CN1881605B - 固体摄像元件、固体摄像装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够与入射角大的光学系统相对应的高灵敏度的固体摄像装置等。各像素(尺寸：2.25μm)包括：渐变折射率透镜(1)、色彩过滤器(2)(例如，绿色用)、AL配线(3)、信号传送部(4)、平坦化层(5)、受光元件(硅光电二极管)(6)及硅基板(7)。渐变折射率透镜的同心圆结构是由二氧化硅(n＝2)构成的2层同心圆结构，其中的膜厚为：1.2μm(灰色部分)、0.8μm(点状图案部分)、0μm(无图案部分，即：空白)。并且，本实施方式的聚光元件的结构是把二氧化硅刻为同心圆形状，周围的媒质为空气(n＝1)。
Description
技术领域
本发明涉及数字照相机等所使用的固体摄像装置及其制造方法等。
背景技术
随着与图像传感器相关的制品(数字照相机或带照相机的移动电话等)的普及，固体摄像装置的市场有着显著的增长。在这样的趋势中，对固体摄像装置的要求是在具有高灵敏度化、高像素化的同时还要向广角化发展。这是因为随着数字静止照相机或移动电话等的薄型化，而要求对照相机组件部分的薄型化的缘故。照相机光学系统的缩小是指在照相机部分所使用的透镜为短焦距，或入射到固体摄影装置的光为广角(即，从构成固体摄像装置的固体摄像元件的入射面的垂直轴开始测定的最大的角度)。
目前，在作为固体摄像装置被广泛使用的CCD(charge coupleddevice：电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor：金属氧化物半导体元件)等图像传感器中，把作为具有多个受光部分的半导体集成电路的固体摄像元件(也称为“像素”。)排列为二维，把来自摄影对象的光信号转换为电信号。固体摄像元件的灵敏度是对于入射光量根据受光元件的输出电流的大小来定义的，由此可知确实地把入射的光传送到受光元件是成为提高灵敏度的重要要素。
图5示出了以往一般的固体摄像元件的一个例子。垂直入射到微透镜60的光58(用虚线表示的光)，由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)中 的某一个色彩过滤器2进行色分离后，在受光元件6中被转换为电信号。以往，从得到的比较高的聚光效率可知，微透镜几乎被使用在所有的固体摄像元件中。
今后，为了开发与广角入射相对应的固体摄像元件，需要确实地把入射的光以特定的角度传送到受光元件。
然而，在以往的微透镜中，由于聚光效率依存于信号光的入射角度，而导致聚光效率的降低。即，在图5中，对于垂直入射到微透镜60的光58而言，虽然能够高效率地聚光，但是对于从斜方向入射的光59(用实线表示的光)而言则降低了聚光效率。这是因为从斜方向入射的光59被固体摄像元件中的AL配线3遮住，不能到达受光元件6的缘故。
如上所述，因为固体摄像装置是由多个像素被排列为二维构成的，当入射光为广角时，在固体摄像装置的中央附近的图像和在周边附近的图像的入射角不同(参照图2)。其结果是发生这样的问题：周边附近的像素的聚光效率低于中央附近。
图3示出了在周边附近的像素断面图的一个例子。在周边附近的像素的情况下，因为入射光的入射角度比较大，通过把电线配线的模式向内侧方向偏离(使其压缩)，试图提高聚光效率。
在图4示出采用了微透镜的固体摄像元件的聚光效率的入射角度依存性。可以知道对于入射角度为20°左右的光，能够高效率地聚光。然而，当超过上述入射角度时，效率则急剧减小。作为结果是这样一种现状，即：周边像素的光量约为中央部分的40％左右，元件全体的灵敏度被周边元件的灵敏度所制约。并且，因为此值随着像素大小的减小会更加降低，所以在像小型照相机这样的短焦距光学系统上应用是非常困难的。并且还会发生这样的问题：在制造工序中不能压缩更多的电路。
因此，为了防止随着入射角度的增加，而固体摄像元件的灵敏度的降低，则需要设计与入射角度相对应的微透镜。然而，尽管现在的 固体摄像元件的像素尺寸为2.2μm，是非常微小的结构，在今后的发展中，为了像素的高密度化则需要更微小的像素单元尺寸。为此，微透镜的加工则成为亚微米级阶段，由现行工艺的热回流来形成是不可能的。
如上所述，薄型照相机使用的焦点距离为短光学系统(入射角θ大的光学系统)，为了实现与此对应的固体摄像元件，则需要开发新的聚光元件，此新的聚光元件与微透镜相比，具有能够容易地进行细微加工及对高角度光的入射适应性强的特点。
近几年，随着以光微影技术及电子束微影技术为代表的平面工艺技术的发展，引人注目的是具有亚波长的周期结构的聚光元件(Subwavelength Lens：S W L L)。在此，亚波长区域是指：与作为对象光的波长程度相同或比作为对象光的波长小的区域。某大学的研究小组，把作为非球面透镜的菲涅耳透镜改变为格子状的亚波长透镜(SW L L)，所具有的聚光效果已经通过模拟得到了证实(例如，参照非专利文献1)。作为方法是把以往的菲涅耳透镜(图1(a))以λ/2n(λ：入射光的波长，n：透镜材料的折射率)的区域61进行分割，在各区域中通过使其成为近似于线形(图1(b))及矩形形状(图1(c))来形成亚波长透镜(SWLL)。并且还有这样的报告，即：同样在亚波长区域通过控制结构的线宽，形成闪耀二进制(blazed binary)光学衍射元件，试图提高衍射效率(例如，参照专利文献1)。
若能够把亚波长透镜(SWLL)作为固体摄像元件用的聚光元件来使用，则可以以一般的半导体工艺来形成微透镜，或可以自由地控制微透镜的形状。
然而，亚波长透镜(SWLL)的分割周期(例如图1的区域61)因为较强地依存于作为对象的入射光的波长，在可视光区域则为0.1～0.3μm左右。在上述方法的该区域中，由于需要进一步对结构进行细微化(0.01～0.1μm)，所以在目前的工艺中形成是非常困难的。
非专利文献1：D.W.Prather，Opt.Eng.38 870-878(1998)
专利文献1：特开2004-20957号公报
发明内容
因此，鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种能够与入射角大的光学系统相对应的高灵敏度的固体摄像装置。
在本发明，通过把折射率分布，在入射光波长宽度的一半左右的区域进行离散化，设计了能够得到同样效果的渐变折射率透镜。本透镜的结构，位于衍射光学的共鸣区域和有效折射率法领域之间。此时，入射光受到2种折射率的影响，即：材料本身的折射率和因结构而引起的平均化的折射率(有效折射率)。作为结果，具有的两个特性是：渐变折射率透镜的聚光特性和膜厚分布型透镜的聚光特性，聚光效率也比以往的渐变折射率透镜高。
并且，因为能够把基本结构的线宽在亚微米级保持一定，所以工艺条件(光微影、蚀刻等)在像素间成为相等。作为结果，则能够实现工艺的容易化及高精度化。
为了解决上述课题，本发明是一种包括聚光元件的固体摄像元件，其特征在于，上述聚光元件具有由多个带状区域的组合控制的有效折射率的折射率分布，该多个带状区域为同心结构，以比入射光的波长短的线宽所分割；在上述多个带状区域中至少有一个带状区域含有下层透光膜及上层透光膜，该下层透光膜为上述同心结构，具有第1线宽及第1膜厚，该上层透光膜为上述同心结构，构成在该下层透光膜的上面，具有第2线宽及第2膜厚。据此，实现了制作继承了以往的半导体平面工艺的聚光元件(渐变折射率透镜)，并能够容易地提供高精细的固体摄像元件。
并且，可以是在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成凸状；也可以是在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成凹状；也可以是在 含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成阶梯状；还可以是在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成矩形状。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件的光入射侧的结构与光射出侧的结构相比，光入射侧的结构为有效折射率低的疏结构。据此，能够形成凸形透镜，并能够形成聚光效率高的透镜。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件的光射出侧的结构与光入射侧的结构相比，光射出侧的结构为有效折射率低的疏结构。据此，能够简化渐变折射率透镜的制作工艺，从而实现了制造成本的降低。
并且，还具有这样的特征：当入射光的波长为λ、折射率为n时，上述聚光元件的上述线宽为λ/2n左右。据此，具备了渐变折射率透镜和膜厚分布型透镜双方的聚光特性，聚光效率则能够比以往的渐变折射率透镜高。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件的上述线宽为均等。据此，能够使基本结构的线宽保持一定，能够达到制作工艺的容易化和高精度化。
再者，还具有这样的特征：上述第2膜厚比上述第1膜厚厚。据此，能够提高折射率分布(低n区域)的再现性。
并且，还具有这样的特征：上述第2膜厚比上述第1膜厚薄。据此，能够提高折射率分布(高n区域)的再现性。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件含有折射率不同的2种以上的透光材料。据此，能够增加透镜的强度，由于可以减少沾染从而能够提高透镜的信赖度。
此时，上述聚光元件也可以含有折射率差在0.5以下的透光材料。据此，能够提高低入射角度时(0～20°)的聚光效率。
并且，上述聚光元件也可以含有折射率差在0.5以上的透光材料。据此，能够提高高入射角度时(20～40°)的聚光效率。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件含有以下透光材料中的某一个，即，二氧化钛(TiO2)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)、四氮化三硅(Si3N4)及三氮化二硅(Si2N3)。因为这些均为高折射率材料，所以能够使聚光元件的膜厚变薄，并能够使制造工艺变得容易。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件含有添加了硼(B)或磷(P)的二氧化硅(硼磷硅酸盐玻璃：Boro-Phospho Silicated Glass)及四乙氧基硅烷(TEOS：Tetraethoxy Silane)中的某一个。因为这些是在以往的半导体工艺中被普遍使用的材料，所以能够容易地形成聚光元件，能够使制造成本降低。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件含有苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亚胺中的某一个。因为树脂能够使用模具直接加工，所以能够提高批量生产性。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件根据入射光的波长的不同，在含有该聚光元件的中心的垂直断面中的透光膜的结构不同，该透光膜组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜。据此，根据入射光的波长，能够对各像素的透镜结构进行最佳化，并能够消除因颜色而造成的聚光效率的不同。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件还因被聚光的光的焦点距离的设定的不同而上述透光膜的结构不同。据此，入射光的焦点距离则成为可变的，能够设计适合各像素结构的透镜。
再者，还具有这样的特征：上述聚光元件因上述入射光的入射角度的不同而上述透光膜的结构不同。据此，能够形成与入射角度相对应的聚光元件，并能够实现对广角入射适用性强的固体摄像元件。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件包括作为层内透镜的透光膜，该透光膜组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜。据此，能够增加透镜的强度。
并且，还具有这样的特征：组合了上述上层透光膜及上述下层透光 膜的透光膜的断面为逐渐变细的结构。据此，断面方向的折射率变化成为连续的，因为在表面的反射成分逐渐变小，所以能够提高聚光效率。
再者，还具有这样的特征：在上述一个带状区域中，上述上层透光膜的位置和上述下层透光膜的位置以规定重叠偏离的边缘部分来偏离。据此，关于构成上述聚光元件的上层透光膜和下层透光膜，因为事先考虑设置了重叠边缘，所以能够减轻上层透光膜和下层透光膜的重叠偏离所造成的影响，其结果是达到了工艺的容易化。
本发明的固体摄像装置，具有聚光元件的单位像素被排列为二维状，上述聚光元件具有由多个带状区域的组合控制的有效折射率的折射率分布，该多个带状区域为同心结构，以比入射光的波长短的线宽所分割；上述多个带状区域中至少有一个带状区域含有下层透光膜及上层透光膜，该下层透光膜为上述同心结构，含有第1线宽及第1膜厚的上述同心结构，该上层透光膜为上述同心结构，构成在该下层透光膜的上面，具有的第2线宽及第2膜厚。据此，能够提供一种具有高聚光效率的聚光元件的固体摄像装置。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件的上述同心结构的中心与上述单位像素的中心偏离。据此，能够提高固体摄像元件的灵敏度。
并且，还具有这样的特征：上述聚光元件形成在对应的上述单位像素的全部区域。据此，能够提高开口率及固体摄像元件的灵敏度。
并且，上述固体摄像装置还具有这样的特征：位于该装置的周边的单位像素的聚光元件的第1膜厚及第2膜厚的合计，比位于该装置的中央的单位像素的聚光元件的第1膜厚及第2膜厚的合计厚。据此，能够减少在各像素间的部分变色及降低入射光量差。
再者，还具有这样的特征：上述固体摄像装置还包括受光元件，在位于该装置的中央的单位像素中，上述受光元件的中心轴与上述聚光元件的中心轴为一致，在位于该装置周边的单位像素中，上述聚光元件的中心轴与上述受光元件的中心轴相比，上述聚光元件的中心轴被形成在更接近上述面的中央的位置。据此，在使透镜结构简单化的同 时，因为得到了高集光效率，所以能够提高固体摄像元件的灵敏度。
并且，本发明是一种固体摄像装置的制造方法，该固体摄像装置的单位像素被排列维二维状，该单位像素包括聚光元件和受光元件，该聚光元件含有具有规定膜厚的透光膜，此制造方法包括：形成工序，在硅基板上形成半导体集成电路，该半导体集成电路包括受光元件、配线、遮光层及信号传送部；堆积工序，在上述半导体集成电路上堆积透光膜；加工工序，把上述透光膜加工为同心结构；另一形成工序，在加工后的上述透光膜上形成遮光膜及抗蚀膜；以及另一形成工序，形成上述同心结构的下层透光膜及上述同心结构的上层透光膜，该下层透光膜具有第1膜厚，该上层透光膜具有第2膜厚，上述聚光元件具有由多个带状区域的组合控制的有效折射率的折射率分布，该多个带状区域为同心结构，以比入射光的波长短的线宽所分割。据此，因为能够使用以往的半导体工艺，所以能够降低制造成本。
通过采用具有上述结构的透镜的固体摄像元件，达到了提高解像度及灵敏度，实现了制造工序的容易化。
附图说明
图1A～C是示出以往的亚波长透镜结构的断面图。
图2是示出以往的像素排列的基本结构的图。
图3是示出以往的固体摄像元件的基本结构的图。
图4是示出以往的利用微透镜的固体摄像元件的聚光特性的图。
图5是示出以往的像素的基本结构的图。
图6是示出实施方式1中的1个像素的基本结构的图。
图7是示出实施方式1中的一个像素的三维结构的图。
图8是示出实施方式1中的渐变折射率透镜结构的俯视图。
图9是示出实施方式1中的渐变折射率透镜结构的断面图。
图10(a)～(f)是示出实施方式1中的构成渐变折射率透镜(间距相等)的基本结构的图。
图11是示出实施方式1中的透镜的折射率分布(间距相等)的图。
图12是示出实施方式1中的透镜的折射率分布(间距不等)的图。
图13是示出实施方式1中的构成渐变折射率透镜(间距不等)的基本结构的图。
图14是示出实施方式1中的光的相位调制的图。
图15A～G是示出实施方式1中的渐变折射率透镜的制作工序的图。
图16是示出实施方式2中的像素排列的基本结构的图。
图17A～C是示出实施方式2中的依存于光入射角度的1个像素的基本结构的图。
图18A～C是示出实施方式2中的3种透镜的折射率分布的图。
图19是示出实施方式2中的像素中光传播的图。
图20是示出实施方式2中的固体摄像元件的聚光功率的图。
图21是示出实施方式3中的1个像素的基本结构的图。
图22是示出实施方式4中的渐变折射率透镜结构的断面图。
图23A～D是示出实施方式4中的渐变折射率透镜的制作工序的图。
图24是示出实施方式4中的固体摄像元件的聚光效率的图。
图25A、B是示出实施方式5中的像素中光传播的图。
图26是示出实施方式5中的固体摄像元件的聚光效率的图。
图27是示出实施方式6中的像素排列的基本结构的图。
图28是示出实施方式7中的渐变折射率透镜结构的断面图。
图29(a)、(b)是示出实施方式8中对光微影时的重叠偏离所采取的对策的图。
图30是示出实施方式9中的固体摄像元件结构的断面图。
具体实施方式
以下参照附图具体说明涉及本发明的实施方式。另外，关于本发 明虽然通过以下的实施方式及附图进行说明，其目的仅为举例，本发明并不以下述的实施方式及附图所限。
(实施方式1)
图6是示出涉及本实施方式的固体摄像元件的基本结构的图。如图6所示，固体摄像元件(也称为“像素”)100，其尺寸为2.25μm，包括：渐变折射率透镜1、色彩过滤器2、AL配线3、信号传送部4、平坦化层5、受光元件(硅光电二极管)6、硅基板7(另外，如图6所示，把从AL配线3到硅基板7称为“半导体集成电路8”)。
并且，图7是示出上述图6所示的固体摄像元件100的三维结构的图。为了使图7简单化，仅描画了渐变折射率透镜1(采用0°)、AL配线3及受光元件6。在图7还可以确认出具备了2层同心圆结构的渐变折射率透镜1是构成固体摄像元件100的一个部品的样子。
图8是示出上述图6中的渐变折射率透镜1的俯视图。此渐变折射率透镜1的同心圆结构是如上述图6所示，包括膜厚为0.4μm(t1)和0.8μm(t2)的2层同心圆结构的二氧化硅(n＝2)。并且，在本文中把上层/下层的同心圆结构定义为上层/下层透光膜。在图8中，膜厚为1.2μm的部分用“灰色”来表示，膜厚为0.8μm的部分用“点状图案”来表示。并且，膜厚为0μm的部分用“没有图案的空白”来表示。并且，涉及本实施方式的渐变折射率透镜1是把二氧化硅刻成同心圆形状的结构，周围的媒质为空气(n＝1)。
在此，形成渐变折射率透镜1的区域，是与各像素的开口相吻合的四角形状。一般而言，入射窗的区域为圆形时，由于透镜与透镜之间出现的缝隙，从而成为发生漏光或增加聚光损失的原因。然而，当入射窗的区域为四角形状时，由于能够在像素的全部区域对入射光进行聚光，从而不再发生漏光并可以减少聚光损失。
图9是示出涉及本实施方式的渐变折射率透镜1的更加详细的断面图的一个例子。在一般的渐变折射率透镜，其折射率在光学中心为最高。如图9所示，即使是本实施方式的情况下，在光学中心14的附 近二氧化硅比较密集，越向外侧越稀疏。此时，各带状区域的宽度13(以下称为“线宽d”)与入射光的波长程度相同或比入射光的波长小的情况下，感到的光的有效折射率取决于该带状区域内的高折射率材料(例如，二氧化硅)和低折射率材料(例如，空气)的体积比。即，若增加带状区域内的高折射率材料，则有效折射率增高，若减少带状区域内的高折射率材料，则有效折射率降低。
图10(a)～(f)是示出2层同心圆结构的各带状区域中的高折射率材料和低折射率材料的体积比的基本图案的图。图10(a)是最密集的结构，即，有效折射率最高的结构，从(b)到(f)有效折射率则顺序地降低。此时，光入射侧的上层膜厚t115为0.4μm，基板侧的下层膜厚t216为0.8μm，膜厚比(上层/下层)为0.5。在此，通过改变上述体积比，能够控制有效折射率。例如，根据基本结构的变化((a)→(f))，若增大体积比则因高折射率材料的体积减少大，从而有效折射率在高区域中折射率的减少也变大。另一方面，若减小体积比则因高折射率材料的体积减少小，从而有效折射率在低区域中折射率的减少也变大。
在本实施方式为了进行便于理解的说明，把图10(a)～(f)所示的基本结构作为了例子，另外当然也可以采用其他的结构。例如，可以采用把图10(c)和图10(b)结合的凸形状的结构，还可以采用把10(b)和图10(d)结合的凹形状的结构。此时，当把入射光的一半波长左右宽度的区域作为基本结构来构成这些凹凸等形状的结构时，则可以得到同样的聚光特性。
本发明的最大的特长为只是通过改变基本结构的组合，就可以自由自在地控制折射率的分布。本实施方式所涉及的渐变折射率透镜1的折射率的变化是由图11的实线来表示的。渐变折射率透镜1的折射率在圆中心部最高，并向着两端逐渐降低。抛物线表示，为了使波长λ(550nm)的入射光以焦点距离f(3.0μm)来聚光的折射率分布，由以下公式来表示。
Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+BxSinθ)/2π+C] (1)
(A、B、C：常数)
在此，Δnmax为入射侧媒质和透镜材料的折射率的差(此次为1.43)。并且，上述公式(1)当把入射侧媒质的折射率作为n0，把出射侧媒质的折射率作为n1时，可以根据以下公式来设定参数，公式：
A＝-(k0n1)/2f (2)
B＝-k1n0 (3)
k0＝2π/λ (4)
因此，可以按照作为目的的焦点距离及作为对象的入射光的入射角度和波长，对透镜进行最佳化处理。另外，在上述公式(1)，表示聚光成分的是以从像素中央的距离x的2次函数来定义的，表示偏向成分的是以x和三角函数的积来定义的。
在此，在上述公式(1)所表示的抛物线是连续的、理想的折射率分布。然而，在实际的微小光学系统中(亚微米领域)，形成连续的分布是极其困难的，工艺负荷也是非常大的。在本发明，通过把透镜的折射率分布在入射光波长的一半以下的区域中进行离散化，从而成功地得到了同样的效果。例如，通过图11所示的等周期(即，线宽d0)，对折射率分布进行离散化。因此，能够将基本结构的线宽保持一定，工艺条件(光微影、蚀刻等)在像素间也是相等的。其结果是，能够试行工艺的容易化、高精度化。
另一方面，也可以通过图12所示的不等周期(即，d1＞d2＞d3＞d4＞d5)对折射率分布进行离散化。另外，此情况下的各线宽是以等分折射率来定义的。此时的渐变折射率透镜的结构如图13所示，是以不同线宽的带状区域为单位，组合高折射率材料和低折射率材料来构成的。本结构的优点是：因为能够以相等的间隔来分割折射率分布，所以折射率分布的再现性高，并能够提高聚光效率。
另外，在上述图8是把入射光的角度作为0°，也是以相等的间隔作为分割方法时的透镜的结构，并且，光学中心和各像素的中心一致。
在本实施方式中，通过根据折射率分布对入射光进行相位调制， 来控制光的传播方向。此时，如图14所示，根据上述公式(1)得到的相位调制是将上述公式(1)以2π来分割所得到的不连续的相位调制，诸如：第1带状区域18、第2带状区域19、第3带状区域20等。然而，因为是按照每1个相位来区别带状区域的，所以，实效的相位调制等于是连续的相位调制17(用实线表示的曲线)。
作为本发明的第2个特长是，根据折射率分布把产生的聚光性能够以膜厚分布来增强。一般而言，在衍射光学中，将比波长大的结构能够根据傅立叶光学进行体系化；将比波长小的结构能够根据有效折射率法进行体系化，其中，前者是把光视为线，后者是把光视为电磁场中的现象。共振区域是指位于上述2个区域之间的区域，光的动作无论是以线还是电磁场中的现象，双方都会被允许。
在此，本发明的透镜结构把被分割的各带状区域的宽度设定为λ/2n左右，位于共振区域和有效折射率法领域之间。此时，入射光受到以下这2种折射率的影响，即：材料本身的折射率和因结构而平均化了的折射率(有效折射率)。作为结果，具备了渐变折射率透镜和膜厚分布型透镜这两方的聚光特性，聚光效率比以往的渐变折射率透镜高。
图15A～G是示出渐变折射率透镜的制作工序的图。渐变折射率透镜为2层同心圆结构，采用2次微影技术和2次蚀刻技术来形成。首先，利用通常的半导体工艺，在硅基板上形成半导体集成电路8(在图15中没有示出)，该半导体集成电路由受光元件及配线、遮光层、信号传送部、色彩过滤器组成。1个像素的大小为2.25μm角、受光部为1.5μm角。然后，利用CVD装置形成二氧化硅膜23，并在其上面涂敷抗蚀膜22。然后，通过光曝光25进行图案化(图15A)。二氧化硅膜和抗蚀膜的厚度分别为1.2μm和0.5μm。
显影后，进行蚀刻26(图15B)，在像素表面形成细微结构(图15C)。除去抗蚀膜之后，填入抗反射物质进行平坦化处理(图15D)。涂敷抗蚀膜之后，再次通过光曝光25进行图案化(图15E)。蚀刻后(图 15F)，通过去除抗蚀膜和抗反射物质，则本发明的透镜被制成。(图15G)。
在本实施方式，虽然试制了2层同心圆结构的透镜，但是如图15A～G所示，通过利用把微影技术和蚀刻技术组合起来的工序，还可以构成更多层(即，3层以上)的透镜。层数越多折射率分布的灰度等级数就会增加，从而提高聚光效果。
在以后的实施方式中，渐变折射率透镜的制成采用上述的工序。
(实施方式2)
图16是示出在实施方式2所涉及的VGA(video graphics adapter，视频图形适配器)使用(31万像素)的固体摄像元件中像素排列的样子的图。信号光28通过光学透镜29被聚光，照射在含有透镜的固体摄影元件30上。由受光元件和配线等形成的半导体集成电路8及渐变折射率透镜32(或34)，在被排列成二维的固体摄像元件中，在中心部位的像素和周边部位的像素，光的入射角度不同。在中心部位入射光31几乎是以0°入射的，对此，在周边部位的入射光33大约是以30°入射的。因此，在本实施方式形成了与最强光的入射光成分所对应的渐变折射率透镜，该最强光是指入射到从固体摄像元件的中央到周边部位的各像素中的最强的光。各自的渐变折射率透镜根据固体摄像元件上像素的位置，对透镜结构进行最佳化，使之达到聚光效率最高。
图17A～C是示出本实施方式所涉及的像素的基本结构的图，该像素是依存于光入射角度(像素位置)的。各渐变折射率透镜38、39或40对于入射光而言，含有在上述公式(1)所示出的折射率分布。入射到入射窗的光分别为：以入射角0°入射的光35、以入射角α/2°入射的光36、以入射角α°入射的光37，上述这些入射光分别由用于0°入射光的渐变折射率透镜38、用于α/2°入射光的渐变折射率透镜39、用于α°入射光的分布率透镜40被聚光，并通过色彩过滤器2，在受光部转换为电信号。
在本实施方式所涉及的渐变折射率透镜38、39或40，根据入射光 的波长可以对各像素的透镜结构进行最佳化，从而能够达到即使入射角度不同，聚光效率也不会改变，可以高效率的聚光。在用于0°入射光的渐变折射率透镜38，同心圆的中心位于像素的中央部位，对此，若增大入射角度，则圆的中心向光的入射侧偏离。
这是因为如上述公式(1)所示的，折射率分布的二次曲线的最大值，随着入射角度θ的增大而向光的入射侧偏离的缘故(参照图18)。此时，透镜的同心圆结构对于像素区域是非对称的(参照图17B、C)。
并且，从上述公式(1)的参数A、B、k0的关系可以明确的是，相位调制根据作为对象的光的波长而不同。这是按照入射到各像素的光的颜色，具备了最适合的透镜结构之意。在本实施方式中明白的是，把波长为0.45μm、0.55μm、0.65μm的光，分别入射到具有用于颜色的透镜结构时，所示出的聚光效率均为80％左右的高聚光效率。
图19示出了关于入射角度40°的入射光在像素中光传播分布的模拟结果。入射光的传播方向在通过透镜时发生弯曲，可以确认到在第1配线层(遮光层)连接焦点，然后直到传播到受光元件的样子。这说明了，通过按照上述公式(1)制作的利用分布曲折率透镜，能够以高效率把光传播给受光元件。
图20示出了聚光效率的角度依存性。横轴的角度表示入射到固体摄像元件的光的角度，0°表示入射到位于中心部位的像素的光，30°以上表示入射到位于周边像素的光。利用以往的微透镜的固体摄像元件的聚光效率，从入射角度20°附近的像素开始急剧降低，对此，在本发明的渐变折射率透镜，即使是周边的像素聚光效率也保持在60％。而且，在入射角度40°附近的区域，达到微透镜的聚光效率的4倍。
从图20可以明确的是，本发明所涉及的分布折射透镜与微透镜相比，不易受到入射光角度的影响。因此，可以缓解随着入射角度的增大而造成的聚光效率的降低，可以期待着应用于移动电话所使用的照相机等短焦距的光学系统。
(实施方式3)
图21是示出实施方式3所涉及的、以空气以外的2种透光材料构成的渐变折射率透镜的图。由于不含有空气区域，尽管折射率变化的动态范围降低，但因为能够使透镜表面平坦化，所以能够降低散射损失。并且，因透镜的上面还可以形成透光材料的堆层，对多层膜化的应用则成为一件容易的事情。又因强化了透镜的强度，耐久性也随之增高。在本实施方式，虽然是作为内层透镜来使用的，当然也可以作为最外层透镜来使用。此时，透镜具有作为防止沾染的保护膜作用。
(实施方式4)
图22是示出实施方式4所涉及的凹型结构的渐变折射率透镜的图。本透镜的第1个特长是：光入射面一侧的结构大，基板一侧的结构小。在这样的凹型结构，因透镜表面的平坦度增高，所以降低了在入射光的表面的散射损失，从而提高了聚光效率。另外，本透镜的第2个特长是：达到了制作工艺的简单化和细微加工的容易化。
图23A～D示出了本实施方式所涉及的渐变折射率透镜的制作工序。透镜的形成是通过光微影技术和蚀刻来进行的。首先，利用通常的半导体工艺，在硅基板上形成半导体集成电路8(在图23中没有示出)，该半导体集成电路8由受光元件及配线、遮光层、信号传送部组成。1个像素的大小为2.25μm角，受光部为1.5μm角。然后，采用等离子体CVD来形成作为低折射率材料的二氧化硅膜23，并在其上面涂敷抗蚀膜22之后，通过光微影技术来进行图案化(上述内容参照图23A)。二氧化硅膜和抗蚀膜的厚度分别为1.2μm和0.5μm。与上述实施方式的图15所记载的工序相同，重复图案化和填入抗反射物质、蚀刻26，从而形成2层同心圆结构(图23B)。除去抗蚀膜和抗反射物质(图23C)，通过CVD填入作为高折射率材料的氮化硅42(图23D)。最后，通过对透镜表面进行平坦化，则形成了在二氧化硅中填入了氮化硅的渐变折射率透镜。
通过采用图23的工序，把这些能够比较容易进行细微加工的硅石类材料或树脂材料作为基板，能够形成在一般情况下细微加工比较困 难的高折射率材料(氮化硅、二氧化钛)的透镜。并且，因为能够一次性的填入上层和下层的透光材料，所以可以减少工序过程，降低生产成本。
图24示出了聚光效率的角度依存性。使用以往的微透镜的固体摄像元件的聚光效率，从入射角度20°附近的图像开始急剧下降，对此，本发明所涉及的渐变折射率透镜即使在周边像素(入射角度40°区域)聚光效率也可以保持在50％。
(实施方式5)
图25A、B是示出实施方式5所涉及的、以2种材料构成的分布折射率型透镜在像素中光传播分布的模拟结果的图(0°入射)。图25A示出透镜材料的折射率差小的情况，可以确认到入射光在第1配线层(遮光层)连接焦点之后，传播到受光元件的样子。这说明了能够以高效率把光传播给受光元件。对此，图25B示出透镜材料的折射率差大的情况，随着透镜表面的反射光或散射光成分增多，则到受光元件的光量减少。
图26示出了聚光效率的角度依存性。如上所述，在低角度入射区域，比较起来还是折射率差小的透镜聚光效率高。然而，随着入射角度的增大，折射率差大的透镜的效率则随之增高。这是因为折射率差越大光路长(＝透镜的折射率：n×透镜膜厚t0)就越长，则偏转性增强的缘故。通过改变透镜的膜厚也可以得到同样的效果。
(实施方式6)
图27是示出实施方式6所涉及的、在VGA(video graphics adapter，视频图形适配器)所使用的(31万像素)固体摄像元件中像素排列的样子的图。信号光28通过光学透镜29被聚光，照射在固体摄像元件30上，该固体摄像元件30包括：渐变折射率透镜(BCB/氮化硅构成)46、47及48。BCB(broadband communication bus，宽带通信总线)等的树脂材料，因为能够容易地形成厚膜及其以后的加工，所以可以形成高聚光效率的渐变折射率透镜。在入射角度小的位于中央附近的像素，透 镜的膜厚ta比较薄(0.6μm)，随着入射角度的增加(位于周边的像素)，则膜厚也随之增加。在用于40°入射的像素，透镜的膜厚tc为1.0μm。通过由入射角度所进行的透镜的最佳化，提高了像素全体的灵敏度，并且在周边像素的信号强度的减少率为20％左右。
(实施方式7)
图28是示出实施方式7所涉及的、断面为逐渐变细的结构的渐变折射率透镜的图。各带状区域的透光膜的断面是在光的行进方向上，线宽逐渐增大的结构。因为没有急剧的折射率的变化，所以能够降低透镜表面的散射或反射等，能够高效率地把光传播到像素内，并可以提高聚光效率。并且，若使以带状区域为单位的透光膜的断面成为矩形结构(参照上述图9)，则所感到的入射光的折射率变化也加大，从而提高了透镜的聚光性和偏转性。至于使用哪种结构还要取决于固体摄像元件的用途，在保有低角度入射光元件中，建议采用吸收效率高的梯形透镜，在高角度光用的元件中，建议采用具有良好偏转性的矩形透镜。
(实施方式8)
图29是示出实施方式8所涉及的处置光微影时的重叠偏离的样子的图。
在本实施方式所涉及的渐变折射率透镜，只有层数的数量在工艺中的吻合是必要的。为此，如图29(a)所示，当把上层和下层的断面对齐设计时(虚线圈出的部分)，由于略微的偏离则会发生图案变细或消失。因此，如图29(b)所示，通过对宽高比比较大的图案在各层预先做偏离设计，从而能够把重叠时的图案损坏控制在最小限度。能够与入射光的波长成比例地取得较大的重叠边缘，若是λ/4n以下的边缘，则不会看出有很大的聚光效率的降低。
(实施方式9)
图30是实施方式9所涉及的、在具有压缩结构的固体摄像元件上安装了透镜时的断面图。通过使固体摄像元件压缩，能够缩小透镜的 偏向成分，可以减少相位调制量。作为结果，透镜的设计变得容易，从而提高了聚光效率。
另外，在上述实施方式1～9中，虽然示出了同心圆结构的渐变折射率透镜的例子，但是，只要是同心结构，也可以是四角形或六角形等多角形。
产业上利用的可能性
本发明的固体摄像元件在产业上的实用性在于，可以提高以数字摄像机、数字多功能照相机、附有照相机的移动电话为代表的图像传感器关联制品的性能，并实现了低价格化。
Claims (29)
1.一种固体摄像元件，包括聚光元件，其特征在于，
上述聚光元件具有由多个带状区域的组合控制的有效折射率的折射率分布，该多个带状区域为同心结构，以比入射光的波长短的线宽所分割；
在上述多个带状区域中至少有一个带状区域含有下层透光膜及上层透光膜，该下层透光膜为上述同心结构，具有第1线宽及第1膜厚，该上层透光膜为上述同心结构，构成在该下层透光膜的上面，具有第2线宽及第2膜厚。
2.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成凸状。
3.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成凹状。
4.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成阶梯状。
5.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
在含有上述聚光元件的中心的垂直断面的一部分中，组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜被设置成矩形状。
6.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件的光入射侧的结构与光射出侧的结构相比，光入射侧的结构为有效折射率低的疏结构。
7.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件的光射出侧的结构与光入射侧的结构相比，光射出侧的结构为有效折射率低的疏结构。
8.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
当入射光的波长为λ、折射率为n时，上述聚光元件的上述线宽为λ/2n。
9.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件的上述线宽为均等。
10.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述第2膜厚比上述第1膜厚厚。
11.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述第2膜厚比上述第1膜厚薄。
12.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件含有折射率不同的2种以上的透光材料。
13.根据权利要求12所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件含有折射率差在0.5以下的透光材料。
14.根据权利要求12所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件含有折射率差在0.5以上的透光材料。
15.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件含有以下透光材料中的某一个：二氧化钛、二氧化锆、五氧化二铌、五氧化二钽、四氮化三硅及三氮化二硅。
16.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件含有添加了硼或磷的二氧化硅及四乙氧基硅烷中的某一个。
17.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件含有苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亚胺中的某一个。
18.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件因入射光的波长的不同而在含有该聚光元件的中心的垂直断面中的透光膜的结构不同，该透光膜组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜。
19.根据权利要求18所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件还因被聚光的光的焦点距离的设定的不同而上述透光膜的结构不同。
20.根据权利要求18所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件还因上述入射光的入射角度的不同而上述透光膜的结构不同。
21.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
上述聚光元件包括作为层内透镜的透光膜，该透光膜组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜。
22.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
组合了上述上层透光膜及上述下层透光膜的透光膜的断面为逐渐变细的结构。
23.根据权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
在上述一个带状区域中，上述上层透光膜的位置和上述下层透光膜的位置，以规定的重叠偏离的边缘部分来偏离。
24.一种固体摄像装置，具有聚光元件的单位像素被排列为二维状，其特征在于，
上述聚光元件具有由多个带状区域的组合控制的有效折射率的折射率分布，该多个带状区域为同心结构，以比入射光的波长短的线宽所分割；
在上述多个带状区域中至少有一个带状区域含有下层透光膜及上层透光膜，该下层透光膜为上述同心结构，具有第1线宽及第1膜厚，该上层透光膜为上述同心结构，构成在该下层透光膜的上面，具有第2线宽及第2膜厚。
25.根据权利要求24所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述聚光元件的上述同心结构的中心与上述单位像素的中心偏离。
26.根据权利要求24所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述聚光元件形成在对应的上述单位像素的全部区域。
27.根据权利要求24所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置，进一步，
位于该装置的周边的单位像素的聚光元件的第1膜厚及第2膜厚的合计，比位于该装置的中央的单位像素的聚光元件的第1膜厚及第2膜厚的合计厚。
28.根据权利要求24所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置还包括受光元件；
在位于该装置的中央的单位像素中，上述受光元件的中心轴与上述聚光元件的中心轴为一致，在位于该装置周边的单位像素中，上述聚光元件的中心轴与上述受光元件的中心轴相比，上述聚光元件的中心轴被形成在更接近该固体摄像装置的中央的位置。
29.一种固体摄像装置的制造方法，其特征在于，
其中单位像素被设置为二维状，该单位像素包括聚光元件及受光元件，该聚光元件含有具有规定的膜厚的透光膜；
该制造方法包括：
形成工序，在硅基板上形成半导体集成电路，该半导体集成电路包括受光元件、配线、遮光层及信号传送部；
堆积工序，在上述半导体集成电路上堆积透光膜；
加工工序，把上述透光膜加工为同心结构；
另一形成工序，在加工后的上述透光膜上形成遮光膜及抗蚀膜；以及
另一形成工序，形成上述同心结构的下层透光膜及上述同心结构的上层透光膜，该下层透光膜具有第1膜厚，该上层透光膜具有第2膜厚，
上述聚光元件具有由多个带状区域的组合控制的有效折射率的折射率分布，该多个带状区域为同心结构，以比入射光的波长短的线宽所分割。
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