JP4349456B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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Description

本発明は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子等の固体撮像素子に係わり、特にカラーフィルタを使用するカラー固体撮像素子に適用して好適なものである。
イメージセンサ等に用いられる固体撮像素子においては、入射した光を、各画素のフォトダイオードから成る受光部に集光して、さらに光電変換して信号としている。
フォトダイオードから成る受光部は、可視光線全体の波長範囲に感度を有しているため、そのままでは、色の情報が得られない。
そこで、カラー固体撮像素子では、カラーフィルタ、例えば赤、緑、青の各色に対応するフィルタを、各画素に設けている（例えば、特許文献１〜特許文献３を参照）。
カラーフィルタの最も一般的な色配列は、２×２の４個のセルを、１つの赤のセル、１つの青のセル、２つの緑のセルとした、ベイヤー配列である。
他の色配列としては、例えば、２×２の４個のセルを、いわゆる補色系カラーフィルタを用いて、シアン、イエロー、マゼンタ、グリーンの４色に分けた配列がある。
それぞれの純粋な色は、各色のカラーフィルタを通過して得られた信号を、補正アルゴリズムにより演算して補正することにより、得ることができる。
通常、カラーフィルタは、適切な吸収・透過特性（曲線）を有する、特殊な有機材料により構成される。例えば、色素を含有したレジスト等が挙げられる。
カラーフィルタを用いた場合、カラーフィルタが完全な波長フィルタではない、という問題がある。例えば、赤のセルに入る光のすべてが赤色の光というわけではない。
そのため、各色のカラーフィルタからの入力から、より純粋な色を復調することができるように、補正アルゴリズムを工夫している。また、各色のカラーフィルタの分光特性の重なりを、純粋な色の推論を助けるように活用することができるため、イメージセンサが使用される様々な条件下においても、一定の混合結果が供給される。
一方、カラーフィルタを使用する代わりに、異なる色の光はシリコン中の吸収の深さが違うことを利用して、色を分ける手法も提案されている（例えば、特許文献４を参照）。
即ち、赤色の光は、青色の光よりもずっと深く浸透しやすい。
この手法により、カラーフィルタを設けなくても、各色の成分を見積もることができため、カラーフィルタが不要になる。
しかしながら、この手法において、色混合には問題が残る。例えば、青色の光を検知する層において、赤色の光や緑色の光が通過するときにある程度吸収されることから、青色の光が本来ない場合でも赤色や緑色の光による信号を生じてしまうため、青色の画素で偽信号を生じる。
また、フォトダイオードの表面に、普段の層間の酸化膜の厚さと同程度の厚さを有する絶縁膜を介してカラーフィルタを設けた構成が、提案されている（例えば、特許文献５を参照）。
しかしながら、この構成では、半導体製造プロセスにおいて通常に使われている、高温の工程及びプラズマ堆積技術に係る反応性が高いガスを用いる工程において、カラーフィルタの材料が分解してしまうという問題点が生じる。通常、カラーフィルタの材料としては、有機色素材料が用いられ、この有機色素材料の分子は大きいため、上述の半導体製造プロセスで分解される。
そして、通常使用されているカラーフィルタは、有機色素材料のバンドパスに応じたスペクトル特性を持つ。そのスペクトル特性とは、所定の波長を中心として狭い波長帯の光を透過させる特性である。しかし、有機色素材料が分解されると、この有機色素材料を含んだカラーフィルタの光透過率特性が大きく変わってしまい、カラーフィルタの用をなさなくなってしまう。
さらにまた、この構成は、通常平坦化工程として採用されている、化学機械研磨（ＣＭＰ）工程を適用することが難しい。即ち、カラーフィルタを形成した後に、ＣＭＰを行うと、カラーフィルタが引き裂かれてしまう。従って、通常の平坦化工程を採用することができず、特殊な平坦化工程を行う必要が生じる。
また、フォトダイオードを持つデバイスの応答性を改善するため、窒化シリコン層からなる不活性化層をバリア層として、フォトダイオードの上方に数百ｎｍの厚さで設けた構成も提案されている（例えば、特許文献６を参照）。
このようにバリア層を設けることにより、フォトダイオード表面まで侵入する水分と酸素と水素を止めることが可能になり、水分や酸素や水素によるフォトダイオード特性の劣化を防止できる。
しかしながら、この窒化シリコン層からなるバリア層は、平らでないシリコン基板上の表面にバリア層として有効な厚さで均一な厚さに形成することが非常に困難である。そのため、層の薄い部分で、水分や酸素や水素が基板側に漏れる恐れがある。
さらにまた、このシリコン窒化膜のバリア耐性を高めるために、３００℃以上の高温堆積工程を行うことにより、先に形成したカラーフィルタが溶ける場合もある。
実開平４−９４８５５号公報 実開平４−９４５２９号公報 実開昭５７−２８３６２号公報 特開２００４−１０３９６４号公報 特開２０００−３４０７７６号公報 特開平１１−０２７５８８号公報
ところで、カラーフィルタは、前述したように、特殊な有機材料により構成されているため、固体撮像素子を製造する際に通常行われる工程の下で直面する、熱や衝撃等の条件に対する耐性が小さい。そのため、カラーフィルタを、比較的遅く形成し、デバイスを完成する最後の工程（例えば、オンチップレンズの形成工程）の前の工程で形成するようにしている。
これにより、受光部のシリコン表面とカラーフィルタとを非常に近接させた場合の問題を、ほとんど生じなくなる。
ここで、従来のカラーフィルタを用いたＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図１５に示す。
シリコン基板等の半導体基体５１に、フォトダイオードから成る受光部５２が形成されている。
半導体基体５１の上方に、多層（この図１５の場合は３層）の配線層５３が形成されている。この配線層５３の周囲は、絶縁層５５で埋められている。
この絶縁層５５上に、平坦化層５６を介してカラーフィルタ５７が形成され、さらにその上に、平坦化層５８を介して、オンチップレンズ５９が形成されている。
なお、受光部５２の直上には、低反射膜５４が設けられている。
そして、各画素において、カラーフィルタ５７として、受光部５２の上方に、赤のカラーフィルタ５７（Ｒ）や緑のカラーフィルタ５７（Ｇ）が形成されている。また、図示していない断面にある画素に、青のカラーフィルタが形成されている。
カラーフィルタ５７は、前述したベイヤー配列等の色配列に従って、各色のカラーフィルタが配置されている。
また、従来の他のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図１６に示す。図１６では、一画素の断面図を示している。
図１６に示す構成では、さらに、受光部５２のシリコン表面と、カラーフィルタ５７の下の平坦化層５６との間に、上向きに凸なレンズ面を有する層内レンズ６１（６１Ａ，６１Ｂ）を設けており、この層内レンズ６１により、入射光の集光度をさらに高めている。
図１５及び図１６に示した各構成においては、カラーフィルタ５７を、例えば、オンチップレンズ５９の形成工程の前の工程で形成するため、カラーフィルタ５７が比較的上方に形成される。
しかしながら、カラーフィルタ５７が比較的上方に形成されることにより、受光部５２からカラーフィルタ５７までの距離（高さ）が、大きくなってしまう。特に、図１５や図１６に示したように、撮像領域に多層の配線層５３を形成する、ＣＭＯＳ型固体撮像素子では顕著になる。
このことは、１つの画素でカラーフィルタ５７を通過した光が、隣の画素に漏れて入り込む機会が多くなることを意味している。
例えば、赤の光が、緑や青の画素に漏れこみ、そのカラーフィルタ５７の下方の受光部５２に、不自然な電子の数を与えて、そのデバイスの純粋な色を正確に描く能力を低下させる。即ち、いわゆる混色や色ずれを生じることになる。
適切なアルゴリズムを使用すれば、上述の光漏れを補正することが可能であるように思われる。しかし、それは、光漏れが、デバイスに連結しているレンズや開口等の設定の全てのレンジに対して、一定である場合である。
ところが、光漏れの量は、レンズや開口等の外部の設定によって変化するので、アルゴリズムで補正することは困難である。
従って、良好な色再現性で画像を得ることと、レンズや開口の便利なレンジとの間に、トレードオフが生じる。
さらにまた、固体撮像素子の微細化が進むにつれて、各画素が縮小化されて、電極や配線のピッチが狭くなる。
これにより、受光部５２上の開口が小さくなるので、斜めに入射した光が電極や配線に遮られやすくなることから、受光部５２に届かなくなる。このため、シェーディング等の悪い現象も発生してしまう。
上述した問題の解決のために、本発明においては、従来よりも受光部に近い位置にカラーフィルタ等の光学的フィルタ層を設けることを可能にする、新しい構成の光学的フィルタ層を備え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、半導体基体に光電変換が行われる受光部が形成され、この受光部が形成された半導体基体の表面上に、直接又は他の層を介して、ある波長範囲の可視光線を透過するカラーフィルタ層が設けられ、このカラーフィルタ層は、層内に量子ドットが形成されて成り、量子ドットの材料がシリコンであり、量子ドットが埋め込まれた層の材料がシリコン酸化物又はシリコン窒化物であり、カラーフィルタ層は、それぞれ透過する光の波長範囲の異なる、少なくとも３種のフィルタを含み、各画素の受光部上に、少なくとも３種のフィルタのいずれか１種のフィルタが配置されているものである。
そして、前記少なくとも３種のフィルタは、量子ドットの径が、それぞれ２ｎｍ，３ｎｍである、２種のフィルタを含む、或いは、量子ドットの径が、それぞれ１．２ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍである、３種のフィルタを含むものである。
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、受光部が形成された半導体基体の表面上に、直接又は他の層を介して、カラーフィルタ層が設けられていることにより、このカラーフィルタ層により、可視光の所定波長範囲を透過するカラーフィルタを構成することができる。
そして、カラーフィルタ層は、層内に量子ドットが形成されて成り、量子ドットの材料がシリコンであり、量子ドットが埋め込まれた層の材料がシリコン酸化物又はシリコン窒化物である。さらに、カラーフィルタ層は、それぞれ透過する光の波長範囲の異なる、少なくとも３種のフィルタを含み、この少なくとも３種のフィルタは、量子ドットの径が、それぞれ２ｎｍ，３ｎｍである、２種のフィルタを含む、或いは、量子ドットの径が、それぞれ１．２ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍである、３種のフィルタを含む。これにより、埋め込まれた層よりも屈折率が高く径の揃った量子ドットによって、カラーフィルタ層に所定波長範囲を透過する光学特性を持たせることが可能になる。
上述の本発明によれば、埋め込まれた層よりも屈折率が高く径の揃った量子ドットによって、カラーフィルタ層に所定波長範囲を透過する光学特性を持たせることが可能になるため、プロセスダメージ、例えば熱やエッチングのダメージに対して比較的弱い有機材料を使用しなくても、カラーフィルタ層を構成することが可能になる。
これにより、プロセスダメージに耐性を有する、強固なカラーフィルタ層を構成することが可能になり、製造の際にカラーフィルタ層の形成工程の後に続行する製造工程によって、光学的フィルタ特性に悪影響を及ぼさないようにすることが可能になる。
従って、カラーフィルタ層を、受光部が形成された半導体基体表面に近い位置（高さ）に設けることが可能になる。
このように、半導体基体表面に近い位置にカラーフィルタ層を設けることにより、入射光が斜めに入射したり、漏れたりすることによって、隣接した画素に入射してしまったとしても、隣接した画素に入ってからカラーフィルタ層を通過することになるため、従来の構成で生じていた、色ずれや混色を生じないようにすることが可能になる。
即ち、例えば、オンチップレンズから受光部までの距離（高さ）が大きくなったとしても、また例えば、外部レンズのＦ値を２．６未満とした場合でも、色ずれや混色を生じないようにすることが可能になる。
さらに、量子ドット構造を用いることにより、各色のカラーフィルタ等、光学特性の異なる複数種類のカラーフィルタ層を作製するのに、１つの材料系を使用するだけですむので、上述したように強固なカラーフィルタ層を構成することが可能になる。
また、量子ドット構造を用いることにより、量子ドットの径を制御して、カラーフィルタ層の光学特性を連続的に変化させることが可能になるため、フィルタ材料（例えば、レジストに含有された染料や顔料）の固有の光学特性によってフィルタ特性が決まっていた、従来のカラーフィルタと比較して、カラーフィルタの設計の自由度を大幅に広げることが可能になる。
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明においては、固体撮像素子の受光部が形成された半導体基体の表面上に、直接又は他の層（例えば、絶縁層や低反射膜）を介して、層内に径のほぼ揃った量子ドットが形成されて成る光学的フィルタ層として、カラーフィルタ層が設けられた構成とする。
量子ドットとしては、例えば、シリコンドットを用いることができる。
量子ドットを層内に形成する層としては、絶縁性であり、量子ドットよりも屈折率の低い層を形成することが好ましい。この層には、例えば、ＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層を用いることができる。
ところで、シリコンドットに関しては、主に実験的なメモリシステムの分野において、いくつかの研究者が実験を行っている（例えば、Y. Hirano et al.，２００４年映像情報メディア学会年次大会，１３−５を参照）。
この他に、もっとありふれた電気的メモリデバイスにおける、量子ドットの使用例も提案されている。
これらの例では、シリコンドットを形成するために、むしろ極端な方法が採用されているが、より簡便な方法を採用することが好ましい。上記文献では、完全に間隔を置いて配置されたシリコンドットの使用について報告しており、この構成によって、光導電性の効率を高めることができる、と主張している。
しかしながら、上述した効果は、シリコンドットの特性というよりむしろ、純粋に量子ドット層中の光散乱に依存する。この例では、ドット間の空間がより重要である。
これに対して、本発明においては、シリコンドット等の量子ドット自体により、光学的フィルタ層の特性を決定させるものである。
そして、量子ドットの径を変えることにより、光学的フィルタ層の光学特性を、具体的には吸収端の波長を、変えることができる。
これにより、要求される様々な波長範囲に合わせるように、効果的に、かつ連続的に、光学的フィルタ層の光学特性を調整することができる。
具体的には、量子ドットの径が小さいほど、光学的フィルタ層を透過する光の波長範囲が、短波長側に広がっていく。
ここで、シリコンの量子ドットの径と光学的バンドギャップとの関係を、図６に示す。 この図６では、比較対象として、バルクのシリコンの光学的バンドギャップの値が示されている。図６に示すバンドギャップの大きさが、吸収端の波長の位置に直接関係する。
図６に示すように、量子ドットの径が小さくなるほど、バンドギャップが大きくなることがわかる。また、径が小さくなって、１．５ｎｍ程度以下となると、バンドギャップの変化が大きくなることがわかる。
この図を利用して、光学的フィルタ層に要求される構成を設計することができる。
可視光線の所定の波長範囲を透過するように、光学的フィルタ層の光学特性を調整することにより、カラーフィルタを構成することができる。
また、光学的フィルタ層の光学特性を調整することにより、紫外線の一部を透過する光学的フィルタ層を構成することができる。
続いて、量子ドットの作製方法として、以下に、３つの作製方法を説明する。
まず、１つ目の作製方法は、エッチングを利用する方法である。
受光部が形成された半導体基体上に、ＳｉＯ２等の絶縁膜を介して、カラーフィルタとして作用する量子ドットを形成するのに必要な厚さを有するシリコン層を堆積する。
次に、堆積したシリコン層を、フォトレジスト等のマスクを用いてエッチングして、島状のシリコンを形成する。
その後、島状のシリコン上に、ＳｉＯ２等の絶縁膜を成長させることにより、単層の量子ドット層が得られる。
さらに、シリコン層の堆積、エッチング、ＳｉＯ２等の絶縁膜の成長、の各工程を繰り返すことにより、三次元の量子ドット構造からなるカラーフィルタを作製することができる。
このようにして、量子ドット層からなるカラーフィルタを作製することができる。
この作製方法では、エッチングの際のマスクの開口の位置や幅を制御することにより、量子ドットの位置や径（大きさ）を容易に制御することができる。そのため、所望の位置に量子ドットを形成することが、容易にできる。
また、複数層の量子ドット層を作製する場合には、各量子ドット層でマスクの開口の位置を異ならせることにより、量子ドット層の位置を異ならせることができる。例えば、１層置きに互い違いの位置に量子ドットを形成することも、可能である。
次に、２つ目の作製方法を説明する。
受光部が形成された半導体基体上に、ＳｉＯ２層と、その上の薄いシリコン膜とを、順番に堆積する。
その後、昇温しながら、シリコン膜の表面を酸化する。このプロセスにより、シリコン膜を分解させて、シリコンをＳｉＯ２層に囲まれた島状にする。これにより、シリコンの量子ドットを形成することができる。
このとき、熱処理プロセスのパラメーターとシリコン層の厚さの設定によって、量子ドットの径（大きさ）を制御することができる。
さらに、その上に、別のＳｉＯ２層と薄いシリコン膜とを、順番に堆積する。そして、昇温しながらシリコン膜を酸化する。これらの工程を同じ色の受光部毎に繰り返すことによって、三次元の量子ドット構造からなるカラーフィルタを形成することができる。
この作製方法では、比較的短い時間で、量子ドット層からなるカラーフィルタを作製することができる。そして、マスクが不要であり、ランダムな位置に量子ドットを形成することができる。
なお、ＳｉＯ２層と薄いシリコン膜とを交互に積層させた後に、一括して熱処理を行うことによっても、三次元の量子ドット構造からなるカラーフィルタを形成することができる。一括して熱処理を行うと、カラーフィルタの作製に要する時間をより短くすることができる。一方、各層毎に熱処理を行うと、比較的低い熱処理温度で量子ドットを形成することができる。
カラーフィルタの種類（例えば、赤と緑と青）は、詳細を後述するように、量子ドットの径（大きさ）によって決められる。
この作製方法において、量子ドットの径（大きさ）は、シリコン膜の当初の（堆積時、昇温前）厚さや、熱処理プロセスのパラメーターにより、決定される。
従って、例えば、当初のシリコン膜の厚さを変えて堆積しておけば、その後の熱処理を同じ時間で同じパラメーターで実行しても、径（大きさ）の異なる量子ドットを形成することができ、これにより各種類（各色）のカラーフィルタを作製することが可能である。
次に、３つ目の作製方法を説明する。
ＳｉＯ２層やＳｉ３Ｎ４層を堆積する際には、通常、シランガスと、酸素ガス又は窒素ガスとを所定の混合比で混合した、混合ガス雰囲気を使用している。
そこで、通常の所定の混合比よりも、シランガスが多い混合比として、シランリッチな混合ガス雰囲気で堆積を行う。
その後、短時間で比較的低温の熱処理を行うと、余剰のシリコンが島状に凝縮する。これにより、シリコンの量子ドットを形成することができる。
このとき、シリコンの濃度（シリコンと酸素や窒素との比率、堆積時の混合ガスの混合比率）や熱処理パラメーター（温度履歴、圧力等）を設定することにより、量子ドットの径（大きさ）を制御することができる。
この作製方法では、比較的短い時間で、量子ドット層からなるカラーフィルタを作製することができる。そして、マスクが不要であり、ランダムな位置に量子ドットを形成することができる。
量子ドットの径は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
量子ドットの径を、この範囲内とすることにより、径の揃った量子ドットを容易に作製することができる。
量子ドットを用いた光学的フィルタ層と、表面反射を低減するための光学的カップリング層とを、併用することも可能である。
例えば、従来から使用されている屈折率マッチング層（図１５の低反射膜５４等）と積層することも可能である。これらの層を積層することにより、屈折率マッチング兼フィルタ領域として作用させることもできる。
このように屈折率マッチング兼フィルタ領域を構成することにより、フィルタ層の下から隣接セルに光が漏れないようにすることができ、また、標準的な構造を一つ変えるたけで、画素間の混色を限定することが可能になる。
量子ドットを形成した光学的フィルタ層は、不要な波長の光を全く問題ないレベルまで充分に低減するために、充分大きい吸収を有する必要がある。
これは、層の厚さだけでなく、その層中のドットの濃度との間のバランスで決まるものである。
もちろん、ドットの濃度が高くなるほど、必要な波長範囲を充分に透過させるためには、層を薄くすることが求められるが、ドットの濃度が増大すると、比較的多様な大きさの集合体が形成されてしまう、という問題に直面することになる。このように大きさがまちまちの集合体が形成されると、フィルタ層の品質を下げることになり、用途がさらに限定されてしまうことになる。
逆に、ドットの濃度が低くなるほど、フィルタ特性を作用させるために、ある程度層を厚くする必要が生じる。
シリコンドットについて実験を行ったところ、ドットの濃度をおよそ１×１０５／μｍ２とすると、良好なフィルタ作用が働くが、もっと濃度を高くしても働くことがわかった。
一方、ドットの濃度を１×１０３／μｍ２以下とすると、フィルタ作用を使用可能なレベルとするには非常に厚くする必要があることがわかった。
量子ドットの濃度は、適度な厚さでフィルタ作用を働かせるために、１×１０３／μｍ２〜１×１０７／μｍ２の範囲内とすることが望ましい。
光学的フィルタ層の厚さは、ドットの濃度にもよるが、１００ｎｍ〜２μｍ（２０００ｎｍ）の範囲内とすることが好ましい。
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図１に示す。 本実施の形態は、本発明をＣＭＯＳ型のカラーイメージセンサに適用した場合である。
シリコン基板等の半導体基体１に、フォトダイオードから成る受光部２が形成されており、半導体基体１の上方に、多層（この図１の場合は３層）の配線層３が形成されている。配線層３の周囲は、絶縁層５で埋められている。
そして、この絶縁層５上に、平坦化層６を介して、オンチップレンズ７が形成されて、固体撮像素子１０が構成されている。
本実施の形態の固体撮像素子１０では、特に、受光部２が形成された半導体基体１の表面上に、直接カラーフィルタ１１（１１Ａ，１１Ｂ）が設けられている。
カラーフィルタ１１は、それぞれ光学特性が異なる複数種のカラーフィルタ（１１Ａ，１１Ｂ、並びに図示しない他のカラーフィルタ）から構成されている。
さらに、本実施の形態の固体撮像素子１０では、カラーフィルタ１１を、前述した量子ドットを用いて構成している。
ここで、図１のカラーフィルタ１１の具体的な形態を、図２Ａ〜図２Ｃの断面図に示す。
いずれの形態も、絶縁性で低屈折率の層１２、例えばＳｉＯ２層中に、径の揃った量子ドット１３、例えばシリコンドットが形成されて、カラーフィルタ１１が構成されている。
図２Ａは、量子ドット１３の径が比較的大きい場合を示しており、図２Ｂ、図２Ｃにいくに従い量子ドット１３の径が小さくなっている。
このように量子ドット１３の径を変えることにより、カラーフィルタ１１の光学特性を変化させることができる。
具体的には、量子ドット１３の径が小さいほど、カラーフィルタ１１を透過する光の波長範囲が、短波長側に広がっていく。
なお、カラーフィルタの配列の形態として、一部の画素に、図２Ａ〜図２Ｃに示した量子ドット１３を用いたカラーフィルタ１１の代わりに、絶縁性で低屈折率の層１２のみ（つまり量子ドット１３の入っていない層）を配置することも可能である。
この場合、低屈折率の層１２はフィルタとして作用しないが、赤外光と可視光とが共に入射する画素を構成することができる。
また、固体撮像素子１０の外部に設けられるＩＲフィルタ（赤外線カットフィルタ）と組み合わせることにより、赤外光は入射しないで、可視光線の全領域が入射する画素を構成することもできる。このＩＲフィルタは、ＣＭＯＳ型固体撮像素子やＣＣＤ固体撮像素子を用いたカメラの大多数において、スペクトルのうち見えない赤外線部分を制限するために、イメージセンサのパッケージ工程において最上部に固定される。
次に、カラーフィルタ１１の配列の形態を示す。
カラーイメージセンサを構成するためには、少なくとも３種類のフィルタを設ける必要がある。
ここで、量子ドット１３としてシリコンドットを形成した場合において、ドットの径を２ｎｍとした場合と、３ｎｍとした場合の、カラーフィルタ１３の波長分布を、図３に示す。図３には、固体撮像素子１０の外部に設けられるＩＲフィルタの波長分布を、併せて示している。
図３より、ドットの径を２ｎｍとした場合には５００ｎｍ程度以上の波長を透過し、ドットの径を３ｎｍとした場合には５７０ｎｍ程度以上の波長を透過することがわかる。
また、これらのドットを用いたカラーフィルタを、外部のＩＲフィルタと組み合わせることにより、それぞれ、５００〜６５０ｎｍの波長範囲を透過する画素と、５７０〜６５０ｎｍの波長範囲を透過する画素とを構成することができる。
そこで、図３に示した分布を利用して、カラーフィルタ１１の配列の一形態として、図４に平面図を示すように、２×２のユニットセルを、１つの赤（５７０〜６５０ｎｍ）のセルと、２つの赤＋緑（５００〜６５０ｎｍ）のセルと、１つの赤＋緑＋青（４００〜６５０ｎｍ）のセルに設定する。
赤のセルは、シリコンドット１３の径を３ｎｍとしたカラーフィルタ１１Ａを有する。 赤＋緑のセルは、シリコンドット１３の径を２ｎｍとしたカラーフィルタ１１Ｂを有する。
赤＋緑＋青のセルは、シリコンドット１３のない、低屈折率の層１２のみのフィルタ１１Ｃを有する。
赤＋緑のセル１１Ｂは、市松状に分布し、残りの画素に１行おきに、赤のセル１１Ａと、赤＋緑＋青のセル１１Ｃとが、それぞれ配置されている。
このようにカラーフィルタ１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）を配列することにより、適切なアルゴリズムで、純粋な色を復調することができる。
従来のカラーフィルタの、透過する波長範囲がそれぞれ赤・緑・青のいずれかである構成とは異なるので、アルゴリズムを従来と全く同じにすることはできないが、図４に示す配列では、比較的単純なアルゴリズムで、色信号を復調することができる。
次にカラーフィルタ１１の配列の他の形態を説明する。
本形態では、撮影した画像の青の色相を不自然に増大させるという影響を持ちうる、紫外光の影響を取り除くために、さらなるフィルタとして、より細かい１．２ｎｍ径の量子ドット１３を用いたカラーフィルタ１１を使用する。
図３に示した波長分布にさらに、１．２ｎｍ径の量子ドット１３を用いた場合の波長分布を重ねて、図５に示す。
図５より、ドットの径を１．２ｎｍとした場合には、４００ｎｍ程度以上の波長を透過することがわかる。
また、外部のＩＲフィルタと組み合わせることにより、４００〜６５０ｎｍの波長範囲を透過する画素を構成することができる。
本形態では、図５に示した分布を利用して、図示しないが、３種又は４種のカラーフィルタを配置する。図４に示した形態の３種のカラーフィルタ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのドットなしのフィルタ１１Ｃを除外する代わりに、ドットの径を１．２ｎｍとしたカラーフィルタを設けることにより、３種のカラーフィルタを構成することができる。ドットなしのフィルタ１１Ｃを除外しないと、４種のカラーフィルタを構成することができる。
３種のカラーフィルタを構成する場合には、図４に示したと同様の平面配置を採用することが可能である。
４種のカラーフィルタを構成する場合には、平面配置を図４とは異なる配置とする。
本実施の形態の固体撮像素子１０を製造する際には、マスク等を活用して、３種又は４種のカラーフィルタを１種ずつ順次形成する。また、不要な部分のカラーフィルタを除去して、最終的に受光部２上にカラーフィルタ１１が残るようにする。
上述の本実施の形態の固体撮像素子１０の構成によれば、受光部２が形成された半導体基体１の表面上に、直接カラーフィルタ１１（１１Ａ，１１Ｂ）が設けられている。
これにより、入射光が斜めに入射したり、漏れたりすることによって、隣接した画素に入射してしまったとしても、隣接した画素に入ってからカラーフィルタ１１を通過することになる。
このため、従来の構成で生じていた、色ずれや混色を生じない。
従って、配線層の数が増えてオンチップレンズ７から受光部２までの距離が大きくなったとしても、また外部レンズのＦ値を２．６未満としても、色ずれや混色を生じないようにすることが可能になる。
また、カラーフィルタ１１を、量子ドット１３を用いて構成していることにより、量子ドット１３の径によりフィルタ特性を制御することができると共に、プロセスダメージに対する耐性を向上させることができる。
カラーフィルタ１１のプロセスダメージに対する耐性が向上することにより、図１に示すように半導体基体１に近い位置にカラーフィルタ１１を設けても、上方の各層（絶縁層５等）を形成する工程における熱やエッチングダメージ等の衝撃によって、カラーフィルタ１１が悪影響を受けないようにすることができる。
従って、図１に示すように、半導体基体１に近い位置にカラーフィルタ１１を設けて、色ずれや混色を防止することができる。
さらにまた、本実施の形態によれば、同一の材料を使用して、量子ドット１３の径を変えるだけで、フィルタ特性を変えることが可能になるため、染料や顔料等の材料の違いでフィルタ特性を変えていた従来のカラーフィルタの構成と比較して、様々な利点を有している。例えば、高価な材料が不要となったり、材料の違いによる光学特性や化学的特性の不均一さをなくしたり、各色のフィルタの製造条件の差を小さくして製造工程を簡略化したりすることが、可能になる。
従来のカラーフィルタでは、フィルタ材料（例えば、レジストに含有された染料・色素や顔料）の固有の光学特性によって、フィルタ特性が決まっていたため、限られた飛び飛びのフィルタ特性から選択することになっていた。
これに対して、本実施の形態で使用するカラーフィルタ１１では、量子ドット１３の径を変えることにより、吸収端の波長を連続的に変化させることが可能である。
これにより、カラーフィルタ１１の設計の自由度を大幅に広げることができる。
次に、図１に示した固体撮像素子１０を一部変形した形態を、図７Ａ及び図７Ｂにそれぞれ示す。図７Ａ及び図７Ｂは、一画素分の断面図を示している。
これらの形態では、図１のカラーフィルタ１１の上層又は下層に、光学的カップリング層として、低反射膜４を設けている。
図７Ａに示す形態では、カラーフィルタ１１上に低反射膜４を設けている。
図７Ｂに示す形態では、カラーフィルタ１１の下、半導体基体１との間に、低反射膜４を設けている。
低反射膜４の材料としては、例えば、ＳｉＮやＳｉＯＮを用いることができる。
これらのうち、特に図７Ｂに示す形態は、低反射膜４と絶縁層５との間くらいまで屈折率を下げるための用途に限られる。この図７Ｂの形態では、屈折率を低くするために、カラーフィルタ１１内の量子ドットの濃度を充分に低くする必要がある。
そのため、カラーフィルタ１１のフィルタ特性の鋭さが失われる。例えば、図３や図５に示した波長分布よりも、立ち上がりの勾配が緩くなる。
次に、図１に示した固体撮像素子１０を一部変形した他の形態を、図８Ａ〜図８Ｃに、それぞれ示す。図８Ａ〜図８Ｃは、一画素分の断面図を示している。
これらの各形態では、カラーフィルタ１１の上方の絶縁層５内に、上に凸なレンズ面を有する２つのレンズ８Ａ，８Ｂから成る層内レンズ８が設けられた構成である。
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃの各構成は、それぞれ図１、図７Ａ、図７Ｂの各構成に層内レンズ８を設けた構成となっている。
層内レンズ８の材料としては、周囲の絶縁層５よりも屈折率の高い材料を用いる。例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）を使用することができる。
層内レンズ８（８Ａ，８Ｂ）を設けることにより、各画素に入射した光を集束させて、受光部２へ効率よく入射させることができる。これにより、層内レンズ８のない構成と比較して、感度を向上させることが可能になる。
なお、層内レンズを構成するレンズの数は、２つに限らず、１つ又は３つ以上でも構わない。
また、レンズ面を下に凸の向きとしても構わない。
続いて、図１に示した固体撮像素子１０を一部変形した、さらに他の形態を、図９Ａ及び図９Ｂにそれぞれ示す。図９Ａ及び図９Ｂは、一画素分の断面図を示している。
これらの各形態では、通常は外部に設けられているＩＲフィルタ（赤外線カットフィルタ）を、デバイス構造自体に内蔵した構成である。
いずれの形態とも、配線層３よりも上層の絶縁層５内に、ＩＲフィルタ１５を形成している。
特に、図９Ｂに示す形態では、層内レンズ８（８Ａ，８Ｂ）と配線層３との間の高さに、ＩＲフィルタ１５を配置している。
ＩＲフィルタ１５は、誘電体多層膜により構成される。
この誘電体多層膜の一形態の断面図を、図１０に示す。
図１０に示す形態では、屈折率の異なる第１の膜１６と第２の膜１７とが交互に合計７層積層されて、誘電体多層膜から成るＩＲフィルタ１５が構成されている。
例えば、第１の膜１６にＳｉＯ２を用いて、第２の膜１７にＳｉＮを用いて、誘電体多層膜を構成することができる。
このようにＩＲフィルタ１５を設けた場合、各画素のフィルタ配列が少し複雑になる。 この場合のフィルタ配列の一形態を、図１１の平面図に示す。
図１１に示すように、４種のカラーフィルタ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを配置する。このうち、３種のカラーフィルタ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、図４に示した配列と同様である。
本形態では、さらにフィルタなしのセル（画素）１１Ｄを入れて、４×４のユニットセルを繰り返し単位としている。
そして、４×４のユニットセルを、２つの赤（５７０〜６５０ｎｍ）のセルと、４つの赤＋緑（５００〜６５０ｎｍ）のセルと、２つの赤＋緑＋青（４００〜６５０ｎｍ）のセルと、８つのフィルタなしのセルに設定する。
赤のセルは、シリコンドット１３の径を３ｎｍとしたカラーフィルタ１１ＡとＩＲフィルタ１５とを有する。
赤＋緑のセルは、シリコンドット１３の径を２ｎｍとしたカラーフィルタ１１ＢとＩＲフィルタ１５とを有する。
赤＋緑＋青のセルは、シリコンドット１３のない、低屈折率の層１２のみのフィルタ１１ＣとＩＲフィルタ１５とを有する。
なお、フィルタなしのセル１１Ｄは、シリコンドット１３のない、低屈折率の層１２のみのフィルタ１１Ｃを有する。即ち、フィルタなしのセル１１Ｄでは、カラーフィルタの層は赤＋緑＋青のセルと同じであるが、ＩＲフィルタ１５を設けない。
ＩＲフィルタ１５を設けないフィルタなしのセル１１Ｄでは、可視光と赤外光とを受光検出し、ＩＲフィルタ１５を設けた他のセルでは、それぞれ上述の波長範囲の可視光を受光検出する。
フィルタなしのセル１１Ｄは、市松状に分布し、残りの画素の半分（１行おきかつ１列おき）に、赤＋緑のセル１１Ｂが配置され、もう半分に、赤のセル１１Ａと赤＋緑＋青のセル１１Ｃとが互い違いに配置されている。
このような構成とすることにより、可視光の赤・緑・青の各成分を読み取るだけでなく、入射光の赤外成分をも読み取ることが可能になる。
これにより、撮影した画像のコントラストを促進するだけでなく、いわゆる『ナイトモード』の撮影も可能になる。
『ナイトモード』の絵では、とりわけ低い光量レベルで撮影されるので、通常のカメラは固有なバックグラウンドのノイズから画像を読み取ることができないが、入射光の赤外成分をも検出することにより、画像を読み取ることが可能になる。
続いて、図１に示した固体撮像素子１０を一部変形した、さらに他の形態を、図１２Ａ及び図１２Ｂにそれぞれ示す。図１２Ａ及び図１２Ｂは、一画素分の断面図を示している。
これらの各形態では、カラーフィルタ１１の位置が、絶縁層５の中間部、配線層３よりも少し上層の位置にまで持ち上げられている構成である。
特に、図１２Ｂに示す形態では、層内レンズ８（８Ａ，８Ｂ）と配線層３との間の高さに、カラーフィルタ１１を配置している。
ＣＭＯＳ型固体撮像素子では、受光部２よりも上層に、トランジスタ等のアクティブ要素やパッシブ要素が設けられ、これらの要素が配線層３により相互に接続される。
いくつかの製造上の観点から、要求される最終の製品によっては、これらの各要素や配線層を作製した後に、カラーフィルタ１１を作製した方が便利な場合もある。その場合、図１２Ａや図１２Ｂに示すように、配線層３よりも上層にカラーフィルタ１１を設けることが望ましい。
次に、図１２Ａの構成及び図１２Ｂの構成に対して、さらに内蔵ＩＲフィルタ１５を設けた構成を、図１３Ａ及び図１３Ｂにそれぞれ示す。
いずれの構成も、内蔵ＩＲフィルタ１５が、配線層３の上層に設けられたカラーフィルタ１１の上に設けてある。
図１３Ｂに示す構成では、カラーフィルタ１１と層内レンズ８との間に内蔵ＩＲフィルタが設けられている。
ところで、画素の微細化がさらに進むと、オンチップレンズの作製が困難になる。
そういう場合には、オンチップレンズ、即ち画素毎の集光手段を持たずに、各画素に直接入射させる。
本発明の量子ドットから成る光学的フィルタ層を採用することにより、オンチップレンズを設けない場合でも、色ずれや混色のないカラーイメージセンサを、実現することができる。
なお、オンチップレンズを設けない場合でも、カメラ全体に対応する光学レンズはあってもよい。
続いて、図１に示した固体撮像素子１０を一部変形した、さらに別の形態の断面図を、図１４に示す。図１４は、図１と同様に、４画素分の断面図を示している。
この形態では、カラーフィルタ１１（１１Ａ，１１Ｂ）が、受光部２の直上から左右の配線層３の間まで、具体的には３層目の配線層３の下まで、連続して設けられている構成である。
このように、受光部２の直上から配線層３の間まで連続して形成することにより、配線層３の間の空間を有効に利用することができる。
図１４に示す構成は、例えば、次のようにして、製造することができる。
まず、１層目及び２層目の配線層３及びこれらの配線層３を覆う絶縁層５を、順次形成する。
その後、配線層３の間の絶縁層５を除去して、受光部２の直上に達する開口を形成する。
続いて、この開口を埋めて、前述した作製方法により、量子ドット層からなるカラーフィルタ１１（１１Ａ，１１Ｂ）を形成する。
その後、表面を平坦化して、３層目の配線層３を形成し、表面を覆って絶縁層５を形成する。
上述の各実施の形態では、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用した場合を説明しているが、本発明はＣＣＤ固体撮像素子等、その他の固体撮像素子に適用することも可能である。
上述の各実施の形態では、シリコン基板を使用して、ＳｉＯ２の層中にシリコンの量子ドットを形成して、カラーフィルタを作製した場合を説明した。
化合物半導体基板や、シリコン以外のＩＶ族元素の基板を使用した場合でも、量子ドットを形成して、量子ドットの径を制御することにより、カラーフィルタを作製することが可能である。
また、量子ドットやその周囲の層には、シリコンやシリコン化合物以外の材料を使用することが可能である。
本発明は、上述の実施の形態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でその他様々な構成が取り得る。
本発明の一実施の形態の固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。 Ａ〜Ｃ 図１のカラーフィルタの構成の各形態を示す断面図である。 カラーフィルタの波長分布を示す図である。 図１のカラーフィルタの配列の一形態を示す平面図である。 図３の波長分布に、１．２ｎｍ径の量子ドットを用いたカラーフィルタの波長分布を加えた図である。 シリコンの量子ドットの径と光学的バンドギャップとの関係を示す図である。 Ａ、Ｂ 図１の固体撮像素子を一部変形した形態の一画素分の断面図である。 Ａ〜Ｃ 図１の固体撮像素子を一部変形した他の形態の一画素分の断面図である。 Ａ、Ｂ 図１の固体撮像素子を一部変形したさらに他の形態の一画素分の断面図である。 図９Ａ及び図９ＢのＩＲフィルタを構成する誘電体多層膜の一形態の断面図である。 図９Ａ及び図９Ｂの構成におけるカラーフィルタの配列の一形態を示す平面図である。 Ａ、Ｂ 図１の固体撮像素子を一部変形したさらに他の形態の一画素分の断面図である。 Ａ、Ｂ 図１の固体撮像素子を一部変形したさらに他の形態の一画素分の断面図である。 図１の固体撮像素子を一部変形したさらに別の形態の断面図である。 従来のカラーフィルタを用いたＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。 従来の層内レンズ及びカラーフィルタを用いたＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略構成図（断面図）である。
符号の説明
１ 半導体基体、２ 受光部、３ 配線層、４ 低反射膜、５ 絶縁層、６ 平坦化層、７ オンチップレンズ、８，８Ａ，８Ｂ 層内レンズ、１０ 固体撮像素子、１１，１１Ａ，１１Ｂ カラーフィルタ、１３ 量子ドット、１５ ＩＲフィルタ

Claims (2)

  1. 半導体基体に光電変換が行われる受光部が形成され、
    前記受光部が形成された前記半導体基体の表面上に、直接又は他の層を介して、ある波長範囲の可視光線を透過するカラーフィルタ層が設けられ、
    前記カラーフィルタ層は、層内に量子ドットが形成されて成り、
    前記量子ドットの材料がシリコンであり、前記量子ドットが埋め込まれた層の材料がシリコン酸化物又はシリコン窒化物であり、
    前記カラーフィルタ層は、それぞれ透過する光の波長範囲の異なる、少なくとも３種のフィルタを含み、
    前記少なくとも３種のフィルタは、前記量子ドットの径が、それぞれ２ｎｍ，３ｎｍである、２種のフィルタを含み、
    各画素の前記受光部上に、前記少なくとも３種のフィルタのいずれか１種のフィルタが配置されている
    固体撮像素子。
  2. 半導体基体に光電変換が行われる受光部が形成され、
    前記受光部が形成された前記半導体基体の表面上に、直接又は他の層を介して、ある波長範囲の可視光線を透過するカラーフィルタ層が設けられ、
    前記カラーフィルタ層は、層内に量子ドットが形成されて成り、
    前記量子ドットの材料がシリコンであり、前記量子ドットが埋め込まれた層の材料がシリコン酸化物又はシリコン窒化物であり、
    前記カラーフィルタ層は、それぞれ透過する光の波長範囲の異なる、少なくとも３種のフィルタを含み、
    前記少なくとも３種のフィルタは、前記量子ドットの径が、それぞれ１．２ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍである、３種のフィルタを含み、
    各画素の前記受光部上に、前記少なくとも３種のフィルタのいずれか１種のフィルタが配置されている
    固体撮像素子。
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