JP2006156898A - 固体撮像素子及び固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 「青にじみ」を軽減又は解消した高画質の撮像が可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 固体撮像素子１００は、ｎ型シリコン基板７に形成されたＰウェル層８の表面に形成されたｎ^＋層９及びｐ^＋層１０から構成される光電変換素子と、光電変換素子の上に形成された平坦化層１５と、平坦化層１５の上に形成された原色系のカラーフィルタ１６，１７と、カラーフィルタ１６，１７の上に形成された平坦化層１９と、平坦化層１９の上に形成されたマイクロレンズ２０とを有する。平坦化層１９は、４２０ｎｍ以下の短波長域において分光透過率が急峻に減衰する特性を持つ材料で構成され、マイクロレンズ２０の下地層として機能するだけでなく、青にじみを防止する青にじみ防止層としても機能する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子を有する固体撮像素子に関する。

一般に、光学系を構成する媒質は波長によってその屈折率を異にするため、同一物点から発してレンズの同一点に入射した光線は屈折後、図１３に示すように、波長（λ１、λ２）によってその進路を多少異にし、結像面の位置が変動量Δだけ変動する。また、焦点距離も波長によってわずかながら異なるのが普通である。

この結果、例えば白色の星をレンズで結像させた場合、その像が多少色付いて見える色収差という現象が発生する。収差には、屈折率が波長に応じて変化することにより起こる上述の色収差の他に、屈折面として球面を使用しているために生ずる（広義の）球面収差がある。このような収差があると、図１３に示すように、点像（被写体）が水平方向に広がった強度分布を与えることになり、いわゆる「色にじみ」の原因となる。

図１４は、集光光学系の色収差の波長依存性の一例を示す図である。
図１４に示すように、一般に、色収差による結像面の変動量Δ及び点像の水平方向へのズレや広がりは、波長が短くなるほど大きくなる。特に、４２０ｎｍ以下の波長域では変動量Δが急激に増加する。このため、色収差は、特に短波長側、即ち、青色から紫外の領域で顕著に現れることが分かる。従って、色収差による結像面の変動量Δ及び点像の水平方向へのズレや広がりは、青色から紫外の光が入射した場合に最も大きく現れると考えられる。

上記収差について、固体撮像素子を例にして具体的に説明する。
固体撮像素子は、図１５に示すように、異なる色（赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ））を検出する画素が二次元平面上に配置された構成である。尚、Ｒ画素の上にはＲのカラーフィルタが設けられ、Ｇ画素の上にはＧのカラーフィルタが設けられ、Ｂ画素の上にはＢのカラーフィルタが設けられている。

ここで、図１５に示す固体撮像素子に青色から紫外の領域の波長を含む白色光が照射された場合を考える。収差がなく、被写体が点像であれば、その点像は固体撮像素子上のある画素にも点像５０として結像するはずである。しかし、上述の収差が発生すると、入射光がある強度分布を持つ広がった像５１や５２として固体撮像素子上に入射される。この広がりが最も大きいのは短波長光（青色から紫外）であるため、この短波長光は、点像５０が結像されるべき画素を中心とする広範囲の画素にも分布することとなる。

Ｂのカラーフィルタは、一般的に、４００ｎｍ以下の光に対しても透過率を有する。このため、Ｂを検出する画素は、上記短波長光（青色から紫外の光）が入射した場合、これを受光し、青色の光として検出することになる。他方、ＲとＧのカラーフィルタは、短波長（青色から紫外）領域において殆ど光を透過しない。このため、ＲやＧを検出する画素は、上記短波長光（青色から紫外の光）が入射しても、これを信号として検出するレベルは極めて低い。従って、この場合の収差は、明るい点の周りに青色が生ずるいわゆる「青にじみ」現象となって顕著に現れることとなる。

近年、上記のような固体撮像素子を搭載した撮像装置においては、装置の小型化、薄型化、軽量化が求められるようになっている。さらに、装置によっては、より明るいレンズ（Ｆ２．８以下の低Ｆナンバ）やより高倍率のズームレンズが求められている。しかし、このようなニーズを満足する撮像装置の設計は極めて困難である。これは、レンズ系の小型化、高倍率化、低Ｆ値対応、及びレンズのＭＴＦ改善等と、レンズの収差の軽減等とが必ずしも両立しないからである。

つまり、現状では、レンズ系の収差を完全に無くすことは実際上極めて困難になっており、そのような収差を持った入射光が固体撮像素子に入射する危険性がより高まってきているのである。このような理由から、近年では、「青にじみ」を軽減又は解消するための有効な解決手段を、レンズ系だけでなく、固体撮像素子側にも求められるようになってきている。

固体撮像素子を搭載する近年の小型デジタルカメラやカメラ付携帯電話等では、レンズ系の小型化、高倍率化、及び低Ｆ値対応のために、上述した「青にじみ」現象が顕著となって現れている。例えば、木々の間から漏れる太陽光を撮影した際に、太陽光の周辺が青色に着色して不自然な画像となってしまうのがそれである。このため、このような小型デジタルカメラやカメラ付携帯電話等においては、固体撮像素子側で「青にじみ」を軽減又は解消することが特に必要となっている。

一般に、デジタルカメラ等には、固体撮像素子とレンズ系の間に赤外（ＩＲ）カットフィルタが挿入されている（例えば特許文献１参照）。この赤外カットフィルタは、３７０〜６５０ｎｍの波長の光を透過するバンドパスフィルタである。このため、３７０ｎｍ以下の波長域の光は、ＩＲカットフィルタによって遮断されて固体撮像素子には入射しないが、青にじみを引き起こす３７０〜４２０ｎｍ程度の短波長光は固体撮像素子に入射している。

又、Ｓｉ基板のｐｎフォトダイオードを利用した固体撮像素子の分光感度は、非特許文献１にも示されているように、短波長側は３７０ｎｍ前後から長波長側は７００ｎｍ以上の範囲をカバーしている。又、固体撮像素子の感度を少しでも向上させるため、短波長側の感度を積極的に利用した例も特許文献２に示されている。

このように、従来の固体撮像素子は、３７０ｎｍ〜青色の範囲の短波長に感度を持っているために、上述した収差に起因する「青にじみ」が顕著に現れていたと考えられる。したがって、この「青にじみ」を固体撮像素子側で軽減又は解消するためには、固体撮像素子の短波長側の感度を調整することが有効と考えられる。

従来、短波長側の感度を調整した固体撮像素子として、４００ｎｍよりも紫外（短波）側に吸収波長を持つ染料で染色したフィルタをカラーフィルタ上に形成した固体撮像素子が提案されている（特許文献３参照）。

特開２００２−５０７１号公報 特開平１１−１２１７２８号公報 特開平５−１３４１１３号公報 井沢龍一、他４名，「テレビジョン学会技術報告（ＭＯＳ型撮像素子の光電特性）」，昭和５６年１２月１６日，ＥＤ６０８ ｐ．１３−１８

特許文献３記載の固体撮像素子は、カラーフィルタに短波長の光が入射することによるカラーフィルタの退色防止を目的としており、「青にじみ」を軽減又は解消することを目的としているものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、「青にじみ」を軽減又は解消した高画質の撮像が可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、前記複数の光電変換素子の上方に、短波長域において分光透過率が減衰する特性を持つ青にじみ防止層を備える。

この構成により、青にじみを引き起こす短波長域の光を青にじみ防止層によって減衰させて、青にじみを軽減又は解消することができる。

本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子の上方にカラーフィルタを備え、前記青にじみ防止層は、前記カラーフィルタの上方に設けられる。

この構成により、カラーフィルタの上方に青にじみ防止層が設けられているため、青にじみを引き起こす短波長域の光のカラーフィルタへの侵入を防止することができ、カラーフィルタの退色を防止することが可能となる。

本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子の上方にカラーフィルタを備え、前記青にじみ防止層は、前記カラーフィルタの下方に設けられる。

この構成により、カラーフィルタの下方に青にじみ防止層が設けられているため、青にじみ防止層の上方にカラーフィルタやマイクロレンズを形成する際のフォトリソグラフィーにおいて、レジスト露光時の光源からの短波長域の光が半導体基板に到達してそこで反射してしまうのを防ぐことができる。したがって、カラーフィルタやマイクロレンズのパターンを正確に形成することが可能となる。

本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子の上方にカラーフィルタを備え、前記カラーフィルタが、前記青にじみ防止層として機能する。

この構成により、カラーフィルタの短波長側の減衰特性を制御するだけで青にじみを防止することが可能となるため、固体撮像素子の製造が容易になる。

本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタが少なくとも青色の光を透過する青色カラーフィルタを含み、前記青色カラーフィルタが、前記青にじみ防止層として機能する。

この構成により、青色の光を透過するカラーフィルタ以外のカラーフィルタは、従来と同様の材料を用いることができるため、製造が容易となる。

本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタの上方に、前記複数の光電変換素子の各々に光を集光するマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズが前記青にじみ防止層として機能する。好ましくは前記マイクロレンズがギャップレスマイクロレンズである。

このように、固体撮像素子の最上層にあるマイクロレンズを青にじみ防止層として機能させることで、青にじみを引き起こす短波長域の光が固体撮像素子内部において迷光となったり、多重反射したりすることを防ぐことができ、高画質の撮像が可能となる。特に、マイクロレンズがギャップレスマイクロレンズの場合には、上記迷光や多重反射をほぼ確実になくすことができるため、より効果的である。

本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタが原色系又は補色系のカラーフィルタである。

本発明の固体撮像素子は、前記青にじみ防止層が４００ｎｍ以下の波長の光を実質的に透過しない特性を持つものである。

本発明の固体撮像素子は、前記青にじみ防止層が４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が減衰し始める特性を持つものである。

本発明の固体撮像素子は、前記複数の光電変換素子に蓄積される信号電荷に応じた信号をＣＣＤ又はＭＯＳによって外部に読み出す信号読み出し回路を備える。

本発明の固体撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子に入射する光の赤外波長域をカットする赤外カットフィルタとを備え、前記赤外カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が６５０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下である。

上記固体撮像素子は、青にじみ防止層を設けたことによって感度の幅が狭くなってしまうが、上記のように赤外カットフィルタの長波長側のカットオフ波長を６５０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下にすることで、その幅が広がり、高品質の画像を生成することが可能となる。

本発明の固体撮像装置は、前記赤外カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下である。

この構成により、より高品質な画像を生成することが可能となる。

本発明によれば、「青にじみ」を軽減又は解消した高画質の撮像が可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の表面模式図である。図２は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図である。
ｎ型シリコン基板７の表面には、緑色（Ｇ）の光を検出すると共に、それに応じた信号電荷を発生して蓄積するＧ光電変換素子１（図１では“Ｇ”で記載）と、赤色（Ｒ）の光を検出すると共に、それに応じた信号電荷を発生して蓄積するＲ光電変換素子２（図１では“Ｒ”で記載）と、青色（Ｂ）の光を検出すると共に、それに応じた信号電荷を発生して蓄積するＢ光電変換素子３（図１では“Ｂ”で記載）とを含む複数の光電変換素子が、行方向（図１のＸ方向）及び列方向（図１のＹ方向）に正方格子状に配設されている。尚、各光電変換素子の配列は正方格子状に限らず、公知の配列を採用することができる。

Ｇ光電変換素子１の上方には緑色の光を透過するＧカラーフィルタ１７が積層され、Ｒ光電変換素子２の上方には赤色の光を透過するＲカラーフィルタ（不図示）が積層され、Ｂ光電変換素子３の上方には青色の光を透過するＢカラーフィルタ１６が積層されている（図２参照）。これらカラーフィルタの材料は、染料や顔料を用いることができる。

ｎ型シリコン基板７の表面には、光電変換素子１，２，３に蓄積された信号電荷をＹ方向に転送する垂直転送路４（ＶＣＣＤ）が各光電変換素子列の右脇に設けられており、下辺部には垂直転送路４から転送されてきた信号電荷をＸ方向に転送する水平転送路５（ＨＣＣＤ）と、水平転送路５から転送されてきた信号電荷に応じた信号を外部に出力する出力部６とが設けられている。垂直転送路４は３相（Φ１〜Φ３）で駆動され、水平転送路５は２相（Ｈ１，Ｈ２）で駆動されるが、駆動方式はこれに限らず、公知の駆動方式を採用することができる。

固体撮像素子１００は、垂直転送路４、水平転送路５、及び出力部６を含む信号読み出し回路によって信号を外部に読み出すものであり、その構成は、一般のＣＣＤ型イメージセンサと同様である。ＣＣＤ型イメージセンサには、フレーム転送（frame transfer）型やインターライン転送（interline transfer）型、フレームインターライン転送（frame interline transfer）型などが挙げられ、本実施形態では、これらのいずれも採用することができる。

図２に示すように、ｎ型シリコン基板７の表面側にはＰウェル層８が形成され、Ｐウェル層８の表面部にはｎ^＋層９が形成され、ｎ^＋層９の表面にはｐ^＋層１０が形成されており、ｎ^＋層９とｐ^＋層１０がｐｎフォトダイオードを構成し、これがＢ光電変換素子３に相当する。Ｂ光電変換素子３で発生した信号電荷は、ｎ^＋層９に蓄積される。

図２において、ｎ^＋層９の左側には、少し離間してｎ層４が設けられ、このｎ層４が、図１に示す垂直転送路４を構成する。ｎ層４の表面部にはｎ^＋層９まで達する読み出し電極１３を兼用する転送電極が形成され、各転送電極の上には、遮光膜１２が設けられている。読み出し電極１３に読み出しパルスが加わることで、ｎ^＋層９に蓄積された信号電荷は垂直転送路４へと読み出される。ｎ型シリコン基板７の最表面には、酸化シリコン膜１１が形成され、その上に転送電極１３が形成される。図２において、ｎ^＋層９と、ｎ^＋層９の右側にある垂直転送路４とは、素子分離帯１４によって分離される。

酸化シリコン膜１１の上には、平坦化層１５が形成され、平坦化層１５の上に上述したＢカラーフィルタ１６，Ｇカラーフィルタ１７，Ｒカラーフィルタが形成される。各カラーフィルタの上には、平坦化層１９が形成され、平坦化層１９の上に、光電変換素子１〜３のそれぞれに対応した複数のマイクロレンズ２０が形成される。マイクロレンズ２０は、対応する光電変換素子の開口内側に光を集光する機能を果たす。

尚、Ｇ光電変換素子１とＲ光電変換素子２の断面は、図２において、ｎ^＋層９とｐ^＋層１０からなる光電変換素子の上方に設けられるカラーフィルタの種類が異なる以外は、図２と同じ構成であるため、その説明を省略する。

本実施形態の固体撮像素子１００は、平坦化層１９が、マイクロレンズ２０の下地層として機能するだけでなく、上述した青にじみを防止するための青にじみ防止層としても機能する。

図３は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子のカラーフィルタ上に形成される平坦化層の分光透過率を示す図である。図３に示すように、平坦化層１９は、４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が急峻に減衰し始め、４００ｎｍ以下の波長の光については実質的に透過しない特性を有している。

平坦化層１９の材料には、アクリル、エポキシ、フェノール樹脂等の透明樹脂が使用可能であり、これらに紫外線吸収性化合物や紫外線吸収剤を添加したり、樹脂分子鎖に組み込んだりすることにより、所望の分光透過率を得ることができる。紫外線吸収剤には、ペンゾフェノン系、ナフタレン系、フェニル系、クマリン系有機化合物等がある。

図４は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の分光感度を示す図である。図４において、青色の分光感度を示す曲線には符号Ｂを付し、緑色の分光感度を示す曲線には符号Ｇを付し、赤色の分光感度を示す曲線には符号Ｒを付した。又、青色の分光感度を示す曲線のうち、破線で示した曲線は、平坦化層１９が青にじみ防止機能を持たない場合の、青色の分光感度を示す曲線である。尚、図４に示す分光感度は、３８０ｎｍ以下の波長域の光及び６５０ｎｍ以上の波長域の光をカットするＩＲカットフィルタを固体撮像素子１００のマイクロレンズ２０の上方に設けたときの特性である。

図４に示したように、固体撮像素子１００の青色の分光感度は、４２０ｎｍ付近の短波長域において、平坦化層１９に青にじみ防止機能を持たせなかったときよりも急峻に減衰していることが分かる。図１４に示したように、色収差によって生じる結像面の変動量Δは、波長４２０ｎｍ以下になると急激に大きくなり、これが青にじみの大きな要因となっていたが、固体撮像素子１００によれば、４２０ｎｍ以下の短波長域の光については感度をほとんど持たないため、上記変動量Δの増大を抑えることができ、青にじみを軽減又は解消した高画質の撮像を可能にすることができる。

このように本実施形態によれば、固体撮像素子１００側で青にじみの軽減又は解消を行うことができるため、固体撮像素子１００を搭載する撮像装置において、レンズ系の小型化、高倍率化、低Ｆ値対応、及びＭＴＦ改善等が容易になるという利点がある。

又、本実施形態では、各カラーフィルタの上の平坦化層１９を青にじみ防止層として機能させているため、各カラーフィルタに短波長域の光（４２０ｎｍ以下の波長域の光）が入射するのを防ぐことができ、カラーフィルタの材料が染料である場合には、その退色を防ぐことができるという効果もある。

尚、カラーフィルタの退色を防ぐためだけであれば、平坦化層１９の分光透過率は、４２０ｎｍ付近の短波長域において急峻に減衰させる必要はなく、４２０ｎｍ付近の短波長域においてなだらかに減衰させるだけでも十分である。しかし、青にじみを軽減又は解消するためには、色収差によって生じる結像面の変動量Δが波長４２０ｎｍ以下になると急激に大きくなることから、平坦化層１９の分光透過率を４２０ｎｍ付近の短波長域において急峻に減衰させることは重要である。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の表面模式図は、図１と同様であるが、図１のＡ−Ａ線の断面模式図が若干異なるため、以下、その異なる点について説明する。

図５は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図である。図５において図２と同様の構成には同一符号を付してある。図５に示す固体撮像素子２００は、図２において、平坦化層１９を平坦化層１９’に変更し、Ｂカラーフィルタ１６をＢカラーフィルタ１６’に変更した以外は、図２と同様の構成である。

本実施形態の固体撮像素子２００では、平坦化層１９’がマイクロレンズ２０の下地層として機能し、Ｂカラーフィルタ１６’が青色の光を透過させるフィルタとして機能するだけでなく、上述した青にじみ防止層としても機能する。

図６は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子のＢカラーフィルタの分光透過率を示す図である。
図６に示すように、Ｂカラーフィルタ１６’は、４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が急峻に減衰し始め、４００ｎｍ以下の波長の光については実質的に透過しない特性を有すると共に、５３０ｎｍ以上の波長域の光についてはほとんど透過しない特性を有している。

Ｂカラーフィルタ１６’は、固体撮像素子に一般に用いられる青色のカラーフィルタの分光透過率を、４２０ｎｍ付近の短波長域において急峻に減衰させることで製造が可能である。

カラーフィルタには、大別して顔料系と染料系がある。一般に、青色を透過させる顔料系のカラーフィルタとしては、銅又はアルミニウムを含有するフタロシアニン系顔料（例えば富士色素（株）社製富士カーミン６Ｂ等）が多く用いられている。しかし、このような顔料系のカラーフィルタでは、所望の分光感度のピーク値や半値幅を自由に変えることが難しいという問題がある。他方、染料系のカラーフィルタは、染料の種類が豊富であり、複数の染料を組み合わせることにより、種々の分光特性を得ることができるというメリットがある。

Ｂカラーフィルタ１６’は、顔料及び染料のいずれを用いても製造することは可能であるが、上記事情により、染料を用いた方が容易に製造することができる。例えば、青色の染色材料には日本化薬（株）社製カヤノールシアニン６Ｂ等が市販されているが、このような染色材料に、本願発明において特徴的な分光特性であるところの、４２０ｎｍ付近の波長域において急峻な減衰特性を有する染料を合成或いは調製することで、Ｂカラーフィルタ１６’を製造することが可能である。尚、染色系カラーフィルタの製造方法には、いわゆる染色法（ゼラチンなどのベース層を染色する方法）や、染料を含むカラーレジストを塗布，パターニングする方法等がある。

このような構成の固体撮像素子２００は、その分光感度が図４に示したものとほぼ同じになるため、第一実施形態と同様に変動量Δの増大を抑えることができ、青にじみを軽減又は解消した高画質の撮像を行うことが可能となる。

又、固体撮像素子２００は、従来からある青色のカラーフィルタの短波長側の減衰特性を制御するだけで製造可能なため、第一実施形態のように、青にじみ防止層として機能する平坦化層を新たに開発する必要がなくなり、その製造が容易になるという利点がある。

（第三実施形態）
本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の表面模式図は、図１と同様であるが、図１のＡ−Ａ線の断面模式図が若干異なるため、以下、その異なる点について説明する。

図７は、本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図である。図７において図２と同様の構成には同一符号を付してある。図７に示す固体撮像素子３００は、図２において、平坦化層１９を平坦化層１９’に変更し、平坦化層１５を平坦化層１５’に変更した以外は、図２と同様の構成である。

本実施形態の固体撮像素子３００では、平坦化層１９’がマイクロレンズ２０の下地層として機能し、平坦化層１５’が上述した青にじみ防止層として機能する。平坦化層１５’の分光透過率は、図３に示したものと同じであり、４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が急峻に減衰し始め、４００ｎｍ以下の波長の光については実質的に透過しない特性を有している。平坦化層１５’の材料は図２の平坦化層１９と同じである。

このような構成の固体撮像素子３００は、その分光感度が図４に示したものとほぼ同じになるため、第一実施形態と同様に変動量Δの増大を抑えることができ、青にじみを軽減又は解消した高画質の撮像を行うことが可能となる。

又、固体撮像素子３００は、各カラーフィルタの下方にある平坦化層１５’を青にじみ防止層として機能させているため、平坦化層１５’の上方にカラーフィルタやマイクロレンズ２０を形成する際のフォトリソグラフィーにおいて、レジスト露光時の光源からの短波長域（３６０ｎｍ以下）の光を平坦化層１５’によって吸収することができ、この光がｎ型シリコン基板７に到達してそこで反射してしまうのを防ぐことができる。したがって、カラーフィルタやマイクロレンズ２０のパターンを正確に形成することが可能となる。

（第四実施形態）
本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の表面模式図は、図１と同様であるが、図１のＡ−Ａ線の断面模式図が若干異なるため、以下、その異なる点について説明する。

図８は、本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図である。図８において図２と同様の構成には同一符号を付してある。図８に示す固体撮像素子４００は、図２において、平坦化層１９を平坦化層１９’に変更し、マイクロレンズ２０をマイクロレンズ２０’に変更した以外は、図２と同様の構成である。

平坦化層１９’の上に形成されるマイクロレンズ２０’は、光電変換素子１〜３のそれぞれに対応して設けられ、対応する光電変換素子の開口内側に光を集光する機能を果たすのものである。尚、マイクロレンズ２０’は、図８に示したように、入射光をほぼ１００％集光可能なギャップレスマイクロレンズであることが好ましい。

本実施形態の固体撮像素子４００では、平坦化層１９’がマイクロレンズ２０’の下地層として機能し、マイクロレンズ２０’が光電変換素子に光を集光するレンズとして機能するだけでなく、上述した青にじみ防止層としても機能する。マイクロレンズ２０’の分光透過率は、図３に示したものと同じであり、４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が急峻に減衰し始め、４００ｎｍ以下の波長の光については実質的に透過しない特性を有している。マイクロレンズ２０’の材料は図２の平坦化層１９と同じである。

このような構成の固体撮像素子４００は、その分光感度が図４に示したものとほぼ同じになるため、第一実施形態と同様に変動量Δの増大を抑えることができ、青にじみを軽減又は解消した高画質の撮像を行うことが可能となる。

又、固体撮像素子４００は、固体撮像素子４００の最上層にあるマイクロレンズ２０’を青にじみ防止層として機能させているため、青にじみを引き起こす短波長域（４２０ｎｍ以下）の光が固体撮像素子４００内部において迷光となったり、多重反射したりすることを防ぐことができ、より高画質の撮像を行うことが可能となる。特に、マイクロレンズがギャップレスマイクロレンズの場合には、上記迷光や多重反射をほぼ確実になくすことができるため、より効果的である。

尚、第一〜第四実施形態で説明した固体撮像素子は、シリコン基板表面に配設された光電変換素子に蓄積される信号電荷に応じた信号を、ＣＣＤを用いて外部に読み出すＣＣＤ型のものとしているが、ＣＣＤの代わりにＭＯＳを用いて該信号を外部に読み出すＭＯＳ型のものであっても上述した効果を得ることはできる。

この場合は、例えば図９に示すように、シリコン基板表面に、正方格子状に複数の光電変換素子４１〜４４を配設し、各光電変換素子の脇に信号読み出し用のＭＯＳ回路を形成し、シリコン基板の右側部に垂直走査回路４７を形成し、シリコン基板の上側部に水平走査回路，信号読出し回路４５と出力部４６を形成する。そして、垂直走査回路４７により走査を行い、同じ行に設けられた光電変換素子からＭＯＳ回路により読み出された信号を列方向の出力線に読み出し、この信号を水平走査回路，信号読出し回路４５，出力部４６によって順番に読み出せば良い。

又、第一〜第四実施形態では、カラーフィルタとして原色系のカラーフィルタを用いているが、原色系のカラーフィルタの代わりに補色系のカラーフィルタを用いても良い。

この場合は、例えば、複数の光電変換素子の上方に、緑（Ｇ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ）の４つの補色系カラーフィルタのいずれかを積層し、図９に示すように、Ｇを検出する光電変換素子４１と、Ｍｇを検出する光電変換素子４２と、Ｙｅを検出する光電変換素子４３と、Ｃｙを検出する光電変換素子４４との４種類の光電変換素子をシリコン基板上に正方格子状に配設した構成とすれば良い。

第二実施形態の固体撮像素子２００において補色系のカラーフィルタを用いる場合には、青色を透過するカラーフィルタ（マゼンタのカラーフィルタやシアンのカラーフィルタ）に、４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が急峻に減衰し始め、４００ｎｍ以下の波長の光については実質的に透過しない特性を持たせておけば良い。

（第五実施形態）
図１０は、本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像装置の概略構成を示す図である。
図１０に示す固体撮像装置３０は、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話機等に搭載されるカメラモジュールであり、撮影レンズ等のレンズ系３１と、絞り３２と、赤外波長域の光をカットするＩＲカットフィルタ３３と、第一〜第四実施形態で説明した固体撮像素子（ここでは固体撮像素子１００とする）とを含み、レンズ系３１、絞り３２、ＩＲカットフィルタ３３、固体撮像素子１００が、光の入射側からこの順番に並んで配置されている。

ＩＲカットフィルタ３３は、短波長側のカットオフ波長が３８０ｎｍにあり、長波長側のカットオフ波長が６５０ｎｍ以上、好ましくは６６０ｎｍ〜６９０ｎｍ、より好ましくは６７０ｎｍ〜６８０ｎｍにある。本実施形態の固体撮像装置３０は、固体撮像素子１００を搭載しているため、青色の感度を持つ幅が従来よりも狭くなっている。そこで、本実施形態では、ＩＲカットフィルタ３３の長波長側のカットオフ波長を従来よりも長波長側（６５０ｎｍ以上）にすることで、赤色の感度を持つ幅を広げ、固体撮像素子１００の全体的な感度の幅を狭くしないようにしている。

図１１は、本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像装置に搭載される固体撮像素子の分光感度を示す図である。図１１に示す分光感度は、ＩＲカットフィルタ３３として、短波長側のカットオフ波長が３８０ｎｍにあり、長波長側のカットオフ波長が６８０ｎｍにあるものを用いたときのものである。図１１において、青色の分光感度を示す曲線には符号Ｂを付し、緑色の分光感度を示す曲線には符号Ｇを付し、赤色の分光感度を示す曲線には符号Ｒを付した。

図１１に示すように、固体撮像装置３０に搭載される固体撮像素子１００は、長波長側において６８０ｎｍまで感度を有していることが分かる。一般の固体撮像装置に搭載されるＩＲカットフィルタは、図４に示したように、長波長側のカットオフ波長が６５０ｎｍ程度である。このため、図４と比べると、本実施形態の固体撮像素子１００は、赤色の感度を持つ幅が長波長側に３０ｎｍも広がっていることになる。

このように、本実施形態の固体撮像装置３０は、固体撮像素子１００を用いたことによる短波長側の感度幅の減少を、ＩＲカットフィルタ３３のカットオフ波長を長波長側に広げることによって補っているため、固体撮像素子１００の全体的な感度の低下を防ぐことができ、高画質の撮像が可能となる。

図１２は、理想的な色再現特性を示す銀塩写真フィルム（フジクロームVelvia 100 プロフェッショナル（登録商標））の分光感度を示す図である。図１２において、青色の分光感度を示す曲線には符号Ｂを付し、緑色の分光感度を示す曲線には符号Ｇを付し、赤色の分光感度を示す曲線には符号Ｒを付した。

図１２に示すように、理想的な色再現特性を持つ銀塩写真フィルムの分光感度は、図１１で示した分光感度と同様に、４２０ｎｍ付近以下の波長域において感度が急峻に減衰しており、長波長側は６８０ｎｍ付近まで感度を有していることが分かる。このことから、固体撮像装置３０によれば、青にじみの軽減又は解消という効果に加え、固体撮像素子１００の青色の感度を上記銀塩写真フィルムとほぼ同じにできるという効果を得ることができる。又、固体撮像素子１００の全体的な感度の低下防止という効果に加え、固体撮像素子１００の赤色の感度を上記銀塩写真フィルムとほぼ同じにできるという効果も得ることができる。

したがって、固体撮像装置３０を搭載するデジタルカメラの使用者は、銀塩写真フィルムを用いるときの従来の経験と勘に基づいて撮影を行うことができ、青にじみによる画質劣化がなく、且つ、忠実な色再現がなされた高画質の写真を撮影することが可能になる。

本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の表面模式図 図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図 本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子のカラーフィルタの上に形成される平坦化層の分光透過率を示す図 本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の分光感度を示す図 本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図 本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子のＢカラーフィルタの分光透過率を示す図 本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図 本発明の第四実施形態を説明するための固体撮像素子の断面模式図 本発明の第一〜第四実施形態で説明した固体撮像素子の変形例を示す固体撮像素子の表面模式図 本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像装置の概略構成を示す図 本発明の第五実施形態を説明するための固体撮像装置に搭載される固体撮像素子の分光感度を示す図 理想的な色再現特性を示す銀塩写真フィルムの分光感度を示す図 色収差を説明するための図 集光光学系の色収差の波長依存性の一例を示す図 一般的な固体撮像素子の概略表面模式図

符号の説明

１００ 固体撮像素子
１，２，３ 光電変換素子
４ 垂直転送路
５ 水平転送路
６ 出力部
７ ｎ型シリコン基板
８ Ｐウェル層
９ ｎ^＋層
１０ ｐ^＋層
１１ 酸化シリコン膜
１２ 遮光膜
１３ 転送電極
１５，１９ 平坦化層
１６ Ｂカラーフィルタ
１７ Ｇカラーフィルタ
２０ マイクロレンズ

Claims (13)

1. 半導体基板表面に配設された複数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、
   前記複数の光電変換素子の上方に、短波長域において分光透過率が減衰する特性を持つ青にじみ防止層を備える固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記複数の光電変換素子の上方にカラーフィルタを備え、
   前記青にじみ防止層は、前記カラーフィルタの上方に設けられる固体撮像素子。
3. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記複数の光電変換素子の上方にカラーフィルタを備え、
   前記青にじみ防止層は、前記カラーフィルタの下方に設けられる固体撮像素子。
4. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記複数の光電変換素子の上方にカラーフィルタを備え、
   前記カラーフィルタが、前記青にじみ防止層として機能する固体撮像素子。
5. 請求項４記載の固体撮像素子であって、
   前記カラーフィルタは、少なくとも青色の光を透過する青色カラーフィルタを含み、
   前記青色カラーフィルタが、前記青にじみ防止層として機能する固体撮像素子。
6. 請求項２記載の固体撮像素子であって、
   前記カラーフィルタの上方に、前記複数の光電変換素子の各々に光を集光するマイクロレンズを備え、
   前記マイクロレンズが前記青にじみ防止層として機能する固体撮像素子。
7. 請求項６記載の固体撮像素子であって、
   前記マイクロレンズは、ギャップレスマイクロレンズである固体撮像素子。
8. 請求項２〜７のいずれか記載の固体撮像素子であって、
   前記カラーフィルタは、原色系又は補色系のカラーフィルタである固体撮像素子。
9. 請求項１〜８のいずれか記載の固体撮像素子であって、
   前記青にじみ防止層は、４００ｎｍ以下の波長の光を実質的に透過しない特性を持つ固体撮像素子。
10. 前記青にじみ防止層は、４２０ｎｍ付近の波長においてその分光透過率が減衰し始める特性を持つ固体撮像素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか記載の固体撮像素子であって、
    前記複数の光電変換素子に蓄積される信号電荷に応じた信号をＣＣＤ又はＭＯＳによって外部に読み出す信号読み出し回路を備える固体撮像素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか記載の固体撮像素子と、
    前記固体撮像素子に入射する光の赤外波長域をカットする赤外カットフィルタとを備え、
    前記赤外カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が６５０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下である固体撮像装置。
13. 請求項１２記載の固体撮像装置であって、
    前記赤外カットフィルタの長波長側のカットオフ波長が６７０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下である固体撮像装置。

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