JP6080343B2 - 撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本技術は、撮像素子およびその製造方法に関し、特に、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減できる、撮像素子およびその製造方法に関する。

従来から、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の撮像素子には、一般的に、１種類のカラーフィルタが１層のみ配置される構成の画素が採用されている（例えば、特許文献１参照）。その他、例えば、２種類のカラーフィルタが積層されて配置される構成の画素（例えば、特許文献２参照）や、配置されるカラーフィルタの高さが色別に異なる構成の画素（例えば、特許文献３参照）が、従来の撮像素子に採用される場合がある。

特開２０１０−２３２５９５号公報 特開２００２−１８４９６５号公報 特開平２−２８５６７４号公報

しかしながら、特許文献１乃至３を含む従来の構成の画素では、オンチップレンズにより集光されてカラーフィルタを透過した光が、フォトダイオードに入射するまでの間に隣接画素のフォトダイオードに漏れ込むことによって、混色が発生する。混色は、S/N(Signal to Noise Ratio)や色再現性の低下につながるおそれがある。このため、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減する手法が要求されている状況である。

本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減できるようにしたものである。

本技術の一側面の撮像素子は、光を受光するフォトダイオード部と、前記フォトダイオード部の少なくとも一部と対向する第１のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタと対向する前記第１のカラーフィルタと同色の第２のカラーフィルタとを含む第１の単位画素と、光を受光する前記フォトダイオード部と異なる他のフォトダイオード部と、前記他のフォトダイオード部の少なくとも一部と対向する前記第１および第２のカラーフィルタと異色の第３のカラーフィルタとを含む前記第１の単位画素に隣接する第２の単位画素とを備え、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは離間しており、かつ、それぞれ異なる分光透過率特性を有しており、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の波形が近似する程度を示す類似度は、前記第１のカラーフィルタと前記第２の単位画素に含まれる前記第３のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の類似度よりも高く、前記第２のカラーフィルタと前記第２の単位画素に含まれる前記第３のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の類似度よりも高く、前記第１の単位画素は、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタを含むＮ枚のカラーフィルタを有し、前記第２の単位画素は、前記第３のカラーフィルタを含むＭ枚のカラーフィルタを有し、前記Ｎは２以上の整数値であり、前記Ｍは前記Ｎとは異なる１以上の整数値であり、かつ、前記Ｎは、前記Ｍより大きく、前記第１の単位画素は、複数の色の単位画素からなる画素ユニットのうち最も数の多い色の単位画素であり、前記第２の単位画素は、前記第１の単位画素以外の色の単位画素である。
前記複数の色の単位画素からなる画素ユニットのうち最も数の多い色の単位画素は、前記画素ユニットにおける所定の色配列を構成する単位画素のうち、最も数の多い色の単位画素とすることができる。
前記所定の色配列は、ベイヤ配列、または、クリアビット配列とすることができ、前記最も数の多い色の単位画素は、緑色の単位画素とすることができる。

前記第２の単位画素は、前記第３のカラーフィルタと同色で、かつ、離間している第４のカラーフィルタをさらに含む。

前記第１の単位画素及び前記第２の単位画素の各々は、さらに、光を集光するオンチップレンズをそれぞれ含む。

前記第１のカラーフィルタは、前記フォトダイオード部の直上に配置される。

前記フォトダイオード部の上には平坦化膜が塗布されており、前記第１のカラーフィルタは、前記平坦化膜の上に配置される。

前記フォトダイオード部の上には導波路が形成されており、前記第１のカラーフィルタは、前記導波路の上に配置される。

本技術の一側面においては、光を受光するフォトダイオード部と、前記フォトダイオード部の少なくとも一部と対向する第１のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタと対向する前記第１のカラーフィルタと同色の第２のカラーフィルタとを含む第１の単位画素と、光を受光する前記フォトダイオード部と異なる他のフォトダイオード部と、前記他のフォトダイオード部の少なくとも一部と対向する前記第１および第２のカラーフィルタと異色の第３のカラーフィルタとを含む前記第１の単位画素に隣接する第２の単位画素とが設けられ、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは離間されており、かつ、それぞれ異なる分光透過率特性を備えており、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の波形が近似する程度を示す類似度が、前記第１のカラーフィルタと前記第２の単位画素に含まれる前記第３のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の類似度よりも高くされ、前記第２のカラーフィルタと前記第２の単位画素に含まれる前記第３のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の類似度よりも高く、前記第１の単位画素には、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタを含むＮ枚のカラーフィルタが設けられ、前記第２の単位画素には、前記第３のカラーフィルタを含むＭ枚のカラーフィルタが設けられ、前記Ｎは２以上の整数値であり、前記Ｍは前記Ｎとは異なる１以上の整数値であり、かつ、前記Ｎは、前記Ｍより大きく、前記第１の単位画素は、複数の色の単位画素からなる画素ユニットのうち最も数の多い色の単位画素とされ、前記第２の単位画素は、前記第１の単位画素以外の色の単位画素とされる。

以上のごとく、本技術によれば、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減することができる。

一般的な構成の画素ユニットの断面図である。 単位画素の上層の低層化について説明する図である。 本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニットの断面図である。 カラーフィルタの分光透過率曲線を示す図である。 混色の低減について説明する図である。 赤用フォトダイオードへの入射量を、カラーフィルタの透過率を用いて示す図である。 製造装置の機能的構成例を示すブロック図である。 画素ユニットの製造処理の流れを説明するフローチャートである。 画素ユニットの製造処理の流れを示す図である。 瞳補正が加えられた画素ユニットについて説明する図である。 複数層のカラーフィルタの数が色別に変えられて配置される画素ユニットについて説明する図である。 一部の色のカラーフィルタのみが複数層配置される画素ユニットの断面図である。 フォトダイオード上に段差がある場合の画素ユニットの断面図である。 ホワイト用単位画素が適用された画素ユニットについて説明する図である。 表面型照射イメージセンサに採用される単位画素の断面図である。 画素ユニットの製造処理の流れを説明するフローチャートである。 画素ユニットの製造処理の流れを示す図である。 本技術を適用した撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。

以下、本技術の実施の形態について説明する。

本発明者は、まず、イメージセンサを構成する一般的な画素を用いて、オンチップレンズとフォトダイオード間で発生する混色について検討を行った。ここで、イメージセンサの受光面を上面とし、当該受光面の反対側の面を下面として、当該受光面の法線と平行な方向を上下方向、受光面と平行な方向を横方向として、以下説明する。

[一般的な構成の画素]
図１は、裏面型照射イメージセンサに採用される、一般的な構成の画素ユニットの断面図である。画素ユニットは、例えば３色の単位画素、すなわち赤用単位画素、緑用単位画素、及び青用単位画素から構成される。しかしながら、ここでは説明の都合上、２色の単位画素、より具体的には緑用単位画素と赤用単位画素の組のみを図示する。なお、単位画素は、フォトダイオード、カラーフィルタ、オンチップレンズ等の構成要素から構成される。

図１Ａは、１種類のカラーフィルタが１層のみ配置される単位画素の２つの組から構成される画素ユニット１０の断面図である。画素ユニット１０においては、緑用フォトダイオード２１−１及び赤用フォトダイオード２１−２が隣接して配置されている。緑用フォトダイオード２１−１の上には、緑用フィルタ部２２−１及びオンチップレンズ２３−１が下方から順に積層されている。また、赤用フォトダイオード２１−２の上には、赤用フィルタ部２２−２及びオンチップレンズ２３−２が下方から順に積層されている。

緑用フィルタ部２２−１は、下方から順に、平坦化膜３１の左側部分及び緑用カラーフィルタ３２−１が積層されて構成される。赤用フィルタ部２２−２は、下方から順に、平坦化膜３１の右側部分及び赤用カラーフィルタ３２−２が積層されて構成される。換言すると、緑用フィルタ部２２−１と赤用フィルタ部２２−２との組は、下方から順に、平坦化膜３１、及び、緑用カラーフィルタ３２−１と赤用カラーフィルタ３２−２との組が積層されて構成される。なお、平坦化膜３１は、光を透過する膜である。

オンチップレンズ２３−１に入射された光は、緑用カラーフィルタ３２−１及び平坦化膜３１を透過して、緑用フォトダイオード２１−１に集光され、入射する。より正確には、緑用カラーフィルタ３２−１において、オンチップレンズ２３−１から射出された光のうち、特定の波長帯域（すなわち、緑色の波長帯域）の光だけが透過し、さらに平坦化膜３１を透過して、緑用フォトダイオード２１−１に入射する。緑用フォトダイオード２１−１は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電気信号を出力する。

オンチップレンズ２３−２に入射された光は、同様の経路により、赤用フォトダイオード２１−２に集光され、入射する。ただし、この場合、赤用カラーフィルタ３２−２において、オンチップレンズ２３−２から射出された光のうち、特定の波長帯域（すなわち、赤色光の波長帯域）の光だけが透過する点が異なる。

図１Ａに示されるように、オンチップレンズ２３−１から射出された光のうち、緑用カラーフィルタ３２−１を透過した光の一部は、隣接する赤用フォトダイオード２１−２へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。同様に、オンチップレンズ２３−２から射出された光のうち、赤用カラーフィルタ３２−２を透過した光の一部は、隣接する緑用フォトダイオード２１−１へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。

図１Ｂは、２種類のカラーフィルタが積層されて配置される単位画素の２つの組から構成される画素ユニット５０の断面図である。画素ユニット５０においては、緑用フォトダイオード６１−１及び赤用フォトダイオード６１−２が隣接して配置されている。緑用フォトダイオード６１−１の上には、緑用フィルタ部６２−１及びオンチップレンズ６３−１が下方から順に積層されている。また、赤用フォトダイオード６１−２の上には、赤用フィルタ部６２−２及びオンチップレンズ６３−２が下方から順に積層されている。

緑用フィルタ部６２−１は、下方から順に、平坦化膜７１の左側部分、下段のカラーフィルタ７２−１と上段のカラーフィルタ７３−１からなる緑用カラーフィルタが積層されて構成される。赤用フィルタ部６２−２は、下方から順に、平坦化膜７１の右側部分、下段のカラーフィルタ７２−２と赤用カラーフィルタ７３−２からなる赤用カラーフィルタが積層されて構成される。換言すると、緑用フィルタ部６２−１と赤用フィルタ部６２−２との組は、下方から順に、平坦化膜７１、及び、下段のカラーフィルタ７２−１と上段のカラーフィルタ７３−１からなる緑用カラーフィルタと、下段のカラーフィルタ７２−２と上段のカラーフィルタ７３−２からなる赤用カラーフィルタとの組が積層されて構成される。なお、緑用カラーフィルタを構成する下段のカラーフィルタ７２−１と上段のカラーフィルタ７３−１は接着している。同様に、赤用カラーフィルタを構成する下段のカラーフィルタ７２−２と上段のカラーフィルタ７３−２は接着している。

オンチップレンズ６３−１に入射された光は、上段のカラーフィルタ７３−１と下段のカラーフィルタ７２−１からなる緑用カラーフィルタ、及び平坦化膜７１を透過して、緑用フォトダイオード６１−１に集光され、入射する。より正確には、上段のカラーフィルタ７３−１と下段のカラーフィルタ７２−１からなる緑用カラーフィルタにおいて、オンチップレンズ６３−１から射出された光のうち、緑色の波長帯域の光だけが透過し、さらに平坦化膜７１を透過して、緑用フォトダイオード６１−１に入射する。緑用フォトダイオード６１−１は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電気信号を出力する。

オンチップレンズ６３−２に入射された光は、同様の経路により、赤用フォトダイオード６１−２に集光され、入射する。ただし、この場合、上段のカラーフィルタ７３−２と下段のカラーフィルタ７２−２からなる赤用カラーフィルタにおいて、オンチップレンズ６３−２から射出された光のうち、赤色の波長帯域の光だけが透過する点が異なる。

図１Ｂに示されるように、オンチップレンズ６３−１から射出された光のうち、上段のカラーフィルタ７３−１と下段のカラーフィルタ７２−１からなる緑用カラーフィルタを透過した光の一部は、隣接する赤用フォトダイオード６１−２へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。同様に、オンチップレンズ６３−２から射出された光のうち、上段のカラーフィルタ７３−２及び下段のカラーフィルタ７２−２からなる赤用カラーフィルタを透過した光の一部は、隣接する緑用フォトダイオード６１−１へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。

図１Ｃは、配置されるカラーフィルタの高さが、色別に異なる単位画素の２つの組から構成される画素ユニット９０の断面図である。画素ユニット９０においては、緑用フォトダイオード１０１−１及び赤用フォトダイオード１０１−２が隣接して配置されている。緑用フォトダイオード１０１−１の上には、緑用フィルタ部１０２−１及びオンチップレンズ１０３−１が下方から順に積層されている。また、赤用フォトダイオード１０１−２の上には、赤用フィルタ部１０２−２及びオンチップレンズ１０３−２が下方から順に積層されている。

緑用フィルタ部１０２−１は、下方から順に、平坦化膜１１１の左側部分及び緑用カラーフィルタ１１２−１が積層されて構成される。赤用フィルタ部１０２−２は、下方から順に、平坦化膜１１１の右側部分及び赤用カラーフィルタ１１２−２が積層されて構成される。換言すると、緑用フィルタ部１０２−１及び赤用フィルタ部１０２−２の組は、下方から順に、平坦化膜１１１、及び、緑用カラーフィルタ１１２−１と赤用カラーフィルタ１１２−２との組が積層されて構成される。なお、緑用カラーフィルタ１１２−１及び赤用カラーフィルタ１１２−２は、緑用フォトダイオード１０１−１と緑用カラーフィルタ１１２−１との間の距離と、赤用フォトダイオード１０１−２と赤用カラーフィルタ１１２−２との間の距離とが異なるように、それぞれ配置される。

オンチップレンズ１０３−１に入射された光は、緑用カラーフィルタ１１２−１及び平坦化膜１１１を透過して、緑用フォトダイオード１０１−１に集光され、入射する。より正確には、緑用カラーフィルタ１１２−１において、オンチップレンズ１０３−１から射出された光のうち、緑色の波長帯域の光だけが透過し、さらに平坦化膜１１１を透過して、緑用フォトダイオード１０１−１に入射する。緑用フォトダイオード１０１−１は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電気信号を出力する。

オンチップレンズ１０３−２に入射された光は、同様の経路により、赤用フォトダイオード１０１−２に集光され、入射する。ただし、この場合、赤用カラーフィルタ１１２−２において、オンチップレンズ１０３−２から射出された光のうち、赤色の波長帯域の光だけが透過する点が異なる。

図１Ｃに示されるように、オンチップレンズ１０３−１から射出された光のうち、緑用カラーフィルタ１１２−１を透過した光の一部は、隣接する赤用フォトダイオード１０１−２へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。同様に、オンチップレンズ１０３−２から射出された光のうち、赤用カラーフィルタ１１２−２を透過した光の一部は、隣接する緑用フォトダイオード１０１−１へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。

上述のように、一般的な構成の画素ユニット１０等においては、オンチップレンズ２３−１と緑用フォトダイオード２１−１との間のように、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で混色が発生する。このようにして発生する混色は、S/Nや色再現性の低下の要因となるおそれがある。

[上層が低層化された画素]
混色を低減する手法としては、単位画素の上層を低層化する手法が存在する。ここで、上層とは、フォトダイオードの上方に積層された部分、すなわち、フィルタ部及びオンチップレンズをいい、主に平坦化膜を薄くすることにより上層の低層化が図られる。

図２は、単位画素の上層の低層化について説明する図である。

図２Ａの画素ユニット１０は、単位画素の上層を低層化する前の画素ユニットであるとする。緑用フォトダイオード２１−１に示される両矢印は、オンチップレンズ２３−１により集光された光が照射する領域（以下、集光ポイントと称する）を示している。画素ユニット１０においては、図１Ａで説明したように、混色が発生する。

したがって、図２Ｂに示されるように、緑用フィルタ部２２−１と赤用フィルタ部２２−２に含まれる平坦化膜３１を薄くして、オンチップレンズ２３−１及びオンチップレンズ２３−２と、緑用フォトダイオード２１−１及び赤用フォトダイオード２１−２との距離を短くして低層化を図る。このように単位画素の上層を低層化することにより、上層部の光路が短縮される分だけ、上層部において隣接する画素へ漏れ込む光量が減少するため、混色は低減する。

しかしながら、図２Ｂに示されるように、緑用フォトダイオード２１−１の集光ポイントは、単位画素の上層を低層化することにより広がってしまう。集光ポイントが広がると、感度の低下やフォトダイオード内での混色の発生を招くおそれがある。この場合、オンチップレンズ２３−１の曲率を調整することで、集光ポイントの調整は可能である。例えば、単位画素の上層を低層化した場合には、オンチップレンズの曲率を大きくすることにより、集光ポイントの広がりを抑制することが可能である。しかしながら、画素サイズの微細化に伴って製造工程での加工の難易度が高くなるため、オンチップレンズの曲率を調整するのが困難な場合がある。

そこで、本発明者等は、１つの単位画素に対して、上下方向に複数層の同色のカラーフィルタを離間して配置する、という手法を開発した。このような手法を、以下、本技術の手法と称すると、本技術の手法を適用することで、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減できる。

[本技術が適用された単位画素]
図３Ａは、裏面型照射イメージセンサに採用される、本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００の断面図である。ここでは説明の都合上、２色の単位画素、より具体的には緑用単位画素と赤用単位画素の組のみを図示するが、当然のことながら、これに限定されない。画素ユニット２００を構成する単位画素には、それぞれ上下方向に複数層のカラーフィルタが離間して配置される。なお、以下の説明においては、１つの単位画素に対して、カラーフィルタが２層配置される場合について説明するが、配置されるカラーフィルタの数はこれに限定されない。

画素ユニット２００においては、緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２が隣接して配置されている。緑用フォトダイオード２１１−１の上には、緑用フィルタ部２１２−１及びオンチップレンズ２１３−１が下方から順に積層されている。また、赤用フォトダイオード２１１−２の上には、赤用フィルタ部２１２−２及びオンチップレンズ２１３−２が下方から順に積層されている。

緑用フィルタ部２１２−１は、下方から順に、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１、平坦化膜２２２の左側部分、及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１が積層されて構成される。赤用フィルタ部２１２−２は、下方から順に、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２、平坦化膜２２２の右側部分、及び上段の赤用カラーフィルタ２２３−２が積層されて構成される。換言すると、緑用フィルタ部２１２−１と赤用フィルタ部２１２−２との組は、下方から順に、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１と下段の赤用カラーフィルタ２２１−２との組、平坦化膜２２２、及び、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１と上段の赤用カラーフィルタ２２３−２との組が積層されて構成される。なお、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１と下段の赤用カラーフィルタ２２１−２との組は、それぞれ緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２の直上か、若しくは可能な限り緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２の近傍に配置される。また、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１と上段の緑用カラーフィルタ２２３−１、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２と上段の赤用カラーフィルタ２２３−２とは、それぞれ平坦化膜２２２がその間に配置されることにより、離間して配置される。

図３Ａの例では、１つの単位画素に対して、カラーフィルタが２層配置される場合について説明したが、カラーフィルタが２層以上配置される場合には、対向する２層のカラーフィルタの組のうち、少なくとも１組の間が離間するように配置される。なお、対向する２層とは、最も近くに配置される２層、すなわち近接する２層を意味する。

図３Ｂは、カラーフィルタが３層配置された単位画素から構成される画素ユニット２００ｅの断面図である。例えば、画素ユニット２００ｅの緑用単位画素において、対向する２層のカラーフィルタの組とは、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ａと中段の緑用カラーフィルタ２２４−１ａとの組（以下、第１の組と称する）、及び、中段の緑用カラーフィルタ２２４−１ａと上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ａとの組（以下、第２の組と称する）のことをいう。ここで、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ａと上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ａとの組は、近接する２層ではないので、対向する２層のカラーフィルタの組ではない。

図３Ｂに示される緑用単位画素においては、対向する２層のカラーフィルタの組、すなわち第１の組と第２の組は、どちらも２層のカラーフィルタの間が離間するように配置されているが、第１の組と第２の組のうちの少なくとも１組の間が離間するように配置されればよい。

ここで、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１の各々は、それぞれ同色のカラーフィルタであるとする。また、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２及び上段の赤用カラーフィルタ２２３−２の各々は、それぞれ同色のカラーフィルタであるとする。ここで、同色とは、カラーフィルタの材料がもつ分光透過率特性が同一であるか、または分光透過率特性が異なっていても同色であることを意味する。画素ユニット２００を構成する単位画素に配置されるカラーフィルタの色について図４を参照して説明する。

[単位画素に配置されるカラーフィルタの色]
図４は、画素ユニット２００を構成する単位画素に配置されるカラーフィルタの分光透過率曲線を示す図である。図４において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

図４Ａに示されるように、点線で示される下段の緑用カラーフィルタ２２１−１及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１の特性は、同一の分光透過率を有しており、どちらも波長が５２０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる。また、実線で示される下段の赤用カラーフィルタ２２１−２及び上段の赤用カラーフィルタ２２３−２の特性は、同一の分光透過率を有しており、どちらも波長が６００ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる。すなわち、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１と、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２及び上段の赤用カラーフィルタ２２３−２とは、それぞれ分光透過率特性が同一になるような材料からできている。このように、画素ユニット２００を構成する単位画素に対して上下方向に配置される複数層のカラーフィルタは、図４Ａに示されるように、それぞれ同一の分光透過率特性を有するものが採用される。

また、図４Ｂに示されるように、一点鎖線で示される下段の緑用カラーフィルタ２２１−１の特性と点線で示される上段の緑用カラーフィルタ２２３−１の特性は、それぞれ異なる分光透過率を示しているが、どちらも波長が５２０ｎｍ近辺で透過率が最も高くなる。また、破線で示される下段の赤用カラーフィルタ２２１−２の特性と実線で示される上段の赤用カラーフィルタ２２３−２の特性は、それぞれ異なる分光透過率を示しているが、どちらも波長が６００ｎｍ近辺で透過率が高くなる。すなわち、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１の特性と、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２及び上段の赤用カラーフィルタ２２３−２の特性とは、それぞれ分光透過率特性が異なっていても同色である。

ここでの同色とは、例えば、第１の色の単位画素のフォトダイオードの上方に配置される下段のカラーフィルタの分光透過率特性は、隣接する第２の色の単位画素のフォトダイオードの上方に配置される複数層のカラーフィルタの分光透過率特性よりも、第１の色の単位画素のフォトダイオードの上方に配置される上段のカラーフィルタの分光透過率特性に近似することを意味する。分光は、上下方向に配置された複数層のカラーフィルタの分光透過率の乗算により算出されるため、図４Ｂに示されるように、１つの単位画素に対して、分光透過率が異なっていても同色であるカラーフィルタが上下方向に複数層配置されることにより、分光形状の調整が可能となる。このように、画素ユニット２００を構成する単位画素に対して上下方向に配置される複数層のカラーフィルタは、図４Ｂに示されるように、それぞれ異なる分光透過率特性を有していても同色であるものが採用される。

このように、画素ユニット２００において、１つの単位画素に対して上下方向に配置される複数層（図３Ａの例では２層）のカラーフィルタは、それぞれ同色のカラーフィルタであるとする。

図３Ａの説明に戻り、オンチップレンズ２１３−１に入射された光は、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１、平坦化膜２２２、及び下段の緑用カラーフィルタ２２１−１を透過して、緑用フォトダイオード２１１−１に集光され、入射する。より正確には、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１において、オンチップレンズ２１３−１から射出された光のうち、緑色の波長帯域の光だけが透過し、平坦化膜２２２を透過する。さらに、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１において、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１及び平坦化膜２２２を透過した緑色の波長帯域の光だけが透過し、緑用フォトダイオード２１１−１に入射する。緑用フォトダイオード２１１−１は、入射した光の量、すなわち受光量に応じたレベルの電気信号を出力する。

オンチップレンズ２１３−２に入射された光は、同様の経路により、赤用フォトダイオード２１１−２に集光され、入射する。ただし、この場合、上段の赤用カラーフィルタ２２３−２及び下段の赤用カラーフィルタ２２１−２において、オンチップレンズ２１３−２から射出された光のうち、赤色の波長帯域の光だけが透過する点が異なる。

このように、画素ユニット２００を構成する単位画素には、それぞれ上下方向に複数層（図３Ａの例では２層）の同色のカラーフィルタが離間して配置される。これにより、次の図５に示されるように、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減することができる。

[画素ユニット２００による混色の低減]
図５は、混色の低減について説明する図である。

図５Ａは、一般的な構成の画素ユニット１０の断面図である。図５Ａに示されるように、オンチップレンズ２３−１から射出された光のうち、緑用カラーフィルタ３２−１を透過した緑色の波長帯域の光の一部は、隣接する赤用フォトダイオード２１−２へ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生する。

これに対して、図５Ｂに示される本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００においては、オンチップレンズ２１３−１から射出された光のうち、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１を透過した緑色の波長帯域の光の一部は、赤用フォトダイオード２１１−２に漏れ込む前に下段の赤用カラーフィルタ２２１−２によりほぼ吸収されるので、赤用フォトダイオード２１１−２に入射する光は低減する。すなわち、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２は、赤色の波長帯域の光だけを透過するので、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１を透過した緑色の波長帯域の光は、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２を透過せずにほぼ吸収される。したがって、本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００によれば、図６に示されるように、混色を低減することができる。

図６は、緑用カラーフィルタを透過した光が、赤用フォトダイオードに入射されて混色となる場合における、赤用フォトダイオードへの入射量を、カラーフィルタの透過率を用いて示す図である。図６において、縦軸は透過率を示し、横軸は波長を示している。

すなわち、所定の波長の光が、赤用フォトダイオードへ入射される量は、透過率が大きくなる程多くなる。したがって、緑色の光が赤用フォトダイオードへ漏れ込んで入射される量、換言すると赤用フォトダイオードにおいて発生する混色の影響度合は、５２０ｎｍ前後の波長帯域の透過率の大小により判定することができる。

図６の実線は、緑用カラーフィルタの分光透過率曲線を示している。図１Ａに示された一般的な構成の画素ユニット１０においては、図６の実線の特性を有する緑用カラーフィルタ３２−１の１層のみが設けられているため、図６の実線がそのまま、隣接する赤用フォトダイオード２１−２に漏れ込んで入射される量、換言すると赤用フォトダイオードにおいて発生する混色の影響度合を示すことになる。

これに対して、本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００において、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１を透過した緑色の光は、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２を透過した後に、赤用フォトダイオード２１１−２に入射される。ここで、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１が図６の実線の特性を有し、下段の赤色用カラーフィルタ２２１−２が図４Ｂの破線で示される特性を有するものとすると、図６の実線と図４Ｂの破線とを合算した曲線、すなわち図６の点線が、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１と下段の赤用カラーフィルタ２２１−２とを組み合わせた特性を示すことになる。この図６の点線が、本技術が適用された場合における、隣接する赤用フォトダイオード２１１−２に漏れ込んで入射される量、換言すると赤用フォトダイオードにおいて発生する混色の影響度合を示すことになる。

従来についての図６の実線の特性と、本技術についての図６の点線の特性とを比較するに、５２０ｎｍ前後の波長帯域の透過率は、図６の点線の特性の方が圧倒的に低くなっている。このことは、本技術を適用した場合には、従来の場合と比較して、緑色の光が赤用フォトダイオードへ漏れ込んで入射される量、換言すると赤用フォトダイオードにおいて発生する混色の影響度合が圧倒的に低減されることを意味している。

これは、本技術の画素ユニット２００においては、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１を透過した緑色の光は、隣接する赤用フォトダイオード２１１−２に漏れ込む前に、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２により吸収されるからである。

このように、画素ユニット２００を構成する単位画素に対して、それぞれ上下方向に複数層の同色カラーフィルタが離間して配置されることにより、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減することができることがわかる。

[裏面型照射イメージセンサにおける画素ユニット２００の製造処理]
次に、裏面型照射イメージセンサに採用される、画素ユニット２００の製造処理について図７乃至図９を用いて説明する。

図７は、画素ユニット２００を製造する製造装置２３０の機能的構成例を示すブロック図である。

製造装置２３０は、形成部２３１及び塗布部２３２を有している。

形成部２３１は、配線層、カラーフィルタ、及びオンチップレンズを形成する。また、形成部２３２は、図１５を参照して後述する半導体基板及び電極用の開口部を形成する。

塗布部２３２は、平坦化膜を塗布する。

図８は、裏面型照射イメージセンサにおける画素ユニット２００の製造処理の流れを説明するフローチャートである。また、図９は、裏面型照射イメージセンサにおける画素ユニット２００の製造処理の流れを示す図である。画素ユニット２００の製造処理においては、適宜人手が介在したり、複数の装置により分担されて画素ユニット２００が製造されることがあるが、本実施形態では説明を簡略化するために、１台の製造装置が、画素ユニット２００を製造するまでの一連の処理を全て実行するものとする。

ステップＳ１において、形成部２３１は、緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２上に、配線層２４０を形成して、それを裏返す。この状態が、状態Ｓ１として示されている。

ステップＳ２において、形成部２３１は、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１を緑用フォトダイオード２１１−１の上方に形成する。この状態が、状態Ｓ２として示されている。なお、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１は、カラーフィルタレジストの塗布及びリソグラフィにより形成される。

ステップＳ３において、形成部２３１は、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２を赤用フォトダイオード２１１−２の上方に形成する。すると、この状態が、状態Ｓ３として示されている。なお、下段の赤用カラーフィルタ２２１−２は、カラーフィルタレジストの塗布及びリソグラフィにより形成される。

ステップＳ４において、塗布部２３２は、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１と下段の赤用カラーフィルタ２２１−２との組の上方に、平坦化膜２２２を塗布する。この状態が、状態Ｓ４として示されている。

ステップＳ５において、形成部２３１は、平坦化膜２２２の左側部分の上方に、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１を形成する。この状態が、状態Ｓ５として示されている。なお、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１は、カラーフィルタレジストの塗布及びリソグラフィにより形成される。

ステップＳ６において、形成部２３１は、平坦化膜２２２の右側部分の上方に、上段の赤用カラーフィルタ２２３−２を形成する。この状態が、状態Ｓ６として示されている。なお、上段の赤用カラーフィルタ２２３−２は、カラーフィルタレジストの塗布及びリソグラフィにより形成される。

ステップＳ７において、形成部２３１は、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１と上段の赤用カラーフィルタ２２３−２との組の上方に、オンチップレンズ２１３−１とオンチップレンズ２１３−２をそれぞれ形成する。この状態が、状態Ｓ７として示されている。

これにより、裏面型照射イメージセンサにおける画素ユニット２００の製造処理は終了する。

なお、ステップＳ４において、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１と下段の赤用カラーフィルタ２２１−２との組の上方に塗布される平坦化膜２２２の厚みが調整されることにより、画素ユニット２００の高さが調整される。ここで、画素ユニット２００の高さに応じて、感度や混色及びシェーディングの度合いが変化する。したがって、感度が最も高く、混色及びシェーディングの発生が最も低減するような画素ユニット２００の高さとなるように、平坦化膜２２２の厚みが調整されると好適である。

[瞳補正の適用]
画素ユニット２００を構成する単位画素に上下方向に配置される複数層の同色のカラーフィルタ、及びオンチップレンズに対して、瞳補正が加えられてもよい。瞳補正については、例えば特開２０１０−２３２５９５号公報等に記載されている。なお、以下に説明する画素ユニットは、図３Ａの画素ユニット２００と基本的に同様の構成をとるが、一部異なった構成をとる。そこで、以下の画素ユニットの構成の説明としては、図３Ａの構成とは異なる構成の点についてのみ説明する。

図１０は、瞳補正が加えられた単位画素から構成される画素ユニットについて説明する図である。

画素ユニット２００ｃは、撮像素子２６０の中心部に配置される画素ユニットであり、画素ユニット２００ｅは、撮像素子２６０の端部に配置される画素ユニットである。

撮像素子２６０の中心部に配置される画素ユニット２００ｃにおいては、オンチップレンズ２１３−１ｃの中心軸方向から光が入射されるので、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ｃ、平坦化膜２２２ｃ、及び下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｃを透過した光は、緑用フォトダイオード２１１−１ｃに垂直に入射する。オンチップレンズ２１３−２ｃに入射された光も、同様に、赤用フォトダイオード２１１−２ｃに垂直に入射する。したがって、撮像素子２６０の中心部に配置される画素ユニット２００ｃにおいては、オンチップレンズ２１３−１ｃ及びオンチップレンズ２１３−２ｃと、緑用フィルタ部２１２−１ｃ及び赤用フィルタ部２１２−２ｃには、瞳補正が加えられない。

これに対して、斜め方向からの光が入射される撮像素子２６０の端部に配置される画素ユニット２００ｅにおいては、オンチップレンズ２１３−１ｅの中心軸に対して斜め方向から光が入射されるので、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ｅ、平坦化膜２２２ｅ、及び下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｃを透過した光は、緑用フォトダイオード２１１−１ｅに斜めに入射する。オンチップレンズ２１３−２ｅに入射された光も、同様に、赤用フォトダイオード２１１−２ｅに斜めに入射する。すなわち、緑用フォトダイオード２１１−１ｅ及び赤用フォトダイオード２１１−２ｅに対して入射光が効率よく集光されない。したがって、斜め方向から入射される光が効率よく集光されるように、オンチップレンズ２１３−１ｅ及びオンチップレンズ２１３−２ｅと、緑用フィルタ部２１２−１ｅ及び赤用フィルタ部２１２−２ｅには、光の入射角に応じた瞳補正が加えられる。

すなわち、撮像素子２６０の中心部から端部に向かうにしたがって瞳補正量が大きくなるように、撮像素子２６０に配置された画素ユニット２００に対して瞳補正が加えられる。また、画素ユニット２００内においては、緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２から離れた位置にある構成要素ほど瞳補正量が大きくなるように、オンチップレンズ２１３−１ｅ及びオンチップレンズ２１３−２ｅと、緑用フィルタ部２１２−１及び赤用フィルタ部２１２−２に瞳補正が加えられる。具体的には、画素ユニット２００ｅにおいては、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｅと下段の赤用カラーフィルタ２２１−２ｅとの組、上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ｅと上段の赤用カラーフィルタ２２３−２ｅとの組、オンチップレンズ２１３−１ｅ及びオンチップレンズ２１３−２ｅとの組になるにつれて、瞳補正量が大きくなるように、画素ユニット２００ｅに対して瞳補正が加えられる。なお、瞳補正量とは、フォトダイオードの中心を起点とした時のカラーフィルタ及びオンチップレンズのずらし量をいう。

このように、撮像素子２６０に配置される画素ユニット２００を構成する単位画素のオンチップレンズ及びカラーフィルタに対して瞳補正が加えられることにより、撮像素子２６０は、画角端においても、感度が高く、混色の発生を低減することができる。

[カラーフィルタの数の変形例]
上述の例では、画素ユニットを構成する単位画素に配置される複数層のカラーフィルタは、どの色の単位画素に配置されるカラーフィルタも同数とされた。しかしながら、単位画素に配置される複数層のカラーフィルタは、色別にその数が変えられて配置されてもよい。

図１１は、複数層のカラーフィルタの数が色別に変えられて配置される単位画素から構成される画素ユニットについて説明する図である。

図１１Ａは、画素ユニット２００ｆと、画素ユニット２００ｆに隣接する画素ユニット２００ｇの断面図である。

図１１Ａに示されるように、画素ユニット２００ｆ，２００ｇは、それぞれ平坦化膜２２２ｆ，２２２ｇが厚く、オンチップレンズとフォトダイオードとの間の距離が長い。このような場合、１つの単位画素を超えて混色が発生するおそれがある。

具体的には、図１１Ａに示されるように、オンチップレンズ２１３−２ｇから射出された光のうち、上段の赤用カラーフィルタ２２３−２ｇを透過した光の一部は、隣接する画素ユニット２００ｆの赤用単位画素の赤用フォトダイオード２１１−２ｆへ漏れ込むおそれがある。すなわち、画素ユニット２００ｇの赤用単位画素のオンチップレンズ２１３−２ｇから射出された光が、画素ユニット２００ｇの緑用単位画素を飛びこえて、隣接する画素ユニット２００ｆの赤用単位画素の赤用フォトダイオード２１１−２ｆへ漏れ込み、漏れ込んだ光が混色成分となって混色が発生するおそれがある。この場合、赤用単位画素の赤用フォトダイオード２１１−２ｆへ漏れ込む光が、赤用カラーフィルタ２２３−２ｇを透過した赤色の光（すなわち同色）であっても、解像度劣化等が生じるおそれがある。

このようにして発生する混色を低減するために、画素ユニット２００ｆ，２００ｇに配置される複数層のカラーフィルタの数を色別に増やす。

図１１Ｂは、複数層のカラーフィルタの数が色別に変えられて配置されている単位画素から構成される画素ユニット２００ｆと、画素ユニット２００ｆに隣接する画素ユニット２００ｇの断面図である。図１１Ｂに示されるように、画素ユニット２００ｆ，２００ｇは、図１１Ａと比較して、それぞれ中段の緑用カラーフィルタ２６１−１ｆ，２６１−１ｇがさらに配置されている。

具体的には、図１１Ｂに示されるように、画素ユニット２００ｇの赤用単位画素のオンチップレンズ２１３−２ｇから射出された光のうち、上段の赤用カラーフィルタ２２３−２ｇを透過した赤色の波長帯域の光の一部は、隣接する画素ユニット２００ｆの赤用単位画素の赤用フォトダイオード２１１−２ｆへ漏れ込むおそれがあったとしても、中段の緑用カラーフィルタ２６１−１ｇによりほぼ吸収される。したがって、隣接する画素ユニット２００ｆの赤用単位画素の赤用フォトダイオード２１１−２ｆへ漏れ込む光は低減する。すなわち、中段の緑用カラーフィルタ２６１−１ｇは、緑色の波長帯域の光だけを透過するので、上段の赤用カラーフィルタ２２３−２ｇを透過した赤色の波長帯域の光は、中段の緑用カラーフィルタ２６１−１ｇを透過せずにほぼ吸収されるので、赤用フォトダイオード２１１−２ｆへ漏れ込む光は低減する。

このように、画素ユニット２００を構成する単位画素に配置されるカラーフィルタの数を、色別に変えることにより、１つの単位画素を超えて漏れ込む光による混色を低減することができる。なお、当然のことながら、他の色の単位画素のカラーフィルタの数が増やされてもよく、また配置されるカラーフィルタの数も上述の例に限定されない。

[カラーフィルタの数の他の変形例]
上述の例では、画素ユニットを構成する単位画素に配置される複数層のカラーフィルタは、全て複数層とされた。しかしながら、画素ユニットを構成する単位画素に配置されるカラーフィルタは、一部の色のカラーフィルタのみが複数層配置されてもよい。

図１２は、一部の色のカラーフィルタのみが複数層配置される単位画素から構成される画素ユニット２００ｈの断面図である。図１２に示されるように、緑用フィルタ部２１２−１ｈは、下方から順に、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｈ、平坦化膜２２２ｈの左側部分、及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ｈが積層されて構成される。一方、赤用フィルタ部２１２−２ｈは、下方から順に、平坦化膜２２２ｈの右側部分及び上段の赤用カラーフィルタ２２３−２ｈが積層されて構成される。

すなわち、画素ユニット２００ｈのうち、赤用単位画素には、一般的な構成の単位画素と同様に赤用カラーフィルタ２２３−２ｈが１層のみ配置される。これに対して、緑用単位画素には、複数層の緑用カラーフィルタ２２１−１ｈ，２２３−１ｈが配置される。この場合、赤用カラーフィルタ２２３−２ｈを透過した赤色の波長帯域の光のうち、緑用フォトダイオード２１１−１ｈに漏れ込む光を低減させることができる。これに対して、緑用カラーフィルタ２２３−１ｈを透過した緑色の波長帯域の光のうち、赤用フォトダイオード２１１−２ｈに漏れ込む光を低減させることは困難となる。

しかしながら、単位画素に配置するカラーフィルタの数を減らすことで画素ユニット２００ｈの製造処理の工数を減らすことができるので、コストを抑制することができる。したがって、画素ユニットの設計者は、混色の量とコストの関係とのバランスを考えて、画素ユニットを構成する単位画素に配置するカラーフィルタの数を決定すると好適である。なお、当然のことながら、他の色の単位画素のカラーフィルタのみが複数層配置されてもよい。

[カラーフィルタの配置位置の例]
上述の例では、画素ユニットを構成する単位画素に配置されるカラーフィルタの位置は、フォトダイオードの直上とされた。しかしながら、単位画素のフォトダイオード上に段差ある場合などは、カラーフィルタの配置位置は、フォトダイオードの直上に限定されない。

図１３は、フォトダイオード上に段差がある場合の画素ユニットの断面図である。段差がある場合とは、例えば、フォトダイオード上に他の部品が配置されている場合等があり、図１３の例では、画素ユニットのフォトダイオード上に金属遮光膜２８０乃至２８２が配置されている。

したがって、図１３Ａに示されるように、はじめに画素ユニット２００ｉの緑用フォトダイオード２１１−１ｉ及び赤用フォトダイオード２１１−２ｉ上に平坦化膜３００ｉが塗布されて、緑用フォトダイオード２１１−１ｉ及び赤用フォトダイオード２１１−２ｉの表面が平坦化される。その後、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｉと下段の赤用カラーフィルタ２２１−２ｉとの組が配置されてもよい。

また、図１３Ｂに示されるように、画素ユニット２００ｊのフォトダイオード上に配置された金属遮光膜２８０乃至２８２の間に、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｊと下段の赤用カラーフィルタ２２１−２ｊとの組が配置されてもよい。具体的には、金属遮光膜２８０と金属遮光膜２８１の間に下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｊが配置され、金属遮光膜２８１と金属遮光膜２８２の間に下段の赤用カラーフィルタ２２１−２ｊが配置されてもよい。

このように、画素ユニットを構成する単位画素のフォトダイオード上に段差がある場合であっても、複数層のカラーフィルタを配置することが可能である。これにより、混色を低減することができる。

[ホワイト画素が適用される例]
上述の例では、画素ユニットは、例えば３色の単位画素、すなわち赤用単位画素、緑用単位画素、及び青用単位画素から構成されるとした。しかしながら、画素ユニットを構成する単位画素の色として、ホワイト用単位画素が適用されてもよい。ホワイト用単位画素については、例えば特開２００９−２９６２７６号公報等に記載されている。ホワイト用単位画素は、フォトダイオード、透明なフィルタ、オンチップレンズ等の構成要素から構成される。なお、ホワイト用単位画素は、透明なフィルタを有さずに、カラーフィルタそのものを有さない構成であってもよい。図１４の画素ユニットの例では、説明の都合上、緑用単位画素とホワイト用単位画素の組のみを図示する。

図１４は、ホワイト用単位画素が適用された画素ユニットについて説明する図である。

図１４Ａは、ホワイト用単位画素が配置された一般的な構成の画素ユニット１０ｗの断面図である。画素ユニット１０ｗにおいては、緑用フォトダイオード２１−１ｗ及びホワイト用フォトダイオード２１−２ｗが隣接して配置されている。緑用フォトダイオード２１−１ｗの上には、緑用フィルタ部２２−１ｗ及びオンチップレンズ２３−１ｗが下方から順に積層されている。また、ホワイト用フォトダイオード２１−２ｗの上には、ホワイト用フィルタ部２２−２ｗ及びオンチップレンズ２３−２ｗが下方から順に積層されている。

緑用フィルタ部２２−１ｗは、下方から順に、平坦化膜３１ｗの左側部分及び緑用カラーフィルタ３２−１ｗが積層されて構成される。ホワイト用フィルタ部２２−２ｗは、平坦化膜３１ｗの右側部分から構成される。すなわち、ホワイト用フィルタ部２２−２ｗは、カラーフィルタ自体を有さない構成である。

図１４Ｂは、ホワイト用単位画素が配置される本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００ｗの断面図である。画素ユニット２００ｗにおいては、緑用フォトダイオード２１１−１ｗ及びホワイト用フォトダイオード２１１−２ｗが隣接して配置されている。緑用フォトダイオード２１１−１ｗの上には、緑用フィルタ部２１２−１ｗ及びオンチップレンズ２１３−１ｗが下方から順に積層されている。また、ホワイト用フォトダイオード２１１−２ｗの上には、ホワイト用フィルタ部２１２−２ｗ及びオンチップレンズ２１３−２ｗが下方から順に積層されている。

緑用フィルタ部２１２−１ｗは、下方から順に、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｗ、平坦化膜２２２ｗの左側部分、及び上段の緑用カラーフィルタ２２３−１ｗが積層されて構成される。ホワイト用フィルタ部２１２−２ｗは、平坦化膜２２２ｗの右側部分から構成される。すなわち、ホワイト用フィルタ部２１２−２ｗは、カラーフィルタ自体を有さない構成である。

図１４Ａに示されるように、ホワイト用単位画素が配置された一般的な構成の画素ユニット１０ｗにおいては、オンチップレンズ２３−２ｗから射出された赤色光，緑色光，青色光の一部は、隣接する緑用フォトダイオード２１−１ｗへ漏れ込み、漏れ込んだ赤色光，緑色光，青色光が混色成分となって混色が発生する。

これに対して、図１４Ｂに示される本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００ｗにおいては、オンチップレンズ２１３−２ｗから射出された赤色光，緑色光，青色光の一部は、隣接する緑用フォトダイオード２１１−１ｗに漏れ込む前に、赤色光と青色光は下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｗによりほぼ吸収され、緑色光のみが透過するので、緑用フォトダイオード２１１−２ｗに入射する光は低減する。すなわち、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｗは、緑色の波長帯域の光だけを透過するので、オンチップレンズ２１３−２ｗから射出された赤色光，緑色光，青色光のうち、赤色光と青色光は、下段の緑用カラーフィルタ２２１−１ｗを透過せずに、ほぼ吸収される。すなわち、混色成分の量を低減することができる。したがって、本技術が適用された単位画素から構成される画素ユニット２００ｗによれば、混色を低減することができる。なお、当然のことながら、緑色用単位画素以外の他の色の単位画素のカラーフィルタが複数層配置されてもよい。

本技術は、CMOSイメージセンサまたはCCD(Charge Coupled Device）イメージセンサに配置される画素に適用することができる。また、本技術は、ベイヤ配列、クリアビット配列、またはその他の配列で配置される画素に対して適用することができる。また、本技術の単位画素に配置されるカラーフィルタの素材は、顔料系または染料系のどちらでもよい。また、本技術の単位画素は、裏面型照射イメージセンサに限らず、図１５に示される表面型照射イメージセンサに適用することもできる。

[表面型照射イメージセンサに採用される本技術が適用された単位画素]
図１５は、表面型照射イメージセンサに採用される単位画素の断面図である。なお、表面型照射イメージセンサについては、例えば特開２０１０−２３２５９５号公報、特開２０１０−４１０３４号公報等に記載されている。

図１５Ａは、表面型照射イメージセンサの撮像素子に採用される、一般的な構成の単位画素５００の断面図である。単位画素５００においては、半導体基板５１１、配線層５１２、フィルタ部５１３、及びオンチップレンズ５１４が下方から順に積層されている。

半導体基板５１１には、フォトダイオード５２１が配置される。配線層５１２には、複数の配線５３１、導波路５３２、及び電極用の開口部５３３が含まれる。フィルタ部５１３は、下方から順に、平坦化膜５４１及びカラーフィルタ５４２が積層されて構成される。すなわち、単位画素５００には、１種類のカラーフィルタ５４２が１層のみ配置される。

オンチップレンズ５１４に入射された光は、カラーフィルタ５４２及び平坦化膜５４１を透過して、導波路５３２を通過してフォトダイオード５２１に入射する。ここで、図示せぬ隣接する単位画素のオンチップレンズから射出された光のうち、図示せぬ隣接する単位画素のカラーフィルタを透過した光は、導波路５３２の上部に漏れ込み、漏れ込んだ光が導波路５３２を通過してフォトダイオード５２１に入射し、混色が発生する。混色は、S/Nや色再現性の低下の要因となるおそれがあることから、このような混色を低減するために、図１５Ｂに示されるように、１つの単位画素に対して複数層のカラーフィルタを配置する。

図１５Ｂは、表面型照射イメージセンサに採用される、本技術が適用された単位画素５６０の断面図である。単位画素５６０においては、半導体基板５７１、配線層５７２、フィルタ部５７３、及びオンチップレンズ５７４が下方から順に積層されている。

半導体基板５７１には、フォトダイオード５８１が配置される。配線層５７２には、複数の配線５９１、導波路５９２、及び電極用の開口部５９３が含まれる。フィルタ部５７３は、下方から順に、第１の平坦化膜６０１、下段のカラーフィルタ６０２、第２の平坦化膜６０３、及び上段のカラーフィルタ６０４が積層されて構成される。すなわち、単位画素５６０には、上下方向に複数層（図１５Ｂの例では２層）の同色のカラーフィルタ、すなわち下段のカラーフィルタ６０２及び上段のカラーフィルタ６０４が配置される。

オンチップレンズ５７４に入射された光は、上段のカラーフィルタ６０４、第２の平坦化膜６０３、下段のカラーフィルタ６０２、及び第１の平坦化膜６０１を透過して、導波路５９２を通過してフォトダイオード５８１に入射する。

単位画素５６０においては、図示せぬ隣接する単位画素のオンチップレンズから射出された光のうち、図示せぬ隣接する単位画素の上段のカラーフィルタを透過した光が、単位画素５６０に漏れ込んだとしても、漏れ込んだ光は下段のカラーフィルタ６０２によりほぼ吸収されるので、導波路５９２の上層への漏れ込みを低減でき、フォトダイオード５８１に入射する光は低減する。下段のカラーフィルタ６０２は、特定の第１の波長帯域の光だけを透過するので、図示せぬ隣接する単位画素のカラーフィルタを透過した特定の第２の波長帯域の光は、下段のカラーフィルタ６０２を透過せずに、ほぼ吸収される。したがって、本技術が適用された単位画素５６０によれば、混色を低減することができる。

[表面型照射イメージセンサにおける画素ユニット５６０の製造処理]
次に、表面型照射イメージセンサの撮像素子に採用される、画素ユニット５６０の製造処理について図１６，図１７を用いて説明する。

図１６は、表面型照射イメージセンサにおける画素ユニット５６０の製造処理の流れを説明するフローチャートである。また、図１７は、表面型照射イメージセンサにおける画素ユニット５６０の製造処理の流れを示す図である。画素ユニット５６０の製造処理においては、適宜人手が介在したり、複数の装置により分担されて画素ユニット５６０が製造されることがあるが、本実施形態では説明を簡略化するために、１台の製造装置２３０が、画素ユニット５６０を製造するまでの一連の処理を全て実行するものとする。

ステップＳ２１において、形成部２３１は、半導体基板５７１及び配線層５７２を形成する。ステップＳ２２において、塗布部２３２は、配線層５７２の上方に第１の平坦化膜６０１を塗布する。ステップＳ２３において、形成部２３１は、第１の平坦化膜６０１の上方に下段のカラーフィルタ６０２を形成する。この状態が、状態Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３として示されている。

ステップＳ２４において、塗布部２３２は、下段のカラーフィルタ６０２の上方に、第２の平坦化膜６０３を塗布する。この状態が、状態Ｓ２４として示されている。

ステップＳ２５において、形成部２３１は、第２の平坦化膜６０３の上方に上段のカラーフィルタ６０４を形成する。この状態が、状態Ｓ２５として示されている。

ステップＳ２６において、形成部２３１は、上段のカラーフィルタ６０４の上方に、オンチップレンズ５７４を形成する。この状態が、状態Ｓ２６として示されている。

ステップＳ２７において、形成部２３１は、電極用の開口部５９３を形成する。この状態が、状態Ｓ２７として示されている。

これにより、表面型照射イメージセンサにおける画素ユニット５６０の製造処理は終了する。

以上、説明したように、１つの単位画素に対して、上下方向に複数層の同色のカラーフィルタを離間して配置することにより、オンチップレンズとフォトダイオードとの間で発生する混色を低減することができる。混色の低減により、高S/Nや高色再現性が実現可能となる。さらに、隣接画素からの光の漏れ込みが低減することにより、解像度の向上も可能となる。

［撮像装置］
図１８は、以上説明した本技術を適用した画素ユニットから構成される撮像素子を搭載した撮像装置、すなわち、本技術を適用した撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。

図１８に示されるように、撮像装置７００は、レンズ部７１１、撮像素子７１２、操作部７１３、制御部７１４、画像処理部７１５、表示部７１６、コーデック処理部７１７、および記録部７１８を有する。

レンズ部７１１は、被写体までの焦点を調整し、焦点が合った位置からの光を集光し、撮像素子７１２に供給する。

撮像素子７１２は、フィルタ部７３１及び画素部７３２、並びに画素信号読み出し部７３３から構成される。

フィルタ部７３１及び画素部７３２は、上述した本技術が適用された複数の画素ユニット２００（図３参照）の集合体である。すなわち、画素ユニット２００の観点からすると、オンチップレンズ２１３−１及び緑用フィルタ部２１２−１、並びにオンチップレンズ２１３−２及び赤用フィルタ部２１２−２が、フィルタ部７３１の一部を構成する。緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２が、画素部７３２の一部を構成する。換言すると、各画素ユニット２００の各々についてのオンチップレンズ２１３−１及び緑用フィルタ部２１２−２、並びにオンチップレンズ２１３−２及び赤用フィルタ部２１２−２の集合体が、フィルタ部７３１を構成する。各画素ユニット２００の各々についての緑用フォトダイオード２１１−１及び赤用フォトダイオード２１１−２の集合体が、画素部７３２を構成する。

画素部７３２は、レンズ７１１及びフィルタ部７３１を介して入射される光を受光し、これを光電変換して光の強度に応じた電圧信号（アナログ信号）を出力する。画素信号読み出し部７３３は、画素部７３２から画素毎のアナログ信号を画素信号として読み出して、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換を施してデジタル信号となった画素信号を画像処理部７１５に供給する。

操作部７１３は、例えば、ジョグダイヤル（商標）、キー、ボタン、またはタッチパネル等により構成され、ユーザによる操作入力を受け、その操作入力に対応する信号を制御部７１４に供給する。

制御部７１４は、操作部７１３により入力されたユーザの操作入力に対応する信号に基づいて、レンズ部７１１、撮像素子７１２、画像処理部７１５、表示部７１６、コーデック処理部７１７、および記録部７１８を制御する。

画像処理部７１５は、撮像素子７１２から供給された画像信号に対して、例えば、ホワイトバランス調整、デモザイク処理、マトリックス処理、ガンマ補正、およびYC変換等の各種画像処理を施し、表示部７１６およびコーデック処理部７１７に供給する。

表示部７１６は、例えば、液晶ディスプレイ等として構成され、画像処理部７１５からの画像信号に基づいて、被写体の画像を表示する。

コーデック処理部７１７は、画像処理部７１５からの画像信号に対して、所定の方式の符号化処理を施し、符号化処理の結果得られた画像データを記録部７１８に供給する。

記録部７１８は、コーデック処理部７１７からの画像データを記録する。記録部７１８に記録された画像データは、必要に応じて画像処理部７１５に読み出されることで、表示部７１６に供給され、対応する画像が表示される。

なお、本技術を適用した固体撮像素子を備える撮像装置は、上述した構成に限らず、他の構成であってもよい。

また、以上において、１つの装置（または処理部）として説明した構成が、複数の装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置（または処理部）として説明した構成が、まとめて１つの装置（または処理部）として構成されるようにしてもよい。また、各装置（または各処理部）の構成に上述した以外の構成が付加されるようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置（または処理部）の構成の一部が他の装置（または他の処理部）の構成に含まれるようにしてもよい。つまり、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本技術は、撮像素子または撮像装置に適用することができる。

２００ 画素ユニット， ２１１−１，２１１−２ フォトダイオード， ２１２−１，２１２−２ フィルタ部， ２１３−１，２１３−２ オンチップレンズ， ２２１−１ 下段の緑用カラーフィルタ， ２２１−２ 下段の赤用カラーフィルタ， ２２３−１ 上段の緑用カラーフィルタ， ２２３−２ 上段の赤用カラーフィルタ， ２４０ 配線層， ７１２ 撮像素子， ７３１ フィルタ部， ７３２ 画素部， ７３３ 画素読み出し部

Claims (8)

1. 光を受光するフォトダイオード部と、
   前記フォトダイオード部の少なくとも一部と対向する第１のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタと対向する前記第１のカラーフィルタと同色の第２のカラーフィルタと
   を含む第１の単位画素と、
   光を受光する前記フォトダイオード部と異なる他のフォトダイオード部と、
   前記他のフォトダイオード部の少なくとも一部と対向する前記第１および第２のカラーフィルタと異色の第３のカラーフィルタと
   を含む前記第１の単位画素に隣接する第２の単位画素とを備え、
   前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは離間しており、かつ、それぞれ異なる分光透過率特性を有しており、
   前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の波形が近似する程度を示す類似度は、前記第１のカラーフィルタと前記第２の単位画素に含まれる前記第３のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の類似度よりも高く、前記第２のカラーフィルタと前記第２の単位画素に含まれる前記第３のカラーフィルタがそれぞれ有する分光透過率特性の類似度よりも高く、
   前記第１の単位画素は、前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタを含むＮ枚のカラーフィルタを有し、
   前記第２の単位画素は、前記第３のカラーフィルタを含むＭ枚のカラーフィルタを有し、
   前記Ｎは２以上の整数値であり、前記Ｍは前記Ｎとは異なる１以上の整数値であり、かつ、前記Ｎは、前記Ｍより大きく、
   前記第１の単位画素は、複数の色の単位画素からなる画素ユニットのうち最も数の多い色の単位画素であり、前記第２の単位画素は、前記第１の単位画素以外の色の単位画素である
   撮像素子。
2. 前記複数の色の単位画素からなる画素ユニットのうち最も数の多い色の単位画素は、前記画素ユニットにおける所定の色配列を構成する単位画素のうち、最も数の多い色の単位画素である
   請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記所定の色配列は、ベイヤ配列、または、クリアビット配列であり、前記最も数の多い色の単位画素は、緑色の単位画素である
   請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記第２の単位画素は、
   前記第３のカラーフィルタと同色で、かつ、離間している第４のカラーフィルタをさらに含む
   請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像素子。
5. 前記第１の単位画素及び前記第２の単位画素の各々は、
   さらに、光を集光するオンチップレンズをそれぞれ含む
   請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像素子。
6. 前記第１のカラーフィルタは、前記フォトダイオード部の直上に配置される
   請求項１乃至５のいずれかに記載の撮像素子。
7. 前記フォトダイオード部の上には平坦化膜が塗布されており、
   前記第１のカラーフィルタは、前記平坦化膜の上に配置される
   請求項１乃至６のいずれかに記載の撮像素子。
8. 前記フォトダイオード部の上には導波路が形成されており、
   前記第１のカラーフィルタは、前記導波路の上に配置される
   請求項１乃至７のいずれかに記載の撮像素子。

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