JP2022124066A - 光検出装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022124066000001
【課題】 より画質の高い画像を得られる光検出装置を提供する。
【解決手段】 2次元アレイ状に配置された複数のカラーフィルタと、カラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板とを備えるようにした。そして、2次元アレイ(カラーフィルタアレイ)の中央部よりも外側に存在するカラーフィルタ(外側カラーフィルタ)は、中央部に存在するカラーフィルタ(中央部カラーフィルタ)に対して、相対的に中央部側に傾くように、基板の受光面となす角度が、基板の受光面と中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている構成とした。
【選択図】図6

Description

本開示は、光検出装置及び電子機器に関する。
従来、多層膜干渉によって発現する構造色を利用した多層膜型のカラーフィルタが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。非特許文献1に記載のカラーフィルタでは、多層膜を構成する膜の厚さを変えることで、透過する光の波長を変化させている。
Amir Ghobadi, Hodjat Hajian, Murat Gokbayrak, Bayram Butun and Ekmel Ozbay, "Bismuth-based metamaterials: from narrowband reflective color filter to extremely broadband near perfect absorber", Nanophotonics, Volume 8, Issue 5, id.217, (米), De Gruyter, 2019, p.655-683
しかしながら、非特許文献1に記載のカラーフィルタでは、入射光が斜めに入射されると、多層膜内における入射光の光路長が長くなるため、分光特性が変化する可能性があった。それゆえ、光検出装置に適用した場合、例えば、入射光が斜めに入射される高像高側において、カラーフィルタで分光が適切に行われず、混色等の不具合を生じる可能性があった。そのため、光検出装置で得られる画像の画質が低下する可能性があった。
また、同様の課題は、他の型式のカラーフィルタでも生じる可能性があった。
本開示は、より画質の高い画像を得られる光検出装置及び電子機器を提供することを目的とする。
本開示の光検出装置は、(a)2次元アレイ状に配置され、所定の波長の光を透過させる複数のカラーフィルタと、(b)カラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板とを備え、(c)2次元アレイの中央部よりも外側に存在するカラーフィルタである外側カラーフィルタは、中央部に存在するカラーフィルタである中央部カラーフィルタに対して、相対的に中央部側に傾くように、基板の受光面となす角度が、基板の受光面と中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている。
本開示の電子機器は、(a)2次元アレイ状に配置され、所定の波長の光を透過させる複数のカラーフィルタ、(b)及びカラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板を備え、(c)2次元アレイの中央部よりも外側に存在するカラーフィルタである外側カラーフィルタは、中央部に存在するカラーフィルタである中央部カラーフィルタに対して、相対的に中央部側に傾くように、基板の受光面となす角度が、基板の受光面と中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている光検出装置を備える。
第1の実施形態に係る固体撮像装置の全体構成を示す図である。 図1のA-A線で破断して固体撮像装置の断面構成を示す図である。 多層膜の断面構成を示す図である。 ナノ構造体の断面構成を示す図である。 着色樹脂膜の断面構成を示す図である。 固体撮像装置の各部の断面構成を示す図である。 カラーフィルタ層の形成工程の流れを示す図である。 カラーフィルタ層の形成工程の流れを示す図である。 第2の実施形態に係る固体撮像装置の各部の断面構成を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の各部の断面構成を示す図である。 マイクロレンズ層の形成工程の流れを示す図である。 マイクロレンズ層の形成工程の流れを示す図である。 第3の実施形態に係る固体撮像装置の各部の断面構成を示す図である。 第4の実施形態に係る固体撮像装置の各部の断面構成を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の断面構成を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の断面構成を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の断面構成を示す図である。 電子機器の概略構成を示す図である。
以下に、本開示の実施形態に係る光検出装置及び電子機器の一例を、図1~図16を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順序で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。また、本明細書に記載された効果は例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
1.第1の実施形態:固体撮像装置
1-1 固体撮像装置の全体の構成
1-2 要部の構成
1-3 カラーフィルタ層の形成方法
2.第2の実施形態:固体撮像装置
2-1 要部の構成
2-2 マイクロレンズ層の形成方法
3.第3の実施形態:固体撮像装置
4.第4の実施形態:固体撮像装置
5.変形例
6.電子機器への応用例
〈1.第1の実施形態:固体撮像装置〉
[1-1 固体撮像装置の全体の構成]
本開示の第1の実施形態に係る固体撮像装置1(広義には「光検出装置」)について説明する。図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置1の全体を示す概略構成図である。
図1の固体撮像装置1は、裏面照射型のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサである。図16に示すように、固体撮像装置1(1002)はレンズ群1001を介して、被写体からの像光(入射光)を取り込み、撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
図1に示すように、固体撮像装置1は、基板2と、画素領域3と、垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8とを備えている。
画素領域3は、基板2上に、二次元アレイ状に規則的に配列された複数の画素9を有している。画素9は、図2に示した光電変換部20と、複数の画素トランジスタ(不図示)とを有している。複数の画素トランジスタとしては、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、アンプトランジスタの4つのトランジスタを採用できる。また、例えば、選択トランジスタを除いた3つのトランジスタを採用してもよい。
垂直駆動回路4は、例えば、シフトレジスタによって構成され、所望の画素駆動配線10を選択し、選択した画素駆動配線10に画素9を駆動するためのパルスを供給し、各画素9を行単位で駆動する。即ち、垂直駆動回路4は、画素領域3の各画素9を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素9の光電変換部20において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線11を通してカラム信号処理回路5に供給する。
カラム信号処理回路5は、例えば、画素9の列毎に配置されており、1行分の画素9から出力される信号に対して画素列毎にノイズ除去等の信号処理を行う。例えばカラム信号処理回路5は画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling:相関2重サンプリング)及びAD(Analog Digital)変換等の信号処理を行う。
水平駆動回路6は、例えば、シフトレジスタによって構成され、水平走査パルスをカラム信号処理回路5に順次出力して、カラム信号処理回路5の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路5の各々から信号処理が行われた画素信号を水平信号線12に出力させる。
出力回路7は、カラム信号処理回路5の各々から水平信号線12を通して、順次に供給される画素信号に対し信号処理を行って出力する。信号処理としては、例えば、バファリング、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理等を用いることができる。
制御回路8は、垂直同期信号、水平同期信号、及びマスタクロック信号に基づいて、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5、及び水平駆動回路6等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路8は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5、及び水平駆動回路6等に出力する。
[1-2 要部の構成]
次に、図1の固体撮像装置1の詳細構造について説明する。図2は、図1のA-A線で破断した場合の、固体撮像装置1の断面構成を示す図である。
図2に示すように、固体撮像装置1は、基板2、絶縁膜13、遮光膜14及び絶縁膜15がこの順に積層されてなる受光層16を備えている。また、受光層16の絶縁膜15側の面(以下、「裏面S1」とも呼ぶ)には、カラーフィルタ層17が形成されている。なお、カラーフィルタ層17の裏面S5には、反射防止膜(ARC)を積層してもよい。さらに、受光層16の基板2側の面(以下、「表面S2」とも呼ぶ)には、配線層18及び支持基板19がこの順に積層されている。なお、以下の記載では、絶縁膜15の裏面についても「裏面S1」と表す。また、基板2の表面についても「表面S2」と表す。
基板2は、例えば、シリコン(Si)からなる半導体基板によって構成され、画素領域3を形成している。画素領域3には、光電変換部20を含む複数の画素9が二次元アレイ状に配置されている。光電変換部20のそれぞれは、基板2に埋設されてフォトダイオードを構成し、入射光21の光量に応じた信号電荷を生成し、生成した信号電荷を蓄積する。
また、各光電変換部20は、画素分離部22によって物理的に分離されている。画素分離部22は、各光電変換部20を取り囲むように、格子状に形成されている。また、画素分離部22の内部には、基板2の裏面S3側を覆う絶縁膜13が埋め込まれている。
絶縁膜13は、基板2の裏面S3側全体(受光面側全体)、及び画素分離部22の内部を連続的に被覆している。絶縁膜13の材料としては、例えば、絶縁物を用いることができる。具体的には、シリコン酸化物(SiO2)、シリコン窒化物(SiN)を採用できる。また、遮光膜14は、隣接する画素9へ光が漏れ込まないように、絶縁膜13の裏面S4側に、複数の光電変換部20それぞれの受光面側を開口する格子状に形成されている。また、絶縁膜15は、受光層16の裏面S1がカラーフィルタ24それぞれを適切な角度で支持する複数の傾斜面を有する凹凸構造23となるように、遮光膜14を含む絶縁膜13の裏面S4側全体を連続的に被覆している。絶縁膜15の材料としては、例えば、絶縁膜13の材料と同様に、シリコン酸化物(SiO2)、シリコン窒化物(SiN)等を採用できる。
カラーフィルタ層17は、絶縁膜15の裏面S1側に形成され、画素9それぞれに対応して配置されたカラーフィルタ24を複数有している。即ち、複数のカラーフィルタ24は、2次元アレイ状に配置され、カラーフィルタアレイ25(図1参照)を形成している。また、複数のカラーフィルタ24には、互いに異なる波長の光(例えば、赤色光、緑色光、青色光)を透過させる複数種類のカラーフィルタが含まれている。これにより、複数のカラーフィルタ24それぞれは、カラーフィルタ24の種類毎に、所定の波長の光を透過し、透過した光を光電変換部20に入射させる。カラーフィルタ24の配列パターンとしては、例えば、ベイヤー配列を採用できる。また、カラーフィルタ24の形状は、裏面S5と表面S6とが互いに平行な平面からなる平板状となっている。
カラーフィルタ24としては、例えば、低屈折層と高屈折率層とが交互に積層された多層膜50(図3参照)を含むフィルタ、カラーフィルタ24が透過させる光の波長よりも小さい複数のナノ構造体51(図4参照)を含むフィルタ、着色剤が分散された樹脂材料からなる着色樹脂膜52(図5参照)を含むフィルタの単体又はこれらの組み合わせが挙げられる。多層膜50を含むフィルタとしては、例えば、多層膜干渉を利用した構造色フィルタ(言い換えると、フォトニック液晶型のフィルタ。誘電体多層膜を含むフィルタ。)が挙げられる。多層膜50は、図3に示すように、絶縁膜15の裏面S1に、下部ミラー層53、制御層54、上部ミラー層55がこの順に積層されて形成される。下部ミラー層53には、絶縁膜15の裏面S1側から、高屈折率層56、低屈折率層57、高屈折率層58がこの順に積層される。また、上部ミラー層55には、制御層54側から、高屈折率層59、低屈折率層60及び高屈折率層61がこの順に積層される。これにより、下部ミラー層53及び上部ミラー層55は、互いに反射面の対向したミラーとして機能する。
また、制御層54は、低屈折率層62によって形成され、下部ミラー層53及び上部ミラー層55の反射面で多重反射した光の干渉を行わせる。これにより、多層膜50は、制御層54の膜厚を変化させることで、異なる波長の光を透過させるカラーフィルタ24(言い換えると、透過光のピーク波長位置の異なるカラーフィルタ24。異なる分光特性を有するカラーフィルタ24)を構成できる。低屈折率層57、62、60の材料としては、低屈折率材料(例えば、シリコン酸化物(SiO2、屈折率1.45))を採用できる。また、高屈折率層56、58、59、61の材料としては、低屈折率層57、62、60よりも屈折率の高い高屈折率材料(例えば、チタン酸化物(TiO2、屈折率2.5))を採用できる。これにより、多層膜50では、入射光21が斜めに入射され、制御層54内における入射光21の光路長が制御層54の膜厚よりも長くなると、分光が適切に行われない。
また、複数のナノ構造体51を含むフィルタとしては、例えば、導波モード共鳴又は表面プラズモン共鳴を利用した構造色フィルタ(メタマテリアル型のフィルタ)が挙げられる。導波モード共鳴を利用した構造色フィルタは、図4に示すように、回折格子を有する導波モード共鳴格子63と、導波モード共鳴格子63を被覆する絶縁層64とを含んで形成される。導波モード共鳴格子63は、回折格子を構成する各直線部が、カラーフィルタ24が透過させる光の波長よりも線幅が小さいナノ構造体51となっている。また、導波モード共鳴格子63は、高屈折材層で形成される。また、絶縁層64は、高屈折材層よりも屈折率の低い低屈折率材層で形成される。これにより、ナノ構造体51は、回折格子のパターン周期を変化させることで、異なる波長の光を透過させるカラーフィルタ24(言い換えると、透過光のピーク波長位置の異なるカラーフィルタ24。異なる分光特性を有するカラーフィルタ24)を構成できる。低屈折材層の材料としては、例えば、シリコン酸化物(SiO2、屈折率1.45)を採用できる。高屈折材層の材料としては、低屈折材層よりも屈折率の高い材料を採用できる。例えば、シリコン(Si、屈折率3.42)が挙げられる。これにより、ナノ構造体51では、入射光21が斜めに入射され、入射方向に沿った方向から見た場合の回折格子のパターン周期が狭くなると、分光が適切に行われない。
また、着色樹脂膜52を含むフィルタとしては、例えば、カラーレジストからなるフィルタが挙げられる。着色樹脂膜52が含む着色剤は、顔料又は染料で形成され、所定の波長の光(例えば赤色光)を透過させ、他の波長の光(例えば緑色光、青色光)を吸収する。これにより、着色樹脂膜52は、着色剤を変えることで、異なる波長の光を透過させるカラーフィルタ24(言い換えると、透過光のピーク波長位置の異なるカラーフィルタ24。異なる分光特性を有するカラーフィルタ24)を構成できる。このような構成であるため、着色樹脂膜52では、入射光21が斜めに入射され、着色樹脂膜52内における入射光21の光路長が着色樹脂膜52の膜厚よりも長くなると、分光が適切に行われない。
また、図6に示すように、カラーフィルタアレイ25の中央部に存在するカラーフィルタ24(以下、「中央部カラーフィルタ24c」とも呼ぶ)は、裏面S5(受光面)が基板2の裏面S3(受光面)と平行となるように配置されている。中央部カラーフィルタ24cとしては、例えば、カラーフィルタアレイ25の中心の1つのカラーフィルタ24、カラーフィルタアレイ25の中心でベイヤー配列された4つのカラーフィルタ24、カラーフィルタアレイ25の中心部から所定距離内の複数のカラーフィルタ24を採用できる。
また、カラーフィルタアレイ25の中央部よりも外側に存在するカラーフィルタ24(以下、「外側カラーフィルタ24o」とも呼ぶ)は、裏面S5(受光面)が中央部側に向くように配置されている。換言すると、外側カラーフィルタ24oは、中央部カラーフィルタ24cに対して、相対的にカラーフィルタアレイ25の中央部側に傾いている、と言える。中央部カラーフィルタ24cに対する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角αにより、画素領域3の端部側(高像高側)において、斜めに入射される入射光21とカラーフィルタ24の裏面S5(受光面)とがなす角度γを90°に近づけることができ、入射光21の斜入射によるカラーフィルタ24の特性悪化を防止できる。それゆえ、カラーフィルタ24で分光が適切に行われ、混色等の不具合の発生を抑制できる。図6では、中央部カラーフィルタ24cの表面S6(絶縁膜15側の面)と外側カラーフィルタ24oの表面S6(絶縁膜15側の面)とがなす角度を「α」とした場合を例示している。
なお、第1の実施形態では、基板2の裏面S3(受光面)が平面であり、基板2の裏面S3(受光面)と中央部カラーフィルタ24cとがなす角度βcが0°であるため、中央部カラーフィルタ24cに対する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角αと、基板2の裏面S3(受光面)と外側カラーフィルタ24oとがなす角度βoとは同一(α=βo)となる。それゆえ、基板2の裏面S3(受光面)と外側カラーフィルタ24oとがなす角度βoは、基板2の裏面S3(受光面)と中央部カラーフィルタ24cとがなす角度βcと異なっている、と言える。したがって、第1の実施形態に係る固体撮像装置1では、外側カラーフィルタ24oは、中央部カラーフィルタ24cに対して、相対的にカラーフィルタアレイ25の中央部側に傾くように、基板2の裏面S3(受光面)となす角度βoが、基板2の裏面S3(受光面)と中央部カラーフィルタ24cとがなす角度βcと異なっている、と言える。図6では、中央部カラーフィルタ24cの表面S6(絶縁膜15側の面)と、基板2の裏面S3(具体的には、その中央部カラーフィルタ24cに対応する光電変換部20が存在する箇所の基板2の裏面S3)とがなす角度を「βc」とした場合を例示している。また外側カラーフィルタ24cの表面S6(絶縁膜15側の面)と、基板2の裏面S3(具体的には、その外側カラーフィルタ24oに対応する光電変換部20が存在する箇所の基板2の裏面S3)とがなす角度を「βo」とした場合を例示している。
また、中央部カラーフィルタ24cに対する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角α(以下、「外側カラーフィルタ24oの傾斜角α」とも呼ぶ)は、例えば、外側カラーフィルタ24o毎に、外側カラーフィルタ24oに対応する画素9における主光線入射角(CRA:Chief Ray Angle)と同一となるように設定する(α=CRA……(1))ことが好ましい。α=CRAとすることにより、カラーフィルタ24の裏面S5(受光面)に入射光21が垂直に入射されるため、カラーフィルタ24の斜入射特性が悪くても、混色等の不具合を生じずに済む。外側カラーフィルタ24oそれぞれの傾斜角αをα=CRAとした場合、カラーフィルタアレイ25の中央部からの距離が遠いほど、主光線入射角CRAが大きくなるため、外側カラーフィルタ24oの傾斜角αが大きくなる。換言すれば、カラーフィルタアレイ25の中央部から遠い側に存在する外側カラーフィルタ24oの、中央部カラーフィルタ24cに対する相対的な傾斜角αは、中央部に近い側に存在する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角αよりも大きくなっている、と言える。
配線層18は、基板2の表面S2側に形成されており、層間絶縁膜26と、層間絶縁膜26を介して複数層に積層された配線27とを含んで構成されている。そして、配線層18は、複数層の配線27を介して、各画素9を構成する画素トランジスタを駆動する。
支持基板19は、配線層18の基板2に面する側とは反対側の面に形成されている。支持基板19は、固体撮像装置1の製造段階において、基板2の強度を確保するための基板である。支持基板19の材料としては、例えば、シリコン(Si)を用いることができる。
以上の構成を有する固体撮像装置1では、カラーフィルタ24の裏面S5側から像光(入射光21)が照射され、照射された入射光21の所定の波長域の光がカラーフィルタ24を透過し、透過した光が光電変換部20で光電変換されて、信号電荷が生成される。そして、生成された信号電荷が、基板2の表面S2側に形成された画素トランジスタを介して、配線27で形成された図1に示した垂直信号線11で画素信号として出力される。
[1-3 カラーフィルタ層の形成方法]
次に、固体撮像装置1におけるカラーフィルタ層17の形成方法について説明する。
まず、図7Aに示すように、基板2の裏面S3(受光面)に、絶縁膜15の材料からなる第1の材料膜28を成膜する。第1の材料膜28は、基板2及び遮光膜14を連続的に覆う第1の層28aと、第1の層28aの受光面側に形成された第2の層28bとの2層構成としてもよい。また、第1の層28a及び第2の層28bの材料は、同じ材料でもよいし、異なる材料でもよい。第1の材料膜28の裏面S7は、基板2の裏面S3(受光面)と平行な平坦面とする。続いて、グレースケールリソグラフィ技術により、第1の材料膜28を裏面S7側からエッチバックして、図7Bに示すように、裏面S7に凹凸構造23を有する絶縁膜15を形成する。凹凸構造23では、中央部カラーフィルタ24cが形成される領域すべてを、基板2の裏面S3(受光面)と平行な平坦面とし、また外側カラーフィルタ24oが形成される領域それぞれを、中央部側に傾斜した傾斜面とする。
続いて、図6に示すように、絶縁膜15の裏面S7に、平板状のカラーフィルタ24を複数形成する。これにより、複数のカラーフィルタ24のうちの、中央部カラーフィルタ24cの裏面S5(受光面)は、基板2の裏面S3(受光面)と平行となる。また、外側カラーフィルタ24oの裏面S5(受光面)は、カラーフィルタアレイ25の中央部側に向くように傾斜する。これにより、中央部カラーフィルタ24cに対して、外側カラーフィルタ24oが、相対的に中央部側に傾くように、基板2の裏面S3(受光面)に対する外側カラーフィルタ24oの傾きが、基板2の裏面S3(受光面)に対する中央部カラーフィルタ24cの傾きと異なっているカラーフィルタ層17が得られる。
以上説明したように、第1の実施形態の固体撮像装置1では、カラーフィルタアレイ25(2次元アレイ)の中央部よりも外側に存在するカラーフィルタ24(外側カラーフィルタ24o)は、中央部に存在するカラーフィルタ24(中央部カラーフィルタ24c)に対して、相対的に中央部側に傾くように、基板2の裏面S3(受光面)となす角度βoが、基板2の裏面S3(受光面)と中央部カラーフィルタ24cとがなす角度βcと異なっている。それゆえ、画素領域3の端部側(高像高側)において、斜めに入射される入射光21とカラーフィルタ24の裏面S5(受光面)とがなす角度γを90°に近づけることができ、入射光21の斜入射によるカラーフィルタ24の特性悪化を防止できる。そのため、カラーフィルタ24で分光がより適切に行われ、混色等の不具合の発生を抑制できる。そのため、より画質の高い画像を得られる固体撮像装置1を提供することができる。
また、入射光21とカラーフィルタ24の裏面S5(受光面)とがなす角度γを90°に近づけることができるため、カラーフィルタ24として、多層膜50を含むフィルタや複数のナノ構造体51を含むフィルタ等の、斜入射特性が悪い新材料・新構造のフィルタの採用に道を開くことができる。そして、新材料・新構造のフィルタを採用することにより、例えば、カラーフィルタ24にマイクロレンズのような集光機能を持たせることができ、カラーフィルタ24とマイクロレンズとを別々に形成する場合に比べ、固体撮像装置1の低背化を図ることができ。また、例えば、カラーフィルタ24の半値幅を狭めることができ、狭い半値幅をもつマルチスペクトルセンサを実現することができる。
〈2.第2の実施形態:固体撮像装置〉
[2-1 要部の構成]
次に、本開示の第2の実施形態に係る固体撮像装置1について説明する。第2の実施形態に係る固体撮像装置1の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図8は、第2の実施形態に係る固体撮像装置1の断面構成図である。図8において、図6に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
第2の実施形態に係る固体撮像装置1は、図8に示すように、カラーフィルタ層17の裏面S5側(受光面側)に、レンズ土台層29及びマイクロレンズ層30がこの順に積層されている点が、第1の実施形態に係る固体撮像装置1と異なっている。
レンズ土台層29は、レンズ土台層29の裏面S8が凹凸がない平坦面となるように、カラーフィルタ24の裏面S5側全体を連続的に被覆している。レンズ土台層29の材料としては、例えば、マイクロレンズ31の材料と屈折率が同程度の材料を採用できる。例えば、シリコン酸化物(SiO2)、シリコン窒化物(SiN)が挙げられる。
マイクロレンズ層30は、画素9それぞれに対応して配置された複数のマイクロレンズ31を有している。即ち、複数のマイクロレンズ31は、2次元アレイ状に配置され、マイクロレンズアレイを形成している。これにより、複数のマイクロレンズ31のそれぞれは、入射光21をカラーフィルタ24を介して光電変換部20内で集光させる。その際、カラーフィルタ24は、そのカラーフィルタ24に対応するマイクロレンズ31で集光された入射光21が含む所定の波長の光(赤色光、緑色光、青色光)を透過させる。
また、マイクロレンズ31のそれぞれは、瞳補正がされた位置に配置されている。即ち、画素領域3の中央部から端部側に向かうに従って、平面視における、マイクロレンズ31の中心部が、マイクロレンズ31に対応する光電変換部20の中心よりも、画素領域3の中心部側にずらされている。瞳補正された位置に配置することにより、画素領域3の端部側(高像高側)において、入射光21が遮光膜14にあたって遮られるケラレを抑制でき、入射光21を光電変換部20により適切に入射でき、画素9の感度を向上できる。
なお、マイクロレンズ31が瞳補正がされた位置に配置される場合を例示したが、例えば、図9に示すように、マイクロレンズ31の位置は瞳補正が行われていなくてもよい。
また、第2の実施形態では、中央部カラーフィルタ24cに対する、外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角α(外側カラーフィルタ24oの傾斜角α)は、下記(2)式で表される角度となっている。下記(2)式では、外側カラーフィルタ24oの傾斜角αは、主光線入射角CRA及びマイクロレンズ31の屈折率nを用いて設定される。即ち、下記(2)式は、上述した(1)式に対して、空気とマイクロレンズ31との界面で生じる光の屈折の影響を考慮した数式である。下記(2)式を用いて外側カラーフィルタ24oの傾斜角αを設定することにより、空気とマイクロレンズ31との界面で屈折した入射光21が外側カラーフィルタ24oの裏面S5(受光面)に垂直に入射され、外側カラーフィルタ24oの斜入射特性が悪くても、混色等の不具合を生じずに済む。
α=arcsin(sin(CRA)/n) ………(2)
なお、上記(2)式は、カラーフィルタ24の直上にマイクロレンズ31以外の構造体がある場合にも採用できる。この場合、屈折率nとしては構造体の屈折率を用いる。
[2-2 マイクロレンズ層の形成方法]
次に、固体撮像装置1におけるマイクロレンズ層30の形成方法について説明する。
まず、上記した図7A、図7B及び図6の手順と同様の手順により、カラーフィルタ層17を形成する。続いて、図10Aに示すように、カラーフィルタ層17の裏面S5(受光面)に、レンズ土台層29の材料からなり、一定の厚さを有する第2の材料膜32を成膜する。これにより、第2の材料膜32のうちの、中央部カラーフィルタ24cの裏面S5に成膜された部分32cは、基板2の裏面S3(受光面)と平行となる。また外側カラーフィルタ24oの裏面S5に成膜された部分32oは中央部側に向くように傾斜する。
続いて、CMP(Chemical Mechanical Polishing)技術により、第2の材料膜32を裏面S9側から研磨して、図10Bに示すように、裏面S8が平坦なレンズ土台層29を形成する。続いて、図8に示すように、レンズ土台層29の裏面S8にマイクロレンズ31を複数形成する。これにりより、マイクロレンズ層30が得られる。
〈3.第3の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第3の実施形態に係る固体撮像装置1について説明する。第3の実施形態に係る固体撮像装置1の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図11は、第3の実施形態に係る固体撮像装置1の断面構成図である。図11において、図6に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
第3の実施形態に係る固体撮像装置1は、図11に示すように、同じ分光特性を有する外側カラーフィルタ24o毎に、カラーフィルタアレイ25の中央部から遠い側に存在する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角αが、中央部に近い側に存在する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角αよりも大きくなっている点が、第1の実施形態に係る固体撮像装置1と異なっている。図11は、赤色光を透過する分光特性のカラーフィルタ24(以下「赤色フィルタ24r」とも呼ぶ)の断面と、緑色光を透過する分光特性のカラーフィルタ24(以下「緑色フィルタ24g」とも呼ぶ)の断面とを示している。
第3の実施形態では、中央部カラーフィルタ24cに対する、外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角α(外側カラーフィルタ24oの傾斜角α)は、下記(3)式で表される角度となっている。下記(3)式では、外側カラーフィルタ24oの傾斜角αは、主光線入射角CRA、及び同じ分光特性を有するカラーフィルタ24毎に設定される補正係数kを用いて設定される。即ち、下記(3)式は、上述した(1)式に対して、カラーフィルタ24毎の角度応答特性や斜入射特性を考慮した数式である。
α=arcsin(sin(CRA))×k ………(3)
上記(3)式を用いて外側カラーフィルタ24oの傾斜角αを設定することにより、赤色フィルタ24r、緑色フィルタ24g毎に、カラーフィルタアレイ25の中央部からの距離が遠いほど、主光線入射角CRAが大きくなるため、外側カラーフィルタ24oの傾斜角αが大きくなる。換言すれば、同じ分光特性を有する外側カラーフィルタ24o毎に、カラーフィルタアレイ25の中央部から遠い側に存在する外側カラーフィルタ24oの、中央部カラーフィルタ24cに対する相対的な傾斜角αは、中央部に近い側に存在する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角αよりも大きくなっている、と言える。
なお、異なる分光特性を有する外側カラーフィルタ24o間では、このような関係(カラーフィルタアレイ25の中央部から遠い側に存在する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角α>中央部に近い側に存在する外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角α)は必ずしも成立しない。図11では、カラーフィルタアレイ25の中央部から遠い側に存在する緑色フィルタ24gの傾斜角α<中央部に近い側に存在する赤色フィルタ24rの傾斜角α、となっている箇所(図11の右側の部分)がある場合を例示している。
また、カラーフィルタ24の裏面S5側(受光面側)にマイクロレンズ31を備えない場合を例示したが、例えば、図8及び図9に示すように、マイクロレンズ31を備える構成とした場合、外側カラーフィルタ24oの傾斜角αは、下記(4)式で表される。
α=arcsin(sin(CRA)/n) ×k ………(4)
〈4.第4の実施形態:固体撮像装置〉
次に、本開示の第4の実施形態に係る固体撮像装置1について説明する。第4の実施形態に係る固体撮像装置1の全体構成は、図1と同様であるから図示を省略する。図12は、第4の実施形態に係る固体撮像装置1の断面構成図である。図12において、図6に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
第4の実施形態に係る固体撮像装置1は、図12に示すように、基板2の中央部が配線層18側(つまり、カラーフィルタ24側と反対側)に窪むように湾曲している湾曲センサである点が、第1の実施形態に係る固体撮像装置1と異なっている。基板2の中央部の窪みの形状としては、例えば、固体撮像装置1上に撮像レンズを配置したカメラモジュールを構成した場合に、撮像レンズによって生成される被写体の結像面の湾曲に一致する曲面形状を採用できる。基板2の中央部をカラーフィルタ24側と反対側に窪むように湾曲させたことにより、画素領域3の端部側(高像高側)において、像面湾曲収差による焦点のずれを抑制でき、画素領域3の中央部側の解像度と同等の解像度を得ることができる。
また、外側カラーフィルタ24oは、第1の実施形態と同様に、中央部カラーフィルタ24cに対して、相対的にカラーフィルタアレイ25の中央部側に傾いている。また、基板2が湾曲されているが、第4の実施形態においても、基板2の裏面S3(受光面)に対して外側カラーフィルタ24oそれぞれは、カラーフィルタアレイ25の中央側に傾いている。即ち、基板2の裏面S3(受光面)と外側カラーフィルタ24oとがなす角度βoがβo>0となっている。したがって、第4の実施形態に係る固体撮像装置1でも、外側カラーフィルタ24oは、中央部カラーフィルタ24cに対して、相対的にカラーフィルタアレイ25の中央部側に傾くように、基板2の裏面S3(受光面)となす角度βoが、基板2の裏面S3(受光面)と中央部カラーフィルタ24cとがなす角度βcと異なっている、と言える。図12では、中央部カラーフィルタ24cの表面S6(絶縁膜15側の面)と、基板2の裏面S3(具体的には、その中央部カラーフィルタ24cに対応する光電変換部20が存在する箇所の基板2の裏面S3)とがなす角度を「βc」とした場合を例示している。また外側カラーフィルタ24cの表面S6(絶縁膜15側の面)と、基板2の裏面S3(具体的には、その外側カラーフィルタ24oに対応する光電変換部20が存在する箇所の基板2の裏面S3)とがなす角度を「βo」とした場合を例示している。
〈5.変形例〉
(1)なお、第1~第4の実施形態では、中央部カラーフィルタ24cに対する、外側カラーフィルタ24oの相対的な傾斜角α(外側カラーフィルタ24oの傾斜角α)を、カラーフィルタアレイ25の中心部からの距離が遠いほど大きくする例を示したが、他の構成を採用することもできる。即ち、外側カラーフィルタ24oのそれぞれに傾斜角αを個別に設定する例を示したが、他の構成としてもよい。例えば、カラーフィルタアレイ25を中心部からの距離に応じて複数の領域に区分し、区分して得た各領域毎に、外側カラーフィルタ24oの傾斜角αを一定値とし、その一定値を中心部から遠い領域ほど大きくする構成としてもよい。即ち、領域毎に傾斜角αを設定する構成としてもよい。
(2)また、第1~第4の実施形態では、外側カラーフィルタ24oのすべてが、「外側カラーフィルタ24oは、中央部カラーフィルタ24cに対して、相対的にカラーフィルタアレイ25の中央部側に傾くように、基板2の裏面S3(受光面)となす角度βoが、基板2の裏面S3(受光面)と中央部カラーフィルタ24cとがなす角度βcと異なっている」、という条件を満たす例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、外側カラーフィルタ24oの少なくとも一部(例えば50%~90%)が上記条件を満たす構成とし、上記条件を満たさない外側カラーフィルタ24oを含む構成としてもよい。
(3)また、第1~第4の実施形態では、基板2の裏面S3に対して、中央部カラーフィルタ24cを平行とする例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、基板2の裏面S3に対して、中央部カラーフィルタ24cが傾いている構成としてもよい。
(4)また、第1~第4の実施形態では、カラーフィルタ24の裏面S5と表面S6との両方を平面とする例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、カラーフィルタ24の裏面S5と表面S6との両方又は一方に凹凸構造を有する構成としてもよい。
(5)また、第1~第4の実施形態では、光電変換部20の受光面の外周に沿って配置された遮光膜14を形成する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば図13に示すように、遮光膜14を省略した構成としてもよい。遮光膜14を省略することにより、遮光膜14で入射光21が遮られず、画素領域3の端部側(高像高側)において、入射光21の斜入射による量子効率QEの低下を抑制でき、画素9の感度を向上できる。
(6)また、第1~第4の実施形態では、すべての画素9で1つの絶縁膜15を共有する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図15に示すように、画素9毎に絶縁膜15を設け、絶縁膜15及びカラーフィルタ24間に導波路壁部33を配置して、絶縁膜15及びカラーフィルタ24をコアとし、導波路壁部33をクラッドとする導波路を形成する構成としてもよい。導波路を形成することにより、画素領域3の端部側(高像高側)において、入射光21の斜入射による、絶縁膜15からの入射光21の拡散を防止でき、画素9の感度を向上できる。導波路壁部33としては、例えば絶縁膜15の材料やカラーフィルタ24の材料よりも屈折率が低い材料(低屈折率材料)を採用できる。
(7)また、第1~第4の実施形態では、外側カラーフィルタ24oを光電変換部20の真上に配置する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば図15に示すように、外側カラーフィルタ24oを瞳補正がされた位置に配置する構成としてもよい。即ち、画素領域3の中央部から端部側に向かうに従って、平面視における、外側カラーフィルタ24oの中心部が、外側カラーフィルタ24oに対応する光電変換部20の中心よりも画素領域3の中心部側にずらされている。瞳補正された位置に配置することにより、画素領域3の端部側(高像高側)において、入射光21の斜入射による混色を抑制できる。
(8)また、本技術は、上述したイメージセンサとしての固体撮像装置の他、ToF(Time of Flight)センサとも呼ばれる距離を測定する測距センサ等も含む光検出装置全般に適用することができる。測距センサは、物体に向かって照射光を発光し、その照射光が物体の表面で反射され返ってくる反射光を検出し、照射光が発光されてから反射光が受光されるまでの飛行時間に基づいて物体までの距離を算出するセンサである。この測距センサの受光画素構造として、上述した画素9の構造を採用することができる。
〈6.電子機器への応用例〉
本開示に係る技術(本技術)は、各種の電子機器に適用されてもよい。
図16は、本開示を適用した電子機器としての撮像装置(ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等)の概略的な構成の一例を示す図である。
図16に示すように、撮像装置1000は、レンズ群1001と、固体撮像装置1002(第1の実施形態に係る固体撮像装置1)と、DSP(Digital Signal Processor)回路1003と、フレームメモリ1004と、モニタ1005と、メモリ1006とを備えている。DSP回路1003、フレームメモリ1004、モニタ1005及びメモリ1006は、バスライン1007を介して相互に接続されている。
レンズ群1001は、被写体からの入射光(像光)を固体撮像装置1002に導き、固体撮像装置1002の受光面(画素領域)に結像させる。
固体撮像装置1002は、上述した第1の実施の形態のCMOSイメージセンサからなる。固体撮像装置1002は、レンズ群1001によって受光面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号としてDSP回路1003に供給する。
DSP回路1003は、固体撮像装置1002から供給される画素信号に対して所定の画像処理を行う。そして、DSP回路1003は、画像処理後の画像信号をフレーム単位でフレームメモリ1004に供給し、フレームメモリ1004に一時的に記憶させる。
モニタ1005は、例えば、液晶パネルや、有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなる。モニタ1005は、フレームメモリ1004に一時的に記憶されたフレーム単位の画素信号に基づいて、被写体の画像(動画)を表示する。
メモリ1006は、DVD、フラッシュメモリ等からなる。メモリ1006は、フレームメモリ1004に一時的に記憶されたフレーム単位の画素信号を読み出して記録する。
なお、固体撮像装置1を適用できる電子機器としては、撮像装置1000に限られるものではなく、他の電子機器にも適用することができる。また、固体撮像装置1002として、第1の実施形態に係る固体撮像装置1を用いる構成としたが、他の構成としてもよい。例えば、第2~第4の実施形態に係る固体撮像装置1、第1~第4の実施形態の変形例に係る固体撮像装置1等、本技術を適用した他の光検出装置を用いる構成としてもよい。
なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
(1)
2次元アレイ状に配置され、所定の波長の光を透過させる複数のカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板とを備え、
前記2次元アレイの中央部よりも外側に存在する前記カラーフィルタである外側カラーフィルタは、前記中央部に存在する前記カラーフィルタである中央部カラーフィルタに対して、相対的に前記中央部側に傾くように、前記基板の受光面となす角度が、前記基板の受光面と前記中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている
光検出装置。
(2)
前記外側カラーフィルタのうちの、前記中央部から遠い側に存在する前記外側カラーフィルタの、前記中央部カラーフィルタに対する相対的な傾斜角は、前記中央部に近い側に存在する前記外側カラーフィルタの前記相対的な傾斜角よりも大きくなっている
前記(1)に記載の光検出装置。
(3)
同じ分光特性を有する前記外側カラーフィルタ毎に、前記中央部から遠い側に存在する前記外側カラーフィルタの前記相対的な傾斜角が、前記中央部に近い側に存在する前記外側カラーフィルタの前記相対的な傾斜角よりも大きくなっている
前記(1)又は(2)に記載の光検出装置。
(4)
前記カラーフィルタは、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された多層膜を有する
前記(1)から(3)の何れかに記載の光検出装置。
(5)
前記カラーフィルタは、該カラーフィルタが透過させる光の波長よりも小さい複数のナノ構造体を有する
前記(1)から(3)の何れかに記載の光検出装置。
(6)
前記カラーフィルタは、着色剤が分散された樹脂材料からなる
前記(1)から(3)の何れかに記載の光検出装置。
(7)
前記外側カラーフィルタは、瞳補正がされた位置に配置されている
前記(1)から(6)の何れかに記載の光検出装置。
(8)
2次元アレイ状に配置され、入射光を集光する複数のマイクロレンズを備え、
前記カラーフィルタは、該カラーフィルタに対応する前記マイクロレンズで集光された前記入射光が含む所定の波長の光を透過させる
前記(1)から(7)の何れかに記載の光検出装置。
(9)
前記基板は、中央部が前記カラーフィルタ側と反対側に窪むように湾曲している
前記(1)から(8)の何れかに記載の光検出装置。
(10)
2次元アレイ状に配置され、所定の波長の光を透過させる複数のカラーフィルタ、及び前記カラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板とを備え、前記2次元アレイの中央部よりも外側に存在する前記カラーフィルタである外側カラーフィルタは、前記中央部に存在する前記カラーフィルタである中央部カラーフィルタに対して、相対的に前記中央部側に傾くように、前記基板の受光面となす角度が、前記基板の受光面と前記中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている光検出装置を備える
電子機器。
1…固体撮像装置、2…基板、3…画素領域、4…垂直駆動回路、5…カラム信号処理回路、6…水平駆動回路、7…出力回路、8…制御回路、9…画素、10…画素駆動配線、11…垂直信号線、12…水平信号線、13…絶縁膜、14…遮光膜、15…絶縁膜、16…受光層、17…カラーフィルタ層、18…配線層、19…支持基板、20…光電変換部、21…入射光、22…画素分離部、23…凹凸構造、24…カラーフィルタ、24c…中央部カラーフィルタ、24o…外側カラーフィルタ、24r…赤色フィルタ、24g…緑色フィルタ、25…カラーフィルタアレイ、26…層間絶縁膜、27…配線、28…第1の材料膜、28a…第1の層、28b…第2の層、29…レンズ土台層、30…マイクロレンズ層、31…マイクロレンズ、32…第2の材料膜、32c、32o…第2の材料膜の部分、33…導波路壁部、50…多層膜、51…ナノ構造体、52…着色樹脂膜、53…下部ミラー層、54…制御層、55…上部ミラー層、56…高屈折率層、57…低屈折率層、58…高屈折率層、59…高屈折率層、60…低屈折率層、61…高屈折率層、62…低屈折率層、63…導波モード共鳴格子、64…絶縁層、1000…撮像装置

Claims (10)

  1. 2次元アレイ状に配置され、所定の波長の光を透過させる複数のカラーフィルタと、
    前記カラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板とを備え、
    前記2次元アレイの中央部よりも外側に存在する前記カラーフィルタである外側カラーフィルタは、前記中央部に存在する前記カラーフィルタである中央部カラーフィルタに対して、相対的に前記中央部側に傾くように、前記基板の受光面となす角度が、前記基板の受光面と前記中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている
    光検出装置。
  2. 前記外側カラーフィルタのうちの、前記中央部から遠い側に存在する前記外側カラーフィルタの、前記中央部カラーフィルタに対する相対的な傾斜角は、前記中央部に近い側に存在する前記外側カラーフィルタの前記相対的な傾斜角よりも大きくなっている
    請求項1に記載の光検出装置。
  3. 同じ分光特性を有する前記外側カラーフィルタ毎に、前記中央部から遠い側に存在する前記外側カラーフィルタの前記相対的な傾斜角が、前記中央部に近い側に存在する前記外側カラーフィルタの前記相対的な傾斜角よりも大きくなっている
    請求項2に記載の光検出装置。
  4. 前記カラーフィルタは、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された多層膜を有する
    請求項1に記載の光検出装置。
  5. 前記カラーフィルタは、該カラーフィルタが透過させる光の波長よりも小さい複数のナノ構造体を有する
    請求項1に記載の光検出装置。
  6. 前記カラーフィルタは、着色剤が分散された樹脂材料からなる
    請求項1に記載の光検出装置。
  7. 前記外側カラーフィルタは、瞳補正がされた位置に配置されている
    請求項1に記載の光検出装置。
  8. 2次元アレイ状に配置され、入射光を集光する複数のマイクロレンズを備え、
    前記カラーフィルタは、該カラーフィルタに対応する前記マイクロレンズで集光された前記入射光が含む所定の波長の光を透過させる
    請求項1に記載の光検出装置。
  9. 前記基板は、中央部が前記カラーフィルタ側と反対側に窪むように湾曲している
    請求項1に記載の光検出装置。
  10. 2次元アレイ状に配置され、所定の波長の光を透過させる複数のカラーフィルタ、及び前記カラーフィルタを透過した光が入射する光電変換部を複数有する基板とを備え、前記2次元アレイの中央部よりも外側に存在する前記カラーフィルタである外側カラーフィルタは、前記中央部に存在する前記カラーフィルタである中央部カラーフィルタに対して、相対的に前記中央部側に傾くように、前記基板の受光面となす角度が、前記基板の受光面と前記中央部カラーフィルタとがなす角度と異なっている光検出装置を備える
    電子機器。
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