(57)【要約】  固体撮像装置は、半導体基板（１）の複数の受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する受光部の上方に形成された複数のフィルタを含むカラーフィルタ層（７）と、透過率が５０％以下となる赤外カット波長が６１０〜７１０ｎｍである赤外カットフィルタ層（６）とを備え、複数のフィルタは、可視光を透過する可視光透過フィルタと、透過率が５０％以上となる赤外透過波長が５９０〜６９０ｎｍである赤外透過フィルタ（７ａ）とを含み、赤外カットフィルタ層（６）は、赤外透過フィルタ（７ａ）が形成された受光部の上方で開口され、可視光透過フィルタが形成された受光部の上方に形成される。
2014041742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部を有する基板と、
前記複数の受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する前記受光部の上方に形成された複数のフィルタを含むカラーフィルタ層と、
透過率が５０％以下となる赤外カット波長が６１０〜７１０ｎｍである赤外カットフィルタ層とを備え、
前記複数のフィルタは、可視光を透過する可視光透過フィルタと、透過率が５０％以上となる赤外透過波長が５９０〜６９０ｎｍである赤外透過フィルタとを含み、
前記赤外カットフィルタ層は、前記可視光透過フィルタが形成された受光部の上方に形成され、前記赤外透過フィルタが形成された受光部の上方で開口される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を含み、
前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、１つの前記赤外透過フィルタと、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ及び青色カラーフィルタの３つの前記可視光透過フィルタとの４つの前記フィルタを含む
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の受光部は、４×２の行列状に隣接して配列された８つの前記受光部を含み、
前記８つの受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を２つ含み、
前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、１つの前記赤外透過フィルタと、３つの前記可視光透過フィルタとの４つの前記フィルタを含み、
前記８つの受光部を構成する２つの前記４つの受光部において、前記赤外透過フィルタの赤外光透過率特性が異なる
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記赤外透過フィルタは、紫色顔料と黄色顔料とを主成分として含むカラーフィルタ材料から構成される
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記赤外カットフィルタ層は、シリコン酸化膜から構成される層と、酸化チタン膜から構成される層とが積層された多層膜から構成される
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記赤外カットフィルタ層は、シリコン酸化膜から構成される層と、シリコンリッチなシリコン窒化膜から構成される層とが積層された多層膜から構成される
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
複数の受光部を有する基板と、
前記複数の受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する前記受光部の上方に形成された可視光を透過する複数の可視光透過フィルタを含むカラーフィルタ層と、
前記可視光透過フィルタが形成された受光部の上方に形成され、透過率が５０％以下となる赤外カット波長が６１０〜７１０ｎｍである赤外カットフィルタ層と、
前記複数の受光部を覆うように形成され、紫外光をカットする紫外光カットフィルタ層とを備える
固体撮像装置。
【請求項８】
前記紫外光カットフィルタ層は、０．５ミクロン以上の膜厚のシリコン窒化膜から構成される
請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記複数の受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を含み、
前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、
シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ、緑カラーフィルタ及び白色カラーフィルタの４つの前記可視光透過フィルタと、
シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ及び白色カラーフィルタの３つの前記可視光透過フィルタとのいずれかを含み、
前記赤外カットフィルタ層は、前記白色カラーフィルタが形成された受光部の上方で開口される
請求項７又は請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
カメラモジュール。
【請求項１１】
前記カメラモジュールは、さらに、
可視光と同時に赤外光を発光可能な照明装置を備える
請求項１０に記載のカメラモジュール。
【請求項１２】
前記固体撮像装置は、
赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、
赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、
赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを前記複数の受光部により取得し、赤、緑及び青の３色の信号に変換する信号処理回路を備える
請求項１０又は請求項１１に記載のカメラモジュール。
【請求項１３】
前記カメラモジュールは、さらに、
赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、
赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、
赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを前記固体撮像装置から受け、赤、緑及び青の３色の信号に変換する信号処理回路を備える
請求項１０又は請求項１１に記載のカメラモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びカメラモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体撮像装置（イメージセンサ）を用いたカメラ（カメラモジュール）によって、カラー画像を撮像するためには、光路の途中に赤外カットフィルタを挿入することが不可欠である。例えば、特許文献１には、固体撮像装置と赤外カットフィルタとを備えるカメラモジュールが記載されている。赤外カットフィルタを用いるのは、図２に示すように従来用いられているカラーフィルタが、可視光領域では青、緑、赤の三原色のみを透過するカラーフィルタとして機能するが、近赤外光領域の光に対しては遮光性能が弱く近赤外光を透過してしまうためである。人間の眼が感度を持たない近赤外光は、固体撮像装置に用いられるシリコン基板では〜１１００ｎｍまでの波長域に感度を持っている。このため、赤外カットフィルタを用いないと、赤外光の影響で、赤、緑及び青色の信号に近赤外光の信号が混じって不自然な色合いの写真が生成される。【０００３】
しかしながら、近赤外光には豊富な情報量が含まれるため、近赤外画像を取得したいという用途が存在する。例えば、監視や、食品、農産物、薬品及び紙幣等の検査のような用途である。このような用途には赤外光専用の固体撮像装置が用いられることが多いが、可視光のイメージと同時に近赤外光のイメージを取得したいという要求が強い。これは装置の小型化、低価格及び簡便性を実現するためである。そのような要求に応えるために、従来の赤、緑及び青色の画素に加えて近赤外光のみを透過する近赤外フィルタ（可視光領域での透過がないためブラックフィルタと呼ぶ場合もある）を受光部上に形成するような固体撮像装置が作られている。しかしながら、このような固体撮像装置には、既に述べたように赤、緑及び青色の画素に赤外光が入射してしまうために、正常なカラー画像を得ることができないという問題がある。【０００４】
この問題を解決するために、赤、緑及び青色の画素上だけに赤外カットフィルタを形成する方法が提案されている。特許文献２では赤外カットフィルタとして詳細は明示されていないが、通常のカラーフィルタと同等の有機色材からなるカラーフィルタが用いられている。一方、特許文献３及び４では赤外カットフィルタとして無機多層膜からなる干渉フィルタが用いられている。特許文献２及び３では赤外フィルタ及び赤外カットフィルタの詳細な光学特性については述べられていない。特許文献４ではフィルタの光学特性については厳しい制約は必要ないとし、赤外カットフィルタについては６００〜８００ｎｍ程度以上の波長の近赤外光を遮蔽するような特性、赤外透過フィルタについては７５０ｎｍ以上の波長の近赤外光を透過するような特性が明示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８２２７０号公報
【特許文献２】特開平１０−６５１３５号公報
【特許文献３】特開２００７−１８９３７６号公報
【特許文献４】特開２００７−５３７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
デジタルカメラや携帯電話等の機器が高性能化するにつれて、これらの機器に従来にない機能が求められており、単一の固体撮像装置で美しい可視光写真だけでなく近赤外光写真を取得でき、可視光から近赤外光までを同時に表示できるような固体撮像装置が要望されている。【０００７】
しかしながら、可視光と近赤外光とを同時に撮像できる従来の固体撮像装置では、近赤外光の影響により美しく自然な可視光写真を撮像することは困難である。発明者らの詳細な検討によれば、近赤外光の存在下で美しく自然なカラー画像（可視光写真）を撮像するためには、形成する赤外透過フィルタの光学特性と赤外カットフィルタの光学特性とを人間の視感度に合わせて正確に制御する必要があることを見出した。【０００８】
本発明は、可視光と近赤外光とを同時に撮像でき、美しく自然な可視光写真を撮像することができると同時に、可視光のスペクトルと近赤外のスペクトルとを独立して測定でき、種々の検査用途に活用できる固体撮像装置及びカメラモジュール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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、複数の受光部を有する基板と、複数の前記受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する前記受光部の上方に形成された複数のフィルタを含むカラーフィルタ層と、透過率が５０％以下となる赤外カット波長が６１０〜７１０ｎｍである赤外カットフィルタ層とを備え、前記複数のフィルタは、可視光を透過する可視光透過フィルタと、透過率が５０％以上となる赤外透過波長が５９０〜６９０ｎｍである赤外透過フィルタとを含み、前記赤外カットフィルタ層は、前記可視光透過フィルタが形成された受光部の上方に形成され、前記赤外透過フィルタが形成された受光部の上方で開口されることを特徴とする。【００１０】
ここで、複数の前記受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を含み、前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、１つの前記赤外透過フィルタと、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ及び青色カラーフィルタの３つの前記可視光透過フィルタとの４つの前記フィルタを含んでもよい。【００１１】
また、複数の前記受光部は、４×２の行列状に隣接して配列された８つの前記受光部を含み、前記８つの受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を２つ含み、前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、１つの前記赤外透過フィルタと、３つの前記可視光透過フィルタとの４つの前記フィルタを含み、前記８つの受光部を構成する２つの前記４つの受光部において、前記赤外透過フィルタの赤外光透過率特性が異なってもよい。【００１２】
また、前記赤外透過フィルタは、紫色顔料と黄色顔料とを主成分として含むカラーフィルタ材料から構成されてもよい。【００１３】
また、前記赤外カットフィルタ層は、シリコン酸化膜から構成される層と、酸化チタン膜から構成される層とが積層された多層膜から構成されてもよい。【００１４】
また、前記赤外カットフィルタ層は、シリコン酸化膜から構成される層と、シリコンリッチなシリコン窒化膜から構成される層とが積層された多層膜から構成されてもよい。【００１５】
また、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、複数の受光部を有する基板と、複数の前記受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する前記受光部の上方に形成された可視光を透過する複数の可視光透過フィルタを含むカラーフィルタ層と、前記可視光透過フィルタが形成された受光部の上方に形成され、透過率が５０％以下となる赤外カット波長が６１０〜７１０ｎｍである赤外カットフィルタ層と、前記複数の受光部を覆うように形成され、紫外光をカットする紫外光カットフィルタ層とを備えることを特徴とする。【００１６】
ここで、前記紫外光カットフィルタ層は、０．５ミクロン以上の膜厚のシリコン窒化膜から構成されてもよい。【００１７】
また、複数の前記受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を含み、前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ、緑カラーフィルタ及び白色カラーフィルタの４つの前記可視光透過フィルタと、シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ及び白色カラーフィルタの３つの前記可視光透過フィルタとのいずれかを含み、前記赤外カットフィルタ層は、前記白色カラーフィルタが形成された受光部の上方で開口されてもよい。【００１８】
また、本発明の一態様に係るカメラモジュールは、上記固体撮像装置を備えることを特徴とする。【００１９】
ここで、前記カメラモジュールは、さらに、可視光と同時に赤外光を発光可能な照明装置を備えてもよい。【００２０】
また、前記固体撮像装置は、赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを複数の前記受光部により取得し、赤、緑及び青の３色の信号に変換する信号処理回路を備えてもよい。【００２１】
また、前記カメラモジュールは、さらに、赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを前記固体撮像装置から受け、赤、緑及び青の３色の信号に変換する信号処理回路を備えてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、固体撮像装置内に人間の視感度に適合した赤外カットフィルタと赤外透過フィルタとが形成されるため、可視光と近赤外光とを同時に撮像でき、美しく自然な可視光写真を撮像することができる。また、可視光のスペクトルと近赤外のスペクトルとを独立して測定できるため、種々の写真撮影だけでなく種々の用途に活用できる固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す平面図である。
【図２】図２は、通常のカラーフィルタの透過率特性を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る赤外透過フィルタと通常の赤外透過フィルタとの透過率特性を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第１の実施形態に係る赤外カットフィルタ層の一例の構成を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１の実施形態に係る赤外カットフィルタ層の一例の透過率特性を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施形態に係る固体撮像装置により得られたキュウリの経時変化を示す反射率スペクトル図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の固体撮像装置により得られたキュウリの経時変化を示す画像である。
【図８】図８は、第１の実施形態の固体撮像装置により得られたキュウリの画像から算出された鮮度パラメータの変化を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す平面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第３の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す平面図である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、第４の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、第５の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図１５】図１５は、第６の実施形態に係るカメラモジュールのブロック図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、実施形態に係る赤外カットフィルタ層の変形例の構成を示す図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、実施形態に係る赤外カットフィルタ層の変形例の透過率特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、各実施形態について説明する。尚、以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、並びにステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、各図中において、実質的に同一の構成、動作、及び効果を表す要素については、同一符号を付示す。
【００２５】
本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、複数の受光部を有する基板と、受光部上に周期的に形成される複数のカラーフィルタ層と、カラーフィルタ層の一部を覆うように形成される赤外カットフィルタ層とを備える。赤外カットフィルタ層及びカラーフィルタ層は、規則的な平面パターンに従って、一部の受光部を覆うように形成されている。
【００２６】
ここで、受光部は、行列状に配列され、赤外カットフィルタ層及びカラーフィルタ層は、２×２の行列に配列される４つの受光部のうち３つの受光部を覆う単位パターンを、繰り返し配列することによって構成される繰り返しパターンを有していても良い。
【００２７】
また、４×２の行列に配列される８つの受光部のうち２×２の行列の３つの受光部は繰り返され、残りの２つの受光部が異なるような繰り返しパターンを有していても良い。
【００２８】
また、赤外カットフィルタ層は、ＳｉＯから構成される層と、ＳｉＮあるいはＴｉＯ２から構成される層とが積層された多層膜であっても良い。
【００２９】
また、赤外カットフィルタ層は、ＳｉＯから構成される層と、ＴｉＯから構成される層とが積層された多層膜であっても良い。
【００３０】
また、赤外カットフィルタの遮光波長（赤外カット波長）と赤外透過フィルタの透過波長（赤外透過波長）とがほぼ同じ波長で重なるような特性であっても良い。
【００３１】
本態様によれば、固体撮像装置内に人間の視感度に適合した赤外カットフィルタと赤外透過フィルタとが形成されるため、可視光と近赤外光とを同時に撮像でき、美しく自然な可視光写真を撮像することができる。また、赤、緑及び青のスペクトルと近赤外のスペクトルとを独立して測定できるため、種々の写真撮影だけでなく種々の用途に活用できる固体撮像装置を実現することができる。
【００３２】
また、固体撮像装置内に赤外線をカットする赤外カットフィルタ層を備えている。従って、固体撮像装置が組み込まれるカメラモジュール（カメラシステム）または電子機器には、赤外線をカットするための別途のフィルタが不要となるため、カメラモジュールの小型化及び低コスト化が可能となる。
【００３３】
以下に詳細を説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
図１Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素のレイアウト（カラーフィルタの配列）を示す平面図である。なお、図１Ａは、図１Ｂの一点鎖線（Ａ−Ａ’面）の一部における断面図を示している。また、図１Ｂに示される矩形の各々は、画素の各々に対応する領域を表している。また、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の表記の各々は、赤、緑、及び青の光を検出する画素の各々を表し、「ＩＲ」の表記は、赤外線（特に近赤外線）を検出する画素を表している。以下においては、説明を簡略化するために、赤、緑及び青の光を検出する画素の各々を、赤画素、緑画素及び青画素といい、赤外線を検出する画素を赤外画素という。
【００３５】
図１Ｂのカラーフィルタの配列は、固体撮像装置で広く用いられるベイヤー配列の緑画素の一つを赤外画素に置き換える方法により実現できる。固体撮像装置の製造方法に関しては、赤外カットフィルタ（特に近赤外カットフィルタ）と赤外透過フィルタ（特に近赤外透過フィルタ）の形成工程を除いては標準的な固体撮像装置の製造方法と共通であるため、ここでは詳細な説明は省略し、赤外カットフィルタと赤外透過フィルタの形成方法について詳説する。
【００３６】
固体撮像装置は、複数の画素を構成する絶縁膜３、ゲート４及び素子分離２が表面に形成された半導体基板１上に、配線層５、赤外カットフィルタ層６、カラーフィルタ層７及び複数のマイクロレンズ８を備える。半導体基板１に形成された画素の各々は、入射光を光電変換する受光部（受光素子、フォトダイオード）と、受光部から出力される信号を読み出すための読み出し回路とを含む。半導体基板１は、複数の受光部（画素）を表面に有し、画素の各々は、半導体基板１の表面を平面視したとき行列状に整列するように形成されている。
【００３７】
赤外カットフィルタ層６は、赤外透過フィルタ７ａが形成された赤外画素以外の画素、つまり青色カラーフィルタ７ｂが形成された青画素、緑色カラーフィルタが形成された緑画素、及び赤色カラーフィルタが形成された赤画素を覆うように配線層５の上でカラーフィルタ層７の下に形成されている。カラーフィルタ層７は、赤外カットフィルタ層６の表面を覆うように形成されている。尚、赤外カットフィルタ層６の構成の詳細については後述する。
【００３８】
カラーフィルタ層７は、複数の受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する受光部の上方に形成された複数のフィルタを含む。この複数のフィルタは、可視光を透過する可視光透過フィルタと、透過率が５０％となる赤外透過波長が６５０ｎｍである赤外透過フィルタ７ａとを含む。複数の受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの受光部を含み、この４つの受光部のカラーフィルタ層７は、１つの赤外透過フィルタ７ａと、赤色カラーフィルタ（図外）、緑色カラーフィルタ（図外）及び青色カラーフィルタ７ｂの３つの可視光透過フィルタとの４つのフィルタを含む。
【００３９】
具体的に、有機材料から構成されるカラーフィルタ層７は、赤外（ＩＲ）、青（Ｂ）、赤（Ｒ）、及び緑（Ｇ）の４色の光を取り出すために、分光特性の異なる４種類のカラーフィルタ、つまり赤外透過フィルタ７ａと、可視光透過フィルタとしての青色カラーフィルタ７ｂ、緑色カラーフィルタ及び赤色カラーフィルタとを含む。各々のカラーフィルタは、リソグラフィ工程によってパターン形成することができる。
【００４０】
カラーフィルタ層７において、４種類のカラーフィルタの各々は、平面視において図１Ｂに示されるようなパターンに従って、画素を１つずつ覆うように配列されている。言い換えると、４種類のカラーフィルタの各々は、画素のそれぞれに対応して形成され、対応する画素を覆っている。カラーフィルタ層７における、赤外透過フィルタ７ａ以外のフィルタつまり赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、及び青色カラーフィルタ７ｂには、通常の固体撮像装置を備える撮像装置（カメラモジュール）に用いられている感光性有機カラーフィルタレジストを使用できる。ここで、感光性有機カラーフィルタレジストとは、顔料を色材として含む、紫外線に感度を有するレジストである。
【００４１】
通常の赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ及び青色カラーフィルタ７ｂは、図２に示すような透過率特性を持っており、赤外光を透過してしまう。図２は、通常のカラーフィルタの透過率特性を示す図である。この赤外光の影響を防ぐために上述の赤外カットフィルタ層６を赤画素、緑画素及び青画素上に構成する必要がある。これに対し、赤外透過フィルタ７ａは、従来、通常用いられているカラーフィルタとは異なる分光特性が必要とされる。詳細は後述するように、人間の視感度と適合させて自然な色合いを実現するために赤外透過フィルタ７ａの光学特性は、透過率が５０％となる波長が約６５０ｎｍであり、それ以上の波長の赤外光を５０％以上の透過率で透過するような特性が必要となる。
【００４２】
図３は、第１の実施形態に係る赤外透過フィルタと通常の赤外透過フィルタとの透過率特性を示す図である。
【００４３】
なお、一般的な固体撮像装置では、青色カラーフィルタと赤色カラーフィルタとを積層して赤外透過フィルタを形成しているが、その場合、図３の点線に示すように、透過率が５０％となる赤外透過波長は８００ｎｍ付近となり可視領域（可視光）と近赤外領域（赤外光）との境界から大きくずれてしまう。また、さらに異なる一般的な固体撮像装置では、透過率が５０％となる赤外透過波長が７５０〜８００ｎｍ付近である光学特性が赤外透過フィルタの光学特性として示されており、この特性でも透過率が５０％となる波長は可視領域と近赤外領域との境界からずれている。
【００４４】
これは、従来、可視光の長波長側の光吸収にはフタロシアニン系の青色顔料Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６が用いられていることに基づく。この材料の吸収波長は５５０〜８００ｎｍの広範囲に及ぶため、透過率が５０％となる赤外透過波長が８００ｎｍ付近になってしまうのである。より赤外領域の透過率を上げるためには、新たな赤外透過フィルタの探求が必要とされている。
【００４５】
本実施の形態において、赤外透過フィルタ７ａをＣ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３（Ｄｉｏｘａｚｉｎｅ）とＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９(Ｉｓｉｎｄｏｌｉｎｅ)との各顔料を主成分として含む新しいカラーフィルタ材料により構成している。この材料を用いることにより、図３の実線に示すように透過率が５０％となる赤外透過波長を６５０ｎｍ付近に設定でき、赤外透過フィルタ７ａの光学特性を人間の視感度の境界に適合した光学特性とできる。赤外透過フィルタ７ａの赤外透過波長が、可視領域と近赤外領域との境界位置に近いことが赤外光の感度を上げるためにきわめて重要である。
【００４６】
赤外透過フィルタ７ａの新規のカラーフィルタ材料としては、上述の顔料以外に、ベースポリマとしてのアクリル樹脂、多官能アクリルモノマー、光重合開始剤、増感剤及び溶剤から構成され、光感光性を有する材料を用いることができる。この材料は光感光性を有しているため、通常のリソグラフィプロセスによりパターンを形成することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態では、紫顔料としてピグメントバイオレット２３、黄色顔料としてピグメントイエロー１３９を用いたが、特にこの顔料に限定されるものではない。紫顔料としてはピグメントバイオレット１９又は３７などが使用可能である。また黄色顔料としては、ピグメントイエロー８３、１３８、１５０又は１８５などの使用も可能である。
【００４８】
発明者は、種々の顔料について検討を行ったうえで、光学特性、カラーフィルタとしての安定性、レジストとしての性能を比較して、ピグメントバイオレット２３とピグメントイエロー１３９とを選択した。特に、ピグメントバイオレット２３は、５００〜６５０ｎｍの波長域に強く急峻な吸収ピークを持っているため、６５０ｎｍ付近の波長で５０％の透過率を実現するために最適の材料である。
【００４９】
赤外カットフィルタ層６は、透過率が５０％となる赤外カット波長が６５０ｎｍであり、可視光透過フィルタが形成された受光部（画素）の上方に受光部（画素）を覆うように形成され、赤外透過フィルタ７ａが形成された受光部（画素）の上方で開口される。赤外カットフィルタ層６は、赤外カット波長以上の波長の赤外光が５０％以下の透過率になるように構成される。
【００５０】
赤外カットフィルタ層６は、無機の低屈折率材料から構成される低屈折率層６ａと無機の高屈折率材料から構成される高屈折率層６ｂとが積層された無機の多層膜から構成され、低屈折率層６ａ及び高屈折率層６ｂの積層構造体が交互に積層された多層膜構造を有する。例えば、低屈折率層６ａは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）によって構成され、高屈折率層６ｂは、酸化チタン膜（ＴｉＯ）によって構成される。なお、高屈折率層６ｂは、ＴｉＯの代わりに、ＳｉＮによって構成されていても良い。つまり、赤外カットフィルタ層６は、シリコン酸化膜から構成される低屈折率層６ａと、シリコンリッチなシリコン窒化膜から構成される高屈折率層６ｂとが積層された多層膜から構成されても良い。膜形成には反応性スパッタリング法を用いることができる。マルチチャンバーの反応性スパッタ装置を用いることで効率的に積層膜を連続的に堆積することが可能である。
【００５１】
図４Ａは、第１の実施形態に係る赤外カットフィルタ層の一例の構成を示す図であり、図４Ｂは、第１の実施形態に係る赤外カットフィルタ層の一例の透過率特性を示す図である。具体的には、図４Ａは、図１Ａに示される赤外カットフィルタ層６の一例を示しており、図４Ｂは、赤外カットフィルタ層６が８層構造の多層膜構造であるときの赤外カットフィルタ層６の透過率特性（透過率分布）を示している。
【００５２】
図４Ａの赤外カットフィルタ層６において、低屈折率層６ａ及び高屈折率層６ｂの各々の厚みは、一例として、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲に設定されている。赤外カットフィルタ層６は、透過率が５０％となる赤外カット波長が６５０ｎｍ付近となるように設計されている。図４Ｂでは、干渉によって透過率スペクトルはうねっているが、５０ｎｍ程度の範囲で平均化した透過率が６５０ｎｍ付近でほぼ５０％となるように設計されている。赤外カットフィルタ層６を構成する各々の層の膜厚は、層構成と層数に応じて最適な光学特性となるように設計される。
【００５３】
図４Ａの構成において、赤外カットフィルタ層６は、低屈折率層６ａと高屈折率層６ｂとを交互に計９層を積層することによって形成されている。ただし、積層される層の数は、要求される赤外線の光学特性や、材料等によって適宜設定されれば良く、２種類の層を順に積層して赤外カットフィルタ層６を構成する場合、積層される層は６〜１２層の範囲であれば良い。赤外カットフィルタ層６を構成する層の数を増やすほど光学特性を改善することができるが、製造工程が複雑になることから１２層を上限として設計することが好ましい。
【００５４】
本実施形態に係る固体撮像装置は、無機材料の多層膜として形成された赤外カットフィルタ層６を赤外透過フィルタ７ａが形成された赤外画素以外の画素上に備える点に特徴を有する。通常のカメラモジュールでは赤外カットフィルタは固体撮像装置上に設置されるため、画素毎に赤外カットフィルタの有無を選択できない。それに対し本実施形態に係る固体撮像装置では、固体撮像装置の製造プロセスにおいて、赤外カットフィルタ層６をマイクロレンズ８と半導体基板１との間に形成するため、画素毎に赤外カットフィルタの有無を制御することが可能となる。カラーフィルタ層７は、有機材料によって形成されるため、有機材料の表面に無機材料を積層することは容易ではない。したがって、赤外カットフィルタ層６を、カラーフィルタ層７の下、つまり半導体基板１とカラーフィルタ層７との間に形成することがより好ましい。
【００５５】
赤外カットフィルタ層６を構成する材料には、半導体製造プロセスにおいて一般に用いられるＳｉＯ、ＳｉＮ、ＴｉＯ、ＳｉＯＮ、ＴａＯ、及びＺｒＯ等が好適である。また、赤外線を分光するために、赤外カットフィルタ層６が多層膜構造を有していることが好ましい。
【００５６】
複数のマイクロレンズ８のそれぞれは、受光部（画素）の各々と対応するように、カラーフィルタ層７の表面に形成されている。マイクロレンズ８の各々は、入射光を効率よく対応する受光部へと集光するために設けられている。
【００５７】
図５は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。本実施形態に係る新規の赤外透過フィルタ（図３の実線）７ａを用いた固体撮像装置と、赤色カラーフィルタと青色カラーフィルタとを積層した赤外透過フィルタを用いた比較のための固体撮像装置（図３の点線）とを試作し、それぞれで得られた分光感度特性（分光感度曲線）を図５に比較して示した。なお、図５において、図３と対応させて本実施形態に係る赤外透過フィルタ７ａを用いた場合の赤外画素の分光感度を太い実線（図５において赤外１）で、赤色カラーフィルタと青色カラーフィルタとを積層した赤外透過フィルタ（青赤積層フィルタ）を用いた場合の赤外画素の分光感度を点線（図５において赤外２）で示している。また、本実施形態に係る赤外透過フィルタ７ａを用いた場合の赤画素（図５において赤）、青画素（図５において青）、緑画素（図５において緑）の可視光画素の分光感度は破線で示している。
【００５８】
図５に示されるように、可視光画素の分光特性は本実施形態に係る固体撮像装置及び比較に係る固体撮像装置で同等である。しかし、赤青積層フィルタを用いた場合に比べて、本実施形態に係る新しい赤外透過フィルタ７ａを用いることで赤外感度が約３倍向上する。
【００５９】
図５を用いて赤外カットフィルタ層６及び赤外透過フィルタ７ａの分光設計の重要性について述べる。
【００６０】
まず、自然で美しい画像を得るために可視光画素の感度は人間の視感度に対応していることが望ましい。このため、赤外カットフィルタ層６の透過率が５０％となる赤外カット波長は６５０ｎｍ近傍にあることが望ましい。分析及び検査用途では青画素、緑画素、赤画素、及び赤外画素のそれぞれの画素が適切な重なりをもって分離していることが必要である。
【００６１】
赤外カットフィルタ層６として青赤積層フィルタを用いた場合、赤外画素は８００ｎｍ以上の波長にしか感度を持たない。このため、６５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域で不感領域を持ってしまう。これはマルチスペクトルセンサとして望ましくない。また既に述べたようにシリコンの光吸収特性により長波長の光ほど感度が低下するため、８００ｎｍ以上の波長で透過領域を持つ赤外透過フィルタ７ａを用いた場合、６５０ｎｍ以上の波長で透過領域を持つ赤外透過フィルタを用いた場合に比べて赤外感度が１／３程度まで低下してしまうという問題を有する。このため、赤外カットフィルタ層６の赤外カット波長と赤外透過フィルタ７ａの赤外透過波長（透過率が５０％となる波長）とがほぼ同じ波長であり、その波長が人間の可視波長と一致していることが望ましい。このため、本実施形態では赤外カットフィルタ層６の赤外カット波長（５０％）と赤外透過フィルタ７ａの赤外透過波長（５０％）とが６５０ｎｍとなるように設計される。
【００６２】
本実施形態に係る固体撮像装置では、固体撮像装置が赤外カットフィルタ層６を備えるため、同固体撮像装置が用いられるカメラモジュール等において、従来のように、別途赤外カットフィルタが必要とされない。したがって、本実施形態に係る固体撮像装置を用いることにより、カメラモジュール及び撮像機能を有する電子機器の薄型化を実現することが可能となる。
【００６３】
本実施形態の固体撮像装置の応用例について以下に述べる。
【００６４】
本実施形態の固体撮像装置を用いることで、果実、野菜及び食肉等の新鮮度の評価が可能になる。以下にキュウリの鮮度測定に本実施形態の固体撮像装置を用いた例について示す。
【００６５】
図６は、第１の実施形態に係る固体撮像装置により得られたキュウリの経時変化を示す反射率スペクトル図である。また、図７は、第１の実施形態の固体撮像装置により得られたキュウリの経時変化を示す画像である。具体的には、図６は、キュウリを収穫日、収穫日から４日後、及び収穫日から１０日後に本実施形態の固体撮像装置を用いた反射率測定器を用いて測定した反射率スペクトルである。また、図７は、キュウリを収穫日、収穫日から４日後、及び収穫日から１０日後に本実施形態の固体撮像装置を用いて撮影して得られた画像である。
【００６６】
図６から、収穫日からの日数の経過に対して、可視光の反射率に大きな変化はないが、赤領域の外の長波長領域の反射率スペクトルが大きく変化していることがわかる。
【００６７】
表示機器はＲＧＢで表示されるため赤外光の表示はできない（赤外光の表示が可能な表示機器があっても人間は認識できない）。図７の測定では、赤外光を表示するためにランドサット等のマルチスペクトラル・スキャナーで通常行われている偽色表示を採用した。これは、緑色光バンドに青、赤色光バンドに緑、赤外線バンドに赤の表示を割り当て、それを合成してカラー画像を表示し目視検査を可能にする方式である。キュウリでは赤外光の反射強度が高いため赤色系のオレンジに近い表示色となる。
【００６８】
図７から、収穫から日が経つにつれ、赤外光の反射率が低下し、表示色における赤色の比率が下がるため、画像は黒ずんでくるのがわかる。この色合いからキュウリの鮮度を評価することが可能となる。また、鮮度が画像で得られるため、目視では確認しづらい果実や野菜の傷んでいる部位の検出も可能となる。キュウリの経時変化によりクロロフィルの反射に起因する赤外光の反射が減少する。偽色表示では赤外光の成分は赤色に表示されるため、色合いは橙色から茶色、焦茶色と変化する。偽色表示により、新鮮度を直感的に認識することが可能となる。このような、経時変化によるクロロフィルの急激な減少とそれに伴う赤外光の反射の低下は植物（野菜及び果物）では一般的に発生する現象であるため、他の野菜及び果物にも適用可能である。
【００６９】
さらに赤外光の信号強度と赤色の信号強度との比からキュウリの鮮度の数値評価も可能である。
【００７０】
図８は、第１の実施形態の固体撮像装置により得られたキュウリの画像から算出された鮮度パラメータの変化を示す図である。具体的には、図８は、本実施形態の固体撮像装置によるキュウリの撮像により得られた赤外出力と赤色出力との比を経過日に対して示した図である。
【００７１】
図８より、キュウリの鮮度の数値化が可能であることがわかる。図８では、キュウリの鮮度を示すパラメータとして赤外光の信号と赤色の信号との比率Ｋｓｐ＝ＩＲ（赤外光の信号）／Ｒ（赤色の信号）を定義した。Ｋｓｐの数値により鮮度が評価できることがわかる。
【００７２】
本実施形態の固体撮像装置を用いることによりカメラモジュールを備える携帯電話等のモバイル機器で簡単に食品の鮮度や安全性の評価が可能になる。モバイル機器で評価を行う場合には、写真撮影、偽色表示の選択を行うことで容易に画像から肉眼での評価が可能となる。数値評価を行う場合には、計算を行うアプリケーションプログラムを起動し、画像中で評価する被写体（この場合はキュウリ）を選択する必要がある。食品ごとに計算の内容が異なるが、通信可能なモバイル機器であればアプリケーションプログラムのインストールは容易であるため、幅広い用途での活用が可能となる。
【００７３】
なお、固体撮像装置による評価の精度をより上げるためには、撮影時にストロボ発光させて撮影することが望ましい。これはストロボ発光の光源のスペクトルが既知であるため、より高精度に反射率の評価が可能となるためである。また、本実施形態の固体撮像装置の撮像に用いるストロボ光源は、可視光だけでなく赤外光が発光されるような構成であることが望ましい。
【００７４】
本評価で用いたキュウリの場合、もとの色が緑であるため強い強度を持つ赤外信号が赤色に表示される画像には違和感がある。一般に植物及び動物は赤外光の反射率が高いために赤外光をどの色で表示するかが重要になる。植物の場合、ナチュラルカラー表示と呼ばれる、緑のバンド、赤のバンド及び赤外線バンドに、青、赤及び緑をそれぞれ割り当てると、やや自然の色に近く表示することができる。
【００７５】
アプリケーションプログラムの中で評価物体（評価対象）に応じてその物体の色に近い形で表示を選択することも可能である。いずれにせよ、人間の眼に見えない赤外光を可視部に表示するため完全に自然な表示を行うことは原理的にできないが、実際に近い色相表示、あるいは、注意を要するときに注意を喚起し易い表示を行う等の工夫が可能である。
【００７６】
ここではキュウリの鮮度評価の例を示したが、他の果実、野菜、食肉及び卵等でも鮮度を赤外光の反射スペクトルを用いて評価できることが示されており、本実施形態の固体撮像装置を用いた評価は、幅広い用途に応用が可能である。食品検査以外の用途としては、紙幣の偽造判定や薬品の間違い防止の用途が考えられる。
【００７７】
これは、印刷に用いられるインクが可視光の反射率を真似ても赤外光に対する反射率まで真似ることが困難であること、また最近は積極的に偽造防止のために赤外インクが採用されている紙幣もあることに基づく。したがって、赤外光を用いて簡単に偽造紙幣の判定ができることは有用であると考えられる。
【００７８】
薬品チェックについては、ほとんどの薬剤が白色であり、多くの薬剤を服用するような患者が誤って別の薬剤を服用してしまうような事故を防止することを目的としている。薬剤は可視光で見ると白色であっても赤外光の反射率は大きく異なることが多く、赤外光を用いた偽色表示で色を確認することにより服用間違いのリスクを低減できる。
【００７９】
上述したように、本実施形態の固体撮像装置では、本来眼に見えない赤外光を可視化して画像として表示するために、従来とは異なる信号処理（色処理）が必要となる。以下に信号処理の基本的な考え方について述べる。
【００８０】
通常の撮像装置（カメラモジュール）では、固体撮像装置の赤（Ｒ）色の信号、緑（Ｇ）色の信号、及び青（Ｂ）色の信号を、以下の式１に示される色変換マトリックスを用いてディスプレイへの赤（Ｘ）の出力信号、緑（Ｙ）の出力信号、及び青（Ｚ）の出力信号に変換する。
【００８１】
【数１】
2014041742.tif 000003
【００８２】
しかしながら、本実施形態の固体撮像装置では、固体撮像装置の信号は赤色の信号（Ｒ）、緑色の信号（Ｇ）、及び青色の信号（Ｂ）に加えて赤外の信号（Ｉｒ）の４色の信号となるのに対し、ディスプレイへの出力信号は赤の出力信号（Ｘ）、緑の出力信号（Ｙ）、及び青の出力信号（Ｚ）の３色の出力信号である。したがって、固体撮像装置の信号を、固体撮像装置からディスプレイへの出力信号に変換するための色変換マトリックスは、以下の式２に示される３行４列の色変換マトリックスとなる。
【００８３】
【数２】
2014041742.tif 000004
【００８４】
ここでは、信号処理の原理を説明するため簡素化して、主として使われる色信号のみを表示する例を示す。本実施形態に係る固体撮像装置で通常のカラー写真を表示するためには、赤外の信号（Ｉｒ）は用いる必要がない。したがって、撮像装置は、以下の式３に示されるような色変換マトリックスを用いて、固体撮像装置のＲＧＢの信号をそれぞれ赤の出力信号（Ｘ）、緑の出力信号（Ｙ）、及び青の出力信号（Ｚ）として出力する。
【００８５】
【数３】
2014041742.tif 000005
【００８６】
本実施形態に係る固体撮像装置で得られた赤外の信号（Ｉｒ）を表示するための偽色表示として、緑色光バンドに青、赤色光バンドに緑、赤外線バンドに赤の表示を割り当てる信号処理の色変換マトリックスは以下の式４に示されるようになる。赤外の信号（Ｉｒ）に赤色の出力信号（Ｘ）が割り当てられ、青色の信号（Ｂ）は使われない。
【００８７】
【数４】
2014041742.tif 000006
【００８８】
一方、ナチュラルカラー表示として、緑色光バンド、赤色光バンド及び赤外線バンドに、青、赤及び緑をそれぞれ割り当てる場合には、色変換マトリックスは以下の式５に示されるようになる。
【００８９】
【数５】
2014041742.tif 000007
【００９０】
ここでは簡単のため、色変換マトリックスの要素を０及び１としたが、微妙な色合いを表現したり、検査物体に合わせて特定の波長領域を強調したりするために色変換マトリックス内の要素は０及び１でなく、マイナスの数値を含む値となるように調整してもよい。
【００９１】
なお、このような色変換の信号処理は、固体撮像装置内に信号処理ブロック（信号処理回路）を追加して、固体撮像装置から赤の出力信号（Ｘ）、緑の出力信号（Ｙ）、及び青の出力信号（Ｚ）の３色の出力信号に変換処理して出力することが可能である。また、固体撮像装置からは、赤色の信号（Ｒ）、緑色の信号（Ｇ）、青色の信号（Ｂ）、及び赤外の信号（Ｉｒ）の４色の受光信号を出力して、固体撮像装置外部の半導体チップで赤の出力信号（Ｘ）、緑の出力信号（Ｙ）、及び青の出力信号（Ｚ）の３色の出力信号に変換することでも可能である。外部チップを用いる場合も信号処理の基本的な考え方は上述と同じである。
【００９２】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置の応用範囲は非常に広く、撮像対象物を変えて異なる評価が可能である。このため、本実施形態の固体撮像装置は、種々のアプリケーションプログラムを容易にインストール可能な携帯機器との相性が特に良い。
【００９３】
（第２の実施形態）
図９Ａは、第２の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図であり、図９Ｂは、第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素のレイアウトを示す平面図である。なお、図９Ａは、図９Ｂの一点鎖線（Ａ−Ａ’面）の一部における断面図を示している。また、図９Ｂに示される矩形の各々は、画素の各々に対応する領域を表している。また、図９Ｂにおいて、「Ｒ」、「Ｇ」、及び「Ｂ」の表記の各々は、赤画素、緑画素及び青画素の各々を表し、「ＩＲ」及び「ＩＲ’」の表記は、異なる分光特性の第１赤外画素及び第２赤外画素を表している。また、本実施形態に係る固体撮像装置の基本的な構造は、第１の実施形態に係るものと同様であるので、以下においては、第１及び第２の実施形態の相違点を中心に説明する。
【００９４】
本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置に対し、赤外カットフィルタ層６とカラーフィルタ層７とが半導体基板１の表面に対して形成されている点は同じであるが、異なる分光感度の２種類の第１赤外画素ＩＲ及び第２赤外画素ＩＲ’を有している点が異なる。
【００９５】
本実施形態の固体撮像装置では、複数の受光部は、４×２の行列状に隣接して配列された８つの受光部を含み、この８つの受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの受光部から構成される１組の受光部群を２つ含む。この１組の受光部群のカラーフィルタ層７は、１つの赤外透過フィルタ７ａと、３つの可視光透過フィルタとの４つのフィルタを含み、４×２の行列状に配列された８つの受光部を構成する２組の受光部群において、赤外透過フィルタ７ａの赤外光透過率特性が異なる。
【００９６】
第１赤外画素ＩＲに形成された赤外透過フィルタ７ａは、第１の実施形態と類似した材料で構成され、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３と、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９と、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２５４との各顔料を含む着色樹脂組成物で構成される。本実施形態の赤外透過フィルタ７ａが第１の実施形態の赤外透過フィルタ７ａに対して異なるのは、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２５４が追加されている点である。これは４５０ｎｍ以下の短波長側の光透過をより抑制するためであり、透過率が５０％となる赤外カット波長が６５０ｎｍであることは変わらない。本実施形態の赤外透過フィルタ７ａのカラーフィルタ材料として、前述した顔料以外に、ベースポリマとしてのアクリル樹脂、多官能アクリルモノマー、光重合開始剤、増感剤及び溶剤が混合されて構成された感光性カラーフィルタレジストを用いることができるのは第１の実施形態の赤外透過フィルタ７ａと同様である。また、本実施形態の赤外透過フィルタ７ａでは、赤色顔料としてピグメントレッド２５４を使用したが、これに限られるのもではなく、ピグメントレッド１７７、２４２、及び２５２などのアゾ顔料の使用が可能である。
【００９７】
本実施形態の固体撮像装置においては、新たな赤外画素として第２赤外画素ＩＲ’が追加されている。この第２赤外画素ＩＲ’のカラーフィルタは、青色カラーフィルタ７ｂと赤色カラーフィルタ７ｄとの積層構造となっている。このようなカラーフィルタの形成は、カラーフィルタ層７が、緑色カラーフィルタ（図外）、青色カラーフィルタ７ｂ、赤色カラーフィルタ７ｄ、赤外透過フィルタ７ａの順に形成することにより形成されるため、赤色カラーフィルタ７ｄと青色カラーフィルタ７ｂとのマスクレイアウトを変更するだけで、追加工程なしに形成可能である。この固体撮像装置の分光感度特性（出力分光波形）を図１０に示す。
【００９８】
図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。なお、図１０において、第１赤外画素ＩＲ（図１０においてＩＲ）の分光感度を太い実線で、第２赤外画素ＩＲ’（図１０においてＩＲ’）の分光感度を点線で、赤画素（図１０において赤）、青画素（図１０において青）及び緑画素（図１０において緑）の可視光画素の分光感度は破線で示している。
【００９９】
本実施形態の固体撮像装置の信号は、赤画素の信号（赤色の信号）、青画素の信号（青色の信号）、緑画素の信号（緑色の信号）に加えて、第１赤外画素ＩＲの信号（第１赤外の信号）及び第２赤外画素ＩＲ’の信号（第２赤外の信号）の５種類の信号がある。第１赤外画素ＩＲでは、図１０では明確ではないが、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２５４の追加により４００〜４５０ｎｍの波長領域での信号が減少していることが確認できる。第２赤外画素ＩＲ’の信号は８００ｎｍ以上の波長領域で感度を持つ分光となっている。このように、光強度の波長分布の異なる２種類の赤外光（ＩＲ，ＩＲ’）が検出できることは、検査用途での応用範囲を広げることができる。
【０１００】
例えば、血液中の酸化ヘモグロビンは、８００ｎｍ以上の波長領域の赤外光の吸収が強く、還元ヘモグロビンは、６５０〜８００ｎｍの波長領域の赤外光を強く吸収する。このため、第１赤外画素ＩＲ及び第２赤外画素ＩＲ’の感度比から還元ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンとの相対濃度の測定が可能となる。また、果実の糖度及び酸度の測定においても、８００ｎｍ以上の波長領域の赤外光の吸収と、６５０〜８００ｎｍの波長領域の赤外光の吸収との比から、高精度に糖度測定が可能である。これ以外にも、近赤外線の分光に用いることで、米の食味、土壌中の窒素等が推定可能である。したがって、通常のカラー画像の取得と同時に、赤外線の分光画像が容易なカメラシステムの応用範囲が広がっていくと考えられる。
【０１０１】
また、本実施形態の固体撮像装置をカメラモジュールに用いることにより、携帯カメラ等のモバイル機器にカメラモジュールとしての撮像機能に加えて赤外分光機能が追加される。したがって、専門家による分析用途だけでなく、一般消費者が食品の品質をチェックしたり、健康チェックを個人で簡易に行ったりすることが可能になる。
【０１０２】
本実施形態の固体撮像装置では、入力信号が赤色の信号（Ｒ）、緑色の信号（Ｇ）、青色の信号（Ｂ）、第１赤外の信号（ＩＲ）、及び第２赤外の信号（ＩＲ’）の５種類となるのに対し、画像出力は赤の出力信号（Ｘ）、緑の出力信号（Ｙ）、及び青の出力信号（Ｚ）の３色となる。このため色変換マトリックスは３行５列となるが、基本的な色変換処理の考え方は第１の実施形態と同じなのでここでは省略する。３行５列の色変換マトリックスは以下の式６に示すように表現できる。
【０１０３】
【数６】
2014041742.tif 000008
【０１０４】
また、この場合にも画素毎の画像信号を演算することによって定量的な評価が可能になる。例えば先に述べた、血液中の酸素化度測定の場合であれば、酸素化ヘモグロビンは８００ｎｍの波長の吸収が強く、還元ヘモグロビンは８００ｎｍ以下の赤外波長の吸収が強い。したがって、血中酸素化濃度パラメータＢｓｐを第１赤外の信号（ＩＲ）と第２赤外の信号（ＩＲ’）との比率で定義でき、Ｂｓｐ＝（ＩＲ−ｋＩＲ’）／ＩＲと表すことができる。ここでｋはＩＲとＩＲ’との感度比から決まる定数である。
【０１０５】
Ｂｓｐの数値により血液中の酸素化度の定量評価が可能となる。血液中の酸素量が一定レベルを下回ると、立ちくらみ、めまい及び卒倒などの症状が発生する。このため、倒れた患者を救急病院へ移送するか、応急手当て様子を見るかを判断する目安として血中酸素量が利用できる。また、運動時の酸素飽和度を簡易的に測定してトレーニングに役立てるなどの用途が考えられる。
【０１０６】
また、本実施形態においても、必須ではないが、より測定（評価）の精度を上げるためには、撮影時にストロボ発光させて撮影することが望ましい。その際、使用されるストロボ光源は可視光だけでなく、２種類の赤外画素の感度に対応する２種類の波長の赤外光が発光されるような構成であることが望ましい。本実施形態で示した構成では、この２種類の波長は、６５０〜８００ｎｍ及び８００〜９００ｎｍである。ただし、光源がブロードな発光特性を持っている場合には、複数の光源を搭載する必要はない。例えば、可視から近赤外（例えば波長４００〜１０００ｎｍ）までのブロードな発光波長を持つ光源であれば、光源は１種類でよく、波長６００〜８００ｎｍに広がる発光波長を持つ光源であれば、赤用の光源と赤外用の光源（ＩＲ用の光源）とは共用できる。また、６５０〜９００ｎｍの波長領域に発光波長が広がるような光源であれば、赤外用の光源（ＩＲ用の光源）と赤外用の光源（ＩＲ’用の光源）とは共用できる。
【０１０７】
（第３の実施形態）
図１１Ａは、第３の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図であり、図１１Ｂは、第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素のレイアウトを示す平面図である。なお、図１１Ａは、図１１Ｂの一点鎖線（Ａ−Ａ’面）の一部における断面図を示している。また、図１１Ｂに示される矩形の各々は、画素の各々に対応する領域を表している。また、図１１Ｂにおいて、「Ｒ」、「Ｇ」、及び「Ｂ」の表記の各々は、赤画素、緑画素及び青画素の各々を表し、「Ｗ」の表記は、赤外線及び可視光を検出する白色画素を表している。また、本実施形態に係る固体撮像装置の基本的な構造は、第１及び第２の実施形態に係るものと同様であるので、以下においては、第１及び第２の実施形態の相違点を簡潔に説明する。
【０１０８】
本実施形態の固体撮像装置は、赤外透過フィルタ７ａを備えていない点で、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置とは異なる。このため赤外画素は無く、赤外画素が赤外光と可視光とに感度を有する白色画素に置き換えられている。白色画素の高さを他の可視光画素とそろえるため、赤外透過フィルタが形成されていた箇所に、透明なアクリル系ポリマーのパターンが形成されている。白色画素では、カラーフィルタ層７のフィルタ及び赤外カットフィルタ層６が設けられていない。
【０１０９】
赤外カットフィルタ層６は、低屈折率材料から構成される低屈折率層６ａと高屈折率材料から構成される高屈折率層６ｂとの積層構造体が交互に積層された多層膜構造を有する。このうち、低屈折率層６ａを構成する半導体材料としては広く使われるＳｉＯ２が最も適切であるが、高屈折率層６ｂを構成する高屈折率材料としては屈折率という観点からは酸化チタンが最も適切である。
【０１１０】
しかしながら、半導体プロセスとの適合性を考えた場合。ＳｉＮ及びＳｉＯＮを用いることの利点が多い。これは加工が容易であること、製膜に特殊な装置、ガスを必要としないためである。但し、化学量論的なシリコン窒化膜（Ｓｉ４Ｎ３）は波長６３３ｎｍでの屈折率が２．０程度であり、ＳｉＯ２と組み合わせた場合、赤外カットフィルタ層６として十分な特性が得られない。
【０１１１】
図１２は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。なお、図１２において、白色画素Ｗ（図１２においてＷ）の分光感度を太い実線で、赤画素（図１２において赤）、青画素（図１２において青）及び緑画素（図１２において緑）の可視光画素の分光感度は破線で示している。
【０１１２】
図１２に示されるように、白色画素Ｗは可視光から赤外領域までの感度を有するため、この白色画素Ｗを備える本実施形態に係る固体撮像装置は、非常に高感度であり、暗時の感度が必要な監視用途や車載用途での応用が可能である。
【０１１３】
本実施形態に係る固体撮像装置は、さらに別に一点、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置と異なる点がある。それは、配線層５と赤外カットフィルタ層６との間に紫外光吸収膜（紫外光カットフィルタ層）９が追加されている点である。この理由について以下説明する。
【０１１４】
本実施形態の固体撮像装置では、固体撮像装置の内部に赤外カットフィルタ層６を搭載することで、撮像及び計測できる波長範囲を赤外光領域に拡大している。このため、本実施形態の固体撮像装置をカメラモジュール（カメラシステム）に用いた場合には、通常の撮像システムで必要とされる固体撮像装置の外部の赤外カットフィルタを省略できるという利点がある。ただし、通常のカメラシステムに用いられる赤外カットフィルタは実際には赤外光だけでなく紫外光も透過しない赤外及び紫外カットフィルタ（ＵＶ／ＩＲカットフィルタ）を用いることが一般的である。このため、より忠実な色再現のためには、赤外及び紫外カットフィルタは不要となっても、新たに紫外光カットフィルタが必要となり、コスト削減とカメラシステムの小型化というメリットを実現できない。本実施形態の固体撮像装置では、この問題を解決するために、固体撮像装置内に紫外光カットフィルタを紫外光吸収膜９として積層した。
【０１１５】
紫外光吸収膜９は、例えば０．５ミクロン以上の膜厚のシリコン窒化膜から構成され、複数の受光部の全域を覆うように形成され、紫外光をカットする。紫外光吸収膜９は、例えば低圧ＣＶＤでシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を１０００ｎｍ堆積することで形成できる。低圧ＣＶＤで製膜したＳｉＮは短波長光である４２０ｎｍ以下の光を吸収するため、紫外光吸収膜９として活用できる。
【０１１６】
図１２に示す分光感度特性を、図５及び１０に示した紫外光吸収膜９のない構造の固体撮像装置の分光感度特性と比較すると、波長４００〜４２０ｎｍの感度が低下しており、紫外光の影響が低減されていることがわかる。紫外光吸収膜９は本実施形態の固体撮像装置だけでなく、第１及び第２の実施形態の固体撮像装置でも適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【０１１７】
また、本実施形態の固体撮像装置では、紫外光吸収膜９としてＳｉＮを用いたが、これに限られるものでなく、４５０ｎｍ以下の波長に対して吸収を有する膜であれば他の無機膜又は有機膜を利用できる。例えばＴｉＮ膜、ＴｉＯ２膜、スチレン系樹脂、及びノボラック樹脂などが利用可能である。
【０１１８】
また、本実施形態の固体撮像装置では、全画素に対して紫外光吸収膜９を積層し、全画素が紫外光吸収膜９を含むように構成したが、実際に紫外光の入射が問題になるのは青画素のみであるので、青画素上にのみ紫外光吸収膜９を積層し、青画素のみが紫外光吸収膜９を含むように構成しても良い。
【０１１９】
なお、紫外光吸収膜９を別途設けることなく、青色カラーフィルタに紫外線吸収顔料を加えることで、カラーフィルタ層７のカラーフィルタに紫外線吸収性能を付与することも可能である。
【０１２０】
また、紫外光吸収膜９としてＳｉＯＮ膜を用い、シリコン、酸素及び窒素の組成比を変えることで、紫外光吸収膜９の吸収と膜厚とを制御することができる。紫外光吸収膜９としては、４００ｎｍの波長に対し透過率３０％以下、４５０ｎｍの波長に対し透過率７０％以上の光学特性を持つ膜であることが望ましい。さらに、４００ｎｍの波長に対し透過率１５％以下、４５０ｎｍの波長に対し透過率８５％以上の光学特性をもたせることができればさらに望ましい。紫外光吸収膜９の形成における低圧ＣＶＤでのＳｉＮの製膜には、窒素、シラン及びアンモニアの混合気体を用いるが、この混合気体のガス比を変えることで、紫外光吸収膜９の紫外光の吸収特性を変化させることができ、上記条件を満たすようなガス比と膜厚を設定することができる。
【０１２１】
次に、本実施形態の固体撮像装置の信号処理について説明する。
【０１２２】
十分な明るさのある撮像シーンでのカラーイメージについては、第１の実施形態で示したのと同じく、ＲＧＢをそのまま出力すればよい。一方、暗い撮像シーンでは、白色画素Ｗの信号を中心に白黒表示を行う。この場合の信号処理は、以下の式７で示す色変換マトリックスを用いたものになる。
【０１２３】
【数７】
2014041742.tif 000009
【０１２４】
固体撮像装置からは、ＲＧＢを全て足し合わせた出力信号（出力画像）がディスプレイに出力される。ディスプレイで表示されるＲＧＢは同じ値であるため、白黒（グレー）の表示となる。信号処理の際には、シーンの明るさを判定し、閾値以下の明るさの場合には上記のグレー表示に切り替えを行う。一定以下の明るさのシーンでは解像度は低下しても、輝度を優先するような画像処理が有効となる。固体撮像装置内部でこのような処理を行い外部に出力すれば、既存の画像信号処理システムを用いて昼夜兼用の監視システムを実現することができる。
【０１２５】
（第４の実施形態）
図１３Ａは、第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素のレイアウトを示す平面図である。図１３Ｂは、第４の実施形態に係る固体撮像装置による分光感度特性を示す図である。なお、図１３Ａに示される矩形の各々は、画素の各々に対応する領域を表している。また、図１３Ａにおいて、「Ｃｙ」、「Ｇ」、及び「Ｙｅ」の表記の各々は、シアン画素、緑画素及び黄色画素の各々を表し、「Ｗ」の表記は、赤外線及び可視光を検出する白色画素を表している。また、図１３Ｂにおいて、白色画素Ｗ（図１３ＢにおいてＷ）の分光感度を太い実線で、シアン画素（図１３Ｂにおいてシアン）の可視光画素の分光感度を細い点線で、緑画素（図１３Ｂにおいて緑）の可視光画素の分光感度は破線で、黄色画素（図１３Ｂにおいて黄色）の可視光画素の分光感度は太い点線で示している。また、本実施形態に係る固体撮像装置の基本的な構造は、第１〜第３の実施形態に係るものと同様であるので、以下においては、第１〜第３の実施形態の相違点を簡潔に説明する。
【０１２６】
本実施形態の固体撮像装置は、カラーフィルタ層７のカラーフィルタに補色フィルタを用いている点で、第１〜第３の実施形態の固体撮像装置と異なる。補色フィルタを用いることにより入射光の光利用率を向上することができる。これは、補色である黄色＝緑＋赤、シアン＝青＋緑、マゼンタ＝青＋赤であり、青、赤及び緑の原色では入射する白色光（＝青＋緑＋赤）のうち１／３だけを利用していたのに対し、補色フィルタを用いることで２／３の光を利用できるようになるためである。
【０１２７】
本実施形態の固体撮像装置は、シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ、緑カラーフィルタ、及び白色カラーフィルタから構成されるカラーフィルタ層７を備える。本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、第１〜第３の実施形態と同様でありカラーフィルタ層７に用いるカラーフィルタ材料が異なるのみである。本実施形態のカラーフィルタ層７を構成する補色材料としては、全て市販のカラーフィルタレジスト材料を用いることができる。
【０１２８】
固体撮像装置の複数の受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの受光部を含み、この４つの受光部のカラーフィルタ層７は、シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ、緑カラーフィルタ及び白色カラーフィルタの４つの可視光透過フィルタを含む。赤外カットフィルタ層は、白色カラーフィルタが形成された受光部の上方で開口される。
【０１２９】
図１３Ｂから、固体撮像装置の可視光に対する感度が大幅に向上していることがわかる。本実施形態の固体撮像装置においても、白色画素Ｗの部分には赤外カットフィルタが形成されていないため、白色画素Ｗは可視光と赤外光とに対して感度を有している。特に白色画素Ｗを用いた場合、白色画素Ｗと他の可視光画素とで感度が大きく異なるため、白色画素Ｗが先に飽和してしまい正常な画像が撮像できる明るさの範囲（ダイナミックレンジ）が狭くなるという問題があるが、カラーフィルタ層７に補色フィルタを用いることで感度を向上できるだけでなくダイナミックレンジを拡大できるという利点がある。
【０１３０】
本実施形態の固体撮像装置では、あえてカラーフィルタ層７の補色フィルタとして補色の３原色である黄色、マゼンタ及びシアンではなく、黄色、緑及びシアンのフィルタを用いている。これは、画像信号処理を検討し、補色のマゼンタを用いるよりも緑を用いたほうが色再現性を向上できるという結果が得られたためである。これは、現在得られるマゼンタのカラーフィルタの特性が良くない（青色側の透過率が低く、緑色の透過率が高い）ために、色性能が悪化するためである。また、シリコンの感度が波長５００ｎｍ付近にあるため、緑を用いても感度の低下が抑えられるためである。このため、高性能なマゼンタカラーフィルタが利用できれば、黄色、マゼンタ、シアン及び白のカラーフィルタ構成で固体撮像装置を形成することも可能である。
【０１３１】
（第５の実施形態）
図１４Ａは、第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素のレイアウトを示す平面図である。図１４Ｂは、第５の実施形態に係る固体撮像装置による分光感度特性を示す図である。なお、図１４Ａに示される矩形の各々は、画素の各々に対応する領域を表している。また、図１４Ａにおいて、「Ｃｙ」、及び「Ｙｅ」の表記の各々は、シアン画素及び黄色画素の各々を表し、「Ｗ’」の表記は、可視光を検出し赤外線を検出しない白色画素を表し、「Ｗ」の表記は、赤外線及び可視光を検出する白色画素を表している。また、図１４Ｂにおいて、白色画素Ｗ（図１４ＢにおいてＷ）の分光感度を太い実線で、白色画素Ｗ’（図１４ＢにおいてＷ’）の分光感度を細い実線で、シアン画素（図１４Ｂにおいてシアン）の可視光画素の分光感度を細い点線で、黄色画素（図１４Ｂにおいて黄色）の可視光画素の分光感度は太い点線で示している。また、本実施形態に係る固体撮像装置の基本的な構造は、第１〜第３の実施形態に係るものと同様であるので、以下においては、第１〜第３の実施形態の相違点を簡潔に説明する。
【０１３２】
本実施形態の固体撮像装置は、カラーフィルタ層７のカラーフィルタに補色フィルタを用いている点で、第１〜第３の実施形態の固体撮像装置と異なる。補色フィルタを用いることにより、入射光の光利用率を向上させ、高感度化することができる。
【０１３３】
固体撮像装置の複数の受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの受光部を含み、この４つの受光部のカラーフィルタ層は、シアンカラーフィルタ、黄色カラーフィルタ及び白色カラーフィルタの３つの可視光透過フィルタを含む。４つの受光部において、２つの受光部のカラーフィルタ層に白色カラーフィルタが形成される。そして、赤外カットフィルタ層は、この２つの白色カラーフィルタのうちの一方が形成された受光部の上方に形成されるが、他方が形成された受光部の上方で開口される。
【０１３４】
本実施形態の固体撮像装置は、シアン画素に形成されたシアンカラーフィルタと、黄色画素に形成された黄色カラーフィルタと、白色画素Ｗに形成された白色カラーフィルタとから構成されるカラーフィルタ層７を備える。シアン画素、黄色画素、及び白色画素Ｗ’には、赤外カットフィルタが形成され、残りの白色画素Ｗには、赤外カットフィルタが形成されていない。このため、本実施形態の固体撮像装置は、図１４Ｂに示すような分光感度特性を有する。シアン画素、黄色画素、並びに白色画素Ｗ’及びＷの４画素からの出力は、シアン画素のシアン、黄色画素の黄色、白色画素Ｗ’の白色（Ｗ’＝赤＋緑＋青）、及び白色画素Ｗの白色＋赤外（Ｗ＝赤＋緑＋青＋赤外）の４色となる。色信号処理としては、詳細はここでは省略するが、輝度信号作成には白色＋赤外（Ｗ’）を用い、色演算にはシアン、黄色及び白色（Ｗ’）の３色を用いる。この構成により、カラー表示が可能で最も感度の高い固体撮像装置を実現することができる。
【０１３５】
上述したように、赤外信号を用いた固体撮像装置の場合いろいろな画素構成が可能である。これは、用途によって選択される。
【０１３６】
赤外光を検査用途に用いる場合、スペクトルの分離が最も重要視されるため、青画素、緑画素、赤画素、及び赤外画素ＩＲの４色の画素構成が望ましい。これに対し、より感度が重視される用途では、より高い光利用効率を実現するために白色画素を活用し、また補色フィルタを活用する画素構成が好ましい。この場合、感度と色忠実性とはトレードオフの関係にあるため、応用分野で求められる性能に応じて適切に画素構成を決定する必要がある。
【０１３７】
色性能の高い順に、青、緑、赤及びＩＲ＞青、緑、赤及び白＋赤外＞シアン、緑、黄色及び白＋赤外＞シアン、黄、白及び白＋赤外、のような順番になる。必要な色性能と感度とに応じて画素配列を選択可能である。
【０１３８】
（第６の実施形態）
図１５は、第６の実施形態に係るカメラモジュールのブロック図である。
【０１３９】
このカメラモジュールは、レンズ９０と、第１〜５の実施形態のいずれかに係る固体撮像装置９１と、駆動回路９２と、信号処理部（信号処理回路）９３と、外部インターフェイス部９４とを備える。
【０１４０】
上記構成を有するカメラモジュールにおいて、外部に信号が出力されるまでの処理は以下のような順序に沿っておこなわれる。
【０１４１】
（１）レンズ９０を光が通過し、固体撮像装置９１に入る。
【０１４２】
（２）信号処理部９３は、駆動回路９２を通して固体撮像装置９１を駆動し、固体撮像装置９１からの出力信号を取り込む。
【０１４３】
（３）信号処理部９３で処理した信号を、外部インターフェイス部９４を通して外部に出力する。
【０１４４】
信号処理部９３は、赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを固体撮像装置９１から出力信号として受ける。そして信号処理部９３は、赤、緑及び青の３色の信号に変換する演算を行い、変換された信号を外部インターフェイス部９４を通して外部に出力する。
【０１４５】
なお、本実施形態のカメラモジュールは、可視光と同時に赤外光を発光可能な照明装置を、固体撮像装置９１の照明光源として備えてもよい。
【０１４６】
また、本実施形態のカメラモジュールにおいて、信号処理部９３は、固体撮像装置９１と別チップ上に半導体ＬＳＩ素子として形成されてもよいし、同一チップ上に形成されてもよい。
【０１４７】
また、本実施形態のカメラモジュールにおいて、上記信号処理部９３による信号の変換を固体撮像装置９１が行ってもよい。この場合、固体撮像装置９１は、赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを固体撮像装置９１の複数の受光部により取得し、赤、緑及び青の３色の信号に変換する演算を行う信号処理回路を備える。
【０１４８】
以上、本発明の固体撮像装置及びカメラモジュールについて、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【０１４９】
例えば、上記実施形態では、赤外カットフィルタ層６として図４Ａに記載した９層のＴｉＯ２／ＳｉＯ２で構成される多層膜を例示したが、赤外カットフィルタ層６はこの構造に限定されるものではない。一般に、層数が増えるに従って、光学特性は良くなるが、製造工程が複雑になり歩留まりが低下するという問題があるこのため、層数と材料とに応じて赤外カットフィルタ層６の構成を適切に設計する必要がある。
【０１５０】
図１６Ａは、総層数を変えた場合（総層数が６、８及び１０の場合）のＴｉＯ２／ＳｉＯ２構造の赤外カットフィルタ層６の構造を示す図である。図１６Ｂは、図１６Ａの構造の赤外カットフィルタ層６の透過率特性を示す図である。
【０１５１】
図１６Ａ及び図１６Ｂから、層数が増加するにつれて、透過領域と遮光領域とのコントラストが高くなり急峻に透過率が変化することがわかる。
【０１５２】
また、上記実施形態では、赤外カットフィルタ層６の透過率が５０％となる赤外カット波長と赤外透過フィルタ７ａの透過率が５０％となる赤外透過波長とがともに６５０ｎｍとなるように設計した。既に述べたように、この設計が最も望ましいが、赤外透過フィルタ７ａの材料の制約や、赤外カットフィルタ層６の製造上の変動から、これらの値が変動する場合がある。特性上許容できる光学特性の範囲として、望ましくは赤外カットフィルタ層６の透過率が５０％以下（特に５０％）となる赤外カット波長は、６１０ｎｍ〜７１０ｎｍであり、赤外透過フィルタ７ａの透過率が５０％以上（特に５０％）となる赤外透過波長は、５９０ｎｍ〜６９０ｎｍである。特に望ましくは、赤外カットフィルタ層６の透過率が５０％以下（特に５０％）となる赤外カット波長は、６３０ｎｍ〜６９０ｎｍであり、赤外透過フィルタ７ａの透過率が５０％以上（特に５０％）となる赤外透過波長は、６１０ｎｍ〜６７０ｎｍである。赤外カットフィルタ層６の赤外カット波長がこの範囲からずれると、カラー写真の色再現性が劣化して固体撮像装置としての性能が十分に発揮できない。特に赤色の彩度範囲の減少が顕著となる。また、赤外透過フィルタ７ａの赤外透過波長が６７０ｎｍを超えると、ＩＲ感度の低下が１０％を超えてしまう。一方、６１０ｎｍよりも低いと、赤画素との重なりが大きく、赤色光のスペクトルと赤外光のスペクトルとの分離が不十分になり、赤外光を用いた評価、計測の精度が低下してしまう。このため、上記実施形態の固体撮像装置の製造に当たっては、バラツキを含めて上記の光学特性を実現できるよう赤外カットフィルタ層６及び赤外透過フィルタ７ａの設計及び製造プロセスの管理が特に重要である。
【０１５３】
また、上記実施形態では、赤外カットフィルタ層６は、低屈折率材料から構成される低屈折率層６ａと高屈折率材料から構成される高屈折率層６ｂとの積層構造体となっている。このうち、低屈折率層６ａには半導体材料として広く使われるＳｉＯ２を用いるのが最も適切であるが、高屈折率材料から構成される高屈折率層６ｂには屈折率という観点から酸化チタンを用いるのが最も適切である。しかしながら、半導体プロセスとの適合性を考えた場合、高屈折率層６ｂにＳｉＮ及びＳｉＯＮを用いることの利点が多い。これは加工が容易であるため、及び、製膜に特殊な装置やガスを必要としないためである。但し、化学量論的なシリコン窒化膜（Ｓｉ４Ｎ３）は、６３３ｎｍ波長での屈折率が２．０程度であり、ＳｉＯ２と組み合わせた場合、赤外カットフィルタ７ａとして十分な特性が得られない。
【０１５４】
このため、高屈折率層６ｂの高屈折率材料にＳｉＮあるいはＳｉＯＮを用いる場合には、より屈折率の高い条件で高屈折率材料の製膜を行う必要がある。シリコン窒化膜を、よりシリコンリッチな方向になるように製膜することで、ＳｉＮの屈折率を高めることができる。具体的には、シリコンをターゲットしたスパッタ装置において、窒素ガスの分圧を下げ、パワーを上げて製膜する条件とすることで、ＳｉＮの屈折率を上げることが可能となる。既に述べたように、屈折率が２．２以下では、赤外カットフィルタ層６の可視光の透過率が２０％程度まで上がり、十分な赤外カットフィルタ層６としての特性が不十分である。一方、屈折率２．４以上の条件では、５００ｎｍ以下の波長の光の吸収が大きくなり、カラー用のセンサーとしては使用することは困難である。製膜条件を制御することにより、６３３ｎｍの波長での屈折率を２．２〜２．４の範囲で調整して良好な赤外カットフィルタ層６を形成することが可能である。
【０１５５】
また、上記実施形態ではＣＭＯＳイメージセンサを用いて固体撮像装置を構成したが、これに限られるものでなく、ＣＣＤイメージセンサを含めたいかなるイメージセンサでも同様の性能が実現できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明は、例えば、デジタルカメラや携帯電話などの携帯機器等に用いられる固体撮像装置として利用できる。
【符号の説明】
【０１５７】
１    半導体基板
２    素子分離
３    絶縁膜
４    ゲート
５    配線層
６    赤外カットフィルタ層
６ａ    低屈折率層
６ｂ    高屈折率層
７    カラーフィルタ層
７ａ    赤外透過フィルタ
７ｂ    青色カラーフィルタ
７ｄ    赤色カラーフィルタ
８    マイクロレンズ
９    紫外光吸収膜
９０    レンズ
９１    固体撮像装置
９２    駆動回路
９３    信号処理部
９４    外部インターフェイス部
【図１Ａ】
2014041742.tif 000010
【図１Ｂ】
2014041742.tif 000011
【図２】
2014041742.tif 000012
【図３】
2014041742.tif 000013
【図４Ａ】
2014041742.tif 000014
【図４Ｂ】
2014041742.tif 000015
【図５】
2014041742.tif 000016
【図６】
2014041742.tif 000017
【図７】
2014041742.tif 000018
【図８】
2014041742.tif 000019
【図９Ａ】
2014041742.tif 000020
【図９Ｂ】
2014041742.tif 000021
【図１０】
2014041742.tif 000022
【図１１Ａ】
2014041742.tif 000023
【図１１Ｂ】
2014041742.tif 000024
【図１２】
2014041742.tif 000025
【図１３Ａ】
2014041742.tif 000026
【図１３Ｂ】
2014041742.tif 000027
【図１４Ａ】
2014041742.tif 000028
【図１４Ｂ】
2014041742.tif 000029
【図１５】
2014041742.tif 000030
【図１６Ａ】
2014041742.tif 000031
【図１６Ｂ】
2014041742.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月16日(2015.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部を有する基板と、
前記複数の受光部のそれぞれに対応して形成され、対応する前記受光部の上方に形成された複数のフィルタを含むカラーフィルタ層と、
透過率が５０％となる赤外カット波長が６１０〜７１０ｎｍであり、前記赤外カット波長以上１０００ｎｍ以下の波長域において透過率が５０％以下である赤外カットフィルタ層とを備え、
前記複数のフィルタは、可視光を透過する可視光透過フィルタと、透過率が５０％となる赤外透過波長が５９０〜６９０ｎｍであり、前記赤外透過波長以上１１００ｎｍ以下の波長域において透過率が５０％以上である赤外透過フィルタとを含み、
前記赤外カットフィルタ層は、前記可視光透過フィルタが形成された受光部の上方に形成され、前記赤外透過フィルタが形成された受光部の上方で開口される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を含み、
前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、１つの前記赤外透過フィルタと、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ及び青色カラーフィルタの３つの前記可視光透過フィルタとの４つの前記フィルタを含む
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の受光部は、４×２の行列状に隣接して配列された８つの前記受光部を含み、
前記８つの受光部は、２×２の行列状に隣接して配列された４つの前記受光部を２つ含み、
前記４つの受光部の前記カラーフィルタ層は、１つの前記赤外透過フィルタと、３つの前記可視光透過フィルタとの４つの前記フィルタを含み、
前記８つの受光部を構成する２つの前記４つの受光部において、前記赤外透過フィルタの赤外光透過率特性が異なる
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記赤外透過フィルタは、紫色顔料と黄色顔料とを主成分として含むカラーフィルタ材料から構成される
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記赤外カットフィルタ層は、シリコン酸化膜から構成される層と、酸化チタン膜から構成される層とが積層された多層膜から構成される
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記赤外カットフィルタ層は、シリコン酸化膜から構成される層と、シリコンリッチなシリコン窒化膜から構成される層とが積層された多層膜から構成される
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備える
カメラモジュール。
【請求項８】
前記カメラモジュールは、さらに、
可視光と同時に赤外光を発光可能な照明装置を備える
請求項７に記載のカメラモジュール。
【請求項９】
前記固体撮像装置は、
赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、
赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、
赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを前記複数の受光部により取得し、赤、緑及び青の３色の信号に変換する信号処理回路を備える
請求項７又は請求項８に記載のカメラモジュール。
【請求項１０】
前記カメラモジュールは、さらに、
赤、緑、青及び赤外の４色の信号と、
赤、緑、青、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、緑、及び、赤外を含む白の４色の信号と、
シアン、黄、及び、赤外を含む白の３色の信号と、
赤、緑、青、第１赤外及び第２赤外の５色の信号とのいずれかを前記固体撮像装置から受け、赤、緑及び青の３色の信号に変換する信号処理回路を備える
請求項７又は請求項８に記載のカメラモジュール。
【国際調査報告】
2014041742.tif 000033
2014041742.tif 000034
2014041742.tif 000035
2014041742.tif 000036