JP2012019113A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】色再現性及び感度の高い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ及び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、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。
【選択図】図２

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

特開２００６−２３７７３７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

これにより、集光効率が一層向上する。

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。

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。

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。

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。

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。 実施の形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る固体撮像装置の分光特性を示すグラフである。 実施の形態に係る固体撮像装置の近赤外正規化フィルタの分光特性を示すグラフである。 実施の形態に係る固体撮像装置の電磁界シミュレーション結果による集光模様を示す図である。 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。 比較例１に係る固体撮像装置の可視近赤外フィルタ及び近赤外正規化フィルタの構成及び分光特性を示す図である。 比較例１に係る固体撮像装置の分光特性を示すグラフである。 比較例２に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。 比較例２に係る固体撮像装置の色分離フィルタの透過特性を示すグラフである。 実施の形態に係る固体撮像装置の工程の一例を示す図である。 図９Ａの続きの工程の一例を示す図である。 図９Ｂの続きの工程の一例を示す図である。 図９Ｃの続きの工程の一例を示す図である。 図９Ｄの続きの工程の一例を示す図である。 図９Ｅの続きの工程の一例を示す図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、撮像部１１０の詳細な構成について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

まず、可視近赤外フィルタ１０４ａの構成について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、第１の層３０２及び３０８それぞれの膜厚は、５２ｎｍである。

また、第２の層３０９は、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）平坦化膜である。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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
   固体撮像装置。
2. 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つに囲まれている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 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る
   請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 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る
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 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する
   請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 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を満たす
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 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る
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。