JP6288075B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(裏面照射型イメージセンサ;瞳分割用遮光膜を受光部上に形成した例)
2.変形例1(瞳分割用遮光膜を受光部に埋設した例)
3.第2の実施の形態(表面照射型イメージセンサ;瞳分割用遮光膜を受光部上に形成した例)
4.変形例2(瞳分割用遮光膜を受光部に埋設した例)
5.変形例3(インナーレンズを設けた例)
6.適用例(電子機器への適用例)
図1は、本開示の第1の実施の形態に係るイメージセンサ(イメージセンサ1A)の断面構成を表したものである。イメージセンサ1Aは、例えば裏面照射型(裏面受光型)の固体撮像素子(CCD,CMOS)であり、基板21(図3参照)上に複数の画素2が図2に示したように2次元配列されている。なお、図1は図2に示したI−I線における断面構成を表したものである。画素2は、撮像画素2A(第1画素)と像面位相差画素2B(第2画素)とから構成されている。本実施の形態では、画素2間、即ち隣り合う撮像画素2Aと像面位相差画素2Bとの間、撮像画素2Aと撮像画素2Aとの間および像面位相差画素2Bと像面位相差画素2Bとの間に、それぞれ溝20Aが設けられている。撮像画素2Aと像面位相差画素2Bとの間の溝20Aには、像面位相差画素2Bにおける瞳分割用の遮光膜13B(第2遮光膜)と連続した遮光膜13A(第1遮光膜)が埋設されている。
集光部10は、受光部20の受光面20S上に設けられると共に、光入射側に、光学機能層として各画素2の受光部20にそれぞれ対向配置されたオンチップレンズ11を有し、このオンチップレンズ11と受光部20との間にはカラーフィルタ12が設けられている。
受光部20は、フォトダイオード23が埋設されたシリコン(Si)基板21と、Si基板21の表面(受光面20Sとは反対側)に設けられた配線層22と、Si基板21の裏面(受光面20S)に設けられた固定電荷膜24とから構成されている。また、上述したように、受光部20の受光面20S側には、各画素2間に溝20Aが設けられている。この溝20Aの幅(W)は、クロストークを抑制し得る幅となっていればよく、例えば20nm以上5000nm以下である。深さ(高さ(h))は、クロストークを抑制し得る深さであればよく、例えば0.3μm以上10μm以下である。なお、配線層22には、転送トランジスタ,リセットトランジスタ,増幅トランジスタ等のトランジスタおよび各種配線が設けられている。
まず、Si基板21にp型半導体領域およびn型半導体領域をそれぞれ形成し、各画素2に対応したフォトダイオード23を形成する。続いて、Si基板21の受光面20Sとは反対側の面(表面)に、多層配線構造を有する配線層22を形成する。次に、Si基板21の受光面20S(裏面)の所定の位置、具体的には、各画素2間に設けられたP型半導体領域に、例えばドライエッチングによって溝20Aを形成する。続いて、Si基板21の受光面20Sおよび溝20Aの壁面から底面にかけて、例えばスパッタリング法、CVD法あるいはALD(Atomic Layer Deposition)法によってHfO2膜を、例えば50nm成膜して固定電荷膜24を形成する。ALD法によりHfO2膜を成膜する場合には、界面準位を低減するSiO2膜を、同時に例えば1nm成膜できるので好適である。
本実施の形態のような裏面照射型のイメージセンサ1Aは、隣接画素間における混色の発生を抑制するために光入射側(集光部10)のオンチップレンズ11の射出面から受光部20までの厚みを薄く(低背化)することが望ましい。また、撮像画素2Aではフォトダイオード23に入射光の集光点を合わせることで最も高い画素特性が得られるのに対し、像面位相差画素2Bでは瞳分割用の遮光膜13Bに入射光の集光点を合わせることで最も高いAF特性が得られる。
図6は、変形例1に係るイメージセンサ(イメージセンサ1B)の断面構成を表したものである。イメージセンサ1Bは、上記第1の実施の形態のイメージセンサ1Aと同様に、裏面照射型の固体撮像素子であり、複数の画素2が二次元配列された構造を有する。各画素2は、撮像画素2Aおよび像面位相差画素2Bから構成されている。各画素2間には第1の実施の形態と同様に溝20Aが設けられている。この溝20Aには像面位相差画素2Bにおいて形成された瞳分割用の遮光膜13Bと連続した遮光膜13Aが埋設されている。但し、本変形例におけるイメージセンサ1Bでは、遮光膜13BがSi基板21に埋設されている点が第1の実施の形態とは異なる。
図7は、本開示の第2の実施の形態に係るイメージセンサ(イメージセンサ1C)の断面構成を表したものである。このイメージセンサ1Cは、例えば表面照射型(表面受光型)の固体撮像素子であり、複数の画素2が2次元配列されている。画素2は、撮像画素2Aと像面位相差画素2Bとから構成されている。各画素2間には上記第1の実施の形態および変形例1と同様に、溝20Aが設けられており、この溝20Aには像面位相差画素2Bにおける瞳分割用の遮光膜(遮光膜13B)と連続して形成された遮光膜(遮光膜13A)が埋設されている。但し、本変形例におけるイメージセンサ1Cは表面照射型であるため、集光部10と受光部20を構成するSi基板21との間には配線層22が設けられており、遮光膜13(13A,13B,13C)は受光部20のSi基板21と配線層22との間に設けられている。なお、本実施の形態のような表面照射型のイメージセンサ1C(および後述する1D,1E)における受光面20SはSi基板21の照射面とする。
図9は、上記第2の実施の形態の変形例2に係るイメージセンサ(イメージセンサ1D)の断面構成を表したものである。イメージセンサ1Dは、上記イメージセンサ1Cと同様に、表面照射型の固体撮像素子であり、複数の画素2が二次元配列された構造を有する。本変形例におけるイメージセンサ1Dは、変形例1のイメージセンサ1Cと同様に、各画素2間に設けられた溝20Aに埋設された遮光膜13Aと連続して形成された遮光膜13B,13CがSi基板21に埋設されている点が第2の実施の形態とは異なる。
図10は、上記第1、第2の実施の形態および変形例1,2に係るイメージセンサ(イメージセンサ1E)の断面構成を表したものである。イメージセンサ1Eは、イメージセンサ1C,1Dと同様に、表面照射型の固体撮像素子であり、複数の画素2が二次元配列された構造を有する。本変形例におけるイメージセンサ1Eは、像面位相差画素2Bの受光部20と集光部10のカラーフィルタ12との間にインナーレンズ14を配設した点が上記実施の形態等とは異なる。
以下、上記第1,第2の実施の形態および変形例1〜3において説明したイメージセンサ1(1A〜1F)の適用例(適用例1〜4)について説明する。上記実施の形態等におけるイメージセンサ1はいずれも、様々な分野における電子機器に適用可能である。ここでは、その一例として、撮像装置(カメラ)、内視鏡カメラ、ビジョンチップ(人工網膜)および生体センサについて説明する。あるいは、図示はしないが、この他にも、上記イメージセンサ1は、車載用センサとしても用いることができる。
図12は、撮像装置(撮像装置3)の全体構成を表した機能ブロック図である。撮像装置3は、例えばデジタルス散るカメラまたはデジタルビデオカメラであり、光学系31と、シャッタ装置32と、イメージセンサ1(例えば、イメージセンサ1A)と、信号処理回路33(画像処理回路33A,AF処理回路33B)と、駆動回路34と、制御部35とを備えている。
図13は、適用例2に係る内視鏡カメラ(カプセル型内視鏡カメラ3A)の全体構成を表す機能ブロック図である。カプセル型内視鏡カメラ3Aは、光学系31と、シャッタ装置32と、イメージセンサ1と、駆動回路34と、信号処理回路33と、データ送信部36と、駆動用バッテリー37と、姿勢(方向、角度)感知用のジャイロ回路38とを備えている。これらのうち、光学系31、シャッタ装置32、駆動回路34および信号処理回路33は、上記撮像装置3において説明した光学系31、シャッタ装置32、駆動回路34および信号処理回路33と同様の機能を有している。但し、光学系31は、4次元空間における複数の方位(例えば全方位)での撮影が可能となっていることが望ましく、1つまたは複数のレンズにより構成されている。但し、本例では、信号処理回路33における信号処理後の映像信号D1およびジャイロ回路38から出力された姿勢感知信号D2は、データ送信部45を通じて無線通信により外部の機器へ送信されるようになっている。
図15は、適用例3に係るビジョンチップ(ビジョンチップ4)の全体構成を表す機能ブロック図である。ビジョンチップ4は、眼の眼球E1の奥側の壁(視覚神経を有する網膜E2)の一部に、埋め込まれて使用される人口網膜である。このビジョンチップ4は、例えば網膜E2における神経節細胞C1、水平細胞C2および視細胞C3のうちのいずれかの一部に埋設されており、例えばイメージセンサ1と、信号処理回路41と、刺激電極部42とを備えている。これにより、眼への入射光に基づく電気信号をイメージセンサ1において取得し、その電気信号を信号処理回路41において処理することにより、刺激電極部42へ所定の制御信号を供給する。刺激電極部42は、入力された制御信号に応じて視覚神経に刺激(電気信号)を与える機能を有するものである。
図16は、適用例4に係る生体センサ(生体センサ5)の全体構成を表す機能ブロック図である。生体センサ5は、例えば指Aに装着可能な血糖値センサであり、半導体レーザ51と、イメージセンサ1と、信号処理回路52とを備えたものである。半導体レーザ51は、例えば赤外光(波長780nm以上)を出射するIR(infrared laser)レーザである。このような構成により、血中のグルコース量に応じたレーザ光の吸収具合をイメージセンサ1によりセンシングし、血糖値を測定するようになっている。
(1)それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部に向けて集光する集光部とを有する第1画素および第2画素と、前記第1画素と前記第2画素との間に設けられた溝と、前記溝に埋設された第1遮光膜と、前記第2画素の、前記受光部の受光面の一部に前記第1遮光膜に連続して設けられた第2遮光膜とを備えた撮像素子。
(2)前記第2遮光膜は前記受光部の前記受光面上に設けられている、前記(1)に記載の撮像素子。
(3)前記第2遮光膜は前記受光部に埋設されている、前記(1)に記載の撮像素子。
(4)前記第1画素および前記第2画素における入射光はそれぞれ同じ深さ位置に集光する、前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の撮像素子。
(5)前記受光部は前記光電変換素子としてn型半導体領域を含むと共に、前記受光面および前記溝の壁面から底面にかけてp型半導体領域を有する、前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の撮像素子。
(6)前記受光部の前記受光面および前記溝の壁面および底面は連続した固定電荷膜によって覆われている、前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の撮像素子。
(7)前記第1画素および前記第2画素が配設された第1領域と、前記第1領域の周囲に設けられると共に、第3遮光膜によって遮光された第2領域とを有し、前記第3遮光膜は前記第2遮光膜と同一材料により形成されている、前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の撮像素子。
(8)前記集光部は光学機能層としてレンズを含み、前記第1画素および前記第2画素の前記レンズは同一形状を有する、前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の撮像素子。
(9)前記第1画素および前記第2画素それぞれの受光部に対向して前記レンズを有する、前記(8)に記載の撮像素子。
(10)前記レンズと前記受光部との間に更にインナーレンズを有する、前記(8)または(9)に記載の撮像素子。
(11)前記集光部は赤色、緑色、青色または白色のカラーフィルタを含み、前記第2画素の前記集光部は緑色または白色のカラーフィルタを有する、前記(1)乃至(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(12)前記第1画素および前記第2画素は、互いに隣接して配置された像面位相差検出画素である、前記(1)乃至(11)のいずれかに記載の撮像素子。
(13)撮像素子を含み、前記撮像素子は、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部に向けて集光する集光部とを有する第1画素および第2画素と、前記第1画素と前記第2画素との間に設けられた溝と、前記溝に埋設された第1遮光膜と、前記第2画素の、前記受光部の受光面の一部に前記第1遮光膜に連続して設けられた第2遮光膜とを備えた撮像装置。
Claims (13)
- それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部に向けて集光する集光部とを有すると共に、互いに隣接して配置された像面位相差検出画素を構成する第1画素および第2画素と、
前記第1画素と前記第2画素との間に設けられた溝と、
前記溝に埋設された第1遮光膜と、
前記第2画素の、前記受光部の受光面の一部に埋設されると共に、前記第1遮光膜に連続して設けられた第2遮光膜と
を備えた撮像素子。 - 前記第1画素および前記第2画素における入射光はそれぞれ同じ深さ位置に集光する、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記受光部は前記光電変換素子としてn型半導体領域を含むと共に、前記受光面および前記溝の壁面から底面にかけてp型半導体領域を有する、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記受光部の前記受光面および前記溝の壁面および底面は連続した固定電荷膜によって覆われている、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記第1画素および前記第2画素が配設された第1領域と、前記第1領域の周囲に設けられると共に、第3遮光膜によって遮光された第2領域とを有し、前記第3遮光膜は前記第2遮光膜と同一材料により形成されている、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記第1画素は撮像画素であり、前記第2画素は像面位相差画素である、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記受光部は、前記受光面とは反対側の面に配線層を有する、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記受光部は、前記受光面と前記集光部との間に配線層を有する、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記集光部は光学機能層としてレンズを含み、前記第1画素および前記第2画素の前記レンズは同一形状を有する、請求項1に記載の撮像素子。
- 前記第1画素および前記第2画素それぞれの受光部に対向して前記レンズを有する、請求項9に記載の撮像素子。
- 前記レンズと前記受光部との間に更にインナーレンズを有する、請求項9に記載の撮像素子。
- 前記集光部は赤色、緑色、青色または白色のカラーフィルタを含み、前記第2画素の前記集光部は緑色または白色のカラーフィルタを有する、請求項1に記載の撮像素子。
- 撮像素子を含み、
前記撮像素子は、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部に向けて集光する集光部とを有すると共に、互いに隣接して配置された像面位相差検出画素を構成する第1画素および第2画素と、
前記第1画素と前記第2画素との間に設けられた溝と、
前記溝に埋設された第1遮光膜と、
前記第2画素の、前記受光部の受光面の一部に埋設されると共に、前記第1遮光膜に連続して設けられた第2遮光膜と
を備えた撮像装置。
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