JP5424182B2 - 背面照射を用いる光センサおよびピクセル・アレイ、ならびに光センサを形成する方法 - Google Patents

背面照射を用いる光センサおよびピクセル・アレイ、ならびに光センサを形成する方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、ピクセル・センサに関し、さらに詳細には、CMOSイメージ・センサに関する。
フィルムを使用するアナログ式カメラは、少なくともアマチュア写真用途では、おおむねデジタルカメラに取って代わられた。典型的なデジタルカメラのイメージ・センサは、全体画像の光の小部分を検知する画素(ピクセル)のアレイである。一般に、ピクセル数が高ければ高いほど、得られる画像(写真)はより良質であり、画像を拡大しても(単純な)ピクセルの集まりのようにはならない。したがって、ピクセル数は、画像解像度の第一の尺度であるとともに、得られる画像の鮮明さおよび明瞭さに直接、影響を及ぼす。初期のデジタルカメラは、ピクセル・センサ用の電荷結合素子(CCD)を有するバケツリレー・センサを備えていた。集積密度、電源、およびフレーム・レート問題は、CCDから、より標準的なCMOSロジック半導体プロセスに基づくイメージ・センサに転換するように産業界を駆り立てた。
典型的なCMOSイメージ・センサ・アレイは、単に、接続されたCMOSサポートおよびセンサ回路を有するフォトダイオードのアレイである。各フォトダイオードに入射する光が、電子正孔対を作り出す。フォトダイオードは、電子を捕捉して、かつ蓄積する。CMOSサポート回路は、各ダイオードに蓄積された電荷を検知する。赤色、緑色、または青色を検知する色ピクセルは、単に、特定の帯域幅、すなわち、赤色、緑色、または青色以外のすべての光をブロックするための赤色、緑色、または青色フィルタを用いて適切にフィルタリングされたダイオードである。CMOSイメージ・センサにより、4メガ・ピクセル(4MP)をはるかに超えるピクセル密度が可能となり、典型的なデジタルカメラはますますコンパクトになって、例えば、あるものは携帯電話に組み込まれるほどである。
残念ながら、密度を高めようとピクセル面積を縮小するため、高密度のCMOSイメージ・センサ・アレイを製作することは、より挑戦的な作業となった。CMOSは、アレイ上方に形成された高密度のチップ/アレイ配線が、下方に配置されたピクセルへの光をブロックしたり、または拡散させてしまう傾向があるため、効率的なピクセル設計にそれほど適していなかった。また、CMOSデバイス構造は上方に配置されて光センサ・ダイオード(フォトダイオード)を遮りやすい。したがって、ポリシリコン・ゲートおよびアレイ/チップ配線は、フォトダイオードに達する光エネルギー量を減少させる傾向がある。また、デバイス構造および配線は、集光できる入射角を制限する。この入射角の制限は、より高いピクセル密度のために必要であるセル寸法の縮小化により深刻になる。セルの縮小化は、ピクセル・アレイ内により稠密に圧縮された、さらに小型のフォトダイオードを必要とする。
最後に、有色フィルタ・アレイ(CFA)のフィルタは、しばしば、ピクセルの結像面からの物理的な位置ずれを生じる。この位置ずれは、光の回折を引き起こす。その結果、隣接するピクセルから入り込む光のために、画像が不鮮明になる可能性がある。
したがって、より容易に製作することができる、より高密度で、より簡単な撮像センサに対する、さらに詳細には、より高密度で、より簡単であり、より容易に製作することができるCMOSピクセル・アレイに対する必要性がある。
したがって、本発明の目的は、イメージ・センサの信号受信を最大にすることである。
本発明の他の目的は、CMOSピクセル内のフォトダイオード阻害を最小にすることである。
本発明のさらに他の目的は、CMOSピクセル・アレイ内のフォトダイオードで受信される信号を最大にすることである。
本発明のさらに他の目的は、各ピクセルが最大のエネルギーを受け取るように露出されたCMOSピクセル・アレイ構造を簡素化することである。
本発明は、FETピクセルのアレイを有する撮像センサ、および撮像センサを形成する方法に関する。イメージ・センサは、SOI基板上に形成されうる。各ピクセルは、例えば、N型シリコンなどの半導体アイランドである。FETは、例えば、Pウェル陰極などの単一のフォトダイオード電極内に形成される。イメージ・センサは、セル配線がセルの上方にある状態で背面から照射されうる。カラー・フィルタは、アイランドの反対側の面に取り付けられうる。保護層(例えば、ガラスまたは石英)、または保護ウィンドウは、カラー・フィルタにおいてピクセル・アレイに固定されている。したがって、保護層を通過する光信号は、カラー・フィルタでフィルタリングされて、対応する光センサにより選択的に検知される。
前述の、ならびに他の目的、態様、および利点は、図面を参照することで、本発明の好ましい実施形態についての下記の詳細な説明を通してより良く理解されるであろう。
ここで図面を参照する。特に、図1は、本発明の好ましい実施形態の撮像センサを形成する例100を示す。センサ形成は、ステップ102で、例えば、シリコン・ウェハの表面上に熱酸化物のような誘電体層を形成することにより、半導体ウェハを準備することで開始する。結合層(例えば、窒化物)が、誘電体層上に形成されるとともに、第1のハンドル・ウェハが、結合層に結合される。ステップ104では、通常の回路形成と同時に、イメージ・ピクセル・センサが、シリコン・ウェハの露出側上に形成されることが好ましい。チップ回路は、CMOSとして一般に知られている絶縁ゲート電界効果トランジスタ(FET)技術で形成されることが好ましい。さらに、本明細書ではCMOSに関して説明されたが、本発明は、任意のFET技術におけるピクセル・アレイの形成に対して適用できる。
チップ回路形成は、回路間配線を通じて、好ましくは、オフチップ接続、すなわち、一般に配線形成工程(BEOL:Back End Of the Line)と呼ばれるものに進む。ステップ106では、第2のハンドル・ウェハが、ウェハの上面側に、すなわち、回路および任意のBEOL配線の上方に取り付けられる。次に、ステップ108で、第1のハンドル・ウェハが窒化物層まで、例えば、研摩およびエッチング、もしくは、研摩またはエッチングにより除去されて、露出された窒化物層は、熱酸化物層を再露出するために、例えば、エッチングにより除去される。ステップ110で、例えば、ピクセル上に3色のフィルタ、赤色、緑色、および青色の各々をマスキングして蒸着することにより、露出された熱酸化物層上にカラー・フィルタの層が形成される。ステップ112では、保護層がカラー・フィルタ層上に形成される。保護層は、カラー・フィルタ層を保護するとともに、撮像センサ用のパッケージング・イメージ・ウィンドウ(Packaging image window)として機能することが好ましい。ステップ114では、任意選択により、チップからパッケージへのコンタクトを容易にするためにパッケージ依存(Package dependent)処理が行われる。例えば、ワイヤ・ボンディング、または制御折り畳み可能チップ接続(C4)のためのパッケージ相互接続依存(Package interconnect dependent)処理では、ボンド・パッドにアクセスするために、上部ハンドル・ウェハを除去する必要がある。例えば、シェル・ケース社から市販されているパッケージなどの他のパッケージ型式では、付加的な処理は必要ではなく、任意選択のステップ114を省略することができる。そして、ステップ116では、ウェハが個々のセンサ・チップに切断されて、例えば、フリップ・チップまたはワイヤ・ボンド・パッケージングを用いて、チップがパッケージングされる。
図2〜図8は、例えば、図1の例100のCMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイにおいてウェハ120を貫く横断面例を示す。形成は、図2において、好適なウェハ120(ステップ102)、好ましくは、シリコン・オン・インシュレーター(SOI:Silicon On Insulator)ウェハで始まる。特に、ウェハは、埋込み酸化層を有するシリコン・ウェハでもよく、または、この例では、例えば、SOITEC社による結合技術を用いて形成され、製作された、結合SOIウェハでもよい。熱酸化物のような誘電体層122が、例えば、シリコン層またはシリコン・ウェハなどの半導体層124の一方の面上に形成される。シリコン層124は厚さ2〜6μm、熱酸化物層122は厚さ0.1〜1.0μmであることが好ましい。厚さ0.1〜1.0μmの窒化物層126が、シリコン層124および誘電体層122を下部ハンドル・ウェハ(bottom handle wafer)128に結合する。
図3は、ステップ104で誘電体層122上に形成されたイメージ・ピクセル・センサ130を示す。通常の回路形成と同時に、イメージ・ピクセル・センサ130が形成されることが好ましいが、その代わりに、イメージ・ピクセル・センサ130が、通常の回路形成の前または後に形成されてもよく、もしくは通常の回路形成とは分離されていてもよい。そして、アイランド132は、例えば、典型的なシャロー・トレンチ素子分離(shallow trench isolation)技術を用いて、アイランド132の間にシャロー・トレンチ134を形成して、かつ充填することにより、シリコン層124内に形成される。アイランド132内に形成されたアイソレーション・ウェル136(NウェルおよびPウェル、もしくは、NウェルまたはPウェル)は、各アイランド130と共にフォトダイオードを形成する。アイランドはN型にドーピングされ、かつウェル136はP型にドーピングされることが好ましい。通常、デバイスは、例えば、表面上にポリシリコン層を形成し、選択的にポリシリコン・ゲート138を形成し、その後に、ソース/ドレイン140を形成することにより作られる。ダイオード接点142は、ソース/ドレイン140の形成と同時に形成される。チップ配線144は、複数の交互の配線のために誘電体層内のBEOLを介し、またビア層を介して形成される。任意選択により、チップのパッケージへのコンタクトを容易にするために、ワイヤ・ボンディングまたはC4相互接続用のオフチップ・パッド146が、任意選択のステップ114で形成されうる。最後に、上部不動態層148が、ウェハ上に形成される。
図4では、図1のステップ106で、第2の、または上側のハンドル(handle)層150が、不動態層148に取り付けられる。第2のハンドル層150は、イメージ・ピクセル・デバイス138、および任意のBEOL配線144、または任意選択のチップ・パッド146の上方に取り付けられる。図5に示したようにウェハ120をひっくり返して、ステップ108で、下部ハンドル・ウェハが窒化物結合層126まで、例えば、研摩およびエッチング、もしくは、研摩またはエッチングにより除去される。露出された窒化物結合層126は、熱酸化物層122を再露出するために、例えば、エッチングにより除去される。
次に、図6では、それぞれのピクセル130の露出された熱酸化物層122上に、例えば、それぞれ、赤色、緑色、および青色のカラー・フィルタ152、154、156を形成することにより、ステップ110でカラー・フィルタ層が形成される。フィルタ152、154、156は、フィルタリングされた各ピクセルの全表面上に、適切なフィルタ材をマスキングして蒸着することにより形成されることが好ましい。好適なフィルタ材としては、例えば、色付け着色されたフォトレジストなどがある。通常、カラー・フィルタ152、154、156は、0.5〜1.5μmの均一な厚さを有する。
次に、図7では、ステップ112で、保護層158または保護ウィンドウが、カラー・フィルタ層上に形成される。保護層158は、石英、ガラス、または他の任意の好適な透明材料などの透明な材料であることが好ましく、センサ用の撮像ウィンドウを形成する。保護層158は、好適な透明接着剤を用いて、カラー・フィルタ層に結合されうる。任意選択により、保護層158は、赤外線(IR)フィルタまたは反射防止被膜で被覆される。
保護層がカラー・フィルタ層に結合されると、パッケージングを容易にするためにさらなる処理が実行されうる。ワイヤ・ボンディングまたはC4が、接続をパッケージングするためにチップに対して使用される予定であるとき、ステップ114で、第2の、または上部のハンドル層150が、図8の構造を得るために除去されうる。次に、ステップ116で、ウェハ120は、個々のセンサ・チップに切断されて、パッケージングされる。あるいは、(例えば、シェル・ケース社からの)チップ・スケール・パッケージが使用される予定であるとき、上部ハンドル層150は、所定の位置に残ってもよい。その代わりに、このようなチップ・スケール・パッケージでは、接続は、上部ハンドル層150の露出側に沿って形成され、または背面接続を可能とするために第2のハンドル層150を貫通して形成されたビアを通じて形成される。このようにして、保護層158に入射する像は、それぞれのカラー・フィルタ152、154、156まで到達して、通常、チップの背面と考えられる位置にある、すなわち、シリコン層124にある各光センサ・ダイオードに、他のチップ構造により減衰されることなく入射する。
図9〜図10は、本発明の好ましい実施形態に基づいて形成された、典型的なピクセル160の平面図および回路図の例を示す。このピクセル160は、図2〜図8のピクセル130と同一ではないが、ピクセル160は、実質的には、図2〜図8のアレイの実施形態について説明されたように、同様に名付けられた類似の構造要素を用いて形成されうる。この例では、アイランド132はN型であり、例えば、典型的なNウェル形成ステップ中に形成され、アイランド132は、STIトレンチ134で相互に分離される。光センサ・ダイオードは、Nウェル・アイランド132内のPウェル136により形成された接合である。抵抗性のコンタクト162、164は、Nウェル・アイランド132およびPウェル136の各々に形成される。FET(この例では3つのNFET)は、Pウェル136上のゲート166、168、170、およびゲート166、168、170の反対側上のソース/ドレイン領域172、174、176、178(この例ではN型)により形成される。光センサ・ダイオード180の陽極は、Pウェルを接地電位に付勢するPウェル・コンタクト164においてアースされる。Nウェル・コンタクト164における光センサ・ダイオード180の陰極は、NFET166のソース172、およびNFET168のゲートに接続される。NFET166および168は、供給電圧、例えば、Vddに対する共通のドレイン接続174を共有する。リセット信号(RESET)は、NFET166のゲートに接続される。NFET168のソース176は、ロー・セレクト(ROW SELECT)信号でゲートされるNFET170のドレインと共通の拡散領域である。また、NFET170のソース178は、ピクセル160に対するデータ出力である。
NFET166のゲートのRESETは、イメージング時を除いて、通常、ハイ(high)でありうるが、普通は、RESETは、イメージングの直前に、例えば、シャッター・ボタンが押された直後、およびシャッターを開ける直前に、ハイを律動的に送る。RESETハイにより、光センサ・ダイオード180は、実質的に、コンデンサ、すなわち、逆バイアス接合コンデンサのように動作する。このようにして、RESETハイにより、電圧は、RESETの高レベル、およびNFETしきい値電圧(V)に依存する逆バイアス光センサ・ダイオード180全体に生じ、すなわち、Vddアップレベルに対して、Vdd−Vが生じる。任意選択により、十分なVddを得るために、アップレベルとして、Vdd+Vよりも大きな値を選択することもできる。シャッターが開くと、下方からピクセルに入射する光(通常、保護ガラス・ウィンドウ、および赤色、緑色、または青色のフィルタを通過する)が、電子正孔対を形成する。これらの電子および正孔は、それぞれのピクセル160に入射する光に比例した量だけ、光センサ・ダイオード180の接合コンデンサを放電する。光が、光センサ・ダイオード180に全く入射しないとき、接合は、帯電したままである。NFET166のゲートに与えられる、選択されたRESETアップレベルに応じて、ソース176は、Vddより低いあるレベル、例えば、Vdd−Vに、あらかじめ帯電される。NFET168は、接合コンデンサ上の電圧を検知するソース・フォロワ増幅器として機能する。NFET168のソース上の電位は、光センサ・ダイオード180上の電圧に追従する。この電圧は、NFET170を通過する。通常、光センサ・ダイオード180で画像信号が捕捉される後まで、NFET170のゲートのROW SELECTは、ロー(low)であり、その後、セル読込み周期の間、ハイを律動的に送る。
図11は、デジタルカメラ202内の好ましい実施形態のチップ200の応用例を示す。撮像センサのこのような応用は、デジタルカメラと同様に、当技術分野で公知である。光が、保護層により提供され、チップ接続の反対側の表面上のカラー・フィルタでフィルタリングされるウィンドウを通過するため、チップ・パッケージは、典型的なワイヤ・ボンド・パッケージでありうる。このようにして、フリップ・チップ技術を用いて取り付けられたチップでは、完全な保護ウィンドウ領域が、取り付けられたチップの上方に露出されるとともに、カラー・フィルタ、およびその下方のピクセルは、保護ウィンドウにより完全に保護される。
シリコン・アイランドの全表面が、各ピクセルに対して露出されることが有利である。各ピクセルが、実質的に、ピクセルの全領域(共有されたSTIを除く)を占有するため、アレイの充填比は、30%未満から、ほぼ100%に増加する。これは、光に対する感度を低下させることなく、ピクセルを、より小さくできるため、さらなる面積低減を可能にするとともに、さらなるコスト節減を可能にする。好ましいピクセルは、その背面にある配線で妨げられることなく、より多くの利用可能なエネルギーの線量を捕捉する。したがって、このような好ましいピクセルは、高充填比と共に高量子効率を示す。STIは、各ピクセルを隣接するピクセルから分離して、いかなるキャリヤも、フォトダイオードの間を流れないようにする。これは、カラー・クロストークおよびブルーミングを事実上、排除する。さらに、好ましい撮像センサは、優れた角度応答性を有するとともに、カラー・フィルタと感光シリコンの間に距離がほとんどないため、マイクロ・レンズは不要である。好ましい保護層は、先行技術のセンサが必要とするような、パッケージ内の上部ガラス・キャップ、またはマイクロ・レンズの上の空隙の必要性を排除する。マイクロ・レンズが不要であることと、保護層が好適な撮像ウィンドウとして機能するという両方の理由で、パッケージングが、さらに簡素化される。配線がピクセル背面上にあるため、例えば、ワイヤ・ボンドがピクセルの照射を妨げるかもしれないという懸念なしに、ワイヤ・ボンドを使用することができる。
本発明は、好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者は、本発明が、特許請求項の要旨および範囲内で変更を実施できることを認識するであろう。すべてのこのような変形および変更は、特許請求項の範囲内にある。したがって、実施例および図面は、限定ではなく、むしろ例示的なものと見なされるべきである。
本発明の好ましい実施形態のCMOS撮像センサを形成する際のステップの例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 CMOS撮像センサを形成するステップを示す、好ましいピクセル・アレイを貫く横断面例を示す図である。 典型的なピクセルの平面図および回路図の例である。 典型的なピクセルの平面図および回路図の例である。 好ましい実施形態の撮像センサ・アレイを有するデジタルカメラの例を示す図である。

Claims (13)

  1. 撮像センサ・セルであって、
    N型にドーピングされた半導体層と、
    前記半導体層の一方の面に形成された誘電体層と、
    前記半導体層を囲、前記誘電体層に達するトレンチと、
    前記トレンチで囲まれた前記半導体層の他方の面内の一部の領域に形成され、P型にドーピングされたアイソレーション・ウェルであって、前記アイソレーション・ウェルは前記半導体層とともに当該半導体層の他方の面で光センサを形成する前記アイソレーション・ウェルと、
    前記誘電体層によって前記半導体層から分離されたカラー・フィルタと、
    前記カラー・フィルタ上の保護層
    を備え、
    光が、前記保護層を介して、前記カラー・フィルタを介して、前記誘電体層を介して、そして次に前記半導体層を介して渡され、前記光は、前記保護層下の前記カラー・フィルタでフィルタリングされ、そして前記誘電体層下の前記光センサにより選択的に検知される前記撮像センサ・セル。
  2. 前記半導体層が活性シリコン層であり、且つ、前記誘電体層が酸化物層である、請求項1に記載の撮像センサ・セル。
  3. 前記アイソレーション・ウェルが前記半導体層とともにフォトダイオードを形成し、
    前記撮像センサ・セルが前記アイソレーション・ウェル内に形成された複数のNFETをさらに有し、
    前記複数のNFETは、前記フォトダイオードからの光信号を選択的に検知するために接続されている、
    請求項2に記載の撮像センサ・セル。
  4. 前記複数のNFETが、
    前記フォトダイオードの陰極と供給電圧(Vdd)との間に接続され、リセット信号でゲートされる第1のNFETと、
    ドレインで前記供給電圧に接続され、前記陰極でゲートされる第2のNFETと、
    前記第2のNFETのソースとデータ出力との間に接続され、ピクセル・セレクト信号でゲートされる第3のNFETと
    を備えている、請求項3に記載の撮像センサ・セル。
  5. 前記活性シリコン層が厚さ2〜6μmであり、前記誘電体層が厚さ0.1〜1.0μmである、請求項2〜4のいずれか一項に記載の撮像センサ・セル。
  6. 前記保護層が石英層である、請求項に記載の撮像センサ・セル。
  7. 前記保護層が、さらに、不可視光線をフィルタリングにより除去する、請求項に記載の撮像センサ・セル。
  8. 前記撮像センサ・セルに対する配線が、前記半導体層から離れて、前記他方の面内の光センサ構造から伸張する、請求項1に記載の撮像センサ・セル。
  9. 撮像センサであって、
    ピクセル・アレイであって、各ピクセルが、
    N型にドーピングされた半導体アイランドと、
    前記半導体アイランドの一方の面に形成された誘電体層と、
    前記半導体アイランドを囲み、前記誘電体層に達するトレンチと、
    前記トレンチで囲まれた前記半導体アイランドの他方の面内の一部の領域に形成され、P型にドーピングされたアイソレーション・ウェルであって、前記アイソレーション・ウェルは前記半導体アイランドとともに当該半導体アイランドの他方の面で光センサを形成する前記アイソレーション・ウェルと、
    前記他方の面内の光センサ構造から伸張する、ピクセルに対するセル配線と、
    前記誘電体層によって前記半導体アイランドから分離されたカラー・フィルタと
    を備えている、前記ピクセル・アレイと、
    記カラー・フィルタ上の保護層
    を備え、
    光が、前記保護層を介して、前記カラー・フィルタを介して、前記誘電体層を介して、そして次に前記半導体アイランドを介して渡され、前記光は、前記保護層下の前記カラー・フィルタでフィルタリングされ、そして前記誘電体層下の前記光センサにより選択的に検知される前記撮像センサ。
  10. 前記半導体アイランドがシャロー・トレンチ素子分離により隣接するシリコン・アイランドから分離される、厚さ2〜6μmのシリコン・アイランドであるとともに、前記カラー・フィルタが厚さ0.5〜1.5μmで、厚さ0.1〜1.0μmの誘電体層で前記半導体アイランドから分離されている、請求項に記載の撮像センサ。
  11. 前記アイソレーション・ウェルが前記半導体アイランドとともにフォトダイオードを形成し、
    前記アイソレーション・ウェル上のNFETが前記フォトダイオードからの光信号を選択的に検知するために前記フォトダイオードに接続される、請求項10に記載の撮像センサ。
  12. 前記NFETが、
    前記フォトダイオードの陰極と供給電圧(Vdd)との間に接続され、リセット信号でゲートされる第1のNFETと、
    ドレインで前記供給電圧に接続され、前記陰極でゲートされる第2のNFETと、
    前記第2のNFETのソースとデータ出力との間に接続され、ピクセル・セレクト信号でゲートされる第3のNFETと
    を備えている、請求項11に記載の撮像センサ。
  13. ハンドル層が前記セル配線の上方の表面に結合され、前記ピクセル・アレイが前記保護層と前記ハンドル層の間に挟まれている、請求項10に記載の撮像センサ。
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