(57)【要約】【課題】光電変換部の面積を増加させることなく、分光感度特性のリップルを低減させ、かつ出力感度を向上させることのできる固体撮像素子を提供する。【解決手段】フォトダイオードＰＤ１は、Ｎ型領域１３とＰ型領域１４を有し、受光面のＰ型領域１４上に屈折率が均一な透明絶縁膜１５が形成され、フォトダイオードＰＤ２は、フォトダイオードＰＤ１と画素開口部およびＮ型領域１３とＰ型領域１４を共有し、受光面のＰ型領域１４上に透明絶縁膜１５および透明絶縁膜１５とは屈折率が異なる透明絶縁膜１６を有し、電荷読み出し部３は、フォトダイオードＰＤ１およびフォトダイオードＰＤ２に共通に接続されている。【選択図】  図１
2011155165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面上に屈折率が均一な第１の透明絶縁膜が形成された第１の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子と画素開口部を共有し、受光面上に屈折率が部分的に異なる層を有する第２の透明絶縁膜が形成された第２の光電変換素子と、
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子に共通に接続された電荷読み出し部と
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１の光電変換素子の分光感度特性のリップルの位相に対して、前記第２の光電変換素子の分光感度特性のリップルの位相が逆相である
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】
前記第２の光電変換素子の前記分光感度特性のリップルの位相が、
前記第２の透明絶縁膜の前記屈折率が部分的に異なる層の形成位置および膜厚を変えることにより調整される
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１の光電変換素子の分光感度特性のリップルの振幅と前記第２の光電変換素子の分光感度特性のリップルの振幅が等しい
ことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子の分光感度特性のリップルの振幅の大きさが、
それぞれの受光面積の比を変化させることにより調整される
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】
近年、デジタルカメラやビデオカメラとの光学装置に固体撮像素子が使用されている。一般的に、固体撮像素子は、半導体基板と、半導体基板に形成された、フォトダイオードを含む光電変換部と、光電変換部で発生した電荷を外部へ転送する転送部とを備えている。また、光電変換部の受光面に透明の絶縁保護膜が形成されている。絶縁保護膜の外側には、空気層が存在している。
【０００３】
このような構成の固体撮像素子へ入射された光は、絶縁保護膜を通って光電変換部へ到達する。その際、入射された光の一部は、フォトダイオードの受光面で反射され、その反射された光は、絶縁保護膜と空気層の界面で再度反射され、フォトダイオードの受光面へ戻ってくる。その結果、フォトダイオードの受光面では、直接入射光と反射光との間で干渉が発生する。
【０００４】
この干渉により、固体撮像素子の出力に関し、横軸に波長をとり縦軸に感度をとった分光感度特性を求めると、波長によって感度にむらが生じる、いわゆるリップルが観測される。
【０００５】
このリップルの問題に対する対策として、従来、透明の絶縁保護膜の表面に反射防止膜を設け、絶縁保護膜の反射率を下げることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。絶縁保護膜の反射率を下げることにより、反射光による干渉が抑制され、分光感度特性のリップルの幅が減少する。
【０００６】
ところが、反射防止膜を設けると、その分、フォトダイオードの受光量が減少し、固体撮像素子の出力感度が低下する。これに対して、出力感度の向上を図るには、光電変換部の光電変換効率が一定であるとすると、フォトダイオードの受光面積を増加させる必要がある。しかし、フォトダイオードの受光面積を増加させると固体撮像素子の微細化が阻害され、高解像度化が望まれる市場の要求に応じられない、という問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２０２１５７号公報  （第３ページ、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明の目的は、光電変換部の面積を増加させることなく、分光感度特性のリップルを低減させ、かつ出力感度を向上させることのできる固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、受光面上に屈折率が均一な第１の透明絶縁膜が形成された第１の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子と画素開口部を共有し、受光面上に屈折率が部分的に異なる層を有する第２の透明絶縁膜が形成された第２の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子に共通に接続された電荷読み出し部とを備え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】
【００１０】
本発明によれば、光電変換部の面積を増加させることなく、分光感度特性のリップルを低減させ、かつ出力感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る固体撮像素子の模式的断面図および平面図。
【図２】光学シミュレータによる解析のためのモデルの例を示す図。
【図３】本発明の実施例１のフォトダイオードＰＤ１の分光感度特性の光学シミュレーション結果の例を示す図。
【図４】本発明の実施例１のフォトダイオードＰＤ２の分光感度特性の光学シミュレーション結果の例を示す図。
【図５】フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の分光感度特性を合成した例を示す図。
【図６】フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の面積比を変えたときの分光感度特性の光学シミュレーション結果の例を示す図。
【図７】本発明の実施例２に係る固体撮像素子の模式的断面図および平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る固体撮像素子の模式的断面図であり、図１（ｂ）は、模式的平面図である。
【００１４】
本実施例の固体撮像素子は、Ｎ型基板（Ｎｓｕｂ）１１上にＰウェル（Ｐｗｅｌｌ）１２が形成され、Ｐウェル１２の表面近くにフォトダイオードを構成するＮ型領域１３およびＰ型領域１４が形成されている。また、本実施例の固体撮像素子は、Ｎ型領域１３およびＰ型領域１４により構成されるフォトダイオードにより光電変換された電荷を、電極３１に読み出しパルスが入力されたときに読み出す電荷読み出し部３を備えている。
【００１５】
上述のＰ型領域１４の上面が受光面となるが、本実施例ではこの受光面が２分割されて、Ｎ型領域１３およびＰ型領域１４により構成されるフォトダイオード領域は、２つのフォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２に分割される。ただし、フォトダイオードＰＤ１とＰＤ２の画素開口部は共通であり、電荷読み出し部３も共通である。
【００１６】
フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２とでは、その受光面上に形成される透明絶縁膜の構造が異なる。
【００１７】
すなわち、フォトダイオードＰＤ１の受光面の上には、例えばＳｉＯ２などの１種類の材質のみによる透明絶縁膜１５が形成される。
【００１８】
これに対して、フォトダイオードＰＤ２の受光面の上には、透明絶縁膜１５中に透明絶縁膜１５とは屈折率の異なる透明絶縁膜１６が形成される。透明絶縁膜１６の材質ｍ１としては、例えば、ＳｉＯ２よりも屈折率の高いＳｉＮなどが用いられる。
【００１９】
これにより、フォトダイオードＰＤ１の受光面を覆う透明絶縁膜の屈折率は、受光方向に対して均一であるが、フォトダイオードＰＤ２の受光面を覆う透明絶縁膜の屈折率は、受光方向に対して部分的に異なる。
【００２０】
そのため、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２とでは、入射光および反射光の光路が異なり、その分光感度特性が異なるものとなる。このとき、透明絶縁膜１５とは屈折率の異なる透明絶縁膜１６の形成位置および膜厚により、フォトダイオードＰＤ２の分光感度特性のリップル特性が変化するものと予想される。
【００２１】
また、図１（ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤ１の受光面積Ｓ１とフォトダイオードＰＤ２の受光面積Ｓ２とすると、その比Ｓ１：Ｓ２を変えることにより、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の受光感度を変化させられる。
【００２２】
したがって、フォトダイオードＰＤ２の分光感度特性のリップル特性をフォトダイオードＰＤ１のリップル特性と逆相にし、またリップル振幅を同程度することができれば、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の電荷が共通に読み出される本実施例の固体撮像素子は、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２のリップル特性が合成され、分光感度特性のリップルが緩和されることが期待される。
【００２３】
そこで、光学シミュレータによる２次元波動解析により、フォトダイオードＰＤ２の透明絶縁膜１６の形成位置および膜厚と分光感度特性のリップル特性の関係、およびフォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の受光面積比Ｓ１：Ｓ２と分光感度特性のリップル特性の関係について解析を行った。
【００２４】
図２は、光学シミュレータによる解析のためのモデルの例を示す図である。図２（ａ）に、フォトダイオードＰＤ１のシミュレーションモデルを示し、図２（ｂ）に、フォトダイオードＰＤ２のシミュレーションモデルおよびシミュレーション条件を示す。
【００２５】
ここでは、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２ともに、受光面積を４．５μｍ×４．５μｍとし、シリコン部（Ｎ型基板１１上、Ｐウェル１２、Ｎ型領域１３およびＰ型領域１４を含む）の厚さを８．０μｍとする。
【００２６】
また、図２（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤ１は、透明絶縁膜１５を屈折率１．４６のＳｉＯ２で形成し、その厚さを５．０μｍとする。
【００２７】
一方、フォトダイオードＰＤ２は、図２（ｂ）に示すように、透明絶縁膜１５を屈折率１．４６のＳｉＯ２で形成し、透明絶縁膜１６に用いる材質ｍ１をＳｉＯ２よりも屈折率の高いＳｉＮ（屈折率２．００）とし、その形成位置をシリコン界面からｔ１とし、その膜厚をｔ２とする。透明絶縁膜１５と透明絶縁膜１６の合計の厚さは、フォトダイオードＰＤ１と同じく、５．０μｍとする。
【００２８】
ここでは、透明絶縁膜１６の形成位置ｔ１と膜厚ｔ２に関し、図２（ｂ）に示す２通りの条件Ａ、Ｂにてシミュレーションを実行する。
【００２９】
条件Ａは、ｔ１＝３５００ｎｍ、ｔ２＝４００ｎｍであり、透明絶縁膜１６の形成位置がシリコン界面から遠く、透明絶縁膜１６の膜厚が厚い場合を示す。
【００３０】
一方、条件Ｂは、ｔ１＝５０ｎｍ、ｔ２＝５０ｎｍであり、透明絶縁膜１６の形成位置がシリコン界面に近く、透明絶縁膜１６の膜厚が薄い場合を示す。
【００３１】
図３は、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性の光学シミュレーション結果の例である。ここでは、横軸に光の波長をとり、縦軸に１Ｗの光を照射したときの出力感度をとって、各波長における出力感度を示している。この例に見るように、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性にはリップルが生じ、その周期は短波長側が短いという傾向を示す。
【００３２】
図４は、フォトダイオードＰＤ２の分光感度特性の光学シミュレーション結果の例である。ここで、図４（ａ）は、図２（ｂ）に示した条件Ａのときの波形であり、図４（ｂ）は、条件Ｂのときの波形である。図４に見るように、フォトダイオードＰＤ２の分光感度特性は、透明絶縁膜１６の形成位置および膜厚を変化させることにより、変化させることができる。
【００３３】
図４（ａ）と図４（ｂ）の分光感度特性を比較すると、条件Ａの方が、条件Ｂに比べて、出力感度が高く、分光感度特性のリップル周期が短いことが分かる。
【００３４】
本実施例では、フォトダイオードＰＤ１で光電変換された電荷とフォトダイオードＰＤ２で光電変換された電荷を共通の電荷読み出し部３により同時に読み出すので、本実施例の固体撮像素子の出力の分光感度特性は、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性とフォトダイオードＰＤ２の分光感度特性を合成したものとなる。
【００３５】
そこで、図５に、図３で示したフォトダイオードＰＤ１の分光感度特性（ＰＤ１）に図４で示したフォトダイオードＰＤ２の分光感度特性（ＰＤ２）を合成した結果（ＰＤ１＋ＰＤ２）を示す。図５（ａ）は、フォトダイオードＰＤ２が条件Ａのときであり、図５（ｂ）は、フォトダイオードＰＤ２が条件Ｂのときである。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤ２が条件Ａのときは、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性のリップル周期とフォトダイオードＰＤ２の分光感度特性のリップル周期が異なるため、その合成結果の分光感度特性にもリップルが生じている。
【００３７】
一方、フォトダイオードＰＤ２が条件Ｂのときは、図５（ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤ２の分光感度特性のリップルは、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性のリップルに対して、周期がほぼ同じでかつ位相が逆相であり、またリップルの振幅もほぼ等しいことが分かる。その結果、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２のリップルが打ち消し合い、合成結果の分光感度特性のリップルは、かなり小さくなる。
【００３８】
この合成結果のリップルは、受光面積比（Ｓ１：Ｓ２）を変えてフォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の出力感度比を調整することにより、さらに小さくすることができる。
【００３９】
ここで、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の受光面積の合計（Ｓ１＋Ｓ２）は一定とすると、図５（ｂ）は、受光面積比がＳ１：Ｓ２＝０．５：０．５の場合を示している。
【００４０】
これに対して、図６に、受光面積比がＳ１：Ｓ２＝０．４５：０．５５の場合の例を示す。図６に示すのは、図５（ｂ）と同様、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性（ＰＤ１）に、条件ＢのフォトダイオードＰＤ２の分光感度特性（ＰＤ２）を合成した結果（ＰＤ１＋ＰＤ２）である。
【００４１】
このような本実施例によれば、フォトダイオードＰＤ２の透明絶縁膜中に設ける屈折率の異なる層の形成位置と膜厚の調整、およびフォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２の受光面積比の調整を行うことにより、フォトダイオードＰＤ２の分光感度特性のリップル特性を、フォトダイオードＰＤ１の分光感度特性のリップル特性に対して、逆相かつ等振幅とすることができる。これにより、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２が共通に接続された電荷読み出し部３から読み出される出力の分光感度特性は、フォトダイオードＰＤ１とフォトダイオードＰＤ２のリップルが相殺され、リップルが極めて少なくなる。
【００４２】
このように、本実施例では、反射防止膜を設けなくても出力の分光感度特性のリップルを低減できる。反射防止膜を設けないので反射光も受光され、フォトダイオードの受光量が減少することがない。そのため、フォトダイオードの受光面積を増加させる必要がない。また、入力光に対する出力感度を向上させることができる。
【実施例２】
【００４３】
実施例１では、周囲とは屈折率の異なる透明絶縁膜１６を１つの大きな矩形パターンで形成している。そのため、エッチング工程によりこのパターンを形成する際、周辺の微細パターンとのエッチングレートに違いが生じ、本来のパターン形状に仕上がらないことが懸念される。そこで、本実施例では、製造工程を考慮して透明絶縁膜１６を形成した固体撮像素子の例を示す。
【００４４】
図７（ａ）は、本発明の実施例１に係る固体撮像素子の模式的断面図であり、図７（ｂ）は、模式的平面図である。
【００４５】
本実施例では、透明絶縁膜１６が複数の小パターンに分割され、この小パターンが、透明絶縁膜１５中に分散配置されている。図７では、透明絶縁膜１６を４分割して透明絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとした例が示されているが、分割数は４に限るものではなく、任意の数とすることができる。
【００４６】
このように透明絶縁膜１６が分割配置されると、フォトダイオードＰＤ１およびフォトダイオードＰＤ２も分割配置されることになる。すなわち、フォトダイオードＰＤ１は、フォトダイオードＰＤ１ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ１ｃ、ＰＤ１ｄに分割配置され、フォトダイオードＰＤ２は、フォトダイオードＰＤ２ａ、ＰＤ２ｂ、ＰＤ２ｃ、ＰＤ２ｄに分割配置される。
【００４７】
このとき、透明絶縁膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの配置位置および膜厚を実施例１と同じにすると、フォトダイオードＰＤ１ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ１ｃ、ＰＤ１ｄの分光感度のリップル特性と、フォトダイオードＰＤ２ａ、ＰＤ２ｂ、ＰＤ２ｃ、ＰＤ２ｄの分光感度のリップル特性との間の関係を、実施例１と同じにすることができる。
【００４８】
また、フォトダイオードＰＤ１ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ１ｃ、ＰＤ１ｄの受光面積をＳ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄとし、その総面積をＳ１とすると、Ｓ１＝Ｓ１ａ＋Ｓ１ｂ＋Ｓ１ｃ＋Ｓ１ｄとなる。
【００４９】
同様に、フォトダイオードＰＤ２ａ、ＰＤ２ｂ、ＰＤ２ｃ、ＰＤ２ｄの受光面積をＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄとし、その総面積をＳ２とすると、Ｓ２＝Ｓ２ａ＋Ｓ２ｂ＋Ｓ２ｃ＋Ｓ２ｄとなる。
【００５０】
そこで、その総面積の比Ｓ１：Ｓ２を実施例１と同じにすれば、フォトダイオードＰＤ１ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ１ｃ、ＰＤ１ｄとフォトダイオードＰＤ２ａ、ＰＤ２ｂ、ＰＤ２ｃ、ＰＤ２ｄとの間で、実施例１と同じ感度比が得られる。
【００５１】
したがって、本実施例においても、実施例１と同様、フォトダイオードＰＤ１ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ１ｃ、ＰＤ１ｄの分光感度特性のリップルとフォトダイオードＰＤ２ａ、ＰＤ２ｂ、ＰＤ２ｃ、ＰＤ２ｄの分光感度特性のリップルとを相殺することができ、出力の分光感度特性のリップルを極めて少なくすることができる。
【００５２】
このような本実施例によれば、透明絶縁膜１６を複数の小パターンに分割することができるので、エッチング工程によるパターン形成の際、周辺の微細パターンとのエッチングレートに違いが生じることを防止でき、本来のパターン形状に仕上げることができる。
【符号の説明】
【００５３】
ＰＤ１、ＰＤ１ａ、ＰＤ１ｂ、ＰＤ１ｃ、ＰＤ１ｄ  フォトダイオード
ＰＤ２、ＰＤ２ａ、ＰＤ２ｂ、ＰＤ２ｃ、ＰＤ２ｄ  フォトダイオード
３  電荷読み出し部
１１  Ｎ基板（Ｎｓｕｂ）
１２  Ｐウェル（Ｐｗｅｌｌ）
１３  Ｎ型領域
１４  Ｐ型領域
１５  透明絶縁膜
１６  透明絶縁膜
３１  電極
【図１】
2011155165.tif 000003
【図２】
2011155165.tif 000004
【図３】
2011155165.tif 000005
【図４】
2011155165.tif 000006
【図５】
2011155165.tif 000007
【図６】
2011155165.tif 000008
【図７】
2011155165.tif 000009