JP2008227253A - 裏面照射型固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＣＤイメージセンサの長所とＣＭＯＳイメージセンサの長所を併せ持つ固体撮像素子を提供する。
【解決手段】第１半導体基板２０の裏面側から入射してきた光を受光する光電変換素子２２であって第１半導体基板２０の表面側に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子２２と、第１半導体基板２０の前記表面側に形成され光電変換素子２２の検出信号を読み出すＣＣＤ型信号読出手段２１と、前記表面側に形成され光電変換素子２２の検出信号を読み出すＭＯＳ型信号読出手段５１，５２，５４，５６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサの長所とＣＭＯＳイメージセンサの長所を併せ持つ裏面照射型固体撮像素子に関する。

イメージセンサ（撮像素子）として広く利用されている半導体装置には２種類ある。一つはＣＣＤイメージセンサであり、もう一つはＣＭＯＳイメージセンサである。

例えば下記特許文献１記載の様なＣＣＤイメージセンサは、ＳＮ比が高く光学特性が優れていることや、受光面に設けられている複数の画素による撮像の同時性が実現されている点が長所として挙げられ、短所としては、画素から電荷転送路に信号電荷を読み出す電荷読出電圧や電荷転送路を駆動する転送電圧など複数種類の電源電圧が必要で消費電力が大きくなる点が挙げられる。

これに対し、例えば下記特許文献２記載の様な、ＣＭＯＳイメージセンサは、消費電力が低く、３．３Ｖの単一電源で動作することや、ランダムアクセスや並列読出ができる点などが長所として挙げられ、短所としては、ＳＮ比が低く撮像の同時性がない点などが挙げられる。

この様にＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサには夫々の長所短所があるため、例えばＣＣＤイメージセンサは、主としてビデオ用の撮像機器や高画質，高感度が求められるデジタルカメラ等に採用され、ＣＭＯＳイメージセンサは、携帯電話用の撮像モジュールで多く採用されている。

特許第２８２１０６２号公報 特開２００６−３２４９７号公報

撮影機器に搭載するイメージセンサをＣＣＤ型とするかＣＭＯＳ型とするかは、夫々の長所短所を勘案して選択することになるが、撮影機器開発者からは、両方の長所を持っているイメージセンサに対する要望が高い。

例えば、動画撮影時には複数の画素信号を加算読出し、高速な高感度撮影を低消費電力で実施してＡＥ，ＡＦの高速化を実現し、静止画像撮影時には、高ＳＮ比で高画質の撮像が実現できるイメージセンサに対する要望が高い。

本発明の目的は、ＣＣＤイメージセンサの長所とＣＭＯＳイメージセンサの長所を併せ持つ裏面照射型固体撮像素子を提供することにある。

本発明の裏面照射型固体撮像素子は、第１半導体基板の裏面側から入射してきた光を受光する光電変換素子であって該第１半導体基板の表面側に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、該第１半導体基板の前記表面側に形成され前記光電変換素子の検出信号を読み出すＣＣＤ型信号読出手段と、前記表面側に形成され前記光電変換素子の検出信号を読み出すＭＯＳ型信号読出手段とを備えることを特徴とする。

本発明の裏面照射型固体撮像素子の前記ＭＯＳ型信号読出手段は、前記光電変換素子毎に設けられることを特徴とする。

本発明の裏面照射型固体撮像素子の前記ＭＯＳ型信号読出手段は、複数の前記光電変換素子毎に設けられることを特徴とする。

本発明の裏面照射型固体撮像素子は、前記ＣＣＤ型信号読出手段が形成された前記第１半導体基板の前記表面側に、前記ＭＯＳ型信号読出手段が形成された第２半導体基板が貼り合わされることで該表面側に前記ＭＯＳ型信号読出手段が形成されることを特徴とする。

本発明の裏面照射型固体撮像素子は、前記第２半導体基板の前記第１半導体基板側に形成された絶縁層内に、複数の光電変換素子の検出信号を加算して読み出す配線層が設けられていることを特徴とする。

本発明の裏面照射型固体撮像素子は、前記裏面側にカラーフィルタが積層され、前記配線層は、同一色のカラーフィルタが積層された前記光電変換素子の検出信号を加算するものであることを特徴とする。

本発明の裏面照射型固体撮像素子は、ＭＯＳ型信号読出手段とＣＣＤ型信号読出手段の両方を備えるため、ＭＯＳイメージセンサの長所とＣＣＤイメージセンサの長所を併せ持つことができる。

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、本発明の一実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の略２画素分の断面模式図である。本実施形態の裏面照射型固体撮像素子１００は、ＣＣＤタイプの裏面照射型固体撮像素子１が複数形成された半導体ウェハの表面側に、ＣＭＯＳイメージセンサで用いられるトランジスタ回路及び配線層が形成された信号読出用ウェハ２を、例えば三菱重工技報ＶＯＬ．４３ Ｎｏ．１：２００６の５１頁「ＭＥＭＳデバイスの高効率・低コスト生産に貢献するウェハ常温接合装置」後藤崇之等に記載されている技術を用いて貼り合わせ、個々の裏面照射型固体撮像素子１００をダイシングし個片化することで製造される。

図示するＣＣＤタイプの裏面照射型固体撮像素子１はインターライン型ＣＣＤであり、ｐ型半導体基板２０の表面側に垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２１とフォトダイオード（光電変換素子）２２とが形成され、裏面側に、カラーフィルタ（赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ））層２３及びマイクロレンズ２４が積層される。

半導体基板２０の裏面側表面部には高濃度ｐ層２５が形成され、このｐ層２５が接地される。高濃度ｐ層２５の上には入射光に対して透明な酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁層２６が積層され、その上に、窒化シリコンやダイヤモンド構造炭素膜等の入射光に対して透明な高屈折率層２７が反射防止層として積層され、その上に、カラーフィルタ層２３，マイクロレンズ（トップレンズ）層２４が順に積層される。各マイクロレンズ２４は、対向する位置に設けられた対応のフォトダイオード（光電変換素子）２２の中心に焦点が合うように形成される。

カラーフィルタ層２３は画素（フォトダイオード）単位に区画され、カラーフィルタ層２３の半導体基板２０側の隣接区画間には、画素間の混色を防ぐための遮光部材２８が設けられる。

半導体基板２０の表面側に形成されるＣＣＤ型信号読出手段としての垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）２１は、高濃度ｎ層の埋め込みチャネル３１と、半導体基板２０の表面側最表面に形成されたシリコン酸化膜やＯＮＯ（酸化膜―窒化膜―酸化膜）構造の絶縁膜でなるゲート絶縁層３２を介して積層された転送電極膜３３とで構成される。

垂直電荷転送路２１は、図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）が延びる方向に対して垂直方向に延びる様に形成され、且つ、複数本の垂直電荷転送路２１が形成される。そして、隣接する垂直電荷転送路２１間に、垂直電荷転送路２１に沿う方向に複数のフォトダイオード２２が所定ピッチで形成される。

フォトダイオード２２は、本実施形態では、ｐ型半導体基板２０の表面側に形成されたｎ層３５とその下に形成されたｎ⁻層３６とで構成される。そして、ｎ層３５の表面部に暗電流抑制用の薄いｐ型高濃度表面層３８が形成され、表面層３８の中央表面部に、コンタクト部としてｎ^＋層３９が形成される。

垂直電荷転送路２１の埋め込みチャネル（ｎ^＋層）３１の下には基板２０よりｐ濃度の高いｐ層４１が形成されており、このｎ層３１及びｐ層４１と、図示の例では右隣のフォトダイオード２２との間に、素子分離帯としてのｐ^＋領域４３が形成される。各ｐ層４１の下には、半導体基板２０より高濃度なｐ⁻領域４２が設けられ、隣接するフォトダイオード２２間の素子分離が図られる。各ｐ⁻領域４２は、上述した画素区画部分すなわち遮光部材２８に対応する箇所に設けられる。

垂直電荷転送路２１の埋め込みチャネル３１の下に形成されたｐ層４１は、図示の例では左隣のｎ層３５の表面端部の上まで延び、この端部分のｐ^＋表面層３８は、ｎ層３５の右端面位置より後退した位置になっている。そして、転送電極膜３３の左端面は、ｐ層４１の左端面まで重なる様に延設され、ｎ層３５と、転送電極膜３３及びｐ層４１の表面端部とが若干オーバーラップする構成になっている。

この様なオーバーラップ構成が可能なのは、裏面照射型では半導体基板２０の表面側に面積的な余裕があるためである。被写体からの入射光が、基板２０の表面側から入射する表面照射型イメージセンサでは、開口を確保するため面積的余裕がなく、転送電極膜の端部をフォトダイオード上部へ延設するのが容易でないが、裏面照射型では容易となる。

本実施形態の様に、転送電極膜３３とｎ層３５との間にｐ層４１を介在させると、転送電極膜（読出電極兼用）３３に印加する読出電圧の低電圧化を図ることができ、ＣＣＤ型固体撮像素子の低消費電力化を図ることが可能となる。

半導体基板２０の最表面に形成される絶縁層３２の上に例えばポリシリコン膜でなる転送電極膜３３が形成され、その上に、２酸化シリコン等の絶縁層４５が積層される。そして、ｎ^＋層３９の上の絶縁層３２，４５に開口が開けられ、この開口がタングステン等の金属材料で埋められることでコンタクト部３９に接続される縦配線４６が形成され、絶縁層４５表面に縦配線４６の接続端子４７がアルミなどで形成される。

尚、縦配線４６が長くなり一度に端から端まで製造することが困難となる場合には、絶縁層４５を多層構造とし各層４５を製造する毎に縦配線４６を延ばすことで製造が容易となる。

上述した構成の裏面照射型固体撮像素子１が形成された半導体ウェハ（基板）２０の表面側に貼り接合技術で貼り合わされる信号読出用ウェハ２はｐ型半導体基板５０を備える。

基板５０の、図１に示す裏面照射型固体撮像素子１側の表面部にはＣＭＯＳイメージセンサで用いられるＭＯＳ型信号読出手段が画素対応に形成されている。ＭＯＳ信号読出手段は、周知の３トランジスタ構成あるいは４トランジスタ構成をとるが、図１にはこれらを構成する１つのトランジスタのみ図示している。

基板５０の表面部には、ＭＯＳ信号読出手段を構成する１つのＭＯＳトランジスタのソース５１，ドレイン５２が形成されており、その上（撮像素子１側）全面に２酸化シリコン等のゲート絶縁膜５３が形成され、その上のソース５１，ドレイン５２間にゲート５４が形成される。

そして、ゲート絶縁膜５３及びゲート５４の上には、絶縁層５５が積層され、絶縁層５５内に、ＣＭＯＳイメージセンサで用いられる３層配線５６が埋設される。絶縁層５５は多層構造であり、そのいずれかの層内に配線層５６が積層されることで３層配線５６が形成される。

従来のＣＭＯＳイメージセンサでは、表面照射型すなわち３層配線層が設けられる側から光が入射するため、各画素の受光面を塞がない様に３層配線を形成しなければならなかったが、本実施形態の撮像素子１００では、裏面側から光が入射し、３層配線５６が入射光を遮ることがないため、その配置位置や線幅に制約がなく、製造が容易である。

また、絶縁層５５及びゲート絶縁膜５３には、ソース５１に達する開口が設けられ、この開口がタングステン等の金属材料で埋められることで縦配線５７が形成され、絶縁層５５表面に縦配線５７の接続端子５８がアルミなどで形成される。また、絶縁層５５内には、ドレイン５２と３層配線５６を接続する縦配線５９も設けられる。

固体撮像素子１に設ける縦配線４６と基板５０に設ける縦配線５７とは等ピッチで形成され、両者を貼り合わせるときは、個々の接続端子４７と接続端子５８とを整列させて貼り合わせる。

斯かる構成の裏面照射型固体撮像素子１００で被写体画像を撮像する場合、被写界からの入射光は、半導体基板２０の裏面側から入射する。この入射光はマイクロレンズ２４で集光され、カラーフィルタ層２３を通り、半導体基板２０内に浸入する。

マイクロレンズ２４で集光された光が半導体基板２０内に入射すると、この入射光は当該マイクロレンズ２４及びカラーフィルタ２３に対応するフォトダイオード２２の方向に集光しながら進み、半導体基板２０に光吸収され、光電変換されて正孔電子対が発生する。

裏面照射型固体撮像素子１００では、半導体基板２０の裏面からフォトダイオードを構成するｎ領域２２までの距離を、９μｍ程度の厚さにしているため、入射光が半導体基板２０の表面側に設けたｎ^＋領域すなわち電荷転送路２１に達するまでに殆ど全て基板２０に吸収され光電変換されてしまう。従って、垂直電荷転送路２１を裏面側から遮光する必要がない。

各画素の光電変換領域（ｐ層２５からｎ領域３５までの領域）で発生した電子は、当該画素におけるｎ領域３５に蓄積され、正孔は、高濃度ｐ型層２５を通してアースに廃棄される。

ｎ領域３５に蓄積された信号すなわち受光量に応じた撮像画像信号は、２通りの方法で外部に読み出される。第１は、通常のＣＣＤ型イメージセンサと同様に垂直電荷転送路２１を用いた方法であり、第２は、通常のＣＭＯＳ型イメージセンサと同様にＭＯＳトランジスタ回路及び３層配線５６を用いた方法である。

例えば高画質の静止画撮像信号を読み出す場合には、垂直電荷転送路２１を用いた方法で信号を外部に読み出す。即ち、読出電極兼用の転送電極膜３３に読出電圧を印加すると、ｎ領域３５から、図示する例では右隣の埋め込みチャネル３１に信号電荷が読み出され、以後、垂直電荷転送路２１に沿って水平電荷転送路（図示せず）まで転送され、水平電荷転送路に沿ってアンプまで転送され、アンプが信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力する。

例えば動画像を撮像しその撮像画像信号を読み出す場合には、ＭＯＳ型信号読出手段５１，５２，５４，５６を用いて信号を外部に読み出す。即ち、裏面照射型固体撮像素子１００の周辺部に形成した図示しない走査回路からの指示順に従って、該当する画素（ｎ領域）２２の信号電荷をトランジスタ５１側に移し、その電荷量に応じた信号を外部に出力する。

動画を撮影する場合、静止画像と異なり、隣接する複数同色画素の信号を加算混合することが行われる。この画素混合は、各画素対応に設けたＭＯＳ型信号読出手段で読み出された個々の画素の信号を撮像素子１００の外部に設けた信号処理回路で行っても良いが、図１に示す絶縁層５５内で加算混合する構成とすることも可能である。

図２は、絶縁層５５内で混合する配線接続の概略を示す図である。図中のＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）で示す箇所は、図１に示すｎ領域（光電変換素子）２２であり、各ｎ領域２２から縦配線４６が形成され、絶縁層５５内に接続される。尚、図２では、図１に示す接続端子４７，５８は図示を省略している。

絶縁層５５内には、同色複数画素の配線４６を纏める配線層６１が形成されており、ウェハ２の表面部には同色複数画素に対して１セットのＭＯＳ型信号読出回路６３が設けられている。また、走査線やリセット線等の３層配線５６は、トランジスタ回路６３毎に設けられている。

この様に、裏面照射型固体撮像素子１００のＭＯＳトランジスタを用いた信号読出回路で信号を読み出すときに素子１００内で同色複数画素の画素信号を混合し読み出す構成にすることで、画素混合を行う信号処理負荷が軽減し、また、必要となるトランジスタ素子数や３層配線５６も数が少なくなるため、製造コストの低減を図ることができる。

上述した様に、本実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子１００は、信号読出手段として、ＣＣＤ型とＣＭＯＳ型の２種類を搭載しているため、ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサの両方の長所を併せ持つ固体撮像素子を小型に製造することができる。そして、どちらの信号読出手段を用いて撮像画像信号を読み出すかを任意に設定することができる。

例えば、被写体にカメラを向けて撮像素子１００から動画状態で被写体画像信号が出力されているときに、カメラは、ＡＥ（自動露出）処理やＡＦ（自動焦点）処理を行っているが、このときの撮像画像信号の出力をＣＭＯＳ型信号読出手段を用いて行うことで、例えば１２０コマ／秒以上の高フレームレートでＡＥ，ＡＦを行うことが可能となる。そして、レリーズボタンが押下されて撮像された高精細静止画像信号は、ＣＣＤ型信号読出手段により読み出す。これにより、高Ｓ／Ｎの撮像画像信号が得られる。

尚、上述した図１に示す実施形態では、１画素毎の撮像画像信号を読み出すＣＭＯＳ型信号読出回路を画素個々に対して設けたが、画素混合せずに複数画素に対して１つのＣＭＯＳ型信号読出回路を設け、画素間引きして読み出す構成とすることでもよい。

また、裏面照射型固体撮像素子１をＣＣＤタイプとして、これにＣＭＯＳ型信号読出回路を形成したウェハ２を貼り合わせる実施形態について説明したが、裏面照射型固体撮像素子１をＣＭＯＳタイプとし、これにＣＣＤ型信号読出手段を形成したウェハ２を貼り合わせる構成とすることも可能である。更に、図１の配線層５６や図２の配線層６１は絶縁層５５側に絶縁層４５側に形成することも可能である。

本発明に係る裏面照射型固体撮像素子は、ＣＣＤ型イメージセンサの長所とＣＭＯＳ型イメージセンサの長所を併せ持つという効果を奏し、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。

本発明の一実施形態に係る裏面照射型固体撮像素子の略２画素分の断面模式図である。 図１に示す裏面照射型固体撮像素子のＣＭＯＳ型信号読出回路を素子内で画素混合する配線概略を示した説明図である。

符号の説明

１ ＣＣＤタイプの裏面照射型固体撮像素子
２ ＣＭＯＳ型信号読出回路が形成されたウェハ２
２０，５０ ｐ型半導体基板
２１ 垂直電荷転送路
２２ ｎ領域（フォトダイオード）
２３ カラーフィルタ層
２４ マイクロレンズ
２５ 高濃度ｐ層
２８ 遮光部材
３９ コンタクト部
４６，５７ 縦配線
４７，５８ 接続端子
５１ ソース
５２ ドレイン
５３ ゲート絶縁膜
５４ ゲート
５５ 絶縁層
５６ ３層配線
１００ ２種類の信号読出手段を備える裏面照射型固体撮像素子

Claims (6)

1. 第１半導体基板の裏面側から入射してきた光を受光する光電変換素子であって該第１半導体基板の表面側に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、該第１半導体基板の前記表面側に形成され前記光電変換素子の検出信号を読み出すＣＣＤ型信号読出手段と、前記表面側に形成され前記光電変換素子の検出信号を読み出すＭＯＳ型信号読出手段とを備えることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子。
2. 前記ＭＯＳ型信号読出手段は、前記光電変換素子毎に設けられ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. 前記ＭＯＳ型信号読出手段は、複数の前記光電変換素子毎に設けられ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。
4. 前記ＣＣＤ型信号読出手段が形成された前記第１半導体基板の前記表面側に、前記ＭＯＳ型信号読出手段が形成された第２半導体基板が貼り合わされることで該表面側に前記ＭＯＳ型信号読出手段が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の裏面照射型固体撮像素子。
5. 前記第２半導体基板の前記第１半導体基板側に形成された絶縁層内に、複数の光電変換素子の検出信号を加算して読み出す配線層が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の裏面照射型固体撮像素子。
6. 前記裏面側にカラーフィルタが積層され、前記配線層は、同一色のカラーフィルタが積層された前記光電変換素子の検出信号を加算するものであることを特徴とする請求項５に記載の裏面照射型固体撮像素子。

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