(57)【要約】【課題】量子効率（ＱＥ）を高めることのできる固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子を提供する。固体撮像素子は、複数の光電変換素子を含む半導体基板を備える。カラーフィルタ層は、互いに離間されて半導体基板上方に配置された第１のカラーフィルタ部品および第２のカラーフィルタ部品を含む。マイクロレンズ構造は、互いに離間されて第１および第２のカラーフィルタ部品上にそれぞれ配置された第１のマイクロレンズ素子および第２のマイクロレンズ素子を含む。固体撮像素子は、空気で満たされたギャップも含む。ギャップは、第１および第２のカラーフィルタ部品間、および第１および第２のマイクロレンズ素子間に配置される。【選択図】図１
2016134617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子を含む半導体基板と、
前記半導体基板の上方に配置された第１のカラーフィルタ部品および第２のカラーフィルタ部品を含むカラーフィルタ層であって、前記第１のカラーフィルタ部品と前記第２のカラーフィルタ部品とが離間されている、カラーフィルタ層と、
前記第１のカラーフィルタ部品上に配置された第１のマイクロレンズ素子、および前記第２のカラーフィルタ部品上に配置された第２のマイクロレンズ素子を含むマイクロレンズ構造であって、前記第１のマイクロレンズ素子と前記第２のマイクロレンズ素子とが離間されている、マイクロレンズ構造と、
前記第１および第２のカラーフィルタ部品間、ならびに前記第１および第２のマイクロレンズ素子間にあって、空気で満たされたギャップと、
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１および第２のカラーフィルタ部品の各々が台形断面または長方形断面を有する、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記台形断面が上端の幅および下端の幅を有し、前記光電変換素子の各々が、１つの個別の画素中に配置され、１つの画素が画素の幅を有し、ｙ＝前記上端の幅／前記下端の幅、ｘ＝前記上端の幅／前記画素の幅、ｙ＝１．２ｘから１．４ｘである、請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記カラーフィルタ層が第３のカラーフィルタ部品をさらに含み、前記第３のカラーフィルタ部品は前記第１および第２のカラーフィルタ部品と離間されており、前記第１、第２および第３のカラーフィルタ部品はアレイ状に配列し、空気で満たされた前記ギャップが、前記第１、第２および第３のカラーフィルタ部品間に配置され、かつ前記ギャップが格子形状を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記マイクロレンズ構造が、前記第３のカラーフィルタ部品上に配置された第３のマイクロレンズ素子をさらに含み、前記第３のマイクロレンズ素子は前記第１および第２のマイクロレンズ素子と離間されており、前記第１、第２および第３のマイクロレンズ素子はアレイ状に配列し、空気で満たされた前記ギャップが前記第１、第２および第３のマイクロレンズ素子間に配置され、かつ前記ギャップが格子形状を有する、請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１および第２のカラーフィルタ部品の各々が前記長方形断面を有し、前記固体撮像素子の各画素が画素サイズを有し、各画素において前記第１および第２のカラーフィルタ部品の各々を取り囲む前記ギャップの面積が前記画素サイズの１１％〜２１％である、請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記半導体基板上に形成された高誘電率膜と、
前記高誘電率膜上に形成されたバッファー層と、
前記バッファー層上に形成された複数の遮光仕切りを含む遮光層と、
をさらに含む請求項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】
前記遮光層および前記バッファー層を覆うパッシベーション層をさらに含み、前記パッシベーション層が平坦な上面を有し、前記第１および第２のカラーフィルタ部品が前記パッシベーション層の前記平坦な上面に形成されている、請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記第１および第２のカラーフィルタ部品が前記バッファー層上に形成され、前記遮光仕切りが前記第１および第２のカラーフィルタ部品間に配置され、前記第１および第２のカラーフィルタ部品間の前記ギャップの一部に前記遮光仕切りが装填されている、請求項７および８のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記第１のカラーフィルタ部品が、前記第２のカラーフィルタ部品の厚さと同じ厚さを有し、前記第１のマイクロレンズ素子の上端が前記第２のマイクロレンズ素子の上端よりも低いまたは高い、請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記第１のカラーフィルタ部品が前記第２のカラーフィルタ部品の厚さとは異なる厚さを有し、前記第１のマイクロレンズ素子の上端が前記第２のマイクロレンズ素子の上端と同じ高さ（ｌｅｖｅｌ）である、請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記マイクロレンズ構造が第３のマイクロレンズ素子をさらに含み、前記カラーフィルタ層が第３のカラーフィルタ部品をさらに含み、前記第３のマイクロレンズ素子が前記第３のカラーフィルタ部品上に配置され、前記第３のマイクロレンズ素子が、前記第１のマイクロレンズ素子の高さおよび前記第２のマイクロレンズ素子の高さとは異なる高さを有する、請求項１から３、および６から１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記第１、第２および第３のカラーフィルタ部品がそれぞれ赤色、緑色および青色カラーフィルタ部品であり、前記赤色カラーフィルタ部品上の前記第１のマイクロレンズ素子の高さが、前記緑色カラーフィルタ部品上の前記第２のマイクロレンズ素子の高さより小さく、かつ前記緑色カラーフィルタ部品上の前記第２のマイクロレンズ素子の高さが、前記青色カラーフィルタ部品上の前記第３のマイクロレンズ素子の高さよりも小さい、請求項１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記第１のマイクロレンズ素子の高さと前記第２のマイクロレンズ素子の高さと前記第３のマイクロレンズ素子の高さとの比が０．５：０．７５：１である、請求項１３に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像素子に関し、より詳細にはカラーフィルタ層およびマイクロレンズ構造中にギャップアレイを備えた固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子は、例えばビデオカメラ、デジタルカメラなど様々な撮影装置に広く用いられている。電荷結合素子（ＣＣＤ）撮像センサーまたは相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）撮像センサーのような固体撮像素子は、入射光を電気信号に変換する光電変換器を備えており、それらは電気信号を伝送および処理するための論理回路を有する。固体撮像素子は画素アレイを備え、各画素は１つの光電変換器をそれぞれ有している。
【０００３】
固体撮像素子は通常、カラー画像を生成するためのカラーフィルタを備えている。カラーフィルタは、二次元的に配列する光電変換器の受光面上方に積層された赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）および緑色（Ｇ）セグメントからなる原色フィルタであり得る。カラーフィルタは、カラーセグメントの各々が１つの光電変換器に対応するような、所定のパターンを有している。一般に、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）および緑色（Ｇ）セグメントは互いに連結して、つながったカラーフィルタの輪郭を形成している。
【０００４】
さらに、固体撮像素子は、カラーフィルタ上にマイクロレンズ構造を備えて、光を光電変換器へ収集する。マイクロレンズ構造はアレイ状に配列した複数のマイクロレンズを有し、これらマイクロレンズが互いに連結して、つながったマイクロレンズ構造の輪郭を形成する。つながったカラーフィルタの輪郭において、１つのカラーセグメントに斜めに入る光は、そのカラーセグメントを通過して隣接するカラーセグメントに達し、そのカラーセグメントで消失するであろう。よって、つながったカラーフィルタの輪郭を有する固体撮像素子の量子効率（ＱＥ）は高まり得ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、量子効率（ＱＥ）を高めることのできる固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、固体撮像素子のカラーフィルタ層およびマイクロレンズ構造のいずれにもギャップアレイが配置される。カラーフィルタ層は、ギャップアレイにより互いに離間された複数のカラーフィルタ部品を備える。マイクロレンズ構造は、同じギャップアレイにより互いに離間された複数のマイクロレンズ素子を備える。カラーフィルタ部品間にギャップアレイを配置することによって、固体撮像素子の量子効率（ＱＥ）が向上する。さらに、離間されたカラーフィルタ部品および離間されたマイクロレンズ素子を作製することによって、固体撮像素子の作製コストが低減する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、固体撮像素子が提供される。固体撮像素子は、複数の光電変換素子を含む半導体基板を備える。また固体撮像素子は、半導体基板の上方に配置された第１のカラーフィルタ部品および第２のカラーフィルタ部品を有するカラーフィルタ層を備える。第１のカラーフィルタ部品と第２のカラーフィルタ部品とは離間されている。固体撮像素子は、第１のカラーフィルタ部品上に配置された第１のマイクロレンズ素子と、第２のカラーフィルタ部品上に配置された第２のマイクロレンズ素子とを有するマイクロレンズ構造をさらに備える。第１のマイクロレンズ素子と第２のマイクロレンズ素子とは離間されている。加えて、固体撮像素子は、第１のカラーフィルタ部品と第２のカラーフィルタ部品との間、および第１のマイクロレンズ素子と第２のマイクロレンズ素子との間のギャップを備える。ギャップは空気で満たされる。
【０００８】
添付の図面を参照にしながら、以下の実施形態において詳細な説明を行う。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、固体撮像素子の量子効率（ＱＥ）が向上し、かつ固体撮像素子の作製コストを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付の図面を参照としながら、後続の詳細な説明および実施例を読むことにより、本発明をより十分に理解することができる。
【図１】いくつかの実施形態による固体撮像素子の概略的な部分断面図を示している。
【図２】いくつかの実施形態による固体撮像素子の概略的な部分断面図を示している。
【図３】いくつかの実施形態による固体撮像素子の概略的な部分断面図を示している。
【図４】いくつかの実施形態による固体撮像素子の概略的な部分断面図を示している。
【図５】いくつかの実施形態による固体撮像素子の概略的な部分断面図を示している。
【図６】いくつかの実施形態による固体撮像素子の概略的な部分平面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の記載は、本発明を実施するための考えられる形態である。この記載は、本発明の基本的な原理を説明する目的でなされるもので、限定の意味に解されてはならない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することにより決定されるべきである。
【００１２】
図１を参照されたい。いくつかの実施形態による固体撮像素子１００の部分断面図が示されている。固体撮像素子１００は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）撮像センサー（ＣＩＳ）、または電荷結合素子（ＣＣＤ）撮像センサーからなるものであってよい。固体撮像素子１００は、半導体基板１０１、例えばシリコンウェハまたはチップを備える。半導体基板１０１は、複数の光電変換素子１０３、例えばフォトダイオードを含む。光電変換素子１０３の各々は、固体撮像素子１００の１つの個別の画素内にそれぞれ配置される。さらに、光電変換素子１０３は互いに分離している。図１は３個の画素を示しているが、実際には固体撮像素子１００は数百万またはそれ以上の画素を有している。
【００１３】
固体撮像素子１００は、裏面照射（ｂａｃｋ−ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，  ＢＳＩ）または前面照射（ｆｒｏｎｔ−ｓｉｄｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，  ＦＳＩ）撮像素子であってよい。半導体基板１０１の裏面には光電変換素子１０３が形成される。半導体基板１０１の前面には、固体撮像素子１００に必要な各種配線および電子回路の配線層（図示せず）が形成される。ＢＳＩ撮像素子において、半導体基板１０１の光電変換素子１０３を有する裏面は固体撮像素子１００の受光面に近く、半導体基板１０１の配線層を有する前面は固体撮像素子１００の受光面から遠い。ＦＳＩ撮像素子においては、半導体基板１０１の配線層が形成された前面は固体撮像素子１００の受光面に近く、半導体基板１０１の光電変換素子が形成された背面は固体撮像素子１００の受光面から遠い。
【００１４】
図１〜５に示されるように、いくつかの実施形態において、固体撮像素子１００  は、固体撮像素子１００の受光面に近い半導体基板１０１の背面に光電変換素子１０３が形成されてなるＢＳＩ撮像素子であり得る。しかしながら、他のいくつかの実施形態では、固体撮像素子１００はＦＳＩ撮像素子であってよい。
【００１５】
図１に示されるように、固体撮像素子１００は、半導体基板１０１上に形成され、光電変換素子１０３を覆う高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）膜１０５を備える。ｈｉｇｈ−ｋ膜１０５の材料には、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化タンタルハフニウム（ＨｆＴａＯ）、酸化チタンハフニウム（ＨｆＴｉＯ）、酸化ジルコニウムハフニウム（ＨｆＺｒＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）またはその他の適したｈｉｇｈ−ｋ誘電材料が含まれる。ｈｉｇｈ−ｋ膜１０５は高い屈折率および光吸収能を有する。ｈｉｇｈ−ｋ膜１０５は堆積プロセスによって形成することができる。
【００１６】
固体撮像素子１００はまた、ｈｉｇｈ−ｋ膜１０５上に形成されたバッファー層１０７も備える。バッファー層１０７はエッチストップ層として用いられ、これにより、引き続きバッファー層１０７上にパターン化された遮光層１０９を形成させることができる。バッファー層１０７の材料には、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、またはその他の適した絶縁材料が含まれる。バッファー層１０７は堆積プロセスによって形成することができる。
【００１７】
遮光層１０９は、バッファー層１０７上に形成された複数の遮光仕切り１０９Ｐを含む。上面視において、遮光仕切り１０９Ｐは格子構造を構成する。いくつかの実施形態では、遮光層１０９の材料は金属であり、遮光仕切り１０９Ｐを金属格子と見なすことができる。遮光仕切り１０９Ｐは固体撮像素子１００の画素間に配置される。
【００１８】
図１に示されるように、いくつかの実施形態において、パッシベーション層１１１が遮光層１０９およびバッファー層１０７上に形成されてこれらを覆う。パッシベーション層１１１は平坦な上面を有している。パッシベーション層１１１の材料には、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、およびその他の適した絶縁材料が含まれ得る。パッシベーション層１１１は堆積プロセスによって形成することができる。いくつかの実施形態では、パッシベーション層１１１の材料はバッファー層１０７の材料と同じである。他のいくつかの実施形態では、パッシベーション層１１１の材料はバッファー層１０７の材料とは異なる。
【００１９】
カラーフィルタ層１１３がパッシベーション層１１１の平坦な上面に形成される。カラーフィルタ層１１３は、半導体基板１０１の上方に配置される複数のカラーフィルタ部品、例えば赤色（Ｒ）カラーフィルタ部品１１３Ｒ、緑色（Ｇ）カラーフィルタ部品１１３Ｇおよび青色（Ｂ）カラーフィルタ部品１１３Ｂを含む。本発明の実施形態によれば、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは、どの２つの隣接するカラーフィルタ部品間にも配置されているギャップ１１７によって互いに離間される。離間されたカラーフィルタ部品は、アレイ状に配列している。よって、カラーフィルタ層１１３は、分離した（ｉｓｏｌａｔｅｄ）カラーフィルタアレイと見なすことができ、かつつながっていないカラーフィルタ部品の輪郭（ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する。他のいくつかの実施形態では、カラーフィルタ層１１３は白色（Ｗ）カラーフィルタ部品（図示せず）をさらに含む。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂおよび白色（Ｗ）カラーフィルタ部品は様々な形式に配列させることができ、かつこれらカラーフィルタ部品はギャップ１１７によって互いに離間される。
【００２０】
マイクロレンズ構造１１５は、カラーフィルタ層１１３上に形成された複数のマイクロレンズ素子、例えばマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３を含む。本発明の実施形態によれば、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は、どの２つの隣接するマイクロレンズ素子間にも配置されているギャップ１１７によって互いに離間される。マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ上にそれぞれ配置される。離間されたマイクロレンズ素子はアレイ状に配列している。よって、マイクロレンズ構造１１５は、分離した（ｉｓｏｌａｔｅｄ）マイクロレンズアレイと見なすことができ、かつつながっていないマイクロレンズ素子の輪郭（ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する。当該実施形態では、ギャップ１１７はカラーフィルタ層１１３中およびマイクロレンズ構造１１５中のどちらにも配置されて、隣接するカラーフィルタ部品どうしを離間すると共に、隣接するマイクロレンズ素子どうしを離間する。上面視において、ギャップ１１７は、遮光仕切り１０９Ｐの形状に対応した格子形状を有している。ギャップ１１７はギャップアレイと見なすことができる。
【００２１】
いくつかの実施形態において、ギャップ１１７は空気で満たされ、その屈折率は約１．０である。通常、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率は約１．６から１．８であるが、これに限定はされない。本発明のいくつかの実施形態では、カラーフィルタ層１１３の全体的な性能を高めるため、またはカラーフィルタ層１１３に対する特別な要求を考慮して、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率を１．８より大きく、または１．６よりも小さくすることができる。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率は、空気で満たされているギャップ１１７の屈折率よりも高い。固体撮像素子１００に入る入射光は各画素のカラーフィルタ部品で全反射する。その結果、固体撮像素子１００の各画素の感度が向上し、これによって固体撮像素子１００の量子効率（ＱＥ）が高まる。
【００２２】
当該実施形態において、離間されたマイクロレンズ素子および離間されたカラーフィルタ部品は、より少ない材料にで作ることができる。また、離間されたマイクロレンズ素子は、コーティング、フォトリソグラフィー（露光および現像）、ならびにリフロープロセスによって形成することができる。リフロータイプのマイクロレンズ素子の作製コストは、コーティング、フォトリソグラフィー、およびエッチバックプロセスにより形成されるマイクロレンズ素子の作製コストよりも少なくてすむ。よって、本発明の実施形態によれば、固体撮像素子１００の作製コストが低減する。
【００２３】
図１に示されるように、いくつかの実施形態では、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの各々は、台形のような形をしている断面を有する。カラーフィルタ部品の台形の断面は、上端の幅ＷＴおよび下端の幅ＷＢを有する。光電変換素子１０３の各々は、固体撮像素子１００の１つの個別の画素内にそれぞれ配置される。固体撮像素子１００の１つの画素は、画素の幅Ｐを有する。当該実施形態において、ｙ＝上端の幅ＷＴ／下端の幅ＷＢ、ｘ＝上端の幅ＷＴ／画素の幅Ｐ、ｙ＝１．２ｘから１．４ｘである。よって、いくつかの実施形態では、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの各々の断面は、図１に示されるように、上端の幅ＷＴが下端の幅ＷＢより大きい逆台形であり得る。他のいくつかの実施形態では、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの各々の断面は、上端の幅が下端の幅よりも小さい正常な台形であり得る。
【００２４】
図２を参照にすると、いくつかの実施形態による固体撮像素子１００の部分断面図が示されている。図２に示されるように、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂは、遮光仕切り１０９Ｐ間の複数のスペースを埋めるように設けられる。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂは遮光仕切り１０９Ｐおよびギャップ１１７によって互いに離間される。当該実施形態では、隣接するカラーフィルタ部品間のスペースの一部に遮光仕切り１０９Ｐが填装される。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの上端は、遮光仕切り１０９Ｐの上端よりも高い。ギャップ１１７は空気で満たされ、かつその屈折率は約１．０である。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率は、空気で満たされたギャップ１１７の屈折率よりも高い。よって、カラーフィルタ部品の各々に当たる入射光が全反射するため、固体撮像素子１００の量子効率（ＱＥ）が高まる。
【００２５】
図２に示されるように、遮光仕切り１０９Ｐは、どの２つの隣接するカラーフィルタ部品間にも配置される。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂは遮光層１０９の開口内に配置される。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの各々はそれぞれ長方形の断面を有している。いくつかの実施形態では、遮光層１０９を覆うパッシベーション層が無く、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂがバッファー層１０７上に直接形成され、これと接触している。他のいくつかの実施形態では、パッシベーション層（図２には未図示）が遮光仕切り１０９Ｐの側壁および上端を覆うように、遮光層１０９上にコンフォーマルに形成されてもよい。
【００２６】
加えて、離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ上にそれぞれ配置される。マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３はギャップ１１７により互いに離間されている。当該実施形態において、離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は同じ高さを持つ。また、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは同じ厚さを持つ。よって、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは互いに同じ高さである。離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３もまた互いに同じ高さである。
【００２７】
図３を参照にすると、いくつかの実施形態による固体撮像素子１００の部分断面図が示されている。当該実施形態においては、パッシベーション層１１１が遮光層１０９およびバッファー層１０７上に形成される。パッシベーション層１１１は平坦な上面を有する。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂはパッシベーション層１１１の平坦な上面に形成される。また、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは空気で満たされたギャップ１１７によって互いに離間される。よって、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率は、空気で満たされたギャップ１１７の屈折率よりも高いため、固体撮像素子１００の量子効率（ＱＥ）が高まる。
【００２８】
マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３も同様にギャップ１１７によって互いに離間される。離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ上にそれぞれ配置される。当該実施形態では、カラーフィルタ部品１１３Ｒは、カラーフィルタ部品１１３Ｇの厚さＴ２と同じ厚さＴ１を有する。カラーフィルタ部品１１３Ｂは、カラーフィルタ部品１１３Ｒおよび１１３Ｇの厚さＴ１およびＴ２よりも大きい厚さＴ３を有する。マイクロレンズ素子１１５−１は、マイクロレンズ素子１１５−２の高さＨ２と同じ高さＨ１を有する。マイクロレンズ素子１１５−３は、マイクロレンズ素子１１５−１および１１５−２の高さＨ１およびＨ２よりも小さい高さＨ３を有する。結果として、いくつかの実施形態において、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の上端は同じ高さとなる。
【００２９】
マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の高さＨ１、Ｈ２およびＨ３、ならびにカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂの厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３は、赤色、緑色および青色画素における光路に基づいたものである。これら高さＨ１、Ｈ２およびＨ３ならびにこれら厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３は、赤色、緑色および青色画素において最適な光路が得られるよう調節可能である。よって、固体撮像素子１００の赤色、緑色および青色画素の量子効率（ＱＥ）が高まると共に、最適化される。
【００３０】
図４を参照にすると、いくつかの実施形態による固体撮像素子１００の部分断面図が示されている。当該実施形態においては、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂは遮光仕切り１０９Ｐ間の複数のスペースを埋めるように設けられる。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂは遮光仕切り１０９Ｐおよびギャップ１１７によって互いに離間される。ギャップ１１７は空気で満たされており、かつその屈折率は約１．０である。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率は、空気で満たされたギャップ１１７の屈折率よりも高い。カラーフィルタ部品の各々に当たる入射光は全反射するため、固体撮像素子１００の量子効率（ＱＥ）が高まる。
【００３１】
マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３もまた、ギャップ１１７によって互いに離間される。離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−および１１５−３は、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ上にそれぞれ配置される。当該実施形態では、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは同じ厚さを有する。離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は異なる高さを有する。その結果、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の上端は異なる高さ（ｌｅｖｅｌｓ）となる。マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は高さＨ１、Ｈ２およびＨ３をそれぞれ有する。いくつかの実施形態では、赤色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−１の高さＨ１は、緑色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−２の高さＨ２よりも小さい。緑色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−２の高さＨ２は、青色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−３の高さＨ３よりも小さい。いくつかの実施形態では、高さＨ１と高さＨ２と高さＨ３との比は約０．５：０．７５：１である。マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の高さＨ１、Ｈ２およびＨ３は、赤色、緑色および青色画素における光路に基づいたものである。これら高さＨ１、Ｈ２およびＨ３は、赤色、緑色および青色画素において最適な光路が得られるよう調節可能である。よって、固体撮像素子１００の赤色、緑色および青色画素の量子効率（ＱＥ）が高まると共に、最適化される。
【００３２】
当該実施形態において、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は、コーティング、露光、現像、およびリフロープロセスによって形成することができる。現像プロセスの後、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３を形成する材料の厚さは互いにそれぞれ異なったものとなる。よって、マイクロレンズ素子を成形するリフロープロセスの後、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３はそれぞれ異なる高さＨ１、Ｈ２およびＨ３を有するようになる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の異なる高さＨ１、Ｈ２およびＨ３はそれぞれ、上記プロセスの工程を３回繰り返すことによって形成することができる。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の異なる高さＨ１、Ｈ２およびＨ３は、上記のプロセスの工程によって同時に形成することができる。露光プロセスにおいては、赤色、緑色および青色画素で異なるパターンを有する同一のマスクを通し、異なる露光量が赤色、緑色および青色画素に適用される。よって現像プロセスの後、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３を形成する材料の厚さは互いに異なったものとなる。
【００３３】
図５を参照にすると、いくつかの実施形態による固体撮像素子１００の部分断面図が示されている。当該実施形態では、パッシベーション層１１１が遮光層１０９およびバッファー層１０７上に形成される。パッシベーション層１１１は平坦な上面を有する。カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂはパッシベーション層１１１の平坦な上面に形成される。また、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂは、空気で満たされたギャップ１１７によって互いに離間されている。よって、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂの屈折率は空気で満たされたギャップ１１７の屈折率よりも高い。このため、固体撮像素子１００の量子効率（ＱＥ）が高まる。
【００３４】
マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３もまた、同じギャップ１１７によって互いに離間されている。離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３は、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ上にそれぞれ配置される。当該実施形態では、離間されたカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂはそれぞれ異なる厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３を有する。いくつかの実施形態において、赤色画素におけるカラーフィルタ部品１１３Ｒの厚さＴ１は、緑色画素におけるカラーフィルタ部品１１３Ｇの厚さＴ２よりも大きい。緑色画素におけるカラーフィルタ部品１１３Ｇの厚さＴ２は、青色画素におけるカラーフィルタ部品１１３Ｂの厚さＴ３よりも大きい。
【００３５】
加えて、離間されたマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３はそれぞれ異なる高さＨ１、Ｈ２およびＨ３を有する。いくつかの実施形態では、赤色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−１の高さＨ１は、緑色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−２の高さＨ２よりも小さい。緑色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−２の高さＨ２は、青色画素におけるマイクロレンズ素子１１５−３の高さＨ３よりも小さい。いくつかの実施形態では、高さＨ１と高さＨ２と高さＨ３との比は約０．５：０．７５：１である。結果として、いくつかの実施形態において、マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の上端は同じ高さ（ｌｅｖｅｌ）となる。
【００３６】
マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２および１１５−３の高さＨ１、Ｈ２およびＨ３、ならびにカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂの厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３は、赤色、緑色および青色画素における光路に基づいたものである。これら高さＨ１、Ｈ２およびＨ３、ならびにこれら厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３は、赤色、緑色および青色画素において最適な光路が得られるよう調節可能である。よって、固体撮像素子１００の赤色、緑色および青色画素の量子効率（ＱＥ）が高まると共に、最適化される。
【００３７】
図６を参照すると、いくつかの実施形態による固体撮像素子の部分平面図が示されている。図１〜図５に示された固体撮像素子１００の断面は、図６の断面線Ｃ−Ｃ’に沿ったものである。図６に示されるように、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇおよび１１３Ｂ、ならびにもう１つのカラーフィルタ部品１１３Ｘ、例えば白色カラーフィルタ部品またはもう１つの緑色カラーフィルタ部品の４個の画素は、固体撮像素子１００の画素アレイの繰り返し単位を構成する。４個のカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂおよび１１３Ｘは、ギャップ１１７によって互いに離間される。また、４個のマイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２、１１５−３および１１５−４はカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂおよび１１３Ｘ上にそれぞれ配置される。マイクロレンズ素子１１５−１、１１５−２、１１５−３および１１５−４もまた、同じギャップ１１７によって互いに離間される。固体撮像素子１００の各画素は所定の画素サイズを有する。いくつかの実施形態において、各画素における１つの個別のカラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂまたは１１３Ｘを取り囲むギャップ１１７の面積は、画素サイズの約１１％から約２１％である。ギャップ１１７の大きさは、カラーフィルタ部品１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂおよび１１３Ｘを形成するフォトリソグラフィープロセスによって調節することができる。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、カラーフィルタ部品がギャップにより互いに離間されて、分離した（ｉｓｏｌａｔｅｄ）カラーフィルタアレイを形成する。離間されたカラーフィルタ部品上に配置されたマイクロレンズ素子もまた同じギャップにより互いに離間されて、分離したマイクロレンズアレイを形成する。ギャップは空気で満たされることから、カラーフィルタ部品の屈折率はギャップの屈折率より高くなる。結果として、固体撮像素子の各画素の感度、例えば信号対ノイズ比（ＳＮＲ１０）が向上し、ひいては固体撮像素子の量子効率（ＱＥ）も高まる。
【００３９】
さらに、カラーフィルタ部品間のギャップは、固体撮像素子の隣接する画素で光クロストークが発生するのを阻止することができる。加えて、離間されたカラーフィルタ部品および離間されたマイクロレンズ素子を形成することによって、固体撮像素子の作製コストを低減することができる。また、当該実施形態の固体撮像素子は、ＢＳＩまたはＦＳＩ撮像センサーに用いることができる。
【００４０】
本発明を例により、好ましい実施形態の観点から説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されることはないと理解されなければならない。それとは反対に、（当業者には明らかであるように）各種変更および類似の配置をカバーすることが意図されている。故に、添付の特許請求の範囲は、かかる変更および類似の配置がすべて包含されるよう、最も広い解釈が与えられなくてはならない。
【符号の説明】
【００４１】
１００…固体撮像素子
１０１…半導体基板
１０３…光電変換素子
１０５…ｈｉｇｈ−ｋ膜
１０７…バッファー層
１０９…遮光層
１０９Ｐ…遮光仕切り
１１１…パッシベーション層
１１３…カラーフィルタ層
１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂ、１１３Ｘ…カラーフィルタ部品
１１５…マイクロレンズ構造
１１５−１、１１５−２、１１５−３、１１５−４…マイクロレンズ素子
１１７…ギャップ
Ｐ…画素の幅
上端の幅…ＷＴ
下端の幅…ＷＢ
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３…高さ
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…厚さ
Ｃ−Ｃ’…断面線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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