(57)【要約】【課題】撮像素子における受光量を増加させること。【解決手段】撮像素子は、光センサー部２０５と、光センサー部２０５に光を集光するマイクロレンズ２０２と、マイクロレンズ２０２と光センサー部２０５との間に透明膜を有する撮像素子に係り、前記透明膜は、その周辺の透明膜よりも屈折率が高い領域を有する。前記領域は、光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、その屈折率が変化している。例えば、第２の高屈折率領域２０８は、第１の高屈折率領域２０７よりも屈折率が低くなっている。【選択図】図２
2008109393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換手段と、前記光電変換手段に光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換手段との間に透明膜を有する撮像素子であって、
前記透明膜は、その周囲よりも屈折率が高い領域を有し、
前記領域は、前記光電変換手段から前記マイクロレンズに向かって、その屈折率が変化していることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記領域の屈折率が、前記光電変換手段から前記マイクロレンズに向かって、段階的に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記領域には、前記光電変換手段から前記マイクロレンズに向かって、第１の屈折率を持つ第１の領域と、前記第１の屈折率よりも屈折率が低い第２の屈折率を持つ第２の領域とがこの順序で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記第１の領域の厚さと前記第２の領域の厚さとの比は、１：１であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第１の領域の厚さと前記第２の領域の厚さとの比は、３：１であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記領域には、前記光電変換手段から前記マイクロレンズに向かって、第１の屈折率を持つ第１の領域と、前記第１の屈折率よりも屈折率が低い第２の屈折率を持つ第２の領域と、前記第２の屈折率よりも屈折率が低い第３の屈折率を持つ第３の領域とがこの順序で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記第１の領域の厚さと前記第２の領域の厚さと前記第３の領域の厚さとの比は、２：１：１であることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記領域内に配置された各領域間の屈折率の差が０.１５以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記領域の屈折率が、前記光電変換手段から前記マイクロレンズに向かって、連続的に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズと光電変換手段との間に透明膜が配置された撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像素子は、画素数の増加により高解像度化される一方で、チップサイズを小さくすることにより低価格化されてきている。そのため、撮像素子を構成する画素の大きさは年々小さくなり、それに伴って光電変換部の面積も小さくなってきている。このため、撮像素子は、（１）光を効率良く光センサー部に集めること、及び、（２）隣の画素との干渉を低減することが性能を向上させる上で非常に重要である。
【０００３】
従来の撮像素子においては、これらの２つの重要項目に対し、光センサー部上方に形成された透明膜において、光センサー部直上に周辺よりも屈折率の高い透明膜を形成する構造（以下「井戸型構造」という。特に、光センサー部直上の周辺よりも屈折率の高い透明膜領域を「井戸構造内部領域」という。）がある（特許文献１を参照）。
【０００４】
井戸型構造を形成することにより、本来は光センサー部に到達しない光を透明膜内井戸構造内部領域とその周辺部の屈折率の低い領域との間にある屈折率境界で反射させることができる。その結果、光センサー部に光を導くことができ、受光量や受光効率を向上させるとともに、隣の画素への干渉を低減させることができる。
【特許文献１】特開２００３−４６０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、井戸構造内部領域の屈折率が高くなることによる光の閉じ込め効果が向上する一方で、井戸構造部に入射する入射光量が減少していた。これは、井戸構造内部領域の媒質が一様であるため、井戸構造内部領域の屈折率上昇に伴って、光が井戸構造部に入射する際の界面反射率が増加したことが原因であると考えられる。すなわち、井戸構造内部領域の媒質が一様である場合、井戸型構造による光の閉じ込め効果と井戸構造部への入射光量は、トレードオフの関係になるという欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、撮像素子における受光量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好適な実施の形態は、光電変換手段と、前記光電変換手段に光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換手段との間に透明膜を有する撮像素子に係り、前記透明膜は、その周囲よりも屈折率が高い領域を有し、前記領域は、前記光電変換手段から前記マイクロレンズに向かって、その屈折率が変化していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、撮像素子における受光量を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子について、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、井戸型構造が形成された撮像素子に注目したものである。透明膜内の井戸構造における光の閉じ込め効果及び井戸構造部への入射光量は、井戸構造内部領域を構成する高屈折率領域の屈折率と、界面に入射する光の入射角とに大きく影響される。本実施形態においては、この２つの現象に主に注目している。
【００１０】
一般に、異なる媒質の境界部における光の反射率は、それらの媒質間の屈折率差が大きい程大きく、境界部への入射光の入射角が大きいほど大きい。従って、井戸構造が一様な媒質により形成されている場合、光の閉じ込め効果を高めるために屈折率を高くすると、広角入射時に井戸構造部への入射光量が減少すると考えられる。その一方で、一様に媒質の屈折率を下げると、井戸型構造による光の閉じ込め効果が低減してしまう。
【００１１】
そこで、本実施形態では、井戸型構造内において屈折率分布を形成することにより、これらのトレードオフを解決する。例えば、井戸構造内の上方領域では屈折率の小さい領域を形成し、受光領域に近づくにつれて屈折率の大きい領域を形成する。このような構成をとることにより、井戸構造部への入射時の入射光量を増加させ、かつ、光の閉じ込め効果を保持することができる。以下の実施形態では、上記屈折率分布が段階的に変化するように形成されているが、これに限定されず、上記屈折率分布が連続的に変化するように形成されてもよい。
【００１２】
図１は、本発明の好適な実施の形態に係る基板に対して２次元状に複数形成された一般的な光電変換部の上面図である。図２は、図１の中心画素におけるＡ―Ａ’矢視断面図である。
【００１３】
図２において、入射光２０１は、マイクロレンズ２０２により屈折され、カラーフィルタ２０３を通して光電変換手段としての光センサー部２０５に入射する。光センサー部２０５は、半導体基板２０６内部に形成され、入射光２０１を感知して電荷を発生する。また、マイクロレンズ２０２と光センサー部２０５との間には透明膜が配置されている。透明膜は、屈折率の低い低屈折率領域２０４と、低屈折率領域２０４よりも屈折率の高い第１の高屈折率領域２０７及び第２の高屈折率領域２０８を含む高屈折率領域と、で構成されている。低屈折率領域２０４の屈折率は、例えば、約１.４５である。第１の高屈折率領域２０７は、第２の高屈折率領域２０８よりも屈折率が高く、例えば、第１の高屈折率領域２０７の屈折率は約１.９であり、第２の高屈折率領域２０８の屈折率は約１.７５である。
【００１４】
図２では、井戸構造内部領域における高屈折率領域を、例えば２段階とし、第１の高屈折率領域の厚さと第２の高屈折率領域の厚さとの比を１：１とした場合を表している。本実施形態では、下部領域を第１の高屈折率領域、上部領域を第２の高屈折率領域と呼んでいる。後述する３段階の場合には、最下部領域を第１の高屈折率領域、中央領域を第２の高屈折率領域、最上部領域を第３の高屈折率領域と呼んでいる。
【００１５】
ここで、マイクロレンズ２０２は、各画素の上方に構成されたレンズであり、その幅は単位画素程度であり、各光センサー部に効率的に光を導く働きがある。
【００１６】
また、屈折率の低い透明膜としては、例えば、ＳｉＯ２を用いることができ、透明膜内における高屈折率領域としては、例えば、ＳｉＮを用いることができる。
【００１７】
また、光センサー部２０５としては、例えば、Ｓｉ基板にｎ型のドーパントをイオン注入することによって形成された、ｎ−領域を用いることができる。
【００１８】
また、本実施形態において、連続的かつ段階的に井戸構造内の屈折率を変化させたものとは、対象とする画素位置毎に井戸構造内の屈折率の分布が決定されるようなものをいう。
【００１９】
なお、上述した実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される撮像素子及び単位画素を構成する要素、条件、領域数、構成要素の材料等は、適宜修正、変更、追加等されうる。従って、本発明は上述の実施の形態のみに限定されない。
【００２０】
以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されず、本発明の概念に含まれるものであれば、その構成や製法は適宜変更等されうる。
【００２１】
（実施例１）
本実施例は、井戸構造内部領域において屈折率の値を変化させた構造をもつ撮像素子のシミュレーションを行ったものである。図２に示すように、本実施例では、井戸構造内部領域における高屈折率領域が、光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、その厚さの比が１：１となるように２つに分けられている。
【００２２】
以下、シミュレーションを行ったときの計算条件を示す。入射光波長を０.５５μｍ、光センサー部の深さを５.０μｍとし、光センサー部２０５に到達した光は受光されたものとして、その受光量の計算を行った。
【００２３】
図３は、本実施例の中心画素における第１の高屈折率領域２０７及び第２の高屈折率領域２０８の屈折率を変えた場合における入射光２０１の入射角に対する受光量の関係を示す図である。横軸は、撮像素子に対する入射光２０１の入射角であり、縦軸は、そのときの受光量を表している。グラフ内において、数字が１つだけ示されているグラフ線は、第１の高屈折率領域２０７と第２の高屈折率領域２０８の屈折率が同じ、すなわち一様な屈折率をもつ撮像素子を示す。グラフ内において数字が２つ示されているグラフ線は、左の数字が第２の高屈折率領域２０８の屈折率、右の数字が第１の高屈折率領域２０７の屈折率を表す。
【００２４】
本実施例においては、井戸構造内部領域に光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、各高屈折率領域の厚さの比が１：１となるように形成する。そして、それらの高屈折率領域で光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって屈折率を変化させている。これによって、図３に示すように、入射光２０１の入射角が０〜１３°の間で受光量が向上していることが分かる。また、広角入射時においては、２つの高屈折率領域２０７、２０８をもつ撮像素子が一様な屈折率を持つ撮像素子とほぼ同様な性能を保持していることが分かる。
【００２５】
図４は、本実施例において、第１の高屈折率領域２０７及び第２の高屈折率領域２０８の屈折率を変化させたときのシミュレーション結果の一覧表を示す図である。一覧表内において、二重丸は、井戸構造内部領域が一様な屈折率を持つ撮像素子と比較して、２つの高屈折率領域２０７、２０８をもつ撮像素子の受光量が特に大きく改善したものを示している。この結果から、各高屈折率領域間の屈折率差を約０.１５以下にすることにより、一様な屈折率を持つ撮像素子と比較して、２つの高屈折率領域２０７、２０８をもつ撮像素子の受光量を大きく改善させることができることが分かる。
【００２６】
（実施例２）
本実施例は、井戸構造内部領域において屈折率の値を変化させた構造をもつ撮像素子のシミュレーションを行ったものである。図５に示すように、本実施例では、井戸構造内部領域における高屈折率領域５０１〜５０３が、光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、各高屈折率領域の厚さの比が２：１：１となるように３つに分けられている。なお、シミュレーションの計算条件は、実施例１と同様である。
【００２７】
図６は、本実施例の中心画素における第１〜第３の高屈折率領域５０１〜５０３の屈折率を変えた場合における光の入射角に対する受光量の関係を示す図である。横軸は、撮像素子に対する入射光２０１の入射角であり、縦軸は、そのときの受光量を表している。グラフ内において、数字が１つだけ示されているグラフ線は、第１〜第３の高屈折率領域５０１〜５０３の屈折率が同じ、すなわち一様な屈折率をもつ撮像素子を示す。グラフ内において数字が３つ示されているグラフ線は、左の数字が第３の高屈折率領域５０３の屈折率、真ん中の数字が第２の高屈折率領域５０２の屈折率、右の数字が第１の高屈折率領域５０１の屈折率を表す。
【００２８】
本実施例においては、井戸構造内部領域に光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、各高屈折率領域の厚さの比が２：１：１となるように形成する。そして、それらの高屈折率領域で光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって屈折率を変化させている。これによって、図６に示すように、入射光２０１の入射角が０〜１３°の間で受光量が向上していることが分かる。また、広角入射時においては、３つの高屈折率領域５０１〜５０３をもつ撮像素子が一様な屈折率を持つ撮像素子とほぼ同様な性能を保持していることが分かる。
【００２９】
図７は、本実施例において、第１の高屈折率領域５０１の屈折率を１.９に固定し、第２の高屈折率領域５０２及び第３の高屈折率領域５０３の屈折率を変化させたときのシミュレーション結果の一覧表を示す。一覧表内において、二重丸は、井戸構造内部領域が一様な屈折率を持つ撮像素子と比較して、３つの高屈折率領域５０１〜５０３をもつ撮像素子の受光量が特に大きく改善したものを示している。この結果から、各高屈折率領域間の屈折率差を約０.１以下にすることにより、一様な屈折率を持つ撮像素子と比較して、３つの高屈折率領域５０１〜５０３をもつ撮像素子の受光量を大きく改善させることができることが分かる。
【００３０】
（実施例３）
本実施例は、井戸構造内部領域において屈折率の値を変化させた構造をもつ撮像素子のシミュレーションを行ったものである。図８に示すように、本実施例では、井戸構造内部領域における高屈折率領域８０１、８０２が、光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、その厚さの比が３：１となるように２つに分けられている。なお、シミュレーションの計算条件は、実施例１と同様である。
【００３１】
図９は、本実施例の中心画素における第１の高屈折率領域８０１及び第２の高屈折率領域８０２の屈折率を変えた場合における入射光２０１の入射角に対する受光量の関係を示す図である。横軸は、撮像素子に対する入射光２０１の入射角であり、縦軸は、そのときの受光量を表している。グラフ内において、数字が１つだけ示されているグラフ線は、２つの高屈折率領域８０１、８０２の屈折率が同じ、すなわち一様な屈折率をもつ撮像素子を示す。グラフ内において数字が２つ示されているグラフ線は、左の数字が第２の高屈折率領域８０２の屈折率、右の数字が第１の高屈折率領域８０１の屈折率を表す。
【００３２】
本実施例においては、井戸構造内部領域に光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって、各高屈折率領域の厚さの比が３：１となるように形成する。そして、それらの高屈折率領域で光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって屈折率を変化させている。これによって、図９に示すように、入射光２０１の入射角が０〜１３°の間で受光量が向上していることが分かる。また、広角入射時においては、２つの高屈折率領域８０１、８０２をもつ撮像素子が一様な屈折率を持つ撮像素子とほぼ同様な性能を保持していることが分かる。
【００３３】
（比較例）
比較例は、井戸構造内部領域において屈折率が一様な構造をもつ従来の撮像素子のシミュレーションを行ったものである。図１０に示すように、本比較例では、井戸構造内部領域における高屈折率領域１００１が、光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって一様となっている。なお、シミュレーションの計算条件は、実施例１と同様である。
【００３４】
図１１は、本比較例の中心画素における高屈折率領域１００１の屈折率を変えた場合における入射光２０１の入射角に対する受光量の関係を示す図である。横軸は、撮像素子に対する入射光２０１の入射角であり、縦軸は、そのときの受光量を表している。グラフ内における数字は、高屈折率領域１００１の屈折率を表す。
【００３５】
本比較例においては、井戸構造内部領域において光センサー部２０５からマイクロレンズ２０２に向かって高屈折率領域１００１の屈折率が一様となっている。これによって、図１１に示すように、入射光２０１の入射角が０〜１３°の間で実施例１〜３と比較して受光量が低下していることが分かる。特に、高屈折率領域１００１の屈折率が低いほど、受光量の低下が顕著に表れ、実施例１〜３と比較して受光量が低下する入射光２０１の入射角が広がっていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係る基板に対して２次元状に複数形成された光電変換部の上面図である。
【図２】図１の中心画素におけるＡ―Ａ’矢視断面図である。
【図３】本実施例の中心画素における第１、第２の高屈折率領域の屈折率を変えた場合における光の入射角に対する受光量の関係を示す図である。
【図４】実施例１において第１、第２の高屈折率領域の屈折率を変化させたときのシミュレーション結果の一覧表を示す図である。
【図５】実施例２において図１の中心画素におけるＡ―Ａ’矢視断面図である。
【図６】実施例２において中心画素における光の入射角と受光量の関係を示す図である。
【図７】実施例２において中心画素における屈折率変動に対する特性の結果の一覧表を示す図である。
【図８】実施例３において図１の中心画素におけるＡ―Ａ’矢視断面図である。
【図９】実施例３において中心画素における光の入射角と受光量の関係を示す図である。
【図１０】比較例において井戸型構造をもつ従来の撮像素子の断面図である。
【図１１】比較例において井戸型構造をもつ従来の撮像素子の中心画素における光の入射角と受光量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
２０５  光センサー部
２０２  マイクロレンズ
２０４、２０７、２０８  透明膜
【図１】
2008109393.tif 000003
【図２】
2008109393.tif 000004
【図３】
2008109393.tif 000005
【図４】
2008109393.tif 000006
【図５】
2008109393.tif 000007
【図６】
2008109393.tif 000008
【図７】
2008109393.tif 000009
【図８】
2008109393.tif 000010
【図９】
2008109393.tif 000011
【図１０】
2008109393.tif 000012
【図１１】
2008109393.tif 000013