JP2008085174A

JP2008085174A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2008085174A
Application number: JP2006265282A
Authority: JP
Inventors: Takeharu Tani; 武晴谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10
Also published as: US7615732B2; US20080079031A1

Abstract

【課題】光導波路に高い効率で入射光を取り込み、受光素子の外部に光が漏れ出ることによるノイズの発生を防止できる撮像装置を提供する。
【解決手段】光導波路３１は入射光を界面で全反射させる高屈折率層３２からなり、一定の広さの光導入領域３９とテーパー状に形成された縮小領域４１とが形成されている。光導入領域３９は入射口３８と同じ大きさに形成され、入射光を受光素子２０に全反射させる。縮小領域４１はテーパー状に形成されており、出射口４０が入射口３８よりも小さく形成されているために、受光素子２０の外側に光が漏れ出ることを防ぎ、隣接する電荷転送路に漏れ光が侵入しないのでノイズが発生しない。
【選択図】図３

Description

本発明は、受光素子に入射光を導く光導波路が設けられた撮像装置に関する。

デジタルカメラ等に用いられる撮像装置として、ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサが知られている。撮像装置は、入射光を画素ごとの信号電荷として検出する複数の受光素子を備えており、レンズにより形成された光学像を画像信号に変換する。撮像装置は高解像度の画像が記録できるように高画素化が進んでいる。高画素化のために画素密度を高めると、１つの受光素子が光を受ける受光面積が小さくなる。そこで、受光素子の前方に入射光を集光するマイクロレンズを設け、光の利用効率を高めたものが従来から知られている。

また、受光素子とマイクロレンズの間に入射光を受光素子に導く光導波路を設けた撮像装置が知られている。光導波路は、受光素子に直接到達できない入射光を反射し、入射光の進路を曲げることで受光素子に到達する光の量を増加させる（特許文献１，２参照）。特許文献１に記載された光導波路は、開口部として形成されている絶縁膜の表面が反射面として設けられている。特許文献２に記載された光導波路は、周囲の透光体よりも屈折率の高い窒化シリコンからなる高屈折率層が設けられており、高屈折率層の内部に入射した入射光を全反射して入射光を受光素子に導く。

特許文献１及び特許文献２に記載された光導波路は、光導波路の入射口の面積が広く、受光素子側の出射口の面積が小さいテーパー状に形成され、広い範囲から入射光を光導波路に取り込む。また、光導波路の出射口を狭くすることで、光導波路から出射した光が、受光素子の外部に漏れ出て電荷転送路等に侵入することを防止し、電荷転送路等に侵入した光により発生するスミア等のノイズを抑制している。
特開平５−２８３６６１号公報特開２００４−２２１５３２号公報

しかしながら、光導波路の全体がテーパー状に形成されている場合、高屈折率層を備えた光導波路では、入射光を全反射させる界面が傾斜しているために、一部の光が臨界角を満たさない角度で入射し、高屈折率層の外部に出射してしまう。また、反射層を備えた光導波路は、反射面が傾斜しているために、光導波路に入射した光の一部が光導波路の入射口側に反射されてしまう。すなわち、いずれの光導波路でも入射光の一部が受光素子に到達できず、受光素子の感度を十分に高めることができない欠点がある。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、入射光を効率よく受光素子に導くことができる光導波路を備えた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、本発明は、入射光を画素ごとの信号電荷として検出する複数の受光素子と、前記複数の受光素子に入射光をそれぞれ導く複数の光導波路とを備えた撮像装置において、前記光導波路には、入射口から一定の断面形状を有する光導入領域と、前記光導入領域よりも受光素子側に位置し、前記光導入領域よりも断面積が小さい縮小領域とが形成されていることを特徴とする。

前記縮小領域は、前記受光素子に近い部分ほど断面積が小さいテーパー状に形成されていることを特徴とする。

前記光導波路は、周囲よりも屈折率が高く、内部を透過する光を全反射させる高屈折率層を備えていることを特徴とする。

前記縮小領域の長さは入射光の波長以下であり、前記縮小領域と前記光導入領域との幅の差が１０ｎｍから入射光の波長以下であることを特徴とする。

前記光導波路は、その内部を光が通過する筒状に形成された反射層を備えていることを特徴とする。

前記反射層は、前記受光素子の信号電荷を転送する転送路を遮光するための遮光層に形成した開口部によって構成されることを特徴とする。

本発明によれば、光導波路の入射口側を一定の断面にした光導入領域を設けているから、入射光を広い範囲から取り込むことができ、取り込んだ入射光を無駄なく受光素子に導くことができる。また、光導入領域よりも断面積が小さい出射口を有する縮小領域を設けているから、受光素子に導かれた入射光が、隣接する他の受光素子の電荷転送路に侵入することを防止でき、ノイズの発生を防止できる。

図１において、本発明の撮像装置であるＣＣＤイメージセンサ１０は、平面状に配列されたフォトダイオードからなる複数の受光素子２０を備えている。受光素子２０により検出された光は、受光量に応じた信号電荷として蓄積される。ＣＣＤイメージセンサ１０は、インターライン転送方式で信号電荷を転送するための垂直転送ＣＣＤ２１と水平転送ＣＣＤ２２とを備えている。垂直転送ＣＣＤ２１は、垂直方向に配列した複数の受光素子２０で発生した信号電荷を転送する。水平転送ＣＣＤ２２は、複数の垂直転送ＣＣＤ２１の最終段に共通に接続され、垂直転送ＣＣＤ２１がそれぞれ転送する信号電荷を水平転送する。

蓄積された信号電荷は、受光素子２０と垂直転送ＣＣＤ２１とを接続する読み出し転送ゲートを介して、所定の読み出し周期ごとに垂直転送ＣＣＤ２１に読み出される。垂直転送ＣＣＤ２１は、読み出された信号電荷を水平転送ＣＣＤ２２に向かって一段ずつ転送する。水平転送ＣＣＤ２２は、垂直転送ＣＣＤ２１の各最終段から転送される信号電荷を受け取り、一段分の信号電荷を出力アンプ２３に向けて水平転送を行う。出力アンプ２３は、水平転送ＣＣＤ２２から出力される信号電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、これを画像信号として出力する。

図２において、半導体基板２５に設けられている垂直転送ＣＣＤ２１の上方には、転送電極２６と、転送電極２６の上面部及び側面部を覆う酸化シリコンからなる絶縁層２７と、絶縁層２７を覆う遮光層２９とが形成されている。遮光層２９は、垂直転送ＣＣＤ２１に光が侵入することを防止するために、タングステン又はアルミニウム等の遮光性材料から形成されている。遮光層２９には、開口部３０が形成されている。

開口部３０には、光導波路３１が設けられている。光導波路３１は、高屈折率層３２と、高屈折率層３２よりも屈折率が低い低屈折率層３３とを備えている。高屈折率層３２は、例えば窒化シリコンからなる。低屈折率層３３は高屈折率層３２と遮光層２９の間に設けられており、低屈折率層３３は遮光層２９の上に形成された平坦化層３４と同一材料である。低屈折率層３３と平坦化層３４は、例えばＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）からなる。

開口部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３５が設けられている。カラーフィルタ３５の上には、入射光を集光する凸状のマイクロレンズ３６が設けられている。なお、受光素子２０の中心と光導波路３１の中心とマイクロレンズ３６の中心は同一軸上に位置しており、この軸は受光素子２０の法線２０ａとして図示している。

光導波路３１は、高屈折率層３２がコア、低屈折率層３３がクラッドとして作用する。マイクロレンズ３６から高屈折率層３２に入射した光は、高屈折率層３２と低屈折率層３３との界面で全反射し、受光素子２０に到達する。光導波路３１は、入射光を受光素子２０に導き、受光素子２０によって検出される光の量を増加させるので、受光素子２０の感度を高める。

図３において、光導波路３１の高屈折率層３２には、マイクロレンズ３６に近い側に入射口３８を有する光導入領域３９と、受光素子２０に近い側に出射口４０を有する縮小領域４１とが設けられている。光導入領域３９は、入射口３８と同じ一定の断面形状、すなわち一定の断面積となるように柱状に形成されており、光導入領域３９の低屈折率層３３との界面は受光素子２０の法線２０ａと平行である。

縮小領域４１は、光導入領域３９と一体であり、出射口４０側の断面積を徐々に小さくしたテーパー状に形成されている。縮小領域４１は、柱状に形成した高屈折率層３２の端面を面取りしたような形状である。高屈折率層３２は、受光素子２０及び遮光層２９の上に低屈折率層３３及び平坦化層３４となるＢＰＳＧを積層した後、ドライエッチングによって受光素子２０の上方に垂直な穴を形成し、この穴の内部に窒化シリコンを積層することで形成されている。

縮小領域４１をテーパー状に形成するためには、ＢＰＳＧを貫通する直前、すなわち光導入領域３９に相当する穴を形成した時にドライエッチングを一度止める。そして、ＢＰＳＧの穴が小さくなるようにしてドライエッチングを再開する。このようなドライエッチングを行うことでＢＰＳＧの穴を徐々に小さくする。このＢＰＳＧの穴に、プラズマＣＶＤ法等で窒化シリコンを積層することで、高屈折率層３２にはテーパー状の縮小領域４１と柱状の光導入領域３９が形成される。

縮小領域４１は、その長さＬ１が受光素子２０に入射させる入射光の波長以下であることが好ましい。また、光導入領域３９の側面と縮小領域４１の出射口４０との幅方向の位置の差ΔＷは、１０ｎｍ〜入射光の波長以下とすることが好ましい。これは、縮小領域４１と低屈折率層３３との界面が傾斜していることによって入射光がマイクロレンズ３６に向かって反射されることを防止すると同時に、縮小領域４１の界面から入射光の一部がエバネッセント光として滲み出すことを考慮したものである。エバネッセント光は、漏れ光として低屈折率層３３を貫通し、隣接する垂直転送ＣＣＤ２１等に達するとノイズとして検知されるため、これを防止できるようにＬ１とΔＷの大きさが設定される。なお、縮小領域４１をテーパー状に形成した場合には、ΔＷは入射光の波長と同程度にしておくことが好適である。

次に、光導波路３１を有するＣＣＤイメージセンサ１０の作用を説明する。マイクロレンズ３６に対して受光素子２０の法線２０ａの方向から平行光束が入射する時、この平行光束はマイクロレンズ３６によって集光され、光導波路３１の入射口３８から高屈折率層３２に入射する。マイクロレンズ３６によって集光された平行光束には、法線２０ａと平行に直進して受光素子２０に到達する光線と、入射口３８に対して斜め方向から入射する光線とが含まれている。

高屈折率層３２に斜め方向から入射した光線のうち、その入射角度が小さい一部の光線は高屈折率層３２を直進し、受光素子２０に到達する。入射角度の大きい光線は、高屈折率層３２に入射した後、高屈折率層３２と低屈折率層３３の間の界面に入射する。光導入領域３９は、入射口３８から一定形状の断面を有する柱状に形成されているため、法線２０ａと平行である高屈折率層３２と低屈折率層３３の界面では入射光線の臨界角が確保され、入射光線が外部に漏れ出ることなく全反射される。

光導入領域３９から縮小領域４１に入射した光線は、受光素子２０に到達する。縮小領域４１は光導入領域３９よりも細くなるように断面を小さく形成しているため、出射口４０から受光素子２０の外側の方向へ進行しようとする光線が減少し、垂直転送ＣＣＤ２１に光が侵入することを防止できる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。図４において、ＣＣＤイメージセンサ５０には、転送電極２６とその上の絶縁層２７を覆う遮光層５１が形成されている。遮光層５１は、受光素子２０の上の部分に開口部５２が形成され、二酸化シリコン等の透明絶縁性材料が充填されている。遮光層５１は、光反射率の高いアルミニウム等の材料で形成されている。遮光層５１は、その表面で入射光を反射し、受光素子２０に入射光を導く光導波路５３として設けられている。

遮光層５１は、受光素子２０が設けられている半導体基板２５との境界部分に、光導波路５３を狭めるために遮光層５１の一部を受光素子２０の上に拡張した拡張層５４を有している。拡張層５４により、光導波路５３には一定の断面形状となる柱状の領域である光導入領域５６と拡張層５４によって光導入領域５６よりも断面積が小さくされた縮小領域５７とが形成される。

光導波路５３は、一定の断面形状とした光導入領域５６によってマイクロレンズ３６により集光された入射光が効率よく取り込まれ、縮小領域５７によって受光素子２０の外側へ光が漏れ出すことが防止され、垂直転送ＣＣＤ２１でノイズが発生することを防止する。

なお、以上で説明した実施形態は、光導波路３１及び光導波路５３の縮小領域４１及び縮小領域５７をテーパー状に形成しているが、図５に示す光導波路６０のように、縮小領域６１を光導入領域６２よりも細くし、法線２０ａと平行に形成してもよい。この場合、縮小領域の長さは入射光の波長以下であり、縮小領域６１の縮小量であるΔＷは１０ｎｍ〜入射光の波長以下となるようにする。また、導波路を受光素子とマイクロレンズの間に設けた場合、マイクロレンズの集光能力が不十分であれば、マイクロレンズと光導波路との間に集光レンズをさらに設けてもよい。また、本発明は、ＣＣＤイメージセンサに適用することに限られず、ＣＭＯＳイメージセンサに適用することも可能である。

ＣＣＤイメージセンサの概念図である。ＣＣＤイメージセンサの断面図である。光導波路の作用を示す説明図である。第２実施形態の導波路の断面図である。第３実施形態の導波路の説明図である。

符号の説明

１０ＣＣＤイメージセンサ
２０受光素子
２０ａ法線
２７絶縁層
２９遮光層
３０開口部
３１光導波路
３２高屈折率層
３３低屈折率層
３８入射口
３９光導入領域
４０出射口
４１縮小領域
５０ＣＣＤイメージセンサ
５１遮光層
５２開口部
５３光導波路
５４拡張層
５６光導入領域
５７縮小領域
６０光導波路
６１縮小領域
６２光導入領域

Claims

入射光を画素ごとの信号電荷として検出する複数の受光素子と、前記複数の受光素子に入射光をそれぞれ導く複数の光導波路とを備えた撮像装置において、
前記光導波路には、光が入射する入射口から一定形状の断面を有する光導入領域と、前記光導入領域よりも受光素子側に位置し、前記光導入領域よりも断面が小さい縮小領域とが形成されていることを特徴とする撮像装置。
前記縮小領域は、前記受光素子に近い部分ほど断面を小さくしたテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記光導波路は、周囲よりも屈折率が高く、内部を透過する光を全反射させる高屈折率層を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記縮小領域の長さは入射光の波長以下であり、前記縮小領域と前記光導入領域との幅の差が１０ｎｍから入射光の波長以下であることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
前記光導波路は、その内部を光が通過する筒状の反射層を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記反射層は、前記受光素子の信号電荷を転送する転送路を遮光するための遮光層に形成した開口部によって構成されることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。