(57)【要約】【課題】遮光膜によって入射光を妨げることなく、受光素子へと光を効率良く集光する。【解決手段】ＣＣＤ１０は、フォトダイオード１１及び電荷転送部１４が形成された半導体基板１５と、絶縁膜１６と、電荷転送部１４とともに垂直転送路１３を構成する転送電極１７と、転送電極１７及び半導体基板１５の上方に位置する遮光膜１８と、カラーフイルタ２４と、マイクロレンズ２５とを備える。遮光膜１８は、フォトダイオード１１に合わせた開口部２０が形成されている。開口部２０は、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側に向かって徐々に面積が減少するテーパー形状に形成され、マイクロレンズ２５から入射した光を妨げることなくフォトダイオード１１へと集光する。【選択図】図２
2008251985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部が形成された半導体基板と、前記受光部の上方に位置する集光レンズと、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて形成された開口部の形状が、前記集光レンズの外形寸法をＤ、前記開口部の集光レンズに近接する位置の開口間隔をＷ１、前記開口部の受光部に近接する位置の開口間隔をＷ２とすると、０.５≦（Ｗ１−Ｗ２）／（Ｄ−Ｗ２）≦０.９の関係となる遮光膜とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記遮光膜の開口部は、前記集光レンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に狭くなるテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記集光レンズは、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記受光部の上方に位置するマイクロレンズを備えており、前記集光レンズは、前記マイクロレンズと前記半導体基板との間に形成されたインナーレンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記遮光膜の開口部は、その表面に反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【０００２】
近年、ＣＣＤなどの固体撮像装置を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像装置では、例えば、特許文献１、２に記載されているように、マトリクス状に配列された受光素子（フォトダイオード）が形成された半導体基板の上面に、各受光素子の位置に合わせた開口を有する遮光膜を形成し、さらに受光素子の上方に位置するマイクロレンズを形成しており、このマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、開口を通過して各受光素子に受光される。
【０００３】
また、特許文献１に記載されている固体撮像装置では、受光素子と、マイクロレンズとの間に、２層以上の遮光層（遮光膜）を有しており、この遮光層が、基板側からマイクロレンズ側へ順に面積が狭くなるように段差を形成して斜め入射光や内部反射光によるフレア光をなくし、偽信号の発生を防止する。さらにまた、特許文献２においては、さらに遮光層の開口内部から遮光層の上層の平坦化層まで透明膜(導波路)を形成し、この導波路によって受光素子へ光を導くようにしている。
【特許文献１】特開平６−４５５６９号公報
【特許文献２】特開２００３−４６０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、最近では、固体撮像装置の小型化、高画素化が益々進んできており、これに伴なって受光素子に合わせて形成される遮光膜の開口面積も小さくする必要があるため、マイクロレンズを通過した入射光のうち、光軸とほぼ平行な入射光については開口を通って受光素子へと到達するが、斜めの入射光は、遮光膜の開口周縁によって遮られてしまうため、受光素子への集光効率が不十分となってきている。
【０００５】
さらに、上記特許文献１に記載されている構成では、フレア光や偽信号の防止については考慮されているものの、受光素子への集光効率の向上については考慮されていない。また、上記特許文献２の構成では、マイクロレンズから導波路に入射した光については受光素子へ導かれるようになっているが、導波路の周囲から入射した光については集光効率を向上させることが考慮されていない。さらにまた、特許文献１及び２では、遮光膜が多数層ある場合に限定され、遮光膜が１層だけの構成には、適用することができない。
【０００６】
本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、遮光膜によって入射光を妨げることなく、受光素子へと光を効率良く集光し、受光面へ導波することによって感度を向上させることが可能な固体撮像装置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】
【０００７】
本発明の固体撮像装置は、複数の受光部が形成された半導体基板と、前記受光部の上方に位置する集光レンズと、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて形成された開口部の形状が、前記集光レンズの外形寸法をＤ、前記開口部の集光レンズに近接する位置の開口間隔をＷ１、前記開口部の受光部に近接する位置の開口間隔をＷ２とすると、０.５≦（Ｗ１−Ｗ２）／（Ｄ−Ｗ２）≦０．９の関係となる遮光膜とを備えたことを特徴とする。なお、前記遮光膜の開口部は、前記集光レンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に狭くなるテーパー状に形成されていることが好ましい。
【０００８】
前記集光レンズは、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズであること、あるいは、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズを備えており、前記集光レンズは、前記マイクロレンズと前記半導体基板との間に形成されたインナーレンズであることが効果的である。また、前記遮光膜の開口部は、その表面に反射膜が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の固体撮像装置では、開口部の形状が、前記集光レンズの外形寸法をＤ、前記開口部の集光レンズに近接する位置の開口間隔をＷ１、前記開口部の受光部に近接する位置の開口間隔をＷ２とすると、０.５≦（Ｗ１−Ｗ２）／（Ｄ−Ｗ２）≦０．９の関係となる遮光膜を備えているので、遮光膜によって入射光を妨げることなく、受光素子へと光を効率良く集光し、受光面へ導波することができるから、感度を向上させることが可能となる。
【００１０】
さらに、遮光膜の開口部を集光レンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に狭くなるテーパー状に形成していることで、さらに、入射光を妨げることが無くなり、受光素子へ光を集光させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した固体撮像装置の一例であるＣＣＤの構造について図面を参照して説明する。なお、本発明は、ＣＣＤのみに限定されるものではなく、ＣＭＯＳなど他のイメージセンサにも適用することができる。図１は、平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線（水平転送方向Ｈと平行）における断面図である。なお、図１においては、遮光膜など一部の上面構造を省略している。ＣＣＤ１０は、撮影領域において、２次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード（受光部）１１を有し、このフォトダイオード１１の各列、すなわち垂直転送方向Ｖに沿って垂直転送路１３が設けられて構成されている。
【００１２】
このＣＣＤ１０の断面構造は、図２に示すように、フォトダイオード（受光部）１１と、このフォトダイオード１１を除く部分に垂直転送路１３を構成する電荷転送部１４が形成された半導体基板１５を備えており、電荷転送部１４の上には、絶縁膜１６を介して転送電極１７が形成される。これら電荷転送部１４及び転送電極１７が垂直転送路１３を構成し、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極１７はドライエッチング法などによって例えば第１ポリシリコンから形成されている。さらに転送電極１７及び半導体基板１５の上方には、遮光膜１８が形成されている。この遮光膜１８は、転送電極１７を覆って遮光する。また、遮光膜１８には、フォトダイオード１１の位置にあわせた開口部２０が形成されている。なお、この遮光膜１８及び開口部２０の形状の詳細については後述する。また、絶縁膜１６は、例えば熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってＳｉＯ２から形成される。
【００１３】
さらに、フォトダイオード１１の上方、且つ開口部２０の内部には導波路２２が形成されており、この導波路２２の周りを囲むように平坦化層（中間層）２３が形成されている。平坦化層２３は、その上面が平坦化されるように形成されており、さらのその上面にはカラーフイルタ２４、マイクロレンズ２５が形成されている。平坦化層２３は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス；屈折率ｎ１＝１．４〜１．５）などからなり、導波路２２は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン；屈折率ｎ２＝１．９〜２．０）などからなる。また、カラーフイルタ２４は、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。なお、導波路２２及び平坦化層２３の材料は、これらに限るものではない。
【００１４】
導波路２２は、半導体基板１５と平行に切断した切断面が開口部２０よりも一回り小さい長方形状あるいは略円形状に形成され、マイクロレンズ２５に近接する位置からフォトダイオード１１に近接する位置まで半導体基板１５と垂直な方向に沿って真っ直ぐに延びる四角柱形状又は略円柱形状に形成されている。また、導波路２２は、開口部２０の内壁面に対して一定の間隔を置いて形成されている。
【００１５】
遮光膜１８及び開口部２０の形状については、詳しくは図３に示す。なお、本実施形態では、半導体基板１５の上面から、マイクロレンズ２５の下面までの高さＨｍ＝１μｍ、半導体基板１５から遮光膜１８の上面までの高さＨｆ＝０.６〜０.８μｍとなるように形成されており、遮光膜１８を形成するスペースは非常に限られている。この遮光膜１８の開口部２０は、マイクロレンズ２５に近接する側の間隔が大きく、フォトダイオード１１に近接する側の間隔が小さくなっており、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側に向かって徐々に面積が減少するテーパー形状に形成されている。なお、このように、遮光膜１８の開口部２０をテーパー形状に製造する方法としては、本実施形態では、遮光膜１８の下層の転送電極１７の周縁部１７ａを周知のドライエッチング技術によって半導体基板１５に対して傾斜する傾斜面となるように形成し、この転送電極１７の上面に遮光膜１８をフォトエッチング法などにより形成することで、転送電極１７の周縁部１７ａに沿った傾斜面となり、開口部２０をテーパー形状に形成することができる。なお、このような電極の周縁部に形成される傾斜面は、例えば特開２００３―３３２５５５公報及び特開２００５−３４０２８７号公報などに記載されている周知の方法で形成する。また、開口部２０を形成する製造方法はこれに限らず、例えば、遮光膜１８を形成する際にフォトエッチングを複数層重ねて形成し、隣接する層毎に微小な段差を付けることでテーパーを形成することができる。また、遮光膜１８としては、高融点金属であるタングステン（Ｗ）から形成されることが好ましいが、これに限らず、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などを使用してもよい。
【００１６】
本実施形態においては、開口部２０のフォトダイオード１１側の間隔に対してしてマイクロレンズ２５側の間隔が広がっていることでフォトダイオード１１への集光効率を向上させることが可能となっている。そこで、この広がり寸法の比率が最適になる値を以下に説明する。まず、マイクロレンズ２５の外形寸法（本実施形態では、マイクロレンズ２５の外形寸法が配列ピッチに等しいため、以下ピッチという。）をＤに、開口部２０のマイクロレンズ２５側の間隔（以下、入口側間隔という。）をＷ１、開口部２０側のフォトダイオード１１側の間隔（以下、出口側間隔という。）をＷ２とすると、開口部２０の広がり寸法（入口側と出口側の間隔の差）はＷ１−Ｗ２である。また、仮に開口部２０の入口側間隔Ｗ１がピッチＤとほぼ等しいとき、開口部２０は、最も広がった状態となる。そこで、この最も広がった状態に対する実際の広がりの割合を広がり比率ηとすると、この広がり比率は、η＝（Ｗ１−Ｗ２）／（Ｄ−Ｗ２）となる。
【００１７】
さらに広がりの比率ηの最適な値を求めると、以下のようになる。先ずマイクロレンズ２５の光軸付近の光は、当然フォトダイオード１１に入射するので、マイクロレンズ２５の外形付近から入射する光が開口部２０の内部へ入射する条件を考える。そして、このマイクロレンズ２５の外形付近から入射する光のうち、マイクロレンズ２５のレンズ面に対して垂直入射する光と、斜め入射する光を考える。ここで、図３に示すように、マイクロレンズ２５のレンズ面に対して垂直入射する光Ｌ１とマイクロレンズ２５の法線の角度をθ１、斜め入射する光Ｌ２と垂直入射する光Ｌ１との角度（いわゆる入射角度）をθ２とする。また、マイクロレンズ２５から導波路２２までの有効屈折率をｎ、開口数をＮＡ＝ｎｓｉｎθ、焦点距離をｆ、マイクロレンズ２５に入射した光Ｌ１の屈折角をθｓ１、マイクロレンズ２５に入射した光Ｌ２の屈折角をθｓ２とする。そして、ＣＣＤ１０のピッチＤから入口側間隔Ｗ１を除いた距離をＸ＝Ｄ−Ｗ１とすると、以下の式が成り立つ
【００１８】
【数１】
2008251985.tif 000003
【００１９】
そして、これらの式よりＸを求めると
【００２０】
【数２】
2008251985.tif 000004
【００２１】
また、ｓｉｎθ３を求めると、
【００２２】
【数３】
2008251985.tif 000005
【００２３】
また、ｓｉｎθ１を求めると
【００２４】
【数４】
2008251985.tif 000006
【００２５】
以上の式１〜式４から広がりの比率ηは、以下のようになる。
【００２６】
【数５】
2008251985.tif 000007
【００２７】
そして、実際に集光効率を高めるためには、入射角度θ２＝１５°の斜め入射光においても導波路２２へ導かれることが好ましく、さらに、有効屈折率をｎ＝１．４〜１．９、開口数ＮＡ＝０．３〜０．４、ピッチＤに対する出口側間隔Ｗ２の割合α（＝（Ｗ２／Ｄ））＝０．２５〜０．５を上記の式５にあてはめると、広がりの比率ηは、以下の表１のようになる。
【００２８】
【表１】
2008251985.tif 000008
【００２９】
上記の表１より、広がりの比率ηは、０．５以上、０．９以下であることが好ましく、０．７５以上、０．９以下であることがさらに好ましい。
【００３０】
また、導波路２２は、半導体基板１５と平行に切断した切断面が開口部２０よりも一回り小さい長方形状あるいは略円形状に形成され、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側まで半導体基板１５と垂直な方向に沿って真っ直ぐに延びる四角柱形状又は略円柱形状に形成されている。これにより、マイクロレンズ２５を通過して導波路２２の内部に入射した光をフォトダイオード１１へと導く。
【００３１】
以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、本実施形態のＣＣＤ１０では、遮光膜１８の開口部２０は、上記の式（４）の関係を満たし、さらにマイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側へ向かって徐々に面積が減少するテーパー形状に形成されているので、マイクロレンズ２５の光軸L付近からの入射光だけでなく、マイクロレンズ２５の周縁付近からの入射光や、入射角度θ２の斜め入射光も遮光膜１８によって妨げられることが無く、開口部２０の内部へ入射するようになる。なお、本実施形態では上述したように、入射角度θ２＝１５°までの斜め入射光であれば遮光膜１８によって妨げられることなく入射する。これによりフォトダイオード１１への集光効率が上昇し、ＣＣＤ１０の感度が向上する。これに対して従来の固体撮像装置の構成では、遮光膜の開口部は、フォトダイオード側からマイクロレンズ側まで垂直に延びるように形成されており、開口部の上端付近が入射光を妨げて集光効率を低下させていたが、本実施形態ではそのようなことがない。
【００３２】
なお、上記実施形態では、遮光膜１８の開口部２０の形状として、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側へ徐々に面積が狭くなるテーパー形状に形成されている場合を例に上げて説明しているが開口部２０の形状はこれに限るものではなく、以下で説明する図４〜図７に示す形状に形成してもよい。
【００３３】
図４においては、遮光膜１８の上面（マイクロレンズ２５に近接する側の面）から内周面へと丸みを帯びた曲面形状の開口部３０が形成されており、この形状の場合もマイクロレンズ２５側の間隔が広く、フォトダイオード１１側の間隔が狭く形成されているので、マイクロレンズ２５から入射した光が妨げられることなくフォトダイオード１１へ集光され、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
図５においては、遮光膜２８の上面から内周面へと丸みを帯びた曲面３６と、この曲面３６の下端部から連続し、内側に突出する曲面３７とからなる開口部３５が形成されており、この形状の場合もマイクロレンズ２５側の間隔が広く、フォトダイオード１１側の間隔が狭く形成されているので、マイクロレンズ２５から入射した光が妨げられることなくフォトダイオード１１へ集光される。
【００３５】
図６においては、マイクロレンズ２５に近接する側からフォトダイオード１１側へ向かって徐々に面積が狭くなるテーパー形状４１と、このテーパー形状４１の下端からフォトダイオード１１側へ真っ直ぐに延びる略柱状４２とからなる開口部４０が形成されている。
【００３６】
図７においては、上記実施形態と同様の形状に形成された遮光膜１８の上面及び開口部２０の内面に高い反射率を有する金属で形成された反射膜５０を形成する。なお、反射膜５０は、可能な限りカラーフィルタ２４に近接する位置に形成する。これによって、転送電極１７へ光が進入することを防ぐとともに、光が開口部２０の外側へ漏れることを防ぐことができるので、集光効率が向上し、且つスミアの発生を防止することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、開口部２０の内部に導波路２２を形成しているが、導波路２２を設けず、開口部２０の内部まで平坦化層２３が連続する構成としてもよい。
【００３８】
また、上記実施形態ではフォトダイオード１１へ光を集める集光レンズとしては、最上層のマイクロレンズ２５のみを形成した構成としてるがこれに限らず、図８に示すように、マイクロレンズ２５とフォトダイオード１１との間にインナーレンズ５５を形成する構成としてもよい。なお、この図８においては、インナーレンズ５５と導波路２２を一体に形成した例を示しているが、インナーレンズの構成としてはこれに限るものではない。このインナーレンズ５５を備えた場合、開口部６０は、上記実施形態と同様の製造方法で、図に示すようにインナーレンズ５５に近接する位置の間隔を広く、フォトダイオードに近接する位置の間隔を狭く形成する。なお、開口部６０の形状も図に示すテーパー形状だけでなく、曲面などにしてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態においては、レンズ面が上方に凸となるマイクロレンズを例に上げて説明しているが、本発明はこれに限らず、レンズ面が下方に凸となるマイクロレンズでもよく、あるいは、上下両面が凸となるマイクロレンズを形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態を実施した固体撮像装置の一例を示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線における要部断面図である。
【図３】遮光膜の開口部付近を拡大した要部断面図である。
【図４】第１実施形態の第１変形例を示す要部断面図である。
【図５】第１実施形態の第２変形例を示す要部断面図である。
【図６】第１実施形態の第３変形例を示す要部断面図である。
【図７】第１実施形態の第４変形例を示す要部断面図である。
【図８】第１実施形態の第５変形例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ＣＣＤ（固体撮像装置）
１１  フォトダイオード（受光部）
１５  半導体基板
１７  転送電極
１８  遮光膜
２０，３０，３５，４０  開口部
２５  マイクロレンズ
【図１】
2008251985.tif 000009
【図２】
2008251985.tif 000010
【図３】
2008251985.tif 000011
【図４】
2008251985.tif 000012
【図５】
2008251985.tif 000013
【図６】
2008251985.tif 000014
【図７】
2008251985.tif 000015
【図８】
2008251985.tif 000016