JP5710510B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

近年、携帯電話等に搭載されるカメラモジュールは、薄型化が強く要請されるようになっている。イメージセンサは、カメラモジュールの薄型化と、画素数の増大とへの対応として、画素の微細化が進められている。イメージセンサは、画素のサイズが小さくなるほど、画素へ入射する光量が少なくなるためによる信号量の低下が顕著となることから、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化が問題となる。イメージセンサは、光利用効率の向上による高感度化の実現が望まれている。

いわゆる単板式のイメージセンサは、光電変換素子が各色光を分担して検出し、補間による色再現を経てカラー画像を合成可能とする。従来、イメージセンサは、光電変換素子へ導く色光以外の色光をカラーフィルタで吸収させる色分離の方式を他の方式に変更することで、光電変換に寄与しない色光をできるだけ活用させる試みがなされている。イメージセンサは、例えば、入射光の光路中に配置されたダイクロイックミラーにより各色光を分離させ、色光ごとに光電変換素子へ導く構成を採用し得る。

例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光を分離する場合、光路中には二種類のダイクロイックミラーが配置されることとなる。ダイクロイックミラーの積層構造は、屈折率の異なる薄膜の多層構造として形成する。二種類のダイクロイックミラーを製造する場合は、積層構造の形成に要する作業が二倍となるから、製造に長時間を要し、製造コストの高騰を招く。ダイクロイックミラーの波長特性は入射角に大きく依存することから、入射角のばらつきにより、分光特性における半値波長が例えば数十ｎｍ程度ずれることとなる。このような分光特性のばらつきは、波長特性を異ならせた二種類のダイクロイックミラーを使用することでさらに顕著となり、色再現性の劣化を引き起こすことになる。さらに、ダイクロイックミラーでは偏光が生じ、入射面に平行なＰ波と入射面に垂直なＳ波とで透過特性及び反射特性が大きく異なるため、色分離特性が悪くなる問題がある。

特開２００９−９９７１号公報 特開２００８−６０３２３号公報

本発明の一つの実施形態は、色分離性が良く光利用効率が高い高感度な撮影、及び製造コストの低減を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、光電変換素子アレイ、集光光学素子アレイ、カラーフィルタ及び反射部を有する。光電変換素子アレイは、光電変換素子を備える。光電変換素子は、各色光を分担して検出する。集光光学素子アレイは、光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられている。集光光学素子アレイは、集光光学素子を備える。集光光学素子は、光を集束させる。カラーフィルタは、光電変換素子ごとにおいて、光電変換素子で検出対象とする色光を透過させ、かつ他の色光を反射する。反射部は、カラーフィルタで反射した光をさらに反射する。光電変換素子アレイは、セルを単位として構成されている。セルは、互いに異なる色光用の光電変換素子を含む。集光光学素子は、セルに対応させて配置されている。反射部は、第１反射面及び第２反射面を少なくとも含む。第１反射面は、カラーフィルタに対向する。第２反射面は、カラーフィルタ及び第１反射面の間を、セルごとに取り囲む。

第１の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。 図１に示すイメージセンサを適用したカメラの概略構成を示すブロック図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図。 第２反射部の配置について説明する図。 イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図。 第１の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図。 第１の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図。 第１の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図。 第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。 Ｇ光用のカラーフィルタの分光特性の例を示す図。 マイクロレンズ及び光電変換素子の配置について説明する図。 イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図。 第２の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図。 光電変換素子へＧ光及びＩＲ光を導くカラーフィルタの分光特性の例を示す図。 マイクロレンズ及び光電変換素子の配置について説明する図。 第２の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。図２は、図１に示すイメージセンサを適用したカメラモジュールの概略構成を示すブロック図である。

カメラ１０は、カメラモジュール１０ａ及び後段処理部１０ｂを有する。カメラモジュール１０ａは、撮像光学系１１及びイメージセンサ１２を有する。後段処理部１０ｂは、イメージシグナルプロセッサ（image signal processor；ＩＳＰ）１３、記憶部１４及び表示部１５を有する。カメラ１０は、例えば、デジタルカメラである。カメラモジュール１０ａは、デジタルカメラ以外には、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器で使用される。

撮像光学系１１は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。イメージセンサ１２は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ１３は、イメージセンサ１２での撮像により得られた画像信号の信号処理を実施する。記憶部１４は、ＩＳＰ１３での信号処理を経た画像を格納する。記憶部１４は、ユーザの操作等に応じて、表示部１５へ画像信号を出力する。表示部１５は、ＩＳＰ１３あるいは記憶部１４から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイである。

イメージセンサ１２は、光電変換素子アレイを有する。光電変換素子アレイは、アレイ状に配列された複数の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを有する。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、例えばＮ型のフォトダイオードであって、Ｐ型の半導体基板２０に形成されている。

光電変換素子２１Ｒは、Ｒ光を検出する。光電変換素子２１Ｒは、第１色光であるＲ光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｂは、Ｂ光を検出する。光電変換素子２１Ｂは、第２色光であるＢ光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｇは、Ｇ光を検出する。光電変換素子２１Ｇは、第３色光であるＧ光用の光電変換素子である。

光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射光量に応じた電荷を発生させる。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、各色光を分担して検出する。イメージセンサ１２は、例えば、ＣＭＯＳセンサとする。本実施形態は、表面照射型及び裏面照射型のいずれのＣＭＯＳセンサにも適用可能であるものとする。

カラーフィルタ２２Ｒは、光電変換素子２１Ｒの受光面に設けられている。カラーフィルタ２２Ｒは、光電変換素子２１Ｒで検出対象とする色光であるＲ光を透過させ、他の色光であるＧ光及びＢ光を反射する。カラーフィルタ２２Ｒは、第１色光用のカラーフィルタである。

カラーフィルタ２２Ｂは、光電変換素子２１Ｂの受光面に設けられている。カラーフィルタ２２Ｂは、光電変換素子２１Ｂで検出対象とする色光であるＢ光を透過させ、他の色光であるＲ光及びＧ光を反射する。カラーフィルタ２２Ｂは、第２色光用のカラーフィルタである。

カラーフィルタ２２Ｇは、光電変換素子２１Ｇの受光面に設けられている。カラーフィルタ２２Ｇは、光電変換素子２１Ｇで検出対象とする色光であるＧ光を透過させ、他の色光であるＲ光及びＢ光を反射する。カラーフィルタ２２Ｇは、第３色光用のカラーフィルタである。

カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂごとにおける各色光の透過及び反射により、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ色光を導く。カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、例えば、パール顔料、フォトニック結晶（ナノ構造体）、ダイクロイックフィルタ等を用いて構成されている。パール顔料を用いて構成されたカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、基板上にナノサイズの微細な酸化チタン粒子を均一に被覆し、その被覆層の厚さをコントロールすることにより、光の薄膜干渉効果を利用する。ダイクロイックフィルタを用いて構成されたカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、多層膜を使用するもの、顔料の上部に多層膜が設けられたもの等とする。

分離反射部２３は、隣り合う光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ同士を隔離させる。分離反射部２３は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからの光を反射する。分離反射部２３としては、例えば、ＤＲＡＭ等に用いられるディープトレンチ構造を採用する。

マイクロレンズアレイは、イメージセンサ１２のうち、撮像光学系１１からの入射光が入射する面に形成されている。マイクロレンズアレイは、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズ３０を有する。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を集束させる集光光学素子として機能する。マイクロレンズアレイは、光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられた集光光学素子アレイとして機能する。マイクロレンズ３０は、例えば、光電変換素子２１Ｇの受光面において光が集束するように設計されている。

図３は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図である。ここでは、イメージセンサ１２を入射側から見た場合におけるマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイより下に位置する光電変換素子アレイとを示している。なお、図１に示す断面は、図３中の一点鎖線Ａにおける切断面に対応している。

図３の紙面における左右方向を行方向、図３の紙面における上下方向を列方向、とする。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、素子の中心位置間の長さの半分に相当する分、行方向の位置を一行おきに異ならせて互い違いとする、いわゆる千鳥配置をなしている。行方向には、三つの光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからなる組合せが繰り返されている。光電変換素子２１Ｒ同士は、行方向及び列方向に対して斜めの方向へ連ねられている。これと同様に、光電変換素子２１Ｇ同士、光電変換素子２１Ｂ同士も、それぞれ斜めの方向へ連ねられている。

マイクロレンズ３０は、光電変換素子２１Ｇの位置を中心として、三つの光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからなる組合せに対応させて設けられている。セル３２は、三つの光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの組合せとする。セル３２は、互いに異なる色光用の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを含む。マイクロレンズ３０は、セル３２に対応するように配置されている。マイクロレンズ３０は、中心に位置する光電変換素子２１Ｇと同様に斜めの方向に連ねられることで、正方配列が４５度傾けられた配列をなしている。

マイクロレンズ３０は、例えば、正方形の四隅を僅かに取り除いたような八角形をなしている。マイクロレンズ３０は、かかる八角形の他、例えば、正方形の四隅に丸みを持たせた形状や、正方形、菱形、円形等としても良い。

第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで反射した光をさらに反射する反射部として機能する。第１反射部２５は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂに対向する第１反射面を構成する。第１反射部２５には、マイクロレンズ３０からの光を通過させる開口が設けられている。

開口は、マイクロレンズ３０の中心位置と、光電変換素子２１Ｇの中心位置との間に位置する。第１反射部２５は、開口以外の部分において、マイクロレンズアレイ側から光電変換素子アレイ側へ進行する光を遮蔽する遮蔽層としても機能する。層内レンズ３１は、第１反射部２５の開口に形成されている。層内レンズ３１は、マイクロレンズ３０により集束する光を平行化させる平行化光学系として機能する。

第１透明層２４は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと第１反射部２５との間に設けられている。第１透明層２４は、光を透過させる。第２反射部２６は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ及び第１反射部２５の間の第１透明層２４をセル３２ごとに取り囲む第２反射面を構成する。第２反射部２６は、セル３２ごとに第１透明層２４を仕切る側壁をなしている。第２反射部２６は、セル３２に対応させて設けられている。

図４は、第２反射部の配置について説明する図である。ここでは、イメージセンサ１２を入射側から見た場合における一つのマイクロレンズ３０と、その下に位置する光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ及び第２反射部２６を示している。第２反射部２６は、セル３２の外郭をなしている。

図１に示す断面において、第２反射部２６の一方の端部は、第１反射部２５に接合している。第２反射部２６のうち第１反射部２５側とは反対側の端部は、セル３２を仕切る位置の分離反射部２３に接合している。

第３反射部２７は、分離反射部２３の上に形成されている。第３反射部２７は、隣り合うカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ同士を隔離させる。第３反射部２７は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ同士の間へ向かって進行する光を反射する第３反射面を構成する。

第１透明層２４は、層内レンズ３１が設けられた部分以外は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７により、三次元方向において完全に取り囲まれている。

第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を用いて構成されている。なお、反射部の構成は、本実施形態で説明する場合に限られず、適宜変更可能であるものとする。例えば、反射部は、第１反射部２５及び第２反射部２６で構成することとし、第３反射部２７を省略したものとしても良い。また、第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、形状を適宜変更しても良い。

第２透明層２８は、マイクロレンズアレイと第１反射部２５との間に設けられている。第２透明層２８は、マイクロレンズ３０から層内レンズ３１へ光を透過させる。第１透明層２４は、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の透明部材により構成されている。第２透明層２８は、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の透明部材により構成されている。

図５は、イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図である。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。層内レンズ３１は、マイクロレンズ３０からの光を平行化させる。層内レンズ３１から射出した光は、カラーフィルタ２２Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。イメージセンサ１２は、層内レンズ３１からカラーフィルタ２２Ｇへ略垂直に光が入射するように光の進行方向を揃えることで、カラーフィルタ２２Ｇにおいて効率良く色光を分離させることができる。

カラーフィルタ２２Ｇは、入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｇを透過したＧ光は、光電変換素子２１Ｇにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｇで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。第１反射部２５、第２反射部２６及び第３反射部２７は、入射した光を反射し、第１透明層２４内へさらに進行させる。

カラーフィルタ２２Ｒは、入射した光のうちのＲ成分を透過させ、Ｇ成分及びＢ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｒを透過したＲ光は、光電変換素子２１Ｒにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｒで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。

カラーフィルタ２２Ｂは、入射した光のうちのＢ成分を透過させ、Ｒ成分及びＧ成分を反射する。カラーフィルタ２２Ｂを透過したＢ光は、光電変換素子２１Ｂにて電荷に変換される。カラーフィルタ２２Ｂで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。

光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの受光面の法線に対して進行方向が大きく傾けられた光が光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ内を進行した場合に、分離反射部２３は、その光を反射させ、他の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへの進入を抑制させる。互いに隣り合う光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ間での光の漏れ出しを分離反射部２３により抑制させることで、イメージセンサ１２は、混色の発生を抑制させることができる。

イメージセンサ１２に設けられるカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、従来の光電変換素子の受光面に設けられるカラーフィルタと同様の工程により、容易に製造することができる。イメージセンサ１２は、色分離のための構成としてカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを採用することで、製造コストの高騰を抑制できる。

イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ導く色光以外の色光を、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで一旦反射し、他の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ進行させる。イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ導く色光以外の色光をカラーフィルタで吸収させる色分離の方式を採用する場合に比べて、光利用効率を向上させることができる。さらに、イメージセンサ１２は、入射角依存性が低減されて色再現性の良いＲ、Ｇ及びＢ信号を得ることができる。

イメージセンサ１２は、セル３２ごとに第１透明層２４を取り囲む反射部を設け、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで一旦反射した光を反射部で反射させる。イメージセンサ１２は、カラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂで一旦反射した光を、反射部での反射によりカラーフィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂへ導くことで、光の有効利用を促進させる。

Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光についての光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを含むセル３２ごとにマイクロレンズ３０を対応させた構成とすることで、イメージセンサ１２は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分の情報を、各セル３２にて取得可能とする。各マイクロレンズ３０について各色成分の情報を取得することで、イメージセンサ１２は、色成分ごとの信号の補間処理を経ずにカラー画像を取得することができる。イメージセンサ１２は、補間による色再現を省略可能とすることで、偽色が大幅に低減された高品質な画像を得ることが可能となる。

人間の眼の分光感度は、可視光の波長域のうちの中間域に位置する緑色付近をピークとする。ＲＧＢの各成分の中ではＧ成分が、画像の見え方に大きく影響を及ぼすこととなる。イメージセンサ１２は、マイクロレンズ３０から光を直進させた位置に光電変換素子２１Ｇを配置することで、特にＧ光について損失を低減させる。イメージセンサ１２は、Ｇ光の損失の低減により、Ｇ成分の解像度及びＳＮＲを高い水準で維持することで、見かけ上においても、高解像度及び低ノイズの実現が可能となる。

図６は、第１の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。第４反射部３５は、マイクロレンズ３０と第１反射部２５との間に設けられている。第３透明層３５ａは、マイクロレンズ３０側から第１反射部２５の開口側へ向かって漸次狭められた角錐形をなしている。

第４反射部３５は、マイクロレンズ３０と第１反射部２５との間の層部分のうち、第３透明層３５ａが設けられた部分以外の部分を占めている。第４反射部３５は、マイクロレンズ３０及び第１反射部２５の間において、マイクロレンズ３０から層内レンズ３１以外の方向へ進行する光を反射する第４反射面を構成する。

第４反射部３５は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を用いて構成されている。第３透明層３５ａは、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）等により構成されている。第４反射部３５として高反射性部材を適用する場合、高反射性部材は、第３透明層３５ａ同士の間の部分を充填するものである場合に限られない。第４反射部３５は、少なくとも、第３透明層３５ａとの界面が高反射性部材により構成されたものであれば良い。第４反射部３５は、第１反射部２５と一体としても良い。

マイクロレンズ３０から層内レンズ３１以外の方向へ進行した光は、第４反射部３５での反射により、層内レンズ３１の方向へ導かれる。変形例１にかかるイメージセンサ１２は、第４反射部３５の適用により、マイクロレンズ３０からの光を効率良く層内レンズ３１へ導き、光利用効率を向上させることができる。

図７は、第１の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。拡散部３６は、上記の層内レンズ３１に代えて、第１反射部２５の開口に設けられている。拡散部３６は、マイクロレンズ３０により集光する光を拡散させる。拡散部３６は、カラーフィルタ２２Ｇへ入射可能な範囲内で光が拡散するように、拡散度合いが設定されている。

拡散部３６での拡散を経てカラーフィルタ２２Ｇへ光を入射させることで、カラーフィルタ２２Ｇで反射する成分は、カラーフィルタ２２Ｇからさらに拡散することとなる。本変形例では、カラーフィルタ２２Ｇで反射した成分の光を、第１反射部２５の開口以外の方向へ効果的に拡散させることで、開口から第３透明層３５ａ側への光の射出を抑制させることができる。例えば、拡散部３６は、光屈折率の高い酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いて三角錐構造を形成することで実現できる。

図８は、第１の実施形態の変形例３にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。マイクロレンズ３０は、第１反射部２５の開口３７付近で光を集束させる。開口３７には、光学素子を設けないものとする。開口付近３７で集束した光は、そのまま拡散する。マイクロレンズ３０は、開口３７付近で一旦集束した光がカラーフィルタ２２Ｇへ入射可能な範囲内で拡散するように、集光度合いが設定されている。

本変形例も、変形例２と同様に、カラーフィルタ２２Ｇで反射した成分の光を、開口３７以外の方向へ効果的に拡散させ、開口３７から第３透明層３５ａ側への光の射出を抑制させることができる。イメージセンサ１２は、開口３７における光学素子を省略する分、部品点数及び製造工程の削減が可能となる。

なお、変形例２及び３において、イメージセンサ１２は、変形例１と同様の第４反射部３５を設ける構成としている。イメージセンサ１２は、変形例２及び３において、第４反射部３５を省略しても良い。

本実施形態において、図３に示すマイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの構成は、適宜変更可能であるものとする。図９から図１１は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図である。図９に示す変形例では、マイクロレンズ３０は、正方配列をなしている。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、図３に示す状態から４５度傾けられた配列をなしている。

図１０に示す変形例では、列方向へセル３２を連ねている。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、素子の中心位置間の長さの半分に相当する分、列方向の位置を一列おきに異ならせて互い違いとする千鳥配置とされている。マイクロレンズ３０は、列方向を長辺とする長方形から四隅を僅かに取り除いた八角形をなしている。マイクロレンズ３０は、セル３２に対応するように、列方向へ連ねられている。

図１１に示す変形例は、図１０に示す状態を９０度回転させた配列をなしている。セル３２は、行方向へ連ねられている。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、素子の中心位置間の長さの半分に相当する分、行方向の位置を一行おきに異ならせて互い違いとする千鳥配置とされている。マイクロレンズ３０は、行方向を長辺とする長方形から四隅を僅かに取り除いた八角形をなしている。マイクロレンズ３０は、セル３２に対応するように、行方向へ連ねられている。

これらの変形例のように、マイクロレンズ３０及び光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを配置した場合も、イメージセンサ１２は、図３に示す配置とする場合と同様、高品質な画像を得ることができる。図１０及び図１１に示す変形例において、マイクロレンズ３０は、例えば、長方形の四隅に丸みを持たせた形状や、長方形、楕円形等としても良い。

（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、例えばＮ型のフォトダイオードであって、Ｐ型の半導体基板２０に形成されている。光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂは、Ｐ型層を挟む積層構造をなしている。光電変換素子４１Ｂは、二層としたうち表層側のＮ型層である。光電変換素子４１Ｒは、二層としたうち深層側のＮ型層である。光電変換素子４１Ｇは、分離反射部２３を介して、光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂの積層構造に隣り合うように形成されている。

光電変換素子４１Ｒは、第１色光であるＲ光を検出する第１色光用の光電変換素子である。光電変換素子４１Ｂは、第２色光であるＢ光を検出するＢ光用の光電変換素子である。光電変換素子４１Ｇは、第３色光であるＧ光を検出するＧ光用の光電変換素子である。光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂの積層構造において、光電変換素子４１Ｂは、光電変換素子４１Ｒより入射側に積層されている。

カラーフィルタ４２Ｇは、光電変換素子４１Ｇの受光面に設けられている。カラーフィルタ４２Ｇは、光電変換素子４１Ｇで検出対象とする色光であるＧ光を透過させ、他の色光であるＲ光及びＢ光を反射する。カラーフィルタ４２Ｇは、第３色光用のカラーフィルタである。

図１３は、Ｇ光用のカラーフィルタの分光特性の例を示す図である。カラーフィルタ４２Ｇは、例えば、４９０ｎｍから５８０ｎｍのＧ光を透過させ、４９０ｎｍ以下のＢ光と５８０ｎｍ以上のＲ光を反射する。ここで例示する波長は、透過率が５０％となる半値波長であるものとする。

カラーフィルタ４２ＲＢは、光電変換素子４１Ｂの受光面に設けられている。カラーフィルタ４２ＲＢは、光電変換素子４１Ｒにおける検出対象であるＲ光と、光電変換素子４１Ｂにおける検出対象であるＢ光とを透過させ、Ｇ光を反射する。カラーフィルタ４２ＲＢは、光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂからなる積層構造へＲ光及びＢ光を導く。

図１４は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図である。ここでは、イメージセンサ４０を入射側から若干斜めに見た場合におけるマイクロレンズ３０と、マイクロレンズ３０より下に位置する光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂとを示している。なお、図１２に示す断面は、図１４中の一点鎖線Ａにおける切断面に対応している。

光電変換素子４１Ｇと、光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂからなる積層構造とは、正方配列をなすように配置されている。行方向には、三つの光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂからなる組合せが繰り返されている。セル４４は、三つの光電変換素子４１Ｇ、４１Ｂ、４１Ｒからなる組合せとする。

マイクロレンズアレイは、光電変換素子４１Ｇの位置が中心となるように各マイクロレンズ３０が配列されている。マイクロレンズ３０は、中心の光電変換素子４１Ｇと、その光電変換素子４１Ｇと行方向及び列方向において隣接する光電変換素子４１Ｂの各一部分とを含む範囲に合わせて配置されている。マイクロレンズ３０の平面形状は、およそ画素二個分の面積をなしている。これにより、イメージセンサ４０は、各色光用の光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの組合せに、一つのマイクロレンズ３０を対応させた構成とされている。

光電変換素子４１Ｇ同士は、行方向及び列方向に対して斜めの方向へ連ねられている。これと同様に、光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂの積層構造も、斜めの方向へ連ねられている。マイクロレンズ３０は、中心に位置する光電変換素子４１Ｇと同様に斜めの方向に連ねられることで、正方配列が４５度傾けられた配列をなしている。

第１反射部２５、第２反射部４３及び第３反射部２７は、カラーフィルタ４２Ｇ、４２ＲＢで反射した光をさらに反射する反射部として機能する。第２反射部４３は、カラーフィルタ４２Ｇ、４２ＲＢと第１反射部２５との間にて、セル４４ごとに第１透明層２４を取り囲む。第１透明層２４は、第２反射部４３により、セル４４ごとに仕切られている。

図１２に示す断面において、第２反射部４３の一方の端部は、第１反射部２５に接合している。第２反射部４３のうち第１反射部２５側とは反対側の端部は、セル３２を仕切る位置の分離反射部２３に接合している。

第２反射部４３のうち、カラーフィルタ４２ＲＢと接する部分から上方には、側壁部分が形成されている。第２反射部４３は、その側壁の中段より上に、斜面をなす庇状部分が形成されている。第２反射部４３のうち、カラーフィルタ４２Ｇと接する側の面は、下方側へ若干傾けられている。

第２反射部４３は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、光屈折率の低い酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を用いて構成されている。第２反射部４３は、少なくとも、第１透明層２４との界面が高反射性部材により構成されたものであれば良い。第２反射部４３は、第１反射部２５と一体としても良い。

図１５は、イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図である。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。層内レンズ３１から射出した光は、カラーフィルタ４２Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。

カラーフィルタ４２Ｇは、入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。カラーフィルタ４２Ｇを透過したＧ光は、光電変換素子４１Ｇにて電荷に変換される。カラーフィルタ４２Ｇで反射した光は、第１透明層２４内をさらに進行する。第１反射部２５、第２反射部４３及び第３反射部２７は、入射した光を反射し、第１透明層２４内へさらに進行させる。

カラーフィルタ４２ＲＢは、入射した光のうちのＲ成分及びＢ成分を透過させ、Ｇ成分を反射する。カラーフィルタ４２ＲＢは、第１色光用及び第２色光用のカラーフィルタとして機能する。カラーフィルタ４２ＲＢを透過したＢ光は、光電変換素子４１Ｂにて電荷に変換される。カラーフィルタ４２ＲＢを透過したＲ光は、光電変換素子４１Ｂ及びＰ型層を透過し、光電変換素子４１Ｒにて電荷に変換される。

第２反射部４３は、適宜斜面を設けることで、カラーフィルタ４２Ｇでの反射を経た光を効率良くカラーフィルタ４２ＲＢの方向へ導く。なお、第２反射部４３の形状は、適宜変更可能であるものとする。第２反射部４３は、例えば、第１の実施形態の第２反射部２６（図１参照）と同様、全体が垂直な壁を構成するものとしても良い。

イメージセンサ４０は、色分離のための構成としてカラーフィルタ４２Ｇ、４２ＲＢを採用することで、製造コストの高騰を抑制できる。イメージセンサ４０は、セル４４ごとに第１透明層２４を取り囲む反射部を設けることで、光の有効利用を促進させる。これにより、本実施形態のイメージセンサ４０は、第１の実施形態と同様、高い光利用効率による高感度な撮影、及び製造コストの低減が可能となる。

イメージセンサ４０は、光電変換素子４１Ｂ及び４１Ｒを積層構造とすることで、各光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂを平面にて並列させる場合に比べて、各光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ及び４１Ｂの受光面を広く確保可能とする。イメージセンサ４０は、光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂにおける飽和電子数の増加や、光を取り込む効率の向上、製造マージンの拡大が実現できる。

イメージセンサ４０は、Ｒ、Ｇ及びＢの各色成分のうち、中間波長域のＧ成分を先に分離させる構成とすることで、二層とする光電変換素子４１Ｂ及び４１Ｒの間にＰ型層を介在させる。これにより、イメージセンサ４０は、光電変換素子４１Ｂ及び４１Ｒの間に光電変換素子４１Ｇを介在させる場合に比べて、分光特性の重複による色分離性の低下を効果的に抑制させることができる。

図１６は、第２の実施形態の変形例１にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。光電変換素子４１ＩＲは、例えばＮ型のフォトダイオードである。光電変換素子４１ＩＲは、赤外（ＩＲ）光を検出する赤外光用の光電変換素子である。

本変形例にかかるイメージセンサ４０が適用されるカメラモジュール１０ａは、イメージセンサ４０へ進行する光からＩＲ成分を除去するＩＲカットフィルタを設けないものとする。なお、第１及び第２の実施形態で説明する他のイメージセンサ１２、４０を適用する場合、カメラモジュール１０ａは、イメージセンサ４０へ進行する光からＩＲ光を除去するＩＲカットフィルタが組み込まれている。

光電変換素子４１Ｇ及び４１ＩＲは、Ｐ型層を挟む積層構造をなしている。光電変換素子４１Ｇは、二層としたうち表層側のＮ型層である。光電変換素子４１ＩＲは、二層としたうち深層側のＮ型層である。光電変換素子４１Ｇ及び４１ＩＲの積層構造において、光電変換素子４１Ｇは、光電変換素子４１ＩＲより入射側に積層されている。光電変換素子４１Ｇ及び４１ＩＲの積層構造は、分離反射部２３を介して、光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂの積層構造に隣り合うように形成されている。

カラーフィルタ４２ＧＩＲは、光電変換素子４１Ｇの受光面に設けられている。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、光電変換素子４１Ｇにおける検出対象であるＧ光と、光電変換素子４１ＩＲにおける検出対象であるＩＲ光とを透過させ、Ｒ光及びＢ光を反射する。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、第３色光用のカラーフィルタとしての機能を備える。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、光電変換素子４１Ｇ及び４１ＧＩＲからなる積層構造へＧ光及びＩＲ光を導く。

図１７は、光電変換素子へＧ光及びＩＲ光を導くカラーフィルタの分光特性の例を示す図である。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、例えば、４９０ｎｍから５８０ｎｍのＧ光と６５０ｎｍ以上のＩＲ光を透過させ、４９０ｎｍ以下のＢ光と５８０ｎｍから６５０ｎｍのＲ光を反射する。ここで例示する波長は、透過率が５０％となる半値波長であるものとする。

図１８は、マイクロレンズ及び光電変換素子の配置について説明する図である。ここでは、イメージセンサ４０を入射側から若干斜めに見た場合におけるマイクロレンズ３０と、マイクロレンズ３０より下に位置する光電変換素子４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ、４１ＩＲとを示している。なお、図１６に示す断面は図１８中の一点鎖線Ａにおける切断面に対応している。

光電変換素子４１Ｇ及び４１ＩＲからなる積層構造と、光電変換素子４１Ｒ及び４１Ｂからなる積層構造とは、正方配列をなすように配置されている。行方向には、四つの光電変換素子４１Ｇ、４１ＩＲ、４１Ｂ、４１Ｒからなる組合せが繰り返されている。セル４５は、四つの光電変換素子４１Ｇ、４１ＩＲ、４１Ｂ、４１Ｒからなる組合せとする。第２反射部４３は、カラーフィルタ４２ＧＩＲ、４２ＲＢと第１反射部２５との間にて、セル４５ごとに第１透明層２４を取り囲む。

マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。層内レンズ３１から射出した光は、カラーフィルタ４２ＧＩＲへ向けて第１透明層２４内を直進する。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、入射した光のうちのＧ成分及びＩＲ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。

カラーフィルタ４２ＩＲを透過したＧ光は、光電変換素子４１Ｇにて電荷に変換される。カラーフィルタ４２ＩＲを透過したＩＲ光は、光電変換素子４１Ｇ及びＰ型層を透過し、光電変換素子４１ＩＲにて電荷に変換される。

イメージセンサ４０は、例えば、光電変換素子４１ＩＲで検出された信号を輝度情報として加算することで、低照度環境下における高感度化を可能とする。また、本変形例によると、カラー撮影用のカメラと、ＩＲ光を使用する監視用カメラとを、一つのイメージセンサ４０の適用により実現できる。

仮に、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの四つの画素を平面上において２×２画素の配置として、画素配列の単位とした場合、イメージセンサ４０の全解像度に対してＧの解像度は２分の１となる。本変形例では、イメージセンサ４０は、セル４５ごとに各色光を検出することで、解像度の低下を抑制できる。

また、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの四つの画素を平面上において２×２画素の配置とする場合に、Ｒ、Ｇ、Ｂの信号に混入したＩＲの信号を除去するための減算処理を実施することがある。この場合の減算処理は、色再現性の低下、ＳＮＲの劣化を引き起こすことがある。本変形例において、イメージセンサ４０は、このような減算処理を採用せず、ＩＲ成分とは分離されたＲ、Ｇ、Ｂの各色成分を検出するため、良好な色再現性が得られ、かつＳＮＲの劣化を抑制できる。

図１９は、第２の実施形態の変形例２にかかるイメージセンサの構成を説明する図である。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、層内レンズ３１及び光電変換素子４１Ｇの間の光路中に設けられている。カラーフィルタ４２ＧＩＲは、マイクロレンズ３０からの入射光の主光線に対して、入射面が略４５度をなすように傾けられている。

第２反射部４３のうち、光電変換素子４１Ｂの上方に形成された斜面は、カラーフィルタ４２ＧＩＲの入射面と同様に傾けられて構成されている。変形例１において光電変換素子４１Ｂの受光面に設けられているカラーフィルタ４２ＲＢ（図１６参照）は、本変形例では省略している。

カラーフィルタ４２ＧＩＲは、層内レンズ３１から入射した光のうちのＧ成分及びＩＲ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。カラーフィルタ４２ＧＩＲを透過したＧ成分及びＩＲ成分の光は、光電変換素子４１Ｇへ向けて第１透明層２４内を直進する。

カラーフィルタ４２ＧＩＲで反射したＲ成分及びＢ成分の光は、第２反射部４３のうち、カラーフィルタ４２ＧＩＲの入射面と向かい合う部分へ進行する。第２反射部４３は、カラーフィルタ４２ＧＩＲから入射した光を、下方の光電変換素子４１Ｂへ向けて反射する。

本変形例において、カラーフィルタ４２ＧＩＲは、第２反射部４３のうち光電変換素子４１Ｂの上方の部分を向くように傾けてられて配置されている。イメージセンサ４０は、カラーフィルタ４２ＧＲＩで反射するＲ成分及びＢ成分の光を、効率良く光電変換素子４１Ｂ及び４１Ｒへ進行させることができる。これにより、イメージセンサ４０は、光利用効率を高めることが可能となる。また、イメージセンサ４０は、光電変換素子４１Ｂの受光面のカラーフィルタ４２ＲＢを省略する分、部品点数及び製造工程の削減が可能となる。

第２の実施形態の変形例２では、Ｇ成分及びＩＲ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射するカラーフィルタ４２ＧＩＲを適用することとしたが、これに代えて、Ｒ成分及びＢ成分を透過させ、Ｇ成分及びＩＲ成分を反射するカラーフィルタを適用しても良い。

なお、第２の実施形態で説明するいずれのイメージセンサ４０も、第４反射部３５を省略可能であるものとする。イメージセンサ４０は、第１の実施形態の変形例２、３と同様の変形をしても良い。また、第１の実施形態と同様、第２の実施形態も、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの構成を適宜変更しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１２、４０ イメージセンサ、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂ、４１ＩＲ 光電変換素子、２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ、４２Ｇ、４２ＲＢ、４２ＧＩＲ カラーフィルタ、２５ 第１反射部、２６、４３ 第２反射部、２７ 第３反射部、３０ マイクロレンズ、３２、４４、４５ セル、３５ 第４反射部、３７ 開口。

Claims (6)

1. 各色光を分担して検出する光電変換素子を備える光電変換素子アレイと、
   光を集束させる集光光学素子を備え、前記光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられた集光光学素子アレイと、
   前記光電変換素子ごとにおいて、前記光電変換素子で検出対象とする色光を透過させ、かつ他の色光を反射するカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタで反射した光をさらに反射する反射部と、
   前記光電変換素子が並列された基板と、を有し、
   前記光電変換素子アレイは、前記基板に並列された互いに異なる色光用の光電変換素子を含めたセルを単位として構成され、
   前記集光光学素子は、前記セルごとに配置され、
   前記反射部は、前記集光光学素子からの光を通過させる開口を有し前記カラーフィルタに対向する第１反射面と、前記カラーフィルタ及び前記第１反射面の間を、前記セルごとに取り囲む第２反射面と、を少なくとも含むことを特徴とする固体撮像装置。
2. 各色光を分担して検出する光電変換素子を備える光電変換素子アレイと、
   光を集束させる集光光学素子を備え、前記光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられた集光光学素子アレイと、
   各色光の透過及び反射により、前記光電変換素子へ色光を導くカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタで反射した光をさらに反射する反射部と、
   前記光電変換素子が並列された基板と、を有し、
   前記光電変換素子アレイは、互いに異なる色光用の光電変換素子の積層構造と、前記基板にて前記積層構造と並列された光電変換素子とを含めたセルを単位として構成され、
   前記集光光学素子は、前記セルごとに配置され、
   前記反射部は、前記集光光学素子からの光を通過させる開口を有し前記カラーフィルタに対向する第１反射面と、前記カラーフィルタ及び前記第１反射面の間を、前記セルごとに取り囲む第２反射面と、を少なくとも含むことを特徴とする固体撮像装置。
3. 前記セルは、第１色光を検出する第１色光用の光電変換素子と、第２色光を検出する第２色光用の光電変換素子と、を含み、
   前記第２色光用の光電変換素子は、前記第１色光用の光電変換素子に対して光の入射側に積層され、
   前記第１色光用の光電変換素子は、前記第２色光用の光電変換素子を透過した前記第１色光を検出することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記セルは、第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子をさらに含み、
   前記カラーフィルタは、前記第３色光を透過させ、前記第１色光及び前記第２色光を反射する第３色光用のカラーフィルタを有し、
   前記第３色光用のカラーフィルタは、前記集光光学素子から前記第３色光用の光電変換素子へ進行する光の主光線に対して入射面が傾けられて、前記集光光学素子及び前記第３色光用の光電変換素子の間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記集光光学素子から前記開口以外の方向へ進行する光を反射する反射面をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
6. 前記セルは、第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子と、赤外光を検出する赤外光用の光電変換素子と、をさらに含み、
   前記第３色光用の光電変換素子は、前記赤外光用の光電変換素子に対して光の入射側に積層され、
   前記赤外光用の光電変換素子は、前記第３色光用の光電変換素子を透過した前記赤外光を検出することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。

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