JPH11103036A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集光効率を高めて感度向上を図るとともに、
遮光膜に起因する不都合を解消した固体撮像素子の提供
が望まれている。 【解決手段】 基体２の表層部に設けられて光電変換を
なす受光センサ部３と、受光センサ部３から読み出され
た信号電荷を転送する電荷転送部５と、基体２上の、電
荷転送部５の略直上位置に絶縁膜７を介して設けられた
転送電極８とが備えられた固体撮像素子１である。受光
センサ部３上に、入射光を受光センサ部３に集光する層
内レンズ１３が設けられている。転送電極８の側壁面に
これを覆って第１の層間膜９が設けられ、これを覆って
この第１の層間膜９より屈折率が大である第２の層間膜
１０が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受光センサ部への
集光効率を高め、感度特性の向上を図った固体撮像素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子においてはその小型
化や画素の高密度化が一層進み、これに伴って受光エリ
アが縮小され、感度低下やスミアの増加などの特性劣化
を招いている。感度低下の対策としては、例えばオンチ
ップレンズや層内レンズを設け、受光センサ部での集光
効率を高めるといったことが提案され、実施されてい
る。また、スミア対策としては、通常はアルミニウム等
の金属からなる遮光膜で転送電極を覆い、さらにこの遮
光膜を受光センサ部の直上にまで張り出して形成すると
いったことがなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
層内レンズを高屈折率材で作製した固体撮像素子では、
遮光膜が層内レンズの下方に配設されるため、遮光膜の
膜厚分受光センサ部の開口部分が狭められ、また遮光膜
の張り出し部分によってさらに受光センサ部の開口部分
が狭められることから、この遮光膜によって入射光の一
部が全反射してしまい、感度が低下してしまう。また、
遮光膜が例えばアルミニウムから形成されている場合、
このアルミニウムのグレインによって受光センサ部間で
その開口形状や大きさが微妙に異なってしまうため、乱
反射成分も含めて受光センサ部間で微少な感度ムラが生
じてしまう。

【０００４】また、遮光膜の加工後に、転送電極や遮光
膜によって形成された凹凸をなくすべく平坦化膜をリフ
ロー処理によって形成するが、このリフロー処理の際の
熱処理により、遮光膜を形成する金属が受光センサ部に
拡散することによって画像欠陥が生じたり、金属の結晶
化によって透過光成分の特性悪化が起こるといったおそ
れがある。さらに、遮光膜と転送電極との間に形成され
る絶縁膜は一般に薄いことから、カップリング容量が増
加してしまい、クロック波形の伝搬遅延が増してレジス
タ部の取り扱い電荷量が減少してしまう。

【０００５】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、集光効率を高めて感度向
上を図るとともに、遮光膜に起因する不都合を解消した
固体撮像素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子で
は、基体の表層部に設けられて光電変換をなす受光セン
サ部と、該受光センサ部から読み出された信号電荷を転
送する電荷転送部と、前記基体上の、前記電荷転送部の
略直上位置に絶縁膜を介して設けられた転送電極とを備
え、前記受光センサ部上に、入射光を受光センサ部に集
光する層内レンズを設け、前記転送電極の側壁面に該側
壁面を覆って第１の層間膜を設け、該第１の層間膜を覆
ってこの第１の層間膜より屈折率が大である第２の層間
膜を設けたことを前記課題の解決手段とした。

【０００７】この固体撮像素子によれば、転送電極の側
壁面に該側壁面を覆って第１の層間膜を設け、該第１の
層間膜を覆ってこの第１の層間膜より屈折率が大である
第２の層間膜を設けたことから、受光センサ部に対して
斜めに入射し、層内レンズによって集光しきれずに転送
電極の側壁面に入射する光が、第１の層間膜表面と第２
の層間膜との間の界面で反射して受光センサ部上に入射
するようになる。また、このように第１の層間膜と第２
の層間膜とを積層したことにより、層内レンズを透過し
転送電極の側壁面に入射した光が受光センサ部の外に洩
れるのを防止したことから、該転送電極に近接してこれ
を覆った状態に遮光膜を配する必要がなくなる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体撮像素子を詳
しく説明する。図１は本発明の固体撮像素子の一実施形
態例を示す図であり、図１において符号１は固体撮像素
子、２はシリコン基板（基体）である。シリコン基板２
には、図１に示すようにその表層部に光電変換をなす受
光部（図示略）が形成され、さらにこの受光部の上にホ
ール蓄積部（図示略）が形成されている。そして、これ
ら受光部とホール蓄積部とから、ＨＡＤ（Holl Accumul
ation Diode ）構造の受光センサ部３が形成されてい
る。

【０００９】この受光センサ部３の一方の側には、読み
出しゲート４を介して電荷転送部５が形成され、他方の
側にはチャネルストップ６を介して別の電荷転送部５が
形成されている。そして、このような構成により受光セ
ンサ部３で光電変換されて得られた信号電荷は、読み出
しゲート４を介して電荷転送部５に読み出され、さらに
該電荷転送部５にて転送されるようになっている。ま
た、シリコン基板２の表面部には、熱酸化法やＣＶＤ法
等によって形成されたＳｉＯ₂ からなる絶縁膜７が設け
られている。なお、この絶縁膜７についてはＳｉＯ₂ 膜
からなる単層膜でなく、ＳｉＯ₂ 膜−ＳｉＮ膜−ＳｉＯ
₂ 膜の三層からなるいわゆるＯＮＯ構造の積層膜として
もよい。

【００１０】絶縁膜７の上には、前記電荷転送部５の略
直上位置に第１ポリシリコンからなる転送電極８が形成
されており、さらに転送電極８とは一部が重なり合う状
態で、第２ポリシリコンからなる別の転送電極（図示
略）が形成されている。これら転送電極８の表面上、す
なわちその上面および側面上には、該転送電極８を覆っ
てＳｉＯ₂ からなる第１の層間膜９が形成されており、
またこの第１の層間膜９上には、これを覆い、さらに転
送電極８、８間に臨む受光センサ部３上の絶縁膜７を覆
って第２の層間膜１０が形成されている。

【００１１】第１の層間膜９は、熱酸化法や減圧ＣＶＤ
法によって厚さ１００ｎｍ程度に形成された酸化ケイ素
（ＳｉＯ₂ ）からなるものであり、その屈折率が１．４
５のものである。一方、第２の層間膜１０は、減圧ＣＶ
Ｄ法によって厚さ１０〜５０ｎｍ程度に形成された窒化
ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）からなるものであり、その屈折率
が２．０のものである。そして、これら第１の層間膜９
と第２の層間膜１０とは、特に転送電極８の側壁面上に
おいて、後述するようにその屈折率差によってその界面
で全反射する反射膜として機能するものとなっている。
また、第２の層間膜１０は、転送電極８、８間に臨む受
光センサ部３上において、反射防止膜としても機能する
ものとなっている。

【００１２】このような第１、第２の層間膜９、１０の
上には、該第１、第２の層間膜９、１０および転送電極
８を覆ってＢＰＳＧ（屈折率；１．４５）からなるリフ
ロー膜１１が形成されている。このリフロー膜１１は、
転送電極８等を覆うことによって該転送電極８、８間の
受光センサ部３上に凹部１１ａを形成したものであり、
凹部１１ａは、リフロー膜１１がリフロー処理されるこ
とによって層内レンズ形成のための所定の曲率に調整加
工されたものである。

【００１３】このリフロー膜１１上には、その凹部１１
ａを埋め込んだ状態に層内レンズ材１２が成膜され、こ
れによって該層内レンズ材１２とリフロー膜１１との間
に層内レンズ１３が形成されている。層内レンズ材１２
は、本例ではバイアス高密度プラズマＣＶＤ法による窒
化ケイ素（以下、Ｐ−ＳｉＮと記す）からなっている。
そして、このＰ−ＳｉＮは屈折率が２．０であり、した
がってリフロー膜１１との間に屈折率差があることか
ら、これら層内レンズ材１２とリフロー膜１１との界面
で図１中矢印Ａで示すように入射光が受光センサ部３側
に屈折するようになっており、これによって層内レンズ
１３がその機能を発揮するようになっている。なお、層
内レンズ材１２は、その表面が公知のレジストエッチバ
ック法、あるいはＣＭＰ法（化学機械研磨法）によって
平坦化されている。

【００１４】この平坦化された層内レンズ材１２上に
は、前記転送電極８の直上位置に遮光膜１４が形成され
ている。この遮光膜１４は、アルミニウムやアルミニウ
ム合金などから形成されたものであり、受光センサ部３
の直上部分のほぼ全域を外側に臨ませた状態で、すなわ
ち受光センサ部３の直上に矩形の開口部１５を有した状
態で形成されたものである。

【００１５】この遮光膜１４および開口部１５内に臨む
層内レンズ材１２の上には、これらを覆ってパッシベー
ション膜１６が形成されている。また、パッシベーショ
ン膜１６の上には樹脂等からなるカラーフィルタ層１７
が形成され、さらにその上には凸状の透明樹脂等からな
るオンチップレンズ１８が形成されている。ここで、カ
ラーフィルタ層１７およびオンチップレンズ１８は、共
に屈折率が１．５〜１．６程度の材料によって形成され
たものである。

【００１６】このような固体撮像素子１を作製するに際
し、第１の層間膜９を形成するには、転送電極８上に熱
酸化法あるいは減圧ＣＶＤ法等によって酸化ケイ素（Ｓ
ｉＯ ₂ ）膜を形成し、第１の層間膜９を得る。なお、こ
の第１の層間膜９の形成にあたっては、特に転送電極
８、８間に臨む受光センサ部３の直上に成膜された部分
をエッチング等によって除去してもよく、あるいは絶縁
膜としてそのまま残してもよい。第２の層間膜１０につ
いては、減圧ＣＶＤ法等によって窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ
₄ ）膜を形成し、これにより第１の層間膜９を覆うとと
もに、転送電極８、８間に臨む受光センサ部３上の絶縁
膜７を覆う。

【００１７】また、層内レンズ１３の形成については、
リフロー膜１１の材料としてＢＰＳＧをＣＶＤ法等によ
って堆積し、さらに予め設定した条件でリフロー処理
（熱処理）することにより、その凹部１１ａの曲率を所
望する層内レンズ１３の形状となるように形成する。な
お、このようなリフロー処理の条件を設定するにあたっ
ては、予めシミュレーション等によって最適な層内レン
ズ１３の形状を決定しておき、さらに実験やシミュレー
ション等によってこの最適な層内レンズ形状を得るため
の条件を求めるようにする。

【００１８】層内レンズ１３の最適な形状については、
第１の層間膜９と第２の層間膜１０との界面で入射光を
全反射させるべく、入射光の入射角を後述する所定の角
度以上に調整するような形状とされる。続いて、得られ
たリフロー膜１１の凹部１１ａを埋め込んだ状態に層内
レンズ材１２を堆積・成膜し、さらにその表面をレジス
トエッチバック法あるいはＣＭＰ法（化学機械研磨法）
により平坦化して層内レンズ１５を得る。

【００１９】このようにして層内レンズ１３を形成した
ら、アルミニウム等の遮光膜材料をスパッタ法等によっ
て成膜し、さらにこれを公知のリソグラフィー技術、エ
ッチング技術によってパターニングし、遮光膜１４を形
成する。なお、この遮光膜１４については、固体撮像素
子１の周辺回路における配線と同一の層として形成する
ことも可能である。続いてＰ−ＳｉＮ膜等からなるパッ
シベーション膜１６を形成し、さらに染色法やカラーレ
ジスト塗布によってカラーフィルタ層１７を形成し、そ
の後、オンチップレンズ１８を形成する。ここで、オン
チップレンズ１８の形成については、熱溶融性透明樹脂
や常温無加熱でＣＶＤ可能な高密度ＳｉＮを堆積させ、
さらにその上部にレジストを設けた後、このレジストを
熱リフロー処理して所望の曲率を有する凸レンズ形状に
し、さらにこれをマスクにして前記堆積層をエッチング
し、レジストを除去してオンチップレンズ１８を得ると
いったエッチバック転写等が用いられる。

【００２０】このようにして得られた固体撮像素子１に
よれば、オンチップレンズ１８で集光され、さらにカラ
ーフィルタ層１７、パッシベーション膜１６を透過して
層内レンズ１３に入射し、再度集光（屈折）された光が
受光センサ部３直上の第２の層間膜１０、絶縁膜７を透
過し受光センサ部３に到り、ここで光電変換がなされ
る。また、図１中矢印Ａで示したごとく、転送電極８の
側壁面に対して斜めに入射し、第２の層間膜１０と第１
の層間膜９との界面に到る光も、該界面で反射して受光
センサ部３上に入射するようになっている。

【００２１】すなわち、この例では、オンチップレンズ
１８の曲率および層内レンズ１３の曲率やこれらレンズ
１８、１３の屈折率、さらにはカラーフィルタ層１７、
パッシベーション膜１６の屈折率が、層内レンズ材１２
を透過してリフロー膜１１に入射した光の、前記第２の
層間膜１０と第１の層間膜９との界面への入射角θ₁、
すなわち該入射光と前記界面との法線Ｌとのなす角θ₁
が、４６．５°より大きい角度となるように予め調整さ
れている。

【００２２】そして、このようにθ₁ が４６．５°より
大きい角度となるように調整されており、また、第２の
層間膜１０の屈折率ｎ₁ が２．０、第１の層間膜９の屈
折率ｎ₂ が１．４５であることから、以下の式に示され
るスネルの法則により、前述したように透明膜１２を透
過してこれと層間絶縁膜１１との界面に到った光が、全
て全反射して受光センサ部３に入射するのである。 ｎ₁ ・ｓｉｎθ₁ ＝ｎ₂ ・ｓｉｎθ₂ （スネルの法
則）

【００２３】つまり、図２に示すスネルの法則の説明図
において、屈折角θ₂ が９０°を越えると光が全反射に
なるとすれば、θ₂ に９０°を代入し、さらにｎ₁ ＝
２．０、ｎ₂ ＝１．４５とすることにより、２．０×ｓ
ｉｎθ₁ ＝１．４５×ｓｉｎ９０°となり、ｓｉｎ９０
°＝１であることから、ｓｉｎθ₁ ＝１．４５／２．０
となり、これから全反射するための臨界的な角度である
θ₁ ＝４６．５°が求まるのである。

【００２４】よって、前述したごとく層内レンズ１３を
透過してリフロー膜１１に入射した光の、前記界面に対
する角度θ₁ が前記の臨界的な角度である４６．５°よ
り大きい角度となることにより、リフロー膜１１を透過
して転送電極８の側壁部に到った光が、第２の層間膜１
０と第１の層間膜９との界面で全て全反射し、受光セン
サ部３に入射するようになる。また、層内レンズ１３に
ついては、その形状、すなわち前述した最適な形状が、
第１の層間膜９と第２の層間膜１０との界面で入射光を
全反射させるべく、該層内レンズ１３で屈折した光が前
記界面に対して４６．５°より大きい角度となるように
形成されているのである。

【００２５】したがって、この固体撮像素子１にあって
は、層内レンズ１３に入射した光を全て受光センサ部３
に入射させることができることにより、集光効率を高め
て感度特性を格段に向上することができる。また、オン
チップレンズ１８を設けたことによって入射光を層内レ
ンズ１３に集光することができ、さらに転送電極８の上
面側に入射するような光はこれを遮光膜１４で遮り、ス
ミア等が生じるのを防ぐことができる。また、第２の層
間膜１０を、転送電極８、８間に臨む受光センサ部３上
の絶縁膜７を覆って形成しているので、この第２の層間
膜１０が反射防止膜として機能し、これにより受光セン
サ部３の直上に入射する光を反射させることなく受光セ
ンサ部３に導くことができ、これにより感度を一層高め
ることができる。

【００２６】また、遮光膜１４を転送電極８の近傍に形
成することなく、層内レンズ１３の上側に設けたことか
ら、遮光膜１４によって受光センサ部３上の開口部分が
狭められることなく、したがって遮光膜１４に起因する
感度低下を防止することができる。また、従来の金属か
らなる遮光膜の表面での乱反射に比べ、窒化ケイ素から
なる第２の層間膜１０と酸化ケイ素からなる第１の層間
膜９との界面での全反射の方が均一に反射がなされるこ
とから、光量差が画素間でばらつくことによる感度ムラ
を抑えることができる。

【００２７】なお、前記実施形態例では遮光膜１４を設
けたが、オンチップレンズ１８や層内レンズ１３等によ
り固体撮像素子に入射した光を確実に転送電極８、８の
側壁間（正確には、該側壁部における第２層間膜１０、
１０間）に入射させることができる場合には、この遮光
膜１４を設けなくてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子は、転送電極の側壁面に該側壁面を覆って第１の層間
膜を設け、該第１の層間膜を覆ってこの第１の層間膜よ
り屈折率が大である第２の層間膜を設けたものであるか
ら、受光センサ部に対して斜めに入射し、層内レンズに
よって集光しきれずに転送電極の側壁面に入射する光
を、第１の層間膜表面と第２の層間膜との間の界面で反
射して受光センサ部上に入射させることができ、これに
より感度の向上を図ることができる。また、このように
第１の層間膜と第２の層間膜とを積層したことにより、
層内レンズを透過し転送電極の側壁面に入射した光が受
光センサ部の外に洩れるのを防止したことから、該転送
電極に近接してこれを覆った状態に遮光膜を配する必要
がなくなり、これにより遮光膜に起因する不都合を解消
することができる。

【００２９】すなわち、遮光膜を例えば層内レンズより
上側に配設することにより、実質的な受光センサ部の開
口を拡げることができ、これにより感度特性を向上する
ことができる。また、遮光膜を転送電極に近接してこれ
を覆った状態に配する必要がないことから、従来のごと
く遮光膜加工後にリフロー処理となる高温熱処理を行う
必要がなく、したがって遮光膜材料となる金属が受光セ
ンサ部に拡散することによる画像欠陥を防ぐことができ
る。また、金属の結晶化による透過光成分の特性悪化が
起こるといったことも防ぐことができ、これによりＯＰ
Ｂ（光学的黒）透過によるクランプミスやスミア特性を
改善することができる。また、遮光膜を転送電極に近接
してこれを覆った状態に配する必要がなく、したがって
遮光膜と転送電極との間を拡げることができるため、カ
ップリング容量を減少してクロック波形の伝搬遅延を減
少することができ、これによりレジスタ部の取り扱い電
荷量を多く確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の一実施形態例の概略構
成を示す要部側断面図である。

【図２】スネルの法則の説明図である。

【符号の説明】

１…固体撮像素子、２…シリコン基板（基体）、３…受
光センサ部、５…電荷転送部、７…絶縁膜、８…転送電
極、９…第１の層間膜、１０…第２の層間膜、１３…層
内レンズ、１４…遮光膜、１８…オンチップレンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体の表層部に設けられて光電変換をな
   す受光センサ部と、該受光センサ部から読み出された信
   号電荷を転送する電荷転送部と、前記基体上の、前記電
   荷転送部の略直上位置に絶縁膜を介して設けられた転送
   電極とが備えられてなり、 前記受光センサ部上に、入射光を受光センサ部に集光す
   る層内レンズが設けられ、 前記転送電極の側壁面に該側壁面を覆って第１の層間膜
   が設けられ、該第１の層間膜を覆ってこの第１の層間膜
   より屈折率が大である第２の層間膜が設けられたことを
   特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記層内レンズの直上部に、入射光を層
   内レンズに集光するオンチップレンズが設けられたこと
   を特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記層内レンズの上側でかつオンチップ
   レンズの下側における、前記転送電極の直上位置に、遮
   光膜が設けられてなることを特徴とする請求項２記載の
   固体撮像素子。
4. 【請求項４】 前記第２の層間膜が、受光センサ部の直
   上を覆って形成されてなることを特徴とする請求項１記
   載の固体撮像素子。