JP2010123745A

JP2010123745A - 固体撮像装置、カメラ

Info

Publication number: JP2010123745A
Application number: JP2008295838A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kido; 英男城戸
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-06-03

Abstract

【課題】感度を向上し、撮像画像の画像品質を向上する。
【解決手段】第１の光導波部材１３１ａよりも屈折率が低い光学材料にて発散レンズ１２１が形成し、集光レンズ１１１を介して入射された光を、発散レンズ１２１によって第２の光導波部材１３１ｂへ発散させる。そして、その発散レンズ１２１によって発散された光を、第２の光導波部材１３１ｂがフォトダイオード２１の受光面ＪＳへ導くように構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像装置、カメラに関する。特に、本発明は、光を光電変換部の受光面へ導く光導波路部が形成されている固体撮像装置、カメラに関する。

デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのカメラは、固体撮像装置を含む。たとえば、固体撮像装置として、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｃｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）型イメージセンサを含む。

固体撮像装置においては、複数の画素が形成されている画素領域が、半導体基板の面に設けられている。そして、この画素領域においては、被写体像による光を受光し、その受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成する光電変換部が、その複数の画素に対応するように複数形成されている。たとえば、フォトダイオードが、この光電変換部として形成されている。

このような固体撮像装置では、光の集光効率を高めて、感度を向上するために、光導波路が、各画素に形成されている。

ここでは、たとえば、集光レンズによって集光された光を、光導波路がフォトダイオードなどの光電変換部の受光面へ導くように構成されている。

具体的には、光導波路は、高い屈折率の光学材料で形成され、光を導くコア部を有しており、このコア部よりも低い屈折率であるクラッド部が、そのコア部の周囲に設けられている。このため、光導波路においては、入射する光を、コア部とクラッド部との界面において全反射させることができる。よって、光導波路を設けることで、集光効率を高めて、感度を向上することができる。

この光導波路においては、コア部が、互いに屈折率が異なる複数の光導波部材で構成されるものが提案されている。たとえば、コア部は、外側がプラズマ窒化シリコンで形成され、内側がポリイミド樹脂で形成されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−２０７４３３号公報

しかしながら、上記のように、光導波路を形成した場合においても、光の集光効率が十分でなく、撮像画像の画像品質が好適でない場合がある。よって、さらに、光の集光効率をさらに向上させることで、感度を向上して、撮像画像の画像品質を向上することが望まれている。

特に、光電変換部の受光面へ垂直に入射する平行光については、この不具合が顕在化する場合があった。

したがって、本発明は、感度を向上し、撮像画像の画像品質を向上可能な、固体撮像装置、カメラを提供する。

本発明の固体撮像装置は、光を受光面で受光し、当該受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成する光電変換部と、入射した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を発散する発散レンズと、前記集光レンズと前記発散レンズとを順次介した光を前記光電変換部の受光面へ導く光導波路部とを有し、前記光導波路部は、前記集光レンズと前記発散レンズとの光軸に対応して設けられた第１の光導波部材と、前記第１の光導波部材の周囲に設けられており、前記第１の光導波部材よりも屈折率が高い光学材料にて形成されている第２の光導波部材とを含み、前記発散レンズは、前記第１の光導波部材よりも屈折率が低い光学材料にて形成されており、前記集光レンズを介して入射された光を前記第２の光導波部材へ発散し、前記第２の光導波部材は、前記発散レンズによって発散された光を前記光電変換部の受光面へ導く。

好適には、前記第１の光導波部材は、前記光電変換部の受光面に対面しており、前記発散レンズを介した光が出射される底面と、前記底面から前記発散レンズの側へ延在する側面とを有しており、前記第２の光導波部材は、前記第１の光導波部材の底面と側面とのそれぞれに設けられている。

好適には、前記集光レンズは、前記光電変換部から前記発散レンズへ向かう方向にて、中心が縁よりも厚く形成されており、前記発散レンズは、前記集光レンズから前記光電変換部へ向かう方向にて、中心が縁よりも厚く形成されている。

好適には、前記光導波路部は、前記光電変換部の受光面に沿った面の面積が、前記集光レンズおよび前記発散レンズから前記光電変換部へ向かう方向にて小さくなる形状で形成されている。

本発明のカメラは、好適には、光を受光面で受光し、当該受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成する光電変換部と、入射した光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された光を発散する発散レンズと、前記集光レンズと前記発散レンズとを順次介した光を前記光電変換部の受光面へ導く光導波路部とを有し、前記光導波路部は、前記集光レンズの光軸に対応して設けられた第１の光導波部材と、前記第１の光導波部材の周囲に設けられており、前記第１の光導波部材よりも屈折率が高い光学材料にて形成されている第２の光導波部材とを含み、前記発散レンズは、前記第１の光導波部材よりも屈折率が低い光学材料にて形成されており、前記集光レンズを介して入射された光を前記第２の光導波部材へ発散し、前記第２の光導波部材は、前記発散レンズによって発散された光を前記光電変換部の受光面へ導く。

上記の本発明においては、発散レンズが、集光レンズを介して入射された光を第２の光導波部材へ発散し、その第２の光導波部材が、その発散レンズによって発散された光を光電変換部の受光面へ導く。

本発明によれば、感度を向上し、撮像画像の画像品質を向上可能な、固体撮像装置、カメラを提供することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（装置構成）
図１は、本発明にかかる実施形態において、カメラ４０の構成を示す構成図である。

図１に示すように、カメラ４０は、固体撮像装置１と、光学系４２と、駆動回路４３と、信号処理回路４４とを有する。各部について、順次、説明する。

固体撮像装置１は、光学系４２を介して、被写体像による光を受光面で受け、その被写体像による光を光電変換し、信号電荷を生成する。ここでは、固体撮像装置１は、駆動回路４３から出力される駆動信号に基づいて、駆動する。具体的には、信号電荷を読み出して、ローデータとして出力する。この固体撮像装置１の詳細内容については、後述する。

光学系４２は、たとえば、光学レンズを含み、被写体像を固体撮像装置１の受光面上に結像させる。

駆動回路４３は、各種の駆動信号を固体撮像装置１と信号処理回路４４とに出力し、固体撮像装置１と信号処理回路４４とを駆動させる。

信号処理回路４４は、固体撮像装置１から出力されたローデータについて信号処理を実施することによって、被写体像についてデジタル画像を生成する。

固体撮像装置１の全体構成について説明する。

図２は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１の全体構成の概略を示す平面図である。

本実施形態の固体撮像装置１は、ＣＭＯＳ型イメージセンサであり、図２に示すように、基板１０１を含む。この基板１０１は、たとえば、シリコンからなる半導体基板であり、図２に示すように、基板１０１の面においては、画素領域ＰＡと、周辺領域ＳＡとが設けられている。

この基板１０１の面において画素領域ＰＡは、図２に示すように、矩形形状であり、複数の画素Ｐが垂直方向Ｖと水平方向Ｈとに複数配置されている。つまり、画素Ｐがマトリクス状に並んでいる。

また、基板１０１の面において周辺領域ＳＡは、図２に示すように、画素領域ＰＡの周囲に位置している。そして、この周辺領域ＳＡにおいては、画素Ｐにおいて生成された信号電荷を処理する周辺回路（図示なし）が設けられている。

具体的には、図２に示すように、この周辺回路としては、垂直選択回路１３と、カラム回路１４と、水平選択回路１５と、水平信号線１６と、出力回路１７と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１８とが設けられている。

垂直選択回路１３は、たとえば、シフトレジスタを含み、画素Ｐを行単位で選択駆動する。

カラム回路１４は、たとえば、Ｓ／Ｈ（サンプルホールド）回路およびＣＤＳ（ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄＤｏｕｂｌｅＳａｍｐｌｉｎｇ；相関二重サンプリング）回路を含む。そして、カラム回路１４は、列単位で画素Ｐから読み出した信号について信号処理を実施する。

水平選択回路１５は、たとえば、シフトレジスタを含み、カラム回路１４によって各画素Ｐから読み出した信号を、順次、選択して出力する。そして、水平選択回路１５の選択駆動によって、順次、画素Ｐから読み出した信号を、水平信号線１６を介して出力回路１７に出力する。

出力回路１７は、たとえば、デジタルアンプを含み、水平選択回路１５によって出力された信号について、増幅処理などの信号処理を実施後、外部へ出力する。

タイミングジェネレータ１８は、各種のタイミング信号を生成し、垂直選択回路１３、カラム回路１４、水平選択回路１５に出力することで、各部について駆動制御を行う。

図３は、本発明にかかる実施形態において、画素領域ＰＡにおいて設けられた画素Ｐの要部を示す回路図である。

画素領域ＰＡにおいて設けられた画素Ｐは、図３に示すように、フォトダイオード２１と、転送トランジスタ２２と、増幅トランジスタ２３と、アドレストランジスタ２４と、リセットトランジスタ２５とを含む。

フォトダイオード２１は、被写体像による光を受光面で受光し、その受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成し蓄積する。フォトダイオード２１は、図３に示すように、転送トランジスタ２２を介して、増幅トランジスタ２３のゲートに接続されている。そして、フォトダイオード２１においては、増幅トランジスタ２３のゲートに接続されているフローティングディフュージョンＦＤへ、その蓄積した信号電荷が、転送トランジスタ２２によって出力信号として転送される。

転送トランジスタ２２は、図３に示すように、フォトダイオード２１とフローティングディフュージョンＦＤとの間において介在するように設けられている。そして、転送トランジスタ２２は、転送線２６からゲートに転送パルスが与えられることによって、フォトダイオード２１において蓄積された信号電荷を、フローティングディフュージョンＦＤに出力信号として転送する。

増幅トランジスタ２３は、図３に示すように、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続されており、フローティングディフュージョンＦＤを介して出力される出力信号を増幅する。ここでは、増幅トランジスタ２３は、アドレストランジスタ２４を介して垂直信号線２７に接続され、画素領域ＰＡ以外に設けられている定電流源Ｉとソースフォロアを構成している。このため、アドレストランジスタ２４にアドレス信号が供給されることによって、フローティングディフュージョンＦＤから出力された出力信号が増幅される。

アドレストランジスタ２４は、図３に示すように、アドレス信号が供給されるアドレス線２８にゲートが接続されている。アドレストランジスタ２４は、アドレス信号が供給された際にはオン状態になり、上記のように増幅トランジスタ２３によって増幅された出力信号を、垂直信号線２７に出力する。そして、その出力信号は、垂直信号線２７を介して、上述したカラム回路１４のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路に出力される。

リセットトランジスタ２５は、図３に示すように、リセット信号が供給されるリセット線２９にゲートが接続され、また、電源ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤとの間において介在するように接続されている。そして、リセットトランジスタ２５は、リセット線２９からリセット信号がゲートに供給された際に、フローティングディフュージョンＦＤの電位を、電源Ｖｄｄの電位にリセットする。

上記のように画素を駆動する動作は、転送トランジスタ２２とアドレストランジスタ２４とリセットトランジスタ２５との各ゲートが、水平方向Ｈに並ぶ複数の画素からなる行単位で接続されていることから、その行単位に並ぶ複数の画素について同時に行われる。具体的には、上述した垂直選択回路１３によって供給されるアドレス信号によって、水平ライン（画素行）単位で垂直方向に順次選択される。そして、タイミングジェネレータ１８から出力される各種タイミング信号によって各画素のトランジスタが制御される。これにより、各画素における出力信号が垂直信号線２７を通して画素列毎にカラム回路１４のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路に読み出される。

本実施形態にかかる固体撮像装置１の詳細内容について説明する。

図４は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１の要部を示す断面図である。図４は、画素Ｐの断面を示している。なお、画素領域ＰＡにおいては、上記したように、基板１０１上に、画素Ｐが配置されているが、フォトダイオード２１を除き、その画素Ｐを構成する他の各部材については、図示を省略している。

図４に示すように、固体撮像装置１においては、フォトダイオード２１と、集光レンズ１１１と、発散レンズ１２１と、光導波路部１３１と、カラーフィルタ３０１とが、画素Ｐに対応して形成されている。また、ここでは、図４に示すように、光導波路部１３１が、第１の光導波部材１３１ａと、第２の光導波部材１３１ｂとを含む。

各部について順次説明する。

フォトダイオード２１は、図４に示すように、基板１０１の面に設けられている。フォトダイオード２１は、光を受光面ＪＳで受光し、その受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成する。図４に示すように、基板１０１の面において、この受光面ＪＳに対して垂直な方向には、集光レンズ１１１と、発散レンズ１２１と、光導波路部１３１と、カラーフィルタ３０１とが配置されている。ここでは、受光面ＪＳの側から、光導波路部１３１、発散レンズ１２１、カラーフィルタ３０１、集光レンズ１１１が、順次、配置されている。このため、本実施形態においては、フォトダイオード２１は、この各部を介して入射する光を、受光面ＪＳで受光し、光電変換することによって信号電荷を生成する。

集光レンズ１１１は、いわゆるオンチップマイクロレンズであり、図４に示すように、基板１０１の面に設けられており、入射した光を集光する。図４に示すように、基板１０１の面には、フォトダイオード２１が設けられており、集光レンズ１１１は、光軸ＫＪが、このフォトダイオード２１の受光面ＪＳの中心に対して垂直になるように配置されている。そして、集光レンズ１１１は、光軸ＫＪの方向において、カラーフィルタ３０１と発散レンズ１２１と光導波路部１３１とを介在して、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対面している。ここでは、この集光レンズ１１１は、基板１０１の面において、カラーフィルタ３０１が設けられた面を平坦化する平坦化膜ＨＴｂ上に設けられている。そして、この集光レンズ１１１は、フォトダイオード２１の受光面ＪＳから発散レンズ１２１へ向かう方向にて、中心が縁よりも厚く形成されている。このため、集光レンズ１１１によって集光された光は、カラーフィルタ３０１と発散レンズ１２１と光導波路部１３１とを介在して、フォトダイオード２１の受光面ＪＳにおいて受光される。

発散レンズ１２１は、図４に示すように、基板１０１の面に設けられており、入射した光を発散するように構成されている。図４に示すように、発散レンズ１２１は、集光レンズ１１１と同様に、フォトダイオード２１の受光面ＪＳの中心に対して光軸ＫＪが垂直になるように配置されている。つまり、発散レンズ１２１は、図４に示すように、光軸ＫＪが、集光レンズ１１１と一致するように設けられている。ここでは、図４に示すように、発散レンズ１２１は、集光レンズ１１１のレンズ径よりも小さなレンズ径になるように形成されている。そして、発散レンズ１２１は、フォトダイオード２１と集光レンズ１１１との間に介在するように設けられており、その集光レンズ１１１によって集光された光を発散するように形成されている。

また、発散レンズ１２１は、図４に示すように、光導波路部１３１の上面に設けられており、入射した光を光導波路部１３１へ出射するように構成されている。本実施形態においては、発散レンズ１２１は、光導波路部１３１の第１の光導波部材１３１ａよりも屈折率が低い光学材料にて形成されており、集光レンズ１１１を介して入射された光を、第２の光導波部材１３１ｂへ発散するように設けられている。ここでは、発散レンズ１２１は、集光レンズ１１１からフォトダイオード２１へ向かう方向にて、中心が縁よりも厚く形成されている。この発散レンズ１２１は、光の入射し進行する方向へ凸状に突き出るように形成されている。

詳細については後述するが、発散レンズ１２１は、図４に示すように、光導波路部１３１にてフォトダイオード２１の受光面ＪＳに対応する部分の表面に設けられた凹部ＲＥに光学材料を埋め込んで形成される。具体的には、この表面を平坦化する平坦化膜ＨＴａを成膜する際に、この凹部ＲＥに光学材料を埋め込んで、この発散レンズ１２１が形成される。たとえば、発散レンズ１２１は、スピンコート、プラズマＣＶＤ、または、ＨＤＰ（Ｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙ−ｐｌａｓｍａ）−ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４５）、シロキサン（屈折率ｎ＝１．６９）、ＳｉＯＮ（屈折率ｎ＝１．６〜１．８）、ＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝２．０）、または、ＳｉＬＫ(屈折率ｎ＝２以上)を、その表面に成膜することで形成される。

光導波路部１３１は、図４に示すように、基板１０１の面に設けられており、入射した光をフォトダイオード２１の受光面ＪＳへ導くように構成されている。図４に示すように、光導波路部１３１は、集光レンズ１１１および発散レンズ１２１と、フォトダイオード２１の受光面ＪＳとの間に介在しており、集光レンズ１１１と発散レンズ１２１とを順次介して入射した光を、受光面ＪＳへ導くように形成されている。

具体的には、基板１０１の面においては、フォトダイオード２１を被覆するように第１層間絶縁膜ＳＺａが設けられており、その第１層間絶縁膜ＳＺａの面には、第１配線Ｈａが設けられている。そして、この第１配線Ｈａを被覆するように第１層間絶縁膜ＳＺａの面に、第２層間絶縁膜Ｓｚｂが設けられており、その第２層間絶縁膜ＳＺｂの面に、第２配線Ｈｂが設けられている。そして、この第２配線Ｈｂを被覆するように第２層間絶縁膜ＳＺｂの面に、第３層間絶縁膜Ｓｚｃが設けられており、その第３層間絶縁膜ＳＺｃの面に、第３配線Ｈｃが設けられている。そして、さらに、この第３配線Ｈｃを被覆するように第３層間絶縁膜ＳＺｃの面に、第４層間絶縁膜Ｓｚｄが設けられている。

この第１から第４の層間絶縁膜ＳＺａ，Ｓｚｂ，Ｓｚｃ，Ｓｚｄは、光を透過する光透過性材料で形成されている。たとえば、第１から第４の層間絶縁膜ＳＺａ，Ｓｚｂ，Ｓｚｃ，Ｓｚｄは、酸化シリコン膜（屈折率ｎ＝１．４３）で形成されている。この他に、酸化シリコンに、リン，ホウ素を添加したものなどの材料を用いて、形成することができる。また、第１から第３の配線Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃは、導電性材料で形成されている。たとえば、第１から第３の配線Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃは、アルミニウムや銅などの金属材料で形成されている。

そして、この第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部を除去して形成された孔を、埋め込むように、上記の光導波路部１３１が形成されている。つまり、図４に示すように、光導波路部１３１は、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄを貫いて、フォトダイオード２１の受光面ＪＳへ延在するように形成されている。

ここでは、光導波路部１３１は、図４に示すように、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに沿った面の面積が、集光レンズ１１１および発散レンズ１２１からフォトダイオード２１へ向かう方向にて小さくなる形状で形成されている。すなわち、光導波路部１３１は、テーパー状に形成されている。

具体的には、光導波部材１３１は、第１のテーパー形状部Ｔ１と、第２のテーパー形状部Ｔ２とによって構成されている。第１のテーパー形状部Ｔ１は、フォトダイオード２１の側に位置している。そして、第１のテーパー形状部Ｔ１は、基板１０１の面に対して側面が傾斜している。第２のテーパー形状部Ｔ２は、第１のテーパー形状部Ｔ１よりも、フォトダイオード２１から離れた位置に設けられている。この第２のテーパー形状部Ｔ２は、基板１０１の面に対する側面が傾斜する角度が、第１のテーパー形状部Ｔ１よりも大きくなるように形成されている。

また、本実施形態においては、光導波路部１３１は、第１の光導波部材１３１ａと、第２の光導波部材１３１ｂとを含む。

光導波路部１３１において、第１の光導波部材１３１ａは、図４に示すように、集光レンズ１１１と発散レンズ１２１との光軸ＫＪに対応して設けられている。ここでは、第１の光導波部材１３１ａは、集光レンズ１１１と発散レンズ１２１との光軸ＫＪが、中心を貫くように設けられている。具体的には、第１の光導波部材１３１ａは、図４に示すように、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対面する底面１３１ｔを含み、この底面１３１ｔから、発散レンズを介して入射した光が出射される。また、第１の光導波部材１３１ａは、図４に示すように、側面が１３１ｓ、この底面１３１ｔから発散レンズ１２１の側へ、集光レンズ１１１と発散レンズ１２１との光軸ＫＪに沿うように延在している。

本実施形態においては、この第１の光導波部材１３１ａは、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部を除去して形成された孔の表面に、第２の光導波部材１３１ｂが成膜された後に、その孔を光学材料で埋め込むことで形成される。ここでは、第１の光導波部材１３１ａは、周囲にある第２の光導波部材１３１ｂよりも屈折率が小さい光学材料を用いて形成される。また、第１の光導波部材１３１ａは、発散レンズ１２１を構成する光学材料よりも屈折率が高い光学材料を用いて形成される。たとえば、第１の光導波部材１３１ａは、スピンコート法によってポリイミド樹脂（屈折率ｎ＝１．６９）を成膜することで形成される。この他に、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、ＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）膜、ポリシロキサン樹脂膜を用いて形成することが好適である。

第１の光導波部材１３１ａにおいては、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対応する部分の表面に、凹部ＲＥが形成されている。この凹部ＲＥは、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部を除去して形成した孔の表面に第２の光導波部材１３１ｂを成膜後に、その孔を埋め込む光学材料の量を調整することで、形成される。そして、上述したように、この第１の光導波部材１３１ａにおいては、その凹部ＲＥに光学材料が埋め込まれて、発散レンズ１２１が設けられている。

光導波路部１３１において、第２の光導波部材１３１ｂは、図４に示すように、第１の光導波部材１３１ａの周囲に設けられている。ここでは、第２の光導波部材１３１ｂは、第１の光導波部材１３１ａの底面１３１ｔと側面１３１ｓとのそれぞれに設けられており、発散レンズ１２１によって発散された光をフォトダイオードの受光面ＪＳへ導くように構成されている。

本実施形態においては、第２の光導波部材１３１ｂは、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部を除去して形成された孔の表面に形成される。ここでは、第２の光導波部材１３１ｂは、その周囲にある層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄよりも屈折率が高い光学材料にて形成されている。また、第２の光導波部材１３１ｂは、内部にある第１の光導波部材１３１ａよりも屈折率が高い光学材料にて形成されている。たとえば、第２の光導波部材１３１ｂは、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化（ＳｉＮ）膜（屈折率ｎ＝２．０）を成膜することで形成される。この他に、プラズマＣＶＤ法によって成膜されたプラズマＳｉＯＮ膜、フォトレジスト膜、酸化チタン膜が、好適である。

カラーフィルタ３０１は、図４に示すように、基板１０１の面に設けられている。カラーフィルタ３０１は、図４に示すように、基板１０１の面において設けられた平坦化膜ＨＴａ上に、形成されている。

このカラーフィルタ３０１は、基板１０１の面に対面して配置されており、被写体像による光を受けた後、この光が着色され、基板１０１の面に出射される。

本実施形態においては、図４に示すように、カラーフィルタ３０１は、グリーンフィルタ層３０１Ｇと、レッドフィルタ層３０１Ｒと、ブルーフィルタ層３０１Ｂとを含む。

カラーフィルタ３０１において、グリーンフィルタ層３０１Ｇは、緑色に対応する波長帯域において高い光透過率になるように形成されており、被写体像による光が緑色光として透過される。つまり、グリーンフィルタ層３０１Ｇは、被写体像による光を分光することによって、その光を緑色に着色する。ここでは、グリーンフィルタ層３０１Ｇは、図４に示すように、集光レンズ１１１の光軸ＫＪの方向において、発散レンズ１２１と光導波路部１３１とを介在して、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対面するように配置されている。このグリーンフィルタ層３０１Ｇは、たとえば、緑色の着色顔料とフォトレジスト樹脂とを含む塗布液を、スピンコート法などのコーティング方法によって塗布して塗膜を形成後、リソグラフィ技術によって、その塗膜をパターン加工して形成される。

カラーフィルタ３０１において、レッドフィルタ層３０１Ｒは、赤色に対応する波長帯域において高い光透過率になるように形成されており、被写体像による光が赤色光として透過される。つまり、レッドフィルタ層３０１Ｒは、被写体像による光を分光することによって、その光を赤色に着色する。図４においては図示を省略しているが、グリーンフィルタ層３０１Ｇの部分と同様に、レッドフィルタ層３０１Ｒの部分においても、フォトダイオード２１と、集光レンズ１１１と、発散レンズ１２１と、光導波路部１３１とが設けられている。つまり、レッドフィルタ層３０１Ｒは、グリーンフィルタ層３０１Ｇと同様に、集光レンズ１１１の光軸ＫＪの方向において、発散レンズ１２１と光導波路部１３１とを介在して、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対面するように配置されている。このレッドフィルタ層３０１Ｒは、たとえば、赤色の着色顔料とフォトレジスト樹脂とを含む塗布液を、スピンコート法などのコーティング方法によって塗布して塗膜を形成後、リソグラフィ技術によって、その塗膜をパターン加工して形成される。

カラーフィルタ３０１において、ブルーフィルタ層３０１Ｂは、青色に対応する波長帯域において高い光透過率になるように形成されており、被写体像による光が青色光として透過される。つまり、ブルーフィルタ層３０１Ｂは、被写体像による光を分光することによって、その光を青色に着色する。図４においては図示を省略しているが、グリーンフィルタ層３０１Ｇの部分と同様に、ブルーフィルタ層３０１Ｂの部分においても、フォトダイオード２１と、集光レンズ１１１と、発散レンズ１２１と、光導波路部１３１とが設けられている。つまり、ブルーフィルタ層３０１Ｂは、グリーンフィルタ層３０１Ｇと同様に、集光レンズ１１１の光軸ＫＪの方向において、発散レンズ１２１と光導波路部１３１とを介在して、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対面するように配置されている。このブルーフィルタ層３０１Ｂは、たとえば、青色の着色顔料とフォトレジスト樹脂とを含む塗布液を、スピンコート法などのコーティング方法によって塗布して塗膜を形成後、リソグラフィ技術によって、その塗膜をパターン加工して形成される。

なお、図示していないが、上記のレッドフィルタ層３０１Ｒとグリーンフィルタ層３０１Ｇとブルーフィルタ層３０１Ｂとのそれぞれは、基板１０１の面に対応する面において、ベイヤー配列で並ぶように配置されている。

（製造方法）
以下より、上記の固体撮像装置１を製造する製造方法について説明する。

図５と図６と図７は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１を製造する方法の各工程にて設けられた要部を示す断面図である。

まず、図５(ａ）に示すように、フォトダイオード２１を形成する。

たとえば、ｐ型シリコン基板である基板１０１にｎ型不純物をイオン注入することで、フォトダイオード２１を形成する。

その後、図５(ａ）に示すように、この基板１０１の面において、フォトダイオード２１を被覆するように第１層間絶縁膜ＳＺａを設けた後に、その第１層間絶縁膜ＳＺａの面に、第１配線Ｈａを設ける。

たとえば、酸化シリコン膜で第１層間絶縁膜ＳＺａを形成する。その後、たとえば、アルミニウムや銅などの金属材料で第１配線Ｈａを形成する。

そして、同様にして、この第１配線Ｈａを被覆するように第１層間絶縁膜ＳＺａの面に、第２層間絶縁膜Ｓｚｂを設けた後に、その第２層間絶縁膜ＳＺｂの面に、第２配線Ｈｂを設ける。そして、この第２配線Ｈｂを被覆するように第２層間絶縁膜ＳＺｂの面に、第３層間絶縁膜Ｓｚｃを設けた後に、その第３層間絶縁膜ＳＺｃの面に、第３配線Ｈｃを設ける。そして、さらに、この第３配線Ｈｃを被覆するように第３層間絶縁膜ＳＺｃの面に、第４層間絶縁膜Ｓｚｄを設ける。

つぎに、図５（ｂ）に示すように、孔Ｈを形成する。

ここでは、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部をエッチング処理にて除去することで、孔Ｈを形成する。

具体的には、まず、図５（ｂ）に示すように、リソグラフィ技術によって、第４層間絶縁膜ＳＺｄの一部を除去し、孔Ｈを構成する第１の孔Ｈ１について形成する。ここでは、第４層間絶縁膜ＳＺｄにおいてフォトダイオード２１の受光面ＪＳに対応する部分の全体について、エッチングする。たとえば、ウェットエッチング処理などの等方性のエッチング処理を実施することによって、この第４層間絶縁膜ＳＺｄの一部を除去することで、第１の孔Ｈ１を形成する。これにより、基板１０１の面に対して側面が傾斜するように、この第１の孔Ｈ１が、お椀型に成形される。

そして、図５（ｂ）に示すように、リソグラフィ技術によって、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部を除去し、孔Ｈを構成する第２の孔Ｈ２について形成する。ここでは、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄにおいてフォトダイオード２１の受光面ＪＳの中心部分に対応する部分についてエッチングする。本実施形態においては、基板１０１の面に対して第１の孔Ｈ１の側面が傾斜する角度よりも、この第２の孔Ｈ２の側面が傾斜する角度が小さくなるように、第２の孔Ｈ２がテーパー状に形成される。たとえば、ドライエッチング処理などの異方性のエッチング処理を実施することによって、この第４層間絶縁膜ＳＺｄの一部を除去することで、第２の孔Ｈ２を形成する。このように、第１の孔Ｈ１と第２の孔Ｈ２とを順次形成することで、孔Ｈを形成する。

つぎに、図６（ｃ）に示すように、第２の光導波部材１３１ｂを形成する。

ここでは、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部を除去して形成された孔Ｈの表面に、第２の光導波部材１３１ｂを形成する。たとえば、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を、その孔Ｈの表面を被覆するように成膜することで、この第２の光導波部材１３１ｂを形成する。

つぎに、図６（ｄ）に示すように、第１の光導波部材１３１ａを形成する。

ここでは、上記のように、孔Ｈの表面に第２の光導波部材１３１ｂが成膜された後に、その孔Ｈを光学材料で埋め込むことで、第１の光導波部材１３１ａを形成する。たとえば、スピンコート法によってポリイミド樹脂を成膜することで、この第１の光導波部材１３１ａを形成される。

本実施形態においては、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに対応する部分の表面に、凹部ＲＥが形成されるように、その孔Ｈを埋め込む光学材料の量を調整して、第１の光導波部材１３１ａを形成する。たとえば、孔Ｈの周囲に設けられた第２の光導波部材１３１ｂの表面において、膜厚が、５〜１００ｎｍになるように、この第１の光導波部材１３１ａを形成する。これにより、第１の光導波部材１３１ａの表面に、凹部ＲＥを設けることができる。たとえば、深さが、１０〜５０００ｎｍ程度になるように、この凹部ＲＥを設けることができる。

つぎに、図７（ｅ）に示すように、発散レンズ１２１を形成する。

ここでは、第１の光導波部材１３１ａにおいて凹部ＲＥが設けられた表面に、たとえば、スピンコート、プラズマＣＶＤ、または、ＨＤＰ−ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ_２、シロキサン、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ膜、ＳｉＬＫを成膜する。これにより、第１の光導波部材１３１ａの凹部ＲＥに、この光学材料で埋め込むことで、発散レンズ１２１が形成される。そして、これと共に、第１の光導波部材１３１ａを平坦化するように、平坦化膜ＨＴａが形成される。

つぎに、図７（ｆ）に示すように、カラーフィルタ３０１を形成する。

ここでは、平坦化膜ＨＴａ上に、カラーフィルタ３０１を形成する。たとえば、各色の着色顔料とフォトレジスト樹脂とを含む塗布液を、スピンコート法によって塗布して塗膜を形成後、リソグラフィ技術によって、その塗膜をパターン加工することで、カラーフィルタ３０１を構成する各色のフィルタ層を形成する。

そして、このカラーフィルタ３０１が形成された表面を平坦化するように、平坦化膜ＨＴｂを形成する。

この後、図４に示すように、集光レンズ１１１を形成して、固体撮像装置１を完成させる。

以上のように、本実施形態は、発散レンズ１２１が第１の光導波部材１３１ａよりも屈折率が低い光学材料にて形成されており、集光レンズ１１１を介して入射された光を発散レンズ１２１が第２の光導波部材１３１ｂへ発散する。そして、第２の光導波部材１３１ｂは、その発散レンズ１２１によって発散された光をフォトダイオード２１の受光面ＪＳへ導く。

図８は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１にて入射する光の経路を示す図である。一方で、図９は、本発明にかかる実施形態に対して、発散レンズ１２１を設けない固体撮像装置において、入射する光の経路を示す図である。図９において、（ａ）は、この固体撮像装置の要部を示しており、（ｂ）は、（ａ）において、フォトダイオード２１および光導波部材１３１が形成された部分Ｂを拡大して示す図である。なお、図８と図９とにおいては、図４と同様に、断面を示しているが、図４において各部に付したハッチングについては、説明の都合上、付していない。

図８に示すように、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに垂直な方向に沿うように、平行光ＨＬが入射した場合においては、その平行光ＨＬを集光レンズ１１１がフォトダイオード２１の受光面ＪＳの側へ向かって集光する。具体的には、集光レンズ１１１の中心においては、平行光ＨＬが受光面ＪＳに垂直な方向に沿って進行し、集光レンズ１１１の縁側の部分においては、平行光ＨＬが受光面ＪＳの中心側へ傾斜されて進行する。

ここでは、集光レンズ１１１によって集光された光は、カラーフィルタ３０１を介して、発散レンズ１２１へ向かう。たとえば、グリーンフィルタ層３０１Ｇに入射後に、発散レンズ１２１へ出射される。

そして、その集光レンズ１１１によって集光された光を、発散レンズ１２１が外側へ発散する。具体的には、発散レンズ１２１の中心においては、その光が受光面ＪＳに垂直な方向に沿って進行し、発散レンズ１２１の縁側の部分においては、その光が受光面ＪＳの周囲の側へ傾斜されて進行する。

その後、その発散レンズ１２１によって発散された光が、光導波部材１３１にて外側に設けられた第２の光導波部材１３１ｂに入射する。すなわち、フォトダイオード２１の受光面ＪＳに垂直な方向に対して、受光面ＪＳの中心から周囲の側へ傾斜する方向へ発散された光が、第２の光導波部材１３１ｂに多く入射する。

上述したように、第２の光導波路部材１３１ｂは、その内部に設けられている第１の光導波部材１３１ａよりも屈折率が高い光学材料で形成されている。また、第２の光導波部材１３１ｂは、その周囲にある第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄよりも屈折率が高い光学材料で形成されている。

このため、図８に示すように、第２の光導波部材１３１ｂにおいては、その発散レンズ１２１によって発散された光が、第１の光導波部材１３１ａと層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄとに挟まれた側壁部分において、受光面ＪＳの側へ進行する。具体的には、図８に示すように、第２の光導波部材１３１ｂにおいては、第１の光導波部材１３１ａとの界面と、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄとの界面とのそれぞれにおいて、その発散レンズ１２１によって発散された光が反射されて進行する。

そして、図８に示すように、この第２の光導波部材１３１ｂの内部を進行した光が、受光面ＪＳに入射して、フォトダイオード２１において受光される。

一方で、本実施形態と異なり、図９（ａ）に示すように、発散レンズ１２１を設けない場合において、平行光ＨＬが入射した場合には、集光レンズ１１１によって集光された光が、光導波部材１３１にて内側に設けられた第１の光導波部材１３１ａへ、多く入射する。つまり、第１の光導波部材１３１ａへ入射する光の割合が高く、第２の光導波部材１３１ｂへ入射する光の割合が低い。

この場合には、図９（ｂ）に示すように、第１の光導波部材１３１ａへ入射した光において集光レンズ１１１の光軸ＫＪに対して傾斜して進行する光が、その底部に設けられた第２の光導波部材１３１ｂとの界面にて屈折される。そして、さらに、図９（ｂ）に示すように、第２の光導波部材１３１ｂと第１の層間絶縁膜ＳＺａとの界面において、その光が屈折される。ここでは、図９（ｂ）に示すように、フォトダイオード２１の受光面ＪＳの外側へ、その屈折された光が進行する場合がある。このように、フォトダイオード２１において光が受光されない場合がある。このため、発散レンズ１２１を設けない場合においては、平行光ＨＬに対する感度が低くなる場合がある。

したがって、本実施形態は、発散レンズ１２１によって発散された光を、第２の光導波部材１３１ｂがフォトダイオード２１の受光面ＪＳへ導くため、感度が向上され、撮像画像の画像品質を向上することができる。特に、本実施形態は、フォトダイオード２１の受光面ＪＳへ垂直に入射する平行光ＨＬを受光する際に、好適な効果を得ることができる。

本発明の実施に際しては、上記した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例を採用することができる。

たとえば、上記の実施形態では、発散レンズ１２１を形成する際において、第１の光導波部材１３１ａの表面に凹部ＲＥが設けられるように、第１の光導波部材１３１ａを形成し、その凹部ＲＥに光学材料で埋め込む例について説明した。しかし、本発明は、これに限定されない。たとえば、第１の光導波部材１３１ａの表面が平坦になるように、第１の光導波部材１３１ａを形成後、その表面についてエッチング処理を実施することで、凹部ＲＥが設ける。その後、その凹部ＲＥに光学材料を埋め込むことで、発散レンズ１２１を形成しても、好適である。

また、上記の実施形態では、孔Ｈを形成する際において、第２から第４の層間絶縁膜ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄの一部をエッチング処理にて除去する例について説明した。つまり、本実施形態では、第２層間絶縁膜ＳＺｂの途中までの深さになるように、孔Ｈを形成した。しかし、本発明の実施形態は、これに限定されない。孔Ｈの深さは任意に設定することができる。このため、たとえば、第１の層間絶縁膜ＳＺａに到達する深さになるように、孔Ｈを形成してもよい。また、フォトダイオード２１の受光面ＪＳまで到達する深さになるように、孔Ｈを形成してもよい。

また、上記の実施形態では、第１から第４の層間絶縁膜ＳＺａ，ＳＺｂ，ＳＺｃ，ＳＺｄを設けると共に、第１から第３の配線Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃを設ける場合について説明した。しかし、本発明は、これに限定されない。本発明の実施形態は、４層未満の層間絶縁膜を設ける場合に適用してもよく、また、５層以上の層間絶縁膜を設ける場合に適用してもよい。

また、上記の実施形態では、第１の光導波部材１３１ａの表面に、発散レンズ１２１が直接、積層される例について示した。しかし、本発明の実施形態は、これに限定されない。たとえば、第１の光導波部材１３１ａと発散レンズ１２１との間に、反射防止層、応力緩和層などの種々の機能を有する他の層を設けてもよい。

また、本実施形態においては、ＣＭＯＳイメージセンサに適用する場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、ＣＣＤイメージセンサについて、適用可能である。

なお、上記の実施形態において、固体撮像装置１は、本発明の固体撮像装置に相当する。また、上記の実施形態において、カメラ４０は、本発明のカメラに相当する。また、上記の実施形態において、フォトダイオード２１は、本発明の光電変換素子に相当する。また、上記の実施形態において、集光レンズ１１１は、本発明の集光レンズに相当する。また、上記の実施形態において、発散レンズ１２１は、本発明の発散レンズに相当する。また、上記の実施形態において、光導波路部１３１は、本発明の光導波路部に相当する。また、上記の実施形態において、第１の光導波部材１３１ａは、本発明の第１の光導波部材に相当する。また、上記の実施形態において、第２の光導波部材１３１ｂは、本発明の第２の光導波部材に相当する。

図１は、本発明にかかる実施形態において、カメラ４０の構成を示す構成図である。図２は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１の全体構成の概略を示す平面図である。図３は、本発明にかかる実施形態において、画素領域ＰＡにおいて設けられた画素Ｐを示す回路図である。図４は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１を示す断面図である。図５は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１を製造する方法の各工程にて設けられた要部を示す断面図である。図６は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１を製造する方法の各工程にて設けられた要部を示す断面図である。図７は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１を製造する方法の各工程にて設けられた要部を示す断面図である。図８は、本発明にかかる実施形態において、固体撮像装置１にて入射する光の経路を示す図である。図９は、本発明にかかる実施形態に対して、発散レンズ１２１を設けない固体撮像装置において、入射する光の経路を示す図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、４０…カメラ、４２…光学系、４３…駆動回路、４４…信号処理回路、１０１…基板、ＰＡ…画素領域、ＳＡ…周辺領域、２１…フォトダイオード（光電変換素子）、３０１…カラーフィルタ、１１１…集光レンズ、１２１…発散レンズ、１３１…光導波路部、１３１ａ…第１の光導波部材、１３１ｂ…第２の光導波部材

Claims

光を受光面で受光し、当該受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成する光電変換部と、
入射した光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された光を発散する発散レンズと、
前記集光レンズと前記発散レンズとを順次介した光を前記光電変換部の受光面へ導く光導波路部と
を有し、
前記光導波路部は、
前記集光レンズと前記発散レンズとの光軸に対応して設けられた第１の光導波部材と、
前記第１の光導波部材の周囲に設けられており、前記第１の光導波部材よりも屈折率が高い光学材料にて形成されている第２の光導波部材と
を含み、
前記発散レンズは、前記第１の光導波部材よりも屈折率が低い光学材料にて形成されており、前記集光レンズを介して入射された光を前記第２の光導波部材へ発散し、
前記第２の光導波部材は、前記発散レンズによって発散された光を前記光電変換部の受光面へ導く
固体撮像装置。
前記第１の光導波部材は、
前記光電変換部の受光面に対面しており、前記発散レンズを介した光が出射される底面と、
前記底面から前記発散レンズの側へ延在する側面と
を有しており、
前記第２の光導波部材は、
前記第１の光導波部材の底面と側面とのそれぞれに設けられている
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記集光レンズは、前記光電変換部から前記発散レンズへ向かう方向にて、中心が縁よりも厚く形成されており、
前記発散レンズは、前記集光レンズから前記光電変換部へ向かう方向にて、中心が縁よりも厚く形成されている、
請求項２に記載の固体撮像装置。
前記光導波路部は、前記光電変換部の受光面に沿った面の面積が、前記集光レンズおよび前記発散レンズから前記光電変換部へ向かう方向にて小さくなる形状で形成されている、
請求項１から３に記載の固体撮像装置。
光を受光面で受光し、当該受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成する光電変換部と、
入射した光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された光を発散する発散レンズと、
前記集光レンズと前記発散レンズとを順次介した光を前記光電変換部の受光面へ導く光導波路部と
を有し、
前記光導波路部は、
前記集光レンズの光軸に対応して設けられた第１の光導波部材と、
前記第１の光導波部材の周囲に設けられており、前記第１の光導波部材よりも屈折率が高い光学材料にて形成されている第２の光導波部材と
を含み、
前記発散レンズは、前記第１の光導波部材よりも屈折率が低い光学材料にて形成されており、前記集光レンズを介して入射された光を前記第２の光導波部材へ発散し、
前記第２の光導波部材は、前記発散レンズによって発散された光を前記光電変換部の受光面へ導く
カメラ。