JP2006073882A

JP2006073882A - 光電変換装置及び該光電変換装置を用いた撮像システム

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Publication number: JP2006073882A
Application number: JP2004257254A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Itano; 哲也板野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-03
Also published as: JP4871499B2

Abstract

【課題】層内レンズを有する光電変換装置において、層内レンズと配線上の絶縁膜との界面で起こる反射を低減し、色むらの発生しない構造を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、半導体基板に形成された光電変換素子と、該光電変換素子上に形成された配線層と、該配線層上に形成された層内レンズ１０を有する光電変換装置であって、配線層上に第１の絶縁層４が形成され、該第１の絶縁層４と前記層内レンズ１０間に前記第１の絶縁層と層内レンズの界面における反射を低減させるための第２の絶縁層９を有することを特徴とする光電変換装置を提供する。
【選択図】図７

Description

本発明は光電変換装置にかかわるものであって、特に層内レンズ構造を有する装置に関するものである。

近年、光電変換装置の画素数の増加や、イメージサイズの縮小がすすんでいる。このような光電変換装置においては、オンチップレンズを形成し、受光部へ光を集光させる構成が用いられている（特許文献１）。オンチップレンズを設けることによって、入射光を光電変換素子の受光部に集光させることが可能となり、光電変換に寄与する光が増加する。

しかしながら、更に有効画素領域が大きくなった場合や画素面積の減少に伴い、オンチップレンズを設けた構成においても、受光領域の位置によって光の入射角度が異なり、それが、周辺画素の受光光量の低減につながる場合がある。更に、１つの画素が受光できる光量が光電変換素子の面積の減少に伴い減少し、また、画素周期の縮小に伴って斜め入射光に対する感度の低下が著しくなる。図１は撮像装置の画素領域を示しており、図２は単位画素の断面図を示している。単位画素は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、本例ではメタル層（第１の配線層）１、メタル層（第２の配線層）２、最上メタル層（第３の配線層）３、および第１の絶縁層４、平坦化のために設けられた有機材料層５とカラーフィルタ層６、オンチップレンズ７から構成される。ここで、図１中のＡ点（受光領域の中央部）、Ｂ点（受光領域の周辺部）における画素に光が入射する様子を図３Ａ、図３Ｂに模式的に示す。図３Ｂでは中心部に比べて光軸が角度をもっているため、オンチップレンズが画素に対して偏心されている。ここでは図中に示される光軸に平行な入射光成分を示しているが実際には光軸に対して角度をもった入射光成分も存在し、入射光の角度分布を考慮した偏心量が決定されている。ここで、図３Ａ、図３Ｂの比較により、図３Ｂでは入射光を光電変換素子の受光領域に集光できず、感度が低下する。これは、撮像装置の画素領域において中央部の画素は感度が高く、端部の画素は感度が低い、すなわち周辺光量低下という問題となる。

この問題点を改善するために光電変換装置表面に形成する光電変換素子上に層内レンズを形成した光電変換装置が特許文献２，３に開示されている。

ここで、本明細中において、“層内レンズ”とは、“光電変換装置表面（受光面を有する半導体基板表面）と空気界面の間にあり、層間膜中にあるレンズ構造”と定義する。カラーフィルタに接して設けられていてもよい。

従来の層内レンズを有する光電変換装置の例を特許文献２を引用して図４に示す。４０１が層内レンズである。図４に示した構造とすることにより、図１中のＡ点、Ｂ点における画素に光が入射する様子は図５Ａ、図５Ｂのようになる。図５Ｂと図３Ｂとの比較において、図５Ｂでは層内レンズ構造により半導体基板とレンズ間の距離を小さくすることができ、斜め入射光に対する感度落ちを低減させる、すなわち撮像装置の周辺光量落ちを低減することが可能である。
特開平０４−０４４２６７号公報特開平１１−０４０７８７号公報アメリカ合衆国特許公報６２２１６８７

ここで、層内レンズに要求される条件として、次のような項目が挙げられる。層内レンズが集光能力を有するためには、層内レンズの屈折率は層内レンズの直上層の屈折率と異なる必要がある。屈折率１．４〜１．７の有機材料で形成されることが多く、層内レンズの材料としては、これらに対して十分な屈折率差を有するシリコン窒化膜（屈折率２程度）が好適に用いられる。

しかしながら、このように屈折率の大きな材質による層内レンズを形成する場合に、光の多重干渉による影響という問題がある。これは、半導体基板表面の反射光成分が層内レンズ下面において再反射することによって干渉成分となることによって生じるものであり、図６に示すように波長−透過率特性上でうねりをもつ。撮像装置のチップ内で半導体基板表面から層内レンズ下面までの距離が分布を持つことにより波長−透過率特性上のうねりがチップ内で分布を持つこととなる。これは、すなわちイメージセンサの特性としては、チップ内において色にムラが生じる。特に、第１の絶縁層４をＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）で平坦化を行ったときに第１の絶縁層４の厚さがチップ内で分布をもつ場合があり、特に問題が顕著となることがあることを見出した。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、層内レンズ下に最上配線上に配された絶縁層と層内レンズの界面における反射を低減させるための反射防止層を形成することを特徴とする。

本発明によれば、屈折率の大きな材質による層内レンズを形成した場合に顕著となる波長−透過率特性上のうねりを軽減することが可能となり、撮像装置の色ムラ特性を悪化させることなく層内レンズ構造による光学特性の向上を得ることが可能となる。

上述したように層内レンズとは、光電変換装置表面、つまり光電変換装置と空気界面よりも半導体基板側に形成されたレンズ構造と定義する。具体的には、光電変換をなす受光部の直上において層間膜中に形成される集光機能を有する部材である。

本発明の特徴とする構成は、層内レンズと最上配線層の間に配された絶縁層との界面で起こる反射が小さくなるように、この層内レンズと絶縁層の間に界面における反射を低減させるための反射防止膜を設けるものである。特に、通常用いられる光電変換素子が光電変換可能な入射波長に対して、好適に界面での反射を低減させるために、その膜厚を０．０５〜１．０μｍとしたものである。以下具体的に実施例をあげて本発明の特徴となる構成を詳細に説明する。なお本発明において、配線、層の位置関係の説明で“上”、“下”とした場合には、下とはその構造体に対して半導体基板側の方向を示し、上とはその構造体に対して半導体基板から離れていく方向を示す。以下実施例において配線層の数は全て３層で説明するが、これに限られるものではなく、センサの形態に応じて、単層や更に配線を増やすことも可能である。

［実施例１］
本発明の第１の実施例を図７にて説明する。背景技術において説明した、図２の構成と同様の機能を有する場合には、同様の符号を付し説明は省く。本図は単位画素の断面図である。半導体基板上に形成された光電変換素子と、第１の配線層１、第２の配線層２、および最上配線（第３の配線）層とを有し、最上配線層３上に、層間絶縁層としてのシリコン酸化膜４（屈折率１．４〜１．５）、シリコン窒化膜からなる層内レンズ１０（屈折率１．９〜２．１）を有し、層内レンズとシリコン酸化膜間に界面での反射を低減させるための反射防止膜９を配している。層内レンズ１０の直上にシリコン酸化膜と異なる屈折率を有する平坦化膜として形成される有機材料層５、該有機材料と同一の屈折率を有する有機材料より成るカラーフィルタ６、更に同一の屈折率を有する平坦層７とオンチップレンズ８により構成される光電変換装置である。そして、反射防止層の膜厚が０．０５μｍ〜１．０μｍである。ここで反射防止層とは、近接する膜と異なる屈折率を有し、膜と膜の界面で起こる反射を低減させることを目的として用いられるものである。

本実施例においては、発明の基本構成、すなわち層内レンズと、該層内レンズと最上配線層上に設けられた層間絶縁層としてのシリコン酸化膜間に設けられた絶縁層（酸窒化シリコン膜）を有する構成に、更に層内レンズ上にカラーフィルタを形成する際の平坦化膜としての有機材料膜、カラーフィルタ、オンチップレンズを形成する際の平坦化膜、オンチップレンズを含んだ構成となっている。

ここで、特許文献３においては、シリコン窒化膜より成る層内レンズ構造を形成するとともに、層内レンズの下に応力によるストレスの緩和層として酸窒化シリコン膜が２．５μｍ〜３．５μｍの膜厚で形成される。

しかし、半導体基板から層内レンズの距離を小さくすることが光学特性向上の要点となることを考慮するに、層内レンズの下に形成する膜は可能な限り薄いことが望ましい。

本発明で反射防止層として用いられる酸窒化シリコン膜の膜厚Ｄの条件は、
２・ｎ・Ｄ＝λ／２・（２・ｋ−１）
（λ：波長，ｎ：酸窒化シリコン膜の屈折率，ｋ：任意の自然数）
の反射防止条件を満たす膜厚Ｄである。酸窒化シリコン膜の屈折率が１．６〜１．８程度であり、波長が可視光のおよそ０．４μｍ〜０．８μｍであることを考慮すると、反射防止条件を満たす最低膜厚（上式でｋ＝１に対応）は、およそ０．０５μｍ〜０．１μｍ程度となる。光学特性、反射防止条件、製造ばらつきを考慮することにより、反射防止層として用いられる酸窒化シリコン膜の膜厚は０．０５μｍ〜１．０μｍに設定することが望ましい。

本例では反射防止層の膜厚は波長−透過率特性上のうねりが大きく、かつ撮像装置の特性上重要である波長０．７μｍ付近で反射防止条件を満足する０．１μｍ、０．３μｍ、あるいは０．５μｍ程度とした。この場合の波長−透過率特性を図８に示す。図６と比較して波長−透過率特性上のうねりが軽減されていることが確認される。本例においては波長０．７μｍ付近での反射防止条件を満足するよう設定されているが、本発明は撮像装置の用途、あるいは半導体基板内の分光感度特性により他の波長での最適化も考えられるものであり、層内レンズと最上配線上の絶縁層との界面における反射を低減するものであればよい。

［実施例２］
本発明の第２の実施例を図９にて説明する。本図は単位画素の断面図である。第１の実施例との差異は表面にオンチップレンズが形成されていない本図で示される構造においても本発明は有効である。

［実施例３］
本発明の第３の実施例を図１０にて説明する。本図は単位画素の断面図である。第１の実施例と異なる点は、更に、半導体基板表面に第２の反射防止膜が形成されている点である。本例では、半導体基板にシリコンが用いられる。第２の反射防止膜はシリコン基板表面のシリコン酸化物およびシリコン酸化物上に形成されるシリコン窒化物より成る。その膜厚は各々およそ５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲となっている。この第２の反射防止膜により半導体基板表面の反射光成分すなわち干渉成分を低減することができ、さらに波長−透過率特性上のうねりを軽減することが可能となる。ただし、ここで用いられる反射防止膜は、層内レンズ下に用いられる第１の反射防止膜とは異なる層構成となっている。これは、第１の反射防止膜は、入射光及び第１の反射防止膜を透過した後に、第１の反射防止膜よりも下層の界面によって反射された反射光に対しても反射防止の機能を有している必要があり、第２の反射防止膜は、該第２の反射防止膜を透過した後には、半導体基板内の受光部等により、光は吸収されて光電変換されるため、第２の反射防止膜よりも下層（半導体基板）からの反射光を考慮する必要がないためである。すなわち、第一の反射防止膜は図６で示したような波長−透過率特性を改善するために設けられており、第２の反射防止膜はこの必要がないために構造が異なるのである。本発明は他の構成の反射防止膜にも適用されるものである。

（デジタルカメラへの応用）
図１１は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ１００２の手前にはシャッター１００１があり、露出を制御する。絞り１００３により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置１００４に結像させる。固体撮像装置１００４から出力された信号は信号処理回路１００５で処理され、Ａ／Ｄ変換器１００６によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部１００７で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ１０１０に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ１０１３を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置１００４、撮像信号処理回路１００５、Ａ／Ｄ変換器１００６、信号処理部１００７はタイミング発生部１００８により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部１００９で制御される。記録媒体１０１２に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１０１１を通して、記録される。

イメージセンサの画素領域を示す概念図である。単位画素の断面図である。図２の単位画素に光が入射する様子を示した概念図である。層内レンズを有する単位画素の断面図である。図３の単位画素に光が入射する様子を示した概念図である。従来技術における入射光の波長と透過率との関係を示したグラフである。本発明の第一の実施例を説明する単位画素の断面図である。本発明の入射光の波長と透過率との関係を示したグラフである。本発明の第二の実施例を説明する単位画素の断面図である。本発明の第三の実施例を説明する単位画素の断面図である。第一〜第三の実施例の光電変換装置を用いた撮像システムを示すブロック図である。

符号の説明

１第一の配線層
２第二の配線層
３第三の配線層
４絶縁層
５第一の平坦化層
６カラーフィルタ
７第二の平坦化層
８オンチップレンズ
９反射防止膜
１０、４０１層内レンズ
１００１シャッター
１００２撮影レンズ
１００３絞り
１００４固体撮像装置
１００５信号処理回路
１００６Ａ／Ｄ変換器
１００７信号処理部
１００８タイミング発生部
１００９制御部・演算部
１０１０メモリ部
１０１１インターフェース部
１０１２記録媒体

Claims

半導体基板に形成された光電変換素子と、該光電変換素子上に形成された配線層と、該配線層上に形成された層内レンズを有する光電変換装置であって、前記配線層上に第１の絶縁層が形成され、該第１の絶縁層と前記層内レンズ間に前記第１の絶縁層と層内レンズの界面における反射を低減させるための第２の絶縁層を有することを特徴とする光電変換装置。
前記第２の絶縁層の膜厚が０．０５μｍ〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
前記第２の絶縁層の屈折率が、前記層内レンズの屈折率と第１の絶縁層の屈折率の間の値であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
前記層内レンズがシリコン窒化膜からなり、前記第１の絶縁層がシリコン酸化膜からなり、前記第２の絶縁層が酸窒化シリコン膜からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記酸窒化シリコン膜の屈折率が１．６〜１．８であることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
前記第１の絶縁層がＣＭＰ法によって平坦化されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
更に、前記層内レンズ上にカラーフィルタを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
更に、前記層内レンズ上にオンチップレンズを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記光電変換素子の受光面上にシリコン酸化膜、あるいはシリコン窒化膜、あるいはその両者を用いて構成される受光面での反射を低減させる膜を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
半導体基板に形成された光電変換素子と、該光電変換素子上に形成された配線層と、該配線上に形成された層内レンズを有する光電変換装置であって、前記配線層上に第１の絶縁層が形成され、前記層内レンズと前記第１の絶縁層の間に、該層内レンズと第１の絶縁層の界面での反射を低減させるための第１の反射防止膜が形成され、前記光電変換素子の受光面上に、第２の絶縁層が形成され、前記受光面と第２の絶縁層の界面での反射を低減させるための第２の反射防止膜が形成されており、前記第１の反射防止膜と第２の反射防止膜は膜構成が異なることを特徴とする光電変換装置。
前記層内レンズはシリコン窒化膜からなり、前記第１の反射防止膜は酸窒化シリコン膜、前記第２の反射防止膜はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、もしくはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜の積層構造となっていることを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
前記第１の絶縁層がＣＭＰ法によって平坦化されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光電変換装置。
半導体基板に形成された光電変換素子と、該光電変換素子上に形成された配線層と、該配線上に形成された層内レンズを有する光電変換装置であって、前記配線層上に第１の絶縁層が形成され、該第１の絶縁層と前記層内レンズ間に第２の絶縁層を有し、該第２の絶縁層の膜厚が０．０５μｍ〜１．０μｍであることを特徴とする光電変換装置。
前記第２の絶縁層の屈折率が、前記層内レンズの屈折率と前記第１の絶縁層の屈折率の間の値であることを特徴とする請求項１３に記載の光電変換装置。
前記第２の絶縁層の屈折率が１．６〜１．８であることを特徴とする請求項１４に記載の光電変換装置。
前記第１の絶縁層がＣＭＰ法によって平坦化されていることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。