JP2008177221A

JP2008177221A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2008177221A
Application number: JP2007007025A
Authority: JP
Inventors: Shizunami Ri; 静波李
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】固体撮像素子において、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出す。
【解決手段】ＣＣＤイメージセンサ２は、基板２０上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部１０と、受光部１０に蓄積された電荷を転送するための駆動電圧が印加される転送電極２６と、受光部１０の側から光の入射する側にかけて、幅が略同一となるように形成され、受光部１０の開口２８に向けて光を導くコア層３１、およびコア層３１よりも低い屈折率を有し、コア層３１を囲むクラッド層３２からなる導光路３０と、導光路３０の入射面３０ａに光を集光するマイクロレンズ３４とを備える。転送電極２６の幅を一定として、導光路３０がない場合よりも受光効率が向上するように、マイクロレンズ３４の有効径Ｄ、および開口の幅ｄが決定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子に関する。

デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子は、画質を向上させるために、高解像度化が求められている。また、デジタルカメラやビデオカメラなどの小型化と相俟って、さらなる小型化も要求されている。このため、解像度を高めるとともに小型化を実現するためには、画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くする必要がある。

画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くするためには、画素自体のサイズを小さくすればよいが、サイズを小さくすると画素に入射する光の量が減少し、感度が低下してしまう。このため、従来の固体撮像素子では、入射光を集光するマイクロレンズを設け、高感度化を図っていた。しかしながら、画素サイズが数百ｎｍ〜数μｍ程度まで微細化された現状の固体撮像素子では、マイクロレンズのみでは所望の感度を得ることができず、小型化が限界の域に達していた。

そこで、マイクロレンズのみではなし得なかった、高感度化、小型化を達成するために、画素を構成する受光部上に、入射光を受光部に導く導光路を形成した固体撮像素子が提案されている（特許文献１〜３参照）。
特開２００３−２９８０３４号公報特開２００５−２０９９６２号公報特開２００５−２５１８０４号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の発明では、導光路による受光効率の向上を効果として挙げているが、画素サイズと受光部の開口の幅については言及しておらず、導光路による受光効率の向上の効果を引き出したものであるとは言い難かった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出す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。

上記目的を達成するために、本発明は、基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に蓄積された信号電荷を転送するための駆動電圧が印加される転送電極と、前記受光部の側から光の入射する側にかけて、幅が略同一となるように形成され、前記受光部の開口に向けて光を導くコア層、および前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層からなる導光路と、前記導光路の入射面に光を集光するマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、前記転送電極の大きさを一定として、前記導光路がない場合よりも受光効率が向上するように、前記マイクロレンズの有効径、および前記開口の幅を設定することを特徴とする。

前記マイクロレンズの有効径を１．８μｍ以上３μｍ以下、前記開口の幅を０．４μｍ以上１．５μｍ以下とすることが好ましい。

本発明の固体撮像素子によれば、転送電極の大きさを一定として、導光路がない場合よりも受光効率が向上するように、マイクロレンズの有効径、および開口の幅を設定するので、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出すことが可能となる。

図１において、ＣＣＤイメージセンサ２は、受光部１０、読み出し転送ゲート（以下、ＴＧと略す。）１１、垂直ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤと略す。）１２、水平ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤと略す。）１３、および出力アンプ１４から構成される。

受光部１０は、垂直方向（矢印Ａ方向）および水平方向（矢印Ｂ方向）に所定のピッチでマトリクス状に複数配列されている。受光部１０は、マイクロレンズ３４および導光路３０（ともに図２参照）を介して入射した光を受光して光電変換を行い、入射光の光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。ＴＧ１１は、各受光部１０に設けられており、受光部１０に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ１２に転送する。

ＶＣＣＤ１２は、受光部１０の垂直列間に設けられている。ＶＣＣＤ１２は、ＴＧ１１を介して受光部１０から転送された信号電荷を、ＨＣＣＤ１３に向けて一行ずつ垂直方向に転送する。ＨＣＣＤ１３には、各ＶＣＣＤ１２の最終端が接続されている。ＨＣＣＤ１３は、ＶＣＣＤ１２の最終端から出力された信号電荷を一行ずつ受け取り、一行分の信号電荷を受け取るたびに、出力アンプ１４に向けて転送する。出力アンプ１４は、ＨＣＣＤ１３からの一行分の信号電荷を、その電荷量に応じた信号電圧に変換し、ＣＣＤイメージセンサ２の外部に撮像信号として出力する。

図１のａ−ａ’線に沿う断面を示す図２において、例えば、シリコンからなるｎ型半導体の基板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には、信号電荷を蓄積する第１ｎ型層２２が形成されている。第１ｎ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。ｐ型ウェル層２１の表層には、第２ｎ型層２４が形成されている。第２ｎ型層２４は、ｐ型ウェル層２１またはｐ^＋型層２３によって、第１ｎ型層２２から分離されている。

受光部１０は、基板２０を含む各層の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。また、ＴＧ１１は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１によって構成され、ＶＣＣＤ１２は、第２ｎ型層２４によって構成されている。

第２ｎ型層２４の上方には、第１絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２５を介して、転送電極（例えば、多結晶シリコンからなる。幅０．７μｍ）２６が形成されている。転送電極２６は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１上にも延在している。転送電極２６には、ＶＣＣＤ１２による信号電荷の垂直転送、およびＴＧ１１による第１ｎ型層２２から第２ｎ型層２４への信号電荷の読み出し転送を制御する駆動電圧が印加される。

転送電極２６の周囲を覆う第２絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２７の上には、各受光部１０の開口２８を除く領域を遮光する遮光層（例えば、タングステンからなる。）２９が形成されている。また、開口２８上には、導光路３０が形成されている。

導光路３０は、入射光を開口２８に向けて導光するもので、高い屈折率を有する材料、例えば、窒化シリコン（屈折率１．９１）からなるコア層３１と、絶縁性で低い屈折率を有する材料、例えば、ＢＰＳＧ（Boron phosphorus silicate glass、屈折率１．４７）からなるクラッド層３２とから形成されている。

コア層３１は、高さ０．９μｍの略筒状に形成されており、開口２８の中心にその中心が一致するように配されている。クラッド層３２は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などによって、表面が平坦化されている。

クラッド層３２上には、カラーフィルタ３３、およびマイクロレンズ３４が設けられている。カラーフィルタ３３は、特定の色、例えば、赤、緑、青、あるいはシアン、マゼンタ、イエローの光を透過させる色素がそれぞれ含まれたレジスト材からなる。マイクロレンズ３４は、その中心を通る光軸Ｌが開口２８の中心を通り、且つ開口２８の面に垂直になるように配され、光軸Ｌに平行な入射光を効率よく導光路３０の入射面３０ａに向けて集光するような曲率を有する。また、マイクロレンズ３４は、焦点距離３．７μｍである。なお、煩雑を避けるため、カラーフィルタ３３、およびマイクロレンズ３４のみにハッチングを施し、他の部分は省略する。

ＣＣＤイメージセンサ２では、転送電極２６の幅を一定として、受光部１０により構成される画素のサイズ（マイクロレンズの有効径Ｄ、図２参照）および開口２８の幅ｄ（図２参照）と、導光路３０を設けない場合を１００％とした場合の入射光量の増大率との間には、図３に示すような関係がある。すなわち、画素サイズＤ＝２．０５μｍ、開口幅ｄ＝０．５４μｍのときに増大率が最大となり、以降は画素サイズＤ、開口幅ｄが大きくなるにつれて増大率が減少する。

画素サイズＤ＝１．８μｍ、開口幅ｄ＝０．４μｍのときに増大率が減少しているのは、光軸Ｌに平行でない斜め方向からの入射光が導光路３０に導かれないで損失となっていることに起因する。また、画素サイズＤ、開口幅ｄが大きくなるにつれて増大率が減少しているのは、画素サイズＤ、開口幅ｄが大きいと導光路３０で導かれずに直接入射する光が増えるため、導光路３０自体の効果がなくなっていることに起因する。

また、ＣＣＤイメージセンサ２においては、画素の配列ピッチ（光軸Ｌ間の距離）と、平行入射光の光量を１とした場合の入射角１５°のときの入射光量との間には、図４に示すような関係がある。すなわち、ピッチが広くなるにつれて入射光量も増大し、導光路なしの場合よりも導光路ありの場合の方が、全体的に入射光量が大きくなる。ＣＣＤイメージセンサ２では、図３、および図４に示す特性を参考にして、画素サイズＤ、開口幅ｄを設定する。すなわち、画素サイズＤを１．８μｍ以上３μｍ以下、開口幅ｄを０．４μｍ以上１．５μｍ以下とする。画素サイズＤ、開口幅ｄを上記の範囲以下に設定した場合は、作製が困難になる。また、上記の範囲以上に設定した場合は、導光路３０による受光効率の向上の効果がなくなる。なお、グラフ中の数値は、左側が画素サイズ、右側の括弧内が開口幅をそれぞれ示す。

次に、上記構成を有するＣＣＤイメージセンサ２の動作について説明する。ＣＣＤイメージセンサ２に入射された光は、マイクロレンズ３４により入射面３０ａに集光される。入射面３０ａに集光された光は、クラッド層３２よりもコア層３１の屈折率が高いことにより、導光路３０により開口２８へと導かれる。このとき、画素サイズＤ、開口幅ｄが、導光路３０がない場合よりも受光効率が向上するように形成されているので、導光路３０により入射光が効率よく開口２８へと導かれる。

受光部１０で光が受光されると、受光部１０で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷が生成されて蓄積される。そして、転送電極２６に駆動電圧が印加されると、受光部１０に蓄積された信号電荷がＴＧ１１を介してＶＣＣＤ１２に転送される。ＶＣＣＤ１２に転送された信号電荷は、ＶＣＣＤ１２を垂直転送されて、ＨＣＣＤ１３に転送される。ＨＣＣＤ１３に転送された信号電荷は、ＨＣＣＤ１３を水平転送されて、出力アンプ１４により信号電圧に変換され、外部に撮像信号として出力される。

以上説明したように、画素サイズＤ、開口幅ｄを、導光路３０がない場合よりも受光効率が向上するように形成するので、入射光を効率よく受光部１０に入射させることができ、ＣＣＤイメージセンサ２の高感度化を促進させることができる。また、これに伴い、ＣＣＤイメージセンサ２の小型化、高解像度化に寄与することができる。

上記実施形態では、インターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサ２を例示して説明しているが、本発明はこれに限定されず、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像素子に適用することも可能である。

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。画素サイズと入射光量の増大率との関係を示すグラフである。画素の配列ピッチと入射角１５°の場合の入射光量との関係を示すグラフである。

符号の説明

２ＣＣＤイメージセンサ
１０受光部
２０基板
２６転送電極
２８開口
３０導光路
３０ａ入射面
３１コア層
３２クラッド層
３４マイクロレンズ

Claims

基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に蓄積された信号電荷を転送するための駆動電圧が印加される転送電極と、前記受光部の側から光の入射する側にかけて、幅が略同一となるように形成され、前記受光部の開口に向けて光を導くコア層、および前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層からなる導光路と、前記導光路の入射面に光を集光するマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、
前記転送電極の大きさを一定として、前記導光路がない場合よりも受光効率が向上するように、前記マイクロレンズの有効径、および前記開口の幅を設定することを特徴とする固体撮像素子。
前記マイクロレンズの有効径を１．８μｍ以上３μｍ以下、
前記開口の幅を０．４μｍ以上１．５μｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。