JP2010205924A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】斜め方向からの入射光に対する受光面への集光率を向上させる。
【解決手段】入射光を光電変換する光電変換素子が形成された半導体基板と、当該光電変換素子の上部に形成された絶縁層と、当該絶縁層の上部に形成されたカラーフィルタ及びマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、単位画素ごとの前記カラーフィルタは、平坦な上面部と、断面において中央部が最も厚い下に凸な形状の下面部と、前記上面部と下面部の間に所定の厚みを有する側面部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。

従来、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなど、入射した光を光電変換する固体撮像素子は微細化・小画素化が急速に進んでおり、それに伴い各画素の受光面積は減少し、結果として受光できる光量が少なくなる。また、Ｆナンバーが小さいレンズを介して斜め入射の光を取り込む場合、固体撮像素子の小画素化に伴い入射光に対する集光効率を高める必要がある。集光効率が不十分では、斜め方向から入射した光が受光部へ集光しきれず、隣接画素へと光が漏れて混色、つまり受光感度の低下が生じてしまう。

例えば、特許文献１には、受光部に対して斜め方向から入射した光を効率よく集光するため受光部の上部にマイクロレンズを形成し、境界面での屈折を利用して集光特性を向上させる固体撮像素子が提案されている。また、特許文献２には、受光部とマイクロレンズの間に層内レンズを形成したり、受光部とマイクロレンズの間に周囲の屈折率よりも高い屈折率を持つ光導波路を形成することで、入射した光を壁面にて反射させて集光特性を向上させる構成が記載されている。また、上述した新しい構成物を形成する以外に、特許文献３では、図１３のようにカラーフィルタ２０の下面部の断面を略半円の下に凸な形状にし周囲部材２２との屈折率差によりレンズ機能を持たせ、受光素子２１に対する集光特性を向上させている。

特開２００５−３０２８８４号公報 特開２００３−０６０１７９号公報 特開平０５−０５５５３６号公報

しかしながら、カラーフィルタは、それ自体が光を吸収又は透過することで色分解が行われる構成物である。このため、カラーフィルタの下面部の断面が下に凸な略半円の形状とした場合（図１３）、単位画素の側端部からマイクロレンズを介して入射した光はカラーフィルタ内での光路長が短いため、色分解が十分にされないままカラーフィルタを通過することになる。その結果、カラーフィルタと周囲の材料の屈折率差を用いたレンズ効果によって入射光に対する集光率は向上するものの、受光感度の確保が困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、カラーフィルタの色分解機能を確保しつつ斜め方向からの入射光に対する集光率をさらに向上する固体撮像素子を実現する。

上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像素子は、入射光を光電変換する光電変換素子が形成された半導体基板と、当該光電変換素子の上部に形成された絶縁層と、当該絶縁層の上部に形成されたカラーフィルタ及びマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、単位画素ごとの前記カラーフィルタは、平坦な上面部と、断面において中央部が最も厚い下に凸な形状の下面部と、前記上面部と下面部の間に所定の厚みを有する側面部と、を有する。

本発明によれば、カラーフィルタの下面部を円弧形状又は三角形状に形成することでレンズ機能を付加し、カラーフィルタの下面部の屈折を用いて入射光に対する集光率を向上させることができる。また、カラーフィルタを所定の厚さにすることで、入射光がカラーフィルタを透過する入射光について所定以上の光路長が確保できるため色分解機能を向上させ、受光感度を維持することができる。

よって、Ｆナンバーが小さいレンズを介して入射光を取り込む固体撮像素子において集光率を向上できる。

本発明に係る固体撮像素子の模式的断面図。 本発明に係る第１の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図。 本発明に係る第２の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図。 従来のＣＦ形状と第１の実施形態での光の入射角に対する受光率を示す図。 従来のＣＦ形状と第１の実施形態での光の入射角に対する受光率を示す図。 従来のＣＦ形状と第２の実施形態での光の入射角に対する受光率を示す図。 従来のＣＦ形状と第２の実施形態での光の入射角に対する受光率を示す図。 第３の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図。 第４の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図。 第５の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図。 第６の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図。 従来のＣＦ形状における固体撮像素子の構成を示す断面図。 従来の固体撮像素子の構成を示す断面図。

以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る固体撮像素子における単位画素分の模式的断面図である。半導体基板１の上部には画素ごとに光電変換素子２が形成されている。光電変換素子２の上部には層間絶縁層４が形成されている。この層間絶縁層４の上部にはカラーフィルタ９が形成され、このカラーフィルタ９の上部には、マイクロレンズ１１が形成されている。図２は、本発明に係る第１の実施形態の固体撮像素子の単位画素分の断面図である。半導体基板１の上部には画素ごとに光電変換素子２が形成されている。光電変換素子２の両側には素子分離層３が形成され、光電変換素子２の上部には層間絶縁層４が形成されている。この層間絶縁層４の内部には電極配線５が形成されており、層間絶縁層４の上部には層内レンズ６が形成されている。層内レンズ６の上部には平坦化層７が形成されている。

平坦化層７の上部には、上面に下に凸な溝を持つ誘電体層８が形成されている。この溝形状とカラーフィルタ９の下面部の形状とが対応する。また、カラーフィルタ９の上面部は平坦な形状とされ、上面部と下面部の間に所定の厚みを有する垂直な側面部が形成されている。カラーフィルタ９の上部には、平坦化層１０が形成され、平坦化層１０の上部にマイクロレンズ１１が形成されている。誘電体層８の溝の曲率、深さ及びカラーフィルタの側面部の厚さは、イメージセンサの構造やカラーフィルタの特性に応じて適宜に変化させて形成し得ることは言うまでもない。

本実施形態において、半導体基板１は光電変換素子２が構成されるシリコン基板であり、光電変換素子２としては、例えばシリコン基板にイオン注入することによって形成されたｎ型領域を用いることができる。素子分離層３は、入射光が光電変換素子２にて光電変換されることで発生するキャリアが隣接画素へ広がるのを抑制する。素子分離層３の材料としては、酸化シリコン等が用いられる。層間絶縁層４の材料としては、可視光の各波長について略半透明な誘電体で、例えば酸化シリコン等が用いられる。また、電極配線５は、例えばアルミニウム合金によって形成されている。層内レンズ６は、光を屈折させることで入射光を効率よく光電変換素子２へ導けるように周囲の層間絶縁層４や平坦化層７よりも高い屈折率であることが望ましい。層内レンズ６の材料としては、例えば窒化シリコン等が用いられる。

層内レンズ６の上部に形成される平坦化層７又はカラーフィルタ９の上部に形成される平坦化層１０は、下部の構成物によって生じた凹凸表面を平坦化するためのもので、平坦化層の屈折率は例えば１．５８程度である。カラーフィルタ９の下面部の断面形状を形成するための誘電体層８としては、カラーフィルタ９に進入した光を屈折させ下部へ効率よく導くことができるようカラーフィルタ９の屈折率よりも屈折率が低い材料であることが望ましい。誘電体層８の屈折率としては、例えば１．５４程度である。ここでいうカラーフィルタ９とは、所望の波長に対して指定した透過率を持ち、固体撮像素子の色分解機能に寄与する構成物をいう。例えば赤・緑・青の３色の層をベイヤ配列に形成したものであっても良い。カラーフィルタ９の屈折率は、例えば１．６３程度である。

マイクロレンズ１１は、画素ごとに最上部に形成されたレンズであり、大きさは単一画素程度であり、各光電変換素子に効率的に光を導く効果がある。マイクロレンズ１１の材料としては、例えば樹脂等が用いられ、その屈折率は例えば１．６１程度である。誘電体層８の断面円弧状の溝は、先ず平板状の誘電体層を形成し、その後、誘電体層上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー等でマスクパターンを形成する。その後、等方性又は異方性エッチング加工により下に凸な凹みを作成することで形成される。或いは、ＵＶ硬化樹脂にて誘電体層８を平板状に形成し、それに対して半円状パターンを加工した例えば石英等からなるモールドを押し付け、ＵＶを照射・除去することで樹脂を硬化させ、半円状の凹みを形成する。この場合、ＵＶ硬化樹脂の材料としては、例えば完全硬化後の屈折率が１．５４程度のＵＶ硬化接着剤が用いられる。カラーフィルタ９の下面部の断面形状は、誘電体層８の上部の凹みにカラーフィルタ９を埋め込むことで形成される。また、所定の厚さを持つ側面部を含めた上面部の平坦形状は、さらにカラーフィルタ９を流し込むことで形成することができる。

次に、カラーフィルタの下面部の断面の形状を、図１２に示す半円形状ではなく、図２に示すような下に凸な形状とすることによる作用について説明する。マイクロレンズ１１を透過し集光した入射光は平坦化層１０を透過し、屈折率が平坦化層１０よりも大きいカラーフィルタ９に進入し透過する。この際、カラーフィルタ９は所定の厚さを持っているため、入射光の光路によらず所定の波長が選択される。また、カラーフィルタ９の屈折率は、誘電体層８の屈折率よりも高いため、カラーフィルタ９を透過する際、誘電体層８との境界である下面部にて屈折し下方向に導かれる。このように、カラーフィルタ９に所定の厚さを持つ垂直な側面部を形成し、且つ下に凸な断面形状の下面部を形成することで、カラーフィルタ９に所定の波長を選択する色分解機能を持たせるだけでなく、光を受光面の方向に導くレンズ効果を付加できる。

次に、本実施形態の構成による色分解効果と入射光に対する入射角特性を従来の構成と比較するために、具体的な数値を用いてシミュレーションを行った結果について説明する。このシミュレーションでは、入射光波長を０．５５μｍとして光の入射角の変化に対し図２に示す光電変換領域１２における光の吸収率を計算した。光の入射角は、固体撮像素子に対して垂直方向を０°とし、−３０°〜３０°について５°刻みにシミュレーションを行った。

図４及び図５は、図１２に示すカラーフィルタが下に凸な半円形状である従来の構成と、図２に示す本実施形態の形状による光の入射角に対する受光率のシミュレーション結果を示している。本実施形態のカラーフィルタは、従来の構成である半円形状の上面部から最下面部までの厚さと同じとし、側面部は最大厚さの４分の１で形成した。図４に示すシミュレーション結果では、カラーフィルタ特性として上記入射波長の光を透過しにくい、つまり光を吸収しやすいものとし、受光率が小さいほど色分解機能が作用していることになる。図５に示すシミュレーション結果では、カラーフィルタの特性として上記入射波長の光を最も透過するものとし、光の入射角特性を比較している。

ここで、半導体基板１及び光電変換素子２の屈折率は４．２３、素子分離層３及び層間絶縁層４の屈折率は１．４６、電極配線５の屈折率は０．９５８、層内レンズ６の屈折率は２．０８とした。また、平坦化層７及び誘電体層８の屈折率は１．５８、カラーフィルタ９の屈折率は１．６３、平坦化層１０の屈折率は１．５８、マイクロレンズ１１の屈折率は１．６１とした。図４から明らかなように、従来の構成に比べて受光率は全体的に約４％程度小さく、カラーフィルタ９に所定の厚さの側面部を形成することで従来の構成に比べて色分解機能が向上している。また、図５では従来の構成と略同程度の入射角特性を示しており、入射角度が大きくなるに従い従来との差は大きくなり、例えば入射角度３０°では入射角特性が従来に比べ約１０％程度向上している。これは、カラーフィルタ９の形状によるレンズ効果が斜め方向からの入射光に対する集光率の向上に寄与していることを表している。

このように、カラーフィルタに所定の厚さの垂直な側面部を形成することで、従来の半円形状の構成と比べて所定以上の光路長を確保できるため色分解機能を向上させることができる。加えて、カラーフィルタ９の下面部の断面を下に凸な円弧状に形成することで、レンズ効果により入射光に対する集光率の向上に寄与することができる。

［第２の実施形態］
図３は第２の実施形態の固体撮像素子の単位画素分の断面図である。第２の実施形態の固体撮像素子は、第１の実施形態の固体撮像素子と基本構成が略同一であるため、同一の部材には同じ符号を付して説明を省略する。第１の実施形態では、カラーフィルタ９の下面部の断面を下に凸な円弧状に形成したが、本実施形態の固体撮像素子は、図３に示すようにカラーフィルタの下面部の断面を中央部が最も厚い下に凸な三角形状、例えば四角錐形状に形成している。本実施形態のカラーフィルタの下面部の四角錐形状は、誘電体層８の上部の凹みにカラーフィルタ９を埋め込むことで形成される。このように、カラーフィルタの下面部の断面が円弧状でなく三角形状であってもカラーフィルタにレンズ効果を付加することができ、下面部での屈折を用いてカラーフィルタ９の内部に入射した光を光電変換素子２へ導く効果が得られる。

次に、本実施形態の構成による色分解効果と入射光に対する入射角特性を従来の構成と比較するために、具体的な数値を用いてシミュレーションを行った結果について説明する。このシミュレーションでも、入射光波長を０．５５μｍとして光の入射角の変化に対し図３に示す光電変換領域１２における光の吸収率を計算した。光の入射角は、固体撮像素子に対して垂直方向を０°とし、−３０°〜３０°について５°刻みにシミュレーションを行った。図６及び図７は、図１２に示すカラーフィルタが下に凸な半円形状である従来の構成と、図３に示す本実施形態の形状による光の入射角に対する受光率のシミュレーション結果を示している。本実施形態のカラーフィルタは、従来の構成である半円形状の上面部から最下面部までの厚さと同じとし、側面部は最大厚さの４分の３で形成した。

図６に示すシミュレーション結果では、カラーフィルタ特性として入射波長の光を透過しにくい、すなわち吸収しやすいものとし、受光率が小さいほど色分解機能が作用していることになる。図７では、カラーフィルタの特性として入射波長の光を最も透過するものとし、光の入射角特性を比較している。ここで、各構成物の屈折率は、第１の実施形態と同一である。図６から明らかなように、従来の構成に比べ受光率は全体的に約１．５％程度小さく、第１の実施形態でのシミュレーションと同様、カラーフィルタに所定の厚さの側面部を形成することで従来の構成に比べ色分解機能が向上している。また、図７から明らかなように、第１の実施形態と同様に従来の構成と略同程度の入射角特性を示している。これは、カラーフィルタ９の下面部の断面を三角形状にすることによるレンズ効果が斜め方向からの入射光に対する集光率の向上に寄与していることを表しており、例えば入射角度３０°では従来の構成に比べて受光率が約６％程度向上している。

このように、第１の実施形態と同様、カラーフィルタに所定の厚さの垂直な側面部を形成することによって従来の半円形状の構成と比べ、色分解機能を向上させることができる。また、カラーフィルタの下面部を下に凸な三角形状にすることで、レンズ効果により入射光に対する集光率の向上に寄与することができる。

［第３実施形態］
図８は第３の実施形態の固体撮像素子の単位画素の断面図である。第３の実施形態の固体撮像素子は、上述した第１の実施形態の固体撮像素子と基本構成が略同一であるため、同一の部材には同じ符号を付して説明を省略する。半導体基板１の上部には光電変換素子２が形成されている。光電変換素子２の両側には素子分離層３が形成され、光電変換素子２の上部には層間絶縁層４が形成されている。この層間絶縁層４の内部には電極配線５が形成されている。電極配線５の内側の領域には、光電変換素子２から上方向に向けて貫通する開口部が形成されている。この開口部は、光電変換素子２の受光面へと導く光導波路１３を構成している。光導波路１３の上部には下に凸な円弧状の凹みを持つ誘電体層８が形成されている。本実施形態において、半導体基板１、光電変換素子２、素子分離層３、層間絶縁層４及び電極配線５の材料としては、例えば第１の実施形態と同様の材料が用いられる。光導波路１３としては、その周囲の層間絶縁層４よりも高い屈折率を有する材料、例えば窒化シリコン等が用いられる。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、カラーフィルタ９は所定の厚さを有する垂直な側面部を有し、下面部の断面が下に凸な円弧状に形成されている。このため、カラーフィルタ９の色分解機能を保持し、且つカラーフィルタ９の内部に斜め方向から進入した入射光が透過する際の屈折により光導波路１３の入口方向へ導く作用が得られる。

［第４実施形態］
図９は第４の実施形態の固体撮像素子の単位画素の断面図である。第４の実施形態の固体撮像素子は、第３の実施形態の固体撮像素子と基本構成が略同一であるため、同一の部材には同じ符号を付して説明を省略する。第３の実施形態では、カラーフィルタ９の下面部の断面が下に凸な円弧形状に形成されていたが、本実施形態の固体撮像素子は、図９に示すようにカラーフィルタ９の下面部の断面が中央部が最も厚くなる三角形状、例えば四角錐形状に形成されている。

本実施形態では、第２の実施形態と同様に、カラーフィルタ９は所定の厚さの垂直な側面部を有しており所定以上の光路長が確保できるため色分解機能を向上させることができる。また、カラーフィルタ９の下面部の断面が三角形状であるため、カラーフィルタ９の内部に斜め方向から進入した入射光が透過する際の屈折により光導波路１３の入口方向へ導く作用が得られる。

［第５実施形態］
図１０は第５の実施形態の固体撮像素子の単位画素の断面図である。第５の実施形態の固体撮像素子は、第１の実施形態の固体撮像素子と基本構成が略同一であるため、同一の部材には同じ符号を付して説明を省略する。層間絶縁層４の電極配線５より内側の領域には、周囲の絶縁層４の屈折率よりも低い屈折率を持つ間隙１４が光電変換素子２の上部から誘電体層８に向けて形成されている。本実施形態において、半導体基板１、光電変換素子２、素子分離層３、層間絶縁層４及び電極配線５の材料としては、例えば第１の実施形態と同様の材料が用いられる。間隙１４の材料としては、周囲の層間絶縁層４よりも低い屈折率を有する材料、例えば空気等が用いられる。

本実施形態によれば、第１、第３の各実施形態と同様に、カラーフィルタ９は所定の厚さの垂直な側面部を有しており所定以上の光路長を確保できるため色分解機能を向上させることができる。また、カラーフィルタ９の下面部の断面を下に凸な円弧形状にすることでカラーフィルタ９にレンズ効果を付加することができる。これにより、カラーフィルタ９の内部に斜め方向から進入した入射光を間隙１４よりも内側の領域に導く効果が増大し、光電変換素子２の集光効率を向上させる作用が得られる。

［第６実施形態］
図１１は第６の実施形態の固体撮像素子の単位画素の断面図である。第６の実施形態の固体撮像素子は、第５の実施形態の固体撮像素子と基本構成が略同一であるため、同一の部材には同じ符号を付して説明を省略する。第５の実施形態では、カラーフィルタ９の下面部の断面を下に凸な円弧形状に形成したが、本実施形態では、図１１に示すようにカラーフィルタ９の下面部の断面が中央部が最も厚くなる三角形状、例えば四角錐形状に形成されている。

本実施形態でも、第２、第４の各実施形態と同様に、カラーフィルタ９の下面部の断面が三角形状であるため、カラーフィルタ９の内部に斜め方向から進入した入射光を透過する際の屈折により間隙１４の内側の領域に導く作用が得られる。

以上説明したように、上記各実施形態によれば、従来の固体撮像素子の構成に比べ、斜め方向からの入射光に対する光電変換素子２の受光面への集光率を向上させることができる。よって、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、監視カメラ、カメラ付き携帯電話機等に利用される固体撮像素子として適用可能である。

Claims (5)

1. 入射光を光電変換する光電変換素子が形成された半導体基板と、当該光電変換素子の上部に形成された絶縁層と、当該絶縁層の上部に形成されたカラーフィルタ及びマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、
   単位画素ごとの前記カラーフィルタは、平坦な上面部と、断面において中央部が最も厚い下に凸な形状の下面部と、前記上面部と下面部の間に所定の厚みを有する側面部と、を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記下に凸な形状の下面部は、断面が円弧状又は三角形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記カラーフィルタの屈折率は、当該カラーフィルタの上面部に接する部材の屈折率よりも大きく、且つ当該カラーフィルタの下面に接する部材の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記カラーフィルタの下面部の下部には誘電体層が形成され、
   前記絶縁層には、前記誘電体層から前記光電変換素子の受光面へ通じる開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記絶縁層の両側には電極配線が形成され、
   前記絶縁層における電極配線より内側の領域には、周囲の絶縁層の屈折率よりも低い屈折率を持つ間隙が前記光電変換素子の上部から誘電体層に向けて形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

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