(57)【要約】【課題】フォトダイオードに入射する光の集光率を向上した固体撮像装置を提供する。【解決手段】二次元状に配列された複数のフォトダイオード８と、フォトダイオードに隣接した素子分離領域１５とが形成された半導体基板を有し、この半導体基板上には絶縁膜２０が形成され、絶縁膜２０は、各フォトダイオード上に形成され光を透過する絶縁膜１０と分離領域上に形成された絶縁膜１３とを有し、絶縁膜１０と絶縁膜１３とが接する境界面の少なくとも一部において、絶縁膜１０の屈折率が絶縁膜１３の屈折率よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、フォトダイオードに隣接した分離領域とが形成された半導体基板を有する固体撮像装置であって、
前記半導体基板上には絶縁膜が形成され、
前記絶縁膜は、各フォトダイオード上に形成され光を透過する第１の層と分離領域上に形成された第２の層とを有し、
前記第１の層と第２の層とが接する境界面の少なくとも一部において、前記第１の層の屈折率が第２の層の屈折率よりも大きい
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記境界面では、前記第１の層に入射した光のうち少なくとも一部の光が全反射す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】
前記第１の層の少なくとも一部はフォトダイオードの中心の上にあ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４】
前記第２の層は、分離領域の上に形成された遮光膜の上に形成され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５】
前記第２の層の上および下に遮光膜を有しないことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第２の層と半導体基板と接す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７】
前記第２の層が気体または真空であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の層の最上面の上に反射防止膜を有することを特徴とする請求項１〜７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
光電変換するフォトダイオードを持つ単位画素を二次元状に複数配列した固体撮像装置において、各フォトダイオード上に凹型レンズを有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の層の上に凹型レンズを有す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１１】
前記凹レンズ上の屈折率が凹レンズ下の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の層の最上面に反射防止膜を有することを特徴とする請求項９〜１１記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。この固体撮像装置では、二次元状に配列された複数の単位画素部１、垂直シフトレジスタ２、水平信号線および水平シフトレジスタ３、出力アンプ４、駆動回路５を備える。垂直シフトレジスタ２からの行信号により行が選択され、さらに、水平信号線および水平シフトレジスタ３からの列信号により選択された画素のカラー信号が出力アンプ４から出力される。駆動回路５は、垂直シフトレジスタ２、水平信号線および水平シフトレジスタ３、出力アンプ４の駆動を制御する構成となっている。
【０００３】
また、特許文献１等によれば、フォトダイオード上にマイクロレンズが形成された固体撮像装置が開示されている。
【０００４】
図６は従来の固体撮像装置における画素部の断面図である。シリコン半導体基板中のＮ型層６上にＰ型層７が形成され、Ｐ型層７内にフォトダイオード８が形成されている。複数のフォトダイオード（光電変換素子）８の間を分離する素子分離領域１５上には光を遮断する遮光膜９が形成されている。またフォトダイオード８上には、絶縁膜１０と、入射光１２を集光するマイクロレンズ１１が形成されている。この構成によれば、入射光１２は、各フォトダイオード８上のマイクロレンズ１１で集光され、フォトダイオード８に入射する。
【特許文献１】特開平６−６１４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、フォトダイオード８のマイクロレンズ１１の中心に垂直に入射する光はマイクロレンズ１１を通過してフォトダイオード８に入射するが、マイクロレンズ１１の高さが製造バラツキなどにより高くなった場合には、マイクロレンズの最下部で集光した光はフォトダイオード８に入らないで素子分離領域１５に入り、フォトダイオード８で光電変換できなくなり感度の低下が発生してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、フォトダイオードに入射する光の集光率を向上した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】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、フォトダイオードに隣接した分離領域とが形成された半導体基板を有する固体撮像装置であって、前記半導体基板上には絶縁膜が形成され、前記絶縁膜は、各フォトダイオード上に形成され光を透過する第１の層と分離領域上に形成された第２の層とを有し、前記第１の層と第２の層とが接する境界面の少なくとも一部において、前記第１の層の屈折率が第２の層の屈折率よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、フォトダイオード上にある第１の層の屈折率が分離領域上にある第２の層の屈折率よりも大きいので、第１の層層と第２の層との境界面で入射光を反射させることができ、フォトダイオード上に入射した光の集光率を向上させることができる。
特に、フォトダイオード上にある第１の層と分離領域上にある第２の層との境界面で、入射光が、第１の層と第２の層との境界面において全反射する角度になるように境界面の角度を調整することで、感度の大幅な向上を図ることができる。この場合、前記第１の層の少なくとも一部がフォトダイオードの中心の上にあればよい。
【０００９】
さらに第２の層を空気などの気体や真空にすることで、第２の層の屈折率を小さくできるため、全反射する入射角度の範囲の更に広くさせることができる。
また、第１のは屈折率が大きいため、第１の層とその上の空気層などとの境界面で反射が起こり、第１の層に入る光量が減少するのを防止するため、さらに第１の層の上に反射防止膜を設けることで集光率を向上させることができる。
【００１０】
また、フォトダイオード上にある第１の層の屈折率よりも屈折率の小さい第２の層を遮光膜上に設けることで、遮光膜上に入射した光を反射によりフォトダイオードに集光させることができる。
また、遮光膜を省略することで、フォトダイオード上にある第１の層と分離領域上の第２の層との境界面で反射した光が、再度、遮光膜で反射してフォトダイオードに入らなくなることを防ぎ、大部分の光を集光させることができる。また、これにより遮光膜の工程を省略することができるため、固体撮像装置の製造工程の削減を実現することができる。
【００１１】
また、分離領域上の第２の層を半導体基板と接するように形成することにより、半導体基板に光が到達するまでの間に反射しない領域を無くす事ができるため、フォトダイオードへの集光率を向上させることができる。
また、本発明の固体撮像装置は、光電変換するフォトダイオードを持つ単位画素を二次元状に複数配列した固体撮像装置において、各フォトダイオード上に凹型レンズを有することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、フォトダイオード上に斜め光が入射した時に、フォトダイオード表面に対して垂直でない斜め光を、フォトダイオード上の凹型レンズを通すことで、フォトダイオード表面に対して垂直に近い角度に入射角を変更できるため、斜め光をフォトダイオードに集光させることができる。
【００１３】
さらに、前記第１の層の上に凹型レンズを層を備えるこうせいとしてもよい。この構成によれば、凹レンズを通過した光が、フォトダイオード上にある第１の層と分離領域上の第２の層との境界面への入射する時に入射角を大きく取ることができるため、境界面での全反射する入射角度の範囲を広くすることができる。これにより集光率を更に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明してきたとおり、本発明の固体撮像装置は、フォトダイオード上にあり光を透過する第１の層と分離領域上にある第２のの層との境界面で入射光を反射させフォトダイオードに集光することができ、フォトダイオード上に入射した光の集光率を向上させることができる。
また、各フォトダイオード上に凹型レンズを有する構成にすることで、フォトダイオード上に斜め光が入射した時に、フォトダイオード表面に対して垂直でない斜め光を、フォトダイオード上の凹型レンズを通すことで、フォトダイオード表面に対して垂直に近い角度に入射角を変更できるため、斜め光をフォトダイオードに集光し集光率を大幅に向上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】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における固体撮像装置について説明する。固体撮像装置の上面図は、図５と同様であるので説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の３つの画素部分を示す断面図である。同図のように固体撮像装置は、シリコン半導体基板内に下からＮ型層６とＰ型層７とを有し、さらにその上に絶縁膜２０が形成されている。Ｐ型層７には、ｎ型不純物のイオン注入によりフォトダイオード（光電変換素子）８が形成されている。フォトダイオード８間は素子分離領域１５により分離されている。
【００１６】
絶縁膜２０において、素子分離領域１５上の遮光膜９の上にはフォトダイオード上の絶縁膜１０の屈折率よりも屈折率の小さい素子分離上の絶縁膜１３を形成している。この屈折率の違いにより、フォトダイオード上の絶縁膜１０と素子分離上の絶縁膜１３の境界面に入射する入射光１２のうち入射角１６が臨界角よりも大きい入射光は、その境界面で全反射する。これにより、入射光１２をフォトダイオード８へ効率よく集光させることができる。
【００１７】
この全反射起こすための条件は、フォトダイオード上の絶縁膜１０の屈折率をｎ１、素子分離上の絶縁膜１３の屈折率をｎ２とする場合に、以下の式１となる。
ｓｉｎ（入射角１６）＞ｎ２／ｎ１    （式１）
たとえば、絶縁膜１０がシリコン窒化膜（ｎ１＝２．０）で、絶縁膜１３がシリコン酸化膜（ｎ２＝１．４５）である場合には、ｓｉｎ（入射角１６）＞１．４５／２．０から（入射角１６＞約４９度）となり、全反射を起こす臨界角は約４９度であり、約４９度〜９０度の範囲内の入射角で全反射が起こることになる。
【００１８】
全反射を実現させるためにはｎ２／ｎ１が１以下（ｎ２＜ｎ１）であればよく、ｎ２／ｎ１が１より小さいほど、臨界角が小さくなり全反射する入射角の範囲が広くなる。それゆえｎ２／ｎ１は１よりも小さいほど望ましい。逆に、ｎ２／ｎ１が１に近ければ、臨界角が大きくなるため境界面と遮光膜とが接する角度１７を９０度寄りに大きくすることが望ましい。このように境界面と遮光膜とが接する角度１７は、全反射する入射角度の範囲が広くなるように、ｎ２／ｎ１の値に応じて調整することが望ましい。
【００１９】
以上説明してきたように、本実施の形態における固体撮像装置によれば、絶縁膜１０と絶縁膜１３の境界面において、絶縁膜１０への入射光１２のうち臨界角以上の入射光が全反射するので、フォトダイオード８への集光率を大幅に改善させることができる
なお、図１に示した固体撮像装置において遮光膜９を有しない構成としてもよい。図２に、遮光膜９を有しない固体撮像装置の断面を示す。同図は、図１と比較して、絶縁膜２０の代わりに、遮光膜９を有していない絶縁膜２０ａを有する点が異なっている。この構成によれば、集光率をさらに向上させることができる。すなわち、図１に示した固体撮像装置では、フォトダイオード８上の絶縁膜１０と素子分離領域１５上の絶縁膜１３の境界面でかつ遮光膜９に近い境界面では、入射光が遮光膜９に反射して反射光１８が発生してしまうのに対して、図２に示した遮光膜９で反射する反射光１８を無くすことができる。加えて、遮光膜９を省略することで、固体撮像装置を製造する工程を省略することができるため、集光率の向上に加えて、製造コストを削減も同時に実現することができる。
【００２０】
また、図２に対して、素子分離領域１５上の絶縁膜１３が半導体表面に接する絶縁膜２０ｂを有する構成としてもよい。図３に、この場合の固体撮像装置の断面を示す。この場合、フォトダイオード上の絶縁膜１０に入射した光を全反射させることにより、フォトダイオード８上の絶縁膜１０に入射した光の全ての光をフォトダイオード８へ集光することができ、集光率を最も大きくすることができる。
【００２１】
なお、全反射する入射角度の範囲を広げるには、式１のｎ２／ｎ１を小さくすればよく、素子分離領域１５上の絶縁膜１３を、例えば空気などの気体や真空に変更すればｎ２がほぼ１．０となり、ｎ２／ｎ１を小さくすることができる。これにより全反射する入射角度の範囲を広くすることができるため、集光率をさらに向上にさせることができる。
また、絶縁膜１０の上に反射防止膜を設ける構成としてもよい。というのは、光を透過する絶縁膜１０は屈折率が大きいため、絶縁膜１０とその上の空気層などとの境界面で反射が起こり、絶縁膜１０に入る光量が減少する可能性がある。これを防止するため、絶縁膜１０の上に、反射防止膜を設けることで集光率を向上させることができる。
【００２２】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における固体撮像装置における画素部断面図である。図４では、図３の構成と比較して、絶縁膜１０の上に凹レンズ１４を設けた点が異なっている。凹レンズ１４上の屈折率は凹レンズ１４の屈折率よりも小さい。凹レンズ１４に入射する入射光１２が斜め光の場合には、フォトダイオード８表面に対して垂直でない斜め光を、フォトダイオード８上の凹レンズ１４を通すことで、フォトダイオード８表面に対して垂直に近い角度に入射角を変更する。このため、斜め光をフォトダイオード８に集光させることができる。斜め光の角度は、通常、カメラに取り付けた固体撮像装置の外部のレンズによって決まるが、斜め光が半導体基板に垂直な角度に対して２０度の傾きで入射した場合に凹レンズを設けることで、斜め光の集光率を２０％向上させることができる。
【００２３】
特に図４は、図３に示した固体撮像装置とフォトダイオード上の凹レンズ１４を組み合わせた構成となっており、凹レンズ１４を通過した光が、フォトダイオード８上にあり光を透過する層と素子分離上の層との境界面への入射する時に入射角１６を大きく取ることができるため、境界面での全反射するの確立を高めることができる。これにより凹レンズを設けない場合に対して、全反射の確立を３０％向上し、集光率を更に１５％向上させることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、図３の構成に加えて凹レンズ１４を有する場合を説明したが、図１および２の何れにかに凹レンズ１４を備える構成としてもよい。
さらに、凹レンズ１４の上に反射防止膜を備える構成としてもよい。
また、上記各実施の形態において、絶縁膜１０の屈折率は、絶縁膜１３と接する境界面の全域で絶縁膜１３より一様に大きいことが望ましいが、境界面の全域で一様でなくてもよい、少なくとも一部分、例えば上部、下部、右部、左部のみで絶縁膜１３よりも大きい構成としてもよい。
【００２５】
なお、図１から図４は、フォトダイオード間にある素子分離領域上に屈折率の小さい絶縁膜がある場合を示している。この場合に限らず、例えば素子分離領域が、フォトダイオードとその周辺のトランジスタ（図外）とを分離する場合であっても同様の効果がある。つまり、フォトダイオードと、その周辺のトランジスタとを分離する素子分離領域上にある絶縁膜の屈折率が、フォトダイオード上の絶縁膜の屈折率よりも小さい時には、同様の効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、複数のフォトダイオードを有する固体撮像装置、カメラに適しており、例えば、イメージセンサー、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに備えられるカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１におえｋる固体撮像装置における画素部断面図である。
【図２】図1の構造に対して遮光膜を省略した構成を示す図である。
【図３】素子分離上の絶縁膜を半導体表面に接する構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における固体撮像装置における画素部断面図である。
【図５】従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図６】従来の画素部断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    単位画素部
２    垂直シフトレジスタ
３    水平信号線および水平シフトレジスタ
４    出力アンプ
５    駆動回路
６    Ｎ型層
７    Ｐ型層
８    フォトダイオード
９    遮光膜
１０    絶縁膜
１１    マイクロレンズ
１２    入射光
１３    絶縁膜
１４    凹レンズ
１５    分離領域
１６    入射角
１７    角度
１８    反射光
２０    絶縁膜
【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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