(57)【要約】【課題】画素毎に設けられる光学フィルタの受光部への入光特性を最適化する。【解決手段】色毎の集光を最適化するため、色フィルタの構成に応じて、色毎のレンズ枚数、レンズ構成（レンズ曲率、レンズが凸レンズか凹レンズか）を変更する構造としている。このように、カラーフィルタの色毎に異なるマイクロレンズ構成を持つことで、カラーフィルタを通過した波長の違いにより生じる、色毎の受光エリアでの集光状態を最適化できる。そのため、カメラレンズの絞り値や、受光部中央と周辺での光の入射角の違いにより、受光部中央と周辺での集光状態が色毎に異なることで発生する色シェーディングなどの画像ムラを低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ光電変換部を有する複数の画素が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に積層される複数層の絶縁膜と、
前記複数層の絶縁膜の間に形成される配線膜と、
前記複数層の絶縁膜の間に各光電変換部に対応して形成される層内レンズと、
前記絶縁膜上に各光電変換部に対応して形成される光学フィルタと、
前記光学フィルタ上に各光電変換部に対応して形成されるオンチップレンズとを有し、
前記層内レンズ及びオンチップレンズの少なくとも一部は、前記光学フィルタの特性に応じて画素毎に異なる構造を有する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
複数層の前記層内レンズを有し、少なくとも１層の層内レンズが一部の光学フィルタに対応する画素の光電変換部にのみ対応して形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記層内レンズが凸レンズを含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記層内レンズが凹レンズを含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記光学フィルタが３原色カラーフィルタであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記層内レンズ及びオンチップレンズの少なくとも一部は、前記カラーフィルタの色に応じて画素毎に異なる構造を有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
被写体の撮像を行うための固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光部に被写体像を結像させる撮像光学系と、前記撮像光学系を駆動する駆動制御部と、前記固体撮像装置からの出力信号を信号処理し、撮像信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を記録する記録部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を出力する出力部と、撮像動作を制御するための各種信号を入力する操作部と有し、
前記固体撮像装置は、
それぞれ光電変換部を有する複数の画素が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に積層される複数層の絶縁膜と、
前記複数層の絶縁膜の間に形成される配線膜と、
前記複数層の絶縁膜の間に各光電変換部に対応して形成される層内レンズと、
前記絶縁膜上に各光電変換部に対応して形成される光学フィルタと、
前記光学フィルタ上に各光電変換部に対応して形成されるオンチップレンズとを有し、
前記層内レンズ及びオンチップレンズの少なくとも一部は、前記光学フィルタの特性に応じて画素毎に異なる構造を有する、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
複数層の前記層内レンズを有し、少なくとも１層の層内レンズが一部の光学フィルタに対応する画素の光電変換部にのみ対応して形成されていることを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項９】
前記層内レンズが凸レンズを含むことを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記層内レンズが凹レンズを含むことを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記光学フィルタが３原色カラーフィルタであることを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記層内レンズ及びオンチップレンズの少なくとも一部は、前記カラーフィルタの色に応じて画素毎に異なる構造を有することを特徴とする請求項１１記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の画素に対応して異なる波長特性を有するカラーフィルタ等の光学フィルタを搭載したＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置、さらには、このような固体撮像装置を搭載したカメラや携帯電話機等の撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、各画素の受光部に対応して微小レンズ面を形成した層内レンズやオンチップレンズを有する固体撮像装置が提供されている。例えば、フォトダイオードやトランジスタを設けた半導体基板上に、複数層の配線及び層間絶縁膜が積層され、その間に層内レンズが配置されるとともに、その上に平坦化膜を介してオンチップのカラーフィルタ及びマイクロレンズが配置されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図１２及び図１３は従来のＣＭＯＳイメージセンサにおける積層構造の一例を示す断面図である。
図において、シリコン基板２００の上層部には、複数の画素のフォトダイオードの受光部２１１が形成されている。なお、図１２及び図１３では各画素を構成する画素トランジスタ回路等は省略している。
また、このシリコン基板２００の上面には、ゲート絶縁膜２００Ａや図示しないゲート電極等を介して平坦化膜（層間絶縁膜）２１６及び配線２１０が形成され、その上に層内レンズ２０９が形成されている。また、その上には、２層の平坦化膜（層間絶縁膜）２１５、２１４及び配線２０８、２０６が形成され、その上に最上層の平坦化膜２１３が形成されている。
そして、この平坦化膜２１３の上には、各画素に対応するカラーフィルタ２０２、２０３、２０４が配置されている。なお、図１２では赤色フィルタ２０２と緑色フィルタ２０３が現れた断面を示しており、図１３では緑色フィルタ２０３と青色フィルタ２０４が現れた断面を示している。
さらに、このカラーフィルタ２０２、２０３、２０４上には、保護膜を介してオンチップレンズ２０１が形成されている。
【特許文献１】特開２００４−３０４１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のようなＣＭＯＳイメージセンサでは、受光部上の配線膜が多層にわたり、最上部のマイクロレンズ（トップレンズ）と受光部の距離が大きくなり、カラーフィルタを通過した光の波長の違いにより、色ごとの画素の集光状態が最適化できていない。そのため、カメラレンズの絞り値や、受光部の中央と周辺での光の入射角の違いにより、受光部の中央と周辺での集光状態が色ごとに異なり、色シェーディングなどの画像ムラが発生している。
これは、従来例で示した層内レンズを有する場合でも同様である。
【０００５】
そこで本発明は、画素毎に設けられる光学フィルタの受光部への入光特性を最適化することができる固体撮像装置及び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】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、それぞれ光電変換部を有する複数の画素が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に積層される複数層の絶縁膜と、前記複数層の絶縁膜の間に形成される配線膜と、前記複数層の絶縁膜の間に各光電変換部に対応して形成される層内レンズと、前記絶縁膜上に各光電変換部に対応して形成される光学フィルタと、前記光学フィルタ上に各光電変換部に対応して形成されるオンチップレンズとを有し、前記層内レンズ及びオンチップレンズの少なくとも一部は、前記光学フィルタの特性に応じて画素毎に異なる構造を有することを特徴とする。
【０００７】
また本発明の撮像装置は、被写体の撮像を行うための固体撮像装置と、前記固体撮像装置の受光部に被写体像を結像させる撮像光学系と、前記撮像光学系を駆動する駆動制御部と、前記固体撮像装置からの出力信号を信号処理し、撮像信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を記録する記録部と、前記信号処理部によって生成された撮像信号を出力する出力部と、撮像動作を制御するための各種信号を入力する操作部と有し、前記固体撮像装置は、それぞれ光電変換部を有する複数の画素が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に積層される複数層の絶縁膜と、前記複数層の絶縁膜の間に形成される配線膜と、前記複数層の絶縁膜の間に各光電変換部に対応して形成される層内レンズと、前記絶縁膜上に各光電変換部に対応して形成される光学フィルタと、前記光学フィルタ上に各光電変換部に対応して形成されるオンチップレンズとを有し、前記層内レンズ及びオンチップレンズの少なくとも一部は、前記光学フィルタの特性に応じて画素毎に異なる構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の固体撮像装置及び撮像装置によれば、層内レンズ及びオンチップレンズが光学フィルタの特性に応じて画素毎に異なる構造を有することから、画素毎に設けられる光学フィルタの受光部への入光特性を最適化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１及び図２は本発明の実施の形態による固体撮像装置（ＣＭＯＳイメージセンサ）における積層構造の一例を示す断面図である。
また、図３は図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの概要を示すブロック図、図４は図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの画素構成を示す回路図である。
図５は図１に示すＣＭＯＳイメージセンサにおけるトップレンズのパターンを示す平面図であり、図６は図１に示すＣＭＯＳイメージセンサにおけるカラーフィルタ層のパターンを示す平面図である。図７〜図９は配線と色フィルタの構成に合わせたマイクロレンズ層の配置を示す平面図である。
図１０はシリコン基板に形成された受光部と画素トランジスタの一部を示す平面図である。
なお、図１及び図２で示した断面図は、図５〜図１０で示した平面図のＡ−Ａ´断面及びＢ−Ｂ´断面を示している。
【００１０】
まず、図３及び図４を用いて本実施の形態によるＣＭＯＳイメージセンサについて説明する。
図３に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサは、同一チップ上に、フォトダイオード（光電変換部）を含む複数の画素１１を２次元方向に配置して画素アレイ部を構成した撮像領域１０と、この撮像領域１０の外部に形成された周辺回路領域２０とを設けたものである。
そして、周辺回路領域２０には、画素アレイ部に各種の制御パルスを供給して画素列毎に画素信号の読み出しを行う垂直選択駆動回路２１と、画素アレイ部から読み出された列信号に対してノイズ処理等の信号処理を行う列信号処理部２２と、この列信号処理部２２で処理した画素信号を水平方向に転送する水平走査回路２３と、水平走査回路２３から転送される画素信号を撮像信号として出力する出力処理部２４と、各部にタイミング信号を供給するタイミングジェネレータ２５等が設けられている。
【００１１】
また、図４に示すように、撮像領域１０の各画素１１には、受光量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード３１と、このフォトダイオード３１の信号電荷をＦＤ（フローティングデフュージョン）に読み出す読み出しトランジスタ（転送ゲート）３２、ＦＤの電位に応じた画素信号を生成する増幅トランジスタ３３、画素信号の出力タイミングを選択する選択トランジスタ３４、ＦＤをリセットするリセットトランジスタ３５等の画素トランジスタが設けられ、さらに、このような画素アレイ部と周辺回路領域との間で各種の信号や電源をやり取りするための配線やその他の素子が設けられている。
【００１２】
次に、図１及び図２に基づいて本実施の形態によるＣＭＯＳイメージセンサの積層構造について説明する。
図において、シリコン基板１００の上層部には、複数の画素のフォトダイオードの受光部１１１が形成されている。なお、図１及び図２では各画素を構成する画素トランジスタ回路等は省略している。図１０はフォトダイオードの受光エリア１１１と転送トランジスタ１１２の配置を示しており、転送トランジスタ１１２は受光エリア１１１のコーナ部分に配置されている。なお、図１０は模式的に示したものであり、実際には、トランジスタは受光エリアよりも大幅に小さく形成され、増幅、選択、リセットといった他のトランジスタとともに形成されているものとする。
【００１３】
また、このシリコン基板１００の上面には、ゲート絶縁膜１００Ａや図示しないゲート電極等を介して平坦化膜（層間絶縁膜）１１６及び配線１１０が形成され、その上に層内レンズ１０９が形成されている。この層内レンズ１０９は、従来例（図１２、図１３）と同様に、全ての画素に対応して設けられた凸レンズである。この層内レンズ１０９と配線１１０は図９に示すように配置されている。
このマイクロレンズ１０９は、下地上にレンズ材を全面に形成し、その上部にレジストをレンズパターンに合わせた凸平面形状にパターニングした後、熱溶融リフローによる表面張力によってレンズ形状を形成し、これをエッチバックすることによりレンズ材に転写することで形成する。なお、平坦化膜１１６は、ＳｉＯＮ系の膜、または低屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成し、マイクロレンズ１０９は、高屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成する。
【００１４】
また、その上には、平坦化膜（層間絶縁膜）１１５及び配線１０８が形成され、その上に層内レンズ１０７が形成されている。この層内レンズ１０７は、従来例（図１２、図１３）とは異なる構成であり、青色フィルタ１０４が配置される画素だけに対応して設けられた凹レンズである。この層内レンズ１０７と配線１０８は図８に示すように配置されている。マイクロレンズ１０７は、下地上にレンズ材を全面に形成し、その上部にレジストをレンズパターンに合わせた開口形状にパターニングした後、等方エッチングすることによりレンズ材に形成する。なお、平坦化膜１１５は、ＳｉＯＮ系の膜、または低屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成し、マイクロレンズ１０７は、高屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成する。
【００１５】
また、その上には、平坦化膜（層間絶縁膜）１１４及び配線１０６が形成され、その上に層内レンズ１０５が形成されている。この層内レンズ１０５は、従来例（図１２、図１３）とは異なる構成であり、赤色フィルタ１０２が配置される画素だけに対応して設けられた凸レンズである。この層内レンズ１０５と配線１０６は図７に示すように配置されている。なお、平坦化膜１１４は、ＳｉＯＮ系の膜、または低屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成し、マイクロレンズ１０５は、高屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成する。
次に、最上層の平坦化膜１１３が形成され、この平坦化膜１１３の上に、各画素に対応するカラーフィルタ１０２、１０３、１０４が配置されている。なお、図１では赤色フィルタ１０２と緑色フィルタ１０３が現れた断面を示しており、図２では緑色フィルタ１０３と青色フィルタ１０４が現れた断面を示している。カラーフィルタ１０２、１０３、１０４は、例えば図６に示すような配列で形成されている。
【００１６】
さらに、このカラーフィルタ１０２、１０３、１０４上には、保護膜を介してオンチップレンズ１０１が形成されている。オンチップレンズ１０１は、図５に示すように、全ての画素に対応するようになっている。なお、平坦化膜１１３は、ＳｉＯＮ系の膜、または低屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成し、マイクロレンズ１０１は、高屈折率のＳｉＮ系膜を用いて形成する。
なお、色毎に形成する層内レンズを凸レンズにするか、凹レンズにするかは、最適化の
狙いにより選択する。
【００１７】
以上のように本実施の形態によるイメージセンサでは、色毎の集光を最適化するため、色フィルタの構成に応じて、色毎のレンズ枚数、レンズ構成（レンズ曲率、レンズが凸レンズか凹レンズか）を変更する構造としている。このように、カラーフィルタの色毎に異なるマイクロレンズ構成を持つことで、カラーフィルタを通過した波長の違いにより生じる、色毎の受光エリアでの集光状態を最適化できる。そのため、カメラレンズの絞り値や、受光部中央と周辺での光の入射角の違いにより、受光部中央と周辺での集光状態が色毎に異なることで発生する色シェーディングなどの画像ムラを低減することができる。
【００１８】
なお、以上は本発明をＣＭＯＳイメージセンサについて適用した場合を説明したが、本発明は必ずしもＣＭＯＳイメージセンサに限定されず、複数層のマイクロレンズ層を有するイメージセンサに適用できるものである。また、本発明における光学フィルタとは、上述した３原色カラーフィルタに限定されるものでなく、例えば補色フィルタや赤外線フィルタを含むものとする。
【００１９】
また、固体撮像装置は１チップ上にイメージセンサを構成したものに限らず、イメージセンサを搭載した撮像部と信号処理部や光学系とを別の部品として構成し、これらをまとめてパッケージ化した構成であってもよく、さらに、制御部や操作部と一体化され、カメラシステムや携帯電話器に利用される装置であってもよい。すなわち、本発明では、単体のイメージセンサを固体撮像装置と言い、他の機能部品（例えば通信モジュールや表示モジュール）と組み合わせたものを撮像装置と言うものとし、いずれも本発明の範囲とするものである。
【００２０】
以下、本発明を適用した撮像装置の具体例を説明する。
図１１は本例のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図において、撮像部３１０は、例えば図３及び図４に示したＣＭＯＳイメージセンサを用いて被写体の撮像を行い、撮像信号をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部３２０に出力する。すなわち、撮像部３１０では、上述したＣＭＯＳイメージセンサの出力信号に対し、ＡＧＣ（自動利得制御）、ＯＢ（オプティカルブラック）クランプ、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）、Ａ／Ｄ変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
なお、本例では、撮像部３１０内で撮像信号をデジタル信号に変換してシステムコントロール部３２０に出力する例について示しているが、撮像部３１０からアナログ撮像信号をシステムコントロール部３２０に送り、システムコントロール部３２０側でデジタル信号に変換する構成であってもよい。また、撮像部３１０内での処理も種々の方法があり、特に限定しないことは勿論である。
【００２１】
また、撮像光学系３００は、鏡筒内に配置されたズームレンズ３０１や絞り機構３０２等を含み、ＣＭＯＳイメージセンサの受光部に被写体像を結像させるものであり、システムコントロール部３２０の指示に基づく駆動制御部３３０の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。
【００２２】
また、システムコントロール部３２０には、ＣＰＵ３２１、ＲＯＭ３２２、ＲＡＭ３２３、ＤＳＰ３２４、外部インターフェース３２５等が設けられている。
ＣＰＵ３２１は、ＲＯＭ３２２及びＲＡＭ３２３を用いて本カメラ装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
ＤＳＰ３２４は、撮像部３１０からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号（例えばＹＵＶ信号等）を生成する。
外部インターフェース３２５には、各種エンコーダやＤ／Ａ変換器が設けられ、システムコントロール部３２０に接続される外部要素（本例では、ディスプレイ３６０、メモリ媒体３４０、操作パネル部３５０）との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
【００２３】
ディスプレイ３６０は、本カメラ装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。なお、このようなカメラ装置に組み込まれた小型表示器に加えて、外部の大型表示装置に画像データを伝送し、表示できる構成とすることも勿論可能である。
メモリ媒体３４０は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ３４１に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体３４０としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部３５０は、本カメラ装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、ＣＰＵ３２１は、この操作パネル部３５０からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
【００２４】
このようなカメラ装置に、本発明を適用することにより、種々の被写体に関し、高品位の撮影を行うことができる。なお、以上の構成において、システムの構成要素となる単位デバイスや単位モジュールの組み合わせ方、セットの規模等については、製品化の実情等に基づいて適宜選択することが可能であり、本発明の撮像装置は、種々の変形を幅広く含むものとする。
【００２５】
また、本発明の固体撮像装置及び撮像装置において、撮像対象（被写体）としては、人や景色等の一般的な映像に限らず、偽札検出器や指紋検出器等の特殊な微細画像パターンの撮像にも適用できるものである。この場合の装置構成としては、図１１に示した一般的なカメラ装置ではなく、さらに特殊な撮像光学系やパターン解析を含む信号処理系を含むことになり、この場合にも本発明の作用効果を十分発揮して、精密な画像検出を実現することが可能となる。
さらに、遠隔医療や防犯監視、個人認証等のように遠隔システムを構成する場合には、上述のようにネットワークと接続した通信モジュールを含む装置構成とすることも可能であり、幅広い応用が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態によるＣＭＯＳイメージセンサの積層構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態によるＣＭＯＳイメージセンサの積層構造を示す断面図である。
【図３】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの概要を示すブロック図である。
【図４】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの画素構成を示す回路図である。
【図５】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサにおけるトップレンズのパターンを示す平面図である。
【図６】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサにおけるカラーフィルタ層のパターンを示す平面図である。
【図７】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの配線と色フィルタの構成に合わせたマイクロレンズ層の配置を示す平面図である。
【図８】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの配線と色フィルタの構成に合わせたマイクロレンズ層の配置を示す平面図である。
【図９】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの配線と色フィルタの構成に合わせたマイクロレンズ層の配置を示す平面図である。
【図１０】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサのシリコン基板に形成された受光部と画素トランジスタの一部を示す平面図である。
【図１１】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサを撮像部に用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
【図１２】従来のＣＭＯＳイメージセンサの積層構造の例を示す断面図である。
【図１３】従来のＣＭＯＳイメージセンサの積層構造の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００……シリコン基板、１０１……マイクロレンズ、１０２、１０３、１０４……カラーフィルタ、１０５、１０７、１０９……層内レンズ、１１１……受光部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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