(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の受光領域に設けられ、入射光量に応じた電荷を発生させる光電変換素子と、
前記受光領域の周囲に形成され、光を遮蔽する遮光部と、
前記半導体基板上に設けられ、前記光電変換素子及び前記遮光部を保護する保護層と、を有し、
前記保護層のうち前記半導体基板側とは反対側の表面には、前記光電変換素子の照射面に対して垂直な方向について高低差を持たせた複数の段差部が形成され、
前記複数の段差部は、前記受光領域内に設けられ、かつ前記受光領域の中心位置に関して対称に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数の段差部は、第１の方向、または前記第１の方向に垂直な第２の方向において対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の段差部は、第１の方向、及び前記第１の方向に垂直な第２の方向の少なくとも一方について曲率を持たせた形状をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記段差部は、少なくとも二つの前記光電変換素子に跨がらせて設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
複数の前記光電変換素子は、前記受光領域内において特定方向へ並列され、
前記段差部は、前記照射面に平行な面内において、前記特定方向を長手方向とする帯形状を備えることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子（イメージセンサ）の性能の一つとして、入射光の波長ごとの感度特性である分光特性が問題とされることがある。入射光の波長と光応答出力との関係を表したときに、波長の変化に対して光応答出力の変動が緩やかであることが理想とされる一方、波長の変化に対して光応答出力が波状に変動するような分光特性を示す場合がある。その原因としては、光電変換素子へ直接入射する光と、半導体基板上に設けられた保護層の界面で反射する光との干渉が挙げられる。このような分光特性の変動を低減させるには、光の干渉を抑制させることが有効とされる。例えば、特許文献１には、保護層であるシリコン酸化膜の表面に形成された凹凸形状を備える構成が開示されている。凹凸形状を設けることで、保護層の界面での反射光を分散させ、保護層内での光の多重反射を低減させる。これにより、光電変換素子へ直接入射する光と保護層の界面で反射する光との干渉を抑制させる。
【０００３】
一般に、固体撮像素子には、隣接する画素への光の漏れを低減させるための遮光部として、アルミニウムで構成されるパターン（以下、適宜「アルミニウム配線」と称する）が設けられている。保護層の表面に凹凸形状を形成する態様によっては、良好な分光特性が得られる一方で、保護層の内部に形成されたアルミニウム配線が外部に露出し易くなる場合が生じ得る。アルミニウム配線の外部への露出は、アルミニウム配線の腐食等により、固体撮像素子の信頼性を低下させることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２５０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、良好な分光特性とともに高い信頼性を備える固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の一態様によれば、半導体基板の受光領域に設けられ、入射光量に応じた電荷を発生させる光電変換素子と、前記受光領域の周囲に形成され、光を遮蔽する遮光部と、前記半導体基板上に設けられ、前記光電変換素子及び前記遮光部を保護する保護層と、を有し、前記保護層のうち前記半導体基板側とは反対側の表面には、前記光電変換素子の照射面に対して垂直な方向について高低差を持たせた段差部が形成され、前記段差部は、前記受光領域内に設けられることを特徴とする固体撮像素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、良好な分光特性とともに高い信頼性を得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る固体撮像素子の平面構成及び断面構成を示す模式図。
【図２】段差部を設けることによる分光特性の改善について説明する図。
【図３】光電変換素子へ入射する光の波長と、光電変換素子の光応答出力との関係を表したグラフ。
【図４】第２の実施の形態に係る固体撮像素子の平面構成及び断面構成を示す模式図。
【図５】第３の実施の形態に係る固体撮像素子の平面構成及び断面構成を示す模式図。
【図６】第４の実施の形態に係る固体撮像素子の平面構成及び断面構成を示す模式図。
【図７】光電変換素子へ入射する光の波長と、光電変換素子の光応答出力との関係を表したグラフ。
【図８】第５の実施の形態に係る固体撮像素子の平面構成及び断面構成を示す模式図。
【図９】第６の実施の形態に係る固体撮像素子の平面構成及び断面構成を示す模式図。
【図１０】図９の（ａ）のＧＧ断面構成を示す図。
【図１１】光電変換素子へ入射する光の波長と、光電変換素子の光応答出力との関係を表したグラフ。
【図１２】比較例に係る固体撮像素子の平面構成を示す模式図。
【図１３】図１２に示す比較例の場合の分光特性を表したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子を詳細に説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子１０の平面構成及び断面構成を示す模式図である。固体撮像素子１０は、例えばＣＣＤエリアイメージセンサであって、二次元方向へ並列させた複数の光電変換素子５を備える。図１の（ａ）は、固体撮像素子１０のうちの一つの光電変換素子５とその周辺部分との平面構成である。（ｂ）は、（ａ）のＡＡ断面構成を示す。ここで、光電変換素子５のうち光を入射させる照射面に平行な面をＸＹ面とする。Ｘ方向及びＹ方向は、互いに垂直であるとする。Ｚ方向は、ＸＹ平面に垂直な方向とする。固体撮像素子１０において、複数の光電変換素子５は、ＸＹ方向へアレイ状に配置されている。
【００１１】
光電変換素子５は、半導体基板１の表面に形成された不純物拡散領域の一部により構成されている。光電変換素子５は、入射光量に応じた電荷を発生させる。アルミニウム配線２は、半導体基板１上のうち光電変換素子５の周囲に形成されている。アルミニウム配線２は、光を遮蔽する遮蔽部として機能する。半導体基板１上に設けられた保護層６は、光電変換素子５及びアルミニウム配線２を保護する。保護層６は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜で構成されている。
【００１２】
図中破線で示す受光領域３は、半導体基板１上の領域のうちアルミニウム配線２によって周囲が遮光されている領域であって、入射した光が光電変換素子５によって有効に光電変換可能な領域であるとする。本実施の形態の場合、受光領域３は、光電変換素子５の照射面領域と略一致し、例えば画素を構成する。（ａ）に示す平面構成において、受光領域３及び光電変換素子５は、Ｙ方向を長手方向とする長方形形状をなしている。アルミニウム配線２は、受光領域３間を遮光することにより、隣接する画素への光漏れを低減させる。なお、アルミニウム配線２は、遮光のみを目的として設けられるものに限られず、電荷の転送に使用されるものであっても良いものとする。
【００１３】
段差部４は、保護層６のうち半導体基板１側とは反対側の表面に設けられている。段差部４は、Ｚ方向について高低差を持たせた凹形状をなし、Ｘ方向（第１の方向）及びＹ方向（第２の方向）について曲率を持たせた球面或いは非球面形状の曲面を備える。段差部４は、例えば、レジストパターンをマスクとする等方性エッチングにより形成される。
【００１４】
（ａ）に示す平面構成において、一つの受光領域３内に二つの段差部４が形成されている。二つの段差部４は、間隔を空けてＹ方向へ並べられている。段差部４は、Ｘ方向については受光領域３の略中心に位置し、Ｙ方向については、受光領域３の端部と中心との間に位置している。段差部４は、受光領域３内のうち、アルミニウム配線２との境界よりも中心位置側に配置されている。
【００１５】
ＸＹ面において、光電変換素子５は、例えば、Ｙ方向の長さｍ＝２０μｍ、Ｘ方向の長さｎ＝３．２μｍの長方形形状をなしている。また、段差部４は、例えば、Ｙ方向の長さｐ＝２．０μｍ、Ｘ方向の長さｑ＝１．０μｍの長方形に近い形状、或いは楕円に近い形状をなしている。固体撮像素子１０全体では、段差部４は、例えば４８００ｄｐｉのドット状に形成されている。なお、ここで説明する光電変換素子５及び段差部４のサイズ、配置の態様、形状は一例であって、適宜変更しても良い。例えば、段差部４は、所望の形状に形成可能であれば、さらにサイズを小さくしても良い。
【００１６】
光電変換素子５の照射面へ入射した光のうちの一部は、照射面で反射し、保護層６と空気層との界面へ入射する。仮に、保護層６に段差部４を設けず表面を平坦面とした場合、保護層６の界面で反射した光の多くは、再び光電変換素子５の方向へ進行することとなる。保護層６から光電変換素子５の照射面へ入射する光成分が多いほど、保護層６内での多重反射による光の干渉が生じ易くなる。
【００１７】
図２は、段差部４を設けることによる分光特性の改善について説明する図である。光電変換素子５の照射面で反射した光は、段差部４での反射により分散することとなる。保護層６の界面で反射した光を分散させ、再び光電変換素子５の方向へ進行する光を減少させることにより、保護層６内での多重反射を抑制させ、光の干渉を低減させる。段差部４での反射により効果的に光を分散させるには、段差部４は、受光領域３内においてある程度の間隔、例えば段差部４のＹ方向の長さｐ程度以上の間隔を設けて配置されることが望ましい。
【００１８】
図３は、光電変換素子５へ入射する光の波長と、光電変換素子５の光応答出力との関係を表したグラフである。グラフ中、破線で示す曲線は、本実施の形態の比較例であって、保護層６での多重反射による光の干渉が生じる場合の分光特性を表している。実線で示す曲線は、本実施の形態の場合の分光特性を表している。比較例の場合、波長の変化に対して光応答出力が波状に変動するような干渉波形が確認される。これに対して、本実施の形態の場合、４００ｎｍから７００ｎｍまで、可視光の波長領域のほとんどにおいて干渉波形が大幅に低減され、分光特性が改善されている。
【００１９】
本実施の形態では、受光領域３内において、アルミニウム配線２との境界より中心位置近くに段差部４を形成することで、段差部４におけるアルミニウム配線２の露出を抑制させる。保護層６から外部へのアルミニウム配線２の露出を抑制させることで、アルミニウム配線２の腐食、磨耗などを低減させ、固体撮像素子１０の信頼性維持が可能となる。これにより、固体撮像素子１０は、良好な分光特性を得るとともに高い信頼性を備える構成にできる。なお、受光領域３内に配置される段差部４は二つである場合に限られず、段差部４のサイズや受光領域３のサイズ等に応じて一つ或いは三つ以上としても良い。
【００２０】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子２０の平面構成及び断面構成を示す模式図である。図４の（ａ）は、固体撮像素子２０のうちの一つの光電変換素子５とその周辺部分の平面構成である。（ｂ）は、（ａ）のＢＢ断面構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子２０は、一つの受光領域３において、段差部４がＸ方向及びＹ方向に並べられていることを特徴とする。第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
段差部４は、一つの受光領域３に対して、Ｘ方向へ二つ、Ｙ方向へ二つのマトリクス状に設けられている。四つの段差部４は、受光領域３の中心位置に関して略対称となるように、互いに間隔を設けて並べられている。段差部４は、いずれも、受光領域３内のうち、アルミニウム配線２との境界よりも中心位置側に配置されている。
【００２２】
ＸＹ面において、光電変換素子５は、例えば、Ｙ方向の長さｍ＝２０μｍ、Ｘ方向の長さｎ＝８．０μｍの長方形形状をなしている。また、段差部４は、例えば、Ｙ方向の長さｐ＝２．０μｍ、Ｘ方向の長さｑ＝１．０μｍの長方形に近い形状をなしている。固体撮像素子２０全体では、段差部４は、例えば２４００ｄｐｉのドット状に形成されている。なお、ここで説明する光電変換素子５及び段差部４のサイズ、配置の態様、形状は一例であって、適宜変更しても良い。
【００２３】
段差部４での反射により効果的に光を分散させるには、段差部４は、受光領域３内においてある程度の間隔、Ｙ方向については例えば長さｐ程度以上、Ｘ方向については例えば長さｑ程度以上の間隔を設けて配置されることが望ましい。本実施の形態に係る固体撮像素子２０の場合も、良好な分光特性を得るとともに高い信頼性を備える構成にできる。なお、受光領域３内においてＸ方向及びＹ方向へ配置される段差部４の個数は、段差部４のサイズや受光領域３のサイズ等に応じて適宜変更しても良い。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像素子３０の平面構成及び断面構成を示す模式図である。図５の（ａ）は、固体撮像素子３０のうちの一つの光電変換素子５とその周辺部分の平面構成である。（ｂ）は、（ａ）のＣＣ断面構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子３０は、第１及び第２の実施の形態におけるドット状の段差部４を、受光領域３の長手方向であるＹ方向へ引き伸ばしたような平面形状の段差部３１を有することを特徴とする。第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
段差部３１は、Ｚ方向について高低差を持たせた凹形状をなし、Ｘ方向について曲率を持たせた曲面を備える。段差部３１は、第１及び第２の実施の形態における段差部４と同様のＸＺ断面形状をなしている。長手方向であるＹ方向については、段差部３１は、両端部が曲面をなしている以外、底部は略平坦に形成されている。（ａ）に示す平面構成において、段差部３１の中心は、受光領域３の中心位置と一致している。
【００２６】
ＸＹ面において、光電変換素子５は、例えば、Ｙ方向の長さｍ＝２０μｍ、Ｘ方向の長さｎ＝３．２μｍの長方形形状をなしている。段差部４は、例えば、Ｙ方向の長さｐ＝１０μｍ、Ｘ方向の長さｑ＝１．０μｍの長方形に近い形状、或いは楕円に近い形状をなしている。なお、ここで説明する光電変換素子５及び段差部３１のサイズ、配置の態様、形状は一例であって、適宜変更しても良い。
【００２７】
本実施の形態に係る固体撮像素子３０の場合も、良好な分光特性を得るとともに高い信頼性を備える構成にできる。なお、一つの受光領域３に対しては、一つの段差部３１が設けられる場合に限られず、複数の段差部３１を設けることとしても良い。例えば、一つの受光領域３において、Ｙ方向を長手方向とする複数の段差部３１をＸ方向に並べて設けることとしても良い。受光領域３内に設けられる段差部３１の個数は、段差部３１のサイズや受光領域３のサイズ等に応じて適宜変更しても良い。
【００２８】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る固体撮像素子４０の平面構成及び断面構成を示す模式図である。図６の（ａ）は、固体撮像素子４０のうちの二つの光電変換素子５とその周辺部分の平面構成である。（ｂ）は、（ａ）のＤＤ断面構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子４０は、段差部４が二つの光電変換素子５に跨らせて設けられることを特徴とする。第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２９】
本実施の形態に係る固体撮像素子４０は、受光領域４１内に複数の光電変換素子５が設けられている。受光領域４１は、複数の光電変換素子５の照射面によって構成されている。（ａ）に示す平面構成において、光電変換素子５は、Ｙ方向を長手方向とする長方形形状をなしている。受光領域４１において、複数の光電変換素子５は、間隔を介して特定方向であるＸ方向へ並列されている。
【００３０】
アルミニウム配線２は、複数の光電変換素子５の周囲に形成されている。図６の（ａ）、（ｂ）のいずれも、受光領域４１のうち二つの光電変換素子５が設けられている一部分と、その周辺部分のみを図示している。固体撮像素子４０は、受光領域４１全体が一画素を構成するものである他、受光領域４１内の一つ又は複数の光電変換素子５の照射面領域が一画素を構成するものであっても良い。
【００３１】
（ａ）に示す平面構成において、二つの光電変換素子５に対して二つの段差部４が形成されている。二つの段差部４は、間隔を空けてＹ方向へ並べられている。段差部４は、Ｘ方向については、二つの光電変換素子５の隙間部分を中心として位置し、Ｙ方向については、受光領域４１の端部と中心との間に位置している。
【００３２】
ＸＹ面において、光電変換素子５は、例えば、Ｙ方向の長さｍ＝２０μｍ、Ｘ方向の長さｎ＝３．２μｍの長方形形状をなしている。段差部４は、例えば、Ｙ方向の長さｐ＝２．０μｍ、Ｘ方向の長さｑ＝１．０μｍの長方形に近い形状、或いは楕円に近い形状をなしている。また、Ｘ方向における光電変換素子５同士の間隔は、段差部４のＸ方向の長さｑ以下とされている。段差部４は、（ａ）に示す平面構成において左右の一部分がそれぞれ光電変換素子５上に位置するように形成されることで、Ｘ方向について二つの光電変換素子５を跨がらせて配置されている。なお、ここで説明する光電変換素子５及び段差部４のサイズ、配置の態様、形状は一例であって、適宜変更しても良い。例えば、段差部４は、Ｘ方向について幅を大きくし、光電変換素子５上に位置する部分をさらに広く確保するようにしても良い。
【００３３】
図７は、光電変換素子５へ入射する光の波長と、光電変換素子５の光応答出力との関係を表したグラフである。グラフ中、破線で示す曲線は、本実施の形態の比較例であって、保護層６での多重反射による光の干渉が生じる場合の分光特性を表している。実線で示す曲線は、本実施の形態の場合の分光特性を表している。本実施の形態の場合、第１の実施の形態の場合と同様に、干渉波形が大幅に低減され、分光特性が改善されている。
【００３４】
本実施の形態に係る固体撮像素子４０の場合も、良好な分光特性を得るとともに高い信頼性を備える構成にできる。なお、二つの光電変換素子５上に配置される段差部４は二つである場合に限られず、段差部４のサイズや受光領域４１のサイズ等に応じて一つ或いは三つ以上としても良い。
【００３５】
（第５の実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態に係る固体撮像素子５０の平面構成及び断面構成を示す模式図である。図８の（ａ）は、固体撮像素子５０のうちの二つの光電変換素子５とその周辺部分の平面構成である。（ｂ）は、（ａ）のＥＥ断面構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子５０は、第３の実施の形態と同様の段差部３１が二つの光電変換素子５に跨がらせて設けられることを特徴とする。第１から第４の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３６】
（ａ）に示す平面構成において、二つの光電変換素子５に対して一つの段差部３１が形成されている。段差部３１は、Ｘ方向については、二つの光電変換素子５の隙間部分を中心として位置している。Ｙ方向については、段差部３１の中心は、受光領域４１の中心位置と一致している。
【００３７】
ＸＹ面において、光電変換素子５は、例えば、Ｙ方向の長さｍ＝２０μｍ、Ｘ方向の長さｎ＝３．２μｍの長方形形状をなしている。また、段差部４は、例えば、Ｙ方向の長さｐ＝１０μｍ、Ｘ方向の長さｑ＝１．０μｍの長方形に近い形状、或いは楕円に近い形状をなしている。本実施の形態に係る固体撮像素子５０の場合も、良好な分光特性を得るとともに高い信頼性を備える構成にできる。
【００３８】
なお、本実施の形態で説明する光電変換素子５及び段差部３１のサイズ、配置の態様、形状は一例であって、適宜変更しても良い。例えば、段差部３１は、Ｘ方向について幅を大きくし、光電変換素子５上に位置する部分をさらに広く確保するようにしても良い。
【００３９】
（第６の実施の形態）
図９は、本発明の第６の実施の形態に係る固体撮像素子６０の平面構成及び断面構成を示す模式図である。図９の（ａ）は、固体撮像素子６０のうちの三つの光電変換素子５とその周辺部分の平面構成である。（ｂ）は、（ａ）のＦＦ断面構成を示す。図１０は、図９の（ａ）のＧＧ断面構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子６０は、ＸＹ面内において、特定方向であるＸ方向を長手方向とする帯形状をなす段差部６１を備えることを特徴とする。第１及び第４の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
段差部６１は、一つの受光領域４１内に並列された複数の光電変換素子５に跨らせて設けられている。段差部６１は、Ｘ方向については受光領域４１の全体に位置し、Ｙ方向については、受光領域４１の中心に位置している。なお、図９の（ａ）、（ｂ）のいずれも、受光領域４１のうち三つの光電変換素子５が設けられている一部分と、その周辺部分のみを図示している。
【００４１】
段差部６１は、Ｚ方向について高低差を持たせた凹形状をなし、Ｙ方向について曲率を持たせた曲面を備える。段差部６１は、長手方向であるＸ方向については、両端部が曲面をなしている以外、底部は略平坦に形成されている。図９の（ｂ）に示すＸＺ断面において、段差部６１のうちＸ方向における一方の端部が曲線で表され、その端部に続く底部の一部が直線で表されている。また、図１０に示すように、段差部６１のＹＺ断面形状は、第１の実施の形態における段差部４のＸＺ断面形状と同様の形状をなしている。
【００４２】
ＸＹ面において、光電変換素子５は、例えば、Ｙ方向の長さｍ＝２０μｍ、Ｘ方向の長さｎ＝３．２μｍの長方形形状をなしている。段差部６１は、例えば、Ｙ方向の幅ｒ＝２．０μｍの帯形状をなしている。
【００４３】
図１１は、光電変換素子５へ入射する光の波長と、光電変換素子５の光応答出力との関係を表したグラフである。グラフ中、破線で示す曲線は、本実施の形態の比較例であって、保護層６での多重反射による光の干渉が生じる場合の分光特性を表している。実線で示す曲線は、本実施の形態の場合の分光特性を表している。本実施の形態の場合も、干渉波形は、４００ｎｍから７００ｎｍまで、可視光の波長領域のほとんどにおいて低減され、分光特性が改善されている。本実施の形態にかかる固体撮像素子６０の場合も、良好な分光特性を得るとともに高い信頼性を備える構成にできる。
【００４４】
図１２は、本実施の形態の比較例に係る固体撮像素子７０の平面構成を示す模式図である。図１３は、図１２に示す比較例の場合の分光特性を表したグラフである。本比較例に係る固体撮像素子７０は、Ｙ方向の幅ｒ＝１０μｍの帯形状をなす段差部７１を備える。本比較例の場合の分光特性は、図１３のグラフ中、実線の曲線により表している。
【００４５】
図１１及び図１３の両グラフにて点線で囲んで示すように、特に、４５０ｎｍから５２０ｎｍの波長領域においては、比較例の場合より本実施の形態の場合のほうが、干渉波形が大幅に低減されている。従って、段差部の帯形状の幅を小さくし、凹形状の曲率を大きくすることにより、干渉波形を効果的に低減させることが可能となる。
【００４６】
なお、本実施の形態で説明する光電変換素子５及び段差部６１のサイズ、配置の態様、形状は一例であって、適宜変更しても良い。例えば、段差部６１は、一つの受光領域４１に対して一本を設ける場合に限られず、複数本設けることとしても良い。また、段差部６１は、一つの受光領域４１のＸ方向全体に形成される場合に限られず、例えばＸ方向について複数に分割させて形成されることとしても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体基板、２  アルミニウム配線、３、４１  受光領域、４、３１、６１  段差部、５  光電変換素子、６  保護層、１０、２０、３０、４０、５０、６０  固体撮像素子。
【図１】
0005468353.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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