JP5774501B2

JP5774501B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5774501B2
Application number: JP2012004054A
Authority: JP
Inventors: 佳孝江川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2015-09-09
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Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

近年、携帯電話等に搭載されるカメラモジュールは、薄型化が強く要請されるようになっている。イメージセンサは、カメラモジュールの薄型化と、画素数の増大とへの対応として、画素の微細化が進められている。イメージセンサは、画素のサイズが小さくなるほど、画素へ入射する光量が少なくなるためによる信号量の低下が顕著となることから、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化が問題となる。イメージセンサは、光利用効率の向上による高感度化の実現が望まれている。

いわゆる単板式のイメージセンサは、光電変換素子が各色光を分担して検出し、補間による色再現を経てカラー画像を合成可能とする。従来、イメージセンサは、光電変換素子へ導く色光以外の色光をカラーフィルタで吸収させる色分離の方式を他の方式に変更することで、光電変換に寄与しない色光をできるだけ活用させる試みがなされている。イメージセンサは、例えば、入射光の光路中に配置されたダイクロイックミラーにより各色光を分離させ、色光ごとに光電変換素子へ導く構成を採用し得る。

例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光を分離する場合、光路中には二種類のダイクロイックミラーが配置されることとなる。ダイクロイックミラーの積層構造は、屈折率の異なる薄膜の多層構造として形成する。二種類のダイクロイックミラーを製造する場合は、積層構造の形成に要する作業が二倍となるから、製造に長時間を要し、製造コストの高騰を招く。ダイクロイックミラーの波長特性は入射角に大きく依存することから、入射角のばらつきにより、分光特性における半値波長が例えば数十ｎｍ程度ずれることとなる。このような分光特性のばらつきは、波長特性を異ならせた二種類のダイクロイックミラーを使用することでさらに顕著となり、色再現性の劣化を引き起こすことになる。さらに、ダイクロイックミラーでは偏光が生じ、入射面に平行なＰ波と入射面に垂直なＳ波とで透過特性及び反射特性が大きく異なるため、色分離特性が悪くなる問題がある。

特開２００７−３１８００２号公報特開２００８−６０３２３号公報

本発明の一つの実施形態は、色分離性が良く光利用効率が高い高感度な撮影、及び製造コストの低減を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、光電変換素子アレイ、集光光学素子アレイ、カラーフィルタ、第１反射部及び第２反射部を有する。光電変換素子アレイは、第１色光用、第２色光用及び第３色光用の光電変換素子を少なくとも備える。第１色光用の光電変換素子は、第１色光を検出する。第２色光用の光電変換素子は、第２色光を検出する。第３色光用の光電変換素子は、第３色光を検出する。集光光学素子アレイは、光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられている。集光光学素子アレイは、集光光学素子を備える。集光光学素子は、光を集束させる。カラーフィルタは、光電変換素子の受光面に設けられている。カラーフィルタは、光電変換素子ごとに、光電変換素子で検出対象とする色光を透過させ他の色光を反射する。第１反射部及び第２反射部は、カラーフィルタで反射した光をさらに反射する。光電変換素子アレイは、セルを単位とするベイヤー配列をなして構成されている。セルは、第１色光用、第２色光用及び第３色光用の光電変換素子を含む。集光光学素子は、第１色光用の光電変換素子と、第１色光用の光電変換素子に隣り合う第２色光用及び第３色光用の光電変換素子の各一部分とを含む範囲に合わせて配置されている。第１反射部は、光電変換素子と対面して設けられている。第１反射部は、開口を備える。開口は、集光光学素子からの光を通過させる。第２反射部は、第１反射部に接合されている。第２反射部は、第１色光用、第２色光用及び第３色光用の光電変換素子のうちの２つごとあるいはセルごとに、光電変換素子及び第１反射部の間を取り囲む。

第１の実施形態の固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。図１に示すイメージセンサを適用したカメラの概略構成を示すブロック図。マイクロレンズアレイ、第２反射部及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図。イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図。第１の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図。第１の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図。第１の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図。マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図。第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。マイクロレンズアレイ、第２反射部及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図。補色カラーフィルタの平面構成の模式図。イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図。第２の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図。第２の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図。第２の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図。第２の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。図２は、図１に示すイメージセンサを適用したカメラの概略構成を示すブロック図である。

カメラ１０は、カメラモジュール１０ａ及び後段処理部１０ｂを有する。カメラモジュール１０ａは、撮像光学系１１及びイメージセンサ１２を有する。後段処理部１０ｂは、イメージシグナルプロセッサ（image signal processor；ＩＳＰ）１３、記憶部１４及び表示部１５を有する。カメラ１０は、例えば、デジタルカメラである。カメラモジュール１０ａは、デジタルカメラ以外には、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器で使用される。

撮像光学系１１は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。イメージセンサ１２は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ１３は、イメージセンサ１２での撮像により得られた画像信号の信号処理を実施する。記憶部１４は、ＩＳＰ１３での信号処理を経た画像を格納する。記憶部１４は、ユーザの操作等に応じて、表示部１５へ画像信号を出力する。表示部１５は、ＩＳＰ１３あるいは記憶部１４から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイである。

イメージセンサ１２は、光電変換素子アレイを有する。光電変換素子アレイは、アレイ状に配列された複数の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを有する。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、例えばＮ型のフォトダイオードであって、Ｐ型の半導体基板２０に形成されている。

光電変換素子２１Ｇは、Ｇ光を検出する。光電変換素子２１Ｇは、第１色光であるＧ光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｂは、Ｂ光を検出する。光電変換素子２１Ｂは、第２色光であるＢ光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｒは、Ｒ光を検出する。光電変換素子２１Ｒは、第３色光であるＲ光用の光電変換素子である。

光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射光量に応じた電荷を発生させる。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、各色光を分担して検出する。イメージセンサ１２は、例えば、ＣＭＯＳセンサとする。本実施形態は、表面照射型及び裏面照射型のいずれのＣＭＯＳセンサにも適用可能であるものとする。

カラーフィルタ２２Ｇは、光電変換素子２１Ｇの受光面に設けられている。カラーフィルタ２２Ｇは、光電変換素子２１Ｇで検出対象とする色光であるＧ光を透過させ、他の色光であるＲ光及びＢ光を反射する。カラーフィルタ２２Ｇは、第１色光用のカラーフィルタである。

カラーフィルタ２２Ｂは、光電変換素子２１Ｂの受光面に設けられている。カラーフィルタ２２Ｂは、光電変換素子２１Ｂで検出対象とする色光であるＢ光を透過させ、他の色光であるＲ光及びＧ光を反射する。カラーフィルタ２２Ｂは、第２色光用のカラーフィルタである。

カラーフィルタ２２Ｒは、光電変換素子２１Ｒの受光面に設けられている。カラーフィルタ２２Ｒは、光電変換素子２１Ｒで検出対象とする色光であるＲ光を透過させ、他の色光であるＧ光及びＢ光を反射する。カラーフィルタ２２Ｒは、第３色光用のカラーフィルタである。

カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂごとにおける各色光の透過及び反射により、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ色光を導く。カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、例えば、パール顔料、フォトニック結晶（ナノ構造体）、ダイクロイックフィルタ等を用いて構成されている。パール顔料を用いて構成されたカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、基板上にナノサイズの微細な酸化チタン粒子を均一に被覆し、その被覆層の厚さをコントロールすることにより、光の薄膜干渉効果を利用する。ダイクロイックフィルタを用いて構成されたカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、多層膜を使用するもの、顔料の上部に多層膜が設けられたもの等とする。

分離反射部２３は、隣り合う光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ同士を隔離させる。分離反射部２３は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからの光を反射する。分離反射部２３としては、例えば、ＤＲＡＭ等に用いられるディープトレンチ構造を採用する。

マイクロレンズアレイは、イメージセンサ１２のうち、撮像光学系１１からの入射光が入射する面に形成されている。マイクロレンズアレイは、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズ３０を有する。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を集束させる集光光学素子として機能する。マイクロレンズアレイは、光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられた集光光学素子アレイとして機能する。マイクロレンズ３０は、例えば、光電変換素子２１Ｇの受光面において光が集束するように設計されている。

第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで反射した光をさらに反射する反射部として機能する。第１反射部２５は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂに対向する第１反射面を構成する。第１反射面には、マイクロレンズ３０からの光を通過させる開口が設けられている。

開口は、マイクロレンズ３０の中心位置と、光電変換素子２１Ｇの中心位置との間に位置する。第１反射部２５は、開口以外の部分において、マイクロレンズアレイ側から光電変換素子アレイ側へ進行する光を遮蔽する遮蔽層としても機能する。層内レンズ３１は、第１反射部２５の開口に形成されている。層内レンズ３１は、マイクロレンズ３０により集束する光を平行化させる平行化光学系として機能する。

図３は、マイクロレンズアレイ、第２反射部及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図である。ここでは、イメージセンサ１２を入射側から見た場合におけるマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイより下に位置する第２反射部２６及び光電変換素子アレイを示している。

図３の紙面における左右方向を行方向、図３の紙面における上下方向を列方向、とする。一点鎖線Ａ１は、行方向において隣接する光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｇの中心位置間を繋ぐ直線とする。一点鎖線Ａ２は、列方向において隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂの中心位置間を繋ぐ直線とする。図１に示す断面は、図３に示す一点鎖線Ａ１に沿う切断面と、一点鎖線Ａ２に沿う切断面とを一つの面として表したものに対応している。

光電変換素子アレイは、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂがベイヤー配列をなして構成されている。ベイヤー配列は、四つの光電変換素子２１Ｇ、２１Ｒ、２１Ｂ及び２１Ｇによる２行２列の配列を単位とする。セル３２は、ベイヤー配列の単位である四つの光電変換素子２１Ｇ、２１Ｒ、２１Ｂ及び２１Ｇの組合せとする。

マイクロレンズアレイは、光電変換素子２１Ｇの位置が中心となるように各マイクロレンズ３０が配列されている。マイクロレンズ３０は、中心の光電変換素子２１Ｇの受光面と、その光電変換素子２１Ｇと行方向及び列方向において隣接する四つの光電変換素子２１Ｒ、２１Ｒ、２１Ｂ及び２１Ｂの各受光面の一部分ずつとを含む範囲に合わせて配置されている。マイクロレンズ３０の平面形状は、およそ画素二個分の面積をなしている。

マイクロレンズ３０は、正方配列が４５度傾けられた配列をなしている。マイクロレンズ３０は、例えば、正方形の四隅を僅かに取り除いたような八角形をなしている。マイクロレンズ３０は、かかる八角形の他、例えば、正方形の四隅に丸みを持たせた形状や、正方形、菱形、円形等としても良い。

第１透明層２４は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと第１反射部２５との間に設けられている。第１透明層２４は、光を透過させる。第２反射部２６は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ及び第１反射部２５との間の第１透明層２４をセル３２ごとに取り囲む第２反射面を構成する。第２反射部２６は、セル３２ごとに第１透明層２４を仕切る側壁をなしている。第２反射部２６は、セル３２の外郭をなしている。第２反射部２６は、セル３２に対応させて設けられている。

図１に示す断面において、第２反射部２６の一方の端部は、第１反射部２５に接合している。第２反射部２６のうち第１反射部２５側とは反対側の端部は、セル３２を仕切る位置の分離反射部２３に接合している。

第３反射部２７は、分離反射部２３の上に形成されている。第３反射部２７は、隣り合うカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ同士を隔離させる。第３反射部２７は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ同士の間へ向かって進行する光を反射する第３反射面を構成する。

第１透明層２４は、層内レンズ３１が設けられた部分以外は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７により、三次元方向において完全に取り囲まれている。

第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を用いて構成されている。なお、反射部の構成は、本実施形態で説明する場合に限られず、適宜変更可能であるものとする。例えば、反射部は、第１反射部２５及び第２反射部２６で構成することとし、第３反射部２７を省略したものとしても良い。また、第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、形状を適宜変更しても良い。

第２透明層２８は、マイクロレンズアレイと第１反射部２５との間に設けられている。第２透明層２８は、マイクロレンズ３０から層内レンズ３１へ光を透過させる。第１透明層２４は、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の透明部材により構成されている。第２透明層２８は、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の透明部材により構成されている。

図４は、イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図である。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。層内レンズ３１は、マイクロレンズ３０からの光を平行化させる。層内レンズ３１から射出した光は、カラーフィルタ２２Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。イメージセンサ１２は、層内レンズ３１からカラーフィルタ２２Ｇへ略垂直に光が入射するように光の進行方向を揃えることで、カラーフィルタ２２Ｇにおいて効率良く色光を分離させることができる。

カラーフィルタ２２Ｇは、入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｇを透過したＧ光は、光電変換素子２１Ｇにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｇで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、入射した光を反射し、第１透明層２４内へさらに進行させる。

カラーフィルタ２２Ｒは、入射した光のうちのＲ成分を透過させ、Ｇ成分及びＢ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｒを透過したＲ光は、光電変換素子２１Ｒにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｒで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。

カラーフィルタ２２Ｂは、入射した光のうちのＢ成分を透過させ、Ｒ成分及びＧ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｂを透過したＢ光は、光電変換素子２１Ｂにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｂで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。

光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの受光面の法線に対して進行方向が大きく傾けられた光が光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ内を進行した場合に、分離反射部２３は、その光を反射させ、他の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへの進入を抑制させる。互いに隣り合う光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ間での光の漏れ出しを分離反射部２３により抑制させることで、イメージセンサ１２は、混色の発生を抑制させることができる。

イメージセンサ１２に設けられるカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、従来の光電変換素子の受光面に設けられるカラーフィルタと同様の工程により、容易に製造することができる。イメージセンサ１２は、色分離のための構成としてカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを採用することで、製造コストの高騰を抑制できる。

イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ導く色光以外の色光を、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで一旦反射し、他の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ進行させる。イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ導く色光以外の色光をカラーフィルタで吸収させる色分離の方式を採用する場合に比べて、光利用効率を向上させることができる。さらに、イメージセンサ１２は、入射角依存性が低減されて色再現性の良いＲ、Ｇ及びＢ信号を得ることができる。

イメージセンサ１２は、セル３２ごとに第１透明層２４を取り囲む反射部を設け、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで一旦反射した光を反射部で反射させる。イメージセンサ１２は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで一旦反射した光を、反射部での反射によりカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂへ導くことで、光の有効利用を促進させる。

人間の眼の分光感度は、可視光の波長域のうちの中間域に位置する緑色付近をピークとする。ＲＧＢの各成分の中ではＧ成分が、画像の見え方に大きく影響を及ぼすこととなる。イメージセンサ１２は、マイクロレンズ３０から光を直進させた位置に光電変換素子２１Ｇを配置することで、特にＧ光について損失を低減させる。イメージセンサ１２は、Ｇ光の損失の低減により、Ｇ成分の解像度及びＳＮＲを高い水準で維持することで、見かけ上においても、高解像度及び低ノイズの実現が可能となる。

図５は、第１の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。第４反射部３５は、マイクロレンズ３０と第１反射部２５との間に設けられている。第３透明層３５ａは、マイクロレンズ３０側から第１反射部２５の開口側へ向かって漸次狭められた角錐形をなしている。

第４反射部３５は、マイクロレンズ３０と第１反射部２５との間の層部分のうち、第３透明層３５ａが設けられた部分以外の部分を占めている。第４反射部３５は、マイクロレンズ３０及び第１反射部２５の間において、マイクロレンズ３０から層内レンズ３１以外の方向へ進行する光を反射する第４反射面を構成する。

第４反射部３５は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を用いて構成されている。第３透明層３５ａは、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）等により構成されている。第４反射部３５として高反射性部材を適用する場合、高反射性部材は、第３透明層３５ａ同士の間の部分を充填するものである場合に限られない。第４反射部３５は、少なくとも、第３透明層３５ａとの界面が高反射性部材により構成されたものであれば良い。第４反射部３５は、第１反射部２５と一体としても良い。

マイクロレンズ３０から層内レンズ３１以外の方向へ進行した光は、第４反射部３５での反射により、層内レンズ３１の方向へ導かれる。変形例１にかかるイメージセンサ１２は、第４反射部３５の適用により、マイクロレンズ３０からの光を効率良く層内レンズ３１へ導き、光利用効率を向上させることができる。

図６は、第１の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。拡散部３６は、上記の層内レンズ３１に代えて、第１反射部２５の開口に設けられている。拡散部３６は、マイクロレンズ３０により集光する光を拡散させる。拡散部３６は、カラーフィルタ２２Ｇへ入射可能な範囲内で光が拡散するように、拡散度合いが設定されている。

拡散部３６での拡散を経てカラーフィルタ２２Ｇへ光を入射させることで、カラーフィルタ２２Ｇで反射する成分は、カラーフィルタ２２Ｇからさらに拡散することとなる。本変形例では、カラーフィルタ２２Ｇで反射した成分の光を、第１反射部２５の開口以外の方向へ効果的に拡散させることで、開口から第３透明層３５ａ側への光の射出を抑制させることができる。例えば、拡散部３６は、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いて三角錐構造を形成することで実現できる。

図７は、第１の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。マイクロレンズ３０は、第１反射部２５の開口３７付近で光を集束させる。開口３７には、光学素子を設けないものとする。開口付近３７で集束した光は、そのまま拡散する。マイクロレンズ３０は、一旦集束した光がカラーフィルタ２２Ｇへ入射可能な範囲内で拡散するように、集光度合いが設定されている。

本変形例も、変形例２と同様に、カラーフィルタ２２Ｇで反射した成分の光を、開口３７以外の方向へ効果的に拡散させ、開口３７から第３透明層３５ａ側への光の射出を抑制させることができる。イメージセンサ１２は、開口３７における光学素子を省略する分、部品点数及び製造工程の削減が可能となる。

なお、変形例２及び３において、イメージセンサ１２は、変形例１と同様の第４反射部３５を設ける構成としている。イメージセンサ１２は、変形例２及び３において、第４反射部３５を省略しても良い。

本実施形態において、図３に示すマイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの構成は、適宜変更可能であるものとする。図８は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図である。かかる変形例は、図３に示すマイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイを４５度回転させた構成をなしている。マイクロレンズ３０は、正方配列をなしている。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、正方配列を４５度傾けた配列をなしている。

かかる変形例のようにマイクロレンズ３０及び光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを配置した場合も、イメージセンサ１２は、図３に示す配置とする場合と同様、高品質な画像を得ることができる。また、ＩＳＰ１３（図２参照）は、イメージセンサ１２において光電変換素子２１Ｇが配列された行と光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂが交互に配列された行とから順次信号を読み出し可能とすることで、信号処理の容易化を図り得る。

（第２の実施形態）
図９及び図１０は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。図１１は、マイクロレンズアレイ、第２反射部及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１１では、イメージセンサ４０を入射側から見た場合におけるマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイより下に位置する第２反射部４２及び光電変換素子アレイを示している。一点鎖線Ａ１は、列方向において隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂの中心位置同士を繋ぐ直線とする。一点鎖線Ａ２は、列方向において隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｒの中心位置同士を繋ぐ直線とする。図９に示す断面は、図１１の一点鎖線Ａ１における切断面を表している。図１０に示す断面は図１１の一点鎖線Ａ２における切断面を表している。

イメージセンサ４０は、補色カラーフィルタ４１Ｃｙ及び４１Ｙｅを有する。補色カラーフィルタ４１Ｃｙは、マイクロレンズ３０からの光のうちシアン（Ｃｙ）成分を透過させ、他の成分を吸収する。補色カラーフィルタ４１Ｃｙは、Ｇ成分とＢ成分とを含む第１補色成分であるＣｙ成分を透過させる第１補色カラーフィルタである。補色カラーフィルタ４１Ｃｙは、マイクロレンズアレイと第３透明層３５ａとの間であって、列方向に並列する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂに対応させて設けられている。

補色カラーフィルタ４１Ｙｅは、マイクロレンズ３０からの光のうち黄（Ｙｅ）成分を透過させ、他の成分を吸収する。補色カラーフィルタ４１Ｙｅは、Ｇ成分とＲ成分とを含む第２補色成分であるＹｅ成分を透過させる第２補色カラーフィルタである。補色カラーフィルタ４１Ｙｅは、マイクロレンズアレイと第３透明層３５ａとの間であって、列方向に並列する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｒ対応させて設けられている。

図１２は、補色カラーフィルタの平面構成の模式図である。補色カラーフィルタ４１Ｃｙは、光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂが並列する列上のマイクロレンズ３０に合わせて配置されている。補色カラーフィルタ４１Ｙｅは、光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｒが並列する列上のマイクロレンズ３０に合わせて配置されている。補色カラーフィルタ４１Ｃｙの列と補色カラーフィルタ４１Ｙｅの列とは、行方向において交互に配置されている。

補色カラーフィルタ４１Ｃｙ及び４１Ｙｅは、マイクロレンズ３０と同じ形状で構成されている。なお、補色カラーフィルタ４１Ｃｙ、４１Ｙｅの形状は、適宜変更しても良い。補色カラーフィルタ４１Ｃｙ、４１Ｙｅは、八角形形状の他、例えば、正方形の四隅に丸みを持たせた形状や、正方形、円形等としても良い。補色カラーフィルタ４１Ｃｙ、４１Ｙｅの形状は、マイクロレンズ３０の形状とは異ならせることとしても良い。

図９に示す構成と図１０に示す構成とは、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ及び補色カラーフィルタ４１Ｃｙ、４１Ｙｅの配置が異なる他は、同様であるものとする。第１反射部２５、第２反射部４２及び第３反射部２７は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで反射した光をさらに反射する反射部として機能する。

第２反射部４２は、セル３２のうち補色カラーフィルタ４１Ｃｙに対応する部分と、補色カラーフィルタ４１Ｙｅに対応する部分とを分割して取り囲む第２反射面を構成する。第２反射部４２は、第１透明層２４のうち補色カラーフィルタ４１Ｃｙの下の部分と、補色カラーフィルタ４１Ｙｅの下の部分とをそれぞれ取り囲む。

図９に示す断面、及び図１０に示す断面において、第２反射部４２の一方の端部は、第１反射部２５に接合している。第２反射部４２のうち第１反射部２５側とは反対側の端部は、セル３２のうち補色カラーフィルタ４１Ｃｙに対応する部分と補色カラーフィルタ４１Ｙｅに対応する部分とを仕切る分離反射部２３に接合している。

図９に示す断面において、第２反射部４２のうち、カラーフィルタ２２Ｂと接する部分から上方には、側壁部分が形成されている。その側壁の中段より上には、斜面をなす庇状部分が形成されている。第２反射部４２のうち、カラーフィルタ２２Ｇと接する側の面は、下方側へ若干傾けられている。

図１０に示す断面において、第２反射部４２のうち、カラーフィルタ２２Ｒと接する部分から上方には、側壁部分が形成されている。その側壁の中段より上には、斜面をなす庇状部分が形成されている。第２反射部４２のうち、カラーフィルタ２２Ｇと接する側の面は、下方側へ若干傾けられている。なお、図１１において、第２反射部４２は、分離反射部２３に接合している端部近傍の部分の形状を示している。

第２反射部４２は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を用いて構成されている。第２反射部４２は、少なくとも、第１透明層２４との界面が高反射性部材により構成されたものであれば良い。第２反射部４２は、第１反射部２５と一体としても良い。

図１３は、イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図である。ここでは、補色カラーフィルタ４１Ｃｙを透過する光の振舞いを、図９に示す断面において図示している。図１０に示す断面における、補色カラーフィルタ４１Ｙｅを透過する光の振舞いも、補色カラーフィルタ４１Ｃｙを透過する光の場合と同様である。

マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。補色カラーフィルタ４１Ｃｙは、マイクロレンズ３０からの入射光のうち、Ｃｙ成分を透過させ、Ｒ成分を吸収する。補色カラーフィルタ４１Ｃｙを透過した光は、層内レンズ３１を透過した後、カラーフィルタ２２Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。カラーフィルタ２２Ｇは、入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｂ成分を反射する。

カラーフィルタ２２Ｇを透過したＧ光は、光電変換素子２１Ｇにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｇで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。第１反射部２５、第２反射部４２及び第３反射部２７は、入射した光を反射し、第１透明層２４内へさらに進行させる。カラーフィルタ２２Ｂは、入射した光のうちのＢ成分を透過させ、Ｇ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｂを透過したＢ光は、光電変換素子２１Ｂにて電荷に変換される。

補色カラーフィルタ４１Ｙｅは、マイクロレンズ３０からの入射光のうち、Ｙｅ成分を透過させ、Ｂ成分を吸収する。補色カラーフィルタ４１Ｙｅを透過した光は、層内レンズ３１を透過した後、カラーフィルタ２２Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。カラーフィルタ２２Ｇは、入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｒ成分を反射する。

カラーフィルタ２２Ｇを透過したＧ光は、光電変換素子２１Ｇにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｇで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。カラーフィルタ２２Ｒは、入射した光のうちのＲ成分を透過させ、Ｇ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｒを透過したＲ光は、光電変換素子２１Ｒにて電荷に変換される。

第２反射部４２は、適宜斜面を設けることで、カラーフィルタ２２Ｇでの反射を経た光を効率良くカラーフィルタ２２Ｂ及び２２Ｒの方向へ導く。なお、第２反射部４２の形状は、適宜変更可能であるものとする。第２反射部４２は、例えば、第１の実施形態の第２反射部２６（図１参照）と同様、全体が垂直な壁を構成するものとしても良い。

イメージセンサ４０は、色分離のための構成としてカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを採用することで、製造コストの高騰を抑制できる。イメージセンサ４０は、補色カラーフィルタ４１Ｃｙ及び４１Ｙｅに対応する部分ごとに第１透明層２４を取り囲む反射部を設けることで、入射光を効率良く利用可能とする。これにより、本実施形態のイメージセンサ４０は、第１の実施形態と同様、高い光利用効率による高感度な撮影、及び製造コストの低減が可能となる。

図１４は、第２の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。図示する断面は、互いに隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂの中心位置同士を含む切断面とする。図示する構成は、互いに隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｒの中心位置同士を含む切断面においても同様であるものとする。

拡散部３６は、上記の層内レンズ３１に代えて、第１反射部２５の開口に設けられている。拡散部３６は、マイクロレンズ３０により集光する光を拡散させる。拡散部３６は、カラーフィルタ２２Ｇへ入射可能な範囲内で光が拡散するように、拡散度合いが設定されている。例えば、拡散部３６は、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いて三角錐構造を形成することで実現できる。

拡散部３６での拡散を経てカラーフィルタ２２Ｇへ光を入射させることで、カラーフィルタ２２Ｇで反射する成分は、カラーフィルタ２２Ｇからさらに拡散することとなる。本変形例では、カラーフィルタ２２Ｇで反射した成分の光を、第１反射部２５の開口以外の方向へ効果的に拡散させることで、開口から第３透明層３５ａ側への光の射出を抑制させることができる。

図１５は、第２の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。図示する断面は、互いに隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂの中心位置同士を含む切断面とする。図示する構成は、互いに隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｒの中心位置同士を含む切断面においても同様であるものとする。

マイクロレンズ３０は、第１反射部２５の開口３７付近で光を集束させる。開口３７には、光学素子を設けないものとする。開口３７付近で集束した光は、そのまま拡散する。マイクロレンズ３０は、開口３７付近で一旦集束した光がカラーフィルタ２２Ｇへ入射可能な範囲内で拡散するように、集光度合いが設定されている。

本変形例も、変形例１と同様に、カラーフィルタ２２Ｇで反射した成分の光を、開口３７以外の方向へ効果的に拡散させ、開口３７から第３透明層３５ａ側への光の射出を抑制させることができる。イメージセンサ４０は、開口３７における光学素子を省略する分、部品点数及び製造工程の削減が可能となる。

図１６及び図１７は、第２の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。図１６に示す断面は、互いに隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｂの中心位置同士を含む切断面とする。図１７に示す断面は、互いに隣接する光電変換素子２１Ｇ及び２１Ｒの中心位置同士を含む切断面とする。

カラーフィルタ２２Ｇは、補色カラーフィルタ４１Ｃｙからの光が入射する層内レンズ３１と光電変換素子２１Ｇとの間の光路中、及び、補色カラーフィルタ４１Ｙｅからの光が入射する層内レンズ３１と光電変換素子２１Ｇとの間の光路中に配置されている。カラーフィルタ２２Ｇは、マイクロレンズ３０から光電変換素子２１Ｇへ進行する入射光の主光線に対して、入射面が略４５度をなすように傾けられている。

第２反射部４２のうち、光電変換素子２１Ｂの上方に形成された斜面、及び光電変換素子２１Ｒの上方に形成された斜面は、カラーフィルタ２２Ｇの入射面と同様に傾けられて構成されている。本変形例では、本実施形態で説明する他のイメージセンサ４０には設けられているカラーフィルタ２２Ｂ及び２２Ｒを省略している。

カラーフィルタ２２Ｇは、補色カラーフィルタ４１Ｃｙから入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｂ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｇを透過したＧ成分の光は、光電変換素子２１Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。カラーフィルタ２２Ｇで反射したＢ成分の光は、第２反射部４２のうち、カラーフィルタ２２Ｇの入射面と向かい合う部分へ進行する。第２反射部４２は、カラーフィルタ２２Ｇから入射した光を、下方の光電変換素子２１Ｂへ向けて反射する。

カラーフィルタ２２Ｇは、補色カラーフィルタ４１Ｙｅから入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｒ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｇを透過したＧ成分の光は、光電変換素子２１Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。カラーフィルタ２２Ｇで反射したＲ成分の光は、第２反射部４２のうち、カラーフィルタ２２Ｇの入射面と向かい合う部分へ進行する。第２反射部４２は、カラーフィルタ２２Ｇから入射した光を、下方の光電変換素子２１Ｒへ向けて反射する。

本変形例において、カラーフィルタ２２Ｇは、第２反射部４２のうち光電変換素子２１Ｂの上方の部分、または光電変換素子２１Ｒの上方の部分を向くように傾けてられて配置されている。イメージセンサ４０は、カラーフィルタ２２Ｇで反射するＲ成分及びＢ成分の光を、効率良く光電変換素子２１Ｂ及び２１Ｒへそれぞれ進行させることができる。

これにより、イメージセンサ４０は、光利用効率を高めることが可能となる。また、イメージセンサ４０は、光電変換素子２１Ｂの受光面のカラーフィルタ２２Ｂ、及び光電変換素子２１Ｒの受光面のカラーフィルタ２２Ｒを省略する分、部品点数及び製造工程の削減が可能となる。

第２の実施形態の変形例３では、Ｇ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射するカラーフィルタ２２Ｇを適用することとしたが、これに代えて、Ｒ成分及びＢ成分を透過させ、Ｇ成分を反射するカラーフィルタを適用しても良い。

なお、本実施形態で説明するいずれのイメージセンサ４０も、第４反射部３５を省略可能であるものとする。また、第１の実施形態と同様、第２の実施形態も、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの構成を適宜変更しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１２、４０イメージセンサ、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ光電変換素子、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂカラーフィルタ、３０マイクロレンズ、３２セル、３７開口、４１Ｃｙ、４１Ｙｅ補色カラーフィルタ。

Claims

第１色光を検出する第１色光用の光電変換素子と、第２色光を検出する第２色光用の光電変換素子と、第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子と、を少なくとも備える光電変換素子アレイと、
光を集束させる集光光学素子を備え、前記光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられた集光光学素子アレイと、
前記光電変換素子の受光面に設けられ、前記光電変換素子ごとに、前記光電変換素子で検出対象とする色光を透過させ他の色光を反射するカラーフィルタと、
前記カラーフィルタで反射した光をさらに反射する第１反射部及び第２反射部と、を有し、
前記光電変換素子アレイは、前記第１色光用、前記第２色光用及び前記第３色光用の光電変換素子を含めたセルを単位とするベイヤー配列をなして構成され、
前記集光光学素子は、前記第１色光用の光電変換素子と、前記第１色光用の光電変換素子に隣り合う前記第２色光用及び前記第３色光用の光電変換素子の各一部分とを含む範囲に合わせて配置され、
前記第１反射部は、前記光電変換素子と対面して設けられており、かつ前記集光光学素子からの光を通過させる開口を備え、
前記第２反射部は、前記第１反射部に接合され、かつ、前記第１色光用、前記第２色光用及び前記第３色光用の光電変換素子のうちの２つごとあるいは前記セルごとに、前記光電変換素子及び前記第１反射部の間を取り囲むことを特徴とする固体撮像装置。
前記集光光学素子および前記第１反射部の間に設けられ、前記集光光学素子から前記開口の方向以外の方向へ進行する光を反射する反射部をさらに有する、請求項１に記載の固体撮像装置。
前記カラーフィルタは、原色光を透過させ他の色光を反射する原色カラーフィルタであって、
前記集光光学素子からの光のうち前記第１色光の成分と前記第２色光の成分とを含む第１補色成分を透過させる第１補色カラーフィルタと、
前記集光光学素子からの光のうち前記第１色光の成分と前記第３色光の成分とを含む第２補色成分を透過させる第２補色カラーフィルタと、をさらに有し、
前記第２の反射部は、前記セルのうち前記第１補色カラーフィルタに対応する部分と、前記第２補色カラーフィルタに対応する部分とを取り囲むことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記カラーフィルタ及び第１反射部の間に設けられ、光を透過させる透明層を有し、
前記第１反射部、前記第２反射部及び前記カラーフィルタは、前記透明層を三次元方向から取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記開口には、光を拡散させる構造が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。