JP5569715B2 - 撮像素子 - Google Patents

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この発明は撮像素子に関する。
近年、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、デジタルカメラ等が広く普及しており、これらのカメラにはCCD型、CMOS型等の固体撮像素子が使用されている。
固体撮像素子は、光電変換素子(フォトダイオードPD)を有する複数の画素が1次元又は2次元のアレイ状に配列されたものである(下記公報参照)。
特開平2005−142503号公報
近年、撮像素子の画素数が増加する傾向がある。しかし、撮像素子全体の大きさはほとんど変わらないため、画素間のピッチを小さくしなければならない(例えば3.0μm、2.5μm、2.0μm、1.5μm以下等)。ピッチを小さくすると、隣接する画素間でリーク電流に起因するクロストークが発生し易くなる。
従来、リーク電流を抑えてクロストークを減らすため、LOCOS(Local Oxidation of Silicon),STI(Shallow Trench Isolation)等の、フォトダイオードを電気的に分離するための分離層を形成している。しかし、分離層を形成すると暗電流が発生する。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる撮像素子を提供することである。
上記課題を解決するため請求項1記載の発明は、第1分光特性を有する第1フィルタと前記第1フィルタを介して入射した光を光電変換する第1光電変換部とを含む第1画素と、第1方向に沿って前記第1画素の隣りに配置され、前記第1フィルタより長波長の光を透過させる第2分光特性を有する第2フィルタと前記第2フィルタを介して入射した光を光電変換する第2光電変換部とを含む第2画素と、前記第1方向と垂直な第2方向に沿って前記第1画素の隣りに配置され、前記第1フィルタより短波長の光を透過させる第3分光特性を有する第3フィルタと前記第3フィルタを介して入射した光を光電変換する第3光電変換部とを含む第3画素と、を備え、前記第1方向及び前記第2方向と垂直な第3方向において、前記第1光電変換部から前記第1フィルタまでの距離は、前記第3光電変換部から前記第3フィルタまでの距離より短く、前記第3方向において、前記第2光電変換部から前記第2フィルタまでの距離は、前記第3光電変換部から前記第3フィルタまでの距離と同一であることを特徴とする撮像素子である。
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の撮像素子において、前記第3方向において、前記第1光電変換部から前記第1フィルタまでの距離は、前記第2光電変換部から前記第2フィルタまでの距離より短いことを特徴とする撮像素子である。
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の撮像素子において、前記第1光電変換部で光電変換された電荷を転送する第1転送スイッチと、前記第2光電変換部で光電変換された電荷を転送する第2転送スイッチと、前記第3光電変換部で光電変換された電荷を転送する第3転送スイッチと、を更に備え、前記第1転送スイッチ、前記第2転送スイッチ及び前記第3転送スイッチは、前記第3方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
請求項4記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子において、入射した光を前記第1光電変換部に集光する第1マイクロレンズと、入射した光を前記第2光電変換部に集光する第2マイクロレンズと、入射した光を前記第3光電変換部に集光する第3マイクロレンズと、を更に備え、前記第1マイクロレンズ、前記第2マイクロレンズ及び前記第3マイクロレンズは、前記第3方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
請求項5記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子において、入射した光を前記第1光電変換部に集光する第1マイクロレンズと、入射した光を前記第2光電変換部に集光する第2マイクロレンズと、入射した光を前記第3光電変換部に集光する第3マイクロレンズと、を更に備え、前記第1マイクロレンズ及び前記第3マイクロレンズは、前記第3方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
請求項6記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子において、入射した光を前記第1光電変換部に集光する第1マイクロレンズと、入射した光を前記第2光電変換部に集光する第2マイクロレンズと、入射した光を前記第3光電変換部に集光する第3マイクロレンズと、を更に備え、前記第1マイクロレンズ及び前記第2マイクロレンズは、前記第3方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子である。
請求項7記載の発明は、請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の撮像素子において、前記第1マイクロレンズの形状と前記第3マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子である。
請求項8記載の発明は、請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の撮像素子において、前記第1マイクロレンズの形状と前記第2マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子である。
この発明によれば微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる。
図1(a)はこの発明の第1実施形態に係る撮像素子の画素の一部の表面を示す概念図、図1(b)は図1(a)のb−b線に沿う断面を示す概念図、図1(c)は図1(a)のc−c線に沿う断面を示す概念図である。 図2(a)、(b)はこの発明の第2実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図である。 図3はこの発明の第3実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図である。 図4はこの発明の第4実施形態に係る撮像素子の画素の断面を示す概念図である。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1(a)はこの発明の第1実施形態に係る撮像素子の画素の一部の表面を示す概念図、図1(b)は図1(a)のb−b線に沿う断面を示す概念図、図1(c)は図1(a)のc−c線に沿う断面を示す概念図である。
撮像素子は、シリコン基板(基板)10に配置された光電変換部である複数のフォトダイオードPDと、複数のフォトダイオ−ドPDにそれぞれ対向配置されたカラーフィルタCFとを備えている。
シリコン基板10は例えばn型基板上にp型半導体層を設けたものであり、フォトダイオードPDはシリコン基板10に埋め込まれている。
カラーフィルタCFは赤色カラーフィルタRCF、緑色カラーフィルタGCF及び青色カラーフィルタBCFである。カラーフィルタCFは赤色カラーフィルタRCF、緑色カラーフィルタGCF及び青色カラーフィルタBCFをBayer配列してなる(図1(a)参照)。
フォトダイオ−ドPDと赤色カラーフィルタRCFとで赤色画素(第1色画素)が構成され、フォトダイオ−ドPDと緑色カラーフィルタGCFとで緑色画素(第2色画素)が構成され、フォトダイオ−ドPDと青色カラーフィルタBCFとで青色画素(第3色画素)が構成される。
各画素の前方には画素毎に光を透過・集光するための半球状のマイクロレンズMLが配置されている。マイクロレンズMLの高さはh1である。
シリコン基板10の厚さ方向の表面位置は隣接する各色の画素間で異なる。この実施形態では、シリコン基板10の厚さ方向の表面位置は青色画素、緑色画素、赤色画素の順番で低くなっている。換言すれば、シリコン基板10の表面からマイクロレンズMLの下面までの距離が青色画素、緑色画素、赤色画素の順番で長くなっている。
この実施形態によれば、シリコン基板10の厚さ方向の表面位置が隣接する各色の画素間で異なり、隣接するフォトダイオ−ドPDが3次元的に引き離され、しかもLOCOSやSTIによる分離層を形成していないので、微細な画素ピッチであってもLOCOSやSTIに起因するリーク電流や暗電流をなくすことができる。なお、マイクロレンズMLの高さを画素毎に変えてもよい。高さを変えることで、画素ごとに集光率をコントロールすることができるという効果を奏する。
図2(a)、(b)はこの発明の第2実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図であり、第1実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。なお、カラーフィルタCFは図1(a)と同様に赤色カラーフィルタRCF、緑色カラーフィルタGCF及び青色カラーフィルタBCFをBayer配列している。
この実施形態では、青色画素のシリコン基板10の厚さ方向の表面位置が第1実施形態と異なる。
赤色画素のシリコン基板10の厚さ方向の表面位置と青色画素のシリコン基板10の厚さ方向の表面位置とは同じである。赤色画素及び青色画素のシリコン基板10の厚さ方向の表面位置と緑色画素のシリコン基板10の厚さ方向の表面位置とは異なる。
なお、この実施形態では、緑色画素に対向するマイクロレンズMLの高さはh1であるが、赤色画素、青色画素にそれぞれ対向するマイクロレンズMLの高さはh2(h1>h2)である。
この実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。
次に、画素構造の詳細を示す図3、4に基づいて第3実施形態及び第4実施形態を説明する。
図3はこの発明の第3実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図であり、第1実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
シリコン基板10には、フォトダイオードPDで蓄積された電荷を浮遊拡散領域FDに転送する転送スイッチTXが形成されている。転送スイッチTXは電荷を電圧に変換する。転送スイッチTXはMOSトランジスタで構成され、浮遊拡散領域FDはコンデンサで構成されている。
撮像素子は、各画素に入射した光をフォトダイオードPDによって光電変換して信号電荷を生成し、この信号電荷をスイッチTXによってFD領域に転送し、このFD領域の電位変動を図示しない増幅トランジスタによって検出し、これを電気信号に変換・増幅することにより、画素毎に信号電荷を信号線から出力する。
シリコン基板10には隣接する画素間の境界部に段差30が形成されている。シリコン基板10の厚さ方向の表面位置が隣接画素間で異なっているため、隣接するフォトダイオ−ドPDへのリーク電流が抑制される(図3参照)。
この実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。
図4はこの発明の第4実施形態に係る撮像素子の画素の断面を示す概念図であり、第3実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この実施形態は転送スイッチTXのシリコン基板10の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で同じである点で第3実施形態と相違する。
この実施形態によれば、第3実施形態と同様の効果を奏するとともに、転送スイッチTXのシリコン基板10の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で同じであるので、画素間の段差30が深いときにPoly Siの回折の影響を低減することができる。また、フォトダイオ−ドPDと浮遊拡散領域FDとの間にも段差20を設けたので、横方向へのリーク電流を完全に遮断することができる。
なお、上記第1実施形態〜第4実施形態において、段差の高さ(シリコン基板10の厚さ方向の寸法)が0.1μm以上で、段差のテーパ角(θ)がシリコン基板10の表面を基準として0度を超え且つ90度以下であるとき、従来例に比較してリーク電流を低減することができる。
また、隣接画素間の段差の高さをD、画素間のピッチをPとしたとき、隣接画素間の段差の高さDと画素間のピッチPとの間には、D/P=0.05以上であるという関係がある。
また、マイクロレンズMLの高さを撮像素子内で同一としてもよい。また、図2に示すように、緑色画素に対向するマイクロレンズMLの高さh1と、赤色画素、青色画素にそれぞれ対向するマイクロレンズMLの高さh2とを異ならせてもよい。更に、マイクロレンズMLの高さを画素毎に異ならせてもよい。また、マイクロレンズMLの形状(半球状、かまぼこ型等)を画素毎に異ならせてもよい。
10:シリコン基板(基板)、CF:カラーフィルタ、D:シリコン基板の段差の高さ、FD:浮遊拡散領域、ML:マイクロレンズ、P:画素間のピッチ、PD:フォトダイオード(光電変換部)、TX:転送スイッチ。

Claims (8)

  1. 第1分光特性を有する第1フィルタと前記第1フィルタを介して入射した光を光電変換する第1光電変換部とを含む第1画素と、
    第1方向に沿って前記第1画素の隣りに配置され、前記第1フィルタより長波長の光を透過させる第2分光特性を有する第2フィルタと前記第2フィルタを介して入射した光を光電変換する第2光電変換部とを含む第2画素と、
    前記第1方向と垂直な第2方向に沿って前記第1画素の隣りに配置され、前記第1フィルタより短波長の光を透過させる第3分光特性を有する第3フィルタと前記第3フィルタを介して入射した光を光電変換する第3光電変換部とを含む第3画素と、を備え、
    前記第1方向及び前記第2方向と垂直な第3方向において、前記第1光電変換部から前記第1フィルタまでの距離は、前記第3光電変換部から前記第3フィルタまでの距離より短く、
    前記第3方向において、前記第2光電変換部から前記第2フィルタまでの距離は、前記第3光電変換部から前記第3フィルタまでの距離と同一であることを特徴とする撮像素子。
  2. 請求項1に記載の撮像素子において、
    前記第3方向において、前記第1光電変換部から前記第1フィルタまでの距離は、前記第2光電変換部から前記第2フィルタまでの距離より短いことを特徴とする撮像素子。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の撮像素子において、
    前記第1光電変換部で光電変換された電荷を転送する第1転送スイッチと、
    前記第2光電変換部で光電変換された電荷を転送する第2転送スイッチと、
    前記第3光電変換部で光電変換された電荷を転送する第3転送スイッチと、を更に備え、
    前記第1転送スイッチ、前記第2転送スイッチ及び前記第3転送スイッチは、前記第3方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    入射した光を前記第1光電変換部に集光する第1マイクロレンズと、
    入射した光を前記第2光電変換部に集光する第2マイクロレンズと、
    入射した光を前記第3光電変換部に集光する第3マイクロレンズと、を更に備え、
    前記第1マイクロレンズ、前記第2マイクロレンズ及び前記第3マイクロレンズは、前記第3方向において同一の位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
  5. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    入射した光を前記第1光電変換部に集光する第1マイクロレンズと、
    入射した光を前記第2光電変換部に集光する第2マイクロレンズと、
    入射した光を前記第3光電変換部に集光する第3マイクロレンズと、を更に備え、
    前記第1マイクロレンズ及び前記第3マイクロレンズは、前記第3方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
  6. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    入射した光を前記第1光電変換部に集光する第1マイクロレンズと、
    入射した光を前記第2光電変換部に集光する第2マイクロレンズと、
    入射した光を前記第3光電変換部に集光する第3マイクロレンズと、を更に備え、
    前記第1マイクロレンズ及び前記第2マイクロレンズは、前記第3方向において異なる位置にそれぞれ形成され、かつ前記第1方向及び前記第2方向において異なる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする撮像素子。
  7. 請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第1マイクロレンズの形状と前記第3マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子。
  8. 請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第1マイクロレンズの形状と前記第2マイクロレンズの形状は、異なることを特徴とする撮像素子。
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