JPH04322467A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像装置に関し
、特に分光感度特性を改善した固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、種々の受光素子を用いた固体撮像
装置が開発されているが、その中でＭＯＳ型受光ダイオ
ードを用いた固体撮像装置が知られている。図２は、か
かる固体撮像装置のＭＯＳ型受光ダイオード部分を示す
断面図である。図において、１０１　は半導体基板、１
０２　はゲート絶縁膜、１０３はポリシリコン等よりな
るゲート電極、１０４　は保護絶縁膜である。入射光１
０５　は、保護絶縁膜１０４　，ゲート電極１０３及び
ゲート絶縁膜１０２　を通過し、半導体基板１０１　内
において、入射光１０５　は正孔−電子対に変換され、
該光発生キャリヤが半導体−絶縁膜界面１０６　に蓄積
されるようになっている。

【０００３】上記構成の固体撮像装置において、ゲート
電極１０３　がポリシリコンで形成されている場合、入
射光１０５　の成分のうち特に４５０　ｎｍ以下の波長
光は、該ゲート電極１０３　で一部分吸収され、青感度
の低下の原因となる。

【０００４】かかる欠点を解消するため、ゲート電極１
０３　の上部の入射光側に、紫外光あるいは青色光を波
長の長い緑色光等に変換する作用のある蛍光体膜を形成
する方法が、特開昭５４−１１６１８８号公報に開示さ
れている。この公報開示のＭＯＳ型受光ダイオード構造
は、図２に示したＭＯＳ型受光ダイオードの保護絶縁膜
１０４　が、例えばローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎ）６
ＧＣＤ等の蛍光体材料を含有する、焼結されたゼラチン
層により形成された蛍光体膜構造をとる。上記公報開示
の技術を採用することにより、紫外部及び可視光の短波
長入射光は、蛍光体膜により、より長波長の光に変換さ
れるため、ゲート電極中での光吸収が低下でき、結局青
感度の改善が計れるという特長を有する。

【０００５】また最近、米国フォトメトリクス社製の高
感度ＣＣＤカメラ・システムには、蛍光体膜を使用した
撮像素子が実用化されている。このＣＣＤカメラにはメ
タクロームＩＩ（商標名）という蛍光体膜が使用され、
その蛍光体膜は４５０　ｎｍより短い波長の光を５４０
　ｎｍ〜５８０　ｎｍの光に変換する機能を有し、しか
も４５０　ｎｍ以上の長波長光に対しては、単なる透明
膜として作用するという優れた特性を有する。図３は、
かかる蛍光体膜（メタクロームＩＩ）をコーティングで
形成し使用した場合、及び使用しない場合の量子効率と
入射光波長の測定結果を示した図であり、明らかに蛍光
体膜（メタクロームＩＩ）を使用することにより、４５
０　ｎｍ以下の入射光の量子効率、すなわち青感度が上
昇していることがわかる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ＭＯＳ
型受光ダイオード上に蛍光体薄膜を形成することにより
、一定の青感度向上が達成される。しかし図４に示すよ
うに、蛍光体膜において発生する蛍光１１１　は、その
物理特性上、入射光１０５　に対して無方向的に発せら
れる。 このため、■入射光の方向と９０°以上反対の方向に発
光する蛍光は、フォトダイオード部には入射せず感度損
失となる、■上記■で述べた蛍光以外の入射光の方向と
一致しない方向に発光する蛍光は、隣接画素に入射する
可能性があり、この蛍光の場合はコントラスト低下の原
因となる、等の欠点がある。

【０００７】本発明は、従来の蛍光体膜を備えた固体撮
像装置における上記問題点を解消するためになされたも
ので、青感度を更に向上させ且つクロストークを防止で
きるようにした固体撮像装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、半導体基板の表面領域にマトリ
クス状に複数の光電変換素子を配設し、前記半導体基板
の前記各光電変換素子に対応する部分に、入射光を収束
し且つ紫外光あるいは青色光等の短波長光をより長波長
光に変換する蛍光材を含有するマイクロレンズ群を形成
して固体撮像装置を構成するものである。

【０００９】上記のように構成された固体撮像装置にお
いては、蛍光体膜自体がマイクロレンズに形成されてい
るため、蛍光体膜自体に集光作用を備えており、したが
って発生した長波長の蛍光を効率よく光電変換素子に集
光させることができ、且つ隣接画素に漏洩するのを防止
することが可能となる。

【００１０】また蛍光材を含有するマイクロレンズの表
面に、発生する蛍光に対する透明反射膜を形成すること
により、発生した蛍光を一層効果的に光電変換素子に集
光させることができる。

【００１１】

【実施例】次に実施例について説明する。図１は、本発
明に係る固体撮像装置の実施例を説明するための製造工
程を示す断面図である。薄膜をレンズ形状に加工する技
術については、いくつかの提案がなされているが、この
実施例では、本件発明者等が別件の特許出願で提案した
ゾル−ゲル法によるレンズ形成法を用いて説明を行う。 なお図１に示す実施例においては、受光部はＭＯＳダイ
オードではなく、ＰＮダイオードで説明を行うが、蛍光
物質含有のレンズ薄膜加工技術はフォトダイオードの構
造には無関係であることを予め述べておく。

【００１２】まず図１の（Ａ）に示すように、半導体基
板１にマトリクス状に配設される画素を構成する多数の
ＰＮ接合フォトダイオード２を形成し、半導体基板１の
表面に、その中に凹部を形成する透明材料からなる薄膜
３を設ける。この薄膜３を形成する透明材料は、本実施
例においてはシリコン酸化膜を念頭においている。薄膜
３の厚さは、その構成材料の屈折率，画素ピッチ及び薄
膜３に形成される膜の屈折率により決まり、薄膜３の材
料がシリコン酸化膜の場合、画素ピッチが１０μｍとす
ると、厚さは約１５〜２０μｍとなり、画素ピッチが５
μｍとすると、約５μｍ前後の厚さが望ましい。

【００１３】薄膜３中に凹部を形成する方法は、種々の
ものが考えられるが、本実施例では、イオン注入法とウ
ェットエッチング法を適用した凹部形成方法を用いてお
り、次にその説明を行う。まず図１の（Ａ）において、
薄膜３を形成したのち、イオン注入法を用いて表面より
イオン４を注入する。このイオン注入処理により、ウェ
ットエッチングの際のエッチングレートは表面ほど大き
くなる。次にフォトリソグラフィー法により、レジスト
膜５をウェハー表面に塗布し、次の露光・現像工程によ
り、フォトダイオード２の中心に対応する部分に所望の
大きさを有する開口部６を形成する。その後、ＨＦ系の
ウェットエッチング法により、図１の（Ｂ）に示すよう
に凹部７を薄膜３中に形成する。先に述べたように、薄
膜３はイオン注入処理により、表面に近いほどエッチン
グレートが大きい性質を有するため、アスペクト比が１
／２以下の曲面状お凹部７が形成可能となる。なお逆に
光学設計により最適な凹部形状が得られた場合、最適な
凹部形状をウェットエッチング法で形成可能なようにイ
オン注入法の加速エネルギー，ドーズ量等の条件を設定
すればよい。

【００１４】次に図１の（Ｂ）に示す断面形状の透明薄
膜３が得られたのち、レジスト膜５を除去し、次いでス
ピンコート法により、薄膜３の構成材料よりも高屈折率
を有し且つ蛍光物質を含有する透明材料のゾルを塗布し
、続いて加水分解，脱水，縮合処理によりゲル化を行う
ことにより、図１の（Ｃ）に示すように薄膜３よりも高
屈折率を有し且つ波長変換作用を有する蛍光物質含有の
薄膜８を形成する。薄膜３の材料がシリコン酸化膜の場
合、薄膜８の形成材料としては、ＴｉＯ２　等の屈折率
が２前後の値を有する材料を選べばよい。また蛍光物質
としては、例えばクマリン系化合物等が挙げられる。

【００１５】以上の工程で凹形状レンズを内部に備えた
薄膜の形成工程が終了するが、薄膜３の凹部に対応する
薄膜８の上部をも凸形状に加工することが可能であり、
かかるプロセスは、例えば公表特許公報平３−５００８
３４号に開示されている。次に上記公報開示の技術を用
いた加工工程について説明する。

【００１６】図１の（Ｃ）に示す構造が形成されたのち
、まず図１の（Ｄ）に示すように、通常のＰＭＭＡ等の
有機樹脂よりなるマイクロレンズ形成プロセス（例えば
特公昭６０−５９７５２号参照）を用いて、凸構造を有
する有機樹脂膜９を凹部に対応する薄膜８の表面に形成
する。次いで、リアクティブイオンエッチング法を用い
て、有機樹脂膜９のエッチングレートと薄膜８のエッチ
ングレートが等しくなる条件で異方的に上方よりエッチ
バックを行うことにより、有機樹脂膜９が完全に消失し
た段階で、有機樹脂膜９の膜構造が薄膜８に転写される
ことになり、図１の（Ｅ）に示すように、薄膜８の上部
構造が凸構造となる。薄膜８の上部を凸形状に加工する
ことにより、薄膜８において受光ダイオード２と反対方
向に発光する蛍光は、薄膜８の上部の反射により、効果
的に受光ダイオード２に集光されることになる。

【００１７】その後更に、図１の（Ｅ）に示すように、
蛍光反射膜１０を所望厚さに形成することにより、蛍光
材を含有するマイクロレンズを備えた固体撮像装置が完
成する。なお蛍光反射膜１０の材質としては、薄膜８の
屈折率が２の場合、屈折率１．４５のシリコン酸化膜が
望ましい。次に蛍光反射膜１０の膜厚について説明する
。蛍光反射膜１０の屈折率をｎ２　、薄膜８の屈折率を
ｎ３　、反射膜１０の上部の物質（空気の場合も含まれ
る）の屈折率をｎ１　とすると、蛍光反射膜１０の膜厚
の最適値ｄは、ｎ１　＞ｎ２　＞ｎ３　、あるいはｎ１
　＜ｎ２　＜ｎ３　の場合、ｄ＝ｋ・λ／２・ｎ２　と
し、ｎ１　＜ｎ２　＞ｎ３　、あるいはｎ１　＞ｎ２　
＜ｎ３　の場合、ｄ＝λ（２Ｋ−１）／４・ｎ２　にす
るとよい。ここで、λは波長変換された蛍光波長、Ｋは
自然数である。例えば、ｎ１　＜ｎ２　＜ｎ３　の条件
で、ｎ２　＝１．４５、λ＝５６０　ｎｍ、Ｋ＝１の場
合、ｄ＝１９３　ｎｍの厚さの蛍光反射膜１０を薄膜８
上に形成すればよい。

【００１８】なお蛍光物質含有薄膜８をレンズ形状に形
成する方法には、本実施例で説明した工程の他に種々の
ものがある。例えば、通常のマイクロレンズ形成に用い
られる種々の有機材料自体に蛍光物質を含有させ、該有
機材料を通常のマイクロレンズ作成工程を用いて蛍光物
質含有のマイクロレンズを作成することも可能である。

【００１９】更に蛍光反射膜の材料には、二酸化シリコ
ン以外の材料も可能であり、例えば、蛍光物質含有マイ
クロレンズ材料がＰＭＭＡ等の有機材料の場合、ＭｇＦ
２　（屈折率：１．３８）、氷晶石（屈折率：１．３５
）等の材料が望ましい。

【００２０】また本実施例においては、レンズ状薄膜の
上部を凸、下部を凹形状としたものを示したが、上，下
部の一方向のみをレンズ形状に加工し、他方の面は平坦
面にしておくことだけでも有効である。

【００２１】更に本実施例においては、蛍光物質含有薄
膜の材料を最も高屈折率と仮定して形状の説明を行った
が、蛍光物質含有薄膜の材料よりも高屈折率の材料が該
薄膜の上部に接する場合は、上面構造が凸形状より凹形
状に、また下部に接する場合は凹形状が凸形状に変わる
ことになる。また上記実施例から明らかなように、蛍光
物質含有薄膜は青色光より波長の長い光に対しては単な
る透明膜として作用するため、蛍光反射膜を設けずこの
蛍光物質含有薄膜のみでマイクロレンズを備えた固体撮
像装置とすることができる。もちろん本発明は、図１の
（Ｅ）に示した構成の上部にカラーフィルターを形成し
た構成も含むものである。

【００２２】またカラー撮像装置に本発明を応用する場
合において、蛍光反射膜が、緑色あるいは赤色光の入射
光に対して反射し悪影響を及ぼす場合には、青色光を受
光するダイオード上の薄膜上のみに反射膜を形成し、他
のダイオード上の薄膜上には反射膜を形成しないか、あ
るいは除去すればよい。

【００２３】またフォトダイオード画素間の境界領域に
、蛍光に対して不透明な材料を半導体表面近傍まで埋め
込み形成すれば、クロストーク特性を更に向上させるこ
とができる。

【００２４】

【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、マイクロレンズ内で発生した長波長の
蛍光を効率よく光電変換素子に集光させることができる
ので、従来の固体撮像装置に比べて青感度の向上が計れ
、更にクロストークも減少可能となるなどの効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の実施例を説明する
ための製造工程を示す断面図である。

【図２】従来のＭＯＳ型受光ダイオードを用いた固体撮
像装置のダイオード部分を示す断面図である。

【図３】蛍光体膜のコーティング処理の有無による量子
効率曲線の変化を示す図である。

【図４】蛍光体膜中で発生する蛍光の放射態様を示す図
である。

【符号の説明】

１　　半導体基板 ２　　フォトダイオード ３　　薄膜 ８　　蛍光物質含有薄膜 １０　　蛍光反射膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板の表面領域にマトリクス状
   に複数の光電変換素子を配設し、前記半導体基板の前記
   各光電変換素子に対応する部分に、入射光を収束し且つ
   紫外光あるいは青色光等の短波長光をより長波長光に変
   換する蛍光材を含有するマイクロレンズ群を形成したこ
   とを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】　　前記マイクロレンズ群の少なくとも一
   部分のマイクロレンズ表面に、蛍光材により変換された
   長波長光に対する透明反射膜を形成したことを特徴とす
   る請求項１記載の固体撮像装置。