JP2005259824A - Solid state imaging device and method of forming asymmetric optical waveguide - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a solid-state imaging device used in an imaging apparatus such as a digital still camera and a method for forming an asymmetric optical waveguide used in the solid-state imaging device.
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。 In recent years, solid-state imaging devices used in imaging devices such as digital still cameras have improved the image quality by increasing the number of pixels, while reducing the cost by reducing the chip size. For this reason, the size of one pixel constituting the solid-state imaging device is decreasing year by year, and the area of the light receiving unit is also decreasing accordingly.
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。 When the area of the light receiving portion is reduced, the light receiving sensitivity is lowered. Therefore, a light receiving element in which an optical waveguide is provided between the light incident surface and the light receiving portion to improve the light collecting characteristic has been proposed (for example, Patent Document 1). reference). In this light receiving element, a symmetrical optical waveguide composed of a high refractive index material is provided on the light incident side of the light receiving portion, and a low refractive index material is provided around the optical waveguide to totally reflect incident light at the boundary surface. This improves the light condensing characteristics.
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)。 In addition, by shifting the optical axis of the microlens (on-chip lens) formed on each light-receiving unit toward the center from the optical axis of the light-receiving unit at the periphery of the solid-state imaging device, light incident from an oblique direction can be efficiently The structure which concentrates on a light-receiving part is proposed (for example, refer patent document 2).
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。
FIG. 8A is a cross-sectional view of pixels arranged in the peripheral portion of the solid-
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。 However, if the photographic lens is made smaller in order to further reduce the size of the camera, the distance between the solid-state image sensor and the exit pupil of the photographic lens is shortened, and the angle of light incident on the solid-state image sensor is further increased. End up. For this reason, as shown in the ray trace diagram of FIG. 8B, in the conventional solid-state imaging device having a symmetrical optical waveguide, a light flux that does not satisfy the total reflection condition is generated at the refractive index interface, and the incident light is efficiently generated. There was a disadvantage that the light could not be condensed.
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。 As described above, since the angle of light incident on the solid-state image sensor differs depending on the position of each pixel constituting the solid-state image sensor, there is a disadvantage that the sensitivity varies depending on the pixels when the optical waveguide having the same shape is formed.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to efficiently collect light incident on an optical waveguide regardless of the position of a pixel in a solid-state imaging device.
上記目的を達成するために、撮影レンズの予定結像面に配置される、複数画素からなる本発明の固体撮像素子は、各画素は、マイクロレンズと、入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、透明な高屈折率材料で構成され、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た、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有し、前記導光手段は、前記固体撮像素子における各画素の位置に応じてそれぞれ異なる形状を有し、該形状が、前記マイクロレンズから入射する光が前記導光手段内で全反射する条件を満たす。 In order to achieve the above object, the solid-state imaging device of the present invention consisting of a plurality of pixels arranged on the planned imaging plane of the photographic lens is composed of a microlens and a photoelectric conversion that converts incident light into an electrical signal. And a light guide means that is made of a transparent high refractive index material and is disposed between the microlens and the photoelectric conversion means and guides light from the microlens to the photoelectric conversion means. The light guide means has a different shape according to the position of each pixel in the solid-state imaging device, and the shape satisfies the condition that light incident from the microlens is totally reflected in the light guide means. Fulfill.
また、別の構成によれば、撮影レンズの予定結像面に配置される、複数画素からなる本発明の固体撮像素子は、各画素は、マイクロレンズと、入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、透明な高屈折率材料で構成され、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た、前記マイクロレンズからの光を前記光電変換手段に集光する集光手段とを有し、前記集光手段は、前記固体撮像素子における各画素の位置に応じてそれぞれ異なる形状を有し、該形状が、前記マイクロレンズから入射する光が前記光電変換手段の領域内にほぼ収まるように集光する形状及び集光力を有する。 According to another configuration, the solid-state imaging device according to the present invention, which is arranged on the planned imaging plane of the photographing lens and includes a plurality of pixels, each pixel includes a microlens and a photoelectric that converts incident light into an electrical signal. A conversion unit, and a condensing unit that is made of a transparent high refractive index material and is disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit, and condenses the light from the microlens on the photoelectric conversion unit. And the condensing means has different shapes depending on the position of each pixel in the solid-state imaging device, and the shape allows light incident from the microlens to be substantially within the region of the photoelectric conversion means. Thus, it has a shape to collect light and a light collecting power.
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。 According to the above configuration, it is possible to efficiently collect light incident on the optical waveguide regardless of the position of the pixel in the solid-state imaging device.
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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components exemplified in this embodiment should be changed as appropriate according to the configuration of the apparatus to which the present invention is applied and various conditions. However, the present invention is not limited to these examples.
<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。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
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。
In FIG. 1,
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。
2A is a pixel located at a, b, and c in FIG. 1 (hereinafter referred to as pixels a, b, and c), and FIG. 2B is a pixel that is located at d (hereinafter referred to as a pixel). It is a figure which each shows the cross section of d.). Note that “a” to “d” after the reference number indicating the configuration of each pixel are for specifying the corresponding pixels “a” to “d”, respectively. As can be seen from FIG. 1, the pixels a and b are located substantially at the center of the solid-
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。
In FIG. 2, 32 is a Si substrate, and light receiving
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。
In the pixels a and b located at the center of the solid-state
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。
On the other hand, in the pixels c and d that are not located at the center of the solid-
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。
As described above, the opening areas of the
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。
FIG. 3 shows the state of the light beam incident on the pixel d at the end of the solid-
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。
A process for forming the
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。
FIG. 4 is an example of a photomask used for forming an optical waveguide of one pixel of the solid-
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。
Next, an optical waveguide forming method using a lithography process for patterning a resist film using the
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。
As shown in FIG. 5A, an
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。
By further developing the resist
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。
Next, by performing reactive ion etching, the pattern of the resist
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。
Further, as shown in FIG. 5D, an
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。 As described above, according to the first embodiment, the shape of the optical waveguide is changed according to each position of the pixel so that the light incident on the optical waveguide is totally reflected in the optical waveguide. Regardless of the position of the pixel in the image sensor, the light incident on the optical waveguide can be efficiently guided to the light receiving unit.
<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。
<Modification>
In the first embodiment, the
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。
That is, at least a part of the inclined surface located on the peripheral side with respect to the center of the solid-state imaging device includes a surface perpendicular to the
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。 Furthermore, in addition to the configuration described in the first embodiment in which the inclined surface on the peripheral portion side of the optical waveguide is brought closer to the vertical as it goes to the periphery of the solid-state imaging device, the inclined surface on the center side is inclined to widen the opening area. You may do it. However, it is necessary to set the angle to maintain the total reflection condition even on the inclined surface on the center side.
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。 Moreover, in the said 1st Embodiment, although the shape of the optical waveguide was made into the square frustum, it is not restricted to this, It is also possible to comprise by the shape of a polygonal frustum or a truncated cone.
<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。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, the example in which light is guided to the light receiving unit using total reflection at the refractive index interface of the optical waveguide is shown. However, the configuration shown in the schematic cross-sectional view of the solid-state imaging device in FIG. It is also possible to achieve the same effect as in the first embodiment.
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。
That is, an optical waveguide 39 having a lens action is provided between the
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。 According to the second embodiment, similarly to the first embodiment, light incident on the optical waveguide can be efficiently guided to the light receiving unit regardless of the position of the pixel in the solid-state imaging device.
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
DESCRIPTION OF
Claims (8)
マイクロレンズと、
入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、
透明な高屈折率材料で構成され、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た、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有し、
前記導光手段は、前記固体撮像素子における各画素の位置に応じてそれぞれ異なる形状を有し、該形状が、前記マイクロレンズから入射する光が前記導光手段内で全反射する条件を満たすことを特徴とする固体撮像素子。 A solid-state image sensor composed of a plurality of pixels disposed on a planned imaging plane of a photographing lens, each pixel being
A microlens,
Photoelectric conversion means for converting incident light into an electrical signal;
A light guide means that is made of a transparent high refractive index material and is arranged between the microlens and the photoelectric conversion means, and guides light from the microlens to the photoelectric conversion means;
The light guide means has a different shape depending on the position of each pixel in the solid-state imaging device, and the shape satisfies a condition that light incident from the microlens is totally reflected in the light guide means. A solid-state imaging device characterized by the above.
マイクロレンズと、
入射光を電気信号に変換する光電変換手段と、
透明な高屈折率材料で構成され、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た、前記マイクロレンズからの光を前記光電変換手段に集光する集光手段とを有し、
前記集光手段は、前記固体撮像素子における各画素の位置に応じてそれぞれ異なる形状を有し、該形状が、前記マイクロレンズから入射する光が前記光電変換手段の領域内にほぼ収まるように集光する形状及び集光力を有することを特徴とする固体撮像素子。 A solid-state image sensor composed of a plurality of pixels disposed on a planned imaging plane of a photographing lens, each pixel being
A microlens,
Photoelectric conversion means for converting incident light into an electrical signal;
Condensing means for condensing the light from the microlens to the photoelectric conversion means, which is composed of a transparent high refractive index material and is disposed between the microlens and the photoelectric conversion means,
The condensing means has a different shape depending on the position of each pixel in the solid-state imaging device, and the shape is collected so that light incident from the microlens is substantially within the region of the photoelectric conversion means. A solid-state imaging device having a shape to shine and a light collecting power.
光透過性支持体にドット密度を段階的に変化させた遮光パターンを形成したフォトマスクを用いて前記レジストを露光して現像する工程と、
前記レジストを非対称形状にパターニングした後、エッチング処理により非対称形状を前記層間絶縁膜に転写する工程と
を有することを特徴とする非対称光導波路の形成方法。 Applying a resist on an interlayer insulating film including a wiring layer;
Exposing and developing the resist using a photomask having a light-shielding pattern in which the dot density is changed stepwise on a light-transmitting support; and
And a step of patterning the resist into an asymmetric shape and then transferring the asymmetric shape to the interlayer insulating film by an etching process.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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