JP2015133340A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像領域の周辺部でも感度が高い固体撮像装置を提供する。【解決手段】複数の画素が行列状に配置された撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、画素ごとに、半導体基板に形成された受光部と、半導体基板の上に形成された配線層と、画素ごとに、配線層の上に形成された集光素子とを有する。さらに、集光素子は、半導体基板に垂直な軸を中心とし、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなる。さらに、撮像領域の周辺部に位置する画素における集光素子は、撮像領域の中心部側の光透過膜の第一の高さが、撮像領域の中心部とは反対側の光透過膜の第二の高さよりも高い固体撮像装置。【選択図】図２

Description

本発明は固体撮像装置において、特に、集光素子に関する。

近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。また、広角から望遠まで、さまざまな光学レンズを交換して使用する１眼レフのデジタルカメラが普及してきている。そのような中で、デジタルカメラ等の薄型化に対する要望は依然として強い。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光の範囲は広角（固体撮像装置の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。

このように、広角になると、固体撮像装置の撮像領域の周辺部では入射する光が斜めになり、撮像領域の中央部と同じように集光素子を配置すると感度が低下する。これに対し、特許文献１の図１２Ｂには、図９に示すように、撮像領域の周辺部に位置する画素においては、集光素子の屈折率分布をシフトさせるために、高屈折率の材料を平面的に撮像領域の中央部側にシフトする方法が提案されている。

特開２００９−１５３１５号公報

しかしながら、従来のように、高屈折率の材料をシフトさせると、シフトした側では、高屈折率材料の間隔が狭くなるため、リソグラフィ技術に制約ができ、量子化誤差が増大する。これにより、結果的には撮像領域の周辺部での感度は低下し、撮像画像は周辺部が暗くなるという課題がある。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素が行列状に配置された撮像領域と周辺回路領域とを有する半導体基板と、画素ごとに、半導体基板に形成された受光部と、半導体基板の上に形成された配線層と、画素ごとに、配線層の上に形成された集光素子とを有する。さらに、集光素子は、半導体基板に垂直な軸を中心とした同心円状になるように、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなる。さらに、撮像領域の周辺部に位置する画素における集光素子は、撮像領域の中心部側の光透過膜の第一の高さが、撮像領域の中心部とは反対側の光透過膜の第二の高さよりも高い。

本発明の係る固体撮像装置により、撮像領域の周辺部の感度を向上でき、撮像画像の周辺部においても、従来よりも明るい撮像画像を得ることができる。

実施の形態１に係る固体撮像装置の平面図である。 （ａ）は、実施の形態１の中央部１５に位置する画素１４を示す断面図であり、（ｂ）は、実施の形態１の周辺部１６に位置する画素１４を示す断面図である。 （ａ）は、実施の形態１の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、（ｂ）は、実施の形態１の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。 （ａ）は従来の集光特性の計算結果を示す図であり、（ｂ）は本実施の形態の集光特性の計算結果を示す図である。 実施の形態１の集光効率の入射角依存性を示したグラフである。 （ａ）は、実施の形態２の中央部１５に位置する画素１４を示す断面図であり、（ｂ）は、実施の形態２の周辺部１６に位置する画素１４を示す断面図である。 （ａ）は、実施の形態２の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、（ｂ）は、実施の形態２の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。 （ａ）は、実施の形態１の変形例の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、（ｂ）は、実施の形態１の変形例の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。（ｃ）は、実施の形態２の変形例の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、（ｄ）は、実施の形態２の変形例の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。 従来の集光素子の平面図である。

（実施の形態１）
第一の実施の形態に係る固体撮像装置１１を図１〜５を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置の平面図である。

図１に示すように、固体撮像装置１１は、撮像領域１２と撮像領域１２の外側に位置する周辺回路領域１３と有する。撮像領域１２は、複数の画素１４が行列状に配置され、それぞれの画素１４は半導体基板に受光部（図示せず）を有している。撮像領域１２は、中央部１５と周辺部１６とに区別することができる。固体撮像装置１１は、受光部が入射した光を光電変換して電気信号に変え、画素１４が電気信号を周辺回路領域１３に形成された処理回路に電気信号を出力することで、画像データを生成する。

図２（ａ）は、図１の中央部１５に位置する画素１４を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図１の周辺部１６に位置する画素１４を示す断面図である。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、固体撮像装置１１は、画素１４ごとに複数の受光部２１が形成された半導体基板２２と、半導体基板２２の上に形成された配線層２３とを有する。さらに、配線層２３の上に、受光部２１ごとに対応して形成された、カラーフィルタ２４およびカラーフィルタ２４の上に平坦化膜を介して形成された集光素子２５を有する。

図３（ａ）は、図１の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、図３（ｂ）は、図１の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、集光素子２５は、空気よりも屈折率が高い複数の光透過膜２６が半導体基板２２に対して垂直な軸を中心とする同心円の円弧形状で複数形成されている。最も中心部においては、円弧形状ではなく、円形状の光透過膜２６が形成されている。それぞれの光透過膜２６は、幅および間隔が入射光の波長と同程度かそれより小さく形成されている。なお、図３（ｂ）では、左が撮像領域１２の中心側である。

このような波長以下の微細な光透過膜２６を形成すると、集光素子２５は、光透過膜２６の屈折率と光透過膜２６同士の間に位置する空間の屈折率とを平均した屈折率として機能する。空間の屈折率は、光透過膜２６の屈折率よりも小さくなっている。本実施の形態では空気とし、屈折率はｎ＝１．０である。空間には空気が存在していても良く、窒素や
アルゴンなど、光透過膜２６を劣化させない安定した気体とすることが好ましい。また、光透過膜２６はシリコン酸化膜とし、屈折率はｎ＝１．４５である。光透過膜２６としては、屈折率がｎ＝２．０のシリコン窒化膜なども用いることが可能である。

さらに、集光素子２５について詳しく説明する。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、集光素子２５は複数の光透過膜２６を異なる高さで形成されたものであり、全体として屈折率が分布されることで、設計屈折率分布２７をもつレンズとして機能することとなる。

本実施の形態では、光透過膜２６の高さを３段階とし、１２００ｎｍ、１１００ｎｍ、８００ｎｍとしている。また、光透過膜２６の幅は、前述したように入射光と同程度かそれ以下であり、本実施の形態では、波長が４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視光に対して、１００ｎｍや１５０ｎｍとしている。また、空間についても光透過膜２６と同程度の幅で形成されている。

図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、撮像領域１２の中央部１５においては、入射光は、半導体基板２２に対してほぼ垂直に入射するため、光透過膜２６は断面においても、平面においても左右対称に形成されている。図においては、左を撮像領域１２の中央側とし、右を周辺回路領域１３側とする。

そして、図３（ｂ）に示すように、撮像領域１２の周辺部１６においては、光透過膜２６は平面においては左右対称に形成されているが、図２（ｂ）に示すように、断面においては、左右非対称に形成されている。

具体的には、集光素子２５の中心からの距離が等しい光透過膜２６同士を比較すると、撮像領域１２の中央側の光透過膜２６の高さを１１００ｎｍとし、撮像領域１２の周辺回路領域１３側の高さを８００ｎｍとしている部分がある。また、撮像領域１２の中央側には光透過膜２６が存在するが、撮像領域１２の周辺回路領域１３側には存在していない部分もある。撮像領域１２の中央側を第一のゾーン３１とし、撮像領域１２の周辺回路領域１３側を第二のゾーン３２とする。

第一のゾーン３１は、第二のゾーン３２よりも小さくなっており、集光素子２５は全体的に中央部１５側にシフトした状態となっている。

これらの高さの異なるリングについては、言い換えると、第一の高さの光透過膜と軸との距離は、第二の高さの光透過膜と軸との距離と等しいことである。

これにより、集光素子２５の屈折率分布は撮像領域１２の中心側の方にシフトさせることができる。このとき、本発明では、撮像領域１２の中央側と外側とで複数の光透過膜２６の間隔を等しくしているため、リソグラフィ技術は同程度に制御でき、信頼性の高い屈折率分布が実現できる。

本実施の形態の光透過膜２６の高さの設定方法の一つについて説明する。

図２（ｂ）に示すように、撮像領域１２の周辺部１６における集光素子２５の理想的な屈折率分布を設計屈折率分布２７とし、画素１４の両端部における設計屈折率分布２７を直線２８で結ぶ。この直線２８は、周辺部１６では、理想的には屈折率分布は撮像領域１２の中央側にシフトしているため、半導体基板２２に対して傾いた直線２８となる。この傾いた直線２８に合うように、光透過膜２６の高さの違いを設定することができる。

次に、本実施の形態の設計屈折率分布２７について説明する。

図２（ｂ）の設計屈折率分布２７は、以下の（式１）で表される。

Δｎ(ｘ)＝Δｎ_ｍａｘ［(Ａｘ^２＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］ （式１）
（Ａ、Ｂ、Ｃ：定数）
ここで、Δｎ_ｍａｘは、光透過膜材料でＳｉＯ_２と空気の屈折率差（今回は０．４５）である。
また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ_０、出射側媒質の屈折率をｎ_１としたときの各パラメータは、以下の（式２）~（式４）である。

Ａ＝−（ｋ_０ｎ_１）／２ｆ （式２）
Ｂ＝−ｋ_０ｎ_０ （式３）
ｋ_０＝２π／λ （式４）
これにより、目的とする焦点距離ｆ及び対象とする入射光の入射角度、波長毎に、レンズを最適化することが可能となる。なお、上記（１）式において、集光成分は画素中央から周辺方向への距離ｘの２次関数によって表し、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表している。

次に、本実施の形態の集光特性を説明する。

図４（ａ）は従来の集光特性の計算結果を示す図であり、図４（ｂ）は本実施の形態の集光特性の計算結果を示す図である。

これらの計算結果は、有限要素法による電磁界シミュレーションにより、設定した光源より発生した光が固体撮像素子の表面に入射され、受光部を含む固体撮像装置全域に光が伝播する様子を示している。入射光は波長５４０ｎｍ、入射角度は固体撮像素子表面に対して平行な設定とした。

図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、従来の集光素子による集光分布に対し、本発明の集光素子による集光分布は受光部に効率良く集光されている様子が確認できる。具体的には、従来は入射光の一部が固体撮像装置内の遮光膜に遮られることで集光ロスが生じているのに対し、本実施の形態は遮光膜に遮られることなく受光部に効率良く集光できている。これは、従来技術と本発明との間に生じている屈折率分布の再現性の差異であり、量子化誤差を低減することで集光性能を向上させることができることを示している。

次に、本実施の形態の入射角特性について説明する。

図５は、本実施の形態の集光効率の入射角依存性を示したグラフである。符号５１は従来方法による規格化感度を示すものであり、短い破線で表されている。符号５２は理想的な規格化感度を示すものであり、長い破線で表されている。符号５３は本実施の形態による規格化感度を示すものであり、実線で表されている。

図５に示すように、本実施の形態では入射角度が０°から４０°程度までの広い範囲の入射光に対して高効率（８０％以上）の集光ができており、従来の集光素子と比べ、入射角度マージンの広角化が実現している。本発明の集光素子により、量子化誤差の低減による効果が十分に得られていることがわかる。

（実施の形態２）
次に、第二の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、実施の形態１と重複する事項についての記載は省略し、異なる事項についてのみ説明する。

図６（ａ）は、本実施の形態の中央部１５に位置する画素１４を示す断面図であり、図６（ｂ）は、本実施の形態の周辺部１６に位置する画素１４を示す断面図である。

図７（ａ）は、本実施の形態の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、図７（ｂ）は、本実施の形態の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。

本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、さらに光透過膜２６の線幅を異ならせることである。図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、例えば光透過膜２６がある領域の線幅を広くすることも可能である。また、図２（ｂ）には、例えば、中央から２つ外側のリングは第一のゾーン３１よりも第二のゾーン３２の方が低く、高さが異なっているが、図６（ｂ）に示すように、第一のゾーン３１のリングの線幅を第二のゾーン３２のリングの線幅よりも広くすることで、屈折率差を大きくすることも可能である。実施の形態１では、リングの幅は１００ｎｍとしていたが、本実施の形態２では、第二のゾーン３２のリングの幅は１５０ｎｍの部分も存在している。このように、本発明では光透過膜２６の高さを調整できるため、リソグラフィ技術の精度が落ちるまでリングの幅を設定する必要はなく、量子化誤差を少なくすることが可能である。

言い換えると、第一の高さの光透過膜２６は第一のゾーンを構成し、第二の高さの光透過膜２６は第二のゾーンを構成し、集光素子２５は、画素１４の複数のゾーンから構成されている。

第一のゾーン３１は、第二のゾーン３２よりも小さくなっており、集光素子２５は全体的に中央部１５側にシフトした状態となっている。

線幅としては、前述したように入射光と同じかそれより小さくしていればよく、１００ｎｍや１５０ｎｍなどであればよい。なお、リソグラフィ技術の精度が落ちるほどまでに線幅を小さくしなくとも、光透過膜２６の高さを調整できるため、量子化誤差を低減することが可能である。

（実施の形態１、２の変形例）
実施の形態１、２では、リングがすべて円としていたが、すべての実施の形態において、完全な円である必要はない。

図８（ａ）は、実施の形態１の本変形例の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、図８（ｂ）は、実施の形態１の本変形例の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。図８（ｃ）は、実施の形態２の本変形例の中央部１５に位置する集光素子２５の平面図であり、図８（ｄ）は、実施の形態２の本変形例の周辺部１６に位置する集光素子２５の平面図である。

図８（ｂ）、図８（ｄ）に示すように、図面左側である中央部１５に対して、長軸が向く方向に楕円に近い形状をしていても良い。このとき、各楕円の中心位置は異なっていても良い。このときも、実施の形態１と同様に、設計屈折率分布２７となるように、光透過膜２６の高さを変えることで、量子化誤差を低減した集光素子２５が実現できる。また、ゾーンが均等でないため、片側が延びた、いわゆる卵のような形状になっていても構わない。

以上のように、本願で、円または円弧状と呼ぶ場合もその円は完全な円である必要はな
く、円弧のような曲線を示すものである。また、本願で、リングと呼ぶ場合も、完全な一周分のリングである必要はなく、部分的なものでも構わない。さらに、最も内側のリングは、穴がないプレートのように形成されるが、これについても、本願では、リングに含まれるものとする。

（実施の形態３）
次に、本実施の形態に係る光透過膜２６の製造方法を説明する。

本実施の形態では、光透過膜２６の高さを３段階および、光透過膜が存在しない領域も存在する場合で説明する。まず、カラーフィルタ２４の上方に光透過膜２６を一定の膜厚で形成する。この膜厚は、最も高い光透過膜２６の高さにそろえておくことで、後のエッチング工程を簡略化できる。

次に、光透過膜２６が存在しない領域が開口した第一のマスクにより、光透過膜２６をエッチングして除去する。

次に、最も低い光透過膜２６が存在する領域が開口した第二のマスクにより、光透過膜２６をエッチングして除去する。第二のマスクの開口は第一のマスクの開口を含んでいても良い。

最後に、中間の高さの光透過膜２６が存在する領域が開口した第三のマスクにより、光透過膜２６をエッチングして除去する。第三のマスクの開口は第一のマスクおよび第二のマスクの開口を含んでいても良い。

なお、各エッチングのエッチング量は、最終的に形成される光透過膜２６の高さを考慮して行う。例えば、第二のマスクの開口が第一のマスクの開口を含む場合は、最終的に光透過膜２６が存在しない領域の光透過膜２６は２回のエッチングが施される。

なお、光透過膜２６は３段階以上の高さであっても構わない。また、マスクはグレースケールマスクなどを用いて一括で形成しても構わない。

（その他の事項）
実施の形態では、第一のゾーンと第二のゾーンの２つに分割して説明したが、さらに多くのゾーンに分割することも可能である。例えば、さらに上下方向にも分割し４つのゾーンで同心円弧状の光透過膜の高さを変えることも可能である。このようにすれば、撮像領域１２の中央から斜め方向の周辺部１６に位置する画素１４についても、屈折率分布を最適化でき、感度を向上させることができる。

また、本実施の形態では、カラーフィルタ２４の上方に位置する集光素子２５について発明を実施しているが、このような集光素子をカラーフィルタ２４の下にも層内レンズとして配置することで、さらに感度を向上することが可能である。

すなわち、配線層２３は画素１４ごとに層内レンズをさらに備え、層内レンズは、半導体基板２２に垂直な軸を中心とし、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜２６からなり、撮像領域１２の周辺部１６に位置する画素１４における層内レンズは、撮像領域１２の中央部１５側の光透過膜２６の第三の高さが、撮像領域１２の中央部１５とは反対側の光透過膜２６の第四の高さよりも高い。

また、本実施の形態は、画素１４のサイズが、３．７５μｍ×３．７５μｍなどで、一眼レフなどに用いられる大型のセンサーに用いれば、本発明の効果はさらに顕著となる。

また、これらの実施の形態は、矛盾がない範囲で組み合わせることが可能である。

本発明の固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ又はカメラ付携帯電話機などに利用が可能であり、有用である。

１１ 固体撮像装置
１２ 撮像領域
１３ 周辺回路領域
１４ 画素
１５ 中央部
１６ 周辺部
２１ 受光部
２２ 半導体基板
２３ 配線層
２４ カラーフィルタ
２５ 集光素子
２６ 光透過膜
２７ 設計屈折率分布
２８ 直線
３１ 第一のゾーン
３２ 第二のゾーン

Claims (6)

1. 複数の画素が行列状に配置された撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、
   前記画素ごとに、前記半導体基板に形成された受光部と、
   前記半導体基板の上に形成された配線層と、
   前記画素ごとに、前記配線層の上に形成された集光素子とを備え、
   前記集光素子は、前記半導体基板に垂直な軸を中心とした、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなり、
   前記撮像領域の周辺部に位置する画素における集光素子は、前記撮像領域の中心部側の前記光透過膜の第一の高さが、前記撮像領域の中心部とは反対側の前記光透過膜の第二の高さよりも高い固体撮像装置。
2. 前記軸は、前記画素の中心よりも前記撮像領域の中心側に位置する請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第一の高さの前記光透過膜と前記軸との距離は、前記第二の高さの前記光透過膜と前記軸との距離と等しい請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第一の高さの前記光透過膜の線幅は、前記第二の高さの前記光透過膜の線幅よりも大きい請求項１~３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記第一の高さの前記光透過膜は第一のゾーンを構成し、
   前記第二の高さの前記光透過膜は第二のゾーンを構成し、
   前記集光素子は、前記画素の複数のゾーンから構成されている請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記配線層は画素ごとに層内レンズをさらに備え、
   前記層内レンズは、前記半導体基板に垂直な軸を中心とし、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された円弧状の複数の光透過膜からなり、
   前記撮像領域の周辺部に位置する画素における層内レンズは、前記撮像領域の中心部側の前記光透過膜の第三の高さが、前記撮像領域の中心部とは反対側の前記光透過膜の第四の高さよりも高い請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。

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