JPH1131804A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多くの斜め光成分を含む入射光のセンサ部へ
の集光効率を高めて、この入射光に対する感度低下を抑
制し、これにより画素サイズの微細化を図る。 【解決手段】 基体２上にライン状の転送電極５が間隔
をあけて配列され、基体２の転送電極５のライン間に光
電変換をなす島状のセンサ部６が形成され、転送電極５
を覆うとともにセンサ部６の直上位置を開口してこのセ
ンサ部６以外への光Ｒの入射を遮断する遮光膜９が基体
２上に形成され、遮光膜９の上方にセンサ部６への入射
光Ｒを集光するオンチップレンズ１２が設けられてなる
ＣＣＤ固体撮像素子１において、上記遮光膜９の転送電
極５の側面部５ａにおける厚みｄが０．３μｍ以上、
０．８μｍ以下に形成され、またオンチップレンズ１２
は、その焦点Ｐがセンサ部６の直上にて遮光膜９が開口
した位置で、遮光膜９の上端部９ａと略等しい高さ位置
に設けられるように形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像素子に関
し、特にＣＣＤ型の固体撮像素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のＣＣＤ型の固体撮像素子（以下、
ＣＣＤ固体撮像素子と記す）としては、例えば図４の断
面図に示すような画素構造を有するものが知られてい
る。すなわち、シリコン（Ｓｉ）基板２１には、ライン
状の垂直転送部２２が間隔をあけて設けられている。ま
たＳｉ基板２１の上方でかつ垂直転送部２２の直上位置
にはライン状の転送電極２３が形成されており、転送電
極２３のライン間におけるＳｉ基板２１には、光電変換
をなす島状のセンサ部２４が形成されている。

【０００３】上記転送電極２３の上方には、転送電極２
３を覆いかつセンサ部２４の直上位置を開口した状態で
遮光膜２５が形成されている。そしてこの遮光膜２５の
開口部２６を介してセンサ部２４に光が入射され、また
遮光膜２５によってセンサ部２４以外への光の入射が遮
断されるようになっている。さらに遮光膜２５の上方に
は、センサ部２４への入射光を集光する、いわゆるオン
チップレンズ（ＯＣＬ）２７が設けられている。

【０００４】このようなＣＣＤ固体撮像素子では、遮光
膜２５の開口部２６側の端部から光が入射し、遮光膜２
５とＳｉ基板２１との間で反射して垂直転送部２２に入
射することに因る、いわゆるスミア成分の低減を図るた
めに、上記遮光膜２５の下端をさらにセンサ部２４上ま
で張り出した張り出し部２５ａが設けられている。なお
従来において、上記オンチップレンズ２７は、その焦点
が例えば遮光膜２５の開口部２６にてセンサ部２４の受
光面２４ａの近傍、すなわち張り出し部２５ａの高さ付
近に設けられるように形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４に示し
た従来のＣＣＤ固体撮像素子では、オンチップレンズ２
７の端を光が通過すると、この光Ａがセンサ部２４に入
射する前に遮光膜２５の上端部（肩の部分）で反射され
てオンチップレンズ２７の外側に出てしまい、センサ部
２４に入射しないという不都合が生じる。この現象は、
カメラレンズ系のフォーカス値（Ｆ値）に依存して見ら
れ、斜め光の成分が多いＦ値開放時の光に対して特に顕
著に見られる。

【０００６】また、光Ａよりオンチップレンズ２７の中
心側に入射した光Ｂも、遮光膜２５の側面で反射され、
さらにセンサ部２４上に張り出した遮光膜２５の張り出
し部分２５ａで反射されてセンサ部２４に入射しない。
上記のようにセンサ部２４への入射光が遮光膜２５で反
射されると、センサ部２４への集光効率が低下すること
から、ＣＣＤ固体撮像素子の感度が低下してしまうので
ある。

【０００７】このため上記対策として従来では、オンチ
ップレンズ２７をセンサ部２４の受光面２４ａから遠く
離すあるいは近づける、またオンチップレンズ２７の曲
率を変える等して集光効率の向上を図る試みがなされて
いるが、結局、センサ部２４への入射光のうち遮光膜２
５に遮られる光が生じてしまって効率良く集光できてい
ない。

【０００８】また遮光膜２５の肩の部分で光が反射され
るのを抑制するために、遮光膜２５の薄膜化も試みられ
ている。しかし、この場合には、画素の高さ方向を低減
できて画素サイズの微細化に有効であるという利点があ
るものの、すでに遮光能力を維持できるぎりぎりの膜厚
まで薄膜化が進められていることから、遮光膜２５の薄
膜化によるさらなる集光効率の向上は困難になってい
る。以上のように従来の技術では、画素サイズの微細化
がさらに進展した場合に、種々の条件の斜め光成分を含
む入射光全てに対して感度低下を抑制できる画素構造を
実現することがもはや難しい。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は上記
課題を解決すべく検討を重ねた結果、以下の知見を得
た。図３（ａ）に示すようにオンチップレンズ２７をセ
ンサ部２４の受光面２４ａから遠く離し、かつ遮光膜２
５の開口部２６にて張り出し部２５ａの高さ位置付近に
焦点が設けられるようにすると、つまり焦点距離を長く
すると、受光面２４ａ側での焦点位置のズレ幅が大きく
なるため、センサ部２４への入射光のうちのオンチップ
レンズ２７の端を通過した斜め光Ｄ₁ ，Ｄ₂ は遮光膜２
５の張り出し部２５ａに当たって反射されてしまう。よ
って、左右の斜め光Ｄ₁ ，Ｄ₂ は固体撮像素子の感度に
寄与しない。

【００１０】一方、図３（ｂ）に示すようにオンチップ
レンズ２７をセンサ部２４の受光面２４ａに近づけかつ
オンチップレンズ２７の曲率を大きくして、遮光膜２５
の開口部２６上にて遮光膜２５の上端部と略等しい高さ
位置に焦点が設けられるようにすると、つまり焦点距離
を短くすると、受光面２４ａ側での焦点位置のズレ幅が
小さくなって遮光膜２５の肩の部分での反射が抑制さ
れ、遮光膜２５の開口部２６側の側面で形成される開口
２８内に同図（ａ）と同じ左右の斜め光Ｄ₁ ，Ｄ ₂ の双
方を入射させることができる。上記開口２８内に入射す
れば、遮光膜２５の側面での反射によって斜め光Ｄ₁ ，
Ｄ₂ はセンサ部２４に向かって進むため、固体撮像素子
の感度に寄与することになる。

【００１１】またこのとき、遮光膜２５の張り出し部２
５ａの幅ｗ（図４参照）が少なければ少ないほど、張り
出し部２５ａにおける反射によって光がオンチップレン
ズ２７の外側に出ることが抑制され、センサ部２４への
集光効率が高まって感度が上がる。つまり従来の遮光膜
２５の張り出し部２５ａの幅分を遮光膜２５の厚みでま
かなえば、遮光膜２５の側面で光が反射し最終的にセン
サ部２４に入射する光の筒を形成できることになる。こ
れは従来の遮光膜の加工技術の範囲内で十分に実現可能
な構造である。なお、従来において遮光膜２５の張り出
し部２５ａの幅ｗは、０．３μｍ以上、０．８μｍ以下
の範囲に形成されているのが通常である。

【００１２】そして、本発明者は、このような知見に基
づき本発明を完成させたのである。すなわち、本発明で
は、基体上にライン状の転送電極が間隔をあけて配列さ
れ、基体の転送電極のライン間に光電変換をなす島状の
センサ部が形成され、転送電極を覆うとともにセンサ部
の直上位置を開口してこのセンサ部以外への光の入射を
遮断する遮光膜が基体上に形成され、遮光膜の上方にセ
ンサ部への入射光を集光するレンズが設けられてなる固
体撮像素子において、上記遮光膜は、その上記転送電極
の側面部における厚みが０．３μｍ以上、０．８μｍ以
下に形成され、また上記レンズは、その焦点がセンサ部
の直上にて遮光膜が開口した位置で、遮光膜の上端部と
略等しい高さ位置に設けられるように形成されている構
成となっている。

【００１３】本発明では、センサ部の直上にて遮光膜が
開口した位置でかつ遮光膜の上端部と略等しい高さ位置
に焦点が設けられるようにレンズが形成されているた
め、例えばレンズの高さ位置が従来と同じであるとする
と、実効的なセンサ部の受光面の位置が高くなった状態
となり、焦点距離が短くなる。前述したように焦点距離
が短くなると、センサ部の受光面側での焦点位置のズレ
幅が小さくなることから、センサ部への入射光に含まれ
ている斜め光成分が遮光膜の肩の部分で反射されること
が抑制される。よって、入射光の斜め光成分のほぼ全て
がセンサ部直上を開口する遮光膜の開口部内に入射する
ことになる。また遮光膜は、転送電極の側面部位置にお
ける厚みが、従来の張り出し部と同じ０．３μｍ以上、
０．８μｍ以下に形成されているため、転送電極の側面
部位置の遮光膜が例えばスミアを抑制するうえで従来の
張り出し部を兼ねたものとなる。よって、張り出し部を
不要にしあるいは張り出し部の幅を短くすることが可能
になり、これによりセンサ部への入射光に含まれている
斜め光成分の遮光膜の張り出し部による反射をなくし、
あるいは低減してセンサ部への集光効率を高めることが
可能になる。

【００１４】なお、本発明において、転送電極の側面部
位置における遮光膜の厚みとは、転送電極の側面部でか
つその下端側に形成された遮光膜の下端部の厚みを意味
することとする。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る固体撮像素子
の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は一実施
形態に係るＣＣＤ固体撮像素子の要部断面図であり、特
に本発明の特徴である有効画素の断面を示したものであ
る。

【００１６】図１に示すようにこのＣＣＤ固体撮像素子
１では、例えばＳｉ基板からなる基体２にライン状の垂
直転送部３が間隔をあけて設けられている。また基体２
の上方でかつ垂直転送部３の直上位置には、ゲート絶縁
膜４を介してライン状の転送電極５が形成されており、
転送電極５のライン間における基体２には島状のセンサ
部６が、転送電極５のライン方向に所定の間隔で形成さ
れている。センサ部６は、入射する光Ｒを信号電荷に変
換して蓄積する領域であり、転送電極５はセンサ部６に
て蓄積された信号電荷をそのライン方向に転送する領域
である。

【００１７】基体２上には、転送電極５を覆う絶縁膜７
が形成されており、絶縁膜７上には密着層８を介して遮
光膜９が形成されている。この密着層８および遮光膜９
は、転送電極５を覆いかつセンサ部６の直上位置を開口
した状態で形成されており、したがって、この密着層８
および遮光膜９の開口部１０を介してセンサ部６に光Ｒ
が入射され、また遮光膜９によってセンサ部６以外への
光Ｒの入射が遮断されているようになっている。

【００１８】遮光膜９は、転送電極５の側面部５ａの位
置でかつ遮光膜９の下端部９ｃにおける厚みｄが、０．
３μｍ以上、０．８μｍ以下に形成されている。遮光膜
５の下端部９ｃにおける厚みｄをこのような範囲に設定
するのは、０．３μｍ未満であると遮光膜９の開口部１
０側の下端部９ｃから入射した光が、遮光膜９と基体２
との間で反射を繰り返して減衰するまでに垂直転送部３
に入射してしまい、スミアを抑制できなくなるからであ
る。また０．８μｍを越えると、センサ部６の受光面６
ａの面積が狭くなって所望の受光量が得られなくなる恐
れがあるためである。このように遮光膜９は、例えばス
ミアを抑制するうえで従来の遮光膜における張り出し部
を兼ねたものとなっている。

【００１９】また遮光膜９は、例えばカバレージの良い
化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって形成されてい
る。その形成材料には、ＣＶＤ法によって成膜可能なも
のでかつ光Ｒを遮光できるものであればいかなるものを
用いることができる。一例として、チタン（Ｔｉ）やア
ルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、
モリブデン（Ｍｏ）等が上げられる。

【００２０】一方、密着層８の形成材料には、絶縁膜７
と遮光膜９との密着性の向上を図れるものであれば種々
の材料を用いることができる。一例としては、ＣＶＤ法
によって形成されるポリシリコン（Poly−Ｓｉ）、スパ
ッタリング法によって形成されるＴｉ、窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）等が挙げられる。またそれら単層で密着層８が構
成されていてもよく、あるいはそれらの積層体で構成さ
れていてもよい。

【００２１】この実施形態では、例えば密着層８はＴｉ
膜、遮光膜９は従来から良く遮光膜材料として用いられ
るＷ膜でそれぞれ形成されている。また遮光膜９の下端
部９ｃにおける厚みｄが０．５μｍ程度に形成されて、
従来の遮光膜における張り出し部全体を兼ねたものとな
っている。したがって、開口部１０を形成する密着層８
の端面８ａおよび遮光膜９の側面９ｂは、基体２に対し
て略垂直であり、張り出し部のない状態に形成されてい
る。

【００２２】上記の遮光膜９上には、層間絶縁膜１１が
形成されている。層間絶縁膜１１は、図示はしないが例
えば入射する光Ｒを透過可能な平坦透明層と、カラーフ
ィルタ層とが遮光膜９上に順次積層されて構成されてい
る。そしてこの層間絶縁膜１１を介して遮光膜９の上方
には、センサ部６への光Ｒを集光するレンズであるオン
チップレンズ１２が画素毎、つまりセンサ部６毎に設け
られている。オンチップレンズ１２は、その焦点Ｐがセ
ンサ部６の直上の開口部１０にて、遮光膜９の上端部９
ａと略等しい高さ位置に設けられるように形成されてい
る。

【００２３】このようなＣＣＤ固体撮像素子１は、例え
ば図２（ａ）、（ｂ）に示すようにして製造することが
できる。まず図２（ａ）に示すように、従来の製造方法
と同様にして、基体２に垂直転送部３、センサ部６を形
成するとともに基体２上にゲート絶縁膜４、転送電極
５、この転送電極５を覆う絶縁膜７を形成する。次い
で、絶縁膜７上にＣＶＤ法あるいはスパッタリング法に
よってＴｉ膜からなる密着層用材料膜８１を形成する。
次にＣＶＤ法によって、密着層用材料膜８１上にＷ膜か
らなる遮光膜用材料膜９１を形成する。

【００２４】次に、リソグラフィ技術によって、遮光膜
用材料膜９１上にレジストパターン１３を形成し、レジ
ストパターン１３をマスクとした異方性エッチングによ
って遮光膜用材料膜９１および密着層用材料膜８１をパ
ターニングして、遮光膜９および密着層８を形成する。
このエッチングによって開口部１０が形成され、開口部
１０を形成する遮光膜９の側面９ｂおよび密着層８の端
面８ａはほぼ面一に形成されるとともに、基体２の表面
に対して略垂直に形成される。次いで、レジストパター
ン１３を除去する。

【００２５】その後は、従来の製造方法と同様にして、
基体２の全面に遮光膜９を覆う平坦化透明層、カラーフ
ィルタ層からなる層間絶縁膜１１を形成し、層間絶縁膜
１１上にオンチップレンズ１２を設ける。この際、オン
チップレンズ３の焦点Ｐがセンサ部６の直上の開口部１
０にて、遮光膜９の上端部９ａと略等しい高さ位置に設
けられるようにオンチップレンズ１２の曲率や焦点距離
等を調整して形成する。例えばオンチップレンズ１２の
高さ位置を従来と同じとし、オンチップレンズ１２の曲
率を大きくして形成する。あるいは、オンチップレンズ
１２をセンサ部６の受光面６ａ側に近づけかつオンチッ
プレンズ１２の曲率を大きくして形成する。以上の工程
によって、図１に示すＣＣＤ固体撮像素子１が製造され
る。

【００２６】上記のように製造されるＣＣＤ固体撮像素
子１では、センサ部６の直上の開口部１０でかつ遮光膜
９の上端部９ａと略等しい高さ位置に焦点Ｐが設けられ
ているので、例えばオンチップレンズ１２の高さ位置が
従来と同じであるとすると焦点距離が短くなる。そのた
め、センサ部６の受光面６ａ側での焦点Ｐ位置のズレ幅
を小さくでき、センサ部６へ入射する光Ｒに含まれてい
る斜め光の成分が遮光膜９の肩の部分で反射されるのを
抑制することができる。よって、図１に示すように光Ｒ
の斜め光成分のほぼ全てを密着層８および遮光膜９の開
口部１０内に入射させることができる。

【００２７】また転送電極５の側面部５ａ位置の遮光膜
９が従来の張り出し部を兼ねるような厚みｄに形成され
ていることから、センサ部６上に張り出し部が形成され
ておらず、よって張り出し部における反射によって光Ｒ
がオンチップレンズ１２の外側に出るのを防止できる。
その結果、開口部１０に入射した光Ｒのうちセンサ部６
位置の基体２の表面で反射される光またはセンサ部６に
直接入射する光（図４のＣで示すような光）以外、開口
部１０を形成する遮光膜９の側面に反射した光を全てセ
ンサ部６に導くことができるため、スミアの発生を抑制
しつつセンサ部６への集光効率を高めることができる。

【００２８】よって光Ｒが、斜め光成分の多いＦ値開放
時の光であっても効率良くセンサ部６に集光できるた
め、Ｆ値に依存して感度が低下するのを大幅に抑制でき
る。また、カメラレンズ系の絞りからセンサ部６の受光
面６ａまでの、いわゆる瞳距離が短い光であっても効率
良くセンサ部６に集光できるので、画面周辺における感
度低下を抑えることができ、シェーディングを低減でき
る。したがって、本実施形態のＣＣＤ固体撮像素子１に
よれば、良好な光学特性を維持しつつ画素サイズの微細
化を図ることができる。

【００２９】またＣＣＤ固体撮像素子１の製造では、遮
光膜９をパターン形成する際のレジストパターン１３の
形状が異なる以外は、従来と同様であるため、製造安定
性および信頼性を維持することができる。また遮光膜９
をＣＶＤ法によって形成するため、従来の遮光膜の張り
出し部を兼ねた厚みに容易に形成することができる。よ
って、製造コストを増加させることなく安定して製造で
きるため、製造上の点からも非常に有効なものとなる。

【００３０】なお、本実施形態では、開口部を形成する
遮光膜の側面が基体の表面に対して略垂直に形成されて
いる場合について述べたが、遮光膜の側面の基体に対す
る角度は、最も斜めの光が上記側面で反射したときの反
射光がセンサ部に向かうように形成されていればよく、
この例に限定されない。例えば開口部の形状が断面略Ｖ
字状や、遮光膜の側面の上端部が側面より外側に突出し
たオーバーハング構造に形成されるように形成してもよ
い。この場合にも、転送電極の側面部位置における遮光
膜の厚みとは、転送電極の側面部でかつその下端側に形
成された遮光膜の下端部の厚みを意味するのは言うまで
もない。

【００３１】また本実施形態では、遮光膜の張り出し部
がない構造としたが、遮光膜の側面に若干の張り出し部
を形成した構造としてもよいのはもちろんである。この
場合には、遮光膜の厚みによって張り出し部の幅を従来
のものよりも短くすることができるため、これによりセ
ンサ部への入射光に含まれている斜め光の遮光膜の張り
出し部による反射を低減できる。よって、センサ部への
集光効率を高めることができるので、上記実施形態と同
様の効果を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子では、センサ部の直上にて遮光膜が開口した位置でか
つ遮光膜の上端部と略等しい高さ位置に焦点が設けられ
るようにレンズが形成されている構成としたので、入射
光の斜め光成分のほぼ全てがセンサ部直上を開口する遮
光膜の開口部内に入射させることができる。また遮光膜
の転送電極の側面部位置における厚みを、従来の張り出
し部と同じ０．３μｍ以上、０．８μｍ以下に形成し
て、張り出し部を不要にしあるいは張り出し部の幅を短
く形成して、張り出し部による反射を防止あるいは抑制
できるように構成にしたため、スミアの発生を抑制しつ
つセンサ部への集光効率を高めることが可能できる。よ
って、斜め光成分の多いＦ値開放時の光や、瞳距離が短
い光であっても効率良くセンサ部に集光でき、これによ
り感度低下を抑えることができるので、本発明によれば
良好な光学特性を維持しながら画素サイズの微細化を実
現することができる。

【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形態を示す
要部断面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は実施形態に係る固体撮像素子
の製造方法の一例を工程順に説明する図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の原理を説明するため
の図である。

【図４】従来のＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す要部断
面図である。

【符号の説明】

１…ＣＣＤ固体撮像素子、２…基体、５…転送電極、５
ａ…側面部、６…センサ部、９…遮光膜、９ａ…上端
部、１０…開口部、１２…オンチップレンズ、Ｐ…焦
点、Ｒ…光、ｄ…厚み

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に間隔をあけて配列されたライン
   状の転送電極と、 前記基体の前記転送電極のライン間に形成された光電変
   換をなす島状のセンサ部と、 前記転送電極を覆って前記基体上に形成されるとともに
   前記センサ部の直上位置を開口した状態で形成されて該
   センサ部以外への光の入射を遮断する遮光膜と、 前記遮光膜の上方に設けられて前記センサ部への入射光
   を集光するレンズとを備えた固体撮像素子において、 前記遮光膜は、前記転送電極の側面部における厚みが
   ０．３μｍ以上、０．８μｍ以下に形成され、 前記レンズは、その焦点が前記センサ部の直上にて前記
   遮光膜が開口した位置で、該遮光膜の上端部と略等しい
   高さ位置に設けられるように形成されていることを特徴
   とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記遮光膜は、化学的気相成長法によっ
   て形成された膜からなることを特徴とする請求項１記載
   の固体撮像素子。