JP2014063865A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】波長毎の感度特性のばらつきを低減することができ、感度の向上を図ることが可能となる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】複数の画素を備え、前記複数の画素は異なる波長に対応する画素で構成され、
前記複数の画素における各々の画素は、光の入射側から、カラーフィルタ、光電変換特性を示す半導体基板、配線層、を有している固体撮像素子であって、
前記半導体基板の厚みが、前記異なる波長に対応する画素における長波長側に対応する画素よりも、短波長側に対応する画素の方が薄い厚みに構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどに用いられる固体撮像素子における、中でも複数の波長に対応する画素を有する固体撮像素子に関するものである。

デジタルスチルカメラなどで用いられている固体撮像素子は、画素数が増加する傾向にあり、１画素の大きさは小さくなっている。

それに伴い、画素面積に対して配線層が占める面積の割合が増大しており、配線層による遮光の影響で受光感度が低下している。
従来、これらに対処する手段として、特許文献１に示すような、裏面照射型の固体撮像素子が提案されている。
裏面照射型の固体撮像装置では、配線層を光の入射面と反対側に形成できるため、原理的に配線層によって光が遮られることがない。

以下に、従来の裏面照射型の固体撮像素子を、図２２を用いて説明する。
図２２は、画素ユニット２００の概略断面図である。
固体撮像素子は、画素ユニット２００で構成されている。
画素ユニット２００は、光の入射側から、所望の波長の光のみを透過するカラーフィルタ２０１、シリコン基板２０２、配線層２０３からなる。
シリコン基板２０２は、ｎ型領域２０４、ｎ型領域２０４に囲まれたｐ型領域２０５、ｎ型領域の周囲に配置され、隣接画素へのキャリア拡散を防ぐｐ型障壁２０６を有する。
カラーフィルタ２０１側をシリコン基板２０２の裏面側と呼び、配線２０３側をシリコン基板の表面側と呼ぶ。
ｎ型領域２０４は、シリコン基板の表面側からドナーイオンを注入することによって作製されている。
同様に、ｐ型領域２０５、ｐ型障壁２０６は、シリコン基板の表面側からアクセプタイオンを注入することによって作製されている。

入射された光は、シリコン基板２０２によって吸収され、光電子が生成される。生成された光電子は、ｎ型領域２０４によって形成されるポテンシャル勾配によって、２０４と２０５のｐｎ接合近傍の空乏層２０７に捉えられる。
空乏層２０７に捉えられた電荷は、配線層２０３中に形成された回路によって電圧信号として読み出される。
しかし、ｎ型領域２０４はシリコン基板２０２の表面からのイオン注入で作製されているため、裏面付近ではポテンシャル勾配が殆ど無く、裏面付近で発生した光電子を十分に空乏層に導くことが困難であった。
このため、ｎ型領域２０４が裏面付近まで達するようにシリコン基板２０２を薄膜化することで、ポテンシャル勾配を裏面付近まで形成し、裏面付近で発生した光電子を空乏層に導いている。

特開２００３−０３１７８５号公報

しかし、上記従来例のようなシリコン基板を薄膜化することによって感度を上げる手法を、複数の波長に対応する画素をもつ固体撮像素子に適用する場合、以下のような課題が生じる。
シリコン基板の吸収係数が短波長の光の方が長波長の光より大きいために、短波長の光に対応する画素においては、光電子は殆どが裏面近傍で発生する。
従って、短波長の光に対しての感度を上げるためには、裏面付近までポテンシャル勾配を作りこむ必要があり、画素をポテンシャル勾配が形成されているｎ型領域近傍まで薄くする必要がある。
しかし、シリコン基板２０２を薄膜化すると長波長の光が十分に吸収されず、感度が落ちてしまう。
一方、シリコン基板２０２の厚みを、長波長の光に対しての感度が保てる程度厚くした場合、裏面付近でのポテンシャル勾配が弱いために、短波長の光に対して光電子を十分に空乏層に導くことが出来ず、感度が落ちてしまう。
このように、従来例のような手法を複数の波長に対応する画素をもつ固体撮像素子に適用すると、波長毎の感度特性にばらつきが生じていた。

本発明は、上記課題に鑑み、波長毎の感度特性のばらつきを低減することができ、感度の向上を図ることが可能となる固体撮像素子の提供を目的とする。

本発明の固体撮像素子は、複数の画素を備え、前記複数の画素は異なる波長に対応する画素で構成され、
前記複数の画素における各々の画素は、光の入射側から、カラーフィルタ、光電変換特性を示す半導体基板、配線層、を有している固体撮像素子であって、
前記半導体基板の厚みが、前記異なる波長に対応する画素における長波長側に対応する画素よりも、短波長側に対応する画素の方が薄い厚みに構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、波長毎の感度特性のばらつきを低減することができ、感度の向上を図ることが可能となる固体撮像素子を実現することができる。

本発明の実施例１における固体撮像素子の構成例を説明する図。 本発明の実施例１の固体撮像素子における入射光が電気信号に変換される仕組みを説明する図。 本発明の実施例１の固体撮像素子におけるシリコンの吸収係数の波長依存性を表す図。 従来例における固体撮像素子の構成を説明する図。 従来例における固体撮像素子の構成を説明する図。 本発明の実施例１の固体撮像素子における混色防止の構成例につい説明する図。 本発明の実施例１における固体撮像素子の製造方法について説明する図。 本発明の実施例１における固体撮像素子の別形態を説明する図。 本発明の実施例２における固体撮像素子の構成例を説明する図。 本発明の実施例２における固体撮像素子の製造方法について説明する図。 本発明の実施例２の固体撮像素子における位置をずらしたことの利点を説明する図。 本発明の実施例２における固体撮像素子の別形態を説明する図。 本発明の実施例２の固体撮像素子における混色防止の構成例につい説明する図。 本発明の実施例２における固体撮像素子の別形態を説明する図。 本発明の実施例３における固体撮像素子の構成例を説明する図。 本発明の実施例３の固体撮像素子における側面に電極を付けた利点を説明する図。 本発明の実施例３における固体撮像素子の別形態を説明する図。 本発明の実施例４における固体撮像素子の構成例を説明する図。 本発明の実施例４で用いる屈折率分布型レンズを説明した図。 本発明の実施例５における固体撮像素子の構成例を説明する図。 本発明の実施例５の固体撮像素子におけるシリコンの屈折率の波長依存性を表す図。 従来例における固体撮像素子の構成を説明する図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した固体撮像素子の構成例を、図１を用いて説明する。
図１は、画素ユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの概略断面図である。
固体撮像素子には画素ユニット１００がマトリックス状に複数配列されている。画素ユニットは、赤に対応する画素ユニット１００Ａ、緑に対応する画素ユニット１００Ｂ、青に対応する画素ユニット１００Ｃの３種類からなる。
なお、図のように各画素に共通する要素には同一の数字を付け、赤に対応するものにはＡ、緑に対応するものにはＢ、青に対応するものにはＣを付けて区別する。
画素ユニット１００は、光の入射側（−ｚ側）から、所望の波長の光のみを透過するカラーフィルタ１０１（１０１Ａは赤の光、１０１Ｂは緑の光、１０１Ｃは青の光のみを透過）、シリコン基板（光電変換特性を示す半導体基板）１０２、配線層１０３を備える。
シリコン基板１０２は、ｎ型領域１０４、ｎ型領域１０４に囲まれたｐ型領域１０５、ｎ型領域の周囲に配置され、隣接画素へのキャリア拡散を防ぐｐ型障壁１０６を有する。
シリコン基板中（半導体基板中）におけるｎ型領域１０４とｐ型領域１０５のｐｎ接合界面に形成される空乏層（電荷蓄積部）１０７が、信号電荷を蓄積する役割を果たす。
カラーフィルタ１０１側（−ｚ側）をシリコン基板１０２の裏面側と呼び、配線層１０３側（＋ｚ側）をシリコン基板１０２の表面側と呼ぶ。

ｎ型領域１０４は、シリコン基板の表面側から２μｍの深さまで、裏面から表面に向かってドープ濃度が高くなるようにドナーイオンを注入することによって形成されている。
ドープ濃度に勾配を付けることでポテンシャル勾配が形成され、光電子を空乏層１０７に導くことが出来る。
同様に、ｐ型領域１０５、ｐ型障壁１０６は、シリコン基板の表面側からアクセプタイオンを注入することによって形成されている。
ドナーイオンもアクセプタイオンもドープされていない裏面付近の領域を、ｉ型領域１０８と呼ぶ。
また、図１において、１０２Ａの厚みは５μｍ、１０２Ｂの厚みは３μｍ、１０２Ｃの厚みは２μｍである。
即ち、最も長波長側の赤の画素におけるシリコン基板が最も厚く、最も短波長側の青の画素におけるシリコン基板が最も薄く、中間の波長である緑の画素におけるシリコン基板の厚みは赤と青の中間の値を取っている。
このようにシリコン基板の膜厚の大小関係を設定することで、感度が高く、かつ、赤、緑、青の全ての波長に対して、感度のばらつきが少ない固体撮像素子を得ることが出来る。

以下に、その原理について説明を行う。
まず、感度特性を決める要因について説明する。カラーフィルタ１０１を通って入射された光は、シリコン基板１０２によって吸収され、光電子１１が生成される。生成された光電子１１は、ｎ型領域１０４によって形成されるポテンシャル勾配によって、空乏層１０７に捉えられる（図２）。
空乏層１０７に捉えられた電荷は、配線層１０３中に形成された回路によって電圧信号として読み出される。
従って、各波長に対応する感度は、シリコン基板１０２内での光の吸収効率η_{ａｂｓｏｒｂ}と、生成された光電子１１が空乏層１０７に捉えられるトラップ効率η_ｔｒａｐの積、即ちη_{ａｂｓｏｒｂ}×η_ｔｒａｐに比例する。

まず、η_{ａｂｓｏｒｂ}について説明を行う。各波長に対するシリコンの吸収係数を図３に示す。
図３より、１０２Ａ（赤）の厚み５μｍ、１０２Ｂ（緑）の厚み３μｍ、１０２Ｃ（青）の厚み２μｍに対して各々の光の吸収効率はη_{ａｂｓｏｒｂ＿Ａ}＝
８４％、η_{ａｂｓｏｒｂ＿Ｂ}＝９５％、η_{ａｂｓｏｒｂ＿Ｃ}＞９９％である。
従って、赤、緑、青の全ての波長に対応する画素において、η_{ａｂｓｏｒｂ}が８０％以上という条件を満たす。
一方、η_ｔｒａｐを決める条件について説明を行う。
図２に示したように、シリコン基板１０２で発生した光電子のうち、ｎ型領域１０４で発生したものはポテンシャル勾配によって空乏層に捉えられる。
しかし、ｉ型領域１０８にはポテンシャル勾配が形成されていないため、ｉ型領域１０８で発生した光電子の一部が拡散してη_ｔｒａｐ低下の原因となる。
図１に示す実施例１の構成においては、ｉ型領域１０８Ａの厚みは３μｍ、ｉ型領域１０８Ｂの厚みは１μｍであり、ｉ型領域１０８Ｃはほぼ存在しない。
つまり、青の画素では、シリコン基板１０２Ｃの裏面側までポテンシャル勾配が形成されていることになり、青の光に対するη_{ｔｒａｐ＿Ｃ}の低下を防ぐことが出来る。
一方、赤の画素において、ｉ型領域１０８Ａの厚みは３μｍと厚いが、図３より赤の波長に対するシリコン基板の吸収係数は小さいため、ｉ型領域１０８Ａで発生する光電子の量は少ない。従って、赤、緑、青の全ての波長に対応する画素において、η_ｔｒａｐの低下を防ぐことが出来る。

以上のように、吸収効率の小さい赤の画素では、ｉ型領域１０８Ａでの光の吸収は小さいため、η_{ｔｒａｐ＿Ａ}はシリコン基板１０２Ａを厚くしてもそれほど低下しないが、シリコン基板１０２Ａを薄くした際のη_{ａｂｓｏｒｂ＿Ａ}の低下は大きい。
一方、吸収効率の大きい青の画素では、シリコン基板１０２Ｃを薄くしても十分な光が吸収されるためη_{ａｂｓｏｒｂ＿Ｃ}の低下は小さいが、シリコン基板１０２Ｃを厚くした際のη_{ｔｒａｐ＿Ｃ}の低下は大きい。
従って、波長が短い光に対応する画素ほどシリコン基板の厚みを薄くすることで、全ての波長に対して感度のばらつきを抑えることが出来る。

これに対して、従来用いられてきた、波長によらず画素の厚みを等しくする構成では、全ての波長の光に対して感度のばらつきを抑えることが困難である。
以下に、上記従来例の構成では感度のばらつきを抑えることが困難となることについて説明する。
図３より、赤の光に対してη_{ａｂｓｏｒｂ}＞８０％を満たすためには、シリコン基板の膜厚が４．６μｍ以上必要であることがわかる。
即ち、赤、緑、青の全ての光に対してη_{ａｂｓｏｒｂ}＞８０％を満たすためには、シリコン基板１０２の膜厚が４．６μｍ以上必要である。
赤、緑、青の全ての光に対してη_{ａｂｓｏｒｂ}＞８０％という要請から、従来例のようにシリコン基板１０２の膜厚を４．６μｍ以上にしたとする（図４）。
このとき、シリコン基板１０２にイオンを打ち込むことが作製上容易な深さは２μｍ程度までであるという要請から、ｎ型領域１０４は表面からの距離が２μｍ以内である。即ち、ｉ型領域１０８の厚みが少なくとも２．６μｍある。しかしながら図３より、青の光は厚み２．６μｍの領域で、９９％以上の光が吸収されてしまう。
前述したように、ｉ型領域で発生した光電子の一部は拡散してしまい、十分に空乏層１０７に捉えることができない。従って、シリコン基板１０２の厚みを４．６μｍ以上にした場合、青の光に対するη_ｔｒａｐが低下してしまう。
一方で、ｉ型領域での光電子の発生を抑えて青の光に対するη_ｔｒａｐを保つため、従来例のようにシリコン基板１０２の厚みを２μｍ以下にしたとする（図５）。
しかし、図３より２μｍ以下のシリコン基板では、赤の光は５１％以下しか吸収されない。即ち、赤の光に対するη_{ａｂｓｏｒｂ}が５１％以下まで低下してしまう。
以上のように、シリコン基板１０２の厚みを厚くすると赤の光に対する感度は保たれるが、青の光に対する感度が低下してしまう。逆に、シリコン基板１０２の厚みを薄くすると青の光に対する感度は保たれるが、赤の光に対する感度が低下してしまう。即ち、赤の光に対する感度と青の光に対する感度はトレードオフの関係にあり、従来の構成では全ての波長の光に対して感度のばらつきを抑えることが困難である。

なお、各画素のシリコン基板１０２の厚みは、以上の本実施例で説明した値である必要はなく、波長が短い光に対応する画素ほどシリコン基板の厚みが薄いという関係を満たしていれば良い。
但し、以下の条件を満たしていると各波長に対する感度が向上するため好ましい。
まず、赤の画素におけるシリコン基板１０２Ａの厚みについては３．４μｍ以上であれば、η_{ａｂｓｏｒｂ＿Ａ}＞７０％を満たすため、好ましい。４．６μｍ以上であればη_{ａｂｓｏｒｂ＿Ａ}＞８０％を満たすため、更に好ましい。
次に、緑の画素におけるシリコン基板１０２Ｂの厚みについては１．６μｍ以上であればη_{ａｂｓｏｒｂ＿Ｂ}＞８０％を満たすため、好ましい。更に、４μｍ以内であればη_{ｔｒａｐ＿Ｂ}の低下を防げるため好ましい。
最後に、青の画素におけるシリコン基板１０２Ｃの厚みについてはη_{ｔｒａｐ＿Ｃ}の低下を防ぐため３μｍ以下であることが好ましい。２μｍ以下であればシリコン基板全域にポテンシャル勾配を形成できるため更に好ましい。

本実施例の固体撮像素子ではシリコン基板１０２の厚みが画素間（赤と緑、緑と青）で不連続に変化している。
異なる波長に対応する画素が隣接している場合に、シリコン基板の厚みが画素間で不連続に変化していると、混色が防げるという更なる利点がある。
前述したように、ｉ型領域１０８で発生する光電子は、一部が空乏層１０７に捉えられずに拡散する。拡散した光電子は、隣接画素に入って混色などの原因となる。
特に、シリコン基板１０２の厚い画素では、ｉ型領域１０８の厚みが厚いため多くの光電子が拡散する。ここで、隣接画素間でシリコン基板１０２の厚みが不連続に変化していることにより、相対的にシリコン基板１０２の厚い画素から、相対的にシリコン基板１０２の薄い画素への光電子の拡散を抑制することが出来る（図６）。
図６では例として、１００Ｂから１００Ｃへの拡散が抑制できることが示されているが、他の場合も同様である。
以上のように、異なる波長に対応する画素が隣接している時、画素間でシリコン基板の厚みが不連続に変化していると、混色が防げるという利点がある。
なお、以上の説明では、隣接する一組の３つの画素で構成された例について説明したが、このような構成に限定されるものではない。
複数の画素が隣接する一組の少なくとも２つの画素で構成され、半導体基板の厚みが、長波長側に対応する画素から短波長側に対応する画素に向かって不連続に減少するという関係を満たしていればよい。

つぎに、本実施例における固体撮像素子の製造方法を、図７を用いて説明する。
まず、シリコン基板１０２の所定の位置に表面側からアクセプタイオンを打ち込み、ｐ型障壁１０６を作製する。次に、ドナーイオンを打ち込んでｎ型領域１０４を作製し、さらにアクセプタイオンを打ち込んでｐ型領域１０５を作製する（図７（ａ））。
続いて、半導体基板の表面側にリソグラフィーによって配線層１０３を作製する。次に、シリコン基板１０２を裏面から研磨することで、５μｍの厚みまで薄膜化する（図７（ｂ））。
次に、リソグラフィーによって、赤の画素に対応する１０２Ａの裏面側にマスク層１５０Ａを作製し、裏面側からドライエッチングを行う。
この時、マスク層１５０Ａの材料はエッチングガスに対して耐性のあるものを選び、緑の画素に対応する１０２Ｂ、青の画素に対応する１０２Ｃの領域のみがエッチングされるようにする。
このようにして１０２Ｂ、１０２Ｃのみを選択的に３μｍの厚みまで薄膜化する（図７（ｃ））。
続いて、同様に１０２Ｂの裏面側にもマスク層１５０Ｂを作製し、裏面側から再度ドライエッチングを行う。
同様に、１５０Ｂの材料もエッチングガスに対して耐性のあるものを選び、青の画素に対応する１０２Ｃの領域のみがエッチングされるようにする。このようにして１０２Ｃのみを選択的に２μｍの厚みまで薄膜化する（図７（ｄ））。
最後に、マスク層１５０Ａ、１５０Ｂを溶媒などによってリフトオフし、カラーフィルタ１０１を裏面側に作製すれば、本実施例における固体撮像素子を製造することが出来る。マスク層、エッチングガス、リフトオフに用いる溶媒の組み合わせとしては、例えば、有機レジスト、ハロゲンガス、有機溶媒の組み合わせを用いればよい。
なお、研磨を行わず、ドライエッチのみで半導体基板の厚みに差をつけても良い。

本実施例では赤、緑、青の光に対するシリコン基板を用いた固体撮像素子を説明したが、本発明はこの波長に限るものでも、シリコン材料に限るものでもない。
半導体の光吸収はキャリアのバンド間遷移によって生じるので、半導体は高いエネルギーを持つ光ほど良く吸収する特性を示す。
即ち、短波長の光ほど吸収係数が高い。
そのため、長波長に対応する画素の半導体基板の膜厚に対して、短波長側に対応する画素の半導体基板の膜厚を薄くすれば、同様の効果が期待できる。
その際、各画素における膜厚はη_{ａｂｓｏｒｂ}×η_ｔｒａｐが所望の値以上になるように決められることが好ましい。
なお、本実施例では、隣接画素へのキャリア拡散を防ぐためにｐ型障壁１０６を設けたが、ｐ型障壁１０６を設けなくても良い。
ただし、ｐ型障壁１０６が設けてあった方が、隣接画素へのキャリア拡散に起因する混色が防止できるため好ましい。
また、本実施例では省略したが、カラーフィルタ１０１よりも光の入射側にマイクロレンズ１０９が設けられていても良い（図８）。
マイクロレンズ１０９によって、撮像素子に入射した光を光電変換部であるシリコン基板に集光することが出来るため、更に感度が向上する。

［実施例２］
実施例２として、上記実施例１と異なる固体撮像素子の構成例について、図９を用いて説明する。
図９に示す本実施例における固体撮像素子は、実施例１の固体撮像素子に対し、少なくとも一部の隣接する画素において、シリコン基板の厚みが連続的に変化していることが異なる。
さらに、ｐ型領域１０５とｎ型領域１０４によって形成される空乏層（電荷蓄積部）１０７の位置が、画素の面内方向（ｘ方向）において、画素の中心よりも厚みの厚い方向（−ｘ方向）にずれて配置されていることも異なる。
図９に示す本実施例の固体撮像素子では、シリコン基板１０２の厚みが連続的に変化しているため、ドライエッチの工程を簡略化することが可能になる。

つぎに、本実施例における固体撮像素子の製造方法を、図１０を用いて説明する。
シリコン基板に表面側からドープイオンを打ち込んでｐ型障壁１０６、ｎ型領域１０４、ｐ型領域１０５を作製し、配線層１０３を表面側に作製し、裏面から研磨して薄膜化するまでは、図７と同じ工程を取る。
この際、ｎ型領域１０４、ｐ型領域１０５は画素の中心から、−ｘ方向に向かってずれた位置に作製する。
その後、リソグラフィーによって、−ｘ方向に向かって膜厚が連続的に厚くなるレジスト層１５１を作製し、裏面側からドライエッチを行う（図１０（ａ））。この際、レジスト層１５１は、エッチングガスに対して完全な耐性を持つもので無ければ良い。膜厚の薄いレジスト層ほど短い時間でエッチングされるため、レジスト層１５１の膜厚の厚いものほどシリコン基板がエッチングされずに厚く残る（図１０（ｂ））。
最後に、図７と同様にカラーフィルタ１０１を作製すれば、本実施例における固体撮像素子を製造することが出来る。
このようにして、一度のエッチング工程で、長波長に対応する画素の半導体基板の膜厚よりも、短波長側に対応する画素の半導体基板の膜厚が薄い固体撮像素子を製造することが可能となる。

本実施例では、赤の画素１００Ａから緑の画素１００Ｂに向かって連続的にシリコン基板１０２の厚みが薄くなる場合を示したが、長波長側の画素から短波長側の画素に向かってシリコン基板の膜厚が減少していれば良い。
裏面側から画素の表面に垂直に入射した光は、シリコン基板１０２の裏面の法線方向が光入射方向と異なるため、図１１（ａ）のようにシリコン基板１０２の膜厚の厚い方向（−ｘ方向）に曲がってしまう。
本実施例では、ｐ型領域１０５とｎ型領域１０４の界面に形成される空乏層１０７も、膜厚の厚い方向（−ｘ方向）にずれて形成されているため、斜めに曲げられた光に対して感度を保つことが出来る。
また、図１１（ｂ）のようにｎ型領域１０４のドープ濃度が画素平面内方向に分布を持っていると更に好ましい。
具体的には、＋ｘ方向から−ｘ方向に向かって、ドープ濃度を増大するように形成すればよい。ドープ濃度勾配によって、−ｘ方向に光電子を導くポテシャル勾配が形成され、空乏層１０７に効率的に光電子をトラップすることが出来るからである。

なお、撮像素子の中心側の画素（固体撮像素子の中央に近い画素）が相対的に長波長、撮像素子の周辺側の画素（固体撮像素子の中央から遠い画素）が相対的に短波長の画素である複数の画素間において、
半導体基板の厚みが連続的に変化する構成とし、逆の場合には不連続に変化する構成とすると、更に好ましい（図１２）。
即ち、撮像素子の中心側から周辺側に向かってシリコン基板１０２の厚みが減少するような斜面をもつ構造とするのが好ましい。以下に理由を述べる。
撮像素子に入射する光は一般に完全な平行光ではなく、周辺画素においては中心側から斜めに傾いた光が入射する。
画素表面に対して裏面が平行であれば、斜めに傾いて入射した光は、屈折して一部が周辺側の画素にもれてしまう（図１３（ａ））。
しかし、図１３（ｂ）のように半導体基板裏面が傾いていれば、入射した光は図１３（ａ）よりも中心側に曲がってシリコン内を伝播し、周辺画素への光の漏れが防げる。
従って、撮像素子の中心側から周辺側に向かって半導体基板の厚みが減少するような斜面をもつ構造とすることにより、隣接画素へ光が漏れることが防止でき、混色が抑制できる。
また、図１４のように、隣接する３つの画素において、中央の画素が最も長波長側に対応する画素である場合、中央の画素から両側の画素に向かって厚みが減少していても良い。図１４に示す固体撮像素子の場合、中央の画素において入射光が画素中央部分に集光し、受光感度が上昇するという利点がある。

［実施例３］
実施例３として、上記各実施例と異なる固体撮像素子の構成例について、図１５を用いて説明する。
図１５に示す本実施例における固体撮像素子は、実施例１の固体撮像素子に対し、シリコン基板１０２とカラーフィルタ１０１の間に、酸化膜１１０と透明電極（電場生成手段）１１１が配置されていることが異なる。
酸化膜１１０と透明電極１１１は、隣接する画素よりもシリコン基板１０２の膜厚が厚い画素に対して、裏面側だけでなく隣接画素側に対しても配置されている。
図１５に示す固体撮像素子は、酸化膜１１０と透明電極１１１によってｉ型領域１０８にもポテンシャル勾配が形成されている。そのため、半導体基板の不純物ドープ濃度を画素の平面方向に変化させることによって、光電変換された電荷を前記画素の平面内方向に誘導し、ｉ型領域で発生した光電子を効率良く空乏層１０７に導くことが出来る。

ｉ型領域にポテンシャル勾配を与える方法について説明する。
裏面に設けられたＩＴＯなどの透明電極１１１に対し、ｐ型障壁１０６よりもマイナスの電圧を加えればよい。
これによって、光電子１１が透明電極からｐ型障壁に対してドリフトする方向の電場が発生するため、光電子１１を効率よく空乏層１０７に導くことが出来る（図１６（ａ））。
ここで、透明電極１１１を側面にまで設けていれば、図１６（ｂ）に示すように、空乏層部分に向かって画素の面内方向（ｘ方向）に電場を発生させることができ、更に効率よく光電子を導くことが可能となる。
一方、従来の構成においては、シリコン基板の膜厚が均一だったため、画素の面内方向にポテンシャル勾配を発生させることは困難であった。
即ち、本実施例の構成においては、従来の構成において透明電極を配置した場合よりも、更にトラップ効率を上げることが出来る。

なお、酸化膜１１０はＳｉＯ₂などで形成されるが、必ずしも設けなくとも良い。
ただし、透明電極１１１からシリコン基板１０２に電子が注入するのを防止できるために設けた方が好ましい。
また、図１５では、隣接画素間でシリコン基板１０２の膜厚が不連続に変化する場合を示したが、シリコン基板１０２の膜厚が連続的に変化する場合についても同様である。
即ち、図１７のように、傾いた裏面に酸化膜１１０と透明電極１１１を配置することで、画素の面内方向（ｘ方向）にポテンシャル勾配を与えることが可能である。

［実施例４］
実施例４として、上記各実施例と異なる固体撮像素子の構成例について、図１８を用いて説明する。
図１８に示す本実施例における固体撮像素子は、実施例１に対してカラーフィルタ１０１の裏面側に画素の平面内方向において該画素の中心から画素の周辺に向かって屈折率が低くなっている屈折率分布型レンズ（集光部）１１２が配置されている点が異なる。
そして、１０２Ａの厚みと１１２Ａの厚みの合計と、１０２Ｂの厚みと１１２Ｂの厚みの合計と、１０２Ｃの厚みと１１２Ｃの厚みの合計が互いに等しい。
なお、ここで「等しい」とは、完全に厚みが等しい場合だけでなく、製造誤差の範囲内で等しい場合を含む。
図１８に示す固体撮像素子は、波長毎感度特性のばらつき低減に加え、屈折率分布型レンズによる集光効率の向上と、画素の平坦化の両立が可能となっている。屈折率分布型レンズとは、図１９に示すように、位相差を媒質の粗密に伴った屈折率変化で与えるレンズであり、開口が円形でない固体撮像素子において開口率を上げる目的で提案されている技術である。屈折率分布型レンズが与えることの出来る位相差は、屈折率分布型レンズの膜厚が厚いほど大きい。
従って、屈折率分布型レンズの膜厚が厚いほどレンズの焦点距離を短くすることが可能である。

図１８に示す固体撮像素子では、青の光に対応する半導体基板１０２Ｃは、赤の光に対応する半導体基板１０２Ａよりも薄い。
レンズによる集光効率を上げるためには、シリコン基板の中央付近に集光することが望ましいので、屈折率分布型レンズ１１２Ｃの焦点距離は、屈折率分布型レンズ１１２Ａの焦点距離よりも短いことが望ましい。
前述したように、屈折率分布型レンズの焦点距離は屈折率分布型レンズの膜厚によって決まるので、１１２Ａより１１２Ｂを厚くし、更に１１２Ｂより１１２Ｃを厚くすれば、赤、緑、青の全ての光について、屈折率分布型レンズによる集光効率を上げることが可能となる。

ここで、１０２Ａより１０２Ｂが薄く、更に１０２Ｂより１０２Ｃが薄いことに注目する。すると、屈折率分布型レンズ１１２の膜厚を適切に選ぶことで、１０２Ａの厚みと１１２Ａの厚みの合計と、１０２Ｂの厚みと１１２Ｂの厚みの合計と、１０２Ｃの厚みと１１２Ｃの厚みの合計を互いに等しくすることができる。
赤、緑、青の画素の厚みが等しいため、画素間の段差部分で発生する散乱光の発生などを防ぐことが可能となる。この条件は、シリコン基板の膜厚が均一という従来の構成では満たせなかった条件である。
以上より、本実施例における固体撮像素子では、波長毎感度特性のばらつき低減に加え、屈折率分布型レンズによる集光効率の向上と、画素の平坦化の両立が可能である。
なお、図１８では屈折率分布型レンズ１１２をカラーフィルタ１０１の裏面側に設けたが、カラーフィルタ１０１と半導体基板１０２の間に設けても良い。

［実施例５］
実施例５として、上記各実施例と異なる固体撮像素子の構成例について、図２０を用いて説明する。
図２０に示す本実施例における固体撮像素子は、実施例１の固体撮像素子に対し、カラーフィルタ１０１とシリコン基板１０２の間に多層膜からなる反射防止膜１１３が配置されている点が異なる。
そして、１０２Ａの厚みと１１３Ａの厚みの合計と、１０２Ｂの厚みと１１３Ｂの厚みの合計と、１０２Ｃの厚みと１１３Ｃの厚みの合計が互いに等しい。
なお、ここで「等しい」とは、完全に厚みが等しい場合だけでなく、製造誤差の範囲内で等しい場合を含む。図２０に示す固体撮像素子は、波長毎感度特性のばらつき低減に加え、反射防止膜による反射防止効果の向上と、画素の平坦化の両立が可能となっている。

図２１に、シリコンの屈折率の波長依存性を示す。
図２１より、短波長の光に対する屈折率の方が、長波長の光に対する屈折率よりも大きい。カラーフィルタ１０１の屈折率は、透過波長によらずほぼ１．５程度であるため、カラーフィルタ１０１Ｃと半導体基板１０２Ｃ間の反射率の方が、カラーフィルタ１０１Ａと半導体基板１０１Ａ間の反射率よりも高い。
異なる屈折率の媒質間での反射を防止する技術として多層膜による反射防止技術がある。一般に、多層膜による反射防止効果は、膜の層数が多いほど高い。
従って、多層膜によって十分な反射防止効果を得ようとした場合、反射率のより大きい画素において、多層膜の層数を増やす必要がある。
即ち、１１３Ａの層数より１１３Ｂの層数を多く、更に１１３Ｂより１１３Ｃの層数を多くする必要がある。

ここで、１０２Ａより１０２Ｂが薄く、更に１０２Ｂより１０２Ｃが薄いことに注目する。すると、多層膜の層数を適切に選ぶことで、１０２Ａの厚みと１１３Ａの厚みの合計と、１０２Ｂの厚みと１１３Ｂの厚みの合計と、１０２Ｃの厚みと１１３Ｃの厚みの合計を互いに等しくすることができる。
赤、緑、青の画素の厚みが等しいため、画素間の段差部分で発生する散乱光の発生などを防ぐことが可能となる。この条件は、シリコン基板の膜厚が均一という従来の構成では満たせなかった条件である。
以上より、本実施例における固体撮像素子では、波長毎感度特性のばらつき低減に加え、反射防止膜による反射防止効果の向上と、画素の平坦化の両立が可能である。

１００：画素ユニット
１０１：カラーフィルタ
１０２：シリコン基板
１０３：配線層
１０４：ｎ型領域
１０５：ｐ型領域
１０６：ｐ型障壁
１０７：空乏層
１０８：ｉ型領域

Claims (11)

1. 複数の画素を備え、前記複数の画素は異なる波長に対応する画素で構成され、
   前記複数の画素における各々の画素は、光の入射側から、カラーフィルタ、光電変換特性を示す半導体基板、配線層、を有している固体撮像素子であって、
   前記半導体基板の厚みが、前記異なる波長に対応する画素における長波長側に対応する画素よりも、短波長側に対応する画素の方が薄い厚みに構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記異なる波長に対応する画素が、隣接する一組の少なくとも２つの画素で構成され、
   前記半導体基板の厚みが、前記長波長側に対応する画素から前記短波長側に対応する画素に向かって不連続に減少していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記異なる波長に対応する画素が、隣接する一組の少なくとも２つの画素で構成され、
   前記半導体基板の厚みが、前記長波長側に対応する画素から前記短波長側に対応する画素に向かって連続的に減少していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記２つの画素において、前記固体撮像素子の中央に近い画素が長波長側に対応する画素であり、前記固体撮像素子の中央から遠い画素が短波長側に対応する画素であって、
   前記半導体基板の厚みが、前記固体撮像素子の中央に近い画素から遠い画素に向かって連続的に減少していることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記２つの画素において、光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部が前記半導体基板中に形成され、
   前記電荷蓄積部が、前記画素の平面内方向における該画素の中央よりも、前記半導体基板の厚みの厚い方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
6. 前記異なる波長に対応する画素が、隣接する一組の少なくとも３つの画素で構成され、
   前記３つの画素における中央の画素が最も長波長側に対応する画素であって、前記中央の画素の厚みが、該中央の画素の中央部から両側の画素に向かって連続的に減少していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記半導体基板に、電場生成手段を備え、
   前記電場生成手段によって、前記画素の平面内方向に電場を発生させ、光電変換された電荷を前記画素の平面内方向に誘導することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記電場生成手段は、前記半導体基板の不純物ドープ濃度を前記画素の平面方向に変化させることによって、光電変換された電荷を前記画素の平面内方向に誘導する電場生成手段によって構成されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記電場生成手段は、前記半導体基板の光の入射側であって、前記画素の平面に平行でない面に配置された透明電極によって構成されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
10. 前記半導体基板における光の入射側に、前記画素の平面内方向において該画素の中心から画素の周辺に向かって屈折率が低くなっている集光部が設けてあり、
    前記半導体基板の厚みと前記集光部の厚みの合計が、前記画素における対応する波長によらず画素間において等しいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
11. 前記半導体基板と前記カラーフィルタの間に反射防止膜を備え、
    前記半導体基板の厚みと該反射防止膜の厚みの合計が、前記画素における対応する波長によらず画素間において等しいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

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