JP5065691B2

JP5065691B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP5065691B2
Application number: JP2007007024A
Authority: JP
Inventors: 武晴谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: JP2008177220A

Description

本発明は、デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像装置に関する。

デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像装置は、画質を向上させるために、高解像度化が求められている。また、デジタルカメラやビデオカメラなどの小型化と相俟って、さらなる小型化も要求されている。このため、解像度を高めるとともに小型化を実現するためには、画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くする必要がある。

画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くするためには、画素自体のサイズを小さくすればよいが、サイズを小さくすると画素に入射する光の量が減少し、感度が低下してしまう。このため、従来の固体撮像装置では、入射光を集光するマイクロレンズを設け、高感度化を図っていた。しかしながら、画素サイズが数百ｎｍ〜数μｍ程度まで微細化された現状の固体撮像装置では、マイクロレンズのみでは所望の感度を得ることができず、小型化が限界の域に達していた。

そこで、マイクロレンズのみではなし得なかった、高感度化、小型化を達成するために、画素を構成する受光部上に、入射光を受光部に導くコア層（光伝送路、光導波路、光案内層などとも表現される。）を形成した固体撮像装置が提案されている（特許文献１〜４参照）。これらの特許文献１〜４では、感度のさらなる向上を目的として、受光部の側から光が入射する側に向かって、コア層の幅を広くするようにテーパー状に形成する旨が記載されている。
特開平５−２８３６６１号公報特開平７−０４５８０５号公報特開２００２−３５９３６３号公報特開２００４−２２１５３２号公報

コア層を形成する際には、特許文献１、２、４に記載されているように、受光部上を覆う屈折率の低い絶縁層に、フォトリソグラフィなどのエッチング技術を用いて穴を穿ち、この穴にコア層を構成する屈折率の高い材料を充填している。しかしながら、コア層をテーパー状に形成するためには、エッチングの条件を厳密に制御する必要があり、現実的には製造が極めて困難であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成で高解像度化、高感度化、および小型化を実現させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に光を入射させるための開口を形成する遮光層と、前記受光部上に形成され、前記開口に向けて光を導くコア層と、前記遮光層、および前記コア層を覆うクラッド層とを備える固体撮像装置において、前記コア層に対向する前記遮光層と前記クラッド層との界面は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、前記コア層との間隔が漸増されるように形成されていることを特徴とする。

前記遮光層と前記クラッド層との間に、反射膜が形成されており、前記コア層に対向する前記反射膜と前記クラッド層との界面は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、前記コア層との間隔が漸増されるように形成されていることが好ましい。この場合、前記反射膜は、金属であることが好ましい。

前記コア層と前記クラッド層との界面は、前記受光部の側から光の入射する側にかけて、前記コア層の幅が略同一となるように形成されていることが好ましい。

あるいは、前記コア層と前記クラッド層との界面は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、前記コア層の幅が漸増されるように形成されていることが好ましい。

前記コア層は、前記クラッド層に穿たれた穴に充填されていることが好ましい。

本発明の固体撮像装置によれば、コア層に対向する遮光層とクラッド層との界面が、受光部の側から光の入射する側に向かって、コア層との間隔が漸増されるように形成されるので、コア層をテーパー状に形成する場合と比べて、容易に作製することができる。したがって、簡単な構成で高解像度化、高感度化、および小型化を実現させることができる。

図１において、ＣＣＤイメージセンサ２は、受光部１０、読み出し転送ゲート（以下、ＴＧと略す。）１１、垂直ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤと略す。）１２、水平ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤと略す。）１３、および出力アンプ１４から構成される。

受光部１０は、垂直方向（矢印Ａ方向）および水平方向（矢印Ｂ方向）に所定のピッチでマトリクス状に複数配列されている。受光部１０は、マイクロレンズ３３およびコア層３０（ともに図２参照）を介して入射した光を受光して光電変換を行い、入射光の光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。ＴＧ１１は、各受光部１０に設けられており、受光部１０に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ１２に転送する。

ＶＣＣＤ１２は、受光部１０の垂直列間に設けられている。ＶＣＣＤ１２は、ＴＧ１１を介して受光部１０から転送された信号電荷を、ＨＣＣＤ１３に向けて一行ずつ垂直方向に転送する。ＨＣＣＤ１３には、各ＶＣＣＤ１２の最終端が接続されている。ＨＣＣＤ１３は、ＶＣＣＤ１２の最終端から出力された信号電荷を一行ずつ受け取り、一行分の信号電荷を受け取るたびに、出力アンプ１４に向けて転送する。出力アンプ１４は、ＨＣＣＤ１３からの一行分の信号電荷を、その電荷量に応じた信号電圧に変換し、ＣＣＤイメージセンサ２の外部に撮像信号として出力する。

図１のａ−ａ’線に沿う断面を示す図２において、例えば、シリコンからなるｎ型半導体の基板２０上には、ｐ型ウェル層２１が形成されている。ｐ型ウェル層２１には、信号電荷を蓄積する第１ｎ型層２２が形成されている。第１ｎ型層２２の上には、正孔を蓄積するｐ^＋型層２３が形成されている。ｐ型ウェル層２１の表層には、第２ｎ型層２４が形成されている。第２ｎ型層２４は、ｐ型ウェル層２１またはｐ^＋型層２３によって、第１ｎ型層２２から分離されている。

受光部１０は、基板２０を含む各層のｐｎｐｎ接合により構成された、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。また、ＴＧ１１は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１によって構成され、ＶＣＣＤ１２は、第２ｎ型層２４によって構成されている。

第２ｎ型層２４の上方には、第１絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２５を介して、転送電極（例えば、多結晶シリコンからなる。）２６が形成されている。転送電極２６は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１上にも延在している。転送電極２６には、ＶＣＣＤ１２による信号電荷の垂直転送、およびＴＧ１１による第１ｎ型層２２から第２ｎ型層２４への信号電荷の読み出し転送を制御する駆動電圧が印加される。

転送電極２６の周囲を覆う第２絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２７の上には、各受光部１０の開口２８を除く領域を遮光する遮光層（例えば、タングステンからなる。）２９が形成されている。また、開口２８上には、中心が一致するように略筒状のコア層３０が形成されている。コア層３０は、入射光を開口２８に向けて導光するもので、高い屈折率を有する材料、例えば、窒化シリコン（屈折率１．９〜２．０）からなる。

遮光層２９およびコア層３０の表層は、クラッド層としての平坦化層３１により覆われている。平坦化層３１は、表面が平坦化されており、絶縁性で低い屈折率を有する材料、例えば、ＢＰＳＧ（Boron phosphorus silicate glass、屈折率１．４〜１．５）からなる。

平坦化層３１上には、カラーフィルタ３２、およびマイクロレンズ３３が設けられている。カラーフィルタ３２は、特定の色、例えば、赤、緑、青、あるいはシアン、マゼンタ、イエローの光を透過させる色素がそれぞれ含まれたレジスト材からなる。マイクロレンズ３３は、その光軸Ｌが開口２８の中心を通り、且つ開口２８の面に垂直になるように配され、光軸Ｌに平行な入射光を効率よくコア層３０の入射面３０ａに向けて集光するような曲率を有する。なお、煩雑を避けるため、カラーフィルタ３２、およびマイクロレンズ３３のみにハッチングを施し、他の部分は省略する。

コア層３０に対向する遮光層２９と平坦化層３１との界面３４は、受光部１０の側から光の入射する側に向かって、コア層３０との間隔が漸増されるように形成されている。これにより、図３に模式的に示すように、マイクロレンズ３３で入射面３０ａに集光しきれなかった入射光の成分４０（ハッチングで示す。）の一部が、平坦化層３１を透過したり、界面３４で反射したりして、開口２８に導かれる。

三個の山形のグラフは、光軸Ｌを中心とする平行入射光の光強度分布を表し、入射面３０ａ付近の光強度分布の幅は、約２μｍである。これに対して、開口２８の幅は、例えば、０．４μｍ〜１．４７μｍ（図１１および図１２参照）であるので、界面３４を伝って、あるいはコア層３０に透過して開口２８に導かれる入射光の成分４０は、本来ならば開口２８に導かれないで損失となる成分である。なお、入射面３０ａに近付くにつれて光強度分布の幅がブロードから幅狭になるのは、マイクロレンズ３３の集光効果による。

続いて、上記構成を有するＣＣＤイメージセンサ２の作製手順について、図４〜図８を参照して説明する。まず、ｎ型シリコン基板２０上に形成されたｐ型ウェル層２１に、ｐ型不純物を高濃度でイオン注入して、ｐ^＋型層２３を形成する。そして、ｎ型不純物をイオン注入して、第１、第２ｎ型層２２、２４をそれぞれ形成する。これにより、ｎ型シリコン基板２０に受光部１０、ＴＧ１１、およびＶＣＣＤ１２が形成される。

次いで、熱酸化法、またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ｐ型ウェル層２１上に酸化シリコンからなる第１絶縁層２５を形成し、ＣＶＤ法により、第１絶縁層２５上に多結晶シリコンを堆積させ、これをパターニングして転送電極２６を形成する。そして、転送電極２６を覆うように、酸化シリコンからなる第２絶縁層２７を形成する。以上の工程を経て、図４に示す多層構造体を得る。

続いて、図５に示すように、ＣＶＤ法により、第２絶縁層２７上にタングステン膜５０を膜厚３００ｎｍ堆積させる。そして、図６に示すように、フォトリソグラフィなどの周知のエッチング技術を用いて、開口２８、および開口２８に向けて傾いた界面３４となる傾斜面５１を有するようにタングステン膜５０をエッチングし、遮光層２９を形成する。

次に、図７に示すように、ＣＶＤ法により、開口２８、および遮光層２９を覆うようにＢＰＳＧ膜５２を膜厚８００ｎｍ堆積させる。そして、８００℃の温度下でリフロー熱処理を行い、ＢＰＳＧ膜５２を開口２８、および遮光層２９の表層の形状に馴染ませ、ＢＰＳＧ膜５２の表層を粗く平坦化する。

リフロー熱処理後、図８に示すように、フォトリソグラフィなどの周知のエッチング技術を用いて、コア層３０を充填するための穴５３をＢＰＳＧ膜５２に形成する。そして、プラズマＣＶＤ法により、穴５３にコア層３０となる窒化シリコン膜５４を膜厚１μｍ充填した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、ＢＰＳＧ膜５２および窒化シリコン膜５４の表層を研磨して平坦化し、平坦化層３１、およびコア層３０を形成する。その後、平坦化層３１、およびコア層３０の表層に、カラーフィルタ３２、マイクロレンズ３３を順次設け、図２に示すＣＣＤイメージセンサ２を完成させる。

次に、上記構成を有するＣＣＤイメージセンサ２の動作について説明する。ＣＣＤイメージセンサ２に入射された光は、マイクロレンズ３３により入射面３０ａに集光される。入射面３０ａに集光された光は、平坦化層３１よりもコア層３０の屈折率が高いことにより、コア層３０により開口２８へと導かれる。また、マイクロレンズ３３で入射面３０ａに集光しきれなかった光成分４０の一部も、平坦化層３１を透過したり、界面３４で反射したりして、開口２８に導かれる。開口２８に導かれた光は、受光部１０で受光される。

受光部１０で光が受光されると、受光部１０で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷が生成されて蓄積される。そして、転送電極２６に駆動電圧が印加されると、受光部１０に蓄積された信号電荷がＴＧ１１を介してＶＣＣＤ１２に転送される。ＶＣＣＤ１２に転送された信号電荷は、ＶＣＣＤ１２を垂直転送されて、ＨＣＣＤ１３に転送される。ＨＣＣＤ１３に転送された信号電荷は、ＨＣＣＤ１３を水平転送されて、出力アンプ１４により信号電圧に変換され、外部に撮像信号として出力される。

以上説明したように、コア層３０に対向する遮光層２９と平坦化層３１との界面３４を、受光部１０の側から光の入射する側に向かって、コア層３０との間隔が漸増されるように形成するので、マイクロレンズ３３で集光しきれなかった光も開口２８に導かれる。また、コア層３０をテーパー状に形成する場合よりも、比較的簡単に界面３４を形成することができる。したがって、光を効率よく受光部１０に入射させることができ、ＣＣＤイメージセンサ２の高感度化を促進させることができる。また、これに伴い、ＣＣＤイメージセンサ２の小型化、高解像度化に寄与することができる。

なお、図９に示すように、遮光層２９と平坦化層３１との間に、金属（例えば、アルミ）からなる反射膜６０を形成してもよい。反射膜６０は、遮光層２９の形成後、膜厚３０ｎｍで遮光層２９上に蒸着される。反射膜６０は、コア層３０に対向する平坦化層３１との界面６１が、受光部１０の側から光の入射する側に向かって、コア層３０との間隔が漸増されるように形成されている。このようにすれば、マイクロレンズ３３で集光しきれなかった光が、反射膜６０で反射されて開口２８に導かれやすくなり、光の入射効率をさらに高めることができる。

上記実施形態では、コア層３０を略筒状としているが、図１０に示すように、平坦化層３１との界面６２を、受光部１０の側から光の入射する側に向かって、その幅が漸増されるように形成したコア層６３を用いてもよい。このようにすれば、コア層３０の場合と比べて入射面６３ａの面積が大きくなるので、光の入射効率をさらに高めることができる。

上記実施形態では、インターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサ１０を例示して説明しているが、本発明はこれに限定されず、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像装置に適用することも可能である。

ＣＣＤイメージセンサの構成を示す概略平面図である。図１のａ−ａ’線に沿う断面図である。光が集光されて入射面に入射する様子を模式的に示す説明図である。ｎ型半導体基板に構成された多層構造体を示す断面図である。第２絶縁層上にタングステン膜を堆積させた状態を示す断面図である。タングステン膜をエッチングして、遮光層を形成した状態を示す断面図である。開口、および遮光層を覆うようにＢＰＳＧ膜を堆積させた状態を示す断面図である。コア層を充填するための穴をＢＰＳＧ膜に形成し、穴に窒化シリコン膜を充填した状態を示す断面図である。別の実施形態を示す断面図である。さらに別の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

２ＣＣＤイメージセンサ
１０受光部
２０基板
２８開口
２９遮光層
３０、６３コア層
３１平坦化層（クラッド層）
３４界面
５３穴
６０反射膜
６１界面
６２界面

Claims

基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に光を入射させるための開口を形成する遮光層と、前記受光部上に形成され、前記開口に向けて光を導くコア層であって、前記遮光層を覆うクラッド層に穿たれた穴に充填されているコア層とを備える固体撮像装置において、
前記コア層と前記クラッド層との界面は、前記受光部の側から光の入射する側にかけて、前記コア層の幅が略同一となるように形成され、
前記遮光層と前記クラッド層との間に、反射膜が形成されており、
前記コア層に対向する前記反射膜と前記クラッド層との界面は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、前記コア層との間隔が漸増されるように形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記反射膜は、金属であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。