JP2010225944A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体撮像装置の受光効率を向上させ、さらに高解像度化を実現させる。
【解決手段】複数の受光部が形成された基板と、前記複数の受光部の直上にそれぞれ設けられた導波モード共鳴格子からなるカラーフィルタと、を備え、前記導波モード共鳴格子の上面または下面の少なくともいずれか一方は、前記導波モード共鳴格子よりも屈折率が低い層により被覆されていることを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
近年、固体撮像装置の応用範囲は、デジタルカメラに限らず、携帯電話などの各種のモバイル端末や、監視カメラ、インターネットを介したチャット用のウエブカメラなど、広範な範囲に拡がりつつある。
このような固体撮像装置は、消費電力が低く小型であることが要求される。これらの要求を満たす固体撮像装置として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）型エリアセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサと呼称する。）、あるは、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device：電荷結合素子）型エリアセンサ等が注目されている。
ＣＭＯＳセンサの一例では、シリコン基板の表面部に、フォトダイオード等からなる受光部等を形成し、受光部領域外のシリコン基板上に多層配線層を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、このような固体撮像装置には、光を集光するためのマイクロレンズと、特定の波長域の光のみを透過させる有機樹脂製の顔料カラーフィルタとが受光部上に設けられている。そして、固体撮像装置では、その高解像度化を図るために、固体撮像装置の微細化が益々進行しつつある。
特開２００７−３１７８５９号公報
しかしながら、微細化が進行するほど、カラーフィルタのアスペクト比が高くなってＳ／Ｎ比の劣化による画質低下が顕著に現れてしまう。例えば、カラーフィルタのアスペクト比が高くなるほど、隣接するカラーフィルタ間でのクロストークが顕著になる。
本発明では、受光効率を向上させ、高解像度化を実現させる固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、複数の受光部が形成された基板と、前記複数の受光部の直上にそれぞれ設けられた導波モード共鳴格子からなるカラーフィルタと、を備え、前記導波モード共鳴格子の上面または下面の少なくともいずれか一方は、前記導波モード共鳴格子よりも屈折率が低い層により被覆されていることを特徴とする固体撮像装置が提供される。
本発明によれば、固体撮像装置の受光効率が向上し、さらに高解像度化が実現する。
本発明の実施の形態に係わる固体撮像装置の要部断面模式図である。 導波モード共鳴格子を備えたカラーフィルタの作用を説明するための要部断面模式図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 ライン＆スペース状の導波モード共鳴格子の光の偏向依存を説明する図である。 本発明の実施の形態に係わるカラーフィルタの要部斜視模式図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 カラーフィルタの効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係わる固体撮像装置の要部断面模式図である。 本発明の実施の形態に係わるカラーフィルタの要部斜視模式図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係わる固体撮像装置の要部断面模式図である。
固体撮像装置１においては、その基材として、シリコン（Ｓｉ）基板１０が用いられ、シリコン基板１０の表面部の一部に、受光部であるフォトダイオード（ＰＤ）１０ａが形成されている。このようなフォトダイオード１０ａは、その内部において、例えば、ＰＮ接合を形成している。
また、フォトダイオード１０ａは、シリコン基板１０の主面に垂直な方向から見て、例えば、正方形をしており、固体撮像装置１の平面内において、複数のフォトダイオード１０ａがマトリクス状（碁盤目状、ハニカム状等）に配列されている（図示しない）。
また、シリコン基板１０には、これらの他に、電荷転送部であるＣＣＤ、またはＣＭＯＳトランジスタの拡散層が形成されている（図示しない）。
また、固体撮像装置１においては、シリコン基板１０の上層に、多層配線層２０が設けられている。多層配線層２０においては、絶縁機能を備えた層間絶縁膜２０ａが設けられ、この層間絶縁膜２０ａ内に、配線２０ｂが多層となって配置されている。このような、配線２０ｂは、光の遮光膜としても機能する。但し、配線２０ｂは、図中のＡ領域には、設けられていない。
そして、固体撮像装置１においては、フォトダイオード１０ａの直上域に、導波モード共鳴格子４０ａ（以下、格子部４０ａ）を備えたカラーフィルタ４０を配置している。このカラーフィルタ４０は、その内部に配置された格子部４０ａと、格子部４０ａの上面及び下面を被覆する絶縁層４０ｂとを含む構成としている。また、カラーフィルタ４０は、多層配線層２０と、フォトダイオード１０ａとの間に挟まれている。このカラーフィルタ４０をフォトダイオード１０ａ上に配置することによって、フォトダイオード１０ａに特定の波長の光が入射される。
また、固体撮像装置１においては、多層配線層２０上に、光を集光するための凸レンズ型のマイクロレンズ５０が配置されている。
なお、固体撮像装置１においては、多層配線層２０内に、専用の遮光膜を形成してもよい（図示せず）。また、多層配線層２０内には、電荷転送部への転送電極を形成してもよい（図示せず）。
また、固体撮像装置１を構成する、個々の固体撮像素子１ａの幅（シリコン基板１０の主面に略平行な方向の幅）は、約１．４μｍ程度である。また、多層配線層２０内に配列させたフォトダイオード１０ａのピッチは、約１．４μｍであり、カラーフィルタ４０の厚みは、例えば、０．２μｍである。
また、多層配線層２０の厚さは、例えば、２〜３μｍであり、マイクロレンズ５０の厚さは、例えば、０．５μｍ程度である。
また、層間絶縁膜２０ａの材質は、例えば、ＳｉＯ２（屈折率：約１．４５）等の絶縁材が適用される。
また、配線２０ｂの材質は、例えば、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属、または、ＴｉＳｉ、ＭｏＳｉ、ＷＳｉ等の高融点金属のシリサイドが適用される。
また、カラーフィルタ４０の格子部４０ａの材質は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等が適用される。特に、シリコン（Ｓｉ）を格子部４０ａの主成分としたときは、格子部４０ａは、回折格子を備えた高屈折率材層となる。また、カラーフィルタ４０の絶縁層４０ｂの材質は、格子部４０ａよりも屈折率の低い材料が適用され、例えば、その材質としては、ＳｉＯ２が該当する。
次に、固体撮像装置１に配置したカラーフィルタ４０の作用について説明する。
図２は、導波モード共鳴格子を備えたカラーフィルタの作用を説明するための要部断面模式図である。
この図２には、絶縁層４０ｂ上に格子部４０ａが配置された状態が例示されている。
格子部４０ａは、矩形状の溝が周期的にパターニングされた、凹凸状の回折格子部４０ａａと、回折格子部４０ａａに接触する平面部４０ａｂとを含む構成としている。また、格子部４０ａから上方の領域層を領域１とし、回折格子部４０ａａの領域層を領域２とし、平面部４０ａｂの領域層を領域３とし、絶縁層４０ｂの領域層を領域４とすると、領域２、３は、領域１、４よりも屈折率が高い構成となっている。なお、領域１については、例えば、真空あるいは空気層としてもよい。
このようなカラーフィルタ４０に光を入射すると、光の位相は、
（１）低屈折率材層から高屈折率材層への入射（または、高屈折率材層から低屈折率材層への入射）で透過光には、位相差が生じない。
（２）格子部により反射して、領域１に戻された光の位相φには、位相差πが生じる。 （３）格子部による回折で光の位相φには、位相差π／２が生じる。
という規則に従う。
従って、入射光Ａ（波長λ）の位相をφ＝０とすると、その透過光Ｂの位相はφ＝０となり、反射光Ｃの位相は、φ＝πとなる。
そして、回折格子部４０ａａによって回折された回折光Ｄの位相は、上記規則に従えば、φ＝π／２となる。さらに回折光Ｄが格子部４０ａ内で導波され、再び回折格子部４０ａａに入射すると、その一部に新たな回折が生じて、格子部４０ａの上方及び下方に回折する。そして、その回折光Ｄの位相は、結果的にφ＝πとなる。さらに、格子部４０ａ内での導波の繰り返しが生じ、回折格子部４０ａａによって再び格子部４０ａの上方及び下方に回折する回折光Ｄの位相は、φ＝πとなる。
従って、カラーフィルタ４０の下方へ出射した光は、位相がφ＝０である透過光Ｂと、位相がφ＝πである回折光Ｄが混在することから、それらが互いに弱め合う。また、カラーフィルタ４０の上方へ出射した光の位相は、全て位相がφ＝πであることから、それらは互いに強め合う。
このように、波長λの入射光Ａは、格子部４０ａによる回折光が格子部４０ａ内での全反射条件を満たし、導波モードを満たす場合に、カラーフィルタ４０内で、その透過が抑制（遮断）される。
なお、このような光の遮断は、入射光の波長、領域１〜４の各屈折率、回折格子部４０ａａのピッチと高さ、回折格子部４０ａａの凸部の幅、平面部４０ａｂの高さ等が特定の条件で整合した場合に達成される。換言すれば、これらのパラメータを適宜調節することにより、特定の波長の光をカラーフィルタ４０によって、反射させたり、透過させたりすることができる。
また、このようなカラーフィルタ４０は、光の反射作用や透過作用に主に寄与する格子部４０ａが２次元平面の構成となっているために、カラーフィルタの薄型化を実現し易い。
なお、図１に示す固体撮像装置１においては、領域１の部分に、領域４と同じ材で構成された層を形成している。このような構造であっても、領域１の部分は、領域２、３よりも屈折率が低くなるので、図２に例示するカラーフィルタ４０と同様の作用を示す。
次に、カラーフィルタ４０の効果について説明する。
図３は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図３（ａ）には、カラーフィルタ４０に、波長５３０ｎｍの光を入射させた場合の光の強度のシミュレーション結果が示され、図中の色が濃いほど、その場所での光の強度が強いことを表している。なお、シミュレーションは、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法に依っている。また、図３（ｂ）には、このシミュレーションで用いたカラーフィルタ４０のモデル構造が示されている。そして、図３（ａ）の横軸は、モデルの横方向（図中のＸ軸方向）の寸法（μｍ）が示され、縦軸は、モデルの横方向（図中のＺ軸方向）の寸法（μｍ）が示されている。また、このシミュレーションでは、モデルの両端をＰＭＬ（完全吸収）条件で計算している。
また、図３（ｂ）に示すモデルは、ライン＆スペース状の格子部４０ａと、その下方に配置された絶縁層４０ｂと、を備え、格子部４０ａの上方（Ｚ軸方向）は、空気層としている。ここで、モデルの幅（Ｘ軸方向）は、１．４μｍとしている。また、格子部４０ａの材質は、例えば、シリコン（Ｓｉ）であり、その屈折率ＮをＮ＝４．１４とし、吸収率Ｋを０．０４３としている。また、絶縁層４０ｂの材質は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）であり、その屈折率ＮをＮ＝１．４５としている。
また、図示する格子部４０ａにおいては、上述した平面部４０ａｂの高さｄをｄ＝０μｍとしている。また、回折格子部４０ａａの高さｈをｈ＝０．０５μｍとし、回折格子部４０ａａの凸部のピッチＰを０．２８μｍとし、凸部の幅をピッチの半分としている。
また、図３（ａ）の縦軸の０μｍの位置は、絶縁層４０ｂの上面に対応している。
このようなカラーフィルタ４０に、例えば、波長が５３０ｎｍの光を上方から入射させると、図３（ａ）に示すように、カラーフィルタ４０の下方よりも、その上方に、色が濃くなる部分が存在することが分かった。すなわち、カラーフィルタ４０を用いることにより、光の反射効果があることが分かった。そして、その反射率は、シミュレーション結果から７４％となった。
なお、格子部４０ａの材質として、シリコンよりも屈折率の低い窒化シリコン（ＳｉＮ，屈折率：１．９）を用いて、反射率を計算すると、その値は１０％程度しか得られずカラーフィルタとして作用しない。これは、画素ピッチ１．４μｍ内には格子は５個程度しか配置することができず、光と格子との相互作用が弱いためである。従って、格子部４０ａにおいては、光と格子との相互作用を強くするために、その屈折率が窒化シリコンの屈折率よりも高くなる材質（例えば、シリコン）を用いることがより望ましい。
図４は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図４には、ＦＤＴＤ法による反射率のシミュレーション結果が示されている。また、図４の横軸には、図３（ｂ）に示すモデルの凸部の個数が示され、回折格子の格子数に対応している。また、縦軸には、カラーフィルタ４０による光の反射率（％）が示されている。また、このシミュレーションでは、モデルの両端をＰＭＬ（完全吸収）条件で計算している。
図４の結果から分かるように、回折格子部４０ａａの凸部の個数が１個では、光（λ：５３０ｎｍ）の反射率が１３（％）となった。そして、その個数が２個になると反射率が５０（％）になり、３個で反射率が６５（％）、４個で反射率が７０（％）になった。さらに、５個以上で、７４（％）以上になることが分かった。
すなわち、カラーフィルタ４０の反射率を高くするには、カラーフィルタ４０の回折格子部４０ａａの凸部の個数として、５個以上周期的に形成されていることが望ましい。
また、カラーフィルタ４０の反射率は、上述したように、入射光の波長、各部材の屈折率、回折格子部４０ａａのピッチと高さ、回折格子部４０ａａの凸部の幅、平面部４０ａｂの高さ等が適宜調節されて決定される。
例えば、図５は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図５（ａ）には、カラーフィルタ４０に、波長５３０ｎｍの光を入射させた場合の光の強度のシミュレーション結果が示され、図中の色が濃いほど、その場所での光の強度が強いことを表している。なお、シミュレーションは、ＦＤＴＤ法に依っている。また、図５（ｂ）には、カラーフィルタ４０を２個並列させたモデル構造が示されている。そして、右側のモデルには、回折格子部４０ａａの平面部４０ａｂがないモデルが示され、左側のモデルには、平面部４０ａｂが存在するモデルが示されている。なお、このシミュレーションではモデルの両端をＰｅｒｉｏｄ（周期）条件で計算している。
これらの結果から、格子部４０ａに平面部４０ａｂを設けるか否かで光（λ：５３０ｎｍ）の反射率が異なることが分かった。例えば、図５（ｂ）の右側のモデルでは、カラーフィルタ４０の上方が相対的に光の強度が強くなり、光の反射率が７８（％）となり、透過率が１３．６％となった。また、図５（ａ）の左側のモデルでは、カラーフィルタ４０の下方が相対的に光の強度が強くなり、光の反射率が３．２（％）となり、透過率が６０％となった。
このように、カラーフィルタ４０の構成を変えることにより、特定の波長の光の反射率、透過率を変えることができる。
さらに、カラーフィルタ４０による光の遮断効果を詳細にシミュレーションした結果を、図６に示す。
図６は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図６（ａ）の横軸には、光の波長（μｍ）が示され、縦軸には、透過率（％）が示されている。透過率の計算は、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法シミュレーションに依っている。また、図６（ｂ）には、このシミュレーションで用いたカラーフィルタ４０のモデル構造が示されている。なお、このシミュレーションでは、複数の画素を横方向に並べることを想定し、モデルの両端をＰｅｒｉｏｄ（周期）条件で計算している。
例えば、図６（ｂ）に示すモデルでは、ライン＆スペース状の格子部４０ａと、その下方に配置された絶縁層４０ｂと、を備え、格子部４０ａの上方（Ｚ軸方向）は、空気層としている。ここで、モデルの横方向（Ｘ軸方向）の周期のピッチＰは、０．２８μｍとしている。また、格子部４０ａの材質は、例えば、シリコン（Ｓｉ）であり、その屈折率ＮをＮ＝４．１４とし、吸収率Ｋを０．０４３としている。また、絶縁層４０ｂの材質は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）であり、その屈折率ＮをＮ＝１．４５としている。
また、格子部４０ａにおいては、上述した平面部４０ａｂの高さｄ（μｍ）としている。また、回折格子部４０ａａの高さをｈ（μｍ）とし、回折格子部４０ａａの凸部の幅をＷとしている。
例えば、ｈ＝０．０４μｍ、ｄ＝０μｍ、Ｗ＝０．１６μｍの場合は、図６（ａ）に示すように、主に、青色の波長範囲の光の透過率が高くなることが分かった。
また、ｈ＝０．０４μｍ、ｄ＝０．１μｍ、Ｗ＝０．１２μｍの場合は、主に、緑色の波長範囲の光の透過率が高くなることが分かった。
また、ｈ＝０．１μｍ、ｄ＝０μｍ、Ｗ＝０．１６μｍの場合は、主に、赤色の波長範囲の光の透過率が高くなることが分かった。
このように、カラーフィルタ４０の構成を変えることにより、特定の波長の光の透過率を変えることができる。すなわち、このようなカラーフィルタ４０を、フォトダイオード１０ａの直上域に配置することにより、特定の波長領域の光をフォトダイオード１０ａに入射させることができる。
但し、上述したライン＆スペース状のカラーフィルタ４０では、光の偏向依存が生じる場合がある。
図７は、ライン＆スペース状の導波モード共鳴格子の光の偏向依存を説明する図である。
ここで、図７の横軸には、光の波長（μｍ）が示され、縦軸には、透過率（％）が示されている。透過率の計算は、ＲＣＷＡ法シミュレーションによる。また、図７（ａ）には、ライン＆スペースのライン（または、スペース）に平行に偏向させた光（ＴＥと称する）をカラーフィルタ４０に入射させた場合の透過率が示され、図７（ｂ）には、ライン＆スペースのライン（または、スペース）に垂直に偏向させた光（ＴＭと称する）をカラーフィルタ４０に入射させた場合の透過率が示されている。また、モデルは、図６（ｂ）に示すモデルを用い、ｈ＝０．０６μｍ、ｄ＝０μｍ、Ｗ＝０．１６μｍとしている。そして、図７には、ピッチＰを偏向させた場合の透過率が併せて示されている。
図示するように、ピッチＰがＰ＝０．２４μｍ〜０．３６μｍの範囲では、同じ光の波長であっても、ＴＥの場合とＴＭの場合で透過率に差が生じてしまう。従って、ライン＆スペース状の導波モード共鳴格子を用いると、固体撮像装置１に入射する光の偏光に制約が生じる。
そこで、本実施の形態では、上述したライン＆スペース状の格子部４０ａのほかに、シリコン基板１０の主面に対して略平行な方向の２次元平面において、島状に格子を配置させた、ドット状の格子部４０ａを提唱する。
図８は、本発明の実施の形態に係わるカラーフィルタの要部斜視模式図である。
図示するカラーフィルタ４０においては、絶縁層４０ｂ内にドット状の格子部４０ａを備えている。この格子部４０ａは、それぞれ島状の層となって独立し、複数の回折格子が２次元平面で碁盤目状（格子状）に配列されている。格子部４０ａの材質は、シリコン（Ｓｉ）が適用される。そして、このようなカラーフィルタ４０を用いると、さらに、以下のような有利な効果を奏する。
図９は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図９（ａ）の横軸には、光の波長（μｍ）が示され、縦軸には、反射率（％）が示されている。反射率の計算は、ＲＣＷＡ法シミュレーションによる。また、図９（ｂ）には、光の偏向角度が示されている。すなわち、図９（ａ）には、シリコン基板１０の主面をＸ−Ｙ平面に略平行に配置した場合に、Ｘ軸方向に平行に光を偏向させた場合（θ＝０°）からＹ軸方向に平行に光を偏向させた場合（θ＝９０°）まで、その偏向角度を変化させた場合の反射率が示されている。
結果は、図９（ａ）に示すように、θが０°〜９０°までの範囲では反射率は、光の波長依存がなく、全てのスペクトルが重なった。すなわち、カラーフィルタ４０の反射率において、光の偏向依存がないことが分かった。
このシミュレーションでのパラメータは、格子部４０ａの材質を、例えば、シリコン（Ｓｉ）とし、その屈折率ＮをＮ＝４．１４とし、吸収率Ｋを０．０４３としている。また、絶縁層４０ｂの材質を、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）とし、その屈折率ＮをＮ＝１．４５としている。また、Ｐ＝０．３２μｍ、ｈ＝０．０６μｍ、ｄ＝０μｍ、Ｗ＝０．１６μｍとしている。
なお、光の偏向依存を抑制するためには、図９（ｂ）に示すように、ドット状の格子部４０ａの配置を碁盤目状とし、格子部４０ａのＸ−Ｙ平面内での切断面を円形状とすることが望ましい。このような形態であれば、Ｘ−Ｙ平面において、Ｘ軸方向に光を偏向させた場合とＹ軸方向に光を偏向させた場合の格子部４０ａの形態、ピッチが同じになるからである。仮に、格子部４０ａの主面を多角形としたり、碁盤目状から外れるように格子部４０ａを配置したりすると、図９（ａ）の０．５３μｍ付近に現れた主ピークのほかに、不要なサブピークが反射率として現れる場合があり好ましくない。
また、ドット状の格子部４０ａを備えたカラーフィルタ４０の入射角依存についても調査した。この場合のパラメータは、図９を用いて説明したときと同じである。
図１０は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図１０（ａ）の横軸には、光の波長（μｍ）が示され、縦軸には、反射率（％）が示されている。反射率の計算は、ＲＣＷＡ法シミュレーションによる。また、図１０（ｂ）には、光の入射角θが示されている。すなわち、図１０（ａ）には、シリコン基板１０の主面をＸ−Ｙ平面に略平行に配置した場合に、Ｚ軸方向に平行に光を入射させた場合（θ＝０°）からθ＝１２°となるまで、その角度を変えたときの反射率が示されている。
結果は、図１０（ａ）に示すように、入射角θが０°〜１２°までの範囲では反射率がほぼ重なり、反射率の入射角依存がないことが分かった。
そして、このようなドット状の格子部４０ａを備えたカラーフィルタ４０でも、各部材の屈折率、格子部４０ａのピッチと高さ、格子部４０ａの凸部の幅等を適宜調節することにより、特定の波長の光をカラーフィルタ４０によって遮断することができる。例えば、その一例を、図１１に示す。
図１１は、カラーフィルタの効果を説明するための図である。ここで、図１１（ａ）の横軸には、光の波長（μｍ）が示され、縦軸には、反射率（％）が示されている。反射率の計算は、ＲＣＷＡ法シミュレーションによる。この図１１には、ドット状の格子部４０ａのピッチＰを変化させたときの反射率の変化が示されている。
なお、このシミュレーションでのパラメータは、格子部４０ａの材質を、例えば、シリコン（Ｓｉ）とし、その屈折率ＮをＮ＝４．１４とし、吸収率Ｋを０．０４３としている。また、絶縁層４０ｂの材質を、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）とし、その屈折率ＮをＮ＝１．４５としている。また、ｈ＝０．１μｍ、ｄ＝０μｍ、ＷをピッチＰの半分としている。
図示するように、ドット状の格子部４０ａのピッチＰを０．２６μｍ〜０．４μｍまで変化させると、反射率のピークが光の波長により異なることが分かった。すなわち、パラメータの一つであるピッチＰを変えることにより、特定の波長領域の光を選択的に反射させることができる。
このように、固体撮像装置１においては、有機樹脂製の顔料カラーフィルタを設けず、特定の波長領域の光を遮断する部材として、上述したカラーフィルタ４０を組み込んでいる。さらに、このカラーフィルタ４０をフォトダイオード１０ａの直上に配置している。これにより、固体撮像装置１では、クロストークが抑制され、固体撮像装置としての受光効率が向上する。
これに対し、従前の顔料カラーフィルタでは、充分な光の遮断効果を得るために、その膜厚として０．７μｍ〜０．８μｍ程度を要してしまう。そして、固体撮像素子１ａの狭ピッチ化が進行し、その幅が２μｍ以下になると、顔料カラーフィルタのアスペクト比は益々高くなってしまう。従って、従前の顔料カラーフィルタを組み込んだ装置構成では、顔料カラーフィルタ間でのクロストークが抑制できない。
然るに、本実施の形態では、カラーフィルタ４０をフォトダイオード１０ａの直上に配置している。さらに、その厚みは、０．２μｍ程度であり、アスペクト比がより小さい。従って、固体撮像装置１では、クロストークが抑制され、固体撮像装置としての受光効率が向上する。これにより、固体撮像装置１の高解像度化が実現する。また、カラーフィルタ４０の厚みが０．２μｍ程度であることから、固体撮像装置１の薄型化が実現する。
また、カラーフィルタ４０は、無機材料で構成されていることから、カラーフィルタ４０の耐熱性が高く、製造工程中または長時間使用しても劣化が起きにくい。従って、信頼性の高い固体撮像装置１が実現する。
次に、固体撮像装置の変形例について説明する。
図１２は、本発明の実施の形態に係わる固体撮像装置の要部断面模式図である。
図１２（ａ）に示す固体撮像装置２においては、その基材として、シリコン基板１０が用いられ、シリコン基板１０上に、多層配線層２０が設けられている。多層配線層２０においては、絶縁機能を備えた層間絶縁膜２０ａが設けられ、この層間絶縁膜２０ａ内に、配線２０ｂが多層となって配置されている。また、多層配線層２０上には、受光部であるフォトダイオード１０ａが形成されている。
また、多層配線層２０には、これらの他に、電荷転送部であるＣＣＤ、またはＣＭＯＳトランジスタの拡散層が形成されている（図示しない）。
また、固体撮像装置２においては、フォトダイオード１０ａの直上域に、カラーフィルタ４０を配置している。カラーフィルタ４０は、その内部に配置された格子部４０ａと、格子部４０ａの上面及び下面を被覆する絶縁層４０ｂとを含む構成としている。
そして、固体撮像装置２においては、カラーフィルタ４０の直上に、凸レンズ型のマイクロレンズ５０が配置されている。換言すれば、固体撮像装置２においては、凸レンズ型のマイクロレンズ５０の直下に、カラーフィルタ４０が配置されている。
このような構成であれば、マイクロレンズ５０で集光された光が直接、カラーフィルタ４０に入射される。すなわち、固体撮像装置２では、マイクロレンズ５０からフォトダイオード１０ａまでの光のパスが固体撮像装置１よりも短くなることから、その受光効率がさらに向上する。また、マイクロレンズ５０直下にカラーフィルタ４０を配置していることからクロストークがより起き難くなる。
また、固体撮像装置２では、多層配線層２０をフォトダイオード１０ａの下方に配置することから、配線２０ｂによる遮光の影響がなくなり、固体撮像装置２のさらなる狭ピッチ化を図ることができる。
また、図１２（ｂ）に示す固体撮像装置３のように、層間絶縁膜２０ａ内に光を導波する光導波路３０を設けてもよい。このような光導波路３０内には、配線、転送電極及び遮光膜などの部材が存在しない。この場合、光導波路３０の幅は、例えば、１．０μｍ程度である。光導波路３０の材質は、例えば、層間絶縁膜２０ａよりも屈折率が高いポリマー系有機材、窒化シリコン（ＳｉＮ）等が適用される。また、光導波路３０に代えて、この部分に集光レンズを設けてもよい。
また、ドット状の格子部を備えたカラーフィルタ４０の形態は、図８に示す形態とは限らない。以下に、カラーフィルタの変形例について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態に係わるカラーフィルタの要部斜視模式図である。
例えば、図１３（ａ）に示すカラーフィルタ４０においては、絶縁層４０ｂ内にドット状の格子部４０ａを備え、さらに格子部４０ａが平面部４０ａｂで支持されている。このようなカラーフィルタ４０を固体撮像装置１、２に組み込んでもよい。なお、この場合、平面部４０ａｂの厚みｄも、上述したカラーフィルタ４０の反射率（または、透過率）を決定するパラメータの一部に含まれる。
また、上述した導波モードを起きやすくするために、図１３（ｂ）に示すカラーフィルタ４０のように、平面板状のシリコン板４０ａｃ内に孔部４０ａｈを形成させたものであってもよい。このような孔部４０ａｈは、Ｘ−Ｙ平面において円形であり、シリコン板４０ａｃのＸ−Ｙ平面において碁盤目状に配置されている。このようなカラーフィルタ４０を固体撮像装置１、２に組み込んでもよい。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本実施の形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、以上の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものも含まれる。
１、２、３ 固体撮像装置
１ａ 固体撮像素子
１０ シリコン基板
１０ａ フォトダイオード
２０ 多層配線層
２０ａ 層間絶縁膜
２０ｂ 配線
３０ 光導波路
４０ カラーフィルタ
４０ａ 格子部
４０ａａ 回折格子部
４０ａｂ 平面部
４０ａｃ シリコン板
４０ａｈ 孔部
４０ｂ 絶縁層
５０ マイクロレンズ

Claims (10)

  1. 複数の受光部が形成された基板と、
    前記複数の受光部の直上にそれぞれ設けられた導波モード共鳴格子からなるカラーフィルタと、
    を備え、
    前記導波モード共鳴格子の上面または下面の少なくともいずれか一方は、前記導波モード共鳴格子よりも屈折率が低い層により被覆されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記導波モード共鳴格子は、回折格子を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記回折格子の周期は、５以上であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記基板の主面に対して略平行な方向に、前記回折格子がドット状に配列されていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記基板の主面に対して略平行な方向に、前記回折格子が碁盤目状に配列されていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  6. 前記基板の主面に対して略平行な方向における、前記回折格子の切断面は、円形状であることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  7. 前記回折格子は、平面板内に孔部を配列した構成をなしていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
  8. 前記導波モード共鳴格子の材料は、珪素（Ｓｉ）であり、
    前記導波モード共鳴格子の上面または下面に配置された前記層の材料は、酸化珪素（ＳｉＯ２）であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  9. 前記カラーフィルタの上には、それぞれレンズが設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
  10. 前記レンズの直下に、前記カラーフィルタが配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
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