JP4784052B2

JP4784052B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4784052B2
Application number: JP2004197969A
Authority: JP
Inventors: 公夫伊藤
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2024-07-05
Also published as: JP2006019627A

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話に組み込まれるカメラ、防犯用監視カメラなどに用いられる固体撮像素子に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話の普及に伴い、パーソナルコンピュータ用の液晶ディスプレイ、携帯電話用の液晶ディスプレイの需要が増加する傾向にあり、これらと関連して用いられる撮像装置、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話に組み込まれるカメラ、防犯用監視カメラなどの撮像装置も益々その用途が広くなり、需要が増加する傾向にある。
これら撮像装置には、通常、ＣＣＤ等の受光素子として固体撮像素子が用いられているが、半導体製造技術の進歩とともに、固体撮像素子の画素の微細化が一段と進み、益々、撮影画像の高画質化が求められている。
このような中、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた固体撮像装置においては、更に高感度化が求められているが、デバイスの制約上、固体撮像素子の受光部である画素を隙間なく並べることができない。そこで、限定された面積の固体撮像素子の画素への集光率を向上させるために、マイクロレンズアレイを固体撮像素子の前に設けて、固体撮像素子の各画素に入射する光量を効率的に得て、感度を向上させる方法が、感度を増す方法の１つとして、広く知られている。（例えば、特許文献１参照）。

一方、固体撮像装置をカラー化する方法として、形成したカラーフィルターを固体撮像装置に後づけする接着方式に代わって、固体撮像装置が形成された基板上に直接カラーフィルターを形成するオンチップカラーフィルター方式が主流となっている。（例えば、特許文献２参照）。

以下、従来の固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
第１図は、従来の固体撮像装置の構造を示す部分断面図である。第１図に示すように、固体撮像装置は、その表面に受光素子（２）、遮光層（３）などが形成された半導体基板（１）上に、平坦化層（４）、原色のカラーフィルター（５）、平坦化層（７）、マイクロレンズ（６）が順次形成されたものである。このような構造により、マイクロレンズとカラーフィルターを備えた固体撮像装置を実現していた。

次にその動作を説明する。最上層であるマイクロレンズ（６）に入射した光は集束され、カラーフィルター（５）により各々の分光透過率特性を有する光に分解される。そしてその分解された光は各カラーフィルターセル（５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ）下の受光素子（２）に入射する。受光素子（２）に入射した光は電気信号に変換され、カラー画像を提供する固体撮像装置として動作する。
特開昭６３−２２９８５１号公報特開昭６１−６７００３号公報

このように、従来から固体撮像素子の前にマイクロレンズアレイを設けて、固体撮像素子の各画素に入射光を集光させることは広く知られているが、固体撮像素子の画素の微細化に伴い、レンズ形状も画素と同サイズに縮小する必要があり、現在では４μｍ以下のレンズが求められている。一方、光の波長は、青色が４５０ｎｍ、緑色が５５０ｎｍ、赤色が６３０ｎｍであり、レンズのサイズは光の波長に近づいているため、レンズの設計は困難であり、光を効率よく集光できるレンズとはならない。たとえレンズ形状を正しく作成できたとしても光の波動効果があり、屈折の現象が当てはまらない場合が生じる。更に、光の波長サイズの凹凸は、屈折現象を超えて電磁場解析を必要とする領域となっている。例えば、MOTHEYEに代表される光の波長オーダーの凹凸は、透過光を与えるのみであり、光を集光しない。

本発明は従来技術のこのような状況の下になされたものであり、固体撮像素子の高解像度化に伴い、各画素及びレンズのサイズは微小となり、レンズのサイズが光の波長に近くなるに従い、光の波としての性質の影響で期待通りの集光効果が得られなくなりつつあるという課題を解決するため、従来の固体撮像素子に設けられたマイクロレンズアレイに換えて、光を効率良く集光できる回折光学素子を設けた固体撮像素子を提供することである。

本発明の固体撮像素子は、表面に複数の受光素子が形成された半導体基板と、この半導体基板の上方に配置され、前記複数の受光素子に光を集光する回折光学素子とを有し、前記回折光学素子は、入射光に対して異なる位相を与える同一形状の微細な２種の正方形領域が、交互に市松格子状として配列され、前記受光素子は、半導体基板表面に格子状に配列され、前記回折光学素子の各々の正方形領域と各々の受光素子が対応して配置されており、且つ、前記回折光学素子の正方形領域は、各受光素子に対して１つおきに凸部を形成していることを特徴とするものである。

また、この固体撮像素子の前記回折光学素子は、垂直に入射する可視領域波長の光に対して位相０を与える領域と位相０．６５π〜１．８７πを与える領域が、交互に配列されていることを特徴とする。

これらの固体撮像素子は、前記半導体基板と前記回折光学素子の間にカラーフィルターを有することも可能である。

このカラーフィルターは、複数色のカラーフィルターセルからなり、各々のカラーフィルターセルが、各々の受光素子と、回折光学素子の各々の正方形領域に対応して配置されていることを特徴とする。

これらの固体撮像素子は、前記半導体基板と前記回折光学素子の間に、前記複数の受光素子に光を集光するレンズ又は更なる回折光学素子を配置させても良い。

本発明の固体撮像素子は、表面に複数の受光素子が形成された半導体基板と、前記受光素子の上方に配置され、この受光素子に光を集光する回折光学素子と、この回折光学素子の上方に配置され、前記受光素子に光を集光するマイクロレンズアレイを有するもので、前記回折光学素子は、入射光に対して異なる位相を与える同一形状の微細な２種の正方形領域が、交互に市松格子状として配列され、前記受光素子は、半導体基板表面に格子状に配列され、前記回折光学素子の各々の正方形領域と各々の受光素子が対応して配置されており、且つ、前記回折光学素子の正方形領域は、各受光素子に対して１つおきに凸部を形成していることを特徴とするものである。

本発明においては、従来の固体撮像素子に設けられたマイクロレンズアレイのように光の屈折により物体光を集光させるのに換えて、光の回折と干渉に代表される電磁波としての性質を利用して物体光を集光させるため、微細であっても光を効率良く集光できる。また、本発明の撮像素子の回折光学素子は、垂直に入射する物体光に対して位相の異なる領域が交互に配置されており、つまり、各受光素子に対して１つおきに凸部を形成すれば良く、従来のマイクロレンズアレイのように連続して凸部を形成するのに比べて凹凸のピッチが倍に広がるため容易に作製できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、更に詳しく説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明による固体撮像素子の一実施例を示す部分断面図である。図２に示すように、固体撮像素子（１０）は、その表面に受光素子（１２）、遮光膜（１３）などが形成された半導体基板（１１）上に、平坦化層（１４）、カラーフィルター（１５）、平坦化層（１７）、回折光学素子（１６）が順次形成されたものである。

この回折光学素子（１６）の上面図を図３（ａ）に示す。本発明の回折光学素子（１６）は、表面に直交する２軸ｘ、ｙを設定すると、ｘ軸、ｙ軸両方向に整列して同一形状の微細な正方形領域（２０）、（２１）が碁盤の目状に分割配置されており、垂直に入射する物体光に対して位相０を与える正方形領域（２０）と位相πを与える正方形領域（２１）が、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれに交互に配置されている。すなわち、正方形領域（２０）と（２１）の配置はいわゆる市松格子を構成している。

次に、図３（ａ）に示すような本発明の回折光学素子（１６）が、２次元的な微細な周期構造を持つマイクロレンズアレイとして利用可能なことを説明する。
図４は、このような本発明の回折光学素子（１６）が、マイクロレンズアレイとして利用可能なことを説明するための図であり、図４（ａ）に示すように、回折光学素子（１６）の上面から所定波長の平行な物体光（３０）を入射させると、碁盤の目状に分割配置された正方形領域（２０）と（２１）それぞれから球面波状に広がる回折光（３２）、（３３）が回折される。その回折光（３２）、（３３）の波面においては正面方向の振幅が最も強くなる。回折光学素子（１６）の射出側に近接して配置された基板（４０）上には、これらの回折光（３２）、（３３）が相互に正方形領域（２０）、（２１）の境界線（２２）の近傍領域（３４）で重なって干渉しながら入射する。正方形領域（２０）と正方形領域（２１）の間には位相差がπあるので、隣接する正方形領域（２０）と（２１）からの回折光（３２）と（３３）はこの近傍領域（３４）では相互に打ち消し合って強度が略ゼロになる。一方、正方形領域（２０）、（２１）それぞれの中心領域（３５）では、隣接する正方形領域（２１）又は（２０）からの回折光（３２）、（３３）は余り強く入射しない。そのため、基板（４０）の上面図を図４（ｂ）に示すと、基板（４０）の正方形領域（２０）と（２１）それぞれに対応する正方形領域（４１）間の境界線（４２）（境界線（２２）と対応する。）に近い領域である各正方形領域（４１）の周辺領域（４３）では光量が弱く、各正方形領域（４１）の中心領域（４４）では光量が相対的に強くなる。したがって、基板（４０）の各正方形領域（４１）では、例えば略同心状で中心程光量が多い光量分布（４５）となる。

よって、図２において、各々の受光素子（１２）と回折光学素子（１６）の正方形領域（２０）、（２１）と複数色のカラーフィルターセル（１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）が対応するように半導体基板（１１）とカラーフィルター（１５）と回折光学素子（１６）を配置すると、物体光は回折光学素子（１６）によって集光され、受光素子（１２）には、従来のマイクロレンズアレイと同様に物体光が集光する。

図２においては、カラーフィルター（１５）は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルターセル（１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）の例であり、このカラーフィルターは配置しなくても良い。また、回折光学素子（１６）は、同一形状の微細な正方形領域（２０）、（２１）が碁盤の目状に分割配置されている例であるが、受光素子（１２）が六角形である場合には、この正方形領域を六角形にして受光素子と対応させて配置する。その場合には、図３（ｂ）に上面図を示すように、隣接する六角形領域との位相差が、どの六角形領域との差においても２/３πとなるように分割配置する。このように配置すると、正方形の場合と同様、入射した物体光は回折と干渉により、六角形領域の中心程光量が多い光量分布となり、入射光は受光素子（１２）に集光する。

（第２実施形態）
図５は、本発明による固体撮像素子のもう一つの実施例を示す部分断面図である。この実施例は、図２の構成において、半導体基板（１１）と回折光学素子（１６）の間にレンズを配置した実施例の部分断面図であり、固体撮像素子（６０）は、表面に受光素子（６２）、遮光膜（６３）などが形成された半導体基板（６１）上に、レンズ（６４）、平坦化層（６５）、カラーフィルター（６６）、平坦化層（６８）、回折光学素子（６７）が順次形成されたものである。カラーフィルター（６６）の下にはレンズ（６４）が配置されており、回折光学素子（６７）で集光された光を更に狭い範囲の領域に集光することができる。

（第３実施形態）
図６は、本発明による固体撮像素子の更にもう一つの実施例を示す部分断面図である。この実施例は、図２の構成において、半導体基板（１１）と回折光学素子（１６）の間に更に回折光学素子を配置した実施例の部分断面図であり、固体撮像素子（７０）は、表面に受光素子（７２）、遮光膜（７３）などが形成された半導体基板（７１）上に、第１の回折光学素子（７４）、平坦化層（７５）、カラーフィルター（７６）、平坦化層（７８）、第２の回折光学素子（７７）が順次形成されたものである。カラーフィルター（７６）の下においては、白色光が既に赤色、青色、緑色に分かれているため、第１の回折光学素子（７４）の高さは青色、赤色、緑色それぞれに対応して効率よく設計しても良い。また、回折光学素子（７４）は周辺の平坦化層（７５）より高屈折率のときに受光素子（７２）に光がよく到達するものであり、光導波路的な効果も併せ持っている。

（第４実施形態）
図７は、本発明による固体撮像素子の他の実施例を示す部分断面図である。この実施例は、図１に示した従来の固体撮像装置の構成において、マイクロレンズ（６）と半導体基板（１）の間に、回折光学素子を配置した構成であり、固体撮像素子（８０）は、表面に受光素子（８２）、遮光膜（８３）などが形成された半導体基板（８１）上に、回折光学素子（８４）、平坦化層（８５）、カラーフィルター（８６）、平坦化層（８７）、マイクロレンズ（８８）が順次形成されたものである。この回折光学素子（８４）は半導体基板（８１）上に配置されるが、レンズ形成のような熱溶融による形成が不要であり、断面形状にレンズのような曲面が含まれず、レジストを用いて均一な厚さの層で構成されるため精度良く形成でき、この位置にマイクロレンズを作製するのが困難な場合には有効となる。また、回折光学素子（８４）の屈折率が平坦化層（８５）の屈折率より高い場合には非常に有効となり、光導波路的な意味合いでもある。

次に、実施例及び比較例により本発明を更に詳述する。
図２に断面図を示した固体撮像素子について、電磁波による光強度のシュミレーションを米国R-Soft社のソフトBeamPROP(ver5.0)を用い、以下の設定にて行った。
Waveguide Model Dimension：２Ｄ
Vector Mode：Full
Polarization：TE
Simulation Tool：Beam PROP/BPM
Background Index：１
Profile Type：Step Index
シュミレーション条件は、入射光の波長を緑色の中心波長である５５０ｎｍ、画素サイズ２．０μｍ、第１の平坦化層の屈折率１．５、厚さ３．８μｍ、カラーフィルターの屈折率１．６、厚さ１．０μｍ、第２の平坦化層の屈折率１．５、厚さ０．７μｍ、回折光学素子の屈折率１．６、幅２．０μｍ、高さを同一面内で０．１〜１．３μｍに変化させ、回折光学素子下から受光面までの距離は５．５μｍにて行い、このシュミレーション結果の光強度の断面（プロファイル）を図８に示した。この結果から、回折光学素子の高さが０．３μｍ〜０．８μｍ（０．６５π〜１．７４π）の範囲のとき入射光が受光素子面上にて良好に集光しており、回折光学素子の高さが０．５μｍ（１．０９π）のとき最も集光度が上がっている。また、受光素子面の位置にも自由度がある（焦点深度が深い）ことも回折光学素子の利点である。

次に、入射光の波長をそれぞれ赤色の中心波長の６３０ｎｍ、青色の中心波長の４５０ｎｍに変えてシュミレーションを行った結果を図９，図１０に示した。入射光が６３０ｎｍのときには回折光学素子の高さが０．４μｍ〜０．８μｍ（０．７６π〜１．５２π）の範囲で受光素子面上にて良好に入射光が集光しており、入射光が４５０ｎｍのときには回折光学素子の高さが０．３μｍ〜０．７μｍ（０．８０π〜１．８７π）の範囲で受光素子面上にて良好に入射光が集光している。よって、回折光学素子の高さを０．４μｍ〜０．７μｍ（緑色の中心波長５５０ｎｍに対して０．８７π〜１．５２π）の範囲で設計すれば固体撮像素子として機能する。

図５に断面図を示した固体撮像素子について、電磁波による光強度のシュミレーションを実施例１と同様のソフトを用いて、同様の設定にて行った。シュミレーション条件は、入射光の波長５５０ｎｍ、画素サイズ２．０μｍ、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなるレンズの屈折率２．０、高さ１．０μｍ、第１の平坦化層の屈折率１．５、厚さ３．８μｍ、カラーフィルターの屈折率１．６、厚さ１．０μｍ、第２の平坦化層の屈折率１．５、厚さ０．７μｍ、回折光学素子の屈折率１．６、幅２．０μｍ、高さ０．５μｍ、回折光学素子下から受光面までの距離は５．５μｍにて行い、このシュミレーション結果の光強度の断面（プロファイル）を図１１に示した。図１１において、グラフの左半分は比較のため受光素子上にレンズを設けない場合の結果を示した。この結果から、受光素子上にレンズを配置すると、より入射光が集光することがわかる。

図６に断面図を示した固体撮像素子について、電磁波による光強度のシュミレーションを実施例１と同様のソフトを用いて、同様の設定にて行った。シュミレーション条件は、入射光の波長５５０ｎｍ、画素サイズ２．０μｍ、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる第１の回折光学素子の屈折率２．０、幅１．０μｍ、高さ５．９μｍ、第１の平坦化層の屈折率１．５、厚さ５．８μｍ、カラーフィルターの屈折率１．６、厚さ１．０μｍ、第２の平坦化層の屈折率１．５、厚さ０．７μｍ、第２の回折光学素子の屈折率１．６、幅２．０μｍ、高さ０．５μｍ、回折光学素子下から受光面までの距離は７．５μｍにて行い、このシュミレーション結果の光強度の断面（プロファイル）を図１２に示した。図１２において、グラフの左半分は比較のため受光素子上に第１の回折光学素子を設けない場合の結果を示した。この結果から、受光素子上にも回折光学素子を配置すると、より入射光が集光することがわかる。

図７に断面図を示した固体撮像素子について、電磁波による光強度のシュミレーションを実施例１と同様のソフトを用いて、同様の設定にて行った。シュミレーション条件は、入射光の波長５５０ｎｍ、画素サイズ２．０μｍ、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる回折光学素子の屈折率２．０、幅０．９μｍ、高さ４．５μｍ、第１の平坦化層の屈折率１．５、厚さ４．８μｍ、カラーフィルターの屈折率１．６、厚さ１．０μｍ、第２の平坦化層の屈折率１．５、厚さ０．７μｍ、レンズの屈折率１．６、幅２．０μｍ、高さを同一面内で０．２〜０．９μｍに変化させ、回折光学素子下から受光面までの距離は６．５μｍにて行い、このシュミレーション結果の光強度の断面（プロファイル）を図１３に示した。図１３において、グラフの左半分は比較のため受光素子上に回折光学素子を設けない場合の結果を示した。この結果から、受光素子上に回折光学素子を配置するとより入射光が集光し、レンズの高さが０．６μｍのとき最も集光度が上がっていることがわかる。

〔比較例〕
図１に断面図を示した従来の固体撮像素子について、電磁波による光強度のシュミレーションを実施例１と同様のソフトを用いて、同様の設定にて行った。シュミレーション条件は、入射光の波長５５０ｎｍ、受光素子のサイズ２．０μｍ、第１の平坦化層の屈折率１．５、厚さ３．８μｍ、カラーフィルターの屈折率１．６、厚さ１．０μｍ、第２の平坦化層の屈折率１．５、厚さ０．７μｍ、レンズの屈折率１．６、幅２．０μｍ、高さを同一面内で０．１〜１．０μｍに変化させ、レンズ下から受光面までの距離は５．５μｍにて行い、このシュミレーション結果の光強度の断面（プロファイル）を図１４に示した。この結果から、受光素子のピッチを２μｍ程度と光の波長に近づけた場合、レンズの曲率を下げて受光素子面で集光を得ようとしても、良好に集光できないことがわかる。

本発明は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話に組み込まれるカメラ、防犯用監視カメラなどに用いられる固体撮像装置の製造に適用することができる。

従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。本発明による固体撮像素子の第１実施形態を示す断面図である。本発明による回折光学素子の基本形の上面図と変形例の上面図である。本発明の回折光学素子のマイクロレンズアレイとしての作用を説明するための図である。本発明による固体撮像素子の第２実施形態を示す断面図である。本発明による固体撮像素子の第３実施形態を示す断面図である。本発明による固体撮像素子の第４実施形態を示す断面図である。本発明第１実施例の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。本発明第１実施例の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。本発明第１実施例の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。本発明第２実施例の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。本発明第３実施例の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。本発明第４実施例の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。従来の固体撮像素子の電磁波による光強度のシュミレーション結果を示す図である。

符号の説明

１，１１，６１，７１，８１…半導体基板
２，１２，６２，７２，８２…受光素子
３，１３，６３，７３，８３…遮光膜
４，７，１４，１７，６５，６８，７５，７８，８５，８７…平坦化層
５，１５，６６，７６，８６…カラーフィルター
６，６４，８８…マイクロレンズ
１０，６０，７０，８０…固体撮像素子
１６，６７，７４，７７，８４…回折光学素子
２０，２１…正方形領域
２２…正方形領域の境界
３０…物体光
３２，３３…回折光
３４…境界線の近傍領域
３５…正方形領域の中心領域
４０…基板
４１…正方形領域
４２…境界線
４３…周辺領域
４４…中心領域
４５…光量分布

Claims

表面に複数の受光素子が形成された半導体基板と、この半導体基板の上方に配置され、前記複数の受光素子に光を集光する回折光学素子とを有し、前記回折光学素子は、入射光に対して異なる位相を与える同一形状の微細な２種の正方形領域が、交互に市松格子状として配列され、前記受光素子は、半導体基板表面に格子状に配列され、前記回折光学素子の各々の正方形領域と各々の受光素子が対応して配置されており、且つ、前記回折光学素子の正方形領域は、各受光素子に対して１つおきに凸部を形成していることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記回折光学素子は、垂直に入射する可視領域波長の光に対して位相０を与える領域と位相０．６５π〜１．８７πを与える領域が交互に配列されていることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１から請求項２までのいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、前記半導体基板と前記回折光学素子の間にカラーフィルターを有することを特徴とする固体撮像素子。
請求項３に記載の固体撮像素子であって、前記カラーフィルターは、複数色のカラーフィルターセルからなり、各々のカラーフィルターセルが、各々の受光素子と、回折光学素子の各々の正方形領域に対応して配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、前記半導体基板と前記回折光学素子の間であって、前記受光素子の上方に配置され、この受光素子に光を集光するレンズを有することを特徴とする固体撮像素子。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、前記半導体基板と前記回折光学素子の間であって、前記受光素子の上方に配置され、この受光素子に光を集光する回折光学素子を更に配置したことを特徴とする固体撮像素子。
表面に複数の受光素子が形成された半導体基板と、前記受光素子の上方に配置され、この受光素子に光を集光する回折光学素子と、この回折光学素子の上方に配置され、前記受光素子に光を集光するマイクロレンズアレイを有するもので、前記回折光学素子は、入射光に対して異なる位相を与える同一形状の微細な２種の正方形領域が、交互に市松格子状として配列され、前記受光素子は、半導体基板表面に格子状に配列され、前記回折光学素子の各々の正方形領域と各々の受光素子が対応して配置されており、且つ、前記回折光学素子の正方形領域は、各受光素子に対して１つおきに凸部を形成していることを特徴とする固体撮像素子。