(57)【要約】【課題】可視光を検知する受光素子を有する固体撮像素子において、レンズからセンサ部までの距離を短くすることが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】光電変換がなされるセンサ部１２の上方に、センサ部１２に対応して、カラーフィルタ１７と、入射光を集光する層内レンズ１５Ａ及びオンチップレンズ１８とが形成され、層内レンズ１５Ａのレンズ面に沿って赤外光を反射する多層膜１５Ｂが形成されている固体撮像素子を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換がなされるセンサ部の上方に、
前記センサ部に対応して、カラーフィルタと、入射光を集光する層内レンズ及びオンチップレンズとが形成され、
前記層内レンズのレンズ面に沿って赤外光を反射する多層膜が形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記多層膜が形成された前記層内レンズが、センサ部側に凸の曲面を有す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】
前記多層膜が、誘電体薄膜の積層体により形成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４】
前記センサ部が、可視光を受光するセンサ部と、赤外光を受光するセンサ部とからなり、前記可視光を受光するセンサ部の上方に、前記カラーフィルタ、前記層内レンズ、前記オンチップレンズ、及び前記多層膜が形成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５】
前記赤外光を受光するセンサ部の上方に、前記層内レンズ、及び前記オンチップレンズ、が形成されてい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、可視光及び赤外光により撮像することができる固体撮像素子に係わる。
【背景技術】
【０００２】
撮影対象が暗い場所にあり、可視光成分による情報量が小さい場合、可視光のみでは情報量が少ないため、感度が低下してしまう。
そのため、可視光に加えて赤外光を使用し、赤外光で得られた情報に色をつけることによって、可視光成分を増強、補助し、暗い場所であっても画像をはっきりと撮影することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、赤外光成分を利用して可視光を増強、補助するために用いられている、固体撮像素子の構成を示す断面図である。
この固体撮像素子は、赤外光を検知するための受光素子からなる可視光検知部分３０と、可視光を検知するため受光素子とからなる赤外光検知部分４０とが同じ基板上に形成されている。
【０００４】
赤外光検知部分４０は、次のように構成されている。
シリコン基板３１の上に、赤外光に対応して光電変換が行われるセンサ部４２が設けられている。
センサ部４２の上方には、配線層３３及び絶縁層３４が設けられている。配線層３３には、図示しないが１層又は２層以上の配線が設けられ、この配線を覆うように絶縁層が設けられている。
絶縁層３４の上部には、入射した光を集光してセンサ部３２に導くための上側に凸な曲面の形状の層内レンズ４６と、平坦化のために形成されたパッシベーション膜３９を介して表面が上側に凸な曲面であるオンチップレンズ４８が形成されている。
【０００５】
これに対して、可視光検知部分３０は、次のように構成されている。
シリコン基板３１の上に、赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂに対応して光電変換が行われるセンサ部３２が設けられている。
センサ部３２の上方には、配線層３３及び絶縁層３４が設けられている。そして、絶縁層３４を介して、センサ部３２に入射する光から赤外光を反射、除去するための赤外反射フィルタ３５が設けられている。
また、入射した光を集光してセンサ部３２に導くため、絶縁層３４の上部には、上側が凸な曲面である層内レンズ３６が形成されている。そして、層内レンズ３６の上部には、平坦化のために形成されたパッシベーション膜３９を介して、赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂの各色に対応したカラーフィルタ３７と、表面が上側に凸な曲面であるオンチップレンズ３８が形成されている。
【０００６】
このように、赤外光検知部分４０には、特定の波長をカットするフィルタを設置する必要は無いが、可視光検知部分３０には赤外光を反射、除去するための赤外カットフィルタを設ける必要がある。これは、可視光を受光するセンサ部３２に赤外光が入射すると、ＲＧＢの区別無く赤外光がセンサ部に入射し、すべての画素が反応してしまうため、正確な画像情報を得ることができないためである。
このため、従来の撮像素子では、赤外カットフィルタ３５を用いることにより、入射光から可視光のみを透過し、赤外光成分を反射して除去することを行っていた。
【０００７】
上述の赤外カットフィルタとしては、例えば、２価の銅イオン等の金属イオンを含有したガラス又は樹脂によって形成され、赤外光を吸収し、可視光だけを透過するような赤外光吸収フィルタが用いられている。
また、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等のそれぞれ屈折率の異なる透明誘電体薄膜を交互に積層配置して多層膜を形成し、赤外光を反射し、可視光だけを透過するような多層反射フィルタが用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−５９７９８号公報
【特許文献２】特開２００３−２９０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ガラス又は樹脂による赤外光吸収フィルタは、必要な特性を得るためには一定の厚さが必要である。また、赤外光吸収フィルタの透過率特性を変化させるためには、フィルタの厚みを変化させる必要がある。
このため、赤外光吸収フィルタが厚くなり、オンチップレンズ３８及び層内レンズ３６からセンサ部３２までの距離が大きくなってしまい、シェーディングや色収差などの問題が発生する。
【００１０】
また、誘電体薄膜による多層反射フィルタを、赤外カットフィルタとして用いる場合には、フィルタが薄いと赤外光が通過して受光素子に入射してしまうため、充分に赤外光を除去することができるように、光学薄膜を何層にも積層する必要がある。このように積層する層の数が多くなると多層膜が厚くなるため、オンチップレンズ３８からセンサ部３２までの距離が大きくなり、シェーディングや色収差などの問題が発生する。
【００１１】
上述した問題の解決のため、本発明においては、赤外光を除去して可視光を検知する受光素子を有する固体撮像素子において、レンズからセンサ部までの距離を短くすることが可能な固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、光電変換がなされるセンサ部の上方に、センサ部に対応して、カラーフィルタと、入射光を集光する層内レンズ及びオンチップレンズとが形成され、層内レンズのレンズ面に沿って赤外光を反射する多層膜が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像素子の構成では、光電変換がなされるセンサ部の上方において、層内レンズのレンズ面に沿って赤外光を反射する多層膜を形成することにより、可視光のみを透過させて赤外光を除去することができる。また、層内レンズのレンズ面に沿って赤外光を反射する多層膜を形成することにより、従来用いられていた層内レンズと赤外カットフィルタとを１つに集約することができるため、レンズからセンサ部までの距離を短くすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
上述した本発明の固体撮像素子の構成によれば、センサ部と集光するためのレンズとの距離が短くなるため、色収差、シェーディング等の発生を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
本実施の形態は、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用した場合である。
この固体撮像素子は、可視光を検知するための受光素子からなる可視光検知部分１０と、赤外光を検知するための受光素子からなる赤外光検知部分２０とが同じ基板上に形成されている。
【００１６】
可視光検知部分１０及び赤外光検知部分２０には、それぞれシリコン基板１１の表面側に、可視光の光電変換が行われるセンサ部１２と、赤外光の光電変換が行われるセンサ部２２が形成されている。
【００１７】
センサ部１２は、赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂに対応する、可視光を受光するためのフォトダイオードによって構成され、センサ部２２は、赤外光を受光するためのフォトダイオードによって構成されている。そして、赤外光は、可視光よりも吸収されにくく、到達距離が長くなるため、赤外光を受光するためのセンサ部２２は、可視光を受光するセンサ部１２よりもシリコン基板１１の深くまで形成されている。
【００１８】
センサ部１２，２２は、図示しないが第１導電型、例えばｎ型の半導体領域から成り、シリコン基板１１に形成された第２導電型、例えばｐ型の半導体領域によってフォトダイオードが構成される。
各画素のセンサ部１２，２２の間には、図示しないが、例えば第２導電型（ｐ型）の素子分離領域が形成されていることにより、隣接する画素が分離されている。
【００１９】
可視光を受光する領域では、センサ部１２の上方には、配線層１３、及び、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層１４が設けられている。配線層１３には、図示しないが１層又は２層以上の配線が設けられ、この配線を覆うように絶縁層が設けられている。
そして、絶縁層１４に、層内レンズ１５Ａと、この層内レンズ１５Ａの曲面に沿って設けられた赤外光を反射するための多層膜１５Ｂとからなり、図面の下側に凸の曲面である多層コート層内レンズ１５が、埋め込まれるようにして形成されている。
【００２０】
絶縁層１４及び多層コート層内レンズ１５の上部には、平坦化のためのパッシベーション膜１９が形成され、このパッシベーション膜１９の上部に、センサ部１２に対応した赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂそれぞれのカラーフィルタ１７と、オンチップレンズ１８とが設けられている。
【００２１】
多層コート層内レンズ１５は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２等の異なる種類の誘電体を、交互に各５層ずつ積層して形成した赤外光を反射する多層膜１５Ｂに、例えば、ＵＶ−ＳｉＮ等の層内レンズ１５Ａを積層することによって形成している。このように、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２等の誘電体を積層した赤外光を除去するための多層膜１５Ｂと、入射した光を集光してセンサ部１２に導くための層内レンズ１５Ａとを一体化して、多層コート層内レンズ１５を形成している。
【００２２】
上述のように、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２等を積層して誘電体による多層膜１５Ｂを形成することにより、従来用いられていた赤外カットフィルタと同様に、可視光のみを透過させて赤外光を除去することができる。
そして、誘電体による多層膜１５Ｂと一体に層内レンズ１５Ａを形成して、多層コート層内レンズ１５を構成することにより、従来用いられていた層内レンズと赤外カットフィルタとを１つに集約することができるため、赤外カットフィルタを除いた分レンズからセンサ部１２までの距離を短くすることができる。これにより、シェーディングや色収差などの発生を減少させることができる。
【００２３】
なお、多層コート層内レンズ１５は、図１に示した下側に凸な曲面の形状だけでなく、上側に凸な曲面の形状であってもよい。上側に凸な形状の場合には、上側に凸な曲面形状の層内レンズの上に、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２等の誘電体の積層膜を形成する。これにより、入射した光を集光してセンサ部１２に導くための層内レンズと、誘電体の多層膜とを一体化して多層コート層内レンズ１５を形成することができる。
【００２４】
本実施の形態のように、多層コート層内レンズ１５を下側に凸な形状とした場合には、オンチップレンズ１８及び多層コート層内レンズ１５と、センサ部１２とを近づけることができる。このため、上側に凸な形状とした場合に比べて、シェーディングや色収差などの発生を減少させることができる。
【００２５】
また、上述のように、カラーフィルタ１７の上部にオンチップレンズ１８を形成し、下部に多層コート層内レンズ１５を形成する。このように、カラーフィルタの上下にレンズを設け、カラーフィルタの上部に上側に凸な形状のレンズを設け、カラーフィルタの下部に下側に凸な形状のレンズを設けることにより、オンチップレンズ１８及び多層コート層内レンズ１５とセンサ部１２とを近づけることができる。このため、シェーディングや色収差などの発生を減少させることができる。
【００２６】
次に、赤外光検知部分２０では、センサ部２２の上方には、配線層１３、及び、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層１４が設けられている。そして、絶縁層１４に、図面の下側に凸の曲面である層内レンズ２６が、埋めこまれるようにして形成されている。
絶縁層１４及び層内レンズ２６の上部には、平坦化のためのパッシベーション膜１９が形成され、このパッシベーション膜１９の上部に、オンチップレンズ２８が設けられている。
【００２７】
配線層１３及び絶縁層１４は、上述した可視光検知部分１０と同様の構成である。赤外光を受光する領域では赤外光を除去する必要が無いため、可視光検知部分１０と異なり、層内レンズ２６には、誘電体による積層膜が設けられていない。また、可視光検知部分１０と異なり、カラーフィルタ１７は設けられていない。
【００２８】
赤外光検知部分２０では、赤外光の光量が充分であれば、集光のための層内レンズ２６は無くてもよい。
しかし、赤外光検知部分２０の集光高さと、可視光検知部分１０の集光高さとを一致させたい場合には、本実施の形態のように層内レンズ２６を設けることにより集光高さを一致させることができる。
なお、上述の多層コート層内レンズ１５が、上側に凸な形状である場合には、層内レンズ２６も上側に凸な形状であることが好ましい。
本実施の形態のように、多層コート層内レンズ１５と層内レンズ２６を下側に凸な形状とすることにより、センサ部１２，２２と近づけることができるため、上側に凸な形状とした場合に比べて、シェーディングや色収差などの発生を減少させることができる。
【００２９】
次に、本実施の形態の固体撮像素子の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、配線と、この配線を覆う絶縁層とを順次成膜することにより、配線層１３を形成する。その後、ＣＶＤ法などを用いてＳｉＯ２等によって絶縁層１４を形成する。
【００３１】
次に、絶縁層１４上にフォトレジスト２３を塗布した後、赤外光検知部分２０の上方のフォトレジスト２３を除去して開口部を設ける。
そして、フォトレジスト２３の開口部から、ウェットエッチ、ドライエッチ等により絶縁層１４をエッチングし、図２に示すような、層内レンズ２６を形成するための凹部を形成する。このとき、フォトレジスト２３の開口部の面積は、層内レンズ２６として光を集光するために適切な大きさとする。また、絶縁層１４のエッチングの最深部の深さは、１．５μｍ程度が好ましい。
【００３２】
次に、フォトレジスト２３を除去した後、絶縁層１４に形成された凹部を覆うように、絶縁層１４上にＵＶ−ＳｉＮ膜を成膜する。そして、成膜された余分なＵＶ−ＳｉＮ膜を、ＣＭＰ法等で除去することにより、図３に示すような層内レンズ２６を形成する。
【００３３】
次に、絶縁層１４上にフォトレジスト２４を塗布した後、可視光検知部分１０の上方のフォトレジスト２４を除去して開口部を設ける。
そして、フォトレジスト２４の開口部から、ウェットエッチ、ドライエッチ等により絶縁層１４をエッチングし、図４に示すような、多層コート層内レンズ１５を形成するための凹部を形成する。このとき、フォトレジスト２４の開口部の面積は、多層コート層内レンズ１５として赤外光を除去し、光を集光するために適切な大きさとする。また、絶縁層１４のエッチングの最深部の深さは、２μｍ程度が好ましい。
【００３４】
次に、フォトレジスト２４を除去した後、絶縁層１４に形成した凹部に、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とからなる、赤外光を除去するための誘電体による多層膜１５Ｂを形成する。
まず、絶縁層１４の凹部を覆うように、Ｓｉ３Ｎ４を１００ｎｍ程度成膜する。そして、このＳｉ３Ｎ４膜上に、ＳｉＯ２を１００ｎｍ程度成膜し、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とによる誘電体の積層膜を形成する。
次に、このＳｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とによる積層膜を形成する工程を、さらに４回繰り返すことにより、絶縁層１４の凹部にＳｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とによる積層膜を５層形成する。これにより、１μｍ程度のＳｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とからなる、赤外光を除去するための誘電体による多層膜１５Ｂを形成する。
【００３５】
次に、形成した誘電体による多層膜１５Ｂ上に、ＵＶ−ＳｉＮ膜を１μｍ程度成膜して層内レンズ１５Ａを形成する。
これにより、図５に示すように、絶縁層１４の上部に、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２からなる多層膜１５ＢとＵＶ−ＳｉＮ膜からなる層内レンズ１５Ａとによる、２μｍ程度の積層膜を形成する。
【００３６】
次に、形成された余分なＵＶ−ＳｉＮからなる層内レンズ１５Ａ及びＳｉ３Ｎ４とＳｉＯ２からなる多層膜１５Ｂを、ＣＭＰ法等で除去することにより、図６に示すような多層コート層内レンズ１５を形成する。
【００３７】
次に、図７に示すように、公知の方法により、絶縁層１４、多層コート層内レンズ１５、層内レンズ２６の上部を、ＳｉＯ２等のパッシベーション膜１９により平坦化した後、パッシベーション膜１９上にカラーフィルタ１７及びオンチップレンズ１８，２８を順次形成する。
以上の方法により、本実施の形態の固体撮像素子を製造することができる。
【００３８】
上述の工程において、多層コート層内レンズ１５は、下側に凸な曲面の形状として作製したが、上側に凸な曲面の形状であってもよい。
この場合、例えば、上述した赤外光検知部分２０の絶縁層の上部に、上側に凸な曲面の形状であるＵＶ−ＳｉＮによる層内レンズを形成する。
次に、上述した可視光検知部分１０に、上側に凸な曲面の形状であるＵＶ−ＳｉＮによる層内レンズを形成し、この上に、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とによる積層膜を形成する。
このようにして、上側に凸な曲面の形状である赤外光検知部分の層内レンズと、上側に凸な曲面の形状である可視光検知部分の多層コート層内レンズを形成することができる。
【００３９】
上述の実施の形態では、可視光検知部分１０と赤外光検知部分２０とによって構成された固体撮像素子について説明しているが、本発明は、赤外光検知部分２０を有さない固体撮像素子、また、可視光検知部分１０のみによって構成される固体撮像素子に適用することも可能である。
【００４０】
また、上述の実施の形態では、ＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用して説明しているが、これに限らず、その他の固体撮像素子（例えば、ＣＣＤ等）に本発明を適用してもよい。
【００４１】
本発明は、上述の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【図２】本実施の形態の固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本実施の形態の固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本実施の形態の固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本実施の形態の固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本実施の形態の固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本実施の形態の固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】従来の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，３０  可視光検知部分、１１，３１  シリコン基板、１２，２２，３２，４２  センサ部、１３，３３  配線層、１４，３４  絶縁層、１５  多層コート層内レンズ、１５Ｂ  多層膜、１７，３７  カラーフィルタ、１８，２８，３８，４８  オンチップレンズ、１９  パッシベーション膜、２０，４０  赤外光検知部分、２３，２４  フォトレジスト、１５Ａ，２６，３６，４６  層内レンズ、３５  赤外反射フィルタ
【図１】
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【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】
2008071959.tif 000009
【図８】
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