(57)【要約】【課題】光の回折等や微細化によって光電変換手段に光が入りにくくなり、観測精度が低下することを防止する。【解決手段】本発明の一態様に係る固体撮像装置１は、基板２に形成されている第１の光電変換手段３Ｒと第２の光電変換手段３Ｇと第３の光電変換手段３Ｂとを含む光電変換部と、第１の光電変換手段３Ｒの光入射側に備えられており入射光から第１の特定波長光を分離する第１のフィルタ層１０Ｒと、第２の光電変換手段３Ｇの光入射側に備えられており入射光から第２の特定波長光を分離する第２のフィルタ層１０Ｇと、第３の光電変換手段３Ｂの光入射側に備えられており入射光から第３の特定波長光を分離する第３のフィルタ層１０Ｂとを含むフィルタ層と、光電変換部とフィルタ層との間に備えられており、フィルタ層側から光電変換部側に向かう第１の特定波長光、第２の特定波長光、第３の特定波長光の波長を短波長化する波長変換層１２とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成されている第１の光電変換手段と第２の光電変換手段と第３の光電変換手段とを含む光電変換部と、
前記第１の光電変換手段の光入射側に備えられており入射光から第１の特定波長光を分離する第１のフィルタ層と、前記第２の光電変換手段の光入射側に備えられており入射光から第２の特定波長光を分離する第２のフィルタ層と、前記第３の光電変換手段の光入射側に備えられており入射光から第３の特定波長光を分離する第３のフィルタ層とを含むフィルタ層と、
前記光電変換部と前記フィルタ層との間に備えられており、前記フィルタ層側から前記光電変換部側に向かう前記第１の特定波長光、前記第２の特定波長光、前記第３の特定波長光の波長を短波長化する波長変換層と
を具備する固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記波長変換層は、一面状に形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１記載の固体撮像装置において、
前記波長変換層は、前記第１の光電変換手段、前記第２の光電変換手段、前記第３の光電変換手段の光入射側に、選択的に形成される
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
前記第１のフィルタ層は、赤色フィルタであり、
前記第２のフィルタ層は、緑色フィルタであり、
前記第３のフィルタ層は、青色フィルタであり、
前記波長変換層は、第２高調波発生層である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１項に記載の固体撮像装置において、
前記第１のフィルタ層は、シアンフィルタであり、
前記第２のフィルタ層は、マゼンタフィルタであり、
前記第３のフィルタ層は、イエローフィルタであり、
前記波長変換層は、第２高調波発生層である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の固体撮像装置（ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサ）においては、素子の微細化が進み、画素の大きさ（一辺の長さ）が数ｕｍ程度の大きさまで微細化されている。
【０００３】
固体撮像装置の光電変換部（例えば、フォトダイオード：ＰＤ）は、通常、Ｎ型半導体層である。ＰＤの大きさは、１ｕｍ程度の場合がある。つまり、光電変換部の大きさは可視光の波長程度に近づいている。
【０００４】
特許文献１（特開２００４−２０７２８５号公報）の光電変換装置は、青色（Ｂ）のフィルター膜１３０Ｂを透過してくるおよそ３２５ｎｍから４７５ｎｍまでの波長範囲のいわゆる青色波長付近の光がフォトダイオード部１１４内での光電変換で劣化し易いことから、この青色の波長域の光を、それよりも長い緑色の波長域（およそ４７５ｎｍから６２５ｎｍまでの波長範囲）にシフトさせる機能を有している波長変換膜１４０を持つ（特許文献１の［００２３］段落）。さらに、赤色フィルター膜１３０Ｂを透過してくるおよそ６２５ｎｍから７７５ｎｍまでの波長範囲のいわゆる赤色波長付近の光を、それよりも短い緑色の波長域（およそ４７５ｎｍから６２５ｎｍまでの波長範囲）にシフトさせるようにし、光電変換特性の向上を図ることが記載されている（特許文献１の［００２８］段落）。
【０００５】
微細化されている固体撮像装置においては、光電変換部に集光される光が配線端あるいは屈折率の異なる物質端において回折し、適切な光電変換部に光が充分に入らない場合や、隣の光電変換部に回折した光が漏れ込む場合がある。また、回折光が隣の光電変換部の下部でキャリアを発生させ、このキャリアがこの隣の光電変換部に入る場合もある。
【０００６】
また、光電変換部が光の波長程度まで微細化されることにより光電変換部に光が充分に照射されないことも考えられる。
【０００７】
上記のような、光の回折により光電変換部に光が入りにくくなること、回折光により生じたキャリアが隣の光電変換部に入ること、微細化によって光電変換部に光が入りにくくなることは、光電変換部による観測結果の精度低下の原因になる。
【特許文献１】特開２００４−２０７２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、光の回折により光電変換部に光が入りにくくなること等によって光電変換部の観測精度が低下することを防止する固体撮像装置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】
本発明の第１の態様は、基板に形成されている第１の光電変換手段と第２の光電変換手段と第３の光電変換手段とを含む光電変換部と、第１の光電変換手段の光入射側に備えられており入射光から第１の特定波長光を分離する第１のフィルタ層と、第２の光電変換手段の光入射側に備えられており入射光から第２の特定波長光を分離する第２のフィルタ層と、第３の光電変換手段の光入射側に備えられており入射光から第３の特定波長光を分離する第３のフィルタ層とを含むフィルタ層と、光電変換部とフィルタ層との間に備えられており、フィルタ層側から光電変換部側に向かう第１の特定波長光、第２の特定波長光、第３の特定波長光の波長を短波長化する波長変換層とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、光の回折により光電変換部に光が入りにくくなることによって光電変換部の観測精度が低下することを防止できる。
【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、図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態においては、固体撮像装置がＣＭＯＳ型イメージセンサの場合を例として説明する。しかしながら、固体撮像装置がＣＣＤ型の撮像装置の場合であっても同様に適用可能である。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図である。
【００１４】
固体撮像装置１は、例えばＰ型Ｓｉ基板などのような半導体基板２において、光源から発せられた光が入射してくる側（光入射側）に、Ｐ（リン）をイオン注入（例えば、２５０ＫＶ、Ｄｏｓｅ量１．２Ｅ１２ｃｍ２）することによって形成された複数の光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを具備し、さらに、半導体基板１の光入射側に、形成されたトランジスタのゲート４Ｇ、ソース４Ｓ、ドレイン４Ｄなどを具備する。
【００１５】
複数の光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、赤色観測用の光電変換部３Ｒ、緑色観測用の光電変換部３Ｇ、青色観測用の光電変換部３Ｂを含む。図１においては、赤色観測用の光電変換部３Ｒ、緑色観測用の光電変換部３Ｇのみを図示しており、青色観測用の光電変換部３Ｂについては省略している。以下の図においても同様である。
【００１６】
固体撮像装置１は、半導体基板２の光入射側に、堆積された層間膜５〜７を具備する。層間膜５〜７中には、金属配線８等が設けられている。
【００１７】
固体撮像装置１は、層間膜５〜７の光入射側に、波長変換層１２を備えている。波長変換層１２は、透過する光の波長を短波長化する。本実施の形態においては、一例として、第２高調波発生層を波長変換層１２として用いるとする。
【００１８】
固体撮像装置１は、波長変換層１２の光入射側に、パッシベーション膜９を具備する。
【００１９】
光学的要件からパッシベーション膜９には、屈折率及び膜厚を調整したＳｉＮ膜を堆積し、下地基板までが形成される。パッシベーション膜９のＳｉＮ膜の光入射側に、赤色フィルタ１０Ｒ、緑色フィルタ１０Ｇ，青色フィルタ１０Ｂを含むカラーフィルタ層１０が形成され、赤色フィルタ１０Ｒ、緑色フィルタ１０Ｇ，青色フィルタ１０Ｂの光入射側にそれぞれマイクロレンズ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが形成される。図１においては、赤色フィルタ１０Ｒ、緑色フィルタ１０Ｇ、及びマイクロレンズ１１Ｒ，１１Ｇのみを図示しており、青色フィルタ１０Ｂ及びマイクロレンズ１１Ｂについては省略している。
【００２０】
赤色フィルタ１０Ｒは、赤色観測用の光電変換部３Ｒの光入射側に、選択的に形成されている。緑色フィルタ１０Ｇは、緑色観測用の光電変換部３Ｇの光入射側に、選択的に形成されている。青色フィルタ１０Ｂは、青色観測用の光電変換部３Ｂの光入射側に、選択的に形成されている。
【００２１】
マイクロレンズ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、それぞれ赤色フィルタ１０Ｒ、緑色フィルタ１０Ｇ、青色フィルタ１０Ｂの光入射側に、選択的に形成されている。
【００２２】
図２は、本実施の形態に係る固体撮像装置１の製造工程の一例を示すフローチャートである。
【００２３】
ステップＳ１において、半導体基板２の光入射側の面に、赤色観測用の光電変換部、緑色観測用の光電変換部、青色観測用の光電変換部が形成されるとともに、トランジスタのゲート、ソース、ドレインなどが形成される。
【００２４】
ステップＳ２において、半導体基板２の光入射側に、層間膜５〜７の堆積、及び金属配線８等の形成がなされる。
【００２５】
ステップＳ３において、堆積された層間膜の光入射側に、波長変換層１２が形成される。
【００２６】
ステップＳ４において、波長変換層１２の光入射側に、パッシベーション膜９のＳｉＮ膜が形成される。
【００２７】
ステップＳ５において、パッシベーション膜９のＳｉＮ膜の光入射側であり赤色観測用の光電変換部３Ｒに対応する位置に赤色フィルタ１０Ｒが形成され、パッシベーション膜９のＳｉＮ膜の光入射側であり緑色観測用の光電変換部３Ｇに対応する位置に緑色フィルタ１０Ｇが形成され、パッシベーション膜９のＳｉＮ膜の光入射側であり青色観測用の光電変換部３Ｂに対応する位置に青色フィルタ１０Ｂが形成される。
【００２８】
ステップＳ６において、パッシベーション膜９のＳｉＮ膜の光入射側であり赤色観測用の光電変換部３Ｒ、緑色観測用の光電変換部３Ｇ、青色観測用の光電変換部３Ｂに対応するそれぞれの位置に、マイクロレンズ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが形成される。
【００２９】
以下に、本実施の形態に係る固体撮像装置１の作用効果について説明する。
【００３０】
固体撮像装置１で観測される入射光は、マイクロレンズ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂのうちの少なくとも一つ、赤色フィルタ１０Ｒと緑フィルタ１０Ｇと青フィルタ１０Ｂのうちの少なくとも一つ、波長変換層１２、層間膜７，６，５を通り、赤観測用の光電変換部３Ｒと緑観測用の光電変換部３Ｇと青観測用の光電変換部３Ｂのうちの少なくとも一つに受光される。
【００３１】
本実施の形態において、赤色フィルタ１０Ｒでは、入射光のうち赤色波長光が分離される。緑色フィルタ１０Ｇでは、入射光のうち緑色波長光が分離される。青色フィルタ１０Ｂでは、入射光のうち青色波長光が分離される。
【００３２】
波長変換層１２は、赤色フィルタ１０Ｒで分離された赤色波長光、緑色フィルタ１０Ｇで分離された緑色波長光、青色フィルタ１０Ｂで分離された青色波長光の波長を短波長化する。
【００３３】
例えば、波長変換層１２として、波長を１／２倍にする第２高調波発生層（非線形光学結晶あるいは有機非線形光学材料）が用いられる。第２高調波発生層の物質としては、リン酸二カリウム（ＫＤＰ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの無機結晶を用いることができる。
【００３４】
また、第２高調波発生層の物質としては、Ｎ−メチル−２−メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮＮＡ）などの有機非線形光学材料、２−メチル−４−ニトロアニリン（ＭＮＡ）などの有機結晶を用いることもできる。
【００３５】
有機非線形光学材料によって第２高調波発生層を形成することで、光が光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに照射されやすくすることができる。また、有機非線形光学材料の第２高調波発生層と層間膜（通常、ＴＥＯＳ等のＳｉ酸化膜）との屈折率の違いを用いて光が光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに照射されやすくすることもできる。
【００３６】
第２高調波発生層の物質として有機非線形光学材料を用いた場合には、取り扱いが容易となり、費用を抑えることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態の趣旨は、光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの層とカラーフィルタ層１０との間に波長変換層１２（例えば、光第２高調波を発生させる層）を形成する点にあるため、上記の材料以外でも、光の波長を短くする材料であれば利用可能である。また、上記の材料以外でも、波長変換層１２と層間膜との屈折率の関係で光を屈折させ、光が光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂへ照射されやすくなる材料を、波長変換層１２に用いることができる。
【００３８】
波長変換層１２は、第２高調波発生層に限定されるものではなく、例えば、第３高調波発生層や第４高調波発生層など、透過する光の波長を短くするものであればよい。
【００３９】
波長変換層１２によって短波長化された赤色波長光は赤観測用の光電変換部３Ｒに照射され、波長変換層１２によって短波長化された緑色波長光は緑観測用の光電変換部３Ｇに照射され、波長変換層１２によって短波長化された青色波長光は青観測用の光電変換部３Ｂに照射される。
【００４０】
このように、本実施の形態においては、各光電変換部３Ｇ，３Ｇ，３Ｂに照射される光の波長は、各種のカラーフィルタ透過光より短い波長となっているため、回折を抑制できる。また、光電変換部３Ｇ，３Ｇ，３Ｂの大きさが１ｕｍ程度もしくは１ｕｍより小さくなっている場合であっても、光電変換部３Ｇ，３Ｇ，３Ｂに照射される光の波長は短くなっているため、光電変換部３Ｇ，３Ｇ，３Ｂによって充分に光を観測可能となる。
【００４１】
以下に、回折について説明する。
【００４２】
図３は、一般的な固体撮像装置における回折の第１の例を示す断面図である。
【００４３】
通常、マイクロレンズ１１Ｒを透過した光は、赤色フィルタ１０Ｒにより分光され、光電変換部３Ｒへ照射される。しかしながら、画素微細化により光電変換部３Ｒの大きさが光の波長程度の大きさになると、光が光電変換部３Ｒ付近で回折し、光が基板深部で広がる場合がある。
【００４４】
この場合、光電変換部３Ｒの隣にある他の光電変換部３Ｇの下部で一部の光が光電変換により電子ｅを発生し、隣にある他の光電変換部３Ｇに漏れ込むことが考えられる。このように、回折した光によって発生した電子ｅが、隣にある他の光電変換部３Ｇに漏れ込むことは、混色の原因となる。
【００４５】
図４は、一般的な固体撮像装置における回折の第２の例を示す断面図である。
【００４６】
光電変換部３Ｒへ照射される前に、配線８の端、あるいは屈折率の異なる層間膜の端などに光が当たると入射光が回折し、広がる場合がある。
【００４７】
この場合、回折した光は光電変換部３Ｒの隣にある他の光電変換部３Ｇに迷光として受光される。
【００４８】
上記図３及び図４のような回折は、固体撮像装置の感度の低下、混色の原因となる。また、画素部、特に光が照射される光電変換部の微細化が光の波長程度の大きさにまで進むことにより、回折は発生しやすくなる。
【００４９】
上記図３及び図４のような回折を抑制するために、本実施の形態に係る固体撮像装置１においては、波長変換層１２が設けられている。この波長変換層１２は、赤色波長光、緑色波長光、青色波長光をそれぞれ短波長化するため、光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂが光の波長程度にまで微細化されている場合であっても、回折を抑制することができる。具体的には、例えば、光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂへ照射される光が回折し、回折光が隣の光電変換部に漏れ込むことを防止できる。また、例えば、光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂへ照射される光が回折し、回折光によって隣の光電変換部の下側（光入射側の反対側）でキャリアを発生させ、このキャリアが隣の光電変換部に漏れこむことを防止できる。
【００５０】
したがって、本実施の形態に係る固体撮像装置１においては、高感度な観測を行うことができ、混色を防止できる。
【００５１】
さらに、本実施の形態においては、波長変換層１２が、各光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを覆う状態で一面状に形成されるため、製造工程が複雑になることを防止できる。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、固体撮像装置１が赤、緑、青の画素より形成される場合を説明しているが、固体撮像素子１がシアン、マゼンタ、イエローの画素より形成される補色系の装置であっても同様に波長変換層１２を用いることができる。
【００５３】
（第２実施の形態）
本実施の形態においては、上記第１の実施の形態に係る固体撮像装置の変形例について説明する。
【００５４】
図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図である。
【００５５】
本実施の形態に係る固体撮像装置１３においては、波長変換膜１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂが、各光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに対応するように、選択的に形成されている点が異なるが、他の部分については同様であるため説明を省略する。
【００５６】
このように、各光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに照射される光の波長を、各光電変換部３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに対応する波長変換層１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂで短波長化することにより、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図。
【図２】第１の実施の形態に係る固体撮像装置の製造工程の一例を示すフローチャート。
【図３】一般的な固体撮像装置における回折の第１の例を示す断面図。
【図４】一般的な固体撮像装置における回折の第２の例を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１，１３…固体撮像装置、２…半導体基板、３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ…光電変換部、４Ｇ…ゲート、４Ｓ…ソース、４Ｄ…ドレイン、５〜７…層間膜、８…金属配線、９…パッシベーション膜９、１０…カラーフィルタ層、１０Ｒ…赤色フィルタ、１０Ｇ…緑色フィルタ、１０Ｂ…青色フィルタ、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ…マイクロレンズ、１２…波長変換層１２、１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…波長変換膜
【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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