JP4435606B2 - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ等に使用される固体撮像装置及びこの固体撮像装置を搭載したカメラに関する。

図９は、従来の固体撮像装置の構造を示す図である。この固体撮像装置の画素部１００には、多数の単位画素１０１が二次元状に配列されている。各単位画素１０１は、垂直シフトレジスタ１０２と水平シフトレジスタ１０３とに接続されている。また、画素部１００の周辺には、垂直シフトレジスタ１０２、水平シフトレジスタ１０３、及び出力アンプ１０４を動作させる駆動回路１０５が設けられている。固体撮像装置では、二次元状に配列された多数の単位画素１０１の各行が垂直シフトレジスタ１０２によって選択され、選択された行の信号電荷が水平シフトレジスタ１０３へ転送される。水平シフトレジスタ１０３へ転送された信号電荷は、カラー信号として単位画素毎に出力アンプ１０４から出力される。

図１０は、従来の固体撮像装置の画素部１００の断面図である。この画素部１００は、半導体基板１１０上に層間絶縁膜１２０が積層されて構成されている。層間絶縁膜１２０の内部には遮光膜１２１が形成され、層間絶縁膜１２０の上部にはカラーフィルタ１４０が形成されている。

上記半導体基板１１０は、Ｎ型層１１１の上にＰ型層１１２が形成され、Ｐ型層１１２の上部にＮ型のフォトダイオード１３０が分離領域１１３を隔てて多数形成されて構成されている。各分離領域１１３の上方には、入射光を遮断する遮光膜１２１が形成されている。各フォトダイオード１３０の上方には、カラーフィルタ１４０が１つずつ形成されている。層間絶縁膜１２０の表面には、各カラーフィルタの上方にマイクロレンズ１５０が１つずつ形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている固体撮像装置は、受光部であるフォトダイオードの上方にカラーフィルタ及びマイクロレンズが単純に形成された構造となっている。
特開平６−６１４６２号公報

上記固体撮像装置の画素部１００において、各単位画素１０１に向かって入射する光は、各マイクロレンズ１５０へ入射し、各カラーフィルタ１４０を透過して光電変換素子である各フォトダイオード１３０へ入射する。

ここで、カラーフィルタ１４０が、赤色（Ｒ）と緑色（Ｇ）とが交互に現れるように配列されているとする。そして、図１０に示される中央のカラーフィルタ１４０を赤色（Ｒ）とし、左右のカラーフィルタ１４０を緑色（Ｇ）とする。このとき、中央の単位画素１０１に向かって入射する光は、その赤色（Ｒ）の波長領域が中央のカラーフィルタ１４０を透過してその下方のフォトダイオード１３０へ入射する。一方、左右の単位画素１０１に向かって入射する光は、その赤色（Ｒ）の波長領域が左右のカラーフィルタ１４０に吸収される。つまり、ひとつの単位画素１０１に向かって入射する光は、カラーフィルタ１４０と同色の波長領域だけがフォトダイオード１３０へ入射し、残りの波長領域はカラーフィルタ１４０に吸収される。このため、中央の単位画素１０１の周辺の単位画素１０１上にある赤色（Ｒ）の波長領域を中央のフォトダイオード１３０に集めることができない。

また、赤色（Ｒ）の波長領域だけでなく、中央のカラーフィルタ１４０が青色（Ｂ）である場合には中央の単位画素１０１の周辺の単位画素１０１上にある青色（Ｂ）の波長領域を中央のフォトダイオード１３０に集めることができず、中央のカラーフィルタ１４０が緑色（Ｇ）である場合には中央の単位画素１０１の周辺の単位画素１０１上にある緑色（Ｇ）の波長領域を中央のフォトダイオード１３０に集めることができない。このように、従来の固体撮像装置では、各単位画素に向かって入射する光の光電変換素子における集光率が悪く、各単位画素の感度が悪いという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各単位画素に向かって入射する光の光電変換素子における集光率を上げ、各単位画素の感度を向上させることにある。

第１の発明は、入射光の光電変換を行う光電変換素子を有し、複数種類の色に区画される単位画素が二次元状に複数配列された固体撮像装置を対象とする。そして、複数種類の色のうち、特定の色に対応する単位画素を覆うように形成された選択的透過層を備え、上記選択的透過層は、特定の色に対応する波長領域に対する透過率が特定の色以外の色に対応する波長領域に対する透過率よりも高く、且つ特定の色に対応する波長領域に対する反射率が特定の色以外の色に対応する波長領域に対する反射率よりも低くなるように構成されるものである。それと共に、上記選択的透過層は、上記特定の色に対応する単位画素と隣接する特定の色以外の色に対応する単位画素とに跨って形成されるものである。

特定の色に対応する単位画素に向かって入射する光は、その特定の色に対応する波長領域が選択的透過層を透過して特定の色に対応する単位画素へ入射し、特定の色以外の色に対応する波長領域が選択的透過層で反射して特定の色以外の色に対応する単位画素へ入射する。また、特定の色以外の色に対応する単位画素に向かって入射する光は、特定の色以外の色に対応する単位画素へ入射する。これにより、特定の色以外の色に対応する単位画素に向かって入射する光だけでなく、特定の色に対応する単位画素に向かって入射する光も特定の色以外の色に対応する単位画素に入射させることができる。従って、特定の色以外の色に対応する単位画素の光電変換素子において、従来よりも大幅に多い量の光を光電変換することができ、特定の色以外の色に対応する単位画素の感度を大幅に向上させることができる。

特定の色以外の色に対応する単位画素に向かって入射する光は、特定の色以外の色に対応する単位画素へ入射する。但し、特定の色以外の色に対応する単位画素の端部に向かって入射する光は、選択的透過層が特定の色に対応する単位画素と特定の色以外の色に対応する単位画素とに跨って形成されているため、その特定の色に対応する波長領域が選択的透過層を透過して特定の色に対応する単位画素へ入射し、特定の色以外の色に対応する波長領域が選択的透過層で反射して特定の色以外の色に対応する単位画素へ入射する。これにより、特定の色に対応する単位画素に向かって入射する光だけでなく、特定の色以外の色に対応する単位画素の端部に向かって入射する光も特定の色に対応する単位画素へ入射させることができる。従って、特定の色に対応する単位画素の光電変換素子において、従来よりも大幅に多い量の光を光電変換することができ、特定の色以外の色に対応する単位画素の感度だけでなく特定の色に対応する単位画素の感度も大幅に向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、上記特定の色に対応する単位画素及び上記特定の色以外の色に対応する単位画素にはマイクロレンズが設けられ、上記特定の色以外の色に対応する単位画素のマイクロレンズは、上記特定の色に対応する単位画素のマイクロレンズよりもその平面的な大きさが小さくなっているものである。

ここで、選択的透過層が特定の色に対応する単位画素と特定の色に対応する単位画素に隣接する特定の色以外の色に対応する単位画素とに跨って形成されているため、特定の色以外の色に対応する単位画素へ入射する光の領域面積は、特定の色に対応する単位画素へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。よって、特定の色以外の色に対応する単位画素のマイクロレンズの平面的な大きさを特定の色に対応する単位画素のマイクロレンズの平面的な大きさよりも小さくすれば、各単位画素のマイクロレンズにおける集光率を上げることができ、各単位画素の感度を一層大幅に向上させることができる。

第３の発明は、第１の発明において、上記特定の色に対応する単位画素及び上記特定の色以外の色に対応する単位画素にはカラーフィルタが設けられ、上記特定の色に対応する単位画素のカラーフィルタは、上記特定の色以外の色に対応する単位画素のカラーフィルタよりもその入射光が入射する面の面積が大きくなっているものである。

ここで、選択的透過層が特定の色に対応する単位画素と特定の色に対応する単位画素に隣接する特定の色以外の色に対応する単位画素とに跨って形成されているため、特定の色以外の色に対応する単位画素へ入射する光の領域面積は、特定の色に対応する単位画素へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。よって、特定の色に対応する単位画素のカラーフィルタの面積を特定の色以外の色に対応する単位画素のカラーフィルタの面積よりも大きくすれば、特定の色に対応する単位画素のカラーフィルタを透過する光の量を増加させることができ、特定の色に対応する単位画素の感度を一層大幅に向上させることができる。

第４の発明は、第１乃至第３の何れかに記載の発明の固体撮像装置を搭載したカメラである。これにより、第１乃至第３の何れかに記載の発明の固体撮像装置を搭載したカメラを提供することができる。

本発明の固体撮像装置によれば、特定の色に対応する単位画素及び他の単位画素の光電変換素子において、従来よりも大幅に多い量の光を光電変換することができ、各単位画素の感度を大幅に向上させることができる。また、本発明によれば、この固体撮像装置を搭載したカメラを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部１の断面図である。固体撮像装置の画素部１は、半導体基板１０上に層間絶縁膜２０が積層されて構成されている。層間絶縁膜２０の内部には図示しない遮光膜が形成され、層間絶縁膜２０の上部にはカラーフィルタ５１，５２，５３が形成されている。

上記半導体基板１０は、Ｎ型層１１の上にＰ型層１２が形成され、Ｐ型層１２の上部にＮ型のフォトダイオード４１，４２，４３が分離領域１３を隔てて多数形成されて構成されている。図１において、Ｐ型層１２の上部では、その左側に第１のフォトダイオード４１が、その中央に第２のフォトダイオード４２が、その右側に第３のフォトダイオード４３がそれぞれ形成されている。尚、各フォトダイオード４１，４２，４３は、入射光の光電変換を行う光電変換素子を構成している。

上記各フォトダイオード４１，４２，４３の上方には、カラーフィルタ５１，５２，５３が１つずつ形成されている。これらカラーフィルタ５１，５２，５３は、赤色（Ｒ）と緑色（Ｇ）とが交互に現れるように配列されている。具体的には、第１のフォトダイオード４１の上方に赤色（Ｒ）を有する第１のカラーフィルタ５１が、第２のフォトダイオード４２の上方に緑色（Ｇ）を有する第２のカラーフィルタ５２が、第３のフォトダイオード４３の上方に赤色（Ｒ）を有する第３のカラーフィルタ５３がそれぞれ形成されている。

そして、上記画素部１では、第１のフォトダイオード４１と第１のカラーフィルター５１とが第１の画素Ｃ１を構成すると共に、第２のフォトダイオード４２と第２のカラーフィルター５２とが第２の画素Ｃ２を構成し、第３のフォトダイオード４３と第３のカラーフィルター５３とが第３の画素Ｃ３を構成している。これら第１の画素Ｃ１、第２の画素Ｃ２、及び第３の画素Ｃ３は、互いに隣接している。また、本実施形態では、複数種類の色に区画される複数の単位画素のうち、第１の画素Ｃ１と第３の画素Ｃ３とが赤色（Ｒ）に区画され、第２の画素Ｃ２が緑色（Ｇ）に区画されている。

層間絶縁膜２０の表面には、概ね円錐形である凸状のＳｉＯ_２膜３０が多数形成されている。図１において、各ＳｉＯ_２膜３０は、３つの単位画素にかかるように形成されている。中央のＳｉＯ_２膜３０は、その底部が第１の画素Ｃ１の右端部と第３の画素Ｃ３の左端部とにかかるように形成されている。また、左側のＳｉＯ_２膜３０は、その底部が第１の画素Ｃ１の左端部にかかるように形成され、右側のＳｉＯ_２膜３０は、その底部が第３の画素Ｃ３の右端部にかかるように形成されている。

各ＳｉＯ_２膜３０の側面には、選択的透過層６０が形成されている。具体的に、中央のＳｉＯ_２膜３０の側面には、選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１の右端部と第２の画素Ｃ２とに跨って形成され、第２の画素Ｃ２と第３の画素Ｃ３の左端部とに跨って形成されている。また、左側のＳｉＯ_２膜３０の側面には選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１の左端部にかかるように形成され、右側のＳｉＯ_２膜３０の側面には選択的透過層６０が第３の画素Ｃ３の右端部にかかるように形成されている。この選択的透過層６０は、可視光に対して透明性が高く、互いに屈折率が異なるＴｉＯ_２やＳｉＯ_２等の誘電体材料を積層して形成された誘電体積層膜６１により構成されている。

上記選択的透過層６０は、単位画素に向かって入射する光のうち特定の波長領域に対する透過率が他の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ単位画素に向かって入射する光のうち特定の波長領域に対する反射率が他の波長領域に対する反射率よりも低くなるように構成されている。具体的に、上記選択的透過層６０は、第１、第２、及び第３の画素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のそれぞれに向かって入射する光のうち緑色（Ｇ）の波長領域に対する透過率が赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ第１、第２、及び第３の画素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のそれぞれに向かって入射する光のうち緑色（Ｇ）の波長領域に対する反射率が赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する反射率よりも低くなるように構成されている。

−画素部へ入射する光の進路−
上記固体撮像装置の画素部１へ入射する光の進路について、図１を参照しながら説明する。

第１、第２、及び第３の画素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に向かって入射する光１５，１６，１７は、それぞれが緑色（Ｇ）の波長領域と赤色（Ｒ）の波長領域と青色（Ｂ）の波長領域とからなる。

第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６は、その緑色（Ｇ）の波長領域が選択的透過層６０を透過し、その赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域が選択的透過層６０で反射する。第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６のうち選択的透過層６０を透過した緑色（Ｇ）の波長領域は、第２のカラーフィルタ５２を透過して第２のフォトダイオード４２へ入射する。第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６のうち選択的透過層６０で反射した赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域は、その赤色（Ｒ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１を透過して第１のフォトダイオード４１へ入射し、その青色（Ｂ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１に吸収される。

一方、第１の画素Ｃ１に向かって入射する光１５は、その赤色（Ｒ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１を透過して第１のフォトダイオード４１へ入射し、その緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１に吸収される。また、第３の画素Ｃ３に向かって入射する光１７は、その赤色（Ｒ）の波長領域が第３のカラーフィルタ５３を透過して第３のフォトダイオード４３へ入射し、その緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５３に吸収される。

但し、第１の画素Ｃ１の右端部に向かって入射する光１５は、選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１と第２の画素Ｃ２とに跨って形成されているため、その緑色（Ｇ）の波長領域が選択的透過層６０の表面で第２の画素Ｃ２の方向へ屈折して選択的透過層６０を透過し、第２のカラーフィルタ５２を透過して第２のフォトダイオード４２へ入射する。第１の画素Ｃ１の右端部に向かって入射する光１５のうち赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域は、選択的透過層６０で反射し、その赤色（Ｒ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１を透過して第１のフォトダイオード４１へ入射し、その青色（Ｂ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１に吸収される。

また、第３の画素Ｃ３の左端部に向かって入射する光１７は、選択的透過層６０が第２の画素Ｃ２と第３の画素Ｃ３とに跨って形成されているため、その緑色（Ｇ）の波長領域が選択的透過層６０の表面で第２の画素Ｃ２の方向へ屈折して選択的透過層６０を透過し、第２のカラーフィルタ５２を透過して第２のフォトダイオード４２へ入射する。第３の画素Ｃ３の左端部に向かって入射する光１７のうち赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域は、選択的透過層６０で反射し、その赤色（Ｒ）の波長領域が第３のカラーフィルタ５３を透過して第３のフォトダイオード４３へ入射し、その青色（Ｂ）の波長領域が第３のカラーフィルタ５３に吸収される。

−画素部の形成プロセス−
上記固体撮像装置の画素部１の形成プロセスについて、図２及び図３を参照しながら説明する。

図２は、固体撮像装置の画素部１の形成プロセスを示す図である。まず、図２（ａ）に示すように、Ｐ型層１２、複数のフォトダイオード４１，４２，４３、分離領域１３、及び複数のカラーフィルタ５１，５２，５３がＮ型層１１上に形成されたウェハの表面に、ＳｉＯ_２膜（酸化シリコン膜）３０などの透明性の高い絶縁膜をＣＶＤ法を用いて堆積させる。続いて、図２（ｂ）に示すように、通常のフォトリソ工程によって、ＳｉＯ_２膜３０の表面にレジストパターン３１を形成する。

その後、ＣＦ_４系のエッチングガスを用いて物理的にＳｉＯ_２膜３０のエッチングを行い、ＳｉＯ_２膜３０を凸状に形成する。この時、厚み方向のエッチングと同時に横方向のエッチング（サイドエッチング）を行い、最終的にＳｉＯ_２膜３０を凸状に形成する（図２（ｃ）を参照）。更に、図２（ｄ）に示すように、第１の画素Ｃ１上や第３の画素Ｃ３上に誘電体積層膜６１が堆積するのを防止するために、互いに隣接するＳｉＯ_２膜３０の間にフォトリソ工程によりレジストパターン３２を形成する。

次に、図２（ｅ）に示すように、凸状に形成されたＳｉＯ_２膜３０の一方の側面（ここでは、ＳｉＯ_２膜３０の左側面）に、スパッタ装置を用いてＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２からなる誘電体積層膜６１を形成する。同様に、図２（ｆ）に示すように、凸状に形成されたＳｉＯ_２膜３０の他方の側面（ここでは、ＳｉＯ_２膜３０の右側面）に、スパッタ装置を用いて誘電体積層膜６１を形成する。このようにして、凸状に形成されたＳｉＯ_２膜３０の側面に誘電体積層膜６１を形成する。尚、実際の膜形成時には、凸状に形成されたＳｉＯ_２膜３０の側面に制御性及び安定性よく誘電体積層膜６１を形成するために、ＴｉＯ_２やＳｉＯ_２等のデポガスの入射方向に対して、ＳｉＯ_２膜３０の傾きの分だけウェハを傾けて誘電体積層膜６１の形成を行う。

最後に、図２（ｇ）に示すように、リフトオフ工程によって第１の画素Ｃ１上及び第３の画素Ｃ３上に形成されたレジストの除去を行い、レジストの表面に堆積した誘電体積層膜６１を選択的に除去する。

尚、ＳｉＯ_２膜３０の膜厚は、誘電体積層膜６１により構成される選択的透過層６０へ入射する光の入射角により決定する。具体的に、ＳｉＯ_２膜３０の膜厚は、各単位画素へ向かって入射する光がウェハに対して垂直に入射し、且つ誘電体積層膜６１に対して６０°で入射する場合、例えば画素周期が３ｕｍであれば、約２．６ｕｍとなる。

また、凸状に形成されたＳｉＯ_２膜３０の底部は、１つの単位画素を挟んで隣接する左右の単位画素にかかるように形成する。本実施形態では、図１に示すように、中央のＳｉＯ_２膜３０の底部を第１の画素Ｃ１と第３の画素Ｃ３とにかかるように形成し、誘電体積層膜６１の底部を第２の画素Ｃ２上ではなく１の画素Ｃ１上と第３の画素Ｃ３上とに形成することが重要となる。これは、誘電体積層膜６１の底部が第２の画素Ｃ２上にあれば、第１の画素Ｃ１及び第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１５，１６のうち選択的透過層６０で反射した赤色（Ｒ）の波長領域が、赤色（Ｒ）を有する第１のカラーフィルタ５１のみならず、緑色（Ｇ）を有する第２のカラーフィルタ５２へも入射することとなり、各単位画素の感度の低下を招くおそれがあるためである。

図３（ａ）は誘電体積層膜６１の断面図であり、図３（ｂ）は誘電体積層膜６１により構成される選択的透過層６０の透過率特性のシミュレーション結果である。

図３（ａ）に示すように、誘電体積層膜６１は、ＳｉＯ_２膜３０の表面に形成されており、ＴｉＯ_２膜６２とＳｉＯ_２膜６３とが交互に積層して構成されている。また、シミュレーションには、多層膜フィルタにおいて広く知られている特性マトリックス法を採用し、誘電体積層膜６１に対して入射光が６０°で入射するものとする。また、ＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２の屈折率値をそれぞれ２．５，１．４５とし、ＴｉＯ_２膜６２及びＳｉＯ_２膜６３の膜厚を光学膜厚値で共に２６５ｎｍとする。但し、中央のＴｉＯ_２膜６２のみ、その膜厚を他の膜の２倍の膜厚とする。

図３（ｂ）において、横軸は入射光の波長を表し、縦軸は選択的透過層６０へ入射する光の透過率を表す。同図に示すように、入射光のうち緑色（Ｇ）の波長領域である５５０ｎｍ付近では、９０％以上の透過率が得られる。つまり、選択的透過層６０へ入射する光のうち緑色（Ｇ）の波長領域は、その９０％以上が選択的透過層６０を透過して第２の画素Ｃ２へ入射する。一方、入射光のうち青色（Ｂ）の波長領域である４５０ｎｍ付近や赤色（Ｒ）の波長領域である６５０ｎｍ付近では、透過率が２０％程度まで低下し、反射率が８０％程度まで増加する。つまり、選択的透過層６０へ入射する光のうち青色（Ｂ）及び赤色（Ｒ）の波長領域は、その８０％程度が選択的透過層６０で反射して第１の画素Ｃ１及び第３の画素Ｃ３へ入射する。

以上のシミュレーション結果により、第１のフォトダイオード４１における感度を従来の１．８倍程度に向上させることが可能となる。同様に、第３のフォトダイオード４３における感度を従来の１．８倍程度に向上させることが可能となる。

−第１の実施形態の効果−
本実施形態において、第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６は、その緑色（Ｇ）の波長領域が選択的透過層６０を透過して第２の画素Ｃ２へ入射し、赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域が選択的透過層６０で反射して第１の画素Ｃ１へ入射する。また、第１の画素Ｃ１に向かって入射する光１５は、第１の画素Ｃ１へ入射する。これにより、第１の画素Ｃ１に向かって入射する光１５だけでなく、第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６も第１の画素Ｃ１に入射させることができる。従って、本実施形態によれば、第１のフォトダイオード４１において、従来よりも大幅に多い量の光を光電変換することができ、第１の画素Ｃ１の感度を大幅に向上させることができる。同様に、第３のフォトダイオード４３において、従来よりも大幅に多い量の光を光電変換することができ、第３の画素Ｃ３の感度を大幅に向上させることができる。

また、本実施形態において、第１の画素Ｃ１の端部に向かって入射する光１５は、選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１に跨って形成されているため、その緑色（Ｇ）の波長領域が選択的透過層６０を透過して第２の画素Ｃ２へ入射し、その赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域が選択的透過層６０で反射して第１の画素Ｃ１へ入射する。同様に、第３の画素Ｃ３の端部に向かって入射する光１７は、選択的透過層６０が第３の画素Ｃ３に跨って形成されているため、その緑色（Ｇ）の波長領域が選択的透過層６０を透過して第２の画素Ｃ２へ入射し、その赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域が選択的透過層６０で反射して第３の画素Ｃ３へ入射する。これにより、第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６だけでなく、第１の画素Ｃ１の端部に向かって入射する光１５や第３の画素Ｃ３の端部に向かって入射する光１７も第２の画素Ｃ２へ入射させることができる。

従って、本実施形態によれば、第２のフォトダイオード４２において、従来よりも大幅に多い量の光を光電変換することができ、第１の画素Ｃ１及び第３の画素Ｃ３の感度だけでなく第２の画素Ｃ２の感度も大幅に向上させることができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部１の断面図である。本実施形態の固体撮像装置の画素部１の構造は、基本的には第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。

本実施形態の固体撮像装置の画素部１において、層間絶縁膜２０の表面には、各カラーフィルタ５１，５２，５３の上方にマイクロレンズ７１，７２，７３が１つずつ形成されている。

図４に示すように、層間絶縁膜２０の上面には、第１のカラーフィルタ５１の上方に第１のマイクロレンズ７１が、第２のカラーフィルタ５２の上方に第２のマイクロレンズ７２が、第３のカラーフィルタ５３の上方に第３のマイクロレンズ７３がそれぞれ形成されている。第１のマイクロレンズ７１及び第３のマイクロレンズ７３は、隣接するＳｉＯ_２膜３０の間に形成されており、第２のマイクロレンズ７２よりもその外径が小さくなっている。尚、第１のマイクロレンズ７１は第１の画素Ｃ１に、第２のマイクロレンズ７２は第２の画素Ｃ２に、第３のマイクロレンズ７３は第３の画素Ｃ３にそれぞれ設けられている。

第１の画素Ｃ１に向かって入射する光１５のうち選択的透過層６０を透過した緑色（Ｇ）の波長領域は、第２のマイクロレンズ７２へ入射し、第２のカラーフィルタ５２を透過して第２のフォトダイオード４２へ入射する。一方、第１の画素Ｃ１に向かって入射する光１５のうち選択的透過層６０で反射した赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域は、第１のマイクロレンズ７１へ入射する。第１のマイクロレンズ７１へ入射する光は、その赤色（Ｒ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１を透過して第１のフォトダイオード４１へ入射し、その青色（Ｂ）の波長領域が第１のカラーフィルタ５１に吸収される。尚、第２の画素Ｃ２に向かって入射する光１６の進路は、第１の画素Ｃ１に向かって入射する光１５の進路と同じである。

ここで、選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１と第１の画素Ｃ１に隣接する第２の画素Ｃ２とに跨って形成されているため、第１の画素Ｃ１へ入射する光の領域面積は、第２の画素Ｃ２へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。同様に、選択的透過層６０が第２の画素Ｃ２と第２の画素Ｃ２に隣接する第３の画素Ｃ３とに跨って形成されているため、第３の画素Ｃ３へ入射する光の領域面積は、第２の画素Ｃ２へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。よって、第１のマイクロレンズ７１及び第３のマイクロレンズ７３の平面的な大きさを第２のマイクロレンズ７２の平面的な大きさよりも小さくすれば、各マイクロレンズ７１，７２，７３における集光率を上げることができ、各単位画素の感度を一層大幅に向上させることができる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素部１の断面図である。本実施形態の固体撮像装置の画素部１の構造は、基本的には第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。

本実施形態の固体撮像装置の画素部１では、各フォトダイオード４１，４２，４３の入射光が入射する面の面積が異なっている。

図５に示すように、第１のフォトダイオード４１及び第３のフォトダイオード４３は、その入射光が入射する面の面積が第２のフォトダイオード４２よりも小さくなっている。また、本実施形態において、第１のフォトダイオード４１及び第３のフォトダイオード４３は、その入射光が入射する面の面積が第１の実施形態のものよりも小さくなっており、第２のフォトダイオード４２は、その入射光が入射する面の面積が第１の実施形態のものよりも大きくなっている。

ここで、選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１と第１の画素Ｃ１に隣接する第２の画素Ｃ２とに跨って形成されているため、第１の画素Ｃ１へ入射する光の領域面積は、第２の画素Ｃ２へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。同様に、選択的透過層６０が第２の画素Ｃ２と第２の画素Ｃ２に隣接する第３の画素Ｃ３とに跨って形成されているため、第３の画素Ｃ３へ入射する光の領域面積は、第２の画素Ｃ２へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。よって、第１のフォトダイオード４１及び第３のフォトダイオード４３の面積を第２のフォトダイオード４２の面積よりも小さくすれば、各フォトダイオード４１，４２，４３における集光率を上げることができ、各単位画素の感度を一層大幅に向上させることができる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素部１の断面図である。本実施形態の固体撮像装置の画素部１の構造は、基本的には第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。

本実施形態の固体撮像装置の画素部１では、各カラーフィルタ５１，５２，５３の入射光が入射する面の面積が異なっている。図６に示すように、第２のカラーフィルタ５２は、その入射光が入射する面の面積が第１のカラーフィルタ５１及び第３のカラーフィルタ５３よりも大きくなっている。

ここで、選択的透過層６０が第１の画素Ｃ１と第１の画素Ｃ１に隣接する第２の画素Ｃ２とに跨って形成されているため、第１の画素Ｃ１へ入射する光の領域面積は、第２の画素Ｃ２へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。同様に、選択的透過層６０が第２の画素Ｃ２と第２の画素Ｃ２に隣接する第３の画素Ｃ３とに跨って形成されているため、第３の画素Ｃ３へ入射する光の領域面積は、第２の画素Ｃ２へ入射する光の領域面積よりも小さくなる。よって、第２のカラーフィルタ５２の面積を第１のカラーフィルタ５１及び第３のカラーフィルタ５３の面積よりも大きくすれば、第２のカラーフィルタ５２へ入射する緑色（Ｇ）の波長領域の光量を増加させることができ、第２の画素Ｃ２の感度をより一層向上させることができる。

（その他の実施形態）
上記第１〜第４の実施形態の固体撮像装置では、選択的透過層６０を単位画素に向かって入射する光のうち緑色（Ｇ）の波長領域に対する透過率が赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ単位画素に向かって入射する光のうち緑色（Ｇ）の波長領域に対する反射率が赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する反射率よりも低くなる構成としている。

これに限らず、誘電体積層膜６１の構成を変えることにより、選択的透過層６０を単位画素に向かって入射する光のうち青色（Ｂ）の波長領域に対する透過率が緑色（Ｇ）及び赤色（Ｒ）の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ単位画素に向かって入射する光のうち青色（Ｂ）の波長領域に対する反射率が緑色（Ｇ）及び赤色（Ｒ）の波長領域に対する反射率よりも低くなる構成としたり、或いは、選択的透過層６０を単位画素に向かって入射する光のうち赤色（Ｒ）の波長領域に対する透過率が緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ単位画素に向かって入射する光のうち赤色（Ｒ）の波長領域に対する反射率が緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する反射率よりも低くなる構成とすることも可能である。

選択的透過層６０を単位画素に向かって入射する光のうち青色（Ｂ）の波長領域に対する透過率が緑色（Ｇ）及び赤色（Ｒ）の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ単位画素に向かって入射する光のうち青色（Ｂ）の波長領域に対する反射率が緑色（Ｇ）及び赤色（Ｒ）の波長領域に対する反射率よりも低くなる構成とする場合には、図７（ａ）に示すように、誘電体積層膜６１のうち中央のＴｉＯ_２膜６２を積層方向に２層に分け、その間に他の膜よりも膜厚の大きいＳｉＯ_２膜６３を形成する。

このような構成とすれば、図７（ｂ）に示すように、入射光のうち青色（Ｂ）の波長領域である４５０ｎｍ付近において、１００％に近い透過率が得られる。つまり、選択的透過層６０へ入射する光のうち青色（Ｂ）の波長領域は、ほぼ１００％が選択的透過層６０を透過する。一方、入射光のうち緑色（Ｇ）の波長領域である５５０ｎｍ付近や赤色（Ｒ）の波長領域である６５０ｎｍ付近では、透過率が１０％程度まで低下して反射率が９０％程度まで増加する。つまり、選択的透過層６０へ入射する光のうち緑色（Ｇ）や赤色（Ｒ）の波長領域は、その９０％程度が選択的透過層６０で反射する。

また、選択的透過層６０を単位画素に向かって入射する光のうち赤色（Ｒ）の波長領域に対する透過率が緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する透過率よりも高く、且つ単位画素に向かって入射する光のうち赤色（Ｒ）の波長領域に対する反射率が緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域に対する反射率よりも低くなる構成とする場合には、図８（ａ）に示すように、誘電体積層膜６１のうち中央のＴｉＯ_２膜６２を積層方向に２層に分け、その間に他の膜よりも膜厚の小さいＳｉＯ_２膜６３を形成する。

このような構成とすれば、図８（ｂ）に示すように、入射光のうち赤色（Ｒ）の波長領域が属する６５０ｎｍ付近において、１００％に近い透過率が得られる。つまり、選択的透過層６０へ入射する光のうち赤色（Ｒ）の波長領域は、ほぼ１００％が選択的透過層６０を透過する。一方、入射光のうち青色（Ｂ）の波長領域である４５０ｎｍ付近や緑色（Ｇ）の波長領域である５５０ｎｍ付近では、透過率が１０％程度まで低下して反射率が９０％程度まで増加する。つまり、選択的透過層６０へ入射する光のうち緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の波長領域は、その９０％程度が選択的透過層６０で反射する。

このように、誘電体積層膜６１の構成を変更した場合でも、選択的透過層６０へ入射する光のうち特定の波長領域に対して１００％に近い透過率及び他の波長領域に対して９０％程度の反射率を実現でき、各単位画素の感度を大幅に向上させることができる。

以上説明したように、本発明は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ等に使用される固体撮像装置及びこの固体撮像装置を搭載したカメラについて有用である。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の形成プロセスを示す図である。 （ａ）は第１の実施形態に係る誘電体多層膜の断面図であり、（ｂ）は第１の実施形態に係る選択的透過層の透過率特性のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。 第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。 第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の断面図である。 （ａ）はその他の実施形態に係る誘電体多層膜の断面図であり、（ｂ）はその他の実施形態に係る選択的透過層の透過率特性のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）はその他の実施形態に係る誘電体多層膜の断面図であり、（ｂ）はその他の実施形態に係る選択的透過層の透過率特性のシミュレーション結果を示す図である。 従来の固体撮像装置の構成を示す図である。 従来の固体撮像装置の画素部の断面図である。

１０ 半導体基板
１１ Ｎ型層
１２ Ｐ型層
１３ 分離領域
１５ 第１の画素に向かって入射する光
１６ 第２の画素に向かって入射する光
１７ 第３の画素に向かって入射する光
２０ 層間絶縁膜
３０ ＳｉＯ_２膜
３１ レジストパターン
３２ レジストパターン
４１ 第１のフォトダイオード
４２ 第２のフォトダイオード
４３ 第３のフォトダイオード
５１ 第１のカラーフィルタ
５２ 第２のカラーフィルタ
５３ 第３のカラーフィルタ
６０ 選択的透過層
６１ 誘電体積層膜
６２ ＴｉＯ_２膜
６３ ＳｉＯ_２膜
７１ 第１のマイクロレンズ
７２ 第２のマイクロレンズ
７３ 第３のマイクロレンズ
Ｃ１ 第１の画素
Ｃ２ 第２の画素
Ｃ３ 第３の画素

Claims (4)

1. 入射光の光電変換を行う光電変換素子を有し、複数種類の色に区画される単位画素が二次元状に複数配列された固体撮像装置において、
   前記複数種類の色のうち、特定の色に対応する単位画素を覆うように形成された選択的透過層を備え、
   前記選択的透過層は、前記特定の色に対応する波長領域に対する透過率が前記特定の色以外の色に対応する波長領域に対する透過率よりも高く、且つ前記特定の色に対応する波長領域に対する反射率が前記特定の色以外の色に対応する波長領域に対する反射率よりも低くなるように構成されていると共に、前記特定の色に対応する単位画素と隣接する前記特定の色以外の色に対応する単位画素とに跨って形成されている固体撮像装置。
2. 請求項１記載の固体撮像装置において、
   前記特定の色に対応する単位画素及び前記特定の色以外の色に対応する単位画素にはマイクロレンズが設けられ、
   前記特定の色以外の色に対応する単位画素のマイクロレンズは、前記特定の色に対応する単位画素のマイクロレンズよりもその平面的な大きさが小さくなっている固体撮像装置。
3. 請求項１記載の固体撮像装置において、
   前記特定の色に対応する単位画素及び前記特定の色以外の色に対応する単位画素にはカラーフィルタが設けられ、
   前記特定の色に対応する単位画素のカラーフィルタは、前記特定の色以外の色に対応する単位画素のカラーフィルタよりもその入射光が入射する面の面積が大きくなっている固体撮像装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の固体撮像装置を搭載したカメラ。

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