JP6004615B2 - 裏面照射型固体撮像素子 - Google Patents

Description

この発明は、裏面照射型固体撮像素子に関するものである。

従来の裏面照射型固体撮像素子は、図６に示すように、赤色の光に感度を有する赤画素１０１、緑色の光に感度を有する緑画素１０２、青色の光に感度を有する青画素１０３が、裏面（図６の下側）から平面視した場合に例えばマトリックス状に並べられているものである。この裏面照射型固体撮像素子の画素断面は、図６に示すように構成されている。光が入射する裏面側の面には、入射光を集光するマイクロレンズ１０４、１０５、１０６が設置されている。マイクロレンズ１０４、１０５、１０６より表面側（図の上側）には、層間膜１４０を介してカラーフィルタ１０７、１０８、１０９が設けられている。

カラーフィルタ１０７、１０８、１０９より表面側には、層間膜１１０、Ｐ型シリコン半導体基板１００が存在する。Ｐ型シリコン半導体基板１００には表面側に向かって、Ｐ型不純物層１１１が設けられており、その先には、変換した電荷を蓄積するＮ型不純物層１１２、１１３、１１４が設けられている。

Ｎ型不純物層１１２、１１３、１１４における側方向の間には、フォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層１１５、１１６、１１７、１１８が設置されている。Ｎ型不純物層１１２、１１３、１１４における表面部には、Ｐ型シリコン半導体基板１００の表面をシールドし、フォトダイオードの暗電流を抑制するＰ型不純物層１２１、１２２、１２３が設けられている。

Ｐ型不純物層１１５、１１６、１１７、１１８及びＰ型不純物層１２１、１２２、１２３よりも表面側上方には、素子層から電荷を転送するための構成（図示しない例えば電荷転送トランジスタと接続される構成）を備える配線層１３０が設けられるため、Ｐ型不純物層１１５、１１６、１１７、１１８及びＰ型不純物層１２１、１２２、１２３の表面には、層間絶縁膜１２５が設けられている。更に、配線層１３０の表面側には層間絶縁膜１３１が設けられている。

上記層間絶縁膜１３１の表面側には、複数の配線層１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７が配置されている。この配線層１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７は、図示しない増幅トランジスタやリセットトランジスタに接続されるものである。配線層１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７は、層間絶縁膜１３８に埋設されている。

以上のように構成された裏面照射型固体撮像素子においては、例えば赤画素１０１のマイクロレンズ１０４の端部に入射した赤色光Ｌは、図６に示すように、上記マイクロレンズ１０４により屈折し赤画素１０１のフォトダイオードに入射する。この赤色光Ｌの一部が赤画素１０１のフォトダイオードを透過すると、配線層１３０によって反射され、側方向に隣接する緑画素１０２のフォトダイオードに到達して電荷に変換されて蓄積される。その結果、赤色光Ｌの入射にも拘らず、緑画素１０２のフォトダイオードに緑色光が入射したときと等価となり、赤色と緑色の混色が生じるという問題があった。この問題は、赤画素１０１と緑画素１０２に限ることなく、隣接する画素間において生じる問題である。

上記に対し、読み出しゲート電極を被覆する反射膜を設けることによって隣接画素への混色を防止し、感度の向上を図るようにした固体撮像素子が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−２６１３７２号公報

本発明はこのような裏面照射型固体撮像素子における現状に鑑みてなされたもので、その目的は、比較的簡単な構成によって混色の発生を防止することが可能な裏面照射型固体撮像素子を提供することである。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子は、赤色、緑色、青色の光に感度を有するフォトダイオードによる画素が形成される素子層と、この素子層から電荷を転送するための配線構成を備える配線層と、前記素子層の側方に前記素子層間を分離するために設けられる不純物層とを備える裏面照射型固体撮像素子において、前記素子層と前記配線層との間に、前記素子層側から到来する光の反射を抑制する低反射率の膜であって、当該膜により反射された光が前記素子層に入射した場合に光電変換に寄与しない光強度とすると共に、前記１画素の領域に対応し且つ前記素子層間分離用の不純物層側へ広がった大きさの膜を形成したことを特徴とする。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子では、低反射率の膜は、タングステンまたはタングステンシリサイドにより構成されていることを特徴とする。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子では、低反射率の膜を、前記素子層に隣接して形成される層間絶縁膜の上に形成することを特徴とする。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子によれば、素子層と配線層との間に、素子層側から到来する光の反射を抑制する低反射率の膜を形成したので、画素におけるフォトダイオードを透過して上記配線層へ向かう光は低反射率の膜によってほとんど反射されることはなく、隣接する画素のフォトダイオードへ入射しなくなり、混色を防止することができる。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子によれば、低反射率の膜を、素子層に隣接して形成される層間絶縁膜の上に形成するので、フォトダイオードの暗電流を抑制する効果を維持しながら、低反射率の膜によって隣接する画素のフォトダイオードへの光の入射をなくし、混色を防止することができる。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の実施例における裏面側からの平面図。 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の実施例における素子層の断面図。 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の実施例の作成工程を示す素子層の断面図。 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の実施例の作成工程を示す素子層の断面図。 本発明に係る裏面照射型固体撮像素子の実施例の作成工程を示す素子層の断面図。 従来例に係る裏面照射型固体撮像素子の実施例における素子層の断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の裏面照射型固体撮像素子の実施形態を説明する。各図において同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１に、実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子を裏面側から目視した平面図が示されている。この裏面照射型固体撮像素子は、赤画素、緑画素、青画素がマトリックス状に配置されたものであり、隣接する画素の色が異なるものとなっている。勿論、マトリックス状以外にハニカム状に配列されていてもよい。

素子断面図を図２に示す。裏面照射型固体撮像素子は、Ｐ型シリコン半導体基板１に必要な層を形成したものであり、ここではＰ型シリコン半導体基板１には、Ｎ型不純物層２、３、４を形成し、このＮ型不純物層２、３、４の上面にＰ型不純物層５、６、７を配置する。上記Ｎ型不純物層２、３、４は、光電変換により発生した電荷を蓄積するものであり、Ｐ型不純物層５、６、７は、表面のシールド及びフォトダイオードの暗電流を抑制する機能を有している。

Ｎ型不純物層２、３、４の間隙には、ダイオード間の分離を強化するためのＰ型不純物層８、９、１０、１１が配置されている。また、Ｎ型不純物層２、３、４の裏面側には、裏面のシールド及びフォトダイオードの暗電流を抑制する機能を有するＰ型不純物層１２が配置されている。

更に、Ｐ型シリコン半導体基板１における上記Ｐ型不純物層５、６、７の上面側は層間絶縁膜１３が形成されており、この層間絶縁膜１３の上方には、各画素に対応しており且つ側方のＰ型不純物層８、９、１０、１１側へ広がった大きさを有する低反射率膜３４、３５、３６が配置されている。この低反射率膜３４、３５、３６は、たとえばタングステンにより構成することができる。

上記低反射率膜３４、３５、３６の上方には、層間絶縁膜３７が形成され、更に、層間絶縁膜３７の上方には、配線層１４が形成されている。この配線層１４は、図示しない例えば電荷転送トランジスタに接続されるもので、Ｎ型不純物層２、３、４を含む素子層から電荷を送出するための配線構成を備えている。

配線層１４の上方には層間絶縁膜１５が形成され、この層間絶縁膜１５の上方には配線層１６、１７、１８、１９、２０、２１が配置されている。この配線層１６、１７、１８、１９、２０、２１は、増幅トランジスタやリセットトランジスタに接続される配線構成を備えている。この配線層１６、１７、１８、１９、２０、２１は、層間絶縁膜２２に埋設されている。

また、Ｐ型シリコン半導体基板１における上記Ｐ型不純物層１２の裏面側は層間膜２３が設けられており、この層間膜２３の裏面側にはカラーフィルタ２４、２５、２６が設けられている。カラーフィルタ２４、２５、２６は、それぞれ入射光を赤色光、緑色光、青色光に分離するものである。

カラーフィルタ２４、２５、２６の裏面側には、層間膜２７が配置されており、層間膜２７の裏面側には、入射光を集光するマイクロレンズ２８、２９、３０が配置されている。

最裏面のマイクロレンズ２８から上方の部分が赤画素３１を構成し、マイクロレンズ２９から上方の部分が緑画素３２を構成し、マイクロレンズ３０から上方の部分が青画素３３を構成している。

上記のように構成された本実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子においては、例えば図２に示されるように、赤画素３１におけるマイクロレンズ２８の端部から光が入射すると、マイクロレンズ２８により屈折されカラーフィルタ２４によって赤色分離された赤色光Ｌはフォトダイオードを構成するＮ型不純物層２へ斜めに入所する。この赤色光Ｌの一部がフォトダイオードを通過して層間絶縁膜１３から上方へ進んだ場合には、低反射率膜３４によって透過光の反射が抑制され、隣接する緑画素３２のフォトダイオードへ到達することはない。その結果、赤色と緑色の混色を防ぐことができ、精度の良い画像を得ることができる。この作用は、赤画素３１と緑画素３２との間に限ることなく、隣接する画素間において同様に作用し、混色の防止が図られる。

上記本実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の製造方法は図３から図５に示す通りである。まず、図３に示すようにＰ型シリコン半導体基板１に、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層２、３、４と、Ｎ型不純物層２、３、４の表面側に設けられＰ型シリコン半導体基板１の表面をシールドしフォトダイオードの暗電流を抑制するＰ型不純物層５、６、７と、上記Ｎ型不純物層２、３、４の間隙に設けられフォトダイオードの分離を強化するＰ型不純物層８、９、１０、１１と、Ｎ型不純物層２、３、４の裏面側に設けられＰ型シリコン半導体基板１の裏面をシールドしフォトダイオードの暗電流を抑制するＰ型不純物層１２と、Ｐ型シリコン半導体基板１の表面におけるＰ型不純物層５、６、７より上方に層間絶縁膜１３を、形成する。

次に、層間絶縁膜１３の上方全面に、低反射率膜を堆積する。この低反射率膜は、タングステンによって構成することができる。次に、各画素に対応しており且つ側方のＰ型不純物層８、９、１０、１１側へ広がった大きさを有するようにパターンニングして低反射率膜３４、３５、３６を形成する（図４）。

続いて層間絶縁膜３７を形成した後、層間絶縁膜３７の上に配線層１４を形成する（図５）。次に、層間絶縁膜１５を形成し、更に配線層１６、１７、１８、１９、２０、２１を形成し、層間絶縁膜２２を形成して、Ｐ型シリコン半導体基板１の裏面を研削する。

次に、上記研削した面に層間膜２３を形成し、この層間膜２３の裏面側にカラーフィルタ２４、２５、２６を形成して、更にその裏面側にマイクロレンズ２８、２９、３０を形成して、図２に示す本実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子を得る。

本発明では素子層と配線層との間に、素子層側から到来する光の反射を抑制する低反射率膜を形成したことを特徴としている。この反射率膜形成の工程は、図３から図５によって示した工程によっても良いが、特にこれに限定されることなく、公知の裏面照射型固体撮像素子の製造工程において適宜な工程の間において実施することができる。

更に、低反射率膜としては、タングステンを示したが、タングステンシリサイドでもよく、また反射光が光電変換に寄与しない程度の反射率の低い他の素材による膜を採用することができる。

１ Ｐ型シリコン半導体基板
２、３、４ Ｎ型不純物層
５、６、７ Ｐ型不純物層
８、９、１０、１１ Ｐ型不純物層
１２ Ｐ型不純物層
１３ 層間絶縁膜
１４ 配線層
１５ 層間絶縁膜
１６、１７、１８、１９、２０、２１ 配線層
２２ 層間絶縁膜
２３ 層間膜
３１ 赤画素
３２ 緑画素
３３ 青画素
３４、３５、３６ 低反射率膜
３７ 層間絶縁膜

Claims (3)

1. 赤色、緑色、青色の光に感度を有するフォトダイオードによる画素が形成される素子層と、この素子層から電荷を転送するための配線構成を備える配線層と、前記素子層の側方に前記素子層間を分離するために設けられる不純物層とを備える裏面照射型固体撮像素子において、
   前記素子層と前記配線層との間に、前記素子層側から到来する光の反射を抑制する低反射率の膜であって、当該膜により反射された光が前記素子層に入射した場合に光電変換に寄与しない光強度とすると共に、前記１画素の領域に対応し且つ前記素子層間分離用の不純物層側へ広がった大きさの膜を形成したことを特徴とする裏面照射型固体撮像素子。
2. 低反射率の膜は、タングステンまたはタングステンシリサイドにより構成されてい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。
3. 低反射率の膜を、前記素子層に隣接して形成される層間絶縁膜の上に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の裏面照射型固体撮像素子。