JP4333615B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＣＣＤ固体撮像素子等の開口部を有する受光部を形成した固体撮像素子に係わる。

固体撮像素子において、その光学系が１／３インチ或いは１／４インチと小さくなる傾向があり、固体撮像素子の小型化及び画素数の増加に対応して、受光部の開口が小さくなっている。

ここで、感度を向上させる目的で受光部の開口を拡大させると、電荷転送部への光の入射によるスミアが発生しやすくなることから、受光部の開口を大きくするのは限界がある。

また、入射光から受光部の光電変換により得た信号電荷を電気的に増幅することにより感度を向上させようとすると、信号値に対するノイズの影響も大きくなりＳ／Ｎ特性が悪化する。

また、素子の製造において半導体基板の結晶欠陥や製造工程における汚染等に起因して発生する白点について、現在もまだ完全に制御できていない微小な白点、及びこれまでは不良とならなかったレベルの白点の影響を大きく受けることにより、歩留まりが小さくなってしまう等の問題がある。

上述した問題の解決のために、本発明においては、Ｓ／Ｎ特性及び感度を向上させ、また歩留まり良く製造できる固体撮像素子を提供するものである。

本発明の固体撮像素子は、開口部を有する受光部が画素として形成されて成り、受光部の開口部上に低反射の膜を設け、水素を供給する膜をこの低反射の膜の上層に有し、低反射の膜が受光部の開口部の幅より狭い幅に形成され、水素を供給する膜と受光部とが接する構成である。

上述の本発明の構成によれば、受光部上に低反射の膜を設けたことにより、受光部への入射光が反射される割合が低減され、反射して受光部から外に逃げてしまう光の割合を低減し、受光量を多くすることができる。従って、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
さらに低反射の膜の上に水素を供給する膜を有することにより、基板表面に水素を供給して界面準位を低減することができる。

上述の本発明による固体撮像素子によれば、開口部上に低反射膜を形成することにより、感度を向上させることができる。

また、本発明によれば、水素を供給する膜を低反射膜の上層に有することから、半導体基板への水素の供給を行って基板表面の界面準位を低減し、これに起因する暗電流の低減を図ることができる。

そして、低反射となる膜の一部を除去して受光部上の開口部の幅より狭い幅にしたときには、感度を向上させる効果を保持しつつ、上層から半導体基板の受光部への水素の供給が可能となるため、界面準位等に起因する暗電流の増加をより効果的に抑えることができる。
このとき、遮光膜の張り出し部の下には低反射膜を設けないので、スミアを低減することができる。

本発明は、開口部を有する受光部が画素として形成されて成り、受光部の開口部上に低反射の膜が設けられ、水素を供給する膜を低反射の膜より上層に有し、低反射の膜が受光部の開口部の幅より狭い幅に形成され、水素を供給する膜と受光部とが接する固体撮像素子である。

以下、図面を参照して本発明の固体撮像素子の実施の形態を説明する。図１に示すＣＣＤ固体撮像素子１は、受光部を構成する光電変換を行うフォトセンサ２と垂直転送ＣＣＤレジスタ３とからなる撮像領域４と垂直転送ＣＣＤレジスタ３から転送された信号電荷を出力部６に転送する水平転送ＣＣＤレジスタ５からなっている。

図２は、図１のＣＣＤ固体撮像素子１の撮像領域４の拡大図である。
入射する光を受光するフォトセンサからなる受光部２に形成された、例えばＡｌからなる遮光膜の開口による開口部７と、多結晶シリコンからなる読み出し・転送を行う転送電極８（８ａ，８ｂ）とを有するＣＣＤ固体撮像素子１において、開口部７上に、反射を抑える低反射膜９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）を設けている。
この低反射膜９を設けることにより感度向上を行うことができる。

この図２の実施の形態では、垂直転送レジスタ３と並行して垂直方向に延在して低反射膜９が設けられ、各フォトセンサ２上の例えば補色系のマゼンタ、シアン、イエロー、グリーンの４色からなるカラーフィルター（図示せず）の色に対応して、後述するように膜厚や屈折率をそれぞれ変えた４種類の低反射膜９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが設けられている。尚、垂直方向に隣接するフォトセンサ２間の低反射膜の膜厚や屈折率等の条件は任意であるが、図２においては４種の低反射膜の内の１種（９ｃ）と同じ条件としている。
また、図示しないが各素子の受光部７のフォトセンサ２上には、カラーフィルター及びオンチップレンズ等が形成される。

さらに、図３Ａに図２の水平方向（いわゆるＨ方向）、図３Ｂに図２の垂直方向（いわゆるＶ方向）の断面図を示す。
半導体基板１０には、図示しないが、電荷蓄積部１１を構成する半導体領域、垂直転送レジスタ３を構成する転送チャネル領域、読み出しゲート部１２、チャネルストップ領域などが形成されている。

この半導体基板１０の表面に、一部がゲート絶縁膜となる絶縁膜１３が形成されており、この絶縁膜１３を介して転送チャネル領域及び読み出しゲート部１２上に転送電極８が形成され、この転送電極８を覆って層間絶縁層１４が全面的に形成される。転送電極８、絶縁膜１３及び転送チャネル領域によって、ＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３が構成される。層間絶縁層１４の上に、受光部２を除く他部への光を遮断する遮光膜１５、保護膜１６が順次形成されてなり、その上に平坦化膜１７が形成されてなる。遮光膜１５は、例えば金属等により形成され、この遮光膜１５の受光部２に対応する部分には、開口がなされ、この開口が受光部２の開口部７に相当している。
平坦化膜１７の上には、特定の色の光を透過させるカラーフィルター２０、及び球面状に加工されて光を集光するオンチップレンズ２１が形成される。

そして、本実施の形態においては、前述のように低反射膜９を受光部２の開口部７上に形成するが、この低反射膜９は、絶縁膜１３と保護膜１６との間に形成され、水平方向においては開口部７上に、垂直方向においては転送電極８上の層間絶縁層１４上にこれを覆って形成される。

また、保護膜１６、特に後述する上層保護膜１９（図４参照）にプラズマＣＶＤにより形成されたＳｉＮ（プラズマに起因して水素を含む）を用いたり、遮光膜１５に水素を含有したＡｌ等を用いることにより、低反射膜９の上層に水素を供給する膜を形成してもよい。
これにより、半導体基板１０へ水素を供給して、半導体基板１０とその上の絶縁膜１３との界面に存在する界面準位を低減することができる。

従来は、開口部付近の拡大図を図８に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子のフォトセンサ２の開口部７において、入射光Ｌ_F がカラーフィルター２０、平坦化膜１７、上層保護膜１９、ＰＳＧ（リン珪酸ガラス）透明保護膜からなる下層保護膜１８、ＳｉＯ₂ 等からなる絶縁膜１３を通って、半導体基板１０内で入射光Ｌ_F の約２５％程度が反射されて反射光Ｌ_R となっている。

本実施の形態においては、特に、開口部付近の拡大図を図４Ａに示すように、絶縁膜１３と下層保護膜１８及び上層保護膜１９から構成される保護膜１６との間に、低反射膜９を設けることにより、感度を向上させることができる。

エネルギー的には、膜透過や反射等においてエネルギーの減衰がないならば、入射光Ｌ_F のエネルギー＝透過光Ｌ_T のエネルギー＋反射光Ｌ_R のエネルギーという関係が成り立つ。

低反射となる膜厚は、入射光Ｌ_F の波長に依存して変化する。
これは、薄膜においての光の干渉と同様に、膜の屈折率及び入射光Ｌ_F の色（波長）により変化する。
代表的な要素としては、入射光Ｌ_F と半導体基板１０での反射光Ｌ_R との光路差が位相の遅れとなり得る。そして、透過光Ｌ_F の増幅となる位相差αは、低反射膜９やＳｉＯ₂ からなる絶縁膜１３ではπの偶数倍である。
これは、入射光ＬＦと、低反射膜９の上面（保護膜１６と接する面）での反射光で半導体基板１０に入射する光とがなす位相差によるものである。

即ち、次の数１の関係が成り立つ。

［数１］
位相差＝｛π（２ｎｄ）／（λ・ｃｏｓψｂ）｝×２ｍ
ｎ：膜の屈折率
ｄ：膜厚
λ：波長
ψｂ：屈折率
ｍ：自然数

実際には半導体基板１０上の絶縁膜１３、上層保護膜１９等の多層膜構造による多重反射、オンチップレンズによる集光状態等により膜厚と波長の変化は複雑になっている。

上述の実施の形態では、作業効率の点から単層の同一屈折率の低反射膜９を設けている。
単層の同一屈折率の低反射膜９とした場合には、特定の色のみ増幅して、その他の色については、色によっては逆に減少効果を生じる可能性がある。

そこで、例えば図２に示したように、入射光Ｌ_F の色毎即ちセンサ２毎に同一屈折率を有する膜であるならば色に対応して膜厚を変える。図２では補色市松の配列に対して膜厚を変える場合を示している。

また、異なった屈折率を有する膜を用いて、これを２層に重ねて組み合わせ、それぞれの色で感度を向上させることもできる。この場合の開口部付近の拡大図を図４Ｂに示す。
この場合には、低反射膜９が、第１低反射膜９Ｘと第２低反射膜９Ｙとの積層によって構成されている。

例えば第１低反射膜９Ｘが屈折率ｎ_A 、第２低反射膜９Ｙが屈折率ｎ_B であるとき、ｎ_A ＞ｎ_B であれば、図４Ｂに示すように、例えば屈折率が大きい第１の低反射膜を下に配置して積層形成した場合にも、色によりそれぞれの低反射膜９Ｘ，９Ｙの膜厚を変化させて感度を向上させることができる。尚、屈折率の大きい低反射膜９Ｘと、屈折率が小さい低反射膜９Ｙとの積層順序は、特に限定されることなく、例えば図４と逆の積層順序でも良い。好ましくは、より良好な信号が得られるような積層順序にする。

このように本発明によれば、膜厚や配置に関わらず、色に対応した低反射膜９を用いることで感度を向上させることができる。

次に、具体的な実施例として、低反射膜９として減圧ＣＶＤによって形成したＳｉＮ膜を用いた場合について示す。
このとき膜構造としては、図４Ａにおいて、低反射膜９の膜厚が４０ｎｍ程度、絶縁膜１３の膜厚が３５０ｎｍ程度である。
低反射膜９に関しては、半導体基板１０と絶縁膜１３において、この構造で低反射膜９の膜厚が４０ｎｍとすれば、入射光波長６００ｎｍ〜６２０ｎｍで極小となる反射率が１〜２％となった。

また、低反射膜９の膜厚が３０ｎｍの場合は、極小の波長は５００ｎｍ付近であった。
そこで、低反射膜９を例えば減圧ＣＶＤで形成したＳｉＮ膜により形成し、例えば原色のカラーフィルター２０を設けている場合には、赤色に対して低反射膜を４５ｎｍ程度、緑色に対して低反射膜を３５ｎｍ程度、青色に対して低反射膜を２５ｎｍ程度の膜厚で形成すると、それぞれの色に対して最大の感度が得られることになる。

また、これと同様に、３板式（レンズからの入射光をプリズム等でＲ，Ｇ，Ｂ等の色別に分解し各色別に個別のＣＣＤを設けるタイプ）のＣＣＤ固体撮像素子において、それぞれの色に対して上記の膜厚でそれぞれ３つのＣＣＤ固体撮像素子を製造することによって感度を向上させることもできる。

図４Ｂに示した異種の屈折率の低反射膜９Ｘ，９Ｙの組み合わせの場合も、同様に波長に対して最小の反射率となる屈折率、膜厚の組み合わせを選ぶことができる。

また、カラーフィルター２０として補色系のカラーフィルター２０を用いる場合には、分光により膜厚を変化させて調整することが可能となる。
特に緑色において感度向上の効果が大きいので、緑色に対しては３５ｎｍ程度、その他の色に対しては、分光に合わせて膜厚を調整する。これにより、各色においてそれぞれ感度を向上させて感度向上を得ることができる。

上述の実施の形態では、マトリックス状の配置の固体撮像素子に適用した場合であったが、いわゆるラインセンサ等のように、同一行のフォトセンサ上に同色のカラーフィルターを形成し、異なる色のカラーフィルターを形成した複数行のフォトセンサを形成して複数色に対応させた固体撮像素子においても、同様に本発明を適用することができる。
この場合も、各色に対応する行毎に、屈折率や膜厚の異なる低反射膜を形成することにより、感度を向上させると共に受光部への透過率を制御して、信号処理しやすくすることができる。

次に、本発明のさらに他の実施の形態について説明する。
上述の実施の形態の固体撮像素子３０においては、画素の色に対応して膜厚を変化させて低反射膜を形成したが、本実施の形態では各画素に対して同じ膜厚の低反射膜を設ける。
また、低反射膜９の上層の上層保護膜１９や遮光膜１５等に水素を含有させて、水素を供給する膜を有する構成とする。

そして、図５に固体撮像素子の撮像領域の平面図を示すように、本実施の形態においては、特に低反射膜９を受光部２の列に対応して短冊状に形成し、かつ受光部２上の開口部７の幅Ｗ_p より狭い幅Ｗ_L に形成する。

低反射膜を、減圧ＣＶＤにより形成されたＳｉＮ（屈折率２．０）により撮像領域全面に形成し、その膜厚を２０〜４０ｎｍとした場合には、従来より感度が約２０％向上する一方で、暗電流が増加して低反射膜を設けない場合の約５倍となった。
これは、低反射膜を全面的に形成したために、低反射膜が上層保護膜や遮光膜等から基板上への水素供給を抑制するため、半導体基板に界面準位が残り、これに起因して暗電流が増加するものである。

本実施の形態によれば、低反射膜９を受光部２上の開口部７幅Ｗ_p より狭い幅Ｗ_L に形成することにより、開口部７と低反射膜９との隙間及び低反射膜９が形成されない転送電極８付近を通じて上層保護膜１９や遮光膜１５等から半導体基板１０へ水素が供給され、特に開口部７と低反射膜９との隙間を通じて受光部２へも水素が供給されるので、界面準位をなくすことができる。
これらのことから、受光部２上の開口部７への入射光の反射を抑制し上述の感度向上効果を保持しつつ、通常の固体撮像素子と同じ程度に暗電流を低減することができる。

上述の構成の低反射膜９は、低反射膜９を全面的に形成した後に、その上にフォトレジスト層を形成し、これを低反射膜除去用にパターンニングし、このフォトレジスト層をマスクに用いてエッチングにより低反射膜９を除去する工程を設けることにより、図５に示すパターンに形成することができる。

また、上述のように低反射膜９が開口部７の幅Ｗ_p より狭い幅Ｗ_L であることにより、低反射膜９を開口部に対してセルフアラインして形成することができる。
従って、フォトレジスト層によるマスクがずれて、低反射膜９がずれて形成されることに起因する、画素の位置による出力差を小さくすることができる。

次に、本発明の固体撮像素子のさらに別の実施の形態を示す。
上述の図５に示した実施の形態では、低反射膜９を受光部上の開口部の中央に形成したが、この実施の形態の固体撮像素子４０においては、図６に撮像領域の平面図を示すように、特に中央部４１の画素の低反射膜９を受光部２上の開口部７の中央に形成するのに対して、周辺部４２，４３の画素の低反射膜９を受光部２上の開口部７の中央から外側へずらして形成するものである。
即ち、中央部４１から右側の画素４２においては開口部７の中央から右側にずらして低反射膜９を設け、中央部から左側の画素４３においては開口部７の中央から左側にずらして低反射膜９を設ける。

このように構成することにより、例えば光源から固体撮像素子へ入射する光が平行光ではなく、点光源である場合に、中央部の画素４１と周辺部の画素４２，４３との入射角度の違いに対応することができる。

図７に、点状光源の場合における、中央部の画素４１と周辺部の画素４２，４３への入射光の状態を示す。
絞りによって形成されたピンホール等の点状の光源５１からの光５２は、中央部の画素４１にはまっすぐ入射し受光部２上の開口部７の中央に入射するが、周辺部の画素４２，４３には斜めに入射する。このため、周辺部の画素４２，４３においては、マイクロレンズ２１を透過して集束される光５３が、受光部２上の開口部７内に入射するように、マイクロレンズ２１を開口部７の真上から内側にずらして形成する。このとき、マイクロレンズ２１から受光部２へ入射する光５３が遮光膜１５に蹴られないようにマイクロレンズ２１の位置が設定されるので、光５３は開口部７の中央より外側に入射する。

本実施の形態の固体撮像素子４０においては、この図７に示す入射光５３に対応して、周辺部の画素４２，４３においては、低反射膜９を開口部７の中央から外側にずらして形成し、斜めに入射する光５３に対しても効果的に反射を抑制して、感度を向上させることができる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明によるＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図（平面図）である。 図１のＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域の拡大図である。 図２の受光部付近の断面図である。 Ａ 水平方向の断面図である。 Ｂ 垂直方向の断面図である。 低反射膜の形成例を示す図３の開口部付近の拡大図である。 Ａ 低反射膜を単層とする場合の例である。 Ｂ 低反射膜を２層の積層とする場合の例である。 本発明による他のＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域の平面図である。 本発明によるさらに他のＣＣＤ固体撮像素子の撮像領域の平面図である。 点状光源の場合における中央部の画素と周辺部の画素への入射光の状態を説明する図である。 従来のＣＣＤ固体撮像素子の開口部付近の拡大図である。

符号の説明

１，３０，４０…ＣＣＤ固体撮像素子、２…フォトセンサ（受光部）、３…垂直転送レジスタ、４…撮像領域、５…水平転送レジスタ、６…出力部、７…開口部、８，８ａ，８ｂ…転送電極、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…低反射膜、９Ｘ…第１低反射膜、９Ｙ…第２低反射膜、１０…半導体基板、１１…電荷蓄積部、１２…読み出しゲート部、１３…絶縁膜、１４…層間絶縁層、１５…遮光膜、１６…保護膜、１７…平坦化膜、１８…下層保護膜、１９…上層保護膜、２０…カラーフィルター、２１…オンチップレンズ、４１…中央部の画素、４２，４３…周辺部の画素、５１…光源、５２，５３…入射光、Ｌ_F …入射光、Ｌ_R …反射光、Ｌ_T …透過光

Claims (1)

1. 開口部を有する受光部が画素として形成されて成る固体撮像素子において、
   上記受光部の上記開口部上に低反射の膜が設けられ、
   水素を供給する膜を上記低反射の膜より上層に有し、
   上記低反射の膜が、上記受光部の上記開口部の幅より狭い幅に形成され、上記水素を供給する膜と上記受光部とが接する
   固体撮像素子。

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