JP7375852B2 - 固体撮像素子およびその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents

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Description

本技術は、固体撮像素子およびその製造方法、並びに電子機器に関し、特に、低感度画素と高感度画素で分光特性を変えることなく受光感度差をつけることにより、ダイナミックレンジの拡大を実現することができるようにする固体撮像素子およびその製造方法、並びに電子機器に関する。
車載カメラや監視カメラなどの固体撮像素子においては、例えばトンネル走行等のあらゆるシーンに対応するため、ダイナミックレンジの拡大が求められている。
各画素の画素サイズを同一に形成した固体撮像素子では、広いダイナミックレンジを確保することが難しい為、画素アレイ内で画素サイズの異なる２種類の画素を混在させ、感度差を付ける手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
さらにダイナミックレンジを広げる手法として、画素サイズの異なる高感度画素と低感度画素のうち、低感度画素に対して、可視光領域を透過させるクリア画素と、クリア画素に対して透過率を一定割合だけ落としたグレイ画素を設ける手法がある(例えば、特許文献２参照)。
特開２００５－２６８３５６号公報 特開２００７－２８１８７５号公報
しかしながら、特許文献２に開示の手法では、低感度画素から高感度画素への光路混色が悪化し、また、クリア画素とグレイ画素では色情報が無い為、色再現性が低下する。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、低感度画素と高感度画素で分光特性を変えることなく受光感度差をつけることにより、ダイナミックレンジの拡大を実現することができるようにするものである。
本技術の第１の側面の固体撮像素子は、受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備え、前記高感度画素と前記低感度画素は、同一層にカラーフィルタを有し、前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜を有し、前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、前記低感度画素は、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、前記カラーフィルタの下側の層に備えるとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜を備え、前記グレイフィルタは、前記画素間遮光膜と同層に形成され、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成されている。
本技術の第２の側面の固体撮像素子の製造方法は、受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部の前記高感度画素と前記低感度画素の同一層にカラーフィルタを形成し、前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜を形成し、前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、前記低感度画素に対し、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、前記カラーフィルタの下側の層に形成するとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜を形成し、前記グレイフィルタを、前記画素間遮光膜と同層で、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成する。
本技術の第３の側面の電子機器は、受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備え、前記高感度画素と前記低感度画素は、同一層にカラーフィルタを有し、前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜を有し、前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、前記低感度画素は、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、前記カラーフィルタの下側の層に備えるとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜を備え、前記グレイフィルタは、前記画素間遮光膜と同層に形成され、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成されている固体撮像素子を備える。
本技術の第１乃至第３の側面においては、受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部が設けられ、前記高感度画素と前記低感度画素では、同一層にカラーフィルタが設けられ、前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜が設けられ、前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、前記低感度画素には、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタが、前記カラーフィルタの下側の層に備えられるとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜が備えられ、前記グレイフィルタは、前記画素間遮光膜と同層に形成され、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成されている。
固体撮像素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本技術の第１乃至第３の側面によれば、低感度画素と高感度画素で分光特性を変えることなく受光感度差をつけることにより、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術を適用した固体撮像素子の概略構成を示す図である。 高感度画素と低感度画素の配列を示す図である。 第１の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。 第１の実施の形態の画素構造を説明する断面図である。 カーボンブラックを分散させたグレイフィルタの透過率を示す図である。 無機顔料を分散させたグレイフィルタの透過率を示す図である。 第１の実施の形態の高感度画素と低感度画素の製造方法を説明する図である。 第１の実施の形態における第１の変形例を示す断面図である。 第１の実施の形態における第２の変形例を示す断面図である。 第１の実施の形態における第３の変形例を示す断面図である。 積層構造によるグレイフィルタの透過率を示す図である。 第２の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。 第３の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。 第３の実施の形態の第１の画素構造を説明する断面図である。 第３の実施の形態の第２の画素構造を説明する断面図である。 第３の実施の形態の第３の画素構造を説明する断面図である。 第４の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。 第４の実施の形態の第１の画素構造を説明する断面図である。 第４の実施の形態の第２の画素構造を説明する断面図である。 第４の実施の形態の第３の画素構造を説明する断面図である。 本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。 図１の固体撮像素子の使用例を説明する図である。
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像素子の概略構成例
２．第１の実施の形態（RGB配列とグレイフィルタを備える画素構造）
３．第２の実施の形態（RGBC配列とグレイフィルタを備える画素構造）
４．第３の実施の形態（RC配列とグレイフィルタを備える画素構造）
５．第４の実施の形態（C配列とグレイフィルタを備える画素構造）
６．電子機器への適用例
＜１．固体撮像素子の概略構成例＞
図１は、本技術を適用した固体撮像素子の概略構成を示している。
図１の固体撮像素子１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１２に、画素２が２次元配置された画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、出力回路７、制御回路８などが含まれる。
画素２は、光電変換素子としてのフォトダイオードと、複数の画素トランジスタを有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、増幅トランジスタの４つのMOSトランジスタで構成される。
また、画素２は、共有画素構造とすることもできる。この共有画素構造は、複数のフォトダイオードと、複数の転送トランジスタと、共有される１つのフローティングディフージョン（浮遊拡散領域）と、共有される１つずつの他の画素トランジスタとから構成される。すなわち、共有画素構造では、複数の単位画素を構成するフォトダイオード及び転送トランジスタが、他の１つずつの画素トランジスタを共有して構成される。
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像素子１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に出力する。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、所定の画素駆動配線１０を選択し、選択された画素駆動配線１０に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素２の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線９を通してカラム信号処理回路５に供給させる。
カラム信号処理回路５は、画素２の列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)およびAD変換等の信号処理を行う。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１３は、外部と信号のやりとりをする。
以上のように構成される固体撮像素子１は、CDS処理とAD変換処理を行うカラム信号処理回路５が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
固体撮像素子１の画素アレイ部３には、高感度画素と低感度画素の受光感度の異なる２種類の画素２が２次元配置されている。
＜２．第１の実施の形態＞
高感度画素と低感度画素の第１の実施の形態について説明する。
＜高感度画素と低感度画素の配列例＞
図２は、画素アレイ部３における高感度画素２Hと低感度画素２Lの配列を示す図である。
高感度画素２Hは、正方形の四隅を面取りしたような八角形の平面形状を有し、画素アレイ部３の水平方向及び垂直方向に配列されている。
低感度画素２Lは、２次元配置された高感度画素２Hの四隅の隙間の領域に、高感度画素２Hよりも小さい平面サイズ（画素サイズ）で形成されている。低感度画素２Lは、略四角形の高感度画素２Hに対して４５度回転させた菱形形状で、画素アレイ部３の水平方向及び垂直方向に配列されている。
低感度画素２Lは、画素の平面サイズ（画素サイズ）が、高感度画素２Hよりも小さく形成されている他、可視光領域において透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを有することで、受光感度が高感度画素２Hより低くなるように構成されている。
＜カラーフィルタ配列例＞
図３は、画素アレイ部３の各画素２に形成されたカラーフィルタの配列を示す図である。
画素アレイ部３では、高感度画素２Hにおいて、R（RED）のカラーフィルタ２１R、G（GREEN）のカラーフィルタ２１G、及び、B（BLUE）のカラーフィルタ２１Bが、いわゆるベイヤ配列で配列されている。ここで、Rのカラーフィルタ２１Rは、赤の波長領域の光を透過させるフィルタであり、Gのカラーフィルタ２１Gは、緑の波長領域の光を透過させるフィルタであり、Bのカラーフィルタ２１Bは、青の波長領域の光を透過させるフィルタである。なお以下においてR、G、Bの違いを区別する必要がない場合には、単にカラーフィルタ２１と称する。
また、低感度画素２Lにおいても、Rのカラーフィルタ２１R、Gのカラーフィルタ２１G、及び、Bのカラーフィルタ２１Bが、いわゆるベイヤ配列で配列されている。
従って、２次元配置された低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の配列は、２次元配置された高感度画素２Hのカラーフィルタ２１の配列と同じである。換言すれば、図３において、所定の高感度画素２Hに注目したとき、注目した高感度画素２Hと、その左斜め上に位置する低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の色が同色となっている。
図３において、低感度画素２Lに付された濃度は、可視光領域において透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２（図４）が配置されていることを表す。すなわち、グレイフィルタ２２は、画素アレイ部３において２次元配置された高感度画素２Hと低感度画素２Lのうち、低感度画素２Lにのみ形成されている。
＜高感度画素と低感度画素の断面図＞
図４は、高感度画素と低感度画素の画素構造を説明する断面図である。
図４の断面図は、高感度画素２Hと低感度画素２Lのうち、例えば図３において破線で示される、Rのカラーフィルタ２１Rを有する高感度画素２Hと低感度画素２Lの断面図である。
高感度画素２Hと低感度画素２Lにおいては、半導体基板１２の、例えば、P型（第１導電型）の半導体領域４１に、N型（第２導電型）の半導体領域４２を画素ごとに形成することにより、フォトダイオードPDが、画素単位に形成されている。半導体基板１２の表裏両面に臨むP型の半導体領域４１は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
図４において半導体基板１２の下側となる表面側には、フォトダイオードPDに蓄積された電荷の読み出し等を行う複数の画素トランジスタと、複数の配線層と層間絶縁膜などが形成されているが、それらの図示が省略されている。
図４において半導体基板１２の上側となる裏面側の画素境界には、画素間遮光膜４３が形成されている。画素間遮光膜４３は、光を遮光する材料であればよいが、遮光性が強く、かつ微細加工、例えばエッチングで精度よく加工できる材料が望ましい。画素間遮光膜４３は、例えば、タングステン（W）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)などの金属膜で形成することができる。
なお、半導体基板１２の裏面側の表層全体には、例えば、ハフニウム酸化（HfO2）膜とシリコン酸化膜の２層の膜からなる反射防止膜が形成されてもよい。
画素間遮光膜４３上面、及び、画素間遮光膜４３で開口された半導体基板１２上面には、Rのカラーフィルタ２１Rが形成されている。Rのカラーフィルタ２１Rは、例えば顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を回転塗布することによって形成される。
低感度画素２Lでは、Rのカラーフィルタ２１Rの上側にグレイフィルタ２２が形成され、その上にオンチップレンズ４４が形成されている。一方、高感度画素２Hでは、Rのカラーフィルタ２１Rの上側に、直接、オンチップレンズ４４が形成されている。
このように、固体撮像素子１の画素アレイ部３には、高感度画素２Hと低感度画素２Lが２次元配置されており、低感度画素２Lは、高感度画素２Hよりも画素サイズが小さく形成されるとともに、高感度画素２Hには形成されていないグレイフィルタ２２が形成されている。
グレイフィルタ２２は、可視光領域において光の透過率を所定の割合で低下させるカラーフィルタである。グレイフィルタ２２は、例えば、アクリル樹脂、フッ素系アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂などの有機樹脂に、有機顔料、無機顔料、カーボンブラック等の遮光性材料を分散させた材料で構成される。また、グレイフィルタ２２は、Si基を導入したハイブリッド樹脂、あるいはSiNやSiO2などの無機材料に、有機顔料、無機顔料、または、カーボンブラックのいずれかの遮光性材料を分散させた材料で構成してもよい。
図５は、有機樹脂（例えば、アクリル樹脂）にカーボンブラックを分散させることで形成したグレイフィルタ２２の４００nm乃至７００nmの各波長における透過率を示すグラフである。
図６は、有機樹脂（例えば、アクリル樹脂）に無機顔料（例えば、酸化チタン）を分散させることで形成したグレイフィルタ２２の４００nm乃至７００nmの各波長における透過率を示すグラフである。
有機樹脂に有機顔料を分散させてグレイフィルタ２２を形成した例では、図５に示されるように、４００nm乃至７００nmの各波長における透過率が、約５０％となっている。
有機樹脂に無機顔料を分散させてグレイフィルタ２２を形成した例では、図６に示されるように、４００nm乃至７００nmの各波長における透過率が、約４０乃至６０％となっている。
グレイフィルタ２２は、４００nm乃至７００nmの波長における平均透過率が１０％乃至９０％の範囲内であり、４００nm乃至７００nmの各波長の透過率が、５５０nmの波長の透過率の－１５％乃至＋１５％の範囲内であるように形成されていればよい。また、低感度画素２Lの受光感度は、高感度画素２Hの受光感度の５０％前後、望ましくは５０％以下とすることが好ましい。
グレイフィルタ２２の膜厚は、例えば、１００nm乃至１０００nmの範囲内で形成される。
以上の構成を有する固体撮像素子１は、画素トランジスタが形成される半導体基板１２の表面側と反対側の裏面側から光が入射される裏面照射型のMOS型固体撮像素子である。
低感度画素２Lは、高感度画素２Hに対して画素サイズ（平面サイズ）を小さくし、かつ、可視光領域において光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２をさらに追加しただけの構成であるので、R、G、及びBのカラーフィルタ２１による透過率の波長依存性を変えることなく、透過率をコントロールすることができる。したがって、低感度画素２Lと高感度画素２Hで分光特性を変えることなく受光感度差をつけることにより、ダイナミックレンジを拡大させた画素信号を生成することができる。
また、グレイフィルタ２２の膜厚や、遮光性材料の含有量を調整することで、高感度画素２Hと低感度画素２Lとの受光感度差を容易に大きくすることができ、ダイナミックレンジの拡大が容易である。
＜第１の実施の形態の製造方法＞
図７を参照して、図４に示した固体撮像素子１の高感度画素２Hと低感度画素２Lの製造方法について説明する。
初めに、図７のAに示されるように、半導体基板１２に対して、画素ごとに、フォトダイオードPDが形成された後、半導体基板１２の裏面側の画素境界に、画素間遮光膜４３が形成される。なお、半導体基板１２の下側となる表面側には、図示が省略された複数の画素トランジスタや、複数の配線層、層間絶縁膜などが既に形成されている。
次に、図７のBに示されるように、画素間遮光膜４３上面、及び、画素間遮光膜４３で開口された半導体基板１２上面に、カラーレジストを回転塗布し、フォトリソグラフィでパターン加工することにより、Rのカラーフィルタ２１Rが所定の膜厚で形成される。図７の例では、Rのカラーフィルタ２１Rのみが示されているが、図３を参照して説明したように、画素アレイ部３全体では、高感度画素２Hと低感度画素２Lのそれぞれにおいて、Rのカラーフィルタ２１R、Gのカラーフィルタ２１G、及び、Bのカラーフィルタ２１Bが、いわゆるベイヤ配列となるように形成される。
次に、図７のCに示されるように、低感度画素２Lのカラーフィルタ２１（図７では、Rのカラーフィルタ２１R）の上側に、グレイフィルタ２２が形成される。グレイフィルタ２２は、フォトリソグラフィまたはドライエッチングにて形成可能である。
最後に、図７のDに示されるように、オンチップレンズ４４が、高感度画素２Hと低感度画素２Lのそれぞれにおいて同じ高さとなるように形成される。オンチップレンズ４４は、例えば、感光性の樹脂材料をフォトリソグラフィでパターン加工した後に、リフロー処理でレンズ形状に変形させることで形成することができる。
以上の工程により固体撮像素子１が完成する。低感度画素２Lの構造は、高感度画素２Hに対してグレイフィルタ２２の１層が追加されただけであるので、製造方法も容易である。
＜第１の実施の形態の変形例＞
次に、上述した第１の実施の形態の変形例について説明する。なお、後述する各変形例において、上述した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
＜第１の変形例＞
図８は、第１の実施の形態における第１の変形例を示す高感度画素と低感度画素の画素構造を説明する断面図である。
図８に示される第１の変形例では、図４に示した第１の実施の形態の構成に加えて、半導体基板１２とカラーフィルタ２１との間に、平坦化膜６１が新たに挿入されている。平坦化膜６１は、例えば、樹脂などの有機材料を回転塗布することによって形成される。また、平坦化膜６１は、例えばSiO2等の無機膜を成膜して、CMP（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化することで形成されてもよい。
＜第２の変形例＞
図９は、第１の実施の形態における第２の変形例を示す高感度画素と低感度画素の画素構造を説明する断面図である。
図９に示される第２の変形例では、図８に示した第１の変形例と同様に、半導体基板１２とカラーフィルタ２１との間に、平坦化膜６１が新たに挿入されている。
また、第２の変形例では、グレイフィルタ２２が、低感度画素２Lのカラーフィルタ２１（図９ではRのカラーフィルタ２１R）の上側ではなく、カラーフィルタ２１の下側に形成されており、高感度画素２Hでは平坦化膜６１となっている層の一部が、グレイフィルタ２２となっている。
このように、低感度画素２Lに形成されるグレイフィルタ２２は、カラーフィルタ２１の上側に形成してもよいし、カラーフィルタ２１の下側に形成してもよい。また、カラーフィルタ２１とグレイフィルタ２２との間には、平坦化膜６１などの所定の膜が挿入されていてもよい。
＜第３の変形例＞
図１０は、第１の実施の形態における第３の変形例を示す高感度画素と低感度画素の画素構造を説明する断面図である。
図４に示した第１の実施の形態では、グレイフィルタ２２が１層で構成されていた。これに対し、図１０に示される第３の変形例では、グレイフィルタ７３が、第１の膜７１と第２の膜７２を積層した２層構造で構成されている。
図１１は、第１の膜７１と第２の膜７２を積層して構成されたグレイフィルタ７３の４００nm乃至７００nmの各波長における透過率を示すグラフである。
第１の膜７１は、例えば、図４で示した第１の実施の形態のグレイフィルタ２２と同じ材料で構成され、その透過率は、図１１において破線で示されている。第１の膜７１の分光特性は、上述した図６の分光特性と同じである。
第２の膜７２は、例えば、Rのカラーフィルタ２１Rと同じ材料で構成され、その透過率は、図１１において一点鎖線で示されている。
第１の膜７１と第２の膜７２を積層して構成されたグレイフィルタ７３の各波長における透過率は、第１の膜７１の透過率と第２の膜７２の透過率を合成した値となり、図１１において実線で示されている。
このように、低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の上側または下側に配置されるグレイフィルタ７３は、複数種類の膜を積層して構成することができる。複数種類の膜を積層して構成することで、グレイフィルタ７３の分光特性を、長波長と短波長の分光差を少なくした分光特性とすることができる。上述した例は、２種類の膜を積層した例であるが、３種類以上の膜を積層した構成でもよい。
＜３．第２の実施の形態＞
次に、高感度画素と低感度画素の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態と異なる部分について説明し、共通する部分についての説明は適宜省略する。
第２の実施の形態では、カラーフィルタ２１の配列が、上述した第１の実施の形態と異なる。
＜カラーフィルタ配列例＞
図１２は、第２の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。
第２の実施の形態では、Rのカラーフィルタ２１R、Gのカラーフィルタ２１G、及び、Bのカラーフィルタ２１Bに加えて、C（CLEAR）のカラーフィルタ２１Cを含めた４種類のカラーフィルタ２１が所定の規則で配列されている。Cのカラーフィルタ２１Cは、可視光領域の全領域の光を透過させるフィルタである。例えば、Cのカラーフィルタ２１Cは、４００nm乃至７００nmの波長における平均透過率が９０％以上のフィルタである。
第２の実施の形態においても、２次元配置された低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の配列と、２次元配置された高感度画素２Hのカラーフィルタ２１の配列は同じである。換言すれば、図１２において、所定の高感度画素２Hに注目したとき、注目した高感度画素２Hと、その左斜め上に位置する低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の色が同色となっている。
また、低感度画素２Lには、第１の実施の形態と同様に、入射光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２が配置されている。
＜４．第３の実施の形態＞
次に、高感度画素と低感度画素の第３の実施の形態について説明する。なお、第３の実施の形態においても、上述した第１及び第２の実施の形態と異なる部分について説明し、共通する部分についての説明は適宜省略する。
第３の実施の形態では、カラーフィルタ２１の配列が、上述した第１の実施の形態と異なる。
＜カラーフィルタ配列例＞
図１３は、第３の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。
第３の実施の形態では、Rのカラーフィルタ２１RとCのカラーフィルタ２１Cの２種類のカラーフィルタ２１が所定の規則で配列されている。
２次元配置された低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の配列と、２次元配置された高感度画素２Hのカラーフィルタ２１の配列は同じである。換言すれば、図１３において、所定の高感度画素２Hに注目したとき、注目した高感度画素２Hと、その左斜め上に位置する低感度画素２Lのカラーフィルタ２１の色が同色となっている。
また、低感度画素２Lには、第１の実施の形態と同様に、入射光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２が配置されている。
＜高感度画素と低感度画素の断面図＞
＜第１の画素構造＞
図１４は、第３の実施の形態における高感度画素と低感度画素の第１の画素構造を説明する断面図である。
図１４の断面図は、高感度画素２Hと低感度画素２Lのうち、例えば図１３において破線で示される、Rのカラーフィルタ２１Rを有する高感度画素２Hと、Cのカラーフィルタ２１Cを有する低感度画素２Lの断面図である。
図１４に示される高感度画素２Hの画素構造は、図８を参照して説明した第１の実施の形態における第１の変形例の高感度画素２Hの画素構造と同様である。
一方、図１４に示される低感度画素２Lの画素構造は、図８を参照して説明した第１の実施の形態における第１の変形例の低感度画素２LのRのカラーフィルタ２１Rを、Cのカラーフィルタ２１Cに置き換えた構造となっている。
＜第２の画素構造＞
図１５は、第３の実施の形態における高感度画素と低感度画素の第２の画素構造を説明する断面図である。
図１５に示される高感度画素２Hの画素構造は、図９を参照して説明した第１の実施の形態における第２の変形例の高感度画素２Hの画素構造と同様である。
一方、図１５に示される低感度画素２Lの画素構造は、図９を参照して説明した第１の実施の形態における第２の変形例の低感度画素２LのRのカラーフィルタ２１Rを、Cのカラーフィルタ２１Cに置き換えた構造となっている。
また、図示は省略するが、第１の実施の形態において説明した、平坦化膜６１を有さない図４の画素構造や図１０の画素構造のRのカラーフィルタ２１Rを、Cのカラーフィルタ２１Cに置き換えた構造も、第２の実施の形態の画素構造として採用可能である。
＜第３の画素構造＞
図１６は、第３の実施の形態における高感度画素と低感度画素の第３の画素構造を説明する断面図である。
図１６に示される高感度画素２Hの画素構造は、図１５に示した第３の実施の形態の第２の画素構造の高感度画素２Hの画素構造と同様である。
一方、図１６に示される低感度画素２Lの画素構造は、図１５に示した第３の実施の形態の第２の画素構造の低感度画素２LのCのカラーフィルタ２１Cを、オンチップレンズ４４と同一材料で形成した構造となっている。オンチップレンズ４４の材料には、例えば、シリコン窒化膜（SiN）、または、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン－アクリル共重合系樹脂、若しくはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料を用いることができる。
このように、低感度画素２Lにおいて、Cのカラーフィルタ２１Cと、オンチップレンズ４４が、他の層を挟まずに隣接している場合には、Cのカラーフィルタ２１Cを、オンチップレンズ４４の材料で形成することができる。
＜５．第４の実施の形態＞
次に、高感度画素と低感度画素の第４の実施の形態について説明する。なお、第４の実施の形態においても、上述した第１乃至第３の実施の形態と異なる部分について説明し、共通する部分についての説明は適宜省略する。
第４の実施の形態では、カラーフィルタ２１の配列が、上述した第１乃至第３の実施の形態と異なる。
＜カラーフィルタ配列例＞
図１７は、第４の実施の形態におけるカラーフィルタの配列を示す図である。
第４の実施の形態では、カラーフィルタ２１としては、Cのカラーフィルタ２１Cのみが配列されている。
また、低感度画素２Lには、第１の実施の形態と同様に、入射光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２が配置されている。
＜高感度画素と低感度画素の断面図＞
＜第１の画素構造＞
図１８は、第４の実施の形態における高感度画素と低感度画素の第１の画素構造を説明する断面図である。
図１８の断面図は、例えば図１７において破線で示される、高感度画素２Hと低感度画素２Lの断面図に相当する。
カラーフィルタ２１がCのカラーフィルタ２１Cのみで構成される場合、図１８に示されるように、高感度画素２HのCのカラーフィルタ２１Cは、オンチップレンズ４４と同一材料により一体で形成することができる。なお勿論、オンチップレンズ４４と異なる材料でCのカラーフィルタ２１Cを形成してもよい。
一方、低感度画素２Lでは、半導体基板１２の裏面側上面にグレイフィルタ２２が形成され、グレイフィルタ２２の上側にオンチップレンズ４４が形成されている。換言すれば、低感度画素２Lでは、高感度画素２HのCのカラーフィルタ２１Cに相当する層に、グレイフィルタ２２が所定の膜厚で形成され、そのグレイフィルタ２２の上側にオンチップレンズ４４が形成されている。
＜第２の画素構造＞
図１９は、第４の実施の形態における高感度画素と低感度画素の第２の画素構造を説明する断面図である。
第４の実施の形態の第２の画素構造における高感度画素２Hと低感度画素２Lの画素構造は、図９に示した第１の実施の形態の第２の変形例のカラーフィルタ２１（図９ではRのカラーフィルタ２１R）を、オンチップレンズ４４に置き換えた構造を有している。
＜第３の画素構造＞
図２０は、第４の実施の形態における高感度画素と低感度画素の第３の画素構造を説明する断面図である。
第４の実施の形態の第３の画素構造における高感度画素２Hと低感度画素２Lの画素構造では、図８の第１の実施の形態の第１の変形例と同様に、画素間遮光膜４３上面と、画素間遮光膜４３で開口された半導体基板１２上面に、平坦化膜６１が形成されている。
また、低感度画素２Lでは、平坦化膜６１の上にグレイフィルタ２２が形成され、その上にオンチップレンズ４４が形成されている。一方、高感度画素２Hでは、平坦化膜６１の上に、直接、オンチップレンズ４４が形成されている。
画素アレイ部３の全画素が可視光領域全域の光を受光する場合、換言すれば、固体撮像素子１がモノクロ画像を生成する撮像素子である場合には、上述した第１乃至第３の画素構造のように構成することができる。
＜まとめ＞
以上のように、固体撮像素子１は、受光感度の異なる高感度画素２Hと低感度画素２Lの２種類の画素２を有する画素アレイ部３を備え、低感度画素２Lは、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２を、カラーフィルタ２１の上側または下側に有する。
低感度画素２Lの深さ方向の構造は、高感度画素２Hと比較して、グレイフィルタ２２の層が追加されただけであり、カラーフィルタ２１の配列は、高感度画素２Hと低感度画素２Lで同じであるため、カラーフィルタ２１による透過率の波長依存性を変えることなく、透過率をコントロールすることができる。したがって、低感度画素２Lと高感度画素２Hで分光特性を変えることなく受光感度差をつけることにより、ダイナミックレンジを拡大させた画素信号を生成することができる。
上述した例では、カラーフィルタ２１の配列として、例えば、図３のR，G，及びBからなるベイヤ配列、図１２のR，G，B，及びCからなる配列、図１３のR及びCからなる配列の３種類の例を挙げて説明したが、本技術は、これ以外のカラーフィルタ２１の配列にも適用することができる。例えば、Ye（黄色）やCy（シアン）等の補色のカラーフィルタ２１を含む構成などにも適用することができる。
また、上述した第４の実施の形態のように、カラーフィルタ２１を有さないモノクロ画像を生成する固体撮像素子１にも適用することができる。この場合、オンチップレンズ４４の一部の層がCのカラーフィルタ２１Cに対応すると捉えることもできるし、カラーフィルタ２１が省略されていると捉えることもできる。
低感度画素２Lと高感度画素２Hは、グレイフィルタ２２に関する構成以外では、画素サイズが異なり、それによりフォトダイオードPDの平面領域（受光面積）が異なる構成としたが、グレイフィルタ２２以外の構造は、低感度画素２Lと高感度画素２Hで同じ構造としてもよい。換言すれば、上述した各画素構造において、低感度画素２Lと高感度画素２Hとで、画素サイズが同じであってもよい。また、低感度画素２Lと高感度画素２Hの平面領域の画素形状も、図２に示した八角形と四角形に限られない。
あるいはまた、グレイフィルタ２２の構成の他に、画素サイズ以外の構造の違いによって低感度画素２Lと高感度画素２Hの受光感度に差を付けてもよい。例えば、画素間遮光膜４３による開口領域を低感度画素２Lと高感度画素２Hで変えることで受光感度に差を付けたり、半導体基板１２に形成されるフォトダイオードPDの深さ位置を低感度画素２Lと高感度画素２Hとで変えることで受光感度に差を付けた構成としてもよい。また、画素サイズ、画素間遮光膜４３による開口領域、及び、フォトダイオードPDの深さ位置のいずれか２つ以上が、低感度画素２Lと高感度画素２Hとで異なっていてもよい。
固体撮像素子１は、裏面照射型のMOS型固体撮像素子であるとして説明したが、画素トランジスタが形成される半導体基板１２の表面側から光が入射される表面照射型とすることもできる。
＜６．電子機器への適用例＞
本技術は、固体撮像素子への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
図２１は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図２１の撮像装置１００は、レンズ群などからなる光学部１０１、図１の固体撮像素子１の構成が採用される固体撮像素子（撮像デバイス）１０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路１０３を備える。また、撮像装置１００は、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７、および電源部１０８も備える。DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７および電源部１０８は、バスライン１０９を介して相互に接続されている。
光学部１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像素子１０２の撮像面上に結像する。固体撮像素子１０２は、光学部１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子１０２として、図１の固体撮像素子１、即ち、受光感度の異なる高感度画素２Hと低感度画素２Lの２種類の画素２を有する画素アレイ部３を備え、低感度画素２Lは、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタ２２を有する固体撮像素子を用いることができる。
表示部１０５は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部１０６は、固体撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
操作部１０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置１００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部１０８は、DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６および操作部１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
上述したように、固体撮像素子１０２として、上述した各実施の形態を適用した固体撮像素子１を用いることで、低感度画素２Lと高感度画素２Hで分光特性を変えることなく受光感度差をつけることにより、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置１００においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
＜イメージセンサの使用例＞
図２２は、上述の固体撮像素子１を用いたイメージセンサの使用例を示す図である。
上述の固体撮像素子１を用いたイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
上述した例では、第１導電型をP型、第２導電型をN型として、電子を信号電荷とした固体撮像素子について説明したが、本技術は正孔を信号電荷とする固体撮像素子にも適用することができる。すなわち、第１導電型をN型とし、第２導電型をP型として、前述の各半導体領域を逆の導電型の半導体領域で構成することができる。
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
また、本技術は、固体撮像素子に限らず、他の半導体集積回路を有する半導体装置全般に対して適用可能である。
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備え、
前記低感度画素は、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、カラーフィルタの上側または下側に備える
固体撮像素子。
（２）
前記カラーフィルタは、R,G,B、またはCのカラーフィルタの少なくとも一つである
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記Cのカラーフィルタの４００nm乃至７００nmの波長における平均透過率は、９０％以上である
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記Cのカラーフィルタは、オンチップレンズと同じ材料で形成されている
前記（２）または（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
２次元配置された前記低感度画素の前記カラーフィルタの配列は、２次元配置された前記高感度画素の前記カラーフィルタの配列と同じである
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記高感度画素と低感度画素とでは、さらに、画素サイズが異なる
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
前記高感度画素と低感度画素とでは、さらに、画素間遮光膜による開口領域が異なる
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
前記高感度画素と低感度画素とでは、さらに、フォトダイオードが形成された深さ位置が異なる
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記低感度画素の受光感度は、前記高感度画素の受光感度の５０％以下である
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記グレイフィルタは、有機樹脂に遮光性材料を分散させた材料で構成される
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）
前記遮光性材料は、有機顔料、無機顔料、または、カーボンブラックのいずれかである
前記（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記グレイフィルタは、４００nm乃至７００nmの波長における平均透過率が１０％乃至９０％の範囲内であり、４００nm乃至７００nmの各波長の透過率が、５５０nmの波長の透過率の－１５％乃至＋１５％の範囲内である
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記グレイフィルタの膜厚は、１００nm乃至１０００nmの範囲内である
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記グレイフィルタと前記カラーフィルタとの間には、所定の膜が挿入されている
前記（１）乃至（１３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記グレイフィルタは複数種類の膜を積層して構成されている
前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記複数種類の膜の１つは、有機樹脂に遮光性材料を分散させた材料で構成された膜である
前記（１５）に記載の固体撮像素子。
（１７）
受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備える固体撮像素子の前記低感度画素に対し、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、カラーフィルタの上側または下側に形成する
固体撮像素子の製造方法。
（１８）
受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備え、
前記低感度画素は、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、カラーフィルタの上側または下側に備える固体撮像素子
を備える電子機器。
１ 固体撮像素子， ２ 画素， ２H 高感度画素， ２L 低感度画素， ３ 画素アレイ部， ２１ カラーフィルタ， ２２ グレイフィルタ， PD フォトダイオード， ４３ 画素間遮光膜， ４４ オンチップレンズ， ６１ 平坦化膜， ７１ 第１の膜， ７２ 第２の膜， ７３ グレイフィルタ， １００ 撮像装置， １０２ 固体撮像素子

Claims (9)

  1. 受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備え、
    前記高感度画素と前記低感度画素は、同一層にカラーフィルタを有し、
    前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜を有し、
    前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、
    前記低感度画素は、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、前記カラーフィルタの下側の層に備えるとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜を備え、
    前記グレイフィルタは、前記画素間遮光膜と同層に形成され、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成されている
    固体撮像素子。
  2. 裏面照射型のMOS型固体撮像素子である
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記高感度画素は、前記低感度画素の前記グレイフィルタと同層に前記無機膜を備える
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 前記無機膜は、平坦化膜であり、
    前記高感度画素は、前記低感度画素の前記グレイフィルタと同層に前記平坦化膜を備える
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 前記低感度画素の前記グレイフィルタは、前記台形状の前記画素間遮光膜の側壁と最上面の画素境界の位置まで覆うように形成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  6. 前記グレイフィルタは複数種類の膜を積層して構成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  7. 前記カラーフィルタは、R,G,B、またはCのカラーフィルタの少なくとも一つである
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  8. 受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部の前記高感度画素と前記低感度画素の同一層にカラーフィルタを形成し、
    前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜を形成し、
    前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、
    前記低感度画素に対し、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、前記カラーフィルタの下側の層に形成するとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜を形成し、
    前記グレイフィルタを、前記画素間遮光膜と同層で、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成する
    固体撮像素子の製造方法。
  9. 受光感度の異なる高感度画素と低感度画素の２種類の画素を配列した画素アレイ部を備え、
    前記高感度画素と前記低感度画素は、同一層にカラーフィルタを有し、
    前記高感度画素と前記低感度画素の画素境界に、断面視で台形状の画素間遮光膜を有し、
    前記低感度画素と前記高感度画素に形成された同色の前記カラーフィルタの透過率は同じであり、
    前記低感度画素は、可視光領域の光の透過率を所定の割合で低下させるグレイフィルタを、前記カラーフィルタの下側の層に備えるとともに、前記カラーフィルタと前記グレイフィルタとの間に無機膜を備え、
    前記グレイフィルタは、前記画素間遮光膜と同層に形成され、前記台形状の最上面の画素境界の位置まで形成されている
    固体撮像素子
    を備える電子機器。
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