JP2007242877A - Solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可視光だけでなく、赤外光も受光検出することが可能な固体撮像素子に係わる。 The present invention relates to a solid-state imaging device capable of receiving and detecting not only visible light but also infrared light.
固体撮像素子において、多画素化に伴い、画素サイズが縮小されて、1画素当たりのフォトダイオード(PD)の面積が減少していく。
フォトダイオードの面積が減少することにより、フォトダイオードの光電変換部に到達する光量も減少するため、感度が低下することになる。
In a solid-state imaging device, as the number of pixels increases, the pixel size is reduced, and the area of the photodiode (PD) per pixel decreases.
When the area of the photodiode is reduced, the amount of light reaching the photoelectric conversion unit of the photodiode is also reduced, so that sensitivity is lowered.
このように感度が低下することから、ノイズ対策を行わないと、S/Nの低下を招くことになる。 Since the sensitivity is reduced in this way, S / N is reduced unless noise countermeasures are taken.
このS/Nの改善のために、従来から利用している可視光線だけでなく、赤外光をも利用して画像を作製する方法が提案されている。 In order to improve this S / N, there has been proposed a method for producing an image using not only visible light that has been used conventionally but also infrared light.
一つの構成として、半導体の深さ方向における吸収係数の入射光の波長帯による違いを利用する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、他の構成として、入力光学系に波長分離用のミラーやプリズム等の波長分解光学系を使用して、可視光と赤外光とをそれぞれ個別の撮像素子で受光する多板式の構成が提案されている(例えば、特許文献2〜特許文献4参照)。
また、他の構成として、入力光学系に回転式の波長分解光学系を使用して、可視光と赤外光とを同一の撮像素子で受光する構成が提案されている(例えば、特許文献5参照)。具体的には、例えば、回転機構を利用して赤外光カットフィルタの挿入及び抜き出しを行うことにより、赤外光カットフィルタを挿入している場合には近赤外光及び赤外光の影響のない可視光カラー画像を得て、赤外光カットフィルタを抜き出している場合には可視光及び近赤外光の光強度を加算した画像を得ることができる。
また、他の構成として、入力光学系に波長分解機能を有する絞り光学系を使用することにより、可視光と赤外光とを同一の撮像素子で受光する構成が提案されている(例えば、特許文献6参照)。
As one configuration, a configuration has been proposed that uses the difference in absorption coefficient in the depth direction of a semiconductor depending on the wavelength band of incident light (see, for example, Patent Document 1).
As another configuration, a wavelength separation optical system such as a wavelength separation mirror or prism is used as an input optical system, and a multi-plate type configuration in which visible light and infrared light are received by individual imaging elements, respectively. It has been proposed (see, for example,
As another configuration, there has been proposed a configuration in which a visible wavelength light and an infrared light are received by the same image sensor using a rotary wavelength resolving optical system as an input optical system (for example, Patent Document 5). reference). Specifically, for example, when an infrared light cut filter is inserted by inserting and extracting an infrared light cut filter using a rotation mechanism, the effects of near infrared light and infrared light are inserted. When an infrared light color image without an infrared light is obtained and an infrared light cut filter is extracted, an image obtained by adding the light intensities of visible light and near infrared light can be obtained.
As another configuration, a configuration has been proposed in which visible light and infrared light are received by the same imaging device by using a diaphragm optical system having a wavelength resolving function in the input optical system (for example, a patent) Reference 6).
しかしながら、上記特許文献1に記載された構成では、青色光を検知する層では赤色光や緑色光が通過するときにある程度吸収を受けるために、それらの光が青色光として検知されてしまう。このため、青の信号が本来ない場合でも緑や赤の信号が入ることで青の画素で偽信号が生じてしまうことになる。この偽信号のために、充分な色再現性が得られなくなる。
また、色再現性を実現するためには、偽信号の分を信号処理で補正する必要があり、この信号処理の計算を行うための回路を必要とすることから、回路構成が複雑・大規模になる。
さらに、赤外光のみを、或いは可視光と赤外光とを、信号として受け取って撮像するためには、通常の固体撮像素子で使用されている赤外線カットフィルタを外したり、赤外線カットフィルタのカット率を低くしたりする必要がある。しかし、このようにすると、赤外光が可視光に混じってセンサ部に入射することになって、可視光の像の色合いが本来のものとは異なることになる。
However, in the configuration described in
Also, in order to achieve color reproducibility, it is necessary to correct the false signal by signal processing, and a circuit for performing this signal processing calculation is required, so the circuit configuration is complicated and large-scale. become.
Furthermore, in order to receive only infrared light, or visible light and infrared light as signals and take an image, an infrared cut filter used in a normal solid-state image sensor is removed, or an infrared cut filter is cut. It is necessary to lower the rate. However, if it does in this way, infrared light will mix with visible light and will inject into a sensor part, and the hue of the image of visible light will differ from the original thing.
また、上記特許文献2〜特許文献4に記載された構成は、波長分離用のミラーやプリズム等の波長分解光学系を使用するため、入力光学系が大がかりとなってしまう。そのため、固体撮像素子を供えた撮像装置が複雑化したり大型化したりする。
同様に、上記特許文献5に記載された構成は、赤外光カットフィルタの挿入/抜き出し機構が必要となるため、撮像装置が大型化する。
さらに、赤外光カットフィルタの挿入/抜き出しの操作は、自動的に行うことができない。
In addition, the configurations described in
Similarly, the configuration described in Patent Document 5 requires an infrared light cut filter insertion / extraction mechanism, which increases the size of the imaging device.
Furthermore, the operation of inserting / extracting the infrared light cut filter cannot be performed automatically.
また、上記特許文献6に記載された構成は、波長分解機能を持つ絞り光学系を使用するため、撮像装置が大型化する。
さらに、赤外線画像と可視光線画像の両方を同時に得ることができるが、出力される画像はこれら可視光線画像及び赤外線画像を合成した画像となってしまい、可視光線画像のみを、或いは、赤外線画像のみを、個別に出力することができない。
Further, the configuration described in Patent Document 6 uses a diaphragm optical system having a wavelength resolving function, so that the size of the image pickup apparatus is increased.
Furthermore, although both an infrared image and a visible light image can be obtained simultaneously, the output image is a composite image of the visible light image and the infrared image, and only the visible light image or only the infrared image is obtained. Cannot be output individually.
そこで、上述した問題に対して、さらに他の構成として、可視光及び赤外光に感度を有する撮像素子の各画素に、それぞれ異なるフィルタ特性を有する4種類の色フィルタを規則的に配置して、4種類の色フィルタを設けた各画素の出力をマトリクス演算することにより、可視光カラー画像及び近赤外光画像を、それぞれ独立に求める構成が提案されている(例えば、特許文献7参照)。 Therefore, as another configuration for the above-described problem, four types of color filters having different filter characteristics are regularly arranged in each pixel of the image sensor having sensitivity to visible light and infrared light. A configuration has been proposed in which a visible light color image and a near-infrared light image are independently obtained by performing matrix calculation on the output of each pixel provided with four types of color filters (see, for example, Patent Document 7). .
このような構成とすることにより、4種類の色フィルタを配設することで波長分離を行うので、入力光学系が大がかりとなる問題を生じない。
また、別個のフィルタ特性を有する4種類の色フィルタを配設した各画素の出力をマトリクス演算することによって、可視光カラー画像及び近赤外光画像をそれぞれ独立に求めるため、可視光線画像と赤外線画像とを個別かつ同時に出力することができる。
With such a configuration, wavelength separation is performed by arranging four types of color filters, so that the problem that the input optical system becomes large does not occur.
In addition, a visible light color image and a near-infrared light image are obtained independently by performing a matrix operation on the output of each pixel in which four types of color filters having different filter characteristics are arranged. Images can be output individually and simultaneously.
しかしながら、上記特許文献7に記載された構成では、可視光線画像を得る際にも、赤外光成分との間での演算処理が必要になることから、全体としての演算処理が複雑になる。 However, in the configuration described in Patent Document 7, calculation processing with the infrared light component is required even when a visible light image is obtained, so that the calculation processing as a whole is complicated.
上述した問題の解決のために、本発明においては、大がかりな光学系や複雑な演算処理を使用しなくても、可視光と赤外光とを共に受光検出することが可能な固体撮像素子を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid-state imaging device capable of receiving and detecting both visible light and infrared light without using a large-scale optical system or complicated arithmetic processing. It is to provide.
本発明の固体撮像素子は、光電変換がなされるセンサ部の上方に、各画素のセンサ部に対応して、カラーフィルターと、入射光を集光するオンチップレンズとが、それぞれ形成され、
画素領域のうち、一部の画素においては、カラーフィルターが形成されていると共に、さらにオンチップレンズの上方に、可視光を透過するが赤外光を透過しない赤外光カット膜が形成されているものである。
In the solid-state imaging device of the present invention, a color filter and an on-chip lens that collects incident light are respectively formed above the sensor unit that performs photoelectric conversion, corresponding to the sensor unit of each pixel,
In some of the pixel areas, a color filter is formed, and an infrared light cut film that transmits visible light but does not transmit infrared light is formed above the on-chip lens. It is what.
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、画素領域のうち、一部の画素においては、カラーフィルターが形成されていると共に、さらにオンチップレンズの上方に、可視光を透過するが赤外光を透過しない赤外光カット膜が形成されていることにより、この画素では可視光だけを受光検出することができる。これにより、この赤外光カット膜が形成された画素から得られた画像信号を利用して、可視光の画像を得ることができる。
一方、画素領域のうち、残りの画素においては、赤外光カット膜が形成されていないことにより、この残りの画素においては、可視光と赤外光とを受光検出することができる。
また、赤外光カット膜が形成されていない画素から得られた画像信号と、赤外光カット膜が形成された画素から得られた画像信号とを演算することにより、赤外光の画像を得ることができる。
According to the configuration of the solid-state imaging device of the present invention described above, a color filter is formed in some of the pixels in the pixel area, and visible light is transmitted above the on-chip lens but is red. Since the infrared light cut film that does not transmit external light is formed, only visible light can be received and detected in this pixel. Thereby, a visible light image can be obtained by using an image signal obtained from the pixel on which the infrared light cut film is formed.
On the other hand, since the infrared light cut film is not formed in the remaining pixels in the pixel region, visible light and infrared light can be received and detected in the remaining pixels.
In addition, by calculating an image signal obtained from a pixel on which no infrared light cut film is formed and an image signal obtained from a pixel on which an infrared light cut film is formed, an infrared light image is obtained. Obtainable.
さらに、赤外光カット膜が入射光を集光するオンチップレンズよりも上方に形成されているため、赤外光カット膜を設けても、センサ部からオンチップレンズまでの総厚さが増大することがない。 Furthermore, since the infrared light cut film is formed above the on-chip lens that collects incident light, even if an infrared light cut film is provided, the total thickness from the sensor section to the on-chip lens increases. There is nothing to do.
上述の本発明によれば、赤外光カット膜が形成された画素から得られた画像信号を利用して、可視光の画像を得ることができることにより、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
これにより、複雑な演算処理を行うための演算回路を必要としないため、回路構成が複雑にならないですむ。
また、カラーフィルター及び赤外光カット膜の有無により、赤外光を受光する画素と、赤外光が入射しない(赤外光を受光しない)画素とを振り分けることができるため、大がかりな光学系を設けなくても、可視光と赤外光とを共に受光検出することが可能になる。
According to the present invention described above, a visible light image can be obtained using an image signal obtained from a pixel on which an infrared light cut film is formed. A visible light image can be obtained by the same arithmetic processing as that of the solid-state imaging device that receives and detects only visible light.
As a result, an arithmetic circuit for performing complicated arithmetic processing is not required, so that the circuit configuration is not complicated.
In addition, depending on the presence or absence of a color filter and an infrared light cut film, a pixel that receives infrared light and a pixel that does not receive infrared light (does not receive infrared light) can be distributed. Even without providing, it becomes possible to detect and detect both visible light and infrared light.
さらに、赤外光カット膜を設けても、センサ部からオンチップレンズまでの総厚さを増大させることがないので、この総厚さの増大による問題、例えば感度の低下、混色の現象、シェーディングの増大等を回避することができる。 Furthermore, even if an infrared light cut film is provided, the total thickness from the sensor part to the on-chip lens does not increase, so problems due to the increase in total thickness, such as sensitivity reduction, color mixing phenomenon, shading, etc. An increase in the number can be avoided.
本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(断面図)を、図1に示す。
本実施の形態は、本発明をCMOS型固体撮像素子に適用した場合である。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
In this embodiment, the present invention is applied to a CMOS solid-state imaging device.
この固体撮像素子は、シリコン基板11の表面側に、光電変換が行われるセンサ部12が形成されている。
センサ部12は、図示しないが第1導電型、例えばn型の半導体領域から成り、シリコン基板11に形成された第2導電型、例えばp型の半導体領域とによってフォトダイオードPDが構成される。
各画素のセンサ部12の間には、図示しないが、例えば第2導電型(p型)の素子分離領域が形成されていることにより、隣接する画素が分離されている。
In this solid-state imaging device, a
Although not shown, the
Although not shown, between the
シリコン基板11の上方には、絶縁層14を介して配線層13が設けられている。図1では、3層の配線層13が形成されている。
配線層13の上方には、絶縁層14上に平坦化膜15が形成され、この平坦化膜15上にカラーフィルター16が形成されている。
A
A
カラーフィルター16は、図1に示す4つの画素のうち、1つ置きの2つの画素にそれぞれ設けられている。
図中左側のカラーフィルター16は赤色Rのカラーフィルターであり、図中右側のカラーフィルター16は青色Bのカラーフィルターである。
The
The
カラーフィルター16は、絶縁層17で覆われていて、この絶縁層17上にさらにオンチップレンズ18が形成されている。
オンチップレンズ18は、各画素に対応して、表面が上側に凸な曲面となっている。これにより、オンチップレンズ18に入射した光を集光して、センサ部12に導くことができる。
The
The on-
本実施の形態においては、特に、オンチップレンズ18の上に、赤外光カット膜21が形成されている。
この赤外光カット膜21は、可視光を透過し、赤外光をカットする特性を有し、赤外光を全く透過させない、或いは、ほとんど透過させない。これにより、赤外光カット膜21の下方のセンサ部12に、赤外光が入射することを抑制することができる。
そして、この赤外光カット膜21は、多数の画素のうち、カラーフィルター16が設けられている画素に形成され、カラーフィルター16が設けられていない画素には形成されていない。
In the present embodiment, in particular, an infrared
This infrared
The infrared
カラーフィルター16と赤外光カット膜21の各画素への配置を、それぞれ図2Aと図2Bの平面図に示す。
図2Aに示すように、カラーフィルター16は、縦2画素×横4画素の8画素を繰り返し単位として、周期的に配置されている。上から1行目と3行目(奇数行目)の画素では、左から1画素置きに、赤色Rのカラーフィルター16、青色Bのカラーフィルター16が配置されている。即ち、図1に示した断面図は、この奇数行目の断面図を示している。上から2行目と4行目(偶数行目)の画素では、左から1画素置きに緑色Gのカラーフィルター16が配置されている。そして、各行及び各列の画素において、カラーフィルター16が1画素置きに配置されている。また、各行及び各列の画素において、1画素置きに、カラーフィルター16が形成されていない画素がある。
図2Bに斜線を付して示すように、赤外光カット膜21は、各行及び各列の画素において1画素置きに配置されており、即ち、カラーフィルター16が配置されていた画素に配置されている。一方、カラーフィルター16が形成されていなかった画素には、赤外光カット膜21が設けられていない。
The arrangement of the
As shown in FIG. 2A, the
As shown by hatching in FIG. 2B, the infrared light cut
このように構成されていることにより、カラーフィルター16が設けられていない画素では、赤外光カット膜21がないため、可視光と赤外光とを共に受光検出することができる。
一方、カラーフィルター16が設けられている画素では、赤外光カット膜21により赤外光がカットされるため、可視光のみを受光検出することができる。これにより、通常のカラーの画素に赤外光が入射することによる、色再現性の悪化を回避することができる。
By being configured in this manner, in the pixel in which the
On the other hand, in the pixel provided with the
なお、各色のカラーフィルター及びカラーフィルターを形成しない画素の配置パターンは、図2Aに示した配置に限定されるものではなく、その他の配置も可能である。 In addition, the arrangement pattern of the color filter of each color and the pixel not forming the color filter is not limited to the arrangement shown in FIG. 2A, and other arrangements are possible.
また、本実施の形態においては、赤外光カット膜21を、屈折率の異なる複数の膜を積層した多層膜から構成する。
これにより、多層膜の各層における反射光を干渉させて、赤外光を下方に透過させずに上方に反射させることができる。
なお、赤外光カット膜21の多層膜を構成する各層の材料及び膜厚は、赤外光をカットできる限り、任意に設定することが可能である。
Moreover, in this Embodiment, the infrared-
Thereby, the reflected light in each layer of the multilayer film can be interfered and reflected upward without transmitting infrared light downward.
The material and film thickness of each layer constituting the multilayer film of the infrared
赤外光カット膜21の多層膜に使用する材料としては、例えば、SiO(SiO2等のシリコン酸化物),SiN(Si3N4等のシリコン窒化物),Si,NbO,TiO,TaO,NbO等や、誘電体多層膜から成る光学膜に一般的に用いられているその他の誘電体材料を使用することができる。これらの材料に限定されるものではなく、可視光を透過する材料であれば、その他の材料も使用することが可能である。
そして、これら各種の材料から、屈折率が異なる複数の材料を選定して、それぞれの材料の膜を積層して多層膜を形成する。好ましくは、それぞれの膜の屈折率差が大きくなるように材料を組み合わせる。
屈折率差の異なる2つの材料の組み合わせとしては、例えば、SiO/SiN,Si/NbO,Si/TiO,Si/TaO,SiO/NbO,SiO/TiO,SiO/TaO等が挙げられる。
Examples of materials used for the multilayer film of the infrared
A plurality of materials having different refractive indexes are selected from these various materials, and a multilayer film is formed by laminating films of the respective materials. Preferably, the materials are combined so that the refractive index difference between the respective films becomes large.
Examples of combinations of two materials having different refractive index differences include SiO / SiN, Si / NbO, Si / TiO, Si / TaO, SiO / NbO, SiO / TiO, and SiO / TaO.
また、それぞれの膜の膜厚を固定して、規則的に2回以上繰り返し周期的に積層することも可能である。 In addition, it is possible to periodically and periodically laminate the films by fixing the thicknesses of the respective films.
赤外光カット膜21の多層膜について、膜構成の一形態の断面図を図3に示す。
図3に示す膜構成は、屈折率の異なる第1の膜1と第2の膜2とを、交互に4回繰り返し合計8層積層した多層膜によって、赤外光カット膜21が構成されている。
それぞれの第1の膜1の膜厚は同一であり、それぞれの第2の膜2の膜厚は同一である。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of one embodiment of the film configuration of the multilayer film of the infrared
In the film configuration shown in FIG. 3, an infrared
The thickness of each
好ましくは、カットしたい赤外光の中心波長をλ0、膜の屈折率をnとしたとき、膜厚t=x・λ0/4n(x=0.9〜1.1)を満たすように、第1の膜1の膜厚と第2の膜2の膜厚とを設定する。
上述の条件を満たすように膜厚を設定することにより、多層膜の赤外光に対する反射率を有効に高くすることができる。
Preferably, when the center wavelength of the infrared light to be cut is λ0 and the refractive index of the film is n, the thickness t = x · λ0 / 4n (x = 0.9 to 1.1) is satisfied. The film thickness of the
By setting the film thickness so as to satisfy the above conditions, the reflectance of the multilayer film with respect to infrared light can be effectively increased.
例えば、SiO膜(シリコン酸化膜)/SiN膜(シリコン窒化膜)の積層では、SiO膜を膜厚131nmとして、SiN膜を膜厚95nmとする。 For example, in the lamination of SiO film (silicon oxide film) / SiN film (silicon nitride film), the SiO film has a thickness of 131 nm and the SiN film has a thickness of 95 nm.
なお、第1の膜1に、赤外光カット膜21に下層や上層で接する層(絶縁層等)の材料と、同じ材料、又は、屈折率がほぼ等しい材料を使用する場合には、他の形態として、図4の断面図に示すように、第1の膜1を最上層及び最下層に配置して、最上層及び最下層は、規則的な部分の第1の膜1よりも厚く形成してもよい。
In addition, when the same material as the material of the layer (insulating layer or the like) that is in contact with the infrared
積層する膜は2種類に限らず、3種類以上でもよい。また、積層する膜の数も、合計3層以上であれば特に限定されない。合計2層の積層とした場合には、赤外光に対して充分な反射率を得ることが難しく、赤外光を充分にカットすることが難しくなる。 The number of films to be stacked is not limited to two, and may be three or more. Further, the number of films to be stacked is not particularly limited as long as the total number is three or more. In the case of a total of two layers, it is difficult to obtain sufficient reflectance for infrared light, and it is difficult to sufficiently cut infrared light.
本実施の形態の固体撮像素子は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、オンチップレンズ18までの各層を形成する。
次に、例えば、低温スパッタ装置を用いて、オンチップレンズ18上に、多層膜を構成するそれぞれの膜を連続して順次成膜することにより、多層膜から成る赤外光カット膜21を形成する。このとき、多層膜のそれぞれの膜の成膜温度は、既に成膜したオンチップレンズ18より下層の各層に影響しないように、250℃以下とする必要があり、より好ましくは150℃以下とする。
The solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured as follows, for example.
First, each layer up to the on-
Next, for example, by using a low-temperature sputtering apparatus, the respective films constituting the multilayer film are successively and sequentially formed on the on-
低温スパッタ等の低温の成膜技術を用いて、赤外光カット膜21を成膜することにより、低温での成膜が可能となる。これにより、成膜時に他の各層に影響しないため、赤外光カット膜21の場所に捉われることなく、赤外光カット膜21を配置することが可能となる。
また、赤外光カット膜21の多層膜を構成するそれぞれの膜は、屈折率差の出来るだけ大きな、複数の材料を使用することが好ましいが、低温スパッタ装置は、こういった屈折率差の大きな材料を連続的に成膜することにも適している。
By forming the infrared
Each of the films constituting the multilayer film of the infrared
上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、カラーフィルター16が形成された画素に、可視光を透過するが赤外光を透過しない赤外光カット膜21が形成されていることにより、この画素では可視光だけを受光検出することができる。これにより、カラーフィルター16が形成された画素から得られた画像信号を利用して、可視光の画像を得ることができる。
また、カラーフィルター16が形成されていない画素には、赤外光カット膜21も形成されていないので、この画素においては、可視光と赤外光とを受光検出することができる。
従って、カラーフィルター16が形成されていない画素から得られた画像信号(可視光+赤外光)と、カラーフィルターが形成された画素から得られた画像信号(可視光のみ)とを演算することにより、赤外光の画像を得ることができる。この場合の演算処理は、前述した特許文献7に記載された構成と比較して、簡単な演算処理で済む。
According to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment described above, the infrared
In addition, since the infrared
Therefore, an image signal (visible light + infrared light) obtained from a pixel on which the
そして、カラーフィルター16が形成された画素から得られた画像信号を利用して、可視光の画像を得ることができることにより、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
これにより、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
Further, since an image of visible light can be obtained by using an image signal obtained from the pixel on which the
Accordingly, an image of visible light can be obtained by the same arithmetic processing as that of a solid-state imaging device that receives and detects only normal visible light without performing complicated calculation.
また、カラーフィルター16及び赤外光カット膜21の有無により、赤外光を受光する画素と、赤外光が入射しない(赤外光を受光しない)画素とを振り分けることができるため、大がかりな光学系を設けなくても、可視光と赤外光とを共に受光検出することが可能になる。
In addition, depending on the presence or absence of the
また、本実施の形態では、オンチップレンズ18上に赤外光カット膜21が形成されていることにより、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さは、赤外光カット膜21を形成していない構成とほぼ同じである。
そのため、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さが増大することによる問題(例えば、感度の低下、混色の増加、シェーディングの悪化等)を回避することができる。
In the present embodiment, since the infrared
Therefore, problems due to an increase in the total thickness from the
ここで、比較構成として、センサ部12とオンチップレンズ18との間に赤外光カット膜21を形成した構成を、図8の断面図に示す。
図8に示す構成では、配線層13が形成された絶縁層14の内部で、配線層13の上層に赤外光カット膜21が形成されている。即ち、赤外光カット膜21が、カラーフィルター16下の平坦化膜15と、配線層13との間に形成されており、オンチップレンズ18よりも下方に形成されている。
これにより、赤外光カット膜を形成しない構成の固体撮像素子と比較して、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さが増大することになる。
このように総厚さが増大すると、センサ部12に到達する光の範囲が狭くなると共に、途中で吸収される光の割合が増えるため、センサ部12に到達する光量が減少して感度が低下する。また、オンチップレンズ18から斜めに進んだ光が、隣接する画素に入り込んで混色を生じやすくなる。また、画素領域の周辺部の画素と中央部の画素とのシェーディングも悪化する。
Here, as a comparative configuration, a configuration in which an infrared
In the configuration shown in FIG. 8, an infrared
As a result, the total thickness from the
When the total thickness increases in this way, the range of light reaching the
また、カラーフィルター16は平坦面上に形成する必要があるため、図8に示す構成を製造する場合には、赤外光カット膜21のパターニングを行った後に、赤外光カット膜21のない残りの部分を酸化物等の絶縁層で埋め込んでから、CMP(化学的機械的研磨)法等により表面を平坦化することになる。
これに対して、本実施の形態の構成を製造する場合には、オンチップレンズ18までを先に形成してからその上に赤外光カット膜21を形成するので、赤外光カット膜21のパターニングを行った後で表面の平坦性の良好な絶縁層で覆えばよく、CMP法等による平坦化する工程が不要となることから、工程の削減を見込むことができる。
Further, since the
On the other hand, in the case of manufacturing the configuration of the present embodiment, since the infrared
次に、本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(断面図)を、図5に示す。
本実施の形態では、図5に示すように、オンチップレンズ18と赤外光カット膜21との間に、平坦化膜22を設けている。
その他の構成は、図1に示した先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
Next, FIG. 5 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention.
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a
Since other configurations are the same as those of the previous embodiment shown in FIG. 1, the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
上述の本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、カラーフィルター16が形成された画素から得られた画像信号を利用して、可視光の画像を得ることができ、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
これにより、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
また、カラーフィルター16が形成されていない画素から得られた画像信号(可視光+赤外光)と、カラーフィルターが形成された画素から得られた画像信号(可視光のみ)とを演算することにより、赤外光の画像を得ることができる。
そして、カラーフィルター16及び赤外光カット膜21の有無により、赤外光を受光する画素と、赤外光が入射しない(赤外光を受光しない)画素とを振り分けることができるため、大がかりな光学系を設けなくても、可視光と赤外光とを共に受光検出することが可能になる。
According to the above-described embodiment, a visible light image can be obtained using an image signal obtained from a pixel on which the
Accordingly, an image of visible light can be obtained by the same arithmetic processing as that of a solid-state imaging device that receives and detects only normal visible light without performing complicated calculation.
Also, an image signal (visible light + infrared light) obtained from a pixel on which the
Then, depending on the presence or absence of the
さらにまた、オンチップレンズ18上に赤外光カット膜21が形成されていることにより、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さは、赤外光カット膜21を形成していない構成とほぼ同じであるため、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さが増大することによる問題(例えば、感度の低下、混色の増加、シェーディングの悪化等)を回避することができる。
Furthermore, since the infrared
さらに、本実施の形態では、間に平坦化膜22を設けたことにより、赤外光カット膜21がオンチップレンズ18に対して密着性が弱い場合や、オンチップレンズ18の材料に対して赤外光カット膜21の材料のエッチレートの選択比がとれない場合であっても、問題を生じることなく赤外光カット膜21を形成することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the
さらにまた、材料や膜厚等の条件によっては、赤外光カット膜21の下面が、オンチップレンズ18の曲面に沿った曲面形状となることによって、問題が生じる場合があるが、この問題も回避することができる。
Furthermore, depending on conditions such as the material and film thickness, there may be a problem that the lower surface of the infrared
なお、図5に示した実施の形態では、オンチップレンズ18と赤外光カット膜21との間に平坦化膜22を設けた構成であったが、平坦化膜22の代わりに、オンチップレンズ18と赤外光カット膜21との間に、他の膜を設けることも可能である。
他の膜としては、赤外光カット膜21の密着性を向上するための膜や、赤外光カット膜21のパターニング時のエッチングストッパとなる膜等が挙げられる。
In the embodiment shown in FIG. 5, the
Examples of the other films include a film for improving the adhesion of the infrared
ところで、オンチップレンズ上に赤外光カット膜を設けることにより、隣接する画素との混色が問題になる場合には、例えば、赤外光カット膜のパターンを画素サイズより大きくすればよい。その場合を次に示す。 By the way, when the infrared light cut film is provided on the on-chip lens and color mixing with adjacent pixels becomes a problem, for example, the pattern of the infrared light cut film may be made larger than the pixel size. The case is shown below.
本発明のさらに他の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(断面図)を、図6に示す。
本実施の形態では、図6に示すように、オンチップレンズ18の上に形成した赤外光カット膜21のパターンを、画素サイズよりも大きくしている。カラーフィルター16は、画素サイズとほぼ同じ大きさのパターンとしている。
例えば、赤外光カット膜21の幅W2を、画素の幅W1よりも0.05μm〜5.0μm程度大きくする。
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a solid-state imaging device according to still another embodiment of the present invention.
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, the pattern of the infrared
For example, the width W2 of the infrared
このように、赤外光カット膜21のパターンを画素サイズよりも大きくしたことにより、赤外光カット膜21が形成されていない隣接する画素から、赤外光カット膜21が形成する画素へ、赤外光が入射することによる画像信号の変化、即ち混色を、防止することができる。
赤外光カット膜21のパターンを画素サイズよりも大きくしたことにより、混色の原因となる、隣接する画素から斜めに入射した赤外光も、赤外光カット膜21を大きくした部分でカットすることができる。
Thus, by making the pattern of the infrared
By making the pattern of the infrared
その他の構成は、図1に示した先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して、重複説明を省略する。 Other configurations are the same as those of the previous embodiment shown in FIG.
上述の本実施の形態によれば、図1に示した先の実施の形態と同様に、カラーフィルター16が形成された画素から得られた画像信号を利用して、可視光の画像を得ることができ、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
これにより、複雑な演算を行わなくても、通常の可視光のみを受光検出する固体撮像素子と同様の演算処理により、可視光の画像を得ることができる。
また、カラーフィルター16が形成されていない画素から得られた画像信号(可視光+赤外光)と、カラーフィルターが形成された画素から得られた画像信号(可視光のみ)とを演算することにより、赤外光の画像を得ることができる。
そして、カラーフィルター16及び赤外光カット膜21の有無により、赤外光を受光する画素と、赤外光が入射しない(赤外光を受光しない)画素とを振り分けることができるため、大がかりな光学系を設けなくても、可視光と赤外光とを共に受光検出することが可能になる。
According to the present embodiment described above, a visible light image is obtained using the image signal obtained from the pixel on which the
Accordingly, an image of visible light can be obtained by the same arithmetic processing as that of a solid-state imaging device that receives and detects only normal visible light without performing complicated calculation.
Also, an image signal (visible light + infrared light) obtained from a pixel on which the
Then, depending on the presence or absence of the
さらにまた、オンチップレンズ18上に赤外光カット膜21が形成されていることにより、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さは、赤外光カット膜21を形成していない構成とほぼ同じであるため、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さが増大することによる問題(例えば、感度の低下、混色の増加、シェーディングの悪化等)を回避することができる。
Furthermore, since the infrared
また、本実施の形態によれば、赤外光カット膜21の幅W2を、画素の幅W1よりも大きくして、赤外光カット膜21のパターンを画素サイズよりも大きくしていることにより、隣接する画素から赤外光が入射することによる混色を防止することができる。
Further, according to the present embodiment, the width W2 of the infrared
続いて、本発明の別の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(断面図)を、図7に示す。
本実施の形態では、特に、図7に示すように、赤外光カット膜21にオンチップレンズ18の曲面形状を転写して、赤外光カット膜21の上面21Aを、オンチップレンズ18の上面18Aの曲面と同様の、曲面形状としている。
Next, FIG. 7 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention.
In the present embodiment, in particular, as shown in FIG. 7, the curved surface shape of the on-
本実施の形態によれば、図1に示した実施の形態と同様に、複雑な演算を行わなくても可視光の画像を得ることができ、大がかりな光学系を設けなくても、可視光と赤外光とを共に受光検出することが可能になる。さらにまた、センサ部12からオンチップレンズ18までの総厚さが増大することによる問題(例えば、感度の低下、混色の増加、シェーディングの悪化等)を回避することができる。
また、本実施の形態によれば、赤外光カット膜21の上面21Aを、オンチップレンズ18の上面17Aの曲面と同様の曲面形状としていることにより、オンチップレンズ18によってだけでなく、赤外光カット膜21によっても、入射光を集光させることができる。
これにより、より広い範囲からセンサ部12に光を入射させることができるため、赤外光カット膜21を設けた画素の感度を高めることができる。
According to the present embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1, a visible light image can be obtained without performing a complicated calculation, and visible light can be obtained without providing a large optical system. And infrared light can be received and detected. Furthermore, problems due to an increase in the total thickness from the
Further, according to the present embodiment, the
Thereby, since light can be incident on the
上述の各実施の形態では、カラーフィルター16として、赤色R、緑色G、青色Bの原色系の3色のカラーフィルターを使用した場合を説明したが、補色系のカラーフィルター(シアンCy、マゼンタMg、イエローYe)等、他の色のカラーフィルターを使用してもよい。
In each of the above-described embodiments, the case where three color filters of the primary colors of red R, green G, and blue B are used as the
また、上述の各実施の形態では、赤外光カット膜21のない、可視光及び赤外光を受光検出する画素には、カラーフィルター16を形成していないが、本発明においては、可視光及び赤外光を受光する画素にカラーフィルターを形成することも可能である。
例えば、可視光のみを受光する画素に形成しているカラーフィルターのうち、いずれかの色のカラーフィルターと同一のカラーフィルターを、可視光及び赤外光を受光する画素に形成することが可能である。このように構成すると、同一のカラーフィルターが形成されている可視光のみを受光する画素からの画像信号を、可視光及び赤外光を受光する画素からの画像信号から減算することにより、赤外光の画像信号が得られる。
従って、赤外光の画像信号を得るための演算処理を単純化することができる利点を有する。
Further, in each of the above-described embodiments, the
For example, among the color filters formed on pixels that receive only visible light, the same color filter as the color filter of any color can be formed on the pixels that receive visible light and infrared light. is there. With this configuration, an image signal from a pixel that receives only visible light on which the same color filter is formed is subtracted from an image signal from a pixel that receives visible light and infrared light, thereby obtaining an infrared signal. An optical image signal is obtained.
Accordingly, there is an advantage that the arithmetic processing for obtaining the image signal of the infrared light can be simplified.
また、上述の各実施の形態では、いずれもシリコン基板を使用した場合を示したが、本発明は、シリコン基板以外の半導体基板を使用した場合にも適用することが可能である。
また、シリコン基板の表面側に、シリコンエピタキシャル層を形成し、センサ部をこのシリコンエピタキシャル層内に形成した構成としてもよい。
In each of the above embodiments, the case where a silicon substrate is used has been described. However, the present invention can also be applied to the case where a semiconductor substrate other than a silicon substrate is used.
Moreover, it is good also as a structure which formed the silicon epitaxial layer in the surface side of the silicon substrate, and formed the sensor part in this silicon epitaxial layer.
また、上述の各実施の形態では、CMOS型固体撮像素子に適用した場合を説明したが、その他の構成の固体撮像素子、例えばCCD固体撮像素子にも、同様に本発明を適用することができる。
CCD固体撮像素子では、電荷転送部の転送電極上を覆って遮光膜を形成することから、センサ部上と電荷転送部上との間に比較的大きい段差が形成されるため、赤外光カット膜をオンチップレンズよりも上方に形成する本発明の構成を適用することにより、オンチップレンズよりも下方に形成した構成よりも、赤外光カット膜の形成が容易になる。
In each of the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to a CMOS solid-state image sensor has been described. However, the present invention can be similarly applied to solid-state image sensors having other configurations, for example, CCD solid-state image sensors. .
In the CCD solid-state imaging device, since a light shielding film is formed to cover the transfer electrode of the charge transfer unit, a relatively large step is formed between the sensor unit and the charge transfer unit. By applying the configuration of the present invention in which the film is formed above the on-chip lens, the infrared light cut film can be formed more easily than the configuration formed below the on-chip lens.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1 第1の膜、2 第2の膜、11 シリコン基板、12 センサ部、14,17 絶縁層、15 平坦化膜、16 カラーフィルター、18 オンチップレンズ、21 赤外光カット膜、22 平坦化膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
画素領域のうち、一部の画素においては、前記カラーフィルターが形成されていると共に、さらに前記オンチップレンズの上方に、可視光を透過するが赤外光を透過しない赤外光カット膜が形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。 A color filter and an on-chip lens that collects incident light are respectively formed above the sensor unit that performs photoelectric conversion, corresponding to the sensor unit of each pixel,
In some pixels of the pixel area, the color filter is formed, and an infrared light cut film that transmits visible light but does not transmit infrared light is formed above the on-chip lens. A solid-state image pickup device characterized by that.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an upper surface of the infrared light cut film is a curved surface similar to the upper surface of the on-chip lens.
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