JP2018026378A - 固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】より簡易的な設計で透過波長シフトの発生を抑制する。【解決手段】固体撮像素子は、第1の多層膜層および第2の多層膜層によって透過波長調整層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備える。また、透過波長調整層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成され、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定される。そして、2種類の誘電体が混在する割合は、多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さいチップ中央部から光の入射角が大きいチップ端部に向かうに従い、透過波長調整層の実効的な屈折率が大きくなるように調整される。本技術は、例えば、裏面照射型のCMOSイメージセンサに適用できる。【選択図】図1

Description

本開示は、固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器に関し、特に、より簡易的な設計で透過波長シフトの発生を抑制することができるようにした固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器に関する。
従来、撮像装置には、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサやCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどの撮像素子が利用されている。撮像素子は、赤色、緑色、および青色の波長域の光を透過するカラーフィルタが受光面に積層されたデバイス構造となっており、それぞれの波長域の光を検出することにより画像が撮像される。
また、近年では、イメージセンサの用途が広がっており、例えば、赤外の波長域の光を検出して撮像したり、赤色、緑色、および青色よりも多波長(マルチスペクトル)に光を分解して検出して撮像したりすることが検討されている。このような用途では、従来のカラーフィルタによる分光だけではなく、異なる誘電率を持つ多層膜の光干渉効果を利用し、狙った波長の光のみ急峻に透過させることが可能な多層膜フィルタの使用が検討されている。
多層膜フィルタは、光の干渉効果を利用して、透過する波長をコントロールしている。そのため、例えば、CMOSイメージセンサのチップ内で光の入射角が異なる領域においては、多層膜フィルタを透過する際の光路長が変化することより、それぞれの領域を透過する透過波長がシフトしてしまう。これにより、いわゆるスマートフォンなどに代表される小型なカメラモジュールのように、光の入射角が大きい電子機器では、チップ中心部とチップ端部とで光の入射角に応じて、透過波長シフトが顕著に発生することになる。
例えば、特許文献1では、多層膜フィルタの下に、干渉特性が異なる微細な構造体を追加し、その構造体の微細構造をチップ内における光の入射角に応じて変更することで、透過波長ピークシフトを抑制する発明が提案されている。
特開2013−55202号公報
しかしながら、特許文献1の発明で提案されている構造は、多層膜フィルタの構造と微細構造を合わせた干渉効果を考慮して設計する必要があり、多層膜フィルタの構造と微細構造との積層構造が複雑になっていた。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より簡易的な設計で透過波長シフトの発生を抑制することができるようにするものである。
本開示の一側面の固体撮像素子は、第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、前記第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第3層の面内に亘って調整される。
本開示の一側面の固体撮像素子の製造方法は、第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、前記第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第3層の面内に亘って調整される固体撮像素子の製造方法であって、所定の屈折率の第1の誘電体を母材として、前記第1の誘電体とは屈折率が異なる第2の誘電体を埋め込み、前記多層膜フィルタが透過する光の透過波長より小さいサイズの構造体を前記第2の誘電体により形成する工程を含む。
本開示の一側面の電子機器は、第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
前記第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第3層の面内に亘って調整される固体撮像素子を備える。
本開示の一側面においては、第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、第1層および第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタにおいて、第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定される。そして、2種類の誘電体が混在する割合は、多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、第3層の面内に亘って調整される。
本開示の一側面によれば、より簡易的な設計で透過波長シフトの発生を抑制することができる。
本技術を適用した撮像素子が備える多層膜フィルタの第1の実施の形態の構成例を示す断面図である。 多層膜フィルタが採用される撮像素子を平面的に見た図である。 多層膜フィルタの製造方法について説明する図である。 透過波長調整層の変形例を示す図である。 マルチスペクトルセンサへの適用について説明する図である。 多層膜フィルタの第2の実施の形態の構成例を示す断面図である。 多層膜フィルタの第3の実施の形態の構成例を示す断面図である。 多層膜フィルタの製造方法について説明する図である。 撮像素子の第1の構成例を示す断面図である。 撮像素子の第2の構成例を示す断面図である。 電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。 本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 撮像部の設置位置の例を示す図である。
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<多層膜フィルタの第1の構成例>
図1は、本技術を適用した撮像素子が備える多層膜フィルタの第1の実施の形態の構成例を示す断面図である。
図1に示される多層膜フィルタ11は、画素ごとにフォトダイオードが形成される半導体基板(図示せず)に積層され、その半導体基板側から順に、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23が積層されて構成される。即ち、多層膜フィルタ11は、第1の多層膜層21および第2の多層膜層23の2層によって透過波長調整層22が挟み込まれる積層構造となっており、透過波長調整層22の膜厚および屈折率により、多層膜フィルタ11の透過波長が決定される。
また、多層膜フィルタ11では、それぞれ屈折率の異なる誘電体からなる高屈折率材料31、高屈折率材料32、および低屈折率材料33が積層されることにより、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23が構成される。
第1の多層膜層21は、高屈折率材料31a、低屈折率材料33a、高屈折率材料31b、低屈折率材料33b、および高屈折率材料31cが積層された周期構造となっている。
透過波長調整層22は、高屈折率材料32および低屈折率材料33が混在するように形成されており、それらが混在する割合によって、透過波長調整層22の実効的な屈折率が決定される。即ち、透過波長調整層22は、低屈折率材料33cを母材として、透過波長よりも小さいスケールの微細な円柱形状の高屈折率材料32Sおよび32Lからなる構造体のパターンが、低屈折率材料33cに埋め込まれて構成される。また、高屈折率材料32Sおよび32Lは、それぞれ直径が異なるように形成されており、透過波長調整層22の実効的な屈折率は、低屈折率材料33cに混在する高屈折率材料32Sおよび高屈折率材料32Lそれぞれの割合(体積比率)に従って決定される。
第2の多層膜層23は、高屈折率材料32、低屈折率材料33d、高屈折率材料31d、低屈折率材料33e、および高屈折率材料31eが積層された周期構造となっている。
ここで、多層膜フィルタ11は、多層膜フィルタ11が採用される撮像素子の撮像面における中央部(以下、チップ中央部と称する)と、その撮像面の端部(以下、チップ端部と称する)とで透過波長が一致するように、透過波長調整層22の屈折率が調整される。
一般的に、光学的な干渉は、膜屈折率nおよび入射角θを用いて、n×cosθに依存する。このため、入射角θが大きいチップ端部では、その分に応じて膜屈折率nを大きくすることにより、干渉による透過波長の変動を抑制することができる。
従って、多層膜フィルタ11は、チップ中央部よりもチップ端部で屈折率が大きくなるように透過波長調整層22を形成することで、透過波長シフトの発生を低減することができる。
例えば、透過波長調整層22は、低屈折率材料33cを母材として微細なホールのパターンを形成し、それらのホールに、低屈折率材料33cに対して相対的に屈折率の大きな高屈折率材料32Lおよび32Sを埋め込むことによって形成される。このとき、図2に示すように、光の入射角が小さいチップ中央部から、光の入射角が大きいチップ端部に向かうに従い、低屈折率材料33cに形成されるホールの直径が大きくなるように制御される。
図2には、多層膜フィルタ11が採用される撮像素子51を平面的に見た図が示されている。
図2に示すように、チップ中央部の高屈折率材料32Sの直径を小さくし、チップ端部の高屈折率材料32Lの直径を大きくすることで、チップ中央部からチップ端部に向かうに従い屈折率が大きくなるように、撮像素子51の面内に亘って屈折率が調整される。即ち、撮像素子51のチップ中央部では光の入射角が小さいので、直径が小さな高屈折率材料32Sを低屈折率材料33cに埋め込むことで、透過波長調整層22の実効的な屈折率を相対的に小さくすることができる。一方、撮像素子51のチップ端部では光の入射角が大きいので、直径が大きな高屈折率材料32Lを低屈折率材料33cに埋め込むことで、透過波長調整層22の実効的な屈折率を相対的に大きくすることができる。
このように、多層膜フィルタ11は、撮像素子51に対する光の入射角に応じて、透過波長調整層22の光学的な膜厚を調整することで、光の入射角の異なるチップ内の領域における透過波長シフトの発生を抑制することができる。ここで、光学的な膜厚は、膜の屈折率と物理的な膜厚とで決定される。従って、透過波長調整層22の実効的な屈折率をチップ内で入射角に応じて調整すること、即ち、高屈折率材料32Sおよび32Lの直径を適切に設計することで、チップ中央部およびチップ端部の光の入射角の違いに伴う透過波長シフトの発生を低減することができる。
また、従来、多層膜フィルタを用いたイメージセンサは、透過波長シフトの影響が受け難くするためには、光の入射角が小さい比較的に大きなカメラモジュールを用いる必要があった。これに対し、多層膜フィルタ11を採用した撮像素子51は、透過波長シフトの発生を低減するができるので、例えば、いわゆるスマートフォンに代表されるような光の入射角の大きい小型なカメラモジュールに適用することができる。そして、多層膜フィルタ11を採用した撮像素子51は、透過波長シフトによる画質ムラなどの発生を抑制することができるので、より高画質な画像を撮像することができる。
<多層膜フィルタの製造方法>
図3を参照して、図1の多層膜フィルタ11の製造方法について説明する。
第1の工程において、図3の1段目に示すように、高屈折率材料31a、低屈折率材料33a、高屈折率材料31b、低屈折率材料33b、および高屈折率材料31cが積層されて構成される第1の多層膜層21の全面に低屈折率材料33cが成膜される。
第2の工程において、低屈折率材料33cの全面にレジスト41を成膜した後、パターニングを行う。これにより、図3の2段目に示すように、低屈折率材料33cに埋め込まれる高屈折率材料32Sおよび32Lの直径に応じた微細なホールが、レジスト41に形成される。
このとき、レジスト41に形成される微細なホールの直径が、チップ中央部からチップ端部に近づくのに従って大きくなるように設計することで、工程数を増やすことなく、チップ中央部の屈折率とチップ端部の屈折率とに差を設けることができる。さらに、ホールのピッチを変更するのではなく、ホールの直径を変更することにより、加工用のマスクパターンの作成時には、チップ中央部からの距離に応じた関数でチップサイズ拡大の演算を施すだけでよく、設計面においても処理が容易である。
第3の工程において、図3の3段目に示すように、レジスト41を利用して低屈折率材料33cをエッチングすることにより、高屈折率材料32Sを埋め込むためのホール42S、および、高屈折率材料32Lを埋め込むためのホール42Lを形成する。
第4の工程において、図3の4段目に示すように、レジスト41を除去する。
第5の工程において、図3の5段目に示すように、ホール42Sに高屈折率材料32Sを埋め込み、ホール42Lに高屈折率材料32Lを埋め込むのと同時に、透過波長調整層22に対して高屈折率材料32を成膜する。
第6の工程において、図3の6段目に示すように、高屈折率材料32に対して、低屈折率材料33d、高屈折率材料31d、低屈折率材料33e、および高屈折率材料31eを積層することにより、第2の多層膜層23が形成される。
以上のような工程により、透過波長シフトの発生を低減する機能を備えた多層膜フィルタ11を製造することができる。
なお、低屈折率材料33には、SiO2を使用し、高屈折率材料31および高屈折率材料32には、SiNやTiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2などから適宜選択して使用することができる。また、高屈折率材料32Sおよび32Lを形成するためのホールの形状は、円形に限られることはなく、四角形や多角形などの形状を採用してよい。
<透過波長調整層の変形例>
図4を参照して、透過波長調整層22の変形例について説明する。
図4Aには、透過波長調整層22の第1の変形例が示されている。
図4Aに示すように、透過波長調整層22Aは、平面的に見て、透過波長よりも幅の狭い微細なライン形状の高屈折率材料32Sおよび32Lからなる構造体のパターンが低屈折率材料33cに埋め込まれて形成される。このように、高屈折率材料32Sおよび32Lにライン形状のパターンを用いることにより、図2に示したような円柱形状のパターンを用いた構成よりも、低屈折率材料33cに対す高屈折率材料32Sおよび32Lの占有率を上げやすくなる。これにより、透過波長調整層22Aにおける屈折率の制御範囲を拡大し易くすることができる。
また、ライン形状の高屈折率材料32Sおよび32Lは、パターンのピッチを一定にして、パターンの幅だけが変更されている。これにより、加工用のマスクパターンの作成時には、チップ中央部からの距離に応じた関数でチップサイズ拡大の演算を施すだけでよく、設計面においても処理が容易である。
図4Bには、透過波長調整層22の第2の変形例が示されている。
図4Bに示すように、透過波長調整層22Bは、平面的に見て、低屈折率材料33cに埋め込まれる微細な円柱形状の高屈折率材料32のパターンの配置密度が、チップ中央部とチップ端部とで異なるように形成される。
即ち、透過波長調整層22Bは、チップ中央部における高屈折率材料32がパターンの密度が低くなるように配置され、チップ端部における高屈折率材料32がパターンの密度が高くなるように配置されて形成される。これにより、透過波長調整層22Bは、チップ中央部における実効的な屈折率が低く、チップ端部における実効的な屈折率が高くなる。例えば、透過波長調整層22Bは、高屈折率材料32を形成するためのホールのパターンの生成密度が、チップ中央部からの距離に応じて変更されるようにマスクが設計される。
図4Cには、透過波長調整層22の第3の変形例が示されている。
図4Cに示すように、透過波長調整層22Cは、平面的に見て、低屈折率材料33cに埋め込まれる微細なライン形状の高屈折率材料32のパターンの配置密度が、チップ中央部とチップ端部とで異なるように形成されている。
即ち、透過波長調整層22Cは、チップ中央部における高屈折率材料32がパターンの密度が低くなるように配置され、チップ端部における高屈折率材料32がパターンの密度が高くなるように配置されて形成される。これにより、透過波長調整層22Cは、チップ中央部における実効的な屈折率が低く、チップ端部における実効的な屈折率が高くなる。例えば、透過波長調整層22Cは、高屈折率材料32を形成するためのラインのパターンの生成密度が、チップ中央部からの距離に応じて変更されるようにマスクが設計される。
なお、多層膜フィルタ11では、透過波長調整層22が、低屈折率材料33cを母材として高屈折率材料32の構造体のパターンが埋め込まれるように構成されているが、例えば、高屈折率材料を母材として、低屈折率材料の構造体のパターンが埋め込まれる構成を採用してもよい。この場合、高屈折率材料の母材に対する低屈折率材料の構造体の大きさや配置密度は、透過波長調整層22とは逆になる。即ち、この場合、チップ中央部において、高屈折率材料の母材に対する低屈折率材料の構造体を大きくし、または、低屈折率材料の構造体の配置密度を高くする。同様に、この場合、チップ端部において、高屈折率材料の母材に対する低屈折率材料の構造体を小さくし、または、低屈折率材料の構造体の配置密度を低くする。
また、多層膜フィルタ11では、透過波長調整層22が、低屈折率材料33cを母材としているため、透過波長調整層22が、第1の多層膜層21および第2の多層膜層23よりも低屈折率となるように構成されている。これに対し、例えば、透過波長調整層22が、第1の多層膜層21および第2の多層膜層23よりも高屈折率となるような構成を採用してもよい。
さらに、多層膜フィルタ11では、第1の多層膜層21および第2の多層膜層23が、単層で、所望の屈折率となるように構成してもよい。また、多層膜フィルタ11では、第1の多層膜層21および第2の多層膜層23の屈折率が同一(同一の積層構造)となるように設定されていても、それらの屈折率が異なるように設定されていてもよい。
<多層膜フィルタの第2の構成例>
図5および図6を参照して、多層膜フィルタの第2の実施の形態について説明する。
例えば、多層膜フィルタ11−1は、チップ内で多波長を検出するセンサ(マルチスペクトルセンサ)で使用することができる。
図5Aには、多層膜フィルタ11−1の全体的な斜視図が示されており、図5Bには、多層膜フィルタ11−1の透過波長の例が示されている。
図5に示す例では、多層膜フィルタ11−1の透過波長は、波長の短い方から順に、青色の第1の波長域B1、青色の第2の波長域B2、青色の第3の波長域B3、緑色の第1の波長域G1、緑色の第2の波長域G2、緑色の第3の波長域G3、赤色の第1の波長域R1、赤色の第2の波長域R2、および赤色の第3の波長域R3となるように設定される。
このような9つの波長域の光を透過することができるように、図5Aに示すように多層膜フィルタ11−1が9つの領域に分割され、それぞれの領域ごとに異なる波長域の光を透過するように、透過波長調整層22の実効的な屈折率が設定される。そして、多層膜フィルタ11−1では、それぞれの波長域の領域において、チップ中央部からの距離に応じて透過波長調整層22の実効的な屈折率(即ち、低屈折率材料33cに対する高屈折率材料32の割合)が設定され、光の入射角に応じた光学的な膜厚が調整される。
図6は、多層膜フィルタ11−1の断面的な構成例を示す図である。
図6Aには、多層膜フィルタ11−1の青色の波長域の領域11−1Bが示されており、図6Bには、多層膜フィルタ11−1の緑色の波長域の領域11−1Gが示されており、図6Cには、多層膜フィルタ11−1の赤色の波長域の領域11−1Rが示されている。
例えば、多層膜フィルタ11−1は、まず、青色の波長域の領域11−1B、緑色の波長域の領域11−1G、および赤色の波長域の領域11−1Rごとに、透過波長調整層22において低屈折率材料33cに埋め込む高屈折率材料32の割合が設定される。即ち、領域11−1Bでは、青色の波長域を透過するように低屈折率材料33cに対する高屈折率材料32の割合が選択され、領域11−1Gでは、緑色の波長域を透過するように低屈折率材料33cに対する高屈折率材料32の割合が選択される。同様に、領域11−1Rでは、赤色の波長域を透過するように低屈折率材料33cに対する高屈折率材料32の割合が選択される。
さらに、青色の波長域の領域11−1B、緑色の波長域の領域11−1G、および赤色の波長域の領域11−1Rそれぞれにおいて、光の入射角に応じて、高屈折率材料32Sおよび32Lの直径が調整される。例えば、多層膜フィルタ11−1は、透過波長調整層22を形成する際、加工マスク1枚の中で、透過する多波長の選択と、チップ内での入射角依存の調整とを同時に行うことができ、簡単な工程でマルチスペクトルセンサを実現することができる。
<多層膜フィルタの第3の構成例>
図7は、多層膜フィルタの第3の実施の形態の構成例を示す断面図である。
図7に示すように、多層膜フィルタ11−2は、多層膜フィルタ11−2の透過波長を決定する透過波長調整層22だけでなく、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23を貫通するように、高屈折率材料32Sおよび32Lが形成される。即ち、多層膜フィルタ11−2は、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23の全体で屈折率が調整される構造となっている。
このように構成される多層膜フィルタ11−2は、図1の多層膜フィルタ11と同様に、撮像素子51に対する光の入射角に応じて高屈折率材料32Sおよび32Lの直径を調整する。これにより、多層膜フィルタ11−2は、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23の全体で屈折率を調整し、光の入射角の異なるチップ内の領域における透過波長シフトの発生を抑制することができる。
<多層膜フィルタの製造方法>
図8を参照して、図7の多層膜フィルタ11−2の製造方法について説明する。
第1の工程において、図8の1段目に示すように、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23を構成するように、高屈折率材料31および低屈折率材料33が積層された周期構造が形成される。
第2の工程において、第2の多層膜層23の全面にレジスト41を成膜した後、パターニングを行う。これにより、図8の2段目に示すように、高屈折率材料32Sおよび32Lの直径に応じた微細なホールが、レジスト41に形成される。
第3の工程において、図8の3段目に示すように、レジスト41を利用して第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23をエッチングすることにより、高屈折率材料32Sを埋め込むためのホール42S、および、高屈折率材料32Lを埋め込むためのホール42Lを形成する。
このとき、第1の多層膜層21の高屈折率材料31aが、エッチングをストップするためのエッチングストッパとして利用される。例えば、第1の多層膜層21の高屈折率材料31aと低屈折率材料33aとの間でのエッチングレートの違いを利用して、高屈折率材料31a上でエッチングを止める構成とすることができる。
第4の工程において、図3の4段目に示すように、レジスト41を除去した後、ホール42Sに高屈折率材料32Sを埋め込み、ホール42Lに高屈折率材料32Lを埋め込むのと同時に、低屈折率材料33fに対して高屈折率材料32を成膜する。
以上のような工程により、第1の多層膜層21、透過波長調整層22、および第2の多層膜層23の全体で透過波長シフトの発生を低減する機能を備えた多層膜フィルタ11を製造することができる。
なお、高屈折率材料32Sおよび32Lを形成するためのホールの形状は、円形に限られることはなく、四角形や多角形などの形状や、ライン形状などを採用してよい。
<撮像素子の構成例>
図9および図10を参照して、多層膜フィルタ11を備えて構成される撮像素子51の構成例について説明する。
図9は、撮像素子51の第1の構成例を示す断面図である。
図9に示すように、撮像素子51Aは、例えば、シリコンなどの基板により構成される光電変換層52の表面(図9の下側の面)に読み出し回路53が配置され、光電変換層52の裏面側に多層膜フィルタ11が配置される裏面照射構造となっている。即ち、撮像素子51Aは、光入射面側から順に、多層膜フィルタ11、光電変換層52、および読み出し回路53が積層された構造となっている。また、光電変換層52には、画素ごとにフォトダイオードが形成されており、読み出し回路53には、光電変換層52における光電変換により発生する画素信号を読み出す多層配線が形成される。
このように、撮像素子51Aは、光の入射角の異なるチップ内の領域における透過波長シフトの発生を、より良好に抑制することができる。
例えば、表面照射構造の撮像素子は、多層配線が形成される読み出し回路53の上層に多層膜フィルタ11が形成される構成となり、多層配線の形成に伴う層間絶縁膜のチップ内膜厚にバラツキが発生することがあった。このため、多層膜フィルタ11における干渉効果がバラツクため、光の入射角に依存する透過波長シフトを補正することが困難であると想定される。
これに対して、撮像素子51Aは、光電変換層52の上層に多層膜フィルタ11が形成される構成となっているため、このようなバラツキが発生するようなことがなく、光の入射角に依存する透過波長シフトを確実に補正することができる。
図10は、撮像素子51の第2の構成例を示す断面図である。
図10に示すように、撮像素子51Bは、例えば、有機系または無機系の材料が成膜されることにより構成される光電変換膜55の表面(図10の下側の面)に読み出し回路53および半導体回路54が配置され、光電変換膜55の裏面側に多層膜フィルタ11が配置される積層型の裏面照射構造となっている。即ち、撮像素子51Bは、光入射面側から順に、多層膜フィルタ11、光電変換膜55、読み出し回路53、および半導体回路54が積層された構造となっている。また、光電変換膜55には、画素ごとに光電変換部が形成されている。
このように、撮像素子51Bは、光電変換膜55の上層に多層膜フィルタ11が形成される構成となっており、図9の撮像素子51Aと同様に、光の入射角の異なるチップ内の領域における透過波長シフトの発生を、より良好に抑制することができる。
なお、上述したような撮像素子51は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
<撮像装置の構成例>
図11は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図11に示すように、撮像装置101は、光学系102、撮像素子103、信号処理回路104、モニタ105、およびメモリ106を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系102は、1枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光(入射光)を撮像素子103に導き、撮像素子103の受光面(センサ部)に結像させる。
撮像素子103としては、上述した撮像素子51が適用される。撮像素子103には、光学系102を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子103に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路104に供給される。
信号処理回路104は、撮像素子103から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路104が信号処理を施すことにより得られた画像(画像データ)は、モニタ105に供給されて表示されたり、メモリ106に供給されて記憶(記録)されたりする。
このように構成されている撮像装置101では、上述した撮像素子51を適用することで、例えば、透過波長シフトの発生を抑制して、画質ムラのない高画質な画像を撮像することができる。
<イメージセンサの使用例>
図12は、上述のイメージセンサ(撮像素子51)を使用する使用例を示す図である。
上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
<移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図13は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図13に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図13の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図14は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図14では、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図14には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部12031に適用され得る。具体的には、撮像部12031は、図1の多層膜フィルタ11を備えた構成を採用することができる。これにより、撮像部12031は、例えば、透過波長シフトの発生を抑制して、画質ムラのない高画質な画像を撮像することができるため、ドライバが、より見やすい画像を提供することができる。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第3層によって前記第2層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
前記第2層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、
2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第2層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第2層の面内に亘って調整される
固体撮像素子。
(2)
前記第2層は、所定の屈折率の第1の誘電体を母材として、前記第1の誘電体とは屈折率が異なる第2の誘電体を埋め込むことにより、前記多層膜フィルタが透過する光の透過波長より小さいサイズの構造体が前記第2の誘電体により形成されて構成される
上記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角に応じて、前記構造体の寸法を変更することにより調整される
上記(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記第1の誘電体の屈折率が前記第2の誘電体の屈折率よりも低い場合、前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角が大きくなる領域における前記構造体の寸法を大きくすることで調整される
上記(3)に記載の固体撮像素子。
(5)
前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角に応じて、前記構造体の配置密度を変更することにより調整される
上記(2)に記載の固体撮像素子。
(6)
前記第1の誘電体の屈折率が前記第2の誘電体の屈折率よりも低い場合、前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角が大きくなる領域における前記構造体の配置密度を高くすることで調整される
上記(5)に記載の固体撮像素子。
(7)
前記多層膜フィルタは、複数の領域ごとに異なる波長域の光を透過するように、前記領域ごとに前記第2層の実効的な屈折率が設定され、
それぞれの前記領域において、前記光の入射角に応じて2種類の前記誘電体が混在する割合が調整される
上記(1)から(6)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)
光入射面側から順に、前記多層膜フィルタ、画素ごとに光電変換部が形成される光電変換層、前記光電変換層から画素信号を読み出す読み出し回路が積層された構造である
上記(1)から(7)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)
前記第2の屈折率は、前記第1の屈折率および前記第3の屈折率よりも低屈折率である
上記(1)から(8)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)
前記第1層および前記第3層は、屈折率の異なる材料からなる膜が積層された多層膜層である
上記(1)から(9)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(11)
前記第1の屈折率および前記第3の屈折率が略同一である
上記(1)から(10)までのいずれかに記載の固体撮像素子。
(12)
第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第3層によって前記第2層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
前記第2層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、
2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第2層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第2層の面内に亘って調整される
固体撮像素子の製造方法であって、
所定の屈折率の第1の誘電体を母材として、前記第1の誘電体とは屈折率が異なる第2の誘電体を埋め込み、
前記多層膜フィルタが透過する光の透過波長より小さいサイズの構造体を前記第2の誘電体により形成する
工程を含む製造方法。
(13)
第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第3層によって前記第2層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
前記第2層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、
2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第2層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第2層の面内に亘って調整される
固体撮像素子を備える電子機器。
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
11 多層膜フィルタ, 21 第1の多層膜層, 22 透過波長調整層, 23 第2の多層膜層, 31および32 高屈折率材料, 33 低屈折率材料, 41 レジスト, 42 ホール, 51 撮像素子, 52 光電変換層, 53 読み出し回路, 54 半導体回路, 55 光電変換膜

Claims (13)

  1. 第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
    前記第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、
    2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第3層の面内に亘って調整される
    固体撮像素子。
  2. 前記第3層は、所定の屈折率の第1の誘電体を母材として、前記第1の誘電体とは屈折率が異なる第2の誘電体を埋め込むことにより、前記多層膜フィルタが透過する光の透過波長より小さいサイズの構造体が前記第2の誘電体により形成されて構成される
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角に応じて、前記構造体の寸法を変更することにより調整される
    請求項2に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第1の誘電体の屈折率が前記第2の誘電体の屈折率よりも低い場合、前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角が大きくなる領域における前記構造体の寸法を大きくすることで調整される
    請求項3に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角に応じて、前記構造体の配置密度を変更することにより調整される
    請求項2に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第1の誘電体の屈折率が前記第2の誘電体の屈折率よりも低い場合、前記第1の誘電体に対する前記第2の誘電体の割合は、前記光の入射角が大きくなる領域における前記構造体の配置密度を高くすることで調整される
    請求項5に記載の固体撮像素子。
  7. 前記多層膜フィルタは、複数の領域ごとに異なる波長域の光を透過するように、前記領域ごとに前記第3層の実効的な屈折率が設定され、
    それぞれの前記領域において、前記光の入射角に応じて2種類の前記誘電体が混在する割合が調整される
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  8. 光入射面側から順に、前記多層膜フィルタ、画素ごとに光電変換部が形成される光電変換層、前記光電変換層から画素信号を読み出す読み出し回路が積層された構造である
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  9. 前記第3の屈折率は、前記第1の屈折率および前記第2の屈折率よりも低屈折率である
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  10. 前記第1層および前記第2層は、屈折率の異なる材料からなる膜が積層された多層膜層である
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  11. 前記第1の屈折率および前記第2の屈折率が略同一である
    請求項1に記載の固体撮像素子。
  12. 第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
    前記第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、
    2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第3層の面内に亘って調整される
    固体撮像素子の製造方法であって、
    所定の屈折率の第1の誘電体を母材として、前記第1の誘電体とは屈折率が異なる第2の誘電体を埋め込み、
    前記多層膜フィルタが透過する光の透過波長より小さいサイズの構造体を前記第2の誘電体により形成する
    工程を含む製造方法。
  13. 第1の屈折率を有する第1層、第2の屈折率を有する第2層、および第3の屈折率を有する第3層が少なくとも積層されて構成され、前記第1層および前記第2層によって前記第3層が挟み込まれる積層構造の多層膜フィルタを備え、
    前記第3層は、少なくとも屈折率の異なる2種類の誘電体が混在するように形成されており、その混在する割合によって実効的な屈折率が決定され、
    2種類の前記誘電体が混在する割合は、前記多層膜フィルタに照射される光の入射角が小さい部分から光の入射角が大きい部分に向かうに従い、前記第3層の実効的な屈折率が大きくなるように、前記第3層の面内に亘って調整される
    固体撮像素子を備える電子機器。
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