JP2009259934A

JP2009259934A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2009259934A
Application number: JP2008105467A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ogawa; 雅章小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】光電変換素子に対する配線層側からの赤外光の入射を防止した固体撮像素子を提供する。
【解決手段】一方の面に受光面を有する半導体基板と、半導体基板の他方の面上に設けられた配線層と、受光面と配線層との間に設けられた撮像画素部と、撮像画素部の周辺であって半導体基板の他方の面側に設けられた周辺回路部と、を備えた固体撮像素子であって、撮像画素部は、２次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子と、光電変換素子を画素ごとに区切る素子分離層と、少なくとも、光電変換素子と配線層との間に部分的に設けられた赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に裏面照射型の固体撮像素子に関する。

固体撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）型が知られているが、近年、デジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話の小型化、低消費電力化に伴い、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子が用いられることが多くなってきた。

また、薄型化した半導体基板を使用し、その一方の面（受光面）側にフォトダイオードを含む受光部側要素を設け、この反対側の他方の面側に、外部との間で電気信号の入出力を行うための配線層を設けた構造の裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサの提案、開発が行われている（例えば、特許文献１）。

しかし、裏面照射型の固体撮像素子は、受光面側からこの反対面側に形成された信号処理回路へと信号電荷を読み出して処理する必要性から、半導体基板の厚さを薄くする必要があり、赤外光などの長波長光が入射してきた場合には、容易に配線層側へと透過し、その配線層で反射した光が隣接画素のフォトダイオードに入射して混色を起こす可能性がある。
特開２００５−２１７４３９号公報

本発明は、光電変換素子に対する配線層側からの赤外光の入射を防止した固体撮像素子を提供する。

本発明の一態様によれば、一方の面に受光面を有する半導体基板と、前記半導体基板の他方の面上に設けられた配線層と、前記受光面と前記配線層との間に設けられた撮像画素部と、前記撮像画素部の周辺であって前記半導体基板の前記他方の面側に設けられた周辺回路部と、を備え、前記撮像画素部は、２次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子を画素ごとに区切る素子分離層と、少なくとも、前記光電変換素子と前記配線層との間に部分的に設けられた赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜と、を有することを特徴とする固体撮像素子が提供される。

本発明によれば、光電変換素子に対する配線層側からの赤外光の入射を防止した固体撮像素子が提供される。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

本発明の実施形態に係る固体撮像素子は、厚さが例えば１０μｍ以下の薄い半導体基板にフォトダイオード、各種トランジスタなどが形成され、さらにこれらの上に多層配線構造部が設けられた構造を有し、その半導体基板の裏面（多層配線構造部が設けられた面の反対側の面）側から入射する光をフォトダイオードに受けるいわゆる裏面照射型の固体撮像素子である。また、本実施形態では、固体撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサを例に挙げて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子における撮像画素部（センサ部）１１と周辺回路部１２〜１８の平面レイアウトを示す模式図である。

１つの半導体チップ（半導体基板）１０に、撮像画素部１１と周辺回路部１２〜１８が設けられている。

撮像画素部１１は、２次元アレイ状に配列された多数の光電変換素子としての例えばフォトダイオードを有する。１つの光電変換素子が１画素に対応する。

周辺回路部は、撮像画素部１１から出力される電気信号（画素信号）を処理する信号処理回路と、撮像画素部１１の各画素を駆動して画素信号の出力を制御する駆動制御回路とを有する。

各画素は、垂直選択手段１２によって、垂直方向に水平ライン（行）単位で順次選択され、タイミングジェネレータ１３からの各種パルス信号によって各画素のトランジスタが制御されることにより、各画素の信号が相関二重サンプリング回路１４に読み出される。

相関二重サンプリング回路１４は、画素信号に対して相関二重サンプリング等の信号処理を行う。水平選択手段１５は、相関二重サンプリング回路１４の出力信号をゲインコントロール回路１８に出力し、その出力信号に対してゲインコントロール回路１８は所定のゲインコントロールを行う。Ａ／Ｄ変換回路１７は、ゲインコントロール回路１８の出力信号をアナログからデジタルに変換する。デジタルアンプ１６は、Ａ／Ｄ変換回路１７のデジタル信号出力に対して増幅やバッファリングなどを行う。

図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の要部断面構造を示す模式図である。

Ｐ型の半導体基板（例えばシリコン基板）１０において、撮像画素部１１に対応する領域には、Ｐ^＋型の素子分離層２２によって各画素ごとに区切られて（分離されて）、２次元アレイ状に配列された複数のＮ型拡散層２３が形成されている。

Ｎ型拡散層２３及び素子分離層２２における一方の面側にはＰ^＋型の表面層２４が形成されている。Ｎ型拡散層２３とＰ^＋型表面層２４とはＰＮ接合しており、これらは光電変換素子としてのフォトダイオード３０を構成する。

また、半導体基板１０において、Ｐ^＋型表面層２４が形成された一方の面側が受光面５０として機能し、この受光面５０側には、カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂやマイクロレンズ２９などが設けられている。

受光面５０には、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜２５が形成され、その絶縁膜２５には、例えばアルミニウム等の遮光膜２８が形成されている。遮光膜２８は、半導体基板１０の一方の面（受光面５０）側全体にわたって存在するが全面を遮蔽しておらず、Ｎ型拡散層２３に対向する部分、および後述する位置合わせマーク３１に対向する部分は開口されている。

絶縁膜２５には、遮光膜２８を覆うように、例えばシリコン窒化膜等のパッシベーション膜２６が形成されている。パッシベーション膜２６上には、Ｎ型拡散層２３の位置に対応して、赤、緑、青の各カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂが形成され、またカラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂを覆うように平坦化層（例えば有機膜）２７が形成されている。平坦化層２７には、各カラーフィルターＲ、Ｇ、Ｂに対応する位置にマイクロレンズ２９が設けられている。

半導体基板１０において、受光面５０の反対側の他方の面上には、Ｐ型半導体層２０、多層配線構造部、支持基板４１が設けられている。

Ｐ型半導体層２０において、撮像画素部１１に対応する領域には、フォトダイオード３０で光電変換された電荷が転送され蓄積されるＦＤ（Floating Diffusion）部３６が選択的に形成されている。ＦＤ部３６は、Ｎ型拡散層２３に対して少し横にずれた位置に形成されている。ＦＤ部３６の上方であって、Ｎ型拡散層２３側にずれた位置には、ゲート絶縁膜を介して転送ゲート３７が設けられている。

Ｎ型拡散層２３とＰ型半導体層２０との間には選択的に赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１が設けられている。赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は、Ｐ型半導体層２０側から見てＮ型拡散層２３を遮蔽する位置に設けられているが、Ｎ型拡散層２３のすべてを遮蔽しておらず、Ｎ型拡散層２３においてＦＤ部３６側の一部はＰ型半導体層２０に接している。この部分を介して、光電変換によりＮ型拡散層２３中に発生した電荷を、ＦＤ部３６に転送することができる。

赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は、少なくとも約７００ｎｍ以上の波長の赤外光を透過させない特性を有し、且つ電気絶縁性も有する。
図３に、赤外線カットフィルタ膜２１の具体的構成例を示す。

赤外線カットフィルタ膜２１は、屈折率の異なる（屈折率に高低の差がある）２種類の誘電体膜を交互に繰り返し積層した構造を有する。半導体基板１０側の１層目には、λ／２（λは赤外光の波長）の厚さで高屈折率膜５１が形成されている。その上の２層目にはλ／４の厚さで低屈折率膜５２が形成され、その上の３層目にはλ／４の厚さで高屈折率膜５１が形成されている。以降、２層目と３層目とを交互に繰り返した積層構造が形成され、最上層にはλ／２の厚さで高屈折率膜５１が形成されている。高屈折率膜５１の材料としては、例えばＴｉＯ_２（屈折率ｎ＝２．４〜２．５）、ＺｒＯ（屈折率ｎ＝２．４）を挙げることができる。低屈折率膜５２の材料としては、例えばＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４６）を挙げることができる。
また、赤外光だけでなく可視光に対する遮光性も有する遮光膜２１を用いてもよい。この遮光膜としては、例えば、窒化チタン、酸化クロム、シリカ、アルミナのうち少なくともいずれかを含む材料を用いることができる。

再び図２を参照すると、Ｐ型半導体層２０において、撮像画素部領域より外側の周辺回路部に対応する領域には、各種トランジスタ３５のソース、ドレインとして機能するＮ型拡散領域３２、３３が形成されている。これらＮ型拡散領域３２、３３間の上にはゲート絶縁膜を介してゲート電極３４が設けられている。

これらトランジスタ３５が形成された部分と半導体基板１０との間には、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１が設けられている。赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は、半導体基板１０の裏面（受光面５０）側から見て、トランジスタ３５が形成された周辺回路部を遮蔽している。

Ｐ型半導体層２０において、周辺回路部よりさらに外側には、例えばアルミニウム等の金属膜からなる位置合わせマーク３１が形成されている。この位置合わせマーク３１は、図１に示すように、例えばライン状に形成されている。

Ｐ型半導体層２０の上には、複数層の配線層３８と層間絶縁膜３９とを有する多層配線構造部が設けられている。この多層配線構造部の上には、支持基板４１が設けられている。層間絶縁膜３９の表面側には、配線層３８と接続された電極パッド４０が形成されている。支持基板４１の表面上において電極パッド４０に対向する位置には電極端子４５が形成されている。電極パッド４０と電極端子４５とは、支持基板４１を貫通して設けられた導電材４３を介して接続されている。

以上説明したように構成される本実施形態に係る固体撮像素子は裏面照射型であり、半導体基板１０の裏面（受光面５０）側から光が入射する。この入射光は、マイクロレンズ２９で集光され、各カラーフィルターＲ、Ｇ、Ｂを通過して、フォトダイオード３０に入射する。

フォトダイオード３０に入射した光は光電変換され、これにより発生した電荷は、転送トランジスタによってＦＤ部３６に転送・蓄積され、このＦＤ部３６の電位変動が増幅トランジスタによって検出され、周辺回路部に出力される。

ここで、図１０は、比較例の固体撮像素子を示す。この比較例の固体撮像素子は、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１を有さない点で、前述した本実施形態に係る固体撮像素子と異なる。

裏面照射型の固体撮像素子は、受光面側からこの反対面側に形成された信号処理回路へと信号電荷を読み出して処理する必要性から、一般に半導体基板の厚さは１０μｍ以下と薄くする必要があり、赤外光などの長波長光が入射してきた場合には、図１０の比較例において１点鎖線の光路で示すように、容易に配線層３８側へと透過し、配線層３８で反射した光が隣接画素のフォトダイオード３０に入射して混色を起こす可能性がある。

これに対して、本実施形態では、フォトダイオード３０と配線層３８との間に赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１を設けているため、受光面５０から素子分離層２２を透過して配線層３８に到達した長波長光（赤外光）が配線層３８で反射しても、その反射光は赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１によってフォトダイオード３０への入射が阻まれるため、混色を起こすことがない。

次に、図４〜図７を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、Ｐ型シリコンの半導体基板１０上に、選択的に赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１を形成する。赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は、例えば図３を参照して前述したような構造を有する。赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は、まず半導体基板１０上全面に形成された後、選択的エッチングにより、所望の部分が開口される。

次に、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１の開口に露出している半導体基板１０表面部分を結晶の成長種として、図４（ｂ）に示すように、Ｐ型半導体層２０を、選択エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）させる。赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１としては、このエピタキシャル成長プロセスにおける温度に耐えうる材料とする必要がある。

Ｐ型半導体層２０は、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１上にも成長し、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１上の中央付近で、開口側から成長してきた結晶が結合する。この結合部２０ａは結晶性が悪く欠陥が集中する部分であるので、後工程にてＰ型半導体層２０に形成するＦＤ部、ソース、ドレインとなるＮ型拡散領域などは結晶成長結合部２０ａを避けた部分に形成する。

Ｐ型半導体層２０の表面を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平らに研磨した後、撮像画素領域については、Ｎ型拡散層２３、Ｐ^＋型の素子分離層２２、ＦＤ部３６、転送ゲート３７、信号増幅トランジスタなどを形成し、周辺回路部については、信号処理トランジスタなどを形成する。Ｎ型拡散層２３、素子分離層２２、ＦＤ部３６、Ｎ型拡散領域３２、３３は、Ｐ型半導体層２０側からの各種不純物のイオン注入により形成することができる。

また、これら要素の形成と併せて、Ｐ型半導体層２０における、周辺回路部よりも外側の表層部に、例えばアルミニウム等の金属パターンとして、位置合わせマーク３１を形成する。この位置合わせマーク３１は、後工程で半導体基板１０の裏面（受光面）側の要素を形成する際に、表面側に形成された要素との位置合わせを行うために用いられる。

次に、図５（ａ）に示すように、Ｐ型半導体層２０の上に、多層配線層３８と層間絶縁膜（例えばシリコン酸化層）３９とを有する多層配線構造部を形成する。さらに、層間絶縁膜３９の表面に、配線層３８と接続された電極パッド４０も形成する。

多層配線構造部の表面を平坦化した後、その上に、図５（ｂ）に示すように、支持基板４１を貼り付ける。支持基板４１は、半導体基板１０の薄型化のために裏面側を研磨する際の支持体としての機能を担う。

次に、半導体基板１０の裏面側をＮ型拡散層２３が露出するまで研磨して半導体基板１０を薄型化し、その後、裏面側から位置合わせマーク３１に赤外線を照射して位置合わせマーク３１を検知して位置合わせを行いつつ、図６（ａ）に示すように、撮像画素領域における素子分離層２２及びＮ型拡散層２３の裏面側に、例えばボロンをイオン注入してＰ^＋型表面層２４を形成する。位置合わせマーク３１に対向する部分には赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は形成されていないため、半導体基板１０裏面側からの赤外線照射により位置合わせマーク３１の検出が可能となっている。

次に、半導体基板１０の裏面を保護膜で覆った上で、図６（ｂ）に示すように、支持基板４１に電極パッド４０まで達する貫通ビア４２を形成し、その後、図７（ａ）に示すように、貫通ビア４２内に導電材４３を埋め込み、支持基板４１表面における導電材４３上に電極端子４５を形成する。

次に、半導体基板１０裏面側に形成した保護膜を除去し、今度は支持基板４１表面を保護膜で覆った上で、図７（ｂ）に示すように、半導体基板１０裏面側に、絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）２５、遮光膜（例えばアルミニウム等の金属膜）２８、パッシベーション膜（例えばシリコン窒化膜）２６を形成する。

この後、図２に示すカラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂ、平坦化層２７、マイクロレンズ２９などを受光面側に形成し、さらにウェーハ状態から各チップごとに分割して、本実施形態に係る固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサチップ）が得られる。

図８は、本発明の他の実施形態に係る固体撮像素子の要部断面構造を示す模式図である。なお、図２に示す前述した固体撮像素子と同じ要素には同じ符号を付しその詳細な説明は省略する。

この図８に示す固体撮像素子においては、素子分離層２２とＰ型半導体層２０との間にも赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１を設けている。撮像画素部領域においては、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１は、Ｎ型拡散層２３の一部２３ａを除く全面にわたって形成されている。この一部２３ａは、光電変換によりＮ型拡散層２３に発生した電荷を、転送ゲート３７の動作によりＦＤ３６へと転送するための経路である。

この図８に示す構造によれば、素子分離層２２と配線層３８との間にも赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１があるので、受光面５０側から入射して素子分離層２２を透過する長波長光（赤外光）の配線層３８側への入射を阻むことができる。すなわち、受光面５０側から入射する赤外光が配線層３８へと到達することがなく、よってその配線層３８での反射光がフォトダイオード３０に入射することによる混色も生じない。

次に、図９は、図２や図８を参照して前述した本発明の実施形態に係る固体撮像素子（図９中では符号６０で示す）を用いたカメラモジュールの模式図を示す。

固体撮像素子６０の電極端子４５と回路基板７０との間には導電性バンプ６７が設けられ、そのバンプ６７を介して、固体撮像素子６０は回路基板７０に対して電気的に接続されて実装されている。固体撮像素子６０と回路基板７０との接合部には、樹脂スペーサ６５が設けられている。

固体撮像素子６０の受光面は光学的レンズ６１と、空間を隔てて対向している。光学的レンズ６１は、例えば円筒状のレンズホルダ６２に保持されている。レンズホルダ６２と固体撮像素子６０との間には樹脂スペーサ６４が設けられている。また、このカメラモジュールにおいて、光学的レンズ６１を除く他の要素の外面にはメタルシールド６３が形成されている。

近年、カメラ付き携帯電話の薄型化が進み、ＷＬＣＭ（Wafer Level Camera Module）構造による低背型カメラモジュールが開発されている。しかし、この構造の場合、カメラモジュールの裏面側の隙間より赤外光が入射し、半導体基板１０において受光面と反対側の面側に形成された配線層パターンが撮像されてしまうといった問題がある。

しかし、本実施形態によれば、図２または図８を参照して前述したように、受光面の反対側から赤外光が漏れて入射してきたとしても、赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１によって、その赤外光のフォトダイオード３０への入射が阻まれ、配線層３８が撮像されてしまうことがない。

また、周辺回路部にも赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１を設けていることで、周辺回路部の裏面（受光面の反対側の面）側から漏れ込んできた赤外光が、直接周辺回路部のトランジスタに入射したり、あるいは金属膜である遮光膜２８にまで到達して反射し、その反射光が隣接するトランジスタや撮像画素領域のフォトダイオード３０や配線層３８へ到達して入射するのを防ぐことができる。

ここで、図１１は比較例のカメラモジュールを示す。なお、図９に対応する要素にはお同じ符号を付している。本実施形態のような赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）２１を設けていない固体撮像素子８０を用いる場合、この図１１に示すように、固体撮像素子８０の受光面と光学的レンズ６１との間にフィルム状の赤外線カットフィルタ７１を組み込むことが考えられる。

しかし、この場合、カメラモジュールの一部品として赤外線カットフィルタ７１を組み込むため、半導体基板に薄膜として赤外線カットフィルタ膜２１を形成する本発明実施形態に比べてモジュール全体の高さは大きくなり低背化に不利であり、さらに部品点数の増加による組み立て工程の工数増加をまねく。また、図１１の構造では、受光面の反対面側から漏れて入射してくる赤外光による配線パターンの撮像を防ぐことはできない。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

Ｎ型拡散層２３、素子分離層２２を形成するにあたっては、半導体基板１０を支持基板４１に貼り付けた後、半導体基板１０の受光面側を研磨して薄型化し、この後、その受光面側からのイオン注入により、Ｎ型拡散層２３、素子分離層２２を形成してもよい。

本発明の実施形態に係る固体撮像素子における撮像画素部と周辺回路部の平面レイアウトを示す模式図。本発明の実施形態に係る固体撮像素子の要部断面構造を示す模式図。本発明の実施形態に係る固体撮像素子における赤外線カットフィルタ膜の具体的構成例を示す模式図。本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示す模式図。図４に続く工程を示す模式図。図５に続く工程を示す模式図。図６に続く工程を示す模式図。本発明の他の実施形態に係る固体撮像素子の要部断面構造を示す模式図。本発明の実施形態に係る固体撮像素子を組み込んだカメラモジュールの模式図。比較例に係る固体撮像素子の要部断面構造を示す模式図。比較例に係るカメラモジュールの模式図。

符号の説明

１０…半導体基板、１１…撮像画素部、２０…Ｐ型半導体層、２１…赤外線カットフィルタ膜（もしくは遮光膜）、２２…素子分離層、２３…Ｎ型拡散層、２４…Ｐ^＋型表面層、３０…光電変換素子（フォトダイオード）、３１…位置合わせマーク、３６…ＦＤ（Floating Diffusion）部、３７…転送ゲート、３８…配線層、４１…支持基板、５０…受光面

Claims

一方の面に受光面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の他方の面上に設けられた配線層と、
前記受光面と前記配線層との間に設けられた撮像画素部と、
前記撮像画素部の周辺であって前記半導体基板の前記他方の面側に設けられた周辺回路部と、
を備え、
前記撮像画素部は、
２次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子を画素ごとに区切る素子分離層と、
少なくとも、前記光電変換素子と前記配線層との間に部分的に設けられた赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜と、
を有することを特徴とする固体撮像素子。
前記赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜は、さらに、前記素子分離層と前記配線層との間にも設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜は、さらに、前記受光面と前記周辺回路部との間にも設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
前記周辺回路部より外側に位置合わせマークが形成され、
前記受光面と前記位置合わせマークとの間には前記赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜は設けられず、赤外線を使って前記受光面側から前記位置合わせマークを読み取り可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
前記赤外線カットフィルタ膜もしくは遮光膜は、酸化チタン、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、窒化チタン、酸化クロム、シリカ、アルミナの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像素子。