JP2008112831A - 固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光導波路を有する固体撮像素子であって、Ｓ／Ｎ劣化を招くことなく長波長感度の低下を防ぐことが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】同一平面上に配列された多数の画素部を含む固体撮像素子２５であって、複数の画素部の各々は、シリコン基板１内に形成されたＮ層２及びＰ＋層３からなる光電変換部と、前記光電変換部に入射してくる光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く低屈折率層６及び高屈折率層５からなる光導波路とを含み、前記光電変換部は、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換部に分類され、前記画素部の構成が、前記画素部に含まれる前記光電変換部の検出波長に応じて異なっている。
【選択図】図２
【解決手段】同一平面上に配列された多数の画素部を含む固体撮像素子２５であって、複数の画素部の各々は、シリコン基板１内に形成されたＮ層２及びＰ＋層３からなる光電変換部と、前記光電変換部に入射してくる光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く低屈折率層６及び高屈折率層５からなる光導波路とを含み、前記光電変換部は、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換部に分類され、前記画素部の構成が、前記画素部に含まれる前記光電変換部の検出波長に応じて異なっている。
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体基板内に形成された光電変換部と、前記光電変換部に入射してくる光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く光導波路とを含む画素部を複数含む固体撮像素子に関する。
従来、半導体基板内に形成された光電変換部と、前記光電変換部に入射してくる光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く光導波路とを含む画素部を複数含む固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
図８は、光導波路を有する固体撮像素子の１つの画素部の断面模式図である。
シリコン基板１１内には、Ｎ型不純物からなるＮ層１２及びＮ層１２上に形成された高濃度のＰ型不純物からなるＰ＋層１３で構成される光電変換部が形成されている。シリコン基板１１上には、光電変換部の開口以外を遮光する遮光部材１４が形成され、この遮光部材１４によって光電変換部の開口が決定される。固体撮像素子がＣＣＤ型の場合には、遮光部材１４下方にはＣＣＤ駆動電極と電荷転送チャネル等が形成され、固体撮像素子がＣＭＯＳ型の場合には、遮光部材１４下方にはＭＯＳ回路が形成される。
シリコン基板１１内には、Ｎ型不純物からなるＮ層１２及びＮ層１２上に形成された高濃度のＰ型不純物からなるＰ＋層１３で構成される光電変換部が形成されている。シリコン基板１１上には、光電変換部の開口以外を遮光する遮光部材１４が形成され、この遮光部材１４によって光電変換部の開口が決定される。固体撮像素子がＣＣＤ型の場合には、遮光部材１４下方にはＣＣＤ駆動電極と電荷転送チャネル等が形成され、固体撮像素子がＣＭＯＳ型の場合には、遮光部材１４下方にはＭＯＳ回路が形成される。
遮光部材１４と光電変換部の開口の上には、低屈折率の材料で構成される低屈折率層１５と、低屈折率層１５によって周囲を囲まれた低屈折率層１５よりも高屈折率の材料で構成される高屈折率層１６とが形成され、低屈折率層１５と高屈折率層１６が、光導波路を形成している。光導波路上には平坦化層１７が形成され、その上にはカラーフィルタ１８が形成され、その上にはマイクロレンズ１９が形成されている。
図８に示した光導波路は、高屈折率層１６中の光が低屈折率層１５との界面に入射するとき全反射を起こすので、いわば高屈折率層１６中に光が閉じ込められたようになり、この現象によって光を高屈折率層１６中に閉じ込め伝搬させて光電変換部に導くものである。このような構造の光導波路では高屈折率層１６の外周縁部から低屈折率層１５の内側にしみ出る光（エバネッセント光）が発生することが知られている（例えば特許文献２参照）。図８中の破線と高屈折率層１６の外周縁部との間の領域が、エバネッセント光が発生する領域である。
高屈折率層１６の外周縁部の接線をＸ軸とし、Ｘ軸に垂直な軸をＺ軸とし、Ｘ軸と高屈折率層１６とが接する点に入射してくる光の入射角をＸ軸に垂直な方向を基準にしてθとし、高屈折率層１６の屈折率ｎ１と低屈折率層１５の屈折率ｎ２との比をｎ＝ｎ２／ｎ１とすると、エバネッセント光の電場は以下のように表される。
すなわち、波長が×（１／sinθ）だけ変調されたうえ、Ｚ成分の波動が起こらず、光はＸ軸方向にしか進行しない。又、この光波動は、Ｚ方向に指数関数的にその振幅が減少する。この減少率は、波長に反比例しており、長波長の光ほど、Ｚ軸方向への光のしみ出しが多い。高屈折率層１６からＺ軸方向へ低屈折率層１５内にしみ出たエバネッセント光は、高屈折率層１５の外側に何も障害物がなければ、再び高屈折率層１６内に戻るため、感度が低下することはない。しかし、図８に示すように、高屈折率層１５の外側には、通常、遮光部材１４等の障害物が形成されるため、エバネッセント光は、この遮光部材１４によって吸収されてしまう。短波長の光であれば、光のしみ出しが小さいため、エバネッセント光が障害物に当たる可能性は低いが、長波長の光の場合、光のしみ出しが大きいため、エバネッセント光が障害物に当たる可能性は高くなる。このため、全ての画素部を同一構造にした場合、長波長感度が相対的に低下した撮像特性となってしまう。
このため、各光電変換部での検出感度を合わせるために、検出感度が低くなった光電変換部から得られる信号にゲインを乗じる等して、感度を補正する必要がある。しかし、信号をゲイン増幅してしまうと、ノイズも増幅されるため、Ｓ／Ｎが劣化するといった問題があり、好ましくない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光導波路を有する固体撮像素子であって、Ｓ／Ｎ劣化を招くことなく長波長感度の低下を防ぐことが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
（１）同一平面上に配列された多数の画素部を含む固体撮像素子であって、前記複数の画素部の各々は、半導体基板内に形成された光電変換部と、前記光電変換部に入射してくる光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く光導波路とを含み、前記光電変換部は、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換部に分類され、前記画素部の構成が、前記画素部に含まれる前記光電変換部の検出波長に応じて異なる固体撮像素子。
（２）（１）記載の固体撮像素子であって、前記光導波路は、低屈折率の材料で構成される低屈折率層と、前記低屈折率層によって周囲を囲まれた前記低屈折率層よりも高屈折率の材料で構成される高屈折率層とで構成され、前記画素部に含まれる前記高屈折率層よりも外側に形成されている前記低屈折率層を除く部材と前記高屈折率層との距離が、前記画素部に含まれる前記光電変換部の検出波長が長いほど大きくなっている固体撮像素子。
（３）（２）記載の固体撮像素子であって、前記部材が、前記光電変換部の開口面積を決定する遮光部材である固体撮像素子。
（４）（１）〜（３）のいずれか１つ記載の固体撮像素子であって、前記光電変換部は、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積層を含み、前記光電変換部の前記電荷蓄積層の前記半導体基板の深さ方向の厚みが、前記光電変換部の検出波長が長いほど大きくなっている固体撮像素子。
（５）（４）記載の固体撮像素子であって、前記光電変換部は、更に、前記電荷蓄積層に前記半導体基板表面で発生した暗電荷が移動するのを防止するための暗電荷移動防止層を含み、前記光電変換部の前記電荷蓄積層と前記暗電荷移動防止層とを併せた前記深さ方向の厚みが、前記光電変換部の検出波長が長いほど大きくなっており、前記暗電荷移動防止層の厚みが全ての前記光電変換部で同一である固体撮像素子。
（６）（４）記載の固体撮像素子であって、前記光電変換部は、更に、前記電荷蓄積層に前記半導体基板表面で発生した暗電荷が移動するのを防止するための暗電荷移動防止層を含み、前記光電変換部の前記電荷蓄積層と前記暗電荷移動防止層とを併せた前記深さ方向の厚みが同一であり、前記暗電荷移動防止層の厚みが、前記光電変換部の検出波長が長いほど小さくなっている固体撮像素子。
（７）（１）記載の固体撮像素子であって、前記光電変換部に入射する光の光量が、前記光電変換部の検出波長が長いほど多くなるように、前記画素部の前記光電変換部より上方の光学系が設計されている固体撮像素子。
（８）（７）記載の固体撮像素子であって、前記画素部は、前記光電変換部の上方に、前記光電変換部が検出する波長域の光を透過するカラーフィルタを備え、前記カラーフィルタの厚みが、前記カラーフィルタの透過波長が長くなるほど薄くなっている固体撮像素子。
（９）（７）記載の固体撮像素子であって、前記画素部は、前記光電変換部の前記光導波路の上方に、前記光導波路に光を集光するためのマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズの集光率が、前記光電変換部の検出波長が長くなるほど大きくなっている固体撮像素子。
（１０）（７）記載の固体撮像素子であって、前記画素部は、前記光電変換部の前記光導波路の上方に、前記光導波路に光を集光するためのマイクロレンズと、前記マイクロレンズで集光された光を前記光導波路に更に集光するための層内レンズとを備え、前記層内レンズの集光率が、前記光電変換部の検出波長が長くなるほど大きくなっている固体撮像素子。
（１１）（１）〜（１０）のいずれか１つ記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
本発明によれば、光導波路を有する固体撮像素子であって、Ｓ／Ｎ劣化を招くことなく長波長感度の低下を防ぐことが可能な固体撮像素子を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの機能ブロック図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ２１と、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサ等の固体撮像素子２５と、固体撮像素子２５に入射する光の量を調整するための絞り機構２２と、絞り機構２２と固体撮像素子２５との間に設けられた赤外線カットフィルタ２３及び光学ローパスフィルタ２４とを備える。
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの機能ブロック図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ２１と、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサ等の固体撮像素子２５と、固体撮像素子２５に入射する光の量を調整するための絞り機構２２と、絞り機構２２と固体撮像素子２５との間に設けられた赤外線カットフィルタ２３及び光学ローパスフィルタ２４とを備える。
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部３１は、フラッシュ発光部３２及び受光部３３を制御し、レンズ駆動部２８を制御して撮影レンズ２１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部２９を介し絞り機構２２の絞り値（Ｆ値）を制御して露光量調整を行う。
又、システム制御部３１は、撮像素子駆動部３０を介して固体撮像素子２５を駆動し、撮影レンズ２１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部３１には、操作部３４を通してユーザからの指示信号が入力される。
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子２５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部２６と、このアナログ信号処理部２６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２７とを備え、これらはシステム制御部３１によって制御される。
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ３６と、メインメモリ３６に接続されたメモリ制御部３５と、同時化処理、ガンマ補正演算、ホワイトバランス調整処理、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部３７と、デジタル信号処理部３７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部３８と、測光データを積算しデジタル信号処理部３７が行うホワイトバランス調整のゲインを求める積算部３９と、着脱自在の記録媒体４１が接続される外部メモリ制御部４０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部４３が接続される表示制御部４２とを備え、これらは、制御バス４４及びデータバス４５によって相互に接続され、システム制御部３１からの指令によって制御される。
図２は、図１に示した固体撮像素子２５の部分概略断面図である。固体撮像素子２５は、同一平面上に配列された多数の画素部を含むものである。多数の画素部は、青色（Ｂ）の波長域の光（以下、Ｂ光という）を検出するためのＢ画素部と、緑色（Ｇ）の波長域の光（以下、Ｇ光という）を検出するためのＧ画素部と、赤色（Ｒ）の波長域の光（以下、Ｒ光という）を検出するためのＲ画素部とに分類される。図２には、隣接するＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の断面を示した。
Ｂ画素部は、Ｂ光を透過するカラーフィルタ８ｂをシリコン基板１上方に有し、平面視においてカラーフィルタ８ｂと重なる部分を、本明細書ではＢ画素部と定義している。Ｂ画素部のシリコン基板１表面部には、Ｎ型不純物からなるＮ層２及びＮ層２上に形成された高濃度のＰ型不純物からなるＰ＋層３で構成されるＢ光電変換部が形成されている。Ｎ層２は、Ｂ光電変換部で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積層としても機能し、Ｐ＋層３は、シリコン基板１表面で発生する暗電荷がＮ層２に移動するのを防止するための暗電荷移動防止層としても機能する。
Ｂ画素部のＰ＋層３上には、高屈折率の材料で構成される高屈折率層６が形成され、この高屈折率層６の周囲には高屈折率層６よりも低屈折率の材料で構成される低屈折率層５が形成されている。低屈折率層５と高屈折率層６とにより、Ｂ光を閉じ込め伝播させてＢ光電変換部に導くＢ光導波路が構成される。Ｂ光導波路上には平坦化層７が形成され、この上にカラーフィルタ８ｂが形成されている。カラーフィルタ８ｂ上には、Ｂ光導波路に光を集光するためのマイクロレンズ９が形成されている。
Ｇ画素部は、Ｇ光を透過するカラーフィルタ８ｇをシリコン基板１上方に有し、平面視においてカラーフィルタ８ｇと重なる部分を、本明細書ではＧ画素部と定義している。Ｇ画素部のシリコン基板１表面部には、Ｎ層２及びＮ層２上に形成されたＰ＋層３で構成されるＧ光電変換部が形成されている。Ｎ層２は、Ｇ光電変換部で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積層としても機能し、Ｐ＋層３は、シリコン基板１表面で発生する暗電荷がＮ層２に移動するのを防止するための暗電荷移動防止層としても機能する。
Ｇ画素部のＰ＋層３上には高屈折率層６が形成され、この高屈折率層６の周囲には低屈折率層５が形成されている。低屈折率層５と高屈折率層６とにより、Ｇ光を閉じ込め伝播させてＧ光電変換部に導くＧ光導波路が構成される。Ｇ光導波路上には平坦化層７が形成され、この上にカラーフィルタ８ｇが形成されている。カラーフィルタ８ｇ上には、Ｇ光導波路に光を集光するためのマイクロレンズ９が形成されている。
Ｒ画素部は、Ｒ光を透過するカラーフィルタ８ｒをシリコン基板１上方に有し、平面視においてカラーフィルタ８ｒと重なる部分を、本明細書ではＲ画素部と定義している。Ｒ画素部のシリコン基板１表面部には、Ｎ層２及びＮ層２上に形成されたＰ＋層３で構成されるＲ光電変換部が形成されている。Ｎ層２は、Ｒ光電変換部で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積層としても機能し、Ｐ＋層３は、シリコン基板１表面で発生する暗電荷がＮ層２に移動するのを防止するための暗電荷移動防止層としても機能する。
Ｒ画素部のＰ＋層３上には高屈折率層６が形成され、この高屈折率層６の周囲には低屈折率層５が形成されている。低屈折率層５と高屈折率層６とにより、Ｒ光を閉じ込め伝播させてＲ光電変換部に導くＲ光導波路が構成される。Ｒ光導波路上には平坦化層７が形成され、この上にカラーフィルタ８ｒが形成されている。カラーフィルタ８ｒ上には、Ｒ光導波路に光を集光するためのマイクロレンズ９が形成されている。
低屈折率層５内には、各光電変換部以外に光が入射するのを防ぐための遮光部材４が埋設されている。遮光部材４は、Ｐ＋層３上にのみ開口が形成されたものであり、これにより、各光電変換部の開口面積が決定されている。尚、各画素部の高屈折率層６は、遮光部材４の開口よりも内側に形成されている。固体撮像素子２５がＣＣＤ型の場合には、遮光部材４下方にＣＣＤ駆動電極等が形成され、固体撮像素子２５がＣＭＯＳ型の場合には、遮光部材４下方にＭＯＳ回路等が形成される。
Ｎ層２及びＰ＋層３のそれぞれのシリコン基板１の深さ方向（シリコン基板１表面に垂直な方向）の厚みは、各画素部で同一となっている。又、低屈折率層６のシリコン基板１表面に平行な方向の厚みは、各画素部で同一となっている。
本実施形態の固体撮像素子２５は、図２に示したように、遮光部材４に形成される開口をＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に大きくすることで、各画素部に含まれる高屈折率層６と遮光部材４との距離を、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくなるようにしている。
このように構成された固体撮像素子２５では、マイクロレンズ９で集光されてカラーフィルタ８ｂを透過したＢ光が、Ｂ光導波路内で全反射を繰り返しながらＢ光電変換部に入射し、Ｂ光電変換部で発生したＢ成分の電荷がＮ層２に蓄積される。そして、Ｎ層２に蓄積されたＢ成分の電荷に応じたＢ成分の信号（以下、ｂ信号という）が、図示しないＣＣＤ及び出力アンプやＣＭＯＳ回路によって外部に出力される。
同様に、マイクロレンズ９で集光されてカラーフィルタ８ｇを透過したＧ光が、Ｇ光導波路内で全反射を繰り返しながらＧ光電変換部に入射し、Ｇ光電変換部で発生したＧ成分の電荷がＮ層２に蓄積される。そして、Ｎ層２に蓄積されたＧ成分の電荷に応じたＧ成分の信号（以下、ｇ信号という）が、図示しないＣＣＤ及び出力アンプやＣＭＯＳ回路によって外部に出力される。
同様に、マイクロレンズ９で集光されてカラーフィルタ８ｒを透過したＲ光が、Ｒ光導波路内で全反射を繰り返しながらＲ光電変換部に入射し、Ｒ光電変換部で発生したＲ成分の電荷がＮ層２に蓄積される。そして、Ｎ層２に蓄積されたＲ成分の電荷に応じたＲ成分の信号（以下、ｒ信号という）が、図示しないＣＣＤ及び出力アンプやＣＭＯＳ回路によって外部に出力される。
このような構成の固体撮像素子２５によれば、エバネッセント光のしみ出しが大きい画素部ほど、高屈折率層６と遮光部材４との距離が大きく離れているため、エバネッセント光が遮光部材４に吸収される可能性を低くすることができ、各画素部の光電変換部の検出感度のずれを防ぐことができる。又、この構成によれば、固体撮像素子の構造を工夫して各光電変換部の検出感度を適正にしているため、信号をゲイン増幅する方法に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図３において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図３に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４の開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部に含まれる高屈折率層６のシリコン基板１表面に平行な方向の厚みをＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に小さくすることで、各画素部に含まれる高屈折率層６と遮光部材４との距離を、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくなるようにしたものである。
図３は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図３において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図３に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４の開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部に含まれる高屈折率層６のシリコン基板１表面に平行な方向の厚みをＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に小さくすることで、各画素部に含まれる高屈折率層６と遮光部材４との距離を、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくなるようにしたものである。
このような構成によれば、エバネッセント光のしみ出しが大きい画素部ほど、高屈折率層６と遮光部材４との距離が大きく離れているため、エバネッセント光が遮光部材４に吸収される可能性を低くすることができ、各画素部の光電変換部の検出感度のずれを防ぐことができる。又、この構成によれば、固体撮像素子の構造を工夫して各光電変換部の検出感度を適正にしているため、信号をゲイン増幅する方法に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
（第三実施形態）
図４は、本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図４において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図４（Ａ），（Ｂ）に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子において、各画素部に含まれるＮ層２の深さ方向（シリコン基板１表面に垂直な方向）の厚みを、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくしたものである。
図４は、本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図４において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図４（Ａ），（Ｂ）に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子において、各画素部に含まれるＮ層２の深さ方向（シリコン基板１表面に垂直な方向）の厚みを、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくしたものである。
図４（Ａ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子において、各画素部に含まれるＮ層２の深さ方向の厚みをＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に大きくした構成となっている。
図４（Ｂ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子において、各画素部に含まれるＰ＋層３の深さ方向の厚みをＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に小さくした構成となっている。
このような構成によれば、エバネッセント光のしみ出しが大きい画素部ほど、Ｎ層２の深さ方向の厚みが大きくなっていて光電変換領域が広がっているため、エバネッセント光が遮光部材４で吸収されてしまった場合の検出感度低下を、光電変換領域の増加で補うことができる。
尚、本実施形態で説明した光電変換部の構成は、図３に示した固体撮像素子にも同様に適用可能である。
（第四実施形態）
図５は、本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図５において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図５（Ａ），（Ｂ）に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部に含まれるＮ層２の深さ方向の厚みを、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくしたものである。
図５は、本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図５において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図５（Ａ），（Ｂ）に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部に含まれるＮ層２の深さ方向の厚みを、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくしたものである。
図５（Ａ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部に含まれるＮ層２の深さ方向の厚みをＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に大きくした構成となっている。
図５（Ｂ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部に含まれるＰ＋層３の深さ方向の厚みをＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に小さくした構成となっている。
このような構成によれば、エバネッセント光のしみ出しが大きい画素部ほど、Ｎ層２の深さ方向の厚みが大きくなっていて光電変換領域が広がっているため、エバネッセント光が遮光部材４で吸収されてしまった場合の検出感度低下を、光電変換領域の増加で補うことができる。又、この構成によれば、固体撮像素子の構造を工夫して各光電変換部の検出感度を適正にしているため、信号をゲイン増幅する方法に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
（第五実施形態）
図６は、本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図６において図２と同じ構成には同一符号を付してある。尚、図６では、図２に示したＮ層２とＰ＋層３の図示を省略してある。
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各光電変換部に入射する光の光量が、その光電変換部の検出波長が長いほど多くなるように、各画素部の各光電変換部より上方の光学系を設計したものとなっている。
図６は、本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像素子の部分概略断面図である。図６において図２と同じ構成には同一符号を付してある。尚、図６では、図２に示したＮ層２とＰ＋層３の図示を省略してある。
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各光電変換部に入射する光の光量が、その光電変換部の検出波長が長いほど多くなるように、各画素部の各光電変換部より上方の光学系を設計したものとなっている。
図６（Ａ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各カラーフィルタ８ｂ，８ｇ，８ｒの厚みを、各カラーフィルタ８ｂ，８ｇ，８ｒが透過する波長が長くなるほど小さくした構成となっている。
図６（Ｂ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部のマイクロレンズ９の集光率を、各画素部の光電変換部の検出波長が長くなるほど大きくした構成となっている。
図６（Ｃ）に示す固体撮像素子は、図２に示した固体撮像素子２５において、遮光部材４に形成される開口の大きさを各画素部で同一とし、各画素部の平坦化層７内に、マイクロレンズ９で集光された光を更に光導波路に集光するための層内レンズ１０を設け、各画素部の層内レンズ１０の集光率を、その画素部の光電変換部の検出波長が長くなるほど大きくした構成となっている。
このような構成によれば、エバネッセント光のしみ出しが大きい画素部ほど、その画素部の光電変換部に入射する光の量が多くなるため、エバネッセント光が遮光部材４で吸収されてしまった場合の検出感度低下を、光量増加で補うことができる。又、この構成によれば、固体撮像素子の構造を工夫して各光電変換部の検出感度を適正にしているため、信号をゲイン増幅する方法に比べて、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
尚、以上の説明では、原色系のカラーフィルタを用いる固体撮像素子を例にしたが、これは補色系のカラーフィルタを用いても同様に実施可能である。又、２色又は４色以上のカラーフィルタをシリコン基板上にモザイク状に配列した固体撮像素子であっても、同様に実施可能である。
又、以上の実施形態では、光導波路を構成する低屈折率層５内に遮光部材４等の部材が形成される構成を例にしたが、これ以外の構成にも本発明は適用することができる。
図７は、本発明を適用可能な固体撮像素子の構成を示す図である。図７において図２と同じ構成には同一符号を付してある。
図７に示す固体撮像素子は、図２において、低屈折率層５を層間絶縁層１０に変更し、層間絶縁層１０内に形成された孔部に、高屈折率層６を設け、その孔部内の高屈折率層６の周囲に、高屈折率層６よりも屈折率の低い低屈折率層５’を設け、高屈折率層６と低屈折率層５’とによって光導波路が構成されるようにしたものである。又、遮光部材４に形成される開口の大きさは各画素部で同一とし、各光導波路のシリコン基板１表面に平行な方向の幅も各画素部で同一としたものである。
図７に示す固体撮像素子は、図２において、低屈折率層５を層間絶縁層１０に変更し、層間絶縁層１０内に形成された孔部に、高屈折率層６を設け、その孔部内の高屈折率層６の周囲に、高屈折率層６よりも屈折率の低い低屈折率層５’を設け、高屈折率層６と低屈折率層５’とによって光導波路が構成されるようにしたものである。又、遮光部材４に形成される開口の大きさは各画素部で同一とし、各光導波路のシリコン基板１表面に平行な方向の幅も各画素部で同一としたものである。
図７に示した構成の固体撮像素子においても、第一実施形態〜第五実施形態で説明したような構成を適用することが可能である。例えば、図７に示す構成の固体撮像素子において、光導波路のシリコン基板１表面に平行な方向の幅はそのままとしながら、低屈折率層５’のシリコン基板１表面に平行な方向の幅を、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくなるようにすれば、各画素部に含まれる高屈折率層６と、高屈折率層６の外側にある低屈折率層５’を除く部材である遮光部材４との距離を、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくすることができる。
又、図７に示す構成の固体撮像素子において、遮光部材４に形成される開口をＢ画素部、Ｇ画素部、Ｒ画素部の順に大きくすることで、各画素部に含まれる高屈折率層６と、高屈折率層６の外側にある低屈折率層５’を除く部材である遮光部材４との距離を、各画素部に含まれる光電変換部の検出波長が長いほど大きくすることができる。
２５ 固体撮像素子
３７ デジタル信号処理部
１ シリコン基板
２ Ｎ型不純物層
３ Ｐ＋型不純物層
４ 遮光部材
５ 高屈折率層
６ 低屈折率層
７ 平坦化層
８ｂ，８ｇ，８ｒ カラーフィルタ
９ マイクロレンズ
３７ デジタル信号処理部
１ シリコン基板
２ Ｎ型不純物層
３ Ｐ＋型不純物層
４ 遮光部材
５ 高屈折率層
６ 低屈折率層
７ 平坦化層
８ｂ，８ｇ，８ｒ カラーフィルタ
９ マイクロレンズ
Claims (11)
- 同一平面上に配列された多数の画素部を含む固体撮像素子であって、
前記複数の画素部の各々は、半導体基板内に形成された光電変換部と、前記光電変換部に入射してくる光を閉じ込め伝搬させて前記光電変換部に導く光導波路とを含み、
前記光電変換部は、それぞれ異なる波長域の光を検出する複数種類の光電変換部に分類され、
前記画素部の構成が、前記画素部に含まれる前記光電変換部の検出波長に応じて異なる固体撮像素子。 - 請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記光導波路は、低屈折率の材料で構成される低屈折率層と、前記低屈折率層によって周囲を囲まれた前記低屈折率層よりも高屈折率の材料で構成される高屈折率層とで構成され、
前記画素部に含まれる前記高屈折率層よりも外側に形成されている前記低屈折率層を除く部材と前記高屈折率層との距離が、前記画素部に含まれる前記光電変換部の検出波長が長いほど大きくなっている固体撮像素子。 - 請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記部材が、前記光電変換部の開口面積を決定する遮光部材である固体撮像素子。 - 請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部は、前記光電変換部で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積層を含み、
前記光電変換部の前記電荷蓄積層の前記半導体基板の深さ方向の厚みが、前記光電変換部の検出波長が長いほど大きくなっている固体撮像素子。 - 請求項４記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部は、更に、前記電荷蓄積層に前記半導体基板表面で発生した暗電荷が移動するのを防止するための暗電荷移動防止層を含み、
前記光電変換部の前記電荷蓄積層と前記暗電荷移動防止層とを併せた前記深さ方向の厚みが、前記光電変換部の検出波長が長いほど大きくなっており、前記暗電荷移動防止層の厚みが全ての前記光電変換部で同一である固体撮像素子。 - 請求項４記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部は、更に、前記電荷蓄積層に前記半導体基板表面で発生した暗電荷が移動するのを防止するための暗電荷移動防止層を含み、
前記光電変換部の前記電荷蓄積層と前記暗電荷移動防止層とを併せた前記深さ方向の厚みが同一であり、前記暗電荷移動防止層の厚みが、前記光電変換部の検出波長が長いほど小さくなっている固体撮像素子。 - 請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部に入射する光の光量が、前記光電変換部の検出波長が長いほど多くなるように、前記画素部の前記光電変換部より上方の光学系が設計されている固体撮像素子。 - 請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記画素部は、前記光電変換部の上方に、前記光電変換部が検出する波長域の光を透過するカラーフィルタを備え、
前記カラーフィルタの厚みが、前記カラーフィルタの透過波長が長くなるほど薄くなっている固体撮像素子。 - 請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記画素部は、前記光電変換部の前記光導波路の上方に、前記光導波路に光を集光するためのマイクロレンズを備え、
前記マイクロレンズの集光率が、前記光電変換部の検出波長が長くなるほど大きくなっている固体撮像素子。 - 請求項７記載の固体撮像素子であって、
前記画素部は、前記光電変換部の前記光導波路の上方に、前記光導波路に光を集光するためのマイクロレンズと、前記マイクロレンズで集光された光を前記光導波路に更に集光するための層内レンズとを備え、
前記層内レンズの集光率が、前記光電変換部の検出波長が長くなるほど大きくなっている固体撮像素子。 - 請求項１〜１０のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006294316A JP2008112831A (ja) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | 固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2006294316A JP2008112831A (ja) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | 固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008112831A true JP2008112831A (ja) | 2008-05-15 |
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ID=39445193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006294316A Withdrawn JP2008112831A (ja) | 2006-10-30 | 2006-10-30 | 固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101728410A (zh) * | 2008-10-24 | 2010-06-09 | 日本优尼山帝斯电子股份有限公司 | 固态摄像元件、固态摄像装置及其制造方法 |
| JP4769911B1 (ja) * | 2010-10-29 | 2011-09-07 | 日本ユニサンティスエレクトロニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
| JP4769910B1 (ja) * | 2011-02-18 | 2011-09-07 | 日本ユニサンティスエレクトロニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
-
2006
- 2006-10-30 JP JP2006294316A patent/JP2008112831A/ja not_active Withdrawn
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| WO2012056586A1 (ja) * | 2010-10-29 | 2012-05-03 | 日本ユニサンティスエレクトロニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
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