JP2006140413A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 受光部への集光効率が高く、クロストークが少ない固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 表面に２次元に配置された複数個の受光部１００を備える基板１３０上に絶縁膜１０１ａが設けられる。絶縁膜に対して受光部とは反対側であって、受光部が配置された領域以外の絶縁膜の領域の上方に層間絶縁膜１０２が設けられ、受光部が配置された領域に対応する絶縁膜上の領域に、層間絶縁膜に囲まれて、層間絶縁膜よりも屈折率の高い材料によりなる光導波路１が設けられる。光導波路上に集光レンズ２、カラーフィルター３が順に設けられる。集光レンズと受光部との距離が短くなり、光導波路内に斜め入射した光は層間絶縁膜との界面で全反射して受光部に達するため、集光効率が向上し、クロストークが低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造が簡単で、受光部への集光効率が高く、隣り合う受光部間でのクロストークが少ない固体撮像素子に関する。

近年、固体撮像素子は、デジタルカメラや、カメラ付き携帯電話などに広く使用されている。これらの機器の高機能化、小型化に伴って、それに用いられる固体撮像素子も、多画素化、小型化、高感度化が求められている。これを実現するため、受光部の上方にオンチップマイクロレンズや層内レンズを設けることにより、集光効率の向上を図った固体撮像素子が提案されている。

このオンチップマイクロレンズと層内レンズとの２つのレンズを有する、従来の一般的な固体撮像素子の具体的な構造について、図７を用いて説明する。

図７において、基板１３０に形成された受光部１００の上側（被写体側）に、第１の絶縁膜１０１ａ、層間絶縁膜１０２、層内レンズ１０３、第１透明膜１０４、第２透明膜１０５、カラーフィルター１０６、保護膜１０７、オンチップマイクロレンズ１０８が順次形成されている。被写体からの光は、オンチップマイクロレンズ１０８で集光され、層内レンズ１０３でさらに集光されて受光部１００に入射する。このように、オンチップマイクロレンズ１０８及び層内レンズ１０３で光を集光して受光部１００に入射させることにより、撮像素子の感度を向上させている。

なお、図７において、１０１ｂは第２の絶縁膜、１０９は転送電極、１１０は遮光膜、１１１はチヤネルストッパ、１１２は転送チヤネル、１１３は読み出しゲ−ト部である。

撮像素子に対して垂直に入射した入射光１１４は、オンチップマイクロレンズ１０８で集光され、カラーフィルター１０６で色分離された後、層内レンズ１０３で再び集光され、層間絶縁膜１０２を通過して受光部１００に入射し、光電変換される。受光部１００で発生した信号電荷は、読み出しゲ−ト１１３から転送チヤンネル１１２に読み出され、転送電極１０９により転送される（例えば、特許文献１参照）。

また、前記の従来の一般的な固体撮像素子の層内レンズに代えて、受光部の直上に高屈折率の透明膜からなる光導波路を設けた固体撮像素子が提案されている。この従来の光導波路を有する固体撮像素子の具体的な構成について、図８を用いて説明する。

図８において、受光部１００の上側に、第１の絶縁膜１０１ａを挟んで、光導波路１が形成されている。光導波路１は、第１の絶縁膜１０１ａ上の、転送電極１０９、第２の絶縁膜１０１ｂ、遮光膜１１０、層間絶縁膜１０２などに囲まれた領域に形成されており、外側から第１の透明膜１１９、第２の透明膜１２０、第３の透明膜１２１からなり、第１の透明膜１１９の屈折率は層間絶縁膜１０２の屈折率よりも高く、また第２の透明膜１２０及び第３の透明膜１２１の屈折率は、第１の透明膜１１９の屈折率よりも低い。この光導波路１の上に、パッシベーション膜１１６、カラーフィルター１１７、オンチップマイクロレンズ１１８が順次形成されている。

被写体からの光は、オンチップマイクロレンズ１１８で集光され、パッシベーション膜１１６、カラーフィルター１１７を通過し、光導波路１に入射し、受光部１００に入射する。ここで、光導波路１に入射した光を、層間絶縁膜１０２と第１の透明膜１１９との屈折率差によって光導波路１内に閉じ込めて、効率よく受光部１００に入射させることにより、固体撮像素子の感度を向上させている。

なお、図８において、１１１はチヤネルストッパ、１１２は転送チヤネル、１１３は読み出しゲ−ト部である。

撮像素子に対して垂直に入射した入射光１１４は、オンチップマイクロレンズ１１８で集光され、カラーフィルター１１７で色分離された後、光導波路１を通過して受光部１００に入射し、光電変換される。受光部１００で発生した信号電荷は、読み出しゲ−ト１１３から転送チヤンネル１１２に読み出され、転送電極１０９により転送される（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２２４２５１号公報 特開平１１−１２１７２５号公報

しかしながら、図７に示す従来の一般的な固体撮像素子では、絶縁膜１０１ａ、層間絶縁膜１０２、層内レンズ１０３、第１透明膜１０４、第２透明膜１０５、カラーフィルター１０６、保護膜１０７、オンチップマイクロレンズ１０８など多数の光透過膜が積層されているため、オンチップレンズ１０８から受光部１００までの距離が大きくなる。

この改良型である図８に示す従来の光導波路を有する固体撮像素子でも、光導波路１上にパッシベーション膜１１６及びカラーフィルター１１７が積層されているため、図７の固体撮像素子と同様に、オンチップレンズ１０８から受光部１００までの距離が大きくなる。

このため、図７及び図８に示すように、斜めから入射した入射光１１５が受光部１００に集光しない場合がある。このため、集光効率が低下し、得られる画像が暗くなるだけでなく、斜め入射光が隣の画素に入り、クロストークを発生させ、画質を劣化させる原因になるという課題を有していた。

さらに図８の固体撮像素子では、光導波路１が３層の透明膜からなり、構造が複雑で、製造工程が多くなるために、歩留まりが低下するという課題も有していた。

本発明は、上記課題を解決するもので、受光部への集光効率が高く、クロストークが少ない固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、表面に２次元に配置された複数個の受光部を備える基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜に対して前記受光部とは反対側であって、前記受光部が配置された領域以外の前記絶縁膜の領域の上方に設けられた層間絶縁膜と、前記絶縁膜に対して前記受光部とは反対側であって、前記受光部が配置された領域に対応する前記絶縁膜の領域上に、前記層間絶縁膜に囲まれて設けられた、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い材料によりなる光導波路と、前記光導波路上に設けられた集光レンズと、前記集光レンズの表面上に設けられたカラーフィルターとを備えることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、従来の固体撮像素子が備えていた、層内レンズと、層内レンズ上の平坦化膜とがないため、素子全体の高さが低くなる。これにより、オンチップマイクロレンズ（集光レンズ）と受光部との距離が短くなり、斜め方向から入射した光が隣の画素に入射するクロストークを少なくすることができるとともに、受光部への集光効率を向上することができる。更に、オンチップマイクロレンズで集光された光は、光導波路に進入し、斜め方向から入射した光でも、層間絶縁膜との界面で全反射して受光部に達することができるため、集光効率をより向上することができる。

上記の本発明の固体撮像素子は、隣り合う前記集光レンズの間に遮光部を更に備えることが好ましい。これにより、集光レンズに入射した光が隣の画素に伝搬することを防ぎ、斜め方向から入射した光が、隣の画素に入射するクロストークを解消することができるとともに、受光部への集光効率を更に向上することができる。

前記光導波路の材料が、屈折率２．０以上の酸化物であることが好ましい。特に、この酸化物が、酸化チタン（屈折率２．２〜２．５）、酸化タンタル（屈折率２．０〜２．３）、酸化ニオブ（屈折率２．１〜２．３）、酸化ジルコニウム（屈折率２．０５）、酸化亜鉛（屈折率２．０）、又は酸化インジウム（屈折率２．０）であることが好ましい。

また、前記層間絶縁膜の材料が、屈折率１．５以下の酸化物であることが好ましい。特に、この酸化物材料が、酸化シリコンを主成分とすることが望ましい。ここで、「主成分」とは、酸化シリコンが７５ａｔ％以上含有されることをいう。

この様に、光導波路の材料として屈折率の高い材料を用い、層間絶縁膜の材料として屈折率の低い材料を用い、光導波路と層間絶縁膜との間の屈折率の差を大きくすることにより、光導波路に入射し層間絶縁膜との界面に入射した光のうち該界面で全反射する量を増加させて、光を光導波路内に閉じ込めるとともに、層間絶縁膜に漏れ出た光に対しては屈折率の差による集光作用が働くので、効率よく受光部に集光することができる。

また、上記の本発明の固体撮像素子において、前記カラーフィルターの表面上に反射防止膜を更に備えることが好ましい。これにより、入射光を効率よく取り込むことができるため、集光効率を更に向上することができる。

前記反射防止膜の屈折率が、前記カラーフィルターの屈折率よりも小さく、１．０よりも大きいことが好ましい。これにより、入射光の固体撮像素子表面での反射を一層低減させることができる。

前記カラーフィルターが、赤色波長帯域の光を透過させる赤カラーフィルターと、青色波長帯域の光を透過させる青カラーフィルターと、緑色波長帯域の光を透過させる緑カラーフィルターとからなり、前記赤カラーフィルターが配置された１画素と前記青カラーフィルターが配置された１画素と、前記緑カラーフィルターが配置された２画素とを一単位として、前記赤カラーフィルターと前記青カラーフィルターと前記緑カラーフィルターとがベイヤー配列されていてもよい。

あるいは、前記カラーフィルターが、赤色波長帯域の光を透過させる赤カラーフィルターと、青色波長帯域の光を透過させる青カラーフィルターと、緑色波長帯域の光を透過させる緑カラーフィルターとからなり、前記固体撮像素子全体が複数の区画に分割され、それぞれの前記区画に前記赤カラーフィルター、前記青カラーフィルター、又は前記緑カラーフィルターが配置されていてもよい。

あるいは、赤色波長帯域の光を透過させる赤カラーフィルターが、前記カラーフィルターとして全域に設けられた本発明の固体撮像素子と、青色波長帯域の光を透過させる青カラーフィルターが、前記カラーフィルターとして全域に設けられた本発明の固体撮像素子と、緑色波長帯域の光を透過させる緑カラーフィルターが、前記カラーフィルターとして全域に設けられた本発明の固体撮像素子とを配置して固体撮像素子集合体を構成しても良い。

以下、本発明の実施の形態を、具体的な実施例を示しながら、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）の断面図である。シリコン基板１３０の表面には、光を受光して光電変換を行う受光部１００と、チャネルストッパ１１１と、転送チャネル１１２と、読み出しゲート部１１３とが形成されている。これらが形成されたシリコン基板１３０の表面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる第１の絶縁膜１０１ａが形成されている。受光部１００の上方（被写体側）には、第１の絶縁膜１０１ａを挟んで、屈折率が２．２の酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）からなる光導波路１が形成されている。また、チャネルストッパ１１１、転送チャネル１１２、及び読み出しゲート部１１３の上方には、第１の絶縁膜１０１ａを挟んで、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）からなる転送電極１０９と、タングステン（Ｗ）からなる遮光膜１１０とが形成され、この両者は、酸化シリコンからなる第２の絶縁膜１０１ｂにより絶縁されている。さらに遮光膜１１０の上方には、酸化シリコンを主成分とし、ボロンとリンを添加したＢＰＳＧからなる、屈折率が１．４５の層間絶縁膜１０２が形成されている。光導波路１の上には、透明樹脂からなる集光レンズ２が形成され、さらに集光レンズ２の表面に、カラーフィルター３が形成されている。

以上のような図１に示す本実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一実施例（実施例１とする）を説明する。

まず、Ｐ型のシリコン基板１３０にｎ型不純物であるリンをイオン注入することにより、フォトダイオードである受光部１００を形成した。同様にｎ型又はｐ型の不純物イオンを導入することにより、チャネルストッパ１１１、転送チャネル１１２、読み出しゲート部１１３を形成した。

次に、このシリコン基板１３０上に、熱酸化法や薄膜形成法により、膜厚２０ｎｍのシリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１０１ａを形成した。

次に、第１の絶縁膜１０１ａ上に、減圧ＣＶＤ法を用いて膜厚３００ｎｍのポリシリコン膜を形成し、その後、ドライエッチングによって選択的にエッチングする方法により、転送チャネル１１２の上方に、転送電極１０９を形成した。更に、熱酸化法によって転送電極１０９の上面及び側面を覆うように、シリコン酸化膜である第２の絶縁膜１０１ｂを形成した。この第２の絶縁膜１０１ｂによって、転送電極１０９を周囲から絶縁することができる。

次に、タングステン（Ｗ）からなる金属膜を、シリコン基板１３０上の第１の絶縁膜１０１ａおよび第２の絶縁膜１０１ｂを覆うように形成した。続いて、この金属膜上にレジストをパターニングし、異方性ドライエッチング法によりこの金属膜をエッチングすることにより、受光部１００の位置に対応する第１の絶縁膜１０１ａの領域上に開口を有し、且つ、転送電極１０９を遮光する遮光膜１１０を形成した。

次に、ＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）からなる、屈折率が１．５の層間絶縁膜１０２を形成した。

次に、例えば層間絶縁膜１０２上にレジストをパターニングした後に、ＣＦ₄系ガスによる異方性ドライエッチング法により、層間絶縁膜１０２の、受光部１００の上方の領域に、光導波路１を形成するための凹部を形成した。本実施例１では、凹部の開口幅を１．０μｍ、深さを１．０μｍとした。但し、この大きさに限定されず、受光部１００の大きさや、層間絶縁膜１０２の膜厚等に応じて設定すれば良い。

次に、前記のように形成した凹部に、屈折率が２．２である酸化タンタル薄膜による光導波路１を形成した。これは、出発原料としてペンタエトキシタンタルを用い、成膜温度が６００℃、且つＡｒ／Ｏ₂混合雰囲気の条件において、減圧ＣＶＤ法により形成した。

次に、レジスト全面エッチバック法により、光導波路１及び層間絶縁膜１０２の表面を平坦化した後、集光レンズ２を形成した。まず光導波路１及び層間絶縁膜１０２の表面上であって、レンズを形成したい場所である、受光部１００の上方に、屈折率が１．６の熱溶融性透明樹脂薄膜をパターニングして付与した。次いで、この熱溶融性透明樹脂薄膜に対して熱リフロー処理を行なった。これにより、熱溶融性透明樹脂薄膜が所定の曲率を有する凸レンズ形状に変形し、透明樹脂よりなる集光レンズ２を形成できた。

次に、この集光レンズ２の表面に、ドライ成膜法により、屈折率が１．５のカラーフィルター３を形成した。なお、このカラーフィルター形成方法は、染色法又はカラーレジスト塗布法でも良い。

以上のようにして、本実施の形態の固体撮像素子を得ることができた。

この様にして作製した図１に示した上記実施例１の固体撮像素子と、図７および図８に示した従来構造の固体撮像素子（順に、従来例１、従来例２とする）について、基板に対して垂直に入射する入射光１１４と、基板に対して斜めの角度で入射する入射光１１５の、受光部１００への集光効率を測定した。結果を表１に示す。表１において、入射角は、入射光が基板の法線方向に対してなす角度で定義される。また、各固体撮像素子の集光効率は、入射角が０°の入射光１１４の集光効率を１００とし、入射角が１５°及び３０°の入射光１１５の集光効率をこれとの相対値として、表示している。

表１に示すように、実施例１の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は９４、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は８５であり、入射角が大きくなっても集光効率の顕著な低下は認められなかった。これに対して、図７に示した従来例１の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は６２、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は２６であり、入射角が大きくなるに従って集光効率が顕著に低下した。また、図８に示した従来例２の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は６８、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は３７であり、従来例１の固体撮像素子ほどではないものの、やはり入射角が大きくなるに従って集光効率が低下した。従来例１，２では、得られた画像の中央部に比べて周辺部が暗くなるとともに、クロストークによる画質の劣化が認められた。実施例１では、このような現象は見られなかった。

以上のような相違は以下のように説明できる。

図１に示した実施例１の固体撮像素子では、基板１３０に対して垂直に入射した入射光１１４は、カラーフィルター３により色分離された後、集光レンズ２によって集光され、光導波路１に入射し、受光部１００に集光されて、電荷を発生した。また、基板１３０に対して斜めに入射した入射光１１５は、光導波路１に斜めに入射するが、層間絶縁膜１０２との界面で全反射され、受光部１００に集光された。即ち、受光部１００の上方に、周囲の層間絶縁膜１０２よりも屈折率の高い光導波路１を形成することにより、界面反射による光導波路１内への光の閉じ込めが起こるとともに、層間絶縁膜１０２に漏れ出た光に対しては屈折率の差による集光作用が働くため、受光部１００への集光効率が著しく向上した。

これに対して、図７に示した従来例１の固体撮像素子では、基板１３０に対して垂直に入射した入射光１１４は、オンチップレンズ１０８及び層内レンズ１０３で屈折されて、受光部１００に集光された。ところが、基板１３０に対して斜めに入射した入射光１１５は、オンチップレンズ１０８及び層内レンズ１０３で屈折されるものの、その一部は受光部１００に集光しない。このために、斜めの入射光１１５の受光部１００への集光効率が低下した。

また、図８に示した従来例２の固体撮像素子では、基板１３０に対して垂直に入射した入射光１１４は、オンチップレンズ１０８で屈折されて、光導波路１に入射し、受光部１００に集光された。ところが、基板１３０に対して斜めに入射した入射光１１５は、オンチップレンズ１０８で屈折されるものの、その一部は、カラーフィルター１１７及びパッシベーション膜１１６を通過した後に光導波路１に入射せず、そのために受光部１００に集光しない。このために、斜めの入射光１１５の受光部１００への集光効率が低下した。

また、実施例１の固体撮像素子における光導波路の効果を確認するために、図６に示した、光導波路を有さない固体撮像素子（比較例）を作製し、上記と同様に集光効率を測定した。結果を表１に併せて示した。図６に示した比較例の固体撮像素子は、光導波路を形成する工程を行わない以外は、実施例１の固体撮像素子と同様にして製造した。つまり、層間絶縁膜１０２の形成工程までを実施例１と同様に行なった後、エッチングによる凹部の形成及び光導波路１の形成を省略して、以下、実施例１と同様に、層間絶縁膜１０２の上面の平坦化を行い、その層間絶縁膜１０２の上に集光レンズ２とカラーフィルター３を形成した。

表１に示したように、図６示した比較例の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は７９、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は５５であり、入射角が大きくなるに従って集光効率がやや低下した。比較例においても、従来例１，２と同様に、得られた画像の中央部に比べて周辺部が暗くなるとともに、クロストークによる画質の劣化が認められた。

この様に、本実施の形態の固体撮像素子は、従来の固体撮像素子（従来例１，２）や、光導波路を有しない固体撮像素子（比較例）と比較して、斜めに入射する入射光の集光効率が高く、クロストークによる画質の劣化が少ない。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）の断面図である。本実施の形態２が実施の形態１と相違する点は、隣り合う集光レンズ２およびカラーフィルター３の間に遮光部５を形成した点にある。遮光部５は、例えば実施の形態１で説明した実施例１の固体撮像装置を形成後、隣り合う集光レンズ２の間に凹部を形成し、その凹部にドライ成膜法により黒色顔料を形成することにより形成することができる。遮光部５は遮光膜１１０に達するほどに形成されることが好ましい。

上述の方法で形成した遮光部５を備える固体撮像素子（実施例２とする）について、実施例１と同様に、基板に対して垂直に入射する入射光１１４と、基板に対して斜めの角度で入射する入射光１１５の、受光部１００への集光効率を測定した。結果を表２に示す。比較のため、実施の形態１で説明した実施例１、従来例１，２の測定結果も併せて示している。

表２に示すように、実施例２の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は９７、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は９３であり、入射角が大きくなっても集光効率の顕著な低下は認められなかった。実施例２では、従来例１，２で認められた、得られた画像の中央部に比べて周辺部が暗くなり、且つ、クロストークにより画質が劣化するという現象は認められなかった。

実施例２を実施例１と比較すると、隣り合う集光レンズ２の間に遮光部５を形成した実施例２の方が斜め入射光の受光部１００への集光効率が若干ではあるが高く、遮光部５を形成したことによる効果が認められた。

この様に、本実施の形態の固体撮像素子は、従来の固体撮像素子（従来例１，２）と比較して、斜めに入射する入射光の集光効率が高く、クロストークによる画質の劣化が少ない。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）の断面図である。シリコン基板１３０の表面には、光を受光して光電変換を行う受光部１００と、チャネルストッパ１１１と、転送チャネル１１２と、読み出しゲート部１１３とが形成されている。これらが形成されたシリコン基板１３０の表面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる第１の絶縁膜１０１ａが形成されている。受光部１００の上方（被写体側）には、第１の絶縁膜１０１ａを挟んで、屈折率が２．５の酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなる光導波路１が形成されている。また、チャネルストッパ１１１、転送チャネル１１２、及び読み出しゲート部１１３の上方には、第１の絶縁膜１０１ａを挟んで、ポリシリコン（ｐ-Ｓｉ）からなる転送電極１０９と、アルミニウム（Ａｌ）からなる遮光膜１１０とが形成され、この両者は、酸化シリコンからなる第２の絶縁膜１０１ｂにより絶縁されている。さらに遮光膜１１０の上方には、酸化シリコンを主成分とし、ＳＯＧ（Spin on Glass）からなる、屈折率が１．４５の層間絶縁膜１０２が形成されている。光導波路１の上には、酸化チタンからなる集光レンズ２が形成され、さらに集光レンズ２の表面に、カラーフィルター３が形成されている。さらに、このカラーフィルター３の表面に、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）からなる反射防止膜４が形成されている。

以上のような図３に示す本実施の形態の固体撮像素子の製造方法の一実施例（実施例３とする）を説明する。

まず、基板１３０上に、実施例１と同様の方法で、フォトダイオードである受光部１００、チャネルストップ１１１、転送チャネル１１２、読み出しゲート部１１３を形成し、この上に、第１の絶縁膜１０１ａ、転送電極１０９、これを覆う第２の絶縁膜１０１ｂ、及び遮光膜１１０を順に形成した。

この上に、ＳＯＧ（Spin on Glass）からなる層間絶縁膜１０２を形成した後、実施例１と同様の方法で、層間絶縁膜１０２の、受光部１００の上方の領域に、光導波路１を形成するための凹部を形成した。本実施例３では、凹部の開口幅を０．８μｍ、深さを１．０μｍとした。但し、この大きさに限定されず、受光部１００の大きさや、層間絶縁膜１０２の膜厚等に応じて設定すれば良い。

次に、前記のように形成した凹部に、屈折率が２．５である酸化チタン薄膜による光導波路１を形成した。これは、出発原料としてチタンテトライソプロポキシドを用い、成膜温度が４００℃、且つＡｒ／Ｏ₂混合雰囲気の条件において、減圧プラズマＣＶＤ法により形成した。

次に、ＣＭＰ法により、光導波路１及び層間絶縁膜１０２の表面を平坦化した後、光導波路１と同じ酸化チタン薄膜の材料から構成される、集光レンズ２を形成した。この集光レンズ２は、エッチバック転写法により作製した。エッチバック転写法による集光レンズ２の形成方法を図４Ａ〜図４Ｅを用いて説明する。

図４Ａに示すように光導波路１及び層間絶縁膜１０２の表面を平坦化した後、図４Ｂに示すように、平坦化した光導波路１及び層間絶縁膜１０２の表面上に、集光レンズ２の材料である、例えば屈折率が２．５の酸化チタンからなる薄膜１０を形成した。次いで、薄膜１０の上にレジスト１１を塗布し、レジスト１１を集光レンズ２の形成予定領域の部分が残るようにパターニングした。次いで、図４Ｄに示すように、レジスト１１に対して熱リフロー処理を行なうことによって、レジスト１１を所定の曲率を有する凸レンズ形状１１’に変形させた。次いで、凸レンズ形状１１’をマスクとして、凸レンズ形状１１’と酸化チタン薄膜１０とを同じエッチングレートになる条件でドライエッチングした。このようにして、図４Ｅに示すように、酸化チタンよりなる集光レンズ２を形成した。

次に、この集光レンズ２の表面に、カラーレジスト塗布法によって、屈折率が１．５のカラーフィルター３を形成した。なお、このカラーフィルター形成方法は、ドライ成膜法又は染色法でも良い。

更に、カラーフィルター３上に、入射光がカラーフィルター表面での反射するのを防止するため、カラーフィルター３の屈折率よりも低い屈折率である、屈折率１．４のフッ化マグネシウムからなる反射防止膜４を、真空蒸着法により形成した。

以上のようにして、本実施の形態の固体撮像素子を得ることができた。

この様にして作製した図３に示した上記実施例３の固体撮像素子について、実施例１と同様に、基板に対して垂直に入射する入射光１１４と、基板に対して斜めの角度で入射する入射光１１５の、受光部１００への集光効率を測定した。結果を表３に示す。比較のため、実施の形態１で説明した従来例１，２の測定結果も併せて示している。

表３に示すように、実施例３の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は９６、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は９０であり、入射光の入射角が変化しても集光効率には大きな違いは認められなかった。実施例３では、従来例１，２で認められた、得られた画像の中央部に比べて周辺部が暗くなり、且つ、クロストークにより画質が劣化するという現象は認められなかった。

図３に示した実施例３の固体撮像素子では、基板１３０に対して垂直に入射した入射光１１４は、反射防止膜４を有するカラーフィルター３により色分離された後、集光レンズ２によって集光され、光導波路１に入射し、受光部１００に集光されて、電荷を発生した。また、基板１３０に対して斜めに入射した光１１５は、光導波路１に斜めに入射するが、層間絶縁膜１０２との界面で全反射され、受光部１００に集光された。即ち、受光部１００の上方に、周囲の層間絶縁膜１０２よりも屈折率の高い光導波路１を形成することにより、界面反射による光導波路１内への光の閉じ込めが起こるとともに、層間絶縁膜１０２に漏れ出た光に対しては屈折率の差による集光作用が働くため、受光部１００への集光効率が著しく向上した。

また、カラーフィルター３の表面に形成される反射防止膜４の材料として、その屈折率がカラーフィルター３の屈折率よりも小さく、且つ１．０よりも大きい、屈折率１．４を有するフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を用いることにより、入射光の固体撮像素子表面での反射を低減させることができた。

実施例３の固体撮像素子と、図１に示した、反射防止膜を有さない実施例１の固体撮像素子について、同じ明るさの光源から、固体撮像素子で光電変換される電荷量を測定した。その結果、実施例１の固体撮像素子と比較して、実施例３の固体撮像素子では、電荷量が１４０％に増加しており、実施例３の固体撮像素子は、反射防止膜４により入射光の光量が増加するという効果を有すること認められた。

この様に、本実施の形態の固体撮像素子は、従来の固体撮像素子（従来例１，２）と比較して、斜めに入射する入射光の集光効率が高く、クロストークによる画質の劣化が少なく、入射光を効率よく取り込むことができる。

（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）の断面図である。本実施の形態４が実施の形態２と相違する点は、集光レンズ２上のカラーフィルター３の上に、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）からなる反射防止膜４を形成した点にあり、また実施の形態３と相違する点は、隣り合う集光レンズ２及びカラーフィルター３の間に遮光部５を形成した点にある。遮光部５は、例えば実施の形態３で説明した実施例３の固体撮像装置を形成後、隣り合う集光レンズ２の間に凹部を形成し、その凹部に遮光膜１１０の材料であるアルミニウム（Ａｌ）を形成することにより得た。

上述の方法で形成した遮光部５を備える固体撮像素子（実施例４とする）について、実施例１と同様に、基板に対して垂直に入射する入射光１１４と、基板に対して斜めの角度で入射する入射光１１５の、受光部１００への集光効率を測定した。結果を表４に示す。比較のため、実施の形態１で説明した従来例１，２、実施の形態３で説明した実施例３の測定結果も併せて示している。

表４に示すように、実施例４の固体撮像素子では、垂直に入射した入射光の集光効率を１００とすると、入射角１５°で斜めに入射した入射光の集光効率は９８、入射角３０°で斜めに入射した入射光の集光効率は９５であった。実施例４では、従来例１，２で認められた、得られた画像の中央部に比べて周辺部が暗くなり、且つ、クロストークにより画質が劣化するという現象は認められなかった。

また、実施例４の固体撮像素子と、図３に示した、遮光部５を有さない実施例３の固体撮像素子とを比較すると、隣り合う集光レンズ２の間に遮光部５を形成した実施例４の方が斜め入射光の受光部１００への集光効率が若干ではあるが高く、遮光部５を形成したことによる効果が認められた。

更に、実施例４の固体撮像素子と、図２に示した、反射防止膜を有さない実施例２の固体撮像素子について、同じ明るさの光源から、固体撮像素子で光電変換される電荷量を測定した。その結果、実施例２の固体撮像素子と比較して、実施例４の固体撮像素子では、電荷量が１３５％に増加しており、実施例４の固体撮像素子は、反射防止膜４により入射光の光量が増加するという効果を有すること認められた。

この様に、本実施の形態の固体撮像素子は、従来の固体撮像素子（従来例１，２）と比較して、斜めに入射する入射光の集光効率が高く、クロストークによる画質の劣化が少なく、入射光を効率よく取り込むことができる。

上記の実施の形態１〜４では、固体撮像素子として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、同様の構成のＣＭＯＳであってもよく、この場合にも実施の形態１〜４に説明したのと同様の効果が得られることを確認した。

また、光導波路１の材料は、上述した酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）および酸化チタン（ＴｉＯ₂）に限定されず、層間絶縁膜１０２より大きな屈折率を有する、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）から選ばれたいずれかの材料であればよい。

また、反射防止膜４の材料は、上述したフッ化マグネシウム(ＭｇＦ₂)に限定されず、カラーフィルター３よりも屈折率が小さく、かつ屈折率が１．０よりも大きい材料であればよく、例えばフッ化物、酸化物、または樹脂などの有機物であってもよい。また、反射防止膜４は、カラーフィルター３の表面に形成されることにより、カラーフィルター３の保護膜としての効果も併せ持つ。

集光レンズ２の材料は、透明樹脂および酸化チタン（ＴｉＯ₂）に限定されず、光導波路１の材料として用いられる、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、又は酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）であってもよい。あるいは上記酸化物以外に、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の光学的に透明な酸化物材料や、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の光学的に透明な窒化物材料や、あるいは光学的に透明な有機物材料であってもよい。但し、集光レンズ２に対する入射界面及び出射界面での反射をできるだけ低減するため、集光レンズ２は、光導波路１の材料の屈折率よりも小さく、且つカラーフィルター３の材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料からなることが望ましい。

また、実施の形態１〜４では、光導波路１の形状は円柱形状であるが、本発明はこれに限定されず、例えば多角柱形状等でもよい。また、光導波路１は、基板１３０の法線に直交する断面の面積が該法線方向位置に関わらず略一定である柱状形状である必要はなく、例えば該法線方向に沿って逓増又は逓減するテーパ形状であってもよい。特に、入射側（集光レンズ２側）で断面積が大きく、出射側（受光部１００側）で断面積が小さなテーパ形状であることが好ましい。

実施の形態１〜４においては、１画素のみに着目して固体撮像素子の集光効率の説明を行ったので、カラーフィルターの色の配置については特に言及していない。本発明の固体撮像素子のカラーフィルター３は、通常の固体撮像素子のそれと同様に、３原色を構成する赤、青、緑の各波長帯域の光をそれぞれ透過させる３種のカラーフィルターからなる。この３原色のカラーフィルターの配置は特に限定はない。例えば、赤のカラーフィルターが配置された１画素と、青のカラーフィルターが配置された１画素と、緑のカラーフィルターが配置された２画素とからなる一単位を規則的に配置したベイヤー配列とすることができる。この場合、隣り合う画素のフィルターの色は互いに異なることになる。あるいは、固体撮像素子全体が複数の区画に分割され、各区画に赤、青、緑の各カラーフィルターのいずれかを配置してもよい。あるいは、赤、青、緑の各カラーフィルターがそれぞれ全域に形成された３種の固体撮像素子を複数個組み合わせて配置して固体撮像素子（固体撮像素子集合体）を構成してもよい。いずれの場合でも、従来の固体撮像素子（従来例１，２）と比較して、斜めに入射する入射光の集光効率が高く、クロストークによる画質の劣化が少なく、入射光を効率よく取り込むことができる固体撮像素子が得られる。

本発明の固体撮像素子の利用分野は特に制限はなく、例えば、集光効率が高く、クロストークが少ないという特性が要求される画像読取装置等に適用できる。

本発明の実施の形態１にかかる固体撮像素子の断面図 本発明の実施の形態２にかかる固体撮像素子の断面図 本発明の実施の形態３にかかる固体撮像素子の断面図 本発明の実施の形態３において、エッチバック転写法による集光レンズの一形成工程を示した断面図 本発明の実施の形態３において、エッチバック転写法による集光レンズの一形成工程を示した断面図 本発明の実施の形態３において、エッチバック転写法による集光レンズの一形成工程を示した断面図 本発明の実施の形態３において、エッチバック転写法による集光レンズの一形成工程を示した断面図 本発明の実施の形態３において、エッチバック転写法による集光レンズの一形成工程を示した断面図 本発明の実施の形態４にかかる固体撮像素子の断面図 比較例にかかる固体撮像素子の断面図 従来の一般的な固体撮像素子の一例の断面図 従来の光導波路を有する固体撮像素子の一例の断面図

符号の説明

１ 光導波路
２ 集光レンズ
３ カラーフィルター
４ 反射防止膜
５ 遮光部
１０ 集光レンズ材料薄膜
１１ レジスト
１００ 受光部
１０１ａ 第１の絶縁膜
１０１ｂ 第２の絶縁膜
１０２ 層間絶縁膜
１０３ 層内レンズ
１０４ 第１透明膜
１０５ 第２透明膜
１０６ カラーフィルター
１０７ 保護膜
１０８ オンチップマイクロレンズ
１０９ 転送電極
１１０ 遮光膜
１１１ チヤネルストッパ
１１２ 転送チヤネル
１１３ 読み出しゲ−ト部
１１４ 垂直入射光
１１５ 斜め入射光
１１６ パッシベーション膜
１１７ カラーフィルター
１１８ オンチップマイクロレンズ
１１９ 第１の透明膜
１２０ 第２の透明膜
１２１ 第３の透明膜
１３０ 基板

Claims (11)

1. 表面に２次元に配置された複数個の受光部を備える基板と、
   前記基板上に設けられた絶縁膜と、
   前記絶縁膜に対して前記受光部とは反対側であって、前記受光部が配置された領域以外の前記絶縁膜の領域の上方に設けられた層間絶縁膜と、
   前記絶縁膜に対して前記受光部とは反対側であって、前記受光部が配置された領域に対応する前記絶縁膜の領域上に、前記層間絶縁膜に囲まれて設けられた、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い材料によりなる光導波路と、
   前記光導波路上に設けられた集光レンズと、
   前記集光レンズの表面上に設けられたカラーフィルターと
   を備えることを特徴とする固体撮像素子。
2. 隣り合う前記集光レンズの間に遮光部を更に備える請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記光導波路の材料が、屈折率２．０以上の酸化物である請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光導波路の前記酸化物が、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、又は酸化インジウムである請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記層間絶縁膜の材料が、屈折率１．５以下の酸化物である請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記層間絶縁膜の前記酸化物が、酸化シリコンを主成分とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記カラーフィルターの表面上に反射防止膜を更に備える請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 前記反射防止膜の屈折率が、前記カラーフィルターの屈折率よりも小さく、１．０よりも大きい請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記カラーフィルターが、赤色波長帯域の光を透過させる赤カラーフィルターと、青色波長帯域の光を透過させる青カラーフィルターと、緑色波長帯域の光を透過させる緑カラーフィルターとからなり、前記赤カラーフィルターが配置された１画素と前記青カラーフィルターが配置された１画素と、前記緑カラーフィルターが配置された２画素とを一単位として、前記赤カラーフィルターと前記青カラーフィルターと前記緑カラーフィルターとがベイヤー配列されている請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像素子。
10. 前記カラーフィルターが、赤色波長帯域の光を透過させる赤カラーフィルターと、青色波長帯域の光を透過させる青カラーフィルターと、緑色波長帯域の光を透過させる緑カラーフィルターとからなり、前記固体撮像素子全体が複数の区画に分割され、それぞれの前記区画に前記赤カラーフィルター、前記青カラーフィルター、又は前記緑カラーフィルターが配置されている請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像素子。
11. 赤色波長帯域の光を透過させる赤カラーフィルターが、前記カラーフィルターとして全域に設けられた請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像素子と、
    青色波長帯域の光を透過させる青カラーフィルターが、前記カラーフィルターとして全域に設けられた請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像素子と、
    緑色波長帯域の光を透過させる緑カラーフィルターが、前記カラーフィルターとして全域に設けられた請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像素子と
    が配置されてなる固体撮像素子集合体。
    

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