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JP2013179334A - 裏面照射イメージセンサを動作させる方法 - Google Patents

裏面照射イメージセンサを動作させる方法 Download PDF

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JP2013179334A
JP2013179334A JP2013097690A JP2013097690A JP2013179334A JP 2013179334 A JP2013179334 A JP 2013179334A JP 2013097690 A JP2013097690 A JP 2013097690A JP 2013097690 A JP2013097690 A JP 2013097690A JP 2013179334 A JP2013179334 A JP 2013179334A
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Abstract

【課題】裏面照射構造を有しながらも、別途にメタル反射層を備えなくてもよく、フォト
ダイオードの空乏領域をコントロールして、短波長に対する光感度及びクロストルクを改
善することができるイメージセンサを提供すること。
【解決手段】半導体基板の表面の下に形成され、前記半導体基板の裏面から光が照射され
て光電荷を生成するフォトダイオードと、前記半導体基板の表面の上部において前記フォ
トダイオードの上に形成され、裏面照射される光を反射させ、かつ、前記フォトダイオー
ドの空乏領域をコントロールするバイアスが印加される反射ゲートと、前記フォトダイオ
ードからピクセルのセンスノードに光電荷を伝達するトランスファゲートとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、イメージセンサに関し、特に、裏面照射（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉ
ｎａｔｉｏｎ）構造のイメージセンサに関する。本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ又は
ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）のようなＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ
Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）に適用することができる。
イメージセンサは、光学映像（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ）を電気信号に変換させる
半導体素子であって、光を感知する受光素子（通常、フォトダイオード）部と、感知した
光を電気的信号に処理してデータ化するロジック回路部とから構成されている。
このように、イメージセンサのピクセルは、光を受信して光電荷を生成するフォトダイ
オードと、光電荷をピクセルのセンスノードに移送する電荷転送ゲートとを備える。
一方、通常のイメージセンサは、基板表面の下にフォトダイオードが形成され、基板上
部にロジック回路が構成され、基板の上面から光が照射される表面照射（ｆｒｏｎｔ ｉ
ｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）構造を有する。しかし、フォトダイオードの上部に形成された
いくつかの上部層により、光損失を引き起こすため、フォトダイオードの光応答（ｐｈｏ
ｔｏ−ｒｅｓｐｏｎｓｅ）特性に優れていない。また、光子（ｐｈｏｔｏｎ）の透過深さ
（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）が深いため、入射される光フラックスの光電荷
への転換が困難である。
このような困難を克服するために、基板の裏面から光が照射される裏面照射（ｂａｃｋ
ｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）構造のイメージセンサが紹介されている。
図１は、従来の技術（米国公開特許ＵＳ２００６／００６８５８６Ａ１）に係る裏面照
射構造のイメージセンサを示す。
同図に示すように、シリコン・埋め込み酸化層・シリコン構造のＳＯＩウエハで表面工
程によってＰ型シリコン１３０に接合カソードとして機能するＮウェル１２０を形成し、
その上にロジック回路（図示せず）及びメタル配線１５０などが形成される。その後、支
持基板１４０を取り付け、裏面工程によってＳＯＩウエハの裏面シリコンを埋め込み酸化
層まで研磨し、非反射層２２０とマイクロレンズ２３０とを形成して裏面から光子が入射
されるようにする構造である。説明のない図面符号「１２５」は、クロストルク防止のた
めのＰイオン注入領域であり、「１６０ａ、１６０ｂ」は、絶縁層である。
ところが、従来の技術では、シリコン（基板）の厚さが次第に薄くなり、長波長の光が
シリコンを透過することによって表われる信号の損失を減らすために、フォトダイオード
の対応する位置にメタル反射層（ｍｅｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（図１の２４０）を
別途に備えなければならない。したがって、メタル工程が追加されたり、又はメタルレイ
アウトが制約されることになる。
また、従来の裏面照射イメージセンサは、フォトダイオードが工程条件（ドーピングの
濃度及び深さなど）によって内部ポテンシャルが決定されて、空乏領域の幅が決まる。こ
れにより、基板の裏面近傍まで空乏領域が形成されなかった場合、裏面近傍で生成された
光電荷が自体のフォトダイオード空乏領域に到達できず、隣接するピクセルに移動するク
ロストルクが発生する。また、短波長に対する光感度もよくない。
本発明は、上記のような従来の技術の問題点を解決するために提案されたものであって
、その目的は、裏面照射構造を有しながらも、別途にメタル反射層を備えなくてもよいイ
メージセンサを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、裏面照射構造を有し、フォトダイオードの空乏領域の幅を
コントロールすることができるため、クロストルクを改善できるイメージセンサを提供す
ることにある。
本発明の更に他の目的は、裏面照射構造を有し、フォトダイオードに生成された光電荷
をピクセルセンスノードに伝達する効率及びタイミングを増大させたイメージセンサを提
供することにある。
そこで、上記の目的を達成するための本発明による裏面照射イメージセンサは、半導体
基板の表面の下に形成され、前記半導体基板の裏面から光が照射されて光電荷を生成する
フォトダイオードと、前記半導体基板の表面の上部において前記フォトダイオードの上に
形成され、裏面照射される光を反射させ、かつ、前記フォトダイオードの空乏領域をコン
トロールするバイアスが印加される反射ゲートと、前記フォトダイオードからピクセルの
センスノードに光電荷を伝達するトランスファゲートとを備えることを特徴とする。
従来の技術（米国公開特許ＵＳ２００６／００６８５８６Ａ１）に係る裏面照射構造のイメージセンサの断面図である。 本発明の一実施形態に係る裏面照射イメージセンサの主な部分を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係る裏面照射イメージセンサの主な部分を示した断面図である。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が本発明を更に容易に実
施できるようにするために、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る裏面照射イメージセンサの主な部分を示した断面図
である。
同図に示すように、Ｐ型シリコン基板２０２の表面の下にＮ型ドーピング領域２０４と
Ｐ型ドーピング領域２０６とで構成されたフォトダイオードが形成される。Ｐ型ドーピン
グ領域２０６は、シリコン表面における暗電流を改善するためのものであって、通常、ピ
ンニング層（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）と呼ばれる。Ｐ型ドーピング領域２０６を省
略して、Ｎ型ドーピング領域２０４だけでフォトダイオードを構成することも可能である
。
基板２０２は、シリコン以外の半導体物質の基板を適用することができる。
基板の裏面には、裏面照射される光をフォトダイオードに集束させるためにマイクロレ
ンズ２４４が形成される。マイクロレンズ２４４と基板２０２との間には絶縁層２４２が
形成される。絶縁層２４２は、酸化膜、窒化膜、又はこれらの積層膜からなることができ
る。このとき、酸化膜は、ＢＰＳＧ（ＢｏｒｏＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａ
ｓｓ）、ＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＢＳＧ（ＢｏｒｏＳ
ｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＵＳＧ（Ｕｎ−ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａ
ｓｓ）、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌｅ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＨＤ
Ｐ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ）膜、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の中か
ら選択されるいずれか１つの膜で形成することができる。窒化膜は、シリコン窒化膜（Ｓ
ｉｘＮｙ、ここで、ｘ、ｙは自然数）又はシリコン酸化窒化膜（ＳｉｘＯｙＮ２、ここで
、ｘ、ｙは自然数）で形成することができる。マイクロレンズ２４４と絶縁層２４２との
間にカラーイメージ実現のためのカラーフィルタを備えることができる。
基板の表面上には、通常の方法と同様に、トランスファゲート２１０を含むロジック回
路が形成されるが、本発明では、従来とは異なり、フォトダイオードの上に反射ゲート２
１２、２１４が追加される。また、反射ゲートには、ポリシリコン２１２及び金属シリサ
イド膜２１４が積層されている。金属シリサイド膜は、例えばタングステンシリサイド膜
を用いることができる。金属シリサイド膜の代りに、タングステンのような金属膜を用い
ることもできる。なお、反射ゲートは、ポリシリコンなく、金属シリサイド又は金属膜を
単独で用いることができる。このように、反射ゲートは、導電性で、かつ、光反射に優れ
た物質として形成することができる。
反射ゲートは、集積時間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）の直前にバイアスが印
加されることでフォトダイオードの空乏領域の大きさをコントロールする。すなわち、従
来では、フォトダイオードの工程条件に依存して空乏領域が決定されていたが、本発明で
は、反射ゲートによって空乏領域を基板の裏面近傍まで拡張することが可能であるため、
クロストルクを改善することができる。
また、反射ゲートにより、空乏領域を基板の裏面近傍まで形成することができる。これ
は、短波長（ブルー波長）の光が裏面照射されるとき、裏面の表面近傍で発生した光電荷
を格納することが可能となり、短波長に対する光感度を向上させる効果をもたらす。
反射ゲートに印加されるバイアスとしては、ネガティブチャージポンプのような回路を
用いて生成されたネガティブバイアスを用いることができる。ネガティブチャージポンプ
は、イメージセンサのチップ内に共に集積することができる。
反射ゲートは、金属シリサイド膜２１４を含んでいるが、金属シリサイド膜は、光透過
を抑制して反射させる特性があるため、裏面から照射される長波長の光に対する信号の損
失を減らすことができる。したがって、基板の表面に別のメタル反射層を備える必要がな
く、メタルレイアウトへの制約がなくなる。
反射ゲートは、フォトダイオード上を覆っているため、ゲートのエッチングの際に発生
するプラズマダメージと、それ以外の工程プロセス上のダメージからフォトダイオードを
保護する利点もある。
フォトダイオードに集積された光電荷は、トランスファゲート２１０がターンオンされ
るとき、ピクセルのセンスノードであるＮ＋フローティング拡散領域２２４に転送される
。フォトダイオードとトランスファゲートエッジとの間の基板の表面の下には、光電荷格
納のためのＮ＋バッファ領域２２２が形成される。Ｎ＋バッファ領域２２２は、光電荷転
送効率及びタイミングマージンを増大させる機能を果たす。 Ｎ＋バッファ領域２２２が
省略された状態でフォトダイオードをトランスファゲートのエッジに整列させて形成する
こともできる。Ｎ＋バッファ領域２２２が省略されると、その省略された領域の分、ピク
セル別にフォトダイオード領域を確保することができる長所がある。
図３は、本発明の他の一実施形態に係る裏面照射イメージセンサの主な部分を示した断
面図である。
図２において説明した同じ構成要素については、同じ図面符号を付し、説明の重複を避
けるためにその説明を省略する。
図３に示すように、バッファ領域（図２の“２２２”）なく、反射ゲートＣＧとトラン
スファゲートＴｘとが絶縁層３０２を介在して、一部オーバーラップされていることが分
かる。
したがって、図３のように、バッファ用ドーピング領域を省略し、反射ゲートＣＧとト
ランスファゲートＴｘとを一部オーバーラップさせる場合、フォトダイオードの領域を確
保し、かつ、光電荷転送の効率及びタイミングの低下を防止することができる。
以上で説明したように、反射ゲートを有する改善された裏面照射イメージセンサは、当
業者によく知られている４Ｔピクセル又は３Ｔピクセルなどのいずれにも適用することが
できる。すなわち、４Ｔピクセル又は３Ｔピクセルにおいて、反射ゲートを追加すればよ
い。また、２つ以上のフォトダイオードを１つのフローティング拡散及びピクセル回路を
共有するスキームにも適用することができる。
また、上述した反射ゲートを有する改善された裏面照射イメージセンサは、ｋＴＣノイ
ズ除去のための通常のＣＤＳ信号処理技術を適用することができる。
本発明は、ＣＭＯＳ工程技術により製造されるＣＭＯＳイメージセンサはもちろん、Ｃ
ＣＤにも適用が可能である。
前述した本発明は、裏面照射構造であるため、基板の表面にロジック回路及びメタル配
線をレイアウトするとき、入射光のパス（ｐａｔｈ）を考慮する必要がない。
また、フォトダイオードの真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）ポテンシャルのみを用いず、コ
ントロールバイアスを用いて空乏領域の幅をコントロールすることにより、光電荷生成効
率、短波長の光感度、及びクロストルクを改善することができる。
なお、反射ゲートは、金属シリサイド膜又は金属膜をゲート物質として含んでいるため
、裏面から照射される長波長の光に対する信号の損失を減らすことができる。したがって
、基板の表面に別途のメタル反射層を備える必要がない。
更に、反射ゲートは、フォトダイオード上を覆っているため、工程プロセスのダメージ
からフォトダイオードを保護する。
本発明は、上記の実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、本発
明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形、及び変更が可能であるというこ
とが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者において明白であろう。
２０２ Ｐ型シリコン基板
２０４ フォトダイオード用Ｎ型ドーピング領域
２０６ フォトダイオード用Ｐ型ドーピング領域（ピンニング層）
２１０ トランスファゲート
２１２ 反射ゲートポリシリコン
２１４ 反射ゲート金属シリサイド膜
２２２ Ｎ＋バッファ領域
２２４ Ｎ＋フローティング拡散領域
２４４ マイクロレンズ

Claims (17)

  1. 半導体基板の表面の下に形成され、前記半導体基板の裏面から光が照射されて光電荷を
    生成するフォトダイオードと、
    前記半導体基板の表面の上部において前記フォトダイオード上に形成され、裏面照射さ
    れる光を反射させ、かつ、前記フォトダイオードの空乏領域をコントロールするバイアス
    が印加される反射ゲートと、
    前記フォトダイオードからピクセルのセンスノードに光電荷を伝達するトランスファゲ
    ートと
    を備えることを特徴とする裏面照射イメージセンサ。
  2. 前記反射ゲートが、裏面照射される光の損失を減らすための金属シリサイド膜又は金属
    膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の裏面照射イメージセンサ。
  3. 前記フォトダイオードから前記センスノードへの電荷転送効率及びタイミングマージン
    を増大させるために、前記フォトダイオードと前記トランスファゲートとの間の前記半導
    体基板の表面の下部に形成されたバッファ領域を更に備えることを特徴とする請求項１に
    記載の裏面照射イメージセンサ。
  4. 前記反射ゲートが、ネガティブバイアスが印加されて空乏領域の幅をコントロールする
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の裏面照射イメージセンサ。
  5. 前記フォトダイオードが、前記半導体基板の表面から発生している暗電流の改善のため
    のピンニング層を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の裏面照射
    イメージセンサ。
  6. 前記センスノードが、フローティング拡散領域であることを特徴とする請求項１〜３の
    いずれか１項に記載の裏面照射イメージセンサ。
  7. 前記センスノードが、少なくとも２つのフォトダイオードを共有することを特徴とする
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の裏面照射イメージセンサ。
  8. 前記反射ゲートに印加されるバイアスを生成するネガティブチャージポンプ回路が共に
    集積化されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の裏面照射イメージセ
    ンサ。
  9. 前記センスノードのｋＴＣノイズの除去のために、ＣＤＳ信号処理技術を利用すること
    を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の裏面照射イメージセンサ。
  10. 前記フォトダイオード、前記反射ゲート、及び前記トランスファゲートが、ＣＭＯＳ工
    程技術により製造されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の裏面照射
    イメージセンサ。
  11. 前記反射ゲートが、絶縁層を隔てて前記トランスファゲートと一部オーバーラップされ
    ることを特徴とする請求項１又は２に記載の裏面照射イメージセンサ。
  12. 前記半導体基板の裏面に形成されているマイクロレンズを更に備えることを特徴とする
    請求項１に記載の裏面照射イメージセンサ。
  13. 前記半導体基板の裏面に形成されている非反射層を更に備えることを特徴とする請求項
    １に記載の裏面照射イメージセンサ。
  14. 前記非反射層が、絶縁層であることを特徴とする請求項１３に記載の裏面照射イメージ
    センサ。
  15. 前記非反射層が、酸化膜、窒化膜、又はこれらの積層膜からなることを特徴とする請求
    項１３に記載の裏面照射イメージセンサ。
  16. 前記酸化膜が、ＢＰＳＧ（ＢｏｒｏＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、
    ＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＢＳＧ（ＢｏｒｏＳｉｌｉｃ
    ａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＵＳＧ（Ｕｎ−ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、
    ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌｅ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＨＤＰ（Ｈｉ
    ｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ）膜、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の中から選択さ
    れるいずれか１つの膜からなることを特徴とする請求項１５に記載の裏面照射イメージセ
    ンサ。
  17. 前記窒化膜が、シリコン窒化膜（ＳｉｘＮｙ、ここで、ｘ、ｙは自然数）又はシリコン
    酸化窒化膜（ＳｉｘＯｙＮ２、ここで、ｘ、ｙは自然数）からなることを特徴とする請求
    項１５に記載の裏面照射イメージセンサ。
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