(57)【要約】【課題】  裏面照射型撮像素子におけるクロストークの発生を抑制する。【解決手段】  複数の画素が配列された裏面照射型撮像素子であって、複数の画素の各々が、オンチップマイクロレンズ１０１と、オンチップマイクロレンズが集光した光を受光する複数の層内レンズ１０５と、複数の層内レンズが集光した光を受光する、複数の層内レンズと同数の複数の光電変換部１０７と、複数の層内レンズと複数の光電変換部との間に設けられ、複数の層内レンズから出射した光を複数の光電変換部に導く光導波路１０６と、を有する。【選択図】  図１
2014075445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が配列された裏面照射型撮像素子であって、
前記複数の画素の各々が、
オンチップマイクロレンズと、
前記オンチップマイクロレンズが集光した光を受光する複数の層内レンズと、
前記複数の層内レンズが集光した光を受光する、前記複数の層内レンズと同数の複数の光電変換部と、
前記複数の層内レンズと前記複数の光電変換部との間に設けられ、前記複数の層内レンズで集光された光束を前記複数の光電変換部に導く光導波路と、を有することを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項２】
前記光導波路の厚みが、前記複数の層内レンズのいずれかに入射した光束が前記光導波路の側面で反射されずに、あるいは側面で反射されて、該複数の層内レンズのいずれかに対応しない光電変換部に漏れ込む割合が、前記光導波路を設けない場合と比較して所定割合以下となるように決定されることを特徴とする請求項１記載の裏面照射型撮像装置。
【請求項３】
前記光導波路の厚さの空気換算距離が、前記複数の層内レンズと前記オンチップマイクロレンズとの空気換算距離の１／４以上かつ１／２以下となるように決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の裏面照射型撮像素子。
【請求項４】
前記複数の層内レンズの焦点距離は、オンチップマイクロレンズから該層内レンズに入射した光が、該層内レンズに対応する光電変換部に隣接する光電変換部に入射しないように設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子。
【請求項５】
前記複数の層内レンズの焦点距離は、該複数の層内レンズと前記オンチップマイクロレンズとの空気換算距離の１／２以下になるように決定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子。
【請求項６】
前記光導波路と前記オンチップマイクロレンズとが同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子。
【請求項７】
隣接する前記光導波路の間が、前記光導波路を形成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子と、
前記複数の光電変換部のうち、撮影レンズの異なる射出瞳から入射する光を受光する光電変換部から得られる信号を用いて位相差検出方式の自動焦点検出を行う焦点検出手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像素子に関し、特には裏面照射型撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラに用いられる自動焦点検出方式には、主にビデオカメラあるいはコンパクトカメラに用いられているコントラスト検出方式（コントラストＡＦ）や、主に一眼レフカメラに用いられている位相差検出方式（位相差ＡＦ）などがある。
【０００３】
撮像素子を用いるデジタルカメラにおいて動画像を撮影したり記録したりする場合、コントラストＡＦが用いられるのが一般的である。コントラストＡＦは、撮影レンズに含まれるフォーカスレンズを光軸方向に移動しながら順次撮影を行い、撮影された画像の高周波成分に基づいて撮影画像のコントラストがピークとなるフォーカスレンズ位置を合焦位置として検出する。コントラストＡＦでは、フォーカスレンズを動かしながら撮影、コントラストの検出および比較を繰り返し行う必要があるため、像信号の位相差からデフォーカス量を検出する位相差ＡＦと比較すると焦点検出に要する時間が長いのが一般的である。
【０００４】
そこで本出願人は、ＣＭＯＳ型撮像素子の一部を構成するオンチップマイクロレンズの一つに対して二つの光電変換部を設けることにより、位相差方式の焦点検出が可能な撮像素子を提案した（特許文献１）。特許文献１に開示された撮像素子では、撮影レンズの瞳と二つの光電変換部とが共役関係になるようにオンチップマイクロレンズが構成されている。その結果、各光電変換部には撮影レンズの異なる瞳領域を通過した光束が入射するため、各光電変換部で得られた信号を用いて位相差ＡＦが可能である。
【０００５】
一方、撮像素子に配置される画素密度の増加に伴い、１画素当たりの受光面積が小さくなるという課題が生じてきた。そのため、電極配線を光の入射側とは反対側に設けることで、１画素当たりの受光面積を増加させた裏面照射型の撮像素子が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１２４９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、裏面照射型撮像素子は光の入射側に電極配線等の遮光部材がないため、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光線が隣接する光電変換部に入射しやすく、いわゆるクロストークが発生しやすい。その結果、一つのオンチップマイクロレンズに対して二つの光電変換部を設ける構成を裏面照射型の撮像素子に適用すると、位相差ＡＦを実現するための焦点検出画像の瞳分離性能が低下し、焦点検出の精度が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたもので、裏面照射型撮像素子におけるクロストークの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、オンチップマイクロレンズが２次元的に配列した裏面照射型撮像素子において、オンチップマイクロレンズの予定結像面近傍に配される複数の層内レンズと該層内レンズと対となる光電変換部とからなる画素部を複数有し、画素部を構成する複数の層内レンズとそれと対となる光電変換部との間に一つの光導波路を有するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
このような構成により、本発明によれば、裏面照射型撮像素子におけるクロストークの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る裏面照射型撮像素子の構成例を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る裏面照射型撮像素子の製造プロセスの例を説明するための図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る裏面照射型撮像素子の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、本発明の例示的な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る裏面照射型撮像素子の２×２画素を取り出して示した平面図である。また、図１（ｂ）および（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ‘断面図である。
【００１３】
本実施形態では画素ピッチは２μｍである。オンチップマイクロレンズ１０１は、裏面照射型撮像素子１００の光入射面に、１画素あたり１つ形成される。
また、本実施形態では１画素に４つの層内レンズ１０５が形成されており、例えばオンチップマイクロレンズ１０１ａに入射した光束が、層内レンズ１０５ａ１、１０５ｂ１、１０５ａ２、１０５ｂ２上に集光するように構成されている。換言すれば、オンチップマイクロレンズ１０１の予定結像面近傍に複数の層内レンズ１０５が形成される。１つの層内レンズ１０５に対応して１つの光電変換部１０７が形成されている。すなわち、本実施形態では１画素に層内レンズと同数の（ここでは４つの）光電変換部１０７が形成されている。
【００１４】
光導波路１０６は、層内レンズ１０５と光電変換部１０７との間に、かつ１画素に１つ形成される。例えば光導波路１０６ａは層内レンズ１０５ａ１、１０５ｂ１、１０５ａ２、１０５ｂ２で集光された光束を、光電変換部１０７ａ１、１０７ｂ１、１０７ａ２、１０７ｂ２に導くように構成されている。光電変換部１０７ａ２および１０７ｂ２は図示されていないが、層内レンズ１０５ａ１および１０５ｂ１に対する光電変換部１０７ａ１および１０７ｂ１と同様、層内レンズ１０５ａ２および１０５ｂ２に対応して形成されている。
【００１５】
なお、後述するように、光の入射方向からみて光電変換部１０７の後ろ側には、層間絶縁膜１０９、配線層１０８、および基板１１０が設けられている。
【００１６】
また、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間には入射側から順に平坦化層１０２、カラーフィルタ層１０３、平坦化層１０４が形成されている。平坦化層１０４の一部は、光導波路１０６と接している。裏面照射型撮像素子１００に入射した光は、オンチップマイクロレンズ１０１で集光され、平坦化層１０２、カラーフィルタ層１０３、平坦化層１０４を介して層内レンズ１０５に入射する。
【００１７】
オンチップマイクロレンズ１０１の厚みｔ１と屈折率Ｎ１は、不図示の撮影レンズの射出瞳と、オンチップマイクロレンズ１０１と同じ画素に形成された個々の層内レンズ１０５とが共役関係になるように設定されている。
各層内レンズ１０５に入射した光は、光導波路１０６を介して対応する光電変換部１０７に集光する。
【００１８】
光導波路１０６から平坦化層１０４との界面に到達した光が全反射するように、光導波路１０６は平坦化層１０４の屈折率Ｎ４より高い屈折率Ｎ６の材料で形成されている。また、層内レンズ１０５から入射する広がりをもった光束をできるだけ全反射して光電変換部１０７に伝達するように、光導波路１０６の厚みｔ６を設定している。光導波路１０６の厚みｔ６は、薄いと光導波路の側面（界面）で反射されずに隣接する画素の光電変換部に漏れ込む光束の量が増え、厚いと光導波路１０６で全反射した光束が同一画素内の他の光電変換部に漏れ込む量が増えるほか、製造が難しくなる。
【００１９】
従って、光導波路１０６の厚みｔ６は、ある層内レンズに入射した光束が、光導波路の側面（界面）で反射されずに、あるいは側面で反射されて、層内レンズに対応しない光電変換部に漏れ込む量が計算上存在しないか、十分に少なくなるように決定する。例えば、光導波路を設けない場合と比較して、層内レンズに対応しない光電変換部に漏れ込む光束の割合が所定割合以下となるように光導波路１０６の厚みｔ６を決定することができる。これは例えば光学シミュレーション等を用いて実現することができる。
【００２０】
オンチップマイクロレンズ１０１から層内レンズ１０５に入射する光の入射角は、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離に依存する。そのため、上述の条件を満たす光導波路１０６の厚みｔ６を、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離と、光導波路１０６の厚みｔ６の空気換算距離との関係として定めてもよい。
【００２１】
例えば、光導波路１０６の厚みｔ６は、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離の１／４以上、１／２以下の範囲で決定することができる。
ここで、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間に形成される平坦化層１０２の厚みをｔ２、屈折率をＮ２、カラーフィルタ層１０３の厚みをｔ３、屈折率をＮ３、平坦化層１０４の厚みをｔ４、屈折率をＮ４とする。
【００２２】
この場合、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離は、（ｔ１／Ｎ１＋ｔ２／Ｎ２＋ｔ３／Ｎ３＋ｔ４／Ｎ４）となるから、光導波路１０６の厚みの空気換算距離（＝ｔ６／Ｎ６）は、
（ｔ１／Ｎ１＋ｔ２／Ｎ２＋ｔ３／Ｎ３＋ｔ４／Ｎ４）／４  ≦  ｔ６／Ｎ６  （式１）
ｔ６／Ｎ６  ≦（ｔ１／Ｎ１＋ｔ２／Ｎ２＋ｔ３／Ｎ３＋ｔ４／Ｎ４）／２  （式２）
の両方を満足するように構成されている。
【００２３】
例えば、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離が約２．４μｍとする。この場合、光導波路１０６の厚みの空気換算距離（＝ｔ６／Ｎ６）は約０．６〜１．２μｍ、層内レンズ１０５の屈折率が２．０であれば、厚みは１．２〜２．４μｍとなる。
【００２４】
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図であり、裏面照射型撮像素子の深さ方向の構造を示している。また、図１（ｂ）は、不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域からオンチップマイクロレンズ１０１ａに入射する光のうち、オンチップマイクロレンズ１０１ａの端部であるｐ領域への入射光の光路を示している。図１（ｂ）に示すように、オンチップマイクロレンズ１０１ａの端部であるｐ領域への入射光は、層内レンズ１０５ｂ１に入射し、光導波路１０６ａで大半が全反射して光電変換部１０７ｂ１に集光する。つまり、不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域から入射光束のうち、層内レンズ１０５ｂ１に対応する光電変換部１０７ｂ１に隣接する光電変換部１０７ａ３に入射する光束はごく一部であり、クロストークの発生は抑制されている。
【００２５】
図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図であり、不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域からオンチップマイクロレンズ１０１ａに入射する光のうち、ｐ領域と対向する端部であるｑ領域への入射光の光路を示している。図１（ｃ）に示すように、オンチップマイクロレンズ１０１ａの端部であるｑ領域への入射光は、層内レンズ１０５ｂ１に入射し、光導波路１０６ａを通じて光電変換部１０７ｂ１に集光する。層内レンズ１０５ｂ１の焦点距離ｆ２は、不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域からオンチップマイクロレンズ１０１ａを通じて層内レンズｂ１に入射した光が、隣接する光電変換部１０７ａ１に入射しないように設定されている。なお、発生電荷量への影響が無視できるような深部において光電変換部１０７ａ１に入射する光は、入射しないものと取り扱ってもよい。
【００２６】
具体的には、層内レンズ１０５の焦点距離ｆ２は、結像倍率を考慮して、オンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離の１／２以下になるように、すなわち、
ｆ２  ≦  （ｔ１／Ｎ１＋ｔ２／Ｎ２＋ｔ３／Ｎ３＋ｔ４／Ｎ４）／２    （式３）
を満足するように設定すればよい。例えばオンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離（約２．３μｍ）に対し、層内レンズ１０５の焦点距離ｆ２は約１．１μｍ以下に設定することができる。焦点距離ｆ２がオンチップマイクロレンズ１０１と層内レンズ１０５との間の空気換算距離の１／２を超えると、オンチップマイクロレンズ１０１に入射した光束が集光する深さｔ７が、光電変換部１０７の厚みｔ８を超えるため好ましくない。
【００２７】
このように、不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域からオンチップマイクロレンズ１０１ａのｑ領域に入射した光は、層内レンズ１０５ｂ１で屈折し、光導波路１０６ａを透過して光電変換部１０７ｂ１内に集光する。そのため、不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域からオンチップマイクロレンズ１０１ａのｑ領域に入射した光を全反射するような構造を光導波路１０６ａに設ける必要はない。
【００２８】
同様に、不図示の撮影レンズの光軸に対して＋ｘ方向の瞳領域からオンチップマイクロレンズ１０１ａに入射した光はさらに層内レンズ１０５ａ１で屈折され、光電変換部１０７ａ１内に集光する。
【００２９】
その結果、本実施形態に係る裏面照射型撮像素子１００は、撮影レンズの異なる瞳を通過した光のほとんどを、隣接する光電変換部に漏れ込ませずに集光する。そのため、撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光する各光電変換部の出力より生成される像の位相差に基づいて、精度良く撮影レンズの焦点状態を検出することが可能となっている。
【００３０】
図２は本実施形態に係る裏面照射型撮像素子１００の製造プロセスを模式的に説明する図である。図２は、裏面照射型撮像素子１００の画面中央部の２画素の断面構造を示している。
まず、シリコン基板に光電変換部１０７を形成する。ここでは、４つの光電変換部１０７ａ１、１０７ｂ１、１０７ａ３、１０７ｂ３が形成されている。そして、層間絶縁膜１０９中に配線層１０８を設けて基板１１０と接合する（図２（ａ））。裏面照射型撮像素子の光電変換部と配線層は、任意の方法、例えば特開２０１１−１１９５４３号公報に記載されている方法で製造することができるため説明を省略する。
【００３１】
次に、光電変換部１０７の光入射側（図中−ｚ方向）にシリコン窒化膜を成膜後、平坦化層１０４のうち、光導波路１０６の側面と接する部分を形成するため、まずシリコン酸化膜を所定の厚み形成する。この工程で形成する平坦化層１０４はこの後の工程で形成する光導波路１０６と同等の厚みとする。ここで、光導波路１０６の厚みは、層内レンズ１０５から入射する、広がりをもった光束を光導波路１０６でできるだけ全反射するとともに、光導波路の製造が困難とならないよう、式（１）および式（２）満足するように設定されている。
【００３２】
また、平坦化層１０４内に光導波路１０６を形成するために、所定の厚みのフォトレジスト２００を成膜し、露光、現像を行って、光導波路の開口に対応したパターンを作成する（図２（ｂ））。本実施形態では、光導波路１０６は１画素に１つ形成される。
さらに、フォトレジスト２００をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって、平坦化層１０４に光導波路１０６を形成するための穴を作製する（図２（ｃ））。これにより、平坦化層１０４の光導波路１０６の側面に接する部分が形成される。
【００３３】
次に、光導波路１０６を構成するためのシリコン窒化膜を高密度プラズマＣＶＤ法で成膜する。（図２（ｄ））。ここで、光導波路１０６の厚みに相当するシリコン窒化膜の厚みは、光導波路の開口に対して所定の比率以下になるため、シリコン窒化膜はボイドを発生することもなく良好に成膜される。本実施形態では、層内レンズ１０５も光導波路１０６と同じ材料（シリコン窒化膜）を用いて形成するため、光導波路１０６と層内レンズ１０５とを合わせた厚みのシリコン窒化膜を形成している。
【００３４】
光導波路１０６を形成した後、シリコン窒化膜をドライエッチング処理にて平坦化したのち、層内レンズを形成するためにフォトレジスト２０１を成膜する（図２（ｅ））。さらにフォトレジスト２０１の露光、現像を行って、層内レンズ１０５の形状に合致したパターンを形成する（図２（ｆ））。次に、ドライエッチングを行って、フォトレジスト２０１のレンズ形状をシリコン窒化膜に転写し、層内レンズ１０５を製造する（図２（ｇ））。本実施形態では１画素あたり４つの光電変換部が形成され、個々の光電変換部に対応した４つの層内レンズ１０５が形成される。層内レンズ１０５の焦点距離ｆ２が上述の式（３）を満足するよう、層内レンズ１０５の形状が決定される。
層内レンズ１０５が形成されると、シリコン酸化膜からなる平坦化層１０４を成膜することにより平坦化を行う（図２（ｈ））。
【００３５】
次に、カラーフィルタ層１０３を形成する。本実施形態においてカラーフィルタ層１０３は、原色カラーフィルタであり、赤、緑、青の領域が画素単位で規則的な配列で形成される。カラーフィルタ層１０３が形成されると、樹脂材料で平坦化層１０２が形成される。平坦化層１０２が形成されると、オンチップマイクロレンズ１０１が例えば公知のレジストリフロー法にて形成される（図２（ｉ））。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、１画素に対して複数の光電変換部と、複数の層内レンズとを設けた裏面照射型撮像素子において、同一画素に設けられた複数の層内レンズと複数の光電変換部との間に、光導波路を設けた。そのため、層内レンズを介して入射した光束が隣接する光電変換部に漏れることを抑制でき、撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光する各光電変換部の出力より生成される像に基づいて、精度良く撮影レンズの焦点状態を検出することが可能である。
【００３７】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形他に係る裏面照射型撮像素子の構成例を図１と同様に示した図である。本実施形態では１画素に２つの層内レンズが設けられ、例えばオンチップマイクロレンズ１０１ａに入射した光束は層内レンズ１０５ａ１、１０５ｂ１上に集光するように構成されている。また、１つの層内レンズ１０５に対応して１つの光電変換部が形成されている。つまり、１画素あたり２つの光電変換部が形成されている。
【００３８】
図３に示す例では、図１に示した第１の実施形態よりも光導波路１０６の厚みｔ６が大きい。そのため、図１（ｂ）と異なり、本実施形態では不図示の撮影レンズの光軸に対して−ｘ方向の瞳領域からの光束のうち、層内レンズ１０５ｂ１に入射して隣接する光電変換部１０７ａ３に入射する光束はなく、クロストークの影響はない。
また、層内レンズ１０５の焦点距離ｆ２を、オンチップマイクロレンズ１０１に入射した光束が光電変換部１０７内で集光する深さｔ７がやや浅くなるように変更している。なお、ｔ７より深い位置で隣接する光電変換部１０７ａ１に入射しているが、この深度での漏れ込みは実質的に無視できる。
【００３９】
なお、光導波路１０６の厚みや層内レンズ１０５の焦点距離ｆ２を第１の実施形態と若干変更しているのは、これらの値を変更した場合の光路の変化を示すためであり、１画素あたりの光電変換部の数を２つにしたこととは独立した事象であることに留意されたい。
【００４０】
このように、１画素あたりの画素数が２つであっても本発明は実施可能であり、１画素あたり４つの画素が形成された第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４１】
上述した実施形態では、本発明の理解を容易にするため、裏面照射型撮像素子の画面中央近傍に位置する画素の断面構造について説明した。しかし、撮影レンズの光軸から離れる画面周辺部の画素では、オンチップマイクロレンズ、カラーフィルタ層、層内レンズ、光導波路、光電変換部が相対的に偏位して配設されることはいうまでもない。
【００４２】
また、上述した裏面照射型撮像素子の画素内に設けられた複数の光電変換部から得られる信号は、位相差検出方式の自動焦点検出を実施する撮像装置および電子機器に好適に用いることができる。従って、本発明の裏面照射型撮像素子を用いて位相差検出方式の自動焦点検出を行う自動焦点検出回路を有する撮像装置および電子機器もまた本発明に含まれる。
【図１】
2014075445.tif 000003
【図２】
2014075445.tif 000004
【図３】
2014075445.tif 000005