JP2005142429A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像装置内での光の反射・散乱ロスの増加を抑制し、入射角に起因する集光効率の低下を防止する高解像度で高感度な固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 入射光４の赤、緑および青色の成分に対して、それぞれ平坦な分散面を有することにより平行な出射光２０１〜２０３にする赤、緑および青色光用フォトニック結晶６１〜６３と、各フォトニック結晶６１〜６３の平坦な分散面で決定される出射光２０１〜２０３の進行方向上に設置される各マイクロレンズ７と、各カラーフィルタ１４１〜１４３と、各マイクロレンズ７と各カラーフィルタ１４１〜１４３とを透過した各光をそれぞれ受光し、電荷に変換する各受光部１５１〜１５３とを備える。各フォトニック結晶６１〜６３は正方晶構造を有し、各光の周波数をω、格子長をａとするとき、０．２＜ω×ａ／２πｃ＜１．０を満たす。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ディジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。

近年、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）、そしてカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像装置の市場は大きく拡大している。このような動きの中、固体撮像装置の高解像度化や高感度化が強く望まれている。
現在、固体撮像装置として広く使用されているＣＣＤやＭＯＳイメージセンサでは、複数の受光部を有する半導体集積回路を２次元状に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。

図１５は、従来の一般的なディジタルカメラのシステム構成図である。撮影する動撮像または停止撮像２１の入力光は、光学レンズ２２および２３を用いて集光され、平行光として固体撮像装置２４へと導入され、最終的に画像２５となる。
一般に、固体撮像装置の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されている。よって、この種の固体撮像装置では、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のため重要な要素となっている。

現在では、受光部での集光効率の向上のため、固体撮像装置の上部にマイクロレンズ、さらに素子内部に層内レンズを形成している。その一例を図１６に示す。
図１６に示すG用固体撮像装置１１０では、マイクロレンズ７に垂直に入射した光１９は、緑色（Ｇ）のカラーフィルタ８によって色分離された後、層内レンズ１１によってさらに集光され、受光素子（フォトダイオード）１３において電気信号への変換がなされ、電気信号はＣＣＤ１０に送られる。このようなマイクロレンズを用いた固体撮像装置の構造は、比較的高い集光効率が得られることから、現在のほとんど全てのイメージセンサで採用されている。

また、フォトニック結晶または屈折率周期構造体を利用した固体撮像装置として、様々な技術が開示されている（例えば、特許文献１および２参照。）。
特許文献１に開示された技術では、屈折率の高低差を利用して光を閉じ込めることによって、入射光を効率よく受光部に到達させている。また、特許文献２に開示された技術では、フォトニック結晶は、光を透過させない反射ミラーとして利用されている。
特開２００１−４４４０１号公報 特開２００３−１３３５３６号公報

しかしながら、マイクロレンズは、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下するという問題がある。すなわち、図１６においてマイクロレンズに垂直に入射してくる光１９については高効率に集光することができるが、斜め入射光２０に対しては集光効率が減少する。つまり、斜め入射光２０は、マイクロレンズ７および層内レンズ１１によっても十分に集光されず、受光素子（フォトダイオード）１３に入射せず、遮光部９へと進行してしまう。

巨視的な空間であれば、レンズの構造を変化させて、斜め入射光を受光素子へと集光することができる。しかしながら、マイクロレンズはマイクロメートルオーダーの非常に微細な構造であり、リフローで形成するため、入射角度に応じて形状を制御することは非常に困難である。
そこで、この対策として層内レンズを配置する等の解決手段がとられているが、受光素子までの光路上に層構造が増加することによって、反射・散乱ロスの増加が顕著になるという問題がある。

また先に述べたように、イメージセンサは複数の固体撮像装置の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、イメージセンサの中央と周辺では入射角が異なる。その結果、周辺の固体撮像装置の集光効率が中央より低下するという問題がある。
以上のように、画素数向上のための固体撮像装置の小型化や高画質化を実現するためには、マイクロレンズへ垂直に光を入射する技術の開発が望まれている。

そこで、本発明は、固体撮像装置内での光の反射・散乱ロスの増加を抑制し、入射角に起因する集光効率の低下を防止する、高解像度で高感度な固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、入射光の赤、緑および青色の成分に対して、それぞれ平坦な分散面を有することにより平行な出射光にする赤、緑および青色光用フォトニック結晶と、各前記フォトニック結晶のそれぞれの前記平坦な分散面で決定される出射光の進行方向上に設置され、各前記出射光をそれぞれ集光する各マイクロレンズと、各前記フォトニック結晶のそれぞれの前記平坦な分散面で決定される出射光の進行方向上に設置され、前記赤、緑および青色光のみをそれぞれ透過させる赤、緑および青色光用カラーフィルタと、各前記マイクロレンズと各前記カラーフィルタとを透過した各前記光を、それぞれ受光し、電荷に変換する赤、緑および青色光用受光素子とを備えることを特徴とする。

これにより、様々な角度で入射する光に対して、フォトニック結晶の平坦な分散面で決定される方向に平行度の高い平行光線束を得ることができ、かつその光軸方向に各受光素子を有する半導体集積回路を設定した光路を形成することによって、マイクロレンズを有する固体撮像装置の集光効率を向上させることができる。また、この手段を用いれば、容易かつ低コストで固体撮像装置の組み立てができるので、高解像度、高感度な固体撮像装置を実現できる。

さらに、前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶は、それぞれ正方晶構造を有し、入射される前記赤、緑および青色光の周波数を、それぞれωｒ、ωｇおよびωｂとし、前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶の等しい二辺の格子長を、それぞれａｒ、ａｇおよびａｂ、またｃを光速とするとき、すべてのｉ（＝ｒ、ｇ、ｂ）について、
０．２＜ωｉ×ａｉ／２πｃ＜１．０
の関係を満たすことを特徴とする。

赤、緑および青色光用フォトニック結晶の等しい二辺の格子長をそれぞれ最適な長さにすることにより、各波長領域において各フォトニック結晶の最適化が可能となり、より平行度の高い光を取り出すことができるようになる。結果として、各受光部に平行光を導入している各種光学レンズの設計が安易かつ低コストで可能となる。
さらに、前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶は、前記格子長がすべて同一（すなわち、ａｒ＝ａｇ＝ａｂ）であり、前記赤、緑および青色光のすべてに対し平坦な分散面を有することを特徴とする。

これにより、可視領域において光の波長に関わらず、入射光を特定の方向に伝播させることができ、その結果として、色による集光効率の違いを無くすことができる。また、各画素でフォトニック結晶を作り変える必要がなく、フォトニック結晶自体の製造が容易になるだけでなく、フォトニック結晶と受光素子・マイクロレンズとのアライメントが不要になり、実装工程が極めて容易になる。

さらに、前記赤、緑および青色光用カラーフィルタは、屈折率がN₁である第１の層と、前記第１の層の出射面に接触して設置され、屈折率がN₂である第２の層とを備え、前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶の各前記分散面が平坦でない出射光の前記第２の層への界面入射角の最小値をαとするとき、前記N₁、N₂およびαは、
Ｎ₁ｓｉｎ（α）＞Ｎ₂
の関係を満たすことを特徴とする。

これにより、各フォトニック結晶に対応した色ではない光は、スネルの法則より上記二層の界面で全反射され、受光素子に入ることがないため、さらに解像度を向上させることができる。また、従来型のカラーフィルタを取り除くことができる。

また、前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶は、前記固体撮像装置を納めるパッケージの窓に形成されていることを特徴とする。
これにより、ユーザにとって、高感度で高解像度な固体撮像装置の使い方が容易になる。

また、前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶は、前記赤、緑および青色光用受光素子が形成されている半導体集積回路の表面にモノリシックに形成されていることを特徴とする。
これにより、フォトニック結晶まで、一貫して半導体プロセスで行うことができ、高精度組み立ておよび低価格が実現できる。
また、前記赤、緑および青色光用受光素子が形成されている半導体集積回路は、異なるダイ（チップ）上に形成され、ハイブリッドに並べられていることを特徴とする。
これにより、R用、B用およびG用受光部は、別品になるので、仮に歩留が悪くても、良品を集めることができ、生産性が向上する。

あるいは、前記赤、緑および青色光用受光素子が形成されている半導体集積回路は、同一のダイ（チップ）上に形成され、モノリシックに並べられていることを特徴とする。
これにより、各チップ間の相対位置のズレがなくなるので、調整作業が減り、低価格が実現できる。
また、本発明に係る固体撮像装置の第１の製造方法は、ＳｉＯ_２層とＳｉ₃Ｎ₄層とからなる多層膜を形成する工程と、前記多層膜上に円形のレジストを形成する工程と、前記ＳｉＯ_２層と前記Ｓｉ₃Ｎ₄層とからなる複数の円柱状の多層膜を形成する工程と、前記レジストを剥離する工程と、前記複数の円柱状の多層膜にＳｉＯ_２コート材料を塗布し過熱する工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る固体撮像装置の第２の製造方法は、ＳｉＯ_２層を堆積する工程と、前記ＳｉＯ_２層上に円形のレジストを形成する工程と、前記ＳｉＯ_２層にエアホールを形成する工程と、前記レジストを剥離する工程と、前記ＳｉＯ_２層上にＳｉ₃Ｎ₄層を堆積する工程と、前記Ｓｉ₃Ｎ₄層を前記ＳｉＯ_２層の表面の深さまで平坦にする工程と、マスクを合わせる工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る固体撮像装置の第３の製造方法は、ＳｉＯ_２層を堆積する工程と、前記ＳｉＯ_２層上に円形のレジストを形成する工程と、前記ＳｉＯ_２層にエアホールを形成する工程と、前記ＳｉＯ_２層上にＳｉ₃Ｎ₄微粒子を含む水溶液を滴下する工程と、加熱によって前記水溶液中の水を蒸発させる工程と、前記ＳｉＯ_２層上の余分な前記Ｓｉ₃Ｎ₄微粒子を取り除く工程と、マスクを合わせる工程とを含むことを特徴とする。

これらの製造方法により、従来の半導体プロセスのみによって簡便に屈折率周期構造体を構築できる。また、微粒子が個別に存在している屈折率周期構造体を形成することができるため、フォトニック結晶の効果が従来よりも強くなる。

本発明の固体撮像装置により、入射角に起因する集光効率の低下を防止することができる。また、色による集光効率の違いをなくすことができる。また、固体撮像装置内での光の反射・散乱ロスの増加が抑制される。さらに、各色ごとにフォトニック結晶を作り変える必要がなく、フォトニック結晶自体の製造が容易になるだけでなく、フォトニック結晶と受光素子・マイクロレンズとのアライメントが不要になり、実装工程が極めて容易になる。また、より平行度の高い光を取り出すことができるようになるため、各受光部に平行光を導入している各種光学レンズの設計が安易かつ低コストで可能となる。また、ユーザにとって、高感度で高解像度な固体撮像装置の使い方が容易になる。また、従来型のカラーフィルタを取り除いた構成を実現することもできる。

さらに、その製造方法は一貫して半導体プロセスで行うことができ、容易かつ低コストで組み立てができるので、固体撮像装置の高解像度化、高感度化を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながらさらに具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係るG用固体撮像装置の基本構造を示す。G用固体撮像装置１００（画素サイズ２mm×２mm）は、Ｇ用フォトニック結晶６、マイクロレンズ７、Ｇ用カラーフィルタ８、層内レンズ１１、平坦化層１２、遮光部９、ＣＣＤ１０、およびフォトダイオード１３を備える。ＣＣＤ１０はＳｉ製であり、ＶＧＡ仕様（約３１万画素）である。G用固体撮像装置１００には、入射面に対して４５°以内の角度で、B成分１、G成分２およびR成分３で構成される信号光４が入射する。

図２に、Ｇ用フォトニック結晶６の一部分の外観を示す。なお、製造方法は後述する。Ｇ用フォトニック結晶６は、正方晶構造を有し、ＳｉＯ_２マトリックス９００中に直径２２０nmの球状のＳｉ₃Ｎ₄微粒子９０１が規則正しく並んでいる。なお、等しい二辺の格子長ａｇは２５０nmである。なお、Ｓｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ_２の屈折率はそれぞれ１．４５と２．０である。このように、ＳｉＯ_２マトリックス９００中にＳｉ₃Ｎ₄微粒子９０１が規則的に並ぶことにより周期的屈折率が三次元的に変化し、全体としてフォトニック結晶を形成している。また、このフォトニック結晶は薄膜形状であり、膜厚は２mmである。すなわち、厚さ方向に微粒子９０１が９個配列している。このように形成されたＧ用フォトニック結晶６は、０．４２＜ωｇ×ａｇ／２πｃ＜０．５０の領域で平坦な分散面（波数空間におけるバンドの等エネルギー面）を有する。

フォトニック結晶の一般的な特徴の一つに、スーパーコリメート効果（例えば、「O plus E」，新技術コミュニケーションズ社，1999年12月号，p.1560参照）がある。この効果は、入射光の波長ならびに入射角に依存せず、特定方向への光伝搬を許容する性質をもつため、これを利用すると平行度の高い平行光線束を得ることが可能となる。
図３は、本発明の実施の形態１に係るＧ用フォトニック結晶の分散面を示す図である。図中左側の円２６は空気中の入射光の分散面を表している。右側の各図は本実施の形態で用いるＧ用フォトニック結晶６の分散面を示しており、それぞれ、円３１はB成分、正方形３０はG成分、星型２９はR成分の波長に対応する分散面である。

Ｇ用フォトニック結晶６に角度θで入射した光２７において、Z軸方向（出射面の法線方向）の波数ベクトルの運動量は保存されるため、Ｇ用フォトニック結晶６内での光の伝搬は、波数ベクトルの接線成分を表す作図線２８と分散面３０との交点で定義される。G光のみをコリメートするＧ用フォトニック結晶６では、作図線と分散面とが、ほぼ垂直（±５°以内）に交わるようにしている。実空間での光の伝搬は、分散面３０の交点における法線方向であることから、伝搬光は広がり角５°以内の平行光線３３となる。ここでフォトニック結晶６は、４回対称性以上を有する構造であり、図1に示しているように、最大入射角４５°以内の信号光が、平行光としてコリメートされる。また、R光とB光に対応する分散面２９と分散面３１は、作図線と角度をもって交わるため、入射光はコリメートされず、伝播光３２および３４は各分散面２９および３１の法線方向に進行する。

図１ではG光を例にとって説明を行ったが、実際にはフォトニック結晶の分散面を制御することによって、特定の波長領域の光だけを、任意の方向に伝搬することが可能である。このようなフォトニック結晶によるコリメート機能を用いることによって、受光部に入る色の混色が極めて小さくなり、高い色再現性が得られる。また、効率よく信号光をマイクロレンズに入射することができるため、受光部での集光効率も向上する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。固体撮像装置１０１は、Ｒ用受光部１５１、Ｇ用受光部１５２およびＢ用受光部１５３を一枚の基板１６上に集積したものである。各受光部１５１、１５２および１５３には、Ｒ用カラーフィルタ１４１、Ｇ用カラーフィルタ１４２およびＢ用カラーフィルタ１４３が取り付けられている。また、各受光部１５１、１５２および１５３に対向して、それぞれ、Ｒ用フォトニック結晶６１（０．４３＜ωｒ×ａｒ／２πｃ＜０．５０；ａｒ＝３００nm）、Ｇ用フォトニック結晶６２（０．４２＜ωｇ×ａｇ／２πｃ＜０．５０；ａｇ＝２５０nm）、Ｂ用フォトニック結晶６３（０．４０＜ωｂ×ａｂ／２πｃ＜０．５０；ａｂ＝２００nm）が形成されている。なお、基板１６はＳｉ基板を用いている。

これらのフォトニック結晶６１、６２および６３は、異なる結晶構造を有しており（ａｒ≠ａｇ≠ａｂ）、同一のガラス板に集積されている（なお、このガラス板は図示していない）。
入射光４は、Ｒ光、Ｇ光およびＢ光用フォトニック結晶６１、６２および６３により各フォトニック結晶に対応したＲ光２０１、Ｂ光２０２およびＧ光２０３としてそれぞれ平行光となり、それぞれの色に対応した受光部１５１、１５２および１５３に入射される。なお、各受光部１５１、１５２および１５３にカラーフィルタ１４１、１４２および１４３を設けている理由は、隣接する固体撮像装置からの迷光を取り除くためである。

また、各ＣＣＤの位置精度は、半導体フォトリソグラフィーのマスク工程で決定されるため、このような固体撮像装置の集積構造をとることにより実質的に相対位置は不変となり、実装が容易になる。
図５は、Ｂ用フォトニック結晶の分散面を、また、図６はＲ用フォトニック結晶の分散面を示す。図５に示された分散面ではＢ光に対して四角に、また、図６に示された分散面ではＲ光に対して四角になっており、各々Ｂ光およびＲ光の出射光が平行になる。

ところで、本フォトニック結晶の製造には主に次に示す３手法を用いる。
第１の手法として、図７に多層膜層のエッチングによってフォトニック結晶構造を製造する方法を示す。図７（ａ）に示すように、まずＳｉＯ_２基板９０６上に、ＣＶＤ法を用いて、Ｓｉ₃Ｎ₄層９０４とＳｉＯ_２層９０５のペアを1セットとして、９セット堆積した多層膜構造を形成する。例えば、Ｇ用フォトニック結晶６２の形成時には、Ｓｉ₃Ｎ₄層９０４とＳｉＯ_２層９０５とをそれぞれ２２０nm、および３０nm堆積する。次に、電子線リソグラフィを用いて、直径２２０nmの円形のレジスト９０３を形成した後、図７（b）に示すように、通常のエッチングプロセスを用いて、円柱状の多層膜が残るようにエッチングを行う。次に、図７（ｃ）に示すように、アセトンを用いて、レジストを剥離した後、スピンコートによってＳｉＯ_２コート材料を塗布・加熱して、ＳｉＯ_２マトリックス９０７中にＳｉ₃Ｎ₄微粒子９０４が規則的に並んでいるフォトニック結晶を形成する。同様のプロセスを用いて、Ｒ用フォトニック結晶６１、Ｂ用フォトニック結晶６３を順次製造する。

しかし、上記製造方法では、従来の半導体プロセスによって簡便に屈折率周期構造体を構築できるが、周期構造が多くなるとテーパー角が大きくなり、基板上に垂直な円柱構造を形成することができなくなるという問題が生じる。そこで、より多周期構造のフォトニック結晶を実現するための手法として、単周期ずつ形成する第２の製造方法を図８に示す。

図８（ａ）に示すように、まずＳｉＯ_２基板９０６上に、ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２層９０５を堆積し、電子線リソグラフィを用いて、円形のレジスト９０３を形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、エッチングでエアホールを形成した後、図８（ｃ）に示すように、埋め込み層であるＳｉ₃Ｎ₄層９０４を堆積し、図８（ｄ）に示すように、ＣＭＰプロセスによって平坦化を行う。次に、図８（ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２層９０５を堆積し、マスク合わせの後、図８（ｆ）に示すように、次周期のためのレジスト形成を行う。これらの作業を順次行うことによって、最終的に図８（ｇ）に示すような多周期のフォトニック結晶を製造する。

図９は、本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の第３の製造方法を示す図である。図９（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２基板９０６上のＳｉＯ_２層９０５に上記プロセスと同様の手法を用いて、エアホールを形成し、粒径が２２０nmのＳｉ₃Ｎ₄微粒子９０４を含む水溶液９０８を滴下する。この後、加熱を行い水溶液９０８中の水を蒸発させる。このとき、水の蒸発速度を十分遅く制御することによって、図９（ｂ）に示すように、微粒子９０４はエアホール中に埋め込まれる。次にエアブローによって、試料表面の余分な微粒子を取り除き、図９（ｃ）に示すように、再びＳｉＯ_２層９０５を堆積する。最後に、図９（ｄ）に示すように、マスク合わせの後、次周期のためのエアホール形成を行う。上記作業の繰り返しによって、最終的に図９（ｅ）に示すようなフォトニック結晶を製造する。

このように、本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の第１〜３の製造方法によれば、従来の３次元フォトニック結晶の代表的な製造方法である高周波バイアス・スパッタ法を用いることなく、従来の半導体プロセスによって容易に製造できる。
また、従来では高／低屈折率材料が連続して堆積された構造になっており、近隣の材料同士は繋がっているため、フォトニック結晶の効果は弱くなっているが、本発明に係るフォトニック結晶では、微粒子が個別に存在している正方晶構造を形成することができるため、フォトニック結晶の効果が従来よりも強くなる。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置では、色による集光効率の違いをなくすことができる。また、より平行度の高い光を取り出すことができるようになるため、各受光部に平行光を導入している各種光学レンズの設計が安易かつ低コストで可能となる。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。本固体撮像装置１０２では、各受光部１５１、１５２、１５３およびＣＣＤを集積した基板１６を一つのパッケージ１７に入れ、そのパッケージ１７の入射光を取り込むための窓に、各受光部１５１、１５２、１５３に対応するようにフォトニック結晶６１、６２および６３を設置している。このような構成にすることで、Ｒ光２０１、Ｇ光２０２およびＢ光２０３を、それぞれ各受光部１５１、１５２および１５３に垂直に入射させることができる。
この構成により、ユーザにとって、フォトニック結晶と各受光部の位置調整が不要になり、取り扱いが容易になる。

（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。固体撮像装置１０３では、フォトニック結晶６１、６２および６３と、各受光部１５１、１５２、１５３およびＣＣＤを集積した基板１６との間に、高透過率な樹脂１８を形成している。フォトニック結晶６１、６２および６３は、ガラス板に形成されることなく、樹脂１８にモノリシックに形成されている。

この構成により、フォトニック結晶まで、一貫して半導体プロセスで行うことができ、高精度組立および低価格が実現できる。

（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。固体撮像装置１０４では、Ｒ用受光部１５１、Ｇ用受光部１５２およびＢ用受光部１５３に対して、全く同一の構造を持つフォトニック結晶６０４が設置されている。この構造ではＬｉＦ微粒子（ｎ＝１．３）がＣａＦ₂マトリックス（ｎ＝１．２４）中に規則正しく配列している。なお、格子長は３００nm、微粒子の直径は１８０nmである。

本フォトニック結晶６０４の製造には、図９に示した第３手法を用いる。広波長帯域で光をコリメートさせるために、本実施の形態ではフォトニック結晶全体の平均屈折率を減少させている。具体的には、微粒子とマトリックス材料に低屈折材料を用いたり、微粒子の粒径を小さくしたりなどしている。

図１３に、このフォトニック結晶６０４の分散面を示す。Ｒ光６３２、Ｇ光６３３およびＢ光６３４に対しすべて四角い分散面をもっている（０．３６＜ω×ａ／２πｃ＜０．６３；ａ＝２５０nm）。従って、図１２に示すように、フォトニック結晶６０４に入射した可視光４は、すべてフォトニック結晶６０４の入射面と垂直方向の平行光２５０として出射される。各受光部１５１、１５２および１５３に設置されている各マイクロレンズ７には平行度の高い光２５０がそれぞれ入射するため、従来技術では必要となる層内レンズが不要となる。すなわち、マイクロレンズ７は、受光部１５１、１５２および１５３それぞれに１個ですむことになり、構成が簡単になるとともに、層内レンズで生じている反射や吸収などの光の損失が低減する。
なお、各色は、各受光部１５１、１５２および１５３に対応したカラーフィルタ１４１、１４２および１４３で分離される。

以上のように、本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置では、ＲＧＢ用のフォトニック結晶を３種類用意して対応する受光部ごとに設置することなく、１つのフォトニック結晶６０４のみの構成で集光効率を上げることができるため、フォトニック結晶の生産性が向上するだけでなく、フォトニック結晶、マイクロレンズおよび受光部のアライメントが不要になり、実装が容易になる。

（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。固体撮像装置１０５は、フォトニック結晶６１、６２および６３と各受光部１５１、１５２および１５３の間が二層９０および９１から構成されている。フォトニック結晶６１、６２および６３および二層９０および９１の屈折率、厚さなどを適切に選ぶことにより、平行にならない光９２および９３（すなわち、受光部の方向に垂直に進行しない光）は層９０および層９１との界面で全反射され、受光部１５１、１５２および１５３には達しない。従って、各受光部１５１、１５２および１５３用のカラーフィルタが不要になり、製造工程を極めて容易にすることができる。

一例として、層９１にはＴｉＯ_２（屈折率Ｎ₁＝２．３）、層９０には樹脂（屈折率Ｎ₂＝１．３）を用いる。またフォトニック結晶６１、６２および６３の不要光は、層９１内をα＝４０゜以上で導波されるようにする。この場合、
Ｎ₁ｓｉｎ（α）＝１．４７＞Ｎ₂＝１．３
の関係が満たされ、スネルの法則より、層９１および層９０との界面で不要光は全反射され、各受光部１５１、１５２および１５３には到達しない。

以上のように、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置を用いることにより、解像度が向上し、また、従来型のカラーフィルタを取り除いた構成が実現できる。
なお、層９０および層９１は、空気、多層構造、またはフォトニック結晶等で構成されてあってももちろんよい。

なお、実施の形態１〜５では、ＣＣＤを用いているが、ＭＯＳセンサを用いてももちろんよい。また、説明を行ったフォトニック結晶と同じ特性をもつ、他の構造のフォトニック結晶を用いてももちろんよい。また、説明を行った以外の製造方法を用いてフォトニック結晶を製造してももちろんよい。

本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話等に適用できる。

本発明の実施の形態１に係るＧ用固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＧ用フォトニック結晶の一部分の外観を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＧ用フォトニック結晶の分散面を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＢ用フォトニック結晶の分散面を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るＲ用フォトニック結晶の分散面を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態４に係るフォトニック結晶の分散面を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。 従来の撮像システムの基本構成を示す図である。 従来の固体撮像装置の基本構造を示す図である。

符号の説明

１ 入射光B成分
２ 入射光G成分
３ 入射光R成分
４ 入射光
５ 入射光Ｇ成分(入射角４５°)
６ フォトニック結晶
７ マイクロレンズ
８ G用カラーフィルタ
９ 遮光部
１０ ＣＣＤ
１１ 層内レンズ
１２ 平坦化層
１３ フォトダイオード
１４ 半導体基板
１６ 複数の受光部を集積した基板
１７ パッケージ
１８、９０ 樹脂
１９ 垂直に入射する光
２０ 斜め入射光
２１ 被写体
２２、２３ 光学レンズ
２４ 固体撮像装置
２５ 画像
２６、６２６、７２６、８２６ 真空中の分散面
２７、６２７、７２７、８２７ 真空中の波数ベクトル
２８、６２８、７２８、８２８ 波数ベクトルの接線成分を表す作図線
２９ G用フォトニック結晶中の分散面R成分
３０ G用フォトニック結晶中の分散面G成分
３１ G用フォトニック結晶中の分散面B成分
３２、９３、２０１、６３２、７３２、８３２ R光
３３、２０２、６３３、７３３、８３３ G光
３４、９２、２０３、６３４、７３４、８３４ B光
６１ R用フォトニック結晶
６２ G用フォトニック結晶
６３ B用フォトニック結晶
９１ ＴｉＯ₂
１００、１１０ G用固体撮像装置
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 固体撮像装置
１４１ R用カラーフィルタ
１４２ G用カラーフィルタ
１４３ B用カラーフィルタ
１５１ R用受光部
１５２ G用受光部
１５３ B用受光部
２５０ 平行光
６０４ ＲＧＢ用フォトニック結晶
６２９ ＲＧＢ用フォトニック結晶中の分散面R成分
６３０ ＲＧＢ用フォトニック結晶中の分散面G成分
６３１ ＲＧＢ用フォトニック結晶中の分散面B成分
７２９ B用フォトニック結晶中の分散面R成分
７３０ B用フォトニック結晶中の分散面G成分
７３１ B用フォトニック結晶中の分散面B成分
８２９ R用フォトニック結晶中の分散面R成分
８３０ R用フォトニック結晶中の分散面G成分
８３１ R用フォトニック結晶中の分散面B成分
９００ ＳｉＯ_２マトリックス
９０１ Ｓｉ₃Ｎ₄微粒子
９０３ レジスト
９０４ Ｓｉ₃Ｎ₄層
９０５ ＳｉＯ_２層
９０６ ＳｉＯ_２基板
９０７ ＳｉＯ_２
９０８ 微粒子含有水溶液

Claims (12)

1. 画像を撮像する固体撮像装置であって、
   入射光の赤、緑および青色の成分に対して、それぞれ平坦な分散面を有することにより平行な出射光にする赤、緑および青色光用フォトニック結晶と、
   各前記フォトニック結晶のそれぞれの前記平坦な分散面で決定される出射光の進行方向上に設置され、各前記出射光をそれぞれ集光する各マイクロレンズと、
   各前記フォトニック結晶のそれぞれの前記平坦な分散面で決定される出射光の進行方向上に設置され、前記赤、緑および青色光のみをそれぞれ透過させる赤、緑および青色光用カラーフィルタと、
   各前記マイクロレンズと各前記カラーフィルタとを透過した各前記光を、それぞれ受光し、電荷に変換する赤、緑および青色光用受光素子と
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 各前記フォトニック結晶は、それぞれ正方晶構造を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記赤、緑および青色の周波数を、それぞれωｒ、ωｇおよびωｂとし、
   前記赤、緑および青色光用フォトニック結晶の等しい二辺の格子長を、それぞれａｒ、ａｇおよびａｂ、またｃを光速とするとき、
   すべてのｉ（＝ｒ、ｇ、ｂ）について、
   ０．２＜ωｉ×ａｉ／２πｃ＜１．０
   の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 各前記フォトニック結晶は、前記格子長がすべて同一（すなわち、ａｒ＝ａｇ＝ａｂ）であり、各前記光のすべてに対し平坦な分散面を有し、平行な出射光にする
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 各前記カラーフィルタは、
   屈折率がN₁である第１の層と、
   前記第１の層の出射面に接触して設置され、屈折率がN₂である第２の層とを備え、
   各前記フォトニック結晶の各前記分散面が平坦でない出射光の前記第２の層への界面入射角の最小値をαとするとき、
   前記N₁、N₂およびαは、
   Ｎ₁ｓｉｎ（α）＞Ｎ₂
   の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 各前記フォトニック結晶は、前記固体撮像装置を納めるパッケージの窓に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 各前記フォトニック結晶は、各前記受光素子が形成されている半導体集積回路の表面にモノリシックに形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 各前記受光素子が形成されている半導体集積回路は、異なるダイ上に形成され、ハイブリッドに並べられている
   ことを特徴とする請求項1〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 各前記受光素子が形成されている半導体集積回路は、同一のダイ上に形成され、モノリシックに並べられている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 固体撮像装置の製造方法であって、
    ＳｉＯ_２層とＳｉ₃Ｎ₄層とからなる多層膜を形成する工程と、
    前記多層膜上に円形のレジストを形成する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層と前記Ｓｉ₃Ｎ₄層とからなる複数の円柱状の多層膜を形成する工程と、
    前記レジストを剥離する工程と、
    前記複数の円柱状の多層膜にＳｉＯ_２コート材料を塗布し過熱する工程と
    を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 固体撮像装置の製造方法であって、
    ＳｉＯ_２層を堆積する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層上に円形のレジストを形成する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層にエアホールを形成する工程と、
    前記レジストを剥離する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層上にＳｉ₃Ｎ₄層を堆積する工程と、
    前記Ｓｉ₃Ｎ₄層を前記ＳｉＯ_２層の表面の深さまで平坦にする工程と、
    マスクを合わせる工程と
    を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
12. 固体撮像装置の製造方法であって、
    ＳｉＯ_２層を堆積する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層上に円形のレジストを形成する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層にエアホールを形成する工程と、
    前記ＳｉＯ_２層上にＳｉ₃Ｎ₄微粒子を含む水溶液を滴下する工程と、
    加熱によって前記水溶液中の水を蒸発させる工程と、
    前記ＳｉＯ_２層上の余分な前記Ｓｉ₃Ｎ₄微粒子を取り除く工程と、
    マスクを合わせる工程と
    を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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