(57)【要約】【課題】導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出すことが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】ＣＣＤイメージセンサ２は、クラッド層３３に入射した光をコア層３２に向けて反射させる反射膜３０を備える。反射膜３０上のある点Ｐの接線Ｌｔと受光部１０に垂直に入射する光の光軸Ｌｏｐに垂直な線とのなす角をα、クラッド層３３の屈折率をｎ２としたとき、少なくともα≧（π／４）、好ましくはｔａｎα＞［｛ｎ２＋１＋（ｎ２２−１）１／２｝／｛ｎ２−１＋（ｎ２２−１）１／２｝］を満たすように反射膜３０が形成されている。これにより、導光路３１に導かれずに、マイクロレンズ３５からクラッド層３３に入射した光が、導光路３１に漏れなく導かれる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数配列され、受光した光を光電変換する受光部と、前記受光部に向けて光を導くコア層、および前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層からなる導光路と、前記導光路の入射面に光を集光するマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、
前記クラッド層に入射した光を前記コア層に向けて反射させる反射膜を備え、
前記反射膜上のある点の接線と前記受光部に垂直に入射する光の光軸に垂直な線とのなす角をαとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
α≧（π／４）
【請求項２】
前記クラッド層の屈折率をｎ２としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
ｔａｎα＞［｛ｎ２＋１＋（ｎ２２−１）１／２｝／｛ｎ２−１＋（ｎ２２−１）１／２｝］
【請求項３】
前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成されており、
前記コア層のテーパー角をγとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
α＞（π／４）＋（γ／２）
【請求項４】
前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成されており、
前記コア層のテーパー角をγとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子。
α＞（π／４）＋ａｒｃｓｉｎ｛（１／ｎ２）／２｝＋（γ／２）
【請求項５】
前記反射膜は、前記受光部に光を入射させるための開口を形成する遮光層上に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記反射膜は、前記受光部に光を入射させるための開口を形成する遮光層を兼ねることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記反射膜は、金属、または前記クラッド層に対して高反射率を有する材料からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子は、画質を向上させるために、高解像度化が求められている。また、デジタルカメラやビデオカメラなどの小型化と相俟って、さらなる小型化も要求されている。このため、解像度を高めるとともに小型化を実現するためには、画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くする必要がある。
【０００３】
画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くするためには、画素自体のサイズを小さくすればよいが、サイズを小さくすると画素に入射する光の量が減少し、感度が低下してしまう。このため、従来の固体撮像素子では、入射光を集光するマイクロレンズを設け、高感度化を図っていた。しかしながら、画素サイズが数百ｎｍ〜数μｍ程度まで微細化された現状の固体撮像素子では、マイクロレンズのみでは所望の感度を得ることができず、小型化が限界の域に達していた。
【０００４】
そこで、マイクロレンズのみではなし得なかった、高感度化、小型化を達成するために、画素を構成する受光部上に、入射光を受光部に導く導光路を形成した固体撮像素子が提案されている（特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開平６−２２４３９８号公報
【特許文献２】特開２００３−２９８０３４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５１８０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロレンズで集光された光は、概ね導光路に導かれるが、一部の光、特に、マイクロレンズの光軸に平行でない斜め方向からの入射光は、導光路に導かれずに損失となる。しかしながら、特許文献１〜３に記載の発明は、導光路に導かれずに損失となる光への対策がなされていない。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出すことが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に向けて光を導くコア層、および前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層からなる導光路と、前記導光路の入射面に光を集光するマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、前記クラッド層に入射した光を前記コア層に向けて反射させる反射膜を備え、前記反射膜上のある点の接線と前記受光部に垂直に入射する光の光軸に垂直な線とのなす角をαとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする。
α≧（π／４）
【０００８】
前記クラッド層の屈折率をｎ２としたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
ｔａｎα＞［｛ｎ２＋１＋（ｎ２２−１）１／２｝／｛ｎ２−１＋（ｎ２２−１）１／２｝］
【０００９】
前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成されており、前記コア層のテーパー角をγとしたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
α＞（π／４）＋（γ／２）
【００１０】
前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成されており、前記コア層のテーパー角をγとしたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
α＞（π／４）＋ａｒｃｓｉｎ｛（１／ｎ２）／２｝＋（γ／２）
【００１１】
前記反射膜は、前記受光部に光を入射させるための開口を形成する遮光層上に形成されていることが好ましい。あるいは、前記反射膜は、前記受光部に光を入射させるための開口を形成する遮光層を兼ねることが好ましい。
【００１２】
前記反射膜は、金属、または前記クラッド層に対して高反射率を有する材料からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体撮像素子によれば、反射膜上のある点の接線と受光部に垂直に入射する光の光軸に垂直な線とのなす角をαとしたとき、α≧（π／４）の条件式を満たすので、従来損失となっていた導光路に導かれない光を漏れなく導光路に入射させることができる。したがって、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出すことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１において、ＣＣＤイメージセンサ２は、受光部１０、読み出し転送ゲート（以下、ＴＧと略す。）１１、垂直ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤと略す。）１２、水平ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤと略す。）１３、および出力アンプ１４から構成される。
【００１５】
受光部１０は、垂直方向（矢印Ａ方向）および水平方向（矢印Ｂ方向）に所定のピッチでマトリクス状に複数配列されている。受光部１０は、マイクロレンズ３５および導光路３１（ともに図２参照）を介して入射した光を受光して光電変換を行い、入射光の光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。ＴＧ１１は、各受光部１０に設けられており、受光部１０に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ１２に転送する。
【００１６】
ＶＣＣＤ１２は、受光部１０の垂直列間に設けられている。ＶＣＣＤ１２は、ＴＧ１１を介して受光部１０から転送された信号電荷を、ＨＣＣＤ１３に向けて一行ずつ垂直方向に転送する。ＨＣＣＤ１３には、各ＶＣＣＤ１２の最終端が接続されている。ＨＣＣＤ１３は、ＶＣＣＤ１２の最終端から出力された信号電荷を一行ずつ受け取り、一行分の信号電荷を受け取るたびに、出力アンプ１４に向けて転送する。出力アンプ１４は、ＨＣＣＤ１３からの一行分の信号電荷を、その電荷量に応じた信号電圧に変換し、ＣＣＤイメージセンサ２の外部に撮像信号として出力する。
【００１７】
図１のａ−ａ線に沿う断面を示す図２において、例えば、シリコンからなるｎ型半導体の基板２０上には、ｐ型ウェル層２１が形成されている。ｐ型ウェル層２１には、信号電荷を蓄積する第１ｎ型層２２が形成されている。第１ｎ型層２２の上には、正孔を蓄積するｐ＋型層２３が形成されている。ｐ型ウェル層２１の表層には、第２ｎ型層２４が形成されている。第２ｎ型層２４は、ｐ型ウェル層２１またはｐ＋型層２３によって、第１ｎ型層２２から分離されている。
【００１８】
受光部１０は、基板２０を含む各層のｐｎｐｎ接合により構成された、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。また、ＴＧ１１は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１によって構成され、ＶＣＣＤ１２は、第２ｎ型層２４によって構成されている。
【００１９】
第２ｎ型層２４の上方には、第１絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２５を介して、転送電極（例えば、多結晶シリコンからなる。）２６が形成されている。転送電極２６は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１上にも延在している。転送電極２６には、ＶＣＣＤ１２による信号電荷の垂直転送、およびＴＧ１１による第１ｎ型層２２から第２ｎ型層２４への信号電荷の読み出し転送を制御する駆動電圧が印加される。
【００２０】
転送電極２６の周囲を覆う第２絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２７の上には、各受光部１０の開口２８を除く領域を遮光する遮光層（例えば、タングステンからなる。）２９が形成されている。また、遮光層２９上には、金属（例えば、アルミ）または後述するクラッド層３３に対して高反射率を有する材料からなる反射膜３０が形成されている。反射膜３０は、後述するコア層３２に入射しないでクラッド層３３に入射した光をコア層３２に反射させる。
【００２１】
開口２８上には、導光路３１が形成されている。導光路３１は、入射光を開口２８に向けて導光するもので、高い屈折率を有する材料、例えば、窒化シリコン（屈折率１．９〜２．０）からなるコア層３２と、絶縁性で低い屈折率を有する材料、例えば、ＢＰＳＧ（Boron phosphorus silicate glass、屈折率１．４〜１．５）からなるクラッド層３３とから形成されている。
【００２２】
コア層３２は、略筒状に形成されており、開口２８の中心にその中心が一致するように配されている。クラッド層３３は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などによって、表面が平坦化されている。
【００２３】
クラッド層３３上には、カラーフィルタ３４、およびマイクロレンズ３５が設けられている。カラーフィルタ３４は、特定の色、例えば、赤、緑、青、あるいはシアン、マゼンタ、イエローの光を透過させる色素がそれぞれ含まれたレジスト材からなる。マイクロレンズ３５は、その中心を通る光軸Ｌｏｐが開口２８の中心を通り、且つ開口２８の面に垂直になるように配され、光軸Ｌｏｐに平行な入射光を、効率よく導光路３１の入射面３１ａに向けて集光するような曲率を有する。なお、煩雑を避けるため、カラーフィルタ３４、およびマイクロレンズ３５のみにハッチングを施し、他の部分は省略する。
【００２４】
図３に示すように、導光路３１に導かれずに、マイクロレンズ３５からクラッド層３３に入射した光（入射角θ１、屈折角θ２）は、反射膜３０によりコア層３２に向けて反射される（入射角＝反射角＝δ）。このとき、反射膜３０により反射された光が、コア層３２によって開口２８に向けて導かれるためには、反射膜３０により反射された光のコア層３２への入射角をφとしたとき、
φ＜（π／２）・・・（１）
であればよい（φ≧（π／２）のときもコア層３２に入射されるが、この場合は入射面３１ａ側に反射されて開口２８には導かれない。）。
【００２５】
ここで、マイクロレンズ３５からクラッド層３３に入射した光が反射膜３０に入射する点Ｐにおける接線Ｌｔと、光軸Ｌｏｐに垂直な線とのなす角をαとしたとき、図より、
α＋δ＋φ＝π・・・（２）
であるため、式（１）は、
α＞｛（π／２）−δ｝・・・（３）
となる。そして、図より、
α＝δ＋θ２・・・（４）
であるため、式（３）はさらに、
α＞｛（π／４）＋θ２／２｝・・・（５）
となる。
【００２６】
また、マイクロレンズ３５、およびクラッド層３３の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、マイクロレンズに入射する光の入射角をθ、空気の屈折率をｎ（＝１）としたとき、スネルの法則より、
ｎｓｉｎθ＝ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２・・・（６）
の関係が成り立つ。そして、この式（６）から、
ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ／ｎ２・・・（７）
が得られる。
【００２７】
式（５）より、
ｔａｎα＞ｔａｎ｛（π／４）＋（θ２／２）｝＝［｛ｎ２＋ｓｉｎθ＋（ｎ２２−ｓｉｎ２θ）１／２｝／｛（ｎ２−ｓｉｎθ＋（ｎ２２−ｓｉｎ２θ）１／２｝］
あるいは、α＞（π／４）＋ａｒｃｓｉｎ｛（ｓｉｎθ／ｎ２）／２｝・・・（８）
を得る。ここで、（８）式の右辺は、θに関して単調増加する関数である。光軸Ｌｏｐに平行な入射光（θ＝０）が反射膜３０で反射されてコア層３２に入射し、コア層３２によって開口２８に向けて導かれるためには、θ＝０のときのα＝π／４であるため、
α≧π／４・・・（９）
が、αに最低限必要な条件である。
【００２８】
また、（８）式は、θ＝（π／２）のときに最大となるため、最終的に求める条件は、（８）式にθ＝（π／２）を代入して、
ｔａｎα＞［｛ｎ２＋１＋（ｎ２２−１）１／２｝／｛ｎ２−１＋（ｎ２２−１）１／２｝］
あるいは、α＞（π／４）＋ａｒｃｓｉｎ｛（１／ｎ２）／２｝・・・（１０）
である。反射膜３０は、αが少なくとも式（９）、好ましくは式（１０）を満たすように形成されている。なお、クラッド層３２とマイクロレンズ３５との間にカラーフィルタ３４が介在しているが、カラーフィルタ３４における光の屈折は、スネルの法則により無視することができる。
【００２９】
次に、上記構成を有するＣＣＤイメージセンサ２の動作について説明する。ＣＣＤイメージセンサ２に入射された光は、マイクロレンズ３５により入射面３１ａに集光される。入射面３１ａに集光された光は、クラッド層３３よりもコア層３２の屈折率が高いことにより、導光路３１により開口２８へと導かれる。
【００３０】
導光路３１に導かれずに、マイクロレンズ３５からクラッド層３３に入射した光は、反射膜３０によりコア層３２に向けて反射される。このとき、反射膜３０が少なくとも式（９）、好ましくは式（１０）を満たすように形成されているので、反射膜３０により反射された光は、コア層３２によって開口２８に向けて導かれる。
【００３１】
受光部１０で光が受光されると、受光部１０で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷が生成されて蓄積される。そして、転送電極２６に駆動電圧が印加されると、受光部１０に蓄積された信号電荷がＴＧ１１を介してＶＣＣＤ１２に転送される。ＶＣＣＤ１２に転送された信号電荷は、ＶＣＣＤ１２を垂直転送されて、ＨＣＣＤ１３に転送される。ＨＣＣＤ１３に転送された信号電荷は、ＨＣＣＤ１３を水平転送されて、出力アンプ１４により信号電圧に変換され、外部に撮像信号として出力される。
【００３２】
以上説明したように、クラッド層３３に入射した光をコア層３２に向けて反射させる反射膜３０を設け、少なくとも式（９）を、好ましくは式（１０）を満たすように反射膜３０を形成するので、光を効率よく受光部１０に入射させることができ、ＣＣＤイメージセンサ２の高感度化を促進させることができる。また、これに伴い、ＣＣＤイメージセンサ２の小型化、高解像度化に寄与することができる。
【００３３】
上記実施形態では、コア層３２を略筒状としているが、図４に示すように、受光部１０の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成したコア層４０、およびクラッド層４１からなる導光路４２を用いてもよい。
【００３４】
図４に示す系の場合、反射膜３０により反射された光が、コア層４０によって開口２８に向けて導かれるためには、図５に示すように、反射膜３０により反射された光が入射したコア層４０とクラッド層４１との界面の反対側の界面への入射角をθ５としたとき、
θ５＞０・・・（１１）
であればよい。
【００３５】
ここで、コア層４０のテーパー角（コア層４０の断面の傾斜角）をγ、反射膜３０により反射された光のコア層４０への入射角をθ３、コア層４０内の透過角をθ４としたとき、図より、
α＋δ＋γ＋（π／２）−θ３＝π・・・（１２）
α＝δ＋θ２・・・（１３）
θ４＝２γ＋θ５・・・（１４）
の関係が成り立つ。
【００３６】
式（１４）より、式（１１）は、
θ４＞２γ・・・（１５）
となる。また、
ｎ２ｓｉｎθ３＝ｎ３ｓｉｎθ４（但し、ｎ３はコア層４０の屈折率）・・・（１６）
より、
θ３＞θ４＞２γ・・・（１７）
が成り立つ。さらに、式（１２）、（１３）より、式（１７）は、
α＞（π／４）＋（γ＋θ２）／２
但し、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ／ｎ２・・・（１８）
と置き換えられる。
【００３７】
光軸Ｌｏｐに平行な入射光（θ＝０）が反射膜３０で反射されてコア層４０に入射し、コア層４０によって開口２８に向けて導かれるためには、θ＝０のときθ２＝０で、α＝（π／４）＋（γ／２）であるため、
α＞（π／４）＋（γ／２）・・・（１９）
が、図４に示す系の場合のαに最低限必要な条件である。
【００３８】
また、（１８）式は、θ＝（π／２）のときに最大となるため、最終的に求める条件は、（１８）式にθ＝（π／２）を代入して、
α＞（π／４）＋ａｒｃｓｉｎ｛（１／ｎ２）／２｝＋（γ／２）・・・（２０）
である。反射膜３０は、αが少なくとも式（１９）、好ましくは式（２０）を満たすように形成される。なお、γ＝０°とすれば、式（１９）、（２０）は、コア層３２を略筒状の場合の式（９）、（１０）と一致する。また、式（８）と式（１８）とを比べても分かるように、式（１９）、（２０）で規定されるαは、式（９）、（１０）で規定される範囲内にある。
【００３９】
上記実施形態では、遮光層２９と反射膜３０とを別に設けているが、遮光層２９を設けずに、反射膜３０に遮光層２９の機能を担わせてもよい。
【００４０】
なお、図２に示す導光路３１を有するＣＣＤイメージセンサでは、受光部により構成される画素のサイズと、導光路を設けない場合を１００％とした場合の入射光量の増大率との間には、図６に示すような関係がある。すなわち、画素サイズ２．０５μｍのときに増大率が最大となり、以降は画素サイズが大きくなるにつれて増大率が減少する。
【００４１】
また、上記のようなＣＣＤイメージセンサにおいては、画素の配列ピッチと、平行入射光の光量を１とした場合の入射角１５°のときの入射光量との間には、図７に示すような関係がある。すなわち、ピッチが広くなるにつれて入射光量も増大し、導光路なしの場合よりも導光路ありの場合の方が、全体的に入射光量が大きくなる。上記実施形態では、図６、および図７に示す特性を参考にして、画素サイズやピッチを設定する。なお、グラフ中の数値は、左側が画素サイズ、右側の括弧内が開口幅をそれぞれ示す。
【００４２】
上記実施形態では、インターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサ２を例示して説明しているが、本発明はこれに限定されず、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像素子に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ＣＣＤイメージセンサの構成を示す概略平面図である。
【図２】図１のａ−ａ線に沿う断面図である。
【図３】マイクロレンズからクラッド層に入射した光を漏れなく導光路に導くための条件式を説明するための図である。
【図４】別の実施形態を示す断面図である。
【図５】図４に示す系で、マイクロレンズからクラッド層に入射した光を漏れなく導光路に導くための条件式を説明するための図である。
【図６】画素サイズと入射光量の増大率との関係を示すグラフである。
【図７】画素の配列ピッチと入射角１５°の場合の入射光量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
２  ＣＣＤイメージセンサ
１０  受光部
２０  基板
２８  開口
２９  遮光層
３０  反射膜
３１、４２  導光路
３１ａ、４２ａ  入射面
３２、４０  コア層
３３、４１  クラッド層
３５  マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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