JP2010245466A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】画像の色再現特性がよく、薄膜のカラーフィルタを有する固体撮像素子を提供する。
【解決手段】光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備えた固体撮像素子であって、
前記フィルタ層は、該フィルタ層より前記光電変換部側に曲率の中心を有する凸型形状を備え、該曲率の中心からの角度が一定となるように１次元または２次元の周期で配列された格子を有する構成とする。
その際、前記曲率の中心と前記マイクロレンズの焦点位置とが一致しており、また、前記マイクロレンズと前記光電変換部の間に、入射光に対して凸型形状の絶縁膜を有し、該絶縁膜上に前記フィルタ層が形成されている構成とすることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備えた固体撮像素子であって、
前記フィルタ層は、該フィルタ層より前記光電変換部側に曲率の中心を有する凸型形状を備え、該曲率の中心からの角度が一定となるように１次元または２次元の周期で配列された格子を有する構成とする。
その際、前記曲率の中心と前記マイクロレンズの焦点位置とが一致しており、また、前記マイクロレンズと前記光電変換部の間に、入射光に対して凸型形状の絶縁膜を有し、該絶縁膜上に前記フィルタ層が形成されている構成とすることができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、凸型形状で周期的に配列された格子を有するフィルタ層を備えた固体撮像素子に関するものである。
近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ素子などを２次元状に複数配列した固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどで用いられている。
これらの固体撮像素子では多画素化が進み、それに伴い、画素サイズが縮小されてきている。
ここで、このような画素サイズが縮小された従来例の固体撮像素子の概略構成を、図１０を用いて説明する。
図１０において、９０１はマイクロレンズ、９０２は平面形状のカラーフィルタ層、９０３は層間絶縁膜、９０４は配線層、９０５は光電変換部９０６を含む半導体基板である。カラーフィルタ層９０２は、通常、アクリル系樹脂に色別の顔料又は染料を混入することにより製造されることが知られている。
画素サイズが縮小されると、半導体基板９０５上に形成されている配線層９０４やカラーフィルタ層９０２の割合が大きくなり、マイクロレンズ９０１から光電変換部９０６までの距離と画素サイズのアスペクト比が大きくなる。このため、画素の開口部に対する集光率が悪化する。
従来より、画素サイズが縮小されても集光率を悪化させないために、そのアスペクト比を小さくすることが行われている。
例えば、配線層９０４の材料をアルミニウムから銅に変更することで、配線層を薄膜化する手法などが用いられる。
これらの固体撮像素子では多画素化が進み、それに伴い、画素サイズが縮小されてきている。
ここで、このような画素サイズが縮小された従来例の固体撮像素子の概略構成を、図１０を用いて説明する。
図１０において、９０１はマイクロレンズ、９０２は平面形状のカラーフィルタ層、９０３は層間絶縁膜、９０４は配線層、９０５は光電変換部９０６を含む半導体基板である。カラーフィルタ層９０２は、通常、アクリル系樹脂に色別の顔料又は染料を混入することにより製造されることが知られている。
画素サイズが縮小されると、半導体基板９０５上に形成されている配線層９０４やカラーフィルタ層９０２の割合が大きくなり、マイクロレンズ９０１から光電変換部９０６までの距離と画素サイズのアスペクト比が大きくなる。このため、画素の開口部に対する集光率が悪化する。
従来より、画素サイズが縮小されても集光率を悪化させないために、そのアスペクト比を小さくすることが行われている。
例えば、配線層９０４の材料をアルミニウムから銅に変更することで、配線層を薄膜化する手法などが用いられる。
また、カラーフィルタ層９０２を薄膜化する技術として、特許文献１では、吸収材料の膜厚を制御して、色分離を行うカラーフィルタ層が提案されている。
また、特許文献２では、サブ波長格子を用いた薄膜カラーフィルタが提案されている。
このサブ波長格子を用いたカラーフィルタでは、つぎのような共鳴現象が用いられる。
すなわち、サブ波長格子カラーフィルタに入射した光のうち、格子の形状・周期に対応した特定の波長の光が、格子内部を伝播し、多重反射して共鳴を起こす。
この共鳴により特定の波長を選択的に反射させ、原理的には反射率１００％、透過率０％の特性が得られる。
サブ波長格子を用いたカラーフィルタは、このような共鳴現象を用いてカラーフィルタを実現している。
また、特許文献２では、サブ波長格子を用いた薄膜カラーフィルタが提案されている。
このサブ波長格子を用いたカラーフィルタでは、つぎのような共鳴現象が用いられる。
すなわち、サブ波長格子カラーフィルタに入射した光のうち、格子の形状・周期に対応した特定の波長の光が、格子内部を伝播し、多重反射して共鳴を起こす。
この共鳴により特定の波長を選択的に反射させ、原理的には反射率１００％、透過率０％の特性が得られる。
サブ波長格子を用いたカラーフィルタは、このような共鳴現象を用いてカラーフィルタを実現している。
しかしながら、上記した従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、特許文献１に記載のカラーフィルタ層は、同一の材料の材料分散特性を利用して色分離を行っており、色分離特性が不十分である。このため、画像の色再現特性に良好なものが得られない。
また、サブ波長格子カラーフィルタは、光の入射角に応じて透過スペクトルが変化すると
いう課題を有している。
図１０に示すように、固体撮像素子のカラーフィルタ層９０２にサブ波長格子カラーフィルタを用いれば、マイクロレンズ９０１によって屈折された光線は、カラーフィルタ層９０２に様々な角度を持って入射する。
このため、光の入射光に応じて透過スペクトルが変化するサブ波長格子カラーフィルタは、色分離特性が不十分となる。その結果、画像の色再現特性に良好なものが得られない。
すなわち、特許文献１に記載のカラーフィルタ層は、同一の材料の材料分散特性を利用して色分離を行っており、色分離特性が不十分である。このため、画像の色再現特性に良好なものが得られない。
また、サブ波長格子カラーフィルタは、光の入射角に応じて透過スペクトルが変化すると
いう課題を有している。
図１０に示すように、固体撮像素子のカラーフィルタ層９０２にサブ波長格子カラーフィルタを用いれば、マイクロレンズ９０１によって屈折された光線は、カラーフィルタ層９０２に様々な角度を持って入射する。
このため、光の入射光に応じて透過スペクトルが変化するサブ波長格子カラーフィルタは、色分離特性が不十分となる。その結果、画像の色再現特性に良好なものが得られない。
本発明は、上記課題に鑑み、画像の色再現特性がよく、薄膜のカラーフィルタを有する固体撮像素子の提供を目的とする。
本発明は、以下のように構成した固体撮像素子を提供するものである。
本発明の固体撮像素子は、光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備えた固体撮像素子であって、
前記フィルタ層は、該フィルタ層より前記光電変換部側に曲率中心を有する凸型形状を備え、該曲率中心からの角度が一定となるように１次元または２次元の周期で配列された格子を有していることを特徴としている。
本発明の固体撮像素子は、光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備えた固体撮像素子であって、
前記フィルタ層は、該フィルタ層より前記光電変換部側に曲率中心を有する凸型形状を備え、該曲率中心からの角度が一定となるように１次元または２次元の周期で配列された格子を有していることを特徴としている。
本発明によれば、画像の色再現特性がよく、薄膜のカラーフィルタを有する固体撮像素子を実現することができる。
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施例１］
図１を用いて、本発明を適用した実施例１に係る固体撮像素について説明する。
本実施例の固体撮像素子１００は、光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備える。
具体的には、図１に示されるように、マイクロレンズ１１０、平坦化層１１１、凸型形状
の絶縁膜１１２、層間絶縁膜１１３、配線層または遮光膜１１４、光電変換部１１６を含む半導体基板１１５の順に設けられた構造を備える。
また、上記フィルタ層を構成するカラーフィルタ１０１が、上記配線層よりも光の入射側に配された上記凸型形状の絶縁膜１１２上に形成されている。
そして、入射光１２０は、マイクロレンズ１１０によって屈折され、カラーフィルタ１０１を透過し、光電変換部１１６の表面に結像するように構成されている。
このとき、画素中心の入射光１２１は、カラーフィルタ１０１の中央を垂直に入射する。一方、画素周囲の入射光１２２は、カラーフィルタ１０１の周囲に斜めから入射する。
図１を用いて、本発明を適用した実施例１に係る固体撮像素について説明する。
本実施例の固体撮像素子１００は、光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備える。
具体的には、図１に示されるように、マイクロレンズ１１０、平坦化層１１１、凸型形状
の絶縁膜１１２、層間絶縁膜１１３、配線層または遮光膜１１４、光電変換部１１６を含む半導体基板１１５の順に設けられた構造を備える。
また、上記フィルタ層を構成するカラーフィルタ１０１が、上記配線層よりも光の入射側に配された上記凸型形状の絶縁膜１１２上に形成されている。
そして、入射光１２０は、マイクロレンズ１１０によって屈折され、カラーフィルタ１０１を透過し、光電変換部１１６の表面に結像するように構成されている。
このとき、画素中心の入射光１２１は、カラーフィルタ１０１の中央を垂直に入射する。一方、画素周囲の入射光１２２は、カラーフィルタ１０１の周囲に斜めから入射する。
つぎに、図２を用いて、本実施例に係るカラーフィルタ１０１の説明をする。
図２（ａ）はカラーフィルタ１０１を含む固体撮像素子の断面図、図２（ｂ）はカラーフィルタ１０１を拡大した傾斜図である。
カラーフィルタ１０１は、該カラーフィルタより光電変換部側に曲率の中心を有する凸型形状を備え、絶縁膜１０２と格子１０３とで形成される。
また、格子１０３は、カラーフィルタ１０１の曲率中心１０５から一定の周期角γで二次元正方格子状に配列される。
また、格子の幅は曲率中心１０５から格子幅角δとなるように形成される。
図２（ａ）はカラーフィルタ１０１を含む固体撮像素子の断面図、図２（ｂ）はカラーフィルタ１０１を拡大した傾斜図である。
カラーフィルタ１０１は、該カラーフィルタより光電変換部側に曲率の中心を有する凸型形状を備え、絶縁膜１０２と格子１０３とで形成される。
また、格子１０３は、カラーフィルタ１０１の曲率中心１０５から一定の周期角γで二次元正方格子状に配列される。
また、格子の幅は曲率中心１０５から格子幅角δとなるように形成される。
カラーフィルタの曲率半径をｒとしたとき、カラーフィルタ１０１の格子周期Λ、格子幅ｗは、式（１）、式（２）で表される。
Λ＝ｒ・γ ・・・（１）
ｗ＝ｒ・δ ・・・（２）
本実施例では、格子１０３を凸型形状に配列したことで、入射光１２２とカラーフィルタ１０１入射位置での面法線のなす角が、カラーフィルタが平面形状の場合に比べ、小さくなる。よって、入射光１２０がカラーフィルタ１０１に入射する角度の範囲を小さくできるため、入射光１２０の色分離特性がよくなり、画像の色再現特性がよくなる。
また、本発明のカラーフィルタは共鳴現象を利用しているため、カラーフィルタの膜厚を薄く作製できる。
Λ＝ｒ・γ ・・・（１）
ｗ＝ｒ・δ ・・・（２）
本実施例では、格子１０３を凸型形状に配列したことで、入射光１２２とカラーフィルタ１０１入射位置での面法線のなす角が、カラーフィルタが平面形状の場合に比べ、小さくなる。よって、入射光１２０がカラーフィルタ１０１に入射する角度の範囲を小さくできるため、入射光１２０の色分離特性がよくなり、画像の色再現特性がよくなる。
また、本発明のカラーフィルタは共鳴現象を利用しているため、カラーフィルタの膜厚を薄く作製できる。
以下に、数値実施例を用いて説明する。
図３（ａ）を用いて本実施例に係る固体撮像素子の説明をする。同図に示すように、固体撮像素子の画素サイズは６．０μｍ、マイクロレンズ１１０から光電変換部１１６の表面までの距離は８．０μｍである。
マイクロレンズ１１０、平坦化層１１１、凸型形状の絶縁膜１１２、層間絶縁膜１１３、絶縁膜１０２の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５とし、固体撮像素子の中心での膜厚をそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５とする。これらは、ＢＰＳＧ膜、酸化シリコンなどの絶縁膜を用いる。
このときの本実施例における各屈折率と各膜厚を表１に示す。
また、マイクロレンズ１１０、凸型形状の絶縁膜１１２、カラーフィルタ１０１の曲率半径ｒ１、ｒ２、ｒ５を、それぞれ表２に示す。
また、格子１０３は膜厚１００ｎｍのシリコン（Ｓｉ）で形成され、その屈折率および消衰係数は、それぞれ図３（ｂ）に示す値を用いた。
図３（ａ）を用いて本実施例に係る固体撮像素子の説明をする。同図に示すように、固体撮像素子の画素サイズは６．０μｍ、マイクロレンズ１１０から光電変換部１１６の表面までの距離は８．０μｍである。
マイクロレンズ１１０、平坦化層１１１、凸型形状の絶縁膜１１２、層間絶縁膜１１３、絶縁膜１０２の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５とし、固体撮像素子の中心での膜厚をそれぞれｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５とする。これらは、ＢＰＳＧ膜、酸化シリコンなどの絶縁膜を用いる。
このときの本実施例における各屈折率と各膜厚を表１に示す。
また、マイクロレンズ１１０、凸型形状の絶縁膜１１２、カラーフィルタ１０１の曲率半径ｒ１、ｒ２、ｒ５を、それぞれ表２に示す。
また、格子１０３は膜厚１００ｎｍのシリコン（Ｓｉ）で形成され、その屈折率および消衰係数は、それぞれ図３（ｂ）に示す値を用いた。
本実施例では、周期角γ、格子幅角δ、格子厚ｄをそれぞれ０．０５３３ｒａｄ、０．０４０９ｒａｄ、１００ｎｍとし、緑色フィルタを実現する。
このとき、カラーフィルタの曲率半径を５．６２μｍとしたため、カラーフィルタの格子周期Λ、格子幅ｗは、上記した式（１）（２）より、それぞれ３００ｎｍ、２３０ｎｍとなる。
尚、本実施例では緑色フィルタに関して説明するが、格子パラメータや材料を変更することで、赤色フィルタ・青色フィルタや補色フィルタなどを実現できる。
このとき、カラーフィルタの曲率半径を５．６２μｍとしたため、カラーフィルタの格子周期Λ、格子幅ｗは、上記した式（１）（２）より、それぞれ３００ｎｍ、２３０ｎｍとなる。
尚、本実施例では緑色フィルタに関して説明するが、格子パラメータや材料を変更することで、赤色フィルタ・青色フィルタや補色フィルタなどを実現できる。
本実施例では、図４（ａ）に示すように、カラーフィルタ１０１の曲率中心１０５をマイクロレンズ１１０の焦点位置１３０と一致させるように形成した。
このため、入射光線の向きとカラーフィルタ１０１入射位置での面法線の向きが一致し、入射光１２０はカラーフィルタ１０１を垂直に入射する。
このときの透過スペクトルを図４（ｂ）に示す。
波長５５５ｎｍ（緑色）で９０％以上、４５０ｎｍ（青色）、６５０ｎｍ（赤色）付近で２０％以下の透過特性が得られる。
このため、緑色カラーフィルタとして色分離ができる。但し、マイクロレンズ１１０の焦点位置１３０とは、入射光がマイクロレンズ１１０によって屈折され、カラーフィルタ１０１に入射する光線の延長線の交点のことである。
このため、入射光線の向きとカラーフィルタ１０１入射位置での面法線の向きが一致し、入射光１２０はカラーフィルタ１０１を垂直に入射する。
このときの透過スペクトルを図４（ｂ）に示す。
波長５５５ｎｍ（緑色）で９０％以上、４５０ｎｍ（青色）、６５０ｎｍ（赤色）付近で２０％以下の透過特性が得られる。
このため、緑色カラーフィルタとして色分離ができる。但し、マイクロレンズ１１０の焦点位置１３０とは、入射光がマイクロレンズ１１０によって屈折され、カラーフィルタ１０１に入射する光線の延長線の交点のことである。
ここで、本実施例のカラーフィルタ１０１を、上記した従来例のように平面形状とした場合について考える。
このとき、マイクロレンズ１１０によって屈折された入射光は、斜めからカラーフィルタに入射する。
光線追跡の結果、例えば、画素中心から２．５μｍ離れたマイクロレンズ１１０位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に１７．６度の角度で、１．７３μｍ離れた位置
に入射する。
また、画素中心から１．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に１０．６度の角度で、１．０４μｍ離れた位置に入射する。
また、画素中心から０．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に３．５３度の角度で、０．３４６μｍ離れた位置に入射する。
このとき、マイクロレンズ１１０によって屈折された入射光は、斜めからカラーフィルタに入射する。
光線追跡の結果、例えば、画素中心から２．５μｍ離れたマイクロレンズ１１０位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に１７．６度の角度で、１．７３μｍ離れた位置
に入射する。
また、画素中心から１．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に１０．６度の角度で、１．０４μｍ離れた位置に入射する。
また、画素中心から０．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に３．５３度の角度で、０．３４６μｍ離れた位置に入射する。
図２（ｂ）のカラーフィルタが、入射角が６度、１２度、１８度で入射した場合の透過スペクトルを図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。
入射角が大きくなるに従い、緑色５５０ｎｍ付近の透過率は低下し、青色４５０ｎｍ、赤色６５０ｎｍ付近の透過率は増加する。
光電変換部１１６に透過する光は、入射角が０度から１８度程度の光線を含んでいるため、光電変換部１１６に到達した光は十分に色分離ができず、画像の色再現特性が悪化する。
入射角が大きくなるに従い、緑色５５０ｎｍ付近の透過率は低下し、青色４５０ｎｍ、赤色６５０ｎｍ付近の透過率は増加する。
光電変換部１１６に透過する光は、入射角が０度から１８度程度の光線を含んでいるため、光電変換部１１６に到達した光は十分に色分離ができず、画像の色再現特性が悪化する。
以上のように、本実施例のカラーフィルタ１０１では格子１０３が凸型形状に配列されており、カラーフィルタが平面形状の場合に比べて、カラーフィルタ１０１に入射する角度の範囲を小さくできる。
そのため、色分離特性がよくなり、画像の色再現特性を向上させることができ、また、膜厚を１００ｎｍとすることができ、同時にカラーフィルタの薄膜化を図ることができる。尚、本実施例では格子を２次元状に配列したが、必ずしもその必要はなく、一次元格子状に配列してもよい。
１次元格子状に配列すると、偏光の違いからカラーフィルタは異方性を示す。
このため、偏光を利用したフィルタ層として利用する場合には１次元格子状に配列してもよい。
但し、一般的な固体撮像素子では、入射光の偏光依存性がなく受光する必要があるため、本実施例では偏光依存性の小さい２次元格子状に配列した。
さらに、２次元三角格子状に配列すると、カラーフィルタの対称性が高くなり、偏光依存性が小さくなる。
そのため、色分離特性がよくなり、画像の色再現特性を向上させることができ、また、膜厚を１００ｎｍとすることができ、同時にカラーフィルタの薄膜化を図ることができる。尚、本実施例では格子を２次元状に配列したが、必ずしもその必要はなく、一次元格子状に配列してもよい。
１次元格子状に配列すると、偏光の違いからカラーフィルタは異方性を示す。
このため、偏光を利用したフィルタ層として利用する場合には１次元格子状に配列してもよい。
但し、一般的な固体撮像素子では、入射光の偏光依存性がなく受光する必要があるため、本実施例では偏光依存性の小さい２次元格子状に配列した。
さらに、２次元三角格子状に配列すると、カラーフィルタの対称性が高くなり、偏光依存性が小さくなる。
また、本実施例では、カラーフィルタ１０１の曲率中心１０５をマイクロレンズ１１０の焦点位置１３０と一致させるように形成したが、必ずしも一致させる必要はなく、曲率中心１０５がカラーフィルタ１０１より光電変換部１１６側にあればよい。
このとき、入射光１２２の向きとカラーフィルタ１０１入射位置での面法線のなす角が、カラーフィルタが平面形状の場合に比べ、小さくなる。
図４（ｂ）、図５の結果からも分かるように、入射光と面法線のなす角が小さくなるほど、垂直入射と斜入射の透過スペクトルの変化が小さい。
このため、カラーフィルタに入射する入射角を小さくすることで、入射光１２０がカラーフィルタ１０１に入射する角度の範囲を小さくできるため、入射光１２０の色分離特性がよくなり、画像の色再現特性がよくなる。
このとき、入射光１２２の向きとカラーフィルタ１０１入射位置での面法線のなす角が、カラーフィルタが平面形状の場合に比べ、小さくなる。
図４（ｂ）、図５の結果からも分かるように、入射光と面法線のなす角が小さくなるほど、垂直入射と斜入射の透過スペクトルの変化が小さい。
このため、カラーフィルタに入射する入射角を小さくすることで、入射光１２０がカラーフィルタ１０１に入射する角度の範囲を小さくできるため、入射光１２０の色分離特性がよくなり、画像の色再現特性がよくなる。
本実施例では、図５（ａ）に示す入射角６度の場合、透過スペクトル形状は、５５５ｎｍ（緑色）付近で９０％程度、４５０ｎｍ（青色）、６５０ｎｍ（赤色）付近で２０％程度の透過特性が得られ、緑色カラーフィルタとして色分離できる。
このため、入射角を６度程度までに抑えることで、色分離特性のよいカラーフィルタを提供できる。
ただし、カラーフィルタへの入射角の限界値は、カラーフィルタの設計パラメータや形状などによって変化するため、適宜設計に応じて決定する。
尚、本実施例ではカラーフィルタ１０１を凸型形状の絶縁膜１１２の上に形成したが、必ずしも凸型形状の絶縁膜の上に形成する必要はなく、平坦や凹型形状の絶縁膜の上部に、格子１０３の厚みを変化させ凸型形状のカラーフィルタを形成してもよい。
但し、凸型形状の絶縁膜の凸型形状の作製は、後述するエッチングやリフロー処理を行い、容易に作製できる。
このため、凸型形状の絶縁膜上に、下地の形状を引き継ぎながらカラーフィルタを作製することで、カラーフィルタの凸型形状を容易に作製できる。このため、カラーフィルタ１０１は凸型形状の絶縁膜の上に形成する方が望ましい。
このため、入射角を６度程度までに抑えることで、色分離特性のよいカラーフィルタを提供できる。
ただし、カラーフィルタへの入射角の限界値は、カラーフィルタの設計パラメータや形状などによって変化するため、適宜設計に応じて決定する。
尚、本実施例ではカラーフィルタ１０１を凸型形状の絶縁膜１１２の上に形成したが、必ずしも凸型形状の絶縁膜の上に形成する必要はなく、平坦や凹型形状の絶縁膜の上部に、格子１０３の厚みを変化させ凸型形状のカラーフィルタを形成してもよい。
但し、凸型形状の絶縁膜の凸型形状の作製は、後述するエッチングやリフロー処理を行い、容易に作製できる。
このため、凸型形状の絶縁膜上に、下地の形状を引き継ぎながらカラーフィルタを作製することで、カラーフィルタの凸型形状を容易に作製できる。このため、カラーフィルタ１０１は凸型形状の絶縁膜の上に形成する方が望ましい。
また、本実施例では配線層１１４の上方にカラーフィルタ１０１を形成したが、必ずしも配線層１１４の上方に形成する必要はなく、配線層間に形成してもよい。
配線層間にカラーフィルタを形成しても、同様に色再現特性を向上することができる。
しかしながら、カラーフィルタ１０１とマイクロレンズ１１０との間の距離が長くなり、カラーフィルタの曲率半径を小さくしなければ色分離が不十分となり、色再現特性の向上効果が小さくなる。曲率半径の小さな凸型形状を作製するのは困難であるため、カラーフィルタは配線層の上方に形成した方が望ましい。
また、本実施例では、絶縁膜１０２と格子１０３の材料にそれぞれＢＰＳＧ膜、シリコンを用いたが、絶縁膜１０２と格子１０３は屈折率の異なる材料を用いればよい。
例えば、絶縁膜１０２の材料に、ＢＰＳＧ膜、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタニウム、酸化アルミニウムなどの絶縁膜を用いればよい。
また、格子１０３の材料にシリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどの半導体膜やアルミニウム、銅、タングステンなどの金属膜を用いればよい。このような材料を用いると、後述する成膜方法によって容易に作製できるため望ましい。
配線層間にカラーフィルタを形成しても、同様に色再現特性を向上することができる。
しかしながら、カラーフィルタ１０１とマイクロレンズ１１０との間の距離が長くなり、カラーフィルタの曲率半径を小さくしなければ色分離が不十分となり、色再現特性の向上効果が小さくなる。曲率半径の小さな凸型形状を作製するのは困難であるため、カラーフィルタは配線層の上方に形成した方が望ましい。
また、本実施例では、絶縁膜１０２と格子１０３の材料にそれぞれＢＰＳＧ膜、シリコンを用いたが、絶縁膜１０２と格子１０３は屈折率の異なる材料を用いればよい。
例えば、絶縁膜１０２の材料に、ＢＰＳＧ膜、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタニウム、酸化アルミニウムなどの絶縁膜を用いればよい。
また、格子１０３の材料にシリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどの半導体膜やアルミニウム、銅、タングステンなどの金属膜を用いればよい。このような材料を用いると、後述する成膜方法によって容易に作製できるため望ましい。
サブ波長格子の共鳴スペクトルは、絶縁膜１０２と格子１０３の屈折率、膜厚、フィリングファクター、周期などを適切に設定することにより制御できる。カラーフィルタに求められる性能は、光利用効率を高くするために不感帯を小さくすることと、色分離するために各カラーフィルタの透過スペクトルが異なる構成とすることである。
このため、共鳴を用いたサブ波長格子カラーフィルタを用いれば、共鳴スペクトルの半値全幅を大きくする方がよい。
特に、格子と格子を覆う層の屈折率差の絶対値を１．５以上にすると共鳴スペクトルの半値全幅を大きくしやすいため、屈折率差は１．５以上であることが望ましい。
例えば、本実施例における波長６５０ｎｍ付近に生じる共鳴モードの場合、格子１０３と絶縁膜１０２の屈折率差が２．３程度であり、共鳴スペクトルの半値全幅が５０ｎｍ程度となる。
同モードを、有効屈折率一定の条件で、屈折率差１．５とした場合、半値全幅が３０ｎｍ程度となる。
尚、本実施例では、格子１０３の屈折率が絶縁膜１０２の屈折率より高いドットアレイ構成としたが、絶縁膜１０２と格子１０３は屈折率の異なる材料であればよいので、絶縁膜１０２の屈折率が格子１０３の屈折率より高いホールアレイ構成としてもよい。
このため、共鳴を用いたサブ波長格子カラーフィルタを用いれば、共鳴スペクトルの半値全幅を大きくする方がよい。
特に、格子と格子を覆う層の屈折率差の絶対値を１．５以上にすると共鳴スペクトルの半値全幅を大きくしやすいため、屈折率差は１．５以上であることが望ましい。
例えば、本実施例における波長６５０ｎｍ付近に生じる共鳴モードの場合、格子１０３と絶縁膜１０２の屈折率差が２．３程度であり、共鳴スペクトルの半値全幅が５０ｎｍ程度となる。
同モードを、有効屈折率一定の条件で、屈折率差１．５とした場合、半値全幅が３０ｎｍ程度となる。
尚、本実施例では、格子１０３の屈折率が絶縁膜１０２の屈折率より高いドットアレイ構成としたが、絶縁膜１０２と格子１０３は屈折率の異なる材料であればよいので、絶縁膜１０２の屈折率が格子１０３の屈折率より高いホールアレイ構成としてもよい。
［実施例２］
図６（ａ）を用いて、本発明を適用した実施例２における固体撮像素について説明する。
図６（ａ）において、２００は本実施例における固体撮像素子、２０１はカラーフィルタ、２１０は薄膜絶縁膜である。
実施例１と異なる点は、カラーフィルタ２０１の設計パラメータを変更した点と、凸型形状の絶縁膜１１２を窒化シリコンで形成してその上部にＢＰＳＧ膜等の絶縁膜で薄膜絶縁膜２１０を形成した点である。
凸型形状の絶縁膜１１２は、周囲より高屈折材料で形成されるため、層内レンズとして働く。
但し、マイクロレンズ１１０、凸型形状の絶縁膜１１２は、入射光１２０が光電変換部１１６の表面に結像するように設計する。
本実施例における各屈折率と各膜厚を表３に、各曲率半径を表４に示す。
但し、薄膜絶縁膜２１０の屈折率、膜厚、曲率半径をそれぞれｎ６、ｄ６、ｒ６とした。また、格子１０３は膜厚１００ｎｍのＳｉで形成され、屈折率および消衰係数はそれぞれ本実施例１と同様に図３（ｂ）に示す値を用いた。
図６（ａ）を用いて、本発明を適用した実施例２における固体撮像素について説明する。
図６（ａ）において、２００は本実施例における固体撮像素子、２０１はカラーフィルタ、２１０は薄膜絶縁膜である。
実施例１と異なる点は、カラーフィルタ２０１の設計パラメータを変更した点と、凸型形状の絶縁膜１１２を窒化シリコンで形成してその上部にＢＰＳＧ膜等の絶縁膜で薄膜絶縁膜２１０を形成した点である。
凸型形状の絶縁膜１１２は、周囲より高屈折材料で形成されるため、層内レンズとして働く。
但し、マイクロレンズ１１０、凸型形状の絶縁膜１１２は、入射光１２０が光電変換部１１６の表面に結像するように設計する。
本実施例における各屈折率と各膜厚を表３に、各曲率半径を表４に示す。
但し、薄膜絶縁膜２１０の屈折率、膜厚、曲率半径をそれぞれｎ６、ｄ６、ｒ６とした。また、格子１０３は膜厚１００ｎｍのＳｉで形成され、屈折率および消衰係数はそれぞれ本実施例１と同様に図３（ｂ）に示す値を用いた。
つぎに、図６（ｂ）を用いて、本実施例に係るカラーフィルタ２０１について説明する。
カラーフィルタ２０１は、絶縁膜１０２中に格子１０３を二次元三角格子状に配列させた構成である。２次元三角格子状に配列することで、カラーフィルタの対称性が高くなり、偏光依存性が小さくなる。
本実施例では、周期角γ、格子幅角δ、格子厚ｄをそれぞれ０．０５６９ｒａｄ、０．０２３１ｒａｄ、１００ｎｍとして、マジェンタ補色フィルタを実現する。
また、カラーフィルタの曲率半径を５．６２μｍとしたため、カラーフィルタの格子周期Λ、格子幅ｗは、上記した式（１）（２）より、それぞれ３２０ｎｍ、１３０ｎｍとなる。
カラーフィルタ２０１は、絶縁膜１０２中に格子１０３を二次元三角格子状に配列させた構成である。２次元三角格子状に配列することで、カラーフィルタの対称性が高くなり、偏光依存性が小さくなる。
本実施例では、周期角γ、格子幅角δ、格子厚ｄをそれぞれ０．０５６９ｒａｄ、０．０２３１ｒａｄ、１００ｎｍとして、マジェンタ補色フィルタを実現する。
また、カラーフィルタの曲率半径を５．６２μｍとしたため、カラーフィルタの格子周期Λ、格子幅ｗは、上記した式（１）（２）より、それぞれ３２０ｎｍ、１３０ｎｍとなる。
本実施例では、図７（ａ）に示すように、カラーフィルタ２０１の曲率中心１０５をマイクロレンズ１１０の焦点位置１３０と一致させた。
このため、入射光線の向きとカラーフィルタ１０１入射位置での面法線の向きが一致し、入射光１２０はカラーフィルタ１０１を垂直に入射する。
このとき、図７（ｂ）に示すように、波長５５０ｎｍ（緑色）付近で１０％以下、４５０ｎｍ（青色）付近で６０％以上、６５０ｎｍ（赤色）付近で９０％以上の透過特性が得られる。
このため、マジェンタ補色フィルタとして色分離ができる。
このため、入射光線の向きとカラーフィルタ１０１入射位置での面法線の向きが一致し、入射光１２０はカラーフィルタ１０１を垂直に入射する。
このとき、図７（ｂ）に示すように、波長５５０ｎｍ（緑色）付近で１０％以下、４５０ｎｍ（青色）付近で６０％以上、６５０ｎｍ（赤色）付近で９０％以上の透過特性が得られる。
このため、マジェンタ補色フィルタとして色分離ができる。
ここで、本発明のカラーフィルタ２０１を上記した従来例のように平面形状とした場合
について考える。
このとき、マイクロレンズ１１０によって屈折された入射光は、斜めからカラーフィルタに入射する。
光線追跡の結果、例えば、画素中心から２．５μｍ離れたマイクロレンズ１１０位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に１３．６度の角度で、１．９１μｍ離れた位置に入射する。
また、画素中心から１．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に８．１７度の角度で、１．１４μｍ離れた位置に入射する。
また、画素中心から０．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に２．７２度の角度で、０．３８１μｍ離れた位置に入射する。
について考える。
このとき、マイクロレンズ１１０によって屈折された入射光は、斜めからカラーフィルタに入射する。
光線追跡の結果、例えば、画素中心から２．５μｍ離れたマイクロレンズ１１０位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に１３．６度の角度で、１．９１μｍ離れた位置に入射する。
また、画素中心から１．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に８．１７度の角度で、１．１４μｍ離れた位置に入射する。
また、画素中心から０．５μｍ離れた位置に入射する光線は、カラーフィルタの中心軸に２．７２度の角度で、０．３８１μｍ離れた位置に入射する。
図６（ｂ）のカラーフィルタが、入射角が５度、１０度、１５度で入射した場合の透過スペクトルを、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。
入射角が大きくなるに従い、緑色５５０ｎｍ付近の透過率は増加し、赤色６５０ｎｍ付近に新たに透過率の谷が生じる。光電変換部１１６に透過する光は、入射角が０度から１５度程度の光線を含んでいるため、光電変換部１１６に到達した光は十分に色分離ができず、画像の色再現特性が悪化する。
入射角が大きくなるに従い、緑色５５０ｎｍ付近の透過率は増加し、赤色６５０ｎｍ付近に新たに透過率の谷が生じる。光電変換部１１６に透過する光は、入射角が０度から１５度程度の光線を含んでいるため、光電変換部１１６に到達した光は十分に色分離ができず、画像の色再現特性が悪化する。
以上で説明したように、本実施例のカラーフィルタ２０１により、色分離特性がよくなったことで、画像の色再現特性が向上する。また、膜厚が１００ｎｍであり、同時にカラーフィルタを薄膜化できる。
尚、本実施例では、凸型形状の絶縁膜１１２を層内レンズとして、カラーフィルタ１０１より光電変換部側に形成したが、必ずしもその必要ない。
カラーフィルタの上方に層内レンズを配した構成であっても、同様に色再現特性を向上することができる。
しかしながら、入射光は層内レンズによりカラーフィルタへの入射角がさらに大きくなって入射するため、カラーフィルタの曲率半径を小さくしなければ色分離が十分できず、色再現特性の向上効果が小さくなる。
曲率半径の小さなカラーフィルタの作製は困難であるため、層内レンズはカラーフィルタより光電変換部側に形成した方が望ましい。
また、層内レンズを用いることで、マイクロレンズの屈折力を小さくできる。このため、カラーフィルタへの入射角を低下することができるため望ましい。
尚、本実施例では、凸型形状の絶縁膜１１２を層内レンズとして、カラーフィルタ１０１より光電変換部側に形成したが、必ずしもその必要ない。
カラーフィルタの上方に層内レンズを配した構成であっても、同様に色再現特性を向上することができる。
しかしながら、入射光は層内レンズによりカラーフィルタへの入射角がさらに大きくなって入射するため、カラーフィルタの曲率半径を小さくしなければ色分離が十分できず、色再現特性の向上効果が小さくなる。
曲率半径の小さなカラーフィルタの作製は困難であるため、層内レンズはカラーフィルタより光電変換部側に形成した方が望ましい。
また、層内レンズを用いることで、マイクロレンズの屈折力を小さくできる。このため、カラーフィルタへの入射角を低下することができるため望ましい。
また、本実施例では、凸型形状の絶縁膜１１２を層内レンズとして形成したが、必ずしも、凸型形状の絶縁膜を層内レンズとして形成する必要はない。
但し、後述するように、凸型形状の作製プロセスは、膜の作製プロセスより工程数が多い。
よって、凸型形状を作製するプロセスを削減するため、カラーフィルタの下地層である凸型形状の絶縁膜を層内レンズとして集光機能をもたせることで、新たに層内レンズを作製するプロセスを削減することができる。
このため、凸型形状の絶縁膜１１２を層内レンズとして形成した方が望ましい。
但し、後述するように、凸型形状の作製プロセスは、膜の作製プロセスより工程数が多い。
よって、凸型形状を作製するプロセスを削減するため、カラーフィルタの下地層である凸型形状の絶縁膜を層内レンズとして集光機能をもたせることで、新たに層内レンズを作製するプロセスを削減することができる。
このため、凸型形状の絶縁膜１１２を層内レンズとして形成した方が望ましい。
［実施例３］
図９は、本発明の固体撮像素子の製造プロセスを説明する図である。
図９は、本発明の固体撮像素子の製造プロセスを説明する図である。
熱酸化によりシリコン基板１１５の表面にシリコン酸化膜を形成する（不図示）。
続いて、シリコン基板１１５中に光電変換部１１６を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。その後、レジストマスクをアッシング等により除去する（図９（ａ））。
さらに、光電変換部１１６にて発生した電荷を転送するためのゲート電極を形成するため
に、ポリシリコン膜を形成する。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極を形成する（不図示）。
続いて、シリコン基板１１５中に光電変換部１１６を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。その後、レジストマスクをアッシング等により除去する（図９（ａ））。
さらに、光電変換部１１６にて発生した電荷を転送するためのゲート電極を形成するため
に、ポリシリコン膜を形成する。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極を形成する（不図示）。
その後、シリコン基板１１５、およびゲート電極上に例えばＳｉＯ2系の層間絶縁膜を形成する。
さらに、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線層に電気的に接続させる。
同様に、第一配線層、第二配線層および第三配線層をそれぞれ形成し、これら配線層１１４を層間絶縁膜１１３で覆う（図９（ｂ））。
続いて、凸型形状の絶縁膜１１２を形成するための絶縁膜１３１を成膜し、フォトリソ工程によりレジスト膜１３２を図９（ｃ）に示すように形成する。その後、レジスト膜１３２をマスクとして等方性エッチングし、リフロー処理を行い凸型形状の絶縁膜１１２を形成する（図９（ｄ））。
さらに、必要に応じて絶縁膜を成膜する（不図示）。
続いて、ＣＶＤ法等によりＳｉ膜などの格子１０３の材料を成膜する。フォトリソ工程によって、レジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクとしてエッチングする。
その後、絶縁膜を成膜後、ＣＭＰ法等により平坦化を行う（図９（ｅ））。
さらに、公知のレジストリフロー法にてマイクロレンズ１１０を形成する（図９（ｆ））。
さらに、電気的な接続のため、コンタクトホールなどの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線層に電気的に接続させる。
同様に、第一配線層、第二配線層および第三配線層をそれぞれ形成し、これら配線層１１４を層間絶縁膜１１３で覆う（図９（ｂ））。
続いて、凸型形状の絶縁膜１１２を形成するための絶縁膜１３１を成膜し、フォトリソ工程によりレジスト膜１３２を図９（ｃ）に示すように形成する。その後、レジスト膜１３２をマスクとして等方性エッチングし、リフロー処理を行い凸型形状の絶縁膜１１２を形成する（図９（ｄ））。
さらに、必要に応じて絶縁膜を成膜する（不図示）。
続いて、ＣＶＤ法等によりＳｉ膜などの格子１０３の材料を成膜する。フォトリソ工程によって、レジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクとしてエッチングする。
その後、絶縁膜を成膜後、ＣＭＰ法等により平坦化を行う（図９（ｅ））。
さらに、公知のレジストリフロー法にてマイクロレンズ１１０を形成する（図９（ｆ））。
１００：固体撮像素子
１０１：カラーフィルタ
１０２：絶縁膜
１０３：格子
１０５：曲率中心
１１０：マイクロレンズ
１１１：平坦化層
１１２：凸型形状の絶縁膜
１１３：層間絶縁膜
１１４：配線層または遮光膜
１１５：半導体基板
１１６：光電変換部
１２０、１２１、１２２：入射光
１３０：マイクロレンズの焦点位置
１０１：カラーフィルタ
１０２：絶縁膜
１０３：格子
１０５：曲率中心
１１０：マイクロレンズ
１１１：平坦化層
１１２：凸型形状の絶縁膜
１１３：層間絶縁膜
１１４：配線層または遮光膜
１１５：半導体基板
１１６：光電変換部
１２０、１２１、１２２：入射光
１３０：マイクロレンズの焦点位置
Claims (8)
- 光電変換部とマイクロレンズの間に、フィルタ層を備えた固体撮像素子であって、
前記フィルタ層は、該フィルタ層より前記光電変換部側に曲率中心を有する凸型形状を備え、該曲率中心からの角度が一定となるように１次元または２次元の周期で配列された格子を有していることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記曲率中心と前記マイクロレンズの焦点位置とが一致していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記マイクロレンズと前記光電変換部の間に、入射光に対して凸型形状の絶縁膜を有し、該絶縁膜上に前記フィルタ層が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記フィルタ層より前記光電変換部側に、層内レンズが形成さ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項に記載の固体撮像素子。
- 前記層内レンズが、前記絶縁膜によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
- 前記格子は、２次元三角格子状に配列されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記固体撮像素子は配線層を有し、該配線層よりも光の入射側に前記フィルタ層が配されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記フィルタ層は、前記格子と該格子を覆う層で形成され、
前記格子と該格子を覆う層の屈折率差の絶対値が、１．５以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
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