JP5282797B2 - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法及び画像撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を光電変換する効率を高めるとともに、光が入射される側とは反対側に設けた配線で反射される反射光による混色を防止することが容易な固体撮像素子およびその固体撮像素子の製造方法およびその固体撮像素子を用いた画像撮影装置に関するものである。

新しいイメージセンサの構造として、電極や配線などが形成されている面と反対の裏面側にフォトダイオードを形成し、裏面より光を照射して光電変換を行う裏面照射型イメージセンサが提案されている。この構造は、画素領域全面にフォトダイオードを形成することができ、理論上受光面の開口面積を１００％にすることができる。

また、裏面照射型イメージセンサを単版カラーセンサとして用いる場合、図１８に示すように、従来のイメージセンサと同様に光電変換素子７１０の受光面よりも上層での混色を防ぐために、カラーフィルター７２０の上層にオンチップマイクロレンズ７３０が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。このオンチップマイクロレンズ７３０は、電極や配線層がないことにより光電変換素子７１０の受光面の近くに形成することができ、焦点距離の短いレンズとなる。このため、イメージセンサが搭載される機器のレンズのＦ値および射出瞳距離の変動に対する集光状態のバラツキは減少し、安定した画質を提供することができる。裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、通常、光電変換素子（例えばフォトダイオード）層の厚みは５μｍ〜７μｍ程度となっている。

表１に、可視光領域におけるシリコン（Ｓｉ）の吸収係数αと、シリコン（Ｓｉ）中に入射した光が９０％吸収される深さ、深さが７μｍの領域内で光が吸収される割合を示す。

表１から明らかなように、深さが７μｍの光電変換領域（フォトダイオード）では、シリコン（Ｓｉ）中に入射した光は４００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長ではほぼ１００％吸収されるが、それ以上の長い波長の光では吸収されずに透過する成分が増えることを示している。すなわち、図１９に示すように、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサの光電変換素子７１０に入射した光Ｌ１０は、長波長側において光電変換素子７１０Ｒを透過する成分が存在し、光電変換素子７１０に入射した光をすべて光電変換させ、感度に寄与させることができない。

また、光電変換領域７１０Ｒを透過した光Ｌ１１が配線層７４０に到達し、その配線７４１によって反射した光Ｌ１２が隣接画素の光電変換素子７１０Ｇ，７１０Ｂに入射して光電変換を発生する、いわゆる混色が発生し、画質に影響を及ぼす。

特開２００３−３１７８５号公報

解決しようとする問題点は、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサの光電変換領域に入射した光は、長波長側において光電変換領域を透過する成分が存在し、光電変換領域に入射した光をすべて光電変換させ、感度に寄与させることができない点である。また、これら光電変換領域を透過した光が配線層に到達し、その配線によって反射した光が隣接画素の光電変換領域に入射して光電変換を発生する、いわゆる混色が発生し、画質に影響を及ぼす点である。

本発明は、上記問題点を解決すべく、フォトダイオードに入射した光を光電変換する効率を高め、さらに、表面側の配線での反射による混色を防止することを課題としている。

本発明の固体撮像素子は、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複数の単位画素が配列され、光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、能動素子に対して配線をなす配線層を備える。また、入射光を素子層の他方の面側に形成したカラーフィルターを透過させて光電変換素子に入射させる。そして、能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む素子層の一方の面を、絶縁膜を介して被覆する反射膜であって、少なくとも３０ｎｍ以上の厚みを有するアルミニウムで構成される反射膜と、反射膜のカラーフィルターを透過する赤色光が入射される光電変換素子に対向する位置に開口部が形成されるとともに、反射膜よりも配線層側に形成され、該開口部の一部又は全部に対応する位置に存在するように形成された反射層を備える。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、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複数の単位画素が配列されたもので、光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、能動素子に対して配線をなす配線層を備え、入射光を素子層の他方の面側に形成したカラーフィルターを透過させて光電変換素子に入射させる固体撮像素子の製造方法において、素子層が形成される半導体層に信号電荷を読み出す読み出し電極を形成する工程と、半導体層に光電変換素子を形成する工程と、能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む素子層の一方の面に、絶縁膜を介して少なくとも３０ｎｍ以上の厚みの反射膜を形成する工程と、反射膜のカラーフィルターを透過する赤色光が入射される光電変換素子に対向する位置に開口部を形成する工程と、開口部に対向して配線層側の位置に絶縁膜を介して該開口部の一部又は全部に対応する位置に存在する反射層を形成する工程とを備える。

本発明の画像撮影装置は、固体撮像素子を撮像素子に用い、固体撮像素子は、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複数の単位画素が配列され、光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、能動素子に対して配線をなす配線層を備える。そして、入射光を素子層の他方の面側に形成したカラーフィルターを透過させて光電変換素子に入射させる。また、能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む素子層の一方の面を、絶縁膜を介して被覆する反射膜であって、少なくとも３０ｎｍ以上の厚みを有するアルミニウムで構成される反射膜と、反射膜のカラーフィルターを透過する赤色光が入射される光電変換素子に対向する位置に開口部が形成されるとともに、反射膜よりも配線層側に形成され、該開口部の一部又は全部に対応する位置に存在するように形成された反射層を備える。

本発明の固体撮像素子は、素子層の配線層側に、絶縁膜を介して、能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む画素を被覆するように形成した反射膜を備えたため、光電変換素子で完全に吸収されずに一部透過された長波長の光（例えば赤色光）を反射膜によって長波長の光を光電変換する光電変換素子に戻すことができるので、光電変換素子に入射した光を効率的に光電変換できるという利点がある。また、反射膜が配線層の配線による反射を防止するので、反射光が隣接する画素へ入射されなくなり、混色を防止することができるという利点がある。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体層の配線層が形成される側に、絶縁膜を介して読み出し電極を含む画素を被覆するように反射膜を形成する工程を備えているため、光電変換素子で完全に吸収されずに一部透過された長波長の光（例えば赤色光）を反射膜によって長波長の光を光電変換する光電変換素子に戻すようにすることができるので、光電変換素子に入射した光を効率的に光電変換できるようになるという利点がある。また、反射膜が配線層の配線による反射を防止するので、反射光が隣接する画素へ入射されなくなり、混色を防止することができるという利点がある。

本発明の画像撮影装置は、撮像素子に本発明の固体撮像素子を搭載しているため、入射光を効率的に光電変換でき、隣接する画素への混色を防止することができるので、感度の向上、画質の向上が図れるという利点がある。

本発明の固体撮像素子に係る一実施の形態例（第１例）を示した概略構成断面図である。 反射膜の膜厚をパラメータとした透過率、反射率と入射光の波長との関係図である。 本発明の固体撮像素子が適用されるＣＭＯＳセンサに係る一実施の形態例を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像素子に係る一実施の形態例（第２例）を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像素子に係る一実施の形態例（第３例）を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第１例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第１例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第１例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第１例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第１例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第２例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第２例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第２例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第２例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第２例）を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像素子の製造方法に係る一実施の形態例（第３例）を示した製造工程断面図である。 画像撮影装置に係る一実施の形態例を示したブロック図である。 従来の固体撮像素子に係る一例を示した概略構成斜視図である。 従来の固体撮像素子に係る問題点を示した概略構成断面図である。

本発明の固体撮像素子に係る実施の形態の一例（第１例）を、図１の概略構成断面図によって説明する。

図１に示すように、本発明の固体撮像素子１は、半導体層で構成される素子層１１０に光電変換素子（例えばフォトダイオード）１１１が形成され、この光電変換素子１１１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（図示せず）を含む複数の単位画素が配列されたものであり、上記光電変換素子１１１が形成される素子層１１０に対してその一方の面側に、上記能動素子に対して配線をなす配線層１３０を備えている。上記光電変換素子１１１は、例えば５μｍ〜１５μｍの厚さのシリコン層で形成されている。また、入射光Ｌを素子層１１０の他方の面側にはカラーフィルター１５０が形成されている。また、上記素子層１１０の配線層１３０側には、上記能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しトランジスタを構成する読み出しゲート電極１２１が絶縁膜１２２を介して形成されている。この読み出しゲート電極１２１は、例えば多結晶シリコンで形成されている。このため、読み出しゲート電極１２１は光透過性を有する。

上記読み出しゲート電極１２１を含む画素全面を、絶縁膜１４１を介して被覆するように反射膜１４０が形成されている。

上記反射膜１４０は、例えば、アルミニウム、酸化アルミニウム等で形成される。特に、アルミニウム膜は、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができる。したがって、上記反射膜１４０にアルミニウム膜を採用することが好ましい。また、後に説明するが、反射させる光の波長が緑色光、赤色光であることを考慮すると、緑色光、赤色光の反射率が高真空蒸着法により形成された膜では９５％以上を有する銀を用いることも可能である。

ここで、反射膜１４０としてアルミニウム膜を用いた場合の必要膜厚について、図２によって説明する。図２は、可視光領域におけるアルミニウム（Ａｌ）の各膜厚をパラメータとして、左縦軸に透過率を示し、右縦軸に反射率を示し、横軸に入射光の波長を示す。

図２に示すように、光電変換素子１１１を透過し、さらに反射膜１４０のアルミニウム膜を透過し、上層の配線１３１で反射して隣の画素に表面側から反射膜１４０を透過して光電変換素子１１１に入射すると混色になる。その混色量は、光電変換素子１１１を透過してアルミニウム面に到達した光を１００％とすると、アルミニウム（Ａｌ）の反射率は可視光領域でほぼ９０％であるので、アルミニウム膜の透過率が０．１％の場合で０．００００９％、アルミニウム膜の透過率が１％の場合で０．００９％、アルミニウム膜の透過率が１０％の場合でも０．９％である。アルミニウム面に到達する時点で光電変換素子１１１に入射する光の強度は赤（Ｒ）の画素で約１０％になっていることを考慮すると透過率は１％程度に抑えられていれば十分である。従って、反射膜１４０にアルミニウム膜を用いた場合には、その膜厚は３０ｎｍ以上あればよいことになる。

上記固体撮像素子１が受光する入射光Ｌは、上記カラーフィルター１５０を透過して光電変換素子１１１に入る。例えば、上記カラーフィルター１５０が青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３色（例えば光の３原色）で形成されている場合には、カラーフィルター１５０を透過して上記光電変換素子１１１が受光する入射光Ｌは、上記光電変換素子１１１の厚さが７μｍ〜１５μｍに形成されていることから、青色光は波長が短いため光電変換素子１１１の入射側近傍でほぼ１００％吸収されて光電変換されるため、反射膜１４０に達するような透過光とはなり得ない。緑色光は光電変換素子１１１内で大部分が吸収されるが、一部は透過成分となっている。しかしながら、反射膜１４０によって反射され、再び光電変換素子１１１に戻されるので、光電変換素子１１１においてほとんど吸収されることになる。一方、赤色光は光電変換素子１１１を一部は透過する。そのため、光電変換素子１１１で光電変換される赤色光の光量が他の色よりも少なくなっていた。しかしながら、上記反射膜１４０が設けられていることから、光電変換素子１１１を透過した赤色光は反射膜１４０によって反射され、再び光電変換素子１１１に入射される。このため、赤色光の光電変換量が他の色の光電変換量とほぼ同等となり、感度の低下を防止することができる。

また、上記反射膜１４０は、各画素の直上に形成されていることから、各画素の光電変換素子１１１を透過した光、特に、緑色光〜赤色光は、反射膜１４０によって反射され、その反射光はそのまま透過してきた光電変換素子１１１に入射されるため、隣接画素への反射はほとんどない。このため、混色が抑制され、良好な画質を得ることができる。

また、上記反射膜１４０は、多結晶シリコンからなる読み出しゲート電極１２１を被覆するように形成されていることから、読み出しゲート電極１２１を透過した光も反射膜１４０によって反射させて光電変換素子１１１に戻すことができる。したがって、光電変換素子１１１では入射光を効率よく光電変換することが可能になる。

次に、上記構成の固体撮像素子を適用できるＣＭＯＳセンサの詳細の一例を、図３の概略構成断面図によって説明する。

裏面受光型のＣＭＯＳセンサ１０１は、シリコン層からなる素子層１１０に、画素部と周辺回路部が形成されている。上記素子層１１０にはＮ^-型シリコン基板を例えば化学的機械研磨により所望の厚さに研磨したものを用い、通常、可視光線を受光する領域では、５μｍ〜１５μｍの厚さに形成されている。また、赤外光を受光する場合には、１５μｍ〜５０μｍの厚さに、紫外光を受光する場合には３μｍ〜７μｍの厚さに形成されることが望ましい。

上記素子層１１０の画素部には光電変換領域１１１となるＮ^-型層からなるフォトセンサが形成されている。このＮ^-型層は上記Ｎ^-型シリコン基板を用いている。上記光電変換領域１１１の上部にはＮ⁺層１１２が形成され、さらに上部には埋め込みフォトダイオードとするためのＰ⁺層からなる電荷蓄積層１１３が形成されている。

また上記光電変換領域１１１の画素部には、上記光電変換領域１１１〜電荷蓄積層１１３の側周を囲むように、Ｐ型のウエル領域１１５が形成されている。このＰ型ウエル領域１１５の一部は、素子層１１０を貫通するように形成され、その部分が画素間分離領域１１６となっている。さらに上記素子層１１０の下部側には上記Ｐ型のウエル領域１１５（画素間分離領域１１６）に接続するＰ⁺層１１７が形成されている。このＰ⁺層１１７側が、光が入射される側になっている。そして、上記光電変換領域１１１は、受光領域を広く確保するため、上記Ｐ⁺層１１７側のレイアウト上の占有面積が広くなるように形成されている。

上記Ｎ⁺層１１２および電荷蓄積層１１３の一方側には読み出し領域１２３がＰ^-層で形成されている。上記読み出し領域１２３上には絶縁膜１２２を介して読み出しゲート電極１２１が形成されている。さらに上記読み出しゲート電極１２１の電荷蓄積層１１３とは反対側には読み出し領域１２３に隣接してＮ⁺層からなるフローティングディフュージョン層１２５が形成されている。このように、読み出しトランジスタ１２０が構成されている。

また、上記Ｐ型のウエル領域１１５には、上記読み出しトランジスタ１２０以外のトランジスタ１６０が形成されている。このトランジスタ１６０としては、例えばリセットトランジスタ、増幅トランジスタ、垂直選択トランジスタ等があり、ＮＭＯＳトランジスタで構成されている。

上記読み出しゲート電極１２１を含む画素全面を、絶縁膜１４１を介して被覆するように反射膜１４０が形成されている。この反射膜１４０は、例えば、アルミニウム、酸化アルミニウム等で形成される。特に、アルミニウム膜は、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができる。したがって、上記反射膜１４０にアルミニウム膜を採用することが好ましい。また、後に説明するが、反射させる光の波長が緑色光、赤色光であることを考慮すると、緑色光、赤色光の表面反射率が９５％以上を有する銀を用いることも可能である。

上記素子層１１０の一方側の面（図面では上部側の面、以下表面という）には、上記読み出しトランジスタ１２０、トランジスタ１６０等を覆う絶縁膜１３２が形成され、その絶縁膜中には、複数層に形成された配線１３１からなる配線層１３０が形成され、さらに支持基板１７０が設けられている。

また、上記素子層１１０の他方側の面（図面では下部側の面、以下裏面という）には、透明絶縁膜１８１を介して遮光膜１８２が形成されている。この遮光膜１８２は、画素領域以外に入射光が照射されるのを防止するためのもので、光電変換素子１１１が形成される領域に対向する位置には、光電変換素子１１１に光が入射されるように開口部１８３が形成されている。さらに透明絶縁膜１８４を介してカラーフィルター１５０が形成されている。このカラーフィルター１５０は、例えば光の３原色の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色からなり、それぞれ、所定の色を受光する光電変換素子１１１上に設けられている。なお、カラーフィルター１５０は３原色に限定されず、３原色の他に、例えば３原色の中間色のような、例えばエメラルドグリーンのカラーフィルター、橙色のカラーフィルター等を設けることもできる。さらに各カラーフィルター１５０上にマイクロレンズ１５５が形成されている。

次に、本発明の固体撮像素子に係る実施の形態の一例（第２例）を、図４の概略構成断面図によって説明する。

図４に示すように、本発明の固体撮像素子２は、半導体層で構成される素子層１１０に光電変換素子（例えばフォトダイオード）１１１が形成され、この光電変換素子１１１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（図示せず）を含む複数の単位画素が配列されたものであり、上記光電変換素子１１１が形成される素子層１１０に対してその一方の面側に、上記能動素子に対して配線をなす配線層１３０を備えている。上記光電変換素子１１１は、例えば５μｍ〜１５μｍの厚さのシリコン層で形成されている。また、入射光Ｌを素子層１１０の他方の面側にはカラーフィルター１５０が形成されている。また、上記素子層１１０の配線層１３０側には、上記能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しトランジスタ１２０を構成する読み出しゲート電極１２１が絶縁膜１２２を介して形成されている。この読み出しゲート電極１２１は、例えば多結晶シリコンで形成されている。このため、読み出しゲート電極１２１は光透過性を有する。

上記読み出しゲート電極１２１を含む、画素の全面には絶縁膜１４１を介して被覆するように反射膜１４０が形成されている。ただし、緑（Ｇｒｅｅｎ）画素および青（Ｂｌｕｅ）画素の全面は反射膜１４０が形成されているが、カラーフィルター１５０を透過する赤色光が入射される光電変換素子１１１に対向する位置の上記反射膜１４０には開口部１４２が形成されている。さらに、上記開口部１４２の上記配線層１３０側に反射層１４３が形成されている。この反射層１４３は、開口部１４２に対向して開口部１４２上を覆うように形成される。なお、開口部１４２に対向する位置に配線１３１が形成されている場合には、その配線１３１と絶縁性が確保できる間隔、例えば０．２μｍ程度の間隔を置いて形成される。したがって、上記反射層１４３は上記配線層１３０の配線１３１間に上記配線１３１と間隔を置いて形成されている。

上記反射膜１４０、反射層１４３には、アルミニウム（Ａｌ）膜、酸化アルミニウム膜を用いることができる。特にアルミニウム膜は、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができる。したがって、上記反射膜１４０、反射層１４３にアルミニウム膜を採用することが好ましい。一方、銅膜は、赤色光に対しておよそ９６％以上の表面反射率を得ることができるので、赤色光を反射させる上記配線１３１、反射層１４３は銅で形成することも好ましい。

このように、固体撮像素子２では、赤（Ｒｅｄ）画素部の上記反射膜１４０の構成が異なるのみで、その他の構成は前記固体撮像素子１と同様である。

上記固体撮像素子２が受光する入射光Ｌは、上記カラーフィルター１５０を透過して光電変換素子１１１に入る。例えば、上記カラーフィルター１５０が青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３色（例えば光の３原色）で形成されている場合には、カラーフィルター１５０を透過して上記光電変換素子１１１が受光する入射光Ｌは、上記光電変換素子１１１の厚さが７μｍ〜１５μｍに形成されていることから、青色フィルタを透過した青色光ＬＢは波長が短いため光電変換素子１１１の入射側近傍でほぼ１００％吸収されて光電変換されるため、反射膜１４０に達するような透過光とはなり得ない。緑色フィルタを透過した緑色光ＬＧは光電変換素子１１１内で大部分が吸収されるが、一部は透過成分となっている。しかしながら、反射膜１４０によって反射され、再び光電変換素子１１１に戻されるので、光電変換素子１１１においてほとんど吸収されることになる。一方、赤色フィルタを透過した赤色光ＬＲは光電変換素子１１１を一部は透過する。そのため、光電変換素子１１１で光電変換される赤色光ＬＲの光量が他の色よりも少なくなっていた。しかしながら、上記反射層１４３が設けられていることから、光電変換素子１１１を透過した赤色光ＬＲは反射層１４３によって反射され、再び光電変換素子１１１に入射される。このため、赤色光ＬＲの光電変換量が他の色の光電変換量とほぼ同等となり、感度の低下を防止することができる。

また、赤（Ｒｅｄ）画素に入射する光の成分は、ほとんどが光電変換素子１１１を透過する波長の長い光である。一方、緑（Ｇｒｅｅｎ）画素に入射する光は波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍをピークとして、６００ｎｍでは３０％以下の光強度でしかなく、光電変換素子１１１を透過する成分は少ない。青（Ｂｌｕｅ）画素は、先に説明したように、７μｍの光電変換素子１１１を透過する光の成分はない。つまり、反射膜１４０で反射した光が隣接画素の光電変換素子１１１に入射して混色を起こす影響度は、圧倒的に赤（Ｒｅｄ）画素に入射した光の成分が大きく、赤（Ｒｅｄ）画素に入射した光の反射膜１４０での反射光が緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の画素のフォトダイオードに入射しないようにすれば良い。上記固体撮像素子２では、反射層１４３の反射面に斜めに入射した光が隣接画素に入射するような角度で反射したとしても、その反射光は、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）画素上に形成された反射膜１４０で反射され配線層１３０側へと抜けていくので、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の画素における赤（Ｒｅｄ）画素を透過してきた波長の長い成分の光の混色を防止することができ、良好な画質を得ることができる。

また、上記反射層１４３は、赤色の光を反射するものであれば良い場合で、配線層１３０の配線１３１が通常の半導体装置の配線材料に用いられるアルミニウム、銅等の金属で形成される場合には、配線１３１と同一工程で形成することができるという利点がある。これにより、反射層１４３を作製する工程を新たに設ける必要がなくなるので、プロセス負荷をかけることなく反射層１４３を形成することができる。

次に、本発明の固体撮像素子に係る実施の形態の一例（第３例）を、図５の概略構成断面図によって説明する。

図５に示すように、本発明の固体撮像素子３は、半導体層で構成される素子層１１０に光電変換素子（例えばフォトダイオード）１１１が形成され、この光電変換素子１１１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（図示せず）を含む複数の単位画素が配列されたものであり、上記光電変換素子１１１が形成される素子層１１０に対してその一方の面側に、上記能動素子に対して配線をなす配線層１３０を備えている。上記光電変換素子１１１は、例えば５μｍ〜１５μｍの厚さのシリコン層で形成されている。また、入射光Ｌを素子層１１０の他方の面側にはカラーフィルター１５０が形成されている。また、上記素子層１１０の配線層１３０側には、上記能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しトランジスタ１２０を構成する読み出しゲート電極１２１が絶縁膜１２２を介して形成されている。この読み出しゲート電極１２１は、例えば多結晶シリコンで形成されている。このため、読み出しゲート電極１２１は光透過性を有する。

上記読み出しゲート電極１２１を含む、画素の全面には絶縁膜１４１を介して被覆するように反射膜１４０が形成されている。ただし、緑（Ｇｒｅｅｎ）画素および青（Ｂｌｕｅ）画素の全面は反射膜１４０が形成されているが、カラーフィルター１５０を透過する赤色光が入射される光電変換素子１１１に対向する位置の上記反射膜１４０には開口部１４２が形成されている。さらに、上記開口部１４２の上記配線層１３０側に反射層１４３が形成されている。この反射層１４３は、開口部１４２に対向して開口部１４２上を覆うように形成される。上記反射層１４３は上記素子層１１０と上記配線層１３０との間に絶縁膜１４４を介して形成されている。

上記反射膜１４０、反射層１４３には、アルミニウム（Ａｌ）膜、酸化アルミニウム膜を用いることができる。特にアルミニウム膜は、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができる。したがって、上記反射膜１４０、反射層１４３にアルミニウム膜を採用することが好ましい。一方、銅膜は、赤色光に対しておよそ９６％以上の表面反射率を得ることができるので、赤色光を反射させる上記配線１３１、反射層１４３は銅で形成することも好ましい。

このように、固体撮像素子３では、赤（Ｒｅｄ）画素部の上記反射膜１４０の構成が異なるのみで、その他の構成は前記固体撮像素子１と同様である。

上記固体撮像素子３が受光する入射光Ｌは、上記カラーフィルター１５０を透過して光電変換素子１１１に入る。例えば、上記カラーフィルター１５０が青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３色（例えば光の３原色）で形成されている場合には、カラーフィルター１５０を透過して上記光電変換素子１１１が受光する入射光Ｌは、上記光電変換素子１１１の厚さが５μｍ〜１５μｍに形成されていることから、青色フィルタを透過した青色光ＬＢは波長が短いため光電変換素子１１１の入射側近傍でほぼ１００％吸収されて光電変換されるため、反射膜１４０に達するような透過光とはなり得ない。緑色フィルタを透過した緑色光ＬＧは光電変換素子１１１内で大部分が吸収されるが、一部は透過成分となっている。しかしながら、反射膜１４０によって反射され、再び光電変換素子１１１に戻されるので、光電変換素子１１１においてほとんど吸収されることになる。一方、赤色光ＬＲは光電変換素子１１１を一部は透過する。そのため、光電変換素子１１１で光電変換される赤色光ＬＲの光量が他の色よりも少なくなっていた。しかしながら、上記反射層１４３が設けられていることから、光電変換素子１１１を透過した赤色光ＬＲは反射層１４３によって反射され、再び光電変換素子１１１に入射される。このため、赤色光ＬＲの光電変換量が他の色の光電変換量とほぼ同等となり、感度の低下を防止することができる。

また、上記固体撮像素子３では、反射層１４３の反射面に斜めに入射した光が隣接画素に入射するような角度で反射したとしても、その反射光は、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）画素上に形成された反射膜１４０で反射され配線層１３０側へと抜けていくので、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の画素における赤（Ｒｅｄ）画素を透過してきた波長の長い成分の光の混色を防止することができ、良好な画質を得ることができる。

次に、本発明の固体撮像素子の製造方法に係る実施の形態の一例（第１例）を、図６〜図１０の製造工程断面図によって説明する。

図示はしないが、基板を用意する。この基板は、第１導電型（Ｎ型）シリコン基板からなり、１０Ω・ｃｍ〜５０Ω・ｃｍ程度のシート抵抗を有するものを用いた。次に、例えばエピタキシャル成長法によって、上記基板上にＰ^-型の半導体層２１１として、例えばＰ^-型のシリコン層を形成する。

次に、上記半導体層２１１表層の所定位置にＰ⁺型領域からなるチャネルストップ領域を形成する。このチャネルストップ領域はイオン注入により形成することができる。次に、上記半導体層２１１表層の所定位置に上記チャネルストップ領域に隣接して、垂直電荷転送部が形成される領域にＰ型領域からなるウエル領域を形成する。上記半導体層２１１表層の所定位置に上記チャネルストップ領域に隣接して、上記ウエル領域上層に垂直電荷転送部のＮ型領域を形成する。

次に、図６（１）に示すように、上記半導体層２１１上の垂直電荷転送部上および読み出し部となる領域上に、絶縁膜１２２を介して読み出しゲート電極（転送電極も含む）１２１を形成する。この読み出しゲート電極１２１は、チャネルストップ領域上にオーバラップするように形成されてよい。上記電極形成は、例えば、半導体層２１１表面に絶縁膜１２２を形成した後、電極形成膜としてポリシリコン膜を成膜する。その後、通常のレジストマスクを用いたエッチング技術によりポリシリコン膜を読み出しゲート電極１２１にパターニングして形成することができる。

次に、図６（２）に示すように、上記半導体層２１１表層の上記読み出しゲート電極１２１が形成された読み出し部に隣接して、光電変換素子１１１のＮ型領域を形成する。この光電変換素子１１１のＮ型領域はイオン注入により形成することができる。次いで、上記光電変換素子１１１のＮ型領域表層にＰ⁺型領域からなるホール蓄積層を形成する。このホール蓄積層はイオン注入により形成することができる。

次に、図７（３）に示すように、全面に上記読み出しゲート電極１２１を被覆するように絶縁膜１４１を形成した後、全面に反射膜１４０を形成する。上記絶縁膜１４１は、例えば、ＣＶＤ法によって、酸化シリコンを数１０ｎｍの厚さに堆積して形成される。また上記反射膜１４０は、アルミニウム、酸化アルミニウム等を、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法などによって堆積して成膜される。その後、通常のレジスト塗布技術、リソグラフィー技術等によって画素領域を被覆するレジストマスクを形成した後、マスク以外の領域の反射膜１４０を除去する。その後、上記レジストマスクを除去する。

上記反射膜１４０は、特に、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができるアルミニウム膜で形成することが好ましい。また、前記図２によって説明したように、反射膜１４０にアルミニウム膜を用いた場合には、その膜厚は３０ｎｍ以上あればよい。また、反射させる光の波長が緑色光、赤色光であることを考慮すると、緑色光、赤色光の表面反射率が９５％以上を有する銀を用いることも可能である。

次に、図示はしないが、通常のＣＭＯＳ・ＬＳＩプロセスにより固体撮像素子の周辺回路領域の素子を形成した後、図８（４）に示すように、通常の多層配線の形成技術により、素子層１１０上に複数層の配線１３１を形成し、配線層１３０を成す。さらに、図示はしないが、配線層１３０側に支持基板を形成してもよい。

次に、基板（図示せず）側を研磨により除去、平坦化し、図９（５）に示すように、裏面を光電変換素子１１１近傍まで研磨する。光電変換素子１１１側には、半導体層２１１を例えば３．５μｍ〜７μｍ程度残す。

最後に、図１０（６）に示すように、裏面側にカラーフィルター１５０を形成し、さらに図示はしないがオンチップレンズなどを通常の表面型イメージセンサと同様の方法により形成することにより、前記図１等により説明した固体撮像素子１が完成する。

上記固体撮像素子の製造方法は、半導体層２１１の配線層１３０が形成される側に、絶縁膜１４１を介して読み出しゲート電極１２１を含む画素全面を被覆するように反射膜１４０を形成する工程を備えているため、光電変換素子１１１で完全に吸収されずに一部透過された長波長の光（例えば赤色光）を反射膜１４０によって長波長の光を光電変換する光電変換素子１１１に戻すようにすることができるので、光電変換素子１１１に入射した光を効率的に光電変換できるようになるという利点がある。また、反射膜１４０が配線層１３０の配線１３１による反射を防止するので、反射光が隣接する画素へ入射されなくなり、混色を防止することができるという利点がある。

次に、本発明の固体撮像素子の製造方法に係る実施の形態の一例（第２例）を、図１１〜図１５の製造工程断面図によって説明する。

図示はしないが、基板を用意する。この基板は、第１導電型（Ｎ型）シリコン基板からなり、１０Ω・ｃｍ〜５０Ω・ｃｍ程度のシート抵抗を有するものを用いた。次に、例えばエピタキシャル成長法によって、上記基板上にＰ^-型の半導体層２１１として、例えばＰ^-型のシリコン層を形成する。

次に、上記半導体層２１１表層の所定位置にＰ⁺型領域からなるチャネルストップ領域を形成する。このチャネルストップ領域はイオン注入により形成することができる。次に、上記半導体層２１１表層の所定位置に上記チャネルストップ領域に隣接して、垂直電荷転送部が形成される領域にＰ型領域からなるウエル領域を形成する。上記半導体層２１１表層の所定位置に上記チャネルストップ領域に隣接して、上記ウエル領域上層に垂直電荷転送部のＮ型領域を形成する。

次に、図１１（１）に示すように、上記半導体層２１１上の垂直電荷転送部上および読み出し部となる領域上に、絶縁膜１２２を介して読み出しゲート電極（転送電極も含む）１２１を形成する。この読み出しゲート電極１２１は、チャネルストップ領域上にオーバラップするように形成されてよい。上記電極形成は、例えば、半導体層２１１表面に絶縁膜１２２を形成した後、電極形成膜としてポリシリコン膜を成膜する。その後、通常のレジストマスクを用いたエッチング技術によりポリシリコン膜を読み出しゲート電極１２１にパターニングして形成することができる。

次に、図１１（２）に示すように、上記半導体層２１１表層の上記読み出しゲート電極１２１が形成された読み出し部に隣接して、光電変換素子１１１のＮ型領域を形成する。この光電変換素子１１１のＮ型領域はイオン注入により形成することができる。次いで、上記光電変換素子１１１のＮ型領域表層にＰ⁺型領域からなるホール蓄積層を形成する。このホール蓄積層はイオン注入により形成することができる。

次に、図１２（３）に示すように、全面に上記読み出しゲート電極１２１を被覆するように絶縁膜１４１を形成した後、全面に反射膜１４０を形成する。上記絶縁膜１４１は、例えば、ＣＶＤ法によって、酸化シリコンを数１０ｎｍの厚さに堆積して形成される。また上記反射膜１４０は、アルミニウム、酸化アルミニウム等を、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法などによって堆積して成膜される。

上記反射膜１４０は、特に、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができるアルミニウム膜で形成することが好ましい。また、前記図２によって説明したように、反射膜１４０にアルミニウム膜を用いた場合には、その膜厚は３０ｎｍ以上あればよい。また、反射させる光の波長が緑色光、赤色光であることを考慮すると、緑色光、赤色光の表面反射率が９５％以上を有する銀を用いることも可能である。

その後、図１２（４）に示すように、通常のレジスト塗布技術、リソグラフィー技術等によって波長の短い青色の画素領域および緑色の画素領域を被覆するレジストマスクを形成した後、マスク以外の領域の反射膜１４０を除去する。したがって、赤色の画素領域の反射膜１４０は除去され、開口部１４２が形成されるとともに、図示はしていないが周辺回路領域の反射膜１４０も除去される。その後、上記レジストマスクを除去する。

次に、図示はしないが、通常のＣＭＯＳ・ＬＳＩプロセスにより固体撮像素子の周辺回路領域の素子を形成した後、図１３（５）に示すように、通常の多層配線の形成技術により、素子層１１０上に複数層の配線１３１を形成し、配線層１３０を成す。その際、例えば最下層の配線１３１を形成する際に、上記赤色の画素領域上に、反射層１４３を形成する。この反射層１４３は、開口部１４２に対向して開口部１４２上を覆うように形成される。なお、開口部１４２に対向する位置に配線１３１が形成されている場合には、その配線１３１と絶縁性が確保でき、配線１３１と遮光層１４３との間を赤色光が漏れないような間隔、例えば０．４μｍ〜０．２μｍ程度の間隔を置いて形成される。したがって、上記反射層１４３は上記配線層１３０の配線１３１間に上記配線１３１と間隔を置いて形成される。

上記反射膜１４０、反射層１４３には、アルミニウム（Ａｌ）膜、酸化アルミニウム膜を用いることができる。特にアルミニウム膜は、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができる。したがって、上記反射膜１４０、反射層１４３にアルミニウム膜を採用することが好ましい。一方、銅膜は、赤色光に対しておよそ９６％以上の表面反射率を得ることができるので、赤色光を反射させる上記配線１３１、反射層１４３は銅で形成することも好ましい。このように、上記反射層１４３は、配線１３１が銅で形成されるならば銅で形成し、アルミニウムで形成されるならばアルミニウムで形成することにより、配線１３１と同一プロセスで形成することが可能になる。さらに、図示はしないが、配線層１３０側に支持基板を形成してもよい。

次に、基板（図示せず）側を研磨により除去、平坦化し、図１４（６）に示すように、裏面を光電変換素子１１１近傍まで研磨する。光電変換素子１１１側には、半導体層２１１を例えば３．５μｍ〜７μｍ程度残す。

最後に、図１５（７）に示すように、裏面側にカラーフィルター１５０を形成し、さらに図示はしないがオンチップレンズなどを通常の表面型イメージセンサと同様の方法により形成することにより、前記図１等により説明した固体撮像素子２が完成する。

上記固体撮像素子２の製造方法では、青色光は波長が短いため光電変換素子１１１の入射側近傍でほぼ１００％吸収されて光電変換されるため、反射膜１４０に達するような透過光とはなり得ない。緑色光は光電変換素子１１１内で大部分が吸収されるが、一部は透過成分となっている。しかしながら、反射膜１４０によって反射され、再び光電変換素子１１１に戻されるので、光電変換素子１１１においてほとんど吸収されることになる。一方、赤色光は光電変換素子１１１を一部は透過する。そのため、光電変換素子１１１で光電変換される赤色光の光量が他の色よりも少なくなるが、上記反射層１４３が設けられていることから、光電変換素子１１１を透過した赤色光は反射層１４３によって反射され、再び光電変換素子１１１に入射される。このため、赤色光の光電変換量が他の色の光電変換量とほぼ同等となり、感度の低下を防止することができる。

また、反射層１４３の反射面に斜めに入射した光が隣接画素に入射するような角度で反射したとしても、その反射光は、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）画素上に形成された反射膜１４０で反射され配線層１３０側へと抜けていくので、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の画素における赤（Ｒｅｄ）画素を透過してきた波長の長い成分の光の混色を防止することができ、良好な画質を得ることができる。

また、上記反射層１４３は、赤色の光を反射するものであれば良い場合で、配線層１３０の配線１３１が通常の半導体装置の配線材料に用いられるアルミニウム、銅等の金属で形成される場合には、配線１３１と同一工程で形成することができるという利点がある。これにより、反射層１４３を作製する工程を新たに設ける必要がなくなるので、プロセス負荷をかけることなく反射層１４３を形成することができる。

上記製造方法では、反射層１４３を配線１３１間に設けた場合を説明したが、実施の形態の第３例として、上記反射層１４３は配線１３１とは別層で形成することも可能である。この場合、前記図５のような構成となる。すなわち、前記図１２によって説明したのと同様に、上記読み出しゲート電極１２１を含む、画素の全面には絶縁膜１４１を介して被覆するように反射膜１４０を形成する。ただし、緑（Ｇｒｅｅｎ）画素および青（Ｂｌｕｅ）画素の全面は反射膜１４０を形成し、赤色光が入射される光電変換素子１１１に対向する位置の上記反射膜１４０には開口部１４２を形成する。

次に、図１６に示すように、素子層１１０側に読み出しゲート電極１２１、反射膜１４０等を覆う絶縁膜１４４を形成する。その後、絶縁膜１４４上に反射層１４３を成膜した後、通常のエッチングマスクの形成技術、エッチング技術（例えば異方性ドライエッチング）により、開口部１４２に対向して開口部１４２上を覆うように反射層１４３を残すパターニングを行う。例えば反射層１４３は、赤（Ｒｅｄ）画素の読み出しゲート電極１２１などを除いた光電変換素子１１１の開口形状と同じでよい。その後、エッチングマスクを除去する。

上記反射膜１４０、反射層１４３には、アルミニウム（Ａｌ）膜、酸化アルミニウム膜を用いることができる。特にアルミニウム膜は、可視光線に対しておよそ９０％以上の表面反射率を得ることができる。したがって、上記反射膜１４０、反射層１４３にアルミニウム膜を採用することが好ましい。一方、銅膜は、赤色光に対しておよそ９６％以上の表面反射率を得ることができるので、赤色光を反射させる上記反射層１４３は銅で形成することも好ましい。

その後は、通常の多層配線の形成技術により、素子層１１０上に複数層の配線１３１を形成し、配線層１３０を成す。

次に、基板（図示せず）側を研磨により除去、平坦化し、裏面を光電変換素子１１１近傍まで研磨する。光電変換素子１１１側には、半導体層２１１を例えば３．５μｍ〜７μｍ程度残す。

最後に、裏面側にカラーフィルター１５０を形成し、さらに図示はしないがオンチップレンズなどを通常の表面型イメージセンサと同様の方法により形成することにより、前記図５により説明した固体撮像素子３が完成する。

上記固体撮像素子３の製造方法では、青色光は波長が短いため光電変換素子１１１の入射側近傍でほぼ１００％吸収されて光電変換されるため、反射膜１４０に達するような透過光とはなり得ない。緑色光は光電変換素子１１１内で大部分が吸収されるが、一部は透過成分となっている。しかしながら、反射膜１４０によって反射され、再び光電変換素子１１１に戻されるので、光電変換素子１１１においてほとんど吸収されることになる。一方、赤色光は光電変換素子１１１を一部は透過する。そのため、光電変換素子１１１で光電変換される赤色光の光量が他の色よりも少なくなるが、上記反射層１４３が設けられていることから、光電変換素子１１１を透過した赤色光は反射層１４３によって反射され、再び光電変換素子１１１に入射される。このため、赤色光の光電変換量が他の色の光電変換量とほぼ同等となり、感度の低下を防止することができる。

また、反射層１４３の反射面に斜めに入射した光が隣接画素に入射するような角度で反射したとしても、その反射光は、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）画素上に形成された反射膜１４０で反射され配線層１３０側へと抜けていくので、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の画素における赤（Ｒｅｄ）画素を透過してきた波長の長い成分の光の混色を防止することができ、良好な画質を得ることができる。

次に、本発明の画像撮影装置に係る一実施例を、図１７のブロック図によって説明する。

図１７に示すように、画像撮影装置５００は、固体撮像素子５１０を備えている。この固体撮像素子５１０の集光側には像を結像させる結像光学系５２０が備えられ、また、固体撮像素子５１０には、それを駆動する駆動回路５３０が接続されている。そして固体撮像素子５１０で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路５４０が接続されている。上記信号処理回路５４０によって処理された画像信号は画像記憶部５５０によって記憶される。このような画像撮影装置５００において、上記固体撮像素子５１０には、前記実施の形態の第１例、第２例、第３例で説明した固体撮像素子１、２、３のうちのいずれかを用いることができる。

本発明の画像撮影装置５００は、本発明の固体撮像素子１もしくは固体撮像素子２もしくは固体撮像素子３を撮像素子に用いているため、混色がないので色再現性に優れた画像を得ることができ、しかも高感度な画像を得ることができるという利点がある。

なお、本発明の画像撮影装置５００は、上記構成に限定されることはなく、固体撮像素子を用いる画像撮影装置であれば如何なる構成のものにも適用することができる。

１…固体撮像素子、１１０…素子層、１１１…光電変換素子、１２１…読み出しゲート電極、１３０…配線層、１３１…配線、１４０…反射膜、１４１…絶縁膜

Claims (7)

1. 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複数の単位画素が配列され、
   前記光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、前記能動素子に対して配線をなす配線層を備え、
   入射光を前記素子層の他方の面側に形成したカラーフィルターを透過させて前記光電変換素子に入射させる固体撮像素子において、
   前記能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む前記素子層の一方の面を、絶縁膜を介して被覆する反射膜であって、少なくとも３０ｎｍ以上の厚みを有するアルミニウムで構成される反射膜と、
   前記反射膜の前記カラーフィルターを透過する赤色光が入射される光電変換素子に対向する位置に開口部が形成されるとともに、
   前記反射膜よりも前記配線層側に形成され、該開口部の一部又は全部に対応する位置に存在するように形成された反射層
   を備える固体撮像素子。
2. 前記反射層は前記配線層の配線間に前記配線と間隔を置いて形成されている請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記反射層は前記素子層と前記配線層との間に絶縁膜を介して形成されている請求項１記載の固体撮像素子。
4. 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複数の単位画素が配列されたもので、
   前記光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、前記能動素子に対して配線をなす配線層を備え、
   入射光を前記素子層の他方の面側に形成したカラーフィルターを透過させて前記光電変換素子に入射させる固体撮像素子の製造方法において、
   前記素子層が形成される半導体層に信号電荷を読み出す読み出し電極を形成する工程と、
   前記半導体層に前記光電変換素子を形成する工程と、
   前記能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む前記素子層の一方の面に、絶縁膜を介して少なくとも３０ｎｍ以上の厚みの反射膜を形成する工程と、
   前記反射膜の前記カラーフィルターを透過する赤色光が入射される光電変換素子に対向する位置に開口部を形成する工程と、
   前記開口部に対向して前記配線層側の位置に絶縁膜を介して該開口部の一部又は全部に対応する位置に存在する反射層を形成する工程と、
   を備える固体撮像素子の製造方法。
5. 前記反射層は前記配線層の配線間に前記配線と間隔を置いて形成される請求項４記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 前記反射層は前記素子層と前記配線層との間に絶縁膜を介して形成される請求項４記載の固体撮像素子の製造方法。
7. 固体撮像素子を撮像素子に用いた画像撮影装置において、
   前記固体撮像素子は、
   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複数の単位画素が配列され、
   前記光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、前記能動素子に対して配線をなす配線層を備え、
   入射光を前記素子層の他方の面側に形成したカラーフィルターを透過させて前記光電変換素子に入射させる固体撮像素子であって、
   前記能動素子のうちの光電変換された信号電荷を読み出す読み出しゲート電極を含む前記素子層の一方の面を、絶縁膜を介して被覆する反射膜であって、少なくとも３０ｎｍ以上の厚みを有するアルミニウムで構成される反射膜と、
   前記反射膜の前記カラーフィルターを透過する赤色光が入射される光電変換素子に対向する位置に開口部が形成されるとともに、
   前記反射膜よりも前記配線層側に形成され、該開口部の一部又は全部に対応する位置に存在するように形成された反射層を備える
   画像撮影装置。