(57)【要約】【課題】  性能の良い光電変換装置を提供する。【解決手段】  複数の光電変換層が層間絶縁層を介して積層されており、光電変換層間には、層間絶縁層および光電変換層に接する誘電体膜が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換部を有する第１光電変換層と、複数の光電変換部を有する第２光電変換層とが、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との間に配された絶縁層を介して積層された光電変換装置であって、
前記第２光電変換層と前記絶縁層との間には、前記第２光電変換層および前記絶縁層の双方に接する誘電体膜が設けられており、
前記誘電体膜は、前記第２光電変換層の屈折率と前記絶縁層の屈折率との間の屈折率を有する誘電体層を含むことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
複数の光電変換部を有する第１光電変換層と、複数の光電変換部を有する第２光電変換層とが、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との間に配された絶縁層を介して積層された光電変換装置であって、
前記第１光電変換層と前記絶縁層との間には、前記第１光電変換層および前記絶縁層の双方に接する誘電体膜が設けられており、
前記誘電体膜は、前記第１光電変換層の屈折率と前記絶縁層の屈折率との間の屈折率を有する誘電体層を含むことを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
前記第１光電変換層で光電変換される第１種光とは波長の異なる第２種光が、前記第１光電変換層を透過して前記第２光電変換層で光電変換され、前記誘電体膜の光学膜厚が、前記第２種光の波長の半分未満である、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１光電変換層で光電変換される第１種光とは波長の異なる第２種光が、前記第１光電変換層を透過して前記第２光電変換層で光電変換され、前記誘電体膜は、前記第１種光の波長における反射率よりも前記第２種光の波長における反射率が低い分光反射特性を有する、請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１光電変換層と前記誘電体膜との間には複数の配線層が設けられており、前記絶縁層は前記複数の配線層と前記誘電体膜の間に位置する、請求項１に記載の光電変換装置、または、
前記第２光電変換層と前記誘電体膜との間には、複数の配線層が設けられており、前記絶縁層は前記複数の配線層と前記誘電体膜の間に位置する、請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記誘電体膜は、前記第２光電変換層に接して前記第２光電変換層と前記誘電体層との間に位置する中間層を含み、前記中間層は前記誘電体層の屈折率とは異なる屈折率を有し、前記誘電体層よりも薄い、請求項１に記載の光電変換装置、または、
前記誘電体膜は、前記第１光電変換層に接して前記第１光電変換層と前記誘電体層との間に位置する中間層を含み、前記中間層は前記誘電体層の屈折率とは異なる屈折率を有し、前記誘電体層よりも薄い中間層を含む、請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第１光電変換層の前記第２光電変換層の側とは反対側には透光層が設けられており、前記第１光電変換層と前記透光層との間には、前記第１光電変換層および前記透光層の双方に接する絶縁体膜が設けられており、
前記絶縁体膜は、前記第１光電変換層の屈折率と前記透光層の屈折率の間の屈折率を有する絶縁体層を含み、前記絶縁体膜の光学膜厚が前記誘電体膜の光学膜厚と異なる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１光電変換層で光電変換される第１種光とは波長の異なる第２種光が、前記第１光電変換層を透過して前記第２光電変換層で光電変換され、前記絶縁体膜の光学膜厚が前記第１種光の波長の半分未満かつ前記第２種光の波長の半分未満である、請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第２種光の波長は前記第１種光の波長よりも長く、前記誘電体膜の光学膜厚が前記絶縁体膜の光学膜厚よりも大きい、請求項８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記第１光電変換層で光電変換される第１種光とは波長の異なる第２種光が、前記第１光電変換層を透過して前記第２光電変換層で光電変換され、前記誘電体膜は、前記絶縁体膜の前記第１種光の反射率よりも、前記第１種光の波長における反射率が高い分光反射特性を有する、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層はシリコン層であり、前記絶縁層は酸化シリコン層であり、前記誘電体層は窒化シリコン層である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
複数の光電変換部を有する第１光電変換層と、複数の光電変換部を有する第２光電変換層とが、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との間に配された絶縁膜を介して積層された光電変換装置であって、
前記第１光電変換層と前記絶縁膜との間および前記第２光電変換層と前記絶縁膜との間のそれぞれには、前記第１光電変換層を透過した光に対する反射防止膜が設けられていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項１３】
前記第１光電変換層は半導体層であって、前記第１光電変換層に半導体領域を有する半導体素子の電極が、前記第１光電変換層の前記第２光電変換層の側に位置している、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
前記第２光電変換層の前記第１光電変換層の側とは反対側に第３光電変換層が設けられており、前記第２光電変換層と前記第３光電変換層との距離が、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との距離よりも大きい、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
前記第２光電変換層の前記第１光電変換層の側とは反対側に第３光電変換層が設けられており、前記第２光電変換層および前記第３光電変換層は半導体層であって、前記第２光電変換層に半導体領域を有する半導体素子の電極が前記第２光電変換層の前記第３光電変換層の側に位置し、前記第３光電変換層に半導体領域を有する半導体素子の電極が、前記第３光電変換層の前記第２光電変換層の側に位置している、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光電変換層を有する光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換層の分光特性を利用した光電変換装置として、特許文献１には複数段に積層された半導体チップごとに色分離を行う固体撮像装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３５７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術では、第２半導体チップで光電変換されるべく第１半導体チップを透過した緑色の光が、第１半導体チップと第２半導体チップとの間の光反射面で反射して、第１半導体チップに再入射する可能性がある。そのため、緑色の光の光電変換により生じた信号電荷が第１半導体チップで青色の信号として信号処理されてしまい、画質の低下が生じる。このように従来の技術では、適切な光電変換層で適切な波長の光を光電変換することに関して検討が十分でなく、良好な性能が得られない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための手段の第１の観点は、複数の光電変換部を有する第１光電変換層と、複数の光電変換部を有する第２光電変換層とが、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との間に配された絶縁層を介して積層された光電変換装置であって、前記第２光電変換層と前記絶縁層との間には、前記第２光電変換層および前記絶縁層の双方に接する誘電体膜が設けられており、前記誘電体膜は、前記第２光電変換層の屈折率と前記絶縁層の屈折率との間の屈折率を有する誘電体層を含むことを特徴とする。
【０００６】
上記課題を解決するための手段の第２の観点は、複数の光電変換部を有する第１光電変換層と、複数の光電変換部を有する第２光電変換層とが、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との間に配された絶縁層を介して積層された光電変換装置であって、前記第１光電変換層と前記絶縁層との間には、前記第１光電変換層および前記絶縁層の双方に接する誘電体膜が設けられており、前記誘電体膜は、前記第１光電変換層の屈折率と前記絶縁層の屈折率との間の屈折率を有する誘電体層を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記課題を解決するための手段の第３の観点は、複数の光電変換部を有する第１光電変換層と、複数の光電変換部を有する第２光電変換層とが、前記第１光電変換層と前記第２光電変換層との間に配された絶縁膜を介して積層された光電変換装置であって、前記第１光電変換層と前記絶縁膜との間および前記第２光電変換層と前記絶縁膜との間のそれぞれには、前記第１光電変換層を透過した光に対する反射防止膜が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、性能の良い光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光電変換装置の一例の断面模式図。
【図２】光電変換装置の一例の断面拡大模式図。
【図３】分光反射特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明においては、複数の図面を相互に参照する。また、同一か類似の構成については共通の符号を付しており、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
【００１１】
図１は本実施形態における光電変換装置１の一例の断面模式図である。
【００１２】
光電変換装置１は第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２および第３光電変換層１０３を備える。ここでは３層の光電変換層を備える例を示しているが、光電変換層は２層以上であればよい。各光電変換層には光電変換部が行列状に配列されている。本例の光電変換部は、半導体層に形成されたフォトダイオードやフォトゲートなどの光電変換素子の少なくとも一部である。本例の光電変換素子であるフォトダイオードは、信号電荷が多数キャリアとなる第１導電型の第１半導体領域と、信号電荷が少数キャリアとなる第２導電型の第２半導体領域とからなる光電変換部を含む。第１半導体領域が信号電荷の蓄積部（電荷蓄積部）となる。第１光電変換層１０１には第１光電変換部１０１０が、第２光電変換層１０２には第２光電変換部１０２０が、第３光電変換層１０３には第３光電変換部１０３０がそれぞれ配列されている。
【００１３】
光電変換層の材料は、無機材料であっても有機材料であってもよい。無機材料としては例えば単結晶または多結晶の半導体材料であり、ＳｉやＧｅなどの元素半導体やＧａＡｓやＺｎＯなどの化合物半導体が用いられる。光電変換層毎にその構成材料が異なっていてもよい。
【００１４】
第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２および第３光電変換層１０３は、それぞれが絶縁体からなる層間絶縁層を介して積層されている。層間絶縁層により、各光電変換層に生じた電荷の混合が低減される。本例の層間絶縁層は固体層であるが、液体層または気体層であってもよい。層間絶縁膜は、１層の層間絶縁層のみを含む単層膜でもよく、複数の層間絶縁層を含む多層膜であってもよい。本例では、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間には第１層間絶縁膜１１１が設けられている。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間には、第２光電変換層１０２側の第２層間絶縁膜１１２と、第３光電変換層１０３側の第３層間絶縁膜１１３が設けられている。本例では、第１層間絶縁膜１１１、第２層間絶縁膜１１２および第３層間絶縁膜１１３はそれぞれ複数の層間絶縁層を含む多層膜である。
【００１５】
光電変換装置１には、第１光電変換層１０１の、第２光電変換層１０２の側とは反対側から、光電変換されるべき光が入射する。光電変換されるべき光として、互いに波長が異なる第１種光、第２種光および第３種光が入射する。第１種光の波長をλ１、第２種光の波長をλ２、第３種光の波長をλ３とする。第１種光は第１光電変換層１０１で光電変換され、第２種光は第２光電変換層１０２で光電変換され、第３種光は第３光電変換層１０３で光電変換される。ただし、第１光電変換層１０１では、第１種光以外の第２種光や第３種光も光電変換されうる。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３についても同様である。第１種光と第２種光と第３種光は、第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２、第３光電変換層１０３における吸光係数が異なる。第１種光の大部分は第１光電変換層１０１で吸収され、第２種光と第３種光の大部分は、第１光電変換層１０１を透過する。第２種光の大部分は第２光電変換層１０２で吸収され、第３種光の大部分は、第２光電変換層１０２を透過する。光電変換層がシリコン層である場合、可視光領域においては短波長ほど吸光係数が高くなる。そのため、第１種光、第２種光、第３種光の順で波長が長くなりうる（λ１＜λ２＜λ３）。本例では第１種光は青色光であり、第２種光は緑色光であり、第３種光は赤色光である。光電変換装置１で光電変換される光は、可視光に限ったものではなく、紫外光や赤外光であってもよい。
【００１６】
各光電変換層の厚みは、各光電変換層で主に光電変換される光の波長に応じて設定される。本例では、第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２および第３光電変換層１０３がそれぞれシリコン層である。第１光電変換層１０１としてのシリコン層の厚みは、緑色光と赤色光を透過させて青色光を効率的に吸収できるように０．４μｍ以上０．８μｍ以下である。第２光電変換層１０２としてのシリコン層の厚みは、赤色光を透過させて緑色光を効率的に吸収できるように１．２μｍ以上２．０μｍ以下である。第３光電変換層１０３としてのシリコン層の厚みは、赤色光を効率的に吸収できるように３．０μｍ以上である。なお、本例では、第３光電変換層１０３が光電変換装置１の主たる支持体として兼用しているので、第３光電変換層１０３の厚みは１００μｍ以上、例えば７００μｍ以上８００μｍ以下である。光電変換層に上記した厚みのシリコン層を採用することで、第１光電変換層１０１では主に４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の波長帯域の光（青色光）が光電変換される。第２光電変換層１０２では主に５００ｎｍ以上６００ｎｍ未満の波長帯域の光（緑色光）が光電変換される。第３光電変換層１０３では主に６００ｎｍ以上７００ｎｍ未満の波長帯域の光（赤色光）が光電変換される。本例では、便宜的に第１種光の波長λ１を４５０ｎｍ、第２種光の波長λ２を５５０ｎｍ、第３種光の波長λ３を６５０ｎｍと設定している。
【００１７】
このように、光電変換装置１では光電変換層自体の分光透過特性により色分離を行うことができる。受光面に対して垂直方向に色分離を行うことができるため、解像度を向上することができる。また、カラーフィルタを設けなくても色分離ができるため、光利用効率が向上する。ただし、色純度を高めたりする上や、特定の波長を選択する目的で、光電変換層間や受光面上に原色系（ＲＧＢ）あるいは補色系（ＣＭＹ）のカラーフィルタを用いてもよい。例えば、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間には、第１種光を吸収し、第２種光および第３種光を透過するカラーフィルタを設けることができる。また、例えば、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間には、第１種光と第２種光を吸収し、第３種光を透過するカラーフィルタを設けることができる。
【００１８】
光電変換装置１には、第１光電変換層１０１の、第２光電変換層１０２の側とは反対側、つまり光が入射する側にはマイクロレンズアレイ１２０が形成されている。光電変換装置１では１つのマイクロレンズには、複数の光電変換層に渡って配された複数の光電変換部が対応する。本例では、３つの光電変換部１０１０、１０２０、１０３０が対応することになる。マイクロレンズアレイ１２０と第１光電変換層１０１との間には透光膜１２１が設けられている。透光膜１２１は第１種光と第２種光と第３種光の少なくともいずれか２種類を透過する光透過特性を有しうる。本例の透光膜１２１は１層の透光層からなる単層膜であるが、多層膜であってもよい。透光膜１２１がカラーフィルタ層を有していてもよい。本例の透光膜１２１は第１種光、第２種光および第３種光を透過する光透過特性を有する。
【００１９】
図１に示すように、透光膜１２１と第１光電変換層１０１との間には絶縁体膜１３０が設けられている。絶縁体膜１３０は絶縁体層を含む単層膜または多層膜である。絶縁体膜１３０は、その一方の面（上面）で透光膜１２１の透光層と接し、その他方の面（下面）で第１光電変換層１０１に接する。
【００２０】
図２（ａ）は絶縁体膜１３０を拡大した断面拡大模式図である。図２（ａ）に示した例では、絶縁体膜１３０は透光膜１２１の透光層１２１１に接している。絶縁体膜１３０は絶縁体層１３０１を有する。この絶縁体層１３０１の屈折率は第１光電変換層１０１の屈折率および透光層１２１１の屈折率と異なる。本例の絶縁体層１３０１は、第１光電変換層１０１の屈折率と透光層１２１１の屈折率の間の屈折率を有するが、第１光電変換層１０１の屈折率と透光層１２１１の屈折率の双方よりも高くてもよいし、双方よりも低くてもよい。また、絶縁体膜１３０は絶縁体層１３０１と第１光電変換層１０１との間に絶縁体層である中間層１３０２を有する。中間層１３０２の屈折率は絶縁体層１３０１の屈折率と異なっており、本例では中間層１３０２の屈折率が絶縁体層１３０１の屈折率よりも低い。ここでは、絶縁体層１３０１が透光膜１２１と接し、中間層１３０２が第１光電変換層１０１に接し、絶縁体層１３０１と中間層１３０２とが互いに接する例を挙げた。しかし、絶縁体膜１３０はこの構成に限定されることなく、さらに絶縁体層を追加することができるし、中間層１３０２を設けずに絶縁体層１３０１のみの単層膜としてもよい。
【００２１】
図１に示すように、第１光電変換層１０１と第１層間絶縁膜１１１との間には第１誘電体膜１３１が設けられている。第１誘電体膜１３１は誘電体層を含む単層膜または多層膜である。第１誘電体膜１３１はその一方の面（上面）で第１光電変換層１０１に接し、その他方の面（下面）で第１層間絶縁膜１１１の層間絶縁層に接する。
【００２２】
図２（ｂ）は第１誘電体膜１３１を拡大した断面拡大模式図である。図２（ｂ）に示した例では、第１誘電体膜１３１は第１層間絶縁膜１１１の層間絶縁層１１１１に接している。第１誘電体膜１３１は誘電体層１３１１を有する。この誘電体層１３１１の屈折率は、第１光電変換層１０１の屈折率および層間絶縁層１１１１の屈折率と異なっており、第１光電変換層１０１と第１層間絶縁膜１１１との間には複数の光反射面が存在する。本例の誘電体層１３１１は、第１光電変換層１０１の屈折率と層間絶縁層１１１１の屈折率の間の屈折率を有するが、第１光電変換層１０１の屈折率と層間絶縁層１１１１の屈折率の双方よりも高くてもよいし、双方よりも低くてもよい。また、第１誘電体膜１３１は誘電体層１３１１と第１光電変換層１０１との間に誘電体層である中間層１３１２を有する。中間層１３１２の屈折率は誘電体層１３１１の屈折率と異なっており、本例では中間層１３１２の屈折率は誘電体層１３１１の屈折率よりも低い。ここでは、誘電体層１３１１が第１層間絶縁膜１１１と接し、中間層１３１２が第１光電変換層１０１に接し、誘電体層１３１１と中間層１３１２とが互いに接する例を挙げた。上述した複数の光反射面は、誘電体層１３１１と層間絶縁層１１１１との界面、中間層１３１２と第１光電変換層１０１との界面、誘電体層１３１１と中間層１３１２との３つの界面を含む。第１誘電体膜１３１はこの構成に限定されることなく、さらに多くの誘電体層を含んでいてもよく、中間層１３１２を設けずに誘電体層１３１１のみの単層膜としてもよい。
【００２３】
図１に示すように、第１層間絶縁膜１１１と第２光電変換層１０２との間には第２誘電体膜１３２が設けられている。第２誘電体膜１３２は誘電体層を含む単層膜または多層膜である。第２誘電体膜１３２はその一方の面（上面）で第１層間絶縁膜１１１の層間絶縁層に接し、その他方の面（下面）で第２光電変換層１０２に接する。
【００２４】
図２（ｃ）は第２誘電体膜１３２を拡大した断面拡大模式図である。図２（ｃ）に示した例では、第２誘電体膜１３２は第１層間絶縁膜１１１の層間絶縁層１１１２に接している。第２誘電体膜１３２は誘電体層１３２１を有する。この誘電体層１３２１の屈折率は、第２光電変換層１０２の屈折率および層間絶縁層１１１２の屈折率と異なっており、第１層間絶縁膜１１１と第２光電変換層１０２との間には複数の光反射面が存在する。本例の誘電体層１３２１は、第２光電変換層１０２の屈折率と層間絶縁層１１１２の屈折率の間の屈折率を有するが、第２光電変換層１０２の屈折率と層間絶縁層１１１２の屈折率の双方よりも高くてもよいし、双方よりも低くてもよい。また、第２誘電体膜１３２は誘電体層１３２１と第２光電変換層１０２との間に誘電体層である中間層１３２２を有する。中間層１３２２の屈折率は誘電体層１３２１の屈折率と異なっており、本例では中間層１３２２の屈折率は誘電体層１３２１の屈折率よりも低い。ここでは、誘電体層１３２１が第１層間絶縁膜１１１と接し、中間層１３２２が第２光電変換層１０２に接し、誘電体層１３２１と中間層１３２２とが互いに接する例を挙げた。上述した複数の光反射面は、誘電体層１３２１と層間絶縁層１１１２との界面、中間層１３２２と第２光電変換層１０２との界面、誘電体層１３２１と中間層１３２２との３つの界面を含む。しかし、第２誘電体膜１３２は、この構成に限定されることなく、さらに誘電体層を追加することもできるし、中間層１３１２を設けずに誘電体層１３１１のみの単層膜としてもよい。
【００２５】
図１に示すように、第２光電変換層１０２と第２層間絶縁膜１１２との間には第３誘電体膜１３３が設けられている。第３誘電体膜１３３は誘電体層を含む単層膜または多層膜である。第３誘電体膜１３３はその一方の面（上面）で第２光電変換層１０２に接し、その他方の面（下面）で第２層間絶縁膜１１２の層間絶縁層に接する。
【００２６】
図２（ｄ）は第３誘電体膜１３３を拡大した断面拡大模式図である。図２（ｄ）に示した例では、第３誘電体膜１３３は第２層間絶縁膜１１２の層間絶縁層１１２１に接している。第３誘電体膜１３３は誘電体層１３３１を有する。この誘電体層１３３１の屈折率は、第２光電変換層１０２の屈折率および層間絶縁層１１１２の屈折率と異なる。本例の誘電体層１３３１は、第２光電変換層１０２の屈折率と層間絶縁層１１１２の屈折率の間の屈折率を有するが、第２光電変換層１０２の屈折率と層間絶縁層１１１２の屈折率の双方よりも高くてもよいし、双方よりも低くてもよい。また、第３誘電体膜１３３は誘電体層１３３１と第２光電変換層１０２との間に誘電体層である中間層１３３２を有する。中間層１３３２の屈折率は誘電体層１３３１の屈折率と異なっており、本例では中間層１３３２の屈折率は誘電体層１３３１の屈折率よりも低い。ここでは、誘電体層１３３１が第２層間絶縁膜１１２と接し、中間層１３３２が第２光電変換層１０２に接し、誘電体層１３３１と中間層１３３２とが互いに接する例を挙げた。しかし、この構成に限定されることなく、さらに誘電体層を追加することもできるし、第３誘電体膜１３３は中間層１３２２を設けずに誘電体層１３２１のみの単層膜としてもよい。
【００２７】
第３層間絶縁膜１１３と第３光電変換層１０３との間には第４誘電体膜１３４が設けられている。第４誘電体膜１３４は誘電体層を含む単層膜または多層膜である。第４誘電体膜１３４はその一方の面（上面）で第３層間絶縁膜１１３の層間絶縁層に接し、その他方の面（下面）で第３光電変換層１０３に接する。第４誘電体膜１３４も第１誘電体膜１３１、第２誘電体膜１３２および第３誘電体膜１３３と同様の構造を有することができる。
【００２８】
第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間の層間絶縁膜が１つ（第１層間絶縁膜１１１）である。これに対し、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間の層間絶縁膜は、２つ（第２層間絶縁膜１１２と第３層間絶縁膜１１３）である。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との距離は、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との距離よりも大きくなっている。第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との距離は例えば０．５μｍ以上である。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との距離は例えば１．０μｍ以上である。また、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２の間の膜の合計の光学膜厚は第２種光および第３種光の少なくも一方の波長より大きいことが好ましく、２倍以上大きいことがより好ましい。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間の膜の合計の光学膜厚は第３種光の波長より大きいことが好ましく２倍以上大きいことがより好ましい。光電変換層間の膜の光学膜厚を十分に大きくすることで、光電変換層間での光の多重反射を抑制できる。
【００２９】
本例では、各光電変換層に配された複数の光電変換部の各々に対応する部分を有する、連続膜としての誘電体膜を設けているが、複数の光電変換部毎に独立したパターンを有する複数の誘電体膜を設けてもよい。
【００３０】
層間絶縁層、誘電体層、絶縁体層、透光層の材料は、無機材料であっても有機材料であってもよい。例えば酸化シリコンや窒化シリコン、炭化シリコンなどのシリコン化合物、酸化ハフニウムや酸化チタンなどの金属酸化物、樹脂である。なお、酸化シリコンはリン、ホウ素およびフッ素のなどの不純物を含有するケイ酸塩ガラスを包含する。また、窒化シリコンは酸素を含有する酸窒化シリコンを包含する。
【００３１】
例えば層間絶縁層や透光層、中間層の屈折率は１．６未満であり、誘電体層や絶縁体層の屈折率は１．６以上２．５以下であり、光電変換層の屈折率は３．０以上である。本例において、光電変換層１０１、１０２、１０３はそれぞれの屈折率が４．０６のシリコン層である。透光層１２１１と層間絶縁層１１１１、１１１２、１１２１と中間層１３０２、１３１２、１３２２、１３３２はそれぞれの屈折率が１．４６である酸化シリコン層である。また、絶縁体層１３０１、誘電体層１３１１、１３２１、１３３１はそれぞれの屈折率が２．０３である窒化シリコン層である。
【００３２】
本例では、絶縁体層１３０１の厚みは５０ｎｍである。誘電体層１３１１、１３２１の厚みはそれぞれ６０ｎｍである。誘電体層１３３１の厚みは７０ｎｍである。中間層１３０２、１３１２、１３２２、１３３２の厚みはそれぞれ１０ｎｍである。中間層としての酸化シリコン層は同じ膜内の窒化シリコン層よりも薄い。なお、第４誘電体膜１３４も７０ｎｍの厚みを有する誘電体層としての窒化シリコン層と、１０ｎｍの厚みを有する中間層としての酸化シリコン層とを含む多層膜である。絶縁体膜１３０の物理膜厚は６０ｎｍ、誘電体膜１３１、１３２の物理膜厚は７０ｎｍ、誘電体膜１３３、１３４の物理膜厚は８０ｎｍである。
【００３３】
絶縁体膜１３０、第１誘電体膜１３１、第２誘電体膜１３２、第３誘電体膜１３３および第４誘電体膜１３４は、それぞれが反射防止膜として機能する。絶縁体膜１３０は第１種光、第２種光および第３種光に対する第１反射防止膜として機能する。第１誘電体膜１３１および第２誘電体膜１３２は第２種光および第３種光に対する第２反射防止膜として機能する。第３誘電体膜１３３および第４誘電体膜１３４は第３種光に対する第３反射防止膜として機能する。以下、各膜の反射防止機能について詳細に説明する。
【００３４】
縁体膜１３０の分光反射特性の一例を図３（ａ）に、第１誘電体膜１３１および第２誘電体膜１３２の分光反射特性の一例を図３（ｂ）に、第３誘電体膜１３３および第４誘電体膜１３４の分光反射特性の一例を図３（ｃ）に、それぞれ示す。本例では、第１誘電体膜１３１と第２誘電体膜１３２、第３誘電体膜１３３と第４誘電体膜１３４は、それぞれ同じ分光反射特性を有している。各分光反射特性で示している反射率は、反射防止膜を透過する、層間絶縁膜から光電変換層への光あるいは層間絶縁膜から光電変換層への光の透過率を１００％から引いたものである。反射防止膜における光の吸収は考慮していない。便宜的に、この反射率を、反射防止膜の反射率と定義し、その波長依存性を分光反射特性とする。なお、本例において誘電体膜や絶縁体膜が存在せずに透光膜や層間絶縁膜と光電変換層とが接している場合における、透光膜や層間絶縁膜と光電変換層の界面での反射率は、分散を考慮しなければ、波長によらず２２．４％である。
【００３５】
図３（ａ）に示した絶縁体膜１３０の分光反射特性の一例では、第１種光と第２種光と第３種光の各波長における反射率は１０％未満である。このように絶縁体膜１３０は、透光膜１２１から第１光電変換層１０１への第１種光と第２種光と第３種光の透過率を、透光膜１２１と第１光電変換層１０１とが接する場合に比べて、高めることができる。そのため、第１光電変換層１０１に入射する光が増加し、感度が向上する。
【００３６】
図３（ｂ）に示した第１誘電体膜１３１の分光反射特性の一例では、第２種光と第３種光の各波長における反射率は１０％未満である。このように第１誘電体膜１３１は、第１光電変換層１０１から第１層間絶縁膜１１１への第２種光および第３種光の少なくとも一方の透過率を、第１光電変換層１０１と第１層間絶縁膜１１１とが接する場合に比べて、高めることができる。これにより、第２種光および第３種光の反射光が第１光電変換層１０１で光電変換されることを低減し、第１光電変換層１０１における第１種光と第２種光および第３種光の少なくとも一方との混合を低減することができる。第１誘電体膜１３１の分光反射特性は、第１種光の波長における反射率よりも、第２種光および第３種光の少なくとも一方の波長における反射率が低くなることが好ましい。このように第１種光を第１誘電体膜１３１で反射させることで、第１種光に対する第１光電変換層１０１での感度を向上できる。また、第１種光の第２光電変換層１０２への入射や、第１種光が迷光となることを低減できる。第１誘電体膜１３１の第１種光に対する反射率は本例のように５０％未満であってもよい。
【００３７】
図３（ｂ）に示した第２誘電体膜１３２の分光反射特性の一例では、第２種光と第３種光の各波長における反射率は１０％未満である。このように第２誘電体膜１３２は、第１層間絶縁膜１１１から第２光電変換層１０２への第２種光および第３種光の少なくとも一方の透過率を、第２誘電体膜１３２が存在しない場合に比べて、高めることができる。これにより、第２種光および第３種光が第１光電変換層１０１で光電変換されることを低減し、第１光電変換層１０１における第１種光と第２種光の混合を低減することができる。第２誘電体膜１３２の分光反射特性は、第１種光の波長における反射率よりも、第２種光および第３種光の少なくとも一方の波長における反射率が低くなることが好ましい。このように第２誘電体膜１３２で反射される第１種光を増加させることで、第１種光に対する第１光電変換層１０１での感度を向上できる。第２誘電体膜１３２の第１種光に対する反射率は本例のように５０％未満であってもよい。
【００３８】
図３（ｃ）に示した第３誘電体膜１３３の分光反射特性の一例では、第３種光の波長における反射率は１０％未満である。このように第３誘電体膜１３３は、第２光電変換層１０２から第２層間絶縁膜１１２への第３種光の透過率を、第２光電変換層１０２と第２層間絶縁膜１１２とが接する場合に比べて、高めることができる。これにより、第３種光が第２光電変換層１０２で光電変換されることを低減し第２光電変換層１０２における第２種光と第３種光の混合を低減することができる。第３誘電体膜１３３の分光反射特性は、第１種光および第２種光の少なくとも一方の反射率よりも、第３種光の波長における反射率が低くなることが好ましい。このように第３誘電体膜１３３で反射される第２種光を増加させることで、第２種光に対する第２光電変換層１０２での感度を向上できる。また、第２種光の第３光電変換層１０３への入射や、第２種光の迷光化を低減できる。第３誘電体膜１３３の第２種光に対する反射率は本例のように５０％未満であってもよい。
【００３９】
図３（ｃ）で示した第４誘電体膜１３４の分光反射特性の一例では、第３種光の波長における反射率は１０％未満である。このように第４誘電体膜１３４は、第３層間絶縁膜１１３から第３光電変換層１０３への第３種光の透過率を、第３層間絶縁膜１１３と第３光電変換層１０３が接する場合に比べて、高めることができる。これにより、第３種光が第２光電変換層１０２で光電変換されることを低減し、第２光電変換層１０２における第１種光と第２種光の混合を低減することができる。第４誘電体膜１３４の分光反射特性は、第１種光および第２種光の少なくとも一方の反射率よりも、第３種光の反射率が低くなることが好ましい。このように第４誘電体膜１３４で反射される第２種光を増加させることで、第２種光に対する第２光電変換層１０２での感度を向上できる。第４誘電体膜１３４の第２種光に対する反射率は本例のように５０％未満であってもよい。
【００４０】
１つの光電変換層に複数の光電変換部が配列されている形態では、各光電変換層の複数の光電変換部間での不適切な光電変換も問題となる。これは斜入射光に対して顕著である。例えば第１光電変換層１０１の第１光電変換部を透過した第２種光の斜入斜光が、この第１光電変換層１０１の第１光電変換部と対応関係にある、第２光電変換層１０２の第１光電変換部で光電変換されるとする。この時、第２光電変換層１０２で反射が生じると、この第２種光の反射光が、第１光電変換層１０１の第１光電変換部とは別の、第１光電変換層１０１の第２光電変換部で光電変換される場合がある。本実施形態によれば、このような不適切な光電変換を抑制できる。
【００４１】
光電変換装置１の面内においては、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間隔が必ずしも一定ではなく、ある程度のばらつきがある場合がある。このばらつきは第２種光や第３種光の多重反射によるムラを生じる可能性がある。しかし、第１誘電体膜１３１と第２誘電体膜１３２の両方を設けることで、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間における光の多重反射によるムラを抑制できる。同様に、第３誘電体膜１３３と第４誘電体膜１３４の両方を設けることで、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間における第３種光の多重反射によるムラを抑制できる。
【００４２】
第１誘電体膜１３１と第２誘電体膜１３２の分光反射特性は異なっていてもよい。例えば第１誘電体膜１３１の分光反射特性は、第１種光の波長における反射率が第２誘電体膜１３２における第１種光の波長における反射率よりも高くすることができる。これにより、第１誘電体膜１３１を透過した第１種光が第１層間絶縁膜１１１内で迷光となり、ほかのマイクロレンズに対応する光電変換部に入射することを低減できる。
【００４３】
第３誘電体膜１３３と第４誘電体膜１３４の分光反射特性は異なっていてもよい。例えば第３誘電体膜１３３の分光反射特性は、第２種光の波長における反射率が、第４誘電体膜１３４の分光反射特性における第２種光の波長における反射率よりも高くすることができる。これにより、第３誘電体膜１３３を透過した第２種光が第２層間絶縁膜１１２内や第３層間絶縁膜１１３内で迷光となってほかのマイクロレンズに対応する光電変換部に入射することを低減できる。
【００４４】
より適切な反射防止機能は、反射防止膜を構成する層（絶縁体層または誘電体層）の屈折率や厚みを、反射率を低めたい光の波長に合わせて適切に設定することで実現可能である。例えば、反射防止膜における光反射面となりうる界面の入射側媒質と反射側媒質の屈折率差が小さくなるように、反射防止膜の層が配される。特に、反射防止膜を構成する、層間絶縁層や透光層の屈折率と光電変換層の屈折率との間の屈折率を有する誘電体層や絶縁体層は、入射側媒質と反射側媒質の屈折率差を小さくするうえで有用である。
【００４５】
また、複数の光反射面での反射光の干渉条件に基づき、反射光を弱めるように複数の光反射面を配置することで、反射光を弱めることができる。ここでいう反射光は、反射防止膜内での界面における反射光や、反射防止膜と層間絶縁膜との界面における反射光、反射防止膜と光電変換層との界面における反射光である。この反射光の干渉条件に基づき、光電変換層と透光膜の間の光反射面で生じる反射光を低減することができる。とりわけ、反射防止膜の光学膜厚が重要である。層数がｍである膜の光学膜厚Ｔは、ｋ番目の層の屈折率をｎｋ、厚みをｄｋとして
【００４６】
【数１】
2014130890.tif 000003
【００４７】
で表される。なお、各反射防止膜の光学膜厚と波長の関係において、光学膜厚を算出する際には反射防止膜の分散（屈折率の波長依存性）も考慮すること望ましい。
【００４８】
絶縁体膜１３０の光学膜厚Ｔ０はλ１／２未満であることが好ましく、λ１／８以上３λ１／８以下であることがより好ましい。光学膜厚Ｔ０はλ２／２未満であることが好ましく、λ２／８以上３λ２／８以下であることがより好ましい。光学膜厚Ｔ０はλ３／２未満であることが好ましく、λ３／８以上３λ３／８以下であることがより好ましい。
【００４９】
第１誘電体膜１３１の光学膜厚Ｔ１と第２誘電体膜１３２の光学膜厚Ｔ２はλ２／２未満であることが好ましく、λ２／８以上３λ２／８以下であることがより好ましい。光学膜厚Ｔ１、Ｔ２はλ３／２未満であることが好ましく、λ３／８以上３λ３／８以下であることがより好ましい。光学膜厚Ｔ１と光学膜厚Ｔ２は同じであってもよいが、上述したように迷光を低減する上では、異なっていることが好ましい。
【００５０】
なお、５λ１／８≦Ｔ０≦７λ１／８、５λ２／８≦Ｔ１≦７λ２／８、５λ３／８≦Ｔ２≦７λ３／８、５λ３／８≦Ｔ３≦７λ３／８、５λ３／８≦Ｔ４≦７λ３／８のいずれかを満たしていることも好ましい。
【００５１】
第３誘電体膜１３３の光学膜厚Ｔ３と第４誘電体膜１３４の光学膜厚Ｔ４はλ３／２よりも小さいことが好ましく、λ３／８以上３λ３／８以下であることがより好ましい。光学膜厚Ｔ３光学膜厚Ｔ４は同じであってもよいが、上述したように迷光を低減する上では、異なっていることが好ましい。
【００５２】
このように、各誘電体膜の光学膜厚は反射防止の対象となる光の波長の半分未満でありうる。誘電体膜各々の誘電体層として用いられる窒化シリコン層の厚みは、反射防止の対象となる波長の半分を、窒化シリコン層の屈折率（２．０３）で割った値未満とすることができる。具体的には、絶縁体層１３０１で１１１ｎｍ未満、誘電体層１３１１、１３２１で１３８ｎｍ未満、誘電体層１３１１で１６０ｎｍ未満である。
【００５３】
本例の絶縁体膜１３０の光学膜厚Ｔ０は１１６ｎｍ、誘電体膜１３１、１３２の光学膜厚Ｔ１、Ｔ２は１３６ｎｍ、誘電体膜１３３、１３４の光学膜厚Ｔ３、Ｔ４は１５７ｎｍである。λ１＝４５０ｎｍとすれば、λ１／８＝５６ｎｍ、３λ１／８＝１６９ｎｍ、λ１／２＝２２５ｎｍである。λ２＝５５０ｎｍとすればλ２／８＝６９ｎｍ、３λ２／８＝２０６ｎｍ、λ２／２＝２７５ｎｍである。λ３＝６５０ｎｍとすれば、λ３／８＝８１ｎｍ、３λ３／８＝２４４ｎｍ、λ３／２＝３２５ｎｍである。しがたって、λ１／８≦Ｔ０≦３λ１／８、λ２／８≦Ｔ１≦３λ２／８、λ３／８≦Ｔ２≦３λ３／８、λ３／８≦Ｔ３≦３λ３／８、λ３／８≦Ｔ４≦３λ３／８がそれぞれ満たされている。ここまでに説明あるいは図示された各層の屈折率や厚みの大小関係や、図３（ａ）〜（ｃ）のような分光反射特性の関係を有する構造を採用することで、適切な光電変換層で適切な波長の光を光電変換できる。
【００５４】
ここでは、光の干渉を用いて反射防止機能を得る例を示したがこれに限定されることはない。例えば、媒質の界面に、光の波長より小さい周期で微細な凹凸を形成した誘電体層を用いて、実質的に屈折率が連続的に変化する構造（モスアイ構造）を用いることによっても反射防止機能を得ることができる。また、多数の誘電体層をそれらの屈折率が徐々に減少するように積層させて、実質的に屈折率が連続的に変化する構造を用いることによっても反射防止機能を得ることもできる。
【００５５】
以下、光電変換装置１の他の構成について説明する。第１層間絶縁膜１１１の内部には第１配線１４１が設けられている。第１配線１４１は、複数の配線層（本例では３層）からなる多層配線である。第１層間絶縁膜１１１の各層間絶縁層は、光電変換層間の絶縁に加えて、配線層間の絶縁も果たしている。図２（ｂ）に示した、第１層間絶縁膜１１１の層間絶縁層１１１１は、第１配線１４１を構成する複数の配線層と第１誘電体膜１３１との間に位置する。図２（ｃ）に示した、第１層間絶縁膜１１１の層間絶縁層１１１２は、第１配線１４１を構成する複数の配線層と第２誘電体膜１３２との間に位置する。層間絶縁層１１１１と層間絶縁層１１１２との間にも複数の層間絶縁層が設けられており、これらが複数の配線層同士の間に位置している。第１配線１４１は、半導体層である第１光電変換層１０１にソース・ドレイン領域やチャネル領域などの半導体領域を有するトランジスタなどの半導体素子に接続されている。半導体素子は電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。図１にはトランジスタのゲート電極１５１を示している。ゲート電極１５１は第１光電変換層１０１と第１層間絶縁膜との間に位置している。ゲート電極１５１は第１誘電体膜１３１の少なくとも一部の誘電体層で覆われていてもよい。つまり、第１誘電体膜１３１の少なくとも一部の誘電体層と第１光電変換層１０１との間にゲート電極１５１が位置していてもよい。また、第１誘電体膜１３１の少なくとも一部の誘電体層が、ゲート電極１５１と第１光電変換層１０１との間に位置してもよい。つまり、トランジスタのゲート絶縁層が第１誘電体膜１３１の少なくとも一部であってもよい。
【００５６】
第２層間絶縁膜１１２の内部には第２配線１４２が設けられている。第２配線１４２も多層配線でありうる。第２配線１４２は、第２光電変換層１０２に半導体領域を有する半導体素子に接続されている。図１には半導体素子としてのトランジスタのゲート電極１５２を示している。ゲート電極１５２は第２光電変換層１０２と第２層間絶縁膜１１２との間に位置している。つまり、ゲート電極１５２は第２光電変換層１０２の第３光電変換層１０３側（第１光電変換層１０１側とは反対側）に位置している。ゲート電極１５２と第３誘電体膜１３３との位置関係はゲート電極１５１と同様である。
【００５７】
第３層間絶縁膜１１３の内部には第３配線１４３が設けられている。第３配線１４３も多層配線でありうる。第３配線１４３は、第３光電変換層１０３に半導体領域を有する半導体素子に接続されている。図１には半導体素子としてのトランジスタのゲート電極１５３を示している。ゲート電極１５３は第３光電変換層１０３と第３層間絶縁膜１１３の間に位置している。つまり、ゲート電極１５３は第３光電変換層１０３の第２光電変換層１０２側に位置している。ゲート電極１５３と第４誘電体膜１３４との位置関係はゲート電極１５１と同様である。このように、ゲート電極１５１とゲート電極１５２は、それぞれが対応する光電変換層の、光の入射側とは反対側に配置されている。これにより、例えば、第１光電変換層１０１を透過した第２種光が、第２光電変換層１０２のゲート電極１５２で散乱されて、第１光電変換層１０１の複数の光電変換部へ入射して光電変換されることを低減できる。本例では、ゲート電極１５２とゲート電極１５３は第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間に位置している。しかしゲート電極１５１、１５２と同様に、ゲート電極１５３を第３光電変換層１０３の第２光電変換層１０２側とは反対側に配置することもできる。
【００５８】
ゲート電極１５１、１５２、１５３を有するトランジスタとしては、対応する光電変換部の信号電荷を転送する転送トランジスタや、信号電荷から電気信号を生成する増幅トランジスタでありうる。そのほか、信号電荷をリセットするリセットトランジスタや、増幅トランジスタの出力を制御する選択トランジスタであってもよい。光電変換部が配列された領域の周辺には、例えばシフトレジスタ、デコーダ、ＡＤコンバータ等で構成される周辺回路が含まれる。周辺回路を光電変換層毎に設けることができる。
【００５９】
配線層の材料の主成分としては、アルミニウム、銅、金、タングステン、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタルなどを用いることができる。必要に応じて、電極の材料としてはポリシリコンや金属を用いることができる。透明電極を用いることもできる。
【００６０】
本実施形態の光電変換装置は、様々な用途に用いられる。もっとも典型ン的には撮像装置（イメージセンサ）である。撮像装置では各マイクロレンズに対応し、別々の光電変換層に設けられた複数の光電変換部が一つの画素を構成する。各光電変換層の光電変換部で得られた色毎の信号を合算することでカラー画像を得ることができる。光電変換層毎に、光電変換部で光電変換されて生じた信号電荷の量に応じた電圧あるいは電流である電気信号を生成するための信号生成回路を設けることができる。また、光電変換層毎に、上記電気信号を処理する信号処理回路を設けることもできる。第１光電変換層１０１で光電変換される光は第１種光に対応した信号として扱われる。そのため、第１光電変換層１０１で光電変換された第２種光や第３種光が存在すると、第１種光の信号に混色となって現れる。上述したように反射防止膜を設けることで、本来、第２光電変換層１０２で光電変換されるべき第２種光の反射光が第１光電変換層１０１で光電変換される現象を抑制できる。そのため、混色が低減される。
【００６１】
撮像装置以外では測光装置（ＡＥセンサ）や焦点検出装置（ＡＦセンサ）などとしても用いることができる。複数の光電変換層のある光電変換層が撮像機能を有し、別の光電変換層が焦点検出機能や測光機能を有する形態を採用することもできる。また、光電変換装置は太陽電池などの発電装置としても用いることができる。太陽電池においては、ある波長の光をより量子効率の高い光電変換層で光電変換することで、発電効率の向上が見込まれる。
【００６２】
以上、光電変換装置の構成について説明したが、上記構成のうちの少なくとも一部を省略した形態あるいは、さらに別の構成を追加した形態を採用することもできる。例えば、第１反射防止膜である絶縁体膜１３０は設けずともよい。例えば、第２反射防止膜である第１誘電体膜１３１および第２誘電体膜１３２の少なくとも一方は設けずともよい。また、第３反射防止膜である第３誘電体膜１３３および第４誘電体膜１３４の少なくとも一方は設けずともよい。
【符号の説明】
【００６３】
１０１  第１光電変換層
１０２  第２光電変換層
１０３  第３光電変換層
１１１  第１層間絶縁膜
１１２  第２層間絶縁膜
１１３  第３層間絶縁膜
１３０  絶縁体膜
１３１  第１誘電体膜
１３２  第２誘電体膜
１３３  第３誘電体膜
１３４  第４誘電体膜
１３１１  誘電体層
１３２１  誘電体層
１３３１  誘電体層
【図１】
2014130890.tif 000004
【図２】
2014130890.tif 000005
【図３】
2014130890.tif 000006