JP2010078970A - カラーフィルタ及びその製造方法、ならびにカラーフィルタを有する固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーの固体撮像素子において、各色の色再現性と高感度を両立させる目的で、カラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる色分解された光の強度を大きくするカラーフィルタを提供すること、およびそのようなカラーフィルタを有する固体撮像素子を提供すること。
【解決手段】撮像素子用のカラーフィルタであって、その色層の配列が緑色系、青色系、赤色系を含む４色から構成されており、緑色系または青色系の内の一つが異なる２色から成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーフィルタを有し、ＣＣＤやＣＭＯＳからなる光電変換素子を形成したカラーの固体撮像素子に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で多色高性能のものが安定して製造されるようになってきている固体撮像素子を用いた撮像装置が、普及してきている。

固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態は、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との2種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になる。また、光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を透過する各種のカラーフィルタを設けることで対象物の色情報を得ることを可能としたカラーセンサーも普及している。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３色の色層で構成された３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）の３色の色層で構成された補色系が一般的である。

なお、カラーフィルタは、フォトリソグラフィー法にて形成するのが主流となっている。すなわち、所定の色の着色感光性樹脂を塗布した塗膜に、パターン露光、現像、必要により硬膜処理などを行い、所定の部位に着色感光性樹脂を残し、その残存物をもって色層とするという方法である。色の異なる色層を有するカラーフィルタを得る場合、色の異なる着色感光性樹脂を各々用い、樹脂塗膜の形成、樹脂塗膜へのパターン露光、現像、必要により硬膜処理などの工程を、必要な色の回数繰り返すことになる。

固体撮像素子に要求される性能に関する重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。また、撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、光を取り込む面積も小さくなるため、光電変換素子に取り込める光の量が少なくなる。また、カラーフィルタを設けた固体撮像素子では、カラーフィルタを光が通過する際に所定の波長の光を分離して通過させるが、光が通過する際にカラーフィルタによる光の吸収が生じるため、光電変換素子に入射する光量が低下する。そのため、固体撮像素子として光への感度の低下が生じる。

このような、固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子（受光部）に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子（受光部）に導くマイクロレンズを形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子（受光部）に導くことで、受光部の見かけ上の開口率（面積）を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度を向上させることが可能になる。

画素が微細化し、高集積化した固体撮像素子の感度を上げる方法として、光電変換素子
（受光部）個別の光電変換性能を高めることは当然であるが、それ以外には、光電変換素子に取り込む光の量を増やすことが有効であり、上記のマイクロレンズを用いる方法もそのひとつである。

また、カラーフィルタによる色分離を徹底すると、前述のとおり、カラーフィルタによる光の吸収が大きくなり、入射する光量が減少して、結果的に素子としての感度が下がることになる。固体撮像素子の感度向上の観点からは、カラーフィルタを明るくして、カラーフィルタを通過する光の量を多くし、光電変換素子に取り込む光の量を増やすことが望ましい。明るいカラーフィルタとする手法として、色層の厚さはそのままとし、色層中に含有される色材の量を減らす、または、色層中に含有される色材の量は変えずに、色層の厚みを減らす、もしくは、色層の厚みと色材の含有量の両方を変える等、種々の方法が有る。いずれにしても、明るいカラーフィルタとした場合、所望する波長の光の透過量は増やすことが出来るが、その他の波長の光の透過量も増えることになり、色の分離性が悪くなる。その結果、撮像装置として色再現性の悪いものとなっていた。

特に画素サイズが４μｍ以下、とりわけ２μｍ以下の固体撮像素子においては、光電変換素子の受光面積が非常に小さくなるため、画素サイズの大きな固体撮像素子と比較して感度が著しく低下する。このため、２μｍ以下の画素サイズの固体撮像素子に用いるカラーフィルタは、感度を重視するために明るいカラーフィルタとする場合が多かった。しかし、前述したように、明るいカラーフィルタは本来は遮断すべき波長の光も通過してしまうため、所謂、分光透過率が浮いた、色再現性の悪い分光特性であった。

素子の微細化が進んだとはいえ、光電変換素子の各画素に３色のカラーフィルタ画素と３色分のマイクロレンズを対応させるまでの微細化は困難であり、図３に示すような、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列と呼ばれる市松模様の配列をカラーフィルタに適用している。ここで、１画素が１色のカラーフィルタ画素に対応しており、Ｇ（緑色）２画素を対角に配置した４画素で１組（図３中の太線で囲まれた組）の配列が繰り返し配置される。この配列の場合、光電変換素子の総画素数Ｎに対して、Ｇ（緑色）の画素数はＮ／２、Ｒ（赤色）及びＢ（青色）の画素数はＮ／４となるが、各画素ごとに周辺の画素の出力を用いて補間演算を行うことにより、Ｎ個のＲＧＢの組を作り出す。ここで、Ｇ（緑色）の画素を他の色に比べて２倍に多くしているのは、人の目の視感度の高いＧに対する解像度が見かけ上の解像度を高めるからである。なお、以降、カラーフィルタを構成する色画素を、色層と記す。

一方、Ｂ（青色）の光に対する光電変換素子のデバイス感度が低いという問題もあるため、Ｂ（青色）の光が入射する光電変換素子には特に入射光量を多くし、光電変換素子が取り込む光の量を増やすことが望ましい。

上記のように、高解像度、高感度のカラー固体撮像素子を得るために、個々の光電変換素子に対応して、性能と配置が工夫されたカラーフィルタとマイクロレンズが形成されている。なお、これらを形成するにあたり、下地面に凹凸があると、所望する形状に形成することが困難になる。そのため、必要に応じて下地面に透明平坦化層を設けることが行われている。
特開２００４−２００３６０号公報

上述のように、微細化の進む固体撮像素子では、感度を重視した場合、カラーフィルタの色特性（色の分離性）が悪く、色再現性の悪い分光特性となる傾向にあった。すなわち、色再現性が劣るということは、所定の波長の光を通過させるために、カラーフィルタで
遮断すべき波長の光も、余分な光として多く通してしまうことであり、その余分な光がノイズとして影響を与える結果、光電変換素子の色感度を低くすることになっていた。

本発明が解決しようとする課題は、カラーの固体撮像素子を組み込んだ撮像装置において、各色の色再現性と高感度を両立させる目的で、カラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる色分離された光の強度を大きくするカラーフィルタを提供すること、およびそのようなカラーフィルタを有する固体撮像素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、撮像素子用のカラーフィルタであって、該カラーフィルタの色層の平面配列が緑色系、青色系、赤色系を含む４色層の繰り返しで構成されており、緑色系または青色系の内の一つが、構成の異なる２色層から成ることを特徴とするカラーフィルタである。

また、請求項２記載の発明は、前記色層の平面配列がＧ１（緑色１）、Ｇ２（緑色２）、Ｂ（青色）、Ｒ（赤色）の４色層から構成されており、Ｇ２の色層がＧ１の色層と同一の色層を含む積層構造であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタである。

また、請求項３記載の発明は、前記Ｇ１とＧ２の色層が同一材料から成り、Ｇ１の層厚がＧ２の層厚の１／１０〜１／２であることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルタである。

また、請求項４記載の発明は、前記Ｇ１とＧ２の色層の平面配列が対角の位置関係にあることを特徴とする請求項２または３に記載のカラーフィルタである。

また、請求項５記載の発明は、前記Ｇ１と同一の色層がＧ２の色層の最下層を構成し、Ｇ２の最下層を除く上層の画素寸法が最下層の画素寸法より小さいことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のカラーフィルタである。

また、請求項６記載の発明は、前記Ｇ１の色層の画素エッジ上に、前記ＢおよびＲの色層の画素エッジが重なることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のカラーフィルタである。

また、請求項７記載の発明は、請求項２〜６のいずれかに記載のカラーフィルタを形成するに際して、複数の光電変換素子が形成された半導体基板上の、前記Ｇ１とＧ２の色層とを配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ異なる構成の緑色層を形成する工程と、前記ＢとＲの色層を配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ青色層と赤色層を形成する工程とから成るカラーフィルタの製造方法である。

また、請求項８記載の発明は、前記Ｇ１の色層及びＧ２の色層の最下層であるＧ１と同一の色層とを同時に形成することを特徴とする請求項７に記載のカラーフィルタの製造方法である。

また、請求項９記載の発明は、前記色層の平面配列がＢ１（青色１）、Ｂ２（青色２）、Ｇ（緑色）、Ｒ（赤色）の４色層から構成されており、Ｂ２の色層がＢ１の色層と同一の色層を含む積層構造であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタである。

また、請求項１０記載の発明は、前記Ｂ１とＢ２の色層が同一材料から成り、Ｂ１の層厚がＢ２の層厚の１／１０〜１／２であることを特徴とする請求項９に記載のカラーフィルタである。

また、請求項１１記載の発明は、前記Ｂ１とＢ２の色層の平面配列が対角の位置関係にあることを特徴とする請求項９または１０に記載のカラーフィルタである。

また、請求項１２記載の発明は、前記Ｂ１と同一の色層がＢ２の色層の最下層を構成し、Ｂ２の最下層を除く上層の画素寸法が最下層の画素寸法より小さいことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のカラーフィルタである。

また、請求項１３記載の発明は、前記Ｂ１の色層の画素エッジ上に、前記ＧおよびＲの色層の画素エッジが重なることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のカラーフィルタである。

また、請求項１４記載の発明は、請求項９〜１３のいずれかに記載のカラーフィルタを形成するに際して、複数の光電変換素子が形成された半導体基板上の、前記Ｂ１とＢ２の色層とを配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ異なる構成の青色層を形成する工程と、前記ＧとＲの色層を配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ緑色層と赤色層を形成する工程とから成るカラーフィルタの製造方法である。

また、請求項１５記載の発明は、前記Ｂ１の色層及びＢ２の色層の最下層であるＢ１と同一の色層とを同時に形成することを特徴とする請求項１４に記載のカラーフィルタの製造方法である。

また、請求項１６記載の発明は、請求項１〜６または９〜１３のいずれかに記載のカラーフィルタを有することを特徴とする固体撮像素子である。

本発明のカラーフィルタおよびその製造方法、ならびに該カラーフィルタを有する固体撮像素子を撮像装置に用いれば、撮像装置の良好な色再現性と高い感度を両立させる目的に合致して、カラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる色分離された光の強度を大きくするカラーフィルタと固体撮像素子を提供することができる。

また、本発明のカラーフィルタおよびその製造方法、ならびに該カラーフィルタを有する固体撮像素子によれば、高解像度かつ高感度の固体撮像素子を、製造コストを大きく増大させることなく、高い信頼性を有して提供することができる。

本発明の実施形態の一例を、図面に従って説明する。

図１は、本発明のカラーフィルタと固体撮像素子の一例を模式的に示す説明図であって、（ａ）はカラーフィルタの平面色配列を繰り返しの最小単位で示す。ここで、従来のベイヤ配列において対角の２箇所に配置されるＧ（緑色）色層の部位に、各々、第１の緑色（Ｇ１）色層と第２の緑色（Ｇ２）色層とを配置する。すなわち、従来は同一の緑１色の色層を配置していた部位に、第１の緑色（Ｇ１）色層と第２の緑色（Ｇ２）色層という異なる色層を配置している。なお、残りの対角には、従来通り、Ｒ（赤色）色層８とＢ（青色）色層１０を配置している。図１（ａ）中の点線ｘ−ｘ'に示す表示経路におけるカラーフィルタ５を含む固体撮像素子１の拡大断面図を、次の図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、固体撮像素子１は、複数の光電変換素子３を有する半導体基板２、半導体基板２上に形成したカラーフィルタ５、及び、カラーフィルタ５上に形成したマイクロレンズ７を、主な構成要素としている。カラーフィルタ５は、半導体基板２に設けた光電変換素子３の１個毎に１層の色層が対応するよう、複数の色層を有しており、また、外からの入射光を集光して光電変換素子に取り込むために、カラーフィルタ５の上方に、集光のためのマイクロレンズ７を各光電変換素子３に対応させて各々配置している。さらに、カラーフィルタ５およびマイクロレンズ７の下地面を平坦化して形状を良くするために、透明平坦化層（下部）４および／または透明平坦化層（上部）６を適宜設ける。

次いで、カラーフィルタ５を構成する色層の拡大断面を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）に示すように、Ｇ２（緑色２）の色層は積層体構造としており、その積層構成にＧ１（緑色１）層９と同一の色層を含む。本実施形態においては、積層構成としたＧ２の色層の最下層９'を、Ｇ１（緑色１）層９と同一の色層としている。なお、積層構造としたＧ２層のうち、最下層９'の上に積層する上層１１は、Ｇ１（緑色１）層９とは材料も層厚も層数も同一である必要はなく、Ｇ２層（最下層９'と上層１１とからなる積層構造の色層）として、後述するように、分光透過率が所望する分光透過率となるように設定し、色再現性を重視したものとする。一方、Ｇ１層９は明るさ（感度向上）を優先した、明るい色層としている。なお、Ｇ１層とＧ２層全体（最下層９'と上層１１とからなる積層構造の色層）が同一材料から成る場合は、Ｇ１の層厚がＧ２の層厚の１／１０〜１／２の範囲にあることが適当である。また、Ｒ層８とＢ層１０は色再現性を考慮して設計し、その層厚はＧ２層の層厚に近づけることが好ましい。

次いで、Ｇ１層９と、Ｇ２の色層の最下層９'とを、同一の色層とする場合、図１（ｃ）に示すように、最下層９'に積層され、Ｇ２層を構成する上層１１の画素寸法は、最下層９'の画素寸法より小さくすることが好ましい。これは、Ｇ１層およびＧ２層の最下層９'の画素エッジ（端部）に対して、隣り合う画素であるＲ層およびＢ層の画素エッジ（端部）を重なり易くする（オーバーラップし易くする）ためである。相対的に薄い層であるＧ１層９及び最下層９'のエッジに、厚い層であるＲ層８およびＢ層１０のエッジを重ねることにより、画素サイズが小さい場合に生じがちな画素剥がれを防止することができる。

この点につき、さらに説明する。
前述したように、カラーフィルタは、フォトリソグラフィー法にて形成するのが主流となっている。そのため色層の形成にあたり、フォトリソグラフィー法にてまず、Ｇ１層９とＧ２の色層の最下層９'とを初めに同一の着色感光性樹脂にて同時に形成する。次いで、Ｒ層８、Ｂ層１０、及び、Ｇ２層を構成する上層１１を、順次フォトリソグラフィー法にて形成する。なお、Ｒ層８、Ｂ層１０、上層１１の形成順は、この順番でなくても構わず、適宜変更しても構わない。

Ｇ１層９とＧ２の色層の最下層９'とを同一の着色感光性樹脂にて同時に形成した場合、Ｇ１層９と最下層９'とは略同一の層厚となる。Ｇ１層９は光の透過量を増やし明るさを優先しているため、その層厚は、他の色層であるＲ層８、Ｂ層１０の層厚より薄いものとなる。ここで、フォトリソグラフィー法にて形成した層は、層厚の薄い方が下地への密着性が良いといえる。なぜならば、塗布された感光性樹脂層にパターン露光を行って樹脂を硬化させるのが一般的であるが、層厚が薄い方が露光光が層の下部まで届き、硬化が十分に行われ、下地への密着性が向上する。一方、感光性樹脂層の層厚が厚いと、パターン露光の際に、層の下部に届く露光光が弱くなり、下部の硬化が十分に進まず、下地との密着力が低下する。その場合、現像の際に、下地から剥れ易くなるといえ、画素サイズが小さいほど、密着力の不足による現像時の画素剥がれは顕著になるといえる。

ここで、層厚の薄い層であるＧ１層９と最下層９'は強固に下地層（平坦化層４もしくは半導体基板２）に密着することになる。そのため、Ｇ１層９と最下層９'のエッジ（端部）にＲ層８、Ｂ層１０のエッジ（端部）を重ねると、Ｒ層８、Ｂ層１０と下地との密着において、Ｇ１層９と最下層９'とが、Ｒ層８、Ｂ層１０と下地とを繋ぎ止める所謂アン
カー（碇）の役目を持つことになる。その結果、Ｒ層８、Ｂ層１０の画素剥がれが防止出来るものである。

また、上層１１は最下層９'の上に形成されるので、上層１１の画素剥がれも無くなる。さらに、薄い層厚である、Ｇ１層９と最下層９'とに隣接して、Ｒ層８、Ｂ層１０を形成するので、平坦性の高いＲ層８、Ｂ層１０を得ることが可能になる。

エッジの重なりの幅は０．０１〜０．５μｍの範囲で設定すればよいので、上記の画素寸法差（最下層９'と上層１１との画素寸法差）は、Ｒ層８、Ｂ層１０のエッジに、Ｇ２層の上層１１のエッジが乗らないよう（重ならないよう）に設定するのが好ましく、特には、Ｒ層８、Ｂ層１０のエッジの側面と、Ｇ２層の上層１１のエッジの側面とが接するように設定するのが好ましい。なぜならば、厚い層同士の重なりが生じると、重なり部で層厚の局部的な盛り上がりが生じ、カラーフィルタの上方にマイクロレンズを形成する際に、マイクロレンズが所望する形状にならない等の問題が生じ、好ましくないためである。

本実施例のカラーフィルタは、カラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる、色分離された光の強度を大きくするために、Ｇ２層の分光透過率を所望する分光透過率とすることで、色再現性を重視した仕様とし、また、Ｇ１層は明るさを重視し感度向上に適した仕様としている。この点につき以下に、具体的な例を用いて説明する。

図４に、本実施例のカラーフィルタの有する各色層の分光透過率曲線の一例を示す。
ここで、カラーフィルタは、色層の配列を図１（ａ）に示すようにＧ１（緑色１）色層、Ｇ２（緑色２）色層、Ｂ（青色）色層、Ｒ（赤色）色層の４色層から構成したものであり、Ｇ２の色層は、図１（ｃ）に示すように、Ｇ１色層９と同一の色層を最下層９'として下部に有し、緑色の上層１１を最下層９'の上部に積層した積層構造としている。また、図５は、本実施例のカラーフィルタとの比較のために、従来のカラーフィルタの有する色層の分光透過率曲線の一例を示す。

比較のカラーフィルタは、、図３に示す従来のベイヤ配列とし、同一構成（同一色）のＧ色層を２個対角に配置し、残りの対角にＢ（青色）色層、Ｒ（赤色）色層を配置している。また、本比較のカラーフィルタは、明るさ（感度向上）を重視したカラーフィルタとしている。

次いで、図４、図５の２つの分光透過率曲線から読み取れる、各色の主波長の透過率と妨害色による最大ノイズと、それらから算出されるノイズ分を除く透過率を表１に示し、本発明の効果を具体的に説明する。

ここで、各色（青、緑、赤）の光波長域において各色層が有する最大の透過率を主透過率（１）と定義し、最大の透過率となる波長を主波長とする。例えば、図４に示すように、青色の光波長域においてＢ層の最大透過率は８０％であるため、表１において、Ｂ層の主透過率（１）は８０％となり、８０％の最大透過率となる波長が４５０ｎｍであるため、主波長は４５０ｎｍとなる。次いで、主波長において他の色の色層が有する透過率のうち、一番高い透過率を有する色層を妨害色とし、該主波長における妨害色の透過率を最大ノイズ（２）と定義する。例えば、図４に示すように、Ｂ層の主波長である４５０ｎｍにおいて、他の色の色層（Ｇ１色層、Ｇ２色層、Ｒ色層）の透過率で一番高い透過率を有するものは、後述の理由によりＧ１色層は初めから妨害色から除外するので、Ｇ２色層であり、その透過率は８％である。そのため、Ｂ層の主波長である４５０ｎｍにおける妨害色はＧ２色層であり、最大ノイズ（２）は８％となる。

通常、撮像装置は、カラーフィルタ（色層）を通過し光電変換素子に入射した光から得
られた信号をそのまま撮影色として用いるのではなく、ノイズ信号をもとに補正した信号を撮影色としている。補正の例としては、主波長で得られた主透過率（１）から最大ノイズ（２）を差し引くことが考えられる。そのため、主透過率（１）から最大ノイズ（２）を差し引いた値を撮像装置が色として得る信号とみなしている。表１においては、主透過率（１）から最大ノイズ（２）を差し引いた値であるノイズ分を除く補正透過率（３）がカラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる色分離された光の強度に相当するものとみなしえる。他の色層も同様にして、主透過率（１）、最大ノイズ（２）、補正透過率（３）を求めたものを表１に記している。

なお、本実施例に係わるＧ１色層は、明るさ（感度向上）を重視した分光透過率を持たせたもので、Ｇ（緑）色の他の色であるＢ（青）色の主波長である４５０ｎｍやＲ（赤）の主波長である６２０ｎｍでの透過率も高くなった、いわゆる浮いた分光透過率曲線を示し、色分離の機能は低い。従って、Ｇ１色層は、３色の各主波長におけるノイズ分を除く透過率を算出する際の妨害色からは初めから除外し、Ｇ色の感度を向上（アップ）させる手段に利用するものである。色再現性を重視する場合には、Ｂ色層、Ｇ２色層、Ｒ色層の各色層を通過し光電変換素子に入射した光から得られる信号を補正して用いるものとする。

表１に示すように、図４の分光透過率曲線から算出された、妨害色によるノイズ分を除く透過率を、図５の比較曲線から読み取られる同様の数値と較べると、ノイズ分を除いた補正透過率（３）は、〔本発明の例〕の方が〔比較例〕より大きいものが多い。従って、カラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる色分離された光の強度が本発明のカラーフィルタを用いることにより高くなることを示している。表１の〈効果判定〉欄に○印で示す通り、Ｂ色、Ｒ色の色再現においても、本発明のカラーフィルタが優れているばかりでなく、Ｇ色の再現においても、Ｇ１色層を用いた感度補正を行えば、本発明のカラーフィルタが優れている。その結果、光電変換素子の色感度を高めることができる。

なお、Ｇ１色層を介して得た信号を用いるか、Ｇ２色層を介して得た信号を用いるかは、カラーフィルタが組み込まれる撮像装置に、撮影時に撮像装置が置かれた明るさを測定するセンサーを撮像装置に組み込み、概センサーからの信号に応じて信号の使い分けを行う機構を撮像装置に組み込むのが望ましい。

また、上記のカラーフィルタを製造する工程は、以下の通りである。
すなわち、複数の光電変換素子が形成された半導体基板上の、前記Ｇ１色層とＧ２色層を配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ異なる緑色層（Ｇ１色層とＧ２色層）を形成する工程と、前記Ｂ色層とＲ色層を配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれＢ（青色）色層とＲ（赤色）色層を形成する工程とを有する。

なお、Ｇ２の色層がＧ１色層と同一の色層を含む場合は、Ｇ２の色層に含まれるＧ１色層と単独のＧ１色層とを同時に形成することが可能であり、カラーフィルタの製造コストを大きく増大させることはない。

さらに、透明平坦化層（下部）４および／または、透明平坦化層（上部）６の形成にあたっては、透明な樹脂を塗布する技術を用いることが多い。透明な樹脂の塗布で上記いずれかの透明平坦化層を形成する際、１回の塗布でいずれかの透明平坦化層を形成する場合もあるが、透明樹脂の粘度が低い場合は複数回に分けて透明樹脂を塗布し、透明樹脂を積層した構造の透明平坦化層とすることも行われる。

次に、本発明の実施形態の他の例を、図面に従って説明する。

図２は、本発明のカラーフィルタと固体撮像素子の他の例を模式的に示す説明図であって、図２（ａ）はカラーフィルタの平面色配列を、繰り返しの最小単位で示す。図２（ａ）に示すように、繰り返しの最小単位は、升目状に配置した、Ｂ１（青色１）色層、Ｂ２（青色２）色層、Ｒ（赤色）色層、及び、Ｇ（緑色）色層の４色層で構成している。Ｂ１（青色１）色層、Ｂ２（青色２）色層の２色の色層を対角に配置し、Ｒ（赤色）とＧ（緑色）を他の対角の位置に配置している。なお、Ｂ１（青色１）色層とＢ２（青色２）色層とには、異なる分光透過率を持たせている。図２（ａ）中の点線ｙ−ｙ'に示す表示経路におけるカラーフィルタ５'を含む固体撮像素子１'の拡大断面を図２（ｂ）に示す。

図２（ｂ）に示すように、固体撮像素子１'は、複数の光電変換素子３'を有する半導体基板２'、半導体基板２'上に形成したカラーフィルタ５'、及び、カラーフィルタ５'上に形成したマイクロレンズ７'を、主な構成要素としている。カラーフィルタ５'は、半導体基板２'に設けた光電変換素子３'の１個毎に１層の色層が対応するよう、複数の色層を有しており、また、外からの入射光を集光して光電変換素子に取り込むために、カラーフィルタ５'の上方に、集光のためのマイクロレンズ７'を各光電変換素子３'に対応させて各々配置している。

さらに、カラーフィルタ５'およびマイクロレンズ７'の下地面を平坦化して形状を良くするために、透明平坦化層（下部）４'および／または透明平坦化層（上部）６'を適宜設ける。

次いで、カラーフィルタ５'を構成する色層の拡大断面を図２（ｃ）に示す。図２（ｃ）に示すように、Ｂ２（青色２）の色層は積層構造であり、その積層構成にＢ１（青色１）層１３と同一の色層を含む。本実施形態においては、積層構成としたＢ２の色層の最下層１３'を、Ｂ１（青色１）層１３と同一の色層としている。なお、積層構成としたＢ２のうち、最下層１３'の上に積層する上層１５は、Ｂ１（青色１）層１３とは材料も層厚も層数も同一である必要はなく、Ｂ２層（最下層１３'と上層１５とからなる積層構造の色層）としては、後述するように、分光透過率が所望する分光透過率となるように設定し、色再現性を重視したものとする。一方、Ｂ１層１３は明るさ（感度向上）を優先した、明るい色層としている。なお、Ｂ１層とＢ２層全体（最下層１３'と上層１５とからなる積層構造の色層）が同一材料から成る場合は、Ｂ１の層厚がＢ２の層厚の１／１０〜１／２の範囲にあることが適当である。また、Ｒ層１２とＧ層１４は色再現性を考慮して設計し、その層厚はＢ２層に近づけることが好ましい。

次いで、Ｂ１層１３と、Ｂ２の色層の最下層１３'とを、同一の色層とする場合、図２（ｃ）に示すように、最下層１３'に積層され、Ｂ２層を構成する上層１５の画素寸法は、最下層１３'の画素寸法より小さくすることが好ましい。これは、Ｂ１層１３およびＢ２層の最下層１３'の画素エッジ（端部）に対して、隣り合う画素であるＲ層およびＧ層の画素エッジ（端部）が重なり易くする（オーバーラップし易くする）ためである。前述の緑色系を２色層とする場合と同様に、相対的に薄い層であるＢ１層１３及び最下層１３'のエッジに、厚い層であるＲ層１２及びＧ層１４のエッジを重ねることにより、画素サイズが小さい場合に生じがちな画素剥がれを防止することができる。

エッジの重なりの幅は０．０１〜０．５μｍの範囲で選べばよいので、上記の画素寸法差も重なり部を避けてＢ２の上層１５が配置できる範囲で決めればよい。前述したように、厚い層同士の重なりは層厚の局部的な盛り上がりをもたらため、好ましくないからである。

本実施例のカラーフィルタは、光電変換素子に取り込まれる色分離された光の強度を大きくするために、Ｂ２層全体の分光透過率を所望する分光透過率とすることで、色再現性
を重視した仕様とし、また、Ｂ１層は明るさを重視し感度向上に適した仕様としている。この点につき以下に、具体的な例を用いて説明する。

図６に、本実施例のカラーフィルタの有する各色層の分光透過率曲線の一例を示す。
ここで、カラーフィルタは、色層の配列を図２（ａ）に示すように、Ｂ１（青色１）色層、Ｂ２（青色２）色層、Ｇ（緑色）色層、Ｒ（赤色）色層の４色層で構成したものであり、Ｂ２の色層は図２（ｃ）に示すように、Ｂ１色層１３と同一の色層を最下層１３'として下部に有し、青色の上層１５を最下層１３'の上部に積層した積層構造としている。また、図７は、本実施例のカラーフィルタとの比較のために、従来のカラーフィルタの有する色層の分光透過率曲線の一例を示す。比較のカラーフィルタの色層の配列は、図２（ａ）に示す配列のうち、Ｂ１色層とＢ２色層とを同一構成のＢ色層としている。また、本比較のカラーフィルタは、明るさ（感度向上）を重視したカラーフィルタとしている。

次いで、図６、図７の２つの分光透過率曲線から読み取れる、各色の主波長の透過率と妨害色による最大ノイズと、それらから算出されるノイズ分を除く透過率を表２に示し、本発明の効果を具体的に説明する。

なお、前述した表１の説明と同様に、表２においても、主透過率（１）、最大ノイズ（２）、補正透過率（３）を定義している。

なお、本実施例に係わるＢ１色層は、明るさ（感度向上）を重視した分光透過率を持たせたもので、Ｂ（青）色の他の色であるＧ（緑）色の主波長５３０ｎｍにおける透過率が高くなった、いわゆる浮いた分光透過率曲線を示しており、色分離の機能は低い。従って、Ｂ１色層は、３色の各主波長におけるノイズ分を除く透過率を算出する際の妨害色からは初めから除外し、Ｂ（青）色の感度を向上（アップ）させる手段にのみ利用する。色再現性を重視する場合には、Ｂ２色層、Ｇ色層、Ｒ色層の各色層を通過し光電変換素子に入射した光から得られる信号を補正して用いるものとする。

表２に示すように、各色から算出される、妨害色によるノイズ分を除く透過率を、図７の比較曲線から読み取られる同様の数値と較べると、ノイズ分を除いた補正透過率（３）は、〔本発明の例〕の方が〔比較例〕より大きいものが多い。従って、カラーフィルタを通して光電変換素子に取り込まれる色分離された光の強度は、本発明によるカラーフィルタの方が高くなることを表す。表２の〈効果判定〉欄に○印で示すとおり、Ｂ色、Ｒ色において、本発明のカラーフィルタの方が優位であり、Ｇ色においては比較のカラーフィルタと同等である。しかも、Ｂ１色層を利用した感度補正を考慮すれば、Ｂ色では表に記載の数字以上に本発明のカラーフィルタが優れているといえる。その結果、本発明のカラーフィルタを用いることで光電変換素子の色感度を高めることができる。

また、上記のカラーフィルタを製造する工程は、以下の通りである。
すなわち、複数の光電変換素子が形成された半導体基板上の、前記Ｂ１色層とＢ２色層とを配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ異なる青色層（Ｂ１色層とＢ２色層）を形成する工程と、前記Ｇ色層とＲ色層とを配置すべき部位に各々に、フォトリソグラフィー法でＧ（緑色）色層とＲ（赤色）色層を形成する工程とから成る。

なお、Ｂ２の色層がＢ１と同一の色層を含む場合は、共通部分すなわち、Ｂ２の色層に含まれるＢ１色層と単独のＢ１色層とを同時に形成することが可能であり、製造コストを大きく増大させることはない。

さらに、透明平坦化層（下部）４'および／または透明平坦化層（上部）６'の形成にあたっては、透明な樹脂を塗布する技術を用いることが多い。透明な樹脂の塗布で上記いず
れかの透明平坦化層を形成する際、１回の塗布でいずれかの透明平坦化層を形成する場合もあるが、透明樹脂の粘度が低い場合は複数回に分けて透明樹脂を塗布し、透明樹脂を積層した構造の透明平坦化層とすることも行われる。

上述の各種カラーフィルタを、前記固体撮像素子１または１'に有することによって、該固体撮像素子を高微細化、かつ、高感度のカラーの固体撮像素子として使用することができる。

本発明のカラーフィルタと固体撮像素子の一例を模式的に示す説明図であって、（ａ）はカラーフィルタの平面色配列と（ｂ）に示す断面図の表示経路（点線ｘ−ｘ'）、（ｂ）はカラーフィルタを含む固体撮像素子の拡大断面、（ｃ）はカラーフィルタの積層構造の拡大断面を示す。 本発明のカラーフィルタと固体撮像素子の他の一例を模式的に示す説明図であって、（ａ）はカラーフィルタの平面色配列と（ｂ）に示す断面図の表示経路（点線ｙ−ｙ'）、（ｂ）はカラーフィルタを含む固体撮像素子の拡大断面、（ｃ）はカラーフィルタの積層構造の拡大断面を示す。 従来の固体撮像素子におけるカラーフィルタの色層配列の一例を模式的に示す平面説明図である。 本発明のカラーフィルタの一例の分光透過率曲線を示す。 図４との比較のための、カラーフィルタの分光透過率曲線を示す。 本発明のカラーフィルタの他の一例の分光透過率曲線を示す。 図６との比較のための、カラーフィルタの分光透過率曲線を示す。

符号の説明

１、１'・・・・固体撮像素子
２、２'・・・・半導体基板
３、３'・・・・光電変換素子
４、４'・・・・透明平坦化層（下部）
５、５'・・・・カラーフィルタ
６、６'・・・・透明平坦化層（上部）
７、７'・・・・マイクロレンズ
８・・・・・・・Ｒ（赤色）層
９・・・・・・・Ｇ１（緑色１）層
９'・・・・・・Ｇ２（緑色２）層の最下層
１０・・・・・・Ｂ（青色）層
１１・・・・・・Ｇ２（緑色２）層の上層
１２・・・・・・Ｒ（赤色）層
１３・・・・・・Ｂ１（青色１）層
１３'・・・・・Ｂ２（青色２）層の最下層
１４・・・・・・Ｇ（緑色）層
１５・・・・・・Ｂ２（青色２）層の上層

Claims (16)

1. 撮像素子用のカラーフィルタであって、該カラーフィルタの色層の平面配列が緑色系、青色系、赤色系を含む４色層の繰り返しで構成されており、緑色系または青色系の内の一つが、構成の異なる２色層から成ることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 前記色層の平面配列がＧ１（緑色１）、Ｇ２（緑色２）、Ｂ（青色）、Ｒ（赤色）の４色層から構成されており、Ｇ２の色層がＧ１の色層と同一の色層を含む積層構造であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 前記Ｇ１とＧ２の色層が同一材料から成り、Ｇ１の層厚がＧ２の層厚の１／１０〜１／２であることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルタ。
4. 前記Ｇ１とＧ２の色層の平面配列が対角の位置関係にあることを特徴とする請求項２または３に記載のカラーフィルタ。
5. 前記Ｇ１と同一の色層がＧ２の色層の最下層を構成し、Ｇ２の最下層を除く上層の画素寸法が最下層の画素寸法より小さいことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のカラーフィルタ。
6. 前記Ｇ１の色層の画素エッジ上に、前記ＢおよびＲの色層の画素エッジが重なることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のカラーフィルタ。
7. 請求項２〜６のいずれかに記載のカラーフィルタを形成するに際して、複数の光電変換素子が形成された半導体基板上の、前記Ｇ１とＧ２の色層とを配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ異なる構成の緑色層を形成する工程と、前記ＢとＲの色層を配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ青色層と赤色層を形成する工程とから成るカラーフィルタの製造方法。
8. 前記Ｇ１の色層及びＧ２の色層の最下層であるＧ１と同一の色層とを同時に形成することを特徴とする請求項７に記載のカラーフィルタの製造方法。
9. 前記色層の平面配列がＢ１（青色１）、Ｂ２（青色２）、Ｇ（緑色）、Ｒ（赤色）の４色層から構成されており、Ｂ２の色層がＢ１の色層と同一の色層を含む積層構造であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
10. 前記Ｂ１とＢ２の色層が同一材料から成り、Ｂ１の層厚がＢ２の層厚の１／１０〜１／２であることを特徴とする請求項９に記載のカラーフィルタ。
11. 前記Ｂ１とＢ２の色層の平面配列が対角の位置関係にあることを特徴とする請求項９または１０に記載のカラーフィルタ。
12. 前記Ｂ１と同一の色層がＢ２の色層の最下層を構成し、Ｂ２の最下層を除く上層の画素寸法が最下層の画素寸法より小さいことを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のカラーフィルタ。
13. 前記Ｂ１の色層の画素エッジ上に、前記ＧおよびＲの色層の画素エッジが重なることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のカラーフィルタ。
14. 請求項９〜１３のいずれかに記載のカラーフィルタを形成するに際して、複数の光電変
    換素子が形成された半導体基板上の、前記Ｂ１とＢ２の色層とを配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ異なる構成の青色層を形成する工程と、前記ＧとＲの色層を配置すべき部位に、フォトリソグラフィー法でそれぞれ緑色層と赤色層を形成する工程とから成るカラーフィルタの製造方法。
15. 前記Ｂ１の色層及びＢ２の色層の最下層であるＢ１と同一の色層とを同時に形成することを特徴とする請求項１４に記載のカラーフィルタの製造方法。
16. 請求項１〜６または９〜１３のいずれかに記載のカラーフィルタを有することを特徴とする固体撮像素子。