JP2009111077A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】作製しやすい井戸型構造の導波層を有する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子は、透明膜からなり入射光を光電変換領域６に導く第１、第２の導波層３、５を備え、周囲の第１の導波層３の屈折率に対して、中央の第２の導波層５の屈折率を高くしてある。そして、第２の導波層５は、入射光の入射方向上流側の第１の屈折率部５ａと、下流側の第１の屈折率部５ａより屈折率の低い第２の屈折率部５ｂで構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像系で使用される固体撮像素子に関するものである。

固体撮像素子においては、以下の条件を満たすことが性能を向上させる上で重要である。
（１）光を効率よく光センサ部に集める。
（２）隣の画素との干渉を低減する。

従来の固体撮像素子では、上記２つの条件を達成するために、光センサ部上方に形成されている透明膜（導波層）において、光センサ部直上（中心部）に周辺よりも屈折率の高い透明膜を形成し、性能向上を図っている（特許文献１参照）。以後このような構造を井戸型構造と呼び、特に、光センサ部直上の周辺よりも屈折率の高い透明膜領域を井戸型構造内部領域と呼ぶ。

井戸型構造を形成することで、本来、光センサ部に到達しない光を、井戸型構造内部領域とその周辺部の屈折率の低い透明膜領域の間にある屈折率境界で反射させることができ、光センサ部に導くことができるようになる。その結果、受光量、受光効率を向上させると共に、隣の画素への干渉を低減させることができる。

図５は、光センサレイの上面図である。また、図６は、光センサレイと光センサアレイに入射する入射光の関係を示す図である。

光センサレイ１０１に入る入射光１０２は、中央の固体撮像素子に対しては、入射角度が小さく、光の損失は少ない。しかし、図６に示すように、光センサレイ１０１の端の固体撮像素子に対しては、入射光１０２の最大入射角度θは４０°近くになり、光の損失を招くと共に、隣接画素への干渉の原因となる。

図７は、従来例に係る固体撮像素子の構成図である。

固体撮像素子は、上記井戸型構造を採用している。固体撮像素子は、レンズ部１１１、カラーフィルタ層１１２、透明膜で構成される光の導波層（井戸層）１１３、１１５、光電変換領域（光センサ部）１１４、１１６を備える。

レンズ部１１１は、光の取り込み効率をよくするために光線入射方向に偏心している。カラーフィルタ層１１２は色分離を行う。導波層１１５（井戸型構造内部領域）は、導波層１１３に比べ屈折率を高くしてある。これにより、入射光１１７は、導波層１１５と導波層１１３の壁面に当たって反射し、導波層１１５側に戻ってくる。

このように、井戸型構造内部領域の屈折率を高くすることで、井戸型構造による光の閉じ込め効果は向上し、良好な結果を得ることが可能となった。
特開２００３−２９８０３４号公報

しかしながら、このように理想的な特性を示す構成においてもプロセス上の問題がある。特に、高屈折率の物質を高アスペクト比（井戸が深い場合）の井戸層に埋めることは困難な場合が多く、埋め込んだ膜の膜質が均質でなかったり、膜が一部欠如したボイドのようなものが形成されることが問題となっている。

本発明の目的は、作製しやすい井戸型構造の導波層を有する固体撮像素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の固体撮像素子は、透明膜からなり入射光を光センサ部に導く第１、第２の導波層を備え、周囲の前記第１の導波層の屈折率に対して、中央の前記第２の導波層の屈折率を高くした固体撮像素子において、前記第２の導波層は、前記入射光の入射方向上流側の第１の屈折率部と、下流側の前記第１の屈折率部よりも屈折率の低い第２の屈折率部とで構成されることを特徴とする。

請求項２記載の固体撮像素子は、透明膜からなり入射光を光センサ部に導く第１、第２の導波層を備え、周囲の前記第１の導波層の屈折率に対して、中央の前記第２の導波層の屈折率を高くした固体撮像素子において、前記第２の導波層は、前記入射光の入射方向上流側から下流側に向かって屈折率が段階的に小さくなることを特徴とする。

請求項３記載の固体撮像素子は、透明膜からなり入射光を光センサ部に導く第１、第２の導波層を備え、周囲の前記第１の導波層の屈折率に対して、中央の前記第２の導波層の屈折率を高くした固体撮像素子において、前記第２の導波層は、前記入射光の入射方向上流側から下流側に向かって屈折率が連続的に小さくなることを特徴とする。

本発明によれば、作製しやすい井戸型構造の導波層を有する固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の概略構成図である。

固体撮像素子は、上記井戸型構造を採用している。固体撮像素子は、レンズ部１、カラーフィルタ層２、透明膜で構成され、井戸型構造を有する光の第１の導波層（井戸層）３、第２の導波層（井戸層）５、光電変換領域（光センサ部）４、６を備える。

レンズ部１は、光の取り込み効率をよくするために光線入射方向に偏心している。カラーフィルタ層２は色分離を行う。

中央の第２の導波層５（井戸型構造内部領域）は、周囲の第１の導波層３に比べて屈折率を高くしてある。これにより、入射光８、９は、第２の導波層５と第１の導波層３の井戸層壁面１０に当たって反射し、第２の導波層５側に戻ってくる。

ここで、図１において、角度の異なる光、入射光８と入射光９が入ってきた場合について考えてみる。入射光８と入射光９が井戸層壁面１０に当たる角度は異なり、入射光８の方が入射光９より高角度（井戸層壁面１０に対してより垂直に）で入射する。

つまり、入射光８と入射光９が入射する面では、全反射条件が異なってよいことを意味する。入射光８の場合では、井戸層壁面１０への入射角度が大きいため、全反射条件を満たすために、第２の導波層５と第１の導波層３との屈折率差を大きく取る必要ある。

一方、入射光９の場合は、入射光８より井戸層壁面１０への入射角度が小さいため、第２の導波層５と第１の導波層３との屈折率差は小さく取ることが可能となる。

本発明では、上記考えに基づき、井戸層壁面１０への光の入射角度に従い、第２の導波層５の屈折率を制御する。

即ち、第２の導波層５の下部（光電変換領域側）は、屈折率の低い材料を埋め込み（使用し）、第２の導波層５の上部は、下部より屈折率の高い材料を埋め込む（使用する）。このことにより、プロセス上作製しやすく、かつ、第１、第２の導波層３、５内の反射特性が維持される。

ここで、一般的に、第１、第２の導波層（井戸層）３、５を構成する材質としては、窒化シリコンやＳｉＯＮ、樹脂などが考えられるが、窒化シリコンは屈折率が高いが、高アスペクト比の井戸層には埋め込みが困難である。ＳｉＯＮは窒化シリコンに酸素を混入したものであるが、窒化シリコンよりも井戸層の形成が容易である。但し、窒化シリコンよりも屈折率が低い点が問題となっていた。

本発明は、これらの問題点をクリアし、窒化シリコンとＳｉＯＮ層で、良好な井戸層を形成することが可能となる。

本発明の固体撮像素子を構成するためには、まず、井戸層壁面１０への入射角度を予測することは必要である。

図２は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の詳細構成図である。

図２に示すように、第２の導波層５は、上部の第１の屈折率部５ａと、下部の第１の屈折率部５ａより屈折率の低い第２の屈折率部５ｂとから構成されている。

ここで、上部とは入射光の入射方向上流側を言う。また下部とは、入射光の入射方向下流側を言う。

ここで、第１の屈折率部５ａは、例えば、窒化シリコンを材料としている。また、第２の屈折率部５ｂは、例えばＳｉＯＮを材料としている。カラーフィルタ層２と、第１、第２の導波層３、５の間には、平坦化層１１がある。

尚、第２の導波層５を、上部の第１の屈折率部５ａと、下部の第２の屈折率部５ｂとの２層から構成しているが、３層以上の構成としてもよい。また屈折率が、下方に行くに従い、段階的、あるいは連続的に低くなるような構成としてもよい。

斜めの入射光を、第１の屈折率部５ａ、第２の屈折率部５ｂに取り込みやすくするために、レンズ部１と、第１の屈折率部５ａ、第２の屈折率部５ｂの位置関係をずらした構成となっている。

この構成において、入射光２１を入射角度θ１で入射すると、レンズ部１との屈折率差により屈折率ｎ２層内では、入射光２１は入射角度θ２で進行する。

さらに、第１の屈折率部５ａでの屈折率ｎ３との屈折率差により、屈折率ｎ３層内では、入射光２１は、入射角度θ３で進行し、再度に、第２の屈折率部５ｂの界面で屈折する。

入射光２１は、第２の屈折率部５ｂ（屈折率ｎ４層）では入射角度θ４で進行し、最終的に井戸層壁面１０に当たる。入射光２１のレンズ部１内での横方向進行距離、及び壁面への入射角度は以下の式で記述される。第１の導波層３の屈折率はｎ５である。

横方向の移動距離は、
Ｄ=ｈ２ｔａｎθ２+ｈ３ｔａｎθ３+ｈ４ｔａｎθ４
角度θはスネルの法則より求めることができる。

壁面への入射角度θ４とレンズ部１への入射角度θ１の関係は、
θ４ = ａｒｃｓｉｎ（（ｎ１／ｎ４）×ｓｉｎθ１）
で求められる。

よって、レンズ部１の中央からＤ離れた壁面へ入射する入射光の入射位置は、
ｈ４=（Ｄ−ｈ２ｔａｎθ２−ｈ３ｔａｎθ３）／ｔａｎθ４
により予測することができる。

井戸層壁面１０へ入射する位置と角度がわかることから、全反射条件として必要な角度が分かれば、任意の構成において、第２の導波層５の屈折率を制御することが可能となる。

井戸層壁面１０の全反射条件について説明する。

図３は、図２における井戸層壁面１０付近の拡大図である。

図３において、第２の導波層５の屈折率はｎ２である。第１の導波層３の屈折率はｎ１である。全反射角度θＣはスネルの法則より求めることができる。尚、屈折率ｎ１、ｎ２は、図２の屈折率のｎ１、ｎ２とは無関係である。

θＣ＝９０−ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
となり、光の入射角θがθＣよりも小さければ光は全反射される。

以上説明しように、井戸層壁面１０の全反射条件を妨げることなく、第２の導波層（井戸層）５の下部の屈折率を下げ、井戸層に埋め込み易い材料を選択することにより、ボイドなどの無い、安定でかつ高品質の固体撮像素子を作成することが可能となる。

加えて、ＳｉＯＮ材料は線膨張係数がＳｉＮよりもＳｉなどに近いため、製膜後の歪の入り方も小さくなる傾向を示す。よって、低歪で信頼性の高い固体撮像素子を供給することが可能となる。

図３において、屈折率は、ｎ１=１．０（空気）、ｎ２=１．６（ＳｉＯＮなど）、ｎ３=１．８８（ＳｉＮ）、ｎ４=１．６（ＳｉＯＮ）、ｎ５=１．４３（ＳｉＯ２膜）である。レンズ部１から第１、第２の導波層３、５までの厚さｈ２は、カラーフィルタ層２の厚さやプロセス上の制限から２．５μｍとし、第１、第２の導波層３、５全体の厚さは電極配線などの関係から、２．５μｍとした構成である。

レンズ部１シフト量は、０．９μｍで、第１、第２の導波層３、５の幅が１．４μｍであることから、井戸層壁面１０とレンズの中央の距離Ｄは、１．６μｍとなる。第１の屈折率部５ａは、入射角度が大きいことから、なるべく屈折率の高い膜を用いた。その領域をｈ３=１．２５μｍとしている。

第２の屈折率部５ｂを、埋め込み易く、ストレスの小さな膜にした例である。この計算において、ｈ４=０．１μｍの点、つまり、屈折率ｎ３の境界から０．１μｍシフトした点の井戸層壁面１０では、入射角度θ１=４１°の入射光が、壁面への入射角度２４°にて入射することになる。

ｈ４=０．１μｍの点での反射条件としては、
第１の導波層３の屈折率をｎ５=１．４３としており、第２の導波層５の第２の屈折率部５ｂの屈折率ｎ４を１．５とすると、全反射角は１７°となる。しかしながら、これより小さな角度でなければ全反射条件は満たさないことから、光の漏れが発生してしまう。よって、ｎ４=１．５は適切ではない。

屈折率ｎ４を１．６とすると、全反射角は２６°となり全反射条件を満たす形となる。第２の導波層５全体を１．８８という高屈折率で埋める必要が無いことがわかる。

このように、固体撮像素子において良好な光の閉じ込め特性を維持しようとした場合、一様に屈折率の高い第２の導波層５を形成する必要はない。形成しやすく、かつ屈折率の適切な層を下部に挿入することにより、第２の導波層５を容易に形成することができる。

図４は、個体撮像素子の入射角度特性を示す図である。

入射角度が偏っている理由としては、第２の導波層５が偏心しているために、ある程度傾いた角度で強度のピークが来るように設計されているからである。

図４のカーブにおいて、カーブ４１は、第２の導波層５全体をＳｉＮ膜で埋めた場合で、屈折率が１．８８の場合を示している。つまり、屈折率ｎ３とｎ４の領域が屈折率１．８８の材質となった場合である。

カーブ４２は、下１／４を占める第２の屈折率部５ｂの屈折率を１．６とし、上３／４を占める第１の屈折率部５ａの屈折率を１．８８とした場合を示す。カーブ４３は、下半分を占める第２の屈折率部５ｂの屈折率１．６とし、上半分を占める第１の屈折率部５ａの屈折率を１．８８とした場合を示す。カーブ４２と４３はほとんど重なっている。

カーブ４４は、下３／４を占める第２の屈折率部５ｂの屈折率を１．６とし、上１／４を占める第１の屈折率部５ａの屈折率を１．８８とした場合を示す。

カーブ４３とカーブ４１とでそれほど大きな差はない。同様に、下１／４を占める第２の屈折率部５ｂの屈折率を１．６とした場合でも角度依存に問題はない。

一方、カーブ４４では、高角度領域での強度低下が発生する。これは、高角度の入射光が井戸層壁面１０に当たり、第２の屈折率部５ｂの屈折率が１．６と全反射条件を満たしていなかったため、井戸層壁面１０で反射せず、漏れたためと考えている。ただ、これ以上の条件では高角度においても井戸層壁面１０において十分な光の反射を得ることができている。

以上のように、井戸層壁面１０への入射角度が小さな部分を低屈折率の材質（第２の屈折率部５ｂ）に置き換えても、特性上の劣化はないことがわかる。

図３に示す第２の導波層５は、上述したように、第１の屈折率部５ａと第２の屈折率５ｂの２層に分離されていたが、２層に限定されるものではなく、３層、４層でもよい。基本的には、第２の導波層５において、底部から上に向かって屈折率が大きくなっていく構成であればよい。

また、多層の極限としては、屈折率の連続構成がある。上述したように、屈折率が連続に形成されている場合でも本発明は実施可能である。

例えば、第２の導波層５の底部（第２の屈折率部５ｂ）の屈折率を１．６のＳｉＯＮとし、上に行くに従い、窒素Ｎの量をふやす形により、屈折率を順次大きくすることが可能である。

この場合においても、第２の導波層５の底部にＳｉＯＮを埋め込むことが容易であり、かつストレスも小さな埋め込み膜が形成できる。また、入射光の入射角度が大きな上部（第１の屈折率部５ａ）では窒素の量を増やし、ＳｉＮ膜を形成することにより、入射角度特性を落とすことなく本発明を実現することが可能となる。

尚、本発明では、第１の屈折率部５ａの屈折率を１．８８、第２の屈折率部５ｂの屈折率を１．６としたが、これに限るものではない。

第２の導波層５において、底部から上に向かって屈折率が大きくなっていく条件を満たす屈折率であればよい。また複素屈折率を示す媒質でも本発明は実施できる。

本発明は、カメラやビデオレコーダの固体撮像素子に関するものであるが、静止画像など、画像記録の多方面に渡り利用することができる。

本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の詳細構成図である。 図２における井戸層壁面付近の拡大図である。 個体撮像素子の入射角度特性を示す図である。 光センサレイの上面図である。 光センサレイと光センサアレイに入射する入射光の関係を示す図である。 従来例に係る固体撮像素子の構成図である。

符号の説明

１ レンズ部
２ カラーフィルタ層
３ 第１の導波層
４ 光電変換領域
５ 第２の導波層
５ａ 第１の屈折率部
５ｂ 第２の屈折率部
１１ 平坦化層

Claims (4)

1. 透明膜からなり入射光を光センサ部に導く第１、第２の導波層を備え、周囲の前記第１の導波層の屈折率に対して、中央の前記第２の導波層の屈折率を高くした固体撮像素子において、
   前記第２の導波層は、前記入射光の入射方向上流側の第１の屈折率部と、下流側の前記第１の屈折率部よりも屈折率の低い第２の屈折率部とで構成されることを特徴とする固体撮像素子。
2. 透明膜からなり入射光を光センサ部に導く第１、第２の導波層を備え、周囲の前記第１の導波層の屈折率に対して、中央の前記第２の導波層の屈折率を高くした固体撮像素子において、
   前記第２の導波層は、前記入射光の入射方向上流側から下流側に向かって屈折率が段階的に小さくなることを特徴とする固体撮像素子。
3. 透明膜からなり入射光を光センサ部に導く第１、第２の導波層を備え、周囲の前記第１の導波層の屈折率に対して、中央の前記第２の導波層の屈折率を高くした固体撮像素子において、
   前記第２の導波層は、前記入射光の入射方向上流側から下流側に向かって屈折率が連続的に小さくなることを特徴とする固体撮像素子。
4. 前記第１の導波層と前記第２の導波層の境界に形成される壁面が、前記入射光に対して、全反射条件を満たす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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