JPH0922994A - カラー固体撮像素子およびカラー固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 色間における感度の均一化を図り、得られる
画像における色の再現性等を向上した、カラー固体撮像
素子とカラー固体撮像装置が望まれている。 【解決手段】 シリコン基体２の表層部に光電変換を行
う受光部４が二次元配列され、シリコン基体２の表面上
に絶縁膜６、パッシベーション膜２１、透明平坦化層１
０、オンチップカラーフィルタ１１ａ、１１ｂがこの順
に設けられている。オンチップカラーフィルタ１１ａ、
１１ｂが複数の色に対応して複数の種類から構成されて
いる。受光部４の略直上部に位置する絶縁膜６またはパ
ッシベーション膜２１の膜厚が、その直上に位置するオ
ンチップカラーフィルタの種類によって異なっているカ
ラー固体撮像素子３０。撮像素子間で、色に対応して絶
縁膜またはパッシベーション膜の膜厚が異なるカラー固
体撮像装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オンチップカラー
フィルタを有したカラー固体撮像素子およびカラー固体
撮像装置に係り、詳しくは感度の向上を図ったカラー固
体撮像素子およびカラー固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、カラー固体撮像素子として、例え
ば図５に示す構造のものが知られている。図５において
符号１はカラー固体撮像素子（以下、撮像素子と略称す
る）であり、この撮像素子１は、シリコン基板２の表層
部にｐウェル３を形成し、これの上に島状の受光部４を
縦横に二次元配列したものである。受光部４…からなる
垂直方向の列間には、それぞれライン状の垂直転送部５
が、受光部４との間に読み出し部（図示略）あるいはチ
ャネルストップ（図示略）を介して設けられている。

【０００３】シリコン基板２の表面には絶縁膜６が形成
され、この絶縁膜６中には、前記垂直転送部５の直上位
置を覆って転送電極７が形成されている。また、この絶
縁膜６の上には、前記転送電極７を覆い、かつ前記受光
部４の略直上位置を開口した状態でＡｌ等からなる遮光
膜８が形成されている。さらに、絶縁膜６上には、遮光
膜８を覆った状態でＰ−ＳｉＮ（プラズマ窒化膜）等か
らなるパッシベーション膜９が形成され、このパッシベ
ーション膜９上には透明樹脂等からなる透明平坦化層１
０が形成されている。ここで、絶縁膜６およびパッシベ
ーション膜９は、それぞれシリコン基板２上にて一度の
プロセスで形成されることから、当然各単位画素毎（す
なわち各受光部４毎）にその膜厚が異なることなく、ほ
ぼ均一な厚さにて成膜されたものとなっている。

【０００４】そして、この透明平坦化層１０の上にはオ
ンチップカラーフィルタ（以下、カラーフィルタと略称
する）１１ａ、１１ｂ…が形成され、さらにオンチップ
カラーフィルタ１１ａ、１１ｂ…上にはオンチップレン
ズ（以下、レンズと略称する）１２が形成されている。
ここで、これらカラーフィルタ１１ａ、１１ｂ…および
レンズ１２は、いずれも単位画素毎に一つずつ設けられ
たものであり、すなわち前記受光部４と１：１となるよ
うに形成配置されたものである。また、特にカラーフィ
ルタ１１ａ、１１ｂ…は、緑、青、赤の３原色に対応し
た三種類のものからなり、これらが一定の配列で設けら
れたものである。

【０００５】また、従来では、図５に示した撮像素子１
においてそのカラーフィルタを一種類で形成し、このよ
うな撮像素子を複数用いてカラー化する、いわゆる多板
式のカラー固体撮像装置も知られている。この装置は、
例えば図６に示すように、入射光を取り込む光学系中に
３色分離プリズム８１を設け、入射光をＲ（赤）、Ｇ
（緑）、Ｂ（青）の３原色に分離し、各色に対応して設
けられた３個の撮像素子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂに導く
構成となっている。

【０００６】ここで、撮像素子８２Ｒは、前述したカラ
ーフィルタとして基本的に赤に対応するフィルタのみを
用いたものであり、同様に撮像素子８２Ｇは緑に対応す
るフィルタのみを用いたもの、撮像素子８２Ｂは青に対
応するフィルタのみを用いたものである。また、３色プ
リズム８１は、３個のプリズムブロックからなり、各ブ
ロックの境界部分にそれぞれＢ反射（Ｒ、Ｇ透過）のダ
イクロイック層８３ａ、Ｒ反射（Ｇ透過）のダイクロイ
ック層８３ｂを設けたものであって、入射光のうちの
Ｂ、Ｒの反射光をそれぞれのブロックにおける全反射面
で再び反射させることにより、入射光をそれぞれの色の
光に分離するものである。そして、このカラー固体撮像
装置では、前記撮像素子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂをそれ
ぞれ対応するブロックの出射側に配置することにより、
これら撮像素子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂからの出力によ
ってＲ、Ｇ、Ｂの信号を導き出す構成となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示し
た撮像素子においては、レンズ１２側からの入射光がカ
ラーフィルタ１１ａ（１１ｂ）を透過することにより、
該フィルタ１１ａ（１１ｂ）を透過した光は、フィルタ
の種類に対応した波長域の光、すなわち緑色光、青色
光、赤色光といったほぼ単色光に近い光となってパッシ
ベーション膜９、絶縁膜６、シリコン基板２を透過して
受光部４に入射する。ところが、パッシベーション膜
９、絶縁膜６、シリコン基板２を透過する光の透過率
は、多重干渉効果によって光の波長域毎に異なり、した
がって前記の三色の光間でも、パッシベーション膜９と
絶縁膜６との膜厚がいずれも同一である前記構造の場
合、色間において受光部４に到達する度合いが異なり、
換言すれば色間において感度が異なってしまうのであ
る。そして、このように色間において感度が異なること
から、この撮像素子によって得られる画像も色の再現等
が不十分であり、したがってその向上が望まれている。

【０００８】また、図６に示したカラー固体撮像装置に
あっても、その撮像素子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂはいず
れも、カラーフィルタの作製プロセス以外は図５に示し
た撮像素子と同じプロセスで作製されることから、当然
これら撮像素子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂ間においてもそ
のパッシベーション膜９と絶縁膜６との膜厚が同一であ
り、したがって各撮像素子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂ間で
感度が異なってしまうことから、やはり得られる画像は
その色の再現等が不十分なものになってしまうのであ
る。本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、色間における感度の均一化を図り、
これにより得られる画像における色の再現性等を向上し
た、カラー固体撮像素子およびカラー固体撮像装置を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のカラー固体撮像
素子では、シリコン基体の表層部に光電変換を行う受光
部が二次元配列され、前記シリコン基体の表面上に絶縁
膜、パッシベーション膜、透明平坦化層、オンチップカ
ラーフィルタがこの順に設けられ、前記オンチップカラ
ーフィルタが、前記受光部毎に設けられるとともに複数
の色に対応して複数の種類から構成されてなり、前記受
光部の略直上部に位置する絶縁膜またはパッシベーショ
ン膜の膜厚が、その直上に位置するオンチップカラーフ
ィルタの種類によって異なることを前記課題の解決手段
とした。

【００１０】本発明のカラー固体撮像装置では、シリコ
ン基体の表層部に光電変換を行う受光部が二次元配列さ
れ、前記シリコン基体の表面上に絶縁膜、パッシベーシ
ョン膜、透明平坦化層、オンチップカラーフィルタがこ
の順に設けられてなる第一のカラー固体撮像素子と、こ
の第一のカラー固体撮像素子のオンチップカラーフィル
タとは別の色に対応するオンチップカラーフィルタを設
けた第二のカラー固体撮像素子とを具備してなり、前記
第一のカラー固体撮像素子と第二のカラー固体撮像素子
との間では、それぞれの絶縁膜またはパッシベーション
膜の膜厚が、それぞれのオンチップカラーフィルタの種
類によって異なることを前記課題の解決手段とした。

【００１１】本発明のカラー固体撮像素子によれば、受
光部の略直上部に位置する絶縁膜またはパッシベーショ
ン膜の膜厚が、その直上に位置するオンチップカラーフ
ィルタの種類によって異なることから、オンチップカラ
ーフィルタの種類毎に、これの略直下に位置する絶縁膜
またはパッシベーション膜を、それぞれオンチップカラ
ーフィルタの種類によって決まる入射光の波長域に合わ
せてこれに対しての透過率が高い膜厚に形成しておけ
ば、各色毎にそれぞれ均一で良好な感度が得られる。

【００１２】本発明のカラー固体撮像装置によれば、第
一のカラー固体撮像素子と第二のカラー固体撮像素子と
の間で、それぞれの絶縁膜またはパッシベーション膜の
膜厚が、それぞれのオンチップカラーフィルタの種類に
よって異なることから、それぞれの絶縁膜またはパッシ
ベーション膜を、それぞれオンチップカラーフィルタの
種類によって決まる入射光の波長域に合わせてこれに対
しての透過率が高い膜厚に形成しておけば、各撮像素子
毎に、すなわち各色毎にそれぞれ均一で良好な感度が得
られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により詳し
く説明する。図１は本発明のカラー固体撮像素子の一実
施例を示す図であり、この図において符号２０はカラー
固体撮像素子（以下、撮像素子と略称する）である。な
お、図１に示した撮像素子２０において、図５に示した
撮像素子１の構成要素と同一の構成要素には同一の符号
を付してその説明を省略する。この撮像素子２０が、図
１に示した撮像素子１と異なるところは、パッシベーシ
ョン膜の膜厚が、その直上に位置するカラーフィルタの
種類によって異なる点である。すなわち、この撮像素子
２０においてパッシベーション膜２１は、緑色光領域の
波長の光（以下、単に緑色光と呼称する）を透過し、他
の領域の波長の光を吸収するカラーフィルタ１１ａの直
下部分２１ａでその膜厚が薄く、他のカラーフィルタ１
１ｂ、すなわち赤色光、青色光を透過し他の領域の波長
の光を吸収するカラーフィルタ１１ｂの直下部分２１ｂ
で厚く形成されたものとなっている。

【００１４】パッシベーション膜２１の各部分での膜厚
とは、特に受光部４の直上部における、遮光膜８、８間
に形成された窓部２２における膜厚を指している。そし
て、ここでの膜厚と、その直下に位置する部分の絶縁膜
６の膜厚との関係が入射光の波長域に対して最適な透過
率を有するように、前記パッシベーション膜２１の各部
分での膜厚が決定されているのである。

【００１５】ここで、パッシベーション膜２１をＰ−Ｓ
ｉＮ（プラズマ窒化膜）により、絶縁膜６をＳｉＯ₂ に
よりそれぞれ形成し、前記窓部２２におけるパッシベー
ション膜２１の膜厚を２１０ｎｍ、絶縁膜６の膜厚を１
９０ｎｍとした場合と、パッシベーション膜２１の膜厚
を２４０ｎｍ、絶縁膜６の膜厚を１９０ｎｍとした場合
とにおける、入射光の波長とこれらパッシベーション膜
２１、絶縁膜６からなる積層膜の透過率との関係のシミ
ュレーション結果を図２（ａ）、（ｂ）に示す。なお、
シミュレーション条件として、シリコン基板２表面から
オーバーフローバリア（図示略）までの距離は２μｍと
している。

【００１６】図２（ａ）、（ｂ）から分かるように、パ
ッシベーション膜２１の膜厚の違いにより、透過率のピ
ーク位置における波長域が大きく変化している。ちなみ
に、各色の分光特性におけるピーク位置はＢ（青）が４
５０ｎｍ、Ｇ（緑）が５３０ｎｍ、Ｒ（赤）が６２０ｎ
ｍ付近である。したがって、パッシベーション２１の膜
厚を２１０ｎｍとした図２（ａ）の場合、緑色光の透過
には有利であるものの、青色光、赤色光の透過には不利
になってしまうのが分かる。一方、パッシベーション２
１の膜厚を２４０ｎｍとした図２（ｂ）の場合、逆に青
色光、赤色光の透過には有利であるものの、緑色光の透
過には不利になってしまうのである。

【００１７】そこで、本実施例の撮像素子２０において
は、パッシベーション膜２１の、緑色光用カラーフィル
タ１１ａの直下部分２１ａの膜厚を例えば２１０ｎｍと
し、青色用および赤色用のカラーフィルタ１１ｂの直下
部分２１ｂの膜厚を例えば２４０ｎｍとしている。よっ
て、各色毎に有利な透過率となるよう、パッシベーショ
ン膜２１の各部分の膜厚を異ならせていることから、本
実施例の撮像素子２０は各色毎に均一で十分な感度を有
し、これにより得られる画像における色の再現性等を向
上することができる。

【００１８】このような構成の撮像素子２０を得るに
は、まず、図３（ａ）に示すように従来と同様にしてシ
リコン基板２上に絶縁膜６、転送電極７、遮光膜８をそ
れぞれ形成しておく。なお、図３（ａ）中には示してい
ないものの、シリコン基板２中にＰウェル３、受光部
４、垂直転送部５をそれぞれ形成しておくのはもちろん
である。次に、各色間におけるパッシベーション膜２１
の膜厚の差分（本実施例では３０ｎｍの厚さ分）を、プ
ラズマＣＶＤ法により遮光膜８を覆って絶縁膜６上に堆
積し、パッシベーション膜２１の一部となるＰ−ＳｉＮ
膜２３を形成する。続いて、このＰ−ＳｉＮ膜２３上に
レジスト層を形成し、さらにリソグラフィー技術によっ
てこれをパターニングし、図３（ａ）に示すように緑色
光用カラーフィルタ１１ａの直下となる部分を開口させ
たレジストパターン２４を形成する。

【００１９】次いで、ケミカルドライエッチング等のエ
ッチングによってレジストパターン２４に覆われない部
分のＰ−ＳｉＮ膜２３を除去し、さらにレジストパター
ン２４も除去する。次いで、再度プラズマＣＶＤ法によ
り、図１に示した緑色光用カラーフィルタ１１ａの直下
部分２１ａの膜厚（本実施例では２１ｎｍ）のＰ−Ｓｉ
Ｎ膜を堆積し、図３（ｂ）に示すように単位画素間で膜
厚の異なる、すなわちＧ画素では膜厚が薄く（２１０ｎ
ｍ）、ＢあるいはＲ画素では膜厚が厚い（２４０ｎｍ）
パッシベーション膜２１を形成する。

【００２０】次いで、従来と同様にして透明樹脂等から
なる透明平坦化層１０を形成し、さらに各画素毎に予め
設定されたカラーフィルタ１１ａあるいは１１ｂを形成
し、その後レンズ１２を形成して撮像素子２０を得る。
ここで、カラーフィルタ１１ａ、１１ｂ…の配置、すな
わちＧ画素、Ｂ画素、Ｒ画素の配置については、例えば
図４に示すようなＧ市松Ｒ・Ｇ線順次配列（ベイヤー配
列）が採られる。

【００２１】なお、前記実施例においては、パッシベー
ション膜２１における、Ｇ画素に対応する部分２１ａと
Ｂ画素およびＲ画素に対応する部分２１ｂとの間のみで
その膜厚を異ならせたが、より一層の感度の均等化を図
るため、三つの画素に対応して全て膜厚を異ならせるよ
うにしてもよい。また、前記実施例では、パッシベーシ
ョン膜２１の膜厚のみをその対応するカラーフィルタ毎
に異ならせることにより、絶縁膜６とパッシベーション
膜２１とからなる積層膜の透過率を、入射する光の波長
域に対してそれぞれに有利となるようにしたが、本発明
はこれに限定されることなく、絶縁膜６の膜厚のみを異
ならせてよく、さらには、パッシベーション膜２１と絶
縁膜６の両者を異ならせることにより、光の色毎に最適
な透過率が得られるようにしてもよい。さらに、前記実
施例ではカラーフィルタとして三色の色に対応して三種
類である場合について説明したが、補色系を加えた四色
以上の場合にも、本発明を適用できるのはもちろんであ
る。

【００２２】また、本発明におけるカラー固体撮像装置
は、例えば図６に示したカラー撮像装置における撮像素
子８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂとして、互いにそのパッシベ
ーション膜または絶縁膜の膜厚が異なったものを備えた
ものである。すなわち、これら撮像素子８２Ｒ、８２
Ｇ、８２Ｂ間において、例えば撮像素子８２Ｇとして、
図５に示したパッシベーション膜９の膜厚を２１０ｎ
ｍ、絶縁膜６を１９０ｎｍとしたものを用い、撮像素子
８２Ｒ、８２Ｂとして、図５に示したパッシベーション
膜の膜厚を２４０ｎｍ、絶縁膜６を１９０ｎｍとしたも
のを用いれば、前記実施例の撮像素子２０と同様にこの
カラー固体撮像装置は、緑色光、および赤色光、青色光
の全てが有利な透過率でパッシベーション膜９、絶縁膜
６を透過して受光部４に到達する。したがって、各色の
光がそれぞれに十分な透過率で受光されて各撮像素子８
２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂが均一で良好な感度を有するもの
となることから、このカラー固体撮像装置にあっても、
得られる画像における色の再現性等を向上させることが
できる。

【００２３】なお、本発明のカラー固体撮像装置は、前
述したごとく単にパッシベーション膜の膜厚のみを異な
らせることに限定されず、絶縁膜の膜厚のみを異なら
せ、あるいは両者を異ならせてもよいのは前記撮像素子
の場合と同様であり、また、三つの撮像素子全てで、そ
の膜厚を異ならせてもよい。さらに、前記実施例では、
パッシベーション膜としてＰ−ＳｉＮ膜を用いた例を示
したが、これに代えて例えばＰ−ＳｉＯ₂ 膜を用いても
よく、その場合にも、該パッシベーション膜と絶縁膜と
の積層膜の膜厚と、各色の光の透過率とを予め調べてお
き、各色毎に、より有利な透過率となるようその膜厚を
異ならせて該膜を形成すればよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明のカラー固体
撮像素子は、受光部の略直上部に位置する絶縁膜または
パッシベーション膜の膜厚が、その直上に位置するオン
チップカラーフィルタの種類によって異なるものである
から、前記膜を、それぞれオンチップカラーフィルタの
種類によって決まる入射光の波長域に合わせてこれに対
しての透過率が高い膜厚に形成しておけば、各色毎にそ
れぞれ均一で良好な感度が得られ、これにより得られる
画像における色の再現性等を向上させることができる。

【００２５】本発明のカラー固体撮像装置は、第一のカ
ラー固体撮像素子と第二のカラー固体撮像素子との間
で、それぞれの絶縁膜またはパッシベーション膜の膜厚
が、それぞれのオンチップカラーフィルタの種類によっ
て異なるものであるから、それぞれの前記膜を、それぞ
れオンチップカラーフィルタの種類によって決まる入射
光の波長域に合わせてこれに対しての透過率が高い膜厚
に形成しておけば、各撮像素子毎に、すなわち各色毎に
それぞれ均一で良好な感度が得られ、これにより得られ
る画像における色の再現性等を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるカラー固体撮像素子の一実施例
の、概略構成を示す要部側断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｂ）は、入射光の波長とこれらパッ
シベーション膜、絶縁膜からなる積層膜の透過率との関
係のシミュレーション結果を示す図である。

【図３】（ａ）〜（ｂ）は、図１に示した撮像素子の製
造方法を工程順に説明するための要部側断面図である。

【図４】カラーフィルタの配置、すなわちＧ画素、Ｂ画
素、Ｒ画素の配置についての一例を模式的に示す図であ
る。

【図５】従来のカラー固体撮像素子の一例、概略構成を
示す要部側断面図である。

【図６】カラー固体撮像装置の一例の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

２ シリコン基板（シリコン基体） ４ 受
光部 ６ 絶縁膜 １０
透明平坦化層 １１ａ、１１ｂ オンチップカラーフィルタ ２０
カラー固体撮像素子 ２１ パッシベーション膜 ８２Ｒ、８２Ｇ、８２Ｂ 撮像素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基体の表層部に光電変換を行う
   受光部が二次元配列され、前記シリコン基体の表面上に
   絶縁膜、パッシベーション膜、透明平坦化層、オンチッ
   プカラーフィルタがこの順に設けられてなり、前記オン
   チップカラーフィルタが、前記受光部毎に設けられると
   ともに複数の色に対応して複数の種類から構成されてな
   るカラー固体撮像素子において、 前記受光部の略直上部に位置する絶縁膜またはパッシベ
   ーション膜の膜厚が、その直上に位置するオンチップカ
   ラーフィルタの種類によって異なることを特徴とするカ
   ラー固体撮像素子。
2. 【請求項２】 シリコン基体の表層部に光電変換を行う
   受光部が二次元配列され、前記シリコン基体の表面上に
   絶縁膜、パッシベーション膜、透明平坦化層、オンチッ
   プカラーフィルタがこの順に設けられてなる第一のカラ
   ー固体撮像素子と、この第一のカラー固体撮像素子のオ
   ンチップカラーフィルタとは別の色に対応するオンチッ
   プカラーフィルタを設けた第二のカラー固体撮像素子と
   を具備してなる多板式のカラー固体撮像装置において、 前記第一のカラー固体撮像素子と第二のカラー固体撮像
   素子との間では、それぞれの絶縁膜またはパッシベーシ
   ョン膜の膜厚が、それぞれのオンチップカラーフィルタ
   の種類によって異なることを特徴とするカラー固体撮像
   装置。