JP5374916B2 - 固体撮像素子及びその製造方法、カメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法、並びに、固体撮像素子を備えたカメラに係わる。

イメージセンサは、カメラやビデオのような多くの領域における応用を有するデバイスである。
これらのデバイスに使用されるイメージセンサは、多くの画素から構成されている。そして、画素の寸法や画素構造によって、デバイス全体の効率が決まる。

カラー用のデバイスでは、固体状態の、通常、有機材料を起源とする吸収カラーフィルタ材料を、各画素にそれぞれ設けることにより、画素のタイプが赤・緑・青の３色に分かれている。

画素内の効率を改善するために、画素サイズのレンズが通常用いられており、このことは入射光を画素の受光素子に焦点を結ぶように保って、画素に入射するできるだけ多くの光をその画素に捕捉させ、周囲の画素に拡散しないようにしている。

最近、いくつかの研究者らが、カラー画素に沿って、全ての可視光領域の光を受光するオープン画素を設けることを提案している（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）。
このオープン画素については、さらに、対象とする波長帯域が、可視光領域を超えていたり、赤外光領域にまで拡張されていたりする構成も、考えられている。

カラー画素に連結したオープン画素を使用することによって、非常に光強度レベルの低いカラー画像を生成することが可能になり、デバイスの応答性を改善する可能性を有している。

ところで、これまでは、色性能を改善するために、デバイスの外部に赤外カットフィルタを設けていた。
しかしながら、上述したスタイルのオープン画素を使用するデバイスにおいては、赤外カットフィルタは、赤外線のカットが必要とされるカラー画素だけにしか使用することができない。そのため、１画素単位でフィルタの有無の操作が可能なように、赤外カットフィルタがオンチップで作製される必要がある。
オンチップフィルタを使用することは、新しい考えではないが、実際の設計において実行することは難しい。

よく採用されているオンチップフィルタは、主として、屈折率が異なる材料を互い違いに多重に積層することによって、生成される必要な光の帯域を調整することを可能にする構成である（例えば、非特許文献１参照。）。

そのようなオンチップフィルタを用いるときには、エッチング技術を用いて、フィルタを必要とされる画素に独立して形成させる。
そして、今では原則として、可視光領域及び赤外光領域の任意の光帯域の光をオンチップで分離するオンチップフィルタを構成することが可能であり、従って、赤外又は白色光の画素を有するカラーイメージセンサが実用的であることを意味する。

これらの多層フィルタは、均一性と層の厚さの操作性を良くするために、通常は平面状の構造として堆積される（例えば、特許文献３及び特許文献４参照。）。

Inaba et al.,IEEE Electron Device Lett.,27,6,2006,pp.457 特開平６−２０５１７８号公報 米国特許第６２１１５２１号明細書 特開２００５−１７４９６７号公報 特開２００６−３５１８０１号公報

上述した構造のデバイスは、低いレベルの光に対して高い応答を約束するものであるが、工業的に製造可能とするためには、克服すべき２つの主要な欠点の代償を払うことになる。
それらの欠点とは、混色とｒｉｐｐｌｅ（波のでこぼこ）の問題である。
以下に、これらの欠点について説明する。

デバイス構造の内部に、通常はオンチップレンズとフォトダイオードとの間に、オンチップフィルタを導入すると、デバイスの全体の光学的高さが増大するので、画素のアスペクト比も増大する。
このことを、図９Ａ及び図９Ｂの断面図を参照して説明する。

図９Ａは、オンチップフィルタを導入していない構成の固体撮像素子（イメージセンサ）の断面図を示している。図９Ａは、２画素分の断面図を示しており、左の画素はカラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）であり、右の画素は、可視光領域全体の光を受光検出する、白色光の画素（Ｗ画素）である。カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）にはカラーフィルタ５６が形成されているが、白色光の画素（Ｗ画素）にはカラーフィルタ５６は形成されていない。

一方、図９Ｂは、カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）に、多層膜から成るオンチップフィルタ５９を導入した構成の固体撮像素子（イメージセンサ）の断面図を示している。図９Ｂも、２画素分の断面図を示しており、左の画素はカラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）である。この場合、オンチップフィルタ５９を設けることによって外部の赤外カットフィルタを省略するので、右の画素は、可視光領域全体に加えて、赤外光領域の光をも受光検出する画素であり、以下全域画素（Ａ画素）と称することとする。

図９Ｂを図９Ａと比較してわかるように、オンチップフィルタ５９を導入することにより、同じ画素サイズにおいて、オンチップフィルタ５９の分デバイス全体の光学的高さが増大し、画素のアスペクト比も増大する。
このように、画素のアスペクト比が増大することにより、混色が著しく増大し、言い換えれば、隣の画素へ漏れ入る光の量が増大する。

また、図９Ｂに示す構成において、白色光と赤外光とを受光検出する全域画素（Ａ画素）では、得られる信号強度が隣のカラー画素と比べてずっと多くなる。これにより、全域画素（Ａ画素）によって感度を向上して、低いレベルの光に対して高い応答を得ることができる。
しかしながら、混色が生じることによって全域画素から隣のカラー画素へ僅かな割合の光が漏れたとしても、隣のカラー画素信号の信号強度の変化が著しくなり、色を正確に再現することが難しくなる。

２番目の問題は、ｒｉｐｐｌｅ（波のでこぼこ）に関する。
デバイスの波長スペクトルを詳細に見ることにより、このｒｉｐｐｌｅ（波のでこぼこ）を確認することができる。
完全なデバイスとするためには、各カラー画素を通過する波長スペクトルが、赤の画素では赤といった、要求されている波長近辺を中心としたなめらかで広い帯域分布であるべきである。

しかし、デバイスの波長スペクトルを詳細に見たときに、ｒｉｐｐｌｅ（波のでこぼこ）が存在していると、なめらかで広い帯域分布である本来のスペクトルに、余分なうねりが挿入された状態を示す。

この波長スペクトルのうねりは、同じ水平構造内にあって著しい反射性を有する、少なくとも２つの境界面に起因する。
図９Ｂに示す構成においては、多層構造のオンチップフィルタ５９の最下層と絶縁層５２との境界面と、絶縁層５２とシリコン基板５１との境界面とが、これら２つの境界面に該当する。また、多層構造のオンチップフィルタ５９の最上層と絶縁層５２との境界面と、絶縁層５２と層内レンズ５４との境界面とが、同様に、２つの境界面に該当する。
そして、これら２つの境界面の間に、光が瞬間的に捕捉されて、キャビティと呼ばれる構造の内部で循環する。
これにより、図９Ｂにおいて矢印で示すように、オンチップフィルタ５９の下及び上にあるキャビティ構造で、それぞれ捕捉された光が循環することになる。

前述した２つの境界面の間隔によって、設定された距離内でのこの循環のために、その捕捉された光の波長がその設定された距離と合うかどうかに依存して、光の強度が変化して、結果として光出力が波長によって振動する。
この変化の期間が、構造内の層の厚さに密接に関連するので、これらの層の厚さのちょっとした変化が、うねりの波長依存性をシフトさせる。

従って、もし、製造プロセスの間に、いくつかの層が基板のシリコンウェハに沿って厚さの変化を有してしまうと、イメージセンサのチップが元のウェハのどこから取られたかによって、うねりのスペクトルが決まることになる。そして、この場合、元のウェハ内の位置によって、イメージセンサの波長スペクトルが異なることになる。
デバイスを安定して製造することが難しくなる。
うねりの発生は、さらに、赤・緑・青の画素の波長スペクトルを変形してしまうことから、色を再現する際に真の色の生成を行うことが難しくなるという問題になる。

このように、赤・緑・青のカラー画素及び全域画素から成るデバイスを構成するために、オンチップフィルタを導入する先行技術を使用すると、混色の問題を大きくし、また波長スペクトルのうねりの影響でスペクトルが変形してしまう、という結果になる。
このことが、これらのタイプのセンサを製品レベルにまで開発することが難しいことを証明している。

上述した問題の解決のために、本発明においては、オンチップフィルタを備えて、低いレベルの光に対して高い応答を得ることができる固体撮像素子及びその製造方法、並びに固体撮像素子を備えたカメラを提供するものである。

本発明の固体撮像素子は、可視光領域の特定の色の光を検出するカラー画素、並びに、可視光領域及び赤外光領域を検出する全域画素を含む画素を含む。
また、本発明の固体撮像素子は、画素毎に形成された受光部を有する基体を含む。
また、本発明の固体撮像素子は、カラー画素において、基体の上方に設けられ、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成り、複数の材料の層の各層が上に凸な曲面形状であり、画素の周辺部においては平坦に形成されているオンチップフィルタを含む。
また、本発明の固体撮像素子は、全域画素において、カラー画素のオンチップフィルタに隣接して設けられ、側壁面は下方が狭くなるような斜面に形成され、オンチップフィルタの複数の材料とは屈折率が異なる材料が埋め込まれた、光導波路を含む。

上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、カラー画素において、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成るオンチップフィルタを設けているので、このオンチップフィルタによって波長領域（例えば、赤外光領域）の光をカットすることができる。これにより、外部赤外カットフィルタ等の、外部のフィルタを設ける必要がなくなる。
そして、可視光領域及び赤外光領域を検出する全域画素を設けていることにより、入射光が低いレベルであっても、全域画素で受光・検出することが可能になる。また、全域画素とカラー画素とを合わせて、入射光が低いレベルであっても、カラー画像を得ることが可能になる。

また、本発明の固体撮像素子の構成によれば、オンチップフィルタの複数の材料の層の各層が曲面形状であるため、オンチップフィルタにレンズ作用を生じさせて、オンチップフィルタにおいても入射した光を集束させることができる。これにより、隣接する画素への光の漏れ、即ち混色を抑制することができる。さらに、シェーディング特性を改善することもできる。
しかも、オンチップフィルタの複数の材料の層の各層が曲面形状であるため、２つの境界面の間に光が捕捉されても、境界面で反射するうちに発散してしまう。これにより、カラー画素で受光・検出される光の波長スペクトルにおいて、余分なうねりの発生が著しく抑制され、問題とならないレベルにまで低減される。

また、本発明の固体撮像素子の構成によれば、全域画素において、カラー画素のオンチップフィルタに隣接して、オンチップフィルタの複数の材料とは屈折率が異なる材料が埋め込まれた光導波路を設けている。
これにより、全域画素に入射した光を光導波路によって導くことができ、さらに、全域画素に斜めに入射した光を、光導波路の側壁面で反射させて、基体の受光部に入射させることが可能になる。そして、全域画素から隣接する画素への光漏れを著しく低減することが可能になる。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、可視光領域の特定の色の光を検出するカラー画素、並びに、可視光領域及び赤外光領域を検出する全域画素を含む画素を含む固体撮像素子を製造する。
そして、基体に各画素の受光部を形成する工程と、基体上に形成された、上面が上に凸な曲面形状の層の上に、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成り、複数の材料の層の各層が上に凸な曲面形状であり、画素の周辺部においては平坦に形成されているオンチップフィルタを形成する工程とを有する。
さらに、全域画素のオンチップフィルタを選択的に除去して、側壁面を下方が狭くなるような斜面とした、穴を形成する工程と、この穴を埋めて、オンチップフィルタの複数の材料とは屈折率が異なる材料を埋め込んで、全域画素に光導波路を形成する工程とを有する。
さらに、カラー画素にカラーフィルタを形成する工程とを有する。

上述の本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成るオンチップフィルタを形成し、全域画素のオンチップフィルタを選択的に除去するので、カラー画素にオンチップフィルタが残る。このオンチップフィルタによって波長領域（例えば、赤外光領域）の光をカットすることができる。これにより、外部赤外カットフィルタ等の、外部のフィルタを設ける必要がなくなる。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、基体上に形成された、上面が曲面形状の層の上に、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成り、複数の材料の層の各層が曲面形状であるオンチップフィルタを形成するので、オンチップフィルタの複数の材料の層の各層が曲面形状に形成される。これにより、前述したように、オンチップフィルタにレンズ作用を生じさせて、オンチップフィルタにおいても入射した光を集束させることができる。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、全域画素において、オンチップフィルタを選択的に除去して、穴を形成し、この穴を埋めて、オンチップフィルタの複数の材料とは屈折率が異なる材料を埋め込んで、光導波路を形成している。これにより、前述したように、全域画素から隣接する画素への光漏れを著しく低減することが可能になる。

本発明のカメラは、前記本発明の固体撮像素子を備えたものである。
本発明のカメラによれば、前記本発明の固体撮像素子を備えたことにより、入射光が低いレベルであっても、全域画素で受光・検出することが可能になる。また、入射光が低いレベルであっても、カラー画像を得ることが可能になる。また、混色を抑制することができ、シェーディング特性を改善することもできる。

上述の本発明によれば、入射光が低いレベルであっても、全域画素で受光・検出することが可能になり、また、全域画素とカラー画素とを合わせて、入射光が低いレベルであっても、カラー画像を得ることが可能になる。
従って、低いレベルの光に対して高い応答を得ることができる。

また、本発明によれば、混色を抑制することができる。
さらに、カラー画素における波長スペクトルの余分なうねりの発生を抑制することができるため、真の色を正しく再現することができる。
これにより、画質の良好な画像が得られる。
従って、本発明により、低いレベルの光に対して高い応答を得る固体撮像素子及びカメラを実現することができる。

本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
本実施の形態は、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用した場合を示している。

この固体撮像素子は、シリコン基板１内に、図示しないが、フォトダイオードから成る受光部が画素毎に形成されて成る。
シリコン基板１には、さらに、図示しないが、画素内のＭＯＳトランジスタ（電荷の転送トランジスタ、増幅トランジスタ、画素の選択トランジスタ等）や周辺回路のＭＯＳトランジスタが形成されている。

シリコン基板１の上方には、絶縁層２中に、配線層３が形成されている。
これらの配線層３は、画素のフォトダイオードや図示しないトランジスタと、周辺回路や外部とを接続する、金属配線である。そして、これらの配線層３の間を光が通過して、シリコン基板１中の受光部（フォトダイオード）に入射する。
なお、絶縁層２は、１つの層として示しているが、材料や形成方法が異なる複数の絶縁層から成る場合もある。
最上部には、入射光を集束させるためのオンチップレンズ８が形成されている。

各画素のシリコン基板１とオンチップレンズ８との中間の高さに、層内レンズ４が設けられている。この層内レンズ４は、下面が平面であり、上面が上に凸な曲面となっている。また、各画素の周辺部及び画素間の部分では、平坦な形状となっている。
この層内レンズ４を設けたことにより、オンチップレンズ８で集束された光を、さらに集束させて、各画素のシリコン基板１の受光部に導くことができる。

図１は、２画素分の断面図を示しており、左の画素が可視光領域の特定の色を検出するためのカラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）であり、右の画素が可視光領域全体と赤外光領域とを受光検出する全域画素（Ａ画素）である。
カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）では、オンチップレンズ８の下に、その画素の所定の色のカラーフィルタ６が設けられている。
全域画素（Ａ画素）では、オンチップレンズ８の下は、透明な絶縁層７であり、カラーフィルタ６は設けられていない。
カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）と全域画素（Ａ画素）とを有することにより、入射光が低いレベルであっても、両者の検出結果を合わせて、カラー画像を得ることが可能になる。

本実施の形態の固体撮像素子においては、特に、３色Ｒ，Ｇ，Ｂのカラー画素の層内レンズ４とカラーフィルタ６との間に、多層膜から成るオンチップフィルタ１０を設けている。
そして、このオンチップフィルタ１０は、互いに屈折率の異なる２種類の膜１０Ａ及び１０Ｂが交互に積層されて成る。これら２種類の膜１０Ａ，１０Ｂは、赤外光をカットしてシリコン基板１の受光部に赤外光を入射させないように、材料（屈折率）や厚さを選定する。
また、このオンチップフィルタ１０を構成する２種類の膜１０Ａ，１０Ｂは、層内レンズ４の上面（凸面）の曲面形状を反映して、上に凸の曲面形状となっている。
さらに、このオンチップフィルタ１０は、画素の中央部を含む大部分では上に凸の曲面形状であり、画素の周辺部ではほぼ平坦になっている。

層内レンズ４とオンチップフィルタ１０との間には、透明な埋め込み層５が設けられている。

オンチップフィルタ１０の２種類の膜１０Ａ，１０Ｂの材料としては、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコン、二酸化シリコン、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、カルシウムフッ化物、マグネシウムフッ化物、ジルコン酸化物、ニオブ酸化物、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、インジウム錫酸化物から選ばれる、屈折率の異なる２つの材料の組み合わせとすることが可能である。

また、これらの膜１０Ａ，１０Ｂの厚さは、カットする必要がある光の波長に対応して選定する。例えば、赤外光領域の光をカットするように、オンチップフィルタ１０の２種類の膜１０Ａ，１０Ｂの厚さを選定する。

オンチップフィルタ１０を設けたことにより、外部赤外カットフィルタのような、外部フィルタを設ける必要がなくなる。この点は、図９Ｂに示した構成と同様である。
外部フィルタを省略することにより、固体撮像素子を備えたデバイス（例えば、カメラ装置やカメラ機能を有する携帯電話等のカメラ）において、小型化や軽量化を図ることが可能になる。

さらに、本実施の形態の固体撮像素子においては、カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）に隣接する全域画素（Ａ画素）において、カラー画素のオンチップフィルタ１０と同じ高さ位置に、入射光を導く光導波路１１が形成されている。
この光導波路１１は、透明な埋め込み層５の上のオンチップフィルタ１０の多層膜の部分を除去した穴の内部に、周囲のオンチップフィルタ１０とは屈折率が異なる材料から成る埋め込み層１２を埋め込んで成る。なお、この埋め込み層１２は、光導波路１１の穴を埋めてその上方に全面的に形成されており、カラー画素ではオンチップフィルタ１０とカラーフィルタ６との間に埋め込まれている。

そして、光導波路１１の側壁面は、光導波路１１の下方が狭くなるような斜面となっている。
これにより、図中矢印で示すように、全域画素（Ａ画素）に斜めに入射した光を、光導波路１１の側壁面で反射させて、シリコン基板１の受光部に入射させることが可能になる。
従って、全域画素（Ａ画素）で受光する光量を増やして、全域画素（Ａ画素）の感度を向上することができる。
また、全域画素（Ａ画素）では、オンチップフィルタ１０の多層膜を除去しているので、可視光だけでなく、赤外光をも受光検出することが可能になる。

光導波路１１を構成する埋め込み層１２には、全域画素で検出する光を透過させると共に、埋め込む空間の壁部を形成している材料（オンチップフィルタ１０の２種類の膜１０Ａ，１０Ｂ）と屈折率が異なる材料を選定する。
埋め込み層１２の材料としては、炭化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコン、二酸化シリコン、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、カルシウムフッ化物、マグネシウムフッ化物、ジルコン酸化物、ニオブ酸化物、アルミニウム酸化物、亜鉛酸化物、錫酸化物、インジウム錫酸化物等の無機材料を使用することが可能である。さらに、有機ポリマー材料の内部に高い屈折率の材料を分散させたポリマーバインダを使用することも可能である。

図１に示す本実施の形態の固体撮像素子は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、シリコン基板１、絶縁層２、配線層３、オンチップレンズ４の各層を、図９Ａに示したオンチップフィルタを導入していない従来の構成と同様に形成する。
次に、オンチップレンズ４の上に、透明な埋め込み層５を形成する。このとき、透明な埋め込み層５の上面に、オンチップレンズ４の上面の曲面形状が反映されるように、埋め込み層５の厚さを選定する。
続いて、埋め込み層５の上に、オンチップフィルタ１０の多層膜を形成する。即ち、２つの膜１０Ａ，１０Ｂを交互に積層する。
その後、フォトリソグラフィ法により、カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）を含む全域画素（Ａ画素）以外の部分をマスクで覆って、全域画素（Ａ画素）のオンチップフィルタ１０を選択的にエッチングする。このエッチングは、標準的なドライエッチング技術又はウエットエッチング技術により、容易に行うことができる。このとき、エッチングの条件を選定することによって、全域画素（Ａ画素）のオンチップフィルタ１０を除去して形成される穴の側壁面を所望の傾斜角の斜面に形成することが可能である。
次に、全域画素（Ａ画素）のオンチップフィルタ１０を除去して形成された穴を埋めて、全面的に、周囲のオンチップフィルタ１０とは屈折率が異なる適切な材料による埋め込み層１２を形成する。
次に、この埋め込み層１２の表面を平坦化する。その後、その平坦面上に、カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）において、対応する色のカラーフィルタ６を形成する。また、全域画素（Ａ画素）においては、カラーフィルタ６の代わりに、透明な絶縁層７を形成する。
次に、各画素に、オンチップレンズ８を形成する。
このようにして、図１に示した固体撮像素子を製造することができる。

上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、多層膜１０Ａ，１０Ｂから成り、赤外光をカットするオンチップフィルタ１０が、中央部は上に凸の曲面形状であり、オンチップフィルタ１０の周辺部は、ほぼ平坦になっている。
これにより、デバイス特性を向上する、以下の２つの効果を生じる。

第１の効果は、中央部の上に凸の曲面形状によってレンズ作用が生じるので、オンチップレンズ８、層内レンズ４に加えて、第３のレンズとして作用して、画素に入射する光をさらに集束させることである。これにより、オンチップフィルタ１０を導入することによって、高さが増大しアスペクト比が大きくなっても、シリコン基板１の受光部に光を集束させることができる。
従って、図９Ｂに示した、平坦なオンチップフィルタ５９を導入した構成と比較して、入射光をより集束させることができるため、隣接する画素への光の漏れ、即ち混色を抑制することができる。

第２の効果は、オンチップフィルタ１０の多層膜が曲面形状であるため、図９Ｂに矢印で示したような、捕捉された光の循環が生じないことである。仮に２つの境界面の間に光が捕捉されても、少なくともオンチップフィルタ１０側の境界面が曲面であるため、境界面で反射するうちに、発散してしまう。
これにより、カラー画素で受光・検出される光の波長スペクトルにおいて、余分なうねりの発生が著しく抑制され、問題とならないレベルにまで低減される。
従って、色を再現する際に真の色を正しく再現することができる。
また、波長スペクトルの余分なうねりが問題ないレベルにまで低減されるので、製造時の層の厚さのばらつきによる波長スペクトルへの影響をほとんどなくすことができる。これにより、製造歩留まりを向上し、安定して製造を行うことができる。

そして、混色を抑制すると共に、真の色を正しく再現することから、画質の良好な画像が得られる。

また、本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、全域画素（Ａ画素）において、周囲の層よりも屈折率の高い材料の層１２を埋め込んで成る光導波路１１が形成されている。
さらに、この光導波路１１の側壁面が、光導波路１１の下方が狭くなるような斜面となっている。
これにより、全域画素（Ａ画素）に斜めに入射した光を、光導波路１１の側壁面で反射させて、シリコン基板１の受光部に入射させることが可能になる。そして、オンチップフィルタ１０を導入することによって、高さが増大しアスペクト比が大きくなっても、シリコン基板１の受光部に光を集束させることができる。
従って、全域画素（Ａ画素）で受光する光量を増やして、全域画素（Ａ画素）の感度を向上することができる。

上述した、カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ画素）に形成された曲面形状のオンチップフィルタ１０と、全域画素（Ａ画素）に形成された側壁面を有する光導波路１１とによって、オンチップフィルタ１０の導入による高さの増大の問題を解決することが可能になる。
即ち、オンチップフィルタ１０の導入によって高さが増大しているにもかかわらず、混色のレベルを少なくとも従来のオンチップフィルタのないデバイスと同じ程度に保つことを可能にする。

また、本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、上面が曲面形状の層内レンズ４の上に、埋め込み層５を介して、オンチップフィルタ１０を形成しているため、層内レンズ４の上面の曲面形状をオンチップフィルタ１０に反映させて、オンチップフィルタ１０を容易に曲面形状とすることができる。

さらに、本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、上述したように、各画素において、オンチップフィルタ１０や光導波路１１の側壁面の作用によって、光を集束させて、シリコン基板１の受光部に入射させることができるので、混色を抑制すると共に、所謂シェーディング特性を改善することができる。
シェーディングは、応答の強度が、外部レンズが入射光を集束させるセンサ中心で最大であり、センサ角部で最少である、という特質である。
そのため、センサ中心から画素が離れるにつれて光の入射角度がより鋭角となり、補正されていない画像ではセンサ角部や端部の画像がセンサ中心部に比較して暗くなる。
もちろん、センサの中心部と角部との間の応答の違いが比較的小さい場合には、補正を行うことが可能であるが、応答の違いが大きくなると、明るさの違いが大きくなり補正を行うことが困難になる。

ここで、図１に示した上述の本発明の実施の形態の構成と、図９Ｂに示した従来のオンチップフィルタを導入した構成とで、それぞれシェーディングの発生状況を測定した。
測定結果を、図２に示す。図２において、横軸は、イメージセンサ（固体撮像素子）の矩形のセンサの対角線上の位置を表しており、中央がセンサの中心で、左右端がセンサの角部である。縦軸は、画素の応答（出力）を示しており、センサ中心で１００となるように規格化されている。「本発明のフィルタ」は図１に示した本発明の実施の形態の構成の測定結果を示し、「従来のフィルタ」は図９Ｂに示した従来のオンチップフィルタを導入した構成の測定結果を示している。

図２より、従来のフィルタ（平坦面の積層膜のオンチップフィルタ５９）では、センサ角部で応答が劇的に落ちているのがわかる。このレベルまで応答が落ちると、補正を実行することが難しくなる。
これに対して、本発明のフィルタ（図１の曲面形状のオンチップフィルタ１０）では、シェーディングのレベルが従来のフィルタの１／３程度に低減されていて、シェーディングが、より容易に補正することが可能な程度内にまで低減されている。

さらにまた、上述の本実施の形態の固体撮像素子は、オンチップフィルタ１０が画素の周辺部ではほぼ平坦になっていて、曲面形状の部分と連続していることにより、積層膜の間に捕捉された光が、迷光として画素の受光部に向わないようにすることができる、という利点を有している。

ここで、本実施の形態に対する比較対照として、オンチップフィルタを曲面形状の部分だけとした構成を、図３に示す。
図３に示す構成は、屈折率の異なる２種類の膜２０Ａ，２０Ｂの積層膜からなるオンチップフィルタ２０が、球面形状に形成されている。２１はオンチップフィルタ２０を通っていない光の通過を防ぐための遮光膜である。
実線で示す通常の光は、球面形状のオンチップフィルタ２０のレンズ作用で集束されて、図示しない受光部を有するシリコン基板に入射する。ところが、積層膜２０Ａ，２０Ｂの一方の膜、例えば第２の膜２０Ｂに捕捉される光があり、このような光は、球面形状の第２の膜２０Ｂに沿って移動し、図中一点鎖線で示すように、第２の膜２０Ｂを出て散乱し、下方のシリコン基板１へ向かう。このような光（迷光）が受光部に入ると、通常の光に対してノイズになり、また隣の画素の受光部に入ると混色の原因ともなる。

一方、本実施の形態の構成の場合を、図４に示す。
図４に示すように、オンチップフィルタ１０の積層膜１０Ａ，１０Ｂの第２の膜１０Ｂに捕捉された光は、横方向に移動していき、受光部のあるシリコン基板１には向わない。
なお、全域画素（Ａ画素）にはオンチップフィルタ１０がなく、埋め込み層１２になっているが、この図４に示す横方向に移動した光が埋め込み層１２に出ても、屈折や散乱してシリコン基板１に向う量はごくわずかである。
従って、本実施の形態の固体撮像素子では、オンチップフィルタ１０が画素の周辺部ではほぼ平坦になっていて、曲面形状の部分と連続していることにより、積層膜１０Ａ，１０Ｂの間に捕捉された光が、画素の受光部に向わないようにすることが可能になる。

続いて、本発明の固体撮像素子のその他の実施の形態を、以下にいくつか示す。

次に、本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態の概略断面図を、図５に示す。
本実施の形態は、図１に示した先の実施の形態の構成と比較して、層内レンズ４とオンチップフィルタ１０との上下関係を逆にして、層内レンズ４よりも下方にオンチップフィルタ１０を設けた構成である。
オンチップフィルタ１０（１０Ａ，１０Ｂ）は、上面が曲面形状とされた絶縁層２の上に形成されている。
光導波路１１を構成する埋め込み層１２と、層内レンズ４との間には、屈折率を調整して、層内レンズ４と埋め込み層１２とを光学的に結合させる、屈折率調整層１３が設けられている。
また、層内レンズ４の上方のカラーフィルタ６の下には、層内レンズ４とカラーフィルタ６とを連絡させる相互連絡層１４が設けられている。
その他の構成は、図１に示した先の実施の形態と同じであるので、重複説明を省略する。

この第２の実施の形態の場合、オンチップフィルタ１０の曲面形状を形成するために、絶縁層２の上面を曲面形状とする必要があり、製造の際に、絶縁層２の上面を曲面形状とする工程を行うことになる。そのため、第１の実施の形態と比較すると、工程数が増えてやや手間がかかる。

本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、先の実施の形態と同様に、以下に挙げる効果が得られる。
即ち、混色を抑制することができる。そして、オンチップフィルタ１０の導入によって高さが増大しているにもかかわらず、混色のレベルを少なくとも従来のオンチップフィルタのないデバイスと同じ程度に保つことを可能にする。
また、色を再現する際に真の色を正しく再現して、画質の良好な画像を得ることが可能になる。そして、製造時の層の厚さのばらつきによる波長スペクトルへの影響をほとんどなくして、製造歩留まりを向上し、安定して製造を行うことができる。
また、シェーディング特性を改善することができる。
また、オンチップフィルタ１０の積層膜１０Ａ，１０Ｂの間に捕捉された光が、画素の受光部に向わないようにすることが可能になる。

次に、本発明の固体撮像素子の第３の実施の形態の概略断面図を、図６に示す。
本実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態の構成と比較して、層内レンズ４がない構成である。
層内レンズ４がない分、全体の高さが低くなっている。
その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同じであるので、重複説明を省略する。

この第３の実施の形態の場合も、オンチップフィルタ１０の曲面形状を形成するために、絶縁層２の上面を曲面形状とする必要があり、製造の際に、絶縁層２の上面を曲面形状とする工程を行うことになる。

本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、先の実施の形態と同様に、以下に挙げる効果が得られる。
即ち、混色を抑制することができる。そして、オンチップフィルタ１０の導入によって高さが増大しているにもかかわらず、混色のレベルを少なくとも従来のオンチップフィルタのないデバイスと同じ程度に保つことを可能にする。
また、色を再現する際に真の色を正しく再現して、画質の良好な画像を得ることが可能になる。そして、製造時の層の厚さのばらつきによる波長スペクトルへの影響をほとんどなくして、製造歩留まりを向上し、安定して製造を行うことができる。
また、シェーディング特性を改善することができる。
また、オンチップフィルタ１０の積層膜１０Ａ，１０Ｂの間に捕捉された光が、画素の受光部に向わないようにすることが可能になる。

次に、本発明の固体撮像素子の第４の実施の形態の概略断面図を、図７に示す。
本実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態の構成に加えて、さらに、光導波路１１の側壁面及び底面に、屈折率の高い材料から成る高屈折率層１５を設けた構成である。
高屈折率層１５は、光導波路１１の内部や透明な埋め込み層５等、周囲の層の材料よりも屈折率の高い材料によって形成する。
この高屈折率層１５は、光導波路１１の穴を形成した後に、穴の表面（側壁面及び底面）に屈折率の高い材料を塗布することにより、形成することができる。
その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同じであるので、重複説明を省略する。

本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、先の実施の形態と同様に、以下に挙げる効果が得られる。
即ち、混色を抑制することができる。そして、オンチップフィルタ１０の導入によって高さが増大しているにもかかわらず、混色のレベルを少なくとも従来のオンチップフィルタのないデバイスと同じ程度に保つことを可能にする。
また、色を再現する際に真の色を正しく再現して、画質の良好な画像を得ることが可能になる。そして、製造時の層の厚さのばらつきによる波長スペクトルへの影響をほとんどなくして、製造歩留まりを向上し、安定して製造を行うことができる。
また、シェーディング特性を改善することができる。
また、オンチップフィルタ１０の積層膜１０Ａ，１０Ｂの間に捕捉された光が、画素の受光部に向わないようにすることが可能になる。

さらに、本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、特に、光導波路１１の側壁面及び底面に高屈折率層１５を形成している。
これにより、光導波路１１の側壁面に入射した光を、高屈折率層１５とオンチップフィルタ１０の積層膜１０Ａ，１０Ｂとの境界面で反射させることができる。
従って、図１に示した第１の実施の形態の構成よりも、さらに、光導波路１１の側壁面で反射する光量を増やして、シリコン基板１の受光部に向う光の量を増大させることが可能になる。

次に、本発明の固体撮像素子の第５の実施の形態の概略断面図を、図８に示す。
本実施の形態は、図５に示した第２の実施の形態の構成と比較して、オンチップフィルタ１０（１０Ａ，１０Ｂ）及び光導波路１１の形状を、図５の上に凸な曲面形状から、いずれも下に凸な曲面形状に変えた構成である。
なお、図５に示した第２の実施の形態では、光導波路１１の側壁面が直線状に傾斜していたが、本実施の形態では、光導波路１１の側壁面が傾斜した曲面に形成されている。このような傾斜した曲面の側壁面は、例えば、ウエットエッチング技術によって、形成することが可能である。
その他の構成は、図５に示した第２の実施の形態と同じであるので、重複説明を省略する。

この第５の実施の形態の場合、オンチップフィルタ１０の曲面形状を形成するために、絶縁層２の上面を凹曲面形状とする必要があり、製造の際に、絶縁層２の上面を曲面形状とする工程を行うことになる。

本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、先の実施の形態と同様に、以下に挙げる効果が得られる。
即ち、混色を抑制することができる。そして、オンチップフィルタ１０の導入によって高さが増大しているにもかかわらず、混色のレベルを少なくとも従来のオンチップフィルタのないデバイスと同じ程度に保つことを可能にする。
また、色を再現する際に真の色を正しく再現して、画質の良好な画像を得ることが可能になる。そして、製造時の層の厚さのばらつきによる波長スペクトルへの影響をほとんどなくして、製造歩留まりを向上し、安定して製造を行うことができる。
また、シェーディング特性を改善することができる。
また、オンチップフィルタ１０の積層膜１０Ａ，１０Ｂの間に捕捉された光が、画素の受光部に向わないようにすることが可能になる。

上述の各実施の形態では、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用した場合であったが、本発明は、その他の構成の固体撮像素子にも適用することが可能である。例えば、ＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサ）にも、同様に、本発明を適用することができる。

上述の各実施の形態では、フォトダイオードから成る受光部がシリコン基板１に形成されている構成としていたが、本発明において、受光部が形成されている基体は、シリコン基板１に限定されるものではない。例えば、シリコン以外の半導体から成る半導体基体や、半導体基板上に半導体エピタキシャル層が形成された半導体基体等にも、本発明を適用することが可能である。

上述の各実施の形態では、いずれも、光を配線層３と同じ側からシリコン基板１の受光部に入射させる、所謂表面照射型構造であった。
これに対して、配線層を基板に対してオンチップレンズ及びオンチップフィルタとは反対の側に形成して、配線層とは反対の側から基板に光を入射させる、所謂裏面照射型構造を有する固体撮像素子にも、同様に本発明を適用することが可能である。

上述の各実施の形態では、光導波路１１の側壁面は、光導波路１１の下方が狭くなるような斜面となっていた。
本発明では、そのような構成に限定されるものではなく、光導波路の側壁面を基体の主面にほぼ垂直に形成した構成も含むものである。このような構成でも、光導波路の側壁面に入射した光を反射させることができる。
なお、光導波路の側壁面の傾斜の具合は、光導波路となる穴を形成する工程（エッチング工程等）の条件や、形成する穴の深さ等による。一般的に採用されているエッチングの条件では、少し傾斜した斜面となるのが普通である。

また、本発明において、オンチップフィルタを設ける位置は、上述した各実施の形態の位置に限定されるものではなく、例えば、オンチップレンズのさらに上にオンチップフィルタを設けることも可能である。

本発明の固体撮像素子を備えて、本発明のカメラを構成することができる。本発明のカメラを適用できるカメラとしては、カメラ装置やカメラ機能を有する携帯電話等が挙げられる。

本発明のカメラの一実施の形態として、カメラの構造を、図１０に示す。
本実施形態に係るカメラは、動画撮影可能なビデオカメラである。
本実施形態に係るカメラは、半導体撮像装置１００と、光学系１１０と、シャッタ装置１１１と、駆動回路１１２と、信号処理回路１１３とを有する。
光学系１１０は、被写体からの像光（入射光）を、半導体撮像装置１００の撮像面上に結像させる。これにより、半導体撮像装置１００内に一定期間当該像光による信号電荷が蓄積される。
シャッタ装置１１１は、半導体撮像装置１００への光照射期間及び遮光期間を制御する。
駆動回路１１２は、半導体撮像装置１００の転送動作及びシャッタ装置１１１のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路１１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、半導体撮像装置１００の電圧検出又は電荷転送を行う。信号処理回路１１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリ等の記憶媒体に記憶される、或いは、モニタに出力される。
そして、図１０のカメラにおいては、本発明の固体撮像素子を用いて半導体撮像装置１００を構成する。

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。

本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態の概略構成図（断面図）である。 図１の固体撮像素子と図９Ｂの固体撮像素子の、シェーディングの発生状況の測定結果を示す図である。 オンチップフィルタを曲面形状の部分だけとした構成に生ずる光を示す図である。 図１の固体撮像素子において生ずる光を示す図である。 本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態の概略構成図（断面図）である。 本発明の固体撮像素子の第３の実施の形態の概略構成図（断面図）である。 本発明の固体撮像素子の第４の実施の形態の概略構成図（断面図）である。 本発明の固体撮像素子の第５の実施の形態の概略構成図（断面図）である。 Ａ オンチップフィルタを導入していない固体撮像素子の概略断面図である。 Ｂ 内部にオンチップフィルタを導入した固体撮像素子の概略断面図である。 本発明のカメラの一実施の形態のカメラの構造を示す図である。

符号の説明

１ シリコン基板、２ 絶縁層、３ 配線層、４ 層内レンズ、５ 埋め込み層、６ カラーフィルタ、８ オンチップレンズ、１０ オンチップフィルタ、１１ 光導波路、１２ 埋め込み層、１３ 屈折率調整層、１５ 高屈折率層、１００ 半導体撮像装置、１１０ 光学系、１１１ シャッタ装置、１１２ 駆動回路、１１３ 信号処理回路

Claims (6)

1. 可視光領域の特定の色の光を検出するカラー画素、並びに、可視光領域及び赤外光領域を検出する全域画素を含む画素と、
   前記画素毎に形成された受光部を有する基体と、
   前記カラー画素において、前記基体の上方に設けられ、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成り、前記複数の材料の層の各層が上に凸な曲面形状であり、前記画素の周辺部においては平坦に形成されているオンチップフィルタと、
   前記全域画素において、前記カラー画素の前記オンチップフィルタに隣接して設けられ、側壁面は下方が狭くなるような斜面に形成され、前記オンチップフィルタの前記複数の材料とは屈折率が異なる材料が埋め込まれた、光導波路とを含む
   固体撮像素子。
2. 前記基体とオンチップレンズとの間において、さらに、上面が曲面形状である層内レンズを有し、
   前記オンチップフィルタの曲面形状が、前記層内レンズの上方に設けられており、前記層内レンズの前記上面の曲面形状を反映している
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記基体とオンチップレンズとの間において、さらに、層内レンズを有し、
   前記オンチップフィルタは、前記層内レンズの下方に設けられている
   請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記光導波路の側壁面に屈折率の高い材料の層が形成されている
   請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 可視光領域の特定の色の光を検出するカラー画素、並びに、可視光領域及び赤外光領域を検出する全域画素を含む画素を含む固体撮像素子を製造する方法であって、
   基体に各前記画素の受光部を形成する工程と、
   前記基体上に形成された、上面が上に凸な曲面形状の層の上に、屈折率の異なる複数の材料の層が積層されて成り、前記複数の材料の層の各層が上に凸な曲面形状であり、前記画素の周辺部においては平坦に形成されているオンチップフィルタを形成する工程と、
   前記全域画素の前記オンチップフィルタを選択的に除去して、側壁面を下方が狭くなるような斜面とした、穴を形成する工程と、
   前記穴を埋めて、前記オンチップフィルタの前記複数の材料とは屈折率が異なる材料を埋め込んで、前記全域画素に光導波路を形成する工程と、
   前記カラー画素に、カラーフィルタを形成する工程とを有する
   固体撮像素子の製造方法。
6. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備えた
   カメラ。

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