JP2022037696A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】本実施形態に係る固体撮像素子１０は、複数の光電変換素子１６が２次元的に配置された半導体基板１５と、各光電変換素子１６と対向可能な位置で半導体基板１５上に形成された、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体となったカラーマイクロレンズ１２と、複数のカラーマイクロレンズ１２の間に配置された複数の隔壁１３と、を備えることで複数の画素が２次元的に配置された固体撮像素子であって、隔壁１３は、透明な材料で形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】本実施形態に係る固体撮像素子１０は、複数の光電変換素子１６が２次元的に配置された半導体基板１５と、各光電変換素子１６と対向可能な位置で半導体基板１５上に形成された、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体となったカラーマイクロレンズ１２と、複数のカラーマイクロレンズ１２の間に配置された複数の隔壁１３と、を備えることで複数の画素が２次元的に配置された固体撮像素子であって、隔壁１３は、透明な材料で形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、固体撮像素子に関する。
近年では、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に搭載される撮像装置の高解像度化が進められている。撮像装置に組み込まれるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサー等の固体撮像素子の画素微細化に伴い、１画素あたりに入射する光量の減少による感度特性の低下が問題となっている。
固体撮像素子には、感度低下を抑えるために、受光素子の入射側に、画素（光電変換素子）に一対一に対応させてマイクロレンズを形成する方式が広く用いられる。マイクロレンズを形成することで、入射光を効率よく光電変換素子に集光することができ、感度特性を向上させることができる。
固体撮像素子の各画素には、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形成することで、対象物の色情報を得ることを可能とする。一般に、１画素に対応して特定の色のカラーフィルタを形成し、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を得ることができる。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、固体撮像素子に用いられる技術として、マイクロレンズとカラーフィルタとが一体化したカラーマイクロレンズの構成が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示されている構成は、カラーマイクロレンズ間に隔壁が設けられており、その隔壁を設けることで、斜入射光に起因した混色を抑制する効果が得られるとされている。
特許文献１に記載の構成は、カラーマイクロレンズ間に配置された隔壁に金属材料を用いており、画素に入射した光が、金属の隔壁部分にて吸収されてしまい、感度特性の低下が生じるおそれがある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子を提供する。
課題を解決するために、本発明の一態様は、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、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体となったカラーマイクロレンズと、複数の上記カラーマイクロレンズの間に配置された複数の隔壁と、を備えることで複数の画素が２次元的に配置された固体撮像素子であって、上記隔壁は、透明な材料で形成されていることを特徴とする。
本発明の態様によれば、低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子の提供が可能となる。
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。
ここで、各図に示す構成は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに限定されるものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
ここで、各図に示す構成は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに限定されるものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
本実施形態の固体撮像素子では、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、各カラーマイクロレンズ１２は、各画素の領域に一致する。
平面視において、各カラーマイクロレンズ１２は、各画素の領域に一致する。
図２は、図１の点線Ｉ－ＩＩに沿った固体撮像素子１０の構造を概略的に示す断面図である。
図２に示すように、固体撮像素子１０において、半導体基板１５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１６が設けられている。光電変換素子１６は、図１に示す画素１１毎に設けられ、複数の光電変換素子１６が２次元的に配置される。
半導体基板１５は、例えば、シリコンで構成される。光電変換素子１６は、例えば、リンなどの元素を半導体基板１５に添加することで形成される。
図２に示すように、固体撮像素子１０において、半導体基板１５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１６が設けられている。光電変換素子１６は、図１に示す画素１１毎に設けられ、複数の光電変換素子１６が２次元的に配置される。
半導体基板１５は、例えば、シリコンで構成される。光電変換素子１６は、例えば、リンなどの元素を半導体基板１５に添加することで形成される。
半導体基板１５の上には、平坦化層１４が形成される。平坦化層１４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１４と半導体基板１５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。
平坦化層１４の上には、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体化したカラーマイクロレンズ１２が複数形成される。赤色画素１１Ｒには、カラーマイクロレンズ１２Ｒが、緑色画素１１Ｇには、カラーマイクロレンズ１２Ｇが、青色画素１１Ｂには、カラーマイクロレンズ１２Ｂがそれぞれ対応して形成されている。
平坦化層１４の上には、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体化したカラーマイクロレンズ１２が複数形成される。赤色画素１１Ｒには、カラーマイクロレンズ１２Ｒが、緑色画素１１Ｇには、カラーマイクロレンズ１２Ｇが、青色画素１１Ｂには、カラーマイクロレンズ１２Ｂがそれぞれ対応して形成されている。
カラーマイクロレンズ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。カラーマイクロレンズ１２は、例えば、その屈折率が１．５以上２．０以下の範囲内であり、その消衰係数が０以上０．４以下の範囲内である。また、カラーマイクロレンズ１２は、例えば、その光透過率が可視光領域全体において８０％以上１００％以下の範囲内である。
カラーマイクロレンズ１２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マイクロレンズ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、カラーマイクロレンズ１２の上部（上面）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。
カラーマイクロレンズ１２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マイクロレンズ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、カラーマイクロレンズ１２の上部（上面）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。
つまり、本実施形態において、上記「カラーマイクロレンズ１２」とは、着色された樹脂で形成されたマイクロレンズを意味する。より具体的には、カラーマイクロレンズ１２は、着色された樹脂で形成されたマイクロレンズであって、図２に示すように、平坦化層１４の上に形成されたカラーフィルタ平坦部１２ａと、カラーフィルタ平坦部１２ａの上に形成されたカラーフィルタレンズ部１２ｂとを備えたマイクロレンズである。カラーフィルタレンズ部１２ｂは、カラーフィルタ平坦部１２ａとは反対側の表面がレンズ形状（例えば、略半球状のレンズ形状）となっている。
図２に示すように、カラーフィルタ平坦部１２ａの厚さ（膜厚）である平坦部高さＡは、例えば、平坦化層１４と接する面から、カラーフィルタレンズ部１２ｂ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１２ｂの厚さ（膜厚）であるレンズ部高さＢは、例えば、厚さ方向において、カラーフィルタ平坦部１２ａと接する最底部の面からカラーフィルタレンズ部１２ｂのレンズ形状の頂部までの高さとして定義する。なお、上記「カラーフィルタレンズ部１２ｂの最底部」とは、各カラーマイクロレンズ１２においてレンズが形成されている領域のうち、最も隔壁１３側に位置する点を意味する。
本実施形態において、平坦部高さＡとレンズ部高さＢとの和に対する、レンズ部高さＢの比率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ））は、０．５以上１未満の範囲内であれば好ましく、０．６以上０．９以下の範囲内であればより好ましく、０．７以上０．８以下の範囲内であればさらに好ましい。
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１２ｂ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がある。その結果、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ことがある。
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１２ｂ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がある。その結果、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ことがある。
また、平坦部高さＡとレンズ部高さＢとの和は、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲内が好ましく、７００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲内がより好ましい。平坦部高さＡとレンズ部高さＢとの和が上記数値範囲内であれば、カラーフィルタとしても機能が十分に発揮される。具体的には、平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和が５００ｎｍより低い場合、各カラーフィルタの選択波長域外の波長を有する入射光の透過率が増加することで、各カラーフィルタの波長選択性が悪化し、画素のＳ／Ｎ比が劣化することがある。また、各カラーフィルタは選択波長域の波長の光を僅かに吸収する性質を持つため、平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和が８００ｎｍより高い場合、各カラーフィルタの選択波長域の波長を有する入射光に対する各カラーフィルタの透過率の低下を引き起こし、各画素の光電変換素子へと到達する光量が減少することがある。その結果、画素の受光感度が低下し、画素のＳ／Ｎ比が劣化することがある。
また、各画素の水平方向におけるカラーマイクロレンズ１２の幅ＷＬは、０．６μｍ以上２．０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、０．６μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内であることがより好ましく、０．６μｍ以上０．８μｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。その理由は、各画素の水平方向におけるカラーマイクロレンズ１２の幅ＷＬを０．６μｍよりも狭くすることは現状の工程能力（作成技術）では困難だからである。また、各画素の水平方向におけるカラーマイクロレンズ１２の幅ＷＬが２．０μｍよりも広くなると、低背化による感度特性向上の寄与が小さくなってしまうおそれがあるからである。
本実施形態に係る固体撮像素子１０は、図２に示すように、カラーマイクロレンズ１２が隔壁１３の表面上を覆っていない形態がもっとも好ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、隔壁１３の表面の一部は、カラーマイクロレンズ１２によって覆われていてもよい。具体的には、隔壁１３の表面において５０％未満の面積であれば、隔壁１３の表面はカラーマイクロレンズ１２によって覆われていてもよい。上記数値範囲内であれば、カラーマイクロレンズ１２の端部に入射した光についても光電変換素子１６に導くことが可能となる。
複数の隔壁１３は、半導体基板１５上に形成され、任意の２つの隣接するカラーマイクロレンズ１２の間に配置される。例えば、緑色カラーマイクロレンズ１２Ｇと赤色カラーマイクロレンズ１２Ｒとの間に隔壁１３は配置される。隔壁１３は、光電変換素子１６の各々に対応する各画素を定義する。実施形態では、隔壁１３の底部は平坦化層１４の上面に接するように形成される。
本実施形態における隔壁１３は、隣り合う画素の間での斜入射光に起因した混色を抑制するためものである。
本実施形態における隔壁１３は、隣り合う画素の間での斜入射光に起因した混色を抑制するためものである。
隔壁１３は、透明な材料で形成されていればよく、透明な無機化合物材料で形成されていてもよい。隔壁１３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等により構成されてもよい。なお、隔壁１３を構成する材料は、上述した材料に限定されるものではなく、隔壁１３は、透明な無機化合物を有する他の好適な材料等で構成されていてもよい。
隔壁１３は、例えば、その屈折率が１．４以上１．９以下の範囲内であり、その消衰係数が０以上０．０１以下の範囲内である。また、隔壁１３は、例えば、その光透過率が可視光領域全体において８０％以上１００％以下の範囲内である。なお、隔壁１３が窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成されている場合には、その屈折率は１．９となる。
隔壁１３は、例えば、その屈折率が１．４以上１．９以下の範囲内であり、その消衰係数が０以上０．０１以下の範囲内である。また、隔壁１３は、例えば、その光透過率が可視光領域全体において８０％以上１００％以下の範囲内である。なお、隔壁１３が窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成されている場合には、その屈折率は１．９となる。
本実施形態において、隔壁１３の屈折率は、隔壁１３の表面側と、隔壁１３の裏面側（平坦化層１４側）とで同じであってもよいし、隔壁１３の裏面側から隔壁１３の表面側に向かって徐々に小さくなっていてもよい。隔壁１３の屈折率を、隔壁１３の裏面側から隔壁１３の表面側に向かって徐々に小さくすることで、斜入射角度が比較的浅い入射光（例えば、入射角度が１５°～３０°程度）に対して、感度特性をより向上させることができる。
あるいは、隔壁１３の屈折率は、隔壁１３の裏面側から隔壁１３の表面側に向かって大きくなっていてもよい。隔壁１３の屈折率は、隔壁１３の裏面側から隔壁１３の表面側に向かって徐々に大きくすることで、斜入射角度が比較的深い入射光（例えば、入射角度が３５°～４５°程度）に対して、感度特性をより向上させることができる。
あるいは、隔壁１３の屈折率は、隔壁１３の裏面側から隔壁１３の表面側に向かって大きくなっていてもよい。隔壁１３の屈折率は、隔壁１３の裏面側から隔壁１３の表面側に向かって徐々に大きくすることで、斜入射角度が比較的深い入射光（例えば、入射角度が３５°～４５°程度）に対して、感度特性をより向上させることができる。
上述のように、隔壁１３の屈折率に勾配を付与する場合には、隔壁１３を下記の方法を用いて形成してもよい。
隔壁１３の材料として使用可能な、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等は、一般にスパッタリング法を用いて形成することができる。このスパッタリング法は、その形成条件、具体的には酸素濃度を連続的に調整することが可能である。そこで、隔壁１３の上記材料を形成する際の酸素濃度を連続的に調整する（増加あるいは減少させる）ことで、隔壁１３の屈折率を連続的に変化させることができる。
隔壁１３の材料として使用可能な、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等は、一般にスパッタリング法を用いて形成することができる。このスパッタリング法は、その形成条件、具体的には酸素濃度を連続的に調整することが可能である。そこで、隔壁１３の上記材料を形成する際の酸素濃度を連続的に調整する（増加あるいは減少させる）ことで、隔壁１３の屈折率を連続的に変化させることができる。
隔壁１３は、例えば、図２に示すように、その厚さ方向における断面形状が矩形である。隔壁１３の幅ＷＷは、例えば、隔壁１３の高さＨＷよりも小さな値となっている。
本実施形態では、隔壁１３の高さＨＷは、カラーマイクロレンズ１２の高さＨＬ（即ち、平坦部高さＡとレンズ部高さＢとの和）に対する隔壁１３の高さＨＷの比率で、０．６以上１．１以下の範囲内であれば好ましく、０．８以上１．０以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が０．６より小さい場合は、隔壁１３が低いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が１．１より大きい場合は、隔壁１３が高いために、固体撮像素子１０の低背化の観点から問題がある。
本実施形態では、隔壁１３の高さＨＷは、カラーマイクロレンズ１２の高さＨＬ（即ち、平坦部高さＡとレンズ部高さＢとの和）に対する隔壁１３の高さＨＷの比率で、０．６以上１．１以下の範囲内であれば好ましく、０．８以上１．０以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が０．６より小さい場合は、隔壁１３が低いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が１．１より大きい場合は、隔壁１３が高いために、固体撮像素子１０の低背化の観点から問題がある。
隔壁１３の高さＨＷは、カラーフィルタ平坦部１２ａの平坦部高さＡに対する隔壁１３の高さＨＷの比率で、０．８以上１．１以下の範囲内であれば好ましく、０．９以上１．０以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が０．８より小さい場合は、隔壁１３が低いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が１．１より大きい場合は、隔壁１３が高いために、固体撮像素子１０の低背化の観点から問題がある。
本実施形態では、隔壁１３の幅ＷＷは、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲内であれば好ましく、０．２μｍ以上０．１０μｍ以下の範囲内であればより好ましい。その理由は、隔壁１３の幅ＷＷが０．０５μｍより小さい場合は、その隔壁幅の形成は、現状の工程能力（作成技術）では難しいためである。つまり、隔壁１３のＷＷ幅が０．０５μｍより小さい場合は、隔壁１３の形成が困難となる。また、隔壁１３の幅ＷＷを０．１５μｍより大きくすると画素に対し隔壁１３が占める領域が増えるので、光が直接隔壁１３に入射してしまい、カラーマイクロレンズ１２に入射する光量が減ってしまうため、感度特性が低下してしまうことがある。
隔壁１３の幅ＷＷは、カラーマイクロレンズ１２の幅ＷＬに対する隔壁１３の幅ＷＷの比率で、０．１以上０．３以下の範囲内であれば好ましく、０．１以上０．２以下の範囲内であればより好ましい。上記比率が０．１より小さい場合は、隔壁１３が薄いことで、本来の隔壁の役割を発揮することができず、斜入射光成分が、隣接画素へ移動して混色を引き起こし、感度特性が低下してしまうことがある。また、上記比率が０．３より大きい場合は、隔壁１３が厚いために、画素に対し隔壁１３が占める領域が増えるので、光が直接隔壁１３に入射してしまい、カラーマイクロレンズ１２に入射する光量が減ってしまうため、感度特性が低下してしまうことがある。
なお、本実施形態では、隔壁１３の厚さ方向における断面形状が矩形である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。隔壁１３の厚さ方向における断面形状は、例えば、台形状であってもよい。隔壁１３の厚さ方向における断面形状が台形状である場合には、隔壁１３の裏面（平坦化層１４と接する面）の幅は、隔壁１３の表面の幅よりも広くてもよいし、狭くてもよい。隔壁１３の厚さ方向における断面形状を台形状にすることで、特定の斜入射光成分に対する感度特性が向上させることができる。
また、隔壁１３の厚さ方向における断面形状は、隔壁１３の中央部の幅が隔壁１３の裏面及び表面の各幅よりも広い形状であってもよいし、狭い形状であってもよい。隔壁１３の断面形状を上記形状にすることで、特定の斜入射光成分に対する感度特性が向上させることができる。
また、隔壁１３の厚さ方向における断面形状は、隔壁１３の中央部の幅が隔壁１３の裏面及び表面の各幅よりも広い形状であってもよいし、狭い形状であってもよい。隔壁１３の断面形状を上記形状にすることで、特定の斜入射光成分に対する感度特性が向上させることができる。
次に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構造により、固体撮像素子が低背化し、かつ感度特性の向上が実現できる理由を述べる。
図３に示す比較例１は、カラーフィルタ１７とマイクロレンズ１８とが独立した構造を有する固体撮像素子である。すなわち、図３に示す比較例１の固体撮像素子では、カラーフィルタ１７とマイクロレンズ１８との間には界面が存在している。カラーフィルタ１７とマイクロレンズ１８との高さの和は、本実施形態のカラーマイクロレンズ１２の高さに比べ、１．７倍近く高くなる。マイクロレンズ１８のトップ（頂点）から光電変換素子１６（図示せず）までの距離が長いと、画素へ入射した光の一部は隣接画素へ移動してしまい、感度特性が低下してしまう。
なお、図３では、カラーフィルタ１７として、緑色カラーフィルタ１７Ｇと赤色カラーフィルタ１７Ｒとを例示し、青色カラーフィルタ１７Ｂについては記載を省略した。また、図３では、光電変換素子１６についても記載を省略した。
なお、図３では、カラーフィルタ１７として、緑色カラーフィルタ１７Ｇと赤色カラーフィルタ１７Ｒとを例示し、青色カラーフィルタ１７Ｂについては記載を省略した。また、図３では、光電変換素子１６についても記載を省略した。
これに対し、本実施形態では、分光機能を有するカラーフィルタと、集光機能を有するマイクロレンズとを一体化したカラーマイクロレンズ構造を採用することで、比較例１の固体撮像素子に比べて、固体撮像素子の低背化が可能となる。また、固体撮像素子の低背化により斜入射光の隣接画素への混色が抑制でき、画素へ入射した光を効率よく光電変換素子１６へ導くことが可能となり、感度特性が向上する。
また、比較例１の固体撮像素子では、隔壁１９は、隔壁１９の下部が金属材料を用いて形成されている。そのため、画素へ入射した光の一部が金属隔壁１９で吸収されてしまい、入射光を効率よく光電変換素子１６へ導くことができず、感度特性が低下してしまう。
これに対し、本実施形態では、隔壁１３に、透明な無機化合物を用いており、隔壁１３自体の光吸収は極めて少ないので、入射光を効率よく光電変換素子１６へ導くことが可能となり、感度特性が向上する。
これに対し、本実施形態では、隔壁１３に、透明な無機化合物を用いており、隔壁１３自体の光吸収は極めて少ないので、入射光を効率よく光電変換素子１６へ導くことが可能となり、感度特性が向上する。
図４に示す比較例２は、低背化したカラーマイクロレンズ構造であるが、カラーマイクロレンズ１２間に隔壁１３を配置しないタイプの固体撮像素子である。カラーマイクロレンズ１２間に隔壁１３を配置しないと、画素へ入射した斜入射光成分の一部は隣接画素へ移動してしまい、混色を引き起こしてしまう。
なお、図４では、光電変換素子１６について記載を省略している。
なお、図４では、光電変換素子１６について記載を省略している。
これに対し、本実施形態では、カラーマイクロレンズ１２間に隔壁１３を配置することで、画素へ入射した斜入射光成分の一部が隣接画素へ移動することで生ずる、隣接画素への混色が抑制でき、感度特性が向上する。
つまり、本実施形態において隔壁１３は、透明な無機化合物を用いて形成されていることから、入射光の一部を吸収せずに反射することが可能となるため、入射光を効率よく光電変換素子１６へ導くことができ、感度特性が向上すると考えられる。
また、本実施形態では、透明な無機化合物を用いて隔壁１３を形成し、且つカラーマイクロレンズ１２を用いることでマイクロレンズ自体を低背化しているため、画素へ入射した斜入射光成分の一部が、仮に隔壁１３を透過した場合であっても、隣接画素への混色量を低減すること可能となるため、感度特性が向上すると考えられる。
つまり、本実施形態において隔壁１３は、透明な無機化合物を用いて形成されていることから、入射光の一部を吸収せずに反射することが可能となるため、入射光を効率よく光電変換素子１６へ導くことができ、感度特性が向上すると考えられる。
また、本実施形態では、透明な無機化合物を用いて隔壁１３を形成し、且つカラーマイクロレンズ１２を用いることでマイクロレンズ自体を低背化しているため、画素へ入射した斜入射光成分の一部が、仮に隔壁１３を透過した場合であっても、隣接画素への混色量を低減すること可能となるため、感度特性が向上すると考えられる。
［実施例］
次に、本発明の固体撮像素子の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。
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。
次に、本発明の固体撮像素子の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。
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素子１０の構造を図５に示す。
固体撮像素子１０の上面図である図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。また、図５（ａ）の点線Ｉ－ＩＩに沿った固体撮像素子１０の断面図である図５（ｂ）において、赤色のカラーマイクロレンズ１２Ｒは、赤色波長光を透過し、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。緑色のカラーマイクロレンズ１２Ｇは、緑色波長光を透過し、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。青色のカラーマイクロレンズ１２Ｂ（図示せず）は、青色波長光を透過し、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１４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１５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。
固体撮像素子１０の上面図である図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。また、図５（ａ）の点線Ｉ－ＩＩに沿った固体撮像素子１０の断面図である図５（ｂ）において、赤色のカラーマイクロレンズ１２Ｒは、赤色波長光を透過し、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。緑色のカラーマイクロレンズ１２Ｇは、緑色波長光を透過し、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。青色のカラーマイクロレンズ１２Ｂ（図示せず）は、青色波長光を透過し、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１４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１５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。
カラーマイクロレンズ１２Ｒの屈折率及び消衰係数は、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエローを用い、さらにシクロヘキサノン、あるいはＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、及び開始剤を含む感光性材料を、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それぞれ用いた。具体的には、カラーマイクロレンズ１２Ｒ（赤色レジスト）は、波長６００ｎｍにおける屈折率１．８７、及び波長６００ｎｍにおける消衰係数０．０１（０．００８）をそれぞれ用いた。
カラーマイクロレンズ１２Ｇの屈折率及び消衰係数は、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、あるいはＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、及び開始剤を含む感光性材料を、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それぞれ用いた。具体的には、カラーマイクロレンズ１２Ｇ（緑色レジスト）は、波長５２０ｎｍにおける屈折率１．７４、及び波長５２０ｎｍにおける消衰係数０．０１をそれぞれ用いた。
カラーマイクロレンズ１２Ｂ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、あるいはＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、及び開始剤を含む感光性材料を、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それぞれ用いた。具体的には、カラーマイクロレンズ１２Ｂ（青色レジスト）は、波長４５０ｎｍにおける屈折率１．６５、及び波長４５０ｎｍにおける消衰係数０．０１をそれぞれ用いた。
各色のカラーマイクロレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの高さは、いずれも同一の高さとした。
各色のカラーマイクロレンズ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの高さは、いずれも同一の高さとした。
隔壁１３は、透明な無機化合物である酸化シリコンの屈折率及び消衰係数をそれぞれ用いた。具体的には、隔壁１３は、屈折率１．４６、及び消衰係数０をそれぞれ用いた。
隔壁１３の高さは、０μｍから１μｍの範囲、隔壁１３の幅は、０μｍから０．３μｍの範囲でシミュレーションを実施した。
入射光は平行光とし、電場の振動方向はＸ軸方向とした。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。
隔壁１３の高さは、０μｍから１μｍの範囲、隔壁１３の幅は、０μｍから０．３μｍの範囲でシミュレーションを実施した。
入射光は平行光とし、電場の振動方向はＸ軸方向とした。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。
上記の条件でシミュレーションを実施し、各画素における半導体基板１５の表面から深さ３μｍまでにおいて吸収される光強度を計算した。感度（受光感度）として、１画素に入射する光パワーの強度に対する、各画素における半導体基板１５の表面から深さ３μｍまでにおいて吸収される光パワーの強度の割合として算出した。こうして算出した感度（受光感度）は、高い数値であることが好ましい。
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素子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。
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素子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。また、ＳＮＲ１０と同時に色差（ΔＥ）も算出し、この両者が共に低い数値であることが好ましい。ここで、上記「色差（ΔＥ）」とは、ターゲットとする画質の色彩値（Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系色空間における色彩値）と、算出された色彩値との差を意味する。
図６に、垂直入射（入射角度０°）における実施例、比較例１、比較例２の感度特性を示す。ここで、上記「垂直入射（入射角度０°）」とは、半導体基板１５の表面に対する垂直方向をいう。
図７に、斜入射（入射角度２０°）における実施例、比較例１、比較例２の感度特性を示す。ここで、上記「斜入射（入射角度２０°）」とは、半導体基板１５の表面に対する垂直方向から２０°傾斜した方向をいう。
図６、７の結果から、比較例１、２に比べ、実施例では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色について、感度特性がそれぞれ向上することがわかる。特に斜入射において（図７参照）、比較例１に比べ、実施例では大幅に感度特性が向上することがわかる。
図７に、斜入射（入射角度２０°）における実施例、比較例１、比較例２の感度特性を示す。ここで、上記「斜入射（入射角度２０°）」とは、半導体基板１５の表面に対する垂直方向から２０°傾斜した方向をいう。
図６、７の結果から、比較例１、２に比べ、実施例では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色について、感度特性がそれぞれ向上することがわかる。特に斜入射において（図７参照）、比較例１に比べ、実施例では大幅に感度特性が向上することがわかる。
以上の結果から、カラーマイクロレンズ構造（カラーマイクロレンズ１２）と、透明な材料、特に、無機化合物で形成された隔壁１３とを組み合わせて配置することで、低背化し、かつ感度特性が良好な固体撮像素子１０を提供することができることを確認した。
図８に、カラーマイクロレンズ１２の高さに対する隔壁１３の高さの比率（隔壁１３の高さ／カラーマイクロレンズ１２の高さ）Ｒと、固体撮像素子１０の性能指標であるＳＮＲ１０及び色差（ΔＥ）との関係を示す。
図９に、隔壁１３の幅と、ＳＮＲ１０及び色差（ΔＥ）との関係を示す。
図８に、カラーマイクロレンズ１２の高さに対する隔壁１３の高さの比率（隔壁１３の高さ／カラーマイクロレンズ１２の高さ）Ｒと、固体撮像素子１０の性能指標であるＳＮＲ１０及び色差（ΔＥ）との関係を示す。
図９に、隔壁１３の幅と、ＳＮＲ１０及び色差（ΔＥ）との関係を示す。
図８の結果から、隔壁１３の高さについて、ＳＮＲ１０の数値が低く、かつ色差も小さい領域（即ち、ΔＥの数値が小さい領域）は、カラーマイクロレンズ１２の高さに対する隔壁１３の高さの比率Ｒで、０．６以上１．１以下の範囲内であり、この領域において感度特性が良好となることがわかる。
図９の結果から、隔壁１３の幅は、ＳＮＲ１０の数値が小さく、且つ色差（ΔＥ）の数値も小さい領域は、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲内であり、この領域において感度特性が良好となることがわかる。
図９の結果から、隔壁１３の幅は、ＳＮＲ１０の数値が小さく、且つ色差（ΔＥ）の数値も小さい領域は、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲内であり、この領域において感度特性が良好となることがわかる。
１０ 固体撮像素子
１１ 画素
１１Ｂ 青色画素
１１Ｇ 緑色画素
１１Ｒ 赤色画素
１２ カラーマイクロレンズ
１２Ｂ 青色カラーマイクロレンズ
１２Ｇ 緑色カラーマイクロレンズ
１２Ｒ 赤色カラーマイクロレンズ
１２ａ カラーフィルタ平坦部
１２ｂ カラーフィルタレンズ部
１３ 隔壁
１４ 平坦化層
１５ 半導体基板
１６ 光電変換素子
１７ カラーフィルタ
１７Ｂ 青色カラーフィルタ
１７Ｇ 緑色カラーフィルタ
１７Ｒ 赤色カラーフィルタ
１８ マイクロレンズ
１９ 隔壁（金属部を含む隔壁、金属隔壁）
Ａ 平坦部高さ
Ｂ レンズ部高さ
ＷＬ カラーマイクロレンズの幅
ＷＷ 隔壁の幅
ＨＬ カラーマイクロレンズの高さ
ＨＷ 隔壁の高さ
１１ 画素
１１Ｂ 青色画素
１１Ｇ 緑色画素
１１Ｒ 赤色画素
１２ カラーマイクロレンズ
１２Ｂ 青色カラーマイクロレンズ
１２Ｇ 緑色カラーマイクロレンズ
１２Ｒ 赤色カラーマイクロレンズ
１２ａ カラーフィルタ平坦部
１２ｂ カラーフィルタレンズ部
１３ 隔壁
１４ 平坦化層
１５ 半導体基板
１６ 光電変換素子
１７ カラーフィルタ
１７Ｂ 青色カラーフィルタ
１７Ｇ 緑色カラーフィルタ
１７Ｒ 赤色カラーフィルタ
１８ マイクロレンズ
１９ 隔壁（金属部を含む隔壁、金属隔壁）
Ａ 平坦部高さ
Ｂ レンズ部高さ
ＷＬ カラーマイクロレンズの幅
ＷＷ 隔壁の幅
ＨＬ カラーマイクロレンズの高さ
ＨＷ 隔壁の高さ
Claims (4)
- 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、カラーフィルタとマイクロレンズとが一体となったカラーマイクロレンズと、
複数の上記カラーマイクロレンズの間に配置された複数の隔壁と、を備えることで複数の画素が２次元的に配置された固体撮像素子であって、
上記隔壁は、透明な材料で形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 上記カラーマイクロレンズの高さに対する上記隔壁の高さの比率（隔壁の高さ／カラーマイクロレンズの高さ）は、０．６以上１．１以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 上記隔壁の幅は、０．０５μｍ以上０．１５μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
- 上記隔壁は、透明な無機化合物材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020141955A JP2022037696A (ja) | 2020-08-25 | 2020-08-25 | 固体撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020141955A JP2022037696A (ja) | 2020-08-25 | 2020-08-25 | 固体撮像素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022037696A true JP2022037696A (ja) | 2022-03-09 |
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| JP (1) | JP2022037696A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023243289A1 (ja) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | 住友化学株式会社 | レンズ素子 |
-
2020
- 2020-08-25 JP JP2020141955A patent/JP2022037696A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023243289A1 (ja) * | 2022-06-15 | 2023-12-21 | 住友化学株式会社 | レンズ素子 |
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