JP4708721B2

JP4708721B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4708721B2
Application number: JP2004066293A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野; 晃一郎奥村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP2005259824A

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いる固体撮像素子及び固体撮像素子で用いられる非対称光導波路の形成方法に関するものである。

近年、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いる固体撮像素子では、画素数を増やして画質を向上させる一方で、チップサイズを小さくすることにより低価格化をはかっている。そのため、固体撮像素子を構成する１画素の大きさは年々小さくなり、それに伴って受光部の面積も小さくなってきている。

受光部の面積が小さくなると受光感度が低下してしまうため、光入射面と受光部との間に光導波路を設け、集光特性を高めた受光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この受光素子では、受光部の光入射側に高屈折率の材料で構成された対称形状の光導波路を設け、その周囲に低屈折率材料を設けて、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。

また、固体撮像素子の周辺部で、各受光部上に構成されたマイクロレンズ（オンチップレンズ）の光軸を受光部の光軸から中心方向にずらすことにより、斜めから入射する光を効率的に受光部に集光する構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図８（ａ）は、上記従来例を組み合わせた場合に考えられる固体撮像素子３０の周辺部に配置される画素の断面図で、不図示の撮影レンズから入射する光線の様子を示している。同図において、３１は入射光を受光部３３に集光するためのマイクロレンズで、受光部３３に対して不図示の撮影レンズの光軸側に偏心した位置に配設されている。受光部３３の光入射側には高屈折率の材料で構成された光導波路３６が形成されており、マイクロレンズ３１にて屈折した入射光は光導波路３６と低屈折率材料である層間絶縁膜３５との境界面で全反射して、受光部３３に導かれる。

特開平５−２３５３１３号公報特開第２６００２５０号

しかしながら、カメラの大きさをさらに小さくするために撮影レンズを小さくしていくと、固体撮像素子と撮影レンズの射出瞳との距離が短くなり、固体撮像素子に入射する光の角度がさらに大きくなってしまう。このため、図８（ｂ）の光線トレース図に示すように、従来の対称形状の光導波路を有した固体撮像素子では屈折率界面において全反射条件を満足しない光束が発生して効率よく入射光を集光できないという欠点があった。

このように、固体撮像素子に入射する光の角度は固体撮像素子を構成する各画素の位置によって異なるため、同一形状の光導波路を形成すると画素によって感度が異なってしまうという欠点があった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、固体撮像素子における画素の位置に関わらず、光導波路に入射した光を効率よく集光できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、マイクロレンズと、撮影レンズを介して入射する入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記マイクロレンズと前記光電変換手段との間に配置され、前記マイクロレンズからの光を前記光電変換手段に導光する導光手段とを各々が有する複数の画素を備えた固体撮像素子であって、前記固体撮像素子の中央部に位置する画素では、前記撮影レンズから入射する光の主光線がほぼ垂直に入射し、前記中央部に位置していない画素では、前記撮影レンズから入射する光の主光線が、当該撮影レンズの射出瞳と前記画素との位置で決まる所定の角度で入射し、前記導光手段は、該導光手段の周囲に配置される材料よりも高屈折率の材料で構成され、前記マイクロレンズから入射する光が前記導光手段と該導光手段の周囲に配置される材料との境界面で全反射させるように構成された多角錐台または円錐台の形状を有し、画素位置が前記固体撮像素子の中央部から周辺部に向かって離れるにしたがって、前記導光手段における前記固体撮像素子の周辺側に位置する傾斜面の角度が垂直に近づくように形成したことを特徴とする。

上記構成によれば、固体撮像素子における画素の位置に関わらず、光導波路に入射した光を効率よく集光することが可能になる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における固体撮像素子の平面図である。

図１において、３０は固体撮像素子であり、固体撮像素子３０の各画素は、不図示の撮影レンズからの光を集光するためのマイクロレンズ３１と、入射光をその光量に応じた電気信号に変換する受光部３３と、マイクロレンズ３１からの光を受光部３３に導光する光導波路３６とを有している。なお、図１では説明の簡略化のために８×６画素のみを示しているが、実際は数十万〜数百万画素が配列されている。各画素の受光部３３は等間隔で配置されているが、マイクロレンズ３１は受光部３３に対して固体撮像素子３０の中心側（不図示の撮影レンズの光軸側）に偏心して配置されている。また光導波路３６は四角錐台の形状で、各画素の位置に応じて異なる形状を成している。

図２（ａ）は、図１においてａ、ｂ、ｃに位置する画素（以下、画素ａ、ｂ、ｃと記す。）、また、図２（ｂ）はｄに位置する画素（以下、画素ｄと記す。）の断面をそれぞれ示す図である。なお、各画素の構成を示す参照番号の後のａ〜ｄは、対応する画素ａ〜ｄをそれぞれ特定するためのものである。図１から分かるように、画素ａ、ｂは固体撮像素子３０のほぼ中央部に位置し、画素ｃは中央部の画素ｂに隣接し、画素ｄは固体撮像素子３０の端に位置している。

図２において、３２はSi基板であり、受光部３３ａ〜３３ｄが形成されている。３８は配線電極で、屈折率の低いSiO₂等で形成された層間絶縁膜３５の間に形成されている。また、３４は受光部３３ａ〜３３ｄにて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送電極である。また、３６ａ〜３６ｄは屈折率の高い材料であるSiN等で構成された光導波路で、その中心軸は受光部３３ａ〜３３ｄの中心軸とほぼ一致している。光導波路３６ａ〜３６ｄの光入射側は、より多くの光が入射可能なように開口が広くなるように形成されている。また、３７ａ〜３７ｄはカラーフィルタで、さらに平坦化層を介してマイクロレンズ３１ａ〜３１ｄが形成されている。マイクロレンズ３１ａ〜３１ｄは、不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部３３ａ〜３３ｄに集光するようにレンズ形状が決められている。

固体撮像素子３０の中央部に位置する画素ａ、ｂにおいては、不図示の撮影レンズから入射する光の主光線はほぼ垂直に入射するため、マイクロレンズ３１ａ、３１ｂの光軸４１ａ、４１ｂと光導波路３６ａ、３６ｂの中心軸４０ａ、４０ｂは略一致するように構成されている。また、光導波路３６ａ、３６ｂはその中心軸４０ａ、４０ｂに対して対称な正四角錐台の形状を成している。

一方、固体撮像素子３０の中央部に位置していない画素ｃ及びｄでは、不図示の撮影レンズから入射する光の主光線は、撮影レンズの射出瞳と画素の位置で決まる所定の角度で入射する。そのため、マイクロレンズ３１ｃ及び３１ｄの光軸４１ｃ及び４１ｄは光導波路３６ｃ及び３６ｄの中心軸４０ｃ及び４０ｄに対して画素中央部に偏心するように設定されている。また、光導波路３６ｃ及び３６ｄはその中心軸４０ｃ及び４０ｄに対して非対称な四角錐台の形状を成している。すなわち、光導波路３６ｃ及び３６ｄの中心軸４０ｃ及び４０ｄに対して固体撮像素子３０の中央部側の傾斜面の角度は一定だが、中心軸４０ｃ及び４０ｄに対して固体撮像素子３０の周辺部側の傾斜面の角度はその画素の位置に応じて異なるように形成されている。つまり、固体撮像素子３０の周辺部にいくにしたがって撮影レンズからの主光線の入射角が深くなるため、光導波路３６の傾斜面への入射角が浅くなるように、周辺部側に位置する傾斜面の角度はSi基板３２に対して垂直に近づくように形成されている。

なお、上述したように光導波路３６ｃ及び３６ｄの周辺部側の傾斜面を垂直に近づけることで光導波路３６ｃ及び３６ｄの開口面積は低下するが、上述したようにマイクロレンズ３１ｃ及び３１ｄの位置を固体撮像素子３０の中心に偏心させることで、マイクロレンズ３１ａ及び３１ｂにより集光された光が光導波路３６ａ及び３６ｂに入射するのと同程度に、マイクロレンズ３１ｃ及び３１ｄにより集光された光を光導波路３６ｃ及び３６ｄにそれぞれ入射させることが可能である。このように、各画素のマイクロレンズの設置位置は、撮影レンズの射出瞳からの距離や、マイクロレンズの集光力、光導波路の開口までの距離などの条件に基づいて、適宜変更されるものである。

図３は、不図示の撮影レンズをさらに小型化することによってその射出瞳と固体撮像素子３０との距離が短くなった場合に、固体撮像素子３０の端の画素ｄに入射する光束の様子を示す図である。固体撮像素子３０に深い角度で入射した光束は、マイクロレンズ３１dで屈折して高屈折率材料で構成された光導波路３６ｄに入射する。ここで光導波路３６ｄの周辺部側の傾斜面はSi基板３２に対してほぼ垂直になるように形成されているため、傾斜面に入射する光束の角度が浅くなり、全反射条件を満足する。その結果、固体撮像素子３０に深い角度で入射した光束も光導波路３６ｄの傾斜面で全反射して効率よく受光部３３dに導かれる。

固体撮像素子３０の位置に応じて異なる非対称形状の光導波路３６を形成するためのプロセスを図４のフォトマスク説明図及び図５の光導波路形成プロセス説明図を用いて説明する。

図４は本発明の固体撮像素子３０の１画素の光導波路を形成するために用いられるフォトマスクの一例である。本第１の実施形態においては、石英基板等の光透過性支持体１１上に、選択的に描画したドットパターン、即ちドット１３の密度を段階的に変化させた所望のドットパターンによる遮光膜パターン１２を形成してフォトマスク１０を構成する。ドット１３は一定の形状を有し、本例では同一の正方形に形成される。そして、本第１の実施形態では図中Ａ−Ａ’の方向で見ると、Ａ−Ｃ間及び、Ｄ−Ａ’間（図４の網掛け部分）が最もドット密度が高く、逆にＤ−Ｅ間にドットは存在しない。また、Ｃ−Ｅ間は段階的にドット密度が疎になるようにドット１３を分布して構成するものである。図４では前記のようなドット密度分布を持たせたが、遮光パターンのドット密度分布は、形成する光導波路に対する画素の固体撮像素子３０上の位置に応じて異なるように設計される。

次に、フォトマスク１０を用いてレジスト膜をパターニングするリソグラフィ工程を利用した光導波路形成方法を図５のプロセス説明図を用いて説明する。

図５（ａ）に示すように、受光部３３が形成されたSi基板３２上に配線電極３８を含む層間絶縁膜３５を形成し、この層間絶縁膜３５上にポジ型のレジスト膜（ポジ型の感光性樹脂膜）２０を形成する。そして、各画素の対応する領域に所定のドット密度分布を有したフォトマスク１０を配置し、このフォトマスク１０を介して露光する。この場合、フォトマスク１０のＡ−Ａ’の方向では、前記のように位置によってドット１３の密度が変化し露光密度が制御される。

さらに現像処理を行うことによって、図５（ｂ）に示すようにレジスト膜２０はフォトマスク１０の露光密度に対応した非対称な抜きのパターンが形成される。

次に反応性イオンエッチング処理をすることで、図５（ｃ）に示すようにレジスト膜２０のパターンが層間絶縁膜３５に転写されて、受光部３３の直上に非対称な光導波路となる凹部が形成される。

さらに図５（ｄ）に示すように、層間絶縁膜３５に形成された非対称な凹部に高屈折率材料であるSiNを埋め込むことによって光導波路３６が形成される。

上記説明したように、本第１の実施形態によれば、光導波路に入射する光が光導波路内で全反射するように、画素の各位置に応じて光導波路の形状を変えることで、固体撮像素子における画素の位置に関わらず、光導波路に入射した光を効率よく受光部に導くことが可能となる。

＜変形例＞
上記第１の実施形態においては、固体撮像素子３０を構成する各画素の光導波路３６は固体撮像素子３０の周辺部にいくにしたがって固体撮像素子の中心に対して周辺側に位置する傾斜面の角度を垂直に近づけるように変化させるように構成された例を示したが、図６の固体撮像素子の概略断面図に示すような形状にしても、上記第１の実施形態と同様の効果を達成することが可能である。

即ち、固体撮像素子の中心に対して周辺側に位置する傾斜面の少なくとも一部がSi基板３２に対して垂直な面を含むようにし、傾斜角度が一定の傾斜面と垂直な面の比率を固体撮像素子３０の周辺部にいくにしたがって大きくするように構成することによって、固体撮像素子３０に深い角度で入射した光束に対しても全反射条件を満足して、効率よく受光部３３に導くことを可能としている。

更に、上記第１の実施形態で説明した、固体撮像素子の周辺にいくに従って光導波路の周辺部側の傾斜面を垂直に近づける構成に加えて、中心側の傾斜面を傾け、開口面積を広げるようにしても良い。ただし、中心側の傾斜面においても全反射条件を保てる角度にしておく必要がある。

また、上記第１の実施形態では、光導波路の形状を四角錐台としたがこれに限るものではなく、多角錐台や円錐台の形状により構成することも可能である。

＜第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、光導波路の屈折率界面での全反射を用いて受光部に光を導く例を示したが、図７の固体撮像素子の概略断面図に示すような構成にしても上記第１の実施形態と同様の効果を達成することが可能である。

即ち、配線電極３８とカラーフィルタ３７との間にレンズ作用を有する光導波路３９を設け、固体撮像素子３０の周辺部にいくにしたがって光導波路３９であるレンズ体の周辺部側の曲率半径が小さくなるように構成することにより、固体撮像素子３０に深い角度で入射した光束に対してより強い屈折作用をもたらすことによって入射光を効率よく受光部３３に導くことを可能としている。

本第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、固体撮像素子における画素の位置に関わらず、光導波路に入射した光を効率よく受光部に導くことが可能となる。

本発明の第１の実施形態における固体撮像素子の平面図である。図１に示す固体撮像素子の一部画素の構成を示す概略断面図である。本発明の第１の実施形態における周辺画素の光線トレース図である。本発明の第１の実施形態における光導波路を形成するために用いられるフォトマスクの一例を示す図である。本発明の第１の実施形態における光導波路を形成するためのプロセスを説明する概略図である。図１に示す固体撮像素子の一部画素の別の構成を示す概略断面図である。本発明の第２の実施形態における固体撮像素子の一部画素の構成を示す概略断面図である。従来の固体撮像素子の一画素の光線トレース図である。

符号の説明

１０フォトマスク
２０レジスト膜
３０固体撮像素子
３１マイクロレンズ
３２ Si基板
３３受光部
３４転送電極
３５層間絶縁膜
３６、３９光導波路
３７カラーフィルタ
３８配線電極

Claims

マイクロレンズと、撮影レンズを介して入射する入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、前記マイクロレンズと前記光電変換手段との間に配置され、前記マイクロレンズからの光を前記光電変換手段に導光する導光手段とを各々が有する複数の画素を備えた固体撮像素子であって、前記固体撮像素子の中央部に位置する画素では、前記撮影レンズから入射する光の主光線がほぼ垂直に入射し、前記中央部に位置していない画素では、前記撮影レンズから入射する光の主光線が、当該撮影レンズの射出瞳と前記画素との位置で決まる所定の角度で入射し、
前記導光手段は、該導光手段の周囲に配置される材料よりも高屈折率の材料で構成され、前記マイクロレンズから入射する光が前記導光手段と該導光手段の周囲に配置される材料との境界面で全反射させるように構成された多角錐台または円錐台の形状を有し、画素位置が前記固体撮像素子の中央部から周辺部に向かって離れるにしたがって、前記導光手段における前記固体撮像素子の周辺側に位置する傾斜面の角度が垂直に近づくように形成したことを特徴とする固体撮像素子。
前記マイクロレンズは、画素位置が前記固体撮像素子の中央部から周辺部に向かって離れるにしたがって、前記導光手段の中心軸に対して前記固体撮像素子の中心側に偏心して配置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。