JP2008010773A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】急激な屈折率分布を緩和し、高効率に入射光を集光できる集光素子を備える固体撮像素子等を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１００（サイズ□５．６μｍ）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を備える。分布屈折率レンズ１の同心円構造は、ＳiＯ2(ｎ＝１．４３)によって構成されており、膜厚１．２μｍ、０．８μｍ、０μｍの２段構造である。また、分布屈折率レンズ１は、ＳiＯ２を同心円形状に掘り込んだ構造であり、かつ、中央付近に平面領域を有する。なお、周りの媒質は空気（ｎ＝１）である。
【選択図】図１
【解決手段】固体撮像素子１００（サイズ□５．６μｍ）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を備える。分布屈折率レンズ１の同心円構造は、ＳiＯ2(ｎ＝１．４３)によって構成されており、膜厚１．２μｍ、０．８μｍ、０μｍの２段構造である。また、分布屈折率レンズ１は、ＳiＯ２を同心円形状に掘り込んだ構造であり、かつ、中央付近に平面領域を有する。なお、周りの媒質は空気（ｎ＝１）である。
【選択図】図１
Description
本発明は、ディジタルカメラ等に使用される固体撮像素子およびその製造方法に関するものである。
ここ数年、ディジタルカメラ、カメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像素子の市場は著しく成長してきた。現在、固体撮像素子として広く使用されているＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサでは、複数の受光部分を有する半導体集積回路を２次元に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。
固体撮像素子に対する要望として、高画素化／高解像度化と共に高感度化がある。固体撮像素子の感度は、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決まることから、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の重要な要素となっている。
図２３は、従来の一般的な固体撮像素子（画素）の構造例を示す図である。固体撮像素子２００のマイクロレンズ６２に垂直に入射した光６１は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ２によって色分離された後、受光素子６（Ｓiフォトダイオード）において電気信号への変換がなされる。比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズはほとんど全ての固体撮像素子において使用されている。なお、固体撮像素子２００は、図２３に示されるように、さらに、Ａl配線（遮光膜）３、電気信号伝送部４および平坦化層５を備える。
現在、固体撮像素子の画素サイズは、２．２μｍと非常に微細な構造であるが、将来的には、さらなる高解像度化のために、より微小なセルサイズが必要とされている。このため、マイクロレンズの加工はサブミクロンオーダーとなり、現行プロセスの熱リフローによる形成は不可能になる。従って、今後、固体撮像素子のさらなる高感度化および高解像度化を実現するためには、マイクロレンズに代わる新規微小光学素子の開発が必要不可欠である。
近年、光リソグラフィ並びに電子線リソグラフィに代表されるプレーナープロセス技術の発展に伴い、サブ波長領域の周期構造を有する集光素子（Subwavelength Lens：ＳＷＬＬ）が注目を集めている。ここで、「サブ波長領域」とは、対象とする光の波長と同程度かそれよりも小さい領域をいう。Delaware大学の研究グループでは、非球面レンズであるフレネルレンズを、格子状のＳＷＬＬに変化し、集光効果があることをシミュレーションによって実証している（例えば、非特許文献１参照）。この手法としては、従来のフレネルレンズ（図１９（ａ）)をλ／２ｎ（λ：入射光の波長、ｎ：レンズ材料の屈折率）の領域６３の周期で分割し、各領域において線形近似（図１９（ｂ））並びに矩形形状への近似（図１９（ｃ））を行うことによって、ＳＷＬＬを形成している。同様に、サブ波長領域で、構造の線幅を制御することによって、ブレーズドバイナリー光学回折素子を形成し、回折効率を向上させた報告もある（例えば、特許文献１参照）。
ＳＷＬＬを固体撮像素子用の集光素子と用いることができれば、一般的な半導体プロセスで、マイクロレンズを形成することができ、また、レンズの形状を自由に制御することができる。
図２０に、ＳＷＬＬの集光素子１を搭載した固体撮像素子の基本構造を示す。図２０では、サブミクロンの微細凸凹構造を有するＳＷＬＬが、マイクロレンズの代わりにオンチップ実装されている様子が示されている。
図２１に、ＳＷＬＬの集光素子１の上面図を示す。集光素子１における同心円構造は、高屈折率材料６５［ＴiＯ２(ｎ＝２．５３)〕と低屈折率材料６６[空気(ｎ＝１．０)]で構成されており、隣り合う円型光透過膜の周期６３は０．２μｍである。また、集光素子１の膜厚は０．５μｍである。
集光素子１の同心円構造における線幅は、円の中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って順に小さくなっていく。周期が入射光の波長と同程度か小さいときには、光が感じる有効屈折率は高屈折率材料と低屈折率材料の体積比によって決定される。本構造の場合は、同心円の中心から外側に向かって、有効屈折率が小さくなるような分布屈折率レンズとなる。このとき、ＳＷＬＬの分割周期（例えば図１９の領域６３）は、対象とする入射光の波長に強く依存するため、可視光領域では０．１〜０．３μｍ程度となる。
D. W. Prather, Opt. Eng. 38 870-878 (1998) 特開２００４−２０９５７号公報
D. W. Prather, Opt. Eng. 38 870-878 (1998)
しかしながら、上記従来の方法では、この領域において、さらに構造を微細化（０．０１〜０．１μｍ）しなければならないが、現在のプロセス技術では最小構造でも０．０７μｍ程度が限界である。
図２２にＳＷＬＬの集光プロファイルを示す。入射光は紙面下から上に進行し、レンズに対して垂直に入射している。効率良く集光している光成分５９以外に、レンズ表面で散乱している光成分６０が確認できる。これは構造が大きいために、急激な屈折率変化を実現できていないことに起因している。
そこで、本発明は、急激な屈折率分布を緩和し、高効率に入射光を集光できる集光素子を備える固体撮像素子等を提供することを目的とする。
本発明では、急激な屈折率分布を緩和し、高効率に入射光を集光できる集光素子を考案した。詳細は後述するが、入射光成分を平行光成分と収束光成分とに分離し、後者成分の割合を小さくしたレンズである。これによって、微細構造を透過する光量を抑えることができ、集光ロスならびに散乱ロスを減少させることが出来る。このとき、固体撮像素子において、入射光を点で集光する必要はなく、集光スポットは受光素子の形成領域全面であればよい。
上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像素子は、集光素子を備えた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も短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該集光素子の中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有することを特徴とする。これによって、集光素子の微細構造を透過する光量を抑えることができ、集光ロスならびに散乱ロスを減少させることが出来る。
また、前記集光素子において、前記平面領域は、一様に形成された光透過膜によって生じる一定の屈折率を有し、前記ゾーン領域は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備えていることとしてもよい。これにより、急激な屈折率変化がなくなり高効率集光素子が実現できる。
また、前記ゾーン領域の屈折率分布によって生じる位相変調が、２πの０を除く自然数倍で分割されていることを特徴とする。これにより、入射光の位相変調を大きくすることができるため、レンズ設計の自由度が高くなる。
また、前記ゾーン領域の屈折率分布によって生じる位相変調が、２πとなる境界が画素の単一又は複数辺と接することを特徴とする。これにより、入射光が固体撮像素子内部の遮光膜によって、減光されることのないまま受光素子に到達することができるため、センサの感度が向上する。
また、前記ゾーン領域の屈折率分布によって生じる位相変調が、２πとなる境界が画素領域を内包していることを特徴とする。これにより、集光素子の微細構造を透過する光量を抑えることができ、集光ロスならびに散乱ロスを減少させることが出来る。
また、前記集光素子における前記同心構造の中心が、当該固体撮像素子の中心と異なっていることを特徴とする。これにより、斜め入射光を効率良く受光素子に到達させることができ、斜入射特性に優れた固体撮像素子を実現できる。
また、前記光透過膜平面領域上に、屈折率の高低差によって生じる光反射防止効果を備えた多層膜構造が形成されていることを特徴とする。これにより、レンズ表面の反射が低減され、感度が向上する。
また、前記集光素子の構造が、屈折率の高低差によって生じる光反射防止効果を備えた多層膜構造であることを特徴とする。これにより、レンズ自体が反射防止膜となるため、工程数も減少し、生産コストを下げることが出来る。
また、前記集光素子の構造が、色分離機能を具備する誘電体多層膜構造であることを特徴とする。これにより、集光と色分離が単一の素子でできるため、固体撮像素子の小型化、薄膜化が可能となる。
さらに、本発明に係る固体撮像装置は、集光素子と受光素子とを備える固体撮像素子が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も短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該集光素子の中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有し、当該固体撮像装置の中央に位置する固体撮像素子では、その受光素子の中心軸とその集光素子の中心軸が一致するように形成され、当該固体撮像装置の周辺に位置する固体撮像素子では、その受光素子の中心より前記集光素子の中心が当該固体撮像装置の中央寄りになるように形成されていることを特徴とする。これにより、斜入射光を効率良く受光素子に到達させることができ、斜入射特性に優れた固体撮像素子を実現できる。
また、当該固体撮像装置の中央に位置する第１の集光素子の前記光透過膜平面領域より当該固体撮像装置の周辺に位置する第２の集光素子の前記光透過膜平面領域の面積が小さく、かつ、前記第１の集光素子における前記ゾーン領域数より前記第２の集光素子の前記ゾーン領域数が多いことを特徴とする。これにより、周辺画素の感度が高くなるため、シェーディング特性を改善することができる。
本発明の固体撮像素子は、上記レンズ構造を有し、解像度ならびに感度の向上や製造工程の容易化を実現できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。
（実施の形態１）
図１に本発明の一実施例として、固体撮像素子の基本構造を示す。図1に示す固体撮像素子（「画素」ともいう。）１００の□サイズは５．６μｍであり、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およびＳi基板７を備えている。
図１に本発明の一実施例として、固体撮像素子の基本構造を示す。図1に示す固体撮像素子（「画素」ともいう。）１００の□サイズは５．６μｍであり、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およびＳi基板７を備えている。
図２は、本実施の形態に係る集光素子の断面図を示す図である。この集光素子の同心円構造は、ＳiＯ2(ｎ＝１．４３)によって構成されており、膜厚１．２μｍ、０．８μｍの２段構造である。また、本実施の形態に係る集光素子は、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。
一般的な分布屈折率レンズでは、屈折率は光学中心１３で最も高くなる。本実施の形態の場合、光学中心１３付近は、ＳiＯ2が密に集まり、外側のリングになるに従って疎へと替わっていく。このとき、ゾーン領域１２が入射光の波長と同程度かそれよりも小さければ、光が感じる有効屈折率は、その領域内の高屈折率材料（今回はＳiＯ2）と低屈折率材料（空気）の体積比によって決まる。つまり、ゾーン領域内の高屈折率材料を増やせば（減らせば）、有効屈折率は高く（低く）なる。
このとき、レンズ中心部のディスク領域１４は、入射光波長と同程度か、それ以上の大きさとなっており、光はレンズ材料の一様な屈折率を感じる。
図３（ａ）〜（ｆ）は、２段同心構造の集光素子を形成する場合の６つの基本構造を示す図である。図３（ａ）が最も密な構造、つまりは有効屈折率が高い構造であり、図３（ｂ）から図３（ｆ）の構造になるに従って、屈折率は低くなる。このとき、上段（光入射側）膜厚１６と下段（基板側）膜厚１７はそれぞれ０．４ｎｍ、０．８ｎｍであり、膜厚比（上段／下段）は０．５である。ここで、膜厚比を変化させると、屈折率の変化量を制御することができる。例えば、膜厚比を高くすれば（低くすれば）、基本構造の変化［（ａ）→（f）］による、高屈折率材料の体積減少が大きいため（小さいため）、有効屈折率が高い（低い）領域における屈折率の減少が大きくなる。
本実施の形態では、分りやすく説明するために、図３のような基本構造に基づいて集光素子を構成する実施例を示したが、その他の基本構造を用いて構成しても、もちろんよい。例えば、図３（ｃ）と図３（ｂ）とを組み合わせれば凸形状になり、図３（ｂ）と図３（ｄ）とを組合せれば凹構造が形成される。このとき、入射光の半波長程度の領域で、これらを基本構造とすれば、同様の集光特性を得ることができる。
本実施の形態に係る集光素子の構造の最大の特長は、基本構造の組み合わせを変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本発明における集光素子の屈折率の変化は図４の実線のように表される。レンズの屈折率は、同心円の中心部分が最も高く、端になるに従って順に低くなる。放物線（ゾーン領域群１５）は、波長λ（５５０ｎｍ）の入射光を焦点距離f（７．０μｍ）で集光させるための屈折率分布を示しており、下の式で表される。
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax｛ [Ａ(ｘ2−ｒ2)＋Ｂ(ｘ−ｒ)sinθ］／２π＋Ｃ｝ （１）
（Ａ、Ｂ、Ｃ：定数）
（Ａ、Ｂ、Ｃ：定数）
ここで、Δｎmaxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．４３）、ｒは第１フレネルゾーンの境界位置（レンズ中心からの距離）である。また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1とするときに、
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ
Ｂ＝−ｋ0ｎ0
ｋ0＝２π／λ
のようにパラメータを設定できる。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、ｘと三角関数の積で定義されている項は偏向成分を示している。
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ
Ｂ＝−ｋ0ｎ0
ｋ0＝２π／λ
のようにパラメータを設定できる。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、ｘと三角関数の積で定義されている項は偏向成分を示している。
ここで、上記（１）式で表される放物線はもちろん連続であり、理想的な屈折率分布である。しかしながら、実際の微小光学系（サブミクロン領域）では、連続的な分布を形成することが極めて困難であり、プロセス負荷が非常に大きい。本発明では、屈折率分布を、入射光波長の半分以下の領域で離散化することによって、同様の効果を得ることに成功している。
図５は、等周期で屈折率分布をサンプリングした場合を示す図である。これによって、基本構造の線幅を一定にすることができ、プロセス条件（リソ、エッチング等）が画素間で等しくなる。その結果、プロセスの容易化および高精度化を図ることができる。
本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御することができる。このとき、上記図５に示すように、上記（１）式でもたらされる位相変調は、第１フレネルゾーン１９だけでなく、第２フレネルゾーン２０、第３フレネルゾーン２１のように、上記（１）式を２πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、１位相毎にフレネルゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調１８と等しくなる。
本発明の第２の特長として、屈折率分布によって発生する集光性を、膜厚分布によって補強できることが挙げられる。一般的に回折光学では、波長に比べて大きい構造をフーリエ光学によって、波長に比べて小さい構造を有効屈折率法によってそれぞれ体系化でき、前者の場合は光を線として、後者の場合は電磁場として取り扱うことができる。共鳴領域とは、上記２領域の間に位置する領域であり、光の挙動は線と電磁場、どちらの振る舞いも許容されている。
ここで、本発明のレンズ構造は、ゾーン領域の幅をλ／２ｎ程度に設定しており、共鳴領域と有効屈折率法領域の境界に位置している。このとき、入射光は材料自体の屈折率と、構造に起因して平均化した屈折率（有効屈折率）の両方を感じることになる。結果として、屈折率分布型レンズと膜厚分布型レンズ両方の集光特性を備えることとなり、集光効率は、従来の屈折率分布型レンズよりも高くなる。
図６は、本実施の形態に係る集光素子の集光特性を示す図である。レンズ中心のディスク領域に入射した光２２は偏向されることなく、平行光として伝播する。これに対して、ゾーン領域群に入射した光２３は屈折率分布によって伝播方向が曲げられ、レンズの光軸に収束する（集光する）。
レンズ−受光部間距離をD、セルサイズをΦとするとき、固体撮像素子の単位画素構造が、
ｎ1(１−ａ)(Φ2−２ΦPD)／８λ＜Ｄ＜ｎ1Φ2(１−ａ)／８λ （２）
を満たせば、レンズの中心部には平面領域が存在するため、集光効率は向上する。ここで、ΦPDは受光領域幅、ａは集光スポット径６４／セルサイズの比である。
ｎ1(１−ａ)(Φ2−２ΦPD)／８λ＜Ｄ＜ｎ1Φ2(１−ａ)／８λ （２）
を満たせば、レンズの中心部には平面領域が存在するため、集光効率は向上する。ここで、ΦPDは受光領域幅、ａは集光スポット径６４／セルサイズの比である。
図７（ａ）に、レンズ−受光部間距離ＤとセルサイズΦの関係を示す（入射波長：０．５５μm）。なお、本実施の形態では、表記上ΦPD＝ａＤとして計算しているが、実際にはΦPD＞ａＤとなるようにレンズの設計を行っている。各スポット径において、上記（２）式の領域は帯状の２次曲線を示している。図７（ａ）からも明らかなように、Ｄが５μｍ、ΦPDが３μｍ程度の画素構造であれば、セルサイズ５．５〜７．０μｍ程度の固体撮像素子において、集光効率の向上が期待される。
図７（ｂ）に、単位画素中の光伝播プロファイルを示す。セルサイズは５．６μｍ、入射波長は０．５５μｍ、レンズ−受光部間距離は５．４μｍ、開口率ａ＝０．４である。このとき、構造条件は上記（２）式を満たしている。
レンズ１に垂直に入射した光は、平行光と収束光とに分かれ、受光素子６の領域全体に入射しているのがわかる。このとき、光は遮光膜３で減光されることなく、効率良く集光している（図７（ｂ）中、矢印参照）。また、上記図２２に比べて、ゾーン領域での集光ロス・散乱ロスが少ないことも確認できる。
図８（ａ）〜（ｇ）は、分布屈折率レンズの作製工程を示す。レンズは２段構造とし、形成は２回のフォトリソグラフィとエッチングによって行った。まず通常の半導体プロセスを用いて、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部、カラーフィルタからなる半導体集積回路２７（上記図８では描いていない）を形成する。１画素のサイズは、５．６μｍ角であり、受光部は３．５μｍ角である。その後に、ＣＶＤ装置を用いて、Ｓi０2膜２６を形成し、その上にレジスト２５を塗布する（図８(a)）。その後、光露光２８によって、パターニングを行う（図８（Ｂ））。Ｓi０２膜とレジストの厚みはそれぞれ、１．２μｍ と０．５μｍである。現像した後、エッチング２９を行い、画素表面に微細構造を形成する（図８(ｃ)）。レジストを除去した後、バークを埋め込み、平坦化する（図８(ｄ)）。レジストを塗布した後、再び光露光２８によってパターニングを行う（図８(ｅ)）。エッチングの後（図８(ｆ)）、レジストとバークを取り除くことによって本発明のレンズが形成される。（図８（ｇ））。
本実施の形態では、２段構造のレンズ形成を試みたが、図８に示した、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた工程を用いることにより、さらなる段数のレンズを構成することが可能である。段数が多ければ多いほど、屈折率分布の諧調数が増加することから、集光効率は向上する。
以後の実施例において、レンズの形成は上述の工程を用いている。
（実施の形態２）
図９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単位画素のフレネルゾーン配置（上面図）を示す図である。0°入射時には、画素中心とレンズ中心は一致しており、画素中央から周辺に向けて、ディスク領域３１、ゾーン領域群３２（第１フレネルゾーン対応）、ゾーン領域群３３（第２フレネルゾーン対応）、ゾーン領域群３４（第３フレネルゾーン対応）が配置されている。本実施の形態の配置の特徴は、第１フレネルゾーンと第２フレネルゾーンの境界が、単位画素の辺と接していることである。これにより、集光ロスの発生要因と成りうる微細構造領域を小さくすることができるため、集光効率の改善、感度の向上が見込める。
図９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単位画素のフレネルゾーン配置（上面図）を示す図である。0°入射時には、画素中心とレンズ中心は一致しており、画素中央から周辺に向けて、ディスク領域３１、ゾーン領域群３２（第１フレネルゾーン対応）、ゾーン領域群３３（第２フレネルゾーン対応）、ゾーン領域群３４（第３フレネルゾーン対応）が配置されている。本実施の形態の配置の特徴は、第１フレネルゾーンと第２フレネルゾーンの境界が、単位画素の辺と接していることである。これにより、集光ロスの発生要因と成りうる微細構造領域を小さくすることができるため、集光効率の改善、感度の向上が見込める。
図１０は画素配列の様子を示す図である。信号光３５は、光学レンズ３６によって集光され、レンズを有する固体撮像素子３７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が２次元配列し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る。中心部分ではほぼ０°入射３８であるのに対して、周辺部分では約３０°入射４０となる。そこで、本実施の形態では、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。それぞれのレンズは、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。０°入射光用分布屈折率レンズ３９では、同心円の中心が画素中央部分にあるのに対して、入射角度が増加すると、高角度入射光用分布屈折率レンズ４１の中心は光の入射側にシフトしていく。
このときのシフト量は、（１）式に示しているように、三角関数で表され、屈折率分布の２次曲線が、入射角度θの増加に伴って、固体撮像素子中心にシフトしていく。
また、上記（１）式のパラメータＡ、Ｂ、Ｋ0の関係から明らかなように、位相変調は対象とする光の波長によって異なる。これは各画素に入射する光の色に応じて、最適なレンズ構造を持つことを意味している。本実施の形態において、波長０.４５μｍ、０.５５μｍ、０.６５μｍの光を、それぞれの色用のレンズ構造を有する画素に入射した場合、いずれも８０％程度の高い集光効率を示すことがわかっている。
図１１に集光効率の角度依存性を示す。横軸の角度は、固体撮像素子に入射する光の角度を示しており、０°が中心部分、３０°以上が周辺画素を意味している。入射角度の増加に伴って、マイクロレンズを用いた固体撮像素子の感度は単調に低下するのに対して、本発明の分布屈折率レンズの感度は、周辺画素においてもほとんど低下しない。さらに、入射角度が４０°付近の領域では、マイクロレンズの感度の７倍となっているのがわかる。
図１１からも明らかなように、本発明の分布屈折率レンズは、マイクロレンズと比較して、入射光の角度依存性に強いことがわかる。これにより、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を緩和することができることから、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系への応用が期待できる。
また、撮影レンズとして、非線形球面レンズを用いたときに生じるシェーディング効果も、本発明のレンズを用いることにより緩和できる。非球面レンズで集光した場合、各画素に対する入射角度は、素子中心から周辺にかけて、線形ではなく曲線で増加する。現状のマイクロレンズでは、各画素における形状の最適化が困難であるため、この角度特性に追従できない。本発明の分布屈折率レンズを用いることにより、撮影レンズの設計自由度の増加、加工の容易化が図れることから、光モジュールとして生産コストの低下が見込める。
（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３に係る、単層レンズの断面図を示す図である。上述したように、本発明のレンズでは、ゾーン領域内の高屈折率材料／低屈折率材料の体積比を変えることによって、屈折率分布を制御する。このため、ゾーン領域１２内で体積比を連続的に変化できる方が、屈折率分布の制御性は良い。プロセスの観点から見れば、形成は困難であるが、単層レンズの方がゾーン領域群１５における集光ロスが小さいため、感度は高くなる。
図１２は、実施の形態３に係る、単層レンズの断面図を示す図である。上述したように、本発明のレンズでは、ゾーン領域内の高屈折率材料／低屈折率材料の体積比を変えることによって、屈折率分布を制御する。このため、ゾーン領域１２内で体積比を連続的に変化できる方が、屈折率分布の制御性は良い。プロセスの観点から見れば、形成は困難であるが、単層レンズの方がゾーン領域群１５における集光ロスが小さいため、感度は高くなる。
図１３は、単位画素のフレネルゾーン配置（上面図）を示す図である。０°入射時には、画素中心とレンズ中心は一致しており、画素中央から周辺に向けて、ディスク領域３１、ゾーン領域群３２（第１フレネルゾーン対応）、ゾーン領域群３３（第２フレネルゾーン対応）が配置されている。本実施の形態の配置の特徴は、低角度入射時（レンズ偏心が小さいとき）に、分布屈折率レンズが第１フレネルゾーンのみで構成されていることである。これにより、高次のフレネルゾーンが出現しないため、集光ロスの発生要因と成りうる微細構造領域は最小となり、集光効率の改善、感度の向上が見込める。
（実施の形態４）
図１４は、実施の形態４に係る、反射防止膜を具備した分布屈折率レンズを示す図である。従来のＳＷＬＬでは、表面が微細凸凹構造であるため、上面に反射防止膜を形成することが出来ない。しかしながら、本実施の形態の分布屈折率レンズであれば、平面領域が広いため、容易に膜を形成することができ、入射光のレンズ表面における反射を低減することができる。
図１４は、実施の形態４に係る、反射防止膜を具備した分布屈折率レンズを示す図である。従来のＳＷＬＬでは、表面が微細凸凹構造であるため、上面に反射防止膜を形成することが出来ない。しかしながら、本実施の形態の分布屈折率レンズであれば、平面領域が広いため、容易に膜を形成することができ、入射光のレンズ表面における反射を低減することができる。
本実施の形態では、レンズ材料として、ＳiＯ２を用いているが、さらに高屈折率材料である、ＳiＮ（ｎ＝２．０）、ＴiＯ2（ｎ＝２．５１）を用いれば、レンズ厚を薄くすることが出来る。その結果、構造のアスペクト比は小さくなり、プロセスが容易になる。しかしながら、レンズ材料の屈折率が高くなれば、表面での反射率も高くなり、集光効率が低下するという問題が発生する。そこで、平面部分に反射防止膜を設けてやれば、レンズの取り込み光量は増加し、集光効率は向上する。
なお、本実施の形態で形成した反射防止膜は、ＳiＯ2／ＴiＯ2層の２ペア（総膜厚３００ｎｍ）であり、波長０．４５〜０．６５μｍにおける反射率は０．５％以下である。
（実施の形態５）
図１５に、実施の形態５に係る、反射防止膜機能を有する分布屈折率レンズを示す。本実施の形態のような多段構造を有し、平面領域が広いレンズでは、屈折率の異なる材料の組み合わせによって、反射防止膜機能を持たせることができる。本実施の形態では、低屈折率材料をＳiＯ２（n＝１．４３）、高屈折率材料をＳiN（n＝２．０）として、２層反射防止膜を形成した。もちろん、より多層構造にしてもかまわない。反射率は、可視領域で1％程度である。さらに反射率を下げるためには、各層の膜厚を１／４波長として構成しなければならない。しかしながら、本実施の形態ではレンズとしての集光効率を維持するために、入射光の位相を２π変調させるレンズ膜厚とした。
図１５に、実施の形態５に係る、反射防止膜機能を有する分布屈折率レンズを示す。本実施の形態のような多段構造を有し、平面領域が広いレンズでは、屈折率の異なる材料の組み合わせによって、反射防止膜機能を持たせることができる。本実施の形態では、低屈折率材料をＳiＯ２（n＝１．４３）、高屈折率材料をＳiN（n＝２．０）として、２層反射防止膜を形成した。もちろん、より多層構造にしてもかまわない。反射率は、可視領域で1％程度である。さらに反射率を下げるためには、各層の膜厚を１／４波長として構成しなければならない。しかしながら、本実施の形態ではレンズとしての集光効率を維持するために、入射光の位相を２π変調させるレンズ膜厚とした。
（実施の形態６）
図１６に、実施の形態６に係る、色分離機能を有する誘電体多層膜構造を具備した分布屈折率レンズを示す。スペーサ層４８を中心にしてλ／４膜よりなる上部反射器４９および下部反射器５０を対称に向かい合せ、反射帯域中に透過帯域領域を選択的に形成するものであり、さらにスペーサ層４８の膜厚を変化させることによって、その透過ピーク波長を変化させることが可能となる。本実施の形態では、反射器として、ＴiＯ2（５２ｎｍ、ｎ＝２．５１）／ＳiＯ2（９１ｎｍ、ｎ＝１．４５）の２ペア層を用いた。また、各色におけるスペーサ層膜厚は、３０ｎｍ（Ｒ）、０ｎｍ（Ｇ）、１３３ｎｍ（Ｂ）とした。
図１６に、実施の形態６に係る、色分離機能を有する誘電体多層膜構造を具備した分布屈折率レンズを示す。スペーサ層４８を中心にしてλ／４膜よりなる上部反射器４９および下部反射器５０を対称に向かい合せ、反射帯域中に透過帯域領域を選択的に形成するものであり、さらにスペーサ層４８の膜厚を変化させることによって、その透過ピーク波長を変化させることが可能となる。本実施の形態では、反射器として、ＴiＯ2（５２ｎｍ、ｎ＝２．５１）／ＳiＯ2（９１ｎｍ、ｎ＝１．４５）の２ペア層を用いた。また、各色におけるスペーサ層膜厚は、３０ｎｍ（Ｒ）、０ｎｍ（Ｇ）、１３３ｎｍ（Ｂ）とした。
これにより、集光と色分離が単一の素子でできるため、固体撮像素子の薄膜化が可能となる。集光素子と受光素子の距離が短くなれば、斜め入射光をより受光素子に導入しやすくなることから、周辺画素の感度落ちのない広角固体撮像素子が実現できる。
（実施の形態７）
図１７は、実施の形態７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。前述したように、撮影レンズ３６からの入射光３７は、中心画素付近ではほぼ０°で入射するが、周辺では高角度となる。そこで本実施の形態では、入射角度の増加に伴って、分布屈折率レンズを偏心させるだけではなく、レンズ中心の平面領域の面積を小さくしている。つまりは、上記図４の屈折率分布図における、平面領域１４が小さくなり、ゾーン領域１５が中心にシフトする。これにより、レンズの有効屈折率変化が急峻となり、焦点距離は短くなる（即ち、集光スポットが小さくなる）。中心画素に比べて周辺画素では、実効開口率が減少するため、遮光膜での減光が大きくなってしまう。そこで、周辺の画素で焦点距離を短くすることにより、入射光を遮光膜の開口に通すことができ、周辺における集光感度が増加する。
図１７は、実施の形態７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。前述したように、撮影レンズ３６からの入射光３７は、中心画素付近ではほぼ０°で入射するが、周辺では高角度となる。そこで本実施の形態では、入射角度の増加に伴って、分布屈折率レンズを偏心させるだけではなく、レンズ中心の平面領域の面積を小さくしている。つまりは、上記図４の屈折率分布図における、平面領域１４が小さくなり、ゾーン領域１５が中心にシフトする。これにより、レンズの有効屈折率変化が急峻となり、焦点距離は短くなる（即ち、集光スポットが小さくなる）。中心画素に比べて周辺画素では、実効開口率が減少するため、遮光膜での減光が大きくなってしまう。そこで、周辺の画素で焦点距離を短くすることにより、入射光を遮光膜の開口に通すことができ、周辺における集光感度が増加する。
（実施の形態８）
図１８は、実施の形態８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。遮光膜３を画素中央方向にシュリンクさせることにより、レンズ５７の偏心成分を小さくすることができることから、ゾーン領域群を透過する光量を低減でき、周辺画素の感度は増加する。本実施の形態の分布屈折率レンズは、偏心構造をとっているが、もちろん同心構造（即ち、中心位置のシフトなし）の分布屈折率レンズをシュリンクさせても、もちろんよい。
図１８は、実施の形態８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。遮光膜３を画素中央方向にシュリンクさせることにより、レンズ５７の偏心成分を小さくすることができることから、ゾーン領域群を透過する光量を低減でき、周辺画素の感度は増加する。本実施の形態の分布屈折率レンズは、偏心構造をとっているが、もちろん同心構造（即ち、中心位置のシフトなし）の分布屈折率レンズをシュリンクさせても、もちろんよい。
本発明の固体撮像素子は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話機、監視用カメラ、車載用カメラ、放送用カメラをはじめとするイメージセンサ関連製品の性能向上及び低価格化が実現可能であり、産業上有用である。
１ 分布屈折率レンズ（同心円構造）
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（前記２〜７によって構成）
９ 入射光
１０ ＳiＯ2層（膜厚１．２μm；n=１．４５）
１１ 空気
１２ ゾーン幅
１３ 光学中心
１４ 平面領域
１５ ゾーン領域群（第１ゾーン）
１６ 上段膜厚（０．４μm）
１７ 下段膜厚（０．８μm）
１８ 位相変調
１９ 第１ゾーン
２０ 第２ゾーン
２１ 第３ゾーン
２２ 平行光
２３ 収束光(偏向光、集光成分)
２４ 収束光(偏向光、集光成分)
２５ レジスト
２６ ＳiＯ2
２７ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
２８ 光リソグラフィ
２９ エッチング
３０ バーク
３１ 平面領域
３２ ゾーン領域群（第１ゾーン）
３３ ゾーン領域群（第２ゾーン）
３４ ゾーン領域群（第３ゾーン）
３５ 入射光
３６ 対物レンズ（撮影レンズ）
３７ 画素入射光
３８ 画素中心部入射光
３９ 画素中心部レンズ
４０ 画素周辺部入射光
４１ 画素周辺部レンズ
４２ レンズ形成領域（高屈折率材料）
４３ レンズ間領域（低屈折率材料）
４４ 反射防止膜
４５ ＳiＯ2
４６ ＳiＮ
４７ ＳiＯ2（レンズ材料）
４８ スペーサ部(ＳiＯ2)
４９ 上部反射層
５０ 下部反射層
５１ 垂直入射光
５２ 斜め入射光（低角度入射）
５３ 斜め入射光（高角度入射）
５４ 平面領域（垂直入射）
５５ 平面領域（低角度入射）
５６ 平面領域（高角度入射）
５７ 斜め入射光
５８ 分布屈折率レンズ（斜め入射設定）
５９ 収束光(偏向光、集光成分)
６０ 集光ロス、散乱ロス
６１ 入射光
６２ マイクロレンズ
６３ 周期（波長以下）
６４ 集光スポット径
６５ 高屈折率材料
６６ 低屈折率材料
１００、２００ 固体撮像素子
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（前記２〜７によって構成）
９ 入射光
１０ ＳiＯ2層（膜厚１．２μm；n=１．４５）
１１ 空気
１２ ゾーン幅
１３ 光学中心
１４ 平面領域
１５ ゾーン領域群（第１ゾーン）
１６ 上段膜厚（０．４μm）
１７ 下段膜厚（０．８μm）
１８ 位相変調
１９ 第１ゾーン
２０ 第２ゾーン
２１ 第３ゾーン
２２ 平行光
２３ 収束光(偏向光、集光成分)
２４ 収束光(偏向光、集光成分)
２５ レジスト
２６ ＳiＯ2
２７ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
２８ 光リソグラフィ
２９ エッチング
３０ バーク
３１ 平面領域
３２ ゾーン領域群（第１ゾーン）
３３ ゾーン領域群（第２ゾーン）
３４ ゾーン領域群（第３ゾーン）
３５ 入射光
３６ 対物レンズ（撮影レンズ）
３７ 画素入射光
３８ 画素中心部入射光
３９ 画素中心部レンズ
４０ 画素周辺部入射光
４１ 画素周辺部レンズ
４２ レンズ形成領域（高屈折率材料）
４３ レンズ間領域（低屈折率材料）
４４ 反射防止膜
４５ ＳiＯ2
４６ ＳiＮ
４７ ＳiＯ2（レンズ材料）
４８ スペーサ部(ＳiＯ2)
４９ 上部反射層
５０ 下部反射層
５１ 垂直入射光
５２ 斜め入射光（低角度入射）
５３ 斜め入射光（高角度入射）
５４ 平面領域（垂直入射）
５５ 平面領域（低角度入射）
５６ 平面領域（高角度入射）
５７ 斜め入射光
５８ 分布屈折率レンズ（斜め入射設定）
５９ 収束光(偏向光、集光成分)
６０ 集光ロス、散乱ロス
６１ 入射光
６２ マイクロレンズ
６３ 周期（波長以下）
６４ 集光スポット径
６５ 高屈折率材料
６６ 低屈折率材料
１００、２００ 固体撮像素子
Claims (11)
- 集光素子を備えた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も短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該集光素子の中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有する
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記集光素子において、前記平面領域は、一様に形成された光透過膜によって生じる一定の屈折率を有し、
前記ゾーン領域は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備えている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記ゾーン領域の屈折率分布によって生じる位相変調が、２πの０を除く自然数倍で分割されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記ゾーン領域の屈折率分布によって生じる位相変調が、２πとなる境界が画素の単一又は複数辺と接する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記ゾーン領域の屈折率分布によって生じる位相変調が、２πとなる境界が画素領域を内包している
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子における前記同心構造の中心が、当該固体撮像素子の中心と異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記光透過膜平面領域上に、屈折率の高低差によって生じる光反射防止効果を備えた多層膜構造が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子の構造が、屈折率の高低差によって生じる光反射防止効果を備えた多層膜構造である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子の構造が、色分離機能を具備する誘電体多層膜構造である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 集光素子と受光素子とを備える固体撮像素子が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も短い線幅で分割された、同心円構造を有する複数の光透過膜のゾーン領域を備え、かつ、当該集光素子の中心部分に、その直径が入射光の波長と同程度かそれよりも大きい平面領域を有し、
当該固体撮像装置の中央に位置する固体撮像素子では、その受光素子の中心軸とその集光素子の中心軸が一致するように形成され、当該固体撮像装置の周辺に位置する固体撮像素子では、その受光素子の中心より前記集光素子の中心が当該固体撮像装置の中央寄りになるように形成されている
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 当該固体撮像装置の中央に位置する第１の集光素子の前記光透過膜平面領域より当該固体撮像装置の周辺に位置する第２の集光素子の前記光透過膜平面領域の面積が小さく、かつ、前記第１の集光素子における前記ゾーン領域数より前記第２の集光素子の前記ゾーン領域数が多い
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置。
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