(57)【要約】【課題】複数種類の画素を有する撮像装置において、画素の感度をさらに向上させるための技術を提供する。【解決手段】複数種類の画素を有する撮像装置が提供される。複数種類の画素はそれぞれ、光を電荷に変換する変換素子と、互いに異なる波長帯の光を透過する複数種類のフィルタのうちの何れか１種類のフィルタとを有する。複数種類の画素のうちの第１種類の画素は、当該画素への入射光を変換素子へ導く光導波路を更に有する。複数種類の画素のうちの第２種類の画素は、光導波路に相当する構造を有しない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の画素を有する撮像装置であって、
前記複数種類の画素はそれぞれ、
光を電荷に変換する変換素子と、
互いに異なる波長帯の光を透過する複数種類のフィルタのうちの何れか１種類のフィルタとを有し、
前記複数種類の画素のうちの第１種類の画素は、当該画素への入射光を前記変換素子へ導く光導波路を更に有し、
前記複数種類の画素のうちの第２種類の画素は、前記光導波路に相当する構造を有しないことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記光導波路はコア部材で構成され、
前記コア部材の周りに前記コア部材よりも屈折率が低いクラッド部材が配されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記クラッド部材は層間絶縁膜を含むことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記コア部材は窒化シリコンからなることを特徴とする請求項２又は３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１種類の画素の検出対象の波長帯の光が前記光導波路を通る場合の透過率は、前記第２種類の画素の検出対象の波長帯の光が前記光導波路を通る場合の透過率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記複数種類の画素は、緑色光を検出するための画素と、青色光を検出するための画素と、赤色光を検出するための画素とを含み、
前記緑色光を検出するための画素は前記第１種類の画素であり、
前記赤色光を検出するための画素は前記第１種類の画素であり、
前記青色光を検出するための画素は前記第２種類の画素であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数種類の画素は、赤外光を検出するための画素を更に含み、
前記赤外光を検出するための画素は前記第２種類の画素であることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数種類の画素はそれぞれ、前記変換素子に入射光を集光するためのマイクロレンズを更に有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１種類の画素は、当該画素への入射光を前記変換素子へ導く光導波路を配することによって、当該光導波路を配さない場合に比べて前記変換素子へ到達する光の光量が増加する画素であり、
前記第２種類の画素は、当該画素への入射光を前記変換素子へ導く光導波路に相当する構造を配さないことによって、当該構造を配する場合に比べて前記変換素子へ到達する光の光量が増加する画素であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
複数種類の画素を有する撮像装置の設計方法であって、
前記複数種類の画素はそれぞれ、
光を電荷に変換する変換素子と、
互いに異なる波長帯の光を透過する複数種類のフィルタのうちの何れか１種類のフィルタとを有し、
前記設計方法は、
前記複数種類の画素のそれぞれについて、当該画素への入射光を前記変換素子へ導く光導波路を配することによって、当該光導波路を配さない場合に比べて前記変換素子へ到達する光の光量が増加するかを判定する判定工程を有することを特徴とする設計方法。
【請求項１１】
前記判定工程において、前記光導波路を配することによる入射光の透過率の変化と、前記光導波路を配することによる入射光の光路の変化とに基づいて前記光量が増加するかが判定されることを特徴とする請求項１０に記載の設計方法。
【請求項１２】
前記透過率の変化は、前記画素の検出対象の波長帯に含まれる光について決定されることを特徴とする請求項１１に記載の設計方法。
【請求項１３】
前記光路の変化は、前記画素への入射光の複数の入射角について決定されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の設計方法。
【請求項１４】
複数種類の画素を有する撮像装置の製造方法であって、
請求項１０乃至１３の何れか１項に記載の設計方法によって光量が増加すると判定された画素に前記光導波路を形成する工程を有することを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置並びにその設計方法及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやカムコーダーに用いられる撮像装置の感度を向上させるために、特許文献１では、変換素子の上に光導波路を有する構成を提案する。入射光の一部がこの光導波路の界面で反射して光電変換素子に到達することによって、変換素子への集光効率が向上する。特許文献２では、感度をさらに向上させるために、異なる波長帯の光を検出対象とする画素ごとに、導波路の幅又は高さを設定することを提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２７２５６８号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５８５９３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及び特許文献２に提案される撮像装置では、すべての種類の画素が光導波路を有する。しかしながら、以下に詳細に説明するように、画素が検出対象とする波長帯の光によっては、光導波路を配することによって画素の感度が低下することがある。そこで、本発明は、複数種類の画素を有する撮像装置において、画素の感度をさらに向上させるための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】
【０００５】
上記課題に鑑みて、複数種類の画素を有する撮像装置であって、前記複数種類の画素はそれぞれ、光を電荷に変換する変換素子と、互いに異なる波長帯の光を透過する複数種類のフィルタのうちの何れか１種類のフィルタとを有し、前記複数種類の画素のうちの第１種類の画素は、当該画素への入射光を前記変換素子へ導く光導波路を更に有し、前記複数種類の画素のうちの第２種類の画素は、前記光導波路に相当する構造を有しないことを特徴とする撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
上記手段により、複数種類の画素を有する撮像装置において、画素の感度をさらに向上させるための技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態の撮像装置の模式的断面図。
【図２】本発明の実施形態の撮像装置の画素の配置図。
【図３】本発明の実施形態の撮像装置の画素における光路を説明する図。
【図４】本発明の実施形態の撮像装置の画素の集光効率を説明する図。
【図５】本発明の実施形態の光導波路の屈折率と消衰係数との関係を説明する図。
【図６】本発明の実施形態の撮像装置の製造方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付の図面を参照しつつ本発明の様々な実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
【０００９】
図１を参照しつつ、本発明の一部の実施形態に係る撮像装置１００の構造について説明する。撮像装置１００は固体撮像装置でありうる。撮像装置１００のうち光導波路以外の要素はどのような構成であってもよく、既存の構成を採用しうるので、以下ではその一例を簡単に説明する。撮像装置１００は複数の画素を有し、図１はそのうちの３つの画素１０１Ｂ、１０１Ｇ、１０１Ｒの断面を模式的に示す。以下の説明ではこれらの画素１０１Ｂ、１０１Ｇ、１０１Ｒを総括的に画素１０１と呼ぶ。
【００１０】
画素１０１は、半導体基板１０２に形成された変換素子１０３を有しうる。変換素子１０３は光を電荷に変換する光電変換素子でありうる。光は可視光だけでなく、赤外光や紫外光を含みうる。隣り合う変換素子１０３は素子分離領域で分離される。半導体基板１０２の上には層間絶縁膜１０４が配されうる。層間絶縁膜１０４には配線溝が設けられており、この配線溝に例えば銅などで形成された配線パターン１０５が配されうる。配線パターン１０５と層間絶縁膜１０４との間にはバリアメタル層１０６が配されうる。層間絶縁膜１０４及び配線パターン１０５を覆うように拡散防止層１０７が配されうる。層間絶縁膜１０４、配線パターン１０５、バリアメタル層１０６及び拡散防止層１０７を有する構造体が複数積層されて多層配線層１０８が形成される。図１において、多層配線層１０８は３層構造を有するが、これに限られない。
【００１１】
多層配線層１０８の上に、例えば窒化シリコン膜や酸窒化シリコン膜である保護膜１０９が配され、その上に平坦化樹脂層１１０が配されうる。平坦化樹脂層１１０の上に、複数種類のフィルタ１１１Ｂ、１１１Ｇ、１１１Ｒが配されうる。以下の説明ではこれらのフィルタ１１１Ｂ、１１１Ｇ、１１１Ｒを総括的にフィルタ１１１と呼ぶ。画素１０１Ｂは青色光を検出するための画素であり、画素１０１Ｂには青色光を透過するフィルタ１１１Ｂが配されうる。ここで、青色光とは、例えば３５０ｎｍ〜５００ｎｍの波長帯の光である。フィルタ１１１Ｂはこの波長帯の光を選択的に透過する。画素１０１Ｇは緑色光を検出するための画素であり、画素１０１Ｇには緑色光を透過するフィルタ１１１Ｇが配されうる。ここで、緑色光とは、例えば４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長帯の光である。フィルタ１１１Ｇはこの波長帯の光を選択的に透過する。画素１０１Ｒは赤色光を検出するための画素であり、画素１０１Ｒには赤色光を透過するフィルタ１１１Ｒが配されうる。ここで、赤色光とは、例えば５５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長帯の光である。フィルタ１１１Ｒはこの波長帯の光を選択的に透過する。フィルタ１１１の上に、マイクロレンズ１１２が配されうる。マイクロレンズ１１２は撮像装置１００へ入射した光を変換素子１０３に集光する。図１の撮像装置１００はマイクロレンズ１１２を有するが、他の実施形態の撮像装置はマイクロレンズ１１２を有しなくてもよい。
【００１２】
緑色光用の画素１０１Ｇと、赤色光用の画素１０１Ｒとはそれぞれ、光導波路１１３を有しうる。光導波路１１３は、周囲のクラッド部材よりも屈折率が高いコア部材で形成される。光導波路１１３は、マイクロレンズ１１２及びフィルタ１１１Ｇ、１１１Ｂを透過した光を変換素子１０３へ導く。光導波路１１３は例えば窒化シリコンで形成され、層間絶縁膜１０４は例えば酸化シリコンで形成されうる。窒化シリコンは酸化シリコンよりも屈折率が高いので、光導波路１１３へ進入した光は光導波路１１３と層間絶縁膜１０４との界面で反射しうる。
【００１３】
青色光用の画素１０１Ｂは、光導波路１１３に相当する構造を有しない。画素１０１Ｂのうち、他の種類の画素において光導波路１１３が配される場所には層間絶縁膜１０４が配されうる。以下に詳細に説明するように、画素１０１の検出対象の波長帯によっては、光導波路１１３を配するよりも、配さない方が変換素子１０３へ到達する光の光量が増加しうる。そこで、撮像装置１００では、緑色光用の画素１０１Ｇと赤色光用の画素１０１Ｒとのそれぞれには光導波路１１３が配されるが、青色光用の画素１０１Ｂには光導波路１１３が配されない。
【００１４】
図１では緑色光用の画素１０１Ｇと、青色光用の画素１０１Ｂと、赤色光用の画素１０１Ｒとが一列に並んだ例を示したが、撮像装置１００の画素１０１の配列は図２に示すようなベイヤー配列であってもよい。図２に示す画素１０１の配列においても、緑色光用の画素１０１Ｇ（図２の「Ｇ］）と、赤色光用の画素１０１Ｒ（図２の「Ｒ］）とには光導波路１１３が配されるが、青色光用の画素１０１Ｂ（図２の「Ｂ］）には光導波路１１３が配されない。
【００１５】
続いて、図３〜図５を参照して撮像装置１００の設計方法について説明する。具体的には、どの種類の画素１０１に光導波路１１３を配すべきかを判定する方法について説明する。
【００１６】
まず、撮像装置１００の光導波路１１３の有無を除く構成を決定する。決定すべき構成は、例えば各部材の材料、画素１０１のサイズ、撮像装置１００に含まれる画素１０１の種類（例えば、画素１０１Ｇ、１０１Ｂ、１０１Ｒなど）、マイクロレンズ１１２の表面形状、多層配線層１０８の厚さなどを含みうる。これらの構成は既存の方法で決定されてもよい。以下の説明では、変換素子１０３の有効画素領域の対角線長が１．４μｍであるの場合を考える。
【００１７】
続いて、光導波路１１３の構成を決定する。決定すべき光導波路１１３の構成は、例えば光導波路１１３のコア部材の材料や、光導波路１１３の形状・位置を含みうる。光導波路１１３の構成は既存の方法で決定されてもよい。以下の説明では、光導波路１１３の形状が円錐台であり、高さが１.０μｍであり、上部円形開口の直径が０．９μｍであり、下部円形部の直径が０．７４μｍである場合を考える。さらに、層間絶縁膜１０４の材料として波長５５０ｎｍにおいて屈折率１．４の二酸化シリコンを用い、光導波路１１３の材料として波長５５０ｎｍにおいて屈折率２．０の窒化シリコンを用いる。
【００１８】
続いて、複数種類の画素１０１のそれぞれについて、光導波路１１３を配した場合と、配さない場合との両方について、入射光の道筋（すなわち、光路）に基づいて集光効率を物理光学的に計算又は測定して決定する。集光効率とは、画素１０１（具体的には、そのマイクロレンズ１１２）に入射して半導体基板１０２に到達した光のうち、変換素子１０３へ到達した光の割合でありうる。集光効率は、透過する部材による光の吸収を考慮せずに、屈折率及び反射率に基づいて決定される。屈折率及び反射率は光の波長によって変わりうるので、画素１０１の種類ごとに異なる波長に基づいて集光効率を決定してもよい。例えば、青色光用の画素１０１Ｂについて、青色光の波長帯（例えば、３５０ｎｍ〜５００ｎｍ）に基づいて集光効率を決定してもよい。例えば、この波長帯のうちの代表値（例えば、４００ｎｍ）について集光効率を決定してもよいし、この波長帯のうちの複数の波長について集光効率を決定して平均してもよい。緑色光用の画素１０１Ｇや赤色光用の画素１０１Ｒについても同様である。これに代えて、すべての種類の画素１０１について同一の条件で集光効率を決定してもよい。
【００１９】
図３を参照して集光効率の決定に使用されるモデルを説明する。図３（ａ）は画素１０１に光導波路１１３を配した場合の光路を示し、図３（ｂ）は画素１０１に光導波路１１３を配さなかった場合の光路を示す。図３（ａ）と図３（ｂ）とのどちらの場合も、入射角が０°である光束３０１は、そのすべてが変換素子１０３に到達する。一方、入射角がθである光束３０２は、光導波路１１３を有する画素１０１では入射光の一部は光導波路１１３の界面で反射して変換素子１０３に到達するが、光導波路１１３を有しない画素１０１では入射光の一部が変換素子１０３に到達しない。
【００２０】
図４は様々な入射角度について集光効率を示したグラフである。図４の横軸は入射角を示し、縦軸は収集効率を示す。グラフ４０１は画素１０１に光導波路１１３を配した場合の収集効率を示し、グラフ４０２は画素１０１に光導波路１１３を配さなかった場合の収集効率を示す。入射角が０°〜約１３°まではグラフ４０１とグラフ４０２とが重なっている。これらのグラフ４０１、４０２は、例えば０°から２０°まで２°ごとに集光効率を決定し、カーブフィッティングを行うことによって得られる。
【００２１】
このグラフからわかるように、入射角が小さい場合に光導波路１１３の有無にかかわらず集光効率は１００％であるが、入射角が大きくなると光導波路１１３がある場合の方が光導波路１１３がない場合よりも集光効率が高い。例えば、入射角が２０°では、光導波路１１３がある場合に集光効率は約９０％であり、光導波路１１３がない場合に集光効率は約５０％である。図４に示すように集光効率は入射角に依存するので、所定の範囲（例えば、０°〜２０°）の入射角における集光効率の平均又は合計を、集光効率としてもよい。例えば、図４のグラフを所定の範囲で積分することによって集光効率を決定してもよい。図４の例では、画素１０１に光導波路１１３を配することによって、光導波路１１３を配さない場合よりも集光効率が約１０％向上する。
【００２２】
集光効率だけを考えた場合にはすべての種類の画素１０１に光導波路１１３を配することによって、光到達率が向上する。しかし、光導波路１１３の光の透過率は透過する波長に依存する。したがって、画素１０１が対象とする波長によっては光導波路１１３を配さない方が光到達率が高い場合がある。例えば、光の透過率は以下の式で与えられる。
【００２３】
光の透過率＝exp（−αｘ），    式（１）
α＝４πｋ/λ                  式（２）
ここで、αは吸収係数であり、ｘは光導波路１１３の厚さ[μｍ]であり、ｋは消衰係数であり、λは透過する光の波長[μｍ]である。
【００２４】
上述のように、光の透過率は波長に依存する。そこで、複数種類の画素のそれぞれについて、光の透過率を決定する。まず、青色光用の画素１０１Ｂについて検討する。青色光用の画素１０１Ｂのフィルタ１１１Ｂは、３５０〜５００ｎｍの波長帯の光を透過するので、例えば４００ｎｍを代表値として選択する。この場合に、光導波路１１３の屈折率は２．０３となる。また、図５に示すグラフから、この際の消衰係数ｋが０．０１５であることがわかる。図５は、４００ｎｍの波長の光について、様々な屈折率の材料における消衰係数を表すグラフである。このグラフは例えば実験によって得られる。このグラフから、屈折率が増加するにつれて消衰係数が指数関数的に増加することが読み取れる。
【００２５】
上述のように決定された値を式（１）、（２）に代入して、
光の透過率＝exp（−０．４７１）＝０．６２４
が得られる。層間絶縁膜１０４の光透過率は約１であるので、青色光用の画素１０１Ｂでは、光導波路１１３を配することによって光の透過率が０．６２４倍に低下することになる。
【００２６】
光量比を収集効率と光の透過率との積で規定すると、光導波路１１３を配した場合の、光導波路１１３を配さない場合に対する光量比は１．１×０．６２４＝０．６８６４となる。したがって、青色光用の画素１０１Ｂでは、光導波路１１３を配した場合は、光導波路１１３を配さなかった場合に比べて約３１％光量が低下することがわかる。そこで、青色光用の画素１０１Ｂには光導波路１１３を配すべきでないことが決定される。
【００２７】
緑色光用の画素１０１Ｇと赤色光用の画素１０１Ｒとについても上述と同様の方法に従って、光導波路１１３を配したことによる光量の変化を決定し、その結果に基づいて光導波路１１３の有無を決定する。上述の例では、緑色光用の画素１０１Ｇと赤色光用の画素１０１Ｒと光導波路１１３を配すべきであることが決定される。
【００２８】
上述の例では画素１０１の検出対象の波長帯の代表値に基づいて光の透過率を決定したが、この波長帯に含まれる複数の値について光の透過率を決定し、それを平均した値を当該画素１０１の光の透過率としてもよい。また、上述の光導波路１１３の有無の判定を様々な屈折率を有する光導波路１１３に対して行って、最適な構成を決定してもよい。また、３種類の画素１０１のすべてについて上述の判定を行う代わりに、一部の種類（例えば、１種類）の画素１０１について上述の判定を行ってもよい。例えば、緑色光用の画素１０１Ｇ及び赤色光用の画素１０１Ｒについて光の透過率が高いことが予想される場合に、上述の判定を行うことなく、光導波路１１３を配すべきであることを決定してもよい。さらに、様々な光導波路１１３の形状・位置・材料などを様々に変えて上述の判定を繰り返してもよい。
【００２９】
続いて、図６を参照して撮像装置１００の製造方法について説明する。図６の各図は撮像装置１００の製造方法の各工程を示しており、図１の断面図に対応する断面図である。まず、図１（ａ）に示すように、変換素子１０３が形成された半導体基板１０２の上に、多層配線層１０８を形成する。この工程は既存の技術を用いて実行しうるので、説明を省略する。
【００３０】
続いて、図６（ｂ）に示すように、上述の設計方法で光導波路１１３を配すべきであることが決定された種類の画素１０１において、変換素子１０３の上に異方性エッチングにより開口を形成する。その後、プラズマＣＶＤにより窒化シリコンを成膜し、この開口に窒化シリコンを埋め込む。これにより、光導波路１１３が形成される。プラズマＣＶＤを用いる際の成膜条件を調整することによって、光導波路１１３の窒化シリコンの屈折率を制御できる。
【００３１】
続いて、多層配線層１０８の上に保護膜１０９、平坦化樹脂層１１０、フィルタ１１１Ｂ、１１１Ｇ、１１１Ｒ及びマイクロレンズ１１２を形成することによって、図１に示した構造が得られる。この工程は既存の技術を用いうるので、説明を省略する。
【００３２】
上述の実施形態では、画素１０１が３種類（すなわち、緑色光用・青色光用・赤色光用）に分類される場合を扱った。しかし、本発明は、画素１０１が２種類以上に分類される場合に適用されうる。例えば、撮像装置１００の複数の画素は、上述の３種類の画素に加えて、赤外光を検出するための画素を含みうる。この赤外光を検出する画素には、赤外光を透過するフィルタが配されうる。さらに、上述の３種類の画素に加えて、紫外光を検出するための画素を含みうる。この紫外光を検出する画素には、紫外光を透過するフィルタが配されうる。これらの画素についても上述の設計方法を適用できる。例えば、光導波路１１３の材料が窒化シリコンである場合に、３５０〜４５０ｎｍの波長帯と赤外光の波長帯で吸収率が高いことから、赤外光を検出する画素に光導波路１１３を配し、紫外光を検出する画素に光導波路１１３を配すべきでないことが決定されうる。
【００３３】
上述の実施形態では、可視光領域（例えば、４００〜８００ｎｍの波長帯）を３種類（３色）の画素でカバーしたが、可視光領域を４種類以上の画素でカバーしてもよい。光導波路１１３の材料が窒化シリコンである場合に、窒化シリコンは３５０〜４５０ｎｍの波長帯で光の吸収率が高い。そのため、上述の設計方法を適用した結果、この波長帯をカバーする種類の画素に光導波路１１３を配さず、他の種類の画素に光導波路１１３を配すべきであることが決定されうる。上述の実施形態では光導波路１１３のコア材料として窒化シリコンを用いたが、その代わりにチタン系の金属フィラーをシロキサン系樹脂に分散させた材料を用いてもよい。この材料を用いた場合にも特定の波長帯について光の透過率が低下するので、上述の設計方法を適用しうる。
【００３４】
上述の実施形態では、青色光用の画素１０１Ｂの変換素子１０３の上には拡散防止膜１０７が設けられている。拡散防止膜１０７は配線パターン１０５を覆うように設けられていればよいため、変換素子１０３の上の拡散防止膜１０７を除去してもよい。その構成によって、拡散防止膜１０７が存在することによる膜の界面での反射を低減することができる。
【００３５】
以下、上記の各実施形態に係る撮像装置の応用例として、当該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、撮像を主目的とする装置のみならず、撮像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撮像装置と、当該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。当該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器および当該Ａ／Ｄ変換器から出力されるディ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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【図６】
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