JP2001309395A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

固体撮像素子及びその製造方法

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JP2001309395A JP2000120742A JP2000120742A JP2001309395A JP 2001309395 A JP2001309395 A JP 2001309395A JP 2000120742 A JP2000120742 A JP 2000120742A JP 2000120742 A JP2000120742 A JP 2000120742A JP 2001309395 A JP2001309395 A JP 2001309395A
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prism
solid
spectral
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亮司 鈴木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子表面で受光された光を効率良く利用する
ことで感度の向上を達成でき、かつ色再現性に優れたカ
ラー固体撮像素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１の表面側に受光領域２を配列形成
してなる固体撮像素子において、基板１の表面側から入
射した受光光ｈｅを分光して複数の各受光領域２に特定
波長帯域の分光光ｈａを分配照射する分光プリズム５
を、受光領域２が配列形成された基板１上に設けた。分
光プリズム５上には、基板１の表面側に照射された受光
光ｈｅを集光するための第２集光レンズ７を設け、第２
集光レンズ７と分光プリズム５との間に第２集光レンズ
７で集光させた光ｈｃを平行光ｈｂにして分光プリズム
５に入射させるための層内レンズ６を設けた。さらに、
各受光領域ａと分光プリズム５との間に、分光プリズム
５で分光された各分光光ｈａを各受光領域２に集光する
ための第１集光レンズ３を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、カラー撮像が可能
な固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】カラー撮像が可能な固体撮像素子は、受
光領域上に色フィルタを設けることによって各色の信号
を得ている。このような固体撮像素子は、例えば基板の
表面側に配設された各画素の中央部に受光領域が形成さ
れ、これらの受光領域上に、例えばＢ（青），Ｇ
（緑），Ｒ（赤）に着色された各色フィルタＢ，Ｇ，Ｒ
が順次配列形成された構成になっている。また、これら
の各色フィルタＢ，Ｇ，Ｒ上には、集光レンズ（いわゆ
るオンチップレンズ）が設けられており、入射した光を
受光領域の受光面に集中させて効率的な集光をなすよう
に構成されている。
【０００３】このような構成の固体撮像素子では、集光
レンズによって集光された光のうち、集光レンズと受光
領域との間に配置された各色フィルタＢ，Ｇ，Ｒを透過
した各特定波長帯域の光のみがそれぞれの受光領域の受
光面に達することになり、これによってフルカラーの撮
像が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の固体撮像素子では、特定波長帯域の光のみを
各色フィルタで選別して受光領域で受光しているため、
各受光領域においてはその受光領域に該当する特定波長
帯域以外の光は、カラー画像を得るために必要な他の特
定波長帯域の光であっても利用されることはない。した
がって、素子表面で受光した光が十分に利用されておら
ず、感度向上が十分に達成されているとは言えなかっ
た。
【０００５】また、色フィルタを用いたカラー固体撮像
素子の製造においては、任意の波長帯域の光を分離して
透過させる色フィルタを形成することが困難である。こ
のため、十分な色再現性を得ることができなかった。
【０００６】そこで本発明は、素子表面で受光された光
を効率良く利用することで感度の向上を達成することが
可能でかつ色再現性に優れたカラー固体撮像素子及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明の固体撮像素子は、基板の表面側に受光
領域を配列形成してなる固体撮像素子において、基板の
表面側から入射した光を分光して複数の各受光領域に特
定波長帯域の分光光を分配照射する分光プリズムを設け
たことを特徴としている。
【０００８】このような構成の固体撮像素子では、分光
プリズムによって分光された特定波長帯域の分光光が、
各受光領域に分配照射されることになる。このため、分
光プリズムで受光された光のうち、カラー撮像を行うた
めに必要な特定波長帯域の光は、全て各受光領域の何れ
かに照射されることになり、受光光を効率的に用いたカ
ラー撮像が行われる。
【０００９】また、各受光領域と分光プリズムとの間
に、当該分光プリズムで分光された特定波長帯域の分光
光を各受光領域に集光するための集光レンズを設けた構
成にすることで、分光プリズムで分光された各特定波長
帯域の分光光が効率的に各受光領域に集光され、分光光
の利用効率が高められる。
【００１０】さらに、分光プリズム上に、基板の表面側
に入射した光を集光するための集光レンズを設け、この
集光レンズと分光プリズムとの間に当該集光レンズで集
光させた光を平行光にするための層内レンズを設けた構
成にすることで、基板の表面側での受光光が効率的に集
光されて平行光として分光プリズムに入射され、基板の
表面側での受光光の利用効率が高められる。
【００１１】ここで、分光プリズムで分光された光を、
少なくとも３個の受光領域に分配照射されるようにする
ことで、受光光を効率的に用いたフルカラーの撮像が行
われる。
【００１２】そして、本発明の固体撮像素子の製造方法
は、表面側に受光領域が配列形成された基板上に、プリ
ズム材料からなる凸パターンを形成する工程と、バイア
スＣＶＤ法によってこの凸パターンを覆うプリズム材料
層を成膜し、当該凸パターンと当該プリズム材料層とか
らなる分光プリズムを形成する工程とを行うことを特徴
としている。
【００１３】このような製造方法では、基板上の凸パタ
ーンを覆うプリズム材料層をバイアスＣＶＤ法によって
成膜することによって、基板に対して傾斜した表面を有
するプリズム材料層が成膜される。このため、基板に対
して傾斜したプリズム材料層の表面を入射面とし、プリ
ズム材料層や凸パターンの底面を放射面とした分光プリ
ズムが、基板上に形成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。ここでは、先ず本発明の固
体撮像素子の製造方法を説明するに先立ち、これによっ
て得られる本発明の固体撮像素子について説明する。
【００１５】図１（１）は、本発明の一実施形態に係る
固体撮像素子の平面図であり、図１（２）は図１（２）
におけるＡ−Ａ’断面図である。
【００１６】これらの図に示す固体撮像素子は、基板１
の表面側に、フォトダイオードからなる複数の受光領域
２…を行列状に配列形成さえている。尚、図面において
は、左右方向を行方向とし、平面図における上下方向及
び断面図における奥行き方向を列方向とする。
【００１７】各受光領域２…上には、第１集光レンズ３
…（断面図のみに図示）が設けられている。各第１集光
レンズ３…は、その中央部が凸となるもので、この第１
集光レンズ３…で集光された光が受光領域２…の受光面
２ａ…に入射されるように、その曲率及び受光面２ａ…
との距離が設定されたものである。これらの第１集光レ
ンズ３…は、各受光領域２…に個別に設けられたもので
も良く、また、列方向または行方向に連続した形状を有
して受光領域２…の列毎または受光領域２…の行毎に設
けられたものでも良い。
【００１８】これらの第１集光レンズ３…上には、当該
第１集光レンズ３を構成する透明材料よりも屈折率の小
さい透明材料からなる平坦化膜４（断面図のみに図示）
が設けられている。例えば、第１集光レンズ３が窒化シ
リコンからなる場合には、窒化シリコンよりも屈折率の
小さい透明樹脂材料を用いて平坦化膜４が構成されてい
ることとする。
【００１９】そして、この平坦化膜４上に複数の分光プ
リズム５（図面においては分光プリズム１個分を図示）
が設けられている。この分光プリズム５は、例えば底面
を２等辺３角形とした三角柱状をなし、当該２等辺３角
形の底辺で構成された面を平坦化膜４との界面５ａとし
た状態で、各受光領域２…の列方向（平面図における上
下方向）に延設されている。そして、例えば行方向に配
列されている６列分の受光領域２…毎に１個の分光プリ
ズム５が設けられ、６列分の受光領域２…で各分光プリ
ズム５が共有されていることとする。
【００２０】そして特に、この分光プリズム５で分光さ
れた光のうち、フルカラーの撮像を行うために必要な各
特定波長帯域の分光光ｈａ（断面図のみに図示）が、６
列分の受光領域２…上の各第１集光レンズ３…にそれぞ
れ入射されるように、分光プリズム５と第１集光レンズ
３…との間隔が保たれていることとする。
【００２１】具体的には、分光プリズム５の一方の上面
５ｂから入射して平坦化膜４との界面５ａから放出され
る分光光ｈａが、１列目〜３列目の受光領域（２-1）〜
（２-3）上の各第１集光レンズ３…に入射され、分光プ
リズム５の他方の上面５ｂ’から入射して界面５ａから
放出される分光光ｈａが、４列目〜６列目の受光領域
（２-4）〜（２-6）上の各第１集光レンズ３…に入射さ
れるように構成されていることとする。
【００２２】尚、図面においては、分光プリズム５で分
光された光の全てが、第１集光レンズ３…に照射される
ように示されているが、上述したように分光プリズム５
で分光された光の内、フルカラーの撮像を行うために必
要な各特定波長帯域の分光光ｈａが、６列分の受光領域
２…上の第１集光レンズ３…にそれぞれ入射されるよう
に、第１集光レンズ３…が設けられていることとする。
例えば、波長帯域順に、青色帯域、緑色帯域、赤色帯域
の各分光光ｈａが、各受光領域（２-1）〜（２-3）,
（２-4）〜（２-6）上の各集光レンズ３に分配照射され
る構成とする。
【００２３】この分光プリズム５は、平坦化膜４とは異
なる屈折率を有する透明材料からなることとし、例えば
酸化シリコンで構成されていることとする。
【００２４】そして、この分光プリズム５上には、当該
分光プリズム５に入射する光を平行光ｈｂにするための
層内レンズ６（断面図のみに図示）が設けられている。
例えば、この層内レンズ６…は、その中央部が分光プリ
ズム５側に向かう凹レンズであることとする。これらの
層内レンズ６…は、３列分の受光領域２…毎に、つまり
各分光プリズム５の各上面５ｂ,５ｂ’上にそれぞれ設
けられ、各層内レンズ６…を通過した平行光ｈｂが、そ
れぞれ分光プリズム５の各５ｂ,５ｂ’に入射されるよ
うに設けられている。
【００２５】具体的には、１列目（図中左側）の層内レ
ンズ６を通過した平行光ｈｃが分光プリズム５の一方の
上面５ｂに入射され、２列目（図中右側）の層内レンズ
６…を通過した光ｈｃが分光プリズム５の他方の上面５
ｂ’に入射されるように構成されていることとする。
【００２６】また、この層内レンズ６…上には、第２集
光レンズ（いわゆるオンチップレンズ）７…が設けられ
ている。第２集光レンズ７…は、その中央部が上に凸と
なるもので、各層内レンズ６…上にそれぞれ設けられて
いる。そして、これらの第２集光レンズ７…で集光され
た光ｈｃが、その下方の各層内レンズ６…に入射される
ように、曲率及び層内レンズ６…との距離が設定された
ものである。
【００２７】ここで、第２集光レンズ７…は、例えば層
内レンズ６…を構成する透明材料よりも屈折率が大きい
透明材料で構成されることとし、各第２集光レンズ７…
で集光された光ｈｃが当該第２集光レンズ７…の焦点を
通過した後に各層内レンズ６…に入射されるように、第
２集光レンズ７…の曲率及び層内レンズ６…との距離が
設定されていることとする。
【００２８】これらの第２集光レンズ７…は、図示した
ように受光領域２…の列方向に連続した形状であっても
良く、また３列分の受光領域２…を一まとめにして各行
毎に設けられていても良い。ただし、基板１の表面側
が、無駄なく第２集光レンズ７…で覆われるようにす
る。
【００２９】このような構成の固体撮像素子では、次の
ようにして各受光領域２…に光が入射される。先ず、基
板１の表面側からこの固体撮像素子に照射された受光光
ｈｅは、各第２集光レンズ７…によって集光される。第
２集光レンズ７…によって集光された光ｈｃは、層内レ
ンズ６…を通過することで平行光ｈｂとなり、分光プリ
ズム５の上面５ｂ，５ｂ’に入射される。そして、分光
プリズム５に入射された各平行光ｈｂは、この分光プリ
ズム５を通過することで波長順に分光され、特定の波長
帯域の分光光ｈａが、１列目〜３列目の受光領域（２-
1）〜（２-3）上の各第１集光レンズ３…や４列目〜６
列目の受光領域（２-4）〜（２-6）上の各第１集光レン
ズ３…に入射され、各集光レンズ３…で集光されてそれ
ぞれの受光領域２…に入射される。
【００３０】このため、フルカラーの撮像に必要な各特
定波長帯域の分光光ｈａが各受光領域２…の受光面２a
に照射されることになる。
【００３１】以上説明したように、このような構成の固
体撮像素子では、分光プリズム５で分光された特定波長
帯域の分光光ｈａが、３列分の各受光領域２…に分配照
射されることになる。このため、基板１の表面側で受光
された受光光ｈｅのうち、カラー撮像を行うために必要
な特定波長帯域の分光光ｈａは、全て各受光領域２…の
何れかに照射されることになり、受光光ｈｅを効率的に
用いたフルカラーの撮像を行うことが可能になる。この
結果、単板フルカラーの固体撮像素子の感度を向上させ
ることが可能になる。
【００３２】また、各受光領域２…と分光プリズム５と
の間に、第１集光レンズ３が設けられているため、分光
プリズム５で分光された各特定波長帯域の分光光ｈａが
効率的に各受光領域２…に集光され、各分光光ａの利用
効率を高めることができる。
【００３３】しかも、分光プリズム５上に、基板１の表
面側から入射した受光光ｈｅを集光するための第２集光
レンズ７…を設け、この第２集光レンズ７…と分光プリ
ズム５との間に集光レンズ７…で集光させた光ｈｃを平
行光ｈｂにするための層内レンズ６を設けた構成にする
ことで、基板１の表面側での受光光ｈｅを効率的に集光
して平行光ｈｂとし、分光プリズム５に入射させること
ができる。このため、基板１の表面側での受光光ｈｅの
利用効率を高めることができる。
【００３４】また、分光プリズム５によって受光光ｈｅ
を分光しているため、任意の波長帯域の分光光のみを所
定の受光領域２で受光することが可能になる。したがっ
て、固体撮像素子の色再現性の向上を図ることができ
る。
【００３５】尚、上記構成の固体撮像素子においては、
各分光プリズム５での分光光ｈａが３列の受光領域２…
に分配照射されるような構成とした。しかし、本発明の
個体撮像素子は、これに限定されることはなく、各分光
プリズム５での分光光ｈａを４列以上の複数の受光領域
２に分配照射されるような構成であっても良い。また、
各分光プリズム５での分光光ｈａを２列の受光領域２に
分配照射されるような構成にした場合、マルチカラーの
撮像を行うことが可能な固体撮像素子が得られる。
【００３６】次に、図２及び図３に基づいて、上述した
構成の固体撮像素子の製造方法を説明する。
【００３７】先ず、図２（１）に示すように、表面側に
複数の受光領域２…が配列形成された基板１上に、第１
集光レンズを形成するためのレンズ形成層３０１を形成
する。このレンズ形成層３０１は、例えば窒化シリコン
膜のような透明材料であることとする。次いで、このレ
ンズ形成層３０１上に、リソグラフィー技術によってレ
ジストパターンを形成する。このレジストパターンは、
例えば各受光領域２上に個別に形成されることとする。
次いで、このレジストパターンを熱処理によって軟化・
溶融させ、表面張力によって中央部側が高い凸形状のレ
ジストパターン３０２とする。
【００３８】次に、図２（２）に示すように、この凸形
状のレジストパターン（３０２）をマスクとし、エッチ
ング剤としてレジストパターン（３０２）とレンズ形成
層３０１とに対するエッチングレートがほぼ等しいもの
を用いてレジストパターン（３０２）及びレンズ形成層
３０１をエッチングする。すると、レンズ形成層３０１
がレジストパターン（３０２）の形状に対応してエッチ
ングされることから、レンズ形成層３０１がレジストパ
ターン（３０２）と同様の凸形状のものとなり、これに
よって各受光領域２…上に第１集光レンズ３…が形成さ
れる。
【００３９】その後、図２（３）に示すように、第１集
光レンズ３…を覆う状態で、この第１集光レンズ３…と
は異なる屈折率を有する透明材料からなる平坦化膜４を
形成する。この平坦化膜４は、例えば樹脂材料からなる
ものとする。次に、平坦化膜４上に、当該平坦化膜４と
は異なる透明材料からなるプリズム材料層５０１を形成
する。このプリズム材料層５０１は、例えば酸化シリコ
ンからなることとする。
【００４０】次いで、プリズム材料層５０１上に、リソ
グラフィー技術によってレジストパターン５０２を形成
し、このレジストパターン５０２をマスクにしてプリズ
ム材料層５０１を所定の深さに異方性エッチングし、プ
リズム材料からなる凸パターン５０１ａを形成する。こ
れらの凸パターン５０１ａは、６列分の受光領域２毎に
繰り返し形成され、受光領域２…の列方向に延設される
こととする。また、異方性エッチング終了後には、レジ
ストパターン５０２を除去する。
【００４１】次に、図２（４）に示すように、凸パター
ン５０１ａを覆う状態で、凸パターン５０１ａを構成す
るプリズム材料層と同一の材質（すなわちここでは酸化
シリコン）からなるプリズム材料層５０３を形成する。
ここで特に、このプリズム材料層５０３の形成は、ＥＣ
Ｒ（electron cyclotron resonance）-ＣＶＤ(chemical
vapor deposition）法や、ＩＣＰ（inductive coupled
plasma）-ＣＶＤ法等のバイアスＣＶＤ法によって行わ
れることとし、これによって基板１に対して傾斜した表
面を有するプリズム材料層５０３を形成する。
【００４２】次に、図３（１）に示すように、プリズム
材料層５０３をその表面側からエッチバックし、これに
よって酸化シリコンからなる分光プリズム５を形成す
る。この際、エッチバック量を調整することで、第１集
光レンズ３…と分光プリズム５との距離を最適化する。
【００４３】次いで、図３（２）に示すように、分光プ
リズム５とは屈折率の異なる透明材料からなるレンズ形
成層６０１を形成し、その表面を平坦化する。その後、
このレンズ形成層６０１上に、分光プリズム５の稜線の
両脇にあたる部分に沿った開口部６０２ａを有するレジ
ストパターン６０２を形成する。次いで、このレジスト
パターン６０２をマスクに用いてレンズ形成層６０１を
等方性エッチングする。これによって、レンズ形成層６
０１に凹部を形成し、この凹部を層内レンズ６…とす
る。等方性エッチングを終了した後には、レジストパタ
ーン６０２を除去することとする。
【００４４】次いで、図３（３）に示すように、層内レ
ンズ６…の凹部内を埋め込む状態で、レンズ材料層６０
１よりも屈折率の高い透明材料からなるレンズ形成層７
０１を形成し、その表面を平坦化する。その後、図３
（３）及び図３（４）に示す工程は、図２（１）及び図
２（２）を用いて説明したと同様に行うことで、レンズ
形成層７０１上に中央部側が高い凸形状のレジストパタ
ーン７０２を形成し、これをマスクに用いてレンズ形成
層７０１をエッチングすることで第２集光レンズ７…を
形成する。
【００４５】このような製造方法によれば、図２（４）
を用いて説明したように、凸パターン５０１ａを覆うプ
リズム材料層５０３を、バイアスＣＶＤ法によって形成
することで、基板１に対して傾斜した表面を有するプリ
ズム材料層５０３を形成している。このため、基板１に
対して傾斜したプリズム材料層５０３の表面を入射面と
し、プリズム材料層５０３やパターン５０１ａの底面を
放射面とした分光プリズム５を、簡便に形成することが
可能である。したがって、オンチップの分光プリズム５
を備えた固体撮像素子を簡便に製造することができる。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、受光領域が配置された基板上に分光プリズ
ムを設けた構成にすることによって、分光プリズムで受
光された光のうち、カラー撮像を行うために必要な特定
波長帯域の光を、全て各受光領域の何れかに照射するこ
とが可能になり、受光光を効率的に用いたカラー撮像を
行うことができる。この結果、感度の優れたカラー固体
撮像装置を得ることが可能になる。しかも、分光プリズ
ムを用いたことで、任意の波長帯域の分光光を各受光領
域で受光することができるため、固体撮像素子の色再現
性の向上を図ることができる。
【００４７】また、本発明の固体撮像素子の製造方法に
よれば、プリズム材料からなる凸パターンを覆うプリズ
ム材料層をバイアスＣＶＤ法によって形成する構成にし
たことで、基板上に簡便に分光プリズムを形成すること
が可能になる。このため、オンチップの分光プリズムを
備えたカラー固体撮像素子の製造工程を簡略化すること
が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の一構成例を説明する平
面図及び断面図である。
【図２】本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する断
面工程図（その１）である。
【図３】本発明の固体撮像素子の製造方法を説明する断
面工程図（その２）である。
【符号の説明】
１…基板、２…受光領域、３…第１集光レンズ、５…分
光プリズム、６…層内レンズ、７…第２集光レンズ、５
０１ａ…凸パターン、５０３…プリズム材料層、ｈａ…
分光光、ｈｂ…平行光、ｈｅ…受光光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 5/04 Ｇ０２Ｂ 5/04 Ｆ Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｖ Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｄ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板の表面側に受光領域を配列形成して
    なる固体撮像素子において、 前記基板上に、当該基板の表面側から入射した光を分光
    して複数の前記各受光領域に特定波長帯域の分光光を分
    配照射する分光プリズムを設けたことを特徴とする固体
    撮像素子。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の固体撮像素子において、 前記各受光領域と前記分光プリズムとの間に、当該分光
    プリズムで分光された前記特定波長帯域の分光光を当該
    各受光領域に集光するための集光レンズを設けたことを
    特徴とする固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の固体撮像素子において、 前記分光プリズム上に、前記基板の表面側に入射した光
    を集光するための集光レンズを設け、 前記集光レンズと前記分光プリズムとの間に、当該集光
    レンズで集光させた光を平行光にして当該分光プリズム
    に入射させるための層内レンズを設けたことを特徴とす
    る固体撮像素子。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の固体撮像素子において、 前記分光プリズムで分光された光は、少なくとも３個の
    受光領域に分配照射されることを特徴とする固体撮像素
    子。
  5. 【請求項５】 表面側に受光領域が配列形成された基板
    上に、プリズム材料からなる凸パターンを形成する工程
    と、 バイアスＣＶＤ法によって前記凸パターンを覆うプリズ
    ム材料層を成膜し、当該凸パターンと当該プリズム材料
    層とからなる分光プリズムを形成する工程とを行うこと
    を特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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