(57)【要約】【課題】固体撮像装置に入射される入射光の干渉を抑制する。【解決手段】固体撮像装置８０には、シリコン基板１表面に設けられる複数の光電変換部２と、光電変換部２に対応して設けられる膜厚の異なる青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄと、カラーフィルタ上に設けられ、可視光及び赤外光に対して透明で、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤色カラーフィルタ６ｄの段差を平坦化する平坦化膜７と、入射光が入射され、各光電変換部２に対応して平坦化膜７上に設けられるマイクロレンズ８とが設けられる。【選択図】  図１
2011077410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に設けられる複数の光電変換部と、
前記光電変換部に対応して設けられ、第１の光路長を有する青色カラーフィルタと、
前記光電変換部に対応して設けられ、前記第１の光路長よりも長い第２の光路長を有する緑色カラーフィルタと、
前記光電変換部に対応して設けられ、前記第２の光路長よりも長い第３光路長を有する赤色カラーフィルタと、
前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、及び前記赤色カラーフィルタ上に設けられ、前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、及び前記赤色カラーフィルタの段差を平坦化する平坦化膜と、
入射光が入射され、前記各光電変換部に対応して前記平坦化膜上に設けられるマイクロレンズと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、或いは前記赤色カラーフィルタの膜厚ｄは、ｄ＝（λ×ｍ）／（２×ｎ）以上に設定される（ただし、ｍは５以上の整数であり、λは前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、或いは前記赤色カラーフィルタの色帯域の中心波長であり、ｎは前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、或いは前記赤色カラーフィルタの屈折率である）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】
半導体基板表面に設けられる複数の光電変換部と、
前記光電変換部に対応して設けられ、第１の光路長を有する青色カラーフィルタと、
前記光電変換部に対応して設けられ、前記第１の光路長よりも長い第２の光路長を有する緑色カラーフィルタと、
前記光電変換部に対応して設けられ、前記第２の光路長よりも長い第３光路長を有する赤色カラーフィルタと、
前記光電変換部に対応して設けられ、前記第３の光路長よりも長い第４光路長を有する赤外カラーフィルタと、
前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、及び前記赤外カラーフィルタ上に設けられ、前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、及び前記赤外カラーフィルタの段差を平坦化する平坦化膜と、
入射光が入射され、前記各光電変換部に対応して前記平坦化膜上に設けられるマイクロレンズと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、或いは前記赤外カラーフィルタの膜厚ｄは、ｄ＝（λ×ｍ）／（２×ｎ）以上に設定される（ただし、ｍは５以上の整数であり、λは前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、或いは赤外カラーフィルタの色帯域の中心波長であり、ｎは前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、或いは赤外カラーフィルタの屈折率である）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】
前記固体撮像装置は、裏面照射型であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置には、ＣＭＯＳイメージセンサに代表されるＣＭＯＳ固体撮像装置と、ＣＣＤイメージセンサに代表されるＣＣＤ固体撮像装置が知られている。ＣＭＯＳ固体撮像装置では、近年、半導体基板表面に入射光が入射する表面入射型固体撮像装置と比較し、高画質化及び多画素化が可能な裏面照射型固体撮像装置が多数開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１に記載される裏面照射型固体撮像装置では、低屈折率で有機材料からなるマイクロレンズから高屈折率のシリコン基板に設けられる光電変換部へ入射光が入射されるとき、入射光の干渉による画像の劣化が発生するという問題点がある。また、入射光の透過率の低下が発生するという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６８６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、入射光の干渉を抑制する固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の固体撮像装置は、半導体基板表面に設けられる複数の光電変換部と、前記光電変換部に対応して設けられ、第１の光路長を有する青色カラーフィルタと、前記光電変換部に対応して設けられ、前記第１の光路長よりも長い第２の光路長を有する緑色カラーフィルタと、前記光電変換部に対応して設けられ、前記第２の光路長よりも長い第３光路長を有する赤色カラーフィルタと、前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、及び前記赤色カラーフィルタ上に設けられ、前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、及び前記赤色カラーフィルタの段差を平坦化する平坦化膜と、入射光が入射され、前記各光電変換部に対応して前記平坦化膜上に設けられるマイクロレンズとを具備することを特徴とする。
【０００７】
更に、本発明の他態様の固体撮像装置は、半導体基板表面に設けられる複数の光電変換部と、前記光電変換部に対応して設けられ、第１の光路長を有する青色カラーフィルタと、前記光電変換部に対応して設けられ、前記第１の光路長よりも長い第２の光路長を有する緑色カラーフィルタと、前記光電変換部に対応して設けられ、前記第２の光路長よりも長い第３光路長を有する赤色カラーフィルタと、前記光電変換部に対応して設けられ、前記第３の光路長よりも長い第４光路長を有する赤外カラーフィルタと、前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、及び前記赤外カラーフィルタ上に設けられ、前記青色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記赤色カラーフィルタ、及び前記赤外カラーフィルタの段差を平坦化する平坦化膜と、入射光が入射され、前記各光電変換部に対応して前記平坦化膜上に設けられるマイクロレンズとを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、入射光の干渉を抑制する固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る裏面照射型固体撮像装置を示す断面模式図。
【図２】本発明の実施例１に係るカラーフィルタで発生する干渉を説明する図。
【図３】本発明の実施例１に係る入射光がカラーフィルタに入射したときの光路長とコヒーレンシーの関係を示す図。
【図４】本発明の実施例１に係る入射光のλ／２の整数倍に対するコヒーレンシー及びカラーフィルタ膜厚の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
まず、本発明の実施例１に係る固体撮像装置について、図面を参照して説明する。図１は裏面照射型固体撮像装置を示す断面模式図である。本実施例では、入射光のコヒーレンシーを考慮して、色帯域ごとにカラーフィルタの光路長を適宜変更している。
【００１２】
図１に示すように、固体撮像装置８０は、シリコン基板１の裏面に入射光が入射される裏面照射型固体撮像装置である。固体撮像装置８０は、光電変換部と光電変換された電気信号を信号処理する信号処理部から構成されるＣＭＯＳイメージセンサである。固体撮像装置８０は、高画質化及び多画素化が要求されるカメラ付き携帯電話機、デジタルカメラ、デジタルビデオなどに適用される。ここで、入射光は、コヒーレント長が数μｍ程度である自然光（太陽光）、或いはコヒーレント長が略３μｍ程度の蛍光灯やランプの光などである。
【００１３】
シリコン基板１は、表面側が図中下方向に配置され、裏面側が図中上方向に配置される（Face  Downに配置）。シリコン基板１は、屈折率が例えば３．５〜５．２の範囲にあり、カラーフィルタやマイクロレンズ８などよりも屈折率が大きい。シリコン基板１の表面には光電変換部２が２次元状に複数設けられる。光電変換部２は、例えば厚さ３μｍのシリコンホトダイオードから構成され、波長４００乃至１１００ｎｍの範囲に感度を有し、入射光を電気信号に変換する。光電変換部２上には、光電変換部２と図示しない信号処理部の間を電気的に接続する配線を有する配線領域部２０が設けられる。
【００１４】
シリコン基板１の裏面には、可視光領域（４００乃至７００ｎｍ）及び赤外光領域（７００乃至１０００μｍ）に対して透明である絶縁膜３が設けられる。絶縁膜３上には、反射防止膜４が設けられる。反射防止膜４には、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）が使用される。
【００１５】
反射防止膜４上には、各光電変換部２に対応するように青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、赤外カラーフィルタ６ｄが設けられる。青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄには、無機材料或いは顔料が添加された有機材料などが用いられる。
【００１６】
無機材料から構成されるカラーフィルタは、単一無機材料を用いてもよいし、屈折率の比較的大きな絶縁膜と屈折率の比較的小さな絶縁膜を繰り返し積層形成したものを用いてもよい。反射防止膜４上には、隣接するカラーフィルタの相互干渉を防止するためにカラーフィルタの間に遮光部材５が設けられる。
【００１７】
青色カラーフィルタ６ａは、例えば色帯域が４００乃至５００ｎｍ、色帯域の中心波長が４５０ｎｍの光学特性を有する。緑色カラーフィルタ６ｂは、例えば色帯域が５００乃至６００ｎｍ、色帯域の中心波長が５４０ｎｍの光学特性を有する。赤色カラーフィルタ６ｃは、例えば色帯域が６００乃至７００ｎｍ、色帯域の中心波長が６１０ｎｍの光学特性を有する。赤外カラーフィルタ６ｄは、例えば色帯域が７００乃至１０００ｎｍ、色帯域の中心波長が８００ｎｍの光学特性を有する。
【００１８】
青色カラーフィルタ６ａは光路長Ｌａを有する。緑色カラーフィルタ６ｂは光路長Ｌｂを有する。赤色カラーフィルタ６ｃは光路長Ｌｃを有する。赤外カラーフィルタ６ｄは光路長Ｌｄを有する。カラーフィルタの表面に入射した光が屈折率ｎを有するカラーフィルタ中を光路に沿って距離ｄだけ進行するとき、その積ｎｄを光路長という。
【００１９】
ここで、青色カラーフィルタ６ａの光路長Ｌａ、緑色カラーフィルタ６ｂの光路長Ｌｂ、赤色カラーフィルタ６ｃの光路長Ｌｃ、赤外カラーフィルタ６ｄの光路長Ｌｄの関係は、
La＜Lb＜Lc＜Ld・・・・・・・・・・・・式（１）
に設定され、且つ式（１）を満足するように青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄの膜厚及び屈折率がそれぞれ設定される。つまり、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄの膜厚は、式（１）を満足するように適宜設定されるので、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄの表面は同じ高さとはならない。
【００２０】
青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄ上には、フィルタ間の段差を平坦化する平坦化膜７が設けられる。平坦化膜７は、可視光領域及び赤外光領域に対して透明である樹脂系フィルム膜が使用される。平坦化膜７には、例えばアクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース系樹脂、或いはノルボルネン系樹脂などが使用される。
【００２１】
各光電変換部２に対応するように、表面が平坦な平坦化膜７上には、入射光を集光するマイクロレンズ８が設けられる。マイクロレンズ８は、例えば熱可塑性樹脂をガラス転位点以上の温度で熱流動させて形成され、例えば屈折率１．５８を有する。
【００２２】
平坦化膜７を設けたことにより、カラーフィルタの段差がマイクロレンズ８の形成に影響を与えることがなく、しかも平坦性が向上される。このため、固体撮像装置８０の歩留を向上することができる。
【００２３】
次に、入射光のコヒーレンシーを考慮したカラーフィルタの屈折率及び膜厚の設定について図２乃至４を参照して説明する。図２はカラーフィルタで発生する干渉を説明する図、図３は入射光がカラーフィルタに入射したときの光路長とコヒーレンシーの関係を示す図、図４は入射光のλ／２の整数倍に対するコヒーレンシー及びカラーフィルタ膜厚の関係を示す図である。
【００２４】
図２に示すように、入射光は、まず、平行平板のカラーフィルタの表面側から入射される（一部は反射光として反射される）。カラーフィルタ中に透過された入射光は、裏面側から第１の透過光として出力される。次に、裏面側で反射された入射光は、表面側で反射され、裏面側から第２の透過光として出力される。同様に、裏面側から第３の透過光、裏面側から第４の透過光、裏面側から第５の透過光、・・・として出力される。
【００２５】
ここで、カラーフィルタの膜厚をｄ、カラーフィルタの屈折率をｎ、入射光の波長をλとする。
【００２６】
2nd＝(λ／2)×(2m)・・・・・・・・・式（２）
と表される場合、透過光は強め合う（ただし、ｍは整数）。反対に、
2nd＝(λ／2)×(2m+1)・・・・・・・・式（３）
と表される場合、透過光は弱め合う。つまり、カラーフィルタの光路長を半波長の整数倍にすればカラーフィルタの透過率が最大となるように設定することができる。そのときのカラーフィルタの膜厚ｄは、
d＝(λ×ｍ)／(２ｎ)・・・・・・・・・式（４）
を満足するように設定すればよいこととなる。
【００２７】
図３に示すように、カラーフィルタに入射される入射光がレーザ光などに比較して大幅にコヒーレント長が短い自然光（太陽光）、蛍光灯やランプの光の場合、光路長が長くなると急激にコヒーレンシーが減少する。
【００２８】
コヒーレンシーとは、干渉を生じさせるために必要な条件として定義される。コヒーレンシーの値が大きい場合干渉が生じやすく、コヒーレンシーの値が非常に小さい場合、干渉の発生を大幅に低減することができる（干渉の発生を完全になくすことはできないが）。ここでは、入射光を自然光で波長λを８００ｎｍ（赤外カラーフィルタ６ｄの色帯域の中心波長）、カラーフィルタ６ｄの屈折率ｎを１．５としている。
【００２９】
式（４）で表されるｍが１のとき、コヒーレンシーγが０．５となる。ｍが２のとき、コヒーレンシーγが０．４となる。ｍが３のとき、コヒーレンシーγが０．１３となる。ｍが４のとき、コヒーレンシーγが０．０１となる。ｍが５のとき、コヒーレンシーγがほぼ０（ゼロ）となる。
【００３０】
つまり、図４に示すように、赤外カラーフィルタ６ｄの場合、ｍが５以上で設定される膜厚を選択することにより、干渉を大幅に低減でき赤外カラーフィルタ６ｄの透過率を最大にすることができる。ｍが５のときの赤外カラーフィルタ６ｄの膜厚は、１３３３ｎｍ（ポイントＡの値）となる。つまり、赤外カラーフィルタ６ｄの膜厚を１３３３ｎｍ以上に設定することにより、干渉を大幅に抑制することができる。
【００３１】
次に、赤色カラーフィルタ６ｃ、緑色カラーフィルタ６ｂ、青色カラーフィルタ６ａについても同様な手法を用いてカラーフィルタの膜厚を求める。
【００３２】
赤色カラーフィルタ６ｃの場合、入射光を自然光で波長λを６１０ｎｍ（赤色カラーフィルタ６ｃの色帯域の中心波長）、カラーフィルタ６ｃの屈折率ｎを１．５とし、ｍが５以上で設定される膜厚を選択することにより、干渉を大幅に低減でき赤色カラーフィルタ６ｃの透過率を最大にすることができる。ｍが５のときの赤色カラーフィルタ６ｃの膜厚は、１０１６ｎｍとなる。つまり、赤色カラーフィルタ６ｃの膜厚を１０１６ｎｍ以上に設定することにより、干渉を大幅に抑制することができる。
【００３３】
緑色カラーフィルタ６ｂの場合、入射光を自然光で波長λを５４０ｎｍ（緑色カラーフィルタ６ｂの色帯域の中心波長）、緑色カラーフィルタ６ｂの屈折率ｎを１．５とし、ｍが５以上で設定される膜厚を選択することにより、干渉を大幅に低減でき緑色カラーフィルタ６ｂの透過率を最大にすることができる。ｍが５のときの緑色カラーフィルタ６ｂの膜厚は、９００ｎｍとなる。つまり、緑色カラーフィルタ６ｂの膜厚を９００ｎｍ以上に設定することにより、干渉を大幅に抑制することができる。
【００３４】
青色カラーフィルタ６ａの場合、入射光を自然光で波長λを４５０ｎｍ（青色カラーフィルタ６ａの色帯域の中心波長）、青色カラーフィルタ６ａの屈折率ｎを１．５とし、ｍが５以上で設定される膜厚を選択することにより、干渉を大幅に低減でき青色カラーフィルタ６ａの透過率を最大にすることができる。ｍが５のときの青色カラーフィルタ６ａの膜厚は、７５０ｎｍとなる。つまり、青色カラーフィルタ６ａの膜厚を７５０ｎｍ以上に設定することにより、干渉を大幅に抑制することができる。
【００３５】
ここでは、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄに波長分散が発生せず、波長による屈折率分散がないとしている。
【００３６】
青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、或いは赤外カラーフィルタ６ｄに波長分散が発生し、波長による屈折率分散が発生する場合、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄの屈折率の値が同一の値とはならない。このため、屈折率分散が発生したときの屈折率を式（４）に代入してカラーフィルタの膜厚を算出する。この場合、青色カラーフィルタ６ａの膜厚＜緑色カラーフィルタ６ｂの膜厚＜赤色カラーフィルタ６ｃの膜厚＜赤外カラーフィルタ６ｄの膜厚の関係とはならない。
【００３７】
ここでは、裏面照射型固体撮像装置に適用したが、表面照射型固体撮像装置にも適用できる。また、夜間等に対応するために赤外カラーフィルタ６ｄを設けているが、赤外カラーフィルタ６ｄを適宜省略してもよい（例えば、固体撮像装置８０を昼間専用とする）。
【００３８】
上述したように、本実施例の固体撮像装置では、シリコン基板１表面に設けられる複数の光電変換部２と、光電変換部２に対応して設けられる光路長Ｌａを有する青色カラーフィルタ６ａと、光電変換部２に対応して設けられ、光路長Ｌａよりも長い光路長Ｌｂを有する緑色カラーフィルタ６ｂと、光電変換部２に対応して設けられ、光路長Ｌｂよりも長い光路長Ｌｃを有する赤色カラーフィルタ６ｃと、光電変換部２に対応して設けられ、光路長Ｌｃよりも長い光路長Ｌｄを有する赤外カラーフィルタ６ｄと、カラーフィルタ上に設けられ、可視光及び赤外光に対して透明で、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、及び赤外カラーフィルタ６ｄの段差を平坦化する平坦化膜７と、入射光が入射され、各光電変換部２に対応して平坦化膜７上に設けられるマイクロレンズ８とが設けられる。色帯域の中心波長をλ、屈折率をｎとすると、青色カラーフィルタ６ａ、緑色カラーフィルタ６ｂ、赤色カラーフィルタ６ｃ、或いは赤外カラーフィルタ６ｄの膜厚ｄは、ｄ＝（λ×ｍ）／２ｎ以上を満足し、且つｍが５以上の整数にそれぞれ設定される。
【００３９】
このため、カラーフィルタでの干渉を大幅に低減することができ、画像の劣化を防止することができる。また、入射光の透過率を向上できるので固体撮像装置８０の高画質化を達成することができる。また、平坦化膜７上にマイクロレンズ８を形成しているので、固体撮像装置８０の歩留を向上できる。
【００４０】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。
【００４１】
実施例では、ＣＭＯＳ固体撮像装置に適用したが、ＣＣＤ固体撮像装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  シリコン基板
２  光電変換部
３  絶縁膜
４  反射防止膜
５  遮光部材
６ａ  青色カラーフィルタ
６ｂ  緑色カラーフィルタ
６ｃ  赤色カラーフィルタ
６ｄ  赤外カラ―フィルタ
７  平坦化膜
８  マイクロレンズ
２０  配線領域部
８０  固体撮像装置
【図１】
2011077410.tif 000003
【図２】
2011077410.tif 000004
【図３】
2011077410.tif 000005
【図４】
2011077410.tif 000006