(57)【要約】【課題】赤外光の入射によるオプティカルブラック部の黒レベルの変動を抑制することにより、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を提供する。【解決手段】光電変換がなされるセンサ部１３が半導体基板１１の表面側に形成され、画素領域に有効画素部３１とオプティカルブラック部３２とを有し、半導体基板１１の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜２１が形成されている固体撮像素子を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換がなされるセンサ部が、半導体基板の表面側に形成され、
画素領域に有効画素部とオプティカルブラック部とを有し、
前記半導体基板の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜が形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記低反射膜が、前記半導体基板の材料との屈折率の差が大きい材料から成る単層膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記低反射膜が、互いの屈折率の差が大きい複数の膜を積層して成る多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記低反射膜が、赤外光を吸収する特性を有する材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
固体撮像素子と、前記固体撮像素子へ入射光を導く光学部品とを少なくとも備え、
前記固体撮像素子は、光電変換がなされるセンサ部が、半導体基板の表面側に形成され、画素領域に有効画素部とオプティカルブラック部とを有し、前記半導体基板の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜が形成されている
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプティカルブラック部と有効画素部を有して成る固体撮像素子、並びに固体撮像素子を備えた撮像装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体撮像素子においては、有効画素部の外側にセンサ部上を例えばＡｌ等遮光性の高い金属からなる遮光膜で被覆したオプティカルブラック部を設け、このオプティカルブラック部（以下ＯＰＢ部とする）からの信号を黒レベルとしている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−１４４２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、赤外光は、遮光膜で遮ることができるが、可視光線よりも吸収されにくいため、可視光線よりも到達可能距離が長くなる。
【０００４】
このことから、センサ部上の遮光膜に開口が形成されている有効画素部において斜めに入射した赤外光が、基板の裏面で反射してＯＰＢ部のセンサ部に入射して、ＯＰＢ部で光電変換が起こってしまい、ＯＰＢ部で黒レベルを決めている部分の画面に色が付いたり、明るさが変わってしまったりという現象が起こっていた。
【０００５】
ここで、従来の固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図５に示す。
図５に示すように、有効画素部３１の画素においては、センサ部１３上の遮光膜（配線層１６に開口が形成されているため、赤外光がシリコン基板１１に入射する。
そして、図５に示す、シリコン基板１１に斜めに入射した赤外光Ｌは、シリコン基板１１の裏面で反射することによって、隣接するＯＰＢ部３２の画素のセンサ部１３に入射することがある。
【０００６】
赤外光は、可視光線よりも吸収されにくいが、全く吸収されないわけではない。
特に、波長８００ｎｍ〜１３００ｎｍ程度の赤外光は、シリコンにある程度吸収されるため、ＯＰＢ部３２の画素のセンサ部１３に赤外光が入射すると、センサ部１３で吸収されて光電変換が起こってしまう。
【０００７】
上述の現象への対策としては、固体撮像素子の前段に、赤外線をカットするＩＲカットフィルタを設けてカメラ等の撮像装置を構成することが考えられる。
このようにＩＲカットフィルタを設けることにより、ＯＰＢ部だけでなく、有効画素部へも赤外線が入射しないようにすることができる。
【０００８】
しかしながら、広い波長範囲をカットすることが可能なＩＲカットフィルタは非常に高価であるため、撮像装置のコストが増大してしまう、という問題がある。
【０００９】
また、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置（例えば、赤外光を利用する監視カメラや、赤外光を利用することによって解像度を上げるもの）等には、ＩＲカットフィルタを設ける対策を採ることができない。
【００１０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、赤外光の入射によるオプティカルブラック部の黒レベルの変動を抑制することにより、良好な撮像特性を有する固体撮像素子、並びにこの固体撮像素子を備えた撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、光電変換がなされるセンサ部が半導体基板の表面側に形成され、画素領域に有効画素部とオプティカルブラック部とを有し、半導体基板の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜が形成されているものである。
また、本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、固体撮像素子へ入射光を導く光学部品とを少なくとも備え、固体撮像素子を上記本発明の固体撮像素子の構成としたものである。
【００１２】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、表面側にセンサ部が形成された半導体基板の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜が形成されていることにより、半導体基板の裏面から反射する光を低減することができる。これにより、半導体基板の裏面で反射してオプティカルブラック部のセンサ部に入射する赤外光を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
上述の本発明の固体撮像素子によれば、半導体基板の裏面で反射してオプティカルブラック部のセンサ部に入射する赤外光を低減することができるため、オプティカルブラック部のセンサ部に入射した赤外光に起因する、オプティカルブラック部の画素から得られる信号の変化を抑制することができる。
従って、黒レベルを決めるための画像に色が付いたり、明るさが変化してしまったりする問題の発生を抑えることができる。
これにより、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を構成することができる。
【００１４】
さらに、固体撮像素子の半導体基板の裏面で反射してオプティカルブラック部のセンサ部に入射する赤外光を低減することができるため、撮像装置に備えるＩＲカットフィルタを安価なものとすることや、省略することが可能になる。また、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置においても、赤外光の反射光による問題の発生を抑えて、良好な画像を得ることが可能になる。
【００１５】
上述の本発明の撮像装置によれば、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を備えて、画質の良好な画像を得ることができる。
また、赤外光をカットするＩＲカットフィルタを、安価なものとしたり、省略したりすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図１に示す。
本実施の形態は、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用した場合である。
【００１７】
この固体撮像素子は、第１導電型、例えばｎ型のシリコン基板１１の表面側に、第２導電型、例えばｐ型の半導体ウェル領域１２が形成され、シリコン基板１１の表面側のｐ型半導体ウェル領域１２内に、光電変換が行われるセンサ部１３が形成されている。
センサ部１３は、ｎ型の半導体領域から成り、ｐ型の半導体ウェル領域１２とによってフォトダイオードＰＤが構成される。
各画素のセンサ部１３の間は、一部がシリコン基板１１に埋め込まれたＳｉＯ２層から成る素子分離層１４により、分離されている。
シリコン基板２１の上方には、絶縁層１５を介して配線層１６が設けられている。
【００１８】
画素領域に、多数の画素が形成されており、画像の信号を得るための有効画素部３１の画素に対して、黒レベルの基準を求めるために、オプティカルブラック（ＯＰＢ）部３２の画素が設けられている。図示しないが、有効画素部３１が画素領域の主要部分を占めており、ＯＰＢ部３２は画素領域の端部に形成される。
【００１９】
そして、有効画素部３１の画素では、各層の配線層１６がセンサ部１３上に開口を有している。
一方、オプティカルブラック（ＯＰＢ）部３２の画素では、最上層の配線層１７が遮光層を兼ねていて、センサ部１３上をも覆って連続的に形成されている。これにより、センサ部１３に光が入射しないようにしている。
【００２０】
さらに上層には、絶縁層を介して、オンチップレンズ１８が設けられている。
カラー固体撮像素子に使用する場合には、図示しないが、オンチップレンズ１８の下にさらにカラーフィルターを設ける。
【００２１】
なお、各画素において、図１に示す断面以外の部分に、センサ部１３で光電変換された信号電荷を読み出したり、信号電荷を電圧に変換して信号として取り出したりするためのトランジスタを備えた、トランジスタ部が設けられる。
【００２２】
本実施の形態では、特に、センサ部１３が表面側に形成されたシリコン基板１１の裏面側に、赤外光の反射率が低い低反射膜２１を設けている。
そして、低反射膜２１の具体的な構成として、赤外光に対する屈折率が、シリコン基板１１との差が比較的大きい材料から成る膜を形成している。
【００２３】
さらに、好ましくは、低反射膜２１の膜厚ｔ１を、低反射膜２１の屈折率がｎであるとき、該当する赤外光の波長λに対して、λ／（４ｎ）程度とする。
【００２４】
このような構成の低反射膜２１をシリコン基板１１の裏面側に形成したことにより、シリコン基板１１の裏面で反射した光と、低反射膜２１を経て反射した光とが干渉して弱めあい、その結果として反射光が低減される。
【００２５】
ここで、図１のシリコン基板１１の裏面で反射する光を示した、図２を利用して、干渉による反射光の低減について説明する。
シリコン基板１１に入射した光のうち、実線で示す一部の光Ｌ１は、シリコン基板１１の裏面即ちシリコン基板１１と低反射膜２１との界面で反射する。また、破線で示す他の光Ｌ２は、低反射膜２１の裏面で反射する。
ここで、低反射膜２１が、該当する赤外光の波長λに対して、λ／（４ｎ）程度の膜厚であることから、光学膜厚（膜厚×屈折率）がλ／４程度となり、低反射膜２１の裏面で反射した光Ｌ２は、位相が変化して１／４周期＋１／４周期＝１／２周期ずれる。このように位相が半周期ずれることにより、シリコン基板１１の裏面で反射した光Ｌ１と干渉して互いに弱めあうことになり、シリコン基板１１の裏面から反射する赤外光が低減されるため、低反射膜２１の赤外光の反射率が低くなる。
【００２６】
なお、低反射膜２１の膜厚を、（２ｋ−１）λ／（４ｎ）（ｋは自然数）とすれば、λ／（４ｎ）とした場合と同様の作用効果が得られる。
ただし、ｋをあまり大きくすると、低反射膜２１の成膜に長い時間を要するため、ｋを１〜３程度とするとよい。
【００２７】
該当する赤外光の波長λは、シリコンに吸収される波長範囲の８００ｎｍ〜１３００ｎｍ程度であるため、低反射膜２１の光学膜厚（ｔ１×ｎ）は、２００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度とすることが好ましい。λ＝８００ｎｍのときにλ／４＝２００ｎｍであり、λ＝１３００ｎｍのときに３λ／４＝約１０００ｎｍである。
【００２８】
低反射膜２１の材料としては、オンチップカラーフィルター等に使用される有機材料や、ＳｉＮ，ＳｉＯ２，多結晶シリコン，ＳｉＣ，Ｔａ２Ｏ３等を使用することが可能である。
【００２９】
本実施の形態の固体撮像素子を製造する際には、シリコン基板１１の裏面側に、低反射膜２１を形成する工程を設ける。
シリコン基板１１の裏面に対してバックグラインドを行わない場合は、シリコン基板１１の表面側の工程に引き続いて、低反射膜２１を形成する工程を行うことも可能である。
【００３０】
上述の本実施の形態によれば、シリコン基板１１の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜２１が形成されていることにより、シリコン基板１１の裏面で反射してセンサ部１３に入射する赤外光を低減することができる。
これにより、シリコン基板１１の裏面で反射して、ＯＰＢ部３２の画素のセンサ部１３に入射した赤外光に起因する、ＯＰＢ部３２の画素から得られる信号の変化を、抑制することができる。
従って、黒レベルを決めるための画像に色が付いたり、明るさが変化してしまったりする問題の発生を抑えることができ、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を構成することができる。
【００３１】
本実施の形態の固体撮像素子と、固体撮像素子に入射光を導く光学部品、例えばレンズやフィルター等とを少なくとも備えることにより、撮像装置を構成することができる。
なお、このような撮像装置が備える固体撮像素子の個数は１個に限定されるものではなく、３つの固体撮像素子を備えた所謂３板式の構成のように、複数個の固体撮像素子を設けて撮像装置を構成してもよい。
【００３２】
そして、本実施の形態の固体撮像素子を備えて撮像装置を構成することにより、ＩＲカットフィルタを安価なものとすることや、ＩＲカットフィルタを省略することが可能になる。
また、前述したような、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置においても、赤外光の反射光による問題の発生を抑えて、良好な画像を得ることが可能になる。
【００３３】
なお、基板１１の裏面側に、さらに低反射膜２１を覆って、保護膜等の他の膜を形成してもよい。
【００３４】
次に、本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図３に示す。
本実施の形態では、シリコン基板１１の裏面側に形成する低反射膜２１を、互いの赤外光の屈折率の差が大きい、第１の膜２２と第２の膜２３とを交互に２層ずつ積層した多層膜としている。
その他の構成は、図１に示した先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３５】
低反射膜２１の第１の膜２２及び第２の膜２３の材料としては、先の実施の形態で挙げた材料、即ち、オンチップカラーフィルター等に使用される有機材料や、ＳｉＮ，ＳｉＯ２，多結晶シリコン，ＳｉＣ，Ｔａ２Ｏ３等を使用することが可能である。
そして、各種の材料から、屈折率の差が比較的大きい２つの材料を選んで、一方の材料を第１の膜２２に使用して、他方の材料を第２の膜２３に使用すればよい。
例えば、ＳｉＮとＳｉＯ２との組み合わせを、第１の膜２２及び第２の膜２３に用いれば、屈折率の差を大きくすることができ、また容易に安価に成膜することができる。
【００３６】
屈折率が異なり、屈折率に互いに差がある２つの膜２２，２３を、交互に２層ずつ合計４層積層して低反射膜２１を形成したことにより、シリコン基板１１の裏面で反射する光に対して、低反射膜２１を通ってその裏面で反射する光の位相が変わることを利用して、これらの光を干渉により弱めあうようにして、裏面側から反射する赤外光を減少させることができる。
【００３７】
低反射膜２１を通ってその裏面で反射する光が、シリコン基板１１の裏面で反射する光と干渉して弱めあうように、第１の膜２２及び第２の膜２３の膜厚を、使用する材料の屈折率等に対応して、それぞれ適切な膜厚に設定する。
このように設定することにより、使用する材料にもよるが、低反射膜２１の多層膜の合計の光学膜厚は、おおむね単層膜の場合と同様に２００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度となる。
【００３８】
上述の本実施の形態によれば、シリコン基板１１の裏面側に、赤外光の反射率の低い低反射膜２１が形成されていることにより、先の実施の形態と同様に、シリコン基板１１の裏面で反射してセンサ部１３に入射する赤外光を低減することができる。
これにより、シリコン基板１１の裏面で反射して、ＯＰＢ部３２の画素のセンサ部１３に入射した赤外光に起因する、ＯＰＢ部３２の画素から得られる信号の変化を、抑制することができる。
従って、黒レベルを決めるための画像に色が付いたり、明るさが変化してしまったりする問題の発生を抑えることができ、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を構成することができる。
【００３９】
また、低反射膜２１を第１の膜２２及び第２の膜２３を交互に積層した多層膜としていることにより、先の実施の形態の単層膜と比較して、材料選定や膜厚設定の自由度を高めることができる。
【００４０】
本実施の形態の固体撮像素子と、固体撮像素子に入射光を導く光学部品、例えばレンズやフィルター等とを少なくとも備えることにより、撮像装置を構成することができる。
そして、本実施の形態の固体撮像素子を備えて撮像装置を構成することにより、ＩＲカットフィルタを安価なものとすることや、ＩＲカットフィルタを省略することが可能になる。
また、前述したような、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置においても、赤外光の反射光による問題の発生を抑えて、良好な画像を得ることが可能になる。
【００４１】
上述の本実施の形態では、第１の膜２２と第２の膜２３とを交互に２層ずつ積層した低反射膜２１の構成であったが、積層する膜を３種類以上とすることや、それぞれの膜を積層する数を２層ずつ以外とすることも可能である。また、合計の総数は偶数に限らず、奇数でも構わない。
いずれの構成であっても、低反射膜全体で反射光の位相が（２ｋ−１）／４（ｋは自然数）変化するように、各層の光学膜厚（屈折率と膜厚）を設定すればよい。
【００４２】
続いて、本発明のさらに他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）を図４に示す。
本実施の形態においては、シリコン基板１１の裏面側に形成する低反射膜２１として、赤外光を吸収する膜２４を設ける。
これにより、シリコン基板１１の裏面から反射してくる赤外光を減少させることができる。
【００４３】
赤外光を吸収する膜２４の材料としては、カラーフィルター等に使用される各種の有機膜のうち、赤外光を吸収する特性を有する材料であり、赤外光をカットできるものであれば、特に問わない。
具体的には、例えば、ベース材をポリマーとしてフタルシアニン系色素を混合した材料を使用することができる。
【００４４】
本実施の形態では、赤外光の吸収を利用していて、光の干渉を利用する必要がないため、低反射膜２１の膜厚の条件が、先の実施の形態よりも緩和される。赤外光を充分吸収できることや、成膜に長い時間をかけなくてすむことを考慮して、膜厚を設定すればよい。
【００４５】
上述の本実施の形態によれば、シリコン基板１１の裏面側に、赤外光を吸収する膜２４による低反射膜２１が形成されていることにより、シリコン基板１１の裏面で反射してセンサ部１３に入射する赤外光を低減することができる。
これにより、シリコン基板１１の裏面で反射して、ＯＰＢ部３２の画素のセンサ部１３に入射した赤外光に起因する、ＯＰＢ部３２の画素から得られる信号の変化を、抑制することができる。
従って、黒レベルを決めるための画像に色が付いたり、明るさが変化してしまったりする問題の発生を抑えることができ、良好な撮像特性を有する固体撮像素子を構成することができる。
【００４６】
本実施の形態の固体撮像素子と、固体撮像素子に入射光を導く光学部品、例えばレンズやフィルター等とを少なくとも備えることにより、撮像装置を構成することができる。
そして、本実施の形態の固体撮像素子を備えて撮像装置を構成することにより、ＩＲカットフィルタを安価なものとすることや、ＩＲカットフィルタを省略することが可能になる。
また、前述したような、ＩＲカットフィルタを設けることができないような撮像装置においても、赤外光の反射光による問題の発生を抑えて、良好な画像を得ることが可能になる。
【００４７】
上述の各実施の形態では、低反射膜を裏面側に形成する半導体基板として、いずれもシリコン基板を使用した場合を示したが、本発明は、シリコン基板以外の半導体基板を使用した場合にも適用することが可能である。
また、シリコン基板の表面側に、シリコンエピタキシャル層を形成し、センサ部をこのシリコンエピタキシャル層内に形成した構成としてもよい。
なお、他の半導体（例えばＧａＡｓ等の化合物半導体）は、赤外光の吸収特性がシリコンとは異なるので、その半導体の赤外光の吸収特性に合わせて、低反射膜の膜厚等を設定する。
【００４８】
また、上述の各実施の形態では、ＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用した場合を説明したが、その他の構成の固体撮像素子、例えば前記特許文献１のようなＯＰＢ部を有するＣＣＤ固体撮像素子にも、同様に本発明を適用することができる。
【００４９】
さらに、本発明において、低反射膜は、必ずしも固体撮像素子の半導体基板やチップの端縁まで亘って全面的に形成されていなくてもよく、例えばチップの端縁より少し内側まで形成されていてもよい。
【００５０】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【図２】図１のシリコン基板の裏面側における反射光を示す図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【図５】従来の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【符号の説明】
【００５２】
１１  シリコン基板、１２  半導体ウェル領域、１３  センサ部、１４  素子分離層、１５  絶縁層、１６  配線層、１７  配線層（遮光層）、１８  オンチップレンズ、２１  低反射膜、２２  第１の膜、２３  第２の膜、３１  有効画素部、３２  オプティカルブラック（ＯＰＢ）部
【図１】
2007305675.tif 000003
【図２】
2007305675.tif 000004
【図３】
2007305675.tif 000005
【図４】
2007305675.tif 000006
【図５】
2007305675.tif 000007