JP2005286034A

JP2005286034A - 撮像素子

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Publication number: JP2005286034A
Application number: JP2004096650A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suda; 康夫須田
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Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
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Abstract

【課題】撮像素子への入射光束の利用効率を高める。
【解決手段】入射した光を光電変換する光電変換部３１を備える受光素子を複数配列した撮像素子３であって、撮像素子に入射する光線を拡散させる微細周期構造部４０と、受光素子の内部に形成され、微細周期構造部を通過して拡散された光を反射して、光電変換部に導く反射部６４とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルスティルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、あるいは撮像機能付き携帯電話などに好適な撮像素子に関し、詳しくは、光学ローパスフィルター内蔵型の撮像素子に関する。

一般に、良好な画像特性を得るための撮像は、物体像を光学系によって形成する第１のプロセス、物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセス、空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３のプロセス、得られた電気信号に対し、空間周波数に応じてレスポンスを補正する第４のプロセスから構成される。

第３のプロセスにおいては、有限の受光素子数の撮像素子で光学像のサンプリングを行うわけであるから、標本化定理に従って良質な画像出力を得るためには、光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする必要がある。ここでナイキスト周波数とは受光素子ピッチで決まるサンプリング周波数の１／２の周波数である。

したがって、最適化された一連のプロセスは、サンプリングされる光学像を撮像素子の受光素子ピッチに由来するナイキスト周波数に応じた特性の光学像に調節し、折り返し歪みが目立たない、すなわちモワレの目立たない良質な画像を得るものである。

画像の空間周波数伝達特性であるＭＴＦ（Modulation Transfer Function）はデジタルスティルカメラやビデオカメラなどの鮮鋭度に関する特性をよく表現できる評価量であって、画像特性の評価に用いられる。このＭＴＦに影響を与える具体的要素は、光学系である結像光学系、物体像の帯域制限のための光学ローパスフィルター、撮像素子の受光開口形状、デジタルアパーチャ補正等であり、最終の画像特性を表す全体のＭＴＦは各要素のＭＴＦの積として与えられる。すなわち、上記の第１のプロセスから第４のプロセスまでのＭＴＦをそれぞれ求め、その積を計算すれば良いわけである。

第４のプロセスであるデジタルフィルター処理は、撮像素子によって既にサンプリングされた画像出力に対して行われるので、ナイキスト周波数を超える高周波について考慮する必要はない。

ナイキスト周波数以上の成分を少なくした撮像システムの構成とは、第４のプロセスを除いて、第１のプロセスのＭＴＦ、第２のプロセスのＭＴＦおよび第３のプロセスのＭＴＦの積においてナイキスト周波数以上の成分を小さくしたということである。なお、デジタルスティルカメラのように静止画の鑑賞を前提とするときには、ナイキスト周波数を超える高周波成分が多少残っていても、ナイキスト周波数をやや下回る周波数域におけるレスポンスを高くして解像感の高い画像とすることを優先することもある。

第１のプロセスである結像光学系による物体像の形成において、一般に画面の中央は周辺に比べて光学収差を補正しやすく、画面の周辺で良好な画像を得ようとすると、画面の中央では結像レンズのＦナンバーで決定される回折限界ＭＴＦに近い極めて良好な特性を得る必要がある。近年、撮像素子の小ピッチ化が進んでおり、この必要性はますます高まっている。したがって、結像光学系については無収差の理想レンズと仮定してＭＴＦを考えても差し支えない。

一方、幅ｄの受光開口が隙間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の幅が受光素子ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕn（ｕn＝１／２ｄ）での第３のプロセスのレスポンス値はかなり高くなる。このため、ナイキスト周波数付近の総合ＭＴＦを下げるために第２のプロセスにおいてナイキスト周波数付近をトラップするのが一般的な撮像手法である。

そのために、第２のプロセスにおいては、光学ローパスフィルターが用いられる。光学ローパスフィルターは水晶やニオブ酸リチウム等の複屈折特性を利用したり、位相型の回折格子を利用して、空間的に位相をシフトさせた物体像を重畳させる。

光学系の光路中に複屈折板を介在させ、その光学軸を結像面と直交した水平方向面内に置いて、結像面に対しては傾くように配置すると、常光線による物体像と異常光線による物体像は所定量だけ水平方向にずれる。このような複屈折板によって特定の空間周波数をトラップするということは、その空間周波数の縞の明部と暗部とが重なるように物体像をずらすということである。複屈折を利用した光学ローパスフィルターによるＭＴＦは式（１）で表される。

Ｒ2（ｕ）＝|cos（π・ｕ・ω）| …（１）
ここで、ｕ：光学像の空間周波数
ω：物体像分離幅
Ｒ2（ｕ）：レスポンス
複屈折板の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキスト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能である。

しかしながら、複屈折板を作製するには水晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を成長させてから薄く研磨する必要があって、極めて高価になるという欠点がある。

一方、撮像素子の直前に回折格子を配置し、光学像を回折によって所定の位置関係の複数の像に分離し、実質的な受光素子開口を拡大しても、類似の効果を得ることが出来る。

特開平６−３０８４３０号公報（特許文献１）はこの技術の開示例である。回折格子と撮像素子とを一体化した構造とすることによって、撮像装置の組み立て工数を削減し、低コスト化することが可能になっている。さらに、外力で位置ずれが生じる恐れがないため、極めて安定した撮像装置が実現でき、総じて複屈折板による光学ローパスフィルターよりも優れた点が多い。
特開平６−３０８４３０号公報

しかしながら、上述した回折格子を利用する技術は、撮像素子への入射光束の利用効率の点で充分なものではなかった。

一般に、ＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーを用いた撮像装置では、対物光学系をテレセントリックに近い構成として、撮像素子への光の入射角を画面全体に渡って小さくし、できるだけ全ての光線が光電変換部に入射して無駄に照射される光が生じないようにする。こうすることによって、画面の周囲での不自然な光量落ちを防止している。

ところが、回折格子を利用すると、回折格子を射出した１次回折光と−１次回折光は、回折格子を介さない時の光線に対して角度を持って撮像素子の内部に入射するために、光電変換部に入らず、電荷に変換されないという現象が生じる。結果的に撮像素子の感度が回折格子を付加することによって低下するという欠点となる。この現象は画面の周辺で最も生じやすいが、画面周辺に限った問題ではなく、充分なローパス効果を得ようとすると画面の中央でも生じるものである。

したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子への入射光束の利用効率を高めることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像素子は、入射した光を光電変換する光電変換部を備える受光素子を複数配列した撮像素子であって、前記撮像素子に入射する光線を拡散させる微細周期構造部と、前記受光素子の内部に形成され、該微細周期構造部を通過して拡散された光を反射して、前記光電変換部に導く反射部と、を具備することを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記受光素子の各々からは、互いに異なる複数の分光特性で入射光を光電変換した光電変換出力を取り出せることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記反射部は、前記受光素子の内部に形成された屈折率が高い高屈折率部と、該高屈折率部の周囲に形成された該高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とを備え、前記高屈折率部内に入射した光を、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面で全反射させることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子への入射光束の利用効率を高めることが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１から図１１は本発明による第１の実施の形態を説明するための図である。

まず、図２は本実施形態の撮像素子を使用する撮像装置を示す断面図である。図２において、１は光学系であるところの凸レンズ、２は凸レンズ１の光軸、３は凸レンズ１によって形成された物体像を電気信号に変換する撮像素子、１０は撮像素子３を収納するパッケージである。４は凸レンズ１とセンサーパッケージ１０を保持し、暗箱としての機能を有する筐体である。凸レンズ１は、簡単のために単レンズとして図示したが、実際には複数のレンズや反射鏡、あるいは回折光学系を組み合わせて総合的に正のパワーを持たせた光学系であっても良い。また、フォーカス機構、像ぶれ抑制機構、可変開口絞り、光量制御フィルター、カラーフィルターおよびズーム機能などを適用することもできる。さらに、ゴーストやフレアをカットするための絞りがあっても良い。

次に、図２から図６を用いて撮像素子の構造について説明する。

図３は図２に示した撮像素子３の平面図である。図３において、３は撮像素子、１０は撮像素子３を収納するセンサーパッケージである。撮像素子３はＣＭＯＳイメージセンサーであって、複数の受光素子を備え、例えば、数百万画素の画像データを得るために数百万個の受光素子を縦横に、あるいは斜め方向に規則的に配列して構成されている。後述する回折格子は位相型の回折格子であって、屈折率による光速の変化を利用して光の位相を制御する構造が周期的に形成されている。したがって、センサーパッケージの内部は回折格子との屈折率差を適切にするために、空気、不活性ガス、あるいはハイドロフルオロエーテルといった屈折率１．２７程度の低屈折率液体が充填されている。

図４は撮像素子３の断面図である。図４において、３０はシリコン基板、３１はピッチＬで規則的に配列された埋め込みフォトダイオードの光電変換部、３２はポリシリコン配線層、３３、３４は銅配線層、３８は層間絶縁膜である疎水性多孔質シリカである。金属の配線が層間絶縁膜を挟んで一種のコンデンサーを形成し、信号の遅延を引き起こすために、多孔質シリカ３８はこれを抑制すべく従来多用されて来たシリコン酸化膜ＳｉＯ₂よりも誘電率を低くしてある。また、屈折率は誘電率の平方根に比例するので、屈折率も１．３程度と低くなっている。

３６は埋め込み透明樹脂層、３５はシリコン酸化窒化膜ＳｉＯＮからなる保護膜である。

埋め込み透明樹脂層３６は、先ず、シリコン内部のポテンシャル構造、光電変換部、ＭＯＳトランジスタアンプ、受光素子選択トランジスタ、銅配線、および層間絶縁膜等を形成し、さらにその上層に保護膜３５を成長させた後に、保護膜３５上から光電変換部３１に向けて異方性エッチングを施すことによって開口を形成し、この開口に液体透明樹脂を流し込んで熱硬化させるといった工程で製作する。

透明樹脂層３６の屈折率は１．６であり、透明樹脂層に隣接する層間絶縁膜の屈折率１．３とは１．２倍ほどの屈折率の差異があって、この界面に高屈折率側から低屈折率側に臨界角を越えて斜入射する光線を全反射することが可能である。詳しくは後述するが、この導波路構造によって、回折光を効率的に光電変換部３１に導いている。

なお、埋め込み透明樹脂層３６はベースとなる樹脂にナノスケールの酸化チタンＴｉＯ₂粒子、あるいは窒化シリコンＳｉ₃Ｎ₄粒子などを分散させたコンポジット材であっても良い。このようなコンポジット材では、酸化チタン粒子や窒化シリコン粒子が光の波長以下のサイズであることと、その屈折率が酸化チタン粒子で２．３５、窒化シリコン粒子で２．０と高いことに起因して、コンポジット材での光の直進性を保ったまま屈折率を１．８乃至２．１程度にまで引き上げることができ、全反射が生じる臨界角をかなり小さくすることができる。

さらに、３７は平坦化層、９０２は層内凸レンズ、３９は回折光を分離するための回折光分離層である。平坦化層３７は保護膜３５と透明樹脂層３６の上部に形成された透明樹脂による層である。この平坦化層３７の上部を凹面状にエッチングして、その上部にシリコン酸化窒化膜ＳｉＯＮ層を形成し、今度はその上面を凸面状にエッチングすることによって、ＳｉＯＮによる層内凸レンズ９０２が形成される。層内凸レンズ９０２の一つ一つを正面から見た形状は正方形であり、各層内凸レンズ９０２の面は、上面と下面の何れもが軸対象性の非球面となっている。

図５は層内凸レンズ９０２の形状の理解を助けるための図で、層内凸レンズ９０２を斜め上方から俯瞰した状態を示している。平坦化層３７の屈折率が１．５８、層内凸レンズ９０２の屈折率が１．８、回折光分離層３９の屈折率が１．３であるので、層内凸レンズ９０２は収束系としての焦点距離を有する。したがって、隣り合う埋め込み透明樹脂層３６の間には隙間があっても、光束は隙間なく敷きつめられている層内凸レンズ９０２を必ず通るので、何れかの埋め込み透明樹脂層３６に無駄なく集められることとなる。

回折光分離層３９は疎水性多孔質シリカを積層させたもので、数ナノメートルの微粒子をガスの流れに乗せ加速し、ノズルより噴射することで膜を形成する。数百ｍ／ｓｅｃ以上の速度で基板に衝突させることで、低温で高速に成膜することが可能である。回折光分離層３９の上部に形成された回折格子４０で発生する１次回折光と−１次回折光が層内凸レンズ９０２の深さにおいておよそ受光素子ピッチLだけ分離するような層厚となっている。

図６（ａ）と図６（ｂ）は回折格子４０の説明図であって、図６（ａ）は回折格子４０を撮像素子３の真上から見た平面図、図６（ｂ）は回折格子４０を斜め上方から見た斜視図である。

図において、破線９０３は層内凸レンズ９０２の凸面同士が接して形成される線を回折格子４０上に投影した受光素子の境界線である。ハッチングをかけて他と区別した９０２ａは後に撮像素子の動作の説明で使用する一つの層内凸レンズである。

回折格子４０は規則的な凹凸を樹脂によって形成した２次元回折格子であって、受光素子の境界線９０３と４５度の角度を成して直交する２方向を基準軸Ａ、Ｂとしている。層内凸レンズ９０２の夫々は正方形であって、ピッチＬで隙間無く配列されているので、Ａ方向とＢ方向の回折格子ピッチも等しく、共通の値Ｐである。基準軸Ａ、Ｂを受光素子の並びに対して４５度傾けているのは、回折光の分離方向を受光素子の並びに対して４５度傾けるためである。また、回折格子の形状は＋１次光と−１次光に強度を集中させるようになっている。なお、図に示した矩形状の凹凸パターンに限らず、例えば、ピラミッド状の凹凸パターンで構成しても良い。

次に、図７から図１１を用いて、本実施の形態による撮像素子の動作について説明する。

図７は回折による光線の分離を説明するための断面図である。撮像素子３の上方から回折格子４０に入射した光線５０は、回折格子４０で回折し、回折光５１を発生する。図は＋１次光と−１次光を模式的に描いたもので、０次光やさらに高次の回折光も発生するが、前述のように各次数の強度比は回折格子の形状設計で制御可能であって、±１次光にエネルギーを集中させているために、他の次数光は描いていない。光学ローパスフィルターの特性としては回折光が±１次光のみとして扱っても実質上差し支えないので、以降の説明では±１次光の挙動に絞って述べることとする。

図８および図９は実際の回折光の進む向きを説明するための図である。図８は撮像素子３の受光素子を示す拡大平面図、図９は受光素子の拡大斜視図である。簡単のために図８では回折格子を省略して示した。

受光素子の中心に入射する光線５０ａは回折格子４０で、４つの方向（±１次光の方向）に分割されて層内凸レンズ９０２ａに至る。回折光５１ａ−１、５１ａ−２、５１ａ−３、５１ａ−４は＋１次光と−１次回折光である。回折光分離層３９の厚さ、回折光分離層３９の屈折率、回折格子４０のピッチＰの設定により、前述のように層内凸レンズ９０２の深さにおいて０次回折光（直進光）と１次回折光、および０次回折光（直進光）と−１次回折光は幅δだけ分離される。

分離幅δは次式で表すことができる。

δ＝ｔ・ｎ・λ／Ｐ …（２）
ここで、ｔ：回折光分離層の厚さ
ｎ：回折光分離層の屈折率
λ：光の波長
Ｐ：回折格子のピッチ
である。

δ＝２μｍ
ｔ＝２．７μｍ
ｎ＝１．３
λ＝０．５５μｍ
Ｐ＝０．９９μｍ
あるいは、
δ＝３．６μｍ
ｔ＝９．１μｍ
ｎ＝１．３
λ＝０．５５μｍ
Ｐ＝１．８μｍ
などは（２）式を満足する組み合わせである。図４や図７に示した撮像素子３の断面図は、後者の寸法で示してある。

図８と図９では、受光素子の中央に入射する光線について、光線が回折格子４０で４分割されて撮像素子の内部に進んでいく現象を説明したが、この現象は受光素子の中央に限るわけではなく、受光素子のどの位置についても起こっている。ということは、逆に、一つの受光素子に入射する光束は回折格子４０上で１つの受光素子よりももっと広い領域を通過し、隣接受光素子間でその領域がオーバーラップしていることを意味する。

図１０は１受光素子の実質的な受光開口を説明するための図である。回折による分離幅δと受光素子ピッチＬとの関係を、
δ＝Ｌ／√２ …（３）
とすると、実質的な受光開口５２は図１０に示す如く拡大し、受光開口５２の大きさＭは、
Ｍ＝２×Ｌ …（４）
となる。

ナイキスト周波数ｕnは、
ｕn＝１／（２Ｌ）・・・（５）
であり、他方、矩形開口受光素子のレスポンスは次のＳＩＮＣ関数で表すことができる。

Ｒ3（ｕ）＝|sin（π・Ｍ・ｕ）／（π・Ｍ・ｕ）| …（６）
ｕ：物体像の空間周波数
Ｒ３(ｕ)：レスポンス
Ｍ：撮像素子の受光開口の幅
式（６）の最初のゼロ点（カットオフ周波数）ｕcは、
ｕc＝１／Ｍ＝１／（２Ｌ）・・・（７）
の位置である。

したがって、受光開口のレスポンスと、受光素子ピッチから決まるナイキスト周波数との関係は図１１のようになって、受光開口のレスポンスのカットオフ周波数ｕcとナイキスト周波数ｕnが一致する。したがって、対物レンズによる物体像にナイキスト周波数を越える成分があったとしてもモアレの目立たない画像を得ることができる。

ところで、層内凸レンズ９０２に入射した光を光電変換するためには、光電変換部３１に入射する必要がある。回折光５１は回折格子４０による回折角を付与されるために、回折光分離層３９をより斜めに通過することになる。さらに、図７では簡単のために撮像素子３に対して垂直に入射する光線５０のみを示しているが、実際の対物レンズによる光学像の形成では、有限の大きさの射出瞳を出た光束が撮像素子３に入射するわけで、入射角はＦナンバーと射出瞳位置に応じた所定の範囲に分布する。したがって、対物レンズのＦナンバーと射出瞳を考慮した時、回折光５１の傾きはさらに増すことになる。

一般にＣＭＯＳイメージセンサーの光電変換部付近には配線層などがあって、また、ＣＣＤイメージセンサーにおいても電荷転送部などがあって、斜めに撮像素子の内部を進む光線は光電変換部に到達し難い。光電変換部に到達できなかった光線は配線層などで吸収されて最終的に熱に変わるだけである。

本実施の形態による撮像素子は、こういった撮像素子の内部を進む光線を光電変換部に導くための導波路構造を備えている。図１はその説明図であって、層内凸レンズ９０２ａに入射する光線に注目して、これらの挙動を図示したものである。他の層内凸レンズの方向に向かった光線は図示していない。

撮像素子３の上方から回折格子４０に入射した光線６０は、回折格子４０で回折し、層内凸レンズ９０２ａに向かう回折光６１を発生する。回折光６１は回折光分離層３９を通って層内凸レンズ９０２ａに入射し、層内凸レンズ９０２ａで屈折作用を受けて、平坦化層３７を経て埋め込み透明樹脂層３６ａに入射する。埋め込み透明樹脂層３６は層間絶縁膜３８よりも高屈折率であるために、この界面では臨界角を越えて斜入射する光線は全反射し、埋め込み透明樹脂層から層間絶縁膜３８に出ることはできない。すなわち、例えば、光線６２は埋め込み透明樹脂層３６ａと層間絶縁膜３８の界面６４で全反射し、光線６３となって埋め込み透明樹脂層３６ａ内に留まり、次に光電変換部３１ａに入射して光電変換される。

したがって、埋め込み透明樹脂層３６がない場合には回折格子４０による偏向作用を受けて光電変換部３１ａに入射できなかった光線が、埋め込み透明樹脂層３６による導波路構造によって光電変換部３１に入射できるようになり、撮像素子の感度が向上する。回折光を光電変換することができて初めて、受光開口のレスポンスが実際に図１１に示したようになる。

なお、回折格子４０は、可視光の波長以下の微細構造である所謂ＳＷＳ（sub−wavelength structure）であっても良い。

（第２の実施の形態）
導波路は他の物質の組み合わせによっても構成可能である。また、本発明による撮像素子をカラー撮像素子に適用すれば、偽色を抑制することができる。

図１２は導波路を有したカラー撮像素子の第２の実施形態を示す断面図である。第１の実施の形態には無かったカラーフィルター層が追加されている。カラーフィルターの配列は、例えばベイヤー配列である。図１２において、７０は緑色光を透過する緑色カラーフィルター、７１は赤色光を透過する赤色カラーフィルターである。ベイヤー配列においては、図１２に示す断面のように緑色カラーフィルターと赤色カラーフィルターが交互に配列された行と、青色カラーフィルターと緑色カラーフィルターが交互に配列された行が交互に現れる。

図１２において、２３０はシリコン基板、２３１は埋め込みフォトダイオードの光電変換部、２３２はポリシリコン配線層、２３３、２３４はアルミニウム配線層、２３８は層間絶縁膜であるシリコン酸化膜ＳｉＯ₂である。２３６は埋め込み窒化シリコンＳｉ₃Ｎ₄層、２３５はシリコン酸化窒化膜ＳｉＯＮからなる保護膜である。

埋め込み窒化シリコン層２３６は、まず、シリコン内部のポテンシャル構造、光電変換部、ＭＯＳトランジスタアンプ、受光素子選択トランジスタ、アルミニウム配線、および層間絶縁膜等を形成し、さらにその上層に保護膜２３５を成長させた後に、保護膜２３５上から光電変換部２３１に向けて異方性エッチングを施すことによって開口を形成し、この開口にＣＶＤ装置によりシリコン窒化膜Ｓｉ₃Ｎ₄を埋め込むといった工程で製作する。

埋め込み窒化シリコン層２３６の屈折率は２．０であり、埋め込み窒化シリコン層２３６に隣接する層間絶縁膜の屈折率１．４６とは１．３７倍ほどの屈折率の差異があって、この界面に高屈折率側から低屈折率側に臨界角を越えて斜入射する光線を全反射することが可能である。こういった導波路構造によって、回折光を効率的に光電変換部２３１に導いている。

さらに、２３７と８１は平坦化層、８０は層内凸レンズ、２３９は回折光を分離するために設けられ、疎水性多孔質シリカの積層による回折光分離層である。平坦化層８１は保護膜２３５と埋め込み窒化シリコン層２３６の上部に、平坦化層２３７はカラーフィルター７０、７１の上部に形成されたシリコン酸化膜ＳｉＯ₂による層である。この平坦化層２３７の上部を凹面状にエッチングして、その上部に酸化チタンＴｉＯ₂層を形成し、今度はその上面を凸面上にエッチングすることによって、酸化チタンＴｉＯ₂による層内凸レンズ８０が形成される。層内凸レンズ８０の一つ一つを正面から見た形状は正方形であり、各層内凸レンズ８０の面は、上面と下面の何れもが軸対象性の非球面となっている。

平坦化層２３７の屈折率が１．４６、層内凸レンズ８０の屈折率が２．３５、回折光分離層２３９の屈折率が１．３であるので、層内凸レンズ８０は収束系としての焦点距離を有する。したがって、隣り合う埋め込み窒化シリコン層２３６の間には隙間があっても、光束は隙間なく敷きつめられている層内凸レンズ８０を必ず通るので、無駄なく埋め込み窒化シリコン層２３６に集められることとなる。

また、回折格子２４０は規則的な凹凸を樹脂によって形成した２次元回折格子であって、断面形状を正弦波状とすることで高次光の発生を抑え、０次光（直進光）、＋１次光、および−１次光に強度を集中させるようになっている。

回折光分離層２３９は、その上部に形成された回折格子２４０で発生する１次回折光と−１次回折光が層内凸レンズ８０の深さにおいておよそ受光素子ピッチの２倍分だけ分離するための層厚である。このように構成することによって、１受光素子の見かけの開口幅を約３倍に拡大することができる。したがって、受光素子開口の高い空間周波数成分に対するレスポンスを抑制し、偽色のほとんど無い高品位な画像を得ることが可能となる。

撮像素子２０３の上方から回折格子２４０に入射した光線２６０は、回折格子２４０で回折し、層内凸レンズ８０ａに向かう回折光２６１を発生する。回折光２６１は回折光分離層２３９を通って層内凸レンズ８０ａに入射し、層内凸レンズ８０ａで屈折作用を受けて、平坦化層２３７、カラーフィルター７０、７１、および平坦化層８１を経て埋め込み窒化シリコン層２３６ａに入射する。埋め込み窒化シリコン層２３６は層間絶縁膜２３８よりも高屈折率であるために、この界面では臨界角を越えて斜入射する光線は全反射し、埋め込み窒化シリコン層から層間絶縁膜２３８に出ることはできない。すなわち、例えば、光線２６２は埋め込み窒化シリコン層２３６ａと層間絶縁膜２３８の界面２６４で全反射し、光線２６３となって埋め込み窒化シリコン層２３６ａ内に留まり、次に光電変換部２３１ａに入射して光電変換される。

したがって、埋め込み窒化シリコン層２３６がない場合には回折格子２４０による偏向作用を受けて光電変換部２３１ａに入射できなかった光線が、埋め込み窒化シリコン層２３６による導波路構造によって光電変換部２３１に入射できるようになり、撮像素子の感度が向上する。

（第３の実施の形態）
導波路はさらに別の物質の組み合わせによっても構成可能である。また、撮像素子内の低屈折率層を利用して層内レンズを形成することができる。

図１３は導波路を有したカラー撮像素子の第３の実施形態を示す断面図である。第１および第２の実施の形態には無かった層構造の光電変換部が形成されている。

図１３において、３３０はシリコン基板、３３１Ｂ、３３１Ｇ、３３１Ｒは埋め込みフォトダイオードの光電変換部、３３２はポリシリコン配線層、３３３、３３４は銅配線層、３３８は層間絶縁膜である疎水性多孔質シリカである。３３６は埋め込み酸化シリコンＳｉＯ₂層、３３５はシリコン酸化窒化膜ＳｉＯＮからなる保護膜である。

光電変換部３３１Ｂは可視域全体を、光電変換部３３１Ｇは主に緑色光と赤色光を、光電変換部３３１Ｒは主に赤色光を光電変換する。こういった一受光素子に分光感度の異なる３つの光電変換部を備える構成によれば、カラー画像を得る際の色毎の物体像サンプリング位置が一致するために、偽色の発生が無い。しかも、本実施の形態では、１受光素子の実効的な開口幅を拡大して、受光素子開口の高い空間周波数成分に対するレスポンスを抑制し、モアレも無い極めて高品位な画像を得ることができる。

埋め込み酸化シリコン層３３６は、まず、シリコン内部のポテンシャル構造、光電変換部、ＭＯＳトランジスタアンプ、受光素子選択トランジスタ、銅配線、および層間絶縁膜等を形成し、さらにその上層に保護膜３３５を成長させた後に、保護膜３３５上から光電変換部３３１に向けて異方性エッチングを施すことによって開口を形成し、この開口にＣＶＤ装置によりシリコン酸化膜ＳｉＯ₂を埋め込むといった工程で製作する。

埋め込み酸化シリコン層３３６の屈折率は１．４６であり、埋め込み酸化シリコン層３３６に隣接する層間絶縁膜の屈折率１．３とは１．１２倍ほどの屈折率の差異があって、この界面に高屈折率側から低屈折率側に臨界角を越えて斜入射する光線を全反射することが可能である。こういった導波路構造によって、回折光を効率的に光電変換部３３１に導いている。

さらに、３３７は平坦化層、９０は層内レンズ、３３９は回折光を分離するために設けられ、透明樹脂による回折光分離層である。平坦化層３３７は保護膜３３５と埋め込み酸化シリコン層３３６の上部に形成されたＳｉＯＮによる層である。この平坦化層３３７の上部を凸面状にエッチングして、その上部に疎水性多孔質シリカ層を形成し、今度はその上面を凹面上にエッチングすることによって、疎水性多孔質シリカによる層内レンズ９０が形成される。層内レンズ９０の一つ一つを正面から見た形状は正方形であり、各層内レンズ９０の面は、上面と下面の何れもが軸対象性の非球面となっている。

平坦化層３３７の屈折率が１．８０、層内レンズ９０の屈折率が１．３０、回折光分離層の屈折率が１．５８であるので、層内レンズ９０は両凹レンズでありながら収束系としての焦点距離を有する。したがって、隣り合う埋め込み酸化シリコン層３３６の間には隙間があっても、光束は隙間なく敷きつめられている層内レンズ９０を必ず通るので、無駄なく埋め込み酸化シリコン層３３６に集められることとなる。

また、回折格子３４０は矩形状の規則的な凹凸を樹脂によって形成した２次元回折格子であって、＋１次光、および−１次光に強度を集中させるようになっている。

回折光分離層３３９は、その上部に形成された回折格子３４０で発生する１次回折光と−１次回折光が層内凸レンズ９０の深さにおいておよそ受光素子ピッチ分だけ分離するための層厚である。このように構成することによって、１受光素子の実効的な開口幅を約２倍に拡大することができる。

したがって、受光素子の各々から、互いに異なる複数の分光特性で入射光を光電変換することによって得られた複数の光電変換出力を取り出した上に、１受光素子の実効的な開口幅を約２倍に拡大しているので、受光素子開口のナイキスト周波数に対するレスポンスが抑制されて、モアレも偽色もほとんど無い極めて高品位な画像を得ることが可能となる。

撮像素子３０３の上方から回折格子３４０に入射した光線３６０は、回折格子３４０で回折し、層内レンズ９０ａに向かう回折光３６１を発生する。回折光３６１は回折光分離層３３９を通って層内レンズ９０ａに入射し、層内レンズ９０ａで屈折作用を受けて、平坦化層３３７を経て埋め込み酸化シリコン層３３６ａに入射する。埋め込み酸化シリコン層３３６は層間絶縁膜３３８よりも高屈折率であるために、この界面では臨界角を越えて斜入射する光線は全反射し、埋め込み酸化シリコン層から層間絶縁膜３３８に出ることはできない。すなわち、例えば、光線３６２は埋め込み酸化シリコン層３３６ａと層間絶縁膜３３８の界面３６４で全反射し、光線３６３となって埋め込み酸化シリコン層３３６ａ内に留まり、次に光電変換部３３１ａに入射して光電変換される。

したがって、埋め込み酸化シリコン層３３６がない場合には回折格子３４０による偏向作用を受けて光電変換部３３１ａに入射できなかった光線が、埋め込み酸化シリコン層３３６による導波路構造によって光電変換部３３１に入射できるようになり、撮像素子の感度が向上する。

なお、以上の実施の形態では全反射を利用した導波路構造について説明したが、金属面反射を利用した導波路を用いることもできる。また、層間絶縁膜の代わりに気体を封入した空隙や、真空の空隙を用いても良い。

以上説明したように、上記の第１乃至第３の実施の形態によれば、受光素子の１ピッチに相当する光束を、隣接する受光素子に入射させるように偏向させる微細周期構造を備えた撮像素子において、入射光束の利用効率を高めることが可能となった。

また、第３の実施の形態によれば、偽色の発生とモアレの発生の両方を抑制した撮像装置を実現することができた。

本発明の第１の実施の形態に係わる撮像素子の断面図である。撮像装置を示す断面図である。図２に示した撮像素子３の平面図である。撮像素子の断面図である。層内凸レンズを斜め上方から俯瞰した状態を示す図である。図６（ａ）は回折格子４０を撮像素子３の真上から見た平面図、図６（ｂ）は回折格子４０を斜め上方から見た斜視図である。回折による光線の分離を説明するための断面図である。撮像素子の受光素子を示す拡大平面図である。受光素子の拡大斜視図である。１受光素子の実質的な受光開口を説明するための図である。受光開口のレスポンスを示す図である。撮像素子の第２の実施の形態を示す断面図である。撮像素子の第３の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

３８層間絶縁膜
３６透明樹脂層
６４界面
３１光電変換部
４０回折格子

Claims

入射した光を光電変換する光電変換部を備える受光素子を複数配列した撮像素子であって、
前記撮像素子に入射する光線を拡散させる微細周期構造部と、
前記受光素子の内部に形成され、該微細周期構造部を通過して拡散された光を反射して、前記光電変換部に導く反射部と、
を具備することを特徴とする撮像素子。
前記受光素子の各々からは、互いに異なる複数の分光特性で入射光を光電変換した光電変換出力を取り出せることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記反射部は、前記受光素子の内部に形成された屈折率が高い高屈折率部と、該高屈折率部の周囲に形成された該高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とを備え、前記高屈折率部内に入射した光を、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面で全反射させることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。