JP2009026941A

JP2009026941A - 撮像素子及び撮像装置

Info

Publication number: JP2009026941A
Application number: JP2007188322A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Kawamura; 佳津男河村
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: JP4662966B2

Abstract

【課題】色モアレ及び輝度モアレの発生を抑えることができる撮像素子及び撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の撮像素子は、半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とが設けられ、光電変換部における受光領域が、少なくとも第１の直線方向に隣接する受光領域に対して第２の直線方向にずれている位置、及び、第２の直線方向に隣接する受光領域に対して第１の直線方向にずれている位置のいずかに設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、色モアレ及び輝度モアレの発生を抑えることができる撮像素子及び撮像装置に関する。

デジタルカメラなどの撮像装置には、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子が用いられている。特に、１つの撮像素子でカラー画像を撮像することができる、いわゆる単板（シングルセンサ）のカラー撮像装置が広く用いられている。このような撮像装置に用いられる撮像素子は、受光領域の表面にＲＧＢ３色（又は、ＲＧＢとさらに別の１色を加えた４色）の各色が所定のパターンに基づいて規則的に配列されている。こうすることで、撮像素子によって各画素毎に対応するカラーフィルタに応じて入射光を分光し、画素の受光部において色信号をそれぞれ生成することによって、撮像装置でカラーの画像を形成している。カラーフィルタの配列としては、例えば、ＲＧＢの各色を格子状に規則的に配置したベイヤー配列がある。カラーフィルタを備えた撮像素子としては、下記特許文献がある。

特開２０００−３０８０７０号公報特開２０００−３０８０８０号公報

ところで、ベイヤー配列のように、ＲＧＢのフィルタを規則的に配列したパターンを有するカラーフィルタを備えた撮像素子は、細かい模様の被写体を撮像した場合に、本来被写体にない色が出力されてしまう色モアレ（偽色ともいう）や、縞模様状に輝度のムラが生じてしまう輝度モアレが生じてしまう。このような色モアレ及び輝度モアレは、電気的フィルタ処理でも取り除くことができないため、画質を向上させるうえで改良が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、色モアレ及び輝度モアレの発生を抑えることができる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とが設けられた撮像素子であって、
前記光電変換部における受光領域が、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずかに設けられていることを特徴とする撮像素子。
（２）前記光電変換部の光が入射する側の面が、該光電変換部のそれぞれの上部に開口部を有する遮光膜で覆われ、前記開口部の重心が少なくとも前記第１の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（３）前記複数の光電変換部がそれぞれ、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（４）前記光電変換部の光が入射する側の面にカラーフィルタが設けられていることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（５）撮像素子の撮像領域に設けられた複数の画素ごとに入射光を光電変換することで信号電荷を生成して画像を形成する撮像装置であって、
前記撮像素子が、
半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とを備え、
前記光電変換部における受光領域の位置が、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする撮像装置。
（６）前記光電変換部の上方が、該光電変換部のそれぞれの上部に開口部を有する遮光膜で覆われ、前記開口部の重心が少なくとも前記第１の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする上記（５）に記載の撮像装置。
（７）前記複数の光電変換部が、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする上記（５）に記載の撮像装置。
（８）前記複数の画素それぞれの前記受光領域のずれ量を示す位置情報を記憶する記憶手段を備えていることを特徴とする上記（５）から（７）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（９）前記位置情報が、前記撮像領域に設けられた第１の直線方向及び前記第１の直線方向に直交する第２の直線方向に対するずれ量を示す座標情報であることを特徴とする上記（８）に記載の撮像装置。
（１０）前記記憶手段が、マスクＲＯＭであることを特徴とする上記（８）に記載の撮像装置。
（１１）前記記憶手段が、ＥＥＰＲＯＭであることを特徴とする上記（８）に記載の撮像装置。
（１２）前記撮像素子は、前記撮像領域における前記入射光が照射する面にカラーフィルタが設けられていることを特徴とする上記（５）から（１１）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（１３）半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とが設けられた撮像素子であって、
前記光電変換部の重心に対する受光領域の重心の位置を示すずれベクトルが、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する受光領域のずれベクトル、及び、前記第２の直線方向に隣接する受光領域のずれベクトルのいずかと異なることを特徴とする撮像素子

本発明によれば、撮像領域においてそれぞれの画素の受光領域が、少なくとも第１の直線方向に隣接する受光領域に対して第２の直線方向にずれている位置、及び、第２の直線方向に隣接する受光領域に対して第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられている。このとき、画素の全体の配列が第１の直線方向又は第２の直線方向に対して非直線に配列された構成、又は、第１の直線方向と第２の直線方向との規定される２次元上に不規則に配列された構成となる。画素を規則的に配列した場合において見られる色モアレや輝度モアレの発生を抑制することができる。

また、撮像装置が複数の画素それぞれの受光領域のずれ量を示す位置情報を記憶する記憶手段を備える構成とすることが好ましい。撮像素子の入射光が照射する側の面にマイクロレンズを形成した場合に、マイクロレンズを受光領域のずれ量にあわせてずらした位置に配列することが困難である。そこで、マイクロレンズを規則的に配列することに起因するセンサ感度のランダムなばらつきを、前記ずれ量を示す位置情報に基づいて数値計算を行うことによって画像を補正することができる。

本発明によれば、色モアレ及び輝度モアレの発生を抑えることができる撮像素子及び撮像装置を提供できる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。この実施形態ではデジタルスチルカメラを例に説明するが、デジタルビデオカメラや携帯電話機等の小型電子機器に搭載されたカメラ等の他の種類のデジタルカメラにも本発明を適用可能である。

図１に示すデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、ＣＣＤ型の撮像素子１１と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルスチルカメラ全体を制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ用の発光部１６及び受光部１７を制御し、また、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞りの開口量を制御して露光量が適正露光量となるように調整する。

撮像素子１１は、本実施形態では、赤色（Ｒ）の入射光量に応じた信号を検出するＲ画素と、緑色（Ｇ）の入射光量に応じた信号を検出するＧ画素と、青色（Ｂ）の入射光量に応じた信号を検出するＢ画素が設けられている。また、輝度検出信号（Ｗ）を検出する輝度検出画素とが設けられていてもよい。なお、撮像素子１１は、ＣＣＤ型でなくＣＭＯＳ型などの他の形式のものでもよい。

また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して、撮像素子１１を詳細は後述するようにして駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を出力させる。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。

操作部２１はシャッタボタンを含み、シャッタボタンが半押し状態（スイッチＳ１）になったときにフォーカス調整が為され、シャッタボタンが全押し状態（スイッチＳ２）になると、撮像が行われる。

デジタルスチルカメラの電気制御系は、撮像素子１１の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲ，Ｇ，Ｂの各色信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。

さらに、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、信号処理を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算してホワイトバランスのゲインを調整させる積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。

また、ＣＰＵには、記憶部３５が接続されている。記憶部３５は、後述する撮像素子の画素配列の位置情報などを予め記憶させておくための記憶手段として機能する。記憶部３５としては、例えば、マスクＲＯＭやＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）などを用いることができる。

図２は、撮像素子１１の撮像領域における画素配列を簡略的に示した平面図である。図３は、図２の画素配列において矢印Ａ−Ａ方向にみた断面図である。

撮像素子１１は、シリコン等の半導体基板４１を有し、半導体基板４１の、入射光が照射される側の表面には、イオン注入などによって複数の不純物拡散層が形成されている。具体的には、半導体基板４１の表面には、高濃度のｐ型の不純物拡散層からなる正電荷蓄積領域４３ａと、該正電荷蓄積領域４３ａの下層にｎ型の不純物拡散層からなる電子蓄積領域４３ｂとが形成されている。正電荷蓄積領域４３ａと電子蓄積領域４３ｂが、受光した入射光を光電変換することで信号電荷を発生する光電変換部として機能する。

半導体基板４１の表面には、正電荷蓄積領域４３ａ及び電子蓄積領域４３ｂと隙間を隔てて（図３では右側）、高濃度のｎ型の不純物拡散層からなる電荷転送領域４２ａと、該電荷転送領域４２ａの下層に高濃度のｐ型の不純物拡散層４２ｂとが形成されている。電荷転送領域４２ａは、駆動時に撮像素子駆動部２０から入力される読み出しパルスに基づいて、右側に位置する画素の電子蓄積領域４３ｂで発生した信号電荷を読み出す。正電荷蓄積領域４３ａ及び電子蓄積領域４３ｂの左側には、高濃度のｐ型不純物拡散層からなる素子分離領域４４が形成され、該正電荷蓄積領域４３ａ及び電子蓄積領域４３ｂとは素子分離領域４４を介して、正電荷蓄積領域４３ａ及び電子蓄積領域４３ｂと隣り合う画素の光電変換部の信号電荷の読み出しを行うための電荷転送領域４５ａ及びｐ型の不純物拡散層４５ｂが同様に設けられている。

半導体基板４１の表面側には、層間絶縁膜５１ｂを介してポリシリコンなどのからなる電荷転送電極５２が設けられている。本実施形態の撮像素子１１では、電荷転送電極５２は、駆動時に光電変換部から読み出した信号電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送電極として機能する。

電荷転送電極５２の上に、層間絶縁膜５１ａを介してタングステンやアルミニウムなどの遮光膜５３が形成されている。遮光膜５３における、正電荷蓄積領域４３ａ及び電子蓄積領域４３ｂの上方には、所定の開口面積を有する開口部５４が形成されている。開口部５４は、遮光膜５３を半導体基板４１の全面に形成した後、フォトリソグラフィ工程によって所定のパターンを形成し、遮光膜５３をエッチング除去することで形成することができる。

遮光膜５３の上方には、透明な絶縁層５１を積層し、該絶縁層５１の上面にはカラーフィルタ６１が形成されている。カラーフィルタ６１は、赤色成分の光を透過するＲのフィルタと、緑色成分の光を透過するＧのフィルタと、青色成分の光を透過するＢのフィルタとを有している。さらに、カラーフィルタ６１は、全ての色成分を有する光を透過可能な輝度フィルタを有していてもよい。

輝度フィルタは、例えば、ＮＤフィルタ、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタなどを使用することができる。また、光電変換部の受光面の上方位置に何も設けずに、入射光が直接受光面に入射する構成とすることができ、本願発明では、このような構成においても、実質的に輝度フィルタを設けたということができる。

カラーフィルタ６１の表面には、入射光が照射する側に突出した湾曲面を有する上凸型のマイクロレンズ６４が設けられている。

本実施形態の撮像素子１１は、撮像領域の画素がベイヤー配列によって配置されている。具体的には、図２に示すように、Ｒの色フィルタを有するＲ画素と、Ｇの色フィルタを有するＧ画素と、Ｂの色フィルタを有するＢ画素を撮像領域に対して２次元状に並べられているパターンである。具体的には、図２の縦方向に順に、Ｒ画素とＧ画素とが縦に交互に並べられた列と、Ｇ画素とＢ画素とが縦に交互に並べられた列と、を横方向に交互に配列している。ここで、同じ画素が縦方向及び横方向において隣り合わないように並べられている。

撮像時には、撮像素子１１は、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素によって画素ごとに色情報を取得し、撮像装置でカラーの画像を形成することができる。

本実施形態の撮像素子１１は、配列された画素の列と列との間に、図２中矢印Ｖ方向に沿って垂直電荷転送部が延設されている。垂直電荷転送部それぞれの転送方向端部には、図示しない水平電荷転送部が接続され、水平電荷転送部に沿って転送された信号電荷は、出力アンプより出力される。

図４は、撮像素子１１の撮像領域の一部を模式的に示した平面図である。図４では、縦方向及び横方向に対して２画素分を含む部分の状態を示している。図４において、矢印Ｕで示した破線の矩形部分は、単位画素（ユニットセル）の光電変換部が形成されている領域を示している。単位画素に設けられた開口部５４から入射光が光電変換部に入射するため、本発明では、平面視において開口部５４の開口領域が受光領域に相当するものとする。

本実施形態では、単位画素の領域Ｕに形成された遮光膜５３の開口部５４の重心の位置が画素ごとにランダムな位置に設けられ、全画素で見た状態で画素配列が不規則な配列になる。言い換えると、各画素の光電変換部における入射光が入射される受光領域の位置が、隣り合う画素に対してずれた位置に設けられている。

図４に示すように、単位画素における開口部５４の重心の位置は、それぞれ位置情報として数値化され、撮像装置の記憶部３５に予め記憶させておくことができる。位置情報としては、例えば、ＸＹ平面の座標として数値化することができる。本実施形態では、図４に示すように、単位画素の左上の角部を基準とし、画素ごとに、この基準から開口部５４の中心のＸ座標（Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ２１，Ｘ２２）及びＹ座標（Ｙ１１，Ｙ１２，Ｙ２１，Ｙ２２）で定義される座標情報が設定され、記憶部３５に記憶されている。なお、ずれ量を数値化するための位置情報は、本実施形態の座標情報に限定されない。また、座標情報を定義する際の所定の基準となる位置や規準となる画素は、特に限定されない。

また、本発明にかかる撮像素子の構成は、光電変換部の重心ｇ０に対する受光領域（図４では開口部）の重心ｇ１の位置を示すずれベクトルＶを規定した場合に、ずれベクトルＶが、少なくとも縦方向に隣接する受光領域のずれベクトル、及び、横方向に隣接する受光領域のずれベクトルのいずかと異なる。これらずれベクトルＶの情報が画素ごとに記憶部３５に記憶されていてもよい。

図５は、画素ごとの開口部５４の位置のずれを説明するための図である。本実施形態では、図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、光電変換部４３は、半導体基板に複数等間隔に配列されており、遮光膜５３の開口部５４の位置を画素ごとにずらしている。本実施形態のように、隣り合う画素の受光領域をずらす場合には、例えば、所定の画素を図５（ａ）に示すように受光領域を形成した場合、その画素の縦方向及び横方向に隣り合う画素の受光領域を図５（ｂ）又は図５（ｃ）のように図５（ａ）に受光領域に対してずらした位置とするように構成する。なお、図５では、説明を簡略化するため、縦方向又は横方向のいずれかにおいて、受光領域をずらした状態を示して説明したが、本実施形態では、縦方向又は横方向に受光領域をずらしている。ここで、本発明では、「縦方向」及び「横方向」とは、２次元平面に規定される第１の直線方向と、該第１の直線方向に対して直交する第２の直線方向とすることができる。縦方向を第１の直線方向としたときには、横方向が第２の直線方向となり、縦方向を第２の直線方向としたときには、横方向が第１の直線方向となることを意味する。

本実施形態の撮像素子１１を製造する際には、遮光膜５３を半導体基板上に光電変換部を覆うように一旦全面に形成した後、開口部５４の位置をそれぞれずらした配列となるマスクパターンを用いたフォトリソグラフィ工程によって露光、エッチング除去を行う。こうすることで、遮光膜５３の開口部５４の重心の位置が、少なくとも縦方向に隣接する受光領域に対して横方向にずれている位置、及び、横方向に隣接する受光領域に対して縦方向にずれている位置のいずれかに設けられた構成を得ることができる。

本発明によれば、撮像領域においてそれぞれの画素の受光領域が、縦方向又は横方向、あるいは、縦方向と横方向との両方向に隣り合う画素の受光領域に対してずれた位置に設けられている。すると、画素の全体の配列が不規則的な配列となり、画素を規則的に配列した場合において見られる色モアレや輝度モアレの発生を抑制することができる。

また、撮像装置が複数の画素それぞれの受光領域のずれ量を示す位置情報を記憶する記憶手段を備える構成とすることが好ましい。撮像素子１１の入射光が照射する側の面にマイクロレンズ６４を形成する場合に、マイクロレンズ６４を受光領域のずれ量にあわせてずらした位置に配列することが困難である。そこで、マイクロレンズ６４を規則的に配列することに起因するセンサ感度のランダムなばらつきを、ずれ量を示す位置情報に基づいて数値計算を行うことによって画像を補正することができる。

本実施形態の撮像素子１１は、遮光膜５３の開口部５４を縦方向及び横方向の少なくとも一方に隣り合う画素に対してずれた位置に設けることで、各画素の受光領域の位置をずらした構成としたが、受光領域の位置をずらした構成としては、これに限定されない。図６に示すように、複数の光電変換部４３がそれぞれ、半導体基板の表面において、少なくとも縦方向及び横方向のうちいずれかに隣り合う画素の光電変換部４３の位置に対してずれた位置に設けることで、実質的に各画素の受光領域の位置をずらして構成できる。

次に、本発明にかかる第２実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の撮像装置の構成は、上記実施形態の図１の構成と基本的に同じであり、撮像素子の構成のみ相違する。以下の第２実施形態の説明では、撮像素子の構成について具体的に説明する。

図７は、第２実施形態の撮像素子の構成を示す断面図である。撮像素子は、積層された複数の不純物拡散層を有し、光電変換によって信号電荷を生成する光電変換層を備えている。図中において上方の面を「表面」とし、下方の面を「裏面」とする。本実施形態の撮像素子は、半導体基板の裏面側から光を照射し、表面側の光電変換領域によって入射光を光電変換して信号電荷を生成して出力する、いわゆる、裏面照射型の撮像素子である。

光電変換層は、その裏面側から表面側へ向かって、順に、酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）１２６と、エピタキシャル成長させる際にシード層として機能するシリコン層１２２と、シリコン層１２２の表面で且つ隣接する画素同士の境界に設けられた遮光膜１２４と、シリコン層１２２の表面において遮光膜１２４が設けられていない領域に形成された高濃度ｐ＋型の不純物拡散層１２１と、該不純物拡散層１２１及び遮光膜１２４を覆うように形成された、不純物拡散層１２１よりも不純物濃度が低いｐ−型のシリコンからなるエピタキシャル層１１９とを有する。本実施形態では、遮光膜１２４同士の間が開口部として機能し、該開口部を光入射側から平面視した際の開口領域を受光領域とする。

遮光膜１２４は、例えば、金属材料から構成されており、外側が絶縁性材料の絶縁膜１２３で覆われている。本実施形態では、遮光膜１２４に熱処理を行うことで絶縁膜１２３を形成してもよく、または、金属材料のシリサイド酸化膜であってもよい。

本実施形態の撮像素子は、駆動時に遮光膜１２４に負電圧を印加し、また、遮光膜１２４に対して裏面側のシリコン層１２２を接地できるように配線回路が設けられ構成である。こうすれば、遮光膜１２４を金属材料等の導電性部材で構成した場合に、周囲の活性層との間で電荷が発生することを防止することができる。

また、光電変換層において、エピタキシャル層１１９の表面には、画素ごとの領域に不純物濃度が低いｎ−型の不純物拡散層１１８がそれぞれ積層されている。ｎ−型の不純物拡散層１１８はそれぞれ、隣の画素のものとは高い不純物濃度を有するｐ＋型の不純物拡散層によって形成された素子分離領域１１７によって隔てられて設けられている。ｎ−型の不純物拡散層１１８の表面側には、画素領域の一部領域にｎ型の不純物拡散層１１４と高い不純物濃度を有するｐ＋型の不純物拡散層１１３とが積層され、また、画素領域の残りの領域に、ｐ＋型の不純物拡散層１１３よりも不純物濃度が低いｐ型の不純物拡散層１１６が形成されている。ｐ型の不純物拡散層１１６は、不純物拡散層１１４とｐ＋型の不純物拡散層１１３との積層部分に対して、同じ厚さで且つ水平方向（図５において左右方向）に隣接して形成されている。また、ｐ型の不純物拡散層１１６の表面に一部が露出する状態で、高濃度のｎ型の不純物拡散層１１５が形成されている。

ｐ＋型の不純物拡散層１１３、ｐ型の不純物拡散層１１６（ｐ型の不純物拡散層１１６の表面に露出した不純物拡散層１１５を含む。）の表面にゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を介して、絶縁層１１１が形成されている。絶縁層１１１の裏面には垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）などの電荷転送領域１１２が形成されている。なお、本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ型の電荷を読み出す構造としたが、特にこれに限定されず、光電変換層に蓄積した信号電荷を読み出して転送することができれば、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ型の電荷を読み出す構造としてもよい。ＣＭＯＳイメージセンサ型の場合、絶縁層１１１に多層の配線電極を形成する。

光電変換層の裏面側には、酸化シリコン膜１２６を介して反射防止膜１２７が形成されている。また、該反射防止膜１２７の裏面に、それぞれ異なる波長の光を透過する複数のカラーフィルタを裏面に対してマトリクス状に配列したカラーフィルタ１２８が形成されている。カラーフィルタ１２８の構成は、上記実施形態と同様とすることができる。また、カラーフィルタ１２８の裏面には、光が入射する側にレンズ面が突出するように湾曲した上凸型のマイクロレンズが形成されていてもよい。

撮像素子は、画素サイズＷに対する光電変換層の厚さＴの比率が４以上となることが好ましい。言い換えると、Ｔ／Ｗ≧４となるように構成することが好ましい。ここで、画素サイズＷとは、裏面側（又は表面側）から見た状態で、正方形状に区画される画素領域の一辺の長さ（図７において左右方向の長さ）に相当する。また、画素サイズが２μｍ角以下であることが好ましい。こうすることで、光電変換層の厚さを厚くして光学感度を向上させるとともに、画素の微細化を図ることが可能となる。

駆動時には、撮像素子の光電変換層の裏面側から光が入射してカラーフィルタ１２８を透過し、光電変換層の内部に照射される。そして、光電変換層に入射光が進入すると、光電変換によって信号電荷が生成される。生成された信号電荷は、不純物拡散層１１４に一旦蓄積される。読み出し時に電極１１２に読み出しパルスが印加されると、蓄積された信号電荷が電荷転送部１１５に読み出され、転送される。このとき、光電変換層の、隣接する画素同士の境界に、埋め込み部材として遮光膜１２４が形成されているため、カラーフィルタ１２８を透過した光が、周囲の画素領域に入射することを防止することができる。

図８は、本実施形態の撮像素子の変形例を示す断面図である。この撮像素子は、シリコン層１２６上に埋め込み部材として形成された遮光膜１３５の構造と、該遮光膜１３５の周囲のエピタキシャル層の構成が、図７に示す撮像素子と相違する。以下、相違する部分について説明する。

図８に示すように、酸化シリコン膜１２６の表面に、隣接する画素同士の境界に金属材料などからなる遮光膜１３５が形成されている。また、遮光膜１３５は、高い不純物濃度を有するｐ＋型のエピタキシャル層１３１によって覆われている。ここで、遮光膜１３５を覆う層は、エピタキシャル層１３１に限定されず、遮光膜１３５との界面において電荷を発生させない非空乏層であれば、他のエピタキシャル層や不純物拡散層を用いてもよい。遮光膜１３５は、駆動時に０Ｖに固定できるように接地回路に接続されている。こうすれば、遮光膜１３５を金属材料等の導電性部材で構成した場合に、図７に示す構成のように金属材料部の外側に絶縁膜を形成する必要がないうえ、遮光膜１３５の周囲の活性層との間で電荷が発生することを抑制することができる。なお、金属材料部の外側に絶縁膜を形成し、且つ、遮光膜１３５を非空乏層で覆う構成としてもよい。こうすれば、遮光膜１３５の周囲の活性層との間で電荷が発生することをより顕著に抑制することができる。

遮光膜１３５同士の間が開口部として機能し、撮像領域を平面視した状態で、該開口部の開口領域が受光領域に相当する。

図９は、画素ごとの開口部の位置のずれを説明するための簡略図である。図９は、撮像領域の所定の方向に対して並んだ３つ単位画素のみを示している。本実施形態では、単位画素Ｕが、撮像領域の２次元方向に複数等間隔に配列されており、遮光膜１２４の開口部Ｈの重心の位置を単位画素Ｕごとにずらしている。本実施形態のように、隣り合う画素の受光領域をずらす場合には、例えば、左側の単位画素を図９に示すように水平方向左端側にずらして受光領域を形成した場合、その画素と隣り合う図中の中央の単位画素Ｕは、水平方向に対して右側に受光領域をずらして設けられ、さらに、図中右側の単位画素Ｕは、中央の単位画素Ｕに比べて水平方向に対して右側に受光領域をずらして設けられている。なお、図９では、説明を簡略化するため、縦方向又は横方向のいずれか一方においてのみ受光領域をずらした状態を示して説明したが、本実施形態では、縦方向及び横方向に２次元に受光領域をずらしている。

本実施形態の撮像素子も、上記実施形態と同様に、撮像装置に複数の画素それぞれの受光領域のずれ量を示す位置情報を記憶する記憶手段が備えられている構成としてもよい。

次に、本実施形態の撮像素子の製造方法を図面に基づいて説明する。
図１０から図１３は、撮像素子の製造方法の手順を説明する図である。最初に、図１０（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓと、該シリコン基板Ｓの表面に酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）１５１を形成し、酸化シリコン膜１５１上にエピタキシャル用のシード層として機能するシリコン層１５２を形成する。なお、酸化シリコン膜１５１とシリコン層１５２とを備えたＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造の半導体ウエハを予め準備してもよい。酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２）１５１は、他の絶縁膜を用いることもできる。

図１０（ｂ）に示すように、シリコン層５２の表面に遮光性の材料を用いて、位置合わせマーク１５４と、遮光膜１５６をパターン形成する。位置合わせマーク１５４と遮光膜１５６は、同一の遮光性の材料を用いて、同じマスクによって一括に同一層としてパターン形成することができる。また、位置合わせマーク１５４と、遮光膜１５６は、フォトリソグラフィ処理によってレジストパターンを形成後に遮光性の材料を蒸着した後、フォトレジストを剥離してリフトオフを行う方法によって形成してもよい。こうすれば、シリコン層１５２にエッチングダメージを与えることがない。

本実施形態では、遮光膜１５６をシリコン層１５２の表面の全面に形成した後、遮光膜１５６同士の間に区画される開口部の重心の位置を画素ごとにそれぞれずらした配列となるマスクパターンを用いたフォトリソグラフィ工程によって露光、エッチング除去をおこう。こうすることで、単位画素間で遮光膜１５６の開口部の位置がばらついた構成を得ることができる。

図１０（ｃ）に示すように、シリコン層１５２上に、エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース(Epitaxial Lateral Overgrowth=ＥＬＯ）法によってエピタキシャル成長を行いエピタキシャル層１５８を形成する。こうすることで、シリコン層１５２の表面に形成された位置合わせマーク１５４と遮光膜１５６とがエピタキシャル層１５８に埋め込むことができる。なお、本願では、位置合わせマーク１５４と遮光膜１５６とを総称して、埋め込み部材ともいう。

図１１（ａ）に示すように、エピタキシャル層１５８の表面に第２の位置合わせマーク１６４を形成する。第２の位置合わせマーク１６４は、エピタキシャル層１５８の裏面側に形成された第１の位置合わせマーク１５４の位置を基準として、赤外光によるアライメント機能を有する露光装置を用いて、エピタキシャル層１５８の表面側から第１の位置合わせマーク１５４を検出し、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法又はＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法によって形成される。第２の位置合わせマーク１６４は、第１の位置合わせマーク１５４と同じ遮光性の材料を用いて形成することができる。

第２の位置合わせマーク１６４を形成した後、エピタキシャル層１５８の表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって絶縁膜１６１を形成する。

図１１（ｂ）に示すように、エピタキシャル層１５８の表面に形成された第２の位置合わせマーク１６４を基準として位置合わせされたセンサ領域１６６を形成する。本実施形態では、一例としてＣＣＤイメージセンサ型の電荷転送電極１６８を備えた構成としたがこれに限定されず、ＣＭＯＳイメージセンサ型の構成としてもよい。

図１２（ａ）に示すように、エピタキシャル層１５８の表面側に絶縁膜１６１の表面に、透明な接着剤１７２を塗布し、支持基板１７４を貼り付ける。

また、エピタキシャル層１５８の裏面に積層されているＳＯＩのシリコン基板Ｓを、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などでエッチングを行って除去し、酸化シリコン膜１５１を裏面に露出させる。

図１２（ｂ）に示すように、エピタキシャル層１５８の裏面側に露出した酸化シリコン膜１５１に反射防止膜１７５を形成する。そして、反射防止膜１７５上にそれぞれ異なる波長の光を透過する複数のカラーフィルタを有するカラーフィルタ１７６を形成する。カラーフィルタ１７６は、複数のカラーフィルタを裏面側から見た状態で、（赤）Ｒ，（緑）Ｇ，（青）Ｂの色がマトリクス状に設けられている。

また、図１３に示すように、反射防止膜１７５上に、遮光膜１５６と同じ遮光性の材料を用いて遮光部１８２を形成してもよい。このとき、遮光部１８２は、カラーフィルタ１７６と反射防止膜１７５との界面において、隣接する画素同士の境界に設ける。

さらに、反射防止膜１７５に第３の位置合わせマーク１７８を形成してもよい。第３の位置合わせマークク１７８は、遮光部１８２と同じ遮光性の材料から構成された単一の層とし、一つのマスクによって同時にパターン形成してもよい。また、遮光部１８２と同時に、有効画素の信号と差分に基づいて暗電流の直流分を除去するためのオプティカル・ブラック部１８４を形成してもよい。遮光部１８２及び第３の位置合わせマーク１７８は、酸化シリコン膜１５１上に形成してもよい。

また、上記手順によって、ＳＯＩ基板に埋め込み部材を設けた、面側から光が照射され、前記光に応じて内部で発生した信号電荷を基板の表面側から読み出して撮像を行う撮像素子に好適な半導体基板を製造することができる。

本発明によれば、撮像領域においてそれぞれの画素の受光領域が、隣り合う画素の受光領域に対してずれた位置に設けられている。すると、画素の全体の配列が不規則的な配列となり、画素を規則的に配列した場合において見られる色モアレや輝度モアレの発生を抑制することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態では、光電変換部を半導体基板の表面に対して縦方向及び横方向に対して所定のピッチで格子状に配置したが、図１４に示すように、ハニカム配置としてもよい。図１４に示すハニカム配置では、半導体基板の表面に、縦方向に相等する列と横方向に相等する行に光電変換部２４３が配置されており、列の光電変換部２４３が、隣り合う列の光電変換部２４３に対して、縦方向に１／２ピッチだけずれて配置されている。ここで、それぞれの光電変換部２４３上に形成される開口部２５４の重心の位置が少なくとも、縦方向に隣接する受光領域に対して横方向にずれている位置、及び、横方向に隣接する受光領域に対して縦方向にずれている位置のいずかに設けられている。こうすることで、光電変換部２４３の配置をハニカム配置として構成であっても、上記実施形態と同様に色モアレを抑制する効果を得ることができる。

本発明にかかる撮像素子を備えた撮像装置の構成図である。撮像素子の撮像領域における画素配列を簡略的に示した平面図である。図２の画素配列において矢印Ａ−Ａ方向にみた断面図である。撮像素子の撮像領域の一部を模式的に示した平面図である。画素ごとの開口部の位置のずれを説明するための図である。画素ごとの光電変換部の位置のずれを説明するための図である。第２実施形態の撮像素子の構成を示す断面図である。第２実施形態の撮像素子の変形例を示す断面図である。画素ごとの開口部の位置のずれを説明するための簡略図である。撮像素子の製造方法の手順を説明する図である。撮像素子の製造方法の手順を説明する図である。撮像素子の製造方法の手順を説明する図である。撮像素子の製造方法の手順を説明する図である。光電変換部のハニカム配置の例を説明する図である。

符号の説明

１１撮像素子
５３，１５６遮光膜
５４開口部

Claims

半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とが設けられた撮像素子であって、
前記光電変換部における受光領域が、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずかに設けられていることを特徴とする撮像素子。
前記光電変換部の光が入射する側の面が、該光電変換部のそれぞれの上部に開口部を有する遮光膜で覆われ、前記開口部の重心が少なくとも前記第１の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記複数の光電変換部がそれぞれ、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記光電変換部の光が入射する側の面にカラーフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像素子。
撮像素子の撮像領域に設けられた複数の画素ごとに入射光を光電変換することで信号電荷を生成して画像を形成する撮像装置であって、
前記撮像素子が、
半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とを備え、
前記光電変換部における受光領域の位置が、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する受光領域に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする撮像装置。
前記光電変換部の上方が、該光電変換部のそれぞれの上部に開口部を有する遮光膜で覆われ、前記開口部の重心が少なくとも前記第１の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する開口部の重心に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記複数の光電変換部が、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第２の直線方向にずれている位置、及び、前記第２の直線方向に隣接する前記光電変換部に対して前記第１の直線方向にずれている位置のいずれかに設けられていることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記複数の画素それぞれの前記受光領域のずれ量を示す位置情報を記憶する記憶手段を備えていることを特徴とする請求項５から７のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記位置情報が、前記撮像領域に設けられた第１の直線方向及び前記第１の直線方向に直交する第２の直線方向に対するずれ量を示す座標情報であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
前記記憶手段が、マスクＲＯＭであることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
前記記憶手段が、ＥＥＰＲＯＭであることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
前記撮像素子は、前記撮像領域における前記入射光が照射する面にカラーフィルタが設けられていることを特徴とする請求項５から１１のいずれか１つに記載の撮像装置。
半導体基板の表面に第１の直線方向及び該第１の直線方向に直交する第２の直線方向に配列された複数の光電変換部とが設けられた撮像素子であって、
前記光電変換部の重心に対する受光領域の重心の位置を示すずれベクトルが、少なくとも前記第１の直線方向に隣接する受光領域のずれベクトル、及び、前記第２の直線方向に隣接する受光領域のずれベクトルのいずかと異なることを特徴とする撮像素子。