JP2017228774A - 固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子、および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設計目標値に近い透過スペクトルを実現した高品位の色分解素子を備えた固体撮像素子を提供する。【解決手段】入射光を受光する受光領域と、入射光の特定の波長を選択的に透過するフィルタと、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、フィルタは、一の受光領域が受光する入射光を透過するための複数の分割フィルタからなり、複数の分割フィルタの透過スペクトルを合成したスペクトルが所定の値になるよう複数の分割フィルタを作製するフィルタ作製工程を含む。【選択図】図８

Description

本発明は、固体撮像素子の製造方法、固体撮像素子、および撮像装置に関する。

近年、測色機器の小型化、低コスト化、高性能化が望まれている。測色機器は、例えば、製品の生産や検査において、肉眼では判別できないような製品の微細な色味の違いを正確に測色する用途や、その他、消費者が目的に応じた測色を行う用途に用いられている。

測色機器として、透過波長を選択するカラーフィルタ（色分解素子という）を用いることが知られており、例えば、無機誘電体材料の多層膜積層による多重膜干渉フィルタが知られている。多重膜干渉フィルタは、多層膜の光学定数や物理膜厚を調整することで、スペクトルの選択波長帯や半値全幅をある程度自由に制御することができる構造色フィルタの一種であり、設計自由度が高いことが知られている。また、導波モード共鳴や、表面プラズモン共鳴を利用した構造色フィルタも知られている。

例えば、特許文献１には、固体撮像素子上に設けた色素分散感光材の色分離フィルタであって、各画素が対応するフィルタの分光特性を加色混合により合成するために、１画素内の領域を複数に分割し、分割された各部に相互に異なる分光特性を有する着色素子を設けることが開示されている。

ところで、一般的なデジタルスチルカメラ等では、有機高分子によって構成されたカラーレジストによる３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）分光がよく用いられている。このカラーレジストを構成する高分子は、吸収波長帯を分子合成段階で自由に制御することが極めて困難であるため、所望の透過波長帯を高精度で得ることは難しい。

一方、例えば、多層膜干渉フィルタは、誘電体材料を蒸着、スパッタリング等で成膜するため、単板ガラス全体に同一の膜構成を成膜する実装形態を取らざるを得ない。したがって、撮影時には膜構成が異なる多層膜フィルタガラスを固体撮像素子上で切り替えて撮像することになり、ワンショットでの撮像や動画等の連続撮像ができない。また、カメラモジュールとしてもフィルタガラスを切り替えるための制御機構などが必要となり、高コストで小型化を図ることができなかった。

これに対し、例えば、多層膜干渉フィルタを、有機カラーレジストの実装形態のように、受光画素単位で、ベイヤー配列もしくはライン配列等のように、多層膜を固体撮像素子上に直接成膜し、さらにドライエッチング等の半導体微細加工を用いて受光画素の領域ごとにキャビティ層の膜厚を変えることで、多層膜干渉フィルタと受光画素を１対１でカップリングさせ、センサウエハレベルの多層膜干渉カラーフィルタとすることが考えられている。

しかしながら、色分解素子の製造時におけるばらつきによって、同一画素領域内でフィルタの設計膜厚と実膜厚との差異が生じてしまい、透過スペクトルのピーク波長位置シフトが起きてしまうという問題があった。

そこで本発明は、設計目標値に近い透過スペクトルを実現した高品位の色分解素子を備えた固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、入射光を受光する受光領域と、入射光の特定の波長を選択的に透過するフィルタと、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記フィルタは、一の受光領域が受光する入射光を透過するための複数の分割フィルタからなり、前記複数の分割フィルタの透過スペクトルを合成したスペクトルが所定の値になるよう前記複数の分割フィルタを作製するフィルタ作製工程を含むものである。

本発明によれば、設計目標値に近い透過スペクトルを実現した高品位の色分解素子を備えた固体撮像素子を提供することができる。

固体撮像素子上のカラーフィルタ配列の説明図であって、（ａ）ライン配列、（ｂ）ベイヤー配列の例である。 カラーフィルタが実装された固体撮像素子の一例を示す断面図である。 カラーフィルタを実装するベイヤー配列の固体撮像素子の模式図の一例である。 カラーフィルタの透過スペクトルの一例を示す説明図である。 カラーフィルタの製造方法の一例を示す説明図である。 カラーフィルタの製造方法の他の例を示す説明図である。 ウエハ面内測定点におけるキャビティ層の膜厚の製造ばらつきを示す説明図である。 ライン配列のカラーフィルタの画素領域分割の説明図である。 ベイヤー配列のカラーフィルタの画素領域分割の説明図である。 図８（ｂ）に示すカラーフィルタの製造方法の一例を示す斜視説明図（１）である。 図８（ｂ）に示すカラーフィルタの製造方法の一例を示す斜視説明図（２）である。 ３分割の画素領域分割を実行した場合のウエハ面内測定点とピーク位置シフト量との関係を示す説明図である。 各ウエハ面内測定点における、透過スペクトルと、その合成スペクトルを示すグラフである。 撮像装置の一実施形態であるデジタルカメラの外観図の一例であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は裏面図を示す。 撮像装置の機能ブロック図の一例である。

以下、本発明に係る構成を図１から図１５に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法は、入射光を受光する受光領域（受光画素２０２）と、入射光の特定の波長を選択的に透過するフィルタ（カラーフィルタ２０５）と、を備えた固体撮像素子（固体撮像素子２００）の製造方法であって、フィルタは、一の受光領域が受光する入射光を透過するための複数の分割フィルタ（例えば、図８に示す領域２０５Ｈ〜２０５Ｋ）からなり、複数の分割フィルタの透過スペクトルを合成したスペクトルが所定の値になるよう複数の分割フィルタを作製するフィルタ作製工程を含むものである。

（カラーフィルタ配列）
先ず、色分解素子であるカラーフィルタの配列例について説明する。カラーフィルタは、固体撮像素子の画素上に配置されるものであり、その配列方式として、例えば、ライン配列やベイヤー配列がある。図１（ａ）はカラーフィルタのライン配列、（ｂ）はベイヤー配列の例を示している。

ライン配列のカラーフィルタ２０５では、図１（ａ）に示すように、例えば、画素２０２上に一列に同一フィルタを配列した領域２０５Ａと、領域２０５Ａとは異なる色分解特性をもつカラーフィルタを配列した領域２０５Ｂおよび領域２０５Ｃが形成される。このように、同一方向に同様の分光機能を持たせ、入射光を走査して使用する配列をライン配列と呼び、ライン配列のカラーフィルタは、主にラインスキャナ用途で用いられる。

また、図１（ｂ）に示すように、ベイヤー配列のカラーフィルタ２０５では、例えば、各画素２０２の１つあたりに１つのフィルタを組み合わせて配置した領域２０５Ｄ，２０５Ｅ，２０５Ｆ，２０５Ｇが形成されており、この組み合わせが周期的に配列されている。これにより、入射光に対して一度の露光で情報を得ることができるワンショット撮像が可能となっている。ベイヤー配列のカラーフィルタは、主にデジタルスチルカメラやビデオカメラなど、レンズ結像させて対象物の画像を得る用途で用いられる。

なお、カラーフィルタ配列は用途によって様々な形態をとることができ、カラーフィルタ配列は上記の例に限られるものではない。

（カラーフィルタ構造）
次に、カラーフィルタの構造について説明する。このカラーフィルタ２０５は、有機高分子で構成されたカラーレジストと異なる特徴を有するウエハレベル多層膜干渉型フィルタである。すなわち、有機カラーレジストが有機高分子の吸収帯によって入射光の透過波長を選択するのに対して、このカラーフィルタ２０５は、無機材料である誘電体の多層膜構造によって、光の多重干渉を用いて入射光の透過波長を選択するものとなっている。換言すれば、入射光の特定の波長を選択的に分離して透過するフィルタである。

図２は、カラーフィルタ２０５が実装された固体撮像素子２００の一例を示す断面図である。この固体撮像素子２００は、半導体基板２０１、受光画素２０２（２０２ｒ，２０２ｇ，２０２ｂ）、絶縁膜２０３、遮光膜２０４、カラーフィルタ２０５、防湿層２０６を備えている。

カラーフィルタ２０５は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の低屈折率誘電体材料（２０５ｂ，２０５ｄ）と、酸化チタン（ＴｉＯ_２）の高屈折率誘電体材料（２０５ａ，２０５ｃ，２０５ｅ）が交互に積層されており、２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｄ，２０５ｅがミラー層、２０５ｃがキャビティ層である。

ここで、ｎを誘電体材料の屈折率、ｄを誘電体材料の物理膜厚、λを透過波長帯の参照波長としたとき、ミラー層２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｄ，２０５ｅは、光学膜厚ｎｄ＝λ／４を有している。

また、キャビティ層２０５ｃの膜厚を変化させることにより、多重干渉光路を変化させて、透過光のピーク波長位置を変化させることができる。すなわち、キャビティ層２０５ｃの膜厚を各受光画素上で変化させることにより、受光画素ごとに異なるピーク波長をもつ透過光を入射させることができる。例えば、３つの受光素子２０２ｒ，２０２ｇ，２０２ｂの上部に位置するカラーフィルタ２０５のキャビティ層２０５ｃの膜厚を、受光領域ごとにエッチング等によって変化させることによって、３つの受光素子２０２ｒ，２０２ｇ，２０２ｂにそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの３色の透過光を受光させることが可能になる。

このようなカラーフィルタ構造により多層膜構造を用いながらにして、有機カラーレジストを用いる場合と同様に受光画素ごとに分光特性の異なる領域を設けることが可能となる。

なお、低屈折率誘電体材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、高屈折率誘電体材料として酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いる例を説明したが、これに限定されるものではなく、低屈折率誘電体材料としては、例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、チオライト（Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ_１４）、クリオライト（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）等を用いることができる。また、高屈折率誘電体材料としては、例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、チタン酸ランタン（ＬａＴｉＯ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等を用いることができる。また、上記のいずれかの混合材料等を用いることもできる。

図３は、カラーフィルタ２０５を実装したベイヤー配列の固体撮像素子２００の模式図の一例である。例えば、カラーフィルタがＲ，Ｇ，Ｂ３色の場合、それぞれキャビティ層の膜厚の異なる領域を有するカラーフィルタ２０５が、受光画素面２０２Ａに対して１対１の組み合わせで実装される。カラーフィルタ２０５は固体撮像素子２００に直接成膜され、リソグラフィー工程およびエッチング工程によって実装されるため、受光素子２０２との実装寸法誤差はリソグラフィー工程のエッチングマスクのアライメント精度によって決まることとなる。

（カラーフィルタの透過スペクトル）
図４は、カラーフィルタ２０５の透過スペクトルの一例を示す説明図である。各透過スペクトルは、それぞれ図２に示した受光素子２０２ｒに実装されるカラーフィルタの透過スペクトルＲ、受光素子２０２ｇに実装されるカラーフィルタの透過スペクトルＧ、受光素子２０２ｒに実装されるカラーフィルタの透過スペクトルＢを表している。

カラーフィルタ２０５が全５層構造で、参照波長λ４４５ｎｍのとき、低屈折率材料Ｌを酸化シリコン（ＳｉＯ_２）としてミラー層のλ／４膜厚を７６.７２ｎｍ、高屈折率材料Ｈを酸化チタン（ＴｉＯ_２）としてミラー層のλ／４膜厚を５０.０８ｎｍと設定した。透過スペクトルのピーク波長位置はそれぞれＲ＝５９５ｎｍ，Ｇ＝５５５ｎｍ，Ｂ＝４４５ｎｍである。このように、カラーフィルタ２０５のキャビティ層２０５ｃの膜厚のみを変化させることで、同一膜構成でも全く異なる透過波長帯の透過スペクトルを生成することができる。

なお、ここまで説明した膜構成、膜厚、誘電体材料、色分離数、透過スペクトル、等は一例であって、上記および図示の例に限られるものではないのは勿論である。

（カラーフィルタの製造方法）
次に、カラーフィルタの製造方法について説明する。図５は、カラーフィルタ２０５の製造方法の一例を示す説明図である。先ず、図５（ａ）に示すように、半導体基板２０１に、受光画素２０２（２０２ｒ，２０２ｇ，２０２ｂ）、絶縁膜２０３、遮光膜２０４を作製する。なお、カラーフィルタ２０５以外の各層の形成方法は、公知または新規のものによればよく、また、膜構成、膜厚等も限定されるものではないため、説明は省略する。

次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁膜２０３上に成膜により酸化チタン層（ミラー層２０５ａ）、酸化シリコン層（ミラー層２０５ｂ）、酸化チタン層（キャビティ層２０５ｃ）を作製する。このとき、ウエハ全体に成膜するキャビティ層２０５ｃの膜厚は受光素子２０２ｒの上部の領域に形成するキャビティ層２０５ｃの膜厚に設定する。なお、成膜方法は熱ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ等の化学気相蒸着法、蒸着、スパッタリング等の物理気相蒸着法、原子層堆積法のいずれを用いても良い。

次に、図５（ｃ）に示すように、キャビティ層２０５ｃ上にフォトレジスト２１０を塗布し、受光素子２０２ｂの上部の領域のみが開口したマスクを用いて露光し、受光素子２０２ｂの上部の領域のフォトレジスト２１０を除去する。

さらに、キャビティ層２０５ｃを所望の膜厚までエッチングし、全体のフォトレジスト２１０を取り除く。これにより、受光素子２０２ｂの上部の領域に対応したキャビティ層領域２０５ｃ−１が形成される。なお、エッチング方法は、反応性イオンエッチング等のドライエッチング、または、ウェットエッチングのいずれを用いても良い。

次に、図５（ｄ）に示すように、前ステップと同様に、受光素子２０２ｇの上部の領域のみ、キャビティ層２０５ｃを所望の膜厚までエッチングする。これにより、受光素子２０２ｇの上部の領域に対応したキャビティ層領域２０５ｃ−２が形成される。

ここで、図５（ｅ）に示すように、受光素子２０２ｒに対応したキャビティ層領域２０５ｃ−３は、キャビティ層２０５ｃを成膜した際の膜厚をそのまま使用する。この膜厚はエッチングによる寸法ばらつきがないため、エッチング工程数を省きつつ、かつ精度よく受光素子２０２ｒに対応したキャビティ層領域２０５ｃ−３を作製することができる。

次に、図５（ｆ）に示すように、酸化シリコン層（ミラー層２０５ｄ）、酸化チタン層（ミラー層２０５ｅ）を成膜する。

そして、図５（ｇ）に示すように、防湿層２０６を成膜することでウエハレベル多層膜干渉型のカラーフィルタ２０５が完成する。

図６は、カラーフィルタ２０５の製造方法の他の例（リストオフ法）を示す説明図である。なお、上記の製造方法の例（図５）と同様の点についての説明は適宜省略する。

先ず、図６（ａ）に示すように、半導体基板２０１に、受光画素２０２（２０２ｒ，２０２ｇ，２０２ｂ）、絶縁膜２０３、遮光膜２０４を作製する。なお、カラーフィルタ２０５以外の各層の形成方法は、公知または新規のものによればよく、また、膜構成、膜厚等も限定されるものではないため、説明は省略する。

次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜２０３上に成膜により酸化チタン層（ミラー層２０５ａ）、酸化シリコン層（ミラー層２０５ｂ）、酸化チタン層（キャビティ層２０５ｃ）を作製する。このとき、ウエハ全体に成膜するキャビティ層２０５ｃの膜厚は受光素子２０２ｂの上部の領域に形成するキャビティ層２０５ｃの膜厚に設定する。

次に、図６（ｃ）に示すように、キャビティ層２０５ｃ上にフォトレジスト２１１を塗布し、受光素子２０２ｂの上部以外の領域のみが開口したマスクを用いて露光し、受光素子２０２ｂの上部以外の領域のフォトレジスト２１１を除去する。

さらにその上から、ウエハ全体のキャビティ層２０５ｃの膜厚の合計が受光素子２０２ｇの上部の領域に形成するキャビティ層２０５ｃの膜厚になるように酸化チタン層を追加で成膜し、リフトオフ法を用いて受光素子２０２ｂの上部の領域のみ酸化チタン層を除去する。

これにより、図６（ｄ）に示すように、受光素子２０２ｂの上部の領域に対応したキャビティ層領域２０５ｃ−１と、受光素子２０２ｇの上部の領域に対応したキャビティ層領域２０５ｃ−２が形成される。

次に、図６（ｅ）に示すように、前ステップと同様に、フォトレジスト２１１を形成して成膜するとともに、リフトオフを行うことで、図６（ｆ）に示すように、受光素子２０２ｒの上部の領域に対応したキャビティ層領域２０５ｃ−３が形成される。このように、リフトオフ法を用いることによって、成膜精度を維持したまま各受光領域に対応したカラーフィルタを形成することができる。

次に、図６（ｇ）に示すように、酸化シリコン層（ミラー層２０５ｄ）、酸化チタン層（ミラー層２０５ｅ）を成膜する。

そして、図６（ｈ）に示すように、防湿層２０６を成膜することでウエハレベル多層膜干渉型のカラーフィルタ２０５が完成する。

（カラーフィルタの製造ばらつき）
次に、カラーフィルタ２０５の製造ばらつきについて説明する。図５および図６に示したカラーフィルタ２０５の製造方法では、成膜工程やキャビティ層のエッチングの工程において、膜厚の寸法ばらつきが生じうる。

特に、ドライエッチング加工の場合、ウエハ面内での位置依存ばらつきが問題となる。図７（ａ）は、ウエハ面内測定点（測定点Ａ〜Ｅ）におけるキャビティ層２０５ｃの膜厚のドライエッチング製造ばらつきを示している。測定点とは、図７（ｂ）に示すようなウエハ面内での測定位置である。

また、図７（ａ）に示すピーク位置シフト量［Δλ／ｎｍ］は、透過スペクトルのピーク波長位置が設計中央値に対してどの程度ずれているかを表したものである。ここでは、設計中央値は、Ｇ＝５５５ｎｍとしている（図４）。

ここで、異なるウエハを３回、同一条件でドライエッチングした結果、図７（ａ）に示すように、各測定点で−８〜６ｎｍのキャビティ層２０５ｃの膜厚寸法ばらつきが発生した。ここで、１ｎｍのキャビティ層２０５ｃの膜厚ばらつきにより、透過スペクトルのピーク波長位置は約１ｎｍシフトしてしまうため、用途によっては許容できないシフト量となる。また、このナノメートルオーダーのウエハ内ばらつきを無くすのは、現状のドライエッチング装置では現実的に困難である。

（画素領域分割）
図７を参照して説明したように、成膜工程やキャビティ層のエッチングの工程においては、膜厚誤差としてカラーフィルタ２０５の製造ばらつきが発生する。このため、ウエハ面内におけるカラーフィルタ２０５の透過スペクトルのピーク波長位置は、所望の設計目標値に対してばらつきを有してしまう。

そこで、本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法では、１画素内の領域を複数に分割して、各領域のキャビティ層を同一膜厚となる加工条件で繰り返して、エッチング加工する。すなわち、あえて１画素内に透過スペクトルのピーク波長位置がばらついた複数領域を設ける（これを画素領域分割という）。

その結果、複数領域で構成された１画素での透過スペクトルは、１画素内の各領域の透過スペクトルの合成スペクトルとなり、ピーク波長位置ばらつきが平均化される。よって、ばらつきが抑制され、ピーク波長位置はウエハ面内およびウエハ面間で設計目標値に対して安定化させることができる。

ここで、キャビティ層のエッチングにおいて同一膜厚となる加工条件とは、エッチング装置内において、気体流量、圧力、下部電極温度、アンテナパワー、バイアスパワー、処理時間、等の数値を同一値に設定した条件のことを指す。なお、気体は、六フッ化硫黄ＳＦ_６、塩素Ｃｌ_２、アルゴンＡｒのうちいずれかの混合気体を用い、下部電極温度は２５℃以下、圧力は１Ｐａ以下、アンテナパワー１００〜５００Ｗ、バイアスパワー１００〜５００Ｗで実施する。

図８は、ライン配列のカラーフィルタ２０５の画素領域分割の説明図である。画素配列の横方向が同一のカラーフィルタ２０５である場合において、図８（ａ）は、領域２０５Ｈ，２０５Ｉ，２０５Ｊ，２０５Ｋの４分割、図８（ｂ）は、領域２０５Ｈ，２０５Ｉ，２０５Ｊの３分割、図８（ｃ）は、領域２０５Ｈ，２０５Ｉの２分割とした例を示している。

図９は、ベイヤー配列のカラーフィルタ２０５の画素領域分割の説明図である。画素配列がすべて異なるカラーフィルタ２０５である場合において、図９（ａ）は、領域２０５Ｌ，２０５Ｍ，２０５Ｎ，２０５Ｏの４分割、図９（ｂ）は、領域２０５Ｌ，２０５Ｍ，２０５Ｎの３分割、図９（ｃ）は、領域２０５Ｌ，２０５Ｍの２分割とした例を示している。

本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法を図１０および図１１を参照して説明する。本実施形態では、図９（ｂ）で示した画素領域を３分割したライン配列のカラーフィルタ２０５を例として説明するが、画素領域の分割数は一例であって、図８、および図９（ａ），（ｃ）に示した各カラーフィルタ２０５でも同様の製造方法を適用できる。

図１０および図１１は、本実施形態に係るカラーフィルタの製造方法の斜視説明図である。なお、図１０および図１１は、カラーフィルタの各部を透過した状態で示している。また、上述の製造方法（図５）と同様の点についての説明は適宜省略する。

先ず、図１０（ａ）に示すように、半導体基板２０１に、受光画素２０２（２０２ｒ，２０２ｇ，２０２ｂ）、絶縁膜２０３、遮光膜２０４を作製する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、絶縁膜２０３上に成膜により酸化チタン層（ミラー層２０５ａ）、酸化シリコン層（ミラー層２０５ｂ）、酸化チタン層（キャビティ層２０５ｃ）を作製する。このとき、ウエハ全体に成膜するキャビティ層２０５ｃの膜厚は受光素子２０２ｒの上部の領域に形成するキャビティ層２０５ｃの膜厚に設定する。

図１０（ｃ）以降に示す領域２０５Ｌ，２０５Ｍ，２０５Ｎは、３つに画素領域分割されるカラーフィルタ２０５の領域を示している。

次いで、図１０（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５Ｌ_１、Ｍ_１、Ｎ_１のエッチング処理を行う。先ず、図１０（ｃ）に示すように、キャビティ層２０５ｃ上にフォトレジスト２１０を塗布し、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５Ｌに相当する領域２０５Ｌ_１のみが開口したマスクを用いて露光し、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５Ｌ_１のフォトレジスト２１０を除去する。さらに、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５Ｌ_１のキャビティ層２０５ｃを所望の膜厚までエッチングし、エッチングが行われた後、キャビティ層２０５ｃ上のフォトレジスト２１０を全て除去する。

次に、図１０（ｄ）に示すように、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５Ｍに相当する領域２０５Ｍ_１のエッチング処理を行う。エッチング処理については、図１０（ｃ）で説明した処理内容と同様である。

さらに、図１０（ｅ）に示すように、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５Ｎに相当する領域２０５Ｎ_１のエッチング処理を行う。エッチング処理については、図１０（ｃ）で説明した処理内容と同様である。図１０（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示す処理を行うことにより、受光素子２０２ｂの上部の領域２０５の部分のみキャビティ層領域を形成することができる。

次いで、図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５Ｌ_２、Ｍ_２、Ｎ_２のエッチング処理を行う。先ず、図１１（ａ）に示すように、キャビティ層２０５ｃ上にフォトレジスト２１０を塗布し、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５Ｌに相当する領域２０５Ｌ_２のみが開口したマスクを用いて露光し、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５Ｌ_２のフォトレジスト２１０を除去する。さらに、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５Ｌ_２のキャビティ層２０５ｃを所望の膜厚までエッチングし、エッチングが行われた後、キャビティ層２０５ｃ上のフォトレジスト２１０を全て除去する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５Ｍに相当する領域２０５Ｍ_２のエッチング処理を行う。エッチング処理については、図１１（ａ）で説明した処理内容と同様である。

さらに、図１１（ｃ）に示すように、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５Ｎに相当する領域２０５Ｎ_２のエッチング処理を行う。エッチング処理については、図１１（ａ）で説明した処理内容と同様である。図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す処理を行うことにより、受光素子２０２ｇの上部の領域２０５の部分のみキャビティ層領域を形成することができる。

なお、本実施形態では、キャビティ層２０５ｃの膜厚を、受光素子２０２ｒの上部の領域に形成するキャビティ層２０５ｃの膜厚に設定している。受光素子２０２ｒの上部の領域２０５の部分のみキャビティ層領域は、エッチングによる寸法ばらつきがないため、キャビティ層２０５ｃを成膜した際の膜厚をそのまま使用しているが、上述した受光素子２０２ｂ，ｇの上部の領域についての形成方法を用いて形成してもよいのは勿論である。

次に、図１１（ｄ）に示すように、酸化シリコン層（ミラー層２０５ｄ）、酸化チタン層（ミラー層２０５ｅ）を成膜する。

そして、図１１（ｅ）に示すように、防湿層２０６を成膜することでウエハレベル多層膜干渉型のカラーフィルタ２０５が完成する。

ここまで説明したカラーフィルタの製造方法における画素領域分割では、分割数は多ければ多いほどばらつきを０に近くすることができるため理想的であるといえる一方で、工程数が増加するため、分割数は４以下であることが好ましく、寸法ばらつきの実力値との兼ね合いで決定するのが良い。

また、ここまで説明した画素領域分割の分割方法は一例であって、分割方法はこれに限られるものではない。例えば、画素を斜めに分割する等、多種の変形が可能である。

ここで、図７に示した異なるウエハを３回同一条件でドライエッチングした結果を、図８（ｂ）および図９（ｂ）に示したように、３分割でエッチングを繰り返した場合と見立てて、その３回の平均が、どの程度、ピーク位置シフト量を抑制できるかを検証した。

図１２は、３分割の画素領域分割を実行した場合のウエハ面内測定点（測定点Ａ〜Ｅ）とピーク位置シフト量との関係を示す説明図である。図１２によれば、測定点Ｃや測定点Ｅのように、ピーク位置シフト量のばらつきが大きい場合に、特に、大きな効果が得られており、平均ばらつきを±３ｎｍ以内に収めることができた。これにより、本発明の有効性を確認することができ、特に、シャープな透過スペクトルを得たい場合、ピーク波長位置ばらつきを制御するのに有効であるといえる。

図１３（ａ）〜（ｅ）は、各ウエハ面内測定点Ａ〜Ｅにおける、実際に測定された３つの透過スペクトルと、その合成スペクトルを示すグラフである。図１３においては、実際の透過スペクトルを点線で示し、その合成スペクトルを実線で示している。

また、図１３（ｆ）に各ウエハ面内測定点Ａ〜Ｅの合成スペクトルを比較したグラフを示す。特に、測定点Ｃや測定点Ｅのように３つの実測スペクトルが大きくばらついている場合でも、合成スペクトルの形状は維持されており、本発明の有効性を確認することができる。

以上説明したように、例えば、バンドパスフィルタ構成で、センサウエハレベルの多層膜干渉カラーフィルタを作製する場合、成膜工程、ドライエッチング工程の製造ばらつきによって、同一画素領域内でフィルタの設計膜厚と実膜厚との差異が生じてしまい、透過スペクトルのピーク波長位置シフトが起きてしまう。

特に、キャビティ層エッチング工程においては数ナノメートルオーダーのドライエッチング加工精度が要求されるため、ウエハ面内不均一やウエハ面間ばらつきが起きた場合、異なるウエハ、チップ、もしくは受光画素毎に透過スペクトルピーク位置が変化してしまうという問題があった。

これに対し、以上説明した本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子によれば、透過スペクトルのピーク波長位置ばらつきの影響を抑制して、設計目標値に近い透過スペクトルを実現した高品位の色分解素子を備えた固体撮像素子とすることが可能となる。

すなわち、成膜工程やキャビティ層のエッチングの工程等における製造ばらつきによってカラーフィルタの透過スペクトルのピーク波長位置はばらつく。これに対し、あえて１画素内を複数領域に分割して、所望の膜厚を得られるように同一のパラメータでエッチング加工するようにしている。これにより、製造ばらつきを平均化することで、設計目標値に近い透過スペクトルを実現し、高品位のカラーフィルタとすることができる。

より具体的には、例えば、ウエハレベル多層膜干渉型フィルタにおける透過スペクトルのピーク波長位置は、成膜工程、ドライエッチング工程時の製造ばらつきによって、設計中央値を中心に＋−でばらつく。これに対し、１画素内の領域を複数に分割して、各領域のキャビティ層を同じ条件で繰り返しエッチング加工することで、あえて１画素内に透過スペクトルのピーク波長位置がばらついた複数の領域を設ける。この時、各画素の透過スペクトルは複数の領域にあるカラーフィルタの合成スペクトルとなる。その結果、各画素のピーク波長位置ばらつきは平均して０に近くなり、設計目標値に近い透過スペクトルを実現することが可能となるものである。

このように、本実施形態によれば、有機カラーレジストと異なり、製造時の加工ばらつきがある構造色カラーフィルタの製造ばらつきを打ち消して、設計目標値に近い透過スペクトルを実現することができる。

また、本実施形態では、多層膜干渉を利用した構造色カラーフィルタを例に説明した。これは、多層膜干渉を利用した構造色カラーフィルタでは、成膜工程、エッチング工程によって製造ばらつきがあるため、その製造ばらつきを打ち消しあう上記工程を有するようにすることで、設計目標値に近い透過スペクトルを実現することができるからである。

ここで、導波モード共鳴を利用した構造色カラーフィルタや、表面プラズモン共鳴を利用した構造色カラーフィルタについても、多層膜干渉を利用した構造色カラーフィルタと同様に、成膜工程、ドライエッチング工程によって製造ばらつきがあるため、その製造方法に、本実施形態に係る製造方法を適用することも好ましい。

また、カラーフィルタをライン配列とすることで、同一のラインに配列されたカラーフィルタ特性ばらつきを平均化し、さらに同一のラインに配列された受光画素の特性ばらつきを平均化することで、ライン全体として様々なばらつき因子が取り除かれ、結果的に純度の高い出力値を得ることができる。

また、カラーフィルタをベイヤー配列することで、ワンショット撮影が可能となるが、個々の画素上のカラーフィルタ特性がばらつくことは出力画像内で色むらが発生することを意味する。カラーフィルタ特性のばらつきをなくすことで、色むらを抑制することが可能となる。

（撮像装置）
以上説明した本実施形態に係る固体撮像素子を有する撮像装置とすることが好ましい。これまで説明した固体撮像素子を撮像装置に用いることにより、色再現性を向上することができる撮像装置を構成することが可能となる。

本実施形態では、撮像装置の一例としてデジタルカメラを例に説明する。図１４はデジタルカメラの外観図を示し、（ａ）はカメラ上面図、（ｂ）はカメラ正面図、（ｃ）はカメラ裏面図を示している。

図１４（ａ）に示すように、デジタルカメラは、上面に、サブＬＣＤ１と、レリーズシャッター２（ＳＷ１）と、モードダイヤル４（ＳＷ２）とを有する。

また、図１４（ｂ）に示すように、デジタルカメラは、正面に、ストロボ発光部３と、測距ユニット５と、リモコン受光部６と、レンズユニット７と、光学ファインダ（正面）１１とを有する。また、メモリカードスロットル２３は、ＳＤカード等のメモリカード３４を挿入するスロットルを示し、カメラ側面に設けられる。

また、図１４（ｃ）に示すように、デジタルカメラは、裏面に、ＡＦＬＥＤ（オートフォーカスＬＥＤ）８と、ストロボＬＥＤ９と、ＬＣＤモニタ（表示手段）１０と、光学ファインダ（裏面）１１と、ズームボタン（ズームレバー）ＴＥＬＥ１２（ＳＷ４）と、電源スイッチ１３（ＳＷ１３）と、ズームボタン（ズームレバー）ＷＩＤＥ１４（ＳＷ３）と、セルフタイマ／削除スイッチ１５（ＳＷ６）とを有する。

さらに、メニュースイッチ１６（ＳＷ５）と、ＯＫスイッチ１７（ＳＷ１２）と、左／画像確認スイッチ１８（ＳＷ１１）と、下／マクロスイッチ１９（ＳＷ１０）と、上／ストロボスイッチ２０（ＳＷ７）と、右スイッチ２１（ＳＷ８）と、画像を表示するディスプレイスイッチ２２（ＳＷ９）とを有する。

図１５は図１４に示したデジタルカメラの制御系の機能ブロック図を示している。以下、デジタルカメラ内部のシステム構成について説明する。

図１５に示すように、このデジタルカメラ内には、レンズユニット７に設置した撮影レンズ系を通して入射される被写体画像が受光面上に結像する固体撮像素子としてのＣＣＤ１２１、ＣＣＤ１２１から出力される電気信号（アナログＲＧＢ画像信号）をデジタル信号に処理するフロントエンドＩＣ（Ｆ／Ｅ）１２０、フロントエンドＩＣ（Ｆ／Ｅ）１２０から出力されるデジタル信号を処理する信号処理ＩＣ１１０、データを一時的に格納するＳＤＲＡＭ（記憶手段）３３、制御プログラム等が記憶されたＲＯＭ（記憶手段）３０、モータドライバ３２等が設けられている。

レンズユニット７は、ズームレンズ、フォーカスレンズおよびメカニカルシャッタ等からなり、モータドライバ３２によって駆動される。モータドライバ３２は、信号処理ＩＣ１１０の内部に含まれるマイクロコンピュータ（ＣＰＵ、制御部）１１１によって制御される。

ＣＣＤ１２１は、光学画像を光電変換するための固体撮像素子であって、ＣＣＤを構成する複数の画素上に色分解素子としてのカラーフィルタ（ＲＧＢ原色フィルタ）が配置されており、ＲＧＢ３原色に対応した電気信号（アナログＲＧＢ画像信号）が出力される。

フロントエンドＩＣ（Ｆ／Ｅ）１２０は、ＣＣＤ出力電気信号（アナログ画像データ）についてサンプリングホールド（相関二重サンプリング）を行うＣＤＳ１２２、このサンプリングされたデータのゲインを調整するＡＧＣ（Auto Gain Control）１２３、デジタル信号変換を行うＡ／Ｄ変換機（Ａ／Ｄ）１２４、及びＣＣＤＩ／Ｆ１１２より垂直同期信号（ＶＤ）、水平同期信号（ＨＤ）を供給されＣＣＤ１２１とＦ／Ｅ１２０との駆動タイミング信号を発生するＴＧ（タイミングジェネレータ：制御信号発生器）１２５を有する。

発振器（クロックジェネレータ）は、ＣＰＵ１１１を含む信号処理ＩＣ１１０のシステムクロックとＴＧ１２５等にクロックを供給している。ＴＧ１２５は発振器のクロックを受けて、ピクセル同期をするためのピクセルクロックを信号処理ＩＣ１１０内のＣＣＤＩ／Ｆ１１２に供給する。

Ｆ／Ｅ１２０から信号処理ＩＣ１１０に入力されたデジタル信号は、ＣＣＤＩ／Ｆ１１２を介して、メモリコントローラ１１５によりＳＤＲＡＭ３３にＲＧＢデータ（ＲＡＷＲＧＢ）として一時保管される。

信号処理ＩＣ１１０は、システム制御を行うＣＰＵ１１１、ＣＣＤＩ／Ｆ１１２、リサイズ処理部１１３、メモリコントローラ１１５、表示出力制御部１１６、圧縮伸張部１１７、メディアＩ／Ｆ部１１８、ＹＵＶ変換部１１９等から構成されている。

ＣＣＤＩ／Ｆ１１２は、垂直同期信号（ＶＤ）、水平同期信号（ＨＤ）の出力を行い、その同期信号に合わせてＡ／Ｄ１２４から入力されるデジタル（ＲＧＢ）信号を取り込んで、メモリコントローラ１１５経由でＳＤＲＡＭ３３にＲＧＢデータの書き込みを行う。

表示出力制御部１１６はＳＤＲＡＭ３３に書き込まれた表示用データを表示部に送り、撮影した画像の表示を行う。表示出力制御部１１６は、デジタルカメラが内蔵しているＬＣＤモニタ１０に表示することも、ＴＶビデオ信号として出力して外部装置に表示することも可能である。

ここでいう、表示用データとは、自然画像のＹＣｂＣｒと、撮影モードアイコンなどを表示するＯＳＤ（オンスクリーンディスプレイ）データであり、いずれもＳＤＲＡＭ３３上に置かれたデータをメモリコントローラ１１５が読み出して表示出力制御部１１６に送り、表示出力制御部１１６で合成したデータをビデオデータとして出力する。

圧縮伸張部１１７は、記録時はＳＤＲＡＭ３３に書き込まれたＹＣｂＣｒデータを圧縮してＪＰＥＧ符号化されたデータを出力し、再生時は読み出したＪＰＥＧ符号化データをＹＣｂＣｒデータに伸張して出力する。

メディアＩ／Ｆ部１１８は、ＣＰＵ１１１の指示により、メモリカード３４内のデータをＳＤＲＡＭ３３に読み出したり、ＳＤＲＡＭ３３上のデータをメモリカード３４に書き込んだりする。

ＹＵＶ変換部１１９は、ＣＰＵ１１１から設定された画像現像処理パラメータに基づき、ＳＤＲＡＭ３３に一時保管されたＲＧＢデータを輝度Ｙと色差ＣｂＣｒデータ（ＹＵＶデータ）に変換処理し、ＳＤＲＡＭ３３へ書き戻す。

リサイズ処理部１１３は、ＹＵＶデータを読み出して、記録するために必要なサイズへのサイズ変換、サムネイル画像へのサイズ変換、表示に適したサイズへのサイズ変換などを行う。

また、全体の動作を制御する制御部であるＣＰＵ１１１は、起動時にＲＯＭ３０に格納されたカメラの制御を行う制御プログラムおよび制御データを、例えばＳＤＲＡＭ３３にロードし、そのプログラムコードに基づいて全体の動作を制御する。

ＣＰＵ１１１は、操作部３１のボタンキー等による指示、あるいは図示しないリモコン等の外部動作指示、あるいはパーソナルコンピュータ等の外部端末からの通信による通信動作指示に従い、撮像動作制御、画像現像処理パラメータの設定、メモリコントロール、表示制御等を行う。

操作部３１は、撮影者がデジタルカメラの動作指示を行うためのものであり、撮影者の操作によって所定の動作指示信号が制御部に入力される。例えば、図１４に示すように、撮影を指示する２段（半押し、全押し）レリーズシャッター２、光学ズームおよび電子ズーム倍率を設定するズームボタン１２,１４等の各種ボタンキーを備えている。

操作部３１よりデジタルカメラの電源キーがオンされたことを検出すると、ＣＰＵ１１１は各ブロックに所定の設定を行う。この設定により、レンズユニット７を介してＣＣＤ１２１で受光した画像は、デジタル映像信号に変換されて信号処理ＩＣ１１０に入力される。

信号処理ＩＣ１１０へ入力されたデジタル信号はＣＣＤＩ／Ｆ１１２に入力される。ＣＣＤＩ／Ｆ１１２では光電変換されたアナログ信号に黒レベル調整等の処理が行われて、ＳＤＲＡＭ３３に一旦保存される。このＳＤＲＡＭ３３に保存されたＲＡＷ−ＲＧＢ画像データは、ＹＵＶ変換部１１９に読み出されて、ガンマ変換処理、ホワイトバランス処理、エッジエンハンス処理、ＹＵＶ変換処理が行われＹＵＶ画像データとしてＳＤＲＡＭ３３へ書き戻される。

ＹＵＶ画像データは表示出力制御部１１６に読み出され、例えば出力先がＮＴＳＣシステムのＴＶであれば、リサイズ処理部１１３により、そのシステムに合わせた水平・垂直の変倍処理が施され、ＴＶに出力される。この処理がＶＤ毎に行われることで、スチル撮影前の確認用の表示であるモニタリングが行われる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

２００ 固体撮像素子
２０１ 半導体基板
２０２ 受光画素
２０３ 絶縁膜
２０４ 遮光膜
２０５ カラーフィルタ
２０６ 防湿層
２１０，２１１ フォトレジスト

特開平２−１８８７０３号公報

Claims (10)

1. 入射光を受光する受光領域と、
   入射光の特定の波長を選択的に透過するフィルタと、を備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記フィルタは、一の受光領域が受光する入射光を透過するための複数の分割フィルタからなり、
   前記複数の分割フィルタの透過スペクトルを合成したスペクトルが所定の値になるよう前記複数の分割フィルタを作製するフィルタ作製工程を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
2. 前記フィルタは、前記一の受光領域において４以下の分割領域数で分割された分割フィルタからなることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
3. 前記フィルタは、多層膜干渉を利用した構造色カラーフィルタであって、
   前記フィルタ作製工程では、前記複数の分割フィルタのそれぞれのキャビティ層が同一膜厚となる加工条件にて、繰り返しエッチング加工することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
4. 前記エッチング加工は、ドライエッチングであることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
5. 前記加工条件は、エッチング装置における、気体流量、圧力、下部電極温度、アンテナパワー、バイアスパワー、処理時間から選択される条件であることを特徴とする請求項３または４に記載の固体撮像素子の製造方法。
6. 入射光を受光する受光領域と、
   入射光のうち特定の波長を選択的に透過するフィルタと、を備えた固体撮像素子であって、
   前記フィルタは、一の受光領域が受光する入射光を透過するための複数の分割フィルタからなり、
   前記複数の分割フィルタは、いずれも前記特定の波長を透過させるフィルタであることを特徴とする固体撮像素子。
7. 前記フィルタは、多層膜干渉を利用した構造色カラーフィルタであることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記フィルタは、導波モード共鳴、または表面プラズモン共鳴のいずれかを利用した構造色カラーフィルタであることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
9. 前記フィルタは、前記受光領域上にライン配列、またはベイヤー配列されていることを特徴とする請求項６から８までのいずれかに記載の固体撮像素子。
10. 請求項６から９までのいずれかに記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。