JP2012064824A - 固体撮像素子、その製造方法、カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】混色を抑えた固体撮像素子、その製造方法、カメラを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、固体撮像素子は、２次元配列された複数の光電変換部を有する基板と、前記基板に対して積層され、前記各光電変換部に向けて特定の波長域の光を透過させる複数のカラーフィルタと、を備える。前記各カラーフィルタは、相対的に屈折率の異なる第１の層と第２の層との積層構造を有する積層構造部と、２次元方向に周期性を有する周期構造部であって、透過波長域ごとに周期が異なる周期構造部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像素子、その製造方法、カメラに関する。

近年、固体撮像素子の応用範囲は、デジタルカメラ、携帯電話などの各種モバイル端末や、監視カメラ、インターネットを介したチャット用のウェブカメラなど、広範な範囲に拡がりつつある。

カラー画像を得るためには、カラーフィルターが用いられる。現在、製品化されている固体撮像素子のカラーフィルターは、ほとんどが有機樹脂材料を用いた顔料カラーフィルターである。また、無機材料を用いたフォトニックカラーフィルターが提案されてはいるが、実用化するにあたっては、さらなる特性の改善が求められる。

特開２００８−１７０９７９号公報

混色を抑えた固体撮像素子、その製造方法、カメラを提供する。

実施形態によれば、固体撮像素子は、２次元配列された複数の光電変換部を有する基板と、前記基板に対して積層され、前記各光電変換部に向けて特定の波長域の光を透過させる複数のカラーフィルタと、を備える。前記各カラーフィルタは、相対的に屈折率の異なる第１の層と第２の層との積層構造を有する積層構造部と、２次元方向に周期性を有する周期構造部であって、透過波長域ごとに周期が異なる周期構造部と、を有する。

第１実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図。 実施形態のカラーフィルタの周期構造部の一例を示す模式図。 （ａ）は、第１実施形態の固体撮像素子におけるカラーフィルタと、顔料カラーフィルタとで、透過スペクトルを比較した特性図であり、（ｂ）は、比較例のカラーフィルタの透過スペクトル特性図。 第１実施形態に係る固体撮像素子の第１の変形例を示す模式断面図。 第１実施形態に係る固体撮像素子の第２の変形例を示す模式断面図。 第１実施形態に係る固体撮像素子の第３の変形例を示す模式断面図。 第２実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルタの模式断面図。 第２実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルタの透過スペクトル特性図。 第３実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図。 第３実施形態に係る固体撮像素子の変形例の模式断面図。 第４実施形態に係るカメラの模式図。 実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す模式断面図。 実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す模式断面図。 実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す模式断面図。 実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す模式断面図。 実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す模式断面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

実施形態に係る固体撮像素子は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型エリアセンサ構造、あるいはＣＣＤ（Charge-Coupled Device）型エリアセンサ構造を有する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。

本実施形態の固体撮像素子は、基板１０と、配線層１３と、カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒと、マイクロレンズ５１とを有する。

基板１０は、例えばシリコン基板である。基板１０は、画素領域と、その画素領域の周辺に形成された周辺回路領域とを有する。図１は、画素領域の断面を表す。

基板１０における画素領域には、光電変換部としてフォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒが形成されている。基板１０表面を上から見た平面視で、複数のフォトダイオード１１Ｂと、複数のフォトダイオード１１Ｇと、複数のフォトダイオード１１Ｒが、マトリクス状（碁盤目状、ハニカム状等）に２次元配列されている。各フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの平面形状は、例えば正方形状である。各フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒは、ｐｎ接合を有する。

フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの１つが１画素に対応する。各フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒは、後述するカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒの作用によって、受光する光の波長域が異なる。例えば、フォトダイオード１１Ｂは青色帯域の光を、フォトダイオード１１Ｇは緑色帯域の光を、フォトダイオード１１Ｒは赤色帯域の光を、それぞれ受光する。

基板１０における図示しない周辺回路領域には、フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒで光電変換されて出力される電気信号（画素信号）を処理する信号処理回路や、フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒを駆動して画素信号の出力を制御する駆動制御回路などを構成するトランジスタが形成されている。

基板１０の表面上には、配線層１３が設けられている。配線層１３は、配線１４と層間絶縁膜１５とを有する。配線１４は、複数層（図示では２層であるが、これに限らない）設けられている。あるいは、単層の配線１４であってもよい。層間絶縁膜１５は、配線１４と配線１４との間、基板１０と最下層の配線１４との間、および最上層の配線１４とカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒとの間に設けられている。

配線１４は、フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒと、周辺回路とを電気的に接続する。配線１４としては、例えば、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属、あるいはＴｉＳｉ、ＭｏＳｉ、ＷＳｉ等の高融点金属のシリサイドを用いることができる。層間絶縁膜１５としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。

配線１４は金属材料からなり遮光体であるので、フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒの受光領域への光の入射を遮る位置には設けられていない。また、配線層１３内に、配線１４以外の遮光膜や、電荷転送部への転送電極を形成してもよい。

配線層１３上に、カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒが設けられている。カラーフィルタ２０Ｂは、フォトダイオード１１Ｂの上方に設けられ、フォトダイオード１１Ｂに向けて特定の波長域（例えば青色帯域）の光を透過させる。カラーフィルタ２０Ｇは、フォトダイオード１１Ｇの上方に設けられ、フォトダイオード１１Ｇに向けて特定の波長域（例えば緑色帯域）の光を透過させる。カラーフィルタ２０Ｒは、フォトダイオード１１Ｒの上方に設けられ、フォトダイオード１１Ｒに向けて特定の波長域（例えば赤色帯域）の光を透過させる。

カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒ上には、カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒの厚さの違いによる上面の段差を被覆するように、層間膜４１が設けられている。層間膜４１の上面は平坦であり、その上面上にはマイクロレンズ５１が設けられている。マイクロレンズ５１は、各画素（各カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒ）ごとに設けられている。

マイクロレンズ５１は例えば凸型レンズであり、入射光はマイクロレンズ５１で集光される。マイクロレンズ５１で集光された入射光は、各カラーフィルター２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒによって分光されて、各フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに入射する。

各フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに入射した光は光電変換される。この光電変換で発生した電荷は、図示しない転送トランジスタ、配線１４などを介して、周辺回路に出力される。

次に、カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒについて詳細に説明する。

カラーフィルタ２０Ｂは、積層構造部２１Ｂと周期構造部３１Ｂとを有する。カラーフィルタ２０Ｇは、積層構造部２１Ｇと周期構造部３１Ｇとを有する。カラーフィルタ２０Ｒは、積層構造部２１Ｒと周期構造部３１Ｒとを有する。

周期構造部３１Ｂは、フォトダイオード１１Ｂの上方の配線層１３上に設けられている。周期構造部３１Ｇは、フォトダイオード１１Ｇの上方の配線層１３上に設けられている。周期構造部３１Ｒは、フォトダイオード１１Ｒの上方の配線層１３上に設けられている。

積層構造部２１Ｂは、周期構造部３１Ｂ上に設けられている。積層構造部２１Ｇは、周期構造部３１Ｇ上に設けられている。積層構造部２１Ｒは、周期構造部３１Ｒ上に設けられている。

各積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒは、積層方向に対称的な構造を有する上部ミラー層２４と下部ミラー層２５とを有する。上部ミラー層２４は、相対的に屈折率の異なる第１の層２６と第２の層２７との積層構造を有する。第１の層２６は、第２の層２７よりも屈折率が高い。第１の層２６と第２の層２７の積層数は任意である。

上部ミラー層２４と下部ミラー層２５との間には、制御層２８が設けられている。制御層２８は、透過波長ごとに厚さ（厚さがゼロの場合も含む）、もしくは屈折率が異なる。あるいは、上部ミラー層２４と下部ミラー層２５との境界で隣接する互いの第１の層２６どうしの積層体が制御層として機能することもできる。

上部ミラー層２４と下部ミラー層２５は、それぞれ、互いに反射面を対向させた誘電体多層膜ミラーとして機能する。第１の層２６及び第２の層２７の膜厚Ｄは、
Ｄ＝λ／（４×ｎ）で決定される。

λは、例えば可視領域の中心波長（例えば５５０ｎｍ）であり、ｎは屈折率である。なお、透過特性を最適化するため、各層の膜厚を上式から変更してもかまわない。

制御層２８は、上部ミラー層２４と下部ミラー層２５との間に設けられている。制御層２８の厚さと屈折率を適切に設計することにより、上部ミラー層２４及び下部ミラー層２５の反射面で多重反射した光のうち特定の波長だけを透過させることができる。すなわち、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒは、ファブリーペロー干渉計と同じ原理に基づいて透過波長を設計することができる。

第１の層２６、第２の層２７、制御層２８としては、無機材料が用いられる。例えば、それらの材料として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、シリコン（Ｓｉ）、多結晶シリコン、非晶質シリコンなどを用いることができる。

各周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒは、基板１０の主面に対して略平行な方向である２次元方向に周期性を有する。各周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒは、透過波長ごとに周期が異なる。

周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒは、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒよりも屈折率が低い下地層３０中に設けられている。

周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒ、下地層３０としては、無機材料が用いられる。例えば、それらの材料として、シリコン（Ｓｉ）、多結晶シリコン、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などを用いることができる。

周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒの周期、幅、厚さを適切に設計することにより、特定の波長域の光（フォトダイオードに導きたくない波長域の光）を反射及び吸収させることができる。すなわち、周期構造部３１Ｂは、緑色帯域と赤色帯域の光の反射率及び吸収率が高い。周期構造部３１Ｇは、青色帯域と赤色帯域の光の反射率及び吸収率が高い。周期構造部３１Ｒは、青色帯域と緑色帯域の光の反射率及び吸収率が高い。

積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒとの相乗的効果によって、カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒの透過スペクトルを望む特性に制御することができる。

周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを、２次元方向に例えば正方格子状にレイアウトすると、所望の透過スペクトル特性に制御するための設計が容易になる。また、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒの横断面を例えば円形状にすると、所望の透過スペクトル特性に制御するための設計が容易になる。

例えば、図２（ａ）に示すように、ドットパターンで周期構造部３１が形成される。図２（ａ）における周期構造部３１は、前述した周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒに対応する。

あるいは、図２（ｂ）に示すように、ホールパターンで周期構造部３１ａが形成される。図２（ｂ）における周期構造部（ホール）３１ａは、前述した周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒに対応する。周期構造部（ホール）３１ａ内には、下地層３０が埋め込まれている。

周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒは、２次元方向の周期構造であるため、製造が容易であり、またカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒの薄型化を妨げない。

フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒのピッチは、例えば約１．４（μｍ）程である。配線層１３の厚さは、例えば２〜３（μｍ）程である。各カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒは、例えば一辺が１．４（μｍ）程の正方形状の平面形状で形成されている。各カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒの厚さは、例えば０．５（μｍ）程である。マイクロレンズ５１の厚さは、例えば０．５（μｍ）以下である。

図３（ａ）は、本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒと、顔料カラーフィルタの、光学シミュレーションによって得られた透過スペクトル特性を表す。

横軸は光の波長（μｍ）を表し、縦軸は透過率（×１００％）を表す。透過率は、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法で計算した。

実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒの透過スペクトル特性を、それぞれ、Ｂ１、Ｇ１、Ｒ１で表す。シミュレーションした各カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにおける、第１の層２６は酸化チタン（ＴｉＯ_２）であり、第２の層２７及び制御層２８は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）であり、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒはシリコンであり、下地層３０は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。

本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにおける制御層２８の厚さをＤ（μｍ）、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒの厚さをＴ（μｍ）、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒの周期をＰ（μｍ）、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒの幅をＷ（μｍ）とする。

Ｄ＝０（μｍ）、Ｔ＝０．１（μｍ）、Ｐ＝０．２３（μｍ）、Ｗ＝０．７×Ｐ（μｍ）の場合は、特性Ｂ１に示されるように、主に青色帯域の光の透過率が高くなる。

Ｄ＝０．０４（μｍ）、Ｔ＝０．１（μｍ）、Ｐ＝０．２７（μｍ）、Ｗ＝０．７５×Ｐ（μｍ）の場合は、特性Ｇ１に示されるように、主に緑色帯域の光の透過率が高くなる。

Ｄ＝０．０９（μｍ）、Ｔ＝０．１（μｍ）、Ｐ＝０．１５（μｍ）、Ｗ＝０．７×Ｐ（μｍ）の場合は、特性Ｒ１に示されるように、主に赤色帯域の光の透過率が高くなる。

Ｂ２は青色顔料フィルタの特性を、Ｇ２は緑色顔料フィルタの特性を、Ｒ２は赤色顔料フィルタの特性を表す。

図３（ａ）に示すシミュレーション結果より、本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒは、顔料カラーフィルタに比べて、透過させるべき波長域の透過率は上回っており、混色の原因となる透過させるべきではない波長域の透過率は下回っている。

したがって、本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒは、顔料カラーフィルタよりも、受光感度が高く、且つ隣接する画素間でのクロストークが抑制され、混色を低減できる。

また、本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒは無機材料が用いられている。このため、有機樹脂材料を用いた顔料カラーフィルタに比べて、製造環境や使用環境に対する耐性が高く、製造工程中に劣化しにくく、長時間使用しても劣化しにくい。したがって、本実施形態は、信頼性の高い固体撮像素子を提供できる。

固体撮像素子では、高解像度化や低コスト化のために画素（フォトダイオード）の微細化が進んでいる。画素の微細化は、隣接する顔料カラーフィルタ間のクロストークの原因になり得る。現状、顔料カラーフィルタでは、透過させたくない光に対する十分な遮断効果を得るために、０．７〜０．８（μｍ）程度の膜厚が必要である。画素サイズが２（μｍ）以下になると、０．７〜０．８（μｍ）の膜厚の顔料カラーフィルタのアスペクト比（幅に対する厚さの比）が高くなり、クロストークが生じやすくなる。すなわち、Ｓ／Ｎ比が低下し、画質低下の原因になる。

これに対して、本実施形態では、前述した無機材料の積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒとを組み合わせることで、カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒを薄膜化でき、画素の微細化が進んでも、顔料カラーフィルタに比べてアスペクト比の増大をまねかず、クロストークが生じにくい。

また、図３（ｂ）は、前述した本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにおいて、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを設けなかった比較例の構造についての透過スペクトル特性Ｂ３、Ｇ３、Ｒ３の光学シミュレーションの結果を表す。図３（ａ）と同様、横軸は光の波長（μｍ）を表し、縦軸は透過率（×１００％）を表す。透過率は、ＲＣＷＡ法で計算した。

この比較例の構造におけるカラーフィルタは、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒのみから構成される。その他条件は、図３（ａ）のシミュレーション時と同じである。

図３（ｂ）の結果と図３（ａ）の結果を比較すると、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを設けなかった比較例は、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを設けた実施形態よりも、透過させたくない波長域の透過率が高く、混色を抑制できていない。

本実施形態のカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにおいて、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒは、主として、透過させたい波長域の透過率を高め、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒは、主として、透過させたくない波長域の反射率及び吸収率を高める機能を担う。結果的に、これら積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒとの相乗効果により、受光感度が高く、且つ色再現性に優れた固体撮像素子を提供できる。

なお、図４に示すように、基板１０の表面上にカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒを設け、そのカラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒ上に配線層１３を設けてもよい。マイクロレンズ５１は、配線層１３上に設けられる。カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒにおける周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒは、基板１０の表面上に設けられ、その周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒ上に積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒが設けられる。

また、図５に示すように、基板１０の表面上に周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを設け、その周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒ上に配線層１３を設け、その配線層１３上に積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒを設けてもよい。マイクロレンズ５１は、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒ上に設けられる。

さらには、図６に示すように、基板１０において、光の入射を受ける表面の反対側の裏面に配線層１３を設けた、いわゆる裏面照射型の構造としてもよい。基板１０の表面上には、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒが設けられ、その周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒ上に積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒが設けられ、その積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒ上にマイクロレンズ５１が設けられている。

図４〜図６のいずれの構造においても、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒとの相乗効果により、受光感度が高く、且つ色再現性に優れた固体撮像素子を提供できる。

また、図４〜図６に示す構造では、基板１０の表面上に周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを設けている。この構造の場合、後述するように、周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒを、周辺回路等のトランジスタのゲート電極と同時に形成することができ、工程数の削減によるコスト低下を図れる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒの模式断面図である。図７には、カラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒのみを示すが、他の基板１０、配線層１３、マイクロレンズ５１などの構造は、前述した実施形態と同じである。

本実施形態では、制御層２８中に周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒが設けられている。制御層２８は、上部ミラー層２４と下部ミラー層２５との間に設けられている。したがって、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは、上部ミラー層２４と下部ミラー層２５との間に設けられている。

周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）などの金属材料からなる。

各周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは、基板１０の主面に対して略平行な方向である２次元方向に周期性を有し、透過波長ごとに周期が異なる。周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは、上記実施形態と同様、２次元方向に例えば正方格子状（ドットパターン、ホールパターン等）に形成されている。

本実施形態においても、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒの周期、幅、厚さを適切に設計することにより、特定の波長域の光（フォトダイオードに導きたくない波長域の光）を反射及び吸収させることができる。すなわち、周期構造部３３Ｂは、緑色帯域と赤色帯域の光の反射率及び吸収率が高い。周期構造部３３Ｇは、青色帯域と赤色帯域の光の反射率及び吸収率が高い。周期構造部３３Ｒは、青色帯域と緑色帯域の光の反射率及び吸収率が高い。

そして、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒとの相乗的効果によって、カラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒの透過スペクトルを望む特性に制御することができる。

周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは、２次元方向の周期構造であるため、製造が容易であり、また、カラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒの薄型化を妨げない。

図８は、本実施形態のカラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒの、光学ミュレーションによって得られた透過スペクトル特性を表す。横軸は光の波長（μｍ）を表し、縦軸は透過率（×１００％）を表す。透過率は、ＲＣＷＡ法で計算した。Ｂ４はカラーフィルタ２０’Ｂの透過スペクトル特性を表す。Ｇ４はカラーフィルタ２０’Ｇの透過スペクトル特性を表す。Ｒ４はカラーフィルタ２０’Ｒの透過スペクトル特性を表す。

周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは銀（Ａｇ）であり、制御層２８は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。その他条件は、図３（ａ）のシミュレーション時と同じである。

制御層２８の厚さをＤ（μｍ）、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒの厚さをＴ（μｍ）、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒの周期をＰ（μｍ）、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒの幅をＷ（μｍ）とする。

Ｄ＝０．０３５（μｍ）、Ｔ＝０．０３５（μｍ）、Ｐ＝０．０７（μｍ）、Ｗ＝０．０５（μｍ）の場合は、特性Ｂ４に示されるように、主に青色帯域の光の透過率が高くなる。

Ｄ＝０．０６５（μｍ）、Ｔ＝０．０３５（μｍ）、Ｐ＝０．１８（μｍ）、Ｗ＝０．１６（μｍ）の場合は、特性Ｇ４に示されるように、主に緑色帯域の光の透過率が高くなる。

Ｄ＝０．１６（μｍ）、Ｔ＝０．０３５（μｍ）、Ｐ＝０．１８（μｍ）、Ｗ＝０．０９（μｍ）の場合は、特性Ｒ４に示されるように、主に赤色帯域の光の透過率が高くなる。

図８に示すシミュレーション結果より、本実施形態のカラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒは、前述した顔料カラーフィルタに比べて、透過させるべき波長域の透過率は上回っており、混色の原因となる透過させるべきではない波長域の透過率は下回っている。

本実施形態のカラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒにおいて、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒは、主として、透過させたい波長域の透過率を高め、周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒは、主として、透過させたくない波長域の反射率及び吸収率を高める機能を担う。結果的に、これら積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒとの相乗効果により、受光感度が高く、且つ色再現性に優れた固体撮像素子を提供できる。

また、本実施形態においても、積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒと周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒとを組み合わせることで、カラーフィルタ２０’Ｂ、２０’Ｇ、２０’Ｒを薄膜化でき、画素の微細化が進んでも、顔料カラーフィルタに比べてアスペクト比の増大をまねかず、クロストークが生じにくい。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。

マイクロレンズ５１上に平坦化層５２が設けられ、その平坦化層５２上に赤外光カットフィルタ５３が設けられている。図９に示すすべての要素は、ウェーハ状態で形成され、その後チップ状に個片化される。

カラーフィルタ２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒ、マイクロレンズ５１、平坦化層５２および赤外光カットフィルタ５３を無機材料で形成すると、プロセス上の制約を受けにくい。すなわち、既に形成された要素が無機材料であると、後の工程で他の要素を形成するときの熱の影響を受けにくい。これにより、デバイスの信頼性を向上できる。

また、赤外光カットフィルタ５３をウェーハ工程で薄膜として形成することで、カメラモジュールに、チップとは別に赤外光カットフィルタを設けなくてもよくなり、カメラモジュールの部品点数の低減および小型化が図れる。

なお、図９の構造において、図１０に示すように、赤外光カットフィルタ５３上にさらに赤外光カットフィルタ用のマイクロレンズ５４を設けてもよい。これにより、フォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに入射光を効率よく集光することができる。マイクロレンズ５４は、各画素ごとに設けられる。

（第４実施形態）
図１１（ａ）は、前述した実施形態の固体撮像素子を用いたカメラの模式図である。

このカメラは、筐体９０と、カメラレンズ９１と、固体撮像素子８１とを備える。筐体９０は、光を取り込む開口を有し、カメラレンズ９１はその開口に一部を臨ませて筐体９０に支持されている。

固体撮像素子８１は、前述した実施形態の固体撮像素子である。固体撮像素子８１は、筐体９０の内部に設けられ、カメラレンズ９１に入射した光を受ける。

また、固体撮像素子８１が前述した赤外光カットフィルタ５３を備えない構造の場合には、図１１（ｂ）に示すように、固体撮像素子８１とは別部品として赤外光カットフィルタ９２を設けてもよい。この赤外光カットフィルタ９２は、筐体９０内におけるカメラレンズ９１と固体撮像素子８１との間に設けられる。

図９、１０の実施形態のように赤外光カットフィルタ５３を固体撮像素子８１に形成した場合には、カメラの部品点数を低減でき、コスト低減を図れる。また、カメラを小型化（低背化）できる。

なお、固体撮像素子８１がウェーハ状態のときに、その表面にカメラレンズ９１を設けてもよい。この後、個片化される。この場合、固体撮像素子８１及びカメラレンズ９１を一体に取り扱うことができ、カメラモジュールの組立が容易になる。

次に、実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について、周期構造部の形成方法を中心に説明する。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、製造方法の第１の具体例を示す。

まず、図１２（ａ）に示すように、基板１０の表面にフォトダイオード１１を形成する。フォトダイオード１１は、前述したフォトダイオード１１Ｂ、１１Ｇ、１１Ｒに対応する。

次に、図１２（ｂ）に示すように、フォトダイオード１１上に、配線層１３を形成する。さらに、配線層１３上に下地層３０を形成する。あるいは、配線層１３の層間絶縁膜１５が下地層３０を兼ねてもよい。下地層３０は、例えば酸化シリコンである。

次に、下地層３０上に、周期構造部３１を形成する。周期構造部３１は、前述した周期構造部３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｒ、または周期構造部３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒに対応する。

具体的には、周期構造部３１の材料として例えば多結晶シリコンを下地層３０の全面に形成した後、図示しないマスクを用いて例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で選択的に除去する。これにより、２次元方向に周期的に配列された周期構造部３１が形成される。

次に、図１２（ｃ）に示すように、周期構造部３１を下地層３０で覆った後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法で下地層３０の上面を平坦化する。

次に、図１２（ｄ）に示すように、下地層３０上に、積層構造部２１を形成する。積層構造部２１は、前述した積層構造部２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒに対応する。その後、積層構造部２１上にマイクロレンズが形成され、さらに必要に応じて赤外光カットフィルタなどが形成される。

以上説明した工程はウェーハ状態で行われ、その後個片化される。

図１３（ａ）〜（ｅ）は、製造方法の第２の具体例を示す。

上記第１の具体例と同様、基板１０の表面にフォトダイオード１１を形成した後、図１３（ａ）に示すように、フォトダイオード１１上に下地層３０を形成する。

次に、下地層３０上に、第１の具体例と同様に、周期構造部３１を形成する。次に、図１３（ｃ）に示すように、周期構造部３１を下地層３０で覆った後、例えばＣＭＰ法で下地層３０の上面を平坦化する。

次に、図１３（ｄ）に示すように、下地層３０上に配線層１３を形成する。次に、図１３（ｅ）に示すように、配線層１３上に積層構造部２１を形成する。以降、第１の具体例と同様に工程が進められる。

図１４（ａ）〜（ｃ）は、製造方法の第３の具体例を示す。

上記第１の具体例と同様、基板１０の表面にフォトダイオード１１を形成した後、図１４（ａ）に示すように、フォトダイオード１１上に下地層３０を形成する。

次に、下地層３０の表面にホール３０ａを形成する。ホール３０ａは、例えば図示しないマスクを用いたＲＩＥ法で形成される。ホール３０ａは、２次元方向に周期的に配列されている。

次に、図１４（ｂ）に示すように、下地層３０上に、周期構造部３１の材料（例えば多結晶シリコン）を形成する。この材料は、ホール３０ａ内にも埋め込まれる。

次に、図１４（ｃ）に示すように、下地層３０上に形成された上記材料を例えばＣＭＰ法で除去する。ホール３０ａ内には上記材料は残される。これにより、周期構造部３１が得られる。以降、第２の具体例の図１３（ｄ）、（ｅ）と同様に工程が進められる。

図１５（ａ）〜（ｃ）は、製造方法の第４の具体例を示す。

上記第１の具体例と同様、基板１０の表面にフォトダイオード１１を形成した後、フォトダイオード１１上に下地層３０を形成する。この下地層３０は、基板１０表面に形成される周辺回路等のトランジスタ（図示せず）のゲート絶縁膜も兼ねている。

次に、下地層３０上に周期構造部３１を形成する。この周期構造部３１は、上記トランジスタのゲート電極（図示せず）と、同材料で同時に形成される。

具体的には、周期構造部３１及びゲート電極の材料として例えば多結晶シリコンを下地層３０の全面に形成した後、図示しないマスクを用いて例えばＲＩＥ法で選択的に除去する。これにより、トランジスタのゲート電極及び２次元方向に周期的に配列された周期構造部３１が得られる。したがって、工程数を低減でき、コスト低減を図れる。

その後、図１５（ｂ）に示すように、周期構造部３１上に配線層１３が形成され、さらに図１５（ｃ）に示すように、配線層１３上に積層構造部２１が形成される。以降、上記具体例と同様に工程が進められる。

図１６（ａ）〜（ｅ）は、製造方法の第５の具体例を示す。

この第５の具体例は、光の入射面の反対側に配線層が設けられたいわゆる裏面照射型の構造の製造方法に対応する。

フォトダイオード１１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）層に形成される。すなわち、図１６（ａ）に示すように、基板１０上に絶縁層２９が形成され、その絶縁層２９上に形成されたＳＯＩ層にフォトダイオード１１が形成される。

フォトダイオード１１上には、図１６（ｂ）に示すように、配線層１３が形成される。次に、図１６（ｃ）に示すように、配線層１３におけるフォトダイオード１１とは反対側の面に支持基板１００を接着した後、基板１０及び絶縁層２９を除去する。これにより、フォトダイオード１１が形成されたＳＯＩ層が露出する。

次に、そのＳＯＩ層上に、図１６（ｄ）に示すように、下地層３０を形成し、さらに、下地層３０上に周期構造部３１を形成する。さらに、図１６（ｅ）に示すように、周期構造部３１上に積層構造部２１を形成する。

光は、カラーフィルタ側（図１６（ｅ）において下側）から入射し、積層構造部２１と周期構造部３１とを有するカラーフィルタを介して、フォトダイオード１１に入射する。光は、配線層１３を通過せずにフォトダイオード１１に入射するので、感度を高くすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板、１１Ｂ，１１Ｇ，１１Ｒ…フォトダイオード、１３…配線層、１４…配線、２０Ｂ，２０Ｇ，２０Ｒ，２０’Ｂ，２０’Ｇ，２０’Ｒ…カラーフィルタ、２１Ｂ，２１Ｇ，２１Ｒ…積層構造部、２４…上部ミラー層、２５…下部ミラー層、２６…第１の層（高屈折率層）、２７…第２の層（低屈折率層）、２８…制御層、３０…下地層、３１Ｂ，３１Ｇ，３１Ｒ，３３Ｂ，３３Ｇ，３３Ｒ…周期構造部、５１…マイクロレンズ、５３…赤外光カットフィルタ、８１…固体撮像素子、９０…筐体、９１…カメラレンズ、９２…赤外光カットフィルタ

Claims (10)

1. ２次元配列された複数の光電変換部を有する基板と、
   前記基板に対して積層され、前記各光電変換部に向けて特定の波長域の光を透過させる複数のカラーフィルタと、
   を備え、
   前記各カラーフィルタは、
   相対的に屈折率の異なる第１の層と第２の層との積層構造を有する積層構造部と、
   ２次元方向に周期性を有する周期構造部であって、透過波長域ごとに周期が異なる周期構造部と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記基板に対して積層され、前記光電変換部と電気的に接続された配線層をさらに備え、前記基板上に前記配線層が設けられ、前記配線層上に前記周期構造部が設けられ、前記周期構造部上に前記積層構造部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記光電変換部の直上に、前記周期構造部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記積層構造部は、積層方向に対称的な構造を有する上部ミラー層と下部ミラー層とを有し、
   前記上部ミラー層と前記下部ミラー層との間に、前記透過波長域ごとに厚さもしくは屈折率の異なる制御層が設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
5. 前記周期構造部は、前記制御層中に設けられたことを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子。
6. 前記カラーフィルタは、無機材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
7. 前記カラーフィルタにおける前記基板とは反対面側に積層され、無機材料からなるマイクロレンズをさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の固体撮像素子。
8. 前記カラーフィルタにおける前記基板とは反対面側に積層され、無機材料からなる赤外光カットフィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項６または７に記載の固体撮像素子。
9. ２次元配列された複数の光電変換部を有する基板上に、前記各光電変換部に向けて特定の波長域の光を透過させる複数のカラーフィルタを形成する工程を備え、
   前記カラーフィルタを形成する工程は、
   相対的に屈折率の異なる第１の層と第２の層との積層構造を有する積層構造部を形成する工程と、
   ２次元方向に周期性を有し、透過波長域ごとに周期が異なる周期構造部を形成する工程と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
10. 筐体と、
    前記筐体に支持されたカメラレンズと、
    前記筐体の内部に設けられ、前記カメラレンズに入射した光を受ける固体撮像素子と、
    を備え、
    前記固体撮像素子は、
    ２次元配列された複数の光電変換部を有する基板と、
    前記基板に対して積層され、前記各光電変換部に向けて特定の波長域の光を透過させる複数のカラーフィルタと、
    を有し、
    前記各カラーフィルタは、
    相対的に屈折率の異なる第１の層と第２の層との積層構造を有する積層構造部と、
    ２次元方向に周期性を有する周期構造部であって、透過波長域ごとに周期が異なる周期構造部と、
    を有することを特徴とするカメラ。

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