JP6638347B2 - 固体撮像素子および電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子および電子機器に関する。
近年では、ビデオカメラ、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に搭載される撮像装置の高画素化が進められている。撮像装置に組み込まれるＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等の固体撮像素子の画素微細化に伴い、１画素あたりに入射する光量減少による感度低下が問題となっている。
一般的なＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーには、画素ごとに特定の波長の光を透過するためのカラーフィルタが形成される。最も一般的な構成では、赤色の光を通すＲフィルタ、青色の光を通すＢフィルタ、緑色の光を通すＧフィルタが、市松模様状に配置される。固体撮像装置に入射した光は、カラーフィルタによって画素ごとに特定の色に選別されて、受光素子で光を検出する（特許文献１）。
しかし、カラーフィルタの透過波長以外の光が入射した場合、その光はカラーフィルタで吸収されるため、有効活用できないという問題がある。特に、画素サイズが小さくなった場合、１画素あたりの光量が少ないため、カラーフィルタで入射した光の大半を無駄にしてしまうことは問題が大きい。
一般的なＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサーには、画素ごとに特定の波長の光を透過するためのカラーフィルタが形成される。最も一般的な構成では、赤色の光を通すＲフィルタ、青色の光を通すＢフィルタ、緑色の光を通すＧフィルタが、市松模様状に配置される。固体撮像装置に入射した光は、カラーフィルタによって画素ごとに特定の色に選別されて、受光素子で光を検出する（特許文献１）。
しかし、カラーフィルタの透過波長以外の光が入射した場合、その光はカラーフィルタで吸収されるため、有効活用できないという問題がある。特に、画素サイズが小さくなった場合、１画素あたりの光量が少ないため、カラーフィルタで入射した光の大半を無駄にしてしまうことは問題が大きい。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、１画素あたりの感度を向上させることが可能な固体撮像素子および電子機器を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、光電変換領域と、前記光電変換領域の光入射面側に設けられ、赤色光を透過するＲフィルタと、青色光を透過するＢフィルタと、緑色光を透過するＧフィルタとをそれぞれ有するカラーフィルタと、前記カラーフィルタの光入射面側に設けられ、前記カラーフィルタの表面を平坦化する平坦化層と、前記平坦化層を介して前記カラーフィルタの光入射面側に設けられ、前記Ｒフィルタ、前記Ｂフィルタ及び前記Ｇフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ群と、を備え、前記Ｇフィルタは、前記カラーフィルタの光入射面側に形成されて該Ｇフィルタの中央部が周辺部よりも前記マイクロレンズ側に突き出た凸形状の面構造を含む第１のＧフィルタと、前記カラーフィルタの光射出面側に形成されて直方体構造を含む第２のＧフィルタとを有し、前記平坦化層の屈折率をＮｆ、前記Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜が０．０５以上であることを特徴とする。
本発明の別の態様に係る固体撮像素子は、光電変換領域と、前記光電変換領域の光入射面側に設けられ、赤色光を透過するＲフィルタと、青色光を透過するＢフィルタと、緑色光を透過するＧフィルタとをそれぞれ有するカラーフィルタと、前記カラーフィルタの光入射面側に設けられ、前記カラーフィルタの表面を平坦化する平坦化層と、前記平坦化層を介して前記カラーフィルタの光入射面側に設けられ、前記Ｒフィルタ、前記Ｂフィルタ及び前記Ｇフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ群と、を備え、前記Ｇフィルタの光入射面は、該光入射面の中央部が周辺部よりも前記マイクロレンズ側に突き出た凸形状の面であり、前記平坦化層の屈折率をＮｆ、前記Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜が０．０５以上であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る電子機器は、上記の固体撮像素子を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様に係る電子機器は、上記の固体撮像素子を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、１画素あたりの感度を向上させることが可能である。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
＜構成＞
図１（ａ）〜（ｃ）は、カラーフィルタ４を備えた固体撮像素子１０の一例を示す平面図と、この平面図をＶ１−Ｖ１’線で切断した断面図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示す固体撮像素子１０は、光電変換領域１ａと、光電変換領域１ａの光入射面側（図１（ｂ）では、上面）に設けられ、赤色光を透過するＲフィルタ（図１（ａ）で「Ｒ」と記載）、青色光を透過するＢフィルタ（図１（ａ）で「Ｂ」と記載）、緑色光を透過するＧフィルタ（図１（ａ）で「Ｇ」と記載）とをそれぞれ有するカラーフィルタ４と、カラーフィルタ４の光入射面側に設けられ、カラーフィルタの表面を平坦化する第２の平坦化層３ｂと、第２の平坦化層３ｂを介してカラーフィルタ４の光入射面側に設けられ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタ及びＧフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズ５を有するマイクロレンズ群と、を備える。
図１（ａ）〜（ｃ）は、カラーフィルタ４を備えた固体撮像素子１０の一例を示す平面図と、この平面図をＶ１−Ｖ１’線で切断した断面図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示す固体撮像素子１０は、光電変換領域１ａと、光電変換領域１ａの光入射面側（図１（ｂ）では、上面）に設けられ、赤色光を透過するＲフィルタ（図１（ａ）で「Ｒ」と記載）、青色光を透過するＢフィルタ（図１（ａ）で「Ｂ」と記載）、緑色光を透過するＧフィルタ（図１（ａ）で「Ｇ」と記載）とをそれぞれ有するカラーフィルタ４と、カラーフィルタ４の光入射面側に設けられ、カラーフィルタの表面を平坦化する第２の平坦化層３ｂと、第２の平坦化層３ｂを介してカラーフィルタ４の光入射面側に設けられ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタ及びＧフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズ５を有するマイクロレンズ群と、を備える。
ＲフィルタとＢフィルタは、例えば、それぞれが直方体構造からなる。Ｇフィルタは、カラーフィルタ４の光入射面側に形成されて該Ｇフィルタの中央部が周辺部よりもマイクロレンズ５側に突き出た凸形状の面構造を含む第１のＧフィルタＧ１と、カラーフィルタ４の光射出面側に形成されて直方体構造を含む第２のＧフィルタＧ２とを有する。ここで、凸形状の面構造は、凸の曲面構造であってもよい。凸の曲面構造として、例えば、第１のＧフィルタの光入射面の中央部を頂点とする楕円の表面、又は、第１のＧフィルタの光入射面の中央部を頂点とする放物面が挙げられる。また、
ＲフィルタとＢフィルタ、第１のＧフィルタについて記載した直方体構造は、略直方体構造の場合を含む。
ＲフィルタとＢフィルタ、第１のＧフィルタについて記載した直方体構造は、略直方体構造の場合を含む。
カラーフィルタ４の特徴を換言すると、Ｒフィルタの光入射面及びＢフィルタの光入射面は、例えば、それぞれが第２の平坦化層３ｂの光入射面に平行な平坦面である。また、Ｇフィルタの光入射面は、該光入射面の中央部が周辺部よりもマイクロレンズ５側に突き出た凸形状の面である。
第２の平坦化層３ｂの屈折率をＮｆ、Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜が０．０５以上である。
第２の平坦化層３ｂの屈折率をＮｆ、Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜が０．０５以上である。
以下、図１（ａ）及び（ｂ）に示す固体撮像素子１０について、より具体的に説明する。固体撮像素子１０に入射した光は、マイクロレンズ５で屈折し、さらに、カラーフィルタ４を透過して、画素ごとの色に応じた光が光電変換領域１ａに集光する。光電変換領域１ａは、画素ごとに分離されており、光電変換領域１ａに光が照射されることで発生した電荷が電子回路に流れ、信号として読み出される。
基板１および光電変換領域１ａは例えばシリコンで構成される。画素間の混色を防ぐため、必要に応じて遮光膜２をアルミニウム、銀、クロム、タングステンなどの金属で形成する。第１の平坦化層３ａは、基板１上に形成されており、光電変換領域１ａと遮光膜２とを覆っている。第１の平坦化層３ａの表面は、基板１の表面に平行な平坦面である。この第１の平坦化層３ａ及び第２の平坦化層３ｂは、酸化シリコンや窒化シリコン等で形成する。
基板１および光電変換領域１ａは例えばシリコンで構成される。画素間の混色を防ぐため、必要に応じて遮光膜２をアルミニウム、銀、クロム、タングステンなどの金属で形成する。第１の平坦化層３ａは、基板１上に形成されており、光電変換領域１ａと遮光膜２とを覆っている。第１の平坦化層３ａの表面は、基板１の表面に平行な平坦面である。この第１の平坦化層３ａ及び第２の平坦化層３ｂは、酸化シリコンや窒化シリコン等で形成する。
カラーフィルタ４は、第１の平坦化層３ａ上に形成されている。カラーフィルタ４は、例えば、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）の色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ有機材料により構成される。マイクロレンズ５は、例えば屈折率が１．４以上１．７以下程度の透明樹脂により構成される。マイクロレンズ５は、入射光を光電変換領域１ａに集光するために凸レンズ形状とする。
カラーフィルタ４の代表的な配列方式は、図１（ａ）に示したような緑市松（べイヤー（Ｂａｙｅｒ）配列）である。色再現性が高く、デジタルカメラを中心に多く採用されている配列方式である。
カラーフィルタ４は、Ｂ、Ｒ画素は略直方体形状のフィルタが形成される。カラーフィルタ４のＧフィルタは、マイクロレンズ５側に形成された上に凸形状のフィルタ（第１のＧフィルタＧ１）と、第１の平坦化層３ａ側に形成された略直方体形状のフィルタ（第２のＧフィルタＧ２）とにより構成される。
カラーフィルタ４の代表的な配列方式は、図１（ａ）に示したような緑市松（べイヤー（Ｂａｙｅｒ）配列）である。色再現性が高く、デジタルカメラを中心に多く採用されている配列方式である。
カラーフィルタ４は、Ｂ、Ｒ画素は略直方体形状のフィルタが形成される。カラーフィルタ４のＧフィルタは、マイクロレンズ５側に形成された上に凸形状のフィルタ（第１のＧフィルタＧ１）と、第１の平坦化層３ａ側に形成された略直方体形状のフィルタ（第２のＧフィルタＧ２）とにより構成される。
次に、カラーフィルタ４の作用について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係るカラーフィルタ４の作用を説明する図である。また、図５は、本発明の比較形態に係るカラーフィルタ１０４の作用を説明する図である。なお、図２に示すカラーフィルタ４と、図５に示すカラーフィルタ１０４には構造の違いがある。すなわち、図２に示すカラーフィルタ４では、Ｇフィルタは、凸形状の第１のＧフィルタＧ１と、略直方体形状の第２のＧフィルタＧ２とを有する構造である。これに対し、図５に示すカラーフィルタ１０４では、Ｇフィルタは、略直方体形状のフィルタのみからなる構造であり、その表面は凸形状ではなく平坦な面となっている。
図２は、本発明の実施形態に係るカラーフィルタ４の作用を説明する図である。また、図５は、本発明の比較形態に係るカラーフィルタ１０４の作用を説明する図である。なお、図２に示すカラーフィルタ４と、図５に示すカラーフィルタ１０４には構造の違いがある。すなわち、図２に示すカラーフィルタ４では、Ｇフィルタは、凸形状の第１のＧフィルタＧ１と、略直方体形状の第２のＧフィルタＧ２とを有する構造である。これに対し、図５に示すカラーフィルタ１０４では、Ｇフィルタは、略直方体形状のフィルタのみからなる構造であり、その表面は凸形状ではなく平坦な面となっている。
図５に示す比較形態において、カラーフィルタ１０４は、Ｇ画素のフィルタ（すなわち、Ｇフィルタ）に入射した緑色の光はそのまま透過してＧ画素の光電変換領域ＰＧに到達するが、Ｇフィルタに入射した赤色や青色の光は吸収されＰＧには到達しない。赤色や青色の光がＰＧに到達すると混色となるため、なるべくカットするのが好ましいが、その分固体撮像素子１１０に入射した緑色以外の大部分の光を捨てることになる。
一方、図２に示す実施形態では、カラーフィルタ４は、Ｇ画素のフィルタ（すなわち、Ｇフィルタ）の頂部が湾曲している。そのため、光がカラーフィルタに入射すると、Ｇフィルタの表面に沿って隣接画素に流入する光が発生する。これは、Ｇフィルタの屈折率と、第２の平坦化層３ｂの屈折率とが異なる場合に発生する。この場合、界面での材質の屈折率差によって光がＧフィルタ表面で反射され、光が画素境界方向へ流れるためである。画素境界から隣接画素に流入した光は、隣接画素の光電変換領域に到達し、信号成分に加わる。
一方、図２に示す実施形態では、カラーフィルタ４は、Ｇ画素のフィルタ（すなわち、Ｇフィルタ）の頂部が湾曲している。そのため、光がカラーフィルタに入射すると、Ｇフィルタの表面に沿って隣接画素に流入する光が発生する。これは、Ｇフィルタの屈折率と、第２の平坦化層３ｂの屈折率とが異なる場合に発生する。この場合、界面での材質の屈折率差によって光がＧフィルタ表面で反射され、光が画素境界方向へ流れるためである。画素境界から隣接画素に流入した光は、隣接画素の光電変換領域に到達し、信号成分に加わる。
例えば、Ｇ画素に赤色の光が入射した場合、Ｇフィルタ表面に沿って隣接するＲもしくはＢフィルタへ光が流入する。Ｒフィルタに流入した赤色の光はＲフィルタを透過し、光電変換領域ＰＲで信号成分に加わる。Ｂフィルタに流入した赤色の光はＢフィルタで吸収されるため、ＰＢでは信号に加わらない。
同様に、Ｇ画素に青色の光が入射した場合、Ｇフィルタ表面に沿って隣接するＲもしくはＢフィルタへ光が流入する。Ｂフィルタに流入した青色の光はＢフィルタを透過し、光電変換領域ＰＢで信号成分に加わる。Ｒフィルタに流入した青色の光はＲフィルタで吸収されるため、ＰＲでは信号に加わらない。
このように、図２に示す固体撮像素子１０では、比較形態のカラーフィルタ１０４では吸収されていた透過波長以外の光が、隣接画素方向に流れて信号成分として加わるため、光を有効活用でき、感度向上に寄与する。
同様に、Ｇ画素に青色の光が入射した場合、Ｇフィルタ表面に沿って隣接するＲもしくはＢフィルタへ光が流入する。Ｂフィルタに流入した青色の光はＢフィルタを透過し、光電変換領域ＰＢで信号成分に加わる。Ｒフィルタに流入した青色の光はＲフィルタで吸収されるため、ＰＲでは信号に加わらない。
このように、図２に示す固体撮像素子１０では、比較形態のカラーフィルタ１０４では吸収されていた透過波長以外の光が、隣接画素方向に流れて信号成分として加わるため、光を有効活用でき、感度向上に寄与する。
実施形態のカラーフィルタ４において、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの高さをＤ１、Ｇ２フィルタの高さをＤ２とする。Ｄ１とＤ２を適切な範囲に設定することで、隣接画素の感度を効果的に高めることが可能になる。
Ｄ１がＤ２と比べて小さすぎる場合、Ｇフィルタの頂部が殆ど平坦になるため、隣接画素へ流れる光が少なくなり、感度向上効果が小さい。
Ｄ１がＤ２と比べて大きすぎる場合、Ｇフィルタの画素境界付近の厚みが薄くなるため、Ｇフィルタで吸収されずに透過してしまう赤色や青色の光が増えてしまい、混色が悪化するようになる。
Ｄ１がＤ２と比べて小さすぎる場合、Ｇフィルタの頂部が殆ど平坦になるため、隣接画素へ流れる光が少なくなり、感度向上効果が小さい。
Ｄ１がＤ２と比べて大きすぎる場合、Ｇフィルタの画素境界付近の厚みが薄くなるため、Ｇフィルタで吸収されずに透過してしまう赤色や青色の光が増えてしまい、混色が悪化するようになる。
α＝Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ２）としたとき、αは０．１４以上０．７１未満の範囲で設定するのが好ましい（詳細は、後述の実施例参照）。
Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの形状は、上に凸形状とするのが好ましい。凹形状とした場合、隣接画素に光が流入しないので、感度向上効果を示さない。より好ましくは、Ｇ１フィルタの光入射面の形状を、略楕円体の表面形状（以下、単に楕円体形状と称する）とする。楕円体形状とすることで、Ｇ画素の混色の悪化を抑えつつ、隣接画素の感度を効果的に高めることができる。
Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの形状は、上に凸形状とするのが好ましい。凹形状とした場合、隣接画素に光が流入しないので、感度向上効果を示さない。より好ましくは、Ｇ１フィルタの光入射面の形状を、略楕円体の表面形状（以下、単に楕円体形状と称する）とする。楕円体形状とすることで、Ｇ画素の混色の悪化を抑えつつ、隣接画素の感度を効果的に高めることができる。
図３は、本発明の実施形態に係るカラーフィルタ４の他の構成例を示す断面図である。図３に示すように、Ｇフィルタの頂部は略平坦面とし、画素境界部を斜面形状としてもよい。すなわち、Ｇフィルタの光入射面は、該光入射面の中央部が平坦面で周辺部が斜面であってもよい。この斜面は、平坦な斜面であってもよいし、外側に向かって膨らみを持つような曲面であってもよい。このような形状とすることで、隣接画素の感度を高めつつ、Ｇフィルタの厚みが薄くなることにより発生する混色を効果的に低減することができる。
カラーフィルタ４の光入射面側には第２の平坦化層３ｂが形成される。第２の平坦化層３ｂの屈折率をＮｆ、Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜≧０．０５を満たすことが望ましい。第２の平坦化層３ｂとＧフィルタの屈折率差が増加するにつれて、Ｇフィルタ表面での反射量も増加するためである。
カラーフィルタ４の光入射面側には第２の平坦化層３ｂが形成される。第２の平坦化層３ｂの屈折率をＮｆ、Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜≧０．０５を満たすことが望ましい。第２の平坦化層３ｂとＧフィルタの屈折率差が増加するにつれて、Ｇフィルタ表面での反射量も増加するためである。
例えば、Ｒ画素の感度を高めたい場合は、Ｇフィルタの波長６３０ｎｍの屈折率をＮｇ（λ＝６３０ｎｍ）、第２の平坦化層３ｂの波長６３０ｎｍの屈折率をＮｆ（λ＝６３０ｎｍ）としたとき、
｜Ｎｇ（λ＝６３０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝６３０ｎｍ）｜≧０．０５ を満たすように層の屈折率を調整するのが望ましい。
例えば、Ｂ画素の感度を高めたい場合は、Ｇフィルタの波長４５０ｎｍの屈折率をＮｇ（λ＝４５０ｎｍ）、第２の平坦化層３ｂの波長４５０ｎｍの屈折率をＮｆ（λ＝４５０ｎｍ）としたとき、
｜Ｎｇ（λ＝４５０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝４５０ｎｍ）｜≧０．０５ を満たすように層の屈折率を調整するのが望ましい。
例えば、Ｒ画素とＢ画素の両方の感度を高めたい場合は、
｜Ｎｇ（λ＝６３０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝６３０ｎｍ）｜≧０．０５ かつ、
｜Ｎｇ（λ＝４５０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝４５０ｎｍ）｜≧０．０５ の両方を満たすように層の屈折率を調整するのが望ましい。
｜Ｎｇ（λ＝６３０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝６３０ｎｍ）｜≧０．０５ を満たすように層の屈折率を調整するのが望ましい。
例えば、Ｂ画素の感度を高めたい場合は、Ｇフィルタの波長４５０ｎｍの屈折率をＮｇ（λ＝４５０ｎｍ）、第２の平坦化層３ｂの波長４５０ｎｍの屈折率をＮｆ（λ＝４５０ｎｍ）としたとき、
｜Ｎｇ（λ＝４５０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝４５０ｎｍ）｜≧０．０５ を満たすように層の屈折率を調整するのが望ましい。
例えば、Ｒ画素とＢ画素の両方の感度を高めたい場合は、
｜Ｎｇ（λ＝６３０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝６３０ｎｍ）｜≧０．０５ かつ、
｜Ｎｇ（λ＝４５０ｎｍ）―Ｎｆ（λ＝４５０ｎｍ）｜≧０．０５ の両方を満たすように層の屈折率を調整するのが望ましい。
次に、固体撮像素子１０の作用について説明する。固体撮像素子１０に入射した光Ｌは、マイクロレンズ５により集光され、カラーフィルタ４に入射する。カラーフィルタ４では、画素に応じて必要な波長の光が透過し、不要な波長の光は吸収される。但し、Ｇフィルタに入射した光は、不要な波長の光の一部はフィルタ表面で反射され、隣接するＢフィルタ、もしくはＲフィルタ方向へと流される。Ｂフィルタに流れ込んだ青色の光は、Ｂフィルタを透過して平坦化層３側に射出される。Ｒフィルタに流れ込んだ赤色の光は、Ｒフィルタを透過して平坦化層３側に射出される。
カラーフィルタ４を透過した光は、平坦化層３を透過し、光電変換領域１ａに集光される。光電変換領域１ａに光が照射されると、光強度に比例して電荷が発生し、発生した電荷は電子回路に転送されて信号が読み出される。
カラーフィルタ４を透過した光は、平坦化層３を透過し、光電変換領域１ａに集光される。光電変換領域１ａに光が照射されると、光強度に比例して電荷が発生し、発生した電荷は電子回路に転送されて信号が読み出される。
＜製造方法＞
カラーフィルタ４の作製方法の一例は、以下の通りである。
カラーフィルタ４は、シリコンウエハ上に直接形成する。カラーフィルタ４は、顔料や染料を感光性樹脂の中に分散させた、色素含有レジスト工法により作製する。レジストをウエハ上に塗布後、紫外線による露光、現像によるリソグラフィー工程を通してパターニングを行い、カラーフィルタ４を形成する。リソグラフィー工程では、例えば段階的に透過率が変化するフォトマスク（グレートーンマスク）を用いて、レジストの露光量にグラデーションを与えることで、頂部が凸形状からなるカラーフィルタ４を形成することができる。
カラーフィルタ４の作製方法の一例は、以下の通りである。
カラーフィルタ４は、シリコンウエハ上に直接形成する。カラーフィルタ４は、顔料や染料を感光性樹脂の中に分散させた、色素含有レジスト工法により作製する。レジストをウエハ上に塗布後、紫外線による露光、現像によるリソグラフィー工程を通してパターニングを行い、カラーフィルタ４を形成する。リソグラフィー工程では、例えば段階的に透過率が変化するフォトマスク（グレートーンマスク）を用いて、レジストの露光量にグラデーションを与えることで、頂部が凸形状からなるカラーフィルタ４を形成することができる。
＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態に係るカラーフィルタ４は、Ｇフィルタの頂部形状を湾曲させ、ＲフィルタとＢフィルタの頂部は平坦面としている。そのような構成とすることで、Ｇフィルタに入射した光をＲフィルタとＢフィルタ方向に流すことができ、Ｒ画素とＢ画素の感度を増加させることができる。
Ｒ画素やＢ画素はシリコンフォトダイオードの特性上、Ｇ画素と比べて感度が低下しやすいという特徴がある。シリコンの透過率は長波長の光で高くなるため、可視光の中でも赤色の光は光電変換の効率が低く、感度が低下しやすい。一方、短波長の光は、シリコン表面近傍の無効層で吸収される割合が大きく、電荷を蓄積できるシリコンフォトダイオード内部の空乏層に到達できる光量が減少し、感度が低下しやすい。
本発明の実施形態に係るカラーフィルタ４は、Ｇフィルタの頂部形状を湾曲させ、ＲフィルタとＢフィルタの頂部は平坦面としている。そのような構成とすることで、Ｇフィルタに入射した光をＲフィルタとＢフィルタ方向に流すことができ、Ｒ画素とＢ画素の感度を増加させることができる。
Ｒ画素やＢ画素はシリコンフォトダイオードの特性上、Ｇ画素と比べて感度が低下しやすいという特徴がある。シリコンの透過率は長波長の光で高くなるため、可視光の中でも赤色の光は光電変換の効率が低く、感度が低下しやすい。一方、短波長の光は、シリコン表面近傍の無効層で吸収される割合が大きく、電荷を蓄積できるシリコンフォトダイオード内部の空乏層に到達できる光量が減少し、感度が低下しやすい。
本発明の実施形態に係るカラーフィルタ４は、これらの感度の低下しやすいＲ画素やＢ画素の感度を効果的に高めることができるというメリットを有する。
その一方で、Ｇ画素の感度が若干減少する可能性はあるが、ベイヤー配列の場合、Ｇ画素はＲ画素やＢ画素と比べて２倍多く配列されている分多くの光を取り込むことができ、Ｇ画素の感度が多少減少しても影響度は小さい。また、Ｇフィルタの緑色の光に対する屈折率と第２の平坦化層３ｂの屈折率差を０．０５未満に設定すれば、Ｇ画素の感度低下が発生しないようにすることも可能である。
なお、上記ではＧフィルタのみ頂部形状を湾曲させる構成を説明したが、これに限らず、ＲフィルタやＢフィルタの頂部形状も同様に湾曲させても良い。
その一方で、Ｇ画素の感度が若干減少する可能性はあるが、ベイヤー配列の場合、Ｇ画素はＲ画素やＢ画素と比べて２倍多く配列されている分多くの光を取り込むことができ、Ｇ画素の感度が多少減少しても影響度は小さい。また、Ｇフィルタの緑色の光に対する屈折率と第２の平坦化層３ｂの屈折率差を０．０５未満に設定すれば、Ｇ画素の感度低下が発生しないようにすることも可能である。
なお、上記ではＧフィルタのみ頂部形状を湾曲させる構成を説明したが、これに限らず、ＲフィルタやＢフィルタの頂部形状も同様に湾曲させても良い。
すなわち、Ｒフィルタは、カラーフィルタ４の光入射面側に形成されて、該Ｒフィルタの中央部が周辺部よりもマイクロレンズ５側に突き出た凸形状の面構造を含む第１のＲフィルタと、カラーフィルタ４の光射出面側に形成された直方体構造を含む第２のＲフィルタとを有してもよい。また、Ｂフィルタは、カラーフィルタ４の光入射面側に形成されて、該Ｂフィルタの中央部が周辺部よりもマイクロレンズ５側に突き出た凸形状の面構造を含む第１のＢフィルタと、カラーフィルタ４の光射出面側に形成された直方体構造を含む第２のＢフィルタとを有してもよい。
この場合、更なる入射光量の効率改善を図ることができる。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、固体撮像素子の１画素あたりの感度を向上させることが可能である。この固体撮像素子を例えばデジタルカメラやビデオカメラ、カメラ付き携帯電話等に代表される電子機器に適用することで、これらの電子機器の感度と画質の均一性を高めることができる。
この場合、更なる入射光量の効率改善を図ることができる。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、固体撮像素子の１画素あたりの感度を向上させることが可能である。この固体撮像素子を例えばデジタルカメラやビデオカメラ、カメラ付き携帯電話等に代表される電子機器に適用することで、これらの電子機器の感度と画質の均一性を高めることができる。
次に、本発明の実施例と比較例とについて説明する。
＜実施例１＞
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例を示す図である。詳しくは、図４（ａ）はカラーフィルタ４の構成を示す模式図である。また、図４（ｂ）〜（ｄ）は、カラーフィルタ４のうち、ＲフィルタとＢフィルタを略直方体形状とし、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの形状を、（ｂ）放物面形状、（ｃ）楕円体形状、（ｄ）円錐形状とした場合の受光感度のシミュレーションを行った図である。カラーフィルタ４の高さは、Ｒ、Ｂフィルタを７００ｎｍとした。また、Ｇフィルタは、Ｇ１フィルタの高さＤ１とＧ２フィルタの高さＤ２の和Ｄ１＋Ｄ２を７００ｎｍに固定し、Ｄ１の高さを０〜７００ｎｍの範囲で変化させて、シミュレーションを行った。マイクロレンズ５は、カラーフィルタに一対一に対応させて、放物面形状で高さ４５０ｎｍのレンズを画素に隙間無く敷き詰めた。シミュレーションは、波長オーダーの構造の光学解析で一般的に用いられる時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて実施した。
＜実施例１＞
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例を示す図である。詳しくは、図４（ａ）はカラーフィルタ４の構成を示す模式図である。また、図４（ｂ）〜（ｄ）は、カラーフィルタ４のうち、ＲフィルタとＢフィルタを略直方体形状とし、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの形状を、（ｂ）放物面形状、（ｃ）楕円体形状、（ｄ）円錐形状とした場合の受光感度のシミュレーションを行った図である。カラーフィルタ４の高さは、Ｒ、Ｂフィルタを７００ｎｍとした。また、Ｇフィルタは、Ｇ１フィルタの高さＤ１とＧ２フィルタの高さＤ２の和Ｄ１＋Ｄ２を７００ｎｍに固定し、Ｄ１の高さを０〜７００ｎｍの範囲で変化させて、シミュレーションを行った。マイクロレンズ５は、カラーフィルタに一対一に対応させて、放物面形状で高さ４５０ｎｍのレンズを画素に隙間無く敷き詰めた。シミュレーションは、波長オーダーの構造の光学解析で一般的に用いられる時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて実施した。
〔計算条件〕
・画素ピッチ：１２００ｎｍ（１．２μｍ）
・マイクロレンズ５の高さ：４５０ｎｍ（放物面形状）
・マイクロレンズ５の屈折率：１．６（全波長）
・カラーフィルタ４：７００ｎｍ厚、ＲＧＢ３色のベイヤー配列
・Ｒフィルタの屈折率：１．５９（４５０ｎｍ）、１．７５（５５０ｎｍ）、１．７９（６３０ｎｍ）
・Ｇフィルタの屈折率：１．８６（４５０ｎｍ）、１．７４（５５０ｎｍ）、１．６５（６３０ｎｍ）
・Ｂフィルタの屈折率：１．６１（４５０ｎｍ）、１．４５（５５０ｎｍ）、１．６６（６３０ｎｍ）
・画素ピッチ：１２００ｎｍ（１．２μｍ）
・マイクロレンズ５の高さ：４５０ｎｍ（放物面形状）
・マイクロレンズ５の屈折率：１．６（全波長）
・カラーフィルタ４：７００ｎｍ厚、ＲＧＢ３色のベイヤー配列
・Ｒフィルタの屈折率：１．５９（４５０ｎｍ）、１．７５（５５０ｎｍ）、１．７９（６３０ｎｍ）
・Ｇフィルタの屈折率：１．８６（４５０ｎｍ）、１．７４（５５０ｎｍ）、１．６５（６３０ｎｍ）
・Ｂフィルタの屈折率：１．６１（４５０ｎｍ）、１．４５（５５０ｎｍ）、１．６６（６３０ｎｍ）
・遮光膜２：なし
・第１の平坦化層３ａの屈折率：１．４７（４５０ｎｍ）、１．４６（５５０ｎｍ）、１．４６（６３０ｎｍ）
・第２の平坦化層３ｂの屈折率：１．６２（４５０ｎｍ）、１．６０（５５０ｎｍ）、１．６０（６３０ｎｍ）
・第１の平坦化層３ａの厚み：５００ｎｍ
・第２の平坦化層３ｂの厚み：１００ｎｍ（ＢフィルタもしくはＲフィルタ頂部からマイクロレンズ５底面までの距離）
・入射波長：４００ｎｍ〜７００ｎｍ、２０ｎｍ刻み
・入射角：０°
・偏光：ＴＥ波、ＴＭ波 （平均）
・受光面：平坦化層３と光電変換領域１ａとの界面に設定（受光面は画素面積と同サイズに設定）
・第１の平坦化層３ａの屈折率：１．４７（４５０ｎｍ）、１．４６（５５０ｎｍ）、１．４６（６３０ｎｍ）
・第２の平坦化層３ｂの屈折率：１．６２（４５０ｎｍ）、１．６０（５５０ｎｍ）、１．６０（６３０ｎｍ）
・第１の平坦化層３ａの厚み：５００ｎｍ
・第２の平坦化層３ｂの厚み：１００ｎｍ（ＢフィルタもしくはＲフィルタ頂部からマイクロレンズ５底面までの距離）
・入射波長：４００ｎｍ〜７００ｎｍ、２０ｎｍ刻み
・入射角：０°
・偏光：ＴＥ波、ＴＭ波 （平均）
・受光面：平坦化層３と光電変換領域１ａとの界面に設定（受光面は画素面積と同サイズに設定）
表１に、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの高さＤ１を変化させた場合の、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素それぞれの受光感度シミュレーションを行った結果を示す。なお、このシミュレーションは、Ｇ１フィルタの形状を、図４に示すような（ａ）放物面形状、（ｂ）楕円体形状、（ｃ）円錐形状、とした場合のそれぞれについて行った。ここでの受光感度とは、１画素あたりに１００％のパワーの光が入射した場合の、光電変換素子に入射する光のパワーを表している。感度計算に使用する波長領域は画素ごとに以下のように設定し、平均値を計算した。
・Ｒ画素：５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
・Ｇ画素：５００ｎｍ〜５８０ｎｍ
・Ｂ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ
・Ｒ画素：５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
・Ｇ画素：５００ｎｍ〜５８０ｎｍ
・Ｂ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ
表２には、それぞれの画素におけるＳ／Ｎ比のシミュレーション結果を示した。ここでＳ／Ｎ比を計算する波長領域は、以下のように設定した。
（Ｓ：シグナル）
・Ｒ画素：５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
・Ｇ画素：５００ｎｍ〜５８０ｎｍ
・Ｂ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ
（Ｎ：ノイズ）
・Ｒ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ、５００ｎｍ〜５８０ｎｍ
・Ｇ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ、５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
・Ｂ画素：５００ｎｍ〜５８０ｎｍ、５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
（Ｓ：シグナル）
・Ｒ画素：５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
・Ｇ画素：５００ｎｍ〜５８０ｎｍ
・Ｂ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ
（Ｎ：ノイズ）
・Ｒ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ、５００ｎｍ〜５８０ｎｍ
・Ｇ画素：４２０ｎｍ〜４８０ｎｍ、５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
・Ｂ画素：５００ｎｍ〜５８０ｎｍ、５８０ｎｍ〜７００ｎｍ
表１より、Ｄ１の増加とともに、Ｂ画素とＲ画素の感度が上昇することが分かる。形状違いを比較した場合、楕円体形状と比べると放物面形状の感度上昇率が高い傾向を示す。また、円錐形状はＢ画素では感度が放物面と同等レベルかやや低下するが、Ｒ画素では放物面と比べて上昇する傾向を示した。感度上昇量は、Ｒ画素の方がＢ画素と比べて大きく、Ｇフィルタが従来形状の場合と比べて１０〜１５％程度の感度上昇を示した。
以上の結果、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタを上に凸の湾曲形状とすることで、Ｇフィルタに入射した青色、もしくは赤色の光を隣接するＢ画素、Ｒ画素に流すことができ、感度が上昇することを確認できた。特に効果的に感度を高めるには、Ｄ１を１００ｎｍ以上に設定するのが好ましく、この場合、感度はＢ、Ｒ画素それぞれ１％以上の感度上昇効果が得られる。
以上の結果、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタを上に凸の湾曲形状とすることで、Ｇフィルタに入射した青色、もしくは赤色の光を隣接するＢ画素、Ｒ画素に流すことができ、感度が上昇することを確認できた。特に効果的に感度を高めるには、Ｄ１を１００ｎｍ以上に設定するのが好ましく、この場合、感度はＢ、Ｒ画素それぞれ１％以上の感度上昇効果が得られる。
表２より、Ｄ１の上昇により、Ｂ画素とＧ画素のＳ／Ｎ比が低下する一方、Ｒ画素は緩やかに上昇した後に減少する傾向を示した。Ｓ／Ｎ比の低下は、混色の増加による色再現性の悪化を意味するため、あまり好ましくない。円錐形状は、楕円体形状や放物面形状と比べると、Ｓ／Ｎ比の低下が大きくなる傾向を示した。これは、円錐形状の場合、画素境界付近での厚みが楕円体形状や放物面形状と比べて低下するため、Ｇフィルタに入射した赤色や青色の光が吸収しきれずに透過する成分が増加するためである。従って、Ｇ１フィルタの形状としては、楕円体形状もしくは放物面形状とするのが好ましい。また、Ｇ１フィルタの高さＤ１は５００ｎｍ未満に設定するのが好ましく、この範囲でＤ１を設定することで、Ｓ／Ｎ比の低下を１以内に抑えることができる。Ｄ１がこれ以上上昇すると、隣接画素周辺におけるＧフィルタの厚みが低下するため、混色が顕著に発生するようになる。
＜実施例２＞
Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの形状としては、頂部が略平坦面で、側面が傾斜した面で形成してもよい。ここでは、Ｇ１フィルタの形状を、図３に示すような形状（側面は平坦な斜面）とした場合の、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素の感度とＳ／Ｎ比のシミュレーションを行った。他のシミュレーション条件は実施例１と同様である。感度の結果を表３に、Ｓ／Ｎ比の結果を表４に記す。
Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタの形状としては、頂部が略平坦面で、側面が傾斜した面で形成してもよい。ここでは、Ｇ１フィルタの形状を、図３に示すような形状（側面は平坦な斜面）とした場合の、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素の感度とＳ／Ｎ比のシミュレーションを行った。他のシミュレーション条件は実施例１と同様である。感度の結果を表３に、Ｓ／Ｎ比の結果を表４に記す。
表３より、実施例１の場合と同様に、Ｄ１の増加と共に、Ｂ画素とＲ画素の感度が上昇することを確認した。表４より、Ｓ／Ｎ比は実施例１の楕円体形状と比べても良好なＳ／Ｎ比が得られることを確認した。Ｓ／Ｎ比が楕円体形状と比べて改善するのは、Ｇ１フィルタの頂部が平坦であるため、Ｇフィルタの厚み低下が楕円体形状と比べて小さく、混色が低減されているためと考えられる。
以上の実施例より、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタを上に凸の湾曲形状とすることで、Ｇ画素と隣接するＢ画素やＲ画素の感度を高めることが可能であることを確認した。また、Ｇ１フィルタの高さＤ１を１００ｎｍ以上５００ｎｍ未満に設定することで、混色によるＳ／Ｎ比低下を抑えることが可能であることを示した。今回のシミュレーションでは、Ｇフィルタの厚み（Ｄ１＋Ｄ２）を７００ｎｍに固定しているので、
α＝Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ２）で定義すると、αは０．１４以上０．７１未満の範囲で設定するのが好ましいといえる。
以上の実施例より、Ｇフィルタを構成するＧ１フィルタを上に凸の湾曲形状とすることで、Ｇ画素と隣接するＢ画素やＲ画素の感度を高めることが可能であることを確認した。また、Ｇ１フィルタの高さＤ１を１００ｎｍ以上５００ｎｍ未満に設定することで、混色によるＳ／Ｎ比低下を抑えることが可能であることを示した。今回のシミュレーションでは、Ｇフィルタの厚み（Ｄ１＋Ｄ２）を７００ｎｍに固定しているので、
α＝Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ２）で定義すると、αは０．１４以上０．７１未満の範囲で設定するのが好ましいといえる。
＜比較例＞
第２の平坦化層の波長６３０ｎｍにおける屈折率を１．６３とした場合の、Ｇ１フィルタの形状が楕円体形状の感度シミュレーションの結果を表５に記す。感度はＲ画素の値である。この場合、第２の平坦化層とＧフィルタの屈折率差が０．０２と小さいため、Ｒ画素の感度が実施例と比較してあまり上がらなかった。
第２の平坦化層の波長６３０ｎｍにおける屈折率を１．６３とした場合の、Ｇ１フィルタの形状が楕円体形状の感度シミュレーションの結果を表５に記す。感度はＲ画素の値である。この場合、第２の平坦化層とＧフィルタの屈折率差が０．０２と小さいため、Ｒ画素の感度が実施例と比較してあまり上がらなかった。
１ 基板
１ａ 光電変換領域
２ 遮光膜
３ａ 第１の平坦化層
３ｂ 第２の平坦化層
４ カラーフィルタ
５ マイクロレンズ
１０ 固体撮像素子
Ｇ１ 第１のＧフィルタ
Ｇ２ 第２のＧフィルタ
１ａ 光電変換領域
２ 遮光膜
３ａ 第１の平坦化層
３ｂ 第２の平坦化層
４ カラーフィルタ
５ マイクロレンズ
１０ 固体撮像素子
Ｇ１ 第１のＧフィルタ
Ｇ２ 第２のＧフィルタ
Claims (5)
- 光電変換領域と、
前記光電変換領域の光入射面側に設けられ、赤色光を透過するＲフィルタと、青色光を透過するＢフィルタと、緑色光を透過するＧフィルタとをそれぞれ有するカラーフィルタと、
前記カラーフィルタの光入射面側に設けられ、前記カラーフィルタの表面を平坦化する平坦化層と、
前記平坦化層を介して前記カラーフィルタの光入射面側に設けられ、前記Ｒフィルタ、前記Ｂフィルタ及び前記Ｇフィルタと一対一で向かい合う複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ群と、を備え、
前記Ｇフィルタは、前記カラーフィルタの光入射面側に形成されて該Ｇフィルタの中央部が周辺部よりも前記マイクロレンズ側に突き出た凸形状の面構造を含む第１のＧフィルタと、前記カラーフィルタの光射出面側に形成されて直方体構造を含む第２のＧフィルタとを有し、
前記平坦化層の屈折率をＮｆ、前記Ｇフィルタの屈折率をＮｇとしたとき、｜Ｎｇ−Ｎｆ｜が０．０５以上であり、
前記Ｒフィルタ及び前記Ｂフィルタは、それぞれが直方体構造からなることを特徴とする、固体撮像素子。 - 前記第１のＧフィルタの厚みをＤ１、前記第２のＧフィルタの厚みをＤ２としたとき、Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ２）が、０．１４以上０．７１未満であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記第１のＧフィルタの光入射面は、
該光入射面の中央部を頂点とする楕円の表面、又は、該光入射面の中央部を頂点とする放物面であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。 - 前記第１のＧフィルタの光入射面は、該光入射面の中央部が平坦面で周辺部が斜面であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
- 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の固体撮像素子を備えたことを特徴とする電子機器。
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