JP2006121105A - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像領域の周辺部における集光率の低下に起因したシェーディングの発生が抑制された増幅型固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１と、半導体基板内に形成された複数の受光部２と、半導体基板の上方に形成され、互いに積層された複数の遮光層４と、遮光層同士の間に形成された層間絶縁膜３とを含み、遮光層が、受光部に対応させて形成された複数の開口部を有する。複数の遮光層のうち少なくとも半導体基板から最も離れた最上層の遮光層において、開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが生じるように、開口部が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅型固体撮像装置に関するものであり、更に詳しくは、出力画像の周辺部に生じる信号レベルの落ち込み（シェーディング）を抑制した増幅型固体撮像装置に関するものである。

固体撮像装置としては、ＣＣＤ型固体撮像装置、増幅型固体撮像装置などが知られている。特に、増幅型固体撮像装置は、周辺回路とワン・チップ化できるという長所を有するため、携帯機器の画像入力素子として注目されている。

これらの固体撮像装置においては、出力画像の周辺部に生じるシェーディングの抑制が課題とされている。固体撮像装置においては、撮影光学系の光学中心が撮像領域（画素が配置された領域）の中心延長線上に配置されるため、射出瞳距離が有限である場合、撮像領域の中心では光は垂直に入射するが、撮像領域の周辺部では光が斜め方向から入射する。そのため、撮像領域の周辺部においては、マイクロレンズによる集光中心が受光部の中心からずれ、受光部への集光率が低下する。このような、撮像領域の周辺部における集光率の低下がシェーディングの原因であることが知られている。

図６は、ＣＣＤ型固体撮像装置の構造を示す断面図である。半導体基板２１内には、複数の受光部２２が行列状に配置されている。更に、図示を省略するが、半導体基板２１内には、受光部２２の各列に隣接させて電荷転送部が形成され、電荷転送部上には絶縁膜を介して転送電極が形成されている。半導体基板２１上には遮光層２４が形成されており、遮光層２４には、受光部２２の各々に対応させて複数の開口部が形成されている。遮光層２４上には層間絶縁膜２３が形成され、層間絶縁膜２３上には受光部２２の各々に対応するように複数のマイクロレンズ２５が形成されている。

このようなＣＣＤ型固体撮像装置においては、図６に示すように、撮像領域の周辺部に配置されるマイクロレンズ２５を受光部２２に対してずらすことにより、シェーディングを抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。マイクロレンズ２５と、これに対応する受光部２２との位置ずれ（Ｌｍ）は、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って次第に大きくなるように調整されている。このようなＣＣＤ型固体撮像装置によれば、出力画像の周辺部におけるシェーディングを十分に抑制することができる。
特開平６−１４０６０９号公報

増幅型固体撮像装置においても、ＣＣＤ型固体撮像装置と同様に、出力画像の周辺部におけるシェーディングを抑制する手段として、撮像領域の周辺部に配置されるマイクロレンズを受光部に対してずらすことが提案されている。

図７は、このような増幅型固体撮像装置の構造を示す断面図である。半導体基板３１内に、複数の受光部３２が行列状に配置されている。更に、図示を省略するが、半導体基板３１には、受光部３２の各々に対応させて、画素内の増幅回路を構成するＭＯＳトランジスタが形成されている。半導体基板３１上には、複数層の遮光層３４が、互いに層間絶縁膜３３を介して積層されている。各遮光層３４には、受光部３２の各々に対応させて形成された開口部が形成されている。更に、その上方には、受光部３２の各々に対応させて複数のマイクロレンズ３５が形成されており、マイクロレンズ３５と、これに対応する受光部３２との位置ずれ（Ｌｍ）は、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って次第に大きくなるように調整されている。

しかしながら、このような増幅型固体撮像装置では、出力画像の周辺部におけるシェーディングを十分に抑制することはできなかった。

すなわち、ＣＣＤ型固体撮像装置においては、遮光層は一層しか形成されず、受光部からマイクロレンズまでの距離が比較的短いため、マイクロレンズを受光部に対して位置ずれさせるだけで十分にシェーディングを抑制することができる。それに対して、増幅型固体撮像装置では、増幅回路を構成する配線が遮光層として用いられるため遮光層が複数層形成され、その結果、受光部からマイクロレンズまでの距離が長くなる。従って、図７に示すように、撮像領域の周辺部においては、たとえマイクロレンズをずらしたとしても、入射光が遮光層に遮られることが避けられず、集光率の低下が生じる。

本発明は、出力画像の周辺部におけるシェーディングが抑制された増幅型固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の増幅型固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板の上方に形成され、互いに積層された複数の遮光層と、前記遮光層同士の間に形成された層間絶縁膜とを含み、前記遮光層が、前記受光部に対応させて形成された複数の開口部を有する増幅型固体撮像装置であって、前記複数の遮光層のうち少なくとも前記半導体基板から最も離れた最上層の遮光層において、前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが生じるように、前記開口部が形成されていることを特徴とする。

本発明の他の構成の増幅型固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板の上方に前記受光部に対応させて形成された複数の開口部を有する遮光層と、前記遮光層の上方に前記受光部の各々に対応させて形成された複数のマイクロレンズを備えた増幅型固体撮像装置であって、前記マイクロレンズおよび前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが生じ、前記周辺部において、前記開口部の中心と該開口部に対応する受光部の中心とのずれよりも、前記マイクロレンズと該マイクロレンズに対応する受光部の中心とのずれの方が大きいことを特徴とする。

本発明の増幅型固体撮像装置によれば、少なくとも最上層の遮光層に形成される開口部を受光部に対してずらして配置することにより、遮光層で遮られる入射光を低減し、集光率の低下を抑制することができる。その結果、出力画像の周辺部におけるシェーディングを抑制することができる。

上記構成の本発明の増幅型固体撮像装置において、前記複数の遮光層において、前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが、下層から上層に向かうに従って大きくなる構成とすることが好ましい。

また、増幅型固体撮像装置への入射光が発散または収束する場合、前記開口部の中心が、これに対応する受光部の中心に対して、前記入射光の光路に応じた方向にずれていることが好ましい。

更に、前記遮光層の上方に前記受光部の各々に対応させて形成された複数のマイクロレンズを含み、前記マイクロレンズの中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って大きくなり、且つ、前記最上層の遮光層における前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれよりも大きくなるように、前記マイクロレンズが形成されている構成とすることが好ましい。

また、増幅型固体撮像装置への入射光が発散または収束する場合、前記マイクロレンズの中心が、これに対応する受光部の中心に対して、前記入射光の光路に応じた方向にずれている構成とすることが好ましい。。

また、前記複数の遮光層のそれぞれにおける前記開口部の中心と、該開口部に対応する前記受光部の中心とのずれ量は、前記受光部と各前記遮光層との距離に比例する構成とすることが好ましい。

なお、撮像領域の中心部においては、遮光層に形成される開口部の中心と受光部の中心とが位置ずれしていないことが好ましい。

以下、本発明の増幅型固体撮像装置の一例について説明する。

増幅型固体撮像装置は、複数の画素が配置された撮像領域と、前記画素を駆動するための周辺回路などが配置された非撮像領域とを備えている。以下、撮像領域の構造について説明する。

撮像領域には、前述したように複数の画素が配置されている。前記画素は、各々、光電変換を行うための受光部と、受光部の光電変換で生じた信号を増幅するための増幅回路とを備えている。また、前記増幅回路は、通常、複数のＭＯＳトランジスタを含む。

図１は、本発明の増幅型固体撮像装置の一例を示す断面図であり、撮像領域の構造を示すものである。

半導体基板１内に、画素数に応じた複数の受光部２が形成されている。受光部２は、半導体基板１表面において、一定の配列ピッチをもって行列状に配置される。

図示を省略するが、半導体基板１には、各受光部２の周囲に、複数個のＭＯＳトランジスタが形成されている。これらのＭＯＳトランジスタは、後述する複数層の遮光膜４を介して互いに電気的に接続されて、増幅回路を構成している。なお、ＭＯＳトランジスタの配置の形態は、特に限定するものではなく、画素内に形成される増幅回路の回路構造などに応じて適宜決定することができる。

半導体基板１の上方には、複数層の遮光層４が形成されている（以下、各遮光層について、半導体基板側から順に「第１の遮光層」、「第２の遮光層」などというように番号を付して呼ぶ。また、半導体基板から最も離れた遮光層を「最上層の遮光層」と呼ぶ。）。遮光層４の層数は、画素内に形成される増幅回路の回路構造に応じて適宜決定することができ、例えば２〜５層、好ましくは３層である。また、各遮光層４の層厚は、例えば１００〜１０００ｎｍ、好ましくは４００〜８００ｎｍである。層厚は、全ての遮光層４について、同一としても、相違させてもよい。

各遮光層４には、受光部２の各々に対応させて複数の開口部が形成されている。なお、開口部の配置の形態については後に詳説する。

各遮光層４上には層間絶縁膜３が形成されている。各層間絶縁膜３の層厚は、例えば３００〜１２００ｎｍ、好ましくは６００〜１０００ｎｍである。また、層厚は、全ての層間絶縁膜３について、同一としても、相違させてもよい。

更に、最上層の層間絶縁膜上には、受光部２の各々に対応させて、複数のマイクロレンズ５が形成されている。受光部２（半導体基板１表面）からマイクロレンズ５までの距離（Ｈｍ）は、例えば２〜１０μｍ、好ましくは３〜７μｍである。なお、マイクロレンズ５の配置の形態については後に詳説する。

次に、遮光層４に形成される開口部およびマイクロレンズ５の配置の形態について、図１および図２を参照しながら説明する。なお、図２は、最上層の遮光層に形成される開口部およびマイクロレンズの配置を模式的に示す平面図である。また、図１および図２においては、同一部分には同一符号を付している。

少なくとも最上層の遮光層における開口部と、マイクロレンズ５とは、撮像領域の周辺部において、受光部２に対して位置ずれを生じるように配置される。位置ずれの方向は、固体撮像装置に入射する光の光路に応じて決定することができる。例えば、図３に示すように、射出瞳が固体撮像装置１０の上方（マイクロレンズ側）に位置する場合、固体撮像装置１０に入射する光は発散光となる。以下、このような場合を例に挙げて説明する。

最上層の遮光層に形成される開口部は、撮像領域の中心部においては、開口部の中心と受光部２の中心とが半導体基板１表面に垂直な同一直線上に位置するように配置され、撮像領域の周辺部においては、開口部の中心が、受光部２の中心よりも撮像領域の中心部側に位置するように配置される。この開口部と受光部２との位置ずれは、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って次第に大きくなるように設定される。

好ましくは、最上層の遮光層だけでなく、その他の遮光層においても同様に、開口部と受光部との位置ずれが撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って次第に大きくなるように設定される。但し、第１の遮光層に関しては、撮像領域の周辺部においても、開口部の中心と受光部２の中心とが半導体基板表面に垂直な同一直線上に位置することが好ましい。

このとき、同一受光部（撮像領域の中心にある受光部を除く。）に対応する開口部の位置ずれは、下層側の遮光層から上層側の遮光層に向かうに従って、次第に大きくなるように設定される。

すなわち、同一受光部に対応する各遮光層４の開口部の位置ずれには、次の関係が成立する。

０ ≦ Ｌ１ ＜ Ｌ２ ＜ … ＜ Ｌｎ

ここで、Ｌ１、Ｌ２およびＬｎは、各々、第１の遮光層、第２の遮光層および第ｎ層の遮光層における開口部の位置ずれの大きさである。なお、位置ずれの大きさは、受光部の中心と開口部の中心とのずれを、半導体基板表面に対して水平な方向に関して表した量である。

更に、同一受光部に対応する各遮光層４の開口部の位置ずれには、次の関係が成立することが好ましい。

Ｌ２：Ｈ２ ＝ Ｌ３：Ｈ３ ＝ … ＝ Ｌｎ：Ｈｎ

ここで、Ｈ２、Ｈ３およびＨｎは、各々、受光部（半導体基板表面）から、第２の遮光層、第３の遮光層および第ｎ層の遮光層までの距離である。

開口部は、例えば、一定の配列ピッチをもって行列状に配置することができる。この場合、図２に示すように、遮光層４の開口部の配列の中心と、受光部２の配列の中心とを一致させた状態で、遮光層４の開口部の配列ピッチを受光部２の配列ピッチよりも小さくし、尚且つ、遮光層４の開口部の配列ピッチを、上層の遮光層ほど小さくなるように設定することにより、前述したような位置ずれを達成することができる。

マイクロレンズ５は、遮光層４の開口部と同様に、対応する受光部２との位置ずれが、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って次第に大きくなるように配置される。また、マイクロレンズ５の位置ずれ（Ｌｍ）は、最上層の遮光層に形成された同一受光部（撮像領域の中心にある受光部を除く。）に対応する開口部の位置ずれよりも、大きくなるように設定される。

マイクロレンズ５は、例えば、一定の配列ピッチをもって行列状に配置することができる。この場合、図２に示すように、マイクロレンズ５の配列の中心と、受光部２の配列の中心とを一致させた状態で、マイクロレンズ５の配列ピッチを、受光部２の配列ピッチよりも小さく、更には最上層の遮光層における開口部の配列ピッチよりも小さく設定することにより、前述したような位置ずれを達成することができる。

遮光層４の開口部およびマイクロレンズ５の位置ずれの大きさは、射出瞳距離（射出瞳位置から受光部までの距離）、撮像領域サイズ（撮像領域の中心に配置された受光部から最端部に配置された受光部までの距離）などに応じて適宜決定することができる。射出瞳距離が短く、撮像領域サイズが大きいほど、開口部およびマイクロレンズの位置ずれは大きく設定することが好ましい。

次に、前述したような増幅型固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。

まず、シリコン基板内に、ボロンなどのｐ型不純物を注入し、ｐ型ウェルを形成する。次に、ｐ型ウェル内に、リンなどのｎ型不純物を注入し、受光部を形成する。このとき、一定の配列ピッチをもってマスクパターンが配置された注入マスクを使用する。

また、受光部の周囲に複数のＭＯＳトランジスタを形成する。ＭＯＳトランジスタは、例えば、ｐ型ウェル内にｎ型不純物を注入してソースおよびドレインを形成した後、シリコン基板上に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成し、更に化学気相堆積法（以下、「ＣＶＤ法」という。）によりポリシリコン膜を形成し、これをパターニングしてゲート電極とすることにより形成できる。更に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成し、ゲート電極を被覆するように絶縁膜を形成する。

絶縁膜上に、第１の遮光層を形成する。第１の遮光層としては、例えば、アルミニウム、タングステンなどの金属を使用することができ、その成膜方法としては、例えば、スパッタ法を使用することができる。次に、第１の遮光層にエッチングにより開口部を形成した後、第１の遮光層上に層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜などを使用することができ、その成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ法を使用することができる。

これと同様の操作を所望の層数分だけ繰り返し、複数層の遮光層および層間絶縁膜を形成する。このとき、各遮光層の開口部形成においては、受光部よりも小さい配列ピッチでマスクパターンが形成されたエッチングマスクを使用する。但し、第１の遮光層に関しては、受光部と同等の配列ピッチでマスクパターンが形成されたエッチングマスクを使用することも可能である。

また、各遮光層の開口部形成においては、下層の遮光層における開口部の配列ピッチよりも小さいピッチでマスクパターンが配置されたエッチングマスクを使用する。

次に、層間絶縁膜上に、マイクロレンズの構成材料となる樹脂層を形成する。樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂などを使用することができる。また、樹脂層の層厚は、例えば０．５〜３μｍ、好ましくは０．５〜２μｍである。

樹脂層をエッチングして画素数に応じて分割する。このとき、最上層の遮光層における開口部の配列ピッチよりも小さい配列ピッチでマスクパターンが配置されたエッチングマスクを使用する。その後、加熱によるリフロー処理を実施することにより、分割された樹脂層をレンズ状に成形する。

以上の説明においては、射出瞳が固体撮像装置の上方に位置する場合を例示したが、本発明は、射出瞳が固体撮像装置の下方（半導体基板側）に位置する場合に適用することも可能である。

図４は、このような場合に適用できる増幅型固体撮像装置の構造の一例を示す断面図である。なお、図１および図４においては、同一部分には同一符号を付している。

前述したように、遮光層の開口部およびマイクロレンズの位置ずれの方向は、固体撮像装置１０に入射する光の光路に応じて決定される。図５に示すように、射出瞳が固体撮像装置１０の下方に位置する場合、固体撮像装置１０に入射する光は、射出瞳が固体撮像装置の上方に位置する場合とは反対に、収束光となる。

この増幅型固体撮像装置においては、各遮光層４の開口部およびマイクロレンズ５は、対応する受光部に対して、射出瞳が固体撮像装置の上方に位置する場合とは反対方向、すなわち撮像領域の周辺部側に位置ずれするように配置される。

なお、図４に示す増幅型固体撮像装置は、遮光層４の開口部およびマイクロレンズ５の位置ずれの方向が異なること以外は、図１と同様の構造を有するものである。

前述したように、増幅型固体撮像装置に入射する光は、撮像領域の中心においては垂直方向から入射するが、撮像領域の周辺部においては斜め方向からする。また、光が斜め方向から入射するため、受光部からの距離が遠い遮光層ほど、光の入射点と受光部の中心とのずれが大きくなる。

本発明の増幅型固体撮像装置においては、複数の遮光層のうち少なくとも最上層の遮光層、すなわち入射点と受光部中心とのずれが最大となる遮光層において、開口部と受光部との位置ずれが、入射光の傾きが小さい中心部ほど小さく、入射光の傾きが大きい周辺部ほど大きくなるように設定されている。その結果、例えば、図１および図４に示すように、撮像領域の中心部だけでなく周辺部においても、入射光を遮光層で遮ることなく受光部まで集光することができる。よって、出力画像の周辺部におけるシェーディングの発生を抑制することができる。

本発明の増幅型固体撮像装置によれば、撮像領域の周辺部におけるシェーディングを抑制することができ、携帯機器の画像入力素子等として有用である。

本発明に係る増幅型固体撮像装置の構造の一例を示す断面図である。 遮光層の開口部およびマイクロレンズの配置の一例を模式的に示す平面図である。 固体撮像装置と射出瞳の位置関係を示すための図である。 本発明に係る増幅型固体撮像装置の構造の別の一例を示す断面図である。 固体撮像装置と射出瞳の位置関係を示すための図である。 ＣＣＤ型固体撮像装置の構造を示す断面図である。 従来の増幅型固体撮像装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１、２１、３１ 半導体基板
２、２２、３２ 受光部
３、２３、３３ 層間絶縁膜
４、２４、３４ 遮光層
５、２５、３５ マイクロレンズ
１０ 増幅型固体撮像装置

Claims (7)

1. 半導体基板と、前記半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板の上方に形成され、互いに積層された複数の遮光層と、前記遮光層同士の間に形成された層間絶縁膜とを含み、前記遮光層が、前記受光部に対応させて形成された複数の開口部を有する増幅型固体撮像装置であって、前記複数の遮光層のうち少なくとも前記半導体基板から最も離れた最上層の遮光層において、前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが生じるように、前記開口部が形成されていることを特徴とする増幅型固体撮像装置。
2. 前記複数の遮光層において、前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが、下層から上層に向かうに従って大きくなる請求項１に記載の増幅型固体撮像装置。
3. 増幅型固体撮像装置への入射光が発散または収束する場合、前記開口部の中心が、これに対応する受光部の中心に対して、前記入射光の光路に応じた方向にずれている請求項１または２に記載の増幅型固体撮像装置。
4. 更に、前記遮光層の上方に前記受光部の各々に対応させて形成された複数のマイクロレンズを含み、前記マイクロレンズの中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従って大きくなり、且つ、前記最上層の遮光層における前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれよりも大きくなるように、前記マイクロレンズが形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の増幅型固体撮像装置。
5. 増幅型固体撮像装置への入射光が発散または収束する場合、前記マイクロレンズの中心が、これに対応する受光部の中心に対して、前記入射光の光路に応じた方向にずれている請求項４に記載の増幅型固体撮像装置。
6. 前記複数の遮光層のそれぞれにおける前記開口部の中心と、該開口部に対応する前記受光部の中心とのずれ量は、前記受光部と各前記遮光層との距離に比例することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の増幅型固体撮像装置。
7. 半導体基板と、前記半導体基板内に形成された複数の受光部と、前記半導体基板の上方に前記受光部に対応させて形成された複数の開口部を有する遮光層と、前記遮光層の上方に前記受光部の各々に対応させて形成された複数のマイクロレンズを備えた増幅型固体撮像装置であって、
   前記マイクロレンズおよび前記開口部の中心と、これに対応する受光部の中心とのずれが生じ、
   前記周辺部において、前記開口部の中心と該開口部に対応する受光部の中心とのずれよりも、前記マイクロレンズと該マイクロレンズに対応する受光部の中心とのずれの方が大きいことを特徴とする増幅型固体撮像装置。

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