JP2010251489A - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】多層膜を用いて分光を行う場合であっても、当該多層膜が段差を持った形状とはならずに画素単位毎に均一な層厚となるようにする。
【解決手段】受光素子と、前記受光素子の受光面側に配され、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなり、積層された各層１１〜１９のうちの少なくとも一層に欠陥層１１を含む多層膜４とを備える固体撮像装置において、複数種の異なる屈折率の材料１１ａ，１１ｂが前記受光面と平行な面内で混在するように配して前記欠陥層１１を構成する。
【選択図】図３
【解決手段】受光素子と、前記受光素子の受光面側に配され、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなり、積層された各層１１〜１９のうちの少なくとも一層に欠陥層１１を含む多層膜４とを備える固体撮像装置において、複数種の異なる屈折率の材料１１ａ，１１ｂが前記受光面と平行な面内で混在するように配して前記欠陥層１１を構成する。
【選択図】図３
Description
本発明は、撮像デバイスとして用いられる固体撮像装置および当該固体撮像装置を搭載する電子機器に関する。
一般に、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサに代表される固体撮像装置では、分光のためのカラーフィルタとして、有機材料が用いられている。これは、有機物による吸収分光特性の設計自由度が大きく、所望に近い特性が得られ易いからである。
ただし、有機材料を用いると、コストが非常に高くなり、温度特性や耐光性の観点からも耐久性が十分でない。さらには、有機材料より上層で用いられるプロセスの選択肢が少なく、例えばカラーフィルタより上層に透過率向上効果を有する微細構造等を形成することが非常に困難になってしまう。
そのため、近年では、無機多層膜を用いて固体撮像装置におけるカラーフィルタを構成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
ただし、有機材料を用いると、コストが非常に高くなり、温度特性や耐光性の観点からも耐久性が十分でない。さらには、有機材料より上層で用いられるプロセスの選択肢が少なく、例えばカラーフィルタより上層に透過率向上効果を有する微細構造等を形成することが非常に困難になってしまう。
そのため、近年では、無機多層膜を用いて固体撮像装置におけるカラーフィルタを構成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
ところで、固体撮像装置における分光は、画素単位毎に、異なる３色（ＲＧＢの各色）の光学特性を得る必要がある。上記特許文献１に開示された従来技術では、無機多層膜を用いて分光を行う場合、当該無機多層膜のうちで中心の厚みの異なる層（欠陥層）の高さ（層厚）を変えることで、異なる３色の光学特性を得ることを実現している。
しかしながら、無機多層膜のうちの欠陥層の層厚を変えることで異なる３色の光学特性を得る構成では、当該欠陥層よりも上層側の部分が、画素毎に段差を持った形状になってしまう。そのため、段差部分の盛り上がりによって、無機多層膜を透過させる光量が低下してしまうおそれがある。
そこで、本発明は、多層膜を用いて分光を行う場合であっても、当該多層膜が段差を持った形状とはならずに画素単位毎に均一な層厚となるようにし、これにより良好な光学特性を得ることのできる固体撮像装置および電子機器を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために案出された固体撮像装置で、受光素子と、前記受光素子の受光面側に配され、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなり、積層された各層のうちの少なくとも一層に欠陥層を含む多層膜とを備え、前記欠陥層は、複数種の異なる屈折率の材料が前記受光面と平行な面内で混在する。
上記構成の固体撮像装置では、欠陥層における屈折率が、面内で混在する各材料の面積の比に依存する。すなわち、各材料の面内における面積比（デューティ比）を変化させることで、所望の波長を透過させ得るようになる。したがって、透過させる光の波長に拘らず、多層膜を均一な層厚とすることができる。
本発明では、複数の材料が積層されてなる多層膜を分光のためのカラーフィルタとして用いる場合であっても、当該多層膜が均一な層厚となり、画素単位毎に段差を持った形状となってしまうことがない。したがって、段差部分の盛り上がりによって透過光量が低下してしまうのを未然に回避することができる。つまり、本発明によれば、カラーフィルタとして用いる多層膜について、良好な光学特性を得ることができる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像装置の基本的な構成例
２．第１実施形態（構成例、製造方法）
３．第２実施形態
４．第３実施形態
５．電子機器の構成例
１．固体撮像装置の基本的な構成例
２．第１実施形態（構成例、製造方法）
３．第２実施形態
４．第３実施形態
５．電子機器の構成例
＜１．固体撮像装置の基本的な構成例＞
図１は、固体撮像装置の基本的な構成例を示す側断面図である。
図例の固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳセンサとして広く知られているもので、図示せぬ半導体基板上の面内に、複数の受光素子１が並設されている。各受光素子１は、それぞれが一つの画素に相当する。各受光素子１は、光透過材料からなる層間絶縁膜２に覆われており、その層間絶縁膜２内に多層配線３が配設されている。また、層間絶縁膜２上、すなわち受光素子１の受光面側には、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学的機械的研磨）により平滑化された後、特定の色成分光のみを透過させるオンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）４が配されている。さらにその上方には、各受光素子１に入射光を集光させるためのオンチップマイクロレンズ（ＯＣＬ）５が配されている。
図１は、固体撮像装置の基本的な構成例を示す側断面図である。
図例の固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳセンサとして広く知られているもので、図示せぬ半導体基板上の面内に、複数の受光素子１が並設されている。各受光素子１は、それぞれが一つの画素に相当する。各受光素子１は、光透過材料からなる層間絶縁膜２に覆われており、その層間絶縁膜２内に多層配線３が配設されている。また、層間絶縁膜２上、すなわち受光素子１の受光面側には、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing；化学的機械的研磨）により平滑化された後、特定の色成分光のみを透過させるオンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）４が配されている。さらにその上方には、各受光素子１に入射光を集光させるためのオンチップマイクロレンズ（ＯＣＬ）５が配されている。
図２は、ＯＣＣＦの二次元配列の一具体例を示す平面図である。
ＯＣＣＦ４は、画素単位毎に異なる色成分についての分光を行うように構成されている。具体的には、図例のように、マトリクス状に二次元配列された各画素に対応しつつ、ある行をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｒ，Ｇ…、次の行をＧ，Ｂ（青），Ｇ，Ｂ…とした、いわゆるベイヤー配列によって構成されている。
ＯＣＣＦ４は、画素単位毎に異なる色成分についての分光を行うように構成されている。具体的には、図例のように、マトリクス状に二次元配列された各画素に対応しつつ、ある行をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｒ，Ｇ…、次の行をＧ，Ｂ（青），Ｇ，Ｂ…とした、いわゆるベイヤー配列によって構成されている。
＜２．第１実施形態＞
次に、本発明に係る固体撮像装置の特徴的な要部について説明する。
ここでは、固体撮像装置の特徴的な要部として、ＯＣＣＦ４について詳しく説明する。
次に、本発明に係る固体撮像装置の特徴的な要部について説明する。
ここでは、固体撮像装置の特徴的な要部として、ＯＣＣＦ４について詳しく説明する。
［構成例］
図３は、本発明が適用されたＯＣＣＦ構成の一具体例を示す側断面図である。
図例のＯＣＣＦ４は、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなる多層膜によって構成されている。屈折率が異なる複数の材料としては、無機材料を用いることが考えられる。無機材料であれば、有機材料を用いた場合に比べて、コスト、耐久性、プロセス選択の自由度等に点で有利だからである。具体的には、屈折率が異なる複数の無機材料として、低屈折率を有する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）と、高屈折率を有する二酸化チタン（ＴｉＯ2）とが挙げられる。このような材料が積層されてなる多層膜は、誘電体多層膜とも呼ばれるが、ここでは単に「多層膜」という。なお、固体撮像装置の積層方向と多層膜の積層方向とは一致する。
また、ＯＣＣＦ４を構成する多層膜には、積層された各層のうちの少なくとも一層に、中心の厚みの異なる層である欠陥層１１が含まれている。
したがって、ＯＣＣＦ４を構成する多層膜は、欠陥層１１の上下に各二層ずつ、ＴｉＯ2層１２，１３，１４，１５とＳｉＯ2層１６，１７，１８，１９とが所定順で繰り返して積層されたものとなっている。つまり、固体撮像装置に要求される特性上、多層膜の積層構造は、欠陥層１１の上下各四層１２〜１９の周期構造により、全部で九層となっている。なお、ＴｉＯ2層１２，１３，１４，１５およびＳｉＯ2層１６，１７，１８，１９は、その光学層厚を、λ／４とすることが考えられる。ここで、光学層厚は、その層の材料の屈折率ｎにその層の層厚ｄを乗じた値ｎｄのことをいう。また、λは、ＯＣＣＦ４が透過させるべき光の波長である。
図３は、本発明が適用されたＯＣＣＦ構成の一具体例を示す側断面図である。
図例のＯＣＣＦ４は、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなる多層膜によって構成されている。屈折率が異なる複数の材料としては、無機材料を用いることが考えられる。無機材料であれば、有機材料を用いた場合に比べて、コスト、耐久性、プロセス選択の自由度等に点で有利だからである。具体的には、屈折率が異なる複数の無機材料として、低屈折率を有する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）と、高屈折率を有する二酸化チタン（ＴｉＯ2）とが挙げられる。このような材料が積層されてなる多層膜は、誘電体多層膜とも呼ばれるが、ここでは単に「多層膜」という。なお、固体撮像装置の積層方向と多層膜の積層方向とは一致する。
また、ＯＣＣＦ４を構成する多層膜には、積層された各層のうちの少なくとも一層に、中心の厚みの異なる層である欠陥層１１が含まれている。
したがって、ＯＣＣＦ４を構成する多層膜は、欠陥層１１の上下に各二層ずつ、ＴｉＯ2層１２，１３，１４，１５とＳｉＯ2層１６，１７，１８，１９とが所定順で繰り返して積層されたものとなっている。つまり、固体撮像装置に要求される特性上、多層膜の積層構造は、欠陥層１１の上下各四層１２〜１９の周期構造により、全部で九層となっている。なお、ＴｉＯ2層１２，１３，１４，１５およびＳｉＯ2層１６，１７，１８，１９は、その光学層厚を、λ／４とすることが考えられる。ここで、光学層厚は、その層の材料の屈折率ｎにその層の層厚ｄを乗じた値ｎｄのことをいう。また、λは、ＯＣＣＦ４が透過させるべき光の波長である。
欠陥層１１は、複数種の異なる屈折率の材料が、受光素子１の受光面に平行な面内で混在するように配されている。複数種の異なる屈折率の材料としては、低屈折率を有するＳｉＯ2と、高屈折率を有するＴｉＯ2とを用いることが考えられる。すなわち、欠陥層１１以外の多層膜における各層１２〜１９と同一の形成材料を用いることが考えられる。したがって、欠陥層１１では、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが、混在することになる。このとき、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとは、規則的なパターンで混在するように、それぞれが配置されている。
ただし、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが配置されるパターンは、面内で互いに直交する二つの方向のそれぞれについて対称性を有したものとなっている。ここで、直交する二つの方向のそれぞれに対称性を有するとは、面内でパターンを９０°回転させても当該回転前と同一のパターンが得られることをいう。
図４は、二つの方向のそれぞれに対称性を有したパターンの具体例を示す説明図である。
二つの方向のそれぞれに対称性を有したパターンとしては、例えば図４（a）に示すように、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが市松状に交互に配されてなる、いわゆるチェッカーパターンが挙げられる。図例は、各部１１ａ，１１ｂが形成される面積の比が０．５であるチェッカーパターンを示している。
なお、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが配置されるパターンは、必ずしもチェッカーパターンに限定されるものではない。すなわち、面内でパターンを９０°回転させて同一のパターンが得られれば、例えば図４（ｂ）に示す同心円パターンや、あるいは図４（Ｃ）に示す四方等角パターンを用いることも考えられる。
図４は、二つの方向のそれぞれに対称性を有したパターンの具体例を示す説明図である。
二つの方向のそれぞれに対称性を有したパターンとしては、例えば図４（a）に示すように、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが市松状に交互に配されてなる、いわゆるチェッカーパターンが挙げられる。図例は、各部１１ａ，１１ｂが形成される面積の比が０．５であるチェッカーパターンを示している。
なお、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが配置されるパターンは、必ずしもチェッカーパターンに限定されるものではない。すなわち、面内でパターンを９０°回転させて同一のパターンが得られれば、例えば図４（ｂ）に示す同心円パターンや、あるいは図４（Ｃ）に示す四方等角パターンを用いることも考えられる。
また、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのパターンは、各部１１ａ，１１ｂの面積の比が、受光素子へ到達させる光の波長に応じて設定されている。ここでいう「面積の比」とは、面内の所定領域（例えば、一つの画素領域）内で混在するＴｉＯ2部１１ａの面積とＳｉＯ2部１１ｂの面積との比のことをいう。以下、この面積の比のことを、単に「面積比」または「デューティ比」ともいう。つまり、複数種の異なる屈折率の材料であるＴｉＯ2およびＳｉＯ2を用いた微細構造となっていることから、各材料の面内における面積比（デューティ比）を変化させることで、所望の波長を透過させ得るようになるのである。したがって、並設された複数の受光素子１がそれぞれ異なる色に対応している場合であれば、画素単位毎に、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比が相違することになる。
複数種の異なる屈折率の材料であるＴｉＯ2およびＳｉＯ2を用いた微細構造において、当該微細構造が光の波長より十分小さい場合には、以下の（４）式で屈折率が表せられることが知られている。ここで、当該（４）式の導出過程について、簡単に説明する。
図５は、サブ波長領域の回折光学の概要を示す説明図である。周期構造を持つ回折格子にある波長のビームを入射すると、図５（a）に示すように、０次ビームの他に、高次光が出力される。ただし、周期構造の周期が短くなって、その値が入射ビームの波長程度ないしは波長以下になると、高次光に対する回折条件が成立たなくなる。そのため、出力は実質上０次ビームだけになる。このときの０次ビームの位相は０次グレーティングのパラメーターに依存し、その値は一定の範囲で変化させることができる（有効屈折率法；Efective media theory）。例えば、図５（b）に示すように、複数の凹凸からなる構造性複屈折部を例に挙げると、当該構造性複屈折部における凹凸のピッチを透過光の波長よりも小さくした場合には、それによりＴＭ偏光に対する屈折率とＴＥ偏光に対する屈折率が異なる値を持ち、複屈折材と同等の性質を有することになる。具体的には、図５（ｃ）に示すように凹凸ピッチｃ，ｄおよび屈折率ｎ１，ｎ２が定義された場合、ＴＥ偏光に対する屈折率ｎTEは以下の（１）式で、ＴＭ偏光に対する屈折率ｎTMは以下の（２）式で、これらの関係は以下の（３）式で表される。このことは、公知技術として知られている事項である。
図６は、共鳴領域の概要を示す説明図である。共鳴領域（resonance-domain）では、光を電磁波として扱う必要がある。すなわち、光をベクトル波として扱う。具体的には、共鳴領域については、格子層の部分の光の伝搬をマックスウェル（maxwell）の方程式を解いて求める。そして、図６に示すように、均質媒質との境界で境界条件を満足させるようにする。そのため、共鳴領域では、偏光依存性が強くなり、光学定数の微小な変化で特性に大きな変化が生じることになる。このことは、公知技術として知られている事項である。
図７は、図５，６を用いて説明した各内容の関係をプロットした結果の一例を示す説明図である。図中において、Ａ線およびＢ線がそれぞれ溝に電場が平行な場合、垂直の場合を示している。
ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのパターンがチェッカーパターンの場合には、Ａ線およびＢ線の中間にあたる屈折率（Ｃ線）となる。すなわち、チェッカーパターンの場合は、各材料のデューティ比と有効屈折率とが、略比例に近い値を示すことが分かる。
したがって、チェッカーパターンの場合の屈折率近似式は、高屈折率ｎｈ＝２．５、低屈折率ｎｌ＝１．５、デューティ比＝ｄとすると、以下の（４）式で近似できる。
ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのパターンがチェッカーパターンの場合には、Ａ線およびＢ線の中間にあたる屈折率（Ｃ線）となる。すなわち、チェッカーパターンの場合は、各材料のデューティ比と有効屈折率とが、略比例に近い値を示すことが分かる。
したがって、チェッカーパターンの場合の屈折率近似式は、高屈折率ｎｈ＝２．５、低屈折率ｎｌ＝１．５、デューティ比＝ｄとすると、以下の（４）式で近似できる。
ｎ_eff≒ｎｌ・ｄ＋ｎｈ・（１−ｄ）・・・（４）
図８は、チェッカーパターンのデューティ比を変えていった場合の透過特性の変化の一具体例を示す説明図である。
図例では、デューティ比がそれぞれＲ:１．０、Ｇ:０．５、Ｂ:０の場合について、透過特性の変化をＦＤＴＤ（有限差分時間領域法）で計算した結果を示している。なお、１００００＝透過率１に相当する。
図例のような透過特性の変化を得るために、ＯＣＣＦ４は、固体撮像装置に要求される特性上、多層膜の積層構造が全部で九層（欠陥層１１の上下四層の周期構造）となっており、欠陥層１１の層厚が青の波長のλ／２であることが望ましい。
図例では、デューティ比がそれぞれＲ:１．０、Ｇ:０．５、Ｂ:０の場合について、透過特性の変化をＦＤＴＤ（有限差分時間領域法）で計算した結果を示している。なお、１００００＝透過率１に相当する。
図例のような透過特性の変化を得るために、ＯＣＣＦ４は、固体撮像装置に要求される特性上、多層膜の積層構造が全部で九層（欠陥層１１の上下四層の周期構造）となっており、欠陥層１１の層厚が青の波長のλ／２であることが望ましい。
［製造方法］
図９は、本発明が適用されたＯＣＣＦの製造方法の一具体例を示す側断面図である。
ＯＣＣＦの製造方法としては、以下のような手順が考えられる。
先ず、図９（a）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて、多層膜の下部に位置することになるＳｉＯ2層１６、ＴｉＯ2層１２、ＳｉＯ2層１７およびＴｉＯ2層１３を、順に成膜する。さらには、ＴｉＯ2層１３の上面側の全面に、欠陥層１１を構成することになるＳｉＯ2部１１ｂを積層する。このとき、積層するのは、製造上高屈折率材であることが望ましい。
その後は、図９（a）に示すように、ＳｉＯ2部１１ｂ上に、欠陥層１１の微細構造を形成するためのマスクパターンを置き、フォトリソグラフィもしくは電子ビーム描画によって微細構造パターンをレジスト２１に転写する。
そして、図９（ｃ）に示すように、転写された微細構造パターンを、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングを行うことによって、ＳｉＯ2部１１ｂに転写する。
次いで、図９（ｄ）に示すように、微細構造パターンが転写されたＳｉＯ2部１１ｂを覆うように、欠陥層１１を構成する他の材料であるＴｉＯ2を、例えばＭＯＣＶＤを用いて堆積させ、当該ＳｉＯ2部１１ｂにおける溝形状を埋め込む。このとき、堆積させるのは、製造上低屈折率材であることが望ましい。
その後は、図９（ｅ）に示すように、堆積されたＴｉＯ2の層２２の上面側に対して、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による平坦化処理を行う。これは、ＴｉＯ2の層２２の上面側にも、微細構造パターンによる凹凸が転写されることになるからである。この平坦化処理により、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとがパターン配置された欠陥層１１と、その上面側を覆うＴｉＯ2層１４とが、それぞれ形成されることになる。
そして、平坦化を行った後は、図９（ｆ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ（を用いて、ＴｉＯ2層１４上に、多層膜の上部に位置することになるＳｉＯ2層１８、ＴｉＯ2層１５およびＳｉＯ2層１９を順に成膜する。
以上のような手順を経ることで、図３に示した構成のＯＣＣＦ４が製造されるのである。
図９は、本発明が適用されたＯＣＣＦの製造方法の一具体例を示す側断面図である。
ＯＣＣＦの製造方法としては、以下のような手順が考えられる。
先ず、図９（a）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて、多層膜の下部に位置することになるＳｉＯ2層１６、ＴｉＯ2層１２、ＳｉＯ2層１７およびＴｉＯ2層１３を、順に成膜する。さらには、ＴｉＯ2層１３の上面側の全面に、欠陥層１１を構成することになるＳｉＯ2部１１ｂを積層する。このとき、積層するのは、製造上高屈折率材であることが望ましい。
その後は、図９（a）に示すように、ＳｉＯ2部１１ｂ上に、欠陥層１１の微細構造を形成するためのマスクパターンを置き、フォトリソグラフィもしくは電子ビーム描画によって微細構造パターンをレジスト２１に転写する。
そして、図９（ｃ）に示すように、転写された微細構造パターンを、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングを行うことによって、ＳｉＯ2部１１ｂに転写する。
次いで、図９（ｄ）に示すように、微細構造パターンが転写されたＳｉＯ2部１１ｂを覆うように、欠陥層１１を構成する他の材料であるＴｉＯ2を、例えばＭＯＣＶＤを用いて堆積させ、当該ＳｉＯ2部１１ｂにおける溝形状を埋め込む。このとき、堆積させるのは、製造上低屈折率材であることが望ましい。
その後は、図９（ｅ）に示すように、堆積されたＴｉＯ2の層２２の上面側に対して、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）による平坦化処理を行う。これは、ＴｉＯ2の層２２の上面側にも、微細構造パターンによる凹凸が転写されることになるからである。この平坦化処理により、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとがパターン配置された欠陥層１１と、その上面側を覆うＴｉＯ2層１４とが、それぞれ形成されることになる。
そして、平坦化を行った後は、図９（ｆ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ（を用いて、ＴｉＯ2層１４上に、多層膜の上部に位置することになるＳｉＯ2層１８、ＴｉＯ2層１５およびＳｉＯ2層１９を順に成膜する。
以上のような手順を経ることで、図３に示した構成のＯＣＣＦ４が製造されるのである。
以上に説明したように、本実施形態の固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４は、複数種の異なる屈折率の材料が、受光素子１の受光面に平行な面内で混在するように配されて、欠陥層１１が構成されている。そのため、欠陥層１１における屈折率が、規則的なパターンで混在する各材料の面積の比に依存することになる。すなわち、各材料の面内における面積比（デューティ比）を変化させることで、所望の波長を透過させ得るようになる。したがって、画素単位毎に異なる光学特性を得る場合であっても、欠陥層１１の層厚については、画素単位毎に均一でよい。
さらに詳しくは、本実施形態の固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４は、欠陥層１１において規則的なパターンで配置されたＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積の比が、受光素子１へ到達させる光の波長に応じて設定されている。つまり、並設された複数の受光素子１がそれぞれ異なる色に対応しており、各画素単位毎に異なる光学特性を得る場合であれば、欠陥層１１におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比を当該画素単位毎に相違させればよい。したがって、画素単位毎に異なる光学特性を得る場合であっても、欠陥層１１の層厚については、画素単位毎に均一でよい。具体的には、ベイヤー配列により隣り合う画素領域同士で色が異なっても、各画素毎に欠陥層１１の層厚（高さ）を変える必要がない。
このように、本実施形態によれば、無機材料が積層されてなる多層膜を分光のためのＯＣＣＦ４として用いる場合であっても、当該多層膜が均一な層厚となり、画素単位毎に段差を持った形状となってしまうことがない。つまり、従来技術では生じていた画素単位毎の段差による無効領域を無くすことができ、また信頼性面においても膜厚を安定的に形成できる。したがって、段差部分の盛り上がりによって透過光量が低下してしまうのを未然に回避することができる。
このように、本実施形態によれば、無機材料が積層されてなる多層膜を分光のためのＯＣＣＦ４として用いる場合であっても、当該多層膜が均一な層厚となり、画素単位毎に段差を持った形状となってしまうことがない。つまり、従来技術では生じていた画素単位毎の段差による無効領域を無くすことができ、また信頼性面においても膜厚を安定的に形成できる。したがって、段差部分の盛り上がりによって透過光量が低下してしまうのを未然に回避することができる。
しかも、本実施形態におけるＯＣＣＦ４は、欠陥層１１を構成するＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが、受光素子１の受光面に平行な面内で直交する二つの方向について対称性を有して混在している。すなわち、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが配置されるパターンは、面内で互いに直交する二つの方向のそれぞれについて対称性を有したものとなっている。したがって、欠陥層１１を構成する各材料を規則的なパターンで配置することにより、入射光に含まれる偏光成分の影響が排除されることになる。つまり、偏光依存性を無くすことで、偏光成分によって透過率が異なってしまうのを未然に防止することができる。
これらのことから、本実施形態によれば、ＯＣＣＦ４として用いる多層膜について、良好な光学特性を得ることが可能になる。つまり、無機多層膜を用いて分光を行う場合であっても、当該無機多層膜が段差を持った形状とはならずに画素単位毎に均一な層厚とすることができ、これにより良好な光学特性を得ることが実現可能になるのである。
ところで、本実施形態で説明したＯＣＣＦ４は、多層膜を構成する複数の無機材料として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2とが用いられている。また、当該多層膜における欠陥層１１を構成する複数種の材料として、ＳｉＯ2とＴｉＯ2とが用いられている。すなわち、各材料として、屈折率差が１以上である二つの材料からなる。これは、以下に述べる理由による。
図１０は、屈折率差Δｎ＝高屈折率ｎｈ−低屈折率ｎｌ＝１のときの欠陥層がない場合（欠陥層厚みがλ／４である）場合の反射透過特性の一具体例を示す説明図である。
固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４に必要の性能としては、例えばＢ（波長：４５０ｎｍ）およびＲ（波長：６００ｎｍ）のそれぞれについて、８０％以上の反射特性（他の色のＣＦで透過しない）を得ることが挙げられる。そのためには、Δｎ＝ｎｈ−ｎｌ＝１程度以上の屈折率差が必要となる。
したがって、多層膜を構成する複数の無機材料および欠陥層１１を構成する複数種の異なる屈折率の材料については、いずれも、屈折率差が１以上である二つの材料を用いることが望ましい。
なお、本実施形態では、屈折率差が１以上である二つの材料として、ＴｉＯ2（屈折率ｎｈ＝２．５）とＳｉＯ2（屈折率ｎｌ＝１．５）とを例に挙げているが、当該材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。
図１０は、屈折率差Δｎ＝高屈折率ｎｈ−低屈折率ｎｌ＝１のときの欠陥層がない場合（欠陥層厚みがλ／４である）場合の反射透過特性の一具体例を示す説明図である。
固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４に必要の性能としては、例えばＢ（波長：４５０ｎｍ）およびＲ（波長：６００ｎｍ）のそれぞれについて、８０％以上の反射特性（他の色のＣＦで透過しない）を得ることが挙げられる。そのためには、Δｎ＝ｎｈ−ｎｌ＝１程度以上の屈折率差が必要となる。
したがって、多層膜を構成する複数の無機材料および欠陥層１１を構成する複数種の異なる屈折率の材料については、いずれも、屈折率差が１以上である二つの材料を用いることが望ましい。
なお、本実施形態では、屈折率差が１以上である二つの材料として、ＴｉＯ2（屈折率ｎｈ＝２．５）とＳｉＯ2（屈折率ｎｌ＝１．５）とを例に挙げているが、当該材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。
また、本実施形態で説明したＯＣＣＦ４は、多層膜を構成する積層構造が、欠陥層１１の上下に各二層ずつ複数の無機材料が積層された構造となっている。すなわち、多層膜の積層構造は、欠陥層１１の上下に配された各層１２〜１９が順に繰り返し配される積層構造により、全部で九層となっている。したがって、無機材料からなる多層膜を固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４として用いる場合であっても、当該ＯＣＣＦ４に要求される光学的な特性を満足し得るようになる。
＜３．第２実施形態＞
次に、本発明に係る固体撮像装置の他の要部構成例を説明する。
ただし、ここでは、上述した第１実施形態との相違点について説明する。
次に、本発明に係る固体撮像装置の他の要部構成例を説明する。
ただし、ここでは、上述した第１実施形態との相違点について説明する。
図１１は、本発明が適用されたＯＣＣＦ構成の他の具体例を示す側断面図である。
図例のＯＣＣＦ４は、欠陥層１１が上述した第１実施形態の場合とは異なる。
本実施形態における欠陥層１１は、面内に並設された複数の受光素子１に対応するそれぞれの箇所で、当該欠陥層１１を構成するＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの規則的なパターンについて、これらの各部１１ａ，１１ｂが形成される面積の比が異なっている。つまり、各画素領域毎に、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積比（デューティ比）が相違しているのである。
図例のＯＣＣＦ４は、欠陥層１１が上述した第１実施形態の場合とは異なる。
本実施形態における欠陥層１１は、面内に並設された複数の受光素子１に対応するそれぞれの箇所で、当該欠陥層１１を構成するＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの規則的なパターンについて、これらの各部１１ａ，１１ｂが形成される面積の比が異なっている。つまり、各画素領域毎に、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積比（デューティ比）が相違しているのである。
さらに詳しくは、複数の受光素子１によって形成される有効撮像領域の央部近傍と外周近傍とで、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比が相違している。
これは、固体撮像装置においては、有効撮像領域の外周側になるほど、光の入射角が傾く特性があることによる。つまり、有効撮像領域の外周近傍における光入射角の傾きに対応するためには、例えば同色に対応する場合であっても、当該有効撮像領域の央部近傍と外周近傍とで、欠陥層１１における光学特性（具体的には、透過率または屈折率。）を変化させる必要がある。
このことから、欠陥層１１におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが配置されるパターンについては、例えば有効撮像領域の央部近傍よりも外周近傍のほうが高屈折率となるように、当該ＴｉＯ2部１１ａと当該ＳｉＯ2部１１ｂとの面積比を相違させるのである。
これは、固体撮像装置においては、有効撮像領域の外周側になるほど、光の入射角が傾く特性があることによる。つまり、有効撮像領域の外周近傍における光入射角の傾きに対応するためには、例えば同色に対応する場合であっても、当該有効撮像領域の央部近傍と外周近傍とで、欠陥層１１における光学特性（具体的には、透過率または屈折率。）を変化させる必要がある。
このことから、欠陥層１１におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとが配置されるパターンについては、例えば有効撮像領域の央部近傍よりも外周近傍のほうが高屈折率となるように、当該ＴｉＯ2部１１ａと当該ＳｉＯ2部１１ｂとの面積比を相違させるのである。
図１２は、多層膜を構成する積層構造と光入射角との関係の一具体例を示す説明図である。
入射角θの光に対する欠陥層１１の屈折率ｎ_effおよび層厚ｈは、以下の（５），（６）式によって表すことができる。
入射角θの光に対する欠陥層１１の屈折率ｎ_effおよび層厚ｈは、以下の（５），（６）式によって表すことができる。
ｎ_eff・ｈ・cosθ＝λ／２・・・（５）
cosθ＝λ／[２・ｈ・｛ｎｌ・ｄ＋ｎｈ・（１−ｄ）｝]・・・（６）
cosθ＝λ／[２・ｈ・｛ｎｌ・ｄ＋ｎｈ・（１−ｄ）｝]・・・（６）
光の入射角θは、固体撮像装置と共に用いられるレンズ等の光学部品によって特定される。したがって、光の入射角θを特定すれば、上記（５）式または（６）式から、欠陥層１１の屈折率ｎ_effまたは層厚ｈを特定することが可能となる。
ただし、欠陥層１１の層厚ｈを入射角θに依存して変化させる手法については、信頼性含めて確立することが非常に困難となっている。また、層厚ｈの変化に起因し、多層膜に段差が生じてしまうことにもなる。
そこで、層厚ｈについては均一としたまま、欠陥層１１の屈折率ｎ_eff、すなわちＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積比を、光の入射角θに依存して相違させるのである。
ただし、欠陥層１１の層厚ｈを入射角θに依存して変化させる手法については、信頼性含めて確立することが非常に困難となっている。また、層厚ｈの変化に起因し、多層膜に段差が生じてしまうことにもなる。
そこで、層厚ｈについては均一としたまま、欠陥層１１の屈折率ｎ_eff、すなわちＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積比を、光の入射角θに依存して相違させるのである。
以上に説明したように、本実施形態の固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４は、受光素子１によって形成される有効撮像領域の央部近傍と外周近傍とで、欠陥層１１におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積の比が異なっている。したがって、有効撮像領域の外周近傍における光入射角の傾きに対応しつつ、その外周近傍で透過率の低下を防ぐことができる。つまり、固体撮像装置において有効撮像領域の外周近傍になるほど光の入射角が傾く傾向にあっても、これに良好に対応することができる。
＜４．第３実施形態＞
次に、本発明に係る固体撮像装置のさらに他の要部構成例を説明する。
ただし、ここでは、上述した第１実施形態または第２実施形態との相違点について説明する。
次に、本発明に係る固体撮像装置のさらに他の要部構成例を説明する。
ただし、ここでは、上述した第１実施形態または第２実施形態との相違点について説明する。
図１３は、本発明が適用されたＯＣＣＦ構成のさらに他の具体例を示す側断面図である。
図例のＯＣＣＦ４は、欠陥層１１が上述した第１実施形態または第２実施形態の場合とは異なる。
本実施形態における欠陥層１１は、一つの受光素子１に対応する箇所内の央部近傍と外周近傍とで、当該欠陥層１１を構成するＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積の比が異なっている。つまり、受光素子１によって形成される一つの画素領域内において、当該画素領域内の央部近傍と外周近傍とで、規則的なパターンで配置されたＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積比（デューティ比）が相違しているのである。なお、このときの面積比は、一つの画素領域を複数領域に分割した場合において、その分割後の領域内で混在するＴｉＯ2部１１ａの面積とＳｉＯ2部１１ｂの面積との比のことをいう。
図例のＯＣＣＦ４は、欠陥層１１が上述した第１実施形態または第２実施形態の場合とは異なる。
本実施形態における欠陥層１１は、一つの受光素子１に対応する箇所内の央部近傍と外周近傍とで、当該欠陥層１１を構成するＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積の比が異なっている。つまり、受光素子１によって形成される一つの画素領域内において、当該画素領域内の央部近傍と外周近傍とで、規則的なパターンで配置されたＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの面積比（デューティ比）が相違しているのである。なお、このときの面積比は、一つの画素領域を複数領域に分割した場合において、その分割後の領域内で混在するＴｉＯ2部１１ａの面積とＳｉＯ2部１１ｂの面積との比のことをいう。
これは、欠陥層１１を透過する光は、ＯＣＬ５を透過してきたものなので、一つの画素領域内であっても、その画素領域の外周側になるほど、光の入射角が傾く特性があることによる。つまり、画素領域の外周近傍における光入射角の傾きに対応するためには、例えば同一の画素領域内であっても、当該画素領域内の央部近傍と外周近傍とで、欠陥層１１における光学特性（具体的には、透過率または屈折率。）を変化させる必要がある。
このことから、一つの画素領域内におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとについては、例えば当該画素領域内の央部近傍よりも外周近傍のほうが高屈折率となるように、当該ＴｉＯ2部１１ａと当該ＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比を相違させるのである。
このことから、一つの画素領域内におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとについては、例えば当該画素領域内の央部近傍よりも外周近傍のほうが高屈折率となるように、当該ＴｉＯ2部１１ａと当該ＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比を相違させるのである。
なお、光の入射角θと欠陥層１１の屈折率ｎ_effとの関係については、上述した第２実施形態の場合と同様である。
また、他の画素領域との関係については、第１実施形態で説明したような一律なものとすることが考えられる。すなわち、各画素領域内のそれぞれで、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの分布密度の相違態様を同一とする。ただし、第２実施形態で説明したように、各画素領域毎に相違させても構わない。すなわち、各画素領域毎にＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比を相違させつつ、それぞれの画素領域内においてもＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比の相違させるようにする。
また、他の画素領域との関係については、第１実施形態で説明したような一律なものとすることが考えられる。すなわち、各画素領域内のそれぞれで、ＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの分布密度の相違態様を同一とする。ただし、第２実施形態で説明したように、各画素領域毎に相違させても構わない。すなわち、各画素領域毎にＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比を相違させつつ、それぞれの画素領域内においてもＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとのデューティ比の相違させるようにする。
以上に説明したように、本実施形態の固体撮像装置におけるＯＣＣＦ４は、一つの画素領域内の央部近傍と外周近傍とで、欠陥層１１におけるＴｉＯ2部１１ａとＳｉＯ2部１１ｂとの分布密度が異なっている。ＯＣＬ５を透過することで、一つの画素領域内の外周近傍における光入射角に傾きが生じても、その外周近傍で透過率の低下を防ぐことができる。つまり、一つの画素領域内で外周近傍になるほど光の入射角が傾く傾向にあっても、これに良好に対応することができる。
＜５．電子機器の構成例＞
本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置などの電子機器にも適用可能である。ここで、電子機器とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（カメラシステム）や、撮像機能を有する携帯電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器などのことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、すなわちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置などの電子機器にも適用可能である。ここで、電子機器とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（カメラシステム）や、撮像機能を有する携帯電話機やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などのモバイル機器などのことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、すなわちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
［撮像装置］
図１４は、本発明による電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図例のように、本発明に係る撮像装置１００は、レンズ群１０１等を含む光学系、撮像素子１０２、カメラ信号処理部であるＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６、操作系１０７および電源系１０８等を有している。そして、ＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６、操作系１０７および電源系１０８がバスライン１０９を介して相互に接続された構成となっている。
図１４は、本発明による電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図例のように、本発明に係る撮像装置１００は、レンズ群１０１等を含む光学系、撮像素子１０２、カメラ信号処理部であるＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６、操作系１０７および電源系１０８等を有している。そして、ＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６、操作系１０７および電源系１０８がバスライン１０９を介して相互に接続された構成となっている。
レンズ群１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで撮像素子１０２の撮像面上に結像する。
撮像素子１０２は、レンズ群１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この撮像素子１０２として、上述した各実施形態における固体撮像装置が用いられる。
表示装置１０５は、液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置等のパネル型表示装置からなり、撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を表示する。
記録装置１０６は、撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録媒体に記録する。
操作系１０７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。
電源系１０８は、ＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６および操作系１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
撮像素子１０２は、レンズ群１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この撮像素子１０２として、上述した各実施形態における固体撮像装置が用いられる。
表示装置１０５は、液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置等のパネル型表示装置からなり、撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を表示する。
記録装置１０６は、撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録媒体に記録する。
操作系１０７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。
電源系１０８は、ＤＳＰ回路１０３、フレームメモリ１０４、表示装置１０５、記録装置１０６および操作系１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
このような撮像装置１００は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。この撮像装置１００の撮像素子１０２として上述した各実施形態における固体撮像装置を用いることで、当該固体撮像装置は良好な光学特性を得ることができるために、画質に優れた電子機器を提供できることになる。また、画素サイズの微細化に容易に対応できるために、多画素化に伴う高精細な撮像画像を提供できることになる。
なお、上述した各実施形態では、本発明の好適な実施具体例を説明したが、本発明はその内容に限定されることはない。
例えば、各実施形態で挙げた固体撮像装置の各構成要素の形成材料や形成寸法等は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。
このように、本発明は、各実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することが可能である。
例えば、各実施形態で挙げた固体撮像装置の各構成要素の形成材料や形成寸法等は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならない。
このように、本発明は、各実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することが可能である。
１…受光素子、４…ＯＣＣＦ、１１…欠陥層、１１ａ…ＴｉＯ2部、１１ｂ…ＳｉＯ2部、１２，１３，１４，１５…ＴｉＯ2層、１６，１７，１８，１９…ＳｉＯ2層
Claims (10)
- 受光素子と、
前記受光素子の受光面側に配され、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなり、積層された各層のうちの少なくとも一層に欠陥層を含む多層膜とを備え、
前記欠陥層は、複数種の異なる屈折率の材料が前記受光面と平行な面内で混在する
固体撮像装置。 - 前記多層膜を構成する前記複数の材料が無機材料である
請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記欠陥層は、前記複数種の異なる屈折率の材料が、前記面内で直交する二つの方向で対称性を有して混在する
請求項１または２記載の固体撮像装置。 - 前記欠陥層は、前記受光素子へ到達させる光の波長に応じて、前記面内で混在する各材料の面積の比が設定されている
請求項１、２または３記載の固体撮像装置。 - 複数の前記受光素子が面内に並設されており、
前記欠陥層は、各受光素子に対応するそれぞれの箇所で、前記各材料の面積の比が異なる
請求項４記載の固体撮像装置。 - 前記欠陥層は、前記受光素子によって形成される有効撮像領域の央部近傍と外周近傍とで、前記各材料の面積の比が異なる
請求項４または５記載の固体撮像装置。 - 前記欠陥層は、前記受光素子によって形成される一つの画素領域の央部近傍と外周近傍とで、前記各材料の面積の比が異なる
請求項４、５または６記載の固体撮像装置。 - 前記多層膜を構成する前記複数の材料および前記欠陥層を構成する前記複数種の異なる屈折率の材料は、いずれも、屈折率差が１以上である二つの材料からなる
請求項１から７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 前記多層膜は、前記欠陥層の上下に各二層ずつ前記複数の材料が積層されてなる積層構造を有している
請求項１から８のいずれか１項に固体撮像装置。 - 受光素子と、
前記受光素子の受光面側に配され、屈折率が異なる複数の材料が積層されてなり、積層された各層のうちの少なくとも一層に欠陥層を含む多層膜とを備え、
前記欠陥層は、複数種の異なる屈折率の材料が前記受光面と平行な面内で混在する
固体撮像装置を搭載する電子機器。
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