JP2001077339A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 開口部の面積を実質的に拡げることのできる
構造の固体撮像素子の提供が望まれている。 【解決手段】 基体２の表層部に光電変換をなす受光セ
ンサ部３が設けられ、基体２上に受光センサ部で形成さ
れた電荷を転送するための転送電極４、５とこれを覆う
遮光膜６とが設けられてなる固体撮像素子２０である。
遮光膜６上に、画素分離をなすための仕切りとなる格子
状あるいはストライプ状の遮光壁２１が設けられてい
る。遮光壁２１で仕切られた各画素毎に、受光センサ部
３の直上部に位置して層内レンズ２２、２３が設けられ
ている。遮光壁２１の上に平坦化されたパッシベーショ
ン膜２７が設けられている。パッシベーション膜２７の
上にカラーフィルタ層２８が設けられている。カラーフ
ィルタ層２８の上にオンチップレンズ２９が設けられて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受光センサ部への
集光効率を高めた固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子として、従来、例えば図３
（ａ）に示す構造のものが知られている。この固体撮像
素子１は、シリコン基板等からなる基板（基体）２の表
層部に光電変換をなす受光センサ部３を形成し、基板２
上に、受光センサ部３で形成された電荷を転送するため
の第１転送電極４および第２転送電極５と、該転送電極
４、５を覆う遮光膜６とを形成したものである。受光セ
ンサ部３の直上部には遮光膜６の開口部６ａが形成され
ており、この開口部６ａ内に臨む面が受光センサ部３の
実質的な受光面となっている。

【０００３】また、基板２上には、遮光膜６、６の間、
および遮光膜６上に埋め込み平坦化層７が形成され、さ
らにこの上にパッシベーション膜８が形成されている。
そして、このパッシベーション膜８上にはカラーフィル
タ層９が形成され、このカラーフィルタ層９上にはオン
チップレンズ１０が形成されている。

【０００４】ところで、近年固体撮像素子では、チップ
サイズの縮小や多画素化の促進に伴い、その単位画素サ
イズの縮小が進んでいる。しかしながら、このような単
位画素サイズの縮小は基板２の面方向（水平方向）での
縮小がほとんどであり、基板２の厚み方向（垂直方向）
での縮小に関しては、面方向に比べ技術的に困難である
ことから遅れているのが現状である。このため、単位画
素について注目した場合、そのアスペクト比（基板の面
方向に対する垂直方向の比率）は上昇する一方となって
いる。

【０００５】例えば、図３（ａ）に示したようにセルサ
イズを４μｍ□とし、第１転送電極４、第２転送電極５
の膜厚を４００ｎｍとした場合で考えると、第１転送電
極４と第２転送電極５とが重ね合わされた箇所では、受
光センサ部３の受光面のレベルからオンチップレンズ１
０の裾部分（カラーフィルタ層１０の上面のレベル）ま
での厚さが約４．５μｍ程度となる。したがって、この
場合のアスペクト比は、４．５／４＝１．１２５とな
る。

【０００６】一方、図３（ｂ）に示すようにセルサイズ
を３μｍ□とした場合には、受光センサ部３からその上
の層に何等変化がないとすると、アスペクト比は４．５
／３＝１．５となる。このとき、オンチップレンズ１０
の厚さが１μｍ程度であるとすると、その断面形状は図
３（ｂ）に示したようになる。すなわち、図３（ａ）に
示した状態から図３（ｂ）に示した状態となるように、
単一画素サイズ（セルサイズ）が縮小されるにもかかわ
らずオンチップレンズ１０の厚みに変化がないと、図３
（ｂ）に示したようにオンチップレンズ１０の曲率半径
が小さくなってその焦点が受光センサ部３の受光面でな
くこれより上方に位置するようになり、その結果、集光
効率が低下してしまうのである。このような集光効率の
低下は、今後単一画素サイズの縮小が進むに連れ、さら
に悪化すると予想される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来、集光効率の向上
を図るためには、オンチップレンズ１０の形状等の最適
化などを検討してきたが、オンチップレンズ１０の形状
の最適化は該レンズ１０の加工限界に大きく依存するた
め、集光状態を改善して集光効率を高めるにも限界があ
り、特にアスペクト比の大きい単一画素の場合では、受
光センサ部３に効率よく集光させるのは困難であった。

【０００８】したがって、前述したように集光効率の低
下が進むと、固体撮像素子の面内での感度勾配や、隣接
画素への入射による混色、さらには感度低下やスミアレ
ベルの悪化など、特性の低下が引き起こされてしまう。
例えば、図３（ａ）中の矢印Ａで示すようにオンチップ
レンズ１０、カラーフィルタ層９を透過した光が隣接画
素に入射してしまって混色が起きたり、矢印Ｂで示すよ
うに光が遮光膜６上に到達してここで反射されることに
より受光センサ部３に入射せず、結果として感度の低下
が起きているのである。また、基板２の表面より上の層
に何らかの改善を行い、層厚を薄くすることも考えられ
るが、その場合には電気的特性上の制約や特性低下が誘
発されてしまい、デバイス設計・作製に制約が与えられ
てその自由度が低下してしまう。

【０００９】一方、面方向の縮小に関しては、単一画素
サイズの縮小に伴って第１転送電極４や第２転送電極５
を単純に縮小した場合、取扱い電荷量の特性が著しく低
下してしまうため、これら転送電極４、５の縮小率を単
一画素サイズの縮小率に一致させることができない。し
たがって、図３（ａ）に示した状態から図３（ｂ）に示
した状態となるように面方向を縮小した場合、受光セン
サ部３の実質的な受光面となる遮光膜６の開口部６ａの
面積が減少してしまい、感度の低下が引き起こされるこ
とになる。

【００１０】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、単一画素サイズのアスペ
クト比に大きく依存することがなく、かつ、開口部６ａ
の面積を実質的に拡げることのできるような構造の固体
撮像素子を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は前記課題を解
決すべく鋭意研究を進めた結果、図３（ａ）、（ｂ）に
示したような構造の従来の固体撮像素子にあっては、遮
光膜６より上側には酸化ケイ素等の半導体材料層や樹脂
層が設けられているだけであり、光の透過を防止し、ま
たは光を反射する構成が設けられていないことに注目し
た。すなわち、このような構成が設けられていないこと
から、集光効率が低下した場合に、隣接画素への入射を
抑えることができず、また、遮光膜６の上方に入射する
光を感度に寄与させることが全くできないでいたのであ
る。

【００１２】そこで、本発明の固体撮像素子では、基体
の表層部に光電変換をなす受光センサ部が設けられ、基
体上に受光センサ部で形成された電荷を転送するための
転送電極と該転送電極を覆う遮光膜とが設けられてなる
固体撮像素子において、前記遮光膜上に、画素分離をな
すための仕切りとなる格子状あるいはストライプ状の遮
光壁を設け、前記遮光壁で仕切られた各画素毎に、前記
受光センサ部の直上部に位置して層内レンズを設け、前
記遮光壁の上に平坦化されたパッシベーション膜を設
け、前記パッシベーション膜の上にカラーフィルタ層を
設け、前記カラーフィルタ層の上にオンチップレンズを
設けことを前記課題の解決手段とした。

【００１３】この固体撮像素子によれば、遮光膜上に画
素分離をなすための仕切りとして格子状あるいはストラ
イプ状の遮光壁を設けたので、この遮光壁により、入射
光のうちこの遮光壁に到達した光が隣接する画素に入射
してしまうのを防止することが可能となり、さらに、該
入射光を遮光壁で反射して受光センサ部に入射させ、集
光効率を向上させることが可能になる。

【００１４】また、層内レンズとオンチップレンズとを
設けたことにより、集光効率をさらに向上させることが
可能になる。また、平坦化されたパッシベーション膜の
上にカラーフィルタ層を設けたので、このカラーフィル
タ層の膜厚が一定になり、したがってカラーフィルタ層
の全域において分光特性に差が生じないことにより、良
好なカラー表示が可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体撮像素子を詳
しく説明する。図１は本発明の固体撮像素子の一実施形
態例を示す図であり、図１中符号２０は固体撮像素子で
ある。この固体撮像素子２０は、従来のものと同様にシ
リコン基板等からなる基板（基体）２の表層部に光電変
換をなす受光センサ部３を形成し、基板２上に、受光セ
ンサ部３で形成された電荷を転送するための第１転送電
極４および第２転送電極５と、該転送電極４、５を覆う
遮光膜６とを形成したものである。受光センサ部３の直
上部には遮光膜６の開口部６ａが形成されており、この
開口部６ａ内に臨む面が受光センサ部３の実質的な受光
面となっている。

【００１６】前記遮光膜６上には、画素分離をなすため
の仕切りとなる格子状の遮光壁２１が設けられている。
この遮光壁２１は、本例では金属等の遮光材料からなる
遮光膜６と同じ材料で形成されたもので、矩形状に形成
された遮光膜６の開口部６ａを囲むようにして形成され
たものであり、遮光膜６に連続した状態で形成されたも
のである。また、この遮光壁２１は、本例においてはそ
の幅が転送電極４（５）を覆っている遮光膜６の幅より
狭く形成されている。

【００１７】基板２上には、遮光壁２１、２１で仕切ら
れた各画素毎に凸型と凹型の層内レンズ２２、２３が形
成されている。この凸型と凹型の層内レンズ２２、２３
は、それぞれ前記受光センサ部３の直上部に位置するよ
う形成されたもので、遮光膜６の開口部６ａ内に集光す
るようその焦点設計がなされたものであり、基板２上に
例えばシリコン酸化膜等の低屈折率材料からなる低屈折
率層２４が形成され、その上にシリコン窒化膜等の高屈
折率材料からなる高屈折率層２５が形成され、さらにそ
の上にＳＯＧ（Spin On Grass ）からなる低屈折率層２
６が形成されたことによって構成されたものである。す
なわち、低屈折率層２４と高屈折率層２５との界面が上
に凹となることによってこれら低屈折率層２４と高屈折
率層２５との界面で凹型の層内レンズ２２が形成され、
高屈折率層２５と低屈折率層２６との界面が上に凸とな
ることによってこれら高屈折率層２５と低屈折率層２６
との界面で凸型の層内レンズ２３が形成されているので
ある。

【００１８】また、低屈折率層２６および遮光壁２１の
上には、シリコン窒化膜からなるパッシベーション膜２
７が形成されている。このパッシベーション膜２７は、
後述するようにその下地である低屈折率層２６および遮
光壁２１が平坦化されていることにより、該パッシベー
ション膜２７自体も平坦化されたものとなっている。そ
して、このように平坦化されたパッシベーション膜２７
の上にはカラーフィルタ層２８が形成され、このカラー
フィルタ層２８の上にはオンチップレンズ２９が形成さ
れている。

【００１９】このような構成の固体撮像素子２０を作製
するにあたり、特に層内レンズ２２、２３、および遮光
壁２１を形成するには、従来と同様にして基板２上に遮
光膜６を形成し、受光センサ部３上を開口して開口部６
ａを形成した後、低屈折率材料を成膜する。そして、こ
の低屈折率材料からなる膜を従来公知のリソグラフィー
技術、エッチング技術によってパターニングし、図１に
示したように受光センサ部３の直上位置にて上に凹とな
るような曲面形状に加工して低屈折率層２４とする。

【００２０】次に、この低屈折率層２４の上に高屈折率
材料を成膜する。そして、この高屈折率材料からなる膜
を前記低屈折率層２４の場合と同様にリソグラフィー技
術、エッチング技術によってパターニングし、受光セン
サ部３の直上位置にて上に凸となるような曲面形状に加
工して高屈折率層２５とする。これにより、この高屈折
率層２５と前記低屈折率層２４との間に凹型の層内レン
ズ２２が形成される。次いで、この高屈折率層２５の上
にＳＯＧ膜を形成してこれを低屈折率層２６とする。こ
れにより、この低屈折率層２６と前記高屈折率層２５と
の間に凸型の層内レンズ２３が形成される。

【００２１】このようにして層内レンズ２２、２３を形
成したら、従来公知のリソグラフィー技術、エッチング
技術によって前記低屈折率層２６、前記高屈折率層２
５、低屈折率層２４をパターニングし、遮光膜６の開口
部６ａを囲むようにして転送電極４（５）上の遮光膜６
の上に該遮光膜６の上面に通じる格子状の溝（図示略）
を形成する。なお、このように遮光膜６に通じるように
して溝を形成することから、低屈折率層２６、前記高屈
折率層２５、低屈折率層２４の材料としては、遮光膜６
の材料に対して高い選択比がとれるものを選択するのが
望ましい。次いで、この溝内を埋め込むようにして金属
等の遮光材料を成膜し、その後、エッチバックまたはＣ
ＭＰ法（化学的機械的研磨法）によって低屈折率層２６
上の遮光材料を除去し、溝内に遮光壁２１を形成すると
ともに遮光膜２１の上面および低屈折率層２６の表面を
平坦化する。

【００２２】図１に示した固体撮像素子２０にあって
は、遮光膜上に画素分離をなすための仕切りとして格子
状の遮光壁２１を形成したので、この遮光壁２１によ
り、図１中矢印Ｃで示すように入射光のうちこの遮光壁
２１に到達した光が隣接する画素に入射してしまうのを
防止することができ、さらに、該入射光を遮光壁２１で
反射して受光センサ部３に入射させ、集光効率を向上さ
せることができる。

【００２３】また、遮光壁２１の幅を遮光膜６の幅より
狭く形成しているので、遮光壁２１、２１間の開口幅を
遮光膜６の開口部６ａの開口幅より十分に広くすること
ができ、したがって遮光膜６の開口部６ａを実質的に拡
げて集光効率をより向上させることができる。さらに、
このような遮光壁２１を形成したことから、従来の遮光
膜６の開口を実質的に遮光壁２１で囲まれる開口に代え
ることができ、したがってこの開口をパッシベーション
膜２７のすぐ下にまで上昇させることができ、これによ
り全体の層圧を薄くした状態、すなわち単位画素サイズ
を基板の垂直方向に縮小したのと同等の効果を得ること
ができる。

【００２４】また、このように実質的な開口をパッシベ
ーション膜２７のすぐ下にまで上昇させることができる
ことができることから、パッシベーション膜２７より下
の各層の層厚が特性に与える影響を減少させることがで
き、これによりパッシベーション膜２７より下の構造の
自由度を高めることができる。

【００２５】また、遮光壁２１を遮光膜６に連続して形
成したので、これら遮光壁２１と遮光膜６との間を光が
通り抜けしまうことを確実に防止することができる。ま
た、層内レンズ２２、２３を設けたことにより、図１中
矢印Ｄで示すように平行光だけでなく斜め光も混在する
Ｆ値光に対してもその集光効率を向上させることができ
る。また、平坦化されたパッシベーション膜２７の上に
カラーフィルタ層２８を設けたので、このカラーフィル
タ層２８の膜厚が一定になり、したがってカラーフィル
タ層２８の全域において分光特性に差が生じないことに
より、良好なカラー表示をなすことができる。

【００２６】なお、前記実施形態例では、受光センサ部
３の直上部に凹型の層内レンズ２２と凸型の層内レンズ
２３とを形成したが、本発明はこれに限定されることな
く、例えば図２に示すように凹型の層内レンズ２２のみ
を形成してもよく、また図示しないものの凸型の層内レ
ンズのみを形成するようにしてもよい。

【００２７】また、前記実施形態例では、遮光壁２１を
格子状に形成したが、遮光膜６の開口部６ａを挟むよう
にして該遮光壁２１をストライプ状に形成してもよい。
ここで、実質的に受光センサ部３の受光面となる遮光膜
６の開口部６ａは通常矩形に形成されているが、その場
合には、この矩形の長辺に沿って遮光壁２１を形成する
のが望ましい。

【００２８】なぜなら、このように矩形の開口部６ａの
上に形成されるオンチップレンズ２９は開口部６ａ形状
に対応して平面視略楕円状（長円状）に形成されるが、
その場合に開口部６ａの短辺方向で曲率半径が小さくな
り、屈折が大きくなってその屈折光が受光センサ部３の
受光面より上の位置に集められ、該受光面への入射率が
低下するからであり、このように短辺方向に沿って斜め
に入射する光の受光面への入射率が低下することから、
長辺に沿って遮光壁２１を形成することにより、受光面
から外れた光を遮光壁２１で反射して受光面に入射さ
せ、あるいは隣接する画素に入射するのを防止すること
ができるのである。

【００２９】また、前記実施形態例では、遮光壁２１の
幅を遮光膜６の幅より狭く形成したが、本発明はこれに
限定されることなく、該遮光膜６の幅と同等に形成する
ようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子は、遮光膜上に画素分離をなすための仕切りとして格
子状あるいはストライプ状の遮光壁を設けたものである
から、この遮光壁により、入射光のうちこの遮光壁に到
達した光が隣接する画素に入射してしまうのを防止する
ことができ、さらに、該入射光を遮光壁で反射して受光
センサ部に入射させ、集光効率を向上させることができ
る。

【００３１】また、層内レンズとオンチップレンズとを
設けたことにより、集光効率をさらに向上させることが
できるとともに、特に層内レンズを設けたことにより、
平行光だけでなく斜め光も混在するＦ値光に対してもそ
の集光効率を向上させることができる。また、平坦化さ
れたパッシベーション膜の上にカラーフィルタ層を設け
たので、このカラーフィルタ層の膜厚を一定にすること
ができ、したがってカラーフィルタ層の全域において分
光特性に差が生じないようにして良好なカラー表示を可
能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の一実施形態例の概略構
成を示す要部側断面図である。

【図２】本発明の固体撮像素子の他の実施形態例の概略
構成を示す要部側断面図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の固体撮像素子
の一例の概略構成を示す要部側断面図である。

【符号の説明】

２…基板（基体）、３…受光センサ部、４…第１転送電
極、５…第２転送電極、６…遮光膜、６ａ…開口部、２
０…固体撮像素子、２１…遮光壁、２２…層内レンズ、
２３…層内レンズ、２４…低屈折率層、２５…高屈折率
層、２６…低屈折率層、２７…パッシベーション膜、２
８…カラーフィルタ層、２９…オンチップレンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体の表層部に光電変換をなす受光セン
   サ部が設けられ、基体上に受光センサ部で形成された電
   荷を転送するための転送電極と該転送電極を覆う遮光膜
   とが設けられてなる固体撮像素子において、 前記遮光膜上に、画素分離をなすための仕切りとなる格
   子状あるいはストライプ状の遮光壁が設けられ、 前記遮光壁で仕切られた各画素毎に、前記受光センサ部
   の直上部に位置して層内レンズが設けられ、 前記遮光壁の上に平坦化されたパッシベーション膜が設
   けられ、 前記パッシベーション膜の上にカラーフィルタ層が設け
   られ、 前記カラーフィルタ層の上にオンチップレンズが設けら
   れてなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記遮光壁が遮光膜に連続して形成され
   ていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。