WO2016002575A1 - 固体撮像素子、および電子装置 - Google Patents

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Abstract

　本開示は、位相差画素を有する固体撮像素子において、位相差画素の光学特性（瞳分割の分離性能）と、標準画素の光学特性（受光感度）を最適化することができるようにする固体撮像素子、および電子装置に関する。　本開示の一側面である固体撮像素子は、標準画素と位相差画素から成る固体撮像素子において、前記標準画素が、入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、前記位相差画素は、入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる。本開示は、例えば、撮像装置に適用できる。

Description

固体撮像素子、および電子装置
　本開示は、固体撮像素子、および電子装置に関し、特に、画素信号を得るための通常画素と、像面位相差AF(Auto Focus)機能を実現するための位相差画素とを有する場合に用いて好適な固体撮像素子、および電子装置に関する。
　従来、AFの一方式として像面位相差AFが知られている。像面位相差AFを実現する固体撮像素子には、画素信号を得るための通常画素に加えて、入射光を瞳分割するための位相差画素が所定の位置に配置されている。
　図１は、従来の位相差画素を有する固体撮像素子の構成の一例を示す断面図である。なお、同図においては右側が標準画素１０であり、左側が位相差画素１１である。
　この固体撮像素子において、標準画素１０および位相差画素１１は、共通する構成として、上層側（光の入射面側）から順に、オンチップレンズ１２、カラーフィルタ１３、および受光領域１６が形成されている。
　位相差画素１１には、標準画素１０に存在しない、オンチップレンズ１２の光軸に対して開口を偏らせた開口部１５を有する遮光膜１４が追加されている。
　同図において、オンチップレンズ１２は、標準画素１０と位相差画素１１とで同一の形状を有しており、その焦点位置が受光領域１６の表面に合うように形成されている（換言すれば、入射光の光束が受光領域１６の表面で収束するように形成されている）。この場合、標準画素１０にとっては最適な光学特性を得ることができる。しかしながら、位相差画素１１にとっては、遮光膜１４の存在に起因して、斜め方向からの入射光の受光感度が低下し、瞳分割の分離性能が低下してしまうなどの問題が生じてしまう。
　なお、位相差画素１１による分離性能の低下を防ぐには、オンチップレンズ１２の形状を、その焦点位置が遮光膜１４に合うようにすればよいが、その場合には、当然ながら標準画素１０にとって最適な光学特性には成りえなくなってしまう。
　そこで、位相差画素１１による分離性能を維持しつつ、標準画素１０にとっての光学特性の劣化させない構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　図２は、該構成の一例を示す断面図であり、図１に対して、オンチップレンズ１２の焦点位置が遮光膜１４に合うように変更されている他、遮光膜１４の下層側に光導波路１７が追加されている。
特開２０１１－２９９３２号公報
　図２に示された構成例によれば、光導波路１７によって入射光を受光領域１６に導き易くすることができるので、標準画素１０にとっての光学特性の劣化を抑止できる。
　しかしながら、標準画素１０によっては光導波路１７が設けられた状態の最適な焦点位置は遮光膜１４ではなく、その下側に位置するので、斜め方向からの入射光が増えた場合、光導波路１７により集光できない成分が光導波路１７の外に漏れてしまい、標準画素１０の受光感度が低下してしまうことが起こり得た。
　本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、位相差画素を有する固体撮像素子において、位相差画素の光学特性（瞳分割の分離性能）と、標準画素の光学特性（受光感度）を最適化できるようにするものである。
　本開示の第１の側面である固体撮像素子は、標準画素と位相差画素から成る固体撮像素子において、前記標準画素が、入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、前記位相差画素が、入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる。
　本開示の第１の側面である固体撮像素子は、前記標準画素および前記位相差画素が、さらに、それぞれ同一の形状であって入射光を前記受光領域に集光するためのレンズを備えることができ、前記レンズの形状は、前記第１の光導波路を備えた前記標準画素に最適化することができる。
　前記位相差画素の前記第１の遮光膜は、前記レンズの焦点位置と同じ高さか、または前記焦点位置よりも上層側に配置することができる。
　前記位相差画素の前記第１の遮光膜は、配線層が兼ねることができる。
　前記標準画素の前記第１の光導波路は、２回の工程に分けて形成され、前記位相差画素の前記第２の光導波路は、前記標準画素の前記第１の光導波路の１回目の工程と同時に形成することができる。
　本開示の第１の側面である固体撮像素子は、前記位相差画素が、さらに、前記第２の光導波路の下層側に第２の遮光膜を備えることができる。
　前記固体撮像素子は、表面照射型とすることができる。
　前記固体撮像素子は、裏面照射型とすることができる。
　前記固体撮像素子は、３トランジスタ型とすることができる。
　前記固体撮像素子は、４トランジスタ型とすることができる。
　前記固体撮像素子は、複数画素共有型とすることができる。
　前記固体撮像素子は、積層型とすることができる。
　本開示の第２の側面である電子装置は、固体撮像素子が搭載された電子装置において、前記固体撮像素子は、標準画素と位相差画素から成り、前記標準画素が、入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、前記位相差画素が、入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる。
　本開示の第１および第２の側面によれば、位相差画素の光学特性（瞳分割の分離性能）と、標準画素の光学特性（受光感度）を最適化することができる。
従来の位相差画素を有する固体撮像素子の構成の一例を示すブロック図である。 従来の位相差画素を有する固体撮像素子の構成の他の例を示すブロック図である。 本開示を適用した固体撮像素子の標準画素と位相差画素の構成例を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の製造工程を表す図である。 本開示を適用した固体撮像素子の位相差画素に対するシミュレーション結果を示す図である。 本開示を適用した固体撮像素子の位相差画素、第１比較構成、および第２比較構成を示す図である。 本開示を適用した固体撮像素子の位相差画素に対するシミュレーション結果を示す図である。 本開示を適用した固体撮像素子の位相差画素に対するシミュレーション結果を示す図である。 本開示を適用した固体撮像素子の位相差画素の他の構成例を示す断面図である。 本開示を適用した固体撮像素子の位相差画素の他の構成例を示す断面図である。 ４画素共有型CMOSイメージセンサの構成例を示す回路図である。 積層型CMOSイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
　以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　＜本実施の形態である固体撮像素子の構成例＞
　図３は、本実施の形態である、位相差画素を有する固体撮像素子の構成例を示す断面図である。なお、同図において左側が標準画素を示し、右側が位相差画素を示している。
　この固体撮像素子において、標準画素２０および位相差画素２１は、共通する構成として、上層側（光の入射面側）から順に、オンチップレンズ２２、カラーフィルタ２３、インナレンズ２４、配線層２５、および受光領域２７が形成されている。
　さらに、標準画素２０には、インナレンズ２４の直下から下層側の受光領域２７付近まで、光導波路２６－１および２６－２が形成されている。なお、図３においては、光導波路２６－１と光導波路２６－２の区切りを明確にするため、両者の間に隙間を描いているが、実際には、隙間を設けることなく、両者は連続的に形成されている。
　標準画素２０において、位相差画素２１と同一の形状を有するオンチップレンズ２２およびインナレンズ２４は、その焦点が光導波路２６－１および２６－２が設けられた状態で最適な位置となるように形成されている。したがって、標準画素２０は、最適な光学特性を得ている状態となる。
　一方、位相差画素２１には、オンチップレンズ２２およびインナレンズ２４の最適な焦点位置と同じかそれよりも上層側に、オンチップレンズ２２およびインナレンズ２４の光軸に対して開口を偏らせた開口部３２を有する遮光膜３１が配置されている。なお、遮光膜３１は、多層化されている配線層２５のうちの一層が兼ねるようにしてもよいし、遮光膜３１としての専用層を配置するようにしてもよい。
　さらに、位相差画素２１には、遮光膜３１の直下から下層側の受光領域２７付近まで、光導波路２６－１が形成されている。
　したがって、位相差画素２１は、オンチップレンズ２２およびインナレンズ２４の焦点位置が遮光膜３１に合っているので、最適な瞳分割の分離性能を得ている状態となる。また、光導波路２６－１が形成されているので、受光領域２７に対する集光特性が向上された状態となる。
　＜本実施の形態である固体撮像素子の製造工程＞
　次に、図４は、本実施の形態である固体撮像素子の製造工程を表している。
　初めに、標準画素１０と位相差画素１１の共通の構造として、同図Ａに示されるように、受光領域２７の上層側に配線層２５が形成され、同図Ｂに示されるように、配線層２５の光導波路２６－２が形成される部分をエッチングされる、次に、同図Ｃに示されるように、エッチングされた部分にコア材が充填されて光導波路２６－２が形成される。光導波路２６－２のコア材には、SiO2などの層間絶縁膜よりも屈折率が高いSiON，SiNなどが採用される。
　さらに、標準画素１０と位相差画素１１の共通の構造として、同図Ｄに示されるように、光導波路２６－２の上端と同じ高さに配線層２５の一層が形成され、同図Ｅおよび同図Ｆに示されるように、さらに配線層２５が積層される。このとき、位相差画素１１だけの構成として、配線層２５にうちの一層が遮光膜３１を兼ねるように、光導波路２６－２の上側の一部を覆うように形成される。
　次に、標準画素１０だけの構造として、同図Ｇに示されるように、既に形成済みの光導波路２６－２と連結するように光導波路２６－１が形成される。
　最後に、標準画素１０と位相差画素１１の共通の構造として、同図Ｈに示されるように、インナレンズ２４、カラーフィルタ２３、およびオンチップレンズ２２が形成される。以上で、本実施の形態である固体撮像素子の製造工程の説明を終了する。
　＜本実施の形態である固体撮像素子の光学特性＞
　次に、本実施の形態である固体撮像素子の位相差画素２１の光学特性について、図５乃至図８を参照して説明する。
　図５は、位相差画素２１（曲線ａ）に対する光入射角度と受光感度のシミュレーション結果を示している。また、図５には比較のために、図６のＡに示す位相差画素２１の他、図６のＢに示すような位相差画素２１に光導波路２６－１を追加した第１比較構成（曲線ｂ）と、図６のＣに示すような位相差画素２１から光導波路２６－２を省略した第２比較構成（曲線ｃ）のシミュレーション結果も示している。
　なお、図５の横軸は光入射角度を示す。ただし、マイナスの光入射角度は、図３に示された構成（遮光幕の３１の開口部３２が光軸の右側に偏っている構成）に対し、入射光が右側から入射されることを意味する。反対に、プラスの光入射角度は、図３に示された構成に対し、入射光が左側から入射されることを意味する。
　図５の縦軸は、比較構成２の光入射角度０°における受光感度のシミュレーション結果の値を基準値1.0として正規化した場合の受光感度を示している。
　図７は、図５における光入射角度－５°付近を拡大したものである。図８は、図５における光入射角＋５°付近を拡大したものである。
　図７に示されるように、入射光が右側から入射される場合、曲線ｂが示す第１比較構成では、遮光膜で反射された光が、遮光膜の上層側の光導波路で反射されて受光領域に集光される。これにより、受光感度は上がるが、瞳分割の分離性能は低下してしまうので、遮光膜の上層側に存在する光導波路が分離性能の低下の要因となっていることが分かる。
　また、図８に示されるように、入射光が左側から入射される場合、曲線ｃが示す第２比較構成では、光導波路がないために集光特性が劣ってしまっていることが分かる。
　上述したシミュレーションの結論として、曲線ａが示す本実施の形態の位相差画素２１が、もっともバランスよく瞳分割の分離性能を得られていることが分かる。
　＜本実施の形態である固体撮像素子の他の構成例＞
　次に、図９は、本実施の形態である、位相差画素を有する固体撮像素子の他の構成例（変形例１）を示す断面図である。なお、同図においては標準画素２０を省略し、位相差画素２１のみを図示している。
　図９に示される変形例１は、光導波路２６－２の上端と同じ高さに遮光膜３１が形成されたものであり、その他の構造については図３に示された構成例と同様である。
　変形例１においては、図３に示された構成例と同様の光学特性を得ることができる。
　図１０は、本実施の形態である、位相差画素を有する固体撮像素子のさらに他の構成例（変形例２）を示す断面図である。なお、同図においては標準画素２０を省略し、位相差画素２１のみを図示している。
　図１０に示された変形例２は、図３に示された構成例に対して、遮光膜３１の真下の光導波路２６－２の下層側に遮光膜４１を追加したものである。遮光膜４１は、Ｗ、Ti、TiNなどの金属材料により形成する。なお、図９に示された変形例１に遮光幕４１を追加するようにしてもよい。
　変形例２においては、入射光が右側から入射される場合の微小な光漏れが抑えられる。また、入射光が左側から入射される場合には光学中心がより外側に移動するので受光感度の低下は問題とならない。したがって、変形例２では、総合的には分離性能のさらなる改善が期待できる。
　＜本実施の形態である固体撮像素子の適用例＞
　ところで、ここまでに図示した本実施の形態である固体撮像素子は、表面照射型のものであるが、本開示は裏面照射型の固体撮像素子に対しても適用できる。
　また、本実施の形態である固体撮像素子は、３トランジスタ型CMOSイメージセンサ、または４トランジスタ型CMOSイメージセンサのいずれに対しても適用可能である。
　さらに、本実施の形態である固体撮像素子は、例えば、図１１に示される４画素共有型CMOSイメージセンサ５０のように、複数の画素でFDなどを共有するように構成されたCMOSイメージセンサに対して適用可能である。
　またさらに、本実施の形態である固体撮像素子は、例えば、図１２に示されような、センサ回路６２が形成された基板６１と、論理回路６３が形成された基板６４が積層されている積層型CMOSイメージセンサ６０に対しても適用できる。
　なお、本実施の形態である固体撮像素子は、撮像装置だけでなく、撮像機能を有するあらゆる種類の電子装置に適用できる。
　本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
　本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　標準画素と位相差画素から成る固体撮像素子において、
　前記標準画素は、
　　入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、
　前記位相差画素は、
　　入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、
　　前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、
　前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる
　固体撮像素子。
（２）
　前記標準画素および前記位相差画素は、さらに、
　　それぞれ同一の形状であって入射光を前記受光領域に集光するためのレンズを備え、
　前記レンズの形状は、前記第１の光導波路を備えた前記標準画素に最適化されている
　前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
　前記位相差画素の前記第１の遮光膜は、前記レンズの焦点位置と同じ高さか、または前記焦点位置よりも上層側に配置されている
　前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
　前記位相差画素の前記第１の遮光膜は、配線層が兼ねる
　前記（１）から（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
　前記標準画素の前記第１の光導波路は、２回の工程に分けて形成され、
　前記位相差画素の前記第２の光導波路は、前記標準画素の前記第１の光導波路の１回目の工程と同時に形成される
　前記（１）から（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
　前記位相差画素は、さらに、
　　前記第２の光導波路の下層側に第２の遮光膜を備える
　前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
　前記固体撮像素子は、表面照射型である
　前記（１）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
　前記固体撮像素子は、裏面照射型である
　前記（１）から（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
　前記固体撮像素子は、３トランジスタ型である
　前記（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
　前記固体撮像素子は、４トランジスタ型である
　前記（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）
　前記固体撮像素子は、複数画素共有型である
　前記（１）から（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１２）
　前記固体撮像素子は、積層型である
　前記（１）から（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１３）
　固体撮像素子が搭載された電子装置において、
　前記固体撮像素子は、標準画素と位相差画素から成り、
　前記標準画素は、
　　入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、
　前記位相差画素は、
　　入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、
　　前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、
　前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる
　電子装置。
　２０　標準画素，　２１　位相差画素，　２２　オンチップレンズ，　２３　カラーフィルタ，　２４　インナレンズ，　２５　配線層，　２６　光導波路，　２７　受光領域，　３１　遮光膜，　３２　開口部，　４１　遮光膜，　５０　４画素共有型CMOSイメージセンサ，　６０　積層型CMOSイメージセンサ

Claims (13)

  1. 　標準画素と位相差画素から成る固体撮像素子において、
    　前記標準画素は、
    　　入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、
    　前記位相差画素は、
    　　入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、
    　　前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、
    　前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる
    　固体撮像素子。
  2. 　前記標準画素および前記位相差画素は、さらに、
    　　それぞれ同一の形状であって入射光を前記受光領域に集光するためのレンズを備え、
    　前記レンズの形状は、前記第１の光導波路を備えた前記標準画素に最適化されている
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　前記位相差画素の前記第１の遮光膜は、前記レンズの焦点位置と同じ高さか、または前記焦点位置よりも上層側に配置されている
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 　前記位相差画素の前記第１の遮光膜は、配線層が兼ねる
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  5. 　前記標準画素の前記第１の光導波路は、２回の工程に分けて形成され、
    　前記位相差画素の前記第２の光導波路は、前記標準画素の前記第１の光導波路の１回目の工程と同時に形成される
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  6. 　前記位相差画素は、さらに、
    　　前記第２の光導波路の下層側に第２の遮光膜を備える
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  7. 　前記固体撮像素子は、表面照射型である
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  8. 　前記固体撮像素子は、裏面照射型である
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  9. 　前記固体撮像素子は、３トランジスタ型である
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  10. 　前記固体撮像素子は、４トランジスタ型である
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  11. 　前記固体撮像素子は、複数画素共有型である
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  12. 　前記固体撮像素子は、積層型である
    　請求項２に記載の固体撮像素子。
  13. 　固体撮像素子が搭載された電子装置において、
    　前記固体撮像素子は、標準画素と位相差画素から成り、
    　前記標準画素は、
    　　入射光を受光領域に導く第１の光導波路を備え、
    　前記位相差画素は、
    　　入射光を受光領域に導く第２の光導波路と、
    　　前記第２の光導波路よりも上層側に設けられた第１の遮光膜とを備え、
    　前記標準画素の前記第１の光導波路と、前記位相差画素の前記第２の光導波路とは、上端の高さが異なる
    　電子装置。
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