WO2012001930A1 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a stacked solid-state imaging device.
- an embedded photodiode structure is used as a light receiving portion.
- Patent Document 1 a photoelectric conversion layer is formed on a control electrode constituting a solid-state amplification device, a transparent electrode layer is provided thereon, and the action of the voltage applied thereto is controlled via the photoelectric conversion layer.
- a device that changes optical information into an electrical signal with a good S / N ratio, that is, a so-called stacked solid-state imaging device is disclosed.
- the stacked solid-state imaging device has a configuration in which a photoelectric conversion film is formed on a semiconductor substrate on which a pixel circuit is formed via an insulating film. For this reason, it is possible to use a material having a large light absorption coefficient such as amorphous silicon for the photoelectric conversion film. For example, in the case of amorphous silicon, green light having a wavelength of 550 nm is almost absorbed at a thickness of about 0.4 nm.
- the embedded photodiode structure since the embedded photodiode structure is not used, the capacity of the photoelectric conversion unit can be increased and the saturation charge amount can be increased. Furthermore, it is possible to actively add an additional capacitor because the charge is not completely transferred, and a sufficiently large capacity can be realized even in a miniaturized pixel cell. Further, the stack cell of the dynamic random access memory can be realized. Such a structure is also possible.
- the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1 when a general pigment type color filter is used to separate incident light into each color, light other than the desired color is absorbed by the color filter. Therefore, a loss of incident signal occurs. Therefore, the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to achieve both color reproducibility characteristics and sensitivity characteristics.
- an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having high color reproducibility and high sensitivity.
- a solid-state imaging device corresponding to a plurality of pixel cells arranged in a two-dimensional manner and a column of the pixel cells, and the column of the corresponding column
- a solid-state imaging device including a vertical signal line that transmits a signal voltage of a pixel cell, wherein the pixel cell is formed on a semiconductor substrate, photoelectrically converts incident light, and the photoelectric conversion film A pixel electrode formed on the surface of the semiconductor substrate and in contact with the photoelectric conversion film, and formed on a surface of the photoelectric conversion film opposite to the surface of the semiconductor substrate, and applying a constant voltage to the photoelectric conversion film A transparent electrode, a transistor formed in the semiconductor substrate, having a gate electrode connected to the pixel electrode, and outputting a signal voltage corresponding to the potential of the pixel electrode; and the semiconductor Formed in the substrate A reset transistor that resets the potential of the gate electrode of the amplification transistor, and a transistor formed in the semiconductor substrate, provided between the
- the incident light can be separated into each color component by the spectroscopic element and led to the photoelectric conversion film of different pixel cells, the light amount loss due to absorption in color separation compared to a general pigment type color filter. Can be reduced. As a result, a solid-state imaging device having high color reproducibility and high sensitivity can be realized.
- the solid-state imaging device since the solid-state imaging device has a laminated structure, no wiring is formed above the photoelectric conversion unit. Therefore, it is possible to suppress light emitted from the spectroscopic element and traveling obliquely with respect to the light incident surface from being blocked by the wiring. As a result, a more sensitive solid-state imaging device can be realized.
- the solid-state imaging device has a stacked structure and a spectroscopic element, so that high pixels and improved sensitivity can be realized. Therefore, it is possible to improve the performance and reduce the price of image sensor-related products such as digital video cameras, digital still cameras, camera-equipped mobile phones, surveillance cameras, in-vehicle cameras, and broadcast cameras.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a relative positional relationship between the spectroscopic element and the photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3A is a cross-sectional view showing the structure of the complementary color spectroscopic optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3B is a cross-sectional view showing the structure of the complementary color spectroscopic optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a relative positional relationship between the spectroscopic element and the photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3A
- FIG. 3C is a cross-sectional view showing the structure of the complementary color spectroscopic optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3D is a cross-sectional view showing the structure of the complementary color spectroscopic optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3E is a cross-sectional view showing the structure of the complementary color spectroscopic optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3F is a cross-sectional view showing the structure of the complementary color spectroscopic optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing the basic structure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 5A is a cross-sectional view showing the structure of an RGB spectroscopic optical element according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 5B is a cross-sectional view showing the structure of the RGB spectroscopic optical element according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 5C is a cross-sectional view showing the structure of the RGB spectroscopic optical element according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 5D is a cross-sectional view showing the structure of the RGB spectral optical element according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing the basic structure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 7A is a top view of the sub-wavelength structure lens according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 7B is a top view of the sub-wavelength structure lens according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 8A is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8B is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8C is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8A is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8B is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8C is a
- FIG. 8D is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8E is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 8F is a cross-sectional view of a spectroscopic element according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIG. 9A is a cross-sectional view showing the structure of a camera system according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- FIGS. 9B and 9C are cross-sectional views illustrating the structure of a solid-state imaging device according to a comparative example of the embodiment of the present invention.
- a solid-state imaging device includes a semiconductor substrate, a plurality of pixel cells arranged in a matrix on the semiconductor substrate, and a vertical signal formed for each column of pixel cells.
- the pixel cell includes a reset transistor, an address transistor, and an amplification transistor formed on the semiconductor substrate, and a photoelectric conversion unit.
- the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film formed on the semiconductor substrate; The pixel electrode formed on the substrate side surface of the photoelectric conversion film and the transparent electrode formed on the surface opposite to the pixel electrode of the photoelectric conversion film, and the solid-state imaging device is formed above the transparent electrode A low refractive index transparent layer and a plurality of columnar or plate-like high refractive index transparent portions embedded in the low refractive index transparent layer.
- Conversion part corresponds, low refractive index transparent layer and Light incident on the refractive index transparent portion, the phase shift occurring in the wavefront by passing through them, 0 characterized in that it is separated into the order diffracted light and 1-order diffracted light and -1 order diffracted light.
- the plurality of high refractive index transparent portions include at least a high refractive index transparent portion for red, a high refractive index transparent portion for green, and a blue high refractive index transparent portion that are different from each other in refractive index, shape, or size, and a , B and c are integers of 0 or more, the phase shift generated between the light passing through the high refractive index transparent portion and the light passing through the low refractive index transparent layer is the high refractive index transparent portion for red Is (a + 1/2) times the red wavelength, (b + 1/2) times the green wavelength in the case of the high refractive index transparent portion for green, and (c + 1 /) of the blue wavelength in the case of the high refractive index transparent portion for blue. 2) Double.
- the plurality of high refractive index transparent portions include a first specified high refractive index transparent portion corresponding to the first wavelength and a second specified high refractive index transparent portion corresponding to the second wavelength, wherein a and b are 0 or more.
- a solid-state imaging device includes a semiconductor substrate, a plurality of pixel cells arranged in a matrix on the semiconductor substrate, and a vertical signal line formed for each column of pixel cells.
- the cell includes a reset transistor, an address transistor and an amplification transistor formed on a semiconductor substrate, and a photoelectric conversion unit.
- the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film formed on the semiconductor substrate, and a substrate of the photoelectric conversion film.
- the solid-state imaging device is transparent with a low refractive index formed above the transparent electrode And a plurality of columnar or plate-like high-refractive-index transparent parts embedded in the low-refractive-index transparent layer, and the central axis of the high-refractive-index transparent part in a cross section perpendicular to the semiconductor substrate is bent in a stepped manner , Low refractive index transparent layer and Light incident on the high refractive index transparent section, by passing through them, characterized in that 0 is separated into diffracted light and 1-order diffracted light and -1 order diffracted light.
- the width of the high refractive index transparent portion changes before and after the bending of the central axis
- the width of the high refractive index transparent portion on the semiconductor substrate side with respect to the bending of the central axis is It is smaller than the width of the high refractive index transparent part on the opposite side.
- the 0th-order diffracted light is detected by the first photoelectric conversion unit
- the 1st-order diffracted light is detected by the second photoelectric conversion unit
- the ⁇ 1st-order diffracted light is detected by the third photoelectric conversion unit.
- the first attenuation point on the normal line perpendicular to the first photoelectric conversion unit at the shortest distance from the high-refractive-index transparent portion and the incident light quantity becomes 1/100 in the first photoelectric conversion unit is high.
- the distance between the refractive index transparent portion and the end surface on the semiconductor substrate side is L, and from the first attenuation point to the second attenuation point where the incident light quantity becomes 1/100 in the second photoelectric conversion portion adjacent to the first photoelectric conversion portion.
- the solid-state imaging device has a plurality of effective refractive index distributions that are generated on a light incident side of the pixel cell by a light transmission film having a concentric structure divided by a line width equal to or shorter than the wavelength of incident light.
- a condensing element is provided.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention.
- This solid-state imaging device is a stacked solid-state imaging device, and is provided corresponding to a plurality of pixel cells arranged in a two-dimensional form (matrix) and each column of pixel cells.
- the size of the pixel cell is, for example, 1.5 ⁇ m.
- the pixel cell has a photoelectric conversion unit and one amplification transistor, one reset transistor, and one address transistor formed in the semiconductor substrate 32 made of silicon.
- Each transistor includes a gate electrode 29, a diffusion layer 30, an element isolation region 31, and an LSI wiring 28.
- the diffusion layer 30 indicates a source diffusion layer, a drain diffusion layer, and a gate diffusion layer (channel diffusion layer).
- the photoelectric conversion film unit photoelectrically converts incident light, and generates and accumulates signal charges corresponding to the amount of incident light.
- the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film 26 made of amorphous silicon, a pixel electrode 27 formed on the lower surface of the photoelectric conversion film 26 (a surface on the semiconductor substrate 32 side of the photoelectric conversion film 26), and a photoelectric conversion film 26. And a transparent electrode 25 formed on the upper surface (the surface opposite to the surface of the photoelectric conversion film 26 on the semiconductor substrate 32 side).
- the photoelectric conversion film 26 is formed on the semiconductor substrate 32 and photoelectrically converts incident light.
- the pixel electrode 27 is formed on the semiconductor substrate 32, is in contact with the photoelectric conversion film 26, and collects signal charges generated in the photoelectric conversion film 26.
- the transparent electrode 25 is formed on the semiconductor substrate 32 and applies a constant voltage to the photoelectric conversion film 26 in order to read the signal charge of the photoelectric conversion film 26 to the pixel electrode 27.
- the amplification transistor has a gate electrode 29 connected to the pixel electrode 27, and outputs a signal voltage corresponding to the potential of the pixel electrode 27.
- the reset transistor has a source connected to the pixel electrode 27 and resets the potential of the photoelectric conversion film portion, in other words, the gate electrode 29 of the amplification transistor.
- the address transistor is provided between the amplifying transistor and the vertical signal line, and selectively outputs a signal voltage from the pixel cells in a predetermined row to the vertical signal line.
- the solid-state imaging device has a configuration in which a photoelectric conversion film 26 is formed via an insulating interlayer film 22 on a semiconductor substrate 32 on which a pixel circuit including an address transistor, an amplification transistor, and a reset transistor is formed. is doing.
- the photoelectric conversion film 26 can be made of a material having a large light absorption coefficient such as amorphous silicon.
- amorphous silicon green light having a wavelength of 550 nm is almost absorbed at a thickness of about 0.4 ⁇ m.
- the embedded photodiode structure since the embedded photodiode structure is not used, the capacity of the photoelectric conversion unit can be increased, and the saturation charge amount can be increased. Further, since the charge is not completely transferred, an additional capacitor can be added positively, and a sufficiently large capacity can be realized even in a miniaturized pixel cell.
- a structure like a stack cell in a dynamic random access memory may be used.
- the hard reset and the soft reset are combined, and the potential of the reset transistor is once set to a lower level than the ground potential at the time of the soft reset.
- the solid-state imaging device after applying a first reset voltage to the drain of the reset transistor, a hard reset operation for turning on the reset transistor, and a first reset at the drain of the reset transistor After applying the second reset voltage that is higher than the voltage, a soft reset operation is performed in which a negative pulse is applied to the source of the reset transistor via the capacitor. For this reason, even when the pixel cell is miniaturized, the noise can be suppressed to 1 / ⁇ 2 of the case of only the hard reset.
- the solid-state imaging device further includes a low-refractive-index transparent layer 2 made of SiO 2 or the like, a microlens 20, and a plurality of high-refractive-index transparent portions 21a and 21b formed above the photoelectric conversion portion (transparent electrode 25). And 21c.
- the high refractive index transparent portions 21 a, 21 b and 21 c made of SiN or the like have a higher refractive index than the low refractive index transparent layer 2 and are embedded in the low refractive index transparent layer 2.
- One high refractive index transparent portion 21a, 21b, and 21c is provided corresponding to a plurality of pixel cells (three pixel cells in FIG. 1), and the light that enters the high refractive index transparent portions 21a, 21b, and 21c.
- the zero-order diffracted light, the first-order diffracted light, and the ⁇ 1st-order diffracted light are separated and emitted toward the photoelectric conversion films 26 of the corresponding different pixel cells.
- Each of the high refractive index transparent portions 21 a, 21 b, and 21 c is provided in one-to-one correspondence with the microlens 20, and is disposed on the central axis of each corresponding microlens 20.
- the high refractive index transparent portions 21a, 21b and 21c and the low refractive index transparent layer 2 are transparent to visible light.
- the high refractive index transparent portions 21a, 21b, and 21c are plate-like continuous in the Y-axis (perpendicular to the paper surface) direction, for example, a main surface (YZ plane) perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26). And a plate-like transparent portion whose thickness direction (width direction) is the X-axis direction, or a columnar shape separated in a one-to-one correspondence with each microlens 20, for example, the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26) This is a columnar transparent portion having a bottom surface (XY plane) parallel to the main surface and having the Z-axis direction as the height direction.
- the high refractive index transparent portions 21a, 21b, and 21c have the same cross-sectional shape in the Y-axis direction.
- the dimension in the Y-axis direction is 2 to 3 times or more the dimension in the X-axis direction.
- the high refractive index transparent portions 21a, 21b and 21c have different widths (X-axis direction dimensions) w and lengths (Z-axis direction dimensions) h.
- the high refractive index transparent part 21a is a red spectral element
- the high refractive index transparent part 21b is a green spectral element
- the high refractive index transparent part 21c is a blue spectral element.
- the width wa of the high refractive index transparent portion 21a for red is, for example, 0.35 ⁇ m, and the length ha is, for example, 1.8 ⁇ m.
- the light 3 incident on the red high refractive index transparent portion 21a is separated into 0th order diffracted light, ⁇ 1st order diffracted light, and first order diffracted light when exiting the red high refractive index transparent portion 21a, and is detected by the photoelectric conversion portion.
- the 0th-order diffracted light becomes light other than red (green light and blue light, that is, cyan light) 60
- the first-order diffracted light becomes red light 52
- the ⁇ 1st-order diffracted light becomes red light 57.
- the light incident on the high refractive index transparent portion 21b for green is zero-order diffracted light that becomes light other than green (red light and blue light, that is, magenta light) 54, first-order diffracted light that becomes green light 53, and green light.
- the light 58 is separated into ⁇ 1st order diffracted light.
- the light incident on the blue high-refractive-index transparent part 21c becomes zero-order diffracted light that becomes light other than blue (red and green, that is, yellow) 56, first-order diffracted light that becomes blue light 55, and blue light 59 ⁇ Separated into first-order diffracted light.
- FIG. 2 is a diagram showing a relative positional relationship between the spectroscopic elements (high refractive index transparent portions 21a, 21b and 21c) and the photoelectric conversion portion of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
- a part of the light incident on the high refractive index transparent portion 21a is emitted at a diffraction angle ⁇ and is incident on the photoelectric conversion portion (the transparent electrode 25, the photoelectric conversion film 26, and the pixel electrode 27).
- the photoelectric conversion portion the transparent electrode 25, the photoelectric conversion film 26, and the pixel electrode 27.
- a spectroscopic element is used instead of a general pigment type color filter to separate incident light into each color. Accordingly, the loss of light amount due to absorption in color separation can be reduced, and a solid-state imaging device having high color reproducibility and high sensitivity can be realized.
- one type of color information is detected by one microlens.
- two types of color information are detected by one microlens. Therefore, in the configuration of the pixel cell according to this embodiment, the pixel density can be doubled as compared with the conventional case.
- the phase shift is (a + 1/2) times the wavelength ⁇ R of red light and the green high refractive index transparent in the case of the red high refractive index transparent portion 21a.
- the portion 21b it may be (b + 1/2) times the wavelength ⁇ G of green light, and in the case of the high refractive index transparent portion for blue, it may be (c + 1/2) times the wavelength ⁇ B of blue light.
- the solid-state imaging device in order to separate light in the visible light region into complementary colors of the three primary colors of red light, green light, and blue light, three types of high colors for red, green, and blue are used.
- three types of high colors for red, green, and blue are used.
- the high refractive index transparent portion can be made into two types of a first wavelength high refractive index transparent portion and a second wavelength high refractive index transparent portion.
- the first wavelength for example, infrared light wavelength
- the second wavelength green light wavelength
- the refractive index of the high refractive index transparent portion is n
- the low refractive index around the high refractive index transparent portion is low.
- the refractive index of the refractive index transparent layer is n0 and a and b are integers of 0 or more
- h second wavelength ⁇ (2 ⁇ b + 1) / ⁇ 2 ⁇ (n ⁇ n0) ⁇ is satisfied in the high refractive index transparent portion for the second wavelength It is preferable to set so as to. At this time, the smaller the values of a and b (for example, 0 or 1), the shorter the length of the high refractive index transparent portion, so that the optical loss is reduced and the manufacture is facilitated.
- the high refractive index transparent portions 21a, 21b, and 21c have a shape in which the width w is constant in the z-axis direction as shown in FIG.
- the center position in the width direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26) in a cross section orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26) has a constant shape, and is highly refraction. If the light entering the transparent portions 21a, 21b, and 21c is separated into 0th-order diffracted light, 1st-order diffracted light, and -1st-order diffracted light and emitted toward the photoelectric conversion film 26, it is limited to this shape. I can't.
- the high refractive index transparent portion 21a may have a shape having two different widths as shown in FIG. 3A. As shown in FIG. 3B, the lower end portion in the Z-axis direction (the end portion on the photoelectric conversion portion side). ), The width may be narrowed stepwise, and may have a stepped shape having three or more different widths.
- the high-refractive-index transparent part 21a in FIGS. 3A and 3B has a first part and a second part having different lengths in the width direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26). The portion is located on the semiconductor substrate 32 side with respect to the second portion, and has a shorter length in the width direction than the second portion. Furthermore, as shown in FIG.
- the taper may have a taper shape in which the width gradually decreases toward the lower end in the Z-axis direction.
- you may have a branched shape branched into two or more in the lower end part of the Z-axis direction.
- a lens shape having a microlens structure may be provided at the lower end portion in the Z-axis direction (end portion on the photoelectric conversion portion side).
- the complementary color spectroscopic optical element is used.
- the present invention is not limited to this, and an RGB spectroscopic optical element may be used.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing the basic structure of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
- This solid-state imaging device uses an RGB spectroscopic optical element, and has a high refractive index transparent portion in a cross-section (XZ plane) orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate 32 in the width direction (X-axis). This is different from the solid-state imaging device of the first embodiment in that the position of the center of (direction) changes stepwise.
- This solid-state imaging device is a stacked type solid-state imaging device, and is provided corresponding to each of a plurality of pixel cells arranged in a two-dimensional manner and each column of pixel cells, and is output from the pixel cells in the corresponding column. And a vertical signal line for transmitting the signal voltage in the vertical direction (column direction).
- the size of the pixel cell is, for example, 1.5 ⁇ m.
- the pixel cell has a photoelectric conversion unit and one amplification transistor, one reset transistor, and one address transistor formed on the semiconductor substrate 32 made of silicon.
- Each transistor includes a gate electrode 29, a diffusion layer 30, an element isolation region 31, and an LSI wiring 28.
- the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film 26 made of amorphous silicon or the like, a pixel electrode 27 formed on the lower surface of the photoelectric conversion film 26, and a transparent electrode 25 formed on the upper surface of the photoelectric conversion film 26. .
- the solid-state imaging device further includes a low-refractive-index transparent layer 2 made of SiO 2 or the like, a microlens 20, and a plurality of high-refractive-index transparent sections 10 and 11 formed above the photoelectric conversion section (transparent electrode 25). And 12.
- the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 made of SiN or the like have a higher refractive index than the low refractive index transparent layer 2 and are embedded in the low refractive index transparent layer 2.
- One high refractive index transparent portion 10, 11 and 12c is provided corresponding to a plurality of pixel cells (three pixel cells in FIG. 4), and light incident on the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 is provided.
- the zero-order diffracted light, the first-order diffracted light, and the ⁇ 1st-order diffracted light are separated and emitted toward the photoelectric conversion films 26 of the corresponding different pixel cells.
- the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 and the low refractive index transparent layer 2 are transparent to visible light.
- the high refractive index transparent portions 10, 11, and 12 have a plate shape continuous in the Y-axis (perpendicular to the paper surface) direction, for example, a main surface (YZ plane) perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26).
- a plate-like transparent portion whose thickness direction is the X-axis direction, or a columnar shape that is separated in a one-to-one correspondence with each microlens It is a columnar transparent portion having a parallel bottom surface (XY plane) and having a height direction in the Z-axis direction.
- the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 have the same cross-sectional shape in the Y-axis direction. When the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 are columnar, the dimension in the Y-axis direction is 2 to 3 times the dimension in the X-axis direction. Each of the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 is provided in one-to-one correspondence with the microlens 20, and is disposed on the central axis of each corresponding microlens.
- the high refractive index transparent part 10 is a green spectral element
- the high refractive index transparent part 11 is a blue spectral element
- the high refractive index transparent part 12 is a red spectral element.
- the light 3 incident on the green high-refractive-index transparent part 10 excites a plurality of modes in the green high-refractive-index transparent part 10 to form a local electric field.
- the location varies depending on the wavelength, and light is emitted in the propagation direction at a point where the final location and the emission end coincide.
- Green light as the first-order diffracted light 15 is emitted in the Z-axis direction from the end surface portion of the high refractive index transparent portion 10 for green, and blue light and zero-order diffracted light 16 as the 0th-order diffracted light 14 are emitted from the edge portion of the end surface portion. Red light is emitted.
- the light 3 incident on the green high refractive index transparent portion 10 is separated into the first-order diffracted light 15, the 0th-order diffracted light 14, and the ⁇ 1st-order diffracted light 16.
- the light 3 incident on the blue high-refractive index transparent portion 11 and the red high-refractive index transparent portion 12 is also separated into the first-order diffracted light 15, the 0th-order diffracted light 14, and the ⁇ 1st-order diffracted light 16.
- a spectroscopic element is used instead of a general pigment type color filter to separate incident light into each color. Accordingly, the loss of light amount due to absorption in color separation can be reduced, and a solid-state imaging device having high color reproducibility and high sensitivity can be realized.
- the solid-state imaging device of the present embodiment light of the same color (for example, red light or blue light) is incident on the photoelectric conversion unit positioned between adjacent spectral elements.
- the color information absorbed by the color filter can be detected originally, the pixel density can be improved.
- the plurality of high-refractive-index transparent portions 10, 11 and 12 are arranged symmetrically on the YZ plane, but the present invention is not limited to this.
- each of the high refractive index transparent portions 10, 11 and 12 may be designed so that light of a desired wavelength is incident on the pixel cell.
- the high refractive index transparent portions 10, 11, and 12 are only required to have the central axis (one-dot broken line) in the cross section along the XZ plane bent in a stepped manner, in other words, the main substrate of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26).
- the position of the center in the width direction (X-axis direction) parallel to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26) in the cross section (XZ plane) orthogonal to the plane may be changed stepwise toward the Z-axis direction. What is necessary is just and it is not limited to the shape of FIG.
- the high refractive index transparent portion 11 defines its width (length in the width direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate 32) w1 and w2, as shown in FIG. 5A.
- One of the two side surfaces (the surface on the right side in FIG. 5A) has a step between the surface of the front side portion (the portion having the width w1) and the surface of the rear side portion (the portion having the width w2). There were no identical faces.
- the high-refractive-index transparent portion 11 has one surface (the right surface in FIG. 5B) on both sides defining the widths w1 and w2, and the front portion surface and the rear portion portion. And the other surface (the left surface in FIG. 5B) on the front side surface and the rear side surface. May form a stepped surface that bends in the same direction as the bending direction of the central axis.
- the high-refractive-index transparent portion 11 has both sides defining the widths w1 and w2, and the surface of the front portion and the surface of the rear portion are in the same direction as the direction of bending of the central axis. You may comprise the surface with the level
- the high refractive index transparent portion 11 is one surface (the left surface in FIG. 5D) of both side surfaces defining the widths w1 and w2, and the front portion surface and the rear portion portion. And a surface with a step that continuously bends in the same direction as the direction of bending of the central axis. That is, the central axis may be gently bent so that the bent portion of the central axis occupies a certain region having a width in the Z-axis direction.
- the width w1 of the front side portion may change without being constant, and the width w2 of the rear side portion may similarly change without changing.
- the number of step-like bends on the central axis need not be one, and may be two or more.
- the high refractive index transparent portion 11 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5D includes a first portion and a second portion having different lengths in the width direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate 32 (photoelectric conversion film 26).
- a first portion having a width w1 and a first portion having a width w2, and the first portion is located closer to the semiconductor substrate 32 than the second portion, and is shorter in the width direction than the second portion.
- FIG. 6 is a cross-sectional view showing the basic structure of the solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
- the solid-state imaging device includes a plurality of condensing elements formed on a low refractive index transparent layer, and the condensing elements are concentric circles divided by a line width that is equal to or shorter than the wavelength of incident light. It differs from the solid-state imaging device of the first embodiment in that it has an effective refractive index distribution generated in the light transmission film having the structure.
- This solid-state imaging device is a stacked type solid-state imaging device, and is provided corresponding to each of a plurality of pixel cells arranged in a two-dimensional manner and each column of pixel cells, and is output from the pixel cells in the corresponding column. And a vertical signal line for transmitting the signal voltage in the vertical direction (column direction).
- the pixel size is, for example, 1.5 ⁇ m.
- the pixel cell includes a photoelectric conversion unit and an amplification transistor, a reset transistor, and an address transistor formed on a semiconductor substrate 32 made of silicon.
- Each transistor includes a gate electrode 29, a diffusion layer 30, an element isolation region 31, and an LSI wiring 28.
- the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film 26 made of amorphous silicon or the like, a pixel electrode 27 formed on the lower surface of the photoelectric conversion film 26, and a transparent electrode 25 formed on the upper surface of the photoelectric conversion film 26. .
- the solid-state imaging device further includes a low-refractive-index transparent layer 2 made of SiO 2 or the like formed above the photoelectric conversion unit, a plurality of sub-wavelength structure lenses (sub-wavelength optical elements) 33 as condensing elements, It has a plurality of high refractive index transparent portions 21a, 21b and 21c.
- the sub-wavelength structure lens 33 is formed on the low-refractive-index transparent layer 2 and has an effective refractive index distribution generated in a concentric light-transmitting film divided by a line width approximately equal to or shorter than the wavelength of incident light.
- the high refractive index transparent part 21a is a red spectral element
- the high refractive index transparent part 21b is a green spectral element
- the high refractive index transparent part 21c is a blue spectral element.
- FIG. 7A is a top view of the sub-wavelength structure lens 33.
- SiO 2 is densely gathered at the center of the pixel cell and is changed to sparse as it becomes an outer ring.
- the minute region (zone region) 34 in which the high refractive index material (SiO 2 ) 35 and the low refractive index material (air) 36 of the sub-wavelength structure lens 33 coexist is equal to or more than the wavelength of the incident light.
- the effective refractive index perceived by the sub-wavelength structure lens 33 is determined by the volume ratio of the two materials in the zone region. That is, if the high refractive index material in the zone region is increased (decreased), the effective refractive index becomes higher (lower).
- the sub-wavelength structure lens 33 is a distributed refractive index lens in which the optical center is decentered from the center of the pixel cell to the left side in the periphery of the solid-state imaging device.
- the light 3 incident from the front left side of FIG. 6 is deflected in the direction perpendicular to the plane of FIG. That is, as shown in FIG. 6, the light 3 incident at an angle ⁇ is condensed and deflected by the sub-wavelength structure lens 33, separated by the high refractive index transparent portions 21 a, 21 b and 21 c, and then subjected to photoelectric conversion. Reach the department.
- a spectroscopic element is used instead of a general pigment type color filter to separate incident light into each color. Accordingly, the loss of light amount due to absorption in color separation can be reduced, so that a solid-state imaging device having high color reproducibility and high sensitivity can be realized.
- the sub-wavelength structure element having the light collecting property and the deflecting property is mounted.
- the sub-wavelength optical device having only the deflecting property as shown in FIG. An element may be mounted. Since the sub-wavelength optical element does not have a light collecting property, parallel light can be vertically incident on the spectroscopic element. Therefore, the diffraction efficiency of the spectroscopic element is increased, and the color reproducibility is improved.
- an electrode and a wiring layer are formed on the surface of the Si substrate, and the light irradiated from above the Si substrate is dispersed by a color filter, and the dispersed light (for example, red light, green light, A structure in which blue light) is photoelectrically converted by a light receiving unit is common.
- the wiring layer is multi-layered, so that the distance between the microlens and the light receiving portion is increased. For this reason, it becomes difficult for incident light to reach the light receiving section, and a significant decrease in sensitivity occurs.
- FIG. 8A is a cross-sectional view of a spectroscopic element (optical element) that performs complementary color spectroscopy using phase shift.
- the central axis in the X-axis direction in the cross section along the XZ plane of the spectroscopic element is indicated by a one-dot broken line.
- the high refractive index transparent portion 1 constituting the spectroscopic element has a plate-like shape extending in the Y-axis direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 8A) having a width (X-axis direction dimension) w and a length (Z-axis direction dimension) h. It is a transparent part.
- the refractive index of the high refractive index transparent portion 1 is n
- the refractive index of the surrounding low refractive index transparent layer is n0.
- the wavefront 4 of the light 3 incident on the high refractive index transparent portion 1 is a plane wave
- the light 3 is transmitted through the high refractive index transparent portion 1 and the surrounding low refractive index transparent layer, whereby the high refractive index transparent portion 1 is transmitted.
- a phase shift d h (n ⁇ n0) is generated in the wavefront of the light emitted from the light (converted into a length in a vacuum). Due to this phase shift, the emitted light is diffracted and separated into zero-order diffracted light 6, first-order diffracted light 50, and ⁇ 1st-order diffracted light 51.
- the blue light is strongly first-order diffracted by setting the phase shift amount to about 0.5 wavelength of blue light. At this time, if white light is incident, the 0th-order diffracted light 6 becomes yellow light.
- FIG. 8B is a cross-sectional view of a spectroscopic element (optical element) that performs RGB spectroscopy using phase shift.
- the central axis in the X-axis direction in the cross section along the XZ plane is indicated by a one-dot broken line, and the step difference in bending of the central axis is indicated by s.
- the high refractive index transparent portion 1 constituting the spectroscopic element is a plate-like transparent portion having widths w1, w2, lengths h1, h2 and extending in the Y-axis direction.
- the refractive index of the high refractive index transparent portion 1 is n
- the refractive index of the surrounding low refractive index transparent layer is n0.
- the wavefront 4 of the light 3 incident on the high refractive index transparent portion 1 is a plane wave
- the light 3 passes through the high refractive index transparent portion 1 and the surrounding low refractive index transparent layer, so that the high refractive index transparent portion 1
- the incident light 3 excites the 0th-order waveguide mode 7 propagating inside the high refractive index transparent portion 1.
- the 0th-order guided mode 7 passes through the bent portion of the high refractive index transparent portion 1, the propagation mode is disturbed, and the 0th-order guided mode 8, the first-order guided mode 9, and the higher-order guided mode Wave mode light and radiation mode light are generated.
- the electric field is localized.
- the localized portion 13 varies depending on the wavelength, and light is emitted in the propagation direction at a point where the final localized position coincides with the emission end.
- blue high refractive index transparent portion blue spectral element 1
- red high refractive index transparent portion red light ( ⁇ 1st order diffracted light 16)
- green high refractive index transparent portion green spectroscopic element 1
- green light first-order diffracted light 15
- FIG. 9 is a cross-sectional view of a camera system in which the solid-state imaging device according to this comparative example is mounted.
- 9A is a sectional view showing the structure of the camera system
- FIG. 9B is a sectional view showing the structure near the center of the solid-state imaging device
- FIG. 9C is a solid-state imaging device. It is sectional drawing which shows the structure of the peripheral part vicinity.
- This solid-state imaging device includes a plurality of pixel cells 18, an optical module such as a camera lens 17 and a microlens 20, and a spectroscopic element.
- the size of the pixel cell 18 is, for example, 1.4 ⁇ m.
- the light 3 emitted from the camera lens 17 as an optical module enters the pixel cell 18 near the center of the solid-state imaging device vertically, but enters the pixel cell 18 near the periphery at a high angle.
- the vertically incident light 3 is diffracted by the spectroscopic element, and the zero-order diffracted light travels straight and is photoelectrically converted by the light receiving unit 24.
- the first-order diffracted light is shielded by the wiring 23 and cannot reach the light receiving unit 24. Therefore, the sensitivity is significantly reduced.
- the diffracted light has no convergence. The light diverges and cannot reach the light receiving unit 24.
- the solid-state imaging device of FIG. 1 has a stacked structure, the light receiving unit is positioned above the wiring, and the light traveling from the spectroscopic element to the light receiving unit is not shielded by the wiring.
- the incident angle of the light 3 increases, so that the spectroscopic element cannot generate a phase shift amount necessary for diffraction. For this reason, the diffraction efficiency of the desired color is almost 0%, so that the spectral function is significantly lowered. Moreover, since most of the incident light is reflected light and scattered light, the sensitivity is significantly reduced.
- a distributed refractive index lens whose optical center is decentered from the center of the pixel cell to the left side is provided in the peripheral portion, thereby suppressing an increase in the incident angle of light in the peripheral portion. Can be suppressed.
- the present invention is not limited to this embodiment.
- the present invention includes various modifications made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Moreover, you may combine each component in several embodiment arbitrarily in the range which does not deviate from the meaning of invention.
- the present invention is useful for solid-state imaging devices, and is useful for image sensor-related products such as digital video cameras, digital still cameras, camera-equipped mobile phones, surveillance cameras, in-vehicle cameras, and broadcast cameras. .
Abstract
本発明は、高色再現性と高感度を有する固体撮像装置を提供することを目的とするものであって、複数の画素セルと垂直信号線とを備え、画素セルは、光電変換膜（２６）と画素電極（２７）と透明電極（２５）と増幅トランジスタとリセットトランジスタとアドレストランジスタとを有し、固体撮像装置は、さらに、透明電極（２５）の上に形成された低屈折率透明層（２）と、低屈折率透明層（２）内に埋め込まれた、低屈折率透明層（２）より高い屈折率の複数の高屈折率透明部（２１ａ）、（２１ｂ）及び（２１ｃ）とを備え、高屈折率透明部（２１ａ）、（２１ｂ）及び（２１ｃ）は、高屈折率透明部（２１ａ）、（２１ｂ）及び（２１ｃ）内に入射する光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離して光電変換膜（２６）に向けて出射する。
Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に積層型の固体撮像装置に関する。
一般的な固体撮像装置では、受光部として埋め込みフォトダイオード構造が用いられている。
また、特許文献１は、固体増幅装置を構成する制御電極の上に光電変換層を形成しこの上に透明電極層を設け、ここに印加した電圧の作用を、光電変換層を介して制御電極に及ぼすことにより良好なＳＮ比で光情報を電気信号に変える装置、いわゆる、積層型の固体撮像装置を開示している。
積層型の固体撮像装置は、画素回路が形成された半導体基板の上に絶縁膜を介して光電変換膜が形成された構成を有している。このため、光電変換膜にアモルファスシリコン等の光吸収係数が大きい材料を用いることが可能となる。例えば、アモルファスシリコンの場合、波長５５０ｎｍの緑色の光は、０．４ｎｍ程度の厚さでほとんど吸収される。
また埋め込みフォトダイオード構造が用いられないため、光電変換部の容量を大きくすることが可能であり、飽和電荷量を大きくできる。さらに、電荷を完全転送しないため付加容量を積極的に付加することも可能であり、微細化された画素セルにおいても十分な大きさの容量が実現でき、さらに、ダイナミックランダムアクセスメモリにおけるスタックセルのような構造とすることも可能である。
しかし、特許文献１に示された固体撮像装置では、入射光を各色に分離するために一般的な顔料タイプのカラーフィルタが用いられた場合、所望の色以外の光はカラーフィルタで吸収されるため、入射信号の損失が発生する。従って、特許文献１に示された固体撮像装置は、色再現性特性と感度特性との両立が困難であるという課題を有している。
そこで、本発明は、前記課題に鑑み、高色再現性と高感度とを有する固体撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、２次元状に配列された複数の画素セルと、前記画素セルの列に対応して設けられ、対応する列の前記画素セルの信号電圧を伝達する垂直信号線とを備える固体撮像装置であって、前記画素セルは、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膜と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面上に形成され、前記光電変換膜と接する画素電極と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面と反対側の面上に形成され、前記光電変換膜に定電圧を印加する透明電極と、前記半導体基板内に形成されたトランジスタであって、前記画素電極と結線されたゲート電極を有し、前記画素電極の電位に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、前記半導体基板内に形成されたトランジスタであって、前記増幅トランジスタのゲート電極の電位をリセットするリセットトランジスタと、前記半導体基板内に形成されたトランジスタであって、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間に設けられ、前記画素セルから前記垂直信号線に信号電圧を出力させるアドレストランジスタとを有し、前記固体撮像装置は、さらに、前記透明電極の上に形成された低屈折率透明層と、前記低屈折率透明層内に埋め込まれた、前記低屈折率透明層より高い屈折率の複数の高屈折率透明部とを備え、前記高屈折率透明部は、前記高屈折率透明部内に入射する光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離して前記光電変換膜に向けて出射することを特徴とする。
本態様によれば、分光素子により入射光を各色成分に分離し、異なる画素セルの光電変換膜に導くことができるので、一般的な顔料タイプのカラーフィルタと比べて色分離における吸収による光量ロスを低減できる。その結果、高色再現性と高感度とを有する固体撮像装置を実現できる。
また、固体撮像装置は積層型の構造を有するため、光電変換部の上方に配線が形成されない。従って、分光素子から出射された、光入射面に対して斜めに向かう光が配線により遮光されるのを抑えることができる。その結果、さらに高感度の固体撮像装置を実現できる。
本発明の一態様に係る固体撮像装置は、積層型構造と分光素子とを有することにより、高画素ならびに感度の向上を実現できる。よって、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話機、監視用カメラ、車載用カメラ、及び放送用カメラをはじめとするイメージセンサ関連製品の性能向上及び低価格化を実現できる。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に行列状に配置された複数の画素セルと、画素セルの列ごとに形成された垂直信号線とを備え、画素セルは、半導体基板に形成されたリセットトランジスタ、アドレストランジスタ及び増幅トランジスタと、光電変換部とを有し、光電変換部は、半導体基板の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の基板側の面に形成された画素電極と、光電変換膜の画素電極と反対側の面に形成された透明電極とを有し、固体撮像装置は、透明電極の上方に形成された低屈折率透明層と、低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備え、１つの高屈折率透明部に対して２つ以上の光電変換部が対応し、低屈折率透明層及び高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することでその波面に発生した位相シフトにより、０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離されることを特徴とする。
ここで、複数の高屈折率透明部は、少なくとも屈折率、形状、またはサイズにおいて互いに異なる赤色用高屈折率透明部、緑色用高屈折率透明部、および青高屈折率透明部を含み、ａ、ｂ及びｃを０以上の整数とすると、高屈折率透明部を通過した光と低屈折率透明層を通過した光との間で発生する位相シフトが、赤色用高屈折率透明部の場合には赤波長の（ａ＋１／２）倍、緑色用高屈折率透明部の場合には緑波長の（ｂ＋１／２）倍、青色用高屈折率透明部の場合には青波長の（ｃ＋１／２）倍である。
また、複数の高屈折率透明部は、第１波長に対応した第１仕様高屈折率透明部および第２波長に対応した第２仕様高屈折率透明部を含み、ａ及びｂを０以上の整数、高屈折率透明部および低屈折率透明層の屈折率をそれぞれｎ及びｎ０とすると、高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、第１仕様高屈折率透明部ではｈ＝第１波長×（２×ａ＋１）／｛２×（ｎ－ｎ０）｝、第２仕様高屈折率透明部ではｈ＝第２波長×（２×ｂ＋１）／｛２×（ｎ－ｎ０）｝である。
また、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に行列状に配置された複数の画素セルと、画素セルの列ごとに形成された垂直信号線とを備え、画素セルは、半導体基板に形成されたリセットトランジスタ、アドレストランジスタ及び増幅トランジスタと、光電変換部とを有し、光電変換部は、半導体基板の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の基板側の面に形成された画素電極と、光電変換膜の画素電極と反対側の面に形成された透明電極とを有し、固体撮像装置は、透明電極の上方に形成された低屈折率透明層と、低屈折率透明層内に埋め込まれた柱状又は板状の複数の高屈折率透明部とを備え、高屈折率透明部の、半導体基板に直交する断面における中心軸が階段状に折れ曲がり、低屈折率透明層および高屈折率透明部に入射する光は、それらを通過することで、０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離されることを特徴とする。
ここで、高屈折率透明部の断面において、高屈折率透明部の幅が中心軸の折れ曲がりの前後で変化し、中心軸の折れ曲がりに対して半導体基板側での高屈折率透明部の幅はこれと反対側での高屈折率透明部の幅よりも小さい。
また、０次回折光が第１光電変換部で、１次回折光が第２光電変換部で、－１次回折光が第３光電変換部でそれぞれ検出される。
また、高屈折率透明部から最短の距離にある第１光電変換部に垂直に降ろした法線上であって、第１光電変換部中で入射光量が１／１００となる第１減衰点と高屈折率透明部の半導体基板側の端面との距離をＬとし、第１減衰点から第１光電変換部に隣接する第２光電変換部中で入射光量が１／１００となる第２減衰点までの距離をＡ、高屈折率透明部による回折角をθとすると、ｓｉｎθ＝Ａ／√（Ｌ2＋Ａ2）、ただしＰ／２＜Ａ＜Ｐ×√（５／２）を満たす。
また、固体撮像装置は、画素セルの光入射側に、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えた複数の集光素子を備える。
これらにより、固体撮像装置において高画素化ならびに感度特性の向上を両立させること出来る。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。
この固体撮像装置は、積層型の固体撮像装置であって、２次元状（行列状）に配列された複数の画素セルと、画素セルの各列に対応して設けられ、対応する列の画素セルから出力された信号電圧を垂直方向（列方向）に伝達する垂直信号線とを備える。画素セルのサイズは、例えば１．５μｍである。
画素セルは、光電変換部と、シリコンからなる半導体基板３２内に形成された増幅トランジスタ、リセットトランジスタ及びアドレストランジスタとを１つずつ有する。各トランジスタは、ゲート電極２９、拡散層３０、素子分離領域３１、及びＬＳＩ配線２８で構成されている。拡散層３０とはソース拡散層、ドレイン拡散層及びゲート拡散層（チャネル拡散層）を示している。光電変換膜部は、入射光を光電変換し、入射光の光量に応じた信号電荷を生成及び蓄積する。
半導体基板３２の上には、各トランジスタを覆うように絶縁層間膜２２が形成されている。絶縁層間膜２２の上には光電変換部の一部が形成されている。光電変換部は、アモルファスシリコン等からなる光電変換膜２６と、光電変換膜２６の下面（光電変換膜２６の半導体基板３２側の面）上に形成された画素電極２７と、光電変換膜２６の上面（光電変換膜２６の半導体基板３２側の面と反対側の面）上に形成された透明電極２５とを有している。
光電変換膜２６は、半導体基板３２上に形成され、入射光を光電変換する。画素電極２７は、半導体基板３２上に形成され、光電変換膜２６と接し、光電変換膜２６で発生した信号電荷を収集する。透明電極２５は、半導体基板３２上に形成され、光電変換膜２６の信号電荷を画素電極２７に読み出すために、光電変換膜２６に定電圧を印加する。増幅トランジスタは、画素電極２７と結線されたゲート電極２９を有し、画素電極２７の電位に応じた信号電圧を出力する。リセットトランジスタは、画素電極２７と結線されたソースを有し、光電変換膜部、言い換えると増幅トランジスタのゲート電極２９の電位をリセットする。アドレストランジスタは、増幅トランジスタと垂直信号線との間に設けられ、所定行の画素セルから選択的に垂直信号線に信号電圧を出力させる。
本実施形態に係る固体撮像装置は、アドレストランジスタ、増幅トランジスタ及びリセットトランジスタからなる画素回路が形成された半導体基板３２の上に絶縁層間膜２２を介して光電変換膜２６が形成された構成を有している。このため、光電変換膜２６は、例えば、アモルファスシリコン等の光吸収係数が大きい材料を用いることができる。例えば、アモルファスシリコンの場合、波長５５０ｎｍの緑色の光は、０．４μｍ程度の厚さでほとんど吸収される。
また、一般的な固体撮像装置のように、埋め込みフォトダイオード構造が用いられないため、光電変換部の容量を大きくすることが可能であり、飽和電荷量を大きくできる。さらに、電荷を完全転送しないため付加容量を積極的に付加することも可能であり、微細化された画素セルにおいても十分な大きさの容量が実現できる。ダイナミックランダムアクセスメモリにおけるスタックセルのような構造とすることも可能である。
また、本実施形態に係る固体撮像装置では、ハードリセットとソフトリセットとが組み合わされると共に、ソフトリセットの際にはリセットトランジスタの電位が一旦接地電位よりもローレベルとされる。
具体的に、本実施形態に係る固体撮像装置において、リセットトランジスタのドレインに第１のリセット電圧を印加した後、リセットトランジスタをオン状態とするハードリセット動作と、リセットトランジスタのドレインに第１のリセット電圧よりもハイレベルの第２のリセット電圧を印加した後、リセットトランジスタのソースに容量を介して負方向のパルスを印加するソフトリセット動作とが行われる。このため、画素セルが微細化されている場合においても、雑音をハードリセットだけの場合の１／√２に抑制することができる。
固体撮像装置は、さらに、光電変換部（透明電極２５）の上方に形成された、ＳｉＯ2等からなる低屈折率透明層２と、マイクロレンズ２０と、複数の高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃとを有する。
ＳｉＮ等からなる高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、低屈折率透明層２より高い屈折率を有し、低屈折率透明層２内に埋め込まれている。高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、複数の画素セル（図１では３つの画素セル）に対応して１つ設けられ、高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃ内に入射する光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離して対応する異なる画素セルの光電変換膜２６に向けて出射する。高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃのそれぞれはマイクロレンズ２０と一対一に対応して設けられ、対応する各マイクロレンズ２０の中心軸上に配置されている。高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃと低屈折率透明層２とは、可視光に対して透明である。
高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、Ｙ軸（紙面に垂直）方向に連続する板状、例えば半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面に対して垂直な主面（ＹＺ平面）を持ち、Ｘ軸方向を厚さ方向（幅方向）とする板状の透明部、または各マイクロレンズ２０に一対一に対応して分離された柱状、例えば半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面に対して平行な底面（ＸＹ平面）を持ち、Ｚ軸方向を高さ方向とする柱状の透明部である。高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、Ｙ軸方向で同じ断面形状を持つ。高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃが柱状の場合、Ｙ軸方向寸法はＸ軸方向寸法の２～３倍以上である。高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、幅（Ｘ軸方向寸法）ｗおよび長さ（Ｚ軸方向寸法）ｈが異なる。高屈折率透明部２１ａは赤色用分光素子であり、高屈折率透明部２１ｂは緑色用分光素子であり、高屈折率透明部２１ｃは青色用分光素子である。
ここで、赤色用高屈折率透明部２１ａの幅ｗａは例えば０．３５μｍ、長さｈａは例えば１．８μｍである。赤色用高屈折率透明部２１ａに入射した光３は、赤色用高屈折率透明部２１ａを出射する際に０次回折光、－１次回折光及び１次回折光に分離され、光電変換部で検出される。このとき、０次回折光は赤以外の光（緑色光及び青色光すなわちシアン光）６０となり、１次回折光は赤色光５２となり、－１次回折光は赤色光５７となる。同様に、緑色用高屈折率透明部２１ｂに入射した光は、緑以外の光（赤色光及び青色光すなわちマゼンタ光）５４となる０次回折光と、緑色光５３となる１次回折光と、緑色光５８となる－１次回折光とに分離される。青色用高屈折率透明部２１ｃに入射した光は、青以外の光（赤と緑、すなわちイエロー）５６となる０次回折光と、青色光５５となる１次回折光と、青色光５９となる－１次回折光とに分離される。
図２は、本実施の形態に係る固体撮像装置の分光素子（高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃ）と光電変換部との相対位置関係を示す図である。
高屈折率透明部２１ａに入射した光の一部は回折角θで出射され、光電変換部（透明電極２５、光電変換膜２６及び画素電極２７）に入射される。このとき、図２に示すように、高屈折率透明部２１ａの光出射側の端面から、光電変換膜２６内において入射光量が光電変換膜２６入射時の１／１００となる領域までの直線を斜辺とする直角三角形を形成する高さＬと底辺Ａとを規定すると、高さＬ及び底辺Ａは、ｓｉｎθ＝Ａ／√（Ｌ2＋Ａ2）、ただし、Ｐ／２＜Ａ＜Ｐ×√（５／２）を満たしている。この条件を満たせば、回折光が必ず光電変換部に入射されるため、混色及び感度低下のない固体撮像装置を実現できる。
以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、入射光を各色に分離するために一般的な顔料タイプのカラーフィルタでなく分光素子が用いられる。従って、色分離における吸収による光量ロスを低減できるので、高色再現性と高感度とを有する固体撮像装置を実現できる。
また、一般的な固体撮像装置では、マイクロレンズ１個で１種類の色情報が検出される。これに対して、本実施の形態の固体撮像装置では、マイクロレンズ１個で２種類の色情報が検出される。従って、本実施形態に係る画素セルの構成では、従来に比べて画素密度を２倍にすることが可能である。
なお、本実施の形態の固体撮像装置は、赤色光の波長をλＲ、緑色光の波長をλＧ、青色光の波長をλＢとしたとき、位相シフトｄを、赤色用分光素子でｄ＝１．５λＲ、緑色用分光素子でｄ＝１．５λＧ、青色用分光素子でｄ＝１．５λＢとして設定した。しかしながら、λをλＲ、λＧ、λＢのいずれかとして、位相シフトｄをｄ＝λ×（０以上の整数＋０．５）となるように設定すれば本設定に限定されない。従って、ａ、ｂ及びｃを０以上の整数とすると、位相シフトが、赤色用高屈折率透明部２１ａの場合には赤色光の波長λＲの（ａ＋１／２）倍、緑色用高屈折率透明部２１ｂの場合には緑色光の波長λＧの（ｂ＋１／２）倍、青色用高屈折率透明部の場合には青色光の波長λＢの（ｃ＋１／２）倍とすればよい。
また、本実施の形態の固体撮像装置では、可視光領域の光を赤色光、緑色光及び青色光の３原色の補色に分離するために、赤色用、緑色用および青色用の３種類の高屈折率透明部を用いる例を示したが、これに限定されない。
例えば、高屈折率透明部を第１波長用高屈折率透明部及び第２波長用高屈折率透明部の２種類にすることもできる。この場合、第１波長（例えば赤外光の波長）をλ１、第２波長（緑色光の波長）をλ２、高屈折率透明部の屈折率をｎ、高屈折率透明部の周囲の低屈折率透明層の屈折率をｎ０、ａ及びｂを０以上の整数とすると、高屈折率透明部の厚さ方向の長さｈは、第１波長用高屈折率透明部ではｈ＝第１波長×（２×ａ＋１）／｛２×（ｎ－ｎ０）｝、第２波長用高屈折率透明部ではｈ＝第２波長×（２×ｂ＋１）／｛２×（ｎ－ｎ０）｝を満足するように設定されることが好ましい。このとき、ａ及びｂが小さな値（例えば０または１）をとるほど、高屈折率透明部の長さが短くなるので、光損失が低減され、また製作が容易となる。
また、本実施の形態の固体撮像装置では、高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃは、図１に示すように幅ｗがｚ軸方向において一定である形状を有するとした。しかし、半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面に直交する断面における半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面と平行な幅方向の中心の位置が一定な形状を有し、高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃ内に入射する光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離して光電変換膜２６に向けて出射するものであればこの形状のものに限られない。
例えば、高屈折率透明部２１ａは、図３Ａに示すように異なる２つの幅を持つ形状を有してもよく、図３Ｂに示すようにＺ軸方向の下端部（光電変換部側の端部）に向けて幅が段階的に狭くなり、異なる３つ以上の幅を持つ階段形状を有してもよい。図３Ａ及び図３Ｂの高屈折率透明部２１ａは、半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面と平行な幅方向の長さの異なる第１部分と第２部分とを有し、第１部分は、第２部分に対して半導体基板３２側に位置し、第２部分より幅方向の長さが短い。さらに、図３Ｃに示すようにＺ軸方向の下端部に向けて幅が徐々に狭くなるテーパ形状を有してもよい。また、図３Ｄに示すように、Ｚ軸方向の下端部に２つ以上に分岐した分岐形状を有してもよい。また、図３Ｅ及び図３Ｆに示すようにＺ軸方向の下端部（光電変換部側の端部）にマイクロレンズ構造を持つレンズ形状を有してもよい。
また、本実施の形態の固体撮像装置では、補色分光型光学素子が用いられるとしたが、これに限定されず、ＲＧＢ分光型光学素子が用いられてもよい。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。
図４は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。
この固体撮像装置は、ＲＧＢ分光型光学素子が用いられ、高屈折率透明部で半導体基板３２の主面に直交する断面（ＸＺ平面）における半導体基板３２の主面と平行な幅方向（Ｘ軸方向）の中心の位置が段階的に変化するという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
この固体撮像装置は、積層型の固体撮像装置であって、２次元状に配列された複数の画素セルと、画素セルの各列に対応して設けられ、対応する列の画素セルから出力された信号電圧を垂直方向（列方向）に伝達する垂直信号線とを備える。画素セルのサイズは、例えば、例えば１．５μｍである。
画素セルは、光電変換部と、シリコンからなる半導体基板３２に形成された増幅トランジスタ、リセットトランジスタ及びアドレストランジスタとを１つずつ有する。各トランジスタは、ゲート電極２９、拡散層３０、素子分離領域３１、及びＬＳＩ配線２８で構成されている。
半導体基板３２の上には、各トランジスタを覆うように絶縁層間膜２２が形成されている。絶縁層間膜２２の上には光電変換部の一部が形成されている。光電変換部は、アモルファスシリコン等からなる光電変換膜２６と、光電変換膜２６の下面に形成された画素電極２７と、光電変換膜２６の上面に形成された透明電極２５とを有している。
固体撮像装置は、さらに、光電変換部（透明電極２５）の上方に形成された、ＳｉＯ2等からなる低屈折率透明層２と、マイクロレンズ２０と、複数の高屈折率透明部１０、１１及び１２とを有する。
ＳｉＮ等からなる高屈折率透明部１０、１１及び１２は、低屈折率透明層２より高い屈折率を有し、低屈折率透明層２内に埋め込まれている。高屈折率透明部１０、１１及び１２ｃは、複数の画素セル（図４では３つの画素セル）に対応して１つ設けられ、高屈折率透明部１０、１１及び１２内に入射する光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離して対応する異なる画素セルの光電変換膜２６に向けて出射する。高屈折率透明部１０、１１及び１２と低屈折率透明層２とは、可視光に対して透明である。
高屈折率透明部１０、１１及び１２は、Ｙ軸（紙面に垂直）方向に連続する板状、例えば半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面に対して垂直な主面（ＹＺ平面）を持ち、Ｘ軸方向を厚さ方向とする板状の透明部、または各マイクロレンズに一対一に対応して分離された柱状、例えば半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面に対して平行な底面（ＸＹ平面）を持ち、Ｚ軸方向を高さ方向とする柱状の透明部である。高屈折率透明部１０、１１及び１２は、Ｙ軸方向で同じ断面形状を持つ。高屈折率透明部１０、１１及び１２が柱状の場合、Ｙ軸方向寸法はＸ軸方向寸法の２～３倍以上である。高屈折率透明部１０、１１及び１２のそれぞれはマイクロレンズ２０と一対一に対応して設けられ、対応する各マイクロレンズの中心軸上に配置されている。高屈折率透明部１０は緑色用分光素子であり、高屈折率透明部１１は青色用分光素子であり、高屈折率透明部１２は赤色用分光素子である。
緑色用高屈折率透明部１０に入射した光３は、緑色用高屈折率透明部１０内に複数のモードを励起し、電場の局在を形成する。局在箇所は波長によって異なり、最終局在位置と出射端が一致するポイントで、伝搬方向に光が放出される。緑色用高屈折率透明部１０の端面部からＺ軸方向に１次回折光１５としての緑色光が出射され、端面部のエッジ部分から０次回折光１４としての青色光及び－１次回折光１６としての赤色光が放出される。従って、緑色用高屈折率透明部１０に入射した光３は、１次回折光１５と０次回折光１４と－１次回折光１６とに分離される。同様に、青色用高屈折率透明部１１及び赤色用高屈折率透明部１２に入射した光３も１次回折光１５と０次回折光１４と－１次回折光１６とに分離される。
以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、入射光を各色に分離するために一般的な顔料タイプのカラーフィルタでなく分光素子が用いられる。従って、色分離における吸収による光量ロスを低減できるので、高色再現性と高感度とを有する固体撮像装置を実現できる。
また、本実施形態の固体撮像装置では、隣接する分光素子の間に位置する光電変換部に同一色の光（例えば、赤色光もしくは青色光）を入射している。これにより、本来であれば、カラーフィルタで吸収されている色情報を検出することができるため、画素密度を向上することができる。
なお、本実施の形態の固体撮像装置では複数の高屈折率透明部１０、１１及び１２を、ＹＺ平面に対称配置するとしたがこれに限定されない。
また、画素セルに所望の波長の光が入射されるように、各高屈折率透明部１０、１１及び１２を設計してもよい。
また、高屈折率透明部１０、１１及び１２は、ＸＺ面に沿った断面における中心軸（一点破線）が階段状に折れ曲がっていれば良く、言い換えると半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面に直交する断面（ＸＺ面）における半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面と平行な幅方向（Ｘ軸方向）の中心の位置がＺ軸方向に向けて段階的に変化していれば良く、図４の形状に限定されない。
例えば、本実施形態の固体撮像装置で、高屈折率透明部１１は、図５Ａに示すように、その幅（半導体基板３２の主面と平行な幅方向の長さ）ｗ１及びｗ２を規定する両側面のうちの一方の面（図５Ａの右側の面）で中心軸の折れ曲がりの前側部分（幅ｗ１を有する部分）の面と後側部分（幅ｗ２を有する部分）の面とが段差のない同一面を構成していた。
しかしながら、高屈折率透明部１１は、図５Ｂに示すように、幅ｗ１及びｗ２を規定する両側面のうちの一方の面（図５Ｂの右側の面）で、前側部分の面と後側部分の面とが中心軸の折れ曲がりの向きと反対の向きに階段状に折れ曲がる段差のある面を構成し、他方の面（図５Ｂの左側の面）で前側部分の面と後側部分の面とが中心軸の折れ曲がりの向きと同じ向きに折れ曲がる段差のある面を構成していてもよい。
あるいは、高屈折率透明部１１は、図５Ｃに示すように、幅ｗ１及びｗ２を規定する両側面で、前側部分の面と後側部分の面とが中心軸の折れ曲がりの向きと同じ向きに階段状に折れ曲がる段差のある面を構成していてもよい。
さらに、高屈折率透明部１１は、図５Ｄに示すように、幅ｗ１及びｗ２を規定する両側面のうちの一方の面（図５Ｄの左側の面）で、前側部分の面と後側部分の面とが中心軸の折れ曲がりの向きと同じ向きに連続的に折れ曲がる段差のある面を構成していてもよい。つまり、中心軸の折れ曲がり部分がＺ軸方向に幅を持つある領域を占めるように中心軸が緩やかに折れ曲がっても良い。
さらに、高屈折率透明部１１は、前側部分の幅ｗ１が一定でなく変化してもよく、同様に後側部分の幅ｗ２が一定でなく変化していても良い。また、中心軸の階段状の折れ曲がりの数は１つである必要はなく、２つ以上であっても良い。
このとき、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｄの高屈折率透明部１１は、半導体基板３２（光電変換膜２６）の主面と平行な幅方向の長さの異なる第１部分と第２部分（幅ｗ１の第２部分と幅ｗ２の第１部分）とを有し、第１部分は、第２部分に対して半導体基板３２側に位置し、第２部分より幅方向の長さが短い。
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。
図６は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。
この固体撮像装置は、低屈折率透明層の上に形成された複数の集光素子を備え、この集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を有するという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
この固体撮像装置は、積層型の固体撮像装置であって、２次元状に配列された複数の画素セルと、画素セルの各列に対応して設けられ、対応する列の画素セルから出力された信号電圧を垂直方向（列方向）に伝達する垂直信号線とを備える。画素サイズのサイズは、例えば１．５μｍである。
画素セルは、光電変換部と、シリコンからなる半導体基板３２に形成された増幅トランジスタ、リセットトランジスタ及びアドレストランジスタとを有する。各トランジスタは、ゲート電極２９、拡散層３０、素子分離領域３１、及びＬＳＩ配線２８で構成されている。
半導体基板３２の上には、各トランジスタを覆うように絶縁層間膜２２が形成されている。絶縁層間膜２２の上には光電変換部の一部が形成されている。光電変換部は、アモルファスシリコン等からなる光電変換膜２６と、光電変換膜２６の下面に形成された画素電極２７と、光電変換膜２６の上面に形成された透明電極２５とを有している。
固体撮像装置は、さらに、光電変換部の上方に形成された、ＳｉＯ2等からなる低屈折率透明層２と、集光素子としての複数のサブ波長構造レンズ（サブ波長光学素子）３３と、複数の高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃとを有する。サブ波長構造レンズ３３は、低屈折率透明層２の上に形成され、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を有する。高屈折率透明部２１ａは赤色用分光素子であり、高屈折率透明部２１ｂは緑色用分光素子であり、高屈折率透明部２１ｃは青色用分光素子である。
図７Ａは、サブ波長構造レンズ３３の上面図である。
サブ波長構造レンズ３３は、図７Ａに示されるように、光透過膜としてのＳｉＯ2（ｎ＝１．４３）を同心円形状（リング形状）に掘り込んだ構造を有し、ＳｉＯ2の周りの媒質は空気（ｎ＝１）である。サブ波長構造レンズ３３では、画素セルの中心にＳｉＯ2が密に集まり、外側のリングになるに従って疎へと替わっていく。このとき、サブ波長構造レンズ３３の高屈折率材料（ＳｉＯ2）３５と低屈折率材料（空気）３６とが共存する微小領域（ゾーン領域）３４が、入射光の波長と同程度かそれよりも小さければ、サブ波長構造レンズ３３で光が感じる有効屈折率は、そのゾーン領域内の２種材料の体積比によって決まる。つまり、ゾーン領域内の高屈折率材料を増やせば（減らせば）、有効屈折率は高く（低く）なる。
サブ波長構造レンズ３３は、固体撮像装置の周辺部において、図６及び図７Ａに示されるように、光学中心が画素セルの中心から左側へ偏心した分布屈折率レンズとされる。この場合、図６の紙面左手前から入射した光３は、図６の紙面垂直方向へと偏向されることになる。つまり図６に示しているように、ある角度θで入射する光３はサブ波長構造レンズ３３で、集光、偏向され、高屈折率透明部２１ａ、２１ｂ及び２１ｃで分光された後、光電変換部へ到達する。
以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、入射光を各色に分離するために一般的な顔料タイプのカラーフィルタでなく分光素子が用いられる。従って、色分離における吸収による光量ロスを低減できるので、高色再現性と高感度とを有する固体撮像装置を実現できる。
なお、本実施の形態の固体撮像装置では、集光性及び偏向性を有するサブ波長構造素子が搭載されるとしたが、もちろん、図７Ｂに示しているような偏向性のみを有するサブ波長光学素子が搭載されても良い。サブ波長光学素子が集光性を持たないことにより、平行光を垂直に分光素子に入射させることができる。そのため、分光素子の回折効率が上がり、色再現性が向上する。
（比較例）
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の比較例に係る固体撮像装置について説明する。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の比較例に係る固体撮像装置について説明する。
一般的な固体撮像装置では、Ｓｉ基板表面上に電極及び配線層が形成され、Ｓｉ基板の上方から照射された光をカラーフィルタによって分光し、分光された光（例えば、赤色光、緑色光、青色光）を受光部で光電変換する構造が一般的である。しかしながら、画素サイズの微細化が進むにつれて、配線層の多層化が進むため、マイクロレンズと受光部との距離が広がってくる。そのため、入射光が受光部に到達することが困難となり、著しい感度の低下が発生する。
このとき、一般的な顔料タイプのカラーフィルタでは、特定の帯域の波長の光は透過するが、他の帯域の波長の光はフィルタによって吸収される。結果として、入射信号の約６０％が損失することとなる。
そこでこの改善策として、固体撮像装置に回折型の小型分光素子を用いる構造を形成することにより、入射光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離することができ、吸収による光量ロスは発生しない。このため、感度の大幅な向上とさらなる画素セルの小型化が期待できる。
図８Ａ～図８Ｄを用いて分光素子の基本構造及び回折光が発生する原理を説明する。
図８Ａは、位相シフトを利用して補色分光する分光素子（光学素子）の断面図である。なお、図８Ａにおいて、分光素子のＸＺ面に沿った断面におけるＸ軸方向の中心軸を一点破線で示している。
分光素子を構成する高屈折率透明部１は幅（Ｘ軸方向寸法）ｗ、長さ（Ｚ軸方向寸法）ｈのＹ軸方向（図８Ａの紙面に垂直な方向）に伸びた板状の透明部である。高屈折率透明部１の屈折率をｎ、その周囲の低屈折率透明層の屈折率をｎ０とする。高屈折率透明部１に入射する光３の波面４を平面波とすると、この光３が高屈折率透明部１及びその周囲の低屈折率透明層を透過することで、高屈折率透明部１を出射した光の波面には位相シフトｄ＝ｈ（ｎ－ｎ０）が発生する（真空中での長さに換算）。この位相シフトにより出射光は、０次回折光６、１次回折光５０、及び－１次回折光５１に回折分離する。
たとえば青色光を取り出したい場合、位相シフト量を青色光の０．５波長程度とすることにより、青色光は強く１次回折される。このとき、白色光が入射されていたとすれば、０次回折光６は黄色光となる。
図８Ｂは、位相シフトを利用してＲＧＢ分光する分光素子（光学素子）の断面図である。なお、図８Ｂにおいて、ＸＺ面に沿った断面におけるＸ軸方向の中心軸を一点破線で示し、中心軸の折れ曲がりの段差をｓで示している。
分光素子を構成する高屈折率透明部１は幅ｗ１、ｗ２、長さｈ１、ｈ２のＹ軸方向に伸びた板状の透明部である。高屈折率透明部１の屈折率をｎ、その周囲の低屈折率透明層の屈折率をｎ０とする。高屈折率透明部１に入射する光３の波面４を平面波とすると、この光３が高屈折率透明部１およびその周囲の低屈折率透明層を透過することで、高屈折率透明部１を出射した光の波面には位相シフトσ＝ｈ２（ｎ－ｎ０）が発生する（真空中での長さに換算）。この位相シフトにより出射光は、０次回折光１４、１次回折光１５、及び－１次回折光１６に回折分離する。
色分離の原理を、波動光学的に図８Ｃ～図８Ｆを用いて説明する。入射した光３は、高屈折率透明部１の内部を伝搬する０次の導波モード７を励起する。この０次の導波モード７が高屈折率透明部１の折れ曲がり部分を通過することで伝搬モードが乱され、０次の導波モード８、１次の導波モード９、並びに高次の導波モード光及び放射モード光を生成する。同一の導波路内に複数のモードが混在することにより、電場の局在が発生する。局在箇所１３は波長によって異なり、最終局在位置と出射端が一致するポイントで、伝搬方向に光が放出される。例えば青色用高屈折率透明部（青色用分光素子）１の場合、図８Ｄに示されるように素子のエッジ部分で青色光（０次回折光１４）が放出され、赤色用高屈折率透明部（赤色用分光素子）１の場合、図８Ｆに示されるように素子のエッジ部分で赤色光（－１次回折光１６）が放出され、緑色用高屈折率透明部（緑色用分光素子）１の場合、図８Ｅに示されるように素子の端面部分で緑色光（１次回折光１５）が放出される。
上述したように、補色分光型光学素子及びＲＧＢ分光型光学素子ともに、光の吸収ロスがないため、原理的には入射光を効率的に利用することができる。しかし、本分光素子を固体撮像装置に搭載する場合には２点の課題が生じる。
図９は、本比較例に係る固体撮像装置が搭載されるカメラシステムの断面図である。なお、図９（ａ）はカメラシステムの構造を示す断面図であり、図９（ｂ）は固体撮像装置の中心部付近の構造を示す断面図であり、図９（ｃ）は固体撮像装置の周辺部付近の構造を示す断面図である。
この固体撮像装置には、複数の画素セル１８と、カメラレンズ１７及びマイクロレンズ２０等の光学モジュールと、分光素子とが搭載されている。画素セル１８のサイズは、例えば１．４μｍである。光学モジュールとしてのカメラレンズ１７から出射した光３は、固体撮像装置の中心部付近の画素セル１８においては、垂直に入射するが、周辺部付近の画素セル１８では高角度に入射する。
図９（ｂ）に示すように、中心部付近の画素セル１８では、垂直に入射した光３が分光素子によって回折され、０次回折光はそのまま直進して、受光部２４で光電変換される。しかしながら、１次回折光は、配線２３によって遮光され、受光部２４に到達できない。そのため、感度は著しく低下する。配線２３に遮光されないようにするためには、分光素子と配線２３との距離を長くする必要があるが、その場合、回折光には収束性がないため、長距離の伝搬となると、光が発散し、受光部２４に到達できない。これに対し、図１の固体撮像装置は、積層型の構造を有するため、配線の上方に受光部が位置し、分光素子から受光部に向かう光が配線で遮光されない。
また、図９（ｃ）に示すように、周辺部付近の画素セル１８では、光３の入射角度が増加するため、分光素子は回折に必要な位相シフト量を生成できない。そのため、所望の色の回折効率がほぼ０％となるため、分光機能が著しく低下する。また、入射光のほとんどが反射光及び散乱光となるため、感度の低下が顕著になる。これに対し、図７Ａの固体撮像装置では、周辺部において光学中心が画素セルの中心から左側へ偏心した分布屈折率レンズが設けられるため、周辺部における光の入射角度の増加を抑え、分光機能の低下を抑えることができる。
以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
本発明は、固体撮像装置に有用であり、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話機、監視用カメラ、車載用カメラ、及び放送用カメラをはじめとするイメージセンサ関連製品等に有用である。
１、１０、１１、１２、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 高屈折率透明部
２ 低屈折率透明層
３ 光
４ 波面
６、１４ ０次回折光
７、８、９ 導波モード
１３ 局在箇所
１５、５０ １次回折光
１６、５１ －１次回折光
１７ カメラレンズ
１８ 画素セル
２０ マイクロレンズ
２２ 絶縁層間膜
２３ 配線
２４ 受光部
２５ 透明電極
２６ 光電変換膜
２７ 画素電極
２８ ＬＳＩ配線
２９ ゲート電極
３０ 拡散層
３１ 素子分離領域
３２ 半導体基板
３３ サブ波長構造レンズ
３４ 微小領域
３５ 高屈折率材料
３６ 低屈折率材料
５２、５７ 赤色光
５３、５８ 緑色光
５４ 緑以外の光
５５、５９ 青色光
５６ 青以外の光
６０ 赤以外の光
２ 低屈折率透明層
３ 光
４ 波面
６、１４ ０次回折光
７、８、９ 導波モード
１３ 局在箇所
１５、５０ １次回折光
１６、５１ －１次回折光
１７ カメラレンズ
１８ 画素セル
２０ マイクロレンズ
２２ 絶縁層間膜
２３ 配線
２４ 受光部
２５ 透明電極
２６ 光電変換膜
２７ 画素電極
２８ ＬＳＩ配線
２９ ゲート電極
３０ 拡散層
３１ 素子分離領域
３２ 半導体基板
３３ サブ波長構造レンズ
３４ 微小領域
３５ 高屈折率材料
３６ 低屈折率材料
５２、５７ 赤色光
５３、５８ 緑色光
５４ 緑以外の光
５５、５９ 青色光
５６ 青以外の光
６０ 赤以外の光
Claims (7)
- ２次元状に配列された複数の画素セルと、前記画素セルの列に対応して設けられ、対応する列の前記画素セルの信号電圧を伝達する垂直信号線とを備える固体撮像装置であって、
前記画素セルは、
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膜と、
前記光電変換膜の前記半導体基板側の面上に形成され、前記光電変換膜と接する画素電極と、
前記光電変換膜の前記半導体基板側の面と反対側の面上に形成され、前記光電変換膜に定電圧を印加する透明電極と、
前記半導体基板内に形成されたトランジスタであって、前記画素電極と結線されたゲート電極を有し、前記画素電極の電位に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、
前記半導体基板内に形成されたトランジスタであって、前記増幅トランジスタのゲート電極の電位をリセットするリセットトランジスタと、
前記半導体基板内に形成されたトランジスタであって、前記増幅トランジスタと前記垂直信号線との間に設けられ、前記画素セルから前記垂直信号線に信号電圧を出力させるアドレストランジスタとを有し、
前記固体撮像装置は、さらに、
前記透明電極の上に形成された低屈折率透明層と、
前記低屈折率透明層内に埋め込まれた、前記低屈折率透明層より高い屈折率の複数の高屈折率透明部とを備え、
前記高屈折率透明部は、前記高屈折率透明部内に入射する光を０次回折光と１次回折光と－１次回折光とに分離して前記光電変換膜に向けて出射する
固体撮像装置。 - 前記高屈折率透明部は、前記半導体基板の主面に対して垂直な主面を持つ板状の透明部、又は前記半導体基板の主面に対して平行な底面を持つ柱状の透明部である
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記高屈折率透明部は、複数の前記画素セルに対して１つ設けられている
請求項１又は２に記載の固体撮像装置。 - 前記高屈折率透明部では、前記半導体基板の主面に直交する断面における前記半導体基板の主面と平行な幅方向の中心の位置が段階的に変化する
請求項１～３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 前記高屈折率透明部は、前記半導体基板の主面と平行な幅方向の長さの異なる第１部分と第２部分とを有し、
前記第１部分は、前記第２部分に対して前記半導体基板側に位置し、前記第２部分より幅方向の長さが短い
請求項１～４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 前記高屈折率透明部は、０次回折光と１次回折光と－１次回折光とを異なる前記画素セルの前記光電変換膜に向けて出射する
請求項１～５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、
前記低屈折率透明層の上に形成された複数の集光素子を備え、
前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を有する
請求項１～６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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