JP2005244947A - 固体撮像装置およびこれを用いたカメラ - Google Patents

固体撮像装置およびこれを用いたカメラ Download PDF

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Abstract

【課題】 画素の微細化が図れるともに、画像特性の良い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 固体撮像装置は、半導体基板１上に２次元状に配置される複数の画素２を備える。各画素２は、入射光を受光可能とするために所定領域に受光部３が形成され、受光部３を介して入射光を受光して信号電荷に変換する光電変換部を含む。受光部３は、少なくとも一部の画素２において、対応する画素２の中心に対して受光部３の中心が、半導体基板１の主面方向にずれた状態となるように形成されている。各画素２は、画素２の中心方向に向かって入射してきた入射光を、受光部３の中心方向に曲げる光路変更手段をさらに含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置およびこれを用いたカメラに関し、より特定的には、複数の画素がマトリクス状に配置された固体撮像装置およびこれを用いたカメラに関する。
ＣＣＤやＭＯＳ型イメージセンサーに代表される固体撮像装置では、画像特性の向上を図るために、集光率を高めることが求められている。集光率を高めるためには、集光レンズを用いることが一般的である。以下に、図面を参照しながら、一般的な固体撮像装置の構成について説明する。
図９は、複数の画素をマトリクス状に配置した固体撮像装置に係る画素と受光部との位置関係を模式的に示す平面図である。図９において、固体撮像装置は、半導体基板１、画素２および受光部３を備える。半導体基板１には、一般に、Ｐ型のシリコン基板が用いられる。半導体基板１には、複数の画素２が、マトリクス状に配置されている。なお、ここで示す画素２は、半導体基板１の主面への投影図であり、画素２の中心を半導体基板１に投影した点（以下、この点を画素の中心と称す）ｍは、行方向および列方向に等間隔で配置されている。画素２には、入射光を信号電荷に変換する光電変換部（図示せず）が含まれており、画素２の所定領域には、光電変換部に入射光を受光可能とするための受光部３が形成されている。受光部３は、画素２の中心ｍを中心として、各画素２に同一形状で形成されている。従って、受光部３についても、その中心ｐは、行方向および列方向に等間隔で配置される。
次に、図１０および図１１を用いて、画素２と受光部３との構成についてより具体的に説明する。図１０は、固体撮像装置の平面図であり、図１１は、図１０に示す固体撮像装置のＡ−Ｂ線に沿う断面図である。図１０および図１１において、固体撮像装置は、半導体基板１、画素２、受光部３、光電変換部４、ドレイン領域５、ゲート電極６、素子分離領域７、走査回路部８、遮光膜２２、カラーフィルタ９および集光レンズ１０を備える。
画素２は、半導体基板１、フォトダイオードを含む光電変換部４、ドレイン領域５、ゲート電極６、走査回路部８および素子分離領域７で構成される。半導体基板１には、光電変換部４、ドレイン領域５および素子分離領域７がそれぞれ形成されており、これらが形成された半導体基板１上の、光電変換部４とドレイン領域５との間には、ゲート電極６が形成されている。ゲート電極６が形成された半導体基板１の表面には、絶縁膜２１が形成されており、この絶縁膜２１上に、光電変換部４の所定領域が開口となるように遮光膜２２が形成されて、受光部３が形成されている。遮光膜２２の上には、カラーフィルタ９が形成されており、さらに、カラーフィルタ９の上には、画素２ごとに集光レンズ１０が配置されている。このような構成とすることにより、１画素を１セル（単位）とした固体撮像装置が構成される。
画素２ごとに配置される集光レンズ１０は、対応する画素２にできるだけ多く集光するために、半導体基板１の主面に対して各画素２が占める面を、できるだけ有効に利用するように配置される。すなわち、集光レンズ１０の中心が、画素２の中心ｍと、基板の主面方向に対して重なりあうように配置される。また、各画素２に形成される受光部３についても、集光率を高めるために、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとが、基板の主面方向に対して重なりあうように配置される。このような構成であると、各画素２に入射する入射光１１は、集光レンズ１０で絞られて画素２の中心ｍに向かって入光することから、結果的に、受光部３の中心ｐに集光することになり、高い集光率を得ることが可能となる。
ところで、近年では、固体撮像装置の小型化に伴い、画素の微細化を図ることが望まれている。このような要求を満たすために、例えば、特許文献１に開示されているように、隣接する画素でゲート電極あるいはドレイン領域を共有化して、画素の微細化を図る試みがなされている。以下に、２画素を１セル（単位）とした構成の固体撮像装置を例にあげて、その詳細を説明する。
図１２は、２画素を１セルとして単位画素２ａを構成した固体撮像装置の平面図であり、図１０の固体撮像装置に対して、隣接する２つの画素２でドレイン領域５ａを共有するようにしたものである。このように、図１０においてドレイン領域５と光電変換部４との間にあった素子分離領域７をなくし、２つの画素でドレイン領域５ａを共有することで、画素の微細化が図れる。
特開平８−３１６４４８号公報
しかしながら、図１２に示す固体撮像装置では、画素２の微細化は実現できるが、固体撮像装置全体としての集光率が低下し、画像感度の低下やバラツキが生じたり、色シェーディング不良や感度シェーディング不良などが生じるという問題がある。以下に、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１３は、図１２に示す固体撮像装置に係る画素２と受光部３との位置関係を模式的に示す平面図である。上述のように、単位画素２ａでは、２つの画素２でドレイン領域５ａを共有しているため、各画素２では、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとは、基板の主面方向にずれた位置に配置されている。そのため、各画素２の中心ｍは、基板上に等間隔で配置されているが、受光部３の中心ｐは、前記した画素２の中心間距離のように一定の間隔を持っておらず、一定の間隔が乱された間隔で基板上に配置される。
図１４は、図１２に示す固体撮像装置のＡ−Ｂ線に沿う断面図である。図１３を用いて説明したように、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとは、基板の主面方向に対してずれた位置にある。そのため、図１４において、各画素２に入射する入射光１１は、集光レンズ１０で絞られて画素２の中心ｍに向かって入光するが、受光部３の中心ｐには集光しない。これにより、図１４に示す固体撮像装置は、図１１に示す固体撮像装置に比べて、受光部３での受光感度が低くなる。そこで、集光レンズ１０を、その中心が受光部３の中心ｐに合うように配置して、集光率を高めることも考えられるが、上述のように、受光部３の中心ｐは、基板上に等間隔で配置されていないため、集光レンズ１０の配置が複雑となる。また、受光部３に合わせた集光レンズ１０では、画素２全体を有効利用することができず、集光レンズ１０の大きさが小さくなってしまい、結果的に集光率は低下することとなる。
それ故に、本発明は、画素の微細化を実現できるとともに、高い集光率を得て、画像感度、色シェーディング、および感度シェーディングといった画像特性の良い、固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、固体撮像装置に向けられており、この固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板上に２次元状に配置される複数の画素とを備える。各画素は、入射光を受光可能とするために所定領域に受光部が形成され、この受光部を介して入射光を受光して信号電荷に変換する光電変換部を含む。受光部は、少なくとも一部の画素において、対応する画素の中心に対して受光部の中心が半導体基板の主面方向にずれた状態となるように形成されている。また、各画素は、画素の中心方向に向かって入射してきた入射光を、受光部の中心方向に曲げる光路変更手段をさらに含む。
複数の画素は、それぞれの中心が一定の間隔となるようにマトリクス状に配置されており、複数の受光部の中心は、一定の間隔が乱された間隔を有することにより、対応する画素の中心から半導体基板の主面方向にずらされている。ここで、各画素は、光電変換部が生成した信号電荷を外部に接続された回路へと転送する際に用いられるドレイン領域をひとつずつさらに含み、複数の受光部の中心は、ドレイン領域のうちの少なくとも一部が互いに隣接する画素間で繋っていることで一定の間隔が乱された間隔を有するように構成されていても良い。
また、各画素は、受光部の上部に開口部が形成された遮光膜をさらに含み、光路変更手段は、遮光膜の上層に設けられていても良い。あるいは、光路変更手段は、遮光膜と半導体基板との間に設けられていても良い。
また、入射光は、少なくとも一枚の集光レンズを介して画素領域に導かれることが望ましい。集光レンズは、例えば、固体撮像装置の最外面に配置される。また、集光レンズは、複数の画素を１単位として周期的な形状を有するものであってもよく、あるいは、マトリクス状に配置された画素の行方向または列方向に対する垂直断面が、常に同一形状であるレンチキュラー（蒲鉾型）レンズでもよい。
また、受光部は、１画素を１単位とする画素だけでなく、複数の画素を１単位とする画素に形成されていてもよい。
本発明における光路変更手段としては、具体的には、レンズ形状やプリズム形状を有するものが挙げられる。光路変更手段は、１画素を１単位とするものであってもよいが、複数の画素を１単位として周期的な形状を有するものであってもよい。また、マトリクス状に配置された画素の行方向あるいは列方向に対する垂直断面が、常に同一形状であるものであっても良い。このような光路変更手段としては、例えば、レンチキュラーレンズ、プリズム状アレイ、あるいはこれらの複合型等が適用できる。また、光路変更手段としては、三角プリズムの傾斜面に凸レンズの水平面を一体的に組み合わせたような形状のものなども適用できる。このような光路変更手段は、凸レンズが集光レンズとしての働きを有するため、別途、集光レンズを設けなくても高い集光率が得られ、しかも最外面に集光レンズを配置する必要がなくなることから、固体撮像装置の低背化も図れる。
本発明の固体撮像装置は、増幅型の固体撮像装置であることが望ましい。
また、本発明の固体撮像装置は、より具体的には、入射光の強度に応じた電気信号を出力する固体撮像装置であって、半導体基板と、各々に受光部を含み、半導体基板上にマトリクス状に配置された複数の画素と、入射光を各画素の中心方向に集光する複数の集光レンズと、各画素に対応するように設けられており、対応する画素の中心方向に向かう入射光を対応する受光部の中心方向に曲げる複数の光路変更素子とを備えており、複数の画素は、その中心と対応する受光部の中心との半導体基板の主面方向における位置関係を所定数のパターン有し、当該所定数で１グループとなって単位画素を構成しており、各単位画素は、所定数のパターンの画素を含むことにより、互いに同一の構造を有しており、各光路変更素子は、同一の単位画素内において１つの単位の光路変更手段を構成しているものである。このような構成であると、より集光率を高めることができる。また、各光路変更素子は、隣接する複数の単位画素をまたいで１つの単位の光路変更手段を構成してもよい。
また、本発明の固体撮像装置は、カメラに好適に使用することができる。
以上のように、本発明に係る固体撮像装置は、少なくとも一部の画素に、この画素の中心方向に向かって入射してきた入射光を受光部の中心方向に曲げる光路変更手段を有しているので、画素の微細化を図るために、画素の中心に対して受光部の中心が、半導体基板の主面方向にずれた状態となるように形成されていても、高い集光率を得ることができる。その結果、画素の微細化が実現できるとともに、画像特性の良い固体撮像装置が可能となる。
以下に、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置について、２画素を１セルとした構成の固体撮像装置を例に挙げ、図面を参照しながら説明する。
図１は、複数の画素を２次元状、具体的にはマトリクス状に配置した固体撮像装置に係る画素と受光部との位置関係を説明するための平面図である。図１において、固体撮像装置は、半導体基板１、画素２および受光部３を備える。半導体基板１には、一般に、Ｐ型のシリコン基板が用いられる。半導体基板１には、複数の画素２がマトリクス状に配置されるとともに、２画素を１セル（単位）とする単位画素２ａが構成されている。ここでは、画素２および単位画素２ａは、半導体基板１の主面への投影図で示されている。
画素２には、入射光を信号電荷に変換する光電変換部（図示せず）が含まれており、画素２の所定領域には、光電変換部に入射光を受光可能とするための受光部３が形成されている。複数の画素２は、各画素２の中心を半導体基板１に投影した点（以下、この点を画素の中心と称す）ｍが、いずれも一定の間隔となるように配置されている。
単位画素２ａは、隣接する２つの画素でドレイン領域を共有した構成を有するものであり、各画素２では、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとは、基板の主面方向にずれた位置にある。このように、画素２の中心ｍは基板上に等間隔で配置されるが、受光部３の中心ｐは、前記した画素２の中心間距離のように一定の間隔を持っておらず、この一定の間隔が乱された間隔で基板上に配置されている。すなわち、単位画素２ａは、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとの位置関係を所定数のパターン有し、この所定数で１グループを構成するものであり、各単位画素２ａは、互いに同一の構造を有していると言える。
次に、図２および図３Ａを用いて、画素２および受光部３の構成について、より具体的に説明する。図２は、単位画素２ａの構成を示す平面図であり、図３Ａは、図２に示す固体撮像装置のＡ−Ｂ線に沿う断面図を示す。図２および図３Ａに示す固体撮像装置は、半導体基板１、画素２、単位画素２ａ、受光部３、光電変換部４、ドレイン領域５ａ、ゲート電極６、素子分離領域７、走査回路部８、カラーフィルタ９、集光レンズ１０、絶縁膜２１、遮光膜２２、層間絶縁膜２３および光路変更手段としてのプリズム１２ａ，１２ｂを備える。
画素２は、半導体基板１、フォトダイオードを含む光電変換部４、ドレイン領域５ａ、ゲート電極６、走査回路部８および素子分離領域７で構成される。半導体基板１には、光電変換部４、ドレイン領域５ａおよび素子分離領域７が形成されており、これらが形成された半導体基板１上における光電変換部４とドレイン領域５ａとの間には、ゲート電極６が形成されている。ゲート電極６が形成された半導体基板１の表面には、絶縁膜２１が形成されている。絶縁膜２１の上には、受光部３以外の部分に光が当たることを防止するために遮光膜２２が形成される。遮光膜２２には光電変換部４の所定領域が開口となるように開口部が形成されており、これにより受光部３が形成される。遮光膜２２が形成された半導体基板１の表面には、層間絶縁膜２３が形成され、層間絶縁膜２３上には、プリズム１２ａ、１２ｂが形成されている。そして、プリズム１２ａ、１２ｂの上面にカラーフィルタ９が形成されており、さらに、カラーフィルタ９上には、集光レンズ１０が配置されている。
２画素を１セルとする構成では、上述のように、各画素２において、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとは、基板の主面方向にずれた位置に配置されている。そのため、上記した図１を見るとより明らかなように、各画素２の中心ｍは、基板上に等間隔で配置されているが、受光部３の中心ｐは、前記した画素２の中心間距離のように一定の間隔を持っておらず、この一定の間隔が乱された間隔で配置されている。
集光レンズ１０は、対応する画素２にできるだけ多く集光するために、半導体基板１の主面に対して各画素２が占める面をできるだけ有効に利用するように配置される。すなわち、集光レンズ１０の中心が、画素２の中心ｍと、基板の主面方向に対して重なりあうように配置されている。ここでは、集光レンズ１０は、各画素２の受光部３のそれぞれに対応してアレイ状に配列されており、隣り合うレンズどうしの端部は接するように形成される。
各画素２に入射する入射光１１は、集光レンズ１０で絞られて、画素２の中心ｍに向かって入光する。ここで、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとは、基板の主面方向に対してずれた位置にあるため、画素２に光路変更手段が含まれていなければ、図１４に示すように、入射光は、受光部３の中心ｐからずれた位置で受光される。しかし、これでは十分な集光率を得ることができない。そこで、本実施形態では、画素２に、光路変更手段を含むよう構成して、集光率の向上を図っている。以下に、本実施形態の特徴部分である光路変更手段について詳しく説明する。
光路変更手段は、画素２の中心ｍの方向に向かって入射してきた入射光１１を、受光部３の中心ｐの方向に曲げるものである。光路変更手段は、例えば、入射光１１が受光部３に届くまでの間に設けられた層であって、かつ、上下に配置される層よりも高屈折率の材質にて形成された層に形成される。そして、受光部３の受光面に対して傾きを有することで、画素２の中心方向に向かって入射してきた入射光を、受光部３の中心方向に曲げることができる。このような光路変更手段としては、具体的には、光の入射側に凸面または凹面を有するレンズ形状のものや、光の入射側の面の少なくとも一部に受光面に対して傾いている面を持つプリズム形状のものが使用できる。
プリズム形状としては、上記したプリズム１２ａ，１２ｂだけでなく、図３Ｂに示すように、垂直断面が三角である四角錐形状のプリズム１２ｄなども挙げられる。さらに、図３Ｃに示すように、結像中心位置を変更する役割を有する三角プリズムと集光効果を高めるための凸レンズとを組み合わせたレンズ３３などを用いることも可能である。レンズ３３は、より具体的には、三角プリズム３１ａの傾斜面３１ｂに、凸レンズ３２ａの水平面３２ｂを一体的に組み合わせた形状となっている。
本実施形態では、レンズ形状またはプリズム形状は、上記したもののうちから選ばれる少なくとも一個であればよく、レンズ形状やプリズム形状は複数用いてもよく、あるいはレンズ形状とプリズム形状とを組み合わせて使用することも可能である。レンズ形状やプリズム形状の曲率や傾斜角度は、画素２の中心ｍの方向に向かって入射してきた入射光１１を、受光部３の中心ｐの方向に曲げるときの曲げ方の程度に応じて、任意に設定される。光路変更手段は、各画素ごとに設けてもよいが、複数の画素を１単位として周期的な形状を有するようにしてもよい。すなわち、光路変更手段は、複数の画素２にまたがるように形成してもよい。
本実施形態では、光路変更手段として、図３Ａに示すように、２画素を１単位として周期的な形状を有するプリズム１２ａ，１２ｂを例に挙げて、説明する。プリズム１２ａ，１２ｂは、光の入射側に、曲率を有する凸面形状を有するため、プリズムとしての機能を有する凸レンズとも称することができるものではあるが、後述の入射側に凸面を有するレンズ、すなわち凸レンズと区別するために、プリズムと称する。２画素を１単位とするプリズム１２ａ，１２ｂは、それぞれが２つの画素２にまたがるように、半導体基板１と集光レンズ１０との間に介挿されている。単位画素２ａで見ると、各プリズム１２ａ，１２ｂの１画素分が単位画素２ａにかかり、かつ、プリズム１２ａ，１２ｂのそれぞれの傾斜面が、単位画素２ａの外側から内側に向かって低くなるように配置されている。単位画素２ａを基板の上面からみると、プリズム１２ａ，１２ｂは、楕円形状となっている。プリズム１２ａ，１２ｂの各単位の中心は、対応する単位画素２ａの中心に対して、半導体基板の主面方向にずれた状態となるように配置されている。
プリズム１２ａ，１２ｂは、これらの上下に位置するカラーフィルタ９および層間絶縁膜２３を形成する材質よりも屈折率の高い材質、例えば、ＳｉＮ（窒化珪素）にて形成されており、後述のような製造工程により、容易に得ることができる。
図３Ａに示すように、単位画素２ａに、光路変更手段としてのプリズム１２ａ，１２ｂが設けられた固体撮像装置では、各画素２に入射した入射光１１は、まず、集光レンズ１０によって画素２の中心ｍに集光するような角度で絞られた入射光１１ａとなる。この入射光１１ａは、プリズム１２ａ，１２ｂによって、受光部３の中心ｐに向かうように屈折された入射光１１ｂとなる。入射光１１ｂは、受光部３の中心ｐで受光されて、受光部３に形成された光電変換部によって信号電荷へと変換される。
このように、光路変更手段を設けることで、画素２の中心ｍと受光部３の中心ｐとが、基板の主面方向に対してずれた位置にある固体撮像装置であっても、集光レンズ１０の配置を変えることなく、画素２の中心ｍに向かう入射光１１を、受光部３の中心ｐで受光することができ、高い集光率が得られる。その結果、画素の微細化が図れるとともに、感度低下、画像感度のバラツキ、色シェーディング不良および感度シェーディング不良などを抑えた、画像特性の良い固体撮像装置が実現できる。例えば、２．２μｍセルで３Ｍの固体撮像装置の場合、図３Ａに仮想線で示す光軸Ｌに対し、２５°の角度で入射した光の集光率を、１５％程度向上できる。
以上のような構成を有する固体撮像装置について、以下にその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４〜図６は、本実施形態に係る固体撮像装置を製造する各工程での固体撮像装置の断面構造を示す。
まず、半導体基板１の上に、等間隔にマトリクス状となるように、フォトダイオードを含む光電変換部４を形成する。これにより、固体撮像装置は、図４（ａ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、半導体基板１の表面に、シリコン酸化膜のゲート絶縁膜（図示せず）を、シリコン基板の熱酸化により形成する。このゲート絶縁膜の上に、ゲート電極６を形成する。具体的には、半導体基板１の表面に、ＣＶＤ法によりポリシリコン膜を堆積した後、所定領域のポリシリコン膜を選択的にドライエッチングにより除去することにより、ゲート電極６を形成する。これにより、固体撮像装置は、図４（ｂ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、ゲート電極６を覆うように、シリコン酸化膜の絶縁膜２１を、ＣＶＤ法による堆積により形成する。なお、絶縁膜２１には配線層が含まれるが、ここでは記載を省略する。次いで、絶縁膜２１を覆うように遮光膜２２を形成する。具体的には、絶縁膜２１を覆うように、タングステンや銅やアルミニウムなどを用いて、ＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により薄膜を形成する。その後、光電変換部４の上部に位置するタングステンや銅やアルミニウムなどからなる薄膜をドライエッチングにより選択的に除去する。これにより、遮光膜２２が形成されるとともに、受光部３が形成され、固体撮像装置は、図４（ｃ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、遮光膜２２および受光部３上に、シリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積する。その後、シリコン酸化膜の表面をＣＭＰ法により平坦化することにより、層間絶縁膜２３を形成する。これにより、固体撮像装置は、図４（ｄ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、層間絶縁膜２３を覆うように、この層間絶縁膜２３よりも高屈折率であるＳｉＮ膜２４を形成する。具体的には、層間絶縁膜２３を覆うようにＳｉＮ膜２４をＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により形成する。これにより、固体撮像装置は、図４（ｅ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、ＳｉＮ膜２４上に感光性樹脂（レジスト）を塗布して、感光性樹脂膜２５を形成し、一定の間隔で開口部２６を有するようにパターニングする。ここで、開口部２６は、単位画素２ａにおいて、隣接する受光部３の間に格子状に形成されるものである。開口部２６の間隔は、後述のように、この感光性樹脂（レジスト）膜２５に熱処理を施すときの樹脂の変形量に応じて設定する。これにより、固体撮像装置は、図５（ａ）に示す断面構造を有するようになる。
次に、パターニングした感光性樹脂膜２５に、樹脂の融点近くの温度、具体的には、約１９０℃の熱を加えて溶融し、各単位画素２ａにおいて、外側から内側に低くなるような傾斜面を有するプリズム形状２５ａ，２５ｂを形成する。これにより、固体撮像装置は、図５（ｂ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、プリズム形状２５ａ，２５ｂをマスクとしてパターニングし、感光性樹脂をエッチング処理する。ここで、エッチング装置としては、ＳｉＮと感光性樹脂とのエッチングレートを同一にしたドライエッチング装置を用いる。そして、プリズム形状２５ａ，２５ｂに向けて光（紫外線）２７を照射して、ＳｉＮ膜２４をエッチング処理することで、光路変更手段としてのプリズム１２ａ，１２ｂが得られる。これにより、固体撮像装置は、図５（ｃ）に示すような断面構造を有するようになる。
次に、プリズム１２ａ，１２ｂを覆うように、カラーフィルタ９を形成する。具体的には、染色法やカラーレジスト塗布により、カラーコーディングに沿った３〜４層の膜を堆積する。このカラーフィルタ９は、プリズム１２ａ，１２ｂを形成する材質であるＳｉＮよりも低い屈折率を有するものである。これにより、固体撮像装置は、図６（ａ）に示すような断面構造を有するようになる。
最後に、カラーフィルタ９上に、集光レンズ１０を形成する。具体的には、熱溶解性透明樹脂やその上部のレジスト熱リフロー転写により、集光レンズ１０として、各画素２の受光部３のそれぞれに対応してアレイ状に配列されたマイクロレンズを形成する。これにより、図６（ｂ）に示すような構造を有する固体撮像装置が完成する。
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、画素２の中心に対して受光部３の中心が、半導体基板１の主面方向にずれた状態となるように形成されていても、集光レンズ１０の配置を変えることなく、高い集光率を得ることができる。したがって、画素２の微細化が実現できるとともに、画像特性の良い固体撮像装置が可能となる。
なお、上記説明では、光路変更手段として２画素を１単位とするプリズム１２ａ，１２ｂを例に挙げて説明したが、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、プリズム１２ａ，１２ｂの代わりに２画素を１単位とする凸レンズ３０を用いてもよい。
ここで、光路変更手段として設けられた複数のプリズム１２ａ、１２ｂや凸レンズ３０において、個々のプリズム１２ａ、１２ｂや凸レンズ３０を光路変更素子と見ると、光路変更素子は、図３Ａおよび図７Ａに示すように、隣接する複数の単位画素をまたいで１つの単位の光路変更手段を構成するものであっても良く、あるいは、図７Ｂに示すように、同一の単位画素内において１つの単位の光路変更手段を構成するものであっても良い。
上記のような光路変更素子と集光レンズ１０との組み合わせは、特に限定されるものではなく、各種の組み合わせが考えられる。一例を挙げると、図３Ａおよび図７Ａに示すように、集光レンズ１０は、受光部３のそれぞれに対応して、すなわち画素２ごとに対応して形成されたものであり、光路変更素子は、複数の画素２を１単位として周期的な形状を有し、これによって光路変更手段を構成するものであり、この光路変更手段は複数の単位画素２ａにまたがって形成された固体撮像装置や、図７Ｂに示すように、集光レンズ１０が画素２ごとに対応して形成され、光路変更素子は、複数の画素２を１単位として周期的な形状を有し、これによって光路変更手段を構成するものであり、この光路変更手段は単位画素２ａごとに対応して形成された固体撮像装置等が挙げられる。さらに、図７Ｃに示すように、集光レンズ１０およびプリズム１２ｃが、各画素２に対応して形成された固体撮像装置等も挙げられる。
また、上記説明では、プリズム１２ａ，１２ｂを、光の入射側に凸面を有するプリズムとして説明したが、光の入射側面が形成された面の曲率によっては、図７Ｄに示すように、領域Ｔの部分が、光の入射側に凹面が形成された凹レンズ４０である、とも見ることができる。
このように、本発明における光路変更手段とは、入射光が受光部に届くまでの間に設けられた層であって、かつ、上下に配置される層よりも高屈折率の材質にて形成された層に形成されており、さらに、受光部の受光面に対して傾きを有するものである。従って、上記した図７Ａ〜図７Ｄに示すバリエーションの他にも、例えば、図７Ｅに示すように、層間絶縁膜２３に形成された上に凸の曲面の上に、層間絶縁膜２３よりも高屈折率のＳｉＮ膜を形成することによって形成された下に凸の凸レンズ６０なども、光路変更手段とすることができる。ただし、光路変更手段を構成する材質は、ＳｉＮのみに限定されるものではなく、その形状もプリズム形状やレンズ形状のみに限定されるものではない。
また、上記説明では、光路変更手段としてのプリズム１２ａ，１２ｂを半導体基板１と集光レンズ１０との間、より具体的には、遮光膜２２と集光レンズ１０との間に設けて、集光レンズ１０によって絞られた光を屈折させるよう構成した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、光路変更手段はその他の場所に設けることも可能である。例えば、集光レンズ１０に入射する前の入射光を曲げるように、集光レンズ１０よりも上部に光路変更手段を設けてもよい。また、光路変更手段は複数設けても良いので、集光レンズ１０を介して上下に光路変更手段を設ける構成としてもよい。
さらには、図７Ｆに示すように、光路変更手段としてのプリズム１２ａ，１２ｂを半導体基板１と遮光膜２２との間に設けても良い。このような構成であると、プリズム１２ａ，１２ｂが受光部３に近づくためプリズム１２ａ，１２ｂから受光部３への光路が短くなり、遮光膜２２の上層に光路変更手段を設けたものに較べてプリズム１２ａ，１２ｂのばらつきに起因する結像のずれを抑制できる。
また、半導体基板１と遮光膜２２との間に設ける光路変更手段が、図７Ｇに示すように、レンズ３３であると、より一層集光力を高めることができる。これは、以下の理由による。レンズ３３は、図３Ｃにおいて説明したものと同様の構成を有するものであり、このようにプリズム３１ａに加えて凸レンズ３２ａを有するレンズ３３は、結像中心位置を変更する効果と集光効果とを兼ね備えている。したがって、集光効果を有する凸レンズ３２ａが遮光膜２２の下層にあることで、凸レンズ３２ａで集光された光が受光部３へ届くまでの光路がより短くなり、レンズ３３による集光力が向上する。
さらに、図７Ｆおよび図７Ｇに示すように、遮光膜２２の下層に光路変更手段が形成された固体撮像装置は、遮光膜２２の形成前に光路変更手段が形成されることから、遮光膜２２の形成後に行われる水素シンター処理によって、光路変更手段の形成時に生じるエッチングダメージを低減できる。これにより、暗時電流や白色キズの低減が図れ、画像特性の良い固体撮像装置が実現できる。
また、上記説明では、固体撮像装置の最外面に集光レンズ１０を設けた例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、集光レンズ１０は空気に触れる最外面だけでなく、空気に触れないように少なくとも一枚の膜（例えば、カラーフィルタ９や層間絶縁膜２３など）で覆った構成とすることも可能である。さらには、図３Ｃに示すレンズ３３のように集光効果を有する光路変更手段を用いれば、集光レンズ１０を用いない構成とすることもできる。図７Ｈおよび図７Ｉは、集光効果を有するレンズ３３を用いることで集光レンズ１０を無くした構成を有する固体撮像装置の一例を示す。図７Ｈでは、遮光膜２２の上層にレンズ３３が設けられており、図７Ｉでは、遮光膜２２の下層にレンズ３３が設けられている。このような構成であると、レンズ３３を構成する凸レンズ３２ａによって集光レンズ１０と同様の効果が得られることから、集光レンズ１０が設けられていない固体撮像装置であっても、レンズ３３によって入射光の光路変更を行うとともに集光率を高めることができ、さらに、集光レンズ１０が用いられた固体撮像装置に較べて固体撮像装置全体の低背化が図れる。
また、上記説明では、２画素を１セルとする構造の固体撮像装置を例にあげて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、３画素を１セルとする固体撮像装置、４画素を１セルとする固体撮像装置など、複数の画素で一つのセルを形成する受光部を有する固体撮像装置にも適用できる。
また、上記説明では、集光レンズ１０として、各画素２に対応したマイクロレンズを例にあげて説明したが、複数の画素２を１単位として周期的な形状を有するものであってもよい。さらに、図８に示すように、画素２のマトリクスの行方向に対する垂直断面が常に同一形状であるレンチキュラー（蒲鉾型）レンズ１３を用いてもよい。この場合、光路変更手段には、集光レンズ１０と同様に、画素２のマトリクスの行方向に対する垂直断面が常に同一形状であるプリズム状アレイ１４を用いることができる。また、プリズム状アレイ１４の代わりに、画素２のマトリクスの行方向に対する垂直断面が常に同一形状であるレンチキュラーレンズを用いても良い。また、図８に示すレンチキュラーレンズ１３は、行方向について見たときに、１画素の幅を１単位としているが、複数の画素２の幅を１単位とするものであってもよい。同様に、光路変更手段としてのプリズム状アレイ１４やレンチキュラーレンズは、画素２の行方向について見たときに、１画素の幅を１単位とするものだけでなく、複数の画素２の幅を１単位とするものであってもよい。なお、集光レンズ１０や光路変更手段は、画素２のマトリクスの列方向に対する垂直断面が常に同一形状であるものであっても良い。
また、本実施形態に係る固体撮像装置は、ＭＯＳ型固体撮像装置を例にあげて説明したが、当該固体撮像装置は、ＣＣＤ固体撮像装置であってもよい。
また、本実施形態に係る固体撮像装置は、カメラ、特にデジタルスチルカメラに好適に使用できる。
本発明に係る固体撮像装置は、増幅型固体撮像装置、特にＭＯＳ型固体撮像装置に好適に使用できる。具体的には、カメラ付き携帯電話、ビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどに使用される固体撮像装置や、プリンターなどに使用されるラインセンサーとして好適に使用できる。
本発明の一実施形態に係る画素および受光部の位置関係を示す平面模式図 同実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の構成を示す平面図 図２に示す固体撮像装置の構成を示す断面図 同実施形態に係る光路変更手段のその他の構成例を示す図 同実施形態に係る光路変更手段のその他の構成例を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を説明する図 同実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を説明する図 同実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を説明する図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置の光路変更手段の別の構成を示す図 同実施形態に係る固体撮像装置のその他の構成例を示す図 従来の１画素１セル構造の固体撮像装置に係る画素および受光部の位置関係を示す平面模式図 図９に示す固体撮像装置の構成を示す平面図 図１０に示す固体撮像装置の構成を示す断面図 従来の２画素１セル構造の固体撮像装置の構成を示す平面図 図１２に示す固体撮像装置の画素および受光部の位置関係を示す平面模式図 図１２に示す固体撮像装置の構成を示す断面図
符号の説明
１ 半導体基板
２ 画素
３ 受光部
４ 光電変換部
５ａ ドレイン領域
６ ゲート電極
７ 素子分離領域
８ 走査回路部
９ カラーフィルタ
１０ 集光レンズ
１１，１１ａ，１１ｂ 入射光
１２ａ，１２ｂ プリズム
２１ 絶縁膜
２２ 遮光膜
２３ 層間絶縁膜
２４ ＳｉＮ膜
２５ 感光性樹脂（レジスト）膜
２５ａ，２５ｂ プリズム形状
２６ 開口部
３０ 凸レンズ
３５ 平坦化膜
４０ 凹レンズ
ｍ 画素の中心
ｐ 受光部の中心
Ｌ 光軸

Claims (19)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に２次元状に配置される複数の画素とを備え、
    各前記画素は、入射光を受光可能とするために所定領域に受光部が形成され、当該受光部を介して入射光を受光して信号電荷に変換する光電変換部を含み、
    前記受光部は、少なくとも一部の画素において、対応する前記画素の中心に対して当該受光部の中心が前記半導体基板の主面方向にずれた状態となるように形成されており、
    各前記画素は、当該画素の中心方向に向かって入射してきた入射光を、前記受光部の中心方向に曲げる光路変更手段をさらに含む、固体撮像装置。
  2. 複数の前記画素は、それぞれの中心が一定の間隔となるようにマトリクス状に配置されており、
    複数の前記受光部の中心は、前記一定の間隔が乱された間隔を有することにより、対応する前記画素の中心から半導体基板の主面方向にずら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。
  3. 各前記画素は、前記光電変換部が生成した信号電荷を外部に接続された回路へと転送する際に用いられるドレイン領域をひとつずつさらに含み、
    複数の前記受光部の中心は、前記ドレイン領域のうちの少なくとも一部が互いに隣接する前記画素間で繋っていることで、前記一定の間隔が乱された間隔を有することを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 各前記画素は、前記受光部の上部に開口部が形成された遮光膜をさらに含み、
    前記光路変更手段は、前記遮光膜の上層に設けら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。
  5. 各前記画素は、前記受光部の上部に開口部が形成された遮光膜をさらに含み、
    前記光路変更手段は、前記遮光膜と前記半導体基板との間に設けら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。
  6. 各前記画素は、少なくとも一枚の集光レンズをさらに含む、請求項１に記載の固体撮像装置。
  7. 前記集光レンズは、最外面に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 前記集光レンズは、複数の画素を１単位として周期的な形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の固体撮像装置。
  9. 前記画素は、それぞれの中心が一定の間隔となるようにマトリクス状に配置されており、
    前記集光レンズは、前記画素のマトリクスの行方向または列方向に対する垂直断面が常に同一形状であるレンチキュラーレンズであることを特徴とする、請求項６に記載の固体撮像装置。
  10. 前記受光部は、複数の画素を１単位とする画素に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像素子。
  11. 前記光路変更手段は、レンズ形状またはプリズム形状であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
  12. 前記光路変更手段は、複数の画素を１単位として周期的な形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
  13. 前記画素は、それぞれの中心が一定の間隔となるようにマトリクス状に配置されており、
    前記光路変更手段は、前記画素のマトリクスの行方向または列方向に対する垂直断面が常に同一形状であることを特徴とする、請求項１２に記載の固体撮像装置。
  14. 前記光路変更手段は、レンチキュラーレンズまたはプリズム状アレイであることを特徴とする、請求項１３に記載の固体撮像装置。
  15. 前記光路変更手段は、三角プリズムの傾斜面に凸レンズの水平面を一体的に組み合わせた形状であることを特徴とする、請求項１または請求項１２に記載の固体撮像装置。
  16. 固体撮像装置は、増幅型の固体撮像装置であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
  17. 入射光の強度に応じた電気信号を出力する固体撮像装置であって、
    半導体基板と、
    各々に受光部を含み、前記半導体基板上にマトリクス状に配置された複数の画素と、
    前記入射光を各前記画素の中心方向に集光する複数の集光レンズと、
    各前記画素に対応するように設けられており、対応する画素の中心方向に向かう入射光を対応する受光部の中心方向に曲げる複数の光路変更素子とを備え、
    複数の前記画素は、その中心と対応する受光部の中心との前記半導体基板の主面方向における位置関係を所定数のパターン有し、当該所定数で１グループとなって単位画素を構成しており、
    各単位画素は、所定数のパターンの画素を含むことにより、互いに同一の構造を有しており、
    各前記光路変更素子は、同一の前記単位画素内において１つの単位の光路変更手段を構成していることを特徴とする、固体撮像装置。
  18. 入射光の強度に応じた電気信号を出力する固体撮像装置であって、
    半導体基板と、
    各々に受光部を含み、前記半導体基板上にマトリクス状に配置された複数の画素と、
    前記入射光を各前記画素の中心方向に集光する複数の集光レンズと、
    各前記画素に対応するように設けられており、対応する画素の中心方向に向かう入射光を対応する受光部の中心方向に曲げる複数の光路変更素子とを備え、
    複数の前記画素は、その中心と対応する受光部の中心との前記半導体基板の主面方向における位置関係を所定数のパターン有し、当該所定数で１グループとなって単位画素を構成しており、
    各単位画素は、所定数のパターンの画素を含むことにより、互いに同一の構造を有しており、
    各前記光路変更素子は、隣接する複数の前記単位画素をまたいで１つの単位の光路変更手段を構成していることを特徴とする、固体撮像装置。
  19. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に２次元状に配置される複数の画素とを備え、
    各前記画素は、入射光を受光可能とするために所定領域に受光部が形成され、当該受光部を介して入射光を受光して信号電荷に変換する光電変換部を含み、
    前記受光部は、少なくとも一部の画素において、対応する前記画素の中心に対して当該受光部の中心が前記半導体基板の主面方向にずれた状態となるように形成されており、
    各前記画素は、当該画素の中心方向に向かって入射してきた入射光を、前記受光部の中心方向に曲げる光路変更手段をさらに含む固体撮像装置を備える、カメラ。
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