JP2016001633A - 固体撮像素子、および電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 長波長側の光に対する感度を向上させる。【解決手段】 本開示の第１の側面である固体撮像素子は、多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子において、光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを備える。本開示は、例えば、赤外帯域の光を検出するCMOSなどに適用できる。【選択図】 図１

Description

本開示は、固体撮像素子、および電子装置に関し、特に、赤外線帯域など長波長側の光に対する受光感度を向上させるようにした固体撮像素子、および電子装置に関する。
従来、２次元の固体撮像素子としてCMOS型固体撮像素子、CCDが知られており、これらの光電変換を行う光検出素子の光吸収層には、一般に単結晶Si（シリコン）が用いられている。
Siは間接遷移型の半導体であり、そのバンドギャップが1.1eVであることから、可視波長から1.1um（マイクロメートル）程度の近赤外線の波長に対する感度を有している。ただし、光吸収係数の波長依存性により、長波長ほど単位厚み当たりの光吸収効率が小さくなる。
例えば、光吸収層としてのSi層の厚みが3umの固体撮像素子の場合、波長650nmの光吸収効率は約60から70%、波長900nmの光吸収効率は10から20%程度しかなく、光子の大多数がSi層を透過してしまう。したがって、赤色から赤外線帯域の光に対して高い感度を有する固体撮像素子を実現しようとした場合、Si層の厚みを増すことが有効な方法として知られている。
しかしながら、Si層の厚みを増すことは、所望の不純物プロファイルを実現するために高いエネルギのインプランテーションを行う必要があるなどの製造上の難易度が高くなるともに、材料コスト高に直結する。また、固体撮像素子の画素サイズに対する厚みの比率が大きくなり、Si層内でのSiバルクの混色成分が増加するなど、画質面での劣化要因となってしまう。さらに、Si層の厚みの増加に伴う結晶中の欠陥の増加などが暗電流の増加や白点などの画素特性の劣化の要因となってしまう。
そこで、Si層の厚みを増すことなく、長波長側の光に対して高い感度を得る方法として、固体撮像素子の画素の受光面とは反対側の面に微細でランダムな凹凸構造を施すことにより光の干渉によるエタロン現象による光のロスを抑制する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ＷＯ２０１０１１０３１７Ａ１
特許文献１の方法では、裏面照射型の固体撮像素子に適用した場合、固体撮像素子にて検出した電荷を転送する画素トランジスタなどが配置される面と同一面に凹凸構造がパターニングされることになるので、結晶面の欠陥の増加や暗電流の増加などの弊害がある。
また受光面での反射光の抑制効果が低く、かつ、受光面と反対の面で反射した光成分が受光面から再放出されてしまうことを抑える効果が低い。
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、光吸収層であるSi層の厚みを増すことなく、固体撮像素子の長波長側の光に対する感度を向上させるようにするものである。
本開示の第１の側面である固体撮像素子は、多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子において、光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを備える。
前記光吸収層は、単結晶Siからなるようにすることができる。
前記多数の画素のうち、少なくともIR検出用の画素に対応する前記光吸収層の受光面とその反対面には前記凹凸パターンが形成されているようにすることができる。
前記光吸収層の受光面の反対面に形成されている前記凹凸パターンの周期は無限に小さいようにすることができる。
前記光吸収層の受光面とその反対面に形成されている前記凹凸パターンの周期は、検知する波長に応じて異なるようにすることができる。
前記凹凸パターンは、1次元周期的、または２次元周期的に形成されているようにすることができる。
前記凹凸パターンが形成される前記光吸収層の前記受光面および前記反対面の結晶面は、（１００）面であり、前記凹凸パターンの壁面の結晶面は、（１１１）面であるようにすることができる。
前記凹凸パターンの周期は、１um以下とすることができる。
前記光吸収層の隣接する画素との境には、素子分離構造が形成されているようにすることができる。
前記素子分離構造には、前記光吸収層よりも屈折率が低い素材からなるようにすることができる。
前記素子分離構造の内部には、メタル反射壁が形成されているようにすることができる。
本開示の第１の側面である固体撮像素子は、前記光吸収層の下層側に反射ミラー構造をさらに備えることができる。
前記反射ミラー構造は、配線層が兼ねるようにすることができる。
本開示の第２の側面である電子装置は、多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子を搭載する電子装置において、前記固体撮像素子が、光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを備える。
本開示の第１および第２の側面においては、光検出素子としての光吸収層に入射された光が、受光面とその反対面に形成された周期的な凹凸パターンによって内部反射しやすくなり、それにより光吸収層の実効的な光路長が長くなり効率よく光を吸収することができる。
本開示の第１および第２の側面によれば、可視波長帯域から近赤外線までの電磁波帯域について、反射を効率よく抑え、更に長波長側の光に対する光吸収の感度を向上させることができる。
本開示を適用した固体撮像素子の構成例を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例１を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例２を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例３を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例４を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例５を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例６を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例７を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例８を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の変形例９を示す断面図である。 凹凸パターンの構造例を示す図である。 凹凸パターンが採用される画素の例を示す断面図である。 凹凸パターンが採用される画素の例を示す断面図である。 凹凸パターンが採用される画素の例を示す断面図である。 凹凸パターンが採用される画素の例を示す断面図である。 凹凸パターンが採用される画素の例を示す断面図である。 光吸収効率のシミュレーション結果を示す図である。 凹凸パターンのサイズ制約を説明する図である。 凹凸パターンの形成工程を説明する図である。 本開示を適応した電子装置の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜固体撮像素子の構成例＞
図１は、本開示の実施の形態である裏面照射型の固体撮像素子１０の構成例を示す断面図である。
ただし、図面の上側が受光面（裏面）であり、受光面のさらに上側に配置されるべきカラーフィルタ、オンチップレンズ等は図示を省略している。また、同図においては、１画素分の構成例を示しているが、該裏面照射型の固体撮像素子１０から成る２次元固体撮像素子は、Ｘ×Ｙ（Ｘ，Ｙは整数）個の隣接する画素が１チップ上に形成されており、さらにＮ×Ｍ（Ｎ＜Ｘ，Ｍ＜Ｙ。例えば、２×２）個の隣接する画素によって１ユニットを構成し、１ユニットの各画素がR,G,B,IRのいずれかの波長の光（電磁波）を検出するようになされている。以降の図面においても同様とする。
図１の構成例において、光吸収層であるSi層１１には、その受光面（図面上側の面）に周期的（周期Ｐ）であって微細な凹凸パターン１２が形成されている。また、受光面の反対側（図中下側）の面にも同様に、周期的（周期Ｐ’）であって微細な凹凸パターン１３が形成されている。凹凸パターン１２は、可視波長全域から赤外波長域までの広帯域の光に対する、反射率が低い良質な反射防止膜として作用することができる。また、周期的な構造とすることにより、Siの表面積の増加を有限に留めることができる。これにより、半導体結晶の結晶欠陥起因の暗電流、ランダムノイズ、白点の増加などを抑制することができる。なお、凹凸パターン１２，１３の形状、サイズなどについては後述する。
また、図１の構成例において、隣接する画素との境、すなわち、Si層１１の図中横側には、Siに対して相対的に低い屈折率を有する誘電体（SiO2など）で充填された素子分離構造１４が形成されている。なお、図１の場合、素子分離構造１４の形状は、角柱であり、受光面側からのエッチングにより形成されている。さらに、素子分離構造１４の内部には、メタル反射壁１５が配置されている。
Si層１１の下層側には、絶縁膜１６を介して、Al，Cu，Ag、またはそれらの合金からなる反射ミラー構造１７が形成されている。なお、反射ミラー構造１７は、入射光の反射を目的として専用の膜や層を形成する代わりに、Si層１１の下層側に設けられる各種の配線層に反射ミラー構造１７としての機能を兼ねさせてもよい。凹凸パターン１２が形成されたSi層１１の上層側には、SiO2，SiNなどからなる平坦化膜１８が形成されている。
上述したように、図１に示される構成例の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が、Si層１１の下層側には反射ミラー構造１７が形成されている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。また、素子分離構造１４およびメタル反射壁１５により、隣接する画素に起因する混色が抑止される。
＜固体撮像素子の変形例１＞
図２は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０の他の構成例（変形例１）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図２に示される変形例１は、Si層１１の下層側の面に形成されている凹凸パターン１３の周期が無限に小さいものに変更されている。
変形例１の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が、Si層１１の下層側には反射ミラー構造１７が形成されている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。また、素子分離構造１４およびメタル反射壁１５により、隣接する画素に起因する混色が抑止される。
＜固体撮像素子の変形例２＞
図３は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例２）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一する符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図３に示される変形例２は、図１に示された構成例から、メタル反射壁１５が省略されている。
変形例２の場合、Si層１１の受光面面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が、Si層１１の下層側には反射ミラー構造１７が形成されている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。
＜固体撮像素子の変形例３＞
図４は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例３）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図４に示される変形例３は、図１に示された構成例から、メタル反射壁１５、および反射ミラー構造１７が省略されている。
変形例３の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が設けられている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。
＜固体撮像素子の変形例４＞
図５は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例４）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図５に示される変形例４は、図１に示された構成例における凹凸パターン１３の周期が無限に小さいものに変更され、かつ、メタル反射壁１５が省略されている。
変形例４の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が設けられている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。
＜固体撮像素子の変形例５＞
図６は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例５）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図６に示される変形例５は、図１に示された構成例における凹凸パターン１３の周期が無限に小さいものに変更され、かつ、メタル反射壁１５および反射ミラー構造１７が省略されている。
変形例５の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が設けられている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。
＜固体撮像素子の変形例６＞
図７は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例６）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図７に示される変形例６は、図１に示された構成例における凹凸パターン１３の周期が無限に小さいものに変更され、かつ、メタル反射壁１５が省略されている。さらに、素子分離構造１４の形状が変更されている。具体的には、素子分離構造１４の形状が、受光面側からその反対側に向かって徐々に狭められたくさび型に変更されている。素子分離構造１４の形状をくさび型とすることにより、図１の構成例などのように、素子分離構造１４の形状が角柱である場合に比較して、Si層１１における横方向の反射光率をより高めることができる。
変形例６の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、離接する画素との境にはくさび型の素子分離構造１４が設けられている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。
＜固体撮像素子の変形例７＞
図８は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例７）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図８に示される変形例７は、図１に示された構成例における凹凸パターン１３の周期が無限に小さいものに変更され、かつ、メタル反射壁１５が省略されている。さらに、素子分離構造１４の形状が、受光面の反対側から受光面側に向かって徐々に狭められたくさび型に変更されている。素子分離構造１４をくさび型とすることにより、図１の構成例などのように、素子分離構造１４の形状が角柱である場合に比較して、Si層１１における横方向の反射光率をより高めることができる。
変形例７の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境にはくさび型の素子分離構造１４が設けられている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。
＜固体撮像素子の変形例８＞
図９は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例８）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図９に示される変形例８は、図１に示された構成例に対して、Si層１１に形成されている凹凸パターン１２の上層側に、凹凸パターン１２の形状を反転した形状の、入射側から見て段階的に屈折率が変化するモスアイ構造２１が追加されている。
変形例８の場合、Si層１１の受光面にモスアイ構造２１および凹凸パターン１２が、その反対面に凹凸パターン１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が、Si層１１の下層側には反射ミラー構造１７が形成されている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。また、素子分離構造１４およびメタル反射壁１５により、隣接する画素に起因する混色が抑止される。
＜固体撮像素子の変形例９＞
図１０は、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０のさらに他の構成例（変形例９）を示す断面図である。ただし、図１に示された構成例と共通する構成要素については、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
図１０に示される変形例９は、図１に示された構成例に対して、Si層１１に形成されている凹凸パターン１２の上層側に、平坦化膜１８とSi層１１の中間的な屈折率を有する中間膜３１が設けられている。中間膜３１の素材には、ハフニウム酸化膜、アルミニウム酸化物、またはシリコン窒化膜などが用いられる。なお、中間膜３１は、凹部の深さに比べて十分に薄く、凹凸パターン１２と相似的な形状を取ることが好ましい。さらに、中間膜３１の上層側にはカラーフィルタ３２が追加されている。
変形例９の場合、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに凹凸パターン１２，１３が形成されている。さらに、隣接する画素との境には素子分離構造１４が、Si層１１の下層側には反射ミラー構造１７が形成されている。これにより、入射光がSi層１１の内部で反射を繰り返し易くなり、光のSi層１１からの透過が抑止されるので、Si層１１における光吸収効率を向上させることができる。すなわち、入射光に対する感度を上げることができる。また、素子分離構造１４およびメタル反射壁１５により、隣接する画素に起因する混色が抑止される。さらに、カラーフィルタが一体的に形成されるので、カラーフィルタを別途配置する場合に比較して、固体撮像素子１０の厚みを削減することができる。
なお、上述した固体撮像素子１０の構成例とその変形例２乃至９は、適宜組み合わせることができる。
＜凹凸パターン１２，１３の構造例＞
次に、Si層１１の受光面とその反対面のそれぞれに形成される凹凸パターン１２，１３の構造について説明する。
図１１は、凹凸パターン１２，１３の構造として、逆ピラミッド型、順ピラミッド型、Ｖグルーブ型、およびＸグルーブ型の４例を挙げ、その上面図および断面図を示している。
逆ピラミッド型は、Si層１１の面（受光面とその反対面）に対して四角錐形状の凹構造が周期的に形成されたものである。順ピラミッド型は、Si層１１の面に対して四角錐形状の凸構造が周期的に形成されたものである。
Ｖグルーブ型は、Si層１１の面に対して平行に並んだ直線状の溝構造が周期的に形成されたものである。Ｘグルーブ型は、Si層１１の面に対して平行に並んだ直線状の第１溝構造と、第１溝構造に直交する方向に平行に並んだ直線状の第２溝構造とが周期的に形成されたものである。
なお、凹凸パターン１２の構造と凹凸パターン１３の構造とは同一の型であってもよいし、異なる型であってもよい。また、凹凸パターン１２，１３の構造は、上述した４例の型に限るものではなく、周期的に同一の構造を形成するようにすればよい。
＜凹凸パターン１２，１３が採用される画素の例＞
上述したように、本実施の形態である固体撮像素子１０は、Ｎ×Ｍ（Ｎ＜Ｘ，Ｍ＜Ｙ。例えば、２×２）個の隣接する画素で１ユニットを構成し、１ユニットの各画素がR,G,B,IRのいずれかの波長の光を検出するようになされている。
図１２は、本実施の形態である固体撮像素子１０における１ユニット分の画素の断面図を示している。同図の場合、R,G,B,IRそれぞれの波長の光を検出する各画素のうち、光吸収効率が相対的に低い最長波長側のIRを検出する画素に対してのみ、凹凸パターン１２，１３が採用されている。ただし、同図において、凹凸パターン１３の図示は省略されている。
図１３は、本実施の形態である固体撮像素子１０における１ユニット分の画素の断面図を示している。同図の場合、R,G,B,IRそれぞれの波長の光を検出する各画素のうち、光吸収効率が相対的に低い長波長側のIRとRをそれぞれ検出する画素に対してのみ、凹凸パターン１２，１３が採用されている。ただし、同図において、凹凸パターン１３の図示は省略されている。
図１４は、本実施の形態である固体撮像素子１０における１ユニット分の画素の断面図を示している。同図の場合、R,G,B,IRそれぞれの波長の光を検出する全ての画素に凹凸パターン１２，１３が採用されている。ただし、同図において、凹凸パターン１３の図示は省略されている。
図１５は、本実施の形態である固体撮像素子１０における１ユニット分の画素の断面図を示している。同図の場合、R,G,B,IRそれぞれの波長の光を検出する全ての画素に凹凸パターン１２，１３が採用され、検出する波長に応じて凹凸パターン１２，１３のサイズ（周期）が異なる場合を示している。すなわち、光吸収効率が相対的に低い長波長側から、相対的に高い短波長側に向かって、凹凸パターン１２，１３の周期が短くなるように形成されている。つまり、IR用の画素の凹凸パターン１２，１３の周期が最も長く、B用の画素の凹凸パターン１２，１３の周期が最も短い。ただし、同図において、凹凸パターン１３の図示は省略されている。
次に、図１６は、本実施の形態である固体撮像素子１０を、光の入射面側に各種の画素配線等が設けられている表面照射型の固体撮像素子に適用した場合における１ユニット分の画素の断面図を示している。同図の場合、R,G,B,IRそれぞれの波長の光を検出する全ての画素に凹凸パターン１２，１３が採用されている。ただし、同図において、凹凸パターン１３の図示は省略されている。同図に示す表面照射型の固体撮像素子１０において、光吸収層の裏面側にミラー構造を配置する場合、配線などが裏面側にないので、ミラー構造を画素間に隙間なく配置することができる。
図１２乃至図１６に示されたように、凹凸パターン１２，１３は、必ずしも、R,G,B,IRの各画素のすべてに凹凸パターン１２，１３が形成されていなくてもよいが、少なくともIRの画素には、凹凸パターン１２，１３が形成されているようにする。
＜光吸収効率のシミュレーション＞
次に、本実施の形態である固体撮像素子１０のSi層１１における光吸収効率について説明する。
図１７は、入射光の波長に対するSi層の光吸収効率の変化をミュレーションした結果を示している。ただし、同図において、横軸は入射光の波長を示し、縦軸はSi層における光吸収効率を示している。また、Si層については、その厚さを３umと仮定している。
同図において、曲線ａは、Si層の面（受光面とその反対面）に凹凸パターンが形成されていない従来の固体撮像素子の特性に対するシミュレーション結果を示している。曲線ｂは、Si層の両面に凹凸パターンが形成されておらず、Si層の下層側に反射ミラー構造を有する固体撮像素子の特性に対するシミュレーション結果を示している。曲線ｃ，ｄは、本実施の形態である固体撮像素子１０、すなわち、Si層１１の両面に凹凸パターン１２，１３が形成されており、反射ミラー構造１７を有する固体撮像素子の特性に対するシミュレーション結果を示している。
曲線ａが示す特性は、全ての波長帯域において、他の曲線よりも光吸収効率が低く、特にその傾向が長波長側で顕著である。曲線ｂが示す特性は、波長650nm〜900nmの範囲において、曲線ａよりも10％から20％程度の光吸収効率の改善が見られる。曲線ｃ，ｄでは、全ての波長帯域において、曲線ａ，ｂの特性よりも光吸収効率の改善が見られ、特に、赤色光から赤外線に相当する波長700nm〜900nmの範囲において顕著な光吸収効率の改善が見られる。したがって、本実施の形態である固体撮像素子１０は、R,G,B,IRの各波長をそれぞれ検知する場合においてSi層１１の光吸収効率を改善する効果を有し、特に、相対的に長波長側のR,IRをそれぞれ検知する場合において、Si層１１の光吸収効率大きく改善する効果を有するといえる。
＜凹凸パターン１２のサイズ制約＞
次に、凹凸パターン１２のサイズ制約について説明する。図１８は、凹凸パターン１２のサイズと周期Ｐの関係を示している。
凹凸パターン１２の周期Ｐは、400／Ｎ乃至1500／Ｎ[nm]を好適とする。Ｎは、凹凸パターン１２の周囲の媒質の屈折率である。Ｎ＝１．５である場合、周期Ｐは1000nm＝１um以下となる。凹凸パターン１２の開口上部の幅Ｗ１は、周期Ｐ以下とする。凹凸パターン１２の開口底部の幅Ｗ２は、凹凸パターン１２の開口上部の幅Ｗ１よりも狭いものとする。凹凸パターン１２の隣接する凹部の間隔Ｗ３は、０以上とする。凹凸パターン１２の深さｄは、開口上部の幅Ｗ１よりも狭いものとする。具体的には、0.3・Ｗ１＜ｄ＜1.0・Ｗ１または0.5・Ｗ１＜ｄ＜0.8・Ｗ１とする。
なお、凹凸パターン１３のサイズについても同様に制約があるものとする。
＜凹凸パターン１２，１３の形成工程＞
次に、凹凸パターン１２，１３の形成工程について説明する。図１９は、凹凸パターン１２，１３の形成工程の一例を示している。
まず同図Ａに示されるように、Si層１１の表面にレジストを塗布し、次に同図Ｂに示されるように、凹凸パターンの凹部を形成する箇所にEUV露光や電子ビーム描画などで露光することによりマーキングを行う。
次に同図Ｃに示されるように、塗布されているレジストのマーキング箇所を除去し、同図Dに示されるように、ウェットエッチング、またはドライエッチングにより結晶性の異方性エッチングを行って凹部を形成し、同図Ｅに示されるように、レジストを除去する。
さらに、同図Ｆに示されるように、異方性エッチングを行った凹部を含むSi層１１の表面に、平坦化膜１８とSi層１１との中間的な屈折率を有する中間膜３１を成膜する。中間膜３１の素材には、ハフニウム酸化膜、アルミニウム酸化物、またはシリコン窒化膜などの高誘電体を用いればよい。なお、中間膜３１は、凹部の深さに比べて十分に薄く、凹凸パターンと相似的な形状を取ることが好ましい。最後に、同図Ｇに示されるように、中間膜３１の上層に、誘電体からなる平坦化膜１８を成膜する。平坦化膜の素材には、SiO2，SiNなどを採用する。
なお、凹凸パターンの凹部を形成するに際しては、同図Ｈおよび同図Ｉに示されるように、Si層１１の受光面およびその反対面を結晶面（１００）面とし、凹部の壁面を結晶面（１１１）面とすれば、結晶性の異方性エッチングにより、結晶欠陥を抑止しつつ高精度な凹凸パターンを形成することができる。
＜まとめ＞
以上に説明した本実施の形態である固体撮像素子１０によれば、Si層１１の厚みを増すことなく、R,G,B,IRの各波長帯域での受光感度を向上させることができ、特に、IR波長帯域での受光感度を大きく向上させることができる。
なお、本開示の実施の形態である固体撮像素子１０は、裏面照射型、または表面照射型のどちらにも適用可能である。
また、本実施の形態である固体撮像素子１０は、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラに代表される撮像装置を含む、固体撮像素子を用いた撮像機能やセンシング機能を有するあらゆる種類の電子装置に適用することができる。
＜電子装置の構成例＞
図２０は、本実施の形態である固体撮像素子１０を適用した電子装置の構成例を示している。
この電子装置１００は、上述した固体撮像素子１０を用いた撮像機能を有するものである。電子装置１００は、固体撮像素子１０、光学系構成部１０１、駆動部１０２、および信号処理部１０３を備える。
光学系構成部１０１は、光学レンズなどから構成され、被写体の光学像を固体撮像素子１０に入射させる。駆動部１０２は、固体撮像素子１０の内部の駆動に関する各種のタイミング信号を生成、出力することにより固体撮像素子１０の駆動を制御する。信号処理部１０３は、固体撮像素子１０から出力される画像信号に対して所定の信号処理を施し、その信号処理結果に応じた処理を実行する。また、信号処理部１０３は、信号処理結果の画像信号を後段に出力して、例えば、固体メモリなどの記録媒体に記録したり、所定のネットワークを介し、所定のサーバに転送したりする。
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子において、
光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを
備える固体撮像素子。
（２）
前記光吸収層は、単結晶Siからなる
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記多数の画素のうち、少なくともIR検出用の画素に対応する前記光吸収層の受光面とその反対面には前記凹凸パターンが形成されている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記光吸収層の受光面の反対面に形成されている前記凹凸パターンの周期は無限に小さい
前記（１）から（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
前記光吸収層の受光面とその反対面に形成されている前記凹凸パターンの周期は、検知する波長に応じて異なる
前記（１）から（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記凹凸パターンは、1次元周期的、または２次元周期的に形成されている
前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
前記凹凸パターンが形成される前記光吸収層の前記受光面および前記反対面の結晶面は、（１００）面であり、前記凹凸パターンの壁面の結晶面は、（１１１）面である
前記（１）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
前記凹凸パターンの周期は、１um以下である
前記（１）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記光吸収層の隣接する画素との境には、素子分離構造が形成されている
前記（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記素子分離構造には、前記光吸収層よりも屈折率が低い素材からなる
前記（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記素子分離構造の内部には、メタル反射壁が形成されている
前記（９）または（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記光吸収層の下層側に反射ミラー構造を
さらに備える前記（１）から（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記反射ミラー構造は、配線層が兼ねる
前記（１２）に記載の固体撮像素子。
（１４）
多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子を搭載する電子装置において、
前記固体撮像素子は、
光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを備える
電子装置。
１０ 固体撮像素子， １１ Si層， １２，１３ 凹凸パターン， １４ 素子分離構造， １５ メタル反射壁， １６ 絶縁膜， １７ 反射ミラー構造， １８ 平坦化膜， ３１ 中間膜， ３２ カラーフィルタ

Claims (14)

  1. 多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子において、
    光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを
    備える固体撮像素子。
  2. 前記光吸収層は、単結晶Siからなる
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記多数の画素のうち、少なくともIR検出用の画素に対応する前記光吸収層の受光面とその反対面には前記凹凸パターンが形成されている
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記光吸収層の受光面の反対面に形成されている前記凹凸パターンの周期は無限に小さい
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  5. 前記光吸収層の受光面とその反対面に形成されている前記凹凸パターンの周期は、検知する波長に応じて異なる
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  6. 前記凹凸パターンは、1次元周期的、または２次元周期的に形成されている
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  7. 前記凹凸パターンが形成される前記光吸収層の前記受光面および前記反対面の結晶面は、（１００）面であり、前記凹凸パターンの壁面の結晶面は、（１１１）面である
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  8. 前記凹凸パターンの周期は、１um以下である
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  9. 前記光吸収層の隣接する画素との境には、素子分離構造が形成されている
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  10. 前記素子分離構造には、前記光吸収層よりも屈折率が低い素材からなる
    請求項９に記載の固体撮像素子。
  11. 前記素子分離構造の内部には、メタル反射壁が形成されている
    請求項９に記載の固体撮像素子。
  12. 前記光吸収層の下層側に反射ミラー構造を
    さらに備える請求項２に記載の固体撮像素子。
  13. 前記反射ミラー構造は、配線層が兼ねる
    請求項１２に記載の固体撮像素子。
  14. 多数の画素が縦横に配置されている固体撮像素子を搭載する電子装置において、
    前記固体撮像素子は、
    光検出素子としての光吸収層の受光面とその反対面に周期的な凹凸パターンを備える
    電子装置。
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