(57)【要約】【課題】  受光領域内の感度を均一にするとともに、製造プロセスを複雑化させることのない構成を有する固体撮像装置を提供する。【解決手段】  半導体基板１０上に設けられた受光部８の外周の一部または全部を取り囲むように、ダミーパターン２が設けられており、このダミーパターン２は、受光部８に入射しない光を反射させて、受光部に入射させるためのものである固体撮像装置２０によれば、受光領域内の感度を均一にすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられた受光手段の外周の一部または全部を取り囲むように、反射手段が設けられており、
上記反射手段は、上記受光手段に入射しない光を反射させて、上記受光手段に入射させるためのものであることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
上記受光手段と反射手段との間には、絶縁層が設けられ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】
上記受光手段は、光変換素子と、該光変換素子に蓄積した信号電荷を読み出すための読出素子と、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４】
上記反射手段は、金属配線であ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５】
上記金属配線は、ダミーパターンであることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
上記受光手段の上方には、入射光を集光させるための集光手段が設けられており、
上記受光手段に入射しない光とは、上記集光手段によって、受光手段に集光しない角度を有する入射光であ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７】
上記集光手段は、マイクロレンズであることを特徴とする請求項６に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、固体撮像装置に係り、特に受光領域内の感度を均一にすることができる固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像装置では、受光部であるフォトダイオードの面積を大きくすることにより受光領域外周部での感度劣化を回避してきた。しかし、近年、固体撮像素子の小型化、高画素化に伴い受光部面積の減少による感度の低下が問題となっている。このため、この問題を解決するために、現在では受光部の上にマイクロレンズを備えた固体撮像装置が開発されている。
【０００３】
以下に、従来のマイクロレンズを備えた固体撮像装置について図４、５を用いて説明する。図４は、従来の固体撮像装置の画素領域の構成を模式的に示す平面図である。図５は、図４の固体撮像装置の画素領域をＤ−Ｄ’線にて切断した場合の切断面を模式的に示す断面図である。なお、説明の便宜上、図４において、マイクロレンズ１０１、第１の中間層１１１、第２の中間層１１２は省略して示してある。
【０００４】
図４および図５に示すように、従来の固体撮像装置１００は、シリコンからなる半導体基板１０１上に、フォトダイオードおよび該フォトダイオードに蓄積した信号電荷を読み出すための素子からなる受光部１０８が形成されており、さらにこれらの上に第１の中間層１１１と第２の中間層１１２とが設けられており、第２の中間層１１２の上部にマイクロレンズ１０１が形成されている。この構成によって、受光部１０８の上方だけではなく素子分離領域１０５の上方にも入射してくる光がマイクロレンズ１０１を通り集光され、第２の中間層１１２、第１の中間層１１１を通った後、受光部１０８に入射するようになされている。そして、この受光部１０８に入射した光は、その光量に応じて受光部１０８で信号電荷に変換され読み出される。
【０００５】
次に、従来の固体撮像装置に入射光が照射された場合について、図６〜図１０を用いて説明する。図６は、従来の固体撮像装置に対して、垂直な入射光Ａを照射した場合の様子を模式的に示す図である。図７は、従来の固体撮像装置に対して、斜めの入射光Ｂを照射した場合の様子を模式的に示す図である。
【０００６】
すなわち、図４、５に示した従来の固体撮像装置の構造では、入射光が垂直光（受光部に対して垂直な方向の光）の場合は、図６に示すように、垂直な入射光Ａに対し−Ｘ°〜＋Ｘ°の光が受光部１０８に入射する。その一方、入射光Ａと同じ光量の入射光であって斜め光の入射光Ｂ（受光部に対して垂直な方向から角度がずれた、斜め方向の角度を有する光）の入射について考える場合、図７に示すように、入射光Ｂに対し−Ｘ°〜＋Ｘ°の光が受光部１０８に入射する。しかし、入射光Ｂの−Ｘ°〜＋Ｘ°の光のうち、一部の光が受光部１０８から外方にずれて受光部１０８に入射する光量が減少し、それによって感度が低下する。
【０００７】
上記図６および図７に示すように、従来の固体撮像装置に入射光が照射された場合、受光部へ入射する光の強度を調べた。その結果を図８、図９に示す。すなわち、図８は、従来の固体撮像装置に垂直な入射光Ａを照射した場合の、受光部への入射光の強度を調べた結果を示す図である。図９は、従来の固体撮像装置に斜めの角度を有する入射光Ｂを照射した場合の、受光部への入射光の強度を調べた結果を示す図である。
【０００８】
図８に示すように、固体撮像装置１００における受光部１０８の中央部の画素には、入射光Ａの−Ｘ°〜＋Ｘ°の光の全てが入射し感度に寄与し、良好な感度を得られる。これに対して、図９に示すように、受光部１０８の周辺部の画素では、受光部１０８の表面の垂直方向からある角度を持った入射光Ｂの−Ｘ°〜＋Ｘ°の光の全てが、受光部１０８に入射せず、受光部１０８へ入射する光量が減少するため、感度が低下してしまう。つまり、図９中、２つのアローヘッドで挟んだ領域の角度で入射する光は、受光部１０８に入射できず、感度に寄与しない。
【０００９】
さらにいえば、図１０に示すように、入射光の大部分が受光部１０８の領域外に照射され、受光部１０８にほとんど入射しない場合も考え得る。この場合は、一部の入射光が受光部１０８へ入射せず、受光領域の中央部に対して、外周部の感度が劣化する。すなわち、より一層、受光部１０８の周辺部での感度が低下し、受光部１０８の中央部との間で感度の差が大きくなる。
【００１０】
かかる問題を解決するために、例えば、特許文献１に、マイクロレンズが形成される面を素子中央部が隆起した凸状とすることにより、周辺部における感度の低下を抑制し、もって、マイクロレンズと受光部をずらせることなく、輝度シェーディングを抑制する固体撮像装置が開示されている。
【特許文献１】特開平６−１１８２０９号公報（１９９４年  ４月２８日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１の固体撮像装置では、該固体撮像装置の製造プロセスにおいて、その工程数が増えコスト増に繋がるだけでなく、さらに製造プロセスが複雑になることによる歩留りが低下するという問題がある。
【００１２】
このため、受光領域内の感度を均一にするとともに、製造プロセスを複雑化させることのない構成を有する固体撮像装置の開発が強く求められていた。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、受光領域内の感度を均一にするとともに、製造プロセスを複雑化させることのない構成を有する固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置は、上記課題を解決するために、半導体基板上に設けられた受光手段の外周の一部または全部を取り囲むように、反射手段が設けられており、上記反射手段は、上記受光手段に入射しない光を反射させて、上記受光手段に入射させるためのものであることを特徴としている。
【００１５】
上記の構成によれば、受光手段上に、その周りの全部もしくは一部を取り囲むように反射手段を配置することになる。このため、本来なら受光手段へ集光しない光、例えば、斜めの角度を有する入射光を該反射手段により反射させ受光手段へと入射させることができる。それゆえ、固体撮像装置における受光領域の中央部付近と、受光領域の外周部付近との間における感度の差の発生を防止でき、受光領域内の感度を均一にすることができるという効果を奏する。
【００１６】
さらに、上記の構成によれば、受光手段の周りの一部または全部に反射手段を形成するのみであるため、製造プロセスを複雑化させることがなく、歩留りの低下を防止することができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明に係る固体撮像装置では、上記受光手段と反射手段との間には、絶縁層が設けられていることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、受光手段上に絶縁層を介して反射手段が設けられることになるため、受光手段と反射手段との電気的な接続による短絡の発生等を防止することができる。
【００１９】
また、本発明に係る固体撮像装置では、上記受光手段は、光変換素子と、該光変換素子に蓄積した信号電荷を読み出すための読出素子と、を有することが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、感度の良好な受光手段を形成することができる。
【００２１】
また、本発明に係る固体撮像装置では、上記反射手段は、金属配線であることが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、確実かつ容易に反射手段を設けることができる。なお、ここでいう「金属配線」としては、ダミーパターンであることがより好適である。このような構成によれば、金属配線層へ反射用のダミーパターンを追加することで受光領域外周部の感度劣化を抑制することが可能となり、製造プロセスを複雑化させることなく、より簡便に受光領域内の感度を均一にすることができる。
【００２３】
また、本発明に係る固体撮像装置では、上記受光手段の上方には、入射光を集光させるための集光手段が設けられており、上記受光手段に入射しない光とは、上記集光手段によって、受光手段に集光しない角度を有する入射光であることが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、集光手段が設けられているため、より確実に受光手段へ入射光を集光させることができる。さらに、反射手段が設けられているため、上記集光手段によって受光手段に対して集光されない角度を有する光（例えば、斜め入射光等）を反射手段によって反射させ、受光手段に入射させることが可能となる。このため、より一層確実に、固体撮像装置における受光領域の中央部付近の感度と、受光領域の外周部付近の感度とを均一にすることができる。
【００２５】
なお、ここでいう「受光手段に集光しない角度を有する入射光」とは、集光手段によって集光された光のうち、受光手段が設けられている領域に照射しない光をいい、例えば、受光手段に対して垂直な方向からずれている角度（斜めの角度）を有する光であって、受光手段に照射しない光等が挙げられる。
【００２６】
また、ここでいう「集光手段」としては、例えば、マイクロレンズが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る固体撮像装置は、以上のように、半導体基板上に設けられた受光手段の外周の一部または全部を取り囲むように、反射手段が設けられており、
上記反射手段は、上記受光手段に入射しない光を反射させて、上記受光手段に入射させるためのものであるので、固体撮像装置における受光領域の中央部付近の感度と、受光領域の外周部付近の感度とを均一にすることができるという効果を奏する。すなわち、本発明に係る固体撮像装置によれば、輝度シェーディングを抑制することができるという効果を奏する。
【００２８】
さらに、本発明に係る固体撮像装置によれば、受光手段の周りの一部または全部に反射手段を形成するだけであるため、製造プロセスを複雑化させることがなく、歩留りの低下を防止することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の一実施形態について図１〜図３に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置の画素領域の構成を模式的に示す平面図である。図２は、図１の固体撮像装置の画素領域をＣ−Ｃ’線にて切断した場合の切断面を模式的に示す断面図である。なお、説明の便宜上、図１において、マイクロレンズ１、第１の中間層１１、第２の中間層１２は省略して示してある。
【００３０】
図１、２に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置２０は、半導体基板１０上に、集光手段として機能するマイクロレンズ１、反射手段として機能する金属配線のダミーパターン２、Ｎ＋領域６とコンタクトホール４を介して電気的に接続されている金属配線３、素子分離領域５、ゲート電極７、受光部８、絶縁層として機能する第１の中間層１１、第２の中間層１２を備えている。半導体基板１０は、例えばシリコンから形成されている。また、第１の中間層１１および第２の中間層１２は、例えばアクリル系の透明基板によって形成することができる。また、受光部８は、フォトダイオード等の光変換素子と該光変換素子に蓄積した信号電荷を読み出すための素子とを備える構成である。また、本実施の形態では、ダミーパターン２は電気的接続手段を有さないダミーパターンとして形成されているが、これに限定されるものではなく、通常の電気的接続機能を有する金属配線であってもよい。
【００３１】
半導体基板１０上には、素子分離領域５、Ｎ＋領域６、受光部８が形成されている。そして、これらの上方に、コンタクトホール４、ゲート電極７、第１の中間層１１が形成されている。また、これらの上方に、ダミーパターン２、金属配線３が形成されており、その上方に第２の中間層１２、マイクロレンズ１が形成されている。すなわち、半導体基板１０上に第１の中間層１１が形成され、この第１の中間層１１上に金属配線層が形成された後、第２の中間層１２が形成され、第２の中間層１２上にマイクロレンズ１が形成されているといえる。
【００３２】
半導体基板１０上に形成される素子分離領域５、Ｎ＋領域６、受光部８、コンタクトホール４、ゲート電極７、金属配線３の構成は、特に限定されるものではなく、従来公知の固体撮像装置と同様に形成することができる。また、第１の中間層１１および第２の中間層１２は、光を透過させる性質を有する材料からなる透明基板であればよく、具体的な厚みや形状、材質等は、従来公知の固体撮像装置に使用可能な厚みや形状、材質等を好適に利用することができる。マイクロレンズ１の構成も、従来公知の固体撮像装置に使用可能な集光手段として形成されていればよく、具体的な厚みや形状、材質等は特に限定されるものではない。
【００３３】
つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置２０は、ダミーパターン２を除けば、従来の固体撮像装置とほぼ同様の構成を有しているといえる。このため、本実施の形態に係る固体撮像装置２０の最も特徴的な構成である、このダミーパターン２について、以下に詳細に説明する。
【００３４】
ダミーパターン２は、図１に示すように、受光部８の外周の全体を取り囲むように形成されている。すなわち、ダミーパターン２は、半導体基板１０上に形成された受光部８の受光部８の外縁部分に沿って、受光部８の端部を取り囲むように形成されている。また、上述したように、ダミーパターン２は、受光部８に入射しない光を反射させて、受光部８に入射させるための反射手段として機能するように形成されている。ここでいう「受光部８に入射しない光」とは、マイクロレンズ１によって集光された光のうち、受光部８に入射しない光をいう。上述したように、固体撮像装置２０に照射される光のうち、受光部８（の表面）に対して垂直な方向からずれる角度を有する光には、マイクロレンズ１によって集光されても、受光部８に入射せず、受光部８の外部に入射する光が存在するが、このようないわゆる斜めの角度を有する光をいう。
【００３５】
なお、本実施の形態では、ダミーパターン２は、受光部８の全体を取り囲むように形成されているが、これに限られず、例えば、受光部８の外周の一部分のみを取り囲むように形成されていてもよい。ただし、ダミーパターン２は、受光部８に入射しない光を反射させて、受光部８に入射させるための反射手段として機能するものであるため、受光部８の周囲の一部分のみ形成されるより、受光部８の周囲の全体に形成されている方が好ましい。ダミーパターン２が受光部８の周囲全体に形成されている場合、あらゆる方向にはみ出す光を反射させ、確実に受光部８に入射させることができるためである。
【００３６】
また、図２に示すように、ダミーパターン２と受光部８が形成されている領域との間には、絶縁層として機能する第１の中間層１１が形成されている。つまり、受光部８上には、第１の中間層１１を介してダミーパターン２が設けられていることになる。
【００３７】
以上のような構成のため、図２に示すように、ダミーパターン２が設けられていない場合は受光部８に入射しない光でも、本実施の形態に係る固体撮像装置２０によれば、反射手段として機能するダミーパターン２が設けられているため、マイクロレンズ１により集光された後、ダミーパターン２の側面によって反射され、受光部８に入射することになる。
【００３８】
ここで、図３に本実施の形態に係る固体撮像装置に斜めの角度を有する入射光Ｂを照射した場合の、受光部への入射光の強度を調べた結果を示す。同図に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置２０によれば、入射光Ｂの−Ｘ°〜＋Ｘ°までの光のうち、図３中２つのアローヘッドで挟む領域の光が、ダミーパターン２で反射され受光部８に入射したことがわかる。この結果と従来の固体撮像装置における同様の試験結果を示す図９とを比較すると、本実施の形態に係る固体撮像装置２０では、従来のものに比べて受光領域における感度の均一化が図られ、輝度シェーディングを抑制可能であることがわかる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置２０によれば、本来なら受光部８へ集光しない光、例えば、斜めの角度を有する入射光を反射手段として機能するダミーパターン２により反射させ受光部８へと入射させることができる。それゆえ、本固体撮像装置２０における受光部８の中央部付近と、受光部８の外周部付近との間における感度の差の発生を防止でき、受光部８内の感度を均一にすることができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る固体撮像装置２０では、金属配線層へ反射手段としてのダミーパターン２を追加することのみで受光部８の外周部の感度劣化を抑制することが可能となるため、製造プロセスを複雑化させることがない。このため、工程の複雑化による歩留りの低下を防止することもできる。つまり、レイアウト上での修正のみであるため、従来技術（上記特許文献１）のように工程が複雑になることもなく、コストを掛けずに実現できる。
【００４１】
また、本実施の形態では、ダミーパターン２の側面によって光が反射しているが、この構成に限られるものではない。すなわち、反射手段として機能するダミーパターン２は、光を反射させて、受光手段である受光部８に入射させる構成であればよく、例えば、半円柱形状に形成されていてもよいであろうし、三角柱形状等の多角柱形状に形成されていてもよい。
【００４２】
また、ダミーパターン２の材料や大きさ、形状等も反射手段として機能し得るように適宜設定・変更が可能であることはいうまでもない。
【００４３】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４４】
例えば、半導体基板に設けられた光変換素子と光変換素子に蓄積した信号電荷を読み出す為の素子を有した固体撮像装置において、それら素子上に絶縁膜を介して配置してある金属配線において受光部の外側を取り囲むようにダミーパターンを配置する固体撮像装置も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明に係る固体撮像装置によれば、上述したような利点を有するため、固体撮像装置を用いた、種々の電気機器、精密機械、医療機器等の製造産業、およびその関連産業において、広範な産業上の利用が可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施の形態に係る固体撮像装置の画素領域の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１の固体撮像装置の画素領域をＣ−Ｃ’線にて切断した場合の切断面を模式的に示す断面図である。
【図３】本実施の形態に係る固体撮像装置に斜めの角度を有する入射光Ｂを照射した場合の、受光部への入射光の強度を調べた結果を示す図である。
【図４】従来の固体撮像装置の画素領域の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】図４の固体撮像装置の画素領域をＤ−Ｄ’線にて切断した場合の切断面を模式的に示す断面図である。
【図６】従来の固体撮像装置に対して、垂直な入射光Ａを照射した場合の様子を模式的に示す図である。
【図７】従来の固体撮像装置に対して、斜めの入射光Ｂを照射した場合の様子を模式的に示す図である。
【図８】従来の固体撮像装置に垂直な入射光Ａを照射した場合の、受光部への入射光の強度を調べた結果を示す図である。
【図９】従来の固体撮像装置に斜めの角度を有する入射光Ｂを照射した場合の、受光部への入射光の強度を調べた結果を示す図である。
【図１０】従来の固体撮像装置に対して、斜めの入射光であって、受光部に入射しない光を入射した場合の様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    マイクロレンズ（集光手段）
２    ダミーパターン（反射手段、金属配線）
３    金属配線
４    コンタクトホール
５    素子分離領域
６    Ｎ＋領域
７    ゲート電極
８    受光部（受光手段）
１０    半導体基板
１１    第１の中間層（絶縁層）
１２    第２の中間層
２０    固体撮像装置
【図１】
2005302903.tif 000003
【図２】
2005302903.tif 000004
【図３】
2005302903.tif 000005
【図４】
2005302903.tif 000006
【図５】
2005302903.tif 000007
【図６】
2005302903.tif 000008
【図７】
2005302903.tif 000009
【図８】
2005302903.tif 000010
【図９】
2005302903.tif 000011
【図１０】
2005302903.tif 000012