JP5371339B2 - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置に関する。

可視域の光を吸収して信号電荷を発生するアモルファスシリコン及び化合物半導体等の無機光電変換材料や有機光電変換材料と、この上方に設けられたモザイクカラーフィルタとを有する積層型カラー撮像素子が知られている（特許文献１，非特許文献１参照）。

これら積層型カラー撮像素子は、可視光全域に感度を有する、いわゆるパンクロ光電変換層が画素電極と透明対向電極で挟まれ、透明対向電極上に保護層を介してモザイクカラーフィルタが積層されている。モザイクカラーフィルタは、画素部毎にＲＧＢやＣｙＭｇＹｅの何れかの光を透過するカラーフィルタが配置された構成であり、撮像素子に入射した光線は、モザイクカラーフィルタにより画素部毎にＲＧＢやＣｙＭｇＹｅの何れかの色に分光された後、光電変換層で信号電荷に変換される。光電変換層で発生した信号電荷は画素電極に集められ、画素電極に接続されたプラグを介してシリコン基板内に形成された電荷蓄積ダイオードに一定時間蓄えられた後、ＣＭＯＳ回路やＣＣＤ等の信号読み出し回路によって外部に読み出される。

これらの積層型カラー撮像素子は、画素電極と透明対向電極間にバイアス電圧を印加して電位勾配を形成して光電変換層内で発生した信号電荷のほとんどを画素電極側に読み出す。そのため、画素電極間のギャップを狭くすれば、開口率が１に近い、高光利用率の高感度撮像素子を実現することができる。しかしながら、光電変換層とモザイクカラーフィルタの間に距離があると、斜め入射した光線が隣接画素部に漏れこむ場合があり、混色の発生や光利用率の低下が懸念される。

従来、この種の積層型カラー撮像素子は、モザイクカラーフィルタの厚さが0.6〜1.2μｍ、保護層の厚さが0.2〜0.5μｍ、パンクロ光電変換層の厚さが0.3〜1.0μｍに対して画素部サイズが3〜10μｍであったため、斜め入射光に対しても隣接画素部への光漏れ比率は小さく、混色や光利用率の低下の心配は少なかった。しかしながら、今後、画素部の微細化が進み、画素部サイズが2μｍ以下、特に1μオーダーになるとこの混色や光利用率の低下が無視できなくなる。

このような斜め入射光に対する混色や光利用率の低下が無視できない固体撮像素子を搭載した撮像装置では、撮像された画像の中心と周辺とで色や明るさが変化する、所謂、色シェーディングや輝度シェーディングが発生する。この色シェーディングや輝度シェーディングは、補正回路を用いて補正することができるが、補正回路を搭載することで、撮像装置のコストアップや消費電力アップを生む。

特開２００５−３４７４７５号公報 日立製作所 テレビジョン学会技術報告 TEBS76-1-1「非晶質Siを用いた単板カラー固体撮像素子」

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、画素部サイズが１μｍオーダーでも、色シェーディングや輝度シェーディングを抑制することが可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、基板上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子であって、前記画素部が、前記基板上方に設けられた光電変換部と、前記光電変換部上方に設けられたカラーフィルタとを含み、前記光電変換部が、前記基板上方に設けられた下部電極、前記下部電極上方に設けられた上部電極、及び前記下部電極と前記上部電極の間に設けられた光電変換層を含み、前記光電変換層が、可視域の光を吸収し、吸収した光に応じた信号電荷を発生する光電変換材料で構成されており、前記多数の画素部に含まれる前記カラーフィルタが、それぞれ異なる波長域の光を透過する３種類以上のカラーフィルタを含み、前記画素部は、前記画素部に含まれる前記カラーフィルタを通過して当該画素部に含まれる前記光電変換部の前記光電変換層に入射した光によって当該光電変換層で発生した電荷を蓄積する前記基板内に設けられる電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号読み出し回路とを含み、前記画素部の前記カラーフィルタに対する前記下部電極の位置が、前記固体撮像素子の中心から周辺に向かうにしたがって周辺側にずれており、前記画素部の前記下部電極が、前記固体撮像素子を搭載する撮像装置内の撮像レンズの射出瞳中心を出て前記画素部の前記カラーフィルタの中心を通る光線が前記画素部の前記下部電極及び前記上部電極で挟まれる前記光電変換層の領域の中心に到達するように周辺側にずらされている。

本発明の固体撮像素子は、前記画素部の前記カラーフィルタ中心と前記下部電極中心とのずれ量が、前記撮像レンズの射出瞳位置と前記固体撮像素子との距離をＬ、前記カラーフィルタ中心と前記光電変換層中心との距離をＴとすると、前記画素部の前記カラーフィルタの中心を通る前記光線と前記固体撮像素子表面との交点から前記撮像レンズの光軸までの距離の（０．３０３×Ｔ／Ｌ）倍以上、（０．９０９×Ｔ／Ｌ）倍以下となっている。

本発明の固体撮像素子は、前記画素部の前記カラーフィルタに入射した光が隣の前記画素部に入射するのを防止するための隔壁を備え、前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記カラーフィルタ同士の間に前記カラーフィルタの側面を覆って設けられており、前記画素部が、前記カラーフィルタと前記上部電極との間に設けられた、前記光電変換部を保護するための保護層を含み、前記保護層の厚さが、０より大きく１．０μｍ以下である。

本発明の固体撮像素子は、前記隔壁の前記カラーフィルタ表面に平行な方向の幅が、０．０５μｍ以上で且つ前記画素部のサイズの０．２倍以下であり、前記カラーフィルタと前記保護層の厚みの合計が、０．２μｍより大きく１．４μｍ以下である。

本発明の固体撮像素子は、前記隔壁が、光を吸収又は反射する材料で構成されたもの、又は、光を全反射する空気層である。

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換層が有機又は無機の光電変換材料で構成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記画素部が、前記カラーフィルタ上に、前記光電変換部に光を集光するためのマイクロレンズを備える。

本発明の撮像装置は前記固体撮像素子を備える。

本発明によれば、画素部サイズが１μｍオーダーでも、色シェーディングや輝度シェーディングを抑制することが可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いられるものである。

図１（ａ）は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。図１（ａ）に示す固体撮像素子は、基板の一例であるｐ型シリコン基板１上方に２次元状（例えば正方格子状）又は１次元状に配列された例えば四角形状の多数の画素部を備える。図１（ａ）では、所定方向に並ぶ３つの画素部の断面を示している。

各画素部は、ｐ型シリコン基板１上方に設けられた下部電極６、下部電極６上方に設けられた上部電極８、及び下部電極６と上部電極８の間に設けられた光電変換層７を含む光電変換部と、上部電極８上に設けられた保護層９と、保護層９上に設けられたカラーフィルタ１０とを備える。

下部電極６は、アルミニウムやチタンナイトライド等の入射光に対して不透明な電極であり、画素部毎に分離されている。カラーフィルタ１０の中心と下部電極６の中心とは平面視において一致している。

光電変換層７は、可視域の光を吸収し、吸収した光に応じた信号電荷を発生する光電変換材料で構成されている。この光電変換材料としては、公知の有機又は無機の材料を用いることができる。光電変換層７は、全ての画素部で共通の一枚構成となっているが、画素部毎に分離した構成としても良い。

上部電極８は、ＩＴＯ等の入射光に対して透明な電極であり、全ての画素部で共通の一枚構成となっている。上部電極８は、画素部毎に分離した構成としても良い。上部電極８には、光電変換層７に電界をかけられるように、所定のバイアス電圧が印加可能となっている。

保護層９は、光電変換部を保護するためのものであり、入射光に対して透明な絶縁材料等で構成されている。光電変換層７を有機材料で形成する場合、有機材料は一般に水や溶剤による特性劣化が大きく、フォトリソグラフィ法に不向きである。しかし、カラーフィルタ１０形成時にはフォトリソグラフィ法が一般的に用いられるため、保護層９を設けないと、光電変換層７の特性劣化が懸念される。そこで、図１（ａ）に示す固体撮像素子では光電変換層７とカラーフィルタ１０との間に保護層９を設けている。保護層９は、例えばアルミナ膜や窒化膜を用いることができる。

カラーフィルタ１０には、赤色（Ｒ）の波長域の光を透過するＲカラーフィルタと、緑色（Ｇ）の波長域の光を透過するＧカラーフィルタと、青色（Ｂ）の波長域の光を透過するＢカラーフィルタとの３種類が含まれる。多数の画素部は、Ｒカラーフィルタを含む画素部と、Ｇカラーフィルタを含む画素部と、Ｂカラーフィルタを含む画素部で構成されており、カラー画像を生成できるように、各画素部が所定のパターンで配置されている。

ｐ型シリコン基板１内には、画素部に対応させて高濃度のｎ型不純物層からなる電荷蓄積部２が形成されている。電荷蓄積部２は、対応する画素部の光電変換層７で発生した信号電荷を蓄積するものであり、タングステン等の導電性材料のプラグ５を介して、対応する画素部の下部電極６と電気的に接続されている。

ｐ型シリコン基板１には、更に、電荷蓄積部２に対応させて信号読み出し回路４が形成されている。信号読み出し回路４は、対応する電荷蓄積部２に蓄積された信号電荷に応じた電圧信号を出力するためのものであり、ＣＭＯＳ回路やＣＣＤとアンプを用いた回路等を用いることができる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す信号読み出し回路４の構成例を示した図である。
図１（ｂ）に示すように、信号読み出し回路４は、電荷蓄積部２に蓄積された信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタ４ａと、電荷蓄積部２に蓄積された信号電荷を電圧信号に変換するための出力トランジスタ４ｂと、出力トランジスタ４ｂから出力された電圧信号を列信号線に出力するための選択トランジスタ４ｃとを備えた公知の３トランジスタ構成となっている。ｐ型シリコン基板１上には、これらトランジスタのゲート酸化膜３が形成されている。ゲート酸化膜３は例えば酸化シリコンで構成されている。

図１（ａ）に示す固体撮像素子は、任意の画素部のカラーフィルタ１０に入射した光が該画素部の隣の画素部に入射するのを防止するための隔壁１１を備える。隔壁１１は、隣接する画素部のカラーフィルタ１０同士の間に、カラーフィルタ１０の側面を覆って設けられている。

隔壁１１は、入射光を吸収又は反射する領域であれば良く、入射光を吸収又は反射する材料（例えばタングステンやアルミニウム等の金属、黒色の染料や顔料等）で構成したり、入射光を全反射する空気層で構成したりすることができる。空気層で入射光を全反射させるには、画素部のカラーフィルタ１０への入射光の入射角をαとし、空気層の屈折率をｎとすると、「ｓｉｎ（９０°−α）＞（１／ｎ）」の条件を満たせば良い。例えば、ｎ＝１．５とすると、α＜４８．２°で条件を満たすため、ほとんどの斜め光を全反射させることができる。

カラーフィルタ１０及び隔壁１１の上には固体撮像素子全体を封止する封止ガラス１２が設けられている。

以上のように構成された固体撮像素子の動作について説明する。

入射光のうちのＲ光はＲカラーフィルタ１０を透過し、Ｒカラーフィルタ１０下方の光電変換層７に入射し、ここでＲ光に応じた信号電荷が発生する。入射光のうちのＧ光はＧカラーフィルタ１０を透過し、Ｇカラーフィルタ１０下方の光電変換層７に入射し、ここでＧ光に応じた信号電荷が発生する。入射光のうちのＢ光はＢカラーフィルタ１０を透過し、Ｂカラーフィルタ１０下方の光電変換層７に入射し、ここでＢ光に応じた信号電荷が発生する。各カラーフィルタ１０に斜めに入射してきた光は、その一部がカラーフィルタ１０の側面を覆う隔壁１１によって吸収又は反射されるため、隣の画素部に到達してしまう光は減少する。

各光電変換層７で発生した信号電荷は、そこに加わる電界によって下部電極６に集められ、ここからプラグ５を介して電荷蓄積部２に移動し、ここで蓄積される。蓄積された信号電荷は、信号読み出し回路４によって電圧信号として列信号線に順次出力される。固体撮像素子から出力された電圧信号に所定の信号処理を施すことで、カラー画像データを生成することができる。

以上のように、図１（ａ）に示した固体撮像素子によれば、カラーフィルタ１０同士の間に隔壁１１が設けられているため、任意の画素部のカラーフィルタ１０に入射してきた光が該画素部の隣の画素部に入射してしまう確率を減らすことができる。このため、混色を低減することができ、高画質撮像が可能な固体撮像素子を実現することができる。画素部のサイズが２μｍ以下になると、光電変換層７の下面からカラーフィルタ１０の上面までの厚みと、画素部のサイズが同程度となり、斜め入射光が隣の画素部に漏れこみやすくなる。そこで、隔壁１１を設けて、斜め入射光が隣の画素部に漏れこむ確率を減らすことで、微細化が進んだ場合でも、画質を維持することが可能となる。

隔壁１１は、Ｒカラーフィルタ、Ｇカラーフィルタ、Ｂカラーフィルタを保護層９上に順に形成後、カラーフィルタ１０同士の境界部分に開口を形成し、この開口に光を反射又は吸収する材料を埋めたり、開口内に何も埋めないまま封止ガラス１２を形成したりすることで形成することができる。または、光を反射又は吸収する材料によって保護層９上に隔壁１１を形成した後、隔壁１１で囲まれた空間内にカラーフィルタ１０を埋め込む方法を採用しても良い。これらの製造方法を採用することで、異なる色のカラーフィルタ１０が境界部分でオーバーラップしてしまうのを防ぐことができるため、混色を更に防止することが可能となる。また、隔壁１１を空気層で形成した場合は、製造工程を簡略化することができるため、製造コストを削減することができる。

なお、図１（ａ）に示した固体撮像素子では、保護層９の厚みが０より大きく１．０μｍ以下であれば、混色を実用上問題ないレベルまで低減できることが分かった。また、隔壁１１のカラーフィルタ１０表面に平行な方向の幅が、０．０５μｍ以上で且つ画素部のサイズの０．２倍以下であり、更に、カラーフィルタ１０と保護層９の厚みの合計が０．２μｍ以上１．４μｍ以下であれば、光利用率を実用上問題ないレベルにまで低減することができることが分かった。

画素部のサイズとは、図２に示すように、カラーフィルタ１０を正方形としたとき、（隣接するカラーフィルタ１０同士の間の隔壁１１の幅の１／２）＋（カラーフィルタ１０の１辺の長さ）＋（隣接するカラーフィルタ１０同士の間の隔壁１１の幅の１／２）で定義される。以下では、これらの数値の根拠をシミュレーションによって得た結果により説明する。

図３は、シミュレーションした撮像装置の構成を示した図である。図３に示す撮像装置は、図１に示した固体撮像素子と、撮像レンズ２０とを備える。本シミュレーションでは、固体撮像素子の封止ガラス１２を省略している。

図４は、図３に示す撮像装置にｘｙ座標を設定した図である。撮像レンズ２０の光軸をｙ軸、光軸と直交する方向をｘ軸とし、光軸上の撮像レンズ２０の射出瞳の中心位置を(０，Ｌ)、光軸上のカラーフィルタ１０上面位置を(０，０)、光軸上の保護層９上面位置を(０，−Ｔｆ)、光軸上の光電変換層７のｙ軸方向の中央位置を(０，−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２)とする。

なお、光電変換層７に入射した光線は、光電変換層７の上部電極８と下部電極６とで挟まれる領域のｙ軸方向の中央位置で１００％光電変換されるものと仮定する。さらに、上部電極８は数ｎｍと非常に薄いのでシミュレーションでは無視する。

また、撮像レンズ２０のｘ軸方向の径をＤとする。撮像レンズ２０の光軸、つまり固体撮像素子の中心から任意の画素部の中心までの距離（画素シフト量）をＰＳとする。画素部サイズをＰｐとする。隔壁１１のｘ軸方向の幅をＫとする。下部電極６のｘ軸方向の幅をＰａとする。撮像レンズ２０の射出瞳面の座標を（ｘ１，Ｌ）、カラーフィルタ１０表面の座標を（ｘ２，０）、保護層９表面の座標を（ｘ３，−Ｔｆ）、光電変換層７のｙ軸方向中央の座標を（ｘ４，−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２）とする。

このような設定により、撮像レンズ２０の左端の座標は（−Ｄ／２，Ｌ）となり、右端の座標は（Ｄ／２，Ｌ）となる。任意の画素部の左端の座標は（ＰＳ−Ｐｐ／２，０）となり、右端の座標は（ＰＳ＋Ｐｐ／２，０）となる。

任意の画素部のカラーフィルタ１０上面の左端の座標は（ＰＳ−Ｐｐ／２＋Ｋ／２，０）となり、右端の座標は（ＰＳ＋Ｐｐ／２−Ｋ／２，０）となる。任意の画素部のカラーフィルタ１０下面の左端の座標は（ＰＳ−Ｐｐ／２＋Ｋ／２，−Ｔｆ）となり、右端の座標は（ＰＳ＋Ｐｐ／２−Ｋ／２，−Ｔｆ）となる。

下部電極６の左端上方の光電変換層７中央の座標は（ＰＳ−Ｐａ／２，−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２）となり、右端上方の光電変換層７中央の座標は（ＰＳ＋Ｐａ／２，−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２）となる。

カラーフィルタ１０、保護層９、上部電極８、光電変換層７の屈折率をそれぞれｎとし、カラーフィルタ１０に入射する光線の入射角をα、屈折角をβとする。

以下、このような設定のもと行った光線追跡法のシミュレーションの手順を説明する。

１）撮像レンズ２０の射出瞳面の点Ａ（ｘ１，Ｌ）から画素部最上面（カラーフィルタ１０表面）の点Ｂ（ｘ２，０）に光線が入射したとする。点ＡＢを通る直線は以下の一般式（１）で示される。

ｙ１＝Ｌ、ｙ２＝０より、上記式は以下の直線の式（２）で示される。

２）次に、点Ｂ（ｘ２，０）に入射した光線は、画素部最上面で屈折するため、屈折後の直線の式を求める。

であるので、点Ｂ（ｘ２，０）を通り、傾き１／ｔａｎβの直線（屈折後の直線）の式は、下記式（３）で示される。

屈折後の直線と保護層９表面（ｘ３面）との交点は、式（３）においてｘ＝ｘ３、ｙ＝−Ｔｆであるため、
“ｘ３＝−Ｔｆ・ｔａｎβ＋ｘ２”となる。

また、屈折後の直線と光電変換層７の中央（ｘ４面）との交点は、式（３）においてｘ＝ｘ４、ｙ＝−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２であるため、
“ｘ４＝−（Ｔｆ＋Ｔｐ＋Ｔｏ／２）ｔａｎβ＋ｘ２”となる。

３）撮像レンズ２０の射出瞳面上の左端（−Ｄ／２，Ｌ）から、カラーフィルタ１０表面上の画素シフト量ＰＳの画素部の左端（ＰＳ−Ｐｐ／２，０）から右端（ＰＳ＋Ｐｐ／２，０）までｄｐピッチでＮ本の光線を引き、更に、各光線の屈折後の光線が、ｘ２面、ｘ３面、ｘ４面で
（ＰＳ−Ｐｐ／２＋Ｋ／２，０）から（ＰＳ＋Ｐｐ／２−Ｋ／２，０)の範囲
（ＰＳ−Ｐｐ／２＋Ｋ／２，−Ｔｆ）から（ＰＳ＋Ｐｐ／２−Ｋ／２，−Ｔｆ）の範囲
（ＰＳ−Ｐａ／２，−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２）から（ＰＳ＋Ｐａ／２，−Ｔｆ−Ｔｐ−Ｔｏ／２）の範囲
を満たす光線の本数を数える。

４）撮像レンズ２０の射出瞳面上の光線射出位置を左端から右端までｄＤピッチで移動させながら上記計算を繰り返す。

５）全光線数をＴＮ、撮像レンズ２０の射出瞳中心(０，Ｌ)からカラーフィルタ１０表面上の中心(ＰＳ，０)への光束の入射角をθ(ｔａｎθ＝ＰＳ／Ｌ)とし、入射角θで該カラーフィルタ１０を含む画素部内の下部電極６上の光電変換層７の中央面に到達した光線数をＰｌ(θ)、入射角θで該画素部の隣りの画素部の下部電極６上の光電変換層７の中央面に到達した光線数をＰｃ(θ)とすると、２次元面での光利用効率及び混色率は、
２次元光利用率Ｑｌ(θ)＝Ｐｌ(θ)／ＴＮ
２次元混色率Ｑｃ(θ)＝Ｐｃ(θ)／ＴＮ
となる。

６）以上の計算を、カラーフィルタ１０表面上の画素シフト量ＰＳを増加（θを増加）させながら繰り返す。

７）さらに、３次元空間での光利用効率及び混色率を、入射角θ＝０（ＰＳ＝０）での２次元光利用率Ｑｌ(０)を用い次式で近似した。この場合、レンズ瞳を矩形と近似した場合と一致する。
光利用率Ｓｌ(θ)＝Ｑｌ(θ)・Ｑｌ(０)
混色率Ｓｃ(θ)＝Ｑｃ(θ)・Ｑｌ(０)

デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯モジュール等に用いる固体撮像素子においては、撮像レンズ２０の絞りを変化させた時の撮像特性変化（Ｆ値依存）と、撮像画像の中心と周辺、即ち撮像レンズ２０の射出瞳から固体撮像素子への光束の入射角の違いによる撮像特性変化（入射角依存）が許容値以内であることが重要となる。そこで、画素部サイズ、カラーフィルタ１０の厚さ、保護層９の厚さをパラメータにして、Ｆ値依存と入射角依存を考察した。その結果を以下に示す。

Ａ）隔壁１１が有る場合と無い場合の特性の違い
画素部サイズ：２μｍ、カラーフィルタ１０厚さＴｆ：１μｍ、保護層９厚さＴｐ：可変として、隔壁１１有無でのＦ値依存と入射角依存のシミュレーション結果を図５〜図１２に示す。隔壁１１なしとは、即ち、上記Ｋの値がゼロであることを意味する。

図５は、図３の構成において隔壁１１なしのときの光利用率のＦ値依存特性のシミュレーション結果を示す図である。図６は、図３の構成において隔壁１１ありのときの光利用率のＦ値依存特性のシミュレーション結果を示す図である。図７は、図３の構成において隔壁１１なしのときの光利用率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図である。図８は、図３の構成において隔壁１１ありのときの光利用率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図である。

図９は、図３の構成において隔壁１１なしのときの混色率のＦ値依存特性のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、図３の構成において隔壁１１ありのときの混色率のＦ値依存特性のシミュレーション結果を示す図である。図１１は、図３の構成において隔壁１１なしのときの混色率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図である。図１２は、図３の構成において隔壁１１ありのときの混色率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図である。

上記結果より、
・隔壁１１を用いることで光利用率には大差ないが混色率は大幅に低減される。
・混色率は、保護層９厚さＴｐに依存する。
・任意のＦ値と入射角で混色率が低くなる条件は、全てのＦ値と入射角で混色率が低くなる。
ことが分かった。次に、隔壁１１ありについて、Ｆ値：５．６、入射角：２５度における、光利用率及び混色率と、カラーフィルタ１０厚さＴｆ、保護層９厚さＴｐ、画素部サイズＰｐの関係を考察した。その結果を以下に示す。

Ｂ）光利用率及び混色率と、カラーフィルタ１０厚さＴｆ、保護層９厚さＴｐ、画素部サイズＰｐの関係
（ａ）保護層９厚さＴｐ＝１μｍに固定し、カラーフィルタ１０厚さＴｆを変化させた場合
図１３は、図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝１μｍに固定し、カラーフィルタ１０厚さＴｆを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図である。図１４は、図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝１μｍに固定し、カラーフィルタ１０厚さＴｆを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図である。

（ｂ）カラーフィルタ１０厚さＴｆ＝１μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合
図１５は、図３の構成においてカラーフィルタ１０厚さＴｆ＝１μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図である。図１６は、図３の構成においてカラーフィルタ１０厚さＴｆ＝１μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図である。

（ｃ）Ｔｆ＋Ｔｐ＝２μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合
図１７は、図３の構成においてＴｆ＋Ｔｐ＝２μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図である。図１８は、図３の構成においてＴｆ＋Ｔｐ＝２μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図である。

（ｄ）保護層９厚さＴｐ＝０．４μｍに固定してＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合
図１９は、図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝０．４μｍに固定してＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図である。図２０は、図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝０．４μｍに固定してＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図である。

上記結果より、
・保護層９厚さＴｐが一定ならカラーフィルタ１０厚さＴｆが変化しても混色率はあまり変化しない。
・Ｔｆ＋Ｔｐが一定なら保護層９厚さＴｐが変化しても光利用率はあまり変化しない。
ことが分かり、この結果、混色率の特性はＴｐで規定でき、光利用率の特性はＴｆ＋Ｔｐで規定できることが分かった。

次に、固体撮像素子として許容できる混色率を実現できるＴｐの値、固体撮像素子として許容できる光利用率を実現できるＴｆ＋Ｔｐの値を調べた。

図２１は、図３の構成において保護層９厚さＴｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図である。ここで、混色率は、入射角２５度、Ｆ値５．６、画素部サイズ１μｍ以上の条件で２０％以下が許容できると仮定する。この仮定は、従来の固体撮像素子の特性と比較して当業者にとっては適切な仮定である。図２１に示すシミュレーション結果から、保護層９厚さＴｐが１．０μｍ以下、好ましくは０．４μｍ以上１．０μｍ以下であれば、混色率は許容されることが分かった。なお、保護層９の厚さの下限値は０より大きい。したがって、保護層９の厚さは、０より大きく１．０μｍ以下であることが望ましい。

図２２は、図３の構成においてＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図である。ここで、光利用率は、入射角２５度、Ｆ値５．６、画素部サイズ１μｍ以上の条件での光利用率が、入射角０度、Ｆ値５．６、画素部サイズ１μｍ以上の条件での光利用率の５０％以上となるときを許容できると仮定する。この仮定は、従来の固体撮像素子の特性と比較して当業者にとっては適切な仮定である。図２２に示すシミュレーション結果から、Ｔｆ＋Ｔｐが１．４μｍ以下であれば、光利用率は許容されることが分かった。なお、カラーフィルタ１０の厚さは、カラーフィルタを構成する顔料や染料の吸光度、バインダーへの分散率と、所望する分光透過率特性で決まるが、概ね０．２μｍ以上が必要となる。したがって、Ｔｆ＋Ｔｐは、０．２μｍより大きく１．４μｍ以下であることが望ましい。

本シミュレーションの固体撮像素子は、隔壁１１を有しているが、隔壁１１はその幅Ｋが小さいほど、画素部における隔壁１１の占める割合が減るため、画素部の開口率が大きくなる。開口率が大きくなれば、光利用率も向上する。図２３は、図３の構成において画素部サイズ２μｍ、Ｆ値１６、隔壁幅Ｋ：可変における光利用率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図である。

実用上、光利用率は、入射角０度で０．６以上が望ましいとすると、図２３に示す結果から、隔壁幅Ｋは０．４μｍ以下、つまり、画素部サイズに占める隔壁１１の幅Ｋの割合は０．２以下である必要がある。一方、隔壁幅Ｋの下限値は、それを構成する材料で決まり、隔壁１１が入射光を充分に吸収又は反射するためには、例えばチタンブラックが分散されたレジストの場合で０．２μｍ以上、金属の場合で０．０５μｍ以上の幅が必要となる。したがって、隔壁幅Ｋは、０．０５μｍ以上で且つ画素部サイズの０．２倍以下であることが望ましい。

以下、図１に示した固体撮像素子の別の構成例について説明する。

図２４は、図１に示した固体撮像素子の別の構成例の固体撮像素子を搭載した撮像装置の概略構成を示した図である。図２４では、固体撮像素子の下部電極６より下の構成要素の図示を省略している。また、図３と同じ構成には同一符号を付してある。

図２４に示す撮像装置の固体撮像素子は、各画素部のカラーフィルタ１０に対する下部電極６の位置が、固体撮像素子の中心から周辺に向かうにしたがって周辺側にずれていることが図１に示す固体撮像素子と異なる点である。

図２４に示すように、中央に光軸が通る画素部以外の各画素部では、カラーフィルタ１０の中心を通る光線が、光電変換層７の下部電極６と上部電極８で挟まれる領域の中心に到達するように、下部電極６の中心が、カラーフィルタ１０の中心よりもΔＰだけ周辺側にずれている。

周辺の画素部では、入射光の入射角度が大きくなるため、カラーフィルタ１０の中心と下部電極６の中心とが重なっている中央の画素部と周辺の画素部とが同じ構成では、周辺の画素部で検出できる光量が相対的に少なくなって輝度シェーディングが発生したり、画素部に入射した光が該画素部の隣の画素部に入射しやすくなって色シェーディングが発生したりする。

図２４に示した構成によれば、各画素部において光を検出する領域（光電変換層７の下部電極６と上部電極８とで挟まれる領域）を周辺に行くにしたがって周辺側にずらしている（このことを画素ずらしとも言う）ため、周辺での光量不足を回避することができる。この結果、輝度シェーディングや色シェーディングを抑制することができる。

フォトダイオードが形成された半導体基板上方にカラーフィルタを設けた一般的な固体撮像素子では、中心から周辺に向かうにしたがってカラーフィルタ及びフォトダイオードを周辺側にずらすことで、色シェーディングや輝度シェーディングを抑制することが従来行われている。しかし、このような一般的な固体撮像素子では、カラーフィルタ中心を通った光線がフォトダイオード表面の中心に到達するようにしており、図２４に示した構成とは異なる。図２４に示した構成によれば、光電変換層７の中心にカラーフィルタ中心を通った光線が到達するようにしているため、光利用率を良くすることができ、混色率を低くすることができる。

以下、上述したΔＰの好ましい値について考察する。

図２４に示す撮像装置において、撮像レンズ２０の射出瞳面と固体撮像素子表面（封止ガラス１２表面）との光軸方向の距離をＬ、撮像レンズ２０の射出瞳中心を出て各カラーフィルタ１０の中心を通り、下部電極６上の光電変換層７中心に到達する任意の光線の固体撮像素子表面との交点と光軸との光軸に直交する方向の距離をＰ、該光線の入射角をα、該光線の屈折角をβ、カラーフィルタ１０の中心と光電変換層７の中心との光軸方向の距離をＴ、封止ガラス１２、カラーフィルタ１０、保護層９、上部電極８、及び光電変換層７の屈折率をｎとすると次式（４）が成立つ。

例えば、Ｌ＝５００μｍ、α＝２５°、Ｔ（カラーフィルタ１０の光軸方向の厚さの１／２＋保護層９の光軸方向の厚さ＋光電変換層７の光軸方向の厚さの１／２）＝１．６５μｍ、屈折率ｎ＝１．５とすると、Ｐ＝２３３μｍ、β＝１６．３６°、ΔＰ＝０．４８４μｍとなる。したがって、固体撮像素子の中心から任意の画素部までの距離Ｐに対する当該画素部における画素ずらし量の比率はΔＰ／Ｐ≒０．００２が理想的となる。

次に、ΔＰ／Ｐ≒０．００２としたときの混色率及び光利用効率を、上述した光線追跡法によるシミュレーションで求めた。なお、このシミュレーションでは、固体撮像素子が封止ガラス１２を有する構成であるため、封止ガラス１２の光軸方向の厚みをＧとし、封止ガラス１２表面の座標を（ｘ５，Ｇ）とし、この面に入射してきた光線の屈折後の光線の軌跡を前述した要領で求めることで、混色率及び光利用効率を求めた。

まず、撮像レンズ２０のＦ値：５．６、Ｌ：５００μｍ、画素部サイズＰｐ：２μｍ、隔壁幅Ｋ：０．１μｍ、カラーフィルタ１０厚さＴｆ：1μｍ、保護層９厚さＴｐ：１μｍ、光電変換層７厚さＴｏ：０．３μｍ、下部電極６幅Ｐａ：１．９μｍの条件で、カラーフィルタ１０と下部電極６の位置関係を、下部電極６の方が固体撮像素子の周辺に向かって外側に、カラーフィルタ１０の中心位置からΔＰ＝０．００２Ｐずらした場合と、下部電極６をずらさない場合とをシミュレーションし、それぞれについて混色率及び光利用率を求めた。

図２５は、図２４に示した構成において、画素ずらしを行った場合と画素ずらしを行わない場合の光利用率のシミュレーション結果を示した図である。図２６は、図２４に示した構成において、画素ずらしを行った場合と画素ずらしを行わない場合の混色率のシミュレーション結果を示した図である。

図２５に示すように、画素ずらしを行うことにより、輝度シェーディング（入射角の増加にともなって光利用率低下）は明らかに改善される。一方、色シェーディング（入射角の増加にともなって混色増加）は、画素ずらしの有無によってほとんど差異が見られない。これは、今回の条件では、隔壁１１が既に混色を抑圧している結果だと考えられる。

次に、同条件で、ΔＰ／Ｐを変化させた時の入射角２５度に対する光利用率変化と混色率変化を求めた。結果を図２７及び図２８に示す。

図２７及び図２８より、ΔＰ／Ｐが０．００１〜０．００３２の範囲で、入射角２５度に対する光利用率が最大、混色率が最少、即ち、輝度シェーディング最少、色シェーディング最少となることが分かった。

なお、式（４）より

であるので、ｎ＝１．５とすると、ΔＰ／Ｐ＝０．６６７Ｔ／Ｌとなる。

一方、Ｌ＝５００μｍ、Ｔ＝１．６５μｍ、ｎ＝１．５、入射角２５°の場合について、シミュレーションすると、図２７より、光利用率については、ΔＰ／Ｐ＝０．００１から０．００３２が、最適点から約５％ダウン以内（ほぼ最適点と同じ）となる。また、図２８より、混色率は、ΔＰ／Ｐ＝０〜０．００３で最適点からは変化がない。

ここで、図２７、図２８は、横軸がΔＰ／Ｐで標記されているが、Ｌ＝５００μｍ、Ｔ＝１．６５μｍ、つまりＴ／Ｌ＝０．００３３の場合なので、ΔＰ／Ｐ＝０．００１≒０．３０３Ｔ／Ｌ、ΔＰ／Ｐ＝０．００３２≒０．９７Ｔ／Ｌ、ΔＰ／Ｐ＝０＝０×Ｔ／Ｌ、ΔＰ／Ｐ＝０．００３≒０．９０９Ｔ／Ｌと変換できる。

以上、上記ΔＰ／Ｐの変換式とシミュレーション結果を鑑み、｛ΔＰ（任意の画素部のカラーフィルタ１０の中心と下部電極６の中心とのずれ量）÷Ｐ（任意の画素部のカラーフィルタ１０の中心を通る光線と固体撮像素子表面（封止ガラス１２表面）との交点から、固体撮像素子表面と光軸との交点までの距離）｝を、０．３０３Ｔ／Ｌ以上０．９０９Ｔ／Ｌ以下とすることが望ましい。

なお、図１に示した固体撮像素子や図２４に示した固体撮像素子の各画素部のカラーフィルタ１０上に、光電変換層７に光を集光するためのマイクロレンズを設けた構成としても良い。マイクロレンズを設けることにより、画素部間の光漏れを更に抑制して、色シェーディングや輝度シェーディングを抑制することができる。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す断面模式図 図１に示す信号読み出し回路の構成例を示した図 シミュレーションした撮像装置の構成を示した図 図３に示す撮像装置にｘｙ座標を設定した図 図３の構成において隔壁なしのときの光利用率のＦ値依存特性をシミュレーションした結果を示す図 図３の構成において隔壁ありのときの光利用率のＦ値依存特性をシミュレーションした結果を示す図 図３の構成において隔壁なしのときの光利用率の入射角依存特性をシミュレーションした結果を示す図 図３の構成において隔壁ありのときの光利用率の入射角依存特性をシミュレーションした結果を示す図 図３の構成において隔壁１１なしのときの混色率のＦ値依存特性のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において隔壁１１ありのときの混色率のＦ値依存特性のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において隔壁１１なしのときの混色率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において隔壁１１ありのときの混色率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝１μｍに固定し、カラーフィルタ１０厚さＴｆを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝１μｍに固定し、カラーフィルタ１０厚さＴｆを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成においてカラーフィルタ１０厚さＴｆ＝１μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成においてカラーフィルタ１０厚さＴｆ＝１μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成においてＴｆ＋Ｔｐ＝２μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成においてＴｆ＋Ｔｐ＝２μｍに固定し、保護層９厚さＴｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝０．４μｍに固定してＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において保護層９厚さＴｐ＝０．４μｍに固定してＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において保護層９厚さＴｐを変化させた場合の混色率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成においてＴｆ＋Ｔｐを変化させた場合の光利用率のシミュレーション結果を示す図 図３の構成において画素部サイズ２μｍ、Ｆ値１６、隔壁幅Ｋ：可変における光利用率の入射角依存特性のシミュレーション結果を示す図 図１に示した固体撮像素子の別の構成例の固体撮像素子を搭載した撮像装置の概略構成を示した図 図２４に示した構成において、画素ずらしを行った場合と画素ずらしを行わない場合の光利用率のシミュレーション結果を示した図 図２４に示した構成において、画素ずらしを行った場合と画素ずらしを行わない場合の混色率のシミュレーション結果を示した図 図２４に示した構成において、ΔＰ／Ｐを変化させた時の入射角２５度に対する光利用率のシミュレーション結果を示した図 図２４に示した構成において、ΔＰ／Ｐを変化させた時の入射角２５度に対する混色率のシミュレーション結果を示した図

符号の説明

１ ｐ型シリコン基板
６ 下部電極
７ 光電変換層
８ 上部電極
９ 保護層
１０ カラーフィルタ
１１ 隔壁

Claims (8)

1. 基板上方に配列された多数の画素部を有する固体撮像素子であって、
   前記画素部が、前記基板上方に設けられた光電変換部と、前記光電変換部上方に設けられたカラーフィルタとを含み、
   前記光電変換部が、前記基板上方に設けられた下部電極、前記下部電極上方に設けられた上部電極、及び前記下部電極と前記上部電極の間に設けられた光電変換層を含み、
   前記光電変換層が、可視域の光を吸収し、吸収した光に応じた信号電荷を発生する光電変換材料で構成されており、
   前記多数の画素部に含まれる前記カラーフィルタが、それぞれ異なる波長域の光を透過する３種類以上のカラーフィルタを含み、
   前記画素部は、前記画素部に含まれる前記カラーフィルタを通過して当該画素部に含まれる前記光電変換部の前記光電変換層に入射した光によって当該光電変換層で発生した電荷を蓄積する前記基板内に設けられる電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する信号読み出し回路とを含み、
   前記画素部の前記カラーフィルタに対する前記下部電極の位置が、前記固体撮像素子の中心から周辺に向かうにしたがって周辺側にずれており、
   前記画素部の前記下部電極が、前記固体撮像素子を搭載する撮像装置内の撮像レンズの射出瞳中心を出て前記画素部の前記カラーフィルタの中心を通る光線が前記画素部の前記下部電極及び前記上部電極で挟まれる前記光電変換層の領域の中心に到達するように周辺側にずらされている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記画素部の前記カラーフィルタ中心と前記下部電極中心とのずれ量が、前記撮像レンズの射出瞳位置と前記固体撮像素子との距離をＬ、前記カラーフィルタ中心と前記光電変換層中心との距離をＴとすると、前記画素部の前記カラーフィルタの中心を通る前記光線と前記固体撮像素子表面との交点から前記撮像レンズの光軸までの距離の（０．３０３×Ｔ／Ｌ）倍以上、（０．９０９×Ｔ／Ｌ）倍以下となっている固体撮像素子。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
   前記画素部の前記カラーフィルタに入射した光が隣の前記画素部に入射するのを防止するための隔壁を備え、
   前記隔壁が、隣接する前記画素部の前記カラーフィルタ同士の間に前記カラーフィルタの側面を覆って設けられており、
   前記画素部が、前記カラーフィルタと前記上部電極との間に設けられた、前記光電変換部を保護するための保護層を含み、
   前記保護層の厚さが、０より大きく１．０μｍ以下である固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記隔壁の前記カラーフィルタ表面に平行な方向の幅が、０．０５μｍ以上で且つ前記画素部のサイズの０．２倍以下であり、
   前記カラーフィルタと前記保護層の厚みの合計が、０．２μｍより大きく１．４μｍ以下である固体撮像素子。
5. 請求項３又は４記載の固体撮像素子であって、
   前記隔壁が、光を吸収又は反射する材料で構成されたもの、又は、光を全反射する空気層である固体撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記光電変換層が有機又は無機の光電変換材料で構成されている固体撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記画素部が、前記カラーフィルタ上に、前記光電変換部に光を集光するためのマイクロレンズを備える固体撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子を備える撮像装置。

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