JP5331119B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は赤外光を利用する固体撮像素子に関するものである。
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。急速な半導体製造技術の進歩により、固体撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子としても飛躍的に高性能化が図られている。特に最近では、固体撮像素子の配線層が形成された面（表面）ではなく、その反対側の面（裏面）で受光する裏面照射型（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の撮像素子を用いたカメラも開発され、その特性等が注目されている。通常の撮像素子では、配線層等がある表面側で受光するため、表面側の複雑な構造により光の損失等が発生していた。しかし、裏面照射型の撮像素子では、受光部において光を遮るものが特に無いので、素子構造による光損失はほとんど発生しない。
このような裏面照射型の撮像素子を用いたカメラにより、撮像環境の範囲もさらに広がると考えられる。最近では、昼間だけでなく、夜間でも赤外光を用いて撮像したいというニーズが広がっている。そのため、裏面照射型の撮像素子を用いた夜間撮影用のカメラ、または昼夜兼用カメラが市場で要求されることが考えられる。
裏面照射型の撮像素子の開発においては、素子構造や製造に関する技術が数多く研究されている。また、撮像素子における光の利用に関する研究も進んでいる。例えば、感度向上を目的として、撮像素子の表面側に反射板や凹面鏡等の反射および集光機能をもつ要素が配置された技術が特許文献１、２に開示されている。これらの技術では、撮像素子の裏面から入射して光感知セルを透過した光を光感知セルに再入射させることにより、光利用率の向上を図っている。また、多層膜を用いて透過光を反射させることにより、同様の目的を実現する技術が特許文献３に開示されている。撮像素子の光感知セルを透過した光は、シリコンの光吸収特性により、殆どが赤外光である。そのため、光感知セルを透過した光を光感知セルに再入射させることは、主に赤外光の感度向上に寄与する。
一方、裏面照射型ではない通常の撮像素子（表面照射型撮像素子）については、カラー信号と赤外光信号とを同時に取り出す技術が、例えば特許文献４に開示されている。この技術では、図１３に示すように２行２列を基本構成として、ＲＧＢ各色の光を透過させる色分離フィルタ（色フィルタ）と赤外光（ＩＲ）のみを透過させる赤外透過フィルタとが撮像素子の光感知セルに対応して配置されている。ここで、ＲＧＢの各色フィルタは、赤外光も透過させる特性を有しているため、それらの前面に赤外カットフィルタが装着されている。このような構成により、特許文献４に開示された撮像装置は、昼間はＲＧＢの色フィルタを透過した光を利用してカラー画像を作り、夜間は照明として赤外光を利用し、赤外透過フィルタを透過した赤外光により白黒の画像を作っている。このように、撮像部の一部に赤外カットフィルタを用いて、可視光によるカラー画像と赤外光による白黒画像とを作り出している。
特開平２−２６４４７３号公報 特開平３−１０９７６９号公報 特開２００６−５４２６２号公報 特開２００５−６０６６号公報
撮像素子の赤外光利用に関して、光の利用率を高めるために反射鏡などを用いて、一度光感知セルを透過した光を光感知セルに再入射させる技術はある。しかし、これらの技術によれば、赤外光画像を得るためには、赤外光を透過し可視光を吸収する赤外透過フィルタ等が必要である。また、ＲＧＢ各色の光と赤外光（ＩＲ）とをそれぞれ透過させる４種類の色フィルタと赤外カットフィルタとを用いることにより、可視光から赤外光までの波長域を利用した撮像を可能にする技術はある。しかし、この技術では、カラー画像および赤外光画像を同時に得るためには赤外透過フィルタおよび赤外カットフィルタが必要である。
本発明は、裏面照射型および表面照射型の撮像素子において、赤外透過フィルタや赤外カットフィルタを用いることなく、赤外光画像を得る技術、およびカラー画像と赤外光画像とを同時に得る技術を提供することを目的とする。
本発明による固体撮像素子は、第１の面、および前記第１の面の反対側に位置し光が入射する第２の面を有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列され、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックと、前記半導体層の前記第１の面側に配置され、各単位ブロックに含まれる前記第１の光感知セルを透過した赤外光を反射し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのいずれか一方に入射させる反射部とを備え、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのうち、前記反射部によって反射された赤外光を受ける光感知セルは、他方の光感知セルが出力する光電変換信号と比較して、前記反射部によって反射されて入射する赤外光の量に応じた成分が加算された光電変換信号を出力する。
ある実施形態において、前記反射部は、各々が各単位ブロックに含まれる前記第１の光感知セルに対向して配置された複数の赤外光反射ミラーを有している。
ある実施形態において、各単位ブロックは、更に第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、前記固体撮像素子は、前記第１の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第１の色分離フィルタと、前記第２の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第２の色分離フィルタと、前記第３の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第３の色分離フィルタと、前記第４の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第４の色分離フィルタとをさらに備え、前記第１の色分離フィルタおよび前記第２の色分離フィルタは、入射光のうち第１波長域の可視光および赤外光を透過し、前記第３の色分離フィルタは、入射光のうち第２波長域の可視光および赤外光を透過し、前記第４の色分離フィルタは、入射光のうち第３波長域の可視光および赤外光を透過する。
ある実施形態において、前記第１波長域の可視光は緑光であり、前記第２波長域の可視光は赤光であり、前記第３波長域の可視光は青光である。
ある実施形態において、各単位ブロックは、更に第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、前記固体撮像素子は、前記第３の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第１の色分離フィルタと、前記第４の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第２の色分離フィルタとをさらに備え、前記第１の色分離フィルタは、入射光のうち第１波長域の可視光および赤外光を透過させ、前記第２の色分離フィルタは、入射光のうち第２波長域の可視光および赤外光を透過させる。
ある実施形態において、前記第１波長域の可視光はシアン光であり、前記第２波長域の可視光は黄光である。
ある実施形態において、前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、入射する赤外光のうち第１の割合に相当する量の赤外光を透過させる。
ある実施形態において、前記固体撮像素子は、前記半導体層の前記第１の面側に配置され、各単位ブロックに含まれる前記第２の光感知セルを透過した赤外光を吸収する光吸収層を備えている。
ある実施形態において、前記固体撮像素子は、前記半導体層の前記第１の面側に配置された配線層を備えている。
本発明による撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子から出力される電気信号を処理する信号処理部とを備え、前記固体撮像素子は、第１の面、および前記第１の面の反対側に位置し光が入射する第２の面を有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列され、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックと、前記半導体層の前記第１の面側に配置され、各単位ブロックに含まれる前記第１の光感知セルを透過した赤外光を反射し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのいずれか一方に入射させる反射部とを有し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのうち、前記反射部によって反射された赤外光を受ける光感知セルは、他方の光感知セルが出力する光電変換信号と比較して、前記反射部によって反射されて入射する赤外光の量に応じた成分が加算された光電変換信号を出力し、前記信号処理部は、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの各々が出力する前記光電変換信号間の差分演算を含む処理により、各光感知セルが受ける赤外光の量を算出する。
本発明の固体撮像素子によれば、２つの光感知セルのうちの一方を透過した赤外光を反射していずれかの光感知セルに再入射させる反射部が設けられるため、２つの光感知セルによって光電変換される赤外光の量に差が生じる。それらの信号差分演算により、各光感知セルが受ける赤外光成分を算出できる。さらに、色フィルタを用いれば、光感知セルの受光信号から赤外光成分の信号を差し引くことにより、ＲＧＢのカラー信号を算出することが可能となる。このため、赤外透過フィルタおよび赤外カットフィルタを用いることなく、赤外光画像およびカラー画像を得ることができる。
本発明の固体撮像素子の一例を示す断面図 光感知セルの厚さに対する赤外光の透過量の依存性を示す図 赤外光反射ミラーが傾斜した構成の一例を示す断面図 光吸収層をもつ固体撮像素子の一例を示す断面図 本発明の構成を有する表面照射型固体撮像素子の一例を示す断面図 本発明における光感知セルの配列の一例を示す上面図 本発明の実施形態１における撮像装置の全体構成を示すブロック図 本発明の実施形態１におけるレンズおよび撮像素子を示す斜視図 本発明の実施形態１における撮像素子の平面図 本発明の実施形態１における撮像素子のＡ−Ａ´線断面図 本発明の実施形態２における撮像素子の平面図 本発明の実施形態２における撮像素子のＢ−Ｂ´線断面図 従来のカラー信号と赤外光信号とを同時に取り出す色フィルタの基本色配置図
本発明の実施形態を説明する前に、まず本発明の基本的原理を説明する。
図１は、本発明の固体撮像素子の内部構造の一例を模式的に示す断面図である。図示される固体撮像素子は、第１の面３０ａと第１の面３０ａの反対側に位置する第２の面３０ｂとを有する半導体層３０を備えている。半導体層３０の内部には、複数の光感知セル（画素）を含む光感知セルアレイが２次元状に配列されている。光感知セルアレイは、複数の単位ブロック２から構成されており、各単位ブロック２は、光感知セル２ａと光感知セル２ｂとを含んでいる。この構成により、光感知セル２ａ、２ｂは、第２の面３０ｂ側から入射する光（可視光および赤外光）を受けることができる。
光感知セルアレイに対向して第１の面３０ａ側に、反射部３が設けられる。反射部３は、光感知セル２ａを透過した赤外光を反射して光感知セル２ａまたは光感知セル２ｂのいずれか一方に入射させるように構成される。図示される例では、反射部３は赤外光反射ミラー３ａを有している。赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ａを透過した赤外光を反射して光感知セル２ａに再入射させるように光感知セル２ａに対向して配置されている。
半導体層３０の第１の面３０ａの側には、配線層５が形成されている。また、光感知セルアレイから見て第１の面側に、透明層８、および半導体層３０を支持する基板６が形成されている。
可視光および赤外光を含む光が光感知セル２ａ、２ｂに入射すると、各光感知セルにおいて光電変換が生じる。各光感知セルは、光電変換された光の量に応じた光電変換信号を出力する。各光感知セルは、入射光の光軸方向において一定の厚さを有している。各光感知セルは、入射光に含まれる可視光のほぼ全ておよび赤外光の一部が光電変換され、赤外光の残りが光感知セルを透過するように構成されている。
光感知セル２ａを透過した赤外光は、透明層８を経て赤外光反射ミラー３ａで反射され、光感知セル２ａに再入射する。その結果、光感知セル２ａでは反射された赤外光によってさらに光電変換が生じる。他方、光感知セル２ｂを透過した赤外光は、透明層８を経て撮像素子の基板６に入射し、そこで吸収されるものとする。
ここで、１つの単位ブロック２に入射する可視光の量をＷ、赤外光の量をＩＲ0で表すこととする。上記の構成により、光感知セル２ａ、２ｂでは、まず量Ｗの可視光と量ΔＩＲ（＜ＩＲ）の赤外光とが光電変換される。さらに光感知セル２ａでは、反射ミラー３ａで反射されて光感知セル２ａに再入射する赤外光のうち、量ΔＩＲ´（＜ＩＲ）の赤外光が光電変換される。その結果、光感知セル２ａは、量（Ｗ＋ΔＩＲ＋ΔＩＲ´）に相当する光電変換信号Ｓ２ａを出力する。他方、光感知セル２ｂは、量（Ｗ＋ΔＩＲ）に相当する光電変換信号Ｓ２ｂを出力する。すなわち、光感知セル２ａは、光感知セル２ｂが出力する光電変換信号Ｓ２ｂと比較して、反射部３によって反射されて入射する赤外光の量に応じた成分が加算された光電変換信号Ｓ２ａを出力する。
以下、図２を参照しながら、量ΔＩＲおよびΔＩＲ´について説明する。図２は、光感知セルの入射面からの深さｘに対する赤外光量の依存性を表している。図示されるように、光感知セルに入射する赤外光量は、入射面から深くなるほど指数関数的に減少すると考えることができる。光感知セルにおける赤外光の吸収係数をａ、入射する赤外光の量をＩＲ0とすると、深さｘにおける赤外光量ＩＲは、以下の式１で表すことができる。
（式１） ＩＲ＝ＩＲ0ｅ-ax
ここで、図１に示される固体撮像素子における各光感知セルの厚さをｄとする。すると、光感知セル２ｂによって光電変換されずに透過する赤外光の量は、ＩＲ0ｅ-adで表される。一方、光感知セル２ａを透過した赤外光が光感知セル２ａに再入射するまでに損失が発生しないと仮定すると、光感知セル２ａで最終的に光電変換されずに透過する赤外光の量は、ＩＲ0ｅ-2adで表される。その結果、ΔＩＲおよびΔＩＲ´は、それぞれ以下の式２、３で表される。
（式２） ΔＩＲ＝ＩＲ0（１−ｅ-ad）
（式３） ΔＩＲ´＝ＩＲ0ｅ-ad（１−ｅ-ad）
このように、ΔＩＲとΔＩＲ´とは互いに異なる値となり、ΔＩＲ´はΔＩＲよりも小さい。
上記の例では、赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ａを透過した赤外光を反射して光感知セル２ａに再入射させるように配置されているが、本発明は、このような配置に限られない。例えば、赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ａを透過した赤外光を反射して光感知セル２ｂに再入射させるように傾斜していてもよい。図３は、そのような反射ミラー３ａを備える固体撮像素子の一例を示している。この構成では、赤外光反射ミラー３ａで反射され、光感知セル２ｂの内部で光電変換されずに透過する赤外光が光感知セル２ｂの内部を通過するときの光路長は、光感知セルの厚さｄよりも長くなる。従って、図３に示す例では、ΔＩＲ´は式３に示す値よりも大きい値をとり得る。このため、赤外光反射ミラー３ａおよび光感知セル２ａ、２ｂの配置を調整することにより、ΔＩＲ´をΔＩＲに等しくすることが可能である。以下の説明においては簡単のため、ΔＩＲ≒ΔＩＲ´の近似が成立するものとして取り扱う。
上記の近似により、図１に示す構成において、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ出力する光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式４、５で表すことができる。
（式４） Ｓ２ａ＝Ｗｓ＋２ΔＩＲｓ
（式５） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋ΔＩＲｓ
ここで、ＷｓおよびΔＩＲｓは、それぞれ量Ｗ、ΔＩＲに対応する光電変換信号を表し、２ΔＩＲｓはΔＩＲｓの２倍の量であることを表す。Ｓ２ａとＳ２ｂとの減算により、ΔＩＲｓを求めることができる。ΔＩＲｓは、入射する赤外光の量ＩＲ0に比例すると考えられるため、各単位ブロックにおいてΔＩＲｓを求めることにより、単位ブロックごとのΔＩＲの分布、すなわち赤外光画像を得ることができる。なお、ΔＩＲ≒ΔＩＲ´が成立しない場合であっても、式２、３の関係を用いてΔＩＲｓを求めることができるため、同様に赤外光画像を得ることができる。以上の原理により、本発明の固体撮像素子は、赤外透過フィルタを用いることなく、赤外光画像を得ることが可能である。
なお、本発明の固体撮像素子は、図１に示す構成において、光感知セル２ｂを透過した赤外光を吸収する光吸収層を有していてもよい。図４は、そのような光吸収層７を備える固体撮像素子の一例を示している。図示される例では、光吸収層７は、光感知セル２ｂに対向して第１の面３０ａ側に配置された光吸収部材７ａを有している。光吸収部材７ａにより、光感知セル２ｂを透過した赤外光が基板６の表面で反射して光感知セルに再入射することを防止できる。なお、光吸収部材７ａは、光感知セル２ｂだけでなく光感知セル２ａに対向して配置されていてもよい。その場合、光吸収層７ａは、反射部３よりも基板６に近い位置に設けられる。また、光吸収部材７ａは、赤外光だけでなく、可視光を吸収する部材であってもよい。
本発明の固体撮像素子は、図１、３、４に示されるような裏面照射型の固体撮像素子に限られず、表面照射型の固体撮像素子であってもよい。図５は、本発明の構成を備える表面照射型固体撮像素子の一例を示す断面図である。この構成においては、反射部３は、光感知セルアレイに対して第２の面３０ｂ側に配置される。このような表面照射型の撮像素子であっても本発明の効果に変わりはない。
本発明において、赤外光画像とともにカラー画像を得るためには、各単位ブロック２は光感知セル２ａ、２ｂ以外の光感知セルを含んでいる必要がある。図６は、そのような光感知セルアレイの構成の一部を模式的に示す上面図である。図示される構成では、１つの単位ブロック２は、４つの光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを含んでいるが、１つの単位ブロック２に含まれる光感知セルの数が４つであることは必須ではない。また、光感知セルアレイは正方格子状に配列している必要はなく、他の配列であってもよい。さらに、図６における光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは互いにどのように入れ替わっていてもよい。
カラー画像を得るためには、各単位ブロック２に含まれる少なくとも一部の光感知セルに対向して光が入射する側に、色分離フィルタ（色フィルタ）が配置される。入射光のうち、一部の波長域の可視光および赤外光を透過させるように構成された色フィルタを好適に配置することにより、赤外光画像とカラー画像とを同時に得ることが可能となる。
例えば、図６に示す画素配列において、光感知セル２ｃに対向して赤（Ｒ）光を透過する色フィルタが配置され、光感知セル２ｄに対向して青（Ｂ）光を透過する色フィルタが配置されているとする。すると、光感知セル２ｃ、２ｄがそれぞれ出力する光電変換信号Ｓ２ｃ、Ｓ２ｄは、それぞれ以下の式６、７で表される。
（式６） Ｓ２ｃ＝Ｒｓ＋ΔＩＲｓ
（式７） Ｓ２ｄ＝Ｂｓ＋ΔＩＲｓ
ここで、ＲｓおよびＢｓはそれぞれＲ光およびＢ光に対応する信号成分を表す。なお、光感知セル２ａ、２ｂには対向する色フィルタが配置されていないとすると、光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ式４、５で表される。式４〜７から、ΔＩＲｓ、Ｒｓ、Ｂｓ、Ｗｓを求めることができる。得られたＷｓからＲｓおよびＢｓを差し引くことにより、緑（Ｇ）光に対応する信号成分Ｇｓを得ることができる。以上の信号演算を各単位ブロック２について行い、単位ブロック２ごとにΔＩＲｓ、Ｒｓ、Ｂｓ、Ｇｓを求めることにより、カラー画像および赤外光画像の両方を得ることができる。
以下、図７〜１２を参照しながら本発明の実施形態を説明する。全ての図にわたって共通する要素には同一の符号を付し、文中の記号も共通に利用する。
（実施形態１）
図７は、本発明の第１の実施形態における撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図示される撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し画像・映像信号を生成する信号処理部２００とを備えている。以下、撮像部１００および信号処理部２００を説明する。
撮像部１００は、被写体を結像するためのレンズ１０１と、光学板１０２と、レンズ１０１および光学板１０２を通して結像した光情報を、光電変換により電気信号に変換する固体撮像素子１０３と、信号発生・受信部１０４とを備えている。ここで、光学板１０２は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタを含んでいる。また、信号発生・受信部１０４は、固体撮像素子１０３を駆動するための基本信号を発生すると共に、固体撮像素子１０３からの信号を受け取り、信号処理部２００に送出する。
信号処理部２００は、信号発生・受信部１０４から受け取った信号を記憶するメモリ２０１と、メモリ２０１から読み出したデータに基づいて色情報および赤外光情報を含む信号（色信号）を生成する色信号生成部２０２と、色信号を外部に出力するインターフェース（ＩＦ）部２０３とを有している。
なお、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、固体撮像素子１０３を除く構成要素は、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。以下、本実施形態の固体撮像素子１０３について説明する。
図８は、レンズ１０１を透過した光が固体撮像素子１０３に入射する様子を模式的に示している。ここで、固体撮像素子１０３の撮像面１０３ａには、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイが２次元状に配列されている。レンズ１０１による結像の結果、撮像面１０３ａに光（可視光および赤外光）が入射する。撮像面１０３ａに入射する光の量（入射光量）および波長域ごとの入射光量の分布は、入射位置に応じて異なる。各々の光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換により入射光量に応じた電気信号（光電変換信号）を出力する。固体撮像素子１０３は、典型的にはＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサーであり、材料として例えば単結晶Ｓｉ半導体を用いて公知の半導体製造技術によって製造される。本実施形態における固体撮像素子は、裏面照射型の撮像素子であるが、撮像素子は表面照射型であっても本発明の効果は変わらない。
本実施形態における固体撮像素子には、各光感知セルに対向して複数の色フィルタが配置される。各色フィルタは、いずれかの色成分に対応する波長域の可視光および赤外光を透過させるように設計されている。なお、以下の説明において、ある色成分をＣとして、色成分Ｃおよび赤外光を透過させる色フィルタをＣ要素と呼ぶことがある。
図９、は本実施形態における色フィルタおよび光感知セルの基本構造を示す図である。本実施形態において、光感知セルアレイは、２次元状に配列された複数の単位ブロックからなり、各単位ブロックは光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを有している。図示される構成では、各光感知セルは正方格子状に配列されているが、本発明はこの配列に限定されるものではない。各光感知セルは、可視光のほぼ全て、および赤外光の一部を吸収し、光電変換を行うように、その厚さが設計されている。そして、１つの単位ブロックにおける各光感知セルは、それぞれほぼ等量の赤外光を透過するように設計されている。
本実施形態では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色要素を用いたベイヤー型の色フィルタが用いられる。図示されるように、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向して、それぞれ赤要素１ａ、緑要素１ｂ、緑要素１ｂ、青要素１ｃが配置される。
図１０は、図９におけるＡ−Ａ´線断面図である。図示されるように、固体撮像素子は、第１の面（表面）３０ａと第２の面（裏面）３０ｂとを有する半導体層３０を備えている。半導体層３０の内部に光感知セルが配列されている。光感知セルから見て第１の面３０ａ側に、配線層３０ａ、透明層８、および半導体層３０などを支持する基板６が形成されている。さらに、透明層８の内部に、光感知セル２ｃに対向して少なくとも赤外光を反射する赤外光反射ミラー３ａが配置されている。赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ｃを透過した赤外光を反射し、光感知セル２ｂに入射させるように配置されている。光感知セルから見て第２の面３０ｂ側には、色フィルタ１ａ、１ｂ、１ｃが配置されている。さらに、各色フィルタ１ａ、１ｂ、１ｃに対応して、光感知セルに効果的に集光するためのマイクロレンズ４が配置されている。
図１０に示される構造は、以下に示す公知の半導体プロセスによって製造され得る。まず、ある程度の厚さを有する半導体基板の表面内部に光感知セルアレイを形成し、表面上に配線層５、透明層８、赤外光反射ミラー３ａなどの構造物を形成する。次に、上記半導体基板と基板６とを透明層８を介して接合する。その後、半導体基板を、例えば数ミクロン程度の厚さになるまで裏面側から研磨またはエッチングを行うことによって薄くし、半導体層３０を形成する。半導体層３０の形成後、裏面側に色フィルタ１ａ、１ｂ、１ｃやマイクロレンズ４などを形成する。
上記の構成により、可視光および赤外光を含む入射光は、マイクロレンズ４、色フィルタ１ａ、１ｂ、１ｃを通して、各光感知セルに入射し、各々で光電変換される。上述のように、各光感知セルは、可視光（青〜赤光）のほぼ全てと赤外光の一部（量ΔＩＲ）が光電変換されるような厚さに形成されている。そのため、光感知セルを透過した光は殆ど赤外光である。光感知セル２ａ、２ｂ、２ｄを透過した赤外光は、撮像素子の基板６に入射する。一方、光感知セル２ｃを透過した赤外光は、光感知セル２ｃの直下に配置された赤外光反射ミラー３ａにより、対角方向に位置する光感知セル２ｂに再入射する。したがって、光感知セル２ｂは、他の光感知セルと比較して約２倍の量の赤外光を受光する。その結果、光感知セル２ａ〜２ｄでは、それぞれ以下の式８〜１１で表される光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｂが発生する。ここで、赤光、緑光、青光、ＩＲ光の光電変換信号をそれぞれＲｓ、Ｇｓ、Ｂｓ、ＩＲｓで表す。
（式８）Ｓ２ａ＝Ｒｓ＋ΔＩＲｓ
（式９）Ｓ２ｂ＝Ｇｓ＋２ΔＩＲｓ
（式１０）Ｓ２ｃ＝Ｇｓ＋ΔＩＲｓ
（式１１）Ｓ２ｄ＝Ｂｓ＋ΔＩＲｓ
本実施形態では、緑要素に対応する光感知セル間で赤外光の受光量を変えている。その結果、それらの間で差分演算を施すことにより、赤外光成分を算出できる。本実施形態では、以下の式１２に示すように、式９と式１０との減算から、赤外光成分ΔＩＲｓを算出できる。
（式１２）Ｓ２ｂ−Ｓ２ｃ＝ΔＩＲｓ
さらに、各光感知セルの光電変換信号から赤外光成分ΔＩＲｓを差し引くことにより、ＲＧＢのカラー成分Ｒｓ、Ｇｓ、Ｂｓを算出できる。
以上のように本実施形態の撮像素子によれば、隣接し同色の可視光を受光する２つの光感知セルのいずれか一方の側に少なくとも赤外光を反射する赤外光反射ミラー３ａが配置される。赤外光反射ミラー３ａによって、透過した赤外光を反射させ、他方の光感知セルに再入射させることにより、両光感知セルの間で赤外光の受光量に差が生じる。その結果、それらの光感知セル間で信号差分処理を施すことにより、赤外光成分を算出できる。さらに、各画素信号からその赤外光成分を差し引くことにより、ＲＧＢのカラー信号を得ることができる。本実施形態の撮像装置によれば、赤外カットフィルタおよび赤外透過フィルタを用いることなく、赤外光画像と可視光のカラー画像とを同時に得ることがでる。そのため、その実用的効果には大なるものがある。
なお、本実施形態において、赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ｃを透過した赤外光を光感知セル２ｂに入射させるように配置されているが、本発明はこの配置に限られない。赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ｃを透過した赤外光を光感知セル２ｃに再入射させるように、光感知セルアレイの形成面に平行に配置されていてもよい。その場合であっても、光感知セル２ｂ、２ｃ間の信号演算によって赤外光画像とカラー画像とを得ることができる。また、赤外光反射ミラー３ａは、単位ブロックごとに１つの要素として配置されている必要はなく、複数の単位ブロックにまたがって層状に形成されていてもよい。さらに、赤外光反射ミラー３ａは、赤外光のみならず可視光をも反射するように設計されていてもよい。また、本実施形態の構成に加えて、さらに光感知セル２ａ、２ｂ、２ｄに対向して第１の面３０ａ側に光吸収部材が設けられていてもよい。光吸収部材を設けることによって、各光感知セルを透過した光が基板６などで反射されることを防止することができる。
（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、撮像素子における色フィルタの配列が異なることを除けば、実施形態１の撮像装置と同じである。そのため、実施形態１と重複する部分は説明を省略し、異なる点のみを以下、説明する。
図１１は、本実施形態における色フィルタおよび光感知セルの基本構造を示す図である。本実施形態においても、光感知セルアレイは、２次元状に配列された複数の単位ブロックからなり、各単位ブロックは光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを有している。また、各光感知セルは、可視光のほぼ全て、および赤外光の一部を吸収し、光電変換を行うように、その厚さが設計されている。そして、１つの単位ブロックにおける各光感知セルは、それぞれほぼ等量の赤外光を透過するように設計されている。
本実施形態では、透明と補色から成る２行２列を基本構成とする色フィルタが用いられる。図示されるように、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対向して、それぞれシアン（Ｃｙ）要素１ｄ、透明（Ｗ）要素１ｅ、透明（Ｗ）要素１ｅ、黄（Ｙｅ）要素１ｆが配置される。なお、透明要素１ｅは、入射光に含まれる可視光および赤外光を透過させるように構成されている。以下の説明において、透明要素１ｅも色フィルタに含まれるものとする。
図１２は、図１１におけるＢ−Ｂ´線断面図である。図示される撮像素子において、赤外光反射ミラー３ａが撮像素子の基板６に対して平行に配置され、光吸収層７が設けられていること以外は、構造的に図１０に示す撮像素子と同じである。
上記の構成により、撮像素子が被写体から可視光および赤外光の波長域を有する入射光を受けると、各光感知セルで光電変換が生じる。各光感知セルは、可視光のほぼ全てと赤外光の一部（量ΔＩＲ）が光電変換される厚さに形成されている。そのため、各光感知セルは、量ΔＩＲの赤外光を均等に受光する。光感知セル２ｃでは、赤外光反射ミラー３ａにより一度透過した赤外光が再度入射する。そのため、光感知セル２ｃは、他の光感知セルと比較して約２倍の量の赤外光を受光する。光感知セル２ｂを透過した赤外光は、光吸収層７に吸収され、反射されることはない。その結果、光感知セル２ａ〜２ｄでは、それぞれ以下の式１３〜１６で表される光電変換信号Ｓ２ａ〜Ｓ２ｂが発生する。
（式１３）Ｓ２ａ＝Ｇｓ＋Ｂｓ＋ΔＩＲｓ
（式１４）Ｓ２ｂ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ＋ΔＩＲｓ
（式１５）Ｓ２ｃ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ＋２ΔＩＲｓ
（式１６）Ｓ２ｄ＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋ΔＩＲｓ
本実施形態の撮像装置においても実施形態１の撮像装置と同様、光感知セル２ｃと２ｂとの間で信号差分演算を施すことにより、赤外光成分ΔＩＲｓを算出できる。さらに、その成分を各画素信号から差し引くことにより、Ｗｓ（＝Ｒｓ＋Ｇｓ＋Ｂｓ）、Ｃｓ（＝Ｇｓ＋Ｂｓ）、Ｙｓ（＝Ｒｓ＋Ｇｓ）の信号を得ることができる。このようにして得られた信号を用いて、ＷｓとＣｓとの減算からＲｓが、ＷｓとＹｓとの減算からＢｓの信号が得られる。最後に、ＷｓからＲｓおよびＢｓを差し引くことにより、Ｇｓの信号が得られる。その結果、ＲＧＢのカラー信号を得ることができる。
以上のように本実施形態によれば、隣接し同色の可視光を受光する２つの光感知セルのいずれか一方の側に少なくとも赤外光を反射する赤外光反射ミラー３ａが配置される。赤外光反射ミラー３ａによって、透過した赤外光を反射させ、当該光感知セルに再入射させることにより、２つの光感知セルの間で赤外光の受光量に差が生じる。その結果、それらの光感知セル間で信号差分処理を施すことにより、赤外光成分を算出できる。さらに、各画素信号からその赤外光成分を差し引くことにより、ＲＧＢのカラー信号を得ることができる。
本実施形態によれば、赤外カットフィルタおよび赤外透過フィルタを用いることなく、赤外光画像と可視光のカラー画像とを同時に得ることができる。さらに、本実施形態における撮像素子では、透明要素と補色の色フィルタとが用いられる。そのため、本実施形態における撮像素子は、実施形態１における撮像素子よりも感度が高く、その実用的効果には大なるものがある。
なお、本実施形態において、赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ｃを透過した赤外光を光感知セル２ｃに再入射させるように配置されているが、本発明はこのような配置に限られない。赤外光反射ミラー３ａは、光感知セル２ｃを透過した赤外光を光感知セル２ｂに再入射させるように、光感知セルアレイの形成面に対して傾斜して配置されていてもよい。その場合であっても、光感知セル２ｂ、２ｃ間の信号演算によって赤外光画像とカラー画像とを得ることができる。また、赤外光反射ミラー３ａは、単位ブロックごとに１つの要素として配置されている必要はなく、複数の単位ブロックにまたがって層状に形成されていてもよい。
本実施形態における光吸収層７は、単位ブロックごとに１つの要素として配置されている必要はなく、複数の単位ブロックにまたがって形成されていてもよい。また、光吸収層７は必須の構成要素ではなく、光吸収層７がなくても本実施形態の効果を得ることは可能である。
以上説明した本発明の各実施形態においては、撮像素子の内部に少なくとも赤外光を反射する赤外光反射ミラー３ａを配置する必要がある。裏面照射型の撮像素子の製造工程では、表裏両面を加工するため、従来の表面照射型の撮像素子に比べ、その製造工程の中に赤外光反射ミラーを配置する工程を入れ込み易い。従って、本発明は、表面照射型の撮像素子にも利用可能であるが、特に裏面照射型の撮像素子に有用である。
本発明にかかる赤外受光固体撮像装置は、固体撮像素子を用いたすべての赤外光対応のカメラに有用である。例えば、デジタルカメラ、デジタルムービーなどの民生用カメラや放送用の固体カメラ、産業用の固体監視カメラなどに有効である。
１ａ 色フィルタの赤要素
１ｂ 色フィルタの緑要素
１ｃ 色フィルタの青要素
１ｄ 色フィルタのシアン要素
１ｅ 透明要素
１ｆ 色フィルタの黄要素
２ 光感知セルアレイの単位ブロック
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 撮像素子の光感知セル
３ 反射部
３ａ 反射ミラー
４ マイクロレンズ
５ 配線層
６ 撮像素子の基板
７ 光吸収層
７ａ 光吸収部材
８ 透明層
３０ 半導体層
３０ａ 半導体層の第１の面
３０ｂ 半導体層の第２の面
１００ 撮像部
１０１ 光学レンズ
１０２ 光学板
１０３ 撮像素子
１０３ａ 撮像面
１０４ 信号発生・受信部
２００ 信号処理部
２０１ メモリ
２０２ 色信号生成部
２０３ インターフェース部

Claims (10)

  1. 第１の面、および前記第１の面の反対側に位置し光が入射する第２の面を有する半導体層と、
    前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列され、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックと、
    前記半導体層の前記第１の面側に配置され、各単位ブロックに含まれる前記第１の光感知セルを透過した赤外光を反射し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのいずれか一方に入射させる反射部と、
    を備え、
    前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのうち、前記反射部によって反射された赤外光を受ける光感知セルは、他方の光感知セルが出力する光電変換信号と比較して、前記反射部によって反射されて入射する赤外光の量に応じた成分が加算された光電変換信号を出力する、固体撮像素子。
  2. 前記反射部は、各々が各単位ブロックに含まれる前記第１の光感知セルに対向して配置された複数の赤外光反射ミラーを有している、請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 各単位ブロックは、更に第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、
    前記第１の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第１の色分離フィルタと、
    前記第２の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第２の色分離フィルタと、
    前記第３の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第３の色分離フィルタと、
    前記第４の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第４の色分離フィルタと、
    を備え、
    前記第１の色分離フィルタおよび前記第２の色分離フィルタは、入射光のうち第１波長域の可視光および赤外光を透過し、
    前記第３の色分離フィルタは、入射光のうち第２波長域の可視光および赤外光を透過し、
    前記第４の色分離フィルタは、入射光のうち第３波長域の可視光および赤外光を透過する、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第１波長域の可視光は緑光であり、
    前記第２波長域の可視光は赤光であり、
    前記第３波長域の可視光は青光である、
    請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 各単位ブロックは、更に第３の光感知セルと、第４の光感知セルとを含み、
    前記第３の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第１の色分離フィルタと、
    前記第４の光感知セルに対向して前記第２の面側に配置された第２の色分離フィルタと、
    を備え、
    前記第１の色分離フィルタは、入射光のうち第１波長域の可視光および赤外光を透過させ、
    前記第２の色分離フィルタは、入射光のうち第２波長域の可視光および赤外光を透過させる、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１波長域の可視光はシアン光であり、
    前記第２波長域の可視光は黄光である、
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記第１の光感知セル、前記第２の光感知セル、前記第３の光感知セル、および前記第４の光感知セルは、入射する赤外光のうち第１の割合に相当する量の赤外光を透過させる、請求項３から６のいずれかに記載の固体撮像素子。
  8. 前記半導体層の前記第１の面側に配置され、各単位ブロックに含まれる前記第２の光感知セルを透過した赤外光を吸収する光吸収層を備えている、請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像素子。
  9. 前記半導体層の前記第１の面側に配置された配線層を備えている、請求項１から８のいずれかに記載の固体撮像素子。
  10. 固体撮像素子と、
    前記固体撮像素子から出力される電気信号を処理する信号処理部と、
    を備える撮像装置であって、
    前記固体撮像素子は、
    第１の面、および前記第１の面の反対側に位置し光が入射する第２の面を有する半導体層と、
    前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列され、各々が第１の光感知セルおよび第２の光感知セルを含む複数の単位ブロックと、
    前記半導体層の前記第１の面側に配置され、各単位ブロックに含まれる前記第１の光感知セルを透過した赤外光を反射し、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのいずれか一方に入射させる反射部と、
    を有し、
    前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルのうち、前記反射部によって反射された赤外光を受ける光感知セルは、他方の光感知セルが出力する光電変換信号と比較して、前記反射部によって反射されて入射する赤外光の量に応じた成分が加算された光電変換信号を出力し、
    前記信号処理部は、前記第１の光感知セルおよび前記第２の光感知セルの各々が出力する前記光電変換信号間の差分演算を含む処理により、各光感知セルが受ける赤外光の量を算出する、撮像装置。
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