JP5269454B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子に関するものである。
従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、半導体基板表面部に画素となる複数の光電変換部（フォトダイオード）がマトリクス状に形成され、配線層の間を通して光をフォトダイオードに照射して（入射させて）検出していた。しかし、フォトダイオードの光入射面に対する開口サイズが、配線層の存在により制約されるため、画素のピッチの微細化に伴い、十分な入射光の利用効率を得ることが困難となっていた。
配線層上に画素単位で微小なレンズ（マイクロレンズ）を設けることで、配線層の開口部を通してフォトダイオードに光を集めて感度を高める技術が提案されている。しかし、半導体デバイスの高集積化、微細化に伴い、マイクロレンズを用いても十分な感度を得ることが困難になってきている。
このような問題を解決するため、裏面側（配線層とは反対側）からフォトダイオードに光を照射することにより、配線層等の存在の影響を受けず、実効開口率を増大させて高い感度を得る裏面照射型構造のイメージセンサが提案されている（例えば特許文献１参照）。
フォトダイオードには特定の波長の光を通すカラーフィルタを透過した光が入射される。カラーフィルタは、例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色が１組となっている。長波長の赤色光線は短波長の青色光線と比較して単結晶シリコンでの吸収係数が小さく、侵入長が長い。そのため、赤色用の画素で吸収されなかった光が隣接する緑色画素や青色画素に到達し、誤った色信号を与える、いわゆる混色の問題が発生する。
混色は画素への光の入射角が大きい画素マトリクス領域の周辺部で発生し易い。開口率が大きく、入射光を画素全面から取り込むことができる裏面照射型構造では、この混色がより強調される。また、裏面照射型構造ではフォトダイオード下方に位置する配線層からの反射光が隣接画素へ侵入し、混色が起こる虞もある。
このように、上記のような従来の裏面照射型構造のイメージセンサは、混色が発生し易いという問題を有していた。
特開２００５−３２２７４５号公報
本発明は、混色の発生を防止し、高画質の画像を得ることができ、画素周辺部においてより大きな入射角を有するような光学系に対応できる固体撮像素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様による固体撮像素子は、第１面及び前記第１面とは反対の第２面を有する基板と、前記基板の前記第１面側に形成され、前記基板の前記第１面より入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記基板の前記第２面側に形成され、前記光電変換部によって蓄積された信号電荷を読み出すトランジスタと、前記基板の前記第２面に貼り合わされた支持基板と、前記基板の前記第１面上に形成された反射防止膜と、を備え、前記光電変換部の光入射面は、曲面又は前記基板の前記第２面に対して所定角度をなす傾斜面を含むものである。
また、本発明の一態様による固体撮像素子は、基板の第１面より入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、前記基板の前記第１面とは反対の第２面側に形成され、前記光電変換部によって蓄積された信号電荷を読み出すトランジスタと、前記基板の前記第２面に貼り合わされた支持基板と、前記基板の前記第１面上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透明平坦化膜と、前記透明平坦化膜上に形成されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に形成され、透明樹脂からなり、表面形状に凸形状及び凹形状を含む集光部と、を備えるものである。
本発明によれば、混色の発生を防止し、高画質の画像を得ることができ、また画素周辺部においてより大きな入射角を有する光学系に対応することができる。
以下、本発明の実施の形態による固体撮像素子を図面に基づいて説明する。
図１に本発明の実施形態に係る固体撮像素子の縦断面を示す。本実施形態に係る固体撮像素子は裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子である。
固体撮像素子は、例えばシリコン半導体基板である基板１０に、受光部となるフォトダイオードＰＤと、このフォトダイオードＰＤの信号電荷の読み出し、増幅、リセット等を行う手段となる複数のＭＯＳトランジスタＴｒとを有する単位画素１１がマトリクス状に複数形成されている。
ここでは図２に示すように結像光学系１から到達する光Ｌの入射角が大きい画素領域０の周辺部Ｐにおける画素について説明する。
基板１０の表面（第２面）側には層間絶縁膜１２を介して多層の配線１３を有する多層配線層１４が形成される。さらに、配線層１４上には固体撮像素子の機械的強度を保持するため、例えばシリコン基板である支持基板１５が貼り合わされる。
基板１０（フォトダイオードＰＤ）の裏面（第１面）側は基板１０の表面（第２面）と平行な領域Ａ１と、基板１０の表面に対して角度θをなす領域Ａ２を有する。領域Ａ１が画素領域の中心側、領域Ａ２が画素領域の周辺側となるように形成される。
基板１０の裏面部にはシールド層１６が形成されており、シールド層１６の裏面上には例えばシリコン酸化膜からなる反射防止膜１７及び透明平坦化膜１８が形成されている。シールド層１６はｐ＋不純物層である。反射防止膜１７はシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の多層膜でもよい。透明平坦化膜１８は透明な樹脂状の物質であり、透過率が極めて高いものが好適である。
シールド層１６及び反射防止膜１７はそれぞれ領域Ａ１、Ａ２に対応した形状を有する。透明平坦化膜１８の表面（反射防止膜１７側の面）は反射防止膜１７に対応した形状になっている。
透明平坦化膜１８の裏面側にカラーフィルタＣＦが形成されている。カラーフィルタＣＦは特定の波長の光を通すものであり、例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色が１組となっている。各画素に対応するカラーフィルタＣＦは画素領域の中心側にずらして設けられる。
このような画素への斜め光の入射について図３を用いて説明する。説明のため、図３は固体撮像素子の裏面側を図中上方向に示している。また、以下に示す屈折率の値は一例である。
カラーフィルタＣＦの屈折率は約１．６、透明平坦化膜１８の屈折率は約１．５、反射防止膜（シリコン酸化膜）１７の屈折率は約１．４６であり、屈折率の差が小さいため、これらの界面における斜め入射光Ｌの屈折角は小さい。
一方、基板（シリコン）１０の屈折率は赤色光で約３．９７、青色光で約５．９４であり、反射防止膜（シリコン酸化膜）１７との屈折率の差が大きいため、基板１０と反射防止膜１７との界面における斜め入射光Ｌの屈折は大きくなる。
また、領域Ａ２は領域Ａ１より光の入射角が大きくなるような傾きを持っているため、領域Ａ２における基板１０と反射防止膜１７との界面で屈折した斜め入射光ＬはフォトダイオードＰＤ内を基板１０表面に対して略垂直方向に進む。
例えば、図４に示すように、領域Ａ２が基板１０表面に対して１５°の傾きをなし、領域Ａ１における光Ｌの入射角が３０°の場合、領域Ａ２における基板１０と反射防止膜（シリコン酸化膜）１７との界面で屈折してフォトダイオードＰＤ内を進む光の進入角度は、基板１０表面の垂直方向に対して約０．１°となる。
このため、フォトダイオードＰＤ内を進む光が隣接する画素に入り込むことが防止され、混色の発生を抑制することができる。また、カラーフィルタＣＦが画素領域の中心側にずらして設けられているため、混色防止効果がさらに向上する。
このようなフォトダイオードＰＤの裏面側が基板表面と平行な平面と基板表面に対して傾きを持つ平面とを有する固体撮像素子の製造方法を図５〜図９を用いて説明する。
図５に示すように、シリコン基板８上にシリコン酸化膜９を介してシリコン層１０が形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板７を用意する。そしてシリコン層１０にイオン注入を行い、フォトダイオードＰＤとなる不純物層を形成する。フォトダイオードＰＤとなる不純物層は、ｎ型領域及びｐ型領域からなるｐｎ接合により構成される。
次にシリコン層１０上にフォトダイオードＰＤに蓄積される信号電荷の読み出し、増幅、リセット等を行うトランジスタＴｒを形成する。フォトダイオードＰＤ及びトランジスタＴｒを有する単位画素をマトリックス状に形成することで画素領域を形成する。
続いて、層間絶縁膜１２を介して多層の配線１３を有する多層配線層１４をシリコン層１０上に形成する。トランジスタＴｒ、多層配線層１４は公知のＣＭＯＳプロセスを用いて形成できる。
その後、多層配線層１４の層間絶縁膜１２表面を平坦化し、支持基板１５を貼り合わせる。
図６に示すように、基板の上下を反転させ、機械的研削及びシリコン酸化膜に対して選択性があるウェットエッチングによりシリコン基板８を除去し、さらにウェットエッチングによりシリコン酸化膜９を除去してシリコン層１０の裏面を露出させる。
図７に示すように、シリコン層１０の裏面上にレジスト３０を形成し、グレイスケールマスクを利用してパターンを露光し、シリコン層１０の裏面に対して平行な領域ａ１と、傾きを持つ領域ａ２とを有するレジストパターンを単位画素毎に形成する。領域ａ１は画素領域の中心側、領域ａ２は画素領域の周辺側となるようにする。
グレイスケールマスクは、微小な開口パターンが多数配置され、開口部分と遮光部分の面積比によって光の透過率を調整する面積階調タイプのマスクである。
図８に示すように、異方性ドライエッチングによりレジスト形状をシリコン層１０に転写する。これにより、フォトダイオードＰＤの裏面にシリコン層１０の表面と平行な領域Ａ１と、シリコン層１０の表面に対して傾きを持つ領域Ａ２とが形成される。
図９に示すように、ｐ型不純物を注入してシールド層１６を形成する。そして、シリコン層１０の裏面（光入射面）上にシリコン酸化膜１７、透明平坦化膜１８、及びカラーフィルタＣＦを形成する。カラーフィルタＣＦは画素領域の中心側へずらして形成する。シリコン酸化膜１７は入射光の反射防止等を目的としたものであり、シリコン窒化膜との多層構造にしてもよい。
このようにして製造された固体撮像素子では、斜め入射光が領域Ａ２におけるシリコン酸化膜１７とシリコン層１０との界面での屈折によりシリコン層１０の表面に対して略垂直方向に進行する。従って、隣接する画素への光の侵入が防止され、混色の発生を抑制することができる。
このように、本実施形態による裏面照射型の固体撮像素子は、フォトダイオードＰＤが裏面に、基板（シリコン層）１０の表面に対して平行な領域Ａ１と、領域Ａ１より光入射角が大きくなるような傾斜領域Ａ２と、を有することで、隣接する画素への光の侵入を抑制して混色を防止し、感度を向上させ、高画質の画像を得ることができる。
本実施形態による固体撮像素子において、カラーフィルタＣＦ上にマイクロレンズを形成するようにしてもよいが、傾斜領域Ａ２により入射光の進行方向を十分に制御出来る場合はマイクロレンズを設けなくても高画質の画像が得られる。
マイクロレンズを設けないことで、マイクロレンズ上に必要となる空気層も不要となり、固体撮像素子の小型化及び強度上昇を図ることができる。
上記実施形態ではフォトダイオードＰＤの裏面は、基板１０の表面に対して平行な平面と、傾きを持つ平面とを有していたが、図１０に示すように、基板１０の表面に対して平行な平面Ａ１と、凸状の曲面Ａ３とを有する構成にしてもよい。
曲面Ａ３におけるフォトダイオードＰＤと反射防止膜１７との界面で屈折した光は基板１０の表面に対して略垂直方向に進むため、隣接する画素への光の侵入が防止され、混色の発生を抑制することができる。
また、フォトダイオードＰＤの裏面を図１１に示すように凹状の曲面Ａ４と凸状の曲面Ａ３とを有する構成にしてもよい。上記実施形態において基板１０の表面に対して平行となっていた領域を凹状の曲面Ａ４とすることで、画素中心部への集光効果をさらに高めることができる。
また、フォトダイオードＰＤの裏面を、図１２に示すように、基板１０の表面に対して平行な平面を持たず、傾斜面Ａ５のみの構成にしてもよい。このような構成においても上記実施形態と同様に、隣接する画素への光の侵入が防止され、混色の発生を抑制することができる。
図１０〜図１２に示すフォトダイオードＰＤの裏面形状は上記実施形態と同様に、グレイスケールマスクを利用したレジストパターンの形成及び異方性ドライエッチングによるパターン転写により形成することができる。
また、図１に示す領域Ａ２や図１２に示す傾斜面Ａ５は、図１３に示すように、画素領域の中心部から離れる程、傾斜角θを大きくするようにしてもよい。中心部から離れるほど基板平面に対する光の入射角が大きくなるためである。これにより画素毎に好適な傾斜角となり、画素中心部への集光効果がさらに高まり、より高画質な画像が得られる。
また、図１４に示すように、フォトダイオードＰＤの裏面形状は平坦にし、カラーフィルタＣＦの裏面上に凹状の曲面Ａ６及び凸状の曲面Ａ７を含む集光部４０を設けるようにしてもよい。
集光部４０は透明樹脂であり、例えばインプリント法によりこのような形状に加工することができる。凹状の曲面Ａ６が画素領域の中心側、凸状の曲面Ａ７が画素領域の周辺側となるように形成する。
集光部４０は入射光の画素中心部への集光効果が高く、隣接画素への光の侵入を防止し、混色の発生を抑制することができる。
上述した実施の形態は一例であって限定的なものではないと考えられるべきである。例えば、上記実施形態では固体撮像素子をＳＯＩ基板を用いて作製していたが、バルクの単結晶シリコン基板を用いるようにしてもよい。この場合、シリコン基板の裏面側（フォトダイオードや多層配線層が形成されている面の反対側）を光を取り込める厚さまで薄層化する工程は、機械的研削（グラインディング）及びＣＭＰ（化学的機械研磨）が用いられる。除去すべきシリコン基板の厚さは数１００μｍあり、これをＣＭＰのみで削るのは時間がかかるため、まず機械的研削で大まかに削り、その後ＣＭＰで所望の厚さになるように研磨する。シリコン基板の薄層化膜厚は測定する光の波長によって異なるようにしてもよい。
また、互いに隣接するカラーフィルタＣＦの境界部に金属配線層を利用した金属反射膜を設けるようにしてもよい。金属反射膜はチタン等の可視光を反射する材料で形成することができる。
また、上記実施形態ではレジストパターン作成（図７）の際、グレイスケールマスクを用いて露光を行っていたが、露光中にマスクを移動させることでレジスト表面への露光エネルギー分布を制御し、自由曲面を有する３次元構造体を加工する技術である移動マスク露光法を用いてもよい。また、ナノインプリント法によりレジストパターンを加工してもよい。
本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
０ 画素領域
１ 結像光学系
７ ＳＯＩ基板
８ シリコン基板
９ シリコン酸化膜
１０ 基板（シリコン層）
１１ 単位画素
１２ 層間絶縁膜
１３ 配線層
１４ 多層配線層
１５ 支持基板
１６ シールド層
１７ 反射防止膜
１８ 透明平坦化膜
３０ レジスト
４０ 集光部
１ 結像光学系
７ ＳＯＩ基板
８ シリコン基板
９ シリコン酸化膜
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１８ 透明平坦化膜
３０ レジスト
４０ 集光部
Claims (16)
- 第１面及び前記第１面とは反対の第２面を有する基板と、
前記基板の前記第１面側に形成され、前記基板の前記第１面より入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
前記基板の前記第２面側に形成され、前記光電変換部によって蓄積された信号電荷を読み出すトランジスタと、
前記基板の前記第２面に貼り合わされた支持基板と、
前記基板の前記第１面上に形成された反射防止膜と、
を備え、
前記光電変換部の光入射面は、曲面又は前記基板の前記第２面に対して所定角度をなす傾斜面を含むことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記光電変換部の光入射面は、前記第２面に平行な平面を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換部は、マトリクス状に配置されて画素領域を形成し、
前記光電変換部は、前記画素領域の中心側に前記平面を含み、前記中心側とは反対の周辺側に前記傾斜面を含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記傾斜面の法線は前記第２面の法線に対し、前記画素領域の前記周辺側へ傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
- 前記画素領域の中心部に形成された前記光電変換部に対応する前記傾斜面の法線と前記第２面の法線がなす角度より、前記画素領域の周辺部に形成された前記光電変換部に対応する前記傾斜面の法線と前記第２面の法線がなす角度の方が大きいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換部は、マトリクス状に配置されて画素領域を形成し、
前記光電変換部は、前記画素領域の中心側に前記平面を含み、前記中心側とは反対の周辺側に前記曲面を含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記曲面は前記第２面とは反対の方向に凸となった凸曲面であることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換部の光入射面は、前記第２面とは反対の方向に凸となった凸曲面と、凹となった凹曲面とを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記光電変換部は、マトリクス状に配置されて画素領域を形成し、
前記光電変換部は、前記画素領域の中心側に前記凹曲面を含み、前記中心側とは反対の周辺側に前記凸曲面を含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。 - 前記光電変換部の光入射面は、前記第２面に対して所定角度をなす傾斜面からなり、前記傾斜面の法線は前記第２面の法線に対し、前記光電変換部がマトリクス状に配置された画素領域の中心側とは反対の周辺側へ傾斜し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。
- 前記画素領域の中心部に形成された前記光電変換部に対応する前記傾斜面の法線と前記第２面の法線がなす角度より、前記画素領域の周辺部に形成された前記光電変換部に対応する前記傾斜面の法線と前記第２面の法線がなす角度の方が大きいことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像素子。
- 前記反射防止膜上に形成された透明平坦化膜と、
前記透明平坦化膜上に形成されたカラーフィルタと、
をさらに備え、
前記カラーフィルタは対応する前記光電変換部に対し前記光電変換部がマトリクス状に配置された画素領域の中心側へ所定距離ずらして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。 - 前記曲面は前記第２面とは反対の方向に凸となった凸曲面であることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像素子。
- 前記カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像素子。
- 前記傾斜面の法線は前記第２面の法線に対し、前記光電変換部がマトリクス状に配置された画素領域の中心側とは反対の周辺側へ傾斜していることを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像素子。
- 前記カラーフィルタ上に形成されたマイクロレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像素子。
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