JP5631168B2

JP5631168B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP5631168B2
Application number: JP2010257250A
Authority: JP
Inventors: 山田　大輔; 大輔山田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: JP2012109815A; US20120120288A1; US8559771B2

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオ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。

現在、デジタルスチルカメラやビデオカメラで偏光情報を取得し、除去するには、偏光フィルタが用いられている。
例えば、ガラスや水面などの界面で生じる不要反射光を減衰させるため、レンズに偏光フィルタを取り付け、特定の偏光を除去して撮像している。
また、光干渉計測においても偏光フィルタを調整し、特定の位相差を持った干渉像を取得している。
これらは、固体撮像素子が光の輝度情報のみを検出し、偏光情報を取得できないため、固体撮像素子の前面で偏光フィルタを挿入して偏光情報を検知する構成となっている。
このとき、固体撮像素子全体が偏光フィルタの透過光を受光する構成となるため、複数の偏光情報が必要となれば、複数回の撮像が必要となる。

固体撮像素子が複数の偏光情報を検出できれば、偏光フィルタを用いることなく、被写体・物像の偏光を取得することができる。
従来、固体撮像素子に複数の偏光情報を検出できるようにするため、特許文献１では、固体撮像素子の画素上にフォトニック結晶からなる偏光フィルタ・アレイを用いる構成が提案されている。

特開２００７−０８６７２０号公報

しかし、特許文献１に記載のフォトニック結晶の偏光フィルタ・アレイでは、近年の小画素化に対応し偏光フィルタ・アレイを画素と同程度の数マイクロメートルの大きさで作製するのは困難であり、また、フォトニック結晶の周期数が少なく偏光分離特性が悪い。
また、偏光フィルタ・アレイを固体撮像素子の各画素と精度よく位置合わせすることが困難となる、偏光フィルタ・アレイを製造する工程が増加する、など従来の製造プロセスに比べて工程数が増加するため高価格となる。

本発明は、上記課題に鑑み、偏光フィルタを挿入して位置合わせをする必要がなく、低コスト化を図ることができ、製造容易なプロセスで偏光情報を取得す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、コアとクラッドからなる光導波路を有する画素を複数備えた偏光抽出ユニットと、前記画素に入射した光を前記コアを介して受光する光電変換部と、を有する固体撮像素子であって、
前記偏光抽出ユニットは、少なくとも２つ以上の第１の画素と第２の画素を備え、
前記第１の画素と前記第２の画素のコアは、それぞれ前記第１の画素と前記第２の画素の面内方向において扁平な断面形状を有し、前記扁平な断面形状におけるコアの長軸方向が異なる方向となるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、偏光フィルタを挿入して位置合わせをする必要がなく、低コスト化を図ることができ、製造容易なプロセスで偏光情報を取得す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概略上面図。本発明の実施例１における固体撮像素子の画素を説明する図であり、（ａ）は第１の画素の概略断面図、（ｂ）は第２の画素の概略断面図。本発明の実施例１の固体撮像素子における第１の画素に入射したＹ偏光の光強度と、第１の画素のＹ軸断面を示す図。本発明の実施例１の固体撮像素子における入射光の偏光成分の算出について説明する図であり、（ａ）は第１の画素のＸ偏光とＹ偏光の受光効率の比を示す図、（ｂ）は第２の画素のＸ偏光とＹ偏光の受光効率の比を示す図。本発明の実施例１における固体撮像素子の製造プロセスについて説明する図。本発明の実施例２における偏光抽出ユニットを含む固体撮像素子の概略上面図。本発明の実施例３における偏光抽出ユニットを含む固体撮像素子の概略上面図。本発明の実施例３における固体撮像素子の画素を説明する図であり、（ａ）は第１の画素の概略断面図、（ｂ）は第２の画素の概略断面図。

本発明は、光導波路のコアの断面形状を扁平な形状とすることで、偏光ごとに入射光と光導波路の結合効率が異なるという特性を用い、この扁平な形状を有するコアの長軸方向を回転させた画素を複数有することで、入射光の偏光情報を得るようにしたものである。
これにより、十分な偏光情報を取得することができる固体撮像素子を、偏光フィルタを挿入するような位置合わせをする必要がなく、追加の工程プロセスを用いることなく、低コストで容易に作製することが可能となる。

以下に、本発明の実施例について説明する。尚、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［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について説明する。図１は、偏光抽出ユニット１０１を含む固体撮像素子１の概略上面図である。
偏光抽出ユニット１０１は、第１の画素１０２、第２の画素１０３を含む隣接した２画素で構成される。
第１の画素１０２はコア１１２とクラッド１２２から成る第１の光導波路を有し、第２の画素１０３はコア１１３とクラッド１２３から成る第２の光導波路を有している。
第１の画素１０２のコア１１２と第２の画素１０３のコア１１３は楕円の断面形状を有しており、長軸方向が９０°異なるように構成される。

図２（ａ）は第１の画素１０２、（ｂ）は第２の画素１０３の概略断面図である。
画素１０２、１０３に入射した入射光１０４は、光導波路と一部結合して、コア１１２、１１３を伝播し光電変換部１０５へ到達する。
到達した光は、電気信号に変換され、輝度情報を得ることができる。但し、光導波路のコアは、クラッドに比べ、屈折率の高い材料で形成する。
これにより、コアに閉じ込められた光は効率よく光電変換部１０５へ伝播させることができる。
また、クラッドには吸収部１０６が配置されている。尚、吸収部１０６は光電変換部の信号を制御する配線を兼ねた構成でもよい。
このとき、画素１０２、１０３はコアの断面形状を扁平な形状（楕円）としたため、入射光１０４と光導波路との結合効率は入射光１０４の偏光成分に応じて異なる。
コアを伝播する光は効率よく光電変換部に導かれるため、入射光１０４が光電変換部１０５へ到達する割合（受光効率）は結合効率によって決まる。
以上より、偏光ごとに結合効率が異なると、結果として画素１０２、１０３では入射光１０４の偏光状態によって受光効率が異なる。
また、第１の画素１０２のコア１１２と第２の画素１０３のコア１１３の楕円の長軸方向が異なるため、特定の偏光成分（Ｘ偏光）をもつ入射光の第１の画素の受光効率と第２の画素の受光効率が異なる。
同様に、Ｘ偏光に直交する偏光（Ｙ偏光）の入射光の受光効率においても第１の画素と第２の画素とで異なる。
以上のように、第１の画素１０２と第２の画素１０３がそれぞれ偏光ごとに受光効率が異なり、かつ、第１の画素と第２の画素の異なる受光効率を利用することで、偏光抽出ユニット１０１に入射した光の偏光情報を得ることができる。

ここで、偏光抽出ユニット１０１に入射した光の偏光情報を取得するための処理方法の一例について説明する。
第１の画素１０２において、Ｘ偏光の受光効率Ｘ１、Ｙ偏光の受光効率Ｙ１とする。
一方、第２の画素１０３では、Ｘ偏光の受光効率Ｘ２、Ｙ偏光の受光効率Ｙ２とする。
第１の画素の入射光の受光強度をＩ１、第２の画素の受光強度をＩ２とする。但し、受光強度とは画素で受光した全偏光を含んだ信号強度である。
このとき、入射光のＸ偏光強度Ｉｘ、Ｙ偏光強度Ｉｙは、それぞれ以下の（１）式及び（２）式となる。

以上により、第１の画素と第２の画素の受光強度によって、入射光の偏光情報を得ることができる。
さらに、本発明の個体撮像素子は、光導波路のコアの断面形状を扁平な形状とすることで、偏光ごとに入射光と光導波路の結合効率が異なるという特性を用いているため、小画素化による偏光分離特性の悪化は生じない。
また、後述する作製プロセスにより、公知の光導波路型の固体撮像素子と同様のプロセスで作製できる。このため、偏光フィルタを挿入するような位置合わせも必要なく、また、追加の工程プロセスがなく、低コストで容易に作製することが可能となる。

また、本実施例では、すべての偏光で受光感度をもち、受光効率がゼロとならないように画素の光導波路を構成することが望ましい。
仮に、偏光フィルタを画素上に配置する構成とすると、特定の偏光成分の受光効率はゼロとなり、画素の感度が低下する。
一方、本実施例では、特定の偏光が吸収または反射されて除去されることなく、コアを介して光電変換部へ到達可能に構成される。
そのため、偏光抽出ユニットに入射した光の偏光情報を取得でき、感度の高い偏光固体撮像素子を得ることができる。
また、本実施例では、第１の画素のコア１１２と第２の画素のコア１１３の長軸方向を、９０°回転するように配置し直交関係となるように構成した。
このため、第１の画素と第２の画素は、直交する偏光成分にそれぞれ最大の受光効率を有する。
計測したい入射光は、特定の偏光とそれに直交する偏光とに分離することができる。
よって、第１の画素と第２の画素の最大受光効率の偏光を直交させることで、すべての偏光において効率良く偏光情報を取得することができる。

また、本実施例では、光導波路のクラッドに吸収部を配置させた。これにより、光導波路に結合せずにクラッドを伝播（放射モード）する光が光電変換部へ到達することを抑制することができる。
この放射モードの光は、直交する偏光の受光効率比を小さくするため、偏光情報を得る際に誤差が大きくなる。このため、誤差を小さくするためには、クラッドに吸収部を配置し、放射モードを抑制することが望ましい。
但し、クラッドに吸収部がない場合の方が、入射光は光電変換部へ伝播するため、感度が高くなる。
特に、偏光情報の誤差より感度を優先させたい場合においては、クラッドに吸収部を用いる構成でなくてもよい。
また、第１の画素と第１の画素のコアの短軸側に隣接する画素との間に配置された配線は、第１の画素側にシフトしていることが望ましい。
短軸側では、クラッド厚が大きくなるため、クラッド間で配線をシフトさせても受光効率は変化しない。
配線をシフトすると、隣接画素では配線によるケラレが減少する。このため、クロストークノイズが低下する。
尚、本発明のコアの扁平形状は楕円に限るものではなく、長方形、正方形などの多角形であってもよい。
この場合、長軸はコアの中心を通り、周囲の２点を結んだ最も最長の線分とする。
また、短軸はコアの中心を通り、周囲の２点を結んだ最も最短の線分とする。

つぎに、数値実施例を説明する。
画素サイズ１．５μｍとし、コアを屈折率２．０の材料で、長軸半径５００ｎｍ、短軸半径２００ｎｍの楕円形状で構成する。
このような材料として、ＳｉＮや有機材料などで形成すればよい。
クラッドは屈折率１．４６の材料で構成する。このような材料として、ＳｉＯ₂や有機材料などで形成すればよい。
第１の画素１０２の楕円の長軸方向をＸ軸、短軸方向をＹ軸とする。

図３に、第１の画素に入射したＹ偏光の光強度と、第１の画素のＹ軸断面を示す。
入射光は効率よく、コア１１２を伝播し、光電変換部１０５に到達している。
このとき、第１の画素のＸ偏光とＹ偏光の受光効率はそれぞれ図４（ａ）で示すようになり、Ｘ偏光とＹ偏光の受光効率の比はおよそ１対２となる。
また同様に、第２の画素として、Ｘ偏光とＹ偏光の受光効率の比はおよそ２対１となる（図４（ｂ））。よって、第１の画素と第２の画素から、式（１）（２）を用いることで、入射光の偏光成分を算出することができる。

図５を用いて、本実施例における固体撮像素子１の製造プロセスについて説明する。
熱酸化によりシリコン基板１０７の表面にシリコン酸化膜を形成する（不図示）。
続いて、シリコン基板中に光電変換部１０５を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。
その後、レジストマスクをアッシング等により除去する（図５（ａ））。
さらに、光電変換部１０５にて発生した電荷を転送するためのゲート電極を形成するために、ポリシリコン膜を形成する。その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極を形成する（不図示）。
その後、シリコン基板、およびゲート電極上に例えばＳｉＯ₂系の層間絶縁膜を形成する。さらに、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属から成る配線に電気的に接続させる。
同様に、第一配線、第二配線をそれぞれ形成し、層間絶縁膜で覆う（図５（ｂ））。但し、本工程では、吸収部１０６を配線を兼ねた構成とした。

続いて、コアを形成するため、フォトリソ工程により、光電変換部上をエッチングする。
さらに、直進性の高いスパッタまたはＣＶＤにより、エッチングした開口部にＳｉＮや有機材料を埋めこむ。その後、必要に応じてＣＭＰやエッチバックにより平坦化する（図５（ｃ））。
扁平なコア形状はフォトリソ工程のマスクを変更するだけで、任意の形状を作製できる。
このとき、追加の工程もなく、通常の光導波路型の固体撮像素子と同様の製造プロセスで作製できる。
その後、必要に応じてカラーフィルタやマイクロレンズを形成する（不図示）。以上により、低価格で、製造容易なプロセスで偏光情報を取得できる固体撮像素子を得ることができる。

［実施例２］
実施例２として、上記実施例１と異なる形態の固体撮像素子の構成例について、図６を用いて説明する。
本実施例なおいて実施例１と異なる点は、偏光抽出ユニット２０１である。
図６に示すように、本実施例の偏光抽出ユニット２０１は、第１の画素２０２、第２の画素２０３、第３の画素２０４、第４の画素２０５から成る隣接する４画素で構成され、コアの楕円の長軸方向が４５°ずつ異なるように配置される。
ここで、偏光抽出ユニット２０１に入射した光の偏光情報を取得するための処理方法の一例について説明する。
第１の画素、第２の画素、第３の画素、第４の画素のＸ偏光の受光効率はそれぞれＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４とし、Ｙ偏光の受光効率はそれぞれＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４とする。
また、第１の画素の入射光の受光強度をＩ１、第２の画素の受光強度をＩ２、第３の画素の入射光の受光強度をＩ３、第４の画素の受光強度をＩ４とする。

このとき、入射光のＸ偏光強度Ｉｘ、Ｙ偏光強度Ｉｙは、それぞれ以下の（３）式及び（４）式となる。

本発明の偏光抽出ユニット２０１は、４つの画素で構成し、長軸方向を４５°ずつ回転した構成とした。
これにより、それぞれの画素では、４５°回転した偏光に最大受光感度をもつ構成となる。
よって、４つの画素のいずれかで効率良く受光することができ、また、偏光抽出ユニットを２画素で構成する場合と比べ、多くの偏光情報が得られるため、処理や測定誤差を小さくし偏光情報をより正確に取得することができる。
以上のように、偏光抽出ユニットを多数の画素で構成すれば、偏光精度が向上する。
しかし、偏光情報を取得するための画素を増やせば、偏光抽出ユニットの面積が増加し、実効的な画素数が低下し、解像度が劣化する。
よって、偏光情報を取得でき、高解像度であるためには、４画素で構成することが望ましい。

［実施例３］
実施例３として、上記各実施例と異なる形態の固体撮像素子の構成例について、図７を用いて説明する。
本実施例における固体撮像素子３が、実施例１及び実施例２と異なる点は、偏光抽出ユニット３０１と光導波路のコア形状である。
図７に示すように、本実施例の偏光抽出ユニット３０１は、隣接画素ではなく、１画素をとばした４画素で構成した。すなわち、同色の４つのカラーフィルタによる隣り合う画素のそれぞれの間に、他色のカラーフィルタによる１つの画素を配置した構成とした。
ベイヤー配列の場合、カラーフィルタ毎の偏光情報を取得するためには、同じカラーフィルタで異なる偏光の受光効率を測定する必要がある。
図７では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ１、Ｇ２）、青（Ｂ）のカラーフィルタを有するベイヤー配列とし、青カラーフィルタから成る偏光抽出ユニット３０１を記載した。
尚、同様に、Ｒ、Ｇ１、Ｇ２に対しても偏光抽出ユニットを構成することができる。
以上の偏光抽出ユニット３０１とすることで、カラーフィルタを有するような画素構成においても、色ごとに偏光情報を取得することができる。

図８（ａ）は偏光抽出ユニット３０１を構成する第１の画素３０２の概略断面図であり、図８（ｂ）は第２の画素３０３の概略断面図である。
第１の画素、第２の画素はそれぞれコア３１２、３１３、およびクラッド３２２、３２３の光導波路を有している。
また、コアはそれぞれ長方形の断面形状をし、入射側で少しずつ画素サイズに広がっているテーパーとなっている。
コアをテーパーとすることで、入射光は光導波路との界面で反射するモードが減少し、効率よく光導波路に結合することができる。
このため、偏光抽出ユニット内の画素においても、十分な受光効率を得ることができる。
但し、入射光と光導波路との結合効率を高めるため、テーパーだけでなく、マイクロレンズなどの集光レンズを用いてもよい。
このとき、第１の画素と第２の画素のコアは扁平（長方形）な断面形状を有し、かつ、第１の画素と第２の画素のコアの長軸方向が回転していることにより、偏光抽出ユニットに入射した光の偏光情報を取得することができる。

１０１：偏光抽出ユニット
１０２：第１の画素
１０３：第２の画素
１１２、１１３：コア
１２２、１２３：クラッド

Claims

複数の画素が配列されてなる固体撮像素子であって、
各画素は、コアとクラッドからなる光導波路と、該画素に入射した光を前記光導波路を介して受光する光電変換部と、を有し、
前記複数の画素から選択される２以上の画素が、少なくとも第１の画素と第２の画素を備えた偏光抽出ユニットを構成し、
前記第１の画素のコアと前記第２の画素のコアは、それぞれ前記複数の画素の配列方向において扁平な断面形状を有し、該扁平な断面形状の長軸方向が該第１の画素と該第２の画素とで互いに異なっており、
それにより、入射光の第１の偏光成分に対する前記第１の画素の受光効率と前記第２の画素の受光効率とが互いに異なり、かつ、入射光の該第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分に対する前記第１の画素の受光効率と前記第２の画素の受光効率とが互いに異なることを特徴とする固体撮像素子。
前記第１の画素のコアの長軸方向は、前記第２の画素のコアの長軸方向と直交関係にあることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記クラッドは、前記光導波路に結合せずに該クラッドを伝播する光が前記光電変換部へ到達することを抑制するための吸収部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
前記吸収部は、配線を兼ねており、
該配線は、前記第１の画素と、該第１の画素のコアの前記扁平な断面形状における短軸方向で隣りに配置された前記第２の画素と、の間であって、前記第１の画素側にシフトして設けら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。
前記偏光抽出ユニットは、前記複数の画素から選択される４つの画素を
備えてなり、
該４つの画素の各コアの前記扁平な断面形状の長軸方向が順次それぞれ４５°ずつ異なっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
前記第１の画素と前記第２の画素は、離間しており、
前記第１の画素と前記第２の画素は、同じ色のカラーフィルタを有し、
前記第１の画素と前記第２の画素の間に、他色のカラーフィルタを有する画素が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。