(57)【要約】【課題】色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】複数の画素が２次元状に配列され、入射光を電気信号に変換する受光部を前記画素毎に備える固体撮像素子であって、各受光部上に、可視光線波長領域に透過帯域を有するカラーフィルタと、赤外線波長領域の光を遮断して可視光線波長領域の光を透過させる赤外遮断フィルタとを備え、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとはそれぞれ、無機の高屈折率材料からなる高屈折率材料層と無機の低屈折率材料からなる低屈折率材料層とが交互に積層される誘電体多層膜で構成され、カラーフィルタは、赤外線波長領域のうち短波長側の一部の領域の光の透過率を５０％以下に抑えるよう構成されている。【選択図】図１
2010256633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が２次元状に配列され、入射光を電気信号に変換する受光部を前記画素毎に備える固体撮像素子であって、
前記各受光部上に、
可視光線波長領域に透過帯域を有するカラーフィルタと、
赤外線波長領域の光を遮断して可視光線波長領域の光を透過させる赤外遮断フィルタとを備え、
前記カラーフィルタと前記赤外遮断フィルタとはそれぞれ、無機の高屈折率材料からなる高屈折率材料層と無機の低屈折率材料からなる低屈折率材料層とが交互に積層される誘電体多層膜で構成され、
前記カラーフィルタは、赤外線波長領域のうち短波長側の一部の領域の光の透過率を５０％以下に抑えるよう構成されている
固体撮像素子。
【請求項２】
前記短波長側の一部の領域は、７００ｎｍから７５０ｎｍまでの波長範囲の領域である
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記赤外遮断フィルタは、前記赤外線波長領域のうち７００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲の領域の透過率を５０％以下に抑え、かつ、前記赤外線波長領域のうち８００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲の領域の透過率を１０％以下に抑えるよう構成されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記赤外遮断フィルタの前記誘電体多層膜は、
前記入射光に関連して設定される第１の設定波長をλ1とし、前記第１の設定波長と異なる第２の設定波長をλ2とした場合に、
λ1／４の光学膜厚を有する複数のλ1／４膜とλ2／４の光学膜厚を有する複数のλ2／４膜とから構成される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記複数のカラーフィルタは、
前記可視光線波長領域における短波長領域に第１の透過帯域を有する第１のカラーフィルタと、
前記第１のフィルタよりも長波長の前記可視光線波長領域における長波長領域に第２の透過帯域を有する第２のカラーフィルタと、
前記第２のフィルタよりも長波長の前記可視光線波長領域における長波長領域に第３の透過帯域を有する第３のカラーフィルタとを含む
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第３のカラーフィルタは、前記第２のカラーフィルタよりも短い波長の前記可視光線波長領域における波長領域に透過帯域を有し、
当該透過帯域における透過率は、前記第３の透過帯域における透過率よりも低い
請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１、第２及び第３のカラーフィルタの前記誘電体多層膜はそれぞれ、
前記高屈折率材料層である第１の誘電体層と、
前記高屈折率材料層である第２の誘電体層と、
前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層との間に挟まれた、前記低屈折率材料層である絶縁層とを備え、
前記第３のカラーフィルタにおける前記絶縁層の膜厚は、前記第１及び第２のカラーフィルタにおける前記絶縁層の膜厚より厚い
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの上面に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの下面に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記赤外遮断フィルタは、第１赤外遮断フィルタと第２赤外遮断フィルタとから構成され、
前記第１赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの上面に配置され、
前記第２赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの下面に配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、複数の画素が２次元状に配列され、入射光を電気信号に変換する受光部を前記画素毎に備える固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は、例えばデジタルカメラに装着され、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサ等の受光素子を備えている。また、固体撮像素子は、撮像時に光を限られた種類の色（原色）に分解するために、画素セルごとに所定の波長の光を透過させるカラーフィルタが設けられている。
【０００３】
このカラーフィルタの構成材料としては、顔料や染料などの有機材料を用いるのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。有機材料で構成されたカラーフィルタは、入射される光の一部を吸収するとともに、吸収しなかった光を透過することで色を分解することが可能となる。図１５に、このような有機材料で構成されたカラーフィルタにおける分光感度、即ち、透過率の波長依存性の一例を示す。
【０００４】
また、カラーフィルタの構成材料として、無機材料を用いる場合もある。例えば、高屈折率材料から構成される層と低屈折率材料から構成される層とを交互に積層した、無機材料からなる誘電体多層膜によってカラーフィルタを形成する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。このカラーフィルタでは、カラーフィルタを構成する誘電体多層膜の膜厚条件を調整することで特定の波長の光だけを透過させるとともに、残りの光を反射させて遮断することで色を分解することが可能となる。このようなカラーフィルタの分光感度は、図１５に示す有機材料で構成されたカラーフィルタにおける分光感度とほぼ同等の特性を示している(例えば特許文献２の図４（ａ）)。
【０００５】
上記で説明したカラーフィルタでは、図１５に示すように、人間の可視領域（波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍの領域）の光だけでなく、より長波長側の赤外領域（波長が７００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域）の光も透過してしまう。一方、固体撮像素子がＳｉ系半導体を用いて形成されている受光素子を備えている場合、この固体撮像素子は、上記可視光線波長領域だけでなく上記赤外線波長領域の光に対しても高い感度を有している。そのため、波長が７００ｎｍ以上の赤外線波長領域の光（以下赤外光と記載。）がこの受光素子の画素に入射した場合、誤った信号が出力されてしまうことになり、忠実な色再現ができない。
【０００６】
それを防ぐため、カメラレンズと固体撮像素子との間には赤外遮断フィルタが配置されているのが一般的である。しかし、赤外遮断フィルタが配置される固体撮像素子は、カラーフィルタ表面で反射した光の一部が、カラーフィルタの上面に配置された赤外遮断フィルタで再度反射して受光素子側に戻ってしまうことがあり、それが映像に現れてフレアが発生してしまうという課題があった。
【０００７】
この課題に対して、内部に赤外遮断フィルタを内蔵させた固体撮像素子が提案されている（例えば特許文献３及び４参照。）。具体的には、特許文献３では、受光素子が形成された半導体基板上に、無機材料からなる誘電体多層膜によって赤外遮断フィルタを形成し、その上に有機材料からなるカラーフィルタを配置した構成が提案されている。特許文献４では、受光素子が形成された半導体基板上に、ともに無機材料の誘電体多層膜によってカラーフィルタ及び赤外遮断フィルタを積層した構成が提案されている。これらの構成では、赤外遮断フィルタが固体撮像素子に内蔵されており、赤外遮断フィルタを別途配置する必要がなくなるので、フレアの発生が抑制できる。
【０００８】
また、上記の特許文献３及び特許文献４には、赤外遮断フィルタを構成する誘電体多層膜の構造が開示されている。それらには、２種類の層を交互に積層した誘電体多層膜が開示されている。特許文献３では、積層数が６〜１２層の範囲である誘電体多層膜が開示され、特許文献４では、積層数が２３層である誘電体多層膜が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２９５４１９号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１８００号公報
【特許文献３】特開２００７−１８９３７６号公報
【特許文献４】国際公開第２００７／０９４０９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献３における従来のカラーフィルタでは、波長が７００〜１０００ｎｍまでの波長成分の赤外光は透過してしまう。すなわち、上記の波長成分の赤外光を遮断するためには、誘電体多層膜の積層数が６〜１２層からなる赤外遮断フィルタでは不十分である。実際には、特許文献４に開示されているように、上記の波長成分の赤外光を遮断するために、その誘電体多層膜の積層数には２０層以上が必要である。
【００１１】
ところが、上記特許文献４に開示されるように、赤外遮断フィルタにおける誘電体多層膜の積層数を増加させると、赤外遮断フィルタの分光感度は、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近で急峻に変化（具体的には可視光線波長領域側から赤外線波長領域側に向かって透過率が急激に減少）する特性を示してしまう。このため、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとを組み合わせてなるフィルタの分光感度も、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近で急峻に変化する特性を示してしまう（例えば、特許文献４の図５（ａ）を参照。）。
【００１２】
このような分光感度の急峻な変化を示す特性は、人間の目の分光感度、即ち、等色関数の特性とは大きく異なるため、上記特許文献３及び特許文献４に開示されるフィルタを固体撮像素子に搭載すると、撮像時に赤外光に近い赤色が変色してしまうなど、色の再現性が低下してしまうという課題が生じる。
【００１３】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子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】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素が２次元状に配列され、入射光を電気信号に変換する受光部を前記画素毎に備える固体撮像素子であって、前記各受光部上に、可視光線波長領域に透過帯域を有するカラーフィルタと、赤外線波長領域の光を遮断して可視光線波長領域の光を透過させる赤外遮断フィルタとを備え、前記カラーフィルタと前記赤外遮断フィルタとはそれぞれ、無機の高屈折率材料からなる高屈折率材料層と無機の低屈折率材料からなる低屈折率材料層とが交互に積層される誘電体多層膜で構成され、前記カラーフィルタは、赤外線波長領域のうち短波長側の一部の領域の光の透過率を５０％以下に抑えるよう構成されている。
【００１５】
この構成によれば、カラーフィルタでは、赤外線波長領域のうちの短波長側領域の光の透過率を５０％以下に抑えるよう構成されていることから、赤外線波長領域の光を部分的に遮断するので、赤外遮断フィルタでは、誘電体多層膜の積層数を従来よりも減らして構成することができる。そのため、赤外遮断フィルタでの赤外遮断機能を緩和させたとしても、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとを合わせたフィルタ全体では良好な赤外遮断機能を維持できる。それにより、色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子を実現することができる。
【００１６】
また、好ましくは、前記短波長側の一部の領域は、７００ｎｍから７５０ｎｍまでの波長範囲の領域である。
【００１７】
これにより、赤外遮断フィルタにおいて誘電体多層膜の積層数を従来よりも減らす、具体的には、可視光線波長領域と赤外線波長領域の境界波長領域付近での赤外遮断機能を緩和させたとしても、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとを合わせたフィルタ全体では良好な赤外遮断機能を維持できる。それとともに、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近で示す分光感度が緩やかに変化する形状になり、等色関数の分光感度の特性をよく表現するフィルタが実現できる。
【００１８】
また、好ましくは、前記赤外遮断フィルタは、前記赤外線波長領域のうち７００ｎｍから８００ｎｍまでの波長範囲の領域の透過率を５０％以下に抑え、かつ、前記赤外線波長領域のうち８００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲の領域の透過率を１０％以下に抑えるよう構成されている。
【００１９】
このような構成にすることで、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとを合わせたフィルタ全体で良好な赤外遮断機能を実現できる。したがって、色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子を実現することができる。
【００２０】
また、前記赤外遮断フィルタの前記誘電体多層膜は、前記入射光に関連して設定される第１の設定波長をλ1とし、前記第１の設定波長と異なる第２の設定波長をλ2とした場合に、λ1／４の光学膜厚を有する複数のλ1／４膜とλ2／４の光学膜厚を有する複数のλ2／４膜とから構成されるとしてもよい。
【００２１】
また、前記複数のカラーフィルタは、前記可視光線波長領域における短波長領域に第１の透過帯域を有する第１のカラーフィルタと、前記第１のフィルタよりも長波長の前記可視光線波長領域における長波長領域に第２の透過帯域を有する第２のカラーフィルタと、前記第２のフィルタよりも長波長の前記可視光線波長領域における長波長領域に第３の透過帯域を有する第３のカラーフィルタとを含むとしてもよく、前記第３のカラーフィルタは、前記第２のカラーフィルタよりも短い波長の前記可視光線波長領域における波長領域に透過帯域を有し、当該透過帯域における透過率は、前記第３の透過帯域における透過率よりも低いとしてもよい。
【００２２】
このような構成にすることで、人間の目の分光感度のモデルとして広く用いられる、ＣＩＥ  ＸＹＺ等色関数を表現するカラーフィルタを備えた固体撮像素子を実現することができる。
【００２３】
また、前記第１、第２及び第３のカラーフィルタの前記誘電体多層膜はそれぞれ、前記高屈折率材料層である第１の誘電体層と、前記高屈折率材料層である第２の誘電体層と、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層との間に挟まれた、前記低屈折率材料層である絶縁層とを備え、前記第３のカラーフィルタにおける前記絶縁層の膜厚は、前記第１及び第２のカラーフィルタにおける前記絶縁層の膜厚より厚いとしてもよい。
【００２４】
このような構成により、ＸＹＺ等色関数を表現するフィルタが実現できる。
また、前記赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの上面に配置されていてもよいし、前記赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの下面に配置されていてもよいし、あるいは、前記赤外遮断フィルタは、第１赤外遮断フィルタと第２赤外遮断フィルタとから構成され、前記第１赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの上面に配置され、前記第２赤外遮断フィルタは、前記カラーフィルタの下面に配置されているとしてもよい。
【００２５】
この構成でも、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとを組み合わせたフィルタ全体で良好な赤外遮断機能を維持するとともに、色再現性の低下を抑えることが可能となる。それにより、色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子を実現することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１に係る固体撮像素子１００の概略構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る固体撮像素子の画素配置を示す図ある。
【図３】実施の形態１に係る固体撮像素子１００のフィルタ構成とその分光特性とを説明するための模式図である。
【図４】実施の形態１に係る赤外遮断フィルタ層１０６の詳細構造を示す断面図である。
【図５】実施の形態１に係る赤外遮断フィルタ層１０６の分光特性を示すグラフである。
【図６】実施の形態１に係るカラーフィルタ層１０７の詳細構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態１に係るカラーフィルタ層１０７の分光特性を示すグラフである。
【図８】赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の構造を示す図である。
【図９】実施の形態１に係る赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７を組み合わせたフィルタ全体の分光特性を示すグラフである。
【図１０】図９の分光特性から計算したｘｙ色度図を示すグラフである。
【図１１】実施の形態２に係る固体撮像素子２００の概略構成を示す断面図である。
【図１２】固体撮像素子２００における赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の構造を示す図である。
【図１３】実施の形態３に係る固体撮像素子３００の概略構成を示す断面図である。
【図１４】固体撮像素子３００における赤外遮断フィルタ層３０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の構造を示す図である。
【図１５】有機材料で構成された従来のカラーフィルタにおける分光感度の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る固体撮像素子の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る固体撮像素子１００の概略構成を示す断面図である。図１では便宜的に３種類の固体撮像素子１００Ｘ、１００Ｙ及び１００Ｚを横に並べて示しているが、実際の配列は、複数の画素が２次元状に配列される画素配置、すなわち図２に示すような縦横各２列のいわゆるベイヤー配列がなされている。
【００３０】
図１に示すように、各画素に相当する固体撮像素子１００Ｘ、１００Ｙ及び１００Ｚ（以下「固体撮像素子１００Ｘ等」ともよぶ。）は、Ｎ型半導体基板１０１と、Ｐ型半導体層１０２と、受光素子１０３Ｘ、１０３Ｙ及び１０３Ｚと、絶縁層１０４と、遮光膜１０５と、赤外遮断フィルタ層１０６と、カラーフィルタ層１０７と、マイクロレンズ１０８とを備えている。以下、各構成部分について詳細に説明する。
【００３１】
固体撮像素子１００Ｘ等において、Ｐ型半導体層１０２は、Ｎ型半導体基板１０１上に形成されている。
【００３２】
また、受光素子１０３Ｘ、１０３Ｙ及び１０３Ｚ（以下「受光素子１０３Ｘ等」ともよぶ。）はそれぞれ、固体撮像素子１００Ｘ、１００Ｙ及び１００Ｚに対応するよう形成され、Ｐ型半導体層１０２の一部の領域にＮ型不純物がイオン注入されて形成される光電変換素子（フォトダイオード）である。また、受光素子１０３Ｘ等は、光透過性の絶縁層１０４に接するとともに、Ｐ型半導体層１０２の一部により互いに分離されている。
【００３３】
絶縁層１０４は、Ｐ型半導体層１０２上に形成された光透過性の絶縁層であり、遮光膜１０５が設けられている。上述したように、絶縁層１０４は、受光素子１０３Ｘ等と接する。
【００３４】
赤外遮断フィルタ層１０６は、全ての受光素子１０３Ｘ、１０３Ｙ及び１０３Ｚを覆うように絶縁層１０４上に形成されている。なお、この赤外遮断フィルタ層１０６の構成については後述するのでここでは説明を省略する。
【００３５】
カラーフィルタ層１０７は、赤外遮断フィルタ層１０６を覆うように赤外遮断フィルタ層１０６上に形成されている。カラーフィルタ層１０７は、撮像時に光を３種類の色に分解するために、分光特性の異なる３種類のカラーフィルタである第１のカラーフィルタ層１０７Ｚと第２のカラーフィルタ層１０７Ｙと第３のカラーフィルタ層１０７Ｘとを含む。また、第１のカラーフィルタ層１０７Ｚと第２のカラーフィルタ層１０７Ｙと第３のカラーフィルタ層１０７Ｘとは、各受光素子１０３Ｘ等に対応する領域に形成されている。このカラーフィルタ層１０７の構成については後述するのでここでは説明を省略する。
【００３６】
マイクロレンズ１０８の各々は、対応する受光素子１０３Ｘ等の受光面へと入射光を効率よく集光するために設けられており、カラーフィルタ層１０７の上の受光素子１０３Ｘ等に対応する領域に形成されている。
【００３７】
以上のように、固体撮像素子１００は構成されている。
次に、本実施の形態に係る固体撮像素子のフィルタ構成とその分光特性とについて、図を用いて説明する。
【００３８】
図３は、実施の形態１に係る固体撮像素子１００のフィルタ構成とその分光特性とを説明するための模式図である。
【００３９】
図３（ａ）に示すように固体撮像素子１００のカラーフィルタ層１０７は、可視光線波長領域の短波長領域に透過帯域を有する第１のカラーフィルタ層１０７Ｚと、第１のカラーフィルタ層１０７Ｚよりも長波長の可視光線波長領域に透過帯域を有する第２のカラーフィルタ層１０７Ｙと、第２のカラーフィルタ層１０７Ｙよりも長波長の可視光線波長領域に透過帯域を有する第３のカラーフィルタ層１０７Ｘとを備えている。
【００４０】
このカラーフィルタ層１０７は、図３（ｂ）に示すように、その分光特性が可視光線波長領域（図中、可視波領域と記載。）において異なる透過帯域を示すよう構成されている。それと同時に、カラーフィルタ層１０７が含む３種類のカラーフィルタである第１のカラーフィルタ層１０７Ｚ、第２のカラーフィルタ層１０７Ｙ及び第３のカラーフィルタ層１０７Ｘはいずれも、赤外線波長領域のうち短波長側の一部の領域（図中、赤外光のうち短波長域と記載する領域）の光の透過率を５０％以下に抑える特性を有するよう構成される。
【００４１】
一方、赤外遮断フィルタ層１０６は、図３（ｃ）に示すように、その分光特性が可視光線波長領域（図中、可視波領域）においてほぼ１００％の透過率を示すとともに、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近で透過率が緩やかに減少していき、より長波長側の赤外線波長領域では透過率が１０％以下となるよう構成される。
【００４２】
そして、上記の構成のカラーフィルタ層１０７と赤外遮断フィルタ層１０６とを組み合わせることで、図３（ｄ）に示すように、赤外線波長領域において透過率が十分に抑えられる分光特性を示すとともに、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近において分光感度が緩やかに変化する形状を有するフィルタが実現できる。
【００４３】
以下、図３の特性を実現する赤外遮断フィルタ層１０６及びカラーフィルタ層１０７の具体的な構成について、詳しく説明する。
【００４４】
図４は、赤外遮断フィルタ層１０６の詳細構造を示す断面図である。図４に示すように赤外遮断フィルタ層１０６は、高屈折率材料である二酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる第１の光透過膜層１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｅ、１０６ｇ、１０６ｉ、１０６ｋ及び１０６ｍと、低屈折率材料である二酸化シリコン（ＳiＯ2）からなる第２の光透過膜層１０６ｂ、１０６ｄ、１０６ｆ、１０６ｈ、１０６ｊ、１０６ｌ及び１０６ｎとから構成される。
【００４５】
このように、赤外遮断フィルタ層１０６は、高屈折率材料からなる層と低屈折率材料からなる層とが交互に積層された、無機材料からなる誘電体多層膜で構成されている。
【００４６】
このような誘電体多層膜において、図３（ｂ）に示すような分光感度を実現するために、第１の光透過膜層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅと第２の光透過膜層１０６ｂ、１０６ｄ及び１０６ｆとは、設定波長をλ1＝８５０ｎｍとしたλ1／４膜で構成される。一方、第１の光透過膜層１０６ｇ、１０６ｉ、１０６ｋ及び１０６ｍと第２の光透過膜層１０６ｈ、１０６ｊ、１０６ｌ及び１０６nとは、設定波長をλ2＝１０００ｎｍとしたλ2／４膜で構成されている。
【００４７】
具体的には、設定波長λ1＝８５０ｎｍの多層膜において、ＴiＯ2からなる層である第１の光透過膜層１０６ａ、１０６ｃ及び１０６ｅの膜厚は８８ｎｍであり、ＳiＯ2からなる層である第２の光透過膜層１０６ｂ、１０６ｄ及び１０６ｆの膜厚は１４７ｎｍである。一方、設定波長λ2＝１０００ｎｍの多層膜において、ＴiＯ2からなる層である第１の光透過膜層１０６ｇ、１０６ｉ、１０６ｋ及び１０６ｍの膜厚は１０４ｎｍであり、ＳiＯ2からなる層である第２の光透過膜層１０６ｈ、１０６ｊ、１０６ｌ及び１０６ｎの膜厚は１７２ｎｍである。
【００４８】
このように、赤外遮断フィルタ層１０６は、１４層の積層数の誘電体多層膜で構成される。
【００４９】
図５は、図４に示される赤外遮断フィルタ層１０６の分光特性を示すグラフである。図５に示すように、この赤外遮断フィルタ層１０６の透過率は、波長７００ｎｍ以下の大部分の可視光線波長領域において８０％以上を示し、波長７００ｎｍ付近の可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近で緩やかに減少する傾向を示している。また、その透過率は、７００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲の領域では、５０％以下を示し、長波長側の８００ｎｍ以上の波長範囲の領域では１０％以下を示す。
【００５０】
このようにして、赤外遮断フィルタ層１０６は、図３（ｃ）に示すような分光感度を実現することができる。
【００５１】
次に、カラーフィルタ層１０７について説明する。
図６は、カラーフィルタ層１０７の詳細構造を示す断面図である。図６に示すように、
カラーフィルタ層１０７は、高屈折率材料である二酸化チタン（ＴｉＯ2）からなる第３の光透過膜層１０７１、１０７３、１０７５及び１０７７と、低屈折率材料である二酸化シリコン（ＳiＯ2）からなる第４の光透過膜層１０７２、１０７４、１０７６及び１０７８とから構成される。
【００５２】
このように、カラーフィルタ層１０７は、赤外遮断フィルタ層１０６と同様に、高屈折率材料からなる層と低屈折率材料からなる層とが交互に積層された、無機材料からなる誘電体多層膜で構成されている。
【００５３】
このような誘電体多層膜において、色再現性の低下が抑えられる良好な色分解特性を実現するため、第３の光透過膜層１０７１、１０７３、１０７５及び１０７７の膜厚は５２ｎｍであり、第４の光透過膜層１０７４の膜厚は９１ｎｍである。また、第４の光透過膜層１０７２の膜厚は、１０７Ｘ、１０７Ｙ及び１０７Ｚに対して異なっており、それぞれ２３０ｎｍ、１８５ｎｍ、及び１４０ｎｍとなっている。同様に、第４の光透過膜層１０７６の膜厚も、１０７Ｘ、１０７Ｙ及び１０７Ｚに対して異なっており、それぞれ４４０ｎｍ、１８５ｎｍ、及び１４０ｎｍとなっている。
【００５４】
なお、高屈折率材料のＴｉＯ2からなる第３の光透過膜層（１０７１及び１０７３と１０７５及び１０７７）で挟まれた、低屈折率材料のＳiＯ2からなる第４の光透過膜層１０７２及び１０７６は、いわゆる欠陥層（「スペーサ層」又は「共振層」ともいう。）とよばれる層であり、１０７Ｘにおいてのみ、第４の光透過膜層１０７２及び１０７６の厚さが異なっている。
【００５５】
また、上記の構成では欠陥層の膜厚差に起因して１０７Ｘ、１０７Ｙ及び１０７Ｚに段差が形成されるので、ＳiＯ2からなる第４の光透過膜層１０７８によってその段差を埋めて平坦化している。
【００５６】
このように、カラーフィルタ層１０７は、８層の積層数の誘電体多層膜で構成される。
図７は、図６に示されるカラーフィルタ層１０７の分光特性を示すグラフである。
【００５７】
図７に示すように、このカラーフィルタ層１０７の透過率は、可視光線波長領域において異なる波長領域の光を透過する帯域を有する３種類の特性６００Ｘ、６００Ｙ及び６００Ｚを有している。そして、それら６００Ｘ、６００Ｙ及び６００Ｚのいずれも、赤外光のうち７００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長範囲の短波長側領域の光の透過率を５０％以下に抑える特性を示している。
【００５８】
また、カラーフィルタ層１０７における１０７Ｘフィルタの特性６００Ｘでは、４５０ｎｍ付近を中心波長とした小さな透過率のピークが存在する。
【００５９】
このようにして、赤外遮断フィルタ層１０６は、図３（ｂ）に示すような分光感度を実現することができる。
【００６０】
図８は、赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の構造を示す図である。図９は、赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の分光特性を示すグラフである（図９で７００Ｘ、７００Ｙ及び７００Ｚと記載）。また、図９には、従来例のような、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長付近で分光感度が急峻に変化する場合のカラーフィルタＸの特性も合わせて図示している（図９で７００Ｘ２と記載）。
【００６１】
図９に示すように、赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせた図８に示すフィルタ全体の分光特性７００Ｘ、７００Ｙ及び７００Ｚは、その透過率が赤外線波長領域において十分に抑えられて良好な赤外遮断機能を示すとともに、カラーフィルタ層１０７Ｘの分光特性７００Ｘは、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長領域付近において緩やかに変化する形状を示している。
【００６２】
このようにして、固体撮像素子１００では、赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせることにより、図３（ｄ）に示すような分光感度を実現することができる。
【００６３】
図１０にはｘｙ色度図を示している。図１０において、１０００は人間の目の分光感度のモデルとして広く用いられるＣＩＥ  ＸＹＺ等色関数に対するスペクトル軌跡を示している。人間の目が認識できる全ての色は、スペクトル軌跡１０００で囲まれた領域内のｘｙ座標値として与えられる。
【００６４】
この図１０に、図９の分光特性を有するフィルタのスペクトル軌跡を重ねて表示させたのが８００及び９００である。８００は図９の分光特性７００Ｘと７００Ｙと７００Ｚとからなるフィルタに対するスペクトル軌跡であり、このスペクトル軌跡８００の内側の領域が、本実施の形態１に係るフィルタがカバーできる色の範囲を示している。一方、９００は図９の分光特性７００Ｘを従来例の分光特性７００Ｘ２で置き換え、これと７００Ｙと７００Ｚとからなるフィルタに対するスペクトル軌跡である。このスペクトル軌跡９００の内側の領域が、従来例に係るフィルタがカバーできる色の範囲に相当する。
【００６５】
図１０から、本実施の形態１に係るスペクトル軌跡８００は、ＣＩＥ  ＸＹＺ等色関数から定まるスペクトル軌跡１０００に非常に近い形状をしていることが分かる。このことから、本実施の形態１におけるカラーフィルタ構成によって、人間が感知できる色の殆どの範囲を再現できるカラーフィルタが実現できることがわかる。
【００６６】
一方、図１０において、従来例に係るスペクトル軌跡９００では、図１０で９１０と記載した箇所においてスペクトル軌跡が内側に大きく入り込んでおり、ＣＩＥ  ＸＹＺ等色関数から定まるスペクトル軌跡１０００からの誤差が大きいことが分かる。これは、図９の分光特性７００Ｘ２が、可視光線波長領域と赤外線波長領域との境界波長付近において急峻に変化するために人間の目の分光感度からの誤差が生じ、赤色の座標値に相当する領域に誤った信号を出力してしまうことを示している。
【００６７】
本実施の形態１に係るスペクトル軌跡８００ではそのような誤った信号は出力されず、ＣＩＥ  ＸＹＺ等色関数のスペクトル軌跡１０００に非常に近い形状を有している。したがって、色再現性の低下を抑えることが可能となる。
【００６８】
以上のように、本実施の形態１におけるカラーフィルタ構成によって、第１のカラーフィルタ層１０７Ｚと第２のカラーフィルタ層１０７Ｙと第３のカラーフィルタ層１０７Ｘが、人間の目の分光感度のモデルとして広く用いられるＣＩＥ ＸＹＺ等色関数で定められる（あるいはその線形変換で定められる）特性を有するカラーフィルタが実現できる。
【００６９】
また、本実施の形態１によれば、色再現性の低下を抑えつつ赤外領域の光を遮断することが可能な固体撮像素子を実現することができる。
【００７０】
なお、上述では分光特性の異なる３種類のカラーフィルタである第１のカラーフィルタ層１０７Ｚと第２のカラーフィルタ層１０７Ｙと第３のカラーフィルタ層１０７Ｘとについては、例えば、人間の目の分光感度のモデルとして広く用いられるＣＩＥ  ＸＹＺ等色関数で定められる（あるいはその線形変換で定められる）ものとして説明しているが、それに限らない。例えば、可視波長領域においてＲ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）の各色を取り出すフィルタであってよい。
【００７１】
（実施の形態２）
次に、実施の形態１に係る固体撮像素子１００の構成とは別の構成の固体撮像素子２００について説明する。
【００７２】
図１１は、実施の形態２に係る固体撮像素子２００の概略構成を示す断面図である。図１２は、固体撮像素子２００における赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の構造を示す図である。なお、図１１及び図１２では便宜的に３種類の固体撮像素子２００Ｘ、２００Ｙ及び２００Ｚを横に並べて示している。また、図１及び図８と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００７３】
図１１及び図１２に示すように、固体撮像素子２００の構造は、実施の形態１に係る固体撮像素子１００と比較して、赤外遮断フィルタ層１０６がカラーフィルタ層１０７の下面でなく上面に形成されている点で異なっている。その他の部分は上述した実施の形態１に係る固体撮像素子１００と同様であるため、その説明は省略する。
【００７４】
このようにして、固体撮像素子２００では、赤外遮断フィルタ層１０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせることにより、図３（ｄ）に示すような分光感度を実現することができる。
【００７５】
（実施の形態３）
次に、実施の形態１に係る固体撮像素子１００の構成とはさらに別の構成について図１３を用いて説明する。
【００７６】
図１３は、実施の形態２に係る固体撮像素子３００の概略構成を示す断面図である。図１４は、固体撮像素子３００における赤外遮断フィルタ層３０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせたフィルタ全体の構造を示す図である。なお、図１３及び図１４では便宜的に３種類の固体撮像素子３００Ｘ、３００Ｙ及び３００Ｚを横に並べて示している。図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００７７】
図１３及び図１４に示すように、固体撮像素子３００の構造は、実施の形態１に係る固体撮像素子１００と比較して、赤外遮断フィルタ層３０６がカラーフィルタ層１０７の上面及び下面に形成されている点が異なっている。
【００７８】
赤外遮断フィルタ層３０６は、下面赤外遮断フィルタ層３０６１と上面赤外遮断フィルタ層３０６２とから構成される。なお、赤外遮断フィルタ層３０６は、実施の形態１に係る赤外遮断フィルタ層１０６に相当する。具体的には、図１４に示すように、赤外遮断フィルタ層３０６は、実施の形態１に係る赤外遮断フィルタ層１０６の設定波長がλ1＝８５０ｎｍのλ1／４膜で構成される部分を下面赤外遮断フィルタ層３０６１としてカラーフィルタ層１０７の下面に配置される構成となっている。一方、赤外遮断フィルタ層３０６は、実施の形態１に係る赤外遮断フィルタ層１０６の設定波長がλ2＝１０００ｎｍのλ2／４膜で構成される部分を上面赤外遮断フィルタ層３０６２としてカラーフィルタ層１０７の上面に配置される構成となっている。
【００７９】
なお、その他の部分は上述した実施の形態に係る固体撮像素子と同様であるため、その説明は省略する。
【００８０】
このようにして、固体撮像素子３００では、赤外遮断フィルタ層３０６とカラーフィルタ層１０７とを組み合わせることにより、図３（ｄ）に示すような分光感度を実現することができる。
【００８１】
以上のように、本発明に係る固体撮像素子は、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとをも備え、カラーフィルタが赤外線波長領域のうち短波長側の一部の領域の光を部分的に遮断する機能を兼ね備えている。そのため、一方の赤外遮断フィルタにおいて誘電体多層膜の積層数を従来よりも減らして赤外遮断機能を緩和させたとしても、カラーフィルタと赤外遮断フィルタとを合わせたフィルタ全体で良好な赤外遮断機能を維持できるとともに、可視光線波長領域と赤外線波長領域の境界波長領域付近で分光感度が緩やかに変化する形状となり、人間の目の分光感度を表現した等色関数と同等な特性のフィルタが実現できる。これにより、人間が感知できる全ての色を正確に再現する固体撮像素子が実現可能となる。
【００８２】
以上、本発明の固体撮像素子について、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本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。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、固体撮像素子に利用でき、特に、良好な赤外カット機能を有し、フレアの抑制が可能であり、高画質のデジタルカメラなどに備えられる固体撮像素子に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１００、１００Ｘ、１００Ｙ、１００Ｚ、２００、２００Ｘ、２００Ｙ、２００Ｚ、３００、３００Ｘ、３００Ｙ、３００Ｚ    固体撮像素子
１０１    Ｎ型半導体基板
１０２    Ｐ型半導体層
１０３、１０３Ｘ、１０３Ｙ、１０３Ｚ    受光素子
１０４    絶縁層
１０５    遮光膜
１０６、３０６    赤外遮断フィルタ層
１０６ａ、１０６ｃ、１０６ｅ、１０６ｇ、１０６ｉ、１０６ｋ、１０６ｍ    第１の光透過膜層
１０６ｂ、１０６ｄ、１０６ｆ、１０６ｈ、１０６ｊ、１０６ｌ、１０６ｎ    第２の光透過膜層
１０７    カラーフィルタ層
１０７Ｚ    第１のカラーフィルタ層
１０７Ｙ    第２のカラーフィルタ層
１０７Ｘ    第３のカラーフィルタ層
１０８    マイクロレンズ
１０７１、１０７３、１０７５、１０７７    第３の光透過膜層
１０７２、１０７４、１０７６、１０７８    第４の光透過膜層
３０６１    下面赤外遮断フィルタ層
３０６２    上面赤外遮断フィルタ層
【図１】
2010256633.tif 000003
【図２】
2010256633.tif 000004
【図３】
2010256633.tif 000005
【図４】
2010256633.tif 000006
【図５】
2010256633.tif 000007
【図６】
2010256633.tif 000008
【図７】
2010256633.tif 000009
【図８】
2010256633.tif 000010
【図９】
2010256633.tif 000011
【図１０】
2010256633.tif 000012
【図１１】
2010256633.tif 000013
【図１２】
2010256633.tif 000014
【図１３】
2010256633.tif 000015
【図１４】
2010256633.tif 000016
【図１５】
2010256633.tif 000017