JP2009218357A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオード部の上には同一の膜厚を有する反射防止膜が設けられているので、受光する光の波長によっては受光部の上面における反射を効果的に抑制できない場合がある。
【解決手段】固体撮像素子は半導体基板１００を備えており、半導体基板１００の第１の領域には第１の受光部が形成されている。また、固体撮像素子は、第１の受光部の上面における光の反射を防止する第１の反射防止層１１３ａを備えており、第１の反射防止層１１３ａの上面は凸凹に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光部の表面上に反射防止層を備えた固体撮像素子に関する。

固体撮像素子は、近年益々小型化かつ多画素化が要求されており、そのため画素の縮小化が進められている。ところが、画素の縮小に伴い感度が低下するのに対し、開口率の縮小による感度低下を補償し、感度を向上させることが求められている。このような固体撮像素子においては、シリコン酸化膜系材料とシリコン基板との屈折率の差によりシリコン基板の表面において入射光が反射するため、受光部（以下、「フォトダイオード部」と称する）まで到達する光の強度が損失し、感度の低下を招くという問題がある。

この問題を解決するために、フォトダイオード部の上方にシリコン窒化膜からなる反射防止膜を設けることにより、多重干渉効果を利用して入射光の反射を低減し、感度の向上を図ることが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

以下、従来の固体撮像素子について図５を用いて説明する。図５は、従来の反射防止膜を備えた固体撮像素子を示す断面図である。

従来の固体撮像素子では、ｎ型基板領域２０１と、ｎ型基板領域２０１上に形成されたｐ型ウェル２０２と、ｐ型ウェル２０２上に形成されたフォトダイオード部２２１、垂直電荷転送部２２２及び読み出し部２２３とが、シリコンからなる半導体基板２００に設けられている。フォトダイオード部２２１は、ｎ^＋型拡散領域２０３及びｐ^＋型拡散領域２０４を有し、垂直電荷転送部２２２は、転送チャネル領域となるｎ型拡散領域２０５及びｐ型拡散領域２０６を有している。読み出し部２２３は、フォトダイオード部２２１に蓄積された電荷を読み出すために、フォトダイオード部２２１と垂直電荷転送部２２２との間に設けられｐ型ウェル２０２上に形成されたｐ型拡散領域２０７を有している。

垂直電荷転送部２２２のｎ型拡散領域２０５上には、それぞれ、ゲート絶縁膜２０９を介してゲート電極２１０が形成されており、ゲート電極２１０上には層間絶縁膜２１１を介してゲート電極２１０を覆うように遮光膜２１２が形成されている。また、フォトダイオード部２２１のｐ^＋型拡散領域２０４上には、平坦な上面を有するシリコン窒化膜からなる反射防止膜２１３が形成されており、反射防止膜２１３及び遮光膜２１２の上には層間絶縁膜２１４が形成されている。また、読み出し部２２３から見てフォトダイオード部２２１を挟んだ反対側には、水平方向に隣接する画素部の垂直電荷転送部２２２とそのフォトダイオード部２２１とを分離するためのｐ型拡散領域２０８からなるチャネルストップ部２２４が、形成されている。そして、フォトダイオード部２２１の上方には、層間絶縁膜２１４を介してマイクロレンズ２１５が形成されている。さらに、マイクロレンズ２１５の上方には、図示は省略しているが、オンチップカラーフィルタ及びオンチップレンズが形成されている。ここで、オンチップカラーフィルタの構成について、図６を用いて簡単に説明する。オンチップカラーフィルタは、原色であればＲ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の組み合わせを構成単位とし、これを周期的に例えば市松状に配列した構成となっている。各色の光波長は一般に、Ｒ：略７００ｎｍ, Ｇ：略５００ｎｍ, Ｂ：略４００ｎｍである。
特開昭６３−１４４６６号公報 特開平４−１５２６７４号公報

しかしながら、従来の固体撮像素子では、オンチップカラーフィルタによってフォトダイオード部が受光する光の波長が異なる場合であっても、フォトダイオード部の上には同一の膜厚を有する反射防止膜が設けられている。このため、フォトダイオード部が受光する光の波長によっては、フォトダイオード部へ入射する光がフォトダイオード部の上面で反射することを効果的に抑制できないという問題がある。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであって、受光部に入射する光の波長領域に応じた凹凸構造を反射防止層に形成することにより、受光部に入射する光の全ての波長領域（全ての可視光）に対してその入射光の反射を効果的に抑制し、出力画像の画質が良好であり且つ高感度な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板と、第１の受光部と、第１の反射防止層とを備えている。第１の受光部は、半導体基板における第１の領域に形成されている。第１の反射防止層は、第１の受光部の上面における光の反射を防止し、上面が凸凹に形成されている。この場合、前記第１の受光部が受光する光は、赤色光又は緑色光などの比較的長波長な光であることが好ましい。

これにより、第１の受光部の上面における光の反射を防止することができるので、第１の受光部が受光する光の強度の損失を防止できる。

本発明の固体撮像素子は、第２の受光部および第２の反射防止層をさらに備えていることが好ましい。ここで、第２の受光部は、半導体基板における第２の領域に形成されている。第２の反射防止層は第２の受光部の上面における光の反射を防止し、上面が凸凹に形成されている。そして、第１の反射防止層の凹凸における隣り合う凹部間の第１のピッチは、第２の反射防止層の凹凸における隣り合う凹部間の第２のピッチよりも広いことが好ましい。この場合、第２の受光部は第１の受光部が受光する光よりも短波長な光を受光することが好ましく、第１の受光部が赤色光を受光する場合には第２の受光部は緑色光を受光する。

これにより、第２の受光部の上面における光の反射を防止することができる。また、固体撮像素子が相異なる波長の光を受光する場合であっても、光の波長に関係なく光の強度が損失することを防止できる。

本発明の固体撮像素子では、第１および第２の受光部は、それぞれ、第１および第２のｎ型拡散領域と、第１および第２のｐ型拡散領域とを備えていることが好ましい。第１および第２のｐ型拡散領域は、それぞれ、第１および第２のｎ型拡散領域上に形成されている。そして、第１のｐ型拡散領域は、第２のｐ型拡散領域に比べて接合深さが深いことが好ましい。これにより、光の感度を向上させることができる。

本発明の固体撮像素子は、第３の受光部および第３の反射防止層をさらに備えていることが好ましい。ここで、第３の受光部は、半導体基板における第３の領域に形成されている。第３の反射防止層は第２の受光部の上面における光の反射を防止し、上面が凸凹に形成されている。そして、第３の受光部は、第１および第２の受光部が受光する光よりも短波長な光（例えば青色光）を受光する。

これにより、第３の受光部の上面における光の反射を防止することができる。また、固体撮像素子が光の三原色である赤色光、緑色光および青色光のいずれを受光した場合であっても、受光部が受光する光の強度の損失を防止することができる。

第１の反射防止層は、後述の好ましい実施形態では第１の受光部の上面上に形成されたシリコン窒化膜であり、後述の別の好ましい実施形態では第１の受光部の上面に凸凹が形成されたものである。

本発明の構成によれば、上面が凸凹に形成されている反射防止層が設けられているので、受光部の上面における光の反射の防止効果を向上させることができ、光の感度特性の高い固体撮像素子を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の断面図である。

図１に示すように、本発明の固体撮像素子では、ｎ型基板領域１０１と、ｎ型基板領域１０１上に形成されたｐ型ウェル１０２と、ｐ型ウェル１０２上に形成されたフォトダイオード部１２１、垂直電荷転送部１２２及び読み出し部１２３とが、シリコンからなる半導体基板１００に設けられている。フォトダイオード部１２１は、ｐ型ウェル１０２上に形成されたｎ^＋型拡散領域１０３と、ｎ^＋型拡散領域１０３上に形成されたｐ^＋型拡散領域１０４とを有している。また、垂直電荷転送部１２２は、転送チャネル領域となるｎ型拡散領域１０５と、ｎ型拡散領域１０５の下部に設けられたｐ型拡散領域１０６とを有している。読み出し部１２３は、フォトダイオード部１２１に蓄積された電荷を読み出すために、フォトダイオード部１２１と垂直電荷転送部１２２との間に設けられｐ型ウェル１０２上に形成されたｐ型拡散領域１０７を有している。

半導体基板１００における垂直電荷転送部１２２のｎ型拡散領域１０５上には、ゲート絶縁膜１０９を介してゲート電極１１０が形成されており、ゲート電極１１０上には層間絶縁膜１１１を介してゲート電極１１０を覆うように遮光膜１１２が形成されている。そして、半導体基板１００におけるフォトダイオード部１２１のｐ^＋型拡散領域１０４上には、上面が凸凹に形成されているシリコン窒化膜からなる反射防止層１１３が形成されている。この反射防止層１１３は、反射防止層１１３上に形成される層間絶縁膜１１４の複素屈折率よりも大であり且つ半導体基板１００よりも小なる複素屈折率を持っている。遮光膜１１２にはフォトダイオード部１２１上に開口１１２ａが設けられており、反射防止層１１３及び遮光膜１１２の上には層間絶縁膜１１４が形成されている。また、読み出し部１２３から見てフォトダイオード部１２１を挟んだ反対側には、水平方向に隣接する画素部を構成する垂直電荷転送部１２２ａとそのフォトダイオード部１２１とを分離するためのｐ型拡散領域１０８からなるチャネルストップ部１２４が、形成されている。そして、フォトダイオード部１２１の上方には、層間絶縁膜１１４を介してマイクロレンズ１１５が形成されている。なお、図中において、ｎ型拡散領域１０５ａ及びｐ型拡散領域１０６ａを有する垂直電荷転送部１２２ａ、ゲート絶縁膜１０９ａ、及びゲート電極１１０ａは、隣接する画素部を構成するものである。

さらに、マイクロレンズ１１５の上方には、図示は省略しているが、オンチップカラーフィルタ及びオンチップレンズが形成されている。

本実施形態の反射防止層における凹部の深さ及び隣り合う凹部間のピッチは、受光する光の波長によって設定される。図２は、本発明に係る固体撮像素子における反射防止層を示す断面拡大図であり、（ａ）は波長の長い赤色光を受光する領域（第１の領域）に設けられた反射防止層（第１の反射防止層）１１３ａの断面図であり、（ｂ）は波長の短い緑色光を受光する領域（第２の領域）に設けられた反射防止層（第２の反射防止層）１１３ｂの断面図であり、（ｃ）は最短波長である青色光を受光する領域（第３の領域）に設けられた反射防止層（第３の反射防止層）１１３ｃの断面図である。

なお、赤色光を受光する領域上には、赤色光を受光するフォトダイオード部（第１の受光部）が設けられており、そのフォトダイオード部の上面上に、反射防止層１１３ａが形成されている。同様に、緑色光を受光する領域上には、緑色光を受光するフォトダイオード部（第２の受光部）が設けられており、そのフォトダイオード部の上面上に、反射防止層１１３ｂが形成されている。同じく、青色光を受光する領域上には、青色光を受光するフォトダイオード部（第３の受光部）が設けられており、そのフォトダイオード部の上面上に、反射防止層１１３ｃが形成されている。

反射防止層において隣り合う凹部間のピッチは、受光部が受光する光の波長の略１／４に設定されている。例えば、波長の長い赤色光を受光する領域に形成する反射防止層１１３ａは、図２（ａ）に示すように、厚さ４００ｎｍのシリコン窒化膜の上面に、幅Ｗ１が１５０ｎｍであり深さＤ１が３００ｎｍである凹部が１５０ｎｍのピッチＰ１（第１のピッチ，別の言い方をすると凸部の幅）で設けられている。一方、波長の短い緑色光を受光する領域に形成する反射防止層１１３ｂは、図２（ｂ）に示すように、厚さが４００ｎｍのシリコン窒化膜の上面に、幅Ｗ２が１１０ｎｍであり深さＤ２が３００ｎｍである凹部が１１０ｎｍのピッチＰ２（第２のピッチ，別の言い方をすると凸部の幅）で設けられている。従って、波長の長い赤色光を受光する領域に形成する反射防止層１１３ａにおける凹部間のピッチＰ１は、波長の短い緑色光を受光する領域に形成する反射防止層１１３ｂにおける凹部間のピッチＰ２よりも大きい。ここでは、厚さが４００ｎｍのシリコン窒化膜に対して深さ３００ｎｍの凹部を設け、凹部の底面下に厚さ１００ｎｍのシリコン窒化膜が残存するようにしたが、凹部の底面下にシリコン窒化膜を残存させる必要は必ずしもない。また、最短波長である青色光を受光する領域に形成する反射防止層１１３ｂにおいては、図２（ｃ）に示すように、上面に凹凸部を設けず、上面が平坦な厚さ４００ｎｍのシリコン窒化膜で設けられている。これは、最短波長である青色光の場合、凹部の深さ（３００ｎｍ）よりも青色光の波長の方が短いため、吸収が大きくなり、凹凸部を設けることによる感度の向上が見込めないためである。

また、反射防止層１１３下に位置するフォトダイオード部１２１におけるｐ^＋型拡散領域１０４の接合深さは、受光する光の波長に応じて変えることが望ましい。すなわち、波長の長い赤色光を受光するフォトダイオード部におけるｐ^＋型拡散領域（第１のｐ型拡散領域）の接合深さＸｊ１は、波長の短い緑色光を受光するフォトダイオード部におけるｐ^＋型拡散領域（第２のｐ型拡散領域）の接合深さＸｊ２に比べて深く、最短波長である青色光を受光するフォトダイオード部におけるｐ^＋型拡散領域の接合深さＸｊ３は、波長の短い緑色光を受光するフォトダイオード部におけるｐ^＋型拡散領域の接合深さＸｊ２に比べて浅い。これにより、各光波長における感度特性をさらに高めることができる。

また、反射防止層１１３に設ける凹凸部は、ストライプ状の配置のみならず、市松状に配置しても同様な効果を得ることができる。

図３は、本発明の反射防止層における可視光の反射率を示した図であり、横軸には反射防止層の凹部領域と凸部領域とを示し、縦軸には反射率を示している。図３に示すように、凸部領域の反射率に比べて凹部領域の反射率が低く、反射防止層に凹凸を設けることにより全体的な反射率が低下し、反射抑制効果が高いことがわかる。

以上のように本実施形態によれば、フォトダイオード部上に形成された反射防止層の上面に凹凸が設けられているため、反射抑制効果が高く、感度特性の高い固体撮像素子を得ることができる。さらに、受光する光波長に応じて反射防止層における凹部間のピッチを変えることにより、受光する光波長領域毎の感度特性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子を断面図である。なお、図４において、前述の第１の実施形態と同一の構成要素には、第１の実施形態における図１に示す符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

ここで、前述の第１の実施形態と本実施形態との構造上の相違点は、以下に示す点である。

第１の実施形態では、図１に示すように、フォトダイオード部１２１におけるｐ^＋型拡散領域１０４上に、シリコン窒化膜からなり上面に凹凸が設けられている反射防止層１１３が形成されている点に対して、本実施形態では、図４に示すように、フォトダイオード部１２１におけるｐ^＋型拡散領域１０４の上部領域に凹凸が設けられており、上部領域に凹凸が設けられているｐ^＋型拡散領域１０４が反射防止層１１３Ａとなる点である。本実施形態において、ｐ^＋型拡散領域１０４及び反射防止層１１３Ａ以外の構成は、第１の実施形態と全く同じである。

本実施形態によれば、上部領域に凹凸が設けられているｐ^＋型拡散領域１０４が反射防止層１１３Ａとして作用するため、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

なお、第１の実施形態及び第２の実施形態では、ＣＣＤ（charge coupled device）型固体撮像素子を用いて説明したが、本発明は、これに限らず、ＭＯＳ（metal-oxide semiconductor）型固体撮像素子にも適用可能である。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、半導体基板には、赤色光、緑色光および青色光の受光領域が設けられているとしたが、受光領域が受光する光の波長は特に限定されない。

さらに、第１の実施形態及び第２の実施形態では、固体撮像素子が２以上の波長の光を受光する場合、フォトダイオード部が有するｐ型拡散領域の接合深さは、長波長の光を受光するフォトダイオード部の方が短波長の光を受光するフォトダイオード部よりも深いことが好ましい。また、反射防止層における隣り合う凹部のピッチは、長波長の光を受光する領域に形成された反射防止層の方が短波長の光を受光する領域に形成された反射防止層よりも広いことが好ましい。

本発明に係る固体撮像素子は、出力画像の画質および感度が要求されるデジタルスチルカメラ等に適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像素子の断面図である。 本発明の第１の実施形態における反射防止膜の断面図であり、（ａ）は赤色光の受光領域上に形成された反射防止層の断面図であり（ｂ）は緑色光の受光領域上に形成された反射防止層の断面図であり（ｃ）は青色光の受光領域上に形成された反射防止層の断面図である。 本発明の反射防止層における可視光の反射率を示したグラフ図である。 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像素子の断面図である。 従来の形態にかかる固体撮像素子の断面図である。 オンチップカラーフィルタの構成の一例を示す模式図である。

符号の説明

１００ 半導体基板
１０３ ｎ^＋型拡散領域
１０４ ｐ^＋型拡散領域
１１３ 反射防止層
１１３Ａ 反射防止層
１１３ａ 反射防止層 （第１の反射防止層）
１１３ｂ 反射防止層 （第２の反射防止層）
１１３ｃ 反射防止層 （第３の反射防止層）
１２１ フォトダイオード部

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板における第１の領域に形成された第１の受光部と、
   前記第１の受光部の上面における光の反射を防止し、上面が凸凹に形成された第１の反射防止層とを備えていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記第１の受光部が受光する光は、赤色光又は緑色光であることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像素子において、
   前記半導体基板における第２の領域に形成された第２の受光部と、
   前記第２の受光部の上面における光の反射を防止し、上面が凸凹に形成された第２の反射防止層とをさらに備え、
   前記第１の反射防止層の前記凹凸における隣り合う凹部間の第１のピッチは、前記第２の反射防止層の前記凹凸における隣り合う凹部間の第２のピッチよりも広いことを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項３に記載の固体撮像素子において、
   前記第２の受光部が受光する光の波長は、前記第１の受光部が受光する光の波長に比べて短いことを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項３又は４に記載の固体撮像素子において、
   前記第１の受光部が受光する光は赤色光であり、
   前記第２の受光部が受光する光は緑色光であることを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項３から５のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記第１の受光部は、第１のｎ型拡散領域と、前記第１のｎ型拡散領域上に形成された第１のｐ型拡散領域とを有し、
   前記第２の受光部は、第２のｎ型拡散領域と、前記第２のｎ型拡散領域上に形成された第２のｐ型拡散領域とを有し、
   前記第１のｐ型拡散領域は、前記第２のｐ型拡散領域に比べて接合深さが深いことを特徴とする固体撮像素子。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記半導体基板における第３の領域に形成された第３の受光部と、
   前記第３の受光部の上面における光の反射を防止し、上面が凸凹に形成された第３の反射防止層とをさらに備え、
   前記第３の受光部が受光する光は青色光であることを特徴とする固体撮像素子。
8. 請求項１から７のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記第１の反射防止層は、前記第１の受光部の前記上面上に形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする固体撮像素子。
9. 請求項１から７のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記第１の反射防止層は、前記第１の受光部の前記上面に凸凹が形成されたものであることを特徴とする固体撮像素子。

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