JP2011159985A - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置であって、光電変換部PDと画素トランジスタTrからなる複数の画素24が配列された画素領域23と、画素領域23に形成された遮光膜39と、遮光膜39より受光部側にある反射防止膜36とを有し、反射防止膜36がハフニウム酸化膜38を有している。
【選択図】図2
Description
(1)隣接画素への光学混色を完全に抑えることが極めて困難である。監視、携帯電話などの用途には問題ないが、オーディオ・ビデオ(AV))[カムコーダ、デジタルスチルカメラなど]用途には更なる混色低減が必要である。
(2)周辺回路領域へのノイズ防止と、光学的黒レベル決定のため、有効画素周辺部に遮光膜が設けられているが、遮光膜の段差により有効画素の周辺部で集光状態が変わり、均一な光学特性が実現できない。すなわち、図29に示すように、有効画素領域13Aの外側の光学的黒レベル領域(いわゆるオプティカルブラック領域)113Bから周辺回路部125にわたって絶縁膜127を介して遮光膜126が形成される。この上に、オンチップカラーフィルタ121及びオンチップマイクロレンズ122が形成される。このとき、遮光膜126の有無による段差により、有効画素領域113Aの周辺部とその内側の中央部において、オンチップマイクロレンズ122のレンズ面の高さの差dが生じる。この高さの差dに起因して集光状態が変わり、有効画素領域の中央部の明るさに対して周辺部で暗くなり、均一な光学特性が得られない。いわゆる感度むらが発生する。
(3)高輝度光源撮影時に、オンチップマイクロレンズ122、オンチップカラーフィルタ121による反射、回折光が固体撮像装置のパッケージ上のシールガラス等に反射して、再び固体撮像装置に入射し、RGB画素に均一に混色する。この混色により、裏面照射型固体撮像装置に特有の高輝度光源から放射状にMg色の筋状画像欠陥(以降Mg色のフレアと表記)が発生する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.CMOS固体撮像装置の概略構成例
2.第1実施の形態(固体撮像装置の構成例とその製造方法の例)
3.第2実施の形態(固体撮像装置の構成例とその製造方法の例)
4.第3実施の形態(固体撮像装置の構成例)
5.第4実施の形態(固体撮像装置の構成例)
6.第5実施の形態(固体撮像装置の構成例)
7.第6実施の形態(固体撮像装置の構成例)
8.第7実施の形態(固体撮像装置の構成例)
9.第8実施の形態(固体撮像装置の構成例)
10.第9実施の形態(固体撮像装置の構成例)
11.第10実施の形態(固体撮像装置の構成例)
12.第11実施の形態(固体撮像装置の構成例)
13.第12実施の形態(固体撮像装置の構成例)
14.第13実施の形態(固体撮像装置の構成例)
15.第14実施の形態(固体撮像装置の構成例)
16.第15実施の形態(電子機器の構成例)
裏面照射型固体撮像装置に特有のMgフレア141の強度は、解析の結果概ね以下の関係にあることが分かった。
Mgフレア強度=入射光強度×イメージセンサ斜め反射率×シールガラス等反射率×イメージセンサ斜め感度。
従ってMgフレア低減方法としては、主に3通り考えられる。A:画素構造に工夫して回折光L2の発生を抑える。B:シールガラス等の界面に反射防止膜を形成する。C:シールガラス等で再反射して戻ってくる回折光L3を画素構造に工夫して低減する。
対策Aはイメージセンサのウェハ製造工程での対策となり、単価上昇は比較的軽微である。対策Aは、回折光の発生源を抑える意味で本質的であり、成膜条件を適切に設定することで感度向上のメリットもあるが、民生用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ向けの裏面照射型固体撮像装置で問題となる光学混色に対しては低減効果がない。
対策Cは、対策A同様イメージセンサのウェハ製造工程での対策であり、本発明の実施の形態では単価上昇はないことが大きなメリットとなる。対策Cは、回折光の発生量、シールガラス反射率は共に変わらないが、裏面照射型固体撮像装置で大きく取れるイメージセンサ斜め感度を抑制することによりMgフレア対策として有効である。また、同時に民生用のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ向けの裏面照射型固体撮像装置で問題となる光学混色に対しても有効である。遮光膜は、開口デザインを適切に設定することで、光学裏面照射型固体撮像装置として期待される光学特性(高感度、低シェーディング)の優位性は維持しつつ、Mgフレアと光学混色を十分抑制できることが分かった。
以下に説明する裏面照射型固体撮像装置の実施の形態では、Mgフレア低減に関して、対策A及び/又は対策B、Cに基いて構成される。
図1に、本発明の各実施の形態に適用されるCMOS固体撮像装置の一例の概略構成を示す。本例の固体撮像装置1は、図1に示すように、半導体基板11例えばシリコン基板に複数の光電変換素子を含む画素2が規則的に2次元的に配列された画素領域(いわゆる撮像領域)3と、周辺回路部とを有して構成される。画素2は、光電変換素子となる例えばフォトダイオードと、複数の画素トランジスタ(いわゆるMOSトランジスタ)を有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの3つのトランジスタで構成することができる。その他、選択トランジスタ追加して4つのトランジスタで構成することもできる。単位画素の等価回路は通常と同様であるので、詳細説明は省略する。画素2は、共有画素構造とすることもできる。この画素共有構造は、複数のフォトダイオードと、複数の転送トランジスタと、共有する1つのフローティングディフージョンと、共有する1つずつの他の画素トランジスタとから構成される。
[固体撮像装置の構成例]
図2に、本発明に係る固体撮像装置の第1実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。第1実施の形態に係る固体撮像装置21は、例えばシリコンによる半導体基板22に複数の画素が配列された画素領域(いわゆる撮像領域)23と、図示しないが画素領域23の周辺に配置された周辺回路部を形成して構成される。単位画素24は、光電変換部となるフォトダイオードPDと複数の画素トランジスタTrとから構成される。フォトダイオードPDは、半導体基板22の厚み方向の全域にわたるように形成され、第1導電型、本例ではn型半導体領域25と基板の表裏両面に臨むように第2導電型、本例ではp型半導体領域26とによるpn接合型のフォトダイオードとして構成される。基板の表裏両面に臨むp型半導体領域は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
図6及び図7に、第1実施の形態の固体撮像装置21の製造方法を示す。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分の符号は図2を参照している。
[固体撮像装置の構成例]
図8に、本発明に係る固体撮像装置の第2実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。第2実施の形態に係る固体撮像装置51は、第1実施の形態と同様に、例えばシリコンによる半導体基板22に複数の画素が配列された画素領域23と、図示しないが画素領域23の周辺に配置された周辺回路部を形成して構成される。周辺回路部にはロジック回路が形成される。単位画素24は、光電変換部となるフォトダイオードPDと複数の画素トランジスタTrとから構成される。フォトダイオードPDは、半導体基板22の厚み方向の全域にわたるように形成され、第1導電型、本例ではn型半導体領域25と基板の表裏両面に臨むように第2導電型、本例ではp型半導体領域26とによるpn接合型のフォトダイオードとして構成される。基板の表裏両面に臨むp型半導体領域は、暗電流抑制のための電荷蓄積領域を兼ねている。
図9及び図10に、第2実施の形態の固体撮像装置51の製造方法を示す。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分の符号は図8を参−照している。
[固体撮像装置の構成例]
図12に、本発明に係る固体撮像装置の第3実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。第3実施の形態に係る固体撮像装置56は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPDが形成され、周辺回路部57にロジック回路(図示しない)が形成され、半導体基板22の裏面22B上に反射防止膜36、絶縁膜52が順に形成されて成る。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
[固体撮像装置の構成例]
図13に、本発明に係る固体撮像装置の第4実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第4実施の形態に係る固体撮像装置59は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPDが形成され、周辺回路部57にロジック回路(図示しない)が形成され、半導体基板22の裏面22B上に反射防止膜36、絶縁膜52が順に形成されて成る。
その他の構成は、第2実施の形態、第3実施の形態で説明したと同様であるので、図8、図12と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
[固体撮像装置の構成例]
図15に、本発明に係る固体撮像装置の第5実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第5実施の形態に係る固体撮像装置63は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPD形成され、周辺回路部(図示しない)にロジック回路が形成されて成る。フォトダイオードPD及び画素トランジスタからなる各画素は、素子分離領域27にて分離される。フォトダイオードPDの受光面となる基板裏面22B上には、反射防止膜36及び絶縁膜52が形成され、絶縁膜52上の画素境界に格子状の遮光膜39が形成される。
層内レンズ64上に例えば有機膜による平坦化膜67が形成され、この平坦化膜67上に順次オンチップカラーフィルタ42及びオンチップマイクロレンズ43が形成される。本実施の形態における層内レンズ64は、いわばオンチップカラーフィルタ42の下層、すなわち反射防止膜36とオンチップカラーフィルタ42間に形成されることになる。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
その他、画素境界の遮光膜39による隣接画素への光学混色の低減、回折光の有効画素への入射を抑制してMgフレア発生の低減、平坦化膜41による有効画素領域内での均一な感度などの第2実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。かくして第5実施の形態に係る裏面照射型の固体撮像装置63は、画質の向上を図ることができる。
[固体撮像装置の構成例]
図16に、本発明に係る固体撮像装置の第6実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第6実施の形態に係る固体撮像装置67は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPD形成され、周辺回路部(図示しない)にロジック回路が形成されて成る。フォトダイオードPD及び画素トランジスタからなる各画素は、素子分離領域27にて分離される。フォトダイオードPDの受光面となる基板裏面22B上には、反射防止膜36及び絶縁膜52が形成され、絶縁膜52上の画素境界に格子状の遮光膜39が形成される。さらに、遮光膜39を含む絶縁膜52上に平坦化膜41を介して、オンチップカラーフィルタ42及びオンチップマイクロレンズ43が形成される。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
その他、画素境界の遮光膜39による隣接画素への光学混色の低減、回折光の有効画素への入射を抑制してMgフレア発生の低減、平坦化膜41による有効画素領域内での均一な感度などの第2実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。かくして第6実施の形態に係る裏面照射型の固体撮像装置67は、画質の向上を図ることができる。
[固体撮像装置の構成例]
図17に、本発明に係る固体撮像装置の第7実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第7実施の形態に係る固体撮像装置71は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPD形成され、周辺回路部(図示しない)にロジック回路が形成されて成る。フォトダイオードPD及び画素トランジスタからなる各画素は、素子分離領域27にて分離される。フォトダイオードPDの受光面となる基板裏面22B上には、反射防止膜36及び絶縁膜52が形成され、絶縁膜52上の画素境界に格子状の遮光膜39が形成される。さらに、遮光膜39を含む絶縁膜52上に平坦化膜41を介して、オンチップカラーフィルタ42及びオンチップマイクロレンズ43が形成される。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
その他、画素境界の遮光膜39による隣接画素への光学混色の低減、回折光の有効画素への入射を抑制してMgフレア発生の低減、平坦化膜41による有効画素領域内での均一な感度などの第2実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。かくして第7実施の形態に係る裏面照射型の固体撮像装置71は、画質の向上を図ることができる。
[固体撮像装置の構成例]
図18に、本発明に係る固体撮像装置の第8実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第8実施の形態に係る固体撮像装置74は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPD形成され、周辺回路部(図示しない)にロジック回路が形成されて成る。フォトダイオードPD及び画素トランジスタからなる各画素は、素子分離領域27にて分離される。フォトダイオードPDの受光面となる基板裏面22B上には、反射防止膜36及び絶縁膜52が形成され、絶縁膜52上の画素境界に格子状の遮光膜39が形成される。さらに、遮光膜39を含む絶縁膜52上に平坦化膜41を介して、オンチップカラーフィルタ42及びオンチップマイクロレンズ75が形成される。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
その他、画素境界の遮光膜39による隣接画素への光学混色の低減、回折光の有効画素への入射を抑制してMgフレア発生の低減、平坦化膜41による有効画素領域内での均一な感度などの第2実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。かくして第8実施の形態に係る裏面照射型の固体撮像装置74は、画質の向上を図ることができる。
[固体撮像装置の構成例]
図19に、本発明に係る固体撮像装置の第9実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第9実施の形態に係る固体撮像装置77は、半導体基板22の画素領域23に各フォトダイオードPD形成され、周辺回路部(図示しない)にロジック回路が形成されて成る。フォトダイオードPD及び画素トランジスタからなる各画素は、素子分離領域27にて分離される。フォトダイオードPDの受光面となる基板裏面22B上には、反射防止膜36及び絶縁膜52が形成され、絶縁膜52上の画素境界に格子状の遮光膜39が形成される。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
その他、画素境界の遮光膜39による隣接画素への光学混色の低減、回折光の有効画素への入射を抑制してMgフレア発生の低減、平坦化膜41による有効画素領域内での均一な感度などの第2実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。かくして第9実施の形態に係る裏面照射型の固体撮像装置77は、画質の向上を図ることができる。
[固体撮像装置の構成例]
図20に、本発明に係る固体撮像装置の第10実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第10実施の形態に係る固体撮像装置79は、前述の第6実施の形態(図16参照)において、画素境界の遮光膜39を省略した構成である。なお周辺回路部及び光学的黒レベル領域は、従来例どおり、遮光する。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
[固体撮像装置の構成例]
図21に、本発明に係る固体撮像装置の第11実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第11実施の形態に係る固体撮像装置81は、前述の第7実施の形態(図17参照)において、画素境界の遮光膜39を省略した構成である。なお周辺回路部及び光学的黒レベル領域は、従来例どおり、遮光する。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
かくして第11実施の形態に係る裏面照射型の固体撮像装置81は、画質の向上を図ることができる。
[固体撮像装置の構成例]
図22に、本発明に係る固体撮像装置の第12実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のCMOS固体撮像装置である。同図はいずれも基板表面側の一部を省略して要部の断面構造のみを示している。省略部分は図8と同じである。第12実施の形態に係る固体撮像装置83は、前述の第8実施の形態(図18参照)において、画素境界の遮光膜39を省略した構成である。なお周辺回路部及び光学的黒レベル領域は、従来例どおり、遮光する。
その他の構成は、第2実施の形態で説明したと同様であるので、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
[固体撮像装置の構成例]
図23に、本発明に係る固体撮像装置の第13実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、表面照射型のCMOS固体撮像装置である。第13実施の形態に係る固体撮像装置85は、例えばシリコンによる半導体基板22に複数の画素が配列された画素領域(いわゆる撮像領域)23と、図示しないが画素領域23の周辺に配置された周辺回路部を形成して構成される。単位画素24は、光電変換部となるフォトダイオードPDと複数の画素トランジスタTrとから構成される。フォトダイオードPDは、半導体基板22の厚み方向の全域にわたるように形成され、第1導電型、本例ではn型半導体領域25と基板の表裏両面に臨むように第2導電型、本例ではp型半導体領域26とによるpn接合型のフォトダイオードとして構成される。基板の表裏両面に臨むp型半導体領域は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
[固体撮像装置の構成例]
図24に、本発明に係る固体撮像装置の第14実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、表面照射型のCMOS固体撮像装置である。第14実施の形態に係る固体撮像装置89は、第13実施の形態と同様に、例えばシリコンによる半導体基板22に複数の画素が配列された画素領域(いわゆる撮像領域)23と、図示しないが画素領域23の周辺に配置された周辺回路部を形成して構成される。周辺回路部にはロジック回路が形成される。単位画素24は、光電変換部となるフォトダイオードPDと複数の画素トランジスタTrとから構成される。フォトダイオードPDは、半導体基板22の厚み方向の全域にわたるように形成され、第1導電型、本例ではn型半導体領域25と基板の表裏両面に臨むように第2導電型、本例ではp型半導体領域26とによるpn接合型のフォトダイオードとして構成される。基板の表裏両面に臨むp型半導体領域は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
[電子機器の構成例]
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器、などの電子機器に適用することができる。
Claims (14)
- 光電変換部と画素トランジスタからなる複数の画素が配列された画素領域と、
前記画素領域に形成された遮光膜と、
前記遮光膜より受光部側にある反射防止膜と
を有し、
前記反射防止膜がハフニウム酸化膜を有し、
受光面とは反対側に層間絶縁膜を介して複数層の配線を形成してなる多層配線層が形成された裏面照射型固体撮像装置として構成されている
固体撮像装置。 - 受光面側にオンチップカラーフィルタと、オンチップマイクロレンズとを有する
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記遮光膜が、半導体基板のグランド領域に接地されている
請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記遮光膜は、画素境界の遮光膜を有する
請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記画素境界の遮光膜と同層でかつ同時に形成された光学的黒レベル領域の遮光膜を有する
請求項4記載の固体撮像装置。 - 前記画素境界の遮光膜と同層でかつ同時に形成された周辺回路部の遮光膜を有する
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記遮光膜の直上に平坦化膜を有する
請求項1乃至6のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記平坦化膜の上にオンチップカラーフィルタが形成されている
請求項7記載の固体撮像装置。 - 前記遮光膜は、アルミニウム、タングステンまたは銅で形成される
請求項1乃至8のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路を備え、
前記固体撮像装置は、
光電変換部と画素トランジスタからなる複数の画素が配列された画素領域と、
前記画素領域に形成された遮光膜と、
前記遮光膜より受光部側にある反射防止膜と
を有し、
前記反射防止膜がハフニウム酸化膜を有し、
受光面とは反対側に層間絶縁膜を介して複数層の配線を形成してなる多層配線層が形成された裏面照射型固体撮像装置として構成されている
電子機器。 - 前記固体撮像装置は、
受光面側にオンチップカラーフィルタと、オンチップマイクロレンズとを有する
請求項10記載の電子機器。 - 前記遮光膜が、半導体基板のグランド領域に接地されている
請求項10又は11記載の電子機器。 - 前記固体撮像装置の前記遮光膜は、画素境界の遮光膜を有する
請求項10乃至12のいずれかに記載の電子機器。 - 前記画素境界の遮光膜と同層でかつ同時に形成された光学的黒レベル領域の遮光膜を有する
請求項13記載の電子機器。
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