JPWO2017131009A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

固体撮像装置は、グローバルシャッター構造を有し、受光部2と、配線層6と、受光部2の直上に、配線層6を貫通するように設けられた第1の透明絶縁膜10と、配線層6及び第1の透明絶縁膜10上を覆い、第1の透明絶縁膜10よりも高い屈折率を有する透明保護膜7と、透明保護膜7上に設けられた、四辺形の平面形状を有する柱状の第1の突起部8と、第1の突起部8よりも低い屈折率を有する第2の透明絶縁膜11とを備えている。

Description

本発明は、グローバルシャッター構造を有する固体撮像装置に関する。
イメージセンサ(固体撮像装置)のシャッター方式には、上部のラインから下部のラインへと順次露光が実施されるローリングシャッター方式と、すべてのラインで同時に露光が実施されるグローバルシャッター方式とがある。CMOS型の固体撮像装置においてはローリングシャッター方式が多く採用されてきたが、ローリングシャッター構造を有する固体撮像装置では、高速で移動する物体を撮影する際の画像の歪み(いわゆるフォーカルプレーン歪み)が発生する。
そこで、近年はグローバルシャッター構造を有するCMOS型の固体撮像装置が提案されている。グローバルシャッター構造を有する固体撮像装置では、フォトダイオードとは別に半導体基板上にメモリー部が形成され、すべてのフォトダイオードからメモリー部へ信号を同時に読み出し、その後、メモリー部から当該信号を順次読み出すことで、歪みのない画像を得ることが可能となっている。このため、高速で移動する物体を識別する必要がある産業用のカメラや、ハイエンドカメラなどでは、グローバルシャッター構造を有する固体撮像装置が要望されている。
一方、固体撮像装置のサイズを増大させることなく高画質の画像を得るために、固体撮像装置における各セルのサイズは縮小する傾向にある。しかし、セルサイズが縮小するにつれ、入射光を集光することが困難になるので、セルサイズを小さくしても効率良く入射光を集光できる、感度の高い固体撮像装置の実現が望まれている。
特許文献1、2には、複数の配線層の上方に設けられ、受光部の上方を覆う層内レンズと、層内レンズの上方に設けられたオンチップレンズとを備える固体撮像装置が記載されている。これらの特許文献に記載された固体撮像装置では、オンチップレンズによって集められた入射光が、上に凸な略半球状の層内レンズによってより効果的に受光部に集光される。
また、特許文献3には、受光部と層内レンズとの間に、複数の配線層を貫通する光導波路を備える固体撮像装置が記載されている。特許文献3に記載された固体撮像装置では、光導波路に入射した光が光導波路内に閉じ込められた状態で受光部まで導かれるので、集光効率が向上している。
特開平11−040787号公報 特開2006−73882号公報 特開2008−192951号公報
グローバルシャッター方式の固体撮像装置の半導体基板内では、電荷を保持するメモリー部が各受光部の近傍に設けられている。このため、セルサイズを縮小する場合、受光部とメモリー部との間の距離は非常に短くなる。
ここで、上記特許文献1、2に記載された固体撮像装置では、層内レンズによって集光される光の多くが受光部に対して斜め光となっている。このため、特許文献1、2に記載された固体撮像装置において、セルサイズを縮小すると、斜め光の一部がメモリー部に直接入射してノイズ成分が大きくなる可能性がある。
また、特許文献3に記載された光導波路は、受光部上に位置する層間絶縁膜を一旦除去して穴を形成後、構成材料を受光部上に埋め込むことによって形成される。このため、セルサイズを縮小する場合には、光導波路を形成することが難しくなる。
本発明の目的は、上記課題に鑑みて、セルサイズが縮小する場合であっても高い感度を維持し、光学ノイズを低減可能なグローバルシャッター方式の固体撮像装置を提供することにある。
本明細書に開示された固体撮像装置は、基板と、前記基板の上部に設けられ、光電変換を行う複数の受光部と、前記基板の上部に、前記複数の受光部ごとに設けられ、前記複数の受光部の各々により生成された電荷を蓄積するメモリー部と、前記基板上に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも一層の配線層と、前記複数の受光部の直上であって、前記複数の金属配線の間の領域に、前記配線層を貫通するように設けられた第1の透明絶縁膜と、前記配線層上及び前記第1の透明絶縁膜上を覆い、前記第1の透明絶縁膜よりも高い屈折率を有する透明保護膜と、前記透明保護膜上に、前記複数の受光部のそれぞれの上方に位置するように設けられ、四辺形の平面形状を有する柱状の第1の突起部と、前記第1の突起部上に設けられ、前記第1の突起部よりも低い屈折率を有する第2の透明絶縁膜とを備えている。
なお、「四辺形の平面形状」には、製造工程上のばらつきや誤差等の範囲内で、コーナー部分の形状が丸くなった場合も含まれるものとする。
本明細書に開示された固体撮像装置によれば、グローバルシャッター方式を採用した場合にセルサイズが縮小する場合であっても、高い感度を維持しつつ、光学ノイズを低減することが可能となる。
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図2は、参考例に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図3は、第1の実施形態及び参考例に係る固体撮像装置において、受光部において発生する電子数とメモリー部において発生する電子数との比率を比較した図である。 図4は、図1に示す固体撮像装置において、パッシベーション膜及び第1の突起部を上方から見た場合の平面図である。 図5Aは、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 図5Bは、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 図5Cは、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 図5Dは、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 図6は、第2の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図7は、第3の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図8は、第3の実施形態に係る固体撮像装置において、パッシベーション膜及び第1の突起部を上方から見た場合の平面図である。 図9は、第3の実施形態に係る固体撮像装置の受光部において観測される光の波長及び分光強度を示す図である。 図10は、第4の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図11Aは、第1の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の平面形状を示す平面図である。 図11Bは、第1の実施形態に係る固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。 図12Aは、第4の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の形状を示す平面図である。 図12Bは、第4の実施形態に係る固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。
以下に、図面を用いて本発明の一例である実施形態を説明する。なお、本明細書において、「セル」とは、固体撮像装置の撮像領域において、1つの画素信号を生成する領域の最小単位を意味し、1つの受光部と、当該受光部で生じた電荷を蓄積する1つのメモリー部とが設けられた領域を指すものとする。また、セルサイズとは、セルの平面形状を正方形と想定した場合のセル幅を意味するものとする。
(第1の実施形態)
図1は、本明細書に開示された第1の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、基板1と、基板1の上部に設けられ、光電変換を行う複数の受光部2と、複数の受光部2の各々により生成された電荷を蓄積するメモリー部3と、各受光部2で光電変換により生成された電荷をメモリー部3へと転送させるゲート部4と、基板1及びゲート部4上に設けられ、複数の金属配線20が形成された少なくとも一層の配線層6と、ゲート部4と配線層6との間に配置され、受光部2のそれぞれの上方領域に開口部が形成された遮光膜5と、受光部2の直上であって、金属配線20の配線間の領域に、遮光膜5の開口部及び配線層6を貫通するように設けられた第1の透明絶縁膜10とを備えている。
基板1としては、公知の半導体基板等が用いられ、例えばシリコン基板を用いることができる。受光部2は、入射した光を電荷に変換できる構造を有していればよく、例えばn型層上にp型層が形成されたフォトダイオードであってもよい。複数の受光部2は、撮像領域(図示せず)内で例えば行列状に配置され、行方向(図1における左右方向、以下「水平方向」という)において、互いに隣接する受光部2間にメモリー部3が設けられている。例えば、メモリー部3は、基板1内のn型層で構成されており、受光部2とメモリー部3との間には、ポテンシャルバリアが形成されている。
図1に示すように、配線層6が複数層設けられている場合、上下に隣接する配線層6間、及び最下層の配線層6と遮光膜5との間には、それぞれ第1の透明絶縁膜10と同じ材料から構成された層間絶縁膜が形成されていてもよい。
本実施形態の固体撮像装置はまた、配線層6上及び第1の透明絶縁膜10上を覆い、第1の透明絶縁膜10よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜(透明保護膜)7と、パッシベーション膜7上に、複数の受光部2のそれぞれの上方に位置するように設けられた第1の突起部8と、パッシベーション膜7及び第1の突起部8上に設けられ、平坦な上面を有する平坦化膜(第2の透明絶縁膜)11と、平坦化膜11のうち、第1の突起部8の上方に位置する領域上にそれぞれ設けられたオンチップレンズ9とを備えている。
パッシベーション膜7と第1の突起部8とは互いに異なる材料で構成されていてもよいが、互いに同じ材料で構成されていてもよい。図1に示す例では、パッシベーション膜7と第1の突起部8とは同一の透明材料膜17で構成されている。この場合、透明材料膜17の下部が、配線層6を保護するパッシベーション膜7となり、透明材料膜17の上部が第1の突起部8となる。
本実施形態の固体撮像装置では、第1の突起部8が四辺形の平面形状を有する柱状をしている。また、図1に示すように、第1の突起部8の縦方向断面(基板面に対して垂直な方向の断面)は四辺形になっている。さらに、第1の突起部8の屈折率は、平坦化膜11の屈折率よりも高くなっている。
この構成をとることにより、後述するように、第1の突起部8に入射した光22を第1の突起部8に閉じ込めることができるとともに、受光部2に入る入射光のうちの斜め光成分の割合を低減することができる。
本実施形態の固体撮像装置において、例えば第1の突起部8は、2.0程度の屈折率を示す窒化シリコン系材料で構成され、平坦化膜11は、1.4〜1.7程度の屈折率を示す有機材料等で構成されていてもよい。このように、第1の突起部8と平坦化膜11との屈折率差を大きくすることで、第1の突起部8に入射した光をより効果的に閉じ込めて、受光部2へと集めることができる。第1の突起部8と平坦化膜11との屈折率の差分Δnは、0.3以上0.6以下程度であることが好ましい。
なお、パッシベーション膜7は第1の突起部8と同様に窒化シリコン系材料で構成されていてもよく、第1の透明絶縁膜は、1.5程度の屈折率を示す酸化シリコン系材料で構成されていてもよい。なお、酸化シリコン系材料とは、酸化シリコンを主成分とする材料を意味し、ここでは絶縁性を有する限り、酸化シリコンに任意の不純物等が含まれていてもよい。また、窒化シリコン系材料とは、窒化シリコンを主成分とする材料を意味し、任意の不純物等が含まれていてもよい。
図1に示すように、本実施形態の固体撮像装置に入射した光22は、オンチップレンズ9によってオンチップレンズ9の中心軸方向に曲げられて第1の突起部8に入射する。第1の突起部を通過した光22は、第1の突起部8によって集光され、パッシベーション膜7及び第1の透明絶縁膜10を通過して受光部2へと入射する。受光部2に入射した光24は、電子へと変換される。この光電変換によって生じた電子(電荷)は、ゲート部4への電圧印加によってメモリー部3へと転送される。メモリー部3に蓄積された電荷は、画像信号として利用され、信号処理により撮像画像を構成する。なお、本実施形態の固体撮像装置は、グローバルシャッター方式を採用しているので、受光部2での光電変換及び電荷の転送は、全ての画素について同じタイミングで行われる。
上述の光電変換の際に、メモリー部3に直接入射した光は、ノイズ成分となる。これは、メモリー部3においても光電変換が生じてしまうためである。メモリー部3に光が入射するのを防ぐために、ゲート部4上に遮光膜5が設けられている。この遮光膜5の構成材料としては、タングステン等の金属が用いられる。タングステンは、光の吸収係数が大きく、薄い膜厚でも高い遮光能力を有するので、遮光膜5の材料として好ましい。
図2は、参考例に係る固体撮像装置を示す断面図である。当該固体撮像装置では、透明材料膜17の上部が上に凸な略半球状の層内レンズ112となっている点のみが図1に示す本実施形態の固体撮像装置と異なっている。
参考例に係る固体撮像装置では、オンチップレンズ9の周辺部から入射した光122は層内レンズ112によってより強く集光される。しかしながら、セルサイズが小さい場合には、図2に示すように、光122の焦点位置が基板1よりも大幅に手前の位置になることが多い。また、層内レンズ112を通過した光122では、斜め方向の成分が強くなる。このため、メモリー部3に直接入射する斜め光が多くなる。さらに、傾きの大きい光が遮光膜5のエッジ部分で回折され、メモリー部3に入射する。この結果、参考例に係る固体撮像装置では、ノイズ成分が大きくなってしまう。
これに対し、本実施形態の固体撮像装置では、第1の突起部8が四辺形の平面形状を有する柱状であるので、入射した光22を絞り込む力が層内レンズ112に比べて弱い分、光を受光部2へと適度に集めつつ、第1の突起部8を通過した光22の斜め方向成分を小さく抑えることができる。また、遮光膜5のエッジ付近を通る光24の傾きも参考例に係る固体撮像装置に比べて小さくすることができるので、回折光がメモリー部3へと入射しにくくなっている。この結果、本実施形態の固体撮像装置では、メモリー部3に入射する光を大きく低減することができ、参考例に係る固体撮像装置に比べてノイズを大幅に低減することが可能となっている。
図3は、第1の実施形態及び参考例に係る固体撮像装置において、受光部2において発生する電子数とメモリー部において発生する電子数との比率(=受光部で生じる電子数/メモリー部で生じる電子数)を比較した図である。同図において、参考例に係る固体撮像装置の結果は「層内レンズ」と表記され、本実施形態の固体撮像装置の結果は「柱状突起」と表記されている。
受光部2において発生する電子数とメモリー部3において発生する電子の比率は、ノイズの大きさを表す指標の1つとして用いられる。この比率は、2000以上であることが要求されることが多いところ、参考例に係る固体撮像装置では当該比率が2865であるのに対し、本実施形態の固体撮像装置では、当該比率が9541であった。このように、本実施形態の固体撮像装置では、ノイズ成分を大幅に低減できることが確かめられた。
参考例に係る固体撮像装置では、オンチップレンズ9や層内レンズ112を用いて受光部2に光を集めることを目的としているが、本実施形態の固体撮像装置では、敢えて層内レンズ112に代えて集光能力の低い柱状の第1の突起部8を採用している。図3に示すように、セルサイズの小さいグローバルシャッター方式の固体撮像装置において、第1の突起部8の上述の形状が非常に有効であることは、本願発明者らの独自の検討により独自に見いだされた事項である。
なお、特許文献3に記載されたような光導波路は、配線層6の形成後に第1の透明絶縁膜10のうち受光部2の上方に位置する部分を除去して穴を形成した後、その穴を高屈折率材料を用いて埋め込むことにより作製される。しかし、本実施形態の固体撮像装置にはメモリー部3が設けられているので、本実施形態の固体撮像装置では同じサイズのローリングシャッター方式の固体撮像装置に比べて受光部2上の開口寸法が小さくなっている。このため、配線層6の形成後に穴を形成すると、当該穴のアスペクト比が大きくなり、光屈折材料による埋め込みが困難になる。そのため、本実施形態の固体撮像装置では、敢えて受光部2上に光導波路を設けていない。
この構成によれば、セルサイズが縮小した場合にも十分対応できる上、製造コストを抑えることもできる。
また、後述するように、第1の突起部8は、リソグラフィー処理及びドライエッチング処理を用いてパッシベーション膜7を残した状態で形成できるので、本実施形態の固体撮像装置では、参考例に係る固体撮像装置に比べて配線層6の保護が容易になっているとともに、製造プロセスが簡易になっている。
図4は、図1に示す本実施形態の固体撮像装置において、パッシベーション膜7及び第1の突起部8を上方から見た場合の平面図である。同図において、パッシベーション膜7の外形線は便宜的に示したものであり、実際にはパッシベーション膜7は図4の上下方向及び左右方向にも広がっている。
第1の突起部8の平面形状は、四辺形であればよく、図4に示すように、水平方向の幅Wxと垂直方向の幅Wyとがほぼ等しい正方形であってもよい。近年、オンチップレンズ9は、なるべく多くの光を取り込むために水平方向のギャップが無いようにエッチバック処理によって作成されることが多い。水平方向にギャップの無いオンチップレンズ9を用いる場合には、オンチップレンズ9を通過する光のビーム形状が正方形に近くなるため、第1の突起部8の平面形状を光のビーム形状に一致させることで、結合効率の低下を防ぎ、集光効率を向上させることが可能となる。
また、第1の突起部8の平面形状における一辺の長さは、いずれもセルサイズの60%以上80%以下であってもよい。言い換えれば、第1の突起部8の水平方向の幅(図1に示す幅W)及び垂直方向の幅は、共にセルサイズの60%以上80%以下であってもよい。
第1の突起部8の水平方向の幅及び垂直方向の幅がセルサイズの60%以上であることにより、オンチップレンズ9により集光された光を十分に取り込むことが可能となり、感度の低下が発生しにくくなる。また、光の閉じ込め能力が大きくなり過ぎるのを抑え、第1の突起部8を通過した光の斜め光成分を低減しやすくなるので、ノイズを低減することが可能となる。
また、第1の突起部8の水平方向の幅及び垂直方向の幅がセルサイズの80%以下であることにより、十分な集光能力を確保することができるので、感度の低下を抑えることが可能となる。
また、例えば平坦化膜11のうち、第1の突起部8の上方に位置する部分上に、複数の色のいずれかに応じた波長の光を選択的に透過するカラーフィルタ(図示せず)を設けてもよい。この場合、第1の突起部8の平面形状における所定方向の幅は、第1の突起部8の上方に設けられたカラーフィルタが透過する光の波長が長い程、大きくなっていてもよい。このような構成をとることにより、画素の色別に感度を最適化できるので、固体撮像装置の感度を向上させることができる。
例えば、第1の突起部8の平面形状を正方形とし、青(B)、緑(G)、赤(R)の3種類の画素を設ける場合、青(B)用の画素における第1の突起部8の幅をWB、緑(G)用の第1の突起部8の幅をWG、赤(B)用の第1の突起部8の幅をWRとすると、WB<WG<WRであることが好ましい。光の波長によりオンチップレンズ9での集光状態が変わるので、波長の短い青色光は、第1の突起部8上での集光サイズが小さくなり、波長の長い赤色光は、第1の突起部8上での集光サイズが大きくなる。このため、上述の構成をとることで、高感度の固体撮像装置を実現できる。
また、第1の突起部8の高さH(図1参照)は、セルサイズの5%以上30%以下であってもよい。高さHをセルサイズの5%以上にすることで、十分な集光能力を確保することができ、感度の低下を抑えることができる。また、斜め光が入射した場合に当該入射光を屈折させて受光部2へと導く能力も確保することができるので、入射角特性の低下を来さない。一方、高さHをセルサイズの30%以下にすることで、集光能力が大きくなり過ぎるのを防ぎ、ノイズが増加するのを防ぐことができる。
なお、第1の突起部8の構成材料として、屈折率が2付近である窒化シリコンの他に、屈折率が1.9以上の透明な材料を用いても以上で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、第1の突起部8と、第1の突起部8に直接接する部材との間の屈折率差は0.2以上あれば好ましい。この屈折率差を0.2以上にすることで、集光能力及び光の閉じ込め能力の低下、感度の低下、入射角特性の悪化等を来すのを防ぐことができる。
−固体撮像装置の製造方法−
図5A〜図5Dは、第1の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
まず、図5Aに示すように、シリコン等からなる基板1の上部にイオン注入等を行うことにより、受光部2及び受光部2に隣接するメモリー部3を形成する。次いで、公知のリソグラフィー工程やエッチング工程を用いて、メモリー部3上にポリシリコン等からなるゲート部4を形成する。続いて、ゲート部4及び基板1上に絶縁膜を形成した後、スパッタリング及びドライエッチング等により、タングステン等からなり、受光部2上方に開口部が形成された遮光膜5を形成する。
次に、公知の方法によって、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜25と、金属配線20が形成された配線層6とを交互に複数層形成する。ここで、基板1上に形成された絶縁膜及び層間絶縁膜25のうち、受光部2の上方に位置する部分を、以後第1の透明絶縁膜10と呼ぶ。
次いで、図5Bに示すように、公知のChemical Vapor Deposition(CVD)法によって例えば窒化シリコンからなる透明材料膜17を形成した後、透明材料膜17のうち各受光部2の上方に位置する部分を覆い、平面形状が四辺形のレジストマスク30を形成する。
次に、図5Cに示すように、透明材料膜17の上部をドライエッチングによって除去した後、レジストマスク30を除去することにより、パッシベーション膜7及び第1の突起部8を形成する。
続いて、図5Dに示すように、スピンコート法等によって透明高分子樹脂等からなる平坦化膜11とオンチップレンズ9とをそれぞれ形成する。オンチップレンズ9を形成する前に、平坦化膜11上にカラーフィルタを形成してもよい。オンチップレンズ9は、透明高分子樹脂を塗布した後、リソグラフィーでの現像、リフロー処理での球面化、ドライエッチング処理を経て形成される。以上の方法により、本実施形態の固体撮像装置を製造することができる。
本実施形態の固体撮像装置では、透明材料膜17の下部をパッシベーション膜7とし、上部を第1の突起部8とすることも可能であるので、層内レンズを設ける場合に比べて製造工程数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。以下では、図1に示す第1の実施形態と異なる部分を中心に説明を行う。
本実施形態の固体撮像装置では、最上層の配線層6とパッシベーション膜7との間に反射防止膜13aが設けられているとともに、パッシベーション膜7の上面及び第1の突起部8の上面及び側面を覆う反射防止膜13bが設けられている。
平面形状が四辺形で柱状の第1の突起部8を設ける場合、平坦な面が多くなるので、特定の波長で光の干渉が発生しやすくなっている。
例えば、屈折率差が大きい平面で挟まれた図6に示す区間A、Bでは、特定の波長で干渉が発生しやすくなっている。本実施形態の固体撮像装置では、干渉が発生しやすい界面に反射防止膜13a、13bが設けられているので、区間A及び区間Bで発生する干渉を効果的に抑えることができる。
本実施形態の固体撮像装置では、例えば第1の突起部の屈折率を2付近、第1の透明絶縁膜10の屈折率を1.5付近、平坦化膜11の屈折率を1.5付近としているので、反射防止膜13a、13bの材料としては、部材間の屈折率差を緩和するために、屈折率が1.6以上1.9以下程度の材料が用いられる。反射防止膜13a、13bは、多層膜構造を有していてもよく、例えば屈折率が1.6付近であるSiON膜と、屈折率が1.7付近であるSiCO膜とを積層することによって形成されていてもよい。この構成によれば、部材間での屈折率の変化がなだらかになり、干渉の発生を効果的に抑えることができる。この結果、滑らかな分光特性が得られ、画質の低下を防ぐことができる。
なお、反射防止膜13a、13bは共に設けられていてもよいが、いずれか一方のみ設けられていても干渉の発生を低減することは可能である。
(第3の実施形態)
図7は、第3の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
第2の実施形態で説明したように、平面形状が四辺形で柱状の第1の突起部8を設ける場合、平坦な面が多くなるので、特定の波長で光の干渉が発生しやすくなっている。
図7に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、パッシベーション膜7の下面のうち、各受光部2の上方に位置する領域の一部には、第1の透明絶縁膜10内に向かって下方に突出する第2の突起部14が形成されている。第2の突起部14は、第1の突起部8やパッシベーション膜7と同じく屈折率の大きい窒化シリコンにより構成されてもよい。
第2の突起部14を形成することにより、パッシベーション膜7の下部に形成される平面を小さくすることが可能となる。
この結果、パッシベーション膜7の下部と基板1との間には、図7に示す区間Cと区間Dの2通りの長さの区間が存在することになり、光の位相が揃いにくくなっている。このため、本実施形態の固体撮像装置によれば、一定波長での干渉を半分以下に抑制することが可能となる。
また、第2の突起部14が設けられていることにより、オンチップレンズ9から第1の突起部8に入射し、パッシベーション膜7へと入る光22の集光状態が変化する。パッシベーション膜7を透過した光28は、平行光に近い状態となるので、斜め光成分が減少する。このため、第2の突起部14が設けられない場合に比べて遮光膜5により回折される光を減らすことができるので、当該回折光により発生するノイズを第1の実施形態の固体撮像装置に比べて10%以上低下させることが可能となる。
図8は、図7に示す固体撮像装置において、パッシベーション膜7及び第1の突起部8を上方から見た場合の平面図である。同図に示すように、第2の突起部14は、下方から見て窓枠状に形成されていてもよい。水平方向のギャップが無いオンチップレンズ9を設ける場合、第1の突起部8及び受光部2に入射する光22、28のビーム形状は、基板1の上方から見て四辺形に近くなっている。この場合に、第2の突起部14を四辺形の外形を有する窓枠状にすることにより、第2の突起部14及び第2の突起部14により囲まれた領域の形状を入射光のビーム形状に一致させやすくなるので、光の干渉の発生をより効果的に抑えることが可能となる。
このため、本実施形態の固体撮像装置によれば、干渉の発生を低減しつつ、ノイズの少ない画像を得ることができる。なお、第2の突起部14の最適なサイズは、固体撮像装置の設計によって適宜決められる。
図9は、第3の実施形態に係る固体撮像装置の受光部において観測される光の波長及び分光強度を示す図である。同図において、「突起無し」として示すのは第2の突起部14を形成していないことを除き第3の実施形態と同じ構成を有する固体撮像装置におけるシミュレーション結果であり、「突起有り」として示すのは、第3の実施形態に係る固体撮像装置におけるシミュレーション結果である。
同図に示すように、第2の突起部14が形成されていない場合には波長によって入射光の強度に振幅が見られた。これに対して、本実施形態の固体撮像装置では、第2の突起部14を設けることにより、波長が変化した場合の分光強度の変動は滑らかになっていることが確認できた。
なお、本実施形態では、第2の突起部14の断面形状が窓枠状である例を説明したが、パッシベーション膜7の下面に凹凸が形成されていれば干渉を低減する効果を得ることはできる。
第2の突起部14の深さは、受光する光の波長によって最適化すればよいが、青(B)、緑(G)、赤(R)の画素を設ける場合には、3色のうち中間の波長を有する緑色光に合わせて設計してもよい。第2の突起部14の深さは、固体撮像装置の構成材料にもよるが、60nm以上100nm以下程度であれば干渉低減効果を得ることができる。なお、第2の突起部14の深さが小さすぎると干渉防止効果も弱くなり、第2の突起部14の深さが深すぎると、第1の透明絶縁膜10の上部に形成した穴に窒化シリコン系等の材料を埋め込むのが困難になる。
(第4の実施形態)
図10は、第4の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。また、図11Aは、第1の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の平面形状を示す平面図であり、図11Bは、当該固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。図12Aは、第4の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の形状を示す平面図であり、図12Bは、当該固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。
図11A及び図12Aは、それぞれ図10に示す破線で囲んだ部分に相当する領域を示している。また、図11Bは、図11Aの右側に示すメモリー部での入射光の強度を示し、図12Bは、図12Aの右側に示すメモリー部での入射光の強度を示している。
上述したように、遮光膜5を備えた単スリット構造を採用する場合、遮光膜5のエッジ部分で回折光24が生じるため、メモリー部3にノイズとなる光が入射する。この場合、図11Bに示すように、遮光膜5のエッジで回折された回折光24aと回折光24bとは同じ位相であるため互いに干渉し、メモリー部3に光強度が強くなる箇所が発生することがある。
図10及び図12Aに示すように、本実施形態の固体撮像装置では、遮光膜5のうち、平面的に見て受光部2に面した部分に凹凸が形成されている。この構成によれば、遮光膜5の凸部で回折した光24cと遮光膜5の凹部で回折した光24dとでは位相が揃いにくくなっているので、干渉の発生を緩和することができる(図12B参照)。このため、本実施形態の固体撮像装置では、遮光膜5に凹凸を形成しない場合に比べてメモリー部3で発生するノイズを大幅に低減することができる。図11Bに示す結果と、図12Bに示す結果とを比較すると、本実施形態の固体撮像装置のメモリー部3では、15%以上ノイズが低減されていることが確かめられた。
遮光膜5に形成する凹凸の幅Δdは、ノイズを抑制したい波長に合わせて設計すればよく、可視光を観測する撮像素子の場合、650nm付近の波長を有する光に合わせて設計すればよい。本実施形態の固体撮像装置では、例えばΔd=100nmとしてもよい。また、メモリー部3のエッジと遮光膜5のエッジとの間の距離を考慮して、Δdを50nm以上150nm以下の範囲で設定してもよい。
以上述べたように、本明細書で開示された固体撮像装置によれば、セルサイズが縮小した場合であっても、高感度を維持したまま、光学ノイズを低減することができる。以上で説明した固体撮像装置の構成は、グローバルシャッター構造を有するCMOSイメージセンサに適用されてもよいが、CCDセンサに適用した場合でも、高い感度とノイズの低減とを両立させることができる。
なお、以上で説明した各実施形態に係る固体撮像装置は、本発明の実施形態の一例であって、各構成部材の形状や構成材料、サイズ等は適宜変更可能である。また、第1〜第4の実施形態に係る固体撮像装置の構成をそれぞれ組み合わせてもよい。例えば、第4の実施形態に係る固体撮像装置において、第2の実施形態に係る固体撮像装置の反射防止膜13a、13bを採用することで、光の干渉をより効果的に抑えることが可能である。
本開示の一例に係る固体撮像装置は、種々のカメラや携帯機器等の撮像装置に適用されうる。
1 基板
2 受光部
3 メモリー部
4 ゲート部
5 遮光膜
6 配線層
7 パッシベーション膜
8 第1の突起部
9 オンチップレンズ
10 第1の透明絶縁膜
11 平坦化膜
13a、13b 反射防止膜
14 第2の突起部
17 透明材料膜
20 金属配線
22、24、24a、24b、24c、24d、28、122 光
25 層間絶縁膜
30 レジストマスク
112 層内レンズ

Claims (14)

  1. 基板と、
    前記基板の上部に設けられ、光電変換を行う複数の受光部と、
    前記基板の上部に、前記複数の受光部ごとに設けられ、前記複数の受光部の各々により生成された電荷を蓄積するメモリー部と、
    前記基板上に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも一層の配線層と、
    前記複数の受光部の直上であって、前記複数の金属配線の間の領域に、前記配線層を貫通するように設けられた第1の透明絶縁膜と、
    前記配線層上及び前記第1の透明絶縁膜上を覆い、前記第1の透明絶縁膜よりも高い屈折率を有する透明保護膜と、
    前記透明保護膜上に、前記複数の受光部のそれぞれの上方に位置するように設けられ、四辺形の平面形状を有する柱状の第1の突起部と、
    前記第1の突起部上に設けられ、前記第1の突起部よりも低い屈折率を有する第2の透明絶縁膜とを備えている固体撮像装置。
  2. 請求項1に記載の固体撮像装置において、
    前記透明保護膜と前記第1の突起部とは、同一の透明材料膜で構成され、前記透明材料膜の下部は前記透明保護膜となっており、前記透明材料膜の上部は前記第1の突起部となっていることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 請求項1又は2に記載の固体撮像装置において、
    前記基板上には、前記複数の受光部のうち1つの受光部と、前記受光部に対応する1つのメモリー部とを含むセルが、複数個形成されており、
    前記第1の突起部の平面形状における一辺の長さは、前記セルのサイズの60%以上80%以下であることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 請求項1又は2に記載の固体撮像装置において、
    前記基板上には、前記複数の受光部のうち1つの受光部と、前記受光部に対応する1つのメモリー部とを含むセルが、複数個形成されており、
    前記第1の突起部の高さは、前記セルのサイズの5%以上30%以下であることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    第2の透明絶縁膜のうち、前記第1の突起部の上方に位置する部分上に設けられ、複数の色のいずれかに応じた波長の光を選択的に透過するカラーフィルタをさらに備え、
    前記第1の突起部の平面形状における所定の方向の幅は、当該第1の突起部の上方に設けられた前記カラーフィルタが透過する光の波長が長い程、大きくなっていることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記配線層は2層以上設けられており、
    上下方向に隣接する前記配線層間には、前記第1の透明絶縁膜と同じ材料から構成された層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項1〜6のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記第1の突起部の屈折率は、前記第2の透明絶縁膜の屈折率に比べて0.3以上0.6以下の範囲で大きいことを特徴とする固体撮像装置。
  8. 請求項1〜7のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記第1の透明絶縁膜は酸化シリコン系の材料で構成されており、前記透明保護膜及び前記第1の突起部は、窒化シリコン系の材料で構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  9. 請求項1〜8のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記第1の突起部の平面視における形状は、正方形であることを特徴とする固体撮像装置。
  10. 請求項1〜9のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記第1の突起部の上面及び側面を覆う反射防止膜をさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
  11. 請求項1〜10のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記透明保護膜の下面のうち、前記複数の受光部のそれぞれの上方に位置する領域の一部には、前記第1の透明絶縁膜内に向かって下方に突出する第2の突起部が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  12. 請求項11のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記第2の突起部は、下方から見て窓枠状に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  13. 請求項11または12に記載の固体撮像装置において、
    前記第2の突起部の深さは、60nm以上100nm以下であることを特徴とする固体撮像装置。
  14. 請求項1〜13のうちいずれか1つに記載の固体撮像装置において、
    前記メモリー部の上に形成され、前記複数の受光部の各々で生成された電荷を前記メモリー部へと転送させるゲート部と、
    前記ゲート部と前記配線層との間に配置され、前記複数の受光部のそれぞれの上方領域に開口部が形成された遮光膜と、
    前記第2の透明絶縁膜のうち、前記第1の突起部の上方に位置する領域上にそれぞれ設けられたオンチップレンズをさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
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