JP2009239493A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特にシングルチップのカラー撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a single-chip color imaging device.
近年、固体撮像素子への小型化・多画素化の要求に基づき、画素サイズの微細化が急激に進んでおり、1.4μmサイズの微細画素からなるCMOSセンサ素子のサンプル出荷予定が報じられている。 In recent years, based on the demand for downsizing and multiple pixels in solid-state image sensors, the pixel size has been rapidly miniaturized, and a sample shipment plan for CMOS sensor elements consisting of 1.4 μm-sized fine pixels has been reported. Yes.
画素サイズの微細化トレンドにおいては、入射光量が急激に減少するため、画素内部の光電変換部において発生する信号電子数の減少に伴うSN比低下等の特性劣化が懸念されている。 In the trend toward finer pixel sizes, the amount of incident light decreases rapidly, and there is a concern about characteristic deterioration such as a decrease in SN ratio accompanying a decrease in the number of signal electrons generated in the photoelectric conversion unit inside the pixel.
このような、特性劣化に対処するための一つのアプローチとして、シングルチップのカラー撮像素子に形成されるオンチップカラーフィルタを高感度化する方法が注目を集めている。 As one approach for dealing with such characteristic deterioration, a method for increasing the sensitivity of an on-chip color filter formed in a single-chip color image sensor has been attracting attention.
従来、シングルチップのカラー撮像素子に形成されるオンチップカラーフィルタとしては、30年以上前に提案されたBayer配列が一般的に用いられている。Bayer配列は、いわゆる原色系のカラーフィルタであり、その色再現性の良さが特長である(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as an on-chip color filter formed in a single-chip color image pickup device, a Bayer array proposed more than 30 years ago is generally used. The Bayer array is a so-called primary color filter, and is characterized by good color reproducibility (see, for example, Patent Document 1).
本発明者等は、このBayer配列よりも高感度な原色系カラーフィルタとして、RGBの三原色のフィルタの他に、透明フィルタ画素を導入することで高感度化を図った新しいカラーフィルタを提案し、新しいカラーフィルタを導入した高感度カラーCMOSセンサを試作し、評価結果について報告している(例えば、非特許文献1、2参照)。
The present inventors have proposed a new color filter that is highly sensitive by introducing transparent filter pixels in addition to the RGB primary color filters as a primary color filter having higher sensitivity than the Bayer arrangement. A high-sensitivity color CMOS sensor into which a new color filter is introduced has been prototyped and the evaluation results have been reported (for example, see Non-Patent
RGBの三原色色フィルタにおいては、入射光エネルギーの最大で1/3が吸収されてしまうのに対し、透明フィルタ画素においては、入射光エネルギーは吸収を受けず、入射光を効率良く信号電子に変換することが可能であり、そのために高感度化が実現される。 The RGB primary color filter absorbs up to 1/3 of the incident light energy, whereas the transparent filter pixel does not absorb the incident light energy and efficiently converts the incident light into signal electrons. Therefore, high sensitivity is realized.
この透明フィルタ画素を導入した高感度カラーフィルタについては、本発明者等の他にも、Dr.Luoやイーストマンコダック社が提案している(例えば、非特許文献3、4参照)。 Regarding the high-sensitivity color filter in which the transparent filter pixel is introduced, in addition to the present inventors, Dr. Luo and Eastman Kodak Company have proposed (for example, see Non-Patent Documents 3 and 4).
透明フィルタ画素を導入したカラーフィルタは、いわゆる補色系のカラーフィルタにおいて提案されたが、補色系の弱点である色再現性の課題や、補色系信号処理において必須の減算処理にともなうSN比劣化等の問題があり、普及するに至らなかった。
上述した、透明フィルタ画素を有する高感度カラーフィルタ技術においては、その透明フィルタ画素における透明度、すなわち透過率を高めることが高感度化のために重要である。 In the above-described high-sensitivity color filter technology having transparent filter pixels, it is important for increasing the sensitivity to increase the transparency, that is, the transmittance of the transparent filter pixels.
従来の補色系のカラーフィルタは、いわゆる染色タイプであることが一般的であり、透明な被染色層を形成した後に、各色フィルタ領域に応じて、順次、染色を行うことによりカラーフィルタを形成する。この被染色層としては、カゼイン・ゼラチン系の材料を用いるが、リソグラフィーによる加工を可能にする目的でi線光(波長365nm)を吸収する感光剤を含有しており、その影響で波長400nm近傍における青色感度が低下してしまう。 Conventional complementary color filters are generally of the so-called dyeing type. After forming a transparent dyed layer, a color filter is formed by sequentially dyeing in accordance with each color filter region. . The dyed layer uses a casein / gelatin-based material, but contains a photosensitive agent that absorbs i-line light (wavelength 365 nm) for the purpose of enabling processing by lithography. The blue sensitivity at will decrease.
一方、原色系のカラーフィルタにおいては、一般的に、単色のカラーフィルタ層を各色ごとに順次形成するが、その場合にも、リソグラフィーによる加工を可能にする目的でi線光(波長365nm)を吸収する感光剤を含有しており、その影響で波長400nm近傍における青色感度が低下してしまう。 On the other hand, in a primary color filter, a single color filter layer is generally formed sequentially for each color. In this case as well, i-line light (wavelength 365 nm) is used for the purpose of enabling processing by lithography. It contains a photosensitive agent that absorbs, and the blue sensitivity in the vicinity of a wavelength of 400 nm decreases due to the influence.
したがって、青色光に対する高感度化が、いまだ十分であるとは言えなかった。 Therefore, it cannot be said that the high sensitivity to blue light is still sufficient.
本発明は、青色光に対する感度が高いシングルチップカラー撮像装置を得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a single-chip color imaging device with high sensitivity to blue light.
本発明の一態様による固体撮像装置は、半導体基板上に複数の光電変換領域と、前記光電変換領域に発生した信号電荷を読み出すための読み出し回路と、前記複数の光電変換領域の上方に形成された、入射光を分光するためのオンチップカラーフィルタと、を備え、前記オンチップカラーフィルタは、少なくとも、赤色光を透過する第1のカラーフィルタ層、緑色光を透過する第2のカラーフィルタ層、および青色光を透過する第3のカラーフィルタ層のうち二つ以上のカラーフィルタ層を含むとともに、可視光領域の全波長領域において透過性を有する透明フィルタ層を含み、前記透明フィルタ層の透過率は、波長400nmから700nmの波長領域において、98%以上であることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention is formed on a semiconductor substrate over a plurality of photoelectric conversion regions, a readout circuit for reading signal charges generated in the photoelectric conversion regions, and the plurality of photoelectric conversion regions. An on-chip color filter for splitting incident light, wherein the on-chip color filter includes at least a first color filter layer that transmits red light and a second color filter layer that transmits green light. And a third filter layer that transmits blue light, and a transparent filter layer having transparency in the entire wavelength region of the visible light region. The rate is characterized by being 98% or more in the wavelength region from 400 nm to 700 nm.
本発明によれば、青色感度の高いシングルチップカラー撮像装置を得ることができる。 According to the present invention, a single chip color imaging device with high blue sensitivity can be obtained.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の一実施形態によるシングルチップカラー撮像装置のカラーフィルタ配列を模式的に図1に示す。カラーフィルタ510は、青色光のみを透過するカラーフィルタ層510Bと、このカラーフィルタ層510Bの右横に配列され緑色光のみを透過するカラーフィルタ層510Gと、このカラーフィルタ層510Gの下側に配列され赤色光のみを透過するカラーフィルタ層510Rと、このカラーフィルタ層510Rの左横に配列され400nmから700nmの可視光領域にわたり高い透過率を有する透明フィルタ層510Wとを有している。これらのフィルタ層は、対応する画素を覆うように設けられて、上記フィルタ層に対応する4個の画素で2×2画素ブロックを形成する。
FIG. 1 schematically shows a color filter array of a single chip color imaging device according to an embodiment of the present invention. The
本実施形態によるシングルチップカラー撮像装置のカラーフィルタの製造方法を図2(a)乃至図2(f)を参照して説明する。図2(a)乃至図2(f)は、図1に示した1画素部の、A−B−C−D線に沿った断面図である。 A method of manufacturing a color filter of the single chip color imaging apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (f). FIG. 2A to FIG. 2F are cross-sectional views along the line ABCD of the one pixel portion shown in FIG.
まず、カラーフィルタ形成前のモノクロ撮像装置500の画素502Rを覆うように例えば、赤色光のみを透過するカラーフィルタ層510Rを形成する(図2(a)、(b))。このカラーフィルタ層510Rは、例えば、有機顔料を含有するアクリル系高分子材料を塗布し、i線によるリソグラフィーを行って所望の形状にパターニングされることにより形成される。このため、カラーフィルタ層510Rは、i線に対する吸収特性を有する感光剤も合わせて含有している。
First, for example, a
次に、同様にして、画素502Gを覆うように、緑色光のみを透過するカラーフィルタ層510Gを形成する(図2(c))。このカラーフィルタ層510Gは、例えば、有機顔料を含有するアクリル系高分子材料であり、i線によるリソグラフィーを目的に、i線に対する吸収特性を有する感光剤も合わせて含有している。
Next, similarly, a
さらに、同様にして、画素502Bを覆うように、青色光のみを透過するカラーフィルタ層510Bを形成する(図2(d))。このカラーフィルタ層510Bは、例えば、有機顔料を含有するアクリル系高分子材料であり、i線によるリソグラフィーを目的に、i線に対する吸収特性を有する感光剤も合わせて含有している。
Further, similarly, a
最後に、400nmから700nmの可視光領域全体にわたり高い透過率を有する透明フィルタ層510Wを、素子全面に形成する。すなわち、フィルタ510Wは、画素502Wを覆いかつカラーフィルタ層510R、510B、510Gを覆うように形成する(図2(e))。
Finally, a
その後、図2(f)に示すように、各サブ画素502R、502G、502B、502Wの直上の透明フィルタ層510W上にそれぞれマイクロレンズ512を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 2F,
本実施形態においては、透明フィルタ層510Wは、前述のカラーフィルタ層510R、510G、510Bとは異なり、リソグラフィーによる加工を前提としないために、i線を吸収する感光剤を添加する必要はない。したがって、波長365nmのi線吸収特性に伴い発生する400nm近傍における吸収特性は現れず、高い青色感度を有するシングルチップのカラー撮像装置を得ることができる。
In the present embodiment, unlike the above-described
また、通常は各色のカラーフィルタを形成したのちに、複数のカラーフィルタの厚さ変動を吸収して、表面を平坦化するために光学的に透明な平坦化層を形成することが一般的であるが、本実施形態によれば、すでに透明フィルタ層510Wが画素領域全面に形成されるために、表面構造は平坦となっている。したがって、画素ごとのマイクロレンズ構造の形成を、上記透明フィルタ層の形成直後に行うことが可能であり、微細画素における高感度のためのマイクロレンズ形成前の工程を省略することが可能である。
In general, after forming color filters for each color, it is common to form an optically transparent flattening layer in order to absorb the thickness variation of multiple color filters and flatten the surface. However, according to this embodiment, since the
このとき、カラーフィルタ層510R、510B、510G上に形成される透明フィルタ層510Wの厚さを、カラーフィルタ層510R、510B、510Gの厚さの1/2以上とすることで、透明フィルタ層510Wの表面形状の平坦性を良好に保つことが可能であり、より好ましい。
At this time, by setting the thickness of the
さらに、従来構造においては、上述したように透明フィルタ層の形成後に、透明平坦化層を形成することが多い。この場合、透明フィルタ層と透明平坦化層との異種材料界面が形成され、その界面における光の反射、屈折等による入射光の経路変調が発生する場合があり、その結果として、入射光が本来の画素とは異なる画素に入射することに起因する光学的クロストーク、いわゆる混色が発生してしまう。 Further, in the conventional structure, as described above, the transparent flattening layer is often formed after the transparent filter layer is formed. In this case, a dissimilar material interface between the transparent filter layer and the transparent flattening layer is formed, and path modulation of incident light may occur due to light reflection, refraction, etc. at the interface. Optical crosstalk, that is, so-called color mixing due to incidence on a different pixel from that of the other pixel occurs.
これに対して、本実施形態においては、透明フィルタ層510Wを全面に形成することで、透明平坦化層の形成を不要としているため、上記の界面は形成されず、したがって、上記の混色という問題が発生しないという効果もある。
On the other hand, in the present embodiment, since the
本実施形態において、透明フィルタ層510Wの材料としては、透明アクリルを用いることが可能であり、好ましい。また、透明フィルタ層510Wの分光透過特性として、可視光領域である400nmから700nmの波長の範囲において98%以上の透過率を有することが重要である。
In the present embodiment, transparent acrylic can be used as the material for the
本実施形態の撮像装置に用いられる透明フィルタ層510Wと、従来例の透明フィルタ層との透過率の比較結果を図3に示す。なお、従来例の透明フィルタ層には、本実施形態に係る透明フィルタ層510Wと異なり、リソグラフィーによる加工を前提とするために、i線を吸収する感光剤が添加されている。図3からわかるように、本実施形態に係る透明フィルタ層510Wは、可視光領域全体にわたり高い分光透過率特性を示している。特に、400nm近傍の短波長領域での透過率が従来の場合よりも高い。400nmにおける透過率は、従来の場合では90%に留まるに対して、本実施形態の場合は98%以上を得ることができる。
The comparison result of the transmittance | permeability with the
また、本実施形態においては、透明フィルタ層510Wを形成した後に、透明フィルタ層510Wをエッチバックすることでマイクロレンズ12の底面とカラーフィルタ層510R、510B、510Gとの距離を短縮することも可能であり、その結果、画素部の高さを低背化することができ、微細画素における光学的なアスペクト比を改善することで感度特性・シェーディング特性と改善することができ、より好ましい。
In the present embodiment, the distance between the bottom surface of the microlens 12 and the color filter layers 510R, 510B, and 510G can be shortened by etching the
次に、本発明の一実施形態による固体撮像装置を図4乃至図7を参照して説明する。本実施形態の固体撮像装置は、固体撮像素子を備えており、この固体撮像素子を図4に示す。固体撮像素子10は固体撮像素子チップ100上に形成されている。
Next, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The solid-state imaging device of this embodiment includes a solid-state imaging device, and this solid-state imaging device is shown in FIG. The solid-
固体撮像素子チップ100には、光電変換により入射光信号を電気信号に変換する光電変換画素が二次元状のアレイ配列される撮像領域101と、この撮像領域101の周囲に配置される周辺回路とを備えている。この周辺回路は、負荷トランジスタ部102と、CDS回路(相関二重サンプリング回路)103と、V選択回路104と、H選択回路105と、AGC(自動ゲイン制御回路)106と、ADC(A/D変換器)107と、デジタルアンプ108と、タイミングパルスを発生するTG(タイミングジェネレータ)回路109とを備えている。なお、ADC107は、CDS回路103と一体として構成されたカラム型のCDS−ADC回路構成とすることも可能である(例えば、T.Sugiki et al., ISSCC2000 Thecnical Digest, p.108, 2000参照)。また、TG109,AGC106,ADC107,デジタルアンプ108等を別チップにしても構わないし、図4には記載されない信号処理回路を搭載してもよい。
The solid-state
画素領域101は、光電変換により入射信号を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素が二次元マトリクス状に配列されている。各画素の等価回路を図5に示す。図5は本実施形態による固体撮像素子10の画素2および負荷トランジスタ部102の等価回路図である。画素2は、光電変換素子であるフォトダイオード201と、容量202と、転送トランジスタ(読み出しトランジスタ)203と、読み出し回路210とを備えている。読み出し回路210は、nチャネルMOSトランジスタからなる3トランジスタ構造であり、増幅トランジスタ212と、選択トランジスタ214と、リセットトランジスタ216とを備えている。フォトダイオード201は、アノードが電位制御線VPに接続され、カソードが転送トランジスタ203のソースおよびドレインのうちの一方に接続される。転送トランジスタ203はゲートがTG回路109からのタイミングパルスが印加され、検出ノード204となるソースおよびドレインのうちの他方は容量202の一方の電極に接続される。容量202の他方の電極は電位制御線VPに接続される。したがって、本実施形態においては、外部から、画素の電位を制御することが可能な構成となっている。転送トランジスタ203は、TG回路109からのタイミングパルスに基づいて動作し、フォトダイオード201に蓄積された信号電荷を検出ノード204に転送する。
In the
読み出し回路210内のリセットトランジスタ216は、転送トランジスタ203により転送された信号電荷をリセット信号RSTに基づいてリセットする。増幅トランジスタ214は、信号電荷に応じた信号電圧を信号線SLに発生させ、選択トランジスタ214は行選択パルスADRにより選択された行の画素内の読出し回路210を活性化する。読出し回路210の内部の増幅トランジスタ212は、撮像領域101の外部に配置された負荷トランジスタ部102の負荷トランジスタ220との組み合わせによりソースフォロア回路を構成しており、選択トランジスタ214により選択されていない行は、上記ソースフォロア回路によって電源電圧Vddから分離され不活性化される。
The
なお、本実施形態においては、図5に示すように、画素2内に光電変換素子であるフォトダイオード201と、読み出し回路210とが設けられていたが、複数のフォトダイオード201で1つの読み出し回路を共有することも可能であり、その場合、1画素あたりの平均トランジスタ数を抑制することが可能となり、画素サイズの微細化において有利となる。
In this embodiment, as shown in FIG. 5, the
再び図4に戻り、マトリクス状に配列された画素において発生した信号はV選択回路104およびH選択回路105によって次のように時系列で出力される。V選択回路104により選択された行に配置された画素において光電変換された信号は、画素内の読み出し回路210によって信号線SLを介してCDS回路103送られ、固有の雑音が除去される。固有の雑音が除去された信号は、AGC106で制御されるADC107に送られてデジタルデータに変換される。変換されたデジタルデータはH選択回路105により順次選択され読み出された後、デジタルアンプ108によって増幅されて外部に出力される。なお、V選択回路104、H選択回路105およびCDS回路103の動作はTG回路109から出力されるタイミングパルスによって制御される。
Returning to FIG. 4 again, signals generated in the pixels arranged in a matrix are output in time series by the
次に、本実施形態の固体撮像素子100を有する固体撮像装置を図6に示す。この固体撮像装置400は、固体撮像素子100と、固体撮像素子100に入射光を供給する光学システム410と、固体撮像素子100から出力される電気信号を処理する信号処理装置430とを備えている。
Next, a solid-state imaging device having the solid-
本実施形態の固体撮像素子によれば、青感度を向上することが可能であるので、高感度な固体撮像素子を得ることが可能となる。 According to the solid-state imaging device of the present embodiment, it is possible to improve the blue sensitivity, and thus it is possible to obtain a highly sensitive solid-state imaging device.
また、本実施形態の固体撮像素子を用いたカメラモジュール、固体撮像装置においては、青感度を向上することが可能であるので、高感度なカメラモジュール、固体撮像装置を得ることができる。 Further, in the camera module and the solid-state imaging device using the solid-state imaging device of the present embodiment, the blue sensitivity can be improved, so that a highly sensitive camera module and solid-state imaging device can be obtained.
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。 In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
500 モノクロ撮像装置
502R サブ画素
502G サブ画素
502B サブ画素
510 カラーフィルタ
510R カラーフィルタ層
510B カラーフィルタ層
510G カラーフィルタ層
510W 透明フィルタ層
512 マイクロレンズ
500
Claims (4)
前記光電変換領域に発生した信号電荷を読み出すための読み出し回路と、
前記複数の光電変換領域の上方に形成された、入射光を分光するためのオンチップカラーフィルタと、
を備え、前記オンチップカラーフィルタは、少なくとも、赤色光を透過する第1のカラーフィルタ層、緑色光を透過する第2のカラーフィルタ層、および青色光を透過する第3のカラーフィルタ層のうち二つ以上のカラーフィルタ層を含むとともに、可視光領域の全波長領域において透過性を有する透明フィルタ層を含み、前記透明フィルタ層の透過率は、波長400nmから700nmの波長領域において、98%以上であることを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion regions on a semiconductor substrate;
A readout circuit for reading out signal charges generated in the photoelectric conversion region;
An on-chip color filter for dispersing incident light formed above the plurality of photoelectric conversion regions;
The on-chip color filter includes at least a first color filter layer that transmits red light, a second color filter layer that transmits green light, and a third color filter layer that transmits blue light It includes two or more color filter layers and a transparent filter layer having transparency in the entire wavelength region of the visible light region, and the transmittance of the transparent filter layer is 98% or more in the wavelength region of wavelengths from 400 nm to 700 nm. A solid-state imaging device characterized by the above.
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