JP2008042024A

JP2008042024A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2008042024A
Application number: JP2006216032A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Naya; 昌之納谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-02-21
Also published as: US7518800B2; US20080037132A1

Abstract

【課題】受光部の外側への光漏れを防ぎ、集光効率を高める。
【解決手段】固体撮像装置１０は、複数のフォトダイオード１１が形成された半導体基板１５と、絶縁膜１６を介して半導体基板１５の上に形成された転送電極１７と、この転送電極１７を遮光し、フォトダイオード１１に合わせた位置に開口１８が形成された遮光膜２０と、フォトダイオード１１の直上に形成されたインナーレンズ２２と、このインナーレンズ２２の周囲に形成された平坦化層２３と、カラーフィルタ２４とマイクロレンズ２５とを有する。インナーレンズ２２は、上凸及び下凸レンズ２６，２７が形成され、下凸レンズ２７の周囲に反射膜２８が形成されている。マイクロレンズ２５から入射した光は、上凸レンズ２６で集光されて反射膜２８で反射し、下凸レンズ２７の下端部に導かれ、フォトダイオード１１へ入射する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像装置に関するものである。

近年、ＣＣＤなどの固体撮像装置を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像装置では、マトリクス状に配列された受光素子（フォトダイオード）が形成された半導体基板の上面に、各受光素子の位置に合わせた開口を有する遮光膜を形成し、この遮光膜の上方にカラーフイルタを、さらに、固体撮像装置の最上層の位置にいわゆるオンチップマイクロレンズを形成いる。そして、このオンチップマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光を集光し、カラーフイルタ、遮光膜の開口を通過させて各受光素子に受光させる。

一方、最近では、固体撮像装置の小型化、高画素化が益々進んできており、これに伴なって受光素子へ入射光を通過させる開口の面積が小さくなってきている。これにより、従来のマイクロレンズだけでは、受光素子への集光効率が不十分となってきている。そこで、特許文献１に記載されている固体撮像装置では、フォトダイオードとカラーフイルタとの間に位置する層の中に形成されたいわゆる層内レンズ構造を有しており、これによって集光効率を高めている。

さらに上記特許文献１記載の固体撮像装置では、凹型に形成された層内レンズ構造の境界面に反射金属膜を形成しており、この反射金属膜で外部光を反射させてフォトダイオード側へ光を導くようにしている。
特開２００２−９４０３８号公報

しかしながら、上記特許文献１のような構造の固体撮像装置では、受光素子への集光効率が不十分であり、このような固体撮像装置で撮影を行うと、画像の縦方向に光の筋のようなものが現れるノイズ現象の一種、いわゆるスミアが発生してしまうことになる。すなわち、マイクロレンズから入射した光は、本来遮光膜の開口を通って受光素子へ向かうはずであるが、上述したように集光効率が不十分だと、光がその周囲へ広がってしまうため、転送電極へ光が進入してしまうことがある。このようにして光が進入すると、転送電極が転送する電荷信号に影響を及ぼし、スミアを引き起こす原因となる。

また、特許文献１記載の固体撮像装置では、上述したように凹型の層内レンズ構造の境界面に反射金属膜を形成してフォトダイオード側へ光を導こうとしているが、このような反射金属膜を単に形成しただけでは、光の種類によっては、反射金属膜を透過して受光素子の外側へ光が漏れてしまう可能性があり、やはり集光効率が十分でないため、スミアが発生することとなる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、層内レンズ構造の境界面から受光部の外側へ光が漏れ出すことを防止するとともに、集光効率を向上することが可能な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、複数の受光部が形成された半導体基板と、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、前記開口の上方に位置する層内レンズ構造とが形成された固体撮像素子において、前記層内レンズ構造は、上下に向かってそれぞれ凸となる上凸レンズ面及び下凸レンズ面が一体に形成されたインナーレンズからなり、前記上凸レンズ面から入射した光の絞り径が、前記下凸レンズ面の直径よりも小さくなっており、前記下凸レンズ面は、その下端部に位置し、前記上凸レンズ面から入射した光が出射する出射面、及びこの出射面を除く部分で、その外周に反射膜が形成された反射面とからなり、前記上凸レンズ面から入射した光が前記反射膜で反射して前記出射面に導かれ、この出射面から出射した光が前記受光部に入射することを特徴とする。

なお、前記反射膜は、金属からなりスキンデプス以上の膜厚を有することが好ましい。また、前記インナーレンズは、前記受光部で受光する対象となる光の波長をλ、前記インナーレンズの屈折率をｎ、前記出射面の直径をＤ、前記開口の内径をＬとすると、λ/ｎ＜Ｄ＜Ｌの関係が成り立つように形成されることが好ましい。さらにまた、前記インナーレンズは、前記下凸レンズ面の下端部から前記受光部へ向かって延びる導波路が一体に形成されていることが好ましい。

本発明の固体撮像装置では、上下に向かってそれぞれ凸となる上凸レンズ面及び下凸レンズ面が一体に形成されたインナーレンズから層内レンズ構造を構成し、上凸レンズ面から入射した光の絞り径が、下凸レンズ面の直径よりも小さくなっており、下凸レンズ面は、下端部を除く外周面に反射膜が形成されており、上凸レンズ面から入射した光が反射膜で反射して下凸レンズ面の下端部に導かれ、この下端部から出射した光が受光部に入射するので、層内レンズ構造の境界面から光が漏れることを防ぎつつ、受光部への集光効率を向上し、転送電極への光の進入を防いでスミアの発生を防ぐことができる。

また、前記反射膜が金属からなりスキンデプス以上の膜厚を有することによって、層内レンズ構造の境界面から光が漏れることを確実に防ぐことが可能となっている。あるいは、前記受光部で受光する対象となる光の波長をλ、前記インナーレンズの屈折率をｎ、前記出射面の直径をＤ、前記開口の内径をＬとすると、λ/ｎ＜Ｄ＜Ｌの関係が成り立つように前記インナーレンズを形成しているので、下凸レンズ面の内部で反射した光が確実に受光部へと導かれることから、さらに集光効率を向上させることができる。さらにまた、前記インナーレンズには、前記下凸レンズ面の下端部から前記受光部へ向かって延びる導波路が一体に形成されているので、導波路が光を受光部へと確実に導いて集光効率をさらに向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明を適用したＣＣＤの構造について説明する。図１は、平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線（水平転送方向Ｈと平行）における断面図である。なお、図１においては、マイクロレンズ、カラーフイルタなど一部の上面構造を省略している。ＣＣＤ１０は、撮影領域において、２次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード（受光部）１１を有し、このフォトダイオード１１の各列、すなわち垂直転送方向Ｖに沿って垂直転送路１３が設けられて構成されている。

このＣＣＤ１０の断面構造は、図２に示すように、フォトダイオード１１と、このフォトダイオード１１を除く部分に垂直転送路１３を構成する電荷転送部１４が形成された半導体基板１５を備えており、電荷転送部１４の上には、絶縁膜１６を介して転送電極１７が形成される。これら電荷転送部１４及び転送電極１７が垂直転送路１３を構成し、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極１７はドライエッチング法などによって例えば第１ポリシリコンから形成されている。また、絶縁膜１６は、例えば熱酸化法やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってＳｉＯ２から形成される。

さらに、半導体基板１５の上部には、スパッタリング法により例えばアルミニウムなどの金属で形成され、転送電極１７を覆って遮光するとともに、フォトダイオード１１に合わせた位置に形成された開口１８を有する遮光膜２０とが形成されている。開口１８は、フォトダイオード１１よりも１回り小さく、垂直転送方向に沿って長く形成された長方形で、図１に示すように、短辺の寸法をＬ_Ｈ、長辺の寸法をＬ_Ｖとしている。

さらに、フォトダイオード１１の上方にはインナーレンズ２２が形成されており、このインナーレンズ２２の周りを囲むように平坦化層２３が形成されている。平坦化層２３は、その上面が平坦化されるように形成されており、さらのその上面にはカラーフイルタ２４、マイクロレンズ層２５が形成されている。平坦化層２３は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス；屈折率ｎ_１＝１．４〜１．５）などからなり、インナーレンズ２２は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン；屈折率ｎ_２＝１．９〜２．０）などからなる。また、カラーフイルタ２４は、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。マイクロレンズ層２５には凸レンズ面２５ａが形成されており、外部から入射した光をフォトダイオード１１へ向かって集光する。

インナーレンズ２２は、その上面に、上方へ向かってすなわちフォトダイオード１１から離反する方向に沿って突出する上凸レンズ面２６が形成され、下面には、下方へ向かって、すなわちフォトダイオード１１に近接する方向に沿って突出する下凸レンズ面２７が形成されている。上凸レンズ面２６及び下凸レンズ面２７は、いわゆる層内レンズ構造を構成し、上方から上凸レンズ面２６へ入射した光を集光して下凸レンズ面２７へと導く。

下凸レンズ面２７は、図３に示すように、開口１８の内部へと延びるように形成され、その下端部が出射面２７ａ、この出射面２７ａを除く部分が反射面２７ｂとなっており、出射面２７ａがフォトダイオード１１に近接する位置となっている。さらに、下凸レンズ面２７のうち、反射面２７ｂの外周には、遮光膜２０と同様に金属などによって形成された反射膜２８が形成されている。これによって、下凸レンズ面２７から外側へ向かう光をこの反射膜２８で反射させて、フォトダイオード１１へと導く。なお、遮光膜２０を形成する金属としては、例えば金Ａｕ，銀Ａｇ，銅Ｃｕ，アルミニウムＡｌなどが使用される。

本実施形態においては、詳しくは図３に示すように、上凸レンズ面２６は、その焦点位置ｆ_１が、下凸レンズ面２７の上端付近に位置するように形成されている。上凸レンズ面２６には収差があり、上凸レンズ面２６に光が入射するときの位置及び方向によって焦点位置が異なるため、一点には収束せず、図３の絞り径Ｗ_１で示す範囲内が凸レンズ面２５の焦点位置ｆ_１となる。

上述した上凸レンズ面２６による光束の絞り径Ｗ_１は、下凸レンズ面２７の最大直径Ｒ_１よりも小さくなっている。これによって、上凸レンズ面２６からインナーレンズ２２の内部へ入射する光は、焦点位置ｆ_１で絞り径Ｗ_１に絞り込まれて下凸レンズ面２７へ確実に入射する。下凸レンズ面２７へ入射した光は、下凸レンズ面２７の出射面２７ａから出射してフォトダイオード１１へと入射する。

また、本実施形態では、反射膜２８の膜厚Ｔ_１をスキンデプス（浸透深さ）以上にして形成している。これによって、反射面２７ｂから反射膜２８へ入射した光が外側へ漏れ出すことを防止することができる。なお、この膜厚Ｔ_１は、本実施形態においては、Ｔ_１＝２０〜３０ｎｍとしている。

さらにまた、本実施形態では、空気中での光の波長をλ、インナーレンズ２２の屈折率をｎ、開口１８の短辺長さＬ_Ｈ、下凸レンズ面２７の出射面２７ａの直径をＤとすると、光の波長は、屈折率ｎの媒質（インナーレンズ２２）中ではλ/ｎとなり、本実施形態では、λ/ｎ＜Ｄ＜Ｌ_Ｈ‥（１）の関係が成り立つようにインナーレンズ２２を形成する。これによって、下凸レンズ面２７の反射面２７ｂで反射した光が効率良く出射面２７ａから出射し、且つ出射面２７ａから出射した光をフォトダイオード１１に確実に入射させることができる。

なお、上記式（１）で使用する光の波長λは、フォトダイオード１１で受光する対象となる光の種類に合わせるようにすればよい。例えば、カラーフイルタ２４が３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）のうちのいずれかの色に設定されている場合、そのカラーフィルタ２４の色に対応した波長λとすればよい。あるいは、カラーフィルタ２４との対応に関係なく、全ての下凸レンズ面２７の寸法、及び開口１８の寸法を同じにしたいときには、可視光領域の中心となる波長λにしたり、Ｒ，Ｇ，Ｂのうち、最も波長の長いＧ光の波長λに合わせるようにすればよい。

以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、インナーレンズ２２は、上凸レンズ面２６、及び下凸レンズ面２７が形成されており、且つ上凸レンズ面２６による光束の絞り径Ｗ_１が下凸レンズ面２７の最大直径Ｒ_１よりも小さくなっており、さらに下凸レンズ面２７の反射面２７ａの外周に反射膜２８を形成しているので、外部からマイクロレンズ層２５、カラーフィルタ２４、及び平坦化層２３を通って上凸レンズ面２６へ入射した光は、インナーレンズ２２の内部で集光されて下凸レンズ面２７に導かれ、下凸レンズ面２７の出射面２７ａから高い集光効率でフォトダイオード１１へと入射される。さらに、反射膜２８をスキンデプス以上の厚みに形成しており、下凸レンズ面２７の反射面２７ｂから外側へ光が漏れることがないので、フォトダイオード１１の周囲に位置する転送電極１７へ進入することを防ぐことができる。よってスミアの発生を防止し、フォトダイオード１１へ効率良く集光することができる。

なお、上記実施形態では、上凸レンズ面及び下凸レンズ面を一体に形成したインナーレンズ構造を用いた構成を例に上げて説明しているが、本発明はこれに限るものではなく、図４及び図５に示すように、ＣＣＤ５０を構成するインナーレンズ５５には、上凸レンズ面５６と、下凸レンズ面５７と、下凸レンズ面５７の下端部からフォトダイオード１１へと延びる導波路５８とが一体に形成されているものでもよい。なお、図４及び図５に示すＣＣＤ５０では、上記実施形態と同様の構造を用いているものについては同符号を付して説明を省略する。この図４及び図５に示すように、下凸レンズ面５７及び導波路５８の外周には、反射膜５９が形成されており、下凸レンズ面５７および導波路５８から外側へ光が漏れることを防止している。上凸レンズ面５６は、上記実施形態と同様に光を絞り径Ｗ_２に集光して下凸レンズ面５７へと導く。なお、上凸レンズ面５６の絞り径絞り径Ｗ_２は、下凸レンズ面５７の最大直径Ｒ_２より小さく形成されているので、上凸レンズ面５６から入射する光は、焦点位置ｆ_２で絞り径Ｗ_２に絞り込まれて確実に下凸レンズ面２５へ入射する。そして、下凸レンズ面５７では、反射膜５９によって反射した光が導波路５８へと進入する。下凸レンズ面５７から進入した光は導波路５８によって下方へ導かれてフォトダイオード１１に入射するので、集光効率が向上する。なお、反射膜５９の膜厚Ｔ_２は、上記実施形態と同様２０〜３０ｎｍであり、スキンデプス以上の厚みがあればよい。

本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。

第１実施形態を実施した固体撮像装置の一例を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ線における要部断面図である。インナーレンズ付近を拡大した要部断面図である。第１実施形態の変形例を示す要部断面図である。インナーレンズの変形例の構成を示す要部断面図である。

符号の説明

１０，５０ＣＣＤ（固体撮像装置）
１１フォトダイオード（受光部）
１５半導体基板
１７転送電極
１８開口
２０遮光膜
２２，５５インナーレンズ
２６，５６上凸レンズ面
２７，５７下凸レンズ面
２８，５９反射膜
５８導波路

Claims

複数の受光部が形成された半導体基板と、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、前記開口の上方に位置する層内レンズ構造とが形成された固体撮像装置において、
前記層内レンズ構造は、上下に向かってそれぞれ凸となる上凸レンズ面及び下凸レンズ面が一体に形成されたインナーレンズからなり、前記上凸レンズ面から入射した光の絞り径が、前記下凸レンズ面の直径よりも小さくなっており、前記下凸レンズ面は、その下端部に位置し、前記上凸レンズ面から入射した光が出射する出射面、及びこの出射面を除く部分で、その外周に反射膜が形成された反射面とからなり、前記上凸レンズ面から入射した光が前記反射膜で反射して前記出射面に導かれ、この出射面から出射した光が前記受光部に入射することを特徴とする固体撮像装置。
前記反射膜は、金属からなりスキンデプス以上の膜厚を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記インナーレンズは、前記受光部で受光する対象となる光の波長をλ、前記インナーレンズの屈折率をｎ、前記出射面の直径をＤ、前記開口の内径をＬとすると、λ/ｎ＜Ｄ＜Ｌの関係が成り立つように形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
前記インナーレンズは、前記下凸レンズ面の下端部から前記受光部へ向かって延びる導波路が一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像装置。