるX‐Yアドレス型固体撮像素子とに大別される。ここで、これら2タイプのうちX‐Yアドレス型固体撮像素子について、CMOSイメージセンサを例に採ってその断面構造の一例を示す図9を用いて説明する。   Solid-state imaging devices are roughly classified into charge transfer type solid-state imaging devices typified by CCD image sensors and XY address type solid-state imaging devices typified by CMOS image sensors. Here, of these two types, an XY address type solid-state imaging device will be described with reference to FIG. 9 showing an example of a sectional structure of a CMOS image sensor.

図9から明らかなように、CMOSイメージセンサは、入射した光を光電変換する画素部100と、画素を駆動して信号を読み出し、これに対して信号処理を施して出力する周辺回路部200とが同一チップ(基板)に集積された構成となっている。また、画素部100を構成するトランジスタと周辺回路部200を構成するトランジスタとはその配線の一部を共通にしている。   As is clear from FIG. 9, the CMOS image sensor includes a pixel unit 100 that photoelectrically converts incident light, a peripheral circuit unit 200 that drives a pixel to read a signal, performs signal processing on the signal, and outputs the signal. Are integrated on the same chip (substrate). In addition, a part of the wiring is shared by the transistors constituting the pixel portion 100 and the transistors constituting the peripheral circuit portion 200.

画素部100は、数百μm程度の厚さを持つN型シリコン基板101の表面側に形成されたフォトダイオード102を有するとともに、その上方に配線層103およびパッシベーション膜104を介して色フィルタ105およびマイクロレンズ106が配された構成となっている。色フィルタ105は色の信号を得るために設けられている。   The pixel unit 100 includes a photodiode 102 formed on the surface side of an N-type silicon substrate 101 having a thickness of about several hundred μm, and a color filter 105 and a wiring layer 103 and a passivation film 104 above the photodiode 102. The microlens 106 is arranged. The color filter 105 is provided for obtaining a color signal.

この画素部100において、フォトダイオード102と色フィルタ105との間には、トランジスタや配線が存在するので、画素部100への入射光に対するフォトダイオード102への入射光の比、即ち開口率を上げるために、入射光をマイクロレンズ106によって配線の間を通してフォトダイオード102へ集光するようにしている(例えば、特許文献1参照)。   In this pixel portion 100, since a transistor and a wiring exist between the photodiode 102 and the color filter 105, the ratio of the incident light to the photodiode 102 with respect to the incident light to the pixel portion 100, that is, the aperture ratio is increased. Therefore, incident light is condensed on the photodiode 102 through the wiring by the micro lens 106 (see, for example, Patent Document 1).

特開平11−111960号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-11960

しかしながら、上述したように、配線層103を通してフォトダイオード102に入射光を取り込む画素構造を採る従来技術では、マイクロレンズ106によって集光される光の一部が、配線によって跳ねられてしまうため、これが原因で次のような様々な問題が生じる。   However, as described above, in the conventional technique that adopts a pixel structure that takes incident light into the photodiode 102 through the wiring layer 103, a part of the light collected by the microlens 106 is bounced by the wiring. The following causes various problems.

(1)配線によって跳ねられた分だけ光量が減るため感度が落ちる。
(2)配線によって跳ねられた光の一部が隣接する画素のフォトダイオードに入り、混色が起きる。
(3)フォトダイオード102の上に配線を置けない、太い配線を通せないなどの配線の制約によって特性が低下するとともに、画素の微細化が困難である。
(4)周辺部の画素では光が斜め入射になって跳ねられる割合が多くなるので、周辺の画素ほど暗いシェーディングが起こる。
(5)配線層がさらに増加した、進んだCMOSプロセスでCMOSイメージセンサを作ろうとすると、マイクロレンズ106からフォトダイオード102の受光面までの距離が遠くなるのでそれが困難である。
(6)上記(5)によって進んだCMOSプロセスのライブラリが使えなくなり、ライブラリにある回路のレイアウトし直しが入るとともに、配線層が制限されるので面積が増大するなどによってコストが上昇し、また1画素当たりの画素面積も大きくなる。
(1) The sensitivity decreases because the amount of light is reduced by the amount bounced by the wiring.
(2) A part of the light bounced by the wiring enters the photodiode of the adjacent pixel, and color mixing occurs.
(3) The characteristics are deteriorated due to wiring restrictions such as the inability to place a wiring on the photodiode 102 or the passage of a thick wiring, and it is difficult to miniaturize a pixel.
(4) Since the ratio of light that is obliquely incident and bounces increases in the peripheral pixels, darker shading occurs in the peripheral pixels.
(5) It is difficult to make a CMOS image sensor by an advanced CMOS process in which the number of wiring layers is further increased because the distance from the microlens 106 to the light receiving surface of the photodiode 102 increases.
(6) The CMOS process library advanced in (5) above can no longer be used, the circuit layout in the library can be redesigned, the wiring layer is limited, the area increases, and the cost increases. The pixel area per pixel also increases.

さらに、赤色などの長波長の光が、図9において、フォトダイオード102よりも深い位置のPウェル107中で光電変換されると、発生した電子がPウェル107の中を拡散し、別の位置のフォトダイオードに入ってしまい、混色を起こしたり、黒を検出したりするために遮光してある画素に入ると、黒レベルを間違って検出してしまうという問題がある。 Furthermore, when long wavelength light such as red is photoelectrically converted in the P well 107 at a position deeper than the photodiode 102 in FIG. If a pixel that has been shielded from light in order to cause color mixing or black is detected, the black level may be detected incorrectly.

また、近年、CMOSイメージセンサにおいては、カメラ信号処理回路やDSP(Digital Signal Processor)などの、これまで別チップであった機能が画素部と同じチップに搭載される傾向にある。これらはプロセス世代が0.4μm→0.25μm→0.18μm→0.13μmと進化していくので、CMOSイメージセンサ自体もこれらの新しいプロセスに対応できなければ微細化の恩恵が受けられず、また、豊富なCMOS回路のライブラリやIPが利用できなくなる。   In recent years, in CMOS image sensors, functions that were previously separate chips, such as camera signal processing circuits and DSPs (Digital Signal Processors), tend to be mounted on the same chip as the pixel unit. Since the process generation evolves from 0.4 μm → 0.25 μm → 0.18 μm → 0.13 μm, the CMOS image sensor itself cannot receive the benefits of miniaturization unless it can cope with these new processes. In addition, an abundant CMOS circuit library and IP cannot be used.

しかし、プロセス世代が進むほど配線構造が多層化し、例えば0.4μmプロセスでは配線は3層であったが、0.13μmプロセスでは8層の配線を用いている。また、配線の厚さも増加し、マイクロレンズ106からフォトダイオード102の受光面までの距離が3倍〜5倍になる。したがって、従来の配線層を通してフォトダイオード102の受光面まで光を導く表面照射型の画素構造では、効率良く光をフォトダイオード102の受光面に集光できなくなっており、その結果、上記(1)〜(6)の問題が顕著になっている。   However, as the process generation progresses, the wiring structure becomes multilayered. For example, in the 0.4 μm process, the wiring has three layers, but in the 0.13 μm process, eight layers of wiring are used. In addition, the thickness of the wiring also increases, and the distance from the microlens 106 to the light receiving surface of the photodiode 102 becomes 3 to 5 times. Therefore, in the conventional front-illuminated pixel structure that guides light to the light receiving surface of the photodiode 102 through the wiring layer, light cannot be efficiently collected on the light receiving surface of the photodiode 102. As a result, the above (1) The problem of (6) is remarkable.

一方、電荷転送型固体撮像素子には、光を裏面側から受光する裏面受光型フレーム転送CCDイメージセンサがある。この裏面受光型フレーム転送CCDイメージセンサでは、シリコン基板を薄膜化して背面(裏面)にて受光し、シリコン内で光電変換した信号電荷が表面側から延びる空乏層に捕獲され、表面側の電位井戸に蓄積されて出力される構成となっている。   On the other hand, the charge transfer type solid-state imaging device includes a back side light receiving type frame transfer CCD image sensor that receives light from the back side. In this backside light receiving type frame transfer CCD image sensor, a silicon substrate is thinned and light is received on the backside (backside), and signal charges photoelectrically converted in the silicon are captured by a depletion layer extending from the front side, and a potential well on the front side. Are stored and output.

そのフォトダイオードの断面構造の一例を図10に示す。本例では、フォトダイオードは、シリコン基板301に対して配線等が形成される酸化膜302側の表面にP型領域303によって作られており、N型のウェル(エピ層)304によってデプレッション層305を介して覆われた構造となっている。酸化膜302の上には、アルミニウムの反射膜306が形成されている。   An example of the cross-sectional structure of the photodiode is shown in FIG. In this example, the photodiode is formed by the P-type region 303 on the surface on the oxide film 302 side where wiring and the like are formed on the silicon substrate 301, and the depletion layer 305 is formed by the N-type well (epi layer) 304. It has a structure covered through. On the oxide film 302, an aluminum reflective film 306 is formed.

上記構造の裏面受光型CCDイメージセンサの場合、吸収率の高い、青色の感度が落ちる問題がある。また、光が背面に入射して浅い位置で光電変換されることによって発生した信号電荷が、拡散してある割合で周囲のフォトダイオードに入ってしまう。これらの問題があることに加えて、CCDイメージセンサでは、システムオンチップしないので配線層の高さを高くする必要がないこと、独自プロセスなので遮光膜をフォトダイオードの周囲に落とし込むことができるためオンチップレンズによる集光が容易であり、先述した(1)〜(6)の問題が生じなく、裏面受光構造を採る必要性がないことから、裏面受光型のCCDイメージセンサがほとんど使われていないのが現状である。 In the case of the back side light receiving type CCD image sensor having the above structure, there is a problem that the blue sensitivity with high absorptance is lowered. Further, signal charges generated by light incident on the back surface and photoelectrically converted at a shallow position enter the surrounding photodiodes at a diffused rate. In addition to these problems, the CCD image sensor does not require system-on-chip, so there is no need to increase the height of the wiring layer, and since it is a unique process, the light-shielding film can be dropped around the photodiode. Condensing with a chip lens is easy, the problems (1) to (6) described above do not occur, and there is no need to adopt a backside light receiving structure, so backside light receiving type CCD image sensors are rarely used. is the current situation.

これに対して、CMOSイメージセンサの場合は、プロセスは標準CMOSプロセスにわずかの修正を加えたものを使用するので、裏面受光構造を採ることにより、配線工程に影響されず、常に最新のプロセスを用いることができるというCCDイメージセンサには無い利点がある。ただし、配線が何層も縦横に走る点はCCDイメージセンサとは異なっており、それに伴って先述した(1)〜(6)の問題がCMOSイメージセンサ(これに代表されるX-Yアドレス型固体撮像素子)特有の問題として顕著に現れる。   On the other hand, in the case of a CMOS image sensor, the process uses a standard CMOS process with a slight modification. By adopting a backside light receiving structure, the process is always up-to-date without being affected by the wiring process. There is an advantage that the CCD image sensor can use. However, the point that wiring runs vertically and horizontally is different from the CCD image sensor, and the problems (1) to (6) mentioned above are associated with the CMOS image sensor (XY address type represented by this). This is a remarkable problem specific to solid-state imaging devices.

本技術は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、CMOSイメージセンサに代表される固体撮像素子において、裏面受光構造を採ることにより、画素の微細化および高開口率化を可能とした固体撮像素子を提供することにある。   The present technology has been made in view of the above-described problems. The object of the present technology is to reduce the pixel size and increase the aperture by adopting a back surface light receiving structure in a solid-state imaging device represented by a CMOS image sensor. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of increasing the efficiency.

本技術による固体撮像素子は、光電変換素子を有する半導体層と、前記半導体層における受光面と逆側の他方の面上に設けられた配線層と、前記半導体層内における前記他方の面側の表面層に設けられた第1導電型層と、前記半導体層内に設けられた第2導電型の光電変換領域と、前記光電変換領域よりも高濃度の第2導電型であって、前記半導体層内における前記第1導電型層と前記光電変換領域との間に設けられた第2導電型層とを備えている。   A solid-state imaging device according to the present technology includes a semiconductor layer having a photoelectric conversion element, a wiring layer provided on the other surface opposite to the light receiving surface in the semiconductor layer, and the other surface side in the semiconductor layer. A first conductivity type layer provided in a surface layer; a second conductivity type photoelectric conversion region provided in the semiconductor layer; and a second conductivity type having a higher concentration than the photoelectric conversion region, wherein the semiconductor And a second conductivity type layer provided between the first conductivity type layer and the photoelectric conversion region in the layer.

このような構成の固体撮像素子では、光電変換領素子が設けられた半導体層に対して、受光面とは逆側の他方の面上に配線層が設けられた裏面照射型の画素構造を採ることにより、受光面を考慮した配線の必要がなくなる。すなわち、光電変換素子領域上への配線が可能となる。これにより、画素の配線の自由度が高くなり、画素の微細化を図ることができる。   The solid-state imaging device having such a configuration adopts a back-illuminated pixel structure in which a wiring layer is provided on the other surface opposite to the light receiving surface with respect to the semiconductor layer provided with the photoelectric conversion region. This eliminates the need for wiring in consideration of the light receiving surface. That is, wiring on the photoelectric conversion element region is possible. Accordingly, the degree of freedom of pixel wiring is increased, and the pixel can be miniaturized.

本技術によれば、固体撮像素子において、裏面受光型の画素構造を採ることによって受光面を考慮した配線の必要がなくなるため、画素の配線の自由度が高くなり、画素の微細化を図ることができることになる。   According to the present technology, in the solid-state imaging device, by adopting a back surface light receiving type pixel structure, wiring that takes the light receiving surface into consideration is not necessary, so that the degree of freedom of pixel wiring is increased and the pixel is miniaturized. Will be able to.

本技術の一実施形態に係るCMOSイメージセンサの一例を示す概略構成図である。It is a schematic structure figure showing an example of a CMOS image sensor concerning one embodiment of this art. 単位画素の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of a unit pixel. 画素部および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the structure of a pixel part and a peripheral circuit part. シリコン層のウェル構造の一例を示す断面構造図である。It is a cross-section figure showing an example of the well structure of a silicon layer. 活性領域(ゲート酸化膜の領域)、ゲート(ポリシリコン)電極および両者のコンタクト部を示す平面パターン図である。It is a plane pattern diagram showing an active region (region of gate oxide film), a gate (polysilicon) electrode, and a contact portion between them. ゲート電極よりも上の金属配線と、それらの間のコンタクト部を活性領域と共に示す平面パターン図である。It is a plane pattern figure which shows the metal wiring above a gate electrode, and the contact part between them with an active region. 裏面受光型画素構造のCMOSイメージセンサを作成するプロセスを説明するための工程図(その1)である。It is process drawing (the 1) for demonstrating the process which produces the CMOS image sensor of a back surface light reception type pixel structure. 裏面受光型画素構造のCMOSイメージセンサを作成するプロセスを説明するための工程図(その2)である。It is process drawing (2) for demonstrating the process which produces the CMOS image sensor of a back surface light reception type pixel structure. CMOSイメージセンサの従来構造を示す断面構造図である。It is sectional drawing which shows the conventional structure of a CMOS image sensor. 裏面受光型フレーム転送CCDイメージセンサのフォトダイオードの断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-section of the photodiode of a back surface receiving type frame transfer CCD image sensor.

以下、本技術の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、X-Yアドレス型固体撮像素子としてCMOSイメージセンサを例に採って説明するものとする。   Hereinafter, embodiments of the present technology will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a CMOS image sensor will be described as an example of an XY address type solid-state imaging device.

図1は、本技術の一実施形態に係るCMOSイメージセンサの一例を示す概略構成図である。図1から明らかなように、本CMOSイメージセンサは、画素部11、垂直(V)選択回路12、S/H(サンプル/ホールド)&CDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)回路13、水平(H)選択回路14、タイミングジェネレータ(TG)15、AGC(Automatic Gain Control)回路16、A/D変換回路17およびデジタルアンプ18等を有し、これらが同一の基板(チップ)19上に搭載された構成となっている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present technology. As is apparent from FIG. 1, this CMOS image sensor includes a pixel unit 11, a vertical (V) selection circuit 12, an S / H (sample / hold) & CDS (Correlated Double Sampling) circuit 13, a horizontal ( H) A selection circuit 14, a timing generator (TG) 15, an AGC (Automatic Gain Control) circuit 16, an A / D conversion circuit 17, a digital amplifier 18, etc. are mounted on the same substrate (chip) 19. It becomes the composition.

画素部11は、後述する単位画素が行列状に多数配列され、行単位でアドレス線などが、列単位で垂直信号線がそれぞれ配線された構成となっている。垂直選択回路12は、画素を行単位で順に選択し、選択した行の各画素から画素信号をS/H&CDS回路13に読み出す。S/H&CDS回路13は、その読み出された画素信号について信号レベルから0レベルを減算し、画素ごとの固定パターンばらつき(ノイズ)を除去し、保持する処理を行う。   The pixel unit 11 has a configuration in which a large number of unit pixels, which will be described later, are arranged in a matrix, and address lines and the like are arranged in rows and vertical signal lines are arranged in columns. The vertical selection circuit 12 sequentially selects pixels in units of rows and reads out pixel signals from each pixel in the selected row to the S / H & CDS circuit 13. The S / H & CDS circuit 13 performs a process of subtracting 0 level from the signal level for the read pixel signal, removing fixed pattern variation (noise) for each pixel, and holding it.

水平選択回路14は、S/H&CDS回路13に保持されている画素信号を順に取り出し、AGC回路16に渡す。AGC回路16は、その信号を適当なゲインで増幅し、A/D変換回路17に渡す。A/D変換回路17は、そのアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルアンプ18に渡す。デジタルアンプ18は、そのデジタル信号を適当に増幅して出力する。垂直選択回路12、S/H&CDS回路13、水平選択回路14、AGC回路16、A/D変換回路17およびデジタルアンプ18の各動作は、タイミングジェネレータ15で発生される各種のタイミング信号に基づいて行われる。   The horizontal selection circuit 14 sequentially extracts the pixel signals held in the S / H & CDS circuit 13 and passes them to the AGC circuit 16. The AGC circuit 16 amplifies the signal with an appropriate gain and passes it to the A / D conversion circuit 17. The A / D conversion circuit 17 converts the analog signal into a digital signal and passes it to the digital amplifier 18. The digital amplifier 18 appropriately amplifies the digital signal and outputs it. The operations of the vertical selection circuit 12, the S / H & CDS circuit 13, the horizontal selection circuit 14, the AGC circuit 16, the A / D conversion circuit 17 and the digital amplifier 18 are performed based on various timing signals generated by the timing generator 15. Is called.

本CMOSイメージセンサの特有の部分である単位画素の回路構成の一例を図2に示す。同図から明らかなように、単位画素は、光電変換素子として例えばフォトダイオード21を有し、この1個のフォトダイオード21に対して、転送トランジスタ22、増幅トランジスタ23、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ25の4個のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。   An example of the circuit configuration of a unit pixel, which is a specific part of the CMOS image sensor, is shown in FIG. As can be seen from the figure, the unit pixel has, for example, a photodiode 21 as a photoelectric conversion element, and a transfer transistor 22, an amplification transistor 23, an address transistor 24, and a reset transistor 25 are associated with this one photodiode 21. The four transistors are configured as active elements.

フォトダイオード21はそのアノードが接地され、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは、電子)に光電変換する。転送トランジスタ22は、フォトダイオード21のカソードとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、転送配線26を通してそのゲートに転送信号が与えられることで、フォトダイオード21で光電変換された電子をフローティングディフュージョンFDに転送する。   The photodiode 21 is grounded at its anode, and photoelectrically converts incident light into charges (here, electrons) in an amount corresponding to the amount of light. The transfer transistor 22 is connected between the cathode of the photodiode 21 and the floating diffusion FD, and a transfer signal is given to the gate through the transfer wiring 26, whereby the electrons photoelectrically converted by the photodiode 21 are transferred to the floating diffusion FD. Forward.

フローティングディフュージョンFDには増幅トランジスタ23のゲートが接続されている。この増幅トランジスタ23はアドレストランジスタ24を介して垂直信号線27に接続され、画素部外の定電流源Iとソースフォロアを構成している。そして、アドレス配線28を通してアドレス信号がアドレストランジスタ25のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ25がオンすると、増幅トランジスタ23はフローティングディフュージョンFDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線27に出力する。垂直信号線27は、各画素から出力された電圧をS/H&CDS回路13に伝送する。   The gate of the amplification transistor 23 is connected to the floating diffusion FD. The amplification transistor 23 is connected to the vertical signal line 27 via the address transistor 24, and constitutes a constant current source I and a source follower outside the pixel portion. When an address signal is applied to the gate of the address transistor 25 through the address wiring 28 and the address transistor 25 is turned on, the amplification transistor 23 amplifies the potential of the floating diffusion FD and applies a voltage corresponding to the potential to the vertical signal line 27. Output to. The vertical signal line 27 transmits the voltage output from each pixel to the S / H & CDS circuit 13.

リセットトランジスタ25は電源VddとフローティングディフュージョンFDとの間に接続され、リセット配線29を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンFDの電位を電源Vddの電位にリセットする。これらの動作は、転送トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ25の各ゲートが接続される各配線26,28,29が行単位で配線されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。   The reset transistor 25 is connected between the power supply Vdd and the floating diffusion FD, and resets the potential of the floating diffusion FD to the potential of the power supply Vdd when a reset signal is given to the gate through the reset wiring 29. In these operations, since the wirings 26, 28, and 29 to which the gates of the transfer transistor 22, the address transistor 24, and the reset transistor 25 are connected are wired in units of rows, the pixels for one row are simultaneously processed. Is called.

ここで、単位画素についての配線としては、横方向に転送配線26、アドレス配線28およびリセット配線29の3本、縦方向に垂直信号線27の1本、さらにVdd供給配線と、フローティングディフュージョンFDと増幅トランジスタ23のゲートとをつなぐ内部配線と、ここでは図示していないが、画素境界部分と黒レベル検出画素のための遮光膜に使う2次元配線とが存在する。   Here, as the wiring for the unit pixel, there are three transfer wirings 26, address wirings 28 and reset wirings 29 in the horizontal direction, one vertical signal line 27 in the vertical direction, Vdd supply wiring, and floating diffusion FD. There is an internal wiring that connects the gate of the amplifying transistor 23 and a two-dimensional wiring that is not shown here, but is used as a light shielding film for a pixel boundary portion and a black level detection pixel.

図3は、画素部および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。図3において、ウェハーをCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨することにより、10〜20μm程度の厚さのシリコン(Si)層(素子層)31が形成される。その厚さの望ましい範囲は、可視光に対して5〜15μm、赤外光に対して15〜50μm、紫外域に対して3〜7μmである。このシリコン層31の一方の面側にはSiO2膜32を挟んで遮光膜33が形成されている。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of the pixel portion and the peripheral circuit portion. In FIG. 3, the wafer is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) to form a silicon (Si) layer (element layer) 31 having a thickness of about 10 to 20 μm. Desirable ranges of the thickness are 5 to 15 μm for visible light, 15 to 50 μm for infrared light, and 3 to 7 μm for ultraviolet region. A light shielding film 33 is formed on one surface side of the silicon layer 31 with the SiO 2 film 32 interposed therebetween.

遮光膜33は配線と異なり、光学的な要素だけを考慮してレイアウトされる。この遮光膜33には開口部33Aが形成されている。遮光膜33の上には、パッシベーション膜としてシリコン窒化膜(SiN)34が形成され、さらに開口部33Aの上方に色フィルタ35およびマイクロレンズ36が形成されている。すなわち、シリコン層31の一方の面側から入射する光は、マイクロレンズ36および色フィルタ35を経由して、シリコン層31に形成される後述するフォトダイオード37の受光面に導かれる画素構造となっている。シリコン層31の他方の面側には、トランジスタや金属配線が形成される配線層38が形成され、その下にはさらに基板支持材39が貼り付けられている。   Unlike the wiring, the light shielding film 33 is laid out in consideration of only optical elements. An opening 33 </ b> A is formed in the light shielding film 33. On the light shielding film 33, a silicon nitride film (SiN) 34 is formed as a passivation film, and a color filter 35 and a micro lens 36 are formed above the opening 33A. That is, the light that enters from one surface side of the silicon layer 31 has a pixel structure that is guided to the light receiving surface of a photodiode 37 that will be described later formed in the silicon layer 31 via the microlens 36 and the color filter 35. ing. On the other surface side of the silicon layer 31, a wiring layer 38 on which transistors and metal wirings are formed is formed, and a substrate support member 39 is further attached below the wiring layer 38.

ここで、従来のCMOSイメージセンサでは、配線層側を表面側とし、この配線層側から入射光を取り込む表面受光型の画素構造を採っていたのに対して、本実施形態に係るCMOSイメージセンサでは、配線層38と反対側の面(裏面)側から入射光を取り込むことから、裏面受光型の画素構造となっている。この裏面受光型画素構造から明らかなように、マイクロレンズ36からフォトダイオード37までの間には遮光層33が金属層として存在するだけであること、またこの遮光層33のフォトダイオード37からの高さがSiO2膜32の膜厚(例えば、約0.5μm)と低いことから、金属層でのけられによる集光の制限を無くすことができる。   Here, in the conventional CMOS image sensor, the wiring layer side is the front surface side, and the surface light receiving type pixel structure that takes in incident light from the wiring layer side is adopted. On the other hand, the CMOS image sensor according to this embodiment Then, since incident light is taken in from the surface (back surface) side opposite to the wiring layer 38, a back-surface light receiving type pixel structure is formed. As is apparent from this backside light receiving pixel structure, the light shielding layer 33 only exists as a metal layer between the microlens 36 and the photodiode 37, and the light shielding layer 33 has a high height from the photodiode 37. Is as low as the thickness of the SiO 2 film 32 (for example, about 0.5 μm), it is possible to eliminate the limitation of light collection due to the squeezing in the metal layer.

図4は、シリコン層31のウェル構造の一例を示す断面構造図であり、図中、図3と同等部分には同一符号を付して示している。   FIG. 4 is a sectional view showing an example of the well structure of the silicon layer 31. In FIG. 4, the same parts as those in FIG.

本例では、N−型基板41を用いている。シリコン層31の厚さは、先述したように、可視光に対しては5〜15μmが望ましく、本例では10μmとしている。これにより、可視光を良好に光電変換できる。シリコン層31の一方の面には、浅いP+層42が画素部の全面に亘って形成されている。画素分離領域は深いPウェル43によって形成されており、一方の面のP+層42とつながっている。   In this example, an N-type substrate 41 is used. As described above, the thickness of the silicon layer 31 is desirably 5 to 15 μm for visible light, and is 10 μm in this example. Thereby, visible light can be favorably photoelectrically converted. A shallow P + layer 42 is formed on the entire surface of the pixel portion on one surface of the silicon layer 31. The pixel isolation region is formed by a deep P well 43 and is connected to the P + layer 42 on one surface.

フォトダイオード37はPウェルを形成しないことで、N−型基板41を利用して形成されている。このN−型領域(基板)41が光電変換領域であり、その面積が小さく濃度が薄いために完全空乏化している。その上に、信号電荷(本例では、電子)を蓄積するN+領域44が形成され、その上にさらに、埋め込みフォトダイオードとするためのP+層45が形成されている。   The photodiode 37 is formed using the N− type substrate 41 by not forming the P well. This N− type region (substrate) 41 is a photoelectric conversion region, and is completely depleted because its area is small and the concentration is low. An N + region 44 for accumulating signal charges (electrons in this example) is formed thereon, and a P + layer 45 for forming a buried photodiode is further formed thereon.

なお、フォトダイオード37は、図4から明らかなように、受光面側の表面積が配線層38側の表面積よりも広くなるように形成されている。これにより、入射光を効率良く取り込めることになる。このフォトダイオード37で光電変換されかつN+領域44に蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ46(図2の転送トランジスタ22)によってN+型領域のFD(フローティングディフュージョン)47に転送される。フォトダイオード37側とFD47とはP−層48によって電気的に分離されている。   As is clear from FIG. 4, the photodiode 37 is formed so that the surface area on the light receiving surface side is larger than the surface area on the wiring layer 38 side. Thereby, incident light can be taken in efficiently. The signal charge photoelectrically converted by the photodiode 37 and accumulated in the N + region 44 is transferred to an FD (floating diffusion) 47 in the N + type region by the transfer transistor 46 (transfer transistor 22 in FIG. 2). The photodiode 37 side and the FD 47 are electrically separated by the P− layer 48.

画素内の転送トランジスタ46以外のトランジスタ(図2の増幅トランジスタ23、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ25)は、深いPウェル42に通常通り形成されている。一方、周辺回路領域については、裏面のP+層42に到達しない深さにPウェル49が形成され、このPウェル49の内側にさらにNウェル50が形成され、これらウェル49,50の領域にCMOS回路が形成された構成となっている。   Transistors other than the transfer transistor 46 in the pixel (the amplification transistor 23, the address transistor 24, and the reset transistor 25 in FIG. 2) are normally formed in the deep P well 42. On the other hand, in the peripheral circuit region, a P-well 49 is formed at a depth that does not reach the P + layer 42 on the back surface, and an N-well 50 is further formed inside the P-well 49. A circuit is formed.

次に、画素のレイアウト例について図5および図6を用いて説明する。図5および図6において、図2と同等部分には同一符号を付して示している。図5は、活性領域(ゲート酸化膜の領域)、ゲート(ポリシリコン)電極および両者のコンタクト部を示す平面パターン図である。同図から明らかなように、単位画素当たり、1つのフォトダイオード(PD)21と4つのトランジスタ22〜25が存在する。   Next, pixel layout examples will be described with reference to FIGS. 5 and 6, the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. FIG. 5 is a plan pattern diagram showing an active region (a region of a gate oxide film), a gate (polysilicon) electrode, and a contact portion between them. As is clear from the figure, there is one photodiode (PD) 21 and four transistors 22 to 25 per unit pixel.

図6は、ゲート電極よりも上の金属配線と、それらの間のコンタクト部を活性領域と共に示す平面パターン図である。ここで、金属配線(例えば、アルミニウム配線)は3層構造となっており、第1層目は画素内の配線として、第2層目は縦方向の配線、即ち垂直信号線27やドレイン線として、第3層目は横方向の配線、即ち転送配線26、アドレス配線28およびリセット配線29としてそれぞれ用いられている。   FIG. 6 is a plan pattern diagram showing the metal wiring above the gate electrode and the contact portion between them together with the active region. Here, the metal wiring (for example, aluminum wiring) has a three-layer structure. The first layer is a wiring in a pixel, and the second layer is a vertical wiring, that is, a vertical signal line 27 or a drain line. The third layer is used as a horizontal wiring, that is, a transfer wiring 26, an address wiring 28, and a reset wiring 29, respectively.

図6の配線パターンから明らかなように、垂直信号線27や、転送配線26、アドレス配線28およびリセット配線29はフォトダイオード領域上に配線されている。これらの配線は、従来の画素構造では、配線層側から光を取り込む表面受光型画素構造を採っていたことから、フォトダイオード領域を避けて形成されていたものである。これに対して、本実施形態に係る画素構造では、図3から明らかなように、配線層と反対側(裏面側)から光を取り込む裏面受光型画素構造を採っていることから、フォトダイオード領域上での配線の引き回しを可能としている。   As is apparent from the wiring pattern of FIG. 6, the vertical signal line 27, the transfer wiring 26, the address wiring 28, and the reset wiring 29 are wired on the photodiode region. These wirings are formed avoiding the photodiode region because the conventional pixel structure adopts a surface-receiving type pixel structure that takes in light from the wiring layer side. On the other hand, in the pixel structure according to the present embodiment, as apparent from FIG. 3, since the back-side light-receiving pixel structure that takes in light from the side opposite to the wiring layer (back side) is employed, The wiring can be routed above.

上述したように、CMOSイメージセンサに代表されるX-Yアドレス型固体撮像素子において、フォトダイオード37が裏面側から可視光を受光する裏面受光型画素構造を採ったことにより、従来の表面受光型画素構造のように受光面を配慮した配線の必要がなくなるため、画素の配線の自由度が高くなり、画素の微細化を図ることができるとともに、配線層の多い、進んだCMOSプロセスで作ることができる。   As described above, in the XY address type solid-state image pickup device represented by the CMOS image sensor, the photodiode 37 adopts the back side light receiving type pixel structure that receives the visible light from the back side. Since there is no need for wiring that takes into consideration the light-receiving surface as in the pixel structure, the degree of freedom of wiring of the pixel is increased, the pixel can be miniaturized, and it is manufactured by an advanced CMOS process with many wiring layers. Can do.

また、フォトダイオード37が裏面のP+層45に到達する深さで形成されているため、吸収率の高い青色の感度が高くなり、またフォトダイオード37よりも深部で光電変換されることがないので、それが原因となる混色や黒レベルの誤検出の心配もなくなる。さらに、特に図3から明らかなように、受光面側に配線層38が存在しないことで、遮光膜33、色フィルタ35およびマイクロレンズ36を受光面に対して低い位置に作ることができるため、従来技術における感度低下、混色、周辺減光などの問題を解決することができる。   Further, since the photodiode 37 is formed at a depth that reaches the P + layer 45 on the back surface, the sensitivity of blue having a high absorptance is high, and photoelectric conversion is not performed deeper than the photodiode 37. , There is no need to worry about mixed colors and false detection of black levels. Further, as is clear from FIG. 3 in particular, since the wiring layer 38 does not exist on the light receiving surface side, the light shielding film 33, the color filter 35, and the microlens 36 can be made at a low position with respect to the light receiving surface. Problems such as sensitivity reduction, color mixing, and peripheral light reduction in the prior art can be solved.

次に、上記構成の裏面受光型画素構造のCMOSイメージセンサを作成するプロセスについて、図7および図8の工程図を用いて説明する。   Next, a process for producing a CMOS image sensor having a back-surface light-receiving pixel structure having the above configuration will be described with reference to the process diagrams of FIGS.

先ず、N−型基板51の表面に素子分離、ゲート電極(ポリシリコン電極)を作成するとともに、イオン打ち込みにより、先述した画素部分の深いPウェル43、フォトダイオード部分の浅いP+層42、周辺回路部分の浅いPウェル49およびNウェル50を形成し、さらにトランジスタや画素活性領域などを従来のCMOSイメージセンサと同一の工程で形成する(工程1)。このとき、裏面用の位置合わせマークを作るために基板51を数十μm程度トレンチしておく。   First, element isolation and a gate electrode (polysilicon electrode) are formed on the surface of the N− type substrate 51, and a deep P well 43 in the pixel portion, a shallow P + layer 42 in the photodiode portion, and a peripheral circuit are formed by ion implantation. A shallow P well 49 and N well 50 are formed, and further, a transistor, a pixel active region, and the like are formed in the same process as the conventional CMOS image sensor (process 1). At this time, the substrate 51 is trenched by about several tens of μm in order to make an alignment mark for the back surface.

次に、基板51の表面に第1層目〜第3層目の金属配線(1Al,2Al,3Al)、パッド(PAD)52および層間膜53を作成する(工程2)。このとき、工程1でトレンチしておいた裏面用位置合わせマーク部分に例えばタングステン(W)またはアルミニウム(Al)を埋め込んで位置合わせマーク54を作る。続いて、配線層上面に数百μmの厚さで第一基板支持材(例えば、ガラス、シリコン、有機膜など)55Aを流し込む(工程3)。このとき、パッド52の上はレジスト56でマスクしておくようにする。   Next, first to third layer metal wirings (1Al, 2Al, 3Al), pads (PAD) 52, and an interlayer film 53 are formed on the surface of the substrate 51 (step 2). At this time, for example, tungsten (W) or aluminum (Al) is embedded in the back surface alignment mark portion that has been trenched in step 1 to form the alignment mark 54. Subsequently, a first substrate support material (for example, glass, silicon, organic film, etc.) 55A is poured into the upper surface of the wiring layer with a thickness of several hundreds μm (step 3). At this time, the pad 52 is masked with a resist 56.

次に、パッド52上方のレジスト56を取り除くとともに、できたバンプに金属が流れ込むように表面処理する(工程4)。続いて、パッド52上に開口したバンプと第一基板支持材55Aの表面に導電体57を流し込む(工程5)。その後、パッド52の上方部分だけを残して基板支持材55の表面の導電体57を取り除く(工程6)。この残った部分がパッド52′となる。   Next, the resist 56 above the pad 52 is removed, and surface treatment is performed so that metal flows into the resulting bumps (step 4). Subsequently, the conductor 57 is poured into the bumps opened on the pad 52 and the surface of the first substrate support member 55A (step 5). Thereafter, the conductor 57 on the surface of the substrate support 55 is removed leaving only the upper part of the pad 52 (step 6). This remaining portion becomes the pad 52 '.

次に、裏面加工中のパッド52′の保護と表面の平坦化のために第二基板支持材55Bを流し込み、その後研磨するとともに、ウェハーを裏返して基板51の厚さが10μm程度になるまでCMPによって研磨する(工程7)。続いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)によってSiO2膜を10nm程度の膜厚で形成し、次いで位置合わせマーク54に合わせてレジストをおき、画素部全面にSiO2界面が正孔で埋まるだけのボロンをドーズする(工程8)。工程8ではさらに、裏面にCVDによってSiO2膜58を500nm程度の膜厚で形成し、次いでAlあるいはWで遮光膜59を作成し、その後パッシベーション膜60としてプラズマSiN膜をCVDによって形成する。   Next, a second substrate support 55B is poured to protect the pad 52 'during the back surface processing and the surface is flattened, and then polished, and the wafer is turned upside down until the thickness of the substrate 51 reaches about 10 μm. (Step 7). Subsequently, a SiO 2 film is formed with a thickness of about 10 nm by CVD (Chemical Vapor Deposition), and then a resist is placed in alignment with the alignment mark 54, and boron that fills the SiO 2 interface with holes on the entire pixel portion is dosed. (Step 8). In step 8, a SiO2 film 58 is formed on the back surface with a thickness of about 500 nm by CVD, a light shielding film 59 is formed with Al or W, and then a plasma SiN film is formed as a passivation film 60 by CVD.

次に、従来のCMOSイメージセンサの場合と同様の方法で色フィルタ61およびマイクロレンズ62を作成する(工程9)。このとき、ステッパ合わせは位置合わせマーク54を使うか、または遮光膜59を使用することによって行う。続いて、パッド52′上の第二基板支持材55Bをエッチングで取り除き、パッド52′を露出させる(工程10)。この際、必要に応じて、マイクロレンズ62の位置合わせや、チップの平坦化のために第二基板支持材55Bを研磨して所望の厚さに調整する。   Next, the color filter 61 and the microlens 62 are formed by the same method as in the case of the conventional CMOS image sensor (step 9). At this time, the stepper alignment is performed by using the alignment mark 54 or by using the light shielding film 59. Subsequently, the second substrate support material 55B on the pad 52 'is removed by etching to expose the pad 52' (step 10). At this time, if necessary, the second substrate support material 55B is polished and adjusted to a desired thickness in order to align the microlens 62 and flatten the chip.

以上説明した製造方法によれば、裏面受光型の画素構造を簡単に作成することができることに加えて、パッド52′が受光面と反対側に出た構造とすることができるため、受光面を上に向けた状態で直接基板に本CMOSイメージセンサを実装することができる。   According to the manufacturing method described above, the back-surface light receiving type pixel structure can be easily created, and in addition, the pad 52 ′ can be formed on the side opposite to the light receiving surface. The CMOS image sensor can be directly mounted on the substrate in the state of facing upward.

11…画素部、12…垂直選択回路、14…水平選択回路、15…タイミングジェネレータ、21,37…フォトダイオード、22…転送トランジスタ、23…増幅トランジスタ、24…アドレストランジスタ、25…リセットトランジスタ、31…シリコン(Si)層、33…遮光膜、35…色フィルタ、36…マイクロレンズ、38…配線層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Pixel part, 12 ... Vertical selection circuit, 14 ... Horizontal selection circuit, 15 ... Timing generator, 21, 37 ... Photodiode, 22 ... Transfer transistor, 23 ... Amplification transistor, 24 ... Address transistor, 25 ... Reset transistor, 31 ... Silicon (Si) layer 33 ... Light-shielding film 35 ... Color filter 36 ... Microlens 38 ... Wiring layer

Claims (13)

光電変換素子を有する半導体層と、
前記半導体層における受光面と逆側の他方の面上に設けられた配線層と、
前記半導体層内における前記他方の面側の表面層に設けられた第1導電型層と、
前記半導体層内に設けられた第2導電型の光電変換領域と、
前記光電変換領域よりも高濃度の第2導電型であって、前記半導体層内における前記第1導電型層と前記光電変換領域との間に設けられた第2導電型層と、
を備えた固体撮像素子。
A semiconductor layer having a photoelectric conversion element;
A wiring layer provided on the other surface of the semiconductor layer opposite to the light receiving surface;
A first conductivity type layer provided in a surface layer on the other surface side in the semiconductor layer;
A second conductivity type photoelectric conversion region provided in the semiconductor layer;
A second conductivity type having a higher concentration than the photoelectric conversion region, and a second conductivity type layer provided between the first conductivity type layer and the photoelectric conversion region in the semiconductor layer;
A solid-state imaging device.
前記半導体層内における前記受光面側の表面層に、第2の第1導電型層が設けられた
請求項1記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a second first conductivity type layer is provided on a surface layer on the light receiving surface side in the semiconductor layer.
前記光電変換領域は、前記他方の面側から前記第2の第1導電型層に到達している
請求項2に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the photoelectric conversion region reaches the second first conductivity type layer from the other surface side.
前記半導体層内には、前記光電変換領域を囲んで第1導電型ウェルが設けられた
請求項1〜3の何れかに記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a first conductivity type well is provided in the semiconductor layer so as to surround the photoelectric conversion region.
前記半導体層内における前記受光面側の表面層に、第2の第1導電型層が設けられ、
前記第1導電型ウェルは、前記他方の面から前記第2の第1導電型層に亘って形成されている
請求項1〜4の何れかに記載の固体撮像素子。
A second first conductivity type layer is provided on the surface layer on the light receiving surface side in the semiconductor layer,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first conductivity type well is formed from the other surface to the second first conductivity type layer.
前記第1導電型ウェルは、前記他方の面側の表面積が、前記受光面側の表面積よりも広く形成されている
請求項4または5に記載の固体撮像素子。
6. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the first conductivity type well has a surface area on the other surface side larger than a surface area on the light receiving surface side.
前記配線層には、前記光電変換素子から信号電荷を転送するゲート電極が設けられ、
前記半導体層内には、前記ゲート電極の下部に前記第1導電型層に隣接して配置された分離層が設けられている
請求項1〜6の何れかに項記載の固体撮像素子。
The wiring layer is provided with a gate electrode that transfers signal charges from the photoelectric conversion element,
The solid-state imaging element according to claim 1, wherein a separation layer disposed adjacent to the first conductivity type layer is provided in the semiconductor layer below the gate electrode.
前記光電変換領域は、前記受光面側の表面積が前記他方の面側より広く形成されている
請求項1〜7の何れかに項記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion region has a surface area on the light receiving surface side wider than that on the other surface side.
前記半導体層は、前記光電変換領域が配列された画素領域と共に周辺回路領域を備え、
前記半導体層内における前記画素領域と周辺回路領域の前記受光面側の表面層には、第2の第1導電型層が設けられた
請求項1〜8の何れかに記載の固体撮像素子。
The semiconductor layer includes a peripheral circuit region together with a pixel region in which the photoelectric conversion regions are arranged,
9. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a second first conductivity type layer is provided on a surface layer on the light receiving surface side of the pixel region and the peripheral circuit region in the semiconductor layer.
前記半導体層は、前記光電変換領域が配列された画素領域と共に周辺回路領域を備え、
前記半導体層内における前記周辺回路領域の前記他方の面側の表面部に第2の第1導電型ウェルが設けられ、
前記第2の第1導電型ウェルは、前記半導体層の前記受光面側の表面部に到達していない
請求項1〜9の何れかに記載の固体撮像素子。
The semiconductor layer includes a peripheral circuit region together with a pixel region in which the photoelectric conversion regions are arranged,
A second first conductivity type well is provided on a surface portion of the peripheral circuit region on the other surface side in the semiconductor layer;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second first conductivity type well does not reach a surface portion of the semiconductor layer on the light receiving surface side.
前記周辺回路領域において、前記第2の第1導電型ウェルに隣接して第2導電型ウェルが形成されている請求項10記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 10, wherein a second conductivity type well is formed adjacent to the second first conductivity type well in the peripheral circuit region. 前記半導体層は、前記光電変換領域が配列された画素領域と共に周辺回路領域を備え、
前記半導体層の前記受光面上に、前記画素領域と共に周辺回路領域を覆うと共に前記光電変換領域上に開口を具備した遮光膜を有し、
入射光を前記開口から前記光電変換領域に取り込む
請求項1〜11の何れかに項記載の固体撮像素子。
The semiconductor layer includes a peripheral circuit region together with a pixel region in which the photoelectric conversion regions are arranged,
On the light receiving surface of the semiconductor layer, a light shielding film that covers a peripheral circuit region together with the pixel region and has an opening on the photoelectric conversion region,
Incident light is taken into the photoelectric conversion region from the opening.
The solid-state image sensor in any one of Claims 1-11.
前記半導体層と前記遮光膜との間には絶縁膜が配置されている
請求項12記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 12, wherein an insulating film is disposed between the semiconductor layer and the light shielding film.
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