(57)【要約】【課題】画素の位置に応じて、光導波路に入射した光を効率よく集光する工程を低コストで実現すること。【解決手段】光電変換装置は、複数の画素で構成された撮像面を有する。前記複数の画素の各々は、光電変換部６と、光電変換部６の入射光側に配置され、前記入射光を光電変換部６に導光する光導波路を備える。光導波路は、複数の層３、４、５（３１、４１、５１又は３２、４２、５２）を有する。前記光導波路の複数の層３、４、５（３１、４１、５１又は３２、４２、５２）は、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素で構成された撮像面を有する光電変換装置であって、
前記複数の画素の各々は、
光電変換部と、
光電変換部の入射光側に配置され、前記入射光を前記光電変換部に導光する光導波路と、
を備え、
前記光導波路は複数の層を有し、
前記光導波路の前記複数の層は、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記複数の層の平面寸法は、前記光電変換部からの距離が大きい程、大きくなることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記複数の層の隣接する２つの層の各々の端部の位置の差分は、前記入射光の波長以下であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換部の形状は、非対称であり、
前記複数の層は、前記光電変換部との距離が近い程、前記光電変換部の形状に類似した形状を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光電変換部の入射光側にマイクロレンズが配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
光電変換装置の製造方法であって、
入射光を光電変換する光電変換部を形成する工程と、
前記光電変換部の入射光側に、前記光電変換装置の撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置された複数の層で構成される光導波路を、前記複数の層の各々に対応したフォトマスクを用いて形成する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルスチルカメラ等に用いられる光電変換装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラ等に用いられる光電変換装置は、画素数を増やして画質を向上させる一方で、チップサイズを小さくすることにより、低価格化が図られている。そのため、光電変換装置を構成する１画素の大きさは、年々小さくなり、それに伴って画素内の光電変換部の面積も小さくなってきている。光電変換部の面積が小さくなると、受光感度が低下してしまう。
【０００３】
これに対し、特許文献１は、光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け、集光特性を高めた光電変換装置を開示している。この光電変換装置では、光電変換部の光入射側に高屈折率の材料で構成された対称形状の光導波路を設け、その周囲に低屈折率材料を設けて、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。また、光電変換装置の周辺部で、各光電変換部上に構成されたマイクロレンズ（オンチップレンズ）の光軸を光電変換部の光軸から中心方向にずらしている。これにより、斜めから入射する光を効率的に光電変換部に集光している。
【０００４】
また、特許文献２では、井戸型形状の光導波路を形成する方法を開示している。表面のマイクロレンズに入射した光は、マイクロレンズの下方に配置された保護層を通して、高屈折率の光導波路に入り、画素に集光される。
【特許文献１】特開２００５−２５９８２４号
【特許文献２】特開２００３−２２４２４９号
【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の方法では、露光装置の解像度以下の微細なパターンをフォトマスクに形成するため、光導波路の形成が非常に困難であり、所望の構造が形成できないか、高コストとなってしまう。
【０００６】
また、特許文献２の方法では、多段にわたって穴を形成する工程が必要であり、光学系の焦点深度によっては、パターニング精度が低下し、歩留まりが低下してしまう。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、画素の位置に応じて、光導波路に入射した光を効率よく集光する工程を低コストで実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の側面は、複数の画素で構成された撮像面を有する光電変換装置に係り、前記複数の画素の各々は、光電変換部と、光電変換部の入射光側に配置され、前記入射光を前記光電変換部に導光する光導波路と、を備え、前記光導波路は複数の層を有し、前記光導波路の前記複数の層は、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の側面は、光電変換装置の製造方法に係り、入射光を光電変換する光電変換部を形成する工程と、前記光電変換部の入射光側に、前記撮像面の中心からの距離が大きい程、前記撮像面の中心方向に偏心した位置に配置された複数の層で構成される光導波路を、前記複数の層の各々に対応したフォトマスクを用いて形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、画素の位置に応じて、光導波路に入射した光を効率よく集光する工程を低コストで実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の好適な実施の形態を以下に具体的に説明する。なお、以下の説明において記載された各部の構成、配置、不純物タイプ等は、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の好適な第１の実施形態に係る光電変換装置の概略図である。図１は、瞳距離の短い光学系を例示的に示している。
【００１３】
１は射出瞳である。２、２１、２２はマイクロレンズ（オンチップレンズ）であり、複数の画素で構成された撮像面の中央、左隅、右隅にそれぞれ位置する。９はマイクロレンズ２、２１、２２を形成する際に形成される高屈折率層であり、マイクロレンズ２、２１、２２と同等の屈折率を有する。３、４、５及び３１、４１、５１並びに３２、４２、５２は光導波路であり、周囲の材料よりも屈折率の高い材料（例えば、ＳｉＮなど）を用いて形成される。６は基板７に形成された、フォトダイオードなどの光電変換部である。撮像面の中央付近の画素に形成された光導波路３、４、５は、光電変換部６の入射光側に、光電変換部の重心と各層の重心とが一致するように配置されている。
【００１４】
撮像面の左側に位置する画素に形成された光導波路３１、４１、５１は、入射光に応じて、光電変換部６に対して右方向に偏心した位置に配置された複数の層を有する。ここで偏心するとは各層の重心が光電変換部の重心からの法線上にないことである。また、撮像面の右側に位置する画素に形成された光導波路３２、４２、５２は、逆に光電変換部６に対して左方向に偏心した位置に配置された複数の層を有する。同様に、撮像面の左側に位置する画素の上方に配置されたマイクロレンズ２１は、光電変換部６に対して右方向に偏心した位置に配置されている。撮像面の右側に位置する画素の上方に配置されたマイクロレンズ２２は、光電変換部６に対して左方向に偏心した位置に配置されている。
【００１５】
なお、光導波路及びマイクロレンズの上述した偏心量は、撮像面の中心からの距離が大きくなるにつれて大きくなることが好ましい。例えば、比例して大きくなっている場合や指数的に大きくなっていく場合が挙げられる。更には、入射光と光電変換部６の重心とを結ぶ直線上にマイクロレンズや光導波路の重心も一致することが望ましい。また、光導波路及びマイクロレンズの上述した偏心量は、光電変換部６からの距離（光電変換部６が形成された基板表面からの距離）が大きくなるにつれて大きくなることが好ましい。例えば、比例して大きくなっている場合や指数的に大きくなっていく場合が挙げられる。更に、各光導波路の複数の層の平面寸法は、光電変換部６からの距離が大きくなるにつれて大きくなっていることが好ましい。例えば、比例して大きくなっている場合や指数的に大きくなっていく場合が挙げられる。また、各光電変換素子に対応してカラーフィルターが配される場合には、その色（波長）に応じて平面寸法及びその光電変換部の表面からの距離に応じた変化率を変えてもよい。
【００１６】
８は低屈折率層であり、光導波路３、４、５及び３１、４１、５１並びに３２、４２、５２よりも屈折率の低い材料（例えば、ＳｉＯ２など）を用いて形成されている。低屈折率層８は、各光導波路に接し、両者の屈折率差を利用して、導光している。光導波路４２及び光導波路５２の各々の端部の位置の差分をｄとすると、差分ｄは入射波長以下（λ/ｎ１以下）となるように形成されている。ここで、λは光導波路への入射する波長（入射波長）、ｎ１は光導波路の屈折率である。図１では、光導波路４２と光導波路５２との間におけるこの条件を示したが、光導波路を構成するの全ての隣接する２つの層間で、上記の条件を満たすことが好ましい。６１はポリシリコンなどで形成されたゲート電極である。６２、６４はタングステン（Ｗ）などで形成されたコンタクトである。６３、６５はアルミ（ＡＬ）や銅（Ｃｕ）などの配線材料で形成された配線である。
【００１７】
図１に示されるように、配線６３と光導波路４、４１、４２のそれぞれの底部は、基板７の表面からの高さが同じである。これは、各コンタクト形成工程において、光導波路とコンタクトとを同一レベルで形成したためであり、微細なパターンにも対応可能である。また、本実施形態で重要な点は、光導波路３１、４１、５１のように、段階的に光導波路の方向を変えることができ、かつ、製作工程においてフォトマスクを用いることにより、任意の位置に作成可能であることである。
【００１８】
すなわち、光導波路５、５１、５２は同一工程で作成される。光導波路５、５１、５２を作成するためのマスクパターンは、光電変換部６を作成するためのマスクパターンの真上に位置する。次の光導波路４、４１、４２を作成するためのマスクパターンは、光導波路５、５１、５２を作成するためのマスクパターンよりも撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されている。同様に、光導波路３、２１、２２を作成するためのマスクパターンは、更に撮像面の中心方向に偏心した位置に配置されている。これのような配置によって、入射光に応じて各画素の形状が異なるように形成することができる。
【００１９】
図６Ａ〜図６Ｋは、本発明の好適な第１実施形態に係る光電変換装置の断面図である。図６を用いて光電変換装置の第１の製造方法を説明する。図６Ａ〜図６Ｋでは、配線層と略同一工程で光導波路が形成される。
【００２０】
図６Ａにおいて、５０１はＮ型の半導体基板、５０２は光電変換部を構成するＰウェル（ＰＷＬ）であり、５０３は素子分離のための絶縁膜であり、例えば、ＬＯＣＯＳにより形成されうる。５０４は光電変換部を構成するＮ形領域であり、５０５は光電変換部の暗電流を抑圧するためのＰ形の表面不活性化層である。５０６はＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜であり、５０７はポリシリコンなどで形成されるゲート電極である。実際には、ゲート電極５０７の周囲を種々加工し、微細化に対応した構造となされうるが、図６Ａではその説明を省略している。なお、ＣＣＤイメージセンサなどでは、ゲート電極５０７の下部で電荷を転送し、それを順次転送するよう構成される。また、ＣＭＯＳイメージセンサなどでは、Ｎ形領域５０４の対極側にＮ形領域を設けて、ゲート電極５０７のポリシリコンの電圧を制御することにより、Ｎ形領域に電荷の転送を行う（不図示）。５０８は層間絶縁膜であり、ＳｉＯ２などにより形成される。５０９は光導波路であり、層間絶縁膜５０８よりも屈折率が高いＳｉＮなどの材料により形成される。
【００２１】
まず、図６Ａに示す工程では、層間絶縁膜５０８を周知のフォトリソグラフィ工程などによってパターニングし、光導波路５０９用の穴を形成する。次いで、層間絶縁膜５０８よりも屈折率が高いＳｉＮなどの材料を光導波路５０９用の穴に埋め込む。更に、光導波路５０９の上方にＳｉＮなどの絶縁層５１０を堆積する。
【００２２】
図６Ｂに示す工程では、コンタクトホール５１１を形成する。
【００２３】
図６Ｃに示す工程では、コンタクトホール５１１にタングステンなどを埋め込んでプラグ５１２を形成する。次いで、ＣＶＤなどにより、表面にタングステンで形成された配線層５１３を形成する。その際、半導体基板５０１との接触を良くするために、タングステン堆積の前に、Ｔｉ/ＴｉＮ（チタン/窒化チタン）を堆積させてもよい。
【００２４】
図６Ｄに示す工程では、表面に形成された配線層５１３及び絶縁層５１０をエッチバックやＣＭＰなどにより除去する。
【００２５】
図６Ｅに示す工程では、配線材料を堆積し、周知のフォトリソグラフィ工程などによりパターニングして、配線５１４を形成する。
【００２６】
図６Ｆに示す工程では、層間絶縁膜５１６を形成する。次いで、ＳｉＮなどの高屈折率材料で構成された光導波路５１５を形成し、ビアホール５１７をパターニングにより形成する。その際、第１層の光導波路５０９及び第２層の光導波路５１５の端部の位置の差分をｄとすると、ｄ≦λ/ｎ１となるようにする。
【００２７】
図６Ｇに示す工程では、コンタクトホールにタングステンなどを埋め込んでプラグ５１８を形成する。次いで、ＣＶＤなどにより表面にタングステンで形成された配線層５１９を形成する。
【００２８】
図６Ｈに示す工程では、表面に形成された配線層５１９及び光導波路５１５をエッチバックやＣＭＰなどにより除去する。これにより、第２層のビアホールのコンタクト及び光導波路５１５が形成される。
【００２９】
図６Ｉに示す工程では、配線材料を堆積し、周知のフォトリソグラフィ工程などによりパターニングして、配線５２０を形成する。次いで、層間絶縁膜５２１を堆積し、その表面に高屈折率材料で構成されたマイクロレンズ５２２を形成する。なお、図６Ｊに示すように、マイクロレンズ５２２の下方に光導波路５２３を設けてもよい。また、図６Ｋに示すように、カラーフィルター５２４、５２５をマイクロレンズ５２２の下方に設けてもよい。カラーフィルター５２４と光導波路との間に反射防止膜を設ければ、更に集光効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
（変形例）
図７Ａ〜図７Ｅは、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第２の製造方法を示す図である。最終的には、図７Ｉ、図７Ｊ及び図７Ｋに示すようになるため、基本構成は図６Ａ〜図６Ｋと同様である。以下、上述した第１の製造方法と相違する工程を中心に説明する。
【００３１】
図７Ａに示すように、基本的な構造は図６Ａと同様である。図７Ａに示す工程では、層間絶縁膜５０８を周知のフォトリソグラフィ工程などによって形成したコンタクトホールにタングステンなどを埋め込んでプラグ６０９を形成する。次いで、ＣＶＤなどにより表面にＴｉＮやタングステンなどで構成された配線層６１０を形成する。
【００３２】
図７Ｂに示す工程では、層間絶縁膜５０８及び配線層６１０を周知のフォトリソグラフィ工程などによってパターニングし、高屈折材料を埋め込むための開口部６１１を形成する。
【００３３】
図７Ｃに示す工程では、開口部６１１に高屈折材料６１２を埋め込む。次いで、ＣＶＤなどにより高屈折材料６１３を表面に堆積する。
【００３４】
図７Ｄに示す工程では、表面に形成された高屈折材料６１３及び配線層６１０をエッチバックやＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより除去する。その結果、図７Ｄと同様の構成が得られる。
【００３５】
図７Ｅに示す工程では、配線材料を堆積し、周知のリソグラフィ工程によりパターニングして、配線５１４を形成する。
【００３６】
以上説明したように、第２の製造方法は、第１の製造方法とは、コンタクトホールにＷなどのコンタクトを形成する工程を先に行う点で相違する。その後の工程は、上述した図６Ｆ〜図６Ｋに示す工程と同様であるため、説明を省略する。また、第１の製造方法と同様に、隣接する２つの層の光導波路の各々の端部の位置の差分がλ/ｎ１以下となるようにすることが好ましい。
【００３７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の好適な第２の実施形態に係る光電変換装置の平面図である。光導波路２０２、２０３、２０４、２０５は、夫々光学瞳位置２０１に対して、点対称となるように配置されている。２０６は光軸である。光導波路２０２、２０３、２０４、２０５は、非対称形状であるが、夫々光学瞳位置２０１に対して、点対称となるように配置することによって、撮像面内で均等な光が得られる。
【００３８】
図３は、本発明の好適な第２の実施形態に係る光電変換装置の平面図（図３（ａ））及び断面図（図３（ｂ））である。図３（ａ）は、図２の光導波路２０２に対応した１画素の平面図である。図３（ｂ）は、図２の光導波路２００の断面図である。図４は、図３（ｂ）の各層を個別に表したものである。
【００３９】
図３（ｂ）には、光導波路３０２、３０３の端部の位置の差分ｄが示されている。差分ｄをλ/ｎ１以下（λ：該光導波路に入射する波長、ｎ１：該光導波路の屈折率）とすることによって、光導波路３０２、３０３の損失が抑えられる。
【００４０】
図４に示されるように、光電変換部６は非対称形状であり、光電変換部６の形状に類似した光導波路３０５が形成されている。すなわち、３０４、３０３、３０２と徐々に略方形に漸近するように形成されている。つまり、光導波路の最上層における入射光の取り込み部分を略方形にすることが可能となる。これによって、全反射の条件を満足させることができる。その結果、マイクロレンズ２から入射した光は、光導波路から漏れ出ることなく、非対称形状の光電変換部６まで到達する。
【００４１】
このように、本実施形態では、複雑な形状の光電変換部であっても、光導波路の光の取り込み部を略正方形もしくは長方形に漸近させることができる。
【００４２】
図５は、図３の光導波路２００を光電変換部６に配置した状態を表した図である。図３は、図２の光導波路２０３、２０２及び更に右側に配置された光導波路の断面図である。
【００４３】
撮像面の左側に配置された光導波路２０３は、入射する光に応じて左に変位した構造となっている。逆に、撮像面の右側に配置された光導波路２０２は、入射する光に応じて右に変位した構造となっている。これにより、複雑な形状のセンサーにおいて、瞳距離が短い光学系を適応させる際に、本実施形態は極めて有効である。
【００４４】
以上のように、光導波路はフォトマスクを用いて形成されるが、フォトマスクは通常のものでよく、高価なフォトマスクを必要としない。また、複雑な形状の光電変換部であっても、略正方形もしくは長方形に漸近させることが可能であり、短い瞳を持つ光学系においても、その急な角度の入射光に応じた、光導波路を形成できる。そのため、多段光導波路の段差間による光の損失も防ぐことができ、光電変換装置の撮像面の位置によらず、損失の少ない光導波路を形成できる。更に、光導波路形成の際の歩留まりもその形成方法を改良することによって改善されうる。
【００４５】
このように、本発明の好適な実施の形態によれば、瞳距離が短い光学系において、複雑な形状のセンサーを良好かつ低コストで作製することができる。なお、第２の実施形態に係る光電変換装置も、上述した第１の製造方法又は第２の製造方法により製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の好適な第１の実施形態に係る光電変換装置の概略図である。
【図２】本発明の好適な第２の実施形態に係る光電変換装置の平面図である。
【図３】本発明の好適な第２の実施形態に係る光電変換装置の平面図である。
【図４】図３の各層を個別に表した図である。
【図５】図３の光導波路を光電変換部の上方に配置した状態を表した図である。
【図６Ａ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｈ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｉ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｊ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図６Ｋ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第１の製造方法を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第２の製造方法を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第２の製造方法を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第２の製造方法を示す図である。
【図７Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第２の製造方法を示す図である。
【図７Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の第２の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
２、２１、２２  マイクロレンズ
６  光電変換部
３、４、５  光導波路の複数の層
３１、４１、５１  光導波路の複数の層
３２、４２、５２  光導波路の複数の層
【図１】
2009124053.tif 000003
【図２】
2009124053.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
2009124053.tif 000012
【図６Ｆ】
2009124053.tif 000013
【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
2009124053.tif 000015
【図６Ｉ】
2009124053.tif 000016
【図６Ｊ】
2009124053.tif 000017
【図６Ｋ】
2009124053.tif 000018
【図７Ａ】
2009124053.tif 000019
【図７Ｂ】
2009124053.tif 000020
【図７Ｃ】
2009124053.tif 000021
【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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