(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に行列状に形成され、入射光を光電変換する複数の受光部と、
前記複数の受光部のうち、２行２列に隣接して形成された４つの受光部ごとにそれぞれ形成された複数の色分離部とを備え、
前記各色分離部は、
入射光を、前記４つの受光部のうちの第１の受光部に入射する第１の光路に導く第１の光学素子部と、
入射光を、前記４つの受光部のうちの前記第１の受光部と行及び列が異なる位置に配置された第４の受光部に入射する第２の光路に導く第２の光学素子部と、
前記第１の光学素子部と前記第１の受光部との間における前記第１の光路上に形成され、入射光に含まれる赤色、緑色及び青色の光のうちの１色の光を前記第１の受光部と同一の行で且つ異なる列に配置された第３の受光部側に反射して前記第１の光路と交差する第３の光路に導き且つ残りの２色の光を透過させる第１の色分離素子と、
前記第２の光学素子部と前記第４の受光部との間における前記第２の光路上に形成され、入射光に含まれる赤色、緑色及び青色の光のうちの１色の光を前記第１の受光部と同一の列で且つ異なる行に配置された第２の受光部側に反射して前記第２の光路と交差する第４の光路に導き且つ残りの２色の光を透過させる第２の色分離素子と、
前記第１の色分離素子と前記第１の受光部との間における前記第１の光路上に形成され、前記第１の色分離素子を透過した光に含まれる２色の光のうちの一方を反射して前記第１の光路と交差する第５の光路に導き、他方を透過させて前記第１の受光部に入射させる第３の色分離素子と、
前記第２の色分離素子と前記第４の受光部との間における前記第２の光路上に形成され、前記第２の色分離素子を透過した光に含まれる２色の光のうちの一方を反射して前記第２の光路と交差する第６の光路に導き、他方を透過させて前記第４の受光部に入射させる第４の色分離素子と、
前記第３の光路上に形成され、前記第３の光路に導かれた光を反射して、前記第３の受光部に入射する第７の光路に導く第１のミラー素子と、
前記第４の光路上に形成され、前記第４の光路に導かれた光を反射して、前記第２の受光部に入射する第８の光路に導く第２のミラー素子とを有し、
前記第１の色分離素子が反射する光の色と、前記第２の色分離素子が反射する光の色とは互いに異なっており、
前記第３の色分離素子が透過させる光の色と、前記第４の色分離素子が透過させる光の色とは同一であり、
前記第５の光路と前記第８の光路とは交差し、
前記第６の光路と前記第７の光路とは交差し、
前記第５の光路と前記第８の光路との交差部には、前記第８の光路を進む光を透過し且つ前記第５の光路を進む光の一部を反射して前記第２の受光部に入射させる第１のハーフミラー素子が形成され、
前記第６の光路と前記第７の光路との交差部には、前記第７の光路を進む光を透過し且つ前記第６の光路を進む光の一部を反射して前記第３の受光部に入射させる第２のハーフミラー素子が形成され、
前記第５の光路における前記第１のハーフミラー素子を挟んで前記第３の色分離素子と反対側には、光を吸収する第１の光吸収部が形成され、
前記第６の光路における前記第２のハーフミラー素子を挟んで前記第４の色分離素子と反対側には、光を吸収する第２の光吸収部が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
基板に行列状に形成され、入射光を光電変換する複数の受光部と、
前記複数の受光部のうち、２行２列に隣接して形成された４つの受光部ごとにそれぞれ形成された複数の色分離部とを備え、
前記各色分離部は、
入射光を、前記４つの受光部のうちの第１の受光部に入射する第１の光路に導く第１の光学素子部と、
入射光を、前記４つの受光部のうちの前記第１の受光部と行及び列が異なる位置に配置された第４の受光部に入射する第２の光路に導く第２の光学素子部と、
前記第１の光学素子部と前記第１の受光部との間における前記第１の光路上に形成され、入射光に含まれる赤色、緑色及び青色の光のうちの１色の光を前記第１の受光部と同一の行で且つ異なる列に配置された第３の受光部側に反射して前記第１の光路と交差する第３の光路に導き且つ残りの２色の光を透過させる第１の色分離素子と、
前記第２の光学素子部と前記第４の受光部との間における前記第２の光路上に形成され、入射光に含まれる赤色、緑色及び青色の光のうちの１色の光を前記第１の受光部と同一の列で且つ異なる行に配置された第２の受光部側に反射して前記第２の光路と交差する第４の光路に導き且つ残りの２色の光を透過させる第２の色分離素子と、
前記第１の色分離素子と前記第１の受光部との間における前記第１の光路上に形成され、前記第１の色分離素子を透過した光に含まれる２色の光のうちの一方を反射して前記第１の光路と交差する第５の光路に導き、他方を透過させて前記第１の受光部に入射させる第３の色分離素子と、
前記第２の色分離素子と前記第４の受光部との間における前記第２の光路上に形成され、前記第２の色分離素子を透過した光に含まれる２色の光のうちの一方を反射して前記第２の光路と交差する第６の光路に導き、他方を透過させて前記第４の受光部に入射させる第４の色分離素子と、
前記第３の光路上に形成され、前記第３の光路に導かれた光を反射して、前記第３の受光部に入射する第７の光路に導く第１のミラー素子と、
前記第４の光路上に形成され、前記第４の光路に導かれた光を反射して、前記第２の受光部に入射する第８の光路に導く第２のミラー素子とを有し、
前記第１の色分離素子が反射する光の色と、前記第２の色分離素子が反射する光の色とは互いに異なっており、
前記第３の色分離素子が透過させる光の色と、前記第４の色分離素子が透過させる光の色とは同一であり、
前記第５の光路と前記第８の光路とは交差し、
前記第６の光路と前記第７の光路とは交差し、
前記第５の光路と前記第８の光路との交差部には、第１のビームスプリッタ素子が形成され、
前記第６の光路と前記第７の光路との交差部には、第２のビームスプリッタ素子が形成され、
前記第５の光路における前記第３の色分離素子と前記第１のビームスプリッタ素子との間には第１の偏光子が形成され、
前記第６の光路における前記第４の色分離素子と前記第２のビームスプリッタ素子との間には第２の偏光子が形成され、
前記第７の光路における前記１のミラー素子と前記第２のビームスプリッタ素子との間には第３の偏光子が形成され、
前記第８の光路における前記第２のミラー素子と前記第１のビームスプリッタ素子との間には第４の偏光子が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
前記各色分離部の周囲の領域に形成された第１の遮光壁と、
前記色分離部が配置された領域に形成され、前記第１の光路、第２の光路、第３の光路、第４の光路、第５の光路、第６の光路、第７の光路及び第８の光路以外の部分における光の透過を防止する第２の遮光壁とをさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第２の遮光壁は、光を吸収する材料又は光を反射する材料からなることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記各色分離部における前記第１の光路、第２の光路、第３の光路、第４の光路、第５の光路、第６の光路、第７の光路及び第８の光路となる領域には、光を透過する中間膜が形成されており、
前記第２の遮光壁は、前記中間膜よりも屈折率が小さい材料からなり、
前記中間膜は光導波路として機能することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第３の色分離素子と前記第１の受光部との間に形成され、前記第１の受光部に入射する光の色に対応した第１の原色カラーフィルタと、
前記第１のミラー素子と前記第３の受光部との間に形成され、前記第３の受光部に入射する光の色に対応した第２の原色カラーフィルタと、
前記第２のミラー素子と前記第２の受光部との間に形成され、前記第２の受光部に入射する光の色に対応した第３の原色カラーフィルタと、
前記第４の色分離素子と前記第４の受光部との間に形成され、前記第４の受光部に入射する光の色に対応した第４の原色カラーフィルタとを有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１の色分離素子は青色の光を反射し、前記第２の色分離素子は赤色の光を反射し、前記第３の色分離素子及び第４の色分離素子は、緑色の光を透過することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１の光学素子部及び第２の光学素子部は、入射光を集光するマイクロレンズ素子と、マイクロレンズ素子により集光された入射光を平行光とするコリメータ素子とをそれぞれ有していることを特徴とする請求項１から７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、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特にベイヤ配列の透過型のカラーフィルタを備えた固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ固体撮像素子及びＭＯＳ固体撮像素子等の固体撮像素子は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及びファクシミリ等の種々の画像入力機器に使用されている。
【０００３】
固体撮像素子においてカラー画像を得るためには、固体撮像素子に入射する光を色成分に分解した後、色成分ごとに光電変換を行う受光部に入射させる必要がある。通常、色成分の分離は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３色の吸収型のカラーフィルタ（色分離部）を用いて行う。吸収型のカラーフィルタは、例えば緑色のフィルタであれば赤色及び青色の波長の光を吸収し、緑色の光のみを透過する。従って、吸収型のカラーフィルタを通過する際に入射光の３分の２が吸収されてしまうため、固体撮像素子の感度が低下してしまう。
【０００４】
一方、ディスプレイ装置等においては、透過型カラーフィルタが用いられている。透過型カラーフィルタは、特定の波長の光を透過し且つ他の波長の光を反射するダイクロイックミラーを組み合わせて形成されている（例えば、特許文献１を参照。）。従って、透過型カラーフィルタを固体撮像素子に用いると、例えば緑色の光のみを透過するダイクロイックミラーを用いて緑色の光を分離して受光部に入射させ、緑色の光が分離された反射光をさらに分離して他の受光部に入射させれば、固体撮像素子に入射した光を無駄にすることなく利用することができる。
【特許文献１】特開平８−５４６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の透過型カラーフィルタを固体撮像素子に用いる場合には次のような問題がある。固体撮像素子においては、一般に２行２列に形成された４つの受光部を一組として、２つの受光部に緑色のフィルタを透過した光を入射させ、残りの２つの受光部に赤色及び青色のフィルタを透過した光を入射させるベイヤ配列のカラーフィルタが用いられている。これは、人間の視覚は緑色の光に対して感度が高いため、緑色の光を受光する受光部の数を増やし、画像の解像度を高めるためである。しかし、従来の透過型カラーフィルタは、入射した光を赤色、緑色及び青色の光の３つの光に分離する。このため、赤色、緑色及び青色の光のそれぞれを受光する受光部が線上に配置されてしまい、カラーフィルタをベイヤ配列とすることが困難である。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題を解決し、ベイヤ配列の透過型カラーフィルタを備えた固体撮像素子を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像素子を４個のダイクロイックミラー素子と２個のミラー素子とを備えた構成とする。
【０００８】
具体的に本発明に係る固体撮像素子は、基板に行列状に形成され、入射光を光電変換する複数の受光部と、複数の受光部のうち、２行２列に隣接して形成された４つの受光部ごとにそれぞれ形成された複数の色分離部とを備え、各色分離部は、入射光を、４つの受光部のうちの第１の受光部に入射する第１の光路に導く第１の光学素子部と、入射光を、４つの受光部のうちの第１の受光部と行及び列が異なる位置に配置された第４の受光部に入射する第１の光路に導く第２の光学素子部と、第１の光学素子部と第１の受光部との間における第１の光路上に形成され、入射光に含まれる赤色、緑色及び青色の光のうちの１色の光を第１の受光部と同一の行で且つ異なる列に配置された第３の受光部側に反射して第１の光路と交差する第３の光路に導き且つ残りの２色の光を透過させる第１の色分離素子と、第２の光学素子部と第４の受光部との間における第２の光路上に形成され、入射光に含まれる赤色、緑色及び青色の光のうちの１色の光を第１の受光部と同一の列で且つ異なる行に配置された第２の受光部側に反射して第２の光路と交差する第４の光路に導き且つ残りの２色の光を透過させる第２の色分離素子と、第１の色分離素子と第１の受光部との間における第１の光路上に形成され、第１の色分離素子を透過した光に含まれる２色の光のうちの一方を反射して第１の光路と交差する第５の光路に導き、他方を透過させて第１の受光部に入射させる第３の色分離素子と、第２の色分離素子と第３の受光部との間における第２の光路上に形成され、第２の色分離素子を透過した光に含まれる２色の光のうちの一方を反射して第２の光路と交差する第６の光路に導き、他方を透過させて第４の受光部に入射させる第４の色分離素子と、第３の光路上に形成され、第３の光路に導かれた光を反射して、第３の受光部に入射する第７の光路に導く第１のミラー素子と、第４の光路上に形成され、第４の光路に導かれた光を反射して、第２の受光部に入射する第８の光路に導く第２のミラー素子とを有し、第１の色分離素子が反射する光の色と、第２の色分離素子が反射する光の色とは互いに異なっており、第３の色分離素子が透過させる光の色と、第４の色分離素子が透過させる光の色とは同一であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、４つの受光部ごとにそれぞれ形成された色分離部において第１の色分離素子が反射する光の色と、第２の色分離素子が反射する光の色とは互いに異なっており、第３の色分離素子が透過させる光の色と、第４の色分離素子が透過させる光の色とは同一であるため、４つの受光部の２つに同一の色の光を入射させ、残りの２つの受光部に互いに違う色の光を入射させることができる。従って、透過型のカラーフィルタによりベイヤ配列を実現することができるので、高感度の固体撮像素子を実現することができる。
【００１０】
本発明の固体撮像素子において、第１の色分離素子は青色の光を反射し、第２の色分離素子は赤色の光を反射し、第３の色分離素子及び第４の色分離素子は、緑色の光を透過することを特徴とする。このような構成とすることにより原色ベイヤ配列が実現できる。
【００１１】
本発明の固体撮像素子において、第１の光学素子部及び第２の光学素子部は、入射光を集光するマイクロレンズ素子と、マイクロレンズ素子により集光された入射光を平行光とするコリメータ素子とをそれぞれ有してることが好ましい。
【００１２】
本発明の固体撮像素子において、第５の光路と第８の光路とは交差し、第６の光路と第７の光路とは交差し、第５の光路と第８の光路との交差部には、第８の光路を進む光を透過し且つ第５の光路を進む光の一部を反射して第２の受光部に入射させる第１のハーフミラー素子が形成され、第６の光路と第７の光路との交差部には、第７の光路を進む光を透過し且つ第６の光路を進む光の一部を反射して第３の受光部に入射させる第２のハーフミラー素子が形成され、第５の光路における第１のハーフミラー素子を挟んで第３の色分離素子と反対側には、光を吸収する第１の光吸収部が形成され、第６の光路における第２のハーフミラー素子を挟んで第４の色分離素子と反対側には、光を吸収する第２の光吸収部が形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、第３の色分離素子及び第４の色分離素子において反射された光も利用することができるので固体撮像素子の感度をさらに向上させることができる。また、第３の色分離素子及び第４の色分離素子において反射された光が他の受光部に入射して混色が発生することを抑えることも可能となる。
【００１３】
本発明の固体撮像素子において、第５の光路と第８の光路とは交差し、第６の光路と第７の光路とは交差し、第５の光路と第８の光路との交差部には、第１のビームスプリッタ素子が形成され、第６の光路と第７の光路との交差部には、第２のビームスプリッタ素子が形成され、第５の光路における第３の色分離素子と第１のビームスプリッタ素子との間には第１の偏光子が形成され、第６の光路における第４の色分離素子と第２のビームスプリッタ素子との間には第２の偏光子が形成され、第７の光路における１のミラー素子と第２のビームスプリッタ素子との間には第３の偏光子が形成され、第８の光路における第２のミラー素子と第１のビームスプリッタ素子との間には第４の偏光子が形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、光学素子部において集光した光を無駄なく利用することができる。
【００１４】
固体撮像素子は、各色分離部の周囲の領域に形成された第１の遮光膜と、色分離部が配置された領域に形成され、第１の光路、第２の光路、第３の光路、第４の光路、第５の光路、第６の光路、第７の光路及び第８の光路以外の部分における光の透過を防止する第２の遮光膜とをさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、混色が発生することをさらに低減できる。
【００１５】
この場合において、第２の遮光膜は、光を吸収する材料又は光を反射する材料からなることが好ましい。また、各色分離部における第１の光路、第２の光路、第３の光路、第４の光路、第５の光路、第６の光路、第７の光路及び第８の光路となる領域には、光を透過する中間膜が形成されており、第２の遮光膜は、中間膜よりも屈折率が小さい材料からなり、中間膜は光導波路として機能する構成としてもよい。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は第３の色分離素子と第１の受光部との間に形成され、第１の受光部に入射する光の色に対応した第１の原色カラーフィルタと、第１のミラー素子と第２の受光部との間に形成され、第２の受光部に入射する光の色に対応した第２の原色カラーフィルタと、第２のミラー素子と第３の受光部との間に形成され、第３の受光部に入射する光の色に対応した第３の原色カラーフィルタと、第４の色分離素子と第４の受光部との間に形成され、第４の受光部に入射する光の色に対応した第４の原色カラーフィルタとを有していることが好ましい。このような構成とすることにより、混色の発生を抑えることができる。
【００１７】
本発明に係る固体撮像素子の製造方は、半導体基板に複数の受光部を行列状に形成する工程と、半導体基板の上に第１のプリズム形成膜を形成した後、形成した第１の平坦化膜をパターニングして、複数の受光部のうち行方向に１行おきに且つ列方向に１列おきに形成された受光部の上に、傾斜面を有する第１のプリズム形状をそれぞれ形成する工程と、各第１のプリズム形状の傾斜面に第１の誘電体膜を形成することにより、光の３原色のうちの第１の色の光のみを透過する下部色分離素子を形成する工程と半導体基板の上に下部色分離素子を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜の上に第２のプリズム形成膜を形成した後、形成した第２のプリズム形成膜をパターニングして、各受光部の上に傾斜面を有する第２のプリズム形状をそれぞれ形成する工程と、複数の第２のプリズム形状のうち、下部色分離素子の上で且つ奇数行及び偶数行の一方に形成された第２のプリズム形状の傾斜面に第２の誘電体膜を形成することにより、光の３原色のうちの第１の色の光及び第２の色の光を透過し且つ第３の色の光を列方向に隣接する第２のプリズム形状に入射する方向に反射する第１の上部色分離素子を形成する工程と、複数の第２のプリズム形状のうち、下部色分離素子の上で且つ奇数行及び偶数行の他方に形成された第２のプリズム形状の傾斜面に第３の誘電体膜を形成することにより、光の３原色の第１の色の光及び第３の色の光を透過し且つ第２の色の光を列方向に隣接する第２のプリズム形状入射する方向に反射する第２の上部色分離素子を形成する工程と、複数の第２のプリズム形状のうち、下部色分離素子の上に形成された第２のプリズム形状以外の第２のプリズム形状の傾斜面に第４の誘電体膜を形成することにより、第１の上部色分離素子又は第２の上部色分離素子において反射された光を基板と交差する方向に反射するミラー素子を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、層間絶縁膜の上に第２のプリズム形成膜を形成した後、形成した第２のプリズム形成膜をパターニングして、各受光部の上に傾斜面を有する第２のプリズム形状をそれぞれ形成する工程を備えているため、効率よく色分離素子及びミラー素子を形成することができる。従って、ベイヤ配列の透過型カラーフィルタを備えた固体撮像素子を容易に製造できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固体撮像素子によれば、ベイヤ配列の透過型カラーフィルタを備えた固体撮像素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は一実施形態に係る固体撮像素子の基本構成であり、図１は平面構成を示し、図２は立体構成を示している。図２において説明を簡略化するため、中間膜等については記載を省略している。
【００２１】
図１及び２に示すように本実施形態の固体撮像素子は、基板１１に行列状に形成された複数の受光部２１を備えている。複数の受光部２１のうちの２行２列に亘って形成された４個の受光部２１ごとに色分離部（透過型カラーフィルタ）２２が形成されており、４つの受光部２１と１つの色分離部２２により基本単位１２が構成されている。
【００２２】
基本単位１２に含まれる４つの受光部は、緑色の光を受光する第１の受光部２１Ａ及び第４の受光部２１Ｄと、赤色の光を受光する第２の受光部２１Ｂと、青色の光を受光する第３の受光部２１Ｃとからなる。
【００２３】
第１の受光部２１Ａの上方には第１の光学素子部２３Ａが形成されており、第４の受光部２１Ｄの上方には第２の光学素子部２３Ｂが形成されている。第１の光学素子部２３Ａ及び第２の光学素子部２３Ｂは、光を集光するオンチップマイクロレンズ３１と、オンチップマイクロレンズ３１により集光された光を平行光とするコリメータ素子３２とを有している。コリメータ素子３２は、例えば凹レンズを用いればよい。
【００２４】
第１の光学素子部２３Ａのオンチップマイクロレンズ３１は、その光軸中心が、第１の受光部２１Ａの中心と一致するように配置されており、第２の光学素子部２３Ｂのオンチップマイクロレンズ３１は、その光軸中心が第４の受光部２１Ｄの中心と一致するように配置されている。例えば、オンチップマイクロレンズ３１を平面正方形状として受光部２１の配列方向に対して４５度傾けた方向に配列することが好ましい。このようにすることにより、受光部２１が形成された有効画素領域全体を無駄なく覆うことが可能となる。また、図３に示すようにオンチップマイクロレンズ３１を平面長方形状としてもよい。
【００２５】
第１の光学素子部２３Ａのコリメータ素子３２により平行光とされた入射光は第１の光路５１に導かれ、第１の光路上に形成された第１の色分離素子３５に入射する。第１の色分離素子３５は、緑色の光及び赤色の光を透過し、青色の光を反射するダイクロイックミラーである。これにより、青色の光は基板に対して平行で且つ第３の受光部２１Ｃの側に反射され、第１の光路５１と交差する第３の光路５３へ導かれる。
【００２６】
第２の光学素子部２３Ｂのコリメータ素子３２により平行光とされた入射光は第２の光路５２に導かれ、第２の色分離素子３６に入射する。第２の色分離素子３６は、緑色の光及び青色の光を透過し、赤色の光を反射するダイクロイックミラーである。これにより、赤色の光は基板に対して平行で且つ第２の受光部２１Ｂの側に反射され、第２の光路５２と交差する第４の光路５４へ導かれる。
【００２７】
第１の色分離素子３５を透過した光は、第３の色分離素子３７に入射する。第３の色分離素子３７は、緑色の光のみを透過し、赤色の光を反射するダイクロイックミラーである。第３の色分離素子３７を透過した緑色の光は第１の受光部２１Ａに入射し、赤色の光は基板１１と平行で且つ第２の受光部２１Ｂの側に反射され第５の光路５５に導かれる。
【００２８】
第２の色分離素子３６を透過した光は、第４の色分離素子３８に入射する。第４の色分離素子３８は、緑色の光のみを透過し、青色の光を反射するダイクロイックミラーである。第４の色分離素子３８を透過した緑色の光は、第４の受光部２１Ｄに入射し、青色の光は基板１１と平行で且つ第３の受光部２１Ｃの側に反射され第６の光路５６に導かれる。
【００２９】
第３の光路５３上における第３の受光部２１Ｃの上方には第１のミラー素子３９が形成されており、第３の光路５３を進む光は基板に対して垂直で且つ第３の受光部２１Ｃの側に反射され、第７の光路５７に導かれる。これにより、第３の受光部２１Ｃには青色の光が入射する。
【００３０】
第４の光路５４上における第２の受光部２１Ｂの上方には第２のミラー素子４０が形成されており、第４の光路５４を進む光は基板に対して垂直で且つ第２の受光部２１Ｂの側に反射され、第８の光路５８に導かれる。これにより、第２の受光部２１Ｂには赤色の光が入射する。
【００３１】
本実施形態においては、第１の色分離素子３５、第２の色分離素子３６、第３の色分離素子３７及び第４の色分離素子３８並びに第１のミラー素子３９及び第２のミラー素子４０のそれぞれの反射面を基板１１に対して４５度の角度となるように形成している。このようにすることにより基板１１に対して水平方向と垂直方向との２方向に光を分離することができるため、固体撮像素子の厚さを薄くすることができる。ただし、基板１１に対する反射面の角度が３０度から６０度程度の範囲であれば、固体撮像素子の厚さが大きく問題となることはない。一方、誘電膜が積層されたダイクロイックミラーの透過波長帯は、入射する光の偏光方向及び入射角度に対して依存性を有している。この依存性を考慮すると基板１１に対する反射面の角度を３０度以下とすることが好ましい。この場合には、固体撮像素子の厚さが厚くなるが、色成分の分離特性が向上するというメリットが得られる。
【００３２】
本実施形態の固体撮像素子は、第３の色分離素子３７及び第４の色分離素子３８においてそれぞれ反射された赤色の光及び青色の光は、基板に対して平行な方向に反射されているだけである。このため、これらの光は、利用されていないだけでなく、隣接する他の基本単位の受光部に入射して混色の原因となる恐れがある。
【００３３】
このため、図４に示すように第３の色分離素子３７において反射された赤色の光が進行する第５の光路５５と、第２のミラー素子４０において反射された赤色の光が進行する第８の光路５８との交差部に第１のハーフミラー素子４１Ａを形成し、第５の光路５５上の第１のハーフミラー素子４１Ａを挟んで第３の色分離素子３７と反対側には第１の光吸収部４２Ａを形成することが好ましい。また、同様にして、第４の色分離素子３８において反射された青色の光が進行する第６の光路５６と、第１のミラー素子３９において反射された青色の光が進行する第７の光路５７との交差部に第２のハーフミラー素子４１Ｂを形成し、第６の光路５６上の第２のハーフミラー素子４１Ｂを挟んで第４の色分離素子３８と反対側には第２の光吸収部４２Ｂを形成することが好ましい。
【００３４】
このような構成とすることにより、第５の光路５５及び第６の光路５６を進む光の約半分を利用することが可能となり、混色が発生する恐れも低減できる。
【００３５】
また、図５に示すような構成としてもよい。この場合には第５の光路５５上に偏光子４４Ａを形成し、第８の光路５８上に偏光子４４Ｂを形成して、第５の光路５５を進行する光の偏波と第８の光路５８を進行する光の偏波とを互いに直交させる。第５の光路５５と第８の光路５８との交差部には、第１の偏光ビームスプリッタ素子４３Ａを形成して、第５の光路５５を進行する光は第２の受光部２１Ｂの側へ反射し、第８の光路５８を進行する光はそのまま透過させる。同様に、第６の光路５６上に偏光子４４Ｃを形成し、第７の光路５７上に偏光子４４Ｄを形成し、第５の光路５５と第８の光路５８との交差部には、第２の偏光ビームスプリッタ素子４３Ｂを形成する。このような構成とすることにより、第１の光学素子部２３Ａ及び第２の光学素子部２３Ｂにより集光した光をすべて受光部に入射させることができ且つ混色が発生する恐れも低減できる。
【００３６】
さらに、図６に示すように隣接する色分離部同士の間に遮光壁４６を設けたり、色分離部内において、各光路以外の部分に遮光壁４７を設けたりしてもよい。遮光壁４６及び遮光壁４７は光を吸収する材料により形成しても、光を反射する材料により形成してもよい。また、各光路となる部分に形成する中間膜よりも屈折率が小さい材料を用いて遮光壁４６及び遮光壁４７を形成することにより、各光路を導波路構造として光の閉じこめを行ってもよい。
【００３７】
また、図７に示すように第３の色分離素子３７と第１の受光部２１Ａとの間及び第４の色分離素子３８と第４の受光部２１Ｄとの間に緑色の第１の原色カラーフィルタ４８Ａをそれぞれ形成し、第１のミラー素子３９と第３の受光部２１Ｃとの間に青色の第２の原色カラーフィルタ４８Ｂを形成し、第２のミラー素子４０と第２の受光部２１Ｂとの間に赤色の第３の原色カラーフィルタ４８Ｃを形成してもよい。このような構成とすることにより、混色の発生を抑えることができる。また、原色カラーフィルタの形成と遮光壁の形成とを組み合わせてもよい。
【００３８】
以下に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について図面を参照して説明する。図８〜図１０は本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の各工程における断面構成を工程順に示している。なお、図１０（ａ）は図９のＸａ−Ｘａ線における断面について示し、（ｂ）はＸｂ−Ｘｂ線における断面について示している。
【００３９】
まず、図８（ａ）に示すように半導体基板１１に複数の受光部２１を行列状に形成した後、基板の上に酸化シリコン（ＳｉＯ2）等からなる透明な第１のプリズム形成膜６１を形成する。第１のプリズム形成膜６１の上にバインダーとしてメラミンを含むアクリル樹脂等からなる合成樹脂膜６２を形成する。合成樹脂膜６２の形成は、スピンコート法等により行えばよい。
【００４０】
次に、図８（ｂ）に示すように合成樹脂膜６２を低温乾燥した後、グレートーンマスクを用いてｇ線（波長４３６ｎｍ）又はｉ線（波長３６５ｎｍ）等の紫外光を照射してパターニングを行い、緑色の光を受光することになる受光部２１の上に傾斜面を有するプリズム形状のマスクを形成する。
【００４１】
次に、図８（ｃ）に示すように全面エッチバックを行うことにより、合成樹脂膜６２のパターンを第１のプリズム形成膜６１に転写し、緑色の光を受光することになる受光部２１の上に第１のプリズム形状６３をそれぞれ形成する。
【００４２】
次に、図９（ａ）に示すように第１のプリズム形状６３の傾斜面上にＳｉＯ2とＴｉＯ2との積層膜である第１の誘電体膜８１をＣＶＤ法等により形成し、第３の色分離素子３７及び第４の色分離素子３８となる下部色分離素子６４を形成する。第１の誘電体膜８１は、ＳｉＯ2とＴｉＯ2との成膜量を制御することにより、緑色の光のみが透過するダイクロイックミラーとする。
【００４３】
次に、図９（ｂ）に示すように下部色分離素子６４を覆うようにホウ素燐珪酸ガラス （ＢＰＳＧ）膜等からなる第１の中間膜６５と、ＳｉＯ2等からなる第２のプリズム形成膜６６とをＣＶＤ法等により順次形成する。続いて、第２のプリズム形成膜６６の上に合成樹脂膜６７を形成する。
【００４４】
次に、図９（ｃ）に示すように合成樹脂膜６７をパターニングした後全面エッチバックを行うことにより第２のプリズム形状６８を各受光部２１の上に形成する。
【００４５】
次に、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように第２のプリズム形状６８のうち、緑色の光を受光する受光部２１の上に形成され且つ傾斜面が青色の光を受光する受光部２１の側に形成された第２のプリズム形状６８の傾斜面に、ＳｉＯ2とＴｉＯ2との積層膜である第２の誘電体膜８２を成膜する。第２の誘電体膜８２は、緑色及び赤色の光を透過し、青色の光を反射するダイクロイックミラーとなるように成膜量を調製する。これにより第１の色分離素子３５である第１の上部色分離素子６９Ａが形成される。
【００４６】
また、第２のプリズム形状６８のうち、緑色の光を受光する受光部２１の上に形成され且つ傾斜面が赤色の光を受光する受光部２１の側に形成された第２のプリズム形状６８の傾斜面には、ＳｉＯ2とＴｉＯ2との積層膜である第３の誘電体膜８３を成膜する。第３の誘電体膜８３は、緑色及び青色の光を透過し、赤色の光を反射するダイクロイックミラーとなるように成膜量を調製する。これにより第２の色分離素子である第２の上部色分離素子６９Ｂが形成される。
【００４７】
さらに、第２のプリズム形状６８のうち、青色及び赤色の光を受光する各受光部２１の上にそれぞれ形成された第２のプリズム形状６８の傾斜面には、ＳｉＯ2とＴｉＯ2との積層膜である第４の誘電体膜８４を成膜する。第４の誘電体膜８４はすべての光を反射する全反射ミラーとなるように成膜量を調整する。これにより第１のミラー素子３９及び第２のミラー素子４０となるミラー素子７０が形成される。
【００４８】
続いて、第１の上部色分離素子６９Ａ、第２の上部色分離素子６９Ｂ及びミラー素子７０を覆う第２の中間膜７１を形成した後、コリメータ素子３２及びオンチップマイクロレンズ３１を既知の方法により形成する。
【００４９】
本実施形態においては、第１の誘電体膜８１〜第４の誘電体膜８４としてＳｉＯ2とＴｉＯ2との積層膜を用いたが、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）等の低屈折率材料と酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）等の高屈折率材料との積層膜を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法は、ベイヤ配列の透過型カラーフィルタを備えた固体撮像素子を実現でき、ベイヤ配列の透過型のカラーフィルタを備えた固体撮像素子及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の他の例を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の他の例を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の他の例を示す斜視図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の他の例を示し、（ａ）は図１のVIａ−VIａ線における断面図であり、（ｂ）は図１のVIｂ−VIｂ線における断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の他の例を示し、（ａ）は図１のVIａ−VIａ線における断面図であり、（ｂ）は図１のVIｂ−VIｂ線における断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示し、（ａ）は図９（ｃ）のＸａ−Ｘａ線における断面図であり、（ｂ）は図９のＸｂ−Ｘｂ線における断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１１    基板
１２    基本単位
２１    受光部
２１Ａ  第１の受光部
２１Ｂ  第２の受光部
２１Ｃ  第３の受光部
２１Ｄ  第４の受光部
２２    色分離部
２３Ａ  第１の光学素子部
２３Ｂ  第２の光学素子部
３１    オンチップマイクロレンズ
３２    コリメータ素子
３５    第１の色分離素子
３６    第２の色分離素子
３７    第３の色分離素子
３８    第４の色分離素子
３９    第１のミラー素子
４０    第２のミラー素子
４１Ａ  第１のハーフミラー素子
４１Ｂ  第２のハーフミラー素子
４２Ａ  第１の光吸収部
４２Ｂ  第２の光吸収部
４３Ａ  第１の偏光ビームスプリッタ素子
４３Ｂ  第２の偏光ビームスプリッタ素子
４４Ａ  偏光子
４４Ｂ  偏光子
４４Ｃ  偏光子
４４Ｄ  偏光子
４６    遮光壁
４７    遮光壁
４８Ａ  第１の原色カラーフィルタ
４８Ｂ  第２の原色カラーフィルタ
４８Ｃ  第３の原色カラーフィルタ
５１    第１の光路
５２    第２の光路
５３    第３の光路
５４    第４の光路
５５    第５の光路
５６    第６の光路
５７    第７の光路
５８    第８の光路
６１    第１のプリズム形成膜
６２    合成樹脂膜
６３    第１のプリズム形状
６４    下部色分離素子
６５    第１の中間膜
６６    第２プリズム形成膜
６７    合成樹脂膜
６８    第２のプリズム形状
６９Ａ  第１の上部色分離素子
６９Ｂ  第２の上部色分離素子
７０    ミラー素子
７１    第２の中間膜
８１    第１の誘電体膜
８２    第２の誘電体膜
８３    第３の誘電体膜
８４    第４の誘電体膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004836625.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004836625.tif 000009
【図９】
0004836625.tif 000010
【図１０】
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