WO2007094092A1 - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

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imaging device
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solid
visible light
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Yuuichi Inaba
Takumi Yamaguchi
Yoshiyuki Matsunaga
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device and a camera, and more particularly to a technique for blocking infrared rays contained in incident light.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a solid-state imaging device according to the prior art (see, for example, Patent Document 1).
  • the solid-state imaging device 8 is formed by sequentially laminating flattening layers 804 and 805 and an invisible light cut filter 806 on a silicon substrate 801.
  • the invisible light cut filter 806 is a multilayer film in which dielectric layers and metal layers are alternately stacked.
  • a photodiode 802 and a CCD (charge coupled device) 803 are formed on the flat substrate layer 804 side of the silicon substrate 801.
  • a filter 807 that transmits red light and invisible light is formed in the flat layer 804.
  • a color separation filter 808 is formed in the flat layer 805.
  • the photodiode 802 has sensitivity in the infrared region, generation of signal charges due to infrared rays can be prevented by blocking invisible light components with the invisible light cut filter 806. Thereby, imaging with visible light can be performed with high accuracy.
  • the incident light that has passed through the color separation filter 808 without passing through the invisible light cut filter 806 is only the wavelength components of blue light and invisible light.
  • this incident light further passes through the filter 807, the blue light is blocked, so that only the invisible light component enters the photodiode 802. As a result, it is possible to realize imaging with invisible light.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3078458
  • Patent Document 2 International Publication Number WO2005Z069376 A1
  • the film thickness of the color separation filter 807 and the film thickness of the flat layers 804 and 805 excluding the color separation filter are both about 1 m, and the film of the invisible light cut filter 806 The thickness is approximately 3 ⁇ m. For this reason, the film thickness of the filter part becomes 6 ⁇ m or more.
  • oblique light corresponds to the photodiode 802 corresponding to each color separation filter 808. It enters the other photodiode 802.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and is a solid-state imaging device capable of blocking infrared rays, and has a high wavelength separation function and low manufacturing cost.
  • An object of the present invention is to provide a camera equipped with such a solid-state imaging device.
  • a solid-state imaging device is a solid-state imaging device that has a plurality of two-dimensionally arranged pixel cells and performs color imaging with visible light, and has a predetermined wavelength range.
  • Multi-layer interference filter power that mainly transmits visible light, and a multi-layered ⁇ ⁇ 4 multi-layer film with different setting wavelengths, and an infrared filter that reflects infrared light. Is characterized by being stacked so as to be in contact with each other vertically.
  • an infrared filter can be configured without requiring a metal layer, so that the thickness of the solid-state imaging device can be reduced and the size can be reduced. it can. Further, a high wavelength separation function can be realized by preventing oblique light.
  • a color filter using a multilayer interference filter is acceptable. Although it has a color separation function in the viewing area, 700 ⁇ ! -1 Since it is impossible to block the infrared rays of OOOnm, an optical filter that blocks infrared rays must be used. On the other hand, if a plurality of ⁇ 4 multilayer films are laminated as in the present invention, infrared rays can be blocked without an optical filter.
  • the fact that visible light in a predetermined wavelength range is mainly transmitted means that in the case where a multilayer filter is a color filter, invisible light can be transmitted in addition to visible light in a predetermined wavelength range.
  • the solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that the infrared filter is made of a dielectric material. In this way, an infrared filter can be formed without the need for a flat layer as in the prior art according to Patent Document 1, so that the solid-state imaging device can be reduced in size. In addition, the manufacturing cost can be reduced by reducing the number of steps from the manufacturing process of the solid-state imaging device.
  • the solid-state imaging device is characterized in that the visible light filter and the infrared filter have the same dielectric material power.
  • a metal material is not required for the infrared filter as in the prior art according to Patent Document 1
  • a solid-state imaging device can be manufactured with fewer types of materials. Accordingly, the manufacturing cost of the solid-state imaging device can be reduced.
  • the high refractive index material is titanium dioxide and the low refractive index material. May be silicon dioxide. In this way, a high wavelength separation performance can be achieved by increasing the refractive index difference between the high refractive index layer and the low refractive index layer of the ⁇ 4 multilayer film.
  • the solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that the visible light filter is laminated on the infrared filter. In this way, the solid-state imaging device can be reduced in size, and the manufacturing cost of the solid-state imaging device can be reduced.
  • a multilayer interference filter that forms a visible light filter includes a ⁇ 4 multilayer film having a set wavelength in the visible wavelength region, and an infrared filter is formed of a ⁇ 4 multilayer film that has a set wavelength in the infrared wavelength region. If the set wavelength of ⁇ ⁇ 4 multilayer film that constitutes a good infrared filter is in the range of 700 nm or more and lOOOnm or less, excellent wavelength separation performance is achieved. Can be realized.
  • the multilayer interference filter constituting the visible light filter is preferably provided with a dielectric layer sandwiched between two quarters / multilayer films.
  • a camera according to the present invention is a camera having a plurality of two-dimensionally arranged pixel cells and including a solid-state imaging device that performs color imaging with visible light, and the solid-state imaging device is visible in a predetermined wavelength range.
  • Multi-layer interference filter force that mainly transmits light
  • a plurality of LZ4 multi-layer films that reflect infrared rays
  • an infrared filter that reflects infrared rays.
  • the optical filters are stacked so as to be in contact with each other vertically. In this way, it is possible to eliminate the influence of infrared rays during color imaging with visible light to achieve high wavelength separation performance and reduce manufacturing costs.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a solid-state imaging device according to a conventional technique.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main configuration of the digital camera according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main configuration of a solid-state imaging element 101 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a wavelength separation filter 206 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the transmittance characteristics of the wavelength separation filter 206 according to the embodiment of the present invention, where (a) shows the transmittance characteristics of the entire wavelength separation filter 206, and (b) shows the multilayer interference. The transmittance characteristics of the filter 301 are shown.
  • FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of the wavelength separation filter 206 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 A graph showing the relationship between the number of layers of ⁇ ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 and wavelength separation characteristics, where (a) is when x and y are both 2 (all 11 layers), (b) is When x and y are both 4 (total 19 layers), (c) shows the case when x and y are both 6 (total 27 layers).
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of a wavelength separation filter according to a modification (3) of the present invention. Explanation of symbols
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main configuration of the digital camera according to the present embodiment.
  • the digital camera 1 includes a solid-state imaging device 101, an imaging lens 102, a cover glass 103, a gear 104, an optical viewfinder 105, a zoom motor 106, and a viewfinder eyepiece 1
  • the user of the digital camera 1 observes the subject through the optical viewfinder 105 from the viewfinder eyepiece 107 and determines the camera angle.
  • the zoom motor 106 is operated, the zoom of the imaging lens 102 is adjusted via the gear 104.
  • the cover glass 103 protects the photographic lens 102 and performs a waterproof function.
  • the solid-state imaging device has two-dimensionally arranged pixel cells, and picks up an image by detecting the amount of received light for each pixel cell.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the main configuration of the solid-state imaging device 101 according to the present embodiment.
  • the solid-state imaging device 101 is formed by sequentially stacking a P-type semiconductor layer 202, an interlayer insulating film 204, a wavelength separation filter 206, and a condenser lens 207 on an N-type semiconductor layer 201.
  • N-type impurities such as arsenic (As) are ion-implanted on the interlayer insulating film 204 side of the P-type semiconductor layer 202.
  • a photodiode 203 is formed for each pixel cell.
  • the photodiodes 203 are separated from each other using the P-type semiconductor layer 202 as an element isolation region.
  • the interlayer insulating film 204 is made of silicon oxide (SiO), silicon nitride (SiN), boron linker
  • a light shielding film 205 that also serves as a metal wiring is formed inside the interlayer insulating film 204.
  • the light shielding film 205 has openings corresponding to the individual photodiodes 203.
  • the wavelength separation filter 206 realizes color imaging by transmitting light in a predetermined wavelength region for each pixel cell.
  • the wavelength separation filter 206 transmits either red light, green light, or blue light for each pixel cell.
  • the wavelength separation filter 206 blocks invisible light.
  • a condensing lens 207 is provided for each pixel cell, and condenses incident light on the corresponding photodiode 203.
  • the light shielding film shields the incident light collected by the condenser lens 207 so as not to enter the photodiodes 203 other than the corresponding photodiode 203.
  • the wavelength separation filter 206 has a structure in which an infrared filter that blocks infrared light is laminated on a visible light filter that transmits any of red light, green light, and blue light.
  • the visible light filter is a multilayer interference filter.
  • the infrared filter consists of multiple ⁇ 4 multilayer films.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the wavelength separation filter 206.
  • the wavelength separation filter 206 is formed by sequentially laminating ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 on a multilayer interference filter 301. Note that, as shown in FIG. 3, the force of the collecting lens 207 and the interlayer insulating film 204 above and below the wavelength separation filter 206 is omitted in FIG.
  • the multilayer interference filter 301 is a portion that transmits blue light (hereinafter referred to as “blue filter”) 301 ⁇ , a portion that transmits green light (hereinafter referred to as “green filter”) 301 G and a portion that transmits red light (hereinafter referred to as “green filter”) , "Red filter”) 301R.
  • blue filter blue light
  • green filter green light
  • red filter red light
  • the multilayer interference filter 301 is composed of two ⁇ ⁇ 4 multilayer films as a dielectric layer (hereinafter referred to as “spacer layer”). That's it. ).
  • ⁇ ⁇ 4 Multilayer film is a multilayer film in which two types of dielectric layers with different refractive indices and the same optical film thickness are stacked alternately, and is four times the optical film thickness of each dielectric layer. Reflects light in the wavelength range centered on the wavelength (hereinafter referred to as “set wavelength”).
  • the optical film thickness is a number obtained by multiplying the physical film thickness of the dielectric layer by the refractive index.
  • the optical film thickness for each dielectric layer is 132.5 nm.
  • titanium dioxide ( ⁇ ) is used as the material for the high refractive index layer
  • Dioxide-silicon (SiO 2) is used as the material for the rate layer.
  • the refractive index of titanium dioxide is 2.5
  • the physical thickness of the high refractive index layer is 52.8 nm, and the refractive index of silicon dioxide is 1.45, so the physical thickness of the low refractive index layer is 91.4 nm.
  • the spacer layer is a light-transmitting insulator layer that also has silicon dioxide and silicon power, and has a thickness corresponding to the wavelength of light that the wavelength separation filter 206 should transmit.
  • Spacer layer physical thickness is 130nm with blue filter 301B, Onm with green filter 301G, 30nm with red filter 301R o
  • the multilayer interference filter 301 has 8 layers for both the blue filter and the red filter, and 6 layers for the green filter.
  • the set wavelengths of the ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 are all in the range of 800 nm to 1000 nm and are different from each other.
  • the set wavelengths of the ⁇ Z4 multilayer films 302 to 304 are 800 nm, 900 nm, and lOOOnm, respectively.
  • the film thickness of the Z4 multilayer films 302 to 304 is constant regardless of the light color transmitted by the multilayer film interference filter 301.
  • Each of the ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 is formed by alternately laminating the same silicon dioxide layers and titanium dioxide layers as the multilayer film interference filter 301.
  • the layer structure of the ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 is expressed as follows.
  • Ll, L2 and L3 represent low refractive index layers of ⁇ 4 multilayer films 302 to 304, respectively, and Hl, H2 and H3 represent high refractive index layers of ⁇ 4 multilayer films 302 to 304, respectively.
  • (0.5 H O.5L) is a low refractive index layer with an optical film thickness of 1/8 of the set wavelength and 0.5Li on the low refractive index layer 0.5Li sequentially, and a high refractive index with an optical film thickness of 1/4 of the set wavelength.
  • Layer Hi, optical film thickness is 1/8 of the set wavelength
  • a low refractive index layer of 0.5 Li is laminated.
  • (0.5L ⁇ H ⁇ 0.5L) n represents a laminated structure (0.5L ⁇ H -0.5L) n repetitions laminated structure. If the laminated structure (0.5L ⁇ H ⁇ 0.5L) is repeated several times, the uppermost layer 0.5Li and the upper laminated structure (0.5L in the lower laminated structure (0.5L ⁇ ⁇ '0.5L)) The lowermost layer 0.5 H) in H'0.5L) is the low refractive index layer Li whose optical film thickness is 1/4 of the set wavelength.
  • the uppermost layer 0.5L1 of ⁇ ⁇ 4 multilayer film 302 and the lowermost layer of ⁇ 4 multilayer film 303 are 0.5.
  • L2 forms one silicon dioxide layer
  • the uppermost layer 0.5L2 of the ⁇ 4 multilayer 303 and the lowermost layer 0.5L3 of the ⁇ 4 multilayer 304 form one silicon dioxide layer.
  • x and y are both 11. Therefore, in the present embodiment, the entire ⁇ Z4 multilayer films 302 to 304 are 23 layers.
  • FIG. 5 is a graph showing the transmittance characteristics of the wavelength separation filter 206 according to the present embodiment, where (a) shows the transmittance characteristics of the entire wavelength separation filter 206, and (b) shows the multilayer interference filter. The transmittance characteristics of 301 are shown.
  • graphs 401 and 411 show the transmittance characteristics of the blue filter 301 B.
  • graphs 402 and 412 show transmittance characteristics related to the green filter 301G, and graphs 403 and 413 show transmittance characteristics related to the red filter 301R.
  • the incident light can be wavelength-separated for each of the three wavelength regions in the visible light region.
  • the transmittance of light in the wavelength range of 700 nm to 1000 nm can be suppressed to 2% or less for any of the red filter 301R, the green filter 301G, and the blue filter 301B.
  • the incident light can be wavelength-separated for each of the three wavelength regions in the visible light region, but 700 ⁇ m
  • the transmittance in the wavelength range of ⁇ 1000 nm is increased.
  • blue filter 301B has a wavelength of 8
  • the transmittance of infrared rays over OOnm is over 80%.
  • the photodiode 203 generates a signal charge when it receives such infrared rays. Therefore, if only the multilayer interference filter 301 is used in the case of color imaging using visible light, a sufficient wave can be obtained. Can't get long separation function.
  • the wavelength separation filter 206 since infrared rays are not incident on the photodiode 203, a high wavelength separation function can be obtained.
  • FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of the wavelength separation filter 206 according to the present embodiment.
  • the manufacturing process of the wavelength separation filter 206 proceeds from (a) to (h). Further, the N-type semiconductor layer 101, the P-type semiconductor layer 102, the photodiode 103, and the light shielding film 105 are not shown.
  • a titanium dioxide layer 501 and a silicon dioxide silicon film are formed on the interlayer insulating film 204 by using a radio frequency (RF) sputtering apparatus.
  • RF radio frequency
  • the optical thicknesses of the titanium dioxide layers 501 and 503 and the silicon dioxide silicon layer 502 are 132.5 nm, forming a ⁇ / 4 multilayer film.
  • the physical film thickness of the silicon dioxide layer 504 is blue filter.
  • a resist 505 is formed on the silicon dioxide layer 504 corresponding to the blue filter 301B (FIG. 6 (b)), and a portion of the silicon dioxide layer 504 that is not covered with the resist 505 is formed. After the film thickness is reduced by etching (FIG. 6 (c)), the resist 505 is removed (FIG. 6).
  • a resist 506 is formed on the silicon dioxide layer 504 at locations other than those corresponding to the red filter 301R and the blue filter 301B (FIG. 6 (e)) and etched (FIG. 6 (f)). Is removed.
  • a resist is applied to the wafer surface, and after exposure beta (pre-beta), exposure is performed by an exposure apparatus such as a stepper, resist development, and final beta development.
  • Resist 505 and 506 are formed by (post-beta). After that, physically using a tetrafluoromethane (CF) -based etching gas.
  • CF tetrafluoromethane
  • the etcher layer 504 may be etched.
  • ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 are formed (FIG. 6). (h)).
  • the set wavelengths of the ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 are 800 nm, 900 nm, and lOOOnm, respectively.
  • Figure 7 is a graph showing the relationship between the number of layers of ⁇ ⁇ 4 multilayer films 302 to 304 and wavelength separation characteristics.
  • (A) is when y is 2 (all 11 layers), (b) is x, When y is 4 (all 19 layers), (b) shows when y is 6 (27 layers).
  • FIG. 7 shows transmission characteristics according to graphs 601, 611, and 621 ⁇ and blue finoleta 301B.
  • Graphs 602, 612, and 622 show transmittance characteristics related to the green filter 301G
  • graphs 603, 613, and 623 show transmittance characteristics related to the red filter 301R.
  • the wavelength set for the ⁇ ⁇ 4 multilayer film should be determined so that infrared rays can be cut off. Needless to say, at least 700 nm to 1000 nm of near infrared rays must be cut off.
  • the force described in the case of forming a ⁇ 4 multilayer film exclusively on the multilayer interference filter 301 is not limited to this. Needless to say, ⁇ 4 A multilayer interference filter may be formed on the multilayer film.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the wavelength separation filter according to this modification.
  • the wavelength separation filter 7 according to this modification is formed by sequentially laminating ⁇ 4 multilayer films 703 and 704 and a multilayer interference filter 701 on a ⁇ 4 multilayer film 702.
  • the dielectric layers constituting the ⁇ 4 multilayer films 702 to 704 can be flattened over a plurality of pixel cells arranged two-dimensionally. Therefore, characteristic deterioration due to oblique light that becomes noticeable when the pixel cell is miniaturized can be suppressed.
  • Zirconium oxide ZrO
  • silicon nitride SiN
  • silicon nitride SiN
  • silicon nitride, tantalum pentoxide, and zirconium dioxide are desirably used as high refractive index materials.
  • the effect of the present invention can be obtained regardless of the dielectric material.
  • the multilayer film interference filter constituting the visible light filter is 8 layers has been described, but it goes without saying that the present invention is not limited to this. Instead of 4 layers, 12 layers, 16 layers or more good.
  • the spacer layer may be made of the same material as that of the high refractive index layer of the ⁇ 4 multilayer film, or may be made of the same material as that of the low refractive index layer. Further, a material different from the material of any layer constituting the ⁇ 4 multilayer film may be used.
  • the solid-state imaging device and camera according to the present invention are useful as a technique for blocking infrared rays contained in incident light.

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Abstract

　波長分離フィルタ２０６は多層膜干渉フィルタ３０１上にλ／４多層膜３０２～３０４が順次積層されてなる。多層膜干渉フィルタ３０１は２つのλ／４多層膜にて誘電体層を挟んだ構造をとっている。また、青色光を透過させる部分３０１Ｂ、緑色光を透過させる部分３０１Ｇ及び赤色光を透過させる部分３０１Ｒからなっており、可視光を波長分離する。λ／４多層膜３０２～３０４はそれぞれ波長８００ｎｍ、９００ｎｍ及び１０００ｎｍを中心とする波長域の光、すなわち近赤外線を反射する。

Description

固体撮像装置及びカメラ
技術分野
[0001] 本発明は、固体撮像装置及びカメラに関し、特に、入射光に含まれる赤外線を遮 断する技術に関する。
背景技術
[0002] 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 しつつある。このため、可視光によるカラー撮像に加えて、赤外線や紫外線といった 非可視光によっても撮像できる固体撮像装置の需要が高まっている。
図 1は、従来技術に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である (例えば、特許 文献 1参照)。図 1に示されるように、固体撮像装置 8は、シリコン基板 801上に平坦 化層 804、 805及び非可視光カットフィルタ 806が順次積層されてなる。
[0003] 非可視光カットフィルタ 806は誘電体層と金属層を交互に積層した多層膜である。
また、シリコン基板 801の平坦ィ匕層 804側にはフォトダイオード 802並びに CCD (cha rge coupled device) 803が形成されている。
平坦ィ匕層 804内には、赤色光と非可視光とを透過させるフィルタ 807が形成されて いる。平坦ィ匕層 805内には、色分解フィルタ 808が形成されている。
[0004] フォトダイオード 802は赤外領域にも感度を有するところ、非可視光カットフィルタ 8 06にて非可視光成分を遮断すれば、赤外線による信号電荷の発生を防ぐことができ る。これによつて、可視光による撮像を精度良く行うことができる。
また、非可視光カットフィルタ 806を経ずに色分解フィルタ 808を透過した入射光は 青色光と非可視光との波長成分のみとなる。この入射光が更にフィルタ 807を透過す ると、青色光が遮断されるので、非可視光成分のみがフォトダイオード 802に入射す る。これによつて、非可視光による撮像を実現することができる。
[0005] このようにすれば、可視光によるカラー撮像に加えて、赤外線による撮像を行うこと ができる固体撮像装置を実現することができる。
特許文献 1：特許第 3078458号 特許文献 2 :国際公開番号 WO2005Z069376 A1号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、色分解フィルタ 807の膜厚、並びに色分解フィルタを除く平坦ィ匕層 8 04、 805の膜厚は何れもほぼ 1 mであり、非可視光カットフィルタ 806の膜厚はほ ぼ 3 μ mである。このため、フィルタ部分の膜厚は 6 μ m以上にもなる。
かかる場合に、画素の大きさを 2 m以下にすると、色分解フィルタ 808に斜めに入 射した光（以下、「斜め光」という。）が個々の色分解フィルタ 808に対応するフォトダイ オード 802以外のフォトダイオード 802に入射する。この結果、色分解機能が低下し たり、ノイズが増加したり、或いは波長感度が低下するといつた問題が生じる。
[0007] また、製造プロセスが複雑であり、製造コストが高いという問題もある。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、赤外線を遮断するこ とができる固体撮像装置であって、高い波長分離機能を有し、製造コストが低い固体 撮像装置、並びにそのような固体撮像装置を備えたカメラを提供することを目的とす る。
課題を解決するための手段
[0008] 上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、 2次元配列された複数 の画素セルを有し、可視光によってカラー撮像する固体撮像装置であって、所定波 長域の可視光を主に透過させる多層膜干渉フィルタ力 なる可視光フィルタと、設定 波長を異にする複数の λ Ζ4多層膜からなり、赤外線を反射する赤外線フィルタと、 を備え、赤外線フィルタと可視光フィルタとは互いに上下に接するように積層されて ヽ ることを特徴とする。
発明の効果
[0009] このようにすれば、特許文献 1に係る従来技術とは異なって金属層を要することなく 赤外線フィルタを構成することができるので、固体撮像装置の厚みを減じて小型化を 図ることができる。また、斜め光を防いで高い波長分離機能を実現することができる。 なお、特許文献 2に示されるように多層膜干渉フィルタを用いたカラーフィルタは可 視領域における色分離機能は有するものの、 700ηπ！〜 1 OOOnmの赤外線を遮断す ることができないので、赤外線を遮断する光学フィルタを用いざるを得ない。一方、本 発明のように、 λ Ζ4多層膜を複数積層すれば、光学フィルタ無しに赤外線を遮断す ることがでさる。
[0010] なお、所定波長域の可視光を主に透過させるとは、多層膜干渉フィルタをカラーフ ィルタとした場合、所定波長域の可視光に加えて非可視光を透過させ得ることを 、う 本発明に係る固体撮像装置は、赤外線フィルタは誘電体材料カゝらなることを特徴と する。このようにすれば、特許文献 1に係る従来技術のような平坦ィ匕層を要することな く赤外線フィルタを形成することができるので、固体撮像装置を小型化することができ る。また、固体撮像装置の製造プロセスから工程数を減じて製造コストを低減すること ができる。
[0011] 本発明に係る固体撮像装置は、可視光フィルタと赤外線フィルタとは同じ誘電体材 料力 なることを特徴とする。このようにすれば、特許文献 1に係る従来技術のように 赤外線フィルタに金属材料を要しな 、ので、より少な 、種類の材料で固体撮像装置 を製造することができる。従って、固体撮像装置の製造コストを削減することができる この場合において、可視光フィルタと赤外線フィルタとをなす誘電体材料のうち、高 屈折率材料は二酸ィ匕チタンであり、低屈折率材料は二酸ィ匕シリコンであるとしても良 い。このようにすれば、 λ Ζ4多層膜の高屈折率層と低屈折率層との間の屈折率差 を大きくして、高い波長分離性能を達成することができる。
[0012] 本発明に係る固体撮像装置は、可視光フィルタは赤外線フィルタ上に積層されて いることを特徴とする。このようにすれば、固体撮像装置を小型化することができ、か つ、固体撮像装置の製造コストを低減することができる。
具体的には、可視光フィルタをなす多層膜干渉フィルタは可視波長域に設定波長 を有する λ Ζ4多層膜を含み、赤外線フィルタは赤外波長域に設定波長を有する λ Ζ4多層膜からなるとすれば良ぐ赤外線フィルタを構成する λ Ζ4多層膜の設定波 長は 700nm以上、 lOOOnm以下の範囲内にあるとすれば、優れた波長分離性能を 実現することができる。この場合において、可視光フィルタをなす多層膜干渉フィルタ は、 2つのえ /4多層膜に誘電体層を挟んでなるとすれば好適である。
[0013] 本発明に係るカメラは、 2次元配列された複数の画素セルを有し、可視光によって カラー撮像する固体撮像装置を備えたカメラであって、固体撮像装置は、所定波長 域の可視光を主に透過させる多層膜干渉フィルタ力 なる可視光フィルタと、'設定波 長を異にする複数の； L Z4多層膜からなり、赤外線を反射する赤外線フィルタと、を 備え、赤外線フィルタと可視光フィルタとは互いに上下に接するように積層されている ことを特徴とする。このようにすれば、可視光によるカラー撮像時に赤外線による影響 を排除して高い波長分離性能を達成すると共に、製造コストを低減することができる。 図面の簡単な説明
[0014] [図 1]従来技術に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
[図 2]本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの主要な構成を示す断面図である。
[図 3]本発明の実施の形態に係る固体撮像素子 101の主要な構成を示す断面図で める。 - [図 4]本発明の実施の形態に係る波長分離フィルタ 206の構成を示す断面図である
[図 5]本発明の実施の形態に係る波長分離フィルタ 206の透過率特性を示すグラフ であって、（a)は波長分離フィルタ 206全体の透過率特性を示し、（b)は多層膜干渉 フィルタ 301の透過率特性を示す。
[図 6]本発明の実施の形態に係る波長分離フィルタ 206の製造工程を示す図である
[図 7] λ Ζ4多層膜 302〜304の層数と波長分離特性の関係を示すグラフであって、 (a)は x、yが何れも 2の場合 (全 11層）、（b)は x、 yが何れも 4の場合 (全 19層）、 (c) は x、 yが何れも 6の場合 (全 27層）をそれぞれ示す。
[図 8]本発明の変形例（3)に係る波長分離フィルタの構成を示す断面図である。 符号の説明
[0015] 1 デジタルカメラ
8 従来技術に係る固体撮像装置 06 波長分離フィルタ
固体撮像素子 撮像レンズ
カバーガラス ギヤ
光学ファインダ ズームモータ ファインダ接眼部 LCDモニタ
腿板
N型轉体層
P ¥ 体層
.802 フォトダイオード 遮光膜
集光レンズ
、 701 多層膜干渉フィルタ 〜304、 702〜704 λ Ζ4多層膜
、 411、 601、 611、 621···青色フィルタの透過率特性 、 412、 602、 612、 622···緑色フィルタの透過率特性 、 413、 603、 613、 623···赤色フィルタの透過率特性 、 503、 507、 509 二酸ィ匕チタン層
、 504、 508 二酸ィ匕シリコン層
、 506 レジス卜
シリコン基板
CCD
、 805 平坦ィ匕層
非可視光カットフィルタ 807 赤色フィルタ
808 色分解フィルタ
発明を実施するための最良の形態
[0016] 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、デジタル力 メラを例にとり、図面を参照しながら説明する。
[1] デジタルカメラの構成
先ず、本実施の形態に係るデジタルカメラの構成にっ 、て説明する。
図 2は、本実施の形態に係るデジタルカメラの主要な構成を示す断面図である。
[0017] 図 2に示されるように、デジタルカメラ 1は固体撮像素子 101、撮像レンズ 102、カバ 一ガラス 103、ギヤ 104、光学ファインダ 105、ズームモータ 106、ファインダ接眼部 1
07、 LCD (liquid crystal display)モニタ 108及び回路基板 109を備えている。
デジタルカメラ 1のユーザはファインダ接眼部 107から光学ファインダ 105を覼いて 被写体を観察し、カメラアングルを定める。また、ズームモータ 106を作動させるとギ ャ 104を介して撮像レンズ 102のズームが調整される。
[0018] 被写体力もの光はカバーガラス 103、撮像レンズ 102を経て固体撮像素子 101に 入射する。固体撮像素子 101にて得られた撮像信号は回路基板 109にて信号処理 され、 LCDモニタ 108に表示される。 LCDモニタ 108には撮影モードなども表示され る。
カバーガラス 103は撮影レンズ 102を保護すると共に防水機能を果たす。
[0019] [2] 固体撮像素子 101の構成
次に、本実施の形態に係る固体撮像素子 101の構成について説明する。固体撮 像素子は 2次元配置された画素セルを備え、画素セル毎に受光量を検出することに よって撮像する。
図 3は、本実施の形態に係る固体撮像素子 101の主要な構成を示す断面図である 。図 3に示されるように、固体撮像素子 101は、 N型半導体層 201上に P型半導体層 202、層間絶縁膜 204、波長分離フィルタ 206及び集光レンズ 207が順次積層され てなる。
[0020] P型半導体層 202の層間絶縁膜 204側には砒素 (As)等の N型不純物がイオン注 入によって画素セル毎にフォトダイオード 203が形成されている。フォトダイオード 20 3どうしは P型半導体層 202を素子分離領域として互いに分離されている。
また、層間絶縁膜 204は、酸ィ匕シリコン (SiO )ゃ窒化シリコン (SiN)、ホウ素リンケィ
2
酸ガラス（BPSG: Borophosphosilicate glass)といった透光性の材料からなっている。 層間絶縁膜 204の内部には金属配線を兼ねた遮光膜 205が形成されている。遮光 膜 205は個々のフォトダイオード 203に対応する開口を有する。
[0021] 波長分離フィルタ 206は画素セル毎に所定の波長域の光を透過させることによって カラー撮像を実現する。本実施の形態においては、波長分離フィルタ 206は画素セ ル毎に赤色光、緑色光及び青色光の何れかを透過させる。また、波長分離フィルタ 2 06は非可視光を遮断する。
集光レンズ 207は画素セル毎に設けられ、入射光を対応するフォトダイオード 203 上に集光する。この場合において、遮光膜は集光レンズ 207にて集光された入射光 が対応するフォトダイオード 203以外のフォトダイオード 203に入射しないように遮光 する。
[0022] [3] 波長分離フィルタ 206の構成
次に、波長分離フィルタ 206の構成にっ 、て更に詳述する。
波長分離フィルタ 206は赤色光、緑色光及び青色光の何れかを透過させる可視光 フィルタ上に赤外線を遮断する赤外線フィルタを積層した構成をとつており、可視光 フィルタは多層膜干渉フィルタカゝらなり、赤外線フィルタは複数の λ Ζ4多層膜からな つている。
[0023] 図 4は、波長分離フィルタ 206の構成を示す断面図である。図 4に示されるように、 波長分離フィルタ 206は多層膜干渉フィルタ 301上に λ Ζ4多層膜 302〜304が順 次積層されてなる。なお、図 3に示されるように、波長分離フィルタ 206の上下には集 光レンズ 207や層間絶縁膜 204がある力 図 4では省略されている。
多層膜干渉フィルタ 301は青色光を透過させる部分 (以下、「青色フィルタ」という。 ) 301Β、緑色光を透過させる部分 (以下、「緑色フィルタ」という。） 301G及び赤色光 を透過させる部分（以下、「赤色フィルタ」という。） 301Rからなつている。
[0024] 多層膜干渉フィルタ 301は 2つの λ Ζ4多層膜にて誘電体層（以下、「スぺーサ層」 という。）を挟んだ構造をとつている。 λ Ζ4多層膜は屈折率を異にし、光学膜厚を同 じくする 2種類の誘電体層を交互に積層した多層膜であって、個々の誘電体層の光 学膜厚の 4倍の波長 (以下、「設定波長」という。）を中心とする波長域の光を反射す る。ここで、光学膜厚とは誘電体層の物理膜厚にその屈折率を乗じた数である。設定 波長が 530nmの λ Ζ4多層膜では誘電体層ごとの光学膜厚は 132. 5nmとなる。
[0025] 本実施の形態においては高屈折率層の材料として二酸ィ匕チタン (ΉΟ )を、低屈折
2
率層の材料として二酸ィ匕シリコン (SiO )を用いている。二酸化チタンの屈折率は 2. 5
2
1なので高屈折率層の物理膜厚は 52. 8nmとなり、二酸化シリコンの屈折率は 1. 45 なので低屈折率層の物理膜厚は 91. 4nmとなる。
スぺーサ層は二酸ィ匕シリコン力もなる透光性の絶縁体層であって、波長分離フィル タ 206が透過させるべき光の波長に応じた膜厚を有する。スぺーサ層の物理膜厚は 青色フィルタ 301Bで 130nm、緑色フィルタ 301Gで Onm、赤色フィルタ 301Rで 30 nmで teる o
[0026] 多層膜干渉フィルタ 301の層数は、青色フィルタと赤色フィルタとは何れも 8層、緑 色フィルタは 6層である。
λ Ζ4多層膜 302〜304の設定波長は何れも 800nm〜1000nmの範囲内で、か つ、互いに異なる。本実施の形態においては、 λ Z4多層膜 302〜304の設定波長 はそれぞれ 800nm、 900nm及び lOOOnmである。 Z4多層膜 302〜304の膜厚 は多層膜干渉フィルタ 301が透過させる光色に関わらず一定である。
[0027] λ Ζ4多層膜 302〜304は何れも多層膜干渉フィルタ 301と同じぐ二酸化シリコン 層と二酸ィ匕チタン層が交互に積層されてなる。 λ Ζ4多層膜 302〜304の層構成は 以下のように表わされる。
(0.5L ·Η -0.5L )X(0.5L ·Η -0.5L ) (0.5L ·Η -0.5L )y
1 1 1 2 2 2 3 3 3
Ll、 L2及び L3はそれぞれ λ Ζ4多層膜 302〜304の低屈折率層を表わし、 Hl、 H2 及び H3はそれぞれ λ Ζ4多層膜 302〜304の高屈折率層を表わす。 0. 5Li (以下、 i=l〜3である。 )は光学膜厚が半分の低屈折率層を表わす。
[0028] (0.5い H O.5L)は光学膜厚が設定波長の 8分の 1の低屈折率層 0. 5Li上に順次 、光学膜厚が設定波長の 4分の 1の高屈折率層 Hi、光学膜厚が設定波長の 8分の 1 の低屈折率層 0. 5Liを積層した構造を表わす。
また、（0.5L · H · 0.5L ) nは、積層構造 (0.5L · H -0.5L )を n回繰り返した積層構造を 表わす。なお、積層構造 (0.5L · H · 0.5L )が複数回繰り返された場合、下位の積層構 造（0.5L ·Η '0.5L )中の最上位層 0. 5Liと上位の積層構造（0.5い H '0.5L)中の最 下位層 0. 5Liとは光学膜厚が設定波長の 4分の 1の低屈折率層 Liをなす。
[0029] 同様に、 λ Ζ4多層膜 302の最上位層 0. 5L1と λ Ζ4多層膜 303の最下位層 0. 5
L2とは 1つの二酸化シリコン層をなし、 λ Ζ4多層膜 303の最上位層 0. 5L2と λ Ζ4 多層膜 304の最下位層 0. 5L3とは 1つの二酸ィ匕シリコン層をなす。また、上記 x、 yは 何れも 11である。従って、本実施の形態においては、 λ Z4多層膜 302〜304全体 で 23層となる。
[0030] [4] 透過率特性
次に、波長分離フィルタ 206の透過率特性について説明する。
図 5は、本実施の形態に係る波長分離フィルタ 206の透過率特性を示すグラフであ つて、 (a)は波長分離フィルタ 206全体の透過率特性を示し、 (b)は多層膜干渉フィ ノレタ 301の透過率特性を示す。
[0031] 図 5において、グラフ 401、 411は青色フィルタ 301 Bに係る透過率特性を示す。ま た、グラフ 402、 412は緑色フィルタ 301Gに係る透過率特性を、グラフ 403、 413は 赤色フィルタ 301Rに係る透過率特性を示す。
さて、図 5 (a)に示されるように、本実施の形態に係る波長分離フィルタ 206によれ ば、可視光領域における 3つの波長域ごとに入射光を波長分離することができる。ま た、赤色フィルタ 301R、緑色フィルタ 301G及び青色フィルタ 301Bの何れについて も、 700nm〜1000nmの波長域内の光の透過率を 2%以下に抑えることができる。
[0032] 一方、図 5 (b)に示されるように、多層膜干渉フィルタ 301だけの場合には、可視光 領域における 3つの波長域ごとに入射光を波長分離することができるものの、 700η m〜1000nmの波長域内の透過率が高くなる。例えば、青色フィルタ 301Bは波長 8
OOnm以上の赤外線の透過率が 80%以上にもなつている。
フォトダイオード 203はこのような赤外線を受光すると信号電荷を発生させるので、 可視光によるカラー撮像の場合に多層膜干渉フィルタ 301だけを用いると十分な波 長分離機能を得ることができな 、。
[0033] 一方、本実施の形態に係る波長分離フィルタ 206によれば、フォトダイオード 203に 赤外線が入射しな!、ので、高!、波長分離機能を得ることができる。
[5] 波長分離フィルタ 206の製造方法
次に、波長分離フィルタ 206の製造方法について説明する。
図 6は、本実施の形態に係る波長分離フィルタ 206の製造工程を示す図である。図 6において、波長分離フィルタ 206の製造工程は（a)から (h)へと進む。また、 N型半 導体層 101、 P型半導体層 102、フォトダイオード 103及び遮光膜 105は図示を省略 した。
[0034] 先ず、図 6 (a)に示されるように、層間絶縁膜 204上に、高周波（RF: radio frequenc y)スパッタ装置を用いて、二酸ィ匕チタン層 501、二酸ィ匕シリコン層 502、二酸化チタ ン層 503及び二酸化シリコン層 504の順に積層する。
二酸化チタン層 501、 503並びに二酸ィ匕シリコン層 502の光学膜厚は 132. 5nm であり、 λ /4多層膜をなす。また、二酸ィ匕シリコン層 504の物理膜厚は青色フィルタ
301Bのスぺーサ層の物理膜厚に等しい。
[0035] 次に、二酸化シリコン層 504上の青色フィルタ 301Bに対応する箇所にレジスト 505 が形成され（図 6 (b) )、二酸ィ匕シリコン層 504のレジスト 505に覆われていない箇所 がエッチングによって膜厚を減じられた後（図 6 (c) )、レジスト 505が除去される（図 6
(d) )。
更に、二酸化シリコン層 504上の赤色フィルタ 301R及び青色フィルタ 301Bに対応 する箇所以外の箇所にレジスト 506が形成され (図 6 (e) )、エッチングされた後（図 6 ( f) )、レジスト 506が除去される。
[0036] なお、二酸化シリコン層 504をエッチングするには、例えば、ウェハー面にレジスト を塗布し、露光前ベータ（プリベータ）の後、ステツパなどの露光装置によって露光を 行い、レジスト現像、および最終ベータ（ポストベータ）によって、レジスト 505や 506を 形成する。その後、 4フッ化メタン (CF )系のエッチングガスを用いて、物理的にスぺ
4
ーサ層 504のエッチングを行えば良い。
[0037] その後、二酸化シリコン層 504上、並びに緑色フィルタ 301Gに対応する箇所にあ つては二酸ィ匕チタン層 503上に、高周波スパッタ装置を用いて、二酸化チタン層 50 7、二酸ィ匕シリコン層 508及び二酸ィ匕チタン層 509が順次形成される（図 6 (g) )。これ によって、青色フィルタ 301B並びに赤色フィルタ 301R部分は 8層にとなり、緑色フィ ルタ 301G部分については二酸化チタン層 503に二酸化チタン層 507を積層した二 酸ィ匕チタン層を 1層と数えれば 6層になる。
[0038] そして、二酸ィ匕チタン層 509上に二酸ィ匕シリコン層と二酸ィ匕チタン層が交互に積層 されることによって、 λ Ζ4多層膜 302〜304が形成される（図 6 (h) )。上述のように、 λ Ζ4多層膜 302〜304の設定波長はそれぞれ 800nm、 900nm及び lOOOnmで ある。
[6] 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力 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。
[0039] (1) 上記実施の形態においては、専ら λ Ζ4多層膜 302〜304の層数が 23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ぐこ れに代えて異なる層数の λ Ζ4多層膜を用いても良 、。
図 7は、 λ Ζ4多層膜 302〜304の層数と波長分離特性の関係を示すグラフであつ て、（a)は yが何れも 2の場合 (全 11層）、（b)は x、 yが何れも 4の場合 (全 19層）、 (b)は yが何れも 6の場合 (全 27層）をそれぞれ示す。
[0040] なお、 λ Ζ4多層膜 302〜304の設定波長は何れも上記実施の形態と同様である 。また、図 7にお!/ヽて、グラフ 601、 611及び 621ίま青色フィノレタ 301Bに係る透過率 特性を示す。また、グラフ 602、 612及び 622は緑色フィルタ 301Gに係る透過率特 性を、グラフ 603、 613及び 623は赤色フィルタ 301Rに係る透過率特性を示す。
[0041] 図 7に示されるように、 700ηπ！〜 lOOOnmの波長域における透過率が、（a)では 1 0%を超え、（b)では 5%以下となり、（c)では 1%以下に抑えられる。このように、 % / 4多層膜 302〜304の層数が多いほど 700nm〜1000nmの波長域における透過率 が低減されるので、より良い波長分離特性を得ることができる。
ただし、層数を増やすとコストの増大や歩留まりの低下が予想される。従って、コスト 等に見合った波長分離特性が得られるように層数を決定するのが望ましい。 [0042] (2) 上記実施の形態においては、専ら設定波長が相異なる 3種類の λ Ζ4多層膜 を用いて赤外線を遮断する場合にっ ヽて説明したが、本発明がこれに限定されな ヽ のは言うまでもなぐこれに代えて、 2種類、或いは 4種類以上の設定波長の λ Ζ4多 層膜を用いても良いし、上記実施の形態と異なる設定波長を用いても良い。
ただし、 λ Ζ4多層膜の設定波長は赤外線を遮断できるように決定すべきなのは言 うまでも無ぐ少なくとも 700nm〜1000nmの近赤外線を遮断できなければならない
[0043] (3) 上記実施の形態においては、専ら多層膜干渉フィルタ 301上に λ Ζ4多層膜 を形成する場合について説明した力 本発明がこれに限定されないのは言うまでもな ぐこれに代えて λ Ζ4多層膜上に多層膜干渉フィルタを形成しても良い。
図 8は、本変形例に係る波長分離フィルタの構成を示す断面図である。図 8に示さ れるように、本変形例に係る波長分離フィルタ 7は λ Ζ4多層膜 702上に、 λ Ζ4多 層膜 703、 704及び多層膜干渉フィルタ 701が順次積層されてなる。
[0044] このようにすれば、 λ Ζ4多層膜 702〜704において、画素セル間の段差が無くな る。すなわち、 2次元配置された複数の画素セルに亘つて、 λ Ζ4多層膜 702〜704 を構成する各誘電体層を平坦にすることができる。したがって、画素セルを微細化す ると顕著になる斜め光による特性劣化を抑えることができる。
(4) 上記実施の形態においては、専ら誘電体材料として二酸化シリコンと二酸ィ匕 チタンと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 でもなぐこれらに代えて酸化マグネシウム（MgO)、五酸化二タンタル (Ta 0 )、二酸
2 5 化ジルコニウム（ZrO )、ー窒化シリコン（SiN)、窒化シリコン（Si N )、酸化アルミ-ゥ
2 3 4
ム (A1 0 )、弗化マグネシウム（MgF )、酸化ハフニウム（HfO )を用いても良!、。
2 3 2 3
[0045] 上記のうち、窒化シリコンや五酸化二タンタル、二酸ィ匕ジルコニウムは高屈折率材 料として用いるのが望ましい。誘電体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。
(5) 上記実施の形態においては、可視光フィルタたる多層膜干渉フィルタを構成 する λ Ζ4多層膜が 8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ぐこれに代えて 4層や 12層、 16層、或いはそれ以上としても 良い。
[0046] また、スぺーサ層には λ Ζ4多層膜の高屈折率層と同じ材料を用いても良いし、低 屈折率層と同じ材料を用いても良い。また、 λ Ζ4多層膜を構成する何れの層の材 料とも異なる材料を用いても良い。
産業上の利用可能性
[0047] 本発明に係る固体撮像装置及びカメラは、入射光に含まれる赤外線を遮断する技 術として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 2次元配列された複数の画素セルを有し、可視光によってカラー撮像する固体撮像 装置であって、
所定波長域の可視光を主に透過させる多層膜干渉フィルタ力 なる可視光フィルタ と、
設定波長を異にする複数の λ Ζ4多層膜からなり、赤外線を反射する赤外線フィル タと、を備え、
赤外線フィルタと可視光フィルタとは互いに上下に接するように積層されている ことを特徴とする固体撮像装置。
[2] 赤外線フィルタは誘電体材料からなる
ことを特徴とする請求項 1に記載の固体撮像装置。
[3] 可視光フィルタと赤外線フィルタとは同じ誘電体材料カゝらなる
ことを特徴とする請求項 1に記載の固体撮像装置。
[4] 可視光フィルタと赤外線フィルタとをなす誘電体材料のうち、
高屈折率材料は二酸化チタンであり、
低屈折率材料は二酸ィ匕シリコンである
ことを特徴とする請求項 3に記載の固体撮像装置。
[5] 可視光フィルタは赤外線フィルタ上に積層されて!、る
ことを特徴とする請求項 1に記載の固体撮像装置。
[6] 可視光フィルタをなす多層膜干渉フィルタは可視波長域に設定波長を有する λ /4 多層膜を含み、
赤外線フィルタは赤外波長域に設定波長を有する λ Ζ4多層膜からなる ことを特徴とする請求項 1に記載の固体撮像装置。
[7] 赤外線フィルタを構成する λ Ζ4多層膜の設定波長は 700nm以上、 lOOOnm以下 の範囲内にある
ことを特徴とする請求項 6に記載の固体撮像装置。
[8] 可視光フィルタをなす多層膜干渉フィルタは、 2つの λ Ζ4多層膜に誘電体層を挟ん でなる ことを特徴とする請求項 1に記載の固体撮像装置。
2次元配列された複数の画素セルを有し、可視光によってカラー撮像する固体撮像 装置を備えたカメラであって、
固体撮像装置は、
所定波長域の可視光を主に透過させる多層膜干渉フィルタ力 なる可視光フィルタ と、
設定波長を異にする複数の λ Ζ4多層膜からなり、赤外線を反射する赤外線フィル タと、を備え、
赤外線フィルタと可視光フィルタとは互いに上下に接するように積層されている ことを特徴とするカメラ。
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