特許 7474943 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240419BHJP

   H04N 25/70 20230101ALI20240419BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 D

H01L27/146 E

H04N5/369

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018186654

(22)【出願日】2018-10-01

(65)【公開番号】P2019075554

(43)【公開日】2019-05-16

【審査請求日】2021-04-09

【審判番号】

【審判請求日】2023-03-24

(31)【優先権主張番号】P 2017200556

(32)【優先日】2017-10-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(74)【代理人】

【識別番号】100137235

【弁理士】

【氏名又は名称】寺谷 英作

(74)【代理人】

【識別番号】100131417

【弁理士】

【氏名又は名称】道坂 伸一

(72)【発明者】

【氏名】仲順 秋男

(72)【発明者】

【氏名】山田 翔太

【合議体】

【審判長】瀧内 健夫

【審判官】棚田 一也

【審判官】松永 稔

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１０３３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９２６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１３０８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０８７５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２８４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１２９２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０１３４１０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H01L 27/146

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面の上方に位置するマイクロレンズと、
前記半導体基板の前記第１面と前記マイクロレンズとの間に位置し、それぞれが、第１電極と、前記第１電極よりも前記マイクロレンズに近い第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層と、を有する、少なくとも一つの光電変換部と、
前記半導体基板の前記第１面と、前記少なくとも一つの光電変換部のうち前記半導体基板の前記第１面に最も近い第１の光電変換部の前記光電変換層との間に位置する配線層と、
を備える撮像装置であって、
前記マイクロレンズの焦点は、前記第１の光電変換部の前記光電変換層の最下面よりも下方に位置し、
前記マイクロレンズの前記焦点は、平面視において前記配線層と重なり、
前記撮像装置は、フォトダイオードを備えない、
撮像装置。

【請求項2】

前記マイクロレンズの前記焦点は、前記第１の光電変換部の前記光電変換層の前記最下面と前記半導体基板の前記第１面との間に位置する、
請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に位置するカラーフィルターをさらに備える、
請求項１から請求項２のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記少なくとも一つの光電変換部は、前記第１の光電変換部と前記マイクロレンズとの間に位置する第２の光電変換部を含む、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記光電変換層は有機材料を含む、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項6】

さらに、前記第１電極と電気的に接続され、前記電荷に対応する信号を出力する信号検出部を備え、
前記マイクロレンズは、平面視において前記信号検出部と重なる、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項7】

前記マイクロレンズの焦点は、平面視において前記第１電極と重なる、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記第１面は、前記半導体基板の前記第１面とは異なる第２面よりも前記マイクロレンズに近い、
請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項9】

さらに、前記半導体基板内に位置し、前記電荷を蓄積する電荷蓄積領域、を備える、
請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項10】

第１面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面の上方に位置するマイクロレンズと、
前記半導体基板の前記第１面と前記マイクロレンズとの間に位置し、それぞれが、第１電極と、前記第１電極よりも前記マイクロレンズに近い第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層とを有する、少なくとも一つの光電変換部と、
を備え、
前記マイクロレンズの焦点は、前記少なくとも一つの光電変換部のうち前記半導体基板の前記第１面に最も近い第１の光電変換部の前記光電変換層の最下面よりも下方に位置し、
前記半導体基板内に、光を電荷に変換する光電変換部を備えない、
撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、積層型の撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどに広く用いられている。ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等のＭＯＳ型イメージセンサ、およびＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサが知られている。近年、カメラ付き携帯電話やスマートホンなどのモバイル機器に搭載される固体撮像装置としては、消費電力の観点などから、電源電圧が低いＣＭＯＳイメージセンサが多く用いられている。特許文献１には、マイクロレンズを有する撮像装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平５－４８９８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

入射光に対する感度が高く、耐光性に優れた撮像装置が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の限定的ではない例示的な実施形態によれば、以下が提供される。

【0006】

本開示の一態様に係る撮像装置は、第１面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第１面の上方に位置するマイクロレンズと、前記半導体基板の前記第１面と前記マイクロレンズとの間に位置し、それぞれが、第１電極と、前記第１電極よりも前記マイクロレンズに近い第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層と、を有する、少なくとも一つの光電変換部と、前記半導体基板の前記第１面と、前記少なくとも一つの光電変換部のうち前記半導体基板の前記第１面に最も近い第１の光電変換部の前記光電変換層との間に位置する配線層と、を備える撮像装置であって、前記マイクロレンズの焦点は、前記第１の光電変換部の前記光電変換層の最下面よりも下方に位置し、前記マイクロレンズの前記焦点は、平面視において前記配線層と重なり、前記撮像装置は、フォトダイオードを備えない。

【0007】

包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、モジュール、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、参考例に係る撮像装置の概略断面図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る撮像装置の概略断面図である。

【図3A】図３Ａは、画素の概略断面図である。

【図3B】図３Ｂは、４つの画素の平面図である。

【図4】図４は、光学シミュレーションの結果を説明する図である。

【図5】図５は、マイクロレンズの高さと、規格化光集中度および規格化量子効率低下率との関係を示すグラフである。

【図6】図６は、第１範囲における光集中度を説明するための図である。

【図7】図７は、マイクロレンズの高さと規格化量子効率との関係についての、シミュレーション結果を示すグラフである。

【図8】図８は、マイクロレンズの高さと規格化入射角特性との関係についての、シミュレーション結果を示すグラフである。

【図9】図９は、半導体基板の上面から焦点までの距離と、規格化光集中度および規格化量子効率低下率との関係を示すグラフである。

【図10】図１０は、半導体基板の上面から焦点までの距離と規格化量子効率との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。

【図11】図１１は、半導体基板の上面から焦点までの距離と規格化入射角特性との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。

【図12】図１２は、実施の形態の変形例に係る撮像装置の概略断面図である。

【図13】図１３は、実施の形態の他の変形例に係る撮像装置の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（本開示に至った知見）
イメージセンサにおいて、光感度が重視されている。光感度を高めるために、一般的にマイクロレンズが用いられる。図１は、マイクロレンズを搭載した、参考例に係るイメージセンサ１０１の概略断面図である。イメージセンサ１０１には、受光素子１０２以外の領域１０３に光が入射されることを防止するために、層間絶縁膜１０５内に光遮蔽層１０４が形成されている。層間絶縁膜１０５上には、カラーフィルター１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを含むカラーフィルター層１０６が形成されている。カラーフィルター層１０６の上には、平坦化または光透過度の向上を目的として、平坦な上面を有する保護絶縁膜１０７が形成されている。保護絶縁膜１０７上には、光を集光するためのマイクロレンズ１０８が形成されている。

【0010】

受光素子１０２は、典型的には、例えばフォトゲートまたはフォトダイオードである。光遮蔽層１０４の材料は、例えば金属である。マイクロレンズ１０８の材料は、例えばポリマー系の樹脂である。保護絶縁膜１０７の材料は、例えばシリコン酸化物系薄膜であり、典型的にはマイクロレンズと屈折率が同等である。典型的には、マイクロレンズ１０８の一方の面は凸形状であり、他方の面は平坦である。参考例のイメージセンサ１０１では、マイクロレンズ１０８の上面が凸形状であり、保護絶縁膜１０７と接する下面が平坦である。すなわち、参考例におけるマイクロレンズ１０８はその上面のみが凸形状である凸レンズである。また、参考例のイメージセンサ１０１では、マイクロレンズ１０８および保護絶縁膜１０７の屈折率がほぼ同等である。さらに、参考例のイメージセンサ１０１では、凸レンズの焦点距離が凸レンズから受光素子までの距離と同等となるように設計される。これにより、入射光を効率的に受光素子１０２に集光することができる。特許文献１には、マイクロレンズの焦点距離が、マイクロレンズとフォトダイオードとの距離またはそれ以下になるように設定された撮像装置が開示されている。

【0011】

しかし、受光素子として有機薄膜を用いた積層型撮像装置の場合、マイクロレンズの焦点距離とマイクロレンズから受光素子までの距離とを同等にすることが、必ずしも最適ではない場合もある。

【0012】

例えば、太陽光などの強い光がマイクロレンズに入射した場合、それが集光されて受光素子へと入射すると、受光素子にダメージを与えてしまう可能性がある。具体的には、光感度の低下、あるいは焼き付きにより、撮像装置の画質の劣化が発生し得る。

【0013】

本開示は、上記のような耐光性の課題に鑑みてなされたものであり、適切なマイクロレンズの形状を設計することにより、光感度を保持しながらも耐光性に優れた撮像装置を提供することを目的とする。

【0014】

本開示の一態様の概要は、以下のとおりである。

【0015】

［項目１］
第１面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面の上方に位置するマイクロレンズと、
前記半導体基板の前記第１面と前記マイクロレンズとの間に位置し、それぞれが、第１電極と、前記第１電極よりも前記マイクロレンズに近い第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層とを有する、少なくとも一つの光電変換部と、
を備え、
前記マイクロレンズの焦点は、前記少なくとも一つの光電変換部のうち前記半導体基板の前記第１面に最も近い第１の光電変換部の前記光電変換層の最下面よりも下方に位置する、
撮像装置。

【0016】

［項目２］
前記マイクロレンズの前記焦点は、前記第１の光電変換部の前記光電変換層の前記最下面と前記半導体基板の前記第１面との間に位置する、項目１に記載の撮像装置。

【0017】

［項目３］
前記半導体基板の前記第１面と前記第１の光電変換部の前記光電変換層との間に位置する配線層をさらに備え、
前記マイクロレンズの前記焦点は、平面視において前記配線層と重なる、項目１または２に記載の撮像装置。

【0018】

［項目４］
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に位置するカラーフィルターをさらに備える、項目１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。

【0019】

［項目５］
前記少なくとも一つの光電変換部は、前記第１の光電変換部と前記マイクロレンズとの間に位置する第２の光電変換部を含む、項目１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。

【0020】

［項目６］
前記光電変換層は有機材料を含む、項目１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。

【0021】

また、本開示の一態様の概要は、以下のとおりである。

【0022】

本開示の一態様に係る撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に位置する複数の画素とを備える撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、光を透過する上部電極、前記上部電極の下方に位置する下部電極、および、前記上部電極と前記下部電極との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層を有する光電変換部と、前記光電変換部の上方に位置するマイクロレンズと、前記電荷に対応する信号を出力する信号検出部と、を備え、前記マイクロレンズの頂点から前記光電変換層の最上面までの距離をＸとし、前記マイクロレンズの頂点から焦点までの距離をＹとしたとき、前記Ｙは前記Ｘよりも大きい。

【0023】

このようにマイクロレンズの頂点から焦点までの距離Ｙとマイクロレンズの頂点から光電変換層の最上面までの距離ＸとがＹ＞Ｘの関係であることにより、マイクロレンズにより集光された入射光が最も光強度の強い状態で光電変換層に入射することを抑制することができる。これにより、光電変換層が焼き付き等の光ダメージを受けることを抑制することができるため、撮像装置の耐光性を向上させることができる。また、量子効率の低下を低減することができる。

【0024】

例えば、本開示の一態様に係る撮像装置は、前記マイクロレンズの焦点は、前記光電変換層の最下面より下方に位置してもよく、前記半導体基板の最上面より上方に位置してもよい。

【0025】

これにより、光電変換層の最上面に光強度の強い光が集中することを緩和することができるため、光電変換層が光ダメージを受けることを抑制することができる。そのため、撮像装置の耐光性を向上させることができ、量子効率の低下を低減することができる。また、光電変換層において、入射光を広い面積で受光し、光電変換を行うことができるため、光電変換効率を向上することができる。また、半導体基板まで入射光が到達し難くなるため、半導体基板内で光電変換が起こることを抑制することができる。これにより、半導体基板内で不要な電荷が発生し難くなり、ノイズを低減することができる。

【0026】

例えば、本開示の一態様に係る撮像装置では、前記マイクロレンズの焦点の位置に、配線層が位置してもよい。

【0027】

これにより、配線層によって入射光が散乱され、入射光が半導体基板に到達し難くなる。そのため、半導体基板内で光電変換が起こることを抑制することができる。

【0028】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

【0029】

以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、工程、工程の順序などは一例であり、本開示を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。

【0030】

（実施の形態）
図２は、本実施の形態に係る撮像装置２００の断面図である。

【0031】

本実施の形態に係る撮像装置２００は、半導体基板２１０と、半導体基板２１０上に位置する複数の画素２１１とを備える撮像装置である。複数の画素２１１のそれぞれは、光電変換部２１２と、マイクロレンズ２０８と、信号検出部２０９と、を備える。光電変換部２１２は、光を透過する上部電極２０４、上部電極２０４の下方に位置する下部電極２０２、および上部電極２０４と下部電極２０２との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層２０３を有する。マイクロレンズ２０８は、光電変換部２１２の上方に位置する。信号検出部２０９は、光電変換部２１２で得られた電荷に対応する信号を出力する。

【0032】

さらに、撮像装置２００は、光電変換部２１２の上部電極２０４上に形成された絶縁膜２０５と、絶縁膜２０５上に形成されたカラーフィルター層２０６と、カラーフィルター層２０６上に形成された平坦化膜２０７とを備える。カラーフィルター層２０６は、緑カラーフィルター２０６ａ、青カラーフィルター２０６ｂ、および赤カラーフィルター２０６ｃを備える。各色のカラーフィルターは、画素２１１に対応して、ベイヤー配列に従って配置されている。

【0033】

また、撮像装置２００は、光電変換層２０３の下に位置する層間絶縁層２０１と、層間絶縁層２０１の下に位置する半導体基板２１０とを備える。半導体基板２１０には、電荷を蓄積する電荷蓄積領域、および信号検出部２０９が形成される。信号検出部２０９は、例えば、ＣＭＯＳトランジスタ等のトランジスタを複数個組み合わせて形成される。例えば、信号検出部２０９は、電荷蓄積領域に蓄積された電荷に対応する信号を出力する増幅トランジスタ、および電荷蓄積領域をリセットするリセットトランジスタを備える。増幅トランジスタのゲートは電荷蓄積領域に接続される。リセットトランジスタのソースまたはドレインは電荷蓄積領域に接続される。電荷蓄積領域は下部電極２０２に接続される。

【0034】

なお、光電変換層２０３は、無機材料から構成されていてもよく、有機材料から構成されていてもよい。無機材料は、例えば、アモルファスシリコンであってもよい。有機材料から構成される場合は、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体材料とが接合された構成であってもよい。

【0035】

以下、光電変換層２０３が有機材料から構成される例について説明する。

【0036】

図２に示すように、マイクロレンズ２０８の頂点から光電変換層２０３の最上面までの距離をＸとし、マイクロレンズ２０８の頂点からマイクロレンズの焦点までの距離をＹとする。このとき、本実施の形態に係る撮像装置２００では、ＹはＸよりも大きい。このようにマイクロレンズの頂点からマイクロレンズの焦点までの距離Ｙとマイクロレンズの頂点から光電変換層の最上面までの距離Ｘとを異ならせることにより、マイクロレンズにより集光された入射光が最も光強度の強い状態で光電変換層に入射することを抑制することができる。また、Ｙ＞Ｘを満たす場合には、画素の中央に光が集中して入射することを防ぐことができる。これにより、光電変換層が、焼き付き等の光ダメージを受けることを抑制することができ、撮像装置の耐光性を向上させることができる。また、量子効率の低下を低減することができる。

【0037】

本実施の形態に係る撮像装置２００において、マイクロレンズ２０８の焦点の位置は、光電変換層２０３の最下面より下方に位置していてもよく、半導体基板２１０の最上面より上方に位置していてもよい。すなわち、マイクロレンズ２０８の焦点の位置は、光電変換層２０３の最下面と半導体基板２１０の最上面との間に位置していてもよい。これにより、光電変換層２０３の内部に光強度の強い光が集中することを緩和することができるため、光電変換層２０３の光ダメージを低減することができる。また、撮像装置２００の耐光性を向上させることができ、量子効率の低下を低減することができる。さらに、光電変換層２０３が広い面積で入射光を受光して光電変換を行うことができるため、光電変換効率を向上することができる。さらに、半導体基板２１０まで入射光が到達し難くなるため、半導体基板２１０内で光電変換が起こることを抑制することができる。これにより、半導体基板２１０内で不要な電荷が発生し難くなり、ノイズを低減することができる。

【0038】

本実施の形態に係る撮像装置２００において、マイクロレンズ２０８の焦点の位置に、配線層が位置していてもよい。層間絶縁層２０１中に配線層を配置した場合、配線層によって入射光が散乱され、入射光が半導体基板２１０に到達し難くなる。そのため、半導体基板２１０内で光電変換が起こることを抑制することができる。マイクロレンズ２０８の焦点は、平面視において配線層と重なっていてもよい。これによっても、入射光が半導体基板２１０へ到達し難くなる。

【0039】

一般に、マイクロレンズ２０８の焦点距離ｆは、下記の式（１）で表される。

【0040】

ｆ＝｛ｎ１／（ｎ１－ｎ０）｝Ｒ ・・・ （１）

【0041】

ここで、Ｒはマイクロレンズ２０８の曲率半径であり、ｎ１はマイクロレンズ２０８の材料の屈折率であり、ｎ０はマイクロレンズ２０８の光入射側に接する媒体の屈折率である。

【0042】

つまり、式（１）は、屈折率ｎ０の媒体（例えば、空気層）から、屈折率ｎ１および曲率半径Ｒを有するマイクロレンズ２０８に光が入射した場合のマイクロレンズ２０８の焦点距離ｆを表す。

【0043】

ここで、マイクロレンズ２０８の高さをｈ、マイクロレンズ２０８の底面の半径をｒとすると、マイクロレンズ２０８の曲率半径Ｒは、下記の式（２）で表される。

【0044】

Ｒ＝（ｒ^２＋ｈ^２）／２ｈ ・・・ （２）

【0045】

図３Ａ、３Ｂは、マイクロレンズ２０８の高さｈ、および対角方向に隣接するマイクロレンズ２０８間のギャップＬについて説明する図である。図３Ａは、画素２１１の概略断面図である。なお、カラーフィルター層２０６より下方の構成については図示を省略する。図３Ｂは、４つの画素２１１の平面図である。

【0046】

図３Ａに示すように、マイクロレンズ２０８の高さｈは、マイクロレンズ２０８の底面からマイクロレンズ２０８の頂点までの長さである。また、図３Ｂに示すように、対角方向に隣接するマイクロレンズ２０８間のギャップＬは、４つの画素２１１を１つの画素部とした場合、画素部の対角線方向において隣接する２つのマイクロレンズ２０８の底面間の距離である。マイクロレンズ２０８の底面の半径ｒの大きさは、画素２１１のサイズ、および、ギャップＬにより決定される。

【0047】

以下、１つの画素２１１は１辺が３．０μｍの正方形であり、対角線方向に隣接するマイクロレンズ２０８間のギャップＬが８００ｎｍであるマイクロレンズ２０８を備える撮像装置２００において、マイクロレンズ２０８の高さｈを変化させて光学シミュレーションを行った。具体的には、バビネの理論に基づく波動光学シミュレーションを用いた。なお、以下で説明する全てのシミュレーションにおいて、マイクロレンズ２０８の底面は平面視において円形であるとし、マイクロレンズ２０８の底面の半径ｒは、画素２１１のサイズを３．０μｍ、マイクロレンズ２０８間のギャップＬを８００ｎｍとして計算した値とした。

【0048】

まず、上記の式（１）および式（２）を用いて、マイクロレンズ２０８の高さｈに対する焦点距離ｆを求めた。マイクロレンズ２０８の頂点から焦点までの距離Ｙは、焦点距離ｆに、マイクロレンズの主点から頂点までの距離を足すことにより算出された。このとき、式（１）のｎ０は、空気の屈折率（ｎ０＝１．０）であり、ｎ１は、マイクロレンズ２０８の屈折率（ｎ１＝１．６）である。シミュレーションの結果を表１に示す。

【0049】

表１は、マイクロレンズ２０８の高さの違いによるマイクロレンズ２０８の頂点から焦点までの距離Ｙと、マイクロレンズ２０８の頂点から光電変換層２０３の最上面までの距離Ｘとの関係を示している。このとき、Ｘの値は、光電変換層２０３の最上面から平坦化膜２０７の最上面までの距離が１５９０ｎｍである場合の値である。

【0050】

【表1】

【0051】

表１から、画素２１１の一辺の大きさ、対角線方向のマイクロレンズ２０８間のギャップＬおよびマイクロレンズ２０８の高さｈ等を上記のような値に設定した場合、マイクロレンズ２０８の高さｈが高くなるほど、マイクロレンズ２０８の焦点距離ｆは短くなる。つまり、マイクロレンズ２０８の高さｈが高くなるほど、マイクロレンズ２０８の頂点から焦点までの距離Ｙは短くなる、ということがわかる。一方、マイクロレンズ２０８の高さｈが高くなるほど、マイクロレンズ２０８の頂点から光電変換層の最上面までの距離Ｘは長くなる、ということがわかる。

【0052】

シミュレーションでは、マイクロレンズ２０８の焦点の位置も算出した。シミュレーションでは、光電変換層２０３の厚みを５００ｎｍとし、層間絶縁層２０１の厚み（すなわち、光電変換層２０３の最下面から半導体基板２１０の最上面までの距離）を３５００ｎｍとし、半導体基板２１０の厚みを７７５ｎｍとした。このとき、表１に示すマイクロレンズ２０８の各高さにおけるマイクロレンズ２０８の焦点は、以下のようになる。

【0053】

マイクロレンズ２０８の高さが２００ｎｍの場合、マイクロレンズ２０８の焦点は、半導体基板２１０よりも下方に位置する。マイクロレンズ２０８の高さが４００ｎｍの場合、マイクロレンズ２０８の焦点は、半導体基板２１０中に位置する。マイクロレンズ２０８の高さが６００ｎｍ、８００ｎｍ、および１０００ｎｍの場合、マイクロレンズ２０８の焦点は、層間絶縁層２０１中に位置する。マイクロレンズ２０８の高さが１２００ｎｍの場合、マイクロレンズ２０８の焦点は、光電変換層２０３中に位置する。マイクロレンズ２０８の高さが１４００ｎｍの場合、マイクロレンズ２０８の焦点は、上部電極２０４上の絶縁膜２０５中に位置する。マイクロレンズ２０８の高さが１６００ｎｍの場合、マイクロレンズ２０８の焦点は、上部電極２０４より上方に位置する。

【0054】

具体的には、半導体基板２１０の最上面からマイクロレンズ２０８の焦点までの距離Ｚ（ｎｍ）は、半導体基板２１０からマイクロレンズ２０８に向かう方向を正の方向とすると、Ｘ＋４０００－Ｙ（ｎｍ）と表される。よって、マイクロレンズ２０８の高さｈと、半導体基板２１０の上面から焦点までの距離Ｚとの関係は、表２のようになる。ここで、Ｚ＝０（ｎｍ）は半導体基板２１０の最上面に対応する。Ｚ＝３５００（ｎｍ）は光電変換層２０３の最下面に対応する。Ｚ＝４０００（ｎｍ）は光電変換層２０３の最上面に対応する。したがって、マイクロレンズ２０８の高さｈが２００ｎｍおよび４００ｎｍのとき、焦点は半導体基板２１０の最上面よりも下方に位置する。マイクロレンズ２０８の高さｈが６００ｎｍ、８００ｎｍ、および１０００ｎｍのとき、焦点は半導体基板２１０の最上面と光電変換層２０３の最下面との間に位置する。マイクロレンズ２０８の高さｈが１２００ｎｍのとき、焦点は光電変換層２０３中に位置する。マイクロレンズ２０８の高さｈが１４００ｎｍおよび１６００ｎｍのとき、焦点は光電変換層２０３の最上面よりも上方に位置する。

【0055】

【表2】

【0056】

次に、光の集光状態についてシミュレーションを行った。シミュレーションでは、画素の大きさを１辺が３．０μｍの正方形とし、対角線方向に隣接するマイクロレンズ間のギャップＬを８００ｎｍとした。このようなマイクロレンズを備える撮像装置に光を照射し、マイクロレンズの高さｈの違いによる光電変換層の最上面における光の集光状態を確認した。シミュレーションに用いた光の波長は５３０ｎｍとした。以降、「１辺がｘμｍの正方形のセル」を「ｘμｍセル」と呼ぶ。

【0057】

図４は、３．０μｍセルを有する撮像装置の光学シミュレーションの結果を説明する図である。図４の（ａ）は、光の集光状態を観察した画素領域（以下、観察領域とも呼ぶ）を模式的に示した図である。図４の（ｂ）～（ｊ）は、光電変換層の最上面における光強度を示す図である。これらの図において、黒い部分は光強度が弱く、白い部分は光強度が強いことを示している。

【0058】

図４の（ａ）に示すように、緑カラーフィルター（Ｇ）、青カラーフィルター（Ｂ）、および赤カラーフィルター（Ｒ）が、各画素に対応してベイヤー配列に従って配列されており、観察領域は、緑の画素と周辺画素の一部とを含む。

【0059】

図４の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）および（ｊ）は、それぞれ、マイクレンズの高さｈを０ｎｍ（つまり、マイクロレンズ無し）、２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ、１２００ｎｍ、１４００ｎｍおよび１６００ｎｍとした場合の集光状態を示す。

【0060】

図４の（ｂ）～（ｊ）に示されるように、マイクロレンズの高さｈが大きいほど、マイクロレンズの頂点から焦点までの距離Ｙが短くなり、マイクロレンズに入射した光は、平面視において、画素の中心に一点集中している。

【0061】

具体的には、マイクロレンズの高さｈが小さくなるほど、マイクロレンズの頂点から焦点までの距離Ｙ（以下、単に、「焦点までの距離Ｙ」とする）は大きくなる。焦点までの距離Ｙが、マイクロレンズの頂点から光電変換層の最上面までの距離Ｘ（以下、単に、「光電変換層までの距離Ｘ」とする）よりも大きくなると、マイクロレンズの焦点は光電変換層の最上面よりも下方に移動するため、光電変換層の最上面における光の集中度は小さくなる。ここで、光の集中度とは、平面視した場合に、画素の中央部分における単位面積当たりの光強度の積分値をいう。

【0062】

一方、マイクロレンズの高さｈが大きくなるほど、焦点までの距離Ｙは短くなり、光電変換層までの距離Ｘに近付く。つまり、マイクロレンズの高さｈが大きくなるほど、マイクロレンズの焦点が光電変換層の最上面に近付くため、光電変換層の最上面における光の集中度は大きくなる。

【0063】

続いて、マイクロレンズの高さｈと光電変換層の最上面における光の集中度との関係についてシミュレーションを行った結果を示す。さらに、マイクロレンズの高さｈを変化させたイメージセンサを試作し、マイクロレンズの高さｈと量子効率の低下率との関係について評価した結果を示す。

【0064】

以下の説明において、第１範囲とは、図６に示すように、３．０μｍセルの中央の１辺が１．０μｍである正方形の範囲を意味する。第１範囲における光集中度とは、第１範囲において光強度を積分した値である。規格化光集中度とは、マイクロレンズがない場合、すなわちマイクロレンズの高さｈが０ｎｍである場合の第１範囲における光集中度を１として、マイクロレンズの各高さｈにおける第１範囲における光集中度を規格化した値である。量子効率とは、入射した光の量に対する、光電変換層が吸収した光の量の割合を意味する。量子効率低下率とは、光を照射する前の量子効率と、１０万ｌｕｘの光を１５０時間照射した後の量子効率との差を意味する。規格化量子効率低下率とは、マイクロレンズの高さｈが１４００ｎｍのときの量子効率低下率を１として、マイクロレンズの各高さｈにおける量子効率低下率を規格化した値である。

【0065】

図５は、マイクロレンズの高さｈと第１範囲における規格化光集中度との関係、およびマイクロレンズの高さｈと規格化量子効率低下率との関係を示すグラフである。図５において、実線は、マイクロレンズの各高さｈにおける規格化光集中度をシミュレーションにより求めた結果を示す。破線は、規格化量子効率低下率を実験により求めた結果を示す。

【0066】

図５の実線で示すグラフより、マイクロレンズの高さｈが大きいほど、平面視において、画素の中央に光がより集中する傾向がある。特に、マイクロレンズの高さｈが６００ｎｍ付近から１２００ｎｍ付近にかけて、規格化光集中度の増加率が大きいことがわかる。また、図５の破線で示すグラフより、マイクロレンズの高さｈが大きいほど、光照射後に量子効率が低下しやすい傾向がある。このことから、マイクロレンズの高さｈが大きいほど、平面視において、画素の中央に光がより集中しやすいため、画素の中央付近で光電変換層の劣化が進み、結果として量子効率の低下につながったと推測される。

【0067】

言い換えると、マイクロレンズの頂点から焦点までの距離Ｙがマイクロレンズの頂点から光電変換層の最上面までの距離Ｘよりも大きくなるにつれて、平面視において、画素の中央への光集中度が低下する。そのため、光照射後に量子効率が低下し難くなる。

【0068】

したがって、Ｙ＞Ｘの関係である場合には、画素の中央に光が集中して入射することを防ぐことができるため、光電変換層が焼き付き等の光ダメージを受けることを防ぐことができる。そのため、撮像装置の耐光性を向上させることができ、量子効率の低下を低減することができる。

【0069】

続いて、マイクロレンズの高さｈと量子効率との関係についてシミュレーションを行った。シミュレーションでは、図２に示す構造を有する撮像装置を用いた。図７は、マイクロレンズの高さｈと規格化量子効率との関係についてシミュレーションを行った結果を示すグラフである。

【0070】

ここで、規格化量子効率とは、マイクロレンズがない場合、すなわちマイクロレンズの高さｈが０ｎｍである場合の量子効率を１として、マイクロレンズの各高さｈにおける量子効率を規格化した値である。

【0071】

図７のグラフに示すように、撮像装置が図２に示す構造を有する場合、マイクロレンズの高さｈが６００ｎｍ～８００ｎｍ付近で、量子効率が最大になる。

【0072】

続いて、マイクロレンズの高さｈとマイクロレンズの集光特性との関係についてシミュレーションを行った。本シミュレーションにおいても、規格化量子効率のシミュレーションと同様の構成を有する撮像装置を用いた。図８は、マイクロレンズの高さｈと、規格化入射角特性との関係をシミュレーションした結果を示す図である。

【0073】

ここで、入射角特性とは、波長５３０ｎｍの光を緑カラーフィルターに対応するＧ（グリーン）画素に照射した際に、Ｇ画素に対して０°で（つまり、垂直に）入射した光の量子効率を１として、量子効率が０．８となるときの光の入射角度を意味する。規格化入射角特性とは、マイクロレンズの高さｈが０ｎｍである場合の入射角特性を１として、マイクロレンズの各高さｈでの入射角特性を規格化した値である。図８のグラフにおいて、規格化入射角特性が大きいほど、マイクロレンズがより広い入射角の光を集光して光電変換に利用できることを示している。

【0074】

図８のグラフから、撮像装置が図２に示す構造を有する場合、マイクロレンズの高さｈが８００ｎｍ～１２００ｎｍ付近であるとき、入射角特性が優れていることがわかる。特に、マイクロレンズの高さが１０００ｎｍ付近で入射角特性が最大になることがわかる。

【0075】

以上のシミュレーションの結果から、マイクロレンズの高さｈが１４００ｎｍである場合、焦点までの距離Ｙと光電変換層までの距離Ｘとの関係は、Ｙ≒Ｘ（Ｙ＜Ｘ）であり、マイクロレンズの焦点は、光電変換層の最上面よりやや上方、すなわち、上部電極中に位置する。この時、図４の（ｉ）および図５の実線で示すグラフから、光電変換層の最上面における光強度は大きく、光集中度も大きい。しかしながら、図５の破線で示すように、マイクロレンズの高さｈが１４００ｎｍである場合に最も光照射後の量子効率が低下している。

【0076】

マイクロレンズの高さｈが１０００ｎｍ、８００ｎｍ、６００ｎｍであるとき、Ｙ＞Ｘである。マイクロレンズの高さが１０００ｎｍのとき、マイクロレンズの焦点は、下部電極中に位置し、マイクロレンズの高さが８００ｎｍおよび６００ｎｍのとき、マイクロレンズの焦点は、層間絶縁層中に位置する。なお、層間絶縁層中には、配線層が存在する。図５の破線で示すように、焦点までの距離Ｙと光電変換層までの距離Ｘの関係がＹ＞Ｘを満たし、マイクロレンズの焦点が光電変換層の最上面より下方に位置し、半導体基板の最上面より上方に位置すると、光照射後の劣化を低減することが可能である。また、図７および図８に示すように、マイクロレンズの高さｈが６００ｎｍ～１２００ｎｍにおいて、量子効率および入射角特性が向上している。

【0077】

本開示によれば、積層型の固体撮像装置のマイクロレンズの焦点位置を光電変換層の最上面より下方、さらに、光電変換層の最下面より下方であり半導体基板より上方の長焦点側とすることで、集光効率および耐光性を向上することできる。本開示のマイクロレンズは、従来プロセスおよび材料を用いて、例えば、塗布膜厚およびマイクロレンズ形成時の露光量を変更することによって実現できる。

【0078】

以上説明したように、本開示の撮像装置は、量子効率を低下させることなく光電変換層への光集中度を緩和することができるため、光電変換層の光ダメージを低減することができる。

【0079】

なお、上記したように、マイクロレンズの高さｈと、半導体基板の上面からマイクロレンズの焦点までの距離Ｚとの関係は表２のようになる。よって、図５、図７、図８に示すグラフは、半導体基板の上面から焦点までの距離Ｚを横軸としても表現できる。以下に、距離Ｚを横軸としたグラフに基づいて、再度説明する。

【0080】

図９は、図５に対応し、半導体基板の上面から焦点までの距離Ｚと規格化光集中度との関係、および半導体基板の上面から焦点までの距離Ｚと規格化量子効率低下率との関係を示す。図１０は、図７に対応し、半導体基板の上面から焦点までの距離Ｚと規格化量子効率との関係を示す。図１１は、図８に対応し、半導体基板の上面から焦点までの距離Ｚと規格化入射角特性との関係を示す。各図において、Ｚ＝０（ｎｍ）は半導体基板２１０の上面に対応する。Ｚ＝３５００（ｎｍ）は光電変換層２０３の下面に対応する。Ｚ＝４０００（ｎｍ）は光電変換層２０３の上面に対応する。

【0081】

図９に示すように、焦点が光電変換層の下面よりも下方にあるとき（すなわち、Ｚ＜３５００のとき）、規格化光集中度が低下し、規格化量子効率低下率も小さくなる。すなわち、焦点を光電変換層の下面よりも下方とすることにより、耐久性を向上することができる。また、図１０に示すように、焦点が光電変換層の下面よりも下方にあるとき（すなわち、Ｚ＜３５００のとき）、規格化量子効率が大きくなる。このように、焦点を光電変換層の下面よりも下方とすることにより、感度を向上しつつ耐久性を向上することができる。さらに、図１１に示すように、焦点が光電変換層の下面よりも下方にあるとき（すなわち、Ｚ＜３５００のとき）、規格化入射角特性は大きくなる。すなわち、焦点を光電変換層の下面よりも下方とすることにより、より広い入射角の光を集光して光電変換に利用できるようになる。

【0082】

以上、本開示に係る撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。以下に本実施の形態の変形例について説明する。

【0083】

図２に示す撮像装置２００は、光電変換部２１２とマイクロレンズ２０８との間にカラーフィルター２０６を有している。しかし、カラーフィルター２０６は必須ではない。図１２は、変形例に係る撮像装置の概略断面図である。図１２に示す撮像装置３００は、絶縁膜２０５上に直接平坦化膜２０７が形成されている点で図２に示す撮像装置２００と異なる。図１２に示す撮像装置３００のような構成であっても、マイクロレンズ２０８の焦点が半導体基板２１０の上面と光電変換層２０３の下面との間に位置するように設定すればよい。これにより、図２に示す撮像装置２００について説明した効果と同様の効果を得ることができる。

【0084】

また、図２に示す撮像装置２００は、半導体基板２１０とマイクロレンズ２０８との間に、光電変換部２１２を一つだけ有している。しかし、半導体基板２１０とマイクロレンズ２０８との間に、複数の光電変換部を有していてもよい。図１３は、他の変形例に係る撮像装置の概略断面図である。図１３に示す撮像装置４００は、光電変換部２１２と絶縁膜２０５との間に、絶縁膜４０５および光電変換部４１２を備える点で、図２に示す撮像装置２００と異なる。光電変換部４１２は、光を透過する上部電極４０４、上部電極４０４の下方に位置する下部電極４０２、および上部電極４０４と下部電極４０２との間に位置し、光を電荷に変換する光電変換層４０３を有する。図１３に示す撮像装置４００のような場合、マイクロレンズ２０８の焦点が、半導体基板２１０の上面と光電変換層２０３の下面との間であって、かつ、半導体基板２１０の上面と光電変換層４０３の下面との間に位置するように設定すればよい。すなわち、マイクロレンズ２０８の焦点が、半導体基板２１０の上面と、半導体基板２１０に最も近い光電変換層２０３の下面との間に位置するように設定すればよい。これにより、光電変換層２０３および光電変換層４０３のそれぞれに対して、図２に示す撮像装置２００について説明した効果と同様の効果を得ることができる。なお、光電変換部が３つ以上積層された構成であっても、同様の構成により同様の効果を得ることができる。

【0085】

本開示の撮像装置は、デジタルカメラおよび車載カメラ等のカメラに利用できる。

【符号の説明】

【0086】

２００、３００、４００ 撮像装置
２０１ 層間絶縁層
２０２、４０２ 下部電極
２０３、４０３ 光電変換層
２０４、４０４ 上部電極
２０５、４０５ 絶縁膜
２０６ａ 緑カラーフィルター
２０６ｂ 青カラーフィルター
２０６ｃ 赤カラーフィルター
２０６ カラーフィルター層
２０７ 平坦化膜
２０８ マイクロレンズ
２０９ 信号検出部
２１０ 半導体基板
２１１ 画素
２１２、４１２ 光電変換部

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】