JP2021166259A

JP2021166259A - 光電変換装置および機器

Info

Publication number: JP2021166259A
Application number: JP2020069428A
Authority: JP
Inventors: 勉丹下; Tsutomu Tange; 俊之小川; Toshiyuki Ogawa; 英明石野; Hideaki Ishino; 裕介大貫; Yusuke Onuki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2021-10-14
Also published as: US11990490B2; US20210313369A1

Abstract

【課題】光電変換装置の光学特性を改善する上で有利な技術を提供する。【解決手段】光電変換層１０と、光電変換層１０を覆う遮光膜５０と、を備える光電変換装置ＡＰＲであって、遮光膜５０は、金属層５１と金属層５１と光電変換層１０との間に位置する金属層５２と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

光電変換装置では、受光領域や遮光領域に遮光膜が配置される。特許文献１には、遮光膜（３９）を、例えばアルミニウム（Ａｌ）、あるいはタングステン（Ｗ）、あるいは銅（Ｃｕ）の膜で形成することが開示されている。

特開２０１０−１８６８１８号公報

特許文献１の技術では遮光膜の光学特性が十分でない。そこで本発明は光電変換装置の光学特性を改善する上で有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、光電変換層と、前記光電変換層を覆う遮光膜と、を備える光電変換装置であって、前記遮光膜は、第１金属層と、前記第１金属層と前記光電変換層との間に位置する第２金属層と、を含み、前記第１金属層の屈折率をＮａ、前記第１金属層の消衰係数をＫａ、前記第２金属層の屈折率をＮｂ、前記第２金属層の消衰係数をＫｂ、前記第２金属層の厚さをＴｂとして、｛（Ｎａ−１）^２＋Ｋａ^２｝／｛（Ｎａ＋１）^２＋Ｋａ^２｝＞｛（Ｎｂ−１）^２＋Ｋｂ^２｝／｛（Ｎｂ＋１）^２＋Ｋｂ^２｝およびＫｂ＊Ｔｂ≧０．１８３＊λｂを満たすことを特徴とする。

本発明の第２の観点は、光電変換層と、前記光電変換層を覆う遮光膜と、を備える光電変換装置であって、前記遮光膜は、第１金属層と、前記第１金属層と前記光電変換層との間に位置する第２金属層と、を含み、前記第１金属層の主成分はアルニウムであり、前記第２金属層の主成分はタングステンである、ことを特徴とする。

本発明によれば、光電変換装置の光学特性を改善する上で有利な技術を提供することができる。

光電変換装置および機器を説明する模式図。光電変換装置を説明する平面模式図。光電変換装置を説明する断面模式図。光電変換装置を説明する断面模式図。光吸収係数および光透過率について説明する模式図。光電変換装置を説明する断面模式図。

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、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、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。

図１（ａ）は、光電変換装置ＡＰＲを説明する図面であり、光電変換装置ＡＰＲの平面模式図である。図１（ｂ）は、光電変換装置ＡＰＲを備える機器ＥＱＰを説明する模式図である。図２は、図１（ａ）において範囲Ａで示した部分を詳説する光電変換装置ＡＰＲの平面模式図である。図３は、図２において線Ｂで示した部分における光電変換装置ＡＰＲの断面模式図である。

図１（ａ），図２および図３に示す様に、光電変換装置ＡＰＲは受光画素領域１および遮光画素領域２を有する。図１において受光画素領域１は一点鎖線Ｌ１で囲まれた範囲であり、遮光画素領域２は一点鎖線Ｌ１と二点鎖線Ｌ２で挟まれた範囲である。受光画素領域１と遮光画素領域２を合わせて画素領域と総称できる。周辺領域３は二点鎖線Ｌ２の外の範囲である。少なくとも遮光画素領域２には遮光膜５０が設けられている。本例では受光画素領域１にも遮光膜５０が設けられている。また、周辺領域３にも遮光膜５０が設けられている。本例の遮光膜５０は、受光画素領域１において複数の開口ＯＰを有している。この開口ＯＰを介して光電変換層１０が受光可能となっている。遮光膜５０は、受光画素領域１に位置する受光画素部５７と、遮光画素領域２に位置する遮光画素部５８と、周辺領域３に位置する部分とを有しうる。受光画素部５７と遮光画素部５８の厚さは同じであってもよいが、異なっていてもよい。周辺領域３に位置する部分は接続部５９を含む。開口ＯＰは受光画素部５７によって囲まれている。遮光画素部５８は複数の光電変換部１１２を覆っている。デバイスＤＥＶの周辺領域３には電極１９が設けられている。この電極１９は、光電変換装置ＡＰＲに含まれるボンディングワイヤが接続されるボンディングパッドでありうる。電極１５は光電変換層１０に設けられたパッド開口から露出し、ボンディングワイヤはこのパッド開口の中に配置され得る。

主に図３に示す様に、光電変換装置ＡＰＲは、光電変換層１０と、光電変換層１０を覆う遮光膜５０と、を備える。光電変換層１０は表面Ｆ１と裏面Ｆ２とを有する。光電変換層１０の表面Ｆ１と裏面Ｆ２との間に複数の光電変換部１１が配列されている。複数の光電変換部１１のうちで、受光画素領域１に位置する光電変換部１１１が受光画素を構成し、複数の光電変換部１１のうちで、遮光画素領域２に位置する光電変換部１１２が遮光画素を構成する。光電変換部１１１と光電変換部１１２とを相互に区別する必要がない場合には、光電変換部１１と記載する。

受光画素領域１は、光電変換部１１１を含む受光画素が行列状に配置された領域である。受光画素領域１の各列の受光画素の信号は、不図示の列信号線を通して出力される。遮光画素領域２は、光電変換部１１２を含む遮光画素が行列状に配置された領域である。遮光画素は、黒レベルを検出するために使用されるＯＢ（オプティカルブラック）画素でありうる。受光画素領域１と遮光画素領域２との間には、画素構造を含む緩衝領域が含まれてもよい。受光画素領域１の画素および遮光画素領域２の画素信号の出力は、周辺領域３にある、行選択回路と、読出回路と、列選択回路を用いて行われる。行選択回路は、前述の画素行列の行を選択し、選択した行の画素を駆動する。行選択回路によって選択された行の画素信号は、列信号線を通して読出回路に出力される。列選択回路は、複数の列信号線から読出回路によって読み出された複数の信号を順に選択して出力する。

光電変換装置ＡＰＲは、光電変換層１０に対して遮光膜５０の側とは反対側（表面Ｆ１側）に設けられた配線構造２０を備えうる。配線構造２０は複数の配線層ＷＬとその周囲の絶縁体ＩＬを含む。絶縁体ＩＬは複数の層間絶縁層を含みうる。光電変換装置ＡＰＲは光電変換層１０に対して光入射側（裏面Ｆ２側）に光学構造３０を備える。遮光膜５０は光学構造３０の一部である。遮光膜５０と配線構造２０との間に光電変換層１０が配置される。光学構造３０は遮光膜５０の他に、誘電体ＤＬと、誘電体ＤＬの上のカラーフィルターと、カラーフィルターの上のマイクロレンズＭＬと、を含みうる。光学構造３０はカラーフィルターと光電変換層１０との間に、不図示の層内レンズを備えていてもよい。光学構造３０は遮光膜５０の上に設けられた遮光壁６０を含みうる。受光画素領域１において、遮光膜５０は誘電体ＤＬで構成された透光部３５を画定しており、透光部３５の形状は開口ＯＰの形状に一致しうる。

本例の光電変換装置ＡＰＲは、裏面照射型の光電変換装置ＡＰＲであるが、本実施形態は表面照射型の光電変換装置ＡＰＲにも適用可能である。表面照射型の光電変換装置ＡＰＲにおいては、遮光膜５０と光電変換層１０との間に配線構造２０が配置されうるか、配線構造２０と光電変換層１０との間に遮光膜５０が配置されうる。

図６は光電変換装置ＡＰＲの参考形態を示す断面図であり、参考形態の光電変換装置ＡＰＲは、図３に類似した構造を有する。参考形態では、光電変換装置ＡＰＲに入射した光であって、光電変換層１０の裏面Ｆ２、光電変換層１０の表面Ｆ１あるいは配線層ＷＬで反射している反射光Ｌａの例を示している。反射光Ｌａは、さらに遮光膜５０の下面（光電変換層１０側の面）で再反射して光電変換層１０へ入射している。また、参考形態では、光電変換装置ＡＰＲに入射したであって、遮光膜５０を透過して光電変換層１０へ入射する透過光Ｌｂの例を示している。遮光膜５０の下面で再反射すると受光画素領域１では画素間でのクロストークが生じうる。また、遮光されるべき光電変換部１１２が反射光Ｌａや透過光Ｌｂを受光してしまい、遮光画素の出力に影響を及ぼしうる。例えば、遮光画素の出力の変化は黒レベルを上昇させ、その結果、撮像性能が低下する場合がある。あるいは、遮光画素領域２での光電変換によって生じた電荷が受光画素の出力に影響を及ぼす場合もありうる。このように、遮光膜５０の光学特性が十分でないと、撮像性能が低下しうる。そこで本実施形態では遮光膜５０に特徴的な構造を採用することで、遮光膜５０の光学特性を改善する。すなわち、遮光膜５０を、遮光膜５０の遮光性能を確保するための層と、遮光膜５０の下面での反射を抑制するための層と、を有する積層構造を採用する。

遮光膜５０は、金属層５１と、金属層５１と光電変換層１０との間に位置する金属層５２と、を含む。金属層５１の主成分と金属層５２の主成分は互いに異なる。金属層５１、５２の材料は種々の金属から選択することができ、典型的には、タングステン、タンタル、チタン、ニッケル、コバルト、金、銀、銅およびアルミニウムからなる材料群から選択された材料を採用することができる。

以下、図５を参照しながら遮光膜５０の構造と光学特性との関係について説明する。ここでは、光Ｌが入射する対象物を物体Ｏとして説明する。遮光膜５０の光反射率、光吸収率および光透過率を議論する際には、物体Ｏを遮光膜５０で置き換えて考えればよい。

物体Ｏは、材料Ｍからなり、材料物体Ｏの厚さｄ（ｎｍ）、材料Ｍの屈折率ｎ、材料Ｍの消衰係数ｋについて検討する。ここで、屈折率ｎおよび消衰係数ｋは入射する光Ｌの波長λ（ｎｍ）に対する値である。

光Ｌは、物体Ｏの表面に垂直に入射するものとする。物体Ｏの表面では光の反射が起こる。物体Ｏの表面における光の反射率を光反射率Ｒとする。光反射率Ｒと材料Ｍの屈折率ｎ、消衰係数ｋとの関係は次式で表される。

Ｒ＝｛（ｎ−１）^２＋ｋ^２｝／｛（ｎ＋１）^２＋ｋ^２｝・・・式（ｉ）
反射しなかった光は物体Ａの表面から物体Ｏの内部に侵入し、物体Ｏの内部では光の吸収が起こる。物体Ｏの内部に侵入する光に対する、物体Ｏの内部での光の吸収率を光吸収率Ａとする。物体Ｏの内部で吸収されない光が物体Ｏを透過する。物体Ｏの表面に入射した光に対する、物体Ｏを透過した光を光透過率τとする。

物体Ｏに向かう光Ｌの強度をＩｓ、光Ｌのうち物体Ｏで反射される光の強度をＩｒ、光Ｌのうち物体Ｏに侵入する光の強度をＩｅとする。物体Ｏに侵入する光のうち、物体Ｏで吸収される光の強度をＩａ、物体Ｏを透過する光の強度をＩｔとする。強度Ｉｓ、Ｉｒ、Ｉｅ、Ｉａ，Ｉｔと、光反射率Ｒ、光透過率τ、光吸収率Ａは下記の様な関係にあり、式（ｉｉ）が導き出せる。

Ｉｓ＝Ｉｒ＋Ｉｅ
Ｉｅ＝Ｉａ＋Ｉｔ
Ｉｒ＝Ｉｓ＊Ｒ
Ｉｅ＝Ｉｓ＊（１−Ｒ）
Ｉａ＝Ｉｅ＊Ａ
Ｉｔ＝Ｉｅ＊（１−Ａ）
Ｉｔ＝Ｉｓ＊τ
τ＝Ｉｔ／Ｉｓ＝（１−Ｒ）＊（１−Ａ）・・・式（ｉｉ）
透過光の強度Ｉｔ、光吸収率Ａは、物体Ｏの内の光の入射部から出射部までの距離ｄと、物体Ｏを構成する材料Ｍの光吸収係数αとで表すことができる。光吸収係数αと消衰係数ｋとの関係は次式で表される。

Ｉｔ＝Ｉｅ＊ｅｘｐ［−α＊ｄ］
Ａ＝（Ｉｅ−Ｉｔ）／Ｉｅ＝１−ｅｘｐ［−α＊ｄ］
α＝４π＊ｋ／λ
Ａ＝１−ｅｘｐ［−４π＊ｋ＊ｄ／λ］・・・式（ｉｉｉ）
材料Ｍが決まっている場合、光吸収率Ａは、距離Ｄに依存する。物体Ｏの表面と裏面が平行で表面に対して光Ｌが垂直入射する場合、距離ｄは表面と裏面との距離、すなわち、物体Ｏの厚さｄに相当する。

光透過率τが低いほど遮光膜５０の遮光性能が高いといえる。遮光膜５０の遮光性能を高めるには、反射率が高い金属層を用いることが有効である。そこで、金属層５１には光反射率が高い材料を用いる。遮光膜５０の下面に光反射率が大きい材料を用いると、図６を用いて説明したように、遮光膜５０の下面での反射が生じやすく、遮光画素領域２において光電変換層１０へ入射する光が増加しうる。これは、遮光画素の黒レベルを上昇させ、撮像素子の性能を低下させる。そこで、金属層５２には反射率が低い材料を用いる。金属層５２の光反射率Ｒｂは金属層５１の光反射率Ｒａよりも低ければよい。つまり、Ｒａ＞Ｒｂを満たせばよい。

金属層５１の屈折率をＮａ、金属層５１の消衰係数をＫａ、金属層５２の屈折率をＮｂ、金属層５２の消衰係数をＫｂ、金属層５１の厚さをＴｂとする。金属層５１の反射率Ｒａはｎ＝Ｎａ、ｋ＝Ｋａを式（ｉ）に代入すればよい。

Ｒａ＝｛（Ｎａ−１）^２＋Ｋａ^２｝／｛（Ｎａ＋１）^２＋Ｋａ^２｝
Ｒｂ＝｛（Ｎｂ−１）^２＋Ｋｂ^２｝／｛（Ｎｂ＋１）^２＋Ｋｂ^２｝
Ｒａ＞Ｒｂを満たすことは下記式（Ｒ）を満たすことを意味する。

｛（Ｎａ−１）^２＋Ｋａ^２｝／｛（Ｎａ＋１）^２＋Ｋａ^２｝＞｛（Ｎｂ−１）^２＋Ｋｂ^２｝／｛（Ｎｂ＋１）^２＋Ｋｂ^２｝・・・式（Ｒ）
式（ｉ）は光Ｌが垂直入射する場合について説明したが金属層における反射率の入射角依存性については無視してよい。これは、絶縁体（誘電体）への入射光に比べて、金属層への入射光は、反射率の入射角依存性が小さいためである。

金属層５２の光反射率Ｒｂが低くても、金属層５２の光透過率τｂが高ければ、金属層５２を透過した光が金属層５１で反射して再び金属層５２を透過して光電変換層１０へ入射してしまう。そこで、金属層５２の光吸収率Ａｂを高くすることが有効である。具体的には金属層５２の光吸収率Ａｂを９０％以上にすればよい（Ａｂ≧０．９）。金属層５２に侵入した光の９０％以上が金属層５２で吸収されれば、光電変換層１０へ反射される光を十分に抑えることができる。金属層５２の光吸収率Ａｂを９０％以上にすれば、金属層５２に侵入した光の１０％が金属層５２を透過したとしても、この透過光は金属層５１等で反射されて、透過光の９％以上が金属層５２で吸収される。つまり、金属層５２の光吸収率Ａｂを９０％以上にすれば、金属層５２へ侵入した光の９９％以上を吸収することが可能となる。

ここで、金属層５１に入射する光の波長λａと、金属層５２に入射する光の波長λｂは異なりうる。例えば遮光膜５０の上に青色フィルターＣＦＢが存在する場合には、金属層５１に入射する光は主に青色光である。従って、金属層５１の屈折率Ｎａおよび消衰係数Ｋａを評価する波長λａは青色光（例えば波長４５０±１０ｎｍ）であることが好ましい。金属層５２に入射する光は、光電変換層１０を透過した光を含みうるため、光電変換層１０で吸収されにくい光である。例えば光電変換層１０がシリコン層である場合には、金属層５１に入射する光は主に赤色光である。従って、金属層５２の屈折率Ｎｂおよび消衰係数Ｋｂを評価する波長λｂは赤色光（例えば波長６３０±１０ｎｍ）であることが好ましい。しかしながら、必ずしも金属層５１に青色光のみが入射するとは限らず、金属層５２に赤色光のみが入射するとは限らない。そこで、青色光と赤色光の間の波長である緑色光の波長λｃ（例えば波長５５０±１０ｎｍ）でもって、金属層５１の屈折率Ｎａおよび消衰係数Ｋａと金属層５２の屈折率Ｎｂおよび消衰係数Ｋｂの両方を評価してもよい。

金属層５２の光吸収率Ａｂはｎ＝Ｎｂ、ｋ＝Ｋｂ、ｄ＝Ｔｂ、λ＝λｂを式（ｉｉｉ）に代入すればよく、Ａｂ≧０．９を満たす条件は下記式（Ａ）となる。

Ａｂ＝１−ｅｘｐ［−４π＊Ｋｂ＊Ｔｂ／λｂ］≧０．９・・・式（Ａ）
式（Ａ）を変形すれば式（Ａ’）を得ることができ、式（Ａ’）にネイピア数ｅと円周率πの具体値を適用することで式（Ａ”）を得ることができる。

ｅｘｐ［４π＊Ｋｂ＊Ｔｂ／λｂ］≧１０・・・式（Ａ’）
Ｋｂ＊Ｔｂ≧０．１８３＊λｂ・・・（式Ａ”）
表１には、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）の４種類の材料について、波長帯域ごとの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを記載している。また、表１には、式（ｉ）で表される光反射率Ｒと、ｋ＊ｄ≧０．１８３＊λを満たす距離ｄ（ｄ≧０．１８３）＊λ／ｋ）を記載している。表２には、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の４種類の材料について、波長帯域ごとの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを記載している。また、表２には、式（ｉ）で表される光反射率Ｒと、ｋ＊ｄ≧０．１８３＊λを満たす距離ｄ（ｄ≧０．１８３）＊λ／ｋ）を満たす距離ｄを記載している。金属層５２の厚さＴｂが表１，２に示した距離ｄを満足すれば、金属層５２の光吸収率は０．９以上となる

アルミニウムと銀は他の材料に比べて光反射率Ｒが高いため、金属層５１の材料として好適である。タングステンとタンタルはアルミニウムや銀に比べて光反射率Ｒが低いため金属層５２の材料として好適である。

チタンとニッケルは光反射率Ｒが低いため金属層５２の材料として用いることができる。しかしながら、チタンは水素を吸蔵しやすいため、光電変換層１０の裏面Ｆ２におけるダングリングボンドの水素終端に好ましくない影響を与えうる。例えば、遮光画素領域２における遮光画素部５８にチタン層を設けると、光電変換層１０への水素供給量を減少させ、受光画素領域１と遮光画素領域２との間での水素供給量の違いに基づく暗電流の差を増大させうる。そのため、受光画素領域１と遮光画素領域２との間での黒レベルの差を増大させ、黒レベル補正の誤差が増大する。ニッケルは強磁性を有するため、デバイスＤＥＶへ好ましくない電磁気的な影響を与えうる。そのため、金属層５２の材料としては、チタンやニッケルよりもタングステンやタンタルの方が好適である。

銅と金は赤色光に対して高い光反射率を示すため、金属層５１に赤色光が入射する場合には、金属層５１の材料として用いることができる。銅と金は青色光に対して低い光反射率を示すため、金属層５２に青色光が入射する場合には、金属層５２の材料として用いることができる。銅は緑色光に対して低い光反射率を示すため、金属層５２に緑色光が入射する場合には、金属層５２の材料として用いることができる。金は緑色光に対して高い光反射率を示すため、金属層５１に緑色光が入射する場合には、金属層５１の材料として用いることができる。

アルミニウム、タングステン、チタン、銅、銀、ニッケル、金のいずれにおいても、厚さｄを５０ｎｍ以上にすれば、青色光、緑色光および赤色光のいずれに対しても、０．９（９０％）以上の光吸収率を実現することできる。タンタルにおいても、厚さｄを６０ｎｍ以上にすれば、青色光、緑色光および赤色光のいずれに対しても、０．９（９０％）以上の光吸収率を実現することできる。

金属層５１の主成分はアルミニウムまたは銀であることが好ましい。また、金属層５２の主成分は、タングステンまたはタンタルであることが好ましい。

図４を用いて遮光膜５０について詳説する。金属層５１の厚さＴａは金属層５２の厚さＴｂよりも大きいことが好ましい。遮光画素領域２において要求される遮光性能が例えば−２００ｄｂ以上であるとする。これは光透過率ではτ＝１０^−１０以下となる。この遮光性能を実現するためには、光反射率Ｒが高いだけでは不十分であり、τ＝（１−Ｒ）＊（１−Ａ）から、光吸収率Ａを高める必要があることが分かる。上述の様に、光吸収率Ａを高めるには、消衰係数ｋがより高いことと、厚さｄがより大きいことが求められる。−２００ｄｂ以上の遮光性能は、アルミニウムを主成分とする金属層の厚さを１５０ｎｍ以上とすることで実現可能である。同等の遮光性能は、タングステンを主成分とする金属層の厚さを３７０ｎｍ以上とすることでも実現可能であるが、遮光膜の厚さが大きくなることは明らかである。消衰係数がより大きい材料からなる金属層を遮光膜５０に用いることで、遮光膜５０の厚さＴを小さくできる。遮光膜５０の厚さの増大を抑制しつつ、遮光膜５０の遮光性能を高めるには、消衰係数ｋがより高い材料を用いればよい。金属層５１の消衰係数Ｋａは金属層５２の消衰係数Ｋｂよりも高いこと（Ｋａ＞Ｋｂ）が好ましい。金属層５２の消衰係数Ｋｂが金属層５１の消衰係数Ｋａより小さい場合、金属層５２の厚さＴｂと金属層５１の厚さＴａはＴｂ＜Ｔａとなることが望ましい。このようにすると、遮光画素領域２における遮光膜５０の遮光性能を向上させつつ、複層構造をとる遮光膜５０の膜厚Ｔを薄くすることができる。これにより遮光膜５０の側壁における光の反射を抑制することが可能となる。金属層５１の厚さは５０ｎｍ以上でありうる。金属層５１の厚さが５０ｎｍ以上であれば、どの金属材料であっても金属層５１の透過率は十分に低くなる。金属層５１として上述した典型材料群の材料を用いる場合、金属層５１の厚さが５０ｎｍであれば、透過率を１０％以下にすることができる。金属層５１の厚さＴａは例えば１００〜３００ｎｍである。金属層５２の厚さは５０ｎｍ以上でありうる。金属層５２の厚さが５０ｎｍ以上であれば、どの金属材料であっても金属層５２の透過率は十分に低くなる。金属層５２として上述した典型材料群の材料を用いる場合、金属層５２の厚さが５０ｎｍであれば、透過率を１０％以下にすることができる。金属層５２の厚さＴｂは例えば５０〜１５０ｎｍである。

遮光膜５０は、金属層５１と金属層５２との間に設けられた金属化合物層５３を含んでいてもよい。金属層５２の厚さＴｂは金属化合物層５３の厚さＴｃよりも大きいことが好ましい。金属化合物層５３の主成分は金属窒化物、金属酸化物あるいは金属炭化物などの種々の金属化合物から選択することができる。典型的な金属化合物層５３の主成分は窒化チタンあるいは窒化タンタルである。本例における金属化合物層５３の主成分は窒化チタンである。

遮光膜５０は、金属層５１と金属層５２との間に設けられた金属層５４を含んでいてもよい。本例の金属層５４は金属化合物層５３と金属層５２との間に設けられているが、金属層５４を金属化合物層５３と金属層５１との間に設けてもよい。典型的な金属層５４の主成分はチタンまたはタンタルである。金属層５４の厚さＴｄは金属化合物層５３の厚さＴｃよりも小さくてよい。

遮光膜５０は、金属層５１に対して光電変換層の側とは反対側に設けられた金属化合物層５５を含んでいてもよい。金属層５１の厚さＴａは金属化合物層５５の厚さＴｅよりも大きいことが好ましい。遮光膜５０と光電変換層１０との間の距離Ｄが、遮光膜５０の厚さＴよりも小さいことが好ましい。遮光膜５０と光電変換層１０との間の距離Ｄが、金属層５２の厚さＴｂよりも大きいことも好ましい。

遮光膜５０は、金属層５１に対して光電変換層の側とは反対側に設けられた金属層５６を含んでいてもよい。本例の金属層５６は金属層５１と金属化合物層５５との間に設けられているが、金属化合物層５５を金属層５１と金属層５６との間に設けてもよい。典型的な金属層５６の主成分はチタンまたはタンタルである。金属層５６の厚さＴｆは金属化合物層５５の厚さＴｅよりも小さくてよい。

金属化合物層５３あるいは金属層５４、金属化合物層５５、金属層５６はバリア層として機能しうる。バリア層として機能する材料は、金属層５２及び金属層５１を構成する材料との組み合わせに応じて選択されうる。金属層５１と金属層５２が互いに異なる材料で構成される場合、金属層５１と金属層５２との間のバリア層は、金属層５１と金属層５２との接続を安定させるために有利である。金属層５１がアルミニウムで構成され、遮光壁６０がタングステンで構成された場合のバリア層として、金属化合物層５３は窒化チタン層であり、金属層５４はチタン層でありうる。

遮光膜５０を構成する層の典型的な配置は、光電変換層１０の側から、金属層５２、金属層５４、金属化合物層５３、金属層５１、金属層５６、金属化合物層５５の順である。遮光膜５０を構成する層の種類の典型的な組み合わせとしては、金属層５１がアルミニウム層であり、金属層５２がタングステン層であり、金属化合物層５３および金属化合物層５５が窒化チタン層であり、金属層５４、５６がチタン層である。遮光膜５０を構成する層の厚さの典型的な関係としては、Ｔｄ＆Ｔｆ＜Ｔｃ＆Ｔｅ＜Ｔｂ＜Ｔａである。Ｔｆ＜Ｔｄであってよく、Ｔｃ＜Ｔｅであってよい。厚さＴｃは例えば１〜５ｎｍであり、厚さＴｄは例えば１〜１０ｎｍであり、厚さＴｃは例えば１０〜５０ｎｍであり、厚さＴｅは例えば１０〜５０ｎｍである。

遮光膜５０と光電変換層１０との間には誘電体層４３が設けられている。遮光膜５０と光電変換層１０との間には金属酸化物膜４０が設けられている。金属酸化物膜４０は誘電体層４３と光電変換層１０との間に設けられている。金属酸化物膜４０は、金属酸化物層４１と、金属酸化物層４１と半導体層との間に位置する金属酸化物層４２と、を含みうる。遮光膜５０と光電変換層１０との間には、金属酸化物層４１と、金属酸化物層４１と光電変換層１０との間に位置する金属酸化物層４２と、が設けられている。誘電体層４３の主成分は、酸化シリコンや窒化シリコン、炭化シリコン等のシリコン化合物でありうる。金属酸化物層４１の主成分は、例えば酸化タンタルや酸化チタンである。金属酸化物層４１の主成分は、例えば酸化アルミニウムや酸化ハフニウムである。透光部材ＤＬを構成する層の種類の典型的な組み合わせとしては、誘電体層４３が酸化シリコン層であり、金属酸化物層４１が酸化タンタル層であり、金属酸化物層４２が酸化アルミニウム層である。誘電体層４３は遮光膜５０の下面に接している。金属層５２と誘電体層４３との間の距離が金属層５２の厚さＴｂよりも小さいことが好ましい。換言すると、金属層５２と誘電体層４３との間には、金属層５２の厚さＴｂ以上の厚さを有する遮光層が存在しないことが好ましい。本例では、遮光膜５０の下面が金属層５２で構成されているため、金属層５２と誘電体層４３は接しており、金属層５２と誘電体層４３との間の距離はゼロである。遮光膜５０が誘電体層４３と金属層５２との間に不図示の遮光層（金属層や金属化合物層）を含む場合、金属層５２と誘電体層４３との距離は、誘電体層４３と金属層５２との間の遮光層の厚さに相当しうる。厚さＴｈは例えば５〜２０ｎｍであり、厚さＴｇは例えば２０〜１００ｎｍである。厚さＴｋは例えば５〜２０ｎｍであり、厚さＴｇは例えば５０〜５００ｎｍである。誘電体部材ＤＬを構成する層の厚さの典型的な関係としては、Ｔｈ＜Ｔｇ＜Ｔｋである。遮光膜５０を構成する層と、誘電体部材ＤＬを構成する層の厚さの典型的な関係としては、Ｔｄ＜Ｔｈ＜Ｔｇ＜Ｔｋである。

金属層５２の光電変換層１０の側の面の一部である接続部５９が光電変換層１０に接している。光電変換層１０は、所定の導電型の半導体領域１５を含み、遮光膜５０と半導体領域１５とは、接続部５９と半導体領域１５によって電気的に接続される。半導体領域１５および遮光膜５０は、一定の電位に維持される。半導体領域１５は、遮光画素領域２とは異なる周辺領域３に配置される。更に、遮光壁６０および遮光膜５０も、相互に電気的に接続される。金属酸化物層４１、４２および誘電体層４３は半導体領域１５の上に開口を有しており、この開口の中に金属層５２の一部が配置される。開口の中に配置された金属層５２の一部が接続部５９を有する。

受光画素領域１において遮光膜５０の上に設けられている遮光壁６０は、格子（例えば、矩形格子）を構成するように配置される。遮光壁６０には、下面と上面がある。光学構造３０は遮光膜５０の上に設けられた遮光壁６０を含みうる。遮光壁は開口ＡＰを有する。遮光壁６０と光電変換層１０との間に遮光膜５０が位置する。受光画素領域１において、遮光壁６０は誘電体ＤＬで構成された透光部３６を画定しており、透光部３６の形状は開口ＡＰの形状に一致しうる。透光部３６の配列ピッチは、受光画素領域１でも、遮光画素領域２でも同じであってよい。遮光壁６０は、受光画素領域１において、受光画素部５７に接して、受光画素部５７に重なるように配置される。遮光壁６０は、遮光画素領域２において、遮光画素部５８に接して、遮光画素部５８に重なるように配置される。遮光膜５０と遮光壁６０が接することで、遮光膜５０と遮光壁６０との間から光が漏れることを抑制できる。遮光膜５０の上面に凹部を形成し、この凹部の中に遮光壁６０の一部が配置されてもよい。光電変換部１１１とそれに隣接する光電変換部１１２の境界の上にも遮光壁６０は配置される。遮光壁６０を設けることにより、光電変換部１１２の上方の誘電体ＤＬ（透光部３６）に入射した光は、光電変換部１１１に入射しないようにできる。遮光壁６０は、受光画素領域１に配置されたものも、遮光画素領域２に配置されたものも同じ構造でありうる。遮光壁６０は、周辺領域３にも設けても設けられなくてもよい。遮光壁６０の高さＨは遮光膜５０の厚さＴよりも大きいことが好ましい。遮光壁６０は少なくとも金属層６１を含みうる。遮光壁６０を設けることにより、受光画素間の光のクロストークを抑制することができる。金属層６１の幅Ｗｗはおおむね遮光壁６０の幅に一致し、１００〜５００ｎｍである。本例の遮光壁６０は金属層６１と誘電体ＤＬとの間に位置する金属化合物層６１を含みうる。金属層６１の主成分はタングステンでありうるが、銅であってもよい。金属化合物層６１の主成分は窒化チタンでありうるが、窒化タンタルであってもよい。金属化合物層６２は金属層６１に対するバリア層として機能しうるが、金属化合物層６２を省略してもよい。遮光壁６０の幅Ｗは１００〜５００ｎｍでありうる。遮光壁６０の高さＨは５００〜５０００ｎｍでありうる。遮光壁６０は複数の遮光壁を縦に重ねた構造を有していてもよい。遮光壁６０の金属層６１の幅Ｗｗは遮光膜５０の金属層５１の厚さＴａよりも大きいこと（Ｔａ＜Ｗｗ）が好ましい。遮光壁６０の金属層６１の幅Ｗｗは遮光膜５０の金属層５２の厚さＴｂよりも大きいこと（Ｔｂ＜Ｗｗ）が好ましい。金属層６１の幅Ｗｗを大きくすることで、金属層６１へ入射した光の吸収率を高くすることができる。金属層６１の幅Ｗｗを金属層５１の厚さＴａよりも大きくすることで、金属層６１の材料の消衰係数ｋが金属層５１の材料の消衰係数ｋよりも低くても、金属層６１は十分な遮光性能を提供できる。受光画素領域１に入射する光の大半は遮光壁６１に入射することなく光電変換層１０へ入射する。そのため、遮光壁６０の遮光性能は、遮光画素領域２に入射する光の大半が入射する遮光膜５０ほど高くなくてよい。ここでは、金属層６１と金属層５１との間には金属化合物層５５および金属化合物層６１の両方が位置しているが、金属層６１と金属層５１との間には金属化合物層５５および金属化合物層６１の片方のみが位置していてもよい。例えば、金属層６１が設けられるトレンチを誘電体ＤＬに形成する際に、金属化合物層５５を除去して、金属化合物層５５（および金属層５６）にスリットを設けてもよい。その場合には、トレンチの中に設けられる金属層６１あるいは金属化合物層６２が金属層５１あるいは金属層５６に接しうる。以上説明したような遮光壁６０と遮光膜５０の関係は、遮光膜５０の金属層５１および金属層５２の一方（例えば金属層５２）を省略した場合においても成立しうる。

受光画素領域１においては、光電変換装置ＡＰＲへ入射した光は、マイクロレンズＭＬおよび緑色フィルターＣＦＧあるいは青色フィルターＧＦＢを透過し、透光部３６、３５を通って光電変換層１０へ入射する。緑色フィルターＣＦＧおよび青色フィルターＧＦＢをカラーフィルターと総称でき、緑色フィルターＣＦＧおよび青色フィルターＧＦＢを含むカラーフィルターアレイには不図示の赤色フィルターも含まれうる。本例では、遮光画素領域２にもマイクロレンズＭＬや青色フィルターＧＦＢが設けられている。遮光画素領域２のマイクロレンズＭＬは、受光画素領域１におけるマイクロレンズＭＬの形状を良好にする機能を有するが、省略してもよい。遮光画素領域２の色フィルターＧＦＢは、遮光膜５０への入射光を低減する機能を有するが、省略してもよい。遮光画素領域２においては、光電変換装置ＡＰＲへ入射した光は、遮光膜５０によって遮断あるいは減衰される。遮光膜５０に到達しうる光は遮光画素領域２に設けられた青色フィルターＧＦＢを透過した青色光でありうる。

遮光膜５０と誘電体ＤＬとの間には、反射防止膜（不図示）が配置されてもよい。反射防止膜は、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンなどで構成される。

遮光膜５０および遮光壁６０は、次の方法で製造できる。まず、金属酸化物層４１、４２となる金属酸化物材料膜が裏面Ｆ２を覆うように形成され、次いで、誘電体層４３となる誘電体材料膜が金属酸化物材料膜の上に形成される。そして、金属酸化物材料膜および誘電体材料膜には、接続部５９を形成すべき位置に接続用の開口が形成される。次に、金属層５１と金属層５２を含む複層構造を有する遮光材料膜が成膜される。この際に、上述した接続用の開口の中に金属層５２が入り込むことにより、充填されて接続部５９が形成される。次いで、複数の開口ＯＰが形成されるように遮光材料膜がパターニングされて遮光膜５０が形成される。次に、遮光膜５０を覆うように、誘電体層４４を含む誘電体材料膜が形成される。誘電体層４４を含む誘電体材料膜の一部は開口ＯＰの中に入り込む。次に遮光膜５０の上において誘電体材料膜にトレンチを形成する。このトレンチで囲まれた部分が透光部３６となる。このトレンチの中にタングステンなどの遮光材料膜を、スパッタリング等を用いて埋め込む。この遮光材料膜のうちの誘電体層４４となる誘電体材料膜の上に位置する部分をＣＭＰ等で除去する。これにより、開口ＡＰを有する遮光壁６０が形成される。遮光壁６０の高さＨは、誘電体層４４となる誘電体材料膜の厚さによって制御できる。

光電変換層１０は例えば単結晶シリコン層や化合物半導体層などの半導体層でありうる。光電変換部１１はｐｎフォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオードあるいはアバランシェフォトダイオードなどのフォトダイオードあるいはフォトゲートでありうる。本例における光電変換層１０には光電変換部１１の電荷を読み出すためのトランジスタが設けられており、図３にはこのトランジスタのゲート電極ＧＥを示している。読み出し回路を別の半導体層に配置して、当該別の半導体層を光電変換層と積層することもでき、その場合には、光電変換層１０にはトランジスタを設けなくてもよい。他の例において、光電変換装置ＡＰＲは、光電変換層１０に対して表面Ｆ１側に設けられた画素電極と、光電変換層１０に対して裏面Ｆ２側に設けられた対向電極とを備えていてもよい。この場合の光電変換層１０は有機材料および／または無機材料で構成された光電変換膜でありうる。光電変換膜は量子ドット膜であってもよい。光電変換膜の内で対向電極と画素電極との間に位置する部分が光電変換部１１となる。

図１（ｂ）に示した機器ＥＱＰについて詳述する。半導体装置ＡＰＲはデバイスＤＥＶの他に、デバイスＤＥＶを収容するパッケージＰＫＧを含みうる。パッケージＰＫＧは、デバイスＤＥＶが固定された基体と、デバイスＤＥＶに対向するガラス等の蓋体と、基体に設けられた端子とデバイスＤＥＶに設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプ等の接続部材と、を含みうる。

機器ＥＱＰは、光学装置ＯＰＴ、制御装置ＣＴＲＬ、処理装置ＰＲＣＳ、表示装置ＤＳＰＬ、記憶装置ＭＭＲＹの少なくともいずれかをさらに備え得る。光学装置ＯＰＴは光電変換装置としての半導体装置ＡＰＲに結像するものであり、例えばレンズやシャッター、ミラーである。制御装置ＣＴＲＬは半導体装置ＡＰＲを制御するものであり、例えばＡＳＩＣなどの半導体デバイスである。処理装置ＰＲＣＳは半導体装置ＡＰＲから出力された信号を処理するものであり、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）あるいはＤＦＥ（デジタルフロントエンド）を構成する。処理装置ＰＲＣＳは、ＣＰＵ（中央処理装置）やＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などの半導体デバイスである。表示装置ＤＳＰＬは半導体装置ＡＰＲで得られた情報（画像）を表示する、ＥＬ表示装置や液晶表示装置である。記憶装置ＭＭＲＹは、半導体装置ＡＰＲで得られた情報（画像）を記憶する、磁気デバイスや半導体デバイスである。記憶装置ＭＭＲＹは、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリである。機械装置ＭＣＨＮはモーターやエンジン等の可動部あるいは推進部を有する。機器ＥＱＰでは、半導体装置ＡＰＲから出力された信号を表示装置ＤＳＰＬに表示したり、機器ＥＱＰが備える通信装置（不図示）によって外部に送信したりする。そのために、機器ＥＱＰは、半導体装置ＡＰＲが有する記憶回路部や演算回路部とは別に、記憶装置ＭＭＲＹや処理装置ＰＲＣＳを更に備えることが好ましい。

図１（ｂ）に示した機器ＥＱＰは、撮影機能を有する情報端末（例えばスマートフォンやウエアラブル端末）やカメラ（例えばレンズ交換式カメラ、コンパクトカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ）などの電子機器でありうる。カメラにおける機械装置ＭＣＨＮはズーミングや合焦、シャッター動作のために光学装置ＯＰＴの部品を駆動することができる。また、機器ＥＱＰは、車両や船舶、飛行体などの輸送機器（移動体）でありうる。輸送機器における機械装置ＭＣＨＮは移動装置として用いられうる。輸送機器としての機器ＥＱＰは、半導体装置ＡＰＲを輸送するものや、撮影機能により運転（操縦）の補助および／または自動化を行うものに好適である。運転（操縦）の補助および／または自動化のための処理装置ＰＲＣＳは、半導体装置ＡＰＲで得られた情報に基づいて移動装置としての機械装置ＭＣＨＮを操作するための処理を行うことができる。機器ＥＱＰは内視鏡やコンピュータ断層撮影（ＣＴ）などの医療機器や、測距センサなどの計測機器、電子顕微鏡のような分析機器、複写機などの事務機器であってもよい。

本実施形態による半導体装置ＡＰＲは、その設計者、製造者、販売者、購入者および／または使用者に、高い価値を提供することができる。そのため、半導体装置ＡＰＲを機器ＥＱＰに搭載すれば、機器ＥＱＰ価値も高めることができる。よって、機器ＥＱＰの製造、販売を行う上で、本実施形態の半導体装置ＡＰＲの機器ＥＱＰへの搭載を決定することは、機器ＥＱＰの価値を高める上で有利である。

本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。なお、本明細書の開示内容は、本明細書に記載したことのみならず、本明細書および本明細書に添付した図面から把握可能な全ての事項を含む。また本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「ＡはＢよりも大きい」旨の記載があれば、「ＡはＢよりも大きくない」旨の記載を省略しても、本明細書は「ＡはＢよりも大きくない」旨を開示していると云える。なぜなら、「ＡはＢよりも大きい」旨を記載している場合には、「ＡはＢよりも大きくない」場合を考慮していることが前提だからである。

５０遮光膜
５１金属層
５２金属層
１０光電変換層

Claims

光電変換層と、
前記光電変換層を覆う遮光膜と、を備える光電変換装置であって、
前記遮光膜は、第１金属層と、前記第１金属層と前記光電変換層との間に位置する第２金属層と、を含み、
前記第１金属層の屈折率をＮａ、前記第１金属層の消衰係数をＫａ、前記第２金属層の屈折率をＮｂ、前記第２金属層の消衰係数をＫｂ、前記第２金属層の厚さをＴｂ（ｎｍ）、前記第２金属層へ入射する光の波長をλｂ（ｎｍ）として、
｛（Ｎａ−１）^２＋Ｋａ^２｝／｛（Ｎａ＋１）^２＋Ｋａ^２｝＞｛（Ｎｂ−１）^２＋Ｋｂ^２｝／｛（Ｎｂ＋１）^２＋Ｋｂ^２｝およびＫｂ＊Ｔｂ≧０．１８３＊λｂを満たすことを特徴とする光電変換装置。
光電変換層と、
前記光電変換層を覆う遮光膜と、を備える光電変換装置であって、
前記遮光膜は、第１金属層と、前記第１金属層と前記光電変換層との間に位置する第２金属層と、を含み、
前記第１金属層の主成分はアルミニウムであり、
前記第２金属層の主成分はタングステンである、
ことを特徴とする光電変換装置。
前記第１金属層の厚さは前記第２金属層の厚さよりも大きい、請求項１または２に記載の光電変換装置。
前記遮光膜は、前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられた第１金属化合物層を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記遮光膜は、前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられた第１金属化合物層と、前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられた第３金属層と、を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記第２金属層の厚さは前記第１金属化合物層の厚さよりも大きい、請求項４または５に記載の光電変換装置。
前記第１金属化合物層の主成分は窒化チタンである、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記遮光膜は、前記第１金属層に対して前記光電変換層の側とは反対側に設けられた第２金属化合物層を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記第１金属層の厚さは前記第２金属化合物層の厚さよりも大きい、請求項８に記載の光電変換装置。
前記遮光膜と前記光電変換層との間の距離が、前記遮光膜の厚さよりも小さい、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記遮光膜と前記光電変換層との間の距離が、前記第２金属層の厚さよりも大きい、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記第２金属層と前記光電変換層との間には誘電体層が設けられており、
前記第２金属層と前記誘電体層との間の距離が前記第２金属層の厚さよりも小さい、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記遮光膜と前記光電変換層との間には誘電体層が設けられており、
前記第２金属層の前記光電変換層の側の面の一部が前記光電変換層に接している、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記遮光膜と前記光電変換層との間には、第１金属酸化物層と、前記第１金属酸化物層と前記光電変換層との間に位置する第２金属酸化物層と、が設けられている、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記光電変換装置は受光画素領域および遮光画素領域を有し、
前記遮光画素領域において前記光電変換層は前記遮光膜によって遮光されており、
前記受光画素領域において前記遮光膜は複数の開口を有する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記受光画素領域において前記遮光膜の上には、遮光壁が設けられており、前記遮光壁の高さは前記遮光膜の厚さよりも大きい、請求項１５に記載の光電変換装置。
前記遮光壁の主成分はタングステンである、請求項１６に記載の光電変換装置。
前記第１金属層の厚さは１００〜３００ｎｍであり、前記第２金属層の厚さは５０〜１５０ｎｍである、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
前記光電変換層に対して前記遮光膜の側とは反対側に設けられた配線構造を備える、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記半導体装置に対応する光学装置、
前記半導体装置を制御する制御装置、
前記半導体装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記半導体装置から得られた情報を表示する表示装置、
前記半導体装置から得られた情報を記憶する記憶装置、および
前記半導体装置から得られた情報に基づいて動作する機械装置、
の６つのうちの少なくともいずれかと、を備える機器。