JP2007220832A - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で高画素であって、斜め光による混色を防ぐことができる固体撮像装置及びカメラを提供する。
【解決手段】固体撮像装置101は、半導体基板201上に、透明膜204、カラーフィルタ205、平坦化膜207及びマイクロレンズ208が順次形成されてなる。半導体基板201の透明膜204側にはフォトダイオード202が形成され、透明膜204の半導体基板201側には遮光膜203が形成されている。隣り合う画素セルのカラーフィルタ205間は、遮光壁206にて区画されている。遮光壁206は可視光を反射するλ/4多層膜である。
【選択図】図2
【解決手段】固体撮像装置101は、半導体基板201上に、透明膜204、カラーフィルタ205、平坦化膜207及びマイクロレンズ208が順次形成されてなる。半導体基板201の透明膜204側にはフォトダイオード202が形成され、透明膜204の半導体基板201側には遮光膜203が形成されている。隣り合う画素セルのカラーフィルタ205間は、遮光壁206にて区画されている。遮光壁206は可視光を反射するλ/4多層膜である。
【選択図】図2
Description
本発明は、固体撮像装置及びカメラに関し、特に、カラーフィルタを透過した光が予定外の光電変換素子に入射するのを防ぐ遮光技術に関する。
近年、広く普及している固体撮像装置はカラーフィルタを用いて色毎に光強度を検出することによってカラー撮像する。
図5は、従来技術に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。図5に示されるように、固体撮像装置5は、複数の画素セル501、垂直シフトレジスタ502、垂直信号線503、行メモリ504、水平シフトレジスタ505、水平信号線506及び出力アンプ507を備えている。
図5は、従来技術に係る固体撮像装置の構成を示すブロック図である。図5に示されるように、固体撮像装置5は、複数の画素セル501、垂直シフトレジスタ502、垂直信号線503、行メモリ504、水平シフトレジスタ505、水平信号線506及び出力アンプ507を備えている。
画素セル501は2次元配列されており、赤(R)、緑(G1、G2)、青(B)の何れかのカラーフィルタがベイヤ配列に従って個々の画素セル501に割り当てられている。
画素セル501が生成した画素信号は、垂直シフトレジスタ502によって行毎に選択され、進捗信号線503を経由して、行メモリ504に転送される。そして、水平シフトレジスタ505によって順次選択された画素信号は、水平信号線506を経て、出力アンプ507から出力される。
画素セル501が生成した画素信号は、垂直シフトレジスタ502によって行毎に選択され、進捗信号線503を経由して、行メモリ504に転送される。そして、水平シフトレジスタ505によって順次選択された画素信号は、水平信号線506を経て、出力アンプ507から出力される。
図6は、画素セル501の構造を示す断面図である(例えば、特許文献1を参照)。図6に示されるように、固体撮像装置5は、半導体基板601上に、透明膜604、カラーフィルタ605、平坦化膜607及びマイクロレンズ608が順次形成されてなる。
また、半導体基板601の透明膜604側にはフォトダイオード602が形成され、透明膜604の半導体基板601側には遮光膜603が形成されている。また、隣り合う画素セル501のカラーフィルタ605間は、樹脂材料からなる遮光壁606にて区画されている。
また、半導体基板601の透明膜604側にはフォトダイオード602が形成され、透明膜604の半導体基板601側には遮光膜603が形成されている。また、隣り合う画素セル501のカラーフィルタ605間は、樹脂材料からなる遮光壁606にて区画されている。
このようにすれば、カラーフィルタ605を透過した光が他の画素セル501のフォトダイオード602に入射しないので、斜め光による混色を防ぐことができる。
特開2005−294647号公報
しかしながら、固体撮像装置に対しては小型化、高画素化の強い要請がある。一方、樹脂材料からなる遮光壁606の横幅を薄くすることが難しい。このため、画素セルのサイズを3μm以下にしようとすると、カラーフィルタ605の面積を小さくせざるを得ない。その結果、フォトダイオード602に入射する光量が減少して、感度が低下するという問題が生じる。
本発明は、上記のような問題に鑑みて為されたものであって、小型で高画素であって、斜め光による混色を防ぐことができる固体撮像装置及びカメラを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、2次元配列された画素セルを備え、カラー撮像する固体撮像装置であって、画素セル毎に所定の波長の光を透過させるカラーフィルタと、カラーフィルタを画素セル間で区画する遮光壁と、を備え、遮光壁は、互いに屈折率を異にし、光学膜厚を同じくする2種類の誘電体層を交互に積層してなる多層膜を含み、可視光を反射することを特徴とする。
このようにすれば、斜め光による混色を防ぐ遮光壁を、樹脂材料を用いる場合よりも小型化することができる。従って、画素セルの小型化に伴う感度の低下を抑えることができるので、小型で高画素の固体撮像装置を提供することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、カラーフィルタは多層膜干渉フィルタからなることを特徴とする。このようにすれば、カラーフィルタと遮光壁とを共に半導体プロセスにて形成することができるので、製造工程を簡略化して、製造コストを削減することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、カラーフィルタは多層膜干渉フィルタからなることを特徴とする。このようにすれば、カラーフィルタと遮光壁とを共に半導体プロセスにて形成することができるので、製造工程を簡略化して、製造コストを削減することができる。
この場合において、遮光壁は、カラーフィルタと層数を同じくするとすれば更に好適である。
本発明に係る固体撮像装置は、遮光壁は、カラーフィルタと同じ材料からなることを特徴とする。このようにすれば、固体撮像装置を製造するために要する材料の種類を低減することができるので、製造コストを削減することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、遮光壁は、カラーフィルタと同じ材料からなることを特徴とする。このようにすれば、固体撮像装置を製造するために要する材料の種類を低減することができるので、製造コストを削減することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、カラーフィルタをなす多層膜干渉フィルタは2つのλ/4多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、遮光壁をなす各誘電体層と、カラーフィルタをなすλ/4多層膜の各誘電体層とは、光学膜厚を同じくすることを特徴とする。このようにすれば、遮光壁をなす各誘電体層と、カラーフィルタをなすλ/4多層膜の各誘電体層とを同じ半導体プロセスで一括して形成することができるので、固体撮像装置の製造コストを低減することができる。
また、遮光壁は2つのλ/4多層膜にてスペーサ層を挟んでなる多層膜干渉フィルタからなるとしても良いし、カラーフィルタをなす多層膜干渉フィルタは2つのλ/4多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、スペーサ層の膜厚は、カラーフィルタが透過させる光色に応じて異なるとしても良い。更に、カラーフィルタのスペーサ層の光学膜厚が、遮光壁のスペーサ層の光学膜厚と異なるとしても良い。
本発明に係るカメラは、2次元配列された画素セルを備え、カラー撮像する固体撮像装置であって、画素セル毎に所定の波長の光を透過させるカラーフィルタと、カラーフィルタを画素セル間で区画する遮光壁と、を備え、遮光壁は、屈折率を異にし、光学膜厚を同じくする誘電体層を積層してなる多層膜を含み、可視光を反射する固体撮像装置を備えることを特徴とする。このようにすれば、高画質のカラー撮像を実現するカメラを得ることができる。
以下、本発明に係る固体撮像装置及びカメラの実施の形態について、デジタルカメラを例にとり、図面を参照しながら説明する。
[1] デジタルカメラの構成
先ず、本実施の形態に係るデジタルカメラの構成について説明する。
図1は、本実施の形態に係るデジタルカメラの構成を示す断面図である。図1に示されるように、デジタルカメラ1は固体撮像素子101、撮像レンズ102、カバーガラス103、ギヤ104、光学ファインダ105、ズームモータ106、ファインダ接眼部107、LCD(liquid crystal display)モニタ108及び回路基板109を備えている。
[1] デジタルカメラの構成
先ず、本実施の形態に係るデジタルカメラの構成について説明する。
図1は、本実施の形態に係るデジタルカメラの構成を示す断面図である。図1に示されるように、デジタルカメラ1は固体撮像素子101、撮像レンズ102、カバーガラス103、ギヤ104、光学ファインダ105、ズームモータ106、ファインダ接眼部107、LCD(liquid crystal display)モニタ108及び回路基板109を備えている。
デジタルカメラ1のユーザはファインダ接眼部107から光学ファインダ105を覗いて被写体を観察し、カメラアングルを定める。また、ズームモータ106を作動させるとギヤ104を介して撮像レンズ102のズームが調整される。
被写体からの光はカバーガラス103、撮像レンズ102を経て固体撮像素子101に入射する。固体撮像素子101にて得られた撮像信号は回路基板109にて信号処理され、LCDモニタ108に表示される。LCDモニタ108には撮影モードなども表示される。
被写体からの光はカバーガラス103、撮像レンズ102を経て固体撮像素子101に入射する。固体撮像素子101にて得られた撮像信号は回路基板109にて信号処理され、LCDモニタ108に表示される。LCDモニタ108には撮影モードなども表示される。
カバーガラス103は撮影レンズ102を保護すると共に防水機能を果たす。
[2] 固体撮像素子101の構成
次に、固体撮像素子101の構成について説明する。固体撮像素子101は従来技術に係る固体撮像装置と概ね同様の構成を備える一方、遮光壁の構成において相違している。
図2は、固体撮像装置101の画素セル部分の断面図である。図2に示されるように、固体撮像装置101は、従来技術に係る固体撮像装置5と同様に、半導体基板201上に、透明膜204、カラーフィルタ205、平坦化膜207及びマイクロレンズ208が順次形成されてなる。
[2] 固体撮像素子101の構成
次に、固体撮像素子101の構成について説明する。固体撮像素子101は従来技術に係る固体撮像装置と概ね同様の構成を備える一方、遮光壁の構成において相違している。
図2は、固体撮像装置101の画素セル部分の断面図である。図2に示されるように、固体撮像装置101は、従来技術に係る固体撮像装置5と同様に、半導体基板201上に、透明膜204、カラーフィルタ205、平坦化膜207及びマイクロレンズ208が順次形成されてなる。
また、半導体基板201の透明膜204側にはフォトダイオード202が形成され、透明膜204の半導体基板201側には遮光膜203が形成されている。また、隣り合う画素セルのカラーフィルタ205間は、遮光壁206にて区画されている。
[3] カラーフィルタ205と遮光壁206の構造
次に、カラーフィルタ205と遮光壁206の構造について説明する。
[3] カラーフィルタ205と遮光壁206の構造
次に、カラーフィルタ205と遮光壁206の構造について説明する。
図3は、カラーフィルタ205と遮光壁206の構造を示す断面図であって、(a)はカラーフィルタ205の青色光を透過させる部分(以下、「青色フィルタ」という。)、(b)は赤色光を透過させる部分(以下、「赤色フィルタ」という。)、(c)は緑色光を透過させる部分(以下、「緑色フィルタ」という。)、(d)は遮光壁206を示す。
図3に示されるように、カラーフィルタ205と遮光壁206とは何れも二酸化シリコン(SiO2)と二酸化チタン(TiO2)との2種類の誘電体材料からなる9層構造を備えている。二酸化シリコン層301、303S及び二酸化チタン層302は光学膜厚が等しい。一方、二酸化シリコン層303R、303G及び303Bは互いに膜厚を異にしており、二酸化シリコン層301とも膜厚が異なる。
図3に示されるように、カラーフィルタ205と遮光壁206とは何れも二酸化シリコン(SiO2)と二酸化チタン(TiO2)との2種類の誘電体材料からなる9層構造を備えている。二酸化シリコン層301、303S及び二酸化チタン層302は光学膜厚が等しい。一方、二酸化シリコン層303R、303G及び303Bは互いに膜厚を異にしており、二酸化シリコン層301とも膜厚が異なる。
すなわち、カラーフィルタ205は赤色光、緑色光及び青色光の何れについても二酸化シリコン層303R、303G及び303Bをスペーサ層とする多層膜干渉フィルタとなっており、一方、遮光壁205は個々の誘電体層の光学膜厚の4倍を設定波長とするλ/4多層膜となっている。
ここで、誘電体層の光学膜厚とはその層の物理膜厚にその誘電体材料の屈折率を乗じた値をいう。また、λ/4多層膜は光学膜厚を同じくし、屈折率が異なる2種類の誘電体層からなるところ、この光学膜厚の4倍の波長を中心とする波長域の光を反射する。この中心波長を設定波長という。
ここで、誘電体層の光学膜厚とはその層の物理膜厚にその誘電体材料の屈折率を乗じた値をいう。また、λ/4多層膜は光学膜厚を同じくし、屈折率が異なる2種類の誘電体層からなるところ、この光学膜厚の4倍の波長を中心とする波長域の光を反射する。この中心波長を設定波長という。
本実施の形態においては、設定波長が可視波長域のほぼ中心にあたる550nmで、二酸化シリコン層301、303S及び二酸化チタン層302の光学膜厚はその1/4の137.5nmである。二酸化シリコンの屈折率は1.45であり、二酸化チタンの屈折率は2.51であるので、二酸化シリコン層301、303S及び二酸化チタン層302の物理膜厚はそれぞれ94.8nm、54.7nmである。
また、二酸化シリコン層303R、303G及び303Bの光学膜厚はそれぞれ20〜40nm、0〜10nm及び120〜140nmであり、何れも二酸化シリコン層301と異なる。
このようにすれば、カラーフィルタ205を形成する際に併せて遮光壁206を形成することができるので、斜め光を防止できる固体撮像装置を安価に製造することができる。
このようにすれば、カラーフィルタ205を形成する際に併せて遮光壁206を形成することができるので、斜め光を防止できる固体撮像装置を安価に製造することができる。
[4] 分光特性
上述のような構成によりカラーフィルタ205は入射光を波長分離し、遮光壁206は可視光を反射する。
図4は、カラーフィルタ205と遮光壁206の分光特性を示すグラフであって、(a)は赤色フィルタの分光特性を、(b)は緑色フィルタの分光特性を、(c)は青色フィルタの分光特性を、また、(d)は遮光壁206の分光特性を示す。
上述のような構成によりカラーフィルタ205は入射光を波長分離し、遮光壁206は可視光を反射する。
図4は、カラーフィルタ205と遮光壁206の分光特性を示すグラフであって、(a)は赤色フィルタの分光特性を、(b)は緑色フィルタの分光特性を、(c)は青色フィルタの分光特性を、また、(d)は遮光壁206の分光特性を示す。
図4(a)〜(c)に示されるように、赤色フィルタ、緑色フィルタ及び青色フィルタはそれぞれ可視波長域において赤色光、緑色光及び青色光を透過させると共に、紫外光と赤外光とを透過させる。一方、遮光壁206は紫外光と赤外光とを透過させるものの、可視光をすべて反射する。
すなわち、遮光壁206は斜め光のうち可視光成分をすべて反射するので、混色を防止することができる。また、樹脂材料を用いた遮光壁よりも小型化することができるので、固体撮像装置の小型化に伴う感度の低下を防止することができる。
すなわち、遮光壁206は斜め光のうち可視光成分をすべて反射するので、混色を防止することができる。また、樹脂材料を用いた遮光壁よりも小型化することができるので、固体撮像装置の小型化に伴う感度の低下を防止することができる。
[5] 変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
(1) 上記実施の形態においては、カラーフィルタ205として多層膜干渉フィルタを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて他のカラーフィルタを用いても良い。カラーフィルタの如何に関わらず、λ/4多層膜を遮光壁とすれば、樹脂材料を用いる場合に比べて遮光壁を小型化することができるので、固体撮像装置の小型化に伴う感度の低下を防ぐことができる。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
(1) 上記実施の形態においては、カラーフィルタ205として多層膜干渉フィルタを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて他のカラーフィルタを用いても良い。カラーフィルタの如何に関わらず、λ/4多層膜を遮光壁とすれば、樹脂材料を用いる場合に比べて遮光壁を小型化することができるので、固体撮像装置の小型化に伴う感度の低下を防ぐことができる。
また、λ/4多層膜の遮光壁は半導体プロセスにて容易に形成することができるので、製造コストを低減することもできる。
(2) 上記実施の形態においては、赤色光、緑色光及び青色光を波長分離するカラーフィルタを遮光壁にて区画する場合について説明したが、本発明がこれに限定されないは言うまでもなく、これに代えて他のカラーフィルタを区画しても良い。例えば、シアン(Cy)、マゼンタ(Mg)、イエロー(Ye)、グリーン(G)の4色の光を波長分離するカラーフィルタを遮光壁にて区画しても良い。カラーフィルタが波長分離する光色によらず、本発明の効果は同じである。
(2) 上記実施の形態においては、赤色光、緑色光及び青色光を波長分離するカラーフィルタを遮光壁にて区画する場合について説明したが、本発明がこれに限定されないは言うまでもなく、これに代えて他のカラーフィルタを区画しても良い。例えば、シアン(Cy)、マゼンタ(Mg)、イエロー(Ye)、グリーン(G)の4色の光を波長分離するカラーフィルタを遮光壁にて区画しても良い。カラーフィルタが波長分離する光色によらず、本発明の効果は同じである。
(3) 上記実施の形態においては、遮光壁が9つの誘電体層からなる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて他の層数としても良い。
ただし、層数が少なすぎると入射光を透過させ易くなり、また、層数を多くすると製造コストが上昇する。従って、製造コストに見合った遮光性能が得られる層数とするのが望ましい。
ただし、層数が少なすぎると入射光を透過させ易くなり、また、層数を多くすると製造コストが上昇する。従って、製造コストに見合った遮光性能が得られる層数とするのが望ましい。
(4) 上記実施の形態においては、遮光壁がカラーフィルタと層数を同じくする場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、遮光壁とカラーフィルタの層数が異なっていても良い。ただし、カラーフィルタが遮光壁と材料を同じくする同数の誘電体層からなる場合には特に製造コストを低減することができる。
(5) 上記実施の形態においては、遮光壁の材料として二酸化シリコンと二酸化チタンを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これらに代えて酸化マグネシウム(MgO)、三酸化二タンタル(Ta2O5)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、一窒化シリコン(SiN)、窒化シリコン(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)、弗化マグネシウム(MgF2)、酸化ハフニウム(HfO3)を用いても良い。
(5) 上記実施の形態においては、遮光壁の材料として二酸化シリコンと二酸化チタンを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これらに代えて酸化マグネシウム(MgO)、三酸化二タンタル(Ta2O5)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、一窒化シリコン(SiN)、窒化シリコン(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)、弗化マグネシウム(MgF2)、酸化ハフニウム(HfO3)を用いても良い。
上記のうち、窒化シリコンや三酸化二タンタル、二酸化ジルコニウムは高屈折率材料として用いるのが望ましい。誘電体材料の如何に関わらず本発明の効果を得ることができる。
本発明は、固体撮像装置及びカメラにおいて、カラーフィルタを透過した光が予定外の光電変換素子に入射するのを防ぐ遮光技術として有用である。
1……………………………………………………………デジタルカメラ
5……………………………………………………………固体撮像装置
101………………………………………………………固体撮像素子
102………………………………………………………撮像レンズ
103………………………………………………………カバーガラス
104………………………………………………………ギヤ
105………………………………………………………光学ファインダ
106………………………………………………………ズームモータ
107………………………………………………………ファインダ接眼部
108………………………………………………………LCDモニタ
109………………………………………………………回路基板
201、601……………………………………………半導体基板
202、602……………………………………………フォトダイオード
203、603……………………………………………遮光膜
204、604……………………………………………透明膜
205、605……………………………………………カラーフィルタ
206、606……………………………………………遮光壁
207、607……………………………………………平坦化膜
208、608……………………………………………マイクロレンズ
301、303S、303R、303G、303B…二酸化シリコン層
302………………………………………………………二酸化チタン層
501………………………………………………………画素セル
502………………………………………………………垂直シフトレジスタ
503………………………………………………………垂直信号線
504………………………………………………………行メモリ
505………………………………………………………水平シフトレジスタ
506………………………………………………………水平信号線
507………………………………………………………出力アンプ
5……………………………………………………………固体撮像装置
101………………………………………………………固体撮像素子
102………………………………………………………撮像レンズ
103………………………………………………………カバーガラス
104………………………………………………………ギヤ
105………………………………………………………光学ファインダ
106………………………………………………………ズームモータ
107………………………………………………………ファインダ接眼部
108………………………………………………………LCDモニタ
109………………………………………………………回路基板
201、601……………………………………………半導体基板
202、602……………………………………………フォトダイオード
203、603……………………………………………遮光膜
204、604……………………………………………透明膜
205、605……………………………………………カラーフィルタ
206、606……………………………………………遮光壁
207、607……………………………………………平坦化膜
208、608……………………………………………マイクロレンズ
301、303S、303R、303G、303B…二酸化シリコン層
302………………………………………………………二酸化チタン層
501………………………………………………………画素セル
502………………………………………………………垂直シフトレジスタ
503………………………………………………………垂直信号線
504………………………………………………………行メモリ
505………………………………………………………水平シフトレジスタ
506………………………………………………………水平信号線
507………………………………………………………出力アンプ
Claims (9)
- 2次元配列された画素セルを備え、カラー撮像する固体撮像装置であって、
画素セル毎に所定の波長の光を透過させるカラーフィルタと、
カラーフィルタを画素セル間で区画する遮光壁と、を備え、
遮光壁は、互いに屈折率を異にし、光学膜厚を同じくする2種類の誘電体層を交互に積層してなる多層膜を含み、可視光を反射する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - カラーフィルタは多層膜干渉フィルタからなる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 遮光壁は、カラーフィルタと層数を同じくする
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 遮光壁は、カラーフィルタと同じ材料からなる
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - カラーフィルタをなす多層膜干渉フィルタは2つのλ/4多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、
遮光壁をなす各誘電体層と、カラーフィルタをなすλ/4多層膜の各誘電体層とは、光学膜厚を同じくする
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 遮光壁は2つのλ/4多層膜にてスペーサ層を挟んでなる多層膜干渉フィルタからなる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - カラーフィルタをなす多層膜干渉フィルタは2つのλ/4多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、
スペーサ層の膜厚は、カラーフィルタが透過させる光色に応じて異なる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - カラーフィルタのスペーサ層の光学膜厚が、遮光壁のスペーサ層の光学膜厚と異なる
ことを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。 - 2次元配列された画素セルを備え、カラー撮像する固体撮像装置であって、
画素セル毎に所定の波長の光を透過させるカラーフィルタと、
カラーフィルタを画素セル間で区画する遮光壁と、を備え、
遮光壁は、屈折率を異にし、光学膜厚を同じくする誘電体層を積層してなる多層膜を含み、可視光を反射する固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラ。
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- 2006-02-15 JP JP2006038598A patent/JP2007220832A/ja not_active Withdrawn
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