JP4743842B2

JP4743842B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4743842B2
Application number: JP2005073954A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006261249A

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いられる固体撮像素子の受光効率を向上させる技術に関するものである。

近年デジタルスチルカメラは低価格になってきているが、その一因は固体撮像素子のチップサイズが小さくなってきていることにある。固体撮像素子のチップサイズが小さくなることによって、撮影光学系を含めた撮像ユニットが小さくなるが、更なる小型化のために撮影光学系自体の小型化も図られてきている。撮影光学系を小型化するためには、撮影光学系の射出瞳を固体撮像素子に近づける必要があり、その結果デジタルスチルカメラ等に用いる固体撮像素子の画面周辺に入射する光の角度が大きくなってくる。固体撮像素子に入射する光の角度が大きくなると隣接する画素に光が漏れ込んでしまうため、特許文献１に開示されている固体撮像素子ではオンチップレンズと光電変換部との間に遮光膜を設けて隣接する画素への光の漏れ込みを防止している。

さらに特許文献１に開示されている固体撮像素子において、固体撮像素子の画面周辺に位置する画素では、遮光膜の開口を光電変換部に対して撮影光学系の光軸方向に偏心させることにより、固体撮像素子に入射する光の角度が大きくなっても効率よく光を集光できるようにしている。

また、固体撮像素子のチップサイズを小さくするために、固体撮像素子を構成する１画素の大きさが小さくなってきているが、その結果光電変換部の開口率も小さくなってきている。光電変換部の開口率が小さくなると受光感度が低下してしまうため、特許文献２では光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け集光特性を高めた固体撮像素子を開示している。特許文献２に開示されている固体撮像素子はＣＭＯＳ型固体撮像素子で、光の入射方向に対して積層した複数の電極配線層を有し、これらの電極配線層間の絶縁膜層に光導波路を形成している。

図１０は、特許文献２に開示されている固体撮像素子１００の画面周辺に位置する約２画素分の断面図である。シリコン基板１１０に光電変換部１１１が形成されている。１１２は光電変換部１１１で発生した電荷を転送するためのポリシリコン電極である。ポリシリコン電極１１２と電極１３０との間の層間絶縁膜１２０に第１の光導波路１４１が形成されている。また、電極１３０と電極１３１との間の層間絶縁膜１２１には第２の光導波路１４２が形成されている。電極１３１は、斜めに入射した光が隣接する画素に到達するのを防止する遮光層を兼ねている。

ここで、層間絶縁膜１２０及び１２１は低屈折率材料であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）で構成され、光導波路１４１及び１４２は高密度プラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ）で構成されている。

さらに、電極１３１の上には、パッシべーション膜１４３、平坦化層１６０、カラーフィルタ層１６１、平坦化層１６２、マイクロレンズ１６３が形成されている。カラーフィルタ層１６１及びマイクロレンズ１６３は光電変換部１１１の開口中心軸Ａに対して偏心している。
特開平１１−８７６７４号公報特開２００４−１９３５００号公報

しかしながら、ＣＭＯＳ型固体撮像素子を構成する電極の開口は画面内で均等に形成されているため、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の画面周辺に位置する画素に入射する光の角度が大きいと、図１０の固体撮像素子１００の断面図に示すように、入射光の一部１６４が電極１３１により遮られてしまうという欠点があった。

また、特許文献１に記載の固体撮像素子の遮光層のように、ＣＭＯＳ型固体撮像素子の遮光層を兼ねた電極の開口を光電変換部に対して撮影光学系の光軸方向に偏心させることが考えられるが、光導波路を有した固体撮像素子の場合、電極の開口を光電変換部を基準に偏心させるとずれ量が大きくなりすぎて光導波路の開口に入射しない光が増えてしまい、迷光を発生させてしまうという欠点があった。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体撮像素子において、光電変換部に効率良く光を取り込めるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子において、前記複数の画素のそれぞれが、光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズにより集光された光を光電変換する光電変換部と、前記マイクロレンズから出射した光を前記光電変換部に導く第１及び第２の光導波路と、前記マイクロレンズから出射した光の隣接する画素への入射を防止するための遮光層とを具備し、前記マイクロレンズと前記第２の光導波路との間に前記遮光層が配置されるとともに、前記第２の光導波路と前記光電変換部との間に前記第１の光導波路が配置され、前記第１の光導波路は、前記光電変換部の有効受光領域の中心に対して対称になるように形成され、前記第２の光導波路の光入射側の開口は、前記光電変換部の有効受光領域に対して前記固体撮像素子の画面の中心方向に偏心した位置に形成され、前記遮光層の開口は、前記第２の光導波路の光入射側の開口に対して、前記固体撮像素子の画面の中心方向に偏心した位置に形成され、前記遮光層の開口と前記第２の光導波路の光入射側の開口との偏心量は、前記光電変換部の前記固体撮像素子の画面の中心からの距離に比例することを特徴とする。

また、この発明に係わる固体撮像素子において、前記遮光層の開口と前記第２の光導波路の光入射側の開口との偏心量は、前記遮光層の開口面と前記第２の光導波路の光入射側の開口面との距離に比例することを特徴とする。

また、本発明に係わる固体撮像素子において、前記遮光層は、前記固体撮像素子を駆動するための電極を兼ねていることを特徴とする。

また、本発明に係わる固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子において、
前記複数の画素のそれぞれが、光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズにより集光された光を光電変換する光電変換部と、前記マイクロレンズから出射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、前記マイクロレンズと前記光導波路の間に配置され、隣接する画素への光の入射を防止するための遮光層とを具備し、前記遮光層の開口は、前記光導波路の光入射側の開口に対して、前記固体撮像素子の画面の中心側に広く形成され、その広がり量が前記光電変換部の前記固体撮像素子の画面の中心からの距離に依存することを特徴とする。

また、この発明に係わる固体撮像素子において、前記光導波路の光入射側の開口に対する前記遮光層の開口の広がり量は、前記固体撮像素子が配設される撮影光学系のＦ値に依存することを特徴とする。

また、この発明に係わる固体撮像素子において、前記光導波路の光入射側の開口に対する前記遮光層の開口の広がり量は、前記遮光層の開口面と前記光導波路の光入射側の開口面との距離に比例することを特徴とする。

また、この発明に係わる固体撮像素子において、前記遮光層は、前記固体撮像素子を駆動するための電極を兼ねていることを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子において、光電変換部に効率良く光を取り込むことが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１乃至図４は本発明の第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子を示す図であり、図１はＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図、図２Ａ乃至図２ＣはＣＭＯＳ型固体撮像素子の断面図、図３及び図４はＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスの説明図である。

デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子は数百万の画素で構成されているが、図１は固体撮像素子１を８×６の画素で模式化して表した平面図である。図中１１は光電変換部、３１は電極、４２ｂは光導波路の開口、６３はマイクロレンズである。同図において、各光電変換部１１はｘ−ｙ平面内で均一の間隔で配設されている。一方、マイクロレンズ１１と光導波路４２の開口４２ｂは、固体撮像素子１の中心からの距離に概略比例した量で、光電変換部１１に対して偏心している。ここで、光導波路４２の開口４２ｂの形状はｘ−ｙ平面内で同一である。

電極３１は隣接画素への光の漏れ込みを防止するための遮光層を兼ねており、光導波路４２の開口４２ｂに対して所定の大きさの開口を有している。電極３１の開口形状はｘ−ｙ平面内で同一である。そして、電極３１の各画素の開口中心（例えば、図２ＡにおけるＣで示される線）は、光導波路４２の開口中心（例えば、図２ＡにおけるＢで示される線）に対して所定の量γxだけ、固体撮像素子１の画面の中心方向に偏心している。

図２Ａ乃至図２Ｃを参照して、本実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子１の断面構造について説明する。

図２Ｂは、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図に示した位置ｂ（固体撮像素子１の画面の略中心位置）における画素の断面図である。

図２Ｂにおいて、シリコン基板１０に光電変換部１１が形成されている。１２は第１の電極であるポリシリコン電極、２０は第１の層間絶縁膜、３０は第２の電極、２１は第２の層間絶縁膜、３１は第３の電極、４１は第１の光導波路、４２は第２の光導波路である。ここで、第１及び第２の層間絶縁膜２０，２１は低屈折率材料であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）で構成され、第１及び第２の光導波路４１，４２は高密度プラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ）で構成されている。さらに、第３の電極３１の上には、パッシべーション膜４３、平坦化層６０、カラーフィルタ層６１、平坦化層６２、マイクロレンズ６３が形成されている。カラーフィルタ層６１及びマイクロレンズ６３は光電変換部１１の開口中心軸Ａに対して偏心している。

光電変換部１１の上方には、光電変換部１１で発生した電荷を転送するための第１の電極であるポリシリコン電極１２が配設され、また、転送された電荷を選択的に外部に出力するための第２の電極３０及び第３の電極３１が配設されている。

第１の電極１２と第２の電極３０との間の第１の層間絶縁膜２０には、第１の光導波路４１が形成されている。第１の光導波路４１は、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して略対称になるように形成されている。ここで有効受光領域とは、光電変換部１１の受光可能領域のうち、ポリシリコン電極１２で覆われていない領域を指している。

一方、第２の電極３０と第３の電極３１との間の第２の層間絶縁膜２１には、第２の光導波路４２が形成されている。第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂ（中心軸Ｂ）も、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して略対称となるように形成されている。ここで、第２の光導波路４２は光入射側の開口４２ｂを大きくとってあるため、光導波路４２の一部は第１の層間絶縁膜層２０にも形成されている。言い換えれば、第２の光導波路４２の下端部の一部が第１の層間絶縁膜２０に入り込んでいる。

また遮光層を兼ねた電極３１の開口３１ａは、撮影光学系のＦ値に対応した量だけ第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂより大きく設定されている。そして、電極３１の開口中心軸Ｃは光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）と略一致するため、Ｆ値の小さい画角の広い光束もけられることなく取り込むことができ、固体撮像素子１のレンズのＦ値に対する受光量の比例性を向上させるとともに、隣接画素への光の漏れ込みを防止することを可能としている。

図２Ａは、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図に示した位置ａにおける画素（光電変換部１１が固体撮像素子１の中心から距離ｈxの位置にある画素）の断面図である。

第１の電極１２と第２の電極３０との間の第１の層間絶縁膜２０には、第１の光導波路４１が形成されている。第１の光導波路４１は、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して略対称になるように形成されている。

一方、第２の電極３０と第３の電極３１との間の第２の層間絶縁膜２１には、第２の光導波路４２が形成されている。第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂの中心軸（図中Ｂで示される線）は、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して、図中δxだけ固体撮像素子１の画面の中心方向に偏心している。

また、光導波路４２はｘ−ｙ平面内の各画素で略同一形状に形成され、光入射側の開口４２ｂを大きくとってあるため、光導波路４２の一部は第１の層間絶縁膜２０にも形成されている。言い換えれば、第２の光導波路４２の下端部の一部が第１の層間絶縁膜２０に入り込んでいる。

さらに第３の電極３１の開口３１ａの中心軸（図中Ｃで示される線）は、第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂの中心軸（図中Ｂで示される線）に対して、図中γxだけ固体撮像素子１の画面の中心方向（図中＋ｘ方向）に偏心している。第３の電極３１の開口中心の第２の光導波路４２の開口中心に対する偏心量γxは、光電変換部１１の固体撮像素子１の画面の中心からの距離ｈxに略比例し、
γx≒ｈx・ｔ／ｌz／ｎ
を満足する。ここで、ｔは第２の光導波路４２の開口面と第３の電極３１の開口面との距離（本実施形態では第３の電極３１の厚さ）、ｎは第２の光導波路４２の屈折率、ｌzは固体撮像素子１と固体撮像素子１が配設される撮影光学系の射出瞳との距離である。

第３の電極３１の開口中心軸（図中Ｃで示される線）は、第２の光導波路４２の開口中心軸（図中Ｂで示される線）に対して固体撮像素子１の画面の中心方向に偏心しているため、撮影光学系から斜めに入射する光を遮光することなく効率的に受光することが可能で、固体撮像素子１のシェーディング特性を向上させている。また、第３の電極３１の開口中心軸Ｃが第３の電極３１の厚さに略比例した量γxだけ偏心しているため、開口の偏心量が適切となり隣接画素への光の漏れ込みを防止することを可能としている。

図２Ｃは、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図に示した位置ｃおける画素の断面図である。

一方、第２の電極３０と第３の電極３１との間の第２の層間絶縁膜２１には、第２の光導波路４２が形成されている。第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂの中心軸（図中Ｂで示される線）は、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して、固体撮像素子１の画面の中心方向に偏心している。

さらに、第３の電極３１の開口中心軸（図中Ｃで示される線）は、第２の光導波路４２の開口中心軸（図中Ｂで示される線）に対して固体撮像素子１の画面の中心方向（図中−ｘ方向）に偏心しているため、撮影光学系から斜めに入射する光を遮光することなく効率的に受光することが可能で、固体撮像素子１のシェーディング特性を向上させている。また、第３の電極３１の開口中心軸Ｃが第３の電極３１の厚さに略比例した量だけ偏心しているため、開口の偏心量が適切となり隣接画素への光の漏れ込みを防止することを可能としている。

図３及び図４は本実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子１の製造プロセスの説明図ある。同図では、固体撮像素子１の中心付近の１画素の断面構造を示している。

まず、シリコン基板１０を熱酸化してシリコン基板表面に不図示のシリコン酸化膜ＳｉＯを形成する。さらに、シリコン基板１０中に光電変換領域を形成するために、フォトレジスト５０を塗布し、所定パターンのフォトマスクを介して露光を行い、さらに現像処理を行う（図３（ａ））。ポジ型のフォトレジストの場合、現像処理することにより光が照射された領域５０ａ、すなはち光電変換領域に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出する。さらに、シリコン基板１０に対してイオンを打ち込むことにより、光電変換部１１を形成する。

シリコン基板１０中に光電変換部１１が形成されると、光電変換部１１にて発生した電荷を転送するための第１の電極１２をシリコン基板１０の表面に形成する。

まず、シリコン基板１０の表面に、フォトレジスト５１を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光する。フォトマスクは、光電変換部１１の一部を覆う第１の電極１２に対応する領域は光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。さらにフォトレジスト５１を現像処理することにより、光が照射された領域５１ａ、すなはち第１の電極１２に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出する（図３（ｂ））。さらに、ポリシリコン膜１２ａを形成し、フォトレジスト５１を剥離することによって第１の電極１２を形成する（図３（ｃ））。

第１の電極１２が形成されると、第１の電極１２の一部及び光電変換部１１の上にエッチングストッパ膜４０を形成するために、フォトレジスト５２を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図３（ｄ））。シリコン窒化膜ＳｉＮによるエッチングストッパ膜４０を形成すると、第２の電極３０を形成するための第１の層間絶縁膜２０を形成し平坦化処理を行う（図３（ｅ））。第１の層間絶縁膜２０は屈折率が約１.４６のシリコン酸化膜ＳｉＯ₂で形成される。

次に、第１の層間絶縁膜２０に第１の光導波路４１を形成するために、平坦化された層間絶縁膜２０上にフォトレジスト５３を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図３（ｆ））。さらに、フォトレジスト５３をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって第１の層間絶縁膜２０に第１の光導波路４１を形成するための穴２０ａを形成する。このとき、第１の層間絶縁膜２０と光電変換部１１との間にはエッチングストッパ膜４０が形成されているため、光電変換部１１自体はエッチングされない（図３（ｇ））。

次に、第１の層間絶縁膜２０に形成された穴２０ａにシリコン窒化膜（ＳｉＮ）４１ａをプラズマＣＶＤ法で成膜し、第１の光導波路４１を形成する。プラズマＣＶＤ法で成膜されたシリコン窒化膜４１ａは、応力が１.０×１０⁹ （ｄｙｎｅ／ｃｍ²）以下で、屈折率が２.０２と高い。そのため、シリコン基板１０の反りを小さくするとともに、光導波路での全反射条件を広くすることが可能となっている。

シリコン窒化膜（ＳｉＮ）４１ａを成膜後、平坦化処理を行うためにフォトレジスト５４を塗布する（図３（ｈ））。さらに、ドライエッチングを行うことにより平坦化を行う（図３（ｉ））。

第１の光導波路４１が形成されると、第２の電極３０を形成する。まず、フォトレジストを塗布し電極パターンに対応したフォトマスクで覆って露光後、現像処理する。さらに、ＣＶＤ装置等にてアルミニウムＡｌを蒸着し、エッチング処理を行ってフォトレジストを剥離することにより第２の電極３０を形成する（図３（ｊ））。

さらに、第３の電極３１を形成するための第２の層間絶縁膜２１をシリコン酸化膜ＳｉＯ₂で形成し、第３の電極３１を形成する（図４（ｋ））。第３の電極３１の形成方法は、第２の電極３０の形成方法と同様である。第３の電極３１は、その開口３１ａが第２の光導波路４２の開口に対して所定量大きく、かつ開口中心が第２の光導波路４２の開口中心に対して固体撮像素子１の中心からの距離に略比例した偏心量で偏心するように形成される。

次に、第２の層間絶縁膜２１に第２の光導波路４２を形成するために、第３の電極３１及び第２の層間絶縁膜２１上にフォトレジスト５５を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図４（ｌ））。

さらに、フォトレジスト５５をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、第２の層間絶縁膜２１に第２の光導波路４２を形成するための穴２１ａを形成する。第２の光導波路４２を形成するための穴２１ａは開口が大きく、エッチングする際のガスの流量等を制御することによって傾斜した形状になっている。さらに、第１の層間絶縁膜２０の一部もエッチングされ、シリコン窒化膜ＳｉＮで構成された第１の光導波路４１に到達するまでエッチングされる（図４（ｍ））。

第２の光導波路４２を形成するための穴２１ａが形成されると、プラズマＣＶＤ法にてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）４２ａを成膜し、第２の光導波路４２を形成する。第２の光導波路４２は、プラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜で形成されるため、低応力で高屈折率の光導波路ができあがる。そのため、シリコン基板１０の反りを小さくするとともに、第２の光導波路４２での全反射条件を広くすることが可能となっている。さらに、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）４２ａを成膜後、ＣＭＰ等による平坦化処理が行われる（図４（ｎ））。

第２の光導波路４２が形成されると、カラーフィルタ６１を形成するための平坦化層６０が形成された後にカラーフィルタ６１が形成される。さらに、マイクロレンズ６３を形成するための平坦化層６２が形成された後にマイクロレンズ６３が形成される。マイクロレンズは、公知のレジストリフロー法にて形成される（図４（ｏ））。

（第２の実施形態）
図５乃至図８は本発明の第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子を示す図であり、画素サイズの小さい固体撮像素子への適用形態を示している。図５はＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図、図６Ａ乃至図６ＤはＣＭＯＳ型固体撮像素子の断面図、図７及び図８はＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスの説明図である。

デジタルカメラ等に用いられる固体撮像素子は数百万の画素で構成されているが、図５は固体撮像素子１を８×６の画素で模式化して表した平面図である。図中１１は光電変換部、４２ｂは光導波路の開口、６３はマイクロレンズである。同図において、各光電変換部１１はｘ−ｙ平面内で均一の間隔で配設されている。一方、マイクロレンズ１１と光導波路４２の開口４２ｂは、固体撮像素子１の画面の中心からの距離に略比例した量で、光電変換部１１から偏心している。また、光導波路４２の開口４２ｂの大きさは、固体撮像素子１の画面の中心から遠くなるにしたがって小さくなるように構成されている。

さらに光導波路４２の光入射側に配設された電極３１の開口は、光導波路４２の開口４２ｂよりも所定量αxだけ大きくなるように設定され、画面内の開口位置に応じて異なる大きさになっている。

図６Ａ乃至図６Ｄを参照して、本実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子１の断面構造について説明する。

図６Ｂは、図５のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図に示した位置ｂ（固体撮像素子１の画面の略中心位置）における画素の断面図である。同図において、第１の実施形態と同一の部材には同一の番号が付されている。

光電変換部１１で発生した電荷を転送するための第１の電極であるポリシリコン電極１２が配設され、また、転送された電荷を選択的に外部に出力するための第２の電極３０及び第３の電極３１が配設されている。

一方、第２の電極３０と第３の電極３１との間の第２の層間絶縁膜２１には、第２の光導波路４２が形成されている。第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂ（中心軸Ｂ）も、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して略対称となるように形成されている。ここで、第２の光導波路４２は光入射側の開口４２ｂの大きさは広くとってあるため、第２の光導波路４２の一部は第１の層間絶縁膜２０にも形成されている。言い換えれば、第２の光導波路４２の下端部の一部が第１の層間絶縁膜２０に入り込んでいる。

また遮光層を兼ねた第３の電極３１の開口３１ａは、撮影光学系のＦ値に対応した量αxbだけ第２の光導波路４２の光入射側の開口４２ｂより広く設定されている。そのため、Ｆ値の小さい画角の広い光束もけられることなく取り込むことができ、固体撮像素子１のレンズのＦ値に対する受光量の比例性を向上させるとともに、隣接画素への光の漏れ込みを防止することを可能としている。

図６Ａは、図５のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図に示した位置ａにおける画素の断面図である。

一方、第２の電極３０と第３の電極３１との間の第２の層間絶縁膜２１には、第２の光導波路４２が形成されている。第２の光導波路４２の光入射側の開口の中心軸（図中Ｂで示される線）は、光電変換部１１の有効受光領域の中心軸（図中Ａで示される線）に対して、固体撮像素子１の画面の中心方向に偏心している。また第２の光導波路４２は、固体撮像素子１の外周方向の壁面の一部は略垂直（図中ｚ軸と略平行）で、非対称な断面形状を成している。

画素サイズが小さいＣＭＯＳ型固体撮像素子の場合、斜めに入射した光の隣接画素への漏れ込みが多くなるため、遮光層を兼ねる電極３１の開口３１ａの大きさは制限される。そのため、電極３１の開口３１ａの大きさは固体撮像素子１の画面内の開口位置に応じて異なる大きさになっている。

図６Ａに示した画素では、電極３１の開口３１ａの固体撮像素子１の外周方向（図中−ｘ方向）の縁は第２の光導波路４２の開口４２ｂの縁とほぼ同一となるように形成され、電極３１の開口３１ａの固体撮像素子１の中心方向（図中＋ｘ方向）の縁は第２の光導波路４２の開口４２ｂの縁に対して所定量αxaだけ広く設定されている。第２の光導波路４２の開口４２ｂに対する電極３１の開口３１ａの広がり量αxaは、光電変換部１１の固体撮像素子１の画面の中心からの距離ｈxに依存し、
αxa≒（ｈx＋ｌz／２／Ｆ）・ｔ／ｌz／ｎ
を満足する。ここで、Ｆは固体撮像素子１が配設される撮影光学系のＦ値、ｌzは固体撮像素子１と固体撮像素子１が配設される撮影光学系の射出瞳との距離、ｔは第２の光導波路４２の開口面と電極３１の開口面との距離（本実施形態では第３の電極３１の厚さ）、ｎは第２の光導波路４２の屈折率である。

電極３１の開口３１ａの広がり量αxは、撮影光学系のＦ値と、第２の光導波路４２の開口面と電極３１の開口面との距離ｔを考慮して固体撮像素子１の画面中心方向（図中＋ｘ方向）に必要最小限広く設けることで、斜めから入射する光に対しても効率的に受光して固体撮像素子１のシェーディング特性を向上させるとともに、隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

図６Ｃ及び図６Ｄは、図５のＣＭＯＳ型固体撮像素子１の概略平面図に示した位置ｃ及び位置ｄにおける画素の断面図である。

また、図５の固体撮像素子の平面図においてｃに位置する画素では、図６Ｃに示すように、第２の光導波路４２の固体撮像素子１の外周方向の壁面の一部は略垂直（図中ｚ軸と略平行）で、非対称な断面形状を成している。また、図５の固体撮像素子の平面図においてｄに位置する画素では、図６Ｄに示すように、第２の光導波路４２の固体撮像素子１の外周方向の壁面は略垂直（図中ｚ軸と略平行）で、非対称な断面形状を成している。

画素サイズが小さいＣＭＯＳ型固体撮像素子の場合、斜めに入射した光の隣接画素への漏れ込みが多くなるため、遮光層を兼ねる電極３１の開口３１ａの大きさは制限される。そのため、電極３１の開口３１ａの大きさは固体撮像素子１の画面内の開口位置に応じて異なる大きさに設定されている。

図６Ｃ及び図６Ｄに示した画素では、電極３１の開口３１ａの固体撮像素子１の外周方向（図中＋ｘ方向）の縁は第２の光導波路４２の開口４２ｂの縁とほぼ同一となるように形成され、電極３１の開口３１ａの固体撮像素子１の中心方向（図中−ｘ方向）の縁は第２の光導波路４２の開口４２ｂの縁に対して、光電変換部１１の固体撮像素子１の中心からの距離に依存した広がり量αxc及びαxdが設定されている。

電極３１の開口３１ａを固体撮像素子１の画面中心方向（図中−ｘ方向）に必要最小限広く設けることで、斜めから入射する光に対しても効率的に受光して固体撮像素子１のシェーディング特性を向上させるとともに、隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

図７及び図８は本実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子１の製造プロセスの説明図ある。同図では、固体撮像素子１の周辺付近の１画素の断面構造を示している。

まず、シリコン基板１０を熱酸化してシリコン基板の表面に不図示のシリコン酸化膜ＳｉＯを形成する。さらに、シリコン基板１０中に光電変換領域を形成するために、フォトレジスト５０を塗布し、所定パターンのフォトマスクを介して露光を行い、さらに現像処理を行う（図７（ａ））。ポジ型のフォトレジストの場合、現像処理することにより光が照射された領域５０ａ、すなはち光電変換領域に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出する。さらに、シリコン基板１０に対してイオンを打ち込むことにより、光電変換部１１を形成する。

まず、シリコン基板１０の表面に、フォトレジスト５１を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光する。フォトマスクは、光電変換部１１の一部を覆う第１の電極１２に対応する領域は光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。さらにフォトレジスト５１を現像処理することにより、光が照射された領域５１ａ、すなはち第１の電極１２に対応する領域が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出する（図７（ｂ））。さらに、ポリシリコン膜１２ａを形成し、フォトレジスト５１を剥離することによって第１の電極１２を形成する（図７（ｃ））。

第１の電極１２が形成されると、第１の電極１２の一部及び光電変換部１１の上にエッチングストッパ膜４０を形成するために、フォトレジスト５２を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図７（ｄ））。シリコン窒化膜ＳｉＮによるエッチングストッパ膜４０を形成すると、第２の電極３０を形成するための第１の層間絶縁膜２０を形成し平坦化処理を行う（図７（ｅ））。第１の層間絶縁膜２０は屈折率が約１.４６のシリコン酸化膜ＳｉＯ₂で形成されている。

次に、第１の層間絶縁膜２０に第１の光導波路４１を形成するために、平坦化された層間絶縁膜２０上にフォトレジスト５３を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図７（ｆ））。さらに、フォトレジスト５３をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって第１の層間絶縁膜２０に第１の光導波路４１を形成するための穴２０ａを形成する。このとき、第１の層間絶縁膜２０と光電変換部１１との間にはエッチングストッパ膜４０が形成されているため、光電変換部１１自体はエッチングされない（図７（ｇ））。

次に、第１の層間絶縁膜２０に形成された穴２０ａにシリコン窒化膜（ＳｉＮ）４１ａをプラズマＣＶＤ法で成膜し、第１の光導波路４１を形成する。プラズマＣＶＤ法で成膜されたシリコン窒化膜４１ａは、応力が１.０×１０⁹ （ｄｙｎｅ／ｃｍ²）以下で、屈折率が２.０２と高い。そのため、シリコン基板１０の反りを小さくするとともに、第１の光導波路４１での全反射条件を広くすることが可能となっている。

シリコン窒化膜（ＳｉＮ）４１ａを成膜後、平坦化処理を行うためにフォトレジスト５４を塗布する（図７（ｈ））。さらに、ドライエッチングを行うことにより平坦化を行う（図７（ｉ））。

第１の光導波路４１が形成されると、第２の電極３０を形成する。まず、フォトレジストを塗布し電極パターンに対応したフォトマスクで覆って露光後、現像処理する。さらに、ＣＶＤ装置等にてアルミニウムＡｌを蒸着し、エッチング処理を行ってフォトレジストを剥離することにより第２の電極３０を形成する（図７（ｊ））。

次に、第２の層間絶縁膜２１に第２の光導波路４２を形成するために、第２の層間絶縁膜２１上にフォトレジスト５５を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図７（ｋ））。

さらに、フォトレジスト５５をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、第２の層間絶縁膜２１に第２の光導波路４２を形成するための穴２１ａを形成する。光導波路を形成するための穴２１ａは開口が大きく、エッチングする際のガスの流量等を制御することによって傾斜した形状になっている。さらに、第１の層間絶縁膜２０の一部もエッチングされ、シリコン窒化膜ＳｉＮで構成された第１の光導波路４１に到達するまでエッチングされる（図７（ｌ））。

同様に、垂直な壁面の穴を作成する。第２の層間絶縁膜２１上にフォトレジスト５６を塗布し不図示のフォトマスクで覆って露光、現像する（図８（ｍ））。

さらに、フォトレジスト５６をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、第２の層間絶縁膜２１に第２の光導波路４２を形成するための垂直な壁面の穴２１ｂを形成する。穴２１ｂは、シリコン窒化膜ＳｉＮで構成された第１の光導波路４１に到達するまでエッチングされる（図８（ｎ））。

第２の光導波路４２を形成するための穴２１ｂが形成されると、高密度プラズマＣＶＤ法にてシリコン窒化膜（ＳｉＮ）４２ａを成膜し、第２の光導波路４２を形成する（図８（ｏ））。第２の光導波路４２は、高密度プラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜で形成されるため、低応力であるがやや屈折率が低い光導波路ができあがる。高密度プラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜の屈折率は約１.９である。そのため、シリコン基板１０の反りが小さくなるが、第２の光導波路４２での全反射条件が狭くなる。しかしながら、第２の光導波路４２の固体撮像素子１の外周側の壁面を略垂直に形成しているため、斜めから入射した光の壁面への入射角が大きくなり、結果的に全反射条件をクリアするようになる。

シリコン窒化膜（ＳｉＮ）４２ａの成膜後、平坦化を行うためのフォトレジスト５７が塗布される（図８（ｐ））。

さらに、ドライエッチングを行うことにより、平坦化が行われる（図８（ｑ））。

さらに、第３の電極３１を形成する（図８（ｒ））。第３の電極３１の形成方法は、第２の電極３０の形成方法と同様である。第３の電極３１の開口３１ａは、第２の光導波路４２の開口４２ｂに対して所定の広がり量を有するように形成される。

第３の電極３１が形成されると、電極及び光電変換部を保護するためのパッシべーション膜４３が成膜される（図８（ｓ））。

パッシべーション膜４３が形成されると、カラーフィルタ６１を形成するための平坦化層６０が形成された後にカラーフィルタ６１が形成される。さらに、マイクロレンズ６３を形成するための平坦化層６２が形成された後にマイクロレンズ６３が形成される（図８（ｔ））。

本実施形態では、第２の光導波路４２を高密度プラズマＣＶＤ法で成膜した例を示したが、光導波路のアスペクト比によっては、プラズマＣＶＤ法で成膜してもよい。

また本実施形態では、図５の固体撮像素子１の平面図に示す画面周辺のａ、ｃ、ｄに位置する画素では、電極３１の画面周辺方向の開口の端は光導波路４２の開口４２ｂの端と略一致する例を示したが、画素の位置や固体撮像素子１が配設される撮影光学系のＦ値によっては、電極３１の画面周辺方向の開口の端は光導波路４２の開口４２ｂの端より画面の周辺方向に広がる構成になるのはいうまでもない。

（第３の実施形態）
図９は本発明の第３の実施形態の固体撮像素子を示す図であり、ＣＣＤ型固体撮像素子の周辺に位置する約２画素の断面図である。同図において、第１の実施形態の固体撮像素子と同一の部材には同一の番号が付されている。

光電変換部１１の光入射側には、シリコン窒化膜ＳｉＮ等による光導波路４１が形成され、入射した光を全反射させて光電変換部１１に導いている。１２は転送電極で、不図示の電荷転送部に光が漏れ込むのを防止するために、タングステンＷによる遮光層７０で被覆されている。

光導波路４１の光入射側には、隣接画素への光の漏れ込みを防止するための遮光層７１が形成されている。遮光層７１の開口７１ａの固体撮像素子１の外周方向（図中−ｘ方向）の縁は光導波路４１の開口４１ａの縁とほぼ同一となるように形成され、遮光層７１の開口７１ａの固体撮像素子１の中心方向（図中＋ｘ方向）の縁は光導波路４１の開口の縁に対して、光電変換部１１の固体撮像素子１の中心からの距離に依存した広がり量αxだけ広く設定されている。

このように、遮光層７１の開口７１ａを固体撮像素子１の画面中心方向（図中＋ｘ方向）に必要最小限広く設けることで、斜めから入射する光に対しても効率的に受光して固体撮像素子１のシェーディング特性を向上させるとともに、隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

以上説明したように、上記の第１乃至第３の実施形態によれば、光を電荷に変換する光電変換部と入射した光を光電変換部に導く光導波路とを有した固体撮像素子において、光導波路の光入射側に遮光層を有し、遮光層の開口は光導波路の光入射側の開口に対して固体撮像素子の中心方向に偏心した位置に形成し、その偏心量を光電変換部の固体撮像素子の中心からの距離に略比例するように構成することにより、入射角の大きい光も効率よく受光することを可能とする。

また、光を電荷に変換する光電変換部と入射した光を光電変換部に導く光導波路とを有した固体撮像素子において、光導波路の光入射側に配設される遮光層の開口と光導波路の光入射側の開口との偏心量を、遮光層の開口と光導波路の光入射側の開口との距離に略比例するように構成することによって、隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

また、光を電荷に変換する光電変換部と入射した光を光電変換部に導く光導波路とを有した固体撮像素子において、光導波路の光入射側に遮光層を有し、遮光層の開口は光導波路の光入射側の開口に対して固体撮像素子の中心側に広く、その広がり量を光電変換部の固体撮像素子の中心からの距離に依存するように構成することにより、撮影画面周辺の入射角の大きい光も効率よく受光することを可能とするとともに隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

また、光を電荷に変換する光電変換部と入射した光を光電変換部に導く光導波路とを有した固体撮像素子において、光導波路の光入射側に遮光層を有し、光導波路の光入射側の開口に対する遮光層の開口広がり量を、固体撮像素子が配設される撮影光学系のＦ値に依存するように構成することにより、Ｆ値の小さい明るい撮影光学系に対しても効率よく受光することを可能とする。

また、光を電荷に変換する光電変換部と入射した光を光電変換部に導く光導波路とを有した固体撮像素子において、光導波路の光入射側に遮光層を有し、光導波路の光入射側の開口に対する遮光層の開口の広がり量を、遮光層の開口と光導波路の光入射側の開口との距離に略比例するように構成することにより、隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

さらには、光を電荷に変換する光電変換部と入射した光を光電変換部に導く光導波路とを有した固体撮像素子において、光導波路の光入射側に配設される遮光層が電極を兼ねるように構成することにより、新規に遮光層を設けることなく隣接画素への光の漏れ込みを防止することが可能となる。

第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図である。第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。第１の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略平面図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略側断面図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。第２の実施形態のＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。第３の実施形態のＣＣＤ型固体撮像素子の概略側断面図である。従来の固体撮像素子の概略側断面図である。

符号の説明

１固体撮像素子
１０シリコン基板
１１光電変換部
１２第１の電極
３１第２の電極
３２第３の電極
２０第１の層間絶縁膜
２１第２の層間絶縁膜
４１第１の光導波路
４２第２の光導波路
６０，６２平坦化層
６１カラーフィルタ
６３マイクロレンズ

Claims

複数の画素を有する固体撮像素子において、
前記複数の画素のそれぞれが、
光を集光するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズにより集光された光を光電変換する光電変換部と、
前記マイクロレンズから出射した光を前記光電変換部に導く第１及び第２の光導波路と、
前記マイクロレンズから出射した光の隣接する画素への入射を防止するための遮光層とを具備し、
前記マイクロレンズと前記第２の光導波路との間に前記遮光層が配置されるとともに、前記第２の光導波路と前記光電変換部との間に前記第１の光導波路が配置され、
前記第１の光導波路は、前記光電変換部の有効受光領域の中心に対して対称になるように形成され、
前記第２の光導波路の光入射側の開口は、前記光電変換部の有効受光領域に対して前記固体撮像素子の画面の中心方向に偏心した位置に形成され、
前記遮光層の開口は、前記第２の光導波路の光入射側の開口に対して、前記固体撮像素子の画面の中心方向に偏心した位置に形成され、
前記遮光層の開口と前記第２の光導波路の光入射側の開口との偏心量は、前記光電変換部の前記固体撮像素子の画面の中心からの距離に比例することを特徴とする固体撮像素子。
前記遮光層の開口と前記第２の光導波路の光入射側の開口との偏心量は、前記遮光層の開口面と前記第２の光導波路の光入射側の開口面との距離に比例することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記遮光層は、前記固体撮像素子を駆動するための電極を兼ね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。
複数の画素を有する固体撮像素子において、
前記複数の画素のそれぞれが、
光を集光するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズにより集光された光を光電変換する光電変換部と、
前記マイクロレンズから出射した光を前記光電変換部に導く光導波路と、
前記マイクロレンズと前記光導波路の間に配置され、隣接する画素への光の入射を防止するための遮光層とを具備し、
前記遮光層の開口は、前記光導波路の光入射側の開口に対して、前記固体撮像素子の画面の中心側に広く形成され、その広がり量が前記光電変換部の前記固体撮像素子の画面の中心からの距離に依存することを特徴とする固体撮像素子。
前記光導波路の光入射側の開口に対する前記遮光層の開口の広がり量は、前記固体撮像素子が配設される撮影光学系のＦ値に依存することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
前記光導波路の光入射側の開口に対する前記遮光層の開口の広がり量は、前記遮光層の開口面と前記光導波路の光入射側の開口面との距離に比例することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
前記遮光層は、前記固体撮像素子を駆動するための電極を兼ねていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。