JP2011003622A

JP2011003622A - 撮像素子

Info

Publication number: JP2011003622A
Application number: JP2009143796A
Authority: JP
Inventors: Madoka Nishiyama; 円西山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: JP5569715B2

Abstract

【課題】微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる撮像素子を提供する。
【解決手段】フォトダイオ−ドＰＤ及びカラーフィルタＣＦを含む複数の画素がシリコン基板１０に配置された撮像素子において、シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で異なるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は撮像素子に関する。

近年、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、デジタルカメラ等が広く普及しており、これらのカメラにはＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の固体撮像素子が使用されている。

固体撮像素子は、光電変換素子（フォトダイオードＰＤ）を有する複数の画素が１次元又は２次元のアレイ状に配列されたものである（下記公報参照）。

特開平２００５−１４２５０３号公報

近年、撮像素子の画素数が増加する傾向がある。しかし、撮像素子全体の大きさはほとんど変わらないため、画素間のピッチを小さくしなければならない（例えば３．０μｍ、２．５μｍ、２．０μｍ、１．５μｍ以下等）。ピッチを小さくすると、隣接する画素間でリーク電流に起因するクロストークが発生し易くなる。

従来、リーク電流を抑えてクロストークを減らすため、ＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ），ＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）等の、フォトダイオードを電気的に分離するための分離層を形成している。しかし、分離層を形成すると暗電流が発生する。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる撮像素子を提供することである。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、光電変換部及びカラーフィルタを含む複数の画素が基板に配置された撮像素子において、前記基板の厚さ方向の表面位置が隣接する前記画素間で異なることを特徴とする撮像素子である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の撮像素子において、前記画素は、第１色画素、第２色画素及び第３色画素であり、前記基板の厚さ方向の表面位置は前記各色の画素間で異なることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の撮像素子において、前記第１色画素の前記基板の厚さ方向の表面位置は前記第３色画素の前記基板の厚さ方向の表面位置と同じであり、前記第１色画素及び前記第３色画素の前記基板の厚さ方向の表面位置は前記第２色画素の前記基板の厚さ方向の位置と異なることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の撮像素子において、前記基板に前記光電変換部で蓄積された電荷を浮遊拡散領域に転送する転送スイッチが形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像素子において、隣接する前記画素間の境界部に段差が形成され、前記段差の高さは０．１μｍ以上で、前記段差のテーパ角は前記基板の表面を基準として０度を超え且つ９０度以下であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の撮像素子において、前記基板の段差の高さをＤ、隣接する前記画素間のピッチをＰとしたとき、Ｄ/Ｐ＝０．０５以上であることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項２又は３記載の撮像素子において、前記第１色画素、前記第２色画素及び前記第３色画素の前方にそれぞれマイクロレンズが配置され、前記各画素に対向する前記マイクロレンズの厚さは同じであることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項２又は３記載の撮像素子において、前記第１色画素、前記第２色画素及び前記第３色画素はそれぞれマイクロレンズを有し、前記第１色画素及び前記第３色画素に対向する前記マイクロレンズの厚さは同じであり、前記第２色画素に対向するマイクロレンズの厚さは前記第１色画素及び前記第３色画素のマイクロレンズの厚さと異なることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項２又は３記載の撮像素子において、前記第１色画素、前記第２色画素及び前記第３色画素はそれぞれマイクロレンズを有し、前記各画素に対向する前記マイクロレンズの厚さはそれぞれ異なることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項７〜９のいずれか１項記載の撮像素子において、前記各画素に対向する前記マイクロレンズの形状はそれぞれ異なることを特徴とする。

この発明によれば微細な画素ピッチであってもリーク電流や暗電流をなくすことができる。

図１（ａ）はこの発明の第１実施形態に係る撮像素子の画素の一部の表面を示す概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面を示す概念図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面を示す概念図である。図２（ａ）、（ｂ）はこの発明の第２実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図である。図３はこの発明の第３実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図である。図４はこの発明の第４実施形態に係る撮像素子の画素の断面を示す概念図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）はこの発明の第１実施形態に係る撮像素子の画素の一部の表面を示す概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面を示す概念図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｃ−ｃ線に沿う断面を示す概念図である。

撮像素子は、シリコン基板（基板）１０に配置された光電変換部である複数のフォトダイオードＰＤと、複数のフォトダイオ−ドＰＤにそれぞれ対向配置されたカラーフィルタＣＦとを備えている。

シリコン基板１０は例えばｎ型基板上にｐ型半導体層を設けたものであり、フォトダイオードＰＤはシリコン基板１０に埋め込まれている。

カラーフィルタＣＦは赤色カラーフィルタＲＣＦ、緑色カラーフィルタＧＣＦ及び青色カラーフィルタＢＣＦである。カラーフィルタＣＦは赤色カラーフィルタＲＣＦ、緑色カラーフィルタＧＣＦ及び青色カラーフィルタＢＣＦをＢａｙｅｒ配列してなる（図１（ａ）参照）。

フォトダイオ−ドＰＤと赤色カラーフィルタＲＣＦとで赤色画素(第１色画素)が構成され、フォトダイオ−ドＰＤと緑色カラーフィルタＧＣＦとで緑色画素(第２色画素)が構成され、フォトダイオ−ドＰＤと青色カラーフィルタＢＣＦとで青色画素(第３色画素)が構成される。

各画素の前方には画素毎に光を透過・集光するための半球状のマイクロレンズＭＬが配置されている。マイクロレンズＭＬの高さはｈ１である。

シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置は隣接する各色の画素間で異なる。この実施形態では、シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置は青色画素、緑色画素、赤色画素の順番で低くなっている。換言すれば、シリコン基板１０の表面からマイクロレンズＭＬの下面までの距離が青色画素、緑色画素、赤色画素の順番で長くなっている。

この実施形態によれば、シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する各色の画素間で異なり、隣接するフォトダイオ−ドＰＤが３次元的に引き離され、しかもＬＯＣＯＳやＳＴＩによる分離層を形成していないので、微細な画素ピッチであってもＬＯＣＯＳやＳＴＩに起因するリーク電流や暗電流をなくすことができる。なお、マイクロレンズＭＬの高さを画素毎に変えてもよい。高さを変えることで、画素ごとに集光率をコントロールすることができるという効果を奏する。

図２（ａ）、（ｂ）はこの発明の第２実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。なお、カラーフィルタＣＦは図１（ａ）と同様に赤色カラーフィルタＲＣＦ、緑色カラーフィルタＧＣＦ及び青色カラーフィルタＢＣＦをＢａｙｅｒ配列している。

この実施形態では、青色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が第１実施形態と異なる。

赤色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置と青色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置とは同じである。赤色画素及び青色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置と緑色画素のシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置とは異なる。

なお、この実施形態では、緑色画素に対向するマイクロレンズＭＬの高さはｈ１であるが、赤色画素、青色画素にそれぞれ対向するマイクロレンズＭＬの高さはｈ２（ｈ１＞ｈ２）である。

この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

次に、画素構造の詳細を示す図３、４に基づいて第３実施形態及び第４実施形態を説明する。

図３はこの発明の第３実施形態に係る撮像素子の画素の一部の断面を示す概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

シリコン基板１０には、フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷を浮遊拡散領域ＦＤに転送する転送スイッチＴＸが形成されている。転送スイッチＴＸは電荷を電圧に変換する。転送スイッチＴＸはＭＯＳトランジスタで構成され、浮遊拡散領域ＦＤはコンデンサで構成されている。

撮像素子は、各画素に入射した光をフォトダイオードＰＤによって光電変換して信号電荷を生成し、この信号電荷をスイッチＴＸによってＦＤ領域に転送し、このＦＤ領域の電位変動を図示しない増幅トランジスタによって検出し、これを電気信号に変換・増幅することにより、画素毎に信号電荷を信号線から出力する。

シリコン基板１０には隣接する画素間の境界部に段差３０が形成されている。シリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接画素間で異なっているため、隣接するフォトダイオ−ドＰＤへのリーク電流が抑制される（図３参照）。

図４はこの発明の第４実施形態に係る撮像素子の画素の断面を示す概念図であり、第３実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

この実施形態は転送スイッチＴＸのシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で同じである点で第３実施形態と相違する。

この実施形態によれば、第３実施形態と同様の効果を奏するとともに、転送スイッチＴＸのシリコン基板１０の厚さ方向の表面位置が隣接する画素間で同じであるので、画素間の段差３０が深いときにＰｏｌｙＳｉの回折の影響を低減することができる。また、フォトダイオ−ドＰＤと浮遊拡散領域ＦＤとの間にも段差２０を設けたので、横方向へのリーク電流を完全に遮断することができる。

なお、上記第１実施形態〜第４実施形態において、段差の高さ（シリコン基板１０の厚さ方向の寸法）が０．１μｍ以上で、段差のテーパ角（θ）がシリコン基板１０の表面を基準として０度を超え且つ９０度以下であるとき、従来例に比較してリーク電流を低減することができる。

また、隣接画素間の段差の高さをＤ、画素間のピッチをＰとしたとき、隣接画素間の段差の高さＤと画素間のピッチＰとの間には、Ｄ/Ｐ＝０．０５以上であるという関係がある。

また、マイクロレンズＭＬの高さを撮像素子内で同一としてもよい。また、図２に示すように、緑色画素に対向するマイクロレンズＭＬの高さｈ１と、赤色画素、青色画素にそれぞれ対向するマイクロレンズＭＬの高さｈ２とを異ならせてもよい。更に、マイクロレンズＭＬの高さを画素毎に異ならせてもよい。また、マイクロレンズＭＬの形状（半球状、かまぼこ型等）を画素毎に異ならせてもよい。

１０：シリコン基板（基板）、ＣＦ：カラーフィルタ、Ｄ：シリコン基板の段差の高さ、ＦＤ：浮遊拡散領域、ＭＬ：マイクロレンズ、Ｐ：画素間のピッチ、ＰＤ：フォトダイオード（光電変換部）、ＴＸ：転送スイッチ。

Claims

光電変換部及びカラーフィルタを含む複数の画素が基板に配置された撮像素子において、
前記基板の厚さ方向の表面位置が隣接する前記画素間で異なることを特徴とする撮像素子。
前記画素は、第１色画素、第２色画素及び第３色画素であり、前記基板の厚さ方向の表面位置は前記各色の画素間で異なることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
前記第１色画素の前記基板の厚さ方向の表面位置は前記第３色画素の前記基板の厚さ方向の表面位置と同じであり、前記第１色画素及び前記第３色画素の前記基板の厚さ方向の表面位置は前記第２色画素の前記基板の厚さ方向の位置と異なることを特徴とする請求項２記載の撮像素子。
前記基板に前記光電変換部で蓄積された電荷を浮遊拡散領域に転送する転送スイッチが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の撮像素子。
隣接する前記画素間の境界部に段差が形成され、前記段差の高さは０．１μｍ以上で、前記段差のテーパ角は前記基板の表面を基準として０度を超え且つ９０度以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の撮像素子。
前記基板の段差の高さをＤ、隣接する前記画素間のピッチをＰとしたとき、
Ｄ/Ｐ＝０．０５以上であることを特徴とする請求項５記載の撮像素子。
前記第１色画素、前記第２色画素及び前記第３色画素の前方にそれぞれマイクロレンズが配置され、前記各画素に対向する前記マイクロレンズの厚さは同じであることを特徴とする請求項２又は３記載の撮像素子。
前記第１色画素、前記第２色画素及び前記第３色画素はそれぞれマイクロレンズを有し、前記第１色画素及び前記第３色画素に対向する前記マイクロレンズの厚さは同じであり、前記第２色画素に対向するマイクロレンズの厚さは前記第１色画素及び前記第３色画素のマイクロレンズの厚さと異なることを特徴とする請求項２又は３記載の撮像素子。
前記第１色画素、前記第２色画素及び前記第３色画素はそれぞれマイクロレンズを有し、前記各画素に対向する前記マイクロレンズの厚さはそれぞれ異なることを特徴とする請求項２又は３記載の撮像素子。
前記各画素に対向する前記マイクロレンズの形状はそれぞれ異なることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項記載の撮像素子。