JP2008294139A - 固体撮像素子およびカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】画素の周辺部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及び平坦化層６から構成されている。同心矩形構造は、高屈折率材料１２である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、本実施例の集光素子１は、ＳiＯ₂を同心状に掘り込んだ同心矩形構造であり、周りの媒質は空気（ｎ＝１．０）である。また、集光素子１を構成する高屈折率材料以外の領域は空気１１である。
【選択図】図１

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イメージセンサでは、複数の受光素子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。

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、今後、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感度向上のための重要な要素となっている。そのためには、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で形成した場合に、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）。この手法では、従来のフレネルレンズ（例えば、図１０（ａ）参照）をλ／２ｎ（λ：入射光の波長、ｎ：レンズ材料の屈折率）の領域９の周期（幅：ｄ）で分割し、各領域において線形近似（例えば、図１０（ｂ）参照）し、さらに矩形形状への近似（例えば、図１０（ｃ）参照）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、上記周期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）。

上記の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１３（ａ）に、ＳＷＬＬの集光素子１を搭載した固体撮像素子２００の基本構造を示す。図１３（ａ）では、集光素子２０１である、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１３（ｂ）は、集光素子２０１を２次元状に配列した様子を示す図である。集光素子２０１は、同心円構造を有しており、高屈折率材料１２［例えば、ＴiＯ₂(ｎ＝２．５３)やＳiＯ₂(ｎ＝１．４３)等］と低屈折率材料である空気１１(ｎ＝１．０)で構成され、隣り合う円型光透過膜の周期は０．２μｍである。また、集光素子２０１の膜厚は０．５μｍである。

集光素子２０１の同心円構造における線幅は、円の中心部が最も大きく、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それより小さいときには、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１０の領域９）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 (1999) 特開２００４−２０９５７号公報 国際公開第０５／０５９６０７号パンフレット

しかしながら、上記従来の方法では、図１１（ａ）に示すように同心円構造を有するＳＷＬＬを用いているため、水平方向（（i）の方向）では放物線状の第１ゾーンの屈折率分布になっているのに対して（図１１（ｂ）参照）、対角方向（（ii）の方向）では高次のフレネルゾーンが出現する（図１１（ｂ）参照）。急峻に変化する屈折率分布を再現するためには数十ｎｍ程度の構造を形成する必要があるため、現状の半導体プロセスでは作製が非常に困難である。その結果として、有効屈折率分布の再現性は低くなり、ＳＷＬＬの集光性は低下する。

図１２に、上記従来のＳＷＬＬの集光プロファイルを示す。図１２（ａ）は、受光素子４付近の様子を示しており、受光素子領域４０よりも小さい円形の集光スポットが確認できる。図１２（ｂ）は、対角方向（図１１（ａ）の（ii）の方向）の画素の断面の様子を示している。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３５（集光光）以外に、直進して遮光層３に照射している光成分３６（集光ロス）が確認できる。これはＳＷＬＬの高次ゾーンにおいて、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、画素の周辺部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、画素の周辺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、集光素子形状を矩形にすることによって、画素の周辺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、本発明に係る集光素子と受光素子とを備えた固体撮像素子であって、前記集光素子は、同心状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有し、かつ、当該集光素子を上面から見た場合の同心状の形状が、前記受光素子を上面から見た場合の形状とほぼ相似形であることを特徴とする。これにより、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、フレネル型の集光素子であり、当該集光素子の有効屈折率分布が放物線状の第１ゾーンの屈折率分布を有していることを特徴とする。これにより、フレネル型屈折率分布の高次ゾーンを除去できるため、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複数の光透過膜のゾーン領域を備える同心状の構造を有しており、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。これにより、設計自由度の高い有効屈折率分布が実現でき、レンズの集光効率は向上させることができる。

また、前記集光素子の上面から見た場合の同心状の形状が矩形であることを特徴とする。これにより、集光ロスが低減し、レンズの集光効率が増加する。

また、前記集光素子の上面から見た場合の同心状の形状が八角形であることを特徴とする。これにより、レンズの微細構造の一辺が短く設定され、構造倒れの少ないレンズが形成できるため、プロセスが容易になる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、固体撮像素子が２次元状に配列された固体撮像装置であって、前記固体撮像素子は、同心状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有し、かつ、当該集光素子を上面から見た場合の形状が、前記受光素子を上面から見た場合の形状とほぼ相似形であり、当該固体撮像装置の中央付近における前記固体撮像素子における集光素子を上面から見た場合の形状が同心状の矩形であり、当該固体撮像装置の周辺部における前記固体撮像素子における集光素子を上面から見た場合の形状が同心状の円形であることを特徴とする。

これにより、固体撮像装置の周辺部に位置する固体撮像素子に入射する光を効率良く受光素子に集光することができるため、センサとしての感度を向上させることができる。

さらに、本発明は、上記固体撮像素子が２次元状に配列された固体撮像装置を有するカメラとして実現することもできる。

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は、本実施の形態に係る固体撮像素子の上面図（具体的には集光素子１の上面図）である。図１に示すように、集光素子１は、高屈折率材料１２［例えば、ＳiＯ₂(ｎ＝１．４３)やＴiＯ₂(ｎ＝２．５３)等］を同心状の矩形形状で掘り込んだ構造（以下、「同心矩形構造」ともいう。）であり、周りの媒質は空気１１（ｎ＝１．０）である。本実施の形態の場合、集光素子１の中心部にＳiＯ₂が密に集まり、集光素子１の外側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１２と空気１１が共存する微小領域（ゾーン領域）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、その微小領域内の２種類の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１２の体積を増やせば有効屈折率は高くなり、高屈折率材料１２の体積を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、その光学中心が固体撮像素子の中心に一致させた分布屈折率レンズである。

図２は、本実施の形態に係る固体撮像素子１００の基本構造を示す図である。図２に示す固体撮像素子（「画素」又は「単位画素」ともいう。）１００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（Ａｌ配線）３、受光素子（Ｓiフォトダイオード）４、Ｓi基板５及び平坦化層６を備えている。集光素子１は、固体撮像素子１００の最上部に形成されており、同心状に形成された光透過膜（例えば、ＳiＯ₂）によって生じる実効屈折率分布を有すると共に、上記図１に示すように、集光素子１を上面から見た場合の同心状の形状は、受光素子４を上面から見た場合の形状とほぼ相似形である。なお、本実施の形態に係る受光素子４を上面から見た場合の形状は、矩形とする。なお、図２に示すように、半導体集積回路８は、上記の遮光層３〜平坦化層６によって構成されている。

図３は、本実施の形態に係る集光素子１の断面図を示す図である。この集光素子１の同心矩形構造は、膜厚１．２μｍ、０．８μｍの２段構造である。

図４（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４（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４（ｂ）から図４（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）の膜厚１４（ｔ１）と下段（基板側）の膜厚１５（ｔ２）は、それぞれ０．４μｍ、０．８μｍであり、膜厚比（上段／下段）は０．５である。

図５は、本実施の形態に係る集光素子１の有効屈折率分布を説明するための図である。水平方向（（i）の方向）ならびに対角方向（（ii）の方向）共に第１ゾーン（放物線状の屈折率分布）のみで形成されており、高次ゾーンは存在しない。これは、集光素子１の形状を受光素子４の形状とほぼ相似形（今回の場合は矩形）とすることによって、面内で非当方性を有する屈折率分布が形成されていることに起因している。

図６（ａ）、（ｂ）は、集光素子１についての集光プロファイルを示す図である。図６（ａ）は、受光素子４付近の様子を示しており、受光素子領域４０内に十字型の集光スポットが確認できる。図６（ａ）より、集光スポットは受光素子４全体に広がっており、均等な光強度で入射していることがわかる。図６（ｂ）は、対角方向（（ii）の方向）の集光素子１における集光プロファイルの様子を示している。集光素子１に対して垂直に入射した光が、遮光層３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。これは画素の周辺（対角部）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。

なお、本実施の形態では、分りやすく説明するために、図４のような基本構造の組合せ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４（ｃ）と図４（ｂ）とを組み合わせれば凸形状になり、図４（ｂ）と図４（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。

図７（ａ）〜（ｉ）は、集光素子の作製工程を示す図である。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４、および遮光層３、カラーフィルタ２からなる半導体集積回路８（上記図７に詳細は描いていない。）を形成する。１画素のサイズは、５．６μｍ角であり、受光素子４は３．５μｍ角である。その後に、ＣＶＤ装置を用いて、高屈折率材料１２を形成し、その上にレジスト３１を塗布する（図７（ａ））。その後、光露光３２によって、パターンニングを行う（図７（ｂ））。ＳiＯ₂膜とレジスト３１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、画素の表面に微細構造を形成する（図７（ｃ））。レジストを除去した後、ＢＡＲＣ（Bottom Anti-Reflective Coating）材料３４を埋め込み、平坦化する（図７（ｄ））。レジスト３１を塗布した後、再び光露光３２によってパターンニングを行う（図７（ｅ））。エッチングの後（図７（ｆ））、レジスト３１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））、画素間に空気領域を形成する。（図７（ｉ））。この空気層領域を形成することによって、画素境界の屈折率分布を分離することができ、集光効率は向上する。

また、本実施の形態では、２段構造の集光素子の形成を試みたが、図７に示したように、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も、集光素子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）の固体撮像素子における集光素子１０１の上面図を示した図である。集光素子１０１の形状は、上記実施の形態１で示した集光素子１の形状である矩形の角を落としたような八角形構造となっている。こうすることにより、一辺の距離を短くすることができ、振動や衝撃等に強い、破損しにくい構造となる。また、フォトリソグラフィ工程中のレジスト倒れを防ぐことができるため、プロセスがより容易となる。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３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。画素サイズは□５．６μmである。固体撮像素子の中心付近では同心矩形構造の集光素子１を用い、周辺部では同心円状の集光素子２０１を配置している。中心付近では入射光が垂直、又は低角度で入射してくるため、遮光層３の開口率（開口面積）は高い。そこで、集光スポットを大きく取れる同心矩形構造の集光素子１を配置し、集光ロスを低減させている。それに対して、周辺部では、斜め光入射によって、開口率が低下するため、集光スポットが小さい円形状の集光素子２０１を配置する。これによって、周辺感度落ちの無い良質な画像を得ることができる。

上記の実施例では、サブ波長微細構造によって形成された屈折率分布レンズを示したが、回折素子においても同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態１〜３においては、この集光素子の上面から見た場合の形状又はその外輪の形状が、受光素子の上面から見た形状とほぼ相似形の矩形としたが、もちろん、これらの形状は矩形に限らず、六角形、その他の多角形でもよい。

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。

実施の形態１における集光素子の上面図である。 実施の形態１における固体撮像素子の断面構造を示す図である。 実施の形態１における集光素子の断面構造を示す図である。 実施の形態１における分布屈折率レンズを構成する基本構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における集光素子の屈折率分布を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１の集光素子における光伝播の様子を示す図である。 実施の形態１における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。 実施の形態２における集光素子の上面図である。 実施の形態３における画素の配列の様子とその断面構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来のサブ波長レンズの断面構造を示す図である。 従来のサブ波長レンズの上面構造と屈折率分布を示す図である。 従来のサブ波長レンズの光伝播の様子を示す図である。 従来の一般的な固体撮像素子の構造例を示す図である。

符号の説明

１ 集光素子（同心矩形構造）
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 平坦化層
７ 入射光
８ 半導体集積回路（上記遮光層３〜平坦化層６によって構成）
９ 領域
１１ 空気
１２ 高屈折率材料
１４ 上段膜厚（０．４μm）
１５ 下段膜厚（０．８μm）
２７ 対物レンズ
２８ 固体撮像装置
３１ レジスト
３２ 光露光
３３ エッチング
３４ ＢＡＲＣ材料
３５ 光成分（集光光）
３６ 光成分（集光ロス）
４０ 受光素子領域
１００ 固体撮像素子
１０１ 集光素子
２００ 固体撮像素子
２０１ 集光素子

Claims (7)

1. 集光素子と受光素子とを備えた固体撮像素子であって、
   前記集光素子は、
   同心状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有し、かつ、当該集光素子を上面から見た場合の同心状の形状が、前記受光素子を上面から見た場合の形状とほぼ相似形である
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記集光素子は、フレネル型の集光素子であり、当該集光素子の有効屈折率分布が放物線状の第１ゾーンの屈折率分布を有している
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 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複数の光透過膜のゾーン領域を備える同心状の構造を有しており、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
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記集光素子の上面から見た場合の同心状の形状が矩形である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記集光素子の上面から見た場合の同心状の形状が八角形である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
6. 固体撮像素子が２次元状に配列された固体撮像装置であって、
   前記固体撮像素子は、
   同心状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有し、かつ、当該集光素子を上面から見た場合の形状が、前記受光素子を上面から見た場合の形状とほぼ相似形であり、
   当該固体撮像装置の中央付近における前記固体撮像素子における集光素子を上面から見た場合の形状が同心状の矩形であり、当該固体撮像装置の周辺部における前記固体撮像素子における集光素子を上面から見た場合の形状が同心状の円形である
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 固体撮像素子が２次元状に配列された固体撮像装置を有するカメラであって、
   前記固体撮像素子は、
   同心状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有し、かつ、当該集光素子を上面から見た場合の形状が、前記受光素子を上面から見た場合の形状とほぼ相似形である
   ことを特徴とするカメラ。