JP2001085656A

JP2001085656A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2001085656A
Application number: JP26127499A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Umetsu; 暢彦梅津; Yasuhiro Ueda; 康弘上田; Koichi Harada; 耕一原田; Hiroyuki Wada; 裕之和田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】出力画像の外周部分における額縁状の縞模様
の発生を防止する。【解決手段】光検出部３を埋め込む絶縁膜４上に、少
なくとも１層以上の透明誘電体薄膜により構成された反
射防止膜５を形成する。これにより、基板２の段差部２
ａ近傍において、反射光の角度依存性を抑制し、入射光
の干渉を防止することができる。そのため、この段差部
２ａ近傍に位置する光検出部３が入射光を正確に検出す
ることが可能となり、縞模様１１の発生を防止すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像光を検出する
光検出部を基板上に備え、上記光検出部が絶縁膜によっ
て埋め込まれてなる固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ビデオカメラやデジタルスチル
カメラ等の撮像機器には、撮像する画像を電気的な画像
信号に変換するための固体撮像素子が備えられている。
このような固体撮像素子としては、例えば、電荷結合素
子（以下、ＣＣＤ：Charge Coupled Device という。）
を利用して撮像光を画像信号に変換するＣＣＤイメージ
センサが広く用いられている。

【０００３】ＣＣＤイメージセンサは、画像を撮像する
撮像領域において、撮像光を検出する光検出部が基板上
に２次元格子状に配設されてなる。また、ＣＣＤイメー
ジセンサにおいては、各光検出部にそれぞれ電極が設け
られており、これら光検出部が全体としてＣＣＤを構成
している。そして、ＣＣＤイメージセンサは、各光検出
部によって検出された撮像光を時系列的に取り出すこと
により、撮像領域に受光された画像を電気的な画像信号
として出力する構成とされている。

【０００４】また、ＣＣＤイメージセンサにおいて、基
板上に形成された光検出部は、撮像光が入射する側を絶
縁膜によって埋め込まれている。これにより、電極同士
の絶縁を確実に図るとともに、表面に傷がついてしまう
ことを防止されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うなＣＣＤイメージセンサにおいては、撮像領域の外周
部分に基板の段差が形成されており、この部分で絶縁膜
の表面に傾斜が生じている。すなわち、基板の段差によ
って、この基板上に設けられた絶縁膜が平坦に形成され
ていない。

【０００６】このため、従来のＣＣＤイメージセンサ
は、例えば、単一波長からなるレーザ光のような単色光
を受光した場合に、絶縁膜での傾斜により入射光に干渉
が生じてしまう。これにより、撮像領域の外周部分に位
置する光検出部は、受光された画像を正確に検出するこ
とができなくなる。この結果、出力される画像信号を再
生すると、出力画像の外周部分に額縁状の縞模様が現れ
てしまうといった問題があった。このような縞模様は、
検出した画像を処理する際にノイズとなるため、好まし
くない。

【０００７】従来のＣＣＤイメージセンサにおいて、上
述したような不具合を改善するために、例えば基板の形
状を変えるなどして、設計の変更によって対策を施すた
めには、製造装置の改良や製造プロセスの変更などに大
幅なコストが要求されてしまう。

【０００８】上述したような不具合を改善するために
は、例えば、絶縁膜が平坦に形成された撮像領域の中央
付近における出力画像だけを利用することが考えられ
る。しかしながら、この場合には、マスクを作製する必
要があるために高コストになってしまうばかりでなく、
有効に利用できる出力画像のサイズが小さくなってしま
うといった問題が生じる。

【０００９】また、上述した不具合を改善するために、
光検出部を基板の段差から距離を離して設けたりするこ
とが考えられる。しかしながら、この場合には、基板の
サイズが大きくなってしまい、ＣＣＤイメージセンサの
小型化を阻害する要因となってしまうのみならず、上述
したように設計の変更が必要となるために、高コスト化
を招いてしまうといった問題が生じる。

【００１０】ＣＣＤイメージセンサにおいては、近年、
撮像機器の小型化に対応するために、より一層の小型化
を図ることが要求されている。ＣＣＤイメージセンサ
は、このような要求を満足するために、基板のサイズを
より小さくすることが求められており、このとき、撮像
領域の外周部分も有効に利用して入射光を正確に検出す
ることが必要となる。したがって、上述したような問題
は、コスト的な観点からだけでなく、小型化を図るため
にも、今後ますます重要視されてゆくと考えられてい
る。

【００１１】そこで、本発明は、上述したような問題を
解決して、出力画像の外周部分における額縁状の縞模様
の発生を低コストで防止することが可能であるととも
に、小型化を図ることが可能な固体撮像素子を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像素
子は、撮像光を検出する光検出部を基板上に備え、上記
光検出部が絶縁膜によって埋め込まれてなる固体撮像素
子である。そして、上記絶縁膜上に、少なくとも１層以
上の透明誘電体薄膜により構成された反射防止膜が形成
されてなる。

【００１３】以上のように構成された固体撮像素子は、
絶縁膜上に反射防止膜が形成されていることによって、
この反射防止膜が反射率変化の角度依存性を抑制し、入
射光の干渉を防止することができる。したがって、出力
画像の外周部分における縞模様の発生を防止することが
できる。

【００１４】また、本発明に係る固体撮像素子は、上記
反射防止膜が、撮像光に対して、０°以上且つ４０°以
下の入射角における反射率の変化を低減するように設計
されていることが望ましい。

【００１５】本発明に係る固体撮像素子においては、反
射防止膜を形成する材料や層構成を適宜に設計すること
により、反射防止膜により反射を防止する入射光の波長
を任意に選択することができる。このとき、反射防止膜
は、上述したように、撮像光に対して、０°以上且つ４
０°以下の入射角における反射率の変化を低減するよう
に設計されていることにより、基板に段差が形成されて
いることによって絶縁膜が傾斜して形成された部分にお
いて、最も効果的に入射光の干渉を防止することができ
る。これにより、出力画像の外周部分における縞模様の
発生をより効果的に防止することができるようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体撮像素子
について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下で
は、本発明を適用した一構成例として、図１に示すよう
なＣＣＤイメージセンサ１について説明する。なお、本
発明は、ＣＣＤイメージセンサ１に限定されるものでは
なく、撮像する画像を電気的な画像信号に変換するよう
な、あらゆる種類の固体撮像素子に適用することができ
ることは勿論である。

【００１７】ＣＣＤイメージセンサ１は、図１に示すよ
うに、硬質材料によって平板状に形成された基板２上
に、撮像光を検出する光検出部３を備える。また、基板
２上には、光検出部３を埋め込むようにして絶縁膜４が
形成されている。絶縁膜４上には、反射防止膜５が薄膜
状に形成されている。また、ＣＣＤイメージセンサ１に
おいては、基板２上に光検出部３が２次元格子状に多数
配設された構成とされている。そして、このように光検
出部３が配設された領域が撮像領域とされている。な
お、図１は、ＣＣＤイメージセンサ１の要部を拡大して
示す概略断面図であり、１つの光検出部３だけについて
図示している。また、本発明は、光検出部３の構成や、
その数、及びその配列に限定されるものではない。

【００１８】ＣＣＤイメージセンサ１においては、撮像
領域に対して、反射防止膜５及び絶縁膜４を介して撮像
光を光検出部３に入射させ、この光検出部３によって入
射光を電気的な信号に変換する構成とされている。

【００１９】光検出部３は、例えば、シリコン基体上に
ｐｎ接合のフォトダイオードが形成されてなる。ＣＣＤ
イメージセンサ１においては、例えば、シリコンを材料
として基板２を形成し、この基板２を光検出部３の基体
として用いる構成としてもよい。また、ＣＣＤイメージ
センサ１においては、２次元格子状に配設された光検出
部３に、それぞれ電極が設けられており、これら光検出
部３が全体としてＣＣＤを構成している。そして、ＣＣ
Ｄイメージセンサ１は、各光検出部３によって検出され
た撮像光を時系列的に取り出すことにより、撮像領域に
受光された画像を電気信号として出力する構成とされて
いる。

【００２０】絶縁膜４は、例えば、Ｓｉ₂Ｎ₃等のよう
な、撮像光に対して透光性を示し、且つ電気絶縁性を示
す材料によって薄膜状に形成されている。ＣＣＤイメー
ジセンサ１においては、絶縁膜４が形成されていること
によって、光検出部３同士の絶縁を確実に図るととも
に、外環境の変化に対する信頼性の向上が図られてい
る。

【００２１】反射防止膜５は、少なくとも１層以上の透
明誘電体薄膜によって構成されている。また、反射防止
膜５は、所望とする波長の光、或いは波長域の光に対し
て、位相条件及び振幅条件を満足して反射防止効果を示
すような材料及び層構成によって構成されている。ＣＣ
Ｄイメージセンサ１は、反射防止膜５が形成されている
ことによって、この反射防止膜５が反射率変化の角度依
存性を抑制し、入射光が干渉してしまうことを防止され
ている。以下では、この点について、具体的に説明す
る。

【００２２】ＣＣＤイメージセンサ１では、撮像領域の
外周部分において、基板２に段差部２ａが形成されてい
る。この段差部２ａは、ＣＣＤイメージセンサ１におい
て、例えば、光検出部３が構成するＣＣＤの電極端子を
設けるためなどに用いられている。ＣＣＤイメージセン
サ１において、絶縁膜４は、基板２の段差部２ａが形成
されている部分で、その表面に傾斜が生じており、平坦
に形成されていない。

【００２３】そのため、図１中においてそれぞれ矢印で
示すような、段差部２ａの下側に入射する入射光Ａと、
段差部２ａの上側に入射する入射光Ｂとにおいて、絶縁
膜に対するそれぞれの入射角度θ₁及びθ₂は、僅かなが
ら異なる角度となってしまう。したがって、ＣＣＤイメ
ージセンサ１においては、特にレーザ光のような単色光
を受光する場合に、絶縁膜４で入射光Ａと入射光Ｂとの
反射率が異なると、干渉が生じてしまう。この結果、段
差部２ａの近傍に位置する光検出部３が入射光を正確に
検出することができなくなり、このようなＣＣＤイメー
ジセンサ１から出力される画像信号を再生すると、図２
において模式的に示すように、出力画像１０の外周部分
に、額縁状の縞模様１１が現れてしまう。

【００２４】しかしながら、本発明に係るＣＣＤイメー
ジセンサ１においては、絶縁膜４上に反射防止膜５が形
成されていることにより、絶縁膜４における入射光の入
射角度に応じた反射率の変化が低減されており、これに
よって、絶縁膜４の表面が傾斜している位置における入
射光の干渉が防止されている。そのため、例えば、レー
ザ光のような単色光を受光する場合であっても、図３に
おいて模式的に示すように、出力画像２０に上述したよ
うな縞模様１１が現れてしまうことがない。

【００２５】なお、図２及び図３においては、縞模様１
１のあるなしを明確に示すために、撮像した画像を省略
して示している。

【００２６】したがって、ＣＣＤイメージセンサ１は、
基板２の段差部２ａ近傍、すなわち撮像領域の外周部分
に位置する光検出部３においても入射光を正確に検出す
ることができる。そのため、出力画像２０の外周部分に
おいても高品質な信号を得ることができるため、撮像領
域の外周部分に位置する光検出部３から出力される信号
も有効に利用することができる。これにより、ＣＣＤイ
メージセンサ１においては、例えば、撮像領域の中央付
近における出力画像だけを利用するとしたり、光検出部
３を段差部２ａから離して設けたりすることが不要とな
り、小型化を図ることが容易となる。

【００２７】ところで、上述したような縞模様１１をな
くすために、反射防止膜５を形成するとせずに、例え
ば、基板２から段差部２ａをなくしたり、段差部２ａの
位置でも絶縁膜４の表面を平坦に形成するためには、Ｃ
ＣＤイメージセンサ全体の設計の変更が必要となり、製
造装置の改良や製造プロセスの変更などに大幅なコスト
が必要となってしまう。しかしながら、本発明に係るＣ
ＣＤイメージセンサ１では、反射防止膜５を備えること
によって、入射光の干渉を防止し、縞模様１１の発生を
防止している。したがって、反射防止膜５の製膜に必要
なコストだけで、極めて低コストに縞模様１１の発生を
防止することができる。

【００２８】なお、ＣＣＤイメージセンサ１おいては、
反射防止膜５を形成する材料、その層構成、及び膜厚な
どを限定されるものではなく、絶縁膜４の屈折率や撮像
光の波長に応じて、適宜設計すればよい。例えば、撮像
光がレーザ光のような単色光でない場合には、屈折率の
異なる複数の透明誘電体薄膜を積層することによって反
射防止膜５を形成し、所定の波長域の入射光に対して絶
縁膜４での干渉を防止することができる。

【００２９】また、ＣＣＤイメージセンサ１において、
反射防止膜５は、撮像光に対して、０°以上且つ４０°
以下の入射角における反射率の変化を低減するように設
計されていることが望ましい。基板２の段差部２ａが形
成されていることにより絶縁膜４に生じる傾斜は４０°
以下であることから、上述したように設計されることに
よって、絶縁膜４が傾斜して形成されている撮像領域の
外周部分において、最も効果的に入射光の干渉を防止す
ることができる。

【００３０】＜実験例＞つぎに、上述したように、ＣＣ
Ｄイメージセンサ１に反射防止膜５を備えることによる
効果を確認するために、以下のような実験を行った場合
について説明する。

【００３１】先ず、ＣＣＤイメージセンサ１における基
板２に相当するＳｉ基板を用意して、このＳｉ基板に対
して波長２６６ｎｍのレーザ光を照射し、入射角度を変
化させて反射率を測定した。

【００３２】次に、このＳｉ基板上に、ＣＣＤイメージ
センサ１における絶縁膜４に相当するＳｉ₂Ｎ₃薄膜を成
膜し、同様のレーザ光を照射して、入射角度を変化させ
たときの反射率を測定した。

【００３３】次に、Ｓｉ₂Ｎ₃薄膜上に、ＣＣＤイメージ
センサ１における反射防止膜５に相当するＭｇＦ₂薄膜
を成膜し、同様のレーザ光を照射して、入射角度を変化
させたときの反射率を測定した。ＭｇＦ₂薄膜は、この
ＭｇＦ₂薄膜の屈折率をｎとしたときに、照射するレー
ザ光の波長の１／４ｎに相当する４８ｎｍ程度の膜厚で
成膜した。

【００３４】以上のようにして測定した反射率の入射角
度に対する変化を、図４に示す。図４から明らかである
ように、Ｓｉ基板上にＳｉ₂Ｎ₃薄膜を形成しただけの状
態では、照射したレーザ光の反射率が入射角度に応じて
大きく変動している。これに対して、さらにＭｇＦ₂薄
膜を形成したときには、反射率の入射角度依存性が低減
されていることが分かる。なお、図４において、いずれ
の場合においても入射角度が９０°付近で急激に反射率
が増大しているのは、レーザ光が反射面で全反射してい
るからであると考えられる。

【００３５】一般に、上述したＣＣＤイメージセンサ１
のような固体撮像素子においては、素子表面を保護する
目的で形成される絶縁膜４の傾斜が４０°以下である。
そのため、入射角度が０°以上且つ４０°以下の範囲に
おいて、入射光の反射率の変化が低減されていることに
より、入射光の干渉を十分に防止することができる。本
実験の結果、この範囲の入射角度に対して、図４に示す
ように、Ｓｉ₂Ｎ₃薄膜だけがＳｉ基板上に形成されてい
る場合よりも、さらにＭｇＦ₂薄膜が形成されている場
合の方が反射率の入射角度依存性が低減されることが確
認された。

【００３６】また、以上のようにして、各層を積層して
成膜したＳｉ基板に対して、基板２の段差部２ａに相当
する位置に、波長２６６ｎｍのレーザ光を照射したとき
に得られた反射光の強度分布を図５に示す。なお、図５
において、横軸は、Ｓｉ基板における基板２の段差部２
ａに相当する位置から、このＳｉ基板の中央部に向けて
の光検出部３（画素）の数であり、縦軸は、その画素の
位置における、入射光の強度に対する反射光の強度の百
分率である。

【００３７】さらに、ＭｇＦ₂薄膜による効果を確認す
るために、このＭｇＦ₂薄膜を成膜しない他は上述と同
様にして作製したＳｉ基板に対して、上述と同様に反射
光の強度分布を測定した結果を、図６に示す。

【００３８】図５及び図６から明らかであるように、反
射防止膜５に相当するＭｇＦ₂薄膜が成膜されていない
Ｓｉ基板では、段差部２ａ近傍における光検出部３の位
置において、反射光の強度分布が激しく変化しているの
に対して、ＭｇＦ₂薄膜が成膜されているＳｉ基板で
は、反射光の強度分布の変化が極めて効果的に抑制され
ていることが分かる。なお、図６に示すように、Ｓｉ基
板の外周部近傍における反射光の強度分布の変化が大き
い部分では、入射光と反射光とに干渉が生じ、図２に示
すような額縁状の縞模様１１が発生している。

【００３９】したがって、図５における結果からも、反
射防止膜５が成膜されていることによって、縞模様１１
の発生が著しく低減されていることが明らかである。

【００４０】なお、本実験の場合に、ＭｇＦ₂薄膜の膜
厚は、上述したように４８ｎｍとすることに限定され
ず、入射させるレーザ光の波長に対して１／４ｎとなる
ように形成すればよい。これにより、ＭｇＦ₂薄膜は、
反射防止効果を示すための位相条件を満たすことができ
る。

【００４１】本実験による結果から、上述したＣＣＤイ
メージセンサ１において、撮像光を波長λの単色光とす
る場合には、絶縁膜４をＳｉ₂Ｎ₃によって形成するとと
もに、反射防止膜５をＭｇＦ₂によってλ／４ｎの膜厚
で形成することが望ましいことが分かる。これにより、
波長λの単色光に対して、絶縁膜４での干渉を防止し
て、縞模様１１の発生を防止することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上で説明したように、本発明に係る固
体撮像素子は、絶縁膜上に反射防止膜が形成されている
ことによって、反射率変化の角度依存性を抑制し、入射
光の干渉を防止することができる。これにより、例え
ば、絶縁膜が傾斜して形成されている部分においても、
入射光の干渉を防止して、出力画像の外周部分における
縞模様の発生を防止することができる。また、本発明に
係る固体撮像素子は、絶縁膜上に反射防止膜が形成する
だけで縞模様の発生を効果的に防止することができるこ
とから、製造装置や製造プロセスに大幅な変更を加える
必要がなく、低コスト且つ高性能な撮像素子として用い
ることができる。また、撮像領域の外周部分における入
射光の干渉が防止されていることによって、この部分に
位置する光検出部においても入射光を正確に検出するこ
とができるため、小型化に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＣＣＤイメージセンサの要部を拡
大して示す概略断面図である。

【図２】同ＣＣＤイメージセンサにおいて、反射防止膜
を形成しない場合の出力画像を示す模式図である。

【図３】同ＣＣＤイメージセンサにおける出力画像を示
す模式図である。

【図４】本発明に係るＣＣＤイメージセンサにおける、
入射光の入射角度と反射率の変化との関係を示す図であ
る。

【図５】同ＣＣＤイメージセンサにおける、基板の端部
からの位置と、その位置で得られた反射光の強度との関
係を示す図である。

【図６】反射防止膜を形成しない場合のＣＣＤイメージ
センサにおける、基板の端部からの位置と、その位置で
得られた反射光の強度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ＣＣＤイメージセンサ、２基板、２ａ段差部、
３光検出部、４絶縁膜、５反射防止膜

フロントページの続き (72)発明者原田耕一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者和田裕之東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AA10 AB01 BA10 CA03 CA34 CB13 FA06 5C024 AA01 CA06 CA12 EA08 FA01 GA01 GA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像光を検出する光検出部を基板上に備
え、上記光検出部が絶縁膜によって埋め込まれてなる固
体撮像素子において、上記絶縁膜上に、少なくとも１層以上の透明誘電体薄膜
により構成された反射防止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】上記反射防止膜は、撮像光に対して、０
°以上且つ４０°以下の入射角における反射率の変化を
低減するように設計されていることを特徴とする請求項
１記載の固体撮像素子。
【請求項３】撮像光が波長λの単色光であるととも
に、上記絶縁膜は、Ｓｉ₂Ｎ₃によって形成され、上記反射防止膜は、屈折率がｎであるＭｇＦ₂によっ
て、λ／４ｎの厚さで形成されていることを特徴とする
請求項１記載の固体撮像素子。