(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の一表面に複数行、複数列に亘って行列状に配置された多数個の光電変換素子と、
前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷に基づいて出力信号を生成することができる出力信号生成部と、
前記半導体基板の上方に配置されて前記多数個の光電変換素子を平面視上覆う分光素子であって、各々が複数個の光電変換素子に対応する複数の分光領域を有し、前記分光領域の各々が、入射光中に含まれるカラー撮像に必要な複数色の光をそれぞれ別個の方向に分光して、該分光された光の各々を該分光領域が対応する前記複数個の光電変換素子中の異なる光電変換素子に入射させることができる分光素子と
を有する固体撮像素子。
【請求項２】
前記多数個の光電変換素子が正方行列状に配置され、
前記複数の分光領域が、１つの分光領域に３列の光電変換素子が対応するように対置されると共に、該複数の分光領域の各々が、入射光中に含まれる第１色光を前記対応する３列の光電変換素子列の１つに、第２色光を前記対応する３列の光電変換素子列の他の１つに、第３色光を前記対応する３列の光電変換素子列の残りの１つに入射させることができる請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記多数個の光電変換素子が画素ずらし配置され、
前記複数の分光領域が、１つの分光領域に４個の光電変換素子が対応するように配置されると共に、該複数の分光領域の各々が、入射光中に含まれる第１色光を前記対応する４個の光電変換素子の１個に、第２色光を前記対応する４個の光電変換素子の他の１個に、第３色光を前記対応する４個の光電変換素子列の残りの２個に入射させることができる請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１色光が赤色光であり、前記第２色光が青色光であり、前記第３色光が緑色光である請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記分光素子と前記多数個の光電変換素子との間に色フィルタアレイが介在する請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記分光素子と前記多数個の光電変換素子との間にマイクロレンズアレイが介在する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記分光素子が回折光学素子である請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記分光素子がホログラフィック素子である請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
ＣＣＤ型の固体撮像素子である請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
ＭＯＳ型の固体撮像素子である請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に係り、特に、単板式撮像装置に利用される固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日では、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の多くの撮像装置において、ＣＣＤ（電荷結合素子）型の固体撮像素子やＭＯＳ（金属−酸化物−半導体）型の固体撮像素子がエリア・イメージセンサとして利用されている。
【０００３】
ＣＣＤ型およびＭＯＳ型のいずれの固体撮像素子も、半導体基板の一表面に複数行、複数列に亘って行列状に配置された多数個の光電変換素子を有し、光の入射によってこれらの光電変換素子に蓄積された電荷に基づいて出力信号（画素信号）を生成する。多くの固体撮像素子では、画素信号を生成するための出力信号生成部が、光電変換素子と一緒に１つの半導体基板に集積される。
【０００４】
出力信号生成部は、その構成によって２つのタイプに大別することができる。１つは、ＣＣＤ型の固体撮像素子での出力信号生成部のように、ＣＣＤによって構成された１種または２種の電荷転送素子を用いて、光電変換素子に蓄積された電荷を電荷検出回路まで転送し、ここで出力信号を生成するタイプの出力信号生成部である。
【０００５】
エリア・イメージとして利用されるＣＣＤ型の固体撮像素子は、通常、１つの光電変換素子列に１つずつ対応して配置される第１電荷転送素子（以下、「垂直電荷転送素子」という。）と、これらの垂直電荷転送素子に電気的に接続される１つの第２電荷転送素子（以下、「水平電荷転送素子」という。）とを有する。ＣＣＤは、半導体基板の一表面にチャネルを設け、このチャネル上に電気的絶縁膜を介して複数の電極（転送電極）を配置することによって構成される。
【０００６】
他の１つは、ＭＯＳ型の固体撮像素子での出力信号生成部のように、トランジスタを介して光電変換素子と出力信号線とを接続し、光電変換素子に蓄積された電荷に応じて前記の出力信号線に発生する電圧信号または電流信号を検出して出力信号を生成するタイプの出力信号生成部である。前記のトランジスタは、光電変換素子と信号線とを所望の時期に電気的に接続するためのスイッチング素子として利用される。
【０００７】
ＣＣＤ型およびＭＯＳ型のいずれであるかに拘わらず、カラー撮像用の単板式撮像装置に利用される固体撮像素子は、一般に、光電変換素子の上方に配置された色フィルタアレイを有する。この色フィルタアレイでは、カラー撮像に必要な複数色の色フィルタが一定のパターンで配列されており、１個の光電変換素子に１つの色フィルタが対応する。原色系の色フィルタアレイと補色系の色フィルタアレイとがある。
【０００８】
また、個々の光電変換素子への入射光量を増大させるために、多くの場合、色フィルタアレイの上方にマイクロレンズアレイが配置される。このマイクロレンズアレイは、１個の光電変換素子に１個ずつ対応して配置された多数個のマイクロレンズによって構成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
色フィルタアレイおよびマイクロレンズアレイを備えた従来の固体撮像素子では、マイクロレンズによって分光された種々の波長の光が、その下の色フィルタに入射する。しかしながら、個々の光電変換素子に入射することができる光は、迷光を除けば、その光電変換素子の上方に配置されている色フィルタを透過し得た所定波長域の光のみである。
【００１０】
例えば、固体撮像素子が赤色フィルタ、緑色フィルタ、および青色フィルタによって構成された原色系の色フィルタアレイを有する場合、赤色フィルタの下方に位置する光電変換素子に入射することができる光は、迷光を除けば、この赤色フィルタを透過し得た所定波長域の赤色光のみである。赤色フィルタに入射した緑色光や青色光等は、基本的に、当該赤色フィルタの下方に位置する光電変換素子へ入射できない。
【００１１】
個々の光電変換素子は、入射した光量に応じた電荷を生成する。入射光量が少なければ、光電変換素子に蓄積される電荷も少なくなる。
今日、固体撮像素子では高解像度が進められており、光電変換素子の集積度が高まっている。それに伴って、個々の光電変換素子は小型化している。マイクロレンズアレイを利用したとしても、光電変換素子が小型化すると個々の光電変換素子への入射光量が低減し、固体撮像素子の感度の低下が起きやすくなる。
【００１２】
本発明の目的は、個々の光電変換素子への入射光量を増大させることが可能な固体撮像素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、(i) 半導体基板と、(ii)前記半導体基板の一表面に複数行、複数列に亘って行列状に配置された多数個の光電変換素子と、(iii) 前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷に基づいて出力信号を生成することができる出力信号生成部と、(iv)前記半導体基板の上方に配置されて前記多数個の光電変換素子を平面視上覆う分光素子であって、各々が複数個の光電変換素子に対応する複数の分光領域を有し、前記分光領域の各々が、入射光中に含まれるカラー撮像に必要な複数色の光をそれぞれ別個の方向に分光して、該分光領域が対応する前記複数個の光電変換素子のうちの所定の光電変換素子に入射させることができる分光素子とを有する固体撮像素子が提供される。
【００１４】
この固体撮像素子では、複数個の光電変換素子に対応している上記の分光領域に入射した光に含まれているカラー撮像に必要な複数色の光、例えば赤色光、緑色光、および青色光が、この分光領域に対応する複数個の光電変換素子中の異なる光電変換素子に入射する。
【００１５】
従来の固体撮像素子に比べて、個々の光電変換素子への入射光量を増大させることが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の実施例による固体撮像素子１００での光電変換素子１０、第１電荷転送素子（垂直電荷転送素子）２０、第２電荷転送素子（水平電荷転送素子）４０、および電荷検出回路５０の平面配置を概略的に示す。
【００１７】
図示の固体撮像素子１００は、エリア・イメージセンサとして利用される固体撮像素子であり、半導体基板１の一表面に多数個の光電変換素子１０が複数行、複数列に亘って正方行列状（行数と列数とが異なる場合を含む。）に配置されている。エリア・イメージセンサとして利用される実際の固体撮像素子での光電変換素子１０の総数は、例えば数１０万個〜数１００万個である。
【００１８】
光電変換素子１０の各々は例えば埋込み型のｐｎフォトダイオードによって構成され、平面視上、例えば矩形を呈す。光電変換素子１０に光が入射すると、この光電変換素子１０に電荷が蓄積される。
【００１９】
個々の光電変換素子１０に蓄積された電荷を電荷検出回路５０へ転送するために、１つの光電変換素子列に１つずつ、この光電変換素子列に沿って垂直電荷転送素子２０が配置される。個々の垂直電荷転送素子２０は、例えば４相駆動型のＣＣＤによって構成される。
【００２０】
光電変換素子１０からの電荷の読み出しを制御するために、各垂直電荷転送素子２０は、対応する光電変換素子１０それぞれに１つずつ、読出しゲート３０を有する。図１においては、読出しゲート３０の位置を判りやすくするために、各読出しゲート３０にハッチングを付してある。
【００２１】
読出しゲート３０に読出しパルス（電位は例えば１５Ｖ程度）を供給すると、この読出しゲート３０に対応する光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０へ電荷が読み出される。光電変換素子１０から垂直電荷転送素子２０への電荷の読出しは、光電変換素子行単位で行われる。
【００２２】
各垂直電荷転送素子２０は、所定の駆動信号によって駆動されて、対応する光電変換素子１０から読み出した電荷を水平電荷転送素子４０へ転送する。
水平電荷転送素子４０は、例えば２相駆動型のＣＣＤによって構成される。この水平電荷転送素子４０は、所定の駆動信号によって駆動されて、各垂直電荷転送素子２０から受け取った電荷を電荷検出回路５０へ転送する。
【００２３】
電荷検出回路５０は、水平電荷転送素子４０から転送されてくる電荷を順次検出して信号電圧を生成すると共に増幅して、画素信号を順次生成する。
この電荷検出回路５０は、例えば、水平電荷転送素子４０の出力端に電気的に接続された出力ゲートと、出力ゲートに隣接して半導体基板１に形成されたフローティングディフュージョン領域（以下、「ＦＤ領域」と略記する。）と、このＦＤ領域に電気的に接続されたフローティングディフュージョンアンプ（以下、「ＦＤＡ」と略記する。）とを用いて構成することができる。
【００２４】
出力ゲートは、水平電荷転送素子４０からＦＤ領域への電荷転送を制御する。ＦＤ領域の電位は、当該ＦＤ領域内の電荷量に応じて変化する。
ＦＤＡは、ＦＤ領域の電位変動を増幅して画素信号を生成する。この画素信号が、固体撮像素子１００からの出力信号となる。
【００２５】
ＦＤ領域に隣接してリセットゲートが配置され、このリセットゲートに隣接して、リセットドレイン領域が半導体基板１に形成される。ＦＤ領域と、リセットゲートと、リセットドレイン領域とは、リセットトランジスタを構成する。
【００２６】
ＦＤＡによって検出された後の電荷、あるいは、ＦＤＡによって検出する必要のない電荷は、ＦＤ領域からリセットゲートを介してリセットドレイン領域へ掃き出され、例えば電源電圧に吸収される。
【００２７】
上述した構成を有する固体撮像素子１００では、各垂直電荷転送素子２０、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０によって出力信号生成部が構成される。
【００２８】
この固体撮像素子１００の特徴の１つは、その最上層として特定の分光素子が配置されている点にある。
図２は、固体撮像素子１００を概略的に示す上面図である。固体撮像素子１００の最上層である分光素子９０は、３つの分光領域９０Ａ、９０Ｂ、および９０Ｃを有する。１つの分光領域に３列の光電変換素子列が対応する。
【００２９】
図３は、図２に示した分光領域９０Ａの分光特性を概略的に示す。同図に示すように、分光領域９０Ａは、入射光Ｌ中に含まれる赤色光ＬR 、緑色光ＬG 、および青色光ＬB を、それぞれ別個の方向に分光する。分光領域９０Ａと半導体基板１との間の屈折率が均一であると仮定すると、赤色光ＬR は半導体基板１表面の領域ＲR 上に分光され、緑色光ＬG は半導体基板１表面の領域ＲG 上に分光され、青色光ＬB は半導体基板１表面の領域ＲB 上に分光される。分光領域９０Ｂ、９０Ｃそれぞれの分光特性も同様である。
【００３０】
固体撮像素子１００は、分光領域９０Ａによって分光された赤色光ＬR が、この分光領域９０Ａに対応する３列の光電変換素子列の１つ（例えば図２に示した向きで見たときの左端の光電変換素子列）に含まれる各光電変換素子１０の受光面に入射し、緑色光ＬG が３列の光電変換素子列の中央の列に含まれる各光電変換素子１０の受光面に入射し、青色光ＬB が残りの１列に含まれる各光電変換素子１０の受光面に入射するように構成される。また、分光領域９０Ａ以外の分光領域とそれに対応する３列の光電変換素子列との位置関係が、分光領域９０Ａとこれに対応する３列の光電変換素子列との位置関係と同様になるように構成される。
【００３１】
このようにして構成された固体撮像素子１００では、集光素子９０中の個々の分光領域９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃそれぞれの平面視上の面積が、３列の光電変換素子列を覆い得る大きさであることから、従来の固体撮像素子に比べて、個々の光電変換素子１０への赤色光、緑色光、または青色光の入射量を増大させることが可能である。固体撮像素子としての感度を高めやすい。
【００３２】
この固体撮像素子１００の特徴の１つである分光素子９０は、例えば回折光学素子（ホログラフィック素子を含むものとする。）によって構成される。
図４（Ａ）は、回折格子パターン９３を有する回折光学素子９０ａによって構成された分光素子（以下、「分光素子９０ａ」という。）の一部を概略的に示す。回折格子パターン９３は、例えば透明樹脂等によって形成された透明材料層９５に矩形断面の環状溝９３ａを同心円状に多数設けることによって形成されている。分光素子９０ａは、個々の分光領域にそれぞれ同一形状の回折格子パターン９３を有する。
【００３３】
回折格子パターン９３は、例えば、フォトリソグラフィ、電子線リソグラフィ等のリソグラフィ技術によって形成された微細パターンをマスクとして用いて、透明樹脂層９５の片面をパターニングすることによって形成可能である。
【００３４】
図４（Ｂ）は、他の回折格子パターン９７を有する回折光学素子９０ｂによって構成された分光素子（以下、「分光素子９０ｂ」という。）の一部を概略的に示す。回折格子パターン９７は、内壁が階段状に成形された溝９７ａを透明樹脂層９５に例えば同心円状に多数設けることによって形成されている。分光素子９０ａは、個々の分光領域にそれぞれ同一形状の回折格子パターン９７を有する。
【００３５】
溝９７ａの内壁を階段状に成形することにより、互いに波長が異なる複数の赤色光、互いに波長が異なる複数の緑色光、および互いに波長が異なる複数の青色光のそれぞれを所望方向に回折させることが可能になる。
【００３６】
個々の回折格子パターン９７は、図４（Ａ）に示した回折格子パターン９３を形成する際の方法と同様の方法によって形成可能である。ただし、透明樹脂層のパターニングは、複数回に亘って行われる。パターニングのたび毎に、異なる形状のマスクが使用される。
【００３７】
分光素子９０ａおよび分光素子９０ｂは、いずれも、回折格子パターンが受光面となる向きで配置される。
また、分光素子９０は、前述のようにホログラフィック素子によって構成することもできる。ホログラフィック素子によって分光素子９０を構成する場合、この分光素子（以下、「分光素子９０ｃ」という。）は、例えば、有機フォトリフラクティブ材料によって形成した透明材料層の面内方向および厚さ方向の屈折率を所定のパターンで変化させることによって形成可能である。
【００３８】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）、および図５（Ｃ）は、それぞれ、分光素子９０ｃの製造工程を示す。以下の説明は、図３に示した分光領域９０Ａを形成する場合を例にとって、図３で用いた参照符号を引用しつつ行う。
【００３９】
まず、図５（Ａ）に示すように、有機フォトリフラクティブ材料によって形成した透明材料層９８の一主表面９８ａに所望波長を有する赤色光ＬR1を照射する一方で、透明材料層９８の他の主表面９８ｂに、スリットＳ１を有するマスク部材Ｍ１の外側から所望波長を有する赤色光ＬR2を照射する。
【００４０】
赤色光ＬR1、ＬR2は互いに同じ波長を有する単色のコヒーレント光であり、透明材料層９８に入射する赤色光ＬR1は平行光線束または収束光線束、透明材料層９８に入射する赤色光ＬR2は拡散光線束である。
【００４１】
次いで、図５（Ｂ）に示すように、透明材料層９８の一主表面９８ａに所望波長を有する緑色光ＬG1を照射する一方で、透明材料層９８の他の主表面９８ｂに、スリットＳ２を有するマスク部材Ｍ２の外側から所望波長を有する緑色光ＬG2を照射する。
【００４２】
緑色光ＬG1、ＬG2は互いに同じ波長を有する単色のコヒーレント光であり、透明材料層９８に入射する緑色光ＬG1は平行光線束または収束光線束、透明材料層９８に入射する緑色光ＬG2は拡散光線束である。
【００４３】
この後、図５（Ｃ）に示すように、透明材料層９８の一主表面９８ａに所望波長を有する青色光ＬB1を照射する一方で、透明材料層９８の他の主表面９８ｂに、スリットＳ３を有するマスク部材Ｍ３の外側から所望波長を有する青色光ＬB2を照射する。
【００４４】
青色光ＬB1、ＬB2は互いに同じ波長を有する単色のコヒーレント光であり、透明材料層９８に入射する青色光ＬB1は平行光線束または収束光線束、透明材料層９８に入射する青色光ＬB2は拡散光線束である。
【００４５】
このようにして赤色光ＬR1、ＬR2、緑色光ＬG1、ＬG2、および青色光ＬB1、ＬB2を透明材料層９８に順次照射すると、照射した同色の光同士が互いに干渉しつつ透明材料層９８の面内方向および厚さ方向の屈折率を変化させる。透明材料層９８に分光領域９０Ａが形成される。
【００４６】
分光素子９０ｃに形成すべき他の分光領域も、上記と同様にして形成することができる。
勿論、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示した各工程の実施順は、順不同で適宜入れ替え可能である。
【００４７】
このようにして製造された分光素子９０ｃは、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示した主表面９８ａが受光面となる向きで配置される。
分光素子９０ｃに入射した光に含まれる所定波長の赤色光、すなわち、分光素子９０ｃの製造時に使用した赤色光ＬR と同じ波長を有する赤色光、および赤色光ＬR の波長に近い波長を有する赤色光は、分光素子９０ｃの下方が空気層であると仮定すれば、分光素子９０ｃを製造するために用いたスリットＳ１と平面視上の形状および大きさがほぼ同じ領域を通過するように分光される。この領域と分光素子９０ｃとの相対的な位置関係は、分光素子９０ｃの製造時におけるスリットＳ１と透明材料層９８との相対的な位置関係とほぼ同じになる。分光素子９０ｃに入射した光に含まれる緑色光および青色光についても同様である。
【００４８】
実際には、分光素子９０ｃと半導体基板１との間に複数の層が介在する。したがって、分光素子９０ｃを製造するにあたっては、製造しようとする固体撮像素子の層構成および各層での赤色光ＬR 、緑色光ＬG 、および青色光ＬB それぞれの屈折率に応じて、スリットＳ１、Ｓ２、Ｓ３それぞれの平面視上の形状および大きさ、ならびに、分光素子９０ｃの製造時におけるスリットＳ１〜Ｓ３と透明材料層９８との相対的な位置関係が適宜選定される。
【００４９】
分光素子９０ｃの製造時に使用する赤色光、緑色光、および青色光として、それぞれ、波長が異なる複数の単色光を用いることによって、分光素子９０ｃ中の各分光領域の分光効率を高めることができる。
【００５０】
上述のように、図２または図３に示した分光素子９０と半導体基板１との間には、実際には、複数の層が介在する。このため、固体撮像素子１００内での赤色光ＬR 、緑色光ＬG 、および青色光ＬB それぞれの光路は、図３に示した光路とは異なる。集光素子９０の分光特性は、製造しようとする固体撮像素子の層構成および各層での赤色光ＬR 、緑色光ＬG 、および青色光ＬB それぞれの屈折率に応じて、適宜選定される。
【００５１】
以下、固体撮像素子１００の具体的な層構成について、図６を参照しつつ詳述する。
図６は、図２に示すVI−VI線に沿った固体撮像素子１００の断面構造を概略的に示す。
【００５２】
同図に示すように、半導体基板１は、例えばｎ型シリコン基板１ａと、その一表面に形成されたｐ- 型不純物添加領域１ｂとを有する。ｐ- 型不純物添加領域１ｂは、ｎ型シリコン基板１ａの一表面にｐ型不純物をイオン注入した後に熱処理を施すことによって、あるいは、ｐ型不純物を含有したシリコンをｎ型シリコン基板１ａの一表面上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
【００５３】
以下の説明においては、同じ導電型を有する不純物添加領域間での不純物濃度の大小を区別するために、不純物濃度が相対的に低いものから順番に、ｐ- 型不純物添加領域、ｐ型不純物添加領域、ｐ+ 型不純物添加領域、あるいはｎ- 型不純物添加領域、ｎ型不純物添加領域、ｎ+ 型不純物添加領域と表記する。ｐ- 型不純物添加領域１ｂをエピタキシャル成長法によって形成する場合以外、全ての不純物添加領域は、イオン注入とその後の熱処理とによって形成することが好ましい。
【００５４】
光電変換素子１０は、例えば、ｐ- 型不純物添加領域１ｂの所定箇所をｎ型不純物添加領域１０ａに転換し、更に、このｎ型不純物添加領域１０ａの表層部をｐ+ 型不純物添加領域１０ｂに転換することによって形成された埋込み型のフォトダイオードによって構成される。ｎ型不純物添加領域１０ａは、電荷蓄積領域として機能する。
【００５５】
１列の光電変換素子列に１本ずつ対応して、ｐ- 型不純物添加領域１ｂにｎ型チャネル２３が形成される。個々のｎ型チャネル２３は、その全長に亘ってほぼ均一な不純物濃度を有し、対応する光電変換素子列に沿って延在する。これらのｎ型チャネル２３は、それぞれ、垂直電荷転送素子２０での電荷転送チャネル（以下、「垂直電荷転送チャネル」という。）として機能する。
【００５６】
各光電変換素子１０（ｎ型不純物添加領域１０ａ）における図１または図６での右側縁部に沿って、ｐ型不純物添加領域３０ａが１つずつ配置される。ｐ型不純物添加領域３０ａの列方向の長さは、対応する光電変換素子１０の列方向の長さの例えば半分程度である。各ｐ型不純物添加領域３０ａは、読出しゲート３０用チャネル領域３０ａとして利用される。
【００５７】
必要に応じて、個々の垂直電荷転送チャネル２３の下方にも、ｐ型不純物添加領域が配置される。
チャネルストップ領域ＣＳが、読出しゲート用チャネル領域３０ａの形成箇所を除いた光電変換素子１０および垂直電荷転送チャネル２３の平面視上の周囲、および水平電荷転送素子４０（図１参照）を構成する電荷転送チャネル（以下、「水平電荷転送チャネル」という。）の平面視上の周囲に形成される。チャネルストップ領域ＣＳは、例えばｐ+ 型不純物添加領域によって構成される。
【００５８】
なお、水平電荷転送素子４０を２相駆動型のＣＣＤによって構成する場合、その水平電荷転送チャネルは、例えば、ｎ型不純物添加領域とｎ- 型不純物添加領域とが下流側から上流側に向かってこの順番で繰り返し配置することによって構成することができる。
【００５９】
本明細書では、光電変換素子１０から電荷検出回路５０へ転送される電荷の移動を１つの流れとみなして、個々の部材等の相対的な位置を、必要に応じて「何々の上流」、「何々の下流」等と称して特定する。
【００６０】
第１の電気的絶縁層５が、半導体基板１上に配置される。各光電変換素子１０上には、第１の電気的絶縁層５として例えば熱酸化膜が配置され、光電変換素子１０上の領域を除いた他の領域上には、第１の電気的絶縁層５として例えばＯＮＯ膜が配置される。
【００６１】
上記のＯＮＯ膜は、例えば、膜厚が２０〜７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜（熱酸化膜）と、膜厚が３０〜８０ｎｍ程度のシリコン窒化膜と、膜厚が１０〜５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜とを、半導体基板１上にこの順番で堆積させた積層膜によって構成される。図６においては、便宜上、１つの層で第１の電気的絶縁層５を表している。
【００６２】
第１の電気的絶縁層５上に、垂直電荷転送素子２０を構成する転送電極（以下、「垂直転送電極」という。）、水平電荷転送素子４０を構成する転送電極（以下、「水平転送電極」という。）、および電荷検出回路５０（図１参照）を構成する各種の電極が配置される。図６においては、１本の垂直転送電極２５中の２つの領域が見えている。
【００６３】
これらの電極は、例えば第１ポリシリコン層と、第１ポリシリコン層を所定の電極にパターニングした後に形成されて、その後に所定の電極にパターニングされる第２ポリシリコン層とを用いて形成される。個々の電極は、例えば熱酸化膜等の電気的絶縁膜ＩＦによって覆われる。
【００６４】
第２の電気的絶縁層６０が、各光電変換素子１０、各垂直転送電極、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０を覆って、後述する光遮蔽膜６５とその下の各種の電極との電気的な分離を十分なものとする。第２の電気的絶縁層６０は、物理的気相蒸着法（以下、「ＰＶＤ」と略記する。）または化学的気相蒸着法（以下、「ＣＶＤ」と略記する。）によって例えばシリコン酸化物を堆積させることで形成される。
【００６５】
光遮蔽膜６５が、各垂直転送電極、水平電荷転送素子４０、および電荷検出回路５０を平面視上覆って、光電変換素子１０以外の領域で無用の光電変換が行われるのを防止する。この光遮蔽膜６５は、タングステン、アルミニウム、クロム、チタン、モリブデン等の金属や、これらの金属の２種以上からなる合金等をＰＶＤまたはＣＶＤによって堆積させることで形成される。
【００６６】
各光電変換素子１０へ光が入射できるように、光遮蔽膜６５は、個々の光電変換素子１０の上方に開口部６５ａを１つずつ有する。個々の開口部６５ａの平面視上の面積は、この開口部６５ａが対応している光電変換素子１０の平面視上の面積の例えば２０％程度ないしはそれより小さい。光電変換素子１０表面において上記の開口部６５ａ内に平面視上位置する領域が、この光電変換素子１０における受光面となる。
【００６７】
垂直電荷転送素子２０用の駆動信号が供給される配線（図示せず。）や水平電荷転送素子４０用の駆動信号が供給される配線（図示せず。）を、光遮蔽膜６５の材料とは異なる材料によって形成する場合には、図６に示すように、光遮蔽膜６５上に層間絶縁膜７０を形成することが好ましい。
【００６８】
この層間絶縁膜７０は、例えばＰＶＤまたはＣＶＤによってシリコン酸化物等を堆積させることによって形成され、各垂直転送電極と配線との短絡、および水平転送電極と前記の配線との短絡を防止する。前記の配線を光遮蔽膜６５の材料と同じ材料によって形成する場合には、層間絶縁膜７０を省略する代わりに第２の電気的絶縁層６０を厚膜化して、この第２の電気的絶縁層を層間絶縁膜として利用することも可能である。
【００６９】
パッシベーション膜７５が層間絶縁膜７０上に形成されて、その下の部材を保護する。このパッシベーション膜７５は、例えばＰＶＤまたはＣＶＤによってシリコン窒化物等を堆積させることによって形成される。
【００７０】
第１の平坦化膜８０が、例えばフォトレジスト等の光透過性有機材料をパッシベーション膜７５上にスピンコートすることによって形成されて、分光素子９０を配置するための平坦面を提供する。
【００７１】
前述した集光素子９０は、第１の平坦化膜８０上に配置される。集光素子９０が有する分光領域９０Ａ、９０Ｂ、または９０Ｃ（図１参照）の平面視上の内縁部に入射した赤色光、緑色光、および青色光は、第１の平坦化膜８０の膜厚が薄い程、所望の光電変換素子１０に入射しにくくなる。分光素子９０によって分光された赤色光ＬR 、緑色光ＬG 、青色光ＬB （図３参照）が、それぞれ所定の光電変換素子１０の受光面にできるだけ多く入射するように、第１の平坦化膜８０の膜厚が適宜選定される。
【００７２】
次に、第２の実施例による固体撮像素子について説明する。
図７は、第２の実施例による固体撮像素子１２０の断面構造を概略的に示す。同図に示した構成要素のうちで図６に示した構成要素と共通するものについては、図６で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を要略する。
【００７３】
図示の固体撮像素子１２０は、第１の平坦化膜８０上に色フィルタアレイ１１０および第２の平坦化膜１１５がこの順番で積層され、第２の平坦化膜１１５上に分光素子９０が配置されている点で、第１の実施による固体撮像素子１００と構成上異なる。他の構成は固体撮像素子１００と同様である。ただし、第１の平坦化膜８０の膜厚は、できるだけ薄くすることが好ましい。
【００７４】
色フィルタアレイ１１０は、個々の光電変換素子１０へ所望色の光以外の光が入射するのを抑制するためのものである。分光素子９０によって分光された赤色光を入射させようとする光電変換素子１０の上方には赤色フィルタ１１０Ｒが配置され、緑色光を入射させようとする光電変換素子１０の上方には緑色フィルタ１１０Ｇが配置され、青色光を入射させようとする光電変換素子１０の上方には青色フィルタ１１０Ｂが配置される。
【００７５】
これらの色フィルタ１１０Ｒ、１１０Ｇ、および１１０Ｂは、それぞれ、所定の光電変換素子の上方に１つずつ配置することもできるし、光電変換素子列単位でストライプ状に配置することもできる。
【００７６】
第２の平坦化膜１１５は、第１の平坦化膜８０と同様に、例えばフォトレジスト等の光透過性有機材料をスピンコートすることによって形成される。第２の平坦化膜１１５の膜厚は、分光素子９０によって分光された赤色光、緑色光、青色光が、それぞれ所定の光電変換素子１０の受光面にできるだけ多く入射するように適宜選定される。
【００７７】
上記の構成を有する固体撮像素子１２０は、第１の実施による固体撮像素子１００と同様の効果を奏する。さらに、分光素子９０の他に色フィルタアレイ１１０を有しているので、その出力信号（画素信号）に基づいて画質の高い再生画像を得やすい。
【００７８】
次に、第３の実施例による固体撮像素子について説明する。
図８は、第３の実施例による固体撮像素子１４０の断面構造を概略的に示す。同図に示した構成要素のうちで図７に示した構成要素と共通するものについては、図７で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を要略する。
【００７９】
図示の固体撮像素子１４０は、パッシベーション膜７５Ａの所定領域、すなわち、光電変換素子１０の上方に位置する領域の各々が、それぞれ１つのマイクロレンズ７５ａとして機能するという点で、第２の実施による固体撮像素子１２０と構成上異なる。他の構成は固体撮像素子１２０と同様である。
【００８０】
図示のパッシベーション膜７５Ａは、例えば次の方法によって形成することができる。
まず、パッシベーション膜の材料として利用することができ、かつ、マイクロレンズ７５ａを形成するに十分な膜厚を有する透明材料層、例えばシリコン窒化物層を形成し、その上に、所定形状のマイクロレンズアレイを形成する。このマイクロレンズアレイは、例えば、透明樹脂（フォトレジストを含む。）層をフォトリソグラフィ法等によって所定形状に区画した後、熱処理によって各区画の透明樹脂層を溶融させ、表面張力によって角部を丸め込ませた後に冷却することによって得られる。１つの区画が１つのマイクロレンズに成形される。
【００８１】
この後、マイクロレンズアレイとその下の透明材料層とをエッチングすることにより、マイクロレンズアレイの立体形状を透明材料層に転写する。所定箇所がマイクロレンズ７５ａとして機能するパッシベーション膜７５Ａが得られる。
【００８２】
上記の構成を有する固体撮像素子１２０は、第２の実施による固体撮像素子１２０と同様の効果を奏する。さらに、個々の光電変換素子１０の上方にマイクロレンズ７５ａが１つずつ配置されているので、各光電変換素子１０への所定色の光の入射量を増加させることができる。固体撮像素子としての感度を更に高めやすい。
【００８３】
次に、第４の実施例による固体撮像素子について説明する。
図９は、第４の実施例による固体撮像素子１６０での光電変換素子１０、第１電荷転送素子（垂直電荷転送素子）２０、第２電荷転送素子（水平電荷転送素子）４０、および電荷検出回路５０の平面配置を概略的に示す。
【００８４】
この固体撮像素子１６０は、(i) 多数個の光電変換素子１０が画素ずらし配置されている点、(ii)個々の垂直電荷転送素子２０が蛇行形状を有する点、および(iii) 後述する分光素子の分光特性を除き、前述した第１の実施例による固体撮像素子１００と同様の構成を有する。
【００８５】
ここで、本明細書でいう「画素ずらし配置」とは、奇数番目に当たる光電変換素子列中の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子列中の光電変換素子の各々が、光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約１／２、列方向にずれ、奇数番目に当たる光電変換素子行中の各光電変換素子に対し、偶数番目に当たる光電変換素子行中の光電変換素子の各々が、光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／２、行方向にずれ、光電変換素子列の各々が奇数行または偶数行の光電変換素子のみを含むような、多数個の光電変換素子の配置を意味する。「画素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子を複数行、複数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。
【００８６】
上記の「光電変換素子列内での光電変換素子のピッチの約１／２」とは、１／２を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外れてはいるものの、得られる固体撮像素子の性能およびその画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなすことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換素子行内での光電変換素子のピッチの約１／２」についても同様である。
【００８７】
図９に示した構成要素と機能上共通する構成要素が全て図１に示されている。図１に示した構成要素と機能上共通する構成要素には図１で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【００８８】
多数個の光電変換素子１０を画素ずらし配置した場合には、垂直電荷転送素子２０の各々を図９に示すような蛇行形状にすることによって、光電変換素子１０の集積度を高めやすくなる。
【００８９】
図１０は、固体撮像素子１６０を概略的に示す上面図である。固体撮像素子１６０では、最上層として分光素子１９０が配置されている。
分光素子１９０は、同図に示す例では、５つの分光領域１９０Ａ〜１９０Ｅを有する。これらの分光領域１９０Ａ〜１９０Ｅの平面形状は、光電変換素子行方向に延在する対角線と光電変換素子列方向に延在する対角線とを有する矩形である。１つの分光領域に、互いに近接する４個の光電変換素子１０が対応する。
【００９０】
１つの分光領域に対応する４個の光電変換素子１０は、補間処理で必要となる最小単位の信号（４種類の画素信号）に対応する電荷を蓄積する。補完処理は、固体撮像素子１６０からの出力信号（画素信号）を用いて再生画像用の画素信号を生成する際に行われる。
【００９１】
分光領域１９０Ｃに対応する４個の光電変換素子を例にとって、１つの分光領域に対応する４個の光電変換素子１０相互の位置関係を説明する。
図示の例では、１列の光電変換素子列Ｃ１において互いに隣り合う２個の光電変換素子１０Ａ、１０Ｂと、これらの光電変換素子１０Ａ、１０Ｂが属している２つの光電変換素子行の間の光電変換素子行Ｒ１において互いに隣り合う２個の光電変換素子１０Ｃ、１０Ｄとが、分光領域１９０Ｃに対応する。光電変換素子１０Ｃは、光電変換素子列Ｃ１の左隣の光電変換素子列に属し、光電変換素子１０Ｄは、光電変換素子列Ｃ１の右隣の光電変換素子列に属する。
【００９２】
図１１は、図１０に示した分光領域１９０Ｃの分光特性を概略的に示す。同図に示すように、分光領域１９０Ｃは、入射光Ｌ中に含まれる赤色光ＬR 、緑色光ＬG 、および青色光ＬB を、それぞれ別個の方向に分光する。分光領域１９０Ｃと半導体基板１との間の屈折率が均一であると仮定すると、赤色光ＬR は半導体基板１表面の領域Ｒr 上に分光され、緑色光ＬG は半導体基板１表面の２つの領域Ｒg1、Ｒg2上に分光され、青色光ＬB は半導体基板１表面の領域Ｒb 上に分光される。
【００９３】
分光領域１９０Ｃ以外の分光領域１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｄ、１９０Ｅそれぞれの分光特性は、上述した分光領域１９０Ｃの分光特性と同様である。
実際には、分光素子１９０と半導体基板１との間に複数の層が介在する。固体撮像素子１６０は、分光領域１９０Ｃに対応する光電変換素子１０Ａの受光面が領域Ｒg1内に、光電変換素子１０Ｂの受光面が領域Ｒg2内に、光電変換素子１０Ｃの受光面が領域Ｒb 内に、光電変換素子１０Ｄの受光面が領域Ｒr 内に位置するように構成される。また、分光領域１９０Ｃ以外の分光領域とそれに対応する４個の光電変換素子１０との位置関係が、分光領域１９０Ｃとこれに対応する光電変換素子１０Ａ〜１０Ｄとの位置関係と同様になるように構成される。
【００９４】
分光素子１９０は、ホログラフィック素子によって構成することが好ましい。ホログラフィック素子によって構成された分光素子１９０は、図５を用いて既に説明した方法に準じて製造することができる。ただし、透明材料層に緑色光を照射する際には、図１１に示したように２つの領域に緑色光を分光することができる分光素子が得られるように、２つのスリットを使用する。
【００９５】
上述した固体撮像素子１６０は、前述した第１の実施例による固体撮像素子１００と同様の効果を奏する。
なお、多数個の光電変換素子を画素ずらし配置した固体撮像素子においても、前述した第２の実施例による固体撮像素子１２０と同様に、分光素子の下方に色フィルタアレイを設けることができる。また、前述した第３の実施例による固体撮像素子１４０と同様に、光電変換素子の上方に位置する領域が１つのマイクロレンズとして機能するパッシベーション膜を設けることができる。
【００９６】
以上、実施例によるマイクロレンズアレイの製造方法、固体撮像素子およびその製造方法について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。
【００９７】
特に、固体撮像素子における分光素子以外の構成は、目的とする固体撮像素子の用途や性能等に応じて種々変更可能である。
例えば、多数個の光電変換素子を正方行列状に配置した場合、垂直電荷転送素子の構成は、１行の光電変換素子行あたり例えば２〜３本の垂直転送電極を備えた構成にすることができる。
【００９８】
図１２は、多数個の光電変換素子１０が正方行列状に配置され、各垂直電荷転送素子２０が１行の光電変換素子行あたり２本の垂直転送電極２５ａ、２５ｂを備えた固体撮像素子１００Ａを概略的に示す。
【００９９】
同図に示す垂直電荷転送素子２０の各々は、配線ＷＬV1〜ＷＬV4を介して供給される４相の駆動信号φＶ１〜φＶ４によって駆動される４相駆動型のＣＣＤによって構成され、それぞれの垂直電荷転送チャネル２３は、対応する光電変換素子列に沿って直線的に延在する。
【０１００】
これらの垂直電荷転送チャネル２３を平面視上横切るようにして、各光電変換素子行の上流側に第１垂直転送電極２５ａが１本ずつ配置され、各光電変換素子行の下流側に第２垂直転送電極２５ｂが１本ずつ配置されている。これら第１〜第２垂直転送電極２５ａ〜２５ｂは対応する光電変換素子行に沿って延在し、各垂直電荷転送チャネル２３上において、第２垂直転送電極２５ｂの一端が第１垂直転送電極２５ａの一端に平面視上重なっている。
【０１０１】
必要に応じて、最も下流の第２垂直転送電極２５ｂの下流側に、更に複数本の垂直転送電極、例えば３本の垂直転送電極が配置される。
垂直転送電極の各々は、全ての垂直電荷転送素子２０について、その一部を構成する。
【０１０２】
図１２においては図示を省略しているが、固体撮像素子１００Ａにおいても、前述した固体撮像素子１００と同様に、半導体基板１の上方に第２の電気的絶縁層、光遮蔽膜、層間絶縁膜、パッシベーション膜、第１の平坦化膜を順次配置し、更に、第１の平坦化膜上に分光素子を配置することができる。また、前述した第２の実施例による固体撮像素子１２０と同様に、分光素子の下方に色フィルタアレイを設けることもできるし、前述した第３の実施例による固体撮像素子１４０と同様に、光電変換素子の上方に位置する領域が１つのマイクロレンズとして機能するパッシベーション膜を設けることもできる。
【０１０３】
図１３は、多数個の光電変換素子が画素ずらし配置され、各垂直電荷転送素子２０が１行の光電変換素子行あたり２本の垂直転送電極２５ａ、２５ｂを備えた固体撮像素子１６０Ａを概略的に示す。
【０１０４】
図１３に示した構成要素と機能上共通する構成要素が全て図１２に示されている。図１２に示した構成要素と機能上共通する構成要素には図１２で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
多数個の光電変換素子１０を画素ずらし配置した場合には、図示のように、垂直電荷転送チャネル２３の各々を、対応する光電変換素子列に沿って蛇行させ、第１垂直転送電極２５ａおよび第２垂直転送電極２５ｂの各々を、対応する光電変換素子行に沿って蛇行させることが好ましい。
【０１０６】
図１３においては図示を省略しているが、固体撮像素子１６０Ａにおいても、前述した固体撮像素子１００と同様に、半導体基板１の上方に第２の電気的絶縁層、光遮蔽膜、層間絶縁膜、パッシベーション膜、第１の平坦化膜を順次配置し、更に、第１の平坦化膜上に分光素子を配置することができる。また、前述した第２の実施例による固体撮像素子１２０と同様に、分光素子の下方に色フィルタアレイを設けることもできるし、前述した第３の実施例による固体撮像素子１４０と同様に、光電変換素子の上方に位置する領域が１つのマイクロレンズとして機能するパッシベーション膜を設けることもできる。
【０１０７】
多数個の光電変換素子を正方行列状に配置する場合および画素ずらし配置する場合のいずれにおいても、垂直電荷転送素子や水平電荷転送素子を何相の駆動信号で駆動するかは、１行の光電変換素子行に対応する垂直転送電極の数、または１つの垂直電荷転送素子に対応する水平転送電極の数、あるいは、垂直電荷転送素子または水平電荷転送素子の駆動方法等に応じて、適宜選定可能である。水平電荷転送素子は、１つの垂直電荷転送素子あたり２本以上の水平転送電極を配置することによって構成可能である。
【０１０８】
図２〜図３を用いて説明した分光素子９０や、図１０〜図１１を用いて説明した分光素子１９０は、ＭＯＳ型の固体撮像素子に適用することもできる。
図１４（Ａ）は、エリア・イメージセンサとして利用されるＭＯＳ型の固体撮像素子での光電変換素子および出力信号生成部の配置を概略的に示す。
【０１０９】
図示の固体撮像素子３００では、半導体基板２０１の一表面に複数行、複数列に亘って多数個の光電変換素子２１０が正方行列状に配置される。１個の光電変換素子２１０に１つずつ、図示を省略したスイッチング回路が接続される。
【０１１０】
１つの光電変換素子列に１本ずつ、この光電変換素子列に沿って出力信号線２３０が配置され、これらの出力信号線２３０に１つずつ、負荷トランジスタ２４０が接続される。各出力信号線２３０は、信号生成部２５０に接続される。
【０１１１】
光電変換素子２１０に光が入射すると、この光電変換素子２１０に電荷が蓄積される。図示を省略したスイッチング回路の動作を適宜制御することにより、光電変換素子２１０に蓄積された電荷に応じた大きさの電気信号を、対応する出力信号線２３０に発生させることができる。この電気信号は信号生成部２５０によって検出されると共に、所定の出力信号（画素信号）に変換されて出力される。この出力が、固体撮像素子３００の出力となる。
【０１１２】
個々の光電変換素子２１０に接続されたスイッチング回路の動作を光電変換素子行単位で制御するために、行読出し走査部２６０と行リセット走査部２６５とが半導体基板２０１に配置される。
【０１１３】
行読出し走査部２６０は、各スイッチング回路の動作を制御して、光電変換素子２１０とこれに対応する出力信号線２３０との電気的な接続を制御する。行リセット走査部２６５は、各スイッチング回路の動作を制御して、光電変換素子２１０に蓄積された電荷の掃き出し動作を制御する。
【０１１４】
これらの制御に必要な信号を伝達するために、行選択信号線２２４およびリセット信号線２２７が、それぞれ、１行の光電変換素子行に１本ずつ対応して配置される。また、１行の光電変換素子行もしくは１列の光電変換素子列に１本ずつ対応して、電源電圧供給線２２５が配置される。各スイッチング回路は、これらの信号線および供給線にも電気的に接続可能である。
【０１１５】
制御部２７０が半導体基板２０１上に配置されて、信号生成部２５０、行読出し走査部２６０、および行リセット走査部２６５の動作を制御する。
図１４（Ｂ）は、スイッチング回路の一例を示す。同図に示すスイッチング回路２２０は、出力用トランジスタ２２１、行選択用トランジスタ２２２、およびリセット用トランジスタ２２３を含む。これらのトランジスタは、例えばＭＯＳ型トランジスタである。
【０１１６】
出力用トランジスタ２２１と行選択用トランジスタ２２２とが直列に接続され、出力用トランジスタ２２２のゲートに光電変換素子２１０が、行選択用トランジスタ２２２のゲートに行選択信号線２２４が接続される。出力用トランジスタの残りの一端が電源電圧供給線２２５に接続され、行選択用トランジスタ２２２の残りの一端が出力信号線２３０に接続される。
【０１１７】
リセット用トランジスタ２２３は、出力用トランジスタ２２２と光電変換素子２１０とを接続する配線２２６に接続されると共に、電源電圧供給線２２５にも接続され、そのゲートにはリセット信号線２２７が接続される。
【０１１８】
各スイッチング回路２２０、各出力信号線２３０、各負荷トランジスタ２４０、信号生成部２５０、行読出し走査部２６０、および行リセット走査部２６５は、出力信号生成部を構成する。
【０１１９】
行読出し走査部２６０から行選択信号線２２４に読出し信号が供給されると、この行選択信号線２２４に接続されている行選択用トランジスタ２２２がオンになる。出力用トランジスタ２２１と、これに対応する出力信号線２３０とが電気的に接続される。
【０１２０】
出力用トランジスタ２２１のゲートに印加される電圧の値は、この出力用トランジスタ２２１に接続されている光電変換素子１０に蓄積された電荷に応じて変化する。したがって、出力用トランジスタ２２１に流れるドレイン電流の大きさも、光電変換素子２１０に蓄積された電荷に応じて変化する。結果的に、行選択用トランジスタ２２２がオンになると、光電変換素子２１０に蓄積された電荷に応じた電気信号が出力用信号線２３０に発生する。
【０１２１】
行リセット走査部２６５からリセット信号線２２７にリセット信号が供給されると、このリセット信号線２２７に接続されているリセット用トランジスタ２２３がオンになる。このリセット用トランジスタ２２３に対応する光電変換素子２１０が電源電圧供給線２２５に接続され、光電変換素子２１０に蓄積されていた電荷が電源電圧供給線２２５に排出される。
【０１２２】
ＭＯＳ型の固体撮像素子３００においても、前述した固体撮像素子１００と同様に、半導体基板２０１の上方に第２の電気的絶縁層、光遮蔽膜、層間絶縁膜、パッシベーション膜、第１の平坦化膜を順次配置し、更に、第１の平坦化膜上に分光素子を配置することができる。また、前述した第２の実施例による固体撮像素子１２０と同様に、分光素子の下方に色フィルタアレイを設けることもできるし、前述した第３の実施例による固体撮像素子１４０と同様に、光電変換素子の上方に位置する領域が１つのマイクロレンズとして機能するパッシベーション膜を設けることもできる。
【０１２３】
分光素子における分光領域の数およびその配置は、半導体基板に形成されている光電変換素子の数およびそれらの配置形態、垂直電荷転送素子の駆動方法、固体撮像素子を用いた撮像装置での信号処理方法等に応じて適宜選定可能である。
【０１２４】
個々の分光領域の平面視上の面積は、２個の光電変換素子の平面視上の面積の和よりも広くすることが好ましい。ただし、個々の光電変換素子上に分光される光が、この光電変換素子からあまりにも遠い箇所において分光素子に入射した光であると、固体撮像素子からの出力信号（画素信号）に基づいて再生される画像の画質が低下する。
【０１２５】
分光素子における個々の分光領域は、その分光領域に対応している個々の光電変換素子上へ分光される光が、この光電変換素子から概ね２行、３列以内にある光電変換素子の上方において分光素子に入射した光となるように形成することが好ましい。
【０１２６】
回折格子パターンを有する回折光学素子によって分光素子を構成する場合、個々の分光領域に形成する回折格子パターンの形状は、目的とする分光特性に応じて適宜選定可能である。
【０１２７】
また、分光素子の製造方法も、目的とする分光特性や生産性等を勘案して、適宜選定可能である。
固体撮像素子は、分光素子と、分光素子を除いた各構成部材とが互いに分離された構造にすることもできる。この場合には、分光素子を他の構成部材と一体化させる場合に分光素子の下地層として利用する層を省略することが可能である。ただし、分光素子を所定の位置に保持するための部材が別途必要になる。
【０１２８】
また、固体撮像素子の構造を、分光素子が所定の下地層上に貼り合わされた貼合わせ構造にすることも可能である。
固体撮像素子の構造を、分光素子と、分光素子を除いた各構成部材とが互いに分離された構造、または、上記の貼合わせ構造にした場合には、分光素子の材料の選択の自由度が高くなる。
【０１２９】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であることは、当業者に自明であろう。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、個々の光電変換素子への入射光量を増大させることが可能な固体撮像素子が提供される。感度の高い固体撮像素子を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による固体撮像素子での光電変換素子、第１電荷転送素子（垂直電荷転送素子）、第２電荷転送素子（水平電荷転送素子）、および電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【図２】図１に示した固体撮像素子を概略的に示す上面図である。
【図３】図２に示した分光領域の分光特性を概略的に示す斜視図である。
【図４】図４（Ａ）は、回折格子パターンを有する回折光学素子によって構成された分光素子の一部を概略的に示す斜視図であり、図４（Ｂ）は、他の回折格子パターンを有する回折光学素子によって構成された分光素子の一部を概略的に示す断面図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）、および図５（Ｃ）は、それぞれ、ホログラフィック素子によって構成された分光素子の製造工程を示す側面図である。
【図６】図２に示すVI−VI線に沿った固体撮像素子の断面構造を示す概略図である。
【図７】第２の実施例による固体撮像素子の断面構造を示す概略図である。
【図８】第３の実施例による固体撮像素子の断面構造を示す概略図である。
【図９】第４の実施例による固体撮像素子での光電変換素子、第１電荷転送素子（垂直電荷転送素子）、第２電荷転送素子（水平電荷転送素子）、および電荷検出回路の平面配置を示す概略図である。
【図１０】図９に示した固体撮像素子を概略的に示す上面図である。
【図１１】図１０に示した分光領域の分光特性を概略的に示す斜視図である。
【図１２】多数個の光電変換素子が正方行列状に配置され、各垂直電荷転送素子が１行の光電変換素子行あたり２本の垂直転送電極を備えた固体撮像素子を示す概略図である。
【図１３】多数個の光電変換素子が画素ずらし配置され、各垂直電荷転送素子が１行の光電変換素子行あたり２本の垂直転送電極を備えた固体撮像素子を示す概略図である。
【図１４】図１４（Ａ）は、エリア・イメージセンサとして利用されるＭＯＳ型固体撮像素子での光電変換素子および出力信号生成部の配置を示す概略図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示した光電変換素子に接続されるスイッチング回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１、２０１…半導体基板、  １０、２１０…光電変換素子、  ２０…第１電荷転送素子（垂直電荷転送素子）、  ２３…垂直電荷転送チャネル、  ２５…垂直転送電極、２５ａ…第１垂直転送電極、  ２５ｂ…第２垂直転送電極、  ３０…読出しゲート、  ４０…第２電荷転送素子（水平電荷転送素子）、  ５０…電荷検出回路、  ６０…第２の電気的絶縁層、  ６５…光遮蔽膜、  ７０…層間絶縁膜、  ７５…パッシベーション膜、  ８０…第１の平坦化膜、  ９０…分光素子、  ９０Ａ〜９０Ｃ、１９０Ａ〜１９０Ｅ…分光領域、  １００、１２０、１４０、１６０、３００…固体撮像素子。
【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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