JP2004207285A - 光電変換装置、固体撮像装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換効率の悪い特定波長光の検出を行う場合に、光電変換効率を向上して出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図る。
【解決手段】フォトダイオード部１１４を形成したシリコン基板１１０の上にカラーフィルター層１３０が設けられ、平坦化層１３０Ａ内にフィルター膜１３０Ｂが設けられ、入射光から所定の波長光に分離してフォトダイオード部１１４に入射させる。また、平坦化層１３０Ａ内には、青色のフィルター膜１３０Ｂとフォトダイオード部１１４の中間位置に波長変換膜１４０が形成され、フィルター膜１３０Ｂを透過した青色波長光を、光電変換効率の高い緑色波長光に近い波長に変換してフォトダイオード部１１４に入射させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種カメラシステムや光学センサ等の光検出手段に用いられる光電変換装置、固体撮像装置、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばＣＣＤ型の固体撮像装置では、半導体基板の表面に形成されたフォトダイオード（光電変換部）に光を入射させ、そのフォトダイオードで発生した信号電荷によって映像信号を得る構成となっており、カラー画像を得るための構成としては、フォトダイオードに入射する光を例えばＲＧＢの３原色成分に分離するカラーフィルターや分光プリズムを設け、各色成分光による映像信号を得るようにしている。
なお、カラーフィルターの構成としては、色変換層を用いて色純度を向上するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は、従来の固体撮像装置の一例を示す断面図である。以下、本図に基づいて第１の従来例を説明する。
図示のように、この固体撮像装置では、Ｎ型のシリコン基板（基板上に形成されたＮ型領域）１０の上層にＰウェル領域１２が形成され、このＰウェル領域１２内にはフォトダイオード部１４および垂直ＣＣＤ部１６が形成され、さらにフォトダイオード部１４から垂直ＣＣＤ部１６に信号電荷を読み出すトランスファーゲート部１８が設けられている。
なお、フォトダイオード部１４は下層のＮ層１４Ａと上層（最表層）のＰ＋層１４Ｂを含んでおり、垂直ＣＣＤ部１６は下層のＰ層１６Ａと上層のＮ層１６Ｂを含んでいる。
また、隣接する画素のフォトダイオード部１４と垂直ＣＣＤ部１６との間は、Ｐ＋層によるチャネルストップ領域２０が設けられ、各画素を分離している。
【０００４】
また、このような各素子を設けたシリコン基板１０の上部には、シリコン酸化膜（ゲート酸化膜）２２Ａを介してポリシリコン膜等による転送電極２４が形成されている。この転送電極２４は、基板表面のフォトダイオード部１４を避ける位置に形成されており、その上部には、シリコン酸化膜２２Ｂを介して遮光膜２６が形成されている。この遮光膜２６は、アルミニウムまたはタングステン等から形成されており、フォトダイオード部１４を受光領域に対応する開口部を有している。
【０００５】
また、遮光膜２６の上部はカバー膜２８で被膜される。このカバー膜２８は、例えばシリコン系のパシベーション膜であるＰＳＧ膜から構成され、その屈折率は、およそ１. ４６程度とされる。
このカバー膜２８の上には、カラーフィルター層３０が形成される。このカラーフィルター層３０は、平坦化層３０Ａとフィルター膜３０Ｂが積層された構造となっている。このカラーフィルター層３０の屈折率は、およそ１. ５〜１. ６程度であり、パシベーション層と同程度とされる。
さらに、カラーフィルター層３０の上部にはマイクロレンズ３２が形成されている。
【０００６】
また、このような構造を有するＣＣＤ型の固体撮像装置では、さらに一般に縦型オーバーフロードレイン構造と呼ばれるフォトダイオード部に蓄積された余分な電荷をはき出す機能を有している。
これは、信号電荷の蓄積時間を含む駆動時間帯にＮ型のシリコン基板（または基板上に形成されたＮ領域）に正の逆バイアス電圧を印加することによって、フォトダイオード部内で光電変換された余分な電荷が、他のフォトダイオード部や垂直ＣＣＤ部に漏れ混むことなく、基板側にはき出される構造である。
【０００７】
ところが、この図６に示す構造では、シリコン基板の表面の反射によって、入射光の損失が大きく、十分な感度が得られないという課題がある。例えば、可視光を採光することを目的とする固体撮像装置においては、３２５ｎｍから４７５ｎｍのいわゆる青色波長付近の光が劣化し易いことになる。
そこで、このような課題を解決するために、フォトダイオード部の上に反射防止膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
図７は、このような従来の固体撮像装置の一例を示す断面図である。以下、本図に基づいて第２の従来例を説明する。なお、図７において、図６と共通の構成については、同一符号を付して個々の説明は省略する。
図示のように、この固体撮像装置は、図６に示す構成に加えて、シリコン窒化膜による反射防止膜を追加したものである。
すなわち、本例においても、フォトダイオード部１４等を設けたシリコン基板１０の上部にシリコン酸化膜（ゲート酸化膜）２２Ａが形成され、その上に薄いシリコン窒化膜３４が形成されている。なお、シリコン酸化膜２２Ａは、図６に示す例に比べて薄い膜に形成されている。シリコン窒化膜は、屈折率がシリコン酸化膜よりも大きく、シリコンよりも小さいものである。具体的には、シリコン酸化膜の屈折率は、およそ１. ４５であり、シリコン窒化膜の屈折率は、およそ２. ０程度とされる。
【０００９】
また、この場合、シリコン酸化膜の膜厚をｄ２、シリコン窒化膜の膜厚をｄ３とすると、各膜厚ｄ２、ｄ３はそれぞれ６００Å以下とし、好ましくは２５０Å〜３５０Å程度の所定の膜厚に設定される。
このように膜厚ｄ２、ｄ３を設定することで、可視光領域内で比較的平坦な分光特性の反射防止膜を得ることができる。そして、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の膜厚ｄ２、ｄ３を適切な膜厚に設定することで、平均して１２〜１３％程度の反射率に抑えることができ、従来のシリコン基板で４０％程度反射していたものを、およそ１／３程度に抑えることができる。
なお、このように反射防止膜として機能するシリコン酸化膜２２Ａ及びシリコン窒化膜３４の上層の構造は、図６に示す例と同様であるので説明は省略するが、シリコン窒化膜３４は、遮光膜３６の開口部に臨む状態で配置され、この開口部からフォトダイオード部１４に入射する光の反射を防止している。
また、カラーフィルター層３０の屈折率は、およそ１. ５から１. ６程度であり、カバー膜２８と同程度とされる。このためシリコン窒化膜３４上での干渉効果が緩和されることとなり、その結果、高感度化が実現される。
【００１０】
次に、上述した図６及び図７に示す従来例は、受光した可視光を素子内のフィルター層３０でＲＧＢ光に分離して光電変換を行う単板式のＣＣＤ型固体撮像装置の例であったが、分光プリズムによってＲＧＢ光に分離し、それぞれの分離光を３つのＣＣＤ型固体撮像装置でそれぞれ光電変換を行う３板式のＣＣＤ型固体撮像装置が提供されている。
図８は３板式の固体撮像装置の概略を示すブロック図である。以下、本図に基づいて第３の従来例を説明する。
分光プリズム５０は、波長分解によって入射光をＲＧＢの３原色光に分離して出力し、各色に対応して設けられた３つのＣＣＤ型固体撮像装置５２、５４、５６に入射させる。各固体撮像装置５２、５４、５６は、各成分光を入射し、それぞれ光電変換を行うことにより、ＲＧＢの各映像信号を出力する。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２０２１１８号公報
【特許文献２】
特開平４−２０６５７１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した各従来例には、以下のような問題がある。
まず、第１の従来例では、上述のようにシリコン基板１０の表面の反射によって入射光の損失が大きく、十分な感度が得られない。
【００１３】
また、第２の従来例では、シリコン基板１０とシリコン窒化膜３４の間にシリコン窒化膜３４の剥離を防ぐためにシリコン酸化膜２２Ａが配置されているが、このシリコン酸化膜はシリコンとシリコン窒化膜の間に位置する屈折率を有する材質であるために、光学上、シリコン基板１０の上に直にシリコン窒化膜３４を形成した場合と比較して感度の低下を招いている。
また、感度の観点からシリコン基板１０とシリコン窒化膜３４の間のシリコン酸化膜２２Ｂの膜厚を無視できるほど極薄に形成した場合においても、シリコン基板１０とシリコン窒化膜３４、及びその上のシリコン酸化膜の屈折率とほぼ等しいカバー膜２８と断続的に屈折率が低下するために、その界面で発生する反射を避けることはできず、４０％程度の反射率以下には抑えることができないという問題が生ずる。特に青色光のシリコン界面での反射は、４７５ｎｍから６２５ｎｍ付近のいわゆる緑色波長と比較して高い。
【００１４】
さらに、縦型オーバーフロードレイン構造を有する構造では、６２５ｎｍから７７５ｎｍのいわゆる赤色波長付近の光電変換効率も上述した緑色構造よりも光電変換されてフォトダイオード部に蓄積される効率が低くなる。
これは波長が長くなるほど、吸収長が長くなるため、赤色波長の光は光電変換された後に、フォトダイオード部に蓄積されずに基板にはき出される確率が高くなるためである。
このため、上述したＣＣＤ型の固体撮像装置の分光特性は、緑色の波長域がもっとも高く、青色の波長域、赤色の波長域はともに緑色の波長域よりも低くなる。
【００１５】
また、図８に示した第３の従来例においても、青色の波長域及び赤色の波長域の光電変換効率がともに緑色の波長域の光電変換効率よりも低くなる傾向はさけることができない。
また、上述した特許文献１で開示されるカラーフィルターを用いた場合でも、各成分光の色純度は改善できるものの、カラーフィルターの前段で波長変換を行う構成であるので、青色の波長域や赤色の波長域では光電変換効率が低下してしまい、上述と同様の課題を含むものである。
なお、以上は可視光を扱う固体撮像装置を例に説明したが、例えば補色を扱う固体撮像装置、あるいは赤外線センサやフォトカプラ等のように、特定波長光を扱う他の光電変換装置においても同様の課題が存在するものである。
【００１６】
そこで本発明の目的は、光電変換効率の悪い特定波長光の検出を行う場合に、光電変換効率を向上して出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることができる光電変換装置、固体撮像装置、及びその製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、半導体基板に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上部に設けられ、特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部とを有することを特徴とする。
また本発明は、半導体基板に設けられた複数の光電変換部と、前記半導体基板の上部に設けられ、前記複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離して各光電変換部に供給する波長分離部と、前記複数の光電変換部のうちの全てまたは一部の光電変換部と前記波長分離部との間に設けられ、前記波長分離部からの特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部とを有することを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、半導体基板の表層領域に光電変換部を形成する工程と、前記半導体基板の上部に、特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部を形成する工程とを有することを特徴とする。
また本発明は、半導体基板の表層領域に複数の光電変換部を形成する工程と、前記半導体基板の上部に、前記複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離して各光電変換部に供給する波長分離部を形成する工程と、前記複数の光電変換部のうちの全てまたは一部の光電変換部と前記波長分離部との間に、前記波長分離部からの特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の光電変換装置では、半導体基板に設けられた光電変換部の上部に、特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を設けたことから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能となり、出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることが可能となる。
また、本発明の固体撮像装置では、半導体基板に設けられた複数の光電変換部の上部に、波長分離部によって分離した特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を設けたことから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能となり、出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることが可能となる。
【００２０】
また、本発明の光電変換装置の製造方法では、光電変換部を形成した半導体基板の上部に、特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を形成することから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能な光電変換装置を作成でき、この光電変換装置における出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることが可能となる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法では、光電変換部を形成した半導体基板の上部に、複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離して各光電変換部に供給する波長分離部と、この波長分離部からの特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を形成することから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能な固体撮像装置を作成でき、この固体撮像装置における出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光電変換装置、固体撮像装置、及びその製造方法の実施の形態例について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態例による固体撮像装置を示す断面図である。以下、本図に基づいて第１の実施の形態例を説明する。
図示のように、この固体撮像装置は、図６に示した従来例と同様に、Ｎ型のシリコン基板（基板上に形成されたＮ型領域）１１０の上層領域に形成されたＰウェル領域１１２内に、フォトダイオード部１１４、垂直ＣＣＤ部１１６、トランスファーゲート部１１８、およびチャネルストップ領域１２０等が設けられている。
また、フォトダイオード部１１４は下層のＮ層１１４Ａと上層（最表層）のＰ＋層１１４Ｂを含んでおり、垂直ＣＣＤ部１１６は下層のＰ層１１６Ａと上層のＮ層１１６Ｂを含んでいる。
【００２２】
また、このような各素子を設けたシリコン基板１１０の上部には、シリコン酸化膜（ゲート酸化膜）１２２Ａを介して転送電極１２４が形成され、その上部に、シリコン酸化膜１２２Ｂを介して遮光膜１２６、カバー膜１２８、カラーフィルター層１３０、及びマイクロレンズ１３２が順次形成されている。
なお、カバー膜１２８の屈折率は、およそ１. ４６程度であり、カラーフィルター層１３０の屈折率は、およそ１. ５〜１. ６程度である。
また、図１では、図７に示した反射防止膜としてのシリコン窒化膜を設けていない例を挙げているが、このような反射防止膜としてのシリコン窒化膜を設けたものであってもよい。
【００２３】
そして、本例においても、カラーフィルター層１３０は、平坦化層１３０Ａとフィルター膜１３０Ｂが積層された構造となっているが、平坦化層１３０Ａにおける青色（Ｂ）のフィルター膜１３０Ｂの下層領域には、波長変換膜１４０が形成されている。
この波長変換膜１４０は、青色（Ｂ）のフィルター膜１３０Ｂを透過してくるおよそ３２５ｎｍから４７５ｎｍまでの波長範囲のいわゆる青色波長付近の光がフォトダイオード部１１４内での光電変換で劣化し易いことから、この青色の波長域の光を、それよりも長い緑色の波長域（およそ４７５ｎｍから６２５ｎｍまでの波長範囲）にシフトさせる機能を有している。
【００２４】
そして、図１に示すように、本例では、カラーフィルター層１３０の平坦化層１３０Ａにおける比較的深い位置に波長変換膜１４０を埋め込み構造で配置しており、できるだけフォトダイオード部１１４の受光部に近い位置に設けるようにしている。
このように波長変換膜１４０を埋め込み構造で配置し、フォトダイオード部１１４の受光部に近い位置に設けることで、波長変換後の光の分散を抑制し、効率よくフォトダイオード部１１４に入射させることができる。
なお、カラーフィルター層１３０の平坦化層１３０Ａにおけるフィルター膜１３０Ｂの深さ位置は各色毎に異なるものであるので、このフィルター膜１３０Ｂとフォトダイオード部１１４との間隔を考慮して、最適な特性が得られる深さ位置に波長変換膜１４０を埋め込み形成するものとする。
【００２５】
また、波長変換膜１４０の面積は、フィルター膜１３０Ｂより小さく、フォトダイオード部１１４の受光部より大きいものである。すなわち、マイクロレンズ１３２からフォトダイオード部１１４の受光部に集光される光の光路径に合わせてフィルター膜１３０Ｂ及び波長変換膜１４０の面積が設定されている。
【００２６】
そして、このような波長変換機能を有する波長変換膜１４０の膜種としては、例えばルモゲンなどの有機化合物系の材質による波長変換膜を用いることができる。例えば、ルモゲン自体が固くなく軟性または液体状の材質であるために、平坦化層１３０Ａの内部に容易に形成することができる。
また、同様の波長変換機能を有するものとして、ＹＩＧ、ＴｉＯ2 ＬａＢ6 、サファイヤ等の非線形結晶層を用いることも可能である。
【００２７】
また、本例の固体撮像装置では、いわゆる縦型オーバーフロードレイン構造を採用しており、信号電荷の蓄積時間を含む駆動時間帯にＮ型のシリコン基板（または基板上に形成されたＮ領域）に正の逆バイアス電圧を印加することによって、フォトダイオード部内で光電変換された余分な電荷をシリコン基板の深部に形成したオーバフローバリア（ＯＦＢ）を越えてシリコン基板の裏側に排出し、他のフォトダイオード部や垂直ＣＣＤ部に漏れ混むことなく、基板側にはき出される構造である。
なお、同様の機能として、フォトダイオード部内で光電変換された余分な電荷を隣接する拡散領域に排出する、いわゆる横型オーバーフロードレイン構造を採用してもよい。
【００２８】
また、図１に示す例では、青色のフィルター膜１３０Ｂの下層領域にだけ波長変換膜１４０を設けているが、同様に赤色（Ｒ）のフィルター膜１３０Ｂの下層領域に波長変換膜１４０を設けてもよい。
この場合、赤色フィルター膜１３０Ｂを透過してくるおよそ６２５ｎｍから７７５ｎｍまでの波長範囲のいわゆる赤色波長付近の光を、それよりも短い緑色の波長域（およそ４７５ｎｍから６２５ｎｍまでの波長範囲）にシフトさせるようにし、光電変換特性の向上を図ることができる。
【００２９】
次に、本例の固体撮像装置の製造方法について簡単に説明する。
まず、シリコン基板１１０のＰウェル領域１１２に、各種イオン注入等によってフォトダイオード部１１４、垂直ＣＣＤ部１１６、トランスファーゲート部１１８、及びチャネルストップ領域１２０等を形成する。
次に、このシリコン基板１１０の上部に、シリコン酸化膜（ゲート酸化膜）１２２Ａを形成し、その上に転送電極１２４をフォトリソグラフィ等によって形成し、その上部に、シリコン酸化膜１２２Ｂを介して遮光膜１２６、カバー膜１２８を形成する。
【００３０】
そして、このカバー膜１２８の上層に、カラーフィルター層１３０の平坦化層１３０Ａのうちの最下層膜を形成する。平坦化層１３０Ａは、例えばシリコン酸化膜等をＣＶＤ（chemical vapor deposition ）等によって積層したものであり、その最下層膜の膜厚は、波長変換膜１４０を設ける高さ位置に応じて形成する。
次に、その上に平坦化層１３０Ａの第２層膜を形成するが、この第２層膜は、波長変換膜１４０を形成するための孔部を持ったパターンで形成する。そして、この第２層膜の孔部に上述したルモゲンなどの波長変換膜材を埋め込み、余分な波長変換膜材を除去して波長変換膜１４０を形成する。
この後、その上層に平坦化層１３０Ａの第３層膜を形成する。この第３層膜の膜厚は、波長変換膜１４０とフィルター膜１３０Ｂの間隔に応じて形成する。
そして、その上に、フィルター膜１３０Ｂをパターニングし、さらに平坦化層１３０Ａの最上層膜を形成する。なお、これらの形成には、従来と同様の方法を用いることができる。
そして、さらに上層にマイクロレンズ１３２を形成し、図１に示す構成を完成する。
【００３１】
以上のように、波長変換膜として軟性または液状のルモゲン等の有機化合物系の材質を用いることで容易に埋め込み構造の波長変換膜を形成することができる。特に半導体基板の上層膜のフィルターの下層に波長変換膜を形成する単板式の固体撮像装置においては、ルモゲン等の有機化合物系の材質を用いた方が加工が容易であり、製造上用い易いという利点がある。
なお、波長変換膜１４０の製造方法は、以上の例に限らず、種々採用できるものである。
また、本実施の形態例によれば、シリコン界面下に余分な構造、工程を設けることなく、基板上に設けられる上層膜中の波長変換膜１４０によって素子の感度を増大することができるという利点がある。また、シリコン界面下に余分な構造、工程を設けることがないことから、暗電流、白点などのノイズ成分を増大させることがないという利点がある。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態例について説明する。
また、上述した第１の実施の形態例では、本発明を単板式のＣＣＤ型固体撮像装置に適用した例であったが、第２の実施の形態例として本発明を３板式のＣＣＤ型固体撮像装置に適用した例を説明する。
図２は本発明の第２の実施の形態例による固体撮像装置の概略を示すブロック図である。以下、本図に基づいて第２の実施の形態について説明する。
この固体撮像装置は、分光プリズム１５０によって入射可視光をＲＧＢ光に分離し、それぞれの分離光を３つのＣＣＤ型固体撮像装置１５２、１５４、１５６でそれぞれ光電変換を行うものであるが、青色（Ｂ）の光を検出する固体撮像装置１５２の受光部に波長変換膜１６０を設け、およそ３２５ｎｍから４７５ｎｍまでの波長範囲のいわゆる青色波長付近の光を、それよりも長い緑色の波長域（およそ４７５ｎｍから６２５ｎｍまでの波長範囲）にシフトさせて固体撮像装置１５２に入射させるものである。
【００３３】
なお、このような３板式の固体撮像装置では、各固体撮像装置にカラーフィルタ層は設けられないため、図１に示す例のように、波長変換膜をカラーフィルタ層に埋設する構成とはならないが、本例においても固体撮像装置１５２の半導体基板上に配置される上層膜（例えば平坦化層や層間絶縁膜等）中に波長変換膜１６０を埋め込むような構成とすることは可能である。
また、波長変換膜１６０の膜種等は上述した第１の実施の形態例で説明したものと同様であるものとする。
また、図２に示す例では、青色波長付近光だけを波長変換する構成について説明したが、同様に赤色波長付近光を波長変換するようにしてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施の形態例について説明する。
上述した第１、第２の実施の形態例は、本発明を固体撮像装置として構成した例であるが、以下の第３、第４、第５の実施の形態例は、本発明を光センサ等の光電変換装置として構成した例である。
図３は本発明の第３の実施の形態例による固体撮像装置の概略を示す断面図である。以下、本図に基づいて第３の実施の形態について説明する。
図示のように、本例の光電変換装置は、半導体基板２００の表層領域にフォトダイオード２１０を形成するとともに、この半導体基板２００の上部に設けた受光膜２２０中に波長変換膜２３０を設けている。受光膜２２０はシリコン酸化膜等よりなり、波長変換膜２３０は上述した図１に示すものと同様の膜材を用いている。
なお、受光膜２２０の上には、集光レンズ２４０が設けられている。
【００３５】
本例の光電変換装置は、例えば特殊用途の光センサ等として構成され、例えば特定波長光源（図示せず）から出射された特定波長光をフォトダイオード２１０の感度（光電変換特性）に対応した波長に波長変換膜２３０で変換するような構成となっている。
なお、このような光電変換装置における波長変換膜２３０の製造方法は、図１に示す固体撮像装置で説明した製造方法と同様の方法を用いることができるので説明は省略する。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施の形態例について説明する。
図４は本発明の第４の実施の形態例による固体撮像装置の概略を示す断面図である。以下、本図に基づいて第４の実施の形態について説明する。
図示のように、本例の光電変換装置は、分光プリズム２５０によって分離した３つの波長帯域の光を半導体基板２６０に形成した３つのセンサ部２６２、２６４、２６６によって検出するような構成である。この場合、各センサ部２６２、２６４、２６６は、それぞれ固体撮像素子のような画素アレイ状に形成されていてもよいし、単一または複数のフォトダイオードで形成されたものであってもよい。
そして、本例においても、センサ部の光電変換特性上、感度の悪い波長帯域については、半導体基板２６０上の上層膜２７０中に波長変換膜２７２を配置し、波長変換を行ってセンサ部２６２に供給する。
なお、このような光電変換装置の用途は多様であり、種々の光センサとして応用できるものである。したがって、分光する帯域の数や分光方法、センサ部の数や構成、さらに波長変換膜の配置等については種々採用できるものである。また、製造方法については、上述した各実施の形態例と同様であるので説明は省略する。
【００３７】
次に、本発明の第５の実施の形態例について説明する。
図５は本発明の第５の実施の形態例による固体撮像装置の概略を示す断面図である。以下、本図に基づいて第５の実施の形態について説明する。
本例の光電変換装置は、フォトカプラとして構成されており、発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）３１０と受光素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）３２０とが対向配置され、その中間に波長変換膜３３０を配置して、発光ダイオード３１０からの光の波長をフォトダイオード３２０の光電変換特性に応じた波長に変換する。
なお、フォトダイオード３２０は半導体基板３４０の表面領域に設けられており、波長変換膜３３０は半導体基板３４０の上部に設けられた絶縁膜（シリコン酸化膜）３５０中に形成されている。また、発光ダイオード３１０は、絶縁膜３５０の上部に取り付けられている。
このような構成によれば、発光ダイオード３１０とフォトダイオード３２０の波長特性が適正に一致しない場合でも、適正な感度を得ることができ、動作特性の信頼性を向上することができる。
なお、製造方法は上述した実施の形態例と同様であるので説明は省略する。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態例について説明したが、本発明は上述した例に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば上述した第１、第２の実施の形態例では、固体撮像装置として主にＣＣＤ型の素子を例に説明したが、本発明はＣＭＯＳ型の固体撮像装置にも同様に適用し得るものである。
また、光電変換用の素子として、フォトダイオードを用いた例を説明したが、他の素子を利用することも可能である。
また、波長変換部は、全ての光電変換部に対応して設けてもよいし、上述の各例のように、一部の光電変換部に対応して設けてもよい。
【００３９】
また、上述した第１、第２の実施の形態例では、色分解方式としてＲＧＢの３原色系を用いる例を説明したが、本発明は補色系の色分解についても応用が可能である。
例えば補色系のフィルタは、ＲＧＢの３原色のうちの１つの色を減衰させた成分光を透過するものであり、例えばシアンには緑と青、マゼンタには赤と青、イエローには赤と緑の各成分が含まれる。したがって、マゼンタについては、赤と青で長波長域と短波長域とが含まれるため、緑波長に対してほぼ中立であり、波長変換を行っても特性の改善とはならないが、シアンでは緑波長よりも短波長側に傾いた波長光がフォトダイオード部に入射することになり、逆にイエローでは緑波長よりも長波長側に傾いた波長光がフォトダイオード部に入射することになる。そこで、シアンの成分光は波長変換膜を設けて長波長側にシフトして緑波長に近付け、イエローの成分光は波長変換膜を設けて短波長側にシフトして緑波長に近付けるようにし、それぞれの光電変換特性を改善するような構成が可能である。
ただし、本発明の場合、分解される個々の波長域が複数の波長域にまたがる補色フィルターよりも、分解される個々の波長域が複数の波長域にまたがらない単色フィルターを用いた方が、シフトさせたい波長域だけをフィルターの透過域とすることが容易に可能となることから、波長をシフトすることによる著しい感度向上効果が望めるものであり、上述した３原色系の構成の方がより好ましい例となる。
【００４０】
また、本発明は可視光用の素子に留まらず、より長波長光の光電変換を行う素子に適用してもよい。この場合、シリコン基板上に形成される素子に限らず、シリコンゲルマニウム基板によって実現できる超長波長光の光電変換素子に本発明を適用してもよい。
また、例えば２種類の色成分光に対応して２種類の波長変換膜を設ける場合、各波長変換膜の位置としては、各色成分毎に適宜設定できるものである。例えば、ＲＧＢの赤と青にそれぞれ波長変換膜を設ける場合、両者の散乱特性等を考慮して、青の波長変換膜をフォトダイオードのより近い位置に配置するような構成とすることも可能である。これにより、各色毎に最適な波長変換光の入射状態を得ることが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光電変換装置によれば、半導体基板に設けられた光電変換部の上部に、特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を設けたことから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能となり、出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることができる効果がある。
また、本発明の固体撮像装置によれば、半導体基板に設けられた複数の光電変換部の上部に、波長分離部によって分離した特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を設けたことから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能となり、出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることができる効果がある。
【００４２】
また、本発明の光電変換装置の製造方法によれば、光電変換部を形成した半導体基板の上部に、特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を形成することから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能な光電変換装置を作成でき、この光電変換装置における出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることができる効果がある。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、光電変換部を形成した半導体基板の上部に、複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離して各光電変換部に供給する波長分離部と、この波長分離部からの特定波長光を入射して光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して光電変換部に入射させる波長変換部を形成することから、特定波長光の光電変換効率を光電変換部に対応して向上することが可能な固体撮像装置を作成でき、この固体撮像装置における出力信号の品質向上やノイズ削減、検出感度の向上や動作信頼性の向上等を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例による固体撮像装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態例による固体撮像装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態例による光電変換装置を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態例による光電変換装置を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態例による光電変換装置を示す断面図である。
【図６】従来の固体撮像装置の第１の例を示す断面図である。
【図７】従来の固体撮像装置の第２の例を示す断面図である。
【図８】従来の固体撮像装置の第３の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１０……シリコン基板、１１２……Ｐウェル領域、１１４……フォトダイオード部、１１６……垂直ＣＣＤ部、１１８……トランスファーゲート部、１２０……チャネルストップ領域、１２２Ａ、１２２Ｂ……シリコン酸化膜、１２４……転送電極、１２６……遮光膜、１２８……カバー膜、１３０……カラーフィルター層、１３０Ａ……平坦化層、１３０Ｂ……フィルター膜、１３２……マイクロレンズ、１４０……波長変換膜。

Claims (45)

1. 半導体基板に設けられた光電変換部と、
   前記半導体基板の上部に設けられ、特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部と、
   を有することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記光電変換部は光電変換効率の低い波長帯域と光電変換効率の高い波長帯域とを有し、前記波長変換部は前記特定波長光を前記光電変換部における光電変換効率の低い波長帯域から光電変換効率の高い波長帯域に変換することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. 前記波長変換部は、前記半導体基板の上部に設けられた上層膜中に埋め込まれた構造で設けられていることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
4. 前記波長変換部の上部に設けられ、入射光から特定波長光を分離して前記波長変換部に入射させる波長分離部を有することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
5. 前記波長分離部が分光プリズムであることを特徴とする請求項４記載の光電変換装置。
6. 前記波長分離部がバンドパスフィルターであることを特徴とする請求項４記載の光電変換装置。
7. 特定波長光源から出射された特定波長光を入射することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
8. 異なる波長光に対応する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離する波長分離部とを有し、前記複数の光電変換部のうちの一部または全ての光電変換部に対応して前記波長変換部を設けたことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
9. 半導体基板に設けられた複数の光電変換部と、
   前記半導体基板の上部に設けられ、前記複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離して各光電変換部に供給する波長分離部と、
   前記複数の光電変換部のうちの全てまたは一部の光電変換部と前記波長分離部との間に設けられ、前記波長分離部からの特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
10. 前記光電変換部は光電変換効率の低い波長帯域と光電変換効率の高い波長帯域とを有し、前記波長変換部は前記特定波長光を前記光電変換部における光電変換効率の低い波長帯域から光電変換効率の高い波長帯域に変換することを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
11. 前記波長変換部は、前記半導体基板の上部に設けられた上層膜中に埋め込まれた構造で設けられていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
12. 前記光電変換部は、前記半導体基板に光電変換によって信号電荷を生成する第１導電型不純物領域を設けたものであることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
13. 前記光電変換部は、さらに前記第１導電型不純物領域の上層に第２導電型不純物領域を設けたものであることを特徴とする請求項１２記載の固体撮像装置。
14. 前記光電変換部は、前記第２導電型不純物領域と第１導電型不純物領域に逆バイアス電圧を印加して、前記光電変換部で生成された前記信号電荷の過剰な信号電荷を取り除く構造を有することを特徴とする請求項１３記載の固体撮像装置。
15. 前記過剰な信号電荷を取り除く構造は、縦型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置。
16. 前記過剰な信号電荷を取り除く構造は、横型オーバーフロードレイン構造であることを特徴とする請求項１４記載の固体撮像装置。
17. 前記半導体基板がシリコン基板であることを特徴とすることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
18. 前記波長分離部は、入射光から可視光を分離するものであることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
19. 前記波長変換部は、波長が３２５ｎｍから４７５ｎｍまでの範囲の青色波長付近の光を４７５ｎｍから６２５ｎｍの範囲の緑色波長付近の光に波長変換することを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
20. 前記波長変換部は、波長が６２５ｎｍから７７５ｎｍまでの範囲の赤色波長付近の光を４７５ｎｍから６２５ｎｍの範囲の緑色波長付近の光に波長変換することを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
21. 前記波長変換部は、非線形結晶層より形成されていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
22. 前記非線形結晶層は、ＹＩＧ、またはＴｉＯ2 ＬａＢ6 、またはサファイヤによって構成されることを特徴とする請求項２１記載の固体撮像装置。
23. 前記波長変換部は、有機化合物系材料よりなる波長変換膜より形成されていることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
24. 前記有機化合物系材料がルモゲンであることを特徴とする請求項２３記載の固体撮像装置。
25. 前記波長分離部が分光プリズムであることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
26. 前記波長分離部がバンドパスフィルターであることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
27. 前記波長分離部は、分離した個々の波長域が複数の波長域にまたがることなく、かつ連続した１つの波長域ごとに分離するものであることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
28. 前記波長分離部がＲＧＢの原色カラーフィルターであることを特徴とする請求項２７記載の固体撮像装置。
29. 半導体基板の表層領域に光電変換部を形成する工程と、
    前記半導体基板の上部に、特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部を形成する工程と、
    を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
30. 前記光電変換部は光電変換効率の低い波長帯域と光電変換効率の高い波長帯域とを有し、前記波長変換部を形成する工程では、前記特定波長光を前記光電変換部における光電変換効率の低い波長帯域から高い波長帯域に変換する層を形成することを特徴とする請求項２９記載の光電変換装置の製造方法。
31. 前記波長変換部を形成する工程では、前記半導体基板の上部に設けられた上層膜中に前記波長変換部を埋め込み構造で設けることを特徴とする請求項２９記載の光電変換装置の製造方法。
32. 前記波長変換部の上部に、入射光から特定波長光を分離して前記波長変換部に入射させる波長分離部を形成する工程を有することを特徴とする請求項２９記載の光電変換装置の製造方法。
33. 半導体基板の表層領域に複数の光電変換部を形成する工程と、
    前記半導体基板の上部に、前記複数の光電変換部に対応する複数の特定波長光を入射光から分離して各光電変換部に供給する波長分離部を形成する工程と、
    前記複数の光電変換部のうちの全てまたは一部の光電変換部と前記波長分離部との間に、前記波長分離部からの特定波長光を入射して前記光電変換部における光電変換特性に対応した波長に変換して前記光電変換部に入射させる波長変換部を形成する工程と、
    を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
34. 前記光電変換部は光電変換効率の低い波長帯域と光電変換効率の高い波長帯域とを有し、前記波長変換部を形成する工程では、前記特定波長光を前記光電変換部における光電変換効率の低い波長帯域から高い波長帯域に変換する層を形成することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
35. 前記波長変換部を形成する工程では、前記半導体基板の上部に設けられた上層膜中に前記波長変換部を埋め込み構造で設けることを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
36. 前記光電変換部を形成する工程は、前記半導体基板に光電変換によって信号電荷を生成する第１導電型不純物領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
37. 前記光電変換部を形成する工程は、さらに前記第１導電型不純物領域の上層に第２導電型不純物領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
38. 前記半導体基板にシリコン基板を用いることを特徴とすることを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
39. 前記波長変換部を形成する工程では、波長が３２５ｎｍから４７５ｎｍまでの範囲の青色波長付近の光を４７５ｎｍから６２５ｎｍの範囲の緑色波長付近の光に波長変換する波長変換部を形成することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
40. 前記波長変換部を形成する工程では、波長が６２５ｎｍから７７５ｎｍまでの範囲の赤色波長付近の光を４７５ｎｍから６２５ｎｍの範囲の緑色波長付近の光に波長変換する波長変換部を形成することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
41. 前記波長変換部を形成する工程では、非線形結晶層を形成することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
42. 前記非線形結晶層を、ＹＩＧ、またはＴｉＯ2 ＬａＢ6 、またはサファイヤによって形成することを特徴とする請求項４１記載の固体撮像装置の製造方法。
43. 前記波長変換部を形成する工程では、有機化合物系材料による波長変換膜を形成することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。
44. 前記有機化合物系材料がルモゲンであることを特徴とする請求項４３記載の固体撮像装置の製造方法。
45. 前記波長分離部を形成する工程では、分離した個々の波長域が複数の波長域にまたがることなく、かつ連続した１つの波長域ごとに分離する層を形成することを特徴とする請求項３３記載の固体撮像装置の製造方法。

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