JP2008192771A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】画素境界における屈折率分布の再現性を改善し、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】各画素（サイズ□５．６mm）は、集光素子（分布屈折率レンズ）１、カラーフィルタ２、遮光層（Ａl配線）３、受光素子（Ｓiフォトダイオード）４、Ｓi基板５および平坦化膜６から構成されている。集光素子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、集光素子１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。また、隣接する２つの集光素子の間には空気領域１２（幅：ａ）が形成されている。
【選択図】図４
【解決手段】各画素（サイズ□５．６mm）は、集光素子（分布屈折率レンズ）１、カラーフィルタ２、遮光層（Ａl配線）３、受光素子（Ｓiフォトダイオード）４、Ｓi基板５および平坦化膜６から構成されている。集光素子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、集光素子１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。また、隣接する２つの集光素子の間には空気領域１２（幅：ａ）が形成されている。
【選択図】図４
Description
本発明は、デ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。
デジタルカメラ、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（以下単に「イメージセンサ」ともいう。）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、高感度の固体撮像素子を実現するためには、入射した光を確実に受光素子に導入することが重要な要素といえる。そのためには、イメージセンサの最上部に形成されているオンチップマイクロレンズの集光効率を向上させる必要がある。現状のオンチップマイクロレンズは、樹脂製の球面レンズであり、ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサを始めとするほとんどの固体撮像素子に搭載されている。
近年、マイクロレンズに替わる微細光学素子として、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幅（サイズ）の領域をいう。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２０（ａ）)をλ／２ｎ（λ：入射光の波長、ｎ：レンズ材料の屈折率）のゾーン領域９（幅：ｄ）の周期で分割し、各領域において線形近似（図２０（ｂ））並びに矩形形状への近似（図２０（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、矩形形状の周期構造における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して用いることができれば、光リソグラフィ及び電子線リソグラフィに代表される一般的なプレーナープロセス技術を用いて、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。
我々のグループでは、ＳＷＬＬをオンチップマイクロレンズとして搭載した固体撮像素子を報告している（例えば、特許文献２参照）。
図２３（ａ）に、ＳＷＬＬの集光素子１を搭載した固体撮像素子７０の基本構造を示す。図２３（ａ）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。また、図２３（ｂ）に、上記固体撮像素子７０を２次元状に配置した場合の上面図を示す。図２３（ｂ）に示すように、集光素子１は同心円構造を有しており、高屈折率材料１０［ＴiＯ2（ｎ＝２．５３）］と低屈折率材料１１［空気（ｎ＝１．０）］で構成され、隣り合う円型光透過膜の周期（即ち、ゾーン領域９の幅）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２０のゾーン領域９の幅）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
ＰＣＴ／ＪＰ０４／０１８７５０
D. W. Prather, Opt. Eng. 38 870-878 (1998)
しかしながら、上記従来の方法では、隣接する画素の境界において、ＳＷＬＬの周辺構造は同一の微小領域１３を共有する（図２３（ｂ）参照）。この結果、ＳＷＬＬの断面構造と有効屈折率分布の関係は図２１のようになる。上記微小領域１３では、有効屈折率が落ち切らないため、ＳＷＬＬの集光性は低下する。
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（集光光３５）以外に、直進して遮光層に照射している光成分（集光ロス３６）が確認できる。これは画素境界において、集光性を有する屈折率変化を実現できていないことに起因している。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、画素境界における屈折率分布の再現性を改善し、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、画素境界における屈折率分布の再現性を改善し、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、画素境界に空気領域を形成することによって、画素端における集光性を向上した屈折率分布レンズである。これによって、集光ロスや散乱ロスが抑えられ、レンズの集光効率は向上する。
上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像素子は、単位画素が複数配置された固体撮像素子であって、前記単位画素は、集光素子と、前記集光素子で集光された光を色分離するカラーフィルタと、単位画素への不要な光の入射を防止するための予め規定した開口を有する遮光層と、前記集光素子、前記カラーフィルタ又は前記遮光層に隣接して形成された平坦化膜と、光を電荷に変換する受光素子とを備え、前記集光素子と隣接する他の単位画素の集光素子との間に、入射光の波長と同程度又はそれより小さい幅の空気領域を備えていることを特徴とする。これによって、集光ロスが抑えられ、レンズの集光効率を向上させることができる。
また、前記集光素子は、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た集光素子であることを特徴とする。これによって、設計自由度の高い分布屈折率レンズを形成することができるため、集光効率の高い集光素子を実現できる。
また、前記空気領域の幅WGAPが、前記入射光の波長をλとするとき、λ／4 ＜ WGAP ＜４λを満たしていることを特徴とする。これによって、集光ロスが抑えられ、レンズの集光効率を向上させることができる。
また、前記空気領域は、前記カラーフィルタの上面まで形成されていることを特徴とする。これにより、各単位画素に入射光が閉じ込められるため、センサ感度が増加する。
また、前記空気領域は、前記遮光層の上面まで形成されていることを特徴とする。これにより、分光された入射光が隣接画素へ逃げることがなくなり、混色を防ぐことができる。
また、前記空気領域の幅は、前記集光素子と受光素子との距離に反比例していることを特徴とする。これにより、入射角度が大きい光を効率よく単位画素内に閉じ込めることができるため、センサの感度を向上させることができる。
また、前記空気領域の幅は、前記単位画素への入射光の波長に比例していることを特徴とする。これにより、レンズを色別に最適化することができるため、色再現性が向上する。
また、前記集光素子において、素子形成領域の対角ギャップ幅をλ／４以上λ以下とすることを特徴とする。これにより、開口を大きく取ることができ、センサ感度を向上させることができる。
また、前記固体撮像素子は、前記集光素子と前記他の単位画素の集光素子との間に、前記集光素子を形成する光透過膜又は前記平坦化膜より低い屈折率ｎＬを有する光透過膜を備えており、且つ当該光透過膜のギャップ幅WGAPLNが、λ／４ｎＬ＜ WGAPLN ＜４λ／ｎLを満たしていることを特徴とする。これにより、集光効率を保ったまま、微細構造の補強ができるため、衝撃等に対する信頼性が向上する。
さらに、前記固体撮像素子では、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子に形成されており、前記面の周辺に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子から遮光層までの中間領域に形成されていることを特徴とする。これにより、周辺の単位画素への入射角度が大きい光モジュールにおいて、周辺感度落ちのない固体撮像素子を実現できる。
また、前記固体撮像素子では、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子から遮光層までの中間領域に形成されており、前記面の周辺に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子に形成されていることを特徴とする。これにより、単位画素のサイズが大きい固体撮像素子において、センサ感度が向上する。
また、前記固体撮像素子では、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する単位画素の空気領域よりも、前記面の周辺に位置する単位画素の空気領域のほうが、ギャップ幅が小さくなっ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、本発明に係る製造方法は、単位画素が複数配置された固体撮像素子の製造方法であって、前記単位画素は、集光素子と、前記集光素子で集光された光を色分離するカラーフィルタと、開口を有する遮光層と、前記集光素子、前記カラーフィルタ又は前記遮光層に隣接して形成された平坦化膜と、光を電荷に変換する受光素子とを備え、前記集光素子と隣接する他の単位画素の集光素子との間に、入射光の波長と同程度、又はそれより小さい幅の空気領域を備えており、前記集光素子の形成時に、エッチングにより前記空気領域を形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、空気領域を容易に形成することができ、生産コストを抑えることができる。
本発明に係る固体撮像素子によれば、入射光の波長と同程度又はそれより小さい幅の空気領域を備える集光素子を有するので、解像度及び感度の向上、並びに製造工程の容易化を実現することができる。
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は、本実施の形態に係る固体撮像素子の上面図（より具体的には、集光素子の上面図）を示す図である。図１の集光素子１は、ＳiＯ2（ｎ＝１．４３）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。本実施の形態の場合、画素中心にＳiＯ2が「密」に集まり、外側のリングになるに従って「疎」へと変わっていく。このとき、高屈折率材料１０（本実施例では、ＳiＯ2）と低屈折率材料１１（本実施例では、空気）が共存する微小領域（ゾーン領域）９の幅（ｄ）が、入射光の波長（λ）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、ゾーン領域内の２種材料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有効屈折率は高くなり、逆に減らせば有効屈折率は低くなる。図１に示す集光素子１は、光学中心が画素中心に一致した分布屈折率レンズである。また、隣接する２つの集光素子の間には空気領域１２が形成されている。
図１は、本実施の形態に係る固体撮像素子の上面図（より具体的には、集光素子の上面図）を示す図である。図１の集光素子１は、ＳiＯ2（ｎ＝１．４３）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。本実施の形態の場合、画素中心にＳiＯ2が「密」に集まり、外側のリングになるに従って「疎」へと変わっていく。このとき、高屈折率材料１０（本実施例では、ＳiＯ2）と低屈折率材料１１（本実施例では、空気）が共存する微小領域（ゾーン領域）９の幅（ｄ）が、入射光の波長（λ）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、ゾーン領域内の２種材料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有効屈折率は高くなり、逆に減らせば有効屈折率は低くなる。図１に示す集光素子１は、光学中心が画素中心に一致した分布屈折率レンズである。また、隣接する２つの集光素子の間には空気領域１２が形成されている。
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１の構造は、膜厚が１．２μｍと０．８μｍの２段階の同心円構造（「２段同心円構造」ともいう。）である。
図３（ａ）〜（ｆ）は、本実施の形態に係る２段同心円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最も高い構造であり、図３（ｂ）から図３（ｆ）の構造になるに従って、有効屈折率が低くなる。このとき、上段（光入射側）の膜厚１４と下段（基板側）の膜厚１５は、それぞれ０．４ｎｍと０．８ｎｍであり、膜厚比（上段／下段）は「０．５」である。
次に、本実施の形態に係る固体撮像素子の基本構造について説明する。図４は、本実施の形態に係る固体撮像素子（「単位画素」ともいう。）５１の断面図である。固体撮像素子５１の□サイズは５．６μｍであり、集光素子１、カラーフィルタ２、遮光層（「遮光膜」ともいう。）３、受光素子（Ｓiフォトダイオード）４およびＳi基板５を備えている（なお、遮光層３、受光素子４およびＳi基板５は、半導体集積回路８を構成する。）。前述したように、隣接する２つの集光素子の間には空気領域１２が形成されている。
本発明の集光素子１の有効屈折率分布を図５に示す。上記図２０に示している従来例では、分布のピークが繋がっているのに対して、本発明の集光素子では、各屈折率分布が分離している様子が確認できる。ここで、入射光の波長がλのとき、空気領域１２のギャップ幅WGAP１２は、以下の式を満たす。
λ／４ ＜ WGAP ＜４λ （１）
WGAPが上記（１）式を満たさないとき、入射光は画素境界の構造の実効屈折率を感じることになり、屈折率分布を分離することができない。
図６（ａ）は、本実施の形態に係る集光素子１の集光プロファイルを示す図である。図６（ａ）により、レンズに対して垂直に入射している光が、遮光層に遮られること無く、効率良く集光している様子が確認できる。また、これは画素境界において、高集光性を有する屈折率分布を実現できていることを示している。また、図６（ｂ）に緑色光（λ＝０．５５μm）を入射したときのセンサ感度とギャップ幅の関係を示す。ここでは、ギャップ幅が０μmの場合のセンサ感度を１として規格化している。図６（ｂ）からも明らかなように、ギャップ幅の増加に伴って、感度は増加し、ギャップ幅が０．５μm程度のときに最大となる。この結果は、上記（１）式の条件を満たすものである。
なお、本実施の形態では、分りやすく説明するために、上記図３のような基本構造に基づいて集光素子１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の構造を形成することができ、図３（ｂ）と図３（ｄ）とを組合せれば凹形状の構造を形成することができる。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。
図７（ａ）〜（ｉ）は、本実施の形態に係る集光素子１の作製工程を示す図である。ここで、集光素子１は２段構造とし、その形成は３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、遮光層、およびカラーフィルタからなる半導体集積回路８（上記図７では、その詳細については図示していない）を形成する。１つの単位画素のサイズは、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、ＳiＯ2膜３０を形成し、その上にレジスト３７を塗布する（図７（ａ））。
その後、フォトリソグラフィ３２によって、パターニングを行う（図７（ｂ））。ＳiＯ2膜とレジスト３７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３３を行い、画素表面に微細構造を形成する（図７（ｃ））。レジスト３７を除去した後、Bottom Anti-Reflective Coating（ＢＡＲＣ）材料３４を埋め込み、平坦化する（図７（ｄ））。
レジスト３７を塗布した後、再びフォトリソグラフィ３２によってパターニングを行う（図７（ｅ））。エッチングの後（図７（ｆ））、レジスト３７とＢＡＲＣ材料を取り除く。その後、同様の工程を用いて（図７（ｆ）、（ｇ））、単位画素間に空気領域１２を形成する。（図７（ｉ））。
本実施の形態に係る集光素子１の製造工程では、同心円の線幅が０．１μm程度の微細な構造を形成するため、フォトリソグラフィ工程において位相マスクを用いている。位相マスクには、入射光に０とπの位相ずれを生じさせる位相シフタが交互に配列しなければならない。そのため、空気領域１２のように全ての単位画素にまたがって形成するようなパターンを設計するのは非常に困難である。
しかしながら、本実施の形態に係る製造工程を用いることにより、微細構造を形成後に空気領域１２を作成することが可能となる。結果として、設計の自由度が向上し、生産コストが低減する。
また、本実施の形態では、２段構造の集光素子１の形成を試みたが、上記図７（ａ）〜（ｉ）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、さらに集光効率を向上させることができる。
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８は、実施の形態２に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５２における単位画素の断面を示す図である。図８では、空気領域２５が、カラーフィルタ２の上面まで形成されている様子が示されている。本実施例では、カラーフィルタ２上の平坦化膜６として、ＳiＯ2（ｎ＝１．４３）を用いていることから、入射角４４°以下の光は完全反射することになる。このとき、集光素子１によって集光された光のほとんどは各単位画素に閉じ込められ、隣接する単位画素への逃げ光は減少する。
図８は、実施の形態２に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５２における単位画素の断面を示す図である。図８では、空気領域２５が、カラーフィルタ２の上面まで形成されている様子が示されている。本実施例では、カラーフィルタ２上の平坦化膜６として、ＳiＯ2（ｎ＝１．４３）を用いていることから、入射角４４°以下の光は完全反射することになる。このとき、集光素子１によって集光された光のほとんどは各単位画素に閉じ込められ、隣接する単位画素への逃げ光は減少する。
図９に、本実施の形態に係る光伝播プロファイルを示す。図９により、入射した光が効率よく集光されている様子が確認できる。これによって、カラーフィルタ２に入射する光量は増加し、感度や色再現性を向上させることができる。
（実施の形態３）
図１０は、実施の形態３に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５３における単位画素の断面を示す図である。図１０では、空気領域２５が、遮光層３の上面まで形成されている様子が示されている。本実施例では、カラーフィルタ２を空気領域２６で分離することにより、色分離された入射光は単位画素内に閉じ込められる。
図１０は、実施の形態３に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５３における単位画素の断面を示す図である。図１０では、空気領域２５が、遮光層３の上面まで形成されている様子が示されている。本実施例では、カラーフィルタ２を空気領域２６で分離することにより、色分離された入射光は単位画素内に閉じ込められる。
図１１に、本実施の形態に係る光伝播プロファイルを示す。図１１により、入射してきた光は単位画素内に閉じ込められ、効率よく受光素子４に集光されている様子が確認できる。これにより、隣接する単位画素への逃げ光が無くなり、混色が減少するため、色再現性を向上させることができる。
（実施の形態４）
図１２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態４に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５４ａ、５４ｂにおける単位画素の断面を示す図である。図１２（ａ）、（ｂ）により、集光素子１と受光素子４との距離（ＬＥ−ＰＤ間距離）が異なる固体撮像素子５４ａ、５４ｂでは、それぞれの空気領域１０３、１０４のギャップ幅（ｂ、ｃ）が異なっているのがわかる。ＬＥ−ＰＤ間距離が短い単位画素に対しては、空気領域の幅（「ギャップ幅」ともいう。）が大きくなるように、逆にＬＥ−ＰＤ間距離が長い単位画素に対しては、ギャップ幅が小さくなるように、それぞれ形成している。ＬＥ−ＰＤ間距離１６が短い単位画素では、集光角１０１が大きくなるため、空気領域１０３の幅ｂを大きくとることによって、斜め光の閉じ込めを強くしている。その結果として、集光効率が高くなり、固体撮像素子の感度は向上する。
図１２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態４に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５４ａ、５４ｂにおける単位画素の断面を示す図である。図１２（ａ）、（ｂ）により、集光素子１と受光素子４との距離（ＬＥ−ＰＤ間距離）が異なる固体撮像素子５４ａ、５４ｂでは、それぞれの空気領域１０３、１０４のギャップ幅（ｂ、ｃ）が異なっているのがわかる。ＬＥ−ＰＤ間距離が短い単位画素に対しては、空気領域の幅（「ギャップ幅」ともいう。）が大きくなるように、逆にＬＥ−ＰＤ間距離が長い単位画素に対しては、ギャップ幅が小さくなるように、それぞれ形成している。ＬＥ−ＰＤ間距離１６が短い単位画素では、集光角１０１が大きくなるため、空気領域１０３の幅ｂを大きくとることによって、斜め光の閉じ込めを強くしている。その結果として、集光効率が高くなり、固体撮像素子の感度は向上する。
一方、ＬＥ−ＰＤ間距離１７が長い単位画素では、集光角１０２が小さいので、空気領域１０４の幅ｃを小さく設定し、集光素子１に入射する光に対して開口径１０５を広く取っている。これによって、入射する光の光量が増加するため、感度を向上させることができる。
（実施の形態５）
図１３（ａ）、（ｂ）は、実施の形態５に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５５における単位画素の配列の様子を示す図である。図１３（ｂ）に示しているように、空気領域の幅は、各単位画素に対応している入射光の波長に応じて変化させている。上記（１）式より、Ｒ光用、Ｇ光用、Ｂ光用の単位画素のギャップ幅は、それぞれ１５０nm、１３０nm、１１５nmとなっている。
図１３（ａ）、（ｂ）は、実施の形態５に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子５５における単位画素の配列の様子を示す図である。図１３（ｂ）に示しているように、空気領域の幅は、各単位画素に対応している入射光の波長に応じて変化させている。上記（１）式より、Ｒ光用、Ｇ光用、Ｂ光用の単位画素のギャップ幅は、それぞれ１５０nm、１３０nm、１１５nmとなっている。
こうすることによって、ギャップ幅を最小にすることができ、開口率が上がるため、固体撮像素子の感度は向上する。
一方、図１３（ａ）に示しているように、空気領域のギャップ幅（図１３（ａ）の場合は、ａ／２）を一定とすると、画素間における開口率が均一になるため、プロセスは容易となり（例えば、フォトリソグラフィ工程）、生産コストを低減することができる。
（実施の形態６）
図１４（ａ）、（ｂ）は、実施の形態６に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子における単位画素の配列の様子を示す図である。図１４（ａ）は、従来のオンチップマイクロレンズを搭載した固体撮像素子の単位画素の配列の様子を示している。オンチップマイクロレンズでは、熱リフローによってレンズを形成するため、対角ギャップ２１が必ず存在する。対角ギャップ２１は、数百ｎｍ程度となるため、この領域に入射した光は集光されず、感度は減少する。
図１４（ａ）、（ｂ）は、実施の形態６に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子における単位画素の配列の様子を示す図である。図１４（ａ）は、従来のオンチップマイクロレンズを搭載した固体撮像素子の単位画素の配列の様子を示している。オンチップマイクロレンズでは、熱リフローによってレンズを形成するため、対角ギャップ２１が必ず存在する。対角ギャップ２１は、数百ｎｍ程度となるため、この領域に入射した光は集光されず、感度は減少する。
一方、本実施の形態に係る集光素子では、対角ギャップ２２をλ／４以上λ以下としている（図１４（ｂ））。これにより、画素対角の集光効率をほぼ１とすることができ、感度を向上させることができる。
（実施の形態７）
図１５は、実施の形態７に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子における単位画素の断面を示す図である。本実施例では、上記空気領域に、集光素子や平坦化膜を構成しているＴＥＯＳ（ｎ＝１．４５）よりも屈折率の低いＣＹＴＯＰ（ｎ=１．３４）２３を埋め込んでいる。屈折率差は「０．１１」程度であるが、全反射角は６７．５°となるので、センサ面に対して２２．５°までの角度で入射する光は画素内に閉じ込められることになる。埋め込み材料と平坦化膜との屈折率比をＲn（＝埋め込み材料の屈折率／平坦化膜の屈折率）、対応する入射角度をθ（°）とするとき、その関係は、
θ＝９０−ｓｉｎ（Ｒn） （２）
となる。
図１５は、実施の形態７に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子における単位画素の断面を示す図である。本実施例では、上記空気領域に、集光素子や平坦化膜を構成しているＴＥＯＳ（ｎ＝１．４５）よりも屈折率の低いＣＹＴＯＰ（ｎ=１．３４）２３を埋め込んでいる。屈折率差は「０．１１」程度であるが、全反射角は６７．５°となるので、センサ面に対して２２．５°までの角度で入射する光は画素内に閉じ込められることになる。埋め込み材料と平坦化膜との屈折率比をＲn（＝埋め込み材料の屈折率／平坦化膜の屈折率）、対応する入射角度をθ（°）とするとき、その関係は、
θ＝９０−ｓｉｎ（Ｒn） （２）
となる。
このとき、ギャップ幅WGAPLN１２は、以下の式を満たす。
λ／４ｎL ＜ WGAPLN ＜４λ／ｎＬ （３）
λ／４ｎL ＜ WGAPLN ＜４λ／ｎＬ （３）
ここで、ｎＬは、埋め込み材料の屈折率であり、本実施例では「１．３４」である。上記（３）式を満たすことによって、集光素子の屈折率分布は各単位画素で分離され（図１５）、単位画素の周辺の集光効率は低下しない。また、この“埋め込み”によって凹構造が無くなるため強度が上がり、衝撃や振動に対する信頼性を向上させることができる。
（実施の形態８）
図１６は、実施の形態８に係る、３００万画素を有する固体撮像素子を搭載した携帯電話カメラ用光学モジュールと単位画素の断面を示す図である。本実施例の単位画素のサイズは□２．２μmである。携帯電話カメラのような短焦点系光学モジュールにおいては、中心付近の単位画素５８ａには光は垂直に入射するが、周辺の単位画素５８ｂでは３０度以上となる。
図１６は、実施の形態８に係る、３００万画素を有する固体撮像素子を搭載した携帯電話カメラ用光学モジュールと単位画素の断面を示す図である。本実施例の単位画素のサイズは□２．２μmである。携帯電話カメラのような短焦点系光学モジュールにおいては、中心付近の単位画素５８ａには光は垂直に入射するが、周辺の単位画素５８ｂでは３０度以上となる。
そこで、本実施例では、中心付近の単位画素５８ａには、集光素子１にのみ空気領域を設け、周辺の単位画素５８ｂには遮光層３の上面まで空気領域を形成している。これによって、中心付近の単位画素では開口を広く取ることができるため、センサ感度を向上させることができる。また、周辺の単位画素においても、入射する光は各単位画素に閉じ込められることになるので、センサ感度を向上させることができる。本実施例の単位画素の構造は、画素サイズ３μm以下の固体撮像素子において、特に有効である。
（実施の形態９）
図１７は、実施の形態９に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子を搭載した車載カメラ用光学モジュールと単位画素の断面を示す図である。本実施例の画素サイズは□５．６μmである。この程度の単位画素のサイズでは、オンチップマイクロレンズの形状を制御することが可能であるので、中心付近の単位画素における感度は高い。それに対して、本実施例の集光素子は、微細凸凹構造を有するため、表面での光散乱が発生し、集光効率が低下する可能性がある。
図１７は、実施の形態９に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子を搭載した車載カメラ用光学モジュールと単位画素の断面を示す図である。本実施例の画素サイズは□５．６μmである。この程度の単位画素のサイズでは、オンチップマイクロレンズの形状を制御することが可能であるので、中心付近の単位画素における感度は高い。それに対して、本実施例の集光素子は、微細凸凹構造を有するため、表面での光散乱が発生し、集光効率が低下する可能性がある。
そこで、本実施例では、中心付近の単位画素５９ａの感度を上げるため、遮光層３の上面まで空気領域を形成している。集光素子１を透過した光は他の単位画素に散乱・反射することなく受光素子４に導入されるため、センサ感度は向上する。なお、本実施例のように、単位画素のサイズが大きい固体撮像素子では、画素領域に占める空気領域の面積が小さいため（７％程度）、開口率の変化は軽微であり、入射光量の低下はほとんどない。
この結果、本実施例の固体撮像素子の感度は現行品に比べて同程度以上となっている。また、周辺の単位画素５９ｂでは光の入射角度が小さいことから（１５°程度）、空気領域を集光素子にのみ形成している。深さ方向の加工を最低限に抑えることによって、製品の衝撃や振動に対する強度は向上する。
（実施の形態１０）
図１８（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１０に係る、３００万画素を有する固体撮像素子を搭載した携帯電話カメラ用光学モジュールと単位画素の断面を示す図である。ここで、図１８（ａ）は、シュリンク構造を有する固体撮像素子上にオンチップマイクロレンズ２４を搭載した場合の断面図である。
図１８（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１０に係る、３００万画素を有する固体撮像素子を搭載した携帯電話カメラ用光学モジュールと単位画素の断面を示す図である。ここで、図１８（ａ）は、シュリンク構造を有する固体撮像素子上にオンチップマイクロレンズ２４を搭載した場合の断面図である。
上述したように、中心付近の単位画素に対して、光は垂直に入射するが、周辺の単位画素では高角度入射となる。これは、携帯電話カメラ等の短焦点系光学モジュールにおいて特に顕著な問題である。現行の固体撮像素子では、遮光層とオンチップマイクロレンズをセンサ中心にシュリンクして周辺感度の向上を図っているが、単位画素のサイズの微細化に伴い、シュリンクした遮光層とマイクロレンズ２４の形成が困難となっている。
本実施例では、フレネル型の屈折率分布を有している集光素子を、画素中心に対して偏心させて形成することによって、シュリンクと同様の効果を得ることに成功している（例えば、特許文献２参照）。このとき、周辺の単位画素では集光素子の偏心シフト量が大きくなるため、高次のフレネルゾーンが出現する。
そこで、本実施例では、周辺の単位画素の空気領域の線幅を細くし、高次ゾーン構造が消失しないようにしている。これにより、周辺感度が落ちのないクリアな画像が得られる。また、中心付近の単位画素では光透過膜が平坦に形成されているため（例えば、図２参照）、空気領域を広く確保し、屈折率分布の分離を増強している。結果として、集光効率は増加し、センサ感度を向上させることができる。
（実施の形態１１）
図１９は、実施の形態１１に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子における単位画素の断面を示す図である。前述の実施例では、分布屈折率レンズを集光素子としていたが、勿論、図１９に示すように、オンチップマイクロレンズ２４を搭載してもよい。特に単位画素のサイズが大きい固体撮像素子では制御性良くマイクロレンズ２４を形成することが可能であるので、高感度なセンサを実現することができる。
図１９は、実施の形態１１に係る、ＶＧＡ仕様（３１万画素）の固体撮像素子における単位画素の断面を示す図である。前述の実施例では、分布屈折率レンズを集光素子としていたが、勿論、図１９に示すように、オンチップマイクロレンズ２４を搭載してもよい。特に単位画素のサイズが大きい固体撮像素子では制御性良くマイクロレンズ２４を形成することが可能であるので、高感度なセンサを実現することができる。
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に利用が可能であり、従来より性能向上及び低価格化が可能であるため、産業上有用である。
１ 集光素子（分布屈折率レンズ）
２ カラーフィルタ
３ 遮光層（Ａl配線）
４ 受光素子（Ｓiフォトダイオード）
５ Ｓi基板
６ 平坦化膜
７ 入射光
８ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
９ ゾーン領域（幅：ｄ）
１０ ＴiＯ2（n=２．５３）
１１ 空気
１２ 空気領域
１３ 微小領域
１４ 上段の膜厚（０．４μm）
１５ 下段の膜厚（０．８μm）
１６ ＬＥ−ＰＤ間距離（長焦点）
１７ ＬＥ−ＰＤ間距離（短焦点）
１８ 空気領域幅（Ｒ光用）
１９ 空気領域幅（Ｇ光用）
２０ 空気領域幅（Ｂ光用）
２１ 対角ギャップ（従来構造）
２２ 対角ギャップ（本発明）
２３ ＣＹＴＯＰ（ｎ＝１．３４）
２４ マイクロレンズ
２５ 空気領域
２６ 空気領域
２７ 入射光
２８ 固体撮像素子
２９ 空気領域（抜き幅大）
３０ 空気領域（抜き幅中）
３１ 空気領域（抜き幅小）
３２ フォトリソグラフィ
３３ エッチング
３４ ＢＡＲＣ
３５ 集光光
３６ 集光ロス
３７ レジスト
１００ ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）
１０１ 集光角（長焦点）
１０２ 集光角（短焦点）
１０３ 空気領域（線幅大）
１０４ 空気領域（線幅小）
１０５ 開口径
２ カラーフィルタ
３ 遮光層（Ａl配線）
４ 受光素子（Ｓiフォトダイオード）
５ Ｓi基板
６ 平坦化膜
７ 入射光
８ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
９ ゾーン領域（幅：ｄ）
１０ ＴiＯ2（n=２．５３）
１１ 空気
１２ 空気領域
１３ 微小領域
１４ 上段の膜厚（０．４μm）
１５ 下段の膜厚（０．８μm）
１６ ＬＥ−ＰＤ間距離（長焦点）
１７ ＬＥ−ＰＤ間距離（短焦点）
１８ 空気領域幅（Ｒ光用）
１９ 空気領域幅（Ｇ光用）
２０ 空気領域幅（Ｂ光用）
２１ 対角ギャップ（従来構造）
２２ 対角ギャップ（本発明）
２３ ＣＹＴＯＰ（ｎ＝１．３４）
２４ マイクロレンズ
２５ 空気領域
２６ 空気領域
２７ 入射光
２８ 固体撮像素子
２９ 空気領域（抜き幅大）
３０ 空気領域（抜き幅中）
３１ 空気領域（抜き幅小）
３２ フォトリソグラフィ
３３ エッチング
３４ ＢＡＲＣ
３５ 集光光
３６ 集光ロス
３７ レジスト
１００ ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）
１０１ 集光角（長焦点）
１０２ 集光角（短焦点）
１０３ 空気領域（線幅大）
１０４ 空気領域（線幅小）
１０５ 開口径
Claims (13)
- 単位画素が複数配置された固体撮像素子であって、
前記単位画素は、
集光素子と、
前記集光素子で集光された光を色分離するカラーフィルタと、
単位画素への不要な光の入射を防止するための予め規定した開口を有する遮光層と、
前記集光素子、前記カラーフィルタ又は前記遮光層に隣接して形成された平坦化膜と、
光を電荷に変換する受光素子とを備え、
前記集光素子と隣接する他の単位画素の集光素子との間に、入射光の波長と同程度又はそれより小さい幅の空気領域を備えている
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記集光素子は、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た集光素子である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記空気領域の幅WGAPが、前記入射光の波長をλとするとき、
λ／4 ＜ WGAP ＜４λ
を満たしている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記空気領域は、前記カラーフィルタの上面まで形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記空気領域は、前記遮光層の上面まで形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記空気領域の幅は、前記集光素子と受光素子との距離に反比例している
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記空気領域の幅は、前記単位画素への入射光の波長に比例している
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記集光素子において、素子形成領域の対角ギャップ幅をλ／４以上λ以下とする
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子は、前記集光素子と前記他の単位画素の集光素子との間に、前記集光素子を形成する光透過膜又は前記平坦化膜より低い屈折率ｎＬを有する光透過膜を備えており、且つ当該光透過膜のギャップ幅WGAPLNが、
λ／４ｎＬ＜ WGAPLN ＜４λ／ｎL
を満たしている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子では、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子に形成されており、
前記面の周辺に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子から遮光層までの中間領域に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子では、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子から遮光層までの中間領域に形成されており、前記面の周辺に位置する単位画素の空気領域は当該集光素子に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子では、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する単位画素の空気領域よりも、前記面の周辺に位置する単位画素の空気領域のほうが、ギャップ幅が小さくなっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。 - 単位画素が複数配置された固体撮像素子の製造方法であって、
前記単位画素は、集光素子と、前記集光素子で集光された光を色分離するカラーフィルタと、開口を有する遮光層と、前記集光素子、前記カラーフィルタ又は前記遮光層に隣接して形成された平坦化膜と、光を電荷に変換する受光素子とを備え、前記集光素子と隣接する他の単位画素の集光素子との間に、入射光の波長と同程度、又はそれより小さい幅の空気領域を備えており、
前記集光素子の形成時に、エッチングにより前記空気領域を形成する工程を含む
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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