JP5166925B2

JP5166925B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5166925B2
Application number: JP2008063158A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP2009218506A

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ、カムコーダ等に用いる固体撮像装置に関するものである。

デジタルスチルカメラやカムコーダ、あるいは携帯電話等に用いる固体撮像装置は、近年、ＣＣＤ型に加え消費電流の小さいＣＭＯＳ型が使われるようになってきている。しかしながら、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置は多層の電極層を有しているため、入射角の大きい光は効率的に光電変換部に導けないという欠点があった。

そこで、入射角の大きい光の取り込み効率を向上させるために、特許文献１では、画素と画素との間に反射壁を設け、斜めに入射した光を光電変換部に導くＣＣＤ型固体撮像装置を開示している。また特許文献１の固体撮像装置は、画面周辺部に位置する画素では、ゲート電極を覆う遮光膜上に設けた金属あるいは低屈折率材料による反射壁の位置を固体撮像装置の中心側にずらして配置することにより、斜入射光による周辺光量落ちを低減するようにしている。

図６は従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置１００の平面図である。図中６０は反射壁で、気体による溝から構成されている。気体溝６０は、各画素に対して同一の位置に配置されている。

図７はＣＭＯＳ型固体撮像装置１００の一部断面図で、図６に示した固体撮像装置１００の平面図の画素ｂ、画素ｏ、画素ａの断面図を示している。画素ｂは固体撮像装置１００の左端の画素、画素ｏは固体撮像装置１００の中央の画素、画素ａは固体撮像装置１００の右端の画素である。図中Ａは、図８の光路図に示すように、撮影レンズ２の光軸である。

ＣＭＯＳ型固体撮像装置１００は、シリコン（Ｓｉ）基板１０の内部に光電変換部１１が形成されている。さらに、酸化シリコンで構成された第１の層間絶縁膜２１上には電極層３０、そして第２の層間絶縁膜２２上には電極層３１が配設されている。さらに、電極層３１を覆うように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。

そして、第１、第２、第３の層間絶縁膜２１、２２、２３中の電極層３０及び電極層３１が開口している領域に、気体溝６０が形成されている。気体溝６０は通常真空で、屈折率は１である。気体溝６０は、光入射側の開口が最大となり、かつ電極層３０及び電極層３１に接しないように形成されている。そのため、気体溝６０と光電変換部１１との相対位置関係はどこの画素でも一定になっている。

気体溝６０の上方には、パッシべーション膜４０が形成され、気体溝６０を封止している。

さらに、平坦化層５０、カラーフィルタ層５１、平坦化層５２及びマイクロレンズ５３が樹脂材料により形成されている。

図８の光路図に示すように、図７のＣＭＯＳ型固体撮像装置１００の断面図では撮影レンズ２の画素ｂ側の縁から入射する光束を図示している。

例えば、右端の画素ａでは、光電変換部１１に対して撮影レンズの光軸Ａ側に偏心したマイクロレンズ５３に入射した光は、平坦化層５２、カラーフィルタ層５１、平坦化層５０、パッシべーション膜４０、第３の層間絶縁膜２３を透過する。そして、第２の層間絶縁膜２２近傍に集光される。集光された光束の一部は、層間絶縁膜２２と気体溝６０との境界面にて全反射して光電変換部１１に導かれるようになっている。
特開２００６−０６０２５０号公報（第７頁、図２）

しかしながら、図７のＣＭＯＳ型固体撮像装置１００の断面図の左端の画素ｂに示すように、撮影レンズの瞳の画素ｂ側から入射する光束は、光電変換部１１に対して撮影レンズの光軸Ａ側に偏心したマイクロレンズ５３にて集光される。しかし、光束の一部は光電変換部１１を四方から覆う気体溝６０の外側（光電変換部１１を覆っていない側）に入射し全反射をおこしてしまうため、光電変換部１１へは導かれず受光量を損失してしまうという欠点があった。

さらに、気体溝６０の外側（光電変換部１１を覆っていない側）にて全反射した光が隣接する画素の光電変換部に到達して、混色を発生させてしまうという欠点があった。

したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、入射した光をより効率よく光電変換部に導くことができる固体撮像装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる固体撮像装置は、半導体基板上に２次元的に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の中に前記複数の光電変換部のそれぞれを囲むように形成された複数の気体溝部と、を備え、前記複数の光電変換部のうちの周辺に配置された光電変換部に対応する気体溝部は、当該光電変換部よりも中心側の位置の少なくとも一部には形成されないことを特徴とする。
また、本発明に係わる固体撮像装置は、半導体基板上に２次元的に配列された複数の光電変換部と、前記光電変換部の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の中に前記複数の光電変換部のそれぞれを囲むように形成された、複数の気体溝部と、を備え、前記複数の光電変換部のうちの周辺に配置された光電変換部に対応する気体溝部は、当該光電変換部よりも中心側の位置の少なくとも一部の高さが、当該光電変換部よりも周辺側の位置の高さよりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、入射した光をより効率よく光電変換部に導くことができる固体撮像装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は本発明の第１の実施形態の固体撮像装置を示す図であり、図１はＣＭＯＳ型固体撮像装置の平面図、図２はＣＭＯＳ型固体撮像装置の断面図である。

デジタルカメラ等に用いられる固体撮像装置は数百万の画素で構成されているが、図１の平面図では固体撮像装置１を構成する画素の一部を間引いて示している。また、図２の断面図では、図１の固体撮像装置１の平面図に示した画素ｂ、画素ｏ、画素ａの断面構造と、不図示の撮影レンズから入射する光束を示している。画素ｂは固体撮像装置１の左端の画素、画素ｏは固体撮像装置１の中央の画素、画素ａは固体撮像装置１の右端の画素である。また図中Ａは、不図示の撮影レンズの光軸である。なお、本実施形態の固体撮像装置は、図６及び図７に示した従来の固体撮像装置と共通する部分が多いため、共通する部分には同一の参照番号を付している。

固体撮像装置１は、シリコン（Ｓｉ）基板１０の内部（半導体基板上）に複数の光電変換部１１が２次元的に配列されて形成されている。さらに、酸化シリコンで構成された第１の層間絶縁膜２１上には電極層３０、そして第２の層間絶縁膜２２上には電極層３１が配設されている。さらに、電極層３１を覆うように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。

そして、第１、第２、第３の層間絶縁膜２１、２２、２３中の電極層３０及び電極層３１が開口している領域に、気体溝（溝部）６０が形成されている。気体溝６０は、層間絶縁膜２１、２２、２３をドライエッチングすることにより形成される。気体溝６０は通常真空で、屈折率は１である。

また気体溝６０は、光入射側の開口が最大となり、かつ電極層３０及び電極層３１に接しないように形成されている。電極層３１及び電極層３０の開口は通常矩形のため、図１の固体撮像装置１の平面図に示すように気体溝６０の開口形状も矩形である。また、気体溝６０と光電変換部１１との相対位置関係はどこの画素でも一定になっている。

さらに、平坦化層５０、カラーフィルタ層５１、平坦化層５２及びマイクロレンズ５３が樹脂材料により形成されている。ここでマイクロレンズ５３は、不図示の撮影レンズの瞳中心からの光束が効率よく受光できるように、光電変換部１１に対して撮影レンズの光軸Ａ側に偏心して配設されている。

図１のＣＭＯＳ型固体撮像装置１の平面図に示すように、本実施形態の固体撮像装置１では、画面中央部（シリコン基板１０の中心軸上）に位置する画素ｏでは気体溝６０が光電変換部１１の一部を四方から覆うように矩形形状で形成されている。しかし、画面周辺部にいくにしたがって撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝が欠けたように構成されている。

そのため、画面周辺部の画素ｂ及び画素ａでは、撮影レンズの光軸Ａに対して光電変換部１１の外側には気体溝６０が形成されているが、光電変換部１１の撮影レンズの光軸Ａに近い側には気体溝６０が形成されていないように構成されている。

その結果、本実施形態の固体撮像装置１に、例えば不図示の撮影レンズの瞳の画素ｂ側からの光が入射する場合、画素ｂ側とは反対に位置する画素ｏ及び画素ａに入射する斜めの光の一部は、マイクロレンズ５３で集光され、気体溝６０と層間絶縁膜２２との界面で全反射して光電変換部１１に導かれる。このとき、画素ｏでは、光の全反射を発生させる気体溝６０とは反対側に位置する気体溝６０は、光の集光には寄与していない。同様に、画素ａでは、光の全反射を発生させる気体溝６０とは反対側には気体溝が形成されていないが、光電変換部１１に対して撮影レンズの光軸Ａ側に気体溝が形成されていなくても入射光は光電変換部１１に効率よく導かれる。

一方画素ｂでは、不図示の撮影レンズの瞳の画素ｂ側からの光が入射する場合、入射する入射光の角度は小さいため、光電変換部１１の撮影レンズの光軸Ａに対して外側にある気体溝６０の界面には光は入射しないで光電変換部１１に到達する。即ち、画素ｂでは不図示の撮影レンズの瞳の画素ｂ側からの光に対しては気体溝６０は集光作用に寄与しない。

また画素ｂでは、マイクロレンズ５３が撮影レンズの光軸Ａ側に偏心して配設されているため、マイクロレンズ５３によって集光される光は、光電変換部１１の撮影レンズの光軸Ａ側に偏ってしまう。

本実施形態の固体撮像装置１では、画面周辺画素では撮影レンズの光軸Ａ側には気体溝６０を形成していないため、撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝による光の損失を防止している。

次に、本実施形態の固体撮像装置１の各画素における気体溝６０を形成しない領域の設定方法について説明する。

固体撮像装置１の中心（撮影レンズの光軸Ａと同一）から離れるにしたがって撮影レンズの光軸Ａ側とは反対側（光電変換部１１を覆う領域の外側）の気体溝で光を反射する割合が大きくなる。そのため、固体撮像装置１の中心（撮影レンズの光軸Ａと同一）から離れるにしたがって撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝が形成されない領域が大きくなるように設定される。

本実施形態では、気体溝６０を形成しない領域は、撮影レンズの光軸Ａが通る固体撮像装置１の中心画素ｏの気体溝６０の中心と各画素の気体溝の中心とを結ぶ直線に対して±φの角度範囲の領域に気体溝を形成しないように設定している。

図３は本実施形態の固体撮像装置１の平面図、図４は固体撮像装置１の任意の画素ｉで気体溝を形成しない領域の説明図である。

任意の画素ｉでは、撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝は形成されない。

ここで、以下のように記号を定める。

撮影レンズの光軸Ａが通る固体撮像装置１の中心画素ｏの気体溝の中心座標：(Ｘo，Ｙo)
任意の画素ｉの気体溝の中心座標：（Ｘi，Ｙi）
気体溝のｘ方向の幅：Ｗｘ
気体溝のｙ方向の幅：Ｗｙ
中心画素ｏの気体溝の中心と任意の画素ｉの気体溝の中心との距離：Ｌ
Ｌ＝√（（Ｘi−Ｘo）²＋（Ｙi−Ｙo）²）
気体溝が形成されない角度範囲：２φ
画素ｏと画素ｉを結ぶ直線のＸ軸とのなす角度：θi
tan（θi）＝（Ｙi−Ｙo）／（Ｘi−Ｘo）
例えば、画素ｏと画素ｉを結ぶ直線のＸ軸とのなす角度θiが、
｜θi｜ ≦ ４５°
のとき、任意の画素ｉでの気体溝を形成しない図４中点線で示した垂直方向の領域Ｙc（δy1とδy2の領域）は、
Ｙｃ−Ｙi＋Ｗｘ・tan（θi）／２ ≦ ｜Ｌ・tan（φ）／cos（θi）｜
を満足する。また、
２・Ｌ・tan（φ）＞Ｗｙ・cos（θi）
を満足するとき、図中点線で示した水平方向の領域δxには気体溝が形成されない。ここでδxは、
δｘ＝（Ｗｘ・sin（θi）＋２・Ｌ・tan（φ）−Ｗｙ・cos（θi））／２／cos（θi）／tan（θi−φ）
となる。任意の画素ｉでの気体溝を形成しない図中点線で示した水平方向の領域Ｘcは、
Ｘi−Ｗｘ／２＜Ｘｃ＜Ｘi−Ｗｘ／２＋δｘ
を満足する。ここで、気体溝が形成されない角度範囲は、固体撮像装置１の水平方向の長さをＬｘとすると、例えば、
tan（φ）＝Ｗｘ／Ｌｘ
を満足するように設定すれば良い。

本実施形態では、中心画素ｏと任意の画素ｉを結ぶ直線のＸ軸とのなす角度θiが、
｜θi｜ ≦ ４５°
を満足する場合の例を示したが、それ以外の角度でも同様の考え方で気体溝を形成しない領域を設定できる。

以下、本実施形態の固体撮像装置１の製造方法について説明する。

まず、シリコン基板１０の光電変換領域にイオンを打ち込んで光電変換部１１を形成するとともに、シリコン基板１０を熱酸化してシリコン基板１０の表面に不図示の酸化シリコンによる不図示の絶縁膜を形成する。さらに絶縁膜の上に、転送電極として不図示のポリシリコンを成膜し、さらに電極パターンを作成する。

転送電極が形成されると、窒化シリコンを成膜し不図示のエッチングストッパ膜を成膜する。エッチングストッパ膜は、気体溝６０を形成する際、層間絶縁膜２１、２２、２３のエッチングを止める機能を有している。

エッチングストッパ膜を形成すると、電極層３０を形成するための第１の層間絶縁膜２１を形成し平坦化処理を行う。第１の層間絶縁膜２１は屈折率が約１.４６の酸化シリコンで形成されている。平坦化処理された第１の層間絶縁膜２１上に、アルミで構成された電極層３０を形成する。さらに、電極を形成するための第２の層間絶縁膜２２を形成し平坦化処理を行う。第２の層間絶縁膜２２も屈折率が約１.４６の酸化シリコンで形成されている。平坦化処理された第２の層間絶縁膜２２上に、アルミで構成された電極層３１を形成する。さらに、第３の層間絶縁膜２３を形成し平坦化処理を行う。

本実施形態の固体撮像装置１では、第３の層間絶縁膜２３が形成されると気体溝６０が形成される。第３の層間絶縁膜２３上にレジストが塗布され、図１の固体撮像装置１の平面図に示したような気体溝パターンのマスクを介して露光後、現像処理を行って気体溝パターンを作製する。レジストによる気体溝パターンが作製されると、第３の層間絶縁膜２３、第２の層間絶縁膜２２及び第１の層間絶縁膜２１をドライエッチングすることにより気体溝６０が形成される。このとき、第１の層間絶縁膜２１と光電変換部１１との間にはエッチングストッパ膜が形成されているため、気体溝６０を形成するための穴がシリコン基板１０の光電変換部１１まで到達することはない。

気体溝６０が形成されると、パッシべーション膜４０である窒化シリコンによって被覆される。

パッシべーション膜４０が形成されると、カラーフィルタ５１を形成するための平坦化層５０が形成される。

さらに、カラーフィルタ５１が形成されると、マイクロレンズ５３を形成するための平坦化層５２が形成された後にマイクロレンズ５３が形成される。マイクロレンズ５３は、公知のレジストリフロー法にて形成される。

本実施形態では、固体撮像装置１を構成する各画素に気体溝を形成しない領域を設定する例を示したが、固体撮像装置１を構成する複数の画素をブロックとして、各ブロックで気体溝を形成しない領域を設定しても構わない。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態の固体撮像装置を示す図で、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の一部断面図である。

デジタルカメラ等に用いられる固体撮像装置は数百万の画素で構成されているが、図５では固体撮像装置１を構成する画素の一部を間引いて示している。図中、画素ｂは固体撮像装置１の左端の画素、画素ｏは固体撮像装置１の中央の画素、画素ａは固体撮像装置１の右端の画素を示している。また図中Ａは、不図示の撮影レンズの光軸である。また、不図示の撮影レンズから入射する光束も示している。

固体撮像装置１は、シリコン（Ｓｉ）基板１０の内部に光電変換部１１が形成されている。さらに、酸化シリコンで構成された第１の層間絶縁膜２１上には電極層３０、そして第２の層間絶縁膜２２上には電極層３１が配設されている。さらに、電極層３１を覆うように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。

そして、第１、第２、第３の層間絶縁膜２１、２２、２３中の電極層３０及び電極層３１が開口している領域に、気体溝６０が形成されている。気体溝６０は、層間絶縁膜２１、２２、２３をドライエッチングすることにより形成される。気体溝６０は通常真空で、屈折率は１である。

本実施形態の固体撮像装置１では、画面中央部に位置する画素ｏでは気体溝６０が光電変換部１１の一部を四方から覆うように矩形形状で形成されている。しかし、画面周辺部にいくにしたがって撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝６０の高さが低くなるように構成されている。

そのため、画面周辺部の画素ｂ及び画素ａでは、撮影レンズの光軸Ａに対して光電変換部１１の外側には第３の層間絶縁膜２３まで気体溝６０が形成されている。しかし、光電変換部１１の撮影レンズの光軸Ａに近い側の気体溝６０は、第２の層間絶縁膜２２まで形成されている。

その結果、本実施形態の固体撮像装置１に、例えば不図示の撮影レンズの瞳の画素ｂ側からの光が入射する場合、画素ｂ側とは反対に位置する画素ｏ及び画素ａに入射する斜めの光の一部は、マイクロレンズ５３で集光され、気体溝６０と層間絶縁膜２２との界面で全反射して光電変換部１１に導かれる。このとき、画素ｏでは、光の全反射を発生させる気体溝６０とは反対側に位置する気体溝６０は、光の集光には寄与していない。同様に、画素ａでは、光の全反射を発生させる気体溝６０とは反対側の気体溝６０は低く形成されているが、光電変換部１１に対して撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝６０が低く形成されていても入射光は光電変換部１１に効率よく導かれる。

一方画素ｂでは、不図示の撮影レンズの瞳の画素ｂ側からの光が入射する場合、入射する入射光の角度は小さいため、光電変換部１１の撮影レンズ光軸Ａに対して外側にある気体溝６０の界面には光は入射しないで光電変換部１１に到達する。即ち、画素ｂでは不図示の撮影レンズの瞳の画素ｂ側からの光に対しては気体溝６０は集光作用に寄与しない。

本実施形態の固体撮像装置１では、画面周辺画素では撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝６０を低く形成しているため、撮影レンズの光軸Ａ側の気体溝６０による光の損失を防止している。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、固体撮像装置に入射する光束の角度範囲が大きくても、入射光を損失することなく受光することが可能となる。

また、固体撮像装置の周辺部に位置する画素部に配設される気体溝を、撮影レンズの光軸側には一部気体溝を形成しないように構成することにより、気体溝の開口が狭いことよる光量損失を防止することが可能となる。

また、固体撮像装置の周辺部に位置する画素部に配設される気体溝を、撮影レンズの光軸側の気体溝の高さが低くなるように構成することにより、入射光が気体溝の外側に入射することを防止し光量損失を小さくすることが可能となる。

本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像装置の平面図である。本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像装置の断面図である。本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の平面図である。本発明の第１の実施形態の固体撮像装置における任意の画素ｉで気体溝を形成しない領域の説明図である。本発明の第２の実施形態の固体撮像装置を示す図で、ＣＭＯＳ型固体撮像装置の一部断面図である。従来の固体撮像装置の概略平面図である。従来の固体撮像装置の概略断面図である。固体撮像装置と撮影レンズを示す光路図である。

符号の説明

１固体撮像装置
１０シリコン基板
１１光電変換部
２１、２２、２３層間絶縁膜
３０、３１電極層
４０パッシべーション膜
５０、５２平坦化層
５１カラーフィルタ
５３マイクロレンズ
６０気体溝

Claims

半導体基板上に２次元的に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の中に前記複数の光電変換部のそれぞれを囲むように形成された複数の気体溝部と、を備え、
前記複数の光電変換部のうちの周辺に配置された光電変換部に対応する気体溝部は、当該光電変換部よりも中心側の位置の少なくとも一部には形成されないことを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の光電変換部のうち周辺に近い光電変換部ほど、当該光電変換部よりも中心側の位置で前記気体溝部が形成されない範囲が大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
半導体基板上に２次元的に配列された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の中に前記複数の光電変換部のそれぞれを囲むように形成された、複数の気体溝部と、を備え、
前記複数の光電変換部のうちの周辺に配置された光電変換部に対応する気体溝部は、当該光電変換部よりも中心側の位置の少なくとも一部の高さが、当該光電変換部よりも周辺側の位置の高さよりも低いことを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の光電変換部のうち周辺に近い光電変換部ほど、当該光電変換部よりも中心側の位置の少なくとも一部の高さと、当該光電変換部よりも周辺側の位置の高さとの差が大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。