(57)【要約】【課題】集光効率を向上させることができる半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１に設けられた光電変換部３０を備える半導体素子であって、光電変換部３０上に透光性材料からなる光導波路部材８０が設けられ、光導波路部材８０が、凸面を有する集光レンズ部８１と、集光レンズ部８１に上端部が隣接し、下端部が光電変換部３０の上方に位置するように柱状に形成された光導波路部８２とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられた光電変換部を備える半導体素子であって、
前記光電変換部上に透光性材料からなる光導波路部材が設けられ、前記光導波路部材が、凸面を有する集光レンズ部と、前記集光レンズ部に上端部が隣接し、下端部が前記光電変換部の上方に位置するように柱状に形成された光導波路部とを有することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記光導波路部が円柱状に形成され、前記集光レンズ部の中心が前記光導波路部と同軸上に位置し、該集光レンズの径が前記光導波路部の径より大きな径で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
半導体基板に設けられた光電変換部を備え、前記光電変換部上に透光性材料からなる光導波路部材が設けられ、前記光導波路部材が、凸面を有する集光レンズ部と、柱状に形成され、前記集光レンズ部に上端部が隣接し、下端部が前記光電変換部の上方に位置する光導波路部と有する半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板上に透明の絶縁層を形成し、前記光電変換部の上方に前記絶縁層よりも屈折率の高い前記光導波路部を形成し、その後、レンズ材料層を積層し、前記集光レンズ部の形状に対応したレジスト層を塗布した状態で前記レンズ材料層を露光し、前記光導波路部の上端部に前記集光レンズ部を設けることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関し、特に、光電変換部に集光する効率を向上させる構成を有する半導体素子及び半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、例えば、固体撮像素子のように、半導体基板に光電変換部と、光電変換部で発生した電荷を転送する電荷転送部とを備え、撮像領域の表面には入射光を光電変換部に集光するためのオンチップ型のマイクロレンズが形成された構成のものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０７４３３号公報
【特許文献２】特開２００２−３１９６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、マイクロレンズによる集光をより確実に光電変換部に案内するため、光電変換部上に上凸又は下凸形状を有するレンズ部が設けられた層内レンズを備えた構成や、または、光電変換部上に柱状の透光性材料からなる光導波路を設けた構成が提案されている。光導波路を備えた固体撮像素子では、マイクロレンズで集光した光を光導波路の上端面に受光させる際に、光が上端面に受光されず、光導波路によって光電変換部に案内することができなくなることで、集光効率の向上できない点で更なる改善の余地があった。層内レンズを備えた構成の固体撮像素子では、マイクロレンズに受光した光を層内レンズのレンズ部を介して光電変換部へ集光する際に、光の入射角度に依存しやすく、受光した光のうち光電変換部に集光されずに遮光膜などによって遮られてしまうことで、集光効率を向上できない点で改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、集光効率を向上させることができる半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記目的は、半導体基板に設けられた光電変換部を備える半導体素子であって、前記光電変換部上に透光性材料からなる光導波路部材が設けられ、前記光導波路部材が、凸面を有する集光レンズ部と、前記集光レンズ部に上端部が隣接し、下端部が前記光電変換部の上方に位置するように柱状に形成された光導波路部とを有することを特徴とする半導体素子によって達成される。
【０００７】
また、本発明の上記目的は、半導体基板に設けられた光電変換部を備え、前記光電変換部上に透光性材料からなる光導波路部材が設けられ、前記光導波路部材が、凸面を有する集光レンズ部と、柱状に形成され、前記集光レンズ部に上端部が隣接し、下端部が前記光電変換部の上方に位置する光導波路部と有する半導体素子の製造方法であって、前記半導体基板上に透明の絶縁層を形成し、前記光電変換部の上方に前記絶縁層よりも屈折率の高い前記光導波路部を形成し、その後、レンズ材料層を積層し、前記集光レンズ部の形状に対応したレジストパターンを、例えばフォトリソグラフィーにより形成し、エッチバック等により前記光導波路部の上端部に前記集光レンズ部を設けることを特徴とする半導体素子の製造方法によって達成される。
【０００８】
本発明の半導体素子は、集光レンズ部が凸面に受光した光を集光させるレンズとして機能し、集光された光を集光レンズ部と光電変換部との間に設けられた光導波路部によって案内する構成である。この構成によれば、入射した光を集光レンズ部の凸面に受光させ、集光レンズ部によって下方に隣接して設けられた光導波路部の上端部に集光させることができ、また、光導波路部の内部を通過させて下端部から光電変換部へ案内することができる。集光レンズ部は凸面を有しているため、従来の光導波路部材の上端面のような平坦面に比べて光を受光させやすいうえ、集光レンズ部によって集光させた光が光導波路部を介して光電変換部に導かれる構成である。このため、光電変換部以外の部位によって光が遮られることがなく集光効率を向上させることができる。また、光導波路部を光の伝搬径路としていることから、集光レンズ部に受光しなかった光が他の部位に反射して光電変換部に入射してしまうことを防止することで、光電変換部の受光量を均一にすることができる。
【０００９】
上記光導波路部が円柱状に形成され、集光レンズ部の中心が光導波路部と同軸上に位置し、該集光レンズの径が光導波路部の径より大きな径で形成されていることが好ましい。こうすれば、集光レンズ部の寸法が光導波路部の断面寸法に限定されず、目的とする光感度に応じて決定することができる。また、集光レンズ部の中心を光の垂直入射方向とすることで、入射光の正負角度で左右対称な感度及び集光効率が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、集光効率を向上させることができる半導体素子及び半導体素子の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる半導体素子の一実施形態を説明するための平面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面模式図である。なお、本実施形態では、半導体素子の一例として固体撮像素子を例に説明するが、本発明にかかる半導体素子は固体撮像素子に限定されず、例えばＣＭＯＳ型のイメージセンサなどでもよい。
【００１２】
図１，２に示す固体撮像素子１０は、ｎ型のシリコン基板１表面部に光電変換部であるフォトダイオード３０が多数形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図１のＹ方向）に転送するための電荷転送部４０が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。
【００１３】
電荷転送部４０は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された電荷転送電極３（第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域３４とを含む。電荷転送電極３は、行方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向（図１のＸ方向）に延在する蛇行形状となっている。
【００１４】
図２に示すように、シリコン基板１の表面部にはｐウェル層９が形成され、ｐウェル層９の表面部にはｐ領域３０ａが形成され、ｐ領域３０ａの下にはｎ領域３０ｂが形成され、ｐ領域３０ａとｎ領域３０ｂがフォトダイオード３０を構成し、フォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。
【００１５】
ｐ領域３０ａの右側に、間隔をおいてｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成される。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層９には電荷読み出し領域３４が形成される。
【００１６】
シリコン基板１表面にはゲート絶縁膜２が形成され、電荷読み出し領域３４と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート絶縁膜２を介して、第１の電極３ａと第２の電極３ｂが形成される。第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間は電極間絶縁膜５によって絶縁される。垂直転送チャネル３３の右側にはｐ＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離が図られる。
【００１７】
電荷転送電極３の上には酸化シリコン膜６が形成され、更にその上に中間層７０が形成される。中間層７０のうち、７１は遮光膜、７２はＢＰＳＧ（borophospho  silicate  glass）からなる絶縁膜、７４は透明樹脂膜からなる平坦化層である。遮光膜７１は、フォトダイオード３０の開口部分を除いて設けられる。中間層７０上方には、カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０が設けられる。カラーフィルタ５０とマイクロレンズ６０との間は、絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化層６１が充填される。
【００１８】
本実施形態の固体撮像素子１０は、フォトダイオード３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力される構成である。
【００１９】
本実施形態の固体撮像素子１０は、フォトダイオード３０の上方に、透光性材料からなる光導波路部材８０が設けられている。光導波路部材８０は、絶縁膜７２上に設けられ、上方のマイクロレンズ６０が設けられている側に凸面を有する集光レンズ部８１と、この集光レンズ部８１の下面に上端部が隣接し、下端部がフォトダイオード３０の上方に位置するように形成された柱状の光導波路部８２とを有している。
【００２０】
本実施形態は、光導波路部８２が円柱状に形成され、集光レンズ部８１が、上方から見た状態（マイクロレンズ側から見た状態）で略正円形でその中心に向かって厚くなる、上凸型のレンズとして機能する。また、集光レンズ部８１の径が光導波路部８２の径より大きく形成されている。
【００２１】
半導体素子１０は、集光レンズ部８１が凸面に受光した光を集光させるレンズとして機能し、集光された光を集光レンズ部８１とフォトダイオード３０との間に設けられた光導波路部８２によって案内する構成である。この構成によれば、入射した光を集光レンズ部８１の凸面に受光させ、集光レンズ部８１によって下方に隣接して設けられた光導波路部８２の上端部に集光させることができ、また、光導波路部８２の内部を通過させて下端部からフォトダイオード３０へ案内することができる。集光レンズ部８１は凸面を有しているため、従来の光導波路部材の上端面のような平坦面に比べて光を受光させやすいうえ、集光レンズ部８１によって集光させた光が光導波路部８２を介してフォトダイオード３０に導かれる構成である。このため、他の部位によって光が遮られることがなく集光効率を向上させることができる。また、光導波路部８２を光の伝搬径路としていることから、集光レンズ部８１に受光しなかった光が他の部位に反射してフォトダイオード３０に入射してしまうことを防止することができる。
【００２２】
次に、上記実施形態の固体撮像素子の製造工程のうち、光導波路部材を形成する工程について図３から図６を参照して詳細に説明する。光導波路部材を形成する工程以外の工程は従来の固体撮像素子と同様であり、説明を省略する。
【００２３】
図３に示すように、半導体基板１上に、ゲート絶縁膜２、電荷転送電極３、酸化シリコン膜６を形成し、また、遮光膜７１、絶縁膜７２をＣＶＤ法によって成膜する。絶縁膜７２における光電変換部上の部位に円形の開口７２ａをフォトリソグラフィ及びドライエッチングによって形成する。そして、絶縁膜７２とその開口７２ａを覆うように、光導波路部８２を構成する材料を含む透光性材料層Ｌ１をＣＶＤ法やスピンコート法などによって形成する。
【００２４】
透光性材料層Ｌ１を形成した後、図４に示すように、下方の絶縁膜７２の上面までエッチバックにより平坦化処理を施して透光性材料層Ｌ１の表面を除去する。すると、開口７２ａに充填された透光性材料層Ｌ１が残ったままの状態となり、光導波路部８２を形成する。
【００２５】
光導波路部８２を形成した後、図５に示すように、絶縁膜７２及び光導波路部８２の上にＣＶＤ法によって、集光レンズ部８１を構成する材料を含む透光性材料層Ｌ２を形成する。ここで、集光レンズ部８１と光導波路部８２とを同じ材料で構成する場合には、透光性材料層Ｌ１及びＬ２をそれぞれ同じ材料を用いて形成すればよい。また、透光性材料層Ｌ２の表面における、光導波路部８２の上に対応する位置に、集光レンズ部８１の形状に応じたレンズ転写用レジストＲを形成する。
【００２６】
図６に示すように、透光性材料層Ｌ２をレンズ転写用レジストＲをマスクとして、エッチバックを行うことで、光導波路部８２の上端部に集光レンズ部８１を形成することができる。このとき、光導波路部８２の上端部が集光レンズ部８１の下面に隣接し、また、光導波路部８２の下端部が光電変換部の上方に位置している。
【００２７】
図６に示すように、光導波路部８０が円柱状に形成され、集光レンズ部８１の中心が光導波路部８２と同軸上に位置し、該集光レンズ８１の径Ｄ１が光導波路部８２の径Ｄ２より大きな径で形成されている構成とすれば、集光レンズ部８１の寸法が光導波路部８２の断面寸法に限定されず、目的とする光感度に応じて決定することができる。また、集光レンズ部８１の中心を光の垂直入射方向とすることで、入射光の正負角度で左右対称な感度及び集光効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる半導体素子の一実施形態を説明するための平面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面模式図である。
【図３】本発明にかかる半導体素子の製造工程を説明する断面図である。
【図４】本発明にかかる半導体素子の製造工程を説明する断面図である。
【図５】本発明にかかる半導体素子の製造工程を説明する断面図である。
【図６】本発明にかかる半導体素子の製造工程を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      半導体基板
１０    半導体素子
３０    フォトダイオード（光電変換部）
８０    光導波路部材
８１    集光レンズ部
８２    光導波路部
【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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