JP2014120610A - Solid-state image sensor - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device having a structure for receiving light from the back side.
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。 In recent years, an imaging device that converts an optical image into an electric signal is mounted on an imaging device such as a digital camera or a digital video camera. This imaging device is of a CCD (Charge Coupled Device) type. Replacement to a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, complementary metal oxide semiconductor) type is accelerating.
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。)。
Some recent CMOS image sensors have a light receiving surface on the back side of the image sensor in order to compensate for the sensitivity that decreases as the size of the image sensor decreases. Such a back-illuminated image sensor is mounted on various portable devices because it can maintain high sensitivity characteristics even if the element size is small.
As an example, there is an imaging technique in which a light receiving surface is formed on the back surface of a conventional front-illuminated image sensor to improve sensitivity by improving light use efficiency (see Patent Document 1).
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。)。
From the viewpoint of further improving the quality, various ideas have been proposed for the back-illuminated image sensor. For example, in order to prevent light signals and charge signals from leaking to adjacent pixels in a back-illuminated image sensor, there is a technique of separating pixels so as to surround a photodiode and improving color reproducibility (see Patent Document 2). ).
In addition, in order to further improve the sensitivity of the back-illuminated image sensor, the light that passes through the surface without being used after being incident from the back is reflected and refracted by the metal layer and the microlens formed on the surface. It has also been proposed to make the light incident again on the photodiode (see Patent Document 3).
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。
However, although the backside illumination type imaging device of Patent Document 2 can improve color reproducibility by pixel separation, there is no capture means for allowing an optical signal that passes through the photoelectric conversion unit to enter the photoelectric conversion unit again. There is a problem that effective use cannot be sufficiently performed.
Further, in the backside illumination type imaging device of Patent Document 3, when the readout circuit formed on the front side is taken into consideration, the effective area of the front side microlens that collects the light reflected by the metal layer is reduced, and the light There is a problem that effective use cannot be sufficiently performed.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of further improving the light use efficiency while receiving light from the back side.
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、前記配線部に設けられ、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。 The solid-state imaging device of the present invention is provided on a main substrate on which a plurality of photodiodes and a readout circuit that reads signals generated by photoelectric conversion by the plurality of photodiodes are arranged, and on one surface of the main substrate A light incident part, a wiring part provided on the other surface of the main substrate, for transmitting a signal read by the readout circuit, and provided in the wiring part, incident from the light incident part and passing through the photodiode A light guide unit that receives incident light, a reflection unit that reflects light incident on the light guide unit toward the main substrate, and a pixel separation unit disposed between the plurality of photodiodes. And
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。 The light guide may be formed using a plurality of types of materials having a refractive index larger than that of the main substrate.
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。 The pixel separation unit may be formed across the thickness direction of the main substrate. At this time, the pixel separation unit may include a second reflection unit having a higher reflectance than the main substrate, or may include a P + type semiconductor at one end in the thickness direction of the main substrate. May be.
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。 The solid-state imaging device according to the present invention includes an N-type semiconductor substrate disposed between the light incident portion and the main substrate, the light provided on the N-type semiconductor substrate and incident on the light incident portion. And a second light guide portion that guides the light.
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。 According to the solid-state imaging device of the present invention, light utilization efficiency can be further improved while receiving light from the back side.
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。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the solid-
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
A
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。
The operation of the solid-
The light incident on the
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。 In the conventional back-illuminated solid-state imaging device, particularly in the case of a thin type, the light in the long wavelength region easily passes through the photodiode, and a lot of the above-mentioned unused light is generated. Since unused light does not contribute to photoelectric conversion, it is difficult to increase the sensitivity of red and other regions having a long wavelength. Furthermore, in digital still cameras that use back-illuminated solid-state image sensors, an infrared cut filter may be placed in front of the image sensor to block extra infrared light. The sensitivity of the device may be further reduced. In such a case, the optical signal in the long wavelength region after photoelectric conversion must be electrically amplified, and an image with a low signal-to-noise ratio (S / N ratio) can be obtained. It was connected.
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。
According to the solid-
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。
In addition, since the
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。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 3B. The difference between the solid-
FIG. 2 is a partially enlarged view showing the periphery of the
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。
The second reflecting
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。
As a material of the second reflecting
On the other hand, Cu (copper) is also often used as a through electrode material. However, since Cu has a large diffusion coefficient with respect to silicon, when the second reflective portion is formed in direct contact with silicon using Cu, the Cu atom becomes silicon. It should be avoided because it diffuses inside and causes so-called heavy metal contamination. In the case of using Cu, it is preferable to form the second reflecting portion so that Cu and silicon are not in direct contact with each other by providing a barrier layer of another material between Cu and silicon.
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。
FIG. 3A is a partially enlarged view of the
FIG. 3B is a partially enlarged view of the
As shown in FIG. 2, a part of the
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。
In the solid-
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。
Further, since the P +
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。 In the pixel separation portion of this embodiment, a P + type semiconductor is not essential. Further, the P + type semiconductor is not necessarily provided at both ends of the second reflecting portion, and even if it is provided only on one side, the silicon portion can be connected to facilitate stabilization of the potential. However, when it is provided on one side, it is preferable to provide it on the wiring part side because it can be easily connected to the contact.
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。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The solid-state image sensor of the present embodiment is a CCD type back-illuminated image sensor.
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。
FIG. 4 is a partially enlarged view showing a cross section of the solid-
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。
In the solid-
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。
Although the
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。
The front-illuminated CCD image sensor has a limit in improving sensitivity because it is not easy to photoelectrically convert the light incident on the area where the VCCD is provided. However, the solid-
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。
In addition, since a part of the N-
Furthermore, since it is a back-illuminated type, it is not necessary to form a light shielding metal or the like that covers the
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。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and combinations of components or components may be changed without departing from the spirit of the present invention. It is possible to make various changes to or delete them.
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。 For example, in the present invention, the light guide and the second light guide are not necessarily formed of a single member, and may be formed of a plurality of members having different refractive indexes. Such modifications will be described below.
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。
FIG. 5A and FIG. 5B are schematic diagrams illustrating a mode in which light incident on the light guide unit from the
As shown in FIG. 5A, by arranging the
Furthermore, it is of course possible to form a light guide portion having a multilayer structure using three or more materials having a refractive index higher than that of the first substrate.
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。 Further, instead of providing the reflection portion on the support substrate, the reflection portion may be formed on the surface of the wiring portion on the support substrate side.
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
1, 101, 201 Solid-
DESCRIPTION OF
220 N-
Claims (6)
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、
前記配線部に設けられ、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。 A main substrate on which a plurality of photodiodes and a readout circuit for reading signals generated by photoelectric conversion by the plurality of photodiodes are disposed;
A light incident portion provided on one surface of the main substrate;
A wiring portion that is provided on the other surface of the main substrate and transmits a signal read by the readout circuit;
A light guide unit provided in the wiring unit, into which light incident from the light incident unit and passed through the photodiode is incident;
A reflection part that reflects the light incident on the light guide part toward the main substrate;
A pixel separator disposed between the plurality of photodiodes;
A solid-state imaging device comprising:
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。 An N-type semiconductor substrate disposed between the light incident portion and the main substrate;
A second light guide part provided on the N-type semiconductor substrate and guiding the light incident on the light incident part to the photodiode;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising:
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