JP2007227643A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子への入射光の集光効率を十分に高めることができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】入射光を集光するマイクロレンズ３２と、入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオード（ＰＤ）１１との間に光導波路２８が設けられている。光導波路２８は、光入射面２８ａの径Ｄ_Ｇが前記マイクロレンズ３２の径Ｄ_Ｌより大きく、その側壁には光反射層２９が形成されている。これにより、マイクロレンズ３２から射出されたほぼ全ての光が光入射面２８ａに入射するので、集光効率が高まる。さらに集光効率を高めるために、光導波路の形状は、光射出面側の面積が光入射面側の面積より小さくなるように、テーパ状としてもよい。また、受光感度を高めるために、マイクロレンズの光軸を含む中央部の屈折率がその周囲より相対的に低下するように、光導波路内に屈折率分布を与えてもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロレンズと受光素子との間に光導波路が設けられてなる固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ（charge coupled device）イメージセンサなどの固体撮像装置では、受光素子の上方に入射光を集光するマイクロレンズを形成することにより、受光感度の向上を図っている。また、さらに受光感度を向上させるために、マイクロレンズと受光素子との間に光導波路を設け、マイクロレンズによって集光された入射光を、光導波路を介して効率よく受光素子に導くように構成された固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１３５４３３号公報

しかしながら、上記従来の固体撮像装置では、マイクロレンズの径が光導波路の光入射面の径より大きいので、マイクロレンズの端部に入射した光は、光導波路の光入射面に導かれないことがある。このため、従来の固体撮像装置では、受光素子への入射光の集光効率は十分ではなく、さらなる改善が望まれている。

本発明は、受光素子への入射光の集光効率を十分に高めることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、マイクロレンズと受光素子との間に光導波路が設けられてなる固体撮像装置において、前記光導波路は、光入射面の径が前記マイクロレンズの径より大きいことを特徴とする。

なお、前記光導波路は、光射出面側の面積が光入射面側の面積より小さくなるように、テーパ状に形成されていることが好ましい。

また、前記光導波路は、前記マイクロレンズの光軸を含む中央部の屈折率がその周囲より相対的に低下するように、屈折率分布を備えたものであることが好ましい。

さらに、前記光導波路の側壁には、光反射層が形成されていることが好ましい。

本発明の固体撮像装置では、光導波路は、光入射面の径がマイクロレンズの径より大きいので、マイクロレンズから射出されたほぼ全ての光が光導波路の光入射面に入射され、受光素子への入射光の集光効率を十分に高めることができる。

また、光導波路を、光射出面側の面積が光入射面側の面積より小さくなるように、テーパ状に形成されているので、光導波路の光射出面側での光の損失が防止され、受光素子への入射光の集光効率をさらに高めることができる。

また、光導波路内に、マイクロレンズの光軸を含む中央部の屈折率がその周囲より相対的に低下するように屈折率分布を与えることで、受光素子の受光面に対してより垂直に近い角度で光を入射させることができ、受光感度が向上させることができる。

また、光導波路の側壁に光反射層を形成することにより、側壁部からの光の損失を防止することができ、集光効率をさらに高めることができる。

図１において、ＣＣＤイメージセンサ１０は、２次元状に多数配列されたフォトダイオード（ＰＤ）１１と、各ＰＤ１１に接続された読み出し転送ゲート（ＴＧ）１２と、ＰＤ１０の垂直列毎に設けられ、ＴＧ１２が接続された垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１３と、各ＶＣＣＤ１３の最終段に共通に接続された水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）１４と、ＨＣＣＤ１４の最終段に接続された出力アンプ１５とによって構成されている。ＣＣＤイメージセンサ１０は、インターライン転送方式のＣＣＤイメージセンサである。

ＰＤ１１は、受光した光を光電変換して信号電荷を生成し、生成した信号電荷を蓄積する。ＴＧ１２は、ＰＤ１１に蓄積された信号電荷を露光期間終了後にＶＣＣＤ１３に転送する。ＶＣＣＤ１３は、ＰＤ１１からＴＧ１２を介して転送された信号電荷を受け取り、ＨＣＣＤ１４に向けて一段ずつ垂直転送を行う。ＨＣＣＤ１４は、各ＶＣＣＤ１３の最終段から出力される信号電荷を一段ずつ受け取り、一段分の信号電荷を受け取るたびに出力アンプ１５に向けて水平転送を行う。出力アンプ１５は、ＨＣＣＤ１４の最終段から出力される信号電荷を検出し、信号電荷の電荷量に応じた電圧信号（撮像信号）を出力する。

図２において、ｎ型半導体基板２０上には、ｐ型ウェル層２１が形成されている。ｐ型ウェル層２１内には、電子（信号電荷）を蓄積するｎ型層２２が形成されており、ｎ型層２２の上には正孔を蓄積するｐ^＋型層２３が形成されている。前述のＰＤ１１は、ｎ型半導体基板２０上のｐｎｐｎ接合により構成された、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。

ｐ型ウェル層２１の表層にはｎ型層２４が形成されており、ｎ型層２４はｎ型層２２と、ｐ型ウェル層２１またはｐ^＋型層２３によって分離されている。前述のＴＧ１２は、ｎ型層２２，２４間のｐ型ウェル層２１によって構成され、前述のＶＣＣＤ１３は、ｎ型層２４によって構成されている。

ｎ型層２４の上方には、絶縁層２５を介して転送電極２６が形成されている。転送電極２６は、印加される電圧により、ＴＧ１２におけるｎ型層２２からｎ型層２４への信号電荷の読み出し転送、および、ＶＣＣＤ１３における信号電荷の垂直転送をそれぞれ制御する。さらに、転送電極２６の上方には、絶縁層２５を介して遮光層２７が形成されている。絶縁層２５は、転送電極２６および遮光層２７の周囲を覆っている。なお、絶縁層２５は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの絶縁性材料からなり、転送電極２６は、ポリシリコン（多結晶Ｓｉ）やアルミニウム（Ａｌ）などの導電性材料からなり、遮光層２７は、タングステン（Ｗ）やアルミニウム（Ａｌ）などの遮光性材料からなる。

ＰＤ１１の上方には、絶縁層２５を介し、ＰＤ１１の受光面に対して垂直に光導波路２８が形成されている。光導波路２８は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）やチッ化シリコン（ＳｉＮ）などの透明絶縁性材料からなり、その側壁は光反射層２９によって覆われている。なお、光反射層２９は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの高反射率を有する金属からなり、光導波路２８の側壁部からの光の損失を防止する。

光導波路２８の上には、ＢＰＳＧ（boron phosphorous silicate glass）などの透明絶縁性材料からなる平坦化層３０が積層されており、平坦化層３０の上には、赤、緑、青などの特定の色の光を透過させるカラーフィルタ３１が設けられている。さらに、カラーフィルタ３１の上には、透明樹脂からなる凸型円弧形状のマイクロレンズ３２が設けられている。なお、マイクロレンズ３２は、その光軸ＬがＰＤ１１の受光面のほぼ中央に位置するように配置されている。

光導波路２８は、柱状であり、上端の光入射面２８ａの径Ｄ_Ｇがマイクロレンズ３２の径Ｄ_Ｌより大きく、光入射面２８ａの平面形状はマイクロレンズ３２の平面形状より大きい。これにより、マイクロレンズ３２に入射したほぼ全ての光は、光入射面２８ａに入射し、光導波路２８の内部を伝搬した後、光射出面２８ｂからＰＤ１１へ向けて射出される。マイクロレンズ３２の端部に入射した光も光入射面２８ａに確実に入射され、光反射層２９によって反射を繰り返した後、光射出面２８ｂからＰＤ１１へ導かれるので、受光感度が向上する。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、光導波路の形状を上記実施形態とは異ならせたものである。図３において、光導波路４０は、上記実施形態とは異なり、光射出面側４０ａの面積が光入射面側４０ｂの面積より小さくなるように、テーパ状に形成されている。つまり、光導波路４０の側壁がＰＤ１１の受光面に対して垂直ではなく傾斜しており、この傾斜面に光反射層２９が形成されている。なお、上記実施形態と同一の部分については同一の符号を付しており、これらの詳しい説明は省略する。

本実施形態の利点は、光射出面４０ｂがＰＤ１１の受光面に合わせて狭小化されているため、光射出面４０ｂから射出した光を損なうことなく、全てＰＤ１１へ集光することができることである。なお、光導波路４０は、絶縁層２５に、エッチングによってすり鉢状の穴を形成し、この穴の側壁に光反射層２９を形成した後、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によって該穴に所定の透明絶縁性材料を堆積させることによって形成される。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、上記実施形態とは異なり、マイクロレンズの光軸を含む中央部の屈折率がその周囲より相対的に低下するように、光導波路内に屈折率分布を与えたものである。図４において、光導波路５０は、低屈折率層５１と高屈折率層５２とからなり、これらは、マイクロレンズ３２の光軸Ｌを含む中央部から外側へ向けて、低屈折率層５１、高屈折率層５２、低屈折率層５１の順に形成されている。図５に示すように、光導波路５０内の各層は、光軸Ｌを中心とした、ほぼ同心円状となっている。なお、各層の材料として、低屈折率層５１をＳｉＯ_２（屈折率１．３）、高屈折率層５２をＳｉ_３Ｎ_４（屈折率１．９）とすることが好ましい。

本実施形態の利点は、光導波路５０は、上記の屈折率分布により光伝達特性が変化し、マイクロレンズ３２からの光をＰＤ１１の受光面に対してより垂直に近い角度で入射させることができることであり、ＰＤ１１へより確実に光を入射させることが可能となる。この結果、受光感度が向上する。

光導波路５０は、次のようにして製造することができる。まず、図６（Ａ）において、半導体基板２０中に、前述のＰＤ１１、ＴＧ１２、ＶＣＣＤ１３などを形成し、半導体基板２０上に、転送電極２６および遮光層２７を形成するとともに、これらの周囲に絶縁層２５を堆積させ、堆積した絶縁層２５をマスクを用いてエッチングすることにより、ＰＤ１１の上方に円柱状の穴５３を形成する。なお、図の簡単化のため、半導体基板２０内の構造は詳しく示していない。

次いで、図６（Ｂ）において、ＣＶＤ法により、金属膜５４を全体に堆積させ、図６（Ｃ）において、異方性エッチングを行い、金属膜５４を穴５３の側部のみに残存させることで、前述の光反射層２９を形成する。次いで、図７（Ａ）において、ＳｉＯ_２の反応ガスでＣＶＤ成膜を行うことによって低屈折率膜５５を全体に堆積させ、図７（Ｂ）において、異方性エッチングを行い、低屈折率膜５５を金属膜５４の隣接部のみに残存させることで、前述の外側の低屈折率層５１を形成する。

次いで、図７（Ｃ）において、Ｓｉ_３Ｎ_４の反応ガスでＣＶＤ成膜を行うことによって高屈折率膜５６を全体に堆積させ、図８（Ａ）において、異方性エッチングを行い、高屈折率膜５６を低屈折率層５１の隣接部のみ残存させることで、前述の外側の高屈折率層５２を形成する。そして、図８（Ｂ）において、ＳｉＯ_２の反応ガスでＣＶＤ成膜を行うことによって低屈折率膜５７を全体に堆積させ、図８（Ｃ）において、異方性エッチングを行い、高屈折率層５２に隣接する中央部に低屈折率膜５７を残存させ、前述の低屈折率層５１を中央部に形成すると、光導波路５０が完成する。

なお、光導波路５０は、低屈折率層５１と高屈折率層５２との２種類の屈折率層で構成したものであるが、本発明はこれに限定されず、光導波路を３種以上の屈折率層で構成してもよい。図９において、光導波路６０は、低屈折率層６１と中屈折率層６２と高屈折率層６３とからなり、これらは、光軸Ｌを含む中央部から外側へ向けて、低屈折率層６１、中屈折率層６２、高屈折率層６３、中屈折率層６２、低屈折率層６１の順に形成されている。なお、各層の材料として、低屈折率層６１をＳｉＯ_２（屈折率１．３）、中屈折率層６２をＳｉＯＮ（屈折率はＯとＮとの比により１．５〜１．７の間で変化する）、高屈折率層６３をＳｉ_３Ｎ_４（屈折率１．９）とすることが好ましい。

また、内部に屈折率分布を有する本実施形態の光導波路を、上記第２実施形態と同様に、テーパ状としてもよいことは言うまでもなく、この形状により、さらに受光感度を向上させることができる。

上記第１〜第３実施形態では、光導波路の側壁に光反射層を設けているが、この光反射層は必ずしも設けなくてもよい。つまり、光導波路を、その側壁に光反射層を設けず、内部の屈折率を周囲より相対的に高めることによって、コアークラッド型として構成することも可能である。

また、上記第１〜第３実施形態では、マイクロレンズ下にカラーフィルタを設けているが、このカラーフィルタは必ずしも設けなくてもよい。例えば、３板式カラーカメラに用いられる固体撮像装置に本発明を適用する場合には、固体撮像装置中にカラーフィルタを設ける必要はない。

また、上記第１〜第３実施形態では、受光素子を半導体中のｐｎｐｎ接合による埋め込み型フォトダイオードとして構成しているが、本発明はこれに限定されず、受光素子の構成は適宜変更可能である。例えば、受光素子を、ｐｎフォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ＭＯＳ型フォトダイオードなどとすることが可能である。

ＣＣＤイメージセンサの構成を示す概略平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態を示す断面図である。 第３実施形態の光導波路を示す平面図である。 第３実施形態の光導波路の製造方法を示す断面図（その１）である。 第３実施形態の光導波路の製造方法を示す断面図（その２）である。 第３実施形態の光導波路の製造方法を示す断面図（その３）である。 第３実施形態の光導波路の変形例を示す平面図である。

符号の説明

１０ ＣＣＤイメージセンサ
１１ フォトダイオード
２５ 絶縁層
２８，４０，５０，６０ 光導波路
２８ａ，４０ａ 光入射面
２８ｂ，４０ｂ 光射出面
２９ 光反射層
３２ マイクロレンズ
５１，６１ 低屈折率層
５２，６３ 高屈折率層
６２ 中屈折率層

Claims (4)

1. マイクロレンズと受光素子との間に光導波路が設けられてなる固体撮像装置において、
   前記光導波路は、光入射面の径が前記マイクロレンズの径より大きいことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光導波路は、光射出面側の面積が光入射面側の面積より小さくなるように、テーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記光導波路は、前記マイクロレンズの光軸を含む中央部の屈折率がその周囲より相対的に低下するように、屈折率分布を備えたものであることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記光導波路の側壁には、光反射層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像装置。

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