(57)【要約】  【課題】受光部の開口率を小さくする際の、有効波長帯の長波長側における感度低下と分光特性の変化を抑制することが可能な構成を有する光センサーを提供する。  【解決手段】入射光を光電変換する受光部４および受光部に蓄積された電荷を読み出す信号読み出し部５が形成された半導体基板３と、受光部の上に形成され開口部２を有する遮光膜１と、開口部を埋めて形成された透光性の絶縁膜９とを備える。遮光膜の開口部の最小幅Ｗ、絶縁膜における遮光膜の開口部の最上部から受光部に至る領域を埋めた部分の平均屈折率ｎ、および受光部の有感波長帯の最大波長λmaxが、２・ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように設定されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換する受光部および前記受光部に蓄積された電荷を読み出す信号読み出し部が形成された半導体基板と、前記受光部の上に形成され開口部を有する遮光膜と、前記開口部を埋めて形成された透光性の絶縁膜とを備えた光センサーにおいて、
前記遮光膜の開口部の最小幅Ｗ、前記絶縁膜における前記遮光膜の開口部の最上部から前記受光部に至る領域を埋めた部分の平均屈折率ｎ、および前記受光部の有感波長帯の最大波長λmaxが、２・ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように設定されていることを特徴とする光センサー。
【請求項２】
ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように設定されている請求項１に記載の光センサー。
【請求項３】
ｎ・Ｗ／２≧λmaxなる関係を満足するように設定されている請求項２に記載の光センサー。
【請求項４】
前記開口部の上方にカラーフィルタをさらに備え、
前記最大波長λmaxは、前記カラーフィルタの分光特性の長波長側のカットオフ波長である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光センサー。
【請求項５】
前記半導体基板に前記受光部が複数個配置され、複数の前記受光部のそれぞれの上に前記開口部を有し、各前記開口部の上方に、互いに分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタのうちのいずれかが設けられ、
前記最大波長λmaxは、前記複数種類のカラーフィルタのうち長波長側のカットオフ波長が最も長いカラーフィルタの長波長側のカットオフ波長である請求項４に記載の光センサー。
【請求項６】
前記半導体基板に前記受光部が複数個配置され、複数の前記受光部のそれぞれの上に前記開口部を有し、各前記開口部の上方に、互いに分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタのうちのいずれかが設けられ、
前記カラーフィルタの種類に応じて前記開口部の最小幅Ｗは異なっており、各前記開口部の最小幅Ｗと当該開口部に対応するカラーフィルタの分光特性の長波長側のカットオフ波長が、それぞれ前記関係式を満足する請求項４記載の光センサー。
【請求項７】
前記絶縁膜の平均屈折率ｎは１.５０以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光センサー。
【請求項８】
前記絶縁膜は、シリコン酸窒化膜またはシリコン酸窒化膜を含む多層の絶縁膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光センサー。
【請求項９】
前記絶縁膜は、炭化シリコン膜または炭化シリコン膜を含む多層の絶縁膜である請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の光センサー。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の光センサーを備えた固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置等に用いられる光センサーの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光領域に有効感度を有するインターライン型ＣＣＤ（Charge Coupled Device）固体撮像装置を例として、従来の光センサーの構造について説明する。図３は、従来の固体撮像装置の画素構造を示すものであり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は断面図である。
【０００３】
インターライン型ＣＣＤ固体撮像装置では、格子状に配列された各画素には、受光部として機能するフォトダイオード４と、信号読み出し部である電荷転送路５が設けられている。フォトダイオード４と電荷転送路５の表面には第１の絶縁膜６が形成され、電荷転送路５の上部にはゲート電極７が形成されている。ゲート電極７は第２の絶縁膜８で被覆されている。
【０００４】
電荷転送路５に直接光が入射すると、それによって発生した光電子はスミアとよばれる画像劣化を引き起こすので、これを防ぐため、電荷転送路５上には、第１および第２の絶縁膜６、８を介して、遮光膜１が形成されている。
【０００５】
一方、フォトダイオード４には光を入射させる必要があるため、フォトダイオード４上の遮光膜１には、エッチングなどにより開口２が設けられている。また、フォトダイオード４上における、遮光膜１の開口２によって囲まれている領域は、シリコン酸化膜など屈折率１.５０未満の第４の絶縁膜１０によって埋め込まれている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２５２４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の固体撮像素子における一辺が３ミクロン前後の画素では、受光部２の開口率が２０％以下と小さく、入射光の利用効率が低くなってきている。更に画素を縮小するには、遮光膜１の開口幅Ｗは、最小で０.５μｍ以下の幅にする必要がある。この場合、開口幅が可視光領域の最大波長である約８００ｎｍよりも小さいため、遮光膜１により可視光線の長波長成分がカットオフされるという問題が生じてくる。
【０００７】
ＭＯＳ型の増幅型固体撮像装置などのように、ＣＣＤ電荷転送部や遮光膜をもたない構造においても同様で、画素の上の信号線の配線ピッチが有効波長に近づくと、信号線が位相格子の作用をするため同様の問題が発生する。
【０００８】
本発明は、受光部の開口率を小さくする際の、有効波長帯の長波長側における感度低下と分光特性の変化を抑制することが可能な構成を有する光センサー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】
【０００９】
上記の課題を解決するため本発明の光センサーは、入射光を光電変換する受光部および前記受光部に蓄積された電荷を読み出す信号読み出し部が形成された半導体基板と、前記受光部の上に形成され開口部を有する遮光膜と、前記開口部を埋めて形成された透光性の絶縁膜とを備え、前記遮光膜の開口部の最小幅Ｗ、前記絶縁膜における前記遮光膜の開口部の最上部から前記受光部に至る領域を埋めた部分の平均屈折率ｎ、および前記受光部の有感波長帯の最大波長λmaxが、２・ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光センサーによれば、遮光膜開口部の最小寸法Ｗと、受光部上の開口部を埋めた絶縁膜の平均屈折率ｎと、有感（有効）波長帯の最大波長λmaxが、２・ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足することにより、有効波長帯の長波長側における感度低下と分光特性の変化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の光センサーにおいて、好ましくは、ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように設定される。さらに好ましくは、ｎ・Ｗ／２≧λmaxなる関係を満足するように設定される。
【００１２】
また、上記構成の光センサーにおいて、前記開口部の上方にカラーフィルタをさらに備え、前記最大波長λmaxは、前記カラーフィルタの分光特性の長波長側のカットオフ波長である構成とすることができる。
【００１３】
この構成において、前記半導体基板に前記受光部が複数個配置され、複数の前記受光部のそれぞれの上に前記開口部を有し、各前記開口部の上方に、互いに分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタのうちのいずれかが設けられ、前記最大波長λmaxは、前記複数種類のカラーフィルタのうち長波長側のカットオフ波長が最も長いカラーフィルタの長波長側のカットオフ波長である構成とすることができる。
【００１４】
あるいは、前記半導体基板に前記受光部が複数個配置され、複数の前記受光部のそれぞれの上に前記開口部を有し、各前記開口部の上方に、互いに分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタのうちのいずれかが設けられ、前記カラーフィルタの種類に応じて前記開口部の最小幅Ｗは異なっており、各前記開口部の最小幅Ｗと当該開口部に対応するカラーフィルタの分光特性の長波長側のカットオフ波長は、前記関係式を満足する構成とすることができる。
【００１５】
前記絶縁膜の平均屈折率ｎは１.５０以上とすることができる。前記絶縁膜は、シリコン酸窒化膜またはシリコン酸窒化膜を含む多層の絶縁膜とすることができる。あるいは、前記絶縁膜は、炭化シリコン膜または炭化シリコン膜を含む多層の絶縁膜とすることができる。
【００１６】
上記のいずれかの構成の光センサーを備えた固体撮像装置を構成することができる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態における光センサーおよびそれを用いた固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の画素構造を示し、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は断面図である。基本的な構造は図３に示した従来例と同様であり、同一の要素については、同一の参照番号を付して説明する。本実施の形態における図３の従来例と相違する点は、図３における第４の絶縁膜１０に代えて、下層の第３の絶縁膜９とその上層の第４の絶縁膜１０の積層膜が形成されていることである。
【００１９】
この固体撮像装置の画素は、半導体基板３に形成された、受光部として機能するフォトダイオード４と、信号読み出し部として機能する電荷転送路５により構成される。電荷転送路５上には、第１の絶縁膜６を介してゲート電極７が形成されてＣＣＤ電荷転送部を形成している。ゲート電極７上には、第２の絶縁膜８を介して遮光膜１が形成されている。遮光膜１における、フォトダイオード４の上部に位置する領域には、開口２が形成されている。フォトダイオード４上で遮光膜１の開口２に囲まれた領域は、屈折率ｎを有する第３の絶縁膜９で埋められている。さらにその上部は、第４の絶縁膜１０により被覆されている。
【００２０】
図１において、Ｗは遮光膜１の開口２の最小幅を示す。同様にＶは、遮光膜１の開口２の最大幅を示す。図２は、遮光膜１の光の透過率の波長依存性を示す。
【００２１】
図２に示すように、一般に、開口２の最小幅Ｗで定在波を生じる波長λ０＝２・ｎ・Ｗ以上の光に対して、透過率は急激に低下する。従って、２・ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように各パラメータを設定すれば、フォトダイオード４の有効波長帯の長波長側における感度低下を防ぐことができる。
【００２２】
λ１＝ｎ・Ｗにおいては、透過率の低下がより減少する。従ってｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように各パラメータを設定すれば、長波長側における感度低下を更に改善することができる。
【００２３】
但しλ１＝ｎ・Ｗにおいても、透過率は１０％程度低下する。官能的に周波数特性（分光特性）の変化がないと感じるのは、λ２≦ｎ・Ｗ／２である。従って好ましくは、ｎ・Ｗ／２≧λmaxなる関係を満足するように各パラメータを設定する。
【実施例１】
【００２４】
固体撮像装置の有効波長帯の最大波長λmaxに対して、２・ｎ・Ｗ≧λmaxなる関係を満足するように開口２の最小幅Ｗと第３の絶縁膜９の屈折率ｎとが設定された例を以下に示す。
【００２５】
可視光波長帯を有効波長帯とする光学装置の場合にはλmax＝約８００ｎｍであるから、例えば、λmax＝２・ｎ・Ｗを満たす第３の絶縁膜９の材料と屈折率ｎおよび開口２の最小幅Ｗの組み合わせは、表１のようになる。ここで、一般的に、最大波長λmaxは、開口２の上方に配置されたカラーフィルタの分光特性の長波長側のカットオフ波長から求められる。
【００２６】
【表１】
2005303081.tif 000003
【００２７】
従来例においては、第３の絶縁膜９を用いることなく、第４の絶縁膜１０のみがシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）で形成されていた。従って、組み合わせ例１で示したように開口２の最小幅Ｗを２７５ｎｍ未満にすると、長波長帯での透過率が低下し、急激な感度低下が発生する。ただし、実際には開口２の最大幅Ｖが十分大きければ一定の偏光成分は透過率の低下が少ないため、全体としての透過率低下は緩和される。
【００２８】
本実施例の固体撮像装置では、組み合わせ例２から例６に示したように、第３の絶縁膜９に従来よりも屈折率の高い材料を用いることにより、有効波長帯の感度低下を最小限に押さえて開口２の最小幅Ｗを微細化できる。
【実施例２】
【００２９】
実施例１の、λmax＝２・ｎ・Ｗを満たす第３の絶縁膜９の材料と屈折率ｎおよび開口２の最小幅Ｗの組み合わせでも、有効波長帯の最大波長λでは数１０％の感度低下がある。これに対して、さらにλmax＝ｎ・Ｗを満たすよう設定することにより、可視光波長帯を有効波長帯とする固体撮像装置を設計することが望ましい。
【００３０】
λmax＝ｎ・Ｗを満たす、第３の絶縁膜９の材料と屈折率ｎおよび開口２の最小幅Ｗの組み合わせ例を表２に示す。
【００３１】
【表２】
2005303081.tif 000004
【００３２】
従来、第３の絶縁膜９は第４の絶縁膜１０と区別なくシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）で形成されていたので、組み合わせ例７で示したように開口２の最小幅Ｗを５５１ｎｍ未満にすると、長波長帯の透過率低下による１０％程度の感度低下が発生する。ただし、実際には開口２の最大幅Ｖが十分大きければ一定の偏光成分については透過率の低下が少ないため、全体としての透過率低下は緩和される。
【００３３】
本実施例の固体撮像装置では、組み合わせ例８以下に示したように、第３の絶縁膜９に従来よりも屈折率の高い材料を用いることにより、光学装置の有効波長帯を変化させることなく開口２の最小幅Ｗを微細化できる。
【実施例３】
【００３４】
実施例２の、λmax＝ｎ・Ｗを満たす第３の絶縁膜９の材料と屈折率ｎおよび開口２の最小幅Ｗの組み合わせでも、有効波長帯の最大波長λでは１０％程度の感度低下が避けられない。これに対して、λmax＝ｎ・Ｗ／２を満たす組み合わせにより、可視光波長帯を有効波長帯とする固体撮像装置を設計することにより、官能的にも分光特性の変化がないようにすることが可能である。
【００３５】
λmax＝ｎ・Ｗ／２を満たす第３の絶縁膜９の材料と屈折率ｎおよび開口２の最小幅Ｗの組み合わせ例を表３に示す。
【００３６】
【表３】
2005303081.tif 000005
【００３７】
従来の固体撮像装置では第３の絶縁膜９は第４の絶縁膜１０と区別なくシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）で形成されていたので、組み合わせ例１３で示したように、開口２の最小幅Ｗを１１００ｎｍ未満にすると長波長帯の透過率低下による感度低下が発生する。
【００３８】
これに対して、組み合わせ例１４以下に示したように、第３の絶縁膜９に従来よりも屈折率の高い材料を用いることにより固体撮像装置の有効波長帯を変化させることなく開口２の最小幅Ｗを微細化できる。
【００３９】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、固体撮像装置の有効波長帯の最大波長λmaxに対して開口２の最小幅Ｗと第３の絶縁膜９の屈折率ｎとが、適切に設定されることにより、最大波長λmaxにおける感度低下を防ぐことができる。
【００４０】
特に、上記各実施例の組み合わせ例２〜例６、例８〜例１２、例１４〜例１８に示したように、第３の絶縁膜９に従来よりも屈折率の高い材料を用いることにより上記関係式を満足ざせるようにした場合には、固体撮像装置の有効波長帯を変化させることなく開口２の最小幅Ｗを微細化できるので、ひいては画素の微細化と光学装置の小型化、高解像度化が可能になる。
【００４１】
なお、本実施の形態では、第３の絶縁膜９が遮光膜１上には設けられない例を示したが、第３の絶縁膜９を遮光膜１上に形成しても問題はない。また、第３の絶縁膜９を単層構造として記載したが、平均屈折率ｎを有する多層膜構造としてもよい。
【００４２】
本発明は、ＣＣＤ型の固体撮像装置に限らず、ＭＯＳ型固体撮像装置など、増幅型固体撮像装置にも同様に適用して、同様の効果を得ることが可能である。また、一部のＭＯＳ型固体撮像装置のように、ＣＣＤ電荷転送部や遮光膜をもたない構造でも、画素の上部に形成される信号線の配線ピッチ及び配線間の絶縁膜に関して、本実施の形態における遮光膜１の最小幅Ｗ及び第３の絶縁膜９と対応させて調整することにより、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４３】
また、各開口部の上方に、例えば原色（赤、緑、青）あるいは補色（ イエロー、シアン、マゼンタ、グリーン）等の互いに分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタを備えた場合、最大波長λmaxは、複数色のカラーフィルタのうち長波長側のカットオフ波長が最も長いカラーフィルタ（例えば、赤あるいはマゼンタ）の、長波長側のカットオフ波長によって決定されることが好ましい。この場合には、全ての開口部の最小幅Ｗを等しく設定でできる。
【００４４】
また、各開口部の上方に、例えば原色あるいは補色等の互いに分光特性の異なる複数種類のカラーフィルタを備えた場合に、最大波長λmaxを、各色毎にカラーフィルタの長波長側のカットオフ波長によって決定し、カラーフィルタの色毎に開口部の最小幅Ｗが最適設定され、互いに異なっている構成とすることもできる。
【００４５】
カラーフィルタは、染色フィルタ、顔料フィルタ、あるいは誘電体フィルタ等、所望の分光特性を有するものであれば、他の構成であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、光センサーの有効波長帯の長波長側における感度低下と分光特性の変化を防ぐことができ、ＣＣＤ型あるいはＭＯＳ型の固体撮像装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における固体撮像装置の画素構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
【図２】実施例１における遮光膜による光の透過率の波長依存性を示す図
【図３】従来の固体撮像装置の画素構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  遮光膜
２  開口
３  半導体基板
４  フォトダイオード
５  電荷転送路
６  第１の絶縁膜
７  ゲート電極
８  第２の絶縁膜
９  第３の絶縁膜
１０  第４の絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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