JP6168331B2

JP6168331B2 - 撮像素子、および撮像装置

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Publication number: JP6168331B2
Application number: JP2012117194A
Authority: JP
Inventors: 裕美岡崎; 内山　正之; 正之内山; 渡辺　一史; 一史渡辺
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: US10074684B2; CN104303305B; CN104303305A; KR20150027044A; JP2013243324A; WO2013175742A1; US20150091122A1; KR102115046B1

Description

本開示は、撮像素子、および撮像装置に関し、特に、撮像素子により得られる画像信号における混色を抑止するとともにS/Nを改善するようにした撮像素子、および撮像装置に関する。

従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに搭載する撮像素子として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ（以下、CISと称する）が知られている。CISは、その多画素化や光学サイズの縮小化などにより、画素の縮小化と高密度化が進められている。

しかしながら、画素の縮小化と高密度化が進められたことにより、単位画素あたりの感度が減少してしまい、ノイズ（Noise）に対する信号（Signal）の比であるS/Nが悪化して画質劣化が生じてしまうことがあった。また、隣接画素間の距離が短くなったことにより、本来ある特定の波長領域（例えば、Green）の光のみを受光すべき画素が、受光すべきではない波長領域（例えば、RedまたはBlue）の光を受光してしまうことにより混色が発生してしまい、色再現性が劣化しまうことがあった。

そこで、このような問題を解決するものとして、隣接画素間に格子状の遮光性材料を設けた裏面照射型CISが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そのような裏面照射型CISでは、配線層が形成されている表面とは反対側の裏面に入射光が照射され、その入射光が配線層に阻害されることなくSi（シリコン）基板のPD（Photo Diode）領域に到達できる。したがって、単位画素あたりの感度の減少を解決できる。

また、隣接する画素間に設けた格子状の遮光性材料により、斜め方向から入射した光が反射され、本来入射すべき画素以外の画素に入射してしまうことが抑制できる。したがって、混色を抑制して色再現性の劣化を解決できる。

特開２００９−２０６３５６号公報

本開示は画像信号における混色を抑止するとともにS/Nを改善でき、より実用化レベルで画素の縮小化や高密度化が実現可能な撮像素子を提供するものである。

本開示の第１の側面である撮像素子は、裏面照射型の撮像素子において、斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、前記分断箇所は、対称性を有して、水平方向の前記トレンチと垂直方向の前記トレンチのそれぞれに１画素おきに設けられている。
本開示の第２の側面である撮像素子は、裏面照射型の撮像素子において、斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、前記分断箇所は、対称性を有さず、前記トレンチにより囲まれている位置には、前記撮像素子が受光可能な光のうち、最長または最短の波長の光を受光する画素が配置されている。

前記分断箇所は、水平方向に隣接する画素間を隔てる垂直方向の領域と、垂直方向に隣接する画素間を隔てる水平方向の領域との交差部分に設けられているようにすることができる。

前記第１および第２の遮光層には、遮光性材料が充填されているようにすることができる。

前記トレンチの側壁には、電荷固定膜が設けられているようにすることができる。

本開示の第１の側面においては、画素に対する斜め方向からの入射光が遮光される。

本開示の第３の側面である撮像装置は、裏面照射型の撮像素子が搭載された撮像装置において、前記撮像素子が、斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、前記分断箇所は、対称性を有して、水平方向の前記トレンチと垂直方向の前記トレンチのそれぞれに１画素おきに設けられている。
本開示の第４の側面である撮像装置は、裏面照射型の撮像素子が搭載された撮像装置において、前記撮像素子は、斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、前記分断箇所は、対称性を有さず、前記トレンチにより囲まれている位置には、前記撮像素子が受光可能な光のうち、最長または最短の波長の光を受光する画素が配置されている。

本開示の第２の側面においては、画素に対する斜め方向からの入射光が遮光されて、撮像が行なわれる。

本開示の第１の側面によれば、画素間の混色が抑止され、S/Nが改善され、より実用化レベルで画素の縮小化や高密度化が実現できる。

本開示の第２の側面によれば、画素間の混色が抑止され、S/Nが改善され、より実用化レベルで画素の縮小化や高密度化が実現された撮像画像を得ることができる。

従来の裏面照射型CISを光の入射側から見た図である。図１の裏面照射型CISの断面図である。本開示を適用した裏面照射型CISを光の入射側から見た図である。図３の裏面照射型CISの断面図である。図３の裏面照射型CISの断面図である。図３の裏面照射型CISの断面図である。第１の変形例を示す図である。第２の変形例を示す図である。第３の変形例を示す図である。第４の変形例を示す図である。入射角に対する混色特性を表す図である。第５の変形例を表す図である。入射角に対する混色特性を表す図である。第６の変形例を表す図である。第７の変形例を表す図である。第８の変形例を表す図である。第９の変形例を表す図である。第１０の変形例を表す図である。

以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について説明が、その前に、隣接画素間に格子状の遮光性材料を設けた裏面照射型CISに対して本発明者らが発見した問題点について説明する。

図１は、隣接画素間に格子状の遮光性材料を設けた裏面照射型CISを光の入射側から見た図を示している。図２は、図１に示された裏面照射型CISの、図１に示す線分P1,P2と、線分P3,P4における断面図を示している。

該裏面照射型CIS１０は、光電変換を行なうPD（photo Diode）領域を含むSi(シリコン)基板１３上の各画素１２の間に格子状のトレンチ（溝）を形成し、そのトレンチに遮光性材料１１を充填したものである。

裏面照射型CIS１０においては、隣接する画素間に設けた格子状の遮光性材料１１により、混色が抑制されて色再現性の劣化を解決できる。しかしながら、トレンチを格子状に設けたことにより、垂直方向のトレンチと水平方向のトレンチとが交差する箇所（以下、トレンチ交差部と称する）が出現し、トレンチ交差部において以下の不都合が生じ得る。

すなわち、トレンチ交差部に充填された遮光性材料１１により、トレンチ交差部の周囲のSi基板１３に応力集中が発生して、画像信号に対するノイズ源となってしまうことがある。

また、図２Ａに示されるように、トレンチ交差部は、比較的深くエッチング(Etching)され易いので、そこに欠陥が生じて画像信号に対するノイズ源となってしまうことがある。

さらに、トレンチ交差部は、トレンチが交差していない箇所に比較して、遮光性材料１１を充填する際にVoidが発生し易く、トレンチ全体に遮光性材料１１を均一に充填することの妨げとなり易いという側面もある。

またさらに、図２Ｂに示されるように、格子状のトレンチに遮光性材料１１を充填するに際してはSi基板１３上に比較的厚い絶縁膜（遮光性材料膜）１５が形成されてしまい、この絶縁膜１５が、光が斜め方向から入射した場合における混色特性を悪化させてしまう。

なお、Si基板１３上の絶縁膜１５は、CMP（化学機械研磨）処理により薄膜化することが可能ではある。しかしながら、CMP処理を実施した場合には工数増、コスト高となるので、量産には適していない。

本実施形態は、上記問題点を裏面照射型CISの生産工程にCMP処理を適用することなく解決するためのものである。

以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照して説明する。

＜１．実施の形態＞
［裏面照射型CISの第１の構成例］
図３は、本開示の実施の形態である裏面照射型CIS３０を光の入射側から見た図であり、同図ＡはSi上層４３を、同図ＢはSi基板４４を示している。なお、裏面照射型CIS３０は、光の入射側から順に、オンチップレンズ４１、カラーフィルタ４２、Si上層４３、Si基板４４、および配線層４５（いずれも図４）の６層構造を有する。

なお、図３における白色正方形は画素の位置を示しており、そこに記述されたＲ，ＧまたはＢは画素が受光する光の波長領域を示している。また、Ｒ，Ｇ，Ｂの配置は、本実施の形態においてはベイヤ配列を採用しているが、これに限るものではない。また３原色はＲ，Ｇ，Ｂに限るものではなく、さらに例えばＷ（白色）などの他の色を追加してもよい。以降の図面についても同様である。

同図Ａに示されるように、Si上層４３（Si基板４４の上の層）には、各画素の間に格子状のSi上層遮光性材料３１が設けられている。

同図Ｂに示されるように、Si基板４４には、隣接する各画素３３の間に、トレンチ交差部が生じないように縦横にトレンチ（溝）が形成され、そこに充填された遮光性材料から成るSi基板中遮光性材料３２が設けられている。

Si上層遮光性材料３１およびSi基板中遮光性材料３２は、例えば、酸化シリコン、酸化チタン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウムなどの絶縁材料の他、タングステン、アルミニウム、チタンナイトライド、チタン、銅などの金属材料でもよい。

図４、図５、および図６は、図３の裏面照射型CIS３０の、同図Ｂに示す線分P11,P12、線分P21,P22、または線分P31,P32における断面図を示している。

上述したように、裏面照射型CIS３０は、光の入射側から順に、オンチップレンズ４１、カラーフィルタ４２、Si上層４３、Si基板４４、および配線層４５の６層構造を有する。

オンチップレンズ４１は、入射光をSi基板４４に含まれる光電変換部に集光させる。カラーフィルタ４２は、特定の波長領域の光のみを透過させる。Si上層４３にはSi上層遮光性材料３１が設けられている。Si基板４４は、Ｐ型拡散層３４およびＮ型拡散層３５からなるPD(Photo Diode)領域を含む。配線層４５は、PD領域により生成される電荷を電気信号として後段に出力する。

図４乃至図６から明らかなように、裏面照射型CIS３０は、Si基板４４においてトレンチ交差部が生じないようにトレンチを形成してSi基板中遮光性材料３２を設けたので、従来の裏面照射型CIS１０におけるトレンチ交差部に起因する問題の発生を防止できる。

図示は省略するが、Si基板４４に形成するエッジは、一部だけまたは全体的にSi基板４４を貫通するようにしてもよい。

［第１の変形例］
図７は、Si基板４４に形成するトレンチの端の形状の変形例を示している。すなわち、図３においては、トレンチの端が先鋭状に形成されていたが、例えば図７に示されるように、トレンチの端を直線状に形成してもよい。また、図示は省略するが、トレンチの端を円弧状としたり、凹上に形成してもよい。

［第２の変形例］
図８は、画素（Si基板開口部）の形状の変形例を示している。すなわち、図３においては、画素（Si基板開口部）３３の形状を正方形としていたが、例えば図８に示されるように、画素（Si基板開口部）３３の形状を円形としてもよい。また、図示は省略するが、菱形や多角形であってもよい。画素（Si基板開口部）３３の形状を円形や多角形にすることにより斜め部の遮光能力を向上させることができる。

［第３の変形例］
図９は、Si上層４３のSi上層遮光性材料３１の形状の変形例を示している。すなわち、図３においては、Si上層遮光性材料３１を格子状としていたが、例えば図９に示されるように、Si基板中遮光性材料３２が設けられていない位置（すなわち、トレンチ交差部）にだけSi上層遮光性材料３１を設けるようにしてもよい。この場合、Si基板開口部３３の面積を広げることになるので、FD領域の感度上昇を期待することができる。なお、図示は省略するが、Si上層遮光性材料３１の幅は、Si基板中遮光性材料３２の幅と同じであったり、Si基板中遮光性材料３２の幅よりも細くてもよい。また、太さを部分的に変更してもよい。

［第４の変形例］
図１０は、電荷固定膜５１を追加した変形例を示している。すなわち、Si基板中遮光性料材３２の周囲とSi基板４４の裏面（図における上側）に、負の固定電荷をもつ電荷固定膜５１を形成してもよい。この場合、電荷固定膜５１に接するSi界面に反転層が形成され、反転層中のホールが界面で発生し得る暗電流と再結合するので、暗電流の影響を抑制することができる。

［混色特性の改善について］
次に、混色特性の改善について言及する。上述したように、図３に示された裏面照射型CIS３０によれば、トレンチ交差部がノイズ源（白点暗電流の発生源）となってしまうことを防止できる。

しかしながら、トレンチが形成されていない箇所が存在することにより、光電変換によって得られた電子がそこを通って容易に隣接する画素間を移動してしまい、トレンチによる混色抑制の効果を低下させてしまう。図面を参照して具体的に説明する。

図１１は、光の入射角に対する混色特性を示しており、横軸は光の入射角を示している。縦軸は、緑色光（Ｇ）を各入射角で入射した時の赤色（Ｒ）画素の出力と緑色（Ｇ）画素の出力との比から、緑色光（Ｇ）を入射角０度で入射した時の赤色（Ｒ）画素の出力と緑色（Ｇ）画素の出力との比を引いた値を示している。

同図中の曲線Ｌ１は、画素間にトレンチが設けられている裏面照射型CISの混色特性を示している。同図中の曲線Ｌ２は、画素間に格子状のトレンチが設けられた裏面照射型CISの混色特性を示している。ただし、トレンチに充填された遮光性材料によってSi基板上に形成される絶縁膜（遮光性材料膜）はCMP（化学機械研磨）処理により薄膜化されているものとする。同図中の曲線Ｌ３は、図３に示された裏面照射型CIS３０の混色特性を示している。

同図においては、縦軸の値が大きいほど、混色特性が悪化していることを表すので、換言すれば、Ｕ字型の曲線Ｌ１乃至Ｌ３の上方の開き方が大きいほど、混色特性が良いことになる。

したがって、混色特性については、図３に示された裏面照射型CIS３０は、画素間に格子状のトレンチが設けられた裏面照射型CISよりも悪化していることが分かる。そこで、以降においては、トレンチ交差部を設けることなく、混色特性についても改善した変形例について説明する。

［第５の変形例］
図１２は、画素間に存在する格子状の領域に、垂直方向に長いトレンチと、水平方向に長いトレンチとを交互に形成した変形例を示している。同図Ａはトレンチの端の形状が先鋭状である場合、同図Ｂはトレンチの端の形状が直線状である場合を示している。

同図いずれの場合においてもトレンチ交差部は存在しないので、トレンチ交差部に起因する問題の発生を防止できる。また、図３の場合に比較して、トレンチを形成していない領域が少なくなるので、混色特性が図３の場合に比較して改善される。さらに、図３の場合に比較して、トレンチ長を長くしているので、その形成が容易である、したがって、裏面照射型CIS３０を全体的に微細化する場合に適している。

図１３は、図１１に示された混色特性に、第５の変形例に対応する曲線Ｌ４を追加したものである。図１３から明らかなように、第５の変形例は、図３に示された裏面照射型CIS３０よりも、混色特性が改善したものとなる。

［第６の変形例］
図１４は、画素間に存在する格子状の領域の水平方向または垂直方向の一方に連続的なトレンチを形成し、他方に断続的なトレンチを形成した変形例を示している。同図Ａは水平方向に連続したトレンチを形成した場合、同図Ｂは垂直方向に連続したトレンチを形成した場合を示している。なお、同図のように、水平方向と垂直方向のトレンチの長さが異なる場合、トレンチの深さが異なってしまうことが起こり得るが、その場合、トレンチの幅を調整すれば、水平方向と垂直方向のトレンチの深さを同一にすることができる。

同図いずれの場合においてもトレンチ交差部は存在しないので、トレンチ交差部に起因する問題の発生を防止できる。また、図３の場合に比較して、トレンチを形成していない領域が少なくなるので、混色特性が図３の場合に比較して改善される。さらに、同図Ａの場合には、図３の場合に比較して、上下（垂直）方向に隣接した画素間での遮光性能を向上させることができる。同図Ｂの場合には、図３の場合に比較して、左右（水平）方向に隣接した画素間での遮光性能を向上させることができる。

［第７の変形例］
図１５は、幅が一部分で異なり、対角端においてその体積が増加しないようにトレンチが形成されている変形例を示している。

［第８の変形例］
図１６は、対角方向の画角端において、交差するトレンチが交差角（９０度）以下の角度を有して接続されるように形成されている変形例を示している。

［第９の変形例］
図１７は、画角方向によりトレンチの分断されている箇所を変化させ、光が傾く方向に対してトレンチの分断されていない箇所を多く設けるようにした変形例を示している。

［第１０の変形例］
図１８は、トレンチの分断箇所の対称性を１画素毎に設定せず、特定の画素（波長が最も長いＢの画素、または波長が最も短いＲの画素）についてはトレンチで囲まれた状態とした変形例を示している。

［その他の変形例］
本実施の形態である裏面照射型CIS３０は、カラーの画像信号を出力するために、カラーフィルタ４２を設けて３原色の配置にベイヤ配列を採用したが、ストライプ配列を採用するようにしてもよい。また、モノクロの画像信号を出力するのであれば、カラーフィルタ４２を省略するようにしてもよい。

本実施の形態である裏面照射型CIS３０においては、Si基板４４に形成したトレンチに遮光性材料を充填するようにしたが、遮光性材料を充填せず中空のままにしてもよい。

なお、本実施の形態である裏面照射型CIS３０は、例えば、ディジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどのいわゆるカメラのみならず、静止画や動画の撮影機能を有するスマートフォン、携帯電話、各種のパーソナルコンピュータなどに搭載することが可能である。

なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

３０裏面照射型CIS，３１ Si上層遮光性材料，３２ Si基板中遮光性材料，３３画素，３４Ｐ型拡散層，３５Ｎ型拡散層，４１オンチップレンズ，４２カラーフィルタ，４３ Si上層，４４ Si基板，４５配線層，５１電荷固定膜

Claims

裏面照射型の撮像素子において、
斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、
前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、
前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、
前記分断箇所は、対称性を有して、水平方向の前記トレンチと垂直方向の前記トレンチのそれぞれに１画素おきに設けられている
撮像素子。
裏面照射型の撮像素子において、
斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、
前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、
前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、
前記分断箇所は、対称性を有さず、
前記トレンチにより囲まれている位置には、前記撮像素子が受光可能な光のうち、最長または最短の波長の光を受光する画素が配置されている
撮像素子。
前記第１および第２の遮光層には、遮光性材料が充填されている
請求項１または２に記載の撮像素子。
前記トレンチの側壁には、電荷固定膜が設けられている
請求項１から３のいずれかに記載の撮像素子。
裏面照射型の撮像素子が搭載された撮像装置において、
前記撮像素子は、
斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、
前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、
前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、
前記分断箇所は、対称性を有して、水平方向の前記トレンチと垂直方向の前記トレンチのそれぞれに１画素おきに設けられている
撮像装置。
裏面照射型の撮像素子が搭載された撮像装置において、
前記撮像素子は、
斜め方向からの入射光を遮光するために隣接する画素間に格子状に形成された第１の遮光層と、
前記第１の遮光層の下層側に形成されたトレンチから成る第２の遮光層とを備え、
前記トレンチには、垂直方向に形成された前記第１の遮光層と水平方向に形成された前記第１の遮光層とが交差する交差部分の下層にのみ、分断箇所が設けられており、
前記分断箇所は、対称性を有さず、
前記トレンチにより囲まれている位置には、前記撮像素子が受光可能な光のうち、最長または最短の波長の光を受光する画素が配置されている
撮像装置。