JP2011061239A - 固体撮像装置及びその製造方法並びに電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】光学系とセンサ受光部との距離に対応して各画素における適正な入射状態を得ることができ、各画素の受光効率の改善や感度の均一化を図る。
【解決手段】光電変換部を含む複数の画素が2次元配列された撮像領域を有し、前記複数の画素における光電変換部の上層には、それぞれ集光レンズが設けられており、前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側へシフトして形成され、前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づき、当該光電変換部内に光が集光されるように設定されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等の固体撮像装置及びその製造方法並びに固体撮像装置を有する電子機器に関する。
従来より、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等の固体撮像装置においては、半導体基板上に光電変換手段(フォトダイオード)による複数の画素を例えば2次元アレイ状に配置して撮像画素部を形成し、その上層に各種信号配線や遮光膜を配置した多層構造の配線層を配置し、さらにその上層にパッシベーション層を介してオンチップカラーフィルタやオンチップマイクロレンズを配置した構造となっている。
特に最近では、撮像画素部の多画素化(高集積化)や高機能化等に伴い、配線層の層数の増加やレイアウトパターンの複雑化が生じ、その膜厚が大きくなることにより、カラーフィルタやマイクロレンズ等の光学系とフォトダイオードの受光面(以下、センサ受光部という)との距離が増大する傾向にある。
また、撮像画素部の多画素化に伴う微細化により、マイクロレンズのレンズ形状も微細化する傾向にある。
しかしながら、上述のようにフォトダイオードとマイクロレンズとの距離が増大したり、マイクロレンズの微細化が進むと、撮像画素部の画面中心部と周辺部とで主光線の入射角が異なることになり、半導体基板中で入射光が光電変換される深さが変わり、入射光の波長によってシェーディングの量が変わるという問題があり、画面中心部と周辺部とでセンサ受光部の受光量が変化するため、感度を均一に保つことか困難となってきている。
特に、1画素当りの面積が縮小し、レンズも小型化してくると、画面周辺部に対する光の入射角は大きくなってくる一方、小型化した画素では後述のようにセンサ受光部の形状が画面の上下左右に非対称になり易く、例えば画面の上下左右端でそれぞれ不均一な感度になる場合がある。
また、特に読み出しゲートや信号配線、電源配線等の複数の配線がフォトダイオードの近傍領域に存在するCMOSイメージセンサでは、有効な画素領域が非対称になり易く、上記の問題が顕著になる。
このような問題に対し、従来は、撮像画素部における各画素の位置に応じて各レンズの位置や遮光膜の開口の位置を適宜にずらすことにより、画面周辺部の感度を上げるような工夫がなされている。
例えば、図7は、このような従来の固体撮像装置の撮像画素部における各画素と遮光膜開口部及び集光レンズの位置関係を示す平面図であり、図8は図7に示す撮像画素部の対角線A−A’及びB−B’における感度低下を示す説明図である。
図7において、遮光膜開口部及び集光レンズ11は、画面中央部では画素10に対して中心を一致させた位置に配置されているが、画面周辺部では各画素10に対して光の入射方向にずれた位置に配置されている。
また、各画素10のセンサ受光部10Aの左下隅部には、センサ受光部10Aの信号電荷を読み出すための読み出しゲート部10Bが形成されている。
したがって、各画素10のセンサ受光部10Aの形状は、読み出しゲート部10Bの存在によって画面の中心から上下左右で非対称な形状となっており、画素の面積10が小さい程、読み出しゲート部10Bの存在が非対称性に大きく影響することになる。
このため、遮光膜開口部や集光レンズの配置をずらした固体撮像装置においても、各画素10の非対称性により、例えば図8(A)に示すように、A点近傍の画素10において感度低下が顕著であり、上下左右で不均一に変化することになる。
なお、各画素への入射光量を最適化する提案としては、各画素の撮像領域の中央部分からの距離とレンズの受光部表面からの高さに応じて、レンズ、フィルタ、遮光膜、センサ受光部等の配置を修正(補正)するようにしたものが知られている(特許文献1〜4)。しかし、これらの提案においても、上述のようなセンサ受光部の非対称性に対して有効な対応が困難である。その理由としては、撮像領域の中央部分から受光部までの距離を、受光部表面のどの位置までと考えるかについて検討されていないということ、画素内の各構成の配置を修正しているものの、レンズによって集光された光が受光部の表面に入射することだけを考慮し、実際に光電変換が起こる光電変換部の深さ方向の厚さについては何ら考慮されていないということが挙げられる。
特開平5−328233号公報 特開2000−349268号公報 特開2001−160973号公報 特開2001−210812号公報
そこで本発明の目的は、各画素における適正な入射状態を得ることができ、各画素の受光効率の改善や感度の均一化を図ることが可能な固体撮像装置及びその製造方法並びに固体撮像装置を有する電子機器を提供することにある。
前記目的を達成するため本発明の固体撮像装置は、2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、前記画素は集光レンズと光電変換部とを有し、前記光電変換部の受光面は、欠け部によって該受光面上の少なくとも一方向に対して非対称形状であり、前記撮像領域の中央部分に位置する画素の前記集光レンズは前記光電変換部の上方であって、該集光レンズの中心が前記受光面の略中心上に位置するように形成され、前記撮像領域の中央部分以外に位置する画素の前記集光レンズは、前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど、該集光レンズの中心が前記受光面の略中心から前記撮像領域の中央部分方向へシフトして形成され、前記撮像領域の中央部分から外側方向に等しい距離に位置する各画素の集光レンズのシフト量は、各画素の前記欠け部の前記撮像領域の中央部分に対する方位に応じて異なっていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置は、2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、前記画素は集光レンズと光電変換部とを有し、前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側へシフトして形成され、前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づき、前記光電変換部に入射される光の量が増加するように設定されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置は、2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、前記画素は光電変換部を有し、前記複数の画素の少なくとも一部の画素において、前記光電変換部の底部は該光電変換部の受光面よりも前記撮像領域の中央部分から外側へシフトして形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、固体撮像装置を有する電子機器であって、前記固体撮像装置は、2次元配列された複数の画素を含む撮像領域を有し、前記画素は集光レンズと光電変換部とを有し、前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側にシフトして形成され、前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づいて設定され、前記光電変換部の底部は、該光電変換部の受光面よりも前記撮像領域の中央部分から外側方向にシフトして形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、固体撮像装置の製造方法であって、撮像領域の画素毎に光電変換部と集光レンズとを形成する工程を有し、前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど、前記撮像領域の中央部分側にシフトして形成され、前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さ位置とに基づき、前記光電変換部に入射される光の量が増加するように設定されることを特徴とする。
本発明の固体撮像装置及びその製造方法並びに固体撮像装置を有する電子機器においては、各画素における適正な入射状態を得ることができ、各画素の受光効率の改善や感度の均一化が可能になるとともに、配線層で生じる反射光に伴う混色の抑制等を図ることができ、併せて固体撮像装置の画質を向上し得る。
本発明の実施例1による固体撮像装置の画面中心部における画素の積層構造を示す拡大断面図である。 本発明の実施例1による固体撮像装置の画面周辺部における画素の積層構造を示す拡大断面図である。 本発明の実施例1による固体撮像装置の撮像画素部における各画素と遮光膜開口部及び集光レンズの位置関係を示す平面図である。 図3に示す撮像画素部の対角線A−A’及びB−B’における感度低下を示す説明図である。 本発明にかかる画素の光電変換部を複数回のイオン注入により形成した場合の例を示す説明図である。 本発明にかかる固体撮像装置を電子機器に適用した場合の例を示す説明図である。 従来の固体撮像装置の撮像画素部における各画素と遮光膜開口部及び集光レンズの位置関係を示す平面図である。 図7に示す撮像画素部の対角線A−A’及びB−B’における感度低下を示す説明図である。
この実施の形態における固体撮像装置は、光電変換部の形状が上下左右で非対称形状を有するものに有効であって、光電変換部の集光レンズは撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど、撮像領域の中央部分側へシフトして形成され、そして、集光レンズのシフト量は集光レンズの光電変換部表面からの高さと、光電変換部の基板深さ方向への厚さとに基づいて設定され、光電変換部の底部は表面部よりも、撮像領域の中央部分から周辺部方向にシフトして形成される。これにより、各画素への入射光量を最適化するとともに、各画素の受光効率の改善や感度の均一化を図る。
以下、本発明による固体撮像装置及びその製造方法の実施例について説明する。
図1及び図2は、本発明の実施の形態による固体撮像装置の積層構造を示す拡大断面図であり、図1は画面中央部における画素の構造を示し、図2は画面周辺部における画素の構造を示している。
また、図3は、本発明の実施の形態による固体撮像装置の撮像画素部における各画素と遮光膜開口部及び集光レンズの位置関係を示す平面図であり、図4は図3に示す撮像画素部の対角線A−A’及びB−B’における感度低下を示す説明図である。
本実施例の固体撮像装置は、例えばCMOSイメージセンサとして形成されたものであり、各画素毎に、光電変換手段としてのフォトダイオード(PD)と、このフォトダイオードによって生成、蓄積された信号電荷を読み出して電気信号に変換し、撮像画素部外に出力する読み出し回路とを設けたものである。
なお、読み出し回路の構成としては、種々の方式のものが提案されているが、例えばフォトダイオードで生成した信号電荷をフローティングデフュージョン(FD)部に転送トランジスタと、FD部における電位変動を電気信号に変換するための増幅トランジスタと、この増幅トランジスタの出力信号を出力信号線に出力する読み出しトランジスタと、FD部の電位をリセットするリセットトランジスタ等を有しているものとする。
図1及び図2においては、シリコン基板100の上層部に各画素に対応してフォトダイオード110が設けられ、このフォトダイオード110に隣接して転送ゲート部120、FD部130が設けられ、さらに、その他のロジックトランジスタ140等が設けられている。また、シリコン基板100の上層部には、LOCOS等による素子間分離層150が設けられている。
また、フォトダイオード110は、シリコン基板100の最表面及び画素分離領域にp+型領域を設け、その内側にn型領域を形成したものであり、p+型領域を通過した光子がn型領域に入射することにより、正孔と電子が分離され、そのうちの電子がn型領域の下層に形成される空乏層に蓄積される。
そして、本実施例のフォトダイオード110では、シリコン基板100の比較的深い位置に低濃度のn型領域(不純物濃度の異なるn型領域を複数層設ける場合もある)を形成して、空乏層を拡大することで電荷蓄積量を拡大して感度の向上を図るようにしたものである。
したがって、各画素の感度は、フォトダイオード110における光電変換部としてのn型領域に対する光の入射量によって決定されるものであり、この光電変換部に対する入射効率によって各画素の感度が左右される。
また、シリコン基板100の上部には、シリコン酸化膜等の絶縁膜160を介して各種のゲート電極170、180、190が設けられている。また、絶縁膜160の上層には、平坦化膜200を介して多層配線層が設けられている。
この多層配線層には、図示の例では、絶縁膜210を介して3層の配線220、230、240が設けられている。そして、下層の配線220が遮光膜を構成しており、フォトダイオード110に対応する開口部210Aを有し、この開口部210Aを通してフォトダイオード110に光(矢印aは主光線を示す)が入射する。
また、各配線220、230、240は、各層間のコンタクト220A、230A、240Aによって接続されている。
また、このような多層配線層の上には、パッシベーション層(図示せず)を介してオンチップカラーフィルタ(光学フィルタ)250が形成され、また、その上層にはオンチップマイクロレンズ(集光レンズ)260が配置されている。
また、本実施例の固体撮像装置では、図1に示す画面中央部の画素においては、主光線aが直角に入射することから、マイクロレンズ260、カラーフィルタ250、配線220、230、240、フォトダイオード110等の位置関係が垂直方向(図1の上下方向)にまっすぐに配置されている。
一方、図2に示す画面周辺部の画素においては、主光線aが入射角度θで入射することから、マイクロレンズ260、カラーフィルタ250、配線220、230、240、フォトダイオード110等の位置関係は、この入射角度θに合わせて入射方向に沿って配置され、各素子の配置を最適化している。
特に本実施例では、この各素子の位置関係を決定する入射角度θを、当該画素の画面内における位置(中心からの距離)、マイクロレンズ260からシリコン基板100の表面(フォトダイオード110の受光面)までの距離、及びシリコン基板100の表面からフォトダイオード110の光電変換部の深さ位置を考慮して決定する。
すなわち、本実施例では、光が入射する基板表面ではなく、フォトダイオード110の光電変換部の深さ位置を基準として入射角度θを設定し、実質的に光電変換が行われる位置に光が集光されるようにし、各画素の受光効率(すなわち感度)を向上するものである。
なお、ここで用いる光電変換部の深さ位置としては、フォトダイオード110のn型領域の深さに対応して決定される値を用いるものとする。
また、図2に示すように、画面周辺部の画素においては、フォトダイオード110の光電変換部(n型領域)が入射角度θに対応して、撮像領域(撮像画素部)の中央部から周辺部方向に傾斜した状態で形成されている。
このようにフォトダイオード110の光電変換部を入射角度θに対応して傾斜した状態で形成することにより、傾斜して入射される主光線を効率的に光電変換部(n型領域)に入射させ、画面周辺部の画素の受光効率(すなわち感度)を向上するものである。
ここで、光電変換部の傾斜角度は撮像領域に渡って均一であってもよいし、撮像領域の中央部から周辺部方向へ離れた画素の光電変換部ほど大きくてもよい。
また、図5に示すように、画素(フォトダイオード)110の光電変換部は、シリコン半導体への複数回(例えば、3回)のイオン注入により形成された不純物領域110aから構成されていてもよい。また、この不純物領域110aは、打ち込み角度の異なる複数回のイオン注入により形成により構成することも可能である。
また、図3に示すように、画素(フォトダイオード)110のセンサ受光部110Aの左下隅部には、センサ受光部110Aの信号電荷を読み出すための読み出しゲート部(転送ゲート120)110B(特許請求の範囲の欠け部に相当)が形成されており、センサ受光部の矩形の一隅が欠けた形状を呈している。
このため、図7に示した従来例で説明したように、この読み出しゲート部110Bの存在によって各センサ受光部110A(光電変換部の受光面)の形状は、上下左右非対称、すなわち、受光面上で直交する2方向に対して非対称な矩形形状となる。特に画面の1つの隅部(この場合には画面の左下部(図3のA点側))の画素の感度が他の隅部の画素の感度に対して低下することになる。
なお、図3に示す実施例では、センサ受光部110Aの形状が上下左右非対称、すなわち、受光面上で直交する2方向に対して非対称形状である場合について説明したが、これに限らず、センサ受光部110Aの形状は、上下または左右の何れか一方、すなわち、受光面上の少なくとも一方に対して非対称形状であってもよい。
そこで本実施例では、図3に示すように、A点側の画素において、レンズ260及び遮光膜開口部210Aを、A´、B、B´点側の画素より大きく撮像領域の中心方向(図3の矢印方向)にずらす、すなわちシフトし、かつ、A点側のレンズ260及び遮光膜開口部210Aのシフト量をA´点側のレンズ260及び遮光膜開口部210Aのシフト量より大きくして、位置修正量を増やす。これにより、各画素の読み出しゲート部110Bによる受光損失分を各隅部の画素で均一になるようにした。
また、図3から明らかのように、撮像領域の中央部分から外側へ等しい距離に位置する画素、例えば撮像画素部の対角線A−A’において、A点側の画素110のレンズ260及び遮光膜開口部210Aのシフト量は、A’点側の画素110のレンズ260及び遮光膜開口部210Aのシフト量より大きい。
すなわち、図3に示す撮像領域の中央部分Oから外側方向に等しい距離に位置する各画素のレンズ260のシフト量は、各画素の読み出しゲート部110Bの撮像領域の中央部分Oに対する方位(例えばX1,X2)に応じて異なっている。言い換えると、撮像領域の中央部分Oから外側方向に等しい距離に位置する画素であっても、各画素の読み出しゲート部110Bの撮像領域の中央部分Oに対する方位(例えばX1,X2)が異なると、レンズ260のシフト量は異なっている。
この結果、各画素の感度分布は図4に示すように、上下左右方向に均等に変化することになり、従来例で説明した不均一性を解消することが可能となる。
ここで位置修正量を増やすのは、A点側のライン上にある画素に限らず、A点側のライン付近の画素に対しても行う方が好ましい。
また、本実施例の固体撮像装置は、例えば以下のような製造工程で形成できる。
まず、例えばn型シリコン基板100に素子形成領域となるp型ウェル領域を形成し、また、素子間分離層150を形成する。
そして、p型ウェル領域にイオン注入や熱拡散等の方法によりフォトダイオード110やトランジスタ140等の素子を形成するが、フォトダイオード110のn型領域については、例えば注入角度の異なるイオン注入を複数回行うことにより、さらには複数回のマスク工程と複数回のイオン注入を用いて、画素毎に異なる形状のn型領域を形成する。
この後、シリコン基板上に各種成膜技術やリソグラフィ技術を用いて電極層や多層配線層を形成し、さらにその上層にカラーフィルタ、マイクロレンズを順次形成していく。この際、上述のようにして決定した各素子の位置関係により、遮光膜開口部、配線、カラーフィルタ、マイクロレンズを最適化した位置に形成していく。
このようにして受光効率を改善し、感度分布を上下左右で均一化した固体撮像装置を得ることが可能である。
このような本実施例にかかる固体撮像装置及びその製造方法によれば、各画素における集光レンズ(配線、遮光膜開口部)の形成位置を、集光レンズの光電変換部表面からの高さと、光電変換部の基板深さ方向への厚さとに基づき、前記光電変換部の内部に入射する光の量が増加するように設定し、光電変換部の底部を表面部よりも、撮像領域の中央部より外側にシフトして形成したから、各画素における適正な入射状態を得ることができ、各画素の受光効率の改善や感度の均一化、さらには配線層で生じる反射光に伴う混色の抑制等を図ることができ、画質を向上した固体撮像装置を提供できる。
上述した説明においては、集光レンズとしてオンチップマイクロレンズ260を用いたが、この形態に限定されるわけではなく、例えば配線層間に形成された層内レンズであってもよく、凹レンズまたは凸レンズのいずれであってもよい。
また、上述した説明においては、オンチップレンズ、配線、遮光膜(配線がその役割を果たす)の位置が修正され、入射光の主光線の入射角度に合わせてフォトダイオードのn型領域が深さ方向に傾斜する状態に形成された場合の例を示したが、本発明は、これら全ての構成を必ずしも必要するわけではなく、例えばオンチップレンズのみが修正された位置に配置されていてもよいし、フォトダイオードのn型領域が深さ方向に傾斜だけの構成でもよい。
上述した集光レンズ等の位置の修正は、必ずしも、固体撮像装置の撮像領域の全ての画素について行う必要はなく、所定の画素についてだけ行うこともできる。また、画素1つずつを修正の単位とする必要はなく、隣接する数個の画素を1単位として同一の修正を施すこともできる。
なお、上述した説明は、本発明をCMOSイメージセンサに適用した例について説明したが、本発明は、CCDイメージセンサなどの他の固体撮像装置についても同様に適用できるものである。特に、上述のようなセンサ受光部の形状が上下左右で非対称形状を有するものに有効である。
また、上述した説明は、本発明を固体撮像装置単体に適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図6に示すように、上述した構成の固体撮像装置60を搭載した通信装置や画像処理装置等の各種の電子機器61に適用できるものである。
この図6に示す電子機器61は、被写体光を固体撮像装置60に集光する光学系62及び固体撮像装置60からの信号などを処理する周辺回路部63を含んで構成されている。
特に、上述した固体撮像装置の構造により、射出瞳距離を短くできるため、携帯機器に搭載することにより、機器の小型化が可能となり、携帯機器の付加価値を大きく向上することができ、このような携帯機器についても本発明に含まれるものとする。
100……シリコン基板、110……フォトダイオード、120……転送ゲート部、130……FD部、140……ロジックトランジスタ、150……素子間分離層、160……絶縁膜、170、180、190……ゲート電極、200……平坦化膜、210……絶縁膜、220、230、240……配線、220A、230A、240A……コンタクト、250……オンチップカラーフィルタ、260……オンチップマイクロレンズ、60……固体撮像装置、61……電子機器。

Claims (7)

  1. 光電変換部を含む複数の画素が2次元配列された撮像領域を有し、
    前記複数の画素における光電変換部の上層には、それぞれ集光レンズが設けられており、
    前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側へシフトして形成され、
    前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づき、当該光電変換部内に光が集光されるように設定されている
    固体撮像装置。
  2. 前記光電変換部の上層には、絶縁膜を介して配線が設けられ、
    前記配線は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づき、当該光電変換部内に光が集光されるように設定された主光線の入射角度に沿って、配置されている
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記複数の画素の少なくとも一部の画素において、前記光電変換部の底部は、該光電変換部の受光面よりも前記撮像領域の中央部分から外側へシフトして形成されている
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  4. 前記光電変換部の底部のシフト量は前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素ほど大きい
    請求項3に記載の固体撮像装置。
  5. 前記光電変換部は、半導体層への複数回のイオン注入により形成された不純物領域により構成されている
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  6. 固体撮像装置を有する電子機器であって、
    前記固体撮像装置は、
    光電変換部を含む複数の画素が2次元配列された撮像領域を有し、
    前記複数の画素における光電変換部の上層には、それぞれ集光レンズが設けられており、
    前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど前記撮像領域の中央部分側へシフトして形成され、
    前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さとに基づき、当該光電変換部内に光が集光されるように設定された
    電子機器。
  7. 撮像領域の画素毎に光電変換部と集光レンズとを形成する工程を有し、
    前記集光レンズは前記撮像領域の中央部分から外側へ離れて位置する画素の集光レンズほど、前記撮像領域の中央部分側にシフトして形成され、
    前記集光レンズのシフト量は、前記集光レンズから前記光電変換部の受光面までの距離と、前記光電変換部の半導体層への形成深さ位置とに基づき、当該光電変換部内に光が集光されるように設定される
    固体撮像装置の製造方法。
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