JPS58125973A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像素子に関する。

近年の半一導体・集積回路技術の急速な発達を背景にし
て固体撮像素子の開発が強力に推進されてきた。固体撮
像素子では画素の走査を電子的に行ない、かつ１画素配
列が写真蝕刻技術を用いて高精度に決定されるため、被
写体操像時の画像歪が発生しにくい利点があり、撮像管
の代替として製品化が期待されている。家庭用ＶＴＲの
テレビカメラとしての応用分野に限定するならば、十分
な画素数で十分表頁生画像を提供する固体撮像素子が実
用化されつつある。しかしながら、局用テレビカメラあ
るいれ情報処理端末としてのテレビカメラを想定するな
らば、未だ十分を性能を有する素子は開発されていない
。

第１５図は従来の固体撮像素子の構造を説明する概略構
成図であり、インターライン型固体撮像素子と称される
素子である。同図においては説明の便宜上（３Ｘ３）の
画素を有する素子が示されている。同図においてｌＦｉ
光電変換素子、２は垂直レジスタ、３は水平レジスタ、
４は出力回路、５は出力端子である。インターライン型
固体撮像素子は広く周知であるので動作の詳細は省略し
て、概要のみを記述する。−垂直走査周期（フィールド
あるいはフレーム）で光電変換された信号電荷は垂直ブ
ランキング期間内で垂直レジスタ２の各対応する位置に
、並列的に移動する。第１図において社、光電変換素子
１と垂直レジスタ２との中間に設置された前記移動を制
御する転送ゲート電極および、所望の移動が達成される
ようなチャネルストッパ等が省略されている。垂直レジ
スタ２へ並列的に移動した信号電荷は、−水平走査周期
毎に下方へ順次移動する。一方、水平レジスタ３は水平
ブランキング期間内に前記垂直レジスタ２より信号電荷
を受は取り、第１図の左方向へ順次移動させる。この移
動により出力回路４に達した信号電荷は順次電圧信号に
変換され、出力端子５を介して時系列画信号が出力され
る。第１図のレジスタ２，３は電荷結合素子、あるいは
パケッリレー素子で構成されているアナレグシフトレジ
スタである。かかる動作に従って、−垂直走査周期かか
って前記信号電荷が全て読み出されている開光電変換素
子１は入射光量に応じた電荷量を蓄積することＫなる。

−垂直周期終了時刻に再び光電変換素子１から垂直レジ
スタ２への信号電荷の移動が達成される。このインター
ライン型素子は、光電変換素子群とレジスタ群とが空間
的に多重化されているため、チップ面積が小さくなり歩
留まり向上、低価格化が期待できる。しかし、レジスタ
群上には光遮蔽のための不透明膜を配置しない限り、信
号電荷を垂直方向に移動させている期間（即ち垂直走査
期間になる）に入射光により発生した電荷が前記信号電
荷に付加されるため、スミアと呼ばれる白線が再生画像
に現われ、画質を極度に劣化させることが知られている
。かがる理由により、不透明膜がレジスタ群上に配列さ
れなければならない。通常不透明膜はアルミニウム等の
金属電極で構成されている。第２図は第１図に一部した
Ａ−Ａ’部の構造断面図を示している。なお同図では、
説明の便宜上、概念的な構造断面図が示されているに過
ぎず、寸法的には実際の素子と必らずしも対応している
とは限らない。同図において１０は第一の導電型（例え
ばｐ型）の半導体基板、１１は第二の導電型（例えばｎ
型）の拡散層で、基板１０との間にｐ−ｎ接合を形成し
、光電変換素子１を構成している。１２は垂直レジスタ
２を構成する一つの転送電極、１３は前述した転送ゲー
ト電極、１４および１４’は前記不透明膜、１５はチャ
ネルストッパである。転送電極１２゜ゲート電極１３は
図示されていない絶縁膜を介して基板１０上に配置され
、さらに、不透明膜１４゜１４′は電極１２．１３とも
絶縁膜を介して配置されている。チャネルストッパ１５
は、拡散層ｌｌ内に蓄積された信号電荷がゲート電極１
３の下を経由して転送電極１２の下へ一方向に移動させ
るために設けられており、該信号電荷に対して紘電位障
壁として作用する。

本発明によれば、−導電型を有する半導体基板に、多数
の光電変換素子が配列された園体操像素子において、当
該光電変換素子表面上に諌素子毎に設けられた分光特性
および透過特性が、前記光電変換素子の配置された領域
毎に異なっている集光機能を有する透明体と、該素子毎
に設けられた透明体の中間に遮光機能を有する不透明体
とが配置されたことを特徴とする園体操像素子が得られ
る。

次に本発明について実施例を挙げて詳細な説明を行なう
。

第３図は本発明の一実施例の断面図である。同図は第２
図に対応して描かれており、第２図と同一番号は同一構
成要素を示している。ただし、説明の便宜上構成要素の
一部は図面から削除されている。同図において２０は基
板１０、光電変換素子１１、不透明膜１４．１４’から
成る素子の表面に設けられた集光用透明膜である。該層
２０の材質については問わないが、後述する加工性を考
慮する樹脂であることが望ましい。この膜２００表面は
大略凸型形状になる様加工されており、該２０が該１１
にそれぞれ対応して設けられた集光機能を有するレンズ
として作用する。２１は１４゜１４’上に設けられた遮
光機能を有する不透明体であり、複数個配列された該２
０．の中間に配置されることになる。該不透明体２１は
金属で形成され、大略凸型形状になる様加工された２１
０表面で光反射が良好に行なわれることが好ましい。第
３図に示した本実施例における光感度増大の例が入射光
線２２．２３として例示されている０２２は２０の界面
で屈折し、光電変換領域へ導かれる光路が、２３は２０
の界面で屈折し、２１の界面で反射した後、光電変換領
域へ導かれる光路が示されている。かかる光路により、
本実施例が該光電変換領域の面積を実効的に増大せしめ
ていることが理解される。次に本実施例の具体的な構成
例について述べる。第２図に示された１４．１４’を含
む構造体は周知の技術により実現される。

１４．１４’の表面を機械的に保護するために、通常、
ＯＶＤ技術による絶縁膜１６が設けられる。

次に、１４．１４’を被うべくアルミ等の金属が全面に
蒸着され、フォトリソグラフィ技術とエツチング技術に
より２１が形成される。２１の表面形状、即ち、大略凸
形は、エツチング過程におけるサイドエッチ効果を用い
ることも可能であり、また、矩形状に形成された後、電
界研磨工程により、該研磨が電界の集中し易い鋭角部で
急速に進行することを利用して、凸型形状を実現しても
良い、さらに、１４．１４’の上部にのみ無電界鍍金に
よりニッケル・アルミ等の金属を矩形状に形成した後、
前記電界研磨工程により凸型形状を実現しても良い。ま
た、イオンエツチング、ドライエツチング等の技術によ
り該形状を実現することも可能である。一方、予め２１
の如き形状に形成された該不透明体を当該構造物上に機
械的に取りつけても良い。かかる場合においては、ハイ
ブリッド集積回路、あるいは、高密度実装技術分野で用
いている、電気接続用の金属バンプが利用できる。また
、ゼｐグラフィー技術で用いられるトナーや、金属膜で
被れたマイクロカプセル等も利用できる。当該物質では
、通常、球状形状であるので、１４．１４’上への固定
は樹脂や接着剤を用いることＫなる。なお、２１は１４
′と１６の絶縁膜を介することなく、直接接触させても
良い。

一方、２０の形成方法については、２１を含む当該構造
体上に一様に塗布された樹脂、接着剤等の透明物質を、
硬、化する以前に、型押し等により当該形状を実現でき
る。より具体的には、溶剤に溶かされた透明膜２０の材
料がスピンナ等により素子上に一様にコーティングされ
、所望の温度、雰囲気中で熱処理され固化される。次に
、透明膜２００表面形状と逆の形状を有する母型を用い
て、透明膜２０を加熱しながら上面から該母型を圧着押
圧する＠この加熱温度を適当に設定するならば、透明膜
２０の表面に当該形状が堀りこまれることになる。この
方法は、フレネルレンズやマイクロプリズムの製造技術
と類似しているので、当諌公費の技術者にとっては容易
な問題である。かかる方法によれば、２１の上部にも、
一部の当該透明膜が存在することに表るが、本質的な問
題とはならない。勿論、上記の製造技術で用いられてい
る他の方法をも利用できることは明らかである。第３図
に示した実施例によれば、この固体撮像素子領域に入射
した光線は、不透明膜１４．１４’上の領域においてさ
え、光電変換素子１１へ集光されるため光の利用率が天
場に上昇し、光感度の上昇が達成される。

第４図は本発明の他の実施例を示す断面図であり、第３
図と同一番号は同一構成要素を示している。同図におい
て、４０は２０と同様な集光用透明体であり、４１は２
１と同様な不透明体であり４０．４１とで構造体４２を
形成している。この実施例においては、第３図の場合と
異なり、仁はインターライン型固体撮像素子とは別個に
製造され、不透明膜１４および１４′の上部に密接ある
いは近接して配置されていることに特徴がある。

この方法では、パッケージ内に組み立てられた素子上に
目合わせを行ないながら構造体口の位置決め、固定を行
なう必要があることは言うまでもない。しかしながら、
構造体（主を別工程にて製造できるため、該製造プロセ
スが半導体製造プロセスにより制約を受けることなく任
意に選択できる利点もある。

第５図は本発明の他の実施例を示す図であり、第３図と
同一番号は同一構成要素を示している。

同図において、５０は２０と同様な集光用透明膜であり
、５１は不透明体である。この実施例では第３図の実施
例の場合と異なり、透明膜５０の分光感度特性が一様で
ないことに特徴がある。即ち基板ｌＯ内に等間隔で配置
された光電変換素子１１の各要素に対して、異なる分光
感度特性が透明膜５０により決定されている。−例とし
て挙げるならば、同図の１１の上部に位置する領域５２
ｉｄ緑を通過させる特性が、また、５２（７）右側に位
置する領域■は青を通過させる特性が、１ヱの左側に位
置する領域５４は赤を通過させる特性が与えられている
。かかる構成法によれば、単一の素子でカラー撮像が可
能になる。換言するならば第５図の実施例は単板カラー
撮像素子の色フィルタに集光機能を併せ持たせたことに
なる。かかる実施例においても、従来の色フィルタを有
する撮像素子の光感度特性を大幅に改善できることが可
能である。勿論第５図の実施例の透明膜５０の構造を第
４図のように変更することも可能である。インターライ
ン型固体撮像素子を一例として用いたが本発明はこれに
限ることなく、−次元あるいは二次元の撮像素子および
ＭＯ８Ｍ、０ＩＤＷ固体撮像素子にも広く応用できるこ
とは明らかであり、これらは全て本発明に包含されるも
のとする。また、集光用透明体および遮光用不透明体の
形状に？いて鉱−次元的な形状のみを例示したが、二次
元的な形状、即ち、ピラミッド型あるいは円錐形の逆型
が形状として採用されているものも容易に推−され、こ
れらも全て本発明に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン型固体撮像素子の概念的な構造
平面図、第２図はそのＡ−Ａ’断面図、第３図、第４図
、第５図は本発明の実施例の断面図である。 １・・・・・・光電変換素子、２・・・・・・垂直レジ
スタ、３・・・・・・水平レジスタ、４・・・・・・出
力回路、５・・・・・・出力端子、１０・・・・・・基
板、１１・・・・・・拡散層、１２・・・・・・垂直レ
ジスタの転送電極、１３・・・・・・転送ゲート電極、
１４，１４’・・・・・・不透明膜、２０，４０．５０
・・・・・・透明体、２１，４１．５１・・・・・・不
透明体、２２２．２３・・・・・・入射光線。 代胃人弁理士内原　　奸 第１回 ′＄２ＵｊＪ ＄３図 第４図 ′＄５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一導電型を有する半導体基板に、多数の光電変換素子が
   配列された固体撮像素子において、当該光電変換素子表
   面上に該素子毎に設けられた分光特性および透過特性が
   前記光電変換素子の配置された領域毎に異っている集光
   機能を有する透明体と、骸素子毎に設けられた透明体の
   中間に遮光機能を有する不透明体とが配置されたことを
   特徴とする固体撮像素子。