(57)【要約】【課題】カラーフィルタを用いることなく高精度の色分離を行うことができ、入射効率の改善や色の多様化等を図ることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】被写体からの入射光を色分解部としてのプリズムによって空間的に色分解し、ＲＧＢの３原色光に対応する３つの色成分光に分解し、各色成分光をＲＧＢに対応する３つの画素に分散して入射させる。すなわち、入射光学系として、上面レンズ１６０とプリズム板１５０を有し、上面レンズ１６０は、３つの画素で構成される画素ユニットに対する入射光をプリズム１５０Ａに導く。プリズム１５０Ａでは、この入射光を空間的に色分解し、ＲＧＢの色成分光に分けて各画素のマイクロレンズ１４８に入射させる。マイクロレンズ１４８は、各色成分光を層内レンズ１３８Ａに導き、層内レンズ１３８Ａは各色成分光をフォトダイオード１１８の受光面に集光させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された複数の画素よりなる画素アレイ部と、前記半導体基板の上部に形成された配線層と、前記配線層の上部に形成された光学系とを備え、
前記光学系は、前記画素アレイ部の各色成分に対応する複数の画素によって構成される画素ユニットに対応するレンズ面を有し、前記レンズ面によって入射光を集光する第１のレンズ部と、
前記第１のレンズ部の下面側に設けられ、前記第１のレンズ部によって集光された光を波長に応じて空間的に色分解して出射する色分解部と、
前記画素ユニットの各画素に対応するレンズ面を有し、前記色分解部によって出射された色分解光を各画素の受光部に入射させる第２のレンズ部とを具備している、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記色分解部が前記第１のレンズ部の出射面側に設けた色分解プリズム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３】
前記第２のレンズ部がオンチップマイクロ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】
前記第２のレンズ部が層内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】
前記画素ユニットを構成する複数の画素が互いに隣接して配置される画素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】
前記画素ユニットは３つの原色成分に対応する３つの画素よりな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７】
前記画素ユニットは３つ以上の波長領域に対応する３つ以上の画素よりなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
３つ以上の波長領域とは、遠赤外、赤外、近赤外、赤、緑、青緑、青、紫、紫外などを意味する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を用いてカラー画像を撮影する固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサといった固体撮像装置において、カラー画像を撮影するための手段としては、半導体基板に形成された画素アレイ部の上部にカラーフィルタを設けることが行われる。
このカラーフィルタは、例えばＲＧＢの原色成分やＹＣＭＧの補色成分に対応する波長光の透過膜を各画素単位で所定のパターンに配列したものであり、画素アレイ部の上層保護膜上に成膜したり、貼り付けたりして設けられる。
【０００３】
図２は、このような従来のカラーフィルタを用いたカラー固体撮像装置の積層構造を示す断面図であり、ＣＭＯＳイメージセンサの例を示している。
半導体基板１０には、多数の画素１２を２次元配列に形成した画素アレイ部１４が形成されている。この画素アレイ部１４は、素子分離部１６によって区画された領域に、光電変換素子であるフォトダイオード１８、このフォトダイオードによって生成された信号電荷をフローティングデフュージョン（ＦＤ）部に読み出すための転送トランジスタ２０、ＦＤ部に読み出した信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタ２２、及びその他の画素トランジスタ（例えば増幅トランジスタや選択トランジスタ）等を設けたものである。
また、半導体基板１０の上面には、ゲート絶縁膜２４を介して各種のゲート電極膜２６が形成されており、その上に絶縁膜２８を介して第１の配線層３０が形成されている。この第１の配線層３０はコンタクトプラグ３２を介して半導体基板１０側のソース領域やドレイン領域に接続されている。
【０００４】
また、第１の配線層３０の上層には複数層の層間絶縁膜３４、３６を介して第２、第３の配線層４０、４２が形成されている。ここで、最上層の第３の配線層４２は遮光膜として形成され、各フォトダイオード１８の受光部以外への光の入射を遮光している。また、この配線層４２の上には、さらに絶縁膜３８が形成され、この絶縁膜３８には層内レンズ３８Ａが形成されている。
また、絶縁膜３８の上には、パッシベーション絶縁膜４６が形成され、その上にカラーフィルタ４８が設けられている。そして、このカラーフィルタ４８の上にオンチップマイクロレンズ５０が形成されている。
【０００５】
以上のようなカラー固体撮像装置において、被写体からの入射光はマイクロレンズ５０によって画素毎に分岐された後、カラーフィルタ４８によって該当する波長成分だけが透過され、層内レンズ３８Ａに導かれる。
そして、層内レンズ３８Ａによって集光されて各フォトダイオード１８の受光部に入射し、その光量に応じた信号電荷がフォトダイオード１８によって生成され、転送トランジスタ２０等の動作によって読み出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなカラーフィルタを用いた固体撮像装置では、以下のような欠点があった。
（１）入射光のうちの特定の波長成分だけをカラーフィルタで透過させることから、この部分で光の一部が排除されることなり、光のエネルギを光電変換に充分に活用しきれていない。
（２）カラーフィルタの特性によって混色が生じ、色分離が不十分である。
（３）市松配列や縦ストライブのカラーフィルタ配列では、モアレ縞が発生し、画質の劣化の要因となる。
（４）カラーフィルタの組み合わせが限定されるため、色分離の種類を多く取ることが困難である。
（５）パッシベーション絶縁膜上に成膜作業によって形成される、いわゆるオンチップカラーフィルタの場合には、その製造工程でのコストが大きくなる。
【０００７】
そこで本発明の目的は、カラーフィルタを用いることなく高精度の色分離を行うことができ、入射効率の改善や色の多様化等を図ることができ、さらに作製が容易な固体撮像装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、半導体基板に形成された複数の画素よりなる画素アレイ部と、前記半導体基板の上部に形成された配線層と、前記配線層の上部に形成された光学系とを備え、前記光学系は、前記画素アレイ部の各色成分に対応する複数の画素によって構成される画素ユニットに対応するレンズ面を有し、前記レンズ面によって入射光を集光する第１のレンズ部と、前記第１のレンズ部の下面側に設けられ、前記第１のレンズ部によって集光された光を波長に応じて空間的に色分解して出射する色分解部と、前記画素ユニットの各画素に対応するレンズ面を有し、前記色分解部によって出射された色分解光を各画素の受光部に入射させる第２のレンズ部とを具備していることを特徴とする。
【０００９】
本発明の固体撮像装置において、外部からの入射光は、第１のレンズ部によって画素ユニット毎に集光され、この第１のレンズ部の下面側に設けられた色分解部により、その波長に応じて空間的に色分解される。
そして、その色分解光が第２のレンズ部によって各画素の受光部に入射され、各画素の光電変換素子により、信号電荷に変換される。
したがって、本発明の固体撮像装置では、入射光を波長に応じて空間的に色分解する色分解部によって色分解し、各色成分光を各画素に導くことから、光エネルギを減衰させることなく光電変換を行うことができ、入射効率の高い固体撮像装置を提供できる。
また、カラーフィルタに比べて混色やモアレ縞を生じない色分離を行うことが可能であり、色の多様化も容易に図ることができ、画質に優れた固体撮像装置を提供できる。
さらに、カラーフィルタを成膜するのに比べて容易に作製することができ、低コストの固体撮像装置を提供できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像装置の実施の形態例について説明する。
本実施の形態例は、本発明の固体撮像装置をＣＭＯＳイメージセンサに適用したものであり、被写体からの入射光を色分解部としてのプリズムによって空間的に色分解し、ＲＧＢの３原色光に対応する３つの色成分光に分解し、各色成分光をＲＧＢに対応する３つの画素に分散して入射させるようにし、従来のカラーフィルタを用いることなくカラー画像の撮影を可能としたものである。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態例によるカラー固体撮像装置の積層構造を示す断面図である。
このカラー固体撮像装置は、図２に示す従来例に対して異なる入射光学系を有するものであり、図２の構成に追加する要素として、第１のレンズ部としての上面レンズ１６０、及び色分解部としてのプリズム１５０Ａを設けたプリズム板１５０を設け、除去する構成として従来のカラーフィルタを持たない構造を有するものである。
また、画素配列は、ＲＧＢの３原色に対応する３つの画素が互いに隣接して配置されており、この３つの画素を１単位の画素ユニットとして構成したものである。
【００１２】
以下、図１に示す積層構造を下層から順に説明していく。
まず、半導体基板１１０には、多数の画素１１２を２次元配列に形成した画素アレイ部１１４が形成されており、３画素１１２で１組みの画素ユニットとなっている。図１は、この３つの画素１１２を示している。
また、画素アレイ部１１４は、素子分離部１１６によって区画された領域に、光電変換素子であるフォトダイオード１１８、このフォトダイオードによって生成された信号電荷をフローティングデフュージョン（ＦＤ）部に読み出すための転送トランジスタ１２０、このＦＤ部に読み出した信号電荷をリセットするためのリセットトランジスタ１２２、及びその他の画素トランジスタ（例えば増幅トランジスタや選択トランジスタ）等を設けたものである。
各画素では、フォトダイオード１１８によって受光量に応じた信号電荷を生成し、これを転送トランジスタ１２０によって所定のタイミングでＦＤ部に読み出し、図示しない増幅トランジスタによってＦＤ部の電位変動を電気信号に変換し、図示しない選択トランジスタを介して出力信号線に出力する。
また、ＦＤ部の電位は、リセットトランジスタ１２２によって所定のタイミングで電源電位にリセットされる。
【００１３】
また、半導体基板１１０の上面には、ゲート絶縁膜１２４を介して各種のゲート電極膜１２６が形成されており、その上に絶縁膜１２８を介して第１の配線層１３０が形成されている。
なお、絶縁膜１２８には例えばＳｉＯ２  膜とＳｉＮ膜の積層膜が用いられ、第１の配線層１３０は、例えばアルミ配線とＴｉＮ等によるバリアメタルが用いられる。
そして、この第１の配線層１３０は、コンタクトプラグ（例えばタングステンプラグ）１３２を介して半導体基板１１０側のソース領域やドレイン領域に接続されている。
【００１４】
また、第１の配線層１３０の上層には複数層の層間絶縁膜（例えばＳｉＯ２  膜）１３４、１３６を介して第２、第３の配線層（例えばアルミ配線とバリアメタル）１４０、１４２が形成されている。ここで、最上層の第３配線層１４２は遮光膜として形成され、各フォトダイオード１１８の受光部以外への光の入射を遮光している。また、この配線層１４２の上には、さらに絶縁膜（例えばＳｉＯ２  膜）１３８が形成され、この絶縁膜１３８には層内レンズ１３８Ａが形成されている。
また、絶縁膜１３８の上には、パッシベーション絶縁膜（例えばＳｉＮ膜）１４６が形成され、その上にオンチップマイクロレンズ１４８が形成されている。すなわち、本例では、パッシベーション絶縁膜１４６とマイクロレンズ１４８の間にカラーフィルタを持たない構造となっている。また、本例では、マイクロレンズ１４８と層内レンズ１３８Ａで第２のレンズ部を構成している。
【００１５】
そして、このマイクロレンズ１４８の上部に、所定の間隔をおいてプリズム板１５０が設けられ、さらにその上部に上面レンズ１６０が設けられている。
上面レンズ１６０は、外側（被写体側）の面に３画素１組みの画素ユニットに対応する１つの凸レンズ面１６０Ａを有するとともに、内側（画素側）の面に色分解用のプリズム１５０Ａの領域に対応する１つの凹レンズ面１６０Ｂを有し、図中の矢印ａに示すように、外部からの画素ユニットに対応する入射光をプリズム１５０Ａに集光するものである。
プリズム板１５０は、上面レンズ１６０の内側面（下面）に沿って近接配置され、このプリズム板１５０の内側面の中央部にプリズム１５０Ａが形成されている。このプリズム１５０Ａは、上面レンズ１６０によって集光された入射光をその波長に応じて空間的に分解するものであり、入射光は、その波長に応じて図中矢印ｂに示すように分散され、画素ユニット内の３つのマイクロレンズ１４８に導かれる。このようにして、画素ユニットに対する入射光を波長に応じて空間的に色分解し、それぞれの色成分光を各画素に振り分けることができる。
そして、各画素のマイクロレンズ１４８では、プリズム１５０Ａからの各色成分光を適宜平行光（図中矢印ｃ）に屈折させて層内レンズ１３８Ａに導き、これを層内レンズ１３８Ａでフォトダイオード１１８の受光面に集光させる（図中矢印ｄ）。
このようにして、画素ユニットに対する入射光を空間的に色分解し、ＲＧＢの色成分光に分岐させて各画素に導き、カラー画像の撮影が可能となる。
【００１６】
以上のような本実施の形態例による固体撮像装置では、以下のような効果を得ることが可能である。
（１）入射光を空間的に波長領域に分解することにより、目的とする範囲の光のエネルギを無駄にすることなく、光電変換のためにほぼ全て活用できる。
（２）光を空間的に波長領域に分解することにより、目的とする色分離の範囲を空間的に行うことが可能であり、混色がほとんどない。
（３）光を空間的に波長領域に分解することにより、同一サンプリング点での色分離が可能となり、色のモアレを抑圧できる。
（４）オンチップカラーフィルタ工程が不要となり、製造コストを削減することができる。
【００１７】
なお、以上は本発明をＣＭＯＳイメージセンサに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばＣＣＤイメージセンサにも同様に適用できるものである。
また、色分解部としては、プリズム以外の手段を用いることも可能である。例えば、回折格子、干渉膜を用いることも可能である。
また、色分解によって得る色成分光としては、ＲＧＢの３原色光に限定されず、例えば赤外、赤、緑、青の４つの波長領域に分解して４つの画素に入射させるようにしたり、さらに多数の色分解（例えば、遠赤外、赤外、近赤外、赤、緑、青緑、青、紫、紫外等）を行い、多彩な色成分光を多数の画素に入射させるようにしてもよい。すなわち、本実施の形態例によれば、光を空間的に波長領域に分解することにより、同一サンプリング点での色分離の種類を多く取ることが可能となる。
また、上述した例では、第２のレンズ部としてオンチップマイクロレンズと層内レンズとの組み合わせを用いたが、光学的に可能な場合には、マイクロレンズと層内レンズの一方だけで光を制御するような構成であってもよい。
さらに、第１のレンズ部としての上面レンズと色分解部としてのプリズム板とを別体で設けたが、製造上可能な場合には、一体化したものであってもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置では、本発明の固体撮像装置では、入射光を波長に応じて空間的に色分解する色分解部によって色分解し、各色成分光を各画素に導くことから、光エネルギを減衰させることなく光電変換を行うことができ、入射効率の高い固体撮像装置を提供できる。
また、カラーフィルタに比べて混色やモアレ縞を生じない色分離を行うことが可能であり、色の多様化も容易に図ることができ、画質に優れた固体撮像装置を提供できる。
さらに、カラーフィルタを成膜するのに比べて容易に作製することができ、低コストの固体撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例によるカラー固体撮像装置の積層構造の一例を示す断面図である。
【図２】従来のカラー固体撮像装置の積層構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１０……半導体基板、１１２……画素、１１４……画素アレイ部、１１６……素子分離部、１１８……フォトダイオード、１２０……転送トランジスタ、１２２……リセットトランジスタ、１２４……ゲート絶縁膜、１２６……ゲート電極膜、１２８、１３４、１３６、１３８……絶縁膜、１３０、１４０、１４２……配線層、１３８Ａ……層内レンズ、１４６……パッシベーション絶縁膜、１４８……オンチップマイクロレンズ、１５０……プリズム板、１５０Ａ……プリズム、１６０……上面レンズ。
【図１】
2004172335.tif 000003
【図２】
2004172335.tif 000004