(57)【要約】従来よりも耐光性に優れ、かつ、薄膜化が可能なフィルタ膜を備えた固体撮像素子を提供する。複数の画素を有する固体撮像素子１であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜２１と、フィルタ膜２１を透過した光を電荷に変換する光電変換部１７とを備え、各フィルタ膜２１は、無機物質からなる単層膜であって、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に相当する厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有する固体撮像素子であって、
各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、
各フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であって、
各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されていること
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の光の波長における前記無機物質の吸収係数が大きいほど薄く調整されていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記フィルタ膜を構成する無機物質は、各画素間で同一であること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記各フィルタ膜を構成する無機物質は、分離すべき色毎に異なり、前記各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど屈折率が小さな無機物質からなること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記フィルタ膜を構成する無機物質の屈折率は、３以上であること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記フィルタ膜を構成する無機物質は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン、又は、これらを主成分とする物質であること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記フィルタ膜を構成する無機物質は、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブであること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜の光源側に隣接配置された、当該フィルタ膜よりも小さな屈折率を有する反射防止膜を備えること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記反射防止膜は、窒化シリコン、二酸化シリコン又は酸化窒化シリコンからなること
を特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記光電変換部は、基板の一部に形成されており、
前記各画素は、さらに、前記基板を覆い、前記光電変換部に対応する位置に開口を有する遮光膜を備え、
前記フィルタ膜は、前記遮光膜と前記基板との間に配されていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記固体撮像素子は、各フィルタ膜の光電変換部側主面が同一面上に配されるように、前記複数の画素を配置してなり、
前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜よりも光源側に平坦化層を備え、
前記平坦化層の厚さは、当該フィルタ膜の物理膜厚が厚いほど薄いこと
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記各画素は、さらに、前記平坦化層の光源側主面に配されたマイクロレンズを備えること
を特徴とする請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
複数の画素を有する固体撮像素子であって、
各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、
前記フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であり、
前記フィルタ膜の光学膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内で分離すべき色毎に定められていること
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項１４】
複数の画素を有する固体撮像素子であって、
各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、
各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど、可視光波長域での光の吸収係数が小さな無機物質からなること
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項１５】
前記各フィルタ膜は、無機物質の組成を異ならせることにより、光の吸収係数を異ならせていること
を特徴とする請求項１４に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されていること
を特徴とする請求項１４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、デジタルカメラ等に使用される固体撮像素子に関し、特に、色分離を行うフィルタ膜に関する。
【背景技術】
【０００２】  固体撮像素子は、複数の画素からなり、各画素は、フィルタ膜と光電変換部とを備えている。フィルタ膜は、光の色分離をする目的で設けられる。例えば、原色フィルタであれば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のフィルタ膜が設けられ、補色フィルタであれば、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黄（Ｙ）、緑（Ｇ）の各色のフィルタ膜が設けられる。光電変換部は、フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する。変換された電荷量は、光電変換部の受光量に相当する信号として外部出力される（特許文献１）。【０００３】  従来のフィルタ膜は、有機物質である顔料や染料が分散されたアクリル等の透明樹脂等からなる（特許文献２）。すなわち各色に応じた顔料や染料を用いることにより色分離を実現している。
【特許文献１】特開平５−６９８６号公報
【特許文献２】特開平７−３１１３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、上記フィルタ膜は、以下に示す問題を有している。
第１の問題は、フィルタ膜が有機物質からなるため、耐光性が十分とはいえないことである。例えば、有機顔料は、光にさらされることで退色しやすいという特性を有する。退色が生じれば、フィルタ膜の透過特性が変化して、色分離が適切に行えなくなる。
第２の問題は、顔料等を分散してなるフィルタ膜の薄膜化が困難なことである。このようなフィルタ膜は、薄膜化するほど透明度が高まるので、フィルタ膜の色分離特性が低下するからである。また、顔料を用いる場合には、顔料の粒径による薄膜化の制約もある。フィルタ膜の薄膜化は、画素間での混色を防止する手段として有効である。近年、画素の微細化に伴い混色が発生しやすい状況にあり、フィルタ膜の薄膜化に対する要請が益々高まっている。【０００５】  そこで、本発明は、従来よりも耐光性に優れ、かつ、薄膜化が可能なフィルタ膜を備えた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】
【０００６】  上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、各フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であって、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。
【発明の効果】
【０００７】  上記構成によれば、フィルタ膜は、無機物質からなる。したがって、従来よりも耐光性が優れている。また、フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。このようにすれば、フィルタ膜の透過スペクトルにおいて、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。したがって、フィルタ膜の色分離特性を低下させることなく、フィルタ膜の光学膜厚を各色の波長の半波長程度と極めて薄くすることができる。【０００８】  また、前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の光の波長における前記無機物質の吸収係数が大きいほど薄く調整されていることとしてもよい。
上記構成によれば、光の吸収係数が大きいことによるフィルタ膜の透過率の低下を軽減することができる。
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質は、各画素間で同一であることとしてもよい。【０００９】  上記構成によれば、各フィルタ膜は同一物質からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
また、前記各フィルタ膜を構成する無機物質は、分離すべき色毎に異なり、前記各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど屈折率が小さな無機物質からなることとしてもよい。【００１０】  上記構成によれば、分離すべき色が異なる画素間で、フィルタ膜の物理膜厚の差分を小さくすることができる。したがって、フィルタ膜が形成された層の平坦化を容易に行うことができる。
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質の屈折率は、３以上であることとしてもよい。【００１１】  フィルタ膜の屈折率を３以上とすることで、フィルタ膜に対して斜め光が入射したときも屈折角が小さくなり、画素間での混色の発生を抑制することができる。
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン、又は、これらを主成分とする物質であることとしてもよい。
アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン又はシリコンを主成分とする物質は、吸収係数が大きい。したがって、フィルタ膜を極めて薄くした場合でも、色分離を実現することができる。【００１２】  また、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン又はシリコンを主成分とする物質の屈折率は、４乃至５程度であり、通常の絶縁膜等（例えば、二酸化シリコンであれば１．４６）と比較して大きい。したがって、フィルタ膜に対して斜め光が入射したときも屈折角が小さくなり、画素間での混色の発生を抑制することができる。
さらに、アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどの遮光膜を形成した後であっても、フィルタ膜を形成することができる。したがって、製造手順の自由度を高めることができる。また、アモルファスシリコンを採用すれば、光電変換部にかかる応力を小さくすることができるので、光電変換部へのダメージを小さくすることができる。【００１３】  また、前記フィルタ膜を構成する無機物質は、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブであることとしてもよい。
酸化チタン（二酸化チタンなど）、酸化タンタル（五酸化タンタルなど）又は酸化ニオブ（五酸化ニオブなど）は、可視光領域において光の吸収係数が小さい。したがって、フィルタ膜の透過率を向上させることができる。その結果、固体撮像素子の感度の向上を実現することができる。【００１４】  さらに、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブは、誘電体材料の中では屈折率も２以上と大きいので、干渉フィルタを形成する材料として適しているといえる。
また、前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜の光源側に隣接配置された、当該フィルタ膜よりも小さな屈折率を有する反射防止膜を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、入射光が通過する媒質間における屈折率の差が小さくなり、入射光のフィルタ膜表面での反射が低減され、感度の向上を図ることができる。また、反射抑制膜の膜厚を変化させることで、フィルタ膜の光の透過率のピーク波長を制御することができ、色分離特性を向上させるとともに、設計の自由度を向上させることができる。【００１５】  また、前記反射防止膜は、窒化シリコン、二酸化シリコン又は酸化窒化シリコンからなることとしてもよい。
上記構成によれば、反射抑制膜を半導体プロセスにより製造することができるので、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
また、前記光電変換部は、基板の一部に形成されており、前記各画素は、さらに、前記基板を覆い、前記光電変換部に対応する位置に開口を有する遮光膜を備え、前記フィルタ膜は、前記遮光膜と前記基板との間に配されていることとしてもよい。【００１６】  上記構成によれば、光電変換部とフィルタ膜との間の光の干渉を抑制することが可能となり、感度を向上させることができる。さらに、混色を防止する手段としても有効である。遮光膜と光電変換部の間にフィルタ膜を形成することは、フィルタ膜の物理膜厚が極めて薄いので容易である。
また、前記固体撮像素子は、各フィルタ膜の光電変換部側主面が同一面上に配されるように、前記複数の画素を配置してなり、前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜よりも光源側に平坦化層を備え、前記平坦化層の厚さは、当該フィルタ膜の物理膜厚が厚いほど薄いこととしてもよい。【００１７】  上記構成によれば、平坦化層の光源側主面を画素間で平坦化することができる。これにより、デバイスの拡張性を高めることができる。
また、前記各画素は、さらに、前記平坦化層の光源側主面に配されたマイクロレンズを備えることとしてもよい。
上記構成によれば、光の集光効率が高まり、感度を向上させることができる。【００１８】  本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、前記フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であり、前記フィルタ膜の光学膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内で分離すべき色毎に定められている。
上記構成によれば、フィルタ膜は、無機物質からなる。したがって、従来よりも耐光性が優れている。また、フィルタ膜の光学膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。このようにすれば、フィルタ膜の透過スペクトルにおいて、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。したがって、フィルタ膜の色分離特性を低下させることなく、フィルタ膜の光学膜厚を各色の波長の半波長程度と極めて薄くすることができる。【００１９】  本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど、可視光波長域での光の吸収係数が小さな無機物質からなる。
上記構成によれば、フィルタ膜は、無機物質からなるので、従来よりも耐光性が優れている。【００２０】  また、前記各フィルタ膜は、無機物質の組成を異ならせることにより、光の吸収係数を異ならせていることとしてもよい。
上記構成によれば、色毎の無機物質の材料はそれぞれ同一であるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。さらに、フィルタ膜の形成段階で、色毎に組成を異ならせるだけなので、色毎の顔料を透明樹脂に分散させる追加工程が必要な従来のフィルタ膜に比べて、フィルタ膜を容易に製造することができる。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。【００２１】  また、前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されていることとしてもよい。
上記構成によれば、フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。このようにすれば、フィルタ膜の透過スペクトルにおいて、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。したがって、フィルタ膜の色分離特性を低下させることなく、フィルタ膜の光学膜厚を各色の波長の半波長程度と極めて薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】カメラシステムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図３】実施の形態１に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図４】信号処理回路の内部構成を示す図である。
【図５】信号処理回路に用いられる行列式を示す図である。
【図６】デジタル信号を加工して生成された色信号スペクトルを示す。
【図７】実施の形態２に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図８】実施の形態２に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図９】実施の形態３に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１０】実施の形態４に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】実施の形態４に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
【図１２】実施の形態５に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
【図１３】実施の形態５に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
【図１４】実施の形態５に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１５】実施の形態６に係るフィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図１６】実施の形態７に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１７】実施の形態７に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図１８】実施の形態８に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１９】実施の形態８に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図２０】実施の形態９に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図２１】実施の形態９に係るフィルタ膜７１ａ、７１ｂ、７１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図２２】実施の形態１０に係るフィルタ膜６１の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００２３】    １  固体撮像素子
２  駆動回路
３  垂直走査回路
４  水平走査回路
５  アナログフロントエンド
６  信号処理回路
７  作業用メモリ
８  記録用メモリ
９  制御部
１１  基板
１２  光電変換部形成層
１３  絶縁層
１４  遮光膜形成層
１５  フィルタ形成層
１６  Ｐ型ウェル
１７  光電変換部
１９  遮光膜
２０  開口部
２１、５１、６１、７１  フィルタ膜
２２  平坦化層
２３  マイクロレンズ
３０  反射防止膜
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】  以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態に本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るカメラシステムの構成を示す図である。
カメラシステムは、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載され撮像データを生成するものであり、固体撮像素子１、駆動回路２、垂直走査回路３、水平走査回路４、アナログフロントエンド５、信号処理回路６、作業用メモリ７、記録用メモリ８及び制御部９を備えている。【００２５】  固体撮像素子１は、いわゆるＭＯＳ型イメージセンサであり、複数の画素（１ａ、１ｂ、１ｃ等）を有する。図１の各画素には「Ｒ」、「ＲＧ」、「ＲＧＢ」と表記されている。「Ｒ」は、可視光波長域のうち赤色領域の光を透過し、赤色領域に光の透過スペクトルにおける極大値を有する画素を示す。「ＲＧ」は、可視光波長域のうち赤色領域および緑色領域の光を透過し、緑色領域に光の透過スペクトルにおける極大値を有する画素を示す。「ＲＧＢ」は、可視光波長域のうち赤色領域、緑色領域および青色領域の光を透過し、青色領域に光の透過スペクトルにおける極大値を有する画素を示す。【００２６】  例えば、画素１ａは、主として赤色領域に対して感度を有し、受光量に相当する信号を出力する。また、画素１ｂは、主として緑色領域および赤色領域に対して感度を有し、受光量に相当する信号を出力する。画素１ｃは、主として青色領域、緑色領域および赤色領域に対して感度を有し、受光量に相当する信号を出力する。
図１に示すようにカラーフィルタの配列は、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列に準じている。【００２７】  なお、本明細書では、青色領域の波長を４００ｎｍから４９０ｎｍまで、緑色領域の波長を４９０ｎｍから５８０ｎｍまで、また、赤色領域の波長を５８０ｎｍから７００ｎｍまでとする。さらに、４００ｎｍ以下の波長域を紫外線領域とし、７００ｎｍ以上の波長域を赤外線領域とする。
駆動回路２は、制御部９からのトリガ信号に基づいて、垂直走査回路３及び水平走査回路４を駆動する回路である。【００２８】  垂直走査回路３は、駆動回路２からの駆動指示により固体撮像素子１の各画素を行毎に順次アクティブ状態とし、アクティブ状態となった１行分の画素の信号を一斉に水平走査回路４に転送させる回路である。
水平走査回路４は、駆動回路２からの駆動指示により垂直走査回路３と同期して動作しており、転送されてきた１行分の信号を１列分ごとに順次アナログフロントエンド５に出力する回路である。上記の駆動回路２、垂直走査回路３及び水平走査回路４により、２次元状に配列された各画素の信号が、電圧に変換されてシリアルにアナログフロントエンド５に出力される。【００２９】  アナログフロントエンド５は、電圧信号をサンプリングし、増幅し、アナログ信号をデジタル信号へとＡＤ変換して出力する。
信号処理回路６は、いわゆるＤＳＰ（Ｄｉｄｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）であり、アナログフロントエンド５からのデジタル信号を、赤色信号、緑色信号、青色信号に変換して撮像データを生成する。【００３０】  作業用メモリ７は、具体的にはＳＤＲＡＭであり、信号処理回路６が各画素に対応するデジタル信号を各色の色信号に変換する作業を行う際に利用されるメモリである。
記録用メモリ８は、具体的にはＳＤＲＡＭであり、信号処理回路６が生成した撮影データを記録するメモリである。
制御部９は、駆動回路２及び信号処理回路６の制御を行う。例えば、ユーザからシャッタボタン押下を受け付けて、駆動回路２へトリガ信号を出力する。【００３１】  以下、固体撮像素子１における各画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造について詳細に説明する。
図２は、実施の形態１に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
各画素は、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる基板１１を基礎として、以下に説明する各層が形成されてなる。【００３２】  光電変換部形成層１２は、基板１１にＰ型不純物をイオン注入することでＰ型ウェル１６を形成し、さらに、Ｐ型ウェル１６にＮ型不純物をイオン注入することでＮ型領域である光電変換部１７を形成した層である。
絶縁層１３は、二酸化シリコン１８からなり、光電変換部形成層１２と遮光膜形成層１４とを絶縁するため、及び素子の平坦化のために設けられる。【００３３】  遮光膜形成層１４は、垂直走査回路３からの配線や、信号電荷を水平走査回路４に転送する配線などがＣＶＤ法などにより形成される層である。また、ＣＶＤ法を利用して遮光膜１９も形成され、遮光膜の開口部にＣＶＤ法などにより、素子の平坦化のため二酸化シリコン１８も形成される。
フィルタ形成層１５は、フィルタ膜２１、および二酸化シリコンからなる平坦化層２２を形成する層である。平坦化層２２の厚さは、フィルタ膜２１の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）が厚いほど薄い。【００３４】  入射光２４は、画素上部から入射され、マイクロレンズ２３により集光され、フィルタ膜２１、遮光膜１９に形成された開口部２０を経て光電変換部１７に到達する。
画素１ａへの入射光２４は、そのうちの赤色領域に極大値を持つ波長域の光がフィルタ膜２１ａを透過して光電変換部１７に到達する。また、画素１ｂへの入射光２４は、そのうちの緑色領域に極大値を持つ波長域の光が光電変換部１７に到達し、画素１ｃへの入射光は、青色領域に極大値を持つ波長域の光が光電変換部１７に到達する。【００３５】  フィルタ膜２１をそれぞれ透過した入射光２４は、遮光膜１９の開口部２０を通過する。
遮光膜１９は、ＣＶＤ法等で形成されており、隣接する画素からの散乱光が光電変換部１７に到達することを防止する目的で、光電変換部１７の直上のみを開口部２０により開口させ、その他の部分を遮光するものである。これにより光電変換部１７には、基板１１にほぼ垂直な入射光のみが到達し、斜めからの光は遮られることになる。【００３６】  光電変換部１７は、Ｐ型ウェル１６とのＰＮ接合によりフォトダイオードを形成しており、フィルタ膜２１と開口部２０とを経て到達した光の輝度に応じて信号電荷を生成する。その光電変換の機構は次のようになる。
光電変換部１７では、キャリアとなる電子がＰ型ウェルのキャリアである正孔と結合して消滅する空乏領域が形成されている。これにより、光電変換部１７の電位が相対的に上昇し、Ｐ型ウェル１６の電位が相対的に下降するため、空乏領域では内部電場が発生している状態となる。【００３７】  この状態において、入射光２４が光電変換部１７に到達すれば、光電変換により電子正孔対が生成され、内部電場により電子と正孔とが反対方向にドリフトする。即ち、電子が光電変換部１７の中心に向かってドリフトし、正孔がＰ型ウェルに向かってドリフトする。その結果、光電変換部１７に電子が蓄積され、この蓄積された電子が各画素の信号電荷となる。【００３８】  これにより、画素１ａは、入射光２４のうちの赤色領域に極大値を持つ波長域の光の輝度に応じて信号電荷を生成する。また、画素１ｂは、緑色領域に極大値を持つ波長域の光の輝度に応じて信号電荷を生成し、画素１ｃは、青色領域に極大値を持つ波長域の光の輝度に応じて信号電荷を生成する。
実施の形態１では、各フィルタ膜（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）は、アモルファスシリコンからなる単層膜である。また、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光のアモルファスシリコンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。分離すべき色とは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のことである。【００３９】  フィルタ膜での光の干渉効果だけを考慮すれば、光の透過スペクトルにおいて、フィルタ膜の光学膜厚ｎｄの２倍に相当する波長λに透過率の極大値が現れる。すなわち、フィルタ膜の光学膜厚ｎｄを、分離すべき色の波長の半波長に等しくすれば、ｎｄ＝λ／２の関係式に従って、当該波長に透過率の極大値が現れる。
しかし、実際にはフィルタ膜では光が吸収されるので、干渉効果のみならず、吸収効果も考慮しなければならない。一般的な無機物質の吸収係数は、光の波長が短いほど大きい。すなわち、光の波長が短いほど光が吸収されて透過率が低下する。そうすると、光の透過率の極大値が長波長側にシフトする。そこで、フィルタ膜の光学膜厚を、分離すべき色の光のアモルファスシリコンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整することで、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。【００４０】  ここでは、各色の波長λを、赤では６５０ｎｍ、緑では５６０ｎｍ、青では４９０ｎｍとする。そうすると、各色の波長λの半波長は、赤では３２５ｎｍ、緑では２８０ｎｍ、青では２４５ｎｍとなる。これらから、光の吸収量に応じた分だけ薄くすると、各フィルタ膜の光学膜厚は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６０ｎｍ、青では２００ｎｍとなる。光の吸収量は、アモルファスシリコンの吸収係数とフィルタ膜の光学膜厚とから求められる。【００４１】  アモルファスシリコンの屈折率は、波長６５０ｎｍ、５６０ｎｍおよび４９０ｎｍにおいて、それぞれ４．５、４．７５および５．０である。したがって、各フィルタ膜（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）は、それぞれ、ｄａ＝７０ｎｍ、ｄｂ＝５５ｎｍ及びｄｃ＝４０ｎｍとなる。
図３は、実施の形態１に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。【００４２】  曲線３１ａは、フィルタ膜２１ａの透過スペクトルを示す。曲線３１ｂは、フィルタ膜２１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３１ｃは、フィルタ膜２１ｃの透過スペクトルを示す。
フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。フィルタ膜の光学膜厚が厚くなるほど、光の透過率が極大値となる波長が長くなっている。このことから、光の透過率に極大値が現れることが、光の干渉効果によるものと推察することができる。【００４３】  また、フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過率の極大値は、それぞれ、７８％、６１％、３８％である。このように、色の波長が短いほど極大値が小さいのは、波長が短くなるほどアモルファスシリコンの吸収係数が大きくなるためと推察される。
また、ひとつのフィルタ膜の透過スペクトルに着目すれば（例えば、フィルタ膜２１ｂ：曲線３１ｂ）、透過率が極大値となる波長（５６０ｎｍ）の短波長側（３１ｄ）曲線の傾きが長波長側（３１ｅ）の曲線の傾きよりも大きい。これは、光の波長が短いほどアモルファスシリコンの吸収係数が大きいので、短波長側で透過率が低くなっているためと推察される。この吸収効果により短波長側の光がカットされやすくなるので、フィルタ膜の色分離特性を向上させることができる。【００４４】  なお、図３から分かるように、いずれのフィルタ膜も、可視光波長域（４００ｎｍ乃至７００ｎｍ）の全領域にわたり光を透過させる。そうすると、例えば、フィルタ膜２１ａを有する画素１ａから得られる信号には、色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各成分が、透過スペクトル３１ａに基づく比率で含まれていることとなる。画素１ｂ、１ｃについても同様である。【００４５】  したがって、撮像データを生成するための色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を導出するには、画素１ａ、１ｂ、１ｃから得られるデジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）に加工を施さなければならない。その方法を以下に示す。
図４は、信号処理回路の内部構成を示す図である。
信号処理回路６は、変換行列保持部６１、演算部６２、メモリ制御部６３を備える。【００４６】  変換行列保持部６１は、アナログフロントエンド５において生成されたデジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）を色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に変換する変換行列を保持する。
デジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）と、色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）とは、図５（ａ）の関係がある。
ここで、行列の各要素Ｗ１１〜Ｗ３３は、各フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルに基づく重み係数である。【００４７】  これを逆変換したものが、前記変換行列であり、デジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）と、色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）とは、図５（ｂ）の関係がある。
ここで、変換行列の各要素Ｘ１１〜Ｘ３３は、図５（ａ）の行列を逆行列変換することで得られる。
メモリ制御部６３は、作業用メモリ７及び記録用メモリ８へのアクセスを制御する。メモリ制御部６３は、アナログフロントエンド５からのデジタル信号を受けて、一旦、作業用メモリ７に格納する。作業用メモリ７に１枚分の撮影データが蓄積されたら、メモリ制御部６３は、撮影データの一部を作業用メモリ７から取得して演算部６２へ入力する。【００４８】  演算部６２は、デジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）に、変換行列保持部６１に保持されている変換行列を作用させて色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を得る。
メモリ制御部６３は、演算部６２により得られた色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を記録用メモリ８へ格納する。これにより、１枚分の撮像データが、記録用メモリ８に記録される。
図６は、デジタル信号を加工して生成された色信号スペクトルを示す。【００４９】  ＮＴＳＣの理想分光に近づくように各パラメータが決定されている。
以上説明したように、実施の形態１では、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色毎に適宜調整されている。これにより、図３に示す透過スペクトルが得られ、各フィルタ膜はカラーフィルタとして機能する。
各フィルタ膜２１は、同一物質（アモルファスシリコン）からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。【００５０】  各フィルタ膜２１は、半導体プロセスにより製造可能である。半導体プロセスを利用できれば、有機専用のカラーフィルタ製造ラインを設ける必要がない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
近年、画素間での混色の発生を防止する目的で、カラーフィルタを薄型化したいという要請がある。混色は、ある画素のカラーフィルタに斜めに入射した光が、隣接画素の光電変換部に到達してしまうことにより生じる。フィルタ膜を薄膜化することで、混色の発生を防止する効果を奏することができる。実施の形態１では、フィルタ膜２１の物理膜厚は、最大でも７０ｎｍと極めて薄くなっている。したがって、混色を効果的に防止することができる。【００５１】  また、アモルファスシリコンの屈折率は、５程度であり、通常の絶縁膜等（例えば、二酸化シリコンであれば１．４６）と比較して大きい。したがって、フィルタ膜に対して斜め光が入射したときも屈折角が小さくなり、画素間での混色の発生を抑制することができる。
さらに、アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどの遮光膜を形成した後であっても、フィルタ膜を形成することができる。したがって、製造手順の自由度を高めることができる。また、アモルファスシリコンを採用すれば、光電変換部にかかる応力を小さくすることができるので、光電変換部へのダメージを小さくすることができる。【００５２】  また、一般的な干渉フィルタは光が入射する角度が変化すると光の光路長が短くなり、干渉する波長が短波長側にずれてしまう。したがって、垂直に入射した光と斜めに入射した光では色分離機能が異なるため、固体撮像素子で用いる上で課題とされてきた。しかし、アモルファスシリコンは屈折率が５程度と大きいため、入射角３０°で入射したときのアモルファスシリコン内での屈折角は５．７°となり、斜め光による影響がほぼないことがわかる。一般的に干渉フィルタは膜厚が大きくなればなるほど斜め方向から入射する光による影響が大きくなる。しかし、実施の形態１に係るフィルタ膜の膜厚は１００ｎｍ以下で構成されるため、斜め方向から入射する光に対して影響が少ない。【００５３】  なお、フィルタ膜２１に用いられているアモルファスシリコンは、吸収材料である。本明細書では、吸収材料とは波長が４００ｎｍ乃至７００ｎｍにおいて、消衰係数が０．１以上の値をもつ波長がある材料と定義する。吸収係数αと消衰係数ｋと波長λの間には、ｋ＝α×λ／４πという関係がある。
（実施の形態２）
実施の形態２では、フィルタ膜２１の光源側主面に反射防止膜３０が形成された例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。【００５４】  図７は、実施の形態２に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
反射防止膜３０は、フィルタ膜２１の光源側主面に形成されている。反射防止膜３０は、窒化シリコンからなり、その物理膜厚は５０ｎｍである。
なお、フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの物理膜厚は、実施の形態１と同様、それぞれ７０ｎｍ、５５ｎｍ、４０ｎｍである。【００５５】  図８は、実施の形態２に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３２ａは、フィルタ膜２１ａの透過スペクトルを示す。曲線３２ｂは、フィルタ膜２１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３２ｃは、フィルタ膜２１ｃの透過スペクトルを示す。【００５６】  フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。
同じフィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態２と実施の形態１とで比較すれば（例えば、フィルタ膜２１ｂ：曲線３１ｂと曲線３２ｂ）、実施の形態２の透過率の極大値（６５％）は、実施の形態１の透過率の極大値（６１％）よりも大きい。これは、反射防止膜３０を設けることで、光の反射率が減少したためと推察される。【００５７】  入射光２４が通過する各部分の材質および屈折率は、以下のようになる。なお、屈折率は、入射光が波長５６０ｎｍの場合の値を示す。
開口部２０：          二酸化シリコン          屈折率１．４６
フィルタ膜２１：    アモルファスシリコン  屈折率４．７７
絶縁層１３：        二酸化シリコン          屈折率１．４６
光電変換部１７：      Ｎ型シリコン        屈折率４
入射光２４はマイクロレンズ２３によって集光され、開口部２０、フィルタ膜２１を経て光電変換部１７に到達する。一般的に、ある媒質から異なる媒質に入射する場合の反射率は、その２つの媒質における屈折率の比で決まる。たとえば屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が入射したときには、反射率Ｒは、以下のようになる。【００５８】  Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２））２
平坦化層として一般的に用いられている二酸化シリコン（屈折率１．４６）からアモルファスシリコン（屈折率４．７７）に光が入射した場合には、反射率は２８％であるのに対し、窒化シリコン（屈折率２．００）からアモルファスシリコン（屈折率４．７７）に光が入射した場合には反射率は１７％となる。すなわち、１０％も反射率が減少するので、その分、透過率が上昇する。そうすると、各画素において光電変換部１７に入射する光の量が増加するので、固体撮像素子１の感度が大きくなる。これは、画素の微細化に伴う感度減少を防止する方法として有効である。【００５９】  フィルタ膜２１であるアモルファスシリコン上に窒化シリコンを形成することで、感度を上昇させるのみならず、固体撮像素子１の信頼性や耐湿性を向上させる効果もある。
（実施の形態３）
実施の形態３では、フィルタ膜２１が光電変換部１７と遮光膜１９との間に存在する例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。【００６０】  図９は、実施の形態３に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
フィルタ膜２１は、光電変換部１７と遮光膜１９との間に存在している。なお、フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの物理膜厚は、実施の形態１と同様、それぞれ７０ｎｍ、５５ｎｍ、４０ｎｍである。【００６１】  フィルタ形成層１５は、フィルタ膜２１を備え、通常の半導体プロセスにより形成することができる。したがって、光電変換部形成層１２と遮光膜形成層１４との層間に挿入することができる。
さらに、配線工程以前に形成することが可能であるので、高温での処理を必要とするポリシリコンも用いることが可能となる。【００６２】  また、フィルタ膜２１は、アモルファスシリコンからなるため、光電変換部形成層１２と絶縁しなければ、光電変換部１７で生成した信号電荷がフィルタ膜２１にリークする可能性がある。そこで、フィルタ膜２１と光電変換部形成層１２との間に絶縁層１３を設けている。
以上説明したように、実施の形態３に係る画素は、実施の形態１に係る画素の効果に加えて、フィルタ膜２１は、光電変換部１７と遮光膜１９との間に設けることにより、光電変換部１７とフィルタ膜２１との間の光の干渉を抑制することが可能となる。これは、固体撮像素子１の感度の向上につながる。【００６３】  さらに、画素の微細化に伴う混色を防止する手段として有効である。
（実施の形態４）
実施の形態４では、フィルタ膜２１の製造方法について説明する。
図１０は、実施の形態４に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
図１０（ａ）は、成膜工程後の画素を示す。【００６４】  成膜工程では、遮光膜形成層１４の酸化シリコン膜の上部全体に、アモルファスシリコン膜２０１を成膜する。アモルファスシリコンは、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコン膜２０１の膜厚が７０ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。【００６５】  図１０（ｂ）は、第１塗布工程後の画素を示す。
第１塗布工程では、成膜工程により成膜されたアモルファスシリコン膜２０１の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）２０２を塗布する。
図１０（ｃ）は、第１露光・現像工程後の画素を示す。
第１露光・現像工程では、第１塗布工程により塗布されたフォトレジスト２０２に、一定パターンのマスクをかけて露光し、感光部分を除去し、残留部分のフォトレジストを硬化させる。これにより、画素１ｃの領域のみフォトレジスト２０２を除去することができる。【００６６】  図１０（ｄ）は、第１エッチング工程後の画素を示す。
第１エッチング工程では、第１露光・現像工程の後に、アモルファスシリコン膜２０１にドライエッチングを施す。これにより、アモルファスシリコン膜２０１の画素１ｃの領域がエッチングされる。ここで、画素１ｃのアモルファスシリコン膜２０１の膜厚が４０ｎｍにまで薄膜化すれば、エッチングを停止する。【００６７】  なお、ドライエッチングによる膜厚制御は、３％の精度で行うことができる。
図１０（ｅ）は、第２塗布工程後の画素を示す。
これにより、第１エッチング工程によりエッチングが施されたアモルファスシリコン膜２０１の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）２０３が塗布される。
図１０（ｆ）は、第２露光・現像工程後の画素を示す。【００６８】  これにより、画素１ｂの領域のみフォトレジスト２０２を除去することができる。
図１０（ｇ）は、第２エッチング工程後の画素を示す。
これにより、アモルファスシリコン膜２０１の画素１ｂの領域がエッチングされる。ここで、画素１ｂのアモルファスシリコン膜２０１の膜厚が５５ｎｍにまで薄膜化すれば、エッチングを停止する。【００６９】  図１０（ｈ）は、フォトレジスト除去工程後の画素を示す。
フォトレジスト除去工程では、不要となったフォトレジスト２０３を除去する。
以上説明したように、各フィルタ膜は同一物質（アモルファスシリコン）からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。【００７０】  また、各フィルタ膜は半導体プロセスを利用して形成される。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
実施の形態４では、アモルファスシリコンの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどで遮光膜を形成した後に形成することができる。【００７１】  図１１は、実施の形態４に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
上記製造方法を採用することで、アモルファスシリコン膜２０１に、１０ｎｍ以下の自然酸化膜などの酸化膜２１１が形成されることがある。しかし、酸化膜２１１の膜厚は１０ｎｍ以下と極めて薄いので、透過スペクトルにはほとんど影響が出ない。酸化膜の膜厚も考慮してデバイスを設計することにより、優れた色分離特性を得ることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５では、フィルタ膜２１の製造方法について説明する。【００７２】  図１２は、実施の形態５に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
図１２（ａ）は、第１成膜工程後の画素を示す。
第１成膜工程では、遮光膜形成層１４の酸化シリコン膜の上部全体に、アモルファスシリコン膜３０１を成膜する。アモルファスシリコンは、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコン膜３０１の膜厚が１５ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。【００７３】  図１２（ｂ）は、第１露光・現像工程後の画素を示す。
第１成膜工程により成膜されたアモルファスシリコン膜３０１の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）３０２を塗布し、ステッパを用いて露光を行い、画素１ｂ、１ｃの領域のフォトレジスト３０２を除去する。
図１２（ｃ）は、第１エッチング工程後の画素を示す。【００７４】  第１エッチング工程では、第１露光・現像工程の後に、アモルファスシリコン膜３０１にドライエッチングを施す。これにより、アモルファスシリコン膜３０１のうち画素１ｂ、１ｃの領域が除去される。
図１２（ｄ）は、第１フォトレジスト除去工程後の画素を示す。
第１フォトレジスト除去工程では、不要となったフォトレジスト３０２を除去する。これにより、画素１ａの領域に、膜厚１５ｎｍのアモルファスシリコン膜３０１が形成される。【００７５】  図１２（ｅ）は、第２成膜工程後の画素を示す。
第２成膜工程では、第１フォトレジスト除去工程後に、アモルファスシリコン膜３０３を成膜する。アモルファスシリコン膜３０３の膜厚が１５ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。これにより、画素１ａ、１ｂ及び１ｃのアモルファスシリコン膜３０３の膜厚は、それぞれ３０ｎｍ、１５ｎｍ、１５ｎｍとなる。【００７６】  図１２（ｆ）は、第２露光・現像工程後の画素を示す。
第２成膜工程により成膜されたアモルファスシリコン膜３０３の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）３０４を塗布し、ステッパを用いて露光を行い、画素１ｃの領域のフォトレジスト３０４を除去する。
図１２（ｇ）は、第２エッチング工程後の画素を示す。【００７７】  これにより、アモルファスシリコン膜３０３のうち画素１ｃの領域が除去される。
図１２（ｈ）は、第２フォトレジスト除去工程後の画素を示す。
これにより、画素１ａの領域に膜厚３０ｎｍのアモルファスシリコン膜、画素１ｂの領域に膜厚１５ｎｍのアモルファスシリコン膜が生成される。
図１２（ｉ）は、第３成膜工程後の画素を示す。【００７８】  ここで形成するアモルファスシリコンの膜厚は４０ｎｍである。これにより、各画素１ａ、１ｂ及び１ｃにおけるフィルタ膜２１の膜厚がそれぞれ７０ｎｍ、５５ｎｍ、４０ｎｍとなる。
この状態においては、３種類の膜厚７０ｎｍ、５５ｎｍおよび４０ｎｍが得られており、フィルタ膜２１が形成された状態となる。つまり、画素１ａの領域に膜厚７０ｎｍのアモルファスシリコン膜、画素１ｂの領域に膜厚５５ｎｍのアモルファスシリコン膜、そして、画素１ｃの領域に膜厚４０ｎｍのアモルファスシリコン膜が形成されている。【００７９】  以上説明したように各フィルタ膜は同一物質（アモルファスシリコン）からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
また、各フィルタ膜は半導体プロセスを利用して形成される。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。【００８０】  また、実施の形態５では、成膜工程により膜厚を制御するため、実施の形態４に記載したエッチングにより膜厚を制御する方法と比較して、膜厚の面内ばらつきが低減される。すなわち、膜厚の精度を高めることができる。
実施の形態５では、アモルファスシリコンの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどで遮光膜を形成した後に形成することができる。【００８１】  図１３は、実施の形態５に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
上記製造方法を採用することで、アモルファスシリコン膜３０１、３０３、３０５の膜上に自然酸化膜などの酸化膜２１１が形成されることがある。しかし、酸化膜２１１の膜厚は１０ｎｍ以下と極めて薄いので、透過スペクトルにはほとんど影響が出ない。酸化膜の膜厚も考慮してデバイスを設計することにより、優れた色分離特性を得ることができる。【００８２】  なお、実施の形態５では、図１２（ｉ）の段階でフィルタ膜を完成させている。しかし、図１２（ｈ）の段階でフィルタ膜を完成したこととしても構わない。
図１２（ｈ）のフィルタ膜は、３種類の膜厚が、３０ｎｍ、１５ｎｍおよび０ｎｍとなる。この構成では、画素１ａ、１ｂ及び１ｃで、２色（３０ｎｍ、１５ｎｍ）と白色（０ｎｍ）と透過帯域波長を異なるものにすることができ、カラーフィルタを実現することができる。当該カラーフィルタは、アモルファスシリコンの膜厚が３０ｎｍ程度と極めて薄く、光の吸収が少なく透過光量が多い。したがって、高感度の固体撮像素子を得ることができる。【００８３】  一方、図１２（ｉ）における構造では、干渉効果と吸収効果とを用いて色分離される。図１２（ｈ）の構造と比較すれば、アモルファスシリコンによる吸収のため透過光量は減少するが、色再現性が高い固体撮像素子を得ることができる。
図１２（ｈ）、（ｉ）のいずれも３つの異なる透過波長帯域を得ることができ、色分離を実現することができる。図１２（ｈ）は透過光量が多いので高感度を重要視する分野へ、図１２（ｉ）は色再現性を重視する分野へ応用することが可能となる。【００８４】  （実施の形態６）
実施の形態６では、フィルタ膜５１が二酸化チタンからなる例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
図１４は、実施の形態５に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。【００８５】  実施の形態６では、各フィルタ膜（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）は、二酸化チタンからなる単層膜である。また、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の二酸化チタンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。
このようにすることで、実施の形態１でも述べたように、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。【００８６】  二酸化チタンは、アモルファスシリコンと異なり、可視光波長域（４００ｎｍ乃至７００ｎｍ）においてほとんど吸収がなく、消衰係数がほぼ０である。したがって、光の吸収に応じた補正分がほぼ０である。
ここでは、各色の波長λを、赤では６３０ｎｍ、緑では５３０ｎｍ、青では４７０ｎｍとする。そうすると、各色の波長λの半波長は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６５ｎｍ、青では２３５ｎｍとなる。光の吸収量に応じた補正分はほぼ０なので、各フィルタ膜の光学膜厚は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６５ｎｍ、青では２３５ｎｍとなる。【００８７】  二酸化チタンの屈折率は、波長６３０ｎｍ、５３０ｎｍおよび４７０ｎｍにおいて、それぞれ２．４６、２．５３および２．６０である。したがって、各フィルタ膜（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）は、それぞれ、ｄａ＝１２５ｎｍ、ｄｂ＝１０５ｎｍ及びｄｃ＝９０ｎｍとなる。
図１５は、実施の形態６に係るフィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃの透過スペクトルを示す図である。【００８８】  曲線３３ａは、フィルタ膜５１ａの透過スペクトルを示す。曲線３３ｂは、フィルタ膜５１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３３ｃは、フィルタ膜５１ｃの透過スペクトルを示す。
フィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、それぞれ、赤色の波長６３０ｎｍ、緑色の波長５３０ｎｍ、青色の波長４７０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。フィルタ膜の光学膜厚が厚くなるほど、光の透過率が極大値となる波長が長くなっている。このことから、光の透過率に極大値が現れることが、光の干渉効果によるものと推察することができる。【００８９】  また、フィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃの透過率の極大値は、それぞれ、９６％、９６％、９６％である。このように、色の波長に関わらず極大値がほぼ一定なのは、二酸化チタンの吸収係数が波長に関わらず一定であるためと推察される。
また、フィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態６と実施の形態１とで比較すれば、実施の形態６の透過率は、実施の形態１の透過率よりも大きい。これは、二酸化チタンの吸収係数が可視光波長域においてほぼ０であるためと推察される。【００９０】  このように、二酸化チタンは、可視光波長域においてほとんど吸収がないので、アモルファスシリコンにおいて透過率が低下していた短波長側においても高い透過率を得ることができる。その結果、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
以上説明したように、実施の形態６では、各フィルタ膜５１は、透明材料である二酸化チタンからなるので、固体撮像素子の感度を向上させることができる。これ以外の効果については、実施の形態１と同様である。本明細書では、透明材料とは波長が４００ｎｍ乃至７００ｎｍにおいて、消衰係数が０．０５以下の値をもつ波長がある材料と定義する。【００９１】  （実施の形態７）
実施の形態７では、フィルタ膜６１がアモルファスシリコンの酸化物からなる例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
図１６は、実施の形態７に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。【００９２】  実施の形態７では、各フィルタ膜（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）がアモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘからなる点で、実施の形態１と異なる。さらに、実施の形態７では、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘの組成を調整することにより、フィルタ膜（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）の屈折率を調整している点で、実施の形態１と異なる。
各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光のアモルファスシリコンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。この点については、実施の形態１と同様である。このようにすることで、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。【００９３】  ここでは、各色の波長λを、赤では６５０ｎｍ、緑では５６０ｎｍ、青では４９０ｎｍとする。そうすると、各色の波長λの半波長は、赤では３２５ｎｍ、緑では２８０ｎｍ、青では２４５ｎｍとなる。これらから、光の吸収量に応じた分だけ薄くすると、各フィルタ膜の光学膜厚は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６５ｎｍ、青では２３５ｎｍとなる。光の吸収量は、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘの吸収係数とフィルタ膜の光学膜厚とから求められる。【００９４】  フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃを構成するアモルファスシリコン酸化物ＳｉＯｘの屈折率ｎａ、ｎｂ、ｎｃは、それぞれ４．５、４．２５および４．０に調整されている。屈折率の調整は、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘを成膜する際に、酸素添加量を調整することで実施可能である。ＳｉＯｘは、酸素添加量が多いほど、屈折率が小さくなる。【００９５】  そうすると、各フィルタ膜（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）は、それぞれ、ｄａ＝７０ｎｍ、ｄｂ＝６２ｎｍ及びｄｃ＝５９ｎｍとなる。
各フィルタ膜の膜厚差を実施の形態７と実施の形態１とで比較すれば、実施の形態７の膜厚差は、実施の形態１の膜厚差よりも小さい。これは、実施の形態７では、各フィルタ膜の屈折率を、分離すべき色の波長が短いほど小さく調整したためである。このように、膜厚差を小さくすることで、平坦化層２２やマイクロレンズ２３の形成を容易にすることができる。【００９６】  図１７は、実施の形態７に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３４ａは、フィルタ膜６１ａの透過スペクトルを示す。曲線３２ｂは、フィルタ膜６１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３４ｃは、フィルタ膜６１ｃの透過スペクトルを示す。【００９７】  フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。
また、フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過率の極大値は、それぞれ、７９％、６４％、４３％である。同じフィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態７と実施の形態１とで比較すれば（例えば、曲線３４ｂと曲線３１ｂ）、実施の形態７の透過率の極大値（６４％）は、実施の形態１の透過率の極大値（６１％）よりも大きい。これは、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘの吸収係数がアモルファスシリコンの吸収係数よりも小さいために、透過率が上昇したものと推察される。【００９８】  なお、フィルタ膜の膜厚差を、フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの中の最大膜厚の１５％以内とすることで、素子の平坦化をさらに容易にすることができる。
（実施の形態８）
実施の形態８では、フィルタ膜６１の光源側主面に反射防止膜３０が形成された例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態７と同様なので説明を省略する。【００９９】  図１８は、実施の形態８に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
反射防止膜３０は、フィルタ膜６１の光源側主面に形成されている。反射防止膜３０は、窒化シリコンからなり、その物理膜厚は５０ｎｍである。
なお、フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの物理膜厚は、実施の形態７と同様、それぞれ７０ｎｍ、６２ｎｍ、５９ｎｍである。【０１００】  図１９は、実施の形態８に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３５ａは、フィルタ膜６１ａの透過スペクトルを示す。曲線３５ｂは、フィルタ膜６１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３５ｃは、フィルタ膜６１ｃの透過スペクトルを示す。【０１０１】  フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。
同じフィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態８と実施の形態７とで比較すれば（例えば、フィルタ膜６１ｂ：曲線３５ｂと曲線３４ｂ）、実施の形態８の透過率の極大値（６７％）は、実施の形態７の透過率の極大値（６４％）よりも大きい。これは、反射防止膜３０を設けることで、光の反射率が減少したためと推察される。【０１０２】  入射光２４が通過する各部分の材質および屈折率は、以下のようになる。なお、屈折率は、入射光が波長５６０ｎｍの場合の値を示す。
開口部２０：          二酸化シリコン          屈折率１．４６
フィルタ膜６１：    アモルファスシリコンの酸化物      屈折率４〜５
絶縁層１３：          二酸化シリコン          屈折率１．４６
光電変換部１７：      Ｎ型シリコン        屈折率４
入射光２４はマイクロレンズ２３によって集光され、開口部２０、フィルタ膜６１を経て光電変換部１７に到達する。一般的に、ある媒質から異なる媒質に入射する場合の反射率は、その２つの媒質における屈折率の比で決まる。たとえば屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が入射したときには、反射率Ｒは、以下のようになる。【０１０３】  Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２））２
平坦化層として一般的に用いられている二酸化シリコン（屈折率１．４６）からアモルファスシリコンの酸化物（屈折率４〜５）に光が入射した場合には、反射率は２５％前後であるのに対し、窒化シリコン（屈折率２．００）からアモルファスシリコンの酸化物（屈折率４〜５）に光が入射した場合には反射率は１５％前後となる。すなわち、１０％も反射率が減少するので、その分、透過率が上昇する。そうすると、各画素において光電変換部１７に入射する光が増加するので、固体撮像素子１の感度が大きくなる。これは、画素の微細化に伴う感度減少を防止する方法として有効である。【０１０４】  感度を上昇させるのみならず、フィルタ膜６１であるアモルファスシリコンの酸化物上に窒化シリコンを形成することで、固体撮像素子１の信頼性や耐湿性を向上させることもできる。
反射防止膜３０がフィルタ膜６１の主面に形成されることで反射率が低下した場合に、フィルタ膜６１の透過率の極大値を示す波長が長波長側にシフトする場合がある。その場合には、フィルタ膜６１の光学膜厚、又は、変換行列の重み係数を補正する必要がある。
（実施の形態９）
実施の形態９では、各フィルタ膜７１の吸収係数の波長分布が異なる例を説明する。【０１０５】  図２０は、実施の形態９に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
実施の形態９では、各フィルタ膜（７１ａ、７１ｂ、７１ｃ）は、それぞれアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる。すなわち、分離すべき色の波長が短いほど、可視光波長域での光の吸収係数が小さな無機物質からなるようにしてある。フィルタ膜７１ａ、７１ｂ、７１ｃを構成する各々の物質は、可視光波長域での吸収係数が異なるため、光の透過率が大きく異なる。【０１０６】  図２１は、実施の形態９に係るフィルタ膜７１ａ、７１ｂ、７１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３６ａは、フィルタ膜７１ａの透過スペクトルを示す。曲線３６ｂは、フィルタ膜７１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３６ｃは、フィルタ膜７１ｃの透過スペクトルを示す。【０１０７】  アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、成長方法や成長温度を調整することにより、光の吸収係数の波長分布を異ならせることができる。すなわち、波長に対する透過率が異なる。ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）についても同様である。したがって、図２１に示すように可視光波長域おいて透過率が異なってくる。この透過スペクトルに応じて変換行列の各係数Ｘ１１〜Ｘ３３を決定することで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の信号を得ることができる。【０１０８】  以上説明したように、実施の形態９に係るフィルタ膜は、色別に異なる光の吸収係数に調整することにより透過光の波長域を定めることができる。
（実施の形態１０）
実施の形態１０では、フィルタ膜６１の製造方法について説明する。
図２２は、実施の形態１０に係るフィルタ膜６１の製造方法を示す工程断面図である。【０１０９】  図２２（ａ）は、第１塗布工程後の画素を示す。
第１塗布工程では、遮光膜形成層１４の酸化シリコン膜の上部全体に、フォトレジスト（ＰＲ）４０１を塗布する。
図２２（ｂ）は、第１露光・現像工程後の画素を示す。
第１露光・現像工程では、第１塗布工程により塗布されたフォトレジスト４０１に、一定パターンのマスクをかけて露光し、感光部分を除去し、残留部分のフォトレジストを硬化させる。これにより、画素１ａの領域のみフォトレジスト４０１を除去することができる。【０１１０】  図２２（ｃ）は、第１成膜工程後の画素を示す。
第１成膜工程では、第１露光・現像工程後に、アモルファスシリコンの酸化物４０２を成膜する。アモルファスシリコンの酸化物は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときに屈折率が４．５の組成となるように酸素流量を調節する。成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンの酸化物４０２の膜厚が７０ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。【０１１１】  図２２（ｄ）は、第１剥離工程後の画素を示す。
第１剥離工程では、第１露光・現像工程において残存させたフォトレジスト４０１を剥離する。これに伴い、フォトレジスト４０１上に成膜されていたアモルファスシリコンの酸化物４０２も除去される。
図２２（ｅ）は、第２塗布工程後の画素を示す。【０１１２】  第２塗布工程では、第１剥離工程後に、フォトレジスト（ＰＲ）４０３を塗布する。
図２２（ｆ）は、第２露光・現像工程後の画素を示す。
第２露光・現像工程では、第２塗布工程により塗布されたフォトレジスト４０３に、一定パターンのマスクをかけて露光し、感光部分を除去し、残留部分のフォトレジストを硬化させる。これにより、画素１ｂの領域のみフォトレジスト４０３を除去することができる。【０１１３】  図２２（ｇ）は、第２成膜工程後の画素を示す。
第２成膜工程では、第２露光・現像工程後に、アモルファスシリコンの酸化物４０４を成膜する。アモルファスシリコンの酸化物は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときに屈折率が４．２５の組成となるように酸素流量を調節する。成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンの酸化物４０４の膜厚が６２ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。【０１１４】  図２２（ｈ）は、第２剥離工程後の画素を示す。
第２剥離工程では、第２露光・現像工程において残存させたフォトレジスト４０３を剥離する。これに伴い、フォトレジスト４０３上に成膜されていたアモルファスシリコンの酸化物４０４も除去される。
図２２（ｉ）は、第３剥離工程後の画素を示す。【０１１５】  第２剥離工程に引き続き、上記と同様の工程を経て、アモルファスシリコンの酸化物４０５を形成することができる。アモルファスシリコンの酸化物４０５の膜厚は５９ｎｍ設定されている。
以上説明したように、各フィルタ膜は組成が異なるだけなので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。【０１１６】  また、各フィルタ膜は半導体プロセスを利用して形成される。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
以上、本発明に係る固体撮像素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施の形態１では、ｄａ＝７０ｎｍ、ｄｂ＝５５ｎｍおよびｄｃ＝４０ｎｍの場合のみに関して議論を行ったが、この限りではない。フィルタ膜の物理膜厚ｄａ、ｄｂおよびｄｃがｄａ＞ｄｂ＞ｄｃの関係を満たし、かつ、０＜ｄｃ＜１００、１０＜ｄｂ＜１５０、２０＜ｄａ＜２００の関係が満たされれば、変換行列の重み係数を調整することでＲＧＢの色分離を実現することができる。【０１１７】  さらに、実施の形態１では、フィルタ膜２１ｃが存在するが、フィルタ膜２１ｃが存在しなくても、変換行列における重み係数を調整することでＲＧＢの色分離を実現することができる。実施の形態６についても同様である。
また、光の透過率を向上させるためには、それぞれの物理膜厚をさらに薄膜化することで実現することができる。
（２）実施の形態２では、フィルタ膜２１の主面に反射防止膜３０を形成している。反射防止膜３０を形成することで、フィルタ膜２１の透過率の極大値を示す波長が長波長側にシフトすることがある。その場合には、フィルタ膜２１の光学膜厚、又は、変換行列の重み係数を補正することにより、適切な色分離を実現することができる。
（３）実施の形態４では、フィルタ材料がアモルファスシリコンを用いた場合のみを示したが、ポリシリコン、単結晶シリコンもしくはシリコンを主成分とする材料を用いてもかまわない。実施の形態５についても同様である。
（４）実施の形態６では、フィルタ膜を構成する透明材料として、二酸化チタンを示したが、これに限らない。例えば、酸化タンタル（五酸化タンタルなど）または酸化ニオブ（五酸化ニオブなど）であっても高感度な固体撮像素子を実現することができる。
（５）実施の形態６についても、フィルタ膜５１の主面に反射防止膜を形成してもよい。これにより、さらなる感度の向上を図ることができる。反射防止膜を構成する物質としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコンおよび酸化シリコンなどを用いることができる。【０１１８】  反射防止膜がフィルタ膜５１の主面に形成されることで反射率が低下した場合に、フィルタ膜５１の透過率の極大値を示す波長が長波長側にシフトする場合がある。その場合には、フィルタ膜５１の光学膜厚、又は、変換行列の重み係数を補正する必要がある。
（６）実施の形態６では、ｄａ＝１２５ｎｍ、ｄｂ＝１０５ｎｍおよびｄｃ＝９０ｎｍの場合のみに関して議論を行ったが、この限りではない。フィルタ膜の物理膜厚ｄａ、ｄｂおよびｄｃがｄａ＞ｄｂ＞ｄｃの関係を満たし、０＜ｄｃ＜２００、５０＜ｄｂ＜２５０、７５＜ｄａ＜３００の関係が満たされれば、変換行列の重み係数を調整することでＲＧＢの色分離を実現することができる。
（７）実施の形態では、可視光波長域におけるカラーフィルタの特性のみに関して示したが、赤外や紫外領域などの波長域においてもカラーフィルタの膜厚を適宜変化させることで異なる波長帯域の光を透過させることが可能となる。
（８）実施の形態では、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。カラー撮像素子用途の場合には、上記の光学膜厚がとり得る範囲は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】  本発明は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの固体撮像素子に利用することができる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年1月26日(2007.1.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有する固体撮像素子であって、
各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、
各フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であって、
各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されていること
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の光の波長における前記無機物質の吸収係数が大きいほど薄く調整されていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記フィルタ膜を構成する無機物質は、各画素間で同一であること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記各フィルタ膜を構成する無機物質は、分離すべき色毎に異なり、前記各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど屈折率が小さな無機物質からなること  
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記フィルタ膜を構成する無機物質の屈折率は、３以上であること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記フィルタ膜を構成する無機物質は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン、又は、これらを主成分とする物質であること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記フィルタ膜を構成する無機物質は、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブであること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜の光源側に隣接配置された、当該フィルタ膜よりも小さな屈折率を有する反射防止膜を備えること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記反射防止膜は、窒化シリコン、二酸化シリコン又は酸化窒化シリコンからなること
を特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記光電変換部は、基板の一部に形成されており、
前記各画素は、さらに、前記基板を覆い、前記光電変換部に対応する位置に開口を有する遮光膜を備え、
前記フィルタ膜は、前記遮光膜と前記基板との間に配されていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記固体撮像素子は、各フィルタ膜の光電変換部側主面が同一面上に配されるように、前記複数の画素を配置してなり、
前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜よりも光源側に平坦化層を備え、
前記平坦化層の厚さは、当該フィルタ膜の物理膜厚が厚いほど薄いこと
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記各画素は、さらに、前記平坦化層の光源側主面に配されたマイクロレンズを備えること
を特徴とする請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
複数の画素を有する固体撮像素子であって、
各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、
前記フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であり、
前記フィルタ膜の光学膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内で分離すべき色毎に定められていること
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項１４】
複数の画素を有する固体撮像素子であって、
各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、
各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど、可視光波長域での光の吸収係数が小さな無機物質からなること
を特徴とする固体撮像素子。
【請求項１５】
前記各フィルタ膜は、無機物質の組成を異ならせることにより、光の吸収係数を異ならせていること
を特徴とする請求項１４に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されていること
を特徴とする請求項１４に記載の固体撮像素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像素子に関し、特に、色分離を行うフィルタ膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は、複数の画素からなり、各画素は、フィルタ膜と光電変換部とを備えている。フィルタ膜は、光の色分離をする目的で設けられる。例えば、原色フィルタであれば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のフィルタ膜が設けられ、補色フィルタであれば、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黄（Ｙ）、緑（Ｇ）の各色のフィルタ膜が設けられる。光電変換部は、フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する。変換された電荷量は、光電変換部の受光量に相当する信号として外部出力される（特許文献１）。
【０００３】
従来のフィルタ膜は、有機物質である顔料や染料が分散されたアクリル等の透明樹脂等からなる（特許文献２）。すなわち各色に応じた顔料や染料を用いることにより色分離を実現している。
【特許文献１】特開平５−６９８６号公報
【特許文献２】特開平７−３１１３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記フィルタ膜は、以下に示す問題を有している。
第１の問題は、フィルタ膜が有機物質からなるため、耐光性が十分とはいえないことである。例えば、有機顔料は、光にさらされることで退色しやすいという特性を有する。退色が生じれば、フィルタ膜の透過特性が変化して、色分離が適切に行えなくなる。
第２の問題は、顔料等を分散してなるフィルタ膜の薄膜化が困難なことである。このようなフィルタ膜は、薄膜化するほど透明度が高まるので、フィルタ膜の色分離特性が低下するからである。また、顔料を用いる場合には、顔料の粒径による薄膜化の制約もある。フィルタ膜の薄膜化は、画素間での混色を防止する手段として有効である。近年、画素の微細化に伴い混色が発生しやすい状況にあり、フィルタ膜の薄膜化に対する要請が益々高まっている。
【０００５】
そこで、本発明は、従来よりも耐光性に優れ、かつ、薄膜化が可能なフィルタ膜を備えた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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、各フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であって、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成によれば、フィルタ膜は、無機物質からなる。したがって、従来よりも耐光性が優れている。また、フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。このようにすれば、フィルタ膜の透過スペクトルにおいて、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。したがって、フィルタ膜の色分離特性を低下させることなく、フィルタ膜の光学膜厚を各色の波長の半波長程度と極めて薄くすることができる。
【０００８】
また、前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の光の波長における前記無機物質の吸収係数が大きいほど薄く調整されていることとしてもよい。
上記構成によれば、光の吸収係数が大きいことによるフィルタ膜の透過率の低下を軽減することができる。
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質は、各画素間で同一であることとしてもよい。
【０００９】
上記構成によれば、各フィルタ膜は同一物質からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
また、前記各フィルタ膜を構成する無機物質は、分離すべき色毎に異なり、前記各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど屈折率が小さな無機物質からなることとしてもよい。
【００１０】
上記構成によれば、分離すべき色が異なる画素間で、フィルタ膜の物理膜厚の差分を小さくすることができる。したがって、フィルタ膜が形成された層の平坦化を容易に行うことができる。
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質の屈折率は、３以上であることとしてもよい。
【００１１】
フィルタ膜の屈折率を３以上とすることで、フィルタ膜に対して斜め光が入射したときも屈折角が小さくなり、画素間での混色の発生を抑制することができる。
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン、又は、これらを主成分とする物質であることとしてもよい。
アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン又はシリコンを主成分とする物質は、吸収係数が大きい。したがって、フィルタ膜を極めて薄くした場合でも、色分離を実現することができる。
【００１２】
また、アモルファスシリコン、ポリシリコン、単結晶シリコン又はシリコンを主成分とする物質の屈折率は、４乃至５程度であり、通常の絶縁膜等（例えば、二酸化シリコンであれば１．４６）と比較して大きい。したがって、フィルタ膜に対して斜め光が入射したときも屈折角が小さくなり、画素間での混色の発生を抑制することができる。
さらに、アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどの遮光膜を形成した後であっても、フィルタ膜を形成することができる。したがって、製造手順の自由度を高めることができる。また、アモルファスシリコンを採用すれば、光電変換部にかかる応力を小さくすることができるので、光電変換部へのダメージを小さくすることができる。
【００１３】
また、前記フィルタ膜を構成する無機物質は、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブであることとしてもよい。
酸化チタン（二酸化チタンなど）、酸化タンタル（五酸化タンタルなど）又は酸化ニオブ（五酸化ニオブなど）は、可視光領域において光の吸収係数が小さい。したがって、フィルタ膜の透過率を向上させることができる。その結果、固体撮像素子の感度の向上を実現することができる。
【００１４】
さらに、酸化チタン、酸化タンタル又は酸化ニオブは、誘電体材料の中では屈折率も２以上と大きいので、干渉フィルタを形成する材料として適しているといえる。
また、前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜の光源側に隣接配置された、当該フィルタ膜よりも小さな屈折率を有する反射防止膜を備えることとしてもよい。
上記構成によれば、入射光が通過する媒質間における屈折率の差が小さくなり、入射光のフィルタ膜表面での反射が低減され、感度の向上を図ることができる。また、反射抑制膜の膜厚を変化させることで、フィルタ膜の光の透過率のピーク波長を制御することができ、色分離特性を向上させるとともに、設計の自由度を向上させることができる。
【００１５】
また、前記反射防止膜は、窒化シリコン、二酸化シリコン又は酸化窒化シリコンからなることとしてもよい。
上記構成によれば、反射抑制膜を半導体プロセスにより製造することができるので、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
また、前記光電変換部は、基板の一部に形成されており、前記各画素は、さらに、前記基板を覆い、前記光電変換部に対応する位置に開口を有する遮光膜を備え、前記フィルタ膜は、前記遮光膜と前記基板との間に配されていることとしてもよい。
【００１６】
上記構成によれば、光電変換部とフィルタ膜との間の光の干渉を抑制することが可能となり、感度を向上させることができる。さらに、混色を防止する手段としても有効である。遮光膜と光電変換部の間にフィルタ膜を形成することは、フィルタ膜の物理膜厚が極めて薄いので容易である。
また、前記固体撮像素子は、各フィルタ膜の光電変換部側主面が同一面上に配されるように、前記複数の画素を配置してなり、前記各画素は、さらに、前記フィルタ膜よりも光源側に平坦化層を備え、前記平坦化層の厚さは、当該フィルタ膜の物理膜厚が厚いほど薄いこととしてもよい。
【００１７】
上記構成によれば、平坦化層の光源側主面を画素間で平坦化することができる。これにより、デバイスの拡張性を高めることができる。
また、前記各画素は、さらに、前記平坦化層の光源側主面に配されたマイクロレンズを備えることとしてもよい。
上記構成によれば、光の集光効率が高まり、感度を向上させることができる。
【００１８】
本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、前記フィルタ膜は、無機物質からなる単層膜であり、前記フィルタ膜の光学膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内で分離すべき色毎に定められている。
上記構成によれば、フィルタ膜は、無機物質からなる。したがって、従来よりも耐光性が優れている。また、フィルタ膜の光学膜厚は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。このようにすれば、フィルタ膜の透過スペクトルにおいて、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。したがって、フィルタ膜の色分離特性を低下させることなく、フィルタ膜の光学膜厚を各色の波長の半波長程度と極めて薄くすることができる。
【００１９】
本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素を有する固体撮像素子であって、各画素は、色分離を行うフィルタ膜と、当該フィルタ膜を透過した光を電荷に変換する光電変換部とを備え、各フィルタ膜は、分離すべき色の波長が短いほど、可視光波長域での光の吸収係数が小さな無機物質からなる。
上記構成によれば、フィルタ膜は、無機物質からなるので、従来よりも耐光性が優れている。
【００２０】
また、前記各フィルタ膜は、無機物質の組成を異ならせることにより、光の吸収係数を異ならせていることとしてもよい。
上記構成によれば、色毎の無機物質の材料はそれぞれ同一であるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。さらに、フィルタ膜の形成段階で、色毎に組成を異ならせるだけなので、色毎の顔料を透明樹脂に分散させる追加工程が必要な従来のフィルタ膜に比べて、フィルタ膜を容易に製造することができる。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
【００２１】
また、前記各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、前記分離すべき色の光の前記無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されていることとしてもよい。
上記構成によれば、フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。このようにすれば、フィルタ膜の透過スペクトルにおいて、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。したがって、フィルタ膜の色分離特性を低下させることなく、フィルタ膜の光学膜厚を各色の波長の半波長程度と極めて薄くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施の形態に本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るカメラシステムの構成を示す図である。
カメラシステムは、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載され撮像データを生成するものであり、固体撮像素子１、駆動回路２、垂直走査回路３、水平走査回路４、アナログフロントエンド５、信号処理回路６、作業用メモリ７、記録用メモリ８及び制御部９を備えている。
【００２３】
固体撮像素子１は、いわゆるＭＯＳ型イメージセンサであり、複数の画素（１ａ、１ｂ、１ｃ等）を有する。図１の各画素には「Ｒ」、「ＲＧ」、「ＲＧＢ」と表記されている。「Ｒ」は、可視光波長域のうち赤色領域の光を透過し、赤色領域に光の透過スペクトルにおける極大値を有する画素を示す。「ＲＧ」は、可視光波長域のうち赤色領域および緑色領域の光を透過し、緑色領域に光の透過スペクトルにおける極大値を有する画素を示す。「ＲＧＢ」は、可視光波長域のうち赤色領域、緑色領域および青色領域の光を透過し、青色領域に光の透過スペクトルにおける極大値を有する画素を示す。
【００２４】
例えば、画素１ａは、主として赤色領域に対して感度を有し、受光量に相当する信号を出力する。また、画素１ｂは、主として緑色領域および赤色領域に対して感度を有し、受光量に相当する信号を出力する。画素１ｃは、主として青色領域、緑色領域および赤色領域に対して感度を有し、受光量に相当する信号を出力する。
図１に示すようにカラーフィルタの配列は、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列に準じている。
【００２５】
なお、本明細書では、青色領域の波長を４００ｎｍから４９０ｎｍまで、緑色領域の波長を４９０ｎｍから５８０ｎｍまで、また、赤色領域の波長を５８０ｎｍから７００ｎｍまでとする。さらに、４００ｎｍ以下の波長域を紫外線領域とし、７００ｎｍ以上の波長域を赤外線領域とする。
駆動回路２は、制御部９からのトリガ信号に基づいて、垂直走査回路３及び水平走査回路４を駆動する回路である。
【００２６】
垂直走査回路３は、駆動回路２からの駆動指示により固体撮像素子１の各画素を行毎に順次アクティブ状態とし、アクティブ状態となった１行分の画素の信号を一斉に水平走査回路４に転送させる回路である。
水平走査回路４は、駆動回路２からの駆動指示により垂直走査回路３と同期して動作しており、転送されてきた１行分の信号を１列分ごとに順次アナログフロントエンド５に出力する回路である。上記の駆動回路２、垂直走査回路３及び水平走査回路４により、２次元状に配列された各画素の信号が、電圧に変換されてシリアルにアナログフロントエンド５に出力される。
【００２７】
アナログフロントエンド５は、電圧信号をサンプリングし、増幅し、アナログ信号をデジタル信号へとＡＤ変換して出力する。
信号処理回路６は、いわゆるＤＳＰ（Ｄｉｄｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）であり、アナログフロントエンド５からのデジタル信号を、赤色信号、緑色信号、青色信号に変換して撮像データを生成する。
【００２８】
作業用メモリ７は、具体的にはＳＤＲＡＭであり、信号処理回路６が各画素に対応するデジタル信号を各色の色信号に変換する作業を行う際に利用されるメモリである。
記録用メモリ８は、具体的にはＳＤＲＡＭであり、信号処理回路６が生成した撮影データを記録するメモリである。
制御部９は、駆動回路２及び信号処理回路６の制御を行う。例えば、ユーザからシャッタボタン押下を受け付けて、駆動回路２へトリガ信号を出力する。
【００２９】
以下、固体撮像素子１における各画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造について詳細に説明する。
図２は、実施の形態１に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
各画素は、Ｎ型不純物が添加されたシリコンからなる基板１１を基礎として、以下に説明する各層が形成されてなる。
【００３０】
光電変換部形成層１２は、基板１１にＰ型不純物をイオン注入することでＰ型ウェル１６を形成し、さらに、Ｐ型ウェル１６にＮ型不純物をイオン注入することでＮ型領域である光電変換部１７を形成した層である。
絶縁層１３は、二酸化シリコン１８からなり、光電変換部形成層１２と遮光膜形成層１４とを絶縁するため、及び素子の平坦化のために設けられる。
【００３１】
遮光膜形成層１４は、垂直走査回路３からの配線や、信号電荷を水平走査回路４に転送する配線などがＣＶＤ法などにより形成される層である。また、ＣＶＤ法を利用して遮光膜１９も形成され、遮光膜の開口部にＣＶＤ法などにより、素子の平坦化のため二酸化シリコン１８も形成される。
フィルタ形成層１５は、フィルタ膜２１、および二酸化シリコンからなる平坦化層２２を形成する層である。平坦化層２２の厚さは、フィルタ膜２１の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）が厚いほど薄い。
【００３２】
入射光２４は、画素上部から入射され、マイクロレンズ２３により集光され、フィルタ膜２１、遮光膜１９に形成された開口部２０を経て光電変換部１７に到達する。
画素１ａへの入射光２４は、そのうちの赤色領域に極大値を持つ波長域の光がフィルタ膜２１aを透過して光電変換部１７に到達する。また、画素１ｂへの入射光２４は、そのうちの緑色領域に極大値を持つ波長域の光が光電変換部１７に到達し、画素１ｃへの入射光は、青色領域に極大値を持つ波長域の光が光電変換部１７に到達する。
【００３３】
フィルタ膜２１をそれぞれ透過した入射光２４は、遮光膜１９の開口部２０を通過する。
遮光膜１９は、ＣＶＤ法等で形成されており、隣接する画素からの散乱光が光電変換部１７に到達することを防止する目的で、光電変換部１７の直上のみを開口部２０により開口させ、その他の部分を遮光するものである。これにより光電変換部１７には、基板１１にほぼ垂直な入射光のみが到達し、斜めからの光は遮られることになる。
【００３４】
光電変換部１７は、Ｐ型ウェル１６とのＰＮ接合によりフォトダイオードを形成しており、フィルタ膜２１と開口部２０とを経て到達した光の輝度に応じて信号電荷を生成する。その光電変換の機構は次のようになる。
光電変換部１７では、キャリアとなる電子がＰ型ウェルのキャリアである正孔と結合して消滅する空乏領域が形成されている。これにより、光電変換部１７の電位が相対的に上昇し、Ｐ型ウェル１６の電位が相対的に下降するため、空乏領域では内部電場が発生している状態となる。
【００３５】
この状態において、入射光２４が光電変換部１７に到達すれば、光電変換により電子正孔対が生成され、内部電場により電子と正孔とが反対方向にドリフトする。即ち、電子が光電変換部１７の中心に向かってドリフトし、正孔がＰ型ウェルに向かってドリフトする。その結果、光電変換部１７に電子が蓄積され、この蓄積された電子が各画素の信号電荷となる。
【００３６】
これにより、画素１ａは、入射光２４のうちの赤色領域に極大値を持つ波長域の光の輝度に応じて信号電荷を生成する。また、画素１ｂは、緑色領域に極大値を持つ波長域の光の輝度に応じて信号電荷を生成し、画素１ｃは、青色領域に極大値を持つ波長域の光の輝度に応じて信号電荷を生成する。
実施の形態１では、各フィルタ膜（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）は、アモルファスシリコンからなる単層膜である。また、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光のアモルファスシリコンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。分離すべき色とは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のことである。
【００３７】
フィルタ膜での光の干渉効果だけを考慮すれば、光の透過スペクトルにおいて、フィルタ膜の光学膜厚ｎｄの２倍に相当する波長λに透過率の極大値が現れる。すなわち、フィルタ膜の光学膜厚ｎｄを、分離すべき色の波長の半波長に等しくすれば、ｎｄ＝λ／２の関係式に従って、当該波長に透過率の極大値が現れる。
しかし、実際にはフィルタ膜では光が吸収されるので、干渉効果のみならず、吸収効果も考慮しなければならない。一般的な無機物質の吸収係数は、光の波長が短いほど大きい。すなわち、光の波長が短いほど光が吸収されて透過率が低下する。そうすると、光の透過率の極大値が長波長側にシフトする。そこで、フィルタ膜の光学膜厚を、分離すべき色の光のアモルファスシリコンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整することで、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。
【００３８】
ここでは、各色の波長λを、赤では６５０ｎｍ、緑では５６０ｎｍ、青では４９０ｎｍとする。そうすると、各色の波長λの半波長は、赤では３２５ｎｍ、緑では２８０ｎｍ、青では２４５ｎｍとなる。これらから、光の吸収量に応じた分だけ薄くすると、各フィルタ膜の光学膜厚は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６０ｎｍ、青では２００ｎｍとなる。光の吸収量は、アモルファスシリコンの吸収係数とフィルタ膜の光学膜厚とから求められる。
【００３９】
アモルファスシリコンの屈折率は、波長６５０ｎｍ、５６０ｎｍおよび４９０ｎｍにおいて、それぞれ４．５、４．７５および５．０である。したがって、各フィルタ膜（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）は、それぞれ、ｄａ＝７０ｎｍ、ｄｂ＝５５ｎｍ及びｄｃ＝４０ｎｍとなる。
図３は、実施の形態１に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【００４０】
曲線３１ａは、フィルタ膜２１ａの透過スペクトルを示す。曲線３１ｂは、フィルタ膜２１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３１ｃは、フィルタ膜２１ｃの透過スペクトルを示す。
フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。フィルタ膜の光学膜厚が厚くなるほど、光の透過率が極大値となる波長が長くなっている。このことから、光の透過率に極大値が現れることが、光の干渉効果によるものと推察することができる。
【００４１】
また、フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過率の極大値は、それぞれ、７８％、６１％、３８％である。このように、色の波長が短いほど極大値が小さいのは、波長が短くなるほどアモルファスシリコンの吸収係数が大きくなるためと推察される。
また、ひとつのフィルタ膜の透過スペクトルに着目すれば（例えば、フィルタ膜２１ｂ：曲線３１ｂ）、透過率が極大値となる波長（５６０ｎｍ）の短波長側（３１ｄ）曲線の傾きが長波長側（３１ｅ）の曲線の傾きよりも大きい。これは、光の波長が短いほどアモルファスシリコンの吸収係数が大きいので、短波長側で透過率が低くなっているためと推察される。この吸収効果により短波長側の光がカットされやすくなるので、フィルタ膜の色分離特性を向上させることができる。
【００４２】
なお、図３から分かるように、いずれのフィルタ膜も、可視光波長域（４００ｎｍ乃至７００ｎｍ）の全領域にわたり光を透過させる。そうすると、例えば、フィルタ膜２１ａを有する画素１ａから得られる信号には、色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各成分が、透過スペクトル３１ａに基づく比率で含まれていることとなる。画素１ｂ、１ｃについても同様である。
【００４３】
したがって、撮像データを生成するための色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を導出するには、画素１ａ、１ｂ、１ｃから得られるデジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）に加工を施さなければならない。その方法を以下に示す。
図４は、信号処理回路の内部構成を示す図である。
信号処理回路６は、変換行列保持部６１、演算部６２、メモリ制御部６３を備える。
【００４４】
変換行列保持部６１は、アナログフロントエンド５において生成されたデジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）を色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に変換する変換行列を保持する。
デジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）と、色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）とは、図５（ａ）の関係がある。
ここで、行列の各要素Ｗ１１〜Ｗ３３は、各フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルに基づく重み係数である。
【００４５】
これを逆変換したものが、前記変換行列であり、デジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）と、色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）とは、図５（ｂ）の関係がある。
ここで、変換行列の各要素Ｘ１１〜Ｘ３３は、図５（ａ）の行列を逆行列変換することで得られる。
メモリ制御部６３は、作業用メモリ７及び記録用メモリ８へのアクセスを制御する。メモリ制御部６３は、アナログフロントエンド５からのデジタル信号を受けて、一旦、作業用メモリ７に格納する。作業用メモリ７に１枚分の撮影データが蓄積されたら、メモリ制御部６３は、撮影データの一部を作業用メモリ７から取得して演算部６２へ入力する。
【００４６】
演算部６２は、デジタル信号（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）に、変換行列保持部６１に保持されている変換行列を作用させて色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を得る。
メモリ制御部６３は、演算部６２により得られた色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を記録用メモリ８へ格納する。これにより、１枚分の撮像データが、記録用メモリ８に記録される。
図６は、デジタル信号を加工して生成された色信号スペクトルを示す。
【００４７】
ＮＴＳＣの理想分光に近づくように各パラメータが決定されている。
以上説明したように、実施の形態１では、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色毎に適宜調整されている。これにより、図３に示す透過スペクトルが得られ、各フィルタ膜はカラーフィルタとして機能する。
各フィルタ膜２１は、同一物質（アモルファスシリコン）からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
【００４８】
各フィルタ膜２１は、半導体プロセスにより製造可能である。半導体プロセスを利用できれば、有機専用のカラーフィルタ製造ラインを設ける必要がない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
近年、画素間での混色の発生を防止する目的で、カラーフィルタを薄型化したいという要請がある。混色は、ある画素のカラーフィルタに斜めに入射した光が、隣接画素の光電変換部に到達してしまうことにより生じる。フィルタ膜を薄膜化することで、混色の発生を防止する効果を奏することができる。実施の形態１では、フィルタ膜２１の物理膜厚は、最大でも７０ｎｍと極めて薄くなっている。したがって、混色を効果的に防止することができる。
【００４９】
また、アモルファスシリコンの屈折率は、５程度であり、通常の絶縁膜等（例えば、二酸化シリコンであれば１．４６）と比較して大きい。したがって、フィルタ膜に対して斜め光が入射したときも屈折角が小さくなり、画素間での混色の発生を抑制することができる。
さらに、アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどの遮光膜を形成した後であっても、フィルタ膜を形成することができる。したがって、製造手順の自由度を高めることができる。また、アモルファスシリコンを採用すれば、光電変換部にかかる応力を小さくすることができるので、光電変換部へのダメージを小さくすることができる。
【００５０】
また、一般的な干渉フィルタは光が入射する角度が変化すると光の光路長が短くなり、干渉する波長が短波長側にずれてしまう。したがって、垂直に入射した光と斜めに入射した光では色分離機能が異なるため、固体撮像素子で用いる上で課題とされてきた。しかし、アモルファスシリコンは屈折率が５程度と大きいため、入射角３０°で入射したときのアモルファスシリコン内での屈折角は５．７°となり、斜め光による影響がほぼないことがわかる。一般的に干渉フィルタは膜厚が大きくなればなるほど斜め方向から入射する光による影響が大きくなる。しかし、実施の形態１に係るフィルタ膜の膜厚は１００ｎｍ以下で構成されるため、斜め方向から入射する光に対して影響が少ない。
【００５１】
なお、フィルタ膜２１に用いられているアモルファスシリコンは、吸収材料である。本明細書では、吸収材料とは波長が４００ｎｍ乃至７００ｎｍにおいて、消衰係数が０．１以上の値をもつ波長がある材料と定義する。吸収係数αと消衰係数ｋと波長λの間には、ｋ＝α×λ／４πという関係がある。
（実施の形態２）
実施の形態２では、フィルタ膜２１の光源側主面に反射防止膜３０が形成された例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００５２】
図７は、実施の形態２に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
反射防止膜３０は、フィルタ膜２１の光源側主面に形成されている。反射防止膜３０は、窒化シリコンからなり、その物理膜厚は５０ｎｍである。
なお、フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの物理膜厚は、実施の形態１と同様、それぞれ７０ｎｍ、５５ｎｍ、４０ｎｍである。
【００５３】
図８は、実施の形態２に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３２ａは、フィルタ膜２１ａの透過スペクトルを示す。曲線３２ｂは、フィルタ膜２１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３２ｃは、フィルタ膜２１ｃの透過スペクトルを示す。
【００５４】
フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。
同じフィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態２と実施の形態１とで比較すれば（例えば、フィルタ膜２１ｂ：曲線３１ｂと曲線３２ｂ）、実施の形態２の透過率の極大値（６５％）は、実施の形態１の透過率の極大値（６１％）よりも大きい。これは、反射防止膜３０を設けることで、光の反射率が減少したためと推察される。
【００５５】
入射光２４が通過する各部分の材質および屈折率は、以下のようになる。なお、屈折率は、入射光が波長５６０ｎｍの場合の値を示す。
開口部２０： 二酸化シリコン 屈折率１．４６
フィルタ膜２１： アモルファスシリコン 屈折率４．７７
絶縁層１３： 二酸化シリコン 屈折率１．４６
光電変換部１７： Ｎ型シリコン 屈折率４
入射光２４はマイクロレンズ２３によって集光され、開口部２０、フィルタ膜２１を経て光電変換部１７に到達する。一般的に、ある媒質から異なる媒質に入射する場合の反射率は、その２つの媒質における屈折率の比で決まる。たとえば屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が入射したときには、反射率Ｒは、以下のようになる。
【００５６】
Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２））２
平坦化層として一般的に用いられている二酸化シリコン（屈折率１．４６）からアモルファスシリコン（屈折率４．７７）に光が入射した場合には、反射率は２８％であるのに対し、窒化シリコン（屈折率２．００）からアモルファスシリコン（屈折率４．７７）に光が入射した場合には反射率は１７％となる。すなわち、１０％も反射率が減少するので、その分、透過率が上昇する。そうすると、各画素において光電変換部１７に入射する光の量が増加するので、固体撮像素子１の感度が大きくなる。これは、画素の微細化に伴う感度減少を防止する方法として有効である。
【００５７】
フィルタ膜２１であるアモルファスシリコン上に窒化シリコンを形成することで、感度を上昇させるのみならず、固体撮像素子１の信頼性や耐湿性を向上させる効果もある。
（実施の形態３）
実施の形態３では、フィルタ膜２１が光電変換部１７と遮光膜１９との間に存在する例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００５８】
図９は、実施の形態３に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
フィルタ膜２１は、光電変換部１７と遮光膜１９との間に存在している。なお、フィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの物理膜厚は、実施の形態１と同様、それぞれ７０ｎｍ、５５ｎｍ、４０ｎｍである。
【００５９】
フィルタ形成層１５は、フィルタ膜２１を備え、通常の半導体プロセスにより形成することができる。したがって、光電変換部形成層１２と遮光膜形成層１４との層間に挿入することができる。
さらに、配線工程以前に形成することが可能であるので、高温での処理を必要とするポリシリコンも用いることが可能となる。
【００６０】
また、フィルタ膜２１は、アモルファスシリコンからなるため、光電変換部形成層１２と絶縁しなければ、光電変換部１７で生成した信号電荷がフィルタ膜２１にリークする可能性がある。そこで、フィルタ膜２１と光電変換部形成層１２との間に絶縁層１３を設けている。
以上説明したように、実施の形態３に係る画素は、実施の形態１に係る画素の効果に加えて、フィルタ膜２１は、光電変換部１７と遮光膜１９との間に設けることにより、光電変換部１７とフィルタ膜２１との間の光の干渉を抑制することが可能となる。これは、固体撮像素子１の感度の向上につながる。
【００６１】
さらに、画素の微細化に伴う混色を防止する手段として有効である。
（実施の形態４）
実施の形態４では、フィルタ膜２１の製造方法について説明する。
図１０は、実施の形態４に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
図１０（ａ）は、成膜工程後の画素を示す。
【００６２】
成膜工程では、遮光膜形成層１４の酸化シリコン膜の上部全体に、アモルファスシリコン膜２０１を成膜する。アモルファスシリコンは、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコン膜２０１の膜厚が７０ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。
【００６３】
図１０（ｂ）は、第１塗布工程後の画素を示す。
第１塗布工程では、成膜工程により成膜されたアモルファスシリコン膜２０１の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）２０２を塗布する。
図１０（ｃ）は、第１露光・現像工程後の画素を示す。
第１露光・現像工程では、第１塗布工程により塗布されたフォトレジスト２０２に、一定パターンのマスクをかけて露光し、感光部分を除去し、残留部分のフォトレジストを硬化させる。これにより、画素１ｃの領域のみフォトレジスト２０２を除去することができる。
【００６４】
図１０（ｄ）は、第１エッチング工程後の画素を示す。
第１エッチング工程では、第１露光・現像工程の後に、アモルファスシリコン膜２０１にドライエッチングを施す。これにより、アモルファスシリコン膜２０１の画素１ｃの領域がエッチングされる。ここで、画素１ｃのアモルファスシリコン膜２０１の膜厚が４０ｎｍにまで薄膜化すれば、エッチングを停止する。
【００６５】
なお、ドライエッチングによる膜厚制御は、３％の精度で行うことができる。
図１０（ｅ）は、第２塗布工程後の画素を示す。
これにより、第１エッチング工程によりエッチングが施されたアモルファスシリコン膜２０１の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）２０３が塗布される。
図１０（ｆ）は、第２露光・現像工程後の画素を示す。
【００６６】
これにより、画素１ｂの領域のみフォトレジスト２０２を除去することができる。
図１０（ｇ）は、第２エッチング工程後の画素を示す。
これにより、アモルファスシリコン膜２０１の画素１ｂの領域がエッチングされる。ここで、画素１ｂのアモルファスシリコン膜２０１の膜厚が５５ｎｍにまで薄膜化すれば、エッチングを停止する。
【００６７】
図１０（ｈ）は、フォトレジスト除去工程後の画素を示す。
フォトレジスト除去工程では、不要となったフォトレジスト２０３を除去する。
以上説明したように、各フィルタ膜は同一物質（アモルファスシリコン）からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
【００６８】
また、各フィルタ膜は半導体プロセスを利用して形成される。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
実施の形態４では、アモルファスシリコンの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどで遮光膜を形成した後に形成することができる。
【００６９】
図１１は、実施の形態４に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
上記製造方法を採用することで、アモルファスシリコン膜２０１に、１０ｎｍ以下の自然酸化膜などの酸化膜２１１が形成されることがある。しかし、酸化膜２１１の膜厚は１０ｎｍ以下と極めて薄いので、透過スペクトルにはほとんど影響が出ない。酸化膜の膜厚も考慮してデバイスを設計することにより、優れた色分離特性を得ることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５では、フィルタ膜２１の製造方法について説明する。
【００７０】
図１２は、実施の形態５に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
図１２（ａ）は、第１成膜工程後の画素を示す。
第１成膜工程では、遮光膜形成層１４の酸化シリコン膜の上部全体に、アモルファスシリコン膜３０１を成膜する。アモルファスシリコンは、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコン膜３０１の膜厚が１５ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。
【００７１】
図１２（ｂ）は、第１露光・現像工程後の画素を示す。
第１成膜工程により成膜されたアモルファスシリコン膜３０１の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）３０２を塗布し、ステッパを用いて露光を行い、画素１ｂ、１ｃの領域のフォトレジスト３０２を除去する。
図１２（ｃ）は、第１エッチング工程後の画素を示す。
【００７２】
第１エッチング工程では、第１露光・現像工程の後に、アモルファスシリコン膜３０１にドライエッチングを施す。これにより、アモルファスシリコン膜３０１のうち画素１ｂ、１ｃの領域が除去される。
図１２（ｄ）は、第１フォトレジスト除去工程後の画素を示す。
第１フォトレジスト除去工程では、不要となったフォトレジスト３０２を除去する。これにより、画素１ａの領域に、膜厚１５ｎｍのアモルファスシリコン膜３０１が形成される。
【００７３】
図１２（ｅ）は、第２成膜工程後の画素を示す。
第２成膜工程では、第１フォトレジスト除去工程後に、アモルファスシリコン膜３０３を成膜する。アモルファスシリコン膜３０３の膜厚が１５ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。これにより、画素１ａ、１ｂ及び１ｃのアモルファスシリコン膜３０３の膜厚は、それぞれ３０ｎｍ、１５ｎｍ、１５ｎｍとなる。
【００７４】
図１２（ｆ）は、第２露光・現像工程後の画素を示す。
第２成膜工程により成膜されたアモルファスシリコン膜３０３の上部全体にフォトレジスト（ＰＲ）３０４を塗布し、ステッパを用いて露光を行い、画素１ｃの領域のフォトレジスト３０４を除去する。
図１２（ｇ）は、第２エッチング工程後の画素を示す。
【００７５】
これにより、アモルファスシリコン膜３０３のうち画素１ｃの領域が除去される。
図１２（ｈ）は、第２フォトレジスト除去工程後の画素を示す。
これにより、画素１ａの領域に膜厚３０ｎｍのアモルファスシリコン膜、画素１ｂの領域に膜厚１５ｎｍのアモルファスシリコン膜が生成される。
図１２（ｉ）は、第３成膜工程後の画素を示す。
【００７６】
ここで形成するアモルファスシリコンの膜厚は４０ｎｍである。これにより、各画素１ａ、１ｂ及び１ｃにおけるフィルタ膜２１の膜厚がそれぞれ７０ｎｍ、５５ｎｍ、４０ｎｍとなる。
この状態においては、３種類の膜厚７０ｎｍ、５５ｎｍおよび４０ｎｍが得られており、フィルタ膜２１が形成された状態となる。つまり、画素１ａの領域に膜厚７０ｎｍのアモルファスシリコン膜、画素１ｂの領域に膜厚５５ｎｍのアモルファスシリコン膜、そして、画素１ｃの領域に膜厚４０ｎｍのアモルファスシリコン膜が形成されている。
【００７７】
以上説明したように各フィルタ膜は同一物質（アモルファスシリコン）からなるので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
また、各フィルタ膜は半導体プロセスを利用して形成される。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
【００７８】
また、実施の形態５では、成膜工程により膜厚を制御するため、実施の形態４に記載したエッチングにより膜厚を制御する方法と比較して、膜厚の面内ばらつきが低減される。すなわち、膜厚の精度を高めることができる。
実施の形態５では、アモルファスシリコンの成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンは、低温で成膜することができるため、低融点のアルミニウムなどで遮光膜を形成した後に形成することができる。
【００７９】
図１３は、実施の形態５に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
上記製造方法を採用することで、アモルファスシリコン膜３０１、３０３、３０５の膜上に自然酸化膜などの酸化膜２１１が形成されることがある。しかし、酸化膜２１１の膜厚は１０ｎｍ以下と極めて薄いので、透過スペクトルにはほとんど影響が出ない。酸化膜の膜厚も考慮してデバイスを設計することにより、優れた色分離特性を得ることができる。
【００８０】
なお、実施の形態５では、図１２（ｉ）の段階でフィルタ膜を完成させている。しかし、図１２（ｈ）の段階でフィルタ膜を完成したこととしても構わない。
図１２（ｈ）のフィルタ膜は、３種類の膜厚が、３０ｎｍ、１５ｎｍおよび０ｎｍとなる。この構成では、画素１ａ、１ｂ及び１ｃで、２色（３０ｎｍ、１５ｎｍ）と白色（０ｎｍ）と透過帯域波長を異なるものにすることができ、カラーフィルタを実現することができる。当該カラーフィルタは、アモルファスシリコンの膜厚が３０ｎｍ程度と極めて薄く、光の吸収が少なく透過光量が多い。したがって、高感度の固体撮像素子を得ることができる。
【００８１】
一方、図１２（ｉ）における構造では、干渉効果と吸収効果とを用いて色分離される。図１２（ｈ）の構造と比較すれば、アモルファスシリコンによる吸収のため透過光量は減少するが、色再現性が高い固体撮像素子を得ることができる。
図１２（ｈ）、（ｉ）のいずれも３つの異なる透過波長帯域を得ることができ、色分離を実現することができる。図１２（ｈ）は透過光量が多いので高感度を重要視する分野へ、図１２（ｉ）は色再現性を重視する分野へ応用することが可能となる。
【００８２】
（実施の形態６）
実施の形態６では、フィルタ膜５１が二酸化チタンからなる例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
図１４は、実施の形態５に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【００８３】
実施の形態６では、各フィルタ膜（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）は、二酸化チタンからなる単層膜である。また、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の二酸化チタンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。
このようにすることで、実施の形態１でも述べたように、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。
【００８４】
二酸化チタンは、アモルファスシリコンと異なり、可視光波長域（４００ｎｍ乃至７００ｎｍ）においてほとんど吸収がなく、消衰係数がほぼ０である。したがって、光の吸収に応じた補正分がほぼ０である。
ここでは、各色の波長λを、赤では６３０ｎｍ、緑では５３０ｎｍ、青では４７０ｎｍとする。そうすると、各色の波長λの半波長は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６５ｎｍ、青では２３５ｎｍとなる。光の吸収量に応じた補正分はほぼ０なので、各フィルタ膜の光学膜厚は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６５ｎｍ、青では２３５ｎｍとなる。
【００８５】
二酸化チタンの屈折率は、波長６３０ｎｍ、５３０ｎｍおよび４７０ｎｍにおいて、それぞれ２．４６、２．５３および２．６０である。したがって、各フィルタ膜（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ）の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）は、それぞれ、ｄａ＝１２５ｎｍ、ｄｂ＝１０５ｎｍ及びｄｃ＝９０ｎｍとなる。
図１５は、実施の形態６に係るフィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【００８６】
曲線３３ａは、フィルタ膜５１ａの透過スペクトルを示す。曲線３３ｂは、フィルタ膜５１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３３ｃは、フィルタ膜５１ｃの透過スペクトルを示す。
フィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、それぞれ、赤色の波長６３０ｎｍ、緑色の波長５３０ｎｍ、青色の波長４７０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。フィルタ膜の光学膜厚が厚くなるほど、光の透過率が極大値となる波長が長くなっている。このことから、光の透過率に極大値が現れることが、光の干渉効果によるものと推察することができる。
【００８７】
また、フィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃの透過率の極大値は、それぞれ、９６％、９６％、９６％である。このように、色の波長に関わらず極大値がほぼ一定なのは、二酸化チタンの吸収係数が波長に関わらず一定であるためと推察される。
また、フィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態６と実施の形態１とで比較すれば、実施の形態６の透過率は、実施の形態１の透過率よりも大きい。これは、二酸化チタンの吸収係数が可視光波長域においてほぼ０であるためと推察される。
【００８８】
このように、二酸化チタンは、可視光波長域においてほとんど吸収がないので、アモルファスシリコンにおいて透過率が低下していた短波長側においても高い透過率を得ることができる。その結果、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
以上説明したように、実施の形態６では、各フィルタ膜５１は、透明材料である二酸化チタンからなるので、固体撮像素子の感度を向上させることができる。これ以外の効果については、実施の形態１と同様である。本明細書では、透明材料とは波長が４００ｎｍ乃至７００ｎｍにおいて、消衰係数が０．０５以下の値をもつ波長がある材料と定義する。
【００８９】
（実施の形態７）
実施の形態７では、フィルタ膜６１がアモルファスシリコンの酸化物からなる例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
図１６は、実施の形態７に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【００９０】
実施の形態７では、各フィルタ膜（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）がアモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘからなる点で、実施の形態１と異なる。さらに、実施の形態７では、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘの組成を調整することにより、フィルタ膜（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）の屈折率を調整している点で、実施の形態１と異なる。
各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光のアモルファスシリコンによる吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。この点については、実施の形態１と同様である。このようにすることで、分離すべき色の波長に光の透過率の極大値が現れるようにすることができる。
【００９１】
ここでは、各色の波長λを、赤では６５０ｎｍ、緑では５６０ｎｍ、青では４９０ｎｍとする。そうすると、各色の波長λの半波長は、赤では３２５ｎｍ、緑では２８０ｎｍ、青では２４５ｎｍとなる。これらから、光の吸収量に応じた分だけ薄くすると、各フィルタ膜の光学膜厚は、赤では３１５ｎｍ、緑では２６５ｎｍ、青では２３５ｎｍとなる。光の吸収量は、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘの吸収係数とフィルタ膜の光学膜厚とから求められる。
【００９２】
フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃを構成するアモルファスシリコン酸化物ＳｉＯｘの屈折率ｎａ、ｎｂ、ｎｃは、それぞれ４．５、４．２５および４．０に調整されている。屈折率の調整は、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘを成膜する際に、酸素添加量を調整することで実施可能である。ＳｉＯｘは、酸素添加量が多いほど、屈折率が小さくなる。
【００９３】
そうすると、各フィルタ膜（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）の物理膜厚（ｄａ、ｄｂ、ｄｃ）は、それぞれ、ｄａ＝７０ｎｍ、ｄｂ＝６２ｎｍ及びｄｃ＝５９ｎｍとなる。
各フィルタ膜の膜厚差を実施の形態７と実施の形態１とで比較すれば、実施の形態７の膜厚差は、実施の形態１の膜厚差よりも小さい。これは、実施の形態７では、各フィルタ膜の屈折率を、分離すべき色の波長が短いほど小さく調整したためである。このように、膜厚差を小さくすることで、平坦化層２２やマイクロレンズ２３の形成を容易にすることができる。
【００９４】
図１７は、実施の形態７に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３４ａは、フィルタ膜６１ａの透過スペクトルを示す。曲線３２ｂは、フィルタ膜６１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３４ｃは、フィルタ膜６１ｃの透過スペクトルを示す。
【００９５】
フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。
また、フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過率の極大値は、それぞれ、７９％、６４％、４３％である。同じフィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態７と実施の形態１とで比較すれば（例えば、曲線３４ｂと曲線３１ｂ）、実施の形態７の透過率の極大値（６４％）は、実施の形態１の透過率の極大値（６１％）よりも大きい。これは、アモルファスシリコンの酸化物ＳｉＯｘの吸収係数がアモルファスシリコンの吸収係数よりも小さいために、透過率が上昇したものと推察される。
【００９６】
なお、フィルタ膜の膜厚差を、フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの中の最大膜厚の１５％以内とすることで、素子の平坦化をさらに容易にすることができる。
（実施の形態８）
実施の形態８では、フィルタ膜６１の光源側主面に反射防止膜３０が形成された例を説明する。それ以外の構成については、実施の形態７と同様なので説明を省略する。
【００９７】
図１８は、実施の形態８に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
反射防止膜３０は、フィルタ膜６１の光源側主面に形成されている。反射防止膜３０は、窒化シリコンからなり、その物理膜厚は５０ｎｍである。
なお、フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの物理膜厚は、実施の形態７と同様、それぞれ７０ｎｍ、６２ｎｍ、５９ｎｍである。
【００９８】
図１９は、実施の形態８に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３５ａは、フィルタ膜６１ａの透過スペクトルを示す。曲線３５ｂは、フィルタ膜６１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３５ｃは、フィルタ膜６１ｃの透過スペクトルを示す。
【００９９】
フィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、それぞれ、赤色の波長６５０ｎｍ、緑色の波長５６０ｎｍ、青色の波長４９０ｎｍに光の透過率の極大値を有する。
同じフィルタ膜の透過スペクトルを実施の形態８と実施の形態７とで比較すれば（例えば、フィルタ膜６１ｂ：曲線３５ｂと曲線３４ｂ）、実施の形態８の透過率の極大値（６７％）は、実施の形態７の透過率の極大値（６４％）よりも大きい。これは、反射防止膜３０を設けることで、光の反射率が減少したためと推察される。
【０１００】
入射光２４が通過する各部分の材質および屈折率は、以下のようになる。なお、屈折率は、入射光が波長５６０ｎｍの場合の値を示す。
開口部２０： 二酸化シリコン 屈折率１．４６
フィルタ膜６１： アモルファスシリコンの酸化物 屈折率４〜５
絶縁層１３： 二酸化シリコン 屈折率１．４６
光電変換部１７： Ｎ型シリコン 屈折率４
入射光２４はマイクロレンズ２３によって集光され、開口部２０、フィルタ膜６１を経て光電変換部１７に到達する。一般的に、ある媒質から異なる媒質に入射する場合の反射率は、その２つの媒質における屈折率の比で決まる。たとえば屈折率ｎ１の媒質から屈折率ｎ２の媒質に光が入射したときには、反射率Ｒは、以下のようになる。
【０１０１】
Ｒ＝（（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２））２
平坦化層として一般的に用いられている二酸化シリコン（屈折率１．４６）からアモルファスシリコンの酸化物（屈折率４〜５）に光が入射した場合には、反射率は２５％前後であるのに対し、窒化シリコン（屈折率２．００）からアモルファスシリコンの酸化物（屈折率４〜５）に光が入射した場合には反射率は１５％前後となる。すなわち、１０％も反射率が減少するので、その分、透過率が上昇する。そうすると、各画素において光電変換部１７に入射する光が増加するので、固体撮像素子１の感度が大きくなる。これは、画素の微細化に伴う感度減少を防止する方法として有効である。
【０１０２】
感度を上昇させるのみならず、フィルタ膜６１であるアモルファスシリコンの酸化物上に窒化シリコンを形成することで、固体撮像素子１の信頼性や耐湿性を向上させることもできる。
反射防止膜３０がフィルタ膜６１の主面に形成されることで反射率が低下した場合に、フィルタ膜６１の透過率の極大値を示す波長が長波長側にシフトする場合がある。その場合には、フィルタ膜６１の光学膜厚、又は、変換行列の重み係数を補正する必要がある。
（実施の形態９）
実施の形態９では、各フィルタ膜７１の吸収係数の波長分布が異なる例を説明する。
【０１０３】
図２０は、実施の形態９に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
実施の形態９では、各フィルタ膜（７１ａ、７１ｂ、７１ｃ）は、それぞれアモルファスシリコン（a-Si）、ポリシリコン（p-Si）、酸化チタン（TiO2）からなる。すなわち、分離すべき色の波長が短いほど、可視光波長域での光の吸収係数が小さな無機物質からなるようにしてある。フィルタ膜７１ａ、７１ｂ、７１ｃを構成する各々の物質は、可視光波長域での吸収係数が異なるため、光の透過率が大きく異なる。
【０１０４】
図２１は、実施の形態９に係るフィルタ膜７１ａ、７１ｂ、７１ｃの透過スペクトルを示す図である。
曲線３６ａは、フィルタ膜７１ａの透過スペクトルを示す。曲線３６ｂは、フィルタ膜７１ｂの透過スペクトルを示す。曲線３６ｃは、フィルタ膜７１ｃの透過スペクトルを示す。
【０１０５】
アモルファスシリコン（a-Si）は、成長方法や成長温度を調整することにより、光の吸収係数の波長分布を異ならせることができる。すなわち、波長に対する透過率が異なる。ポリシリコン（p-Si）、酸化チタン（TiO2）についても同様である。したがって、図２１に示すように可視光波長域おいて透過率が異なってくる。この透過スペクトルに応じて変換行列の各係数Ｘ１１〜Ｘ３３を決定することで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色の信号を得ることができる。
【０１０６】
以上説明したように、実施の形態９に係るフィルタ膜は、色別に異なる光の吸収係数に調整することにより透過光の波長域を定めることができる。
（実施の形態１０）
実施の形態１０では、フィルタ膜６１の製造方法について説明する。
図２２は、実施の形態１０に係るフィルタ膜６１の製造方法を示す工程断面図である。
【０１０７】
図２２（ａ）は、第１塗布工程後の画素を示す。
第１塗布工程では、遮光膜形成層１４の酸化シリコン膜の上部全体に、フォトレジスト（ＰＲ）４０１を塗布する。
図２２（ｂ）は、第１露光・現像工程後の画素を示す。
第１露光・現像工程では、第１塗布工程により塗布されたフォトレジスト４０１に、一定パターンのマスクをかけて露光し、感光部分を除去し、残留部分のフォトレジストを硬化させる。これにより、画素１ａの領域のみフォトレジスト４０１を除去することができる。
【０１０８】
図２２（ｃ）は、第１成膜工程後の画素を示す。
第１成膜工程では、第１露光・現像工程後に、アモルファスシリコンの酸化物４０２を成膜する。アモルファスシリコンの酸化物は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときに屈折率が４．５の組成となるように酸素流量を調節する。成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンの酸化物４０２の膜厚が７０ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。
【０１０９】
図２２（ｄ）は、第１剥離工程後の画素を示す。
第１剥離工程では、第１露光・現像工程において残存させたフォトレジスト４０１を剥離する。これに伴い、フォトレジスト４０１上に成膜されていたアモルファスシリコンの酸化物４０２も除去される。
図２２（ｅ）は、第２塗布工程後の画素を示す。
【０１１０】
第２塗布工程では、第１剥離工程後に、フォトレジスト（ＰＲ）４０３を塗布する。
図２２（ｆ）は、第２露光・現像工程後の画素を示す。
第２露光・現像工程では、第２塗布工程により塗布されたフォトレジスト４０３に、一定パターンのマスクをかけて露光し、感光部分を除去し、残留部分のフォトレジストを硬化させる。これにより、画素１ｂの領域のみフォトレジスト４０３を除去することができる。
【０１１１】
図２２（ｇ）は、第２成膜工程後の画素を示す。
第２成膜工程では、第２露光・現像工程後に、アモルファスシリコンの酸化物４０４を成膜する。アモルファスシリコンの酸化物は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。このときに屈折率が４．２５の組成となるように酸素流量を調節する。成膜温度条件は室温〜４００℃に設定している。アモルファスシリコンの酸化物４０４の膜厚が６２ｎｍにまで成長すれば、成膜を停止する。
【０１１２】
図２２（ｈ）は、第２剥離工程後の画素を示す。
第２剥離工程では、第２露光・現像工程において残存させたフォトレジスト４０３を剥離する。これに伴い、フォトレジスト４０３上に成膜されていたアモルファスシリコンの酸化物４０４も除去される。
図２２（ｉ）は、第３剥離工程後の画素を示す。
【０１１３】
第２剥離工程に引き続き、上記と同様の工程を経て、アモルファスシリコンの酸化物４０５を形成することができる。アモルファスシリコンの酸化物４０５の膜厚は５９ｎｍ設定されている。
以上説明したように、各フィルタ膜は組成が異なるだけなので、フィルタ膜の製造工程において色別の材料管理を必要としない。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
【０１１４】
また、各フィルタ膜は半導体プロセスを利用して形成される。したがって、フィルタ膜の製造コストを削減することができる。
以上、本発明に係る固体撮像素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施の形態１では、ｄａ＝７０ｎｍ、ｄｂ＝５５ｎｍおよびｄｃ＝４０ｎｍの場合のみに関して議論を行ったが、この限りではない。フィルタ膜の物理膜厚ｄａ、ｄｂおよびｄｃがｄａ＞ｄｂ＞ｄｃの関係を満たし、かつ、０＜ｄｃ＜１００、１０＜ｄｂ＜１５０、２０＜ｄａ＜２００の関係が満たされれば、変換行列の重み係数を調整することでＲＧＢの色分離を実現することができる。
【０１１５】
さらに、実施の形態１では、フィルタ膜２１ｃが存在するが、フィルタ膜２１ｃが存在しなくても、変換行列における重み係数を調整することでＲＧＢの色分離を実現することができる。実施の形態６についても同様である。
また、光の透過率を向上させるためには、それぞれの物理膜厚をさらに薄膜化することで実現することができる。
（２）実施の形態２では、フィルタ膜２１の主面に反射防止膜３０を形成している。反射防止膜３０を形成することで、フィルタ膜２１の透過率の極大値を示す波長が長波長側にシフトすることがある。その場合には、フィルタ膜２１の光学膜厚、又は、変換行列の重み係数を補正することにより、適切な色分離を実現することができる。
（３）実施の形態４では、フィルタ材料がアモルファスシリコンを用いた場合のみを示したが、ポリシリコン、単結晶シリコンもしくはシリコンを主成分とする材料を用いてもかまわない。実施の形態５についても同様である。
（４）実施の形態６では、フィルタ膜を構成する透明材料として、二酸化チタンを示したが、これに限らない。例えば、酸化タンタル（五酸化タンタルなど）または酸化ニオブ（五酸化ニオブなど）であっても高感度な固体撮像素子を実現することができる。
（５）実施の形態６についても、フィルタ膜５１の主面に反射防止膜を形成してもよい。これにより、さらなる感度の向上を図ることができる。反射防止膜を構成する物質としては、窒化シリコン、酸化窒化シリコンおよび酸化シリコンなどを用いることができる。
【０１１６】
反射防止膜がフィルタ膜５１の主面に形成されることで反射率が低下した場合に、フィルタ膜５１の透過率の極大値を示す波長が長波長側にシフトする場合がある。その場合には、フィルタ膜５１の光学膜厚、又は、変換行列の重み係数を補正する必要がある。
（６）実施の形態６では、ｄａ＝１２５ｎｍ、ｄｂ＝１０５ｎｍおよびｄｃ＝９０ｎｍの場合のみに関して議論を行ったが、この限りではない。フィルタ膜の物理膜厚ｄａ、ｄｂおよびｄｃがｄａ＞ｄｂ＞ｄｃの関係を満たし、０＜ｄｃ＜２００、５０＜ｄｂ＜２５０、７５＜ｄａ＜３００の関係が満たされれば、変換行列の重み係数を調整することでＲＧＢの色分離を実現することができる。
（７）実施の形態では、可視光波長域におけるカラーフィルタの特性のみに関して示したが、赤外や紫外領域などの波長域においてもカラーフィルタの膜厚を適宜変化させることで異なる波長帯域の光を透過させることが可能となる。
（８）実施の形態では、各フィルタ膜の光学膜厚は、分離すべき色の波長の半波長に等しい厚さから、分離すべき色の光の無機物質による吸収量に応じた分だけ薄く調整されている。カラー撮像素子用途の場合には、上記の光学膜厚がとり得る範囲は、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの固体撮像素子に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】カメラシステムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図３】実施の形態１に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図４】信号処理回路の内部構成を示す図である。
【図５】信号処理回路に用いられる行列式を示す図である。
【図６】デジタル信号を加工して生成された色信号スペクトルを示す。
【図７】実施の形態２に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図８】実施の形態２に係るフィルタ膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図９】実施の形態３に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１０】実施の形態４に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】実施の形態４に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
【図１２】実施の形態５に係るフィルタ膜２１の製造方法を示す工程断面図である。
【図１３】実施の形態５に係る製造方法により製造されたフィルタ膜２１の断面図である。
【図１４】実施の形態５に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１５】実施の形態６に係るフィルタ膜５１ａ、５１ｂ、５１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図１６】実施の形態７に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１７】実施の形態７に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図１８】実施の形態８に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図１９】実施の形態８に係るフィルタ膜６１ａ、６１ｂ、６１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図２０】実施の形態９に係る画素（１ａ、１ｂ、１ｃ）の構造を示す基板断面図である。
【図２１】実施の形態９に係るフィルタ膜７１ａ、７１ｂ、７１ｃの透過スペクトルを示す図である。
【図２２】実施の形態１０に係るフィルタ膜６１の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１    固体撮像素子
２    駆動回路
３    垂直走査回路
４    水平走査回路
５    アナログフロントエンド
６    信号処理回路
７    作業用メモリ
８    記録用メモリ
９    制御部
１１    基板
１２    光電変換部形成層
１３    絶縁層
１４    遮光膜形成層
１５    フィルタ形成層
１６    Ｐ型ウェル
１７    光電変換部
１９    遮光膜
２０    開口部
２１、５１、６１、７１    フィルタ膜
２２    平坦化層
２３    マイクロレンズ
３０    反射防止膜
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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