WO2017187855A1

WO2017187855A1 - 裏面照射型固体撮像素子及び電子機器

Info

Publication number: WO2017187855A1
Application number: PCT/JP2017/011662
Authority: WO
Inventors: 創造横川
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2017-11-02

Abstract

画質を向上させつつ、瞳補正量を小さくすることができる裏面照射型固体撮像素子を提供すること。　半導体基板と、半導体基板の受光面上のオンチップレンズ１０１及びカラーフィルタ１０２とを含む少なくとも２つの画素１０Ａ及び１０Ｂを備え、少なくとも２つの画素１０Ａ及び１０Ｂの間に形成されるギャップ１０６を有する、裏面照射型固体撮像素子１００を提供する。

Description

裏面照射型固体撮像素子及び電子機器

　本技術は、裏面照射型固体撮像素子及び電子機器に関する。より詳しくは、画素間に遮光構造を備える裏面照射型固体撮像素子及び電子機器に関する。

　一般的に、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサやＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）などの固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに広く用いられている。

近年、固体撮像素子の小型化及び画質の向上を図るために様々な開発が行われている。

　例えば、特許文献１には、フォトダイオードの上に配線層が設けられ、配線層内の光の伝搬効率を上げるために導波路がＳｉＮ（窒化シリコン）と光屈折埋込材料で構成され、その上に平坦化膜、カラーフィルタ、オンチップレンズの順に形成された表面照射型固体撮像素子が開示されている。上記構成では、ＳｉＮや光屈折埋込材料が隣接画素と連続的に形成されているため、斜め光が導波路に伝搬せずに、光屈折材料を通して隣接画素に伝搬してしまうことが混色の要因となっている。

　このような混色を低減させるため、例えば、非特許文献１には、斜めから入射した光を反射させて隣接する画素に光を通過させないようにするための溝を２つの画素間に設けた表面照射型固体撮像素子が提案されている。

特開２０１３－２０７０３５号公報

IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 26, NO. 9, SEPTEMBER 2005　T. H. Hsu, Y. K. Fang, D. N. Yaung, S. G. Wuu, Member, IEEE, H. C. Chien, C. H. Tseng, L. L. Yao, W. D. Wang, C. S. Wang, Member, IEEE, and S. F. Chen P.634-636

　しかしながら、非特許文献１で提案された技術は、表面照射型固体撮像素子であり、光導波路は、配線層と同一の位置（同一層）で形成（積層）されているので、画質が低下し、画質の向上を図れないおそれがある。

　また、固体撮像素子を搭載したモジュールは、さらなる薄型化が要請されている。そこでモジュールを低背化するためには、オンチップレンズやオンチップカラーフィルタなどの画素上層の構造を像高に応じて水平方向にシフトさせる瞳補正技術により瞳補正量を大きくして大きな主光線角度（ＣＲＡ：Chief-Ray Angle）に対応した画素構造を実現する必要があるが、それらは画質とのトレードオフ関係にあるため、ＣＲＡの大きなレンズモジュールを採用すると瞳補正量が大きくなり、その結果、斜め入射に対する混色や感度低下など画質面での特性劣化が更に深刻になるトレードオフの関係がある。

　そこで、本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、画質を向上させつつ、瞳補正量を小さくすることができる裏面照射型固体撮像素子及び裏面照射型固体撮像素子を搭載した電子機器を提供することを主目的とする。

　本発明者らは、上述の目的を解決するために鋭意研究を行った結果、画素間に入射光を遮光するギャップを形成することによって、画質を向上させつつ、瞳補正量を小さくすることに成功し、本技術を完成するに至った。

　すなわち、本技術では、まず、半導体基板と、半導体基板の受光面上のオンチップレンズ及びカラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、裏面照射型固体撮像素子を提供する。

　また、本技術では、裏面照射型固体撮像素子が搭載され、裏面照射型固体撮像素子が、半導体基板と、半導体基板の受光面上に、オンチップレンズと、カラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、電子機器を提供する。

　本技術によれば、固体撮像素子の画質を向上させつつ、瞳補正量を小さくすることができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子の変形例を示す断面図である。従来の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。第２実施形態の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。第２実施形態の裏面照射型固体撮像素子の変形例を示す断面図である。第３実施形態の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。第３実施形態の裏面照射型固体撮像素子の変形例を示す断面図である。第４実施形態の裏面照射型固体撮像素子の構成例を示す断面図である。第４実施形態の裏面照射型固体撮像素子の変形例を示す断面図である。本技術に係る裏面照射型固体撮像素子の光入射応答特性を説明するための断面図である。本技術に係る裏面照射型固体撮像素子の光入射応答特性を説明するための断面図である。従来術に係る裏面照射型固体撮像素子の光入射応答特性を説明するための断面図である。本技術と従来技術との光入射応答特性比較を説明するためのグラフである。瞳補正技術を説明するためのグラフである。瞳補正技術を説明するためのグラフである。瞳補正技術を説明するためのグラフである。光電変換層表面の電磁場の強度分布を示す図である。光電変換層表面の電磁場の強度分布を示す図である。光電変換層表面の電磁場の強度分布を示す図である。画素断面の電磁場の強度分布を示す図である。画素断面の電磁場の強度分布を示す図である。画素断面の電磁場の強度分布を示す図である。（Ａ）本技術に係る裏面照射型固体撮像素子の瞳補正量を説明するための図である。（Ｂ）従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子の瞳補正量を説明するための図である。本技術に係る裏面照射型固体撮像素子のクサビ型ギャップの効能を説明するための図である。本技術に係る裏面照射型固体撮像素子のクサビ型ギャップの効能を説明するための図である。（Ａ）本技術を適用したモジュールの構成例を示す断面図である。（Ｂ）従来技術を適用したモジュールの構成例を示す断面図である。（Ａ）本技術を適用したモジュールの構成例を示す断面図である。（Ｂ）本技術を適用したモジュールの構成例を示す断面図である。本技術を適用した第１～第４実施形態の裏面照射型固体撮像素子の使用例を示す図である。

　以下、本技術を実施するための好適な形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本技術の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本技術の範囲が狭く解釈されることはない。

　なお、説明は以下の順序で行う。
　１．第１実施形態（裏面照射型固体撮像素子）
　２．第２実施形態（裏面照射型固体撮像素子）
　３．第３実施形態（裏面照射型固体撮像素子）
　４．第４実施形態（裏面照射型固体撮像素子）
　５．光入射応答特性について
　６．瞳補正技術について
　７．クサビ型ギャップ構造の効果について
　８．モジュールの低背化について
　９．第５実施形態（電子機器）
　１０．本技術を適用した裏面照射型固体撮像素子の使用例

　＜１．第１実施形態（裏面照射型固体撮像素子）＞
　本技術に係る第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子について、図１ないし図３を用いて説明する。

　図１は、本実施形態の裏面照射型固体撮像素子１００の一部を示す断面模式図である。図１に示すように、裏面照射型固体撮像素子１００は、少なくとも２つの画素１０Ａ及び画素１０Ｂを備えている。画素１０Ａ及び１０Ｂは、表面からそれぞれ、オンチップレンズ（ＯＣＬ：On-Chip Lens）１０１、オンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ：On-Chip Color Filter）１０２、画素間遮光層１０３、トレンチ分離構造（ＤＴＩ：Deep Trench Isolation）１０４、及び光電変換層１０５を有している。また、裏面照射型固体撮像素子１００は、半導体基板を備えていてもよい。本実施形態では、色の組み合わせの一例として、画素１０Ａのオンチップカラーフィルタ１０２Ａを緑色（Ｇ）用とし、画素１０Ｂのオンチップカラーフィルタ１０２Ｂを青色（Ｂ）用としている。ただし、本技術に係る色の組み合わせは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれを組み合わせてもよい。

　トレンチ分離構造１０４は、画素１０Ａ及び１０Ｂ間の光電変換層１０５内に彫り込まれた誘電体または金属で形成されている。光電変換層１０５は、入射光を光電変換するための光吸収層であり、可視波長では結晶質シリコン（Ｓｉ）であることが一般的である。

　また、画素１０Ａと画素１０Ｂとの間には、エアギャップ（Air Gap）構造１０６が形成されている。本実施形態のエアギャップ構造１０６は、上面側のギャップ幅が底面側のギャップ幅より広い逆台形状のクサビ型を形成している。エアギャップ構造１０６は、光入射側が開放されてＯＣＬ１０１の表面から絶縁層からなる平坦化層１０７底面付近の深さまで貫通されている。クサビ型の上面の幅は、１００～５００ｎｍが好ましく、１５０～２５０ｎｍがより好ましい（２００ｎｍが最良）。クサビ型の底面の幅は、０～２００ｎｍが好ましく、４０～６０ｎｍがより好ましい（５０ｎｍが最良）。なお、クサビ型の上面および底面の幅は、底面の幅が広くて上面の幅が狭い逆クサビ型構造でもよく、両者が略同一である矩形形状のギャップ構造であってもよい。さらに、エアギャップ構造１０６は、光入射側が閉じられていてもよく、画素間遮光層１０３の幅と比べて大きいものや小さいものであってもよい。エアギャップ構造１０６の形状は、本実施形態の形状に限らず、中央部が膨らんだ曲面のレンズ型でもよく、中央部が内側に湾曲した砂時計型などであってもよい。

　さらに、画素１０Ａ及び１０Ｂは、ＯＣＣＦ１０２の上下に、それぞれ平坦化層であるインシュレータ（絶縁層）１０７及び１０８を有している。画素間遮光層１０３は、絶縁層１０８内の画素１０Ａ及び１０Ｂの間に形成されている。

　図１は、青色（Ｂ）用の画素１０Ｂに斜入射する光の光路１５０及び光路１５１を模式的に示している。図１の右上から画素１０Ｂの中央部に斜めに照射された光の光路１５０は、ＯＣＬ１０１、絶縁層１０７、ＯＣＣＦ１０２Ｂ及び絶縁層１０８を通過し、光電変換層１０５内のトレンチ分離構造１０４により反射され、画素１０Ｂの光電変換層１０５の中央付近に入射する。

　図１の右上から画素１０Ｂの左側部に斜めに照射された光の光路１５１は、ＯＣＬ１０１に入射し、ＯＣＬ１０１間のエアギャップ構造１０６により反射され、絶縁層１０７、ＯＣＣＦ１０２Ｂ及び絶縁層１０８を通過して、画素１０Ｂの光電変換層１０５の中央付近に入射する。

　図２は、本実施形態の変形例の裏面照射型固体撮像素子１１０の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子１１０が図１の裏面照射型固体撮像素子１００と相違する点は、ＯＣＬ１０１間に矩形型のエアギャップ構造１１６が形成されている点である。図２に示すように、裏面照射型固体撮像素子１１０の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１も、図１と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造１１６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５に入射する。

　図３は、従来の裏面照射型固体撮像素子１３０の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子１３０は、図１と同様に、少なくとも２つの画素３０Ａ及び画素３０Ｂを備えている。画素３０Ａ及び３０Ｂは、表面からそれぞれ、オンチップレンズ（ＯＣＬ）１３１、オンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）１３２、画素間遮光層１３３、トレンチ分離構造（ＤＴＩ）１３４、及び光電変換層１３５を有している。図３では、色の組み合わせの一例として、画素３０Ａのオンチップカラーフィルタ１３２Ａを緑色（Ｇ）用とし、画素３０Ｂのオンチップカラーフィルタ１３２Ｂを青色（Ｂ）用としている。

　トレンチ分離構造１３４は、画素３０Ａ及び３０Ｂ間の光電変換層１３５内に彫り込まれた誘電体または金属で形成されている。さらに、画素３０Ａ及び３０Ｂは、ＯＣＣＦ１３２の上下に、それぞれインシュレータ（絶縁層）１３７及び１３８を有している。画素間遮光層１３３は、絶縁層１３８内の画素３０Ａ及び３０Ｂの間に形成されている。

　図１と同様に、図３の光路１５０は、ＯＣＬ１３１、絶縁層１３７、ＯＣＣＦ１３２Ｂ及び絶縁層１３８を通過し、光電変換層１３５内のトレンチ分離構造１３４により反射され、画素３０Ｂの光電変換層１０５の中央付近に入射する。しかしながら、図３の光路１５１は、画素３０ＢのＯＣＬ１３１に入射すると、ＯＣＬ１３１間にギャップ構造がないため、絶縁層１３７を通過して、画素３０ＡのＯＣＣＦ１３２Ａ及び絶縁層１３８に入射する。その後、光路１５１は、画素３０Ａの光電変換層１３５に入射する。

　図３のように、画素３０Ｂに入射した光が、画素３０Ｂを通過して隣接する画素３０Ａに入射することにより、混色やクロストークが生じるという問題がある。特に、画素が微細化するにつれて隣接画素への混色が課題になっている。そこで、このような混色を抑えるために画素上に画素間遮光構造を設ける、シリコン基板中にトレンチ構造を設けるなど、混色を低減する様々な対策が行われている（例えば、特開２０１４－３３１０７号公報）。

　一方で、携帯電話やスマートフォン、携帯型の情報端末などには複数のカメラモジュールを備えることが一般的であり、それらはデザインの観点から薄型が重要な商品価値であり、それを実現するためのモジュール技術としてデバイスの瞳補正技術と大きな主光線角度（ＣＲＡ）を有するレンズとの協調設計が提案されている（例えば、特許０５５１２８５７号公報）。

　しかしながらモジュールを更に低背化するためには、瞳補正を更に大きくして更に大きなＣＲＡに対応した画素構造を実現する必要があり、それらは画質とのトレードオフ関係にあるため、ＣＲＡを大きくすると瞳補正量が大きくなり、その結果、斜め入射に対する混色や感度低下など画質面での特性劣化が更に深刻になるトレードオフの関係がある。

　また一眼レフカメラやミラーレス一眼レフカメラなど、レンズ交換を前提としたカメラシステムの場合、レンズによっては固体撮像素子へＣＲＡが大きく変化する場合があり、そのような場合、通常画素構造では隣接画素間の混色や画素感度がレンズによって変化するなど画質的な問題が発生する。

　これに対し、本技術に係る第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子１００及び１１０は、上記のとおり、画素１０Ａと画素１０Ｂとの界面に形成されたエアギャップ構造１０６及び１１６で斜入射した光を反射することにより、隣接画素への光の侵入が防止されるので、画質の向上効果、特には感度や、シェーディングや、混色の改善の効果が奏される。なお、表面照射型固体撮像素子では、光電変換層の上部に金属配線層が設けられているため、本実施形態のようなエアギャップ構造１０６及び１１６を形成することができない。

　＜２．第２実施形態（裏面照射型固体撮像素子）＞
　本技術に係る第２実施形態の裏面照射型固体撮像素子について、図４及び図５を用いて説明する。本実施形態の裏面照射型固体撮像素子が第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子と相違する点は、エアギャップ構造が絶縁層内の画素間遮光層の深さまで形成されている点である。

　図４は、本実施形態の裏面照射型固体撮像素子２００の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子２００の画素１０Ａと１０Ｂとの間には、エアギャップ構造２０６が形成されている。本実施形態のエアギャップ構造２０６は、図１の裏面照射型固体撮像素子１００と同様に、上面側のギャップ幅が底面側のギャップ幅より広い逆台形状のクサビ型を形成している。エアギャップ構造２０６は、ＯＣＬ１０１の表面からＯＣＣＦ１０２を貫通して、絶縁層１０８内の画素間遮光層１０３上面の深さまで形成されている。その他の構成は、図１の裏面照射型固体撮像素子１００と同様である。

　図４に示すように、裏面照射型固体撮像素子２００の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１は、図１と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造２０６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５の中央付近に入射する。

　図５は、本実施形態の変形例の裏面照射型固体撮像素子２１０の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子２１０が図４の裏面照射型固体撮像素子２００と相違する点は、画素１０Ａと１０Ｂとの間に矩形型のエアギャップ構造２１６が形成されている点である。図５に示すように、裏面照射型固体撮像素子２１０の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１も、図２と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造１１６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５に入射する。

　本技術に係る第２実施形態の裏面照射型固体撮像素子２００及び２１０は、上記のとおり、画素１０Ａと画素１０Ｂとの界面に形成された、第１実施形態よりも深いエアギャップ構造２０６及び２１６で斜入射した光を反射することにより、さらに隣接画素への光の侵入が防止されるので、画質の向上効果、特には感度や、シェーディングや、混色の改善の効果が奏される。

　＜３．第３実施形態（裏面照射型固体撮像素子）＞
　本技術に係る第３実施形態の裏面照射型固体撮像素子について、図６及び図７を用いて説明する。本実施形態の裏面照射型固体撮像素子が第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子と相違する点は、エアギャップ構造が光電変換層界面近傍の深さまで形成され、画素間遮光層が形成されていない点である。

　図６は、本実施形態の裏面照射型固体撮像素子３００の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子３００の画素１０Ａと１０Ｂとの間には、エアギャップ構造３０６が形成されている。本実施形態のエアギャップ構造３０６は、図１の裏面照射型固体撮像素子１００と同様に、上面側のギャップ幅が底面側のギャップ幅より広い逆台形状のクサビ型を形成している。エアギャップ構造３０６は、ＯＣＬ１０１の表面からＯＣＣＦ１０２及び絶縁層１０８を貫通して、光電変換層１０５の界面近傍の深さまで形成されている。このため、裏面照射型固体撮像素子３００には、画素間遮光層１０３が形成されていない。その他の構成は、図１の裏面照射型固体撮像素子１００と同様である。

　図６に示すように、裏面照射型固体撮像素子３００の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１は、図１と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造３０６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５の中央付近に入射する。

　図７は、本実施形態の変形例の裏面照射型固体撮像素子３１０の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子３１０が図６の裏面照射型固体撮像素子３００と相違する点は、画素１０Ａと１０Ｂとの間に矩形型のエアギャップ構造３１６が形成されている点である。図７に示すように、裏面照射型固体撮像素子３１０の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１も、図２と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造３１６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５に入射する。

　本技術に係る第３実施形態の裏面照射型固体撮像素子３００及び３１０は、上記のとおり、画素１０Ａと画素１０Ｂとの界面に形成されたエアギャップ構造３０６及び３１６で斜入射した光を反射することにより、隣接画素への光の侵入が防止されるので、画質の向上効果、特には感度や、シェーディングや、混色の改善の効果が奏される。さらに、エアギャップ構造３０６及び３１６により、遮光層１０３を形成する工程を削減することもできる。

　＜４．第４実施形態（裏面照射型固体撮像素子）＞
　本技術に係る第４実施形態の裏面照射型固体撮像素子について、図８及び図９を用いて説明する。本実施形態の裏面照射型固体撮像素子が第３実施形態の裏面照射型固体撮像素子と相違する点は、エアギャップ構造内に誘電体素材または金属構造が充填されている点である。

　図８は、本実施形態の裏面照射型固体撮像素子４００の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子４００の画素１０Ａと１０Ｂとの間には、エアギャップ構造４０６が形成されている。本実施形態のエアギャップ構造４０６は、図６の裏面照射型固体撮像素子３００と同様に、上面側のギャップ幅が底面側のギャップ幅より広い逆台形状のクサビ型を形成している。さらに、エアギャップ構造４０６には、ＯＣＬ１０１の屈折率よりも低い屈折率の誘電体素材または可視波長を反射する金属構造が充填されている。その他の構成は、図３の裏面照射型固体撮像素子３００と同様である。ＯＣＬ１０１の屈折率は、１．４～２．０であってよく、より好ましくは、１．６～２．０であってよい。

　ここで、エアギャップ構造４０６を充填する低屈折率の誘電体材料は、特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ_２やＳｉＯ_２を主成分とする複合素材、及びＭｇＦ_２などが挙げられる。誘電体材料の低屈折率は、１．４以下であってよく、より好ましくは、１．３以下であってよい。

　図８に示すように、裏面照射型固体撮像素子４００の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１は、図３と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造４０６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５の中央付近に入射する。

　図９は、本実施形態の変形例の裏面照射型固体撮像素子４１０の一部を示す断面模式図である。裏面照射型固体撮像素子４１０が図８の裏面照射型固体撮像素子４００と相違する点は、画素１０Ａと１０Ｂとの間に矩形型のエアギャップ構造４１６が形成されている点である。図９に示すように、裏面照射型固体撮像素子４１０の画素１０Ｂに照射された光の光路１５０及び１５１も、図７と同様に、それぞれトレンチ分離構造１０４及びエアギャップ構造４１６により反射されて、画素１０Ｂの光電変換層１０５に入射する。

　本技術に係る第４実施形態の裏面照射型固体撮像素子４００及び４１０は、上記のとおり、画素１０Ａと画素１０Ｂとの界面に形成されたエアギャップ構造４０６及び４１６で斜入射した光を反射することにより、隣接画素への光の侵入が防止されるので、画質の向上効果、特には感度や、シェーディングや、混色の改善の効果が奏される。さらに、エアギャップ構造４０６及び４１６に、誘電体素材または金属構造が充填されていることにより、裏面照射型固体撮像素子４００及び４１０の構造を強化することもできる。

　＜５．光入射応答特性について＞
　本技術に係る第１実施形態の裏面照射型固体撮像素子の光入射応答特性について、図１０ないし図１３を用いて説明する。図１０は、第１実施形態のクサビ型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子１００の構造を示す断面模式図である。図１１は、第１実施形態の矩形型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子１１０の構造を示す断面模式図である。図１２は、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子１３０の構造を示す断面模式図である。図１３は、本技術と従来技術との光入射応答特性比較を説明するためのグラフである。

　図１３のグラフは、図１０ないし図１３に示す画素表面に対する垂直線に対する傾斜角αを用いて、入射角度－３５度～＋３５度までの斜入射光に対するセンサ感度の角度応答のシミュレーション結果を表している。図１３のグラフの横軸は斜入射光の入射角度で、縦軸は垂直入射（０°）を基準とした相対感度である。図１３の一点破線５００は本技術に係る裏面照射型固体撮像素子１００の結果を示し、実線５１０は本技術に係る裏面照射型固体撮像素子１１０の結果を示し、点線５３０は従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子１３０の結果を示している。

　図１３に示すようなシミュレーション結果により、エアギャップ構造１０６及び１１６を有する本技術に係る裏面照射型固体撮像素子１００及び１１０は、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子１３０に対して、入射角度が－３５度及び＋３５度における斜め入射光の感度低下の度合いが小さいことが分かる。

　＜６．瞳補正技術について＞
　本技術に係る裏面照射型固体撮像素子の画素構造における瞳補正技術（オンチップレンズと画素との相対的なオフセット）について、図１４ないし図２３を用いて説明する。

　図１４は、本技術に係るクサビ型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子６０１の構造を示す断面模式図である。図１５は、本技術に係る矩形型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子６１０の構造を示す断面模式図である。図１６は、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子６３０の構造を示す断面模式図である。

　図１４の裏面照射型固体撮像素子６０１では、公知の瞳補正技術により画素６０Ａの絶縁層６０７Ａ及び画素６０Ｂの絶縁層６０７Ｂを、画素６０Ａの光電変換層１０５Ａ及び画素６０Ｂの光電変換層１０５Ｂよりも画素６０Ａ側（図１４の紙面に向かって左側）方向に相対的にずらしている。図１５の裏面照射型固体撮像素子６１０も図１４と同様に、絶縁層６０７Ａ及び絶縁層６０７Ｂを、画素６０Ａ側方向に相対的にずらしている。また、図１６の裏面照射型固体撮像素子６３０も図１４及び１５と同様に、画素７０Ａの絶縁層６０７Ａ及び画素７０Ｂの絶縁層６０７Ｂを、画素７０Ａの光電変換層１０５Ａ及び画素７０Ｂの光電変換層１０５Ｂよりも画素７０Ａ側方向に相対的にずらしている。

　図１４に示すように、画素６０Ｂに左上から斜入射光が照射されると、光路６５０はＯＣＬ間のエアギャップ１０６により反射されて絶縁層６０７Ｂに入射され、光路６５１はそのまま絶縁層６０７Ｂまで入射されて、狭い集光スポット６０９に光が結像する。図１５おいても図１４と同様に、画素６０Ｂに左上から斜入射光が照射されると、光路６５０はＯＣＬ間のエアギャップ１１６により反射されて絶縁層６０７Ｂに入射され、光路６５１はそのまま絶縁層６０７Ｂまで入射されて、狭い集光スポット６１９に光が結像する。

　一方、図１６に示すように、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子６３０では、画素７０Ｂに左上から斜入射光が照射されると、図１４及び１５のような反射効果がないため、光路６５０及び６５１は共にそのまま絶縁層６０７Ｂまで入射されて、相対的に広い集光スポット６３９に光が照射される。このため、より大きな瞳補正が必要であったり、更には画素間の遮光構造とオンチップレンズとの製造上での合せずれ誤差があった場合に干渉したりするリスクがある。

　したがって、本技術に係る裏面照射型固体撮像素子６０１及び６１０は、エアギャップ構造１０６及び１１６を有するため、大きな瞳補正を不要とし、画素間遮光とＯＣＬとの合わせズレによる干渉リスクを軽減することができる。また、裏面照射型固体撮像素子６０１のエアギャップ構造１０６は底面が狭くなるので、回折の影響を軽減することができる。

　図１７ないし図１９は、入射角が３０度の斜入射した光がどのように伝播し、どのように受光面にフォーカスするかをシミュレーションした一例の光電変換層（Ｓｉ）表面の電磁場の強度分布を示す図である。図２０ないし図２２は、上記シミュレーションした一例の画素断面の電磁場の強度分布を示す図である。

　図１７及び図２０は、本技術に係るクサビ型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子６０１の場合を示している。図１８及び図２１は、本技術に係る矩形型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子６１０の場合を示している。図１９及び図２２は、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子６３０の場合を示している。また、図１７中の円形範囲７００は光が到達した様子を示す範囲であり、星印７０１は画素中心を示している。同様に、図１８中の円形範囲７１０は光が到達した様子を示す範囲であり、星印７１１は画素中心を示している。同様に、図１９中の円形範囲７３０は光が到達した様子を示す範囲であり、星印７３１は画素中心を示している。

　図１７ないし２２を比較すると、本技術に係る裏面照射型固体撮像素子６０１及び６１０は、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子６３０に対して集光スポット位置の画素中心に対するオフセットが小さいため、瞳補正が小さくて済むメリットがある。さらに、図１８ではエアギャップ構造１１６による回折光がある程度強い強度で存在するのに対して、図１７では回折光の悪影響を低減しつつ、狭い領域に強い光強度で集光スポット６０９を結んでいる様子が分かる。

　図２３Ａは、本技術に係るクサビ型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子の瞳補正量を説明するための図である。図２３Ｂは、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子の瞳補正量を説明するための図である。なお、図２３中では説明のため１５画素だけ記載しているが、実際の裏面照射型固体撮像素子には縦横に数１０００画素の２次元画素アレイが配列されている。

　図２３に示すように、裏面照射型固体撮像素子の中央部（像面中央）における像高（Image Height）が０％の位置では、入射光８０１が垂直に画素アレイに照射される。これに対して、裏面照射型固体撮像素子の左右側辺部（画角端）における像高が高い１００％の位置では、入射光８０２及び８０３が大きな主光線角度（ＣＲＡ）で画素アレイに光が照射される。図２３Ａに示す本技術に係る２次元の裏面照射型固体撮像素子では、上述の通り、図２３Ｂに示す従来技術に係る２次元の裏面照射型固体撮像素子に比べて、例えば、相対的に補正量ｄだけ小さな瞳補正量で済ませることができる。

　＜７．クサビ型ギャップ構造の効果について＞
　本技術に係る裏面照射型固体撮像素子のクサビ型ギャップ構造の効果について、図２４及び図２５を用いて説明する。図２４は、本技術に係る矩形型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子９００の構造を示す断面模式図である。図２５は、本技術に係るクサビ型のエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子９１０の構造を示す断面模式図である。

　裏面照射型固体撮像素子９００及び９１０を比較すると、以下のような幾何学的な特徴があることが分かる。まず、裏面照射型固体撮像素子９００及び９１０には、ＯＣＬ９０１間にそれぞれエアギャップ構造９０６及び９１６があるため、画素に対する垂線から大きな傾斜角度φ１（＝φ２）で斜入射光が入る場合は、絶縁層９０７の側壁から入る入射光９５０がある。このとき、絶縁層９０７の側壁面の垂線と入射光９５０とのなす角度をθとすると、矩形のエアギャップ構造９０６での角度θ１に対して、クサビ型のエアギャップ構造９１６での角度θ２はより小さな角度になるため（θ２＜θ１）、クサビ型のギャップ構造９１６は、空気とＯＣＬ９０１及び絶縁層９０７との界面でも反射によるロスが小さくなる。

　次に、ＯＣＬ９０１及び絶縁層９０７に斜めに入った入射光９５１がレンズ構造を透過する場合について説明する。このとき、絶縁層９０７の側壁面と入射光９５１とのなす角度をψとすると、矩形のエアギャップ構造９０６での角度ψ１に対して、クサビ型のエアギャップ構造９１６での角度ψ２はより小さな角度になるため（ψ２＜ψ１）、ＯＣＬ９０１及び絶縁層９０７と空気との界面でより全反射しやすくなる。以上より、レンズの集光性能や画素間のクロストークを抑制するため、クサビ型のギャップ構造９１６がより優れた構造である。

＜８．モジュールの低背化について＞
　本技術に係る裏面照射型固体撮像素子を適用したモジュールの低背化について、図２６及び２７を用いて説明する。

　図２６Ａは、本技術に係る裏面照射型固体撮像素子を適用したカメラモジュール１０００を示す断面図である。図２６Ｂは、従来技術に係る裏面照射型固体撮像素子を適用したカメラモジュール１０１０を示す断面図である。図２６Ａに示すモジュール１０００は、レンズ１００１及び裏面照射型固体撮像素子（イメージセンサ）１００２を備え、レンズ１００１には入射光１０５０が照射される。カメラモジュール１０００のイメージセンサ１００２は、ＣＲＡ１０が従来技術のＣＲＡ１１より大きくしても感度低下が小さく、かつ大きなＣＲＡ１０に対して相対的に小さな瞳補正量で済むため、ＣＲＡ１１より大きなＣＲＡ１０のレンズ設計を採用することが可能である。その結果、本技術に係るカメラモジュール１０００は、従来技術に係るカメラモジュール１０１０に対して低背化（図中のｈ１０＜ｈ１１）が可能となる。

　本技術に係る裏面照射型固体撮像素子を適用したモジュールの主光線角度（ＣＲＡ）が変化する場合について、図２７を用いて説明する。図２７Ａは、本技術に係る高像高で大きなＣＲＡ２０を有するレンズのカメラモジュール１１００を示す断面図である。図２７Ｂは、本技術に係る高像高で小さなＣＲＡ２１を有するレンズのカメラモジュール１１１０を示す断面図である。図２７Ａ及び２７Ｂに示すモジュール１１００及び１１１０は、レンズ１１０１及び裏面照射型固体撮像素子（イメージセンサ）１１０２を備え、レンズ１１０１には入射光１１５０が照射される。

　レンズ交換式カメラなどでは、レンズによってＣＲＡが大きく変化する場合がある。そのような場合でも、本技術に係るエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子は、従来技術に比べて光の入射角度による特性変化が小さいので、画質劣化を軽減することができる。例えば、図２７Ａのように短焦点距離ｈ２０のレンズで高像高の大きなＣＲＡ２０を有するレンズの場合及び図２７Ｂのように長焦点距離ｈ２１のレンズで高像高の小さなＣＲＡ２１を有するレンズの場合、イメージセンサ１１０２は、両方のレンズに対して均質で特性変化の小さい画像を提供する必要がある。このとき、従来技術の場合、入射角度の変化に対して感度や隣接画素間の混色が大きいため、これらの両立が困難になる。一方、本技術に係るエアギャップ構造を有する裏面照射型固体撮像素子は、図１３に示すとおり、一例として入射角度－５度に対する－３０度の変化量を、従来技術の固体撮像素子の入射角度の応答に比べて、小さく抑えることが可能になる。

　以上のように、本技術に係る裏面照射型固体撮像素子は、斜入射光に対して感度低下が小さい画素にすることができる。また、隣接する画素間でのシャドーイング効果が軽減されるので、より大きな入射角度に対して高い受光感度を維持することができる。また、瞳補正量を小さくでき、かつ広い入射角度に対して高い感度を維持するので、広範囲のＣＲＡ可変レンズに対応することができる。また、画素内で結像される集光スポットの直径が小さくなるため、画素間遮光構造と画素の間に合せずれがあった際に、干渉及びケラレのリスクが軽減される。さらに、大きなＣＲＡのレンズに対して画素特性を維持できるため、レンズモジュールで大きなＣＲＡを有するレンズ設計が可能になり、それによりレンズモジュールの低背化が可能になる。

　＜９．第５実施形態（電子機器）＞
　本技術に係る第５実施形態の電子機器は、裏面照射型固体撮像素子が搭載され、裏面照射型固体撮像素子が、半導体基板と、半導体基板の受光面上に、オンチップレンズと、カラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、電子機器である。また、本技術に係る第５実施形態の電子機器は、本技術に係る第１実施形態～第４実施形態の裏面照射型固体撮像素子が搭載された電子機器でもよい。

　＜１０．本技術を適用した裏面照射型固体撮像素子の使用例＞
　図２８は、上述した裏面照射型固体撮像素子を使用する使用例を示す図である。上述した裏面照射型固体撮像素子は、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ワ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。

　なお、本技術に係る実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本技術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。

　また、本明細書に記載された効果はあくまでも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。

　また、本技術は、以下のような構成を取ることができる。
［１］
　半導体基板と、該半導体基板の受光面上のオンチップレンズ及びカラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、
　該少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、
　裏面照射型固体撮像素子。
［２］
　光入射側の前記ギャップの幅と、光入射側の対向側の前記ギャップの幅とが異なる、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［３］
　光入射側の前記ギャップの幅と、光入射側の対向側の前記ギャップの幅とが略同一である、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［４］
　光入射側の前記ギャップの幅が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、光入射側の対向側の前記ギャップの幅が２００ｎｍ以下である、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［５］
　前記少なくとも２つの画素が、光入射側から順に、オンチップレンズと、カラーフィルタと、半導体基板とを含み、
　前記ギャップがオンチップレンズを貫通する、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［６］
　前記少なくとも２つの画素が、光入射側から順に、オンチップレンズと、カラーフィルタと、半導体基板とを含み、
　前記ギャップがオンチップレンズとカラーフィルタとを貫通する、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［７］
　前記ギャップが、前記オンチップレンズの屈折率よりも低い低屈折率材料で充填されている、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［８］
　前記低屈折率材料の屈折率が１．４以下である、［７］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［９］
　前記ギャップの光入射側が開放されている、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［１０］
　前記ギャップの光入射側が閉じられている、［１］に記載の裏面照射型固体撮像素子。
［１１］
　裏面照射型固体撮像素子が搭載され、
　該裏面照射型固体撮像素子が、
　半導体基板と、該半導体基板の受光面上に、オンチップレンズと、カラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、
　該少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、
　電子機器。

　１０Ａ、１０Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ、６０Ａ、６０Ｂ、７０Ａ、７０Ｂ　画素
　１００、１１０、１３０、２００、２１０、３００、３１０、４００、４１０、６０１、６１０、６３０、９００、９１０　固体撮像素子
　１０１、１３１、９０１　オンチップレンズ（ＯＣＬ）
　１０２、１０２Ａ、１０２Ｂ、１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ　オンチップカラーフィルタ
　１０３、１３３、６０３、９０３　画素間遮光層
　１０４、１３４　トレンチ分離構造
　１０５、１０５Ａ、１０５Ｂ、１３５　光電変換層
　１０６、１１６、２０６、２１６、３０６、３１６、４０６、４１６、９０６、９１６　エアギャップ構造
　１０７、１０８、１３７、１３８、６０７、６０７Ａ、６０７Ｂ、８０７、９０７、９０８　インシュレータ（絶縁層）
　１５０、１５１、６５０、６５１、８０１、８０２、８０３、９５０、９５１、１０５０　光路
　６０９、６１９、６３９　集光スポット
　７００、７１０、７３０　電磁波の強度分布
　７０１、７１１、７３１　画素中心
　１０００、１０１０、１１００、１１１０　モジュール
　１００１、１１０１　レンズ
　１００２、１１０２　イメージセンサ

Claims

　半導体基板と、該半導体基板の受光面上のオンチップレンズ及びカラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、
　該少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、
　裏面照射型固体撮像素子。
　光入射側の前記ギャップの幅と、光入射側の対向側の前記ギャップの幅とが異なる、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　光入射側の前記ギャップの幅と、光入射側の対向側の前記ギャップの幅とが略同一である、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　光入射側の前記ギャップの幅が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、光入射側の対向側の前記ギャップの幅が２００ｎｍ以下である、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　前記少なくとも２つの画素が、光入射側から順に、オンチップレンズと、カラーフィルタと、半導体基板とを含み、
　前記ギャップがオンチップレンズを貫通する、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　前記少なくとも２つの画素が、光入射側から順に、オンチップレンズと、カラーフィルタと、半導体基板とを含み、
　前記ギャップがオンチップレンズとカラーフィルタとを貫通する、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　前記ギャップが、前記オンチップレンズの屈折率よりも低い低屈折率材料で充填されている、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　前記低屈折率材料の屈折率が１．４以下である、請求項７に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　前記ギャップの光入射側が開放されている、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　前記ギャップの光入射側が閉じられている、請求項１に記載の裏面照射型固体撮像素子。
　裏面照射型固体撮像素子が搭載され、
　該裏面照射型固体撮像素子が、
　半導体基板と、該半導体基板の受光面上に、オンチップレンズと、カラーフィルタとを含む少なくとも２つの画素を備え、
　該少なくとも２つの画素の間に形成されるギャップを有する、
　電子機器。