JP6804140B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

この発明は、ＣＭＯＳイメージセンサなどによって構成される固体撮像素子に関するものであり、更に詳しくは、位相差検出方式によるＡＦ（オートフォーカス）処理のための機構を備える固体撮像素子に関するものである。

従来のＡＦ処理のための機構を備える固体撮像素子としては、特許文献１に記載されてるものが知られている。この固体撮像素子は、半導体基板上に形成され、入射光を光電変換する光電変換部と、光電変換部の上層に形成され、入射光を光電変換部に導く導波路と、導波路の開口付近に形成され、導波路に入射する入射光の一部を遮光する遮光部とを有する位相差検出画素を備える。これによって、加工容易性とともに、測距精度を高めることができるものである。

また、特許文献２には、遮光部を薄化することなく、受光感度を向上させることができる固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法が開示されている。この特許文献２の発明の固体撮像素子は、半導体層と、遮光部とを備える。半導体層は、複数の光電変換素子が２次元アレイ状に配列される。遮光部は、半導体層の内部に設けられ、半導体層との界面が絶縁膜によって被覆される遮光部材を有する。さらに、遮光部は、遮光領域と、素子分離領域とを備える。遮光領域は、半導体層の内部における光電変換素子の受光面側に設けられて光電変換素子へ特定の方向から入射する光を遮断する。素子分離領域は、遮光領域から複数の光電変換素子の間へ向け、半導体層の深さ方向へ凸設されて複数の光電変換素子を電気的光学的に素子分離するものである。

更に、特許文献３の発明は、シリコン基板２３の、位相差検出画素４０Ｌ，４０Ｒそれぞれのフォトダイオード２４の間（素子分離領域）に、トレンチ７１が形成されている。さらに、位相差検出画素４０Ｌと隣接する撮像画素それぞれのフォトダイオード２４の間、および、位相差検出画素４０Ｌと隣接する撮像画素それぞれのフォトダイオード２４の間には、トレンチ７２が形成されている。

上記特許文献３の発明の構造によれば、トレンチ７１により、隣接する位相差検出画素４０Ｌ，４０Ｒ同士の間の混色を抑えることができ、トレンチ７２により、位相差検出画素４０Ｌ，４０Ｒそれぞれと、隣接する撮像画素２０との間の混色を抑えることができる。

特開２０１５−１５２９６号公報 特開２０１５−３２６４０号公報 特開２０１５−６０８５５号公報

更に、図１と図２に示されるように、１つのマイクロレンズ１０１と、上記１つのマイクロレンズ１０１の背後に配置された第１の画素１０２Ｌと第２の画素１０２Ｒを１組含む画素ペア１０２で構成する像面位相差画素と、を備える固体撮像素子が知られている。この固体撮像素子は、マイクロレンズ１０１及び画素ペア１０２が、平面において縦方向と横方向に複数隣接して配置された構成を有する。

上記の固体撮像素子では、各画素ペア１０２において第１の画素１０２Ｌ、第２の画素１０２Ｒが隣接する間の領域Ｃと、第１の画素１０２Ｌ、第２の画素１０２Ｒの底部及び側面部に、素子分離領域部１０３が設けられている。また、素子分離領域部１０３の上部には、遮光膜１０４が配置される。

上記のような固体撮像素子において、図２に示されるように、１つのマイクロレンズ１０１における中央部の上方から到来する光ｌは、領域Ｃの上部に配置された遮光膜１０４により遮断される。この結果、この固体撮像素子においては、感度の低下が生じるという問題がある。

上記に対し、図３、図４に示すように、図１及び図２に示す構成の固体撮像素子において、領域Ｃの上部に配置された遮光膜１０４を除去した構成とした固体撮像素子を考える。図３及び図４は、画素ペア１０２が、平面において縦方向に隣接する２ペアを示す。

上記の構成では、縦方向に隣接する２ペアにおいて、一方の素子分離領域部１０３へ入射した光ｌによって図４に示されるように電子ｅが生成される。この電子ｅが隣接する他方の画素ペア１０２に到達し、クロストーク（混色）が生じるという問題がある。

更に、クロストーク（混色）を改善するために、図１及び図２に示す構成の固体撮像素子において、平面の縦方向に隣接する画素ペア１０２における隣接位置のみ、素子分離領域部の上部に配置された遮光膜１０４Ｗの幅を広く構成することが考えられている（図５、図６）。

この構成の固体撮像素子によれば、幅広の遮光膜１０４Ｗの上部から入射した光ｌは、遮光膜１０４Ｗによって遮断され、第１の画素１０２Ｌ（第２の画素１０２Ｒ）へ到達できないため、感度が低下するという問題がある。

本発明はこのような固体撮像素子が有する問題を解決せんとしてなされたもので、その目的は、縦方向に隣接する画素ペア間におけるクロストーク（混色）や１つのマイクロレンズの背後に配置された像面位相差画素における感度の低下を、低減させることが可能な固体撮像素子を提供することである。

本発明に係る固体撮像素子は、１つのマイクロレンズと、前記１つのマイクロレンズの背後に配置された第１の画素と第２の画素を１組含んで構成される画素ペアである像面位相差画素とが、平面において縦方向と横方向に複数隣接し配置された固体撮像素子において、平面の前記画素ペア周縁部を囲繞するように配置された周縁部遮光膜と、前記周縁部遮光膜により囲繞された領域を直線状で帯状の領域で二分する素子分離領域部であって、前記画素ペアにおける前記第１の画素と前記第２の画素が前記直線状で帯状の領域を介して隣接する状態とする素子分離領域部と、前記周縁部遮光膜と前記素子分離領域部とが平面で交差する部位であって前記直線状で帯状の領域の両端部のそれぞれから前記素子分離領域部の中央部へ向かって前記素子分離領域部を所定の長さで覆うように突出され、前記素子分離領域部に覆われない領域を残して配置された突出遮光膜と、を有し、前記所定の長さが、隣接する一方の画素ペアのマイクロレンズから入射した光によって素子分離領域部において生成される電子が隣接する他方の画素ペアに到達しないように、入射する光を遮断できる長さとされていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子では、前記周縁部遮光膜と前記突出遮光膜とは一体に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子では、前記周縁部遮光膜は、平面においていずれの位置においても同一幅で形成されていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子では、各画素ペアにおいて、前記１つのマイクロレンズと１組の前記第１の画素と前記第２の画素との間に、１つのカラーフィルタが介装されていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子では、各画素ペアのカラーフィルタの色は、全画素ペアについてベイヤー配列とされていることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、１つのマイクロレンズと、前記１つのマイクロレンズの背後に配置された第１の画素と第２の画素を１組含んで構成される画素ペアである像面位相差画素が、平面において縦方向と横方向に複数隣接し配置された固体撮像素子において、平面の前記画素ペア周縁部を囲繞するように配置された周縁部遮光膜と、各画素ペアにおいて前記第１の画素と前記第２の画素が隣接する領域に設けられた素子分離領域部と、各画素ペアにおいて前記周縁部遮光膜と前記素子分離領域部とが平面で交差する部位から前記素子分離領域部の中央部へ向かって突出されて配置された突出遮光膜とを有するので、縦方向に隣接する画素ペア間におけるクロストーク（混色）や１つのマイクロレンズの背後に配置された１組の第１の画素と第２の画素における感度の低下を、低減させることが可能である。

第１の従来例に係る固体撮像素子の平面図。 図１のＩ−Ｉ断面図。 第２の従来例に係る固体撮像素子の平面図。 図３のII−II断面図。 第３の従来例に係る固体撮像素子の平面図。 図５のIII−III断面図。 本発明に係る固体撮像素子の実施形態の平面図。 図７のＡ−Ａ断面図。 図７のＢ−Ｂ断面図。 本発明に係る固体撮像素子の実施形態のカラーフィルタの配列を示す平面図。 本発明に係る固体撮像素子の実施形態の遮光膜のみの平面図。

以下添付図面を参照して、本発明に係る固体撮像素子の実施形態を説明する。各図において同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図７に、本発明に係る固体撮像素子の実施形態の平面図を示し、図８にＡ−Ａ断面図を示し、図９にＢ−Ｂ断面図を示す。本実施形態に係る固体撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサなどによって構成され、１つのマイクロレンズ１１と、上記１つのマイクロレンズ１１の背後に配置された第１の画素（フォトダイオード）１２Ｌと第２の画素（フォトダイオード）１２Ｒを１組含んで構成される画素ペア１２である像面位相差画素とが、平面において縦方向と横方向に複数隣接して配置されている。図７においては、縦方向に隣接する２つの画素ペア１２を示している。全ての画素ペア１２の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒは、例えば、撮像処理前のＡＦ処理の際には像面位相差画素として用いられ、撮像処理の際には同じく全ての画素ペア１２の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒが撮像素子として用いられる。

１組の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒは、それぞれ、その底部と側壁部に素子分離領域部１３が設けられている。１組の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒの上面と素子分離領域部１３の上面は同じ高さとされている。

１つのマイクロレンズ１１と１組の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒとの間には、平坦化層１４が設けられている。平坦化層１４内の上側の位置には、１組の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒの表面領域を覆う大きさのカラーフィルタ１５が介装されている。即ち、上記１つのマイクロレンズ１１と上記１組の第１の画素１２Ｌ、第２の画素１２Ｒとの間に、１つのカラーフィルタが介装されている

各画素ペア１２のカラーフィルタ１５の色は、全画素ペアについて図１０に示すようにベイヤー配列とすることができる。図１０において、Ｒは赤色を透過させるカラーフィルタを示し、Ｇは緑色を透過させるカラーフィルタを示し、Ｂは青色を透過させるカラーフィルタを示す。ベイヤー配列は一例に過ぎない。

平面の上記画素ペア１２の周縁部を囲繞するように周縁部遮光膜１６が配置されている。この周縁部遮光膜１６は、遮光膜のみの平面図である図１１に示すように、いずれの位置においても同一幅に形成されている。

各画素ペア１２において上記周縁部遮光膜１６と上記素子分離領域部１３とが平面で交差する部位Ｘ（図７）から上記素子分離領域部１３の中央部へ向かって突出遮光膜１７が突出されて配置されている。周縁部遮光膜１６と突出遮光膜１７により構成される遮光膜のみの平面である図１１から明らかなように、上記周縁部遮光膜１６と上記突出遮光膜１７とは一体に形成されている。上記突出遮光膜１７の突出した方向の寸法は、隣接する画素ペア１２において生じるクロストークを防止できる長さとされている。

即ち、隣接する一方の画素ペア１２のマイクロレンズ１１から入射した光によって素子分離領域部１３で電子ｅが生成されるが、この電子ｅが隣接する他方の画素ペア１２に到達しないように、入射する光を遮断できる長さに上記突出遮光膜１７が突出していれば良い。これ以上中心に近い位置までの長さであると、感度の低下を来すので、上記の寸法とすると好適である。

また、上記周縁部遮光膜１６が画素ペア１２の周縁を囲繞しているため、隣接する画素ペア１２ではそれぞれにおいて、マイクロレンズ１１から周縁部遮光膜１６へ向かって入射した光を遮断することができる。

以上のように構成された本実施形態に係る固体撮像素子では、縦方向に隣接する２ペアの画素ペア１２において、図８に示すように、一方の画素ペア１２のマイクロレンズ１１から素子分離領域部１３へ向かって光ｌが入射したとしても、突出遮光膜１７によってそれ以上の侵入が遮断される。即ち、図４に示されるように電子ｅが生成されることがなく、クロストーク（混色）を抑制することができる。

また、隣接する画素ペア１２の隣接部付近において、上記の画素ペア１２のマイクロレンズ１１から入射した光ｌは、遮断されることなく、第１の画素１２Ｌ（第２の画素１２Ｒ）へと進むことができる。即ち、図６に示されるように入射した光ｌが周縁部遮光膜１６によって遮断されることがない。このため、上記のような光ｌが第１の画素１２Ｌ（第２の画素１２Ｒ）へ到達できないことを原因とする感度低下を抑制することができる。

１１ マイクロレンズ
１２ 画素ペア
１２Ｌ 第１の画素
１２Ｒ 第２の画素
１３ 素子分離領域部
１４ 平坦化層
１５ カラーフィルタ
１６ 周縁部遮光膜
１７ 突出遮光膜

Claims (5)

1. １つのマイクロレンズと、前記１つのマイクロレンズの背後に配置された第１の画素と第２の画素を１組含んで構成される画素ペアである像面位相差画素とが、平面において縦方向と横方向に複数隣接し配置された固体撮像素子において、
   平面の前記画素ペア周縁部を囲繞するように配置された周縁部遮光膜と、
   前記周縁部遮光膜により囲繞された領域を直線状で帯状の領域で二分する素子分離領域部であって、前記画素ペアにおける前記第１の画素と前記第２の画素が前記直線状で帯状の領域を介して隣接する状態とする素子分離領域部と、
   前記周縁部遮光膜と前記素子分離領域部とが平面で交差する部位であって前記直線状で帯状の領域の両端部のそれぞれから前記素子分離領域部の中央部へ向かって前記素子分離領域部を所定の長さで覆うように突出され、前記素子分離領域部に覆われない領域を残して配置された突出遮光膜と、
   を有し、
   前記所定の長さが、隣接する一方の画素ペアのマイクロレンズから入射した光によって素子分離領域部において生成される電子が隣接する他方の画素ペアに到達しないように、入射する光を遮断できる長さとされていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記周縁部遮光膜と前記突出遮光膜とは一体に形成され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. 前記周縁部遮光膜は、平面においていずれの位置においても同一幅で形成されてい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。
4. 各画素ペアにおいて、前記１つのマイクロレンズと１組の前記第１の画素と前記第２の画素との間に、１つのカラーフィルタが介装されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 各画素ペアのカラーフィルタの色は、全画素ペアについてベイヤー配列とされ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。