JP2009164385A - 裏面照射型撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光の波長に依存した光学的な混色を防止することが可能な裏面照射型撮像素子を提供する。
【解決手段】シリコン層１の裏面側から光を照射し、シリコン層１内に形成された光電変換素子４でこの光に応じて発生した電荷に応じた信号をシリコン層１の表面側に形成した読み出し回路５から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子３０であって、各光電変換素子４に対応させてシリコン層１の裏面上方に形成されたカラーフィルタ９と、シリコン層１の裏面上方に形成され各光電変換素子４に対応して開口が形成された遮光膜１７とを備え、カラーフィルタ９としてそれぞれ異なる色の光を透過する３種類のカラーフィルタを含み、周辺部にある光電変換素子４に対応する遮光膜１７の開口は、該光電変換素子４に対応するカラーフィルタ９の種類に応じて大きさが異なっており且つその中心が該光電変換素子４の中心よりも中心部側にずれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板の裏面側から光を照射し、前記半導体基板内に形成された多数の光電変換素子の各々で前記光に応じて発生した電荷に応じた信号を、前記半導体基板の表面側に形成した読み出し回路から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子に関する。

特許文献１には、裏面照射型撮像素子において、シリコン基板内に光電変換素子同士を分離する素子分離領域を設けることで、各光電変換素子で発生した電荷が隣の光電変換素子で発生した電荷と混ざるのを防いで電気的な混色を防止し、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズを撮像素子の周辺部において中心部側にずらすことで、各光電変換素子の中心に光を集光できるようにした構成が開示されている。

特開２００５−３４７７０９号公報

裏面照射型撮像素子は、半導体基板全体が光電変換領域となる。半導体基板としてシリコンを用いた場合、シリコンの光吸収係数には波長依存性があり、赤色の波長域や近赤外域等の長波長の光はシリコン基板の深いところまで到達する。このため、特許文献１に開示された構成では、ある光電変換素子に斜めに入射してきた長波長の光が、その光電変換素子に隣接する素子分離領域を突き抜けて隣の光電変換素子まで到達してしまい、光学的な混色が発生する可能性がある。短波長の光については、シリコン基板の浅いところまでしか光が侵入しないため、斜めに光が入射したとしても、その光が素子分離領域まで到達してしまう可能性は極めて低い。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、入射光の波長に依存した光学的な混色を防止することが可能な裏面照射型撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の裏面照射型撮像素子は、半導体基板の裏面側から光を照射し、前記半導体基板内に形成された多数の光電変換素子の各々で前記光に応じて発生した電荷に応じた信号を、前記半導体基板の表面側に形成した読み出し回路から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、前記多数の光電変換素子の各々に対応させて前記半導体基板の裏面上方に形成されたカラーフィルタと、前記半導体基板の裏面上方に形成され、前記多数の光電変換素子の各々に対応して開口が形成された遮光膜とを備え、多数の前記カラーフィルタが、それぞれ異なる色の光を透過する少なくとも３種類のカラーフィルタを含み、前記裏面照射型撮像素子の周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記遮光膜の開口は、該光電変換素子に対応するカラーフィルタの種類に応じて大きさが異なっており、且つ、その中心が該光電変換素子の中心よりも前記裏面照射型撮像素子の中心部側にずれている。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記遮光膜の開口が、該光電変換素子に対応するカラーフィルタを透過する光の波長が長波長に向かうほど小さくなっている。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記遮光膜が、前記半導体基板と前記カラーフィルタとの間に形成されている。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記カラーフィルタの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記カラーフィルタの上に、各光電変換素子に対応させて形成されたマイクロレンズを備え、前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記マイクロレンズの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記遮光膜が前記カラーフィルタの上に形成されており、前記遮光膜の開口内に形成されたマイクロレンズを備える。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記カラーフィルタの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている。

本発明の裏面照射型撮像素子は、前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記マイクロレンズの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている。

本発明によれば、入射光の波長に依存した光学的な混色を防止することが可能な裏面照射型撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である裏面照射型撮像素子の中心部の断面模式図である。
図１に示すように、半導体基板（例えば単結晶シリコン層）１内に形成されたＰ型半導体からなる素子分離領域２により区切られた多数の単位画素領域３内に、高濃度のＮ型の半導体領域よりなる光電変換素子（フォトダイオード）４が形成されている。

単結晶シリコン層１の一方の主面、すなわち裏面（図中上側の面）上には反射防止膜８が形成されている。反射防止膜８上には遮光膜１７が形成されている。遮光膜１７には、各光電変換素子４に対応させて開口が形成されており、開口内には透明な絶縁膜が埋め込まれている。この遮光膜１７の開口により、この開口に対応する光電変換素子４の受光面積が決定されている。

遮光膜１７上には、各光電変換素子４に対応させてカラーフィルタ９が形成されている。カラーフィルタ９には、赤色の波長域の光を透過するＲカラーフィルタ（図中“Ｒ”を記載）と、緑色の波長域の光を透過するＧカラーフィルタ（図中“Ｇ”を記載）と、青色の波長域の光を透過するＢカラーフィルタ（図中“Ｂ”を記載）とが含まれており、これらが遮光膜１７上にモザイク状に配列されている。

カラーフィルタ９上には各光電変換素子４に対応させてマイクロレンズ１０が形成されている。裏面照射型撮像素子３０の中心部では、各光電変換素子４の中心と、その光電変換素子４に対応するカラーフィルタ９の中心と、その光電変換素子４に対応するマイクロレンズ１０の中心と、その光電変換素子４に対応する遮光膜１７の開口の中心とは全て一致している。

単結晶シリコン層１の他方の主面側、すなわち表面側（図中下側の面）には、各光電変換素子４に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出す回路５が形成され、これら読み出し回路５上に、内部に配線層１８が形成された絶縁層７が形成されている。

読み出し回路５は、Ｐ型の半導体領域よりなる読み出しゲート部１１と、この読み出しゲート部１１に隣接して設けられ、光電変換素子４で蓄積された信号電荷が転送される高濃度のＮ型の半導体領域よりなるフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）１２と、ＦＤ部１２に蓄積された信号電荷を掃き捨てるリセットゲート部（不図示）と、ＦＤ部１２に接続され、ＦＤ部１２に蓄積された信号電荷に応じた信号を出力するＭＯＳトランジスタからなるＭＯＳ回路（不図示）と、読み出しゲート部１１上に形成された読み出し電極１３とから構成されている。

尚、符号１４はＰ型の半導体領域よりなる第２の素子分離領域である。符号１５は光電変換素子４の表面側に形成された高濃度のＰ型の半導体領域よりなる正電荷蓄積領域である。

配線層１８は、４層の配線を有している。具体的には、単結晶シリコン層１上に形成された絶縁層７中において、１層目の配線１８１と、この１層目の配線１８１上に絶縁層７を介して形成された２層目の配線１８２と、この２層目の配線１８２上に絶縁層７を介して形成された３層目の配線１８３と、この３層目の配線１８３上に絶縁層７を介して形成された４層目の配線１８４とから形成されている。尚、絶縁層７上には、図示しないが、パッシベーション膜からなる平坦化膜が形成され、この平坦化膜上に接着剤層を介して支持基板１６が接着されている。

このような構成の裏面照射型撮像素子３０においては、単結晶シリコン層１の裏面側からマイクロレンズ１０を通じて光電変換素子４に光が照射される。この光に応じて光電変換素子４で発生し蓄積された信号電荷は、読み出し電極１３に高電圧が印加されることにより、読み出しゲート部１１を通ってＦＤ１２へと転送され、ここに蓄積される。そして、ＦＤ部１２に蓄積された信号電荷に応じた信号がＭＯＳ回路によって出力される。信号出力後は、ＦＤ１２に蓄積された信号電荷がリセットされ、次の露光が開始される。

図２は、本発明の実施形態である裏面照射型撮像素子の周辺部の断面模式図である。尚、周辺部とは、図１に示す構成の単位画素領域３のマイクロレンズ１０に入射して集光された光が素子分離領域２にまで達してしまう程度に、該マイクロレンズ１０に入射する光の入射角が急になってしまう領域のことを示す。

図２に示すように、裏面照射型撮像素子３０の周辺部では、各光電変換素子４に対応する遮光膜１７の開口の大きさが、該光電変換素子４に対応するカラーフィルタ９の種類（透過波長域）に応じて異なっており、且つ、その開口の中心が該光電変換素子の中心よりも裏面照射型撮像素子３０の中心部側にずれている。

遮光膜１７の開口は、これに対応するカラーフィルタを透過する光の波長が長波長のものほど小さくなっている。つまり、（Ｒカラーフィルタに対応する遮光膜の開口）＜（Ｇカラーフィルタに対応する遮光膜の開口）＜（Ｂカラーフィルタに対応する遮光膜の開口）という関係が成り立っている。各カラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口の大きさは、各光電変換素子４に入射した光が素子分離領域２まで達しないように、各カラーフィルタ９の透過波長とシリコン層１の深さとによって決められる。

又、裏面照射型撮像素子３０の周辺部では、カラーフィルタ９とマイクロレンズ１０が、それぞれに対応する遮光膜１７の開口内に同一のカラーフィルタ９を透過した光のみが入射できるように、その中心がそれぞれに対応する光電変換素子４の中心よりも中心部側にずれて配置されている。

このように、裏面照射型撮像素子３０の周辺部では、Ｒカラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口が他のカラーフィルタに対応する開口よりも小さくなっており、且つ、その中心が中心部側にずれている。このため、Ｒカラーフィルタ９に対応するマイクロレンズ１０に斜めに入射してきた光は、この遮光膜１７の開口によってその経路が制限される。この結果、図２の破線で示したように、Ｒカラーフィルタ９に対応する光電変換素子４に入射した光が素子分離領域２まで到達することがなくなり、光学的な混色を防ぐことができる。

Ｇカラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口は、それに対応する光電変換素子４に入射した光が、Ｒカラーフィルタ９に対応する光電変換素子４に入射した光よりもシリコン層１の深くまで到達しないため、その大きさをＲカラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口より大きくすることが可能となる。したがって、本実施形態のように、Ｇカラーフィルタ９に対応する開口を大きくすることで感度を向上させることができる。

同様に、Ｂカラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口は、それに対応する光電変換素子４に入射した光が、Ｇカラーフィルタ９に対応する光電変換素子４に入射した光よりもシリコン層１の深くまで到達しないため、その大きさをＧカラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口より大きくすることが可能となる。したがって、本実施形態のように、Ｂカラーフィルタ９に対応する開口を大きくすることで感度を向上させることができる。

又、裏面照射型撮像素子３０によれば、周辺部では、カラーフィルタ９とマイクロレンズ１０のそれぞれの中心がそれぞれに対応する光電変換素子４の中心よりも中心部側にずれて配置されている。このため、２種類以上のカラーフィルタ９を通過した光が光電変換素子４に入射してしまうことによる色シェーディングや、マイクロレンズ１０で入射光がケラレてしまうことによる輝度シェーディングを抑制して画質を向上させることができる。

上述した裏面照射型撮像素子３０の別の実施形態について以下に説明する。
図３は、本発明の別の実施形態である裏面照射型撮像素子の中心部の断面模式図である。図４は、本発明の別の実施形態である裏面照射型撮像素子の周辺部の断面模式図である。図３において図１と同じ構成には同一符号を付し、図４において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図３に示す裏面照射型撮像素子３０は、図１に示した遮光膜１７を、反射防止膜８とカラーフィルタ９の間ではなく、カラーフィルタ９の上に形成し、その遮光膜１７の開口内に、マイクロレンズ１０を形成した構成となっている。

図４に示すように、裏面照射型撮像素子３０の周辺部では、各光電変換素子４に対応する遮光膜１７の開口の大きさが、該光電変換素子に対応するカラーフィルタ９の種類（透過波長域）に応じて異なっており、且つ、その開口の中心が該光電変換素子の中心よりも裏面照射型撮像素子３０の中心部側にずれている。

遮光膜１７の開口は、これに対応するカラーフィルタを透過する光の波長が長波長のものほど小さくなっている。つまり、（Ｒカラーフィルタに対応する遮光膜の開口）＜（Ｇカラーフィルタに対応する遮光膜の開口）＜（Ｂカラーフィルタに対応する遮光膜の開口）という関係が成り立っている。各カラーフィルタ９に対応する遮光膜１７の開口の大きさは、各光電変換素子４に入射した光が素子分離領域２まで達しないように、各カラーフィルタ９の透過波長とシリコン層１の深さとによって決められる。

又、裏面照射型撮像素子３０の周辺部では、カラーフィルタ９とマイクロレンズ１０が、それぞれに対応する遮光膜１７の開口内に同一のカラーフィルタ９を透過した光のみが入射できるように、その中心がそれぞれに対応する光電変換素子４の中心よりも中心部側にずれて配置されている。

このような構成であっても、入射光の波長に依存した光学的な混色を防止し、感度を向上させることが可能となる。又、図３，４に示した構成によれば、遮光膜１７を形成した後、その開口を埋めるようにマイクロレンズ１０を形成すれば良いため、製造が容易になると共に、マイクロレンズ１０の曲率を色に応じて調整することも可能となる。

尚、以上の説明では読み出し回路５がＭＯＳ回路の例を示したが、ＦＤ部１２に蓄積された信号電荷をＣＣＤ（Charge Coupled Device）によってアンプまで転送し、このアンプから該信号電荷に応じた信号を出力させる読み出し回路を採用しても良い。

又、以上の説明では、裏面照射型撮像素子３０の周辺部において、カラーフィルタ９とマイクロレンズ１０の両方の中心を、中心部側にずらすものとしたが、これらのうちいずれか一方のみを中心部側にずらすだけでも、画質向上という効果を得ることができる。

又、カラーフィルタ９として３種類のカラーフィルタを用いた例を示したが、これは４種類以上であっても良い。

本発明の実施形態である裏面照射型撮像素子の中心部の断面模式図 本発明の実施形態である裏面照射型撮像素子の周辺部の断面模式図 本発明の別の実施形態である裏面照射型撮像素子の中心部の断面模式図 本発明の別の実施形態である裏面照射型撮像素子の周辺部の断面模式図

符号の説明

１ シリコン層
４ 光電変換素子
５ 読み出し回路
９ カラーフィルタ
１７ 遮光膜
３０ 裏面照射型撮像素子

Claims (8)

1. 半導体基板の裏面側から光を照射し、前記半導体基板内に形成された多数の光電変換素子の各々で前記光に応じて発生した電荷に応じた信号を、前記半導体基板の表面側に形成した読み出し回路から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、
   前記多数の光電変換素子の各々に対応させて前記半導体基板の裏面上方に形成されたカラーフィルタと、
   前記半導体基板の裏面上方に形成され、前記多数の光電変換素子の各々に対応して開口が形成された遮光膜とを備え、
   多数の前記カラーフィルタが、それぞれ異なる色の光を透過する少なくとも３種類のカラーフィルタを含み、
   前記裏面照射型撮像素子の周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記遮光膜の開口は、該光電変換素子に対応するカラーフィルタの種類に応じて大きさが異なっており、且つ、その中心が該光電変換素子の中心よりも前記裏面照射型撮像素子の中心部側にずれている裏面照射型撮像素子。
2. 請求項１記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記遮光膜の開口が、該光電変換素子に対応するカラーフィルタを透過する光の波長が長波長に向かうほど小さくなっている裏面照射型撮像素子。
3. 請求項１又は２記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記遮光膜が、前記半導体基板と前記カラーフィルタとの間に形成されている裏面照射型撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記カラーフィルタの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている裏面照射型撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記カラーフィルタの上に、各光電変換素子に対応させて形成されたマイクロレンズを備え、
   前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記マイクロレンズの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている裏面照射型撮像素子。
6. 請求項１又は２記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記遮光膜が前記カラーフィルタの上に形成されており、
   前記遮光膜の開口内に形成されたマイクロレンズを備える裏面照射型撮像素子。
7. 請求項６記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記カラーフィルタの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている裏面照射型撮像素子。
8. 請求項６又は７記載の裏面照射型撮像素子であって、
   前記周辺部にある前記光電変換素子に対応する前記マイクロレンズの中心が、該光電変換素子の中心よりも前記中心部側にずれている裏面照射型撮像素子。

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