JP2022036437A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換領域からレンズまでの高さを小さくして、感度の向上、混色の抑制等の固体撮像装置の性能を改善する。【解決手段】固体撮像装置は、半導体基板１の表面近傍に配列された光電変換領域２と、それぞれの光電変換領域２の上方において、半導体基板１に設けられた凹部６ａとを備える。更に、凹部６ａに埋め込まれた光透過膜７を備える【選択図】図１
Description
本開示は、固体撮像装置に関する。
固体撮像装置の構造として、ＢＳＩセンサー（Back Side Illumination、裏面照射）が知られている。ＢＳＩセンサーでは、半導体基板の裏側面に各画素の光電変換部が配列される。カラーの撮像装置であれば、光電変換領域毎に所定のカラーフィルターが設けられる。また、光電変換部同士の混色を避けるために、半導体基板上の光電変換部同士の間の領域に隔壁を設けることが行われている。更に、それぞれの光電変換領域に対し、入射光を集めるためのレンズが設けられる。
本開示の目的は、感度の向上、混色の抑制等の固体撮像装置の性能を改善することである。
本開示の固体撮像装置は、半導体基板の表面近傍に配列された光電変換領域と、それぞれの光電変換領域の上方において、半導体基板に設けられた凹部とを備える。更に、凹部に埋め込まれた光透過膜を備える。
本開示の固体撮像装置によると、光電変換領域上方に凹部を設けたことにより、光電変換領域からレンズまでの高さが小さくなって感度が向上する、凹部の間の領域が隔壁として作用して混色を抑制する等の性能改善が実現する。
以下、本開示の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の例示的固体撮像装置１０の要部の構成を模式的に説明する断面図である。
図１に示す固体撮像装置１０は、Ｐ型の半導体基板１を用いて形成されている。半導体基板１にはＮ型の不純物領域として、光電変換領域２が設けられている。
固体撮像装置１０は裏面照射型であり、光電変換領域２を含むセンサー側（図１において上側）の半導体基板１の反対側（図１において下側）には、光電変換された電荷を読み出すトランジスタや配線が配置され、更に下方に、ロジック側の半導体基板が配置されている（いずれも図示省略）。入射光Ｌは、裏側から入射し、その反対側であるロジック側が表側となる。本開示において、「裏側面」とは、固体撮像装置における光の入射する側を意味している。また、「表面」は、対象物の外面の意味である。
光電変換領域２は、半導体基板１の表面近傍に設けられており、図１では、１つの光電変換領域２の全体が示されると共に、その両側にそれぞれ光電変換領域２の一部だけが示されている。それぞれの光電変換領域２の上方において、半導体基板１が表面から部分的に除去された形の凹部６ａが設けられている。凹部６ａ同士の間には、半導体基板１が残されて隔壁部６ｂとなっている。また、半導体基板１はＰ型であるから、凹部６ａの部分の半導体基板１についてもＰ型不純物が導入されている。
凹部６ａには、光透過膜としてのカラーフィルター７が埋め込まれている。カラーフィルター７は、例えば赤、青又は緑の波長帯の光を透過するカラーフィルターのいずれかが凹部６ａ毎に設けられていても良い。図１では、中央の凹部６ａには緑（Ｇと示す）、両側の光電変換領域２には赤（Ｒと示す）の波長帯に対応するカラーフィルターが設けられている。また、図１には現れない箇所において青の波長帯に対応するカラーフィルターが設けられている。
凹部６ａの底面及び側面において、半導体基板１とカラーフィルター７との間に、カラーフィルター７よりも光の屈折率が小さい膜として、例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜３ａ及び絶縁膜３ｃが設けられている。絶縁膜３ａ及び絶縁膜３ｃは、凹部６ａ同士の間の隔壁部６ｂ上も覆っている。絶縁膜３ａ及び絶縁膜３ｂの屈折率がカラーフィルター７の屈折率よりも低いことにより、凹部６ａの側面において入射光Ｌが反射され、光電変換領域２に向かって進路を変える。この結果、混色が防止され、且つ、光電変換領域２に入射する光が増えるので撮像装置としての感度も向上する。
また、凹部６ａの底面において、半導体基板１とカラーフィルター７との間に、例えばＳｉＮ膜である反射防止膜３ｂが設けられている。反射防止膜３ｂは、図１に示す通り、絶縁膜３ａと絶縁膜３ｃとの間に設けられていても良い。これにより、凹部６ａの底面における入射光の反射が抑制され、光電変換領域２に入射する光が増えて、撮像装置としての感度が向上する。
また、カラーフィルター７及び隔壁部６ｂ上を覆うように、アクリル膜等の透明材料からなる平坦化膜８が設けられている。平坦化膜８上に、光電変換領域２毎に対応してレンズ９が設けられている。レンズ９により、入射光はそれぞれの光電変換領域２に集光される。
以上の構成を有する固体撮像装置１０によると、光電変換領域２の上面からレンズ９の下面までの高さＨ１を小さくすることができる。この結果、光電変換領域２への集光の効率が向上するので感度が向上する。また、隔壁部６ｂを利用して、それぞれの光電変換領域２上方に設けられたレンズ９に入射した光が隣の光電変換領域２に入射することを抑制できる。これにより、混色が低減される。
このことについて、図２を用いて更に説明する。図２は、平坦化膜にカラーフィルターを設けた既知の構造の固体撮像装置１０ｘを示す図である。
図２の固体撮像装置１０ｘにおいても、半導体基板１の表面近傍に光電変換領域２が設けられている。光電変換領域２上の部分の半導体基板１の厚さは、図１の固体撮像装置１０の場合と同程度である。しかし、隔壁部６ｂを残して凹部６ａを設ける構成ではなく、平坦である。
半導体基板１上を覆うように、絶縁膜１３ａ及び反射防止膜１３ｂが順に設けられている。反射防止膜１３ｂ上に、光電変換領域２同士の間の領域において、絶縁膜１５ａ及びその上の遮光膜１５ｂが設けられている。絶縁膜１５ａ、遮光膜１５ｂ及び反射防止膜１３ｂ上を覆うように保護膜１９が設けられ、更にその上を覆う平坦化膜１８が設けられている。平坦化膜１８中の各光電変換領域２の上方の領域に、カラーフィルター１７が設けられている。平坦化膜１８上には、レンズ９が設けられている。
固体撮像装置１０ｘでは、混色を抑制するために遮光膜１５ｂを設けることが事実上必須である。
また、図２のようにカラーフィルター１７の下面が遮光膜１５ｂの上面よりも上に位置する場合、光電変換領域２の上面からレンズ９の下面までの高さＨ２を小さくすることは困難である。図２とは異なり、絶縁膜１５ａ及び遮光膜１５ｂの間にカラーフィルター１７を配置する構成を考えたとしても、絶縁膜１５ａ及び遮光膜１５ｂは、一般に本開示における隔壁部６ｂよりも高さが小さい。従って、混色を抑制する効果は隔壁部６ｂを設けた場合に比べて小さい。
これに対し、図１の固体撮像装置１０の場合、半導体基板１に隔壁部６ｂを残して凹部６ａを設けた構成により、混色を抑制しながら高さＨ１を小さくして、感度も向上することができる。
また、撮像装置の画素数の増加に従い、光電変換領域２等の微細化が進んでいる。構造が微細化するほど製造は困難になる。しかし、凹部６ａ、隔壁部６ｂの微細化に関しては、フォトレジストパターンの微細化は不要であり、比較的容易に実現できる。例えば、初めに異方性ドライエッチングを行い、半導体基板を主に深さ方向に彫り込むように凹部を形成する。これにより、凹部の間に隔壁部となる部分の半導体基板が残される。続いて、当方性ドライエッチングを行うと、凹部を広げる方向にもエッチングが進み、隔壁部の幅を小さくすることができる。
これに対し、図２に示す構造の場合、フォトマスクの微細化が必要となり、容易ではない。
更に、隔壁部６ｂに光が入射し、隔壁部６ｂにおいて光電変換により電荷が発生した場合を考える。このような電荷は、ノイズの原因となる。しかし、隔壁部６ｂはｐ型の半導体基板１からなるので、当該電荷はホールと再結合して相殺される。従って、ノイズとなって画像を劣化させる等のことは抑制されている。
尚、以上ではＰ型の半導体基板１を用いる例を説明したが、Ｎ型の半導体基板を用いることも可能である。この場合、Ｎ型半導体基板のうち光電変換領域２の上方の部分、隔壁部６ｂ及び光電変換領域２同士の間の領域のうち上方の一部等について、例えばＰ型不純物（ボロン等）のイオン注入を行ってＰ型不純物領域とする。また、Ｐ型層の上にＮ型層をエピタキシャル成長させた２層基板を用いることもできる。
（変形例１）
次に、図３は、実施形態の変形例１の固体撮像装置１０ａを示す図である。図３において、図１の固体撮像装置１０と同等の構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
次に、図３は、実施形態の変形例１の固体撮像装置１０ａを示す図である。図３において、図１の固体撮像装置１０と同等の構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
図３の固体撮像装置１０ａでは、光電変換領域２同士の間の領域に半導体基板１が残された部分である隔壁部６ｃ上に、絶縁膜５ａを介して遮光膜５ｂが設けられている。隔壁部６ｃの高さは図１の隔壁部６ｂよりも小さく、隔壁部６ｂ、絶縁膜５ａ及び遮光膜５ｂを合わせた隔壁構造２６の高さが、図１の隔壁部６ｂと同程度である。
隔壁構造２６により、光電変換領域２の上方に凹部６ａが構成され、当該凹部６ａには、カラーフィルター７が設けられている。
以上のように、遮光膜５ｂを備える隔壁構造２６とすることにより、破線の矢印で示す入射光Ｌのように、特定の光電変換領域２の上方のレンズ９を通った光が隣の光電変換領域２に入射することを防止して、混色を抑制することができる。
また、遮光膜５ｂにより、フレアを抑制することもできる。フレアとは、高輝度光源を撮影した場合に入射光がレンズ表面により反射され、再び画素へ入射する現象である。再入射する光は疑似信号となり、画像を劣化させる。遮光膜５ｂは、このような光の再入射についても抑制し、結果としてフレアを抑制することができる。
（変形例２）
次に、図４は、実施形態の変形例２の固体撮像装置１０ｂを示す図である。図４において、これまでに説明した構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
次に、図４は、実施形態の変形例２の固体撮像装置１０ｂを示す図である。図４において、これまでに説明した構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
固体撮像装置１０ｂにおいて、隔壁部６ｂに、素子分離層４（ＤＴＩ：Deep Trench Isolation）が設けられている。素子分離層４は、図４における上側（半導体基板１における凹部６ａが形成されている側）から溝を形成して絶縁膜を埋め込む形で形成され、光電変換領域２の上面よりも深い部分にまで形成されている。従って、素子分離層４は、光電変換領域２同士の間に介在する部分を有する。
隔壁部６ｂに素子分離層４が設けられていることにより、隣り合う光電変換領域２に対応する領域間の電荷の漏れ込みを抑制できる。また、素子分離層４を遮光性の材料により形成し、更に光の漏れ込みを抑制することもできる。
（変形例３）
次に、図５は、実施形態の変形例３の固体撮像装置１０ｃを示す図である。図５において、これまでに説明した構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
次に、図５は、実施形態の変形例３の固体撮像装置１０ｃを示す図である。図５において、これまでに説明した構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
固体撮像装置１０ｃにおいても、隔壁部６ｂに、素子分離層４ａが設けられている。但し、図４の固体撮像装置１０ｂとは逆に、素子分離層４ａは、図５における下側（半導体基板１における凹部６ａとは反対側）から形成されている。
図５の例では、素子分離層４ａは、凹部６ａの底面よりも上にまで延びている。従って、光電変換領域２の下面から上面までの範囲について、光電変換領域２同士の間に素子分離層４ａが配置されている。
このような素子分離層４ａによっても、隣り合う光電変換領域２に対応する領域間の電荷の漏れ込みを抑制できる。また、素子分離層４を遮光性の材料により形成し、更に光の漏れ込みを抑制することもできる。
（変形例４）
次に、図６は、実施形態の変形例３の固体撮像装置１０ｄを示す図である。図５において、これまでに説明した構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
次に、図６は、実施形態の変形例３の固体撮像装置１０ｄを示す図である。図５において、これまでに説明した構成要素には同じ符号を付し、以下では主に相違点を説明する。
固体撮像装置１０ｄでは、隔壁部６ｃに素子分離層４ｂが形成されており、且つ、隔壁部６ｃ上に絶縁膜５ａを介して遮光膜５ｂが形成され、隔壁構造２６が構成されている。これにより、隔壁部６ｃ上に遮光膜５ｂを形成する効果（図３の固体撮像装置１０ａと同様）と、隔壁部６ｃに素子分離層４ｂを形成する効果（図４の固体撮像装置１０ｂと同様）との両方を実現することができる。
――固体撮像装置の製造方法――
次に、本開示の固体撮像装置の製造方法について説明する。特に、凹部６ａ、隔壁部６ｃ（隔壁構造２６）、カラーフィルター７等の固体撮像装置の裏面側の構造について、製造方法を説明する。また、図３に示す、隔壁部６ｃ上に遮光膜５ｂを備える構成を例とする。
次に、本開示の固体撮像装置の製造方法について説明する。特に、凹部６ａ、隔壁部６ｃ（隔壁構造２６）、カラーフィルター７等の固体撮像装置の裏面側の構造について、製造方法を説明する。また、図３に示す、隔壁部６ｃ上に遮光膜５ｂを備える構成を例とする。
図７は、製造途中の固体撮像装置を示す。具体的に、Ｎ型不純物層である光電変換領域２が設けられたセンサー側の半導体基板１と、画像信号の処理等を行う回路（図示省略）が構成されたロジック側半導体基板１１とが、配線１３を含む配線層１２を介して接合されている。図は正確なスケールを示すものではなく、例えばロジック側半導体基板１１は薄く示されている。
このような構造を形成するためには、例えば、半導体基板１に光電変換領域２を形成し、その上に配線層１２を含む配線層１３を形成する。その後、配線層１３上に、回路が形成されたロジック側半導体基板１１を接合する。更に、センサー側の半導体基板１について裏面側から薄化する。
また。半導体基板１及び配線層１２を貫通する貫通電極１５（through-silicon via；ＴＳＶ）が形成され、半導体基板１の裏側面ではアルミニウムからなるパッド１６、ロジック側半導体基板１１の側では配線１４に接続されている。
次に、図８の工程を説明する。まず、半導体基板１の裏画面の表面１ａ上及びパッド１６上を覆うように、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜５ａを形成する。続いて、絶縁膜５ａ上に、例えばタングステンからなる遮光膜５ｂを形成する。このためには、例えば、絶縁膜５ａ上にスパッタリングによりタングステン層を堆積した後、その上にマスクを形成し、必要箇所以外についてエッチング除去すれば良い。遮光膜５ｂは、少なくとも、光電変換領域２同士に挟まれる領域の上方に形成する。
尚、遮光膜５ｂは、光電変換領域２の形成されない箇所にも設けられている（図８における最も左側の遮光膜５ｂ等）。これは、パターン形成の精度を向上するためのダミーである。つまり、パターン形成の際にパターンの不連続部分において形成の精度が劣化する場合がある。そこで、画素上の領域の外にも同様のパターンを設けることにより、必要な部分の遮光膜５ｂの精度を得る。
次に、図９の工程を説明する。まず、絶縁膜５ａ及び遮光膜５ｂ上を覆うようにレジスト１７を形成する。更に、フォトリソグラフィ等を利用して、凹部６ａを形成する領域に開口１７ａを有する所定のパターンとする。
続いて、エッチング等により、開口１７ａに露出した部分の絶縁膜５ａを除去すると共に、半導体基板１の一部を除去して、光電変換領域２の上方に凹部６ａを形成する。この後、レジスト１７は除去する。
次に、図１０の工程を説明する。まず、凹部６ａの底面及び側面、絶縁膜５ａ、遮光膜５ｂ、パッド１６等を覆うように、絶縁膜３ｃを形成する。次に、凹部６ａの底面に、絶縁膜３ａ上に、反射防止膜３ｂを形成する。これは、例えば、絶縁膜３ｃを覆うように膜を形成した後に、形成するべき反射防止膜３ｂに応じたパターンのフォトレジストを形成し、不要部分をエッチング除去することにより形成する。更に、反射防止膜３ｂ及び絶縁膜３ａ上を覆うように、絶縁膜３ｃを形成する。これにより、凹部６ａの底面には、絶縁膜３ａ及び絶縁膜３ｃに挟まれた反射防止膜３ｂが形成される。尚、それぞれの膜については、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等等により形成すれば良い。
この後、パッド１６上について、絶縁膜５ａ、絶縁膜３ａ及び絶縁膜３ｃを例えばエッチング除去して、パッド開口１６ａを形成する。
次に、図１１の工程を説明する。ここでは、光電変換領域２の上方の凹部６ａに、カラーフィルター７を形成する。図１１では、緑色及び赤色の波長帯に対応するカラーフィルター７（順にＧ、Ｒと示す）を示しており、更に青色の波長帯に対応するカラーフィルターも形成される。
尚、カラーフィルター７は、フォトリソグラフィ技術等により形成する。例えば、Ｒのフィルター材料を塗布し、露光、現像して所望の画素にのみＲのフィルターを形成する。その後、Ｇ、Ｂについても同様に形成する。
この後、カラーフィルター７、絶縁膜３ｃ等を覆うように、透明材料からなる平坦化膜８を形成する。更に、平坦化膜１８上に、光電変換領域２に対応するように、レンズ９を形成する。
以上により、固体撮像装置が製造される。但し、これは１例を示すものであって、製造方法は特に限定されない。また、各構成要素の材料等についても、上記内容に限定するものではない。
また、以上では、カラー画像を撮像する固体撮像装置を説明した。このために、それぞれの凹部６ａにおいて、幾つかの異なる波長帯のいずれかに対応する光を透過するカラーフィルター７が形成されている。しかし、モノクロ画像を撮像する固体撮像装置とすることもできる。この場合、凹部６ａには、少なくとも可視光の全体を透過する透明膜を形成すれば良い。
本開示の技術によると、混色の抑制、感度向上等の性能向上が実現するので、固体撮像装置として有用である。
１ 半導体基板
１ａ 表面
２ 光電変換領域
３ａ 絶縁膜
３ｂ 絶縁膜
３ｂ 反射防止膜
３ｃ 絶縁膜
４ 素子分離層
４ａ 素子分離層
４ｂ 素子分離層
５ａ 絶縁膜
５ｂ 遮光膜
６ａ 凹部
６ｂ 隔壁部
６ｃ 隔壁部
７ カラーフィルター
８ 平坦化膜
９ レンズ
１０ 固体撮像装置
１０ａ 固体撮像装置
１０ｂ 固体撮像装置
１０ｃ 固体撮像装置
１０ｄ 固体撮像装置
１０ｘ 固体撮像装置
１１ ロジック側半導体基板
１２ 配線層
１３ 配線
１３ 配線層
１４ 配線
１５ 貫通電極
１６ パッド
１６ａ パッド開口
１７ カラーフィルター
１７ａ 開口
１８ 平坦化膜
１９ 保護膜
２６ 隔壁構造
１ａ 表面
２ 光電変換領域
３ａ 絶縁膜
３ｂ 絶縁膜
３ｂ 反射防止膜
３ｃ 絶縁膜
４ 素子分離層
４ａ 素子分離層
４ｂ 素子分離層
５ａ 絶縁膜
５ｂ 遮光膜
６ａ 凹部
６ｂ 隔壁部
６ｃ 隔壁部
７ カラーフィルター
８ 平坦化膜
９ レンズ
１０ 固体撮像装置
１０ａ 固体撮像装置
１０ｂ 固体撮像装置
１０ｃ 固体撮像装置
１０ｄ 固体撮像装置
１０ｘ 固体撮像装置
１１ ロジック側半導体基板
１２ 配線層
１３ 配線
１３ 配線層
１４ 配線
１５ 貫通電極
１６ パッド
１６ａ パッド開口
１７ カラーフィルター
１７ａ 開口
１８ 平坦化膜
１９ 保護膜
２６ 隔壁構造
Claims (8)
- 半導体基板の表面近傍に配列された光電変換領域と、
それぞれの前記光電変換領域の上方において、前記半導体基板に設けられた凹部と、
前記凹部に埋め込まれた光透過膜とを備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１において、
前記凹部の底面及び側面において、前記半導体基板と前記光透過膜との間に設けられ、前記光透過膜よりも屈折率の小さい低屈折率膜と、
前記凹部の底面において、前記半導体基板と前記光透過膜との間に設けられた反射防止膜とを備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１又は２において、
前記凹部同士の間に残る部分の前記半導体基板からなる隔壁部上に、遮光膜を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～３のいずれか１つにおいて、
前記凹部において、前記半導体基板にはＰ型不純物が導入されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～４のいずれか１つにおいて、
前記凹部同士の間に残る部分の前記半導体基板からなる隔壁部に、素子分離層が設けられ、
前記素子分離層は、前記半導体基板における前記凹部の側から形成されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～４のいずれか１つにおいて、
前記凹部同士の間に残る部分の前記半導体基板からなる隔壁部に、素子分離層が設けられ、
前記素子分離層は、前記半導体基板における前記凹部とは反対側から形成されていることを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～６のいずれか１つにおいて、
前記光透過膜は、異なる波長帯の光を透過するカラーフィルターを含むことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項１～６のいずれか１つにおいて、
前記光透過膜は、少なくとも可視光を透過する透明膜であることを特徴とする固体撮像装置。
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020140644A JP2022036437A (ja) | 2020-08-24 | 2020-08-24 | 固体撮像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022036437A true JP2022036437A (ja) | 2022-03-08 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020140644A Pending JP2022036437A (ja) | 2020-08-24 | 2020-08-24 | 固体撮像装置 |
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| JP (1) | JP2022036437A (ja) |
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| JP5935237B2 (ja) * | 2011-03-24 | 2016-06-15 | ソニー株式会社 | 固体撮像装置および電子機器 |
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-
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- 2020-08-24 JP JP2020140644A patent/JP2022036437A/ja active Pending
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2021
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