(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部上に、層間絶縁層とその上の高屈折率層の界面が凹面となった層内レンズが設けられ、
上記高屈折率層の屈折率が、上記層間絶縁層の屈折率よりも大きく、
基板表面と平行な面に対する上記層内レンズの曲面の最大傾斜角が、上記高屈折率層から該曲面に入射する光に対する全反射の臨界角±１０°以内の角度である
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
画素のセンサ開口の短辺方向の断面において、上記層内レンズの曲面の上記最大傾斜角が上記全反射の臨界角±１０°以内の角度であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
上記全反射の臨界角が４６°であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内部に凹レンズ構造（層内レンズ）を形成した固体撮像素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、カラー用固体撮像素子においては、素子の小型化に伴い、素子上部にマイクロレンズを形成した、いわゆるオンチップレンズ構造を採って、入射光をこのマイクロレンズで集光することによりセンサ（受光部）における感度の向上を図っている。
【０００３】
そして、上述のオンチップレンズ構造を有する固体撮像素子において、さらに表面のマイクロレンズと受光部との間に、集光する特性を持つ第２のレンズ構造即ちいわゆる層内レンズを設けているものがある。
この層内レンズの構造としては、例えば屈折率が異なる２層の境界面を凹面として、ここに凹レンズを形成する凹レンズ構造等が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の層内レンズを形成したＣＣＤ固体撮像素子においては、層内レンズの形状を感度が最大となるようにしたいが、カメラのレンズシステムの絞りの値（Ｆ値）によって、様々な入射角度の光の入射がある。
【０００５】
例えばＦ値が大きい場合には、入射光が絞られて垂直光に近い状態になる。このとき、入射光量は少なくなる。
一方、Ｆ値が小さい場合には、入射光が拡げられ斜め成分が多くなる。このとき、入射光量は多くなる。
【０００６】
しかしながら、斜め方向から層内レンズの曲面に光が入射した場合、その入射角度によっては、層内レンズの凹面で光が全反射を起こし、受光部に到達しないことがあり、これにより感度の向上が不十分になってしまうおそれがある。
【０００７】
また、同一形状のオンチップレンズに対しても、カメラのＦ値が変わることにより斜め成分の量が変化するため、感度が異なってくる。
【０００８】
このため、感度が最大となる形状を決めるための基準を求めるために、試作を繰り返して試行錯誤を行っていた。
そして、上述のような問題を回避して、充分な感度の向上を得るような層内レンズの形状については、どのような形状が最適であるか、これまでは解明されていなかった。
【０００９】
上述の問題の解決のために、本発明においては、入射角度が異なる各種光源に対して、感度を最大にすることができる固体撮像素子を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、受光部上に、層間絶縁層とその上の高屈折率層の界面が凹面となった層内レンズが設けられ、高屈折率層の屈折率が、層間絶縁層の屈折率よりも大きく、基板表面と平行な面に対する層内レンズの曲面の最大傾斜角が、高屈折率層からこの曲面に入射する光に対する全反射の臨界角±１０°以内の角度であるものである。
【００１１】
上述の本発明の構成によれば、層内レンズの曲面の最大傾斜角を全反射角±１０°以内の角度とすることにより、層内レンズの曲面の傾斜角がどの部分でも全反射角を大きく超えることがないため、入射した光が層内レンズの曲面において全反射してしまうことを防ぎ、より多くの光がこの曲面を透過するようにすることができる。また、最大傾斜角が全反射角±１０°以内の角度であるため、層内レンズによる集光が高まり、受光部へ多くの光を集光させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、受光部上に、層間絶縁層とその上の高屈折率層の界面が凹面となった層内レンズが設けられ、高屈折率層の屈折率が、層間絶縁層の屈折率よりも大きく、基板表面と平行な面に対する層内レンズの曲面の最大傾斜角が、高屈折率層からこの曲面に入射する光に対する全反射の臨界角±１０°以内の角度である固体撮像素子である。
【００１４】
また本発明は、上記固体撮像素子において、画素のセンサ開口の短辺方向の断面において、上記層内レンズの曲面の上記最大傾斜角が上記全反射角の臨界角±１０°以内の角度とする構成を採る。
また本発明は、上記固体撮像素子において、上記全反射の臨界角が４６°である構成を採る。
【００１５】
図１は本発明に係る固体撮像素子の実施の形態としてＣＣＤ型の固体撮像素子の概略構成図（１画素に対応する素子の断面図）を示す。
【００１６】
この固体撮像素子２０は、半導体基体１内にセンサ（受光部）２が形成され、この受光部２以外の半導体基体１上には、ゲート絶縁膜３を介して転送電極４が形成されている。転送電極４上には層間絶縁膜５を介して遮光膜６が形成され、この遮光膜６は転送電極４への光の入射を防止するものであり、この遮光膜６には受光部２上に開口が設けられて、受光部２に光が入射するようにしている。
また、遮光膜６を覆って、遮光膜６による段差に対応した凹凸を表面に有する例えばＢＰＳＧ（屈折率ｎ＝１．４〜１．５）等からなる層間絶縁層７が形成されている。
【００１７】
そして、層間絶縁層７上には、例えばＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）等による高屈折率層８が形成され、これら層間絶縁層７及び高屈折率層８の界面が凹面となり、高屈折率層８内にいわゆる層内レンズ１１を構成している。この凹面において、入射光が屈折もしくは反射される。
尚、受光部２上に集光させるために、層間絶縁層７の屈折率よりも、上層の高屈折率層８の屈折率の方が大きくなるように調整されている。
【００１８】
この高屈折率層８の上面は平坦化され、これの上に上層絶縁層９が形成されている。この上層絶縁層９内には、例えば図示しないがカラーフィルター等が形成されて構成される。
さらに最上部には、入射光を受光部２上に集光するためのマイクロレンズ１１が形成されている。
【００１９】
本実施の形態においては、特に、高屈折率層８により構成された層内レンズ１１の曲面の基板表面即ち半導体基体１の表面と平行な面に対する最大傾斜角θｍａｘが、後述するように、全反射の臨界角θｃ近傍の角度、例えばθｃ±１０°以内の範囲の角度となるように形成する。
【００２０】
ここで、図２に層内レンズ１１の曲面における、基板表面に垂直な方向の入射光と屈折光の関係の概略図を示す。
基板表面ＳS に平行な面に対するレンズ曲面ＳL の傾きを傾斜角θとする。
基板表面ＳS に対して垂直な方向の入射光（以下垂直入射光とする）ＬV の屈折を考える。この垂直入射光ＬV は、レンズ曲面ＳL の法線ｎに対して入射角θ１を有する。また、垂直入射光ＬV と基板表面ＳS とが垂直であるため、レンズ曲面ＳL の傾斜角θは、垂直入射光ＬV の入射角θ１と一致する（θ＝θ１）。
【００２１】
このとき、入射側の光屈折率層８からなる層内レンズ１１の屈折率ｎ１と、屈折側の層間絶縁層７の屈折率ｎ２とから、次の数１に示すスネルの法則により、屈折角θ２を容易に求めることができる。
【００２２】
【数１】
ｎ１・ｓｉｎ（θ１）＝ｎ２・ｓｉｎ（θ２）
【００２３】
ところが、垂直入射光ＬV の入射角θ１が、次の数２に示す条件に該当するときには、全反射条件となり、垂直入射光ＬV が層内レンズ１１の曲面ＳL で全て反射されてしまう。
【００２４】
【数２】
（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎ（θ１）＞１
ただしｎ１＞ｎ２
【００２５】
ここで、前述したように、実際の入射光は異なる入射角度の入射光成分の集まりとなっていて、絞りのＦ値の違いによって入射角度の範囲も異なってくる。
Ｆ値と感度との関係を考えるために、入射光の集光率について、層内レンズ１１の曲面ＳL の傾斜角θの最大値即ち最大傾斜角θｍａｘへの依存性を、３つのＦ値（Ｆ＝１．２，Ｆ＝４，Ｆ＝１１）に対して調べた。結果を図３に示す。
【００２６】
図３より、絞りが開放されたとき、即ちＦ＝１．２のときには、最大傾斜角θｍａｘの増大に伴って集光率即ち感度が向上している。
【００２７】
一方、絞りが絞られたとき、即ちＦ＝１１のときには、傾斜角θがある値までは集光率に変化が少なく傾斜角θの増加に伴い微増する傾向があるが、ある値以上では急激に集光率の減少即ち感度低下を起こしている。
これは、前述の異なる入射角度の入射光成分の集まりのうち、層内レンズ１１の曲面ＳL において全反射条件が成り立つ入射光成分が支配的になるためである。
【００２８】
また、図３より、Ｆ値が異なっていても、集光率が最大で最大の感度となる傾斜角θは、ほぼ等しくなっている。図３に、この最大の感度となる傾斜角θを最適角θＢとして示す。
【００２９】
ここで、Ｆ値が大きい場合は、入射光がほぼ垂直入射光ＬV によって代表されるため、垂直入射光ＬV に対して感度が最大となるように、層内レンズ１１の曲面ＳL の傾斜角θを設定すれば、ほぼ満足する感度が得られる。
【００３０】
尚、上層の凸形状のオンチップレンズ１０による集光状態によっても、層内レンズ１１の曲面ＳL に入射する角度θ１が様々に変化して存在するが、これは平均化するとほぼ無視できる。
実際、図３の結果は、上層のオンチップレンズ１０をある状態に設定した場合を示している。
【００３１】
以上のことからまとめると、感度を最大にするためには、垂直入射光ＬV に対して、感度が最大となるように、層内レンズ１１の曲面ＳL の傾斜角θを、例えば図３に示した最適角θＢに設定すればよく、このときＦ値が小さい場合でもＦ値が大きい場合と同様に感度がほぼ最大になる。
【００３２】
垂直入射光ＬV に対して感度が最大となる最適角θＢは、実際にはほぼ全反射の臨界角θｃ近傍の角度となる。
【００３３】
この全反射の臨界角θｃは、前述の数１でθ２＝９０°となる入射角θ１であり、即ち次の数３に示す条件を満たす角度である。そして、入射角θ１≧θｃのとき、入射光は全反射される。
【００３４】
【数３】
ｓｉｎθｃ＝ｎ２／ｎ１（ただしｎ１＞ｎ２）
【００３５】
この全反射の臨界角θｃ近傍で、最大傾斜角θｍａｘとなる範囲に層内レンズ１１の曲面ＳL の形状を構成するとよいことがわかり、このとき入射角の異なる各種入射光に対して感度が最大となる。
【００３６】
例えば、層内レンズ１１が屈折率約２．０のプラズマ窒化膜から成り、センサ側の下層の層間絶縁層７がＳｉＯ2 系の屈折率１．４５の材料から成る場合には、全反射の臨界角θｃ＝ｓｉｎ-1（１．４５／２．０）＝４６°となる。
即ち最大傾斜角θｍａｘを４６°近傍の角度とする。
【００３７】
最大傾斜角θｍａｘ＝４６°のとき、固体撮像素子の１画素に対応する素子の断面図は図４のようになる。
【００３８】
これに対して、全反射の臨界角θｃよりも傾斜角θが大きいと、例えば傾斜角θ＝６０°とした場合を図５に示すように、層内レンズ１１の曲面ＳＬのこの傾斜角θが大きい部分で垂直入射光ＬＶが全反射される。
従って、層内レンズ１１の曲面ＳＬ全体として全反射される割合が増加するため、受光部２に入射する光が減少し、固体撮像素子１の感度が低下する。
【００３９】
尚、最大傾斜角θｍａｘを小さくすると、全反射は起こりにくくなるが、図３に示すＦ＝１．２の場合に、集光率が低下するので好ましくない。
従って、最大傾斜角θｍａｘは、感度を最大にするためにも、なるべく大きくして、全反射の臨界角θｃ近傍の角度とする必要がある。
【００４０】
上述の本実施の形態によれば、各種の光源に対して、層内レンズ１１の形状を感度が最大にできるように形成することができる。
【００４１】
そして、層内レンズ１１の材料の屈折率と、その下の層間絶縁層７等の層の屈折率により、求める傾斜角θを得ることができるため、傾斜角θを決定するための試作を繰り返す必要がなくなる。
また、所望の特性の固体撮像素子２０を再現性良く製造することができる。
【００４２】
さらに、層内レンズ１１の材料が変更されても、変更した材料の屈折率から最適なレンズ曲面ＳL の傾斜角及び形状を求めることができるので、容易に最適化を図ることができる。
【００４３】
層内レンズ１１の曲面ＳL の最大傾斜角θｍａｘは、例えば次のような手順により、上述の全反射の臨界角θｃ近傍の角度に設定する。
【００４４】
まず、画素の条件、受光部２の開口幅、アスペクト比（固体撮像素子２０の全層厚と受光部２上の開口幅との比）等の条件を考慮する。
そして、下層の層間絶縁層７の材料を選択し、この層間絶縁層７の粘度特性や膜厚、及びリフロー等熱処理の温度を制御することにより、所定の最大傾斜角θｍａｘが得られるようにする。
例えば層間絶縁層７をＢＰＳＧ等のガラス材料とした場合には、ガラスの組成によって粘度特性が変化するため、所定の粘度特性が得られるように組成を変更するようにする。
【００４５】
また例えば層間絶縁層７の膜厚を薄くすると、遮光膜６の段差に応じて、層内レンズ１１の曲面ＳL の傾斜角θが大きくなる。
一方、層間絶縁層７の膜厚を厚くすると、遮光膜６の段差が埋まるようになり、層内レンズ１１の曲面ＳL の傾斜角θが小さくなる。
【００４６】
続いて、本発明による固体撮像素子の他の実施の形態について説明する。
本実施の形態の固体撮像素子は、図６Ａに平面図を示すように、センサ（受光部）２の開口１２の縦横比が１：１でなく、即ち長辺と短辺とが存在する場合、特に長辺の長さと短辺の長さに明らかな差がある場合である。
【００４７】
この場合の、受光部２の開口１２の長辺方向の断面図即ち図６ＡのＡ−Ａにおける断面図を図６Ｂに示す。
長辺方向では遮光膜６による開口１２が広いため、層内レンズ１１の下層の層間絶縁層７に用いられる材料の性質から、図６Ｂに示すように、層間絶縁層７の断面が、遮光膜６に近い部分では傾斜角が大きく垂直に近くなり、一方開口１２の中央部付近では傾斜角が小さく水平に近くなる。
即ち層間絶縁膜７の断面形状及び層内レンズ１１の曲面ＳL の形状が、鍋底形状となる。
【００４８】
このように層内レンズ１１の曲面ＳL の形状が鍋底形状となる場合には、傾斜角の範囲が水平（傾斜角０°）付近から垂直（傾斜角９０°）付近までと非常に広くなり、本発明を適用することが困難である。
しかしながら、受光部２の開口１２の長辺方向は、開口１２が広いため充分に入射光を受光することができることから、層内レンズ１１の集光率を上げる必要性が低く、本発明を適用して層内レンズ１１の曲面ＳL の最大傾斜角θｍａｘを規定するには及ばない。
【００４９】
これに対して、受光部２の開口１２の短辺方向は、遮光膜６によって形成される開口１２が狭いため、集光率を上げて入射光ＬV が狭い開口１２内に充分集光されるようにする必要が生じる。
【００５０】
従って、受光部２の開口１２の縦横比が１：１でなく、長辺と短辺とが存在する場合には、受光部２の開口１２の短辺方向に対して本発明を適用して、短辺方向の層内レンズ１１の曲面ＳL の最大傾斜角θｍａｘを、全反射の臨界角θｃ近傍の角度とする。
このように構成することにより、短辺方向の集光率を高め、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
【００５１】
本発明の固体撮像素子は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００５２】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、基板表面と平行な面に対する層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射の臨界角の近傍の角度であることにより、各種の光源に対して感度が最大となるように、層内レンズの形状を形成することができる。
【００５３】
そして、層内レンズを構成する材料の屈折率と、その下層の層間絶縁層等の屈折率とにより、求める傾斜角を得ることができるため、傾斜角を決定するための試作を繰り返す必要がなくなり、再現性も良く製造することができる。
【００５４】
また、層内レンズの材料が変更されても、屈折率から最適なレンズ曲面の傾斜角及び形状を求めることができるので、容易に最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態の概略構成図（断面図）である。
【図２】層内レンズの曲面における、基板表面に垂直な方向の入射光と屈折光の関係の概略図である。
【図３】入射光の集光率の、層内レンズの曲面の傾斜角θ依存性を、３つのＦ値に対して示す図である。
【図４】層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射の臨界角近傍である場合（４６°）を示す固体撮像素子の断面図である。
【図５】層内レンズの曲面の最大傾斜角が、全反射の臨界角より大きい場合（６０°）の垂直入射光の経路を示す固体撮像素子の断面図である。
【図６】Ａ  本発明に係る固体撮像素子の他の実施の形態の受光部の形状を示す平面図である。
Ｂ  本発明の受光部の開口の長辺方向の断面図（図６ＡのＡ−Ａによる断面図）である。
【符号の説明】
１  半導体基体、２  受光部、３  ゲート絶縁膜、４  転送電極、５  層間絶縁膜、６  遮光膜、７  層間絶縁層、８  高屈折率層、９  上層絶縁層、１０  オンチップレンズ、１１  層内レンズ、１２  受光部の開口、２０  固体撮像素子、ＬV   垂直入射光、ＬD   屈折光、ＳL   層内レンズの曲面、ＳS   基板表面、θ  傾斜角、θ１  入射角、θ２  屈折角、θＢ  最適角、θｍａｘ  最大傾斜角、θｃ  全反射の臨界角
【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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