JP5595298B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents
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Description
本発明は固体撮像装置及び該固体撮像装置を有する撮像システムに関するものであり、特に固体撮像装置の画素構造に関するものである。
デジタルカメラやカムコーダなどの撮像システムに用いられる固体撮像装置は、小型化及び多画素化が進展し、それに伴い画素寸法が急速に縮小している。画素寸法が縮小すると、画素部内の光電変換素子の受光部面積が減少するので光電変換素子の感度が低下する。光電変換素子の感度の低下を抑制するために、画素の光入射面上にオンチップでマイクロレンズを形成する技術が、既に実用化されている。近年では、更に、マイクロレンズと光電変換素子との間に、光の全反射を利用して集光を行う光導波路を形成する構成がある。光導波路を形成する場合に、特許文献１には、平坦化層に形成されたスルーホール４１を高屈折材料で埋めることによって光導波路を形成するとともに該平坦化層の上面を高屈折材料で覆うことが開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載された構造では、隣接する光導波路の間の平坦化層の上に配置された高屈折材料層の上面および下面で反射されながら光が伝播し、これにより光導波路、更には光電変換素子に光が入射しうる。これが、混色を引き起こしたり、ノイズ成分となったりしうる。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、混色などのノイズの低減に有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の１つの側面は、複数の光電変換素子を含む半導体基板を有し、前記複数の光電変換素子に入射した光を前記複数の光電変換素子で光電変換し撮像を行う固体撮像装置であって、前記半導体基板の上に配され、前記複数の光電変換素子の上にそれぞれ配された複数の開口部を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有し、前記複数の開口部にそれぞれ配された複数の絶縁体と、前記複数の絶縁体の上および前記第１の絶縁膜の上面の上に配され、平坦な上面を有し、前記複数の絶縁体と一体の膜からなる第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第２の絶縁膜の上面の上に配された第３の絶縁膜と、を備え、前記複数の光電変換素子に入射する光の波長をλ、前記第２の絶縁膜の屈折率をｎ、前記第１の絶縁膜の上面の少なくとも一部の領域の上における前記第２の絶縁膜の膜厚をｔとしたときに、ｔ＜λ／ｎの関係を満たす。
本発明によれば、混色などのノイズの低減に有利な技術が提供される。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
＜第１実施例＞
光導波路を形成する技術を開示した文献として特許文献２、３がある。特許文献２には、導波路をテーパー状の形状とすることで上部を大きく開口して集光性を高めることが開示されている。特許文献３には、光導波路の上部に更にレンズを形成して光を光導波路の上部に集光する構造が開示されている。
光導波路を形成する技術を開示した文献として特許文献２、３がある。特許文献２には、導波路をテーパー状の形状とすることで上部を大きく開口して集光性を高めることが開示されている。特許文献３には、光導波路の上部に更にレンズを形成して光を光導波路の上部に集光する構造が開示されている。
しかしながら、特許文献２の構造では、最上部の集光レンズに対して斜めから入射してくる光や隣り合う集光レンズの間に入射してくる光は、多段開口状の光導波路の開口部に入射しない光となる。そのため、光導波路の開口部に入射しない光が隣接する素子部に入射してしまい、混色やノイズ成分となる場合がある。また、特許文献３の構造では、光導波路の開口上部に光導波路と同一の材料で一体に集光レンズを形成しているが、斜めから入射してくる光で光導波路に集光できない光は隣接する素子部に入射してしまう。そのため、隣接する素子部に入射した光は、解像度を低下させたり、カラーの固体撮像装置の場合には混色を生じさせるなど、ノイズ成分となる場合がある。
第１実施例は、光を効率的に取り込むことが可能で、隣接する光電変換素子への光の入射を抑制可能な固体撮像装置及び該固体撮像装置を有する撮像システムを提供する。
＜第１実施例の固体撮像装置の構成例＞ 図１に、第１実施例の固体撮像装置の断面模式図を示す。第１実施例はＣＭＯＳ型固体撮像装置であって、図１は２画素分の断面を示している。図１の画素が２次元アレイ状に複数個配列され、図４で後述する、例えばデジタルカメラやカムコーダなどの撮像システムに用いられる。
図１において、光電変換素子２と素子分離領域３とが、半導体基板１の上面に形成されている。光電変換素子２が形成された半導体基板１の上には、光電変換素子２の上に配置された開口部１０１を有する第１の絶縁膜１００が配されている。第１の絶縁膜１００は、図１に示す例では、第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８を含み、第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８は、それぞれ、開口部１０１を構成する開口部を有する。具体的には、光電変換素子２上に開口部を有する第１の絶縁層４が形成されている。この第１の絶縁層４上には、第１の配線層５と該第１の配線層５を覆い光電変換素子２上に開口部を有する第２の絶縁層６とが形成されている。この第２の絶縁層６の中に第２の配線層７が形成されている。第２の配線層７はダマシン構造である。そして、第２の絶縁層６を覆う光電変換素子２上に開口部を有する第３の絶縁層８が形成されている。第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８の、光電変換素子２に対応した開口部は、光電変換素子２から離れるにしたがって面積が大きくなるテ−パー形状となっている。開口部内に、第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８の構成材料よりも屈折率が高い材料からなる高屈折率部である絶縁体が配され、該絶縁体によって光導波路９ａ及び９ｂが形成されている。
光導波路９ｂの上方に高屈折率部と屈折率が同じかあるいはそれより大きい材料からなる第２の絶縁膜であるパッシベーション膜１０ａ及び１０ｂが設けられている。ここで、光導波路（絶縁体）に入射する光の波長をλ、パッシベーション膜の屈折率をｎとする。光導波路の上面の全体又は少なくとも一部の領域は、パッシベーション膜１０ａの膜厚をｔ１としたときに、ｔ１＞λ／ｎの関係を満たす厚みのパッシベーション膜１０ａで覆われている。ここで、光導波路の上面のうちパッシベーション膜１０ａで覆われている領域を、第１の領域と言う。また、パッシベーション膜１０ａの間に位置する第１の絶縁膜１００（あるいは第３の絶縁層８）の上面の少なくとも一部の領域は、パッシベーション膜１０ｂの膜厚をｔ２としたときに、ｔ２＜λ／ｎの関係を満たす厚みのパッシベーション膜１０ｂで覆われている。ここで、第１の絶縁膜１００（あるいは、第３の絶縁層８）の上面のうちパッシベーション膜１０ｂで覆われている領域を、第２の領域と言う。
図１に示す例では、パッシベーション膜１０ａ及び１０ｂは同一の膜から形成されており、それぞれｔ１及びｔ２の一定の厚みを持った膜で形成されている。パッシベーション膜１０ａ及び１０ｂ上には、例えば屈折率１．５の透明高分子樹脂からなる第３の絶縁膜である平坦化層１１が設けられる。さらに、平坦化層１１上には、画素に対応して屈折率１．５５の透明高分子樹脂からなる赤のカラーフィルタ層１２Ｒや緑のカラーフィルタ層１２Ｇが設けられている。カラーフィルタ層１２Ｒ及び１２Ｇ上に例えば屈折率１．６の透明高分子樹脂からなるオンチップマイクロレンズ１３が設けられている。もちろん、カラーフィルタ層は青のカラーフィルタ層１２Ｂであってよく、補色のカラーフィルタ層等でも良い。従って、カラーフィルタ層は、パッシベーション膜の上部であってマイクロレンズの下部にあると言える。なお、カラーフィルタ層の上に更に平坦化層が形成されていてもよい。前述のｔ１＞λ／ｎおよびｔ２＜λ／ｎは、好ましくは、カラーフィルタ層が透過して光導波路（絶縁体）に入射する光の帯域の全域について満たされる。
（各要素の具体的な材料例） 光電変換素子２としては、例えば、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有するフォトダイオードや、フォトトランジスタ等を用いることができる。これらの素子の半導体接合に光が入射すると、入射光によって光電変換が生じ電荷が発生する。各光電変換素子２の周囲の素子分離領域３は、選択酸化によるフィールド酸化膜と接合分離のための拡散層、埋め込み素子分離法等により形成された領域である。なお、素子分離領域３はＰＤ接合による不純物拡散による分離であってもよい。第１の絶縁層４は、各光電変換素子２および素子分離領域３を覆っている。なお、半導体基板１と第１の絶縁層４との間には、図示しないが、例えばゲート絶縁膜およびゲート電極が介在していてもよい。第１の配線層５は、配線パターンをなしている。第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８の材料は、光電変換素子２に吸収され、電気信号に変換される光を透過可能な透明な材料であればよい。例えば、固体撮像装置の多くが、可視光または赤外光の検出用であるので、これらの光に対して透明な材料であればよい。第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８には、一般的に電気的絶縁層またはパッシベーション層として用いられる無機絶縁体や有機絶縁体が用いられる。第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８の材料として、具体的には、酸化シリコンまたは酸化シリコンにリン、ホウ素、フッ素、炭素等をドープしたもの等が挙げられる。第１の配線層ｂ５、第２の配線層７は、例えばアルミニウム、またはダマシンプロセスによって形成される銅パターンであってもよい。また、光導波路９ａ及び９ｂを構成する高屈折率部の材料としては、屈折率２．０の窒化シリコンや屈折率１．８の酸窒化シリコン等が挙げられる。なお、第１の絶縁層４、第２の絶縁層６にはコンタクトプラグ及びビアプラグ（不図示）が配されている。
＜第１実施例の光電変換素子の製造工程例＞ 図２の（ａ）〜（ｄ）は、光導波路９を形成する製造工程を示す図である。なお、半導体基板１上に、第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第１の配線層５、第２の配線層７、コンタクトプラグ、及びビアプラグを形成する工程は既知であるので、ここでは説明を省略する。
図２の（ａ）において、第１の配線層５と第２の配線層７を形成した後に、フォトレジストを形成しパターニング技術を用いて、光導波路９ａを形成するためのフォトレジストパターン１４を形成する。次に、プラズマエッチングにより第２の絶縁層６と第１の絶縁層４のエッチングを行う。エッチングによって、第２の絶縁層６と第１の絶縁層４には、光電変換素子２に対応し、第２の絶縁層６と第１の絶縁層４とを貫通する開口部が形成される。その後、フォトレジストパターン１４を除去し図２（ｂ）の構成が得られる。ここで、第２の絶縁層６がプラズマ酸化シリコン、第１の絶縁層４がＢＰＳＧの場合には、例えばＣ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８に代表されるＣＦ系のガスと、Ｏ２、Ａｒを用いてプラズマエッチングを行う。また、エッチング条件を選べば、図２の（ｂ）に示すような上部開口部の面積より下部開口部の面積が小さいテーパー形状にエッチングを行うことも可能である。しかしながら、必ずしも図２の（ｂ）に示すようなテーパー形状である必要はない。
図２の（ｂ）において、高屈折率材料（絶縁体）を埋め込むことにより、高屈折率部、即ち、図２（ｃ）の第１の光導波路９ａを形成する。例えば、高密度プラズマＣＶＤによる屈折率２．０の窒化シリコンや屈折率１．８の酸窒化シリコン、スピンコートにより屈折率１．７の高い屈折率材料を開口部に埋め込む。高屈折率材料を埋め込んだ後、必要に応じて、レジストエッチバックやＣＭＰを用いて上部を平坦に加工してもよい。更に、第３の絶縁層８をプラズマ酸化シリコンを堆積し図２（ｃ）の構成を得る。
図２（ｃ）において、第１の光導波路９ａの形成と同様にフォトレジストパターンニングとエッチングと高屈折率材料（絶縁体）の埋め込みにより高屈折率部、即ち第２の光導波路９ｂを形成する。第２の光導波路９ｂの開口部は第３の絶縁層８の開口部である。このとき、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂにおいて、光電変換素子に向かうテーパー角度は同一でも、違っていてもかまわない。また、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂの高屈折率部は同一屈折率を有する材料からなることが好ましい。両者の高屈折率部の界面での反射が低減されるためである。しかし、同一でなくてもよい。両者の高屈折率部の屈折率が大きく異なる場合には、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂとの界面に、反射防止膜を配しても良い。
光導波路９ｂの形成後、パッシベーション膜を屈折率２．０のプラズマ窒化シリコンや屈折率１．８のプラズマ酸窒化シリコンで形成する。その後、フォトレジストを形成する。光導波路９ｂの上部の全てまたは一部の領域の上のパッシベーション膜を膜厚ｔ１とし、それ以外のパッシベーション膜を膜厚ｔ２とするためである。そして、プラズマエッチングによりパッシベーション膜のエッチングを行い、所望の膜厚になるまでエッチングを行う。この状態が図２の（ｄ）に示す構造となる。
ここで、パッシベーション膜の形成方法は、具体的には、パッシベーション膜を全面に膜厚ｔ１で形成した後、フォトレジストパターンを第１の領域のマスクとし、第２の領域にエッチングを行うことで、膜厚ｔ１及び膜厚ｔ２のパッシベーション膜が得られる。また、パッシベーション膜を膜厚ｔ１よりも厚く形成した後、所望のフォトレジストパターン及びエッチングを行うことで、膜厚ｔ１とｔ２のパッシベーション膜を得ることも可能である。更には、別の２つの膜からパッシベーション膜を形成してもよい。例えば、プラズマ酸窒化シリコンで膜厚ｔ２の膜を形成した後に、プラズマ窒化シリコンで膜厚ｔ１の膜を形成し、プラズマ窒化シリコンをパターニングしてもよい。
光導波路９ａ及び９ｂは、第１〜第３の絶縁層と高屈折率材料との界面を有する。よって、光導波路９ａ及び９ｂ内部に入射した光が、スネルの法則により側面で全反射する。例えば、光導波路９ａ及び９ｂの高い屈折率が、屈折率２．０のプラズマＳｉＮ膜とする。また、第１の絶縁層４、第２の絶縁層６、第３の絶縁層８を形成する材料が、それぞれ、屈折率１．４６のＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス）、屈折率１．４６のＳｉＯ（酸化シリコン）、屈折率１．４６のＳｉＯ（酸化シリコン）であるとする。この場合、光導波路９ａ及び９ｂの側壁に対して４６．９°以上の入射角で入射する光であれば、光導波路９ａ及び９ｂの側壁で全反射される。側壁で全反射された光は、最終的に光電変換素子２に入射することになる。したがって、光導波路９ａ及び９ｂを形成することによって、光を有効に光電変換素子２に入射させ、光電変換に寄与させることができる。
パッシベーション膜１０ａ及び１０ｂは、光導波路上及びその他の部分を覆うように形成される。光導波路９ｂの上部は、厚さｔ１、屈折率２．０のプラズマシリコン窒化膜からなるパッシベーション膜１０ａで被覆される。一方、光導波路の上部以外は、厚さｔ２、屈折率２．０のプラズマシリコン窒化膜からなるパッシベーション膜１０ｂで被覆されている。従って、平坦化層１１は、パッシベーション膜１０ａより低い屈折率となる。このときｔ１は、入射する光の波長が３８０ｎｍ（青）またはそれ以上の波長となることから３８０／２．０＝１９０ｎｍより厚ければ良い。より好ましくは、入射する光の波長の実質的な上限付近である６００ｎｍ（赤）に対し、６００／２．０＝３００ｎｍより厚いことが好ましい。また、ｔ２は、入射する光の波長を３８０ｎｍ（青）として３８０／２．０＝１９０ｎｍより薄ければ良い。より好ましくは、パッシベーション膜の機能としての水素終端による暗電流の低減効果が発揮される３０ｎｍ以上で１９０ｎｍ以下であることが好ましい。第１実施例による集光効果は、入射光の斜め成分が多い場合ほど顕著となる。
＜第１実施例の効果＞ 図３は、第１実施例の光電変換素子の効果を明示的に説明するための比較例の図である。図３は、パッシベーション膜１０が一定の膜厚で形成された以外は、第１実施例の光電変換素子と同様の構成の構造を有する、隣り合う２画素の断面図である。図３の比較例において、符号Ｃ１で示した入射光は、マイクロレンズ１３の表面の左側に、左斜め方向に傾斜して入射する光である。この光はマイクロレンズ１３によって屈折されて光導波路９ｂの上部の開口に入射した後、光電変換素子２に入射する。一方、符号Ｃ２によって示す、マイクロレンズ１３の表面の右側に、左斜め方向に傾斜して入射した光は、光導波路９ｂの上部の開口に入射せず、光導波路９ａから外れて集光できない。光電変換素子２に導かれなかった光は、検出に有効に利用できないばかりか、隣接画素の光電変換素子２に入射し混色の原因となる。また、光電変換素子２に導かれなかった光は、パッシページョン膜１０中を反射しながら進み、他の光電変換素子２に入射してしまう可能性がある。
一方、図１に示す第１実施例の構成では、符号Ｃ１で示す光線はもちろん、符号Ｃ２によって示す入射光であっても、パッシベーション膜１０ａと平坦化層１１との屈折率差により全反射で光導波路９ｂ上部の開口に導くことができる。その後、光導波路９ａの側壁で全反射されて、光電変換素子２に集光することが可能となる。更に、Ｃ３によって示す入射光であっても、パッシベーション膜１０ｂの膜厚がｔ２＜λ／ｎの関係を満たしているため、パッシベーション膜１０ａから１０ｂに入射してくる光はパッシベーション膜１０ｂ内を進むことができない。すなわち、第１実施例の固体撮像装置によれば、膜厚の異なるパッシベーション膜１０ａ、１０ｂと光導波路９を用いることによって、従来集光できなかった入射光を光電変換素子に導くことが可能となる。また従来、隣接画素へ混入してしまうような光を低減することが可能となる。
また、高い屈折率である光導波路９ａ及び９ｂとパッシベーション膜１０ａ及び１０ｂとが一体の膜からなっていてもよい。
＜第２実施例＞
図５に、第２実施例の固体撮像装置の断面模式図を示す。第２実施例の固体撮像装置では、第１実施例の固体撮像装置から第３の絶縁層８およびその開口部に形成された光導波路９ｂが取り除かれている。また、第２実施例の固体撮像装置では、第２の絶縁膜であるパッシベーション膜が、滑らかに連続した面を上面とする厚さｔ２のパッシベーション膜１０ｂで構成されている。他の構成は、第１実施例に従いうる。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域は、パッシベーション膜１０ｂの膜厚をｔ２としたときに、ｔ２＜λ／ｎの関係を満たす厚みのパッシベーション膜１０ｂで覆われている。図５に示す例では、第１の絶縁膜１００の上面および光導波路９ａの上面が、滑らかに連続した面を上面とする厚さｔ２のパッシベーション膜１０ｂで覆われている。ここで、特許請求の範囲では、簡略化のために、ｔ２に代えてｔを用いて、ｔ＜λ／ｎとして記載されている。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域の上にｔ２＜λ／ｎ（あるいはｔ＜λ／ｎ）を満たす第２の絶縁膜を配置することにより、第２の絶縁膜の上面および下面で反射されながら光が伝播することが抑制される。これにより、そのような光が光導波路９ａ、更には光電変換素子２に光が入射することが抑制され、混色やノイズが低減される。
図５に、第２実施例の固体撮像装置の断面模式図を示す。第２実施例の固体撮像装置では、第１実施例の固体撮像装置から第３の絶縁層８およびその開口部に形成された光導波路９ｂが取り除かれている。また、第２実施例の固体撮像装置では、第２の絶縁膜であるパッシベーション膜が、滑らかに連続した面を上面とする厚さｔ２のパッシベーション膜１０ｂで構成されている。他の構成は、第１実施例に従いうる。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域は、パッシベーション膜１０ｂの膜厚をｔ２としたときに、ｔ２＜λ／ｎの関係を満たす厚みのパッシベーション膜１０ｂで覆われている。図５に示す例では、第１の絶縁膜１００の上面および光導波路９ａの上面が、滑らかに連続した面を上面とする厚さｔ２のパッシベーション膜１０ｂで覆われている。ここで、特許請求の範囲では、簡略化のために、ｔ２に代えてｔを用いて、ｔ＜λ／ｎとして記載されている。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域の上にｔ２＜λ／ｎ（あるいはｔ＜λ／ｎ）を満たす第２の絶縁膜を配置することにより、第２の絶縁膜の上面および下面で反射されながら光が伝播することが抑制される。これにより、そのような光が光導波路９ａ、更には光電変換素子２に光が入射することが抑制され、混色やノイズが低減される。
また、高い屈折率である光導波路９ａとパッシベーション膜１０ｂとが一体の膜からなっていてもよい。また、平坦化層１１は透明高分子樹脂に限らず酸化シリコンなどの無機材料であってもよい。また、本実施形態の構成によれば、パッシベーション膜１０ｂの上面は平坦であるので、平坦化層１１は平坦化の機能を有していなくてもよい。
＜第３実施例＞
図６に、第３実施例の固体撮像装置の断面模式図を示す。第３実施例の固体撮像装置では、第２の絶縁膜であるパッシベーション膜が、滑らかに連続した面を上面とする厚さが前述のｔ２のパッシベーション膜１０ｂで構成されている。他の構成は、第１実施例に従いうる。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域は、パッシベーション膜１０ｂの膜厚をｔ２としたときに、ｔ２＜λ／ｎの関係を満たす厚みのパッシベーション膜１０ｂで覆われている。図６に示す例では、第１の絶縁膜１００の上面および光導波路９ｂの上面が、滑らかに連続した面を上面とする厚さｔ２のパッシベーション膜１０ｂで覆われている。ここで、特許請求の範囲では、簡略化のために、ｔ２に代えてｔを用いて、ｔ＜λ／ｎとして記載されている。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域の上にｔ２＜λ／ｎ（あるいはｔ＜λ／ｎ）を満たす第２の絶縁膜を配置することにより、第２の絶縁膜の上面および下面で反射されながら光が伝播することが抑制される。これにより、そのような光が光導波路９ａ、９ｂ、更には光電変換素子２に光が入射することが抑制され、混色やノイズが低減される。
また、高い屈折率である光導波路９ｂとパッシベーション膜１０ｂとが一体の膜からなっていてもよい。また、平坦化層１１は透明高分子樹脂に限らず酸化シリコンなどの無機材料であってもよい。また、本実施形態の構成によれば、パッシベーション膜１０ｂの上面は平坦であるので、平坦化層１１は平坦化の機能を有していなくてもよい。
図６に、第３実施例の固体撮像装置の断面模式図を示す。第３実施例の固体撮像装置では、第２の絶縁膜であるパッシベーション膜が、滑らかに連続した面を上面とする厚さが前述のｔ２のパッシベーション膜１０ｂで構成されている。他の構成は、第１実施例に従いうる。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域は、パッシベーション膜１０ｂの膜厚をｔ２としたときに、ｔ２＜λ／ｎの関係を満たす厚みのパッシベーション膜１０ｂで覆われている。図６に示す例では、第１の絶縁膜１００の上面および光導波路９ｂの上面が、滑らかに連続した面を上面とする厚さｔ２のパッシベーション膜１０ｂで覆われている。ここで、特許請求の範囲では、簡略化のために、ｔ２に代えてｔを用いて、ｔ＜λ／ｎとして記載されている。第１の絶縁膜１００の上面の全部または少なくとも一部の領域の上にｔ２＜λ／ｎ（あるいはｔ＜λ／ｎ）を満たす第２の絶縁膜を配置することにより、第２の絶縁膜の上面および下面で反射されながら光が伝播することが抑制される。これにより、そのような光が光導波路９ａ、９ｂ、更には光電変換素子２に光が入射することが抑制され、混色やノイズが低減される。
また、高い屈折率である光導波路９ｂとパッシベーション膜１０ｂとが一体の膜からなっていてもよい。また、平坦化層１１は透明高分子樹脂に限らず酸化シリコンなどの無機材料であってもよい。また、本実施形態の構成によれば、パッシベーション膜１０ｂの上面は平坦であるので、平坦化層１１は平坦化の機能を有していなくてもよい。
＜回路構成例＞ 図４の（ａ）は、第１〜第３実施例に係る固体撮像装置１００の１つの画素Ｐの代表的な回路構成例を示す図である。実際の固体撮像装置１００では、画素Ｐが２次元あるいは１次元アレイ状に配置され、アレイの外周部には、画素を駆動する走査回路、読み出し回路、出力増幅回路などが配置される。図４の（ａ）の例において、画素Ｐは、光電変換部３１、転送トランジスタ３２、フローティングディフュージョン（以下ＦＤ）３３、リセットトランジスタ３４、増幅トランジスタ３６、及び選択トランジスタ３５を含む。
光電変換部３１は、光がその受光面に入射すると、光に応じた電荷（ここでは電子）を発生して蓄積する。光電変換部３１は、例えば、フォトダイオードであり、アノードとカソードとの界面で光電変換を行い発生させた電荷をカソードに蓄積する。転送トランジスタ３２は、チャネルが導通した際に（以下トランジスタを導通させることを「オンする」、非導通とさせることを「オフする」と記載する）、光電変換部３１で発生した電荷をＦＤ３３へ転送する。リセットトランジスタ３４は、オンした際にＦＤ３３をリセットする。増幅トランジスタ３６は、垂直信号線３７に接続された定電流源３８とともにソースフォロワ動作を行うことにより、ＦＤ３３の電位に応じた信号を垂直信号線３７へ出力する。この垂直信号線３７は列方向の他の画素と接続し、複数の画素で共有化されている。すなわち、増幅トランジスタ３６は、リセットトランジスタ３４によりＦＤ３３がリセットされた状態では、ＦＤ３３の電位に応じたノイズ信号を垂直信号線３７へ出力する。増幅トランジスタ３６は、光電変換部３１で発生した電荷が転送トランジスタ３２によりＦＤ３３へ転送された状態では、ＦＤ３３の電位に応じた光信号を垂直信号線３７へ出力する。選択トランジスタ３５は、オンした際に画素Ｐを選択状態にし、オフした際に画素Ｐを非選択状態にする。なお、ＦＤ３３の電位により画素Ｐの選択状態／非選択状態を制御する場合、画素Ｐは選択トランジスタ３５が省略されても良く、１つの増幅トランジスタ３６に対して複数の光電変換部３１を有する構造でもよい。なお、詳細には示さないが、例えば、読み出し回路３９で垂直信号線３７の列方向の複数画素の信号は１次元の撮像結果として、あるいは他の垂直信号線３７と行方向に合成されて２次元の撮像結果として、固体撮像装置から出力信号として出力される。
＜撮像システムの構成例＞ 図４の（ｂ）は、第１〜第３実施例の固体撮像装置１００を適用した撮像システムの一構成例である。撮像システム９０は、主として、光学系、撮像部８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像部８６は、本実施例の固体撮像装置１００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。シャッター９１は、光路上においてレンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像部８６の固体撮像装置１００の撮像面に被写体の像を形成する。絞り９３は、光路上においてレンズ９２と固体撮像装置１００との間に設けられ、レンズ９２を通過後に固体撮像装置へ導かれる光の量を調節する。
撮像部８６の固体撮像装置１００は、固体撮像装置１００の撮像面に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像部８６は、その画像信号を固体撮像装置１００から読み出して出力する。撮像信号処理回路９５は、撮像部８６に接続されており、撮像部８６から出力された画像信号を処理する。Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）を画像信号（デジタル信号）へ変換する。画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。
タイミング発生部９８は、撮像部８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像部８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像部８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。
以上の構成により、本実施例の固体撮像装置１００において良好な画像信号が得られれば、撮像システムにおいて良好な画像（画像データ）を得ることができる。
Claims (13)
- 複数の光電変換素子を含む半導体基板を有し、前記複数の光電変換素子に入射した光を前記複数の光電変換素子で光電変換し撮像を行う固体撮像装置であって、
前記半導体基板の上に配され、前記複数の光電変換素子の上にそれぞれ配された複数の開口部を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有し、前記複数の開口部にそれぞれ配された複数の絶縁体と、
前記複数の絶縁体の上および前記第１の絶縁膜の上面の上に配され、平坦な上面を有し、前記複数の絶縁体と一体の膜からなる第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第２の絶縁膜の上面の上に配された第３の絶縁膜と、を備え、
前記複数の光電変換素子に入射する光の波長をλ、前記第２の絶縁膜の屈折率をｎ、前記第１の絶縁膜の上面の少なくとも一部の領域の上における前記第２の絶縁膜の膜厚をｔとしたときに、ｔ＜λ／ｎの関係を満たす、
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 複数の光電変換素子を含む半導体基板を有する固体撮像装置であって、
前記半導体基板の上に配され、前記複数の光電変換素子の上にそれぞれ配された複数の開口部を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有し、前記複数の開口部にそれぞれ配された複数の絶縁体と、
前記複数の絶縁体の上および前記第１の絶縁膜の上面の上に配され、平坦な上面を有し、前記複数の絶縁体と一体の膜からなる第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の屈折率よりも低い屈折率を有し、前記第２の絶縁膜の上面の上に配された第３の絶縁膜と、を備え、
前記第１の絶縁膜の上面の少なくとも一部の領域の上における前記第２の絶縁膜の膜厚は１９０ｎｍ以下である
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第３の絶縁膜の上にカラーフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の絶縁体は、光導波路を構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記第２の絶縁膜および前記複数の絶縁体は、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンのいずれか１つによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記第２の絶縁膜の膜厚は、３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 複数の光電変換素子を含む半導体基板を有し、前記複数の光電変換素子に入射した光を前記複数の光電変換素子で光電変換し撮像を行う固体撮像装置であって、
前記半導体基板の上に配され、前記複数の光電変換素子の上にそれぞれ配された複数の開口部を有する、酸化シリコンからなる第１の膜と、
前記複数の開口部にそれぞれ配され、窒化シリコンあるいは酸窒化シリコンからなる複数の部分と、
前記複数の部分の上および前記第１の膜の上面の上に配され、平坦な上面を有し、前記複数の部分と一体の膜からなる第２の膜と、
前記第２の膜の上面の上に配された樹脂からなる第３の膜と、を備え、
前記複数の光電変換素子に入射する光の波長をλ、前記第２の膜の屈折率をｎ、前記第１の膜の上面の少なくとも一部の領域の上における前記第２の膜の膜厚をｔとしたときに、ｔ＜λ／ｎの関係を満たす、ことを特徴とする固体撮像装置。 - 複数の光電変換素子を含む半導体基板を有する固体撮像装置であって、
前記半導体基板の上に配され、前記複数の光電変換素子の上にそれぞれ配された複数の開口部を有する、酸化シリコンからなる第１の膜と、
前記複数の開口部にそれぞれ配され、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる複数の部分と、
前記複数の部分の上および前記第１の膜の上面の上に配され、平坦な上面を有し、前記複数の部分と一体の膜からなる第２の膜と、
前記第２の膜の上面の上に配された樹脂または酸化シリコンからなる第３の膜と、を備え、
前記第１の膜の上面の少なくとも一部の領域の上における前記第２の膜の膜厚は１９０ｎｍ以下であることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第３の膜の上にカラーフィルタを更に備えることを特徴とする請求項７または８に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の部分は、光導波路を構成することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記第２の膜の膜厚は、３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 前記開口部は、前記光電変換素子から離れるにしたがって大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
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