JP2006351972A - 固体撮像素子、固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 各画素(サイズ□2.25μm)は、分布屈折率レンズ1、G用カラーフィルタ2、Al配線3、信号伝送部4、平坦化層5、受光素子(Siフォトダイオード)6、Si基板7から構成されている。分布屈折率レンズの同心円構造は、SiO2(n=2)によって構成されており、膜厚1.2μm(グレー)、0.8μm(ドットパターン)、0μm(パターンなし:白)の2段同心円構造である。また、本実施例の集光素子は、SiO2を同心円形状に掘り込んだ構造であり、周りの媒質は空気(n=1)である。
【選択図】 図1
Description
D. W. Prather, Opt. Eng. 38 870-878 (1998)
図1は、本実施の形態に係る固体撮像素子の基本構造を示す図である。図1に示されるように、固体撮像素子(「画素」ともいう。)100は、そのサイズ□が2.25μmであり、分布屈折率レンズ1、カラーフィルタ2、Al配線3、信号伝送部4、平坦化層5、受光素子(Siフォトダイオード)6、Si基板7を備える(なお、図1に示すように、Al配線3〜Si基板7までを「半導体集積回路8」ともいう。)。
Δn(x)=Δnmax[(Ax2+BxSinθ)/2π+C] (1)
(A、B、C:定数)
A=−(k0n1)/2f (2)
B=−k0n0 (3)
k0=2π/λ (4)
によってパラメータを設定することができる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度、波長ごとにレンズを最適化することが可能となる。なお、上記(1)式において、画素中央からの距離xの2次関数で定義されている項は集光成分を、xと三角関数の積で定義されている項は偏向成分をそれぞれ示している。
図11は、実施の形態2に係るVGA使用(31万画素)の固体撮像素子における画素配列の様子を示す図である。信号光28は、光学レンズ29によって集光され、レンズを有する固体撮像素子30上に照射される。受光素子と配線等からなる半導体集積回路8ならびに分布屈折率レンズ32(又は34)が2次元配列されている固体撮像素子においては、中心部分の画素と周辺部分の画素とでは、光の入射角度が異なっている。中心部分では入射光31がほぼ0°で入射するのに対して、周辺部分では入射光33が約30°で入射する。そこで、本実施の形態では、固体撮像素子の中央から周辺部分にかけて、各画素に入射する最も光強度の強い入射光成分に対応する分布屈折率レンズを形成した。それぞれの分布屈折率レンズは、固体撮像素子上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。
図16は、実施の形態3に係る、空気以外の2種類の光透過材料で構成されている分布屈折率レンズを示す図である。空気領域が含まれていないことによって、屈折率変化のダイナミックレンジは低下するが、レンズ表面を平坦にすることができるため、散乱ロスが低減できる。また、レンズの上面にさらに堆層できることから多層膜化への応用が容易になる。さらに、レンズの強度が補強されるため、耐久性も高くなる。本実施の形態では、層内レンズとして用いているが、もちろんトップレンズとして使用しても良い。その際には、レンズをコンタミから守る保護膜としての役割も持つ。
図17は、実施の形態4に係る凹型構造の分布屈折率レンズを示す図である。本レンズの特長の1点目は、光入射面側の構造が大きく、基板側の構造が小さいということである。このような凹型構造では、レンズ表面の平坦度が高くなるため、入射光の表面での散乱ロスが低下し、集光効率が向上する。また、本レンズの特長の2点目は、作製プロセスの簡素化が可能な点と微細加工の容易化が可能な点である。
図20(a)、(b)は、実施の形態5に係る、2種類の材料で構成された分布屈折率型レンズの、画素中における光伝播プロファイルのシミュレーション結果を示す図である(0°入射)。図20(a)は、材料の屈折率差が小さいレンズの場合であり、入射光は第1の配線層(遮光層)で焦点を結び、その後受光素子まで伝播していく様子が確認できる。これは、光を効率よく受光素子へと伝播させることが可能であることを示唆している。それに対して、図20(b)は、材料の屈折率差が大きいレンズの場合であり、レンズ表面での反射光または散乱光成分が大きくなるため、受光素子に到達する光量は減少している。
図22は、実施の形態6に係る、VGA使用(31万画素)の固体撮像素子における画素配列の様子を示す図である。信号光28は、光学レンズ29によって集光され、分布屈折率レンズ(BCB/SiN構成)46、47又は48を有する固体撮像素子30上に照射される。BCB等の樹脂材料は厚膜形成とその後の加工が容易であるため、高集光効率の分布屈折率レンズの形成が可能である。入射角度が小さい中央付近の画素では、レンズ膜厚taは薄く(0.6μm)、入射角度の増加に伴って(周辺画素)、膜厚は厚くなっている。40°入射用の画素において、レンズ膜厚tcは1.0μmである。入射角度によるレンズの最適化によって、素子全体の感度は向上し、周辺画素における信号強度の減少率は約20%程度である。
図23は、実施の形態7に係る、断面がテーパ構造である分布屈折率レンズを示す図である。各ゾーン領域の光透過膜の断面は、光の進行方向に対して線幅が太くなるテーパ構造である。急激な屈折率変化がないため、レンズ表面での散乱や反射が低減でき、効率良く光を画素内に取り込むことができ、集光効率を向上させることができる。また、ゾーン領域ごとの光透過膜の断面を、矩形構造にすると(上記図4参照)、入射光の感じる屈折率変化が大きくなり、レンズの集光性ならびに偏向性が向上する。どちらの構造を用いるかは、固体撮像素子の用途に依存するが、低角度入射光を扱う素子では、取り込み効率が高いテーパ型レンズを、高角度光用の素子では偏向性に優れる矩形型レンズをそれぞれ用いることが望ましい。
図24(a)、(b)は、実施の形態8に係る、リソグラフィ時の合わせずれ対策の様子を示す図である。
図25は、実施の形態9に係る、シュリンク構造を有する固体撮像素子上にレンズを搭載した場合の断面図である。固体撮像素子をシュリンクさせることにより、レンズの偏向成分を小さくすることができ、位相変調量を減らすことができる。結果として、レンズ設計が容易となり、集光効率は向上する。
2 カラーフィルタ
3 Al配線(遮光膜)
4 電気信号伝送部
5 平坦化層
6 受光素子(Siフォトダイオード)
7 Si基板
8 半導体集積回路
9 入射光
10 SiO2層(膜厚1.2μm:n=1.45)
11 SiO2層(膜厚0.8μm)
12 SiO2層(厚0μm=空気(n=1.0)
13 等ピッチ(0.2μm)
14 光学中心
15 総膜厚(1.2μm)
16 上段膜厚(0.4μm)
17 位相変調
18 第1ゾーン
19 第2ゾーン
20 第3ゾーン
21 不等ピッチ
22 レジスト
23 SiO2
24 半導体集積回路
25 光リソグラフィ
26 エッチング
27 バーク
28 入射光
29 光学レンズ
30 固体撮像素子
31 装置中央部の入射光
32 装置中央部画素用分布屈折率レンズ
33 装置周辺部の入射光
34 装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
35 入射光(0°入射)
36 入射光(α/2°入射)
37 入射光(α°入射)
38 0°入射光用分布屈折率レンズ
39 α/2°入射光用分布屈折率レンズ
40 α°入射光用分布屈折率レンズ
41 SiO2(埋め込み材料)
42 SiO2埋め込み
43 入射光(0°入射)
44 入射光(α/2°入射)
45 入射光(α°入射)
46 0°入射光用分布屈折率レンズ(膜厚0.6μm)
47 α/2°入射光用分布屈折率レンズ(膜厚0.8μm)
48 α°入射光用分布屈折率レンズ(膜厚1.0μm)
49 上層を光学中心内側へシュリンク
50 上層を光学中心外側へシュリンク
51 斜め入射
52 シュリンクさせた分布屈折率レンズ
53 入射光
54 光学レンズ
55 固体撮像素子
56 斜め入射光
57 マイクロレンズ
58 垂直入射光
59 斜め入射光
60 マイクロレンズ
61 領域
100 固体撮像素子
Claims (29)
- 集光素子を有する固体撮像素子であって、
前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、
前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第1線幅および第1膜厚の前記同心構造の下段光透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第2線幅および第2膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含む
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が凸状に配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が凹状に配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が階段状に配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が矩形状に配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、光入射側の構造が光出射側の構造に比べ、有効屈折率が低い疎構造である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、光出射側の構造が光入射側の構造に比べ、有効屈折率が低い疎構造である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、入射光の波長をλ、屈折率をnとした場合に、前記線幅がλ/2n程度である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、前記線幅が均等である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記第2膜厚が前記第1膜厚よりも厚い
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記第2膜厚が前記第1膜厚よりも薄い
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、屈折率の異なる2種類以上の光透過材料によって構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、屈折率差が0.5以下の光透過材料によって構成されている
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、屈折率差が0.5以上の光透過材料によって構成されている
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4およびSi2N3のいずれかの光透過材料を含む
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、BまたはPが添加されたSiO2(BPSG)およびTEOSのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、入射光の波長によって、当該集光素子の中心を含む垂直断面における前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜の構造が異なる
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、さらに、
集光された光の焦点距離の設定によって、前記光透過膜の構造が異なる
ことを特徴とする請求項18記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、さらに、
前記入射光の入射角度によって、前記光透過膜の構造が異なる
ことを特徴とする請求項18記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子は、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜を層内レンズとして有する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜は、その断面がテーパ構造である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記一のゾーン領域においては、前記上段光透過膜の位置と前記下段光透過膜の位置が、所定の合わせずれマージン分ずれている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 集光素子を備える単位画素が2次元状に配置された固体撮像装置であって、
前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、
前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第1線幅および第1膜厚の前記同心構造の下段透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第2線幅および第2膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含む
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記集光素子の前記同心構造における中心が、前記単位画素の中心とずれている
ことを特徴とする請求項24記載の固体撮像装置。 - 前記集光素子は、対応する前記単位画素の全領域に形成されている
ことを特徴とする請求項24記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、
当該装置の中央に位置する単位画素の集光素子における第1膜厚と第2膜厚の合計より、当該装置の周辺に位置する単位画素の集光素子における第1膜厚と第2膜厚の合計が厚い
ことを特徴とする請求項24記載の固体撮像装置。 - 前記固体撮像装置は、さらに、受光素子を備え、
当該装置の中央に位置する単位画素では、前記受光素子の中心軸と前記集光素子の中心軸が一致するように形成され、当該装置の周辺に位置する単位画素では、前記受光素子の中心軸より前記集光素子の中心軸が前記面の中央寄りに形成されている
ことを特徴とする請求項24記載の固体撮像装置。 - 所定の膜厚を有する光透過膜を含む集光素子と受光素子とを備える単位画素が2次元状に配置された固体撮像装置の製造方法であって、
Si基板上に、受光素子と、配線、遮光層および信号伝送部からなる半導体集積回路とを形成する工程と、
前記半導体集積回路上に光透過膜を堆積する工程と、
前記光透過膜を同心構造に加工する工程と、
加工後の前記光透過膜上にバークとレジストを形成する工程と、
前記同心構造の第1膜厚を有する下段光透過膜と第2膜厚を有する上段光透過膜とを形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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