JP2010171053A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暗いシーンを撮像したときに固体撮像素子の半導体基板に形成したアンプ等で発光する赤外光の影響を抑制する。
【解決手段】赤外光カットフィルタを透過した可視光の受光量に応じた被写体画像信号を検出する画素部５６と該被写体画像信号を増幅するアンプ５８とが半導体基板５１の表面部に形成された固体撮像素子１００であって、半導体基板５１のアンプ５８が形成された直下近傍位置にだけ該アンプ５８で発光され半導体基板５１内を進む赤外光の画素部５６方向への侵入を阻止する赤外光抑制層６１を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、可視光による被写体画像を撮像する固体撮像素子及びこの固体撮像素子を搭載した撮像装置に関する。

固体撮像素子には、可視光による被写体画像を撮像するものや、赤外光を撮像するものがある。下記特許文献１には、赤外光を撮像する素子が紹介されており、入射する赤外光が素子の裏面で反射するため、素子表面側に設けられたフォトダイオードが反射光を検出しないように、素子裏面の全面に赤外光吸収層を設けている。

この特許文献１では、赤外光吸収層が形成された素子裏面を接着剤層を介してパッケージに接着させている図を示しているが、実際には、素子裏面全面を半導体と異なる材料で接着させると、素子を収納するパッケージに対して接着性が悪くなってしまうという問題がある。また、素子の半導体基板に電圧を印加する端子を設ける場合、素子裏面全面が赤外光吸収層で覆われているため、端子を設けるのが難しいという問題もある。

特許文献１は被写界から入射する赤外光の検出を目的とする素子を開示しているが、可視光の被写体画像を撮像するデジタルカメラでも、特許文献１と類似する問題が近年顕在化してきている。

可視光の被写体画像を撮像するデジタルカメラでは、固体撮像素子の前段に赤外光カットフィルタを挿入するため、被写界からの赤外光は、固体撮像素子に入射しない。しかし、固体撮像素子の周辺回路として、アンプ等の発熱素子（発光部品）が固体撮像素子と同一半導体基板に形成されているため、アンプ等が動作したとき、近赤外光や赤外光を発光してしまう。

図６は、アンプ等の発光の影響を説明する図である。アンプ部１が動作した場合、近赤外光を含む赤外光２が発光する。撮影レンズを通して固体撮像素子に入射する可視光は、波長が短いため半導体基板３に対して１０〜２０μｍ程度しか侵入せず、半導体基板３の浅部で光電変換されてしまう。これに対し、赤外光２は半導体基板３の深い場所まで侵入してしまう。

固体撮像素子を形成する半導体基板３が７００μｍくらい厚いと、発光した赤外光２は、裏面に到達する前に、あるいは裏面で反射しても反射光が表面側の画素（フォトダイオード）４に到達する前に、基板３内で吸収されてしまう。

しかし、近年の様に固体撮像素子の薄型化が図られて３００〜４００μｍ程度に厚さに削られると、裏面で反射した赤外光２が表面側の画素４に到達してしまう。

可視光撮像用の固体撮像素子で明るいシーンを撮像する場合、アンプ１等で発光した赤外光２の影響は、その発光量が少ないため、殆ど無い。しかし、暗いシーンを撮像する場合、アンプ１近くの画素４がアンプ１の発光光によって感光してしまい、本来「真っ黒」に映らなければいけない箇所が薄明るく撮像されてしまうという問題が生じ、撮像画像の画質を劣化させてしまう。

この問題を解決するために、特許文献１記載の様に、裏面全面を赤外光吸収層で覆うと、今度はパッケージへの接着性の問題や基板に設ける接続端子の問題が生じてしまう。

特開昭６１―７３３６９号公報

本発明の目的は、可視光による被写体画像を撮像する固体撮像素子を用いて暗いシーンを撮像するとき、固体撮像素子の周辺回路等として固体撮像素子と同一基板に形成されている発光部品の影響が、該発光部品の近くにある画素に及ばない様にして、撮像画像の高品質を維持することができる固体撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、赤外光カットフィルタを透過した可視光の受光量に応じた被写体画像信号を検出する画素部と該被写体画像信号を増幅するアンプとが半導体基板の表面部に形成された固体撮像素子であって、前記半導体基板の前記アンプが形成された直下近傍位置にだけ該アンプで発光され該半導体基板内を進む赤外光の前記画素部方向への侵入を阻止する赤外光抑制層を設けたことを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上記に記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前段に置かれた赤外光カットフィルタとを搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、必要最小限の赤外光抑制層を設けるため、これを裏面に設けた場合でもパッケージとの接着性が良好となり、暗いシーンを撮像した場合でも高品質な被写体画像を撮像することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。 図１に示す固体撮像素子の断面式図である。 本発明の別実施形態の固体撮像素子の断面模式図である。 本発明の更に別実施形態の固体撮像素子の断面模式図である。 本発明の更に別実施形態の固体撮像素子の断面模式図である。 従来の固体撮像素子の断面模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の撮像装置の機能ブロック図である。図示する撮像装置は、撮影レンズ２０と、ＣＣＤ型の固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り２２と、波長６００ｎｍ以上あるいは６５０ｎｍ以上の近赤外光を含む赤外光を遮断する赤外カットフィルタ２３と、光学ローパスフィルタ２４とを備える。

固体撮像素子１００は、厚さが３００〜４００ｎｍ程度に裏面側から削られて薄型化が図られ、且つ、図示しないセラミック等のパッケージ内に接着剤を用いて貼り付け固定されている。

撮像装置の電気制御系全体を統括制御するＣＰＵ２５は、フラッシュ発光部２６及び受光部２７を制御し、レンズ駆動部２８を制御して撮影レンズ２０の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行い、絞り駆動部２９を介し絞り２２の開口量を制御して露光量調整を行う。

また、ＣＰＵ２５は、撮像素子駆動部３０を介して固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ２０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ２５には、操作部３１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ２５はこれらのユーザ指示に従って各種制御を行う。

撮像装置の電気制御系は、更に、固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部３３と、このアナログ信号処理部３３から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路３４とを備え、これらはＣＰＵ２５によって制御される。

更に、この撮像装置の電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）３６に接続されたメモリ制御部３７と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部３８と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部３９と、測光データを積算しデジタル信号処理部３８が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部４０と、着脱自在の記録媒体４１が接続される外部メモリ制御部４２と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部４３が接続される表示制御部４４とを備え、これらは、制御バス４６及びデータバス４７によって相互に接続され、ＣＰＵ２５からの指令によって制御される。

図２は、図１に示す固体撮像素子１００の要部断面模式図である。この固体撮像素子１００の基本的な構成は、通常一般のＣＣＤ型固体撮像素子と同様であり、半導体基板５１の表面部にフォトダイオード（画素）５２や垂直転送路（垂直ＣＣＤ）５３が形成され、その上にゲート絶縁膜を介して転送電極５４、遮光膜５５が形成されることで、画素部５６が形成されている。

画素部５６に隣接して、水平ＣＣＤの出力端部に設けられたソースフォロアアンプ部５８が形成されている。このアンプ部５８は、発熱部品であり、動作したとき、近赤外光を含む赤外光を発光する。

半導体基板５１は、厚さ３００〜４００ｎｍであるため、アンプ部５８の発光光は、裏面側で反射すると、その反射光は容易にアンプ部５８の近傍にある画素５２に到達してしまう。

そこで、本実施形態の固体撮像素子１００では、アンプ部５８の直下近傍にだけ基板裏面に赤外光抑制層として赤外光吸収層６１を設ける。赤外光吸収層６１は、半導体基板５１の裏面の該当個所を削って凹部を形成し、この凹部内に赤外光吸収層６１を設け、裏面全面を面一に成形する。これにより、図示しないパッケージに接着剤を用いて貼り付けたとき平面性が良いため接着性が良好となり、また、裏面の大部分が半導体のため更に接着性が良くなる。

これにより、信頼性の高い撮像モジュール（パッケージ化された固体撮像素子）の組立が容易になる。また、赤外光吸収層６１として価格の高い材料を用いなければならない場合でも、アンプ部直下近傍のみに赤外光吸収層６１を設ければ済むため、撮像モジュールを低コストで製造可能となる。

赤外光吸収層６１を、アンプ部５８の直下近傍に設ける範囲は次の様にして決めれば良い。図２に示すアンプ部５８の画素側端部の直下位置から赤外光吸収層６１の端までの距離を「ａ」とし、アンプ部５８で発光し斜めに進んだ赤外光が赤外光吸収層６１の端部外側で反射するまでの距離を「ｂ」とし、反射してからフォトダイオード５２に到達するまでの距離を「ｃ」としたとき、和〔ｂ＋ｃ〕が、赤外光吸収に十分な距離となる範囲にすれば良い。

フォトダイオード５２は、可視光が到達する深さ程度の浅い場所（高々、２０μｍ程度）に形成されるため、ｃ≒ｂと考えられる。前述した様に、厚さ７００μｍの半導体の場合、赤外光の裏面での反射光はフォトダイオード５２に届かないため、７００μｍ×２＝１４００μｍあれば、赤外光は届かない。つまり、ｂ＝７００μｍにすれば十分である。従って、半導体基板５１の厚さをｄとしたとき、ａ，ｂ，ｄの三辺で直角三角形を形成するため、ａ^２＋ｄ^２＝ｂ^２から「ａ」を求めればよい。

この値ａに対し、製造誤差を吸収且つ確実に反射光のフォトダイオード５２への到達を回避するため、求めたａの値の１０％程度をαとし、ａ＋αを、図２に示す「ａ」とするのが良い。

赤外光吸収層６１の材料としては、例えばタングステン膜等の高融点金属を用いることができるが、この材料に限定されるものではなく、有機膜でも良い。シリコンの屈折率は「４」程度と高く、屈折率の低い材料を用いると屈折率の差が大きくなってシリコン基板５１と赤外光吸収層６１との界面での反射率が高くなるため、シリコンの屈折率に近い材料で赤外光吸収層６１を形成するのが好ましい。

図３は、本発明の別実施形態の固体撮像素子２００の断面模式図である。図２に示す実施形態としては、半導体基板５１の裏面側所要箇所を削って赤外光吸収層６１を設けたが、本実施形態では、赤外光吸収層ではなく、赤外光抑制層として反射防止膜６２を設ける。

反射防止膜６２の大きさは、上述した赤外光吸収層６１と同じにし、アンプ部５８の直下近傍のみとする。「近傍」の意味も、図２での説明と同様である。

反射防止膜６２は、単層膜，２層膜，３層膜でもよいが、レンズコーティングに用いられる多層膜の製造技術を本実施形態の反射防止膜６２に適用することでも良い。

図３には２層膜の例を図示しており、内部側の第１層膜（屈折率ｎ１）６２ａと裏面側の第２層膜（屈折率ｎ２）６２ｂとで構成される。アンプ部５８で発光する赤外光の波長をλとしたとき、夫々の膜厚をλ／４とする。そして、屈折率が「約４」と高屈折率でなるシリコン基板５１中を進む赤外光が第１層膜６２ａ，第２層膜６２ｂと進み、更に空気中（屈折率１）に進む場合において、反射率が「０」となる様に、光学上の公式から、各膜６２ａ，６２ｂの屈折率ｎ１，ｎ２を決め、その屈折率ｎ１，ｎ２を実現する材料で各膜６２ａ，６２ｂを形成する。これにより、アンプ部５８の発光光が裏面で反射し画素５２の方向に進まない様にすることができる。

この場合、固体撮像素子２００の裏面側にセラミック製パッケージ（屈折率２程度）を貼り付けるか、何も貼らずに裏面が空気（屈折率１）に晒す状態で固体撮像素子２００を使用するかによって、膜６２ａ，６２ｂが必要とする屈折率が異なり、従って、材料も異なってくるのは勿論である。

図４は、本発明の更に別実施形態の固体撮像素子の断面模式図である。図４に示す実施形態では、固体撮像素子３００の半導体基板裏面に赤外光吸収層や赤外光反射防止膜を設けるのではなく、半導体基板５１中の、フォトダイオード５２の形成深さと同程度の深さの、アンプ部５８直下近傍にのみ、赤外光抑制層として赤外光吸収層６３を埋設する。

この赤外光吸収層６３は、例えば、赤外光吸収層６３を設ける位置まで半導体基板５１の表面部所要箇所を削り、赤外光吸収層６３を形成した後に、その上にポリシリコン層６４をエピタキシャル成長させ、このポリシリコン層６４の表面部にアンプ部５８を形成することで実現できる。

赤外光吸収層６３をタングステン膜としたとき、タングステン膜６３を形成した後、その表面にシリコン酸化膜を形成することで、その上に、シリコンをエピタキシャル成長させれば良い。

この場合の赤外光吸収層６３の大きさを、図２の赤外光吸収層６１の大きさと同一としてもよいが、図２に示す辺ｂのなす角θと赤外光吸収層６３との交点位置まで該赤外光吸収層６３を設けるだけでも良い。

この構成によれば、アンプ部５８を画素部に近づけて形成できるため、固体撮像素子３００の小面積化を図ることができる。

図５は、図４の変形例を示す図である。この固体撮像素子４００では、図４に示す赤外光吸収層６３の画素部側を立ち上げた赤外光吸収層６５を設けている。アンプ部５８からの発光光のうちの直接光は、立ち上げ部６５ａで遮光されるため、撮像画像の更なる高品質化を図ることが可能となる。

以上述べた様に、上記の各実施形態は、赤外光カットフィルタを透過した可視光の受光量に応じた被写体画像信号を検出する画素部と該被写体画像信号を増幅するアンプとが半導体基板の表面部に形成された固体撮像素子であって、前記半導体基板の前記アンプが形成された直下近傍位置にだけ該アンプで発光され該半導体基板内を進む赤外光の前記画素部方向への侵入を阻止する赤外光抑制層を設けたことを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記赤外光抑制層は赤外光吸収層であり、該赤外光吸収層が前記半導体基板の裏面の前記直下近傍位置にだけ設けられることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記赤外光抑制層は赤外光吸収層であり、該赤外光吸収層が前記半導体基板中に埋設されることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記赤外光吸収層の前記画素部が設けられる端部に前記半導体基板の表面側に立ち上がる立ち上げ部が設けられることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記赤外光抑制層は赤外光反射防止膜であり、該赤外光反射防止膜が前記半導体基板の裏面の前記直下近傍位置にだけ設けられることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記赤外光反射防止膜は、屈折率の異なる複数の膜が積層されて構成されることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記赤外光抑制層は前記裏面の所要箇所が物理的に削られた後に形成され前記赤外光抑制層の形成後は前記裏面が面一となることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記直下近傍とは、前記アンプで発光した赤外光が前記赤外光抑制層の端部外側を通り前記裏面で反射した後に前記画素部方向に進んだときの光路長が、前記半導体基板中を赤外光が進んだときに吸収されてしまう長さとなる範囲とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、上記において、前記半導体基板の厚さが４００μｍ以下である。

更に実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前段に置かれた赤外光カットフィルタとを搭載したことを特徴とする。

これにより、アンプ部等で発光する赤外光の影響が画素部に及ぶのを阻止することができ、暗いシーンの撮像時にも撮像品質を高く維持することが可能となる。

本発明に係る固体撮像素子は、周辺回路として形成する発光部品であるアンプの発光光（赤外光（近赤外光を含む））による撮像画像の画質低下を抑制することができるため、高品質画像を撮像するデジタルカメラ（デジタルスチルカメラ，デジタルビデオカメラ，カメラ付携帯電話機等のデジタル電子機器を含む）等に適用すると有用である。

２０ 撮影レンズ
２３ 赤外光カットフィルタ
２５ ＣＰＵ
３８ デジタル信号処理部
５２ 画素（フォトダイオードのｎ領域）
５６ 画素部
５８ ソースフォロアアンプ部（発光部）
６１，６３，６５ 赤外光吸収層（赤外光抑制層）
６２ 赤外光反射防止膜（赤外光抑制層）
６５ａ 立ち上げ部
１００，２００，３００，４００ 固体撮像素子

Claims (10)

1. 赤外光カットフィルタを透過した可視光の受光量に応じた被写体画像信号を検出する画素部と該被写体画像信号を増幅するアンプとが半導体基板の表面部に形成された固体撮像素子であって、前記半導体基板の前記アンプが形成された直下近傍位置にだけ該アンプで発光され該半導体基板内を進む赤外光の前記画素部方向への侵入を阻止する赤外光抑制層を設けた固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記赤外光抑制層は赤外光吸収層であり、該赤外光吸収層が前記半導体基板の裏面の前記直下近傍位置にだけ設けられる固体撮像素子。
3. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記赤外光抑制層は赤外光吸収層であり、該赤外光吸収層が前記半導体基板中に埋設される固体撮像素子。
4. 請求項３に記載の固体撮像素子であって、前記赤外光吸収層の前記画素部が設けられる端部に前記半導体基板の表面側に立ち上がる立ち上げ部が設けられる固体撮像素子。
5. 請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記赤外光抑制層は赤外光反射防止膜であり、該赤外光反射防止膜が前記半導体基板の裏面の前記直下近傍位置にだけ設けられる固体撮像素子。
6. 請求項５に記載の固体撮像素子であって、前記赤外光反射防止膜は、屈折率の異なる複数の膜が積層されて構成される固体撮像素子。
7. 請求項２または請求項５または請求項６に記載の固体撮像素子であって、前記赤外光抑制層は前記裏面の所要箇所が物理的に削られた後に形成され前記赤外光抑制層の形成後は前記裏面が面一となる固体撮像素子。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記直下近傍とは、前記アンプで発光した赤外光が前記赤外光抑制層の端部外側を通り前記裏面で反射した後に前記画素部方向に進んだときの光路長が、前記半導体基板中を赤外光が進んだときに吸収されてしまう長さとなる範囲とする固体撮像素子。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の固体撮像素子であって、前記半導体基板の厚さが４００μｍ以下である固体撮像素子。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子の前段に置かれた赤外光カットフィルタとを搭載した撮像装置。

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