(57)【要約】【課題】  画素の微細化に伴う画質低下を軽減する。【解決手段】  Ｒ成分の光が入射される開口１３ａを他の開口（１２ａ、１４ａ、１５ａ）よりも広くすることで、開口サイズが全画素にわたり均一である場合に比べて、Ｒ成分の光の減衰量を減らすことができる。したがって、Ｒ成分の光の感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。【選択図】  図２
2007005629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板を覆い、複数の波長域のうち受光領域毎に定められた波長域の光が入射される開口を各受光領域の対応位置に有する遮光膜とを備え、
前記遮光膜が有する開口は、最も長い波長域の光が入射される開口が最も広いこと
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記遮光膜が有する開口は、入射される光の波長域が長いほど広いこと
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記固体撮像装置は、さらに、
前記遮光膜の開口を挟み受光領域に対向して配され、光を各受光領域に集光する複数のマイクロレンズを備え、
各マイクロレンズは、対応する開口が広いほど集光面積が広いこと
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
複数の受光領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板を覆い、複数の波長域のうち受光領域毎に定められた波長域の光が入射される開口を各受光領域の対応位置に有する遮光膜と、
前記遮光膜の開口を挟み受光領域に対向して配され、光を各受光領域に集光する複数のマイクロレンズを備え、
最も長い波長域の光が入射される開口に対応するマイクロレンズが最も集光面積が広いこと
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記マイクロレンズは、開口に入射される光の波長域が長いほど、集光面積が広いこと
を特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
複数の波長域のうちいずれかの波長域の光を受光する複数の画素を備え、
最も長い波長域の光を受光する画素の数は、複数の波長域のなかで最も多いこと
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素の数は、受光する光の波長域が長いほど多いこと
を特徴とする請求項６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、デジタルカメラ等において用いられる固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラの小型化に伴い、固体撮像装置は、画素の微細化が進みつつある。最新の技術では、画素サイズ（対角長）がCCD型で1.56μｍ、MOS型で2.0μｍにまで達している（非特許文献１、２）。
図１２は、非特許文献１に開示されたCCD型撮像素子の構成を示す図である。
イメージ領域は、2040×1533画素を有し、従来よりも面積比で30%の縮小化を図っている。
【０００３】
図１３は、非特許文献２に開示されたMOS型撮像素子の構成を示す図である。
MOS型は、CCD型に比べて小型化が困難と考えられていたが、検出回路（図１３中、Reset、Detection、FD）を４画素で共有することにより、小型化への困難を克服し、2.0μｍの画素サイズを実現している。
【非特許文献１】ISSCC(International Solid State Circuits Conference)  2005/SESSION19/IMAGERS/19.1
【非特許文献２】ISSCC2005/SESSION19/IMAGERS/19.2
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１３に示した先行例では、画素の開口率は約30%なので、画素及び開口を正方形と仮定すれば、開口サイズ（対角長）は約1.1μｍである。今後、画素の微細化はさらに進むと予測される。
しかしながら、このまま画素の微細化が進めば、開口サイズが光の波長の半波長に近づき、開口での光の減衰量が増加することとなる。特に、３原色のうち最も長い波長域であるＲ成分の減衰量が多くなる。その結果、Ｒ成分の感度が極端に低下し、画像全体としての画質の低下を招くという問題が生ずる。
【０００５】
そこで、本発明は、画素の微細化に伴う画質低下を軽減することができる固体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】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の受光領域を有する半導体基板と、前記半導体基板を覆い、複数の波長域のうち受光領域毎に定められた波長域の光が入射される開口を各受光領域の対応位置に有する遮光膜とを備え、前記遮光膜が有する開口は、最も長い波長域の光が入射される開口が最も広い。
【発明の効果】
【０００７】
課題を解決するための手段に記載した構成によれば、開口サイズが全画素にわたり均一である場合に比べて、最長波長域の光の減衰量を減らすことができる。したがって、最長波長域の光の感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。
また、前記遮光膜が有する開口は、入射される光の波長域が長いほど広いこと
としてもよい。
【０００８】
上記構成によれば、全ての波長域にわたり感度をそろえつつ、短い波長域については開口サイズを小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を図ることができる。
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記遮光膜の開口を挟み受光領域に対向して配され、光を各受光領域に集光する複数のマイクロレンズを備え、各マイクロレンズは、対応する開口が広いほど集光面積が広いこととしてもよい。
【０００９】
上記構成によれば、マイクロレンズの集光面積が全画素にわたり均一である場合に比べて、最長波長域の光の入射量を増やすことができる。したがって、最長波長域の光の感度低下を、さらに抑制することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、複数の受光領域を有する半導体基板と、前記半導体基板を覆い、複数の波長域のうち受光領域毎に定められた波長域の光が入射される開口を各受光領域の対応位置に有する遮光膜と、前記遮光膜の開口を挟み受光領域に対向して配され、光を各受光領域に集光する複数のマイクロレンズを備え、最も長い波長域の光が入射される開口に対応するマイクロレンズが最も集光面積が広い。
【００１０】
上記構成によれば、マイクロレンズの集光面積が全画素にわたり均一である場合に比べて、最長波長域の光の入射量を増やすことができる。そうすると、開口での減衰量が多くても、結果的に受光領域での受光量の減少は抑えられる。したがって、当該波長域の光の感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。
また、前記マイクロレンズは、開口に入射される光の波長域が長いほど、集光面積が広いこととしてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、全ての波長域にわたり感度をそろえつつ、全ての画素のサイズを小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を図ることができる。
本発明に係る固体撮像装置は、複数の波長域のうちいずれかの波長域の光を受光する複数の画素を備え、最も長い波長域の光を受光する画素の数は、複数の波長域のなかで最も多い。
【００１２】
上記構成によれば、従来に比べて、最長波長域の光を受光する画素の全体に占める割合が大きくなる。したがって、最長波長域の光の撮像装置全体としての感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。
また、前記画素の数は、受光する光の波長域が長いほど多いこととしてもよい。
上記構成によれば、全ての波長域にわたり感度をそろえつつ、全ての画素のサイズを小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小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】
【００１３】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、固体撮像装置の概略断面図である。
ここでは、２画素のみを表している。固体撮像装置は、半導体基板１、遮光膜３、層間絶縁膜４、カラーフィルタ５及びマイクロレンズ６を備える。半導体基板１には、複数の受光領域２が形成されている。各受光領域２は、受光量に応じて電荷を生成し、蓄積する。遮光膜３は、半導体基板１を覆い、各受光領域の対応位置に開口３ａを有する。開口３ａには、入射光のうち、カラーフィルタ５を透過した成分が入射される。カラーフィルタ５は、画素毎に区分されており、画素毎（１画素は１受光領域を有するので、「受光領域毎」ともいえる。）に定められた波長域の光を透過する。マイクロレンズ６は、画素毎に配され、入射光を各受光領域２に集光する。層間絶縁膜４は、透光性及び絶縁性を併せ持つ材料からなる。
【００１４】
図２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
ここでは、４画素のみを表している。また、カラーフィルタ５は、３原色ベイヤ配列であるものとして説明する。
遮光膜１１は、画素（１２乃至１５）毎に、開口（１２ａ乃至１５ａ）を有する。図２において各画素に表記された「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は、各画素が受光する光の成分を示す。実施の形態１では、ＲＧＢの光の成分のうち、Ｒ成分を受光する画素（Ｒ画素）の開口が、他の成分を受光する画素（Ｇ画素、Ｂ画素）の開口よりも広いことを特徴とする。図２（ａ）の例では、開口１３ａが、開口１２ａ、１４ａ及び１５ａよりも広い。また、開口１２ａ、１４ａ及び１５ａは、それぞれ同じ広さである。
【００１５】
図２（ａ）では、全画素にわたり画素サイズが均一である例であるが、図２（ｂ）のように、画素毎に画素サイズが異なっていてもよい。ただし、図２（ｂ）の例でも、Ｒ画素の開口１８ａが、Ｇ画素の開口１７ａ及び２０ａ、並びにＢ画素の開口１９よりも広いことには変わりはない。
図３は、カラーフィルタの分光特性を示す図である。
【００１６】
このような特性により、各開口には、ＲＧＢの波長域のうち受光領域毎に定められた波長域の光が入射される。
図４は、開口での光の減衰量の波長依存性を示す図である。
曲線２１は、図２（ａ）における開口１３ａの光の減衰量を示している。曲線２２は、図２（ａ）における開口１２ａ、１４ａ及び１５ａの光の減衰量を示している。これによれば、開口１３ａでのＲ成分の光の減衰量、開口１２ａ及び１５ａでのＧ成分の光の減衰量、開口１４ａでのＢ成分の光の減衰量がいずれも同程度である。
【００１７】
一方、仮に、開口１３ａのサイズが他の開口のサイズと均一である場合を想定すれば、Ｒ成分の光の減衰量は、曲線２２に従うので、他の成分の光の減衰量よりも大きくなることがわかる。したがって、Ｒ成分のみが他の成分よりも感度が低くなる。
実施の形態１では、Ｒ画素の開口を他の画素の開口よりも広くすることで、上記のようなＲ成分の感度低下を抑制している。その結果、画質低下が軽減される。
（実施の形態２）
実施の形態２は、光の波長域が長くなるほど遮光膜の開口が広くなる。それ以外の構成については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００１８】
図５は、実施の形態２に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
遮光膜３１は、画素（３２乃至３５）毎に、開口（３２ａ乃至３５ａ）を有する。実施の形態２では、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順に開口サイズを大、中、小とすることを特徴とする。図５（ａ）の例では、開口３３ａ、開口３２ａ及び３５ａ、開口３４ａの順に広い。また、開口３２ａ及び３５ａは、それぞれ同じ広さである。
【００１９】
図５（ａ）では、全画素にわたり画素サイズが均一である例であるが、図５（ｂ）のように、画素毎に画素サイズが異なっていてもよい。ただし、図５（ｂ）の例でも、Ｒ画素の開口１８ａ、Ｇ画素の開口１７ａ及び２０ａ、Ｂ画素の開口１９の順に広いことには変わりはない。
図６は、開口での光の減衰量の波長依存性を示す図である。
【００２０】
曲線４１は、図５（ａ）における開口３３ａの光の減衰量を示している。曲線４２は、図５（ａ）における開口３２ａ及び３５ａの光の減衰量を示している。曲線４３は、図５（ａ）における開口３４ａの光の減衰量を示している。これによれば、開口３３ａでのＲ成分の光の減衰量、開口３２ａ及び３５ａでのＧ成分の光の減衰量、開口３４ａでのＢ成分の光の減衰量がいずれも同程度である。
【００２１】
実施の形態２では、実施の形態１と同様に、Ｒ画素の開口を他の画素の開口よりも広くすることで、Ｒ成分の感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。さらに、実施の形態２では、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順に開口サイズを大、中、小とすることで、全ての波長域にわたり感度をそろえつつ、短い波長域については開口サイズを小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を図ることができる。
【００２２】
図７は、実施の形態２に係る固体撮像装置の遮光膜部分とマイクロレンズとをあわせて表した平面図である。
撮像装置は、画素（５２乃至５５）毎に、マイクロレンズ（５２ｂ乃至５５ｂ）を有する。図７に示すように、各マイクロレンズは、対応する開口が広いほど集光面積が広い。したがって、マイクロレンズの集光面積が全画素にわたり均一である場合に比べて、光の波長域が長いほど光の入射量を増やすことができる。したがって、Ｒ成分の光の感度低下を、さらに抑制することができる。
（実施の形態３）
実施の形態３では、遮光膜及びマイクロレンズの構成が実施の形態１と異なる。それ以外の構成については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００２３】
図８は、実施の形態３に係る固体撮像装置の遮光膜部分とマイクロレンズとをあわせて表した平面図である。
遮光膜６１は、画素（６２乃至６５）毎に、開口（６２ａ乃至６５ａ）を有する。各開口のサイズは、全画素にわたり均一である。また、撮像装置は、画素（６２乃至６５）毎に、マイクロレンズ（６２ｂ乃至６５ｂ）を有する。実施の形態３では、Ｒ画素のマイクロレンズの集光面積が、他の画素のマイクロレンズの集光面積よりも広いことを特徴とする。図８の例では、マイクロレンズ６３ｂの集光面積が、マイクロレンズ６２ｂ、６４ｂ及び６５ｂの集光面積よりも広い。また、マイクロレンズ６２ｂ、６４ｂ及び６５ｂの集光面積は、それぞれ同じである。
【００２４】
各画素の開口サイズが全画素にわたり同一であれば、Ｒ成分の光の減衰量は、他の成分の光の減衰量よりも多い（図４、曲線２２参照）。
実施の形態３では、Ｒ成分の光の減衰量が多くても、Ｒ画素のマイクロレンズの集光面積を広くすることで、受光量の減少を軽減、あるいは受光量の増加を図ることができる。したがって、Ｒ成分の光の感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。
（実施の形態４）
実施の形態４は、光の波長域が長くなるほどマイクロレンズの集光面積が広くなる。それ以外の構成については実施の形態３と同様なので説明を省略する。
【００２５】
図９は、実施の形態４に係る固体撮像装置の遮光膜部分とマイクロレンズとをあわせて表した平面図である。
撮像装置は、画素（６７乃至７０）毎に、マイクロレンズ（６７ｂ乃至７０ｂ）を有する。実施の形態４では、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順にマイクロレンズの集光面積を大、中、小とすることを特徴とする。図９の例では、マイクロレンズ６３ｂの集光面積が、マイクロレンズ６８ｂ、マイクロレンズ６７ｂ及び７０ｂ、マイクロレンズ６９ｂの順に集光面積が広い。また、マイクロレンズ６７ｂ及び７０ｂの集光面積は、それぞれ同じである。
【００２６】
実施の形態４では、実施の形態３と同様に、Ｒ画素のマイクロレンズを他の画素のマイクロレンズよりも集光面積を広くすることで、Ｒ成分の感度低下を抑制し、画質低下を軽減することができる。さらに、実施の形態４では、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順にマイクロレンズの集光面積を大、中、小とすることで、全ての波長域にわたり感度をそろえつつ、全画素を小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を図ることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５では、カラーフィルタの配列が実施の形態１と異なる。それ以外の構成については実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００２７】
図１０は、実施の形態５に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
遮光膜７１は、画素（７２乃至７５）毎に、開口（７２ａ乃至７５ａ）を有する。各開口のサイズは、全画素にわたり均一である。実施の形態３では、Ｒ画素の数が、Ｇ画素の数、Ｂ画素の数よりも多いことを特徴とする。図１０の例では、Ｒ画素が２個、Ｇ画素が１個、Ｂ画素が１個である。
【００２８】
各画素の開口サイズが全画素にわたり同一であれば、Ｒ成分の光の減衰量は、他の成分の光の減衰量よりも多い（図４、曲線２２参照）。
実施の形態５では、Ｒ成分の光の減衰量が多くても、全画素に占めるＲ画素の割合を多くすることで、補間処理等の精度を向上させて画質低下を軽減することができる。
（実施の形態６）
実施の形態６は、光の波長域が長くなるほど画素数が多くなる。それ以外の構成については実施の形態５と同様なので説明を省略する。
【００２９】
図１１は、実施の形態６に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
ここでは、１６画素を表している。実施の形態６では、光の波長域が長くなるほど画素数が多いことを特徴とする。図１１の例では、Ｒ画素が７個、Ｇ画素が５個、Ｂ画素が４個である。
上記構成によれば、光の波長域が長くなるほど各開口での減衰量が増加するので、それにあわせて波長域毎に受光する光の総量を増加させることができる。
【００３０】
実施の形態６では、実施の形態５と同様に、Ｒ画素の数を他の画素の数よりも多くすることで、画質低下を軽減することができる。さらに、実施の形態６では、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の順に画素数を多くすることで、色毎の感度をそろえつつ、全画素を小さくすることができる。したがって、撮像装置全体の小型化を図ることができる。
以上、本発明に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施の形態１では、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の光の減衰量が同程度になるように開口サイズが調整されている。しかしながら、画質低下の軽減を図るためには、必ずしも減衰量を同程度にする必要はない。開口が少しでも広くなればその分だけ入射光が増加するので、受光量が増加するからである。したがって、Ｒ画素の開口が他の画素の開口に比べて少しでも広ければ、Ｒ成分の感度低下を抑える効果が得られると考えられる。実施の形態２についても同様である。
（２）実施の形態１では、Ｒ画素の開口が、Ｇ画素及びＢ画素の開口よりも広い。しかしながら、本発明は、Ｒ画素の開口が最も広ければ、この例に限らない。例えば、Ｇ画素の開口がＲ画素の開口と同じサイズであって、Ｂ画素の開口がＲ画素及びＧ画素の開口よりも狭いこととしてもよい。
（３）実施の形態３では、Ｒ画素のマイクロレンズの集光面積が、他の画素のマイクロレンズの集光面積よりも広い。しかしながら、本発明は、これに限らず、Ｒ画素のマイクロレンズの集光面積が、複数の画素のマイクロレンズのなかで最も広ければ、Ｒ成分の感度低下を抑える効果が得られる。例えば、Ｒ画素及びＧ画素のマイクロレンズが同じ集光面積であり、Ｂ画素のマイクロレンズがそれらよりも集光面積が狭いこととしてもよい。
（４）実施の形態５では、Ｒ画素の数が他の画素の数よりも多い。しかしながら、本発明は、これに限らず、Ｒ画素が、複数の色成分のなかで最も多ければ、Ｒ成分の感度低下を抑える効果が得られる。例えば、Ｒ画素とＧ画素とが同数であり、Ｂ画素がこれらよりも少ないこととしてもよい。
（５）実施の形態１では、３原色フィルタの例で説明しているが、本発明は、これに限らない。例えば、補色フィルタ（シアン、マゼンタ、イエロー、グリーン）を用いることとしてもよい。この場合、長波長成分を最も多く含む光を受光する画素の開口が最も広ければよい。実施の形態２についても同様である。
【００３１】
実施の形態３及び４においても、補色フィルタを用いる場合には、長波長成分を最も多く含む光を受光する画素のマイクロレンズが最も集光面積が広ければよい。
実施の形態５及び６においても、補色フィルタを用いる場合には、長波長成分を最も多く含む光を受光する画素が最も多ければよい。
（６）実施の形態１乃至６のうちの複数の形態を組み合わせて適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の活用例として、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】固体撮像装置の概略断面図である。
【図２】実施の形態１に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
【図３】カラーフィルタの分光特性を示す図である。
【図４】開口での光の減衰量の波長依存性を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
【図６】開口での光の減衰量の波長依存性を示す図である。
【図７】実施の形態２に係る固体撮像装置の遮光膜部分とマイクロレンズとをあわせて表した平面図である。
【図８】実施の形態３に係る固体撮像装置の遮光膜部分とマイクロレンズとをあわせて表した平面図である。
【図９】実施の形態４に係る固体撮像装置の遮光膜部分とマイクロレンズとをあわせて表した平面図である。
【図１０】実施の形態５に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
【図１１】実施の形態６に係る固体撮像装置の遮光膜部分を表した平面図である。
【図１２】非特許文献１に開示された最新のCCD型撮像素子の構成を示す図である。
【図１３】非特許文献２に開示された最新のMOS型撮像素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    半導体基板
２    受光領域
３    遮光膜
３ａ  開口
４    層間絶縁膜
５    カラーフィルタ
６    マイクロレンズ
１１、１６、３１、３６、５１、６１、６６、７１、７６    遮光膜
【図１】
2007005629.tif 000003
【図２】
2007005629.tif 000004
【図３】
2007005629.tif 000005
【図４】
2007005629.tif 000006
【図５】
2007005629.tif 000007
【図６】
2007005629.tif 000008
【図７】
2007005629.tif 000009
【図８】
2007005629.tif 000010
【図９】
2007005629.tif 000011
【図１０】
2007005629.tif 000012
【図１１】
2007005629.tif 000013
【図１２】
2007005629.tif 000014
【図１３】
2007005629.tif 000015