(57)【要約】【課題】受光部への集光効率を高めるとともに、スミアの発生を防止する。【解決手段】固体撮像素子１０は、複数のフォトダイオード１１及び垂直転送路１３が形成された半導体基板１５と、絶縁膜１６を介して垂直転送路１３の上に形成された転送電極１７と、この転送電極を遮光し、フォトダイオード１１に合わせた位置に開口１８が形成された遮光膜２０と、開口１８の内部に形成された集光レンズ２２と、開口１８及び遮光膜２０の上を覆い、その上面が平坦化された平坦化層２３と、カラーフィルタ２４とマイクロレンズ２５とを有する。マイクロレンズ２５から入射した光は、集光レンズ２２によって集光され、フォトダイオード１１で受光される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部及びこの受光部で受光された電荷を転送する電荷転送部が形成された半導体基板と、前記電荷転送部の上面を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、この遮光層及び前記受光部の上方を覆い、その上面が平坦化された平坦化層と、この平坦化層の上方に位置し、前記開口を通して前記受光部へ光を入射させるマイクロレンズとを備えた固体撮像素子において、
前記開口の内部に、周囲の屈折率よりも大きい屈折率を有する集光構造を有することを特徴とする固定撮像素子。
【請求項２】
前記集光構造は、前記受光部の上面に接し、その上面が上方へ凸となる平凸レンズ形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記集光構造は、前記開口の中央に位置する部分の屈折率が高く、前記開口の周縁付近に位置する部分の屈折率がそれよりも低くなっていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記集光構造は、前記開口の中央に位置する部分の厚み寸法をＤ、前記集光構造の屈折率をｎ、集光構造に入射する光の波長をλ、整数をＮとすると、Ｄ＝（λ／ｎ）｛１／４＋Ｎ／２｝の関係となることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤなどの固体撮像素子を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像素子では、マトリクス状に配列された各受光素子（フォトダイオード）への集光効率を高めるために、各受光素子の上方にマイクロレンズが設けられている。
【０００３】
図５には従来の一般的なＣＣＤの断面構造を示す。この図７に示すＣＣＤ１００は、フォトダイオード１０１が形成された半導体基板１０２と、この半導体基板１０２上のフォトダイオード１０１を除く部分に絶縁膜１０３を介して形成された転送電極１０４と、この転送電極１０４上を覆って遮光するとともに、フォトダイオード１０１に合わせた位置に開口１０６が形成された遮光膜１０５と、この遮光膜１０５及びフォトダイオード１０１を覆い、その上面が平坦化されるように形成された平坦化層１０７と、さらにこの平坦化層１０７の上面に位置するカラーフイルタ１０８と、このカラーフイルタ１０８の上方に位置するマイクロレンズ１０９とを備えている。このような構成のＣＣＤ１００では、マイクロレンズ１０９から入射した光をフォトダイオード１０１が受光して受光量に応じた電荷を生成し、転送電極１０４がフォトダイオード１０１に蓄積された信号電荷を転送する。マイクロレンズ１０９は、カラーフイルタ１０８の上面に透明材料層を形成し、この透明材料層をドライエッジング技術によって凸レンズ状に形成している。
【０００４】
上述のＣＣＤ１００では、マイクロレンズ１０９により集光してフォトダイオード１０１に受光させるようにしているが、現状のドライエッジング技術では、マイクロレンズ１０９の形状にバラつきがあるため、フォトダイオード１０１への集光効率にもバラつきが出てしまう。特に、最近では、固体撮像素子の高画素化及び小型化に伴なって各受光素子１個当たりの面積が年々減少の傾向にあるため、より集光効率を高めて精度良く受光素子に受光させなければならなくなっている。そこで、特許文献１では、受光素子の直上に集光レンズを設けており、また特許文献２では、カラーフイルタ側から受光素子に向かって光を導く導波構造を設けている。これらのような構造を設けることによって、マイクロレンズの形状にバラつきがあっても集光効率を高めて受光素子へ集光させるようにしている。
【特許文献１】特開２００１−１１６９７２号公報
【特許文献２】特開２００３−３０２５６３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、上記特許文献１及び２記載のような構造の固体撮像素子では、受光素子への集光効率が不十分であり、このような固体撮像素子で撮影を行うと、画像の縦方向に光の筋のようなものが現れるノイズ現象の一種、いわゆるスミアが発生してしまうことになる。すなわち、マイクロレンズから入射した光は、本来遮光膜の開口を通って受光素子へ向かうはずであるが、上述したように集光効率が不十分だと、光がその周囲へ向かってしまい、転送電極へ光が進入してしまうことがある。このようにして光が進入すると、転送電極が転送する電荷信号に影響を及ぼし、スミアを引き起こす原因となる。
【０００６】
また、上記特許文献１では、マイクロレンズ側から受光素子へと延びる井戸型の導波構造を形成しなければならず、受光素子１個当たりの面積が減少している最近の傾向を考慮すると、このような導波構造を形成することは非常に困難であり、ボイドなどの欠陥が発生しやすいため、精度良く受光素子へ集光させることはできない。さらにまた、上記特許文献２では、受光素子の直上に形成した集光レンズの屈折率が、その集光レンズの周囲に位置する平坦化膜の屈折率よりも小さくなるように形成している。よって、平坦化膜から集光レンズへ向かって入射する光が拡散しやすくなり、むしろ集光効率を下げる場合も考えられる。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、半導体基板に形成された受光部への集光効率を高め、且つ転送電極への光の進入を防いでスミアの発生を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、複数の受光部及びこの受光部で受光された電荷を転送する電荷転送部が形成された半導体基板と、前記電荷転送部の上面を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、この遮光層及び前記受光部の上方を覆い、その上面が平坦化された平坦化層と、この平坦化層の上方に位置し、前記開口を通して前記受光部へ光を入射させるマイクロレンズとを備えた固体撮像素子において、前記開口の内部に、周囲の屈折率よりも大きい屈折率を有する集光構造を有することを特徴とする。
【０００９】
なお、前記集光構造は、前記受光部の上面に接し、その上面が上方へ凸となる平凸レンズ形状に形成されていることが好ましい。また、前記集光構造は、前記開口の中央に位置する部分の屈折率が高く、前記開口の周縁付近に位置する部分の屈折率がそれよりも低くなっていることが好ましい。さらにまた、前記集光構造は、前記開口の中央に位置する部分の厚み寸法をＤ、前記集光構造の屈折率をｎ、集光構造に入射する光の波長をλ、整数をＮとすると、Ｄ＝（λ／ｎ）｛１／４＋Ｎ／２｝の関係となることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の固体撮像素子では、受光部の位置に合わせて形成された遮光膜の開口の内部に、周囲の屈折率よりも大きい屈折率を有する集光構造を有しているので、受光部への集光効率が向上し、転送電極への光の進入を防いでスミアの発生を防ぐことができる。
【００１１】
また、集光構造が受光部の上面に接し、その上面が上方へ凸となる平凸レンズ形状に形成されていることや、集光構造が開口の中央に位置する部分の屈折率が高く、開口の周縁付近に位置する部分の屈折率がそれよりも低くなっていること、あるいは、開口の中央に位置する部分の集光構造の厚み寸法をＤ、集光構造の屈折率をｎ、集光構造に入射する光の波長をλ、整数をＮとすると、Ｄ＝（λ／ｎ）｛１／４＋Ｎ／２｝の関係となるように集光構造を形成することによって、集光効率をさら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】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を適用したＣＣＤの構造について説明する。図１は、平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線（水平転送方向Ｈと平行）における断面図である。なお、図１においては、遮光膜など一部の上面構造を省略している。ＣＣＤ１０は、撮影領域において、２次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード（受光部）１１を有し、このフォトダイオード１１の各列、すなわち垂直転送方向Ｖに沿って垂直転送路１３が設けられて構成されている。
【００１３】
このＣＣＤ１０の断面構造は、図２に示すように、フォトダイオード１１と、このフォトダイオード１１を除く部分に垂直転送路１３を構成する電荷転送部１４が形成された半導体基板１５を備えており、電荷転送部１４の上には、絶縁膜１６を介して転送電極１７が形成される。これら電荷転送部１４及び転送電極１７が垂直転送路１３を構成し、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極１７はドライエッチング法などによって例えば第１ポリシリコンから形成されている。また、絶縁膜１６は、例えば熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってＳｉＯ２から形成される。
【００１４】
さらに、半導体基板１５の上部には、スパッタリング法により例えばアルミニウムなどの金属で形成され、転送電極１７を覆って遮光するとともに、フォトダイオード１１に合わせた位置に形成された開口１８を有する遮光膜２０と、この遮光膜２０の開口１８の内部に位置する集光レンズ（集光構造）２２と、遮光膜２０及び集光レンズ２２の上方を覆い、その上面が平坦化されるように形成された平坦化層２３と、さらにこの平坦化層２３の上面に位置するカラーフイルタ２４と、このカラーフイルタ２４の上方に位置するマイクロレンズ２５とが設けられている。平坦化層２３は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス）などからなる。また、カラーフイルタ２４は、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。
【００１５】
本実施形態においては、集光レンズ２２は、詳しくは図３に示すように、底面側がフォトダイオード１１に接する平面で、上面側が上方に凸となる曲面の平凸レンズ状に形成されている。この集光レンズ２２は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン）で形成されており、このＳｉＮの屈折率ｎ２（１．９〜２．０）は、集光レンズ２２の周囲に位置する平坦化層２３を形成するＢＰＳＧの屈折率ｎ１（１．４〜１．５）よりも大きくなっている。よって、平坦化層２３から集光レンズ２２へ入射する光の入射角をＡ、この集光レンズ２２へ入射した光の屈折角をＢとすると、屈折の法則（スネルの法則）より、ｎ１・ｓｉｎＡ＝ｎ２・ｓｉｎＢ（ｎ１＜ｎ２）‥（１）の関係が成り立つ。この式（１）の関係により、入射角Ａ＞屈折角Ｂとなるから、平坦化層２３から集光レンズ２２へ入射した光が集光されてフォトダイオード１１に受光される。なお、集光レンズ２２を形成するものとしてはＳｉＮに限らず、その屈折率が、集光レンズ２２の周囲に位置する部分の屈折率よりも大きいものであればよい。
【００１６】
また、集光レンズ２２の厚み方向のうち最も厚い部分、すなわち中心付近の厚み寸法をＤとし、所定の光線の波長をλ、任意の整数をＮとすると、（λ／ｎ１）｛１／４＋Ｎ／２｝＝Ｄ‥（２）の関係が成り立つように形成する。そしてこの式（２）を満たすように集光レンズ２２を形成すると、集光レンズ２２内に入射して底面で反射した光と、集光レンズ２２の上面で反射した光との光路差のずれ（２（ｎ１Ｄ））が、半波長と波長の整数倍とを足したもの（１／２λ＋Ｎλ）と等しくなり、２つの光が互いの波長λの振幅によって打ち消しあうので、集光レンズ２２及び平坦化層２３の境界線での反射を抑えることができる。そして、この波長λを持つ光線の反射を防止することができるので、フォトダイオード１１への集光効率を高めることができる。なお、この反射防止を行う波長λの光線の種類としては、反射防止を最優先したい光線の種類に合わせればよく、例えば、カラーフイルタ２４が３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）のうちのいずれかの色に設定されている場合、そのカラーフィルタ２４の色に対応した波長λとすればよい。あるいは、カラーフィルタ２４との対応に関係なく、全ての集光レンズ２２の厚み寸法Ｄを同じにしたいときには、可視光領域の中心となる波長λにしたり、Ｒ，Ｇ，Ｂのうち、最も波長の長いＧ光の波長λに合わせるようにすればよい。
【００１７】
以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、開口１８の内部、すなわちフォトダイオード１１の直上に集光レンズ２２を形成し、且つこの集光レンズ２２の屈折率ｎ２が、その周囲に位置する平坦化層２３の屈折率ｎ１よりも大きくなっているので、マイクロレンズ２５及びカラーフイルタ２４を通って平坦化層２３へ入射してきた光は集光レンズ２２によって高い効率で集光されてフォトダイオード１１に受光される。なお、もし集光レンズ２２の屈折率ｎ１が平坦化層２３の屈折率ｎ２よりも大きい（ｎ１＞ｎ２）場合は、図４に示すように集光レンズ２２に入射した光の屈折角Ｂが入射角Ａよりも大きくなるので、集光効率が悪くなり、フォトダイオード１１の周囲に位置する転送電極１７へ進入してスミアを引き起こすことになるが本実施形態ではそのようなことがない。
【００１８】
なお、上記実施形態においては、フォトダイオード１１へ集光する集光構造として平凸形状の集光レンズ２２を形成しているが、本発明はこれに限るものではなく、図４及び図５に示すような構造にしてもよい。なお、図４及び図５においては、上記実施形態と同様の部材等を用いているものについては同符号を付して説明を省略する。
【００１９】
図４に示すＣＣＤ５０では、開口１８の内部でフォトダイオード１１の上方に矩形断面のブロック状に形成された集光構造５１が配されている。この集光構造５１は、上記実施形態の集光レンズ２２と同様に、周囲の平坦化層２３よりも屈折率の高いもの、例えばＳｉＮから形成されている。よって上記実施形態と同様に、平坦化層２３から入射された光を集光してフォトダイオード１１に受光させる。また、集光構造５１は、開口１８よりも小さい外周に形成されており、開口１８に対して隙間が形成されている。これによって、集光構造５１の側面５１ａからも光が入射してフォトダイオード１１へ集光させることができる。なお、このＣＣＤ５０の集光構造５１も、上記実施形態と同様に上記式（２）の関係を満たす厚み寸法に形成されており、波長λの光が反射しないように形成されている。
【００２０】
また、図５に示すＣＣＤ６０では、開口１８の内部でフォトダイオード１１の上方に、その上面６１ａが凹となる曲面で、底面６１ｂが平面となっている平凹レンズ状の集光構造６１が形成されている。この集光構造６１も周囲の平坦化層２３より屈折率の高いものから形成されているので、上記実施形態と同様に、平坦化層２３から入射された光を集光してフォトダイオード１１に受光させる。また、集光構造６１は、開口１８よりも小さい外周に形成されており、開口１８に対して隙間が形成されている。これによって、集光構造６１の側面６１ｃからも光が入射してフォトダイオード１１へ集光させることができる。なお、このＣＣＤ６０の集光構造６１も上記実施形態と同様に上記式（２）の関係を満たす厚み寸法に形成されており、波長λの光が反射しないように形成されている。
【００２１】
さらにまた、図４に示すＣＣＤの構造の変形例を図６に示す。図６においては、集光構造５１と遮光膜２０との隙間に反射防止膜５４を形成している。なお、この反射防止膜５４は、上記式（２）の関係を満たす厚み寸法に形成されており、波長λの光が反射しないように形成されている。これによって、集光構造５１の側面５１ａで反射した光が僅かにあったとしても反射防止膜５２を通ってフォトダイオード１１へと向かうので、転送電極１７に光が進入することを防ぎ、集光効率を高めることができる。なお、図５のような集光構造６１をもつＣＣＤにおいても、集光構造６１と遮光膜２０との隙間に図６と同様の反射防止膜５２を形成すれば同様の効果を得ることができる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、集光構造を全て均一な屈折率で形成するように構成しているが、本発明はこれに限るものではなく、集光構造は、遮光膜２０に形成された開口１８の中央に位置する部分の屈折率が高く、開口１８の周縁付近に位置する部分の屈折率がそれよりも低くなるように、屈折率に差をつけて形成するようにしてもよい。これによって、上記実施形態よりもさらに光が中央へ向かって集光されるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の固体撮像素子は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態を実施した固体撮像素子の一例を示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線における要部断面図である。
【図３】集光構造付近を拡大した要部断面図ある。
【図４】集光構造を直方体形状とした変形例を示す要部断面図である。
【図５】集光構造を平凹レンズ形状とした変形例を示す要部断面図である。
【図６】集光構造に反射防止膜を付加した変形例を示す要部断面図である。
【図７】従来の固体撮像素子の構造を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０，５０，６０，１００  ＣＣＤ（固体撮像素子）
１１，１０１  フォトダイオード（受光部）
１５，１０２  半導体基板
１７，１０４  転送電極
２０，１０５  遮光膜
２２，５１，６１  集光構造
２３，１０７  平坦化層
２５，１０９  マイクロレンズ
【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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