JP2020194852A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
各画素には、入射する光の経路に特定の波長の光を透過させるカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とする。一般に、1画素毎に対応して特定の色のカラーフィルタを配置することで、カラーフィルタを規則的に多数配列し、色分解した画像情報を得ることができる構成となる。カラーフィルタの色としては、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色からなる3原色系、あるいは、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)からなる補色系が一般的であり、特に3原色系が多く使われている。
また、マイクロレンズとカラーフィルタが一体化した構成が開示されている(特許文献2参照)。開示されている構成は、隣接する画素のカラーフィルタ同士が側面において隙間なく接することにより、混色を緩和する効果があるとされている。
本発明は、マイクロレンズとカラーフィルタが一体化した構造において、画素内の位置によってカラーフィルタの厚みが異なることに起因するS/N特性の劣化を改善することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
本実施形態の固体撮像装置では、図1に示すように、緑色画素11Gの数と赤色画素11Rの数と青色画素11Bの数の比率が2:1:1となるベイヤー配列にしたがって、4画素を1単位とした配列が周期的に並んでいる。赤色画素11Rは、赤色波長光の強度を検出する画素であり、緑色画素11Gは、緑色波長光の強度を検出する画素であり、青色画素11Bは、青色波長光の強度を検出する画素である。
平面視において、各カラーフィルタ12の領域が、各画素の領域に一致する。
図2に示すように、固体撮像装置10において、半導体基板16の内部には、入射した光を電荷へと変換する作用を持つ複数の光電変換素子17が設けられている。光電変換素子17は、図1に示す画素11毎に設けられ、複数の光電変換素子が2次元的に配置される。
半導体基板16は、例えば、シリコンで構成される。光電変換素子17は、例えば、リンなどの元素を半導体基板16に添加することで形成される。
半導体基板16の上には、平坦化層15が形成される。平坦化層15は、例えば、シリコン酸化膜などから形成される。また、入射光の反射を低減するために、平坦化層15と半導体基板との界面には、反射防止膜を、金属酸化物で形成してもよい。
図2に示すように、カラーフィルタ平坦部13の厚さ(膜厚)である平坦部高さAは、例えば、平坦化層15と接する面から、カラーフィルタレンズ部14の最底部と接する面までの高さとして定義する。カラーフィルタレンズ部14のレンズ部高さBは、例えば、厚さ方向において、カラーフィルタ平坦部13と接する最底部の面からカラーフィルタレンズ部14のレンズ形状の頂部までの高さとして定義する。
カラーフィルタ12は、例えば、緑色、青色、赤色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ感光性を有する有機材料により構成される。カラーフィルタレンズ部14は、レンズ母型をマスクとして用いたドライエッチングによりレンズ母型の形状をカラーフィルタ12に形状転写することにより形成される。また、入射光の反射を低減するために、カラーフィルタレンズ部14の上部には、反射防止膜を、例えば、シリコン酸化膜などで形成してもよい。
図4は、固体撮像装置10に対して画素に垂直な方向から光が入射した場合における、画素の対角方向の端部への入射光Lの挙動を示したものである。
図4(a)は、カラーフィルタ平坦部13を有する構成であり、図4(b)は、カラーフィルタ平坦部13を有さず、平坦化層15の上部にカラーフィルタレンズ部14が形成された場合の構成である。
上記理由により、カラーフィルタ平坦部13を有する構成とすることにより、画質特性を向上させることが可能となる。
上記比率が、0.5よりも低い場合には、カラーフィルタレンズ部による十分な集光がなされないために受光感度が低下することで画素のS/N比が劣化し、結果的に画質特性の劣化を引き起こす(後述の実施例参照)。 平坦部高さAとレンズ部高さBの和は500nm以上800nm以下が好ましい。
その理由は、各画素の幅が0.6μmよりも狭くなると、ある画素へ入射した光に占める隣接画素へと向かう入射光の割合が増加し、画素のS/N比の劣化が顕著になるためである。また、各画素の幅が3.0μmよりも広くなると、カラーフィルタレンズ部による十分な集光がなされないために受光感度が低下することで、画素のS/N比の劣化が顕著になるためである。
シミュレーションは、電磁場解析手法の一種である時間領域差分法(FDTD法)を用いて実施した。以下に、シミュレーションの条件を示す。
シミュレーションに使用した固体撮像装置10の構造を図5に示す。
上面図である図5(a)において、赤色画素11R、緑色画素11G、青色画素11B、それぞれの幅はX軸方向とY軸方向ともに0.9μmとした。赤色カラーフィルタ平坦部13R及び赤色カラーフィルタレンズ部14Rは、いずれも赤色波長光を透過するカラーフィルタ12であって、X軸方向の長さ及びY軸方向の長さを0.9μmとした。緑色カラーフィルタ平坦部13Gと緑色カラーフィルタレンズ部14Gは、いずれも緑色波長光を透過するカラーフィルタ12であって、X軸方向の長さ及びY軸方向の長さを0.9μmとした。カラーフィルタ平坦部13B及びカラーフィルタレンズ部14Bは、いずれも青色波長光を透過するカラーフィルタ12であって、X軸方向の長さ及びY軸方向の長さを0.9μmとした。平坦化層15は、Z軸方向の高さを0.1μm、屈折率を1.6、消衰係数を0とした。半導体基板16は、X方向の長さ及びY方向の長さを1.8μm、Z軸方向の高さを3μmとした。入射光は平行光とし、電場の振動方向はX軸方向とした。
上記カラーフィルタ13Bの屈折率及び消衰係数は、色材としてC.I.ピグメントブルー15:6、C.I.ピグメントバイオレット23、を用い、さらにシクロヘキサノン、PGMEAなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に0.6μmの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値を用いた。
入射光は平行光とし、電場の振動方向はX軸方向とした。入射光の波長は、単一波長とし、1水準あたり400nmから700nmまで10nm刻みで31条件を実施した。
画質の性能指標として、SNR10を用いた。これは、携帯電話カメラ向けの固体撮像装置における色補正処理等を行った後の画質の指標として用いられるものである。
本実施例では、F値を1.8とした場合において、各画素の受光感度を量子効率とみなし、各水準のシミュレーション結果から計算した分光感度特性からSNR10を算出した。SNR10値は照度(lux)の単位を有し、低い数値であることが好ましい。
図7に、高さAとレンズ部高さBの和を600nmとした場合における、比率Rに対するSNR10の特性を示す。
図8に、高さAとレンズ部高さBの和を700nmとした場合における、比率Rに対するSNR10の特性を示す。
図9に、高さAとレンズ部高さBの和を800nmとした場合における、比率Rに対するSNR10の特性を示す。
以上の実施例の結果から、カラーフィルタ平坦部13の高さAとカラーフィルタレンズ部14のレンズ部高さBとの和に対するカラーフィルタレンズ部14Bの比率Rが、0.5以上1未満の範囲にある構成とすることで、カラーフィルタ平坦部13を有さない構成に比べて画質特性の向上に効果があることを確認した。
11 画素
11B 青色画素
11G 緑色画素
11R 赤色画素
12 カラーフィルタ
13 カラーフィルタ平坦部
13B 青色カラーフィルタ平坦部
13G 緑色カラーフィルタ平坦部
13R 赤色カラーフィルタ平坦部
14 カラーフィルタレンズ部
14B 青色カラーフィルタレンズ部
14G 緑色カラーフィルタレンズ部
14R 赤色カラーフィルタレンズ部
15 平坦化層
16 半導体基板
17 光電変換素子
A カラーフィルタ平坦部の高さ
B カラーフィルタレンズ部の高さ
C カラーフィルタレンズ部の側面高さ
Claims (3)
- 複数の光電変換素子が2次元的に配置された半導体基板と、上記各光電変換素子と対向可能な位置で上記半導体基板上に形成された複数のカラーフィルタ平坦部と、上記各カラーフィルタ平坦部の上に形成され、上記カラーフィルタ平坦部とは反対側の表面がレンズ形状の複数のカラーフィルタレンズ部と、を備えて複数の画素が2次元的に配置された固体撮像装置であって、
上記カラーフィルタ平坦部の厚さを平坦部高さとし、上記カラーフィルタレンズ部における、上記カラーフィルタ平坦部側の面から上記レンズ形状の頂部までの厚さ方向の距離をレンズ部高さとしたとき、
上記平坦部高さと上記レンズ部高さの和に対する上記レンズ部高さの比率が、0.5以上1未満であることを特徴とする固体撮像装置。 - 上記平坦部高さと上記レンズ部高さの和が500nm以上800nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
- 上記各画素の幅が0.6μm以上である、請求項1又は請求項2に記載の固体撮像装置。
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