JP2023100350A - 光検出装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 上層混色を抑制しつつ、光学素子の腐食を抑制可能な光検出装置を提供する。【解決手段】 複数の光電変換部が形成された基板と、基板の裏面側に配置された複数の光学素子と、複数の光学素子の裏面側に配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、を備える構成とした。そして、光学素子が、金属材料を含み、また、マイクロレンズアレイが、光学素子側の面が光学素子の裏面に接触して裏面を覆うように形成されて、光学素子の金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねる構成とした。【選択図】図２

Description

本技術（本開示に係る技術）は、光検出装置及び電子機器に関する。
従来、例えば、入射光のうちの特定の偏光成分を透過させる偏光部を備えた光検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の光検出装置では、複数の光電変換部を有する半導体基板上に、複数の偏光部、保護膜及び複数のマイクロレンズがこの順に積層され、保護膜によって偏光部の腐食を抑制するようになっている。
特開２０２０－１２６８８２号公報
しかしながら、特許文献１に記載の光検出装置では、偏光部の受光面側に保護膜とマイクロレンズとが積層されるため、偏光部の受光面側に位置する層（以下、「上層」とも呼ぶ）の高背化を生じる。それゆえ、例えば、ある画素のマイクロレンズに光が斜めに入射したときに、光が上層内を斜めに進むことで、光が隣接する画素の偏光部及び光電変換部に入射されて、光学混色（以下、「上層混色」とも呼ぶ）が発生する可能性がある。
本開示は、上層混色を抑制しつつ、光学素子の腐食を抑制可能な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）複数の光電変換部が形成された基板と、（ｂ）半導体基板の受光面側に配置された複数の光学素子と、（ｃ）複数の光学素子の受光面側に配置され、光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイと、を備え、（ｄ）光学素子は、金属材料を含み、（ｅ）マイクロレンズアレイは、光学素子側の面が光学素子の受光面に接触して該受光面を覆うように形成されて、金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねていることを要旨とする。
本開示の他の光検出装置は、（ａ）複数の光電変換部が形成された基板、（ｂ）半導体基板の受光面側に配置された複数の光学素子、（ｃ）及び複数の光学素子の受光面側に配置され、光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイを備え、（ｄ）光学素子は、金属材料を含み、（ｅ）マイクロレンズアレイは、光学素子側の面が光学素子の受光面に接触して該受光面を覆うように形成されて、金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねている光検出装置を備えることを要旨とする。
第１の実施形態に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図である。 図１のＡ－Ａ線で破断した場合の、固体撮像装置の断面構成を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造として大型の４×４の凹部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造として小型の４×４の凹部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造として大型の３×３の凹部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造として小型の３×３の凹部が形成された場合を示す図である。 光学素子の断面構造を拡大して示す図である。 保護膜を有する固体撮像装置の断面構成を示す図である。 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法を示す図であり、遮光膜まで形成された状態を示す図である。 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法を示す図であり、平坦化膜が形成された状態を示す図である。 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法を示す図であり、第１の材料膜が形成された状態を示す図である。 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法を示す図であり、光学素子アレイが形成された状態を示す図である。 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法を示す図であり、第２の材料膜が形成された状態を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、光学素子としてワイヤグリッド偏光子を用いた場合を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、光学素子としてＧＭＲフィルタを用いた場合を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、レンズ状部の形状が柱型である場合を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、レンズ状部の形状が複数の微細構造体が周期配置された形状である場合を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、トレンチ部内に金属遮光膜が配置された場合を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、光拡散構造として溝部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造として十字状の溝部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造として＊状の溝部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造としてIII状の溝部が形成された場合を示す図である。 光拡散構造の平面構造を示す図であり、光拡散構造としてドット状の溝部が形成された場合を示す図である。 変形例に係る固体撮像装置の全体の概略構成を示す図であり、光拡散構造が省略された場合を示す図である。 本技術を適用した電子機器としての撮像装置の概略構成の一例を示す図である。
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１５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 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法
１－４ 変形例
２．第２の実施形態：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の全体の概略構成を示す図である。
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１５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上において、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２２と、複数の画素トランジスタとを有している。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、増幅トランジスタ、選択トランジスタの４つのトランジスタを採用できる。
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２２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 画素の回路構成］
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、ピニング膜１３、絶縁膜１４、遮光膜１５及び平坦化膜１６がこの順に積層されてなる受光層１７が配置されている。また、受光層１７の平坦化膜１６側の面（以下、「裏面Ｓ１」とも呼ぶ）には、光学素子アレイ１８及びマイクロレンズアレイ１９がこの順に積層されてなる集光層２０が配置されている。さらに、受光層１７の基板２側の面（以下、「表面Ｓ２」とも呼ぶ）には、配線層２１が配置されている。
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２２と、複数の画素トランジスタ（不図示）とを有する画素９が複数個、二次元アレイ状に配置されている（図１参照）。光電変換部２２は、外周側に形成されたｐ型半導体領域と、中央側に形成されたｎ型半導体領域とを含んで構成され、ｐｎ接合によってフォトダイオードを構成している。これにより、光電変換部２２のそれぞれは、光電変換部２２への入射光の光量に応じた信号電荷を生成し、生成した信号電荷をフォトダイオードのｎ型半導体領域（電荷蓄積領域）に蓄積する。
また、基板２の裏面Ｓ３側（受光面側）には、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、光電変換部２２と重なる位置それぞれに、二次元アレイ状に配置された複数の逆ピラミッド状の凹部２３を有する光拡散構造２４が形成されている。これにより、入射光の屈折量を増大でき、画素分離部２５の間で反射させて光路長を増大でき、長波長の光（例えば、近赤外光）を光電変換できる。
図３Ａ～図３Ｄは、光拡散構造２４の平面構造を示す図であり、図３Ａは、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、光電変換部２２の全体と重なるように、４×４の凹部２３が形成されている場合を例示している。また、図３Ｂは、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、光電変換部２２の中央部と重なるように、４×４の凹部２３が形成されている場合を例示している。また、図３Ｃは、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、光電変換部２２の全体と重なるように、３×３の凹部２３が形成されている場合を例示している。また図３Ｄは、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、光電変換部２２の中央部と重なるように、３×３の凹部２３が形成されている場合を例示している。
また、隣り合う光電変換部２２の間には、画素分離部２５が形成されている。画素分離部２５は、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、光電変換部２２それぞれの周囲を囲むように、格子状に形成されている。画素分離部２５は、基板２の裏面Ｓ３に開口部が形成され、基板２内に底面が形成されたトレンチ部２６を有している。トレンチ部２６は、内側面及び底面が画素分離部２５の外周部となるように格子状に形成されている。
なお、第１の実施形態では、トレンチ部２６の底面を基板２内に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、トレンチ部２６を基板２を貫通する貫通溝とし、配線層２１の基板２側の面をトレンチ部２６の底面とする構成としてもよい。
トレンチ部２６の内側面及び底面は、ピニング膜１３で被覆されている。またトレンチ部２６の内部には、絶縁膜１４が埋め込まれている。これにより、光電変換部２２に入射した光が画素分離部２５に進入した場合に、進入した光を絶縁膜１４及びピニング膜１３の界面で反射でき、光が画素分離部２５を透過することで生じる光学混色を抑制できる。
ピニング膜１３は、基板２の裏面Ｓ３側全体と、トレンチ部２６の内側面及び底面とを連続的に被覆している。ピニング膜１３の材料としては、例えば、固定電荷を発生させてピニング強化可能な負の電荷を有する高屈折率材料膜又は高誘電体膜を採用することができる。例えば、ハフニウム（Hf）、アルミニウム（Al）、ジルコニウム（Zr）、タンタル（Ta）及びチタン（Ti）の少なくとも１つの元素を含む酸化物又は窒化物が挙げられる。
絶縁膜１４は、ピニング膜１３の裏面Ｓ４側全体（受光面側全体）を連続的に被覆するとともに、トレンチ部２６の内部に埋め込まれている。絶縁膜１４の材料としては、例えば、ピニング膜１３と異なる屈折率を有する酸化膜等を採用できる。例えば、シリコン酸化物（SiO2）、シリコン窒化物（SiN）、シリコン酸窒化物（SiON）が挙げられる。
遮光膜１５は、絶縁膜１４の裏面Ｓ５側の一部（受光面側の一部）に、複数の光電変換部２２それぞれの受光面を開口するように、格子状に形成されている。即ち、遮光膜１５は、マイクロレンズアレイ１９側から見た場合に、格子状に形成された画素分離部２５と重なる位置に形成されている。遮光膜１５の材料としては、例えば、遮光可能な材料を採用できる。例えば、アルミニウム（Al）、タングステン（W）、銅（Cu）が挙げられる。
平坦化膜１６は、遮光膜１５を含む絶縁膜１４の裏面Ｓ５側全体（受光面側全体）を連続的に被覆している。これにより、受光層１７の裏面Ｓ１は、凹凸がない平坦面とされている。平坦化膜１６の材料としては、例えば、樹脂等の有機材料を用いることができる。
光学素子アレイ１８は、絶縁膜１４の裏面Ｓ５側に形成され、光電変換部２２に対応して配置された光学素子２７を複数有している。即ち、１つの光電変換部２２に対して１つの光学素子２７が形成されている。光学素子２７としては、例えば、金属材料を含む光学素子を採用できる。金属材料としては、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、シリコン(Si)、白金(Pt)、金(Au)が挙げられる。
図４は、光学素子２７の断面構造を拡大して示す図である。図４では、光学素子２７として、ワイヤグリッド偏光子２７ａを採用した場合を例示している。ワイヤグリッド偏光子２７ａは、所定のピッチで配置された複数の帯状導体２８を有している。帯状導体２８としては、例えば、線状や直方体等に構成された導体（ワイヤ）を採用できる。
帯状導体２８の中の自由電子は、帯状導体２８に入射する光の電場に追従して振動し、反射波を輻射する。ここで、複数の帯状導体２８が配列される方向と垂直な方向、即ち、帯状導体２８の長手方向に平行な入射光は、自由電子の振幅が大きくなるため、より多くの反射光を輻射する。そのため、帯状導体２８の長手方向に平行な入射光は、ワイヤグリッド偏光子２７ａを透過せずに反射される。一方、帯状導体２８の長手方向に垂直な光は、自由電子の振動が制限され、振幅が小さくなるため、帯状導体２８からの反射光の輻射が小さくなる。そのため、帯状導体２８の長手方向に垂直な入射光は、ワイヤグリッド偏光子２７ａによる減衰が小さくなり、ワイヤグリッド偏光子２７ａを透過できる。
光学素子アレイ１８が有する複数の光学素子２７（ワイヤグリッド偏光子２７ａ）には、偏光方向が互いに異なる複数種類のワイヤグリッド偏光子が含まれている。例えば、帯状導体２８の長手方向が順に４５°ずつ異なる４種類のワイヤグリッド偏光子が挙げられる。これにより、複数のワイヤグリッド偏光子２７ａそれぞれは、帯状導体２８の長手方向に垂直な入射光を透過し、透過した入射光を、対応する光電変換部２２に入射させる。
また、隣り合う帯状導体２８の間には、側面が帯状導体２８で形成され、底面が平坦化膜１６で形成された溝状の空間（空隙２９）が形成されている。空隙２９（溝）の開口部は、マイクロレンズアレイ１９で閉塞されている。空隙２９内には、空気（屈折率１．０）等のガスが封入されている。これにより、帯状導体２８の間の空間の屈折率を低減できるため、ワイヤグリッド偏光子２７ａの透過率を向上することができる。図４では、空隙２９の平坦化膜１６側の端部が平坦化膜１６内にまで到達している場合を例示している。
図４では、複数の帯状導体２８のそれぞれが、平坦化膜１６上に、光反射層３０、絶縁層３１及び光吸収層３２がこの順に積層された構造である場合を例示している。光反射層３０と平坦化膜１６との間には、密着強度を向上させるための密着層３３を配置してもよい。密着層３３の材料としては、例えば、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)を採用できる。
光反射層３０は、入射光を反射するための層である。これにより、帯状導体２８の並び方向に垂直な方向、即ち、帯状導体２８の長手方向に平行な振動方向の光を反射することができる。光反射層３０の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)を採用できる。
絶縁層３１は、固体撮像装置１の製造の際に、先に形成された光反射層３０を保護するための層である。また、光反射層３０によって反射された光の位相の調整を行うための層でもある。位相の調整を行う場合、絶縁層３１の膜厚は、光吸収層３２を透過して光反射層３０において反射される光の位相と、光吸収層３２によって反射される光の位相とが１８０°異なる位相差となる厚さとする。これにより、光反射層３０及び光吸収層３２のそれぞれで反射される光が打ち消し合うため、ワイヤグリッド偏光子２７ａからの反射光が低減される。絶縁層３１の材料としては、例えば、シリコン酸化物(SiO2)を採用できる。
光吸収層３２は、光反射層３０によって反射された光を吸収するための層である。これにより、ワイヤグリッド偏光子２７ａからの反射光を低減でき、反射光に起因するフレア等のノイズを低減できる。光吸収層３２の材料としては、例えば、消衰係数が零でない材料、即ち、吸収作用を有する金属や半導体を採用できる。例えば、銅(Cu)、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、シリコン(Si)、白金(Pt)、金(Au)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、銀(Ag)、ゲルマニウム(Ge)、テルル(Te)、錫(Sn)が挙げられる。また、例えば、ＦｅＳｉ2（β－ＦｅＳｉ2）、ＭｇＳｉ2、ＮｉＳｉ2、ＢａＳｉ2、ＣｒＳｉ2、ＣｏＳｉ2等のシリサイド系材料を採用することもできる。光吸収層３２の膜厚は、例えば、入射光が透過する際の透過率の低下が軽減するように薄くする。
マイクロレンズアレイ１９は、光学素子アレイ１８の裏面Ｓ６側（光入射面側）に形成され、光電変換部２２に対応して配置されたマイクロレンズ３４を複数有している。即ち、１つの光電変換部２２に対して１つのマイクロレンズ３４が形成されている。複数のマイクロレンズ３４のそれぞれは、光学素子アレイ１８上に、複数のマイクロレンズ３４で共有される底部３５、及びマイクロレンズ３４毎に個別に形成されたレンズ状部３６がこの順に積層された構造となっている。底部３５及びレンズ状部３６は、所定の材料からなる膜状の部材にマスクを介してドライエッチングを行うことで一体として形成される。
底部３５は、光学素子アレイ１８の裏面Ｓ６側全体（光入射面側全体）を連続的に覆う平板状に形成されている。底部３５の表面Ｓ７（光学素子アレイ１８側の面）は、光学素子アレイ１８の裏面Ｓ６（受光面）に接触して裏面Ｓ６を覆っている。これにより、底部３５は、ワイヤグリッド偏光子２７ａ（帯状導体２８）に含まれる金属材料の錆等の腐食を抑制する保護膜（図５に示した保護膜３９）を兼ねている。また、底部３５は、帯状導体２８の裏面Ｓ６に接触するように配置されて、帯状導体２８間の空間のマイクロレンズアレイ１９側の開口端を帯状導体２８間に空隙２９が残るように閉塞している。
レンズ状部３６は、底部３５の裏面Ｓ８側（受光面側）に、光電変換部２２に対応して形成されている。即ち、１つの光電変換部２２に対して１つのレンズ状部３６が形成されている。レンズ状部３６の形状としては、例えば、片面が平面である平凸型を採用できる。レンズ状部３６のそれぞれは、被写体からの像光（入射光）を集光し、集光した入射光を、対応する光学素子２７を介して、対応する光電変換部２２内により効率的に導く。
また、底部３５及びレンズ状部３６の材料としては、例えば、同じ材料を採用できる。例えば、水蒸気バリア性を有する材料を採用できる。水蒸気バリア性を有する材料としては、例えば、水蒸気透過度が１０-3ｇ／（ｍ2・２４ｈ）以下の材料が挙げられる。また、１０-6ｇ／（ｍ2・２４ｈ）以下の材料がより好ましい。水蒸気透過度としては、例えば、２４時間に透過した面積１ｍ2当たりの水蒸気のグラム数[ｇ/(ｍ2・２４ｈ)]が挙げられる。これにより、マイクロレンズ３４を透過してワイヤグリッド偏光子２７ａ側に進入する空気中の水分を低減でき、空気中の水分による帯状導体２８の腐食を抑制できる。水蒸気バリア性を有する材料としては、例えば、シリコン窒化物(SiN)、シリコン酸窒化物(SiON) 、シリコン炭窒化物(SiCN)が挙げられる。これにより、窒素(N)を含むため、材料の密度を増大でき、水蒸気バリア性を向上できる。また、特に、シリコン窒化物(SiN)は、屈折率が大きいため、曲がり難い長波長の光（例えば近赤外線）も適切に集光できる。
配線層２１は、基板２の表面Ｓ２側に形成されており、層間絶縁膜３７と、層間絶縁膜３７を介して複数層に積層された配線３８とを含んで構成されている。そして、配線層２１は、複数層の配線３８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。
以上の構成を有する固体撮像装置１では、基板２の裏面Ｓ３側から光が照射され、照射された光がマイクロレンズ３４及び光学素子２７を透過し、透過した光が光電変換部２２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、配線層２１の配線３８で形成された図１の垂直信号線１１によって画素信号として出力される。
ここで、例えば、図５に示すように、ワイヤグリッド偏光子２７ａとマイクロレンズ３４との間に、マイクロレンズアレイ１９とは別に、ワイヤグリッド偏光子２７ａが含む金属材料の腐食を抑制する保護膜３９（例えば、SiN膜）を配置する構造とした場合、ワイヤグリッド偏光子２７ａの受光面側に位置する層（上層）の高背化を生じることになる。それゆえ、例えば、ある画素９のマイクロレンズ３４に光４０が斜めに入射したときに、光４０が上層内を斜めに進むことで、光４０が隣接する画素９のワイヤグリッド偏光子２７ａ及び光電変換部２２に入射されて光学混色（上層混色）が発生する可能性がある。
これに対し、第１の実施形態では、図２に示すように、マイクロレンズアレイ１９を、ワイヤグリッド偏光子２７ａ側の面（表面Ｓ７）がワイヤグリッド偏光子２７ａの裏面Ｓ６に接触して裏面Ｓ６を覆うように形成して、ワイヤグリッド偏光子２７ａが含む金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねる構成とした。そのため、ワイヤグリッド偏光子２７ａの裏面Ｓ６側に位置する層の高背化を抑制でき、上層混色を抑制できる。また、マイクロレンズアレイ１９によって、ワイヤグリッド偏光子２７ａを保護できる。それゆえ、上層混色を抑制しつつ、ワイヤグリッド偏光子２７ａ（光学素子２７）の腐食を抑制できる。
また、例えば、マイクロレンズアレイ１９とは別に保護膜３９を配置する構成とする場合に比べ、固体撮像装置１の製造時に、工程数を削減でき、製造コストを抑制できる。
また、マイクロレンズアレイ１９の材料として、水蒸気バリア性を有する材料（例えばシリコン窒化物）を用いるようにした。これにより、マイクロレンズ３４の受光面側からマイクロレンズ３４を透過してワイヤグリッド偏光子２７ａ側に空気が進入する場合に、進入する空気に含まれる水分を低減でき、水分による帯状導体２８の腐食を抑制できる。
［１－３ 光学素子アレイ及びマイクロレンズアレイの形成方法］
次に光学素子アレイ１８及びマイクロレンズアレイ１９の形成方法について説明する。
まず、図６Ａに示すように、基板２の裏面Ｓ３に、トレンチ部２６、ピニング膜１３、絶縁膜１４及び遮光膜１５を形成する。続いて、図６Ｂに示すように、絶縁膜１４の裏面Ｓ５に、裏面Ｓ５側全体を連続的に被覆するように平坦化膜１６を形成する。続いて、図６Ｃに示すように、ワイヤグリッド偏光子２７ａの帯状導体２８の材料からなる第１の材料膜４１（金属膜）を成膜する。図６Ｃでは、第１の材料膜４１は、光反射層３０の材料、絶縁層３１の材料及び光吸収層３２の材料が積層された多層構造の膜となっている。
続いて、ドライエッチングを行って、図６Ｄに示すように、第１の材料膜４１に対してワイヤグリッド偏光子２７ａの空隙２９を形成して、帯状導体２８（ワイヤグリッド偏光子２７ａ）を形成し、光学素子アレイ１８を形成する。続いて、図６Ｅに示すように、光学素子アレイ１８の裏面Ｓ６に、マイクロレンズアレイ１９の材料からなる第２の材料膜４２を成膜する。第２の材料膜４２の成膜方法としては、例えば、物理気相成長法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）を用いることができる。特に、空隙２９内にSiN等を入り込み難くし、空隙２９の開口端を塞ぐことを考慮すると、側壁面や底面のカバレッジが悪い、ＰＶＤ法を採用するのがより好ましい。続いて、ドライエッチングを行って、図２に示すように、第２の材料膜４２に対して底部３５及びレンズ状部３６を形成して、マイクロレンズアレイ１９を形成する。これにより、光学素子アレイ１８及びマイクロレンズアレイ１９が形成される。
［１－４ 変形例］
（１）なお、第１の実施形態では、光学素子２７として、ワイヤグリッド偏光子２７ａを用いる例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図７に示すように、光学素子２７として、プラズモンフィルタ２７ｂを用いる構成としてもよい。プラズモンフィルタ２７ｂは、表面プラズモン共鳴を利用したフィルタである。プラズモンフィルタ２７ｂは、図７に示すように、二次元アレイ状に形成された複数の孔４３を有する金属膜４４を備えている。プラズモンフィルタ２７ｂでは、金属膜４４の受光面（裏面Ｓ６）に入射した光が表面プラズモンに変換され、変換された表面プラズモンが金属膜４４の裏面Ｓ６において共鳴する。共鳴した表面プラズモンのうち、所定の構造条件と物性条件とを満たす成分は、孔４３を通過して、金属膜４４の裏面Ｓ６と反対側の面（表面Ｓ９）にまで達する。表面Ｓ９に到達した表面プラズモンは、金属膜４４の表面Ｓ９において再び光に変換されて射出される。これにより、プラズモンフィルタ２７ｂでは、所定の帯域の光が透過される。金属膜４４の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)を採用できる。
なお、ここでは、プラズモンフィルタ２７ｂのうちの伝播型表面プラズモンによる分光について例を挙げて説明したが、ナノスケールの金属製の柱状構造物（金属ナノ構造体）が周期的に配列する構造を備えた局在型の表面プラズモン共鳴フィルタ（局在型表面プラズモン共鳴フィルタ）についても、同様の原理で分光することが可能である。
（２）また、例えば、図８に示すように、光学素子２７として、ＧＭＲ(Guided Mode Resonance)フィルタ２７ｃを用いる構成としてもよい。ＧＭＲフィルタ２７ｃは、導波モード共鳴を利用したフィルタである。ＧＭＲフィルタ２７ｃは、回折格子４５、クラッド層４６及びコア層４７を備えている。回折格子４５、クラッド層４６及びコア層４７は、光の入射方向からこの順に積層されている。ＧＭＲフィルタ２７ｃでは、回折格子４５による光回折と、クラッド・コア構造による特定波長の光のコア層４７への閉じ込め及びクラッド・コア構造の特定波長の光の透過特性とにより、所定の狭帯域の光が透過される。
ここで、マイクロレンズアレイ１９の屈折率Ｎａ、クラッド層４６の屈折率Ｎｂ、コア層４７の屈折率Ｎｃ、及び平坦化膜１６の屈折率Ｎｄは、Ｎｃ＞Ｎｂ又はＮｄ＞Ｎａに設定する。回折格子４５の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)を採用できる。また、クラッド層４６の材料としては、例えば、シリコン酸化物(SiO2)を採用できる。また、コア層４７の材料としては、例えば、シリコン窒化物(SiN)、二酸化タンタル(TaO2)、チタニウムオキサイド(TiO2)を採用できる。
（３）また、第１の実施形態では、レンズ状部３６の形状として、平凸型を用いる例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、レンズ状部３６の形状として、図９に示すように、柱型を用いる構成としてもよい（ＢＯＸレンズ）。例えば、光電変換部２２上に形成された凸部４８と、画素分離部２５上に形成された凹部４９とを有している。凸部４８の形状としては、例えば、円柱状等の回転対称形状、正四角柱状等の非対称形状を採用できる。また、凹部４９の形状としては、例えば、凸部４８を側壁面とする溝形状を採用できる。凸部４８の頂面及び凹部４９の底面は、基板２の裏面Ｓ３と平行となっている。また、マイクロレンズ３４の屈折率は、空気の屈折率よりも大きくなっている。
これにより、マイクロレンズ３４では、マイクロレンズ３４の屈折率＞空気の屈折率であるため、マイクロレンズ３４に入射した光の速度（位相速度）は空気内を進む光の速度よりも遅くなり位相差Ｌａが発生する。そうすると、マイクロレンズ３４の凸部４８と凹部４９との境界では光の位相差Ｌａがあるため、等位相面が曲がり、入射光は結果的に凸部４８の中心方向に集光されながら進行していく。即ち、マイクロレンズ３４は、入射光を曲げて集光させるのではなく、光の位相差を利用して光を集光させる。
（４）また、例えば、レンズ状部３６の形状として、図１０に示すように、複数の微細構造体５０が周期配置された形状を用いる構成としてもよい（メタレンズ）。例えば、底部３５に立設された複数の微細構造体５０（以下、「ナノピラー５０」とも呼ぶ）を有している。底部３５及びナノピラー５０は、メタサーフェース構造を形成している。ナノピラー５０は、ナノピラー５０がマイクロレンズ３４を通過する光の位相を変調し、マイクロレンズ３４への入射光を集光する位相分布となるように配置されている。即ち、マイクロレンズ３４は、入射光を曲げて集光させるのではなく、光の位相差を利用して光を集光させる。ナノピラー５０の形状としては、例えば、円柱状等の回転対称形や、正四角柱状等の非対称形状のナノフィン形状を採用できる。また、ナノピラー５０の高さは、例えば、１００ｎｍ～１０００ｎｍ程度、直径は、例えば、５０ｎｍ～７００ｎｍ程度とする。
（５）また、第１の実施形態では、マイクロレンズアレイ１９の材料として、水蒸気バリア性を有する材料を用い、水蒸気バリア性を有する材料として、シリコン窒化物(SiN)、シリコン酸窒化物(SiON) 、シリコン炭窒化物(SiCN)を用いる例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、水蒸気バリア性を有する材料としては、１．６以上の屈折率を有する高屈折率樹脂を用いる構成としてもよい。より好ましくは、１．７以上、さらに好ましくは１．８以上の屈折率を有する高屈折率樹脂を用いる。例えば、無機顔料等を含有させて屈折率を増大させたアクリル樹脂を採用できる。ここで、高屈折率樹脂は無機顔料等を含むため材料の密度が高い。それゆえ、底部３５及びレンズ状部３６の材料として、高屈折率樹脂を用いることにより、水蒸気バリア性を向上できる。また、屈折率が高くなることで、マイクロレンズ３４の集光性能を向上でき、マイクロレンズ３４の厚みを低減でき、光学素子２７の受光面側に位置する層（上層）の高背化をより抑制できる。
（６）また、例えば、水蒸気バリア性を有する材料としては、アモルファスシリコンを用いる構成としてもよい。ここで、アモルファスシリコンは、結晶シリコンよりも材料の密度や屈折率が高い。それゆえ、底部３５及びレンズ状部３６の材料として、アモルファスシリコンを用いることにより、水蒸気バリア性を向上できる。また、屈折率が高くなることで、マイクロレンズ３４の集光性能を向上でき、マイクロレンズ３４の厚みを低減でき、光学素子２７の受光面側に位置する層（上層）の高背化をより抑制できる。
（７）また、第１の実施形態では、ピニング膜１３で被覆されたトレンチ部２６内に、絶縁膜１４を配置する例を示したが、他の構成を採用してもよい。例えば、図１１に示すように、トレンチ部２６内に金属遮光膜５１を配置する構成としてもよい。金属遮光膜５１の材料としては、例えばアルミニウム(Al)、銀(Ag)を採用できる。これにより、光電変換部２２に入射した光が画素分離部２５に進入した場合に、進入した光を金属遮光膜５１で反射でき、光が画素分離部２５を透過することで生じる光学混色を抑制できる。また、マイクロレンズアレイ１９の水蒸気バリア性により、マイクロレンズ３４の受光面側からマイクロレンズ３４を透過してワイヤグリッド偏光子２７ａ側に空気が進入する場合に、進入する空気に含まれる水分を低減でき、水分による金属遮光膜５１の腐食を抑制できる。
（８）第１の実施形態では、光拡散構造２４として、逆ピラミッド型の凹部２３が二次元アレイ状に配置された構造を用いる例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ及び図１３Ｄに示すように、光拡散構造２４として、基板２の裏面Ｓ３に開口部を有する溝部５２を有する構造を採用できる。図１３Ａでは、溝部５２の開口部の形状が十字状である場合を例示し、図１３Ｂでは、十字とその十字の右上、左上、右下及び左下の空間それぞれに配置されたドットとからなる形状である場合を例示し、図１３Ｃでは、ローマ数字のIII状である場合を例示し、図１３Ｄでは、上下左右のそれぞれに配置されたドットかなる形状である場合を例示している。
また、例えば、図１４に示すように、光拡散構造２４を有しない構成としてもよい。
（９）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。
〈２．第２の実施形態：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１５は、本技術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）の概略構成の一例を示す図である。
図１５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、他の構成を採用することもできる。例えば、第１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）
複数の光電変換部が形成された基板と、
前記基板の受光面側に配置された複数の光学素子と、
前記複数の光学素子の受光面側に配置され、前記光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイと、を備え、
前記光学素子は、金属材料を含み、
前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子側の面が前記光学素子の受光面に接触して該受光面を覆うように形成されて、前記金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねている
光検出装置。
（２）
前記光学素子は、ワイヤグリッド偏光子である
前記（１）に記載の光検出装置。
（３）
前記光学素子は、所定のピッチで配置された複数の帯状導体を有し、隣り合う前記帯状導体の間が空隙である
前記（２）に記載の光検出装置。
（４）
前記光学素子は、プラズモンフィルタである
前記（１）に記載の光検出装置。
（５）
前記光学素子は、ＧＭＲ(Guided Mode Resonance)フィルタである
前記（１）に記載の光検出装置。
（６）
複数の前記マイクロレンズのそれぞれは、複数の前記光学素子を含む光学素子アレイ上に、複数の前記マイクロレンズで共有される底部と、前記マイクロレンズ毎に個別に形成されたレンズ状部とがこの順に積層された構造となっている
前記（１）から（５）の何れかに記載の光検出装置。
（７）
前記レンズ状部の形状は、平凸型である
前記（６）に記載の光検出装置。
（８）
前記レンズ状部の形状は、柱型である
前記（６）に記載の光検出装置。
（９）
前記レンズ状部の形状は、複数の微細構造体が周期配置された形状である
前記（６）に記載の光検出装置。
（１０）
前記マイクロレンズアレイの材料は、水蒸気バリア性を有する材料である
前記（１）から（９）の何れかに記載の光検出装置。
（１１）
前記水蒸気バリア性を有する材料は、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物又はシリコン炭窒化物である
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１２）
前記水蒸気バリア性を有する材料は、１．６以上の屈折率を有する高屈折率樹脂である
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１３）
前記水蒸気バリア性を有する材料は、アモルファスシリコンである
前記（１０）に記載の光検出装置。
（１４）
前記基板のうちの隣り合う前記光電変換部間に配置され、トレンチ部を有する画素分離部を更に備え、
前記画素分離部は、前記トレンチ部内に金属遮光膜が配置されている
前記（１）から（１３）の何れかに記載の光検出装置。
（１５）
複数の光電変換部が形成された基板、前記基板の受光面側に配置された複数の光学素子、及び前記複数の光学素子の受光面側に配置され、前記光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイを備え、前記光学素子は、金属材料を含み、前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子側の面が前記光学素子の受光面に接触して該受光面を覆うように形成されて、前記金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ね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…ピニング膜、１４…絶縁膜、１５…遮光膜、１６…平坦化膜、１７…受光層、１８…光学素子アレイ、１９…マイクロレンズアレイ、２０…集光層、２１…配線層、２２…光電変換部、２３…凹部、２４…光拡散構造、２５…画素分離部、２６…トレンチ部、２７…光学素子、２７ａ…ワイヤグリッド偏光子、２７ｂ…プラズモンフィルタ、２７ｂ…プラズモンフィルタ、２７ｃ…ＧＭＲフィルタ、２８…帯状導体、２９…空隙、３０…光反射層、３１…絶縁層、３２…光吸収層、３３…密着層、３４…マイクロレンズ、３５…底部、３６…レンズ状部、３７…層間絶縁膜、３８…配線、３９…保護膜、４０…光、４１…第１の材料膜、４２…第２の材料膜、４３…孔、４４…金属膜、４５…回折格子、４６…クラッド層、４７…コア層、４８…凸部、４９…凹部、５０…微細構造体（ナノピラー）、５１…金属遮光膜、５２…溝部

Claims (15)

  1. 複数の光電変換部が形成された基板と、
    前記基板の受光面側に配置された複数の光学素子と、
    前記複数の光学素子の受光面側に配置され、前記光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイと、を備え、
    前記光学素子は、金属材料を含み、
    前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子側の面が前記光学素子の受光面に接触して該受光面を覆うように形成されて、前記金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねている
    光検出装置。
  2. 前記光学素子は、ワイヤグリッド偏光子である
    請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記光学素子は、所定のピッチで配置された複数の帯状導体を有し、隣り合う前記帯状導体の間が空隙である
    請求項２に記載の光検出装置。
  4. 前記光学素子は、プラズモンフィルタである
    請求項１に記載の光検出装置。
  5. 前記光学素子は、ＧＭＲ(Guided Mode Resonance)フィルタである
    請求項１に記載の光検出装置。
  6. 複数の前記マイクロレンズのそれぞれは、複数の前記光学素子を含む光学素子アレイ上に、複数の前記マイクロレンズで共有される底部と、前記マイクロレンズ毎に個別に形成されたレンズ状部とがこの順に積層された構造となっている
    請求項１に記載の光検出装置。
  7. 前記レンズ状部の形状は、平凸型である
    請求項６に記載の光検出装置。
  8. 前記レンズ状部の形状は、柱型である
    請求項６に記載の光検出装置。
  9. 前記レンズ状部の形状は、複数の微細構造体が周期配置された形状である
    請求項６に記載の光検出装置。
  10. 前記マイクロレンズアレイの材料は、水蒸気バリア性を有する材料である
    請求項１に記載の光検出装置。
  11. 前記水蒸気バリア性を有する材料は、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物又はシリコン炭窒化物である
    請求項１０に記載の光検出装置。
  12. 前記水蒸気バリア性を有する材料は、１．６以上の屈折率を有する高屈折率樹脂である
    請求項１０に記載の光検出装置。
  13. 前記水蒸気バリア性を有する材料は、アモルファスシリコンである
    請求項１０に記載の光検出装置。
  14. 前記基板のうちの隣り合う前記光電変換部間に配置され、トレンチ部を有する画素分離部を更に備え、
    前記画素分離部は、前記トレンチ部内に金属遮光膜が配置されている
    請求項１に記載の光検出装置。
  15. 複数の光電変換部が形成された基板、前記基板の受光面側に配置された複数の光学素子、及び前記複数の光学素子の受光面側に配置され、前記光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを複数含むマイクロレンズアレイを備え、前記光学素子は、金属材料を含み、前記マイクロレンズアレイは、前記光学素子側の面が前記光学素子の受光面に接触して該受光面を覆うように形成されて、前記金属材料の腐食を抑制する保護膜を兼ねている光検出装置を備える
    電子機器。
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