JP2012004437A

JP2012004437A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2012004437A
Application number: JP2010139628A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Yokoyama; 敏史横山; Yoshiaki Nishi; 嘉昭西
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】各画素に対応したマイクロレンズを有し、マイクロレンズと受光部との間に光導波路を備えた固体撮像装置において、フレアの発生を効果的に抑制すること。
【解決手段】二次元状に配列されてそれぞれが画素１を形成する複数の受光部１２と、受光部で受光する波長を選択するために受光部に対応して配置された少なくとも赤色を含む複数色のカラーフィルタ１８と、受光部に入射する光を集光するために受光部に対応して配置されたマイクロレンズ１９と、カラーフィルタと受光部との間に受光部の受光面に垂直となるようにそれぞれ配置された光導波路１６とを有する固体撮像素子１０と、固体撮像素子の上面に配置されたＩＲカットフィルタ３２とを備え、光導波路のうち赤色光を伝搬させる赤色光用光導波路１６Ｒと、赤色光用光導波路を伝搬した赤色光が入射する赤色光受光部１２Ｒとの間の配置関係が、少なくとも一部で異なっている。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものであり、特に、各画素に対応したマイクロレンズを有し、マイクロレンズと受光部との間に光導波路を備えた固体撮像装置に関する。

固体撮像装置では、シリコン基板に形成されたＣＣＤやＣＭＯＳなどの受光部の上方に、受光色を選別するための赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタが配列されていて画素を形成している。また、カラーフィルタ上には、受光感度を向上させるためのマイクロレンズが、それぞれの受光部に対応して形成され、受光部の開口率を実効的に向上させている。

近年、固体撮像装置の解像度向上のため、撮像素子の微細化が進み受光部の大きさが小さくなっているが、固体撮像装置を形成するために必要な配線部の厚みなどから、層状のカラーフィルタと受光部が形成された半導体基板表面との間隔は、所定の値より小さくすることが出来ない。このため、マイクロレンズの大きさ（径）に対してマイクロレンズの下面と受光部との距離が大きい中で、マイクロレンズにより集光された光が受光部に効率よく入射することが出来るように、カラーフィルタ層と受光部との間に、受光部の受光面に垂直に光導波路を形成し、マイクロレンズの焦点を光導波路の表面付近に位置させることが行われている。

一方、固体撮像装置においては、得られた画像信号におけるノイズの低減が必要である。画像信号のノイズとしてはさまざまなものが挙げられるが、輝度の高い撮影対象を撮像したときに、撮影対象の周りに実際には存在しない光点が生じるフレアと呼ばれるノイズを低減させることも、高品質な画像を出力させるために重要である。

このような、マイクロレンズと受光部との間に光導波路が配置された固体撮像装置においてフレアを防止する技術として、光導波路の周囲を反射防止膜で覆うことが提案されている（特許文献１参照）。

図１２は、特許文献１に開示された従来の固体撮像装置５００の断面構造を示す要部断面図である。なお、図面の煩雑化を避けるために、図１２においてハッチングは省略している。

図１２に示す、従来の固体撮像装置５００では、シリコン基板上に絶縁層１１８を形成した後、その上部に、Ｔｉ、ＴｉＮなどからなる反射防止膜１２２を受光部の全面に渡って形成し、ＲＩＥ法によって選択的に反射防止膜１２２、絶縁層１１８を順次除去し、光導波路用穴１２０を形成する。この方法によれば、マイクロレンズ１１４により集光される入射光１１６のうち、光導波路用穴１２０に入射しない迷光１２３は反射防止膜１２２によって吸収されるため、迷光１２３によるフレアを防止することができる。

特開平０７−０４５８０５号公報

図１２に示した、従来の固体撮像装置５００では、迷光によるフレアは抑制することができるものの、太陽などの輝度の高い被写体を撮像する際に、実際には存在しない赤色の輝点が写り込む、赤球フレアと称される輝度の高いフレアを防止することはできない。また、受光部に入射する光の大部分は、マイクロレンズによって集光されて光導波路を通ることから、光導波路周辺の迷光を除去するだけではフレア発生源を有効に解消しているとは言い難く、実用的な効果として十分とは言えない。

本発明は、上記従来の課題を解決し、各画素に対応したマイクロレンズを有し、マイクロレンズと受光部との間に光導波路を備えた固体撮像装置において、フレアの発生を効果的に抑制することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、二次元状に配列されてそれぞれが画素を形成する複数の受光部と、前記受光部で受光する波長を選択するために前記受光部に対応して配置された少なくとも赤色を含む複数色のカラーフィルタと、前記受光部に入射する光を集光するために前記受光部に対応して配置されたマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記受光部との間に前記受光部の受光面に垂直となるようにそれぞれ配置された光導波路とを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の上面に配置されたＩＲカットフィルタとを備え、前記光導波路のうち赤色光を伝搬させる赤色光用光導波路と、前記赤色光用光導波路を伝搬した赤色光が入射する赤色光受光部との間の配置関係が、少なくとも一部で異なっていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、赤色光用光導波路とこれと対応する赤色光受光部との間の配置関係が少なくとも一部で異なっているため、赤色光受光部の基板表面で反射する反射光が、ＩＲカットフィルタで再び反射して生じる強い赤球フレアを低減でき、高い品質の画像信号を出力できる固体撮像装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略の構成を示す平面図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の断面構成を示す要部拡大断面図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の光導波路の配置状態を示す要部拡大平面図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置における赤色光用光導波路のずれ方向を示す平面図である。マイクロレンズと光導波路とを有する固体撮像装置において、赤球フレアが生じる原理を説明するための図である。ＩＲカットフィルタの反射特性を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において、基板表面で反射した反射光の振る舞いを説明するための図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の赤球フレア低減の効果を説明するための図である。図８(ａ)は、撮像画像の状態を示すイメージ図であり、図８（ｂ）は、赤球フレアの輝度の分布を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置において、赤色光用光導波路のずれ量と赤色感度との関係を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の断面構成を示す、要部拡大断面図である。本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の断面構成を示す、要部拡大断面図である。従来の固体撮像装置の断面構成を示す、要部拡大断面図である。

本発明の固体撮像装置は、二次元状に配列されてそれぞれが画素を形成する複数の受光部と、前記受光部で受光する波長を選択するために前記受光部に対応して配置された少なくとも赤色を含む複数色のカラーフィルタと、前記受光部に入射する光を集光するために前記受光部に対応して配置されたマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記受光部との間に前記受光部の受光面に垂直となるようにそれぞれ配置された光導波路とを有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の上面に配置されたＩＲカットフィルタとを備え、前記光導波路のうち赤色光を伝搬させる赤色光用光導波路と、前記赤色光用光導波路を伝搬した赤色光が入射する赤色光受光部との間の配置関係が、少なくとも一部で異なっている。

上記本発明の半導体装置は、赤色光用光導波路とこれと対応する赤色光受光部との間の配置関係が、少なくとも一部で異なっているため、赤色光受光部の基板表面で反射した反射光がＩＲカットフィルタで再び反射したときに、複数の反射光同士の間隔や位相にずれが生じて、反射光同士の干渉が強まることを防止できる。このため、赤球フレアが生じにくくなり、また、赤球フレアが生じた場合でもその輝度を低減することができる。

前記固体撮像装置の構成において、前記赤色光用光導波路と前記赤色光受光部との間の前記配置関係が、一つの赤色光用光導波路に隣接する他の全ての赤色光用光導波路との間で異なっていることが好ましい。このようにすることで、基板表面で反射した反射光の位相を効果的に異ならせることができ、赤球フレアの発生を抑制することができる。

また、前記赤色光用光導波路と前記赤色受光部との前記配置関係が、前記赤色光用光導波路と前記赤色受光部との中心位置のずれの方向であることが好ましい。このようにすることで、簡易な構成で赤色光用光導波路と赤色光受光部との位置関係を異ならせることができる。

さらに、前記赤色光用光導波路と前記赤色受光部との中心位置のずれ量が５０ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすることで、感度低下などの不都合を生じさせずに、赤球フレアを低減することができる。

さらにまた、前記赤色光用光導波路と前記赤色受光部との前記配置関係が、前記赤色受光部上に配置された前記赤色光用光導波路の高さの差異であることが好ましい。赤色光用光導波路の高さに差異を設けることで、ＩＲカットフィルタで反射された反射光の干渉を効果的に抑制することができる。

この場合において、前記赤色光用光導波路の高さの差異が２００ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすることで、感度低下などの不都合を防止することができる。

また、前記赤色光用光導波路と前記赤色受光部との前記配置関係が、前記赤色受光部上に配置された前記赤色光用光導波路の幅の差異であることが好ましい。赤色光用光導波路の幅に差異を設けることで、ＩＲカットフィルタで反射された反射光の干渉を効果的に抑制することができる。

この場合において、前記赤色光用光導波路の幅の差異がプラスマイナス１００ｎｍ以下であることで、赤色受光部での感度低下を防止することができる。

また、前記マイクロレンズを覆う保護膜の表面が、前記受光部の前記受光面に平行な平坦面であることが好ましい。このようにすることで、比較的輝度の低い弱い赤球フレアも効果的に抑制することができる。

以下、本発明の固体撮像装置について、図面を参照して説明する。

なお、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態である固体撮像装置の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる固体撮像装置は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備えることができる。

また、各図中の部材の寸法、特に、固体撮像装置の厚さ方向の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を必ずしも忠実に表したものではない。さらに、図面の煩雑化を防ぐため、各断面図におけるハッチングは省略している。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。

本実施形態の固体撮像装置１００は、図１中にＸとして示す水平方向、および、図１中にＹとして示す垂直方向に、それぞれ行および列を形成したマトリクス状に、赤色（Ｒ）画素１Ｒ、緑色（Ｇ）画素１Ｇ、青色（Ｂ）画素１Ｂが配置されている。本実施形態の固体撮像装置１００の画素配列は、人間の視感度の高い緑色画素１Ｇを２つ、赤色画素１Ｒと青色画素１Ｂとをそれぞれ１つの合計４つの画素１を組み合わせて配置するＢａｙｅｒ配列となっている。なお、画素ピッチは、水平ピッチ、垂直ピッチ共に１．３４μｍである。

各画素１が形成する列の間には、垂直方向に垂直ＣＣＤ部２が形成されている。垂直ＣＣＤ部２には、各色の画素１に形成されている図示しない読み出しゲートによって、各画素１に光が入射することにより発生した電荷が転送される。

垂直ＣＣＤ部２には図示しない電極が形成されていて、この電極に電位を順次与えることで、垂直ＣＣＤ部２に転送された電荷が水平ＣＣＤ部３へと転送される。水平ＣＣＤ部３では、電荷を水平方向に転送してアンプ部４に入力し、アンプ部４から画像信号として固体撮像装置１００の外部に出力される。

図２は、本実施形態にかかる固体撮像装置のうち、固体撮像素子部分の断面構成を示す要部拡大断面図である。なお、図２では、赤色画素と緑色画素とが配置された行の部分の断面を示している。

図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置１００を構成する固体撮像素子１０は、シリコン基板１１に、ｎ型不純物を注入などして形成された受光部であるフォトダイオード（ＰＤ）１２が離間して配置されている。フォトダイオード１２に光が入射したときに、光電変換により電荷が蓄積される。

フォトダイオード１２の間には垂直ＣＣＤ部２が形成されていて、フォトダイオード１２と垂直ＣＣＤ部２を覆うようにゲート酸化膜１３が形成されている。垂直ＣＣＤ部２に対応する位置には、ゲート酸化膜１３で分離されて読み出しゲート電極１４が形成されていて、この読み出しゲート電極１４に電位を与えることで、フォトダイオード１２に蓄積された電荷が垂直ＣＣＤ部２に移動する。

読み出しゲート電極１４を覆うように遮光膜１５が形成され、読み出しゲート電極１４下部の垂直ＣＣＤ部２に不要な光が入射してスミアの原因となることを防止している。

ゲート絶縁膜１３上のフォトダイオード１２に対応する位置には、窒化膜製の光導波路１６がフォトダイオード１２の受光面、すなわちシリコン基板１１表面に垂直となるように配置されている。また、遮光膜１５上には、図示しない各種の配線層が形成され、光導波路１６と配線層の間の部分には有機材料製の中間層１７が形成されている。中間層１７は、反射率の調整やマイクロレンズ１９と光導波路１６の間の距離の調整に用いられる。

中間層１７の上面には、フォトダイオード１２で受光する光の波長を選択するためのカラーフィルタ１８が層状に形成されている。本実施形態の固体撮像素子１０では、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）の三色のカラーフィルタ１８が配置されていて、カラーフィルタ１８の色がフォトダイオード１２の受光色、すなわち何色の画素であるか決める。本実施形態の固体撮像装置１００では、図１に示したように画素配列がＢａｙｅｒ配列となっているため、カラーフィルタ１８の配列もＢａｙｅｒ配列となる。

図２では、赤色（Ｒ）画素１Ｒと、緑色（Ｇ）画素２Ｇとの配列部分を示しているため、緑色フィルタ１８Ｇと赤色フィルタ１８Ｒが示されている。緑色フィルタ１８Ｇを透過した入射光は緑色となるため、図２において左側に示す光導波路１６が緑色光用光導波路１６Ｇとなり、図２において左側に配置されているフォトダイオード１２が緑色光受光部であるＧフォトダイオード１２Ｇとなる。同様に、赤色フィルタ１８Ｒを透過した入射光は赤色となるため、図２において右側に示す光導波路１６が赤色光用光導波路１６Ｒとなり、図２において右側に配置されているフォトダイオード１２が赤色光受光部であるＲフォトダイオード１２Ｒとなる。なお、図示しないが、青色フィルタを透過した入射光は青色となり、対応する光導波路が青色光用光導波路となり、対応するフォトダイオードが青色光受光部であるＢフォトダイオードとなる。

層状のカラーフィルタ１８の上部には、それぞれのフォトダイオード１２に対応する位置に＊＊＊製のマイクロレンズ１９が配置されている。マイクロレンズ１９の焦点は光導波路１６の上面近傍に位置するように設計されているため、光導波路１６を介して、入射光２１（２１（Ｇ）、２１（Ｒ））を高い効率でフォトダイオード１２に入射させることができる。マイクロレンズ１９の上面は、有機材料製の厚さ約１μｍ程度の保護膜２０で覆われている。

なお、後述するように、本実施形態の固体撮像装置１００は、図２で説明した固体撮像素子１０の上面、すなわち外部からの光が入射する側に、保護膜２０の表面から所定の間隔を隔てて外表面に有害な赤外線の入射を防ぐＩＲカットフィルタ３２が形成されたカバーガラス３１を備えている。

本実施形態にかかる固体撮像装置１００では、赤色画素１Ｒを形成するＲフォトダイオード１２Ｒと、Ｒフォトダイオード１２Ｒに入射する光を伝搬する赤色光用光導波路１６Ｒとの間の配置関係が、赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置と、これと対応するＲフォトダイオード１２Ｒの中心位置とのずれの方向となっている。

図３は、本実施形態の固体撮像装置１００の、Ｒフォトダイオード１２Ｒの中心位置に対する赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置のずれを示すための図であり、光導波路１６の配置状態を示す要部拡大平面図である。なお、図３は、図２中に示した矢示線Ｂ−Ｂ’部分を示している。また、図面の煩雑化を防ぐために、図３ではゲート保護膜１３上に形成された光導波路１６とその列間に形成された遮光膜１５のみを図示している。

図３においては、行列上にマトリクス配置されたフォトダイオード１２の、水平方向（行方向）の中心位置と、垂直方向（列方向）の中心方向とを、それぞれ一点鎖線で示している。図３に示すように、緑色光用光導波路１６Ｇと、青色光用光導波路１６Ｂとは、その中心が対応するフォトダイオード１２の中心位置（開口中心）上に配置されているのに対し、赤色光用光導波路１６Ｒの中心は、中心部に図示する赤色光用光導波路１６Ｒ５を除いて、Ｒフォトダイオード１２Ｒの中心位置を示す一点鎖線の交点からずれて配置されている。

本実施形態の固体撮像装置１００では、赤色光用光導波路１６Ｒ５を取り囲むように、その上下左右と斜め方向の上下に配置される合計８つの赤色光用光導波路１６Ｒが、それぞれ図３中に矢印として示す方向にずれて配置されている。具体的には、左上の赤色光用光導波路１６Ｒ１が左側に、真上の赤色光用光導波路１６Ｒ２が下側に、右上の赤色光用光導波路１６Ｒ３が右側にずれている。また、左横の赤色光用光導波路１６Ｒ４が右側に、右横の赤色光用光導波路１６Ｒ６が上側に、さらに、左下の赤色光用光導波路１６Ｒ７が上側に、真下の赤色光用光導波路１６Ｒ８が左側に、右下の赤色光用光導波路１６Ｒ９が下側に、それぞれずれて配置されている。

赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置のずれをより明確に示すために、赤色光用光導波路１６Ｒのみを図４に図示する。

図４は、図３で示した９つの赤色光用光導波路１６Ｒ１〜１６Ｒ９とその周囲に配置された全部で２５個の赤色光用光導波路１６Ｒについて、それぞれの中心位置が、対応するＲフォトダイオードＲ１２の中心位置に対してずれている方向を矢印で示したものである。なお、図中の中央部に位置する赤色光用光導波路１６Ｒ５のように、対応するＲフォトダイオード１２Ｒと中心位置が一致している赤色光用光導波路１６Ｒには、矢印の代わりに白丸印を記している。

図４に示すように、本実施形態の固体撮像装置１００では、水平方向および垂直方向にそれぞれ５個ずつ配置された計２５個の赤色光用光導波路１６Ｒを見たときに、縦方向、横方向、そして斜め方向のどの方向においても、５個の赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置が、対応するＲフォトダイオード１２Ｒの中心位置からずれているずれの方向が、すべて異なるように配置されている。このように、赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置がずれている方向を異ならせることで、互いに隣接する関係にある赤色光用光導波路１６Ｒ同士の間隔が不均一となる。

次に、本実施形態の固体撮像装置１００における、赤球フレアを低減する作用について説明する。

まず、マイクロレンズと光導波路とを備えた固体撮像装置において、赤球フレアが発生する原理を説明する。

図５は、比較例である固体撮像装置２００の断面の構成を示す要部拡大断面図である。

比較例である固体撮像装置２００では、赤色光用光導波路１０６Ｒの中心位置と対応するＲフォトダイオード１０２Ｒの中心位置との間にずれが無く、すべての赤色光用光導波路１０６ＲとＲフォトダイオード１０２Ｒとの中心位置が一致している。また、マイクロレンズ１０９を覆う保護膜１１０の上面が平坦ではなく、マイクロレンズ１０９の凸形状に対応した凹凸形状を有している。比較例である固体撮像装置２００は、この２点において、図２で示した本実施形態の固体撮像装置１００と異なっている。なお、比較例の固体撮像装置２００の画素配置もＢａｙｅｒ配列であり、図５では、赤色画素１Ｒと緑色画素１Ｇとが配置された行部分の断面構成を示している。

図５に示すように、比較例の固体撮像装置２００の固体撮像素子１５０は、シリコン基板１０１に画素を形成するフォトダイオード１０２が所定の間隔を有して配置されていて、フォトダイオード１０２の上面を含むシリコン基板１０１の表面全面に、ゲート絶縁膜１０３が形成されている。なお、フォトダイオード１０２間には図示を省略する垂直ＣＣＤ部が形成されている。

ゲート絶縁膜１０３上には、読み出しゲート電極１０４が配置され、その上面は遮光膜１０５で覆われている。シリコン基板１０１に形成されたフォトダイオード１０２に対応する位置には、光導波路１０６が配置され、遮光膜１０５と光導波路１０６は中間層１０７で覆われている。

中間層１０７の上面には、カラーフィルタ１０８として、緑色フィルタ１０８Ｇと赤色フィルタ１０８Ｒとが交互に配置されている。緑色フィルタ１０８Ｇを透過した緑色光が伝搬される光導波路１０６が緑色光用光導波路１０６Ｇ、緑色光が入射するフォトダイオード１０２がＧフォトダイオード１０２Ｇであり、赤色フィルタ１０８Ｒを透過した赤色光が伝搬される光導波路１０６が赤色光用光導波路１０６Ｒ、赤色光が入射するフォトダイオード１０２がＲフォトダイオード１０２Ｒである。

層状のカラーフィルタ１０８の上面にはそれぞれのフォトダイオード１０２に対応してマルチレンズ１０９が形成されていて、マルチレンズ１１０の上面には保護膜１１０が塗布されている。

このように形成された固体撮像素子１５０の保護膜１１０から、所定の距離を隔てて配置されたカバーガラス１５１上面にＩＲカットフィルタ１５２が形成されていて、比較例の固体撮像装置２００が構成されている。

固体撮像装置２００に入射した外光は、マイクロレンズ１０９で集光されたのちカラーフィルタ１０８で波長選択される。このうち、赤色フィルタ１０８Ｒで選別された赤色光１２１Ｒａ、１２１Ｒｂは、光導波路１０６Ｒ１、１０６Ｒ２を通って、受光部１０２Ｒに入射し光電変換されて画像信号となる。このとき、一部の入射光１２１Ｒａ、１２１Ｒｂがシリコン基板１０１の表面で反射して、赤色光用光導波路１０６Ｒ１、１０６Ｒ内を入射時とは逆の方向に進む。逆方向に進んだ赤色光は、赤色光用光導波路１０６Ｒ１、１０６Ｒ２から出射される際に回折現象が発生して、図５中に反射光１２２Ｒａ、１２２Ｒｂとして示すように、シリコン基板１０１の表面に垂直な方向に対して、角度θを持った斜め方向に出射する成分が生じる。

このとき、赤色光の波長をλ、画素のピッチをＰとすると、２Ｐ＊ｓｉｎθ＝λの関係が成り立つため、たとえば、画素ピッチが１．３４μｍの場合には、θの値は約１４°程度となる。

角度θで斜め方向に出射された反射光１２２Ｒａ、１２２Ｒｂは、カバーガラス１５１へ入射後、カバーガラス１５１上に形成されたＩＲカットフィルタ１５２によって反射される。

図６は、ＩＲカットフィルタの反射特性を示している。

図６において、Ｒとして示した太実線が赤色光（中心波長６４０ｎｍ）の反射特性を示しており、入射角度が約１４度の場合、反射率が０．５〜０．６であり、ＩＲカットフィルタ１５２に到達した光の約半分が反射されて再び固体撮像素子１５０に入射する。

ＩＲカットフィルタ１５２で反射された光は、赤色光であるため赤色フィルタ１０８Ｒを透過し、この反射光が他のＲフォトダイオード１０２Ｒに再入射するとノイズ成分となる。また、回折された光１２１Ｒｂと１２２Ｒｂが互いに干渉することで強度のより強い反射光１２３となり、大きなノイズ成分となる。

上記、図５に示した比較例の固体撮像装置２００と比較して、本実施形態の固体撮像装置１００では、図３，図４を用いて詳述したように、赤色受光部であるＲフォトダイオード１２Ｒの中心位置に対して、対応する赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置がずれている。このため、本実施形態の固体撮像装置１００の場合には、反射光での干渉が生じにくく、大きなノイズ成分となりにくい。このことを、本実施形態の固体撮像装置１００の断面構成を示す図７を用いて説明する。

図７は、本実施形態の固体撮像装置１００の断面構成を示す要部拡大断面図である。なお、本実施形態の固体撮像装置１００の断面構成自体は、図２で既に説明しているため、図７では繰り返しての説明を省略すると共に、一部部材の図示や符号の表示を省略する。

本実施形態の固体撮像装置１００では、規則的に配列されているＲフォトダイオード１２Ｒの中心位置に対して、赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置がずれて配置されている。例えば、図７に示すように、赤色光用光導波路１６Ｒｂの配置位置が図７における右方向にずれて配置されている場合には、赤色光用光導波路１６Ｒｂと隣り合う他の赤色光用光導波路１６Ｒａとの間の間隔Ｐ₁が大きくなり、一方で、赤色光用光導波路１６Ｒｂと隣り合うもう一つの赤色光用光導波路１６Ｒｃとの間の間隔Ｐ₂が小さくなる。すなわち、Ｐ₁＞Ｐ₂の関係が生じる。

このような本実施形態の固体撮像装置１００に入射した光のなかで、赤色フィルタ１８Ｒを透過する赤色光２１（Ｒａ）、２１（Ｒｂ）、２１（Ｒｃ）は、それぞれ赤色光用光導波路１６Ｒａ、１６Ｒｂ、１６Ｒｃを通ってＲフォトダイオード１２Ｒに入射する。このとき、シリコン基板１１の表面で反射した反射光は、赤色光用光導波路１６Ｒａ、１６Ｒｂ、１６Ｒｃを反対方向に進んで、赤色光用光導波路１６Ｒａ、１６Ｒｂ、１６Ｒｃから出射される際の回折現象によって、角度θを持った斜め方向に出射する反射光２２Ｒａ、２２Ｒｂ、２２Ｒｃの成分が生じる。この反射光２２Ｒａ、２２Ｒｂ、２２Ｒｃはカバーガラス３１表面のＩＲカットフィルタ３２で反射されて、再び固体撮像素子１０へと向かう。

ここで、本実施形態の固体撮像装置１００の場合には、赤色光用光導波路１６Ｒａと赤色光用光導波路１６Ｒｂとの間隔Ｐ₁と、赤色光用光導波路１６Ｒｂと赤色光用光導波路１６ＲＣとの間隔Ｐ₂とが異なるため、互いに平行に挙動する反射光２２Ｒａと反射光２２Ｒｂとの間隔と、反射光２２Ｒｂと反射光２２Ｒｃとの間隔とが異なる。この結果、これら３つの反射光が重なり合うときに周期性が崩れ、反射光の間隔が同じであったために、同じ位相となりやすい図５に示した比較例の固体撮像装置２００の場合の干渉光と比較して、本実施形態の固体撮像装置１００で生成される干渉光２３は、反射光の位相がずれるためにその強度が強くならず、強い赤球フレアの発生を抑制することができる。

図８は、本実施形態の固体撮像装置１００における赤球フレア低減の効果を示す図である。

図８（ａ）は、固体撮像装置で太陽などの輝点を撮像した際の撮像画像の様子を示すイメージ図である。

図８（ａ）に示すように、固体撮像装置で太陽などの輝点を撮像した場合の撮像画像５１では、中央に位置する撮像対象の輝点である太陽５２の周囲に、上下左右および斜め上下方向に合計８つの強い赤い球状の輝点である、強い赤球フレア５３が写り込む。また、強い赤球フレア５３のさらに周囲には、同じく太陽５２を中心として上下左右および斜め上下方向に、８つの比較的弱い赤い球状の輝点である弱い赤球フレア５４が写り込む。

図８（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置１００と比較例の固体撮像装置２００とにおける、図８（ａ）に示した強い赤球フレア５３の輝度分布の違いを示す図である。

図８（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置１００での撮像画像における強い赤球フレアの強度分布６１は、比較例の固体撮像装置２００での撮像画像における強い赤球フレアの強度分布６２と比較して、なだらかな分布となっていて、最大強度も２分の１以下に低減されている。

このことから、本実施形態の固体撮像装置１００では、シリコン基板１１表面の反射光により生じる、強い赤球フレアが低減されていることが理解できる。

なお、図８（ａ）で示した、周辺側に発生する比較的輝度の低い弱い赤球フレア５４は、マイクロレンズを覆う保護膜の表面での反射光により生じると考えられる。

図５に示した比較例の固体撮像装置２００のように、マイクロレンズ１０９を覆う保護膜１１０が、凹凸形状となっている場合には、保護膜表面で反射した赤色光のうち、ＩＲカットフィルタに斜め入射する成分が発生してしまうため赤球フレアの原因となる。

これに対し、本実施形態の固体撮像装置１００では、マイクロレンズ１９を覆う保護膜２０の表面が、シリコン基板１１の表面に平行な平坦面となっているため、比較例の固体撮像装置２００のように、保護膜２０の表面で反射した赤色光がＩＲカットフィルタに斜め入射することを効果的に回避することができる。このため、本実施形態の固体撮像装置１００では、強い赤球フレア５３の周囲に生じる弱い赤球フレア５４の輝度を低減する効果をも備えている。

なお、本実施形態の固体撮像装置１００において、Ｒフォトダイオードの１２Ｒの中心位置に対する赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置のずらし量は、５０ｎｍ以下であることが好ましい。

図９に示すように、本実施形態の固体撮像装置１００では、Ｒフォトダイオード１２Ｒの中心位置と赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置のずらし量が、５０ｎｍ以下であれば、Ｒフォトダイオード１２Ｒでの受光量の感度である赤色感度の低下がほとんど生じないからである。また、ずらし量が５０ｎｍ以下であれば、その他の電気特性、光学特性（たとえばスミア、シェーディング、混色など）においても、特に問題が生じないこと確認できた。

なお、図３および図４では、赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置を、フォトダイオードの配列方向に対して縦方向と横方向にのみずらしたものを示したが、本実施形態の固体撮像装置１００での赤色光用光導波路１６Ｒのずらし方向は、これに限られるものではない。例えば、フォトダイオードの配列方向に対して斜め方向にずらすことも可能であり、近傍に配置されている赤色光用光導波路１６Ｒの間隔がなるべくバラバラの数値を取るように、適宜ずらしの方向を定めることができる。

また、図３および図４では、中心の赤色光用光導波路１６Ｒ５に対して、これと隣接する８つの赤色光用光導波路１６Ｒ１、１６Ｒ２、１６Ｒ３、１６Ｒ４、１６Ｒ６、１６Ｒ７、１６Ｒ８、１６Ｒ９全てをいずれかの方向にずらしたものを例示したが、本実施形態の固体撮像装置において、このように周辺の全ての赤色光用光導波路１６Ｒの中心位置をずらすことは必須の要件ではない。赤球フレアの発生状況を確認しながら、複数個のグループにおいて、その中の一つのみの赤色光用光導波路１６Ｒをずらすなど、中心位置をずらす赤色光用導波路１６Ｒの個数を適宜調整することが好ましい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の固体撮像装置の第２の実施形態について説明する。

この第２の実施形態にかかる固体撮像装置では、赤色光用光導波路と対応する赤色受光部であるＲフォトダイオードとの間の配置関係として、実施の形態１で示した赤色光用光導波路の中心位置のずれに加えて、固体撮像素子において赤色光フィルタとＲフォトダイオードとの間に配置された、赤色光用光導波路の高さの差異が加わるものである。

このため、第２の実施形態として示す固体撮像装置では、赤色光用光導波路の高さが異なっている点のみが、上記第１の実施形態として示した固体撮像装置と異なっていて、他の構成部分は、第１の実施形態として示した固体撮像装置と同じとなっている。

図１０に、第２の実施形態にかかる固体撮像装置の固体撮像素子部分の断面構成を示す。上記の通り、本実施形態の固体撮像装置が第１の実施形態の固体撮像装置と異なる点は、固体撮像素子の赤色光用光導波路のみであるため、カバーガラスとＩＲカットフィルタ部分の図示は省略し、固体撮像素子７０部分のみについて説明を行う。また、赤色光用光導波路以外の部材については、図２および図７で示した部材に付したものと同じ符号を付す。なお、図１０も、図２および図７と同様に、Ｂａｙｅｒ配列の画素１のうち、赤色画素１Ｒと緑色画素１Ｇとが配列されている行部分の断面構成を示している。

図１０に示すように、第２の実施形態の固体撮像装置にかかる固体撮像素子７０は、第１の実施形態で示したように、それぞれの配置間隔が異なっている６つの赤色光用光導波路７１Ｒ（７１Ｒａ、７１Ｒｂ、７１Ｒｃ、７１Ｒｄ、７１Ｒｅ、７１Ｒｆ）のうち、図中最も左側に位置する赤色光用光導波路７１Ｒａと、左から４つめの赤色光用光導波路７１Ｒｄの高さが、Ｈ₂（＝１２００ｎｍ）となっていて、他の赤色光用光導波路７１Ｒｂ、７１Ｒｃ、７１Ｒｅ、７１Ｒｆの高さＨ₁（＝１４００ｎｍ）に対して低くなっている。

本実施形態の固体撮像装置では、このように、赤色光用光導波路７１Ｒの高さに差異を持たせることによって、シリコン基板１１表面での反射光が、赤色光用光導波路７１Ｒ内を進行する距離にばらつきが生じる。この結果、異なる長さの赤色光用光導波路７１Ｒを通った反射光間においてその位相が異なり、図１０では図示しないＩＲカットフィルタでの反射光が再び固体撮像素子７０に入射する際の干渉光での強度の増大を、第１の実施形態の固体撮像装置１００と比較してもより一層低減することができる。このため、図８（ａ）にその画像イメージを示した強い赤球フレア５３の輝度を、図５として示した比較例の固体撮像装置５００での赤球フレア５３の輝度に対して約１／３程度にまで低減することができる。

なお、図１０に示した第２の実施形態の固体撮像素子７０では、赤色光用光導波路７１Ｒの高さとして、Ｈ₁（＝１４００ｎｍ）とＨ₂（＝１２００ｎｍ）との２種類のものを適用しているが、本実施形態の固体撮像装置の固体撮像素子７０において、赤色光用光導波路７１Ｒの高さ（Ｈ）の種類は、２つに限られず、反射光の干渉によって生じる強い赤球フレアの発生状態を見ながら、３つ以上の異なる高さの赤色光用光導波路７１Ｒを配置することができる。

また、図１０に示した固体撮像素子７０では、３つおきの赤色光用光導波路７１Ｒに対してその高さを他の高さより低い高さＨ₂としたものを示したが、このようにすることで、赤球フレアが発生した場合でも本来の輝点周辺に発生するため、視認しにくくなるからである。しかし、本実施形態の固体撮像装置にかかる固体撮像素子おいて、赤色光用光導波路７１Ｒの高さを異ならせるものについての限定はなく、図示した３つおきの例に限られない。例えば、交互に赤色光用光導波路７１Ｒの高さに差異を設けることや、４つおきの赤色光用光導波路７１Ｒの高さに差異を設けるなど、第１の実施形態で説明した、Ｒフォトダイオードの中心位置からずらしの有無やそのずらし量の大きさに対応させて、適宜赤色光用光導波路７１Ｒの高さを設計することが好ましい。この場合において、高さの異なる（Ｈ₂）赤色光用光導波路７１Ｒを連続して配置しないようにすることで、より高い効果を期待することができる。

なお、高さの低い赤色光用光導波路を形成するには、固体撮像素子の作成時に露光マスクを追加して、高さを低くする赤色光用光導波路のみを追加エッチングすることで容易に実現することができる。

また、一つの固体撮像装置内に形成される赤色光用光導波路の高さの差（Ｈ₁−Ｈ₂）としては、最大で２００ｎｍ以下であれば、本来の赤色光に対する受光感度やその他の光学特性への影響はないため、高さの差異の最大値が２００ｎｍ以下となる範囲でそれぞれの赤色光用光導波路７１Ｒの高さを設計することができる。

また本実施形態では、赤色光用光導波路と対応する赤色受光部であるＲフォトダイオードとの間の配置関係として、実施の形態１で示した赤色光用光導波路の中心位置をずらしたものに加えて、赤色光用光導波路の高さの差異を設けることを組み合わせて適用した固体撮像装置について説明した。しかし、本実施形態で説明した、赤色光用光導波路と対応する赤色受光部であるＲフォトダイオードとの間の配置関係として赤色光用光導波路の高さに差異を設けることのみを適用し、赤色光用光導波路の中心位置を対応する赤色光受光部の中心位置と一致させた固体撮像装置においても、赤球フレアの低減に効果があることは言うまでもない。

（第３の実施形態）
次に、本発明の固体撮像装置の第３の実施形態について説明する。

この第３の実施形態にかかる固体撮像装置では、赤色光用光導波路と対応する赤色受光部であるＲフォトダイオードとの間の配置関係として、実施の形態１で示した赤色光用光導波路の中心位置をずらすこと、さらに、実施の形態２として示した赤色光用品理導波路の高さに差異を設けることに加えて、赤色光用光導波路の幅にも差異を設けたものである。

図１１に、第３の実施形態の固体撮像装置の固体撮像素子部分の断面構成を示す。図１１においても、カバーガラスとＩＲカットフィルタ部分の図示は省略し、固体撮像素子８０部分のみについて説明を行う。この第３の実施形態として示す固体撮像装置でも、赤色光用光導波路のみが異なっているため、他の構成部分の説明は省略する。また、赤色光用光導波路以外の部材については、図２および図７で示した部材に付したものと同じ符号を付し、図１１も、図２および図７と同様に、Ｂａｙｅｒ配列の画素１のうち、赤色画素１Ｒと緑色画素１Ｇとが配列されている行部分の断面構成を示している。

図１１に示すように、第３の実施形態の固体撮像装置にかかる固体撮像素子８０は、第２の実施形態で示した、配置間隔や高さの異なる赤色光用光導波路８１Ｒ（８１Ｒａ、８１Ｒｂ、８１Ｒｃ、８１Ｒｄ、８１Ｒｅ、８１Ｒｆ）のうち、図中左側から２番目に位置する赤色光用光導波路８１Ｒｂと、左から５番目に位置する赤色光用光導波路８１Ｒｅの幅がＷ₂（＝６００ｎｍ）となっていて、他の赤色光用光導波路７１Ｒａ、７１Ｒｃ、７１Ｒｄ、７１Ｒｆの幅Ｗ₁（＝７００ｎｍ）に対して狭くなっている。

本実施形態の固体撮像装置では、このように、赤色光用光導波路８１Ｒの幅に差異を持たせることによって、シリコン基板１１表面での反射光が、赤色光用光導波路８１Ｒ内を進行する際に位相のばらつきが生じる。この結果、異なる幅の赤色光用光導波路８１Ｒを通った反射光間の干渉が起きた場合でも、ＩＲカットフィルタでの反射光が再び固体撮像素子８０に入射する干渉光の強度の増大を、第２の実施形態の固体撮像装置と比較してもさらに一層低減することができる。具体的には、図８（ａ）にその画像イメージを示した強い赤球フレア５３の輝度を、図５として示した比較例の固体撮像装置５００での赤球フレア５３の輝度に対して約１／４程度にまで低減することができる。

なお、図１１に示した第２の実施形態の固体撮像素子８０では、赤色光用光導波路８１Ｒの幅として、Ｗ₁（＝７００ｎｍ）とＷ₂（＝６００ｎｍ）との２種類のものを適用しているが、本実施形態の固体撮像装置の固体撮像素子８０において、赤色光用光導波路８１Ｒの幅（Ｗ）の種類は、２つに限られず、反射光の干渉によって生じる強い赤球フレアの発生状態を見ながら、３つ以上の異なる幅の赤色光用光導波路８１Ｒを配置することができる。

また、図１１に示した固体撮像素子８０では、３つおきの赤色光用光導波路８１Ｒに対してその幅を他の幅よりも狭いＷ₂としたものを示したが、本実施形態の固体撮像装置にかかる固体撮像素子おいては、赤色光用光導波路８１Ｒの幅を３つおきに異ならせる例の他に、例えば、交互に赤色光用光導波路８１Ｒの幅に差異を設けることや、４つおきの赤色光用光導波路８１Ｒの幅に差異を設けるなど、赤球フレアの低減効果を確認しながら、適宜赤色光用光導波路８１Ｒの幅を設計することが好ましい。ただし、幅の異なる（Ｗ₂のもの）赤色光用光導波路８１Ｒを連続して配置しないようにすることで、より高い効果を期待することができる。

なお、所定の赤色光用光導波路の幅を異ならせることは、固体撮像素子の作成時に露光マスクを調整することで容易に実現できる。

また、一つの固体撮像装置内に形成される赤色光用光導波路の幅の差（Ｗ₁−Ｗ₂）としては、最大で２００ｎｍ（プラスマイナス１００ｎｍ）以下であれば、本来の赤色光に対する受光感度やその他の光学特性への影響はない。

以上、本実施形態では、赤色光用光導波路と対応する赤色受光部であるＲフォトダイオードとの間の配置関係として、実施の形態１で示した赤色光用光導波路の中心位置をずらしたものに加えて、実施の形態２で示した、赤色光用光導波路の高さの差異を設けることを適用したものに、さらに、赤色光用光導波路の幅に差異を設けることを全て組み合わせて適用した固体撮像装置について説明した。しかし、本実施形態で説明した、赤色光用光導波路と対応する赤色受光部であるＲフォトダイオードとの間の配置関係として、赤色光用光導波路の幅に差異を設けることのみを適用し他場合でも、赤球フレアの低減に効果があることは言うまでもない。また、第１の実施形態として示した、赤色光用光導波路の中心位置をずらすことや、実施の形態２で説明した赤色光用光導波路の高さに差異を設けることのいずれか一方と、赤色光用光導波路の幅に差異を設けることを組み合わせることもできる。

以上、本発明の各実施形態として説明したように、赤色光用光導波路と、これと対応する赤色光受光部との配置関係が、少なくとも一部で異なるようにすることで、カバーガラスに形成されたＩＲカットフィルタで反射された反射光同士の強い干渉が発生しにくくなる。このため、本発明の固体撮像装置では、反射光同士の干渉作用により生じる強い赤球フレアの低減が実現され、高い品質の画像信号を出力できる固体撮像装置を得ることができる。

特に近年は、固体撮像素子の微細化に伴い受光部面積が小さくなるとともに、開口部分の大きさも小さくなってきている。開口部分の大きさが小さくなると回折角が大きくなるが、図６に示したように、ＩＲカットフィルタへの入射角が大きくなるほど反射率が大きくなり、反射光の強度が増加する。このように、固体撮像装置の微細化という、赤球フレアが発生しやすい状況下において、本願発明は、今後益々高い効果を奏することが期待できる。

なお、上記各実施形態では、受光部としてフォトダイオードを用いたＣＣＤデバイスを例示して説明したが、本発明の固体撮像装置の受光部としては、ＣＣＤに限られず、他の光導波路を用いた光学系を採用する固体撮像素子全般、たとえばＣＭＯＳセンサにも同様に効果がある。

また、上記本発明の各実施形態においては、マイクロレンズを覆う保護膜の表面が、受光面に平行な平坦面であるものについて説明したが、本発明の固体撮像装置の保護膜の表面は、平坦なものに限られない。図８（ａ）にイメージを示した弱い赤球フレア５４の影響が少なく、実用上問題がないのであれば、比較例として図５に示した固体撮像装置のように、保護膜の表面がマイクロレンズの外形の影響を受けて凹凸形状を有していてもかまわない。

本発明にかかる固体撮像装置は、受光部での開口率を向上するマイクロレンズと、マイクロレンズで集光された光を受光部へ伝搬する光導波路とを備えた固体撮像装置として、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等各種の画像撮影機器に有用に利用可能である。

１画素
１０固体撮像素子
１２フォトダイオード（受光部）
１２ＲＲフォトダイオード（赤色受光部）
１６光導波路
１６Ｒ赤色光用光導波路
１８カラーフィルタ
１８Ｒ赤色フィルタ
１９マイクロレンズ
３２ＩＲカットフィルタ
１００固体撮像装置

Claims

二次元状に配列されてそれぞれが画素を形成する複数の受光部と、前記受光部で受光する波長を選択するために前記受光部に対応して配置された少なくとも赤色を含む複数色のカラーフィルタと、前記受光部に入射する光を集光するために前記受光部に対応して配置されたマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記受光部との間に前記受光部の受光面に垂直となるようにそれぞれ配置された光導波路とを有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の上面に配置されたＩＲカットフィルタとを備え、
前記光導波路のうち赤色光を伝搬させる赤色光用光導波路と、前記赤色光用光導波路を伝搬した赤色光が入射する赤色光受光部との間の配置関係が、少なくとも一部で異なっていることを特徴とする固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路と前記赤色光受光部との間の前記配置関係が、一つの赤色光用光導波路に隣接する他の全ての赤色光用光導波路との間で異なっている請求項１に記載の固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路と前記赤色光受光部との間の前記配置関係が、前記赤色光用光導波路の中心位置と前記赤色光受光部との中心位置とのずれの方向である請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路の中心位置と前記赤色光受光部の中心位置とのずれ量が５０ｎｍ以下である請求項２または３に記載の固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路と前記赤色光受光部との間の前記配置関係が、前記赤色光受光部上に配置された前記赤色光用光導波路の高さの差異である請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路の高さの差異がプラスマイナス２００ｎｍ以下である請求項５に記載の固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路と前記赤色光受光部との間の前記配置関係が、前記赤色光受光部上に配置された前記赤色光用光導波路の幅の差異である請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記赤色光用光導波路の幅の差異がプラスマイナス１００ｎｍ以下である請求項７に記載の固体撮像装置。
前記マイクロレンズを覆う保護膜の表面が、前記受光部の前記受光面に平行な平坦面である請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。