(57)【要約】【課題】  フォトダイオードと絶縁膜との界面における光の反射率を最小化し、イメージ感度を向上させたＣＭＯＳイメージセンサーを提供すること。【解決手段】  Ｓｉのフォトダイオード１２が形成された基板１０と、基板１０の上に形成されるＳｉＯ２の絶縁膜１４と、基板１０及び絶縁膜１４の間に介在する半反射膜１３と、絶縁膜１４の上に形成され、単位画素を構成する複数の金属配線Ｍ１〜Ｍ４と、カラーフィルター１９と、マイクロレンズ２１とを備えているＣＭＯＳイメージセンサーであって、半反射膜１３の屈折率が、Ｓｉのフォトダイオード１２の屈折率とＳｉＯ２の絶縁膜１４の屈折率との間の値である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉのフォトダイオードが形成された基板と、該基板の上に形成されるＳｉＯ２の絶縁膜と、前記基板及び前記絶縁膜の間に介在する半反射膜と、前記絶縁膜の上に形成され、単位画素を構成する複数の金属配線と、カラーフィルターと、マイクロレンズとを備えているＣＭＯＳイメージセンサーであって、
前記半反射膜の屈折率が、Ｓｉの前記フォトダイオードの屈折率とＳｉＯ２の前記絶縁膜の屈折率との間の値であることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項２】
前記半反射膜が、ダイヤモンド、ＳｉＣ及びＳｉＮｘからなる群の中から選択されるいずれか一つの単一膜であることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項３】
ダイヤモンドの前記単一膜は、屈折率が２．５以上３．４以下であり、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項４】
ＳｉＣの前記単一膜の屈折率が、２．５以上３．４以下であることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項５】
ＳｉＮｘの前記単一膜は、屈折率が１．９以上２．４以下であり、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項６】
前記半反射膜が、ｘを０＜ｘ＜１の範囲の値として、ＳｉＮｘ膜及びＳｉＯｘＮ１−ｘ膜からなる二重膜の構造を有することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項７】
前記ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、屈折率が１．５以上２．１以下であり、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする請求項６に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項８】
前記半反射膜が、単一組成のＳｉＣ／ＳｉＮｘ膜、又は、ｘを０＜ｘ＜１の範囲の値として組成が連続的に変化するＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜のいずれか一方の構造を有することを特徴とする請求項１に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【請求項９】
前記ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、屈折率が１．５から３．４まで連続に変化し、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることを特徴とする請求項８に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサーに関し、特に、フォトダイオードと絶縁膜との間の界面での光の反射率を最小化し、感度を向上することができるＣＭＯＳイメージセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＣＭＯＳイメージセンサーの各ピクセルは、多様な用途の複数のトランジスタと１つのフォトダイオードとから構成されている。ＣＭＯＳイメージセンサーでは、まず、光がシリコン（Ｓｉ）のフォトダイオードに入射すると、フォトダイオード中での光電変換によって電子とホールとが生じ、この電子による電気信号をイメージ信号として伝達する。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサーに入射した光がフォトダイオードに１００％到達することが最も理想的であるが、高画質、高解像度の要求に伴ってピクセルの大きさが益々減少し、ピクセル当りのフォトダイオードが占める面積比率が３０％以下に減少するようになってきている。このために、実際に入射する光の３０％以下しかフォトダイオードに入射できないので、各ピクセルの上にマイクロレンズを設けて９０％以上の光をフォトダイオードに収束させている。
【０００４】
一方、フォトダイオード及びトランジスタの上には、複数層の金属配線が形成されており、マイクロレンズを通って入射する光は、複数層の絶縁膜を通過してフォトダイオードに入射することになる。この過程において、光は１００％透過するのではなく、ある程度反射が生じるが、この反射は隣接する材料間の屈折率の差が大きいほど大きくなる。一般に、ピクセル構造において最も反射が大きい箇所は、ドープシリコンの一種であるフォトダイオード及びＳｉＯ２系列の絶縁膜であり、下記の表１に示したように、反射率が１５％程度にも達する。
【０００５】
表１は、Ｓｉのフォトダイオードと、その上に形成されるＳｉＯ２系列の絶縁膜との構造における反射率を示す。ここで、Ｓｉのフォトダイオードは、屈折率ｎが３．４で、その上に形成される絶縁膜の屈折率ｎは１．５である。
【０００６】
【表１】
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【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、反射率を１５％以下に下げるために、フォトダイオードと絶縁膜との間に、屈折率２．１のＳｉＮの反射膜がコートされた構造を採用すると、反射率を略８％に下げることができる。しかし、そのような構造を採用した場合でも、マイクロレンズと複数層の絶縁膜との界面での反射率を合せれば、最小でも１０％以上の損失をもたらすという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであって、光の損失が最も大きいＳｉのフォトダイオードとＳｉＯ２の絶縁膜との間に、その屈折率がＳｉのフォトダイオードの屈折率とＳｉＯ２の絶縁膜の屈折率との間にある半反射膜を介在させることによって、反射率を最小化してマイクロレンズを通って入射する光が最大限にフォトダイオードに到達できるＣＭＯＳイメージセンサーを提供することに、その目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するために、本発明によれば、Ｓｉのフォトダイオードが形成された基板と、該基板の上に形成されるＳｉＯ２の絶縁膜と、前記基板及び前記絶縁膜の間に介在する半反射膜と、前記絶縁膜の上に形成され、単位画素を構成する複数の金属配線と、カラーフィルターと、マイクロレンズとを備えているＣＭＯＳイメージセンサーであって、前記半反射膜の屈折率が、前記Ｓｉのフォトダイオードの屈折率と前記ＳｉＯ２の絶縁膜の屈折率との間の値であることを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサーを提供することができる。
【００１０】
前記半反射膜には、ダイヤモンド、ＳｉＣ及びＳｉＮｘからなる群の中から選択されるいずれか一つの単一膜を用いることができる。ここで、前記半反射膜としてダイヤモンドの単一膜を用いる場合、該ダイヤモンド単一膜は、屈折率が２．５以上３．４以下であり、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることができる。また、前記半反射膜としてＳｉＣの単一膜を用いる場合、該ＳｉＣ単一膜は、屈折率が２．５以上３．４以下であることができる。一方、前記半反射膜としてＳｉＮｘの単一膜を用いる場合、該ＳｉＮｘ単一膜は屈折率が１．９以上２．４以下であり、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることができる。
【００１１】
前記半反射膜は、ＳｉＮｘ膜及びＳｉＯｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）からなる二重膜構造を有することができる。ここで、ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、屈折率が１．５以上２．１以下であり、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることができる。
【００１２】
前記半反射膜は、ＳｉＣ／ＳｉＮｘ膜又はＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜のいずれか一方の構造を有することができる。ここで、該ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、屈折率が１．５から３．４まで連続に変化し、厚さが５００Å以上５０００Å以下であることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光の損失が最も大きいＳｉのフォトダイオードとＳｉＯ２の絶縁膜との間に、Ｓｉのフォトダイオードの屈折率とＳｉＯ２の絶縁膜の屈折率との間の種々の屈折率を有する半反射膜を介在させることによって、反射率を最小化することができ、マイクロレンズを通って入射する光が最大限にフォトダイオードに到達することができる。従って、本発明を、百万画素以上のＣＭＯＳイメージセンサーに適用することによって、高画質のイメージを具現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサーの構造を示す断面図であり、図２は、本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサーにおけるフォトダイオード／半反射膜／絶縁膜の構造を示す断面図である。
【００１６】
本実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサーは、図１に示すように、Ｓｉのフォトダイオード（ＰＤ）１２及び素子分離膜１１を備えた基板１０と、基板１０の上方に形成される第１の絶縁膜１４と、フォトダイオード１２及び第１の絶縁膜１４の間に介在する半反射膜１３と、第１の絶縁膜１４の上に形成される第１の金属配線Ｍ１と、第１の金属配線Ｍ１を含めて第１の絶縁膜１４の上に形成される第２の絶縁膜１５と、第２の絶縁膜１５の上に形成される第２の金属配線Ｍ２と、第２の金属配線Ｍ２を含めて第２の絶縁膜１５の上に形成される第３の絶縁膜１６と、第３の絶縁膜１６の上に形成される第３の金属配線Ｍ３と、第３の金属配線Ｍ３を含めて第３の絶縁膜１６の上に形成される第４の絶縁膜１７と、第４の絶縁膜１７の上に形成される第４の金属配線Ｍ４と、第４の金属配線Ｍ４を含めて第４の絶縁膜１６の上に形成される第５の絶縁膜１８と、第５の絶縁膜１８の上に形成される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルター１９と、カラーフィルター１９全体を覆う平坦化膜２０と、平坦化膜２０の上に形成されるマイクロレンズ２１とを備えて構成されている。
【００１７】
半反射膜１３の屈折率は、Ｓｉのフォトダイオード１２の屈折率とＳｉＯ２の第１の絶縁膜１４の屈折率との間の値である。ここで、Ｓｉのフォトダイオード１２の屈折率は３．４であり、ＳｉＯ２の第１の絶縁膜１４の屈折率は１．５である。即ち、本実施の形態に係る半反射膜１３の屈折率は、１．５以上３．４以下の間の値である。
【００１８】
半反射膜１３の材料には、（１）ダイヤモンド、ＳｉＣ及びＳｉＮｘからなる群の中のいずれか一つの単一膜、（２）ＳｉＮｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘの二重膜（ここで、０＜ｘ＜１）、または（３）ＳｉＣ／ＳｉＮｘ又はＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘのいずれか一方の構造の膜（図２参照）を用いることができる。
【００１９】
半反射膜１３として単一膜を採用する場合（（１）に該当）には、次の（ａ）〜（ｃ）とすることができる。
（ａ）ダイヤモンドの単一膜を用いる場合：ダイヤモンド膜は、２．５以上３．４以下の屈折率及び５００Å以上５０００Å以下の厚さを有するように形成される。
（ｂ）ＳｉＣの単一膜を用いる場合：ＳｉＣ膜は、屈折率が２．５以上３．４以下になるように形成される。
（ｃ）ＳｉＮｘの単一膜を用いる場合：ＳｉＮｘ膜は、１．９以上２．４以下の屈折率及び５００Å以上５０００Å以下の厚さを有するように形成される。
【００２０】
半反射膜１３として二重膜を採用する場合（（２）に該当）には、ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、１．５以上２．１以下の屈折率及び５００Å以上５０００Å以下の厚さを有するように形成される。
【００２１】
半反射膜１３として、ｘが一定である単一組成のＳｉＣ／ＳｉＮｘの膜、又はＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘの膜のいずれか一方の構造を採用する場合（（３）に該当）には、ＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、１．５から３．４まで連続に変化する屈折率を有し、且つ５００Å以上５０００Å以下の厚さを有するように形成される。
【００２２】
以下では、上記した構成のＣＭＯＳイメージセンサーの製造方法について述べる。
【００２３】
最初に、半導体基板１０の上に、素子間の電気的な絶縁のための素子分離膜１１を形成する。ここで、素子分離膜１１はＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法で形成してもよく、トレンチ構造を有していてもよい。
【００２４】
続いて、素子分離膜１１を含めて基板１０の上に、ゲート電極（図示せず）を形成した後、イオン注入を行ってＳｉのフォトダイオード１２を形成し、トランジスタのソース／ドレイン及びセンスノードを形成するためのイオン注入（図示せず）を施す。
【００２５】
その次に、フォトダイオード１２及び素子分離膜（フィールド酸化膜）１１を含む構造全体の上に、半反射膜１３及び第１の絶縁膜１４を順に形成する。
【００２６】
ここで、半反射膜１３としてダイヤモンドの単一膜を用いる場合（上記した（１）の場合）、ダイヤモンド単一膜をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する。また、半反射膜１３としてＳｉＣの単一膜を用いる場合、ＳｉＣ単一膜をＣＶＤまたはＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）法で形成する。一方、半反射膜１３としてＳｉＮｘの単一膜を用いる場合（ｘ＝１）、ＳｉＮｘ単一膜は、１．９以上２．４以下、望ましくは、下記の表２に示したように２．１の屈折率を有する。
【００２７】
【表２】
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表２には、フォトダイオード／半反射膜／第１の絶縁膜の積層構造がＳｉ／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の構造である場合における反射率を示す（表２で、ｎは屈折率である）。
【００２８】
半反射膜１３としてＳｉＮｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘの二重膜を用いる場合（上記した（２）の場合）、ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、窒素ソース（ＮＨ３）及び酸素ソース（ＴＥＯＳまたはＯ２）の比率を時間に応じて連続的に変化させつつ、ＣＶＤまたはＰＥＣＶＤ法によって形成され得る。即ち、ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、ｘが一定の単一組成の膜、または０＜ｘ＜１の範囲においてｘが連続に変化する組成の膜である。
【００２９】
上記した（３）の場合、半反射膜１３としてＳｉＣ／ＳｉＮｘの単一組成膜、またはＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜を用いるが、このうちでＳｉＣ／ＳｉＮ（ｘ＝１の場合）の単一組成膜を用いる場合、下記の表３に示したように、ＳｉＣの屈折率が２．４、ＳｉＮの屈折率が２．１である。
【００３０】
【表３】
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表３は、フォトダイオード／半反射膜／第１の絶縁膜がＳｉ／ＳｉＣ／ＳｉＮ／ＳｉＯ２構造である場合、即ち、フォトダイオードがＳｉ、半反射膜がＳｉＣ／ＳｉＮ、第１の絶縁膜がＳｉＯ２である場合における反射率を示している（表３で、ｎは屈折率である）。
【００３１】
一方、半反射膜にＳｉＣｘ／ＳｉＮｘＣ１−ｘ／ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜を用いる場合（図２参照）、ＳｉＯｘＮ１−ｘ膜は、ＳｉＣ→ＳｉＮ→ＳｉＯｘのように、組成が連続して変化するように反応ガスの量を調節しながら、ＣＶＤまたはＰＥＣＶＤ法を用いて形成される。
【００３２】
以上によって半反射膜１３及び第１の絶縁膜１４を形成した後、第１の絶縁膜１４の上に、単位画素を構成する第１〜第４の金属配線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４を形成する。ここで、第１〜第４の金属配線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４は、フォトダイオード１２への入射光を遮蔽しないような位置に配設される。一方、各層の単位画素構成用の第１〜第４金属配線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４の間には、電気的な絶縁のための第２〜第５の絶縁膜１５、１６、１７及び１８の各々を形成する。
【００３３】
続いて、第５の絶縁膜１８の上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のカラーフィルター１９の各々を形成し、各々のカラーフィルター１９を覆うように平坦化膜２０を形成する。その後、平坦化膜２０の上にマイクロレンズ２１を形成する。以上によって、本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサーが製造される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサーの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサーのうち、フォトダイオード／半反射膜／絶縁膜の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０      基板
１１      素子分離膜
１２      フォトダイオード
１３      半反射膜
１４      第１の絶縁膜
１５      第２の絶縁膜
１６      第３の絶縁膜
１７      第４の絶縁膜
１８      第５の絶縁膜
１９      カラーフィルター
２０      平坦化膜
２１      マイクロレンズ
Ｍ１      第１の金属配線
Ｍ２      第２の金属配線
Ｍ３      第３の金属配線
Ｍ４      第４の金属配線
【図１】
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【図２】
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