JP2010258104A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを実現可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の受光部１０２と、複数の受光部１０２のそれぞれの上に配置され、互いに異なる光吸収特性を有する色フィルタとを備え、複数の色フィルタは、青色領域に透過中心波長を有する第１の色フィルタ１０８と、緑色領域に透過中心波長を有する第２の色フィルタ１０９と、赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタ１１２とを含む。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルカメラ等に使用される固体撮像素子のフィルタリング技術に関する。

従来、固体撮像素子においては、ＲＧＢ三原色を透過させるための色フィルタが積層されており（例えば、特許文献１参照）、殆どの色についての表現を可能にしている。しかし、従来のＲＧＢを原色として色を表す方式では、人間の目に感じるような自然な色を表現することについては十分とは云えない。特に、青緑色の一部に表現できない色が生じてしまう。

そこで、ＸＹＺ表色系という概念の色フィルタ特性が提案されている。これは、人間の目の赤色を感じる視神経が青緑色に対して負の感度を持つことを考慮した色フィルタ特性である。このようなフィルタ特性を持つ色フィルタを固体撮像素子に採用することで、より人間の目に近い撮像をすることができる。

このとき、ＸＹＺ表色系のＸフィルタは、赤色及び青色に透過中心波長を有する。しかし、単純に赤色透過フィルタと青色透過フィルタとを重ね合わせてもＸＹＺ表色系のＸフィルタに近似したフィルタ特性は得られない。というのは、２つの色フィルタを重ね合わせるとフィルタ特性が掛け合わされ、光が透過しなくなるからである。

そこで、ＸＹＺ表色系に適用可能な色フィルタとして反射型色フィルタが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この反射型色フィルタは具体的には無機の誘電体多層膜フィルタを用いるものであり、誘電体多層膜フィルタは周期的に高屈折率の膜と低屈折率の膜とを交互に積層してなり、ある膜厚条件で特定の波長の光が透過する色フィルタである。このような誘電体多層膜フィルタを用いることで、ある波長領域の光が透過できない、光の禁止帯を生じさせることができる。従って、膜の構成を変えた誘電体多層膜フィルタを複数重ねることで、ある特定波長の光だけが透過できるような色フィルタを実現できる。このような色フィルタを用いると、所望の三原色の光を透過させる３種類の色フィルタを実現することが可能になる。

しかし、反射型色フィルタでＸＹＺ表色系に適用可能な色フィルタを実現しようとした場合、複数の誘電体多層膜フィルタを重ねる必要等があり、色フィルタの膜厚が４μｍ程度と非常に厚くなるため、固体撮像素子のアスペクト比が高くなり、集光効率が低下してしまうという課題が生じる。さらに、反射型色フィルタが所望の光以外を全て反射することによりフレアが引き起こされるという課題も生じる。

そこで、負の視感度となる青緑色の光だけを透過する吸収型のエメラルドフィルタを用い、このエメラルドフィルタに対応するエメラルド画素で得られる信号成分を赤色の信号成分から差分することで、赤色フィルタの負の視感度を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

米国特許第３９７１０６５号明細書 米国特許第７１３２６４４号明細書 特開２００４−２００３５７号公報

ところで、一般に、輝度信号は、「Ｙ＝０．１１Ｂ＋０．５９Ｇ＋０．３０Ｒ」で表わされる。ここで、Ｂ、Ｇ及びＲは、それぞれ青色信号、緑色信号及び赤色信号を表わす。これに関し、輝度を大きく取るために「ベイヤー配列」と呼ばれるＲＧＧＢ画素から成る４画素を単位セルとした画素配置が最も輝度信号を効率よく取得できることが知られている。従って、エメラルドフィルタを用いた場合の画素配置としては、ＲＧＧＢ画素の１つのＧ画素をエメラルド画素に代えて用いることが考え得る。

しかしながら、ＲＧＧＢ画素の１つのＧ画素をエメラルド画素に代えて用いると、輝度に最も占める割合が大きい緑色信号が半減してしまう（即ち、２画素から１画素になってしまう）ため、輝度信号を効率よく取得できない。その結果、輝度信号を効率よく取得しつつ、人間の視感度の特に赤色の視感度が５００ｎｍ付近の波長の光に対して負の感度を持つようなフィルタ特性を有する薄膜の色フィルタは、まだない。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを実現可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の受光部と、前記複数の受光部のそれぞれの上に配置され、互いに異なる光吸収特性を有する色フィルタとを備え、複数の前記色フィルタは、青色領域に透過中心波長を有する第１の色フィルタと、緑色領域に透過中心波長を有する第２の色フィルタと、赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタとを含むことを特徴とする。

このような構成とすることにより、反射型色フィルタ及びエメラルドフィルタを用いることなく、第３の色フィルタによりＸＹＺ表色系のＸフィルタを実現できる。従って、輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを実現することができる。その結果、フレアのない吸収型のＸＹＺ表色系の色フィルタを実現することができる。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第２の透過帯の最大透過率は、前記第１の透過帯の最大透過率に対し、１０〜５０％であることを特徴とする。

このような構成とすることにより、人間の視感度のフィルタ特性を高精度で実現する色フィルタが実現可能となる。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第３の色フィルタは、前記第１の透過帯及び前記第２の透過帯を持つ第１の層と、前記第１の層の上方又は下方に配置された、前記第１の透過帯を持つ第２の層とから構成されることを特徴とする。

このような構成とすることにより、ＸＹＺ表色系のＸフィルタが２つの層が積層されて構成され、固体撮像素子のアスペクト比が低くなるため、感度を向上させることができる。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第１の層及び前記第２の層は、それぞれの青色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｂｌｕｅ及びα２＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｒｅｄ及びα２＿ｒｅｄとし、光学膜厚をｔ１及びｔ２とするとき、下記の式を満足することを特徴とする。

０．１≦Ｅｘｐ（−α１＿ｂｌｕｅ×ｔ１−α２＿ｂｌｕｅ×ｔ２）≦０．５
０．５≦Ｅｘｐ（−α１＿ｒｅｄ×ｔ１−α２＿ｒｅｄ×ｔ２）

このような構成とすることにより、人間の視感度のフィルタ特性を高精度で実現する色フィルタが実現可能となる。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第１の層は、マゼンダ色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成されることを特徴とする。

このような構成とすることにより、現行プロセスを用いても、容易にＸＹＺ表色系のＸフィルタを形成することが可能となり、コストが低下する。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第２の層は、赤色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成されることを特徴とする。

このような構成とすることにより、現行プロセスを用いても、容易にＸＹＺ表色系のＸフィルタを形成することが可能となり、コストが低下する。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第３の色フィルタは、前記第１の透過帯及び前記第２の透過帯を持つ第１の材料と、前記第１の透過帯を持つ第２の材料とから構成されることを特徴とする。

このような構成とすることにより、単層でＸＹＺ表色系のＸフィルタが実現可能となる。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第１の材料及び前記第２の材料は、それぞれの青色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｂｌｕｅ及びα２＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｒｅｄ及びα２＿ｒｅｄとし、混合比率をＸ１及びＸ２とし、光学膜厚を共にｔとするとき、下記の式を満足することを特徴とする。

０．１≦Ｅｘｐ（−α１＿ｂｌｕｅ×Ｘ１×ｔ−α２＿ｂｌｕｅ×Ｘ２×ｔ）≦０．５
０．５≦Ｅｘｐ（−α１＿ｒｅｄ×Ｘ１×ｔ−α２＿ｒｅｄ×Ｘ２×ｔ）

このような構成とすることにより、人間の視感度のフィルタ特性を高精度で実現する色フィルタが実現可能となる。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第１の材料は、マゼンダ色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成されることを特徴とする。

このような構成とすることにより、現行プロセスを用いても、容易にＸＹＺ表色系のＸフィルタを形成することが可能となり、コストが低下する。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第２の材料は、赤色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成されることを特徴とする。

このような構成とすることにより、現行プロセスを用いても、容易にＸＹＺ表色系のＸフィルタを形成することが可能となり、コストが低下する。

さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記第１の色フィルタ、第２の色フィルタ及び第３の色フィルタにより得られる分光特性は、等色条件を満たすことを特徴とする。

このような構成とすることにより、人間の視感度のフィルタ特性を高精度で実現する色フィルタが実現可能となる。

以上のように本発明によれば、輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを備えた固体撮像素子を実現できるので、撮像画像の色再現性及び画質を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の色フィルタの配置を示す平面図である。 同実施の形態に係る赤色フィルタの透過特性を示す図である。 同実施の形態に係るマゼンダフィルタの透過特性を示す図である。 同実施の形態に係る第３の色フィルタの透過特性を示す図である。 同実施の形態に係る第１の色フィルタ、第２の色フィルタ及び第３の色フィルタによって得られる分光特性を示す図である。 同実施の形態に係るフィルタによって得られるｘ−ｙ色度分布及び人間の視感度のフィルタ特性が有する色域を示す図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の色フィルタの配置を示す平面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態における固体撮像素子について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。

（実施の形態１）
図１Ａは、本実施の形態に係る固体撮像素子１００の構造を示す断面図である。

この固体撮像素子１００は、ｐ型Ｓｉ基板１０１、複数の受光部１０２、層間絶縁膜１０３、信号線に相当する配線層１０４、複数の色フィルタ、平坦化膜１０６、及び集光素子（オンチップマイクロレンズ）１０７より構成されている。なお、固体撮像素子１００は、ｐ型Ｓｉ基板１０１の代わりにｐ型半導体層を備えてもよいし、又はｐ型Ｓｉ基板１０１の上に形成されたｐ型半導体層を更に備えてもよい。この場合には、受光部１０２は半導体層に形成される。

ｐ型Ｓｉ基板１０１には、各受光部１０２に入射した光によって発生した電気信号を読み出すトランジスタ等の読出し部（図外）が設けられている。受光部１０２は、ｎ型領域であり、ｐ型Ｓｉ基板１０１表面に２次元状に配置されている。なお、ｐ型Ｓｉ基板１０１の厚さは、固体撮像素子１００によって異なるが、例えば５〜１０μｍとされる。

色フィルタは、複数の受光部１０２のそれぞれの上に配置されている。複数の色フィルタは、可視光域において異なる光吸収特性を有する３種類の色フィルタ、つまりＸＹＺ表色系のＸフィルタ、Ｙフィルタ及びＺフィルタを含む。具体的に、複数の色フィルタは、Ｚフィルタとしての青色領域（４１０〜５１０ｎｍの波長域）に透過中心波長を有する（透過率５０％以上の透過ピークを有する）第１の色フィルタ（青色フィルタ）１０８と、Ｙフィルタとしての緑色領域（４７０〜６５０ｎｍの波長域）に透過中心波長を有する第２の色フィルタ（緑色フィルタ）１０９と、Ｘフィルタとしての赤色領域（５２０〜６７０ｎｍの波長域）に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタ１１２とを含む。なお、ＸＹＺ表色系とは、１９３１年にＣＩＥ（国際照明委員会）で標準表色系として承認された表色系である。

第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ１１２は、図１Ｂの平面図に示すように、１つの第１の色フィルタ１０８、１つの第２の色フィルタ１０９、及び２つの第３の色フィルタ１１２を１つの単位セルとして２次元状に配置される。

第３の色フィルタ１１２は、本発明の第１の層の一例であり、第１の透過帯及び第２の透過帯を持つ色フィルタ（マゼンダフィルタ）１１１と、本発明の第２の層の一例であり、色フィルタ１１１の上方に積層して配置された、第１の透過帯を持ち第２の透過帯を持たない色フィルタ（赤色フィルタ）１１０とから構成される。なお、色フィルタ１１０は色フィルタ１１１の上方に配置されるとしたが、下方に配置されても構わない。

第１の色フィルタ１０８は青色素を含む顔料が分散されてなり、第２の色フィルタ１０９は緑色素を含む顔料が分散されてなる。色フィルタ１１０は赤色素を含む顔料が分散されてなり、色フィルタ１１１はマゼンダ色素を含む顔料が分散されてなる。なお、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９、色フィルタ１１０及び１１１は、顔料ではなく染料系のカラーレジストで構成されても構わない。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る固体撮像素子１００に形成された色フィルタ１１０及び１１１の透過特性を示す図である。ここで、色フィルタ１１０及１１１の透過率Ｔ_R及びＴ_Mgは、α２及びα１をそれぞれ色フィルタ１１０及び１１１の吸収係数とし、ｔ２及びｔ１をそれぞれ色フィルタ１１０及び１１１の光学膜厚として、下記の式（１）及び（２）で表すことができる。

Ｔ_R［％］＝１００＊Ｅｘｐ（−α２×ｔ２）・・・・（１）
Ｔ_Mg［％］＝１００＊Ｅｘｐ（−α１×ｔ１）・・・・（２）

式（１）及び（２）からわかるようにｔ２及びｔ１が小さくなればなるほど、透過率は高くなる。

ここで、本実施の形態の固体撮像素子では、第３の色フィルタ１１２に色フィルタ１１０及び１１１の積層構造を用いることにより、従来の吸収型の色フィルタでは困難であったＸＹＺ表示系のＸフィルタに対応する分光特性を実現している。この場合、第３の色フィルタ１１２を色フィルタ１１０及び１１１の積層構造としても、青色領域の透過帯は存在する。すなわち、目的の分光特性を実現するため各色フィルタの膜厚を調整することで本来は吸収する波長の光を透過することが可能となる。また、その透過率も各々の色フィルタの膜厚を制御することで、所望の分光特性を得ることが可能となる。従って、第３の色フィルタ１１２の透過率Ｔ_R/Mgは、色フィルタ１１０及び１１１の透過率Ｔ_R及びＴ_Mgの積で表される。すなわち、透過率Ｔ_R/Mgは次式（３）で表される。

Ｔ_R/Mg［％]＝（Ｔ_R×Ｔ_Mg）／１００＝１００＊Ｅｘｐ（−α２×ｔ２−α１×ｔ１)・・・・（３）

式（３）によれば、第３の色フィルタ１１２を構成する色フィルタ１１０の膜厚ｔ２と色フィルタ１１１の膜厚ｔ１とを任意に設定することで、さまざまな分光特性を有する色フィルタを実現することができる。特に、色フィルタ１１０の青色領域の透過中心波長における吸収係数をα２＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα２＿ｒｅｄとし、また色フィルタ１１１の青色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｒｅｄとし、第３の色フィルタ１１２が下記の式（４）及び（５）の関係を満たすように構成することで、図３に示すように、第３の色フィルタ１１２において第２の透過帯の最大透過率が第１の透過帯の最大透過率に対し１０〜５０％となる。その結果、図３に示すようなＸＹＺ表色系のＸフィルタの透過特性を実現することができる。

０．１≦Ｅｘｐ（−α１＿ｂｌｕｅ×ｔ１−α２＿ｂｌｕｅ×ｔ２）≦０．５・・・（４）
０．５≦Ｅｘｐ（−α１＿ｒｅｄ×ｔ１−α２＿ｒｅｄ×ｔ２）・・・・（５）

図４Ａは本実施の形態に係る固体撮像素子１００の第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ１１２によって得られる分光感度特性を示す図である。また、図４Ｂは本実施の形態に係る固体撮像素子１００の色フィルタによって得られるｘ−ｙ色度分布（図４Ｂの点線で囲まれた斜線で示した領域）及び人間の視感度のフィルタ特性が有する色域（図４Ｂの実線で囲まれた領域）を示す図である。

図４Ａ及び図４Ｂからわかるように、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ１１２により得られる分光特性は等色条件を満たすので、固体撮像素子１００の色フィルタによって、人間の視感度のフィルタ特性を有する色フィルタを実現することができる。

図５Ａ〜図５Ｄは本実施の形態に係る固体撮像素子１００の色フィルタの製造方法を説明するための断面図である。

まず、通常の半導体プロセスを用いて、ｐ型Ｓｉ基板１０１に、受光部１０２、層間絶縁膜１０３及び配線層１０４が形成される。

次に、図５Ａに示すように、スピンオン法１５１でマゼンダ色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５２が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５２の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５２に対してＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液等でウェットエッチングが行われ、色フィルタ１１１が形成される。

次に、図５Ｂに示すように、スピンオン法１５１で緑色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５５が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５５の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５５に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第２の色フィルタ１０９が形成される。ここで、図５Ａの工程で形成されている色フィルタ１１１は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

次に、図５Ｃに示すように、スピンオン法１５１で青色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５６が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５６の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５６に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第１の色フィルタ１０８が形成される。ここで、図５Ｂの工程で形成されている第２の色フィルタ１０９は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

最後に、図５Ｄに示すように、スピンオン法１５１で赤色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５７が色フィルタ１１１表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５７の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５７に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチング１５４が行われ、色フィルタ１１０が形成される。ここで、図５Ｃの工程で形成されている第１の色フィルタ１０８は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

なお、本実施の形態に係る固体撮像素子１００の製造工程では、色フィルタを構成する材料としてネガ型の顔料カラーレジストを仮定しているが、ポジ型の顔料カラーレジストでも構わない。また、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ１１２の形成工程の順番は変更されても問題ない。

以上のように本実施の形態の固体撮像素子１００は、反射型色フィルタ及びエメラルドフィルタを用いることなく、マゼンダフィルタ及び赤色フィルタを重ねてＸＹＺ表色系のＸフィルタを実現する。従って、輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを実現することができる。

（実施の形態２）
図６は、本実施の形態に係る固体撮像素子２００の構造を示す断面図である。

この固体撮像素子２００は、色フィルタが透明材料２０２を含むという点で実施の形態１の固体撮像素子１００と異なる。固体撮像素子２００は、ｐ型Ｓｉ基板１０１、複数の受光部１０２、層間絶縁膜１０３、配線層１０４、複数の色フィルタ、平坦化膜１０６、及び集光素子１０７より構成されている。

色フィルタは、複数の受光部１０２のそれぞれの上に配置されている。複数の色フィルタは、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９、第３の色フィルタ１１２、及び透明材料２０２とを含む。第３の色フィルタ１１２は、色フィルタ１１１及び１１０から構成される。

透明材料２０２は第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び色フィルタ１１１上に形成され、透明材料２０２上に色フィルタ１１０が形成されている。透明材料２０２は例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ及びＴｉＯ₂等から構成される。

図７Ａ〜図７Ｅは、本実施の形態に係る固体撮像素子２００の色フィルタの製造方法を説明するための断面図である。

まず、通常の半導体プロセスを用いて、ｐ型Ｓｉ基板１０１に、受光部１０２、層間絶縁膜１０３及び配線層１０４を形成する。

次に、図７Ａに示すように、スピンオン法１５１でマゼンダ色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５２が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５２の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５２に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、色フィルタ１１１が形成される。

次に、図７Ｂに示すように、スピンオン法１５１で緑色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５５が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５５の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５５に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第２の色フィルタ１０９が形成される。ここで、図７Ａの工程で形成されている色フィルタ１１１は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

次に、図７Ｃに示すように、スピンオン法１５１で青色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５６が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５６の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５６に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第１の色フィルタ１０８が形成される。ここで、図７Ｂの工程で形成されている第２の色フィルタ１０９は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

次に、図７Ｄに示すように、例えばＳｉＯ₂から構成される透明材料２０２がＣＶＤ法で第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び色フィルタ１１１上に成膜され、ＣＭＰにより平坦化される。

最後に、図７Ｅに示すように、スピンオン法１５１で赤色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５７がｐ型Ｓｉ基板１０１表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５７の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５７に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチング１５４が行われ、色フィルタ１１０が形成される。

なお、本実施の形態に係る固体撮像素子２００の製造工程では、色フィルタを構成する材料としてネガ型の顔料カラーレジストを仮定しているが、ポジ型の顔料カラーレジストでも構わない。また、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ１１２の形成工程の順番を変更しても問題ない。

以上のように本実施の形態に係る固体撮像素子２００によれば、第３の色フィルタ１１２を構成する色フィルタ１１０と色フィルタ１１１との間に透明材料２０２が設けられる。従って、色フィルタ１１０と色フィルタ１１１との界面で生じうる光学的な干渉又は物理的な干渉を抑制することができ、第３の色フィルタ１１２において所望の分光特性をより忠実に再現することが可能となる。また、色フィルタ１１０が形成される際に、透明材料２０２により下地が平坦化されているため、色フィルタ１１０の形成プロセスが容易となる。

また、本実施の形態に係る固体撮像素子２００においても、実施の形態１に係る固体撮像素子１００と同様の理由により、輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを実現することができる。

（実施の形態３）
図８Ａは、本実施の形態に係る固体撮像素子３００の構造を示す断面図である。

この固体撮像素子３００は、第３の色フィルタが単層の色フィルタから構成されるという点で実施の形態１の固体撮像素子１００と異なる。固体撮像素子３００は、ｐ型Ｓｉ基板１０１、複数の受光部１０２、層間絶縁膜１０３、配線層１０４、複数の色フィルタ、平坦化膜１０６、及び集光素子１０７より構成されている。

色フィルタは、複数の受光部１０２のそれぞれの上に配置されている。複数の色フィルタは、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及びＸフィルタとしての第３の色フィルタ３０２を含む。第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ３０２は、図８Ｂの平面図に示すように、１つの第１の色フィルタ１０８、１つの第２の色フィルタ１０９、及び２つの第３の色フィルタ３０２を１つの単位セルとして２次元状に配置される。

第３の色フィルタ３０２は、赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第１の材料と、第１の透過帯を持ち第２の透過帯を持たない第２の材料とから構成される。第３の色フィルタ３０２は、第２の材料としての赤色素を含む顔料と、第１の材料としてのマゼンダ色素を含む顔料とが分散されてなる。なお、第３の色フィルタ３０２は、顔料ではなく染料系のカラーレジストで構成されても構わない。

ここで、第３の色フィルタ３０２では赤色素を含む顔料とマゼンダ色素を含む顔料が分散されているため、第３の色フィルタ３０２の透過率Ｔは、赤色素を含む顔料とマゼンダ色素を含む顔料の混合比率をＸ２及びＸ１とし、赤色素を含む顔料とマゼンダ色素を含む顔料の吸収係数をそれぞれα２及びα１、赤色素を含む顔料とマゼンダ色素を含む顔料の光学膜厚を共にtとすると、下記の式（６）で表すことができる。

Ｔ［％]＝１００＊Ｅｘｐ（−α１×Ｘ１×ｔ−α２×Ｘ２×ｔ）・・・・（６）

式（６）によれば、第３の色フィルタ３０２を構成する赤色素を含む顔料の混合比Ｘ２とマゼンダ色素を含む顔料の混合比Ｘ１とを任意に設定することで、さまざまな分光特性を有する色フィルタを実現することができる。特に、赤色素を含む顔料の青色領域の透過中心波長における吸収係数をα２＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα２＿ｒｅｄとし、またマゼンダ色素を含む顔料の青色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｒｅｄとし、第３の色フィルタ３０２が下記の式（７）及び（８）の関係を満たすように構成することで、図３に示すように、第３の色フィルタ３０２において第２の透過帯の最大透過率は第１の透過帯の最大透過率に対し１０〜５０％となる。その結果、図３に示すようなＸＹＺ表色系のＸフィルタの透過特性を実現することができる。

０．１≦Ｅｘｐ（−α１＿ｂｌｕｅ×Ｘ１×ｔ−α２＿ｂｌｕｅ×Ｘ２×ｔ)≦０．５・・・（７）
０．５≦Ｅｘｐ（−α１＿ｒｅｄ×Ｘ１×ｔ−α２＿ｒｅｄ×Ｘ２×ｔ）・・・・（８）

図９Ａ〜図９Ｃは、本実施の形態に係る固体撮像素子３００の色フィルタの製造方法を説明するための断面図である。

まず、通常の半導体プロセスを用いて、ｐ型Ｓｉ基板１０１に、受光部１０２、層間絶縁膜１０３及び配線層１０４が形成される。

次に、図９Ａに示すように、スピンオン法１５１で緑色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５５が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５５の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５５に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第２の色フィルタ１０９が形成される。

次に、図９Ｂに示すように、スピンオン法１５１で青色素を含むネガ型の顔料が分散された溶液１５６が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液１５６の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液１５６に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第１の色フィルタ１０８が形成される。ここで、図９Ａの工程で形成されている第２の色フィルタ１０９は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

最後に、図９Ｃに示すように、スピンオン法１５１で赤色素とマゼンダ色素とを含むネガ型の顔料が分散された溶液３０３が層間絶縁膜１０３表面に塗布され、リソグラフィー１５３により溶液３０３の所望の領域のみが硬化される。その後、溶液３０３に対してＴＭＡＨ溶液等でウェットエッチングが行われ、第３の色フィルタ３０２が形成される。ここで、図９Ｂの工程で形成されている第１の色フィルタ１０８は既に硬化しているため、ウェットエッチングの影響を受けない。

なお、本実施の形態に係る固体撮像素子３００の製造工程では、色フィルタを構成する材料としてネガ型の顔料カラーレジストを仮定しているが、ポジ型の顔料カラーレジストでも構わない。また、第１の色フィルタ１０８、第２の色フィルタ１０９及び第３の色フィルタ３０２の形成工程の順番を変更しても問題ない。

以上のように本実施の形態の固体撮像素子３００は、反射型色フィルタ及びエメラルドフィルタを用いることなく、赤色素を含む顔料とマゼンダ色素を含む顔料とが混合されたフィルタによりＸＹＺ表色系のＸフィルタを実現する。従って、輝度信号を減らすことなく人間の視感度のフィルタ特性を実現する薄膜の色フィルタを実現することができる。

本発明は、固体撮像素子に利用可能であり、特にデジタルカメラ、携帯電話、一眼レフカメラ及びスキャナ等に利用可能である。

１００、２００、３００ 固体撮像素子
１０１ ｐ型Ｓｉ基板
１０２ 受光部
１０３ 層間絶縁膜
１０４ 配線層
１０６ 平坦化膜
１０７ 集光素子
１０８ 第１の色フィルタ
１０９ 第２の色フィルタ
１１０、１１１ 色フィルタ
１１２、３０２ 第３の色フィルタ
１５１ スピンオン法
１５２、１５５、１５６、１５７、３０３ 溶液
１５３ リソグラフィー
２０２ 透明材料

Claims (12)

1. ２次元状に配置された複数の受光部と、
   前記複数の受光部のそれぞれの上に配置され、互いに異なる光吸収特性を有する色フィルタとを備え、
   複数の前記色フィルタは、
   青色領域に透過中心波長を有する第１の色フィルタと、
   緑色領域に透過中心波長を有する第２の色フィルタと、
   赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタとを含む
   固体撮像素子。
2. 前記第２の透過帯の最大透過率は、前記第１の透過帯の最大透過率に対し、１０〜５０％である
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第３の色フィルタは、前記第１の透過帯及び前記第２の透過帯を持つ第１の層と、前記第１の層の上方又は下方に配置された、前記第１の透過帯を持つ第２の層とから構成される
   請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記第１の層及び前記第２の層は、それぞれの青色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｂｌｕｅ及びα２＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｒｅｄ及びα２＿ｒｅｄとし、光学膜厚をｔ１及びｔ２とするとき、下記の式を満足する
   ０．１≦Ｅｘｐ（−α１＿ｂｌｕｅ×ｔ１−α２＿ｂｌｕｅ×ｔ２）≦０．５
   ０．５≦Ｅｘｐ（−α１＿ｒｅｄ×ｔ１−α２＿ｒｅｄ×ｔ２）
   請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の層は、マゼンダ色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成される
   請求項３又は４に記載の固体撮像素子。
6. 前記第２の層は、赤色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成される
   請求項３〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記第３の色フィルタは、前記第１の透過帯及び前記第２の透過帯を持つ第１の材料と、前記第１の透過帯を持つ第２の材料とから構成される
   請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
8. 前記第１の材料及び前記第２の材料は、それぞれの青色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｂｌｕｅ及びα２＿ｂｌｕｅとし、赤色領域の透過中心波長における吸収係数をα１＿ｒｅｄ及びα２＿ｒｅｄとし、混合比率をＸ１及びＸ２とし、光学膜厚を共にｔとするとき、下記の式を満足する
   ０．１≦Ｅｘｐ（−α１＿ｂｌｕｅ×Ｘ１×ｔ−α２＿ｂｌｕｅ×Ｘ２×ｔ）≦０．５
   ０．５≦Ｅｘｐ（−α１＿ｒｅｄ×Ｘ１×ｔ−α２＿ｒｅｄ×Ｘ２×ｔ）
   請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記第１の材料は、マゼンダ色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成される
   請求項７又は８に記載の固体撮像素子。
10. 前記第２の材料は、赤色素を含む顔料又は染料系のカラーレジストから構成される
    請求項７〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
11. 前記第１の色フィルタ、第２の色フィルタ及び第３の色フィルタにより得られる分光特性は、等色条件を満たす
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
12. 前記第１の色フィルタ、第２の色フィルタ及び第３の色フィルタは、それぞれＸＹＺ表色系のＺフィルタ、Ｙフィルタ及びＸフィルタである
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

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