(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に複数の光電変換領域と、
前記光電変換領域に発生した信号電荷を読み出すための読み出し回路と、
前記複数の光電変換領域の上方に形成された、入射光を分光するためのオンチップカラーフィルタであって、少なくとも、赤色光を透過する第１のカラーフィルタ層、緑色光を透過する第２のカラーフィルタ層、および青色光を透過する第３のカラーフィルタ層のうち二つ以上のカラーフィルタ層を含むとともに、可視光領域の全波長領域において透過性を有する透明フィルタ層を含み、前記透明フィルタ層の透過率は、波長４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域において、９８％以上であり、前記透明フィルタ層は前記カラーフィルタ層と並置されており、前記透明フィルタ層の厚さは前記カラーフィルタ層の厚さよりも厚いとともに前記カラーフィルタ層上に延在し、前記カラーフィルタ層上に延在している前記透明フィルタ層の厚さは前記カラーフィルタ層の厚さの１／２以上であるオンチップカラーフィルタと、
前記オンチップカラーフィルタ上に画素ごとに形成されたマイクロレンズと、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記透明フィルタ層が透明アクリル系の高分子材料からな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、固体撮像装置に関し、特にシングルチップのカラー撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子への小型化・多画素化の要求に基づき、画素サイズの微細化が急激に進んでおり、１．４μｍサイズの微細画素からなるＣＭＯＳセンサ素子のサンプル出荷予定が報じられている。
【０００３】
画素サイズの微細化トレンドにおいては、入射光量が急激に減少するため、画素内部の光電変換部において発生する信号電子数の減少に伴うＳＮ比低下等の特性劣化が懸念されている。
【０００４】
このような、特性劣化に対処するための一つのアプローチとして、シングルチップのカラー撮像素子に形成されるオンチップカラーフィルタを高感度化する方法が注目を集めている。
【０００５】
従来、シングルチップのカラー撮像素子に形成されるオンチップカラーフィルタとしては、３０年以上前に提案されたＢａｙｅｒ配列が一般的に用いられている。Ｂａｙｅｒ配列は、いわゆる原色系のカラーフィルタであり、その色再現性の良さが特長である（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
本発明者等は、このＢａｙｅｒ配列よりも高感度な原色系カラーフィルタとして、ＲＧＢの三原色のフィルタの他に、透明フィルタ画素を導入することで高感度化を図った新しいカラーフィルタを提案し、新しいカラーフィルタを導入した高感度カラーＣＭＯＳセンサを試作し、評価結果について報告している（例えば、非特許文献１、２参照）。
【０００７】
ＲＧＢの三原色色フィルタにおいては、入射光エネルギーの最大で１／３が吸収されてしまうのに対し、透明フィルタ画素においては、入射光エネルギーは吸収を受けず、入射光を効率良く信号電子に変換することが可能であり、そのために高感度化が実現される。
【０００８】
この透明フィルタ画素を導入した高感度カラーフィルタについては、本発明者等の他にも、Ｄｒ．Ｌｕｏやイーストマンコダック社が提案している（例えば、非特許文献３、４参照）。
【０００９】
透明フィルタ画素を導入したカラーフィルタは、いわゆる補色系のカラーフィルタにおいて提案されたが、補色系の弱点である色再現性の課題や、補色系信号処理において必須の減算処理にともなうＳＮ比劣化等の問題があり、普及するに至らなかった。
【特許文献１】米国特許第３，９７１，０６５号明細書
【非特許文献１】H.Honda, et al. ,“A novel Bayer-like WRGB color filter array for CMOS image sensors”, SPIE6492-57, 2007
【非特許文献２】H.Honda, et al. ,“High Sensitivity Color CMOS Image Sensor with WRGB Color Filter Array and Color Separation Process Using Edge Detection”, Proceedings of International Image Sensor Workshop 2007, p.263, 2007
【非特許文献３】G.Luo, “A novel color filter array with 75% transparent elements”, SPIE6502-28, 2007
【非特許文献４】G.Luo, “Color filter array with sparse color sampling crosses for mobile phone image sensors”,Proceedings of International Image Sensor Workshop 2007, p.162, 2007
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した、透明フィルタ画素を有する高感度カラーフィルタ技術においては、その透明フィルタ画素における透明度、すなわち透過率を高めることが高感度化のために重要である。
【００１１】
従来の補色系のカラーフィルタは、いわゆる染色タイプであることが一般的であり、透明な被染色層を形成した後に、各色フィルタ領域に応じて、順次、染色を行うことによりカラーフィルタを形成する。この被染色層としては、カゼイン・ゼラチン系の材料を用いるが、リソグラフィーによる加工を可能にする目的でｉ線光（波長３６５ｎｍ）を吸収する感光剤を含有しており、その影響で波長４００ｎｍ近傍における青色感度が低下してしまう。
【００１２】
一方、原色系のカラーフィルタにおいては、一般的に、単色のカラーフィルタ層を各色ごとに順次形成するが、その場合にも、リソグラフィーによる加工を可能にする目的でｉ線光（波長３６５ｎｍ）を吸収する感光剤を含有しており、その影響で波長４００ｎｍ近傍における青色感度が低下してしまう。
【００１３】
したがって、青色光に対する高感度化が、いまだ十分であるとは言えなかった。
【００１４】
本発明は、青色光に対する感度が高いシングルチップカラー撮像装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様による固体撮像装置は、半導体基板上に複数の光電変換領域と、前記光電変換領域に発生した信号電荷を読み出すための読み出し回路と、前記複数の光電変換領域の上方に形成された、入射光を分光するためのオンチップカラーフィルタであって、少なくとも、赤色光を透過する第１のカラーフィルタ層、緑色光を透過する第２のカラーフィルタ層、および青色光を透過する第３のカラーフィルタ層のうち二つ以上のカラーフィルタ層を含むとともに、可視光領域の全波長領域において透過性を有する透明フィルタ層を含み、前記透明フィルタ層の透過率は、波長４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域において、９８％以上であり、前記透明フィルタ層は前記カラーフィルタ層と並置されており、前記透明フィルタ層の厚さは前記カラーフィルタ層の厚さよりも厚いとともに前記カラーフィルタ層上に延在し、前記カラーフィルタ層上に延在している前記透明フィルタ層の厚さは前記カラーフィルタ層の厚さの１／２以上であるオンチップカラーフィルタと、前記オンチップカラーフィルタ上に画素ごとに形成されたマイクロレンズと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、青色感度の高いシングルチップカラー撮像装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明の一実施形態によるシングルチップカラー撮像装置のカラーフィルタ配列を模式的に図１に示す。カラーフィルタ５１０は、青色光のみを透過するカラーフィルタ層５１０Ｂと、このカラーフィルタ層５１０Ｂの右横に配列され緑色光のみを透過するカラーフィルタ層５１０Ｇと、このカラーフィルタ層５１０Ｇの下側に配列され赤色光のみを透過するカラーフィルタ層５１０Ｒと、このカラーフィルタ層５１０Ｒの左横に配列され４００ｎｍから７００ｎｍの可視光領域にわたり高い透過率を有する透明フィルタ層５１０Ｗとを有している。これらのフィルタ層は、対応する画素を覆うように設けられて、上記フィルタ層に対応する４個の画素で２×２画素ブロックを形成する。
【００１９】
本実施形態によるシングルチップカラー撮像装置のカラーフィルタの製造方法を図２（ａ）乃至図２（ｆ）を参照して説明する。図２（ａ）乃至図２（ｆ）は、図１に示した１画素部の、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ線に沿った断面図である。
【００２０】
まず、カラーフィルタ形成前のモノクロ撮像装置５００の画素５０２Ｒを覆うように例えば、赤色光のみを透過するカラーフィルタ層５１０Ｒを形成する（図２（ａ）、（ｂ））。このカラーフィルタ層５１０Ｒは、例えば、有機顔料を含有するアクリル系高分子材料を塗布し、ｉ線によるリソグラフィーを行って所望の形状にパターニングされることにより形成される。このため、カラーフィルタ層５１０Ｒは、ｉ線に対する吸収特性を有する感光剤も合わせて含有している。
【００２１】
次に、同様にして、画素５０２Ｇを覆うように、緑色光のみを透過するカラーフィルタ層５１０Ｇを形成する（図２（ｃ））。このカラーフィルタ層５１０Ｇは、例えば、有機顔料を含有するアクリル系高分子材料であり、ｉ線によるリソグラフィーを目的に、ｉ線に対する吸収特性を有する感光剤も合わせて含有している。
【００２２】
さらに、同様にして、画素５０２Ｂを覆うように、青色光のみを透過するカラーフィルタ層５１０Ｂを形成する（図２（ｄ））。このカラーフィルタ層５１０Ｂは、例えば、有機顔料を含有するアクリル系高分子材料であり、ｉ線によるリソグラフィーを目的に、ｉ線に対する吸収特性を有する感光剤も合わせて含有している。
【００２３】
最後に、４００ｎｍから７００ｎｍの可視光領域全体にわたり高い透過率を有する透明フィルタ層５１０Ｗを、素子全面に形成する。すなわち、フィルタ５１０Ｗは、画素５０２Ｗを覆いかつカラーフィルタ層５１０Ｒ、５１０Ｂ、５１０Ｇを覆うように形成する（図２（ｅ））。
【００２４】
その後、図２（ｆ）に示すように、各サブ画素５０２Ｒ、５０２Ｇ、５０２Ｂ、５０２Ｗの直上の透明フィルタ層５１０Ｗ上にそれぞれマイクロレンズ５１２を形成する。
【００２５】
本実施形態においては、透明フィルタ層５１０Ｗは、前述のカラーフィルタ層５１０Ｒ、５１０Ｇ、５１０Ｂとは異なり、リソグラフィーによる加工を前提としないために、ｉ線を吸収する感光剤を添加する必要はない。したがって、波長３６５ｎｍのｉ線吸収特性に伴い発生する４００ｎｍ近傍における吸収特性は現れず、高い青色感度を有するシングルチップのカラー撮像装置を得ることができる。
【００２６】
また、通常は各色のカラーフィルタを形成したのちに、複数のカラーフィルタの厚さ変動を吸収して、表面を平坦化するために光学的に透明な平坦化層を形成することが一般的であるが、本実施形態によれば、すでに透明フィルタ層５１０Ｗが画素領域全面に形成されるために、表面構造は平坦となっている。したがって、画素ごとのマイクロレンズ構造の形成を、上記透明フィルタ層の形成直後に行うことが可能であり、微細画素における高感度のためのマイクロレンズ形成前の工程を省略することが可能である。
【００２７】
このとき、カラーフィルタ層５１０Ｒ、５１０Ｂ、５１０Ｇ上に形成される透明フィルタ層５１０Ｗの厚さを、カラーフィルタ層５１０Ｒ、５１０Ｂ、５１０Ｇの厚さの１／２以上とすることで、透明フィルタ層５１０Ｗの表面形状の平坦性を良好に保つことが可能であり、より好ましい。
【００２８】
さらに、従来構造においては、上述したように透明フィルタ層の形成後に、透明平坦化層を形成することが多い。この場合、透明フィルタ層と透明平坦化層との異種材料界面が形成され、その界面における光の反射、屈折等による入射光の経路変調が発生する場合があり、その結果として、入射光が本来の画素とは異なる画素に入射することに起因する光学的クロストーク、いわゆる混色が発生してしまう。
【００２９】
これに対して、本実施形態においては、透明フィルタ層５１０Ｗを全面に形成することで、透明平坦化層の形成を不要としているため、上記の界面は形成されず、したがって、上記の混色という問題が発生しないという効果もある。
【００３０】
本実施形態において、透明フィルタ層５１０Ｗの材料としては、透明アクリルを用いることが可能であり、好ましい。また、透明フィルタ層５１０Ｗの分光透過特性として、可視光領域である４００ｎｍから７００ｎｍの波長の範囲において９８％以上の透過率を有することが重要である。
【００３１】
本実施形態の撮像装置に用いられる透明フィルタ層５１０Ｗと、従来例の透明フィルタ層との透過率の比較結果を図３に示す。なお、従来例の透明フィルタ層には、本実施形態に係る透明フィルタ層５１０Ｗと異なり、リソグラフィーによる加工を前提とするために、ｉ線を吸収する感光剤が添加されている。図３からわかるように、本実施形態に係る透明フィルタ層５１０Ｗは、可視光領域全体にわたり高い分光透過率特性を示している。特に、４００ｎｍ近傍の短波長領域での透過率が従来の場合よりも高い。４００ｎｍにおける透過率は、従来の場合では９０％に留まるに対して、本実施形態の場合は９８％以上を得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態においては、透明フィルタ層５１０Ｗを形成した後に、透明フィルタ層５１０Ｗをエッチバックすることでマイクロレンズ１２の底面とカラーフィルタ層５１０Ｒ、５１０Ｂ、５１０Ｇとの距離を短縮することも可能であり、その結果、画素部の高さを低背化することができ、微細画素における光学的なアスペクト比を改善することで感度特性・シェーディング特性と改善することができ、より好ましい。
【００３３】
次に、本発明の一実施形態による固体撮像装置を図４乃至図７を参照して説明する。本実施形態の固体撮像装置は、固体撮像素子を備えており、この固体撮像素子を図４に示す。固体撮像素子１０は固体撮像素子チップ１００上に形成されている。
【００３４】
固体撮像素子チップ１００には、光電変換により入射光信号を電気信号に変換する光電変換画素が二次元状のアレイ配列される撮像領域１０１と、この撮像領域１０１の周囲に配置される周辺回路とを備えている。この周辺回路は、負荷トランジスタ部１０２と、ＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）１０３と、Ｖ選択回路１０４と、Ｈ選択回路１０５と、ＡＧＣ（自動ゲイン制御回路）１０６と、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１０７と、デジタルアンプ１０８と、タイミングパルスを発生するＴＧ（タイミングジェネレータ）回路１０９とを備えている。なお、ＡＤＣ１０７は、ＣＤＳ回路１０３と一体として構成されたカラム型のＣＤＳ−ＡＤＣ回路構成とすることも可能である（例えば、T.Sugiki et al., ISSCC2000 Thecnical Digest, p.108, 2000参照）。また、ＴＧ１０９，ＡＧＣ１０６，ＡＤＣ１０７，デジタルアンプ１０８等を別チップにしても構わないし、図４には記載されない信号処理回路を搭載してもよい。
【００３５】
画素領域１０１は、光電変換により入射信号を電気信号に変換する光電変換素子を有する画素が二次元マトリクス状に配列されている。各画素の等価回路を図５に示す。図５は本実施形態による固体撮像素子１０の画素２および負荷トランジスタ部１０２の等価回路図である。画素２は、光電変換素子であるフォトダイオード２０１と、容量２０２と、転送トランジスタ（読み出しトランジスタ）２０３と、読み出し回路２１０とを備えている。読み出し回路２１０は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる３トランジスタ構造であり、増幅トランジスタ２１２と、選択トランジスタ２１４と、リセットトランジスタ２１６とを備えている。フォトダイオード２０１は、アノードが電位制御線ＶＰに接続され、カソードが転送トランジスタ２０３のソースおよびドレインのうちの一方に接続される。転送トランジスタ２０３はゲートがＴＧ回路１０９からのタイミングパルスが印加され、検出ノード２０４となるソースおよびドレインのうちの他方は容量２０２の一方の電極に接続される。容量２０２の他方の電極は電位制御線ＶＰに接続される。したがって、本実施形態においては、外部から、画素の電位を制御することが可能な構成となっている。転送トランジスタ２０３は、ＴＧ回路１０９からのタイミングパルスに基づいて動作し、フォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷を検出ノード２０４に転送する。
【００３６】
読み出し回路２１０内のリセットトランジスタ２１６は、転送トランジスタ２０３により転送された信号電荷をリセット信号ＲＳＴに基づいてリセットする。増幅トランジスタ２１４は、信号電荷に応じた信号電圧を信号線ＳＬに発生させ、選択トランジスタ２１４は行選択パルスＡＤＲにより選択された行の画素内の読出し回路２１０を活性化する。読出し回路２１０の内部の増幅トランジスタ２１２は、撮像領域１０１の外部に配置された負荷トランジスタ部１０２の負荷トランジスタ２２０との組み合わせによりソースフォロア回路を構成しており、選択トランジスタ２１４により選択されていない行は、上記ソースフォロア回路によって電源電圧Ｖｄｄから分離され不活性化される。
【００３７】
なお、本実施形態においては、図５に示すように、画素２内に光電変換素子であるフォトダイオード２０１と、読み出し回路２１０とが設けられていたが、複数のフォトダイオード２０１で１つの読み出し回路を共有することも可能であり、その場合、１画素あたりの平均トランジスタ数を抑制することが可能となり、画素サイズの微細化において有利となる。
【００３８】
再び図４に戻り、マトリクス状に配列された画素において発生した信号はＶ選択回路１０４およびＨ選択回路１０５によって次のように時系列で出力される。Ｖ選択回路１０４により選択された行に配置された画素において光電変換された信号は、画素内の読み出し回路２１０によって信号線ＳＬを介してＣＤＳ回路１０３送られ、固有の雑音が除去される。固有の雑音が除去された信号は、ＡＧＣ１０６で制御されるＡＤＣ１０７に送られてデジタルデータに変換される。変換されたデジタルデータはＨ選択回路１０５により順次選択され読み出された後、デジタルアンプ１０８によって増幅されて外部に出力される。なお、Ｖ選択回路１０４、Ｈ選択回路１０５およびＣＤＳ回路１０３の動作はＴＧ回路１０９から出力されるタイミングパルスによって制御される。
【００３９】
次に、本実施形態の固体撮像素子１００を有する固体撮像装置を図６に示す。この固体撮像装置４００は、固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００に入射光を供給する光学システム４１０と、固体撮像素子１００から出力される電気信号を処理する信号処理装置４３０とを備えている。
【００４０】
本実施形態の固体撮像素子によれば、青感度を向上することが可能であるので、高感度な固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態の固体撮像素子を用いたカメラモジュール、固体撮像装置においては、青感度を向上することが可能であるので、高感度なカメラモジュール、固体撮像装置を得ることができる。
【００４２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態によるシングルチップカラー撮像装置のカラーフィルタ配列を示す図。
【図２】一実施形態のシングルチップカラー撮像装置のカラーフィルタの製造方法を説明する断面図。
【図３】一実施形態のシングルチップカラー撮像装置の透明フィルタ層と、従来の撮像装置の透明フィルタの分光透過率を比較した図。
【図４】本発明の一実施形態による固体撮像素子のブロック図。
【図５】一実施形態の固体撮像素子の画素の等価回路図。
【図６】一実施形態の固体撮像素子を有する固体撮像装置のブロック図。
【符号の説明】
【００４４】
５００  モノクロ撮像装置
５０２Ｒ  サブ画素
５０２Ｇ  サブ画素
５０２Ｂ  サブ画素
５１０  カラーフィルタ
５１０Ｒ  カラーフィルタ層
５１０Ｂ  カラーフィルタ層
５１０Ｇ  カラーフィルタ層
５１０Ｗ  透明フィルタ層
５１２  マイクロレンズ
【図１】
0005253856.tif 000002
【図２】
0005253856.tif 000003
【図３】
0005253856.tif 000004
【図４】
0005253856.tif 000005
【図５】
0005253856.tif 000006
【図６】
0005253856.tif 000007