JP4618765B2

JP4618765B2 - 撮像素子、該撮像素子を備えたデジタルカメラ

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Publication number: JP4618765B2
Application number: JP2003295419A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野
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Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2011-01-26
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Description

本発明は、撮像素子、および撮像素子を備えたデジタルカメラに関するものである。

近年、デジタルスチルカメラ等に用いられる撮像素子（以下、「イメージセンサ」ともいう。）は、画素数を増やして画質の向上が図られている一方で、そのチップサイズを小さくすることにより低価格化が図られている。

図１３は、デジタルスチルカメラに用いられる従来のＣＭＯＳイメージセンサ１０３０の概略断面図である。

図１３に示すように構成されたＣＭＯＳイメージセンサ１０３０では、不図示の撮影レンズからイメージセンサ１０３０に到達した光は、樹脂で形成されたマイクロレンズ１０３８によって、Ｓｉ基板１０３１に形成された光電変換部１０３２上に集光される。イメージセンサ１０３０の各画素には緑のカラーフィルタ１０３６と赤のカラーフィルタ１０３７とが交互に形成されており、これらの緑と赤のカラーフィルタ１０３６，１０３７が形成された画素の光電変換部１０３２の出力と、不図示の青のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の出力とにより、画像が生成される。

図中、符号１０３３，１０３４はＡｌ（アルミニウム）の配線層であり、ＳｉＯ₂等で構成された層間膜１０３５を介して形成されている。Ａｌ配線層１０３３，１０３４は、光電変換部１０３２にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送スイッチを制御したり、ＦＤ部の電位を出力したりするためのものである。

また、特許文献１には、ガラス基板にカラーフィルタ層とマイクロレンズを形成し、そのカラーフィルタ層とマイクロレンズを形成した基板と、光電変換部を有する基板とを貼り合わせて撮像素子を製造する方法が開示されている。
特開平３−１０７１０１号公報

しかしながら、従来の撮像素子は、光の色分離のために染料あるいは顔料タイプのカラーフィルタを使用しているため、カラーフィルタ層を透過する光の一部がそのカラーフィルタに吸収されて、撮像素子の感度が低下してしまうという欠点があった。

また、特許文献１に開示されている撮像素子のように、マイクロレンズとカラーフィルタ層とを有する光学基板と、光電変換部を有するセンサ基板との貼り合わせ面が平坦であると、２つの基板の互いの位置決めを行うのが難しく、貼り合わせ時に生じる位置ずれによってマイクロレンズと光電変換部との相対位置がずれてしまうおそれがある。マイクロレンズと光電変換部との相対位置がずれていると、光が光電変換部に良好に導かれないため、撮像素子の感度が低下してしまう。

本発明は上述した従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高い感度を有する撮像素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の撮像素子は、半導体基板に設けられた複数の光電変換部と、前記各光電変換部上に配された導波路となるカラーフィルタと、前記各カラーフィルタを囲うように配された空気層と、隣接する前記空気層の間に配され、複数の配線層をそれぞれ覆っている複数の層間膜と、前記各カラーフィルタに対応して、該カラーフィルタ、前記空気層、および前記層間膜上に直接配された複数のマイクロレンズと、を有することを特徴とする。

上記本発明によれば、より高い感度を有する撮像素子を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（参考形態）
図１〜図５は本発明の参考形態を示す図であり、図１は本発明の参考形態の撮像素子の概略断面図、図２Ａおよび図２Ｂは図１に示した撮像素子のセンサ基板の製造プロセスを示す図、図３Ａおよび図３Ｂは図１に示した撮像素子の光学基板の製造プロセスを示す図、図４は図１に示した撮像素子のダイクロイックフィルタの分光特性図、図５は図１に示した撮像素子における光線追跡図である。

図１に示すように、本参考形態の撮像素子は、センサ基板１０と光学基板１２とで構成されている。

センサ基板１０は、上面に複数の光電変換部１０４が設けられたＳｉ基板１００を有している。Ｓｉ基板１００上には、２層のＡｌ配線層１０７，１１３が、ＳｉＯ₂等で形成された層間膜１１０，１１４を介して形成されている。Ａｌ配線層１０７，１１３は、光電変換部１０４にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送スイッチを制御したり、ＦＤ部の電位を出力したりするための配線層である。

また、Ｓｉ基板１００上の各光電変換部１０４の上方であって、Ａｌ配線層１０７，１１３に囲まれる部分には、屈折率が比較的高い材料であるＴｉＯ₂で形成された導波路１１７が構成されている。導波路１１７の光入射側（図示上側）は、より多くの光が導波路１１７に入射することが可能なように開口が大きくなっている。

このように、センサ基板１０は、Ｓｉ基板１００上に設けられた光電変換部１０４と、その上に形成されたＡｌ配線層１０７，１１３と、導波路１１７とを有している。

また、光学基板１２は透明基板であるガラス基板１２０を有しており、そのガラス基板１２０の下面には、比較的低い屈折率を有するＳｉＯ₂からなる低屈折率層１２１を介してマイクロレンズ１２４が設けられている。マイクロレンズ１２４は屈折率が比較的高いＴｉＯ₂で形成されており、不図示の撮影レンズから入射する光束を光電変換部１０４に集光するようにそのレンズ形状が決められている。

ガラス基板１２０に設けられているマイクロレンズ１２４の下面には、屈折率が比較的低いＳｉＯ₂等からなる第１の屈折率層１２５と、屈折率が比較的高いＴｉＯ₂等からなる第２の屈折率層１２９とがさらに設けられている。第１の屈折率層１２５と第２の屈折率層１２９との屈折率界面はプリズム状に形成されている。

さらに、第２の屈折率層１２９の下面には、所定の波長の光を透過し、その他の波長の光を反射するようになっている、ベイヤー配列されたダイクロイックフィルタ層１３２，１３５が設けられている。ダイクロイックフィルタ層１３２，１３５は、屈折率が比較的低いＳｉＯ₂と屈折率が比較的高いＴｉＯ₂との交互多層膜で構成されている。

このように、光学基板１２は、ガラス基板１２０と、その上に構成された低屈折率層１２１、マイクロレンズ１２４、第１の屈折率層１２５、第２の屈折率層１２９、およびダイクロイックフィルタ層１３２，１３５を含む光学部材とで構成されており、この光学部材は屈折率が互いに異なるＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との２種類の透明材料で構成されている。

本参考形態の撮像素子は、上記に説明したセンサ基板１０の上面と光学基板１２の下面とを互いに貼り合わせた構造になっている。

次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、図１に示したセンサ基板１０の製造方法を説明する。

まず、図２Ａ（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１００の上面を酸化させてＳｉ基板１００の上面にＳｉＯ₂からなる酸化シリコン膜１０１を形成する。さらに、Ｓｉ基板１００の上面に光電変換領域を形成するために、酸化シリコン膜１０１の上にフォトレジスト１０２を塗布し、これをフォトマスク１０３で覆って露光する（図２Ａ（ｂ））。フォトマスク１０３は、光電変換領域に対応する領域は光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト１０２はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち光電変換領域に対応する領域が溶解し、酸化シリコン膜１０１の一部が露出する。さらに、プラズマによるドライエッチング処理を行うことによって、フォトレジスト１０２に覆われていない領域の酸化シリコン膜１０１が除去される（図２Ａ（ｃ））。

さらに、Ｓｉ基板１００の上面に対してイオンを打ち込むことにより、Ｓｉ基板１００の上面の酸化シリコン膜１０１で覆われていない領域に光電変換部１０４を形成する（図２Ａ（ｄ））。なお、このとき酸化シリコン膜１０１で覆われた領域ではイオンが吸収されるので、その領域に光電変換部１０４は形成されない。

Ｓｉ基板１００の上面に光電変換部１０４を形成した後、光電変換部１０４に貯まる電荷を転送するための電極をＳｉ基板１００の上面に形成する。

まず、光電変換部１０４と酸化シリコン膜１０１が形成されたＳｉ基板１００の上面にフォトレジスト１０５を塗布し、これをフォトマスク１０６で覆って露光する（図２Ａ（ｅ））。フォトマスク１０６は、第１の配線層１０７に対応する領域が光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト１０５はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち第１の配線層に対応する領域が溶解し、酸化シリコン膜１０１の一部が露出する。さらに、ドライエッチング処理を行うことによって、フォトレジスト１０５に覆われていない領域の酸化シリコン膜１０１が除去される（図２Ａ（ｆ））。

さらに、例えばＡｌ（アルミニウム）をＣＶＤ装置等によってＳｉ基板１００上に蒸着させることにより、Ｓｉ基板１００上に第１の配線層１０７を形成する（図２Ａ（ｇ））。

第１の配線層１０７を形成した後に、光電変換部１０４の上にエッチングストッパ膜１０９を形成する。まず、Ｓｉ基板１００の上面にフォトレジスト１０８を塗布し、フォトマスク１０３でこれを覆って露光する（図２Ａ（ｈ））。フォトマスク１０３は、光電変換部１０４に対応する領域が光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト１０８はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち光電変換部１０４に対応する領域が溶解する。さらに、ＣＶＤ装置等によって光電変換部１０４の上にＳｉＮを蒸着させて、光電変換部１０４上にエッチングストッパ膜１０９を形成する（図２Ａ（ｉ））。さらに、エッチング処理を行ってフォトレジスト１０８を除去する（図２Ａ（ｊ））。

次に、センサ基板１０に第２の配線層１１３を形成するために、図２Ｂ（ｋ）に示すように、まず、ＳｉＯ₂からなる層間膜１１０を、Ｓｉ基板１００上の酸化シリコン膜１０１、第１の配線層１０７、およびエッチングストッパ膜１０９の上にＣＶＤ装置によって形成する。そして、その層間膜１１０を表面処理して平坦化した後、層間膜１１０の上にフォトレジスト１１１を塗布し、フォトマスク１１２でこれを覆って露光する。フォトマスク１１２は、第２の配線層１１３に対応する領域が光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト１１１はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち第２の配線層１１３に対応する領域が溶解する。

さらに、ＣＶＤ装置等によって層間膜１１０の上にＡｌを蒸着することにより、層間膜１１０の上に第２の配線層１１３を形成する（図２Ｂ（ｌ））。さらに、エッチング処理を行ってフォトレジスト１１１を除去する（図２Ｂ（ｍ））。

さらに、ＣＶＤ装置によってＳｉＯ₂からなる層間膜１１４を層間膜１１０および第２の配線層１１３の上に形成し、その層間膜１１４を表面処理して平坦化を行う（図２Ｂ（ｎ））。

次に、導波路１１７を形成するための井戸構造を形成する。まず、平坦化処理を行った層間膜１１４の上にフォトレジスト１１５を塗布し、これをフォトマスク１１６で覆って露光する（図２Ｂ（ｏ））。フォトマスク１１６は、導波路に対応する領域が光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト１１５はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち導波路に対応する領域が溶解する（図２Ｂ（ｐ））。

さらに層間膜１１４のエッチング処理を行うことによって、層間膜１１４に導波路１１７を形成するための井戸構造を形成する（図２Ｂ（ｑ））。なお、層間膜１１４と光電変換部１０４との間にはエッチングストッパ膜１０９が形成されているため、光電変換部１０４がエッチングされてしまうことはない。

最後に、ＣＶＤ装置によって光電変換部１０４の上にＴｉＯ₂を蒸着して導波路１１７を形成することにより、センサ基板１０が完成する（図２Ｂ（ｒ））。

続いて、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、図１に示した光学基板１２の製造方法を説明する。

最初に、透明基板であるガラス基板１２０の下面となる面（図３Ａ（ａ）に示す上側の面）上にマイクロレンズ１２４を形成する。マイクロレンズ１２４は、公知のレジストリフロー法にて形成する。

そのために、まず、ガラス基板１２０上に屈折率が比較的低い材料であるＳｉＯ₂からなる低屈折率層１２１をＣＶＤ装置によって蒸着し（図３Ａ（ｂ））、さらにその上にフォトレジスト１２２を塗布し（図３Ａ（ｃ））、フォトマスク１２３でこれを覆って露光する（図３Ａ（ｄ））。フォトマスク１２３の透過率分布は、マイクロレンズ１２４の形状を形成するために、画素中央部は透過率が低く、画素周辺部は透過率が高くなるように設定されている。また、フォトレジスト１２２はネガ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射されない領域、すなわちマイクロレンズ１２４に対応する領域が溶解する（図３Ａ（ｅ））。

さらに、低屈折率層１２１にエッチング処理を行うことによって、マイクロレンズ１２４を形成するための凹部を低屈折率層１２１に形成する（図３Ａ（ｆ））。このとき、フォトレジスト１２２と低屈折率層１２１のエッチング処理における選択比が１：１であれば、フォトレジスト１２２の形状がそのまま低屈折率層１２１に転写される。さらに、屈折率が比較的高い材料であるＴｉＯ₂を、低屈折率層１２１の上にＣＶＤ装置によって蒸着することにより、低屈折率層１２１上にマイクロレンズ１２４を形成する（図３Ａ（ｇ））。

マイクロレンズ１２４を形成した後に、第１および第２の屈折率層１２５，１２９からなるプリズム形状層を作成する。このプリズム形状層は、公知のレジストリフロー法にて形成する。

まず、屈折率が比較的低い材料であるＳｉＯ₂をＣＶＤ装置によってマイクロレンズ１２４の上に蒸着し、第１の屈折率層１２５を構成する（図３Ａ（ｈ））。さらに、第１の屈折率層１２５の上にフォトレジスト１２６を塗布し、これをフォトマスク１２７で覆って露光する（図３Ａ（ｉ））。フォトマスク１２７の透過率分布は、第１の屈折率層１２５にプリズム形状を形成するために、画素中央部から画素周辺部にかけて透過率が線形的に高くなるように設定されている。また、フォトレジスト１２６はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわちプリズムの底辺に対応する領域が溶解する（図３Ａ（ｊ））。

第１の屈折率層１２５のエッチング処理をさらに行うことによって、第１の屈折率層１２５にプリズム形状を形成する（図３Ｂ（ｋ））。さらに、屈折率が比較的高い材料であるＴｉＯ₂をＣＶＤ装置によって第１の屈折率層１２５の上に蒸着して第２の屈折率層１２９を形成し、平坦化処理を行って第２の屈折率層１２９の表面を平滑にする（図３Ｂ（ｌ））。

最後に、ダイクロックフィルタ層１３２，１３５を形成する。ダイクロイックフィルタ層１３２，１３５は、屈折率が比較的低いＳｉＯ₂と屈折率が比較的高いＴｉＯ₂との交互多層膜で構成されており、各膜厚を調節することによって分光透過率を調節することができる。ダイクロイックフィルタ層１３２，１３５の分光透過特性は後述する。

はじめに、赤色の光を透過するダイクロイックフィルタ層１３２を成膜する工程について説明する。

まず、第２の屈折率層１２９の上にフォトレジスト１３０を塗布し、これをフォトマスク１３１で覆ってマスキングして露光する（図３Ｂ（ｍ））。フォトマスク１３１は、赤色光用のダイクロイックフィルタ層１３２を形成する領域の透過率が高くなるように構成されている。また、フォトレジスト１３０はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち赤色光用のダイクロイックフィルタ層１３２が形成される領域が溶解し、その他の色相の画素領域は溶解しない。そのため、その他の色相の画素領域はフォトレジスト１３０に保護されたままの状態となる。

次に、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との交互多層膜をスパッタ装置によって第２の屈折率層１２９の上に成膜する。このとき、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とをそれぞれ所定の膜厚になるように成膜する。ダイクロイックフィルタ層１３２は、通常は１０層程度のＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との交互多層膜で構成される（図３Ｂ（ｎ））。さらにエッチング処理を行って、フォトレジスト１３０を除去する（図３Ｂ（ｏ））。

次に、緑色の光を透過するダイクロイックフィルタ層１３５を成膜する工程について説明する。

まず、第２の屈折率層１２９およびダイクロイックフィルタ層１３２の上にフォトレジスト１３３を塗布し、フォトマスク１３４でこれをマスキングして露光する（図３Ｂ（ｐ））。フォトマスク１３３は、緑色光用のダイクロイックフィルタ層を形成する領域の透過率が高くなるように構成されている。また、フォトレジスト１３３はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち緑色光用のダイクロイックフィルタ層１３５が形成される領域が溶解し、その他の色相の画素領域は溶解しない。そのため、その他の色相の画素領域はフォトレジスト１３３にて保護される。

最後に、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との交互多層膜をスパッタ装置によって第２の屈折率層１２９の上に成膜する。このとき、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とをそれぞれ所定の膜厚になるように成膜する。ダイクロイックフィルタ層１３５は、通常は１０層程度のＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との交互多層膜で構成される（図３Ｂ（ｑ））。さらにエッチング処理を行ってフォトレジスト１３３を除去すると、光学基板１２が完成する（図３Ｂ（ｒ））。

そして、センサ基板１０の上面と光学基板１２の下面とを不図示の位置決め指標に基づいて互いに貼り合わせることにより、本参考形態の撮像素子が完成する。

このように、本参考形態では、ダイクロイックフィルタ層１３２，１３５等の複雑な構成を有する光学基板１２をセンサ基板１０と異なる工程で製造することによって、撮像素子の歩留まりを向上させている。また、光学基板１２を構成する各光学部材をできるだけ少ない種類の材料で形成するために、光学基板１２の透明基板であるガラス基板１２０に形成される光学部材を、屈折率が互いに異なる２種類の透明材料で構成することによって、撮像素子を製造する製造装置の小型化と、使用する材料の種類が少ないことによる歩留まりの向上とを図っている。

次に、撮像素子に入射する光の状態を、図４および図５を参照して説明する。

図５（ａ）は、本参考形態の撮像素子の所定の画素にＦ１．４の画角の光束が入射した場合の光線追跡図である。図５（ａ）に示すように、ガラス基板１２０を透過し、低屈折率層１２１を通ってマイクロレンズ１２４を透過した光は、マイクロレンズ１２４とダイクロイックフィルタ層１３５との間に設けられた第１の屈折率層１２４と第２の屈折率層１２９との界面で屈折した後、ダイクロイックフィルタ層１３５に入射する。

ここで、図４を参照して、各ダイクロイックフィルタ層の分光特性を説明する。ダイクロイックフィルタ層は透明材料であるＳｉＯ₂とＴｉＯ₂との交互多層膜で構成されており、光の吸収がほとんどない。ダイクロイックフィルタ層１３２は赤色の光を透過する分光透過特性を示す一方で、青色と緑色の光を反射するような特性を示す。同様に、ダイクロイックフィルタ層１３５は緑色の光を透過する分光透過特性を示す一方で、青色と赤色の光を反射するような特性を示す。また、図１や図５では不図示のダイクロイックフィルタ層１３８は、青色の光を透過する分光透過特性を示す一方で、緑色と赤色の光を反射するような特性を示す。

再び図５（ａ）を参照すると、ダイクロイックフィルタ層１３５に入射した光のうち、緑色の成分はダイクロイックフィルタ層１３５を透過して導波路１１７に入射する。導波路１１７と層間膜１１０との界面に入射した光は全反射を生じて光電変換部１０４に導かれる。導波路１１７は屈折率が比較的高い透明材料ＴｉＯ₂で構成されており、導波路１１７に導かれた光線は相対的に屈折率の低いＳｉＯ₂で構成された層間膜１１０との界面で全反射をしながら光電変換部１０４に導かれる。

また、ダイクロイックフィルタ層１３５の隣接画素との境界部には不図示の金属反射層が設けられており、導波路１１７に入射しないような光を隣接画素に導くようになっている。そのような光は、隣接画素における感度の向上に寄与する。

このように、本参考形態の撮像素子は、画角の広い光束が入射した場合であっても光線を効果的に光電変換部１０４へ導くことが可能であるので、感度が向上している。

一方、図５（ｂ）に示すように、ダイクロイックフィルタ層１３５に入射した光のうち、緑色以外の青色と赤色の光は、ダイクロイックフィルタ層１３５で反射する。ダイクロイックフィルタ層１３５で反射した青色と赤色の光は、第１の屈折率層１２５と第２の屈折率層１２９との屈折率界面で全反射する。これは、第２の屈折率層１２９の屈折率が第１の屈折率層１２５の屈折率に対して高いためである。また、第１の屈折率層１２５と第２の屈折率層１２９との屈折率界面はプリズム状の形状に形成されているので、屈折率界面で全反射した光は隣接画素の第１の屈折率層１２５と第２の屈折率層１２９との屈折率界面で再度全反射して、隣接画素のダイクロイックフィルタ層１３２に入射する。

ダイクロイックフィルタ層１３２の分光透過特性は、図４に示したように、赤色の光を透過する特性を有している。そのため、ダイクロイックフィルタ層１３５で反射した青色と赤色の光のうち、赤色の光はダイクロイックフィルタ層１３２を透過し、導波路１１７を通って光電変換部１０４に導かれる。

従来の顔料タイプのカラーフィルタでは、フィルタを透過しない色の光はフィルタに吸収されてしまい、これが撮像素子の感度を低下させる要因になっていた。しかし、本参考形態によれば、従来の顔料タイプのカラーフィルタでは吸収されていた光も光電変換部１０４に取り込むことができ、これにより撮像素子の感度を向上させることが可能になっている。

さらに、本参考形態の撮像素子は、緑色の光が透過するダイクロイックフィルタ層１３５を有する画素に入射した赤色の光を、これに隣接する、赤色を透過するダイクロイックフィルタ層１３２を有する画素に導くことにより、いわゆる偽色が発生することを防止することが可能になっている。すなわち、従来の顔料タイプのカラーフィルタ層を有する撮像素子においては、緑色の光を透過するカラーフィルタ層を有する画素に赤色の光が入射しても赤の画像は再現されなかったが、本参考形態の撮像素子では緑色の光が透過するダイクロイックフィルタ層１３５を有する画素に入射した赤色の光は、これに隣接する赤色を透過するダイクロイックフィルタ層１３２を有する画素にて赤の画像を再現することを可能としている。

なお、他の色相のダイクロイックフィルタ層を有する画素に入射した光も同様に作用するため、他の色相に関する説明は省略する。

本参考形態では、光学基板１２を構成する光学部材に、屈折率が比較的高い透明材料としてＴｉＯ₂、屈折率が比較的低い透明材料としてＳｉＯ₂の２種類の透明材料を使用する例を示したが、屈折率が比較的高い透明材料で構成されたマイクロレンズ１２４と屈折率が比較的低い透明材料で構成された第１の屈折率層１２５との屈折率界面での反射による損失を小さくするために、図６に示す本参考形態の撮像素子の変形例のように、マイクロレンズ１２４と第１の屈折率層１２５との間に、例えばＳｉＮ等の透明材料からなる中間の屈折率を持つ反射防止層１３６を設け、光学部材を３種類の透明材料で構成するのも有効である。さらに、光学基板１２の光入射面に屈折率が比較的低い透明材料であるＭｇＦ₂を反射防止膜としてコーティングすることで、４種類の透明材料で光学部材を構成するのも有効である。

（第１の実施形態）
図７〜図１１は本発明の第１の実施形態を示す図であり、図７は本発明の第１の実施形態の撮像素子の概略断面図、図８Ａおよび図８Ｂは図７に示した撮像素子のセンサ基板の製造プロセスを示す図、図９Ａおよび図９Ｂは図７に示した撮像素子の光学基板の製造プロセスを示す図である。

図７に示すように、本実施形態の撮像素子も、センサ基板２０と光学基板２２とで構成されている。

センサ基板２０は、上面に複数の光電変換部２０４が設けられたＳｉ基板２００を有している。Ｓｉ基板２００上には、２層のＡｌ配線層２０７，２１３が、ＳｉＯ₂等で形成された層間膜２１０，２１６を介して形成されている。Ａｌ配線層２０７，２１３は、光電変換部２０４にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送スイッチを制御したり、ＦＤ部の電位を出力したりするための配線層である。

このように、センサ基板２０は、Ｓｉ基板２００、光電変換部２０４、Ａｌ配線層２０７，２１３、および層間膜２１０，２１６を有している。また、センサ基板２０の上面には、Ａｌ配線層２０７，２１３と層間膜２１０，２１６で構成された井戸構造からなる凹凸部が形成されている。

また、光学基板２２は透明基板であるガラス基板２２０を有しており、そのガラス基板２２０の下面には、比較的低い屈折率を有するＳｉＯ₂からなる低屈折率層２２１を介してマイクロレンズ２２４が設けられている。マイクロレンズ２２４は屈折率が比較的高いＴｉＯ₂で形成されており、不図示の撮影レンズから入射する光束を光電変換部２０４に集光するようにそのレンズ形状が決められている。

マイクロレンズ２２４の下面には、マイクロレンズ２２４を透過した光を光電変換部２０４に導く導波路としての機能も有する、例えば顔料タイプのカラーフィルタ２２７，２３０が設けられている。導波路でもあるカラーフィルタ２２７，２３０の光入射側は、より多くの光が入射可能なように開口が大きくなっている。

このように、光学基板２２は、ガラス基板２２０、低屈折率層２２１、マイクロレンズ２２４、およびカラーフィルタ２２７，２３０を有している。また、光学基板２２の下面には、カラーフィルタ２２７，２３０からなる凹凸部が形成されている。

本実施形態の撮像素子は、センサ基板２０と光学基板２２とを、互いの凹凸部を噛み合わせるように貼り合わせた構造になっており、センサ基板２０と光学基板２２とは、封止材２３４によって封止された状態で接着されている。センサ基板２０と光学基板２２とを貼り合わせた後には、導波路を兼ねるカラーフィルタ２２７，２３０は、センサ基板２０と光学基板２２とを貼り合わせたときに両者の凹凸部の間に形成される隙間の空気層２３３に囲まれる。そのため、カラーフィルタ２２７，２３０の屈折率が多少小さくても、その空気層との屈折率差によって全反射条件を満足し、カラーフィルタ２２７，２３０は導波路として機能する。その結果、本実施形態でも、撮影光束は図５（ａ）に示した光線追跡図と略同様となり、撮影画角の広い光束もカラーフィルタ（導波路）２２７，２３０を通って光電変換部２０４に導かれるので、撮像素子の感度を向上させることが可能になっている。

また、本実施形態では、光学基板２２のマイクロレンズ２２４上に設けられたカラーフィルタ２２７，２３０が導波路としての役割も有しているので、図１等に示した参考形態の構成に比べてマイクロレンズ２２４から光電変換部２０４までの光路長が構造上短くなっている。そのため、マイクロレンズ２２４から出射して光電変換部２０４に到達する間に生じる光の損失が少なくなるので、この構成によっても、撮像素子の感度を向上させることが可能になっている。

次に、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、図７に示したセンサ基板２０の製造方法を説明する。

まず、図８Ａ（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２００の上面を酸化させてＳｉ基板２００の上面にＳｉＯ₂からなる酸化シリコン膜２０１を形成する。さらに、Ｓｉ基板２００の上面に光電変換領域を形成するために、酸化シリコン膜２０１の上にフォトレジスト２０２を塗布し、これをフォトマスク２０３で覆って露光する（図８Ａ（ｂ））。フォトマスク２０３は、光電変換領域に対応する領域は光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト２０２はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち光電変換領域に対応する領域が溶解し、酸化シリコン膜２０１の一部が露出する。さらに、プラズマによるドライエッチング処理を行うことによって、フォトレジスト２０２に覆われていない領域の酸化シリコン膜２０１が除去される（図８Ａ（ｃ））。

さらに、Ｓｉ基板２００の上面に対してイオンを打ち込むことにより、Ｓｉ基板２００の上面の酸化シリコン膜２０１で覆われていない領域に光電変換部２０４を形成する（図８Ａ（ｄ））。なお、このとき酸化シリコン膜２０１で覆われた領域ではイオンが吸収されるので、その領域に光電変換部２０４は形成されない。

Ｓｉ基板２００の上面に光電変換部２０４を形成した後、光電変換部２０４に貯まる電荷を転送するための電極をＳｉ基板２００の上面に形成する。

まず、光電変換部２０４と酸化シリコン膜２０１が形成されたＳｉ基板２００の上面にフォトレジスト２０５を塗布し、これをフォトマスク２０６で覆って露光する（図８Ａ（ｅ））。フォトマスク２０６は、第１の配線層２０７に対応する領域が光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト２０５はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち第１の配線層に対応する領域が溶解し、酸化シリコン膜２０１の一部が露出する。さらに、ドライエッチング処理を行うことによって、フォトレジスト２０５に覆われていない領域の酸化シリコン膜２０１が除去される（図２Ａ（ｆ））。

さらに、例えばＡｌ（アルミニウム）をＣＶＤ装置等によってＳｉ基板２００上に蒸着させることにより、Ｓｉ基板２００上に第１の配線層２０７を形成する（図８Ａ（ｇ））。

このように第１の配線層２０７が形成した後に、エッチング処理を行ってフォトレジスト２０５を除去する（図８Ａ（ｈ））。

次に、第２の配線層２１３を形成するために層間膜２１０を形成する。まず、Ｓｉ基板２００の上面にフォトレジスト２０８を塗布し、これをフォトマスク２０９で覆って露光する（図８Ａ（ｉ））。フォトマスク２０８は、光電変換部２０４に対応する領域が光を遮光し、その他の領域は光を透過するように構成されている。また、フォトレジスト２０８はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち光電変換部２０４に対応していない領域が溶解する。

そして、ＣＶＤ装置によって、ＳｉＯ₂からなる層間膜２１０を形成する（図８Ｂ（ｊ））。層間膜２１０を形成した後に、エッチング処理を行ってフォトレジスト２０８を除去する（図８Ｂ（ｋ））。

次に、フォトレジスト２１１を塗布し、これをフォトマスク２１２で覆って露光する（図８Ｂ（ｌ））。フォトマスク２１２は、第２の配線層２１３に対応する領域が光を透過し、その他の領域は光を遮光するように構成されている。また、フォトレジスト２１１はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち第２の配線層２１３に対応する領域が溶解する。そして、ＣＶＤ装置等によってＡｌを蒸着することにより、第２の配線層２１３を形成する（図８Ｂ（ｍ））。その後、エッチング処理を行ってフォトレジスト２１１を除去する（図８Ｂ（ｎ））。

さらに、第２の配線層２１３の上に層間膜２１６を形成する。まず、第２の配線層２１３が形成されたＳｉ基板２００上にフォトレジスト２１４を塗布し、これをフォトマスク２１５で覆って露光する（図８Ｂ（ｏ））。フォトマスク２１５は、導波路としても機能するカラーフィルタ２２７，２３０を収容する井戸構造に対応する領域が光を遮光し、その他の領域は光を透過するように構成されている。また、フォトレジスト２１５はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち上記の井戸構造に対応していない領域が溶解する。さらに、ＣＶＤ装置によって、ＳｉＯ₂からなる層間膜２１６を形成する（図８Ｂ（ｐ））。

さらに、上記の井戸構造を形成するために、エッチング処理を行ってフォトレジスト２１４を除去すると、センサ基板２０が完成する（図８Ｂ（ｑ））。

続いて、図９Ａおよび図９Ｂを参照して、図７に示した光学基板２２の製造方法を説明する。

最初に、透明基板であるガラス基板２２０の下面となる面（図９Ａ（ａ）に示す上側の面）上にマイクロレンズ２２４を形成する。マイクロレンズ２２４は、公知のレジストリフロー法にて形成する。

そのために、まず、ガラス基板２２０上に屈折率が比較的低い材料であるＳｉＯ₂からなる低屈折率層２２１をＣＶＤ装置によって蒸着し（図９Ａ（ｂ））、さらにその上にフォトレジスト２２２を塗布し（図９Ａ（ｃ））、フォトマスク２２３でこれを覆って露光する（図９Ａ（ｄ））。フォトマスク２２３の透過率分布は、マイクロレンズ２２４の形状を形成するために、画素中央部は透過率が低く、画素周辺部は透過率が高くなるように設定されている。また、フォトレジスト２２２はネガ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射されない領域、すなわちマイクロレンズ２２４に対応する領域が溶解する（図９Ａ（ｅ））。

さらに、低屈折率層２２１にエッチング処理を行うことによって、マイクロレンズ２２４を形成するための凹部を低屈折率層２２１に形成する（図９Ａ（ｆ））。このとき、フォトレジスト２２２と低屈折率層２２１のエッチング処理における選択比が１：１であれば、フォトレジスト２２２の形状がそのまま低屈折率層２２１に転写される。さらに、比較的屈折率が高い材料であるＴｉＯ₂を、低屈折率層２２１の上にＣＶＤ装置によって蒸着することにより、低屈折率層２２１上にマイクロレンズ２２４を形成する（図９Ａ（ｇ））。

マイクロレンズ２２４を形成した後に、導波路を兼ねるカラーフィルタ２２７，２３０を作成する。

まず、緑色の光を透過するカラーフィルタ２２７を形成する。最初に、マイクロレンズ２２４の上にフォトレジスト２２５を塗布し、これをフォトマスク２２６でマスキングして露光する（図９Ａ（ｈ））。フォトマスク２２６は緑色のカラーフィルタ２２７を形成する領域の透過率が高くなるように構成されている。また、フォトレジスト２２６はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち緑色のカラーフィルタ２２７が形成される領域が溶解し、その他の色相の画素領域は溶解しない。したがって、その他の色相の画素領域はフォトレジスト２２５によって保護される。

次に、顔料タイプの緑色のカラーフィルタ２２７を形成し（図９Ａ（ｉ））、エッチング処理を行ってフォトレジスト２２５を除去する。

次に、赤色の光を透過するカラーフィルタ２３０を形成する。まず、フォトレジスト２２８を塗布し、これをフォトマスク２２９でマスキングして露光する（図９Ｂ（ｊ））。フォトマスク２３３は赤色のカラーフィルタ２３０を形成する領域の透過率が高くなるように構成されている。また、フォトレジスト２２８はポジ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射された領域、すなわち赤色のカラーフィルタ２３０が形成される領域が溶解し、その他の色相の画素領域は溶解しない。したがって、その他の色相の画素領域はフォトレジスト２２８によって保護される。

次に、顔料タイプの赤色のカラーフィルタ２３０を形成し（図９Ｂ（ｋ））、エッチング処理を行ってフォトレジスト２２８を除去する（図９Ｂ（ｌ））。

最後に、カラーフィルタ２２７，２３０が導波路として機能するように、これらをテーパ形状に形成する。カラーフィルタ２２７，２３０は、公知のレジストリフロー法によって導波路形状に形成する。

まず、ガラス基板２２０上に形成されたカラーフィルタ２２７，２３０上にフォトレジスト２３１を塗布し、フォトマスク２３２を通してフォトレジスト２３１を露光する（図９Ｂ（ｍ））。フォトマスク２３２は、カラーフィルタ２２７，２３０を導波路形状に形成するために、画素中央部の透過率が低く画素周辺部の透過率は高くなるように透過率分布が設定されている。また、フォトレジスト２３１はネガ型のフォトレジストであるので、現像処理することにより光が照射されない領域、すなわち導波路に対応してない領域が溶解する（図９Ｂ（ｎ））。

ここで、フォトレジスト２３１とカラーフィルタ２２７，２３０とのエッチング処理における選択比が１：１であれば、フォトレジスト２３１の形状がそのままカラーフィルタ２２７，２３０に転写される。そして、エッチング処理を行うことによってカラーフィルタ２２７，２３０が導波路形状に形成され、光学基板２２が完成する（図９Ｂ（ｏ））。

そして、センサ基板２０の井戸構造部からなる凹凸部と光学基板２２の導波路部２２７，２３０からなる凹凸部とをかみ合わせるようにセンサ基板２０と光学基板２２とを貼り合わせることにより、本実施形態の撮像素子が完成する。本実施形態の構成によれば、センサ基板２０の凹凸部と光学基板２２の凹凸部とをかみ合わせる際にセンサ基板２０と光学基板２２との互いの位置決めが行われるので、センサ基板２０と光学基板２２の位置精度が向上し、両者の貼り合わせ時に生じる位置ずれに起因する撮像素子の感度の低下を防止することができる。

図１０は、図７等に示した撮像素子のセンサ基板の一変形例を示す概略断面図である。

図７等に示した本実施形態のセンサ基板２０は、第１の配線層２０７及び第２の配線層２１３がそれぞれ層間膜２１０及び２１６によって覆われた構成になっているが、図１０に示すセンサ基板の変形例のように、第１の配線層２０７と層間膜２１０を同じパターンにし、また、第２の配線層２１３と層間膜２１６とを同じパターンにすることにより、それらを形成するためのフォトマスクの種類を減らすことが可能になる。

図１１は、図７等に示した撮像素子の一変形例を示す概略断面図である。

本実施形態では、図７等に示すように、光学基板２２にカラーフィルタ２２７，２３０からなる導波路を設け、光学基板２２の導波路部２２７，２３０より広い井戸構造部を有するセンサ基板２０に光学基板２２を貼り合わせた構造の撮像素子を示した。

この構造に代えて、図１１に示すように、センサ基板２０は図７のものと同様の構成とし、光学基板２２はマイクロレンズ２２４の下に通常の顔料タイプのカラーフィルタ２２７，２３０を形成し、屈折率が比較的高い透明材料（例えばＴｉＯ₂）によってカラーフィルタ２２７，２３０の下面に導波路２３５を形成した構成とし、センサ基板２０と光学基板２２とを貼り合わせて撮像素子を構成してもよい。

（その他の実施形態）
次に、図１２を参照して、本発明の撮像素子をデジタルカメラに適用した場合の一実施形態について詳述する。図１２は、本発明の撮像素子を適用したデジタルカメラを示すブロック図である。

図１２において、符号３０１はレンズ３０２のプロテクトとメインスイッチとを兼ねるバリア、符号３０２は被写体の光学像を固体撮像素子３０４に結像させるレンズ、符号３０３はレンズ３０２を通る光量を可変するための絞り、符号３０４はレンズ３０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、符号３０５は撮像信号処理回路、符号３０６は固体撮像素子３０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、符号３０７はＡ／Ｄ変換器３０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮したりする信号処理部、符号３０８は固体撮像素子３０４、撮像信号処理回路３０５、Ａ／Ｄ変換器３０６、および信号処理部３０７に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、符号３０９は各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部、符号３１０は画像データを一時的に記憶するメモリ部、符号３１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、符号３１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、符号３１３は外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部である。

次に、本実施形態のデジタルカメラの撮影時の動作について説明する。

バリア３０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器３０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部３０９は絞り３０３を開放にし、固体撮像素子３０４から出力された信号がＡ／Ｄ変換器３０６で変換された後、信号処理部３０７に入力される。全体制御・演算部３０９は、そのデータを基に露出の演算を行う。全体制御・演算部３０９は、この測光を行った結果によって明るさを判断し、その結果に応じて絞り３０３を制御する。

次に、全体制御・演算部３０９は、固体撮像素子３０４から出力された信号をもとに、撮像信号処理回路３０５で高周波成分を取り出し、被写体までの距離の演算を行う。その後、全体制御・演算部３０９は、レンズ３０２を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ３０２を駆動して測距を行う。そして、全体制御・演算部３０９は、合焦を確認した後に本露光を始める。

露光が終了すると、固体撮像素子３０４から出力された画像信号は撮像信号処理回路３０５を経てＡ／Ｄ変換器３０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部３０７を通り全体制御・演算部３０９によってメモリ部３１０に書き込まれる。

その後、メモリ部３１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部３０９の制御によって、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部３１１を介して半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体３１２に記録される。また、このデータを外部Ｉ／Ｆ部３１３を介してコンピュータ等に直接入力すれば、そのコンピュータ等によって画像の加工を行うことができる。

このように、本実施形態のデジタルカメラは、レンズ３０２で結像した被写体像を撮像素子３０４で光電変換することによって画像信号を得るように構成されている。その撮像素子３０４としては、図１や図７等に示して説明した撮像素子を用いることができる。

本発明の参考形態の撮像素子の概略断面図である。図１に示した撮像素子のセンサ基板の製造プロセスを示す図である。図１に示した撮像素子のセンサ基板の製造プロセスを示す図である。図１に示した撮像素子の光学基板の製造プロセスを示す図である。図１に示した撮像素子の光学基板の製造プロセスを示す図である。図１に示した撮像素子のダイクロイックフィルタの分光特性図である。図１に示した撮像素子における光線追跡図である。図１に示した撮像素子の変形例を示す概略断面図である。本発明の第１の実施形態の撮像素子の概略断面図である。図７に示した撮像素子のセンサ基板の製造プロセスを示す図である。図７に示した撮像素子のセンサ基板の製造プロセスを示す図である。図７に示した撮像素子の光学基板の製造プロセスを示す図である。図７に示した撮像素子の光学基板の製造プロセスを示す図である。図７等に示した撮像素子のセンサ基板の一変形例を示す概略断面図である。図７等に示した撮像素子の一変形例を示す概略断面図であり、同図（ａ）はその光学基板、同図（ｂ）はそのセンサ基板、同図（ｃ）は光学基板とセンサ基板との組立体を示している。本発明の撮像素子を適用したデジタルカメラを示すブロック図である。従来のＣＭＯＳイメージセンサを示す概略断面図である。

符号の説明

１０，２０センサ基板
１２，２２光学基板
１００，２００Ｓｉ基板
１０１，２０１酸化シリコン膜
１０２，１０５，１０８，１１１，１１５，１２２，１２６，１３０，１３３，２０２，２０５，２０８，２１１，２１４，２２２，２２５，２２８，２３１フォトレジスト
１０３，１０６，１１２，１１６，１２３，１２７，１３１，１３４，２３０，２０６，２０９，２１２，２１５，２２３，２２６，２２９，２３２フォトマスク
１０４，２０４光電変換部
１０７，２０７第１の配線層（Ａｌ配線層）
１０９エッチングストッパ膜
１１０，１１４，２１０，２１６層間膜
１１３，２１３第２の配線層（Ａｌ配線層）
１１７導波路
１２０，２２０ガラス基板
１２１，２２１低屈折率層
１２４，２２４マイクロレンズ
１２５第１の屈折率層
１２９第２の屈折率層
１３２，１３５，１３８ダイクロイックフィルタ層
１３６反射防止層
２２７，２３０カラーフィルタ
２３５導波路
３０１バリア
３０２レンズ
３０３絞り
３０４固体撮像素子
３０５撮像信号処理回路
３０６Ａ／Ｄ変換器
３０７信号処理部
３０８タイミング発生部
３０９全体制御・演算部
３１０メモリ部
３１１記録媒体制御インターフェース部
３１２記録媒体
３１３外部インターフェース部

Claims

半導体基板に設けられた複数の光電変換部と、
前記各光電変換部上に配された導波路となるカラーフィルタと、
前記各カラーフィルタを囲うように配された空気層と、
隣接する前記空気層の間に配され、複数の配線層をそれぞれ覆っている複数の層間膜
と、
前記各カラーフィルタに対応して、該カラーフィルタ、前記空気層、および前記層間膜上に直接配された複数のマイクロレンズと、
を有することを特徴とする撮像素子。
前記導波路となる前記カラーフィルタの開口は、前記光電変換部から前記マイクロレンズへ向かって大きくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の撮像素子。
前記マイクロレンズ上に配されたガラス基板と、該ガラス基板と前記マイクロレンズとの間にある、前記マイクロレンズよりも低屈折率であり酸化シリコンを含む低屈折率層と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
厚さ方向に直交する方向の端部を封止材によって封止されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像素子。
撮像レンズで結像した被写体像を撮像素子で光電変換することによって画像信号を得るデジタルカメラであって、
前記撮像素子として請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像素子を備えていることを特徴とするデジタルカメラ。