(57)【要約】【課題】撮像領域内における感度の不均一性および／または混色の低減効果の不均一性を低減するために有利な技術を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、第１面および第２面を有する半導体層と、前記第１面の側に配置された配線構造とを含み、前記半導体層の中に複数の光電変換部が配置され、前記第２面に対して被写体からの光が入射する。固体撮像装置は、前記第２面の上に配置され、それぞれ少なくとも１つの前記光電変換部に対応する複数の円形開口を有する遮光体と、前記第２面のうち前記複数の円形開口による露出部分および前記遮光体を覆う第１層と、前記第１層を覆うように配置されていて前記第１層よりも高い屈折率を有する第２層と、を備え、前記第１層と前記第２層との境界面は、前記露出部分に向かって突出したレンズ面を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面および第２面を有する半導体層と、前記第１面の側に配置された配線構造とを含み、前記半導体層の中に複数の光電変換部が配置され、前記第２面に対して被写体からの光が入射する固体撮像装置であって、
前記第２面の上に配置され、それぞれ少なくとも１つの前記光電変換部に対応する複数の円形開口を有する遮光体と、
前記第２面のうち前記複数の円形開口による露出部分および前記遮光体を覆う第１層と、
前記第１層を覆うように配置されていて前記第１層よりも高い屈折率を有する第２層と、を備え、
前記第１層と前記第２層との境界面は、前記露出部分に向かって突出したレンズ面を含む、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記レンズ面のうち前記露出部分に向かって最も突出した部分における前記第１層が有する厚さが前記遮光体が有する厚さよりも小さい、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１層および前記第２層は、無機材料で構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１層は、酸化シリコン又は酸窒化シリコンで構成され、
前記第２層は、酸窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウムおよび酸化チタンからなるグループから選択される材料のうち前記第１層よりも高い屈折率を有する材料で構成されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２層の上に配置されたカラーフィルタ層を更に備え、
前記複数の開口のそれぞれは、それに対応するカラーに応じた大きさを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記カラーフィルタ層の上に配置された複数のマイクロレンズを更に備え、
前記複数のマイクロレンズのそれぞれは、それに対応するカラーに応じた大きさを有する、
ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記複数の光電変換部が配置された領域は、有効画素領域およびオプティカルブラック画素領域を含み、
前記遮光体は、前記オプティカルブラック画素領域に配置された光電変換部を遮光するように配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２層の上面は、前記第２層によって複数の両凸レンズが構成されるように複数の凸面領域を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびそれを含むカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
画素の縮小に伴う感度の低下を抑えるために有利な固体撮像装置として裏面照射型の固体撮像装置が注目されている。裏面照射型の固体撮像装置は、半導体基板の一方の面に配線構造が配置され、他方の面（裏面）に被写体からの光が入射する。
【０００３】
特許文献１に、裏面照射型の固体撮像装置が記載されている。該固体撮像装置では、混色を低減するために、半導体基板の裏面上かつ隣接する画素の境界部分に光反射部材からなる隆起部が配置され、該隆起部を覆うように絶縁膜が形成されている。該絶縁膜には、該隆起部による段差が反映されて凹レンズが形成され、該凹レンズによって入射光を光電変換部に集光することができる。該隆起部は、矩形開口が二次元状に配列された格子形状を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−８４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された固体撮像装置では、絶縁膜によって形成される凹レンズは、隆起部における矩形開口にならった形状となる。よって、凹レンズとは言っても、実際には、絶縁膜に四角錐台状の穴を形成したような形状になりうる。そのため、集光効果は、凹レンズに対する光線の入射方向によって異なりうる。例えば、図５において、矢印Ａのように光線が矩形開口の辺に平行に凹レンズに入射するときの集光効果と、矢印Ｂのように光線が矩形開口の対角線方向に入射するときの集光効果とは異なり、撮像領域内での感度の不均一性や混色の低減効果の不均一性が生じうる。
【０００６】
本発明は、撮像領域内における感度の不均一性および／または混色の低減効果の不均一性を低減するために有利な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの側面は、第１面および第２面を有する半導体層と、前記第１面の側に配置された配線構造とを含み、前記半導体層の中に複数の光電変換部が配置され、前記第２面に対して被写体からの光が入射する固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置は、前記第２面の上に配置され、それぞれ少なくとも１つの前記光電変換部に対応する複数の円形開口を有する遮光体と、前記第２面のうち前記複数の円形開口による露出部分および前記遮光体を覆う第１層と、前記第１層を覆うように配置されていて前記第１層よりも高い屈折率を有する第２層と、を備え、前記第１層と前記第２層との境界面は、前記露出部分に向かって突出したレンズ面を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、撮像領域内における感度の不均一性および／または混色の低減効果の不均一性を低減するために有利な技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態の固体撮像装置の断面構造を示す模式図。
【図２】遮光体に設けられた複数の円形開口を例示する図。
【図３】遮光体に設けられた複数の円形開口を例示する図。
【図４】本発明の他の実施形態の固体撮像装置の断面構造を示す模式図。
【図５】特許文献１に記載された凹レンズの作用を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。
【００１１】
図１には、本発明の１つの実施形態の固体撮像装置１００の断面構造が模式的に示されている。固体撮像装置１００は、第１面Ｆ１および第２面Ｆ２を有する半導体層ＳＬと、半導体層ＳＬの中に二次元状に配置された複数の光電変換部ＰＣと、第１面Ｆ１の側に配置された配線構造１２０とを含みうる。
【００１２】
光電変換部ＰＣは、半導体層ＳＬに配置された第１導電型の半導体領域１０１と、半導体領域１０１に接するように半導体層ＳＬに配置された第１導電型の電荷蓄積領域１０２とを含みうる。電荷蓄積領域１０２における第１導電型用の不純物濃度は、半導体領域１０１における第１導電型用の不純物濃度よりも高い。光電変換部ＰＣは、電荷蓄積領域１０２に接するように、半導体層ＳＬにおける第１面Ｆ１の側に配置された第２導電型のピニング層１０３を含んでもよい。光電変換部ＰＣは、半導体領域１０１に接するように、半導体層ＳＬにおける第２面Ｆ２の側に配置された第２導電型のピニング層１０７を含んでもよい。第１導電型と第２導電型とは互いに反対の導電型である。第１導電型がｎ型である場合は、第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型である場合は、第２導電型はｎ型である。複数の光電変換部ＰＣが配置された領域は、典型的には、有効画素領域（撮像領域）ＥＰＲとオプティカルブラック画素領域ＯＢＲとを含む。
【００１３】
固体撮像装置１００は、複数の画素を有し、各画素は、光電変換部ＰＣを含む。各画素は、更に、フローティングディフュージョン１０６と、光電変換部ＰＣの電荷蓄積領域１０２に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン１０６に転送するためのチャネルを形成する転送ゲート１２１とを含みうる。画素と画素との間には、素子分離用の絶縁体１０４および第２導電型の半導体領域１０５が配置されうる。
【００１４】
固体撮像装置１００は、第２面Ｆ２に対して撮像レンズを介して被写体からの光が入射するように構成されている。即ち、固体撮像装置１００は、半導体層ＳＬの第１面の側（Ｆ１側）に配線構造１２０が配置され、半導体層ＳＬの第２面Ｆ２に対して被写体から光が入射する裏面照射型として構成されている。第２面の側（Ｆ２側）には、典型的には、複数のマイクロレンズ１５１が配置されうる。固体撮像装置１００がカラー画像の撮像用として構成される場合、第２面Ｆ２の側には、カラーフィルタ層１４１が配置されうる。
【００１５】
半導体層１０１の第２面Ｆ２とマイクロレンズ１５１との間には、遮光体１３３と、第１層１３５と、第２層１３７とが配置されている。遮光体１３３は、第２面の上（Ｆ２の上）に配置されていて、複数の円形開口ＯＰを有する。各円形開口ＯＰは、少なくとも１つの光電変換部ＰＣに対応している。一般的には、１つの円形開口ＯＰは１つの光電変換部ＰＣに対応するが、例えば、固体撮像装置１００が位相差検出機能を有する固体撮像装置として構成される場合においては、１つの円形開口ＯＰは２つの光電変換部ＰＣに対応する。図２には、遮光体１３３に設けられた複数の円形開口ＯＰが例示されている。図１の断面図は、図２におけるＸ−Ｘ’線における断面に相当する。
【００１６】
第１層１３５は、半導体層１０１の第２面Ｆ２のうち複数の円形開口ＯＰによる露出部分および遮光体１３３を覆うように配置されている。第２層１３７は、第１層１３５を覆うように配置されていて、第１層１３５よりも高い屈折率を有する。第２層１３７は、平坦化膜としても機能する。第１層１３５と第２層１３７との境界面ＩＦは、第２面Ｆ２のうち複数の円形開口ＯＰによる露出部分に向かって突出したレンズ面Ｌを含む。レンズ面Ｌは、凸レンズとして機能し、対応する少なくとも１つの光電変換部ＰＣに対して光を集光する。レンズ面Ｌは、層内レンズとして機能する。レンズ面Ｌを設けることによって、ある画素のマイクロレンズ１５１を通過した光が隣接する画素の光電変換部ＰＣに入射することを防止し、混色を低減することができる。
【００１７】
遮光体１３３に円形開口ＯＰが存在することにより、半導体層１０１の第２面Ｆ２の露出部分および遮光体１３３によって連続回転対称性を有する凹凸形状が形成される。レンズ面Ｌもまた、当該凹凸形状に応じた形状、即ち、連続回転対称性を有する形状を有する。よって、集光効率は、レンズ面Ｌに入射する光線の方向（ここでの方向は、第２面Ｆ２に垂直な方向から固体撮像装置１００を観察した平面視における光線の方向である。）に依存しない。よって、有効画素領域（撮像領域）ＥＰＲ内における感度の不均一性および／または混色の低減効果の不均一性が低減されうる。
【００１８】
レンズ面Ｌのうち第２面Ｆ２の露出部分に向かって最も突出した部分における第１層１３５の厚さｔ１は、遮光体１３３の厚さｔ２よりも小さいことが好ましい。つまり、遮光体の上面１３４よりも、レンズ面Ｌのうち第２面Ｆ２の露出部分に向かって最も突出した部分の方が、第２面Ｆ２に近い。これは、レンズ面Ｌのパワーの増加に寄与する。
【００１９】
固体撮像装置１００がオプティカルブラック画素領域ＯＢＲを有する場合、遮光体１３３は、オプティカルブラック画素領域ＯＢＲに配置された光電変換部ＰＣを遮光するように配置されうる。オプティカルブラック画素領域ＯＢＲでは、入射光を検出する必要はなく、混色の問題は起こり得ないので、混色の防止のためのレンズ面Ｌを形成する必要はない。したがって、有効画素領域ＥＰＲにはレンズ面Ｌが形成されるように遮光体１３３を配置し、オプティカルブラック画素領域ＯＢＲには光電変換部ＰＣが遮光されるように遮光体１３３を配置することは、固体撮像装置１００の構造の単純化に寄与する。
【００２０】
第１層１３５および第２層１３７は、無機材料で構成されることが好ましいが、有機材料で構成されてもよい。第１層１３５は、例えば、酸化シリコン又は酸窒化シリコンで構成されうる。第２層１３７は、例えば、酸窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウムおよび酸化チタンからなるグループから選択される材料のうち第１層１３５よりも高い屈折率を有する材料で構成されうる。
【００２１】
第１層１３５は、遮光体１３３が形成された半導体層１０１の第２面Ｆ２を覆うようにシリコン酸化膜を形成し、その上にシリコンを含む溶液を塗布し、これを加熱してシリコン酸化膜に変化させることによって形成されうる。その後、必要に応じて表面のシリコン酸化膜をエッチバックして該シリコン膜の上面の高さを調整してもよい。この例において、第２層１３７は、第１層１３５としてのシリコン酸化膜の上にシリコン窒化膜を堆積し、その表面をＣＭＰ等によって平坦化することによって形成されうる。なお、ここで述べた第１層１３５および第２層１３７の材料および形成方法は一例に過ぎず、これによって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
固体撮像装置１００がカラーフィルタ層１４１を有する場合、図３に例示されるように、遮光体１３３に設ける複数の開口ＯＰのそれぞれは、それに対応するカラーに応じた大きさを有するように決定されてもよい。図３において、Ｒ、Ｇ、Ｂは、ベイヤー配列における赤、緑、青のカラー（カラーフィルタ）が割り当てられていることを意味する。複数の開口ＯＰのそれぞれの大きさは、赤、緑、青の感度の比が目的とする比になるように決定されうる。同様に、複数のマイクロレンズ１５１のそれぞれは、それに対応するカラーに応じた大きさを有するように決定されてもよい。ここでは、緑の感度を高めるため、緑の開口の面積を赤と青に対応する開口の面積よりも大きくしているが、それらは、目的に応じて変更可能である。
【００２３】
半導体層ＳＬの第２面Ｆ２と遮光体１３３および第１層１３５との間には、反射防止膜として機能する層間絶縁層１３１が配置されうる。カラーフィルタ層１４１は、典型的には、第２層１３７の上に配置される。配線構造１２０は、例えば、転送ゲート１２１を含むゲート電極、配線パターン１２３、層間絶縁膜１２５、コンタクトプラグおよびヴィアプラグ（不図示）などを含みうる。
【００２４】
図４には、図１に示された固体撮像装置１００の変形例が示されている。変形例における固体撮像装置１００’では、第２層の上面ＵＦは、第２層１３７によって複数の両凸レンズが構成されるように複数の凸面領域を有する。第２層の上には、平坦化層１４３が配置される。平坦化層１４３の屈折率は、第２層１３７の屈折率よりも低い。
【００２５】
第２層１３７は、例えば、次のような方法で形成されうる。まず、シリコン酸化膜で形成された第１層１３５の上にシリコン窒化膜を形成する。次に、シリコン窒化膜の上にフォトレジスト膜を形成し、露光および現像工程により、各レンズ面Ｌの上に島状のフォトレジストパターンを形成する。次いで、該フォトレジストパターンに熱を加えることによって該フォトレジストパターンを半球状に成形する。次いで、半球状に成形されたフォトレジストパターンの形状がその下のシリコン窒化膜に転写されるように該フォトレジストパターンおよび該シリコン窒化膜をエッチングする。これによって、上面ＵＦに複数の凸面領域を有する第２層１３７が形成される。
【００２６】
以下、上記の実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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