(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部と、前記受光部上に設けられた反射防止膜と、前記反射防止膜上に設けられた複数色のカラーフィルタ層とを有する光電変換装置の設計方法において、
前記反射防止膜の膜厚を第１の膜厚から第２の膜厚へ変化させた場合に、
最も短波長の光を透過するカラーフィルタの分光特性のピーク波長における分光透過率と、最も長波長の光を透過するカラーフィルタの分光特性のピーク波長における分光透過率とが増大方向もしくは減少方向のうち同一の方向に変化するように、前記反射防止膜の膜厚範囲を設計することを特徴とする光電変換装置の設計方法。
【請求項２】
前記最も短波長の光を透過するカラーフィルタはブルーのカラーフィルタであり、前記最も長波長の光を透過するカラーフィルタはレッドのカラーフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換装置の設計方法に係わり、特に、複数の受光部と、前記受光部上に設けられた反射防止膜と、前記反射防止膜上に設けられた複数色のカラーフィルタ層とを有する光電変換装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像装置としてはＣＣＤ型光電変換素子が多く用いられているが、近年、ＣＣＤ型光電変換素子よりも低消費電力で、単一電源で動作させ、受光部と周辺回路とを同じＣＭＯＳプロセスで製造できて集積しやすいというメリットにより、ＣＭＯＳ型光電変換素子が見直され、それを製品化する動きが出てきている。
【０００３】
従来、固体撮像装置の構成としては、例えば、特許文献１に提案されたものがある。図９に、特許文献１に開示されたＭＯＳ型固体撮像装置の画素構造の例を示す。図９に示されたＭＯＳ型固体撮像装置は、信号電荷を受光部から検出部に転送し、この検出部で生じる電位変化を出力する方式を採用した固体撮像装置であり、各画素は、受光部と、転送用、増幅用、リセット用および選択用の４個のトランジスタとで構成されている。転送用トランジスタは、ｐ型シリコン基板４０内に形成されたｎ型拡散領域である受光部４３および検出部４４ａと、両領域の間のシリコン基板上に絶縁膜４１を介して形成された転送ゲート電極４２とで構成されたＭＯＳトランジスタであり、受光部４３および検出部４４ａを各々ソースおよびドレインとする。
【０００４】
受光部４３の上方に絶縁膜４１を介して反射防止膜４５ａが形成されている。これにより、この反射防止膜４５ａ（シリコン窒化膜）と絶縁膜（シリコン酸化膜）４１による干渉作用、更にはその上の層間絶縁膜をも加えた干渉作用により、シリコンとシリコン酸化膜界面における光の反射を抑制して感度を向上させることができる。４６ａは絶縁膜（シリコン酸化膜）、４４ｂは電界緩和領域、４５ｂ、４６ｂはゲート電極の側部絶縁膜（シリコン窒化膜、シリコン酸化膜）である。
【特許文献１】特開２０００−１２８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者は上記特許文献１の構成の反射防止膜上にカラーフィルタを設けた場合に、プロセス工程での膜厚ばらつき等で反射防止膜厚ばらつき、絶縁膜ばらつきが生じ、波長によって光透過率が変わり、Ｂ／Ｇ、Ｒ／Ｇの色比ずれが生ずる課題があることを見出した。
【０００６】
本発明の目的は、プロセス工程で反射防止膜と絶縁膜の膜厚がばらついても、Ｂ／Ｇ、Ｒ／Ｇの色比ずれがなくなり、色再現性のよい光電変換装置を実現する反射防止膜の設計方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、複数の受光部と、前記受光部上に設けられた反射防止膜と、前記反射防止膜上に設けられた複数色のカラーフィルタ層とを有する光電変換装置の設計方法において、
前記反射防止膜の膜厚を第１の膜厚から第２の膜厚へ変化させた場合に、
最も短波長の光を透過するカラーフィルタの分光特性のピーク波長における分光透過率と、最も長波長の光を透過するカラーフィルタの分光特性のピーク波長における分光透過率とが増大方向もしくは減少方向のうち同一の方向に変化するように、前記反射防止膜の膜厚範囲を設計することを特徴とする。
【０００８】
本発明において、反射防止膜は基板と絶縁膜との屈折率の差により生ずる基板面での反射を抑制する膜であり、絶縁膜を間に設けない場合には基板と反射防止膜との屈折率の差により生ずる基板面での反射を抑制する膜である。
【０００９】
本発明は、プロセス工程で反射防止膜と絶縁膜の膜厚がばらついても、Ｂ／Ｇ、Ｒ／Ｇの色比ずれがなくなり、色再現性のよい光電変換装置を実現するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、プロセス工程で反射防止膜と絶縁膜の膜厚がばらついても、Ｂ／Ｇ、Ｒ／Ｇの色比ずれがなくなり、色再現性のよい光電変換装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】
まず、本発明に至る経緯について説明する。絶縁膜、反射防止膜の膜厚における従来の設計方法の一例を図１０に示す。グラフの縦軸は透過率［％］、横軸は波長［μｍ］である。この図は、それぞれの波長の入射光が受光部にどのくらい透過してくるかを示している。５０１は反射防止膜なしのときの分光特性、５０２は反射防止膜の最適値設計後の分光特性を示している。
【００１３】
従来の設計方法では、中央の波長（緑近辺）の透過率（感度）が最大になる図１０の５０２の特性を示すような反射防止膜４５ａと絶縁膜４１の厚さの組み合わせを取るように設計していた。これは中央の波長（緑近辺）の感度が上げると、同時に短い波長側（青近辺）と長い波長側（赤近辺）の感度も上昇する為である。
【００１４】
本発明者は、このような設計方法で作製すると、プロセス工程でゲート酸化膜をエッチングする時のエッチングむらや、反射防止膜を堆積させた時のデポジションむらなどで、反射防止膜４５ａと絶縁膜４１の膜厚にばらつきが生じることを見出した。そして、この膜厚ばらつきにより、Ｂ／Ｇ、Ｒ／Ｇの色比ずれが大きくなりセンサの色再現性が悪くなることを見出した。
【００１５】
表１に従来の設計方法で作成したセンサの色比のばらつきを示す（Ｂ＝４５０ｎｍ、Ｇ＝５５０ｎｍ、Ｒ＝６３０ｎｍとする。）。ランダムに抜き取った１０チップの標準偏差値をσで示している。従来の手法では、Ｂ／Ｇのばらつきはσで４．２８％、Ｒ／Ｇのばらつきはσで４．８３％であった。
【００１６】
【表１】
0004412710.tif 000002
【００１７】
ばらつきが大きくなる原理を図１１に示す。点線６０１は反射防止膜の最適値設計時の分光特性、実線６０２は反射防止膜厚が薄い方向にばらついた時の分光特性、実線６０３は反射防止膜厚が厚い方向にばらついた時の分光特性である。従来の手法で反射防止膜を設計した場合、反射防止膜厚が薄いほうにばらついた時の分光曲線と反射防止膜厚が厚いほうにばらついた時の分光曲線とが交わる点６０４が５５０ｎｍ付近にある。この交点を境にブルー側とレッド側の変化方向が逆転する。このため膜厚にばらつきが生じた場合、Ｇ（５５０ｎｍ）点の透過率はあまり変化しないのに対し、Ｂ（４５０ｎｍ）点とＲ（６３０ｎｍ）点の透過率は大きく変化する。このため、色比Ｂ／Ｇ、Ｒ／Ｇの値に大きなずれが生じ、色再現性が悪くなっていた。
【００１８】
以上説明した経緯をふまえ、本発明者は、絶縁膜の膜厚と反射防止膜の膜厚を振って検討したところ、最も短波長側のカラーフィルタのピーク波長と赤外カットフィルタ透過後の最も長波長側のカラーフィルタのピーク波長において分光透過率の変化方向が同じとなるように、絶縁膜、反射防止膜の膜厚を設定できることを見出した。より具体的には、絶縁膜をシリコン酸化膜としたときの膜厚が８ｎｍ以下、反射防止膜をシリコン窒化膜としたときの膜厚が２５ｎｍ〜４０ｎｍであれば、分光透過率の変化方向が同じとなることを見出した。また、絶縁膜をシリコン酸化膜としたときの膜厚が８ｎｍ以下、反射防止膜をシリコン酸窒化膜としたときの膜厚が４０ｎｍ〜６０ｎｍであれば、分光透過率の変化方向が同じとなることも見出した。
【００１９】
図１に本実施形態の設計方法を用いた光電変換装置の構成を示す。本実施形態の設計方法を用いた光電変換装置は図９に示した特許文献１の固体撮像装置上に、層間膜（ＳｉＯ２）３０を介してＡＬ配線層３３、層間膜（ＳｉＯ２）３１を介してＡＬ配線層３４、層間膜（ＳｉＯ２）３２を介して平坦化層３５、カラーフィルタ（ＣＦ）層３６、平坦化層３７を設け、さらにマイクロレンズ３８を設けた構成となっている。ここでは、図９の固体撮像装置と同一構成部材については同一符号を付して説明を省略する。  
【００２０】
しかしながら、画素の暗電流の増加やホワイトスポットの増加などプロセス上の問題点よりも、反射光の低減を第一に考慮すべき場合には、受光部４３上には必ずしも絶縁膜４１を設けなくともよい。これは、以下に説明する実施例全てにおいて当てはまる。
【００２１】
図２は絶縁膜、反射防止膜の膜厚が本発明の実施形態の設計方法による上記範囲である、絶縁膜としてのシリコン酸化膜の膜厚が８ｎｍ、反射防止膜としてのシリコン窒化膜の膜厚が４０ｎｍの場合の分光透過率特性図である。図３は比較例１として、絶縁膜としてのシリコン酸化膜の膜厚が８ｎｍ、反射防止膜としてのシリコン窒化膜の膜厚が５０ｎｍの場合の分光透過率特性図、図４は比較例２として、絶縁膜としてのシリコン酸化膜の膜厚が１０ｎｍ、反射防止膜としてのシリコン窒化膜の膜厚が４０ｎｍの場合の分光透過率特性図である。
【００２２】
５１は反射防止膜が設計値の時の分光特性である。５２は、ばらつきで反射防止膜が１０％厚くなった場合の分光特性である。５３は、ばらつきで反射防止膜が１０％薄くなった場合の分光特性である。５４はブルーカラーフィルタの分光特性、５５はグリーンカラーフィルタの分光特性、５６は赤外カットフィルタを透過した後のレッドカラーフィルタの分光特性である。それぞれのフィルタのピーク波長は、ブルーは４５０ｎｍ、グリーンは５５０ｎｍ、レッドは６３０ｎｍである。
【００２３】
図２に示すように、絶縁膜、反射防止膜の膜厚が本発明の実施形態の上記範囲であれば、分光特性が、ブルーのピーク波長４５０ｎｍとレッドのピーク波長６３０ｎｍの間での変化方向が同じである。一方、図３及び図４に示すように、絶縁膜、反射防止膜の膜厚が本発明の実施形態の上記範囲をはずれると、分光特性が、ブルーのピーク波長４５０ｎｍとレッドのピーク波長６３０ｎｍの間での変化方向が同じにならず、ブルー側とレッド側の変化方向が逆転することが分かる。
（実施例１）
本発明の設計方法に基づき、図１の光電変換装置の絶縁膜をシリコン酸化膜で８ｎｍ形成し、反射防止膜をシリコン窒化膜で３０ｎｍ形成した後、配線層を形成し、レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタ層を形成した光電変換装置を作製した。本実施例では反射防止膜にばらつきを持たせて作製した。図５に本実施例の分光特性を示す。１０１は反射防止膜が設計値（３０ｎｍ）の時の分光特性である。１０２は、ばらつきで反射防止膜が１０％厚くなった（３３ｎｍ）場合の分光特性である。１０３は、ばらつきで反射防止膜が１０％薄くなった場合（２７ｎｍ）の分光特性である。１０４はブルーカラーフィルタの分光特性、１０５はグリーンカラーフィルタの分光特性、１０６は赤外カットフィルタを透過した後のレッドカラーフィルタの分光特性である。それぞれのフィルタのピーク波長は、ブルーは４５０ｎｍ、グリーンは５５０ｎｍ、レッドは６３０ｎｍである。
【００２４】
このような条件で作製した光電変換装置の分光特性は図５のようになり、反射防止膜が１０％厚くなった場合の分光特性（１０２）と１０％薄くなった場合の分光特性（１０３）が、ブルーのピーク波長４５０ｎｍとレッドのピーク波長６３０ｎｍの間での変化方向が同じであることが特徴である。これは、反射防止膜の膜厚が２５ｎｍ〜４０ｎｍであれば、特にこの傾向が顕著である。これは、シリコン酸化膜を反射防止膜の下に設けない場合も同様の傾向を示した。
【００２５】
表２に実施例１の設計方法に基づいて作成したセンサの色比のばらつきを示す。（Ｂ＝４５０ｎｍ、Ｇ＝５５０ｎｍ、Ｒ＝６３０ｎｍとする。）１０チップをランダムに抜き取り、それぞれのチップのＢ／Ｇ、Ｒ／Ｇの値を測定した。１０チップの標準偏差値σをＲ／Ｇ、Ｂ／Ｇそれぞれに対し求めている。実施例１の設計方法に基づいて場合では、Ｂ／Ｇのばらつきはσで０．９９％、Ｒ／Ｇのばらつきはσで０．９４％であった。
【００２６】
【表２】
0004412710.tif 000003
【００２７】
実施例１の設計方法によればブルーのピーク波長とレッドのピーク波長の間で分光透過率の変化の方向が同じである為、従来の設計方法（表１）に比べて色比ばらつきはσで３％以上改善した。このため、従来の手法より色再現性のよい光電変換装置が実現した。
【００２８】
（実施例２）
本発明の設計方法に基づき、図１の光電変換装置の絶縁膜をシリコン酸化膜で８ｎｍ形成し、反射防止膜をシリコン窒化膜で３０ｎｍ形成した後、配線層を形成し、レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタ層を形成した光電変換装置を作製した。本実施例では絶縁膜にばらつきを持たせて作製した。図６に本実施例の分光特性を示す。２０１は絶縁膜が設計値の時（８ｎｍ）の分光特性である。２０２は、ばらつきで絶縁膜が１０％厚くなった場合の分光特性である。２０３は、ばらつきで絶縁膜が１０％薄くなった場合の分光特性である。２０４はブルーカラーフィルタの分光特性、２０５はグリーンカラーフィルタの分光特性、２０６は赤外カットフィルタ透過後のレッドカラーフィルタの分光特性である。それぞれのフィルタのピーク波長は、ブルーは４５０ｎｍ、グリーンは５５０ｎｍ、レッドは６３０ｎｍである。
【００２９】
このような条件で作製した光電変換装置の分光特性は図６のようになる。絶縁膜がばらついてもブルーのピーク波長４５０ｎｍとレッドのピーク波長６３０ｎｍの間での変化方向が同じであることが特徴である。これは、絶縁膜の膜厚が６ｎｍ〜８ｎｍであれば、特にこの傾向が顕著であるが、シリコン酸化膜を反射防止膜の下に設けない場合も同様の傾向を示した。
【００３０】
表３に実施例２の設計方法に基づいて作成したセンサの色比のばらつきを示す。（Ｂ＝４５０ｎｍ、Ｇ＝５５０ｎｍ、Ｒ＝６３０ｎｍとする。）１０チップをランダムに抜き取り、それぞれのチップのＢ／Ｇ、Ｒ／Ｇの値を測定した。１０チップの標準偏差値σをＲ／Ｇ、Ｂ／Ｇそれぞれに対し求めている。実施例２の設計方法では、Ｂ／Ｇのばらつきはσで０．５７％、Ｒ／Ｇのばらつきはσで０．６７％であった。
【００３１】
【表３】
0004412710.tif 000004
【００３２】
実施例２の設計方法では、ブルーのピーク波長とレッドのピーク波長の間で分光透過率の変化の方向が同じである為、従来の設計方法（表１）より色比ばらつきはσで３．５％以上改善した。このため、従来の設計方法より色再現性のよい光電変換装置が実現した。
【００３３】
（実施例３）
本発明の設計方法に基づき、図１の光電変換装置の絶縁膜をシリコン酸化膜（ｎ＝１．６６）で８ｎｍ形成し、反射防止膜をシリコン酸窒化膜で５０ｎｍ形成した後、配線層を形成し、レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタ層を形成した光電変換装置を作製した。本実施例では反射防止膜、絶縁膜にばらつきを持たせて作製した。図７に本実施例の分光特性を示す。３０１は反射防止膜が設計値の時の分光特性である。３０２は、ばらつきで反射防止膜、絶縁膜がそれぞれ１０％厚くなった場合の分光特性である。３０３は、ばらつきで反射防止膜、絶縁膜がそれぞれ１０％薄くなった場合の分光特性である。３０４はブルーカラーフィルタの分光特性、３０５はグリーンカラーフィルタの分光特性、３０６はレッドカラーフィルタの分光特性である。それぞれのフィルタのピーク波長は、ブルーは４５０ｎｍ、グリーンは５５０ｎｍ、レッドは６３０ｎｍである。
【００３４】
このような条件で作製した光電変換装置の分光特性は図７のようになり、反射防止膜、絶縁膜が１０％厚くなった場合の分光特性（３０２）と１０％薄くなった場合の分光特性（３０３）が、ブルーのピーク波長４５０ｎｍとレッドのピーク波長６３０ｎｍの間での変化方向が同じであることが特徴である。これは、絶縁膜が６ｎｍ〜８ｎｍ、反射防止膜が４０ｎｍ〜６０ｎｍであれば特にこの傾向が顕著であるが、シリコン酸化膜を反射防止膜の下に設けない場合も同様であった。
【００３５】
表４に実施例３の設計方法に基づいて作成したセンサの色比のばらつきを示す。（Ｂ＝４５０ｎｍ、Ｇ＝５５０ｎｍ、Ｒ＝６３０ｎｍとする。）１０チップをランダムに抜き取り、それぞれのチップのＢ／Ｇ、Ｒ／Ｇの値を測定した。１０チップの標準偏差値σをＲ／Ｇ、Ｂ／Ｇそれぞれに対し求めている。実施例３の設計方法では、Ｂ／Ｇのばらつきはσで１．６０％、Ｒ／Ｇのばらつきはσで１．４２％であった。
【００３６】
【表４】
0004412710.tif 000005
【００３７】
実施例３の設計方法では、ブルーのピーク波長とレッドのピーク波長の間で分光透過率の変化の方向が同じである為、従来の設計方法（表１）より色比ばらつきはσで３．５％以上改善した。このため、従来の設計方法より色再現性のよい光電変換装置が実現した。
【００３８】
次に上記光電変換装置を用いた撮像システムについて説明する。図８に基づいて、本発明の設計方法による固体撮像素子をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。
【００３９】
図８は、本発明の設計方法による固体撮像素子を「スチルビデオカメラ」に適用した場合を示すブロック図である。
【００４０】
図８において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞り、４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、６は固体撮像素子４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、８は固体撮像素子４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００４１】
次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。
【００４２】
バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００４３】
それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部９は絞り３を開放にし、固体撮像素子４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号処理部７に入力される。
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部９で行う。
【００４４】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部９は絞りを制御する。
【００４５】
次に、固体撮像素子４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００４６】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００４７】
露光が終了すると、固体撮像素子４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御・演算部９によりメモリ部に書き込まれる。
【００４８】
その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、ビデオカメラ、スチルカメラ等のカラーフィルタを載せた撮像装置（光電変換装置）を用いる装置の設計に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態の設計方法による光電変換装置の構成を示す図である。
【図２】絶縁膜としてのシリコン酸化膜の膜厚が８ｎｍ、反射防止膜としてのシリコン窒化膜の膜厚が４０ｎｍの場合の分光透過率特性図である。
【図３】比較例１としての、絶縁膜としてのシリコン酸化膜の膜厚が８ｎｍ、反射防止膜としてのシリコン窒化膜の膜厚が５０ｎｍの場合の分光透過率特性図である。
【図４】比較例２としての、絶縁膜としてのシリコン酸化膜の膜厚が１０ｎｍ、反射防止膜としてのシリコン窒化膜の膜厚が４０ｎｍの場合の分光透過率特性図である。
【図５】本発明の第１の実施例に関わる設計方法を示した図である。
【図６】本発明の第２の実施例に関わる設計方法を示した図である。
【図７】本発明の第３の実施例に関わる設計方法を示した図である。
【図８】本発明の設計方法による固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。
【図９】従来例の固体撮像装置を示した模式的断面図である。
【図１０】従来の反射防止膜の設計方法の一例を示した図である。
【図１１】従来例において色比ばらつきが大きくなる原理を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
３０  層間膜（ＳｉＯ２）
３３  ＡＬ配線層
３１  層間膜（ＳｉＯ２）
３４  ＡＬ配線層
３２、層間膜（ＳｉＯ２）
３５  平坦化層
３６  カラーフィルタ（ＣＦ）層
３７  平坦化層
３８  マイクロレンズ
４０  ｐ型シリコン基板
４３  受光部
４４ａ  検出部
４１  絶縁膜
４２  転送ゲート電極
４５ａ  反射防止膜
４６ａ  絶縁膜
４４ｂ  電界緩和領域
４５ｂ、４６ｂ  ゲート電極の側部絶縁膜
【図１】
0004412710.tif 000006
【図２】
0004412710.tif 000007
【図３】
0004412710.tif 000008
【図４】
0004412710.tif 000009
【図５】
0004412710.tif 000010
【図６】
0004412710.tif 000011
【図７】
0004412710.tif 000012
【図８】
0004412710.tif 000013
【図９】
0004412710.tif 000014
【図１０】
0004412710.tif 000015
【図１１】
0004412710.tif 000016