JP2012019113A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関し、特に、可視光及び近赤外光を検知する固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device used for a digital camera or the like, and more particularly to a solid-state imaging device that detects visible light and near-infrared light.
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。そこで、カラーフィルタの材料として顔料や染料などの有機材料を用いる構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, the application range of solid-state imaging devices such as digital cameras and mobile phones has been explosively expanding, and colorization is essential in any field. Thus, a configuration using an organic material such as a pigment or a dye as a material for the color filter has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
図10は、従来の固体撮像素子における画素の分光特性を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing spectral characteristics of pixels in a conventional solid-state imaging device.
同図には、B(青色透過)フィルタの透過特性901、G(緑色透過)フィルタの透過特性902及びR(赤色透過)フィルタの透過特性903が示されている。特許文献1の固体撮像素子は、RフィルタとBフィルタとを積層することにより、入射光中の赤外成分(以降、IR成分と記載)のみを透過するIR(赤外光透過)フィルタを構成している。 This figure shows a transmission characteristic 901 of a B (blue transmission) filter, a transmission characteristic 902 of a G (green transmission) filter, and a transmission characteristic 903 of an R (red transmission) filter. The solid-state imaging device of Patent Document 1 constitutes an IR (infrared light transmission) filter that transmits only an infrared component (hereinafter referred to as an IR component) in incident light by laminating an R filter and a B filter. is doing.
よって、特許文献1の固体撮像素子は、IRフィルタを有する画素から出力された参照信号を用いて、Rフィルタを有するR画素、Gフィルタを有するG画素及びBフィルタを有するB画素から出力された画素信号に含まれるIR成分の影響を除去する色信号処理を行うことにより、高い色再現性を実現している。 Therefore, the solid-state imaging device of Patent Document 1 is output from the R pixel having the R filter, the G pixel having the G filter, and the B pixel having the B filter using the reference signal output from the pixel having the IR filter. High color reproducibility is realized by performing color signal processing that removes the influence of the IR component included in the pixel signal.
また、別のカラーフィルタの構成としては、誘電体多層膜を用いたカラーフィルタの構成も提案されている。 As another color filter configuration, a color filter configuration using a dielectric multilayer film has also been proposed.
しかしながら、カラーフィルタの材料として有機材料を用いる場合、図10に示すBフィルタの透過特性901、Gフィルタの透過特性902及びRフィルタの透過特性903の赤外領域(IR領域)である700〜850nmの透過特性にバラつきがある。よって、RGB画素から出力される画素信号に含まれるIR成分の影響を一様に除去することができない。すなわち、RGB画素から出力される画素信号からIR成分を除去できない、又は、IR成分を差分しすぎてしまう。 However, when an organic material is used as the material of the color filter, 700 to 850 nm which is an infrared region (IR region) of the transmission characteristics 901 of the B filter, the transmission characteristics 902 of the G filter, and the transmission characteristics 903 of the R filter shown in FIG. There are variations in transmission characteristics. Therefore, the influence of the IR component included in the pixel signal output from the RGB pixel cannot be removed uniformly. That is, the IR component cannot be removed from the pixel signal output from the RGB pixel, or the IR component is excessively differentiated.
これにより、RGB画素の本来視認されるべき発光色とずれてしまう色ずれが生じる。つまり、色再現性が悪いという課題がある。 As a result, a color misregistration that deviates from the emission color of the RGB pixel that should be visually recognized occurs. That is, there is a problem that color reproducibility is poor.
一方、カラーフィルタとして誘電体多層膜を用いる場合、カラーフィルタの膜厚が厚くなることにより、感度が低下するという課題がある。 On the other hand, when a dielectric multilayer film is used as the color filter, there is a problem that the sensitivity is lowered due to an increase in the thickness of the color filter.
上記課題を鑑み、本発明は、色再現性及び感度の高い固体撮像装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having high color reproducibility and sensitivity.
上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、2次元状に配列された複数の画素を有する固体撮像装置であって、入射光のうち各画素に対応する所定波長の光を透過させる色分離フィルタを備え、前記色分離フィルタは、高屈折率層と、前記高屈折率層より低い屈折率の低屈折率層とが交互に積層された、可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する多層膜干渉フィルタであり、複数の前記高屈折率層の少なくとも1つの高屈折率層の面積は、複数の前記低屈折率層の面積よりも小さい。 In order to solve the above-described problems, a solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged in a two-dimensional shape, and emits light having a predetermined wavelength corresponding to each pixel in incident light. A color separation filter that transmits, the color separation filter in a visible region and a near infrared region in which a high refractive index layer and a low refractive index layer having a lower refractive index than the high refractive index layer are alternately stacked. In the multilayer interference filter having a transmission band, the area of at least one high refractive index layer of the plurality of high refractive index layers is smaller than the area of the plurality of low refractive index layers.
これにより、色分離フィルタの高屈折率層と低屈折率層との屈折率差による光の回折効果により入射した光が集光される。よって、膜厚の厚いカラーフィルタを用いた場合でも、感度の低下を抑制することが可能となる。その結果、高い色再現性及び感度を実現できる。 Thereby, the incident light is collected by the diffraction effect of the light due to the refractive index difference between the high refractive index layer and the low refractive index layer of the color separation filter. Therefore, even when a thick color filter is used, it is possible to suppress a decrease in sensitivity. As a result, high color reproducibility and sensitivity can be realized.
また、前記少なくとも1つの高屈折率層それぞれは、前記複数の低屈折率層の少なくとも1つに囲まれていてもよい。 Each of the at least one high refractive index layer may be surrounded by at least one of the plurality of low refractive index layers.
これにより、光の回折効果が強く生じるので、集光効率が一層向上する。 As a result, a light diffraction effect is strongly generated, so that the light collection efficiency is further improved.
また、各画素の中心には、前記少なくとも1つの高屈折率層が配置されていてもよい。 The at least one high refractive index layer may be disposed at the center of each pixel.
これにより、各画素に対応しない光による影響を低減できる。つまり、混色を防止できる。 Thereby, the influence by the light which does not respond | correspond to each pixel can be reduced. That is, color mixing can be prevented.
また、前記少なくとも1つの高屈折率層は、積層方向に互いに異なる位置に形成され、かつ、互いに異なる面積を有する複数の高屈折率層からなってもよい。 The at least one high refractive index layer may be formed of a plurality of high refractive index layers formed at different positions in the stacking direction and having different areas.
また、積層方向に互いに異なる位置に形成され、かつ、互いに異なる面積を有する前記複数の高屈折率層の面積は、光入射面側に位置する一の高屈折率層から前記光入射面の対向面側に位置する他の一の高屈折率層に向かって減少してもよい。 In addition, the areas of the plurality of high refractive index layers formed at different positions in the stacking direction and having different areas are such that one high refractive index layer located on the light incident surface side faces the light incident surface. You may reduce toward another high refractive index layer located in the surface side.
これにより、集光効率が一層向上する。 Thereby, the light collection efficiency is further improved.
また、さらに、色分離フィルタの光入射面の対向面側に設けられた、前記複数の画素に対応する複数の受光部を有する基板を備え、前記少なくとも1つの高屈折率層それぞれの面積をS、各画素の面積をS1、各受光部の面積をS2とすると、S2≦S≦S1を満たしてもよい。 Further, the substrate includes a substrate having a plurality of light receiving portions corresponding to the plurality of pixels, which is provided on a surface facing the light incident surface of the color separation filter, and the area of each of the at least one high refractive index layer is S. If the area of each pixel is S1 and the area of each light receiving portion is S2, S2 ≦ S ≦ S1 may be satisfied.
また、前記色分離フィルタは、可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する可視近赤外フィルタと、前記可視近赤外フィルタに積層された近赤外正規化フィルタとを備え、前記可視近赤外フィルタは、設定波長をλ1とすると、λ1/4の第1の光学膜厚を有する前記高屈折率層である第1の層を複数含む複数の3層膜と、前記複数の3層膜の間に形成され、前記第1の光学膜厚を有する前記低屈折率層である第2の層とを備え、前記複数の3層膜のそれぞれは、2つの前記第1の層と、2つの前記第1の層の間に形成された、透過させる光を制御するための前記低屈折率層である第1のスペーサ層とからなり、前記近赤外正規化フィルタは、前記可視領域と前記近赤外領域内の第1の近赤外波長帯域とにおいて実質的に透明であり、かつ、前記可視領域と前記第1の近赤外波長帯域との間の第2の近赤外波長帯域において実質的に不透明であり、設定波長をλ2とすると、λ2/4の第2の光学膜厚を有する前記高屈折率層である第3の層と、前記第3の層に積層された前記第2の光学膜厚を有する前記低屈折率層である第4の層とからなる複数のλ/4多層膜と、前記複数のλ/4多層膜の間に形成された、透過させる光を制御するための前記低屈折率層である第2のスペーサ層とを備えてもよい。 The color separation filter includes a visible / near infrared filter having a transmission band in a visible region and a near-infrared region, and a near-infrared normalizing filter laminated on the visible / near-infrared filter, infrared filter, when the setting wavelength and lambda 1, a plurality of three-layer film including a plurality of first layer is the high refractive index layer having a first optical thickness of lambda 1/4, the plurality of And a second layer that is the low-refractive index layer having the first optical film thickness, and each of the plurality of three-layer films includes two first layers. And a first spacer layer, which is a low refractive index layer for controlling light to be transmitted, formed between the two first layers, and the near-infrared normalization filter includes Substantially transparent in the visible region and the first near-infrared wavelength band in the near-infrared region, and A substantially opaque in a second infrared wavelength band between the visible region first near-infrared wavelength band, when the setting wavelength and lambda 2, the second optical film of lambda 2/4 A plurality of third layers that are the high-refractive-index layer having a thickness and a fourth layer that is the low-refractive-index layer having the second optical film thickness stacked on the third layer. A λ / 4 multilayer film and a second spacer layer that is formed between the plurality of λ / 4 multilayer films and that is the low refractive index layer for controlling transmitted light may be provided.
これにより、広い波長領域の可視光と近赤外光とを選択的に透過させることができる。 Thereby, visible light and near-infrared light in a wide wavelength region can be selectively transmitted.
本発明によれば、色再現性及び感度の高い固体撮像装置を実現できる。 According to the present invention, a solid-state imaging device with high color reproducibility and sensitivity can be realized.
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、具体的に説明する。 Embodiments according to the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す平面概略図である。 FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of the configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
同図に示す固体撮像装置100は、赤外カットフィルタを無くし、R(赤色)、G(緑色)及びB(青色)の光成分を透過するカラーフィルタが配置された画素に加えて、入射光中のIR(近赤外)成分のみを透過する赤外光フィルタ(IRフィルタ)を配置し、IR成分のみを検出する画素を有する。 The solid-state imaging device 100 shown in the figure eliminates an infrared cut filter and includes incident light in addition to pixels in which color filters that transmit light components of R (red), G (green), and B (blue) are arranged. An infrared light filter (IR filter) that transmits only the IR (near-infrared) component therein is disposed, and has a pixel that detects only the IR component.
具体的な構成としては、同図に示す固体撮像装置100は、撮像部110、蓄積部120、水平転送部130及び出力部140を備える、例えばCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサである。 As a specific configuration, the solid-state imaging device 100 illustrated in FIG. 1 is, for example, a CCD (Charge Coupled Device) image sensor including an imaging unit 110, a storage unit 120, a horizontal transfer unit 130, and an output unit 140.
撮像部110は、入射光を光電変換することにより信号電荷を生成する。この撮像部110は、2次元状に配列されたR(赤色受光)画素111R、G(緑色受光)画素111G、B(青色受光)画素111B及びIR(赤外受光)画素111IRを含む。なお、以降、R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IRをそれぞれ画素111R、111G、111B、111IRと記載する場合もある。撮像部110は、ベイヤー配列における画素111Rのうち、千鳥格子状に配置された画素111Rを画素111IRに置き換えた配列となっている。 The imaging unit 110 generates signal charges by photoelectrically converting incident light. The imaging unit 110 includes two-dimensionally arranged R (red light reception) pixels 111R, G (green light reception) pixels 111G, B (blue light reception) pixels 111B, and IR (infrared light reception) pixels 111IR. Hereinafter, the R pixel 111R, the G pixel 111G, the B pixel 111B, and the IR pixel 111IR may be referred to as pixels 111R, 111G, 111B, and 111IR, respectively. The imaging unit 110 has an array in which the pixels 111R arranged in a staggered pattern among the pixels 111R in the Bayer array are replaced with the pixels 111IR.
蓄積部120は、撮像部110で生成された信号電荷を蓄積する、及び、水平転送部130へ転送する、のいずれかを選択的に行う。 The accumulation unit 120 selectively performs one of accumulation of signal charges generated by the imaging unit 110 and transfer to the horizontal transfer unit 130.
水平転送部130は、蓄積部120から転送された信号電荷を水平方向に転送することにより、出力部140へ出力する。 The horizontal transfer unit 130 outputs the signal charge transferred from the storage unit 120 to the output unit 140 by transferring the signal charge in the horizontal direction.
出力部140は、水平転送部130から転送された信号電荷を電圧信号に変換して出力する。 The output unit 140 converts the signal charge transferred from the horizontal transfer unit 130 into a voltage signal and outputs the voltage signal.
このように出力部140から出力された電圧信号は、R画素111Rで受光された光に応じた赤色信号、G画素111Gで受光された光に応じた緑色信号、B画素111Bで受光された光に応じた青色信号、及び、IR画素111IRで受光された光に応じた赤外信号を含む。 Thus, the voltage signal output from the output unit 140 includes a red signal corresponding to the light received by the R pixel 111R, a green signal corresponding to the light received by the G pixel 111G, and a light received by the B pixel 111B. And a blue signal corresponding to the IR signal and an infrared signal corresponding to the light received by the IR pixel 111IR.
このように構成された固体撮像装置100においては、IR画素111IRで受光された光に応じた赤外信号は、各受光画素(R画素111R、G画素111G、B画素111B)で受光された光に応じた赤色信号、緑色信号及び青色信号にてIR成分に起因して生じる信号量に関する情報を与える参照信号として、各色信号(赤色信号、緑色信号、青色信号)に含まれるIR成分の影響を除去する色信号処理を行うことができる。例えば、赤色信号、緑色信号及び青色信号のそれぞれから参照信号を減算することにより、赤色信号、緑色信号及び青色信号に含まれるIR成分の影響を排除することができる。その結果、高い色再現性を実現できる。 In the solid-state imaging device 100 configured as described above, the infrared signal corresponding to the light received by the IR pixel 111IR is the light received by each light receiving pixel (R pixel 111R, G pixel 111G, B pixel 111B). As a reference signal that gives information on the amount of signal generated due to the IR component in the red signal, green signal, and blue signal according to the influence of the IR component included in each color signal (red signal, green signal, blue signal) Color signal processing to be removed can be performed. For example, by subtracting the reference signal from each of the red signal, the green signal, and the blue signal, the influence of the IR component included in the red signal, the green signal, and the blue signal can be eliminated. As a result, high color reproducibility can be realized.
次に、撮像部110の詳細な構成について説明する。 Next, a detailed configuration of the imaging unit 110 will be described.
図2は、本実施の形態に係る固体撮像装置100の構成の一例を示す断面図である。具体的には、撮像部110の断面構成を示す図であり、説明のために図中左からB画素111B、R画素111R、G画素111G、IR画素111IRの構成が示されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment. Specifically, it is a diagram showing a cross-sectional configuration of the imaging unit 110, and for the sake of explanation, the configurations of a B pixel 111B, an R pixel 111R, a G pixel 111G, and an IR pixel 111IR are shown from the left in the drawing.
同図に示す固体撮像装置100は、入射光のうちR画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IRに対応する所定波長の光を透過させる色分離フィルタを備え、色分離フィルタは、高屈折率層と、高屈折率層より低い屈折率の低屈折率層とが交互に積層された、可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する多層膜干渉フィルタであり、複数の高屈折率層の少なくとも1つの高屈折率層面積は、複数の低屈折率層面積よりも小さい。 The solid-state imaging device 100 shown in the figure includes a color separation filter that transmits light of a predetermined wavelength corresponding to the R pixel 111R, the G pixel 111G, the B pixel 111B, and the IR pixel 111IR among the incident light. This is a multilayer interference filter with a transmission band in the visible region and near infrared region, in which a high refractive index layer and a low refractive index layer having a refractive index lower than that of the high refractive index layer are alternately laminated. At least one high refractive index layer area of the refractive index layer is smaller than a plurality of low refractive index layer areas.
これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置100は、色分離フィルタの高屈折率層と低屈折率層との屈折率差による光の回折効果により入射した光が集光される。よって、膜厚の厚いカラーフィルタを用いた場合でも、感度の低下を抑制することが可能となる。その結果、高い色再現性及び感度を実現できる。 Thereby, in the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment, incident light is collected by the diffraction effect of light due to the refractive index difference between the high refractive index layer and the low refractive index layer of the color separation filter. Therefore, even when a thick color filter is used, it is possible to suppress a decrease in sensitivity. As a result, high color reproducibility and sensitivity can be realized.
以下、図2を参照しながら具体的な構成について説明する。 Hereinafter, a specific configuration will be described with reference to FIG.
図2に示されるように、固体撮像装置100は、N型半導体層101上にP型半導体層102、層間絶縁膜103、色分離フィルタ104及び集光レンズ(マイクロレンズとも言う)105が順次積層されている。なお、P型半導体層102の層間絶縁膜103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106が画素毎に形成されている。隣り合うフォトダイオード106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。ここで、色分離フィルタ104は入射光をR、G、B、IR光に色分離を行う多層膜干渉フィルタである可視近赤外フィルタ104aと可視光及び近赤外光を透過する多層膜干渉フィルタである近赤外正規化フィルタ104bとを積層した構成となっている。 As shown in FIG. 2, in the solid-state imaging device 100, a P-type semiconductor layer 102, an interlayer insulating film 103, a color separation filter 104, and a condenser lens (also referred to as a microlens) 105 are sequentially stacked on an N-type semiconductor layer 101. Has been. Note that a photodiode 106 in which an N-type impurity is ion-implanted is formed for each pixel on the P-type semiconductor layer 102 side of the interlayer insulating film 103. A P-type semiconductor layer is interposed between adjacent photodiodes 106, and this is called an element isolation region. Here, the color separation filter 104 is a multilayer interference filter that transmits visible light and near infrared light, and a visible near infrared filter 104a that is a multilayer interference filter that separates incident light into R, G, B, and IR light. The filter has a configuration in which a near-infrared normalization filter 104b that is a filter is stacked.
また、層間絶縁膜103中には遮光膜107が形成されている。個々のフォトダイオード106と集光レンズ105とは対応関係にあり、遮光膜107は集光レンズ105を透過した光が対応関係に無いフォトダイオード106に入射するのを防ぐ。 A light shielding film 107 is formed in the interlayer insulating film 103. The individual photodiodes 106 and the condensing lens 105 have a corresponding relationship, and the light shielding film 107 prevents the light transmitted through the condensing lens 105 from entering the photodiode 106 that has no corresponding relationship.
なお、N型半導体層101及びP型半導体層102は本発明の基板に相当し、フォトダイオード106は本発明の受光部に相当する。 Note that the N-type semiconductor layer 101 and the P-type semiconductor layer 102 correspond to the substrate of the present invention, and the photodiode 106 corresponds to the light receiving portion of the present invention.
[可視近赤外フィルタ]
ここで、可視近赤外フィルタ104a及び近赤外正規化フィルタ104bの具体的な構成について説明する。
[Visible near infrared filter]
Here, a specific configuration of the visible near-infrared filter 104a and the near-infrared normalization filter 104b will be described.
まず、可視近赤外フィルタ104aの構成について説明する。 First, the configuration of the visible / near infrared filter 104a will be described.
可視近赤外フィルタ104aは、設定波長をλ1(例えば530[nm])としたとき、その設定波長λ1の1/4に略等しい光学膜厚を有し、高屈折率材料からなる第1の層と低屈折率材料からなる第2の層とで構成される屈折率が異なる第2種類の材料で形成されたλ/4多層膜を1組有する。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値であり、設定波長λ1とは可視近赤外フィルタ104aが有する可視領域の透過帯のピーク波長である。 When the set wavelength is λ 1 (for example, 530 [nm]), the visible near-infrared filter 104a has an optical film thickness substantially equal to ¼ of the set wavelength λ 1 and is made of a high refractive index material. One set of λ / 4 multilayer films formed of a second type material having a different refractive index composed of one layer and a second layer made of a low refractive index material. Here, the optical film thickness is a value obtained by multiplying the physical film thickness by the refractive index, and the set wavelength λ 1 is the peak wavelength of the transmission band in the visible region of the visible near-infrared filter 104a.
具体的には、可視近赤外フィルタ104aは、第1の層304、第2の層305、第1の層306がこの順で積層されたλ/4多層膜を有し、さらにλ/4多層膜を挟み込む、第1のスペーサ層(「欠陥層」または「共振層」ともいう)303及び307を有し、さらに、その構造を上記λ1/4膜である第1の層302及び308で挟んだ構造となっている。言い換えると、第1のスペーサ層303及び307のそれぞれは、第1の層302及び304と第1の層306及び308との間に形成されている。すなわち、可視近赤外フィルタ104aは、第1の層306、第1のスペーサ層307、第1の層308で構成される3層膜と、第1の層302、第1のスペーサ層303、第1の層304で構成される3層膜とを有し、さらにその2つの3層膜の間に形成された第2の層305を有する。また、第1の層308上には、光入射面を平坦化するための第2の層309を有する。 Specifically, the visible / near infrared filter 104a includes a λ / 4 multilayer film in which a first layer 304, a second layer 305, and a first layer 306 are stacked in this order, and λ / 4. sandwiching the multilayer film has a first spacer layer (also referred to as a "defect layer" or "resonant layer") 303 and 307, further, the first layer 302 and 308 and its structure is the lambda 1/4 film It has a structure sandwiched between. In other words, the first spacer layers 303 and 307 are formed between the first layers 302 and 304 and the first layers 306 and 308, respectively. That is, the visible and near infrared filter 104a includes a three-layer film including a first layer 306, a first spacer layer 307, and a first layer 308, a first layer 302, a first spacer layer 303, A three-layer film composed of the first layer 304, and a second layer 305 formed between the two three-layer films. In addition, a second layer 309 for planarizing the light incident surface is provided over the first layer 308.
第1の層302、304、306、308は、R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IRのいずれにおいても同じ膜厚を有し、例えば二酸化チタン(TiO2)からなる高屈折率材料で構成されている。 The first layers 302, 304, 306, and 308 have the same film thickness in any of the R pixel 111R, the G pixel 111G, the B pixel 111B, and the IR pixel 111IR, and have high refraction made of, for example, titanium dioxide (TiO 2 ). Consists of rate material.
第2の層305は、R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IRのいずれにおいても同じ膜厚を有し、例えば二酸化珪素(SiO2)からなる低屈折率材料で構成されている。 The second layer 305 has the same film thickness in any of the R pixel 111R, the G pixel 111G, the B pixel 111B, and the IR pixel 111IR, and is made of, for example, a low refractive index material made of silicon dioxide (SiO 2 ). Yes.
ここで、λ1/4膜の膜厚を決定する設定波長λ1は530nmであるため、第1及び第2の層で構成される3層のそれぞれの光学膜厚は132.5nmとなる。波長530nmにおける二酸化チタンの屈折率は2.53、二酸化珪素の屈折率は1.48であるため、二酸化チタンからなる第1の層304及び306の物理膜厚は52nm、二酸化珪素からなる第2の層305の物理膜厚は91nmとなる。言い換えると、物理膜厚52nmの二酸化チタンからなる高屈折率材料の第1の層304及び306と物理膜厚91nmの二酸化珪素からなる低屈折率材料の第2の層305とにより1組のλ/4多層膜が形成されている。 Here, setting the wavelength lambda 1 that determines the thickness of lambda 1/4 film can be 530 nm, the respective optical thickness of three layers consisting of first and second layers becomes 132.5 nm. Since the refractive index of titanium dioxide at a wavelength of 530 nm is 2.53 and the refractive index of silicon dioxide is 1.48, the physical thickness of the first layers 304 and 306 made of titanium dioxide is 52 nm, and the second film made of silicon dioxide. The physical film thickness of the layer 305 is 91 nm. In other words, the first layers 304 and 306 made of high refractive index material made of titanium dioxide having a physical thickness of 52 nm and the second layer 305 made of silicon dioxide having a physical thickness of 91 nm and made of silicon dioxide having a physical thickness of 91 nm form a set of λ. / 4 multilayer film is formed.
そして、当該λ/4多層膜のN型半導体層101及びP型半導体層102側には、画素111R、111G、111B、111IR毎に光学膜厚が異なる低屈折率材料からなる第1のスペーサ層303が形成され、一方、当該λ/4多層膜の集光レンズ105側には、画素111R、111G、111B、111IR毎に光学膜厚が異なる低屈折率材料からなる第1のスペーサ層307が形成されている。 Then, on the N-type semiconductor layer 101 and P-type semiconductor layer 102 side of the λ / 4 multilayer film, a first spacer layer made of a low refractive index material having a different optical film thickness for each of the pixels 111R, 111G, 111B, and 111IR. On the other hand, a first spacer layer 307 made of a low refractive index material having a different optical film thickness for each of the pixels 111R, 111G, 111B, and 111IR is provided on the condenser lens 105 side of the λ / 4 multilayer film. Is formed.
ここで、第1のスペーサ層303及び307それぞれは、可視近赤外フィルタ104aの画素111R、111G、111B及び111IRにおける透過させる光に応じた光学膜厚を有している。すなわち、第1のスペーサ層303及び307は、透過対象の光を制御するために用いられる層であり、その膜厚を変えることによって、R、G、B又IRの光を透過させる。 Here, each of the first spacer layers 303 and 307 has an optical film thickness corresponding to the light transmitted through the pixels 111R, 111G, 111B, and 111IR of the visible / near infrared filter 104a. That is, the first spacer layers 303 and 307 are layers used for controlling light to be transmitted, and transmit R, G, B, and IR light by changing the film thickness.
具体的には、第1のスペーサ層303及び307それぞれの膜厚は、R画素111Rで45nm、G画素111Gで182nm、B画素111Bで140nm、IR画素111IRで91nmである。 Specifically, the film thicknesses of the first spacer layers 303 and 307 are 45 nm for the R pixel 111R, 182 nm for the G pixel 111G, 140 nm for the B pixel 111B, and 91 nm for the IR pixel 111IR.
また、第1の層302及び308それぞれの膜厚は、52nmである。 The thickness of each of the first layers 302 and 308 is 52 nm.
また、第2の層309は、例えば、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)平坦化膜である。 The second layer 309 is, for example, a TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate) planarization film.
以上のように構成された可視近赤外フィルタ104aは、第1のスペーサ層303及び307の膜厚を変化させることのみで色分離を実現することができる。 The visible and near infrared filter 104a configured as described above can achieve color separation only by changing the film thickness of the first spacer layers 303 and 307.
[近赤外正規化フィルタの構成及び透過特性]
次に、近赤外正規化フィルタ104bの構成について説明する。
[Configuration and transmission characteristics of near-infrared normalized filter]
Next, the configuration of the near infrared normalization filter 104b will be described.
近赤外正規化フィルタ104bは、設定波長をλ2(例えば、850[nm])としたとき、その設定波長λ2の1/4に略等しい光学膜厚を有し、高屈折率材料からなる第3の層と低屈折率材料からなる第4の層とで構成される屈折率が異なる2種類の材料の層で形成されたλ/4多層膜を2組有する。具体的には、近赤外正規化フィルタ104bは、第3の層422、第4の層423、第3の層424、第4の層425及び第3の層426がこの順で積層された1組目のλ/4多層膜と、第3の層427、第4の層428、第3の層429、第4の層430及び第3の層431が順次積層された2組目のλ/4多層膜とを有する。この2組のλ/4多層膜間には、低屈折率材料からなる第2のスペーサ層433が形成される。 The near-infrared normalization filter 104b has an optical film thickness substantially equal to ¼ of the set wavelength λ 2 when the set wavelength is λ 2 (for example, 850 [nm]). Two layers of λ / 4 multilayer films formed of layers of two kinds of materials having different refractive indexes, each including a third layer and a fourth layer made of a low refractive index material. Specifically, in the near-infrared normalization filter 104b, a third layer 422, a fourth layer 423, a third layer 424, a fourth layer 425, and a third layer 426 are stacked in this order. A first set of λ / 4 multilayer films, a third layer 427, a fourth layer 428, a third layer 429, a fourth layer 430, and a third layer 431 are sequentially stacked. / 4 multilayer film. A second spacer layer 433 made of a low refractive index material is formed between the two sets of λ / 4 multilayer films.
ここで、設定波長λ2とは近赤外正規化フィルタ104bが有する近赤外領域の透過帯のピーク波長である。 Here, the set wavelength λ 2 is the peak wavelength of the transmission band in the near infrared region of the near infrared normalizing filter 104b.
また、短波長領域の透過率向上のため、第3の層422のN型半導体層101側及び第3の層431の集光レンズ105側のそれぞれには、低屈折率材料からなるλ/8膜421及び432が形成されている。 Further, in order to improve the transmittance in the short wavelength region, each of the third layer 422 on the N-type semiconductor layer 101 side and the third layer 431 on the condenser lens 105 side has λ / 8 made of a low refractive index material. Films 421 and 432 are formed.
ここで、図2に示されるように、R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IRにおける近赤外正規化フィルタ104bの層数は11層である。 Here, as shown in FIG. 2, the number of layers of the near-infrared normalization filter 104b in the R pixel 111R, the G pixel 111G, the B pixel 111B, and the IR pixel 111IR is eleven.
また、屈折率が異なる2種類の材料の層のうち、第3の層422、424、426、427、429及び431は、具体的には、二酸化チタン(TiO2)からなる高屈折率材料で構成されており、第4の層423、425、428及び430は、具体的には、二酸化珪素(SiO2)からなる低屈折率材料で構成されている。また、λ/8膜421及び432と、第2のスペーサ層も、具体的には、二酸化珪素(SiO2)からなる低屈折率材料で構成されている。 Of the two layers of materials having different refractive indexes, the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 are specifically high refractive index materials made of titanium dioxide (TiO 2 ). Specifically, the fourth layers 423, 425, 428, and 430 are made of a low refractive index material made of silicon dioxide (SiO 2 ). Further, the λ / 8 films 421 and 432 and the second spacer layer are also specifically made of a low refractive index material made of silicon dioxide (SiO 2 ).
また、第3の層422、424、426、427、429及び431のそれぞれと、第4の層423、425、428及び430のそれぞれとは、R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IRのいずれにおいても光学膜厚が等しい。 In addition, the third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 and the fourth layers 423, 425, 428, and 430 respectively include an R pixel 111R, a G pixel 111G, a B pixel 111B, and an IR. The optical film thickness is the same in any of the pixels 111IR.
ここで、λ/4膜の膜厚を決定する設定波長λ2は850nmであるため、第3の層422、424、426、427、429及び431と第4の層423、425、428及び430のそれぞれの光学膜厚は212.5nmとなる。波長850nmにおける二酸化チタンの屈折率は2.41、二酸化珪素の屈折率は1.44であるため、二酸化チタンからなる第3の層の物理膜厚は88nmとなり、第4の層の物理膜厚は148nmとなる。 Here, since the setting wavelength λ 2 for determining the film thickness of the λ / 4 film is 850 nm, the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 and the fourth layers 423, 425, 428 and 430 are used. The respective optical film thicknesses are 212.5 nm. Since the refractive index of titanium dioxide at a wavelength of 850 nm is 2.41 and the refractive index of silicon dioxide is 1.44, the physical thickness of the third layer made of titanium dioxide is 88 nm, and the physical thickness of the fourth layer. Becomes 148 nm.
具体的には、物理膜厚88nmの二酸化チタンからなる高屈折率材料の第3の層422、424及び426と、物理膜厚148nmの二酸化珪素からなる低屈折率材料の第4の層423及び425とにより1組のλ/4多層膜が形成されている。また、物理膜厚88nmの二酸化チタンからなる高屈折率材料の第3の層427、429及び431と、物理膜厚148nmの二酸化珪素からなる低屈折率材料の第4の層428及び430とによりもう1組のλ/4多層膜が形成されている。さらに、第3の層422のN型半導体層101側及び第3の層431の集光レンズ105側のそれぞれには、物理膜厚148nmの二酸化珪素からなる低屈折率材料のλ/8膜421及び432が形成されている。また、2組のλ/4多層膜間には、物理膜厚0nmの二酸化珪素からなる低屈折率材料の第2のスペーサ層433が形成されている。 Specifically, a third layer 422, 424 and 426 of a high refractive index material made of titanium dioxide having a physical thickness of 88 nm, and a fourth layer 423 of a low refractive index material made of silicon dioxide having a physical thickness of 148 nm and 425 forms one set of λ / 4 multilayer films. Further, the third layers 427, 429 and 431 of high refractive index material made of titanium dioxide having a physical thickness of 88 nm and the fourth layers 428 and 430 of low refractive index material made of silicon dioxide having a physical thickness of 148 nm are provided. Another set of λ / 4 multilayer films is formed. Further, on each of the third layer 422 on the N-type semiconductor layer 101 side and the third layer 431 on the condenser lens 105 side, a λ / 8 film 421 made of silicon dioxide having a physical thickness of 148 nm and made of silicon dioxide. And 432 are formed. In addition, a second spacer layer 433 made of low refractive index material made of silicon dioxide having a physical thickness of 0 nm is formed between the two sets of λ / 4 multilayer films.
図3Aは、本実施の形態に係る固体撮像装置100の分光特性を示すグラフであり、マトリクス法を用いて算出された設計結果を示している。図3Aに示すグラフでは、縦軸は色分離フィルタ104の集光効率を表わし、横軸は透過光の波長を表している。 FIG. 3A is a graph showing the spectral characteristics of the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment, and shows the design results calculated using the matrix method. In the graph shown in FIG. 3A, the vertical axis represents the light collection efficiency of the color separation filter 104, and the horizontal axis represents the wavelength of transmitted light.
図3Bは、本実施の形態に係る固体撮像装置100の近赤外正規化フィルタ104bの分光特性を示すグラフである。図3Bに示すグラフでは、縦軸は近赤外正規化フィルタ104bの透過率を表し、横軸は透過光の波長を表している。 FIG. 3B is a graph showing the spectral characteristics of the near-infrared normalization filter 104b of the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment. In the graph shown in FIG. 3B, the vertical axis represents the transmittance of the near-infrared normalization filter 104b, and the horizontal axis represents the wavelength of transmitted light.
図3Bに示されるように、近赤外正規化フィルタ104bは、近赤外領域(700〜850nm)内の第1の近赤外波長帯域(800〜850nm)と可視領域との帯域で実質的に透明である。また、図3に示すように近赤外正規化フィルタ104bは、近赤外領域(700〜850nm)内の第2の近赤外波長帯域(700〜750nm)では実質的に透明でない。つまり、可視領域と第1の近赤外波長帯域との間の第2の近赤外波長帯域との間では、実質的に透明でない。ここで実質的に透明とは、光を透過する透過率が80%以上ある場合を意味し、実質的に透明でない場合とは、透過率が20%以下である場合を意味する。 As shown in FIG. 3B, the near-infrared normalization filter 104b is substantially in the first near-infrared wavelength band (800-850 nm) in the near-infrared region (700-850 nm) and the visible region. It is transparent. As shown in FIG. 3, the near-infrared normalization filter 104b is not substantially transparent in the second near-infrared wavelength band (700 to 750 nm) in the near-infrared region (700 to 850 nm). That is, it is not substantially transparent between the visible region and the second near infrared wavelength band between the first near infrared wavelength band. Here, “substantially transparent” means that the transmittance for transmitting light is 80% or more, and “not substantially transparent” means that the transmittance is 20% or less.
以上のように、固体撮像装置100は、入射光のうち各画素111R、111G、111B及び111IRに対応する所定波長の光を透過させる色分離フィルタ104を備え、色分離フィルタ104は、可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する可視近赤外フィルタ104aと、可視近赤外フィルタ104aに積層された近赤外正規化フィルタ104bとを備え、可視近赤外フィルタ104aは、設定波長をλ1とすると、λ1/4の第1の光学膜厚を有する高屈折率層である複数の第1の層302、304、306及び308を含む複数の3層膜と、複数の3層膜の間に形成され、第1の光学膜厚を有する第2の層305とを備え、複数の3層膜のそれぞれは、2つの第1の層と、2つの第1の層の間に形成され、透過させる光を制御するための低屈折率層である第1のスペーサ層303及び307とからなり、近赤外正規化フィルタ104bは、可視領域と近赤外領域内の第1の近赤外波長帯域とにおいて実質的に透明であり、かつ、可視領域と第1の近赤外波長帯域との間の第2の近赤外波長帯域において実質的に不透明であり、設定波長をλ2とすると、λ2/4の第2の光学膜厚を有する第3の層422、424、426、427、429及び431と、第3の層に積層された第2の光学膜厚を有する第4の層423、425、428及び430とからなる複数のλ/4多層膜と、複数のλ/4多層膜の間に形成された、透過させる光を制御するための第2のスペーサ層433とを備える。 As described above, the solid-state imaging device 100 includes the color separation filter 104 that transmits light having a predetermined wavelength corresponding to each of the pixels 111R, 111G, 111B, and 111IR in the incident light. A visible near-infrared filter 104a having a transmission band in the near-infrared region and a near-infrared normalizing filter 104b stacked on the visible-near-infrared filter 104a, the visible-near-infrared filter 104a having a set wavelength of λ When 1, a plurality of three-layer film including a plurality of first layers 302, 304, 306 and 308 is a high refractive index layer having a first optical thickness of lambda 1/4, a plurality of three-layer film And a second layer 305 having a first optical film thickness, and each of the plurality of three-layer films is formed between the two first layers and the two first layers. Control the transmitted light The first spacer layers 303 and 307, which are low refractive index layers, and the near-infrared normalization filter 104b is substantially in the visible region and the first near-infrared wavelength band in the near-infrared region. a transparent and substantially opaque in a second infrared wavelength band between the visible region and the first near-infrared wavelength band, when the setting wavelength and lambda 2, lambda 2/4 A third layer 422, 424, 426, 427, 429 and 431 having a second optical film thickness, and a fourth layer 423, 425 having a second optical film thickness stacked on the third layer. A plurality of λ / 4 multilayer films composed of 428 and 430, and a second spacer layer 433 formed between the plurality of λ / 4 multilayer films for controlling the transmitted light.
近赤外正規化フィルタ104bは、上記の構成により、広い波長領域の可視光と近赤外光とを選択的に透過させることができる。 The near-infrared normalization filter 104b can selectively transmit visible light and near-infrared light in a wide wavelength region with the above configuration.
また、図2に示すように、近赤外正規化フィルタ104bの高屈折率材料で構成されている第3の層422、424、426、427、429及び431の面積が、光入射面側からN型半導体層101及びP型半導体層102側にいくにつれ、小さくなっている。また、高屈折率材料で構成されている第3の層422、424、426、427、429及び431の周囲は、近赤外正規化フィルタ104bの低屈折率材料で構成されている第4の層423、425、428及び430と、低屈折率材料のλ/8膜421及び432とが形成されている。このような構成とすることで、高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差による光の回折効果により光が集光される。よって、膜厚の厚い色分離フィルタを用いた場合でも、感度の低下を抑制することが可能となる。 Further, as shown in FIG. 2, the areas of the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 made of the high refractive index material of the near-infrared normalization filter 104b are from the light incident surface side. As it goes to the N-type semiconductor layer 101 and the P-type semiconductor layer 102 side, it becomes smaller. The periphery of the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 made of a high refractive index material is a fourth layer made of a low refractive index material of the near-infrared normalization filter 104b. Layers 423, 425, 428, and 430 and λ / 8 films 421 and 432 of low refractive index material are formed. With such a configuration, light is collected by the light diffraction effect due to the difference in refractive index between the high refractive index material and the low refractive index material. Therefore, even when a thick color separation filter is used, it is possible to suppress a decrease in sensitivity.
言い換えると、高屈折率材料で構成されている第3の層422、424、426、427、429及び431のそれぞれは、低屈折率材料で構成されている第4の層423、425、428及び430と、低屈折率材料のλ/8膜421及び432とに囲まれている。これにより、回折効果が強く生じるので、集光効率が一層向上する。 In other words, each of the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 composed of a high refractive index material is composed of a fourth layer 423, 425, 428 composed of a low refractive index material. 430 and λ / 8 films 421 and 432 of a low refractive index material. Thereby, since the diffraction effect is strongly generated, the light collection efficiency is further improved.
また、第3の層422、424、426、427、429及び431は、積層方向に互いに異なる位置に形成され、かつ、互いに異なる面積を有する。さらに、積層方向に互いに異なる位置に形成され、かつ、互いに異なる面積を有する高屈折率材料の第3の層422、424、426、427、429及び431の面積は、光入射面側に位置する一の第3の層431から光入射面の対向面側に位置する他の一の第3の層422に向かって減少する。つまり、第3の層422、424、426、427、429及び431は、積層方向にテーパー構造を成している。これにより、集光効率がより一層向上する。 The third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 are formed at different positions in the stacking direction and have different areas. Furthermore, the areas of the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 of the high refractive index materials which are formed at different positions in the stacking direction and have different areas are located on the light incident surface side. It decreases from the one third layer 431 toward the other third layer 422 located on the opposite surface side of the light incident surface. That is, the third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 have a tapered structure in the stacking direction. Thereby, the light collection efficiency is further improved.
図4は、有限要素法による電磁界シミュレーションを行った結果であり、上記テーパー構造によって、光の回折効果が生じていることがわかる。よって、光がフォトダイオード106に集光される。なお、同図に示す高屈折率層は第3の層422、424、426、427、429及び431であり、低屈折率層は第4の層423、425、428及び430である。 FIG. 4 shows the result of electromagnetic field simulation by the finite element method, and it can be seen that the above-mentioned taper structure causes the light diffraction effect. Thus, the light is collected on the photodiode 106. In addition, the high refractive index layers shown in the figure are the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431, and the low refractive index layers are the fourth layers 423, 425, 428 and 430.
(比較例1)
以下、テーパー構造による光の集光効率の向上について、比較例1を用いて説明する。
(Comparative Example 1)
Hereinafter, the improvement of the light condensing efficiency by a taper structure is demonstrated using the comparative example 1. FIG.
図5は、比較例1に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the solid-state imaging device according to Comparative Example 1.
同図に示す固体撮像装置200は、実施の形態に係る固体撮像装置100と比較して、近赤外正規化フィルタ104bに代わり近赤外正規化フィルタ204bを有する点が異なる。 The solid-state imaging device 200 shown in the figure is different from the solid-state imaging device 100 according to the embodiment in that it includes a near-infrared normalization filter 204b instead of the near-infrared normalization filter 104b.
近赤外正規化フィルタ204bは、第3の層222、第4の層223、第3の層224、第4の層225及び第3の層226がこの順で積層された1組目のλ/4多層膜と、第3の層227、第4の層228、第3の層229、第4の層230及び第3の層231が順次積層された2組目のλ/4多層膜とを有する。この2組のλ/4多層膜間には、低屈折率材料からなる第2のスペーサ層233が形成される。また、短波長領域の透過率向上のため、第3の層222のN型半導体層101側及び第3の層231の集光レンズ105側のそれぞれには、低屈折率材料からなるλ/8膜221及び232が形成されている。これら第3の層、第4の層及びλ/8膜の、材料及び膜厚は、実施の形態と同じである。 The near-infrared normalization filter 204b includes a first layer λ in which a third layer 222, a fourth layer 223, a third layer 224, a fourth layer 225, and a third layer 226 are stacked in this order. / 4 multilayer film, a second set of λ / 4 multilayer films in which a third layer 227, a fourth layer 228, a third layer 229, a fourth layer 230, and a third layer 231 are sequentially stacked, Have A second spacer layer 233 made of a low refractive index material is formed between the two sets of λ / 4 multilayer films. Further, in order to improve the transmittance in the short wavelength region, each of the third layer 222 on the N-type semiconductor layer 101 side and the third layer 231 on the condenser lens 105 side has λ / 8 made of a low refractive index material. Films 221 and 232 are formed. The materials and thicknesses of the third layer, the fourth layer, and the λ / 8 film are the same as those in the embodiment.
この近赤外正規化フィルタ204bは、近赤外正規化フィルタ104bと比較して、高屈折率材料の第3の層222、224、226、227、229及び231がベタ膜状に形成されている点が異なる。 The near-infrared normalization filter 204b has a third layer 222, 224, 226, 227, 229 and 231 of a high refractive index material formed in a solid film shape as compared with the near-infrared normalization filter 104b. Is different.
つまり、比較例1に係る固体撮像装置200は、図6(a)、(b)に示すような可視近赤外フィルタ104aと近赤外正規化フィルタ204bとの2つのフィルタの積層構成による分光特性により、色分離フィルタの700nm以上の分光特性を図6(e)に示すようにR、G、B、IR画素においてほぼ同じにすることが可能としている。このような構成とすることで、低色温度の照明を用いたときにおいても色ずれが起こることなく、高い色再現性が得られる。なお、図6(c)は可視近赤外フィルタ104aの分光特性であり、図6(d)は近赤外正規化フィルタ204bの分光特性である。 That is, the solid-state imaging device 200 according to the comparative example 1 is spectrally separated by a laminated configuration of two filters of a visible near-infrared filter 104a and a near-infrared normalization filter 204b as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). According to the characteristics, the spectral characteristics of 700 nm or more of the color separation filter can be made substantially the same in the R, G, B, and IR pixels as shown in FIG. With such a configuration, high color reproducibility can be obtained without causing a color shift even when illumination with a low color temperature is used. 6C shows the spectral characteristics of the visible near infrared filter 104a, and FIG. 6D shows the spectral characteristics of the near infrared normalization filter 204b.
しかし、この場合高い色再現性を実現するためには、誘電体多層膜の積層数を増やす必要があり、カラーフィルタの膜厚が厚くなってしまうため、固体撮像装置200の受光部(フォトダイオード106)と固体撮像装置200の表面との距離が大きくなる。 However, in this case, in order to realize high color reproducibility, it is necessary to increase the number of dielectric multilayer films, and the film thickness of the color filter becomes thick. 106) and the surface of the solid-state imaging device 200 are increased.
これにより、固体撮像装置200の受光部(フォトダイオード106)に到達する光量が低下し、感度の低下が生じる。この場合、図5に示すように、固体撮像装置200の表面に集光レンズ105を形成し、光を集光しようとしても、受光部(フォトダイオード106)との距離が大きいために光の回折効果により集光された光が広がり、配線によるけられなどが発生してしまう。 As a result, the amount of light reaching the light receiving unit (photodiode 106) of the solid-state imaging device 200 is reduced, and sensitivity is reduced. In this case, as shown in FIG. 5, even if the condenser lens 105 is formed on the surface of the solid-state imaging device 200 and the light is collected, the light is diffracted because the distance from the light receiving unit (photodiode 106) is large. The condensed light spreads due to the effect, and the wiring is damaged.
図7は、比較例1に係る固体撮像装置200の分光特性を示すグラフである。 FIG. 7 is a graph showing the spectral characteristics of the solid-state imaging device 200 according to Comparative Example 1.
同図に示す比較例1に係る固体撮像装置200の分光特性と、図4に示す実施の形態に係る固体撮像装置100の分光特性とを比較すると、実施の形態に係る固体撮像装置100の分光特性が比較例1に係る固体撮像装置200の分光特性より高くなっていることは明白である。 4 is compared with the spectral characteristics of the solid-state imaging device 100 according to the embodiment shown in FIG. 4, the spectral characteristics of the solid-state imaging device 100 according to the embodiment are compared. It is obvious that the characteristics are higher than the spectral characteristics of the solid-state imaging device 200 according to Comparative Example 1.
つまり、比較例1に係る固体撮像装置200では、光の回折効果により集光された光が広がり、配線によるけられなどが発生することにより、色分離フィルタの透過率が100%であっても、集光効率が低下する。 That is, in the solid-state imaging device 200 according to Comparative Example 1, even though the light collected by the light diffraction effect spreads and the wiring is distorted, the transmittance of the color separation filter is 100%. Condensation efficiency decreases.
言い換えると、比較例1では、各色の色分離フィルタにおいても、集光効率が60%程度であったが、本実施の形態に係る固体撮像装置100では、集光効率が80%程度であり、比較例1と比較して集光効率が1.3〜1.4倍向上している。 In other words, in Comparative Example 1, the light collection efficiency was about 60% in the color separation filters of each color, but in the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment, the light collection efficiency is about 80%. Compared with Comparative Example 1, the light collection efficiency is improved 1.3 to 1.4 times.
このように、本実施の形態に係る固体撮像装置100では、比較例1と比較して、第3の層422、424、426、427、429及び431を、積層方向にテーパー構造とすることにより、高い集光効率を実現できる。 As described above, in the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment, the third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 are tapered in the stacking direction as compared with the first comparative example. High condensing efficiency can be realized.
(比較例2)
一方、集光効率を向上するために、薄く形成された色分離フィルタを用いる固体撮像装置の構成が考えられる。
(Comparative Example 2)
On the other hand, in order to improve the light collection efficiency, a configuration of a solid-state imaging device using a thin color separation filter can be considered.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の比較例2に係る固体撮像装置を説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to Comparative Example 2 of the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本比較例に係る固体撮像装置は、本実施の形態に係る固体撮像装置100と比較して、色分離フィルタが薄く形成されている点が異なる。具体的には、本比較例に係る固体撮像装置は、近赤外正規化フィルタを備えない。 The solid-state imaging device according to this comparative example is different from the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment in that the color separation filter is thinly formed. Specifically, the solid-state imaging device according to this comparative example does not include a near-infrared normalization filter.
図8Aは、色分離フィルタ(カラーフィルタ)として誘電体多層膜510を用いた場合の比較例2に係る固体撮像装置の断面構成を示す図であり、図8Bは、図8Aに示す色分離フィルタ(カラーフィルタ)の透過特性を示すグラフである。 FIG. 8A is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of a solid-state imaging device according to Comparative Example 2 in which a dielectric multilayer film 510 is used as a color separation filter (color filter), and FIG. 8B is a color separation filter illustrated in FIG. 8A. It is a graph which shows the transmission characteristic of (color filter).
図8Bに示すように、比較例2に係る固体撮像装置の色分離フィルタ(カラーフィルタ)においてもR、G、B、(IR)の色分離が可能となる。 As shown in FIG. 8B, the color separation filter (color filter) of the solid-state imaging device according to Comparative Example 2 can also perform R, G, B, and (IR) color separation.
しかしながら、RGB画素からの信号出力をIR画素の参照信号を差分する際に、図8Bに示すように各画素における700nm〜850nmのRGBの分光特性にばらつきがあるため、RGB画素におけるIR信号が差分しきれずに、特に低色温度の照明に対して色ずれが起こる。 However, when the signal output from the RGB pixel is differentiated from the reference signal of the IR pixel, as shown in FIG. 8B, the RGB spectral characteristics of each pixel vary from 700 nm to 850 nm. In particular, color shift occurs especially for low color temperature illumination.
これに対して、本実施の形態に係る固体撮像装置100は、700nm〜850nmのRGBの分光特性にばらつきが小さいので、色ずれを低減できる。言い換えると、高い色再現性を実現できる。 On the other hand, since the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment has a small variation in the RGB spectral characteristics of 700 nm to 850 nm, the color shift can be reduced. In other words, high color reproducibility can be realized.
また、本実施の形態に係る固体撮像装置100は、色分離フィルタの高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差による集光効果により、膜厚の厚いカラーフィルタを用いた場合でも、感度の低下を抑制することが可能となる。 Further, the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment has a condensing effect due to the refractive index difference between the high refractive index material and the low refractive index material of the color separation filter, even when a thick color filter is used. It is possible to suppress a decrease in sensitivity.
次に、上記のような構成を有する本実施の形態に係る固体撮像装置100の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment having the above-described configuration will be described.
図9A〜9Fは、本実施の形態に係る固体撮像装置100の製造方法の一例を示す図である。なお、ここでは、従来と異なる点のみを述べており、従来と同様の工程については省略する。 9A to 9F are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment. Here, only the points different from the conventional one are described, and the same steps as the conventional one are omitted.
まず、図9Aに示すように、N型半導体層101上にP型半導体層102、フォトダイオード106、層間絶縁膜103、および遮光膜107を形成した後、近赤外正規化フィルタ104bの低屈折率層をCVDまたはスパッタなどの通常の半導体プロセスで用いられる成膜方法により、形成する(例えば二酸化珪素)。具体的には、近赤外正規化フィルタ104bの、低屈折率材料からなるλ/8膜421を形成する。 First, as shown in FIG. 9A, after forming the P-type semiconductor layer 102, the photodiode 106, the interlayer insulating film 103, and the light-shielding film 107 on the N-type semiconductor layer 101, the low refraction of the near-infrared normalization filter 104b is reduced. The rate layer is formed by a film forming method used in a normal semiconductor process such as CVD or sputtering (for example, silicon dioxide). Specifically, a λ / 8 film 421 made of a low refractive index material for the near infrared normalization filter 104b is formed.
その後、図9Bに示すように、近赤外正規化フィルタ104bの高屈折率層をCVDまたはスパッタなどの通常の半導体プロセスで用いられる成膜方法により、形成する(例えば二酸化チタン)。言い換えると、高屈折率材料からなる高屈折率層422aを形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 9B, a high refractive index layer of the near-infrared normalizing filter 104b is formed by a film forming method used in a normal semiconductor process such as CVD or sputtering (for example, titanium dioxide). In other words, the high refractive index layer 422a made of a high refractive index material is formed.
その後、図9Cに示すように、リソグラフィーにより、高屈折率層422a上にレジスト610をパターニングする。 Thereafter, as shown in FIG. 9C, a resist 610 is patterned on the high refractive index layer 422a by lithography.
その後、図9Dに示すように、ウェットエッチまたはドライエッチを用いて高屈折率層422aをパターニングすることにより、高屈折率材料からなる第3の層422を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 9D, the third layer 422 made of a high refractive index material is formed by patterning the high refractive index layer 422a using wet etching or dry etching.
その後、図9Eに示すように、レジスト610を除去することで所望のパターンを得ることができる。 Thereafter, as shown in FIG. 9E, a desired pattern can be obtained by removing the resist 610.
その後、図9Fに示すように、CVDまたはスパッタなどの通常の半導体プロセスで用いられる成膜方法で形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 9F, the film is formed by a film forming method used in a normal semiconductor process such as CVD or sputtering.
以降、上記プロセスを繰り返し行うことで、近赤外正規化フィルタ104bが形成される。なお、可視近赤外フィルタ104aについても同様のプロセスを実施することで実現可能である。 Thereafter, the near-infrared normalization filter 104b is formed by repeating the above process. Note that the visible and near infrared filter 104a can be realized by performing the same process.
以上の工程により、本実施の形態に係る固体撮像装置100が製造できる。 Through the above steps, the solid-state imaging device 100 according to the present embodiment can be manufactured.
なお、本実施の形態では、近赤外正規化フィルタ104bの高屈折率材料からなる第3の層422、424、426、427、429及び431の全てにおいて、上記プロセスによりパターニングされているが、層数に限定されるものではない。 In the present embodiment, all of the third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431 made of the high refractive index material of the near-infrared normalization filter 104b are patterned by the above process. The number of layers is not limited.
以上、図面を用いて説明したように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置100は、2次元状に配列された複数の画素(R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IR)を有する固体撮像装置であって、入射光のうち各画素111R、111G、111B及び111IRに対応する所定波長の光を透過させる色分離フィルタ104を備え、色分離フィルタ104は、高屈折率材料からなる第1の層302、304、306及び308と第3の層422、424、426、427、429及び431と、高屈折率材料より屈折率が低い低屈折率材料からなる第2の層305及び309と第4の層423、425、428及び430とが交互に積層された、可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する多層膜干渉フィルタであり、第3の層422、424、426、427、429及び431の面積は、第2の層305及び309と第4の層423、425、428及び430との面積よりも小さい。 As described above with reference to the drawings, the solid-state imaging device 100 according to the embodiment of the present invention includes a plurality of pixels (R pixel 111R, G pixel 111G, B pixel 111B, and IR pixel arranged in a two-dimensional manner. 111IR), and includes a color separation filter 104 that transmits light having a predetermined wavelength corresponding to each of the pixels 111R, 111G, 111B, and 111IR in incident light, and the color separation filter 104 has a high refractive index. First layers 302, 304, 306 and 308 made of a material, third layers 422, 424, 426, 427, 429 and 431, and a second made of a low refractive index material having a refractive index lower than that of a high refractive index material. Multilayer interference having layers 305 and 309 and fourth layers 423, 425, 428, and 430 alternately stacked and having a transmission band in the visible region and the near infrared region A filter, the area of the third layer 422,424,426,427,429 and 431 is smaller than the area of the second layer 305 and 309 and the fourth layer 423,425,428 and 430.
これによって、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、色分離フィルタ104の高屈折率材料と低屈折率材料との屈折率差による光の回折効果により光が集光される。よって、膜厚の厚いカラーフィルタを用いた場合でも、感度の低下を抑制することが可能となる。 Thus, in the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention, light is collected by the light diffraction effect due to the refractive index difference between the high refractive index material and the low refractive index material of the color separation filter 104. Therefore, even when a thick color filter is used, it is possible to suppress a decrease in sensitivity.
好ましくは、第3の層422、424、426、427、429及び431のそれぞれの面積は、当該第3の層に隣接する第4の層の面積よりも小さい。 Preferably, the area of each of the third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 is smaller than the area of the fourth layer adjacent to the third layer.
なお、第1の層302、304、306及び308と第3の層422、424、426、427、429及び431とのそれぞれは、本発明の高屈折率層であり、第2の層305及び309と第4の層423、425、428及び430とのそれぞれは、本発明の低屈折率層である。 Note that each of the first layers 302, 304, 306, and 308 and the third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 is the high refractive index layer of the present invention, and the second layer 305 and Each of 309 and the fourth layers 423, 425, 428, and 430 is the low refractive index layer of the present invention.
また、各画素(R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IR)の中心には、第3の層422、424、426、427、429及び431が配置されている。 In addition, third layers 422, 424, 426, 427, 429, and 431 are arranged at the center of each pixel (R pixel 111R, G pixel 111G, B pixel 111B, and IR pixel 111IR).
これにより、各画素(R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IR)に対応しない光による影響を低減できる。つまり、混色を防止できる。 Thereby, the influence by the light which does not respond | correspond to each pixel (R pixel 111R, G pixel 111G, B pixel 111B, and IR pixel 111IR) can be reduced. That is, color mixing can be prevented.
また、さらに、色分離フィルタ104の光入射面の対向面側に設けられた、複数の画素(R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IR)に対応する複数のフォトダイオード106を有するP型半導体層102を備え第3の層422、424、426、427、429及び431の面積をS、各画素(R画素111R、G画素111G、B画素111B及びIR画素111IR)の面積をS1、各フォトダイオード106の面積をS2とすると、S2≦S≦S1を満たす。 Furthermore, a plurality of photodiodes 106 corresponding to a plurality of pixels (R pixel 111R, G pixel 111G, B pixel 111B, and IR pixel 111IR) provided on the surface opposite to the light incident surface of the color separation filter 104 are provided. The third layer 422, 424, 426, 427, 429, and 431 has an area S, and the area of each pixel (R pixel 111R, G pixel 111G, B pixel 111B, and IR pixel 111IR) is provided. S1, When the area of each photodiode 106 is S2, S2 ≦ S ≦ S1 is satisfied.
以上、本発明に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the solid-state imaging device according to the present invention has been described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the meaning of this invention, the form which carried out the various deformation | transformation which those skilled in the art can think to the said embodiment, and the form constructed | assembled combining the component in a different embodiment is also contained in the scope of the present invention. .
例えば、上記実施の形態においては、高屈折率材料として二酸化チタ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、これに代えて次のようにしてもよい。すなわち、高屈折率材料として、二酸化チタンに代えて、窒化珪素(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よい。また、低屈折率材料についても二酸化珪素以外の材料を用いてもよい。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。 For example, in the above embodiment, the case where titanium dioxide is used as the high refractive index material has been described. Needless to say, the present invention is not limited to this, and the following may be used instead. That is, other materials such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), tantalum trioxide (Ta 2 O 3 ), and zirconium dioxide (ZrO 2 ) may be used as the high refractive index material instead of titanium dioxide. . Moreover, you may use materials other than silicon dioxide also about a low refractive index material. The effects of the present invention can be obtained regardless of the material used for the multilayer interference filter.
また、上記実施の形態においては、第1及び第2のスペーサ層の材料として二酸化珪素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よい。第1及び第2のスペーサ層の材料は誘電体層を構成する高屈折率層と低屈折率層とのいずれかと同じ材料を用いてもよいし、いずれとも異なる材料を用いてもよい。また、上述のように、2つの欠陥層で異なる材料を用いてもよい。 In the above-described embodiment, the case where silicon dioxide is used as the material for the first and second spacer layers has been described. It may be used. As the material of the first and second spacer layers, the same material as either the high refractive index layer or the low refractive index layer constituting the dielectric layer may be used, or a different material may be used. Further, as described above, different materials may be used for the two defect layers.
また、上記実施の形態においては、固体撮像装置100はCCDイメージセンサであるとしたが、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサであってもよい。 In the above embodiment, the solid-state imaging device 100 is a CCD image sensor. However, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) image sensor may be used.
本発明に係る固体撮像装置は、例えば、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に利用することができる。 The solid-state imaging device according to the present invention can be used for imaging devices such as digital cameras and digital video cameras.
100、200 固体撮像装置
101 N型半導体層
102 P型半導体層
103 層間絶縁膜
104 色分離フィルタ
104a 可視近赤外フィルタ
104b、204b 近赤外正規化フィルタ
105 集光レンズ
106 フォトダイオード
107 遮光膜
110 撮像部
111B B画素(画素)
111G G画素(画素)
111IR IR画素(画素)
111R R画素(画素)
120 蓄積部
130 水平転送部
140 出力部
221、232、421、432 λ/8膜
222、224、226、227、229、231、422、424、426、427、429、431 第3の層
223、225、228、230、423、425、428、430 第4の層
233、433 第2のスペーサ層
302、304、306、308 第1の層
303、307 第1のスペーサ層
305、309 第2の層
422a 高屈折率層
510 誘電体多層膜
610 レジスト
901 Bフィルタの透過特性
902 Gフィルタの透過特性
903 Rフィルタの透過特性
100, 200 Solid-state imaging device 101 N-type semiconductor layer 102 P-type semiconductor layer 103 Interlayer insulating film 104 Color separation filter 104a Visible and near-infrared filter 104b and 204b Near-infrared normalization filter 105 Condensing lens 106 Photodiode 107 Light-shielding film 110 Imaging unit 111B B pixel (pixel)
111G G pixel (pixel)
111IR IR pixel (pixel)
111R R pixel (pixel)
120 Storage unit 130 Horizontal transfer unit 140 Output unit 221, 232, 421, 432 λ / 8 film 222, 224, 226, 227, 229, 231, 422, 424, 426, 427, 429, 431 Third layer 223, 225, 228, 230, 423, 425, 428, 430 Fourth layer 233, 433 Second spacer layer 302, 304, 306, 308 First layer 303, 307 First spacer layer 305, 309 Second Layer 422a High refractive index layer 510 Dielectric multilayer 610 Resist 901 Transmission characteristics of B filter 902 Transmission characteristics of G filter 903 Transmission characteristics of R filter
Claims (7)
入射光のうち各画素に対応する所定波長の光を透過させる色分離フィルタを備え、
前記色分離フィルタは、高屈折率層と、前記高屈折率層より低い屈折率の低屈折率層とが交互に積層された、可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する多層膜干渉フィルタであり、
複数の前記高屈折率層の少なくとも1つの高屈折率層の面積は、複数の前記低屈折率層の面積よりも小さい
固体撮像装置。 A solid-state imaging device having a plurality of pixels arranged two-dimensionally,
A color separation filter that transmits light of a predetermined wavelength corresponding to each pixel of incident light;
The color separation filter includes a multilayer interference filter having a transmission band in a visible region and a near infrared region, in which a high refractive index layer and a low refractive index layer having a lower refractive index than the high refractive index layer are alternately laminated. And
An area of at least one high refractive index layer of the plurality of high refractive index layers is smaller than an area of the plurality of low refractive index layers.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein each of the at least one high refractive index layer is surrounded by at least one of the plurality of low refractive index layers.
請求項1又は2に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the at least one high refractive index layer is disposed at the center of each pixel.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging according to any one of claims 1 to 3, wherein the at least one high refractive index layer includes a plurality of high refractive index layers that are formed at different positions in the stacking direction and have different areas. apparatus.
請求項4に記載の固体撮像装置。 The areas of the plurality of high refractive index layers which are formed at different positions in the stacking direction and have different areas are from one high refractive index layer located on the light incident surface side to the opposite surface side of the light incident surface. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the solid-state imaging device decreases toward another high-refractive-index layer positioned at the position.
前記少なくとも1つの高屈折率層それぞれの面積をS、各画素の面積をS1、各受光部の面積をS2とすると、S2≦S≦S1を満たす
請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 Furthermore, provided with a substrate having a plurality of light receiving portions corresponding to the plurality of pixels, provided on the opposite surface side of the light incident surface of the color separation filter,
The area of each said at least 1 high refractive index layer is set to S, the area of each pixel is set to S1, and the area of each light-receiving part is set to S2, S2 <= S <= S1 is satisfy | filled. Solid-state imaging device.
可視領域及び近赤外領域に透過帯域を有する可視近赤外フィルタと、
前記可視近赤外フィルタに積層された近赤外正規化フィルタとを備え、
前記可視近赤外フィルタは、設定波長をλ1とすると、
λ1/4の第1の光学膜厚を有する前記高屈折率層である第1の層を複数含む複数の3層膜と、
前記複数の3層膜の間に形成され、前記第1の光学膜厚を有する前記低屈折率層である第2の層とを備え、
前記複数の3層膜のそれぞれは、2つの前記第1の層と、2つの前記第1の層の間に形成された、透過させる光を制御するための前記低屈折率層である第1のスペーサ層とからなり、
前記近赤外正規化フィルタは、
前記可視領域と前記近赤外領域内の第1の近赤外波長帯域とにおいて実質的に透明であり、かつ、前記可視領域と前記第1の近赤外波長帯域との間の第2の近赤外波長帯域において実質的に不透明であり、
設定波長をλ2とすると、
λ2/4の第2の光学膜厚を有する前記高屈折率層である第3の層と、前記第3の層に積層された前記第2の光学膜厚を有する前記低屈折率層である第4の層とからなる複数のλ/4多層膜と、
前記複数のλ/4多層膜の間に形成された、透過させる光を制御するための前記低屈折率層である第2のスペーサ層とを備える
請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The color separation filter is
A visible near infrared filter having a transmission band in the visible region and the near infrared region; and
A near-infrared normalization filter laminated on the visible near-infrared filter,
The visible near-infrared filter has a set wavelength λ 1 ,
a plurality of three-layer film including a plurality of first layer is the high refractive index layer having a first optical thickness of lambda 1/4,
A second layer which is formed between the plurality of three-layer films and is the low refractive index layer having the first optical film thickness;
Each of the plurality of three-layer films is a first low-refractive index layer formed between two first layers and two first layers for controlling light to be transmitted. A spacer layer of
The near infrared normalization filter is:
Substantially transparent in the visible region and a first near-infrared wavelength band in the near-infrared region, and a second between the visible region and the first near-infrared wavelength band Substantially opaque in the near-infrared wavelength band,
If the set wavelength is λ 2 ,
the third layer and the low refractive index layer having a third of said second optical film thickness that is laminated to a layer in which said high refractive index layer having a second optical thickness of lambda 2/4 A plurality of λ / 4 multilayer films composed of a fourth layer;
The second spacer layer, which is the low refractive index layer for controlling light to be transmitted, formed between the plurality of λ / 4 multilayer films. Solid-state imaging device.
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