(57)【要約】【課題】フォトダイオードの光子変換効率を高めたイメージセンサを提供する。【解決手段】  イメージセンサ(100)であって、少なくとも、  −約1μmから1.5μmの間の厚さを有する半導体層(110)内に形成される、CMOSタイプのフォトダイオード(112)及びトランジスタ(114)と、  −互いに及び/又は前記CMOSのフォトダイオード及び/又はトランジスタに電気的に接続する、電気的相互接続層(122a、122b)が内部に形成される誘電層(116)であって、当該誘電層は、外部からセンサによって受光される光を入れることを目的とする半導体層の第2の面とは反対側の半導体層の第1の面に接触して配置される誘電層(116)と、  −誘電層内で、フォトダイオードに対向して配置され、センサによって受光される光の少なくとも一部をフォトダイオードの方へ反射させることができる、光反射手段(122b)と、  を備えている、イメージセンサ(100)。【選択図】図1
2010062567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージセンサ(100、200、300、400、500)であって、
−約1μmから1.5μmの間の厚さを有する少なくとも1つの半導体を含んでいる層(110)内に形成される、CMOSタイプのフォトダイオード(112)及びトランジスタ(114)と、
−互いに及び/又は前記CMOSのフォトダイオード(112)及び/又はトランジスタ(114)に電気的に接続する、電気的相互接続層(122a、122b)が内部に形成される少なくとも1つの誘電体を含む層(116)であって、
当該誘電層(116)は、外部から前記センサ(100〜500)によって受光される光を入れることを目的とする前記半導体層(110)の第2の面とは反対側の前記半導体層(110)の第1の面に接触して配置される誘電層(116)と、
−前記誘電層(116)内で、前記フォトダイオード(112)に対向して配置され、且つ前記センサ(100〜500)によって受光される光の少なくとも一部を前記フォトダイオード(112)の方へ反射させることができる光反射手段(122b、130、132、136)と、
を少なくとも備えている、イメージセンサ(100、200、300、400、500)。
【請求項２】
前記光反射手段(122b、130、132、136)に対向して位置付けられ、前記半導体層(110)の第1の面を通る平面における、前記フォトダイオード(112)の表面は、前記半導体層(110)の第1の面を通る平面における前記フォトダイオード(112)の総表面積の約70%以上である、請求項1に記載のイメージセンサ(100〜500)。
【請求項３】
前記光反射手段は、前記半導体ベースの層(110)の第1の面の表面か、又は前記電気的相互接続層のうちの他の1つ(122a)の、前記半導体層(110)に対向する表面の50%〜90%の反射表面を有する、少なくとも1つの電気的相互接続層(122b)を備えている、請求項1又は2に記載のイメージセンサ(100)。
【請求項４】
前記反射性の電気的相互接続層と前記半導体層の第1の面との距離は、約200nm以上である、請求項3に記載のイメージセンサ(100)。
【請求項５】
前記光反射手段は、少なくとも1つの金属層(130)を含む少なくとも1つの層を備え、該金属層の表面は、前記半導体層(110)の前記第1の面にほぼ平行であり、前記電気的相互接続層(122a、122b)は、前記金属層(130)と前記半導体層(110)との間に配置される、請求項1又は2に記載のイメージセンサ(200)。
【請求項６】
前記金属層(130)の1つの主面の表面は、前記半導体層(110)の前記第1の面の表面にほぼ等しい、請求項5に記載のイメージセンサ(200)。
【請求項７】
前記金属層(130)の厚さは、約10nmから100nmの間である、請求項5又は6に記載のイメージセンサ(200)。
【請求項８】
前記光反射手段は、少なくとも1つの光反射材料を含む少なくとも1つの層(132)であって、該層の主面は、前記半導体層の前記第1の面にほぼ平行であり、前記相互接続層(122a、122b)と前記半導体層(110)との間に配置され、前記層を、電気接点(124)が通り抜け、前記電気的相互接続層(122a、122b)を前記CMOSのフォトダイオード(112)及び/又はトランジスタ(114)に接続する、少なくとも1つの層を備えている、請求項1又は2に記載のイメージセンサ(300、400、500)。
【請求項９】
前記光反射材料の層(132)は、アルミニウム及び/又は銅及び/又はクロム及び/又はアモルファスシリコン及び/又は多結晶シリコンを含有し、及び/又は約10nmから100nmの間の厚さを有する、請求項8に記載のイメージセンサ(300、400、500)。
【請求項１０】
前記光反射層(132)と前記半導体層(110)の第1の面との間の距離は、約70nmから120nmの間である、請求項8又は9に記載のイメージセンサ(300、400、500)。
【請求項１１】
前記光反射手段は、前記光反射材料の層(132)と前記半導体層(110)の前記第1の面との間に配置される、少なくとも1つの誘電体材料、又は空きスペースを含む第2の層(136)をさらに備えている、請求項8〜10のいずれか一項に記載のイメージセンサ(400)。
【請求項１２】
前記誘電層(116)の一部は、前記第2の誘電層(136)、又は前記空きスペースと前記半導体層(110)の第1の面との間に配置され、且つ約1nmから10nmまでの間の厚さを有する、請求項11に記載のイメージセンサ(400)。
【請求項１３】
前記光反射材料の層(132)の厚さ、及び/又は1つ又は複数の前記誘電層(136、116)の厚さ、及び/又は前記半導体層(110)の第1の面と前記光反射材料の層(132)との間に位置する前記空きスペースの厚さは、およそ、
λc×n/4
に等しく、ここで、
−λcは、前記半導体層(110)を通過する、前記イメージセンサ(300、400、500)の動作波長の範囲の中心波長、
−nは、前記反射層の材料の光学指数の実数部である、
請求項8〜12のいずれか一項に記載のイメージセンサ(300、400、500)。
【請求項１４】
前記光反射材料の層(132)は、前記半導体層(110)内に形成されるドープ領域に電気的に接続される、請求項8〜13のいずれか一項に記載のイメージセンサ(500)。
【請求項１５】
少なくとも次のステップ、すなわち、
−少なくとも1つの半導体を含む層(110)内にCMOSタイプのフォトダイオード(112)及びトランジスタ(114)のドープ領域を形成するステップと、
−外部から前記センサ(100〜500)によって受光される光を入れることを目的とする前記半導体層(110)の第2の面とは反対側の前記半導体層(110)の第1の面に接触して配置される、少なくとも1つの誘電体を含む層(116)内で互いに及び/又は前記CMOSフォトダイオード(112)及び/又はトランジスタ(114)に電気的に接続される電気的相互接続層(122a、122b)を形成するステップと、
を備え、さらに、
前記誘電層(116)内で、前記フォトダイオード(112)に対向して配置され、且つ前記センサ(100〜500)によって受光された光の少なくとも一部を前記フォトダイオード(112)の方へ反射させることのできる光反射手段(122b、130、132、136)を形成するステップを備え、
前記半導体層(110)は、約1μmから1.5μmの間の厚さを有する、イメージセンサ(100〜500)の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、CMOS技術で製造されるイメージセンサ又は撮像素子で、「裏面照射」型、すなわち、相互接続層が配置される側とは反対側を経て、光がこれらのセンサに入るような、イメージセンサ又は撮像素子の分野に関する。
【０００２】
本発明は、特に、例えば携帯電話又はウェブカメラ、そしてより一般には、CMOSイメージセンサを使用する任意のタイプのスチルカメラ又はビデオカメラに用いられる、低コストのイメージセンサの製造に適用される。
【背景技術】
【０００３】
電子的に画像を記録するためのイメージセンサが2種類存在する：
−CCDセンサ、すなわち、フォトダイオードから受け取った電気信号を増幅器及びデジタルコンバータへと進める電荷転送素子、
−所望瞬時に、デジタルコンバータに通じる電気ライン上に各フォトダイオードによって引き渡される電気信号を流す増幅器を備えたCMOSセンサ。
【０００４】
CCD又はCMOS技術で製造される、かようなセンサは、捕捉される光が、センサの電気的相互接続層が位置する面とは反対側の面を経て入る、「裏面照射」型であってもよく、又は捕捉される光が、電気的相互接続の間に残る自由な領域を通過し、フォトダイオードの半導体に達する、「表面照射」型であってもよい。
【０００５】
「裏面照射」型のCMOS撮像素子は、主としてシリコン技術で形成され、すなわち、シリコン内に形成されるCMOSのフォトダイオード及びトランジスタを備えている。その製造コストを減らすために、可能な限りこれら撮像素子のサイズを縮小させて、半導体ウェーハ上に最大数の撮像素子を形成できるようにすることが求められている。加えて、各々の撮像素子のフォトダイオードの数、すなわち、各々の撮像素子のピクセル数を増やすことによって、捕捉画像の解像度を増やすことも求められている。したがって、これらの2つの制約に応えるために、これらの撮像素子のピクセル幅又はピッチを減らすことが求められる。
【０００６】
しかしながら、これらの撮像素子の製造においては、他の制約も同様に考慮しなければならない。これらの制約は、例えば光子吸収、又は半導体材料中に生成される電荷の運動の法則のような、CMOSのフォトダイオード及びトランジスタを形成するために使用する半導体の物理的定数に相当する。半導体材料の物理的定数に対するこれらの制約は、互いに相反する。なぜなら、フォトダイオードによる光子の吸収を最大にするためには、使用する半導体層の厚さを最大にすることが必要であり、フォトダイオードによる光子の吸収によって生成される電荷の収集を最大にするためには、この半導体層の厚さを最小にすることが必要であるからである。したがって、半導体層の厚さにについて妥協しなければならず、これは、半導体の厚さを約2μmより大きく、例えば約2.5μmに等しく維持して、センサが適切に機能し得るようにすることにある。
【０００７】
ピクセルの幅又はピッチを約2μm以下の寸法に縮小することは技術的に可能ではあるが、例えば斜入射光子の吸収又は生成される電子の横方向散乱などのような、使用する半導体の厚さに起因する効果のために、このピクセルの幅の縮小は、半導体層の最小の厚さを2μmとして考慮する、ピクセルの実際の構造を変更することなしに達成することは出来ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の1つの目的は、厚さを縮小させた半導体層と両立できる構造で、同時に、画素素子を従来の構造に維持すると共に、フォトダイオードの良好な光子変換効率を有する、イメージセンサ及びかようなセンサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、本発明は、少なくとも以下を備えているイメージセンサを提案する：
−少なくとも1つの半導体を含んでいる層内に形成されるCMOSタイプのフォトダイオード及びトランジスタと、
−互いに及び/又は前記CMOSのフォトダイオード及び/又はトランジスタに電気的に接続する、電気的相互接続層が内部に形成される少なくとも1つの誘電体を含む層であって、
当該誘電層は、外部からセンサによって受光される光を入れることを目的とする半導体層の第2の面とは反対側の半導体層の第1の面に配置される誘電層と、
−誘電層内で、フォトダイオードに対向して配置され、且つセンサによって受光される光の少なくとも一部をフォトダイオードの方へ反射させることができる光反射手段。
【００１０】
従来技術のイメージセンサと比較するに、このセンサは「正面」領域、すなわち相互接続層が配置される領域を備えており、それは光反射手段の存在によって変更される。これらの光反射手段は、センサの「裏面」領域を何ら変更しない。したがって、このような構造変更は、ありうる後の構造変更を排除するものではない。
【００１１】
誘電層内に配置される光反射手段のために、半導体層における光子変換効率のみならず、半導体層の光子吸収が増加し、これにより、電気的相互接続の領域のみを変更するだけで、電気的相互接続層の既存の全体の構造を変更せずに、センサの全体の構造に疑問を投げかけることなく、半導体層の厚さを縮小させることができる。したがって、光反射手段の存在に関連する半導体層の厚さの縮小によって、電子のクロストーク、すなわちイメージセンサにおける隣接ピクセル間での信号の混合を最小にし、且つ光子吸収により生成される電荷の収集量を増加させることができる。
【００１２】
したがって、半導体層の厚さの縮小の観点から、このセンサのピクセルの幅又はピッチを減少させることが可能であり、センサの動作を乱す、斜入射光子の吸収現象又は生成された電子の横方向の拡散の現象を生じることなく、単一の占有表面領域に対して多くのピクセルを備えるセンサを得ることができる。
【００１３】
加えて、これらの光反射手段の存在は、イメージセンサに対する電子衝撃を制限する半導体層の表面と接触する誘電体の存在を妨げない。
【００１４】
センサのピクセル幅の縮小にかかわりなく、半導体層の厚さの縮小によって、特に、ピクセル幅を少なくとも約2μmに維持することが所望されるときに、ピクセル信号をより良く分離して、センサのMTF（変調伝達関数）を向上させることができる。加えて、この半導体層の厚さの縮小によって、センサのカラーフィルタによって行われる色分離（有色のフリンジ効果）を向上させることもできる。
【００１５】
半導体層の第1の面を通る平面内で、光反射手段に対向して位置付けられるフォトダイオードの表面は、半導体層の第1の面を通る前記平面内のフォトダイオードの総表面積の約70%以上であってもよい。
【００１６】
光反射手段は、半導体ベース層の第1の面の表面か、又は電気的相互接続層のうちの他の1つの、半導体層に対向する表面の約40%から80%の間又は、約50%から90%の間、そうでなければ、約30%から90%の間の、半導体層の反対側に位置付けられる反射表面を有する、少なくとも1つの電気的相互接続層を備えることができる。
【００１７】
このようにして、少なくとも1つの相互接続層の表面積を増大させ、これにより、フォトダイオードによって電気信号に変換されることなく半導体層を通過する光子を半導体層の方へと反射する表面を形成することができる。金属の相互接続層の1つ以上は、かような反射表面を有することができる。
【００１８】
前記反射性の電気的相互接続層と半導体層の第1の面との間の距離は、約200nm以上か、あるいは約300nm以上でもよい。したがって、この距離によって、電荷の運動によって生成され、電気的相互接続層に行き渡る電界がイメージセンサのフォトダイオード及びトランジスタの動作を乱すことを防止することができる。
【００１９】
光反射手段は、少なくとも1つの金属層を含むことができ、この金属層の主面は半導体層の第1の面にほぼ平行とし、電気的相互接続層は、前記金属的層と半導体層との間に配置する。
【００２０】
金属層のこれらの主面のうちの1つの表面は、半導体層の第1の面の表面に、ほぼ等しくてもよい。この変形例によれば、均一な光反射が、センサ全体にて得られる。
【００２１】
金属層は、約10nmから100nmの間の厚さを有することができる。
【００２２】
光反射手段は、少なくとも1つの光反射材料を含む少なくとも1つの層であって、該層の主面は、半導体層の第1の面にほぼ平行であり、相互接続層と半導体層との間に配置され、前記層を、電気接点が通り抜け、電気的相互接続層をCMOSのフォトダイオード及び/又はトランジスタに接続する、少なくとも1つの層を備えることができる。
【００２３】
この反射層は、例えば、誘電層内で、半導体層の第1の面に接触して配置されるCMOSトランジスタのゲートの間で形成することができる。
【００２４】
光反射材料の層は、アルミニウム及び/又は銅及び/又はクロム及び/又はアモルファスシリコン及び/又は多結晶シリコンを含有し、及び/又は約10nmから100nm間の厚さを有することができる。
【００２５】
光反射材料の層と半導体層の第1の面との間の距離は、約70nmから120nmの間とすることができ、この値は、特に装置の中心動作波長の値に依存する。
【００２６】
光反射手段は少なくとも1つの誘電体材料又は空きスペースを含む、光反射材料の層と半導体層の第1の面との間に配置される、第2の層をさらに備えることができる。この第2の誘電層、又はこの空きスペースは、光子の反射に寄与する一方で、半導体層内での反射された光子の吸収を向上させることができる。光反射材料が金属的な性質を有さない場合には、その光学指数が光反射材料の光学指数より低くなるように、誘電材料を選定することができる。
【００２７】
誘電層の一部を、第2の誘電層、又は空きスペースと半導体層の第1の面との間に配置することができ、且つ約1nmから10nmの間の厚さをとすることができる。
【００２８】
光反射材料の厚さ、及び/又は誘電層の厚さ、及び/又は半導体層の第1の面と光反射材料の層との間に位置する空きスペースの厚さは、およそ、
λc×n/4
に等しく、ここで、
−λcは、半導体層を通過する、イメージセンサの動作波長の範囲の中心波長、
−nは、前記反射層の材料の光学指数又は前記反射層の材料の光学指数の実数部
と、することができる。
【００２９】
光反射材料の層は、半導体層内に形成されるドープ領域に、電気的に接続することができる。この場合、光を反射する層は、CMOSのフォトダイオード及び/又はトランジスタに電気的に接続する極性を持っている電極を形成することができる。
【００３０】
半導体層は、約1μmから2μmの間の、又は好ましくは約1μmから1.5μmの間の厚さとすることができる。
【００３１】
本発明は、さらに、少なくとも次のステップ、すなわち、
−少なくとも1つの半導体を含む層内にCMOSタイプのフォトダイオード及びトランジスタのドープ領域を形成するステップと、
−外部からセンサによって受光される光を入れることを目的とする半導体層の第2の面とは反対側の半導体層の第1の面に接触して配置される、少なくとも1つの誘電体を含む層内で互いに及び/又はCMOSフォトダイオード及び/又はトランジスタに電気的に接続される電気的相互接続層を形成するステップと、
を備え、さらに、
誘電層内で、例えば、フォトダイオードに対向して配置され、センサによって受光された光の少なくとも一部をフォトダイオードの方へ反射させることのできる光反射手段を形成するステップを備えている、イメージセンサの製造方法に関する。
【００３２】
半導体層の厚さは約1μm〜1.5μmの間とすることができ、この厚さは、半導体層を薄くすることによって得られる。
【００３３】
本発明は、以下の添付図面を参照して、単に例示的で非制限的な目的の例示的な実施形態の説明を読むことにより、よりよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の目的の第1の実施形態によるイメージセンサを示す図である。
【図２】本発明の目的の第2の実施形態によるイメージセンサを示す図である。
【図３】本発明の目的の第3の実施形態によるイメージセンサを示す図である。
【図４】本発明の目的の第3の実施形態によるイメージセンサの半導体層における光子吸収のシミュレーションを、受光した光及び反射層と光反射のために用いられる誘電層の材料の性質に依存する光の波長の関数として示す図である。
【図５】本発明の目的の第4の実施形態によるイメージセンサを示す図である。
【図６】本発明の目的の第5の実施形態によるイメージセンサを示す図である。
【図７】本発明の目的の第4の実施形態によるイメージセンサの半導体層における光子吸収のシミュレーションを、受光した光及び反射層と光反射のために用いられる誘電層の材料の性質に依存する光の波長の関数として示す図である。
【００３５】
以下説明する様々な図の同一、類似又は等価な部分には、1つの図から別の図への移り変わりを判りやすくするために、同じ参照番号を付してある。
【００３６】
図を判りやすくするために、図に示される様々な部分は、必ずしも均一のスケールでは示されていない。
【００３７】
様々な可能性（変形例及び実施形態）は、相互排他的でないものとして理解されなければならず、互いに組み合わせることができる。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
先ず、第1の実施形態によるイメージセンサ100を示す図1を参照する。
【００３９】
イメージセンサ100は、捕捉される像からの光が入る第1の「裏面」領域を備えている。この領域は、カラーフィルタ106の上に形成される平坦化層104の上に配置されるマイクロレンズ102を備えている。各々のマイクロレンズ102は、約2μm以下、例えば約1μmから1.7μmの間の幅を有することができる。マイクロレンズ102の幅は、イメージセンサ100の1つのピクセルの幅、又はピッチに相当する。これらのカラーフィルタ106は、例えば、いわゆる「ベイヤ」構造に従って配置することができ、かような構造は、正方形のマトリックス状に隣り合って配置される、赤色フィルタ、2つの緑色フィルタ及び青色フィルタを備えている。「裏面」領域は、さらに、例えばSiO2及び/又はSi3N4のような、SiOxNy を含んでいるパッシベーション層108を備えており、それは、カラーフィルタ106と半導体層110との間に形成される。この「裏面」領域は、マイクロレンズ102と、平坦化層104と、カラーフィルタ106と、パッシベーション層108との厚さの和に等しい厚さ、つまり約1μm以上、すなわち、約1μm〜3μmの総厚を有する。
【００４０】
好ましくはシリコンベースとするが、他の半導体を含むこともできる半導体層110は、「裏面」領域から入る光を吸収し、且つ半導体層110に電界によって生成される電荷を分離するための領域を形成する。この層110は、約1μm〜2μm、例えば約1.5μmの厚さを有する。
【００４１】
シリコン層110内には、CMOSトランジスタ114だけでなくフォトダイオード112も形成される。フォトダイオード112は、センサ100の「裏面」領域から受光した光子によって生成される電荷を収集して、それを電気信号に変換する。これらの電気信号は、次に、CMOSトランジスタ114によって使用されて、増幅され、フォトダイオードとトランジスタのマトリクスの外部にもたらされる。
【００４２】
イメージセンサ100は、さらに、例えばSiO2、及び/又はSi3N4のようなSiOxNyを含んでいる誘電層116を含む「前面」領域を備えており、そこには、電気的相互接続層122だけでなく、CMOSトランジスタ114のゲート118、CMOSトランジスタ114のソース及びドレインに接続される電気接点120が形成される。図1においては、2つの相互接続層122a及び122bのみを示してある。しかしながら、センサ100は、相互接続レベルとも称される、多数の相互接続層、例えば15層の相互接続層までを備えることができる。ビアホール124、又はめっきしたスルーホールも誘電層116内に形成され、接点120及びゲート118を相互接続層122に電気的に接続し、さらに、様々な相互接続層122を互いに接続する。これらのビアホール124は、これらのさまざまな要素を相互接続する垂直の電気接点を形成する。
【００４３】
最後に、イメージセンサ100は、誘電層116を支持プレート又は基板128に接続するボンディング層126を備えている。
【００４４】
この第１の実施形態において、センサ100は、半導体層110とは反対側に、従来のCMOSイメージセンサの相互接続層より大きい表面積を有する第2の相互接続層122bを備えている。かような事情で、且つ相互接続層122が、金属ベース、例えば、アルミニウム及び/又はタングステン及び/又は銅であるとすれば、この表面は、半導体層110を通過したもののフォトダイオード112によって電気信号に変換されなかった光子を光学的に反射させ、これにより、それらの光子を半導体層110の方へ送り返すことができる。このようにして、フォトダイオード112による光子の吸収率が向上され、これにより、シリコン層110の厚さを減らし、従ってピクセル幅を縮小し、センサ100の電子クロストークを低減させるか、あるいは除去することができ、また、同時に、センサ100の変換効率を向上させることができる。さらに、この第2の相互接続層122bの部分は、フォトダイオード112の反対側に位置付けて、光子をフォトダイオードの方へ送り返すようにする。
【００４５】
この第１の実施形態の1つの変更例では、センサ100が2つより多い電気相互接続レベルを備える場合に、第2の相互接続レベル122bを光学反射性とするのでなく、第1の相互接続レベル122aか、そうでなければ双方とも、及び/又は、1つ以上の他の相互接続レベルを光学反射性とすることができる。
【００４６】
センサの光反射性を最大にすることが望まれる場合には、反射層を形成するために、半導体層110に最も近い相互接続レベル、すなわち第1の相互接続レベル122aを選定するのが好適である。他方では、半導体層110の方へのビアホール通路124の形成を複雑にしないで、光を反射することが望まれる場合には、反射層を形成するために、第2の相互接続層122b（又は、センサが2つより多い電気相互接続レベルを備える場合には、下側の相互接続レベルの少なくとも1つ）を選択するのが好適である。
【００４７】
さらに、反射層としての役目をする相互接続層とシリコン層110との間の距離は、相互接続レベル122における磁界の存在に起因するフォトダイオード112とトランジスタ114の動作の乱れを防止するために、約300nm以上、又は約200nm以上とする。
【００４８】
相互接続層122bの寸法は、光の反射を最大にするように、特にフォトダイオードの方向の反射面を最大にするように選定するが、この層の寸法は、相互接続層122a、122bが互いに、又は相互接続層122b自体の様々な部分が短絡しないように選定する。一般的に言うと、相互接続層122bの反射面、すなわち半導体層110に対向して位置するこの層122bの表面と、半導体層110の主面又は相互接続層122aのうちの1つの表面との比率は、例えば、50%〜90%とすることができる。このようにして、半導体層110を通過した光、及び電気信号に変換されなかった光子の約40%〜75%、又は40%〜80%を反射させることができる。
【００４９】
次に、第二の実施形態によるイメージセンサ200を示す図2を参照する。
【００５０】
図1に示すイメージセンサ100と比較するに、イメージセンサ200は、半導体層110に対して、イメージセンサ100の第2の相互接続層122bによって導入されるのと同様の表面を有する、すなわち、電気信号に変換されない光子をシリコン層110の方へ最大に反射させるように特別に設計される表面を有していない、2つの相互接続レベル122a、122bを備えている。このように、イメージセンサ100とは違って、反射層としての役目をするのは、第2の相互接続層122bでなく、第2の相互接続層122bの下方に形成する追加層130である。この層130は、金属ベース、例えば相互接続層122の金属と似たものであり、誘電層116の表面全体にわたって作成し、これにより、この追加の反射層130の反対側に位置するシリコン層110の主面のうちの1つの全表面に対応する反射表面を有することとなる。光子を反射するために選定される金属の厚さは、薄くてよく、金属層130の厚さは、約10nmから100nmの間の厚さを有することができる。この層130により、層122a、122bの相互接続間における、これら層122a、122bの開口部を通過した光子の全てを反射させることができる。
【００５１】
半導体層110の表面全体にわたって存在する、この追加層130によって、センサ200の相互接続層122a、122bの構成を変更することなく、半導体層110全体にわたる光反射性を均一にすることができる。
【００５２】
次に、第3の実施形態によるイメージセンサ300を示す図3を参照する。
【００５３】
図1に示すイメージセンサ100とは違って、イメージセンサ300が備えている2つの相互接続レベル122a、122bは、センサ200と同様に、シリコン層110の方へ光子を反射するように最適化した表面を有していない。したがって、イメージセンサ100とは違って、反射層としての役目を果たすのは、第2の相互接続レベル122bではなく、誘電層116の中で、相互接続層122の上方に形成される追加層132である。
【００５４】
この追加層132は、例えば、アルミニウム及び/又は銅及び/又はクロムのような金属ベースのもの、及び/又はアモルファスシリコン及び/又は多結晶シリコンのような半導体、及び/又はかような光反射をもたらすのに好適な他の任意の材料とする。この追加層の厚さは、例えば、約10nm〜100nmとする。この第3の実施形態においては、追加層132の厚さは、約30nmとする。加えて、追加層132が半導体及び/又は非金属的性質の他の任意の材料を含む場合には、反射層132の材料の光学指数を、約3以上にすることができ、これにより、高い光学指数の層を形成する。
【００５５】
反射層132は、誘電層116上面に対して直接付与するのではない。反射層132と誘電層116の上面との間に位置する、誘電層116の部分は、厚さが約70nm〜120nmで、光学指数が約1.35〜1.6の誘電体部分134を成し、これにより、低い光学指数の層を形成する。
【００５６】
この追加層132は、電気信号を伝えるのには用いられず、シリコン層110を通過したものの、フォトダイオード112によって吸収されず、電気信号に変換されなかった光子を反射できるようにする。したがって、反射層132は、ゲート118及びドレイン−ソース接点120とは電気的に接触せず、これらのゲート118及びこれらの接点120を通り抜け、層132における、ゲート118及び接点120の通路に電気的な絶縁領域を備えている。さらにまた、追加層132は、フォトダイオード112の大部分（表面全体の少なくとも70%）、又は表面全面が追加層132の反対側に位置するように形成する。
【００５７】
図4は、イメージセンサ300の半導体層110における光子吸収度の、捕捉した光の波長の関数としてのシミュレーションを示す。様々な曲線は、反射層132及び誘電層116の様々な材料に対してプロットしたものである。これらのシミュレーションは、反射層132の厚さが約30nmで、誘電層134の厚さが約90nmである、厚さが約1.5μmであるシリコン層110の光子吸収に対応する。
【００５８】
曲線10は、アルミニウムベースの反射層132とSiO2ベースの誘電層116に対する光子吸収度を示す。この吸収度が、約2.5μmの厚さのシリコン層を備え、反射層を備えていない、従来技術の「裏面」CMOSタイプのイメージセンサによって得られるもの（曲線12によって示される）にほぼ似ていることがわかる。
【００５９】
曲線14、16、18は、それぞれ、アモルファス又は多結晶シリコン、銅及びクロムを含んでいる吸収層132と、SiO2ベースの誘電層116の場合に得られる性能レベルを示している。これらの場合、吸収度は、アルミニウムベースの反射層132とSiO2ベースの誘電層116とによって達成される吸収度よりもわずかに少ないということがわかる。
【００６０】
曲線20は、従来技術、すなわち光反射手段を1つも備えていない、「裏面」CMOSタイプのイメージセンサにおける、約1.5μmの厚さのシリコン層の光子吸収度を示す。これらの様々な曲線を比較するに、約1.5μmの厚さを有する薄い、クロストークのない層での吸収度は、反射層を1つも備えていない、単一デバイスにて達成される吸収度よりも大きいことがわかる。
【００６１】
次に、第4の実施形態によるイメージセンサ400を示す図5を参照する。
【００６２】
図3のセンサ300にある反射層132に加えて、この例のセンサ400は、反射層132の材料より低い光学指数を有する誘電層136をさらに備えている。この構成は特に、この誘電層136の誘電材料が、層116の誘電材料とは異なる場合に有利である。約1nm〜10nmの厚さを有する誘電層116の一部分は、誘電層136の上方に配置する。この誘電層136によって、半導体層110における光子の吸収及び反射を向上させることができる。
【００６３】
この第4の実施形態の変更例においては、誘電層136は、空きスペースに置き換えることができる。この空きスペースは、誘電層136と同じ目的を果たす。
【００６４】
他の変更例においては、反射層を誘電体ベースのものとすることができる。例えば、反射層はTiO2ベースであってもよく、誘電層136は、この場合、例えばSixOyNzタイプの酸化物のような多孔性材料を含む。図7の曲線22は、TiO2ベースの反射層と多孔性材料を含んでいる誘電層136とを備えているイメージセンサにおける約1.5μmの厚さのシリコン層での光子吸収度を示す。この曲線を、従来技術の「裏面」CMOSタイプのイメージセンサにおける、それぞれ約2.5μm及び1.5μmの厚さのシリコン層での光子吸収度を示している、曲線12及び20と比較するに、この曲線22の値が曲線12の値に近いことがわかる。
【００６５】
他の変更例においては、反射層132及び誘電層136を、光学指数が高い層と低い層との交互の層によって置き換えることが可能である。
【００６６】
反射層132及び/又は誘電層136及び/又は誘電層136と半導体層110との間に位置する誘電層116の部分の厚さは、好ましくは、およそ
λc×n/4
に等しくなるように選定する：
ここでλcは、半導体層110を通過する、イメージセンサの動作範囲の中心波長であり、nは、反射層132の材料の光学指数の実数部である。可視波長の範囲で動作するセンサにとって、この中心波長は、約570nmに等しくすることができる。この最適な厚さは、中心波長の共鳴厚さ(central wavelength resonance thickness)と呼ばれる。
【００６７】
次に、第5の実施形態によるイメージセンサ500を示す図6を参照する。
【００６８】
イメージセンサ300と比較するに、反射層132は、半導体層110における光子を光学的に反射することに加えて、さらに、フォトダイオード112の分極電極を形成するが、電流を流したり、又はフォトダイオード112からの信号を転送したりすることはない。分極の役割は、フォトダイオード112を形成する半導体層110のドープ領域に接触させることによってなされる。他の相互接続層122を形成する金属とは異なる性質の金属を含む反射層132の厚さは、例えば、約30nmとする。
【００６９】
これらのイメージセンサは、従来のCMOS技術で製造することができる。そうするために、半導体層110から始めて、先ず、ドーパントをこの層110内に拡散させて、CMOSフォトダイオード112及びトランジスタ114のアクティブ領域を形成する。次に、相互接続層並びに（前述したように、相互接続層及び/又は追加層の1つ以上によって形成される）光反射手段を、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により形成し、金属の材料は、成長又は堆積工程により堆積することができる。誘電材料116は、様々な層の形成の間に徐々に堆積して、相互接続及び/又は光反射層を覆うようにする。
【００７０】
このアセンブリは、それからボンディング層126によって基板128の上に移す。そして、誘電体116と接する半導体層110の反対側の面を薄くする。最後に「裏面」領域の要素、すなわちパッシベーション層108、カラーフィルタ106、平坦化層104及びマイクロレンズ102を、半導体層110の前もって薄くした面の上に形成する。
【符号の説明】
【００７１】
10、12、14、16、18、20、22  曲線
100、200、300、400、500  イメージセンサ
102  マイクロレンズ
104  平坦化層
106  カラーフィルタ
108  パッシベーション層
110  半導体層
112  フォトダイオード
114  トランジスタ
116  誘電体
118  ゲート
120  電気接点
122a、122b  相互接続層
124  ビアホール
126  ボンディング層
128  基板
130  金属層
132  追加層
134  誘電体部分
136  誘電層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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