JP4711657B2

JP4711657B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4711657B2
Application number: JP2004283820A
Authority: JP
Inventors: 和利小野澤; 大助上田; 真治吉田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: US20060066743A1; JP2006100515A; US7586530B2

Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関する。

ディジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、それらに用いられる固体撮像装置の市場は著しく拡大している。固体撮像装置に対する要望は、高感度化や高画素化に止まらない。固体撮像装置には、それが搭載される機器の薄型化に伴うカメラ部分の薄型化に対応できる広角対応の要望が強くなっている。これは、カメラ部分に用いられるレンズの焦点距離が短くなっても、受光面に対して垂直な方向と広角を形成する方向からの光を確実に受光することが要求されることを意味する。

現在、固体撮像装置として広く使用されているＣＣＤやＭＯＳイメージセンサでは、複数の受光素子を有する半導体集積回路が２次元に配列され、受光素子が被写体からの光信号を電気信号に変換する。固体撮像装置の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されることから、広角対応を実現するためには、広角から入射した光を確実に受光素子に導く必要がある。

また、ディジタルカメラは、価格競争が激しく、主要部品である固体撮像装置の低コスト化も強く要望されている。そのため、ＣＣＤやＭＯＳイメージセンサの小型化も進んでいる。小型化と高画素化とにより、１画素あたりの受光面積は小さくなってきている。そのため、受光素子への集光技術が重要となっている。

図１４は、従来の一般的な固体撮像装置の断面を示す図である。図１４に示すように、マイクロレンズ１０１に垂直に入射する光１０２（実線で示した光）は、カラーフィルタ１０８に進行する。カラーフィルタ１０８は、入射光１０２のうちのそのカラーフィルタ１０８に対応する色の光のみを透過させる。カラーフィルタ１０８を透過した光は、受光素子１０６によって電気信号へ変換される。比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズ１０１は、ほとんど全ての固体撮像装置において使用されている。なお、固体撮像装置の構成については、例えば特許文献１にも記載されている。
特開平５―２５１６７３号公報

上述したように、広角対応の固体撮像装置には、広角から入射した光を確実に受光素子に導くことが要求される。

しかしながら、マイクロレンズ１０１を用いる場合、集光効率は、信号光の入射角度が大きくなるとともに低下する。つまり、図１４に示すように、マイクロレンズ１０１に対して垂直に入射してくる光１０２に関しては集光効率は高いが、斜め入射の光１１２（１点差線で示した光）に関しては集光効率は低い。これは、斜め入射の光１１２の進行が画素中の金属配線１０３に遮られたり、斜め入射の光１１２がマイクロレンズ１０１により大きく屈折することにより、受光素子１０６まで到達しない斜め入射の光１１２が存在するためである。

固体撮像装置は、２次元に配列された複数の画素で構成されているので、入射光が広がり角を持つ場合、外周部の画素に入射する光の角度は、中央の画素に入射する光の角度より大きい。つまり、外周部の画素には、斜めからの光１１２が入射する。そのため、外周部の画素における集光効率は中央の画素における集光効率より低い。

更に、マイクロレンズ１０１に対して垂直に入射する光であっても、図１４に示すように、画素境界部に入射してくる光１２２（点線で示した光）を高効率で集めることはできない。金属配線１０３に遮られて、受光素子１０６に到達することができない光が存在するからである。

また、ほとんど全ての固体撮像装置において、入射光を色毎に分離するための赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタ１０８が設けられており、コストを上げる要因となっている。

本発明は、上記課題を考慮し、広角から入射した光をも効率よく集めるとともに色分離機能を有する光学素子を備える固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、２次元状に複数の画素が配列された固体撮像装置であって、前記画素は、受光素子と、前記受光素子の上方に配置された、少なくとも表面が金属により形成された光学素子とを有し、前記光学素子は、前記金属に形成された開口と、前記金属に凸部からなるパターンを、前記開口を中心に、周期的に複数形成した周期構造とからなり、隣接する前記凸部相互の距離、及び前記凸部の幅は、集光対象の光の１波長以下であって、０を超える長さであり、前記光学素子の前記周期構造のピッチと前記パターンの形状とが、画素毎に異なっており、外周部の前記画素の有する光学素子の前記ピッチは、中心部分の画素のそれよりも長く、前記画素の中心からずれて配置された前記受光素子の垂直上方の位置に、前記光学素子の前記開口が配置された構成である。

上記光学素子が用いられることにより、広角から入射した光をも効率よく集めることができる。また、隣接する凸部相互の距離、及び凸部の幅に応じた波長に対応する色の光を効率よく集めることができる。

また、前記複数の凸部は、（１）前記開口を中心に持つ複数の同心円それぞれの上に一体化された状態で設けられた凸部、（２）前記開口を中心に持つ、互いに相似な関係を有する複数の多角形それぞれの上に一体化された状態で設けられた凸部、（３）前記複数の同心円それぞれの上に、間隔をおいて設けられた複数の柱状の凸部、又は、（４）前記複数の多角形それぞれの上に、間隔をおいて設けられた複数の柱状の凸部である。

また、隣接する前記凸部相互の距離、及び前記凸部の幅は、集光対象の光の波長に対応した値である。

これにより、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の色を分離することができる。
また、隣接する前記凸部相互の距離、及び前記凸部の幅は、集光対象の光の入射角に対応した値である。

これにより、広角から入射した光を確実に集めることができる。
また、前記受光素子の上面と前記光学素子の下面との距離は、集光対象の光の３波長以下である。

これにより、開口からの光を確実に受光素子に導くことができる。
また、前記凸部の高さは、集光対象の光の１波長以下であって、０を超える高さであることが好ましい。

また、隣接する前記光学素子相互は電気的に分離されていることが好ましい。
これにより、各画素に対応する色とそれと異なる色との混色やクロストークを確実に防止することができる。

本発明は、広角から入射した光をも効率よく集めるとともに色分離機能を有する光学素子を備える固体撮像装置を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
先ず、実施の形態１の固体撮像装置について説明する。

図１は、実施の形態１の固体撮像装置の断面図である。図１に示すように、各画素（サイズ：２．８μｍ角）は、光学素子１と、金属配線３と、信号伝送部４と、平坦化層５と、受光素子（例えば、Ｓｉフォトダイオード）６と、Ｓｉ基板７とで構成されている。本実施の形態の固体撮像装置は、光学素子１を備えている点が、図１４を用いて説明した従来の固体撮像装置と異なる。また、本実施の形態の固体撮像装置は、従来の固体撮像装置が備えるマイクロレンズ１０１及びカラーフィルタ１０８を備えていない。光学素子１は、集光機能と分光機能とを有する。

光学素子１は、金、銀、アルミニウム等の金属で形成されている。図２（ａ）は光学素子１の断面図であり、図２（ｂ）は光学素子１の上面図である。図２に示すように、金属で形成されている光学素子１は、中心に開口（貫通孔）１０が設けられた正方形の板の上に、開口１０を中心とする、所定の幅を有する同心円状の複数の一体化された凸部が設けられた形状を有している。隣り合う円の半径差ｔは２０〜４００ｎｍである。つまり、各凸部の幅ｔ及び隣り合う凸部相互の間隔ｔは、２０〜４００ｎｍである。また、凸部の高さｈは２０〜８００ｎｍである。なお、以下では、説明の便宜上、複数の同心円状の凸部を「パターン」ともいう。

また、光学素子１の開口１０は円柱状の貫通孔であり、開口１０の断面の円の直径ｄは、上記半径差ｔ（各凸部の幅ｔ及び隣り合う凸部相互の間隔ｔ）と同じ値である。また、図１に示すように、隣接する光学素子１相互の間隔１１は、開口１０の直径ｄより大きい。

図１は、波長λの入射光２を各画素に対してほぼ垂直に入射させて集める様子を示している。直線矢印は入射光２の伝播及び伝播方向を示しており、波線矢印は、金属で形成されている光学素子１の表面のプラズモン８の伝播及び伝播方向を概念的に示している。プラズモン８は、光学素子１の表面の電子が垂直方向に振動することにより生じる疎密波である。なお、金属表面のプラズモンに関する技術は、文献“Tineke Thio et.al.；Giant optical transmission of sub‐wavelength apertures:physics and applications ;INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING Nanotechnology 13(2002)429‐432”に記載されている。

周期構造のパターンを有する光学素子１に入射した光２は、光学素子１の表面でプラズモン８とカップリングし、入射光２のエネルギーはプラズモン８のエネルギーに変換される。開口１０の断面の円の直径ｄが上記半径差ｔ（各凸部の幅ｔ及び隣り合う凸部相互の間隔ｔ）と同じ値であるとともに、隣接する光学素子１相互の間隔１１が開口１０の直径ｄより大きい。これにより、プラズモン８は、パターンの中心に設けられた開口１０に集められ、開口１０を通り、光学素子１の裏面（Ｓｉ基板７側）に伝播する。裏面に伝播したプラズモン８は、光に変換され、放射光９として受光素子６に進行する。このように、光学素子１は入射した全ての光を集めることができる。

周期構造のパターンが形成されていなければ、開口１０に入射する光しか受光素子６へ到達しない。しかしながら、周期構造のパターンにより、光がプラズモン８とカップリングし、画素全体に入射した光を集めることができる。光学素子１にパターンが形成されていることにより、開口１０から放射する光の量は、パターンが形成されていない場合において開口１０を通過する光の量の２０倍を超える。このとき、上記半径差ｔ（各凸部の幅ｔ及び隣り合う凸部相互の間隔ｔ）が、集めようとする光の１波長以下である場合、入射光２のエネルギーはプラズモン８のエネルギーに変換され、集光効率が最大となる。

また、プラズモン８の励起に伴い、近接場光（電磁波）が光学素子１の表面近傍に発生するが、その電磁波の強度は、表面近傍から離れるに従って減少し、波長程度の距離で強度が半減するため、各凸部の高さｈは、波長程度が好ましい。

また、集めようとする光の色に応じて、光学素子１の周期構造のパターンを形成しておくことにより、その色の光のみを受光素子６に導くことができる。具体的には、図２に示すパターンの周期ピッチｐ（上記半径差ｔ（各凸部の幅ｔ及び隣り合う凸部相互の間隔ｔ）の２倍）を、集めようとする光の色に応じて変えることにより、プラズモンとカップリングする光の波長を変える。これにより、光を色毎に分離することができる。例えば、光学素子１が銀で形成されている場合、パターンの周期ピッチｐを５５０ｎｍにすると、赤色の光（波長λ：０．６５μｍ）を効率よく集めることができる。また、パターンの周期ピッチｐを４５０ｎｍにすると、緑色の光（波長λ：０．５５μｍ）を効率よく集めることができ、パターンの周期ピッチｐを３００ｎｍにすると、青色の光（波長λ：０．４５μｍ）を効率よく集めることができる。

また、図３に示すように、斜めから入射する光３２に対しても、周期ピッチｐを、斜めから入射する光３２を集光することができるピッチにしておくことにより、光学素子１は、入射した全部の光を集めることができる。

このように、各画素に入射する光の角度と集めようとする光の色とに応じて、最適な周期ピッチｐを形成しておくことにより、光学素子１は、集めようとする光を、いずれの入射角であっても高い効率で集めることができる。

更に、開口１０からの放射光９を確実に受光素子６に到達させるために、放射光９の広がりを考慮して、図４に示すように、光学素子１の下面から受光素子６の上面までの距離は、集めようとする光の３波長以下であることが好ましい。

また、図５に示すように、受光素子６が画素中心からずれている場合においても、図５並びに図６（ａ）の断面図及び図６（ｂ）の上面図に示すように、光学素子１の開口１０を受光素子６の垂直上方の位置に設けることにより、入射した光を高効率で受光素子６に集めることができる。

なお、上述した実施の形態１では、図２に示すように、光学素子１を上方から見た場合の形状は正方形状である。しかしながら、光学素子１の形状は、上方から見た場合、長方形であってもよいし、円形、三角形等であってもよい。上方から見た場合の光学素子１の形状は限定されない。

また、光学素子１のパターンは、同心円構造ではなく、図７に示すような、開口１０を中心として、所定の幅を有する複数の正方形状の一体化された凸部が、対応する辺相互が平行となるように配置されたパターンであってもよい。図７（ａ）はそのような光学素子１の断面図であり、図７（ｂ）はそのような光学素子１の上面図である。その際、各凸部の幅と、互いに平行な隣り合う凸部相互の間隔とが同じであり、それらが集めようとする光の１波長以下でなければならない。

また、光学素子１のパターンは、図８に示すような、円柱が所定の間隔で繰り返し配置された構造のパターンであってもよい。図８（ａ）はそのような光学素子１の断面図であり、図８（ｂ）はそのような光学素子１の上面図である。その際、各凸部の直径と、その凸部と開口１０とを結ぶ直線上の隣り合う凸部相互の間隔とが同じであり、それらが集めようとする光の１波長以下でなければならない。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２の固体撮像装置について説明する。

図９は、実施の形態２の固体撮像装置２３における画素の配列状況を示す図である。信号光２１は、光学レンズ２２によって集光され、光学素子１を備える固体撮像装置２３の上に照射される。受光素子と配線等とを含む半導体集積回路及び光学素子１が２次元に配列されている固体撮像装置２３においては、中心部分の画素と外周部の画素とでは、光の入射角度が異なる。光は、中心部分の画素に対してはほぼ０°で入射するが、外周部の画素に対しては約３０〜４０°で入射する。

全部の画素について、入射光を高い効率で集めるために、画素毎に、光学素子１の周期構造やパターンの形状を異ならせておく。例えば、図１０に示すように、外周部の画素の光学素子１の周期ピッチを、中心部分の画素のそれよりも長くする。これにより、光の入射角が異なっても、光は高効率で集められる。

パターンは以下のように設計する。先ず、光の波数をｋとし、波数のｘ成分をｋｘ、ｙ成分をｋｙと定義する。周期構造の周期をＴとし、ｑ＝２π／Ｔとしたとき、“ｑ”のｘ方向をｑｘ＝２π／Ｔｘ、ｙ方向をｑｙ＝２π／Ｔｙと定義する。｜ｍ｜を２以上の整数としたとき、ｋｘ＋ｍｑｘ及びｋｙ＋ｍｑｙが、プラズモンのエネルギーと一致するように、パターンを設計する。

ここで、光の入射角と集光効率との関係を図１１に示す。図１１は、固体撮像装置２３全体の集光効率の特性を示している。横軸の角度は、固体撮像装置２３に入射する光の角度を示しており、０°が中心部分の画素に対する入射角、３０°以上が外周部の画素に対する入射角を意味している。

図１１に示すように、マイクロレンズを備える従来の固体撮像装置では、集光効率は入射角度２０°付近から急激に低下する。それに対して、実施の形態２の固体撮像装置２３では、集光効率は、入射角度が２０°を超えてもほとんど低下しない。つまり、実施の形態２の固体撮像装置２３では、外周部の画素においても、高い集光効率が保たれている。図１１から明らかなように、光学素子１は、マイクロレンズと比較して、入射光の角度に依らず高い効率で集光することができる。これにより、光学素子１を備えた固体撮像装置２３は、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系を有する装置に用いることができる。

更に、隣接する光学素子１相互の隙間は、集光ロスの原因となるため、できるだけ小さいほうがよいが、各光学素子１は、電気的に分離されていなければならない。例えば、隣接する光学素子１相互の距離を、光学素子１の半径差ｔ及び開口ｄより長くすることにより、各光学素子１を電気的に分離する。加えて、光学素子１は、絶縁層の上に形成されていることが好ましい。これらが実現されることにより、各画素に対応する色の混色やクロストークを確実に防止することができる。

例えば、図１０に示すように、光学素子１を、上方から見た状態で四角形とし、隣接する画素相互の間隔を、それらの画素が電気的に分離される距離に設定しておき、画素領域全体に２次元に配置する。これにより、各画素に対応する色の混色やクロストークを確実に防止することができる。また、漏れ光が無く、集光ロスも低減することができる。

（実施の形態３）
次に、光学素子１の製造方法を、図１２を用いて説明する。

まず、半導体製造プロセスを用いて、Ｓｉ基板上に受光素子、配線、遮光層、信号伝送部を配置して固体撮像素子基板３１を形成する。１画素のサイズは２．８μｍ角であり、受光素子は１．１μｍ角である。その後、図１２（ａ）に示すように、固体撮像素子基板３１の上に、蒸着法又はスパッタ法により、例えば厚み０．５μｍの金属膜３２を形成し、その上に例えば厚み０．５μｍのレジスト３３を塗布する。

次に、図１２（ｂ）に示すように、リソグラフィーにより、レジスト３３を同心円構造等のパターンに変形する。その後、図１２（ｃ）に示すように、ウエットエッチング又はドライエッチングによって、金属膜３２を同心円構造等のパターンに変形する。

更に、図１２（ｄ）に示すように、開口部３５を形成するために、及び隣接する画素相互を電気的に分離する画素分離部３６を形成するために、金属膜３２のパターンの上にレジスト３４を塗布する。その後、リソグラフィーにより、開口部３５及び画素分離部３６を形成する位置のレジスト３４を除去する。そして、レジスト３４が塗布されていない金属膜３２をエッチングして、開口部３５及び画素分離部３６を形成する。金属膜３２のエッチングは、ウエットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。その後、図１２（ｅ）に示すように、レジスト３４を除去する。これにより、光学素子１が完成する。

（実施の形態４）
次に、実施の形態３の製造方法とは異なる、光学素子１の製造方法を、図１３を用いて説明する。

まず、半導体製造プロセスを用いて、Ｓｉ基板上に受光素子、配線、遮光層、信号伝送部を配置して固体撮像素子基板３１を形成する。１画素のサイズは２．８μｍ角であり、受光素子は１．１μｍ角である。その後、図１３（ａ）に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、固体撮像素子基板３１の上に、例えば厚み０．５μｍのＳｉＯ₂膜３７を形成し、その上に例えば厚み０．５μｍのレジスト３３を塗布する。

次に、図１３（ｂ）に示すように、リソグラフィーにより、レジスト３３を同心円構造等の凹凸を有するパターンに変形する。その後、図１３（ｃ）に示すように、ドライエッチングによって、ＳｉＯ₂膜３７を同心円構造等の凸部を有するパターンに変形する。そして、図１３（ｄ）に示すように、蒸着法又はスパッタ法により、固体撮像素子基板３１及びＳｉＯ₂膜３７のパターン上に金属膜３８を形成する。

更に、図１３（ｅ）に示すように、隣接する画素相互を電気的に分離するための画素分離部３６を形成するために、金属膜３８の上にレジスト３４を塗布する。次に、リソグラフィーにより、開口部３５及び画素分離部３６を形成する位置のレジスト３４を除去する。その後、図１３（ｆ）に示すように、エッチングにより、開口部３５及び画素分離部３６を形成する位置の金属膜３８と、レジスト３４とを除去する。この場合、エッチングは、ウエットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。これにより、光学素子１が完成する。

本発明の固体撮像装置は、ディジタルビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話等に有用であり、それらの装置の性能向上、低価格化を実現することができる。

実施の形態１の固体撮像装置の断面図である。（ａ）は実施の形態１の光学素子１の断面図であり、（ｂ）は光学素子１の上面図である。実施の形態１の固体撮像装置の断面図である。実施の形態１の固体撮像装置の断面図である。実施の形態１の固体撮像装置の断面図である。（ａ）は実施の形態１の光学素子１の断面図であり、（ｂ）は光学素子１の上面図である。（ａ）は実施の形態１の光学素子１の断面図であり、（ｂ）は光学素子１の上面図である。（ａ）は実施の形態１の光学素子１の断面図であり、（ｂ）は光学素子１の上面図である。実施の形態２の固体撮像装置における画素の配列状況等を示す図である。実施の形態２の固体撮像装置における画素の配列状況を示す図である。実施の形態２の固体撮像装置における光の入射角と集光効率との関係を示す図である。実施の形態３の光学素子の製造プロセスを示す図である。実施の形態４の光学素子の製造プロセスを示す図である。従来の固体撮像装置の断面図である。

符号の説明

１光学素子
２入射光
３金属配線
４電気信号伝送部
５平坦化層
６受光素子
７Ｓｉ基板
８プラズモン
９放射光
１０開口
２１信号光
２２光学レンズ
２３固体撮像装置
３１固体撮像素子基板
３２、３８金属膜
３３、３４レジスト
３５開口部
３６画素分離部
３７ＳｉＯ₂膜
１０１マイクロレンズ
１０２入射光（垂直入射）
１０３金属配線
１０４電気信号伝送部
１０６受光素子
１０８カラーフィルタ
１１２入射光（斜め入射）
１２２入射光（垂直入射、画素境界部）

Claims

２次元状に複数の画素が配列された固体撮像装置であって、
前記画素は、
受光素子と、
前記受光素子の上方に配置された、少なくとも表面が金属により形成された光学素子とを有し、
前記光学素子は、
前記金属に形成された開口と、
前記金属に凸部からなるパターンを、前記開口を中心に、周期的に複数形成した周期構造とからなり、
隣接する前記凸部相互の距離、及び前記凸部の幅は、集光対象の光の１波長以下であって、０を超える長さであり、
前記光学素子の前記周期構造のピッチと前記パターンの形状とが、画素毎に異なっており、
外周部の前記画素の有する光学素子の前記ピッチは、中心部分の画素のそれよりも長く、
前記画素の中心からずれて配置された前記受光素子の垂直上方の位置に、前記光学素子の前記開口が配置された構成である
固体撮像装置。
隣接する前記凸部相互の距離、及び前記凸部の幅は、集光対象の光の波長に対応した値である
請求項１記載の固体撮像装置。
隣接する前記凸部相互の距離、及び前記凸部の幅は、集光対象の光の入射角に対応した値である
請求項１記載の固体撮像装置。
前記受光素子の上面と前記光学素子の下面との距離は、集光対象の光の３波長以下である
請求項１記載の固体撮像装置。
前記凸部の高さは、集光対象の光の１波長以下であって、０を超える高さである
請求項１記載の固体撮像装置。
隣接する前記光学素子相互は電気的に分離されている
請求項１記載の固体撮像装置。