JP3620237B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、層内レンズを高屈折率材で作製した固体撮像素子では以下に述べる不都合がある。
層内レンズを、例えば屈折率が約２．０のＰ−ＳｉＮ（プラズマＣＶＤ法による窒化ケイ素）で作製した場合、通常この層内レンズの上に形成されるカラーフィルタ層の屈折率が１．６程度であることから、層内レンズとカラーフィルタ層との間で屈折率差が大きくなってしまい、したがってその界面で反射が起き、感度特性が低下してしまう。なお、このような屈折率差に起因する反射は、波動方程式から導かれる性質のものである。
【０００４】
また、層内レンズの下にはリフロー処理等がなされる層間膜が形成されるが、この層間膜としてはリフロー処理がなされることから通常は屈折率が１．４５程度のＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス）等が用いられる。したがって、先の場合と同様に、層内レンズと層間膜との間で屈折率差が大きくなってしまい、その界面で反射が起きることにより感度特性が低下してしまう。
【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、層内レンズとその上層あるいは下層との間に起こる反射を防止し、これにより集光効率を高めて感度向上を図っ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】
本発明における請求項１記載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、該層内レンズ上に上反射防止膜を介してカラーフィルタ層を設け、前記上反射防止膜を、前記層内レンズの屈折率とカラーフィルタ層の屈折率との間の屈折率を有する材料で形成し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、カラーフィルタ層と層内レンズとの間に、該カラーフィルタ層の屈折率と層内レンズの屈折率との間の屈折率を有する材料で上反射防止膜を形成したので、カラーフィルタ層と層内レンズとの間の屈折率差が大きい場合でも、カラーフィルタ層と層内レンズとが直接接合していないことによりこれらの間の界面が存在せず、該カラーフィルタ層と層内レンズとの間の屈折率差より小さい屈折率差であるカラーフィルタ層と上反射防止膜との界面、上反射防止膜と層内レンズとの界面が存在するだけとなる。したがって、上反射防止膜を設けたことにより大きな屈折率差の界面が小さな屈折率差の界面となるので、大きな屈折率の界面がある場合にここで起こる反射がなくなる。
【０００８】
また本発明の参考となる別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の層間膜の上に、下反射防止膜を介して入射光を受光センサ部に集光する層内レンズを設け、前記下反射防止膜を、前記層内レンズの屈折率と層間膜の屈折率との間の屈折率を有する材料で形成したことを前記課題の解決手段とした。
【０００９】
この固体撮像素子によれば、層内レンズと層間膜との間に、該層内レンズの屈折率と層間膜の屈折率との間の屈折率を有する材料で下反射防止膜を形成したので、層内レンズと層間膜との間の屈折率差が大きい場合でも、層内レンズと層間膜とが直接接合していないことによりこれらの間の界面が存在せず、該層内レンズと層間膜との間の屈折率差より小さい屈折率差である層内レンズと下反射防止膜との界面、下反射防止膜と層間膜との界面が存在するだけとなる。したがって、下反射防止膜を設けたことにより大きな屈折率差の界面が小さな屈折率差の界面となるので、大きな屈折率の界面がある場合にここで起こる反射がなくなる。
【００１０】
【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 Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ ）構造の受光センサ部３が形成されている。
【００１１】
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ＳｉＯ_２ 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ＳｉＯ_２ 膜からなる単層膜でなく、ＳｉＯ_２ 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。
【００１２】
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ＳｉＯ_２ からなる層間絶縁膜９が形成されている。
【００１３】
この層間膜９の上には、前記転送電極８を覆った状態で遮光膜１０が形成されている。この遮光膜１０は、スミアを抑えるため受光センサ部３の直上にまで張り出してなる張り出し部１０ａを形成したもので、受光センサ部３の直上部分の大部分を外側に臨ませた状態で、すなわち受光センサ部３の直上に前記張り出し部１０ａで囲った状態に矩形の開口部１１を形成したものである。また、この遮光膜１０は、後述するようにこの遮光膜１０形成後層内レンズの形成に先立って熱処理によるリフロー処理がなされていることから、このリフロー処理の際に悪影響を受けないように高融点金属から形成されており、本例ではタングステン（Ｗ）からなっている。
【００１４】
この遮光膜１０上には、該遮光膜１０、および開口部１１に臨む層間絶縁膜９を覆ってＢＰＳＧ（屈折率；１．４５）からなる層間膜１２が形成されている。この層間膜１２はリフロー膜として機能するもので、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１２ａを形成したものである。凹部１２ａは、層間膜１２がリフロー処理されることにより、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。
【００１５】
この層間膜１２上には、その表面を覆って下反射防止膜１３が形成されている。この下反射防止膜１３は、プラズマＣＶＤ法によって形成された酸化窒化ケイ素（以下、Ｐ−ＳｉＯＮと記す）からなるものであり、後述するように屈折率が１．５〜１．９程度、好ましくは１．７程度に調整され形成されたものである。また、この下反射防止膜１３は、膜厚が５０〜３００ｎｍ程度、好ましくは１００ｎｍ程度の薄膜に形成されたもので、これにより層間膜１２の凹部１２ａの形状を損なうことなく、したがって後述する層内レンズの機能を損なうことなく、しかも均一な膜厚に形成されたものとなっている。
【００１６】
下反射防止膜１３の上には、層間膜１２の凹部１２ａを埋め込んだ状態に層内レンズ材１４が成膜され、これによって該層内レンズ材１４と層間膜１２との間に層内レンズ１５が構成されている。層内レンズ材１４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、したがってこれと下反射防止膜１３との間、さらには層間膜１２との間に屈折率差があることから、これら層内レンズ材１４と下反射防止膜１３との界面、および下反射防止膜１３と層間膜１２との界面で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１５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１４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。
【００１７】
また、前記下反射防止膜１３は、その屈折率が１．５〜１．９程度、すなわち層間膜１２の屈折率（１．４５）と層内レンズ材１４（層内レンズ１５）の屈折率（２．０）との間の屈折率となっているので、層間レンズ材１４（層内レンズ１５）と下反射防止膜１３との間の界面における屈折率差、および下反射防止膜１３と層間膜１２との界面における屈折率差がいずれも層内レンズ材１４と層間膜１２との屈折率差より小さくなる。
【００１８】
平坦化された層内レンズ材１４の上には、上反射防止膜１６が形成されている。この上反射防止膜１６は、前記下反射防止膜１３と同様にＰ−ＳｉＯＮからなるものであり、後述するように屈折率が１．７〜１．９程度、好ましくは１．８程度に調整され形成されたものである。また、この上反射防止膜１６は、パッシベーション膜としても機能するものであり、したがってその膜厚がパッシベーション膜としての機能を十分発揮するような厚さに設定されている。
【００１９】
この上反射防止膜１６の上にはカラーフィルタ層１７が形成されている。このカラーフィルタ層１７は樹脂等からなるもので、屈折率が約１．６のものとなっている。
したがって、前述した下反射防止膜１３の場合と同様に、上反射防止膜の屈折率が１．７〜１．９程度、すなわちカラーフィルタ層１７の屈折率（１．６）と層内レンズ材１４（層内レンズ１５）の屈折率（２．０）との間の屈折率となっているので、カラーフィルタ層１７と上反射防止膜１６との間の界面における屈折率差、および上反射防止膜１６と層内レンズ材１４（層内レンズ１５）との界面における屈折率差がいずれもカラーフィルタ層１７と層内レンズ材１４との屈折率差より小さくなる。
【００２０】
また、カラーフィルタ層１７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。このオンチップレンズ１８は、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、入射光を層内レンズ１５を介して遮光膜１０の開口部１１に導き、受光センサ部３上に入射させるためのものである。
【００２１】
このような固体撮像素子１を作製するには、従来と同様の手法により転送電極８までを形成し、さらにこれを覆って層間絶縁膜９を形成した後、遮光膜１０を形成する。なお、この遮光膜１０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。
次いで、層間膜１２の材料としてＢＰＳＧを、ＣＶＤ法等によって遮光膜１０等を覆った状態に堆積し、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１２ａの曲率を所望する層内レンズ１５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１５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。
層内レンズ１５の最適な形状については、オンチップレンズ１８によって層内レンズ１５に入射した光を遮光膜１０の開口部１１に導くべく、入射光をその位置や入射角に応じて適宜に屈折する形状とされる。
【００２２】
このようにして層間膜１２を形成したら、プラズマＣＶＤ法によって酸化窒化ケイ素（Ｐ−ＳｉＯＮ）をその屈折率が１．５〜１．９程度、好ましくは１．７程度となるような条件で５０〜３００ｎｍ程度の厚さに堆積し、下反射防止膜１３を形成する。
ここで、屈折率の調整については、その原料ガスであるＳｉＨ_４ 、ＮＨ_３ 、Ｎ_２ Ｏの流量比を適宜に調整することによって行う。すなわち、ＳｉＨ_４ を基準とした場合に、ＮＨ_３ の流量比を増やすと屈折率が大きくなり、Ｎ_２ Ｏの流量比を増やすと屈折率が小さくなる。これは、原料中のＮＨ_３ が増えると得られるＰ−ＳｉＯＮ中のＳｉ−Ｎボンドが増え、一方原料中のＮ_２ Ｏが増えると得られるＰ−ＳｉＯＮ中のＳｉ−Ｏボンドが増えるからである。
【００２３】
したがって、予めこれら原料ガスの流量比と得られるＰ−ＳｉＯＮの屈折率との関係を実験やシミュレーションによって求めておき、下反射防止膜１３の形成の際には所望する屈折率に応じてその条件を適宜に選択すればよいのである。
このようにして下反射防止膜１３を形成したら、層間膜１２の凹部１２ａを埋め込んだ状態に層内レンズ材１４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を形成する。
【００２４】
次いで、この平坦化した層内レンズ材１４（層内レンズ１５）の上に、プラズマＣＶＤ法によって酸化窒化ケイ素（Ｐ−ＳｉＯＮ）をその屈折率が１．７〜１．９程度、好ましくは１．８程度となるような条件で堆積し、上反射防止膜１６を形成する。なお、屈折率の調整については、前述した下反射防止膜１３の場合と同様に、原料ガスの流量比を適宜に選択することによって行う。
【００２５】
次いで、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。
【００２６】
このようにして得られた固体撮像素子１にあっては、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、上反射防止膜１６を透過して層内レンズ１５に入射し、再度集光（屈折）された光が下反射防止膜１３を経て遮光膜１０の開口部１１内に入射し、層間絶縁膜９、絶縁膜７を透過して受光センサ部３に到り、ここで光電変換がなされる。
【００２７】
このとき、上反射防止膜１６を設けたことにより、カラーフィルタ層１７と層内レンズ１５（層内レンズ材１４）との間にはカラーフィルタ層１７と上反射防止膜１６との界面、上反射防止膜１６と層内レンズ１５（層内レンズ材１４）との界面が存在するだけとなり、大きな屈折率差の界面が小さな屈折率差の界面となるので、大きな屈折率の界面がある場合にここで起こる反射がなくなる。したがって、従来生じていたカラーフィルタ層１７と層内レンズ１５（層内レンズ材１４）との間での反射を低減することができ、これにより集光効率を高めて感度を向上することができる。
【００２８】
また、下反射防止膜１３を設けたことにより、層内レンズ１５（層内レンズ材１４）と層間膜１２との間には層内レンズ１５と下反射膜１３との界面、下反射膜１３と層間膜１２との界面が存在するだけとなり、大きな屈折率差の界面が小さな屈折率差の界面となるので、やはり大きな屈折率の界面がある場合にここで起こる反射がなくなる。したがって、従来生じていた層内レンズ１５（層内レンズ材１４）と層間膜１２との間での反射を低減することができ、これによっても集光効率を高めて感度を向上することができる。
【００２９】
なお、前記実施形態例では層内レンズ１５の上に上反射防止膜１６を設け、層内レンズ１５の下に下反射防止膜１３を設けたが、本発明はこれに限定されることなく、上反射防止膜１６、あるいは下反射防止膜１３のいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明における請求項１記載の固体撮像素子は、カラーフィルタ層と層内レンズとの間に、該カラーフィルタ層の屈折率と層内レンズの屈折率との間の屈折率を有する材料で上反射防止膜を形成し、これによってカラーフィルタ層と層内レンズとを直接接合させずこれらカラーフィルタ層と層内レンズとの界面が存在しないようにし、これらカラーフィルタ層と層内レンズとの間には小さい屈折率差であるカラーフィルタ層と上反射防止膜との界面、上反射防止膜と層内レンズとの界面が存在するようにしたものであるから、従来生じていたカラーフィルタ層と層内レンズとの間の反射を低減することができ、これにより集光効率を高めて感度を向上することができる。
【００３１】
また本発明の参考となる別の固体撮像素子は、層内レンズと層間膜との間に、該層内レンズの屈折率と層間膜の屈折率との間の屈折率を有する材料で下反射防止膜を形成し、これによって層内レンズと層間膜とを直接接合させずこれら層内レンズと層間膜との界面が存在しないようにし、これら層内レンズと層間膜との間には小さい屈折率差である層内レンズと下反射防止膜との界面、下反射防止膜と層間膜との界面が存在するようにしたものであるから、従来生じていた層間膜と層内レンズとの間の反射を低減することができ、これにより集光効率を高めて感度を向上することができる。
【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。
【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、１２…層間膜、１３…下反射防止膜、１５…層内レンズ、１６…上反射防止膜、１７…カラーフィルタ層

Claims (2)

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、
   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、該層内レンズ上に上反射防止膜を介してカラーフィルタ層が設けられてなり、
   前記上反射防止膜が、前記層内レンズの屈折率とカラーフィルタ層の屈折率との間の屈折率を有する材料からなる
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記層内レンズの下に下反射防止膜を介して層間膜が設けられ、
   前記下反射防止膜が、前記層内レンズの屈折率と層間膜の屈折率との間の屈折率を有する材料からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。

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