JP2006080457A - Imaging device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、裏面照射型の固体撮像素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a back-illuminated solid-state imaging device and a method for manufacturing the same.
従来のCMOSセンサあるいはCCDセンサ等の固体撮像素子においては、半導体基板に画素となる光電変換部が形成され、光電変換部の信号電荷を読み出す手段等の半導体パターンを形成した基板主面側にカラーフィルタ及びオントップレンズを形成して、基板表面側から光を入射する方式が最も一般的である。しかし、この表面照射型の例えばCMOS型固体撮像素子では、半導体ウェハ表面に配線層、遮光層、あるいはゲート電極などが配置されていることから、光電変換部以外のパターン面積によって光電変換部であるフォトダイオードの開口率が低下し、取り扱い電荷量及び感度が低下するという問題があった。また、配線層、遮光層、あるいはゲート電極で乱反射された入射光が隣接する画素に入射することによって混色が発生する。 In a conventional solid-state imaging device such as a CMOS sensor or a CCD sensor, a photoelectric conversion unit serving as a pixel is formed on a semiconductor substrate, and a color is formed on the main surface of the substrate on which a semiconductor pattern such as a means for reading signal charges of the photoelectric conversion unit is formed. The most common method is to form a filter and an on-top lens so that light is incident from the substrate surface side. However, in this surface irradiation type CMOS solid-state imaging device, for example, a wiring layer, a light-shielding layer, or a gate electrode is disposed on the surface of the semiconductor wafer, so that it is a photoelectric conversion unit depending on the pattern area other than the photoelectric conversion unit. There has been a problem that the aperture ratio of the photodiode is lowered, and the amount of charge handled and sensitivity are lowered. In addition, color mixing occurs when incident light irregularly reflected by a wiring layer, a light shielding layer, or a gate electrode enters an adjacent pixel.
近年、これらの問題を解決するために、特許文献1にあるように、画素パターンが形成された主面とは反対側の半導体基板裏面、すなわちシリコンウェハ裏面にカラーフィルタ及びオンチップレンズを形成して、光を裏面から入射する裏面照射型の固体撮像素子が提案されている。
In recent years, in order to solve these problems, as disclosed in
図10に、従来のシリコン単結晶基板内部に光電変換部となるフォトダイオードを埋め込んだ裏面照射型のCMOS固体撮像素子の一例を示す。同図は要部の断面構造を示す。
この裏面照射型のCMOS固体撮像素子1は、第1導電型例えばp型のシリコン半導体基板2の表面に各画素を区画するための素子分離領域3を形成し、各区画領域に光電変換部となるフォトダイオード4、フォトダイオードの信号電荷を読み出すための複数のMOSトランジスタTr、例えば読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタの4つのMOSトランジスタが形成されて単位画素セル5が形成される。この単位画素セル5が多数個、2次元マトリクッス状に配列される。フォトダイオード4は、各赤色、緑色及び青色に対応したフォトダイオード4R、4G及び4Bが順次配列されるように形成される。
FIG. 10 shows an example of a back-illuminated CMOS solid-state imaging device in which a photodiode serving as a photoelectric conversion unit is embedded in a conventional silicon single crystal substrate. This figure shows the cross-sectional structure of the main part.
This back-illuminated CMOS solid-
フォトダイオード4は、p型半導体基板2の基板表面から所定の深さにわたってイオン注入により形成した第2導電型であるn型半導体領域6により形成される。MOSトランジスタTrなどは、p型半導体基板2の表面側に形成したn+ ソース/ドレイン領域8とゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極9により形成される。このp型半導体領域2の表面側には、層間絶縁膜9を介して所要パターンの多層配線10が形成される。
The
一般的には、これら多層配線層10が形成された後、表面上に第1のパシベーション膜12が成膜される。次いで、例えばシリコンウェハによる支持基板25が基板表面側の第1のパシベーション膜12上に接着された後、p型半導体基板2の裏面側が10μm以下になるまで研磨除去される。次いで、p型半導体基板2の裏面側にn型半導体領域6に接してp+ 半導体領域(いわゆるアキュミュレーション層)7が形成される。なお、フォトダイオード4を構成するn型半導体領域6の表面側にもp+半導体領域(いわゆるアキュミュレーション層)20が形成される。フォトダイオード4は、このp+半導体領域7,20、n型半導体領域26及びp型半導体基板2によるHAD(Hole Accumulation Diode)構造による埋込みフォトダイオードとして形成される。
Generally, after these
基板裏面側の埋込みフォトダイオード4直上に、シリコン酸化膜13、第2のパシベーション膜(例えばプラズマシリコン窒化膜)14が順次成膜され、この上に画素間の混色を防止するための遮光膜(例えばAl膜)15が形成される。さらに、透明平坦化膜16、カラーフィルタ17R、17G、17B及びオンチップレンズ18などの樹脂製薄膜が形成される。符号19はこの固体撮像素子1を収容したパッケージの上面に配置された赤外線カットフィルタである。
A
上述の裏面照射型のCMOS固体撮像素子1では、入射光のうち赤外線21は赤外線カットフィルタ19によりカットされてフォトダイオード4側への入射が阻止される。赤外線カットフィルタ19を透過した赤色光線22、緑色光線23、青色光線24は、それぞれ対応する赤色、緑色及び青色に対応するフォトダイオード4R、4G及び4Bに入射される。遮光膜15で反射された各色光線22、23、24はフォトダイオード4側に入射されない。
In the backside illumination type CMOS solid-
ところで、上述の裏面照射型のCMOS固体撮像素子1を製造するには、支持基板25を接着した後、半導体基板2、すなわち数100μm〜700μm厚の単結晶シリコンウェハの裏面を厚さt1 が10μm以下になるまで研磨除去することが必須である。しかし、単結晶シリコンウェハの全面を均一な厚さで研磨除去することは難しい。単結晶シリコンウェハの厚さが不均一になると、裏面側の埋込みフォトダイオード4の取り扱い電荷量及び感度がウェハ面内でバラツキを生じるという問題があった。
By the way, in order to manufacture the back-illuminated CMOS solid-
また、一般に、長波長の赤色光線22は単結晶シリコン中の吸収係数が小さいことから、特に混色が発生し易い。すなわち、撮像領域の周辺においてフォトダイオードの水平面に対して斜め方向から入射する赤色光線L1 は、単結晶シリコン中を透過して隣接画素〔緑色画素、青色画素〕のフォトダイオード4G,4B(図示の例ではフォトダイオード4B)に直接入射して混色の原因となる。この斜め方向からの入射光線L1 を遮光するためには、画素間に遮光膜15が必要であるが、単位画素セル5の微細化、集積化を行うために、隣接する画素間のフォトダイオード4を近づけ過ぎた場合、あるいは画素間の遮光膜15の幅W1 を小さくし過ぎた場合は、混色を防止することが困難になる。これは、結果的に埋込みフォトダイオード4の面積低下による取り扱い電荷量の低下、あるいは画素開口率の低下に伴う光利用効率の低下を招く。さらに、画素間に配置した遮光膜15の側面で反射した入射光線L2 が隣接画素〔青色画素、緑色画素〕のフォトダイオード4B,4G(図示の例ではフォトダイオード4G)へ入射して混色を発生するといった問題もあった。
In general, the long-wavelength
本発明は、上述の点に鑑み、各光電変換部の取り扱い電荷量及び感度の基板面内でバラツキの抑制及び混色防止、さらに光電変換部の開口率の低下、感度低下等を抑制できる裏面照射型の固体撮像素子を提供するものである。 In view of the above-mentioned points, the present invention provides backside irradiation that can suppress variation and prevention of color mixing within the substrate surface of the handling charge amount and sensitivity of each photoelectric conversion unit, and further suppress a decrease in aperture ratio, a decrease in sensitivity, etc. of the photoelectric conversion unit. A solid-state imaging device of a type is provided.
本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板に光電変換部と、光電変換部の信号電荷を読み出す手段からなる複数の画素が形成され、半導体基板の裏面側に各画素の光電変換部に近接した開口部を有して、少なくとも開口部の内壁面に反射膜が形成されてなり、半導体基板の裏面側の面を光照射面としたことを特徴とする。 In the solid-state imaging device according to the present invention, a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a means for reading out signal charges of the photoelectric conversion unit are formed on a semiconductor substrate, and are adjacent to the photoelectric conversion unit of each pixel on the back surface side of the semiconductor substrate. It has an opening, a reflection film is formed at least on the inner wall surface of the opening, and the surface on the back side of the semiconductor substrate is a light irradiation surface.
開口部の底面から半導体基板の表面までの距離としては、裏面側から照射された可視光を光電変換部へ入射できる距離に設定することが好ましい。
半導体基板の開口部が形成されない領域における裏面から開口部底面に対応する面までの距離としては、可視光を光電変換部まで到達させない距離に設定することが好ましい。
開口部の内壁面及び非開口領域の上面には、反射膜を有することが好ましい。
The distance from the bottom surface of the opening to the surface of the semiconductor substrate is preferably set to a distance at which visible light irradiated from the back side can enter the photoelectric conversion unit.
The distance from the back surface to the surface corresponding to the bottom surface of the opening in the region where the opening of the semiconductor substrate is not formed is preferably set to a distance that does not allow visible light to reach the photoelectric conversion unit.
It is preferable to have a reflective film on the inner wall surface of the opening and the upper surface of the non-opening region.
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面側に画素となる光電変換部からの信号電荷を読み出す手段を形成する工程と、半導体基板の裏面側に画素ごとに所定深さの開口部を選択的に形成する工程と、開口部を通じて不純物を導入し半導体基板内に各画素の光電変換部を形成する工程と、開口部の底面を除いて少なくとも開口部内壁面に反射膜を形成する工程を有し、半導体基板の裏面側の面を光照射面として形成することを特徴とする。 The solid-state imaging device manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a means for reading out signal charges from a photoelectric conversion unit serving as a pixel on the front surface side of a semiconductor substrate, and a predetermined depth for each pixel on the back surface side of the semiconductor substrate. A step of selectively forming the opening, a step of introducing impurities through the opening to form a photoelectric conversion portion of each pixel in the semiconductor substrate, and forming a reflective film on at least the inner wall surface of the opening except for the bottom surface of the opening And forming a surface on the back surface side of the semiconductor substrate as a light irradiation surface.
上記固体撮像素子の製造方法において、開口部を、裏面側から照射された可視光が開口部底面から光電変換部へ入射できる深さに形成することが好ましい。
上記固体撮像素子の製造方法において、開口部内壁面に反射膜を形成する工程としては、開口部の内面を含む基板裏面の全面に反射膜を形成した後、基板裏面側からエッチバックして、開口部の内壁面に自己整合的に前記反射膜を残すようにすると好ましい。
開口部の形成工程としては、開口部の形成されない領域において入射さる可視光が光電変換部まで到達しない距離を確保するような深さの開口部を形成することが好ましい。
開口部の底面を除いて少なくとも開口部内壁面に反射膜を形成する工程では、開口部の内壁面及び非開口領域の上面には反射膜が残るようにすることが好ましい。
In the method for manufacturing a solid-state imaging device, it is preferable that the opening is formed to a depth at which visible light irradiated from the back side can enter the photoelectric conversion unit from the bottom of the opening.
In the manufacturing method of the solid-state imaging device, as the step of forming the reflective film on the inner wall surface of the opening, the reflective film is formed on the entire surface of the back surface of the substrate including the inner surface of the opening, and then etched back from the back surface side of the substrate. It is preferable to leave the reflective film on the inner wall surface of the part in a self-aligning manner.
As the step of forming the opening, it is preferable to form an opening having a depth so as to secure a distance in which visible light incident in a region where the opening is not formed reaches the photoelectric conversion unit.
In the step of forming the reflective film on at least the inner wall surface of the opening except the bottom surface of the opening, it is preferable that the reflective film remains on the inner wall surface of the opening and the upper surface of the non-opening region.
本発明に係る裏面照射型の固体撮像素子によれば、半導体基板の裏面側に各画素の光電変換部に近接した開口部を有し、少なくとも開口部の内壁面に反射膜が形成されるので、特に撮像領域の周辺画素において斜め方向から入射する光は、開口部の内壁面の反射膜で反射される。このため斜め光は、対応する画素の光電変換部に入射され、隣接する画素への入射が阻止されて混色を回避することができる。この反射膜は、混色防止のための遮光と、入射光を光電変換部へ集光し導く光ガイドとして機能する。 According to the backside illumination type solid-state imaging device according to the present invention, the back surface of the semiconductor substrate has an opening close to the photoelectric conversion portion of each pixel, and a reflection film is formed at least on the inner wall surface of the opening. In particular, light incident from an oblique direction in the peripheral pixels of the imaging region is reflected by the reflective film on the inner wall surface of the opening. For this reason, the oblique light is incident on the photoelectric conversion unit of the corresponding pixel and is prevented from entering the adjacent pixel, thereby preventing color mixing. This reflective film functions as a light guide for preventing color mixing and a light guide for collecting and guiding incident light to the photoelectric conversion unit.
このように開口部の内壁面に形成された反射膜によって、画素間遮光と集光が同時に実現できるので、画素開口率の低下に伴う光利用率の低下、感度の低下、混色等が改善される。本発明では、反射膜が光集光の役割をはたすので、光利用率の向上が図れる。従来では単位画素セルのサイズが微細化するにしたがい画素間の混色防止が困難となるが、本発明では画素開口率を下げることなく微細サイズの画素でも理想的な混色防止を実現できる。 The reflection film formed on the inner wall surface of the opening as described above can simultaneously realize light shielding and condensing between pixels, thereby improving the light utilization rate, sensitivity reduction, color mixing, etc. accompanying the pixel aperture rate reduction. The In the present invention, since the reflection film plays a role of collecting light, the light utilization rate can be improved. Conventionally, it is difficult to prevent color mixture between pixels as the size of the unit pixel cell is miniaturized. However, according to the present invention, ideal color mixture prevention can be realized even for a fine pixel without reducing the pixel aperture ratio.
従来のように半導体基板の厚さを薄く均一に研磨除去する工程を必要としないため、半導体基板の厚さの不均一性を原因とする、従来のような光電変換部での取り扱い電荷量のバラツキ、及び感度のウェハ面内でのバラツキを生じさせることがない。また、半導体基板を薄く研磨除去することがないので、簡便な半導体プロセスにより裏面照射型の固体撮像素子を製造することがきる。 Since there is no need for a process for thinly and uniformly polishing and removing the semiconductor substrate as in the past, the amount of charge handled in the conventional photoelectric conversion unit due to non-uniformity in the thickness of the semiconductor substrate is reduced. Variations and sensitivity variations in the wafer surface do not occur. In addition, since the semiconductor substrate is not thinly removed by polishing, a back-illuminated solid-state imaging device can be manufactured by a simple semiconductor process.
開口部の底面から半導体基板の表面までの距離を、裏面側から照射された可視光を光電変換部へ入射できる距離に設定されるので、各画素での入射光による光電変換を十分に行うことができる。
半導体基板の開口部が形成されない領域における裏面から開口部底面に対応する面までの処理を、可視光が光電変換部まで到達させない距離に設定するので、上記領域の面上に反射膜が形成されていなくても、この領域を入射する可視光の悪影響は生じない。
開口部の内壁面及び非開口領域の上面に反射膜を有するときは、非開口領域から入射される光線が反射膜で反射され、光電変換部への光入射をより確実に阻止することができる。
The distance from the bottom surface of the opening to the surface of the semiconductor substrate is set to a distance at which visible light irradiated from the back side can be incident on the photoelectric conversion unit, so that sufficient photoelectric conversion is performed by incident light at each pixel. Can do.
Since the processing from the back surface to the surface corresponding to the bottom surface of the opening in the region where the opening of the semiconductor substrate is not formed is set to a distance at which visible light does not reach the photoelectric conversion unit, a reflective film is formed on the surface of the region. Even if not, the adverse effect of visible light entering this region does not occur.
When the reflective film is provided on the inner wall surface of the opening and the upper surface of the non-opening region, the light incident from the non-opening region is reflected by the reflective film, and light incidence to the photoelectric conversion unit can be more reliably prevented. .
本発明に係る裏面照射型の固体撮像素子の製造方法によれば、半導体基板の裏面側に画素ごとに所定深さの開口を選択的に形成する工程、開口部の底面を除いて少なくとも開口部内壁面に反射膜を形成する工程を有するので、斜め光による混色を防止し、光利用効率、感度を改善した固体撮像素子を製造することができる。
また、単位画素セルの微細化、高集積化されても混色の生じにくい裏面照射型のCMOS固体撮像素子を製造することができる。
半導体基板の厚さを薄く均一に研磨除去する工程を必要としないため、半導体基板の厚が全面均一となり、光電変換部の取り扱い電荷量、ウェハ面内での感度を均一にしたCMOS固体撮像素子を製造できる。また、従来の支持基板の貼り合せ工程、半導体基板の厚さを薄くする研磨工程などが省略されるので、製造が容易になる。
According to the manufacturing method of the backside illumination type solid-state imaging device according to the present invention, the step of selectively forming an opening of a predetermined depth for each pixel on the backside of the semiconductor substrate, at least inside the opening except the bottom of the opening Since the method includes the step of forming the reflective film on the wall surface, it is possible to manufacture a solid-state imaging device that prevents color mixing due to oblique light and improves light utilization efficiency and sensitivity.
Further, it is possible to manufacture a back-illuminated CMOS solid-state imaging device in which color mixing is unlikely to occur even when unit pixel cells are miniaturized and highly integrated.
A CMOS solid-state image pickup device in which the thickness of the semiconductor substrate is uniform over the entire surface and the amount of charge handled by the photoelectric conversion unit and the sensitivity within the wafer surface are uniform because the process of thinly and uniformly removing the semiconductor substrate is not required. Can be manufactured. Further, since the conventional support substrate bonding step and polishing step for reducing the thickness of the semiconductor substrate are omitted, the manufacturing becomes easy.
開口部を、裏面側から照射された可視光が開口部底面から光電変換部へ入射できる深さに形成することにより、各画素での入射光による光電変換を十分に行うことができ光電変換部を形成することができる。
開口部内壁に反射膜を形成する工程において、開口部の内面を含む基板裏面の全面に反射膜を形成した後、基板裏面側からエッチバックすることにより、自己整合的に開口部底面の反射膜が除去され、開口部内壁面のみに反射膜を残すことができる。
開口部の形成工程では、開口が形成されない領域において入射される可視光が光電変換部まで到達しない距離を確保するような深さの開口部を形成することにより、反射膜がなくても上記開口が形成されない領域からの光電変換部への光入射を阻止することができる。
反射膜を形成する工程で、開口部の内壁面及び非開口領域の上面に反射膜が残るようにするときには、非開口領域から入射される光線が反射膜で反射され、光電変換部への光入射をより確実に阻止することができる。
By forming the opening at a depth at which visible light irradiated from the back side can enter the photoelectric conversion unit from the bottom of the opening, photoelectric conversion by the incident light at each pixel can be sufficiently performed. Can be formed.
In the step of forming the reflective film on the inner wall of the opening, after forming the reflective film on the entire back surface of the substrate including the inner surface of the opening, the reflective film on the bottom surface of the opening is self-aligned by etching back from the back surface side of the substrate. And the reflective film can be left only on the inner wall surface of the opening.
In the step of forming the opening, the opening is formed even if there is no reflective film by forming an opening having a depth that secures a distance in which visible light incident in a region where the opening is not formed reaches the photoelectric conversion unit. It is possible to prevent light from entering the photoelectric conversion portion from a region where no is formed.
In the step of forming the reflective film, when the reflective film remains on the inner wall surface of the opening and the upper surface of the non-opening region, the light incident from the non-opening region is reflected by the reflective film, and light to the photoelectric conversion unit Incident can be prevented more reliably.
以下、図面を参照して本発明に実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本発明に係る裏面照射型の固体撮像素子をCMOS固体撮像素子に適用した実施の形態を示す。同図は撮像領域の要部の断面構造を示す。
本実施の形態に係る裏面照射型のCMOS固体撮像素子31は、第1導電型例えばp型のシリコン半導体基板、いわゆる単結晶シリコンウェハ32の表面(一方の主面)に各画素を区画するための素子分離領域33を形成し、各区画領域に光電変換部となるフォトダイオード34、フォトダイオード34の信号電荷を読み出すための複数のMOSトランジスタTr、例えば読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタの4つのMOSトランジスタが形成されて単位画素セル35が形成される。この単位画素セル35が多数個、2次元マトリクッス状に配列される。フォトダイオード34は、各赤色、緑色及び青色に対応したフォトダイオード34R、34G及び34Bが順次配列されるように形成される。
FIG. 1 shows an embodiment in which a back-illuminated solid-state imaging device according to the present invention is applied to a CMOS solid-state imaging device. This figure shows a cross-sectional structure of the main part of the imaging region.
The back-illuminated CMOS solid-
フォトダイオード34は、p型半導体基板32の基板表面から所定の深さにわたってイオン注入により形成した第2導電型である例えばn型半導体領域36により形成される。MOSトランジスタTrは、p型半導体基板32の表面側に形成したn+ ソース/ドレイン領域38とゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極39により形成される。このp型半導体領域32の表面側には、層間絶縁膜300を介して所要パターンの多層配線40が形成される。さらに、最上層の層間絶縁膜300上に例えばプラズマシリコン窒化膜等による第1のパシベーション膜42が形成される。
The photodiode 34 is formed by, for example, an n-
一方、単結晶シリコンウェハ32の裏面(他方の主面)には、従来のようにウェハ全体を薄く研磨除去することなく、各画素のフォトダイオード34のn型半導体領域36が露出するように所要の深さの開口部52が形成される。この開口部52は、開口部52の底面からウェハ表面(一方の主面)までの距離mがフォトダイオード34の深さ、例えば5μm〜10μmの厚さを残して形成される。また、開口部52の深さDは、開口部52間(いわゆる画素間)の開口部52が形成されない領域、すなわち非開口領域53において、可視光のうち最も長波長の赤色光線62がフォトダイオード34まで到達しないだけの十分な厚さ(距離)Fを確保できる深さに設定される。
On the other hand, it is necessary that the n-
このn型半導体領域36の露出面、開口部52の内壁面(すなわち内側面)を含む単結晶シリコンウェハ32の裏面全面に接して第1導電型のアキュミュレーション層、本例ではp+ 半導体領域37が形成される。なお、フォトダイオード4を構成するn型半導体領域6の表面側にも、アキュミュレーション層となるp+半導体領域46が形成される。フォトダイオード34は、このp+ 半導体領域37、46、n型半導体領域36及びp型半導体基板32によるHAD構造による埋込みフォトダイオードとして形成される。また、単結晶シリコンウェハ32の裏面には、開口部52の底面、側面の内壁面及び非開口領域53の上面を含む全面に絶縁膜の例えばシリコン酸化膜43が形成される。さらに、開口部52の底面を除いて少なくとも内壁面に反射膜45が形成される。反射膜45は金属膜が好ましく、例えばAl膜で形成される。そして、開口部52内に透明絶縁膜54が埋め込まれる。この透明絶縁膜54によりウェハ裏面は平坦化される。
An accumulation layer of the first conductivity type in contact with the entire back surface of the single
この平坦化されたウェハ裏面上に例えばプラズマシリコン窒化膜等による第2のパシベーション膜44が形成され、この上にカラーフィルタ47R、47G、47B、オンチップレンズ48などの樹脂製薄膜が画素ごとに形成される。符号49は、固体撮像素子31を収容したパッケ−ジの上面に配置された赤外線カットフィルタである。
A
CMOS固体撮像素子の周辺回路では、CMOSトランジスタで構成される。なお、図1では単位画素セルの複数のMOSトランジスタをnチャネルトランジスタで構成した。 The peripheral circuit of the CMOS solid-state image sensor is composed of CMOS transistors. In FIG. 1, the plurality of MOS transistors of the unit pixel cell are composed of n-channel transistors.
上述の本実施の形態に係る裏面照射型のCMOS固体撮像素子31では、光学レンズ系及び赤外線カットフィルタ49を通してウェハ裏面を光照射面としてウェハ裏面から光入射される。前述と同様に、入射光のうち赤外線61は赤外線カットフィルタ49によりカットされてフォトダイオード34側への入射が阻止される。赤外線カットフィルタ49を透過した赤色光線62、緑色光線63、青色光線64は、カラーフィルタを通して、それぞれ対応する赤色、緑色及び青色に対応するフォトダイオード34R、34G及び34Bに入射される。各色光線については、長波長の赤色光線62が最も深くフォトダイオード34R内に入射され、緑色光線63が赤色光線62より浅くフォトダイオード34G内に入射され、青色光線64が最も浅くフォトダイオード34B内に入射される。
In the backside illumination type CMOS solid-
そして、本実施形態の裏面照射型のCMOS固体撮像素子31によれば、単結晶シリコンウェハ32の裏面側を研磨除去せずに各画素に対応した領域にフォトダイオード34が臨むような開口部52を形成し、開口部52の底面を除いて少なくとも開口部52の内壁面に反射膜45を形成している。このような構成により、撮像領域の周辺画素においてフォトダイオード34に斜め方向から入射する光線(図示の例では長波長の赤色光線)L3 は、開口部52の内壁面の反射膜45で反射されて対応する画素のフォトダイオード34(図示の例では赤色に対応したフォトダイオード34R)に入射され、隣接する画素への入射が阻止されて混色を回避することができる。この反射膜45は、混色防止のための遮光と、入射光をフォトダイオード34へ集光し導く光ガイドの役割の機能を合せ持つ。
Then, according to the backside illumination type CMOS solid-
このように開口部52の内壁面に形成された反射膜45によって、画素間遮光と集光が同時に実現できるので、画素開口率の低下に伴う光利用率の低下、感度の低下、混色等の問題を生じることがない。本実施形態では、反射膜45が光集光の役割をはたすので、光利用率の向上が図れる。従来では単位画素セルのサイズが微細化するにしたがい画素間の混色防止が困難となるが、本実施の形態では画素開口率を下げることなく微細サイズの画素でも理想的な混色防止を実現できる。
Since the inter-pixel light shielding and condensing can be realized at the same time by the
一方、非開口領域53では、厚さ(距離)Fが可視光のうち最も長波長の赤色光線62がフォトダイオード34まで到達しないだけの十分な厚さ(距離)を確保しているので、光吸収層としての役割を果している。従って、非開口領域53に入射された可視光はフォトダイオード34へ入射されることがない。
On the other hand, the
本実施形態では、従来のように単結晶シリコンウェハ32の厚さを薄く均一に研磨除去する工程を必要としないため、単結晶シリコンウェハの厚さの不均一性を原因とする、従来のようなフォトダイオード34の取り扱い電荷量のバラツキ、及び感度のウェハ面内でのバラツキが生じない。また、単結晶シリコンウェハ32を薄く研磨除去することがないので、簡便な半導体プロセスにより裏面照射型のCMOS固体撮像素子を製造することがきる。
In the present embodiment, since the process of thinly and uniformly polishing and removing the thickness of the single
次に、図2〜図8を用いて上述の裏面照射型のCMOS固体撮像素子31の製造方法の一例を説明する。
先ず、図2に示すように、第1導電型、例えばp型の単結晶シリコンウェハ32を用意する。このp型の単結晶シリコンウェハ32の表面(一方の主面)に、例えば選択酸化(LOCOS)層、トレンチ分離等による画素分離のための素子分離領域33を形成する。また、ウェハ表面に光電変換部の電荷蓄積領域となる第2導電型の例えばn+ 半導体領域36aを形成し、第2導電型の例えばn+ ソース/ドレイン領域38とゲート絶縁膜とゲート電極39によるMOSトランジスタTrを形成する。n+ 半導体領域36aの基板表面側には、アキュミュレーション層となるp+半導体領域46を形成する。さらに、層間絶縁膜300を介して接続プラグ41、多層配線40を形成し、最上層の層間絶縁膜40上にだい1のパシベーション膜42を形成する。
Next, an example of a method for manufacturing the above-described back-illuminated CMOS solid-
First, as shown in FIG. 2, a first conductivity type, for example, p-type single
次に、図3に示すように、単結晶シリコンウェハ32の裏面(他方の主面)に各画素ごとに所要に深さDの開口部52を選択エッチングにより形成する。このとき、開口部52としては、ウェハ表面から開口部52の底面までの距離mが5μm〜10μm程度になるように選択エッチングして形成する。従って、隣合う開口部52間の非開口領域53の厚さFは、可視光のうちの最も波長の長い赤色光線が後に形成するフォトダイオードまで到達しないだけの十分な長さを確保することができる。
Next, as shown in FIG. 3, an
次に、図4に示すように、各開口部52の底面に臨むウェハ裏面にn+ 半導体領域36aに接続するようにn- 半導体領域36bを例えばイオン注入により形成し、n型半導体領域36を形成する。さらに、開口部52の底面に臨むn- 半導体領域36b、開口部52の内壁面及び非開口領域53の上面の全表面に不純物を導入して第1導電型であるp+ アキュミュレーション層37を形成する。このようにしてHAD構造の裏面埋め込み型のフォトダイオード34〔34R,34G,34B〕を形成する。
Next, as shown in FIG. 4, an n −
次に、図5に示すように、開口部52の内面を含むウェハ裏面全面に、絶縁膜(例えば熱酸化膜などのシリコン酸化膜)43を形成し、さらにその上に反射膜45となる金属膜、例えばAl膜を成膜する。
Next, as shown in FIG. 5, an insulating film (for example, a silicon oxide film such as a thermal oxide film) 43 is formed on the entire back surface of the wafer including the inner surface of the
次に、図6に示すように、反射膜45に対してエッチバックを施し、開口部52の底面の反射膜45を除去し、開口部52の内壁面(すなわち内側面)のみに反射膜45を残す。この反射膜45は自己整合的に所謂サイドウォールの反射膜として形成される。
Next, as shown in FIG. 6, the
次に、図7に示すように、開口部52内に、例えばSOG(シリコン・オン・グラス)膜などの透明絶縁膜54を形成し、ウェハ裏面を平坦化する。
その後、図8に示すように、平坦化されたウェハ裏面上に例えばプラズマシリコン窒化膜などの第2のパシベーション膜44を形成し、さらにカラーフィルタ47R、47G、47G、オンチップレンズ48を形成して目的の裏面照射型のCMOS固体撮像素子31を得る。
Next, as shown in FIG. 7, a transparent insulating
Thereafter, as shown in FIG. 8, a
本実施の形態の裏面照射型のCMOS固体撮像素子の製造方法によれば、単結晶シリコンウェハ32の厚さを薄く均一に研磨除去する工程を必要としないため、ウェハ厚が全面均一となり、フォトダイオード34の取り扱い電荷量、ウェハ面内での感度を均一にしたCMOS固体撮像素子を製造できる。また、従来の支持基板の貼り合せ工程、ウェハの厚さを薄くする研磨工程などが省略されるので、製造が容易になる。
According to the backside illumination type CMOS solid-state imaging device manufacturing method of the present embodiment, the thickness of the single
また、単位画素セルの微細化、高集積化されても混色の生じにくい裏面照射型のCMOS固体撮像素子を製造することができる。 Further, it is possible to manufacture a back-illuminated CMOS solid-state imaging device in which color mixing is unlikely to occur even when unit pixel cells are miniaturized and highly integrated.
開口部52の内壁面に反射膜45を形成する工程において、開口部52の内面を含むウェハ裏面の全面に反射膜45を形成した後、ウェハ裏面側からエッチバックすることにより、自己整合的に開口部52底面の反射膜45が除去され、開口部52の内壁面のみに反射膜45を残すことができる。
開口部52の形成工程では、非開口領域53における入射される可視光がフォトダイオード34まで到達しない距離を確保するような深さDの開口部を形成することにより、非開口領域53からのフォトダイオード34への光入射を阻止することができる。
In the step of forming the
In the step of forming the
なお、図9A,Bに、反射膜45のエッチバック工程の他の例を示す。この例では、反射膜45を開口部52内を含むウェハ全面に形成した後、非開口領域53の上面に選択的にレジストマスク67を形成し(図9A参照)、その状態で反射膜45に対して裏面側からエッチング処理を施す(図9B参照)。
このエッチバック処理によれば、開口部52の底面の反射膜45のみ除去し、他の開口部52の内壁面及び非開口領域53の上面には反射膜45が残る。従って、非開口領域53に入射される光線はこの反射膜45で反射され、フォトダイオード側へ入射を確実に阻止することができる。このように、非開口領域上にも反射膜45を残す構成としたとき、非開口領域53の厚さFは前述の条件を満たすことはない。
9A and 9B show another example of the etch back process of the
According to this etch back process, only the
上例では、本発明を裏面照射型のCMOS固体撮像素子に適用したが、その他、図示せざるも裏面照射型のCCD固体撮像素子にも適用することができる。この場合も、CCD固体撮像素子のウェハ裏面側に、上述したように各画素に対応して光電変換部が臨むように開口部を形成し、開口部の内壁面に反射膜を形成するようにして構成することができる。 In the above example, the present invention is applied to a back-illuminated CMOS solid-state image sensor. However, the present invention can also be applied to a back-illuminated CCD solid-state image sensor, which is not shown. Also in this case, an opening is formed on the back side of the wafer of the CCD solid-state imaging device so that the photoelectric conversion unit faces each pixel as described above, and a reflection film is formed on the inner wall surface of the opening. Can be configured.
31・・裏面照射型のCMOS固体撮像素子、32・・単結晶シリコンウェハ、33・・素子分離領域、34〔34R,34G,34B〕・・フォトダイオード、Tr・・MOSトランジスタ、35・・単位画素セル、36・・n型半導体領域、38・・ソース/ドレイン領域、39・・ゲート電極、40・・多層配線、41・・接続プラグ、37・・p+ アキュミュレーション層、42・・第1のパシベーション膜、43・・絶縁膜、44・・第2のパシベーション膜、45・・反射膜、47R、47G、47G・・カラーフィルタ、48・・オンチップレンズ、49・・赤外線カットフィルタ、52・・開口部、53・・非開口領域、61・・赤外線、62・・赤色光線、63・・緑色光線、64・・青色光線、100、300・・層間絶縁膜
31..Back-illuminated CMOS solid-state imaging device, 32..Single crystal silicon wafer, 33..Element isolation region, 34 [34R, 34G, 34B] .. Photodiode, Tr..MOS transistor, 35..Unit Pixel cell, 36..n-type semiconductor region, 38..source / drain region, 39..gate electrode, 40..multilayer wiring, 41..connection plug, 37..p + accumulation layer, 42 ..
Claims (9)
前記半導体基板の裏面側に前記各画素の光電変換部に近接した開口部を有して、少なくとも前記開口部の内壁面に反射膜が形成されてなり、
前記半導体基板の裏面側の面を光照射面とした
ことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels including a photoelectric conversion unit and a means for reading signal charges of the photoelectric conversion unit are formed on a semiconductor substrate,
It has an opening close to the photoelectric conversion part of each pixel on the back side of the semiconductor substrate, and a reflection film is formed on at least the inner wall surface of the opening,
A solid-state imaging device, wherein the rear surface of the semiconductor substrate is a light irradiation surface.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 2. The solid according to claim 1, wherein a distance from a bottom surface of the opening to a surface of the semiconductor substrate is set to a distance at which visible light irradiated from the back side can be incident on the photoelectric conversion unit. Image sensor.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 The distance from the back surface in the area | region where the said opening part of the said semiconductor substrate is not formed to the surface corresponding to an opening part bottom face is set to the distance which does not reach visible light to the said photoelectric conversion part. The solid-state imaging device described.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a reflective film on an inner wall surface of the opening and an upper surface of the non-opening region.
前記半導体基板の裏面側に前記画素ごとに所定深さの開口部を選択的に形成する工程と、
前記開口部を通じて不純物を導入し前記半導体基板内に各画素の光電変換部を形成する工程と、
前記開口部の底面を除いて少なくとも開口部内壁面に反射膜を形成する工程を有し、
前記半導体基板の裏面側の面を光照射面として形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 Forming a means for reading out signal charges from a photoelectric conversion section serving as a pixel on the surface side of the semiconductor substrate;
Selectively forming an opening of a predetermined depth for each pixel on the back side of the semiconductor substrate;
Introducing impurities through the opening to form a photoelectric conversion portion of each pixel in the semiconductor substrate;
Forming a reflective film on at least the inner wall surface of the opening except the bottom surface of the opening;
A method of manufacturing a solid-state imaging device, wherein the surface on the back surface side of the semiconductor substrate is formed as a light irradiation surface.
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子の製造方法。 The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 5, wherein the opening is formed to a depth at which visible light irradiated from the back side can enter the photoelectric conversion unit from the bottom of the opening.
前記開口部の内面を含む基板裏面の全面に反射膜を形成した後、基板裏面側からエッチバックして、前記開口部の内壁面に自己整合的に前記反射膜を残すようにする
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子の製造方法。 The step of forming a reflective film on the inner wall surface of the opening,
A reflective film is formed on the entire back surface of the substrate including the inner surface of the opening, and then etched back from the back surface of the substrate to leave the reflective film on the inner wall surface of the opening in a self-aligning manner. The method for producing a solid-state imaging device according to claim 5.
前記開口部の形成されない領域において入射さる可視光が光電変換部まで到達しない距離を確保するような深さの開口部を形成する
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子の製造方法。 The step of forming the opening includes
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 5, wherein an opening having a depth that secures a distance at which visible light incident in a region where the opening is not formed reaches a photoelectric conversion unit is formed.
前記開口部の内壁面及び非開口領域の上面には反射膜が残る
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子の製造方法。 In the step of forming a reflective film on at least the inner wall surface of the opening except the bottom surface of the opening,
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 5, wherein a reflective film remains on an inner wall surface of the opening and an upper surface of the non-opening region.
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