JP2012182430A - 光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高い画質の画像を撮像可能な光電変換装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る光電変換装置は、光電変換部１０３が配された半導体基板１０１を有する。半導体基板１０１に絶縁体１０４が積層される。絶縁体１０４には光電変換部１０３に対応した穴１０５が配される。穴１０５には導波路部材１０６が配される。導波路部材１０６の半導体基板１０１とは反対側には層内レンズ１０７が配される。導波路部材１０６と層内レンズ１０７との間に、第１中間部材１１０が配される。第１中間部材１１０の屈折率は、層内レンズの屈折率よりも低い。
【選択図】 図１

Description

本発明は光電変換装置に関する。
近年、光電変換部に入射する光量を増やすため、光導波路と層内レンズとを有する光電変換装置が提案されている。
特許文献１の図８には次のような固体撮像素子が示されている。光電変換部が配された半導体基板にスルーホールを有する平坦化層が積層される。平坦化層の表面に高屈折率材料が積層され、スルーホール内は高屈折率材料によって埋められる。そして、高屈折率材料の上に高屈折率材料でなるインナーレンズが配される。さらに、インナーレンズの上にトップマイクロレンズが配される。
特許文献２の図１には次のような固体撮像装置が示されている。光電変換素子が配された半導体基板に、複数の層間絶縁膜が積層される。複数の層間絶縁膜の光電変換素子と重なる部分に設けられた開口部に、光導波路が埋め込まれる。そして、光導波路の上に層内レンズが設けられる。さらに、層内レンズの上にトップレンズが配される。
特開２００７−２０１０９１号公報 特開２００８−１９２９５１号公報
特許文献１に開示された光電変換装置では、層内レンズと光導波路の間に層内レンズの材料と同じ高屈折率材料からなる膜が配される。そのため、層内レンズを通過した光が光導波路に入射しない恐れがある。また、特許文献２に開示された光電変換装置では、光導波路と層内レンズとが互いに接するように配される。このような構成では、層内レンズの外周近傍に入射した光が光導波路に入射しない恐れがある。
上述の課題は、光軸に対して斜めに層内レンズに入射する光について顕著である。このため、従来の光電変換装置においては、撮像領域の中心付近の画素と撮像領域の外周近傍の画素との間で感度の差が生じる恐れがある。撮像領域の外周近傍の画素は、中心付近の画素に比べて斜め入射光の割合が多いからである。また、光電変換装置の撮像面積が大きければ大きいほど、この課題は顕著になる。
上述の課題に鑑み、本発明はより多くの光を導波路に入射させることが可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の側面に係る光電変換装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された光電変換部と、前記半導体基板の上に配された絶縁体と、前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光する第１レンズと、前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された第２レンズと、前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された波長選択部と、を有する光電変換装置において、前記絶縁体は、第１部分、及び前記第１部分とは異なる第２部分を有し、前記光電変換部と前記第１部材とが並ぶ第１方向と交差する第２方向に沿って、前記第１部分、前記第１部材、及び前記第２部分が並んで配され、前記第１部材と前記第１レンズとの間に配された第２部材を有し、前記第２部材の面積は前記第１部材の面積よりも大きく、前記第２部材を構成する材料の屈折率は前記第１レンズを構成する材料の屈折率より低いことを特徴とする。
本発明の別の側面に係る光電変換装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された光電変換部と、前記半導体基板の上に配された絶縁体と、前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光する第１レンズと、前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された第２レンズと、前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された波長選択部と、を有する光電変換装置において、前記絶縁体は、前記光電変換部と重ならない位置に配された第１部分、及び前記第１部分とは異なり、前記光電変換部と重ならない位置に配された第２部分を有し、前記第１部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、前記第１部材と前記第１レンズとの間に配された第２部材を有し、前記第２部材の面積は前記第１部材の面積よりも大きく、前記第２部材を構成する材料の屈折率は前記第１レンズを構成する材料の屈折率より低いことを特徴とする。
本発明の第２の側面に係る光電変換装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された光電変換部と、前記半導体基板の上に配された絶縁体と、前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光するレンズと、を有する光電変換装置において、前記絶縁体は、第１部分、及び前記第１部分とは異なる第２部分を有し、前記光電変換部と前記第１部材とが並ぶ第１方向と交差する第２方向に沿って、前記第１部分、前記第１部材、及び前記第２部分が並んで配され、前記光電変換装置はさらに、前記第１部材と前記レンズとの間に配された第１中間部材を有し、前記第１部材と前記第１中間部材の間に第２中間部材を有し、前記レンズと前記第１中間部材の間に第３中間部材を有し、前記レンズを構成する材料の屈折率ｎｆ１、前記第３中間部材の屈折率ｎｆ２、前記第１中間部材の屈折率ｎｆ３、前記第２中間部材の屈折率ｎｆ４、及び前記第１部材の屈折率ｎｆ５が、ｎｆ１＞ｎｆ５＞ｎｆ２＞ｎｆ４＞ｎｆ３の関係を満たすことを特徴とする。
本発明のさらに別の側面に係る光電変換装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された光電変換部と、前記半導体基板の上に配された絶縁体と、前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光するレンズと、を有する光電変換装置において、前記絶縁体は、前記光電変換部と重ならない位置に配された第１部分、及び前記第１部分とは異なり、前記光電変換部と重ならない位置に配された第２部分を有し、前記第１部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、前記光電変換装置はさらに、前記第１部材と前記レンズとの間に配された第１中間部材を有し、前記第１部材と前記第１中間部材の間に第２中間部材を有し、前記レンズと前記第１中間部材の間に第３中間部材を有し、前記レンズを構成する材料の屈折率ｎｆ１、前記第３中間部材の屈折率ｎｆ２、前記第１中間部材の屈折率ｎｆ３、前記第２中間部材の屈折率ｎｆ４、及び前記第１部材の屈折率ｎｆ５が、ｎｆ１＞ｎｆ５＞ｎｆ２＞ｎｆ４＞ｎｆ３の関係を満たすことを特徴とする。
光電変換装置本発明によれば、集光能力を向上させることが可能となる。
実施例１の光電変換装置の断面構造の概略図。 実施例１の光電変換装置の平面構造の概略図。 実施例２の光電変換装置の断面構造の概略図。 実施例３の光電変換装置の断面構造の概略図。 実施例４の光電変換装置の断面構造の概略図。 実施例５の光電変換装置の平面構造の概略図。
本発明の第１の側面に係る光電変換装置１００について説明する（図１）。光電変換装置１００は半導体基板１０１を有する。半導体基板は、光電変換装置を構成する部材のうち半導体材料の部分である。例えば、半導体基板は、半導体ウェハに対して周知の半導体製造プロセスにより半導体領域が形成されたものを含む。半導体材料としては例えばシリコンが挙げられる。半導体材料と別の材料との界面が半導体基板の主面１０２である。例えば、別の材料は半導体基板上に該半導体基板と接して配された熱酸化膜などである。
本明細書において、平面は主面１０２と平行な面である。例えば、後述する光電変換部が配された領域における主面１０２、あるいはＭＯＳトランジスタのチャネルにおける主面１０２を基準としてよい。本明細書において、断面は平面に対して交差する面である。
半導体基板１０１に、光電変換部１０３が配される。半導体基板１０１の主面１０２側に、絶縁体１０４が配される。絶縁体１０４は光電変換部１０３に対応した穴１０５を有する。
導波路部材１０６が穴１０５に配される。言い換えると、半導体基板１０１上の光電変換部１０３に重なる位置に導波路部材１０６が配される。導波路部材１０６の周囲には絶縁体１０４が配される。穴１０５の全体に導波路部材１０６が配されることが好ましい。しかし、穴１０５の一部に導波路部材１０６が配されていなくてもよい。導波路部材１０６を形成する材料の屈折率は、絶縁体１０４の屈折率より高いことが好ましい。このような屈折率の関係によって、導波路部材１０６に入射した光のうち、絶縁体１０４に漏れ出す光の量を低減することができる。そのため、導波路部材１０６の少なくとも一部が光電変換部１０３と重なって配されれば、光電変換部１０３に入射する光の量を増やすことができる。
導波路部材１０６の屈折率が必ずしも絶縁体１０４より高い必要はない。導波路部材１０６に入射した光が周囲の絶縁体に漏れ出ない構成であれば光導波路として機能する。例えば穴１０５の側壁に光を反射する反射部材が配され、穴１０５の他の部分に導波路部材１０６が埋め込まれた構成としてもよい。また、穴１０５に配された導波路部材１０６と絶縁体１０４との間にエアギャップがあってもよい。エアギャップは真空であってもよいし、気体が配されていてもよい。これらの場合、導波路部材１０６を構成する材料の屈折率と絶縁体１０４を構成する材料の屈折率とは、どのような大小関係になっていてもよい。
ここで、絶縁体１０４と導波路部材１０６との位置関係について説明する。ある平面において導波路部材１０６が配された領域が絶縁体１０４の配された領域に囲まれている、あるいは挟まれている。言い換えると、光電変換部１０３と導波路部材１０６とが並ぶ方向と交差する方向に沿って、絶縁体１０４の第１部分、第１部分とは異なる第２部分、及び導波路部材１０６が並んでいる。光電変換部１０３と導波路部材１０６が並ぶ方向と交差する方向は、例えば半導体基板１０１の主面１０２に沿った方向である。また別の観点では、絶縁体１０４が光電変換部１０３と重なっていない第１部分と第２部分を含んでおり、第１部分及び第２部分の間に導波路部材１０６が配される。
導波路部材１０６に対して半導体基板１０１とは反対側に、層内レンズ１０７が配される。層内レンズ１０７は、層内レンズ１０７の半導体基板１０１とは反対側の面から層内レンズ１０７に入射した光を集光する。導波路部材１０６に集光するとは、光を導波路部材１０６に向けて屈折させることである。例えば、層内レンズ１０７の半導体基板１０１とは反対側の面から層内レンズ１０７に入射した光が光軸ＯＰに向かって屈折する。光軸ＯＰは、層内レンズ１０７の半導体基板１０１側の面の中心と、導波路部材１０６の半導体基板１０１とは反対側の面の中心とを通る直線である。なお光軸ＯＰが定義されない場合がある。その場合でも、層内レンズ１０７に入射した光が導波路部材１０６に向かって屈折する構成であればよい。
層内レンズ１０７に対して半導体基板１０１とは反対側には、波長選択部１０８及びマイクロレンズ１０９が配される。波長選択部１０８は、所定の波長の光を選択的に光電変換部に入射させる機能を有する。波長選択部１０８は被写体あるいは光源から層内レンズ１０７までの光路上に配されていればよい。
導波路部材１０６と層内レンズ１０７との間に第１中間部材１１０が配される。本発明の第１の側面の特徴は、第１中間部材１１０を構成する材料の屈折率が層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率よりも低いことである。また、第１中間部材１１０の面積は導波路部材１０６の面積より大きい。本明細書において第１中間部材１１０の面積とは、第１中間部材１１０がある平面に投影された場合に、当該平面において第１中間部材１１０が射影された領域の面積を意味する。他の部分について面積という言葉を用いた場合は、特に断りのない限り同様の意味を持つ。例えば、第１中間部材１１０は複数の光電変換部１０３が配された撮像領域の全面に配される。さらに、第１中間部材１１０が周辺回路領域も含めて半導体基板１０１の全面に延在して配されてもよい。
図１において、矢印Ｌ１は半導体基板１０１に入射する光の光路を示す。光は不図示の被写体あるいは光源から発せられる。主面１０２から半導体基板１０１の内部に向かって光が入射する。光はマイクロレンズ１０９によって集光される（点Ａ）。マイクロレンズ１０９によって集光された光は、層内レンズ１０７によって集光される（点Ｂ）。そして、層内レンズ１０７によって集光された光は、層内レンズ１０７と第１中間部材１１０との界面（点Ｃ）で屈折する。このとき、層内レンズ１０７の屈折率より第１中間部材１１０の屈折率のほうが低いため、層内レンズ１０７によって集光された光はさらに光軸ＯＰに向かって屈折する。その後、光は導波路部材１０６に入射する（点Ｄ）。結果として光電変換部１０３に入射する光の量を増やすことができる。
図１の破線の矢印Ｌ２は、比較例の場合の光路を示している。比較例として、導波路部材１０６と層内レンズ１０７との間に配された部材の屈折率が、層内レンズ１０７の屈折率と同じである場合を考える。比較例の光電変換装置においては、層内レンズ１０７の半導体基板側の端（点Ｃ）において光が屈折しない。そのため、層内レンズ１０７によって集光された光は破線の矢印Ｌ２で示される光路に沿って導波路部材１０６以外の場所に入射する（点Ｅ）。導波路部材１０６に入射しなかった光は、配線での反射などよって光電変換部に入射しない確率が高い。したがって、このような構成では感度が低下する恐れがある。
本発明の第２の側面に係る光電変換装置６００について説明する（図５）。光電変換装置６００は半導体基板１０１を有する。半導体基板は、光電変換装置を構成する部材のうち半導体材料の部分である。例えば、半導体基板は、半導体ウェハに対して周知の半導体製造プロセスにより半導体領域が形成されたものを含む。半導体材料としては例えばシリコンが挙げられる。半導体材料と別の材料との界面が半導体基板の主面１０２である。例えば、別の材料は半導体基板上に該半導体基板と接して配された熱酸化膜などである。
半導体基板１０１に、光電変換部１０３が配される。半導体基板１０１の主面１０２側に、絶縁体１０４が配される。絶縁体１０４は光電変換部１０３に対応した穴１０５を有する。
導波路部材１０６が穴１０５に配される。言い換えると、半導体基板１０１上の光電変換部１０３に重なる位置に導波路部材１０６が配される。導波路部材１０６の周囲には絶縁体１０４が配される。穴１０５の全体に導波路部材１０６が配されることが好ましい。しかし、穴１０５の一部に導波路部材１０６が配されていなくてもよい。導波路部材１０６を形成する材料の屈折率は、絶縁体１０４の屈折率より高いことが好ましい。このような屈折率の関係によって、導波路部材１０６に入射した光のうち、絶縁体１０４に漏れ出す光の量を低減することができる。そのため、導波路部材１０６の少なくとも一部が光電変換部１０３と重なって配されれば、光電変換部１０３に入射する光の量を増やすことができる。
導波路部材１０６の屈折率が必ずしも絶縁体１０４より高い必要はない。導波路部材１０６に入射した光が周囲の絶縁体に漏れ出ない構成であれば光導波路として機能する。例えば穴１０５の側壁に光を反射する反射部材が配され、穴１０５の他の部分に導波路部材１０６が埋め込まれた構成としてもよい。また、穴１０５に配された導波路部材１０６と絶縁体１０４との間にエアギャップがあってもよい。エアギャップは真空であってもよいし、気体が配されていてもよい。これらの場合、導波路部材１０６を構成する材料の屈折率と絶縁体１０４を構成する材料の屈折率とは、どのような大小関係になっていてもよい。
ここで、絶縁体１０４と導波路部材１０６との位置関係について説明する。ある平面において導波路部材１０６が配された領域が絶縁体１０４の配された領域に囲まれている、あるいは挟まれている。言い換えると、光電変換部１０３と導波路部材１０６とが並ぶ方向と交差する方向に沿って、絶縁体１０４の第１部分、第１部分とは異なる第２部分、及び導波路部材１０６が並んでいる。光電変換部１０３と導波路部材１０６が並ぶ方向と交差する方向は、例えば半導体基板１０１の主面１０２に沿った方向である。また別の観点では、絶縁体１０４が光電変換部１０３と重なっていない第１部分と第２部分を含んでおり、第１部分及び第２部分の間に導波路部材１０６が配される。
導波路部材１０６に対して半導体基板１０１とは反対側に、レンズ１０７が配される。レンズ１０７は、レンズ１０７の半導体基板１０１とは反対側の面からレンズ１０７に入射した光を集光する。導波路部材１０６に集光するとは、光を導波路部材１０６に向けて屈折させることである。例えば、レンズ１０７の半導体基板１０１とは反対側の面からレンズ１０７に入射した光が光軸ＯＰに向かって屈折する。光軸ＯＰは、レンズ１０７の半導体基板１０１側の面の中心と、導波路部材１０６の半導体基板１０１とは反対側の面の中心とを通る直線である。なお光軸ＯＰが定義されない場合がある。その場合でも、レンズ１０７に入射した光が導波路部材１０６に向かって屈折する構成であればよい。
導波路部材１０６とレンズ１０７との間に第１中間部材６０１、第２中間部材６０２、及び第３中間部材６０３が配される。第２中間部材６０２は、第１中間部材６０１と導波路部材１０６との間に配される。第３中間部材６０３は第１中間部材６０１とレンズ１０７との間に配される。
本発明の第２の側面の特徴は、レンズ１０７、導波路部材１０６、第３中間部材６０３、第２中間部材６０２、第１中間部材６０１の順に屈折率が高いことである。つまり、レンズ１０７を構成する材料の屈折率がｎｆ１、第３中間部材６０３の屈折率がｎｆ２、第１中間部材６０１の屈折率がｎｆ３、第２中間部材６０２の屈折率がｎｆ４、導波路部材１０６の屈折率がｎｆ５であるときに、ｎｆ１＞ｎｆ５＞ｎｆ２＞ｎｆ４＞ｎｆ３の関係が成り立つことである。
図５において、矢印Ｌ１は半導体基板１０１に入射する光の光路を示す。光は不図示の被写体あるいは光源から発せられる。主面１０２から半導体基板１０１の内部に向かって光が入射する。光はレンズ１０７によって集光される（点Ａ）。
レンズ１０７と第３中間部材６０３の屈折率の関係は、ｎｆ１＞ｎｆ２である。そのため、レンズ１０７によって集光された光は、界面Ｂでは導波路の中央部に向かって屈折する。さらに、ｎｆ２＞ｎｆ３であるため、界面Ｃにおいても光は導波路部材１０６の中央に向かって屈折する。なお、屈折率の関係はｎｆ１＞ｎｆ２＞ｎｆ３であるため、第３中間部材６０３は反射防止膜としても機能しうる。これにより、光の取り込み量を大きくすることが可能である。
次いで第１中間部材６０１と第２中間部材６０２との屈折率の関係は、ｎｆ３＜ｎｆ４である。そのため、界面Ｄにおいては、斜め光が垂直光に近づく方向に屈折する。さらにｎｆ４＜ｎｆ５であるから、界面Ｅにおいても導波路内へは垂直光に近づく方向に屈折する。また、屈折率の関係はｎｆ３＜ｎｆ４＜ｎｆ５であるため、第２中間部材６０２は反射防止膜としても機能しうる。これにより、光の導波路への光の取り込み量すなわちフォトダイオードへの光の取り込み量を大きくすることが可能である。
図６の破線の矢印Ｌ２は、比較例の場合の光路を示している。比較例として、導波路部材１０６とレンズ１０７との間に配された部材の屈折率が、レンズ１０７の屈折率と同じである場合を考える。比較例の光電変換装置においては、レンズ１０７の半導体基板側の端（点Ｃ）において光が屈折しない。そのため、レンズ１０７によって集光された光は破線の矢印Ｌ２で示される光路に沿って導波路部材１０６以外の場所に入射する（点Ｆ）。導波路部材１０６に入射しなかった光は、配線での反射などよって光電変換部に入射しない確率が高い。したがって、このような構成では感度が低下する恐れがある。
本発明に係る光電変換装置の実施例について図面を用いて説明する。図１は本実施例の光電変換装置１００の断面構造の概略図である。本実施例では１つの光電変換部が示されている。複数の光電変換部が行列状に配されてもよい。以下の説明では、電子が信号電荷である場合について説明するが、ホールが信号電荷であってもよい。ホールが信号電荷である場合には、半導体領域の導電型を反対にすればよい。
１０１は半導体基板である。本実施例では半導体基板１０１はＮ型のエピタキシャル層である。半導体基板１０１にＰ型ウェル、Ｎ型ウェル、Ｐ型半導体領域、Ｎ型半導体領域が配される。１０２は半導体基板１０１の主面である。本実施例では、主面１０２は半導体基板１０１と半導体基板１０１に積層された熱酸化膜（不図示）との界面である。主面１０２を通って光が半導体基板１０１に入射する。
１０３は光電変換部、例えばフォトダイオードである。本実施例では、光電変換部１０３は、隣接するＰ型半導体領域とＰＮ接合を構成したＮ型半導体領域を含む。光電変換によって発生した電荷が光電変換部のＮ型半導体領域に収集される。光電変換部１０３の主面１０２と接する領域にＰ型半導体領域が配されてもよい。
１１４はフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）である。ＦＤ１１４はＮ型半導体領域である。光電変換部１０３で発生した電荷はＦＤ１１４に転送され、電圧に変換される。ＦＤ１１４は不図示の増幅部の入力ノードに電気的に接続される。あるいは、ＦＤ１１４は信号出力線に電気的に接続される。１１１は不図示の熱酸化膜を介して半導体基板１０１上に配されたゲート電極である。ゲート電極１１１は光電変換部１０３とＦＤ１１４との間の電荷の転送を制御する。
１０４は半導体基板１０１上に配された絶縁体である。本実施例では、絶縁体１０４を構成する材料はシリコン酸化膜である。絶縁体１０４を構成する材料は、シリコン酸化膜に限らず、絶縁性を有する材料であればよい。なお、絶縁体１０４は必ずしも半導体基板１０１と接している必要はない。絶縁体１０４を構成する材料の屈折率は１．４０〜１．６０であることが好ましい。また、半導体基板１０１上に第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂが配される。本実施例において、第１配線層１１２ａ、及び第２配線層１１２ｂの導電部材は銅で形成される。導電部材は導電性の材料であれば銅以外の材料で形成されてもよい。第１配線層１１２ａの一部の導電部材と第２配線層１１２ｂの一部の導電部材とは不図示のコンタクトによって電気的に接続されていてもよい。コンタクトによって電気的に接続される部分を除いて、第１配線層１１２ａの導電部材と第２配線層１１２ｂの導電部材とは絶縁体１０４によって互いに絶縁されている。すなわち絶縁体１０４は層間絶縁膜を含んでいてもよい。なお、配線層の数は２層に限らず、配線層が単層であっても、３層以上であってもよい。
１０５は絶縁体１０４に配された穴である。穴１０５は光電変換部１０３に対応して配される。穴の断面形状については、穴１０５が必ずしも絶縁体１０４を貫通している必要はない。絶縁体１０４が有する凹みが穴１０５であってもよい。穴の平面形状については、穴の境界が円形や四角形等の閉じたループである。あるいは、穴の平面形状が、複数の光電変換部にわたって延在する溝のような形状であってもよい。つまり本明細書において、ある平面において絶縁体１０４の配されていない領域が絶縁体１０４の配された領域に囲まれている、あるいは挟まれているときに、絶縁体１０４は穴を有するという。なお、絶縁体１０４が配されていない領域は、必ずしも空隙である必要はない。
平面における穴１０５の位置について、穴１０５の少なくとも一部が光電変換部１０３と平面的に重なって配される。すなわち、穴１０５及び光電変換部１０３を同一の平面に投写した時に、当該同一の平面に穴１０５及び光電変換部１０３の両方が投写された領域が存在する。
穴１０５には導波路部材１０６が配される。本実施例では、導波路部材１０６を構成する材料はシリコン窒化膜である。あるいは、導波路部材１０６がシリコン酸窒化膜、または有機材料（ポリイミド系高分子等の樹脂）で構成されてもよい。導波路部材１０６を構成する材料は、後述する波長選択部によって選択された波長の光もしくは電磁波が透過することが可能な材料であればよい。導波路部材１０６の屈折率は絶縁体１０４の屈折率よりも高いことが好ましい。導波路部材１０６の屈折率は１．６０以上であることが好ましい。導波路部材１０６の屈折率が１．８０以上であることがさらに好ましい。本実施例においてシリコン窒化膜の屈折率は１．７０〜２．３０の範囲である。
本実施例では穴１０５の全体に導波路部材１０６ａが配されている。しかしながら、穴１０５ａの一部だけに導波路部材１０６ａが配されてもよい。また、導波路部材１０６ａが複数の材料を含んで構成されていてもよい。この場合、複数の材料のうちいずれか一つの材料の屈折率が、絶縁体１０４の屈折率よりも高いことが好ましい。例えば、導波路部材１０６がシリコン窒化膜とシリコン酸窒化膜とで構成されていてもよい。あるいは、穴１０５の側壁及び底の近傍にシリコン窒化膜が配され、穴１０５の内部の他の領域にシリコン窒化膜よりも埋め込み特性に優れる有機材料が配された構成でもよい。
図１の１０４ａは絶縁体１０４に含まれる第１部分である。１０４ｂは絶縁体１０４に含まれる第２部分である。第１部分１０４ａと第２部分１０４ｂとは異なる領域に配されている。図１が示すように、導波路部材１０６は第１部分１０４ａと第２部分１０４ｂとの間に配される。あるいは、光電変換部１０３と導波路部材１０６とが並ぶ方向とは交差する方向に、第１部分１０４ａ、第２部分１０４ｂ、及び導波路部材１０６が並んで配される。光電変換部１０３と導波路部材１０６が並ぶ方向と交差する方向は例えば半導体基板１０１の主面１０２に沿った方向である。図１では光電変換部１０３と導波路部材１０６が並ぶ方向と、第１部分１０４ａ、第２部分１０４ｂ、及び導波路部材１０６が並ぶ方向が直交している。しかし、光電変換部１０３と導波路部材１０６とが半導体基板１０１の主面１０２に対して垂直な方向から傾いた方向に沿って配される場合がある。このような場合には、光電変換部１０３と導波路部材１０６が並ぶ方向と、第１部分１０４ａ、第２部分１０４ｂ、及び導波路部材１０６が並ぶ方向とが、必ずしも直交する必要はない。
図１では、第１部分１０４ａ及び１０４ｂは光電変換部１０３とは重ならない位置に配されている。しかし、絶縁体１０４の一部が光電変換部１０３と重なっていてもよい。また、実際に、第１部分１０４ａ及び第２部分１０４ｂと、その周囲の絶縁体１０４との間には境界があるわけではない。いずれも同じ材料で構成されている。
本実施例において、導波路部材１０６の半導体基板１０１とは反対側の面から主面１０２までの距離は、第２配線層１１２ｂに含まれる導電部材の半導体基板１０１とは反対側の面から主面１０２までの距離よりも大きい。また、導波路部材１０６の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離は、第１配線層１１２ａに含まれる導電部材の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離よりも小さい。なお、導波路部材１０６と配線層の構造はこのような構造に限られない。例えば、導波路部材１０６の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離が、第２配線層１１２ｂに含まれる導電部材の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離よりも小さく、第１配線層１１２ａに含まれる導電部材の半導体基板１０１とは反対側の面から主面１０２までの距離よりも大きくてもよい。また、図１では、導波路部材１０６と半導体基板１０１とが互いに接するように配される。しかし、導波路部材１０６の半導体基板１０１側の面と主面１０２とが所定の距離だけ離れていてもよい。例えば、導波路部材１０６と半導体基板１０１との間に、保護膜や反射防止膜が設けられてもよい。
１０７は層内レンズである。層内レンズ１０７は導波路部材１０６の半導体基板１０１とは反対側に配される。本実施例では、層内レンズ１０７はシリコン窒化膜で形成される。層内レンズ１０７を形成する材料の屈折率は１．８０以上であることが好ましい。層内レンズ１０７に対して半導体基板１０１とは反対側に層間絶縁膜１１３が配される。本実施例では、層間絶縁膜１１３はシリコン酸化膜で形成される。層間絶縁膜１１３を構成する材料の屈折率は、層内レンズを構成する材料の屈折率より低いことが好ましい。層内レンズ１０７の半導体基板１０１とは反対側の面は、半導体基板１０１とは反対の方向に凸の形状となっている。層間絶縁膜１１３と層内レンズ１０７との界面の凸形状、及び屈折率の差によって光が集光される。
層内レンズ１０７が本実施例のように単一の材料で構成される場合、層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率は、当該単一の材料の屈折率によって決まる。単一の材料としては、無機化合物やポリマー等が含まれる。ポリマーは一種類のモノマーが重合したものであってもよいし、複数の種類のモノマーが重合したものであってもよい。
また、層内レンズ１０７を構成する材料は、必ずしも本実施例のように単一の材料である必要はない。複数の材料の混合物が層内レンズ１０７を構成してもよい。例えば、有機樹脂中に無機材料のビーズが分散した混合物であってもよい。複数の材料が均一に混合された混合物によって構成される場合には、層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率とは、当該混合物の屈折率によって決まる。ビーズの径が波長に対して十分小さい場合には、混合物の屈折率は、混合されるそれぞれの材料の屈折率及び体積比に基づいて求めることができる。
また、層内レンズ１０７の屈折率分布は一様でなくてもよい。例えば、層内レンズ１０７がそれぞれ異なる材料からなる複数の部分を有しており、当該複数の部分の屈折率がそれぞれ異なっていてもよい。あるいは、有機樹脂中に無機材料のビーズが分散した混合物で構成される層内レンズ１０７において、ビーズが均一に分散していない場合には、屈折率分布が一様でないことがある。または、紫外線によって硬化する樹脂と、紫外線によって硬化しない樹脂との均一な混合物でレンズ形状を形成し、一部に紫外線を照射することで、屈折率分布が一様でない層内レンズ１０７を形成することができる。
屈折率分布が一様でない層内レンズ１０７においては、層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率は、層内レンズ１０７の最も半導体基板１０１に近い部分を構成する材料の屈折率としてよい。層内レンズ１０７の最も半導体基板１０１に最も近い部分において、主面１０２に沿った方向に屈折率分布がある場合には、その中で最も屈折率が低い部分の屈折率が、層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率であるとすればよい。
なお、層内レンズが複数の部分によって構成される場合には、該複数の部分のうち層間絶縁膜１１３と接する部分を構成する材料の屈折率に比べて、層間絶縁膜１１３を構成する材料の屈折率が低いことが好ましい。層内レンズ１０７の屈折率分布が一様でない場合には、層内レンズ１０７のうち層間絶縁膜１１３と接する部分の屈折率に比べて、層間絶縁膜１１３を構成する材料の屈折率が低いことが好ましい。
必要に応じて、層間絶縁膜１１３の半導体基板１０１とは反対側の面は平坦化される。例えば、ＣＭＰによって層間絶縁膜１１３は平坦化されてもよい。また、層間絶縁膜１１３と層内レンズ１０７との間に、層間絶縁膜１１３の屈折率と層内レンズ１０７の屈折率との中間の屈折率を有する膜が配されてもよい。
層内レンズ１０７の半導体基板１０１とは反対側に、波長選択部１０８が配される。波長選択部１０８は、例えばカラーフィルターである。カラーフィルターを構成する材料は例えば所定の波長の光を透過し、他の波長の光を吸収する有機樹脂である。また、波長選択部１０８は、所定の波長の光のみを分離するプリズムであってもよい。また、波長選択部１０８は、所定の波長の光を別の波長の光に変換する機能を有していてもよい。例えば、波長選択部１０８がシンチレーターであってもよい。なお、波長選択部１０８が配される位置は図１に示された位置にかぎらない。波長選択部１０８は被写体あるいは光源から層内レンズ１０７までの光路のいずれかに配されればよい。
波長選択部１０８の半導体基板１０１とは反対側に、マイクロレンズ１０９が配される。本実施例において、マイクロレンズ１０９は有機樹脂で形成される。マイクロレンズ１０９は、入射した光を集光する機能を有する。
層内レンズ１０７と導波路部材１０６との間に、第１中間部材１１０が配される。本実施例では、第１中間部材１１０はシリコン酸化膜である。第１中間部材１１０を構成する材料の屈折率は、層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率よりも低い。層内レンズ１０７が複数の部分から構成される場合は、該複数の部分のうち最も半導体基板１０１に近い部分を構成する材料の屈折率より、第１中間部材１１０を構成する材料の屈折率が低い。層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率に対する、第１中間部材１１０の屈折率の比は０．９５以下であることが好ましい。さらには、屈折率の比が０．８５以下であることがより好ましい。第１中間部材１１０の屈折率の好適な範囲は１．４０〜１．６０である。第１中間部材の屈折率が１．４０〜１．５０であることがさらに好ましい。第１中間部材１１０は波長選択部１０８によって選択された波長帯の光または電磁波に対して透明であることが好ましい。また、第１中間部材１１０の屈折率は平面内で均一でなくてもよい。第１中間部材１１０が相対的に屈折率の低い領域と、相対的に屈折率の高い領域を含んでいてもよい。
本実施例において、第１中間部材１１０は複数の光電変換部が配された撮像領域の全面に配される。第１中間部材１１０が半導体基板１０１の全面に延在して配されてもよい。しかし、第１中間部材１１０が必ずしも撮像領域の全面に配される必要はない。少なくとも第１中間部材１１０の面積が導波路部材１０６の面積より大きくなるように、第１中間部材１１０が配されていればよい。
ここで、平面で見たときの第１中間部材１１０の外周の面積が導波路部材１０６の面積より大きければよい。たとえば、平面で見たときの導波路部材１０６の中央部に第１中間部材１１０が配されていない構成でもよい。すなわち平面で見たときにリング状に第１中間部材１１０が配されてもよい。この場合、実際に第１中間部材１１０が配された領域の面積が導波路部材１０６の面積より小さくなっても、第１中間部材１１０の外周の面積が導波路部材１０６の面積より大きければよい。
比較例として、第１中間部材１１０の面積が、導波路部材１０６の面積より小さい場合を説明する。このような場合は、導波路部材１０６の全部に第１中間部材１１０が重ならない。第１中間部材１１０が配されない部分では屈折によって光が集光されない。そのため、導波路部材１０６に入射する光量が低減される。
第１中間部材１１０の膜厚は、６０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であることが好ましい。より好ましくは、第１中間部材１１０の膜厚が８０ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲であることが好ましい。膜厚は、第１中間部材１１０の半導体基板１０１側の面から、第１中間部材１１０の半導体基板１０１とは反対側の面までの距離である。第１中間部材１１０の膜厚は、導波路部材１０６の高さよりも小さいことが好ましい。なお、層内レンズ１０７の半導体基板１０１側の面と、導波路部材１０６の半導体基板１０１とは反対側の面との距離は７００ｎｍ未満であることが好ましい。
図２は、本実施例の光電変換装置の平面構造の概略図である。図２の線分ＡＢに沿った断面が図１に示される。図１と同様の機能を有する部分については同じ符号を付してある。図２においては、４つの光電変換部１０３が配される。ここでは、簡単のために光電変換部の一部であるＮ型半導体領域が示される。光電変換部の間には、信号電荷に対するポテンシャルバリア２０１が配置されている。ポテンシャルバリア２０１はＰＤとＰＤとの間の信号電荷の行き来を抑制する、素子分離領域としての機能を有する。４の光電変換部１０３に対応して４つのゲート電極１１１が配される。本実施例では、ＦＤ１１４が複数の光電変換部１０３によって共有される。言い換えると、複数の光電変換部１０３の電子が１つのＦＤ１１４に転送される。本実施例においては、さらに複数のＦＤ１１４が配線２０２によって電気的に接続される。ＦＤ１１４と配線２０２とはシェアードコンタクト２０３によって電気的に接続される。こうして、回路的には４つの光電変換部１０３の電子が１つのノードに転送される。なお、配線２０２は、増幅トランジスタのゲート電極と一体となっている。また、互いに電気的に接続された複数のＦＤ１１４のうち、少なくとも１つがリセットトランジスタのソースあるいはドレインと共通の領域となっている。２０３はリセットトランジスタのゲート電極である。
図２が示す通り、導波路部材１０６は光電変換部１０３と重なる位置に配される。導波路部材１０６の平面形状は図２に示された円形に限られない。たとえば、四角形などの多角形であってもよいし、楕円であってもよい。また、図２では、光電変換部１０３の一部には導波路部材１０６が重なっていない。しかし、光電変換部１０３の全部が導波路部材１０６と重なっていてもよい。
図２において、第１中間部材１１０は半導体基板１０１の全面に配される。したがって、導波路部材１０６の面積よりも、第１中間部材１１０の面積のほうが大きい。なお、第１中間部材１１０は必ずしも半導体基板の全面にわたって配される必要はない。また、複数の導波路部材１０６に対応して配された複数の第１中間部材１１０が、必ずしも互いに一体として形成される必要はない。
以上に述べた通り、本実施例では層内レンズ１０７と導波路部材１０６との間に、層内レンズ１０７よりも屈折率の低い第１中間部材１１０が配される。そして、第１中間部材１１０の面積は導波路部材１０６の面積より大きい。このような構成によって、導波路部材１０６に入射する光の量を増やすことができる。
導波路部材１０６に光を入射させることができれば、光電変換部まで光が伝搬させることができる。導波路部材１０６に入射できなかった光は配線での反射等によって損失となる。特に導波路部材１０６の周囲に配線が配される場合、導波路部材１０６の入口を大きくするには限度がある。そのため、層内レンズ１０７の面積が導波路部材１０６の入口の面積より大きくすることが好ましい。このような場合に、本発明の効果は顕著となる。
また、導波路部材１０６が光を光電変換部へ伝搬するためには、できるだけ導波路部材１０６の屈折率ができるだけ高いことが好ましい。したがって、第１中間部材１１０の屈折率よりも、導波路部材１０６の屈折率が高いほうが好ましい。導波路部材１０６が複数の材料で構成されている場合には、複数の材料の中で最も高い屈折率が第１中間部材１１０の屈折率よりも高いことが好ましい。
本発明に係る光電変換装置の別の実施例について図面を用いて説明する。図３は本実施例の光電変換装置３００の断面構造の概略図である。図１と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例の特徴は、導波路部材１０６と第１中間部材１１０との間に第２中間部材３０１が配され、第１中間部材１１０と層内レンズ１０７との間に第３中間部材３０２が配されたことである。第２中間部材３０１の屈折率は第１中間部材１１０の屈折率より高く、導波路部材１０６の屈折率より低い。第３中間部材３０２の屈折率は第１中間部材１１０の屈折率より高く、層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率より低い。例えば、第２中間部材３０１及び第３中間部材３０２の屈折率は１．６０〜１．８０であることが好ましい。第２中間部材３０１の屈折率は、導波路部材１０６の屈折率と第１中間部材１１０の屈折率との平均値であることがさらに好ましい。また、第３中間部材３０２の屈折率は、第１中間部材１１０の屈折率と層内レンズ１０７を構成する材料の屈折率との平均値であることがさらに好ましい。本実施例においては、第２中間部材３０１及び第３中間部材３０２はシリコン酸窒化膜で構成される。シリコン酸窒化膜の屈折率は約１．７２である。
第２中間部材３０１及び第３中間部材３０２が配されたことによって、入射光の反射が低減される。一般に、屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が進むとき、ｎ１とｎ２の差が大きいほど反射率が大きくなる。導波路部材１０６と第１中間部材１１０との間に、両者の中間の屈折率を有する第２中間部材３０１が配されることによって、界面での屈折率の差が小さくなる。結果として、導波路部材１０６と第１中間部材１１０とが互いに接して配された場合に比べて、第１中間部材１１０から導波路部材１０６に光が入射する場合の反射率を小さくすることができる。同様に第１中間部材１１０と層内レンズ１０７との間に、両者の中間の屈折率を有する第３中間部材３０２が配されることによって、界面での屈折率の差が小さくなる。結果として、層内レンズ１０７から第１中間部材１１０に光が入射する場合の反射率を小さくすることができる。
第２中間部材３０１が配されたことによる反射率の低減の度合いは、第２中間部材３０１の膜厚ｄ、第２中間部材３０１の屈折率Ｎ、及び入射光の波長ｐの関係によって変化する。これは、複数の界面からの多重反射光が互いに打消しあうからである。理論的には、ｋが０以上の任意の整数であるとき、式（１）の条件の時に反射率が最も低減される。
Figure 2012182430
すなわち、第２中間部材３０１の膜厚が、ｐ／４Ｎの奇数倍の時に、理論的には最も反射率が低減される。したがって、上記の式（１）に基づいて、第２中間部材３０１の膜厚を設定すればよい。特に、第２中間部材３０１の膜厚は以下の式（２）を満足することが好ましい。さらに、式（２）においてｋ＝０の場合が最も好ましい。
Figure 2012182430
例えば、第１中間部材１１０の屈折率が１．４５、第２中間部材３０１の屈折率が１．７２、導波路部材１０６の屈折率が２．００であり、入射光の波長が５５０ｎｍである場合を考える。このとき、第２中間部材３０１の膜厚を８０ｎｍとすると、第１中間部材１１０から導波路部材１０６へ透過する光の透過率は約１．００である。これに対して、第１中間部材１１０と導波路部材１０６とが互いに接して配された場合、透過率は約０．９７である。
第３中間部材３０２によって反射率が低減される度合いも、膜厚、屈折率及び入射光の波長の関係によって変化する。そこで、上述の理論に基づいて、第３中間部材３０２の膜厚を設定すればよい。
本実施例では、層内レンズ１０７と導波路部材１０６との間に、第１中間部材１１０、第２中間部材３０１、及び第３中間部材３０２が配される。そのため、各層において、上述の理論に基づいて適宜膜厚を設定すればよい。
また、第２中間部材３０１の膜厚、及び第３中間部材３０２の膜厚は第１中間部材１１０の膜厚よりも小さいことが好ましい。層内レンズ１０７と導波路部材１０６との間が一定の距離である場合に、屈折率の低い膜の割合が多いほうが本発明の効果が顕著になるためである。
本実施例においては、第２中間部材３０１及び第３中間部材３０２の両方が配された構成を説明した。しかしながら、第２中間部材３０１及び第３中間部材３０２の一方のみが配されていてもよい。この場合でも、反射率低減の効果を得ることができる。
本発明に係る光電変換装置のさらに別の実施例について図面を用いて説明する。図４は本実施例の光電変換装置３００の断面構造の概略図である。図１または図３と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、図４には複数の画素が示されている。複数の画素間で同一の機能を有する部分については説明を省略する。
本実施例の特徴は、第１中間部材１１０と導波路部材１０６との間に、第４中間部材４０１が配されたことである。第４中間部材４０１は導波路部材１０６と接するように配される。そして、第４中間部材４０１は複数の光電変換部の間の領域に延在している。第４中間部材４０１は、導波路部材１０６と同じ材料で形成される。
第４中間部材４０１によって、導波路部材１０６に入射する光の量を増やすことができる。図４の矢印Ｌ３は光電変換装置に入射する光の光路を示す。導波路部材１０６が配されていない領域に入射した光（矢印Ｌ３で示される光）は、配線での反射などによって光電変換部に入射しない可能性がある。しかし、第４中間部材４０１が複数の光電変換部の間の領域に配されたことで、第４中間部材４０１に光が入射する。第４中間部材４０１に入射した光は、第４中間部材４０１の内部を伝搬して導波路部材１０６に入射することができる。このように、第４中間部材４０１が配されたことによって、導波路部材１０６に入射する光の量が増えるので、光電変換装置の感度を向上させることができる。
また、本実施例では層内レンズ１０７と第１中間部材１１０との間に、層内レンズ１０７と接するように第５中間部材４０２が配される。第５中間部材４０２は複数の光電変換部の間の領域に延在している。そして、第５中間部材４０２は層内レンズ１０７と同じ材料で形成される。
なお、図４における右側の画素に対応して配された波長選択部１０８Ｇは主に緑色の波長の光を選択する。左側の画素に対応して配された波長選択部１０８Ｂは主に青色の波長の光を選択する。
本発明に係る光電変換装置のさらに別の実施例について図面を用いて説明する。図５は本実施例の光電変換装置６００の断面構造の概略図である。図３と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例において実施例２と異なる点は、レンズ１０７、導波路部材１０６、第３中間部材６０３、第２中間部材６０２、第１中間部材６０１の順に屈折率が高いことである。つまり、レンズ１０７を構成する材料の屈折率がｎｆ１、第３中間部材６０３の屈折率がｎｆ２、第１中間部材６０１の屈折率がｎｆ３、第２中間部材６０２の屈折率がｎｆ４、導波路部材１０６の屈折率がｎｆ５であるときに、ｎｆ１＞ｎｆ５＞ｎｆ２＞ｎｆ４＞ｎｆ３の関係が成り立つことである。なお、これらの部材の配置は、実施例２と同様であってもよい。
第３中間部材６０３の屈折率ｎｆ２は、ｎｆ１とｎｆ３の中間値（平均値）に近いことが好ましい。また、第２中間部材６０２の屈折率ｎｆ４は、ｎｆ３とｎｆ５の中間値（平均値）に近いことが好ましい。
さらに、本実施例では、レンズ１０７より上層に配された部材が省略されている。具体的には、波長選択部材１０８、マイクロレンズ１０９、層間絶縁膜１１３が省略される。もちろん、これらの部材を備えた変形例も、本発明の範囲に含まれる。
なお、レンズ１０７、導波路部材１０６、第３中間部材６０３、第２中間部材６０２、第１中間部材６０１の構造と配置は、実施例２と同様である。しかしながら、本実施例の特徴は、これらの部材の屈折率の関係である。したがって、例えば第１中間部材６０１の面積が導波路部材１０６の面積より小さい構造の変形例も本実施例の効果を有する。すなわちこのような変形例も本発明に含まれる。
以上に説明した点を除いて、本実施例の構造は実施例１乃至実施例３のいずれかと同様である。したがって、実施例１〜３のいずれかまたは複数の構成を組み合わせた変形例も本発明に含まれる。
本実施例によれば、レンズ１０７と導波路部材１０６との間に屈折率の低い部材が配される。そのため、光電変換部１０３に入射する光の量を増やすことができる。さらに、本実施例によれば、レンズ１０７と導波路部材１０６との間に第２中間部材６０２、第３中間部材６０３が配される。これらの膜が反射防止膜として機能しうるため、界面での光の反射による影響を低減することが可能である。
図６は、本発明の好適な実施形態の光電変換装置の概略構成を示す図である。本実施形態では、光電変換装置としてＣＭＯＳ型光電変換装置を例に挙げる。図６において、光電変換装置５０１は、撮像領域５１１と、垂直走査回路５１２と、２つの読み出し回路５１３と、２つの水平走査回路５１４と、２つの出力アンプ５１５を備えている。撮像領域５１１以外の領域が回路領域５１６である。
撮像領域５１１は、複数の画素が２次元状に配列されて構成される。画素の構造は図１〜図５に示された画素の構造を適宜適用できる。読み出し回路５１３は、例えば、列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等を含み、垂直走査回路５１２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路５１４は、読み出し回路５１３の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ５１５は、水平走査回路５１４によって選択された列の信号を増幅して出力する。
以上の構成は、光電変換装置の一つの構成例に過ぎず、本実施形態は、これに限定されるものではない。読み出し回路５１３と水平走査回路５１４と出力アンプ５１５とは、２系統の出力経路を構成するため、撮像領域５１１を挟んで上下に１つずつ配置されている。しかし、出力経路は３つ以上設けられていてもよい。
１００ 光電変換装置
１０３ 光電変換部
１０４ 絶縁体
１０６ 導波路部材
１０７ 層内レンズ
１０８ 波長選択部
１０９ マイクロレンズ
１１０、６０１ 第１中間部材
３０２、６０２ 第２中間部材
３０３、６０３ 第３中間部材

Claims (18)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された絶縁体と、
    前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光する第１レンズと、
    前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された第２レンズと、
    前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された波長選択部と、を有する光電変換装置において、
    前記絶縁体は、第１部分、及び前記第１部分とは異なる第２部分を有し、
    前記光電変換部と前記第１部材とが並ぶ第１方向と交差する第２方向に沿って、前記第１部分、前記第１部材、及び前記第２部分が並んで配され、
    前記第１部材と前記第１レンズとの間に配された第２部材を有し、
    前記第２部材の面積は前記第１部材の面積よりも大きく、
    前記第２部材を構成する材料の屈折率は前記第１レンズを構成する材料の屈折率より低いことを特徴とする光電変換装置。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された絶縁体と、
    前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光する第１レンズと、
    前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された第２レンズと、
    前記第１レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された波長選択部と、を有する光電変換装置において、
    前記絶縁体は、前記光電変換部と重ならない位置に配された第１部分、及び前記第１部分とは異なり、前記光電変換部と重ならない位置に配された第２部分を有し、
    前記第１部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、
    前記第１部材と前記第１レンズとの間に配された第２部材を有し、
    前記第２部材の面積は前記第１部材の面積よりも大きく、
    前記第２部材を構成する材料の屈折率は前記第１レンズを構成する材料の屈折率より低いことを特徴とする光電変換装置。
  3. 前記第２部材を構成する前記材料の前記屈折率は、前記第１部材を構成する材料の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光電変換装置。
  4. 前記光電変換装置は、前記第１部材と前記第２部材との間に配された第３部材をさらに有し、
    前記第３部材を構成する材料の屈折率は、前記第１部材を構成する前記材料の前記屈折率よりも低く、かつ前記第２部材を構成する前記材料の前記屈折率よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
  5. 前記第３部材の厚さｄ１、前記第３部材を構成する前記材料の前記屈折率Ｘ、及び前記波長選択部によって選択された光の波長ｐが、関係式（１）及び関係式（２）を満足することを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置：
    関係式（１） ｄ１＞ｐ／８Ｘ、
    関係式（２） ｄ１＜３ｐ／８Ｘ。
  6. 前記光電変換装置は、前記第１部材と前記レンズとの間に配された第４部材をさらに有し、
    前記第４部材を構成する材料の屈折率は、前記レンズを構成する前記材料の前記屈折率よりも低く、かつ前記第２部材を構成する前記材料の前記屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  7. 前記第４部材の厚さｄ２、前記第４部材を構成する前記材料の前記屈折率Ｙ、及び前記波長選択部によって選択された光の波長ｐが、関係式（３）及び関係式（４）を満足することを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置：
    関係式（３）ｄ２＞ｐ／８Ｙ、
    関係式（４）ｄ２＜３ｐ／８Ｙ。
  8. 前記光電変換装置は、導電部材を含む配線層をさらに有し、
    前記半導体基板から前記第１部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第１の距離が、前記半導体基板から前記導電部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第２の距離よりも大きく、
    前記半導体基板から前記第１部材の前記半導体基板の側の面までの第３の距離が、前記半導体基板から前記導電部材の前記半導体基板の側の面までの第４の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  9. 前記半導体基板は、複数の前記光電変換部が配された撮像領域と、前記光電変換部からの信号を処理する回路が配された回路領域とを含み、
    前記第２部材は少なくとも前記撮像領域の全体に重なって配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  10. 前記第１部材を構成する材料の屈折率は、前記第１部分の屈折率及び前記第２部分の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  11. 前記第１部材と前記第１部分との間、及び前記第１部材と前記第２部分との間に、前記第１部材に入射した光を反射する反射部材が配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  12. 前記第１部材と前記第１部分との間、及び前記第１部材と前記第２部分との間に、エアギャップが配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  13. 前記光電変換装置は、
    前記光電変換部とは別の光電変換部と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材と同じ材料で形成された膜を有し、
    前記膜は前記第１部材、前記第１部分、及び前記第２部分と接して配され、
    前記膜は前記光電変換部と前記別の光電変換部との間の領域に延在して配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  14. 前記第１レンズの前記半導体基板の側の面の面積は、前記第１部材の前記光電変換部とは反対側の面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
  15. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された絶縁体と、
    前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光するレンズと、
    前記レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された波長選択部と、を有する光電変換装置において、
    前記絶縁体は、第１部分、及び前記第１部分とは異なる第２部分を有し、
    前記光電変換部と前記第１部材とが並ぶ第１方向と交差する第２方向に沿って、前記第１部分、前記第１部材、及び前記第２部分が並んで配され、
    前記レンズと前記第１部材との間に前記レンズより屈折率の低い膜のみが配され、
    前記膜の面積は前記第１部材の面積より大きいことを特徴とする光電変換装置。
  16. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された絶縁体と、
    前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光するレンズと、
    前記レンズに対して前記光電変換部とは反対側に配された波長選択部と、を有する光電変換装置において、
    前記絶縁体は、前記光電変換部と重ならない位置に配された第１部分、及び前記第１部分とは異なり、前記光電変換部と重ならない位置に配された第２部分を有し、
    前記第１部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、
    前記レンズと前記第１部材との間に前記レンズより屈折率の低い膜のみが配され、
    前記膜の面積は前記第１部材の面積より大きいことを特徴とする光電変換装置。
  17. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された絶縁体と、
    前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光するレンズと、を有する光電変換装置において、
    前記絶縁体は、第１部分、及び前記第１部分とは異なる第２部分を有し、
    前記光電変換部と前記第１部材とが並ぶ第１方向と交差する第２方向に沿って、前記第１部分、前記第１部材、及び前記第２部分が並んで配され、
    前記光電変換装置はさらに、
    前記第１部材と前記レンズとの間に配された第１中間部材を有し、
    前記第１部材と前記第１中間部材の間に第２中間部材を有し、
    前記レンズと前記第１中間部材の間に第３中間部材を有し、
    前記レンズを構成する材料の屈折率ｎｆ１、前記第３中間部材の屈折率ｎｆ２、前記第１中間部材の屈折率ｎｆ３、前記第２中間部材の屈折率ｎｆ４、及び前記第１部材の屈折率ｎｆ５が、ｎｆ１＞ｎｆ５＞ｎｆ２＞ｎｆ４＞ｎｆ３の関係を満たすことを特徴とする光電変換装置。
  18. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された絶縁体と、
    前記半導体基板の上であって、前記光電変換部に重なる位置に配された第１部材と、
    前記第１部材に対して前記光電変換部とは反対側に配され、前記第１部材に光を集光するレンズと、を有する光電変換装置において、
    前記絶縁体は、前記光電変換部と重ならない位置に配された第１部分、及び前記第１部分とは異なり、前記光電変換部と重ならない位置に配された第２部分を有し、
    前記第１部材は、前記第１部分と前記第２部分との間に配され、
    前記光電変換装置はさらに、
    前記第１部材と前記レンズとの間に配された第１中間部材を有し、
    前記第１部材と前記第１中間部材の間に第２中間部材を有し、
    前記レンズと前記第１中間部材の間に第３中間部材を有し、
    前記レンズを構成する材料の屈折率ｎｆ１、前記第３中間部材の屈折率ｎｆ２、前記第１中間部材の屈折率ｎｆ３、前記第２中間部材の屈折率ｎｆ４、及び前記第１部材の屈折率ｎｆ５が、ｎｆ１＞ｎｆ５＞ｎｆ２＞ｎｆ４＞ｎｆ３の関係を満たすことを特徴とする光電変換装置。
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