JP2018198272A5

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Publication number: JP2018198272A5
Application number: JP2017102661A
Authority: JP
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2020-05-21

Description

メモリを持ちグローバルシャッタ機能を有する裏面照射型固体撮像装置において、メモリは光照射（入射面）側と反対側のSi（シリコン）内に位置している。入射光がメモリおよびその近傍に漏れ込み、光電変換すると、ノイズの原因となるため、入射面側には、メモリを取り囲むように配置された溝に埋め込まれた遮光膜と、その表面をふさぐようにある蓋部からなる遮光膜が形成されている（特許文献１参照）。

メモリへの光漏れを抑えるために配置されている遮光膜は、メモリを取り囲むようにそれより広い領域に配置された溝への埋め込み部と、その表面をふさぐ蓋部からなっているが、これにより、フォトダイオードの光入射側への開口が制限されるため、感度の低下が発生する。また、その遮光膜により囲まれた部分で発生した電荷がメモリに取り込まれノイズとなる。

本技術を適用した固体撮像素子の概略構成例を示すブロック図である。本技術と比較するための固体撮像素子の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。本技術と比較するための固体撮像素子の実施の形態の画素構造例を示す平面図である。画素構造例を示す等価回路図である。本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の画素構造例を示す平面図である。固体撮像素子の製造処理について説明するフローチャートである。固体撮像素子の製造処理について説明するフローチャートである。固体撮像素子の製造処理を説明する工程図である。固体撮像素子の製造処理を説明する工程図である。固体撮像素子の製造処理を説明する工程図である。本技術を適用した固体撮像素子の第２の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。本技術を適用した固体撮像素子の第３の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。本技術を適用した固体撮像素子の第４の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。本技術を適用した固体撮像素子の第５の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。本技術を適用したイメージセンサの使用例を示す図である。本技術を適用した電子機器の構成例を示すブロック図である。車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。

図１に示されるように、固体撮像素子（素子チップ）１は、半導体基板１１（例えばシリコン基板）に、光電変換素子を含む複数の画素２が規則的に２次元的に配列された画素領域（いわゆる撮像領域）３と、画素領域３以外の領域である周辺回路領域とを有して構成される。

画素２は、光電変換素子（例えば、フォトダイオードPD(Photo Diode)）と、複数の画素トランジスタ（いわゆるMOSトランジスタ）を有してなる。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、および増幅トランジスタの３つのトランジスタで構成することができ、さらに選択トランジスタを追加して４つのトランジスタで構成することもできる。

また、画素２は、画素共有構造とすることもできる。画素共有構造は、複数のフォトダイオードPD、複数の転送トランジスタ、共有される１つのフローティングディフュージョン、および、共有される１つずつの他の画素トランジスタから構成される。

垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線１３を選択し、選択された画素駆動配線１３に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。具体的には、垂直駆動回路４は、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線９を通して各画素２の光電変換素子において受光量に応じて生成した電荷に基づいた画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。

カラム信号処理回路５は、画素２の例えば列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎にノイズ除去等の信号処理を行う。具体的には、カラム信号処理回路５は、画素２固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS（Correlated Double Sampling）や、信号増幅、A/D（Analog/Digital）変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０との間に接続されて設けられる。なお、上記信号処理の一部分は、カラム毎に信号処理されるが、画素毎に信号処理されてもよい。

水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスをカラム信号処理回路５に順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。

出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して順次に供給される画素信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バッファリングだけを行う場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理等を行う場合もある。

図２に示す画素構造の固体撮像素子は、メモリ５６を持ちグローバルシャッタ機能を有する裏面照射型固体撮像素子である。図２の固体撮像素子において、メモリ５６は、光照射側と反対側のフォトダイオードPDが形成されているSi５７内に位置している。また、n型領域のフォトダイオードPDとn型領域のメモリ５６との光照射面と反対側（図２の下側）にはp+型の表面ピニング層５０が形成されている。表面ピニング層５０の下部には、絶縁膜５５が形成されており、その下に、ポリシリコンの電極５４、遮光膜５３、配線５２が配置され、平坦化膜５１により平坦化されている。なお、図２の例においては、図示が省略されているが、実際には、Si５７内の右側にも、n型領域のフォトダイオードPDとp+型の表面ピニング層５０が形成されている。以降の断面図においても同様である。

入射光がメモリ５６およびその近傍に漏れ込み、光電変換すると、ノイズの原因となるため、入射面には、メモリ５６を取り囲むように配置され、酸化膜（絶縁膜）５８が設けられた溝に埋め込まれた遮光膜５９ａと、その表面をふさぐ蓋部である遮光膜５９ｂ（遮光膜５９ａと遮光膜５９ｂをまとめて遮光膜５９と称する）が形成されている。その上には、平坦化膜６０、カラーフィルタ膜６１、樹脂膜６２が形成され、最後に、OCL(On Chip Lens)６３が配置されている。

図４に示されるように、固体撮像素子１において、画素２は、例えば、４画素共有で構成されている。すなわち、４画素共有においては、画素２毎の、フォトダイオードPD、第１の転送トランジスタTX1、第２の転送トランジスタTX2、第３の転送トランジスタTRY、第４の転送トランジスタTRG、オーバフローゲートOFG、およびオーバフロードレインOFD と、共有される１つの選択トランジスタSEL、共有される１つの増幅トランジスタAMP、共有される１つのリセットトランジスタRST、および共有される１つのフローティングディフュージョンFDとが備えられている。図４において、メモリ(MEM)５６は、第２の転送トランジスタTX2の下部に示されているが、実際には、第１の転送トランジスタTX1と第４の転送トランジスタTRGの間に設けられる。

フォトダイオードPDは、画素２に照射される光を受光して、その光の光量に応じた電荷を発生して蓄積する。第１の転送トランジスタTX1、第２の転送トランジスタTX2、第３の転送トランジスタTRYは、垂直駆動回路４から供給される制御信号に従って駆動する。各転送トランジスタがオンになると、フォトダイオードPDからの電荷は、それぞれ、メモリ(MEM)５６へ転送される。第４の転送トランジスタTRGは、垂直駆動回路４から供給される制御信号に従って駆動する。第４の転送トランジスタTRGがオンになると、メモリ５６からの電荷は、フローティングディフュージョンFDに転送される。フローティングディフュージョンFDは、第４の転送トランジスタTRGと増幅トランジスタAMPのゲート電極との接続点に形成された所定の容量を有する浮遊拡散領域であり、第４の転送トランジスタTRGを介して、メモリ５６から転送される電荷を蓄積する。

オーバフロードレインOFDは、垂直駆動回路４から制御信号が供給されるオーバフローゲートOFGを介して、フォトダイオードPDのリセットのために、図示せぬ定電圧源VDDに接続されている。リセットトランジスタRSTは、垂直駆動回路４から供給される制御信号に従って駆動し、リセットトランジスタRSTがオンになることで、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている電荷が、リセットトランジスタRSTを介して、図示せぬ電源VDDに排出され、フローティングディフュージョンFDがリセットされる。

増幅トランジスタAMPは、図示せぬ電源VDDに接続されている。増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている電荷に応じたレベルの画素信号を出力する。選択トランジスタSELは、垂直駆動回路４から供給される制御信号に従って駆動し、選択トランジスタSELがオンになることで、増幅トランジスタAMPから出力される画素信号を、選択トランジスタSELを介して、垂直信号線VSL（垂直信号線１０）に読み出し可能な状態とする。

以上のような４画素共有構造の固体撮像素子１では、グローバルシャッタ方式が採用され、全ての画素信号に対して同時に、フォトダイオードPDからメモリ５６に電荷を転送することができ、全ての画素の露光タイミングを同一にすることができる。これにより、画像に歪みが発生することを回避できる。なお、画素２は、必ずしも画素共有構造でなくてもよい。

図２において、メモリ５６への光漏れを抑えるために配置されている遮光膜５９は、メモリ５６を取り囲むようにそれより広い領域に配置された溝への埋め込み部の遮光膜５９ａと、その表面をふさぐ蓋部である遮光膜５９ｂからなっている。
図３においては、メモリ５６や各トランジスタの横に配置される遮光膜５９ａしか示されていないが、実際には、メモリ５６や各トランジスタの表面は、入射面の近い位置に設けられている遮光膜５９ｂにより覆われている。
このように配置される遮光膜５９が、光入射を遮光する高い壁となり、フォトダイオードPDの光入射側への開口が制限されるため、感度の低下が発生する。また、その遮光膜５９により囲まれた部分で発生した電荷がメモリに取り込まれノイズとなる。

図５および図６は、本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の画素構造例を示す図である。図５は、画素構造例を示す断面図であり、図６は、平坦化膜６０が形成される前の画素構造例を示す平面図である。図５は、図６のＰＱ面で断面にした断面図である。なお、上述した図４は、画素２の等価回路図であり、図６には、図４の回路構成の各要素が示されている。図２乃至図４の場合と対応する部分には、同じ符号を付してある。

図５に示す画素構造の固体撮像素子においては、図２の固体撮像素子の場合と異なり、メモリ５６の光照射側のSi５７が掘り込まれ、掘り込んだ部分（孔）の底部に酸化膜５８が設けられ、酸化膜５８の上に遮光膜７０が形成される。その後、掘り込んだ部分が酸化膜７１で埋め込まれ、その上には、平坦化膜６０、カラーフィルタ膜６１、樹脂膜６２が形成され、最後に、OCL６３が配置される。
図６においては、メモリ５６上の光照射側のSi５７が掘り込まれ、掘り込んだ部分（孔）の底部に酸化膜５８が設けられ、酸化膜５８の上に遮光膜７０が形成され、掘り込んだ部分が酸化膜７１で埋め込まれているところが示されている。

すなわち、光照射側の表面（入射面）よりも深い位置に遮光膜７０が形成されることになる。これにより、メモリ５６への光入射を抑えながら、かつ、フォトダイオードPDに光をより効率的に取り込むことができる。

また、メモリ５６の光照射側のSi５７が掘り込まれることで、メモリ５６周辺のSiが取り除かれることになるので、遮光膜により囲まれた部分が少なくなるため、電荷の発生源を減らすことができる。

ステップＳ１８において、製造装置は、酸化膜７１の平坦化を行う（図１１Ｂ）。なお、埋め込む膜（酸化膜７１）が、酸化膜などのSi５７よりも屈折率が小さいものの場合、図１１Ｃの矢印に示されるように、光の全反射により感度向上効果も期待される。

＜固体撮像素子の他の画素構造例＞
図１２は、本技術を適用した固体撮像素子の第２の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。図５と対応する部分には、同じ符号を付してある。なお、酸化膜７１が平坦化された後、図１２に示されるように、フォトダイオードPD間に遮光膜９１を追加するようにしてもよい。この場合、混色を抑制することができる。

図１３は、本技術を適用した固体撮像素子の第３の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。図５と対応する部分には、同じ符号を付してある。さらに、図１２の遮光膜９１に加えて、図１３に示されるように、掘り込み遮光膜９２を追加するようにしてもよい。

図１４は、本技術を適用した固体撮像素子の第４の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。図５と対応する部分には、同じ符号を付してある。また、図１４Ａに示されるように、光照射側と反対側（図中下）からメモリ５６の近傍に遮光膜１０１を事前に埋め込んでおいてもよい。この場合、遮光効果を高めることができる。さらに、図１４Ｂに示されるように、本技術の特徴である、メモリ５６の上が掘り込まれ、酸化膜５８が設けられ、そこに遮光膜７０が形成され、掘り込んだ部分に酸化膜７１で埋め込まれる。その際、形成された遮光膜７０と、メモリ５６の側に埋め込まれている遮光膜１０１とを接続するようにしてもよい。

図１５は、本技術を適用した固体撮像素子の第５の実施の形態の画素構造例を示す断面図である。図５と対応する部分には、同じ符号を付してある。図１５に示されるように、メモリ５６の上が掘り込まれ、酸化膜５８が設けられ、掘り込まれた部分全面に遮光膜１１１が埋め込まれるようにしてもよい。

以上、上述してきたように、本技術によれば、メモリ信号を遮断する蓋の機能である遮光膜を光入射側の表面から深い側に形成するようにしたので、メモリ信号への光漏れを抑制して、ノイズ信号の発生を抑える効果を維持したままで、入射光を効率的に取り込み、感度を向上させる。また、メモリの近傍のSi領域を取り除くことにより、電荷の発生源を減らし、ノイズを低減させることができる。

図１７に示される電子機器３００は、固体撮像素子（素子チップ）３０１、光学レンズ３０２、シャッタ装置３０３、駆動回路３０４、および信号処理回路３０５を備えている。固体撮像素子３０１としては、例えば、図５の固体撮像素子が設けられる。

なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）光照射面の反対側に位置し、光電変換素子と同じSiからなる基板に形成されるメモリと、
前記メモリが形成された位置の前記Siが前記光照射面から深い方向に掘り込まれてなる孔の底部に形成される底部遮光膜と
を備える固体撮像素子。
（２）前記孔の前記底部遮光膜上に、前記孔を埋め込むように形成される光透過性のある膜
をさらに備える前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）前記光透過性のある膜は、前記Siより屈折率が小さい材料でなる
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）前記光透過性のある膜は、酸化膜である
前記（２）または（３）に記載の固体撮像素子。
（５）前記光透過性のある膜が平坦化された後、前記光透過性のある膜上の一部に形成される上部遮光膜
をさらに備える前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）前記上部遮光膜と前記底部遮光膜とを接続し、前記光透過性のある膜を掘り込んで形成される掘り込み遮光膜を
さらに備える前記（５）に記載の固体撮像素子。
（７）前記光照射面の反対側から前記メモリの近傍に埋め込んで形成される埋め込み遮光膜
をさらに備える前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）前記底部遮光膜は、前記埋め込み遮光膜に接続されるように形成される
前記（７）に記載の固体撮像素子。
（９）前記底部遮光膜は、前記孔をすべて埋めるように形成される
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（１０）グローバルシャッタ機能を有する
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）光照射面の反対側に位置し、光電変換素子と同じSiからなる基板に形成されるメモリと、
前記メモリが形成された位置の前記Siが前記光照射面から深い方向に掘り込まれてなる孔の底部に形成される底部遮光膜と
を備える固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
入射光を前記固体撮像装置に入射する光学系と
を有する電子機器。

１固体撮像素子，２画素，１１半導体基板，５０表面ピニング層，５１平坦化膜，５２配線，５３遮光膜，５４電極，５５絶縁膜，５６メモリ，５７ Si，５８酸化膜，６０平坦化膜，６１フィルタ膜，６２樹脂膜，６３ OCL，７０絶縁膜，７１酸化膜，８１フォトレジスト，９１遮光膜，９２掘り込み遮光膜，１０１遮光膜，１１１遮光膜

Claims

光照射面の反対側に位置し、光電変換素子と同じSiからなる基板に形成されるメモリと、
前記メモリが形成された位置の前記Siが前記光照射面から深い方向に掘り込まれてなる孔の底部に形成される底部遮光膜と
を備える固体撮像素子。
前記孔の前記底部遮光膜上に、前記孔を埋め込むように形成される光透過性のある膜
をさらに備える請求項１に記載の固体撮像素子。
前記光透過性のある膜は、前記Siより屈折率が小さい材料でなる
請求項２に記載の固体撮像素子。
前記光透過性のある膜は、酸化膜である
請求項３に記載の固体撮像素子。
前記光透過性のある膜が平坦化された後、前記光透過性のある膜上の一部に形成される上部遮光膜
をさらに備える請求項２に記載の固体撮像素子。
前記上部遮光膜と前記底部遮光膜とを接続し、前記光透過性のある膜を掘り込んで形成される掘り込み遮光膜を
さらに備える請求項５に記載の固体撮像素子。
前記光照射面の反対側から前記メモリの近傍に埋め込んで形成される埋め込み遮光膜
をさらに備える請求項１に記載の固体撮像素子。
前記底部遮光膜は、前記埋め込み遮光膜に接続されるように形成される
請求項７に記載の固体撮像素子。
前記底部遮光膜は、前記孔をすべて埋めるように形成される
請求項１に記載の固体撮像素子。
グローバルシャッタ機能を有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
光照射面の反対側に位置し、光電変換素子と同じSiからなる基板に形成されるメモリと、
前記メモリが形成された位置の前記Siが前記光照射面から深い方向に掘り込まれてなる孔の底部に形成される底部遮光膜と
を備える固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
入射光を前記固体撮像装置に入射する光学系と
を有する電子機器。