CN101546779B - 固体摄像元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体摄像元件，可防止混色的发生得到高画质的图像，且可与像素周边部的入射角更大的光学系统相对应。该固体摄像元件包括：将从基板(10)的第一面入射的光转换为信号电荷并进行蓄积的光电变换部(PD)，形成在所述基板的与所述第一面相反的第二面侧的，读取由所述光电变换部所蓄积的信号电荷的晶体管(Tr)，与所述基板的所述第二面贴合的支承基板(15)，和形成在所述基板的所述第一面的防反射膜(17)，且所述基板的所述第一面含有曲面或者与所述第二面呈规定角度的倾斜面(A2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体摄像元件。
背景技术
在现有的CMOS成像传感器中，在半导体基板表面部上形成有呈矩阵状的多个作为像素的光电变换部(光电二极管)，使光通过配线层间照射(入射)到光电二极管来对光进行检测。但是由于配线层的存在，光电二极管的相对光入射面的开口尺寸受到限制，因此随着像素间距的微小化，难以得到充分的入射光的利用效率。
提出了一种在配线层上以像素单位设置微小的透镜(显微透镜)，从而通过配线层的开口部将光聚集在光电二极管，以提高感度的技术。但是，随着半导体器件的高集成化，微细化，即使使用显微透镜也难以得到充分的感度。
为了解决这些问题，提出一种通过从背面侧(配线层的相反侧)对光电二极管照射光，从而不受到配线层等存在的影响，使得实际开口率增大并得到高感度的背面照射型结构的图像传感器的方案(例如，参考专利文献1)
透过令特定波长的光通过的滤色器的光入射到光电二极管。滤色器将例如R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)三种颜色作为一组。长波长的红色光线相比短波长的蓝色光线，在单结晶硅的吸收系数要小，侵入长度长。因此，未被红色用像素吸收的光到达绿色像素和蓝色像素，从而赋予错误的颜色信号，即产生混色的问题。
混色容易发生在入射到像素的光的入射角为大的像素矩阵区域的周边部。在开口率大，可从像素整面吸收入射光的背面照射型结构中，混色更加被强调。又，在背面照射型结构中，反射光从位于光电二极管下方的配线层入射到邻接像素，也有造成混色的可能。
这样，如上所述，现有的背面照射型结构的图像传感器，具有容易发生混色的问题。
〔专利文献1〕日本特开2005-322745号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于提供一种能防止混色发生，得到高画质的图像，并能够对应在像素周边部具有更大的入射角的光学系统的固体摄像元件。
解决问题的手段
本发明的一个方面的固体摄像元件，包括：将从基板的第一面入射的光变换为信号电荷并进行蓄积的光电变换部；形成在所述基板的与所述第一面相反的第二面侧的、读取由所述光电变换部蓄积的信号电荷的晶体管；贴合在所述基板的所述第二面上的支承基板；以及形成在所述基板的所述第一面上的防反射膜；所述基板的所述第一面含有曲面或相对于所述第二面呈规定角度的倾斜面。
本发明的另一个方面的固体摄像元件，包括：将从基板的第一面入射的光变换为信号电荷并进行蓄积的光电变换部；形成在所述基板的与所述第一面相反的第二面侧的、读取由所述光电变换部蓄积的信号电荷的晶体管；贴合在所述基板的所述第二面上的支承基板；形成在所述基板的所述第一面上的防反射膜；形成在所述防反射膜上的透明平坦化膜；和形成在所述透明平坦化膜上的滤色器；形成在所述滤色器上的、由透明树脂构成的、表面形状包含凸形状和凹形状的聚光部。
根据本发明，可防止混色发生，得到高画质的图像，且能够对应在像素周边部具有更大的入射角的光学系统。
附图说明
图1是显示本发明实施例的固体摄像元件的示意性结构图。
图2是显示该实施例的固体摄像元件的像素区域的示意图。
图3是显示入射光的折射的图。
图4是显示入射角和折射角的一例的图。
图5是说明本实施例的固体摄像元件的制造方法的过程截面图。
图6是承接图5的过程截面图。
图7是承接图6的过程截面图。
图8是承接图7的过程截面图。
图9是承接图8的过程截面图。
图10是变化例的固体摄像元件的示意性结构图。
图11是变化例的固体摄像元件的示意性结构图。
图12是变化例的固体摄像元件的示意性结构图。
图13是变化例的固体摄像元件的示意性结构图。
图14是变化例的固体摄像元件的示意性结构图。
符号说明
0像素区域
1成像光学系统
7 SOI基板
8硅基板
9硅氧化膜
10基板(硅层)
11单位像素
12层间绝缘膜
13配线层
14多层配线层
15支承基板
16遮蔽层
17防反射膜
18透明平坦化膜
30抗蚀剂
40聚光部
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施例的固体摄像元件进行说明。
图1是本发明的实施例涉及的固体摄像元件的纵截面图。本实施例的固体摄像元件为背面照射型CMOS固体摄像元件。
固体摄像元件在例如作为硅半导体基板的基板10上呈矩阵状地形成有多个单元像素11，所述单位像素11具有作为受光部的光电二极管PD和作为对该光电二极管PD的信号电荷进行读取、增幅、重设等的部件的多个MOS晶体管Tr。
此处对如图2所示来自成像光学系统1的光L的入射角大的像素区域O的周边部P中的像素进行说明。
基板10的表面(第二面)侧形成有介于层间绝缘层膜12具有多层配线13的多层配线层14。进一步的，为了保持配线层14上固体摄像元件的机械强度，贴合有支承基板15，例如硅基板。
基板10(光电二极管PD)的背面(第一面)侧具有与基板10的表面(第二面)平行的区域A1，和相对基板10的表面呈θ角度的区域A2。区域A1在像素区域的中心侧，区域A2在像素区域的周边侧。
在基板10的背面部形成有遮蔽层16，在遮蔽层16的背面形成有例如由硅氧化膜形成的防反射膜17和透明平坦化膜18。遮蔽层16为p+不纯物层。防反射膜17可以是硅氧化膜和硅氮化膜的多层膜。透明平坦化膜18为透明树脂状物质，最好是透过率极高的材料。
遮蔽层16和防反射层17分别具有对应领域A1、A2的形状。透明平坦化膜18的表面(防反射膜17侧的面)形成为与防反射膜17对应的形状。
透明平坦化膜18的背面侧形成滤色器CF。滤色器CF通过特定波长的光，例如由R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)形成一组。对应各像素的滤色器CF向像素区域的中心侧错开设置。
下面利用图3对入射到这样的像素的斜光的入射进行说明。为了说明，图3在图中上方向表示固体摄像元件的背面侧。又，下面所示的折射率的值为一例。
滤色器CF的折射率大约为1.6，透明平坦化膜18的折射率大约为1.5，防反射膜(硅氧化膜)17的折射率大约为1.46，由于折射率的差别小，因此这些界面的斜入射光L的折射角小。
一方面，基板(硅)10的折射率为红色光大约3.97，蓝色光大约5.94，由于和防反射膜(硅氧化膜)17的折射率的差较大，因此基板10和防反射膜17的界面处的斜入射光L的折射较大。
又，由于区域A2相比区域A1，具有使光的入射角变大的倾斜，因此，A2区域的在基板10和防反射膜17的界面折射的斜入射光L在光电二极管PD内以相对基板10表面大致为垂直的方向行进。
例如，如图4所示，区域A2相对基板10表面呈15°倾斜，当区域A1中光L的入射角为30°的情况下，区域A2中在基板10和防反射膜(硅氧化膜)17的界面折射而在光电二极管PD中行进的光的进入角度相对基板10表面的垂直方向大约为0.1°。
因此，防止在光电二极管PD内行进的光进入相邻的像素，可抑制混色的发生。又，由于滤色器CF向像素区域的中心侧错开设置，故防止混色的效果进一步提高。
这样的光电二极管PD的背面侧具有与基板表面平行的平面和相对基板表面倾斜的平面的固体摄像元件的制造方法对照图5～图9进行说明。
如图5所示，准备SOI(Silicon On Insulator)基板7，该基板7在硅基板8上介有硅氧化膜9而形成硅层10。然后，将离子注入硅层10，形成成为光电二极管PD的不纯物层。成为光电二极管PD的不纯物层通过由n型区域以及p型区域形成的pn结合来构成。
接着，在硅层10上形成对光电二极管PD所蓄积的信号电荷进行读取、增幅、重设等的晶体管Tr。通过将具有光电二极管PD和晶体管Tr的单元像素形成为矩阵状来形成像素区域。
接着，在硅层10上形成有介于层间绝缘膜12具有多层配线13的多层配线层14。晶体管Tr、多层配线层14可采用公知的CMOS工艺形成。
之后，对多层配线层14的层间绝缘膜12表面平坦化，贴合支承基板15。
如图6所示，将基板上下反转，通过机械研削以及对于硅氧化膜进行有选择的湿法蚀刻去除硅基板8，再进一步通过湿法蚀刻去除硅氧化膜9，露出硅层10的背面。
如图7所示，硅层10的背面上形成抗蚀剂30，利用灰阶掩膜(グレイスケ一ルマスク)对图形进行曝光，对于各单位像素形成具有平行于硅层10背面的区域a1和有斜率的区域a2的抗蚀图形。区域a1位于像素区域的中心侧，区域a2位于像素区域的周边侧。
灰阶掩膜是配置有多个微小的开口图形，并根据开口部分和遮光部分的面积比调整光透过率的面积灰度型(面積階調タイプ)掩膜。
如图8所示，通过各向异性干法蚀刻将抗蚀形状转印到硅层10。通过这样，光电二极管PD的背面形成与硅层10的表面平行的区域A1，和相对硅层10表面具有斜率的区域A2。
如图9所示，注入p型不纯物形成遮蔽层16。然后，在硅层10的背面(光入射面)上形成氧化硅膜17、透明平坦化膜18和滤色器CF。滤色器CF向像素区域的中心侧错开形成。硅氧化膜17是用于防止入射光反射的，也可与硅氮化膜一起形成多层结构。
这样制成的固体摄像元件，斜入射光通过在区域A2的硅氧化膜17和硅层10的界面的折射以相对于硅层10大致垂直的方向行进。从而防止光入侵到邻接的像素，抑制混色的发生。
这样，本实施例的背面照射型固体摄像元件，通过在光电二极管PD的背面具有相对基板(硅层)10的表面平行的区域A1和光入射角比区域A1大的倾斜区域A2，可抑制光入侵到邻接的像素，防止混色现象的发生，提高感度，从而获取高画质的图像。
在本实施例的固体摄像元件中，虽然可在滤色器CF上形成微透镜，但是如果在可通过倾斜区域A2充分控制入射光的行进方向的情况下不设置微透镜也可得到高画质的图像。
由于不设置微透镜，可省去微透镜上方的所必要的空气层，从而实现固体摄像元件的小型化和强度提高。
在上述实施例中，光电二极管PD的背面，虽然具有相对基板10的表面平行的平面和具有倾斜度的平面，但是如图10所示，也可形成具有相对基板10的表面平行的平面A1和凸状的曲面A3的结构。
在曲面A3的光电二极管PD和防反射膜17的界面处折射的光以大致垂直基板10表面的方向前进，因此可以防止光入侵到邻接的像素，抑制混色的发生。
又，光电二极管PD的背面也可如图11所示，为具有凹状的曲面A4和凸状的曲面A3的结构。将上述实施例中与基板10的表面平行的区域设为凹状曲面A4，这样可进一步提高聚光至像素中心部的聚光效果。
又，也可以如图12所示，使光电二极管PD的背面不具有相对于基板10的表面平行的平面，而是仅由倾斜面A5构成。这样的构成也可以如上述的实施例一样，能够防止光侵入到邻接的像素，抑制混色的发生。
图10～图12所示的光电二极管PD的背面形状与上述实施例相同，可通过利用灰阶掩膜的抗蚀图形的形成和各向异性的干法刻蚀进行的图形转印来形成。
又，图1所示的区域A2和图12所示的倾斜面A5，如图13所示，可以形成为越是远离像素区域的中心部，倾斜角θ就越大。这是因为，越是离开中心部，相对基板平面的光入射角就越大。这样，对于各像素形成合适的倾斜角，从而朝向像素中心部的聚光效果进一步提高，可得到更高画质的图形。
又，如图14所示，也可将光电二极管PD的背面形状平坦化，在滤色器CF的背面设置具有凹状的曲面A6和凸状的曲面A7的聚光部40。
聚光部40为透明树脂，可通过例如压印法(インプリント)加工成为这样的形状。凹状曲面A6为像素区域中心侧，凸状曲面A7为像素区域周边侧。
聚光部40对入射光的像素中心部的聚光效果高，可防止光对邻接像素的侵入，抑制混色的产生。
本发明不应当限于上述公开的实施例。例如，虽然上述实施例中使用SOI基板进行固体摄像元件的制作，但是也可采用块状(バルク)单结晶硅基板制作。此时，将硅基板的背面侧(形成光电二极管和多层配线层的面的相反侧)进行薄层化直到取得光的厚度的工序，采用的是机械研磨(グラインディング)和CMP(化学机械研磨)。应当去除的硅基板的厚度为几百μm，仅依靠CMP去除的话较为费时，因此首先以机械研磨进行大致的削除，之后通过CMP研磨到所希望的厚度。硅基板的薄层化膜厚可以随着测定的光的波长的不同而不同。
又，也可在相互邻接的滤色器CF的边界部设置利用金属配线层的金属反射膜。金属反射膜能够以钛等反射可见光的材料形成。
又，在上述实施例中制作抗蚀图形时，虽然采用了灰阶掩膜进行曝光，但是，也可使用移动掩膜曝光法，其是通过在曝光中移动掩膜来控制抗蚀表面的曝光分布，加工具有自由曲面的三维结构体的技术。又，还可以纳米压印法(ナのインプリント)进行抗蚀图形加工。
本发明的技术范围通过权利要求表示，和权利要求范围均等的含义和在此范围内的所有变更都包含于本发明的范围。
Claims (20)
1.一种固体摄像元件，其特征在于，所述固体摄像元件包括：
将从基板的第一面入射的光变换为信号电荷并进行蓄积的光电变换部；
形成在所述基板的与所述第一面相反的第二面侧的、读取由所述光电变换部蓄积的信号电荷的晶体管；
贴合在所述基板的所述第二面上的支承基板；以及
形成在所述基板的所述第一面上的防反射膜；
所述基板的所述第一面含有曲面或相对于所述第二面呈规定角度的倾斜面。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基板的所述第一面含有与所述第二面平行的平面。
3.如权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基板的所述第一面，在矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧含有所述平面，在与所述中心侧相反的周边侧含有所述倾斜面。
4.如权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，所述倾斜面的法线相对所述第二面的法线向所述像素区域的所述周边侧倾斜。
5.如权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，与形成在所述像素区域周边部的所述光电变换部对应的所述倾斜面的法线和所述第二面的法线所形成的角度比与形成在所述像素区域中心部的所述光电变换部对应的所述倾斜面的法线和所述第二面的法线形成的角度大。
6.如权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基板的所述第一面，在矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧含有所述平面，在与所述中心侧相反的周边侧含有所述曲面。
7.如权利要求6所述的固体摄像元件，其特征在于，所述曲面是在与所述第二面相反的方向为凸的凸曲面。
8.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基板的所述第一面含有在与所述第二面相反的方向为凸的凸曲面和为凹的凹曲面。
9.如权利要求8所述的固体摄像元件，其特征在于，所述基板的所述第一面在矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧含有所述凹曲面，在与所述中心侧相反的周边侧含有所述凸曲面。
10.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，所述第一面是由相对所述第二面呈规定角度的倾斜面所构成，所述倾斜面的法线相对所述第二面的法线，朝着与矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧相反的周边侧倾斜。
11.如权利要求10所述的固体摄像元件，其特征在于，与形成在所述像素区域的周边部的所述光电变换部对应的所述倾斜面的法线和所述第二面的法线所形成的角度比与形成在所述像素区域的中心部的所述光电变换部对应的所述倾斜面的法线和所述第二面的法线所形成的角度大。
12.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，进一步包括：形成在所述防反射膜上的透明平坦化膜，和形成在所述透明平坦化膜上的滤色器，所述滤色器形成为相对对应的所述光电变换部向矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧错开规定的距离。
13.如权利要求12所述的固体摄像元件，其特征在于，所述曲面是在与所述第二面相反的方向为凸的凸曲面。
14.如权利要求13所述的固体摄像元件，其特征在于，进一步具有在所述滤色器上形成的微透镜。
15.如权利要求12所述的固体摄像元件，其特征在于，所述倾斜面的法线相对所述第二面的法线，向与矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧相反的周边侧倾斜。
16.如权利要求15所述的固体摄像元件，其特征在于，进一步具有形成在所述滤色器上的微透镜。
17.一种固体摄像元件，其特征在于，包括：
将从基板的第一面入射的光变换为信号电荷并进行蓄积的光电变换部；
形成在所述基板的与所述第一面相反的第二面侧的、读取由所述光电变换部蓄积的信号电荷的晶体管；
贴合在所述基板的所述第二面上的支承基板；
形成在所述基板的所述第一面上的防反射膜；
形成在所述防反射膜上的透明平坦化膜；和
形成在所述透明平坦化膜上的滤色器；
形成在所述滤色器上的、由透明树脂构成的、表面形状包含凸形状和凹形状的聚光部。
18.如权利要求17所述的固体摄像元件，其特征在于，所述滤色器形成为相对对应的所述光电变换部向矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧错开规定的距离。
19.如权利要求18所述的固体摄像元件，其特征在于，所述聚光部的表面形状是在所述像素区域的中心侧为所述凹形状，在与所述中心侧相反的周边侧为所述凸形状。
20.一种固体摄像元件，其特征在于，包括：
将从基板的第一面入射的光变换为信号电荷并进行蓄积的光电变换部；
形成在所述基板的与所述第一面相反的第二面侧的、读取由所述光电变换部蓄积的信号电荷的晶体管；
贴合在所述基板的所述第二面上的支承基板；
形成在所述基板的所述第一面上的防反射膜；
形成在所述防反射膜上的透明平坦化膜；
形成在所述透明平坦化膜上的滤色器；和
形成在所述滤色器上的、由透明树脂构成的、表面形状包含凸形状和凹形状的聚光部，且相对对应的所述光电变换部向矩阵状配置有所述光电变换部的像素区域的中心侧错开规定的距离。
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