(57)【要約】【課題】画素サイズが小さくなっても混色を生じないようにすることが可能な構成の固体撮像素子を提供する。【解決手段】画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒ毎に受光部を有する基体（シリコン基板）１と、各画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒの受光部の上方にそれぞれ１本以上設けられ、光を透過する材料から成る、棒状の部材（ロッド）３と、この棒状の部材３の間の部分に設けられた、光を反射する反射層１６とを備え、棒状の部材３は、水平方向の寸法の差異によって透過する光の波長帯域が異なっている複数種類あり、同一画素内の棒状の部材３は同一寸法であり、各種類の棒状の部材３を有する画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒが規則的に配置されている、固体撮像素子を構成する。【選択図】図１２
2010141358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素毎に受光部を有する基体と、
各前記画素の前記受光部の上方にそれぞれ１本以上設けられ、光を透過する材料から成る、棒状の部材と、
前記棒状の部材の間の部分に設けられた、光を反射する反射層とを備え、
前記棒状の部材は、水平方向の寸法の差異によって透過する光の波長帯域が異なっている複数種類あり、同一画素内の前記棒状の部材は同一寸法であり、各種類の前記棒状の部材を有する画素が規則的に配置されている、
固体撮像素子。
【請求項２】
前記棒状の部材の少なくとも上面に設けられた、前記棒状の部材の材料と周囲の材料との中間の屈折率を有する材料から成る層を、さらに有する請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記棒状の部材の断面形状が円形又は矩形である、請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に係わる。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、カメラやビデオのような多くの領域における応用を有するデバイスである。
これらのデバイスに使用されるイメージセンサは、多くの画素から構成されている。そして、画素の寸法や画素構造によって、デバイス全体の効率が決まる。
【０００３】
カラー用のデバイスでは、固体状態の、通常、有機材料を起源とする吸収カラーフィルタ材料を、各画素にそれぞれ設けることにより、画素のタイプが赤・緑・青の３色に分かれている。
【０００４】
画素内の効率を改善するために、画素サイズのレンズが通常用いられており、このことは入射光を画素の受光素子に焦点を結ぶように保って、画素に入射するできるだけ多くの光をその画素に捕捉させ、周囲の画素に拡散しないようにしている。
【０００５】
しかしながら、簡単な画素サイズのレンズを使用することには、限界がある。入射光の角度が大きくなるにつれて、その限界が来て、光を入射したその画素内にとどめておくことができなくなってくる。即ち、レンズが補正できる角度偏向の大きさには限界があるということである。画素のアスペクト比、即ちその幅をその高さで割った値が小さいと、この影響がより顕著になる。
このことから、最近の画素寸法を縮小する傾向は、この混色の影響が、標準的なオンチップレンズ技術によって制御することがより困難になっていくことを意味する。さらにまた、通常有機レジスト起源の材料である、個々のカラーフィルタが必要となるため、これらのデバイスの高さを大いに増大させる。そして、これらカラーフィルタの存在が、アスペクト比を減少させ、混色の問題を顕著にしてしまう。このことが、特に画素寸法が小さくなると問題になる。
【０００６】
また、画素サイズが幅１μｍに達するまで小さくなると、レンズのサイズがレンズを通過する光の波長に近づき、次第にレンズとして作用しなくなる。即ち、レンズが、その内部を通過する光を集束できなくなってくる。
このように、画素サイズが小さくなると、従来のレンズに基く設計は、有利な効果を持たなくなるのが明白である。そのため、画素内に光を保つための新しいシステムが求められる。
【０００７】
標準的なレンズでは不充分な状況でも光線を向ける方法として、フレネルレンズ、回折光学素子レンズ、デジタルレンズ、そして、そのような「人工的な」レンズを使用することを、いくつかの研究者が提案している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
確かに、そのような構造は、普通のレンズよりも正確に光線を導くのに有用であるが、いくつかの欠点を有している。この欠点としては、波長依存性が大きいこと、製造工程が複雑になること、等が挙げられる。
【０００８】
しかしながら、小さいサイズの画素においては、さらに大きな問題が起こることに注目しなければならない。即ち、上述の設計は、作用するために物理的空間を要する、即ち、極めて大きい幅を必要とするので、小さい画素に適用しようとすると全く実用的でない、という事実である。最悪の場合にはレンズが画素よりも大きくなってしまう。この寸法限界は、入射光の波長により決まり、ほとんどの場合に、根本的な限界となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−７４０５５号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
概略を上述したように、ますます小さくなる画素内に光を集束させる問題は、標準的なオンチップレンズ技術では克服できない域に達している。
この問題は、結果として、いくつかの場合では、色や色調の区別を、不可能とまではいかなくとも極端に困難にするという程度にまで、混色の程度を増大させている。
このことは、主に、アスペクト比が減少することによって、光が入射した画素から周囲の画素へ漏れることによるものであり、大きい画素の設計では何ら問題を生じなかった入射角が、小さい画素サイズではもはや使い物にならなくなっている。
【００１１】
入射角は、イメージセンサの表面に光を集束させる、カメラレンズの設定に従って変化することを特筆する。これは、この外部集束システムのＦ値と呼ばれるパラメータによって決まる。
使用可能な入射角を制限することにより、事実上、使用できる外部レンズの型を制限し、前述のイメージセンサで使用できるシステムを制限している。
【００１２】
大きい画素や大きいアスペクト比であっても、この入射角の制限は存在するが、ずっと大きい値である。
色を区別する必要があり、デバイスにカラーフィルタを内蔵する必要があるときの問題は、上述したような構造の物理的な寸法による。
この問題は、イメージデバイスを製造する標準的に受け入れられた方法の基本設計によるものである。センサの基本設計を変えることによってのみ、これらの問題を解決することができる。
【００１３】
ここで、上述した問題について、図１５を参照して具体的に説明する。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、画素の上下方向の断面をそれぞれ示している。図１５Ａは大きいサイズの画素の断面図を示し、図１５Ｂは小さいサイズの画素の断面図を示し、それぞれの画素の高さが同じものを示している。
それぞれの図において、５１は受光素子のフォトダイオードが形成されたシリコン基板を示し、５２は層間の絶縁層等を示し、５３はカラーフィルタを示し、５４はオンチップレンズを示している。また、大きい矢印５５は、鉛直方向から幾分斜めに外れた角度で入射する光を表している。構造の内部のコーン状の形は、オンチップレンズ５４を経て光が集束されることを表している。
図１５Ａに示す大きいサイズの画素では、斜め入射光５５のシリコン基板５１の表面での焦点は、入射した画素６０内になっている。
一方、図１５Ｂに示す、より小さいサイズの画素では、シリコン基板５１の表面での焦点の位置が、入射した赤Ｒのカラーフィルタ５３を有する画素６０Ａの外になってしまい、隣の緑Ｇのカラーフィルタ５３を有する画素６０Ｂに入ってしまっている。
なお、実際には、画素サイズが最近５μｍから１．７５μｍ程度に変わり、さらに縮小するように期待されているので、この図は控えめである。
【００１４】
図１５Ｂに示した、自身の画素６０Ａのオンチップレンズ５４を通って隣の画素６０Ｂに入った光は、明快さを示さない。即ち、得られる画像信号が不明瞭になる。
これは、画素サイズの減少のジレンマを示しており、オンチップレンズを最高に活用しても、特性を改善しなくなる。即ち、ある角度を超えると、オンチップレンズが角度を補正できなくなるということである。
【００１５】
上述した問題の解決のために、本発明においては、画素サイズが小さくなっても混色を生じないようにすることが可能な構成の固体撮像素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、画素毎に受光部を有する基体と、各画素の受光部の上方にそれぞれ１本以上設けられ、光を透過する材料から成る、棒状の部材と、この棒状の部材の間の部分に設けられた、光を反射する反射層とを備え、棒状の部材は、水平方向の寸法の差異によって透過する光の波長帯域が異なっている複数種類あり、同一画素内の棒状の部材は同一寸法であり、各種類の棒状の部材を有する画素が規則的に配置されているものである。
【００１７】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、光を透過する材料から成る棒状の部材が設けられているので、各画素の棒状の部材において入射した光を下方に向けて、該当する画素の下方の基体に形成された受光部へ高い率で導くことが可能になる。
これにより、棒状の部材に入射した光が、隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
上述の本発明によれば、混色の発生を抑制して、固体撮像素子の特性を改善することができる。
また、本発明によれば、小さい画素サイズにおいても、混色が発生しないようにすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態の概略構成図（断面図）である。
【図２】ロッドの断面形状を円形とした、図１の固体撮像素子の要部の斜視図である。
【図３】ロッドの断面形状を矩形（角型ロッド）とした、図１の固体撮像素子の要部の斜視図である。
【図４】Ａ、Ｂ  ２つの構造で混色の混色の状態を比較して示す図である。
【図５】ロッドの太さを３色の光の波長に対応させた場合の、各ロッドの応答の波長分布（スペクトル）を示す図である。
【図６】本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態の概略断面図である。
【図７】本発明の固体撮像素子の第３の実施の形態の概略断面図である。
【図８】本発明の固体撮像素子の第４の実施の形態の概略断面図である。
【図９】本発明の固体撮像素子の第５の実施の形態の概略断面図である。
【図１０】本発明の固体撮像素子の第６の実施の形態の概略断面図である。
【図１１】本発明の固体撮像素子の第７の実施の形態の概略断面図である。
【図１２】本発明の固体撮像素子の第８の実施の形態の概略構成図（拡大断面図）である。
【図１３】本発明の固体撮像素子の第９の実施の形態の概略構成図（拡大断面図）である。
【図１４】２つの構造の同じ画素サイズとした平均的なイメージセンサにおけるシェーディングの量の測定結果を示す図である。
【図１５】Ａ、Ｂ  アスペクト比や混色への画素サイズの影響を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、本発明の具体的な実施の形態に先立ち、本発明の概要を説明する。
【００２１】
本発明の固体撮像素子では、各画素に、オンチップレンズの代わりに、光を透過する材料から成る棒状（ロッド状）の部材を設ける。棒状の部材は、入射光をフォトダイオード等の受光部に導くためのものであり、光を透過する材料からなる。
【００２２】
ここで、図１５で示したと同様に、斜めに光が入射した場合の挙動を、従来のオンチップレンズを設けた構造と、本発明の棒状の部材を設けた構造とで比較して、図４に示す。
図４Ａは、従来のオンチップレンズを設けた構造を示し、図４Ｂは、本発明の棒状の部材を設けた構造を示している。それぞれ、画素の幅と、シリコン基板及び絶縁層の厚さとを同じにしている。
【００２３】
図４Ａに示す従来のオンチップレンズを設けた場合には、斜めに入射した光５５がオンチップレンズ５４によってシリコン基板５１表面でコーン状に集束するときに、オンチップレンズ５４のある画素６０Ｒから漏れて、隣の画素６０Ｇに入ってしまっている。
このため、この隣の画素６０Ｇのピークゲインから、画素６０Ｒから受けた混色の大きさを厳密に引く信号処理が必要になる。
【００２４】
図４Ｂに示す棒状の部材を設けた場合には、斜めに入射した光２０が、それぞれ別々の棒状の部材（以下、ロッドと呼ぶこととする）３に入り、このロッド３の長さ方向（即ち、上下方向）に沿って導かれる。このとき、同時に、最も近い隣のロッド３と相互作用を生じて、斜め方向に傾斜した光が、傾いていない状態に戻っていく。このようにして、入射光の大部分がその元の画素内でシリコン基板１に入るように導かれる。
これにより、非常に高い正確なピークゲインが得られる。
従って、従来のオンチップレンズの場合と比較して、混色の発生を抑制して、固体撮像素子の特性を改善することができる。
【００２５】
なお、図４Ｂに示す棒状の部材を設けた場合でも、さらに入射角が増大していくと、光が隣の画素に入っていくようになるので、入射角の上限が存在する。
しかしながら、従来のオンチップレンズの場合と比較すると、入射角の上限がかなり大きくなるため、デバイスを著しく改善することができる。
【００２６】
なお、図４は、発生している現象を２次元構造で説明しているが、実際の固体撮像素子では３次元構造となっており、各画素が隣接する８つの画素で囲まれている。
【００２７】
棒状の部材（ロッド）３の断面形状は、円形、矩形、六角形、その他様々な形状とすることが可能である。
ロッド３の形成が可能であれば、ロッド３の断面形状は、特に限定されるものではない。
また、ロッド３の径や幅は、上下方向に一様（ほぼ一定）であっても、上下で差があっても、構わない。
【００２８】
棒状の部材（ロッド）３は、例えば、ロッド３の材料（光を透過する材料）の層を形成した後、この層を異方性エッチング等によって棒状に加工することにより、容易に作製することができる。
【００２９】
棒状の部材（ロッド）３が低過ぎると、光を導く効果が弱くなるので、ロッド３にはある程度の高さが必要である。典型的な範囲は、３００ｎｍ以上である。
一方、ロッド３の高さの上限は、エッチング技術やロッド３の作製方法に依存する。良くない作製方法を採用すると、ある程度以上の角度がついたテーパ状のロッド３を生成してしまい、好ましくない。
そして、ロッド３の高さの最も典型的な値は、０．５μｍ〜６μｍの範囲である。
【００３０】
画素毎のロッド３の本数は、主にその画素の大きさに依り、ほとんどの場合、ロッド３が可能な限り画素上に詰め込まれたときに、より良い結果が得られると考えられる。
しかしながら、いくつかの場合では、各画素の端縁部分に、２００ｎｍ程度のロッド３のないフリー領域を設けることにより、良好な応答を促進する。
【００３１】
１画素に複数本のロッド３を設けるときの、同じ画素内で隣接するロッド３の間の空間の大きさは、隣接するロッド３間のカップリングの強さに依って、設定する。
隣接するロッド３間のカップリングが強すぎることは、光がもはや別々のロッド３を区別できなくなり、全てを一緒にした大きい１つのロッド３として取り扱ってしまうことになる。このことは、もちろん、ロッド３の幅が大きく認識されるため、必要な波長依存性を損ねてしまう。
一方、隣接するロッド３を空間によって遠く離しすぎることは、使用可能なイメージセンサの表面の領域を浪費することを意味する。
これらのことから、同じ画素内で隣接するロッド３間の空間の大きさにはバランスが生じるものであり、通常５０〜２００ｎｍの範囲、最適には１００ｎｍの空間が使用される。
【００３２】
さらに、ロッド３の径や幅等、即ち、水平方向の寸法によって、ロッドはその寸法に対応した波長帯域の光を透過させる特性を有する。
従って、ロッド３の水平方向の寸法を、同一画素内は同一寸法とすると共に、画素によってある程度異ならせることにより、従来のカラーフィルタと同様に、受光する光の波長帯域（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの１色）を各画素に設定することが可能になる。そして、透過する光の波長帯域が異なる複数種類のロッド３を設け、各種類のロッド３を有する画素を規則的に配置することにより、従来のカラーフィルタと同様に、カラー画像を得ることが可能になる。
【００３３】
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
まず、本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
本実施の形態は、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子に適用した場合を示している。
【００３４】
この固体撮像素子は、シリコン基板１内に、図示しないが、フォトダイオードから成る受光部が画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒ毎に形成されて成る。
シリコン基板１には、さらに、図示しないが、画素内のＭＯＳトランジスタ（電荷の転送トランジスタ、増幅トランジスタ、画素の選択トランジスタ等）や周辺回路のＭＯＳトランジスタが形成されている。
【００３５】
シリコン基板１の上方には、絶縁層２中に、３層の配線層５が形成されている。
これらの配線層５は、画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒのフォトダイオードや図示しないトランジスタと、周辺回路や外部とを接続する、金属配線である。そして、これらの配線層５の間を、図中矢印で示すように光が通過して、シリコン基板１中の受光部（フォトダイオード）に入射する。
また、絶縁層２とシリコン基板１との間には、シリコン基板１の表面における光の反射を防止するために、反射防止層７が設けられている。
なお、絶縁層２は、１つの層として示しているが、材料や形成方法が異なる複数の絶縁層から成る場合もある。
【００３６】
本実施の形態の固体撮像素子においては、特に、各画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒの上部表面に、光を透過する材料から成る棒状の部材（ロッド）３が設けられている。
このロッド３は、水平面に垂直に、上下方向に延びて形成されている。
このように、各画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒにロッド３を設けたことにより、図４Ｂで説明したように、ロッド３で入射した光を下方の受光部へ向けて導くことができる。
【００３７】
ロッド３の材料としては、ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＣ、金属酸化物、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、アクリル樹脂、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、塩化ポリビニル（ＰＶＣ）、フォトレジスト材、等を使用することができる。
光を透過するだけでなく、所望のロッド３の形状が容易に形成できるような材料を使用することが望ましい。
【００３８】
ロッド３は、前述したように、ロッド３の材料となる、光を透過する材料の層を形成した後、この層を異方性エッチング等によって棒状に加工することにより、容易に作製することができる。
【００３９】
ロッド３の下にはオプション層４がある。このオプション層４は、ロッド３と同じ材質から成り、ロッド３からシリコン基板１へと光を導くことを促進する。
このオプション層４は、上述した異方性エッチング等によって棒状に加工する際に、下の層に達するまで加工しないで、最下部を一部残すことにより、形成することができる。
さらに、オプション層４と、その下層の絶縁層２との間には、屈折率を合わせるための層６が設けられている。
【００４０】
また、本実施の形態の固体撮像素子においては、青Ｂの画素１０Ｂには細いロッド３が４本形成され、緑Ｇの画素１０Ｇにはやや太いロッド３が３本形成され、赤Ｒの画素１０Ｒにはさらに太いロッド３が３本形成されている。即ち、画素の色に対応して、ロッド３の太さ（即ち、幅や径等の水平方向の寸法）や本数が変わっている。一方、同一画素内の３本又は４本のロッド３は、同一の太さにしている。
ロッド３の太さは、受光部で受光する色の光の波長帯域に対応しており、波長が長い光を受光する赤Ｒの画素１０Ｒでは太いロッド３が形成され、緑Ｇの画素１０Ｇ、青Ｂの画素１０Ｂと受光する光の波長が短くなるに従い、ロッド３の太さも小さくなっている。
このようにロッド３の太さを、各画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒの受光部で受光する色の光の波長帯域に対応させて３種類設定している。これにより、ロッド３が太さによって波長帯域の選択性を有するので、カラーフィルタの機能をロッド３に持たせることができる。そして、各種類のロッド３を有する画素を規則的に配置することにより、カラー画像の検出を行うことが可能になる。
【００４１】
ここで、図１に示したように、ロッド３の太さを受光部で受光する３色の光Ｒ，Ｇ，Ｂの波長に対応させた場合の、各ロッド３の応答の波長分布（スペクトル）を、図５に示す。
図５から、バンドパスフィルタである通常のカラーフィルタとは異なり、ロッド３の場合には、長波長側をカットするフィルタとして応答することがわかる。
このことは、それぞれの色のフィルタの応答を減算することにより、色信号が生成されることを意味する。即ち、実際の赤の信号を得るためには、赤の画素の応答から、緑の画素の応答を減算すればよい。
【００４２】
ロッド３を形成したこの構成の有利な点は、赤の画素の応答が、白の応答、即ち全色の応答であり、低い明度に対するセンサの感度を向上させることができることである。さらに、標準的なイメージセンサとは対称的に、青の画素が最もノイズが少ないことである。さらに、外部の赤外カットフィルタをもはや不要にするということである。
この構成の欠点は、それぞれの応答を減算することにより、ノイズが加わる可能性が高まる、ということであり、この点には注意が必要である。
【００４３】
図１では、ロッド３の断面図を示しているため、ロッド３の断面形状は現れていない。前述したように、ロッド３の断面形状は、円形、矩形、六角形等の任意の形状とすることが可能である。このうち、ロッド３の断面形状を円形とした場合の要部の斜視図を図２に示し、ロッド３の断面形状を矩形（角型ロッド）とした場合の要部の斜視図を図３に示す。
図２及び図３では、画素の色配列を３色Ｂ，Ｇ，Ｒのストライプ状とした場合の、緑Ｇの画素全体と、左右の青Ｂ及び赤Ｒの画素の一部とを示しており、２行の画素を示している。
ロッド３以外の構成は、図２及び図３とも、図１と同様となっている。
図２及び図３において、緑Ｇの画素には、縦横３本ずつの合計９本のロッド３が設けられている。
ロッド３以外の構成は、図２及び図３で同様となっている。
【００４４】
ロッド３の断面形状を図２に示す円形状とするよりも、図３に示す矩形（角型ロッド）とすることがより好ましい。断面形状が矩形である角型ロッドとすることにより、ロッド間３の相互作用を良く制御できる。さらに、円形状のロッドで生じる擬似反射による光量の損失を低減して、擬似反射による反射光をほとんど隣のロッドに拾い上げることができる。
【００４５】
ロッド３の波長帯域の選択性を良好に行うためには、例えば、ロッド３の幅又は直径を、以下に説明するように設定する。
【００４６】
赤の画素１０Ｒには、例えば、幅又は直径が６１０ｎｍ程度のロッド３を設ける。
ただし、最適なロッド３の幅又は直径が、固体撮像素子の外部のカメラレンズのＦ値と、カメラレンズを通過した後の光の入射角度の平均とによって変わるものであり、イメージセンサの端部の画素において入射角度を補償するために、低い値に設定される。
そのため、ロッド３の幅又は直径の最適な範囲は、５５０ｎｍ〜６２０ｎｍとなる。
【００４７】
緑の画素１０Ｇには、例えば、幅又は直径が５６０ｎｍ程度のロッド３を設ける。
ただし、最適なロッド３の幅又は直径が、固体撮像素子の外部のカメラレンズのＦ値と、カメラレンズを通過した後の光の入射角度の平均とによって変わるものであり、イメージセンサの端部の画素において入射角度を補償するために、低い値に設定される。
そのため、ロッド３の幅又は直径の最適な範囲は、４８０ｎｍ〜５７０ｎｍとなる。
【００４８】
青の画素１０Ｂには、例えば、幅又は直径が４７０ｎｍ程度のロッド３を設ける。
ただし、最適なロッド３の幅又は直径が、固体撮像素子の外部のカメラレンズのＦ値と、カメラレンズを通過した後の光の入射角度の平均とによって変わるものであり、イメージセンサの端部の画素において入射角度を補償するために、低い値に設定される。
そのため、ロッド３の幅又は直径の最適な範囲は、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍとなる。
【００４９】
上述の本実施の形態の固体撮像素子によれば、各画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒの上部表面に、光を透過する材料から成る棒状の部材（ロッド）３が設けられている。このロッド３により、各画素のロッド３において入射した光を下方に向けることができるので、該当する画素の下方のシリコン基板１に形成された受光部へ高い率で導くことができる。
これにより、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。
【００５０】
また、本実施の形態の固体撮像素子によれば、ロッド３の太さを、各画素１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒの受光部で受光する色の光の波長に対応させた３種類に設定している。そのため、ロッド３が太さによって波長帯域の選択性を有するので、カラーフィルタの機能をロッド３に持たせることができる。
これにより、図１に示すように、従来設けていたカラーフィルタの層がなくても、色を選別することができる。
そして、カラーフィルタの層がない分、ロッド３とシリコン基板１との間の距離を短くすることができ、この観点からも混色の発生を抑制することができる。
【００５１】
従って、混色の発生を抑制して、固体撮像素子の特性を改善することができる。
また、小さい画素サイズにおいても、混色が発生しないようにすることが可能になる。
【００５２】
なお、図２及び図３では、画素の色配列を３色Ｂ，Ｇ，Ｒのストライプ状としていたが、ベイヤー配列等の他の色配列を採用することも可能である。
【００５３】
続いて、本発明の固体撮像素子の、その他の実施の形態を、以下にいくつか示す。
【００５４】
次に、本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態の概略断面図を、図６に示す。
本実施の形態は、図１に示した先の実施の形態の構成に加えて、さらに、絶縁層２の内部の、配線層５よりも上方に、層内レンズ８を設けた構成である。
層内レンズ８は、上面が凸面となっており、下面が平面となっている。これにより、上方のロッド３から層内レンズ８に入射した光を、さらに集束させて、シリコン基板１の受光部に導くことができる。
層内レンズ８には、周囲の絶縁層２よりも、屈折率の高い材料を用いる。
なお、周囲の絶縁層２は、層内レンズの下層と、層内レンズの上層とで、材料や形成方法が異なる絶縁層とする場合もある。
【００５５】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。また、従来設けていたカラーフィルタの層がなくても、色を選別することができる。
【００５６】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、ロッド３とシリコン基板１との間に、層内レンズ８が設けられているので、層内レンズ８でロッド３からの光を集束させて、受光部に入射する光の量を増やすことが可能になる。
【００５７】
なお、図６では、層内レンズ８の上面が凸面、下面が平面となっていたが、入射した光を集束させるレンズ作用を生じるのであれば、層内レンズの上下の面をその他の形状としても構わない。例えば、上面が平面で下面が凸面である構成や、上面及び下面が共に凸面である構成が、考えられる。
【００５８】
次に、本発明の固体撮像素子の第３の実施の形態の概略断面図を、図７に示す。
本実施の形態は、図１に示した先の実施の形態の構成に加えて、さらに、絶縁層２の内部の、配線層５の間を含む部分に、光導波路９を設けた構成である。
光導波路９は、絶縁層２内に溝を掘って、その溝の内部に埋めて構成されている。
光導波路９の材料には、周囲の絶縁層２と屈折率が大きく異なる材料を使用することが望ましい。光導波路９と周囲の絶縁層２との屈折率の違いが大きいほど、導波効果が良好になる。
【００５９】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。また、従来設けていたカラーフィルタの層がなくても、色を選別することができる。
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、ロッド３とシリコン基板１との間に、光導波路９が設けられているので、光導波路９によって光を導いて、受光部に入射する光の量を増やすことが可能になる。
【００６０】
即ち、本実施の形態では、図６に示した第２の実施の形態の層内レンズ８とほぼ同様の効果が得られる。さらに、図６の層内レンズ８が配線層５よりも上方に設けられていたのに対して、本実施の形態の光導波路９は配線層５の間も含んで形成されているので、全体の高さをより低減することが可能になる。このように全体の高さを低減することによっても、混色の問題を改善することができる。
また、層内レンズ８を形成することが可能な画素サイズの限界よりも、小さい画素サイズでも光導波路９を形成することが可能であり、第２の実施の形態よりも、さらに小さい画素サイズに適用することが可能である。
【００６１】
次に、本発明の固体撮像素子の第４の実施の形態の概略断面図を、図８に示す。
先の実施の形態では、いずれも、配線層５がシリコン基板１よりも上方に設けられていた。即ち、配線層５の側から受光部に光を照射させる、表面照射型の構造であった。
これに対して、本実施の形態では、配線層５がシリコン基板１よりも下方に設けられており、配線層５とは反対の側から受光部に光を照射させる、裏面照射型の構造となっている。
配線層５とその周囲の絶縁層２は、シリコン基板１よりも下方にあり、ロッド３の下のオプション層４のさらに下の屈折率を合わせるための層６と、シリコン基板１との間には、パッシベーション層１２が設けられている。なお、パッシベーション層１２とシリコン基板１との間には、屈折率を合わせるための層１１が設けられており、パッシベーション層１２の上下に屈折率を合わせるための層６，１１がある。
その他の構成は、図１〜図３に示した実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００６２】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の各実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。また、従来設けていたカラーフィルタの層がなくても、色を選別することができる。
【００６３】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、光が入射するロッド３とは反対側に配線層５が設けられているため、シリコン基板１とロッド３との距離が近くなっている。これにより、混色をさらに低減することができる。
そして、ロッド３からの出力を、ほとんど直接シリコン基板１の表面に入れることができ、光の利用効率を高めることができる。
また、ロッド３からシリコン基板１までの構成を簡単にすることができるため、画素サイズの制限を受けなくなる。従って、極端に小さい画素サイズにも適用することが可能になる。
【００６４】
次に、本発明の固体撮像素子の第５の実施の形態の概略断面図を、図９に示す。
本実施の形態では、図８に示した第４の実施の形態の構成に加えて、従来と同様のカラーフィルタを設けている。
具体的には、オプション層４と屈折率を合わせるための層６との間に、３色Ｂ，Ｇ，Ｒのカラーフィルタ１３を設けている。
その他の構成は、図８に示した第４の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００６５】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。
【００６６】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、図８に示した第４の実施の形態の構成に加えて、３色Ｂ，Ｇ，Ｒのカラーフィルタ１３を設けたことにより、全部又は一部の色選別を、それぞれの色フィルタ１３で行うことができる。
これにより、ロッド３とカラーフィルタ１３とを併用して、より明確に色選別を行うことが可能になる。
【００６７】
ただし、本実施の形態の構成では、カラーフィルタ１３の分、ロッド３とシリコン基板１との間の高さが加わるため、図８に示した第４の実施の形態の構成が適用可能であった、極端に小さい適用可能な画素サイズには適用することが難しくなる。
また、カラーフィルタ１３との併用を採用するかどうかは、どの程度の色選別が必要かどうか、考えられる用途にも依る。
【００６８】
なお、ロッド３とカラーフィルタ１３とを併用する構成は、図１、図６、図７に示した各実施の形態の構成にも適用することが可能である。
【００６９】
次に、本発明の固体撮像素子の第６の実施の形態の概略断面図を、図１０に示す。
本実施の形態では、図８に示した第４の実施の形態の構成に加えて、ロッド３の周囲を、ロッド３とは異なる材料（フィラー）１４で埋めている。
ロッド３の周囲を埋める材料１４としては、ポリマー（高分子材料）のような適切な可視光の透過性を有する材料が考えられる。
その他の構成は、図８に示した第４の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００７０】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。また、従来設けていたカラーフィルタの層がなくても、色を選別することができる。
【００７１】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、ロッド３の周囲を他の材料１４で埋めているので、ロッド３を物理的に固定することができ、使用時に細いロッド３が破損しないように保護して、ロッド３を維持することができる。
【００７２】
なお、ロッド３の周囲を他の材料１４で埋める構成は、図１、図６、図７、図８、図９に示した各実施の形態の構成にも適用することが可能である。
【００７３】
次に、本発明の固体撮像素子の第７の実施の形態の概略断面図を、図１１に示す。
本実施の形態では、図８に示した第４の実施の形態の構成に加えて、ロッド３の周囲を、画素毎に対応する３色Ｂ，Ｇ，Ｒのカラーフィルタ材料１５で埋めている。
その他の構成は、図８に示した第４の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。
【００７５】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、ロッド３の周囲をカラーフィルタ材料１５で埋めているので、ロッド３を物理的に固定することができ、使用時に細いロッド３が破損しないように保護して、ロッド３を維持することができる。
また、３色Ｂ，Ｇ，Ｒのカラーフィルタ材料１５により、全部又は一部の色選別を行うことができる。これにより、ロッド３とカラーフィルタ材料１５とを併用して、より明確に色選別を行うことが可能になる。
【００７６】
この構成における、ロッドの周囲を埋めている（フィラーとなっている）カラーフィルタ材料１５は、表面から受光部が形成されたシリコン基板１までの高さを増大させるという欠点なしに、色識別能力を高めることができるという、有利で顕著な効果を有している。
【００７７】
なお、ロッド３の周囲をカラーフィルタ材料１５で埋める構成は、図１、図６、図７、図８に示した各実施の形態の構成にも適用することが可能である。
【００７８】
本発明において、棒状の部材（ロッド）以外の部分をどのような構造とするかは、画素サイズやその構造の適用性にもよる。
【００７９】
なお、白黒の画像を得るための固体撮像素子や、もっぱら赤外光を受光検出する固体撮像素子のように、色情報を抽出する必要がない固体撮像素子では、センサ全体に亘って共通のロッド３、即ち同一寸法のロッド３を形成する。
【００８０】
例えば、白黒の画像を得るための固体撮像素子の場合には、各画素に、幅又は直径が６１０ｎｍ程度の寸法のロッド３を設ける。
ただし、最適なロッド３の幅又は直径が、固体撮像素子の外部のカメラレンズのＦ値と、カメラレンズを通過した後の光の入射角度の平均とによって変わるものであり、イメージセンサの端部の画素において入射角度を補償するために、低い値に設定される。
そのため、ロッド３の幅又は直径の最適な範囲は、５９０ｎｍ〜６４０ｎｍとなる。
【００８１】
さらに、上述した各実施の形態の構成を変形した実施の形態を、以下に示す。
本発明の固体撮像素子の第８の実施の形態の概略構成図（拡大断面図）を、図１２に示す。
本実施の形態では、図１に示した第１の実施の形態に対して、各ロッド３の間（ロッド３がない部分）のオプション層４の上に、高反射率を有する反射層１６を設けている。
【００８２】
このような反射層１６の材料としては、Ａｌ，Ａｕ，Ｗのような金属や、ＳｉＮ，ＳｉＣ，ＴｉＯ２のような高屈折率材料、又はその他の同様の酸化物が挙げられる。
また、反射率の異なる複数種類の膜を積層して成る多層膜のうち、反射率の高いものを、反射層１６として使用することが可能である。
【００８３】
このように反射層１６を設けたことにより、センサの使用可能な表面領域を失うように見える。しかし、ほとんどの場合において、最初に反射層１６から反射した光は、隣のロッド３で再使用されてシリコン基板１の受光部へ向うため、光の利用効率を向上させることができる。
その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
【００８４】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。
【００８５】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、図１に示した第１の実施の形態の構成に加えて、ロッド３の間の部分に反射層１６を設けたことにより、反射層１６に入射した光を反射させて隣のロッド３で再使用することが可能になる。これにより、光の利用効率を向上させることができる。
【００８６】
なお、ロッド３の間の部分に反射層１６を設ける構成は、第２〜第７の各実施の形態の構成にも適用することが可能である。第６及び第７の実施の形態のようにロッド３の間をフィラー１４，１５で埋める場合には、フィラー１４，１５とオプション層４との間に反射層１６を設ける。
【００８７】
次に、本発明の固体撮像素子の第９の実施の形態の概略構成図（拡大断面図）を、図１３に示す。
本実施の形態では、図１２に示した第８の実施の形態に対して、各ロッド３の上面に、ロッド３の材料と周囲の材料（例えば、空気）との中間の屈折率を有する材料から成る屈折率調整層１７を設けている。
本実施の形態では、この屈折率調整層１７が、ロッド３の上面のみに形成されている。
【００８８】
この屈折率調整層１７の典型的な材料は、ＳｉＯＮ，ＳｉＯ２，ＣａＦ，ＭｇＦ，ＬｉＦである。これらの材料を、例えばロッド３の上面に塗布することにより、屈折率調整層１７を形成することができる。
【００８９】
なお、ロッド３の中に送り込まれる光の量をさらに増やすために、ロッド３の側面にも上面と同様に屈折率調整層１７を設けることも可能である。ただし、この場合、ロッド３への光のカップリングを弱めてしまい、光を導く効率を低下させてしまう欠点も有している。
【００９０】
本実施の形態の固体撮像素子によれば、先の実施の形態の固体撮像素子と同様に、ロッド３に入射した光が隣接する画素へ入り込むことを抑制し、混色の発生を抑制することができる。
【００９１】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子によれば、図１２に示した第８の実施の形態の構成に加えて、ロッド３の上面にロッド３の材料と周囲の材料（例えば、空気）との中間の屈折率を有する材料から成る屈折率調整層１７を設けている。このため、屈折率調整層１７に入射した光が反射されることを抑制して、より多くの光をロッド３に入れることが可能になる。これにより、光の利用効率をさらに向上させることができる。
【００９２】
なお、ロッド３の上面や側面に屈折率調整層１７を設ける構成は、反射層１６を設けていない、第２〜第７の各実施の形態の構成にも適用することが可能である。また、第２〜第７の各実施の形態の構成と、第９の実施の形態の反射層１６及び屈折率調整層１７を設けた構成とを、組み合わせることも可能である。第６及び第７の実施の形態のようにロッド３の間をフィラー（埋め込み材料１４やカラーフィルタ材料１５等）で埋める場合には、屈折率調整層１７を、ロッド３とフィラーとの間の屈折率を有する構成とする。
【００９３】
本発明は、特に２μｍ未満の小さい画素のイメージセンサにおいて、イメージセンサの特性を改善し、良好な特性を維持することを可能にするものである。
もちろん、本発明は、棒状の部材（ロッド）によって、入射光を効率良く受光部に導くことができるため、大きい画素のイメージセンサにおいても有用である。
本発明により得られる主要な改善は、画素間の混色の低減である。
また、本発明により得られる他の改善は、イメージセンサの対角線に沿ったシェーディング特性の改善である。
【００９４】
ここで、一方を従来の標準的なオンチップレンズを有する構造として、他方を上述した本発明のロッドを有する構造として、同じ画素サイズでこれら２つの構造の平均的なイメージセンサを用意した。そして、これらのイメージセンサにおけるシェーディングの量、具体的には、フォトダイオードに光が入射する位置が、フォトダイオードの中心からずれている量を、測定した。測定結果を、図１４に示す。図１４の横軸は、イメージセンサの撮像領域の中心部を０としたときの、測定箇所の位置ｘを示しており、図１４の縦軸は、シェーディングの量を示している。
【００９５】
理想的には、イメージセンサのチップ全体にわたって同じ一定の応答が得られるべきである。
しかしながら、その画素の位置がチップの端部になるにつれて、入射角度はより鋭くなり、光が入射する位置の画素中心からのずれが増大し、画素のピークゲインが減少していく。
一方、画素デザイン及び／又は外部レンズＦ値が不適切な場合には、このピークゲインの減少が非常に大きくなるため、通常の方法では補正できず、イメージセンサのチップが使い物にならなくなってしまう。
【００９６】
図１４からわかるように、オンチップレンズを有する構造（ＬＥＮＳ）の場合には、チップ上の位置ｘが＋側及び−側で絶対値が大きくなることによって、大きな逸脱が見られる。これは、画素サイズの縮小によって、標準的なレンズ構造の光学的な設計では補償できなくなることを示している。
これに対して、図１４で見られるように、簡単なロッド３を有する構造（ＲＯＤＳ）を採用することにより、同じ画素サイズで大きな改善が図られる。
【００９７】
上述の各実施の形態では、本発明をＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用した場合であったが、本発明は、その他の構成の固体撮像素子にも適用することが可能である。例えば、ＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサ）にも、同様に、本発明を適用することができる。
【００９８】
上述の各実施の形態では、フォトダイオードから成る受光部がシリコン基板１に形成されている構成としていたが、本発明において、受光部が形成されている基体は、シリコン基板１に限定されるものではない。例えば、シリコン以外の半導体から成る半導体基体や、半導体基板上に半導体エピタキシャル層が形成された半導体基体等にも、本発明を適用することが可能である。
【００９９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【符号の説明】
【０１００】
１  シリコン基板、２  絶縁層、３  棒状の部材（ロッド）、４  オプション層、５  配線層、７  反射防止層、８  層内レンズ、９  光導波路、１０Ｂ，１０Ｇ，１０Ｒ  画素、１１  パッシベーション層、１３  カラーフィルタ、１５  カラーフィルタ材料、１６  反射層、１７  屈折率調整層
【図１】
2010141358.tif 000003
【図２】
2010141358.tif 000004
【図３】
2010141358.tif 000005
【図４】
2010141358.tif 000006
【図５】
2010141358.tif 000007
【図６】
2010141358.tif 000008
【図７】
2010141358.tif 000009
【図８】
2010141358.tif 000010
【図９】
2010141358.tif 000011
【図１０】
2010141358.tif 000012
【図１１】
2010141358.tif 000013
【図１２】
2010141358.tif 000014
【図１３】
2010141358.tif 000015
【図１４】
2010141358.tif 000016
【図１５】
2010141358.tif 000017