JP2007095792A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 集光率のよい、光導波路構造を有する撮像装置を提供することである。
【解決手段】 光電変換素子２に対応して絶縁層４とそれより屈折率の高い高屈折率領域３との屈折率差を利用した光導波路が形成され、その光導波路の高屈折率領域３における光電変換素子２の受光面に対する水平方向の面は、その光入射側に比べて光電変換素子側が大きい面積を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は撮像装置に関するものであり、特にその集光部に関する。

デジタルカメラやカムコーダに用いられる撮像装置において、その小型化および多画素化によって画素の微細化がなされている。それに伴って、その光電変換素子の受光部の面積が減少し、入射光量が少なくなるため、感度の低下が生じている。

この感度の低下を改善するために、撮像装置の光入射面上にオンチップマイクロレンズを形成し、光を受光部へ集光することによって、感度の低下の抑制がなされている。更に近年、オンチップマイクロレンズと光電変換素子との間に、光の反射を利用して集光を行う光導波路を形成する構成が知られている。

この様な撮像装置の光導波路の製造方法は、一般的に、絶縁層に井戸状の掘り込みを行う工程の後、その井戸状の掘り込み部分を埋め込む工程を有する。この埋め込みにおける材料には、絶縁層に比べて高い屈折率を有する材料を用いる。そして、絶縁層と高屈折率領域との屈折率差によって、光がそれら界面にて反射し、集光する。

しかし、画素の微細化が進むにつれて、井戸状の掘り込み部分のアスペクト比が高くなり、埋め込み工程において井戸の内部にボイドが生じてしまう場合がある。特に、多層配線を有するＣＭＯＳイメージセンサにおいては、この問題は起こりやすい。

そこで、このような埋め込み工程における問題を解決するとして次の技術がある。それは、図８に示すような光導波路を径の異なる複数の層に分割して形成する方法である（特許文献１参照）。

図８において、８０２は半導体基板であり、８０４は半導体基板に形成される受光センサ部、８０３は素子分離領域である。受光センサ部８０４上に、８１５の高屈折率層が配され、低屈折率層の８０８と８１４Ａおよび８１４Ｂで示す井戸が形成される。この井戸は、いわゆる光導波路である。

つまり、複数の層からなる光導波路を各層ごとに形成することによって、高屈折率層８１５を埋め込む際にボイドを発生させずに良好に埋め込むことを可能にするものである。具体的には、井戸状の掘り込みを行う工程の後に、井戸状の内部を埋め込む工程を行うことを繰り返すことによって、ボイドのない光導波路を形成する。

更に、この様な複数の光導波路構造においては、図８のように井戸８１４Ｂの光入射面側の径を大きく、すなわち半導体基板に対して水平な方向の井戸の断面積を大きくしている。これによって、その内部の埋め込みと光の取り込みを容易にしている。

また、図９に示すように井戸状の掘り込み９２１を形成する際に、掘り込み構造の深さを一定にするためにエッチングストッパ膜９１２を形成することが知られている。（特許文献２参照）
特開２００４−１９３５００号公報 特開２０００−１５０８４５号公報

しかし、図８に示すように、複数の光導波路を有する構造において、光線が上層の光導波路にて反射を起こした後に、下層の光導波路に入射するさい、反射条件を満足しなくなる場合が生じる。そして、その様な光電変換素子に入射しない光は、混色やノイズ成分となってしまう。

また、特許文献１の構成において下層の光導波路８１４Ａは、垂直形状になっているので、上層の光導波路の界面にて反射せずに直接下層の光導波路の界面に入射する光であっても、入射角により反射条件を満足しない入射光が存在してしまう場合がある。

従って、本発明では、集光率のよい複数の光導波路を有する撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された複数の光電変換素子と、前記半導体基板上に配された絶縁層と、該絶縁層内に前記光電変換素子に対応して配され、前記絶縁層に比べて屈折率の高い高屈折率領域と、を含み、前記絶縁層と前記高屈折率領域との界面における反射によって集光する光導波路構造を有する撮像装置において、前記高屈折率領域は第１の高屈折領域を含み、該第１の高屈折率領域は前記光電変換素子の受光面に水平な方向の第１の面と、前記第１の面よりも前記光電変換素子側の第２の面と、を有し、前記第１の面の面積に比べ、前記第２の面の面積が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、光導波路の形成によって光を効率的に取り込み、受光感度を向上させることが可能である。

本発明に係る撮像装置は、光電変換素子に対応して絶縁層とそれより屈折率の高い高屈折率領域との界面の屈折率差を用いた光導波路が形成されている。そして、その光導波路の高屈折率領域において、その光電変換素子の受光面に水平な方向のある面の面積に比べて、より光電変換素子側での面の面積の方が大きいことを特徴とする。

ここで、高屈折率領域は、半導体基板上に光電変換素子に対応して形成され、共に光導波路を構成する絶縁層に比べ高い屈折率を有する。具体的には、窒化シリコンや酸窒化シリコンによって形成される。以下、この領域を高屈折率領域と呼ぶ。また、絶縁層は、それよりも屈折率の低い酸化シリコンによって形成される。この高屈折率領域とは、特許文献１における高屈折率層は、同一の機能を有する。しかし、以下、本発明における高屈折率層とは、高屈折率領域を形成するための層を示している。

そして、本発明の構成によって、光導波路での反射条件を満足しやすい構成となり、効率的に光電変換素子へ入射させることが可能となる。特に、光電変換素子の最も近くにその形状の光導波路が形成されると効果的である。

また、併せて、光導波路を形成する高屈折率領域のある第１の面に比べて光電変換素子側の第２の面の面積を小さく形成する。これによって、光電変換素子の実効開口面積を大きくし、かつ効率的に集光することができる。特に、その形状の高屈折率領域からなる光導波路を最も上部に配置する場合に効果が大きい。

更に、光電変換素子の最も近傍に形成される高屈折率領域の最下部の面の大きさは、光電変換素子の表面積よりも小さくするとよい。それは、光電変換素子以外への光の漏れこみを低減させることを可能とし、製造中のずれを考慮した場合には、特に有効である。

もちろん、これら光導波路の位置や数は、最適な設計が適宜なされる。

例えば、この高屈折率領域は、膜厚方向に２００ｎｍから２０００ｎｍの間がよい。好ましくは、５００ｎｍ以上の厚さである。このような高屈折率領域によって、その形成後にエッチング工程がある場合、光電変換素子へのダメージを低減することが可能である。

また、この高屈折率領域がエッチングストップ層としての機能を兼ねても良い。ここで、エッチングストップ層とエッチングストッパ膜とは同一の機能を有するものである。更に、この様な範囲の厚みを有することで、高屈折率領域と絶縁層との界面での反射を利用する光導波路としての機能を有効に活用することが可能となる。以下に、それを説明する。

ここで、図７に撮像装置に井戸状の掘り込みを行った際の、光電変換素子の受光面から井戸状の掘り込み部分の底部までの距離と、暗電流との関係を示す。ここで、撮像装置は、高屈折率領域を形成する前の井戸状の掘り込みを行った後のものを用いている。また、暗電流は、井戸状の掘り込みを行わないものを１として、相対比で示している。

このグラフから、光電変換素子の受光面からの距離が短いほど暗電流が増大し、５００ｎｍ以上においては、暗電流が少ないことが分かる。よって、光電変換素子上に形成する高屈折率領域の厚さは、より厚い方、好ましくは、５００ｎｍ以上が、プラズマエッチング時のダメージを低減することが可能である。

また、撮像装置に含まれる電界効果型トランジスタには、ドレイン拡散領域近傍での電界集中による暗電流の抑制として、ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造が用られる場合がある。このＬＤＤ構造では、トランジスタのゲート電極にサイドウォールが形成される。（不図示）
このＬＤＤ構造を有する場合において、先の高屈折率領域を形成する高屈折率層を用いて、サイドウォールを形成することができる。具体的な工程としては、トランジスタのゲート電極を形成した後、ゲート電極を覆って高屈折率層を形成する。そして、高屈折率層を異方性エッチングし、高屈折率領域とサイドウォールとを同時に形成することができる。また、このような工程で形成することで、工数の削減、およびサイドウォール形成時のエッチングから光電変換素子を保護することが可能となる。もちろん、それぞれのエッチングを別工程で行った場合においても、同一の高屈折率層を用いるため、工数の削減は可能である。

ここで、エッチングダメージからの保護のため、その高屈折率層を厚く形成した場合、エッチングによるサイドウォールの形成ができなくなることがある。また、それを薄くした場合にも、層の厚みが足りず、サイドウォールが形成できなくなることがある。その好ましい厚さとしては、ゲート電極と同等の厚み、例えば、２００ｎｍである。図７より、この厚みにおいてもエッチング工程における光電変換素子へのダメージの低減は可能であることが分かる。

いずれの構造においても、そのような厚さの高屈折率領域と、絶縁層との界面での反射を利用する光導波路としての機能を有効に活用することが可能となる。

以下、高屈折率領域の「面」とは、その高屈折率領域の光電変換素子の受光面に水平な方向の断面を表す。また、高屈折率領域のある面を第１の面とし、それよりも光電変換素子側にとった面を第２の面とする。

また、半導体基板上のある地点を基準に、入射光へ向かう方向を上方向、光電変換素子側すなわち半導体基板方向を下方向とする。以下の実施例においても同様である。

（画素の回路構成）
図１０に撮像装置の一種であるＣＭＯＳ型撮像装置における画素の回路構成の一例を示す。各画素は、１０１０にて示される。

画素１０１０は、光電変換素子であるフォトダイオード１０００、転送トランジスタ１００１、リセットトランジスタ１００２、増幅トランジスタ１００３、選択トランジスタ１００４を含み構成される。ここで、電源線はＶｃｃ、出力線は１００５にて示している。

フォトダイオード１０００は、そのアノードが接地線に接続され、そのカソードが転送トランジスタ１００１のソースに接続されている。また、転送トランジスタのソースがフォトダイオードのカソードを兼ねることも可能である。

転送トランジスタ１００１のドレインが転送領域であるフローティングディフュージョン（以下ＦＤ）を構成し、そのゲートが転送信号線に接続されている。更に、リセットトランジスタ１００２は、そのドレインが電源線Ｖｃｃに接続され、そのソースがＦＤを構成し、そのゲートがリセット信号線に接続されている。

増幅トランジスタ１００３は、そのドレインが電源線Ｖｃｃに接続され、そのソースが選択トランジスタ１００４のドレインに接続され、そのゲートがＦＤに接続されている。選択トランジスタ１００４は、そのドレインが増幅トランジスタ１００３のソースに接続され、そのソースが出力線１００５に接続され、そのゲートが垂直選択回路（不図示）によって駆動される垂直選択線に接続されている。

ここで示した回路構成は、本発明の全ての実施例に適用可能であるが、例えば、転送トランジスタがない構成や複数画素でトランジスタを共有するような他の回路構成にも適用可能である。また、光電変換素子は、フォトダイオードを始め、フォトトランジスタ等も適用可能である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

（第１の実施例）
図１に、本実施例の撮像装置の半導体基板に垂直方向の断面模式図を示す。これは、先に述べたＣＭＯＳ型撮像装置の１画素分について示しており、実際の撮像装置は、この画素が半導体基板に複数形成されている。

本実施例では、撮像装置の１画素に２つの光導波路から成る光導波路構造を形成している。ここで、光電変換素子２近傍の光導波路を構成する第１の高屈折率領域３の第２の面は、第１の面の面積よりも大きく形成されている。

ここで、先に述べたように、面とは、高屈折率領域の光電変換素子の受光面に水平な方向の断面であり、第１の面はそのある面を意味する。そして、第２の面は、その第１の面に比べて光電変換素子２側にとった面である。

また、この光導波路は、光導波路内部に入射した光に対して、反射する界面を有することが必要である。すなわち、光導波路内部には絶縁層に比べて屈折率の高い高屈折率領域が形成されている。

図１について、詳細に説明する。

半導体基板１上に設けられた第１の高屈折率領域３と、それを絶縁層４が覆っている。更に、絶縁層４上に第１のパターン５と、それを覆う絶縁層６と、この絶縁層６上に第２のパターン７が設けられる。

第１の高屈折率領域３の上方には、第２の高屈折率領域８が形成される。そして、その上には平坦化層９と、カラーフィルター層１０と、平坦化層１１と、この平坦化層１１上に設けられたオンチップマイクロレンズ１２とが備えられている。

光電変換素子２上に第１の高屈折率領域３が設けられている。第１の高屈折率領域３は光を透過する透明な材料であり、その周りに存在する絶縁層４よりも高い屈折率を有している。上記条件を満たす第１の高屈折率領域３の材料には、プラズマＳｉＮ膜、プラズマＳｉＯＮ膜、レジスト、酸化チタンが好ましい。また、第１の高屈折率領域３の第２の面は、第１の面よりも大きな面積を有するテーパー形状を有している。

この第１の高屈折率領域３は、先に述べたように５００ｎｍ以上が望ましい。また、その厚みの上限は第１のパターン５の底辺と同等であることが好ましい。具体的には、略２０００ｎｍである。第１のパターン５の形成が容易となるためである。このような厚みによって、後に、図１に示す第２の高屈折率領域８を形成する際のエッチングによる光電変換素子へのダメージの低減が可能である。

またここで、トランジスタのＬＤＤ構造を形成する場合には、先に述べたように、この第１の高屈折率領域３は、ゲート電極と膜厚方向に等しい厚さ、例えば、厚さ２００ｎｍ程度であることが好ましい。この様な厚みにすることで、ＬＤＤ構造のサイドウォールと第１の高屈折率領域３とを同時に形成することが可能となり、光電変換素子２へのダメージの低減に加え、工数の削減が可能となる。もちろん、それぞれのエッチングを別工程で行った場合においても、同一の高屈折率膜を用いるため、工数の削減は可能である。また、図７よりこの厚みにおいてもエッチング工程における光電変換素子へのダメージの低減は可能である。

また、いずれの構造においても、この様な厚さの高屈折率領域と絶縁層との界面での反射を利用する光導波路としての機能を、有効に活用することが可能となる。

光電変換素子２と第１の高屈折率領域３を覆っている絶縁層４の材料には、酸化シリコンまたは酸化シリコンにリン、ホウ素、フッ素等をドープしたもの等が挙げられる。なお、半導体基板１と絶縁層４との間には、図示しないが、例えばゲート絶縁膜およびゲート電極が介在されてもよい。

ここで、図２において「面」について説明する。

図２Ａは、図１に光電変換素子２の受光面に水平な方向の面を取るための位置を示したものであり、図２Ｂは、図２Ａのａ−ａ’線およびｂ−ｂ’線における第１の高屈折率領域３の面を上部から投影して示した図である。また、ここで、図２Ｂにおける符号２は、図２Ａにおける光電変換素子２の表面形状を示している。

ここで、ａ−ａ’線における面が、第１の高屈折率領域３の第１の面である。ｂ−ｂ’線における面が、第１の面よりも光電変換素子側に配された第２の面である。これらの線の位置については、相対的な上下関係が等しければ、それらの位置や距離は変化しても良い。

先に述べたように、図２Ｂにおいて、第１の高屈折率領域３の第２の面ｂ−ｂ’の面積は、第１の面ａ−ａ’の面積よりも大きい。

また、ここで、第１の高屈折率領域３の最下部における面の面積は、光電変換素子２の表面積よりも小さいことが好ましい。つまり、光電変換素子２の最も近傍に形成される光導波路を形成する、高屈折率領域の光電変換素子２の受光面に対向する面の面積は、光電変換素子２の表面積よりも小さいことが好ましい。それによって、光電変換素子２以外への光の漏れこみを低減させることが可能であり、特に、製造中のずれを考慮した場合には有効である。

次に、第１のパターン５は、例えばアルミニウムや銅などの導電性材料が、絶縁層６には、絶縁体、例えば、酸化シリコンが挙げられる。

第２のパターン７は、例えばアルミニウムや銅など導電性材料により構成され、配線の他に、光電変換素子２を遮光するための遮光膜をなしている場合もある。

第２の高屈折率領域８は、光電変換素子２の直上に形成され、第１の高屈折率領域３と接している。第２の高屈折率領域８は、光を透過する透明材料で、絶縁層４と絶縁層６よりも高い屈折率を有している。上記条件を満たすその材料としては、プラズマＳｉＮ膜、プラズマＳｉＯＮ膜、レジスト、酸化チタンが好適である。また、この第２の高屈折率領域８は、第２のパターン７を覆うパッシベーション層の役割を兼ねてもよい。

この、第２の高屈折率領域８と第１の高屈折率領域３が接していることによって、光が散乱することなく、光電変換素子２に集光することが可能となる。その際、第２の高屈折率領域８は、第１の高屈折率領域３と同一屈折率を有する材料からなることが、より好ましい。それらの界面での反射を低減することが可能となるためである。しかし、同一でなくてもよく、また、それらの界面に、界面での反射を低減するための反射防止膜を形成しても良い。

平坦化層９は、第２の高屈折率領域８の上部に必要に応じて設けられる。同様に、カラーフィルター層１０も、平坦化層９よりも上部に必要に応じて設けられる。その配列は、例えばレッド・グリーン・ブルーの３色を用いるベイヤ配列である。更に、平坦化層１１が、カラーフィルター層１０よりも上部に必要に応じて設けられる。オンチップマイクロレンズ１２は、平坦化層１１の上部に設けられ、各画素の内部に光を有効に取り込む役目を果たす。

ここで、光導波路を形成する材料の屈折率と光の入射角度との関係は以下のようになる。

光導波路内部の高屈折率領域の屈折率をｎ１、その外側の絶縁層の屈折率をｎ２とする。そして、光導波路の高屈折率領域と絶縁層との界面に対して、入射する光の入射角をθとすると、全反射を満足する範囲は、θ＞ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）である。ここで、全反射する臨界角をθｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）とする。

ここで、図３に光導波路部分の光電変換素子２の受光面に垂直な方向の面を示す。

まず、図３Ａに示すような、光導波路の高屈折率領域と絶縁層との界面が光電変換素子の受光面に対して垂直である場合を考える。

入射角θ１の入射光Ｃ１が全反射する範囲は、θｃ＜θ１＜９０°である。しかし、θ１＜θｃである時、入射光Ｃ１は、３ａおよび４ａの界面での全反射条件を満たさず屈折する。その際の屈折の角度θ２はθ２＝ ａｒｃｓｉｎ（ ｓｉｎθ１ ＊ ｎ１ ／ ｎ２ ）となる。そして結果として、入射光Ｃ１は、光電変換に寄与せず、混色やノイズとなってしまう。

本実施例における第１の高屈折率領域３は、その第２の面の面積が第１の面の面積よりも大きくなるように形成されている。つまり、図３Ｂに示すような、光電変換素子の受光面に対して角度θ４で受光面に向かって傾斜している。

図３Ａと同様に図３Ｂに入射光Ｃ１が入射した際、光導波路の高屈折率領域と絶縁層との界面に対する入射角はθ１＋θ４となる。全反射条件を満たす入射光Ｃ１の入射角は、θｃ＜θ１＋θ４＜９０°である。ここで、傾斜角θ４は固定されているので、光によって変化する、半導体基板１と成す角θ１の範囲は、θｃ―θ４＜θ１＜９０°―θ４となる。

すなわち、図３Ｂのような光導波路形状の場合、図３Ａの形状に比べて入射光Ｃ１がより斜めから入射する際も、全反射をすることが可能となる。よって、本実施例に示す構造を有することで、上記角度領域に存在する入射光を効率的に光電変換素子へ入射させることが可能になる。

この様な形状の光導波路を形成するには、絶縁層を形成した後に高屈折率領域を埋め込む方法よりも高屈折率領域を先に形成することが好ましい。この様な形状においては、高屈折率領域の埋め込み工程においてボイドが生じてしまう可能性があるためである。具体的には、高屈折率膜を形成の後、例えば、プラズマエッチング装置で、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＯ、Ｏ_２、Ａｒなどのガスを用いて異方性エッチングを行う。その際にガス流量、圧力、温度、パワー、電極間距離などの各種パラメータを制御することにより所望の形状に加工することが可能となる。特に、図１に示す本実施例において、先に第１の高屈折率領域３を形成することは、暗電流の低減という点からも好ましい。

ここで、先に述べたように、この高屈折率領域は、膜厚方向に２００ｎｍから２０００ｎｍの間がよい。好ましくは、５００ｎｍ以上の厚さである。このような高屈折率領域によって、第２の高屈折率領域を形成する際の光電変換素子へのダメージを低減することが可能となり、また、パターンの形成が容易となる。

ここで、ＬＤＤ構造を有する場合、第１の高屈折率領域３を形成するための高屈折率層を用いて、サイドウォールを形成することができる。具体的な工程としては、トランジスタのゲート電極を形成した後、ゲート電極を覆って高屈折率層を形成する。そして、高屈折率層を異方性エッチングし、高屈折率領域とサイドウォールとを同時に形成することができる。また、このような工程で形成することで、工数の削減、およびサイドウォール形成時のエッチングから光電変換素子を保護することが可能となる。

しかし、その高屈折率層を厚く形成した場合、エッチングによるサイドウォールの形成ができなくなることがある。また、それを薄くした場合にも、層の厚みが足りず、サイドウォールが形成できなくなることがある。その好ましい厚さとしては、ゲート電極と同等の厚み、例えば、２００ｎｍである。図７より、この厚みにおいてもエッチング工程における光電変換素子へのダメージの低減が可能であることが分かる。

本実施例の製造方法によれば、エッチング工程がある場合での光電変換素子へのダメージの低減が可能となり、同時にＬＤＤ構造を有する撮像装置において、工数を削減することが可能となる。もちろん、それぞれのエッチングを別工程で行った場合においても、同一の高屈折率層を用いるため、工数の削減が可能である。

また、先に述べたように、いずれの構造においても、この様な厚さによって高屈折率領域と絶縁層との界面での反射を利用する光導波路としての機能を、有効に活用することが可能となる。

なお、本実施例を示す図１では、第１の高屈折率領域３の最上部と第２の高屈折率領域８の最下部の面は、同一の大きさに図示してある。しかし、それらのどちらかの寸法を大きく形成してもよい。

また、本実施例において、第２の面の面積が第１の面の面積よりも大きく形成されている高屈折率領域は、第１の高屈折率領域３である。図３Ｂより、第１の高屈折率領域３の形状において、その反射光が傾斜角θ４だけ光電変換素子２へ垂直な方向へ入射するようになるため、集光効率が向上する。しかし、第２の高屈折率領域８がその形状を有していてもよい。

また、光導波路は複数でなくともよい。すなわち、上記の形状の高屈折率領域が１つ含まれていれば、上記効果を得ることが可能である。

（第２の実施例）
図４に本実施例の撮像装置を示す。上述した第１の実施例の撮像装置と同一の機能を有する部材には同符号を付して説明を省略する。

本実施例は、第２の高屈折率領域８の第１の面が第２の面よりも大きい、テーパー形状とした点である。このことによって、光導波路内に入射する光を増大させることが可能となり、撮像装置の集光効率を向上させることが可能となる。

ここで、実施例１と同様に、図５にて「面」について説明する。

図５Ａは、図４に、光電変換素子２の受光面に水平な方向の面を取るための位置を示したものであり、図５Ｂは、図５Ａのａ−ａ’線およびｂ−ｂ’線における第２の高屈折率領域８の面を上部から投影して示した図である。また、ここで、図５Ｂにおける符号２は、図５Ａにおける光電変換素子２の表面形状を示している。

ここで、ａ−ａ’線における面が、第２の高屈折率領域８の第１の面である。ｂ−ｂ’線における面が、第１の面よりも光電変換素子側にて配された第２の面である。これらの線の位置については、相対的な上下関係が等しければ、それらの距離は変化しても良い。

先に述べたように、図５Ｂにおいて、第２の高屈折率領域８の第１の面ａ−ａ’は、第２の面ｂ−ｂ’よりも大きい。

次に、第２の高屈折率領域８における光の挙動を図６Ｂに示す。図６Ａは、比較のため光導波路が光電変換素子２の受光面に対して垂直な形状における光の挙動を示している。

図６Ａにおいて、入射光Ｃ２に対して、入射角および反射角はθ１であり、光電変換素子２受光面への入射角は９０°―θ１である（不図示）。

一方、図６Ｂにおいては、光導波路構造に角度θ４の傾斜がついているため、入射角はθ１−θ４である。ここで、入射角と反射角の関係より、θ５＋θ４＝θ１−θ４であるから、光電変換素子２受光面への入射角は、９０°―θ５＝９０°―θ１＋２×θ４となる。

つまり、図６Ａと図６Ｂにおいて、光電変換素子２受光面と入射光Ｃ２の成す角度が、２×θ４変化する。

図８に示す撮像装置においては、高屈折率領域の第２の面よりも第１の面の面積が大きい形状の光導波路が、複数の光導波路の中で上部に形成されている。そして、下部に光電変換素子２受光面と垂直な光導波路が形成されている。この様な構成の場合、先に述べた反射時の角度の変化分だけ斜めから入射する光が増え、光導波路において反射しなくなる場合がある。

ここで、実施例１に述べたように、高屈折率領域３と絶縁層４とが成す光導波路の形状によって、斜め光を反射することが可能となる。そこで、本実施例のような構造であれば、高屈折率領域８と絶縁層６とが成す光導波路において反射した光も、高屈折率領域３と絶縁層４とが成す光導波路において光電変換素子２の受光部へ反射し、集光効率が向上する。

本実施例では、最上層の高屈折率領域８の第１の面が第２の面の面積よりも大きいので、入射光の取り込みが容易となる。また、第２の面が第１の面の面積よりも大きい、高屈折率領域３を形成するため、先の構造で反射された光を効率的に取り込むことが可能となる。

また、本実施例では、光導波路を２つ設けているが、３つ以上の複数の光導波路において、任意の光導波路に上記で説明したような機能を持たせ、集光効率を向上させてもよい。

また、本実施例のような構造を形成することで、第１のパターン５の設計の自由度が上がる。よって、それが、第１の高屈折率領域３や第２の高屈折率領域８の内部に形成されることを防ぐことも容易になり、光のけられが生じず、混色を抑制し、集光効率を向上させることが可能となる。

なお、本実施例を示す図４では、第１の高屈折率領域３と第２の高屈折率領域８の接続部分は、等しい大きさの面となっているが、どちらかの面積を大きく形成してもよい。

（撮像モジュールへの応用）
図１１は、本発明の第１乃至第３の実施例にて説明した撮像装置の製造方法によって製造された撮像装置を、携帯機器に用いられる撮像モジュールへ適用した場合の一例を示す構成図である。

セラミック等の基板１１０７上に撮像装置１１００を設置し、封止するカバー部材１１０４がある。この基板１１０７は撮像装置１１００と電気的な接続がされている。撮像装置１１００上には、光を取り込む光学部分１１０５と光学ローパスフフィルタ１１０６が設置されている。更に、撮像レンズ１１０２およびそれを固定する鏡筒部材１１０１がカバー部材１１０４を覆い基板１１０７とよく封しされている。

本応用において、基板１１０７上には、本発明の撮像装置のみならず、撮像信号処理回路、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）やモジュール制御部が搭載されていてもよい。また、それらが撮像装置と同一半導体基板（図１、１）上に、同一工程によって形成されていてもよい。

（デジタルカメラへの応用）
図１２は、本発明の第１乃至第３の実施例にて説明した撮像装置の製造方法によって製造された撮像装置を、撮像システムの一例であるデジタルカメラへ適用した場合のブロック図である。

撮像装置である固体撮像素子１２０４へ光を取り込むための構成として、シャッター１２０１、撮像レンズ１２０２、絞り１２０３がある。シャッター１２０１は固体撮像素子１２０４への露出を制御し、入射した光は、撮像レンズ１２０２によって固体撮像素子１２０４に結像される。このとき、絞り１２０３によって光量が制御される。

取り込まれた光に応じて固体撮像素子１２０４から出力された信号は、撮像信号処理回路１２０５にて処理され、Ａ／Ｄ変換器１２０６によってアナログ信号からデジタル信号へ変換される。出力されたデジタル信号は、更に信号処理部１２０７にて演算処理され撮像画像データが生成される。撮像画像データは、ユーザーの動作モードの設定に応じ、デジタルカメラに搭載されたメモリ１２１０への蓄積や、外部Ｉ／Ｆ部１２１３を通してコンピュータやプリンタなどの外部の機器への送信ができる。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１２１１を通して、デジタルカメラに着脱可能な記録媒体１２１２に撮像画像データを記録することも可能である。

固体撮像素子１２０４、撮像信号処理回路１２０５、Ａ／Ｄ変換器１２０６、信号処理部１２０７はタイミング発生部１２０８により制御されるほか、システム全体は全体制御部・演算部１２０９にて制御される。また、これらのシステムは、固体撮像素子１２０４と同一の半導体基板（図１、１）上に、同一工程によって形成することも可能である。

以上、各実施例において、ＣＭＯＳ型の撮像装置を例に挙げたが、ＣＣＤ型に代表される他の方式の光電変換装置にも適応可能である。また、各実施例においては、複数の高屈折率領域を形成したが、その数や組み合わせ、および光導波路の形状は実施例に限られるものでない。

本発明の第１の実施例の撮像装置の断面図である。 本発明の第１の実施例の撮像装置の断面図と光導波路の断面投影図である。 光導波路の断面図である。 本発明の第２の実施例の撮像装置の断面図である。 本発明の第２の実施例の撮像装置の断面図と光導波路の断面投影図である。 光導波路の断面図である。 膜厚と暗電流の関係図である。 背景技術の撮像装置の断面図である。 背景技術の撮像装置の断面図である。 本発明の撮像装置の等価回路の一例である。 本発明の撮像装置を応用した一例の撮像モジュールの構成図である。 本発明の撮像装置を応用した一例のデジタルカメラの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 光電変換素子
３ 第１の光導波路
４ 絶縁層
５ 第１のパターン
６ 絶縁層
７ 第２のパターン
８ 第２の光導波路
９ 平坦化層
１０ カラーフィルター層
１１ 平坦化層
１２ オンチップマイクロレンズ

Claims (7)

1. 半導体基板と、前記半導体基板に配された複数の光電変換素子と、
   前記半導体基板上に配された絶縁層と、
   該絶縁層内に前記光電変換素子に対応して配され、前記絶縁層に比べて屈折率の高い高屈折率領域と、を含み、
   前記絶縁層と前記高屈折率領域との界面における反射によって集光する光導波路構造を有する撮像装置において、
   前記高屈折率領域は第１の高屈折領域を含み、
   該第１の高屈折率領域は前記光電変換素子の受光面に水平な方向の第１の面と、前記第１の面よりも前記光電変換素子側の第２の面と、を有し、
   前記第１の面の面積に比べ、前記第２の面の面積が大きいことを特徴とする撮像装置。
2. 前記高屈折率領域は第２の高屈折率領域を有し、該第２の高屈折率領域は、前記光電変換素子の受光面に水平な方向の第１の面と、前記第１の面よりも前記光電変換素子側の第２の面と、を有し、前記第２の面の面積に比べ前記第１の面の面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記高屈折率領域は第２の高屈折率領域を有し、前記第１の高屈折率領域が、前記第２の高屈折領域よりも前記光電変換素子側に配されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記高屈折率領域の前記光電変換素子の受光面に対向する面の面積は、前記光電変換素子の表面積に比べて小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記光電変換素子の最も近傍に形成される前記高屈折率領域は、膜厚方向に２００ｎｍ乃至２０００ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置と、前記撮像装置へ光を結像するレンズ部材と、前記レンズ部材を保持する鏡筒部材と、を有することを特徴とする撮像モジュール。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置と、前記撮像装置へ光を結像する光学系と、前記撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路と、を有することを特徴とする撮像システム。

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