DE112021006798T5 - Festkörper-bildgebungsvorrichtung - Google Patents

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Tomohiro Yamazaki
Yoshiki Ebiko
Sozo Yokogawa
Tomoharu Ogita
Hiroyasu Matsugai
Yusuke Moriya
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Abstract

Eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform enthält: eine Vielzahl von Pixeln (100), wobei jedes der Vielzahl von Pixeln ein Substrat (140) mit einer als Lichteinfallsoberfläche dienenden ersten Oberfläche enthält, eine fotoelektrische Umwandlungseinheit (121), die innerhalb des Substrats gelegen ist, eine Lichtabschirmungseinheit (130), die auf einer Seite einer ersten Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Lichtabschirmungseinheit einen Lochbereich (160) aufweist, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit fällt, und eine erste Linse (123a), die aus Silizium geschaffen ist, wobei die erste Linse auf der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist und Einfallslicht in Richtung des Lochbereichs bündelt.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung.
  • Hintergrund
  • In den letzten Jahren gibt es eine zunehmende Nachfrage nach einem Lichtempfangselement, das imstande ist, Licht mit einer Wellenlänge, die länger als jene von sichtbarem rotem Licht ist, und einer Wellenlänge, die kürzer als jene von Licht im fernen Infrarotbereich (worauf hier im Folgenden als Infrarotlicht verwiesen wird), unter Licht mit Wellenlängen in einem Infrarotbereich zu erfassen. Beispielsweise kann eine tragbare elektronische Vorrichtung wie etwa ein Smartphone eine Nutzerauthentifizierung oder dergleichen basierend auf einem Bild, das Infrarotlicht enthält, oder einem Infrarotlicht nutzenden Abstandsmessergebnis durchführen.
  • Während ein Lichtempfangselement wie etwa eine Fotodiode, die eine Silizium-(Si-)Schicht als Lichtabsorptionsschicht nutzt, eine Empfindlichkeit für Infrarotlicht aufweist, nimmt ein Lichtabsorptionskoeffizient pro Dickeneinheit ab, da eine Wellenlänge aufgrund einer Wellenlängenabhängigkeit des Lichtabsorptionskoeffizienten von Si länger wird, und somit gelangt ein Großteil der Photonen von langwelligem Licht, das auf die Si-Schicht fällt, durch die Si-Schicht.
  • Als ein Verfahren, um eine hohe Empfindlichkeit für Licht auf der langwelligen Seite im Lichtempfangselement zu erhalten, wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Beispielsweise schlägt Patentliteratur 1 eine Struktur vor, bei der eine Reflexionsstruktur auf einer Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite einer Lichtempfangsoberfläche vorgesehen ist, eine Lochblende (engl.: pinhole) zwischen einer On-Chip-Linse und einem Substrat (Si-Substrat) vorgesehen ist und reflektiertes Licht durch die Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche in der Si-Schicht eingeschlossen wird. Bei der in der Patentliteratur 1 vorgeschlagenen Struktur wird das in der Si-Schicht eingeschlossene Licht durch die Reflexionsstruktur so reflektiert, dass eine optische Weglänge vergrößert wird, die fotoelektrische Umwandlung effizienter durchgeführt werden kann und man eine hohe Empfindlichkeit erwarten kann.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: JP 2019-114642 A
    • Patentliteratur 2: JP 2008-147333 A
    • Patentliteratur 3: WO 2020/012984 A
    • Patentliteratur 4: JP 2019-180048 A
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Im Stand der Technik wird jedoch Licht in einer On-Chip-Linse bezüglich eines auf zu einem Lichtempfangselement emittierten Lichts nicht ausreichend eingeengt und ist ein Verlust an Licht in einem Bereich einer Lochblendenstruktur groß.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung bereitzustellen, die imstande ist, eine höhere Empfindlichkeit zu erzielen.
  • Lösung für das Problem
  • Um das oben beschriebene Problem zu lösen, weist eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Substrat mit einer als Lichteinfallsoberfläche dienenden ersten Oberfläche, eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung bzw. fotoelektrische Umwandlungseinheit, die innerhalb des Substrats gelegen ist, eine Lichtabschirmungseinheit, die auf einer Seite der ersten Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Lichtabschirmungseinheit einen Lochbereich aufweist, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit fällt, und eine erste Linse auf, die aus Silizium geschaffen ist, wobei die erste Linse auf der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist und Einfallslicht in Richtung des Lochbereichs bündelt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels einer elektronischen Vorrichtung veranschaulicht, die für eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels einer Bildgebungseinheit veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltung eines Beispiels eines Pixels veranschaulicht, das für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Pixel-Arrays veranschaulicht, das für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel von Kennlinien bzw. Charakteristiken in einem Fall veranschaulicht, in dem ein blauer Filter und ein roter Filter gestapelt sind und verwendet werden, was für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Filmdickenabhängigkeit eines Absorptionsratenspektrums von Si veranschaulicht.
    • 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Absorptionsrate und einer Si-Filmdicke für zwei Wellenlängen veranschaulicht.
    • 8 ist ein schematisches Diagramm, das einen Querschnitt eines Lichtempfangselements gemäß der bestehenden Technologie in einer Richtung senkrecht zu einer Lichtempfangsoberfläche veranschaulicht.
    • 9 ist ein schematisches Diagramm, das das Auftreten eines Flares bzw. Streulichts (engl.: flare) aufgrund eines reflektierten und gebeugten Lichts, das von einem Pixel emittiert wird, gemäß der bestehenden Technologie veranschaulicht.
    • 10 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines Streulichts veranschaulicht, das gemäß einem einfallenden Licht von einer Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte bzw. Luminanz gebildet wird.
    • 11A ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels von Pixeln veranschaulicht, die in einem effektiven Pixel-Gebiet in einer Pixel-Arrayeinheit gemäß der ersten Ausführungsform enthalten sind.
    • 11B ist ein Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, in dem ein Lichtabschirmungsfilm, der außerhalb der Pixel-Arrayeinheit angeordnet ist, mit einem Halbleitersubstrat gemäß der ersten Ausführungsform geerdet ist.
    • 12 ist ein schematisches Diagramm, das einen Brechungsindex und einen Extinktionskoeffizienten von kristallinem Silizium, amorphem Silizium und polykristallinem Silizium veranschaulicht.
    • 13 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Lichtintensitätsverteilung von On-Chip-Linsen mit der gleichen Form veranschaulicht, die mittels Wellensimulation erhalten wurde.
    • 14 ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel der Lichtintensitätsverteilung der On-Chip-Linsen mit der gleichen Form veranschaulicht, die mittels Wellensimulation erhalten wurde.
    • 15 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Grundform einer Lochblende veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 16 ist ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie ein Beseitigungseffekt für unnötiges Licht durch den mit der Lochblende versehenen Lichtabschirmungsfilm gemäß der ersten Ausführungsform erhalten wird.
    • 17A ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Beispiels eines Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17B ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17C ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17D ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17E ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17F ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17G ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17H ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17I ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17J ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17K ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17L ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17M ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17N ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17O ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 17P ist ein schematisches Diagramm, das das Verfahren zum Herstellen des Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 18 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform detaillierter veranschaulicht.
    • 19 ist ein schematisches Diagramm, das ein Berechnungsergebnis eines Falls veranschaulicht, in dem eine Optimierung gemäß einer theoretischen Berechnung des Fresnel-Koeffizienten für die erste Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 20 ist ein schematisches Diagramm, das das Berechnungsergebnis des Falls veranschaulicht, in dem die Optimierung gemäß der theoretischen Berechnung des Fresnel-Koeffizienten für die erste Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 21 ist ein schematisches Diagramm, das das Berechnungsergebnis des Falls veranschaulicht, in dem die Optimierung gemäß der theoretischen Berechnung des Fresnel-Koeffizienten für die erste Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 22 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem eine Form einer Lochblende innerhalb eines Blickwinkels entsprechend einer angenommenen Lichtintensitätsverteilung gemäß der ersten Ausführungsform geändert wird.
    • 23 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem eine Größe der Lochblende innerhalb des Blickwinkels entsprechend der angenommenen Lichtintensitätsverteilung gemäß der ersten Ausführungsform geändert wird.
    • 24 ist ein schematisches Diagramm, das ein Pupillenkorrekturverfahren gemäß der ersten Ausführungsform im Vergleich zu einem Pupillenkorrekturverfahren gemäß der bestehenden Technologie veranschaulicht.
    • 25 ist ein schematisches Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel der Pupillenkorrektur gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 26 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Lochblende mit einem Flächenverhältnis von 25 [%] gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
    • 27 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine erste Modifikation einer Elementtrenneinheit der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 28 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine zweite Modifikation der Elementtrenneinheit der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 29 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine dritte Modifikation der Elementtrenneinheit der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 30 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine Modifikation einer Reflexionseinheit auf einer Verdrahtungsschichtseite gemäß der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31A ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, das für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31B ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31C ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31D ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31E ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31F ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31G ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 31H ist ein schematisches Diagramm, das das Beispiel des Verfahrens zum Herstellen der reflektierenden Metallplatte veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 32 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine Modifikation eines optischen Wellenleiters bzw. Lichtwellenleiters verwendet werden kann, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 33 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine Modifikation einer Beugungs-/Streustruktur der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 34 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine erste Modifikation eines Antireflexionsfilms der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 35 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine zweite Modifikation des Antireflexionsfilms der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 36 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine Modifikation einer On-Chip-Linse der ersten Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 37 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels veranschaulicht, das für eine Modifikation verwendet werden kann, bei der die Streu-/Beugungsstruktur auf einer Verdrahtungsschichtseite der ersten Ausführungsform vorgesehen ist.
    • 38 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines Arrays von mit einem optischen Filter versehenen Pixeln veranschaulicht, das für eine zweite Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 39 ist ein schematisches Diagramm, das eine elektronische Vorrichtung schematisch veranschaulicht, die für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann, wobei die elektronische Vorrichtung so konfiguriert ist, dass sie Spektralinformationen über eine Person bzw. ein Objekt erfasst und Erfassungsinformationen über das Objekt durch ein IR-Pixel erfasst.
    • 40 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel schematisch veranschaulicht, das sich auf einen optischen Filter eines Pixels konzentriert, der für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 41 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Pixels, die veranschaulicht, wie eine Beugungs-/Streustruktur gemäß einem Pixel, die für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann, separat gebildet wird.
    • 42 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels einer elektronischen Vorrichtung veranschaulicht, die eine Abstandsmessvorrichtung nutzt, die für eine dritte Ausführungsform verwendet werden kann.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Verweis auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist besonders zu erwähnen, dass in den folgenden Ausführungsformen dieselben Teile bzw. Bereiche mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind und eine redundante Beschreibung weggelassen wird.
  • Im Folgenden werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in der folgenden Reihenfolge beschrieben.
    1. 1. Überblick über die vorliegende Offenbarung
    2. 2. Technologie, die für eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann
      • 2-1. Konfigurationsbeispiel einer elektronischen Vorrichtung, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 2-2. Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungseinheit, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 2-3. Schaltungsbeispiel eines Pixels, das für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 2-4. Beispiel eines optischen Filters eines Pixels, der für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
    3. 3. Bestehende Technologie
    4. 4. Erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung
      • 4-0. Grundstruktur eines Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform
      • 4-0-1. Pixelstrukturbeispiel gemäß einer ersten Ausführungsform
      • 4-0-2. Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform
      • 4-0-3. Detailliertere Beschreibung eines Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform
      • 4-1. Modifikation einer Lochblende, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-2. Modifikation eines Lichtabschirmungsfilms, der für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-3. Modifikation einer Elementtrenneinheit, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-4. Modifikation einer Reflexionseinheit auf einer Verdrahtungsschichtseite, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-5. Modifikation eines Lichtwellenleiters, der für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-6. Modifikation einer Beugungs-/Streustruktur, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-7. Modifikation eines Antireflexionsfilms, der für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-8. Modifikation einer On-Chip-Linse, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-9. Modifikation einschließlich eines optischen Filters, der für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
      • 4-10. Modifikation einschließlich einer Streu-/Beugungsstruktur auf einer Verdrahtungsschichtseite, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann
    5. 5. Zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung
      • 5-1. Beispiel eines Arrays von mit optischen Filtern versehenen Pixeln, das für eine zweite Ausführungsform verwendet werden kann
    6. 6. Dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung
  • [Überblick über die vorliegende Offenbarung]
  • In einem Pixel als Bildgebungseinheit, das in einer Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthalten ist, besteht in einer Struktur, bei der eine Lochblende zwischen einer Lichtempfangsoberfläche und einer auf der Lichtempfangsoberfläche vorgesehenen On-Chip-Linse vorgesehen ist, die On-Chip-Linse aus Silizium. Das die On-Chip-Linse bildende Silizium kann polykristallines Silizium oder amorphes Silizium sein. Silizium weist einen Brechungsindex von annähernd 3,4 bis 3,8 in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich sichtbaren Lichts oder einem Infrarotbereich auf, und der Brechungsindex ist höher als ein Brechungsindex n einer allgemeinen On-Chip-Linse. Daher kann die Strahltaille von einfallendem Licht weiter verengt werden und kann ein Lochblendendurchmesser reduziert werden.
  • Durch Reduzieren des Lochblendendurchmessers kann auf ein Bildgebungselement einfallendes Licht innerhalb des Bildgebungselements einfach eingeschlossen werden und kann die Nutzungseffizienz erhöht werden, wodurch ermöglicht wird, eine höhere Empfindlichkeit zu erzielen.
  • [2. Technologie, die für eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann]
  • Als Nächstes wird eine für eine erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendbare Technologie beschrieben.
  • (2-1. Konfigurationsbeispiel einer elektronischen Vorrichtung, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels einer elektronischen Vorrichtung veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. In 1 umfasst eine elektronische Vorrichtung 1000 eine Bildgebungseinheit 10, eine optische Einheit 11, eine Bildverarbeitungseinheit 12, eine Anzeige-Steuerungseinheit 13, eine Aufzeichnungseinheit 14, ein Display bzw. eine Anzeige 15, eine Gesamt-Steuerungseinheit 16, eine Eingabeeinheit 17, eine Kommunikationseinheit 18 und eine Authentifizierungseinheit 19. Die Gesamt-Steuerungseinheit 16 enthält einen Prozessor wie etwa beispielsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und steuert den Gesamtbetrieb der elektronischen Vorrichtung 1000 gemäß einem Programm.
  • Die optische Einheit 11 enthält eine oder mehrere Linsen, einen Fokus-Mechanismus, einen Blenden-Mechanismus und dergleichen und leitet Licht von einer Person bzw. einem Objekt zur Bildgebungseinheit 10. Unter den in der optischen Einheit 11 enthaltenen Linsen wird auf eine an einer der Bildgebungseinheit 10 am nächsten gelegenen Position angeordnete Linse als Hauptlinse verwiesen.
  • Die Bildgebungseinheit 10 enthält eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung mit einem Pixel-Array, worin Pixel 100 in einer Matrix angeordnet sind, erzeugt ein Pixel-Signal entsprechend einem über die optische Einheit 11 einfallenden Licht, wandelt das erzeugte Pixel-Signal in Pixel-Daten um, bei denen es sich um ein digitales Signal handelt, und gibt die Pixel-Daten aus.
  • Die von der Bildgebungseinheit 10 ausgegebenen Pixel-Daten werden der Bildverarbeitungseinheit 12 und der Authentifizierungseinheit 19 zugeführt bzw. bereitgestellt. Die Bildverarbeitungseinheit 12 führt eine Bildverarbeitung für eine Anzeige wie etwa eine Verarbeitung für eine Weißabgleich-Einstellung und eine Verarbeitung für eine Gamma-Korrektur an den bereitgestellten Bilddaten durch die Pixel-Daten für ein Einzelbild bzw. einen Frame durch und gibt die Bilddaten aus. Die von der Bildverarbeitungseinheit 12 ausgegebenen Bilddaten werden der Anzeige-Steuerungseinheit 13 und der Aufzeichnungseinheit 14 bereitgestellt.
  • Die Anzeige-Steuerungseinheit 13 steuert eine Anzeige eines Bildes basierend auf den bereitgestellten Bilddaten auf der Anzeige 15. Ferner werden die von der Bildverarbeitungseinheit 12 ausgegebenen Bilddaten auch der Aufzeichnungseinheit 14 bereitgestellt. Die Aufzeichnungseinheit 14 enthält ein nichtflüchtiges Aufzeichnungsmedium wie etwa ein Festplattenlaufwerk oder einen Flash-Speicher und zeichnet die bereitgestellten Bilddaten im Aufzeichnungsmedium auf. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und die von der Bildverarbeitungseinheit 12 ausgegebenen Bilddaten können auch von der elektronischen Vorrichtung 1000 nach außen ausgegeben werden.
  • Die Eingabeeinheit 17 empfängt eine Nutzerbedienung und überträgt ein der Nutzerbedienung entsprechendes Signal zur Gesamt-Steuerungseinheit 16. Die Gesamt-Steuerungseinheit 16 kann den Betrieb der elektronischen Vorrichtung 1000 gemäß dem von der Eingabeeinheit 17 übertragenen Signal steuern. Es wird betont, dass die Eingabeeinheit 17 mit der Anzeige 15 integriert werden kann, um ein sogenanntes Touch-Panel zu bilden.
  • Die Kommunikationseinheit 18 kommuniziert mit einer externen Vorrichtung mittels beispielsweise drahtloser Kommunikation unter der Steuerung der Gesamt-Steuerungseinheit 16.
  • Die Authentifizierungseinheit 19 führt beispielsweise eine Erkennungsverarbeitung zum Erkennen eines Nutzers basierend auf den von der Bildgebungseinheit 10 bereitgestellten Bilddaten durch. Als ein Beispiel führt die Authentifizierungseinheit 19 eine Authentifizierungsverarbeitung wie folgt durch. Die Authentifizierungseinheit 19 detektiert das Gesicht eines Nutzers basierend auf den Bilddaten und erhält eine Merkmalsmenge des detektierten Gesichts. Die Authentifizierungseinheit 19 vergleicht eine Merkmalsmenge des Gesichts des Nutzers, die vorher registriert wurde, mit der Merkmalsmenge des Gesichts eines Nutzers, die aus den Bilddaten detektiert wird, um eine Ähnlichkeit dazwischen zu erhalten, und authentifiziert den Nutzer, wenn die erhaltene Ähnlichkeit gleich einem oder größer als ein Schwellenwert ist. Das Authentifizierungsergebnis durch die Authentifizierungseinheit 19 wird zur Gesamt-Steuerungseinheit 16 übertragen.
  • In einem Fall, in dem das von der Authentifizierungseinheit 19 übertragene Erkennungsergebnis einen Fehlschlag einer Authentifizierung angibt, kann die Gesamt-Steuerungseinheit 16 beispielsweise eine Funktion einschränken, die vom Nutzer in der elektronischen Vorrichtung 1000 bedient werden kann. Als ein Beispiel kann in einem Fall, in dem das Authentifizierungsergebnis den Fehlschlag der Authentifizierung des Nutzers angibt, die Gesamt-Steuerungseinheit 16 die Anzeige-Steuerungseinheit 13 anweisen, die Anzeige auf dem Display 15 zu sperren, und kann die durch die Eingabeeinheit 17 empfangene Nutzerbedienung einschränken.
  • (2-2. Konfigurationsbeispiel einer Bildgebungseinheit, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels der Bildgebungseinheit veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. In 2 enthält die Bildgebungseinheit eine Pixel-Arrayeinheit 101, eine vertikale Scan-Einheit 20, eine horizontale Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 und eine Steuerungseinheit 22.
  • Die Pixel-Arrayeinheit 101 enthält eine Vielzahl von Pixeln 100, die jeweils ein Bildgebungselement aufweisen, das eine empfangenem Licht entsprechende Spannung erzeugt. Als das Bildgebungselement kann eine Fotodiode verwendet werden. In der Pixel-Arrayeinheit 101 ist die Vielzahl von Pixeln 100 in einer Matrix in einer horizontalen Richtung (Reihenrichtung) und einer vertikalen Richtung (Spaltenrichtung) angeordnet. In der Pixel-Arrayeinheit 101 wird auf die Anordnung der Pixel 100 in der Reihenrichtung als Zeile verwiesen. Ein Bild (Bilddaten) eines Frames wird basierend auf Pixel-Signalen gebildet, die aus einer vorbestimmten Anzahl von Zeilen in der Pixel-Arrayeinheit 101 gelesen werden. Falls beispielsweise ein Bild eines Frames mit 3000 Pixel × 2000 Zeilen gebildet wird, enthält die Pixel-Arrayeinheit 101 zumindest 2000 Zeilen, die zumindest 3000 Pixel 100 enthalten.
  • Es ist besonders zu erwähnen, dass in der Pixel-Arrayeinheit 101 auf ein Gebiet, das die Pixel 100 enthält, die verwendet werden, um das Bild eines Frames zu bilden, als effektives Pixel-Gebiet verwiesen wird. Darüber hinaus wird in der Pixel-Arrayeinheit 101 auf ein Gebiet, das die Pixel 100 enthält, die nicht genutzt werden, um das Bild eines Frames zu bilden, als ineffektives Pixel-Gebiet verwiesen.
  • Außerdem ist in der Pixel-Arrayeinheit 101 in Bezug auf eine Reihe und eine Spalte jedes Pixels 100 eine Pixel-Signalleitung HCTL mit jeder Reihe verbunden und ist eine vertikale Signalleitung VSL mit jeder Spalte verbunden.
  • Ein Endbereich der Pixel-Signalleitung HCTL, der nicht mit der Pixel-Arrayeinheit 101 verbunden ist, ist mit der vertikalen Scan-Einheit 20 verbunden. Beispielsweise überträgt die vertikale Scan-Einheit 20 eine Vielzahl von Steuerungssignalen wie etwa einen Ansteuerungsimpuls zum Zeitpunkt des Lesens eines Pixel-Signals vom Pixel 100 zur Pixel-Arrayeinheit 101 über die Pixel-Signalleitung HCTL gemäß einem von der Steuerungseinheit 22 bereitgestellten Steuerungssignal. Ein Endbereich der vertikalen Signalleitung VSL, der nicht mit der Pixel-Arrayeinheit 101 verbunden ist, ist mit der horizontalen Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 verbunden.
  • Die horizontale Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 enthält eine Analog-Digital-(AD-)Umwandlungseinheit, eine Ausgabeeinheit und eine Signalverarbeitungseinheit. Das vom Pixel 100 gelesene Pixel-Signal wird über die vertikale Signalleitung VSL zur AD-Umwandlungseinheit der horizontalen Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 übertragen.
  • Die Steuerung des Lesens des Pixel-Signals vom Pixel 100 wird schematisch beschrieben. Das Lesen des Pixel-Signals vom Pixel 100 wird durchgeführt, indem durch Belichtung im Bildgebungselement akkumulierte Ladungen zu einer Floating-Diffusions-(FD-)Schicht übertragen werden und die übertragenen Ladungen in der Floating-Diffusionsschicht in eine Spannung umgewandelt werden. Die durch Umwandeln der Ladungen in der Floating-Diffusionsschicht erhaltene Spannung wird über einen Verstärker an die vertikale Signalleitung VSL abgegeben.
  • Genauer gesagt wird im Pixel 100 während einer Belichtung ein Raum zwischen dem Bildgebungselement und der Floating-Diffusionsschicht in einen Aus-(offenen) Zustand versetzt und werden entsprechend einem einfallenden Licht durch fotoelektrische Umwandlung erzeugte Ladungen im Bildgebungselement akkumuliert. Nachdem die Belichtung abgeschlossen ist, werden die Floating-Diffusionsschicht und die vertikale Signalleitung VSL gemäß einem über die Pixel-Signalleitung HCTL bereitgestellten Auswahlsignal verbunden. Ferner wird die Floating-Diffusionsschicht mit einer Versorgungsleitung einer Stromversorgungsspannung VDD oder einer Schwarzpegelspannung in einer kurzen Zeitspanne gemäß einem Rücksetzimpuls verbunden, der über die Pixel-Signalleitung HCTL bereitgestellt wird, und wird die Floating-Diffusionsschicht zurückgesetzt. Eine Spannung (worauf als Spannung P verwiesen wird) eines Rücksetzpegels der Floating-Diffusionsschicht wird an die vertikale Signalleitung VSL abgegeben. Danach wird der Raum zwischen dem Bildgebungselement und der Floating-Diffusionsschicht durch einen über die Pixel-Signalleitung HCTL bereitgestellten Transfer- bzw. Übertragungsimpuls eingeschaltet (geschlossen) und werden die im Bildgebungselement akkumulierten Ladungen zur Floating-Diffusionsschicht übertragen. Eine der Ladungsmenge der Floating-Diffusionsschicht entsprechende Spannung (worauf als Spannung Q verwiesen wird) wird an die vertikale Signalleitung VSL abgegeben.
  • In der horizontalen Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 enthält die AD-Umwandlungseinheit einen für jede vertikale Signalleitung VSL vorgesehenen AD-Wandler, wird das über die vertikale Signalleitung VSL vom Pixel 100 bereitgestellte Pixel-Signal durch den AD-Wandler einer AD-Umwandlungsverarbeitung unterzogen und werden zwei digitale Werte (Werte, die der Spannung P bzw. der Spannung Q entsprechen) für eine Verarbeitung einer korrelierten Doppelabtastung (CDS) zum Reduzieren von Rauschen erzeugt.
  • Die beiden, durch den AD-Wandler erzeugten digitalen Werte werden durch die Signalverarbeitungseinheit einer CDS-Verarbeitung unterzogen, und ein Pixel-Signal (Pixel-Daten) entsprechend einem digitalen Signal wird erzeugt. Die erzeugten Pixel-Daten werden von der Bildgebungseinheit ausgegeben.
  • Unter der Steuerung der Steuerungseinheit 22 führt die horizontale Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 einen selektiven Scan-Vorgang bzw. ein selektives Scannen zum Auswählen der AD-Wandler für die jeweiligen vertikalen Signalleitungen VSL in einer vorbestimmten Reihenfolge durch, wodurch die jeweiligen digitalen Werte, die in den jeweiligen AD-Wandlern vorübergehend gespeichert werden, sequentiell zur Signalverarbeitungseinheit ausgegeben werden. Die horizontale Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 realisiert diese Operation durch eine Konfiguration, die zum Beispiel ein Schieberegister, einen Adressdecodierer und dergleichen enthält.
  • Die Steuerungseinheit 22 führt beispielsweise eine Steuerung für die Ansteuerung der vertikalen Scan-Einheit 20, der horizontalen Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 und dergleichen entsprechend einem Steuerungssignal von der Gesamt-Steuerungseinheit 16 durch. Die Steuerungseinheit 22 erzeugt verschiedene Ansteuerungssignale, die als Referenzen für Operationen der vertikalen Scan-Einheit 20 und der horizontalen Scan-/AD-Umwandlungseinheit 21 dienen. Die Steuerungseinheit 22 erzeugt ein Steuerungssignal, das die vertikale Scan-Einheit 20 über die Pixel-Signalleitung HCTL basierend auf einem vertikalen Synchronisationssignal oder einem externen Trigger-Signal, das von au-ßen (zum Beispiel der Steuerungseinheit 22) bereitgestellt wird, und einem horizontalen Synchronisationssignal jedem Pixel 100 bereitstellt. Die Steuerungseinheit 22 stellt das erzeugte Steuerungssignal der vertikalen Scan-Einheit 20 bereit.
  • Basierend auf dem von der Steuerungseinheit 22 bereitgestellten Steuerungssignal stellt die vertikale Scan-Einheit 20 verschiedene Signale einschließlich des Ansteuerungsimpulses der Pixel-Signalleitung HCTL der ausgewählten Pixel-Reihe der Pixel-Arrayeinheit 101 zu jedem Pixel 100 Zeile für Zeile bereit und veranlasst, dass jedes Pixel 100 das Pixel-Signal an die vertikale Signalleitung VSL abgibt. Die vertikale Scan-Einheit 20 ist unter Verwendung beispielsweise eines Schieberegisters, eines Adress-Decodierers und dergleichen konfiguriert.
  • Die wie oben beschrieben konfigurierte Bildgebungseinheit ist ein Bildsensor aus einem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) eines Spalten-AD-Systems, in welchem AD-Wandler für jede Spalte angeordnet sind.
  • (2-3. Schaltungsbeispiel eines Pixels, das für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltung eines Beispiels eines Pixels veranschaulicht, das für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. In 3 enthält das Pixel 100 eine Ladungshalteeinheit 102, MOS-Transistoren 103a bis 103d und eine Einheit zur fotoelektrischen Umwandlung bzw. fotoelektrische Umwandlungseinheit 121. Eine Anode der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 ist geerdet, und deren Kathode ist mit einer Source des Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS-)Transistors 103a verbunden. Ein Drain des MOS-Transistors 103a ist mit einer Source des MOS-Transistors 103b, einem Gate des MOS-Transistors 103c und einem Ende der Ladungshalteeinheit 102 verbunden. Das andere Ende der Ladungshalteeinheit 102 ist geerdet.
  • Drains der MOS-Transistoren 103c und 103b sind gemeinsam mit einer Stromversorgungsleitung Vdd verbunden, und eine Source des MOS-Transistors 103c ist mit dem Drain des MOS-Transistors 103d verbunden. Eine Source des MOS-Transistors 103d ist mit einer Ausgangssignalleitung OUT verbunden. Gates der MOS-Transistoren 103a, 103b und 103d sind mit einer Transfer- bzw. Übertragungssignalleitung TR, einer Rücksetzsignalleitung RST bzw. einer Auswahlsignalleitung SEL verbunden.
  • Es wird betont, dass die Übertragungssignalleitung TR, die Rücksetzsignalleitung RST und die Auswahlsignalleitung SEL die Pixel-Signalleitung HCTL bilden. Ferner ist die Ausgangssignalleitung OUT mit der vertikalen Signalleitung VSL verbunden. Die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 erzeugt Ladung entsprechend dem empfangenen Licht durch fotoelektrische Umwandlung. Eine Fotodiode kann als die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 verwendet werden. Darüber hinaus bilden die Ladungshalteeinheit 102 und die MOS-Transistoren 103a bis 103d eine Pixel-Schaltung.
  • Der MOS-Transistor 103a ist ein Transistor, der eine durch fotoelektrische Umwandlung der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 erzeugte Ladung zur Ladungshalteeinheit 102 überträgt. Die Übertragung der Ladung im MOS-Transistor 103a wird durch ein mittels der Übertragungssignalleitung TR übertragenes Signal gesteuert.
  • Die Ladungshalteeinheit 102 ist ein Kondensator, der die durch den MOS-Transistor 103a übertragene Ladung hält. Der MOS-Transistor 103c ist ein Transistor, der ein Signal basierend auf der in der Ladungshalteeinheit 102 gehaltenen Ladung erzeugt. Der MOS-Transistor 103d ist ein Transistor, der ein durch den MOS-Transistor 103c erzeugtes Signal an die Ausgangssignalleitung OUT als Bildsignal abgibt. Der MOS-Transistor 103d wird durch ein mittels der Auswahlsignalleitung SEL übertragenes Signal gesteuert.
  • Der MOS-Transistor 103b ist ein Transistor, der die Ladungshalteeinheit 102 zurücksetzt, indem die in der Ladungshalteeinheit 102 gehaltene Ladung zur Stromversorgungsleitung Vdd entladen wird. Die Rücksetzung durch den MOS-Transistor 103b wird durch ein mittels der Rücksetzsignalleitung RST übertragenes Signal gesteuert, und wird ausgeführt, bevor die Ladung durch den MOS-Transistor 103a übertragen wird. Zum Zeitpunkt dieser Rücksetzung kann die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 auch zurückgesetzt werden, indem man ermöglicht, dass der MOS-Transistor 103a leitend ist. Auf diese Weise wandelt die Pixel-Schaltung die durch die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 erzeugte Ladung in ein Bildsignal um.
  • Es wird betont, dass in der folgenden Beschreibung in einem Fall, in dem es nicht notwendig ist, die MOS-Transistoren 103a bis 103d zu unterscheiden, der MOS-Transistor 103 als repräsentativ für die Beschreibung verwendet wird.
  • (2-4. Beispiel eines optischen Filters eines Pixels, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird ein Beispiel eines optischen Filters des Pixels beschrieben, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. Die erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann hier für eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung verwendet werden, in der zumindest einige der Vielzahl von in der Bildgebungseinheit 10 enthaltenen Pixeln 100 Licht mit einer Wellenlänge empfangen, die länger als eine Wellenlänge in einem Bereich sichtbaren Lichts ist.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Pixel-Arrays veranschaulicht, das für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. In einer Sektion bzw. einem Bereich (a) von 4 sind Pixel 100W wiederholt angeordnet, die jeweils Filter 122W (Weißfilter) enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie mit einem Durchlässigkeitsgrad eines bestimmten Niveaus oder höher sichtbares Licht und Infrarotlicht durchlassen.
  • Ein Bereich (b) von 4 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel des Pixels 100W veranschaulicht. Es wird betont, dass das Pixel 100W auch einen Effekt erzielen kann, der jenem in einem Fall äquivalent ist, in dem der Filter 122W bereitgestellt wird, nicht aber der optische Filter bereitgestellt wird. Unter Kostengesichtspunkten ist es wünschenswert, dass kein optischer Filter vorhanden ist, und der Filter 122W kann für andere Zwecke wie etwa eine Eliminierung eines Schritts oder eines optischen Designs unter Ausnutzung eines Brechungsindex bereitgestellt werden.
  • In einem Bereich (c) von 4 sind beispielsweise Pixel 100IR wiederholt angeordnet, die jeweils Filter 122IR (hier im Folgenden IR-Filter) enthalten, die konfiguriert sind, um zu ermöglichen, dass Infrarotlicht selektiv dort durchgelassen wird. Mit dieser Anordnung kann Rauschen von externem Licht im Bereich von sichtbarem Licht abgeschirmt werden und kann ein SN-Verhältnis verbessert werden.
  • Ein Bereich (d) von 4 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel des Pixels 100IR veranschaulicht. Der Filter 122IR kann beispielsweise ein organisches Material sein, das ein Pigment oder einen Farbstoff enthält, und beispielsweise kann ein in Patentliteratur 4 bekanntes organisches Material verwendet werden. Der Filter 122IR kann ein Bandpassfilter mit einem schmalen Band sein, der an eine Wellenlänge eines spezifischen Infrarotlichts einer Lichtquelleneinheit anstelle eines weiten Bereichs von Infrarotlicht angepasst ist. Durch Ausrichten bzw. Anpassen des Transmissionsspektrums eines Filters mit einer Lichtquellen-Wellenlänge kann Rauschen von externem Licht abgeschirmt werden und kann das SN-Verhältnis verbessert werden.
  • Der Filter 122IR kann bereitgestellt werden, indem zwei verschiedene Arten von Pigmenten und Farbstoffen enthaltende organische Materialien gestapelt werden. Als ein Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein Blaufilter, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht in einem blauen Wellenlängenbereich dort durchgelassen wird, und ein Rotfilter, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht in einem roten Wellenlängenbereich dort durchgelassen wird, gestapelt und verwendet werden.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel von Kennlinien bzw. Charakteristiken in einem Fall veranschaulicht, in dem der Blaufilter und der Rotfilter gestapelt und verwendet werden, was für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. In 5 veranschaulicht ein Bereich (a) ein Beispiel einer Wellenlängenabhängigkeit von einer Quanteneffizienz (QE) für sowohl den Rotfilter (Charakteristiklinie 80) als auch den Blaufilter (Charakteristiklinie 81). Außerdem veranschaulicht ein Bereich (b) ein Beispiel (Charakteristiklinie 82) der Wellenlängenabhängigkeit von QE in einem Fall, in dem der Rotfilter und der Blaufilter mit den im Bereich (a) veranschaulichten Charakteristiken gestapelt sind.
  • Im Beispiel von 5 liegt das Transmissionsspektrum, das für ein gemeinsames Basisharz charakteristisch ist, im Infrarotbereich, der den Wellenlängenbereich von 780 [nm] bis 1000 [nm] umfasst. Selbst wenn der Blaufilter und der Rotfilter gestapelt sind, wird daher Licht im gemeinsamen Wellenlängenbereich leicht durchgelassen, und in den jeweiligen Materialien enthaltene verschiedene Pigmente wirken im Bereich des sichtbaren Lichts und absorbieren komplementär. Das heißt, die gestapelten Filter ermöglichen, dass Infrarotlicht selektiv dort durchgelassen wird.
  • Es wird betont, dass die Kombination der gestapelten Filter nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist und beispielsweise Filter in einer Komplementärfarbenbeziehung wie etwa Cyan und Rot, Magenta und Grün und Gelb und Blau kombiniert werden können, um sichtbares Licht zu absorbieren.
  • Es wird betont, dass hier im Folgenden auf das den IR-Filter enthaltende Pixel 100IR als IR-Pixel verwiesen werden kann. Überdies kann auf das Pixel 100, das einen optischen Filter enthält, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht im Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht wie etwa Rot, Grün und Blau selektiv dort durchgelassen wird, als Pixel für sichtbares Licht verwiesen werden.
  • [3. Bestehende Technologie]
  • Vor der Beschreibung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung wird als Nächstes, um das Verständnis zu erleichtern, eine bestehende Technologie schematisch beschrieben. Im Pixel 100 ist die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 in einem Silizium-(Si-)Substrat ausgebildet. Da Si ein Halbleiter vom indirekten Übergangstyp ist und eine Bandlücke von 1,1 [eV] aufweist, weist es eine Empfindlichkeit für eine Wellenlänge von Strahlen im nahen Infrarot mit einer Wellenlänge von etwa 1,1 [pm] gegenüber einer Wellenlänge in einem Bereich sichtbaren Lichts auf. Auf der anderen Seite ist aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Lichtabsorptionskoeffizienten von Si der Lichtabsorptionskoeffizient pro Dickeneinheit umso kleiner, je länger die Wellenlänge ist, sodass ein Großteil von Photonen von langwelligem Licht, das auf eine Si-Schicht fällt, durch die Si-Schicht durchgelassen wird.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Filmdickenabhängigkeit eines Absorptionsratenspektrums von Si veranschaulicht. In 6 wird die durch jede charakteristische Linie angegebene Filmdicke oben rechts beschrieben. Wie in 6 veranschaulicht ist, beträgt beispielsweise im Fall eines Festkörper-Bildgebungselements, in dem die Dicke einer Si-Schicht als Lichtabsorptionsschicht 3 [pm] beträgt, die Lichtabsorptionseffizienz bei einer Wellenlänge λ von 650 [nm] etwa 57 [%], beträgt die Lichtabsorptionseffizienz bei einer Wellenlänge λ von 940 [nm] etwa 5 [%] und gehen die meisten Photonen durch die Si-Schicht hindurch. Um ein Festkörper-Bildgebungselement mit einer hohen Empfindlichkeit für Infrarotlicht zu realisieren, ist daher als effektives Verfahren bekannt, die Dicke der Si-Schicht zu erhöhen.
  • 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Absorptionsrate und einer Si-Filmdicke für zwei Wellenlängen (850 [nm], 940 [nm]) veranschaulicht. Wie in 7 veranschaulicht ist, kann man sehen, dass für beide Wellenlängen die Absorptionsrate mit zunehmender Si-Filmdicke zunimmt.
  • Um die Empfindlichkeit für Licht mit einer langen Wellenlänge zu verbessern, wird ein Verfahren zum Erhöhen der Dicke der Si-Schicht in Betracht gezogen. Im Fall einer Erhöhung der Dicke der Si-Schicht ist es jedoch notwendig, eine Implantation mit hoher Energie durchzuführen, um ein gewünschtes Verunreinigungs- bzw. Störstellenprofil zu implementieren, was die Schwierigkeiten bei der Herstellung und die Kosten erhöht. Außerdem kann eine Zunahme der Defekte im Kristall aufgrund einer Erhöhung der Dicke der Si-Schicht eine Verschlechterung in den Dunkelzeiteigenschaften wie etwa eine Zunahme des Dunkelstroms und eine Erzeugung von weißen Flecken verursachen. Wenn das Verhältnis der Dicke des Lichtempfangselements zur Pixel-Größe zunimmt, ist darüber hinaus eine Verbesserung von Maßnahmen zur Elementtrennung gegen eine Farbmischungskomponente eines Si-Hauptvolumens in der Si-Schicht erforderlich, nimmt der Schwierigkeitsgrad der Verarbeitung zu, nimmt die Anzahl an Prozessen zu und besteht die Gefahr, dass eine Kostensteigerung und eine Verschlechterung der Dunkelzeiteigenschaften verursacht werden.
  • Als ein Verfahren, um eine hohe Empfindlichkeit für Licht auf der langwelligen Seite im Lichtempfangselement zu erhalten, wurde daher eine Struktur vorgeschlagen (zum Beispiel Patentliteratur 2), bei der eine reflektierende Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche des Elements vorgesehen ist. Außerdem wurde eine Struktur vorgeschlagen, bei der ein Muster einer periodischen Unebenheit auf der Lichtempfangsoberfläche vorgesehen ist, um eine optische Weglänge von gebeugtem Licht hoher Ordnung zu verlängern, ein Muster einer periodischen Unebenheit auf der Substratoberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche in Bezug auf Licht nullter Ordnung ebenfalls vorgesehen und die optische Weglänge durch ein Beugungsphänomen einer reflektierten Welle verlängert wird (zum Beispiel Patentliteratur 3).
  • Eine Struktur, in der durch die Si-Schicht durchgelassenes Licht zur Si-Schicht wie in Patentliteratur 2 oder Patentliteratur 3 beschrieben zurückgeführt wird, erhöht eine Reflexionskomponente vom Lichtempfangselement, und Streulicht kann in einem aufgenommenen Bild auftreten. Beispielsweise wird innerhalb des Lichtempfangselements reflektiertes Licht zur Seite der Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselements emittiert, wird das emittierte Licht ferner durch einen optischen Filter, eine Hauptlinse oder dergleichen reflektiert, die auf der Seite einer Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselements vorgesehen sind, und fällt dieses auf ein anderes Lichtempfangselement, was Streulicht verursacht.
  • Mit Verweis auf 8 und 9 wird das Auftreten von Streulicht aufgrund von innerhalb des Lichtempfangselements reflektiertem Licht beschrieben. 8 ist ein schematisches Diagramm, das einen Querschnitt eines Lichtempfangselements gemäß der bestehenden Technik in einer Richtung senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche schematisch veranschaulicht. In 8 ist im Pixel 100 eine On-Chip-Linse 123 auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche in Bezug auf eine Silizium-(Si-)Schicht (eine Halbleiterschicht 140) vorgesehen, worin die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 ausgebildet ist, und eine Verdrahtungsschicht 150 ist auf der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche vorgesehen. Darüber hinaus ist im Pixel 100 eine Elementtrenneinheit 124 mit einer Grabenstruktur bei einem Grenzbereich mit einem anderen benachbarten Pixel 100 vorgesehen. Überdies weist das Pixel 100 einen bei einem Grenzbereich mit einem anderen benachbarten Pixel 100 vorgesehenen Antireflexionsfilm 125 in Bezug auf die Lichtempfangsoberfläche auf.
  • Betrachtet wird ein Fall, in dem externes Licht 33 von einer Lichtquelle mit hoher Luminanz wie etwa Sonnenlicht auf das Pixel 100 mit solch einer Struktur einfällt. Im Allgemeinen wird in einem Fall, in dem Licht von einem Medium mit einem Brechungsindex n0 senkrecht auf ein Medium mit einem Brechungsindex n1 einfällt, ein Reflexionsgrad R an einer Grenzfläche durch die folgende Gleichung (1) formuliert. Gemäß Gleichung (1) kann man sehen, dass an einer Grenzfläche mit einem großen Unterschied im Brechungsindex Reflexion leicht auftritt. R = ( n 0 − n 1 ) 2 / ( n 0 + n 1 ) 2
    Figure DE112021006798T5_0001
  • Im Fall einer Festkörper-Bildgebungsvorrichtung vom Typ mit rückseitiger Bestrahlung nimmt ein Unterschied im Brechungsindex an den folgenden drei Arten von Grenzflächen zu.
    1. (a) Oberfläche einer On-Chip-Linse
    2. (b) Oberfläche eines Siliziumsubstrats auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche
    3. (c) Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche eines Siliziumsubstrats.
  • Unter dem Gesichtspunkt einer Streulichtunterdrückung ist es wünschenswert, ein Antireflexionsdesign auf irgendeine der oben beschriebenen Grenzflächen (a), (b) und (c) aufzubringen. Als ein Beispiel eines Antireflexionsdesigns wird ein Antireflexionsfilm auf einer Grenzfläche eines Materials mit einem niedrigen Brechungsindex mit einer Filmdicke gemäß der X/(4n)-Regel ausgebildet. Die obigen (a) und (b) sind unter dem Gesichtspunkt einer höheren Empfindlichkeit zusätzlich zur Unterdrückung eines Streulichts vorteilhaft.
  • In Bezug auf die Grenzfläche (c) ist es jedoch, da Licht aus einer fotoelektrischen Umwandlungseinheit entweicht, unter dem Gesichtspunkt einer hohen Empfindlichkeit wünschenswert, das entweichende Licht zurück zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit zu reflektieren. Auf der anderen Seite ist das Antireflexionsdesign der Grenzfläche (c) unter dem Gesichtspunkt des Streulichts wünschenswert und stehen das Streulicht und die Empfindlichkeit in einem Zielkonfliktverhältnis.
  • 9 ist ein schematisches Diagramm, das das Auftreten von Streulicht aufgrund von reflektiertem und gebeugtem Licht, das vom Pixel 100 emittiert wird, gemäß der bestehenden Technologie veranschaulicht. Wenn einfallendes Licht 30 von einer Lichtquelle mit hoher Luminanz in einem Bildkreis einer Modullinse zum Zeitpunkt einer Fotoaufnahme reflektiert wird, erzeugt Licht mit einer Wellenlänge λ gebeugtes Licht, das unter einem Winkel θ intensiviert bzw. verstärkt wird, der die folgende Gleichung (2) erfüllt, falls eine Pixel-Abstandsperiode oder eine Array-Periode eines Farbfilters als d definiert ist und die Ordnung n des gebeugten Lichts als eine ganze Zahl 0, ±1, ±2 und so weiter definiert ist. In der Festkörper-Bildgebungsvorrichtung wird, da Pixel in einem zweidimensionalen Gittermuster angeordnet sind und ein zweidimensionales periodisches Muster ausgebildet ist, die Ordnung des gebeugten Lichts auch in zwei Dimensionen dargestellt. d × sin θ = n λ
    Figure DE112021006798T5_0002
  • Reflektiertes und gebeugtes Licht von der Festkörper-Bildgebungsvorrichtung, das auf diese Weise verstärkt wurde, wird durch ein optisches Bauteil 45 wie etwa einen Bandpassfilter reflektiert, der auf der Lichteinfallsseite der Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gelegen ist, und fällt wieder auf die Pixel-Arrayeinheit 101, um als Streulicht reflektiert zu werden.
  • In einem Fall beispielsweise, in dem das optische Bauteil 45, bei dem es sich um einen Bandpassfilter handelt, aus einem laminierten Film einer Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes gebildet ist, tritt Streulicht aufgrund von Licht nahe einer Cutoff-Wellenlänge in einer Punkt- bzw. Fleckform aufgrund einer Abweichung der Cutoff-Wellenlänge in Richtung einer kurzwelligen Seite infolge eines schrägen Einfalls auf. Beispielsweise wird angenommen, dass eine Wellenlänge A 940 [nm] beträgt, eine Pixel-Periode d 3 [pm] beträgt und ein Abstand zwischen dem optischen Bauteil 45, bei dem es sich beispielsweise um einen Bandpassfilter handelt, und der Festkörper-Bildgebungsvorrichtung 1 [mm] beträgt. In diesem Fall wird gebeugtes Licht erster Ordnung unter dem Winkel von 18,3° erzeugt und wird gebeugtes Licht zweiter Ordnung unter dem Winkel von 38,8° erzeugt. Durch erneute Reflexion des optischen Bauteils 45 wird ein Fleck 41a erster Ordnung an einer Position etwa 660 [pm] von einem Lichtquellenbild 40 erzeugt und wird ein zweiter Fleck 41b zweiter Ordnung an einer Position 1608 [pm] vom Lichtquellenbild 40 erzeugt.
  • Auf der anderen Seite ändert sich in einem Fall, in dem ein Bandpassfilter vom Absorptionstyp als Grenzfläche dient, oder in einem Fall, in dem die untere Oberfläche einer Modullinse als reflektierende Oberfläche ohne Einbeziehung eines Bandpassfilters dient, ein Beugungswinkel für jede Wellenlänge und tritt radial vom Lichtquellenbild 40 strichartiges (engl.: streaklike) Streulicht auf.
  • Beispielsweise wird in einer in einem Smartphone genutzten Funktion zur Gesichtsauthentifizierung Infrarotlicht in Richtung einer Nutzerseite emittiert, wird reflektiertes Licht durch das Festkörper-Bildgebungselement entsprechend Strahlen im nahen Infrarot empfangen, wird ein Merkmal eines Gesichts extrahiert und wird das Gesicht mit registrierten Nutzerinformationen verglichen, um zu bestimmen, ob der Nutzer die Person selbst ist. Der Authentifizierungsvorgang wird auch im Freien durchgeführt.
  • Als ein Beispiel wird ein Fall betrachtet, bei dem eine Lichtquelle mit hoher Luminanz wie etwa Sonnenlicht im Hintergrund vorhanden ist, wenn das Gesicht eines Nutzers mittels eines im Smartphone vorgesehenen Sensors in einem Zustand aufgenommen wird, in dem das Smartphone nach oben gerichtet bzw. orientiert ist.
  • 10 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines entsprechend dem einfallenden Licht 30 von einer Lichtquelle mit hoher Luminanz gebildeten Streulichts veranschaulicht. Ein Bereich (a) veranschaulicht ein Beispiel eines normalen Authentifizierungsbildes 50a der Gesichtsauthentifizierung im Smartphone. Man kann sehen, dass ein zu authentifizierendes Gesicht 51 im Authentifizierungsbild 50a deutlich enthalten ist. Die Bereiche (b) und (c) veranschaulichen Beispiele von Bildern 52a und 52b, die nur ein Bild 53 der Sonne zeigen, um das Phänomen von Streulicht zu verstehen. Im Gegensatz zum ursprünglichen Bild 53 der Sonne, die im Bild 52a enthalten ist, das im Bereich (b) veranschaulicht ist, werden zahllose Punkte bzw. Flecken und allgemeine Ausgabe-Schwebekörper (engl.: output floats) um das Bild 53 der Sonne herum reflektiert, die eine Lichtquelle mit hoher Luminanz ist. Bei den Flecken 54 und Ausgabe-Schwebekörpern für die Lichtquelle mit hoher Luminanz handelt es sich um ein als Streulicht bezeichnetes Phänomen. Ein Bereich (d) veranschaulicht ein Beispiel eines Authentifizierungsbildes 50b, worin Sonnenlicht im Hintergrund des Gesichts 51 vorhanden ist und Streulicht auf dem Gesicht 51 reflektiert wird, wenn das Gesicht 51 des Nutzers in einem Zustand aufgenommen wird, in dem das Smartphone nach oben gerichtet ist.
  • Wie oben beschrieben wurde, besteht die Möglichkeit, dass das von der Lichtquelle mit hoher Luminanz stammende Streulicht, das innerhalb der Festkörper-Bildgebungsvorrichtung oder dergleichen reflektiert wird, durch das optische Bauteil 45 wie etwa die Hauptlinse oder den Filter oder die reflektierende Oberfläche eines Smartphone-Gehäuses oder dergleichen erneut bzw. zurückreflektiert wird und dieses als Geisterkomponente wie etwa Streulicht im Bildgebungsgebiet des Gesichts 51 des Objekts reflektiert wird. Dieses Streulicht kann einen Authentifizierungsfehler verursachen und den Komfort der Authentifizierungsfunktion des Smartphones beeinträchtigen.
  • Dieses Problem stellt ein Zielkonfliktverhalten der Eigenschaften dar, das heißt, „falls die Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche mit einer Reflexionsfunktion für eine hohe Empfindlichkeit versehen ist, verschlechtert sich Streulicht“ im Lichtempfangselement und dass „die Empfindlichkeit abnimmt, wenn eine Absorptionsfunktion auf der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche vorgesehen ist, um Streulicht zu unterdrücken“.
  • Als ein Mittel zum Lösen dieses Zielkonfliktverhaltens der Eigenschaften wird eine Struktur vorgeschlagen, bei der in einem in einer Festkörper-Bildgebungsvorrichtung enthaltenen Lichtempfangselement eine Reflexionsstruktur auf einer Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche vorgesehen wird, eine Lochblende zwischen einer On-Chip-Linse und einem Substrat (Si-Schicht) vorgesehen wird und von der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche reflektiertes Licht in der Si-Schicht eingeschlossen wird (zum Beispiel Patentliteratur 1).
  • Wenn jedoch die Beugungsgleichung nach Fraunhofer mit einer Wellenlänge λ, einem Brechungsindex n eines Mediums, einer Brennweite f und einer Linsengröße D entwickelt wird, spreizt bzw. dehnt sich eine Strahltaille ω0 eines durch eine Linse gebündelten Lichts proportional zur Wellenlänge λ gemäß einer physikalischen Regel der folgenden Gleichung (3) aus, und somit ist es schwierig, Infrarotlicht so zu verengen, dass es durch einen von einer Lochblende gebildeten Öffnungsbereich gelangt. ω 0 = 1,22  f λ /nd
    Figure DE112021006798T5_0003
  • Darüber hinaus besteht in einem Fall, in dem ein Pfad für Übersprechen zwischen der Si-Schicht und der Lochblende wie in der Patentliteratur 1 vorliegt, auch die Möglichkeit, dass einfallendes Licht 30 in ein benachbartes Pixel leckt, was eine Verschlechterung der Auflösung zur Folge hat.
  • [4. Erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung]
  • Als Nächstes wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
  • (4-0. Grundstruktur eines Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform)
  • (4-0-1. Pixelstrukturbeispiel gemäß einer ersten Ausführungsform)
  • Eine Struktur eines Pixels gemäß der ersten Ausführungsform wird mit Verweis auf 11A und 11B beschrieben. 11A und 11B sind Querschnittsansichten, die eine Konfiguration eines Beispiels des Pixels gemäß der ersten Ausführungsform in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche veranschaulichen. 11A ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels eines Pixels 100a veranschaulicht, das im effektiven Pixel-Gebiet in der Pixel-Arrayeinheit 101 gemäß der ersten Ausführungsform enthalten ist. Darüber hinaus ist 11B ein Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem ein Lichtabschirmungsfilm 130, der außerhalb der Pixel-Arrayeinheit 101 vorgesehen ist, mit dem Halbleitersubstrat 140 gemäß der ersten Ausführungsform geerdet ist. Es wird betont, dass jede der 11A und 11B als eine Querschnittsansicht veranschaulicht ist, die einen Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche veranschaulicht.
  • 11A veranschaulicht ein Beispiel eines Pixels in einer Festkörper-Bildgebungsvorrichtung vom Typ mit rückseitiger Bestrahlung, bei der die Seite der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 nach oben orientiert ist, um On-Chip-Linsen 123a zu bilden, und die Seite der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats 140, auf der die später zu beschreibende Verdrahtungsschicht 150 ausgebildet ist, nach unten orientiert ist. Die in 11B veranschaulichte Struktur entspricht ebenfalls der Struktur vom Typ mit rückseitiger Bestrahlung.
  • Das Pixel 100a umfasst das Halbleitersubstrat 140, die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121, den MOS-Transistor 103, den Lichtabschirmungsfilm 130, die On-Chip-Linsen 123a, eine Lochblende 160 (einen Lochbereich), die im Lichtabschirmungsfilm 130 vorgesehen ist, eine Elementtrenneinheit 124a, die Verdrahtungsschicht 150, ein Trägersubstrat 142 und einen Isolierfilm 132. Das Pixel 100a umfasst ferner wünschenswerterweise einen Film 141 mit fester Ladung, den Antireflexionsfilm 125, einen Antireflexionsfilm 126, einen Lichtwellenleiter 133 und dergleichen.
  • Darüber hinaus kann das Pixel 100a eine Beugungs-/Streustruktur 129, eine Reflexionseinheit 151 und dergleichen aufweisen.
  • Das Halbleitersubstrat 140 ist beispielsweise ein Silizium-(Si-)Substrat oder ein Verbindungshalbleitersubstrat wie etwa Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) und enthält die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 und eine Vielzahl von Pixel-Transistoren (zum Beispiel MOS-Transistoren 130a bis 130d) für jedes Pixel 100a.
  • Die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 ist über das gesamte Gebiet in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 140 ausgebildet und als Fotodiode vom Typ mit p-n-Übergang eines ersten Leitfähigkeitstyps, in diesem Beispiel der Zweckmäßigkeit halber ein Halbleitergebiet vom n-Typ, und eines zweiten Leitfähigkeitstyps, in diesem Beispiel eines Halbleitergebiets vom p-Typ, konfiguriert, dass sie sowohl der vorderen als auch der rückseitigen Oberfläche des Substrats zugewandt ist. Das sowohl der vorderen als auch rückseitigen Oberfläche des Substrats gegenüberliegende Halbleitergebiet vom p-Typ dient auch als Lochladungsakkumulationsgebiet, um Dunkelstrom zu unterdrücken. Jedes Pixel 100a ist durch die Elementtrenneinheit 124a getrennt.
  • Der Film 141 mit fester Ladung weist aufgrund eines Dipols von Sauerstoff eine negative feste Ladung auf, kann so vorgesehen sein, dass er mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 in Kontakt ist, und spielt eine Funktion beim Verstärken des Pinning der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121.
  • Der Film 141 mit fester Ladung kann aus beispielsweise einem Oxid oder Nitrid gebildet werden, das Hafnium, Aluminium (Al), Zirkonium, Thallium (Ta) und/oder Titan (Ti) enthält. Der Film 141 mit fester Ladung kann auch aus einem Oxid oder Nitrid gebildet werden, das Lanthan, Cer, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Thulium, Ytterbium, Lutetium und/oder Yttrium enthält.
  • Ferner kann der Film 141 mit fester Ladung auch aus einem Hafniumoxynitrid oder Aluminiumoxynitrid gebildet werden. Darüber hinaus kann dem Film 141 mit fester Ladung Silizium oder Stickstoff in einer Menge zugesetzt werden, die die Isoliereigenschaften nicht beeinträchtigt. Dementsprechend kann die Wärmebeständigkeit und dergleichen verbessert werden. Es ist wünschenswert, dass der Film 141 mit fester Ladung eine unter Berücksichtigung einer Wellenlänge und eines Brechungsindex gesteuerte Filmdicke aufweist und eine Funktion als Antireflexionsfilm für das Halbleitersubstrat 140 mit einem hohen Brechungsindex hat.
  • Jeder in 3 veranschaulichte MOS-Transistor 103 wird konfiguriert, indem ein Source-Gebiet vom n-Typ und ein Drain-Gebiet in einem auf der Seite der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 ausgebildeten Wannengebiet eines Halbleiters vom p-Typ gebildet wird und eine Gate-Elektrode auf der Substratoberfläche zwischen dem Source-Gebiet und dem Drain-Gebiet über einen Gate-Isolierfilm ausgebildet wird.
  • Der Lichtabschirmungsfilm 130 ist auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 im Pixel 100a vorgesehen, wobei der Film 141 mit fester Ladung, der Isolierfilm 132 und dergleichen dazwischen angeordnet sind, und weist die darin vorgesehene Lochblende 160 (Lochbereich) auf.
  • Der Lichtabschirmungsfilm 130 wird vorzugsweise aus einem Metallfilm wie etwa Al, Wolfram (W) oder Kupfer als Material gebildet, das eine starke lichtabschirmende Eigenschaft aufweist und mittels Feinbearbeitung wie etwa Ätzen genau prozessiert werden kann. Außerdem kann der Lichtabschirmungsfilm 130 aus Silber, Gold, Platin, Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Ti, Nickel (Ni), Eisen, Tellur oder dergleichen und einer dieser Metalle enthaltenden Legierung gebildet werden. Ein Barrierenmetall mit einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt wie etwa Ti, Ta, W, Kobalt (Co), Mo, einer Legierung davon, einem Nitrid davon, einem Oxid davon oder einem Carbid davon kann zwischen dem Lichtabschirmungsfilm 130 und einer Schicht in Kontakt mit dem Lichtabschirmungsfilm 130 vorgesehen werden. Indem man das Barrierenmetall vorsieht, kann eine Haftung an der Schicht in Kontakt mit dem Barrierenmetall verbessert werden.
  • Darüber hinaus kann der Lichtabschirmungsfilm 130 auch als Lichtabschirmung eines Pixels zum Bestimmen eines optischen Schwarzpegels dienen oder kann auch als Lichtabschirmung dienen, um Rauschen in einem peripheren Schaltungsgebiet zu verhindern. Der Lichtabschirmungsfilm 130 ist wünschenswerter so geerdet, dass er durch eine Plasmaschädigung aufgrund akkumulierter Ladungen während einer Bearbeitung nicht zerstört wird. Eine Erdungsstruktur des Lichtabschirmungsfilms 130 kann im Pixel-Array ausgebildet werden; die Erdungsstruktur kann aber außerhalb des effektiven Pixel-Gebiets wie etwa des Pixels 100 oder des Pixels zum Bestimmen des Schwarzpegels vorgesehen werden, nachdem all die Lichtabschirmungsfilme 130 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Schädigung der Oberflächenschicht auf der Lichtempfangsseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 bei einer Bearbeitung kann vermieden werden, indem die Erdungsstruktur außerhalb des effektiven Pixel-Gebiets vorgesehen wird.
  • Die On-Chip-Linse 123a besteht aus Silizium als Material und fokussiert einfallendes Licht von einer Modullinse auf die Lochblende 160 so, dass das einfallende Licht durch den Lichtabschirmungsfilm 130 um die Lochblende 160 herum nicht vignettiert wird. Das durch die Lochblende 160 durch die On-Chip-Linse 123a durchgelassene Licht wird durch die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 fotoelektrisch umgewandelt.
  • Als das in der On-Chip-Linse 123a verwendete Silizium kann amorphes Silizium (hier im Folgenden wird entsprechend α-Si beschrieben) oder polykristallines Silizium verwendet werden. Bei α-Si ist die Struktur des kristallinen Siliziums, das ursprünglich eine Diamantstruktur hat, zufällig und sind Siliziumatome zufällig aneinander gebunden. Obwohl α-Si im Vergleich zu kristallinem Silizium eine thermodynamisch instabile Struktur ist, wird es durch Binden von Wasserstoff an eine freie Bindung zu einem stabilen Festkörper. Außerdem besteht insofern ein Vorteil, als ein Film bei einer niedrigeren Temperatur (zum Beispiel 200°C bis 400°C) als kristallines Silizium gebildet werden kann und ein Film leicht auf einem amorphen Material oder einem Material, das einer hohen Temperatur nicht standhalten kann, gebildet werden kann. Auf der anderen Seite hat polykristallines Silizium eine polykristalline Struktur, in der Kristallkörner von etwa einigen hunderten [nm] dicht aneinander gebunden sind.
  • In 11B ist der Lichtabschirmungsfilm 130 so konfiguriert, dass er den Isolierfilm 132 und den Film 141 mit fester Ladung einem Gebiet 161 durchdringt, so dass er mit dem Halbleitersubstrat 140 in Kontakt ist. Wie oben beschrieben wurde, ist auf der Außenseite der Pixel-Arrayeinheit 101 ein Gebiet vorgesehen, das geerdet werden soll, indem man den Lichtabschirmungsfilm 130 aus Metall das Halbleitersubstrat 140 berühren lässt.
  • 12 ist ein schematisches Diagramm, das einen Brechungsindex und einen Extinktionskoeffizienten von kristallinem Silizium (Si), amorphem Silizium (α-Si) und polykristallinem Silizium (Poly-Si) veranschaulicht. In 12 veranschaulicht ein Bereich (a) eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex und einer Wellenlänge jedes Materials. Ein Bereich (b) veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Extinktionskoeffizienten k und einer Wellenlänge jedes Materials, und ein Bereich (c) veranschaulicht die vertikale Achse (Extinktionskoeffizient k) des Bereichs (b) in vergrößerter Form.
  • Vorzugsweise weist α-Si eine große Absorption in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge im Bereich sichtbaren Lichts auf, weist aber keine Absorption in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich mit einem Extinktionskoeffizienten k von annähernd 0 auf. Obwohl polykristallines Silizium einen Wellenlängenbereich mit dem Extinktionskoeffizienten k von etwa 0,01 im Infrarotbereich aufweist, weist es eine extrem geringe Absorption auf und kann ebenso als Linse genutzt werden.
  • Gemäß der theoretischen Berechnung nach der durch die oben beschriebene Gleichung (3) dargestellten Beugungsgleichung nach Fraunhofer nimmt mit zunehmendem Brechungsindex n die Strahltaille ω0 umgekehrt proportional ab. Der Brechungsindex n von Silizium im nahen Infrarotbereich beträgt hier etwa n = 3,4 bis 3, 8 .
  • Auf der anderen Seite umfassen Beispiele eines typischen organischen Materials, das im Allgemeinen als Material der On-Chip-Linse 123a verwendet wird, ein Harz auf Styrol-Basis, ein Harz auf Acryl-Basis, ein Harz auf Styrol-Acryl-Copolymer-Basis, ein Harz auf Siloxan-Basis und dergleichen. Diese organischen Materialien haben im Allgemeinen einen Brechungsindex n von etwa n = 1,45 bis 1,6. Alternativ dazu ist der Brechungsindex n eines typischen anorganischen Materials, das als Material einer On-Chip-Linse verwendet wird, n = etwa 1,8 bis 1,9 für einen Siliziumnitrid-Film (SiN) und n = etwa 1,45 für SiO2.
  • Der Brechungsindex n von Silizium ist viel höher als der Brechungsindex n dieser allgemeinen Materialien der On-Chip-Linse 123a. Indem man als das Material der On-Chip-Linse 123a Silizium (α-Si, Si, Poly-Si) verwendet, kann daher im Vergleich zur Strahltaille ω0 durch die On-Chip-Linse 123a, die das allgemeine organische Material und anorganische Material nutzt, die oben beschrieben wurden, die Strahltaille ω0 in Bezug auf das Einfallslicht 30 verengt werden.
  • 13 und 14 sind schematische Diagramme, die Beispiele von Lichtintensitätsverteilungen der On-Chip-Linsen 123a mit derselben Form veranschaulichen, die mittels einer Wellensimulation erhalten wurden. In 13 und 14 repräsentiert jeweils die vertikale Achse die Tiefe in der Einfallsrichtung und repräsentiert die horizontale Achse die Position in der Breitenrichtung. Außerdem gibt in jeder Zeichnung die Dichte einer Füllung die Lichtintensität an, und je dunkler die Füllung ist, desto höher ist die Lichtintensität.
  • Die Bereiche (a), (b) und (c) in 13 und 14 veranschaulichen Beispiele von Lichtintensitätsverteilungen in einem Fall, in dem die Brechungsindizes n der On-Chip-Linsen 123a n = 1,45, n =1,9 bzw. n = 3,5 sind. Die Bereiche (a) und (b) veranschaulichen Beispiele von Lichtintensitätsverteilungen von SiO2 bzw. SiN, die allgemeine anorganische Materialien sind. Darüber hinaus veranschaulicht der Bereich (c) ein Beispiel einer Lichtintensitätsverteilung bei einer Wellenlänge λ von 940 [nm] von Silizium (α-Si) gemäß der ersten Ausführungsform.
  • 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Brechungsindexabhängigkeit eines Lichtbündelungseffekts in Bezug auf Licht unter einem Einfallswinkel von 0° veranschaulicht. Man kann sehen, dass mit zunehmendem Brechungsindex die Strahltaille ω0 eines Lichtbündelungspunktes immer schmaler wird und sich der Lichtbündelungspunkt der Linsenseite nähert. Gemäß diesem Effekt kann die Lochblende 160 kleiner ausgebildet werden und kann die Höhe der Lichtbündelungsstruktur reduziert werden.
  • 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Brechungsindexabhängigkeit des Lichtbündelungseffekts in Bezug auf schräg einfallendes Licht unter einem Einfallswinkel von 30° veranschaulicht. Ähnlich dem Beispiel von 13 kann man sehen, dass mit zunehmendem Brechungsindex n der On-Chip-Linsen 123a die Strahltaille ω0 des Lichtbündelungspunktes immer schmaler wird und sich der Lichtbündelungspunkt der Linsenseite nähert. Gemäß diesem Effekt kann die Lochblende 160 kleiner ausgebildet werden und kann die Höhe der Lichtbündelungsstruktur reduziert werden. Darüber hinaus wird im Bild nach dem Gesetz von Snell der durch einen schrägen Einfall verursachte Strahlverschiebungsbetrag reduziert. Da das Ansprechverhalten der Strahlverschiebung in Bezug auf einen schrägen Einfall unterdrückt werden kann, kann der Durchmesser der Lochblende 160 am Ende des Blickfeldes in Bezug auf F-Wert-Licht einer Modullinse, worin Licht verschiedener Winkel gemischt wird, weiter reduziert werden.
  • Das Material der On-Chip-Linse 123a ist vorzugsweise in zumindest einem Teil der Lochblende 160 eingebettet. Indem man Lochblende 160 am Lichtbündelungspunkt der On-Chip-Linse 123a vorsieht, ist es möglich, das Licht, das durch die Lichtreflexionseinheit 151, die auf der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 vorgesehen ist, reflektiert oder gestreut wird, innerhalb der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 einzuschließen, während der Empfindlichkeitsverlust des Einfallslichts 30 unterdrückt wird. Infolgedessen ist es möglich, das Streulicht zu unterdrücken, das durch die Reflexionskomponente auf der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 verursacht wird, was mit Verweis auf 8 und 9 beschrieben wurde.
  • 15 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Grundform einer Lochblende veranschaulicht, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. Die Lochblende 160 ist ein im Lichtabschirmungsfilm 130 vorgesehener Lochbereich und ist vorzugsweise an den Spread bzw. die Ausdehnung der Lichtintensitätsverteilung und die zweidimensionale Form bei der Höhenposition des Lichtabschirmungsfilms 130 angepasst. Ein Bereich (a) von 15 veranschaulicht ein Beispiel einer kreisförmigen Lochblende 160a, ein Bereich (b) von 15 veranschaulicht ein Beispiel einer rechteckigen (quadratischen) Lochblende 160b bzw. ein Bereich (c) von 15 veranschaulicht ein Beispiel einer achteckigen Lochblende 160c. Die Form der Lochblende 160 kann basierend auf einer Lichtintensitätsverteilung einer Wellensimulation entworfen bzw. ausgelegt werden oder kann experimentell erhalten werden. Die Form der für die erste Ausführungsform verwendbaren Lochblende 160 ist nicht auf den Kreis, das Rechteck und Achteck, die oben beschrieben wurden, beschränkt.
  • Die On-Chip-Linse 123a kann den Antireflexionsfilm 126 auf der Oberfläche auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche und den Antireflexionsfilm 125 auf der Oberfläche auf der Seite des Halbleitersubstrats 140 aufweisen. Als den Antireflexionsfilm für Silizium wird vorzugsweise zum Beispiel SiN, Titanoxid (TiO2), Al2O3, Ta2O3 oder dergleichen verwendet.
  • Der Isolierfilm 132 ist vorzugsweise zwischen dem Lichtabschirmungsfilm 130 und dem Halbleitersubstrat 140 im Pixel vorgesehen und weist einen großen Brechungsindexunterschied in Bezug auf einen den Antireflexionsfilm 125 bildenden Film mit hohem Brechungsindex, zum Beispiel den Film 141 mit fester Ladung, auf. Ferner wird typischerweise SiO2 für den Isolierfilm 132 verwendet.
  • Die Elementtrenneinheit 124 ist beim Grenzbereich zwischen dem Pixel 100a und einem anderen, dem Pixel 100a benachbarten Pixel 100a vorgesehen, enthält zum Beispiel ein Halbleitergebiet vom p-Typ und trennt elektrisch das Pixel 100a vom benachbarten Pixel 100a. Indem man die Elementtrenneinheit 124 auf diese Weise konfiguriert, ist es möglich, ein Übersprechphänomen aufgrund eines Überrollens von Ladungen (engl.: charge rolling) zu unterdrücken.
  • Darüber hinaus kann, wie mit Verweis auf 11A beschrieben wurde, ein Graben in einem Layout ausgebildet werden, der zumindest einen Teil der Elementtrenneinheit 124, vorzugsweise das Pixel 100a, umgibt und schließt, und können der Film 141 mit fester Ladung und der Isolierfilm 132 im Graben eingebettet werden. Indem man auf diese Weise die Elementtrenneinheit 124 konfiguriert, ist es möglich, zusätzlich zum Überrollen von Ladungen optisches Übersprechen aufgrund eines durch einen Brechungsindexunterschied mit dem Halbleitersubstrat 140 hervorgerufenen Reflexionsphänomens zu unterdrücken.
  • Die Verdrahtungsschicht 150 überträgt ein vom Pixel 100a erzeugtes Bildsignal. Darüber hinaus überträgt die Verdrahtungsschicht 150 ferner ein an die Pixel-Schaltung angelegtes Signal. Konkret bildet die Verdrahtungsschicht 150 jede Signalleitung, jede Stromversorgungsleitung und dergleichen in 2. Eine Verbindungskontaktierung ist zwischen der Verdrahtungsschicht 150 und der Pixel-Schaltung vorgesehen und die Verdrahtungsschicht 150 und die Pixel-Schaltung sind durch das Verbindungskontaktloch verbunden. Darüber hinaus kann die Verdrahtungsschicht 150 aus mehreren Schichten bestehen, und die Schichten der jeweiligen Verdrahtungsschichten, die in der Verdrahtungsschicht 150 enthalten sind, sind ebenfalls durch Verbindungskontaktlöcher verbunden. Die Verdrahtungsschicht 150 kann aus beispielsweise einem Metall wie etwa Al oder Cu gebildet werden. Die Verbindungskontaktierung kann aus beispielsweise einem Metall wie etwa W oder Cu gebildet werden. Für eine Isolierung der Verdrahtungsschicht 150 kann beispielsweise ein Siliziumoxid-Film oder dergleichen genutzt werden.
  • Die Reflexionseinheit 151 ist wünschenswerterweise auf der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 vorgesehen. Die Reflexionseinheit 151 reflektiert das durch die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 durchgelassene Einfallslicht 30 und bewirkt, dass das Einfallslicht wieder auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit fällt. Infolgedessen kann die Empfindlichkeit der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 verbessert werden. Die Reflexionseinheit 151 kann auch als eine Verdrahtung der Verdrahtungsschicht 150 dienen und kann gebildet werden, indem ein großflächiges Muster bzw. eine großflächige Struktur in einem Verdrahtungs-Layout angeordnet wird. In diesem Fall weist das die Reflexionseinheit 151 bildende großflächige Muster vorzugsweise ein Flächenverhältnis von zumindest 50 [%] oder mehr, wünschenswerterweise 75 [%] oder mehr und noch erwünschter 95 [%] oder mehr in einem Gebiet auf, in dem die Lichtintensitätsverteilung vorliegt, wenn die mehrschichtigen Verdrahtungen und die Kontaktlöcher in der Verdrahtungsschicht 150 einander überlappen.
  • Das Trägersubstrat 142 ist ein Substrat, das das Halbleitersubstrat 140 und dergleichen im Herstellungsprozess der Festkörper-Bildgebungsvorrichtung verstärkt und trägt und ist aus beispielsweise Silizium gebildet. Das Trägersubstrat 142 ist durch Plasma-Bonding oder ein Klebstoffmaterial an das Halbleitersubstrat 140 gebondet, um das Halbleitersubstrat 140 und dergleichen zu tragen. Im Trägersubstrat 142 kann darin eine Logikschaltung ausgebildet werden, und es ist möglich, eine Chip-Größe durch vertikales Stapeln verschiedener Funktionen einer peripheren Schaltung durch Ausbilden einer Verbindungskontaktierung zwischen Substraten zu reduzieren.
  • Die Beugungs-/Streustruktur 129 ist an einem Endbereich des Halbleitersubstrats 140 auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 im Pixel 100a vorgesehen. Die Beugungs-/Streustruktur 129 wird von einer Mottenaugenstruktur gebildet, in der eine periodische unebene Struktur an einer Grenzfläche auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 mit der darin ausgebildeten fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 vorgesehen ist.
  • Die Mottenaugenstruktur hat einen Antireflexionseffekt, indem sie einen Unterschied im Brechungsindex an der Lichteinfallsgrenzfläche des Substrats dezent macht. Ferner fungiert die Mottenaugenstruktur auch als Lichtbeugungseinheit, die Licht mit der unebenen Struktur beugt. Konkret kann als die Beugungs-/Streustruktur 129 beispielsweise eine unter Verwendung einer Nassätzung einer Si-(111-)Oberfläche gebildete viereckige Pyramide verwendet werden. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und die Beugungs-/Streustruktur 129 kann mittels Trockenätzung gebildet werden.
  • Auf diese Weise ist es, indem man die Lochblende 160 am Lichtbündelungspunkt der On-Chip-Linse 123a vorsieht, möglich, dass Licht, das durch die auf der Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 vorgesehene Reflexionseinheit 151 reflektiert oder gestreut wird, in der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 einzuschließen, während der Empfindlichkeitsverlust in Bezug auf das Einfallslicht 30 unterdrückt wird. Dementsprechend ist es möglich, das Auftreten von Streulicht oder dergleichen zu unterdrücken, das durch Reflexion des Einfallslichts 30 durch die Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 verursacht wird, was mit Verweis auf 7 und 8 beschrieben wurde.
  • Darüber hinaus fällt ein Teil des Einfallslichts 30 als Licht nullter Ordnung im Pixel 100a in die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 und wird der optische Weg des anderen Teils des Einfallslichts 30 durch die Beugungs-/Streustruktur 129 geändert. Danach fällt der andere Teil des Einfallslichts 30 in die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 als Licht erster Ordnung. Ferner wird der Teil des Lichts, der auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 fällt, durch die Reflexionseinheit 151 reflektiert und erreicht durch die Beugungs-/Streustruktur 129 durchgelassenes Licht als innerhalb des Elements reflektiertes Licht 202 einen Reflexionsfilm 127. Das innerhalb des Elements reflektierte Licht 202 wird durch den Reflexionsfilm 127 reflektiert, und dessen optischer Weg wird durch die Beugungs-/Streustruktur 129 geändert. Danach fällt es in die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121. Zu diesem Zeitpunkt wird durch den Reflexionsfilm 127 mit der Lochblende 160 eine Emission von Licht in der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 aus der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 unterdrückt.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann im Pixel 100a gemäß der ersten Ausführungsform der optische Weg des Einfallslichts 30 in der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 durch die Reflexionseinheit 151, den Reflexionsfilm 127 und die Beugungs-/Streustruktur 129 verlängert werden und kann die Effizienz der fotoelektrischen Umwandlung in der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 verbessert werden.
  • Darüber hinaus kann der Lichtabschirmungsfilm 130 mit der darin vorgesehenen Lochblende 160 einen Beseitigungseffekt für unnötiges Licht liefern. 16 ist ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie in Beseitigungseffekt für unnötiges Licht durch den mit der Lochblende 160 versehenen Lichtabschirmungsfilm 130 gemäß der ersten Ausführungsform erhalten wird. Wie in 16 veranschaulicht ist, wird das externe Licht 33, das auf das Pixel 100a einfallendes externes Streulicht ist, durch den Lichtabschirmungsfilm 130 blockiert und wird dessen Einfall auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 unterdrückt. Darüber hinaus wird eine Emission des externen Lichts 33 durch den Antireflexionsfilm 125 nach außen als reflektiertes Licht ebenfalls unterdrückt.
  • (4-0-2. Beispiel eines Herstellungsverfahrens eines Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform)
  • Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren eines Beispiels des Pixels 100a gemäß der ersten Ausführungsform mit Verweis auf 17A bis 17P beschrieben.
  • Beispielsweise wird eine Struktur bzw. ein Muster mit einem Resist auf der Seite der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrat 140, bei dem es sich um ein Siliziumsubstrat handelt, gebildet, werden ein Wannengebiet 401 vom p-Typ, ein Halbleitergebiet vom n-Typ und dergleichen auf dem Halbleitersubstrat 140 gebildet und werden durch Ionenimplantation die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 und dergleichen gebildet (17A).
  • Auf dem oberen Bereich der Substratoberfläche wird die Verdrahtungsschicht 150 gebildet, die eine Vielzahl von MOS-Transistoren 103, die konfiguriert sind, um in einer Fotodiode akkumulierte Ladungen auszulesen, und eine Vielzahl von aus Al, Cu oder dergleichen gebildeten Schichten enthält, wobei ein Zwischenschicht-Isolierfilm wie etwa ein SiO2-Film dazwischen angeordnet ist (17B).
  • Unter der Vielzahl von in der Verdrahtungsschicht 150 enthaltenen Schichten kann eine dem Halbleitersubstrat 140 am nächsten gelegene Schicht mit einem großflächigen Muster mit einem Flächenverhältnis von 50% oder mehr ausgelegt werden, um die Reflexionseinheit 151 auszubilden. Eine Durchgangskontaktierung wird zwischen der Substratoberfläche und der Verdrahtungsschicht 150 ausgebildet und elektrisch verbunden, um ein Bildgebungselement anzusteuern. Eine Verdrahtung wird im Allgemeinen dreidimensional in mehreren Schichten ausgelegt, und ein Zwischenschicht-Isolierfilm wie etwa ein SiO2-Film wird auf der Verdrahtung laminiert, die Oberfläche einer Verdrahtungsschicht wird durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) zu einer im Wesentlichen flachen Oberfläche gemacht, eine Verdrahtung einer oberen Schicht bzw. eine Oberschicht-Verdrahtung wird darauf ausgebildet, die Oberschicht-Verdrahtung wird mit einer Verdrahtung einer unteren Schicht bzw. Unterschicht-Verdrahtung durch eine Durchgangskontaktierung wiederholt verbunden, und die Verdrahtung mit der ausgelegten Anzahl an Schichten wird wiederholt gebildet.
  • Das Substrat wird umgedreht und durch Plasma-Bonding oder dergleichen an das Trägersubstrat 142 gebondet (17C), und die rückseitige Oberfläche wird unter Verwendung beispielsweise einer Nassätzung, Trockenätzung, CMP oder dergleichen geschliffen, um abgedünnt zu werden (17D).
  • Als Nächstes wird ein Prozess zum Ausbilden beispielsweise einer Mottenaugenstruktur mit einer periodischen viereckigen pyramidenförmigen Unebenheit als die Beugungs-/Streustruktur 129 auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 beschrieben. Auf der Oberfläche der Si-Schicht wird eine Resistmaske auf dem konvexen Bereich des unebenen Musters im Lithografie-Prozess ausgebildet (17E), wird ein konkaver Bereich durch anisotropes Ätzen der Kristallinität mittels Nassätzung gebildet und wird das Resist entfernt (17F). Wenn der konkave Bereich des unebenen Musters ausgebildet wird, sind die Lichtempfangsoberfläche und die entgegengesetzte Oberfläche der Si-Schicht die Oberfläche einer Kristallebene (100), und die Wandoberfläche des konkaven Bereichs ist die Oberfläche einer Kristallebene (111), sodass es möglich ist, ein hochgenaues viereckiges pyramidenförmiges unebenes Muster auszubilden, während Kristalleffekte durch anisotrope Ätzung der Kristallinität unterdrückt werden.
  • Als Nächstes wird ein Prozess zum Ausbilden einer Grabenstruktur beschrieben, worin der Film 141 mit fester Ladung und der Isolierfilm 132 als die Elementtrenneinheit 124 auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 eingebettet werden. Auf der Oberfläche der Si-Schicht wird die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 mit einem Resist 403 im Lithografie-Prozess bedeckt (17G) und wird eine Resistmaske so ausgebildet, dass ein jeder Pixel-Grenze entsprechender Bereich in einer Gitterform geöffnet wird. Eine Grabenbearbeitung wird durch Ätzen durch die Resistmaske durchgeführt. Um eine Ätzung mit einem hohen Aspektverhältnis zu erzielen, ist eine Trockenätzung wie etwa ein Bosch-Prozess vorzuziehen, bei dem ein Schutz der Ätzseitenfläche und eine Ätzung wiederholt durchgeführt werden.
  • Als Nächstes werden ein Resist und Rückstände durch Veraschung, chemisches Reinigen oder dergleichen entfernt (17H). Ein Graben 404 wird gemäß dem Muster der Resistmaske ausgebildet.
  • Als Nächstes werden der Film 141 mit fester Ladung und der Isolierfilm 132 nacheinander auf der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats, die die Unebenheiten der Beugungs-/Streustruktur 129 enthält, und innerhalb des Grabens ausgebildet ( 17I, 17J). Als Filmausbildungsverfahren kann eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine Atomlagenabscheidung (ALD), Sputtern oder dergleichen verwendet werden. Die Oberfläche des Isolierfilms 132 kann mittels CMP planarisiert werden. Hier wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem die Beugungs-/Streustruktur 129 auf der Seite der Lichtempfangsoberfläche prozessiert wird; die vorliegende Offenbarung ist aber nicht darauf beschränkt, und die Beugungs-/Streustruktur 129 kann durch ein ähnliches Herstellungsverfahren von der Seite der Verdrahtungsschicht aus prozessiert werden.
  • Wenn der Graben 404 in der Elementtrenneinheit 124 ausgebildet wird, ist es unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung von Übersprechen wünschenswert, das Halbleitersubstrat 140 tief in der Dickenrichtung zu formen, und ist es wünschenswerter, eine vollständige Grabenstruktur zu haben, die dort hindurchgeht. Das Vertiefen des Grabens 404 kann jedoch eine Verschlechterung der Eigenschaften im Dunkeln aufgrund einer Bearbeitungsschädigung verursachen, und es ist wünschenswert, dass die Elementtrenneinheit 124 Pinning verstärkt, indem der Film 141 mit fester Ladung auf dem Seitenwandbereich oder dem Bodenbereich ausgebildet wird oder indem eine Störstellenkonzentration im Halbleitersubstrat erhöht wird.
  • Als Nächstes wird ein Teil des Isolierfilms 132 mittels Lithografie und Trockenätzung einer (nicht veranschaulichten) Grabenbearbeitung unterzogen, sodass die Oberfläche des Halbleitersubstrats 140, bei dem es sich um ein Halbleitergebiet vom p-Typ handelt, in einem der Gebiete außerhalb der effektiven Pixel freigelegt wird, und wird ein Metallfilm, zum Beispiel W oder Al, durch CVD, Sputtern oder dergleichen als der Lichtabschirmungsfilm 130 ausgebildet (17K). Es wird betont, dass die Grabenbearbeitung hier durchgeführt wird, um den Lichtabschirmungsfilm 130 auf das Erdungspotential zu setzen, und dadurch eine während einer Bearbeitung erzeugte Plasmaschädigung vermieden werden kann.
  • Die Filmdicke des Lichtabschirmungsfilms 130 ist unter dem Gesichtspunkt einer Lichtabschirmungseigenschaft wünschenswerterweise dick, ist unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung einer Vignettierung der Lochblende 160 und einer Erleichterung der Bearbeitung wünschenswerterweise dünn und beträgt im Hinblick auf eine Ausgewogenheit der beiden Gesichtspunkte wünschenswerterweise etwa 50 bis 300 [nm] und vorzugsweise 100 bis 250 [nm]. Als Maßnahme zur Verbesserung der Haftung und Spannungsmigration kann unter dem Lichtabschirmungsfilm 130 ein Barrierenmetall wie etwa Ti oder TiN von etwa 10 bis 50 [nm] gebildet werden.
  • Als Nächstes wird auf dem Lichtabschirmungsfilm 130eine Resistmaske mit einem geöffneten Lochblendenbereich mittels Lithografie gebildet, wird die Lochblende 160 unter Anwendung einer Ätzung wie etwa einer Trockenätzung ausgebildet und werden das Resist und die Rückstände durch Veraschung, chemisches Reinigen oder dergleichen entfernt (17L). Bei der Ätzung wird wünschenswerterweise nicht nur der Lichtabschirmungsfilm 130, sondern auch der Isolierfilm 132 in einem Öffnungsbereich um zumindest 50 [nm] und, falls möglich, um 100 [nm] oder mehr geätzt. Da die untere Oberfläche von Silizium des Linsenmaterials, das in einem Lochbereich eingebettet ist, was später beschrieben werden soll, näher zu der Seite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 als der Lichtabschirmungsfilm 130 liegt, kann der Einschlusseffekt durch den Lichtabschirmungsfilm 130 verbessert werden.
  • Als Nächstes kann als der Antireflexionsfilm 125 für die untere Oberfläche der On-Chip-Linse beispielsweise ein Film aus SiN mittels ALD, CVD, Sputtern oder dergleichen gebildet werden (17M). Falls ALD oder CVD verwendet wird, ist es möglich, einen den Seitenwandbereich umfassenden Film gleichmäßig auszubilden, und, falls Sputtern verwendet wird, kann ein Film nur auf einem flachen Bereich und einem Boden des Lochs gebildet werden. Die Filmdicke des Antireflexionsfilms 125 wird wünschenswerterweise so ausgelegt, dass sie unter Berücksichtigung einer angenommenen Wellenlänge antireflektierend ist, und hier wird SiN in Bezug auf eine Wellenlänge von 940 [nm] auf 100 bis 150 [nm] festgelegt.
  • Wenn der Antireflexionsfilm 125 vorgesehen wird, ist es wünschenswert, den Überätzungsbetrag des Isolierfilms 132 um die Filmdicke des oben beschriebenen Antireflexionsfilms 125 zu erhöhen. Falls jedoch die Oberflächen des Films 141 mit fester Ladung und der Si-Schicht aufgrund von Prozessschwankungen geätzt werden, bestehen Bedenken, dass sich die Eigenschaften im Dunkeln aufgrund einer Bearbeitungsschädigung verschlechtern können, und somit ist es wünschenswert, die anfängliche Filmdicke des Isolierfilms 132 nach Bedarf zu erhöhen.
  • Als Nächstes wird als Linsenmaterial 405 der On-Chip-Linse 123 beispielsweise ein Film aus α-Si bei der Temperatur von etwa 200 bis 400°C mittels eines Verfahrens wie etwa CVD oder Sputtern gebildet (17N). Falls ein Hohlraum (eine Luftschicht) im Lochbereich erzeugt wird, wenn α-Si in der Lochblende 160 eingebettet wird, nimmt der Durchlässigkeitsgrad ab, und somit ist CVD, die den Lochbereich weniger wahrscheinlich schließt, geeignet. α-Si hat den Vorteil, dass es einfach ist, einen Film auf einem nicht-kristallinen Material oder einem Material zu bilden, das hohen Temperaturen nicht standhalten kann.
  • Alternativ dazu kann Polysilizium als das Linsenmaterial 405 verwendet werden. Da Polysilizium eine Filmausbildungstemperatur von 600 bis 1000°C erfordert, ist Polysilizium für einen Prozess nach der Ausbildung der Verdrahtungsschicht 150 nicht geeignet; aber die Filmausbildung von Polysilizium kann bei der Temperatur von 400°C oder niedriger durch Laser-Ausheilen oder Ausnutzung einer Anregungsenergie eines Ionenstrahls durchgeführt werden. Wenn Wasserstoff von α-Si während der Hochtemperaturdauer bzw. im Hochtemperaturbereich (engl.: high temperature standing) des Zuverlässigkeitstests desorbiert wird und die zu garantierenden Eigenschaften nicht erfüllt, ist es wünschenswert, Polysilizium in einem stabilen kristallinen Zustand zu verwenden.
  • Falls der oben beschriebene Antireflexionsfilm 125 auch auf der Seitenwand der Lochblende 160 mittels CVD oder dergleichen gebildet wird, dient das Innere als Kernbereich aus Silizium mit einem hohen Brechungsindex und dient die Außenseite als Mantelbereich aus dem Antireflexionsfilm 125 mit niedrigem Brechungsindex, sodass der Lichtwellenleiter 133 innerhalb der Lochblende ausgebildet werden kann. Beim Lichtwellenleiter 133, der innerhalb der Lochblende 160 vorgesehen ist, ist es wünschenswert, dass die untere Oberfläche des Lichtwellenleiters 133 aus der unteren Oberfläche des Lichtabschirmungsfilms 130 vorsteht und sich in Richtung der Seite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 erstreckt.
  • Auf dem Silizium des Linsenmaterials 405 wird beispielsweise ein Resist durch einen Lithografie-Prozess gemustert bzw. strukturiert und entwickelt, sodass in jedem Pixel eine rechteckige Form zurückbleibt. Danach wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, die höher als ein Wärmeerweichungspunkt ist, um das Resist in einer Linsenform auszubilden. Unter Verwendung des Resists mit einer Linsenform als Maske wird dann die Linsenform auf das darunterliegende Silizium mittels Trockenätzung unter Verwendung von beispielsweise CF4/O2, C4F8 oder dergleichen übertragen (17O).
  • Um die Haftung zwischen dem Silizium des Linsenmaterials 405 und der Basis zu verbessern, kann die Oberfläche vor einer Filmausbildung mit Plasma wie etwa He, Ar, O2 oder N2 aufgeraut werden. Wenn es notwendig ist, die Haftung mit der Basis stärker zu erhöhen, kann ein Film aus einem Silankopplungsmittel mittels Schleuderbeschichtung oder CVD gebildet werden. Diese Filmausbildungsverfahren können auf verschiedene Unterschichten wie etwa anorganische Materialien wie etwa den Isolierfilm 132, den Film 141 mit fester Ladung und den Antireflexionsfilm 125 oder organisches Material wie etwa einen Farbfilter angewendet werden.
  • Das Silankopplungsmittel weist zwei oder mehr verschiedene reaktive Gruppen im Molekül auf, wobei eine eine chemisch an das anorganische Material gebundene reaktive Gruppe ist und die andere eine chemisch an das organische Material gebundene reaktive Gruppe ist. Daher hat das Silankopplungsmittel eine Funktion als Mittler, der das organische Material mit dem anorganischen Material verbindet, die gewöhnlich sehr schwer aneinander zu bonden sind. Als das Silankopplungsmittel kann ein Alkoxysilan mit einer beliebigen organischen Gruppe verwendet werden, und Beispiele der organischen Gruppe umfassen eine Alkylgruppe, eine eine Epoxidgruppe enthaltende Gruppe, eine eine Aminogruppe enthaltende Gruppe, eine eine Mercaptogruppe enthaltende Gruppe, eine eine (Meth)acrylgruppe enthaltende Gruppe, eine polymerisierbare, Doppelbindungen enthaltende Gruppe und eine Arylgruppe.
  • Als der Antireflexionsfilm 126 kann beispielsweise ein Film aus SiN auf der On-Chip-Linse 123 mittels ALD, CVD, Sputtern oder dergleichen gebildet werden (17P). Die Filmdicke des Antireflexionsfilms 125 wird wünschenswerterweise so ausgelegt, dass sie unter Berücksichtigung einer angenommenen Wellenlänge antireflektierend ist, und hier wird SiN in Bezug auf eine Wellenlänge von 940 [nm] auf 100 bis 150 [nm] festgelegt.
  • (4-0-3. Detailliertere Beschreibung eines Pixels gemäß einer ersten Ausführungsform)
  • Als Nächstes wird das Pixel 100a gemäß der ersten Ausführungsform detaillierter beschrieben. 18 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel des Pixels 100a gemäß der ersten Ausführungsform detaillierter veranschaulicht. In 18 ist das Diagramm auf der linken Seite ein schematisches Diagramm, das einen Querschnitt des Pixels 100a in der Richtung senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche veranschaulicht. Darüber hinaus ist das Diagramm auf der rechten Seite ein schematisches Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, in dem jede Einheit des Pixels 100a von der Einfallsseite des Einfallslichts 30 aus betrachtet wird.
  • Es wird betont, dass die Bedeutungen dieser linken und rechten Diagramme in 18 in den folgenden ähnlichen Diagrammen (27 bis 30, 32 bis 37) gleich sind. Darüber hinaus wird in der folgenden Beschreibung, sofern nicht anders angegeben, in 27 bis 30 und 32 bis 37 die obere Seite als die obere Seite des Pixels 100 beschrieben und wird die untere Seite als die untere Seite des Pixels 100 beschrieben. Darüber hinaus wird auf die Seite der Einfallsoberfläche der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 entsprechend als Oberseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 verwiesen und wird auf die entgegengesetzte Seite der Einfallsoberfläche entsprechend als Unterseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 verwiesen. Überdies wird in 18, 27 bis 30 und 32 bis 37 eine Veranschaulichung eines optischen Filters wie etwa eines Farbfilters weggelassen.
  • In der in 18 veranschaulichten Konfiguration sind die Filmdicken von sowohl dem Antireflexionsfilm 126 auf der Linse, dem Antireflexionsfilm 125 unter der Linse als auch dem Film mit fester Ladung für Si annähernd gemäß der λ/4-Regel ausgelegt. Als ein spezifisches Beispiel wird in einem Fall, in dem beispielsweise die Wellenlänge λ = 940 [nm] ist und der Einfallswinkel 0° beträgt, jede Filmdicke wie folgt beschrieben. SiN-Film (n = 1,88): etwa 110 bis 140 [nm] TiO2-Film (n = 2,4): etwa 90 bis 110 [nm]
  • Zu diesem Zeitpunkt ist es vorzuziehen, ferner den Winkeleinfluss und den Mehrschichteinfluss im Fresnel-Koeffizienten zu berücksichtigen. Die tatsächliche Struktur des Pixels 100 hat eine Konfiguration eines Mehrschichtfilms, die auf dem Halbleitersubstrat 140 ausgebildet ist, und es ist wünschenswert, die optimale Filmdicke unter Berücksichtigung der Gesamtstruktur festzulegen. Da der Einfallswinkel des Lichts von der Hauptlinse auch in Abhängigkeit vom Blickwinkel variiert, ist es darüber hinaus wünschenswerter, einen optimalen Wert unter Berücksichtigung der Winkelabhängigkeit zu erhalten.
  • Mit Verweis auf 19, 20 und 21 wird ein Berechnungsergebnis beschrieben, wenn eine Optimierung gemäß einer theoretischen Berechnung des Fresnel-Koeffizienten für die erste Ausführungsform durchgeführt wird. Es wird betont, dass in der folgenden Beschreibung angenommen wird, dass von der näher zur Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 gelegenen Seite aus jede Schicht in der Reihenfolge Al2O3, Ta2O5, SiO2, SiN (worauf als erstes SiN verwiesen wird), α-Si (On-Chip-Linse 123a) und SiN (worauf als zweites SiN verwiesen wird) ausgebildet ist.
  • 19 ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis der Filmdickenabhängigkeit des Reflexionsgrads jeder Schicht bei der Wellenlänge λ = 940 [nm] veranschaulicht. In 19 veranschaulicht ein Bereich (a) die Filmdickenabhängigkeit des Reflexionsgrads des zweiten SiN, veranschaulicht ein Bereich (b) die Filmdickenabhängigkeit des Reflexionsgrads des ersten SiN, veranschaulicht ein Bereich (c) die Filmdickenabhängigkeit des Reflexionsgrads von SiO2 und veranschaulicht ein Bereich (d) die Filmdickenabhängigkeit des Reflexionsgrads von Ta2O5.
  • Es wird betont, dass angenommen wird, dass die Dicke von α-Si der On-Chip-Linse 123a hier 1000 [nm] beträgt, da der optimale Wert einer Lichtbündelung in Bezug auf die Pixel-Größe variiert. Für die untere Schicht des Films 141 mit fester Ladung verwendetes Al2O3 wird gemäß einem Ausgleich zwischen der Funktion beim Pinning und dem Durchsatz der ALD-Filmausbildung bestimmt und wird hier auf 15 [nm] festgelegt.
  • 20 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer optimalen Struktur veranschaulicht, die unter der oben beschriebenen Annahme als Ergebnis einer Ausführung eines Antireflexionsdesigns erhalten wird. Gemäß 20 beträgt von der Seite der Einfallsoberfläche aus der Reihe nach die Filmdicke sowohl des Antireflexionsfilms 126 auf der Linse als auch des Antireflexionsfilms 125 unter der Linse 135 [nm], falls SiN verwendet wird, beträgt die Filmdicke des Isolierfilms 132 45 [nm], falls SiO2 verwendet wird, und beträgt die Filmdicke des Ta2O5 nutzenden Films 141 mit fester Ladung etwa 85 [nm] auf der Filmdicke von 15 [nm] des Al2O3.
  • 21 ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis des Reflexionsspektrums in der Konfiguration von 20 veranschaulicht. Wie in 21 veranschaulicht ist, ist gemäß der Konfiguration von 20 der Reflexionsgrad bei der Wellenlänge λ = 940 [nm] geringer als 1 [%] und können die optischen Eigenschaften bis zum Einfallswinkel von 30° aufrechterhalten werden.
  • Da an der Unterseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 ein Reflexionsverlust vorliegt, beträgt außerdem die Dicke der Si-Schicht des Halbleitersubstrats 140 unter Berücksichtigung der Quanteneffizienz vorzugsweise 4 [pm] oder mehr. Die obere Grenze der Dicke der Si-Schicht des Halbleitersubstrats 140 wird wünschenswerterweise auf zumindest 18 [pm] oder weniger und bevorzugter 14 [pm] unter Berücksichtigung der Energiebeschränkung einer Implantationsvorrichtung, der Schwankungen in der DTI-Bearbeitung in der Elementtrenneinheit 124a und dergleichen festgelegt. Die obere Grenze der Dicke der Si-Schicht des Halbleitersubstrats 140 ist jedoch nicht darauf beschränkt, da die obere Grenze durch Charakteristiken einer Vorrichtung im Zusammenhang mit der Herstellung beeinflusst wird.
  • Bei solch einer Konfiguration wird das Einfallslicht 30 durch die On-Chip-Linse 123a eingeengt und wird die optische Weglänge des Einfallslichts 30 durch die Beugungs-/Streustruktur 129, nachdem das Einfallslicht 30 durch die Lochblende 160 hindurchgegangen ist, verlängert. Außerdem wird das schräge Licht durch die Elementtrenneinheit 124a mit einer DTI-Struktur reflektiert und wird es als das innerhalb des Elements reflektierte Licht 202 in das Innere der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zurückgeführt. Darüber hinaus wird an der Unterseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 das Einfallslicht 30 durch die Reflexionseinheit 151 reflektiert und als das innerhalb des Elements reflektierte Licht 202 in das Innere der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zurückgeführt.
  • Ferner ist die Emissionsöffnung des innerhalb des Elements reflektierten Lichts 202, das zum oberen Bereich der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 gerichtet ist, durch die Lochblende 160 begrenzt und wird das innerhalb des Elements reflektierte Licht 202 durch den mit der Lochblende 160 versehenen Reflexionsfilm 127 in das Innere der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zurückgeführt.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann das Pixel 100a gemäß der ersten Ausführungsform das Einfallslicht 30 in der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 effizient einschließen und kann sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine Unterdrückung von Streulicht erzielen, das durch das reflektierte Licht verursacht wird, das von der Verdrahtungsschicht 150 reflektiert wird. Wie mit Verweis auf 16 beschrieben wurde, ist überdies die Lochblende 160 vorgesehen, wodurch ermöglicht wird, Streulicht zu unterdrücken, das durch das externe Licht 33 verursacht wird, das externes Streulicht bildet. Darüber hinaus wird die Seite der oberen Oberfläche, auf der die Lochblende 160 ausgebildet ist, als Antireflexionsfilm 128 genutzt, wodurch ebenfalls unterdrückt wird, dass das reflektierte Licht nach außen emittiert wird.
  • (4-1. Modifikation einer Lochblende, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird die für die erste Ausführungsform verwendbare Lochblende 160 konkreter beschrieben.
  • (Form der Lochblende)
  • Jede Form (kreisförmig, rechteckig, achteckig) der in der oben beschriebenen 15 veranschaulichten Lochblenden 160a, 160b und 160c ist eine Grundform, und die Form der Lochblende 160 kann gemäß beispielsweise der Lichtintensitätsverteilung im effektiven Pixel-Gebiet des Pixels 100a geändert werden.
  • 22 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem die Form der Lochblende 160 innerhalb des Blickwinkels gemäß der angenommenen Lichtintensitätsverteilung der ersten Ausführungsform verändert wird. In 22 handelt es sich beim effektiven Pixel-Gebiet 1300 um ein Gebiet, das Pixel 100 enthält, die verwendet werden, um ein Bild eines Frames zu erzeugen, und um ein einem Blickwinkel entsprechendes Gebiet. Im Beispiel von 22 ist eine Mittelposition 1308 des effektiven Pixel-Gebiets 1300 die Bildhöhenmitte, bei der die Position der optischen Achse der Hauptlinse in der optischen Einheit 11 und die Mittelposition 1301 miteinander übereinstimmen.
  • In einem die Mittelposition 1301 enthaltenden Bereich F weist beispielsweise die Lichtintensitätsverteilung eine im Wesentlichen kreisförmige Form oder eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Die Lochblende 160a oder die Lochblende 160b mit der in 15 veranschaulichten Grundform kann für diesen Bereich F als die Lochblende 160 verwendet werden. Die achteckige Lochblende 160c ist ebenfalls für den Bereich F verwendbar; deren Veranschaulichung ist in 22 aber weggelassen.
  • An einer Position, die in Bezug auf die Mittelposition 1301 des Blickwinkels in Richtung der peripheren Richtung des Blickwinkels verschoben ist, hat die Lichtintensitätsverteilung eine Form, die einer elliptischen Form entspricht, bei der die Richtung von der Mittelposition 1301 als die Hauptachsenrichtung festgelegt ist und das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse ein einem Abstand entsprechender Wert ist. Um zu ermöglichen, dass mehr Einfallslicht 30 auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 gemäß der Blickwinkelabhängigkeit der Lichtintensitätsverteilung fällt, wird die Form der Lochblende 160 in Abhängigkeit von der Position des Pixels 100a innerhalb des Blickwinkels geändert.
  • Beispielsweise kann in einem Bereich G, der von der Mittelposition 1301 in der horizontalen Richtung des Blickwinkels (effektives Pixel-Gebiet 1300) verschoben ist, beispielsweise die Form der Lochblende 160 eine Form sein, bei der die Lochblende 160a oder 160b im Bereich F in der horizontalen Richtung verlängert ist, wie bei einer Lochblende 160d oder einer Lochblende 160e veranschaulicht ist. Außerdem kann beispielsweise ein Bereich H, der von der Mittelposition 1301 in der Winkelrichtung des Blickwinkels verschoben ist, die Form der Lochblende 160 eine Form sein, bei der die Lochblende 160a oder 160b im Bereich F in der Winkelrichtung verlängert ist, wie bei einer Lochblende 160f oder einer Lochblende 160g veranschaulicht ist.
  • Darüber hinaus kann die Größe der Lochblende 160 gemäß der Lichtintensitätsverteilung innerhalb des Blickwinkels (effektives Pixel-Gebiet 1300) geändert werden. 23 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem die Größe der Lochblende 160 innerhalb des Blickwinkels gemäß der angenommenen Lichtintensitätsverteilung der ersten Ausführungsform abgeändert ist.
  • Der Spread bzw. die Ausdehnung der Verteilung der Lichtintensität innerhalb des Blickwinkels ändert sich von der Position der optischen Achse, das heißt der Mittelposition 1301 des Blickwinkels, in Richtung der Peripherie. Um zu ermöglichen, dass mehr Einfallslicht 30 auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 fällt, wird daher die Größe der Lochblende 160 in Abhängigkeit vom Abstand von der Mittelposition 1301 kontinuierlich abgeändert. Im Beispiel von 23 ist in Bezug auf die Lochblende 160sml im die Mittelposition 1301 enthaltenden lokalen Bereich F die Lochblende 160 in einem von der Mittelposition 1301 entfernt gelegenen lokalen Bereich I eine Lochblende 160mid, die größer als die Lochblende 160sml ist. In einem in Bezug auf den Bereich I von der Mittelposition 1301 weiter entfernt gelegenen Bereich J ist die Lochblende 160lrg größer als die Lochblende 160mid.
  • (Pupillenkorrektur)
  • Als Nächstes wird eine Pupillenkorrektur gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Innerhalb des Blickwinkels ändern sich der Winkel des Hauptstrahls in Bezug auf das Pixel 100a und die Form der Austrittspupille entsprechend der Bildhöhe jedes Pixels 100a in Bezug auf die Position der optischen Achse der Hauptlinse. Deshalb ist eine Pupillenkorrekturtechnologie bekannt, um Licht von der Hauptlinse effizient zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zu leiten, indem die Position der On-Chip-Linse 123a oder dergleichen jedes Pixels 100a entsprechend der Bildhöhe und der Höhe in der Lichtbündelungsstruktur verschoben wird.
  • 24 ist ein schematisches Diagramm, das ein Pupillenkorrekturverfahren gemäß der ersten Ausführungsform im Vergleich zu einem Pupillenkorrekturverfahren gemäß der bestehenden Technologie veranschaulicht. Es wird betont, dass in 24 die Konfiguration eines Beispiels des Pixels 100a durch einen Querschnitt in der Richtung senkrecht zur Lichtempfangsoberfläche veranschaulicht ist.
  • In 24 veranschaulicht ein Bereich (a) einen Zustand, in dem keine Pupillenkorrektur durchgeführt ist. In diesem Zustand stimmen die Position des Scheitelpunkts der On-Chip-Linse 123a und die Position der Lochblende 160 mit der Mitte der Lichtempfangsoberfläche im Pixel 100a überein.
  • Ein Bereich (b) von 24 ist ein Diagramm, das die Pupillenkorrektur gemäß der bestehenden Technologie veranschaulicht. Bei der bestehenden Technologie wird die Pupillenkorrektur ausgeführt, indem die Position der On-Chip-Linse 123a in einem Pixel 100a-1 bewegt bzw. versetzt wird, wie durch einen Pfeil K angegeben ist. In der ersten Ausführungsform kann, wie durch einen Pfeil L in einem Bereich (c) von 24 angegeben ist, die Pupillenkorrektur auch durchgeführt werden, indem die Lochblende 160 ohne Bewegen bzw. Versatz der On-Chip-Linse 123a in einem Pixel 100a-2 versetzt wird. Da die Pupillenkorrektur durch einen Versatz der On-Chip-Linse 123 mit einer benachbarten Linse interferiert, ist es schwierig, den Betrag einer Pupillenkorrektur von den benachbarten Pixeln signifikant variieren zu lassen, wohingegen das Design der Lochblende 160 eine für jedes Pixel 100a-2 verschiedene Pupillenkorrektur ermöglicht. Es wird betont, dass es auch möglich ist, eine Pupillenkorrektur der On-Chip-Linse 123 und eine Pupillenkorrektur der Lochblende 160 in Kombination anzuwenden.
  • 25 ist ein schematisches Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel der Pupillenkorrektur gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Das Beispiel von 25 ist ein Beispiel, bei dem die Lochblende 160 zwischen einem Pixel für eine Weitwinkelaufnahme (engl. wide image capturing), bei der die Neigung des Hauptstrahls am Ende des Blickwinkels zunimmt, und einem Pixel für eine Fernbildaufnahme (engl. telephoto image capturing), bei der der Hauptstrahl parallel ankommt, unterschiedlich gestaltet ist.
  • Ein Bereich (a) von 25 veranschaulicht ein Pixel 100awc für eine Weitwinkelaufnahme und ein Pixel 100atc für eine Fernbildaufnahme im zentralen Bereich des Blickwinkels. In den Pixeln 100awc und 100atc ist die Lochblende 160 in jedem der zentralen Bereiche vorgesehen.
  • Ein Bereich (b) von 25 veranschaulicht beispielsweise ein Pixel 100awe für eine Weitwinkelaufnahme und ein Pixel 100ate für eine Fernbildaufnahme am linken Endbereich des Blickwinkels in der horizontalen Richtung. Im Pixel 100ate ist die Lochblende 160 so vorgesehen, dass sie um einen Abstand d2 von der Mitte des Pixels 100ate nach links verschoben ist. Auf der anderen Seite ist im Pixel 100awe die Lochblende 160 so vorgesehen, dass sie um einen Abstand d1, der größer als der Abstand d2 ist, von der Mitte des Pixels 100awe nach links verschoben ist.
  • Es wird betont, dass die Pixel 100awc und 100awe für eine Weitwinkelaufnahme und die Pixel 100atc und 100ate für eine Fernbildaufnahme zum Beispiel im Blickwinkel gemischt und abwechselnd angeordnet werden können. Falls beispielsweise die optische Einheit 11 mit einem Linsenwechselverfahren oder einem Zoommechanismus kompatibel ist, ist es möglich, in Abhängigkeit von der Änderung des Blickwinkels oder der Zoom-Vergrößerung umzuschalten, welches der Pixel 100awc und 100awe für eine Weitwinkelaufnahme und der Pixel 100atc und 100ate für eine Fernbildaufnahme verwendet wird.
  • (Betreffend die Größe der Lochblende)
  • Hier wird die Größe der Lochblende 160 beschrieben. Wie oben beschrieben wurde, ist die Lochblende 160 als ein Öffnungsbereich in Bezug auf eine Lichtabschirmungseinheit konfiguriert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Fläche der Öffnung der Lichtabschirmungseinheit durch die Lochblende 160 so festgelegt, dass zumindest das Flächenverhältnis in Bezug auf die Fläche der Oberseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 50 [%] oder weniger beträgt, und wünschenswerterweise beträgt das Flächenverhältnis 25 [%] oder weniger.
  • 26 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Lochblende 160 mit einem Flächenverhältnis von 25 [%] gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Ein Bereich (a) von 26 veranschaulicht ein Beispiel der Lochblende 160d mit einer rechteckigen (quadratischen) Form und einem Flächenverhältnis von 25 [%]. Darüber hinaus veranschaulicht ein Bereich (b) von 26 ein Beispiel der Lochblende 160e mit einer Kreisform und einem Flächenverhältnis von 25 [%].
  • Ferner beträgt die untere Grenze der Größe der Lochblende 160 wünschenswerterweise etwa 1/2 einer Zielwellenlänge X. Falls beispielsweise das Pixel 100a Licht im Wellenlängenbereich von 700 [nm] bis 1000 [nm] empfängt, beträgt die untere Grenze der Größe der Lochblende 160 350 [nm], das heißt 1/2 der unteren Grenzwellenlänge λ = 700 [nm] des Zielwellenlängenbereichs. Im Fall der Lochblende 160a mit einer Kreisform beträgt die untere Grenze des Durchmessers 350 [nm] . Im Fall der Lochblende 160b mit einer rechteckigen (quadratischen) Form beträgt beispielsweise die untere Grenze der Seitenlänge 350 [nm].
  • (4-2. Modifikation eines Lichtabschirmungsfilms, der für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation des für die erste Ausführungsform verwendbaren Lichtabschirmungsfilms 130 beschrieben.
  • Es ist wünschenswerter, dass der Lichtabschirmungsfilm 130 so ausgebildet wird, dass er ein Mehrschichtfilm mit zwei oder mehr Schichten ist, die äußerste Oberfläche auf der Seite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 als der Reflexionsfilm 127 vorgesehen ist und die äußerste Oberfläche auf der Lichteinfallsseite als der Antireflexionsfilm 128 vorgesehen ist. Der Reflexionsfilm 127 ist auf der äußersten Oberfläche auf der Seite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 vorgesehen, wodurch ermöglicht wird, dass von der Verdrahtungsschicht 150 reflektiertes Licht zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zurückgeführt wird und zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit beiträgt. Darüber hinaus ist der Antireflexionsfilm 128 auf der äußersten Oberfläche auf der Lichteinfallsseite vorgesehen, wodurch ermöglicht wird, das Licht zu reduzieren, das durch den Lichtabschirmungsfilm 130 reflektiert wird, ohne durch die Lochblende 160 hindurchzugehen und Streulicht oder einen Geistereffekt zu unterdrücken.
  • Als der Reflexionsfilm 127 kann beispielsweise ein Metallmaterial mit einem hohen Reflexionsgrad wie etwa Al, Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag) oder Platin (Pt) oder eine Legierung davon verwendet werden. Alternativ dazu kann ein Mehrschichtfilm verwendet werden, der so ausgelegt ist, dass er durch eine laminierte Struktur dielektrischer Filme Antireflexion aufweist bzw. entspiegelt is. Diese Filme können unter Verwendung von CVD, ALD, Sputtern oder dergleichen gebildet werden.
  • Als der Antireflexionsfilm 128 kann beispielsweise ein Metallmaterial mit einem niedrigen Reflexionsgrad wie etwa W oder Ti, eine Legierung davon, ein Nitrid davon, ein Oxid davon oder ein Carbid davon verwendet werden. Alternativ dazu kann ein Mehrschichtfilm, der so ausgelegt ist, dass er eine Antireflexion mit einer laminierten Struktur dielektrischer Filme aufweist, genutzt werden. Diese Filme werden unter Verwendung von CVD, ALD, Sputtern oder dergleichen ausgebildet. Außerdem kann ein ein absorbierendes Material wie etwa Ruß enthaltender organischer Film auf dem Reflexionsfilm 127 aufgeschleudert werden.
  • Nachdem der mehrschichtige Lichtabschirmungsfilm 130 ausgebildet ist, wird mit einem Lithografie-Prozess eine Resistmaske ausgebildet, in der ein Lochblendenbereich geöffnet ist, wird die Lochblende 160 durch Ätzen gebildet und werden ein Resist und Rückstände durch Veraschung, chemisches Reinigen oder dergleichen entfernt.
  • Außerdem kann, nachdem der Reflexionsfilm 127 ausgebildet ist, eine erste Stufe der Lochblende 160 mit dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren mittels Lithografie und Ätzung gebildet werden und kann dann der Antireflexionsfilm 128 ausgebildet werden, um eine zweite Stufe der Lochblende 160 mit einer Öffnungsgröße zu bilden, die von jener der ersten Stufe verschieden ist. Indem man auf diese Weise die ersten und zweiten Stufen bildet, wird die Dicke des Lichtabschirmungsfilms beim Endbereich der Lochblende 160 dünn und kann eine Verschlechterung der Empfindlichkeit aufgrund einer vignettierenden Komponente unterdrückt werden. Insbesondere kann ein Widerstand gegen schrägen Einfall am Blickwinkelende verbessert werden.
  • Alternativ dazu kann als weiteres Verfahren die Dicke des Lichtabschirmungsfilms des Endbereichs der Lochblende 160 reduziert werden, indem der Lochblendenbereich in einer konischen bzw. sich verjüngenden Form mit einer Resistmaske gebildet und eine Ätzung durchgeführt wird, indem eine Übertragungsbedingung wie etwa Fokussieren in einem Lithografie-Prozess gesteuert wird oder eine Wiederaufschmelzbearbeitung des Resists nach einer Entwicklung durchgeführt wird. Ähnlich kann eine Verschlechterung der Empfindlichkeit aufgrund einer vignettierenden Komponente unterdrückt werden und kann insbesondere ein Widerstand gegen schrägen Einfall am Blickwinkelende verbessert werden. Die Verjüngung der Resistmaske ist ein Verfahren, bei dem Bearbeitungsschwankungen der Öffnungsgröße zunehmen, dieses aber die Anzahl an Prozessen reduzieren kann.
  • Falls ein ein absorbierendes Material wie etwa Ruß enthaltender organischer Film als der Antireflexionsfilm 128 verwendet wird, kann außerdem der Lochblendenbereich durch eine Lithografie-Übertragung und Entwicklung durch Mischen eines lichtempfindlichen Mittels gebildet werden und kann der Ätzprozess reduziert werden.
  • (4-3. Modifikation einer Elementtrenneinheit, die für eine erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation der für die erste Ausführungsform verwendbaren Elementtrenneinheit 124a beschrieben.
  • (Erste Modifikation der Elementtrenneinheit)
  • 27 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100b veranschaulicht, das für eine erste Modifikation der Elementtrenneinheit der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. In 27 kann eine Elementtrenneinheit 124b eine Grabenstruktur aufweisen, die den Film 141 mit fester Ladung und einen Spalt 134 umfasst. Die Grabenbreite am sich öffnenden oberen Endbereich der Grabenstruktur beträgt unter Berücksichtigung einer Blockiereigenschaft, wenn der Spalt 134 ausgebildet wird, wünschenswerterweise 100 [nm] oder weniger. Nachdem die Grabenbearbeitung durch das oben beschriebene Verfahren durchgeführt ist, wird der Film 141 mit fester Ladung, zum Beispiel Al2O3, mittels ALD mit der Größe von beispielsweise etwa 10 bis 20 [nm] gebildet. Der Film 141 mit fester Ladung wird auf der Seitenwand des Grabens ausgebildet, und der Einfluss eines Bearbeitungsschadens kann durch Pinning-Verstärkung reduziert werden.
  • Als Nächstes wird ein Film aus Ta2O5 mittels eines Verfahrens mit geringer Bedeckung wie etwa Sputtern gebildet, um die Öffnung am oberen Bereich des Grabens zu schließen, und wird der Spalt 134 innerhalb des Grabens ausgebildet. Danach kann der Isolierfilm 132, zum Beispiel SiO2, gebildet werden.
  • Der Spalt 134 ist eine Luftschicht mit einem Brechungsindex n = 1 und weist im Vergleich zu dem Isolierfilm 132 einen großen Unterschied im Brechungsindex zum Halbleitersubstrat 140 auf, sodass auf die Elementtrenneinheit 124b einfallendes Licht reflektiert und zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 des eigenen Pixels zurückgeführt wird, was dadurch zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit und Unterdrückung von Übersprechen beiträgt. Selbst in einem Fall, in dem das Schließen unzureichend ist und die Elementtrenneinheit 124b eine Grabenstruktur aufweist, die den Film 141 mit fester Ladung, den Isolierfilm 132 und den Spalt 134 umfasst, kann der Effekt des Brechungsindexunterschieds aufgrund des Spalts 134 erzielt werden.
  • (Zweite Modifikation der Elementtrenneinheit)
  • 28 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100c veranschaulicht, das für eine zweite Modifikation der Elementtrenneinheit der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. In 28 können in einer Elementtrenneinheit 124c der Film 141 mit fester Ladung, der Isolierfilm 132 und ein eingebetteter Lichtabschirmungsfilm 135 in einem Graben eingebettet sein. Unter Berücksichtigung der Einbettbarkeit des eingebetteten Lichtabschirmungsfilms 135 beträgt die Grabenbreite wünschenswerterweise 100 [nm] oder mehr.
  • Nachdem die Grabenbearbeitung gemäß dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt ist, wird der Film 141 mit fester Ladung mittels beispielsweise ALD mit Al2O3 von etwa 10 bis 20 [nm] ausgebildet und mittels eines Verfahrens mit geringer Bedeckung wie etwa Sputtern mit Ta2O5 von etwa 40 bis 80 [nm] gebildet, um einen Antireflexionseffekt zu erzielen. Danach wird der Isolierfilm 132, zum Beispiel SiO2, mittels ALD so ausgebildet, dass er eine Dicke von etwa 30 bis 70 [nm] hat, um das obere Ende des Grabens nicht zu schließen.
  • Als Nächstes wird der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 mit einem Metallfilm wie etwa Al oder W mittels eines Verfahrens wie etwa CVD, ALD oder Sputtern eingebettet. Ein Barrierenmetall mit einem Material mit hohem Schmelzpunkt wie etwa Ti, Ta, W, Co, Mo, einer Legierung davon, einem Nitrid davon, einem Oxid davon oder einem Carbid davon kann auf der Basis vorgesehen werden. Durch Vorsehen des Barrierenmetalls kann eine Haftung an der Schicht in Kontakt mit dem Barrierenmetall verbessert werden.
  • Wenn W als der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 verwendet wird, kann Übersprechen zu benachbarten Pixeln unterdrückt werden, besteht aber die Gefahr, dass eine leichte Verschlechterung der Empfindlichkeit aufgrund einer Absorption von Licht durch in der Elementtrenneinheit 124 eingebettetes W auftreten kann.
  • Wenn Al als der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 verwendet wird, ist der Reflexionsgrad höher als jener eines Metallmaterials und kehrt von der Elementtrenneinheit 124 reflektiertes Licht zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 des eigenen Pixels zurück, sodass man eine Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zu W erwarten kann. Auf der anderen Seite kann ein bekanntes Verfahren wie etwa Sputtern bei hoher Temperatur oder dergleichen zum Einbetten von Al im Graben ohne Verwendung eines Barrierenmetalls genutzt werden; die Prozessschwierigkeit ist aber hoch, und es besteht die Möglichkeit, dass aufgrund einer fehlerhaften Einbettung die Ausbeute verringert wird.
  • Der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 kann zusätzlich zu W und Al aus Cu, Ag, Au, Pt, Mo, Cr, Ti, Ni, Eisen (Fe), Tellur (Te) oder dergleichen oder einer diese Metalle enthaltenden Legierung gebildet werden. Außerdem kann eine Vielzahl dieser Materialien laminiert werden, um den eingebetteten Lichtabschirmungsfilm 135 auszubilden.
  • (Dritte Modifikation der Elementtrenneinheit)
  • 29 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100d veranschaulicht, das für eine dritte Modifikation der Elementtrenneinheit der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. In dem mit Verweis auf 28 beschriebenen Pixel 100c kann der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 auf der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 durch Polieren der gesamten Oberfläche mittels CMP oder Rückätzung der gesamten Oberfläche entfernt werden und kann der Lichtabschirmungsfilm 130 wieder gebildet werden. Indem man das obere Ende des eingebetteten Lichtabschirmungsfilms 135 so konfiguriert, dass es mit dem planaren Lichtabschirmungsfilm 130 in Kontakt ist, kann der Effekt der Unterdrückung von Übersprechen gesteigert werden. In diesem Fall ist eine Kombination vorzuziehen, bei der der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 aus W mit ausgezeichneten Einbettungseigenschaften durch Kombinieren von Ti als Barrierenmetall besteht und der planare Lichtabschirmungsfilm 130 aus Al besteht, das einen hohen Reflexionsgrad aufweist und schwer einzubetten ist.
  • Alternativ dazu kann das den Lichtabschirmungsfilm 130 bildende Metall auch als der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 dienen und kann der Vorteil einer Reduzierung der Anzahl von Prozessen erzielt werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass der Reflexionsfilm 127 auf der unteren Oberfläche des Lichtabschirmungsfilms 130 und der eingebettete Lichtabschirmungsfilm 135 der Elementtrenneinheit 124 ebenfalls aus Al mit hohem Reflexionsgrad geschaffen werden.
  • In diesem Fall wird, wenn nach einer Grabenprozessierung Al im Graben mittels Sputtern bei hoher Temperatur oder dergleichen eingebettet wird, die Filmausbildung von Al auch auf dem ebenen Bereich durchgeführt. Die Lochblende 160 kann gebildet werden, indem das als der Lichtabschirmungsfilm 130 dienende Al auf der Resistmaske geätzt wird. Alternativ dazu kann Al als der Reflexionsfilm 127 genutzt werden und kann der Antireflexionsfilm 128, zum Beispiel W, darauf ausgebildet werden und kann dann eine Lochblendenbearbeitung durchgeführt werden.
  • (4-4. Modifikation einer Reflexionseinheit auf der Verdrahtungsschichtseite, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation der Reflexionseinheit 151 beschrieben, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
  • 30 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100e veranschaulicht, das für eine Modifikation der Reflexionseinheit auf der Verdrahtungsschichtseite gemäß der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. Die Reflexionseinheit 151 kann auf der der Lichtempfangsseite entgegengesetzten Seite des Halbleitersubstrats 140 ausgebildet werden. Die Reflexionseinheit 151 kann beispielsweise ein Metallmaterial wie etwa Al, Ag, Au, Cu, Pt, Mo, Cr, Ti, Ni, W oder Fe, ein diese Metalle enthaltendes Legierungsmaterial oder eine Metallreflexionsplatte 155 mit einer gestapelten Struktur sein. Die Metallreflexionsplatte 155 muss den Umfang der in der Verdrahtungsschicht 150 enthaltenen Verbindungskontaktierung öffnen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die Metallreflexionsplatte 155 geerdet ist, um nicht durch eine Plasmaschädigung aufgrund akkumulierter Ladungen während einer Bearbeitung zerstört zu werden.
  • (Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der Metallreflexionsplatte)
  • Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der Metallreflexionsplatte 155, das für die erste Ausführungsform verwendet werden kann, wird mit Verweis auf 31A bis 31H beschrieben. Zunächst werden ein Wannengebiet vom p-Typ und ein Halbleitergebiet vom n-Typ durch Ionenimplantation auf dem Halbleitersubstrat 140 ausgebildet, wird ein Gate-Isolierfilm 505 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 mittels thermischer Oxidation gebildet, wird polykristallines Silizium ausgebildet und wird eine Resistmaske geätzt, um ein Gate 506 zu bilden (31A).
  • Als Nächstes wird mittels CVD ein Isolierfilm 507, zum Beispiel SiO2, ausgebildet. Es wird betont, dass ein als Ätzstopper dienender SiN-Film unterhalb von SiO2 angeordnet werden kann (31B).
  • Als Nächstes wird durch anisotrope Trockenätzung ein Seitenwand-Isolierfilm 508 auf der seitlichen Oberfläche des Gates ausgebildet (31C). Ferner wird ein Isolierfilm 509, zum Beispiel SiO2, auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 mittels CVD gebildet (31D). Danach wird die Metallreflexionsplatte 155, die ein Material der Reflexionseinheit 151 bilden soll, auf der Seite der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 mittels CVD oder Sputtern gebildet (31E).
  • Als Nächstes wird die Metallreflexionsplatte 155 auf der Resistmaske geätzt, um einen Öffnungsbereich und dergleichen für eine Verbindungskontaktierung nahe dem Gate zu bilden (31F). Somit kann die Reflexionseinheit 151 auf der entgegengesetzten Seite der Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 ausgebildet werden. Danach wird ein Zwischenschicht-Isolierfilm 510 ausgebildet (31G) und werden die Verdrahtungsschicht 150 und eine nachfolgende Schicht wie etwa eine Verbindungskontaktierung 511 ausgebildet (31H).
  • Es wird betont, dass die Reflexionseinheit 151 nicht darauf beschränkt ist, auf dem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats 140 ausgebildet zu werden, und sie beispielsweise zwischen einer der Lichtempfangsseite entgegengesetzten Oberfläche des Halbleitersubstrats 140 und einer der Oberfläche am nächsten gelegenen Verdrahtungsschicht ausgebildet werden kann. Alternativ dazu ist es ebenfalls möglich, die Reflexionseinheit 151 zwischen in der Verdrahtungsschicht 150 enthaltenen Verdrahtungsschichten auszubilden. In jedem Fall kann der Zwischenschicht-Isolierfilm 510 so ausgebildet werden, dass er eine geringere Filmdicke als eine für eine Isolierung erforderliche gewünschte Filmdicke aufweist, und kann die Metallreflexionsplatte 155 gebildet werden. Danach kann ein die Verbindungskontaktierung 511 enthaltender Öffnungsbereich in der Resistmaske ausgebildet werden und kann der verbleibende Zwischenschicht-Isolierfilm 510 so ausgebildet werden, dass er eine gewünschte Filmdicke hat. Es wird betont, dass das Anordnen des Metallfilms in der Nähe der Verdrahtungsschicht 150 eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einer Verdrahtung, durch die Strom fließt, und der Verbindungskontaktierung 511 hervorruft; daher ist es notwendig, den erforderlichen Abstand zu trennen und das Design unter Berücksichtigung der Verdrahtungskapazität vorzunehmen.
  • Bei jedem der Herstellungsverfahren ist es wünschenswert, dass ein Teil des darunterliegenden Isolierfilms 509 durch Ätzung unter Verwendung einer Resistmaske einer Grabenbearbeitung unterzogen wird, bevor die Metallreflexionsplatte 155 ausgebildet wird, und mit der unteren Verdrahtung oder dem Halbleitersubstrat 140 geerdet wird.
  • Die Filmdicke der Reflexionseinheit 151 kann so festgelegt werden, dass Infrarotlicht von einem Mehrschichtfilm 153, der aus Isolatoren mit unterschiedlichen Brechungsindizes gebildet ist, in der Reflexionseinheit selektiv reflektiert wird und ein Film mit geringer Biegung und ein Film mit hoher Biegung abwechselnd laminiert werden können. Der Film mit geringer Biegung ist vorzugsweise zum Beispiel ein Siliziumoxidfilm. Als Film mit hoher Biegung kann SiN, Titanoxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Tantaloxid (Ta2O5), α-Si oder dergleichen verwendet werden. In diesem Fall besteht, falls die Reflexionseinheit 151 aus dem isolierenden Mehrschichtfilm 153 gebildet ist, der Vorteil, dass eine Erdung unnötig ist, ein Einfluss auf die Verdrahtungskapazität verhältnismäßig gering ist und ein Öffnungsprozess für die Verbindungskontaktierung 511 unnötig ist. Es wird besonders erwähnt, dass, falls eine Zielwellenlänge anders als erwartet verwendet wird, das Antireflexionsdesign abweichen kann und sich der Reflexionsgrad verschlechtern kann.
  • (4-5. Modifikation eines Lichtwellenleiters, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation des Lichtwellenleiters 133 der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • 32 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100f veranschaulicht, das für eine Modifikation des Lichtwellenleiters verwendet werden kann, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann. Beim Lichtwellenleiter 133, der innerhalb der Lochblende 160 vorgesehen ist, ist es wünschenswert, dass die untere Oberfläche des Lichtwellenleiters 133 aus der unteren Oberfläche der Lochblende 160 vorsteht und sich zur Seite der fotoelektrischen Umwandlung hin erstreckt. Wie in 32 veranschaulicht ist, kann beispielsweise der Lichtwellenleiter 133 tiefer als die Lichtempfangsoberfläche des Halbleitersubstrats 140 ausgebildet sein.
  • Beispielsweise kann zum Zeitpunkt des Öffnens des Lichtabschirmungsfilms 130 ein Hartmaskenprozess verwendet werden. Konkret wird, nachdem der Lichtabschirmungsfilm 130 geöffnet ist, zum Beispiel SiN oder dergleichen als anorganischer Film ausgebildet und wird SiN durch Ätzen auf einer Resistmaske bearbeitet bzw. prozessiert. Selbst nachdem der Lichtabschirmungsfilm 130 unter Verwendung des SiN als Maske geätzt ist, werden der darunterliegende Isolierfilm 132 und der Film 141 mit fester Ladung geätzt und wird das Halbleitersubstrat 140 mittels eines Bosch-Prozesses oder dergleichen ausgehöhlt. Ein Resist und Bearbeitungsrückstand werden mit einer chemischen Lösung entfernt. Falls notwendig, kann eine Schicht mit Verarbeitungsschäden eines Substrats, die auf der Seitenwand ausgebildet ist, durch Nassätzen oder dergleichen entfernt werden. Alternativ dazu ist es möglich, indem man die ausgehöhlte Form des Lichtwellenleiters 133 in Bezug auf das Halbleitersubstrat 140 in eine sich verjüngende Form ausbildet, ein Reflexionsphänomen durch einen Leckeffekt (engl.: seepage effect) von Licht zu unterdrücken und die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, mit der zugelassen wird, dass das Licht durch Mehrfachreflexionen auf einer gegenüberliegenden Neigung zur Seite des Halbleitersubstrats 140 gelangt, selbst wenn das Licht reflektiert wird. Die sich verjüngende Form kann in eine viereckige Pyramide ausgebildet werden, indem beispielsweise eine Nassätzung einer Si-(111-)Oberfläche ausgenutzt wird, oder kann in eine sich verjüngende Form ausgebildet werden, indem Abscheidungsbedingungen des Bosch-Prozesses verbessert werden.
  • Als Nächstes wird ein Mantelbereich 136 des Lichtwellenleiters gebildet. Beispielsweise ist es bei der ersten Filmausbildung wünschenswert, ein Material zu verwenden, das als der Film 141 mit fester Ladung beispielhaft angeführt wird, um Pinning zu verstärken, und beispielsweise wird hier Al2O3 mittels ALD mit der Größe von etwa 10 bis 20 [nm] ausgebildet. Darüber hinaus ist es unter Berücksichtigung der Antireflexion am unteren Bereich des Lichtwellenleiters 133 wünschenswert, Filme, zum Beispiel unter Verwendung von Ta2O5 mit der Größe von etwa 50 bis 70 [nm], SiO2 mit der Größe von etwa 80 bis 100 [nm] und SiN mit der Größe von etwa 110 bis 140 [nm], unter Verwendung von CVD, ALD, Sputtern oder dergleichen auszubilden. Diese Beschreibung ist nur ein Beispiel, und eine Kombination, die als Antireflexionsmittel dient, ist nicht auf die obige Beschreibung beschränkt. Indem man den Lichtwellenleiter 133 auf diese Weise bereitstellt, kann Licht von der Lochblende 160 zuverlässig zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 geleitet werden.
  • Als weitere Modifikation ist es auch möglich, einen Film aus Silizium, das als Linsenmaterial dient, direkt auszubilden, nachdem der Film mit fester Ladung ausgebildet ist. Alternativ dazu kann, obgleich Pinning nicht verstärkt werden kann und es Bedenken hinsichtlich einer Verschlechterung der Dunkelzeiteigenschaften gibt, ein Material der On-Chip-Linse 123, zum Beispiel α-Si, im Lochbereich ohne den Film mit fester Ladung eingebettet werden. Mit dieser Anordnung wird eine nahtlose Lichtausbreitung ohne Unterschied im Brechungsindex möglich.
  • (4-6. Modifikation einer Beugungs-/Streustruktur, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation der Beugungs-/Streustruktur 129 beschrieben, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
  • 33 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100g veranschaulicht, das für eine Modifikation der Beugungs-/Streustruktur der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. Eine Lichtverzweigungseinheit 157 wird ausgebildet, indem ein Graben im oberen Bereich der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 ausgebildet wird und der Film 141 mit fester Ladung und der Isolierfilm 132, zum Beispiel SiO2, mittels ALD im Graben eingebettet werden. Alternativ dazu können der Film 141 mit fester Ladung und der Spalt 134, die in der Modifikation der Elementtrenneinheit 124 beschrieben wurden, im Graben der Lichtverzweigungseinheit 157 eingebettet werden. Die Lichtverzweigungseinheit 157 kann direkt unterhalb der Lochblende angeordnet sein. Falls jedoch der Winkel des Einfallslichts am Ende des Blickwinkels zunimmt, ist es wünschenswert, die Lichtverzweigungseinheit 157 an einer Position vorzusehen, an der das durch die On-Chip-Linse 123 gebündelte Licht durch die Lochblende 160 gelangt und die Oberseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 erreicht. Das heißt, die Lichtverzweigungseinheit 157 verschiebt sich innerhalb des Blickwinkels in der gleichen Art und Weise wie bei der Pupillenkorrektur.
  • Darüber hinaus ist die Lichtverzweigungseinheit 157 von der Oberseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 bis zu einer verhältnismäßig flachen Position bzw. Stelle dieser vorgesehen. Die Tiefe (Länge von der Oberseite) der Lichtverzweigungseinheit 157 wird vorzugsweise unter Berücksichtigung beispielsweise des Durchmessers der Lochblende 160, der Größe der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121, des angenommenen Einfallswinkels des Einfallslichts 30 und dergleichen bestimmt.
  • Das Einfallslicht 30 gelangt durch die Lochblende 160, wird durch die Lichtverzweigungseinheit 157 gestreut und ändert seinen optischen Weg. Auf diese Weise fungiert die Lichtverzweigungseinheit 157 als Ablenkeinheit, die dafür konfiguriert ist, Licht in der schrägen Richtung abzulenken. Bei dieser Modifikation ist die Beugungs-/Streustruktur 129 durch die Mottenaugenstruktur nicht vorgesehen.
  • Das durch die Lichtverzweigungseinheit 157 gestreute Licht wird ferner durch beispielsweise die Seitenwand der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 reflektiert, die optische Weglänge des Lichts kann vergrößert werden, und Licht nullter Ordnung wird reduziert, sodass man eine Verbesserung der Empfindlichkeit erwarten kann. Auf der anderen Seite wird durch Bereitstellen der Lichtverzweigungseinheit 157 das Verhältnis bzw. der Anteil an schrägem Licht innerhalb der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 erhöht, und es besteht die Möglichkeit, dass ein Einfluss wie etwa Lichtabsorption und Übersprechen durch die Seitenwand der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zunimmt.
  • Von der Einfallsseite des Einfallslichts 30 aus betrachtet kann die Lichtverzweigungseinheit 157 so vorgesehen sein, dass sie die Lochblende 160 beispielsweise unter dem Winkel von 90° kreuzt, wie als Lochblendenmuster PT (1) im rechten Diagramm von 33 veranschaulicht ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kreuzungswinkel nicht auf 90° beschränkt. Darüber hinaus kann für die gekreuzte Lichtverzweigungseinheit 157 ferner eine Lichtverzweigungseinheit 157a, wie als Lochblendenmuster PT (2) im rechten Diagramm von 33 veranschaulicht ist, vorgesehen werden. Die Lichtverzweigungseinheit 157 wird auf diese Weise bereitgestellt, wodurch ermöglicht wird, den Anteil an schrägem Licht, das sich durch die fotoelektrische Umwandlungseinheit 121 ausbreitet, zu erhöhen und die Empfindlichkeit zu verbessern.
  • Das Einbetten des Films 141 mit fester Ladung und des Isolierfilms 132 in die Grabenvertiefung der Lichtverzweigungseinheit 157 kann gleichzeitig mit dem Einbetten der Elementtrenneinheit 124 durchgeführt werden, um die Anzahl an Prozessen zu reduzieren.
  • (4-7. Modifikation des Antireflexionsfilms, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation des Antireflexionsfilms beschrieben, der für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
  • 34 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100h veranschaulicht, das für eine erste Modifikation des Antireflexionsfilms der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. 34 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem auf der Seite der On-Chip-Linse 123a eine Vielzahl konvexer Bereiche 170 auf der Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist. Genauer gesagt hat ein Antireflexionsfilm 128b aus W, der auf der Seite der oberen Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist, eine Konfiguration, in der die Vielzahl konvexer Bereiche 170 auf der Oberfläche auf der Seite der On-Chip-Linse 123a vorgesehen ist. Im Herstellungsverfahren wird beispielsweise, nachdem der Lochbereich der Lochblende 160 im Lichtabschirmungsfilm 130 ausgebildet ist, eine dem konvexen Bereich 170 entsprechende Resistmaske wieder im Lithografie-Prozess ausgebildet, wird die Resistmaske durch Ätzung auf den Lichtabschirmungsfilm übertragen und werden ein Resist und Rückstände mittels Nassreinigung entfernt. Der Antireflexionsfilm 125 und α-Si werden danach mittels CVD oder dergleichen ausgebildet, mittels CMP planarisiert und durch das oben beschriebene Verfahren in eine Linsenform prozessiert.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Vielzahl konvexer Bereiche 170 auf der Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit auf der Seite der On-Chip-Linse 123a vorgesehen, wodurch ermöglicht wird, zur Peripherie der Lochblende 160 emittiertes Licht zu streuen und das Auftreten von Streulicht und eines Geisterbilds zu unterdrücken. Auf der anderen Seite kann sich beispielsweise im Vergleich zu der Konfiguration des Pixels 100a gemäß der ersten Ausführungsform die Anzahl an Prozessen, die für die Herstellung erforderlich sind, erhöhen, was zu einer Kostenzunahme führen kann. Es wird betont, dass die Vielzahl konvexer Bereiche 170 periodisch oder aperiodisch vorgesehen werden kann.
  • 35 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100h veranschaulicht, das für eine zweite Modifikation des Antireflexionsfilms der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. 35 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem eine Vielzahl konkaver Bereiche 171 auf der Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit auf der Seite der On-Chip-Linse 123a vorgesehen ist. Genauer gesagt hat ein Antireflexionsfilm 128c aus W, der auf der Seite der oberen Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist, eine Konfiguration, bei der die Vielzahl konkaver Bereiche 171 auf der Oberfläche auf der Seite der On-Chip-Linse 123a vorgesehen ist. Das Herstellungsverfahren ist das gleiche wie jenes des oben beschriebenen konvexen Bereichs, und dessen Beschreibung wird weggelassen.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Vielzahl konkaver Bereiche 171 auf der Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit auf der Seite der On-Chip-Linse 123a vorgesehen, was ermöglicht, zur Peripherie der Lochblende 160 emittiertes Licht zu streuen und das Auftreten von Streulicht und eines Geisterbildes in der gleichen Weise wie bei der ersten Modifikation der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, zu unterdrücken. Auf der anderen Seite kann sich beispielsweise im Vergleich zu der Konfiguration des Pixels 100a gemäß der ersten Ausführungsform die Anzahl an Prozessen, die für die Herstellung erforderlich sind, erhöhen, was zu einer Kostenzunahme führen kann. Es wird betont, dass die Vielzahl konkaver Bereiche 171 periodisch oder aperiodisch vorgesehen werden kann.
  • (4-8. Modifikation einer On-Chip-Linse, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation der On-Chip-Linse beschrieben, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann.
  • 36 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100i veranschaulicht, das für eine Modifikation der On-Chip-Linse der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. 36 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem eine On-Chip-Linse 123d als zweite Linse zwischen einer On-Chip-Linse 123c und dem Lichtabschirmungsfilm 130 hinzugefügt ist.
  • Die On-Chip-Linsen 123c und 123d können aus beispielsweise α-Si bestehen, die Peripherie der On-Chip-Linse 123d kann mit SiO2 gefüllt sein, und an jeder Linsengrenzfläche kann ein Antireflexionsfilm mit SiN von etwa 100 bis 150 [nm] vorgesehen sein.
  • Im Fall der Konfiguration, bei der Linsen in zwei Stufen der On-Chip-Linsen 123c und 123d vorgesehen sind, ist es möglich, die Lichtbündelfähigkeit in der Lochblende 160 im Vergleich zu dem Fall zu verbessern, in dem Linsen in einer Stufe vorgesehen sind. Deshalb kann als Material der On-Chip-Linsen 123c und 123d ein anderes Material als α-Si oder polykristallines Silizium verwendet werden. Beispiele des Materials umfassen SiN, TiO2 und Al2O..
  • In dem Bereich, in dem die On-Chip-Linse 123d vorgesehen ist, wird eine Lichtabschirmungswand zwischen den benachbarten Pixeln durch ein Lichtabschirmungsmaterial wie etwa Metall, zum Beispiel W, bereitgestellt.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist das Pixel 100i so konfiguriert, dass es mit den On-Chip-Linsen 123c und 123d doppelt versehen ist, sodass der Grad einer Lichtbündelung an der Position der Lochblende 160 erhöht werden kann und der Durchmesser der Lochblende 160 reduziert werden kann. Deshalb kann Licht innerhalb der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 effizient eingeschlossen werden und kann man eine Verbesserung der Empfindlichkeit erwarten. Da auf der anderen Seite die On-Chip-Linse beispielsweise doppelt ausgebildet ist, erhöht sich im Vergleich zur Konfiguration des Pixels 100a gemäß der ersten Ausführungsform die Anzahl an Prozessen, die für die Herstellung erforderlich sind, was eine Kostensteigerung hervorrufen kann. Außerdem ist es vorzuziehen, zu berücksichtigen, dass sich die Höhe des Pixels aufgrund einer PAD-Öffnung oder dergleichen bezüglich der Konfiguration, bei der nur eine On-Chip-Linse vorgesehen ist, erhöht.
  • (4-9. Modifikation einschließlich eines optischen Filters, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation der ersten Ausführungsform einschließlich eines optischen Filters beschrieben.
  • Wenn anderes Licht als Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich, das erfasst werden soll, zu Rauschen wird, ist es wünschenswert, einen optischen Filter einzubeziehen, und der Fall des organischen Films wurde im Bereich (d) von 4 und dergleichen beschrieben. Außerdem ist es möglich, einen Entwurf so durchzuführen, dass Infrarotlicht durch einen Mehrschichtfilm aus zwei oder mehr Arten von Dielektrika mit unterschiedlichen Brechungsindizes selektiv durchgelassen wird. Beispielsweise kann eine gestapelte Struktur aus einem Siliziumoxidfilm und einem Siliziumnitridfilm oder eine gestapelte Struktur aus einem Siliziumoxidfilm und Titanoxid verwendet werden.
  • Alternativ dazu kann ein Filter vorgesehen werden, der ein Oberflächenplasmonenphänomen nutzt, bei dem ein Metallfilm eine Apertur in einer Periode gleich einer Zielwellenlänge oder geringer hat. Alternativ dazu kann ein ein Phänomen einer Resonanz im geführten Modus (GMR) nutzender Filter vorgesehen werden, der durch Integrieren eines Dünnfilm-Wellenleiters und einer periodischen Struktur (Gitter) unterhalb der Wellenlänge gestaltet wird.
  • Um ein gewünschtes Durchlässigkeitsspektrum zu implementieren bzw. zu realisieren, können alternativ dazu Filter mit unterschiedlichen Mechanismen wie etwa ein aus einem organischen Material bestehender Filter, ein Oberflächenplasmonenfilter und ein GMR-Filter in der longitudinalen Richtung in Kombination vorgesehen werden.
  • (4-10. Modifikation einschließlich einer Streu-/Beugungsstruktur auf einer Verdrahtungsschichtseite, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann)
  • Als Nächstes wird eine Modifikation beschrieben, die für die erste Ausführungsform verwendet werden kann und eine Streu-/Beugungsstruktur auf der Verdrahtungsschichtseite enthält.
  • 37 ist ein schematisches Diagramm, das ein Strukturbeispiel eines Pixels 100j veranschaulicht, das für eine Modifikation verwendet werden kann, bei der die Streu-/Beugungsstruktur auf der Verdrahtungsschichtseite der ersten Ausführungsform vorgesehen ist. Im Beispiel von 37 ist ferner auf der Unterseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 eine Beugungs-/Streustruktur 129btm mittels einer Mottenaugenstruktur vorgesehen, wie durch Bezugszeichen B angegeben ist. Die Beugungs-/Streustruktur 129btm wird konfiguriert, indem ein Isolierfilm wie etwa SiO2 oder SiN auf der Oberfläche ausgebildet wird. Diese Mehrschichtfilme werden vorzugsweise ausgelegt, um Licht zu reflektieren, das zurück zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 übertragen werden soll. Außerdem weist die Beugungs-/Streustruktur 129btm beispielsweise eine Mottenaugenstruktur auf, bei der viereckige Pyramiden in der gleichen Weise wie bei der Beugungs-/Streustruktur 129 periodisch angeordnet sind.
  • Auf diese Weise ist es, indem die Beugungs-/Streustruktur 129btm auf der Unterseite der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 vorgesehen wird, beispielsweise möglich, einen Winkel in Bezug auf das innerhalb des Elements reflektierte Licht 202 einzustellen, in dem das in 11A veranschaulichte Licht nullter Ordnung durch die Reflexionseinheit 151 reflektiert wird, und ist es möglich, ferner die optische Weglänge des innerhalb des Elements reflektierten Lichts 202 zu verlängern. Auf der anderen Seite kann sich im Vergleich zur Konfiguration des Pixels 100a gemäß der ersten Ausführungsform die Anzahl an für die Herstellung erforderlichen Prozessen erhöhen, was zu einer Kostenzunahme führen kann.
  • Es wird betont, dass zwei oder mehr der ersten Ausführungsform und jeder Modifikation der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, innerhalb eines Bereichs ohne Widerspruch zueinander kombiniert werden können.
  • [5. Zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung]
  • Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die zweite Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem eine Struktur eines Pixels gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einem Pixel zum Empfangen von Licht in einem Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht gemischt wird.
  • Es wird betont, dass in Bezug auf die zweite Ausführungsform jedes der Pixel 100a bis 100j gemäß der ersten Ausführungsform und jeder Modifikation der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, oder ein Pixel, das durch Kombinieren von zwei oder mehr der Strukturen der Pixel 100a bis 100j erhalten wird, innerhalb eines Bereichs ohne Widerspruch zueinander verwendet werden kann.
  • (5-1. Beispiel eines Arrays von mit optischem Filter versehenen Pixeln, das für eine zweite Ausführungsform verwendet werden kann)
  • 38 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel eines Arrays von mit optischem Filter versehenen Pixeln veranschaulicht, das für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann. Wie in einem Bereich (a) von 38 veranschaulicht ist, kann ein Pixel 100IR (oder Pixel 100W) gemischt mit beispielsweise Pixeln 100R, 100G, 100B und dergleichen angeordnet werden, die jeweils mit Farbfiltern für sichtbares Licht versehen sind.
  • Darüber hinaus kann in einem Fall, in dem die Auflösung eines Objekts durch Infrarotstrahlen wichtiger ist und auch eine Einfärbung erforderlich ist, wie in einem Bereich (b) von 38 veranschaulicht ist, ein Array verwendet werden, in dem eine Belegung des Pixels 100IR (oder Pixels 100W) erhöht ist.
  • Darüber hinaus ist es in einem Fall, in dem sowohl Luminanzinformationen, Farbinformationen als auch Erfassungsinformationen in einer Umgebung mit geringer Lichtintensität für eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung erforderlich sind, denkbar, ein in einem Bereich (c) von 38 veranschaulichtes Pixel-Array zu verwenden. Gemäß diesem Pixel-Array ist es möglich, jeweils Luminanzinformationen über das Pixel 100W, Farbinformationen über die Pixel 100R, 100G und 100B und Informationen, die zum Erfassen von Informationen über das Pixel 100IR spezialisiert sind, zu ermitteln bzw. zu erfassen.
  • Im Array der Bereiche (a) bis (c) von 38 ist es auch denkbar, dass das Pixel 100IR (oder das Pixel 100W) nicht nur für Infrarotlicht, sondern auch für Licht im sichtbaren Bereich empfindlich ist. In solch einem Fall ist es möglich, eine Subtraktionsverarbeitung, bei der die Ausgabe mit einem Koeffizienten multipliziert wird, unter Verwendung der Pixel 100R, 100G und 100B durchzuführen, bei denen es sich um Pixel für sichtbares Licht handelt, und eine Signalverarbeitung zum Extrahieren allein einer Komponente eines gewünschten Wellenlängenbereichs durchzuführen. Alternativ dazu kann in einem Fall, in dem die Pixel 100R, 100G und 100B, bei denen es sich um Pixel für sichtbares Licht handelt, auch für Infrarotlicht empfindlich sind und Informationen über eine Infrarotkomponente gemischt werden, eine Signalverarbeitung zum Entfernen der Infrarotkomponente an der Ausgabe des Pixels 100IR durchgeführt werden.
  • Ferner ist die Kombination der Arrays nicht darauf beschränkt.
  • Alternativ dazu ist es möglich, ein deutliches und farbiges Bild zu erlangen bzw. erfassen, indem eine Bildgebung durchgeführt wird, bei der Infrarotlicht in einer Umgebung mit geringer Lichtintensität wie etwa nachts projiziert wird, ein Weißabgleich oder eine lineare Matrixsignalverarbeitung unter Verwendung einer Ausgabe eines Pixels für sichtbares Licht an einem Monochrombild von nur einem Luminanzsignal durchgeführt wird, das als Bildsignal basierend auf dem Infrarotlicht erfasst wurde, und eine Einfärbung durch Hinzufügen einer Signalverarbeitung wie etwa von maschinellem Lernen nötigenfalls durchgeführt wird.
  • Das Pixel-Array wird im gemischten Pixel wie in den Bereichen (a) und (c) von 38 veranschaulicht ausgeführt, wodurch ermöglicht wird, Spektralinformationen über das Objekt zu ermitteln bzw. zu erfassen und dann Erfassungsinformationen wie etwa einen Abstand des Objekts durch in IR-Pixel, Unebenheiten und dergleichen bereitzustellen.
  • (Beispiel einer elektronischen Vorrichtung)
  • 39 ist ein schematisches Diagramm, das eine elektronische Vorrichtung schematisch veranschaulicht, die für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann, wobei die elektronische Vorrichtung dafür konfiguriert ist, Spektralinformationen über ein Objekt zu erfassen und Erfassungsinformationen über das Objekt durch ein IR-Pixel zu erfassen. Ein in 39 veranschaulichtes Bildverarbeitungssystem 1010 führt eine Authentifizierungsverarbeitung und Betrachtungsverarbeitung basierend auf einem von einer Bildgebungsvorrichtung 1100 abgegebenen Signal durch.
  • Das in 39 veranschaulichte Bildverarbeitungssystem 1010 umfasst die Bildgebungsvorrichtung 1100, die dafür konfiguriert ist, ein Bild einer Person bzw. eines Objekts aufzunehmen, eine Signalverarbeitungseinheit 1200, die dafür konfiguriert ist, ein Signal von der Bildgebungsvorrichtung 1100 zu verarbeiten, und eine Authentifizierungsverarbeitungseinheit 1210, die dafür konfiguriert ist, eine Authentifizierungsverarbeitung basierend auf einem Infrarotlichtbild durchzuführen. Das Bildverarbeitungssystem 1010 umfasst ferner eine Betrachtungsverarbeitungseinheit 1220, die dafür konfiguriert ist, eine Betrachtungsverarbeitung durchzuführen, eine optische Einheit (Abbildungslinse) 1310, die dafür konfiguriert ist, ein Bild mit Licht von einer Person zu erzeugen, und eine Lichtquelleneinheit 1400, die dafür konfiguriert ist, die Person mit Infrarotlicht zu bestrahlen. Der Betrieb des gesamten Bildverarbeitungssystems 1010 wird durch eine (nicht veranschaulichte) Steuerungseinheit oder dergleichen gesteuert.
  • In der Konfiguration von 39 trennt die Signalverarbeitungseinheit 1200 ein Pixel-Signal von der Bildgebungsvorrichtung 1100 in ein Pixel-Signal eines Pixels für sichtbares Licht und ein Pixel-Signal eines Pixels für Infrarotlicht. Die Betrachtungsverarbeitungseinheit 1220 führt die Betrachtungsverarbeitung basierend auf RGB-Informationen durch, die erhalten werden, indem das Pixel-Signal von der Bildgebungsvorrichtung durch die Signalverarbeitungseinheit 1200 getrennt wird.
  • IR-Informationen, die vom Pixel-Signal von der Bildgebungsvorrichtung 1100 durch die Signalverarbeitungseinheit 1200 getrennt werden, werden als Infrarotlichtbild genutzt. Die Signalverarbeitungseinheit 1200 detektiert eine Phasendifferenz basierend auf den getrennten IR-Informationen und erzeugt Informationen über ein Abstandsbild. Die Authentifizierungsverarbeitungseinheit 1210 führt die Authentifizierungsverarbeitung unter Verwendung eines Bilds aus sichtbarem Licht, das von der Signalverarbeitungseinheit 1200 übertragen wurde, von Luminanzinformationen, die durch ein Pixel erzeugt werden, das Infrarotlicht empfängt, und/oder von Informationen über ein Abstandsbild durch, das von einem Pixel gemessen wird, das Infrarotlicht aufnimmt. Beispielsweise kann die Authentifizierungsverarbeitungseinheit 1210 eine integrierte Authentifizierung wie etwa eine dreidimensionale (3D) Gesichtsauthentifizierung oder Irisauthentifizierung basierend auf den Informationen über das Infrarotlichtbild und das Abstandsbild durchführen.
  • In dem Bildverarbeitungssystem 1010 kann das Pixel-Array durch das gemischte Array, wie in den Bereichen (a) bis (c) von 38 veranschaulicht, für das Pixel-Array in der Bildgebungsvorrichtung 1100 verwendet werden.
  • (Strukturbeispiel eines IR-Pixels)
  • 40 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel schematisch veranschaulicht, das sich auf einen optischen Filter eines Pixels fokussiert, das für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann. In 40 sind die Lochblenden 160 und dergleichen nicht veranschaulicht, um Komplexität zu vermeiden.
  • Ein Bereich (a) von 40 veranschaulicht ein Strukturbeispiel von Pixeln 100B, 100G, 100R und 100IR, die als optischer Filter mit einem Filter 122B, der dafür konfiguriert ist, Licht in einem blauen Wellenlängenbereich selektiv durchzulassen, einem Filter 122R, der dafür konfiguriert ist, Licht in einem roten Wellenlängenbereich selektiv durchzulassen, einem Filter 122G, der dafür konfiguriert ist, Licht in einem grünen Wellenlängenbereich durchzulassen (nicht veranschaulicht) bzw. einem Filter 122IR, der dafür konfiguriert ist, Infrarotlicht selektiv durchzulassen, versehen sind. Bei dem Filter 122IR kann es sich beispielsweise um ein organisches Material handeln, das ein Pigment oder einen Farbstoff enthält, und beispielsweise kann ein in Patentliteratur 4 bekanntes organisches Material verwendet werden.
  • Es wird betont, dass der Filter 122IR ferner sichtbares Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich (zum Beispiel grünen Wellenlängenbereich) durchlassen kann. In diesem Fall kann eine Infrarotlichtkomponente durch eine Signalverarbeitung unter Verwendung einer Demosaicing-Verarbeitung, Matrixverarbeitung oder dergleichen basierend auf Informationen anderer Pixel für sichtbares Licht (Pixel 100R, 100G, 100B und dergleichen) extrahiert werden, die im effektiven Pixel-Gebiet enthalten sind. Daher kann das Pixel 100IR mit dem oben beschriebenen Filter 122W anstelle des Filters 122IR als optischem Filter versehen sein und muss nicht unbedingt einen optischen Filter enthalten.
  • Ein Bereich (b) von 40 veranschaulicht ein Strukturbeispiel, das ein mit einem Filter 122B versehenes Pixel 100B, ein mit einem Filter 122G versehenes Pixel 100G (nicht veranschaulicht), ein mit einem Filter 122R versehenes Pixel 100R und ein Pixel 100RB enthält, das mit dem Filter 122B und dem Filter 122R versehen ist, die aufeinandergestapelt sind. Der Filter 122B und der Filter 122R sind aufeinandergestapelt, wodurch ermöglicht wird, einen Filter zu implementieren, der dafür konfiguriert ist, die meisten Wellenlängenbereichskomponenten von sichtbarem Licht zu absorbieren und Infrarotlicht durchzulassen.
  • In der im Bereich (b) von 40 veranschaulichten Struktur kann auch ferner sichtbares Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich in der gleichen Weise wie bei der Struktur des Bereichs (a) von 40, die oben beschrieben wurde, durchgelassen werden. Die Infrarotlichtkomponente kann durch eine Signalverarbeitung unter Verwendung einer Demosaicing-Verarbeitung, Matrixverarbeitung oder dergleichen basierend auf Informationen über andere, im effektiven Pixel-Gebiet enthaltenen Pixel für sichtbares Licht extrahiert werden.
  • Außerdem sind im Beispiel des Bereichs (b) von 40 der blaue Filter 122B und der rote Filter 122R aufeinandergestapelt; die vorliegende Offenbarung ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann ein Filter mit einer Komplementärfarbenbeziehung wie etwa Cyan und Rot, Magenta und Grün oder Gelb und Blau kombiniert werden, um sichtbares Licht zu absorbieren.
  • Ein Bereich (c) von 40 ist ein Beispiel, bei dem ein Filter 122IRcut, der Infrarotlicht abschneidet (absorbiert), in jedem der Pixel 100R, 100G und 100B vorgesehen ist. In jedem der Pixel 100R, 100G und 100B sind der Filter 122IRcut und die Filter 122R, 122G und 122B aufeinandergestapelt. Wie oben beschrieben wurde, kann überdies, da die Infrarotlichtkomponente durch eine Signalverarbeitung am Pixel-Signal extrahiert werden kann, das Pixel 100RB ein mit keinem Farbfilter versehenes weißes Pixel sein. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und das Pixel 100RB kann mit einem optischen Filter versehen sein, der dafür konfiguriert ist, Licht eines Wellenlängenbereichs einer Farbe durchzulassen.
  • Es wird betont, dass in einem Fall, in dem die in 40 veranschaulichte Pixel-Struktur verwendet wird, in der optischen Einheit 11 beispielsweise kein Infrarotlicht-Cutoff-Filter vorgesehen ist.
  • Falls für die On-Chip-Linse 123 Silizium verwendet wird, wird Licht im Bereich sichtbaren Lichts absorbiert und verschlechtert sich die Empfindlichkeit der Pixel 100R, 100G und 100B entsprechend dem gemischten Licht im Bereich sichtbaren Lichts. Falls die Verschlechterung der Empfindlichkeit aufgrund der Silizium nutzenden On-Chip-Linse 123 nicht akzeptabel ist, ist es wünschenswert, die On-Chip-Linse 123 auszubilden, indem die Pixel 100R, 100G und 100B vom IR-Pixel (Pixel 100RB) getrennt werden.
  • Im Bereich (c) von 40 ist eine On-Chip-Linse 123A entsprechend dem Pixel 100RB, bei dem es sich um das IR-Pixel handelt, aus Silizium gebildet. Eine On-Chip-Linse 123B entsprechend jedem der Pixel 100R, 100G und 100B, welche Pixel für sichtbares Licht sind, ist aus einem Material für sichtbares Licht, beispielsweise einem organischen Material wie etwa dem oben beschriebenen Harz auf Styrol-Basis oder Harz auf Acryl-Basis oder einem anorganischen Material wie etwa SiN, ausgebildet.
  • Es wird betont, dass das Pixel für sichtbares Licht und das IR-Pixel unterschiedliche erforderliche Charakteristiken aufweisen und verschiedene optimale Strukturen aufweisen können. Beispielsweise ist die Beugungs-/Streustruktur 123 zum Verbessern der Empfindlichkeit für das IR-Pixel nützlich, muss aber die Wellenlänge von sichtbarem Licht nicht abgelenkt werden, um die optische Weglänge zu erzielen, da die Dicke des Halbleitersubstrats 140 ausreicht. Indes sind nachteilige Effekte wie etwa ein Empfindlichkeitsverlust der Absorption durch die Elementtrenneinheit 124 oder Übersprechen aufgrund einer Durchdringung von Belang. In Anbetracht dieser Umstände ist es wünschenswert, nötigenfalls verschiedene Strukturen zu erzeugen.
  • 41 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Pixels, die veranschaulicht, wie eine Beugungs-/Streustruktur gemäß einem Pixel separat auszubilden ist, die für die zweite Ausführungsform verwendet werden kann. In diesem Beispiel sind die On-Chip-Linse 123A, die im Pixel 100IR vorgesehen ist, bei dem es sich um das IR-Pixel handelt, und die On-Chip-Linsen 123B, die in jedem der Pixel 100R und 100G vorgesehen sind, bei denen es sich um Pixel für sichtbares Licht handelt, wie im Bereich (c) von 40 beschrieben separat ausgebildet. Darüber hinaus ist die Beugungs-/Streustruktur 129 ebenfalls getrennt für das IR-Pixel und das Pixel für sichtbares Licht ausgebildet und ist selbige im Pixel 100R vorgesehen und in jedem der Pixel 100R und 100B nicht vorgesehen.
  • Beispielsweise kann verhindert werden, dass die Beugungs-/Streustruktur 129 im Pixel für sichtbares Licht ausgebildet wird, indem es zum Zeitpunkt einer Bearbeitung mit einer Resistmaske abgedeckt wird. Alternativ dazu kann die Öffnungsgröße der Lochblende 160 für jedes Pixel gemäß einer Wellenlängenabhängigkeit verschieden gestaltet werden. Der Antireflexionsfilm aufgrund eines Interferenzeffekts ist wünschenswerterweise mehrschichtig ausgestaltet, um den entsprechenden Wellenlängenbereich zu erweitern bzw. auszudehnen.
  • Darüber hinaus wird für die On-Chip-Linse 123A zunächst ein Film aus einem Material der On-Chip-Linse 123A, zum Beispiel α-Si, durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren ausgebildet und in die Linsenform prozessiert. Danach wird eine Ätzbearbeitung zum Entfernen von Si auf dem Bereich für sichtbares Licht in einem Zustand durchgeführt, in dem nur die On-Chip-Linse 123A mit einer Resistmaske zurückgelassen wird.
  • Danach werden ein Resist und Rückstände durch chemisches Reinigen entfernt, werden eine Belichtung und Entwicklung mit beispielsweise einem Acrylharz durchgeführt, dem ein lichtempfindliches Mittel als Material der On-Chip-Linse 123B hinzugefügt ist. Danach wird das Resist wieder aufgeschmolzen und ausgehärtet, indem eine Vernetzungsreaktion mittels UV-Aushärtung durchgeführt wird, wodurch die Linsenform für sichtbares Licht gebildet wird. Im Lithografie-Prozess für die On-Chip-Linse 123B kann der obere Bereich der On-Chip-Linse 123A durch selektives Entfernen des Resists getrennt ausgebildet werden.
  • [6. Dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung]
  • Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die dritte Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem eine Struktur eines Pixels gemäß der vorliegenden Offenbarung für eine Lichtempfangseinheit einer Abstandsmessvorrichtung verwendet wird, die dafür konfiguriert ist, unter Ausnutzung einer Lichtreflexion eine Abstandsmessung durchzuführen.
  • Es wird betont, dass in Bezug auf die dritte Ausführungsform jedes beliebige der Pixel 100a bis 100j gemäß den ersten und zweiten Ausführungsform und jeder Modifikation der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, oder ein Pixel, das erhalten wird, indem zwei oder mehr der Strukturen der Pixel 100a bis 100j kombiniert werden, innerhalb eines Bereichs ohne Widerspruch zueinander verwendet werden kann. Im Folgenden wird zum Zwecke der Beschreibung eine Beschreibung unter der Annahme geliefert, dass das in der ersten Ausführungsform beschriebene Pixel 100a für die dritte Ausführungsform verwendet wird.
  • 42 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Beispiels einer elektronischen Vorrichtung veranschaulicht, die eine Abstandsmessvorrichtung nutzt, die für die dritte Ausführungsform verwendet werden kann. Eine elektronische Vorrichtung 300 in 42 umfasst eine Abstandsmessvorrichtung 301 und eine Anwendungseinheit 320. Die Anwendungseinheit 320 ist beispielsweise durch ein Programm implementiert, das auf einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) läuft, fordert die Abstandsmessvorrichtung 301 auf, eine Abstandsmessung auszuführen, und empfängt Abstandsinformationen oder dergleichen, die ein Ergebnis der Abstandsmessung sind, von der Abstandsmessvorrichtung 301.
  • Die Abstandsmessvorrichtung 301 umfasst eine Lichtquelleneinheit 310, eine Lichtempfangseinheit 311 und eine Abstandsmessverarbeitungseinheit 312. Die Lichtquelleneinheit 310 enthält beispielsweise ein lichtemittierendes Element, das dafür konfiguriert ist, Licht mit einer Wellenlänge in einem Infrarotbereich zu emittieren, und eine Ansteuerungsschaltung, die dafür konfiguriert ist, das lichtemittierende Element anzusteuern, um Licht zu emittieren. Beispielsweise kann eine lichtemittierende Diode (LED) als das in der Lichtquelleneinheit 310 enthaltene lichtemittierende Element verwendet werden. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL), in dem eine Vielzahl lichtemittierender Elemente in der Array-Form ausgebildet ist, kann ebenfalls als das in der Lichtquelleneinheit 310 enthaltene lichtemittierende Element verwendet werden. Sofern nicht anders spezifiziert wird hier im Folgenden „das lichtemittierende Element der Lichtquelleneinheit 310 emittiert Licht“ als „die Lichtquelleneinheit 310 emittiert Licht“ oder dergleichen beschrieben.
  • Die Lichtempfangseinheit 311 enthält zum Beispiel ein Lichtempfangselement, das imstande ist, Licht mit einer Wellenlänge in einem Infrarotbereich zu detektieren, und eine Signalverarbeitungseinheit, die dafür konfiguriert ist, ein Pixel-Signal abzugeben, das dem durch das Lichtempfangselement detektierten Licht entspricht. Das in der ersten Ausführungsform beschriebene Pixel 100a kann als das in der Lichtempfangseinheit 311 enthaltene Lichtempfangselement verwendet werden. Im Folgenden wird hierin, sofern nicht anders spezifiziert, „das in der Lichtempfangseinheit 311 enthaltene Lichtempfangselement empfängt Licht“ als „die Lichtempfangseinheit 311 empfängt Licht“ oder dergleichen beschrieben.
  • Die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 führt beispielsweise eine Abstandsmessverarbeitung in der Abstandsmessvorrichtung 310 als Reaktion auf eine Abstandsmessanweisung von der Anwendungseinheit 320 aus. Beispielsweise erzeugt die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 ein Lichtquellen-Steuerungssignal zum Ansteuern der Lichtquelleneinheit 310 und stellt der Lichtquelleneinheit 310 das Lichtquellen-Steuerungssignal bereit. Darüber hinaus steuert die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 einen Lichtempfang durch die Lichtempfangseinheit 311 synchron mit dem der Lichtquelleneinheit 310 bereitgestellten Lichtquellen-Steuerungssignal. Beispielsweise erzeugt die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 ein Belichtungs-Steuerungssignal zum Steuern einer Belichtungsperiode in der Lichtempfangseinheit 311 synchron mit dem Lichtquellen-Steuerungssignal und stellt der Lichtempfangseinheit 311 das Belichtungs-Steuerungssignal bereit. Die Lichtempfangseinheit 311 gibt ein gültiges Pixel-Signal innerhalb einer durch das Belichtungs-Steuerungssignal angegebenen Belichtungsperiode ab.
  • Die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 berechnet Abstandsinformationen basierend auf dem Pixel-Signal, das als Reaktion auf den Lichtempfang von der Lichtempfangseinheit 311 abgegeben wird, und dem Lichtquellen-Steuerungssignal zum Ansteuern der Lichtquelleneinheit 310. Darüber hinaus kann die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 auch eine vorbestimmte Bildinformation basierend auf dem Pixel-Signal erzeugen. Die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 überträgt die Abstandsinformation und die Bildinformation, die basierend auf dem Pixel-Signal berechnet und erzeugt wurden, zur Anwendungseinheit 320.
  • In solch ein Konfiguration erzeugt die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 das Lichtquellen-Steuerungssignal zum Ansteuern der Lichtquelle 310 beispielsweise als Reaktion auf eine Anweisung, eine Abstandsmessung auszuführen, von der Anwendungseinheit 320 und stellt der Lichtquelleneinheit 310 das Lichtquellen-Steuerungssignal bereit. Zur gleichen Zeit steuert die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 den Lichtempfang durch die Lichtempfangseinheit 311 basierend auf dem mit dem Lichtquellen-Steuerungssignal synchronisierten Belichtungs-Steuerungssignal.
  • In der Abstandsmessvorrichtung 301 emittiert die Lichtquelleneinheit 310 Licht als Reaktion auf das durch die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 erzeugte Lichtquellen-Steuerungssignal. Das von der Lichtquelleneinheit 310 emittierte Licht wird von der Lichtquelleneinheit 310 als emittiertes Licht 330 emittiert. Beispielsweise wird das emittierte Licht 330 von einem zu messenden Objekt 331 reflektiert und wird von der Lichtempfangseinheit 311 als reflektiertes Licht 332 empfangen. Die Lichtempfangseinheit 311 stellt der Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 ein Pixel-Signal entsprechend dem Empfang des reflektierten Lichts 332 bereit.
  • Die Abstandsmessverarbeitungseinheit 312 misst einen Abstand D zum zu messenden Objekt 331 basierend auf einem Zeitpunkt, zu dem die Lichtquelleneinheit 310 Licht emittiert, und einem Zeitpunkt, zu dem die Lichtempfangseinheit 311 Licht empfängt.
  • Als Abstandsmessverfahren unter Ausnutzung von reflektiertem Licht sind hier ein direktes Laufzeit-(ToF-)Verfahren und ein indirektes ToF-Verfahren bekannt. Beim direkten ToF-Verfahren wird der Abstand D basierend auf einer Differenz (einer Zeitdifferenz) zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Lichtquelleneinheit 310 Licht emittiert, und dem Zeitpunkt, zu dem die Lichtempfangseinheit 311 Licht empfängt, gemessen. Darüber hinaus wird beim indirekten ToF-Verfahren der Abstand D basierend auf einer Phasendifferenz zwischen einer Phase von von der Lichtquelleneinheit 310 emittiertem Licht und einer Phase von von der Lichtempfangseinheit 311 empfangenem Licht gemessen.
  • Das in der ersten Ausführungsform beschriebene Pixel 100a kann für jede beliebige der Lichtempfangseinheiten 311 des direkten ToF und des indirekten ToF verwendet werden. Wie oben beschrieben wurde, kann das in der ersten Ausführungsform beschriebene Pixel 100a das Einfallslicht 30 innerhalb der fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 effizient einschließen und kann sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch die Unterdrückung von Streulicht erzielen, das durch reflektiertes Licht hervorgerufen wird, das von der Verdrahtungsschicht 150 reflektiert wird.
  • Wie mit Verweis auf den Bereich (b) in 10 beschrieben wurde, kann überdies das externe Licht 33, bei dem es sich um externes Streulicht handelt, abgeschirmt werden, indem die Lochblende 160 vorgesehen wird. Durch Ausbilden des Antireflexionsfilms 128 auf der Seite der oberen Oberfläche, auf der die Lochblende 160 ausgebildet ist, ist es möglich, die Reflexion von Licht, das nicht durch die Lochblende 160 gelangen kann, am unteren Ende der Lichtintensitätsverteilung zu unterdrücken. Der Lichtwellenleiter 133 und der Antireflexionsfilm 125 sind in der Lochblende 160 vorgesehen, wodurch ermöglicht wird, das durch die On-Chip-Linse 123 gebündelte Licht effizient zur fotoelektrischen Umwandlungseinheit 121 zu leiten.
  • Durch Verwenden des in der ersten Ausführungsform beschriebenen Pixels 100a für das Lichtempfangselement in der Lichtempfangseinheit 311 der Abstandsmessvorrichtung 301 gemäß der dritten Ausführungsform kann daher der Abstand D mit höherer Genauigkeit gemessen werden.
  • Es wird betont, dass die in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Effekte nur Beispiele und nicht beschränkt sind und andere Effekte erhalten werden können.
  • Es wird betont, dass die vorliegende Technologie auch die folgenden Konfigurationen aufweisen kann.
    1. (1) Eine Festkörper-Bildgebungsvorrichtung, aufweisend eine Vielzahl von Pixeln, wobei jedes der Pixel enthält:
      • ein Substrat mit einer als Lichteinfallsoberfläche dienenden ersten Oberfläche;
      • eine fotoelektrische Umwandlungseinheit, die innerhalb des Substrats gelegen ist;
      • eine Lichtabschirmungseinheit, die auf einer Seite der ersten Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Lichtabschirmungseinheit einen Lochbereich aufweist, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit fällt; und
      • eine erste Linse, die aus Silizium geschaffen ist, wobei die erste Linse auf der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist und Einfallslicht in Richtung des Lochbereichs bündelt.
    2. (2) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (1), wobei die erste Linse aus amorphem Silizium oder polykristallinem Silizium geschaffen ist.
    3. (3) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (1) oder (2), wobei zumindest ein Teil des Lochbereichs ein Material der ersten Linse enthält.
    4. (4) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (3), wobei der Lochbereich ein Lichtwellenleiter ist.
    5. (5) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (4), wobei ein Antireflexionsfilm auf zumindest einer einer Oberfläche einer Lichteinfallsseite der ersten Linse und einer der Lichteinfallsseite entgegengesetzten Oberfläche vorgesehen ist.
    6. (6) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (5), wobei eine Reflexionsschicht auf einer Seite einer zweiten Oberfläche vorgesehen ist, die der ersten Oberfläche des Substrats entgegengesetzt ist, und wobei die Reflexionsschicht aus demselben Material wie eine Verdrahtung, die in einer auf der Seite der zweiten Oberfläche vorgesehenen Verdrahtungsschicht enthalten ist, einer Vielzahl laminierter Filme, wobei jeder der Filme einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, oder einem Metallfilm gebildet ist.
    7. (7) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (6), wobei eine Lichtbeugungseinheit auf zumindest einer der ersten Oberfläche des Substrats und einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Lichtbeugungseinheit in einer Querschnittsansicht eine unebene Struktur aufweist.
    8. (8) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (7), wobei die unebene Struktur aus einer oder mehreren viereckigen Pyramiden gebildet ist, die auf dem Substrat in Bezug auf die eine fotoelektrische Umwandlungseinheit vorgesehen sind.
    9. (9) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (8), wobei die erste Oberfläche des Substrats einen ein Isoliermaterial oder eine Luftschicht enthaltenden Vertiefungsbereich an einer dem Lochbereich entsprechenden Position aufweist.
    10. (10) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (9), wobei eine Vielzahl der Vertiefungsbereiche in Bezug auf die eine fotoelektrische Umwandlungseinheit vorgesehen ist.
    11. (11) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (10), wobei eine Trenneinheit in Kontakt mit dem Substrat zwischen den zwei benachbarten fotoelektrischen Umwandlungseinheiten innerhalb des Substrats vorgesehen ist, wobei die Trenneinheit eine Grabenstruktur aufweist, die einen Isolierfilm oder den Isolierfilm und eine Luftschicht enthält.
    12. (12) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (11), wobei in der Trenneinheit die Grabenstruktur ein darin eingebettetes Metallmaterial aufweist und der Isolierfilm zwischen dem Metallmaterial und dem Substrat vorgesehen ist.
    13. (13) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (12), wobei die Lichtabschirmungseinheit einen Metallfilm enthält und wobei das in der Trenneinheit enthaltene Metallmaterial und der in der Lichtabschirmungseinheit enthaltene Metallfilm miteinander in Kontakt sind.
    14. (14) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (13), wobei das in der Trenneinheit enthaltene Metallmaterial und ein Material des in der Lichtabschirmungseinheit enthaltenen Metallfilms gleich sind und die Trenneinheit und die Lichtabschirmungseinheit integriert ausgebildet sind.
    15. (15) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (14), wobei die Lichtabschirmungseinheit eine Vielzahl konvexer Bereiche oder konkaver Bereiche aufweist, die auf einer Oberfläche auf einer Seite der ersten Linse vorgesehen sind.
    16. (16) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß dem obigen (15), wobei die Lichtabschirmungseinheiten im Wesentlichen parallel in einer unebenen Form mit einem dazwischen angeordneten Isolierfilm vorgesehen sind, wobei die unebene Form von dem konvexen Bereich oder dem konkaven Bereich auf der ersten Oberfläche des Substrats gebildet wird.
    17. (17) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (16), wobei die Lichtabschirmungseinheit aus einer Vielzahl von Schichten von Filmen gebildet ist und ein Reflexionsgrad auf einer Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit, wobei die Oberfläche auf einer Seite der ersten Linse liegt, niedriger ist als ein Reflexionsgrad auf einer Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit, wobei die Oberfläche dem Substrat gegenüberliegt.
    18. (18) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (17), wobei die Lichtabschirmungseinheit eine Oberfläche auf einer Seite der ersten Linse aufweist, wobei die Oberfläche aus einem Kohlenstoff enthaltenden Film gebildet ist.
    19. (19) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (18), wobei zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln jeweils die Lochbereiche aufweisen, wobei jeder der Lochbereiche eine unterschiedliche Form hat.
    20. (20) Die Festkörper-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der obigen (1) bis (19), wobei zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln jeweils die Lochbereiche aufweisen, wobei jeder der Lochbereiche eine voneinander verschiedene Position in Bezug auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Bildgebungseinheit
    20
    vertikale Scan-Einheit
    21
    horizontale Scan-/AD-Umwandlungseinheit
    22
    Steuerungseinheit
    30
    Einfallslicht
    33
    externes Licht
    45
    optisches Bauteil
    100, 100a, 100awc, 100atc, 100awe, 100ate, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h, 100i, 100j, 100B, 100IR, 100G, 100R, 100RB, 100W
    Pixel
    101
    Pixel-Arrayeinheit
    102
    Ladungshalteeinheit
    103, 103a, 103b, 103c, 103d
    MOS-Transistor
    121
    fotoelektrische Umwandlungseinheit
    123, 123a, 123c, 123d
    On-Chip-Linse
    124, 124a, 124b, 124c
    Elementtrenneinheit
    125, 126, 128, 128b, 128c
    Antireflexionsfilm
    127
    Reflexionsfilm
    129, 129btm
    Beugungs-/Streustruktur
    130
    Lichtabschirmungsfilm
    132
    Isolierfilm
    133
    Lichtwellenleiter
    134
    Spalt
    135
    eingebetteter Lichtabschirmungsfilm
    136
    Mantelbereich
    140
    Halbleitersubstrat
    141
    Film mit fester Ladung
    142
    Trägersubstrat
    150
    Verdrahtungsschicht
    151
    Reflexionseinheit
    153
    Mehrschichtfilm
    155
    Metallreflexionsplatte
    157, 157a
    Lichtverzweigungseinheit
    160, 160a, 160b, 160c, 160d, 160e, 160f, 160g, 160sml, 160mid, 1601rg
    Lochblende
    170
    konvexer Bereich
    171
    konkaver Bereich
    202
    innerhalb des Elements reflektiertes Licht
    301
    Abstandsmessvorrichtung
    310
    Lichtquelleneinheit
    311
    Lichtempfangseinheit
    312
    Abstandsmessverarbeitungseinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2019114642 A [0004]
    • JP 2008147333 A [0004]
    • WO 2020/012984 A [0004]
    • JP 2019180048 A [0004]

Claims (20)

  1. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung, aufweisend eine Vielzahl von Pixeln, wobei jedes der Pixel enthält: ein Substrat mit einer als Lichteinfallsoberfläche dienenden ersten Oberfläche; eine fotoelektrische Umwandlungseinheit, die innerhalb des Substrats gelegen ist; eine Lichtabschirmungseinheit, die auf einer Seite der ersten Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Lichtabschirmungseinheit einen Lochbereich aufweist, der konfiguriert ist, um zu ermöglichen, dass Licht auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit fällt; und eine erste Linse, die aus Silizium geschaffen ist, wobei die erste Linse auf der Lichtabschirmungseinheit vorgesehen ist und Einfallslicht in Richtung des Loch-bereichs bündelt.
  2. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Linse aus amorphem Silizium oder polykristallinem Silizium geschaffen ist.
  3. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil des Lochbereichs ein Material der ersten Linse enthält.
  4. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lochbereich ein Lichtwellenleiter ist.
  5. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Antireflexionsfilm auf zumindest einer einer Oberfläche einer Lichteinfallsseite der ersten Linse und einer der Lichteinfallsseite entgegengesetzten Oberfläche vorgesehen ist.
  6. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Reflexionsschicht auf einer Seite einer zweiten Oberfläche vorgesehen ist, die der ersten Oberfläche des Substrats entgegengesetzt ist, und wobei die Reflexionsschicht aus demselben Material wie eine Verdrahtung, die in einer auf der Seite der zweiten Oberfläche vorgesehenen Verdrahtungsschicht enthalten ist, einer Vielzahl laminierter Filme, wobei jeder der Filme einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, oder einem Metallfilm gebildet ist.
  7. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Lichtbeugungseinheit auf zumindest einer der ersten Oberfläche des Substrats und einer der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Lichtbeugungseinheit in einer Querschnittsansicht eine unebene Struktur aufweist.
  8. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die unebene Struktur aus einer oder mehreren viereckigen Pyramiden gebildet ist, die auf dem Substrat in Bezug auf die eine fotoelektrische Umwandlungseinheit vorgesehen sind.
  9. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche des Substrats einen ein Isoliermaterial oder eine Luftschicht enthaltenden Vertiefungsbereich an einer dem Lochbereich entsprechenden Position aufweist.
  10. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Vielzahl der Vertiefungsbereiche in Bezug auf die eine fotoelektrische Umwandlungseinheit vorgesehen ist.
  11. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Trenneinheit in Kontakt mit dem Substrat zwischen den zwei benachbarten fotoelektrischen Umwandlungseinheiten innerhalb des Substrats vorgesehen ist, wobei die Trenneinheit eine Grabenstruktur aufweist, die einen Isolierfilm oder den Isolierfilm und eine Luftschicht enthält.
  12. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei in der Trenneinheit die Grabenstruktur ein darin eingebettetes Metallmaterial aufweist und der Isolierfilm zwischen dem Metallmaterial und dem Substrat vorgesehen ist.
  13. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Lichtabschirmungseinheit einen Metallfilm enthält und wobei das in der Trenneinheit enthaltene Metallmaterial und der in der Lichtabschirmungseinheit enthaltene Metallfilm miteinander in Kontakt sind.
  14. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei das in der Trenneinheit enthaltene Metallmaterial und ein Material des in der Lichtabschirmungseinheit enthaltenen Metallfilms gleich sind und die Trenneinheit und die Lichtabschirmungseinheit integriert ausgebildet sind.
  15. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtabschirmungseinheit eine Vielzahl konvexer Bereiche oder konkaver Bereiche aufweist, die auf einer Oberfläche auf einer Seite der ersten Linse vorgesehen sind.
  16. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Lichtabschirmungseinheiten im Wesentlichen parallel in einer unebenen Form mit einem dazwischen angeordneten Isolierfilm vorgesehen sind, wobei die unebene Form von dem konvexen Bereich oder dem konkaven Bereich auf der ersten Oberfläche des Substrats gebildet wird.
  17. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtabschirmungseinheit aus einer Vielzahl von Schichten von Filmen gebildet ist und ein Reflexionsgrad auf einer Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit, wobei die Oberfläche auf einer Seite der ersten Linse liegt, niedriger ist als ein Reflexionsgrad auf einer Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit, wobei die Oberfläche dem Substrat gegenüberliegt.
  18. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche der Lichtabschirmungseinheit auf einer Seite der ersten Linse aus einem Kohlenstoff enthaltenden Film gebildet ist.
  19. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln jeweils die Lochbereiche mit voneinander verschiedenen Formen aufweisen.
  20. Festkörper-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln jeweils die Lochbereiche mit voneinander verschiedenen Positionen in Bezug auf die fotoelektrische Umwandlungseinheit aufweisen.
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