(57)【要約】  【課題】  耐久性に優れたカラーフィルタを備えた固体撮像装置を提供する。  【解決手段】  屈折率を異にすると共に光学膜厚を同じくする２種類の誘電体層が交互に積層されてなるλ／４多層膜にてスペーサ層を挟んた多層膜干渉フィルタ３０６をカラーフィルタとして用いる。多層膜干渉フィルタ３０６の外光が入射する面は凸レンズ面となっており、入射光をフォトダイオード３０３上に集光する。  【選択図】  図３
2006351801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が二次元配列された固体撮像装置であって、
屈折率を異にすると共に光学膜厚を同じくする２種類の誘電体層が交互に積層されてなる１対のλ／４多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、特定の波長の入射光のみを透過させるカラーフィルタと、
カラーフィルタを透過した入射光を光電変換する光電変換手段と、を画素毎に備え、
カラーフィルタは、入射光が光電変換手段に集光するように、外光が入射する面が凸レンズ面となっている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板を備え、
カラーフィルタを構成する各層が半導体基板の主面にほぼ平行になっている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
カラーフィルタを構成する各層が凸レンズ面にほぼ平行になっている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
カラーフィルタは光電変換手段に最も近い層において凸形状の誘電体層に支持されている
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
カラーフィルタの凸レンズ面は透過させるべき光色に応じた曲率を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
凸形状の誘電体層は透過させるべき光色に応じた曲率を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
画素が二次元配列された固体撮像装置であって、
屈折率を異にすると共に光学膜厚を同じくする２種類の誘電体層が交互に積層されてなる１対のλ／４多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、特定の波長の入射光のみを透過させるカラーフィルタと、
カラーフィルタを透過した入射光を光電変換する光電変換手段と、を画素毎に備え、
カラーフィルタは、入射光が光電変換手段に集光するように、外光が入射する面が凸レンズ面となっている固体撮像装置を備える
ことを特徴とするカメラ。
【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に関し、特に、固体撮像装置の耐久性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広く普及している固体撮像装置は高画素化の一途を辿っており、小型化の要請も大である。
図８は、従来技術に係る固体撮像装置の画素部分の典型的な構成を示す断面図である。図８に示されるように、従来技術に係る固体撮像装置８の画素部分はＮ型半導体層８０１上にＰ型半導体層８０２、層間絶縁膜８０４、有機顔料タイプのカラーフィルタ８０６及び集光レンズ８０７を順次積層した構成を採っている。なお、Ｐ型半導体８０２の層間絶縁膜８０４側にはフォトダイオード８０３が形成されており、層間絶縁膜８０４中には遮光膜８０５が形成されている。
【０００３】
固体撮像装置８に入射した光は集光レンズ８０７にて集光され、カラーフィルタ８０６にて特定の色に分光された後、フォトダイオード８０３に入射する（非特許文献１を参照）。
【非特許文献１】「固体撮像素子の基礎」日本理工出版会、安藤・菰淵著、映像情報メディア学会編、１９９９年１２月発行、ｐ．１８３−１８８。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年、固体撮像装置の適用分野が大きく広がりつつあり、これに伴って、様々な技術課題が発生している。
例えば、固体撮像装置を車載用カメラに適用する場合には、直射日光や高温に曝されても正常動作と長寿命を確保できるよう耐久性を向上させなければならない。
しかしながら、従来技術に係る固体撮像装置は集光レンズに樹脂材料を、カラーフィルタに有機顔料を用いており、直射日光や高温に曝されると変形したり、変質したりするため十分な耐久性を確保できないという問題がある。
【０００５】
また、小型化の要請についても、従来技術に係る固体撮像装置は、カラーフィルタの膜厚が１μｍから２μｍも要し、集光レンズの膜厚も１μｍは必要である。高い波長感度と、安定した高い集光性を確保しなければならないからである。
固体撮像装置の各画素の大きさが２μｍ角を下回るとカラーフィルタを透過した光が当該カラーフィルタに対応しない受光素子に入射して色分離機能が低下したり、雑音の増加や波長感度の低下を生じたりするおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、小型で、耐久性に優れ、高い色分離機能を有する固体撮像装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、画素が二次元配列された固体撮像装置であって、屈折率を異にすると共に光学膜厚を同じくする２種類の誘電体層が交互に積層されてなる１対のλ／４多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、特定の波長の入射光のみを透過させるカラーフィルタと、カラーフィルタを透過した入射光を光電変換する光電変換手段と、を画素毎に備え、カラーフィルタは、入射光が光電変換手段に集光するように、外光が入射する面が凸レンズ面となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
このようにすれば、有機顔料を用いる場合と比較して、高い色分離機能を達成することができると共にカラーフィルタの厚みを低減でき、かつ樹脂レンズよりも遥かに高い耐久性を実現することができる。
この場合において、半導体基板を備え、カラーフィルタを構成する各層が半導体基板の主面にほぼ平行になっているとしても良いし、カラーフィルタを構成する各層が凸レンズ面にほぼ平行になっているとしても良い。いずれの場合も、カラーフィルタに集光機能を兼ね備えさせることができる。従って、カラーフィルタとレンズとを別体とする場合に比べて固体撮像装置を小型化することができる。なお、カラーフィルタは光電変換手段に最も近い層において凸形状の誘電体層に支持されているとしても良い。
【０００９】
また、カラーフィルタの凸レンズ面は透過させるべき光色に応じた曲率を有することを特徴とする。光は波長毎に偏角が異なるので、このようにすれば、より高い集光効率を実現することができる。この場合において、凸形状の誘電体層は透過させるべき光色に応じた曲率を有するとしても良い。
また、本発明に係るカメラは、画素が二次元配列された固体撮像装置であって、屈折率を異にすると共に光学膜厚を同じくする２種類の誘電体層が交互に積層されてなる１対のλ／４多層膜にてスペーサ層を挟んでなり、特定の波長の入射光のみを透過させるカラーフィルタと、カラーフィルタを透過した入射光を光電変換する光電変換手段と、を画素毎に備え、カラーフィルタは、入射光が光電変換手段に集光するように、外光が入射する面が凸レンズ面となっている固体撮像装置を備えることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る固体撮像装置及びカメラの実施の形態について、デジタルスチルカメラを例にとり、図面を参照しながら説明する。
［１］  第１の実施の形態
（１）デジタルスチルカメラの構成
先ず、本実施の形態に係るデジタルスチルカメラの構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るデジタルスチルカメラの主要な機能構成を示すブロック図である。
【００１１】
図１に示されるように、本実施の形態に係るデジタルスチルカメラ１は、レンズ１０１、固体撮像装置１０２、色信号合成部１０３、映像信号作成部１０４及び素子駆動部１０５を備えている。
レンズ１０１はデジタルカメラ１に入射した光を固体撮像装置１０２の撮像領域上に結像させる。固体撮像装置１０２は入射光を光電変換して色信号を生成する。素子駆動部１０５は固体撮像装置１０２から色信号を取り出す。色信号合成部１０３は固体撮像装置１０２から受け付けた色信号に色シェーディングを施す。映像信号作成部１０４は色信号合成部１０３にて色シェーディングを施された色信号からカラー映像信号を生成する。カラー映像信号は最終的にカラー画像データとして記録媒体に記録される。
【００１２】
（２）  固体撮像装置の構成
次に、固体撮像装置１０２の構成について説明する。
図２は、固体撮像装置１０２の概略構成を示す図である。図２に示されるように、固体撮像装置１０２は２次元配列された単位画素２０１の各行を垂直シフトレジスタ２０２により選択し、その行信号を水平シフトレジスタ２０３により選択して、画素毎のカラー信号を出力アンプ２０４から出力する。なお、固体撮像装置１０２は駆動回路２０５にて垂直シフトレジスタ２０２、水平シフトレジスタ２０３及び出力アンプ２０４を駆動する。
【００１３】
図３は、固体撮像装置１０２の画素部分の構成を示す断面図である。図３に示されるように、固体撮像装置１０２はＮ型半導体基板３０１上にＰ型半導体層３０２、層間絶縁膜３０４及び多層膜干渉フィルタ３０６が順次積層されてなる。
Ｐ型半導体層３０２の層間絶縁膜３０４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３０３が画素毎に形成されている。隣り合うフォトダイオード３０３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。また、層間絶縁膜３０４の多層膜干渉フィルタ側には、素子分離領域に対向する位置に遮光膜３０５が形成されている。遮光膜３０５は多層膜干渉フィルタ３０６を透過した光が対応関係にないフォトダイオード３０３に入射するのを防ぐ。
【００１４】
多層膜干渉フィルタ３０６は屈折率を異にする材料からなり、光学膜厚がほぼ等しい２種類の誘電体層を４層ずつ交互に積層させたλ／４多層膜にてスペーサ層を挟んだ構成となっている。２種類の誘電体層のうち、高屈折率層は二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなり、低屈折率層は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなっている。なお、光学膜厚とは物理膜厚に屈折率を乗じて得られる指数である。
【００１５】
スペーサ層は二酸化シリコンからなり、対応するフォトダイオードに入射させるべき光の波長に応じた膜厚を有している。本実施の形態においては、多層膜干渉フィルタ３０６は赤色、緑色及び青色を透過させる。多層膜干渉フィルタ３０６の赤色領域の物理膜厚は６２２ｎｍ、緑色領域は５４２ｎｍ、青色領域は５６２ｎｍである。
図３に示されるように、多層膜干渉フィルタ３０６は画素毎にドーム形状となっている。このような形状をとることによって、多層膜干渉フィルタ３０６は画素毎に入射光をフォトダイオード３０３に集光する。
【００１６】
（３）  多層膜干渉フィルタ３０６の製造方法
次に、多層膜干渉フィルタ３０６の製造方法について説明する。図４は多層膜干渉フィルタ３０６を製造する諸工程を示す図である。図４において、多層膜干渉フィルタ３０６の製造工程は（ａ）から（ｅ）へと進む。また、Ｎ型半導体層３０１、Ｐ型半導体層３０２、フォトダイオード３０３及び遮光膜３０５は図示を省略した。
【００１７】
さて、多層膜干渉フィルタ３０６を製造するに当たっては、先ず、高周波（RF:Radio frequency）スパッタ装置を用いて、二酸化チタン層４０１、４０３と二酸化シリコン層４０２とを交互に積層したλ／４多層膜を形成する。同様にして、二酸化チタン層４０３上にスペーサ層４０４を形成する（図４（ａ））。
次に、スペーサ層４０４をエッチングして、透過させるべき波長に応じた膜厚にする。すなわち、スペーサ層４０４上にレジスト４０５を形成し、スペーサ層４０４の赤色領域をエッチングして、膜厚を整える（図４（ｂ））。レジスト４０５を除去した後、更に、スペーサ層４０４上にレジスト４０６を形成し、スペーサ層４０４の緑色領域をエッチングにより除去する（図４（ｃ））。
【００１８】
スペーサ層４０４のエッチングに際しては、例えば、ウエハ一面にレジストを塗布し、露光前ベーク（プリベーク）の後、ステッパなどの露光装置によって露光を行い、レジスト現像、および最終ベーク（ポストベーク）によって、レジスト４０５や４０６を形成する。その後、四フッ化メタン（ＣＦ4）系のエッチングガスを用いて、物理的にスペーサ層４０４のエッチングを行えば良い。
【００１９】
再び、高周波スパッタ装置を用いて、スペーサ層４０４上、及び緑色領域にあっては二酸化チタン層４０３上に、二酸化チタン層４０７、二酸化シリコン層４０８、二酸化チタン層４０９及び二酸化シリコン層４１０を順次に積層してλ／４多層膜を形成する（図４（ｄ））。
このようにして整形した二酸化シリコン層４１０の個々の画素に対応する位置毎に、フォトリソプロセスを用いてレジストパターン４１１を形成する（図４（ｅ））。ドライエッチングプロセスを用いて、多層膜干渉フィルタ１０６の形状をドーム状に整形する。
【００２０】
［２］  第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態に係るデジタルスチルカメラについて説明する。本実施の形態に係るデジタルスチルカメラは、上記第１の実施の形態に係るデジタルスチルカメラと概ね同様の構成を備える一方、多層膜干渉フィルタ１０６の構成において相違している。以下、専ら相違点に着目して説明する。
【００２１】
（１）  固体撮像装置の構成
図５は、本実施の形態に係る固体撮像装置の画素部分の構成を示す断面図である。図５に示されるように、固体撮像装置５は上記第１の実施の形態に係る固体撮像装置１と概ね同様の構成をとっており、Ｎ型半導体層５０１、Ｐ型半導体層５０２、フォトダイオード５０３、層間絶縁膜５０４、遮光膜５０５、多層膜干渉フィルタ５０６、及び凸状層５０７を備えている。
【００２２】
凸状層５０７は二酸化シリコンからなるドーム形状の誘電体層であって、画素毎に設けられている。多層膜干渉フィルタ５０６は凸状層５０７を覆うように形成されている。このため、多層膜干渉フィルタ５０６は前記多層膜干渉フィルタ１０６と概ね同様の外形を備える一方、その表面にはひとつの誘電体層のみが露出し、他の層は凸状層５０７と概ね同心球面状に積層されている。このような形状によって、多層膜干渉フィルタ５０６は画素毎に入射光をフォトダイオード５０３に集光する。
【００２３】
（２）  多層膜干渉フィルタ５０６の製造方法
次に、多層膜干渉フィルタ５０６の製造方法について説明する。図６は多層膜干渉フィルタ５０６を製造する諸工程を示す図である。図６において、多層膜干渉フィルタ５０６の製造工程は（ａ）から（ｆ）へと進む。また、Ｎ型半導体層５０１、Ｐ型半導体層５０２、フォトダイオード５０３及び遮光膜５０５は図示を省略した。
【００２４】
さて、多層膜干渉フィルタ５０６を製造するに当たっては、先ず、化学気相成長（CVD: Chemical Vapor Deposition）法を用いて層間絶縁膜５０４一面に膜厚１μｍの酸化シリコン膜を形成する。そして、フォトリソプロセス、ドライエッチングプロセスにて凸状層５０７を形成する（図６（ａ））。
その後、高周波スパッタ装置を用いて、凸状層５０７に二酸化チタン層６０１、二酸化シリコン層６０２、及び二酸化チタン層６０３を順次積層してλ／４多層膜を形成し、更に二酸化チタン層６０３上にスペーサ層６０４を形成する（図６（ｂ））。
【００２５】
次に、透過させるべき光色に応じた膜厚にスペーサ層６０４をエッチングする。すなわち、スペーサ層６０４上の青色領域にレジスト６０５を形成し、赤色領域並びに緑色領域のスペーサ層６０４をエッチングする（図６（ｃ））。レジスト６０５を除去した後（図６（ｄ））、スペーサ層６０４上の青色領域及び赤色領域にレジスト６０６を形成し、スペーサ層６０４の緑色領域をエッチングする（図６（ｅ））。
【００２６】
そして、高周波スパッタ装置を用いて、二酸化チタン層６０７、二酸化シリコン層６０８、二酸化チタン層６０９、及び二酸化シリコン層６１０を順次積層してλ／４多層膜を形成して、多層膜干渉フィルタ５０６が完成する（図４（ｆ））。
［３］  変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
【００２７】
（１）  上記実施の形態においては、高屈折率層の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良い。
すなわち、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）や三酸化二タンタル（Ｔａ2Ｏ3）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等、他の材料を高屈折率層の材料として用いても良い。同様に、低屈折率層の材料についても二酸化シリコン以外の材料を用いても良い。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。
【００２８】
（２）  上記実施の形態においては、透過させる光色に関わらず多層膜干渉フィルタ１０６、５０６や凸状層５０７が同じ形状をと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良い。
すなわち、透過させる光色ごとに偏角が異なるので、多層膜干渉フィルタや凸状層を光色毎に入射光をフォトダイオードに集光するのに適した形状としても良い。図７は、本変形例に係る多層膜干渉フィルタの形状を示す断面図である。図７に示されるように、赤色光は緑色光や青色光よりも波長が長く偏角が小さいので赤色領域では多層膜干渉フィルタの曲率が小さく、青色光は緑色光や赤色光よりも波長が短く偏角が大きいので青色領域では多層膜干渉フィルタの曲率が大きくなっている。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る固体撮像装置及びカメラは、過酷な環境下でも優れた耐久性を示す撮像装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るデジタルスチルカメラの主要な機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置１０２の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置１０２の画素部分の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る多層膜干渉フィルタ３０６を製造する諸工程を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置の画素部分の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る多層膜干渉フィルタ５０６を製造する諸工程を示す図である。
【図７】本発明の変形例（２）に係る多層膜干渉フィルタの形状を示す断面図である。
【図８】従来技術に係る固体撮像装置の画素部分の典型的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１……………………………………………………………デジタルスチルカメラ
１０１………………………………………………………レンズ
１０２、５、８……………………………………………固体撮像装置
１０３………………………………………………………色信号合成部
１０４………………………………………………………映像信号作成部
１０５………………………………………………………素子駆動部
２０１………………………………………………………単位画素
２０２………………………………………………………垂直シフトレジスタ
２０３………………………………………………………水平シフトレジスタ
２０４………………………………………………………出力アンプ
２０５………………………………………………………駆動回路
３０１、５０１、８０１…………………………………Ｎ型半導体基板
３０２、５０２、８０２…………………………………Ｐ型半導体層
３０３、５０３、８０３…………………………………フォトダイオード
３０４、５０４、８０４…………………………………層間絶縁膜
３０５、５０５、８０５…………………………………遮光膜
３０６、５０６……………………………………………多層膜干渉フィルタ
４０１、４０３、４０７、４０９、６０１、６０３…二酸化チタン層
６０７、６０９……………………………………………二酸化チタン層
４０２、４０８、４１０、６０２、６０８、６１０…二酸化シリコン層
４０４、６０４……………………………………………スペーサ層
４０５、４０６、４１１、６０５、６０６……………レジスト
５０７………………………………………………………凸状層
８０６………………………………………………………カラーフィルタ
８０７………………………………………………………集光レンズ
【図１】
2006351801.tif 000003
【図２】
2006351801.tif 000004
【図３】
2006351801.tif 000005
【図４】
2006351801.tif 000006
【図５】
2006351801.tif 000007
【図６】
2006351801.tif 000008
【図７】
2006351801.tif 000009
【図８】
2006351801.tif 000010