(57)【要約】【課題】  本発明は、短射出瞳距離での混色や色シェーディング特性の悪化を改善する固体撮像装置を提供するものである。【解決手段】  本発明の固体撮像装置２１は、複数の受光部２３が配列された撮像領域上に色フィルター３２を介して、複数のマイクロレンズ３３をアレイ状に配列している固体撮像装置２１であって、色信号毎にマイクロレンズ３３の瞳補正量を変えることを特徴とする。【選択図】        図２
2005327921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部が配列された撮像領域上に色フィルターを介して、
複数のマイクロレンズをアレイ状に配列している固体撮像装置であって、
色信号毎にマイクロレンズの瞳補正量を変える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
色信号毎にマイクロレンズの曲率を変える
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】
前記マイクロレンズ又は／及び色フィルターの厚さを変える
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
色信号毎にマイクロレンズの屈折率を変える
ことを特徴とする請求項１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、特に短出射瞳距離に対応できる固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子としては、単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子やカラーＣＭＯＳ型固体撮像素子などが広く知られている。図６に単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子の従来構造の概略断面の一例を示す。この単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子１は、例えばシリコン半導体基板２の撮像領域に画素となる受光部３がマトリックス状に配列される共に、各受光部列に対応して垂直転送レジスタ７が形成され、さらに撮像領域上に平坦化膜１１を介して色フィルター１２及びオンチップマイクロレンズ（以下、マイクロレンズという）１３を形成して構成される。垂直転送レジスタ７は、基板２表面に形成した転送チャネル領域４上にゲート絶縁膜５を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極６を形成して構成される。基板２の表面上には、層間絶縁膜８を介して受光部３以外の垂直転送レジスタ７を含む領域に例えばアルミニウム（Ａｌ）またはタングステン（Ｗ）等による遮光膜９が形成され、更にプラズマシリコン窒化膜によるパッシベーション膜１０、絶縁膜による平坦化膜１１が形成される。そして平坦化膜１１上に、各色フィルター成分からなる色フィルター１２が形成され、この色フィルター１２上に各受光部３に対応したマイクロレンズ１３が形成される。
【０００３】
単板式のカラー固体撮像素子の場合、色フィルター１２はオンチップで形成しており、種類としては大きく分けて、原色系と補色系がある。原色系は色再現性が良く、補色系は色フィルターの透過率が高く感度に有利である。原色系フィルター及び補色系フィルターは、それぞれ目的に応じて使い分けられている。図１１は原色系フィルター１２の例を示しており、各赤（Ｒ）フィルター成分１２Ｒ，緑（Ｇ）フィルター成分１２Ｇ及び青（Ｂ）フィルター成分１２Ｂを有している。更に、フィルター１２の色配列にも様々なものがあり、代表的なものとしては、原色系フィルター配列では、ＧストライプＲＢ線順次、Ｇ市松ＲＢ線順次（ベイヤ配列）、ＲＧＢ縦ストライプ等がある。一方、補色系フィルター配列では、Ｙｅ・Ｃｙ・Ｍｇ・Ｇ色差線順次、Ｙｅ・Ｇ・Ｃｙ縦ストライプ、Ｗ・Ｙｅ・Ｃｙ縦ストライプ、等がある。いずれの色配列を採用しても、最終的にＲ／Ｇ／Ｂに色分離する為には、最低でも３色が必要で、一般的には１色１画素にて構成している。
【０００４】
特許文献１には、異なる方向における曲率半径及び屈折率を変化するオンチップマイクロレンズの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許３４０１８０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、モバイル用途のＣＣＤ固体撮像素子の商品開発が注目されている。このようなＣＣＤ固体撮像素子では、射出瞳距離の短い商品が要求される。そのためレンズは非球面レンズの採用が増えている。しかし、非球面レンズは、像高に対する入射角の変化がリニアではないため、従来の球面レンズに対応したマイクロレンズ位置の補正、すなわち、ＣＣＤ固体撮像素子の周辺でマイクロレンズ１３または色フィルターの光学中心を受光部の中心よりチップ中心側（いわゆる有効撮像領域の中心側）にずらすという、射出瞳補正を行っている。射出瞳補正は、マイクロレンズと色フィルターを同時に行う場合もあり、その補正値も任意にずらす場合もある。さらにマイクロレンズの補正では、マイクロレンズによる集光位置と受光部との位置が食い違ってしまい、受光部周囲に形成された遮光膜によって入射光が遮光される「けられ」が生じ、シェーディングの悪化や感度の低下を招く。
そこで、短射出瞳距離と非球面レンズに対応したマイクロレンズの位置補正が検討されるが、更なる問題として、短射出瞳距離では光の波長による屈折率の影響が大きくなるため、混色や色シェーディングの問題が生ずることになる。
【０００６】
さらに、図７Ａ，Ｂを用いて説明する。図７Ａ，Ｂは、短射出瞳距離（光学レンズ系を挟む絞り１６と固体撮像素子間の距離に相当する）が短い短出射瞳レンズである非球面レンズを用いたときの、従来の固体撮像装置の概略構成を示す。マイクロレンズ１３は、その瞳補正量がチップ中心から周辺に向かってリニア的に変化するように配置されている（図７Ｂ参照）。このような短出射瞳距離では、画素に入射される光の波長による屈折率の差が混色、色シェーディングに大きく影響する。例えば図７に示すように、色フィルター１２が赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の原色系で形成される場合、青フィルター成分１２Ｂを介して画素に入射する光のうち、波長が青に近い成分は、緑や赤の光に比べて波長が短いため屈折率が小さく、チップ周辺側で遮光膜９による「けられ」が生じてしまう。波長が短くなる青光、緑光、赤光の順に屈折率は小さくなる。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑み、短射出瞳距離での混色や色シェーディング特性の悪化を改善する固体撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、複数の受光部が配列された撮像領域上に色フィルターを介して、複数のマイクロレンズをアレイ状に配列している固体撮像装置であって、色信号毎にマイクロレンズの瞳補正量を変えることを特徴とする。
【０００９】
上記固体撮像装置において、さらに色信号毎にマイクロレンズの曲率を変える構成とすることができる。また、色信号毎にマイクロレンズ又は／及び色フィルターの厚さを変える構成とすることができる。さらに、また色信号毎にマイクロレンズの屈折率を変える構成とすることができる。
【００１０】
本発明の固体撮像装置では、色信号毎に、すなわち画素に入射する色光毎に、マイクロレンズの瞳補正量を変えることにより、光の波長によって異なる屈折率の影響が抑制され、各色光を、「けられる」ことなく対応する画素の受光部へ集光させることができる。さらに、追加して色信号毎に、マイクロレンズの曲率を変えるとか、マイクロレンズ又は／及び色フィルターの厚さを変えるとか、マイクロレンズの屈折率を変えるときには、より屈折率の影響の抑制が調整され、各色光を「けられる」ことなく対応する画素の受光部へ集光させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体撮像装置によれば、非球面レンズを用いた短射出瞳距離対応の固体撮像装置の重要な特性である混色および色シェーディングの改善を図ることができ、短射出の固体撮像装置の実現が可能になる。これにより固体撮像装置全体の薄型化が促進され、カメラ付きモバイル機器の更なる薄型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る固体撮像素子を単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子に適用した場合の一実施の形態を示す。同図は有効撮像領域の中央と左右両端の画素部のみを示す要部の断面構造である。
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子２１は、半導体基板、例えばシリコン半導体基板（半導体基板上にエピタキシャル層を成長させた所謂エピタキシャル基板）２２の撮像領域にマトリックス状に配列されるように画素となる複数の受光部２３が形成されると共に、各受光部２３列に対応して垂直転送レジスタ２７が形成され、さらに撮像領域上に平坦化膜３１を介して色フィルター３２及びその上にアレイ状に配列したオンチップマイクロレンズ３３を形成して構成される。この各マイクロレンズ３３は、有効撮像領域に入射される光が各受光部に集光される位置に配列形成される。
【００１４】
垂直転送レジスタ２７は、基板表面に形成したチャネル領域２４上にゲート絶縁膜２５を介して例えば多結晶シリコンによる転送電極２６を形成して構成される。基板表面上には、層間絶縁膜２８、受光部２３に開口２９Ａを有した遮光膜２９が形成され、さらに例えばプラズマシリコン窒化膜によるパッシベーション膜３０、平坦化膜３１等が形成される。色フィルター３２としては、本例では赤色フィルター成分３２Ｒ、緑色フィルター成分３２Ｇ及び青色フィルター成分３２Ｂからなる原色系色フィルターが形成される。このような固体撮像素子２１においては、有効撮像領域３５の周辺における斜め光によるシェーディング特性を改善するために、有効撮像領域３５の中心から周辺へ行くに従って、マイクロレンズ３３、色フィルター成分３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂの中心を受光部２３の中心より有効撮像領域中心側にずらす、いわゆる出射瞳補正がなされる。αは、出射瞳補正量である。
そして、本実施の形態においては、特に、各色の受光部３２に入射する光の波長毎に屈折率が異なることを考慮して、各マイクロレンズ３３の出射瞳補正量αを色毎に最適値となるように設定する。すなわち、原色フィルター系の場合、赤の信号を受光するために赤色のフィルター成分３２Ｒを配置している画素には、赤の波長の光がマイクロレンズ３３Ｒによって最も「けられ」が少なく受光部２３に入射するように、受光部２３に対してマイクロレンズ３３Ｒの位置を補正する。同様にして、緑フィルター成分３２Ｇを介して緑の信号を受光する画素、青フィルター成分３２Ｂを介して青の信号を受光する画素のそれぞれのマイクロレンズ３３Ｇ，３３Ｂの位置を補正する。
この場合、有効撮像領域の中心から同じ距離にある赤、緑及び青の各画素について、それぞれ受光部２３の中心４１と色フィルター成分３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂの中心４２とのずれ量βを同じにして、出射瞳量αを比較すると、図４Ａ〜図４Ｃに示すようになる。赤の画素での受光部中心に対するマイクロレンズ３３Ｒの出射瞳補正量αＲと、緑の画素での受光部中心に対するマイクロレンズ３３Ｇの出射瞳補正量αＧと、青の画素での受光部中心に対するマイクロレンズ３３Ｂの出射瞳補正量αＢとの関係は、αＲ＜αＧ＜αＢとなる。
【００１５】
図２Ａ，Ｂに、本実施の形態に係る赤、緑及び青の画素におけるマイクロレンズ３３〔３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ〕の出射瞳補正量の関係αＲ＜αＧ＜αＢを示す。本例では色フィルター３２としてＧ市松ＲＢ線順次の色配列を採用した場合である。
図２Ａは、ＣＣＤ固体撮像装置２１の有効撮像領域３５に短出射瞳レンズを介して光照射した断面図（図２ＢのＸ軸線上の断面図）である。３６は絞りである。図２Ｂは、各赤、緑及び青の画素Ｒ，Ｇ，Ｂの受光部とマイクロレンズ３３［３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ］の位置関係を示す上面図である。
図２Ｂでは、有効撮像領域３５上のＸ軸とＹ軸とが交差する位置〔１，１〕が中心の画素に対応する。位置〔１，１〕の中心画素Ｇでは、受光部２３の中心とマイクロレンズ３３の中心が合致している。位置〔１，１〕の画素ＢからＸ軸方向に離れるに従って受光部２３の中心とマイクロレンズ３３の中心とのずれ量（出射瞳補正量α）が大きくなり、また、位置〔１，１〕の画素ＢからＹ軸方向に離れるに従って受光部２３の中心とマイクロレンズ３３の中心とのずれ量（出射瞳補正量α）が大きくなる。そして、本実施の形態では、同じ水平ラインにある位置〔３，３〕の青の画素Ｂのマイクロレンズ３３のずれ量と、位置〔４，３〕の緑の画素Ｇのマイクロレンズ３３のずれ量とを比較すると、中心より近い位置〔３，３〕の青の画素Ｂのマイクロレンズ３３のずれ量の方が、中心より遠い位置〔４，３〕にある緑の画素Ｇのマイクロレンズのずれ量より大きい。
【００１６】
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像装置２１によれば、赤、緑及び青の色信号毎にマイクロレンズ３３の位置を補正し、すなわち出射瞳補正量α〔αＲ，αＧ，αＢ〕を補正することにより、光の波長によって異なる屈折率の影響を抑制し、図２Ａに示すように、周辺での青の画素Ｂにおいて、遮光膜２９による入射光の「けられ」が低減し、あるいは無くなり、受光部２３に効率よく受光部に集光させることができる。よって、色シェーディングを低減でき、また、混色も低減することができる。従って、非球面レンズを用いた短出射瞳距離に対応したＣＣＤ固体撮像装置で問題となる混色及び色シェーディングを改善することができ、短出射瞳距離対応のＣＣＤ固体撮像装置の実現を可能にする。これによって、固体撮像装置全体の薄型化が促進され、カメラ付きモバイル機器の更なる薄型化を図ることができる。
【００１７】
本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置に他の実施の形態としては、上述の色信号毎にマイクロレンズ３３〔３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ〕の出射瞳補正量α〔αＲ，αＧ，αＢ〕を補正するのに加えて、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、赤、緑及び青の各マイクロレンズ３３Ｒ，３３Ｇ及び３３Ｂの曲率（１／曲率半径）を変化させて構成する。この場合、入射する光の波長に応じて（屈折率に応じて）、赤、緑及び青に対応するマイクロレンズ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂの順に曲率を小さくして行く。すなわち、赤の画素Ｒに対してマイクロレンズ３３Ｒの曲率は大きくなる（図４Ａ参照）。青の画素Ｂに対してマイクロレンズ３３Ｇの曲率は中くらいとなる（図４Ｂ参照）。青の画素Ｂに対してマイクロレンズ３３Ｂの曲率は小さくなる（図４Ｃ参照）。
このように、各色の画素毎にマイクロレンズ３３の曲率を変化して補正することで、より遮光膜２９での「けられ」を低減して、受光部に集光させることができる。よって、更なる色シェーディング、混色を低減することができる。
【００１８】
本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置に他の実施の形態としては、上述の色信号毎にマイクロレンズ３３〔３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ〕の出射瞳補正量α〔αＲ，αＧ，αＢ〕を補正するのに加えて、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、赤、緑及び青の各フィルター成分３２Ｒ，３２Ｇ及び３２Ｂの膜厚ｈ〔ｈＲ，ｈＧ，ｈＢ〕を変化させて構成する。この場合、入射する光の波長に応じて（屈折率に応じて）、赤、緑及び青に対応するフィルター成分３２Ｒ，３２Ｇ及び３２Ｂの順に膜厚を厚くして行く（ｈＲ＜ｈＧ＜ｈＢ）。ここでは、平坦化膜３１からマイクロレンズ３３までの高さ（膜厚）Ａは同じにしている。
このように各色フィルター成分毎に膜厚を変えて補正することにより、色フィルター成分で屈折した後の色フィルター成分中の光路長が異なることで、集光光路が変わり、前述と同様に、より遮光膜２９での「けられ」を低減して、受光部に集光させることができる。よって、更なる色シェーディング、混色を低減することができる。
【００１９】
なお、平坦化膜３１からマイクロレンズ３３までの高さ（膜厚）Ａを色毎に変化させて構成することもできる。すなわち赤、緑及び青に対応するマイクロレンズ３３の高さ（膜厚）ＡＲ，ＡＧ，ＡＢの順に高く（厚く）して行く。さらに、高さ（膜厚）Ａと、色フィルター成分の膜厚ｈを共に変化させて構成することもできる。
このような構成とした場合にも、前述と同様に、より遮光膜２９での「けられ」を低減して、受光部に集光させることができる。よって、更なる色シェーディング、混色を低減することができる。
【００２０】
また、赤、緑及び青に対応するマイクロレンズ３３Ｒ、３３Ｇ，３３Ｂ毎にレンズ材料を変えて屈折率を変化させることもできる。この場合、赤のマイクロレンズ屈折率＞緑のマイクロレンズ屈折率＞青のマイクロレンズ屈折率の関係を満たすように屈折率の材料を調整する必要がある。
このような構成とした場合にも、前述と同様に、より遮光膜２９での「けられ」を低減して、受光部に集光させることができる。よって、更なる色シェーディング、混色を低減することができる。
【００２１】
上例では、色信号毎にマイクロレンズ３３の出射瞳補正量αを変化させ、あるいはこの出射瞳補正量αの変化と共に、マイクロレンズの曲率、マイクロレンズ又は／及び色フィルターの膜厚、マイクロレンズの屈折率を変化させた構成としたが、その他、マイクロレンズの出射瞳補正は従来同様にリニア的に補正し、色信号毎にマイクロレンズの曲率を変化させる構成、あるいは色信号毎にマイクロレンズ又は／及び色フィルターの膜厚を変化させる構成、あるいは色信号毎にマイクロレンズの屈折率を変化させた構成とすることもできる。
【００２２】
上述の本実施の形態に係る固体撮像装置では、赤、緑及び青の原色素の色フィルターを用いて説明をしたが、補色系の色フィルターを用いた固体撮像装置にも適用でき、同様の効果を奏することができる。
【００２３】
上述の説明では、原色ベイヤ配置を用いて本実施の形態の固体撮像装置を行った場合の説明をしたが、配置に関しては市松やストライプなどいかなる配置においても実施可能であり、またカラーフィルターは原色に限らず、補色でも同様の効果が得られる。
【００２４】
上例では、本発明をＣＣＤ固体撮像装置に適用したが、その他、ＣＭＯＳ型固体撮像装置、受光部を透明ゲートに有する画素ＭＯＳトランジスタで形成した増幅型固体撮像装置にもすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態を示す要部の構成図である。
【図２】Ａ及びＢ  本発明の一実施の形態に係る固体撮像装置の集光状態を示す要部の断面図及びマイクロレンズの位置のずれを示す要部の上面図である。
【図３】Ａ〜Ｃ  本発明の固体撮像装置の一実施の形態に係る、赤、緑及び青に対応したマイクロレンズの出射瞳補正量の変化を示す説明図である。
【図４】Ａ〜Ｃ  本発明の固体撮像装置の他の実施の形態に係る、赤、緑及び青に対応したマイクロレンズの曲率の変化を示す説明図である。
【図５】Ａ〜Ｃ  本発明の固体撮像装置の他の実施の形態に係る、赤、緑及び青に対応した色フィルター成分の膜厚の変化を示す説明図である。
【図６】従来の単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子の例を示す構成図である。
【図７】Ａ〜Ｂ  従来の固体撮像素子の集光状態を示す要部の断面図及びマイクロレンズの位置のずれを示す要部の上面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１・・カラーＣＣＤ固体撮像素子、２・・シリコン半導体基板、３・・受光部、４・・チャネル領域、５・・ゲート絶縁膜、６・・転送電極、７・・垂直転送レジスタ、８・・層間絶縁膜、９・・遮光膜、１０・・パッシベーション膜、１１・・平坦化膜、１２・・色フィルター、１３・・マイクロレンズ、１６・・絞り、２１・・ＣＣＤ固体撮像素子、２２・・シリコン半導体基板、２３・・受光部、２４・・チャネル領域、２５・・ゲート絶縁膜、２７・・垂直転送レジスタ、２９・・遮光膜、２９Ａ・・開口、３０・・パッシベーション膜、３１・・平坦化膜、３２・・色フィルター、３３・・マイクロレンズ、３５・・有効撮像領域、３６・・絞り、４１・・中心、４２・・中心、
【図１】
2005327921.tif 000003
【図２】
2005327921.tif 000004
【図３】
2005327921.tif 000005
【図４】
2005327921.tif 000006
【図５】
2005327921.tif 000007
【図６】
2005327921.tif 000008
【図７】
2005327921.tif 000009