JP2003197897A - 半導体光電変換装置 - Google Patents
半導体光電変換装置Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 画素サイズの小型化に適合した半導体光電変
換装置を提供する。 【解決手段】 半導体光電変換装置は、主表面を有する
半導体基板と；前記半導体基板の主表面に形成された多
数の光電変換素子と；前記多数の光電変換素子に近接し
て、前記半導体基板の主表面に形成された機能素子と；
前記半導体基板上方に形成され、前記機能素子の上方を
遮光し、前記光電変換素子の所定領域上方を開口する窓
を有する遮光膜と；前記半導体基板上方で、少なくとも
一部の前記窓内に配置され、酸化シリコンより高屈折率
の透光体で形成され、前記窓を透過する光の実効波長を
低減する実効波長低減部材と；を有する。
換装置を提供する。 【解決手段】 半導体光電変換装置は、主表面を有する
半導体基板と；前記半導体基板の主表面に形成された多
数の光電変換素子と；前記多数の光電変換素子に近接し
て、前記半導体基板の主表面に形成された機能素子と；
前記半導体基板上方に形成され、前記機能素子の上方を
遮光し、前記光電変換素子の所定領域上方を開口する窓
を有する遮光膜と；前記半導体基板上方で、少なくとも
一部の前記窓内に配置され、酸化シリコンより高屈折率
の透光体で形成され、前記窓を透過する光の実効波長を
低減する実効波長低減部材と；を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置に関
し、特に小型化に適した半導体光電変換装置に関する。
し、特に小型化に適した半導体光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体光電変換装置の多くは、光電変換
素子としてｐｎ接合ダイオードを用い、蓄積される電子
を受光量を表す信号として用いる。ｐｎ接合ダイオード
に光が入射すると光電変換により電子ー正孔対が生成さ
れ、電子はｎ型領域に蓄積される。
素子としてｐｎ接合ダイオードを用い、蓄積される電子
を受光量を表す信号として用いる。ｐｎ接合ダイオード
に光が入射すると光電変換により電子ー正孔対が生成さ
れ、電子はｎ型領域に蓄積される。
【０００３】ＣＣＤ型半導体光電変換装置の場合は、蓄
積された電子を電荷転送路ＣＣＤで転送し、出力アンプ
で増幅して画像信号を取り出す。ＭＯＳ型半導体光電変
換装置の場合は、蓄積された電荷をＭＯＳトランジスタ
で増幅し、配線を介して画像信号を取り出す。いずれの
場合にも光電変換素子であるｐｎ接合ダイオードの近傍
には、ＣＣＤやＭＯＳトランジスタのような機能素子が
配置される。
積された電子を電荷転送路ＣＣＤで転送し、出力アンプ
で増幅して画像信号を取り出す。ＭＯＳ型半導体光電変
換装置の場合は、蓄積された電荷をＭＯＳトランジスタ
で増幅し、配線を介して画像信号を取り出す。いずれの
場合にも光電変換素子であるｐｎ接合ダイオードの近傍
には、ＣＣＤやＭＯＳトランジスタのような機能素子が
配置される。
【０００４】これらの機能素子は、ｐｎ接合を含み、光
が入射すると受光量に応じた電荷を発生する。この電荷
は、ｐｎ接合ダイオードから得られる受光信号に対して
雑音を付与するので、排除することが好ましい。そのた
め、半導体基板上方に、光電変換素子上方に光透過窓を
形成すると共に、周辺の機能素子上方を遮光する遮光膜
が形成される。
が入射すると受光量に応じた電荷を発生する。この電荷
は、ｐｎ接合ダイオードから得られる受光信号に対して
雑音を付与するので、排除することが好ましい。そのた
め、半導体基板上方に、光電変換素子上方に光透過窓を
形成すると共に、周辺の機能素子上方を遮光する遮光膜
が形成される。
【０００５】撮像レンズから入射する光を効率的に各光
電変換素子に入射させるため、遮光膜上方にマイクロレ
ンズが配置される。マイクロレンズを透過した入射光は
収束され、遮光膜の窓内に入射する。マイクロレンズが
ない場合には遮光膜に入射して無効入射光となる光を窓
内に導くことにより、光電変換効率を向上できる。
電変換素子に入射させるため、遮光膜上方にマイクロレ
ンズが配置される。マイクロレンズを透過した入射光は
収束され、遮光膜の窓内に入射する。マイクロレンズが
ない場合には遮光膜に入射して無効入射光となる光を窓
内に導くことにより、光電変換効率を向上できる。
【０００６】以下、従来技術の例を図面を参照して説明
する。
する。
【０００７】図１０（Ａ）は、従来技術によるＣＣＤ型
半導体光電変換装置の構成を概略的に示す断面図であ
る。シリコン基板１０は、ｎ型領域１の上にｐ型層２を
有する。ｐ型層２内にホトダイオードを構成するｎ型領
域３、垂直電荷転送路ＶＣＣＤを構成するｎ型領域５が
形成されている。ｎ型領域３の上にはホトダイオードを
埋め込むｐ+型領域４が形成されている。垂直電荷転送
路を電気的に分離するため、ｎ型領域５の下にはｐ型領
域６が形成され、隣接する列間にはチャネルストップと
して機能するｐ+型領域７が形成されている。
半導体光電変換装置の構成を概略的に示す断面図であ
る。シリコン基板１０は、ｎ型領域１の上にｐ型層２を
有する。ｐ型層２内にホトダイオードを構成するｎ型領
域３、垂直電荷転送路ＶＣＣＤを構成するｎ型領域５が
形成されている。ｎ型領域３の上にはホトダイオードを
埋め込むｐ+型領域４が形成されている。垂直電荷転送
路を電気的に分離するため、ｎ型領域５の下にはｐ型領
域６が形成され、隣接する列間にはチャネルストップと
して機能するｐ+型領域７が形成されている。
【０００８】シリコン基板１０の表面には、熱酸化によ
り酸化シリコン膜１１が形成されている。酸化シリコン
膜１１の上に、垂直電荷転送路を駆動する、いわゆるダ
ブルポリシリコン構造の、電荷転送電極１２が形成され
る。ホトダイオード上方は光を入射させるため開放され
ている。電荷転送電極１２の表面を酸化シリコン層１４
で覆った後、ホトダイオード上方に窓を有する遮光膜１
５がタングステン等により形成される。
り酸化シリコン膜１１が形成されている。酸化シリコン
膜１１の上に、垂直電荷転送路を駆動する、いわゆるダ
ブルポリシリコン構造の、電荷転送電極１２が形成され
る。ホトダイオード上方は光を入射させるため開放され
ている。電荷転送電極１２の表面を酸化シリコン層１４
で覆った後、ホトダイオード上方に窓を有する遮光膜１
５がタングステン等により形成される。
【０００９】遮光膜１５を覆って、平坦な表面を有する
絶縁層１７が、ボロンー燐ーシリコン酸化（ボロホスホ
シリケートガラス、ＢＰＳＧ）膜等により形成される。
絶縁層１７の上にカラーフィルタ３１を形成し、レジス
トなどの表面平坦化層３２で覆った後、カラーフィルタ
層３１が形成される。カラーフィルタ層３１の上にレジ
スト層などの表面平坦化層３２を形成した後、表面平坦
化層３２表面上にレジスト材料等により、マイクロレン
ズ３３を形成する。
絶縁層１７が、ボロンー燐ーシリコン酸化（ボロホスホ
シリケートガラス、ＢＰＳＧ）膜等により形成される。
絶縁層１７の上にカラーフィルタ３１を形成し、レジス
トなどの表面平坦化層３２で覆った後、カラーフィルタ
層３１が形成される。カラーフィルタ層３１の上にレジ
スト層などの表面平坦化層３２を形成した後、表面平坦
化層３２表面上にレジスト材料等により、マイクロレン
ズ３３を形成する。
【００１０】このような工程により、カラーフィルタを
備えた半導体光電変換装置が形成される。３板式光電変
換装置の場合には、カラーフィルタは省略される。ホト
ダイオードへの入射光は、遮光膜により制限され、遮光
膜の窓部を透過した光のみがホトダイオードに入射する
ことができる。
備えた半導体光電変換装置が形成される。３板式光電変
換装置の場合には、カラーフィルタは省略される。ホト
ダイオードへの入射光は、遮光膜により制限され、遮光
膜の窓部を透過した光のみがホトダイオードに入射する
ことができる。
【００１１】図１０（Ｂ）は、半導体撮像装置の平面構
成の１例を示す。多数のホトダイオードＰＤが、複数列、
複数行の行列に配列されている。ホトダイオードの各列
に近接して垂直電荷転送路ＶＣＣＤが形成されている。
垂直電荷転送路ＶＣＣＤの一端に水平電荷路ＨＣＣＤが
結合されている。
成の１例を示す。多数のホトダイオードＰＤが、複数列、
複数行の行列に配列されている。ホトダイオードの各列
に近接して垂直電荷転送路ＶＣＣＤが形成されている。
垂直電荷転送路ＶＣＣＤの一端に水平電荷路ＨＣＣＤが
結合されている。
【００１２】図１０（Ｃ）は、半導体撮像装置の平面構
成の他の例を示す。多数のホトダイオードが、列方向、行
方向に１／２ピッチづつ位置をずらして配列され、いわ
ゆるハニカム配列を構成する。ＶＣＣＤは、ハニカム構
造の画素間を蛇行している。
成の他の例を示す。多数のホトダイオードが、列方向、行
方向に１／２ピッチづつ位置をずらして配列され、いわ
ゆるハニカム配列を構成する。ＶＣＣＤは、ハニカム構
造の画素間を蛇行している。
【００１３】図１１は、従来技術による他の半導体光電
変換装置の構成例を示す断面図である、図１０（Ａ）の
構成と比較すると、遮光膜１５と絶縁層１７との間に低
屈折率の絶縁層１８、高屈折率の絶縁層１９が挿入され
ている。高屈折率の絶縁層１９は、下に凸の形状を有し、
レンズ機能を有する。
変換装置の構成例を示す断面図である、図１０（Ａ）の
構成と比較すると、遮光膜１５と絶縁層１７との間に低
屈折率の絶縁層１８、高屈折率の絶縁層１９が挿入され
ている。高屈折率の絶縁層１９は、下に凸の形状を有し、
レンズ機能を有する。
【００１４】図１２（Ａ），（Ｂ）、（Ｃ），（Ｄ）
は、図１０（Ａ）、図１１の構成における光路計算の結
果を示す。図１２（Ａ）、（Ｂ）は、図１０（Ａ）の構
成において、入射光が入射角０度、１０度で入射した場合
を示し、図１２（Ｃ）、（Ｄ）は図１１において入射光
が入射角０度、１０度で入射した場合を示す。図１０
（Ａ）の構成においては、入射角が傾くと入射光は遮光
膜の窓以外の領域にも入射するようになり、効率が低下
することが判る。
は、図１０（Ａ）、図１１の構成における光路計算の結
果を示す。図１２（Ａ）、（Ｂ）は、図１０（Ａ）の構
成において、入射光が入射角０度、１０度で入射した場合
を示し、図１２（Ｃ）、（Ｄ）は図１１において入射光
が入射角０度、１０度で入射した場合を示す。図１０
（Ａ）の構成においては、入射角が傾くと入射光は遮光
膜の窓以外の領域にも入射するようになり、効率が低下
することが判る。
【００１５】光電変換装置の画素を小型化する場合、比
例縮小すれば単位面積当たりの感度は低下せず、画素サ
イズに比例する感度が得られるはずと期待される。しか
し、遮光膜の開口サイズが縮小するにつれ画素サイズの
縮小率以上に感度が低下する現象が出てきた。受光面積
の減少以上に感度が減少する。この現象は、入射角度が
大きくなると顕著になるようである。
例縮小すれば単位面積当たりの感度は低下せず、画素サ
イズに比例する感度が得られるはずと期待される。しか
し、遮光膜の開口サイズが縮小するにつれ画素サイズの
縮小率以上に感度が低下する現象が出てきた。受光面積
の減少以上に感度が減少する。この現象は、入射角度が
大きくなると顕著になるようである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、画素
サイズの小型化に適合した半導体光電変換装置を提供す
ることである。
サイズの小型化に適合した半導体光電変換装置を提供す
ることである。
【００１７】本発明の他の目的は、半導体光電変換装置
において、小型に伴う感度の低下を防止することであ
る。
において、小型に伴う感度の低下を防止することであ
る。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の１観点によれ
ば、主表面を有する半導体基板と；前記半導体基板の主
表面に形成された多数の光電変換素子と；前記多数の光
電変換素子に近接して、前記半導体基板の主表面に形成
された機能素子と；前記半導体基板上方に形成され、前
記機能素子の上方を遮光し、各前記光電変換素子の所定
領域上方を開口する窓を有する遮光膜と；前記半導体基
板上方で、少なくとも一部の前記窓内に配置され、酸化
シリコンより高屈折率の透光体で形成され、前記窓を透
過する光の実効波長を低減する実効波長低減部材と；を
有する半導体光電変換装置が提供される。
ば、主表面を有する半導体基板と；前記半導体基板の主
表面に形成された多数の光電変換素子と；前記多数の光
電変換素子に近接して、前記半導体基板の主表面に形成
された機能素子と；前記半導体基板上方に形成され、前
記機能素子の上方を遮光し、各前記光電変換素子の所定
領域上方を開口する窓を有する遮光膜と；前記半導体基
板上方で、少なくとも一部の前記窓内に配置され、酸化
シリコンより高屈折率の透光体で形成され、前記窓を透
過する光の実効波長を低減する実効波長低減部材と；を
有する半導体光電変換装置が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、主としてＣ
ＣＤ型半導体撮像装置を例にとって、本発明の実施例を
説明する。従来技術と同等の部分には、同等の参照符号
を付し、説明を簡略化することがある。
ＣＤ型半導体撮像装置を例にとって、本発明の実施例を
説明する。従来技術と同等の部分には、同等の参照符号
を付し、説明を簡略化することがある。
【００２０】図１（Ａ）は、本発明の１実施例による半
導体光電変換装置の構成を示す断面図である。シリコン
基板１０は、ｎ型領域１の上にエピタキシャル成長又は
イオン注入により形成したｐ型層２を有する。ｐ型層２
内にホトダイオードを構成するｎ型領域３、垂直電荷転
送路ＶＣＣＤを構成するｎ型領域５がイオン注入などに
より形成されている。
導体光電変換装置の構成を示す断面図である。シリコン
基板１０は、ｎ型領域１の上にエピタキシャル成長又は
イオン注入により形成したｐ型層２を有する。ｐ型層２
内にホトダイオードを構成するｎ型領域３、垂直電荷転
送路ＶＣＣＤを構成するｎ型領域５がイオン注入などに
より形成されている。
【００２１】ｎ型領域３の上にはホトダイオードを埋め
込むｐ+型領域４がイオン注入などにより形成されてい
る。垂直電荷転送路ＶＣＣＤを電気的に分離するため、
イオン注入などにより、ｎ型領域５の下にはｐ型領域６
が形成され、隣接する列間にはチャネルストップとして
機能するｐ+型領域７が形成されている。
込むｐ+型領域４がイオン注入などにより形成されてい
る。垂直電荷転送路ＶＣＣＤを電気的に分離するため、
イオン注入などにより、ｎ型領域５の下にはｐ型領域６
が形成され、隣接する列間にはチャネルストップとして
機能するｐ+型領域７が形成されている。
【００２２】シリコン基板１０の表面には、熱酸化によ
り酸化シリコン膜１１が形成されている。酸化シリコン
膜１１の上に、垂直電荷転送路を駆動する、いわゆるダ
ブルポリシリコン構造の、電荷転送電極１２が形成され
る。ホトダイオード上方は光を入射させるため開放され
ている。電荷転送電極１２の表面を酸化シリコン層１４
で覆った後、ホトダイオード上方に窓を有する遮光膜１
５がタングステン等により形成される。
り酸化シリコン膜１１が形成されている。酸化シリコン
膜１１の上に、垂直電荷転送路を駆動する、いわゆるダ
ブルポリシリコン構造の、電荷転送電極１２が形成され
る。ホトダイオード上方は光を入射させるため開放され
ている。電荷転送電極１２の表面を酸化シリコン層１４
で覆った後、ホトダイオード上方に窓を有する遮光膜１
５がタングステン等により形成される。
【００２３】遮光膜１５の形成する段差構造の低い部分
を埋めるように、例えば屈折率約２の窒化シリコンのよ
うな、酸化シリコンより高屈折率の透光材料層２１が形
成される。高屈折率透光材料層２１は、透光材料として
多用される酸化シリコンより高い屈折率を有し、以下に
述べるように、遮光膜１５の画定する窓の実効的寸法を
拡大する機能を有する。シリコン基板１０を覆って、平
坦な表面を有する透光性絶縁層１７が、ボロンー燐ーシ
リコン酸化（ボロンホスホシリケートガラス、ＢＰＳ
Ｇ）膜等により形成される。なお、平面形状は図１０
（Ｂ）に示す正方行列状でも、図10(Ｃ)に示すハニカム
状でもよい。以上の構成において、光路を構成する材料
の間では、高屈折率透光性絶縁層２１が、他の部分より
高い屈折率を有する。
を埋めるように、例えば屈折率約２の窒化シリコンのよ
うな、酸化シリコンより高屈折率の透光材料層２１が形
成される。高屈折率透光材料層２１は、透光材料として
多用される酸化シリコンより高い屈折率を有し、以下に
述べるように、遮光膜１５の画定する窓の実効的寸法を
拡大する機能を有する。シリコン基板１０を覆って、平
坦な表面を有する透光性絶縁層１７が、ボロンー燐ーシ
リコン酸化（ボロンホスホシリケートガラス、ＢＰＳ
Ｇ）膜等により形成される。なお、平面形状は図１０
（Ｂ）に示す正方行列状でも、図10(Ｃ)に示すハニカム
状でもよい。以上の構成において、光路を構成する材料
の間では、高屈折率透光性絶縁層２１が、他の部分より
高い屈折率を有する。
【００２４】幾何光学的には、光束は点に収束でき、ど
んな小さな孔も通すことができる。しかし、光は波動で
あり、進行方向に垂直な面内にも拡がりを有する。波動
光学的には光が透過できる開口径に制限がある。通常、
開口部は酸化シリコン等透光性絶縁物で充填されてい
る。真空中の波長の約3倍以下の開口径の場合、光強度
が開口の淵によって蹴られる程度を考慮することが必要
となろう。一般的に波長と同程度の開口を透過させる
と、光強度は大きく減衰する。真空中の波長の2倍程度
の開口径でも減衰は無視できない。
んな小さな孔も通すことができる。しかし、光は波動で
あり、進行方向に垂直な面内にも拡がりを有する。波動
光学的には光が透過できる開口径に制限がある。通常、
開口部は酸化シリコン等透光性絶縁物で充填されてい
る。真空中の波長の約3倍以下の開口径の場合、光強度
が開口の淵によって蹴られる程度を考慮することが必要
となろう。一般的に波長と同程度の開口を透過させる
と、光強度は大きく減衰する。真空中の波長の2倍程度
の開口径でも減衰は無視できない。
【００２５】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の遮光膜周辺の
屈折率分布を示す。真空中で波長λを有する光は、屈折
率ｎの媒質中ではλ（ｎ）＝λ／ｎの波長を有する。酸
化シリコンの透光性絶縁層１１、１７は約１．５の屈折
率を有する。高屈折率の透光材料層２１は、約２の屈折
率を有する。
屈折率分布を示す。真空中で波長λを有する光は、屈折
率ｎの媒質中ではλ（ｎ）＝λ／ｎの波長を有する。酸
化シリコンの透光性絶縁層１１、１７は約１．５の屈折
率を有する。高屈折率の透光材料層２１は、約２の屈折
率を有する。
【００２６】従って、屈折率２中の波長λ２は、屈折率
１．５中の波長λ１、λ３の約３／４となる。このた
め、高屈折率透光材料層２１中の光の波長λ２は透光性
絶縁層１７、１１中の光の波長λ１、λ３より短くな
り、遮光膜１４の開口の径が小さくなっても、開口径の
波長に対する比を大きく保つ。別の表現をすれば、高屈
折率透光材料層は開口径を実効的に広げる機能を果た
す。このようにして、開口径が縮小したときの透光率の
低下を低減することができる。なお、シリコン等の半導
体は３以上の高い屈折率を有し、半導体基板１０中の波
長λ４は、さらに小さくなる。
１．５中の波長λ１、λ３の約３／４となる。このた
め、高屈折率透光材料層２１中の光の波長λ２は透光性
絶縁層１７、１１中の光の波長λ１、λ３より短くな
り、遮光膜１４の開口の径が小さくなっても、開口径の
波長に対する比を大きく保つ。別の表現をすれば、高屈
折率透光材料層は開口径を実効的に広げる機能を果た
す。このようにして、開口径が縮小したときの透光率の
低下を低減することができる。なお、シリコン等の半導
体は３以上の高い屈折率を有し、半導体基板１０中の波
長λ４は、さらに小さくなる。
【００２７】このように、高屈折率遮光材料層２１は高
い屈折率を有し、遮光膜１４の開口において、実効的に入
射光の波長を小さくする。透光膜１７の周囲に他の屈折
率を有する媒質が存在しても、実効屈折率はこれらの屈
折率を取り入れた実効的平均値になる。開口径の波長に
対する比を大きくし、開口径の波長に対する比に基づく
制限を緩和することができる。この観点から高屈折率透
光材料層２１は、実効波長低減の機能を有する。
い屈折率を有し、遮光膜１４の開口において、実効的に入
射光の波長を小さくする。透光膜１７の周囲に他の屈折
率を有する媒質が存在しても、実効屈折率はこれらの屈
折率を取り入れた実効的平均値になる。開口径の波長に
対する比を大きくし、開口径の波長に対する比に基づく
制限を緩和することができる。この観点から高屈折率透
光材料層２１は、実効波長低減の機能を有する。
【００２８】図２は、本発明の実施例による半導体光電
変換装置の断面図を示す。図１の構成と同様の部分には
同様の符号を付し、説明を省略する。高屈折率透光材料
層２１の厚さは、図1の構成よりも厚く設定され、シリ
コン基板１０全面を覆っている。透光性絶縁膜１７の上
に、有機樹脂のカラーフィルタ層３１が形成され、その上
に有機樹脂の平坦化層３２が形成される。平坦化層３２
の上に、レジストパターンを形成し流動化することによ
り、マイクロレンズ３３が形成される。
変換装置の断面図を示す。図１の構成と同様の部分には
同様の符号を付し、説明を省略する。高屈折率透光材料
層２１の厚さは、図1の構成よりも厚く設定され、シリ
コン基板１０全面を覆っている。透光性絶縁膜１７の上
に、有機樹脂のカラーフィルタ層３１が形成され、その上
に有機樹脂の平坦化層３２が形成される。平坦化層３２
の上に、レジストパターンを形成し流動化することによ
り、マイクロレンズ３３が形成される。
【００２９】マイクロレンズ３３に入射する光ＬＡ，Ｌ
Ｂ，ＬＣは、マイクロレンズの屈折作用により収束さ
れ、遮光膜１５の開口内に集光する。開口においては高
屈折率の絶縁層２１によって実効的波長が低減されるた
め、開口径の波長に対する比に基づく制限が緩和され
る。
Ｂ，ＬＣは、マイクロレンズの屈折作用により収束さ
れ、遮光膜１５の開口内に集光する。開口においては高
屈折率の絶縁層２１によって実効的波長が低減されるた
め、開口径の波長に対する比に基づく制限が緩和され
る。
【００３０】図３は、本発明の他の実施例による半導体
光電変換装置の断面を示す。図２の構成と比べ、高屈折
率絶縁層２１の上面形状が変化している。高屈折率絶縁
材料層２１の表面が上に凸の球面２２となり、比較的低
屈折率の絶縁膜１７内に突出している。この構成により
凸レンズ（インナレンズ）が形成され、入射光は収束作
用を受ける。マイクロレンズ３３と高屈折率絶縁材料層
２１のインナレンズとにより、入射光はより確実にホト
ダイオードに入射する。
光電変換装置の断面を示す。図２の構成と比べ、高屈折
率絶縁層２１の上面形状が変化している。高屈折率絶縁
材料層２１の表面が上に凸の球面２２となり、比較的低
屈折率の絶縁膜１７内に突出している。この構成により
凸レンズ（インナレンズ）が形成され、入射光は収束作
用を受ける。マイクロレンズ３３と高屈折率絶縁材料層
２１のインナレンズとにより、入射光はより確実にホト
ダイオードに入射する。
【００３１】Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）原色系フィ
ルタを用いた半導体光電変換装置の場合、各光電変換素
子はＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの波長域の光を受光する。こ
れらの波長域の光の波長は、Ｒが最も長く、次にＧとな
り、Ｂの波長は最も短い。開口径と波長との関係は、Ｒ
で最も厳しく、Ｇでは緩やかになり、Ｂでは最も緩やか
となる。従って、全波長領域に同一の制限が存在するわ
けではない。
ルタを用いた半導体光電変換装置の場合、各光電変換素
子はＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの波長域の光を受光する。こ
れらの波長域の光の波長は、Ｒが最も長く、次にＧとな
り、Ｂの波長は最も短い。開口径と波長との関係は、Ｒ
で最も厳しく、Ｇでは緩やかになり、Ｂでは最も緩やか
となる。従って、全波長領域に同一の制限が存在するわ
けではない。
【００３２】図４は、本発明の他の実施例による半導体
光電変換装置の断面を示す。図２の構成と比較すると、
青（Ｂ）のカラーフィルタの下には、高屈折率透光材料
層２１が形成されず、ＢＰＳＧ等の比較的低屈折率の透
光性絶縁膜１７ｂが埋め込まれている。透光性絶縁膜１
７は、高屈折率透光材料層２１よりも高い位置にある部
分１７ａと、青フィルタの下の遮光膜の形成する開口を
埋め込む部分１７ｂとを含むことになる。青領域におい
ては、波長が短いため開口と波長の比による制限が緩や
かであり、高屈折率透光材料層を埋め込まなくても入射
光が制限されることが少ない。なお、青領域のみでな
く、青領域と緑領域から高屈折率透光材料層を省略する
ことも可能である。最も長波長の赤領域においては、高
屈折率透光材料層２１を形成し、実効波長を低減するこ
とが好ましい。
光電変換装置の断面を示す。図２の構成と比較すると、
青（Ｂ）のカラーフィルタの下には、高屈折率透光材料
層２１が形成されず、ＢＰＳＧ等の比較的低屈折率の透
光性絶縁膜１７ｂが埋め込まれている。透光性絶縁膜１
７は、高屈折率透光材料層２１よりも高い位置にある部
分１７ａと、青フィルタの下の遮光膜の形成する開口を
埋め込む部分１７ｂとを含むことになる。青領域におい
ては、波長が短いため開口と波長の比による制限が緩や
かであり、高屈折率透光材料層を埋め込まなくても入射
光が制限されることが少ない。なお、青領域のみでな
く、青領域と緑領域から高屈折率透光材料層を省略する
ことも可能である。最も長波長の赤領域においては、高
屈折率透光材料層２１を形成し、実効波長を低減するこ
とが好ましい。
【００３３】図５（Ａ）は、本発明の他の実施例による
半導体光電変換装置の断面を示す。遮光膜１５の上に、
開口を囲むように酸化シリコン膜１６が形成され、開口
部においては表面絶縁膜１１に対して傾いた側壁を形成
している。高屈折率の透光材料層２１は、酸化シリコン
層１６の形成する開口を埋め、さらにその上部を覆うよ
うに形成されており、図３の構成同様、上に凸のレンズ
形状を有する。その他の構成は、図３と同様である。高
屈折率領域２１とその周囲を囲む低屈折率領域１６と
は、ファイバのコアとクラッド類似の構成を有する。
半導体光電変換装置の断面を示す。遮光膜１５の上に、
開口を囲むように酸化シリコン膜１６が形成され、開口
部においては表面絶縁膜１１に対して傾いた側壁を形成
している。高屈折率の透光材料層２１は、酸化シリコン
層１６の形成する開口を埋め、さらにその上部を覆うよ
うに形成されており、図３の構成同様、上に凸のレンズ
形状を有する。その他の構成は、図３と同様である。高
屈折率領域２１とその周囲を囲む低屈折率領域１６と
は、ファイバのコアとクラッド類似の構成を有する。
【００３４】図５（Ｂ）は、窒化シリコン等の高屈折率
透光材料層２１と酸化シリコン等の透光材料層１６との
形成する界面での光の振舞いを示す。窒化シリコンは約
２の屈折率を融資、酸化シリコンは約１．５の屈折率を
有する。これらの屈折率の界面においては、全反射の臨
界角が約４８．６度となる。この臨界角よりも大きな入
射角を有する光は、全反射される。光線ＬＤは、高屈折
率透光材料層２１から透光材料層１６へ向って進行し、
界面において全反射されている。
透光材料層２１と酸化シリコン等の透光材料層１６との
形成する界面での光の振舞いを示す。窒化シリコンは約
２の屈折率を融資、酸化シリコンは約１．５の屈折率を
有する。これらの屈折率の界面においては、全反射の臨
界角が約４８．６度となる。この臨界角よりも大きな入
射角を有する光は、全反射される。光線ＬＤは、高屈折
率透光材料層２１から透光材料層１６へ向って進行し、
界面において全反射されている。
【００３５】図の構成において、垂直に入射する光に対
して斜面が形成する角度θ１が９０−４８．６＝４１．
４以下であれば、垂直入射光は全反射する。この条件を
満たすためには、界面が基板表面となす角度θ２を４
８．６度以上にすれば良い。
して斜面が形成する角度θ１が９０−４８．６＝４１．
４以下であれば、垂直入射光は全反射する。この条件を
満たすためには、界面が基板表面となす角度θ２を４
８．６度以上にすれば良い。
【００３６】図６は、図５の実施例の改良型を示す。高
屈折率透光材料層２１から酸化シリコン層１６との界面
に向って進行した光が全反射し、表面絶縁層１１に向う
と、表面絶縁層１１との界面でも全反射される可能性が
高い。これを防止するため、高屈折率透光性材料層２１
と表面絶縁層１１との間に、例えば酸化窒化シリコンで
形成され、窒化シリコンと酸化シリコンとの中間の屈折
率を有する反射防止膜１８を形成する。２つの媒質の界
面に中間の屈折率を有する反射防止膜が設置されると、
全反射の臨界角は大きくなり、反射率は低減する。この
ため、ホトダイオードにより効率的に入射光を取り入れ
る事が可能となる。
屈折率透光材料層２１から酸化シリコン層１６との界面
に向って進行した光が全反射し、表面絶縁層１１に向う
と、表面絶縁層１１との界面でも全反射される可能性が
高い。これを防止するため、高屈折率透光性材料層２１
と表面絶縁層１１との間に、例えば酸化窒化シリコンで
形成され、窒化シリコンと酸化シリコンとの中間の屈折
率を有する反射防止膜１８を形成する。２つの媒質の界
面に中間の屈折率を有する反射防止膜が設置されると、
全反射の臨界角は大きくなり、反射率は低減する。この
ため、ホトダイオードにより効率的に入射光を取り入れ
る事が可能となる。
【００３７】図７は、図２の構成において、開口部に反
射防止膜１８を形成した構成を示す。反射防止膜１８の
存在により、表面絶縁層１１での反射光が低減し、より
多くの光がホトダイオードに入射できるようになる。
射防止膜１８を形成した構成を示す。反射防止膜１８の
存在により、表面絶縁層１１での反射光が低減し、より
多くの光がホトダイオードに入射できるようになる。
【００３８】なお、全反射は高い屈折率の媒質から低い
屈折率の媒質中に光が進行しようとする時に生じる。
屈折率の媒質中に光が進行しようとする時に生じる。
【００３９】図８は、本発明の他の実施例による半導体
光電変換装置の断面を示す。本構成においては、図７の
構成において、高屈折率透光材料層２１と接する部分の
表面絶縁層１１を除去した構成を有する。すなわち、表
面絶縁層１１に開口が形成され、その開口を高屈折率透
光材料層２１ｂが埋め込んでいる。高屈折率透光材料層
２１は、図７の実施例同様の領域２１ａと半導体表面と
接する領域２１ｂとを有する。図７の構成における反射
防止膜は用いられない。窒化シリコンと半導体とが直接
接する場合、半導体の方が高い屈折率を有する。従っ
て、窒化シリコン層から進入する光に対し、全反射は生
じない。ホトダイオードに効率的に入射光を取り込む事
が可能となる。
光電変換装置の断面を示す。本構成においては、図７の
構成において、高屈折率透光材料層２１と接する部分の
表面絶縁層１１を除去した構成を有する。すなわち、表
面絶縁層１１に開口が形成され、その開口を高屈折率透
光材料層２１ｂが埋め込んでいる。高屈折率透光材料層
２１は、図７の実施例同様の領域２１ａと半導体表面と
接する領域２１ｂとを有する。図７の構成における反射
防止膜は用いられない。窒化シリコンと半導体とが直接
接する場合、半導体の方が高い屈折率を有する。従っ
て、窒化シリコン層から進入する光に対し、全反射は生
じない。ホトダイオードに効率的に入射光を取り込む事
が可能となる。
【００４０】なお、半導体光電変換装置は、ＣＣＤ型に
限らない。
限らない。
【００４１】図９は、ＭＯＳ型光電変換装置の構成を概
略的に示す。ＭＯＳ型光電変換装置においては、ホトダ
イオードＰＤに近接して、読み出し増幅用のＭＯＳトラ
ンジスタ回路ＭＯＳが形成される。出力信号は、ＭＯＳ
トランジスタ回路ＭＯＳからバスラインＢＬに読み出さ
れる。
略的に示す。ＭＯＳ型光電変換装置においては、ホトダ
イオードＰＤに近接して、読み出し増幅用のＭＯＳトラ
ンジスタ回路ＭＯＳが形成される。出力信号は、ＭＯＳ
トランジスタ回路ＭＯＳからバスラインＢＬに読み出さ
れる。
【００４２】ＭＯＳ型光電変換装置においても、ホトダ
イオードの所定領域を開口する遮光膜が半導体表面上に
形成され、ホトダイオードの周辺領域を覆う。遮光膜の
開口部において、前述の実施例同様の構成を採用するこ
とができる。
イオードの所定領域を開口する遮光膜が半導体表面上に
形成され、ホトダイオードの周辺領域を覆う。遮光膜の
開口部において、前述の実施例同様の構成を採用するこ
とができる。
【００４３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々
の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明
であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々
の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明
であろう。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体光電変換装置の開口部の寸法が縮小する際、開口
部における実効波長を低減することにより、ホトダイオ
ードの受光効率を向上させることができる。
半導体光電変換装置の開口部の寸法が縮小する際、開口
部における実効波長を低減することにより、ホトダイオ
ードの受光効率を向上させることができる。
【図１】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図２】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図３】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図４】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図５】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図６】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図７】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図８】 本発明の実施例による半導体光電変換装置を
説明するための概略断面図である。
説明するための概略断面図である。
【図９】 ＭＯＳ型光電変換装置の構成を概略的に示す
平面図である。
平面図である。
【図１０】 従来技術による半導体光電変換装置の構成
を概略的に示す断面図及び平面図である。
を概略的に示す断面図及び平面図である。
【図１１】 従来技術による半導体光電変換装置の構成
を概略的に示す断面図である。
を概略的に示す断面図である。
【図１２】 図１０（Ａ）、図１１の構成において、垂
直入射光、斜め入射光の光路追跡を示すグラフである。
直入射光、斜め入射光の光路追跡を示すグラフである。
１ ｎ型領域
２ ｐ型領域
３ ｎ型領域（ホトダイオード）
４ ｐ+型領域（埋め込み領域）
５ ｎ型領域（電荷転送路）
６ ｐ型領域
７ ｐ+型領域（チャネルストッパ）
１０ シリコン基板
１１ 表面絶縁層
１２ 電荷転送電極
１４ 酸化シリコン層
１５ 遮光膜（タングステン膜）
１６ （低屈折率）透光性絶縁層
１７ 透光性絶縁層
１８ 反射防止膜（中間屈折率透光性絶縁層）
２１ 高屈折率透光材料層
３１ カラーフィルタ
３２ 平坦化膜
３３ マイクロレンズ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AB01 BA13 CA04 DA03
DA13 FA06 FA26 FA35 GB03
GB08 GB11 GB18 GC08 GD04
GD07
5C024 CY04 EX43 EX52 GZ34 GZ40
5F049 MA02 MB03 NA01 NA19 NB05
PA10 QA03 QA14 QA15 RA03
RA06 RA08 SS03 SZ01 SZ20
TA12 TA13
Claims (24)
- 【請求項１】 主表面を有する半導体基板と；前記半導
体基板の主表面に形成された多数の光電変換素子と；前
記多数の光電変換素子に近接して、前記半導体基板の主
表面に形成された機能素子と；前記半導体基板上方に形
成され、前記機能素子の上方を遮光し、各前記光電変換
素子の所定領域上方を開口する窓を有する遮光膜と；前
記半導体基板上方で、少なくとも一部の前記窓内に配置
され、酸化シリコンより高屈折率の透光体で形成され、前
記窓を透過する光の実効波長を低減する実効波長低減部
材と；を有する半導体光電変換装置。 - 【請求項２】 前記実効波長低減部材が、前記窓におい
て前記遮光膜の下面から上面を越える高さまで配置され
ている請求項１記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項３】 前記窓は、対象光の真空中における最大
波長の約３倍以下の径を有する請求項１または２記載の
半導体光電変換素子。 - 【請求項４】 前記窓は、対象光の真空中の最大波長の
約２倍以下の径を有する請求項３記載の半導体光電変換
素子。 - 【請求項５】 さらに、前記遮光膜と実効波長低減部材
との上方に、各前記光電変換素子に対応して形成された
マイクロレンズを有する請求項１〜４のいずれか１項記
載の半導体光電変換装置。 - 【請求項６】 前記マイクロレンズが前記窓の中心部に
焦点を有する請求項５記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項７】 さらに、前記マイクロレンズ下方、前記
実効波長低減部材の上に形成され、前記実効波長低減部
材の屈折率よりも低い屈折率を有する透光性絶縁層と；
各前記マイクロレンズと前記透光性絶縁層との間に配置
されたカラーフィルタと；を有する請求項１〜６のいず
れか１項記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項８】 前記実効波長低減部材が平坦な上面を有
する請求項７記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項９】 前記実効波長低減部材の上面が光電変換
素子上方で上に凸の曲面を有し、前記透光性絶縁層が平
坦な上面を有し、前記実効波長低減部材が凸レンズの機
能を有する請求項７記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１０】 前記凸レンズが前記窓の中心部に焦点
を有する請求項９記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１１】 さらに、前記遮光膜と前記実効波長低
減部材との間に形成され、前記半導体光電変換素子に向
かって収束する形状の内側側面と前記実効波長低減部材
の屈折率よりも低い屈折率とを有するクラッド絶縁層を
有する請求項１〜１０のいずれか１項記載の半導体光電
変換装置。 - 【請求項１２】 前記クラッド絶縁層が酸化シリコンで
形成されている請求項１１記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１３】 さらに、前記半導体基板表面と前記実
効波長低減部材との間に形成され、前記実効波長低減部
材の屈折率よりも低い屈折率とを有する表面絶縁層を有
する請求項１〜１２のいずれか１項記載の半導体光電変
換装置。 - 【請求項１４】 前記表面絶縁層が酸化シリコンで形成
されている請求項１３記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１５】 さらに、前記半導体基板表面と前記表
面絶縁層との間に形成され、前記実効波長低減部材の屈
折率よりも低く、前記表面絶縁層の屈折率より高い屈折
率を有する反射防止膜を有する請求項１３または１４記
載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１６】 前記実効波長低減部材が前記半導体基
板の主表面に直接接している請求項１〜１２のいずれか
１項記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１７】 前記実効波長低減部材が、窒化シリコ
ンで形成されている請求項１〜１６のいずれか１項記載
の半導体光電変換装置。 - 【請求項１８】 前記窒化シリコンが、アモルファスで
ある請求項１７記載の半導体光電変換装置。 - 【請求項１９】 前記実効波長低減部材が、ダイヤモン
ド構造の炭素材料、又は酸化タンタルで形成されている
請求項１〜１６のいずれか１項記載の半導体光電変換装
置。 - 【請求項２０】 前記遮光膜がタングステンで形成され
ている請求項１〜１９のいずれか１項記載の半導体光電
変換装置。 - 【請求項２１】 主表面を有するシリコン基板と；前記
シリコン基板の主表面に形成された多数の光電変換素子
と；前記多数の光電変換素子に近接して、前記シリコン
基板の主表面に形成された電荷転送路と；前記シリコン
基板の主表面を覆う第１酸化シリコン層と；前記第１酸
化シリコン層上方に配置され、多結晶シリコンで形成さ
れ、前記電荷転送路のポテンシャルを制御する電荷転送
電極と；前記電荷転送電極の表面を覆う第２酸化シリコ
ン層と；前記第２酸化シリコン層を覆い、前記半導体基
板上方に形成され、前記電荷転送路の上方を遮光し、各
前記光電変換素子の所定領域上方を開口する窓を有する
遮光膜と；前記半導体基板上方で、少なくとも一部の前
記窓内に配置され、酸化シリコンより高屈折率の透光体
で形成され、前記窓を透過する光の実効波長を低減する
実効波長低減部材と；前記実効波長低減部材上面に直接
接すると共に、前記遮光膜を覆って前記シリコン基板上
方に形成され、前記実効波長低減部材の屈折率よりも低
い屈折率を有する透光性絶縁層と；前記透光性絶縁層の
上方に形成され、各前記光電変換素子に対応して配置さ
れたカラーフィルタと；前記カラーフィルタの上方に、
各前記光電変換素子に対応して形成されたマイクロレン
ズと；を有する半導体光電変換装置。 - 【請求項２２】 前記実効波長低減部材が窒化シリコン
で形成されている請求項２１記載の半導体光電変換装
置。 - 【請求項２３】 さらに、前記シリコン基板の主表面と
前記実効波長低減部材との間に配置された酸化窒化シリ
コン反射防止膜を有する請求項２１又は２２記載の半導
体光電変換装置。 - 【請求項２４】 前記実効波長低減部材がダイヤモンド
構造の炭素材料、又は酸化タンタルで形成されている請
求項２１記載の半導体光電変換装置。
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