JP2006147991A - 固体撮像素子及びそれを有する光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換部と絶縁膜との界面での光の反射を低減し、フレアやゴーストなどのノイズ光の発生を抑制するとともに、高感度な固体撮像素子を得ること。
【解決手段】 シリコンからなる基板に、入射した光の強度に応じて電荷を発生させる光電変換素子を形成した固体撮像素子であって、
該光電変換素子の光入射側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜を介して、微細凹凸構造体が形成されていること。
【選択図】 図１

Description

本発明はＣＭＯＳやＣＣＤ等の固体撮像素子に関し、特に受光部の感度の低下を抑制した高感度の固体撮像素子を有したデジタルカメラ、ビデオカメラ、電子スチルカメラ等の光学機器に好適なものである。

近年、ＣＭＯＳやＣＣＤに代表される固体撮像素子は、高精彩な画像を得るために多画素化が進み、かつ、携帯電話やＰＤＡなどのいわゆるモバイル端末に搭載するために小型化が求められ、これによって一画素あたりの面積が非常に小さくなり、感度が低下する傾向があった。

また、固体撮像素子の内部構造に着目すると、シリコンで形成された光電変換素子（光電変換部）とその上に形成された絶縁膜とでは、光の屈折率が大きく異なることから、各境界面から全体として入射光の２０％近くないしはそれ以上の光を反射してしまい感度が低下する傾向があった。

又、別の部位、部材で再度反射してきた光が光電変換部に入射することにより、フレアやゴーストなどのノイズ光が発生する原因となっている。

光電変換部（受光部）の前側（光入射側）に反射防止手段を設けて、受光感度の低下を少なくした固体撮像素子が知られている（特許文献１,２）。
特開２０００−１２８２２号公報 特開２００３−２４９６３９号公報

特許文献１は、受光部（光電変換部）の上に厚さ１００〜２００ｎｍのＳｉＯ_２により成るゲート酸化膜（絶縁膜）を介して厚さ６０ｎｍ程度のシリコン窒化膜より成る反射防止膜を形成することで、光電変換部（受光部）での光の反射を抑制する構造のＭＯＳ型固体撮像装置を提案している。

特許文献１のＭＯＳ型固体撮像装置は、反射防止膜に求められる屈折率の観点から、シリコン窒化膜（波長５５０ｎｍにおける屈折率約２．０４）は、シリコン（波長５５０ｎｍにおける複素屈折率４．０８−０．０４ｉ）とシリコン酸化膜（波長５５０ｎｍにおける屈折率１．４６）の界面の反射を完全に防止することが難しい。

また、この構成はシリコン窒化膜の厚さに対応した１つの特定の波長に対して高い反射防止効果が得られても、異なる波長に対しては反射防止効果が低下してしまい、結局、抑制しきれなかった反射光はフレアやゴーストの発生原因となる。

特許文献２はフォトダイオード（光電変換部）とシリコン酸化膜からなる絶縁膜の界面に屈折率が連続的に単調変化する凹凸形状を設け光の反射を防止することで、反射に起因した見掛けの感度の低下の問題を改善または解消するとともに、スミアに起因した撮像性能の低下の問題を改善または解消した固体撮像装置を提案している。

特許文献２の固体撮像装置は、そこに記載されているように、フォトダイオード表面にエッチングなどにより凹凸形状を形成した場合、エッチング時のプラズマダメージやシリコンの格子欠陥の発生、金属汚染の侵入などによりノイズの発生が著しく増大してくることがある。

また、プラズマダメージや汚染などのない方法でエッチングすることができたとしても、その後の熱プロセスにより、シリコン酸化膜との熱膨張係数の違いなどによる応力で格子欠陥が生じてノイズの発生原因となり、実質感度の向上が難しい。

本発明は、光電変換部への光の透過量を向上するとともに、反射光が少なく、フレアやゴーストなどのノイズ光を抑制した、高感度な固体撮像素子及びそれを有する光学機器の提供を目的とする。

本発明の固体撮像素子は、基板に入射した光の強度に応じて電荷を発生させる光電変換部を形成した固体撮像素子であって、
該光電変換素子の光入射側に薄膜を介して、凹凸構造体を有することを特徴としている。

本発明によれば、光電変換部への光の透過量を向上するとともに、反射光が少なく、フレアやゴーストなどのノイズ光を抑制した、高感度な固体撮像素子及びそれを有する光学機器が得られる。

図１は、本発明の実施例１の固体撮像素子の要部断面図である。

図１において、固体撮像素子１は、シリコン基板２に複数の光電変換部３（３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ）、絶縁膜としてのシリコン酸化膜より成るゲート酸化膜（薄膜）４、ゲート電極５、層間絶縁膜６、金属配線７、赤色フィルタ８Ｒ、緑色フィルタ８Ｇ、青色フィルタ８Ｇを有するカラーフィルタ８、マイクロレンズ９を有している。光電変換部（フォトダイオード）３の上（光入射側）には、シリコン酸化膜よりなる厚さ５０Å（５ｎｍ）のゲート酸化膜（薄膜）４を介して、反射防止用の単結晶シリコンよりなる複数の微細凹凸部１０ａを２次元的に配置した微細凹凸構造体１０が形成されている。

実施例１の固体撮像素子１は、固体撮像素子１の光電変換部の光入射側に絶縁膜４を介して、シリコンを主要な材料とする微細凹凸構造体１０を設けている。

微細凹凸構造体１０はＳＷＳ（Sub Wave length Structure）と呼ばれ、可視光と同等以下のピッチで微細形状を形成することで界面反射光量を抑制する素子である。微細凹凸構造体は、半導体製造プロセス（リソグラフィー）を利用して製造している。

図２は、図１の単結晶シリコンよりなる微細凹凸構造体１０近傍の部分を拡大した斜視図である。実施例１では、微細凹凸構造体１０の微細凹凸部１０ａを複数の四角錐を周期的に敷きつめた形状としており、微細凹凸構造体１０の四角錘１０ａの底面から頂点までの高さｈは
１００Å≦ｈ≦５０００Å
としている。

実施例１では高さｈは、１４００Å（１４０ｎｍ）、１つの四角錐１０ａの底面の一辺ｐを０．２μｍとした。

図３に、図１に示す構造を有する固体撮像装置１に入射した光の透過率、反射率及び吸収率を示す。なお、ここで示した値は、層間絶縁膜６中から微細凹凸構造体１０、ゲート酸化膜４を経て光電変換部３に至る光線の透過率、反射率、吸収率を表したものであって、カラーフィルタ８と層間絶縁膜６の界面、カラーフィルタ８とマイクロレンズ９の界面、空気とマイクロレンズ９の界面での透過、反射、吸収などは考慮していない。

図４は、実施例１と比較のための、このような微細凹凸構造体１０を設けていない固体撮像素子１ａの要部断面図である。

図５は図４において、固体撮像素子１ａでの層間絶縁膜６とシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜４を経てシリコンよりなる光電変換部３に入射した光の透過率、反射率および吸収率である。

図３と図５の比較から、実施例１による固体撮像素子１は、図４の固体撮像素子１ａに比べて以下のような特徴を有する。

（Ａ１）波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視域全域にわたって、透過率が大きく向上している。

（Ａ２）波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視域全域にわたって、反射率が非常に低い。

従って実施例１の固体撮像素子１は、（Ａ１）の点から、透過量の増加により固体撮像素子の感度の向上が達成でき、（Ａ２）の点から、反射光によるフレアやゴーストなどノイズ光の発生が少ないクリアで高品位な画像の撮影が容易である。

また、実施例１の固体撮像素子では、微細凹凸構造体１０として単結晶シリコンを用いたために、同構造体により若干の光の吸収が起こっているが、これらの光は従来の固体撮像素子では透過しなかった光が反射してしまい、フレアやゴーストなどのノイズ光の原因になるのに比べ、何ら問題となるものではない。

さらに、特許文献１による固体撮像素子では、絶縁層上に誘電体による反射防止膜を形成しているために、光電変換部への光の透過率の向上は期待できるものの透過しなかった光は反射光となるため、フレアやゴーストなどのノイズ光が発生する場合がある。

ところで、実施例１では微細凹凸構造体１０として、単結晶シリコンを用いたが、これに限定するものではなく、シリコンを主要な材料とするものであれば多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどでも構わない。

特に、多結晶シリコンを用いた場合は、ゲート電極５と同時に形成したものを流用可能なので、製造上の観点からも好ましい。単結晶シリコンと比較して、多結晶シリコン、アモルファスシリコンは複素屈折率の虚数成分が大きくなるため、光の吸収率が若干高いものとなってしまうので、好ましくはできるだけ結晶性の高い多結晶シリコンないしは単結晶シリコンが好ましい。この他Ｇｅ（ゲルマニウム）等他の高屈折率材料を用いても良い。

また、実施例１では、微細凹凸構造体１０の構造部１０ａを四角錐形状とし、底面から頂点までの高さを１４００Åとしたが、ある程度の高さのばらつきがあっても良い。

図６,図７に四角錘形状の高さが１１００Åに変化した場合と１７００Åに変化した場合の透過率、反射率及び吸収率をそれぞれ示す。

図６，図７に示したように、微細凹凸構造体１０の微細構造部１０ａは、高さがばらついても透過率、反射率および吸収率が大きく変化することは少ない。

同様にして、実施例１では、微細凹凸構造体１０の微細構造部１０ａを四角錐形状を含む略４角錐形状としたが、これに限定するものではなく、若干構造体の角が丸まっていたり、四角錐以外の多角錐を含む略多角錘あるいは円錐を含む略円錐になっていてもよく、また錐形状の頂点が平らな台形錐形状を含む略台形錘形状となっていても構わない。

さらに実施例１では、微細凹凸構造体１０の微細構造部１０ａを四角錐形状とし、その底面の一辺ｐを０．２μｍとしたが、これに限定するものではなく、入射光が回折しない程度、すなわち０．４μｍ以下であればよく、また、四角錐形状が整然と配列しているような周期的な構造である必要もない。

また、カラーフィルタ８を通過する入射光の青帯域（波長〜４５０ｎｍ）を光電変換する部位（画素）３Ｂ、緑帯域（波長〜５５０ｎｍ）を光電変換する部位（画素）３Ｇ、赤帯域（波長〜６５０ｎｍ）を光電変換する部位（画素）３Ｒごとに、微細凹凸構造体１０の微細構成部１０ａの高さや形状そしてピッチ等を変えても良い。

図８は、本発明の実施例２の固体撮像素子の要部断面図である。

実施例２は実施例１に比べて微細凹凸構造体１０の構成が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。

図８において、固体撮像素子１は、シリコン基板２に光電変換部（フォトダイオード）３、ゲート酸化膜４、ゲート電極５、層間絶縁膜６、金属配線７、カラーフィルタ８、マイクロレンズ９を有している。

光電変換部（フォトダイオード）３の上（光入射側）には、シリコン酸化膜よりなる厚さ５０Åのゲート酸化膜４を介して、反射防止用の単結晶シリコンよりなる微細凹凸構造体１０が形成されている。

図９は、図８の単結晶シリコンよりなる微細凹凸構造体１０近傍の部分を拡大した斜視図である。

実施例２では、微細凹凸構造体１０を複数の直方体１０ａをある間隔で配列した形状としている。直方体１０ａの高さｈは６００Å、配列の間隔ｐは０．１μｍとし、直方体１０ａを上から見た形状はすべて正方形であり、一辺の幅ｗは、入射光の青帯域（波長〜４５０ｎｍ）を光電変換する部位（画素）３Ｂでの微細凹凸部１０Ｂは６３ｎｍ、緑帯域（波長〜５５０ｎｍ）を光電変換する部位（画素）３ａの微細凹凸部１０Ｇでは７１ｎｍ、赤帯域（波長〜６５０ｎｍ）を光電変換する部位（画素）３Ｒでの微細凹凸部１０Ｒでは７８ｎｍとしている。

即ち、微細凹凸部１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒの空間占有率Ｆ（=w²/p²）をＦ１０Ｂ，Ｆ１０Ｇ，Ｆ１０Ｒとするとき
Ｆ１０Ｂ＜Ｆ１０Ｇ＜Ｆ１０Ｒ
となるようにしている。

図１０に図８に示す構造を有する固体撮像素子１の青帯域用の画素３Ｂに入射する光の透過率、反射率及び吸収率を、図１１に緑帯域用の画素３Ｇに入射する光の透過率、反射率及び吸収率を、図１２に赤帯域用の画素３Ｒに入射する光りの透過率、反射率及び吸収率をそれぞれ示す。

なお、ここで示した値は、層間絶縁膜６中から微細凹凸構造体１０、ゲート酸化膜４を経て光電変換部３にいたる光線の透過率、反射率、吸収率を表したものであって、カラーフィルタ８と層間絶縁膜６の界面、カラーフィルタ８とマイクロレンズ９の界面、空気とマイクロレンズ９の界面での透過、反射、吸収などは考慮していない。

比較のために、前述した図４のような微細凹凸構造体１０を設けていない固体撮像素子でのシリコン酸化膜よりなるゲート酸化膜とシリコンよりなる光電変換部での入射した光の透過率、反射率および吸収率を示した図５と比較すると、青帯域の画素については図１０と図５の比較から、緑帯域の画素については図１１と図５の比較から、赤帯域の画素においては図１２と図５の比較から、いずれも実施例２による固体撮像素子の方が従来の固体撮像素子に比べ、透過率が大きく向上しているとともに、反射率が非常に低いことが分かる。

従って、実施例２の固体撮像素子は、感度の向上とフレアやゴーストの低減を同時に達成した、クリアで高品位な画像が撮影可能である。

また、実施例２の固体撮像素子では、微細凹凸構造体として単結晶シリコンを用いたために、同構造体により若干の光の吸収が起こっているが、これらの光は従来の固体撮像素子では透過しなかった光が反射してしまい、フレアやゴーストなどのノイズ光の原因になるのに比べ、何ら問題となるものではない。

ところで、実施例２では微細凹凸構造体として、単結晶シリコンを用いたが、これに限定するものではなく、シリコンを主要な材料とするものであれば多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどでも構わない。

特に、多結晶シリコンを用いた場合は、ゲート電極５と同時に形成したものを流用可能なので、製造上の観点からも好ましい。

単結晶シリコンと比較して、多結晶シリコン、アモルファスシリコンは複素屈折率の虚数成分が大きくなるため、光の吸収率が若干高いものとなってしまうので、好ましくはできるだけ結晶性の高い多結晶シリコンないしは単結晶シリコンが好ましい。この他Ｇｅ（ゲルマニウム）等他の高屈折率材料を用いても良い。

また、実施例２では、微細凹凸構造体１０の構造部１０ａを四角柱形状としたが、これに限定するものではなく、若干構造体の角が丸まっていたり、四角柱以外の多角柱や円柱、楕円柱の形状になっていても構わない。

さらに実施例２では、微細凹凸構造体を四角柱とし、配列の間隔ｐを０．１μｍとしたが、これに限定するものではなく、入射光が回折しない程度、すなわち０．４μｍ以下であればよい。

また、実施例２では、青帯域用、緑帯域用、赤帯域用全ての画素で微細凹凸構造体の高さを同じ６００Åとし、一辺の幅だけを変化させたが、これに限定するものではなく、画素ごとに高さを変化させても良い。

以上説明したように、本発明の各実施例によれば、固体撮像素子における光電変換部と層間絶縁膜との界面での光の反射を低減し、フレアやゴーストなどのノイズ光の発生を抑制するとともに光の透過率も向上し、高感度な固体撮像素子を実現することができる。

次に本発明の固体撮像素子を撮像手段として用いたカメラ（光学機器）の実施例を図１３を用いて説明する。

図１３において、２０はカメラ本体、２１はズームレンズによって構成された撮影光学系、２２は撮影光学系２１によって被写体像を受光するＣＣＤやＣＭＯＳ等の本発明に係る固体撮像素子、２３は固体撮像素子２２が受光した被写体像を記録する記録手段、２４は不図示の表示素子に表示された被写体像を観察するためのファインダーである。

上記表示素子は液晶パネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像が表示される。

このように本発明の固体撮像素子をカメラ等の光学機器に適用することにより、小型で高い光学性能を有する光学機器を実現している。

本発明の実施例１の要部断面図 本発明の実施例１に係る微細凹凸構造体の拡大斜視図 本発明の実施例１の固体撮像素子における光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 従来の固体撮像素子の要部断面図 従来の固体撮像素子における光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 本発明の実施例１に係る微細凹凸構造体の高さが１１００Åとなった場合の光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 本発明の実施例１に係る微細凹凸構造体の高さが１７００Åとなった場合の光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 本発明の実施例２の要部断面図 本発明の実施例２に係る微細凹凸構造体の拡大斜視図 本発明の実施例２の固体撮像素子における青帯域用画素の光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 本発明の実施例２の固体撮像素子における緑帯域用画素の光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 本発明の実施例２の固体撮像素子における赤帯域用画素の光電変換部と層間絶縁膜界面での光の透過率・反射率・吸収率の説明図 本発明の光学機器の要部概略図

符号の説明

１ 固体撮像素子
２ シリコン基板
３ 光電変換素子（フォトダイオード）
４ ゲート酸化膜
５ ゲート電極
６ 層間絶縁膜
７ 金属配線
８ カラーフィルタ
９ マイクロレンズ
１０ 反射防止構造体
２０ カメラ本体
２１ 撮影光学系
２２ 固体撮像素子
２３ 記録手段
２４ ファインダー（不図示）

Claims (10)

1. 基板に入射した光の強度に応じて電荷を発生させる光電変換部を形成した固体撮像素子であって、
   該光電変換素子の光入射側に薄膜を介して、凹凸構造体を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記薄膜は、厚さが１０Å以上５００Å以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記薄膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光電変換部はシリコンで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記凹凸構造体は、複数の凹凸部を２次元的に配置して構成されており、該凹凸部は、光入射側から前記光電変換部側に向かって徐々に体積占有率が増加する形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記凹凸構造体は、複数の凹凸部を２次元的に配置して構成されており、該凹凸部は略四角錐形状、又は略円錐形状、又は略台形四角錐形状又は略台形円錐形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 該凹凸構造体の高さは、１００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記凹凸構造体は、単結晶シリコン又は多結晶シリコン又はアモルファスシリコンを材料とすることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
9. 前記基板に形成された複数の光電変換部と、各光電変換部の光入射側に前記凹凸構造体と複数の種類のカラーフィルタとを有し、
   該凹凸部の高さ又は／及びピッチは、カラーフィルタの種類に応じて異なることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
10. 請求項１から９のいずれか１項記載の固体撮像素子と
    を有することを特徴とする光学機器。