(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】半導体基板の表面に二次元状に配列した複数のフォトダイオードと、フォトダイオード同士を分離する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層１３と、光を透過する層１３の周囲にあり光を透過する周辺層１０をと有し、前記光を透過する層１３の屈折率が周辺層１０の少なくとも一部の屈折率よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に二次元状に配列した複数のフォトダイオードと、フォトダイオード同士を分離する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、第１の層の周囲にあり光を透過する第２の層とを有し、
前記第１の層の屈折率が第２の層の屈折率よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
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３】
前記固体撮像装置はさらにマイクロレンズを有し、
前記第１の層の外径がマイクロレンズの外径よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記固体撮像装置はさらにマイクロレンズを有し、
前記第１の層がマイクロレンズの上面にまで貫通していることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の層と半導体基板との間に、前記第１の層の屈折率より屈折率の高い第３の層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６】
前記第１の層がフォトダイオード上面に接し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７】
前記光を透過する層が気体または真空で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８】
前記第１の層は気体又は真空で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９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置を用いたカメラ。
【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。
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。
【０００３】
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、層間絶縁膜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】
【０００４】
図６に示した従来の固体撮像装置によれば、空気層１４を通して入射した光は、フォトダイオード８上のマイクロレンズ１１で光が集光され、フォトダイオード８に入射することとなる。しかしながら、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、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に入射することができるが、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。
【０００５】
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】
【０００６】
上記目的を達成するために、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、フォトダイオードの上に光を透過する第１の層があり、前記第１の層の屈折率が第１の層の周辺にある第２の層の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
この構成によれば、フォトダイオード上にある第１の層の屈折率を、その周辺にある第２の層の屈折率よりも小さくいので、第２の層に入射した斜め光が、第１の層に入ったときのフォトダイオード表面に対する角度が、入射した斜め光のフォトダイオード表面に対する角度よりも垂直に近づけることができる。これによりフォトダイオード上に入射する光の集光率を向上することができる。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。
【０００７】
また、第１の層とフォトダイオードのある半導体基板との間に、第１の層よりも屈折率の大きい第３の層を設けることで、第１の層から出てフォトダイオードに入射する光を更にフォトダイオード中心に向けて集光することができるため、感度の大幅な向上を図ることができる。
また、第１の層の上にマイクロレンズを設けることで、集光率を上げることができるため、さらなる感度の向上を図ることができる。
【０００８】
また、第１の層の屈折率はその周辺の第２の層に比べて小さいため、第１の層を最上層まで貫通するように構成してもよい。この構成によれば、最上層の上にある気体と第１の層の屈折率の差を小さくすることができるため、最上層の上にある気体と第１の層の境界面での反射を低減できるため、さらに光をフォトダイオードに集めることができ、高感度を実現することができる。この場合に第１の層を最上層の上にある気体と同じにすることで、最上層の上にある気体と第１の層の境界面での反射を完全になくすことができ、最も高感度が実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明してきたとおり、第２の層から第１の層に入射した斜め光が、第１の層に入ったときのフォトダイオード表面に対する角度が、入射した斜め光のフォトダイオード表面に対する角度よりも垂直に近づけることができる。これによりフォトダイオード上に入射する光の集光率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係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。同図のように固体層つ増装置は、フォトダイオード８の中心部上に光を透過する層１３、その周辺に隣接する周辺層１０、およびマイクロレンズ１１が形成され、素子分離領域１５上には遮光膜９が形成されている。周辺層１０とマイクロレンズ１１が同一の屈折率の材料の場合を示している。また、マイクロレンズ１１の外径は光を透過する層１３の外径よりも大きいので、マイクロレンズ１１に入射した光は集光された後に周辺層１０を通過して光を透過する層１３に入射する。
【００１１】
周辺層１０と光を透過する層１３の境界面に入射する光の入射角１６を小さく取ることで、周辺層１０と光を透過する層１３の境界面で全反射を防止し、光を透過する層１３に入射した光がフォトダイオード８の半導体基板に対して、周辺層１０へ入った時に比べて垂直に近づきフォトダイオード８へ集光することができる。
この場合に、全反射起こさない条件は、光を透過する層１３の屈折率をｎ１、周辺層１０の屈折率をｎ２とする場合に、以下の式１となる。ただし、式１中の入射角は、図７に示すように、光を透過する層１３と周辺層１０と間の境界面の法線と、入射光とがなす角度である。
ｓｉｎ（入射角）＜ｎ１／ｎ２    （式１）
この関係を実現することで、全反射起こさないでフォトダイオードへの集光率を大幅に改善することができる。
【００１２】
なお、図１に示した固体撮像装置において光を透過する層１３と半導体基板とが接しないよう構成してもよい。図２は、その固体撮像装置の構成を示す断面図である。この場合、光を透過する層１３を出た光は、屈折率が光を透過する層１３より高い周辺層１０に再度入射するため、光を透過する層１３より高い周辺層１０の境界面で再度集光できるため、集光率をさらに向上することができる。
【００１３】
また、図１に示した固体撮像装置において光を透過する層１３が画素の最上層（マイクロレンズ１１の上面）まで達する構成としてもよい。図３は、光を透過する層が画素の最上層まで達する固体撮像装置の構成を示す断面図である。この場合、最上層のマイクロレンズ１１の先端領域まで光を透過する層１３を形成している。このため、最上層のマイクロレンズ１１上の空気層１４と、マイクロレンズ１１の上面部分にまで貫通した光を透過する層１３との屈折率差を小さくすることができ、マイクロレンズの先端領域へ入射する光が、最上層の上の空気層１４と光を透過する層１３との境界面で反射光１７を極力小さくすることができる。これにより更に集光率を大きくすることができる。
【００１４】
また、図１に示した固体撮像装置において光を透過する層１３を空気層又は真空層としてもよい。図４は、光を透過する層１３を空気層として場合の固体撮像装置の構成を示す断面図である。この場合、光を透過する層１３としてマイクロレンズ上の空気層１４を利用することでマイクロレンズの先端領域での反射を完全に無くすことができるため、最も集光率を向上することができる。
【００１５】
以上説明してきたとおり、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、フォトダイオードの上に光を透過する層１３があり、前記光を透過する層１３の屈折率が前記光を透過する層１３の周辺にある周辺層１０の屈折率よりも小さくした構成にすることで、周辺層１３から光を透過する層１３に入射した斜め光が、光を透過する層１３に入ったときのフォトダイオード８表面に対する角度が、入射した斜め光のフォトダイオード８表面に対する角度よりも垂直に近づけることができる。これによりフォトダイオード８上に入射する光の集光率を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
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】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図２】光を透過する層と半導体基板とが接しない固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図３】光を透過する層が画素の最上層まで達する固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図４】光を透過する層を空気層とした固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図５】従来の固体撮像装置の一例である。
【図６】従来の画素部断面図である。
【図７】入射角の説明図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  単位画素
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  周辺の駆動回路
６  Ｎ型層
７  Ｐ型層
８  フォトダイオード
９  遮光膜
１０  周辺層
１１  マイクロレンズ
１２  入射光
１３  屈折率が光を透過する
１４  空気層
１５  素子分離領域
１６  入射角
１７  反射光
【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】
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