(57)【要約】【課題】高い色再現を実現する薄膜の色フィルタを備える固体撮像素子を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の受光部と、前記複数の受光部のそれぞれの上に配置された光吸収特性を有する色フィルタとを備え、複数の前記色フィルタは、青色領域に透過中心波長を有するＺフィルタ１１３と、緑色領域に透過中心波長を有するＹフィルタ１１２と、赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つＸフィルタ１１１とを含み、前記Ｘフィルタ１１１は、前記第１の透過帯を持つＸ２フィルタ１１５と、前記第２の透過帯を持つＸ１フィルタ１１４とを含み、前記Ｘ２フィルタ１１５は、対応する受光部上に配置され、前記Ｘ１フィルタ１１４は、対応する受光部上、かつ前記Ｘ２フィルタ１１５と同一平面上に配置されている。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配置された複数の受光部と、
前記複数の受光部のそれぞれの上に配置された光吸収特性を有する色フィルタとを備え、
複数の前記色フィルタは、
青色領域に透過中心波長を有する第１の色フィルタと、
緑色領域に透過中心波長を有する第２の色フィルタと、
赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタとを含み、
前記第３の色フィルタは、
前記第１の透過帯を持つ第４の色フィルタと、
前記第２の透過帯を持つ第５の色フィルタとを含み、
前記第４の色フィルタは、対応する受光部上に配置され、
前記第５の色フィルタは、対応する受光部上、かつ前記第４の色フィルタと同一平面上に配置されている
固体撮像素子。
【請求項２】
前記第２の透過帯の最大透過率は、前記第１の透過率の最大透過率に対し、１０〜５０％である
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第４の色フィルタの厚さと、前記第５の色フィルタの厚さとは異なる
請求項１又は２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記固体撮像素子は、さらに、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタそれぞれの屈折率よりも低い屈折率の低屈折率層を備え、
前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタはそれぞれ、前記低屈折率層を介して離間して配置されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第４の色フィルタと前記第５の色フィルタとは隣接して配置され、
前記第５の色フィルタが配置されている領域は、前記第４の色フィルタが配置されている領域で囲まれている
請求項４記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタはそれぞれ、厚さ方向の断面積が前記受光部へ向かって除々に減少するテーパ形状であり、
前記第４の色フィルタの断面積と、第５の色フィルタの断面積との比は、いずれの断面においても等しい
請求項５記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記固体撮像素子はさらに、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタそれぞれの上に配置されたレンズを備え、
前記レンズは、入射した光を対応する色フィルタに対して平行に入射させる
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記レンズは、
入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該レンズの中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有する
請求項７記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタにより得られる分光特性は、等色条件を満たす
請求項１〜８のいずれか１項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、固体撮像素子に関し、特にデジタルカメラ等に使用される固体撮像素子のフィルタリング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
カラー撮像装置またはカラー電子画像入力装置は、被写体の像を結像する結像光学系、前記被写体の像すなわち光情報を電子情報に変換する固体撮像素子、該固体撮像素子によって得られた画像データに演算処理を処す信号処理装置および得られた画像データを表示する表示装置を備える構成が一般的である。
【０００３】
ここで、撮像または入力された画像データから表示装置に画像を表示する場合に、被写体の色情報を可能な限りヒトの色覚で感じられる色情報に近い色情報で表示することが、より良好な色再現を実現する。そのためには、画像入力段階で可能な限り、ヒトの色覚に近い色情報を入力することが好ましい。
【０００４】
従来、固体撮像素子は、ＲＧＢ三原色を透過させるフィルタにより色を表現していた（例えば、特許文献１参照）。図８Ａは従来のフィルタの透過特性を示すグラフであり、図８Ｂは従来のフィルタの配列を示す図である。従来の撮像素子は、図８Ａで表される分光特性を持つフィルタを、ベイヤ配列と呼ばれる図８Ｂのように配置した構造を有していた。
【０００５】
しかし、このような分光特性を有するフィルタは上で述べたヒトの色覚とは異なり、色の再現性を高くすることが困難であった。
【０００６】
ヒトの色覚を忠実に再現する三色のカラーフィルタの分光特性は等色関数と呼ばれるが、通常のＲＧＢ三刺激装置を用いた場合には、図９に示すように感度曲線が負値となる波長域が発生する（例えば、非特許文献１参照）。従って、このようなＲＧＢ三刺激値を想定したＲＧＢフィルタで等色関数を実現することは物理的に不可能であり、通常、固体撮像装置に搭載されるカラーフィルタは等色関数とはならない。
【０００７】
一方、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ系等色関数（以下、ＸＹＺ系等色関数と記載）は、図１０に示すように分光感度曲線が全ての波長域に渡って０以上であるため、本関数と同一の分光特性を有するカラーフィルタは物理的に実現可能であり、ＸＹＺ系等色関数を搭載した撮像素子が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
【０００８】
このような撮像素子を用いた画像入力装置によって得られた入力画像データの色再現可能領域はヒトの色覚で感知可能な全ての領域を被覆し、通常のＲＧＢ三刺激値を想定した、例えばｓＲＧＢやＡｄｏｂｅＲＧＢ色域よりもはるかに広くとることが可能となる。
【０００９】
また、色域拡大の方法として、従来のＲＧＢ３色フィルタに、感度曲線が負値となる波長域であるエメラルド色を加えた４色フィルタを用いた撮像素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
このように、撮像素子の色域を広げるためには、撮像素子の分光感度特性がヒトの分光感度特性に近づけることが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５１−１１２２２８号公報
【特許文献２】米国特許第７１３２６４４号明細書
【特許文献３】特開２００８−３０６０７０号公報
【特許文献４】特開２００３−２８４０８４号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】太田、加藤、室岡、東、羽石著：「カラーイメージング」、日        本色彩学会編、朝倉書店、ｐｐ．２２、（２００４）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献２及び３記載の撮像素子は、異なる材料からなる膜を交互に積層させた反射型フィルタによりＸＹＺ系等色関数を構築しており、積層枚数が多く、撮像素子の厚さが増加することから、量産が困難であるという問題点がある。
【００１４】
また、特許文献４記載の撮像素子は、フィルタの多色化により色変換処理の自由度は高くなるが、完全な等色関数とはならないため、色の再現性を高くするほどノイズ特性が悪化する。
【００１５】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、高い色再現を実現する薄膜の色フィルタを備える固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の受光部と、前記複数の受光部のそれぞれの上に配置された光吸収特性を有する色フィルタとを備え、複数の前記色フィルタは、青色領域に透過中心波長を有する第１の色フィルタと、緑色領域に透過中心波長を有する第２の色フィルタと、赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタとを含み、前記第３の色フィルタは、前記第１の透過帯を持つ第４の色フィルタと、前記第２の透過帯を持つ第５の色フィルタとを含み、前記第４の色フィルタは、対応する受光部上に配置され、前記第５の色フィルタは、対応する受光部上、かつ前記第４の色フィルタと同一平面上に配置されている。
【００１７】
このような構成とすることにより、複数の色フィルタの分光特性は、ＸＹＺ系等色関数を再現できる。具体的には、第３の色フィルタは、赤色領域に透過中心波長を有する第４の色フィルタと、青色領域に透過中心波長を有する第５の色フィルタとを含むので、Ｘフィルタの分光特性を有する。また、各色フィルタは、光吸収特性を有するので、薄い膜厚で形成できる。したがって、本発明の固体撮像素子は、薄膜の色フィルタにより高い色再現を実現できる。
【００１８】
また、前記第２の透過帯の最大透過率は、前記第１の透過率の最大透過率に対し、１０〜５０％としてもよい。
【００１９】
このような構成とすることにより、第３の色フィルタの分光特性を、Ｘフィルタの分光特性に一層近似させることができるので、高精度に色再現を実現できる。
【００２０】
また、前記第４の色フィルタの厚さと、前記第５の色フィルタの厚さとは異なってもよい。
【００２１】
このような構成とすることにより、第４の色フィルタ及び第５の色フィルタの透過率を制御できるので、容易に高い色再現を実現できる。
【００２２】
また、前記固体撮像素子は、さらに、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタそれぞれの屈折率よりも低い屈折率の低屈折率層を備え、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタはそれぞれ、前記低屈折率層を介して離間して配置されてもよい。
【００２３】
このような構成とすることにより、各受光部に対応する画素間の混色を防ぐことができる。また、各フィルタに対し、斜めに入射する光を対応する受光部へ導くことができるので、感度が向上する。
【００２４】
また、前記第４の色フィルタと前記第５の色フィルタとは隣接して配置され、前記第５の色フィルタが配置されている領域は、前記第４の色フィルタが配置されている領域で囲まれていてもよい。
【００２５】
また、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタはそれぞれ、厚さ方向の断面積が前記受光部へ向かって除々に減少するテーパ形状であり、前記第４の色フィルタの断面積と、第５の色フィルタの断面積との比は、いずれの断面においても等しくてもよい。
【００２６】
このような構成とすることにより、各フィルタは受光部側の面積に対して光入射側の面積が大きくなるので、本固体撮像素子は、より多くの光を信号電荷に変換することができ、より一層感度が向上する。また、テーパ形状でない場合と比較して、より一層斜めに入射する光を受光部へ導くことができ、さらに感度が向上する。
【００２７】
また、前記固体撮像素子はさらに、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタそれぞれの上に配置されたレンズを備え、前記レンズは、入射した光を対応する色フィルタに対して平行に入射させてもよい。
【００２８】
このような構成とすることにより、各フィルタに入射する光の入射角を抑制できるので、集光ロス及び画素間の混色を防止できる。
【００２９】
また、前記レンズは、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該レンズの中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有してもよい。
【００３０】
このような構成とすることにより、レンズ表面での光の散乱ロスを抑制できる。
【００３１】
また、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ及び前記第３の色フィルタにより得られる分光特性は、等色条件を満たしてもよい。
【００３２】
このような構成とすることにより、ヒトの視感度のフィルタ特性を有する色フィルタを実現できる。
【発明の効果】
【００３３】
以上のように本発明によれば、高い色再現を実現する薄膜の色フィルタを備える固体撮像素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】第１の実施形態の固体撮像素子の色フィルタの配置を示す平面図である。
【図１Ｂ】固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図２】各フィルタに用いた顔料の分子構造を示す構造式である。
【図３】各フィルタの分光特性を示すグラフである。
【図４】ＸＹＺ系等色関数が表現可能な色域を示すグラフである。
【図５Ａ】第２の実施形態の固体撮像素子の色フィルタの配置を示す平面図である。
【図５Ｂ】固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図６Ａ】光を平行に入射させるオンチップレンズを備える固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図６Ｂ】光を平行に入射させるオンチップレンズの形状を示す平面図である。
【図７Ａ】第３の実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【図７Ｂ】Ｘフィルタの詳細な構成を示す図である。
【図８Ａ】従来のフィルタの通過特性を示すグラフである。
【図８Ｂ】フィルタの配置を示す平面図である。
【図９】ＲＧＢでの等色関数を示すグラフである。
【図１０】ＸＹＺ系等色関数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３６】
（実施形態１）
本実施形態の固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の受光部と、前記複数の受光部のそれぞれの上に配置された光吸収特性を有する色フィルタとを備え、複数の前記色フィルタは、青色領域に透過中心波長を有する第１の色フィルタと、緑色領域に透過中心波長を有する第２の色フィルタと、赤色領域に透過中心波長を有する第１の透過帯と、青色領域に透過中心波長を有する第２の透過帯とを持つ第３の色フィルタとを含み、前記第３の色フィルタは、前記第１の透過帯を持つ第４の色フィルタと、前記第２の透過帯を持つ第５の色フィルタとを含み、前記第４の色フィルタは、対応する受光部上に配置され、前記第５の色フィルタは、対応する受光部上、かつ前記第４の色フィルタと同一平面上に配置されている。
【００３７】
これにより、本実施形態の固体撮像素子は、薄膜の色フィルタにより高い色再現を実現できる。
【００３８】
図１Ａは、本実施形態の固体撮像素子の色フィルタの配置を示す平面図である。
本実施形態の固体撮像素子１００は、２次元状に配置された複数の受光部上にフィルタ層１０１を備える。フィルタ層１０１は、２次元状に配置された複数の構成単位１０２を備え、各構成単位１０２は、１つのＸフィルタ１１１、２つのＹフィルタ１１２及び１つのＺフィルタ１１３を備える。これらＸフィルタ１１１、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３はそれぞれ、受光部に対応して設けられ、可視光域において光吸収特性を有する。
【００３９】
Ｘフィルタ１１１は、青色素が分散されてなり主に青色の領域である４４０ｎｍの波長で透過率のピークを持ち、この波長を含む３８０〜５００ｎｍの波長を透過帯域とするＸ１フィルタ１１４と、赤色素が分散されてなり主に赤色の領域である６００ｎｍの波長で透過率のピークを持ち、この波長を含む５００〜７３０ｎｍの波長を透過帯域とするＸ２フィルタ１１５とを含む。
【００４０】
Ｘ１フィルタ１１４とＸ２フィルタ１１５とは、同一の受光部上の同一平面に配置されている。このＸ１フィルタ１１４とＸ２フィルタ１１５との面積比及び膜厚比は、Ｘ１フィルタ１１４の最大透過率がＸ２フィルタ１１５の最大透過率の１０〜５０％となるように設計する。なお、Ｘ１フィルタ１１４及びＸ２フィルタ１１５の平面形状は、図１に示した形状に限らない。
【００４１】
Ｙフィルタ１１２は、緑色素が分散されてなり、主に緑色の領域である５５５ｎｍの波長で透過率のピークを持ち、この波長を含む４１０〜７１０ｎｍの波長を透過帯域とするフィルタである。また、Ｙフィルタ１１２は、複数の受光部上において偏りなく分布するよう、互いに隣接しない位置に配置されている。
【００４２】
Ｚフィルタ１１３は、青色素が分散されてなり、主に青色の領域である４４５ｎｍの波長で透過率のピークを持ち、この波長を含む３７０〜５７０ｎｍの波長を透過帯域とするフィルタである。
【００４３】
なお、Ｚフィルタ１１３は、固体撮像素子１００の第１の色フィルタ、Ｙフィルタ１１２は第２の色フィルタ、Ｘフィルタ１１１は第３の色フィルタ、Ｘ２フィルタ１１５は第４の色フィルタ、Ｘ１フィルタ１１４は第５の色フィルタにそれぞれ対応する。
【００４４】
また、Ｘ１フィルタ１１４、Ｘ２フィルタ１１５、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３はそれぞれ、顔料ではなく染料系のカラーレジストで構成されていても構わない。
【００４５】
図１Ｂは、固体撮像素子１００の構造を示す断面図である。
【００４６】
固体撮像素子１００は、基板１２３、受光部１２４、遮光膜１２５、絶縁膜１２６、フィルタ層１０１、平坦化膜１２７及びオンチップレンズ１２８を備える。
【００４７】
基板１２３は、例えばｐ型Ｓｉ基板である。
【００４８】
受光部１２４は、基板１２３に形成され、入射光を電気信号（信号電荷）に変換する。この受光部１２４は、基板１２３に２次元状に複数配置された、例えばｎ型領域である。なお、受光部１２４で変換された信号電荷は、トランジスタ等の読み出し回路により読み出される。
【００４９】
遮光膜１２５は、絶縁膜１２６内において、各受光部１２４間に対応する位置に形成されている。
【００５０】
フィルタ層１０１は、絶縁膜１２６上に形成され、各受光部１２４の上に、Ｘフィルタ１１１、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３のいずれか１つが形成されている。なお、図１ＢにおいてはＸフィルタ１１１、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３のうち、Ｘフィルタ１１１及びＹフィルタ１１２のみが示されているが、Ｚフィルタ１１３の構造は、Ｙフィルタ１１２と同様である。
【００５１】
ここで、Ｘフィルタ１１１に含まれるＸ１フィルタ１１４の積層方向における厚さと、Ｘ２フィルタ１１５の積層方向における厚さとは異なる。これにより、Ｘ１フィルタ１１４及びＸ２フィルタ１１５の分光特性をＸＹＺ系等色関数に一層近似することができるので、固体撮像素子１００は、高精度に色再現を実現できる。
【００５２】
平坦化膜１２７は、フィルタ層１０１上に形成され、光入射側の面である上面を平坦にする。
【００５３】
オンチップレンズ１２８は、平坦化膜１２７を介してフィルタ層１０１上に形成され、入射光を受光部１２４に集光する。ここで、入射光のうち、Ｘフィルタ１１１、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３を透過した光は、それぞれ異なる受光部１２４に入射する。Ｘフィルタ１１１を透過した光、すなわち、Ｘ１フィルタ１１４及びＸ２フィルタ１１５のいずれかを透過した光は、同一の受光部１２４に入射する。よって、Ｘフィルタ１１１を透過した光により発生する信号は、Ｘ１フィルタの透過帯域である青色の領域と、Ｘ２フィルタの透過帯域である赤色の領域との２つの透過帯域においてピークを有する。
【００５４】
図２は、Ｘ１フィルタ１１４、Ｘ２フィルタ１１５、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３に用いた顔料の分子構造を示す構造式である。
【００５５】
Ｘ２フィルタ１１５に用いられる赤色素は、例えばアントラキノン系顔料、Ｘ１フィルタ１１４及びＺフィルタ１１３に用いられる青色素は、例えばε型銅フタロシアニン、Ｙフィルタ１１２に用いられる緑色素は、例えば臭素化銅フタロシアニンである。
【００５６】
図２に示した顔料を用いて形成されたＸ１フィルタ１１４、Ｘ２フィルタ１１５、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３の厚さ、面積の割合、最大透過率及び規格化透過率を表１に示す。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
なお、面積の割合は、固体撮像素子１００の積層方向から見たＹフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３の面積を１とした場合の、Ｘ１フィルタ１１４及びＸ２フィルタ１１５の面積の割合である。また、規格化透過率とは、Ｚフィルタ１１３の最大透過率を１とした場合の、Ｘ１フィルタ１１４、Ｘ２フィルタ１１５及びＹフィルタ１１２の最大透過率である（ただし、小数第３位は四捨五入）。
【００５９】
図３は、表１に示した条件で形成されたＸ１フィルタ１１４、Ｘ２フィルタ１１５、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３の分光特性を示すグラフである。
【００６０】
同図に示すように、Ｘ１フィルタ１１４、Ｘ２フィルタ１１５、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３の分光特性は、図９に示したＸＹＺ系等色関数のグラフと一致する。これより、Ｘフィルタを実現する方法として、ＲとＢの波長領域に透過帯域を持つフィルタを、面積の割合および厚みを制御して同一の画素上に配置すればよい。
【００６１】
また、Ｘ２フィルタ１１５のピークに対するＸ１フィルタ１１４のピークの比率は３３％となっており、この値に近づくほどＸフィルタ１１１の分光特性は図１０に示すＸＹＺ系等色関数のＸフィルタの分光特性に一層近似させることができる。その結果、ＲＧＢ表色系におけるエメラルド色の光に対する負の感度を誤差なく忠実に再現でき、高精度に色再現を実現できる。
【００６２】
等色関数が表現可能な色域と、Ｘフィルタの透過率のサブピークが変化し、この割合が１０％から５０％に変化した場合に表現可能な色域をＸＹ座標系で表したものを図４に示す。これより、Ｘフィルタの透過率ピークに対する透過率サブピークの割合が上記範囲内で変化しても、十分な色再現が可能である。
【００６３】
本実施形態の例ではフィルタＸ１とフィルタＸ２の厚みが同一であるが、厚みを制御することでもＸフィルタを形成可能である。面積の割合のみでＸフィルタを形成する場合、Ｘ１フィルタもしくはＸ２フィルタの面積が小さくなりすぎるとフィルタの形成が困難である。しかし厚みを考慮すれば、Ｘ１フィルタもしくはＸ２フィルタのどちらかが形成困難となるような面積にならず良好なＸフィルタを形成することが可能である。
【００６４】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子１００において、Ｘフィルタ１１１、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３の分光特性は、ＸＹＺ系等色関数を再現できる。具体的には、Ｘフィルタ１１１は、赤色領域に透過中心波長を有するＸ２フィルタ１１５と、青色領域に透過中心波長を有するＸ１フィルタ１１４とを含むので、ＸＹＺ系等色関数のＸフィルタの分光特性を有する。また、各色フィルタは、光吸収特性を有するので、薄い膜厚で形成できる。したがって、本発明の固体撮像素子１００は、薄膜の色フィルタにより高い色再現を実現できる。
【００６５】
（実施形態２）
本実施形態の固体撮像素子は、実施形態１の固体撮像素子１００と比較して、さらに、第１の色フィルタ、第２の色フィルタ及び第３の色フィルタそれぞれの屈折率よりも低い屈折率の低屈折率層を備え、第１の色フィルタ、第２の色フィルタ、第３の色フィルタはそれぞれ、低屈折率層を介して離間して配置されている。また、第４の色フィルタと第５の色フィルタとは隣接して配置され、第５の色フィルタが配置されている領域は、第４の色フィルタが配置されている領域で囲まれている点が異なる。以下、実施形態１の固体撮像素子１００と比較して異なる点を中心に述べる。
【００６６】
図５Ａは本実施形態の固体撮像素子の色フィルタの配置を示す平面図であり、図５Ｂは当該固体撮像素子の構成を示す断面図である。
【００６７】
図５Ａにおいて、フィルタ層２０１は複数の構成単位２０２を有する。各構成単位２０２は、図１Ａにおいて説明したＸフィルタ２１１、Ｙフィルタ１１２及びＺフィルタ１１３と分光特性がそれぞれ同一のＸフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３を含み、構成単位１０２と比較して、さらに低屈折率層である絶縁膜１２６を備える。
【００６８】
Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３はそれぞれ、絶縁膜１２６を介して離間して配置されている。
【００６９】
また、Ｘ１フィルタ２１４が配置されている領域は、Ｘ２フィルタ２１５が配置されている領域で囲まれ、Ｘ１フィルタ２１４とＸ２フィルタ２１５とでＸフィルタ２１１を構成する。なお、Ｘ１フィルタ２１４とＸ２フィルタ２１５との位置関係については、必ずしも同心円の形状である必要はない。
【００７０】
絶縁膜１２６は、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する。
【００７１】
図５Ｂにおいて、固体撮像素子２００Ａは、基板１２３、受光部１２４、遮光膜１２５、絶縁膜１２６、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２、平坦化膜１２７およびオンチップレンズ１２８を備える。なお、同図には、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３のうち、Ｘフィルタ２１１及びＹフィルタ２１２のみが示されているが、Ｚフィルタ２１３の構造は、Ｙフィルタ２１２と同様である。
【００７２】
図１Ｂと比較して、Ｘフィルタ２１１及びＹフィルタ２１２はそれぞれ、絶縁膜１２６で囲まれている。この絶縁膜１２６は、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する。
【００７３】
この構成により、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３は、フィルタ内に光を閉じ込める機能を有する。したがって、各受光部１２４に対応する画素と画素との間の混色を防ぐことが可能となる。また、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３それぞれに対し、斜めに入射する光を対応する受光部１２４へ導くことができるので、固体撮像素子２００Ａの感度が向上する。
【００７４】
また、Ｘ１フィルタ２１４及びＸ２フィルタ２１５を透過した光は同一の受光部１２４に入射するよう設計されているので、Ｘフィルタ２１１を透過した光により発生する信号は、２つの透過帯域においてピークを有する。
【００７５】
Ｘ１フィルタ２１４、Ｘ２フィルタ２１５、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３を、実施形態１と同様に図２に示した材料と、表１に示した厚さ、面積の割合、透過率及び規格化透過率とで形成した。その結果、本固体撮像素子２００Ａは、図３の分光特性を保ち、さらに集光効率が実施形態１の固体撮像素子１００と比較して５％上昇した。
【００７６】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子２００Ａは、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３それぞれを、屈折率の低い絶縁膜１２６で囲うことにより、画素と画素との間の混色を防ぐことが可能となる。また、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３それぞれに対し、斜めに入射する光を対応する受光部１２４へ導くことができ、集光効率が向上するので、固体撮像素子２００Ａの感度が向上する。
【００７７】
なお、オンチップレンズ１２８の代わりに、入射した光を対応するフィルタに対して平行に入射させるオンチップレンズを備えてもよい。
【００７８】
図６Ａは光を平行に入射させるオンチップレンズを備える固体撮像素子２００Ｂの構成を示す断面図であり、図６Ｂは光を平行に入射させるオンチップレンズの形状を示す平面図である。
【００７９】
固体撮像素子２００Ｂの構成は、図５Ｂに示した固体撮像素子２００Ａの構成とほぼ同じであるが、オンチップレンズ１２８の代わりにオンチップレンズ２２８を備える点が異なる。
【００８０】
オンチップレンズ２２８は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該レンズの中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有する。
【００８１】
このような構成とすることにより、オンチップレンズ２２８は、Ｘフィルタ２１１、Ｙフィルタ２１２及びＺフィルタ２１３に対して、光の入射角を抑制できる。したがって、固体撮像素子２００Ｂは、集光ロス及び画素間の混色を防止できる。
【００８２】
（実施形態３）
本実施形態の固体撮像素子は、実施形態２の固体撮像素子２００Ａと比較して、第１の色フィルタ、第２の色フィルタ及び第３の色フィルタはそれぞれ、厚さ方向の断面積が受光部へ向かって除々に減少するテーパ形状である点が異なり、第４の色フィルタの断面積と、第５の色フィルタの断面積との比は、いずれの断面においても等しい。以下、実施形態２の固体撮像素子２００Ａと比較して異なる点を中心に述べる。
【００８３】
図７Ａは本実施形態の固体撮像素子の構成を示す断面図である。なお、同図に示す固体撮像素子３００の色フィルタの平面配置は、図５Ａと同様である。また、図示していないが、Ｚフィルタの構造はＹフィルタ３１２と同様である。
【００８４】
Ｘ１フィルタ３１４の外側壁、Ｘ２フィルタ３１５の外側壁及びＹフィルタ３１２の側壁に設けられた傾斜により、Ｘフィルタ３１１及びＹフィルタ３１２はそれぞれ、厚さ方向の断面積が受光部１２４へ向かって減少するテーパ形状となっている。また、Ｘ１フィルタ３１４の厚さ方向に対する断面積と、Ｘ２フィルタ３１５の厚さ方向に対する断面積との比は、いずれの断面においても等しい。
【００８５】
図７Ｂは、図７Ａに示したＸフィルタ３１１の詳細な構成を示す図である。具体的には、図７Ｂの（ａ）はＸフィルタ３１１の光入射面のレイアウトを示す平面図であり、図７Ｂの（ｂ）はＸフィルタ３１１のうち絶縁膜１２６内の構成を示す断面図であり、図７Ｂの（ｃ）は受光部１２４側のレイアウトを示す平面図である。
【００８６】
Ｘ１フィルタ３１４の厚さ方向に対する断面積と、Ｘ２フィルタ３１５の厚さ方向に対する断面積との比は、いずれの断面においても等しくなるための条件を図７Ｂを用いて計算する。図７ＢにおいてＸ１フィルタ３１４の光入射面の面積をＳ1、Ｘ２フィルタ３１５の光入射面の面積をＳ2とした場合、Ｓ1及びＳ2は下記の式１で示される。
【００８７】
【数１】
2010258110.tif 000004
【００８８】
また、ａ’=ａ−２Ｌｔａｎθ2、ｂ’＝ｂ−２Ｌｔａｎθ1であるから、Ｘ１フィルタ３１４の受光部１２４側の面積をＳ’1、Ｘ２フィルタ３１５の受光部１２４側の面積をＳ’2とした場合、Ｓ’1及びＳ’2は下記の式２で示される。
【００８９】
【数２】
2010258110.tif 000005
【００９０】
式１及び式２より、Ｘ１フィルタ３１４の断面積とＸ２フィルタ３１５の断面積との比がいずれの断面においても等しくなるためには、下記の式３を満たすことが必要である。
【００９１】
【数３】
2010258110.tif 000006
【００９２】
また、このときの条件として、０＜ａ−２Ｌｔａｎθ2＜ｂ−２Ｌｔａｎθ1となる必要がある。
【００９３】
例えば、実施形態１の表１に示したように、Ｘ１フィルタ３１４の厚み（Ｌ）を１.３μｍとし、Ｘ１フィルタ３１４の光入射側の面積と、Ｘ２フィルタ３１５の光入射側の面積との比が、０．２６：０．７４となる場合、式３の左辺は分母が０．７４、分子が０．２６となり、下記の式４に示す関係が導かれる。
【００９４】
【数４】
2010258110.tif 000007
【００９５】
ここで、上述した条件である０＜ａ−２Ｌｔａｎθ2＜ｂ−２Ｌｔａｎθ1においてθ2の範囲を求めると、0＜θ1＜21.04（小数点以下２桁まで）、0＜θ2＜11.10（小数点以下２桁まで）であることが分かる。この範囲内において、Ｘ２フィルタ３１５の外側壁及びＹフィルタ３１２の側壁には、１０度の傾斜（テーパ）を設けた場合、Ｘ１フィルタ３１４の側壁には、例えば約５度の傾斜を設ければよい。これにより、いずれの断面においても、Ｘ１フィルタ３１４の断面積と、Ｘ２フィルタ３１５との断面積との比が、ほぼ０．２６：０．７４となる。なお、傾斜角とは、各フィルタ（Ｘ１フィルタ３１４、Ｘ２フィルタ３１５及びＹフィルタ３１２）の積層方向と、当該側壁とが成す角のことである。
【００９６】
また、Ｘフィルタ３１１及びＹフィルタ３１２は、Ｘフィルタ３１１及びＹフィルタ３１２それぞれの屈折率よりも低い屈折率を有する絶縁膜１２６で囲まれているので、フィルタ内に光を閉じ込める機能を有する。
【００９７】
以上のように、本実施形態の固体撮像素子３００は、フィルタ内に光を閉じ込める機能を有する各フィルタ（Ｘフィルタ３１１、Ｙフィルタ３１２及びＺフィルタ）をテーパ形状とする。これにより、実施形態２の固体撮像素子２００Ａと比較して、各フィルタのオンチップレンズ１２８側の面積をより大きくとることができ、より多くの光を信号電荷に変換できるので、一層感度が向上する。また、固体撮像素子２００Ａと比較して、各フィルタに対してより一層斜めに入射する光でも受光部１２４へ導くことができ、さらに感度が向上する。
【００９８】
以上、本発明の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これら実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、固体撮像素子に利用可能であり、特にデジタルカメラ、携帯電話、一眼レフカメラ及びスキャナ等に利用可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１００、２００Ａ、２００Ｂ、３００    固体撮像素子
１０１、２０１    フィルタ層
１０２、２０２    構成単位
１１１、２１１、３１１    Ｘフィルタ
１１２、２１２、３１２    Ｙフィルタ
１１３、２１３    Ｚフィルタ
１１４、２１４、３１４    Ｘ１フィルタ
１１５、２１５、３１５    Ｘ２フィルタ
１２３    基板
１２４    受光部
１２５    遮光膜
１２６    絶縁膜
１２７    平坦化膜
１２８、２２８    オンチップレンズ
【図１Ａ】
2010258110.tif 000008
【図１Ｂ】
2010258110.tif 000009
【図２】
2010258110.tif 000010
【図３】
2010258110.tif 000011
【図４】
2010258110.tif 000012
【図５Ａ】
2010258110.tif 000013
【図５Ｂ】
2010258110.tif 000014
【図６Ａ】
2010258110.tif 000015
【図６Ｂ】
2010258110.tif 000016
【図７Ａ】
2010258110.tif 000017
【図７Ｂ】
2010258110.tif 000018
【図８Ａ】
2010258110.tif 000019
【図８Ｂ】
2010258110.tif 000020
【図９】
2010258110.tif 000021
【図１０】
2010258110.tif 000022