JP4599417B2

JP4599417B2 - 裏面照射型固体撮像素子

Info

Publication number: JP4599417B2
Application number: JP2008021202A
Authority: JP
Inventors: 一成大井
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: JP2009182223A

Description

本発明は、撮像画像の解像度が高く且つ隣接画素間の混色を抑制できる構造を備える裏面照射型固体撮像素子に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子には、表面照射型と裏面照射型とがある。イメージセンサの主要電子素子である信号読出回路（ＣＭＯＳイメージセンサであればトランジスタ回路及び配線層，ＣＣＤイメージセンサであれば配線を含む電荷転送路）が形成された半導体基板の一面側（この面を「表面側」ということにする。）と同一面で、被写体からの入射光を受光する構造になっているものが表面照射型である。

これに対し、裏面照射型とは、例えば図６に示す様に、信号読出回路が形成された半導体基板表面側と反対側の面、すなわち、裏面で被写体からの入射光を受光する構造のものをいう。

図６に例示する裏面照射型固体撮像素子１は、信号読出回路として電荷転送路を備えるＣＣＤ型であり、シリコン基板２の表面側に、フォトダイオードを構成するｎ領域３と、電荷転送路の埋め込みチャネルを構成するｎ領域４とが設けられる。ｎ領域４の側部や下側（裏面側）にはｐ領域５が設けられる。

シリコン基板２の表面にはゲート絶縁膜６が形成され、ｎ領域４上にはゲート絶縁膜６を介して転送電極（ポリシリコン電極）７が形成され、その上に、絶縁層８を介して遮光膜９が積層される。ｎ領域３の表面には暗電流抑制用のｐ層１０が設けられている。

遮光膜９の上には平坦化膜１１が積層され、その上に、支持基板１２が設けられる。半導体基板２の裏面側表面にはｐ層１３が形成され、その上に、カラーフィルタ層１４が積層され、その上に、マイクロレンズ１５が積層される。

斯かる構成の裏面照射型固体撮像素子１では、半導体基板２の裏面側から光が入射する。この入射光は、オンチップマイクロレンズ１５でｎ領域３の電子捕獲領域３ａ方向に集光され、更にカラーフィルタ１４を透過する波長だけがｎ領域３の感光部に入射する。入射光の波長とシリコン基板２の吸収係数に応じた深さで、入射光は電子に光電変換される。

光電変換された電子は、感光部内の図７に示す電位勾配（図６のVII―VII’線断面における電位勾配）によって移動し、電子捕獲領域３ａに溜まる。波長の長い入射光ほど深い部位まで侵入して光電変換される。

入射光線は、図示しないカメラの撮影レンズの瞳位置と明るさ（ＦF値）に依存した主光線角度に加え、上下光線角度の広がりを持って入射する。その結果、例えば、赤のカラーフィルタを透過した光の一部は、隣接する緑のカラーフィルタを持つ画素の所まで到達した後、光電変換されて電子となり、緑画素の電子捕獲領域３ａに捕獲されて撮像画像信号となる。

この様に、隣接画素まで入射光が入ると、これは撮像画像の解像度を劣化させる要因となる。また、赤の画素信号として発生した電子の一部が、熱拡散により基板２内を水平方向に移動して、隣接する緑画素の電子捕獲領域に捕獲されると、これは混色信号となり、色再現性と色ＳＮを劣化させる要因となる。

この様に、図６に示す構造のままでは、信号の分離が困難になるため、特許文献１，２，３，４，５に示す様に、これら従来の欠点を改善する提案がなされている。

特許文献１，２の裏面照射型固体撮像素子では、画素間の良好な分離を図るために、光電変換する半導体基板内に多層の異なる濃度層を設けて図７に示す電位勾配より急な勾配を形成し、画素位置に入射した光によって発生した電子（信号電荷）を、その画素の捕獲領域に誘導する構造にしている。しかし、この構成では、入射光の隣接画素への漏れ込みを防ぐことはできない。

特許文献３の裏面照射型固体撮像素子では、図６の構造で発生する横方向（水平方向）の電子（信号電荷）の拡散を防ぐために、画素間に、光電変換部とは異なるｐ型不純物領域によるポテンシャルバリアを設けている。

しかし、この構成では、信号電荷の横方向への拡散を特許文献１，２のものより防止できるが、入射光の隣接画素への漏れ込みを防ぐことはできない。また、ポテンシャルバリアを深く形成するためにイオン注入や熱拡散を行うため、光電変換部と異なるｐ型不純物が横方向に拡散してしまい、フォトダイオードの実効的な電荷捕獲領域が小さくなってしまうという課題も生じる。

特許文献４の裏面照射型固体撮像素子は、画素の隣接部分に光を反射する膜を設けることで、隣接画素への入射光の直接的な漏れ込みを抑制する構造を備えている。しかし、入射光が所定角度で入射した場合には効果的に隣接画素への漏れ込みを抑制できるが、反射膜で反射させることで光路を曲げているだけなので、多重反射した光については、その挙動を制御しにくいという課題がある。

特許文献５の裏面照射型固体撮像素子は、光入射面に配置した透明電極に、信号電荷蓄積動作を行っている時とは異なる所定電位を印加することで透明電極側のポテンシャルを光電変換部よりも低くし、光電変換部に蓄積されている信号電荷を透明電極側に引き抜く構造としている。

この構造は、画面全体の信号電荷を同時に引き抜くことに向いているが、画素毎、行毎、列毎、所定の大きさ、形状のブロック毎などに分けて引き抜く構造にするには、製造上の困難を伴うという課題がある。

特開２００６―６６７１０号公報特開２００６―１３４９１５号公報特開２００５―２９４７０５号公報特開２００６―８０４５７号公報特開２００１―２５７３３７号公報

本発明の目的は、隣接画素間の信号電荷の拡散及び入射光の直接的な漏れ込みを共に抑制し、解像度が高く混色の少ない被写体画像を撮像することができる裏面照射型固体撮像素子を提供することにある。

（１）半導体基板の第１面（以下、表面という。）側に二次元アレイ状に複数のフォトダイオードが形成され、該半導体基板の第２面（以下、裏面という。）側から入射した光によって発生した信号電荷を前記フォトダイオードの各々が検出する裏面照射型固体撮像素子において、前記フォトダイオードの各々を隣接する前記フォトダイオードから分離するトレンチ構造の溝を持つ素子分離領域が前記裏面側に形成され、前記溝の中に光を遮断する金属が充填され、前記金属に外部から所定電圧を印加する配線が接続され、前記所定電圧が電子シャッタ時に印加されたとき前記フォトダイオードの蓄積電荷が前素子分離領域の前記金属を通して廃棄されることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子。
（２）前記所定電圧は、前記溝の内周面電位を安定化させ暗電流発生を抑制する電圧であることを特徴とする（１）に記載の裏面照射型固体撮像素子。

本発明によれば、トレンチ溝によって信号電荷の隣接画素方向への拡散が抑制され、また、入射光の隣接画素方向への漏れ込みも抑制されるため、高解像度で且つ混色の少ない被写体画像を撮像することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の要部断面模式図である。尚、以下、ＣＣＤ型の裏面照射型固体撮像素子について述べるが、本発明は信号読出回路をトランジスタで構成したＭＯＳ型固体撮像素子にも同様に適用可能である。

図１において、裏面照射型固体撮像素子３０が製造されるシリコン基板２の表面側には、フォトダイオードを構成するｎ領域３と、電荷転送路の埋め込みチャネルを構成するｎ領域４とが設けられる。ｎ領域４の側部や下側（裏面側）にはｐ領域５が設けられる。

遮光膜９の上には平坦化膜１１が積層され、その上に、支持基板１２が設けられる。半導体基板２の裏面側表面にはｐ層１３が形成され、その上に、カラーフィルタ層１４が積層され、その上に、マイクロレンズ１５が積層される。裏面側のｐ層１３は、配線１６を介してグランドに接続される。

本実施形態の裏面照射型固体撮像素子３０は、更に、隣接画素との間を区分けするトレンチ構造の素子分離領域３１が、裏面側からｎ領域４の近傍まで達する様に設けられる。

この素子分離領域３１は、側壁（内周面）部分の薄いｐ領域３１ａと、中央の空洞３１ｂとで構成される。製造する場合には、詳細については後述するが、先ず、リソグラフィ技術よって、０．４μｍ幅で深さ６μｍ程度のトレンチ構造の溝を半導体基板２の裏面側から穿設し、この溝の側壁に、光電変換部（ｎ領域３）と異なる導電型（この例ではｐ型）の不純物を拡散させて薄いｐ領域３１ａを形成し、その後に、カラーフィルタ層１４，マイクロレンズ層１５が積層される。

半導体基板２にトレンチ溝を穿設すると、側壁の界面準位によって暗電流が発生するが、この側壁部に反対導電型の不純物を拡散することで、界面準位がｐ領域３１ａでシールドされ暗電流の発生が抑制される。

図示する実施形態では、トレンチ溝の底面がｐ領域５に達しているため底面はｐ領域５でシールドされる。もし、トレンチ溝の底面がｐ領域５から離れている場合には、ｐ領域３１ａの形成時（ｐ型不純物の拡散時）に、底面にもｐ層が形成されるため、底面からの暗電流発生は抑制される。

斯かる構造の裏面照射型固体撮像素子３０では、マイクロレンズ１５，カラーフィルタ層１４を通して被写体からの光が入射すると、この入射光はｎ領域３方向に集光されながら半導体基板２内に侵入し、光電変換されて信号電荷（電子）を発生させる。

この信号電荷は、素子分離領域３１の空洞３１ｂによって、横方向（隣接画素方向）への拡散が抑制され、信号電荷の捕獲領域３ａに捕獲され、垂直電荷転送路のｎ領域４に読み出され、外部に撮像画像信号として出力される。一方を、光電変換により発生した正孔は、ｐ層１３に捕捉され、グランドに廃棄される。

入射光のうちの一部は、半導体基板２内で隣接画素方向に直接漏れ込もうとするが、この光は、素子分離領域３１の中央の空洞３１ｂの内周面（裏面に対して垂直な方向の面）によって反射され、隣接画素への漏れ込みが抑制される。

この様に、本実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子３０では、隣接画素への信号電荷の拡散，入射光の漏れ込みが共に抑制されるため、解像度が高く色ＳＮの高い撮像画像信号を得ることが可能となる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子４０の要部断面模式図である。本実施形態の裏面照射型固体撮像素子４０の構造は、第１実施形態と基本的に同じである。異なる点は、第１実施形態では素子分離領域３１に空洞３１ｂを残したが、本実施形態では、素子分離領域４１を、側壁の薄いｐ領域４１ａと、空洞（図１の空洞３１ｂ部分）を埋めた導電材４１ｂとで構成した点である。

導電材４１ｂは、遮光性と導電性を有する金属が良く、例えば、配線や遮光膜として用いるアルミニウム，タングステン，コバルト，ニッケル，モリブデン等が好ましい。

本実施形態によれば、遮光性を有する金属で素子分離領域４１の空洞が埋められるため、第１実施形態に比較して、光の直接的な隣接画素方向への侵入を更に阻止することが可能となる。また、図示を省略した配線等を通して外部から任意電界を導電材４１ｂに印加すれば、この電界は基板２の深部まで印加され、トレンチ界面付近のポテンシャルを変調することができる。この結果、トレンチ溝の界面のｐ領域４１ａの暗電流を更に効果的に抑制することが可能となる。

図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子４０の要部断面および配線図である。また、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ―Ｂ―Ｃ線断面位置におけるポテンシャル図である。

本実施形態の裏面照射型固体撮像素子４０の構造は、第２実施形態と同じである。異なる点は、配線４４及びｐ層１３を通して、基板２の深部まで導電材４１ｂを通して印加する電圧を、低電圧と高電圧に切り替えるスイッチ４５を設けた点である。

配線４４と各導電材４１ｂとの接続は、基板２の裏面表面に配線を蒸着などで行っても良く、また、ｐ層１３を介して行っても良い。更に、全画素において配線４４と各導電材４１ｂとを接続しても、また、列毎，行毎，部分領域の画素毎に配線４４及びスイッチ４５を別々に設けても良い。

斯かる配線接続を持つ裏面照射型固体撮像素子４０では、所定のタイミングで所定の高電圧を導電材４１ｂに印加することで、電子捕獲領域３ａの電荷を配線４４を介して基板外部に排出でき、電子シャッタ機能を実現することが可能となる。例えば、行毎の画素の電子捕獲領域３ａ電荷を排出すれば、ローリングシャッタが実現され、全画素の電荷を一度に排出すれば、静止画像の撮影に適した動作をさせることが可能となる。

配線４４を引き出す電極を固体撮像素子チップに設ける場合、固体撮像素子の受光面の周囲に設けられる無効画素の領域に設けることで、電子シャッタ用配線を効率的に製造することができる。

図４は、本発明の第４実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子５０の要部断面模式図である。本実施形態の裏面照射型固体撮像素子５０の構造は、第１実施形態と基本的に同じである。異なる点は、第１実施形態では、素子分離領域３１の中央に空洞部３１ｂを残したが、本実施形態では、素子分離領域５１を、側壁の薄いｐ領域５１ａと、空洞（図１の空洞３１ｂ部分）を埋めた光吸収部材５１ｂとで構成した点である。

光吸収部材５１ｂは、例えばカラーフィルタ材料を用いる。即ち、赤色画素と緑色画素との間に設けられる素子分離領域５１で用いる光吸収部材は、赤色カラーフィルタ材と青色カラーフィルタ材料を混合した材料を用いる。これにより、赤色画素と緑色画素の相互間の光の漏れを抑制することが可能となる。

尚、上述した第２，第３，第４実施形態を別々に説明したが、これら実施形態を複数組み合わせた裏面照射型固体撮像素子とすることも可能である。

図５は、上述した実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子を製造するときの主要製造工程図である。先ず、図５（ａ）に示す様に、半導体基板（ウエハ）２を用意し、これに、レーザ光を用いたリソグラフィ技術によってトレンチ溝５５を升目状に設ける（図５（ｂ））。このとき、特許文献１，２に記載されている様な電位勾配を基板２の厚さ方向に形成しても良い。

次の図５（ｃ）では、ｐ型不純物を熱拡散させてトレンチ溝５５内の内周面にｐ領域（第１，第２，第３，第４実施形態の３１ａ，４１ａ，５１ａ）を形成する。そして、その後に図５（ｄ）に示す様に、トレンチ溝５５を形成した面に、別の半導体ウエハ等の支持基板５６として張り合わせる。

次の図５（ｅ）では、基板２の表面（支持基板５６の反対側の面）を研磨して基板２の厚さを５μｍから１０μｍ程度にし、次の図５（ｆ）では、削った表面側に、実施形態で説明したｎ領域３，４，電極膜７等を形成し、裏面照射型固体撮像素子の表面側構造を造る。次の図５（ｇ）では、支持基板５６を全て削り、図５（ｈ）に示す様に、裏面照射型固体撮像素子を取り出す。

尚、図５の説明では、基板厚さ方向の電位勾配を図５（ｂ）の工程で製造したが、図５（ｇ）後の工程で製造することも可能である。また、ｐ型不純物の拡散も、図５（ｃ）ではなく、図５（ｈ）の工程で行うことも可能である。

以上述べた様に、本発明の各実施形態によれば、受光面積を表面照射型に比べて広くすることができ、また、量子効率が高く高感度であるという利点を持つ裏面照射型固体撮像素子における隣接画素間で発生する信号電荷の拡散や光の漏れ込みをトレンチ溝によって効果的に抑制できるため、高解像度で混色の少ない品質の高い被写体画像を撮像することが可能となる。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子は、混色が少なく高解像度の被写体画像を撮像できるため、デジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子として有用である。

本発明の第１実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の要部断面模式図である。本発明の第２実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の要部断面模式図である。本発明の第３実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の要部断面模式図である。本発明の第４実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の要部断面模式図である。本発明の実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の要部製造工程図である。従来の裏面照射型固体撮像素子の要部断面模式図である。図６のＶＩＩ―ＶＩＩ線断面に沿うポテンシャル図である。

符号の説明

２半導体基板
３ｎ領域（電子捕獲領域）
４ｎ領域（電荷転送路の埋め込みチャネル）
１４カラーフィルタ
１５マイクロレンズ
３０，４０，５０裏面照射型固体撮像素子
３１，４１，５１素子分離領域
３１ａ，４１ａ，５１ａｐ領域
３１ｂ空洞（溝）部
４１ｂ導電材
５１ｂ光吸収材

Claims

半導体基板の第１面（以下、表面という。）側に二次元アレイ状に複数のフォトダイオードが形成され、該半導体基板の第２面（以下、裏面という。）側から入射した光によって発生した信号電荷を前記フォトダイオードの各々が検出する裏面照射型固体撮像素子において、前記フォトダイオードの各々を隣接する前記フォトダイオードから分離するトレンチ構造の溝を持つ素子分離領域が前記裏面側に形成され、前記溝の中に光を遮断する金属が充填され、前記金属に外部から所定電圧を印加する配線が接続され、前記所定電圧が電子シャッタ時に印加されたとき前記フォトダイオードの蓄積電荷が前素子分離領域の前記金属を通して廃棄されることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子。
前記所定電圧は、前記溝の内周面電位を安定化させ暗電流発生を抑制する電圧であることを特徴とする請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。