JP2006032705A - 固体撮像素子及びその製造方法、並びに位置検出センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 受光センサ部内に狭い角度範囲の光のみが入射する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 受光センサ部３上の絶縁層８中に導波路１６が形成され、導波路１６の外周に反射防止層１７が形成されている固体撮像素子１を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法、並びに位置検出センサーに関する。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子においては、画素を構成する例えばフォトダイオードからなる受光センサ部の上方にオンチップレンズを設けることにより、オンチップレンズを透過した入射光の焦点が受光センサ部近傍にくるようにして、光を受光センサ部内へと導くようにした構成が主流となっている。

しかし、例えば、配線の多層化等に伴い絶縁層が厚くなるにつれて、受光センサ部への光の集光効率に与える影響が大きくなってきている。

近年、このような問題を回避するための方法として、絶縁層中の受光センサ部と対応する位置に導波路を設け、オンチップレンズを透過した入射光が効率的に受光センサ部内へと導かれるようにした構成が考えられている（例えば特許文献１参照）。

ここで、導波路の構成を、図９に示す概略斜視図（断面図）を参照して説明する。なお、図９は、固体撮像素子の１画素に対応する断面を示している。
導波路４０は、絶縁層４１の受光センサ部４２に対応する位置に穴（開口）４３が形成され、この穴４３内に材料層４４が埋め込まれた構成である。
材料層４４は、入射した光の透過度を上げる等の理由から、均一の材料により形成されており、例えば、穴４３の外周の絶縁層４１よりも屈折率の高い材料層（高屈折率材料層）で形成されている。

これにより、オンチップレンズ４５を通じて導波路４０内に入射した光は受光センサ部４２へと導かれる。
すなわち、導波路４０内に入射した光のうち、鉛直方向からの光Ｘは、受光センサ部４２内にそのまま入射し、斜め方向からの光Ｙは、材料層（高屈折率材料層）４４と絶縁層（低屈折率材料層）４１との界面において反射した後、受光センサ部４２内に入射する。

このように構成することにより、入射光の集光効率を高めることができる。

特開２００３−２９８０３４号公報

しかし、このような構成の導波路４０を有する固体撮像素子を、例えば、鉛直方向からの光Ｘを含む狭い角度範囲の光を検出する用途（センサー等）に用いた場合には、斜め方向からの光Ｙはノイズの要因となり、検出を正確に行うことが困難となる。

したがって、例えば、狭い角度範囲の光のみが受光センサ部内に入射する、指向性の高い固体撮像素子が求められる。

本発明は、上述した点に鑑み、受光センサ部内に狭い角度範囲の光のみが入射する固体撮像素子及びその製造方法、並びに位置検出センサーを提供するものである。

本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成され、導波路の外周に反射防止層が形成されている構成とする。

本発明に係る固体撮像素子によれば、受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成され、導波路の外周に反射防止層が形成されているので、受光センサ部の上部より入射した光のうち、反射防止層と導波路との界面に到達した斜め方向からの光を反射防止層で吸収する又は外部へ逃すことができ、鉛直方向及びその近傍からの光のみを受光センサ部内に入射させることができる。
これにより、例えば、このような固体撮像素子を鉛直方向及びその近傍からの光を検出するセンサー等に用いた場合には、斜め方向からの光によるノイズの問題が生じることなく、正確な検出を行うことが可能になる。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成された固体撮像素子を製造する方法であって、受光センサ部上の絶縁層に穴を形成する工程と、穴内に反射防止層の材料を形成する工程と、反射防止層の材料の一部を除去して、穴の外周及び絶縁層の表面に、反射防止層の材料を残す工程と、穴内を含んで、導波路の材料を形成する工程と、穴内以外の反射防止層の材料及び導波路の材料を除去する工程とを有するようにする。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、受光センサ部上の絶縁層に穴を形成する工程と、穴内に反射防止層の材料を形成する工程と、反射防止層の材料の一部を除去して、穴の外周及び絶縁層の表面に、反射防止層の材料を残す工程と、穴内を含んで、導波路の材料を形成する工程と、穴内以外の反射防止層の材料及び導波路の材料を除去する工程とを有するので、受光センサ部上に対応する位置に、導波路と、この導波路の外周に反射防止層が形成された構成の固体撮像素子を製造することができる。

本発明に係る位置検出センサーは、受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成され、導波路の外周に反射防止層が形成されている固体撮像素子が同一面上に複数配置されている構成とする。

本発明に係る位置検出センサーによれば、受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成され、導波路の外周に反射防止層が形成されている固体撮像素子が同一面上に複数配置されているので、この位置検出センサーの各固体撮像素子では、鉛直方向及びその近傍からの光のみを受光センサ部内に入射させることができる。
このため、例えば、各固体撮像素子から得られる出力を比較する手段を設けて、対象物に正対している固体撮像素子から得られる出力と、これ以外の固体撮像素子から得られる出力とを比較させた場合には、斜め方向からの光が受光センサ部内に入射しない分、出力比に大きな差をつけることができる。これにより、出力比を元に対象物の位置検出を行った場合には、位置検出を精度良く行うことが可能になる。

本発明に係る固体撮像素子によれば、受光センサ部内に鉛直方向及びその近傍の光のみを入射させることができ、指向性の高い固体撮像素子を実現できる。
したがって、このような固体撮像素子を、例えば、鉛直方向及びその近傍の光のみを検出するセンサー等の用途に用いた場合には、検出を正確に行うことが可能になり、高信頼性で、高い検出精度を有するセンサーを実現することができる。

本発明に係る位置検出センサーによれば、各固体撮像素子において、鉛直方向及びその近傍の光のみを入射させることができ、指向性を高くできる。
このため、例えば、出力比を元に対象物の位置検出を行うようにした場合には、出力比の大きな変化から対象物の位置検出を精度良く行うことが可能になる。
したがって、高信頼性で、高い位置検出精度を有する位置検出センサーを実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の固体撮像素子の一形態として、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の概略断面図を図１に示す。なお、図１ではＣＭＯＳ型の固体撮像素子の１画素に対応する断面を示している。
図１に示すＣＭＯＳ型の固体撮像素子１では、半導体基体２内の所定の位置に受光センサ部３が形成され、半導体基体２上には、例えば、絶縁や表面保護或いは表面平坦化の機能を有するシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）４と、表面保護や受光センサ部３に水素を供給する機能を有するシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）５と、非添加珪酸ガラス膜（ＮＳＧ膜）６とが、受光センサ部３側から順に形成されている。そして、非添加珪酸ガラス膜６上には、多層の配線層７が形成されている。

配線層７は、３層の配線（７１，７２，７３）を有している。
各配線７１，７２，７３は、例えば絶縁膜８中の所定の位置に形成された溝９内に配線材料１０が埋め込まれた構成である。
１１は、配線材料（例えばＣｕ）１０が絶縁膜８中に拡散することを防ぐために、各配線７１，７２，７３間に形成された所謂バリア膜（例えばＳｉＮ膜、ＳｉＣ膜）である。また、図示しないが、例えば溝の周囲にも配線材料が絶縁膜中に拡散することを防ぐためのバリア膜が形成されている。
配線層７は３層の配線７１，７２，７３から形成された場合を示したが、配線層７が例えばさらに多くの層で形成された場合には、所定の位置に形成された溝９内に配線材料１０が埋め込まれた絶縁膜８が、例えば間にバリア膜１１を介して、その数に応じて何層にも積層される。

最上層の配線層７３の上方には、絶縁膜８を介して、パッシベーション膜１２が形成され、このパッシベーション膜１２上には、平坦化膜１３を介してカラーフィルタ１４が形成されている。カラーフィルタ１４上の受光センサ部３と対応する位置には、オンチップレンズ１５が形成されている。

受光センサ部３上の絶縁層（例えば絶縁膜８の他、ＮＳＧ膜６、ＳｉＯ膜４及びＳｉＮ膜５の一部を含む）には、入射効率を向上させるための導波路１６が、例えばパッシべーション膜１２の下端まで形成されている。

なお、図示しない領域では、これら以外にも、受光センサ部で蓄積された信号電荷を電圧に変換する、フローティングディフュージョン部が形成されている。また、フローティングディフュージョン部で変換された電圧を出力する出力部（出力アンプ）やフローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷を掃き捨てるリセットゲート部等が形成されている。これらフローティングディフュージョン部、出力部、リセットゲート部は、各受光センサ部に対してそれぞれ形成されている。

そして、本実施の形態においては、特に、導波路１６の外周に光の反射を防止する層（いわゆる反射防止層）１７が形成されており、この反射防止層１７が、導波路１６を形成する材料（シリコン酸化膜）に対して、屈折率が大きい材料（シリコン窒化膜）から形成されている。
すなわち、シリコン酸化膜の屈折率をｎ１とし、シリコン窒化膜の屈折率をｎ２と規定した場合は、両者の間では、ｎ１＜ｎ２の関係が成り立っている。

このような構成により、オンチップレンズ１５を通じて導波路１６内に入射した光は、図２に示すように進行する。
すなわち、斜め方向からの光Ｙは、シリコン酸化膜１６とシリコン窒化膜１７との界面に到達した後、この界面で反射せずに屈折率の大きいシリコン窒化膜１７内に入射する。また、鉛直方向及びその近傍の光Ｘは、シリコン酸化膜１６内をそのまま進行して受光センサ部３内に入射する。
つまり、本実施の形態の固体撮像素子１では、導波路１６内に入射した光のうち、斜め方向からの光Ｙは導波路１６の外側に逃れ、鉛直方向及びその近傍の光Ｘのみが受光センサ部３内に入射する。

導波路１６内を形成する材料としては、上述したシリコン酸化膜以外にも、例えばＳｉＯＣ膜（炭素を含むシリコン酸化膜）等を用いることができる。また、反射防止層１７を形成する屈折率の大きい材料としては、上述したシリコン窒化膜以外にも、例えばＨｆＯ膜（酸化ハフニウム膜）等を用いることができる。

また、上述した固体撮像素子１の他の形態として、反射防止層１７が、導波路１６を形成する材料に対して、光の吸収性が高い材料から形成されている構成とすることもできる。例えば可視光に対しては、黒色材料等が考えられる。
このような構成の導波路１６の場合は、斜め方向からの光Ｙを、光の吸収性が高い材料から成る反射防止層１７内に入射させて吸収することができるために、図２に示した場合と同じように、鉛直方向からの光Ｘやこの近傍の光のみが受光センサ部内に入射する。

次に、このような構成の固体撮像素子１を製造する方法を、図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５では、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の１画素に対応する断面図を示し、図１及び図２と対応する部分には同一符号を付している。
そして、図３に示すように、既に、半導体基体２内に受光センサ部３が形成され、その上方に、シリコン酸化膜４、シリコン窒化膜５、ＮＳＧ膜６が形成され、ＮＳＧ膜６上に、３層の配線層７が形成され、受光センサ部３上に導波路１６を形成するための穴１８が形成された状態から説明する。

まず、図３に示す状態から、穴１８内を含んで、絶縁膜８上に反射防止層１７、例えばシリコン窒化膜を形成する。
次に、反射防止層１７上にレジスト膜（図示せず）を形成し、このレジスト膜を公知のリソグラフィ技術を用いてパターニングして、反射防止層形成用のパターンのレジストマスク１９を形成する。
そして、このレジストマスク１９をマスクとして用いて、反射防止層１７をエッチング除去することにより、図４に示すように、穴１８内の外周や絶縁膜８の表面に反射防止層１７を残す。

次に、レジストマスク１９を除去した後、穴１８内を含んで、導波路１６の材料、例えばシリコン酸化膜を形成する。
そして、穴１８内以外の、絶縁膜８の表面に形成された反射防止層１７及び導波路１６の材料を、例えばＣＭＰ法を用いて除去することにより、図５に示すように、受光センサ部３上に対応する位置に、導波路１６の外周に反射防止層１７が形成された構造を形成することができる。

この後は、図示しないが、絶縁膜上に、パッシベーション膜、平坦化膜、カラーフィルタを順に形成し、カラーフィルタの受光センサ部と対応する位置にオンチップレンズを形成する。

このようにして、図１に示した、入射光の集光効率を高めるようにした構造のＣＭＯＳ型の固体撮像素子１が得られる。

本実施の形態の固体撮像素子１によれば、導波路（シリコン酸化膜）１６の外周に、導波路１６に対して屈折率の大きい反射防止層（シリコン窒化膜）１７が形成されているので、オンチップレンズ１５を通じて導波路１６内に入射した光のうち、斜め方向からの光Ｙを反射防止層１７で吸収することができ、鉛直方向及びその近傍の光Ｘのみを受光センサ部３内に入射させることができる。
これにより、このような構成の固体撮像素子１を、鉛直方向及びその近傍の光Ｘのみを検出するセンサー等に用いた場合には、斜め方向からの光Ｙによるノイズの問題が生じることなく、検出を正確に行うことができる。

次に、上述した実施の形態の固体撮像素子１を複数用いて、本発明の位置検出センサーを構成した場合を、図６を参照して説明する。
図６に示す位置検出センサー３０は、例えば、基板３８の中央に設けられた固体撮像素子１Ａと、基板３８の各角部に設けられた４つの固体撮像素子１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅとの、計５つの固体撮像素子と、図示しない領域に形成された、各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅから得られる出力を比較する手段（出力比較手段）等から構成されている。
そして、このような構成の位置検出センサー３０では、出力比較手段により各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅから得られる出力を比較し、この出力比を元に、対象物の位置検出を行うことができる。

この位置検出センサー３０では、前述した固体撮像素子１を複数用いて構成しているので、各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅでは、鉛直方向及びその近傍からの光のみが受光センサ部内に入射する。

次に、このような位置検出センサー３０において、光源（対象物）に対して各固体撮像素子から得られる出力の大きさを、図７及び図８を参照して説明する。

図７に示すように、光源３１と所定の固体撮像素子が正対している状態では、以下に示すような大きさの出力が各固体撮像素子から得られる。
例えば、光源３１と中央の固体撮像素子１Ａとが正対している状態においては、固体撮像素子１Ａでは、光源３１からの光路２２が鉛直方向からとなる。このため、光源３１からの光がほとんど受光センサ部内に入射するので、出力比較手段から得られる出力３２は非常に大きくなる。
これに対し、角部の固体撮像素子１Ｄ，１Ｅでは、光源３１からの光路２３，２４が鉛直方向に対して斜めからになる。しかし、上述したように、斜め方向の光は受光センサ部内に入射しないので、固体撮像素子１Ｄ，１Ｅでは僅かな周辺光のみが受光センサ部内に入射する。このため、出力比較手段から得られる出力３３，３４は、固体撮像素子１Ａから得られる出力３２に比べて小さくなる。
このように、光源３１に対して正対している状態とずれている状態とでは、各固体撮像素子１Ａ，１Ｄ，１Ｅから得られる出力は大きく変化している。

これにより、例えば、光源３１に正対している固体撮像素子１Ａの出力３２と、固体撮像素子１Ｄ，１Ｅの出力３３，３４との大きさを比較して、光源３１の位置検出を行った場合は、出力比に大きな差が得られているので、出力比を元に光源３１の位置を精度良く行うことができる。

また、図８に示すように、光源３１と中央の固体撮像素子１Ａとが正対していない状態では、以下に示すような大きさの出力が各固体撮像素子から得られる。
例えば、光源３１が、固体撮像素子１Ａと固体撮像素子１Ｅとの真ん中にある状態においては、光源３１から略同等の距離にある固体撮像素子１Ａ，１Ｅでは、光源３１からの光路２５，２６が鉛直方向から少し斜めに傾いた方向となる。このため、光源３１からの光が一部除去されて受光センサ部内に入射するので、出力比較手段から得られる出力３５，３６は略同じ大きさで、図７に示した、固体撮像素子１Ａから得られる出力３２に比べて小さくなる。
これに対し、固体撮像素子１Ｄでは、光源３１からの光路２７が、鉛直方向に対して斜め方向からになるが、上述したように、斜め方向の光は受光センサ部内に入射しないので、僅かな周辺光のみが受光センサ部内に入射する。また、この固体撮像素子１Ｄは、固体撮像素子１Ａ，１Ｅよりも、光源３１からさらに離れた距離にある。このため、出力比較手段から得られる出力３７は、固体撮像素子１Ａ，１ｅから得られる出力３５，３６に比べて、非常に小さくなる。

以上により、本実施の形態の位置検出センサー３０では、光源３１との位置関係によって、各固体撮像素子から得られる出力の大きさが大きく変化している。すなわち、光源３１から各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅへの光路に対する受光面の角度によって出力が急峻に変化する。また、光源３１と周辺光とのＳ／Ｎ比を大きくとることができる。

本実施の形態によれば、鉛直方向の光や鉛直方向の近傍の光のみが受光センサ部３内に入射する複数の固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅと、各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅから得られる出力を比較する出力比較手段等から位置検出センサー３０が構成されているので、出力比較手段により、例えば、光源３１と正対した固体撮像素子１Ａから得られる出力３２と、角部の固体撮像素子１Ｄ，１Ｅから得られる出力３３，３４とを比較することにより、例えば、鉛直方向及び斜め方向からの光が受光センサ部内に入射する固体撮像素子を複数用いて構成した位置検出センサーに比べて、出力比を大きく変化させることができる。これにより、この出力比を利用して、光源３１の位置検出を行った場合には、位置検出を精度良く行うことが可能になる。

本実施の形態の位置検出センサー３０では、基板３８上の所定の位置に５つの固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを設けた場合を示したが、固体撮像素子１を設ける位置や数等は、図６に示した構成に限定されず、これ以外にも様々な構成が考えられる。

本実施の形態の位置検出センサー３０では、例えば、各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅで得られた各出力（出力信号）を一旦図示しない領域の記録手段等で記録し、この後で、上述したように、出力比較手段により各固体撮像素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅの出力を比較して光源３１の位置検出を行うこともできる。

本実施の形態の位置検出センサー３０に対して、さらに、例えば演算手段や対象物を移動させる手段等を設けることで、位置ずれを補正することも可能になる。
例えば、予め、対象物の出力データを演算手段に入力しておき、演算手段において、この出力データと、出力比を用いて位置検出された実際の対象物の出力データとを比較させ、この結果から、対象物の位置ずれを補正するような場合である。

本実施の形態の位置検出センサー３０では、光源３１と周辺光とのＳ／Ｎ比を大きくとることができるので、例えば、光量が微量である光源の位置検出センサーとして用いる場合に好適である。

上述した実施の形態では、本発明をＣＭＯＳ型の固体撮像素子１に適用して説明したが、これ以外にも、ＣＣＤ型の固体撮像素子にも適用することができる。
この場合においても、上述したＣＭＯＳ型の固体撮像素子１の場合と同様に、鉛直方向の光や鉛直方向の近傍の光のみが受光センサ部内に入射する構成が得られる。したがって、このようなＣＣＤ型の固体撮像素子を使用して位置検出センサーを構成した場合においても、各固体撮像素子からの出力比に大きな差をつけることができ、位置検出を精度良く行うことが可能になる。

尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の固体撮像素子の１画素に対応する部分の概略断面図である。 導波路内に入射した光の進行状態を示す概略断面図である。 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その１）である。 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その２）である。 図１の固体撮像素子の製造方法を示す製造工程図（その３）である。 本発明の位置検出センサーの構成を示す概略平面図である。 図６の位置検出センサーの、各固体撮像素子で得られる出力を示す図である。 図６の位置検出センサーの、各固体撮像素子で得られる出力を示す図である。 従来の固体撮像素子の導波路付近の断面図である。

符号の説明

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ）・・・固体撮像素子、２・・・半導体基体、３・・・受光センサ部、７（７１，７２，７３）・・・配線層、８・・・絶縁膜、１５・・・オンチップレンズ、１６・・・導波路（シリコン酸化膜）、１７・・・反射防止層（シリコン窒化膜）、１８・・・穴、１９・・・レジストマスク、２２，２３，２４，２５，２６，２７・・・光路、３０・・・位置検出センサー、３１・・・光源、３２，３３，３４，３５，３６，３７・・・出力、３８・・・基板

Claims (5)

1. 受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成され、
   前記導波路の外周に反射防止層が形成されている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記反射防止層が、前記導波路の内部の材料に対して、屈折率が大きい材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記反射防止層が、前記導波路の内部の材料に対して、光の吸収性が高い材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成された固体撮像素子を製造する方法であって、
   前記受光センサ部上の前記絶縁層に穴を形成する工程と、
   前記穴内に反射防止層の材料を形成する工程と、
   前記反射防止層の材料の一部を除去して、前記穴の外周及び前記絶縁層の表面に、前記反射防止層の材料を残す工程と、
   前記穴内を含んで、前記導波路の材料を形成する工程と、
   前記穴内以外の前記反射防止層の材料及び前記導波路の材料を除去する工程とを有する
   ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
5. 受光センサ部上の絶縁層中に導波路が形成され、前記導波路の外周に反射防止層が形成されている固体撮像素子が同一面上に複数配置されている
   ことを特徴とする位置検出センサー。
   

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