JP2005101090A

JP2005101090A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2005101090A
Application number: JP2003330193A
Authority: JP
Inventors: Isao Kobayashi; 功小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】受光部の感度及び解像度を低下させることなく、低コストで作製できるカラー固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板上または半導体基板の表層部に設けた複数の受光部と、内部に配線を含むと共に該受光部上に光導波路を設けた絶縁層とを有する固体撮像素子において、該光導波路は柱状結晶構造で形成されている。マイクロレンズが前記柱状結晶構造で形成されている光導波路の直上に配置されている。前記光導波路はヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とする。前記光導波路は、カラーフィルターの機能を持つ。前記柱状結晶構造であり、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とするカラーフィルターで形成されている光導波路は、ＣｓＩ及び顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として蒸着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上または半導体基板の表層部に設けた複数の受光部と、内部に配線を含むと共に該受光部上に光導波路を設けた絶縁層とを有する固体撮像素子に関する。

固体撮像素子については様々な種類が存在するが、ここではＣＣＤを例に挙げて、簡単にその構成及び動作を説明する。

図５に示す固体撮像装置において、１０１は例えばフォトダイオードからなる光電変換素子、１０２は光電変換素子１０１で光電変換した信号を読み出す垂直ＣＣＤレジスタで、図示していないが、フォトダイオードと垂直ＣＣＤレジスタ１０２の間には信号電荷の転送を制御するトランスファゲート領域が配置されている。１０３は並列に転送されてきた垂直ＣＣＤレジスタ１０２の信号を、１ライン毎に出力部１０４へ読み出す水平ＣＣＤレジスタである。

図示していないが、各転送電極とも垂直ＣＣＤレジスタ１０２の部分では２つの異なる電位をもつように、２層ゲート構造、あるいは基板半導体の不純物制御を行っている。また、転送電極は光電変換素子１０１の垂直分離部を通して隣接する垂直ＣＣＤレジスタへ接続されている。また、トランスファゲート領域及び垂直ＣＣＤレジスタ１０２は、例えばＡｌのような光を通さない層で遮光されている。このように構成されているＣＣＤ撮像装置においては、光電変換素子１０１の実際の開口率は制限されている。

このようなＣＣＤは、各受光部に入射する光を、フォトダイオードで光電変換して蓄積し、垂直転送ＣＣＤから水平転送ＣＣＤへと順次転送した後、出力部から電圧に変換して出力する。

このような固体撮像素子においては、フォトダイオード上にオンチップマイクロレンズを設けて、その焦点位置がフォトダイオードの受光部近傍にくるように、中間層の膜厚を設定する方法が主流になっている。しかしながら、画素寸法の縮小化に伴って、また、配線の多層化が進んで絶縁層の膜厚が大きくなるにつれて、画素の開口部とマイクロレンズとの位置合わせずれや、絞りを開いたときにおける光路ずれが、受光部の感度に与える影響が大きくなってきている。

近年、この問題を避けるための方法として、特許文献１や特許文献２において、光導波路を有する固体撮像素子が提案されている。これらは、マイクロレンズを通過した入射光の焦点を光導波路の光入射面近傍に設定し、光導波路によって光を効率的に受光部に導くようにしたものである。これにより、上記問題を解決すると共に、自由度の大きいマイクロレンズおよび平坦化層の設計が可能になるとされている。
特開平７−４５８０５号公報特開２００２−１１８２４５号公報

上述した特許文献１や特許文献２の技術では、光導波路の側壁を、高反射率を有する薄膜で覆い、且つ、光導波路内をカラーフィルター材料で構成されている例が示されている。しかしながら、このような構成では作製する工数が多くなり、コストがアップするという問題点が生じる。

本発明は、このような従来技術の課題を解決する為に考えられたものであり、受光部の感度及び解像度を低下させることなく、低コストで作製できる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上または半導体基板の表層部に設けた複数の受光部と、内部に配線を含むと共に該受光部上に光導波路を設けた絶縁層とを有する固体撮像素子において、該光導波路は柱状結晶構造で形成されている事を特徴とする。

また、マイクロレンズが該光導波路の直上に配置されている事を特徴とする。

また、前記柱状結晶構造で形成されている光導波路はヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とする事を特徴とする。

また、前記ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とする柱状結晶構造で形成されている光導波路は、カラーフィルターの機能を持つことを特徴とする。

また、前記柱状結晶構造であり、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とするカラーフィルターで形成されている光導波路は、ＣｓＩ及び顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として同時に蒸着する事により構成されることを特徴とする。

更に、前記複数の受光部は、フォトダイオードである事を特徴とする。

上記顔料は有機顔料（分子状材料）と無機顔料（結晶）に分類される。この有機顔料には、アゾ系、ポリアゾ系、アンスラキノン系、フタロシアニン系、ペリレン系等の顔料が含まれる。また、この無機顔料には、複合酸化物系、紺青、酸化クロム、酸化鉄等の顔料が含まれる。

また、上記のマイクロレンズの材質としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、レジスト等が例示される。

本発明によれば、開口部へ入射した光は外側へ漏れることが無く、光のクロストークを発生させないので高い解像度をもつ固体撮像素子を得ることが可能となる。

また、本発明によれば、強度の強い光束を受光部導いて感度の高い固体撮像素子を得ることが可能となる。

また、本発明によれば、固体撮像素子の光導波路内の柱状結晶材料としてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を用いる事により、柱状管の直径を小さくできるため、より高い解像度をもつ固体撮像素子を得ることが可能となる。

また、本発明によれば、添加物を加えたＣｓＩに加えて、カラーフィルター材料としてのＲ、Ｇ、Ｂの色を持つ顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として同時に蒸着する事により、光導波路用穴の内部に、Ｒ、Ｇ、Ｂ等の選択透光性を有するカラーフィルターの機能を兼用する柱状結晶材料としてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）が埋め込まれる形態で、光導波路を構成する事により、受光部の感度及び解像度を低下させることなく、低コストでカラー固体撮像素子を提供することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１の固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図である。この固体撮像素子では、図１に示すように、複数の受光部２を形成した半導体基板１上に、絶縁層３が形成されている。この絶縁層３には図示しない配線が含まれており、通常、１層配線形成する毎に絶縁膜も１層増えるので、この絶縁層３は多層絶縁膜となっている。受光部２上には光導波路７が設けられている。光導波路７の内部には光を通す柱状結晶材料５が埋め込まれている。

この固体撮像素子は、例えば以下のようにして作製される。まず、複数の受光部２を形成した半導体基板１上に、酸化物等からなる絶縁層３を形成する。次に、全面にレジスト膜を形成した後、受光部２上の少なくとも一部を開口させるように、フォトリソグラフィ法を用いてマスクパターン４を形成する。その後、ＲＩＥ法等を用いて異方的にエッチングを行って開口部よりも下部の絶縁層３部分を除去し、光導波路用の穴７を形成する。

次に、レジスト膜（マスクパターン）４を除去する。ここで、膜厚の均一性および被覆性に優れたＳｉＯ_２等の絶縁性薄膜を低温ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法等により作製することもある。

その後、穴７内に光を通す柱状結晶材料５を埋め込んで、光導波路７を形成する。

本実施形態によれば、基本的に入射光が、光導波路７側壁での反射を経ずに柱状結晶材料５の内部を通って受光部２へ到達するので、強度の強い光束を受光部２に導いて感度の向上を図ることができる。又、柱状結晶材料５の一つの柱状管の直径は１〜５μｍ程度である為、開口部へ入射した光は外側へ漏れることが無く、光のクロストークを発生させないので高い解像度をもつ固体撮像素子を得ることが可能となる。

（実施形態２）
図２は、実施形態２の固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図である。この固体撮像素子では、光導波路１７の直上にオンチップマイクロレンズ１６が形成され、レンズの焦点位置が光導波路１７の内部に設定されている。

この固体撮像素子の製造においては、実施形態１と同様に光導波路穴１７までを形成した後、穴１７内に光を通す柱状結晶材料１５を埋め込んで、光導波路１７を形成する。その後は、オンチップマイクロレンズ１６を、熱軟化性樹脂等を用いて形成する。

本実施形態によれば、マイクロレンズ１６で集光された光が光導波路１７側壁での反射を経ずに柱状結晶材料１５の内部を通って受光部１２へ到達するので、実施形態１の固体撮像素子よりも更に強度の強い光束を受光部１２に導いて感度の向上を図ることができる。又、柱状結晶材料５の一つの柱状管の直径は１〜５μｍ程度である為、開口部へ入射した光は外側へ漏れることが無く、光のクロストークを発生させないので高い解像度を得ることが可能となる。

（実施形態３）
図３は、実施形態３の固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図である。この固体撮像素子は、実施形態２で説明した固体撮像素子の光導波路内の柱状結晶材料がヨウ化セシウム（ＣｓＩ）である事を特徴とする。

柱状結晶材料としてのヨウ化セシウム（ＣｓＩ）の製造方法は以前から研究され、最近では、特開平６−３６６８７に示されるように１μｍ以下の柱状管の製造が可能となっている。

ここでヨウ化セシウム（ＣｓＩ）は一般にＸ線等の放射線を可視光等に変換する蛍光体として用いられるが、可視光を通す事が可能である為、本発明のような使い方が可能となる。

具体的な製造方法を簡単に以下に示す。

まず真空度としては、一般的には１０^−６Ｔｏｒｒ以下とし、また、基板温度は、室温程度に保つ。蒸着源には、添加物を加えたＣｓＩを用いることができ、一般的にＣｓＩ膜の結晶に格子欠陥を生成させることのできる添加物が好適に使用される。これらの添加物としては広範囲の種類のものが使用でき、たとえば周期律表第Ｉ〜ＩＩＩ族の金属、より具体的には、Ｎａ、Ｋ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｎｂ等の金属を使用することができる。その割合は適宜であって、１％以下、さらには０．１％以下の少量であってもよい。試料基板への蒸着に際しては、あらかじめ基板表面の１００Å程度までの厚みを高速中性子粒子によるスパッタリング処理、プラズマボンバード処理等によって清浄化し、さらに金（Ａｕ）原子を数原子層の厚みで付着させておくことも有利である。これらの処理により、基板表面へのＣｓＩ膜の結晶成長はより均一となる。なお、加熱蒸着には、いわゆる真空蒸着とともに、気相成膜法としてのスパッタリング等の手段を用いることがある。

本実施形態のように、固体撮像素子の光導波路内の柱状結晶材料としてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を用いる事により、実施形態１及び実施形態２の固体撮像素子よりも更に柱状管の直径を小さくできるため、高い解像度を得ることが可能となる。

（実施形態４）
図４は、実施形態４の固体撮像素子の製造工程を説明するための断面図である。この固体撮像素子では、光導波路用穴３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの内部に、Ｒ、Ｇ、Ｂ等の選択透光性を有するカラーフィルターの機能を兼用する柱状結晶材料としてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂが埋め込まれて光導波路３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂが構成されている。

この固体撮像素子の製造においては、実施形態３と同様に、真空度としては、一般的には１０^−６Ｔｏｒｒ以下とし、また、基板温度は、室温程度に保つ。蒸着源には、添加物を加えたＣｓＩを用いることができ、一般的にＣｓＩ膜の結晶に格子欠陥を生成させることのできる添加物が好適に使用される。これらの添加物としては広範囲の種類のものが使用でき、たとえば周期律表第Ｉ〜ＩＩＩ族の金属、より具体的には、Ｎａ、Ｋ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｎｂ等の金属を使用することができる。その割合は適宜であって、１％以下、さらには０．１％以下の少量であってもよい。

このような添加物を加えたＣｓＩに加えて、カラーフィルター材料としてのＲ、Ｇ、Ｂの色を持つ顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として同時に蒸着する事により、光導波路用穴３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの内部に、Ｒ、Ｇ、Ｂ等の選択透光性を有するカラーフィルターの機能を兼用する柱状結晶材料としてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂが埋め込まれる形態で、光導波路３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂが構成される。

ここで、光導波路３７Ｒは赤い色の顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として、ＣｓＩと同時に蒸着して作製されたものであり、赤色のカラーフィルター材料としての機能も有する事が可能となる。光導波路３７Ｇ及び３７Ｂも同様である。

本実施形態のように、添加物を加えたＣｓＩに加えて、カラーフィルター材料としてのＲ、Ｇ、Ｂの色を持つ顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として同時に蒸着する事により、光導波路用穴３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂの内部に、Ｒ、Ｇ、Ｂ等の選択透光性を有するカラーフィルターの機能を兼用する柱状結晶材料としてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂが埋め込まれる形態で、光導波路３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂを構成する事により、受光部の感度及び解像度を低下させることなく、低コストでカラー固体撮像素子を提供することが可能となる。

上記のような構成の固体撮像装置を構成する事により、受光部の感度及び解像度を低下させることなく、低コストで作製できるカラー固体撮像素子を提供することができ、産業上の利用価値が大きい。

実施形態１の固体撮像素子の製造工程を説明する為の断面図である。実施形態２の固体撮像素子の製造工程を説明する為の断面図である。実施形態３の固体撮像素子の製造工程を説明する為の断面図である。実施形態４の固体撮像素子の製造工程を説明する為の断面図である。固体撮像素子の構成及び動作を説明する為の断面図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１半導体基板
２、１２、２２、３２受光部
３、１３、２３、３３絶縁層
４、１４、２４、３４レジスト膜
５、１５、２５、３５柱状結晶構造である材料
６、１６、２６、３６マイクロレンズ
７、１７、２７、３７光導波路

Claims

半導体基板上または半導体基板の表層部に設けた複数の受光部と、内部に配線を含むと共に該受光部上に光導波路を設けた絶縁層とを有する固体撮像素子において、該光導波路は柱状結晶構造で形成されている事を特徴とする固体撮像素子。
マイクロレンズが前記柱状結晶構造で形成されている光導波路の直上に配置されている事を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記柱状結晶構造で形成されている光導波路はヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とする事を特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
前記ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とする柱状結晶構造で形成されている光導波路は、カラーフィルターの機能を持つことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記柱状結晶構造であり、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を主原料とするカラーフィルターで形成されている光導波路は、ＣｓＩ及び顔料（結晶又は分子状材料）を蒸着源として蒸着する事により構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記複数の受光部は、フォトダイオードである事を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子。

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