JP6086715B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子、より詳しくは、裏面側から受光する構造の固体撮像素子に関する。

近年、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置には、光学像を電気信号に変換する撮像素子が搭載されているが、この撮像素子においては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ、電荷結合素子）型からＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、相補型金属酸化膜半導体）型への置き換えが加速しつつある。

また、近年のＣＭＯＳ型撮像素子には、そのサイズの小型化に伴い低下する感度を補うため、受光面を撮像素子の裏面側に形成しているものがある。このような裏面照射型撮像素子は、素子サイズは小型でも高感度特性を維持できるため各種携帯機器へ搭載されている。
一例として、従来の表面照射型撮像素子に対して受光面を裏面に形成し、光の利用効率を向上させて感度向上を図った撮像技術がある（特許文献１参照。）。

さらなる品質向上を図る観点から、裏面照射型撮像素子に関しても様々な工夫が提案されている。例えば、裏面照射型撮像素子における隣接画素への光信号及び電荷信号の漏れこみを防止するため、フォトダイオードを囲うように画素分離し、色再現性向上を図る技術がある（特許文献２参照。）。
また、裏面照射型撮像素子のさらなる感度向上を図るため、裏面から入射した後に利用されずに表面側へ通過してしまう光を、表面側に形成された金属層とマイクロレンズとで反射及び屈折させることで、フォトダイオードへ再入射させることも提案されている（特許文献３参照。）。

特開２００８−１７７５８７号公報 特開２０１１−４４４８９号公報 特開２０１１−１４６７１４号公報

しかしながら、特許文献２の裏面照射型撮像素子では、画素分離による色再現性の向上は図れるが、光電変換部を通過してしまう光信号を再び光電変換部に入射させる捕獲手段がないため、光の有効利用が十分行えないという問題がある。
また、特許文献３の裏面照射型撮像素子では、表面側に形成される読出し回路を考慮に入れると、金属層で反射される光を集光する表面側マイクロレンズの有効面積が小さくなり、光の有効利用が十分行えないという問題がある。

本発明は、上記の問題を踏まえてなされたものであり、裏面側から受光しつつ、光の利用効率をさらに向上させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、複数のフォトダイオードと、該複数のフォトダイオードで光電変換により発生した信号を読み出す読み出し回路とが配置された主基板と、前記主基板の一方の面に設けられた入光部と、前記主基板の他方の面に設けられ、前記読み出し回路が読み出した信号を伝送する配線部と、前記配線部を貫通して設けられ、前記主基板よりも屈折率の大きい材料で形成されており、前記入光部から入射して前記フォトダイオードを通過した光が入射する導光部と、前記配線部上に設けられた支持基板の前記配線部側の面に形成されており、前記導光部に入射した光を前記主基板に向けて反射する反射部と、前記複数のフォトダイオード間に配置された画素分離部とを備えることを特徴とする。

前記導光部は、前記主基板よりも屈折率の大きい材料を複数種類用いて形成されてもよい。

前記画素分離部は、前記主基板の厚さ方向にわたって形成されてもよい。このとき、前記画素分離部は、前記主基板よりも高い反射率を有する第二反射部を有してもよいし、前記主基板の厚さ方向における一方の端部にＰ＋型半導体を有してもよい。

本発明の固体撮像素子は、前記入光部と前記主基板との間に配置されたＮ型半導体基板と、前記Ｎ型半導体基板に設けられ、前記入光部に入射した光を前記フォトダイオードに導く第二導光部とをさらに備えてもよい。

本発明の固体撮像素子によれば、裏面側から受光しつつ、光の利用効率をさらに向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係る固体撮像素子の断面図である。 本発明の第二実施形態に係る固体撮像素子の断面を示す部分拡大図である。 （ａ）は、同固体撮像素子の第一基板を入光部側から見た状態を示す部分拡大図であり、（ｂ）は、同第一基板を支持基板側から見た状態を示す部分拡大図である。 本発明の第三実施形態に係る固体撮像素子の断面を示す部分拡大図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ第一基板から導光部に入射した光が反射部で反射される態様を示す模式図である。

本発明の第一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態の固体撮像素子１の断面図である。固体撮像素子１は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子であり、複数のフォトダイオードと、フォトダイオードが行う光電変換によって発生した信号電荷を読み出す読み出し回路とが配置された第一基板（主基板）１０と、第一基板１０の一方の面に形成された入光部２０と、第一基板１０の他方の面に形成された配線部３０と、配線部３０上に設けられた支持基板４０とを備えている。第一基板１０、入光部２０、配線部３０、および支持基板４０の境界には、それぞれシリコン酸化膜等からなる絶縁層５０が設けられており、各部が互いに絶縁されている。なお、図１において、説明の便宜のため読み出し回路は省略している。また、以下の説明において、少なくともフォトダイオードと読み出し回路とを備えた部をフォトダイオード部１１と記載する。

第一基板１０はシリコン等で形成されており、複数のフォトダイオード部１１が第一基板１０の面方向に並べて配置されている。隣接するフォトダイオード部１１の間には、第一基板の厚さ方向にわたって画素分離部１２が設けられている。画素分離部１２は、フォトダイオード部１１における光電変換で発生した信号電荷に対する電気的障壁を形成する物であり、Ｐ＋型半導体や、絶縁膜等の公知の構成を適宜選択して用いることができる。

入光部２０は、複数のマイクロレンズ２１と、カラーフィルタ２２とを備えている。マイクロレンズ２１は、各フォトダイオード部１１に対応するように配置されており、入光部２０に入射する光をフォトダイオード部１１に導く。カラーフィルタ２２は、公知のものであり、複数種類の色の中から選択された１色のフィルタが各フォトダイオード部１１に割り当てられて配置されている。

配線部３０は、配線３１と導光部３２とを備えている。配線３１は、フォトダイオード部１１を制御する垂直の制御線や、フォトダイオード部１１で発生した信号を伝送する信号線であり、フォトダイオード部１１に接続される。図１では、配線３１の一例として、公知の立体配線を示しているが、配線の形成態様には特に制限はなく、公知の各種方法を適宜用いて形成することができる。

導光部３２は、配線部に設けられた複数の貫通孔３３に配置されており、固体撮像素子１の厚さ方向（第一基板の厚さ方向と略平行）に見たときに、各々のフォトダイオード部１１と重なる位置に設けられている。導光部３２の材料としては、公知のライトガイドの材料と同様の物を用いることができる。

支持基板４０のうち、配線部３０側の面には、反射率を高める反射部４１が形成されている。反射部４１としては、金属箔や金属の薄膜等を用いることができる。支持基板４０は、反射部４１と絶縁層５０とが密着するように配線部３０に取り付けられている。支持基板４０としては、従来の固体撮像素子と同様のものを用いることができる。固体撮像素子１は、配線部３０と反対側の入光部２０から受光する、いわゆる裏面照射型の固体撮像素子であるため、支持基板４０が光透過性を有さなくてもよい。

上記のように構成された固体撮像素子１における作用について説明する。
入光部２０に入射した光は、マイクロレンズ２１およびカラーフィルタ２２を通って各フォトダイオード部１１に入射する。フォトダイオード部１１に入射する光は光電変換されるが、シリコンに対する侵入深さが大きい長波長領域の光の一部は、光電変換されずにフォトダイオード部１１を通過する。フォトダイオード部１１を通過した未利用光は、配線部３０の導光部３２に入射し、反射部４１で第一基板１０に向かって反射される。反射された未利用光は、再び導光部３２内を通ってフォトダイオード部１１に入射する。フォトダイオード部１１通過後に導光部３２内を往復した分だけ未利用光の光路長が延びており、未利用光の侵入深さに対しても十分な長さとなっているため、フォトダイオード部１１に再入射した未利用光は光電変換される。

従来の裏面照射型固体撮像素子では、特に薄型の場合において長波長領域の光がフォトダイオードを通過しやすく、上述の未利用光が多く生じていた。未利用光は光電変換に寄与しないため、波長の長い赤色等の領域の感度を上げにくかった。さらに、裏面照射型固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラ等では、余計な赤外光を遮断するために赤外カットフィルターを撮像素子の前面に配置することがあり、長波長領域の光に対する撮像素子の感度がさらに低下することもあった。このような場合、光電変換後の長波長領域の光信号は電気的に増幅しなければならず、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低い画像が得られることになり、画質の劣化につながっていた。

本実施形態の固体撮像素子１によれば、配線部３０に導光部３２が設けられ、さらに支持基板４０の配線部側の面に反射部４１が設けられている。その結果、フォトダイオード部１１を通過した未利用光を、導光部３２で反射部４１に導き、さらに、反射された未利用光を導光部３２でフォトダイオード部１１に導くことで、従来光電変換されにくかった長波長領域の光の光電変換効率を向上させ、長波長領域に光に対する感度を向上させることができる。

また、画素分離部１２が第一基板１０の厚さ方向にわたって設けられているため、光電変換により配線部３０に近い領域で発生した信号電荷に対しても確実に電気的障壁として機能し、信号混入を防止して好適に画素分離を行うことができる。

本発明の第二実施形態について、図２から図３（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の固体撮像素子１０１と、第一実施形態の固体撮像素子１との異なるところは、画素分離部の態様である。なお、以降の説明において、すでに説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図２は、固体撮像素子１０１の断面において、画素分離部１０２周辺を示す部分拡大図である。画素分離部１０２は、固体撮像素子１０１の厚さ方向に延びる第二反射部１０３と、第二反射部１０３の延在方向両端に設けられたＰ＋型半導体１０４とを備えている。

第二反射部１０３は、金属等の反射率の高い材料で形成されており、第一基板１０よりも高い反射率を有する。第二反射部１０３は、第一基板１０を厚さ方向に貫通する孔やスロット等に材料を充填して形成してもよいし、当該孔やスロット等の内面に材料を層状に配置して形成してもよい。

第二反射部１０３の材料としては、可視光領域の光に対する反射率が高く、第一基板１０の材料である半導体シリコンへの拡散係数が小さな物質が好ましい。具体的には、例えばＡｌ（アルミニウム）やＴｉ（チタン）を含む化合物（ＴｉＮ，ＴｉＯなど）が適している。Ａｌは、半導体プロセス上、シリコンとの親和性が良好で、配線材料として多く利用されている。また、Ｔｉ化合物は、シリコンに貫通電極を形成する際に、シリコンに対するバリアメタルとして利用されている。したがって、いずれも第二反射部１０３の材料として好適である。
一方、Ｃｕ（銅）も貫通電極材料としてよく用いられているが、Ｃｕはシリコンに対する拡散係数が大きいため、Ｃｕを用いて直接シリコンに接する形で第二反射部を形成すると、Ｃｕ原子がシリコン内部に拡散し、いわゆる重金属汚染を引き起こすため避けた方がよい。Ｃｕを用いる場合は、Ｃｕとシリコンとの間に他の材質でバリア層を設ける等により、Ｃｕとシリコンとが直接接触しないように第二反射部を形成するのが好ましい。

図３（ａ）は、第一基板１０を入光部２０側から見た部分拡大図である。画素分離部１０２のうちＰ＋型半導体１０４は、各フォトダイオード部１１の周囲に切れ目なく形成されている。画素分離部１０２によって区切られて一つのフォトダイオード部１１を含む領域の一つ一つが、固体撮像素子１０１の単位画素Ｕｐとなっている。
図３（ｂ）は、第一基板１０を支持基板４０側から見た部分拡大図である。なお、説明の便宜のため、導光部３２は省略するが、図１等で省略していた読み出し回路１０５については省略せずに図示している。各単位画素Ｕｐは、フォトダイオード部１１と画素分離部１０２とを備える。配線３１は、読み出し回路１０５を制御するための制御線や読み出し回路１０５からの信号を外部へ導く信号線などで構成されている。このようにフォトダイオード部１１を形成することで、第二反射部１０３を各フォトダイオード部１１の周囲に切れ目無く配置することができる。ここで、読み出し回路１０５の形状及び配置は一例を示したもので、第二反射部１０３及びＰ＋型半導体１０４に囲まれたフォトダイオード部１１の周辺であれば形状及び配置を変更することができる。
図２に示すように、配線３１の一部は、第一基板１０の電位を固定するためのコンタクト３１ａとなっており、絶縁層５０を貫通して回路側のＰ＋型半導体１０４と接続されている。

本実施形態の固体撮像素子１０１においては、第一基板１０内を進み画素分離部１０２に向かう光の一部が第二反射部１０３で反射される。その結果、未利用光の一部が隣接する画素に入射することによる信号混入についても好適に防止することができ、さらに画素分離を向上させることができる。

また、画素分離部１０２に設けられたＰ＋型半導体１０４が、各単位画素においてフォトダイオード部１１の周囲に存在しＰ型半導体として機能する第一基板１０のシリコン部分を接続しているため、例えばコンタクト３１ａとグランド配線と接続することにより、すべてのシリコン部分の電位を容易に安定化することができる。

本実施形態の画素分離部において、Ｐ＋型半導体は必須ではない。また、Ｐ＋型半導体も必ずしも第二反射部の両端に設けられる必要はなく、片側にだけ設けられてもシリコン部分を接続して電位の安定化を容易にすることができる。ただし、片側に設ける場合は、配線部側に設ける方がコンタクトとの接続が容易であるため好ましい。

本発明の第三実施形態について、図４を参照して説明する。本実施形態の固体撮像素子は、ＣＣＤタイプの裏面照射型撮像素子である。

図４は、本実施形態の固体撮像素子２０１の断面を示す部分拡大図である。固体撮像素子２０１は、ＣＣＤ型撮像素子であり、その基本構造は従来のＣＣＤ型撮像素子と共通しているため、異なる部分を中心に説明する。

固体撮像素子２０１においては、垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）の一部をなすポリシリコンゲート２０２が設けられた保護層（配線部）２０３に導光部材３２が配置され、保護層２０３上に反射部４１が形成されている。フォトダイオード部１１およびＰ−ｗｅｌｌ層２１１を有する第一基板２１０と、入光部２０との間には、Ｎ―ｓｕｂ領域を形成するためのＮ型半導体基板２２０が介装されている。Ｎ型半導体基板２２０内には、固体撮像素子２０１の厚さ方向において、各フォトダイオード部１１と重なるように複数の第二導光部材２２１が配置されている。第二導光部２２１は、導光部３２と同様の材料で形成され、カラーフィルタ２２側から第一基板２１０側に向かって断面積が小さくなる略円錐台状または略角錐台状に形成されている。第二導光部２２１の第一基板側の端面２２１ａとＰ−ｗｅｌｌ層２１１とは離間しており、両者の間にＮ型半導体基板２２０の一部が存在してＮ―ｓｕｂ領域が確保されている。

画素分離部２１２は、各フォトダイオード部１１の周囲に設けられているが、図４の下側に示すように、当該フォトダイオード部が転送路として使用するＶＣＣＤ側には設けられず、ＶＣＣＤによる転送を妨げないように一部切れ目を有して形成されている。画素分離部の構成としては、上述の各実施形態で説明したもののいずれも採用可能である。

表面照射型のＣＣＤ型撮像素子では、ＶＣＣＤの設けられた領域に入射する光を光電変換することが容易でないため、感度の向上に限度があったが、固体撮像素子２０１では、裏面照射型にし、さらに第二導光部２２１を配置することで、厚さ方向においてＶＣＣＤが配置された領域に入射する光もフォトダイオード部１１に導いて光電変換することができ、さらなる感度向上が可能となる。

また、第二導光部２２１とＰ−ｗｅｌｌ層２１１との間にＮ型半導体基板２２０の一部が存在しているため、光電変換効率の向上と、基板垂直方向のオーバーフロードレイン機能を用いたグローバルな電子シャッターとを両立させることができる。
さらに、裏面照射型であるため、スミアノイズを低減するためにポリシリコンゲート２０２を覆う遮光メタル等を形成する必要がなく、構造を簡素にすることができる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

例えば、本発明において、導光部や第二導光部は、必ずしも単一の部材で形成される必要はなく、屈折率の異なる複数の部材で形成されてもよい。以下にそのような変形例について説明する。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ第一基板１０から導光部に入射した光が反射部４１で反射される態様を示す模式図である。なお、説明の便宜のため、絶縁層５０は除いて示している。
図５（ａ）に示すように、第一基板１０よりも大きい屈折率の材料で形成した導光部３３を配置することで、反射部４１に対する角度を変化させてより多くの光を反射部に到達させることができる。さらに、第一基板１０よりも屈折率の大きい材料を２種類用意し、より屈折率の大きい材料３５を反射部４１側に、材料３５よりも屈折率の小さい材料３４を第一基板側に配置して導光部３６を形成すると、より効率よく光を反射部に到達させることができる。このとき、相対的に屈折率の大きい材料３５の厚さｔ２が、相対的に屈折率の小さい材料３４の厚さｔ１よりも大きく設定されると、光を反射部に到達させやすく、好ましい。
さらに、第一基板よりも屈折率の大きい材料を３種類以上用いて多層構造の導光部を形成することももちろん可能である。

また、反射部を支持基板に設けるのに代えて、配線部の支持基板側の面に形成してもよい。

１、１０１、２０１ 固体撮像素子
１０、２１０ 第一基板（主基板）
１１ フォトダイオード部
１２、１０２、２１２ 画素分離部
２０ 入光部
３０ 配線部
３２、３３、３６ 導光部
４１ 反射部
１０３ 第二反射部
１０４ Ｐ＋型半導体
１０５ 読み出し回路
２０２ 保護層（配線部）
２２０ Ｎ型半導体基板
２２１ 第二導光部

Claims (6)

1. 複数のフォトダイオードと、該複数のフォトダイオードで光電変換により発生した信号を読み出す読み出し回路とが配置された主基板と、
   前記主基板の一方の面に設けられた入光部と、
   前記主基板の他方の面に設けられ、前記読み出し回路が読み出した信号を伝送する配線部と、
   前記配線部を貫通して設けられ、前記主基板よりも屈折率の大きい材料で形成されており、前記入光部から入射して前記フォトダイオードを通過した光が入射する導光部と、
   前記配線部上に設けられた支持基板の前記配線部側の面に形成されており、前記導光部に入射した光を前記主基板に向けて反射する反射部と、
   前記複数のフォトダイオード間に配置された画素分離部と、
   を備えることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記導光部は、前記主基板よりも屈折率の大きい材料を複数種類用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記画素分離部は、前記主基板の厚さ方向にわたって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記画素分離部は、前記主基板よりも高い反射率を有する第二反射部を有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記画素分離部は、前記主基板の厚さ方向における一方の端部にＰ＋型半導体を有することを特徴とする請求項３または４に記載の固体撮像素子。
6. 前記入光部と前記主基板との間に配置されたＮ型半導体基板と、
   前記Ｎ型半導体基板に設けられ、前記入光部に入射した光を前記フォトダイオードに導く第二導光部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の固体撮像素子。

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