JP2006324439A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細画素から成る撮像素子において、できるだけ受光効率を高くし、かつ隣接画素間のキャリア移動を防ぎ、効率的な光電変換領域を形成すること。
【解決手段】 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それぞれ有する複数の画素を１次元または２次元に配した撮像素子であって、前記撮像素子の中心からの距離が離れるに従って、当該中心から離れる方向に前記光電変換手段の中心を前記導光手段の中心からより大きくシフトしたことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は画素を１次元または２次元に配した撮像素子に関する。

従来、光電変換を行い、入射した光量に応じて蓄積された電荷信号を出力する、ＣＣＤやＣＭＯＳ素子に代表される撮像素子を２次元に多数並べて構成したエリアセンサが知られている。近年では、鮮明な画像を記録する為に高画素化が進められ、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどで用いられるエリアセンサの画素数は数百万画素に及ぶものも登場している。

従来のエリアセンサの一例について、概略構成を図２０を参照して説明する。図２０（ａ）において、１０１はエリアセンサ、１０２は各ＣＣＤまたはＣＭＯＳ素子であり、２次元に並べた構成となっている。図２０（ｂ）はエリアセンサ１０１を横から見た図であり、１１６、１１７は不図示のカメラレンズの射出瞳からエリアセンサ１０１に入射する光を示している。図２０（ｃ）は、図２０（ａ）のエリアセンサ１０１をＡ−Ａ’ラインで切断した場合の、エリアセンサ１０１の中央部分にある画素１０３の断面図、図２０（ｄ）はエリアセンサ１０１の周辺にある画素１０４の断面図である。

図２０（ｃ）及び（ｄ）において、１１１は光電変換領域１１７を含む半導体領域、１１２は転送部、１１３は転送部１１２を覆う絶縁層と遮光層からなる遮光膜、１１４はフィルタ層、１１５はマイクロレンズである。

カメラレンズ等によりイメージセンサ１０１上に結像される光の入射角（９０°−θ）は、図２０（ｂ）から分かるようにイメージセンサの中心部とイメージセンサの周辺部では異なる。図２０（ｃ）に示す画素１０３はエリアセンサ１０１の中心部分にあるため、入射光１１６はほぼ真上から中央部に集光され、光電変換部１１７に効率良く集光される。

一方、図２０（ｄ）に示すように、周辺部の画素１０４には、入射光１１８は斜めに入射するため、光電変換部１１７に光を集光させる為に、光電変換部１１７の中心１３０からｔ１だけ、マイクロレンズ１１５を中央部側にシフトさせている（例えば、特許文献１参照）。このようにシフトすることにより、入射光１１８はより効率良く光電変換部１１７に集光されるが、マイクロレンズ１１５の曲率により入射光１１８の一部の光１２１および１２２は光電変換部１１７に集光されず、遮光膜１１３に当たって光１２３が散乱する。この散乱量はエリアセンサ１０１における画素位置に依存し、中心位置から離れるに従って大きくなる。

また、上述したように入射光の集光率が周辺部の画素１０４において低下することに加え、遮光膜１１３上で散乱した光１２３が隣接画素の光電変換部１１７に届いてノイズとなる問題が発生している。その為、光吸収層などを転送部１１２上にコーティングし散乱を防ぐことが検討されているが、周辺部の画素１０４における入射光の光電変換部１１７への集光率が、中央部にある画素１０３と比較して下がるという問題を解決するものではない。

また、半導体領域１１１内での光の吸収に関する問題も発生している。これについて図２０（ｅ）の模式図を参照して説明する。

１３８は画素１の光電変換領域、１３９は画素２の光電変換領域、１３４は転送部であって、図２０の（ｃ）、（ｄ）に示すように、その表面は遮光膜で覆われているイメージセンサ１０１の周辺部では、上述したように光の入射角が大きく、画素１に入射する光１３５により画素１において発生したキャリア１３６が隣接する画素２の光電変換領域１３９まで影響を及ぼす可能性が生じてくる。また、光１３５が隣接する画素２の光電変換領域１３９に直接影響を及ぼし、キャリア１３７を発生させる可能性も生じる。この為、隣接画素への影響を低減するために、図２０（ｆ）に示すように光電変換領域１３８と１３９とを分離する素子分離層１４０を形成する。この素子分離層１４０は、隣接画素へキャリアの移動が生じない様に横方向に厚く、かつ電界による効果で素子分離層の端を回って移動しないように、深さ方向に深くする対策がとられているが、素子分離層１４０を厚くして画素１と２間のキャリアの移動を防げても、本来光電変換を目的としない素子分離層の領域が広くなるため、光電変換領域が狭くなる。よって、光電変換による発生するキャリアが低減されてしまう。つまり、素子分離層を厚くすると拡がった光を有効に利用することが困難となる。

このように、隣接画素への光拡散の問題と、光電変換領域内でのキャリアの拡散の問題は、効率の低下およびノイズの発生などの基本的な問題である。

つまり、撮像素子においては以下のことが性能を向上させる上で非常に重要なポイントであることがわかる。すなわち、

１） 光を効率よく電荷発生領域に集める。
２） 隣の画素との干渉を低減する。
エリアセンサを構成する画素数が少なく、各画素が十分に大きい場合には、想定される入射光に対して十分な光を取り込むことが可能であり、かつ隣の画素への光の入り込みも大きな問題ではなかった。さらに画素間の電気的分離を担う素子分離層も十分大きく形成することが可能であり、隣の画素への電気的な入り込みも問題視されることはなかった。

しかし、近年では撮像装置の小型化および画素数向上のため、エリアセンサの縮小化および画素の微細化に伴い、隣の画素との距離が短くなったこと、またそのことにより素子分離層の大きさを十分に取ることが困難になったことから、隣の画素への光の入り込みや電気的な入り込みが画像劣化を引き起こすまでになった。

これらの課題に対する対応策として、光電変換領域の上方に形成されている透明膜において、光電変換領域の直上に高屈折率の材料で構成された光導波路を設け、その周囲に低屈折率材料を設けた構成が公知となっている（例えば、特許文献２参照）。光導波路を有する従来の光電変換素子の構成を図２１に示す。図２１において、２１１はマイクロレンズ、２１２はカラーフィルタ、２１４は可視光の各波長についてほぼ透明な誘電体層、２１３は可視光の各波長に対して、誘電体層２１４よりも高屈折率の材料で形成された光導波路、２１５はデータ転送のための電極、２１６は素子分離層、２１９は光電変換領域２２０を含む半導体層である。

図２１に示すように光導波路２１３を形成することで、光電変換素子に入射する光２００の内、本来、光電変換領域２２０に到達しない光を光導波路２１３とその周辺の誘電体層２１４との境界面で全反射させ、光電変換領域２２０に到達させることができるようになる。その結果、集光率を向上させるとともに、隣の画素への干渉を低減させることができる。さらに、光電変換領域２２０を光導波路２１３の下部に設定することで素子分離層２１６を十分に確保することができ、隣の画素への電気的な入り込みも低減することが可能であった。

特開平１０−２２９１８０号公報 特開２００３−２９８０３４号公報

しかしながら、更なるエリアセンサの縮小化および画素の微細化に伴い、光導波路を用いても素子分離層と光電変換領域が干渉し、それらの大きさを十分に確保することが困難になってきている。このことが原因となって、光導波路を用いた構造においても電気的な入り込みによる画像劣化が引き起こされている。

隣接する画素間における電気的な入り込みを低減させるためには、上述した図２１に示すように、素子分離層２１６を大きくすることが最も有効ではあるが、十分な素子分離層２１６を確保しようとすると、互いの領域が干渉してしまうような非常に小さな固体撮像素子においては、素子分離層２１６を厚くした分だけ光電変換領域２２０の大きさを小さくする必要が生じ、受光量が減少してしまう。逆に光電変換領２２０域を大きくすると素子分離層２１６が薄くなり、隣の画素への電気的な入り込みが増加してしまう。つまり、光導波路を用いた固体撮像素子においては光電変換領域の幅と素子分離層の幅はトレードオフの関係になっている。

また、従来の撮像素子では、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど、撮像素子の種類を問わず、光電変換領域は全ての画素において同様な幅、深さで形成することが一般的であった。しかしながら、エリアセンサのように光の入射角度が画素位置によって異なるにもかかわらず、すべての画素で一様な光電変換領域を形成した場合、中心素子と周辺素子においては、光の取り込み効率が変化してしまう。この結果、画素によってはほとんど光が到達しない領域に電荷発生領域を形成することになる場合があり、画像劣化を引き起こしている。

受光量をできるだけ落とすことなく、かつ素子分離層をできるだけ厚くするためには各画素にあった効率的な電荷発生領域を形成することが重要である。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、微細画素から成る撮像素子において、できるだけ受光効率を高くし、かつ隣接画素間のキャリア移動を防ぎ、効率的な光電変換領域を形成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、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それぞれ有する複数の画素を１次元または２次元に配した本発明の撮像素子は、前記撮像素子の中心からの距離が離れるに従って、当該中心から離れる方向に前記光電変換手段の中心を前記導光手段の中心からより大きくシフトしたことを特徴とする。

本発明によれば、微細画素から成る撮像素子において、できるだけ受光効率を高くし、かつ隣接画素間のキャリア移動を防ぎ、効率的な光電変換領域を形成することが可能となる。

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。

図１は、本発明の実施の形態における撮像素子の構成を示す断面図である。

図１（ａ）は３画素分の撮像素子の概略構成を示す断面図であり、大きく分けて、光学部分１と半導体で構成されている光電変換部分２とからなっており、画素を２次元に多数並べることによりエリアセンサが構成される。図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、１画素分の撮像素子の構成を示し、図１（ｂ）はエリアセンサの中央部にある画素、また、図１（ｃ）はエリアセンサの端部にある画素を示している。同図において、１１はマイクロレンズ、１２はカラーフィルタ、１４は可視光の各波長についてほぼ透明で、例えば屈折率１．４５程度の誘電体層、１３は可視光の各波長に対して、誘電体層１４よりも高屈折率の材料で形成された光導波路で、屈折率は例えば１．９程度である。屈折率の低い誘電体層１４としては、例えばSiO₂を用いることができ、屈折率の高い光導波路１３としては、例えば窒化シリコン（SiN）を用いることができる。

１５はデータ転送のための電極、１６は素子分離層、１９は光電変換領域２０を含む半導体層である。光電変換領域２０としては、例えばSi基板にイオン注入をすることによって形成されたｎ型領域を用いることができる。

なお、マイクロレンズ１１の幅は単位画素幅程度であり、各光導波路１３に効率的に光を導く効果がある。マイクロレンズ１１の好ましい条件の１つとして、中心画素以外においてはマイクロレンズ１１に入射した光束をできるだけ効率よく光導波路に導くことができるように中心画素方向に偏心していることがあげられ、その偏心量は各画素と中心画素との距離によって決めることが好ましい（特許文献１参照）。

図２０（ｂ）を参照して上述したように、図１（ｂ）に示す中央部にある画素では、光束１８の入射角は０°であり、ほぼ真上から垂直にマイクロレンズ１１に光が入射するため、効率よく光電変換領域２０に集光することができる。

一方、図１（ｃ）に示すエリアセンサの端部にある画素では、光束３０は傾いて入射する。ここでは光束３０の入射角として２０°を想定しており、より多くの光を光導波路１３に導くために、マイクロレンズ１１がエリアセンサの中央寄りに構成されている。傾いて入射した光束３０は、その一部は直接、また別の一部は光導波路１３と誘電体層１４との境界で反射して、光電変換領域２０が形成されている半導体層１９の中央部に集光される。この結果、光導波路１３が無い構成であれば、誘電体層１４に広がって無駄になっていた光が、光導波路１３と誘電体層１４との境界で反射されるために集光率が改善すると共に、光導波路１３が無い構成に比べてノイズの原因となる光の散乱も低減することができる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態におけるエリアセンサについて説明する。

図１（ｃ）に示すエリアセンサの周辺部にある画素における、光学部分１と光電変換部分２との境界における光導波路１３の面の大きさ及び光電変換領域２０の面の大きさと、光の入射角、及び光電変換領域２０への入射効率との関係について、図２を参照して説明する。なお、以下の説明で「光導波路１３の大きさ（幅）」は光学部分１と光電変換部分２との境界における光導波路１３の面の大きさ（幅）のことを指し、「光電変換領域２０の大きさ（幅）」は光学部分１と光電変換部分２との境界における光電変換領域２０の面の大きさ（幅）のことを指す。

図２において、入射角は、図１（ｃ）の画素に入射する光の入射角を示し、入射効率は、マイクロレンズ１１に入射した光の内、光電変換領域２０に到達した光の割合を示す。図２における各グラフは、光電変換領域２０の大きさ（本第１の実施形態では形状がほぼ円形なので直径）と光導波路１３の大きさ（本第１の実施形態では形状がほぼ円形なので直径）との差を示したもので、１μm〜−０．２μmについて０．２μm刻みにシミュレーションした結果を示している。

図２から分かるように、光電変換領域２０の大きさが光導波路１３よりも狭い場合（図２の例ではー０．２μm）は、入射角２５°付近で入射効率が急減に低下している。これは、入射角２５°では、入射光束３０のうち、光学部分１と光電変換部分２との境界面において入射光が傾いて入ってくる為、光導波路１３の周辺部に集まる光が多くなる。、よって、光導波路の周辺部の光は光電変換領域２０に入射せず、素子分離層１６側に逃げてしまうことがその理由として考えられる。

しかし、図２から分かるように、光導波路１３の大きさに対する光電変換領域２０の大きさを徐々に広げていくと、入射角２５°における入射効率は急減に改善される。光電変換領域２０を光導波路１３より１．０μm程度大きく設定すれば、ほぼ最大入射効率で入射光を光電変換領域２０に導くことができる。また、許容受光光量を最大光量の９５％以上と設定すれば、光電変換領域２０の大きさを光導波路１３よりも０．６μmだけ広げるだけでよいことがわかる。この入射効率の改善は、図１（ｃ）に示す画素において、光電変換領域２０が光導波路１３よりも小さい場合に素子分離層１６へ入射してしまっていた光が、光電変換領域２０を広げることで光電変換領域２０に入射するようになることによる。

また、入射角が２５°より大きくなると、直接光電変換領域２０に入射せずに光導波路１３と誘電体層１４との境界で反射されて、光電変換領域２０のより中央部に入射する光が増えるため、約３０°くらいまでは入射効率が上昇する。入射角がそれより大きくなるに従って、マイクロレンズ１１による集光率が下がる事となる。、この原因は、入射光が傾く為、レンズから光導波路１３へ入る光が減ったり、光導波路１３と誘電体層１４の境界での全反射条件が崩れ１３と１４の界面を突き抜けてしまう場合もあり、高角度領域では、入射効率が低下する。

このように、光導波路１３を形成して光束を効率良く光電変換領域２０に導くと共に、画素に入射する入射光の主光線を考慮し、光電変換領域２０を設計することにより、光電変換領域２０の入射効率を上げることができる。

次に、本第１の実施形態のエリアセンサにおける光導波路１３と光電変換領域２０との位置関係について図３を参照して説明する。図３は、図１（ａ）における光学部分１と光電変換部分２との境界面における光導波路１３と光電変換領域２０の形状及び位置関係を示す概念図である。

図３において、４０はエリアセンサ、４１はエリアセンサ４０の中心にある画素、４２及び４３はエリアセンサ４０の周辺部にある画素である。なお、説明の簡略化のために、図３では横７画素、縦５画素の合計３５画素のみを図示しているが、実際には上述したように数百万画素から構成され、各画素は非常に微細である。また、図３の１３及び２０はそれぞれ、光学部分１と光電変換部分２の境界における光導波路１３と光電変換領域２０の大きさ、形状及び位置関係を示している。

図２０（ｂ）を参照して上述したように、不図示のカメラレンズなどから入射する光の入射角は、イメージセンサ４０の位置によって異なり、中心から離れるほど入射角は大きくなる。従って、図３に示すように、中心からの位置に応じて、光が傾斜している方向と反対方向に光電変換領域２０の形成位置を光導波路１３に対してシフトすることより、イメージセンサ４０上の画素位置に関わらず、効率がよく、かつ隣接画素への影響の少ない構成を実現することができる。

つまり、図２において説明い用いた光電変換領域20と光導波路１３の大きさの差は、一様に両サイドに広げることを仮定しているが、図１（ｃ）に示すような入射角で光が入射する場合、中心から離れる方向にある素子分離層１６の領域に多くの光が入射し、吸収されるが、中心方向にある素子分離層１６に入射する光はほとんど無いので、光が入射する方向と逆方向、すなわち、中心から離れる方向に外側に光電変換領域を広げると、より多くの入射光を受光することが可能となる。図６（ａ）、（ｂ）を用いて光の入射角と図２の関係を説明する。図６（ａ）は図２の２５°付近の入射角での現象を示す。光が入射してきた方向とは逆の光電変換領域２０と光導波路１３が接する境界に達し、最も大きく光が広がる。よって、２５°が最も光電変換領域２０の幅の影響を受ける。一方、３０°付近で入射した場合は光が光導波路１３で反射し、反射した光が光電変換領域２０に入射する。それ以上の角度では、光導波路１３での反射の低下などで、光電変換領域の２０の幅の影響は低下する。

最大光量を得ようとする場合には、光が入射方向とは反対側に拡がる２５°付近および、光導波路で反射し入射方向側に広がる３０°付近の光電変換領域の広がりを制御すればよいことが分かる。

光の入射角２５°の場合において、最大光量を実現するには、光の入射する方向と逆方向に０．５μm、最大光量の９５％の改善を目指すのであれば片側に０．３μm、光電変換領域２０を光導波路１３より広げればよい。

また、光の入射角３０°付近では、ほぼ最大光量を取り込もうとする場合は光導波路１３の幅より光電変換領域２０の幅を０．６μm程度大きくすればよく、最大光量の９５％程度を目指すのであれば０．２μm程度広げればよい。つまり、中心から離れる方向への光電変換領域２０の広がりだけを考えると、最大光量で０．３μm、最大光量の９５％で０．１μmだけ広げればよいこととなる。

なお、上記検討において光導波路１３の幅は数μm以下、本シミュレーションでは１．２μm程度であり、これに対して光電変換領域２０の幅を、広がりが大きい方に０．３μm、反対側に０．２μmとして形成することにより、ほぼ最大光量の９５％の光を受光できることが分かる。通常のCCD、CMOSセンサにおける画素ピッチが約２．３μmであることから、０．５μm程度の素子分離層を形成することは可能となり、素子分離に優れた構成を実現することができる。従来の構成では、光をガイドする光導波路構成が無いため光の広がりが大きく、光の広がりに対応して光電変換領域を大きく取ることが必要であった。よって、素子分離層を大きくとることができずキャリアの干渉が発生していた。今回の様に、光導波路を設けかつＣＭＯＳ光センサーの面内位置に対して、光導波路１３と光電変換領域２０の相対位置を変えることにより光の有効な取り込みが可能となる。さらに、素子分離層を従来よりも厚く形成することが可能となり、キャリアの拡散を制限する構成を実現することができた。今後、ＣＭＯＳ光センサーの高密度化により、素子サイズはさらに小さくなることが予想され、有効的な素子分離層を形成する為には、光導波路と光電変換領域の関係はより重要となってくると考えられる。

尚、素子分離層を通過する少数キャリアの拡散は距離に対して指数関数的に低下することから、この領域での０．１μmの差が素子特性に大きく影響してくる。

中央部画素における光電変換領域は、中央部に入射する光はの主光線の角度は０°であり、０°を中心に多少広がってくる。よって、光電変換領域は光導波路に対して、偏りなく一様に０．２５μm広げればよい。一方、中心から離れて設定されている画素に関しては、光電変換領域を対角方向にシフトする。そのシフトの仕方としては、例えば、図１０の様に中央部、中間部、最外郭部の３つの領域に分け、中央部は一様に０．２５μmの広がりで、中間部は入射方向とは反対側に０．２５μm、入射方向には０．２μm、とし、最外郭部では先に示した様に、入射方向とは反対側に０．３μm、反対側には０．２μmとする。ここでは領域毎にシフト量を定義したが、素子毎に換えてもよい。

以上説明した構成を有するＣＣＤおよびＣＭＯＳセンサを用いて、光取り込み効率の良いエリアセンサを実現することが可能となる。なお、上記第１の実施形態ではエリアセンサについて説明したが、例えば図３に示す画素４２を含む行のような光導波路１３と光電変換領域２０の大きさ及び位置関係を有するラインセンサを構成することも勿論可能である。ラインセンサはＦＡＸやスキャナなどにおける画像の読み取り、エリアセンサはデジタルカメラ、ビデオカメラや、データ通信の受光などにも利用することができる。

＜第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、光学部分１と光電変換部分２の境界における光導波路１３と光電変換領域２０の形状がほぼ円形である場合について説明したが、本発明は円形に限るものではなく、例えば正方形であってもよい。

その場合は図４に示すように、エリアセンサ５０の中心画素６０では光導波路１３と光電変換領域２０の中心が略一致するようにし、画素の位置がエリアセンサの中心から離れるに従って、光が傾斜している方向と反対側に光電変換領域２０の形成位置を光導波路１３に対してシフトする。

なお、本第２の実施形態では、光学部分１と光電変換部分２の境界における光導波路１３と光電変換領域２０の形状が正方形である場合について説明したが、正方形以外の正多角形であっても良いことはいうまでもない。

＜第３の実施形態＞
上記第１及び第２の実施形態においては、光電変換領域２０の形状が円形または正多角形である場合について説明したが、それ以外の形状であっても良い。図５はその一例を示す図であり、１画素における光導波路１３と光電変換領域２０の形状及び位置関係を示している。

本第３の実施形態においては、図５に示すように光導波路１３に対して、光電変換領域２０の片方の領域が広いことが重要で、広い側がエリアセンサの中心画素よりも遠い側であればよい。なお、図５（ａ）及び（ｂ）の画素は、図３のエリアセンサ４０における周辺画素４２の位置に相当する画素を想定したものである。また、図５（ｃ）は、光導波路１３及び光電変換領域２０が四角形状の場合の一例を示し、図４のエリアセンサ５０における周辺画素６１の位置に相当する画素を想定している。

上記のように、本第３の実施形態によれば、エリアセンサの中心では光導波路１３と光電変換領域２０の中心が略一致するようにし、画素の位置がエリアセンサの中心から離れるに従って、光が傾斜している方向と反対方向に光電変換領域２０の形成領域を延ばすことにより、光電変換領域２０の入射効率を上げることができる。

＜第４の実施形態＞
上記第１乃至第３の実施形態では、中心方向にも光電変換領域を広げたが、本第４の実施形態では、中心から離れる方向にだけ光電変換領域を広げる場合について説明する。

図１（ｃ）に示す、エリアセンサ端部に位置し、主光線の入射角２０°を想定した画素において、図２を参照して上述したように、入射角が２５°近辺で入射光が光電変換領域２０の周辺部に集まることにより入射効率が一旦下がるが、入射角が２５°より大きくなるにつれ、３０°近辺までは光導波路１３と誘電体層１４との境界で反射される光が多くなり、光電変換領域２０の周辺部に集まる光の量が少なくなる。図６（ａ）は図１（ｃ）に示す画素において入射角２５°で光が入射するの場合の光路を示す模式図、図６（ｂ）は入射角３０°で光が入射するの場合の光路を示す模式図である。図６から分かるように、入射角２５°では、中心から離れる方向の光電変換領域２０の周辺部に入射光が集まるため、特に撮像装置で用いるレンズにより３０゜以上の入射角を考慮しなくても良い場合は、中心方向への光電変換領域２０の広がりを考える必要はない。このため、本第４の実施形態では、中心から離れる方向にだけ光電変換領域２０を広げる。

本第４の実施形態においては、光導波路１３の幅は数μm以下、本シミュレーションでは１．２μm程度であり、これに対して光電変換領域２０の幅を、広がりが大きい方に０．５μm、反対側に０．０μmとして形成することにより、ほぼ最大光量の１００％の光を受光することができる。ＣＭＯＳ光センサー周期が2.3μmとすると、光電変換領域の幅が約０．５μmとなり、通常のＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーピッチが約３μmであることから、十分な素子分離層を形成することが可能となり素子分離に優れた構成を実現できる。

図７は本第４の実施形態における光学部分１と光電変換部分２との境界面における光導波路１３と光電変換領域２０の形状及び位置関係を示す概念図であり、図３と同様の構成には同じ参照番号を付し、説明を省略する。図３に示す構成とは、エリアセンサ４０の中心にある画素４１を除き、光電変換領域２０を光導波路１３に対して一方向（光の入射方向と逆側、すなわち中心から離れる方向）にのみ拡大し、光が入射する方向と同じ側（すなわち中心方向）へは光電変換領域２０を拡大しないところが異なる。基本的には、中心画素４１は光電変換領域２０の面積と導波路１３の面積を同じ大きさにし、各画素に入る主光線の入射角に応じて、広がり量を決定する。

２次元的に配列したエリアセンサでは、中心から離れるほど導波路と光電変換領域の位置関係を改善することが必要であるため、離れるほど中心から遠い方の光電変換領域を広めに取ることにより特性を改善することが可能となる。

＜第５の実施形態＞
上記第４の実施形態では、光学部分１と光電変換部分２の境界における光導波路１３と光電変換領域２０の形状がほぼ円形である場合について説明したが、本発明は円形に限るものではなく、例えば正方形であってもよい。

その場合は図８に示すように、エリアセンサ５０の中心画素６０では光導波路１３と光電変換領域２０は同じ大きさとなるようにし、画素の位置がエリアセンサ５０の中心から離れるに従って、中心から離れる方向に光電変換領域２０をより大きく拡大する。

なお、本第６の実施形態では、光学部分１と光電変換部分２の境界における光導波路１３と光電変換領域２０の形状が正方形である場合について説明したが、正方形以外の正多角形であっても良いことはいうまでもない。

＜第６の実施形態＞
上記第４及び第５の実施形態においては、光電変換領域２０の形状が円形または正多角形である場合について説明したが、それ以外の形状であっても良い。図８はその一例を示す図であり、１画素における光導波路１３と光電変換領域２０との関係を示している。

本第６の実施形態においては、図９に示すように光導波路１３に対して、光電変換領域２０が片側にのみ広げられていることが重要で、広げられた側がエリアセンサの中心画素よりも遠い側であればよい。なお、図９（ａ）及び（ｂ）の画素は、図７のエリアセンサ４０における周辺画素４２の位置に相当する画素を想定したものであり、図９（ａ）は光電変換領域２０を横方向のみに広げたもの、図９（ｂ）は横方向のみでなく上下にも広げたものである。この構成では、光電領域を上下方向に広げる事により上下方向に広がるキャリアを取り入れることが可能となる。図９（ｃ）は、光導波路１３及び光電変換領域２０が四角形状の場合の一例を示し、図８のエリアセンサ５０における周辺画素６１の位置に相当する画素を想定している。四角型の光導波路１３に対して、光電変換領域２０が横方向のみに広げられて形成されている。

＜第７の実施形態＞
上記第４乃至第６の実施形態では、エリアセンサから各画素までの距離及び位置に応じて徐々に光電変換領域を拡大したが、本第７の実施形態では、エリアセンサの所定領域毎に拡大する量を変える場合について説明する。

図１０は、本第７の実施形態のエリアセンサにおける所定領域の区分を示す図である。図１０において、８６はエリアセンサ、９０はエリアセンサの中心、８７は中心領域である第１領域、８８はその周囲にある中間領域である第２領域、８９は周辺領域である第３領域である。各領域毎に、光導波路１３と光電変換領域２０の大きさの関係を一定にするが、光電変換領域２０の光導波路１３に対する位置は、上述した第４乃至第６の実施形態と同様に、中心９０から離れる方向に放射状にシフトする。

図１１は、光導波路１３と光電変換領域２０との位置及び大きさの関係を示す図であり、（ａ）は第１領域８７、（ｂ）は第２領域８８、（ｃ）は第３領域８９における関係を示す。第１領域８７では光導波路１３と光電変換s領域２０が一致しており、第２領域８８では、光導波路１３に対して光電変換領域２０が少し広がっている。さらに外側の第３領域８９では、中心９０からの距離が大きいため、光導波路１３に対して光電変換領域２０が大きく外側に広がっている。

なお、本第７の実施形態では所定領域数を３としたが、本発明はこれに限られるものではなく、領域数を２にしたり、また、４以上にして細かく制御しても良いことは言うまでもない。

＜第８の実施形態＞
本第８の実施形態では、上記第７の実施形態と同様に、領域毎に光導波路１３と光電変換領域２０の大きさ及び位置の関係を変えるが、本第８の実施形態では、光電変換領域２０を光導波路１３に対して均一に広げることが本第７の実施形態と異なる。なお、本第８の実施形態においても、図１０に示すように第１領域８７〜第３領域８９の３つの領域に分けられているものとする。

図１２（ａ）は、第１領域８７内の一画素における光導波路１３と光電変換領域２０の関係を示す図であり、図１２（ｂ）はその断面図を示す。同様に、図１３（ａ）は第２領域８８内の一画素における光導波路１３と光電変換領域２０の関係を示す図、図１３（ｂ）はその断面図、図１４（ａ）は第３領域８９内の一画素における光導波路１３と光電変換領域２０の関係を示す図、図１４（ｂ）はその断面図である。

次に、本第８の実施形態における光電変換領域２０の幅について、シミュレーションにより具体的に数値化して説明する。

このシミュレーションでは、入射光波長を０．６５nm、光電変換領域２０の深さを５．０μmとして、光電変換領域２０において吸収可能な最大光量に対する光の吸収エネルギーの割合の計算を行った。また、光導波路１３と誘電体層１４は、主光線近傍において十分に全反射するような組み合わせとなっている。つまり、光センサーへの入射する光を全反射させるような組み合わせとなっている。また、本第８の実施形態においては誘電体層１４の屈折率を１．４６、光導波路１３の屈折率を１．８９とする。

図１５は本第８の実施形態における特定入射光の入射時の光電変換領域２０の幅対光の吸収エネルギーを示すグラフであり、図１５（ａ）は中心画素、図１５（ｂ）は端部画素のグラフである。

図１５（ａ）から分かるように、中心画素では、例えば９５％以上の十分な吸収エネルギーを達成するためには光導波路１３の幅に対して光電変換領域２０を片側０．３μm広くし、端部画素では、図１５（ｂ）から分かるように例えば９５％以上の十分な吸収エネルギーを達成するためには光導波路１３の幅に対して光電変換領域２０を片側０．６μm広げることが条件であることが明らかである。

ここでは、中心画素と端部画素のシミュレーションを示しているが、第２領域８８の画素に対しても同様のシミュレーションを行い、光電変換領域２０の効率的な広げ幅を求めるようにすればよい。

＜第９の実施形態＞
上記第７及び第８の実施形態では、光電変換領域２０の大きさを広げることにより吸収エネルギーの効率を上げる方法について説明したが、本第９の実施形態では、画素の位置によって光導波路１３と光電変換領域２０の大きさを変えずに、位置をシフトする場合について説明する。なお、本第９の実施形態においても、図１０に示すように第１領域８７〜第３領域８９の３つの領域に分けられているものとする。

図１６（ａ）は、第１領域８７内の一画素における光導波路１３と光電変換領域２０の関係を示す図であり、図１６（ｂ）はその断面図を示す。同様に、図１７（ａ）は第２領域８８内の一画素における光導波路１３と光電変換領域２０の関係を示す図、図１７（ｂ）はその断面図、図１８（ａ）は第３領域８９内の一画素における光導波路１３と光電変換領域２０の関係を示す図、図１８（ｂ）はその断面図である。

次に、本第９の実施形態における光電変換領域２０のシフト量について、シミュレーションにより具体的に数値化して説明する。

本第９の実施形態においても、入射光波長を０．６５nm、光電変換領域２０の深さを５．０μmとして、光電変換領域２０における光の吸収エネルギーの計算を行った。また、光導波路１３と誘電体層１４は、主光線において十分全反射するような組み合わせとなっている。本第９の実施形態においては誘電体層１４の屈折率を１．４６、光導波路１３の屈折率を１．８９とする。

図１９は本第９の実施形態における特定入射光の入射時の光電変換領域２０のシフト量対光の吸収エネルギーを示すグラフであり、図１９（ａ）は中心画素、図１９（ｂ）は端部画素のグラフである。

図１９（ａ）から分かるように、中心画素では、シフト量が０μmのときに、また端部画素では、図１９（ｂ）から分かるようにシフト量が0.2〜0.3μmの時に、最も広い入射角にわたって吸収エネルギーが高いことが分かる。

ここでは、中心画素と端部画素のシミュレーションを示しているが、第２領域８８の画素に対しても同様のシミュレーションを行い、光電変換領域２０の効率的なシフト量を求めるようにすればよい。

本発明の実施の形態における画素の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態におけるエリアセンサの端部にある画素の光の入射角に対する入射効率を示す図である。 本発明の第１の実施形態における光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態における光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係を示す概念図である。 本発明の第３の実施形態における端部画素の光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係を示す概念図である。 端部画素における入射角が約２５°と約３０°の場合の光路を示す図である。 本発明の第４の実施形態における光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係を示す概念図である。 本発明の第５の実施形態における光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係を示す概念図である。 本発明の第６の実施形態における端部画素の光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係位置及び大きさを示す概念図である。 本発明の第７〜第９の実施形態における領域を示す図である。 図１０に示す各領域における端部画素の光導波路と光電変換領域の大きさ及び位置関係を示す概念図である。 本発明の第８の実施形態における第１領域内の画素の構成を示す図である。 本発明の第８の実施形態における第２領域内の画素の構成を示す図である。 本発明の第８の実施形態における第３領域内の画素の構成を示す図である。 本発明の第８の実施形態における光電変換領域の広げ幅に対する吸収エネルギーを示す図である。 本発明の第９の実施形態における第１領域内の画素の構成を示す図である。 本発明の第９の実施形態における第２領域内の画素の構成を示す図である。 本発明の第９の実施形態における第３領域内の画素の構成を示す図である。 本発明の第９の実施形態における入射角に対する吸収エネルギーを示す図である。 従来のエリアセンサの構成を説明する図である。 光導波路を有する従来の撮像素子の断面図である。

符号の説明

１ 光学部分
２ 光電変換部分
１１ マイクロレンズ
１２ カラーフィルタ
１３ 光導波路
１４ 誘電体層
１５ 電極
１６ 素子分離層
１９ 半導体層
２０ 光電変換領域

Claims (8)

1. 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それぞれ有する複数の画素を１次元または２次元に配した撮像素子であって、
   前記撮像素子の中心からの距離が離れるに従って、当該中心から離れる方向に前記光電変換手段の中心を前記導光手段の中心からより大きくシフトしたことを特徴とする撮像素子。
2. 前記光電変換手段と前記導光手段の境界における前記光電変換手段の大きさを前記導光手段よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記光電変換手段の大きさを、前記撮像素子の中心からの距離が離れるに従ってより大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記光電変換手段の大きさを、前記撮像素子の中心から離れる方向に拡大することを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
5. 前記光電変換手段の大きさを、前記撮像素子の中心からの距離に応じて連続的にに拡大することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の撮像素子。
6. 前記光電変換手段の大きさを、前記撮像素子の中心からの距離に応じて段階的に拡大することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の撮像素子。
7. 前記シフト量を、前記撮像素子の中心からの距離に応じて連続的に大きくすることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
8. 前記シフト量を、前記撮像素子の中心からの距離に応じて段階的に大きくすることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。

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