(57)【要約】【課題】ノイズの発生を抑制すること。【解決手段】入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部の信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、入射された光を光電変換部に集光するための導波路と、少なくとも電荷蓄積部を覆うように設けられ、集光された光を光電変換部に入射させる開口部を有する遮光部と、をそれぞれが含む複数の画素を備え、導波路は、光が入射される入射部と光を出射する出射部とを有し、出射部と光電変換部との間隔が、遮光部の下端と光電変換部との間隔よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。【選択図】図３
2018061060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、前記電荷蓄積部の前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、
入射された光を前記光電変換部に導くための導波路と、
少なくとも前記電荷蓄積部を覆うように設けられた遮光部と、を備え、
前記遮光部は、前記制御電極を覆う第１の部分と、前記半導体基板の上に絶縁層を介して配され、かつ、前記光電変換部の一部を覆うように前記半導体基板の表面に沿って延びた第２の部分とを含み、
前記導波路と前記半導体基板との間に前記絶縁層が配され、
前記導波路と前記半導体基板との間隔が、前記遮光部の前記第２の部分と前記半導体基板との間隔よりも大きく、かつ、前記遮光部の前記第２の部分の上面と前記半導体基板との距離よりも小さい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記導波路は、光が入射される入射部と光を出射する出射部とを有し、
前記遮光部は、前記導波路から出射された光を通過させる開口部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記遮光部の前記開口部の端部の少なくとも一部が、前記導波路の光軸方向から見て前記入射部と前記出射部の間に位置していることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記遮光部の開口部の幅が、前記出射部の幅よりも大きく、前記入射部の幅よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
少なくとも１つの画素において、前記導波路の光軸方向から見て、前記出射部の重心の位置が、前記遮光部の前記開口部の重心の位置に対し、前記複数の画素の中心の方向にずらされていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記導波路の下面は、前記導波路とエッチングストップ層の界面を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記導波路の下面は、前記導波路と層間絶縁層の界面を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記導波路の下面は、段差を有する形状を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記遮光部の上に配された複数の配線層をさらに備え、
前記導波路は、前記複数の配線層を貫通することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
半導体基板と、
前記半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、前記電荷蓄積部の前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、
入射された光を前記光電変換部に導くための導波路と、
少なくとも前記制御電極および前記電荷蓄積部を覆う遮光部と、
前記遮光部の上に配された複数の配線層と、を備え、
前記導波路は、前記複数の配線層の少なくとも一部より前記半導体基板から遠い位置にある上端と、前記複数の配線層の前記少なくとも一部より前記半導体基板に近い位置にある下端と、を有し、
前記導波路の前記下端と前記半導体基板との間に絶縁層が配され、
前記導波路の前記下端と前記半導体基板との間隔が、前記遮光部の上端と前記半導体基板との間隔よりも大きい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１１】
前記遮光部の開口部の端部の少なくとも一部が、前記導波路の光軸方向から見て前記上端と前記下端の間に位置していることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記遮光部の開口部の幅が、前記下端の幅よりも大きく、前記上端の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記導波路の前記下端は、前記導波路とエッチングストップ層の界面を含むことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記導波路の前記下端は、前記導波路と層間絶縁層の界面を含むことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記導波路の前記下端は、段差を有する形状を有することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
半導体基板と、
前記半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、前記電荷蓄積部の前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、
入射された光を前記光電変換部に導くための導波路と、
少なくとも前記制御電極および前記電荷蓄積部を覆う遮光部と、
前記遮光部の上に配された複数の配線層と、を備え、
前記導波路は、前記複数の配線層に含まれる第１の層の配線と同じ高さに配された部分と、前記複数の配線層に含まれる前記第１の層と異なる第２の層の配線と同じ高さに配された部分とを有し、
前記導波路と前記半導体基板との間に絶縁層が配され、
前記導波路と前記半導体基板との間隔が、前記遮光部の上端と前記半導体基板との間隔よりも大きい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された信号を処理する映像信号処理部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像装置及びそれを用いた撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光電変換部と、光導波路と、光電変換部から電荷が転送される電荷蓄積部とを備えた画素が配列された固体撮像装置が開示されている。光導波路は光電変換部への集光のために設けられている。光電変換部以外の領域は遮光膜で覆われている。電荷蓄積部は光電変換部からの電荷蓄積部への電荷の転送開始と終了を全ての画素に対して同時に行うことにより、面内同期型電子シャッタが実現される旨が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３８９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光が電荷蓄積部に入射されると、電荷蓄積部で電荷が生成され、ノイズの原因となり得る。特許文献１には、光導波路と遮光部との位置関係が具体的に開示されていない。光導波路と遮光部との位置関係によっては、入射された光が電荷蓄積部に入射され、ノイズが発生する場合がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、ノイズの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、光電変換部から電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、電荷蓄積部の信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、入射された光を光電変換部に導くための導波路と、少なくとも電荷蓄積部を覆うように設けられた遮光部と、を備え、遮光部は、制御電極を覆う第１の部分と、半導体基板の上に絶縁層を介して配され、かつ、光電変換部の一部を覆うように半導体基板の表面に沿って延びた第２の部分とを含み、導波路と半導体基板との間に絶縁層が配され、導波路と半導体基板との間隔が、遮光部の第２の部分と半導体基板との間隔よりも大きく、かつ、遮光部の第２の部分の上面と半導体基板との距離よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の固体撮像装置によれば、ノイズの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る画素の回路構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る画素の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】第１の実施形態に係る遮光膜と導波路の位置関係を説明する図である。
【図４】第１の実施形態に係る遮光膜と導波路の位置関係の変形例を説明する図である。
【図５】第２の実施形態に係る遮光膜と導波路の位置関係を説明する図である。
【図６】第３の実施形態に係る遮光膜と導波路の位置関係を説明する図である。
【図７】第４の実施形態に係る画素の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図８】第５の実施形態に係る画素の平面図である。
【図９】第５の実施形態に係る画素の断面図である。
【図１０】第６の実施形態に係る撮像システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明に係る固体撮像装置の実施形態を詳細に説明する。各図面を通じて同一の構成要素には同一の参照符号を付し、重複する構成要素についてはその説明を省略することもある。また、以下に説明する実施形態は、本発明の一態様を例示的に示すものであって、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画素の回路構成を示す図である。画素は入射された光を電気信号に変換して出力する素子である。画素を行列状に配置することにより固体撮像装置の受光部である画素アレイが構成される。画素はシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に形成される。
【００１０】
画素は、光電変換部１、電荷蓄積部２、フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）３、垂直出力線８及びオーバーフロードレイン部（ＯＦＤ部）１５を備える。画素はこれらの各部の接続／非接続の切替え又は信号増幅のための、第１の転送トランジスタ４、第２の転送トランジスタ５、選択トランジスタ７、リセットトランジスタ９、ソースフォロアトランジスタ１０及びＯＦＤトランジスタ１６をさらに備える。各トランジスタはＭＯＳＦＥＴ等により構成され、ドレイン−ソース間に制御電極として設けられたゲート電極を有する。
【００１１】
光電変換部１は入射された光量に応じた信号電荷を発生する素子である。電荷蓄積部２は、第１の転送トランジスタ４を介して光電変換部１に接続される。電荷蓄積部２は回路的には接地容量として機能し、電荷蓄積部２は光電変換部１から転送された電荷を一時的に蓄積する。
【００１２】
ＦＤ部３は電荷蓄積部２から転送された電荷を電圧信号に変換する。ＦＤ部３は第２の転送トランジスタ５を介して電荷蓄積部２と接続される。また、ＦＤ部３はリセットトランジスタ９のソース端子及びソースフォロアトランジスタ１０のゲート端子とも接続される。リセットトランジスタ９のドレイン端子には電源電圧が供給される。リセットトランジスタ９をオンにすることでＦＤ部３の電圧は電源電圧にリセットされる。このとき、リセット信号電圧がソースフォロアトランジスタ１０のソース端子に出力される。
【００１３】
転送トランジスタ５がオンになり電荷蓄積部２からＦＤ部３に電荷が転送されると、転送された電荷量に対応した画素信号電圧がソースフォロアトランジスタ１０のソース端子に出力される。
【００１４】
ソースフォロアトランジスタ１０のソース端子は選択トランジスタ７のドレイン端子に接続される。選択トランジスタ７のソース端子は垂直出力線８に接続される。選択トランジスタ７がオンになると、リセット信号又は画素信号が垂直出力線８に出力される。このようにして、画素からの信号の読み出しが行われる。
【００１５】
光電変換部１には、さらにＯＦＤトランジスタ１６を介してＯＦＤ部１５が接続される。ＯＦＤトランジスタ１６がオンになると、光電変換部１に蓄積されている電荷はＯＦＤ部１５に排出される。全画素に対し同時にＯＦＤ部１５へ電荷を排出し、その後蓄積された電荷を電荷蓄積部２に転送することにより、全画素に対し同時かつ一定の露光時間を設定する電子シャッタが実現される。これにより、各画素から順次電荷を読み出すために生じる露光タイミングのずれが抑制され、画像の歪みが低減される。
【００１６】
図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る画素の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ’における断面図である。図１の回路と対応する部分には同一の符号が付されており、既に説明した構成及び機能については説明を省略することもある。
【００１７】
画素は光電変換部１の直上に配置された光学系として、カラーフィルタ１００、マイクロレンズ１０１、層内レンズ１０２及び導波路３１をさらに備える。光電変換部１は埋め込み型のフォトダイオードである。光電変換部１の上方から入射した光はマイクロレンズ１０１、カラーフィルタ１００、層内レンズ１０２、導波路３１を順に通過して、光電変換部１に入射し、電子に変換される。なお、層内レンズ１０２、導波路３１、配線４１、４２、４３、光電変換部１等の各部材の間は、図面上空隙として図示されているが、これらの空隙部には層間絶縁層（不図示）が形成されている。
【００１８】
マイクロレンズ１０１及び層内レンズ１０２は、入射された光を光電変換部１に集中させることにより、感度を向上させるためのレンズである。カラーフィルタ１００は特定の波長の光を選択的に透過させる薄膜であり、色情報を含む画像信号を得るために設けられる。
【００１９】
導波路３１は、層内レンズ１０２側と対向し、光が入射される上開口部（入射部）と、光電変換部１と対向し、光が出射される下開口部（出射部）とを有する。図２（ａ）に示されるように、上開口部の端部３１ｂと下開口部の端部３１ａは円形である。図２（ｂ）に示されたＸ−Ｘ’断面において導波路３１は、上開口部の幅が下開口部の幅に比べて広い台形形状となっている。なお、導波路３１の上面形状は円形として図示されているが、正方形、長方形、楕円、多角形等の形状であってもよい。
【００２０】
導波路３１は、入射された光を光電変換部１に集中させる機能を有する。導波路３１により光電変換部１に入射される光量が増加するため、導波路３１が無い場合に比べ感度が向上する。特に、光電変換部１の面積が小さい場合又はＦナンバーが大きい場合、感度低下が問題となり得るが、導波路３１を設けることによりこの影響を抑制することが可能となる。
【００２１】
配線部間の層間絶縁層の材料には屈折率約１．５のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）を用い、導波路３１の材料には屈折率約１．８のシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）を用いることができる。導波路３１と層間絶縁層の界面に対し、所定の角度で斜めに入射された光は界面で全反射される。よって、光は層間絶縁層に漏出せず導波路３１内を伝搬し、光電変換部１に導かれる。
【００２２】
層間絶縁層と導波路３１の材料はシリコン酸化膜とシリコン酸窒化膜の組合せに限定されない。導波路３１の屈折率が層間絶縁層の屈折率よりも高くなるように材料が組合せられていればよく、任意の材料を選択可能である。例えば、層間絶縁層がシリコン酸化膜であり、導波路３１が屈折率約２．０のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）であってもよい。また、有機膜材料及び有機膜材料に酸化チタン等の粒子を混入した材料を用いてもよい。層間絶縁層が異なる材料からなる積層膜で形成されていてもよく、その場合は、導波路３１の屈折率がその周りの層間絶縁層の屈折率の体積平均よりも高くなるように構成すればよい。
【００２３】
導波路３１の側壁の傾斜角度はスネルの法則により決定できる。例えば導波路３１の屈折率が１．９、層間絶縁層の屈折率が１．４６の場合、導波路３１の側壁の垂線に対して、５０．２度以上の入射角で入射した光が全反射する。例えば、導波路３１の側壁の角度を基板の垂直方向に対し３９．８度以下とすれば、導波路３１に垂直に入射した光の漏出は抑制され、光電変換部１に到達する。層間絶縁層に対する導波路３１の屈折率の比率が大きいほど全反射し得る入射角の範囲が広くなり、側壁の角度の設計自由度が向上する。
【００２４】
導波路３１の上開口部と層内レンズ１０２の間、下開口部と光電変換部１の間などの入射光の光路内に反射防止層が備えられていてもよい。反射による光量の損失が低減され、入射光の透過率が向上するため、感度を向上させることができる。
【００２５】
画素は信号の伝達等のための配線４１、４２、４３をさらに有する。配線４１、４２、４３は光を透過しにくいアルミニウムや銅等の材料で形成されるため、配線４１、４２、４３は導波路３１を避けてその周囲に配置される。
【００２６】
次に光電変換部１及び電荷蓄積部２の構造を説明する。光電変換部１は第１導電型の第１の半導体領域１１、第２導電型の第２の半導体領域１２を含む。第２の半導体領域１２は基板表面に形成され、第１の半導体領域１１はその直下に配置される。以下、第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型として説明するが、その逆であってもよい。第１の半導体領域１１及び第２の半導体領域１２の接合界面はＰＮ接合を形成する。すなわち、光電変換部１はＰＮ接合界面が基板内部にあり、基板表面に接しない埋め込み型の構造である。埋め込み型の構造では、ＰＮ接合界面が基板中に埋め込まれているため、基板表面のノイズの影響が抑制される。
【００２７】
第１の半導体領域１１の直下にはさらにｎ型の第３の半導体領域１３が形成されている。第３の半導体領域１３の不純物濃度は第１の半導体領域１１の不純物濃度よりも低い。これにより、第３の半導体領域１３で光電変換された電子を第１の半導体領域１１に集めることができる。なお、第３の半導体領域１３はｐ型であってもよい。
【００２８】
第３の半導体領域１３の下部には第４の半導体領域１７が形成され、第４の半導体領域１７は、電荷蓄積部２及びＦＤ部３の領域に延在している。第４の半導体領域１７はｐ型の半導体領域である。光電変換部１で発生する電子に対して、第４の半導体領域１７はポテンシャルバリアとして働き、電子が基板に漏出することを抑制する機能を持つ。
【００２９】
電荷蓄積部２はｎ型の第５の半導体領域２０１及びｐ型の第６の半導体領域２０２を有する。第６の半導体領域２０２は基板表面に形成され、第５の半導体領域２０１はその直下に配置される。電荷蓄積部２も光電変換部１と同様に埋め込み型の構造であり、基板表面のノイズを抑制することができる。なお、第６の半導体領域２０２を省略し、第５の半導体領域２０１のみを配置して電荷蓄積部２とすることも可能である。その場合は第１の転送トランジスタ４のゲート電極を、電荷蓄積部２を覆うように延在させ、該電極には負電位を与えてホールを表面に誘起させることにより界面で発生するノイズを抑制することができる。
【００３０】
画素は、光電変換部１の直上以外を覆う遮光部として、遮光膜２０３をさらに備える。遮光膜２０３は、少なくとも電荷蓄積部２及び第１の転送トランジスタ４のゲート電極を覆うように配置される。光電変換部以外の部分は遮光され、光電変換部１には光が照射されるようにする必要があるため、遮光膜２０３の光電変換部１の直上は開口部となっている。ただし、遮光膜２０３は、光電変換部１の端部に部分的に延在していてもよい。
【００３１】
遮光膜２０３は電荷蓄積部２等への光の入射を抑制する。これにより、入射光によって電荷蓄積部２で電荷が生成され、ノイズが発生することが抑制される。遮光膜２０３は例えばタングステン、タングステンシリサイド、タングステン酸化膜、アルミニウム又はそれらの合金膜等の可視光を透過しにくい材料を用いて形成することができる。遮光膜２０３の膜厚は、例えば１００〜２００ｎｍ程度である。遮光膜２０３は、ゲート電極が配置されている部分と配置されていない部分とに一括で形成されるので、ゲート電極の膜厚に起因する凹凸を有する。
【００３２】
図３は本実施形態における遮光膜２０３と導波路３１との位置関係を説明する図である。図３は図２（ａ）のＸ−Ｘ”の断面図であり、図２（ｂ）の光電変換部１近傍の拡大図である。
【００３３】
図３の符号ｈ２０３１、ｈ２０３２、ｈ２０３３、ｈ３１１で示される点線は遮光膜２０３及び導波路３１と基板面である光電変換部１との間隔（高さ）を示している。例えば、符号ｈ３１１が付されている点線は、導波路３１の底部（出射部）の位置が高さｈ３１１であることを意味する。以下の説明では、この符号を用いて、「導波路３１の底部の高さはｈ３１１」等と表現することもある。
【００３４】
遮光膜２０３の下端の高さをｈ２０３１、ゲート電極が無い領域における遮光膜上端の高さをｈ２０３２、ゲート電極上に遮光膜２０３が形成されている領域の遮光膜上端の高さをｈ２０３３とする。導波路３１の底部の高さｈ３１１は遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１より高い位置とすることが好適である。本実施形態では、導波路３１の底部の高さｈ３１１は高さｈ２０３２と高さｈ２０３３の間にある。
【００３５】
導波路の底部の高さｈ３１１が遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１より低い場合、導波路３１の底部から放射された光が回折により拡がり、光電変換部１だけでなく、電荷蓄積部２にも入射する。光が電荷蓄積部２に入射すると、電荷蓄積部２のＰＮ接合部で電荷が発生し、この電荷がノイズの原因となり得る。これに対して本実施形態では、導波路の底部の高さｈ３１１が遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１より高い位置にある。よって、導波路３１の底部から放射された光は回折により拡がったとしても、遮光膜２０３により遮られる。これにより、光が電荷蓄積部２に入射されることを軽減又は防止できるため、ノイズの発生を抑制できる。
【００３６】
図４（ａ）及び（ｂ）は導波路３１と遮光膜２０３の位置関係の変形例を説明する図である。図４も図２（ａ）のＸ−Ｘ”の断面図であり、図２（ｂ）の光電変換部１付近を拡大して示すものである。図４（ａ）及び（ｂ）では、図３に示した構成に対し導波路３１の位置が異なっている。
【００３７】
図４（ａ）において、導波路３１の底部の高さｈ３１１は、遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１とゲート電極が無い領域の膜上端の高さｈ２０３２の間となっている。この場合、導波路３１の底部から放射され、回折した光は、遮光膜２０３の側面で反射される。したがって、上述の場合と同様に電荷蓄積部に入射されることを軽減又は防止できるため、ノイズの発生を抑制できる。遮光膜２０３の側面で反射された光は光電変換部１に入射され得る。遮光膜２０３の上面で反射される成分が減少し、遮光膜２０３の側面で反射されて光電変換部１に集光される光量が増加するため、より高い感度を得ることができる。
【００３８】
図４（ｂ）において、導波路３１の底部の高さｈ３１１は、ゲート電極上に遮光膜２０３が形成されている領域の遮光膜上端の高さｈ２０３３よりも高い。導波路３１は画素に入射された光を、配線４１、４２、４３及びそれらの間の層間絶縁層が形成された層を通過させるとともに、光電変換部１に集めるために設けられている。そのため、導波路３１は回路の配線４１、４２、４３、及び層間絶縁層が形成された少なくとも一層を貫通するように設けられていればよい。回路の配線４１、４２、４３及び配線４３上の層間絶縁層の上端面の高さをそれぞれｈ４１３、ｈ４２３、ｈ４３３及びｈ４４３とする。このとき、導波路３１の底部の高さ３１１は、少なくとも高さｈ４３３よりも低い位置であれば上述の効果を得ることができる。導波路３１の底部の高さｈ３１１が、配線４２の上端面の高さｈ４２３より低い位置であればより好ましい。図４（ｂ）ではさらに好適な例として、導波路３１の底部の高さｈ３１１が、配線４２の上端面の高さｈ４２３と配線４１の上端面の高さｈ４１３の間である例が示されている。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態における遮光膜２０３と導波路３１との位置関係を説明する図である。図５は図２（ａ）のＸ−Ｘ”に相当する箇所の断面図であり、光電変換部１付近を拡大して示すものである。第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、導波路３１と光電変換部１の間に反射防止層５２が配置されている。
【００４０】
第１の転送トランジスタ４及びＯＦＤトランジスタ１６のゲート電極と基板との間にはゲート絶縁膜５１が形成されている。ゲート絶縁膜５１には例えばシリコン酸化膜が用いられ、その膜厚は約１０ｎｍである。ゲート絶縁膜５１の上には反射防止層５２が形成されている。
【００４１】
反射防止層５２には例えばシリコン窒化膜が用いられ、その膜厚は約５０ｎｍである。反射防止層５２と遮光膜２０３との間にはバッファ膜５３が形成されている。バッファ膜５３には例えばシリコン酸化膜が用いられ、その膜厚は２０〜１００ｎｍ程度である。反射防止の効果を得るためには導波路３１と反射防止層５２を適正な距離にする必要がある。光の波長が５５０ｎｍで、導波路３１の屈折率が１．８とすると、導波路３１と反射防止層５２との距離は１１０ｎｍ程度が適切である。そのため、基板から導波路３１の底部３１１までの距離は１７０ｎｍ程度、基板から遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１までの距離は８０〜１６０ｎｍ程度となる。これらの距離の関係より、導波路３１の底部の高さｈ３１１と遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１との距離は１０〜９０ｎｍとなる。すなわち、導波路３１の底部の高さｈ３１１は遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１より高い位置にすることが可能となる。
【００４２】
したがって、本実施形態においても第１の実施形態と同様に光が電荷蓄積部２に入射されることを軽減又は防止できるため、ノイズの発生を抑制できる。これに加え、反射防止層５２の効果により、反射による光量の損失が低減され、入射光の透過率が向上するため、感度を向上させることができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図６は第３の実施形態における遮光膜２０３と導波路３１との位置関係を説明する図である。図６は図２（ａ）のＸ−Ｘ”に相当する箇所の断面図であり、光電変換部１付近を拡大して示すものである。
【００４４】
図６における導波路３１は、上述の台形形状に加え、上開口部が外側に延在した部分を有するＴ字型をなしている。また、図６における導波路３１の底部には、導波路３１を形成する際のエッチングストップ層（ＥＳＬ）３２が設けられている。ＥＳＬ３２は安定して所定の深さでエッチング工程を完了させるための層である。ＥＳＬ３２の膜厚は例えば５０ｎｍである。ＥＳＬ３２が導波路３１と同等の屈折率の場合は、ＥＳＬ３２は導波路３１と同様に集光の効果を有する。本実施形態の形状は、製造上の理由により採用される場合がある。
【００４５】
導波路３１の底部の開口部の幅（導波路下開口幅）をｗ３１ａ、導波路３１の頂部の開口部の幅（導波路上開口幅）ｗ３１ｂ、遮光膜２０３の開口幅（遮光開口幅）をｗ２０３ａとする。第１の実施形態と同様に、導波路３１の底部の高さ３１１は遮光膜２０３の下端の高さｈ２０３１よりも高い。この構成による効果は第１の実施形態において上述したとおりである。これに加え、本実施形態では、遮光膜２０３の遮光開口幅ｗ２０３ａが、導波路下開口幅ｗ３１ａよりも長く、導波路上開口幅ｗ３１ｂよりも短い。このとき、遮光膜２０３の端部２０３ａは、導波路３１の光軸方向から見て導波路３１の底部の端部３１ａと導波路３１の頂部の端部３１ｂの間に位置する。以下、この構成による効果について説明する。
【００４６】
遮光開口幅ｗ２０３ａが導波路下開口幅ｗ３１ａよりも短い場合、導波路３１の底部から出力された光の一部が遮光膜２０３で反射され、光電変換部１に流入する光が減少するため、感度が低下し得る。これに対し本実施形態では、遮光開口幅ｗ２０３ａが導波路下開口幅ｗ３１ａよりも長くしているため、導波路３１の底部から出力された光は遮光膜２０３で反射されにくくなり、感度が向上する。
【００４７】
一方、遮光開口幅ｗ２０３ａが導波路上開口幅ｗ３１ｂよりも長い場合、入射された光が十分に導波路３１内に取り込めず、感度が低下し得る。また、遮光開口幅ｗ２０３ａが大きいことにより、電荷蓄積部２に回折光が入射されて、ノイズが発生する場合もある。これに対し本実施形態では、遮光開口幅ｗ２０３ａを導波路上開口幅ｗ３１ｂよりも短くしているため、感度が向上するとともに、電荷蓄積部２への光の流入を防ぎ、ノイズの発生が抑制される。
【００４８】
なお、配線４１、４２、４３の位置は導波路３１の底部の端部３１ａよりも外側であればよく、導波路３１の頂部の端部３１ｂよりも内側であってもよい。これは他の実施形態においても同様である。
【００４９】
（第４の実施形態）
図７（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る画素の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＹ−Ｙ’における断面図である。対応する部材には同一の符号が付されている。
【００５０】
本実施形態と前述の各実施形態の差異点は、図７（ａ）、（ｂ）に示されているように、遮光膜２０３の開口部がソースフォロアトランジスタ１０、選択トランジスタ７、リセットトランジスタ９に部分的に重なっている点である。そのためソースフォロアトランジスタ１０等のゲート電極の段差により、ＥＳＬ３２の形成時に段差が発生し、これにより導波路３１の底部が段差を有する形状となっている。
【００５１】
上述した理由で、ノイズを防ぐためには電荷蓄積部２の遮光が必要である。これに対し、ソースフォロアトランジスタ１０、選択トランジスタ７、リセットトランジスタ９への遮光は必ずしも必要ではない。
【００５２】
本実施形態においても第３の実施形態と同様に、光電変換部１から電荷蓄積部２への方向における、遮光開口部２０３の端部２０３ａが、導波路下開口幅３１ａの端部と導波路上開口幅３１ｂの端部の間に位置していればよい。すなわち、前述のソースフォロアトランジスタ１０等のゲート電極は遮光膜２０３の開口部と重なっていてもよい。このように配置することにより、電荷蓄積部２の遮光を維持しながら素子面積の使用効率を向上することができる。したがって、第４の実施形態の導波路３１の形状及び素子レイアウトを用いることにより画素の小型化と、ノイズの抑制が両立される。
【００５３】
（第５の実施形態）
第５の実施形態について、図８と図９を用いて説明する。図８と図９において、図２（ａ）、（ｂ）と同じ機能を有する部分の符号は同一としている。図８は第５の実施形態に係る画素の平面図を示しており、図９は図８のＺ−Ｚ’における本発明の第５の実施形態に係る画素の断面図である。第５の実施形態に係る画素は固体撮像装置の画素アレイの周辺部に配置される画素として用いられる。画素アレイの周辺部では被写体から照射される光が画素に斜めに入射する場合がある。斜めに入射した光は部分的に遮光膜２０３に遮られ、光電変換部１に入射する光量が減少する場合がある。これにより、画素アレイの周辺部で光量が不足する。このような画素アレイを用いたカメラ等の撮影システムで撮影を行うと、画像の周辺部が光量不足により暗くなることがある。
【００５４】
斜め入射光に対しても集光性能を向上させるため、本実施形態ではマイクロレンズ５０１、カラーフィルタ５００、層内レンズ５０２、導波路５３１が画素の中央を通る垂線Ｐからセンサチップの撮像エリアの中央の方向へずらして配置されている。図中の５３１ａは導波路５３１の底部の開口を示している。これにより、図２（ｂ）に示されるようにマイクロレンズ１０１、層内レンズ１０２、導波路３１等の中心が垂線Ｐと一致している場合に比べて、斜め入射光が遮光膜２０３で遮られることによる光の損失が抑制される。よって、第５の実施形態に係る画素を画素アレイの周辺部に用いることにより画素アレイ周辺部の光量不足を改善することができる。なお、垂線Ｐの位置である「画素の中央」は、遮光膜の開口部の重心で定義されてもよく、光電変換部１を構成する第１及び第２導電型半導体領域の重心で定義されてもよい。
【００５５】
なお、マイクロレンズ５０１、層内レンズ５０２、導波路５３１等の光学部材のずらし量は、感度、光学特性及び電荷蓄積部２の遮光性能に基づいて適宜調整可能である。例えば、マイクロレンズ５０１、層内レンズ５０２、導波路５３１の各頂点が各画素の行又は列に対し一様に設定されていてもよい。画素アレイの中心からの距離に依存して、ずらし量が大きくなるようにしてもよい。図９に示した２つの画素においては、左側の画素の方が、右側の画素より撮像エリアの中心に近い。この場合に、図９に示されているように、撮像エリア（画素アレイ）の中心から遠い右側の画素の導波路のずらし量Ｓ２は、撮像エリアの中心に近い左側の画素の導波路のずらし量Ｓ１より大きくすることが好ましい。
【００５６】
画素の中心からずらす光学材料は適宜選択可能である。マイクロレンズ５０１、層内レンズ５０２、導波路５３１、カラーフィルタ５００の１つだけをずらしてもよく、２つ以上をずらしてもよい。各光学部材において、ずらし量が異なっていてもよく、光電変換部１から離れた位置にある光学部材ほどずらし量を大きくすることが好ましい。
【００５７】
また、本実施形態の変形例として、上述の光学部材をずらす方向を、光電変換部１と電荷蓄積部２の並ぶ方向（図８の上下方向）としてもよい。電荷蓄積部２への光の入射をさらに軽減又は防止できるため、ノイズの発生をさらに抑制することができる。
【００５８】
（第６の実施形態）
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置を用いた撮像システムの構成を示す図である。撮像システム８００は、光学部８１０、固体撮像装置８２０、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を備える。固体撮像装置８２０には、第１〜第５の実施形態として前述した固体撮像装置が用いられる。
【００５９】
レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を固体撮像装置８２０の、複数の画素が２次元状に配列された画素アレイに結像させ、被写体の像を形成する。固体撮像装置８２０は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素に結像された光に応じた信号を出力する。固体撮像装置８２０から出力された信号は、映像信号処理部８３０に入力される。映像信号処理部８３０は、プログラム等によって定められた方法に従って、入力された信号の処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システム制御部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。
【００６０】
システム制御部８６０は、撮像システム８００の動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システム８００の動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム８００内に供給する。具体的には、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等の切り替えを行うための信号が供給される。タイミング制御部８５０は、システム制御部８６０による制御に基づいて固体撮像装置８２０及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。
【００６１】
本実施形態に係る固体撮像装置８２０を搭載することにより、ノイズの発生が抑制された撮像システム８００を実現することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１      光電変換部
２      電荷蓄積部
３１    導波路
２０３  遮光部（遮光膜）
【図１】
2018061060.tif 000003
【図２】
2018061060.tif 000004
【図３】
2018061060.tif 000005
【図４】
2018061060.tif 000006
【図５】
2018061060.tif 000007
【図６】
2018061060.tif 000008
【図７】
2018061060.tif 000009
【図８】
2018061060.tif 000010
【図９】
2018061060.tif 000011
【図１０】
2018061060.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月25日(2018.1.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、前記電荷蓄積部の前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、
入射された光を前記光電変換部に導くための導波路と、
少なくとも前記制御電極および前記電荷蓄積部を覆う遮光部と、
前記遮光部の上に配された複数の配線層と、を備え、
前記導波路は、前記複数の配線層の少なくとも一部より前記半導体基板から遠い位置にある上端と、前記複数の配線層の前記少なくとも一部より前記半導体基板に近い位置にある下端と、を有し、
前記導波路の前記下端と前記半導体基板との間に絶縁層が配され、
前記導波路の前記下端と前記半導体基板との間隔が、前記遮光部の上端と前記半導体基板との間隔よりも小さい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記遮光部の開口部の端部の少なくとも一部が、前記導波路の光軸方向から見て前記上端と前記下端の間に位置していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記遮光部の開口部の幅が、前記下端の幅よりも大きく、前記上端の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記導波路の前記下端は、前記導波路とエッチングストップ層の界面を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記導波路の前記下端は、前記導波路と層間絶縁層の界面を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記導波路の前記下端は、段差を有する形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記遮光部は、前記制御電極と同じ高さにある第１の部分と、前記制御電極の上にある第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の部分と前記制御電極とは離間していて、
前記第２の部分と前記制御電極とは離間していることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記遮光部は、前記制御電極と同じ高さにある第３の部分を含み、
前記制御電極と前記遮光部とを含む断面において、前記第１の部分と前記第３の部分との間に、前記制御電極が配されていることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記電荷蓄積部は、信号電荷を保持する第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域と前記遮光部との間に配された第２導電型の第２半導体領域とを含むことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記導波路の上に配されたカラーフィルタおよびマイクロレンズを備える、
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
半導体基板と、
前記半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、前記電荷蓄積部の前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、
入射された光を前記光電変換部に導くための導波路と、
少なくとも前記制御電極および前記電荷蓄積部を覆う遮光部と、
前記遮光部の上に配された複数の配線層と、を備え、
前記導波路と前記半導体基板との間に絶縁層が配され、
前記導波路は、前記複数の配線層の少なくとも一部と同じ高さに配された第１部分と、前記遮光部の少なくとも一部と同じ高さに配された第２部分と、を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１３】
前記遮光部の開口部の幅が、前記導波路の下端の幅よりも大きく、前記導波路の上端の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記導波路の前記下端は、前記導波路とエッチングストップ層の界面を含むことを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記導波路の前記下端は、前記導波路と層間絶縁層の界面を含むことを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記遮光部は、前記制御電極と同じ高さにある第１の部分と、前記制御電極の上にある第２の部分とを含むことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記遮光部の前記第１の部分と前記制御電極とは離間していて、
前記遮光部の前記第２の部分と前記制御電極とは離間していることを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記遮光部は、前記制御電極と同じ高さにある第３の部分を含み、
前記制御電極と前記遮光部とを含む断面において、前記遮光部の前記第１の部分と前記遮光部の前記第３の部分との間に、前記制御電極が配されていることを特徴とする請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
前記電荷蓄積部は、信号電荷を保持する第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域と前記遮光部との間に配された第２導電型の第２半導体領域とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記導波路の上に配されたカラーフィルタおよびマイクロレンズを備える、
ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力された信号を処理する映像信号処理部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配され、入射された光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部から転送される信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部から前記電荷蓄積部に電荷を転送するための制御電極を有するトランジスタと、前記電荷蓄積部の前記信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含む複数の画素と、入射された光を前記光電変換部に導くための導波路と、少なくとも前記制御電極および前記電荷蓄積部を覆う遮光部と、前記遮光部の上に配された複数の配線層と、を備え、前記導波路は、前記複数の配線層の少なくとも一部より前記半導体基板から遠い位置にある上端と、前記複数の配線層の前記少なくとも一部より前記半導体基板に近い位置にある下端と、を有し、前記導波路の前記下端と前記半導体基板との間に絶縁層が配され、前記導波路の前記下端と前記半導体基板との間隔が、前記遮光部の上端と前記半導体基板との間隔よりも小さいことを特徴とする。