(57)【要約】【課題】微細セルにおいて高い集光効率を有するカラー画像撮像素子を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像素子は、複数の光電変換素子１０２と、複数の配線層１０５、１０５’と、前記複数の光電変換素子１０２上に、前記複数の光電変換素子１０２に対応する複数の光導波領域４０１、４０２、４０３を備え、各光導波領域４０１、４０２、４０３の上端は、少なくとも１つの配線層（１０５、１０５’）の上端よりも高く、各光導波領域の下端は、前記少なくとも１つの配線層の下端よりも低く、前記複数の光導波領域は、異なる光吸収特性を有する複数種類の光導波領域４０１、４０２、４０３を含む。【選択図】図４Ａ
2009252973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子と複数の配線層とを備える固体撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子上に、前記複数の光電変換素子に対応する複数の光導波領域を備え、
各光導波領域の上端は、少なくとも１つの配線層の上端よりも高く、
各光導波領域の下端は、前記少なくとも１つの配線層の下端よりも低く、
前記複数の光導波領域は、異なる光吸収特性を有する複数種類の光導波領域を含む
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記光導波領域は、
その周囲よりも屈折率が高く、受光波長域の光を５０％以上透過する高屈折率媒質と、
前記光吸収特性を決定付けるために前記媒質中に分散された、金属を含む粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの光吸収粒子と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記高屈折率媒質は無機材料で構成され、前記光吸収粒子は他の無機材料で構成される
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記高屈折率媒質は有機材料で構成され、前記光吸収粒子は他の有機材料で構成される
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記高屈折率媒質は、
少なくとも炭素またはシリコンを含む高分子材料の媒質と、
前記高屈折率媒質中に分散され、前記光吸収粒子とは異なる材料よりなる、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの高屈折率化粒子と
を含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記高屈折率媒質中に、前記光吸収粒子とは異なる材料の金属酸化物からなる、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの粒子が分散されている
ことを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記複数の光導波領域は、第１から第３の種類の光導波領域を含み、
前記第１の種類の光導波領域は前記光吸収粒子として金、銅、クロム、鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含み、
前記第２の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてコバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物、コバルト亜鉛酸化物の少なくとも１つを含み、
前記第３の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてコバルトアルミ酸化物、コバルトクロム酸化物の少なくとも１つを含む
ことを特徴とする請求項２、３、５または６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記複数の光導波領域は、第１から第３の種類の光導波領域を含み、
前記第１の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてアントラキノン分子を含み、
前記第２の種類の光導波領域は前記光吸収粒子として塩臭化銅フタロシアニンを含み、
前記第３の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてε型銅フタロシアニンを含む
ことを特徴とする請求項２、４、５または６に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記複数種類の光導波領域のうち少なくとも１つの種類の光導波領域における前記光吸収粒子は有機分子より成る
ことを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記固体撮像素子は、さらに、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す読み出し回路を備え、
前記光導波領域と前記光電変換素子との間、および、前記光導波領域と前記読み出し回路との間に絶縁領域が形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
固体撮像素子の製造方法であって、
半導体基板上に複数の光電変換素子を形成するステップと、
半導体基板上に複数の配線層を形成するステップと、
前記複数の光電変換素子上に、前記複数の光電変換素子に対応する複数の光導波領域を形成するステップとを有し、
複数の光導波領域を形成するステップにおいて、
各光導波領域の上端を最上層の配線層の上端よりも高く、
各光導波領域の下端を最上層の配線層の下端または最上層より下の配線層の下端よりも低く形成し、
前記複数の光導波領域は、異なる光吸収特性を有する複数種類の光導波領域を含む
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波機能と色分離機能を有する固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
MOSセンサーや電荷結合素子（CCD）等の固体撮像素子はデジタルカメラや携帯電話などに搭載され、より高精彩な撮像機能と、より小さいサイズに対する需要の高まりから、素子ひいては画素（セル）の縮小化が要求されている。図１は第１のタイプの従来のMOSセンサーの画素部の断面を模式的に示したものである。Si基板１０１表面に光電変換素子（フォトダイオード）１０２とこれに隣接して光電変換素子１０２からの出力電荷を読み出す読出し回路１０３が形成され、層間絶縁膜１０４を介して配線１０５が形成されている。また、層間絶縁膜１０４上には画素毎に異なる色の光を入射させるために、カラーフィルター１０６が形成され、さらにカラーフィルター１０６上には入射光を前記フォトダイオード１０２に集光するプラスチックよりなるオンチップレンズ１０７を有する。前記要求に応えるには画素（セル）自体の縮小化が必須であるが、これに伴い、集光効率が低下する。
【０００３】
この様子をCMOSセンサーについて図２Ａに示す。図２Ａは従来技術を用いた固体撮像素子の性能指標の一つである集光効率の画素サイズ依存性を示す図である。同図において横軸はセルサイズ（μｍ）を、縦軸は集光効率を示す。現在最小セルサイズが２μｍ以下の素子も生産され始めているが、その集光効率は５０％程度に留まり、同様の構成でさらに微細化を進めた場合、セルサイズ１．５μｍでは集光効率が４５％以下に低減する。この課題は、セルサイズが小さくなった場合に、オンチップレンズ１０７入射面から実際の受光部である光電変換素子（フォトダイオード）１０２までの距離が、オンチップレンズ１０７の焦点距離よりも長くなり、セルサイズが小さい場合にはこの焦点距離を長くできない、すなわち、フォトダイオード１０２上に集光できないことに起因する。
【０００４】
このような課題に対処するために、上記第１のタイプを改良し、オンチップレンズで集光できる距離内に、低屈折率領域で覆われた高屈折領域がフォトダイオード上面近傍まで形成された光導波機能を有する領域（以下導波路領域と称する）が配置された第２のタイプの従来技術が知られている（例えば特許文献１−４。）。図３にこの第２のタイプの従来技術を模式的に示す。図１に示した第１タイプの従来技術の構成を原型としているが、カラーフィルター１０６の下、フォトダイオード１０２上の層間絶縁膜１０４内に層間絶縁膜（典型的にはSiO2）１０４よりも高屈折率材料（例えばSiNx）からなる導波路領域３０１を有する。このような構成とすることによって導波路領域３０１に入射した光は導波路領域３０１内に閉じ込められ、導波路領域３０１内をフォトダイオード１０２へと導波されることが可能となる。すなわち、短い焦点距離のオンチップレンズ１０７による集光ロスを低減する。この効果を図２Ａの一点鎖線で示す。第１のタイプの従来技術に比べて、集光効率はセルサイズ２μｍ以下において５〜１０％改善する。
【０００５】
特許文献１では、導波路の周囲材料を空気とする構成が開示されており、導波路用高屈折率材料として特に規定はないがSiNx、SiO2が例示されている。
【０００６】
特許文献２では電荷結合素子上に光導波路構造を形成する技術が開示されている。
【０００７】
特許文献３では、光導波路を２段構造とし、各段に高屈折材料を埋め込む光導波路の形成工程に関する技術が開示されている。
【０００８】
特許文献４では、入射面に向かって、光導波路がテーパ形状とされることによって、開口率を高め、また、斜め入射光に対する集光効率を向上する技術が開示されている。
【特許文献１】米国特許第６９９５４４２号明細書
【特許文献２】特許第２８６９２８０号公報
【特許文献３】特開２００７−１７３２５８号公報
【特許文献４】特開２００７−１９４６０６号公報
【特許文献５】特開２００１−２３７４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、セルサイズ１．５μｍ以下に縮小化された場合には、上記第１のタイプはもとより、第２の従来の技術を用いたとしても、集光効率は５０％以下と極端に低くなり、実用に供さないという課題があった。その原因の一つに、各導波路領域上に設けられたカラーフィルターの厚さ分、斜め入射光に対するロスが回避できない、ということが挙げられる。
【００１０】
この課題に対処する方法として、第３のタイプの従来技術として、光導波路をカラーフィルター材料で充填する構成が特許文献５に開示されている。しかし、この従来技術においては、微粒子サイズが比較的大きな染料または顔料を用いるカラーフィルターを使用しており、つまり、微粒子サイズがミクロンサイズと大きく、セルサイズ２μｍ以下の微細領域に均質に充填することは困難である。さらに導波路周囲の低屈折領域がやま形の形状であるため、高アスペクト比を有する微細セルの配線間に形成することも不可能であった。ここでいうアスペクト比は、対フォトダイオードからマイクロレンズまでの距離と、フォトダイオード（光電変換素子）のサイズとの比である。
【００１１】
本発明の目的は、従来の技術が有するカラーフィルターの厚さ分によって発生する集光効率低減という課題を解決し、微細セルにおいて高い集光効率を有するカラー画像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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は複数の光電変換素子と複数の配線層とを備える固体撮像素子であって、前記複数の光電変換素子上に、前記複数の光電変換素子に対応する複数の光導波領域を備え、各光導波領域の上端は、少なくとも１つの配線層の上端よりも高く、各光導波領域の下端は、前記少なくとも１つの配線層の下端よりも低く、前記複数の光導波領域は、異なる光吸収特性を有する複数種類の光導波領域を含むことを特徴とする。このような構成では、良好な色分離特性を導波路領域自体が発現するので、従来技術では必要であった導波路領域とは独立したカラーフィルター層を除去することに成功し、カラーフィルター層の厚み分だけ集光効率が低下するという従来技術の課題を解決することができる。
【００１３】
ここで、前記光導波領域は、その周囲よりも屈折率が高く、受光波長域の光を５０％以上透過する高屈折率媒質と、前記光吸収特性を決定付けるために前記媒質中に分散された、金属を含む粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの光吸収粒子とを含む構成としてもよい。このような構成とすることによって小粒径の金属を含む粒子の表面プラズモンと可視光とのカップリングによるプラズモン吸収と、金属のプラズモン吸収や金属酸化物の電子遷移吸収による優れた色分離特性を持つ導波路を実現できる。
【００１４】
ここで、前記高屈折率媒質は無機材料で構成され、前記光吸収粒子は他の無機材料で構成されるようにしてもよい。このような構成とすることによって、経年変化等による光吸収特性の劣化を防止し、良好な色再現性の永く保つことができる。
【００１５】
ここで、前記高屈折率媒質は有機材料で構成され、前記光吸収粒子は他の有機材料で構成されるようにしてもよい。このような構成とすることによって、経年変化等による光吸収特性の劣化が生じる可能性があるものの、製造工程が容易でかつ製造コストの低減することができる。
【００１６】
ここで、前記高屈折率媒質は、少なくとも炭素またはシリコンを含む高分子材料の媒質と、前記高屈折率媒質中に分散され、前記光吸収粒子とは異なる材料よりなる、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの高屈折率化粒子とを含む構成としてもよい。このような構成とすることによって、高屈折率化粒子が、媒質の屈折率を高めて高屈折率媒質ならしめることができる。前記高屈折率媒質は各画素のフォトダイオード上に形成された微小空間に空隙やストレスを発生することなく充填され、かつ、前記光吸収粒子は前記高屈折率媒質中に凝集なく均質に分散され、画素間の色ばらつきのない良好な色再現性を実現することが可能となる。
【００１７】
ここで、前記高屈折率媒質中に、前記光吸収粒子とは異なる材料の金属酸化物からなる、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの粒子が分散されていてもよい。このような構成することにより、高屈折率化粒子が、媒質の屈折率を高めて高屈折率媒質ならしめることができる。前記高屈折率媒質は各画素のフォトダイオード上に形成された微小空間に空隙やストレスを発生することなく充填される。さらに前記金属を含む粒子は前記高屈折率媒質中に凝集なく均質に分散され、画素間の色ばらつきのない良好な色再現性を実現することが可能となる。
【００１８】
ここで、前記複数の光導波領域は、第１から第３の種類の光導波領域を含み、前記第１の種類の光導波領域は前記光吸収粒子として金、銅、クロム、鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含み、前記第２の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてコバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物、コバルト亜鉛酸化物の少なくとも１つを含み、前記第３の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてコバルトアルミ酸化物、コバルトクロム酸化物の少なくとも１つを含むようにしてもよい。このような構成とすることによって、前記第１の種類の分散粒子を用いると主に赤色領域を、前記第２の種類の分散粒子を用いると主に緑色領域を、前記第３の種類の分散粒子を用いると主に青色領域の透過フィルタを実現できる。また、前記第１、２、３の種類の分散粒子の混合し、かつその割合を選択することにより任意領域の色特性を実現できる。
【００１９】
ここで、前記複数の光導波領域は、第１から第３の種類の光導波領域を含み、前記第１の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてアントラキノン分子を含み、前記第２の種類の光導波領域は前記光吸収粒子として塩臭化銅フタロシアニンを含み、前記第３の種類の光導波領域は前記光吸収粒子としてε型銅フタロシアニンを含むようにしてもよい。このような構成とすることによって、前記第１の種類の分散粒子を用いると主に赤色領域を、前記第２の種類の分散粒子を用いると主に緑色領域を、前記第３の種類の分散粒子を用いると主に青色領域の透過フィルタを実現できる。また、前記第１、２、３の種類の分散粒子の混合し、かつその割合を選択することにより任意領域の色特性を実現できる。
【００２０】
ここで、前記複数種類の光導波領域のうち少なくとも１つの種類の光導波領域における前記光吸収粒子は有機分子より成るようにしてもよい。このような構成とすることにより、有機分子が可視光の特定波長のみ吸収透過特性を示す特性により優れた色分離特性を持つ導波路を実現できる。
【００２１】
ここで、前記固体撮像素子は、さらに、前記光電変換素子から信号電荷を読み出す読み出し回路を備え、前記光導波領域と前記光電変換素子との間、および、前記光導波領域と前記読み出し回路との間に絶縁領域が形成されていてもよい。このような構成とすることによって、金属粒子を含む前記導波領域が光電変換素子または回路領域と電気的に接続されることを確実に防止することができる。
【００２２】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、上記固体撮像素子に対応し、同様の効果を奏する。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように本発明によれば、導波領域にカラーフィルター機能を実現することによって、従来技術の課題であったカラーフィルター膜厚分の光ロスを除去し、高集光効率を有する微細画素で、かつ色再現性の高いカラーフィルターを備えた固体撮像素子を実現することができる。よって、小型で、かつ、薄型のデジタルカメラが求められる今日における本発明の実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。
【００２５】
本発明の固体撮像素子は、複数の光電変換素子と、複数の配線層と、前記複数の光電変換素子上に、前記複数の光電変換素子に対応する複数の光導波領域を備える。ここで、各光導波領域の上端は、少なくとも１つの配線層の上端よりも高く、各光導波領域の下端は、前記少なくとも１つの配線層の下端よりも低く、前記複数の光導波領域は、異なる光吸収特性を有する複数種類の光導波領域を含む。また、前記光導波領域は、その周囲よりも屈折率が高く、受光波長域の光を５０％以上透過する高屈折率媒質と、前記光吸収特性を決定付けるために前記高屈折率媒質中に分散された、金属を含む粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの光吸収粒子とを含む。
【００２６】
この構成によれば、各光導波領域は、導波路として機能し、かつカラーフィルタとして機能する。本発明の固体撮像素子は、光導波領域とは別個のカラーフィルタ層を備える必要がないので、例えば２μｍ以下の小さなセルサイズであっても集光効率を向上させることができる。また、受光波長域の光を５０％以上透過する高屈折率媒質は、望ましくは前記光を７０％以上透過する透明な媒質であることが望ましい。
【００２７】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子およびその製造方法について図４Ａ〜図１０を参照しながら説明する。
【００２８】
図４Ａは、本実施形態に係る固体撮像素子の赤、緑、青色の３画素部の断面を模式的に示したものである。図において、Si基板１０１表面の各画素部にフォトダイオード１０２とその出力信号読出し回路１０３が形成され、SiO2を主成分とする層間絶縁膜１０４を介して該読み出し回路を駆動するための配線１０５、１０５’が形成されている。各画素のサイズは１．５μｍである。各フォトダイオード上の層間絶縁膜内には赤色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路４０１、緑色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路４０２、青色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路４０３が形成されている。各光導波路上には１００％光を透過する絶縁膜である平坦化絶縁膜４０５が形成され、さらにその表面にマイクロレンズ１０７を有する構成とした。ここでフォトダイオード表面からマイクロレンズ１０７下面までの距離は２．７５μｍであり、このようなセルのアスペクトでは本第１の実施形態のような導波路を用いない通常の光学系では、回折限界から各画素への入射光を高効率で集光できない。ここで、各光導波路４０１、４０２、４０３は、高屈折率媒質としてのホスト媒質がポリベンゾオキサゾールを含むポリイミド樹脂媒質よりなり、その周囲を構成するSiO2の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（１．８５）を有し、かつ各受光波長域の光を５０％以上透過する。従って、入射光を効率よく導波路内に閉じ込めフォトダイオードまで確実に導波させることが可能である。
【００２９】
また、各導波路４０１、４０２、４０３の母材である前記ポリイミド樹脂媒質中には屈折率をより高めるために高屈折率化粒子として５ｎｍ〜１００ｎｍ（メジアン値：７５ｎｍ）の酸化チタン粒子が分散されている。
【００３０】
さらに、光導波路４０１、４０２、４０３は、それぞれの光吸収特性を決定付けるための金属を含む粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの光吸収粒子が分散されている。赤色波長を透過する光導波路４０１には分散粒子（光吸収粒子）として、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：１５ｎｍ)の金粒子が、緑色透過領域４０２には粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２５ｎｍ)のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物が、青色透過領域４０３には粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２０ｎｍ)のコバルトアルミ酸化物が分散されている。
【００３１】
ここで、各導波路４０１、４０２、４０３は金属粒子を含むため若干の導電性（１０ｋΩ〜１ＭΩ）を示す。従って、配線１０５、１０５’とは層間絶縁膜１０４を介して絶縁されていることが好ましい。また、フォトダイオード１０２とも絶縁されていることがより好ましい。本実施形態では層間絶縁膜１０４を介する構成とした。
【００３２】
本実施形態による固体撮像素子の受光感度特性を図５に示す。この実施形態で、赤色領域、緑色領域、青色領域で優れた色分離特性を実現することが可能である。
【００３３】
（図６−１０：製造方法）
次に図６から図１０を参照しながら、本実施形態に関わる固体撮像素子の製造工程について説明する。図６（ａ）に示すようにSi基板１０１表面にフォトダイオード１０２を各画素に形成する。次に図６（ｂ）に示すようにフォトダイオードからの読出し回路１０３の領域を形成し、図６（ｃ）に示すように配線１０５、１０５’をSiO2よりなる層間絶縁膜１０４中に形成する。
【００３４】
次に、図７（ａ）に示すように赤色画素のフォトダイオード上、赤色透過光導波路形成領域に開口７０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と金粒子が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、２００℃で焼結する。開口７０１のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口７０１を焼結体７０２で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図７（ｃ）のように赤色透過光導波路４０１が完成する。
【００３５】
同様にして、図８（ａ）に示すように緑色画素のフォトダイオード上、緑色透過光導波路形成領域に開口８０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２５ｎｍ)のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、２００℃で焼結する。開口８０１のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口８０１を焼結体８０２で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図８（ｃ）のように緑色透過光導波路４０２が完成する。
【００３６】
同様にして、図９（ａ）に示すように青色画素のフォトダイオード上、青色透過光導波路形成領域に開口９０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２０ｎｍ)のコバルトアルミ酸化物が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、２００℃で焼結する。開口９０１のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口９０１を焼結体９０２で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図９（ｃ）のように青色透過光導波路４０３が完成する。
【００３７】
次に、図１０（ａ）に示すように最表面に平坦化絶縁膜４０５を形成し、表面を平坦化した後、図１０（ｂ）に示すように最表面にマイクロレンズ１０７を形成する。
【００３８】
図２Ｂは、本願発明および従来技術における固体撮像素子の性能指標の一つである集光効率の画素サイズ依存性を示す図である。同図において横軸はセルサイズ（μｍ）を、縦軸は集光効率を示す。実線に示される本願発明の固体撮像素子の集光効率は、破線に示される従来技術の固体撮像装置と比べ、セルサイズが２μｍ以下で、約１０数パーセント向上している。
【００３９】
図４Ｂは本実施形態の一変形例としての固体撮像素子の断面を模倣的に示す。本変形例においては、配線層は第１の実施形態と同じく３層より構成されるが、最下層、および下から第二層目を第１の実施形態よりも半導体基板に近い面に構成し、１０％程度の低背下を達成している。これにより、導波路４０１ａ、４０２ａ、４０３ａは第二層目１０５ａおよび第三層目の配線層１０５ａ'の間の高さにまで形成した。このような構成とすることによって、導波路のない形態に比較して、２０％程度の集光効率を改善している。
【００４０】
なお、本実施形態ではホスト樹脂としてポリイミド樹脂を用いたが、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂等を用いることも可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子およびその製造方法について図１１〜図１６を参照しながら説明する。
【００４２】
図１１は、本実施形態に係る固体撮像素子の赤、緑、青色の３画素部の断面を模式的に示したものである。図において、Si基板１０１表面の各画素部にフォトダイオード１０２とその出力信号読出し回路１０３が形成され、SiO2を主成分とする層間絶縁膜１０４を介して該読み出し回路を駆動するための配線１０５、１０５’が形成されている。各画素のサイズは１．５μｍである。各フォトダイオード上の層間絶縁膜内には赤色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路１１０１、緑色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路１１０２、青色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路１１０３が形成されている。各光導波路上には１００％光を透過する絶縁膜である平坦化絶縁膜４０５が形成され、さらにその表面にマイクロレンズ１０７を有する構成とした。ここでフォトダイオード表面からマイクロレンズ１０７下面までの距離は２．７５μｍであり、このようなセルのアスペクトでは本実施形態のような導波路を用いない通常の光学系では、回折限界から各画素への入射光を高効率で集光できない。ここで、各光導波路１１０１、１１０２、１１０３はポリベンゾオキサゾールを含むポリイミド樹脂媒質よりなり、その周囲を構成するSiO2の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（１．８５）を有し、かつ各受光波長域の光を５０％以上透過する。従って、入射光を効率よく導波路内に閉じ込めフォトダイオードまで確実に導波させることが可能である。
【００４３】
また、各導波路１１０１、１１０２、１１０３の母材である前記ポリイミド樹脂中には屈折率をより高めるために５ｎｍ〜１００ｎｍ（メジアン値：７５ｎｍ）の酸化チタン粒子が分散されている。
【００４４】
さらに、赤色波長を透過する光導波路１１０１には分散粒子として、粒径分布２０ｎｍ〜１００ｎｍ(メジアン値：５０ｎｍ)のアントラキノン（PR177）分子からなる粒子が、緑色透過領域１１０２には粒径分布２０ｎｍ〜１００ｎｍ(メジアン値：７５ｎｍ)の塩臭化銅フタロシアニンからなる粒子が、青色透過領域１１０３には粒径分布２０ｎｍ〜１００ｎｍ(メジアン値：２０ｎｍ)のε型銅フタロシアニンからなる粒子が分散されている。
【００４５】
ここで、各導波路１１０１、１１０２、１１０３は導電性高分子からなる粒子を含むため若干の導電性（１００ｋΩ〜１ＭΩ）を示す。従って、配線１０５、１０６、１０５’とは層間絶縁膜１０４を介して絶縁されていることが好ましい。また、フォトダイオード１０２とも絶縁されていることがより好ましい。本実施形態では層間絶縁膜１０４を介する構成とした。
【００４６】
本実施形態による固体撮像素子の受光感度特性を図１２に示す。この実施形態で、赤色領域、緑色領域、青色領域で優れた色分離特性を実現することが可能である。
【００４７】
（図６、１３−１６：製造方法）
次に図６および図１３から図１６を参照しながら、本実施形態に関わる固体撮像素子の製造工程について説明する。第１の実施形態同様、図６（ａ）に示すようにSi基板１０１表面にフォトダイオード領域を各画素に形成した後、図６（ｂ）に示すようにフォトダイオードからの読出し回路１０３の領域を形成し、図６（ｃ）に示すように配線１０５、１０６、１０５’をSiO2よりなる層間絶縁膜１０４中に形成する。
【００４８】
次に、図１３（ａ）に示すように赤色画素のフォトダイオード上、赤色透過光導波路形成領域に開口１３０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質とアントラキノン分子からなる粒子が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、１００℃で焼結する。開口１３０１を焼結体１３０２で完全に充填した後、図１３(ｂ)のように赤色透過光導波路形成領域以外をマスク１３０３によって遮光し、ｉ線１３０４により露光する。露光部樹脂は高分子の一部が重合することで硬化する。一方、遮光部は硬化せず、現像液によって剥離する。平坦化処理によって表面を平坦化することによって、図１３（ｃ）に示すように赤色透過光導波路１１０１が完成する。
【００４９】
同様にして、図１４（ａ）に示すように緑色画素のフォトダイオード上、緑色透過光導波路形成領域に開口１４０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と塩臭化銅フタロシアニン分子からなる粒子が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、１００℃で焼結する。開口１４０１を焼結体１４０２で完全に充填した後、図１４(ｂ)のように緑色透過光導波路形成領域以外をマスク１３０３によって遮光し、ｉ線１３０４により露光する。露光部樹脂は高分子の一部が重合することで硬化する。一方、遮光部は硬化せず、現像液によって剥離する。平坦化処理によって表面を平坦化することによって、図１４（ｃ）に示すように緑色透過光導波路１１０２が完成する。
【００５０】
同様にして、図１５（ａ）に示すように青色画素のフォトダイオード上、青色透過光導波路形成領域に開口１５０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２０ｎｍ)のε型銅フタロシアニンからなる粒子が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、１００℃で焼結する。開口１５０１を焼結体１５０２で完全に充填した後、図１５(ｂ)のように青色透過光導波路形成領域以外をマスク１２０３によって遮光し、ｉ線１２０４により露光する。露光部樹脂は高分子の一部が重合することで硬化する。一方、遮光部は硬化せず、現像液によって剥離する。平坦化処理によって表面を平坦化することによって、図１４（ｃ）に示すように青色透過光導波路１１０３が完成する。
【００５１】
次に、図1６（ａ）に示すように最表面に平坦化絶縁膜４０５を形成し、表面を平坦化した後、図１６（ｂ）に示すように最表面にマイクロレンズ１０７を形成する。
【００５２】
なお、本実施形態ではホスト樹脂としてポリイミド樹脂を用いたが、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂等を用いることも可能である。
【００５３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子およびその製造方法について図１７〜図２３を参照しながら説明する。
【００５４】
図１７は、本実施形態に係る固体撮像素子の赤、緑、青色の３画素部の断面を模式的に示したものである。図において、Si基板１０１表面の各画素部にフォトダイオード１０２とその出力信号読出し回路１０３が形成され、SiO2を主成分とする層間絶縁膜１０４を介して該読み出し回路を駆動するための配線１０５、１０５’が形成されている。各画素のサイズは１．５μｍである。各フォトダイオード上の層間絶縁膜内には赤色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路１７０１、緑色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路１７０２、青色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波路１７０３が形成されている。各光導波路上には１００％光を透過する絶縁膜である平坦化絶縁膜４０５が形成され、さらにその表面にマイクロレンズ１０７を有する構成とした。ここでフォトダイオード表面からマイクロレンズ１０７下面までの距離は２．７５μｍであり、このようなセルのアスペクトでは本第１の実施形態のような導波路を用いない通常の光学系では、回折限界から各画素への入射光を高効率で集光できない。ここで、各光導波路１７０１、１７０２、１７０３は５ｎｍ〜１００ｎｍ（メジアン値：７５ｎｍ）の酸化チタン粒子が分散された酸化シリコンガラスからなり、その周囲を構成するSiO2の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（１．６５）を有し、バンドギャップが広い絶縁体であるため、各受光波長域の光は９０％以上透過する。従って、入射光を効率よく導波路内に閉じ込めフォトダイオードまで確実に導波させることが可能である。
【００５５】
さらに、赤色波長を透過する光導波路１７０１には分散粒子として、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：１５ｎｍ)の金粒子が、緑色透過領域１７０２には粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２５ｎｍ)のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物が、青色透過領域１７０３には粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２０ｎｍ)のコバルトアルミ酸化物が分散されている。
【００５６】
ここで、各導波路１７０１、１７０２、１７０３は金属粒子を含むため若干の導電性（１０ｋΩ〜１ＭΩ）を示す。従って、配線１０５、１０６、１０５’とは層間絶縁膜１０４を介して絶縁されていることが好ましい。また、フォトダイオード１０２とも絶縁されていることがより好ましい。本実施形態では層間絶縁膜１０４を介する構成とした。
【００５７】
本実施形態による固体撮像素子の受光感度特性を図１８に示す。この実施形態で、赤色領域、緑色領域、青色領域で優れた色分離特性を実現することが可能である。
【００５８】
（図１９−２３：製造方法）
次に図１９から図２３を参照しながら、本実施形態に関わる固体撮像素子の製造工程について説明する。図１９（ａ）に示すようにSi基板１０１表面にフォトダイオード領域を各画素に形成する。次に図１９（ｂ）に示すようにフォトダイオードからの読出し回路１０３の領域を形成し、図１９（ｃ）に示すように配線１０５、１０６、１０５’をSiO2よりなる層間絶縁膜１０４中に形成する。
【００５９】
次に、図２０（ａ）に示すように赤色画素のフォトダイオード上、赤色透過光導波路形成領域に開口７０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と金粒子が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、４００℃で焼結する。開口７０１のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口７０１を焼結体７０２で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図２０（ｃ）のように赤色透過光導波路１７０１が完成する。
【００６０】
同様にして、図２１（ａ）に示すように緑色画素のフォトダイオード上、緑色透過光導波路形成領域に開口８０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２５ｎｍ)のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、４００℃で焼結する。開口８０１のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口８０１を焼結体８０２で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図２１（ｃ）のように緑色透過光導波路１７０２が完成する。
【００６１】
同様にして、図２２（ａ）に示すように青色画素のフォトダイオード上、青色透過光導波路形成領域に開口９０１をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ(メジアン値：２０ｎｍ)のコバルトアルミ酸化物が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後、４００℃で焼結する。開口９０１のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口９０１を焼結体９０２で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図２２（ｃ）のように青色透過光導波路１７０３が完成する。
【００６２】
次に、図２３（ａ）に示すように最表面に平坦化絶縁膜４０５を形成し、表面を平坦化した後、図２３（ｂ）に示すように最表面にマイクロレンズ１０７を形成する。
【００６３】
なお、各実施形態において、光導波路は上が広く下が狭いテーパ状、または径が異なる二段構成であってもよい。
【００６４】
また、光導波路のホスト樹脂（高屈折率媒質）と光吸収粒子の材料の組み合わせは、第１および第３の実施形態のように無機材料と無機材料の組み合わせであってもよいし、第２の実施形態のように有機材料と有機材料の組み合わせにであってもよい。無機材料と無機材料の組み合わせでは、経年変化等による酸化の影響を受けないので、カラーフィルタとしても特性劣化（色あせ等）が生じない。
【００６５】
また、光導波路のホスト樹脂（高屈折率媒質）と光吸収粒子の材料の組み合わせは、無機材料と有機材料の組み合わせ、または、有機材料と無機材料の組み合わせでもよい。これらの組み合わせは、製造プロセスの難易度と製造コストに応じて選択すればよい。
【００６６】
以上、本発明に係る固体撮像素子について、第１〜第３の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。各実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の形態や、各実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のデジタルカメラ、カメラ付き携帯電話などに利用可能であり、これらの機器の小型化と撮像画像の画質向上に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１のタイプの従来技術の固体撮像素子の画素部断面を模式的に示す。
【図２Ａ】従来技術における固体撮像素子の性能指標の一つである集光効率の画素サイズ依存性を示す。
【図２Ｂ】本願発明および従来技術における固体撮像素子の性能指標の一つである集光効率の画素サイズ依存性を示す。
【図３】第２のタイプの従来技術の固体撮像素子の画素部断面を模式的に示す。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の画素部断面を模式的に示す。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の変形例における画素部断面を模式的に示す。
【図５】本発明の第１の実施形態の固体撮像素子の色分離特性を示す。
【図６】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の製造工程の導波路形成前の工程を模式的に示す。
【図７】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の赤色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図８】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の緑色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図９】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の青色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図１０】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の導波路形成後の工程を模式的に示す。
【図１１】本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像素子の画素部断面を模式的に示す。
【図１２】本発明の第２の実施形態の固体撮像素子の色分離特性を示す。
【図１３】本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像素子の赤色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図１４】本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像素子の緑色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図１５】本発明の第２の実施形態に関わる固体撮像素子の青色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図１６】本発明の第１の実施形態に関わる固体撮像素子の導波路形成後の工程を模式的に示す。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の赤、緑、青色の３画素部の断面を模式的に示す。
【図１８】本発明の第３の実施形態による固体撮像素子の受光感度特性を示す。
【図１９】本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像素子の製造工程の導波路形成前の工程を模式的に示す。
【図２０】本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像素子の赤色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図２１】本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像素子の緑色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図２２】本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像素子の青色透過光導波路の形成工程を模式的に示す。
【図２３】本発明の第３の実施形態に関わる固体撮像素子の導波路形成後の工程を模式的に示す。
【符号の説明】
【００６９】
１０１  Si基板
１０２  光電変換素子（フォトダイオード）
１０３  読出し回路
１０４  層間絶縁膜
１０５、１０５’  配線
１０６  カラーフィルター
１０７  マイクロレンズ
３０１  光導波路
４０１、１１０１、１７０１  赤色透過光導波路
４０２、１１０２、１７０２  緑色透過光導波路
４０３、１１０３、１７０３  青色透過光導波路
４０５  平坦化絶縁膜
７０１、８０１、９０１、１３０１、１４０１、１５０１  開口
７０２、８０２、９０２、１３０２、１４０２、１５０２  焼結体
【図１】
2009252973.tif 000003
【図２Ａ】
2009252973.tif 000004
【図２Ｂ】
2009252973.tif 000005
【図３】
2009252973.tif 000006
【図４Ａ】
2009252973.tif 000007
【図４Ｂ】
2009252973.tif 000008
【図５】
2009252973.tif 000009
【図６】
2009252973.tif 000010
【図７】
2009252973.tif 000011
【図８】
2009252973.tif 000012
【図９】
2009252973.tif 000013
【図１０】
2009252973.tif 000014
【図１１】
2009252973.tif 000015
【図１２】
2009252973.tif 000016
【図１３】
2009252973.tif 000017
【図１４】
2009252973.tif 000018
【図１５】
2009252973.tif 000019
【図１６】
2009252973.tif 000020
【図１７】
2009252973.tif 000021
【図１８】
2009252973.tif 000022
【図１９】
2009252973.tif 000023
【図２０】
2009252973.tif 000024
【図２１】
2009252973.tif 000025
【図２２】
2009252973.tif 000026
【図２３】
2009252973.tif 000027