JP5402092B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法および電子機器に関し、特に導波路構造の固体撮像装置、当該導波路構造の製造方法および当該固体撮像装置を有する電子機器に関する。

固体撮像装置、例えばＣＭＯＳ型固体撮像装置（以下、「ＣＭＯＳイメージセンサ」と称する）は、ＣＭＯＳプロセスを活かし、同一チップ（基板）上にＤＳＰ(Digital Signal Processor)等の周辺回路を搭載できる特長を有している。このように、同一チップ上に周辺回路を搭載する場合、周辺回路の規模を小さくするために、配線に関して４層等の多層配線構造とする場合がある。

ところが、多層配線構造とすると、基板表面（シリコン界面）からマイクロレンズ（オンチップレンズ）までの間の距離が長くなるために、当該マイクロレンズを通して入射する光を受光部（光電変換部）の受光面上に集光する（導く）際の集光効率が悪化する。集光効率が悪化すると画素の感度が低下する。

そこで、集光効率を上げて、画素の感度の向上を図ることを目的として、画素中央部に導波路を設け、当該導波路内に光を閉じ込めることにより、マイクロレンズから受光部に至る光路における光量ロスの低減を図った、いわゆる導波路構造が知られている。

従来、導波路構造として、より効率的に光を受光部に導くために、光の入射方向から見た平面形状の大きさが光の入射側の面から受光部側に向けて徐々に小さくなる順テーパー形状部を設けた構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。さらには、テーパー形状部の上部（入口側）の開口を大きく広げることで、特許文献１に記載の導波路構造に比べて入射光量を増やすようにした構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２２１５３２号公報 特開２００８−１０３７５７号公報

特許文献１，２に記載の導波路構造の場合、テーパー形状部の作用によって光を効率的に受光部の受光面上に集光することができるものの、受光面に垂直な光（導波路の中心軸に対して平行に入射する光）が導波路のテーパー面で反射したときの光については考慮されていない。すなわち、導波路で反射した光については受光部の受光面上に集光することができない構造となっている。

そこで、本発明は、導波路の中心軸に対して平行に入射する光についても受光部（光電変換部）に効率的に集光できるようにした固体撮像装置、導波路構造の製造方法および当該固体撮像装置を有する電子機器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、本発明は、
入射光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記入射光を前記光電変換部に導く導波路と
を有する画素が複数配置された固体撮像装置において、
前記導波路の内面を二次曲線面とした構成を採っている。

上記構成の固体撮像装置において、導波路の内面が二次曲線面であることで、特に導波路の中心軸に対して平行に入射する光（平行光）が二次曲線面で反射された際に、二次曲線の持つ特性によって光電変換部に効率的に集光されるために集光効率が上がる。

本発明によれば、特に導波路の中心軸に対して平行に入射する光についても光電変換部に効率的に集光できることで集光効率を上げることができるために感度の向上を図ることができる。

本発明が適用されるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。 単位画素の回路構成の一例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る導波路構造を有する画素の断面構造を示す断面図である。 放物線において対称軸Ｏと平行に入る光が放物線の焦点Ｆ１に集まる様子を示す図である。 第１実施形態に係る導波路構造の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る導波路構造を有する画素の断面構造を示す断面図である。 楕円形において焦点Ｆ１を通過する光が焦点Ｆ２に集まる様子を示す図である。 第２実施形態に係る導波路構造を瞳補正の技術を用いたＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合を示す断面図である。 第２実施形態に係る導波路構造の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明による電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

１．本発明が適用される固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサの例）
２．第１実施形態（導波路の内面が放物線面の例）
３．第２実施形態（導波路の内面が楕円面の例）
４．変形例
５．適用例（撮像装置）

＜１．本発明が適用される固体撮像装置＞
（システム構成）
図１は、本発明が適用される固体撮像装置、例えばＸ−Ｙアドレス型固体撮像装置の一種であるＣＭＯＳイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとは、ＣＭＯＳプロセスを応用して、または部分的に使用して作成されたイメージセンサである。

図１に示すように、本適用例に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０は、半導体基板（チップ）１８上に形成された画素アレイ部１１と、当該画素アレイ部１１と同じ半導体基板１８上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部としては、例えば垂直駆動部１２、カラム処理部１３、水平駆動部１４およびシステム制御部１５が設けられている。

画素アレイ部１１には、入射する可視光をその光量に応じた電荷量に光電変換する光電変換部（例えば、フォトダイオード）を含む図示せぬ単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行列状に２次元配置されている。そして、画素個々には、図示を省略するが、入射光を集光するレンズ、いわゆるマイクロレンズや、カラー対応の場合にはカラーフィルタなどが設けられる。単位画素の具体的な構成については後述する。

画素アレイ部１１にはさらに、行列状の画素配列に対して行ごとに画素駆動線１６が図の左右方向（画素行の画素配列方向／水平方向）に沿って形成され、列ごとに垂直信号線１７が図の上下方向（画素列の画素配列方向／垂直方向）に沿って形成されている。図１では、画素駆動線１６について１本として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線１６の一端は、垂直駆動部１２の各行に対応した出力端に接続されている。

垂直駆動部１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成されている。ここでは、具体的な構成については図示を省略するが、垂直駆動部１２は、読出し走査系と掃出し走査系とを有する構成となっている。読出し走査系は、信号を読み出す単位画素について行単位で順に選択走査を行う。

一方、掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対し、その読出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して当該読出し行の単位画素の光電変換素子から不要な電荷を掃き出す（リセットする）掃出し走査を行う。この掃出し走査系による不要電荷の掃き出し（リセット）により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する（光電荷の蓄積を開始する）動作のことを言う。

読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に入射した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における光電荷の蓄積時間（露光時間）となる。

垂直駆動部１２によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線１７の各々を通してカラム処理部１３に供給される。カラム処理部１３は、画素アレイ部１１の画素列ごとに、選択行の各画素２０から出力されるアナログの画素信号に対してあらかじめ定められた信号処理を行う。

カラム処理部１３での信号処理としては、例えばＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)処理が挙げられる。ＣＤＳ処理は、選択行の各画素から出力されるリセットレベルと信号レベルとを取り込み、これらレベルの差を取ることによって１行分の画素の信号を得るとともに、画素の固定パターンノイズを除去する処理である。カラム処理部１３に、アナログの画素信号をデジタル化するＡＤ変換機能を持たせる場合もある。

水平駆動部１４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１３の画素列に対応した回路部分を順番に選択走査する。この水平駆動部１４による選択走査により、カラム処理部１３で画素列ごとに信号処理された画素信号が順番に出力される。

システム制御部１５は、半導体基板１８の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータなどを受け取り、また、本ＣＭＯＳイメージセンサ１０の内部情報などのデータを出力する。システム制御部１５はさらには、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に垂直駆動部１２、カラム処理部１３および水平駆動部１４などの駆動制御を行う。

（単位画素の回路構成）
図２は、単位画素２０の回路構成の一例を示す回路図である。図２に示すように、本回路例に係る単位画素２０は、光電変換部である例えばフォトダイオード２１に加えて、例えば転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４および選択トランジスタ２５の４つのトランジスタを有する構成となっている。

ここでは、４つのトランジスタ２２〜２５として、例えばＮチャネルのＭＯＳトランジスタを用いている。ただし、ここで例示した転送トランジスタ２２、リセットトランジスタ２３、増幅トランジスタ２４および選択トランジスタ２５の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。

この単位画素２０に対して、画素駆動線１６として、例えば、転送線１６１、リセット線１６２および選択線１６３の３本の駆動配線が同一画素行の各画素について共通に設けられている。これら転送線１６１、リセット線１６２および選択線１６３の各一端は、垂直駆動部１２の各画素行に対応した出力端に、画素行単位で接続されている。

フォトダイオード２１は、アノード電極が負側電源(例えば、グランド)に接続されており、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷（ここでは、光電子）に光電変換してその光電荷を蓄積する。フォトダイオード２１のカソード電極は、転送トランジスタ２２を介して増幅トランジスタ２４のゲート電極と電気的に接続されている。増幅トランジスタ２４のゲート電極と電気的に繋がったノード２６をＦＤ（フローティングディフュージョン）部と呼ぶ。

転送トランジスタ２２は、フォトダイオード２１のカソード電極とＦＤ部２６との間に接続されている。転送トランジスタ２２のゲート電極には、高レベル（例えば、Ｖｄｄレベル）がアクティブ（以下、「Ｈｉｇｈアクティブ」と記述する）の転送パルスφＴＲＦが転送線１６１を介して与えられる。これにより、転送トランジスタ２２はオン状態となり、フォトダイオード２１で光電変換された光電荷をＦＤ部２６に転送する。

リセットトランジスタ２３は、ドレイン電極が画素電源Ｖｄｄに、ソース電極がＦＤ部２６にそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ２３のゲート電極には、ＨｉｇｈアクティブのリセットパルスφＲＳＴがリセット線１６２を介して与えられる。これにより、リセットトランジスタ２３はオン状態となり、フォトダイオード２１からＦＤ部２６への信号電荷の転送に先立って、ＦＤ部２６の電荷を画素電源Ｖｄｄに捨てることによって当該ＦＤ部２６をリセットする。

増幅トランジスタ２４は、ゲート電極がＦＤ部２６に、ドレイン電極が画素電源Ｖｄｄにそれぞれ接続されている。そして、増幅トランジスタ２４は、リセットトランジスタ２３によってリセットした後のＦＤ部２６の電位をリセット信号（リセットレベル）Ｖｒｅｓｅｔとして出力する。増幅トランジスタ２４はさらに、転送トランジスタ２２によって信号電荷を転送した後のＦＤ部２６の電位を光蓄積信号（信号レベル）Ｖｓｉｇとして出力する。

選択トランジスタ２５は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ２４のソース電極に、ソース電極が垂直信号線１７にそれぞれ接続されている。選択トランジスタ２５のゲート電極には、Ｈｉｇｈアクティブの選択パルスφＳＥＬが選択線１６３を介して与えられる。これにより、選択トランジスタ２５はオン状態となり、単位画素２０を選択状態として増幅トランジスタ２４から出力される信号を垂直信号線１７に中継する。

なお、選択トランジスタ２５については、画素電源Ｖｄｄと増幅トランジスタ２４のドレインとの間に接続した回路構成を採ることも可能である。

また、単位画素２０としては、上記構成の４つのトランジスタからなる画素構成のものに限られるものではない。例えば、増幅トランジスタ２４と選択トランジスタ２５とを兼用した３つのトランジスタからなる画素構成のものなどであっても良く、その画素回路の構成は問わない。

以上説明した本発明の適用例に係るＣＭＯＳイメージセンサ１０は、画素２０個々に入射する光を効率的にフォトダイオード２１に導く（即ち、集光効率を上げる）ことを目的として、画素中央部に導波路を設けた導波路構造を有している。

そして、本発明は、導波路構造を有するＣＭＯＳイメージセンサ１０において、マイクロレンズを通して入射する光を、フォトダイオード２１の受光面に導く際の集光効率をより向上可能な導波路構造を特徴としている。この集光効率をより向上するための導波路構造の具体的な実施形態について以下に説明する。

＜２．第１実施形態＞
（画素構造）
図３は、本発明の第１実施形態に係る導波路構造を有する画素の断面構造を示す断面図である。

図３において、図１の半導体基板１８に相当する半導体基板、例えばシリコン基板３１の表層部には、入射光を光電変換する光電変換部（受光部）３２が形成されている。光電変換部３２は、例えばＰ型拡散層と当該拡散層の基板表面側のＮ型拡散層とによって構成されるダイオード（図２のフォトダイオード２１に相当）として形成される。この光電変換部３２については、Ｐ型拡散層からなる正孔蓄積層によってさらに表面を覆う構成としても良い。

シリコン基板３１上には、下地絶縁膜（図示せず）を介して転送トランジスタ２２等の画素トランジスタのゲート電極３３が形成されるとともに、層間絶縁膜３４が成膜されている。この層間絶縁膜３４の表面側には、溝パターン内に導電性材料を埋め込んでなる配線３５が形成されている。そして、層間絶縁膜３４の成膜と溝パターン内への配線３５の形成とを繰り返し、最後に層間絶縁膜３４を成膜することによって多層配線層３６が形成されている。

多層配線層３６において、各層の配線３５は適宜コンタクト部３７を介して電気的に接続されている。多層配線層３６の光電変換部３２の上方の部位には、導波路用の孔３８Ａが放物線面（放物面）にて形成されている。そして、この孔３８Ａの内部に光透過性埋込み層（透明膜）３９が埋め込まれることによって導波路４０Ａが形成される。ここで、導波路４０Ａは、放物線面に形成された孔３８Ａに光透過性埋込み層３９が埋め込まれて形成されることで、当該導波路４０Ａの内面が放物線面となる。

導波路４０Ａを含む多層配線層３６の上には、パシベーション膜４１および平坦化膜４２を介して所定の色のカラーフィルタ４３が形成されている。カラーフィルタ４３の上にはさらに、レンズ、具体的にはオンチップレンズと称されるマイクロレンズ４４が設けられている。以上により、マイクロレンズ４４を通して入射する光を光電変換部３２の受光面上に導く導波路４０Ａを有する単位画素２０が構成される。

上記構成の導波路４０Ａを有する画素において、当該導波路４０Ａの内面を形成する放物線面は二次曲線面の一種である。そして、図４に示すように、放物線面の断面である放物線において、放物線の対称軸Ｏと平行に入る光（平行光）は、放物線の焦点Ｆ１に集まることが知られている。この放物線の原理を利用して、当該放物線の形状を導波路４０Ａの内面に利用した点が本実施形態の特徴とするところである。

導波路４０Ａは、放物線の対称軸Ｏに相当する導波路４０Ａの中心軸が、好ましくは、マイクロレンズ４４の中心を通る一本の光線、即ち主光線Ｐに対して一致するように設けられる。ここで、レンズは一つの軸の周りに回転対称な面でできており、その回転対称軸が光軸となる。そして、回転対称軸とレンズ球面とが交わる点がマイクロレンズ４４の中心となる。

また、本実施形態に係る導波路４０Ａの場合、図３に示すように、放物線の焦点Ｆ１が光電変換部３２の例えば受光面（フォトダイオード２１の界面）上に位置するように形成される。ただし、放物線の焦点Ｆ１の位置は、光電変換部３２の受光面上に限られるものではない。

このように、導波路４０Ａにおいてその内面を放物線面とすることで、マイクロレンズ４４によって光電変換部３２の受光面上に集光することができなかった光、特に導波路４０Ａの中心軸（光軸）Ｐと平行に入射する光（平行光）を光電変換部３２の受光面上に集光することができる。したがって、内面がテーパー形状で、導波路で反射した光を光電変換部３２の受光面上に集光することができなかった従来構造に比べて集光効率を向上できる。

また、特に近年の画素サイズの微細化に伴って画素間の間隔が小さくなると、内面がテーパー形状の導波路構造を含む従来の導波路構造では、導波路を透過した光が隣接画素の光電変換部に入射し、当該隣接画素で光電変換されることによって混色の一因となる。これに対して、本実施形態に係る導波路構造によれば、導波路４０Ａに入射した光を効率的に光電変換部３２の受光面上に集光できるため、導波路４０Ａを透過する光に起因する混色を防止できる。

さらに、光軸Ｐと平行な光に関して光電変換部３２の受光面上に集光できる構造であるために、マイクロレンズ４４を搭載しない画素構造に対しても適用可能となる。また、導波路４０Ａの内面が放物線面であることで、光の入射方向から見た平面形状の大きさが、光電変換部３２側よりもマイクロレンズ４４側が大きくなる。したがって、内面が例えば円筒形状の導波路構造に比べて、マイクロレンズ４４を通過した光をより多く導波路４０Ａ内に取り込むことができるメリットもある。

なお、本実施形態では、放物線の焦点Ｆ１を光電変換部３２の受光面上に位置させる導波路構造としたが、設計によって焦点Ｆ１の光軸方向の位置を任意に設定することができる。そして、放物線の焦点Ｆ１の位置が光電変換部３２の受光面（界面）よりも下であっても光電変換上何ら問題ないので、焦点Ｆ１の位置に関してマージンを多くとることが可能であるし、平行光以外の光についても光電変換部３２の受光面に集めることが可能になる。

また、色ごとに、即ち赤色光、緑色光、青色光ごとに焦点Ｆ１の位置を変えるようにすることもできる。これにより、色ごとにより高効率な光電変換を考慮した集光を実現できる。具体的には、光の波長によって光電変換部３２における、より効率的な光電変換が行われる領域（光電変換領域）が異なり、光電変換部３２における光電変換領域については、青色光が一番浅く、赤色光が一番深い。

したがって、光電変換部３２の受光面（界面）からの焦点Ｆ１の位置（深さ）を、青色光、緑色光、赤色光の順に深くなるように設定する。これにより、赤色光、緑色光、青色光の各色ごとに、より高効率な光電変換を考慮した集光を実現できる。因みに、内面がテーパー形状の導波路構造を含む従来の導波路構造は、入射光を受光部に集光することだけを考慮した構造となっており、光電変換効率の観点から各色ごとに適した導波路構造とはなっていない。

また、焦点Ｆ１に集光されるビームスポットの大きさ（サイズ）についても、例えば放物線面の曲率を変えることによって任意の大きさに設定することができる。ここで、ビームスポットの大きさが変わっても光量が変わることはない。したがって、ビームスポットの大きさをより小さくすることにより、例えば近年の画素サイズの微細化に伴って光電変換部３２の受光面が小さくなっても、当該受光面に対して確実にビームスポットを当てることができることになる。

このビームスポットの大きさについては、赤色光、緑色光、青色光の各色ごとに変えるようにすることもできる。各色ごとにビームスポットの大きさを変えることで、上述したように、各色ごとに光電変換部３２における光電変換領域が異なっていても、各色に最適な光電変換領域を狙ってビームスポットを当てるようにすることができる。その結果、赤色光、緑色光、青色光の各色ごとに、より高効率な光電変換を実現できる。また、ビームスポットを小さくすることで、障害物を避けて光電変換領域にビームスポットを当てるようにすることができる。

（製造方法）
続いて、上述した第１実施形態に係る導波路構造を有する画素についての製造方法の工程の一例について、図５の工程図を用いて説明する。なお、理解を容易にするために、図５において、図３と同等部分には同一符号を付して示している。

ここでは、第１実施形態に係る導波路構造のプロセス、即ち図３の層間絶縁膜３４内に導波路４０Ａを形成するプロセスについて説明するものとする。導波路構造のプロセスの前後のプロセスについては、周知のプロセスを用いるようにすれば良い。

導波路用の孔３８Ａを形成するプロセスの過程で、アスペクト比が前半と後半で異なるようなプロセスを用いる。さらに、エッチングガスのパワーを変化させながらエッチングを繰り返して行うことで、下に凸型の孔３８Ａの内面を形成することができる。

具体的には、放物線の接線は直線であるので、導波路用の孔３８Ａの底面に対応する孔径のフォトレジスト５１Ａを用いてエッチングを行う（工程１）。次いで、フォトレジスト５１Ａの孔径よりも大きい孔径のフォトレジスト５１Ｂを用いてエッチングを行う（工程２）。次いで、フォトレジスト５１Ｂよりもさらに孔径の大きいフォトレジスト５１Ｃを用いてエッチングを行う（工程３）。

という具合に、フォトレジスト５１を後退させながら、孔径を徐々に（段階的に、または連続的に）大きくしてエッチングを行う工程を、複数段階にも分けて放物線面を形成するのに十分な回数だけ繰り返して実行する。これにより、最終的に、内面が放物線面の導波路用の孔３８Ａを形成する（工程Ｎ）。ここで、エッチングの工程では、横方向だけでなく、深さ方向にもエッチングが進むために、エッチングの回数を重ね、エッチングガスのパワーを変えることで、エッチング面を任意の形に変形させることができる。

＜３．第２実施形態＞
（画素構造）
図６は、本発明の第２実施形態に係る導波路構造を有する画素の断面構造を示す断面図であり、図中、図３と同等部分には同一符号を付して示している。

図６において、シリコン基板３１の表層部には、入射光を光電変換する光電変換部３２が形成されている。光電変換部３２は、例えばＰ型拡散層と当該拡散層の基板表面側のＮ型拡散層とによって構成されるダイオード（図２のフォトダイオード２１に相当）として形成される。この光電変換部３２については、Ｐ型拡散層からなる正孔蓄積層によってさらに表面を覆う構成としても良い。

シリコン基板３１上には、下地絶縁膜（図示せず）を介して転送トランジスタ２２等の画素トランジスタのゲート電極３３が形成されるとともに、層間絶縁膜３４が成膜されている。この層間絶縁膜３４の表面側には、溝パターン内に導電性材料を埋め込んでなる配線３５が形成されている。そして、層間絶縁膜３４の成膜と溝パターン内への配線３５の形成とを繰り返し、最後に層間絶縁膜３４を成膜することによって多層配線層３６が形成されている。

多層配線層３６において、各層の配線３５は適宜コンタクト部３７を介して電気的に接続されている。多層配線層３６の光電変換部３２の上方の部位には、導波路用の孔３８Ｂが楕円面にて形成されている。そして、この孔３８Ａの内部に光透過性埋込み層３９が埋め込まれることによって導波路４０Ｂが形成される。ここで、導波路４０Ｂは、楕円面に形成された孔３８Ｂに光透過性埋込み層３９が埋め込まれて形成されることで、当該導波路４０Ｂの内面が楕円面となる。

導波路４０Ｂを含む多層配線層３６の上には、パシベーション膜４１および平坦化膜４２を介して所定の色のカラーフィルタ４３が形成されている。カラーフィルタ４３の上にはさらにマイクロレンズ４４が設けられている。以上により、マイクロレンズ４４を通して入射する光を光電変換部３２の受光面上に導く導波路４０Ｂを有する単位画素２０が構成される。

上記構成の導波路４０Ｂを有する画素において、当該導波路４０Ｂの内面を形成する楕円面は二次曲線面の一種である。そして、図７に示すように、楕円面の断面である楕円形において、焦点Ｆ１を通過する光が焦点Ｆ２に集まることが知られている。この楕円形の原理を利用して、当該楕円形の形状を導波路４０Ｂの内面に利用した点が本実施形態の特徴とするところである。

導波路４０Ｂは、楕円形の対称軸Ｏに相当する導波路４０Ｂの中心軸上に位置する焦点Ｆ１が、好ましくは、マイクロレンズ４４の中心を通る主光線Ｐ上に位置するように設けられる。ここで、主光線Ｐとは、先述したように、マイクロレンズ４４の中心、即ちマイクロレンズ４４の回転対称軸とレンズ球面とが交わる点を通る一本の光線を言う。マイクロレンズ４４は、入射光を導波路４０Ｂの焦点Ｆ１（楕円形の焦点Ｆ１）に集光する。

導波路４０Ｂの焦点Ｆ２（楕円形の焦点Ｆ２）については、第１実施形態の場合と同様に、光電変換部３２の受光面（界面）上に位置させても良いし、光電変換部３２の受光面よりも下であっても光電変換上何ら問題ない。また、色ごとに、即ち赤色光、緑色光、青色光ごとに焦点Ｆ２の位置を変えることで、色ごとにより高効率な光電変換を考慮した集光を実現できる。

また、焦点Ｆ２に集光されるビームスポットの大きさについても、第１実施形態の場合と同様に、色ごとに変えるようにすることにより、各色ごとに光電変換部３２におけるより高効率な光電変換を実現できる。

このように、導波路４０Ｂにおいてその内面を楕円面とすることで、マイクロレンズ４４によって集光され、焦点Ｆ１を通過した光を光電変換部３２の受光面上、または受光面よりも下に位置する焦点Ｆ２に集光することができる。したがって、内面がテーパー形状の導波路構造を含む従来の導波路構造に比べて集光効率を向上できる。

（瞳補正）
特に、本実施形態に係る導波路４０Ｂは、一般的に、射出瞳距離の短い薄型のカメラ・レンズに対して、周辺減光を軽減する目的で使用される瞳補正と呼ばれる周知の技術を用いたＣＭＯＳイメージセンサに適用して好適なものとなる。

この瞳補正とは次のような技術である。先ず、撮像面となる画素アレイ部１１の中央部では、画素２０個々に入射される光を取り込むマイクロレンズ４４の中心と光電変換部３２の開口の中心（即ち、光電変換部３２の領域重心）とを一致させる。一方、画素アレイ部１１の周辺部では、マイクロレンズ４４の中心の位置を光電変換部３２の開口の中心に対して、外側に向かうにつれて主光線の向きに合わせてずらしている（オフセットを持たせている）。ここで、主光線とは、先述したように、マイクロレンズ４４の中心を通る一本の光線を言う。

そして、画素アレイ部１１の周辺部において、マイクロレンズ４４の中心と光電変換部３２の開口中心との間にオフセットを持たせる技術が瞳補正ということになる。この瞳補正の技術を用いることで、カメラ・レンズの薄型化が進み、マイクロレンズ４４への入射光が撮像面に対して様々な角度で入ってきたとしても、光電変換部３２の開口周辺部での光のケラレを回避できる。これにより、画素アレイ部１１全体（撮像面全面）に亘って画素２０個々の集光効率をほぼ一定にすることができるために、感度における総合的な性能向上を図ることができる。

この瞳補正の技術を用いたＣＭＯＳイメージセンサにおいては、上述したように、画素アレイ部１１の周辺部でマイクロレンズ４４の中心と光電変換部３２の開口中心との間にオフセットが生じる。すると、内面がテーパー形状の導波路構造を含む従来の導波路構造では、導波路で反射した光が光電変換部３２の受光面を大きく外れる可能性が高くなるために、感度の低下やシェーディングを起こしてしまう。

これに対して、瞳補正の技術を用いたＣＭＯＳイメージセンサにおいて、画素アレイ部１１の周辺部の画素の導波路構造として、本実施形態に係る導波路構造、即ち導波路４０Ｂの内面が楕円面の導波路構造を用いることで、集光効率を上げることができる。具体的には、図８に示すように、画素に対して斜めに入射する光をマイクロレンズ４４によって焦点Ｆ１に集光させることで、当該焦点Ｆ１を通過した光を光電変換部３２に効果的に集光できる。したがって、従来の導波路構造に比べて感度を向上できるとともに、シェーディングを起こすこともなくなる。

（製造方法）
続いて、上述した第２実施形態に係る導波路構造を有する画素についての製造方法の工程の一例について、図９の工程図を用いて説明する。なお、理解を容易にするために、図９において、図６と同等部分には同一符号を付して示している。

ここでは、第２実施形態に係る導波路構造のプロセス、即ち図６の層間絶縁膜３４内に導波路４０Ｂを形成するプロセスについて説明するものとする。導波路構造のプロセスの前後のプロセスについては、周知のプロセスを用いるようにすれば良い。

導波路用の孔３８Ｂを形成するプロセスとしては、本例では基本的に、先述した第１実施形態の場合の導波路用の孔３８Ａを形成するプロセスと同様のプロセスを用いるものとする。具体的には、導波路用の孔３８Ｂの底面に対応する孔径のフォトレジスト５１Ａを用いてエッチングを行い（工程１）、次いで、フォトレジスト５１Ａの孔径よりも大きい孔径のフォトレジスト５１Ｂを用いてエッチングを行う（工程２）。

次いで、フォトレジスト５１Ｂの孔径よりもさらに大きい孔径のフォトレジスト５１Ｃを用いてエッチングを行う（工程３）、…という具合に、フォトレジスト５１を後退させながら、孔径を徐々に（段階的に、または連続的に）大きくしてエッチングを行う。これらの工程を、何段階にも分けて楕円面の半分を形成するのに十分な回数だけ繰り返して実行することで、内面が楕円形の導波路用の孔３８Ｂのうちの下側の半楕円面３８Ｂ−１を形成する（工程Ｎ）。

次いで、同様のプロセスによって上側の半楕円面３８Ｂ−２を形成する（工程１〜工程Ｎ）。ここで、エッチングの工程では、横方向だけでなく、深さ方向にもエッチングが進むために、エッチングの回数を重ね、エッチングガスのパワーを変えることで、エッチング面を任意の形に変形させることができる。

そして、下側の半楕円面３８Ｂ−１が形成された基板に対して、上側の半楕円面３８Ｂ−２が形成された基板をひっくり返した状態で貼り合わせることで、最終的に、内面が楕円面の導波路用の孔３８Ｂを形成することができる（工程Ｎ＋１）。２枚の基板を貼り合わせる技術としては、裏面照射型のイメージセンサで用いられている周知の技術を用いることができる。また、この２枚の基板の貼り合わせは、例えばＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板を使うことで可能である。

＜４．変形例＞
上記各実施形態では、層間絶縁膜３４に導波路用の孔３８Ａ，３８Ｂを形成し、これら孔３８Ａ，３８Ｂ内に光透過性埋込み層３９を埋め込んでなる導波路構造の場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの導波路構造への適用に限られるものではない。例えば、導波路用の孔３８Ａ，３８Ｂの内面に金属膜を形成して、当該金属膜で光を反射する構造の導波路構造に対しても、導波路用の孔３８Ａ，３８Ｂの内面を二次曲線面にする技術を適用することができる。

また、上記各実施形態では、ＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、ＣＭＯＳイメージセンサへの適用に限られるものではない。すなわち、可視光の光量に応じた電荷を物理量として検知して電気信号として出力する単位画素が行列状に配置されてなるＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置全般に適用可能である。さらには、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に限らず、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送型の固体撮像装置にも適用可能である。

なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。

＜５．電子機器＞
本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置などの電子機器にも適用可能である。ここで、電子機器とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（カメラシステム）や、撮像機能を有する携帯電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器などのことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。

［撮像装置］
図１０は、本発明による電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。図１０に示すように、本発明に係る撮像装置１００は、レンズ群１０１等を含む光学系、撮像素子１０２、カメラ信号処理部であるＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６、操作系１０７および電源系１０８等を有している。そして、ＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６、操作系１０７および電源系１０８がバスライン１０９を介して相互に接続された構成となっている。

レンズ群１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで撮像素子１０２の撮像面上に結像する。撮像素子１０２は、レンズ群１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この撮像素子１０２として、先述した第１，第２実施形態に係る導波路構造を有する画素が複数配置されてなるＣＭＯＳイメージセンサが用いられる。

表示装置１０５は、液晶表示装置や有機ＥＬ(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置１０６は、撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。

操作系１０７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系１０８は、ＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６および操作系１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。

このような撮像装置１００は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けのカメラモジュールに適用される。この撮像装置１００において、撮像素子１０２として先述した第１，第２実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサを用いることで、当該ＣＭＯＳイメージセンサは集光効率を向上できることで感度を向上できるために、画質に優れた撮像装置を提供できることになる。また、感度を向上できることで、画素サイズの微細化に対応できるために、多画素化に伴う高精細な撮像画像を提供できることになる。

１０…ＣＭＯＳイメージセンサ、１１…画素アレイ部、１２…垂直駆動部、１３…カラム処理部、１４…水平駆動部、１５…システム制御部、１８…半導体基板、２０…単位画素、２１…フォトダイオード、２２…転送トランジスタ、２３…リセットトランジスタ、２４…増幅トランジスタ、２５…選択トランジスタ、２６…ＦＤ部（フローティングディフュージョン部）、３１…シリコン基板、３２…光電変換部（受光部）、３３…ゲート電極、３４…層間絶縁膜、３５…配線、３６…多層配線層、３７…コンタクト部、３８Ａ，３８Ｂ…導波路用の孔、３９…光透過性埋込み層、４０Ａ，４０Ｂ…導波路、４１…パシベーション膜、４２…平坦化膜、４３…カラーフィルタ、４４…マイクロレンズ

Claims (7)

1. 入射光を電気信号に変換する光電変換部と、
   内面が楕円面で、前記入射光を前記光電変換部に導く導波路と、
   を有する単位画素が複数配置されて成り、
   前記単位画素は、前記入射光を取り込むマイクロレンズを有し、
   前記マイクロレンズは、前記入射光を前記楕円面の一方の焦点に集光する固体撮像装置。
2. 前記マイクロレンズは、その中心が前記光電変換部の開口中心に対してオフセットを持って配置されている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記単位画素はカラーフィルタを有し、
   前記楕円面の他方の焦点の光軸方向における位置は、前記カラーフィルタの色ごとに異なる請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記単位画素はカラーフィルタを有し、
   前記楕円面の他方の焦点に集光する光のスポットサイズは、前記カラーフィルタの色ごとに異なる請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
5. 入射光を電気信号に変換する光電変換部と、
   内面が楕円面で、前記入射光を前記光電変換部に導く導波路と、
   を有する単位画素が複数配置されて成り、
   前記単位画素は、前記入射光を取り込むマイクロレンズを有し、
   前記マイクロレンズは、前記入射光を前記楕円面の一方の焦点に集光する固体撮像装置の製造に当たって、
   前記導波路を形成する絶縁層に対して、フォトレジストの孔径を徐々に大きくしてエッチングを行う工程を複数段階に分けて繰り返して実行することによって前記絶縁層に前記導波路用の孔を形成する固体撮像装置の製造方法。
6. 前記複数段階のエッチング工程でエッチングガスのパワーを変える請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 入射光を電気信号に変換する光電変換部と、
   内面が楕円面で、前記入射光を前記光電変換部に導く導波路と、
   を有する単位画素が複数配置されて成り、
   前記単位画素は、前記入射光を取り込むマイクロレンズを有し、
   前記マイクロレンズは、前記入射光を前記楕円面の一方の焦点に集光する固体撮像装置を有する電子機器。

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