專利名稱：固體攝像元件以及攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用紅外光的固體攝像元件。
背景技術(shù)：
近年來，采用CXD或CMOS等固體攝像元件(以下，有時(shí)稱為「攝像元件」。)的數(shù) 字照相機(jī)和數(shù)字電影的高功能化、高性能化使世人瞠目。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的快速進(jìn)步， 固體攝像元件中像素構(gòu)造的精細(xì)化取得了進(jìn)步。結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)固體攝像元件的像素以及 驅(qū)動電路的高集成化，作為攝像元件也實(shí)現(xiàn)了飛躍性的高性能化。尤其在最近，還開發(fā)出采 用背面照射型(backside illumination)攝像元件的照相機(jī)，該背面照射型攝像元件不是 在形成有固體攝像元件布線層的面(表面)上接受光，而是在其相反側(cè)的面(背面)接受 光，其特性等被廣泛關(guān)注。在通常的攝像元件中，因?yàn)樵诰哂胁季€層等的表面?zhèn)冉邮芄猓?以由于表面?zhèn)鹊膹?fù)雜構(gòu)造而產(chǎn)生光損失等。但是，背面照射型攝像元件在受光部沒有遮蔽 光的物體，所以幾乎不產(chǎn)生元件構(gòu)造所導(dǎo)致的光損失?？烧J(rèn)為利用采用這種背面照射型攝像元件的照相機(jī)還進(jìn)一步擴(kuò)展攝像環(huán)境的范 圍。最近，不僅僅是白天、在夜間采用紅外光進(jìn)行攝像也具有廣泛的需求。因此，認(rèn)為市場 需要采用背面照射型攝像元件的夜間攝影用照相機(jī)或晝夜兼用照相機(jī)。在背面照射型攝像元件的開發(fā)中，正在研究許多與元件構(gòu)造及制造相關(guān)的技術(shù)。 另外，與攝像元件中光的利用相關(guān)的研究也取得了進(jìn)步。例如，專利文獻(xiàn)1、2公開了以感光 度提高為目的、在攝像元件的表面?zhèn)扰渲镁哂蟹瓷浒寮鞍济骁R等的反射以及會聚功能的要 素的技術(shù)。在這些技術(shù)中，使從攝像元件的背面入射后透過感光單元的光再次入射到感光 單元，由此來實(shí)現(xiàn)光利用率的提高。另外，專利文獻(xiàn)3公開了通過采用多層膜反射透過光來 實(shí)現(xiàn)同樣目的的技術(shù)。由于硅的光吸收特性，透過攝像元件的感光單元的光幾乎都是紅外 光。因此，使透過感光單元的光再次入射到感光單元，主要有助于紅外光的感光度提高。另一方面，關(guān)于不是背面照射型的通常攝像元件(表面照射型攝像元件)，例如在 專利文獻(xiàn)4中公開了同時(shí)取出彩色信號和紅外光信號的技術(shù)。在該技術(shù)中，如圖13所示將 2行2列作為基本結(jié)構(gòu)，透過RGB各色光的色分離濾鏡(濾色鏡)和僅透過紅外光(IR)的 紅外透過濾鏡與攝像元件的感光單元對應(yīng)著配置。這里，RGB的各濾色鏡具有還使紅外光 透過的特性，所以在它們的前面安裝有紅外截止濾鏡。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，專利文獻(xiàn)4所公 開的攝像裝置在白天利用透過RGB濾色鏡的光來制作彩色圖像，在夜間利用紅外光作為照 明，借助已透過紅外透過濾鏡的紅外光來制作黑白圖像。這樣，在攝像部的一部分中采用紅 外截止濾鏡來作出基于可視光的彩色圖像和基于紅外光的黑白圖像。專利文獻(xiàn)1日本特開平2-264473號公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開平3-109769號公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開2006-54262號公報(bào)專利文獻(xiàn)4日本特開2005-6066號公報(bào)與攝像元件的紅外光利用相關(guān)，具有如下這樣技術(shù)為了提高光利用率而采用反射鏡等，使曾經(jīng)透過了感光單元的光再次入射到感光單元。但是根據(jù)這些技術(shù)，為了獲得紅 外光圖像，需要透過紅外光并吸收可視光的紅外透過濾鏡等。另外，還具有如下這樣的技 術(shù)通過采用分別透過RGB各色光和紅外光(IR)的4種濾色鏡和紅外截止濾鏡，可以進(jìn)行 利用從可視光到紅外光的波段的攝像。但是，在此技術(shù)中，為了同時(shí)獲得彩色圖像以及紅外 光圖像，而需要紅外透過濾鏡以及紅外截止濾鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供在背面照射型以及表面照射型的攝像元件中，無需采用紅外 透過濾鏡及紅外截止濾鏡就可獲得紅外光圖像的技術(shù)、以及同時(shí)獲得彩色圖像和紅外光圖 像的技術(shù)。本發(fā)明的固體攝像元件具備半導(dǎo)體層，其具有第1面、和位于上述第1面的相反 側(cè)并入射光的第2面；多個(gè)單位塊，其在上述半導(dǎo)體層中在上述第1面與上述第2面之間以 2維狀進(jìn)行排列，并各自包含第1感光單元和第2感光單元；以及反射部，其配置在上述半 導(dǎo)體層的上述第1面?zhèn)龋瓷湟淹高^各單位塊所包含的上述第1感光單元的紅外光，使其入 射到上述第1感光單元以及上述第2感光單元的任意一個(gè)，在上述第1感光單元以及上述 第2感光單元中接受由上述反射部反射出的紅外光的感光單元輸出與另一個(gè)感光單元輸 出的光電變換信號相比加入了與利用上述反射部進(jìn)行反射后入射的紅外光量相對應(yīng)的分 量的光電變換信號。在某實(shí)施方式中，上述反射部具有多個(gè)紅外光反射鏡，該多個(gè)紅外光反射鏡分別 與各單位塊所包含的上述第1感光單元相對地配置。在某實(shí)施方式中，各單位塊還包含第3感光單元和第4感光單元，具備與上述第 1感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡；與上述第2感光單元相對地配 置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡；與上述第3感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊?第3色分離濾鏡；以及與上述第4感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡， 上述第1色分離濾鏡以及上述第2色分離濾鏡透過入射光中的第1波段的可視光以及紅外 光，上述第3色分離濾鏡透過入射光中的第2波段的可視光以及紅外光，上述第4色分離濾 鏡透過入射光中的第3波段的可視光以及紅外光。在某實(shí)施方式中，上述第1波段的可視光是綠光，上述第2波段的可視光是紅光， 上述第3波段的可視光是藍(lán)光。在某實(shí)施方式中，各單位塊還包含第3感光單元和第4感光單元，具備與上述第 3感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡；以及與上述第4感光單元相對 地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡，上述第1色分離濾鏡透過入射光中的第1波段 的可視光以及紅外光，上述第2色分離濾鏡透過入射光中的第2波段的可視光以及紅外光。在某實(shí)施方式中，上述第1波段的可視光是青光，上述第2波段的可視光是黃光。在某實(shí)施方式中，上述第1感光單元、上述第2感光單元、上述第3感光單元以及 上述第4感光單元使入射的紅外光中相當(dāng)于第1比例的量的紅外光透過。在某實(shí)施方式中，上述固體攝像元件具備光吸收層，其配置在上述半導(dǎo)體層的上 述第ι面?zhèn)?，并吸收已透過各單位塊所包含的上述第2感光單元的紅外光。在某實(shí)施方式中，上述固體攝像元件具備布線層，其配置在上述半導(dǎo)體層的上述
5第1面?zhèn)取１景l(fā)明的攝像裝置具有固體攝像元件；以及信號處理部，其對從上述固體攝像 元件輸出的電信號進(jìn)行處理，在該攝像裝置中，上述固體攝像元件具有半導(dǎo)體層，其具有 第1面、和位于上述第1面的相反側(cè)并入射光的第2面；多個(gè)單位塊，其在上述半導(dǎo)體層中 在上述第1面與上述第2面之間以2維狀進(jìn)行排列，并各自包含第1感光單元和第2感光 單元；以及反射部，其配置在上述半導(dǎo)體層的上述第1面?zhèn)?，反射已透過各單位塊所包含的 上述第1感光單元的紅外光，使其入射到上述第1感光單元以及上述第2感光單元的任意 一個(gè)，在上述第1感光單元以及上述第2感光單元中接受由上述反射部反射出的紅外光的 感光單元輸出與另一個(gè)感光單元輸出的光電變換信號相比加入了與利用上述反射部進(jìn)行 反射后入射的紅外光量相對應(yīng)的分量的光電變換信號，上述信號處理部利用包含上述第1 感光單元以及上述第2感光單元各自輸出的上述光電變換信號間的差分運(yùn)算的處理，來算 出各感光單元接受的紅外光量。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明的固體攝像元件，設(shè)置有反射部，該反射部反射已透過2個(gè)感光單元 中的一個(gè)的紅外光并再次入射到某個(gè)感光單元上，在利用2個(gè)感光單元進(jìn)行光電變換的紅 外光量中產(chǎn)生差。通過這些信號差分運(yùn)算，可算出各感光單元所受到的紅外光分量。進(jìn)而， 如果采用濾色鏡，則通過從感光單元的受光信號減去紅外光分量的信號，就能夠算出RGB 的彩色信號。因此，無需采用紅外透過濾鏡以及紅外截止濾鏡，就能夠獲得紅外光圖像以及 彩色圖像。


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圖1是示出本發(fā)明的固體攝像元件一例的剖視圖。
圖2是示出紅外光透過量相對于感光單元厚度的依存性的圖。
圖3是示出紅外光反射鏡傾斜的結(jié)構(gòu)的一例的剖視圖。
圖4是示出具有光吸收層的固體攝像元件的一例的剖視圖。
圖5是示出具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)的表面照射型固體攝像元件的一例的剖視圖。
圖6是示出本發(fā)明中的感光單元的排列一例的頂視圖。
圖7是示出本發(fā)明實(shí)施方式1中的攝像裝置整體結(jié)構(gòu)的框圖。
圖8是示出本發(fā)明實(shí)施方式1中的透鏡以及攝像元件的立體圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施方式1中的攝像元件的俯視圖。
圖10是本發(fā)明實(shí)施方式1中的攝像元件的A-A'線剖視圖。
圖11是本發(fā)明實(shí)施方式2中的攝像元件的俯視圖。
圖12是本發(fā)明實(shí)施方式2中的攝像元件的B-B'線剖視圖。
圖13是現(xiàn)有的同時(shí)取出彩色信號和紅外光信號的濾色鏡的基本色配置圖。
符號說明
Ia濾色鏡的紅要素 Ib濾色鏡的綠要素 Ic濾色鏡的藍(lán)要素 Id濾色鏡的青(cyan)要素
Ie透明要素If濾色鏡的黃要素2感光單元陣列的單位塊2a、2b、2c、2d攝像元件的感光單元3反射部3a反射鏡4微型透鏡5布線層6攝像元件的基板7光吸收層7a光吸收部件8透明層30半導(dǎo)體層30a半導(dǎo)體層的第1面30b半導(dǎo)體層的第2面100 攝像部101光學(xué)透鏡102光學(xué)板103 攝像元件103a 攝像面104信號產(chǎn)生接收部200信號處理部201 存儲器202色信號生成部203 接口部
具體實(shí)施例方式在說明本發(fā)明的實(shí)施方式之前，首先對本發(fā)明的基本原理進(jìn)行說明。圖1是示意性示出本發(fā)明的固體攝像元件內(nèi)部構(gòu)造的一例的剖視圖。圖示的固體 攝像元件具備半導(dǎo)體層30，該半導(dǎo)體層30具有第1面30a和位于第1面30a相反側(cè)的第2 面30b。在半導(dǎo)體層30的內(nèi)部，2維狀地排列包含多個(gè)感光單元(像素)的感光單元陣列。 感光單元陣列由多個(gè)單位塊2構(gòu)成，各單位塊2包含感光單元2a和感光單元2b。根據(jù)此結(jié) 構(gòu)，感光單元2a、2b可接受從第2面30b側(cè)入射的光(可視光以及紅外光)。與感光單元陣列相對，在第1面30a側(cè)設(shè)置有反射部3。反射部3構(gòu)成為對已透過 感光單元2a的紅外光進(jìn)行反射、并入射至感光單元2a或感光單元2b的任意一方。在圖示 的例子中，反射部3具有紅外光反射鏡3a。紅外光反射鏡3a與感光單元2a相對地配置，以 使對已透過感光單元2a的紅外光進(jìn)行反射、并再次入射到感光單元2a。在半導(dǎo)體層30的第1面30a側(cè)形成有布線層5。另外，從感光單元陣列觀察，在第 1面?zhèn)刃纬捎型该鲗?、以及支撐半導(dǎo)體層30的基板6。
當(dāng)包含可視光以及紅外光的光入射至感光單元2a、2b時(shí)，在各感光單元中產(chǎn)生光 電變換。各感光單元輸出與光電變換后的光量相應(yīng)的光電變換信號。各感光單元在入射光 的光軸方向上具有一定的厚度。各感光單元構(gòu)成為，對入射光所包含的幾乎全部可視光以 及一部分紅外光進(jìn)行光電變換，使剩下的紅外光透過感光單元。已透過感光單元2a的紅外光經(jīng)過透明層8在紅外光反射鏡3a上進(jìn)行反射，并再 次入射到感光單元2a。結(jié)果，利用在感光單元2a中反射出的紅外光再一次產(chǎn)生光電變換。 另一方面，已透過感光單元2b的紅外光經(jīng)由透明層8入射到攝像元件的基板6，并在此進(jìn)行 吸收。這里，將入射至1個(gè)單位塊2的可視光量用W表示，將紅外光量用IRtl表示。根 據(jù)上述結(jié)構(gòu)，感光單元2a、2b首先對量W的可視光和量AIR(< IR)的紅外光進(jìn)行光電變 換。此外，感光單元2a還對在反射鏡3a上反射并再次入射到感光單元2a的紅外光中的量 AIR' (< IR)的紅外光進(jìn)行光電變換。結(jié)果，感光單元2a輸出與量(W+Δ IR+Δ IR')相 當(dāng)?shù)墓怆娮儞Q信號S2a。另一方面，感光單元2b輸出與量(W+AIR)相當(dāng)?shù)墓怆娮儞Q信號 S2b。即，感光單元2a輸出與感光單元2b輸出的光電變換信號S2b相比增加了與經(jīng)由反射 部3反射后又入射的紅外光量相應(yīng)的分量的光電變換信號S2a。以下，參照圖2，對量Δ IR以及Δ IR'進(jìn)行說明。圖2表示紅外光量相對于距感 光單元入射面的深度X的依存性。如圖所示可知，入射至感光單元的紅外光量隨著距入射 面的深度變深而呈指數(shù)函數(shù)地減少。當(dāng)將感光單元中紅外光的吸收系數(shù)設(shè)為a、將入射的紅 外光量設(shè)為IR0時(shí)，可用下式1來表示深度χ中的紅外光量IR。(式子1) IR = IRQe-ax這里，將圖1所示的固體攝像元件中的各感光單元的厚度設(shè)為d。這樣，用IIV^d 來表示利用感光單元2b未進(jìn)行光電變換而透過的紅外光量。另一方面，當(dāng)假定為在透過感 光單元2a的紅外光再次入射到感光單元2a之前未產(chǎn)生損失時(shí)，用IRc^2ad來表示利用感光 單元2a最終未進(jìn)行光電變換而透過的紅外光量。結(jié)果，分別用下式2、3來表示AIR以及 Δ IR'。(式子2) AIR = IRQ(l-e-ad)(式子3) AIR' = IR0e"ad(l-e"ad)這樣，Δ IR和AIR'成為相互不同的值，AIR'小于AIR。在上述例子中，紅外光反射鏡3a被配置為對透過感光單元2a的紅外光進(jìn)行反射 并再次入射到感光單元2a，但本發(fā)明不僅限于這樣的配置。例如，紅外光反射鏡3a可傾斜 為，對透過感光單元2a的紅外光進(jìn)行反射使其再次入射到感光單元2b。圖3示出具有這 種反射鏡3a的固體攝像元件的一例。在此結(jié)構(gòu)中，利用紅外光反射鏡3a進(jìn)行反射、在感光 單元2b的內(nèi)部未進(jìn)行光電變換而透過的紅外光通過感光單元2b的內(nèi)部時(shí)的光路長比感光 單元的厚度d長。因此，在圖3所示的例子中，AIR'可以取比式子3所示的值大的值。所 以，通過調(diào)整紅外光反射鏡3a以及感光單元2a、2b的配置，可以使AIR'與Δ IR相等。在 以下的說明中為了簡單，而作為Δ IR AIR'的近似成立的情況進(jìn)行使用。根據(jù)上述近似，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，感光單元2a、2b各自輸出的光電變換信號 S2a、S2b可分別用下式4、5來表示。(式子 4) S2a = ffs+2 Δ IRs
(式子 5) S2b = Ws+ Δ IRs這里，Ws以及Δ IRs分別表示與量W、Δ IR對應(yīng)的光電變換信號，2 Δ IRs表示 Δ IRs的2倍的量?？赏ㄟ^S2a與S2b的減法運(yùn)算來求出AIRs。Δ IRs被認(rèn)為與入射的 紅外光量1禮成比例，所以通過在各單位塊中求出Δ IRs，能夠獲得每個(gè)單位塊的AIR的分 布、即紅外光圖像。此外，即使在Δ IR AIR'不成立的情況下，也能夠采用式子2、3的關(guān) 系來求出Δ IRs，所以同樣能夠獲得紅外光圖像。基于以上原理，本發(fā)明的固體攝像元件無 需采用紅外透過濾鏡就能夠獲得紅外光圖像。此外，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明的固體攝像元件可具有吸收已透過感光單元 2b的紅外光的光吸收層。圖4示出具有這樣的光吸收層7的固體攝像元件的一例。在圖 示的例子中，光吸收層7具有與感光單元2b相對地配置在第1面30a側(cè)的光吸收部件7a。 通過光吸收部件7a，可防止透過了感光單元2b的紅外光在基板6的表面上反射并再次入 射到感光單元的情況。此外，光吸收部件7a不僅是相對于感光單元2b、還可以與感光單元 2a相對地配置。在此情況下，光吸收層7a被設(shè)置為比反射部3接近基板6的位置。另外， 光吸收部件7a可以是不僅吸收紅外光、還吸收可視光的部件。本發(fā)明的固體攝像元件不限于如圖1、3、4所示的背面照射型固體攝像元件，也可 以是表面照射型固體攝像元件。圖5是示出具備本發(fā)明結(jié)構(gòu)的表面照射型固體攝像元件一 例的剖視圖。在此結(jié)構(gòu)中，反射部3針對感光單元陣列被配置在第2面30b側(cè)。即使是這 樣的表面照射型攝像元件也不會改變本發(fā)明的效果。在本發(fā)明中，為了與紅外光圖像一起獲得彩色圖像，各單位塊2需要包含感光單 元2a、2b以外的感光單元。圖6是示意性示出這樣的感光單元陣列的一部分結(jié)構(gòu)的頂視圖。 在圖示的結(jié)構(gòu)中，1個(gè)單位塊2包含4個(gè)感光單元2a、2b、2c、2d，但1個(gè)單位塊2所包含的 感光單元數(shù)為4個(gè)不是必須的。另外，感光單元陣列不需要正方晶格狀地進(jìn)行排列，也可以 是其它排列。此外，圖6中的感光單元2a、2b、2c、2d能夠相互以某種方式替換。為了獲得彩色圖像，而在與各單位塊2所包含的至少一部分感光單元相對的、光 所入射的一側(cè)配置色分離濾鏡(濾色鏡)。通過適當(dāng)配置可構(gòu)成為使入射光中的一部分波 段的可視光以及紅外光透過的濾色鏡，可以同時(shí)獲得紅外光圖像與彩色圖像。例如，在圖6所示的像素排列中，與感光單元2c相對地配置透過紅(R)光的濾色 鏡，與感光單元2d相對地配置透過藍(lán)(B)光的濾色鏡。這樣，感光單元2c、2d各自輸出的 光電變換信號S2c、S2d分別用下式6、7來表示。(式子 6) S2c = Rs+ Δ IRs
(式子 7) S2d = Bs+ Δ IRs這里，Rs以及Bs分別表示與R光以及B光對應(yīng)的信號分量。此外，當(dāng)沒有配置與 感光單元2a、2b相對的濾色鏡時(shí)，光電變換信號S2a、S2b分別用式子4、5來表示。根據(jù)式子 4 7可求出Δ IRS、RS、BS、WS。通過從所獲得的Ws減去Rs以及Bs，可獲得與綠(G)光對 應(yīng)的信號分量Gs。針對各單位塊2進(jìn)行以上的信號運(yùn)算，按照每個(gè)單位塊2來求出AIRS、 Rs、Bs、Gs，由此能夠獲得彩色圖像以及紅外光圖像雙方。以下，參照圖7 12對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。對所有圖中共用的要素標(biāo)注 同一符號，文中的標(biāo)記也共同利用。(實(shí)施方式1)
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圖7是示出本發(fā)明第1實(shí)施方式中的攝像裝置整體結(jié)構(gòu)的框圖。所圖示的攝像裝 置具有攝像部100和信號處理部200，該信號處理部200接收來自攝像部100的信號并生 成圖像影像信號。以下，說明攝像部100以及信號處理部200。攝像部100具備用于使被攝體成像的透鏡101、光學(xué)板102、固體攝像元件103和 信號產(chǎn)生接收部104，該固體攝像元件103將通過透鏡101以及光學(xué)板102成像的光信息利 用光電變換來變換為電信號。這里，光學(xué)板102包含用于降低由于像素排列而產(chǎn)生的莫爾 圖案( τ· >〃夕一 >)的石英低通濾波器。另外，信號產(chǎn)生接收部104產(chǎn)生用于驅(qū)動固 體攝像元件103的基本信號，并且接收來自固體攝像元件103的信號，并送出至信號處理部 200。信號處理部200具有存儲器201，其存儲從信號產(chǎn)生接收部104接收到的信號； 色信號生成部202，其根據(jù)從存儲器201讀出的數(shù)據(jù)來生成包含色信息以及紅外光信息的 信號(色信號)；以及接口(IF)部203，其向外部輸出色信號。此外，以上結(jié)構(gòu)僅僅是一例，在本發(fā)明中，除了固體攝像元件103的構(gòu)成要素可適 當(dāng)組合地使用公知要素。以下，對本實(shí)施方式的固體攝像元件103進(jìn)行說明。圖8示意性地示出已透過透鏡101的光入射至固體攝像元件103的狀況。這里， 在固體攝像元件103的攝像面103a上，2維狀地排列包含多個(gè)感光單元的感光單元陣列。 利用透鏡101成像的結(jié)果是，光(可視光以及紅外光)入射至攝像面103a。入射至攝像面 103a的光量(入射光量)以及每個(gè)波段的入射光量的分布根據(jù)入射位置而不同。各個(gè)感光 單元典型地是發(fā)光二極管，其利用光電變換，輸出與入射光量相應(yīng)的電信號(光電變換信 號)。固體攝像元件103典型地是CCD或CMOS傳感器，例如采用單結(jié)晶Si半導(dǎo)體作為材 料，利用公知的半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)行制造。本實(shí)施方式中的固體攝像元件是背面照射型的 攝像元件，但攝像元件即使是表面照射型也不會改變本發(fā)明的效果。在本實(shí)施方式中的固體攝像元件上與各感光單元相對地配置多個(gè)濾色鏡。各濾色 鏡被設(shè)計(jì)為使與某一色分量對應(yīng)的波段的可視光以及紅外光透過。此外在以下的說明中， 有時(shí)將某色分量設(shè)為C，將使色分量C以及紅外光透過的濾色鏡稱作C要素。圖9是示出本實(shí)施方式中的濾色鏡以及感光單元的基本構(gòu)造的圖。在本實(shí)施方式 中，感光單元陣列由2維狀排列的多個(gè)單位塊構(gòu)成，各單位塊具有感光單元2a、2b、2c、2d。 在圖示的結(jié)構(gòu)中，各感光單元以正方晶格狀排列，但本發(fā)明不僅限于此排列。設(shè)計(jì)各感光單 元的厚度，以使吸收幾乎全部的可視光以及一部分紅外光并進(jìn)行光電變換。然后，1個(gè)單位 塊中的各感光單元被設(shè)計(jì)為分別透過幾乎等量的紅外光。在本實(shí)施方式中采用已使用紅(R)、綠(G)、藍(lán)⑶的色要素的拜爾(《"一) 型濾色鏡。如圖所示，與感光單元2a、2b、2c、2d相對地分別配置紅要素la、綠要素lb、綠要 素lb、藍(lán)要素lc。圖10是圖9中的A-A'線剖視圖。如圖所示，固體攝像元件具備具有第1面(表 面)30a和第2面(背面)30b的半導(dǎo)體層30。在半導(dǎo)體層30的內(nèi)部排列著感光單元。從 感光單元看，在第1面30a側(cè)形成有支撐布線層30a、透明層8以及半導(dǎo)體層30等的基板 6。此外，在透明層8的內(nèi)部與感光單元2c相對地至少配置有反射紅外光的紅外光反射鏡 3a。紅外光反射鏡3a被配置為反射已透過感光單元2c的紅外光并入射到感光單元2b。從 感光單元看，在第2面30b側(cè)配置有濾色鏡la、lb、lc。此外，對應(yīng)于各濾色鏡la、lb、lc，配
10置了用于有效聚光于感光單元的微型透鏡4。圖10所示的構(gòu)造可利用以下所示的公知半導(dǎo)體工藝來進(jìn)行制造。首先，在具有 某程度的厚度的半導(dǎo)體基板的表面內(nèi)部形成感光單元陣列，在表面上形成布線層5、透明層 8、紅外光反射鏡3a等構(gòu)造物。接著，經(jīng)由透明層8來接合上述半導(dǎo)體基板和基板6。然后， 從背面?zhèn)冗M(jìn)行研磨或刻蝕，直至成為例如數(shù)微米左右的厚度，由此半導(dǎo)體基板變薄，形成半 導(dǎo)體層30。在半導(dǎo)體層30形成后，在背面?zhèn)刃纬蔀V色鏡la、lb、Ic及微型透鏡4等。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，包含可視光以及紅外光的入射光通過微型透鏡4、濾色鏡la、lb、 Ic入射到各感光單元，并各自進(jìn)行光電變換。如上所述，各感光單元形成為可對幾乎全部可 視光(藍(lán) 紅光)和一部分紅外光(量AIR)進(jìn)行光電變換這樣的厚度。因此，已透過感 光單元的光幾乎都是紅外光。已透過感光單元2a、2b、2d的紅外光入射到攝像元件的基板 6。另一方面，已透過感光單元2c的紅外光經(jīng)由配置在感光單元2c正下方的紅外光反射鏡 3a，再次入射至位于對角方向的感光單元2b。因此，感光單元2b與其它感光單元相比接受 約2倍量的紅外光。結(jié)果，在感光單元2a 2d中，分別產(chǎn)生在以下式子8 11中表示的 光電變換信號S2a S2b。這里，分別用Rs、Gs、Bs、IRs來表示紅光、綠光、藍(lán)光、IR光的光 電變換信號。(式子 8) S2a = Rs+ Δ IRs(式子 9) S2b = Gs+2 Δ IRs(式子 10) S2C = Gs+Δ IRs(式子 ll)S2d = Bs+Δ IRs在本實(shí)施方式中，在與綠要素對應(yīng)的感光單元之間改變紅外光的受光量。結(jié)果，通 過在它們之間實(shí)施差分運(yùn)算，可算出紅外光分量。在本實(shí)施方式中，如以下式子12所示，可 利用式子9和式子10的減法運(yùn)算來算出紅外光分量Δ IRs0(式子 12)S2b-S2c = Δ IRs此外，還可以通過從各感光單元的光電變換信號減去紅外光分量AIRs，來算出 RGB的彩色分量Rs、Gs、Bs。如以上那樣根據(jù)本實(shí)施方式的攝像元件，在鄰接并接受同色可視光的2個(gè)感光單 元的任意一側(cè)至少配置有反射紅外光的紅外光反射鏡3a。利用紅外光反射鏡3a來反射已 透過的紅外光，并再次入射至另一個(gè)感光單元，由此在兩個(gè)感光單元之間紅外光的受光量 產(chǎn)生差。結(jié)果，通過在這些感光單元之間實(shí)施信號差分處理，可算出紅外光分量。此外，還 可以通過從各像素信號減去該紅外光分量，來獲得RGB的彩色信號。根據(jù)本實(shí)施方式的攝 像裝置，無需采用紅外截止濾鏡以及紅外透過濾鏡，就能夠同時(shí)獲得紅外光圖像和可視光 的彩色圖像。因此，其實(shí)用效果變大。此外，在本實(shí)施方式中，紅外光反射鏡3a配置為使已透過感光單元2c的紅外光入 射至感光單元2b，但本發(fā)明不僅限于此配置。紅外光反射鏡3a可平行配置在感光單元陣 列的形成面上，以使已透過感光單元2c的紅外光再次入射至感光單元2c。即使在此情況 下，也能夠通過感光單元2b、2c間的信號運(yùn)算來獲得紅外光圖像和彩色圖像。另外，紅外光 反射鏡3a不需要按照每個(gè)單位塊來配置成1個(gè)要素，可跨越多個(gè)單位塊而形成為層狀。此 外，紅外光反射鏡3a可設(shè)計(jì)為不僅反射紅外光還反射可視光。另外，除了本實(shí)施方式的結(jié) 構(gòu)之外，還可以與感光單元2a、2b、2d相對地在第1面30a側(cè)設(shè)置光吸收部件。通過設(shè)置光
11吸收部件，可防止在基板6等上反射已透過各感光單元的光。(實(shí)施方式2)接著，說明本發(fā)明的第2實(shí)施方式。本實(shí)施方式的攝像裝置與實(shí)施方式1的攝像 裝置相同，除了攝像元件中濾色鏡的排列不同之外。因此，省略與實(shí)施方式1重復(fù)部分的說 明，以下僅說明不同點(diǎn)。圖11是示出本實(shí)施方式中的濾色鏡以及感光單元的基本構(gòu)造的圖。即使在本實(shí) 施方式中，感光單元陣列也由2維狀排列的多個(gè)單位塊構(gòu)成，各單位塊具有感光單元2a、 2b、2c、2d。另外，設(shè)計(jì)各感光單元的厚度，以吸收幾乎全部的可視光以及一部分紅外光并進(jìn) 行光電變換。并且，1個(gè)單位塊中的各感光單元分別被設(shè)計(jì)為透過大致等量的紅外光。在本實(shí)施方式中，采用以由透明和補(bǔ)色構(gòu)成的2行2列為基本結(jié)構(gòu)的濾色鏡。如 圖所示，與感光單元2a、2b、2c、2d相對地分別配置有青(Cy)要素Id、透明(W)要素le、透 明(W)要素le、黃(Ye)要素If。此外，透明要素Ie構(gòu)成為使入射光所包含的可視光以及 紅外光透過。在以下的說明中，透明要素Ie也包含在濾色鏡中。圖12是圖11中的B-B'線剖視圖。在圖示的攝像元件中，紅外光反射鏡3a被配 置為相對于攝像元件的基板6平行，除了設(shè)置有光吸收層7以外，在構(gòu)造上與圖10所示的 攝像元件相同。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)攝像元件從被攝體接受具有可視光以及紅外光的波段的入射光 時(shí)，在各感光單元中產(chǎn)生光電變換。各感光單元形成為可對幾乎全部可視光和一部分紅外 光(量AIR)進(jìn)行光電變換的厚度。因此，各感光單元平均地接收量AIR的紅外光。在感 光單元2c中經(jīng)由紅外光反射鏡3a再次入射已透過一次的紅外光。因此，感光單元2c與其 它感光單元相比，接受約2倍量的紅外光。已透過感光單元2b的紅外光被光吸收層7吸 收，沒有反射。結(jié)果，在感光單元2a 2d中，分別產(chǎn)生用下式13 16表示的光電變換信 號 S2a S2b。(式子 13)S2a = Gs+Bs+Δ IRs(式子 14) S2b = Rs+Gs+Bs+ Δ IRs(式子 15) S2c = Rs+Gs+Bs+2 Δ IRs(式子 l6)S2d = Rs+Gs+Δ IRs即使在本實(shí)施方式的攝像裝置中也與實(shí)施方式1的攝像裝置相同，可通過在感光 單元2c與2b之間實(shí)施信號差分運(yùn)算來算出紅外光分量AIRs。此外，還通過從各像素信 號減去其分量，來獲得Ws ( = Rs+Gs+Bs)、Cs ( = Gs+Bs), Ys ( = Rs+Gs)的信號。采用這樣 獲得的信號，根據(jù)Ws與Cs的減法運(yùn)算來獲得Rs，根據(jù)Ws與Ys的減法運(yùn)算來獲得Bs的信 號。最后，通過從Ws減去Rs以及Bs，來獲得Gs的信號。結(jié)果，能夠獲得RGB的彩色信號。如以上那樣，根據(jù)本實(shí)施方式，在鄰接并接受同色可視光的2個(gè)感光單元的任意 一側(cè)至少配置有反射紅外光的紅外光反射鏡3a。利用紅外光反射鏡3a來反射已透過的紅 外光，并再次入射至該感光單元，由此在2個(gè)感光單元之間紅外光的受光量產(chǎn)生差。結(jié)果， 通過在這些感光單元之間實(shí)施信號差分處理，可算出紅外光分量。此外，通過從各像素信號 減去該紅外光分量，可獲得RGB的彩色信號。根據(jù)本實(shí)施方式，無需采用紅外截止濾鏡以及紅外透過濾鏡，就能夠同時(shí)獲得紅 外光圖像和可視光的彩色圖像。此外，在本實(shí)施方式的攝像元件中，采用透明要素和補(bǔ)色的濾色鏡。因此，本實(shí)施方式中的攝像元件與實(shí)施方式1中的攝像元件相比感光度高，其實(shí)用 效果變大。此外，在本實(shí)施方式中，紅外光反射鏡3a配置為使已透過感光單元2c的紅外光再 次入射至感光單元2c，但本發(fā)明不僅限于這樣的配置。紅外光反射鏡3a可配置為相對于感 光單元陣列的形成面傾斜，以使已透過感光單元2c的紅外光再次入射至感光單元2b。即使 在此情況下，也能夠通過感光單元2b、2c間的信號運(yùn)算來獲得紅外光圖像和彩色圖像。另 外，紅外光反射鏡3a不需要按照每個(gè)單位塊來配置為1個(gè)要素，可跨越多個(gè)單位塊形成為 層狀。本實(shí)施方式中的光吸收層7不需要按照每個(gè)單位塊來配置為1個(gè)要素，可跨越多 個(gè)單位塊來形成。另外，光吸收層7不是必須的構(gòu)成要素，即使沒有光吸收層7也能夠獲得 本實(shí)施方式的效果。在以上說明的本發(fā)明的各實(shí)施方式中，需要在攝像元件的內(nèi)部至少配置反射紅外 光的紅外光反射鏡3a。因?yàn)樵诒趁嬲丈湫蛿z像元件的制造工序中加工表里兩面，所以與現(xiàn) 有的表面照射型攝像元件相比，在其制造工序中容易插入配置紅外光反射鏡的工序。因此， 本發(fā)明還可以利用于表面照射型攝像元件，尤其在背面照射型攝像元件中是有用的。工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的紅外受光固體攝像裝置在采用固體攝像元件的全部紅外光對應(yīng)的照相 機(jī)中是有用的。例如，在數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字電影等民生用照相機(jī)及廣播用固體照相機(jī)、產(chǎn)業(yè) 用固體監(jiān)視照相機(jī)等中是有效的。
權(quán)利要求
1. 一種固體攝像元件，具備半導(dǎo)體層，其具有第1面、和位于上述第1面的相反側(cè)并入射光的第2面； 多個(gè)單位塊，其在上述半導(dǎo)體層中在上述第1面與上述第2面之間以2維狀進(jìn)行排列， 并各自包含第1感光單元和第2感光單元；以及反射部，其配置在上述半導(dǎo)體層的上述第1面?zhèn)?，對已透過各單位塊所包含的上述第1 感光單元的紅外光進(jìn)行反射，使其入射到上述第1感光單元以及上述第2感光單元的任意 一個(gè)，上述第1感光單元以及上述第2感光單元中的接受由上述反射部反射出的紅外光的感 光單元輸出光電變換信號，該光電變換信號與另一個(gè)感光單元輸出的光電變換信號相比， 加入了與利用上述反射部進(jìn)行反射后入射的紅外光量相對應(yīng)的分量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像元件，其中，上述反射部具有多個(gè)紅外光反射鏡，該多個(gè)紅外光反射鏡分別與各單位塊所包含的上 述第1感光單元相對地配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體攝像元件，其中， 各單位塊還包含第3感光單元和第4感光單元， 該固體攝像元件具備與上述第1感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡； 與上述第2感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡； 與上述第3感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡；以及 與上述第4感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡， 上述第1色分離濾鏡以及上述第2色分離濾鏡透過入射光中的第1波段的可視光以及 紅外光，上述第3色分離濾鏡透過入射光中的第2波段的可視光以及紅外光， 上述第4色分離濾鏡透過入射光中的第3波段的可視光以及紅外光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體攝像元件，其中， 上述第1波段的可視光是綠光，上述第2波段的可視光是紅光， 上述第3波段的可視光是藍(lán)光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體攝像元件，其中， 各單位塊還包含第3感光單元和第4感光單元， 該固體攝像元件具備與上述第3感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡；以及 與上述第4感光單元相對地配置在上述第2面?zhèn)鹊牡?色分離濾鏡， 上述第1色分離濾鏡透過入射光中的第1波段的可視光以及紅外光， 上述第2色分離濾鏡透過入射光中的第2波段的可視光以及紅外光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體攝像元件，其中， 上述第1波段的可視光是青光，上述第2波段的可視光是黃光。
7.根據(jù)權(quán)利要求2 6中任意一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其中，上述第1感光單元、上述第2感光單元、上述第3感光單元以及上述第4感光單元使入 射的紅外光中相當(dāng)于第1比例的量的紅外光透過。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其中，具備光吸收層，該光吸收層配置在上述半導(dǎo)體層的上述第1面?zhèn)?，并吸收已透過各單 位塊所包含的上述第2感光單元的紅外光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任意一項(xiàng)所述的固體攝像元件，其中，具備布線層，該布線層配置在上述半導(dǎo)體層的上述第1面?zhèn)取?br> 10.一種攝像裝置，具有固體攝像元件和對從上述固體攝像元件輸出的電信號進(jìn)行處 理的信號處理部，其中，上述固體攝像元件具有半導(dǎo)體層，其具有第1面、和位于上述第1面的相反側(cè)并入射光的第2面；多個(gè)單位塊，其在上述半導(dǎo)體層中在上述第1面與上述第2面之間以2維狀進(jìn)行排列， 并各自包含第1感光單元和第2感光單元；以及反射部，其配置在上述半導(dǎo)體層的上述第1面?zhèn)龋瑢σ淹高^各單位塊所包含的上述第1 感光單元的紅外光進(jìn)行反射，使其入射到上述第1感光單元以及上述第2感光單元的任意 一個(gè)，上述第1感光單元以及上述第2感光單元中的接受由上述反射部反射出的紅外光的感 光單元輸出光電變換信號，該光電變換信號與另一個(gè)感光單元輸出的光電變換信號相比， 加入了與利用上述反射部進(jìn)行反射后入射的紅外光量相對應(yīng)的分量，上述信號處理部利用包含上述第1感光單元以及上述第2感光單元各自輸出的上述光 電變換信號間的差分運(yùn)算的處理，來算出各感光單元接受的紅外光量。
全文摘要
本發(fā)明的固體攝像元件具備在半導(dǎo)體層(30)的第1面(30a)和位于第1面(30a)的里側(cè)并排列在與入射光的第2面(30b)之間的多個(gè)感光單元(2b、2c)。從感光單元(2b、2c)看，在第1面(30a)側(cè)設(shè)置有反射部(3a)，反射已透過感光單元(2c)的紅外光，并再次入射到感光單元(2b、2c)的任意一個(gè)。結(jié)果，在利用感光單元(2b、2c)進(jìn)行光電變換的紅外光的量中產(chǎn)生差分。通過從感光單元(2b、2c)輸出的光電變換信號的差分運(yùn)算，可算出各感光單元所接受的紅外光分量。此外，通過在第2面(30b)側(cè)設(shè)置濾色鏡(1b)，可同時(shí)獲得紅外光分量和彩色分量。
文檔編號H04N9/07GK102007592SQ201080001380
公開日2011年4月6日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者平本政夫, 杉谷芳明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社