JP2008311412A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の画素が光導波路を有する固体撮像素子で、エバネッセント光を抑制し感度低下を抑制する。
【解決手段】半導体基板の受光領域に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子１３と、各光電変換素子１３毎に形成され各光電変換素子１３に至る光路が中心部の高屈折率材料でなるコア層１６及び該コア層１６の外周部に設けられた低屈折率材料でなるクラッド層１５で構成される光導波路とを備える固体撮像素子において、光導波路のクラッド層１５の厚さが光電変換素子１３毎に形成される。好適には、光導波路のうち入射光が全反射しない側のクラッド層１５の膜厚を全反射する側のクラッド層１５の膜厚より薄く形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体基板表面部に二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子を備える固体撮像素子に係り、特に、各光電変換素子に入射光が入る光路の構造を光導波路構造とした固体撮像素子に関する。

ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子は、近年では数百万画素以上を搭載するのが普通になってきており、各画素が微細化された結果、各画素に光に入射する光路の径も小さくなってきている。

そこで、特許文献１，２に記載の従来技術では、各画素の上記光路において、入射光を効率的に半導体基板表面に導くために、各光路の構造を光導波路構造にしている。この光導波路構造を図５で説明する。

図５は、固体撮像素子に搭載される画素の一画素分の断面模式図である。ｐ型シリコン１の表面部にｎ領域２が形成されることで光電変換素子としてフォトダイオード（ＰＤ）が形成される。

シリコン基板１の表面には遮光膜３が積層され、この遮光膜３のフォトダイオード２上部に、開口３ａが形成される。この開口３ａの内側が、入射光をフォトダイオード２に導く光路を構成するが、光導波路構造では、この光路の中心部分に高屈折率材料でなるコア層４を設け、その周囲に、低屈折率材料でなるクラッド層５を設けている。そして、図示する例では、カラー画像撮像用の固体撮像素子であるため、更にカラーフィルタ（ＣＦ）層６が積層され、その上に、オンチップマイクロレンズ７が積層されている。

斯かる構造の固体撮像素子では、オンチップマイクロレンズ７で集光されカラーフィルタ層６を透過した入射光は、シリコン基板表面のフォトダイオード２に到達し、光電荷を発生させる。入射光のうち遮光膜開口側面のクラッド層５に当たった光は、高屈折率のコア層４側に反射してフォトダイオード２に入射することになる。

特開平６−２２４３９８号公報 特開２００２−１１８２４５号公報

光導波路は、クラッド層５に入射した光をコア層４側に全反射することでフォトダイオード２に入射させ、光利用効率を向上させる構造になっている。しかし、クラッド層５の膜厚が薄く、しかも、入射光の入射角θ（図５）が大きくなると、全反射しなくなり、エバネッセント光８の遮光膜３方向への染み出しが大きくなり、金属である遮光膜がエバネッセント光を吸収することで光損失が発生してしまう。

エバネッセント光を減少させるには、図６に示す様に、クラッド層５の膜厚を厚くすれば良いが、クラッド層５を厚くすると、コア層４の径が小さくなってしまい、フォトダイオード２に到達する光が少なくなり、感度低下を引き起こしてしまう。

本発明の目的は、エバネッセント光を減少させ、しかも、光利用効率の高い光導波路構造を持つ固体撮像素子を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板の受光領域に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、各光電変換素子毎に形成され各光電変換素子に至る光路が中心部の高屈折率材料でなるコア層及び該コア層の外周部に設けられた低屈折率材料でなるクラッド層で構成される光導波路とを備える固体撮像素子において、前記光導波路のクラッド層の厚さが前記光電変換素子毎に形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記受光領域の中央部から離れた前記光電変換素子ほど前記クラッド層の厚さを厚くしたことを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、各光導波路毎にオンチップマイクロレンズを備えると共に、前記受光領域の中央部から離れた該オンチップマイクロレンズほど前記中央部の方向にずらして該オンチップマイクロレンズが形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記光導波路のうち入射光が全反射しない側の前記クラッド層の膜厚を全反射する側の前記クラッド層の膜厚より薄く形成したことを特徴とする。

本発明によれば、射出瞳の短い撮影レンズや低Ｆ値の撮影レンズを用いて撮影を行う場合でも、エバネッセント光の低減と感度向上を図ることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。半導体基板１０の表面部には、二次元アレイ状に複数の画素１１ａ，１１ｂ，１１ｃが形成されている。画素１１ａは、中央部に設けられた画素であり、画素１１ｂは、中央部の画素１１ａに対して右側周辺部に形成された画素であり、画素１１ｃは、中央部の画素１１ａに対して左側周辺部に形成された画素である。

図２は、図１に示すII―II線位置すなわち中央部分に設けられた画素の断面模式図である。中央部に設けられた画素１１ａの断面構造は、左右対称になっている。

ｐ型半導体基板１２の表面部には、ｎ領域１３が形成されることで光電変換を行うフォトダイオードが形成される。半導体基板１２の表面には遮光膜１４が積層され、遮光膜１４のフォトダイオード１３上部には、開口１４ａが形成されている。

そして、この開口１４ａの内周壁面には、厚さの薄い低屈折率材料でなるクラッド層１５が設けられている。この薄いクラッド層１５は、例えば、遮光膜１４の上に低屈折率材料でなる層を、遮光膜開口１４ａが埋まるまで積層し、その後、遮光膜開口１４ａの内側のフォトダイオード１３上部に孔をエッチングにより開けることで、形成することができる。

そして、エッチングにより開けられた孔内に、高屈折率材料を埋め込むことで、コア層１６が形成される。コア層１６が形成された後は表面を平坦化し、その上に、カラーフィルタ（ＣＦ）層１７とオンチップマイクロレンズ１８とが積層される。

固体撮像素子１０の中央部分に設けられる画素においては、入射光の入射角θは小さいため、クラッド層１５が薄くてもエバネッセント光の遮光膜１４方向への染み出しは小さく、光損失は小さい。このため、クラッド層１５を薄くしてコア層１６の径を大きくし、フォトダイオード１３への光入射効率を高め、感度向上を図る。

図３は、図１のIII―III線位置すなわち固体撮像素子１０の中央部に対して右側に離れた箇所に設けられた画素１１ｂの断面模式図である。図２の構造と略同一であるが、異なるのは、オンチップマイクロレンズ１８の位置が矢印Ａに示す様に、固体撮像素子１０の中心方向にずらして形成されている点と、クラッド層１５の厚さが中央部の画素１１ａより厚く形成されている点である。尚、図１の左側周辺部の画素１１ｃは、図３の左右が逆となった構造になる。

固体撮像素子１０の周辺部に設けられた画素に対する入射光の入射角θは、中央部の画素に対する入射角より大きくなる。そこで、オンチップマイクロレンズ１８を固体撮像素子１０の中央方向にずらすことで、コア層１６に入射した入射光のうちクラッド層１５に入射する光の光軸を、コア層１６とクラッド層１５との界面に沿う方向すなわち全反射させる方向に曲げることができる。

また、クラッド層１５の膜厚を厚くしているため、入射角θが大きくても、エバネッセント光の遮光膜１４方向への染み出しを小さくすることができ、光損失の低減を図ることが可能となる。

上記のオンチップマイクロレンズ１８のズラシ量Ａは、個々の画素毎に、固体撮像素子１０の中央からの距離が長いほど大きくするのが良い。固体撮像素子１０の各画素を、中央から距離に応じてある範囲毎に分け、この範囲毎に、ズラシ量Ａを決めても良い。

また、ズラシ量Ａと同様に、クラッド層１５の膜厚を、固体撮像素子１０の中央からの距離が長くなるほど厚くする。これも、画素毎に制御しても、中央からの距離に応じた範囲毎に制御しても良い。

どの程度の膜厚にするかは、一般的な次式により決定することができる。ここで、光強度が１／ｅとなる界面（クラッド層とコア層との界面）からの距離ｄ（ｎｍ）は、
λ：入射光の波長
ｎ_１：コア層の屈折率
ｎ_２：クラッド層の屈折率
φ：コア層からクラッド層への入射角
としたとき、
ｄ＝λ／４π〔ｎ_１ ^２・ｓｉｎ^２φ−ｎ_２ ^２〕^１／２
但し、φ＞φ_０。ここで臨界角φ_０＝Ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）
となる。

本実施形態では、マイクロレンズのズラシ量Ａの制御とクラッド層の厚さ制御とを両方行っているが、いずれか一方でも良い。

尚、固体撮像素子１０の大きさや撮影レンズとの関係によって各画素への入射光の入射角は異なってくるため、これらを考慮してズラシ量Ａやクラッド層１５の膜厚を設計する必要があることは勿論である。

図４は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の周辺領域に設ける画素構造を示す図である。本実施形態は、図３に示す画素構造と略同一であるが、異なるのは、クラッド層１５のうち、光が入射する方向つまり固体撮像素子１０の中央方向の厚さを、薄くした点である。

図３で説明した実施形態では、画素毎（あるいは画素の存在範囲毎）に、クラッド層１５とコア層１６の比率を変えることになり、コア層１６が小さくなるほど感度低下が起きてしまう。

そこで、本実施形態では、この影響を最低限に抑えるために、コア層１６の外周に設けられるクラッド層１５のうち、全反射面とならない界面側（中央側）のクラッド層１５の膜厚を薄くすることで、光導波路内のコア層１６の比率を所定以上に保ち、周辺画素の感度低下を抑制する。

この実施形態の場合、光導波路内に入った光が２回以上全反射する設計にすると、薄くしたクラッド層にも光が入射してエバネッセント光が発生するため、全反射回数が１回となる光路長の短い設計条件下の固体撮像素子に適用することになる。

本発明に係る固体撮像素子は、エバネッセント光の発生を抑制し感度低下を抑制することが可能となるため、高感度撮影を行う固体撮像素子に適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。 図１のII―II線位置における断面模式図である。 図１のIII―III線位置における断面模式図である。 図３の実施形態の変形例を示す断面模式図である。 光導波路の画素構造説明図である。 光導波路の不具合説明図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１１ａ 中央部の画素
１１ｂ 右側周辺部の画素
１１ｃ 左側周辺部の画素
１２ シリコン基板
１３ ｎ領域（フォトダイオード）
１４ 遮光膜
１４ａ 遮光膜開口
１５ クラッド層
１６ コア層
１８ オンチップマイクロレンズ
Ａ マイクロレンズのズラシ量

Claims (4)

1. 半導体基板の受光領域に二次元アレイ状に形成された複数の光電変換素子と、各光電変換素子毎に形成され各光電変換素子に至る光路が中心部の高屈折率材料でなるコア層及び該コア層の外周部に設けられた低屈折率材料でなるクラッド層で構成される光導波路とを備える固体撮像素子において、前記光導波路のクラッド層の厚さが前記光電変換素子毎に形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記受光領域の中央部から離れた前記光電変換素子ほど前記クラッド層の厚さを厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 各光導波路毎にオンチップマイクロレンズを備えると共に、前記受光領域の中央部から離れた該オンチップマイクロレンズほど前記中央部の方向にずらして該オンチップマイクロレンズが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光導波路のうち入射光が全反射しない側の前記クラッド層の膜厚を全反射する側の前記クラッド層の膜厚より薄く形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。

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