JP4836498B2 - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関し、特に、固体撮像装置が備えるカラーフィルタが透過させる光の帯域幅を拡大する技術に関する。

近年、デジタルカメラや携帯電話機等、固体撮像装置の適用範囲が爆発的に拡大しつつあり、いずれの分野においてもカラー化が必須となっている。
図８は従来技術に係る固体撮像装置の画素部分を示す断面図である。図８に示されるように、固体撮像装置８の画素部分はＮ型半導体層８０１上にＰ型半導体層８０２、層間絶縁膜８０４、有機顔料タイプのカラーフィルタ８０６及び集光レンズ８０７を順次積層した構成を採っている。なお、Ｐ型半導体８０２の層間絶縁膜８０４側にはフォトダイオード８０３が形成されており、層間絶縁膜８０４中には遮光膜８０５が形成されている。

固体撮像装置８に入射した光は集光レンズ８０７にて集光され、カラーフィルタ８０６にて特定の色に分光された後、フォトダイオード８０３に入射する（例えば、非特許文献１参照）。
「固体撮像素子の基礎」日本理工出版会、安藤・菰淵著、映像情報メディア学会編、１９９９年１２月発行、ｐ．１８３−１８８。

しかしながら、固体撮像装置は常に画質の向上が求められているため、高画素化し、かつ色の再現性を高めてゆかねばならない。このような要請に対して、従来技術に係る固体撮像装置は、有機顔料タイプのカラーフィルタを用いており、画素を小型化するとカラーフィルタの色選択性が低下するので、色の再現性が低下する。すなわち、従来構成では高画素化と色の再現性とを両立させることができないという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みて為されたものであって、高画素で、かつ色の再現性が高いカラーフィルタを備えた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、所定の波長の入射光を透過させる多層膜干渉フィルタを備える固体撮像装置であって、多層膜干渉フィルタは、光学膜厚を同じくすると共に屈折率を異にする２種類の誘電体層が交互に積層されてなるＮ層のλ／４多層膜と、（Ｎ−１）層の絶縁体層と、を備え、（Ｎ−１）層の絶縁体層の光学膜厚は何れもＮ層のλ／４多層膜を構成する誘電体層の光学膜厚と異なり、（Ｎ−１）層の絶縁体層はＮ層のλ／４多層膜と交互に積層されており、Ｎが３以上であることを特徴とする。

このようにすれば、多層膜干渉フィルタを用いるので、カラーフィルタを小型化して高画素化を図ることができる。また、多層膜干渉フィルタに絶縁体層（スペーサ層）を複数設けているので、光色毎の透過帯域幅を拡大して色の再現性を向上させることができる。
この場合において、Ｎが３であるとしても良い。このようにすれば、カラーフィルタをより小型化しつつ、色の再現性を向上させることができる。

また、本発明に係る固体撮像装置は、２次元配列され、それぞれ３原色の何れかを検出する画素を備え、多層膜干渉フィルタは青色光を検出する画素に配設されていることを特徴とする。多層膜干渉フィルタは特に青色光について透過帯域幅が狭くなる傾向があるのに対して、このようにすれば、青色光について透過帯域幅を拡大することができる。従って、光色による光量のバラツキを無くして色の再現性を向上させることができる。この場合において、他の光色については多層膜干渉フィルタのスペーサ層の数を１層としても良い。

また、本発明に係る固体撮像装置は、２次元配列された画素を備え、多層膜干渉フィルタは対応する画素が検出すべき色の光を選択的に透過させ、対応する画素が異なっても多層膜干渉フィルタの膜厚が略同じであることを特徴とする。このようにすれば、多層膜干渉フィルタ上に集光レンズ等を容易に形成することができる。
また、本発明に係る固体撮像装置は、絶縁体層はλ／４多層膜に用いられる材料からなることを特徴とする。このようにすれば、多層膜干渉フィルタの製造コストを低減することができる。

本発明に係るカメラは、所定の波長の入射光を透過させる多層膜干渉フィルタを備える固体撮像装置であって、多層膜干渉フィルタは、光学膜厚を同じくすると共に屈折率を異にする２種類の誘電体層が交互に積層されてなるＮ層のλ／４多層膜と、（Ｎ−１）層の絶縁体層と、を備え、（Ｎ−１）層の絶縁体層の光学膜厚は何れもＮ層のλ／４多層膜を構成する誘電体層の光学膜厚と異なり、（Ｎ−１）層の絶縁体層はＮ層のλ／４多層膜と交互に積層されている固体撮像装置を備えることを特徴とする。このようにすれば、カメラを小型化することができるので、携帯機器その他、カメラを搭載する際にそのサイズが問題となるような機器にも適用することができる。また、より高い色の再現性を有する画像を撮像することができる。

以下、本発明に係る固体撮像装置及びカメラの実施の形態について、デジタルスチルカメラを例にとり、図面を参照しながら説明する。
［１］ デジタルスチルカメラの構成
先ず、本発明の実施の形態に係るデジタルスチルカメラの構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るデジタルスチルカメラの主要な機能構成を示すブロック図である。

図１に示されるように、本実施の形態に係るデジタルスチルカメラ１は、レンズ１０１、固体撮像装置１０２、色信号合成部１０３、映像信号作成部１０４及び素子駆動部１０５を備えている。
レンズ１０１はデジタルカメラ１に入射した光を固体撮像装置１０２の撮像領域上に結像させる。固体撮像装置１０２は入射光を光電変換して色信号を生成する。素子駆動部１０５は固体撮像装置１０２から色信号を取り出す。色信号合成部１０３は固体撮像装置１０２から受け付けた色信号に色シェーディングを施す。映像信号作成部１０４は色信号合成部１０３にて色シェーディングを施された色信号からカラー映像信号を生成する。カラー映像信号は最終的にカラー画像データとして記録媒体に記録される。

［２］ 固体撮像装置の構成
次に、固体撮像装置１０２の構成について説明する。
図２は、固体撮像装置１０２の概略構成を示す図である。図２に示されるように、固体撮像装置１０２は２次元配列された単位画素２０１の各行を垂直シフトレジスタ２０２により選択し、その行信号を水平シフトレジスタ２０３により選択して、画素毎のカラー信号を出力アンプ２０４から出力する。なお、固体撮像装置１０２は駆動回路２０５にて垂直シフトレジスタ２０２、水平シフトレジスタ２０３及び出力アンプ２０４を駆動する。

図３は、本実施の形態に係る固体撮像装置１０２の画素部分を示す断面図である。図３に示されるように、固体撮像装置１０２は、Ｎ型半導体層３０１上にＰ型半導体層３０２、層間絶縁膜３０４、多層膜干渉フィルタ３０６及び集光レンズ３０７が順次積層されてなる。なお、Ｐ型半導体層３０２の層間絶縁膜３０４側にはＮ型不純物がイオン注入されてなるフォトダイオード３０３が画素毎に形成されている。隣り合うフォトダイオード３０３の間にはＰ型半導体層が介在しており、これを素子分離領域という。

また、層間絶縁膜３０４中には遮光膜３０５が形成されている。個々のフォトダイオード３０３と集光レンズ３０７とは対応関係にあり、遮光膜３０５は集光レンズ３０７を透過した光が対応関係に無いフォトダイオード３０３に入射するのを防ぐ。
多層膜干渉フィルタ３０６は所定の波長λの１／４に略等しい光学膜厚を有し、屈折率を異にする２種類の誘電体層を１１層だけ交互に積層したλ／４多層膜にてスペーサ層３０６ａ、３０６ｂを挟んだ構造を備えている。２種類の誘電体層のうち高屈折率層は二酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなり、低屈折率層は二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなっている。ここで、光学膜厚とは、物理膜厚に屈折率を乗じて得られる指数を意味する。

スペーサ層は透過させる光色に応じた光学膜厚を有するので、多層膜干渉フィルタ３０６全体の物理膜厚も透過させる光色毎に異なっており、赤色領域、緑色領域及び青色領域のそれぞれについて６９１ｎｍ、６８２ｎｍ、８７４ｎｍとなっている。
なお、緑色領域にはスペーサ層３０６ａがなく、λ／４多層膜を構成する２層の二酸化チタン層が相接して光学膜厚がλ／２の二酸化チタン層となっている。すなわち、赤色領域並びに青色領域に存するスペーサ層は何れも二酸化シリコンからなるのに対して、緑色領域に存するスペーサ層のうち１層は二酸化チタンからなっている。

［２］ 多層膜干渉フィルタ３０６の分光特性
次に、本実施の形態に係る多層膜干渉フィルタ３０６の分光特性について、マトリックス法を用いて算出された評価結果を説明する。
図４は、多層膜干渉フィルタの分光特性を示すグラフであって、図４（ａ）は多層膜干渉フィルタ３０６の分光特性を示し、図４（ｂ）はスペーサ層が１層である多層膜干渉フィルタの分光特性を示す。いずれのグラフも縦軸が透過率を表わし、横軸が透過光の波長を表わす。

図４（ａ）において、グラフ４０１、４０２及び４０３はそれぞれ青色領域、緑色領域及び赤色領域の分光特性を示す。また、図４（ｂ）において、グラフ４０４、４０５及び４０６はそれぞれ青色領域、緑色領域及び赤色領域の分光特性を示す。
なお、分光特性の算出にあたって、図４（ａ）についてはλ／４多層膜の層数を１１層とし、図４（ｂ）については８層とした。また、設定中心波長λは５３０ｎｍとした。

図４（ｂ）に示されるように、スペーサ層が1層だと緑色領域や赤色領域の透過帯域幅に比べて青色領域の透過帯域幅は狭くなっている。これに対して、スペーサ層を２層とすれば、図４（ａ）に示されるように、青色領域の透過帯域幅を拡大することができる。
また、多層膜干渉フィルタ３０６を用いれば、透過させたい波長域以外の光の透過率を低減することができる。例えば、青色領域（グラフ４０１）であれば、波長５００ｎｍ以上の光の透過率がグラフ４０４と比べて低減されている。

従って、優れた色分離特性を有するので、デジタルカメラ１は忠実に色を再現するデジタル画像を撮像することができる。
［３］ 多層膜干渉フィルタ３０６の製造方法
次に、多層膜干渉フィルタ３０６の製造方法について説明する。図５は多層膜干渉フィルタ３０６を製造する諸工程を示す図である。図５において、多層膜干渉フィルタ３０６の製造工程は（ａ）から（ｅ）へと進む。また、Ｎ型半導体層３０１、Ｐ型半導体層３０２、フォトダイオード３０３及び遮光膜３０５は図示を省略した。

先ず、層間絶縁膜３０４上に、高周波（RF: Radio Frequency）スパッタ装置を用いて、二酸化チタン層５０１、二酸化シリコン層５０２及び二酸化チタン層５０３を順次積層してλ／４多層膜を形成し、二酸化チタン層５０３上にスペーサ層３０６ａを形成する（図５（ａ））。
次に、透過させるべき波長域に応じた膜厚となるようにスペーサ層３０６ａをエッチングする。すなわち、スペーサ層３０６ａ上にレジスト５０４を形成し、スペーサ層３０６ａの赤色領域をエッチングして膜厚を整える（図５（ｂ））。

次に、スペーサ層３０６ａ上にレジスト５０５を形成し、スペーサ層３０６ａの緑色領域をエッチングして除去する（図５（ｃ））。
レジスト５０４、５０５を形成するには、例えば、ウエハ一面にレジスト剤を塗布し、露光前ベーク（プリベーク）の後、ステッパなどの露光装置によって露光を行い、レジスト現像、および最終ベーク（ポストベーク）すれば良い。そして、４フッ化メタン（ＣＦ₄）系のエッチングガスを用いれば、スペーサ層３０６ａをエッチングすることができる。

次に、スペーサ層３０６ａ上、及び緑色領域にあっては二酸化チタン層５０３上に、二酸化チタン層５０６、二酸化シリコン層５０７及び二酸化チタン層５０８を順次積層してλ／４多層膜を形成し、二酸化チタン層５０８上にスペーサ層３０６ｂを形成する（図５（ｄ））。
スペーサ層３０６ｂの青色領域と緑色領域との膜厚をエッチングにより整えた後、スペーサ層３０６ｂ上に二酸化チタン層５０９、二酸化シリコン層５１０及び二酸化チタン層５１１を順次積層してλ／４多層膜を形成すれば、多層膜干渉フィルタ５０６が完成する。

［４］ 変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
（１） 上記実施の形態においては、高屈折率層の材料として二酸化チタンをい用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて次のようにしても良い。

すなわち、高屈折率層の材料として、二酸化チタンに代えて、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）や三酸化二タンタル（Ｔａ₂Ｏ₃）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）等、他の材料を用いても良い。また、低屈折率層の材料についても二酸化シリコン以外の材料を用いても良い。多層膜干渉フィルタに用いる材料の如何に関わらず本発明の効果を得ることができる。

（２） 上記実施の形態においては、多層膜干渉フィルタの膜厚が透過させる光色毎に異なる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて次のようにしても良い。
図６は、本変形例に係る多層膜干渉フィルタの構成を示す断面図である。図６に示されるように、多層膜干渉フィルタ６の膜厚は透過させる光色に関わらず一定となっている。スペーサ層６０１の膜厚は赤色領域で３２４ｎｍ、緑色領域で１８２ｎｍ、青色領域で２５２ｎｍであり、スペーサ層６０２の膜厚は赤色領域で４０ｎｍ、緑色領域で１８２ｎｍ、青色領域で１１２ｎｍである。

従って、スペーサ層６０１、６０２の膜厚の合計は何れの領域も３６４ｎｍとなり、多層膜干渉フィルタ６の膜厚が一定となる。このようにすれば、多層膜干渉フィルタ上に集光レンズ等を容易に形成することができる。
図７は、多層膜干渉フィルタ６の分光特性を示すグラフである。上記実施の形態に係る多層膜干渉フィルタ３０６と同様に透過帯域幅が拡大されており、かつ、良好な色分離特性を示していることが分かる。

なお、言うまでも無く上記実施の形態並びに本変形例に挙げた膜厚は一例に過ぎず他の膜厚としても本発明の効果に変わりは無い。
（３） 上記実施の形態においては、透過させる光色に関わらずスペーサ層を２層設ける場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて、透過させる光色に応じてスペーサ層の層数を異ならせても良い。例えば、スペーサ層を１層だけにすると青色光は他の色の光に比べて透過帯域幅が狭くなるので、青色領域のみスペーサ層を２層にして透過帯域幅を拡大しても良い。

（４） 上記実施の形態においては、専らλ／４多層膜が１１層である場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、１１層に代えて１５層や１９層、２３層、或いはそれ以上など１１層以外の層数のλ／４多層膜を用いても良い。
また、上記実施の形態においては、多層膜干渉フィルタが２つのスペーサ層を備える場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えてスペーサ層を３つ以上備えても良い。

（５） 上記実施の形態においては、スペーサ層の材料として二酸化シリコンを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて他の材料を用いても良い。また、スペーサ層の材料はλ／４多層膜を構成する高屈折率層と低屈折率層との何れと同じ材料を用いても良いし、何れとも異なる材料を用いても良い。また、上述のように、２つのスペーサ層で異なる材料を用いても良い。

（６） 上記実施の形態においては特に言及しなかったが、色ごとの画素は例えばベイヤ配列すれば良い。この場合において、４画素からなる矩形領域のうち２画素を占める色は分光特性において最も透過帯域幅が狭い色としても良い。このようにすれば、透過帯域幅が狭いことにより生じる光量の不足を、画素を増やして補うことができる。

本発明に係る固体撮像装置及びカメラは、固体撮像装置が備えるカラーフィルタが透過させる光の帯域幅を拡大して、より忠実に色を再現する技術として有用である。

本発明の実施の形態に係るデジタルスチルカメラの主要な機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るデジタルスチルカメラが備える固体撮像装置１０２の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０２の画素部分を示す断面図である。 多層膜干渉フィルタの分光特性を示すグラフであって、図４（ａ）は本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１０２が備える多層膜干渉フィルタ３０６の分光特性を示し、図４（ｂ）はスペーサ層が１層である多層膜干渉フィルタの分光特性を示す。 本発明の実施の形態に係る多層膜干渉フィルタ３０６を製造する諸工程を示す図である。 本発明の変形例（２）に係る多層膜干渉フィルタの構成を示す断面図である。 多層膜干渉フィルタ６の分光特性を示すグラフである。 従来技術に係る固体撮像装置の画素部分を示す断面図である。

符号の説明

１……………………………デジタルスチルカメラ
６、３０６…………………多層膜干渉フィルタ
８、１０２…………………固体撮像装置
１０１………………………レンズ
１０３………………………色信号合成部
１０４………………………映像信号作成部
１０５………………………素子駆動部
２０１………………………単位画素
２０２………………………垂直シフトレジスタ
２０３………………………水平シフトレジスタ
２０４………………………出力アンプ
２０５………………………駆動回路
３０１、８０１……………Ｎ型半導体層
３０２、８０２……………Ｐ型半導体層
３０３、８０３……………フォトダイオード
３０４、８０４……………層間絶縁膜
３０５、８０５……………遮光膜
３０７、８０７……………集光レンズ
４０１〜４０６……………グラフ
５０１、５０３、５０６…二酸化チタン層
５０８、５０９、５１１…二酸化チタン層
５０２、５０７、５１０…二酸化シリコン層
５０４、５０５……………レジスト
８０６………………………有機顔料タイプのカラーフィルタ

Claims (3)

1. 画素毎に所定の波長の入射光を透過させるカラーフィルタを備える固体撮像装置であって、
   前記カラーフィルタは、
   光学膜厚を同じくすると共に屈折率を異にする２種類の誘電体層が交互に積層されてなり、互いに積層された３つのλ／４多層膜と、
   前記λ／４多層膜のうちの組み合わせに異なる２つにそれぞれ挟まれた２つの絶縁体層と、を備え、
   前記絶縁層は、透過させるべき波長に応じた、λ／４以外の光学膜厚を有し、
   １つのカラーフィルタが備える２つの絶縁層の光学膜厚の合計が、互いに異なるカラーフィルタ間で等しく、
   互いに異なるカラーフィルタ間で、λ／４多層膜の光学膜厚が等しい
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. ２次元配列され、それぞれ３原色の何れかを検出する画素を備え、
   前記カラーフィルタは青色光を検出する画素に配設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置を備える
   ことを特徴とするカメラ。

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