JP2008218650A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズから導波路へ効率良く光を入射させる。
【解決手段】固体撮像素子１０は、複数のフォトダイオード１１が形成された半導体基板１５と、絶縁膜１６を介して半導体基板１５の上に形成された転送電極１７と、この転送電極１７を遮光し、フォトダイオード１１に合わせた位置に開口１８が形成された遮光膜２０と、フォトダイオード１１の直上に形成された導波路２２と、この導波路２２の周囲に形成された平坦化層２３と、カラーフィルタ２４と、マイクロレンズ２５とを有する。マイクロレンズ２５は、近軸領域２６ａの焦点位置ｆ_１が導波路２２の内部でフォトダイオード１１に近接する位置にあり、遠軸領域２６ｂの焦点位置ｆ_２が導波路２２の内部でマイクロレンズ２５に近接する位置にある。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に関するものである。

近年、ＣＣＤなどの固体撮像素子を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像素子では、マトリクス状に配列された受光素子（フォトダイオード）が形成された半導体基板の上面に、各受光素子の位置に合わせた開口を有する遮光膜を形成し、さらに受光素子の上方に位置するマイクロレンズを形成しており、このマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、開口を通過して各受光素子に受光される。

一方、最近では、固体撮像素子の小型化、高画素化が益々進んできており、これに伴なって受光素子へ入射光を通過させる開口の面積が小さくなってきている。これにより、従来のマイクロレンズだけでは、受光素子への集光効率が不十分となってきているため、受光素子への集光効率を高めるための構成を有する固体撮像素子が例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載されている固体撮像素子では、受光素子と、最上層のマイクロレンズとの間の層に、マイクロレンズから受光素子に向かって延びる導波路が形成されており、この導波路によって、受光素子へ光を導いて集光効率の向上を図っている。

特許文献１では、マイクロレンズに入射した光が焦点を結ぶ焦点位置が導波路の内部に位置するようにマイクロレンズ、及びマイクロレンズと導波路との間の層を形成している。また、特許文献２記載の固体撮像素子では、マイクロレンズの焦点位置を導波路の内部且つ、受光素子の表面近傍に設定している。さらにまた、特許文献３記載の固体撮像素子では、導波路の形状が入射側から受光部側に向かって徐々に平面形状の大きさが小さくなるテーパー形状に形成している。

特許文献４記載の固体撮像素子では、屈折率の異なる複数の導波膜からなる多層構造の積層導波路を形成することによって、各々の導波膜での全反射効果により受光センサ（受光部）に対して斜めに入射した光についても受光センサへ集光できるようにしている。さらに、特許文献５記載の半導体撮像素子（固体撮像素子）においては、光導波路の形状を、最上部の開口幅が広く、最下部の開口幅が狭い階段状に形成している。
特開平７−４５８０５号公報 特開２００２−１１８２４５号公報 特開２００３２２１５３２号公報 特開２００３−２４９６３３号公報 特開２００３−２２３２４９号公報

しかしながら、上記特許文献１〜５の記載では、マイクロレンズから入射した光を十分に集光させることに対応可能な導波路ではなく、マイクロレンズを含む撮影光学系には球面収差があるため、マイクロレンズに入射する位置及び方向によっては、導波路の外側へ光が拡散してしまうため、受光部への集光効率が低く、感度が不十分になってしまう可能性がある。さらに、特許文献１では、マイクロレンズには収差があることから焦点を結ぶ位置は一点ではなく、入射する位置及び方向によって異なる位置で焦点が結ばれるということについて考慮されていない。よって、特許文献１記載の固体撮像素子のように導波路の入射面付近の一点のみに焦点を結ぶことは非常に困難である。

また、特許文献２記載の固体撮像素子では、導波路内かつ受光部の近傍に焦点を結ぶため、マイクロレンズから導波路に入って受光部に入射可能な角度範囲が非常に狭く、この角度範囲の外側から入射した光は受光部に全く受光されないので効率が良くない。また、特許文献１と同様に、マイクロレンズに収差があり、焦点を結ぶ位置が一致しないという点に対応することについて考慮されておらず、受光部近傍だけに焦点を結ぶことは困難である。さらにまた、特許文献３〜５は、テーパー形状や多層型など導波路の形状のみに着目しており、やはりマイクロレンズの収差によって、異なる位置・方向から入射した光線は、焦点位置が異なるという点に対応することは記載されておらず、それに加えて、マイクロレンズから受光素子へ効率良く光を導くことが可能な導波路についても考慮されていない。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、マイクロレンズから入射した光を効率良く集光し、受光面へ導波することによって感度を向上させる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。

本発明の固体撮像素子は、複数の受光部が形成された半導体基板と、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、前記受光部の上方に位置し、その上面が上方に向かって凸となるマイクロレンズと、このマイクロレンズと前記半導体基板との間に位置し、前記受光部から前記マイクロレンズに向かって垂直に延びる導波路とを備えた固体撮像素子において、前記導波路は、前記マイクロレンズに近接する入射面、及び前記受光部に近接する出射面を有しており、前記出射面は、前記マイクロレンズの光軸付近の領域から入射した光が焦点を結ぶ焦点位置の付近に位置し、前記入射面は、前記マイクロレンズの周縁付近の領域から入射した光の焦点位置の付近に位置していることを特徴とする。

なお、前記マイクロレンズ及び受光部の間に位置し、前記導波路の外周面に接する中間層が形成されており、前記導波路の屈折率が前記中間層の屈折率よりも大きいことが好ましい。また、前記導波路は、前記半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状や、前記マイクロレンズ側から前記受光部側に向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状であることが好ましい。さらにまた、前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定な第１の柱形状と、前記受光部寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積が前記第１の柱形状よりも小さい第２の柱形状とを重ねた形状に形成されていることが好ましい。あるいは、前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、断面積が前記マイクロレンズ側から前記受光部側に向かって徐々に減少するテーパー形状と、前記受光部寄りに位置し、前記テーパー形状の受光部側先端から前記半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状とを重ねた形状に形成されていることが好ましい。

また、前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記受光部に向かって凸となる曲面を持つ平凸レンズ形状と、前記受光部寄りに位置し、前記平凸レンズ形状の受光部側先端から前記半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状とを重ねた形状とすることや、前記マイクロレンズ寄りに位置し、断面積が前記マイクロレンズ側から前記受光部側に向かって徐々に減少する第１のテーパー形状と、前記受光部寄りに位置し、前記第１のテーパー形状の受光部側先端と連続した端部から前記受光部側へ向かって断面積が徐々に減少し、且つ垂直方向に対する母線の傾斜角度が前記第１のテーパー形状よりも小さい第２のテーパー形状とを重ねた形状とすることも好ましい。さらにまた、前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記受光部に向かって凸となる曲面を持つ平凸レンズ形状と、前記受光部寄りに位置し、前記平凸レンズ形状の受光部側先端から前記受光部側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状や、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定の柱形状と、前記受光部寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積が前記柱形状よりも小さく、且つ前記マイクロレンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状とすることも効果的である。あるいは、前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置する柱形状と、この柱形状の受光部側先端と連続した端部から前記受光部へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状とすることも好ましい。

前記導波路は、前記マイクロレンズから入射した光を全反射させて前記受光部へ導くことが好ましく、さらに、前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズを含む撮影光学系の開口数をＮＡとすると以下の式、

を満たすことが好ましい。なお、開口数ＮＡは、撮影光学系の開口角をθ，マイクロレンズの屈折率をｎとすると、ＮＡ＝ｓｉｎθで示されるものである。

あるいは、前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズの開口数をＮＡ、垂直方向に対する導波路の母線の傾斜角度をφとすると以下の式

を満たすことが好ましい。

また、前記導波路は、その周壁部分に、前記中間層よりも反射率の高い金属によって形成された薄膜を備えることが好ましい。さらに、前記薄膜は、アルミニウム、金、銀、銅、タングステンのいずれかの金属によって形成されていることが好ましい。

さらにまた、前記導波路は、前記開口の内壁面とは一定の間隔を持って形成されていることが好ましく、前記遮光層の開口の内壁面と前記導波路との間隔をＧ_１、前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズの開口数をＮＡとすると以下の式、

を満たすことが好ましい。

なお、前記遮光層の開口の内壁面と前記導波路との間隔をＧ_１、前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズの開口数をＮＡ、垂直方向に対する導波路の母線の傾斜角度をφとすると以下の式、

を満たすことが好ましい。

本発明の固体撮像素子では、導波路の入射面がマイクロレンズに近接し、且つ出射面が受光部に近接しており、この導波路の出射面を、マイクロレンズの光軸付近の領域から入射した光が焦点を結ぶ焦点位置の付近に位置し、且つ入射面を、マイクロレンズの周縁付近の領域から入射した光の焦点位置の付近に配しているので、マイクロレンズから入射した光を効率良く集光し、受光面へ導波することによって固体撮像素子の感度を向上させることが可能となる。

また、マイクロレンズ及び受光部の間に位置し、導波路の外周面に接する中間層を形成しており、導波路の屈折率を中間層の屈折率よりも大きくしていることや、マイクロレンズから入射した光を導波路内で全反射させて受光部へ導くことできるように、導波路や中間層に用いる材料の屈折率を選択したり、さらにまた、導波路の周壁部分に、中間層よりも反射率の高い金属によって形成された薄膜を備えていること、あるいは、導波路と遮光膜の開口の内壁面とを一定の間隔を持って形成し、全反射破壊の発生を防止しているので、さらに集光効率を高めて受光部に確実に受光させることができる。

さらにまた、導波路の形状を、半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状や、マイクロレンズに面する入射面から受光部側に向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状、あるいは、マイクロレンズ寄りに位置し、半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積がはぼ一定の第１の柱形状と、受光部寄りに位置し、半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積が前記第１の柱形状よりも小さい第２の柱形状又はテーパー形状とを重ねた断付き形状、あるいは、マイクロレンズ寄りに位置し、半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定の柱形状と、この柱形状の受光部側先端に連続する端部から受光部側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状を重ねた形状、またはマイクロレンズ寄りに位置し、断面積がマイクロレンズ側から受光部側に向かって徐々に減少する第１のテーパー形状と、受光部寄りに位置し、第１のテーパー形状の受光部側先端から半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状、又は第１のテーパー形状よりも垂直方向に対する母線の傾斜角度が小さい第２のテーパー形状とを重ねた漏斗型の形状、さらにまた、マイクロレンズ寄りに位置し、受光部に向かって凸となる曲面を持つ平凸レンズ形状と、受光部寄りに位置し、平凸レンズ形状の受光部側先端から半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状、又はテーパー形状とを重ねたワイングラス型の形状に形成しているので、導波路へより確実に光を入射させて集光効率を高めることが可能になる。

以下、本発明を適用した固体撮像素子の一例であるＣＣＤの構造について図面を参照して説明する。なお、本発明は、ＣＣＤのみに限定されるものではなく、ＣＭＯＳなど他のイメージセンサにも適用することができる。図１は、平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線（水平転送方向Ｈと平行）における断面図である。なお、図１においては、遮光膜など一部の上面構造を省略している。ＣＣＤ１０は、撮影領域において、２次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード（受光部）１１を有し、このフォトダイオード１１の各列、すなわち垂直転送方向Ｖに沿って垂直転送路１３が設けられて構成されている。

このＣＣＤ１０の断面構造は、図２に示すように、フォトダイオード（受光部）１１と、このフォトダイオード１１を除く部分に垂直転送路１３を構成する電荷転送部１４が形成された半導体基板１５を備えており、電荷転送部１４の上には、絶縁膜１６を介して転送電極１７が形成される。これら電荷転送部１４及び転送電極１７が垂直転送路１３を構成し、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極１７はドライエッチング法などによって例えば第１ポリシリコンから形成されている。また、絶縁膜１６は、例えば熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってＳｉＯ_２から形成される。

さらに、フォトダイオード１１の上方には導波路２２が形成されており、この導波路２２の周りを囲むように平坦化層（中間層）２３が形成されている。平坦化層２３は、その上面が平坦化されるように形成されており、さらのその上面にはカラーフイルタ２４、マイクロレンズ２５が形成されている。平坦化層２３は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス；屈折率ｎ_１＝１．４〜１．５）などからなり、導波路２２は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン；屈折率ｎ_２＝１．９〜２．０）などからなる。また、カラーフイルタ２４は、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。なお、導波路２２及び平坦化層２３の材料は、これらに限るものではなく、導波路２２のほうが平坦化層２３よりも高い屈折率の材料で形成されることが好ましい。あるいは、図３に示すように、平坦化層２３よりも高い反射率を有する金属からなる薄膜２８を導波路２２の周壁部分に形成することが好ましい。なお、この導波路２２に形成される薄膜２８としては、高反射率を有するアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）またはこれらの合金等を用いて低温ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法等により作製することができる。

導波路２２は、その上端側の入射面２２ａから光が進入し、下端側の出射面２２ｂから出射する。入射面２２ａは、カラーフイルタ２４及びマイクロレンズ２５に近接しており、出射面２２ｂは、フォトダイオード１１に面している。本実施形態においては、導波路２２は、半導体基板１５と平行に切断した切断面が開口１８よりも一回り小さい長方形状あるいは略円形状に形成され、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側まで半導体基板１５と垂直な方向に沿って真っ直ぐに延びる四角柱形状又は略円柱形状に形成されている。また、導波路２２は、開口１８の内壁面に対して一定の間隔Ｇ_１を置いて形成されている。

マイクロレンズ２５は、上方に向かって突出し、すなわちフォトダイオード１１から離反する方向に沿って突出するように形成されている。マイクロレンズ２５には収差があり、詳しくは図４に示すように、マイクロレンズ２５の光軸Ｌに近い領域２５ａから入射した光と、周縁Ｒに近い領域２５ｂから入射した光とでは、焦点を結ぶ位置が異なっている。

本実施形態においては、導波路２２は、マイクロレンズ２５の光軸に近い領域２５ａから入射した光が焦点を結ぶ焦点位置ｆ_１の近傍に出射面２２ｂが位置し、マイクロレンズ２５の周縁Ｒに近い領域２５ｂから入射した光が焦点を結ぶ焦点位置ｆ_２の近傍に入射面２２ａが位置するように形成されており、マイクロレンズ２５から入射した光が焦点を結ぶ焦点位置が全て導波路２２の内部に位置するように配されている。

なお、本実施形態では、導波路２２に入射した光が導波路２２内で全反射する条件として以下の式（１）の関係が成り立つように導波路２２を形成する（但し、導波路２２を形成する物質の屈折率をｎ_１、平坦化層（中間層）２３を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズ２５の開口数をＮＡとする。）。

また、導波路２２は、遮光膜２０の開口１８の内壁面に対して一定の間隔Ｇ_１を置いて形成されている。導波路２２内の光が遮光膜２０の内部へ漏れないようするためには、上述した開口１８の内壁面と導波路２２との間隔Ｇ_１を所定値以上の寸法とすることによって、導波路２２内の光の全反射が破壊されないようにすることが必要である。よって、この全反射破壊を防止するために以下の式（３）の関係が成り立つ間隔Ｇ_１となるように導波路２２及び開口１８が形成されている（但し、導波路２２を形成する物質の屈折率をｎ_１、平坦化層（中間層）２３を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズ２５の開口数をＮＡとする。）。

上記の式（３）を満たす間隔Ｇ_１とすることで導波路２２内の光の全反射破壊が防止される。なお、上記の式（３）を満たす間隔Ｇ_１よりも小さい寸法の場合、全反射破壊が発生して光が遮光膜２０の内部へ透過してしまう。

以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、マイクロレンズ２５の光軸Ｌに近い領域２５ａから入射した光はフォトダイオード１１に近接する焦点位置ｆ_１で焦点を結び、さらにマイクロレンズ２５の周縁Ｒに近い領域２５ｂから入射した光はマイクロレンズ２５に近接する焦点位置ｆ_２で焦点を結び、マイクロレンズ２５から入射した光はいずれも導波路２２の内部で焦点を結ぶように形成されているので、導波路２２は、マイクロレンズ２５の収差に対応可能となっており、マイクロレンズ２５から入射した光が導波路２２によって確実にフォトダイオード１１へ導かれるようにしているので、集光効率を向上させてフォトダイオード１１に受光させることが可能となり、ＣＣＤ１０の感度が向上する。また、導波路２２は、その周囲に形成された平坦化層（中間層）２３よりも高い屈折率を有する材料で形成されること、あるいは高い反射率を有する金属で壁面部分に薄膜を形成することによって、平坦化層２３へ光が漏れることを防ぎ、フォトダイオード１１へ効率良く光を導くことができる。さらにまた、導波路２２は、開口１８の内壁面と一定の間隔Ｇ_１を持って配され、かつこの間隔Ｇ_１が導波路２２内の全反射破壊を防止する寸法に形成されているので、遮光膜２０の内部すなわち、転送電極１７へ光が進入することを防ぐことが可能となる。よって、集光効率が向上し、且つスミアの発生を防止することができる。

なお、上記実施形態では、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側へ光を導く導波路２２として、半導体基板１５と垂直な方向に沿って延びる柱形状に形成されたものを例に上げているが、本発明はこれに限るものではなく、マイクロレンズ２５側の入射面からフォトダイオード１１側の出射面へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状に形成してもよい。このように導波路をテーパー形状に形成した上記実施形態の変形例を図５に示す。なお、図５においては、上記実施形態と同じ構造のものには、同符号を付して説明を省略する。この図５に示す導波路３２は、上述したように入射面３２ａから出射面３２ｂに向かって断面積が減少するテーパー形状で、マイクロレンズ２５の光軸Ｌに近い領域２５ａから入射した光が焦点を結ぶ焦点位置ｆ_１の近傍に出射面３２ｂが位置し、マイクロレンズ２５の周縁Ｒに近い領域２５ｂから入射した光が焦点を結ぶ焦点位置ｆ_２の近傍に入射面３２ｂが位置するように形成されており、マイクロレンズ２５から入射した光が焦点を結ぶ焦点位置が全て導波路３２の内部に配されている。なお、この例の場合、導波路３２に入射した光が導波路３２内で全反射する条件として以下の式（３）が成り立つように導波路３２を形成する（但し、導波路３２を形成する物質の屈折率をｎ_１、平坦化層（中間層）２３を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズ２５の開口数をＮＡ、垂直方向に対する導波路３２の母線の傾斜角度をφとする）。

また、導波路３２は、遮光膜２０の開口１８の内壁面に対して間隔Ｇ_２を置いて形成されている。そして、導波路３２内の光が遮光膜２０へ漏れることなく、導波路３２内で全反射させることができるように、上述した開口１８の内壁面と導波路３２との間隔Ｇ_２は以下の式（４）の関係が成り立つように形成されている（但し、導波路３２を形成する物質の屈折率をｎ_１、平坦化層（中間層）２３を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズ２５の開口数をＮＡ、垂直方向に対する導波路３２の周面の傾斜角度をφとする。）。

上記の式（４）を満たす間隔Ｇ_２とすることによって、導波路３２内の光の全反射破壊が防止され、転送電極１７へ光が進入することを防止できるので、上記実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、入射面３２ａの面積が上記実施形態より大きくなるので、さらに集光効率を向上させることができる。

なお、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側へ光を導く導波路２２としては、上述した例に限らず、以下で説明する図６〜１２に示すような形状の導波路を用いてもよい。以下では、上記実施形態に、図６〜１２に示す導波路を適用した変形例について説明する。なお、図６〜１２においては、上記実施形態と同じ構造のものには、同符号を付して説明を省略する。また、これらの変形例も上記実施形態と同様に、マイクロレンズ２５の光軸Ｌに近い領域から入射した光がフォトダイオード１１に近接する導波路の出射面付近で焦点を結び、且つ周縁Ｒに近い領域から入射した光がマイクロレンズ２５に近接する入射面付近で焦点を結ぶように導波路が形成されている。

図６に示す例の導波路３４は、マイクロレンズ２５寄りに位置し、半導体基板１５と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定の第１の柱形状３４ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、半導体基板１５と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定かつ第１の柱形状３４ａよりも小さい第２の柱形状３４ｂとを重ねた段付き形状に形成されている。これによって、上記実施形態と同様の効果が得られ、さらに入射面側の断面積を大きくすることができるため、集光効率を向上させることができる。

図７に示す例の導波路３６は、マイクロレンズ２５寄りに位置し、半導体基板１５と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定の柱形状３６ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積が柱形状３６ａよりも小さく、且つマイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状３６ｂとを重ねた段付き形状に形成されている。これによって、遮光膜２０の開口１８が小さくなっても導波路の断面積を可能な限り大きくすることができる。

図８に示す例の導波路３８は、マイクロレンズ２５寄りに位置し、半導体基板１５と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定の柱形状３８ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、柱形状３８ａのフォトダイオード１１側の先端と連続した端部からフォトダイオード１１側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状に形成されている。これによって、遮光膜２０の開口１８が小さくなっても導波路の断面積を可能な限り大きくすることができる。

図９に示す例の導波路４２は、マイクロレンズ２５寄りに位置し、半導体基板１５と平行な面に沿って切断した断面積が、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側に向かって徐々に減少するテーパー形状４２ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、テーパー形状４２ａのフォトダイオード１１側先端から半導体基板１５と垂直な方向に沿って延びる柱形状４２ｂとを重ねた漏斗型の形状に形成されている。これによって、特に入射面側から遮光膜の付近までの断面積を大きくすることが可能である。

図１０に示す例の導波路４４は、図９に示す例と類似する形状であり、マイクロレンズ２５寄りに位置し、半導体基板１５と平行な面に沿って切断した断面積が、マイクロレンズ２５側からフォトダイオード１１側に向かって徐々に減少する第１のテーパー形状４４ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、第１のテーパー形状４４ａのフォトダイオード１１側先端からフォトダイオード１１側へ向かって徐々に断面積が減少し、且つ第１のテーパー形状４４ａよりも垂直方向に対する母線の傾斜角度が小さい第２テーパー形状とを重ねた漏斗型の形状をしている。これによって、図９に示す例よりもさらに導波路の断面積を大きくすることが可能となり、遮光膜２０の開口１８が小さくなっても導波路の断面積を可能な限り大きくすることができる。

図１１に示す例の導波路４６は、マイクロレンズ２５寄りに位置し、フォトダイオード１１に向かって下方に凸となる曲面４７を有する平凸レンズ形状４６ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、平凸レンズ形状４６ａのフォトダイオード１１側先端から半導体基板１５と垂直な方向に沿って延びる柱形状４６ｂとを重ねたワイングラス型の形状に形成されている。これによって、上記の例で示したものよりもさらに入射面側の断面積を大きくすることができる。

図１２に示す例の導波路４８は、図１１に示した例と類似する形状で、マイクロレンズ２５寄りに位置する平凸レンズ形状４８ａは、図１１に示す例と同様に下方に凸となる曲面４９を有し、この平凸レンズ形状４８ａと、フォトダイオード１１寄りに位置し、平凸レンズ形状４８ａのフォトダイオード１１側先端からフォトダイオード１１側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状４８ｂとを重ねたワイングラス型の形状に形成されている。これによって、図１１よりもさらに導波路の断面積を大きくすることができ、遮光膜２０の開口１８が小さくなっても導波路の断面積を可能な限り大きくすることができる。

なお、上記実施形態では、最上層に位置するマイクロレンズ２５は、通常の球面状に形成されているが、本発明はこれに限るものではなく、図１３に示すようにマイクロレンズを形成してもよい。この図１３に示す例のマイクロレンズ５０は、台形状に形成され、光軸付近の領域と周縁付近の領域とでは収差があり、異なる領域からマイクロレンズ５０へ入射した光は、焦点を結ぶ焦点位置がそれぞれ異なっている。そして、この図１３に示す例では、導波路５２は、マイクロレンズ５０の光軸Ｌに近い領域５０ａから入射した光が焦点を結ぶ焦点位置ｆ_１の近傍に出射面５２ｂが位置し、マイクロレンズ５０の周縁Ｒ付近の領域５０ｂから入射した光が焦点を結ぶ焦点位置ｆ_２の近傍に入射面５２ａが位置するように形成されており、マイクロレンズ５１から入射した光が焦点を結ぶ焦点位置が全て導波路５２の内部に位置するように配されているので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、レンズ面が上方に凸となるマイクロレンズを例に上げて説明しているが、本発明はこれに限らず、レンズ面が下方に凸となるマイクロレンズでもよく、あるいは、上下両面が凸となるマイクロレンズを形成するようにしてもよい。

本発明の固体撮像素子は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。

第１実施形態を実施した固体撮像素子の一例を示す平面図である。 図１のＸ−Ｘ線における要部断面図である。 導波路の周壁部分に薄膜を形成した例を示す要部断面図である。 導波路付近を拡大した要部断面図ある。 第１実施形態の第１変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第２変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第３変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第４変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第５変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第６変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第７変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第８変形例を示す要部断面図である。 第１実施形態の第９変形例を示す要部断面図である。

符号の説明

１０ ＣＣＤ（固体撮像素子）
１１ フォトダイオード（受光部）
１５ 半導体基板
１７ 転送電極
１８ 開口
２０ 遮光膜
２２，３２，３４，３６，３８，４２，４４，４６，４８，１２２ 導波路
２３ 平坦化層（中間層）
２５，５０ マイクロレンズ

Claims (19)

1. 複数の受光部が形成された半導体基板と、前記半導体基板の少なくとも一部を覆って遮光し、且つ前記受光部の位置に合わせて開口が形成された遮光層と、前記受光部の上方に位置し、その上面が上方に向かって凸となるマイクロレンズと、このマイクロレンズと前記半導体基板との間に位置し、前記受光部からマイクロレンズに向かって垂直に延びる導波路とを備えた固体撮像素子において、
   前記導波路は、前記マイクロレンズに近接する入射面、及び前記受光部に近接する出射面を有しており、前記出射面は、前記マイクロレンズの光軸付近の領域から入射した光が焦点を結ぶ焦点位置の付近に位置し、前記入射面は、前記マイクロレンズの周縁付近の領域から入射した光の焦点位置の付近に位置していることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記マイクロレンズ及び受光部の間に位置し、前記導波路の外周面に接する中間層が形成されており、前記導波路の屈折率が前記中間層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記導波路は、前記半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. 前記導波路は、前記マイクロレンズ側から前記受光部側に向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
5. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定な第１の柱形状と、前記受光部寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積が前記第１の柱形状よりも小さい第２の柱形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
6. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、断面積が前記マイクロレンズ側から前記受光部側に向かって徐々に減少するテーパー形状と、前記受光部寄りに位置し、前記テーパー形状の受光部側先端から前記半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
7. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記受光部に向かって凸となる曲面を持つ平凸レンズ形状と、前記受光部寄りに位置し、前記平凸レンズ形状の受光部側先端から前記半導体基板と垂直な方向に沿って延びる柱形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
8. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、断面積が前記マイクロレンズ側から前記受光部側に向かって徐々に減少する第１のテーパー形状と、前記受光部寄りに位置し、前記第１のテーパー形状の受光部側先端と連続した端部から前記受光部側へ向かって断面積が徐々に減少し、且つ垂直方向に対する母線の傾斜角度が前記第１のテーパー形状よりも小さい第２のテーパー形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
9. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記受光部に向かって凸となる曲面を持つ平凸レンズ形状と、前記受光部寄りに位置し、前記平凸レンズ形状の受光部側先端から前記受光部側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
10. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積がほぼ一定の柱形状と、前記受光部寄りに位置し、前記半導体基板と平行な面に沿って切断した断面積が前記柱形状よりも小さく、且つ前記マイクロレンズ側から前記受光部側へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
11. 前記導波路は、前記マイクロレンズ寄りに位置する柱形状と、この柱形状の受光部側先端と連続した端部から前記受光部へ向かって徐々に断面積が減少するテーパー形状とを重ねた形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
12. 前記導波路は、前記マイクロレンズから入射した光を全反射させて前記受光部へ導くことを特徴とする請求項１ないし１１いずれか記載の固体撮像素子。
13. 前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズを含む撮影光学系の開口数をＮＡとすると以下の式、
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
14. 前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズを含む撮影光学系の開口数をＮＡ、垂直方向に対する導波路の母線の傾斜角度をφとすると以下の式
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
15. 前記導波路は、その周壁部分に、前記中間層よりも反射率の高い金属によって形成された薄膜を備えることを特徴とする請求項１ないし１４いずれか記載の固体撮像素子。
16. 前記薄膜は、アルミニウム、金、銀、銅、タングステンのいずれかの金属によって形成されていることを特徴とする請求項１５記載の固体撮像素子。
17. 前記導波路は、前記開口の内壁面とは一定の間隔を持って形成されていることを特徴とする請求項１ないし１６いずれか記載の固体撮像素子。
18. 前記遮光層の開口の内壁面と前記導波路との間隔をＧ_１、前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズを含む撮影光学系の開口数をＮＡとすると以下の式、
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項３又は１３記載の固体撮像素子。
19. 前記遮光層の開口の内壁面と前記導波路との間隔をＧ_１、前記導波路を形成する物質の屈折率をｎ_１、前記中間層を形成する物質の屈折率をｎ_２、マイクロレンズを含む撮影光学系の開口数をＮＡ、垂直方向に対する導波路の母線の傾斜角度をφとすると以下の式、
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項４又は１４記載の固体撮像素子。

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