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発明の名称 固体撮像装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−5629(P2007−5629A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−185145(P2005−185145)
出願日 平成17年6月24日(2005.6.24)
代理人 【識別番号】100090446
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 司朗
発明者 村田 隆彦 / 山口 琢己 / 春日 繁孝
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。
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




 

 


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