JP2008053627A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換部への集光効率が向上する固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換部３と、入射光を光電変換部３に導くフォトニック結晶９を有し、フォトニック結晶９の光電変換部３に対応した領域の格子間隔が、光電変換部３の周囲領域に対応した領域の格子間隔と異なり、入射光がフォトニック結晶９の光電変換部３に対応した領域のみに集光されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサに適用される固体撮像装置に関する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとは、ＣＭＯＳプロセスを応用して、又は部分的に使用して作製されたイメージセンサである。
また、固体撮像装置の形態としては、ワンチップで構成されるもの、あるいは複数のチップから構成されるものであってもかまわない。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置においては、多画素化に伴い１画素当たりの面積が減少する傾向にある。１画素面積の減少は、入射する光量も減少することになり、画質に悪影響を与える原因となる。画質を向上させるためには、固体撮像装置上に入射した光を有効に光電変換部、いわゆるフォトダイオードに集光する必要がる。従来、フォトダイオードへの集光効率を上げるために、各フォトダイオードに対応するオンチップレンズが設けられて来た。

図１０に、従来の固体撮像装置の概略構成を示す。この固体撮像装置１０１は、シリコン半導体基板１０２に光電変換部となるｐｎ接合を有するフォトダイオード１０３が、素子分離領域１０４で区画される各画素毎に形成されている。半導体基板１０２の上部には、層間絶縁膜１０５を介して、配線１０６や遮光層１０７が形成され、さらに平坦化膜１０８を介してカラーフィルタ１０９が形成され、カラーフィルタ１０９上に各フォトダイオード１０３に対応してオンチップレンズ１１０が形成される。

ここで、固体撮像装置１０１がＣＭＯＳ固体撮像装置の場合には、１画素がフォトダイオード１０３とフォトダイオード１０３で生成された電荷を画素信号に変換するための複数のＭＯＳトランジスタ（図示せず）とで構成される。このとき、配線１０６、遮光層１０７は、多層配線となる。また、ＣＣＤ固体撮像装置の場合には、１画素がフォトダイオード１０３とＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ（図示せず）とで構成される。

また、フォトニック結晶を利用した固体撮像素子が種々提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に示された固体撮像素子は、受光素子の上方に開口部以外を遮光する遮光層が形成され、遮光層を埋め込むように所定の波長領域の光の進行方向を変えるフォトニック結晶が形成されている。さらにカラーフィルタ、オンチップレンズが形成される。

特開２００５ー２０３６７６号公報

ところで、上述した従来の固体撮像装置１０１においては、フォトダイオード１０３への入射光Ｌが配線１０６や遮光層１０７による蹴られ、集光が妨げられていた。また、カラーフィルタにより光が減衰するという問題もあった。

本発明は、上述の点に鑑み、光電変換部への集光効率が向上する固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部と、入射光を前記光電変換部に導くフォトニック結晶を有し、フォトニック結晶の光電変換部に対応した領域の格子間隔が、光電変換部の周囲領域に対応した領域の格子間隔と異なり、入射光がフォトニック結晶の光電変換部に対応した領域のみに集光されることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、入射した光が全てフォトニック結晶の光電変換部に対応した領域に集光されることになり、集光効率が向上する。

本発明に係る固体撮像装置によれば、光電変換部への集光効率が向上する。これにより、画質の向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す。図１は概略構成図である。本例は、固体撮像装置としてＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合である。

第１実施の形態に係る固体撮像装置１は、図１に示すように、例えばシリコンなどの半導体基板２の撮像領域に、複数の画素に対応する複数の光電変換部、本例ではｐｎ接合を有するフォトダイオード３が形成される。フォトダイオード３は規則的に２次元配列される。各画素は素子分離領域４により区画される。１画素は、フォトダイオード３と、フォトダイオード３での光電変換により生成された電荷を画素信号に変換するための複数のＭＯＳトランジスタ（図示せず）とで構成される。半導体基板２の上部には層間絶縁膜５を介して多層の配線６及び遮光層（実質的に最上層の配線）７が形成される。

そして、本実施の形態においては、多層配線層８上に高誘電体や金属などによる誘電率の異なる物質を周期的に配列して格子構造をなすフォトニック結晶９を形成して構成される。フォトニック結晶９は、図１のフォトニック結晶９の要部Ａの拡大図である図２（模式図）で示すように、第１の誘電率を有する第１の誘電体１１が３次元的な周期構造をもって格子状に配列され、第１の誘電体１１間を埋めるように第２の誘電率を有する第２の誘電体１２が設けられて構成される。

第１の誘電体１１は、幅ａを有するストライプ状に形成され、このストライプ状の誘電体１１が１層ごとに直交するように多層に配置されて格子構造を構成している。

３次元のフォトニック結晶９では、フォトダイオード３の周囲領域に対応した領域１３での誘電体１１の周期が入射する光（本例では可視光）を伝搬させない周期に設定され、フォトダイオード３に対応した領域１４での誘電体１１の周期が、領域１３の周期と異なり、所定の波長領域の光（本例では後述する赤色光、緑色光、青色光）を伝搬させる周期に設定される。すなわち、領域１４の格子間隔ｃが領域１３の格子間隔ｂと異なる。本例では領域１４の格子間隔ｃが領域１３の格子間隔ｂより広く設定される。なお、格子間隔ｃは、条件によっては格子間隔ｂに比べて、広く設定する場合、あるいは狭く設定する場合があり得る。

さらに、本実施の形態では、フォトニック結晶９のフォトダイオード３に対応する領域１４の上記周期を色ごとに変える、すなわち、赤（Ｒ）画素のフォトダイオード３に対応する領域１４の格子間隔ｃを赤の波長光が伝搬するように設定し、緑（Ｇ）画素のフォトダイオード３に対応する領域１４の格子間隔ｃを緑の波長光が伝搬するように設定し、青（Ｂ）画素のフォトダイオード３に対応する領域１４の格子間隔ｃを緑の波長光が伝搬するように設定する。格子間隔ｃは、おおよそ伝搬する光の波長の１／２（つまり半波長）程度となる。

フォトニック結晶９を構成するための周期的に配列する異なる誘電体物質の組合せとしては、例えば、ＳｉとＴａ２Ｏ３、ＳｉとＡｌ、ＳｉとＣｕ等の組合せがある。

第１実施の形態によれば、固体撮像装置１の撮像領域に光が入射されると、すなわちフォトニック結晶９の全面に光が入射されると、その入射光（可視光）は、フォトニック結晶９のフォトダイオード３の周囲領域に対応する領域１３では伝搬せず、各フォトダイオード３に対応する領域１３に全て集光され、各フォトダイオード３へ伝搬して入射される。このフォトニック結晶９の領域１４は導波路的な光の振る舞いとなる。図３にイメージ図を示す。光Ｌがフォトニック結晶９に入射されたとき、光Ｌはフォトニック結晶９のフォトダイオード３の周囲の領域１３内に存在せず、フォトダイオード３に対応する領域１４内に集光されてフォトダイオード３へ伝搬される。

そして、フォトニック結晶９の赤画素、緑画素及び青画素の各フォトダイオード３に対応する領域１３では、それぞれ赤色光、緑色光及び青色光のみが集光して各フォトダイオード３に入射される。

このように、フォトニック結晶９を利用することにより、撮像領域に入射される光を多層配線６、遮光層７で蹴られることがなく、集光してフォトダイオード３に入射させることができる。従って、オンチップレンズを省略して集光効率を向上することができ、入射する光の減少を抑えることができる。また、フォトニック結晶９の分光性を利用して赤画素、緑画素及び青画素に対応して各色光を入射させることができるので、カラーフィルタを省略することができる。カラーフィルタの省略で、カラーフィルタによる光の損失を抑えることができる。

第１実施の形態においては、より効率よく集光がなされ、カラーフィルタによる光の減衰もなくすことができ、画質の向上が得られる固体撮像装置を提供することができる。オンチップレンズ及びカラーフィルタを省略できるので、固体撮像装置をより薄く構成することができる。

フォトニック結晶９による色分離では、図２の領域１３の幅ａと格子間隔ｂを一定にして領域１４の格子間隔ｃを変えるだけでなく、領域１３の格子間隔ｂ、ストライプ状の誘電体１１の幅ａを変えることや、縦構造を変える（例えば縦方向の格子間隔、あるいはフォトニック結晶９と多層配線層８との間の距離を変える）ようにしても良い。

色に応じて誘電体幅ａ、格子間隔ｂ，ｃを変える構成では、素子分離層４を境に夫々の赤画素、緑画素、青画素に対応する領域毎にフォトニック結晶９の上記ａ，ｂ，ｃを変えるようにする。

フォトニック結晶９を構成する格子は、正方形、長方形、円柱形を問わない。

図４に、本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す。図４は概略構成図である。本例も固体撮像装置としてＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置２１は、フォトダイオード３を含む複数の画素を形成した半導体基板２の上方に多層配線６、７を含めたフォトニック結晶１９を形成して構成される。このフォトニック結晶１９は、前述のフォトニック結晶９と、誘電率の異なる多層配線６、７と層間絶縁膜５を周期的に配列して格子構造をなすフォトニック結晶１８とから構成される。

フォトニック結晶１８では、一方の誘電体を多層配線６、７として用いるので、構造的な制約があるが、格子間隔を制御することにより、フォトダイオード３の周囲領域に対応する領域１３を光が伝搬しないようにし、フォトダイオード３に対応する領域１４を光が伝播するように構成することができる。フォトニック結晶１８における色分離については、前述したフォトニック結晶９と同様にすることができる。
その他の構成は、図１の第１実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

第２実施の形態に係る固体撮像装置２１によれば、フォトダイオード３に近い多層配線６、７を含めてフォトニック結晶９を構成するので、よりフォトダイオード３に近い場所まで光を導くことができ、更なる集光効率を上げることができる。その他、色分離ができるなど第１実施の形態と同様の効果を奏する。

図５に、本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す。図５は概略構成図である。本例も固体撮像装置としてＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合である。
第３実施の形態に係る固体撮像装置２３は、図１の第１実施の形態において、更にフォトニック結晶９上に各フォトダイオード３に対応するオンチップレンズ２４を形成して構成される。オンチップレンズ２４は、その焦点ｆがフォトニック結晶９の上部２５に合わせるように形成される。その他の構成は、図１の第１実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

第３実施の形態に係る固体撮像装置２３によれば、オンチップレンズ２４を配置し、その焦点ｆをフォトニック結晶９の上部２５に合わせて置くことにより、光Ｌがフォトニック結晶９に入るまで、フォトニック結晶９上部での光の損失を抑えることができる。すなわち、オンチップレンズ２４で集光され、さらにフォトニック結晶９で集光されるので、集光効率をさらに向上することができる。その他、色分離ができるなど第１実施の形態と同様の効果を奏する。

図６に、本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す。図６は概略構成図である。本例も固体撮像装置としてＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合である。
第４実施の形態に係る固体撮像装置２７は、図１の第１実施の形態において、更にフォトニック結晶９上に赤、緑及び青のカラーフィルタ２８を形成して構成される。この場合のカラーフィルタ２８は、従来構造より光の損失が少ない構造に形成される。例えば、膜厚を薄く、及び／または材料を変える（例えば色の濃度を薄くして）などして光の損失が少ないカラーフィルタ２８を形成する。その他の構成は、図１の第１実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

第４実施の形態に係る固体撮像装置２７によれば、カラーフィルタ２８を備えるので、フォトニック結晶９での色分離との相乗効果で、より色分離を良好にすることができる。仮にフォトニック結晶９で集光効率が向上するも、色分離が十分でないときには、上記カラーフィルタ２８を追加することにより、色分離を確実にする。その他、第１実施の形態と同様の効果を奏する。

本発明の他の実施の形態としては、図１の第１実施の形態に、図６のカラーフィルタ２８及び図５のオンチップレンズ２４を付加して構成することも可能である。

本発明の更に他の実施の形態としては、図１の第１実施の形態において、フォトニック結晶９に色分離を持たせず、フォトニック結晶９のフォトダイオード３に対応する領域１４を、可視光付近の波長領域の光を伝搬し得る格子間隔に制御して構成することも可能である。この場合、集光効率の向上を図ることができる。色分離については、従来のカラーフィルタをフォトニック結晶９上に形成する構成、あるいはカラーフィルタをフォトニック結晶９と多層配線層８との間に形成する構成とすることができる。

上述の実施の形態におけるフォトニック結晶９は、ＣＣＤ固体撮像装置にも適用することができる。図７に、本発明の固体撮像装置をＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合の第５実施の形態を示す。同図は概略構成図である。

第５実施の形態に係る固体撮像装置３１は、図７に示すように、例えばシリコン等の半導体基板３２の撮像領域に、複数の画素に対応する複数の光電変換部、本例ではｐｎ接合を有するフォトダイオード３３が形成される。また、各フォトダイオード列に接して、フォトダイオード３３からの信号電荷を垂直方向へ転送する転送電極３６を有するＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３５が形成される。フォトダイオード３３は規則的に２次元配列される。各画素は素子分離領域３４により区画される。１画素は、フォトダイオード３３と、垂直転送レジスタの１つのフォトダイオード３３に対応した転送部とで構成される。さらに上方にフォトダイオード３３に対応する部分に開口３７を有した遮光層３８が形成される。

そして、本実施の形態においては、遮光層３８上に平坦化膜３９を介して、前述の図１の第１実施の形態でフォトニック結晶９を形成して構成される。フォトニック結晶９の構成は前述と同様である。

第５実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像装置３１によれば、第１実施の形態で説明したと同様に、フォトニック結晶９を利用することにより、入射した光の集光効率を向上し、また色分離を行うことができ、光の減少を抑制して高画質のＣＣＤ固体撮像装置を提供することができる。

ＣＣＤ固体撮像装置の他の実施の形態としては、前述のＣＭＯＳ固体撮像装置の実施の形態で説明したと同様に、図５のフォトニック結晶９とオンチップレンズの組合せ構造、図６のフォトニック結晶９とカラーフィルタ２８の組合せ構造、フォトニック結晶９とオンチップレンズ及びカラーフィルタの組合せ構造、可視光付近の周波数領域に光を伝播するフォトニック結晶を用いた構造、さらには可視光付近の周波数領域に光を伝播するフォトニック結晶と従来のカラーフィルタを組み合わせた構造などの、いずれかの構造を備えた構成とすることもできる。

本発明の実施の形態に適用できるフォトニック結晶は、前述の格子形状以外に図８に示すホールをによって形成することも可能である。図８Ａのフォトニック結晶９１は、単層の膜、例えばＳｉＯ２，ＳｉＮの単層膜９２に、厚み方向に貫通するホール９３を形成し、このホール９３内に単層膜９２とは誘電率の異なる材料９４、例えばタングステン（ｗ），銅（Ｃｕ）などの金属を埋め込んで構成する。

図８Ｂのフォトニック結晶９５は、多層膜、例えばＳｉＯ２膜９６とＳｉＮ膜９７を交互に積層した積層膜に、厚み方向に貫通するホール９３を形成し、このホール９３内に一方の膜例えばＳｉＮ膜９７と同じ材料、あるいは上記金属を埋め込んで構成する。

図８Ｃのフォトニック結晶９８は、多層配線（例えばＣｕ配線）９９が層間絶縁膜（例えばＳｉＯ２膜）９０を介して形成され、この多層配線層８９に、積層方向にホール９３を形成し、このホール９３内に誘電率の異なる材料、例えばＣｕ９４を埋め込んで構成する。この場合、例えば積層方向にＣｕ配線９９及び層間絶縁膜９０を貫通するホール９３を形成し、このホール９３にＣｕ９４を埋め込んで構成することができる。または、平面的にみてＣｕ配線９９間の層間節煙膜９０に、積層方向に貫通するホール９３を形成し、このホール９３内にＣｕ９４を埋め込んで構成することができる。

なお、図８の例では、ホール９３を形成し、誘電率の違う材料を埋め込んだ構成としたが、埋め込まないでホール９３のままとして構成することもできる。
これらのフォトニック結晶９１，９５，９８は、いずれも本発明の固体撮像装置に適用したときに、色分離および集光を行うことができる。

上述した本発明の実施の形態に係る固体撮像装置によれば、フォトニック結晶を利用して集光効率を向上し、また集光効率の向上と色分離を可能にし、入射する光の減少を抑えて高画質化を図ることができる。従って、例えば多画素化に伴う１画素当たりの面積が減少した、携帯用カメラ、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等に適用して好適である。

図９は、本発明に係る固体撮像装置を適用した電子機器モジュール、カメラモジュールの実施の形態を示す概略構成を示す。図８のモジュール構成は、電子機器モジュール、カメラモジュールの双方に適用可能である。本実施の形態のモジュール４０は、上述した実施の形態のいずれかの固体撮像装置、例えば代表として固体撮像装置１、光学レンズ系４１、入出力部４２、信号処理装置（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）４３、光学レンズ系制御用の中央演算装置（ＣＰＵ）４４を１つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール４５としては、例えば固体撮像装置１、光学レンズ系４１及び入出力部４２のみでモジュールを形成することもできる。また、固体撮像装置１、光学レンズ系４１、入出力部４２及び信号処理装置４３を備えたモジュール４６を構成することもできる。

本実施の形態に係るカメラモジュール、電子機器モジュールによれば、固体撮像装置１の光電変換部への集光効率が向上し、入射する光の減少を抑え、感度向上、高画質化を図ることができ、より小型のモジュールを実現することができる。

本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す概略構成図である。 図１のフォトニック結晶の要部Ａの拡大斜視図（模式図）である。 フォトニック結晶における入射された光の集光状態を示す説明図である。 本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る固体撮像装置の第５実施の形態を示す概略構成図である。 Ａ〜Ｃ 本発明に適用できるフォトニック結晶の他の例を示す構成図である。 本発明に係るモジュールの実施の形態を示す概略構成図である。 従来の固体撮像装置の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１、２１、２３、２７、３１・・固体撮像装置、２・・半導体基板、３・・光電変換部、４・・素子分離領域、５・・層間絶縁膜、６・・配線、７・・遮光層、８・・多層配線層、９、９１，９５，９８・・フォトニック結晶、１１、１２・・誘電体、１３・・光電変換部の周囲領域に対応した領域、１４・・光電変換部に対応した領域、１８・・フォトニック結晶、１９・・フォトニック結晶、２４・・オンチップレンズ、２８・・カラーフィルタ、３２・・半導体基板、３３・・光電変換部、３４・・素子分離領域、３５・・垂直転送レジスタ、３６・・転送電極、３８・・遮光層、３９・・平坦化膜

Claims (5)

1. 光電変換部と、
   入射光を前記光電変換部に導くフォトニック結晶を有し、
   前記フォトニック結晶の前記光電変換部に対応した領域の格子間隔が、前記光電変換部の周囲領域に対応した領域の格子間隔と異なり、
   前記入射光が、前記フォトニック結晶の光電変換部に対応した領域のみに集光される
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記フォトニック結晶は、前記光電変換部に対応した領域の格子間隔が、前記光電変換部の周囲領域に対応した領域の格子間隔より広くまたは狭く設定される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記フォトニック結晶の光電変換部に対応した領域の格子間隔が、前記光電変換部に入射される色光ごとに異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 集光用のオンチップレンズを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 色分離用のカラーフィルタを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。

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