(57)【要約】【課題】光学特性が良好であり、かつ薄型化、小型化を実現した撮像装置を得る。【解決手段】レンズ群115および開口絞り111を含む結像用光学系110と、固体撮像素子10とを備え、固体撮像素子10が、有機材料からなる光電変換層14、および２色以上のカラーフィルタ21r、21g、21bと分離壁22とからなるカラーフィルタ層CFを備え、光電変換層14の厚さが0.1μｍ〜1μｍであり、各色のカラーフィルタ21r、21g、21bの屈折率がいずれも1.5〜1.8であり、分離壁22の幅が0.05μｍ〜0.2μｍであり、分離壁22の屈折率が1.22〜1.34であり、固体撮像素子10における画素ピッチＤ(μｍ)と該固体撮像素子に入射する主光線の最大角度α(°)との関係が、Ｄ≦2.6μｍ、45≧α≧25・Ｄ−20となるようにレンズ群115と固体撮像素子10とを配置する。【選択図】図１Ａ
2012238774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ群および開口絞りを含む結像用光学系と、
該結像用光学系の結像面に結像された画像を撮像する固体撮像素子とを備え、
該固体撮像素子が、基板上に複数の画素を有する撮像素子であって、有機材料からなる光電変換層、および該光電変換層の上方に配された２色以上のカラーフィルタと該各色のカラーフィルタを隔てて分離する透明な分離壁とからなるカラーフィルタ層を備え、
前記光電変換層の厚さが０．１μｍ〜１μｍであり、
前記各色のカラーフィルタの屈折率がいずれも１．５〜１．８であり、
前記分離壁の幅が０．０５μｍ〜０．２μｍであり、
該分離壁の屈折率が１．２２〜１．３４であり、
前記固体撮像素子における画素ピッチＤ（μｍ）と該固体撮像素子に入射する主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．６μｍ
４５≧α≧２５・Ｄ−２０
となるように前記レンズ群と前記固体撮像素子とが配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記画素ピッチＤ（μｍ）と前記主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．４μｍ
４５≧α≧２５・Ｄ−１５
であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記画素ピッチＤ（μｍ）と前記主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．０μｍ
４５≧α≧２５・Ｄ−５
であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機材料による光電変換膜とカラーフィルタを積層した固体撮像素子を備えてなる撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラに代表される撮像装置は小型化が容易であることから、携帯電話機やＰＤＡなどの各種の携帯機器（携帯情報端末）に組み込まれ、さらにはＴＶ電話機用のカメラとして、また各種車両の内外の画像を運転席から確認するための車載カメラとしても広く用いられている。撮像装置は、結像用の光学系と、この光学系で結像された被写体画像を光電変換する固体撮像素子とをユニット化した撮像装置と、固体撮像素子を駆動して撮像信号の読出しを行い、さらには種々の信号処理を施してデジタル化した画像データを得、そして記録する回路・メモリ装置などで構成される。
【０００３】
例えば、携帯情報端末として広く利用されている携帯電話機やＰＤＡなどに撮像装置を内蔵させる場合、回路・メモリ装置部分については様々な実装手法で薄型化を図ることは比較的容易であるが、撮像装置部分についてはその光学的な性能を考慮するとその薄型化が難しい。
【０００４】
固体撮像素子として現在広く用いられている通常の表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素の開口効率を向上させ、結像光束を可能な限り画素ごとの光電変換部に導くべく、被写体光の入射面にマイクロレンズが敷設されている。これによって、マイクロレンズが敷設されていない場合に比べて開口効率が向上し光電変換効率も向上する。
【０００５】
しかし、被写体像を光電変換する光電変換部が配線層のさらに下方に存在するため、入射光の一部は配線等によって遮断されてしまいロスが大きい。また、ある程度の角度以上に大きい入射角の光線は配線等による遮断に加え、隣接する画素に漏れてしまうため、本来入射した画素の光電変換に寄与できず、隣接画素における光電変換層に入射する。すなわち、入射角が大きくなると感度の低下および混色の問題が顕著となる。
【０００６】
そのため、表面照射型ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、上述の如く光電変換部が配線層のさらに下方に存在するという画素構造により光線の広がり角度の許容範囲が狭くなる。表面照射型ＣＭＯＳにおいては、画素単位での光電変換効率は光線が撮像面に垂直に入射した場合に最も高く、入射角２０°程度になったときの光電変換効率は垂直入射時の１００％に対して３５％程度にまで激減し、入射角が３０°程度を超えると大半の光線が配線層等により遮断され、あるいは隣接する画素へ漏れる結果、垂直入射時の５％まで低下すると言われている。こうした事情から、特許文献１、２、３などで知られるように、撮像装置に用いられる光学系は、画面周辺部に入射する主光線の入射角が概ね３０°以内に収まるように光学設計されている。このように、入射角を抑制するためには、結像用のレンズ（レンズ群）による光学全長をある程度長くする必要があり、これが装置全体の薄型化の弊害となっていた。
【０００７】
近年、画素ピッチの縮小化が著しく、画素ピッチ１μｍ以下の撮像素子の試作結果が報告され始めている。画素面積の縮小に伴い感度低下は大きくなるために、光電変換効率向上が図られ、表面照射型の素子における配線による入射光の損失を低減する目的で裏面照射型と言われる方式が現在では主流になってきている。裏面照射型方式は光電変換部が光入射側に配置されているため光電変換効率の向上には有効である。しかしながら、裏面照射型方式においても、隣接する画素間でのクロストークは大きな問題となっており、入射する光の入射角が大きくなると混色が大きくなる。
【０００８】
そこで特許文献４、５などでは、光電変換層を従来のシリコンから有機材料に変更することが提案されている。有機材料は可視光の吸収係数がシリコンと比較して大きいため、光電変換層の厚みをシリコンに較べ薄くすることができるので、画素間のクロストークを低減する効果を有する。従来のシリコンからなる光電変換層の厚みが約３μｍ必要であるのに対し、有機材料では０．５μｍ程度まで薄くすることが可能となる。なお、光電変換層の厚みを薄くすることにより、結果として撮像素子を薄くすることができる。
【０００９】
また、特許文献５では、光電変換部の上方に設けられたカラーフィルタと光電変換部との距離が３μｍ以下で、かつ、隣り合うカラーフィルタ同士の間に該カラーフィルタを互いに分離するための分離壁が設けられている撮像素子が提案されている。分離壁を備えたカラーフィルタにより、隣接画素間のクロストークを大きく抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１２２００７号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８９４６号公報
【特許文献３】特開２００８−１８５６８７号公報
【特許文献４】特開２０１０−６７８２８号公報
【特許文献５】特開２０１０−２３２５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献５においては、撮像素子の薄型化が可能となるが、その撮像素子が組み込まれた撮像装置についての十分な検討がなされていない。すなわち、撮像装置において光学特性の良好なかつ薄型化を実現するための、撮像装置における撮像素子と結像用光学系との関係や撮像素子の画素ピッチ、光入射角度等の検討が十分でなかった。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、固体撮像素子を備えた、光学特性が良好であり、かつ薄型化、小型化を実現した撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の撮像装置は、レンズ群および開口絞りを含む結像用光学系と、
該結像用光学系の結像面に結像された画像を撮像する固体撮像素子とを備え、
該固体撮像素子が、基板上に複数の画素を有する撮像素子であって、有機材料からなる光電変換層、および該光電変換層の上方に配された２色以上のカラーフィルタと該各色のカラーフィルタを隔てて分離する透明な分離壁とからなるカラーフィルタ層を備え、
前記光電変換層の厚さが０．１μｍ〜１μｍであり、
前記各色のカラーフィルタの屈折率がいずれも１．５〜１．８であり、
前記分離壁の幅が０．０５μｍ〜０．２μｍであり、
該分離壁の屈折率が１．２２〜１．３４であり、
前記固体撮像素子における画素ピッチＤ（μｍ）と該固体撮像素子に入射する主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．６μｍ
４５≧α≧２５・Ｄ−２０
となるように前記レンズ群と前記固体撮像素子とが配置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
なお、前記画素ピッチＤ（μｍ）と前記主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．４μｍ
４５≧α≧２５・Ｄ−１５
であることが好ましい。
【００１５】
さらには、前記画素ピッチＤ（μｍ）と前記主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．０μｍ
４５≧α≧２５・Ｄ−５
であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の撮像装置によれば、固体撮像素子が有機材料からなる光電変換層を備えているので、光電変換層の厚さを０．１μｍ〜１μｍと薄くすることができる。また、各色のカラーフィルタを隔てて分離する透明な分離壁を備えたカラーフィルタ層を備えており、前記各色のカラーフィルタの屈折率がいずれも１．５〜１．８であり、該分離壁の屈折率が１．２２〜１．３４であることから、隣接画素間のクロストークを大幅に抑制することができる。さらには、画素ピッチＤが２．６μｍ以下、主光線の最大入射角度α（°）のとき、α≧２５・Ｄ−２０となるようにレンズ群と撮像素子が配置されており、この範囲のαを用いることができるため、レンズ群による光学全長を短くすることができ、装置の薄型化を実現することができる。従来の分離壁を備えないカラーフィルタとマイクロレンズを備えた構成の撮像素子を用いた場合では、α≧２５・Ｄ−２０の範囲の入射角は混色が大きく利用できなかったので、この範囲の入射角を利用しているこら、従来の分離壁を備えていないカラーフィルタとマイクロレンズを備えた構成の撮像素子を備えた場合と比較して撮像装置におけるレンズ群の全長を確実に短くすることができるので、薄型の撮像装置を得ることができる。
【００１７】
本発明の撮像装置は、特許文献５においては明確でなかった撮像装置における撮像素子の画素ピッチと最大入射角度αとの関係が明確に規定されているので、光学特性の良好な撮像装置を得ることができる。また、最大４５°までの入射角度を許容できることを明らかにしており、レンズ群の設計の自由度も高い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係る撮像装置の構造を示す模式断面図
【図１Ｂ】本発明の実施形態の撮像装置に備えられている固体撮像素子の構造を示す模式断面図
【図２】本発明の効果を説明するための図
【図３】カラーフィルタの配置図
【図４Ａ】シミュレーションに用いた分離壁付きカラーフィルタを備えた素子構造を示す断面図
【図４Ｂ】シミュレーションに用いたマイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた素子構造を示す断面図（比較例）
【図５】シミュレーション結果に基づいて作成された、画素ピッチと有効入射角との関係を示すグラフ
【図６】図４Ａの素子構造について、緑画素における入射角と入射光量のシミュレーション結果を示すグラフ（画素ピッチ１．８μｍ）
【図７】図４Ａの素子構造について、緑画素における入射角と入射光量のシミュレーション結果を示すグラフ（画素ピッチ１．４μｍ）
【図８】図４Ａの素子構造について、緑画素における入射角と入射光量のシミュレーション結果を示すグラフ（画素ピッチ１．２μｍ）
【図９】図４Ｂの素子構造について、緑画素における入射角と入射光量のシミュレーション結果を示すグラフ（画素ピッチ１．８μｍ）
【図１０】図４Ｂの素子構造について、緑画素における入射角と入射光量のシミュレーション結果を示すグラフ（画素ピッチ１．４μｍ）
【図１１】図４Ｂの素子構造について、緑画素における入射角と入射光量のシミュレーション結果を示すグラフ（画素ピッチ１．２μｍ）
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態に係る撮像装置について説明する。図１Ａは本実施形態の撮像装置の概略構成を示す断面図であり、図１Ｂは撮像装置に備えられている固体撮像素子の一部を示す模式断面図である。
【００２０】
図１Ａに示すように、撮像装置１００は、セラミックパッケージ１０１に組み込まれた固体撮像素子１０と、開口絞り１１１を有するレンズホルダ１０２に、固体撮像素子１０の素子表面（受光面）で結像するように配置固定されたレンズ１１２およびレンズ１１３とを備え、セラミックパッケージ１０１とレンズホルダ１０２とが一体化されてなる。なお、レンズ１１２およびレンズ１１３とからなるレンズ群１１５と固体撮像素子１０との間には赤外光カットフィルタ１０５が備えられている。ここで、開口絞り１１１とレンズ群１１５とにより結像用光学系１１０が構成されている。
【００２１】
図１Ｂに示すように、固体撮像素子１０は、半導体回路基板１１と、半導体回路基板１１上に二次元アレイ状に形成された複数の画素電極（下部電極）１２と、複数の画素電極１２上に連続し形成された有機材料からなる光電変換層１４と、光電変換層１４上に形成された、複数の画素電極に対向する対向電極であり、単一層として設けられた共通電極（上部電極）１６とを備えている。また、上部電極１６の上には透明な絶縁層１８が積層されており、この絶縁層１８上に、２色以上（本実施形態においては３色）のカラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂと各色のカラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂを隔てて分離する透明な分離壁２２とからなるカラーフィルタ層ＣＦが設けられ、さらにカラーフィルタ層ＣＦ上には低反射層２５が設けられている。
【００２２】
本撮像装置１００は、開口絞り１１１を通過した光Ｌがレンズ１１２、レンズ１１３および赤外光カットフィルタ１０５を順次透過して固体撮像素子１０の受光面に結像するよう構成されている。なお、ここで、レンズ１１３を透過し主光線の最大入射角αが４５°以下となるように、レンズ群１１５および固体撮像素子１０が配置構成されている。
【００２３】
また、画素ピッチＤ（μｍ）と固体撮像素子の受光面に入射する主光線の最大角度α（°）との関係が、
Ｄ≦２．６μｍのとき、４５≧α≧２５・Ｄ−２０
となるようにレンズ群１１５と固体撮像素子１０との位置関係が設定されている。
【００２４】
画素ピッチＤ（μｍ）と主光線の最大角度α（°）との関係は、
Ｄ≦２．４μｍのときには、４５≧α≧２５・Ｄ−１５
となるようにレンズ群１１５と固体撮像素子１０との位置関係を設定することが好ましい。
さらに、Ｄ≦２．０μｍのときには、４５≧α≧２５・Ｄ−５
となるようにレンズ群１１５と固体撮像素子１０との位置関係を設定することが好ましい。
【００２５】
ここで単純な光学系にて本発明の効果を検証する。図２は１枚のレンズ２０１にて集光してイメージセンサ２０２上に等倍結像する場合を示している。画素ピッチを２．０μｍとし、フルハイビジョン撮影をする場合、イメージセンサの大きさは、横２．０μｍ×１９２０＝３．８４ｍｍ、縦２．０μｍ×１０８０＝２．１６ｍｍ、となるため、対角としては４．４ｍｍが必要となる。開口をイメージセンサと同じ４．４ｍｍφを想定した場合、本発明の分離壁付きカラーフィルタ（図４Ａ参照）を用いたイメージセンサであればＮＡ＝０．７のレンズを用いることでレンズとイメージセンサの距離ｄを４．４ｍｍとすることが出来るのに対し、マイクロレンズ付きカラーフィルタ（図４Ｂ参照）ではＮＡ＝０．５のレンズまでしか許容できないことからレンズとイメージセンサの距離が７．６ｍｍとなってしまう。実際の光学系は製品によって開口が異なることや、収差や周辺部の歪の影響を低減するために使用するレンズの枚数は１枚ではないし、複雑な非球面レンズを用いるために前記に示したような単純ではないが、効果としては原理的に同じで、光軸方向の長さを短くすることが可能となる。
【００２６】
以下、各構成要素についての詳細を説明する。
【００２７】
（半導体回路基板）
半導体回路基板１１は、ｎ型シリコン基板１（以下、単に基板１とする。）の表面にｐ型のウェル領域２を備え、ウェル領域２にはｎ型の不純物拡散領域３が複数形成されている。不純物拡散領域３は、回路基板１１上に形成される画素電極１２と対応して二次元アレイ状に形成されている。また、ウェル領域２の表面において、不純物拡散領域３の近傍には、該不純物拡散領域３に蓄積した電荷に応じた信号を出力する信号読出し部４が設けられている。
【００２８】
信号読出し部４は、不純物拡散領域３に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する回路であって、例えば公知のＣＣＤやＣＭＯＳ回路によって構成することができる。
【００２９】
さらに、基板１のウェル領域２が形成された表面上に絶縁層５が積層されている。絶縁層５の上には、平面視略矩形状の画素電極１２が複数、所定の間隔で配列形成されている。各画素電極１２は、絶縁層５を貫通するように形成された導電性材料からなる接続部６を介して、基板１の不純物拡散領域３に電気的に接続されている。
【００３０】
撮像素子１０は、光電変換層１４に光が入射されると、光電変換層１４で発生した電荷（正孔及び電子）のうち、例えば、正孔を上部電極１６に移動させ、電子を下部電極１２に移動させるように、下部電極１２及び上部電極１６間には、図示しない電圧供給部によってバイアス電圧が印加される。この場合、上部電極１６を正孔捕集電極とし、下部電極１２を電子捕集電極としている。
【００３１】
（電極）
上部電極１６及び下部電極１２は、光電変換層１４との密着性や、電子親和力や、イオン化ポテンシャル、安定性等を考慮して選ばれる。
【００３２】
上部電極１６及び下部電極１２の作製には、その材料によって種々の方法が用いられるが、例えばＩＴＯの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法（ゾルーゲル法など）、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で膜形成される。ＩＴＯの場合、ＵＶ−オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。
【００３３】
上部電極１６は、光電変換層１４に光を入射させる必要があるため、透明な導電性材料で構成されている。ここで、透明電極材料は、例えば波長が約４２０ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の可視光域で約８０％以上の透過率であるものが好ましい。
【００３４】
上部電極１６の具体的な材料としては、例えば、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電性金属酸化物、あるいは金、銀、クロム、ニッケル等の金属、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、シリコン化合物およびこれらとＩＴＯとの積層物などが挙げられ、好ましくは、導電性の金属酸化物であり、特に、生産性、高導電性、透明性等の点からＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩｎＯ、が好ましい。
【００３５】
下部電極１２は、導電性材料であればよく、透明である必要はない。しかし、下部電極１２の下方の基板１側にも光を透過させることが必要である場合には、下部電極１２も透明電極材料で構成することが必要となる。このとき、下部電極１２の透明電極材料としては、上部電極１６と同様に、ＩＴＯを用いることが好ましい。
【００３６】
（光電変換層）
有機材料による光電変換層１４は、厚みが０．１μｍから１．０μｍの範囲となるように成膜されている。光電変換層１４の層厚は薄いほどイメージセンサの混色には有効となるが、光吸収とのトレードオフがあり、実質的には０．５μｍ程度が最適な層厚となる。
【００３７】
光電変換層１４を構成する機材料としては、例えば電子写真の感光材料に用いられているような、様々な有機半導体材料を用いることができる。その中でも、高い光電変換性能を有すること、分光する際の色分離に優れていること、長時間の光照射に対する耐久性が高いこと、真空蒸着を行いやすいこと、等の観点から、キナクリドン骨格を含む材料やフタロシアニン骨格を含む有機材料が特に好ましい。
【００３８】
光電変換層１４を構成する有機材料は、ｐ型有機半導体及びｎ型有機半導体の少なくとも一方を含んでいることが好ましい。例えば、ｐ型有機型半導体及びｎ型有機半導体として、それぞれキナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体のいずれかを特に好ましく用いることができる。
【００３９】
光電変換層１４を有機材料で構成すれば、シリコン基板などに形成したフォトダイオードを光電変換部として用いる構成に比べて、可視光に対する光吸収係数が大きい。このため、光電変換層１４に入射した光が吸収されやすくなる。この性質によれば、光電変換層１４に斜めに入射した光も隣接する画素部へ漏れにくくなり、画素部で光電変換されることになり、透過効率の向上とクロストークの抑制を図ることができる。
【００４０】
（絶縁層）
絶縁層１８は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、またはこれらの混合膜などから構成することができる。
【００４１】
（カラーフィルタ層）
図２に示すように、カラーフィルタ層ＣＦは、それぞれ異なる波長の光を透過する複数のカラーフィルタを有する。ここでは、カラーフィルタＣＦは赤／青／緑色の顔料、もしくは染料の入った有機材料によるカラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂが画素毎に配置され、各カラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂ間にはカラーフィルタ材料よりも屈折率が小さな透明材料で構成される分離壁２２が設けられている。
【００４２】
カラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂは、それぞれ異なる波長の光を透過するものであり、カラーフィルタ２１ｒは、入射光のうち赤色の波長の光を透過する構成を有するＲ光カラーフィルタとして機能する。同様にカラーフィルタ２１ｇは、入射光のうち緑色の波長の光を透過する構成を有するＧ光カラーフィルタとして、カラーフィルタ２１ｂは、入射光のうち青色の波長の光を透過する構成を有するＢ光カラーフィルタとして機能する。
【００４３】
複数のカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂは、各画素部にいずれか１つが含まれ、画素部の配列に応じてベイヤー配列などのカラーパターンで配列されている。図３では、一例として、４つの画素部におけるカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂのベイヤー配列を示している。複数のカラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの配列はこの構成例で説明するものに限定されず、任意に変更可能である。
【００４４】
カラーフィルタの屈折率は赤青緑の各色で異なり、また入射光の波長によっても異なるものであるが、カラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂのいずれも入射光波長（少なくともその可視光域の波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に対し１．５〜１．８の範囲内の屈折率を有する。
また、それぞれのカラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂの厚みは０．３μｍ〜１．０μｍの範囲内としている。
【００４５】
カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを互いに分離するための分離壁２２は、図３に示す平面視においては、略格子状に形成され、各カラーフィルタ２１ｒ，２１ｇ，２１ｂそれぞれを個別に囲うように形成されている。
【００４６】
各カラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂの間隔に相当する分離壁２２の幅ｔは０．０５μｍ〜０．２μｍの範囲内にあり、その屈折率は１．２２〜１．３４の範囲内にある。分離壁２２の屈折率は低い程イメージセンサとしての特性は向上するが、あまり低い材料を用いると膜としての脆弱性が問題となることから実効的には１．２８〜１．３０程度の材料を用いることが望ましい。
【００４７】
（低反射層）
低反射層２５は空気中からカラーフィルタＣＦに光がダイレクトに入射する場合の反射損失を低減するために備えられる。カラーフィルタＣＦに用いる材料の屈折率（例えば、３色のフィルタの屈折率の平均値）をｎcとした場合、低反射層２５としては√ｎcとなる屈折率を有する材料を選択し、層厚は可視光のほぼ中心波長となる５５０ｎｍの１／４膜厚となるようにすればよい。例えば、本素子の場合ではカラーフィルタＣＦの屈折率が１．５〜１．８であることから１．２８前後の屈折率を有する材料を用い、厚さは５５０／４／１．２８＝１０７ｎｍとなることから、約０．１μｍとすればよい。
【００４８】
本実施形態の撮像装置は、以上のように構成されている。
【００４９】
本実施形態において撮像素子１０は、基板１の上方に光電変換層１４が積層された積層型撮像素子である。撮像素子は、従来の撮像素子のようなフォトダイオードが形成された基板上に電荷転送路が形成され、その上に平坦化膜などを挟んでカラーフィルタ層が設けられる表面照射型の撮像素子に比べ、カラーフィルタ層と光電変換層１４との距離ｄを短くすることが可能である。具体的に、距離ｄは、カラーフィルタ層ＣＦの下側面から光電変換層１４の上側面までの距離である。本撮像素子の構成によれば、距離ｄを３μｍ以下とすることが可能である。
【００５０】
上記構成の撮像素子１０を備えることにより、固体撮像素子１０を備えた撮像装置１００の厚さＴを従来よりも小さくすることが可能となる。具体的には、固体撮像素子が１／４インチである場合に、従来装置であれば厚さＴが通常５ｍｍ前後以上となるが、上記構成とすることにより４ｍｍを下回る厚さを達成することができた。
【００５１】
（シミュレーション）
以下、本発明の撮像装置に備えられている分離壁２２を有するカラーフィルタＣＦを備えた場合と、比較例として、分離壁を有さずマイクロレンズ３１が備えられたカラーフィルタＣＦ’を備えた場合とについて、光学シミュレーションを行った結果を説明する。
【００５２】
シミュレーションを行った素子構造の断面模式図を図４Ａおよび図４Ｂに示す。図４Ａが分離壁付きカラーフィルタを備えた場合の素子を示すものであり、図４Ｂがマイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた場合の素子を示すものである。本シミュレーションにおいては、いずれも各色のカラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂを図３に示したようなベイヤー配列に配置したものとし、緑の画素領域における緑色フィルタを通って入射された光量と隣の画素（赤あるいは青）からの入射光量の入射角依存性を計算した。より詳細には、図３に示すカラーフィルタにおいて、Ｇ１−Ｇ１線上のＲ画素に隣接するＧ画素における入射光量をＧ１、およびこのＧ画素に隣接するＲ画素から入射する入射光量をＲとし、入射角度をＧ１−Ｇ１線方向に変えていった場合の入射角度依存性を計算したものである。
同様にＧ２−Ｇ２線上のＢ画素に隣接するＧ画素における入射光量をＧ２、およびこのＧ画素に隣接するＢ画素から入射する入射光量をＢとし、入射角度をＧ２−Ｇ２線方向に変えていった場合の入射角依存性を計算した。
【００５３】
両構造とも光電変換層１４としては有機材料を用いており厚さは０．５μｍとし、カラーフィルタ層ＣＦあるいはＣＦ’との間には厚さ０．３μｍの可視光に対し透明な絶縁層１８を備えた構造とした。
【００５４】
分離壁付きカラーフィルタ層ＣＦは分離壁２２の幅を０．２μｍ、分離壁２２の屈折率を１．３とした。本シミュレーションにおいて用いた各カラーフィルタ２１ｒ、２１ｇ、２１ｂの膜厚は、０．７μｍ、０．５μｍ、０．５μｍとした。
【００５５】
マイクロレンズ付きカラーフィルタ層ＣＦ’の２１ｒ、２１ｇ、２１ｂの膜厚は、０．７μｍ、０．５μｍ、０．５μｍとした。カラーフィルタＣＦ’とマイクロレンズ３１との間に平坦化層３０を備える構造とし、平坦化層の厚みは赤色カラーフィルタとマイクロレンズ３１の間の厚さと定義した。また、マイクロレンズ３１はレンズ厚ｔmが０．６μｍとなる構造とした。
【００５６】
平坦化層３０の厚みは通常１〜２μｍであるが、本シミュレーションでは平坦化層３０の厚みを０μｍ、０．５μｍ、１．０μｍと３種類の構造について計算した。平坦化層３０はカラーフィルタ層ＣＦ’が現状の一般的な作製方法では表面に凹凸のある形状になってしまうこと、加えて各色毎にカラーフィルタの厚みが異なること等の理由から、マイクロレンズを安定に作製するために必要となる層である。現状一般的な厚みは１〜２μｍと厚いものの、今後平坦化に用いる材料の技術進歩により将来は１μｍよりも薄くして平坦化できる可能性がある。なお、マイクロレンズは平坦な面上に設ける必要があることから、現実的には平坦化層０μｍはありえない値であり、せいぜい０．５μｍ程度が限界膜厚（最小膜厚）となると考えられる。
【００５７】
シミュレーションにより得られた、混色が許容できる有効な入射角と画素ピッチの関係を示したものを図５に示す。なお、入射有効角は垂直入射時の光量よりも１割低減した時の入射角度と定義した。
【００５８】
図４Ａに示した分離壁を有するカラーフィルタＣＦを備えた構造、および図４Ｂに示したマイクロレンズ付きカラーフィルタＣＦ’を備えた構造であり、平坦化層１μｍ、０．５μｍ、０μｍとした場合について、画素ピッチを１．８、１．４、１．２μｍとした場合のそれぞれについてシミュレーションを行った。
【００５９】
図５に示す本シミュレーション結果によれば、従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタ構造では、有機材料による薄い光電変換層であっても画素ピッチが小さくなるにつれて光入射角度が大きくなった際の混色が避けられず、最大有効入射角が小さくなることが分かった。これに対し分離壁付きカラーフィルタ構造、斜め入射による混色が劇的に小さくなり、最大有効入射角の許容範囲が大幅に増加することが分かった。
【００６０】
図６〜図８は、図４Ａに示す分離壁付きカラーフィルタを備えた場合であって、画素ピッチをそれぞれ１．８、１．４、１．２μｍとした時のシミュレーション結果である。
【００６１】
図６〜図８に示すように、本発明の撮像装置では、画素ピッチＤが１．８、１．４、１．２μｍのいずれであっても４５°まではほとんど劣化がないことが明らかとなった。
【００６２】
図９〜図１１は、図４Ｂに示すマイクロレンズ付きカラーフィルタ（分離壁なし）を備え、平坦化層の厚みｔｈを０．５μｍとした場合であって、画素ピッチＤをそれぞれ１．８、１．４、１．２μｍとした時のシミュレーション結果である。
【００６３】
図９〜１１に示すように、マイクロレンズ付きカラーフィルタ、平坦化層０．５μｍを備えた素子においては、画素ピッチＤが１．８μｍの時（図９）、３０°より大きな入射角になると入射光量及び混色特性が劣化し、同様に、画素ピッチＤが１．４μｍの時（図１０）、２０°より大きな入射角になると、画素ピッチＤが１．２μｍの時（図１１）、１５°より大きな入射角になるとそれぞれ顕著に入射光量及び混色特性が劣化していくのが分かる。
【００６４】
なお、図６〜図１１において示すシミュレーション結果における縦軸（入射光量）は、図６に示すＧ１についての垂直入射（入射角０°）した際の光量を１として、規格化したものである。
【００６５】
図５に示すように、マイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた構造では、平坦化層の厚みが現実的な値である１．０μｍの場合、画素ピッチＤが１．８μｍでは入射角が２５°以上になると隣接画素からの混色が問題となる。同様に画素ピッチＤが１．４μｍでは１５°、１．２μｍでは１０°より大きくなると混色による性能劣化が起き、画素ピッチに比例して画素ピッチが小さくなるほど有効な入射角が小さくなっている。すなわち、マイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた構造では、平坦化層の厚み１．０μｍの場合、図５の直線（１）より下の条件であれば良好な性能を得ることができる。
画素ピッチをＤ（μｍ）、有効入射角をα（°）とした場合、図５の直線（１）は、α＝２５・Ｄ−５であり、
α≧２５・Ｄ−２０の範囲でＧ光の入射光量の低下およびＲ光、Ｂ光の混色等の性能劣化が生じる。
【００６６】
また、マイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた構造で、平坦化層として用いる材料等に技術進歩により将来達成可能と考えられる平坦化層の最小膜厚である０．５μｍの場合、図５の直線（２）より下の条件であれば良好な性能を得ることができる。
この場合、α≧２５・Ｄ−１５の範囲で性能劣化が生じる。
【００６７】
さらに、マイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた構造における製作上理論限界となる平坦化層０μｍの場合で見ても、画素ピッチＤが１．８μｍでは入射角が４０°以上になると隣接画素からの混色が問題となる。同様に画素ピッチＤが１．４μｍでは３０°、１．２μｍでは２２．５°より大きくなると混色による性能劣化が起きている。
この場合、α≧２５・Ｄ−５の範囲で性能劣化が生じることが明らかになった。
【００６８】
これに対し、分離壁付きカラーフィルタではどの画素ピッチにおいても入射角に対する劣化が小さく、１．８μｍ、１．４μｍ、１．２μｍのどの画素ピッチでも４５°まで混色が問題とならないことがシミュレーションにより初めて明らかになった。従来のマイクロレンズ付きカラーフィルタでは画素ピッチが小さくなるほど最大入射角が小さくなっていることを考えると平坦化層の厚みにもよるが画素ピッチ２μｍ程度以上の範囲では混色が問題になることはなかったと考えられる。逆に画素ピッチが小さい範囲はシミュレーションでは１．２μｍまでしか計算していないものの、画素ピッチが波長サイズ、つまり最長波長の赤色の波長である０．７μｍをカラーフィルタの屈折率で割った約０．４μｍ程度までは有効であると考えられる。０．４μｍよりも更に画素ピッチが小さい範囲では画素サイズが光の振幅よりも小さくなるために垂直入射でも混色が起きることが予想される。以上の考察より分離壁付きカラーフィルタが特に有効となる範囲は画素ピッチが０．４μｍ〜２μｍ程度の範囲であることが分かった。
【００６９】
以上のシミュレーション結果から、本発明においては、従来の構成では達成できなかった画素ピッチと入射有効角の範囲を規定した。すなわち、本発明は、最大入射角がマイクロレンズ付きカラーフィルタでは大きくロスが生じる入射角度以上であり、分離壁付きカラーフィルタを備えた素子において達成できる入射角度域を以下のように規定したものである。
【００７０】
画素ピッチ２．６μｍ以下のとき、４５≧α≧２５・Ｄ−２０、
さらに、画素ピッチ２．４μｍ以下のとき、４５≧α≧２５・Ｄ−１５、
さらには、画素ピッチ２．０μｍ以下のとき、４５≧α≧２５・Ｄ−５とする。
【００７１】
なお、既述の通り、マイクロレンズ付きカラーフィルタの場合、平坦化層３０を設けない構成すなわち平坦化層厚０μｍは現実的ではない。平坦化層３０を設けない構成とするためには、カラーフィルタ層において、各色のフィルタ厚みを同じにし、且つ各画素毎に平らになるようにして、隣の画素とのオーバラップも全くないようにパターニングする必要がある。しかし実際には各色毎に光吸収係数が異なるために、同じ厚さに揃えるのは技術的に困難であり、市販されている撮像装置に用いられているカラーフィルタは一般に各色毎のフィルタ厚さが異なっている。また表面を平らに加工するのは困難で、実際には端の部分が丸みを帯びた凸形状になっている。そのため赤青緑色のカラーフィルタを形成した表面は凸形状の各フィルタが敷き詰められた凸凹した表面形状になっている。マイクロレンズは平坦な面上に形成することを要することから、カラーフィルタの表面の凹凸を平坦化するための平坦化層３０が必須となる。カラーフィルタ表面の凹凸の高低差はどんなに押さえ込んでも０．２〜０．３μｍ程度は残り、ここに樹脂を塗布して平坦にするためには少なくてもこの３倍程度の厚みを必要とする。従って現実的な平坦化層厚としては１μｍ程度が必要となるのである。
【００７２】
マイクロレンズ付きカラーフィルタを備えた構成では、画素ピッチが小さくなるにつれて、光入射有効角が小さくなる。したがって、光学系の全長を長くする必要があり、装置の小型化の弊害となっていた。
本発明で示した固体撮像素子は斜めから入射された光に対しても４５°まではほとんど混色が問題にならない。したがって本撮像素子を用いた撮像装置は、αが４５°以下となる光学系であれば任意の光学系と組み合わせて使用することが出来、従来のマイクロレンズを備えた素子において、各画素ピッチ毎に上限とされていた入射有効角よりも大きい角度の入射有効角を許容できるので、モジュールの全長を短くすることができ、小型化・薄型化に有効である。そのため例えばデジタルカメラや他の家電製品や携帯情報端末などに種々の用途で内蔵される撮像装置として効果的に利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
超広角で撮影を必要とする監視用カメラ、及び超薄型のデバイス形態が要求されるデジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話等で利用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  固体撮像素子
１１  半導体回路基板
１２  下部電極（画素電極）
１４  有機光電変換層
１６  上部電極（共通電極）
１８  絶縁層
２１ｒ、２１ｇ、２１ｂ  カラーフィルタ
２２  分離壁
３０  平坦化層
３１  マイクロレンズ
１００  撮像装置
１０１  セラミックパッケージ
１０２  レンズホルダ
１０５  赤外光カットフィルタ
１１０  結像用光学系
１１１  開口絞り
１１２、１１３  レンズ
１１５  レンズ群
ＣＦ  分離壁付きカラーフィルタ
【図１Ａ】
2012238774.tif 000003
【図１Ｂ】
2012238774.tif 000004
【図２】
2012238774.tif 000005
【図３】
2012238774.tif 000006
【図４Ａ】
2012238774.tif 000007
【図４Ｂ】
2012238774.tif 000008
【図５】
2012238774.tif 000009
【図６】
2012238774.tif 000010
【図７】
2012238774.tif 000011
【図８】
2012238774.tif 000012
【図９】
2012238774.tif 000013
【図１０】
2012238774.tif 000014
【図１１】
2012238774.tif 000015