JP2004047682A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板表面及び内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極く小さくして入射光量の損失が小さく感度特性に優れた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１上に形成された固体撮像装置のパッシベーション膜６、フォトダイオード２が形成されたシリコン半導体基板１の表面もしくは半導体基板表面上に形成された多層の絶縁膜３、６のうち屈折率が異なる界面の下層の絶縁膜に入射光の波長以下の周期で、アスペクト比１以上の微細突起７を設ける。図ではパッシベーション膜に形成するが、フォトダイオード２の表面、絶縁膜３の表面に反射防止構造体を設けることができる。微細突起の形成により、パッシベーション膜、半導体基板表面もしくは内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極めて小さくできるため入射光量の損失が小さく感度特性に優れた固体撮像装置が得られる。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体基板１上に形成された固体撮像装置のパッシベーション膜６、フォトダイオード２が形成されたシリコン半導体基板１の表面もしくは半導体基板表面上に形成された多層の絶縁膜３、６のうち屈折率が異なる界面の下層の絶縁膜に入射光の波長以下の周期で、アスペクト比１以上の微細突起７を設ける。図ではパッシベーション膜に形成するが、フォトダイオード２の表面、絶縁膜３の表面に反射防止構造体を設けることができる。微細突起の形成により、パッシベーション膜、半導体基板表面もしくは内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極めて小さくできるため入射光量の損失が小さく感度特性に優れた固体撮像装置が得られる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、とくに新規な構造を有する反射防止層を備えた感度特性の優れた固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ）センサー等の固体撮像装置では、通常パッシベーション膜として表面にＳｉＯ２ やＳｉＮ等の絶縁薄膜が形成されている。光が固体撮像装置に入射すると、空気（ｎ＝１）とＳｉＮ（ｎ〜２．０（略２．０））の屈折率差のために界面での光反射が起こり、反射した光はその下に形成されたフォトダイオードに到達せず、その結果入射光量に対して、十分な感度が得られない等の問題があった。
【０００３】
従来の固体撮像装置を図９に示されたＣＣＤエリアイメージセンサを例にして説明する。ＣＣＤエリアイメージセンサは、例えば、デジタルカメラやビデオに用いられる。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板１０１に形成される。半導体基板１０１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その内の１種類はフォトダイオード１０２を構成し、半導体基板１０１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード１０２は、画素といい、光電変換部を構成している。フォトダイオード１０２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ１１１を構成する他のｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ１１１の上には、絶縁膜を介して積層された電極１０４が形成されている。ＣＣＤレジスタ１１１の直上にはポリシリコン等からなる第１の電極１４１が形成され、その上にポリシリコンなどからなる第２の電極１４２が形成されている。電極１０４及びＣＣＤレジスタ１１１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。第１の電極１４１によりフォトダイオード１０２（光電変換部）で変換された電荷は、ＣＣＤレジスタ１１１へシフトされ、第２の電極１４２により垂直電荷転送レジスタ内を送られて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、この水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【０００４】
フォトダイオード１０２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板１０１上にＣＶＤ法などによりＳｉＯ２ 絶縁膜１０３が堆積される。この絶縁膜１０３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード１０２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜１０５を選択的に形成する。次に、遮光膜１０５及び絶縁膜１０３を被覆するように半導体基板１０１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜１０６を形成する。このパッシベーション膜１０６上に有機樹脂からなるカラーフィルタ平坦化膜１１２を介して赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１０８を形成する。パッシベーション膜１０６の上には有機樹脂からなるカラーフィルタ平坦化膜１１２が形成されている。カラーフィルタ１０８は、有機樹脂よりなる絶縁膜１０９で固定され、絶縁膜１０９上には、マイクロレンズ１１０が形成されている。そして、カラーフィルタ１０８及びマイクロレンズ１１０は、フォトダイオード１０２の上に配置されるように形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の固体撮像装置において、変換効率を高めるためには、入射する光が反射することなく光電変換部において変換されることが必要である。可能な限り反射を少なくするための反射防止の方法としては、単層もしくは多層干渉膜を利用した反射防止膜のコーティングが知られている。これらは、特定の波長域で優れた反射防止特性を有しているが、可視光全域において優れた反射防止膜を形成することは困難である。また、これらの方法は、各膜の膜厚に敏感であり、安定した反射防止特性を維持するためには製造上の管理が困難であるなどの多くの問題を抱えている。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、基板表面及び内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極めて小さくして入射光量の損失が小さく、感度特性に優れた固体撮像装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に形成された固体撮像装置のパッシベーション膜、フォトダイオードが形成されたシリコン表面もしくはシリコン表面上に形成された多層の絶縁膜のうち屈折率が異なる界面の下層の絶縁膜に可視光や赤外線などの入射光の波長以下の周期でアスペクト比１以上の微細な突起を形成したことを特徴としている。微細突起の形成により、パッシベーション膜、半導体基板表面もしくは内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極めて小さくできるため入射光量の損失が小さく感度特性に優れた固体撮像装置が得られる。本発明に用いるパッシベーション膜にはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）あるいはＰＳＧなどのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）などが用いられる。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部と、前記半導体基板上に形成され、前記光電変換部及び前記電荷転送部を被覆するパッシベーション膜とを具備し、前記パッシベーション膜は、微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴としている。前記反射防止構造体を構成する微細突起は、０．０５〜１μｍの周期、１以上のアスペクト比で配列形成されているようにしても良い。前記反射防止構造体を構成する微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比が変化するようにしても良い。前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さいようにしても良い。
【０００７】
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部とを具備し、前記光電変換部は、その表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴としている。前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さくしても良い。
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部とを具備し、前記光電変換部の上層には透明な材質からなる多層の絶縁膜が形成され、この多層の絶縁膜のうち、異なる屈折率からなる絶縁膜の界面において、その下層側の絶縁膜は、表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴としている。前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さくしても良い。入射光の波長以下の凹凸（微細突起）がある場合、光は、突起の底部から先端まで屈折率が滑らかな傾斜を持って変わる（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）層と見なすため、界面での急激な屈折率変化がなく、透過の際の損失が殆どなくなるという効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図１乃至図４を参照して第１の実施例を説明する。
図１は、固体撮像装置の断面図、図２は、図１の固体撮像装置の製造工程断面図、図３は、図１の固体撮像装置のフォトダイオード（光電変換部）及び電極を説明する半導体基板の平面図、図４は、図１の固体撮像装置のカラーフィルタを説明する半導体基板の平面図である。図３のＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図が図１に示されている。この実施例を図１に示されたＣＣＤエリアイメージセンサを一例にして説明する。
【０００９】
ＣＣＤエリアイメージセンサは、例えば、デジタルカメラやビデオに用いられる。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板１に形成される。半導体基板１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その一部は複数のフォトダイオード（ＰＤ）２を構成し、半導体基板１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード２は、光電変換画素、いわゆる画素といい、光電変換部を構成している。フォトダイオード２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ１１を構成するフォトダイオードとは異なる他のｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ１１の上には、ＳｉＯ２ などからなる絶縁膜３を介して積層された電極４が形成されている。積層された電極４の内、ＣＣＤレジスタ１１の直上にはポリシリコンなどからなる第１の電極４１が形成され、その上に絶縁膜３を介してポリシリコンなどからなる第２の電極４２が形成されている。電極４及びＣＣＤレジスタ１１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。２つの電極４１、４２は、その端部をオーバーラップさせて形成される。フォトダイオード２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極４１によりＣＣＤレジスタ１１へシフトされ、第１及び第２の電極４１、４２により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、さらに、この水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【００１０】
フォトダイオード２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板１上にＣＶＤ法などにより絶縁膜３が堆積される。この絶縁膜３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜５を選択的に形成する。次に、遮光膜５及び絶縁膜３を被覆するように半導体基板１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜６を形成する。このパッシベーション膜にはシリコン酸化膜などの他の材料を用いることができる。このパッシベーション膜６上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ８が形成されている。カラーフィルタ８は、有機樹脂よりなる絶縁膜９で固定され、絶縁膜９上には、マイクロレンズ１０が形成される。カラーフィルタ８及びマイクロレンズ１０は、フォトダイオード２を覆うように配置されている。
この実施例では、本発明の特徴である反射防止構造体は、パッシベーション膜に形成される。図に示すように、パッシベーション膜６の表面には反射防止構造体として微細突起７が形成されている。パッシベーション膜６は、厚さＤの内表面の厚さｄに微細突起７が形成されている。したがって、下側の厚さｈの部分がパッシベーション膜としての機能を主として持っている。
【００１１】
反射防止構造体を構成する微細突起は、フォトダイオード（光電変換部）に入射する光の波長より小さくなるように形成すると効率良い反射防止作用が得られる。したがって、この実施例では、微細突起は０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の内から所定の値を選択して配列形成される。しかし、本発明では、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比を変化するように構成することもできる。
次に、図３を参照して図１に示すＣＣＤエリアイメージセンサの半導体基板上の配置を説明する。半導体基板１のセンサ部にはフォトダイオード（ＰＤ）２の列とＣＣＤレジスタ上に形成された電極４が交互にならんでいる。前述のようにフォトダイオード２（光電変換部）で変換された電荷は、ＣＣＤレジスタへシフトされ、電極４により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ１２に送られ、この水平電荷転送レジスタ１２から外部へ出力される。半導体基板１のセンサ部が形成されていない領域には入出力端子部や電極を駆動する周辺回路部が形成されている。
【００１２】
次に、図４を参照して図３のセンサ部に取り付けられるカラーフィルタを説明する。カラーフィルタ８は、フォトダイオード２の上及びその近傍を被覆するようにパッシベーション膜上に形成される。フィルタのカラーは、フォトダイオード２毎に異なるように配置する。図に示すように、４つのフォトダイオード２上にそれぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ８を形成する。図に示された４つのカラーフィルタ８を１つのカラーパターンとして、このカラーパターンが基板上を覆ってＣＣＤエリアイメージセンサの表面にカラーフィルタ８が形成される。カラーフィルタ８は、有機樹脂よりなる絶縁膜で固定され、この絶縁膜上にマイクロレンズが形成される。マイクロレンズは、フォトダイオード２の真上に配置されるように形成される。
【００１３】
次に、図２を参照して図１に示されたＣＣＤエリアイメージセンサの製造工程を説明する。まず、シリコンからなる半導体基板１にフォトダイオード２、ＣＣＤエリアイメージセンサ１１を構成する不純物拡散領域を形成し、半導体基板１上にＳｉＯ２ などからなる絶縁膜３で被覆された電極４を形成し、電極４の上に絶縁膜３を介してアルミニウムの遮光膜５を形成する。半導体基板１に入射した光を光電変換するフォトダイオード２は、マトリクス状に設けられ、そして横方向に隣接する形で電荷を転送させるための電極４及びこれに対応する部分に遮光膜が形成される。そして、絶縁膜３の上にはパッシベーション膜６を構成するシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を厚さ４００ｎｍ程度堆積させる（図２（ａ））。
【００１４】
次に、半導体基板１にＥＢ（電子ビーム）レジストを膜厚２００ｎｍ塗布し、１辺が１００ｎｍで隣接パターンとのスペースが１００ｎｍとなるようにこれをＥＢ描画、現像を行って島状のレジストパターン１４を形成した（図２（ｂ））。次に、島状のレジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、ＣＦ４ ／Ａｒ＝２０／８０ｓｃｃｍ、圧力１０Ｔｏｒｒ、パワー２００Ｗでレジストがなくなるまでエッチング（すなわち、ＳｉＮ／レジストの低選択比エッチング）し、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）に周期２００ｎｍ、アスペクト比１．５の微細突起７のパターンを形成する。このようにして、半導体基板１の表面に微細突起７からなる反射防止構造体が得られる（図２（ｃ））。
さらに、微細突起７のパターン上にカラーフィルタ８、有機樹脂からなる絶縁膜９及びマイクロレンズ１０を形成してＣＣＤエリアイメージセンサが完成する（図１参照）。
【００１５】
半導体基板表面のパッシベーション膜上に、微細突起パターンを形成することによりカラーフィルタとの界面反射が軽減され、従来構造のＣＣＤエリアイメージセンサと比較して感度特性が８％向上した。
半導体基板上に形成されたＣＣＤエリアイメージセンサのパッシベーション膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）とその表面上に形成されカラーフィルタを固定する絶縁膜（有機樹脂、ｎ＝１．５）とは屈折率が異なるものの、その界面の下層の絶縁膜（パッシベーション膜）に入射光の波長以下の周期でアスペクト比１以上の微細突起を形成したことにより、パッシベーション膜で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができた。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。
【００１６】
次に、図５及び図６を参照して第２の実施例を説明する。
図５及び図６は、固体撮像装置の断面図である。この実施例をＣＣＤエリアイメージセンサを一例にして説明する。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板２１に形成される。半導体基板２１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その一部は複数のフォトダイオード（ＰＤ）２２を構成し、半導体基板２１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード２２は、光電変換画素、いわゆる画素といい、光電変換部を構成している。フォトダイオード２２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ３１を構成するフォトダイオードとは異なるｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ３１の上には、ＳｉＯ２ などからなる絶縁膜２３を介して積層された電極２４が形成されている。積層された電極２４の内、ＣＣＤレジスタ３１の直上にはポリシリコンなどからなる第１の電極２４１が形成され、その上に絶縁膜２３を介してポリシリコンなどからなる第２の電極２４２が形成されている。電極２４及びＣＣＤレジスタ３１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。フォトダイオード２２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極２４１によりＣＣＤレジスタ３１へシフトされ、第２の電極２４２により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、さらに水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【００１７】
フォトダイオード２２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板２１上にＣＶＤ法などにより前述の絶縁膜２３が堆積される。この絶縁膜２３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜２５が選択的に形成されている。次に、遮光膜２５及び絶縁膜２３を被覆するように半導体基板２１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜２６が形成されている。このパッシベーション膜２６上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ２８が形成されている。カラーフィルタ２８は、有機樹脂よりなる絶縁膜２９で固定され、絶縁膜２９上には、マイクロレンズ３０が形成されている。カラーフィルタ２８及びマイクロレンズ３０は、フォトダイオード２２を覆うように配置されている。
【００１８】
外部からの光が通る路（マイクロレンズ３０−カラーフィルタ２８−パッシベーション膜２６−絶縁膜２３−フォトダイオード２２）は、パッシベーション膜２６がシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の場合、屈折率ｎが他の膜より大きく（ｎ＝１．９〜２．０）、入射光が反射する機会が多くなり、感度特性を劣化させる原因の１つとなっている。そのために、この部分のパッシベーション膜を除去し、パッシベーション膜に膜のない部分（開口部）を形成することが考えられた。しかし、このように開口部を形成すると、その上に形成配置されているカラーフィルタが安定して設置されない。そこで、従来は、カラーフィルタが置かれる下地が平坦であるように、パッシベーション膜の上にカラーフィルタ平坦化膜を形成していた。この実施例ではこのような構造になっている。平坦化膜は、屈折率ｎが１．５程度の有機樹脂を用いている。
したがって、この実施例では、シリコン窒化膜を用いたパッシベーション膜２６には、フォトダイオード２２上にある光の通路の部分に開口部２６１を設けている。そして、遮光膜２５は、積層された電極２４を被覆する絶縁膜２３を包むように、光の通路の側面をも被覆して遮光効果を高くしている。さらに、光の通路の下部であるフォトダイオード２２と接触する部分にはシリコン酸化膜などの絶縁膜３３がＣＶＤ法などにより形成されており、この絶縁膜３３及びパッシベーション膜２６の上に有機樹脂などからなるカラーフィルタ平坦化膜３４が形成されている。
【００１９】
この実施例では、本発明の特徴である反射防止構造体は、シリコン酸化膜からなる絶縁膜３３の表面部分に形成される。図に示すように、光の通路に設けられた絶縁膜３３の表面には反射防止構造体として微細突起２７が形成されている。反射防止構造体を構成する微細突起２７の配列周期は、フォトダイオード２２に入射する光の波長より小さくすると効率良い反射防止作用が得られる。したがって、この実施例では、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の内から所定の値を選択して配列形成される。しかし、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比を変化するように構成することもできる。
半導体基板上に形成されたＣＣＤエリアイメージセンサのカラーフィルタ平坦化膜（屈折率ｎ＝略１．５）と、これと接するシリコン酸化膜からなる絶縁膜（ｎ＝１．４５）とは屈折率がその差は小さくとも異なっており、反射が起きる環境にあるものの、その界面の下層の絶縁膜に入射光の波長以下の所定の周期でアスペクト比１以上の微細突起を形成したことにより、絶縁膜で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができた。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。
【００２０】
なお、パッシベーション膜に開口部を形成するには、パッシベーション膜を堆積させてから、これを選択的にエッチングして開口形成をする場合と、最初から所定の部分を開口部形状にマスクしてパッシベーション膜を堆積する場合の２通りの方法を用いることができる。
図５に示す固体撮像装置は、パッシベーション膜に開口部が形成されている。しかし、この実施例では、パッシベーション膜に開口部を形成しないでそのまま使用することもできる。図６は、開口部のないパッシベーション膜を用いた例である。この例ではパッシベーション膜に開口部を形成する工程が省略できる。
【００２１】
次に、図７を参照して第３の実施例を説明する。
図７は、固体撮像装置の断面図である。この実施例をＣＣＤエリアイメージセンサを一例にして説明する。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板４１に形成される。半導体基板４１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その一部は、複数のフォトダイオード（ＰＤ）４２を構成し、半導体基板４１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード（画素）４２は、光電変換部を構成している。フォトダイオード４２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ５１を構成するフォトダイオードとは異なるｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ５１の上には、ＳｉＯ２ などからなる絶縁膜４３を介して積層された電極４４が形成されている。積層された電極４４の内、ＣＣＤレジスタ５１の直上にはポリシリコンなどからなる第１の電極４４１が形成され、その上に絶縁膜４３を介してポリシリコンなどからなる第２の電極４４２が形成されている。電極４４及びＣＣＤレジスタ５１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。フォトダイオード４２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極４４１によりＣＣＤレジスタ５１へシフトされ、第２の電極４４２により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、さらに水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【００２２】
フォトダイオード４２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板４１上にＣＶＤ法などにより前述の絶縁膜４３が堆積される。この絶縁膜４３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード４２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜４５が選択的に形成されている。次に、遮光膜４５及び絶縁膜４３を被覆するように半導体基板４１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜４６が形成されている。このパッシベーション膜４６上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青 （Ｂ）のカラーフィルタ４８が形成されている。カラーフィルタ４８は、有機樹脂よりなる絶縁膜４９で固定され、絶縁膜４９上には、マイクロレンズ５０が形成されている。カラーフィルタ４８及びマイクロレンズ５０は、フォトダイオード４２を覆うように配置されている。
【００２３】
第２の実施例と同様に外部からの光が通る路は、パッシベーション膜がシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の場合、屈折率ｎが他の膜より大きく（ｎ＝１．９〜２．０）、入射光が反射する機会が多くなり、感度特性を劣化させる原因の１つとなっているために、この実施例ではこの部分のパッシベーション膜を除去し、パッシベーション膜４６に膜のない部分（開口部４６１）を形成する。そして、カラーフィルタが置かれる下地が平坦であるように、パッシベーション膜４６の上にカラーフィルタ平坦化膜５４を形成する。平坦化膜５４は、屈折率ｎが１．５程度の有機樹脂を用いている。遮光膜４５は、電極４４を被覆する絶縁膜４３を包むように、光の通路の側面をも被覆して遮光効果を高くしている。さらに、光の通路の下部であるフォトダイオード４２と接触する部分にはシリコン酸化膜などの絶縁膜５３がＣＶＤ法などにより形成されており、この絶縁膜５３及びパッシベーション膜４６上に前述のカラーフィルタ平坦化膜５４が形成されている。
この実施例では、本発明の特徴である反射防止構造体は、シリコンからなる半導体基板４１の表面部分に形成される。図に示すように、光の通路に露出するフォトダイオード４２の表面に反射防止構造体として微細突起４７が形成されている。反射防止構造体を構成する微細突起４７の配列周期は、フォトダイオード４２に入射する光の波長より小さくすると効率良い反射防止作用が得られる。したがって、この実施例では、微細突起は０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の内から所定の値を選択して配列形成される。しかし、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比を変化するように構成することもできる。
【００２４】
半導体基板上に形成されたカラーフィルタ平坦化膜と接するシリコン酸化膜からなる絶縁膜（ｎ＝１．４５）５３と半導体基板（ｎ＞３）４１とは屈折率が大きく異なっており、反射が起きる環境にあるものの、その界面の下層の半導体基板４１のフォトダイオード４２に入射光の波長以下の所定の周期でアスペクト比１以上の微細突起４７を形成したことにより、半導体基板で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができた。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。
なお、パッシベーション膜に開口部を形成する方法は、第２の実施例で説明した通りである。
第２の実施例及び第３の実施例では、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減する反射防止構造体をそれぞれ１か所に形成しているが、本発明では屈折率の異なる界面において、環境が悪い場所が複数あれば全てに適用することが可能である。例えば、第２の実施例と第３の実施例を合わせるように２か所に反射防止構造体を設けることができる。
【００２５】
次に、図８を参照して第４の実施例を説明する。
図８は、固体撮像装置の断面図である。この実施例では固体撮像装置としてＣＣＤリニアイメージセンサを説明する。リニアイメージセンサは、光電変換部のフォトダイオード（画素）が１次元に配列している。半導体基板６１に、光電変換部となるフォトダイオード６２をリニアに設け、第１の実施例と同様の方法で、第１の電極６４１、第２の電極６４２から構成されたポリシリコンなどからなる電極６４を形成し、アルミニウム遮光膜６５をシリコン酸化膜からなる絶縁膜６３を介して形成した。電極６４の下の半導体基板６１の表面領域には電極６４と共に電荷転送レジスタを構成するＣＣＤレジスタ（ｎ型不純物拡散領域）６８が形成されている。最上部の膜となるパッシベーション膜６６には、リンドープのシリコン酸化膜（ＰＳＧ）を厚さ４００ｎｍに形成した。
フォトダイオード６２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極６４１によりＣＣＤレジスタ６８へシフトされ、第２の電極６４２により電荷転送レジスタ内を転送され、ここから外部へ出力される。
【００２６】
第１の実施例と同様に、ＥＢ描画によりフォトダイオード６２上のＰＳＧパッシベーション膜６６にＲＩＥにより微細突起６７のパターンを形成した。ここでは、微細突起６７の上部にカラーフィルタは形成せず、白黒用途とした。表面のＰＳＧと空気との界面反射が抑制でき、従来構造のＣＣＤリニアイメージセンサと比較して感度特性が４％向上した。
半導体基板上に形成されたＣＣＤエリアイメージセンサのパッシベーション膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）とその表面に接触している空気（ｎ＝略１）とは屈折率が異なるものの、その界面の下層の絶縁膜（パッシベーション膜）に入射光の波長以下の周期でアスペクト比１以上の微細突起を形成したことにより、パッシベーション膜で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤリニアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができる。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤリニアイメージセンサが得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減でき、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れた固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図２】図１の固体撮像装置の製造工程断面図。
【図３】図１の固体撮像装置のフォトダイオード（光電変換部）及び電極を説明する半導体基板の平面図。
【図４】図１の固体撮像装置のカラーフィルタを説明する半導体基板の平面図。
【図５】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図６】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図７】本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図８】本発明の第４の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図９】従来の固体撮像装置であるＣＣＤエリアイメージセンサの断面図。
【符号の説明】
１、２１、４１、６１、１０１・・・半導体基板
２、２２、４２、６２、１０２・・・フォトダイオード（光電変換部）
３、２３、３３、４３、５３、６３、１０３・・・絶縁膜
４、２４、４４、６４、１０４・・・電極
５、２５、４５、６５、１０５・・・遮光膜
６、２６、４６、６６、１０６・・・パッシベーション膜
７、２７、４７、６７・・・微細突起（反射防止構造体）
８、２８、４８、１０８・・・カラーフィルタ
９、２９、４９、１０９・・・有機樹脂よりなる絶縁膜
１０、３０、５０、１１０・・・マイクロレンズ
１１、３１、５１、６８、１１１・・・ＣＣＤレジスタ
１２・・・水平電荷転送レジシタ
１３・・・周辺回路 １４・・・レジストパターン
３４、５４、１１２・・・カラーフィルタ平坦化膜
４１、１４１、２４１、４４１、６４１・・・第１の電極
４２、１４２、２４２、４４２、６４２・・・第２の電極
２６１、４６１・・・開口部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、とくに新規な構造を有する反射防止層を備えた感度特性の優れた固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ）センサー等の固体撮像装置では、通常パッシベーション膜として表面にＳｉＯ２ やＳｉＮ等の絶縁薄膜が形成されている。光が固体撮像装置に入射すると、空気（ｎ＝１）とＳｉＮ（ｎ〜２．０（略２．０））の屈折率差のために界面での光反射が起こり、反射した光はその下に形成されたフォトダイオードに到達せず、その結果入射光量に対して、十分な感度が得られない等の問題があった。
【０００３】
従来の固体撮像装置を図９に示されたＣＣＤエリアイメージセンサを例にして説明する。ＣＣＤエリアイメージセンサは、例えば、デジタルカメラやビデオに用いられる。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板１０１に形成される。半導体基板１０１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その内の１種類はフォトダイオード１０２を構成し、半導体基板１０１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード１０２は、画素といい、光電変換部を構成している。フォトダイオード１０２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ１１１を構成する他のｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ１１１の上には、絶縁膜を介して積層された電極１０４が形成されている。ＣＣＤレジスタ１１１の直上にはポリシリコン等からなる第１の電極１４１が形成され、その上にポリシリコンなどからなる第２の電極１４２が形成されている。電極１０４及びＣＣＤレジスタ１１１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。第１の電極１４１によりフォトダイオード１０２（光電変換部）で変換された電荷は、ＣＣＤレジスタ１１１へシフトされ、第２の電極１４２により垂直電荷転送レジスタ内を送られて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、この水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【０００４】
フォトダイオード１０２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板１０１上にＣＶＤ法などによりＳｉＯ２ 絶縁膜１０３が堆積される。この絶縁膜１０３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード１０２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜１０５を選択的に形成する。次に、遮光膜１０５及び絶縁膜１０３を被覆するように半導体基板１０１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜１０６を形成する。このパッシベーション膜１０６上に有機樹脂からなるカラーフィルタ平坦化膜１１２を介して赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１０８を形成する。パッシベーション膜１０６の上には有機樹脂からなるカラーフィルタ平坦化膜１１２が形成されている。カラーフィルタ１０８は、有機樹脂よりなる絶縁膜１０９で固定され、絶縁膜１０９上には、マイクロレンズ１１０が形成されている。そして、カラーフィルタ１０８及びマイクロレンズ１１０は、フォトダイオード１０２の上に配置されるように形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の固体撮像装置において、変換効率を高めるためには、入射する光が反射することなく光電変換部において変換されることが必要である。可能な限り反射を少なくするための反射防止の方法としては、単層もしくは多層干渉膜を利用した反射防止膜のコーティングが知られている。これらは、特定の波長域で優れた反射防止特性を有しているが、可視光全域において優れた反射防止膜を形成することは困難である。また、これらの方法は、各膜の膜厚に敏感であり、安定した反射防止特性を維持するためには製造上の管理が困難であるなどの多くの問題を抱えている。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、基板表面及び内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極めて小さくして入射光量の損失が小さく、感度特性に優れた固体撮像装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板上に形成された固体撮像装置のパッシベーション膜、フォトダイオードが形成されたシリコン表面もしくはシリコン表面上に形成された多層の絶縁膜のうち屈折率が異なる界面の下層の絶縁膜に可視光や赤外線などの入射光の波長以下の周期でアスペクト比１以上の微細な突起を形成したことを特徴としている。微細突起の形成により、パッシベーション膜、半導体基板表面もしくは内部の屈折率が異なる膜界面で起きる光の反射を極めて小さくできるため入射光量の損失が小さく感度特性に優れた固体撮像装置が得られる。本発明に用いるパッシベーション膜にはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）あるいはＰＳＧなどのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）などが用いられる。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部と、前記半導体基板上に形成され、前記光電変換部及び前記電荷転送部を被覆するパッシベーション膜とを具備し、前記パッシベーション膜は、微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴としている。前記反射防止構造体を構成する微細突起は、０．０５〜１μｍの周期、１以上のアスペクト比で配列形成されているようにしても良い。前記反射防止構造体を構成する微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比が変化するようにしても良い。前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さいようにしても良い。
【０００７】
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部とを具備し、前記光電変換部は、その表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴としている。前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さくしても良い。
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部とを具備し、前記光電変換部の上層には透明な材質からなる多層の絶縁膜が形成され、この多層の絶縁膜のうち、異なる屈折率からなる絶縁膜の界面において、その下層側の絶縁膜は、表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴としている。前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さくしても良い。入射光の波長以下の凹凸（微細突起）がある場合、光は、突起の底部から先端まで屈折率が滑らかな傾斜を持って変わる（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ）層と見なすため、界面での急激な屈折率変化がなく、透過の際の損失が殆どなくなるという効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図１乃至図４を参照して第１の実施例を説明する。
図１は、固体撮像装置の断面図、図２は、図１の固体撮像装置の製造工程断面図、図３は、図１の固体撮像装置のフォトダイオード（光電変換部）及び電極を説明する半導体基板の平面図、図４は、図１の固体撮像装置のカラーフィルタを説明する半導体基板の平面図である。図３のＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図が図１に示されている。この実施例を図１に示されたＣＣＤエリアイメージセンサを一例にして説明する。
【０００９】
ＣＣＤエリアイメージセンサは、例えば、デジタルカメラやビデオに用いられる。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板１に形成される。半導体基板１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その一部は複数のフォトダイオード（ＰＤ）２を構成し、半導体基板１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード２は、光電変換画素、いわゆる画素といい、光電変換部を構成している。フォトダイオード２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ１１を構成するフォトダイオードとは異なる他のｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ１１の上には、ＳｉＯ２ などからなる絶縁膜３を介して積層された電極４が形成されている。積層された電極４の内、ＣＣＤレジスタ１１の直上にはポリシリコンなどからなる第１の電極４１が形成され、その上に絶縁膜３を介してポリシリコンなどからなる第２の電極４２が形成されている。電極４及びＣＣＤレジスタ１１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。２つの電極４１、４２は、その端部をオーバーラップさせて形成される。フォトダイオード２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極４１によりＣＣＤレジスタ１１へシフトされ、第１及び第２の電極４１、４２により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、さらに、この水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【００１０】
フォトダイオード２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板１上にＣＶＤ法などにより絶縁膜３が堆積される。この絶縁膜３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜５を選択的に形成する。次に、遮光膜５及び絶縁膜３を被覆するように半導体基板１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜６を形成する。このパッシベーション膜にはシリコン酸化膜などの他の材料を用いることができる。このパッシベーション膜６上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ８が形成されている。カラーフィルタ８は、有機樹脂よりなる絶縁膜９で固定され、絶縁膜９上には、マイクロレンズ１０が形成される。カラーフィルタ８及びマイクロレンズ１０は、フォトダイオード２を覆うように配置されている。
この実施例では、本発明の特徴である反射防止構造体は、パッシベーション膜に形成される。図に示すように、パッシベーション膜６の表面には反射防止構造体として微細突起７が形成されている。パッシベーション膜６は、厚さＤの内表面の厚さｄに微細突起７が形成されている。したがって、下側の厚さｈの部分がパッシベーション膜としての機能を主として持っている。
【００１１】
反射防止構造体を構成する微細突起は、フォトダイオード（光電変換部）に入射する光の波長より小さくなるように形成すると効率良い反射防止作用が得られる。したがって、この実施例では、微細突起は０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の内から所定の値を選択して配列形成される。しかし、本発明では、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比を変化するように構成することもできる。
次に、図３を参照して図１に示すＣＣＤエリアイメージセンサの半導体基板上の配置を説明する。半導体基板１のセンサ部にはフォトダイオード（ＰＤ）２の列とＣＣＤレジスタ上に形成された電極４が交互にならんでいる。前述のようにフォトダイオード２（光電変換部）で変換された電荷は、ＣＣＤレジスタへシフトされ、電極４により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ１２に送られ、この水平電荷転送レジスタ１２から外部へ出力される。半導体基板１のセンサ部が形成されていない領域には入出力端子部や電極を駆動する周辺回路部が形成されている。
【００１２】
次に、図４を参照して図３のセンサ部に取り付けられるカラーフィルタを説明する。カラーフィルタ８は、フォトダイオード２の上及びその近傍を被覆するようにパッシベーション膜上に形成される。フィルタのカラーは、フォトダイオード２毎に異なるように配置する。図に示すように、４つのフォトダイオード２上にそれぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ８を形成する。図に示された４つのカラーフィルタ８を１つのカラーパターンとして、このカラーパターンが基板上を覆ってＣＣＤエリアイメージセンサの表面にカラーフィルタ８が形成される。カラーフィルタ８は、有機樹脂よりなる絶縁膜で固定され、この絶縁膜上にマイクロレンズが形成される。マイクロレンズは、フォトダイオード２の真上に配置されるように形成される。
【００１３】
次に、図２を参照して図１に示されたＣＣＤエリアイメージセンサの製造工程を説明する。まず、シリコンからなる半導体基板１にフォトダイオード２、ＣＣＤエリアイメージセンサ１１を構成する不純物拡散領域を形成し、半導体基板１上にＳｉＯ２ などからなる絶縁膜３で被覆された電極４を形成し、電極４の上に絶縁膜３を介してアルミニウムの遮光膜５を形成する。半導体基板１に入射した光を光電変換するフォトダイオード２は、マトリクス状に設けられ、そして横方向に隣接する形で電荷を転送させるための電極４及びこれに対応する部分に遮光膜が形成される。そして、絶縁膜３の上にはパッシベーション膜６を構成するシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を厚さ４００ｎｍ程度堆積させる（図２（ａ））。
【００１４】
次に、半導体基板１にＥＢ（電子ビーム）レジストを膜厚２００ｎｍ塗布し、１辺が１００ｎｍで隣接パターンとのスペースが１００ｎｍとなるようにこれをＥＢ描画、現像を行って島状のレジストパターン１４を形成した（図２（ｂ））。次に、島状のレジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、ＣＦ４ ／Ａｒ＝２０／８０ｓｃｃｍ、圧力１０Ｔｏｒｒ、パワー２００Ｗでレジストがなくなるまでエッチング（すなわち、ＳｉＮ／レジストの低選択比エッチング）し、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）に周期２００ｎｍ、アスペクト比１．５の微細突起７のパターンを形成する。このようにして、半導体基板１の表面に微細突起７からなる反射防止構造体が得られる（図２（ｃ））。
さらに、微細突起７のパターン上にカラーフィルタ８、有機樹脂からなる絶縁膜９及びマイクロレンズ１０を形成してＣＣＤエリアイメージセンサが完成する（図１参照）。
【００１５】
半導体基板表面のパッシベーション膜上に、微細突起パターンを形成することによりカラーフィルタとの界面反射が軽減され、従来構造のＣＣＤエリアイメージセンサと比較して感度特性が８％向上した。
半導体基板上に形成されたＣＣＤエリアイメージセンサのパッシベーション膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）とその表面上に形成されカラーフィルタを固定する絶縁膜（有機樹脂、ｎ＝１．５）とは屈折率が異なるものの、その界面の下層の絶縁膜（パッシベーション膜）に入射光の波長以下の周期でアスペクト比１以上の微細突起を形成したことにより、パッシベーション膜で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができた。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。
【００１６】
次に、図５及び図６を参照して第２の実施例を説明する。
図５及び図６は、固体撮像装置の断面図である。この実施例をＣＣＤエリアイメージセンサを一例にして説明する。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板２１に形成される。半導体基板２１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その一部は複数のフォトダイオード（ＰＤ）２２を構成し、半導体基板２１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード２２は、光電変換画素、いわゆる画素といい、光電変換部を構成している。フォトダイオード２２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ３１を構成するフォトダイオードとは異なるｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ３１の上には、ＳｉＯ２ などからなる絶縁膜２３を介して積層された電極２４が形成されている。積層された電極２４の内、ＣＣＤレジスタ３１の直上にはポリシリコンなどからなる第１の電極２４１が形成され、その上に絶縁膜２３を介してポリシリコンなどからなる第２の電極２４２が形成されている。電極２４及びＣＣＤレジスタ３１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。フォトダイオード２２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極２４１によりＣＣＤレジスタ３１へシフトされ、第２の電極２４２により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、さらに水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【００１７】
フォトダイオード２２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板２１上にＣＶＤ法などにより前述の絶縁膜２３が堆積される。この絶縁膜２３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜２５が選択的に形成されている。次に、遮光膜２５及び絶縁膜２３を被覆するように半導体基板２１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜２６が形成されている。このパッシベーション膜２６上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ２８が形成されている。カラーフィルタ２８は、有機樹脂よりなる絶縁膜２９で固定され、絶縁膜２９上には、マイクロレンズ３０が形成されている。カラーフィルタ２８及びマイクロレンズ３０は、フォトダイオード２２を覆うように配置されている。
【００１８】
外部からの光が通る路（マイクロレンズ３０−カラーフィルタ２８−パッシベーション膜２６−絶縁膜２３−フォトダイオード２２）は、パッシベーション膜２６がシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の場合、屈折率ｎが他の膜より大きく（ｎ＝１．９〜２．０）、入射光が反射する機会が多くなり、感度特性を劣化させる原因の１つとなっている。そのために、この部分のパッシベーション膜を除去し、パッシベーション膜に膜のない部分（開口部）を形成することが考えられた。しかし、このように開口部を形成すると、その上に形成配置されているカラーフィルタが安定して設置されない。そこで、従来は、カラーフィルタが置かれる下地が平坦であるように、パッシベーション膜の上にカラーフィルタ平坦化膜を形成していた。この実施例ではこのような構造になっている。平坦化膜は、屈折率ｎが１．５程度の有機樹脂を用いている。
したがって、この実施例では、シリコン窒化膜を用いたパッシベーション膜２６には、フォトダイオード２２上にある光の通路の部分に開口部２６１を設けている。そして、遮光膜２５は、積層された電極２４を被覆する絶縁膜２３を包むように、光の通路の側面をも被覆して遮光効果を高くしている。さらに、光の通路の下部であるフォトダイオード２２と接触する部分にはシリコン酸化膜などの絶縁膜３３がＣＶＤ法などにより形成されており、この絶縁膜３３及びパッシベーション膜２６の上に有機樹脂などからなるカラーフィルタ平坦化膜３４が形成されている。
【００１９】
この実施例では、本発明の特徴である反射防止構造体は、シリコン酸化膜からなる絶縁膜３３の表面部分に形成される。図に示すように、光の通路に設けられた絶縁膜３３の表面には反射防止構造体として微細突起２７が形成されている。反射防止構造体を構成する微細突起２７の配列周期は、フォトダイオード２２に入射する光の波長より小さくすると効率良い反射防止作用が得られる。したがって、この実施例では、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の内から所定の値を選択して配列形成される。しかし、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比を変化するように構成することもできる。
半導体基板上に形成されたＣＣＤエリアイメージセンサのカラーフィルタ平坦化膜（屈折率ｎ＝略１．５）と、これと接するシリコン酸化膜からなる絶縁膜（ｎ＝１．４５）とは屈折率がその差は小さくとも異なっており、反射が起きる環境にあるものの、その界面の下層の絶縁膜に入射光の波長以下の所定の周期でアスペクト比１以上の微細突起を形成したことにより、絶縁膜で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができた。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。
【００２０】
なお、パッシベーション膜に開口部を形成するには、パッシベーション膜を堆積させてから、これを選択的にエッチングして開口形成をする場合と、最初から所定の部分を開口部形状にマスクしてパッシベーション膜を堆積する場合の２通りの方法を用いることができる。
図５に示す固体撮像装置は、パッシベーション膜に開口部が形成されている。しかし、この実施例では、パッシベーション膜に開口部を形成しないでそのまま使用することもできる。図６は、開口部のないパッシベーション膜を用いた例である。この例ではパッシベーション膜に開口部を形成する工程が省略できる。
【００２１】
次に、図７を参照して第３の実施例を説明する。
図７は、固体撮像装置の断面図である。この実施例をＣＣＤエリアイメージセンサを一例にして説明する。このエリアイメージセンサは、例えば、ｐ型半導体基板４１に形成される。半導体基板４１の表面領域には、複数のｎ型不純物拡散領域が形成されている。その一部は、複数のフォトダイオード（ＰＤ）４２を構成し、半導体基板４１の所定の領域にマトリックス状に配列されている。フォトダイオード（画素）４２は、光電変換部を構成している。フォトダイオード４２は、マトリックス状に配列されているので、複数の列からなり、各列を画素列という。各画素列間にはＣＣＤレジスタ５１を構成するフォトダイオードとは異なるｎ型不純物拡散領域が形成されている。ＣＣＤレジスタ５１の上には、ＳｉＯ２ などからなる絶縁膜４３を介して積層された電極４４が形成されている。積層された電極４４の内、ＣＣＤレジスタ５１の直上にはポリシリコンなどからなる第１の電極４４１が形成され、その上に絶縁膜４３を介してポリシリコンなどからなる第２の電極４４２が形成されている。電極４４及びＣＣＤレジスタ５１は、垂直電荷転送レジスタを構成している。フォトダイオード４２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極４４１によりＣＣＤレジスタ５１へシフトされ、第２の電極４４２により垂直電荷転送レジスタ内を転送されて水平電荷転送レジスタ（図示しない）に送られ、さらに水平電荷転送レジスタから外部へ出力される。
【００２２】
フォトダイオード４２、水平及び垂直電荷転送レジスタが被覆されるように半導体基板４１上にＣＶＤ法などにより前述の絶縁膜４３が堆積される。この絶縁膜４３上に、水平及び垂直電荷転送レジスタを被覆するように、そして、フォトダイオード４２を被覆しないように、アルミニウムなどからなる遮光膜４５が選択的に形成されている。次に、遮光膜４５及び絶縁膜４３を被覆するように半導体基板４１上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなるパッシベーション膜４６が形成されている。このパッシベーション膜４６上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青 （Ｂ）のカラーフィルタ４８が形成されている。カラーフィルタ４８は、有機樹脂よりなる絶縁膜４９で固定され、絶縁膜４９上には、マイクロレンズ５０が形成されている。カラーフィルタ４８及びマイクロレンズ５０は、フォトダイオード４２を覆うように配置されている。
【００２３】
第２の実施例と同様に外部からの光が通る路は、パッシベーション膜がシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の場合、屈折率ｎが他の膜より大きく（ｎ＝１．９〜２．０）、入射光が反射する機会が多くなり、感度特性を劣化させる原因の１つとなっているために、この実施例ではこの部分のパッシベーション膜を除去し、パッシベーション膜４６に膜のない部分（開口部４６１）を形成する。そして、カラーフィルタが置かれる下地が平坦であるように、パッシベーション膜４６の上にカラーフィルタ平坦化膜５４を形成する。平坦化膜５４は、屈折率ｎが１．５程度の有機樹脂を用いている。遮光膜４５は、電極４４を被覆する絶縁膜４３を包むように、光の通路の側面をも被覆して遮光効果を高くしている。さらに、光の通路の下部であるフォトダイオード４２と接触する部分にはシリコン酸化膜などの絶縁膜５３がＣＶＤ法などにより形成されており、この絶縁膜５３及びパッシベーション膜４６上に前述のカラーフィルタ平坦化膜５４が形成されている。
この実施例では、本発明の特徴である反射防止構造体は、シリコンからなる半導体基板４１の表面部分に形成される。図に示すように、光の通路に露出するフォトダイオード４２の表面に反射防止構造体として微細突起４７が形成されている。反射防止構造体を構成する微細突起４７の配列周期は、フォトダイオード４２に入射する光の波長より小さくすると効率良い反射防止作用が得られる。したがって、この実施例では、微細突起は０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の内から所定の値を選択して配列形成される。しかし、微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列し、ランダムにアスペクト比を変化するように構成することもできる。
【００２４】
半導体基板上に形成されたカラーフィルタ平坦化膜と接するシリコン酸化膜からなる絶縁膜（ｎ＝１．４５）５３と半導体基板（ｎ＞３）４１とは屈折率が大きく異なっており、反射が起きる環境にあるものの、その界面の下層の半導体基板４１のフォトダイオード４２に入射光の波長以下の所定の周期でアスペクト比１以上の微細突起４７を形成したことにより、半導体基板で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができた。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤエリアイメージセンサが得られる。
なお、パッシベーション膜に開口部を形成する方法は、第２の実施例で説明した通りである。
第２の実施例及び第３の実施例では、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減する反射防止構造体をそれぞれ１か所に形成しているが、本発明では屈折率の異なる界面において、環境が悪い場所が複数あれば全てに適用することが可能である。例えば、第２の実施例と第３の実施例を合わせるように２か所に反射防止構造体を設けることができる。
【００２５】
次に、図８を参照して第４の実施例を説明する。
図８は、固体撮像装置の断面図である。この実施例では固体撮像装置としてＣＣＤリニアイメージセンサを説明する。リニアイメージセンサは、光電変換部のフォトダイオード（画素）が１次元に配列している。半導体基板６１に、光電変換部となるフォトダイオード６２をリニアに設け、第１の実施例と同様の方法で、第１の電極６４１、第２の電極６４２から構成されたポリシリコンなどからなる電極６４を形成し、アルミニウム遮光膜６５をシリコン酸化膜からなる絶縁膜６３を介して形成した。電極６４の下の半導体基板６１の表面領域には電極６４と共に電荷転送レジスタを構成するＣＣＤレジスタ（ｎ型不純物拡散領域）６８が形成されている。最上部の膜となるパッシベーション膜６６には、リンドープのシリコン酸化膜（ＰＳＧ）を厚さ４００ｎｍに形成した。
フォトダイオード６２（光電変換部）で変換された電荷は、第１の電極６４１によりＣＣＤレジスタ６８へシフトされ、第２の電極６４２により電荷転送レジスタ内を転送され、ここから外部へ出力される。
【００２６】
第１の実施例と同様に、ＥＢ描画によりフォトダイオード６２上のＰＳＧパッシベーション膜６６にＲＩＥにより微細突起６７のパターンを形成した。ここでは、微細突起６７の上部にカラーフィルタは形成せず、白黒用途とした。表面のＰＳＧと空気との界面反射が抑制でき、従来構造のＣＣＤリニアイメージセンサと比較して感度特性が４％向上した。
半導体基板上に形成されたＣＣＤエリアイメージセンサのパッシベーション膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）とその表面に接触している空気（ｎ＝略１）とは屈折率が異なるものの、その界面の下層の絶縁膜（パッシベーション膜）に入射光の波長以下の周期でアスペクト比１以上の微細突起を形成したことにより、パッシベーション膜で起きる光の反射を極めて小さくできる。したがって、入射光量の損失が小さく感度特性に優れたＣＣＤリニアイメージセンサが得られる。このように、パッシベーション膜に微細突起を形成することにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の全域において、パッシベーション膜の表面反射率を２％以下にまで低減することができる。この方法によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減できるので、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れたＣＣＤリニアイメージセンサが得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、多層干渉膜の形成等の方法を使わずに、屈折率の異なる界面で起こる入射光の反射を低減でき、既存の膜構成を大きく変えることなく感度特性に優れた固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図２】図１の固体撮像装置の製造工程断面図。
【図３】図１の固体撮像装置のフォトダイオード（光電変換部）及び電極を説明する半導体基板の平面図。
【図４】図１の固体撮像装置のカラーフィルタを説明する半導体基板の平面図。
【図５】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図６】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図７】本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図８】本発明の第４の実施例に係る固体撮像装置の断面図。
【図９】従来の固体撮像装置であるＣＣＤエリアイメージセンサの断面図。
【符号の説明】
１、２１、４１、６１、１０１・・・半導体基板
２、２２、４２、６２、１０２・・・フォトダイオード（光電変換部）
３、２３、３３、４３、５３、６３、１０３・・・絶縁膜
４、２４、４４、６４、１０４・・・電極
５、２５、４５、６５、１０５・・・遮光膜
６、２６、４６、６６、１０６・・・パッシベーション膜
７、２７、４７、６７・・・微細突起（反射防止構造体）
８、２８、４８、１０８・・・カラーフィルタ
９、２９、４９、１０９・・・有機樹脂よりなる絶縁膜
１０、３０、５０、１１０・・・マイクロレンズ
１１、３１、５１、６８、１１１・・・ＣＣＤレジスタ
１２・・・水平電荷転送レジシタ
１３・・・周辺回路 １４・・・レジストパターン
３４、５４、１１２・・・カラーフィルタ平坦化膜
４１、１４１、２４１、４４１、６４１・・・第１の電極
４２、１４２、２４２、４４２、６４２・・・第２の電極
２６１、４６１・・・開口部
Claims (8)
- 半導体基板と、
前記半導体基板に形成された光電変換部と、
前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部と、
前記半導体基板上に形成され、前記光電変換部及び前記電荷転送部を被覆するパッシベーション膜とを具備し、
前記パッシベーション膜は、その表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記反射防止構造体を構成する微細突起は、０．０５〜１μｍの周期、１以上のアスペクト比で配列形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記反射防止構造体を構成する微細突起は、０．０５〜１μｍの周期及び１以上のアスペクト比の範囲内でランダムに配列され、ランダムにアスペクト比が変化することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板に形成された光電変換部と、
前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
前記光電変換部は、その表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さいことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板に形成された光電変換部と、
前記光電変換部から生成された電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
前記光電変換部の上層には透明な材質からなる多層の絶縁膜が形成され、この多層の絶縁膜のうち、異なる屈折率からなる絶縁膜の界面において、その下層側の絶縁膜は、その表面に微細突起が配列形成された反射防止構造体を有することを特徴とする固体撮像装置。 - 前記反射防止構造体を構成する微細突起の配列周期は、前記光電変換部に入射して電荷を生成する入射光の波長より小さいことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
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