JP2009267000A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度および高精細な画像に必須の微細なセルサイズであっても、高角度（広角）入射可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】入射光を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子１００は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された第１の光透過膜を有し、当該第１の光透過膜の分割により凸レンズ型の実効屈折率分布を有する分布屈折率型レンズ１と、入射光の伝搬方向に対し分布屈折率型レンズ１と直列に配置され、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された第２の光透過膜からなり、当該第２の光透過膜の分割により凹レンズ型の実効屈折率分布を有する分布屈折率型レンズ３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に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。

近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像素子の市場は著しく拡大してきた。多種多様なアプリケーション展開が実施されているなか、技術のトレンドは、画素サイズの微細化、広ダイナミックレンジ、高感度と多岐にわたっている。特に画素サイズの微細化は、高解像度および高精細な画像を得るためには必要不可欠な技術である。

ＣＣＤやＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子では、複数の受光部分を有する半導体集積回路が２次元的に配列され、被写体からの光信号が電気信号に変換される。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定義されていることから、入射した光が確実に受光素子に導入されることが感度向上のため重要な要素となっている。

そのため、ＣＣＤ、ＭＯＳ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は、マイクロレンズや層内レンズといった球面レンズが形成されている。

図１４は、従来の固体撮像素子における一画素の基本構成の一例を示す構造断面図である。同図における固体撮像素子は、マイクロレンズ５０１と、カラーフィルタ５０２と、層内レンズ５０３および５０５と、遮光層５０４と、配線層５０６と、Ｓｉ基板５０７と、受光素子５０８と、透明平坦化膜５０９とを備える。マイクロレンズ５０１に垂直に入射した入射光は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ５０２によって色分離された後、２個の層内レンズ５０３および５０５を通過し、受光素子５０８において電気信号への変換がなされる。

図１５（ａ）は、マイクロレンズと層内レンズとを備えた従来の固体撮像素子における入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。画素サイズは２．８μｍ角である。画素面に対して、垂直に入射した入射光５１９は、マイクロレンズ５０１と層内レンズ５０３によって集光され、遮光層５０４、配線層５０６を通過した後、受光素子５０８に到達している。

一方、図１５（ｂ）は、マイクロレンズと２個の層内レンズとを備えた従来の固体撮像素子における入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。同図における固体撮像素子では、層内レンズ５０５が追加されたことにより、集光特性が改善され、入射光が効率よく受光素子に到達している。現在では、マイクロレンズと１または２個の層内レンズとを備えた固体撮像素子が主流であり、これらについては、特許文献１および２に記載されている。

特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子は、図１５（ａ）に示されたようなマイクロレンズと層内レンズとの構成が開示されている。エッチバックによって、シリコン窒化膜が凸レンズ形状に加工され、その上部にポリスチレンのマイクロレンズが形成されている。２枚の集光レンズによる集光効率の改善が感度向上の要因である。

特許文献２に記載された技術を用いた固体撮像素子は、図１５（ｂ）に示されたようなマイクロレンズと２枚の層内レンズとの構成が開示されている。層内レンズとして、シリコン窒化膜で構成されている上凸レンズと下凸レンズの組み合わせが採用されている。３枚の集光レンズによる集光効率の改善が感度向上の要因である。
特許第３８０９７０８号公報 特開２００７−２９４６６７号公報

しかしながら、図１５（ａ）に示された固体撮像素子の構造では、層内レンズ５０３によって集光された光が、配線層５０６を通過した後、ビームが広がり、受光素子５０８以外の領域に入射してしまい、非常に大きな感度ロスとなっている。また、図１５（ｂ）に示された固体撮像素子の構造では、集光特性は改善されているが、層内レンズ５０５が追加されることにより、マイクロレンズ５０１と受光素子５０８との間の距離が長くなっている。

図１６は、従来の固体撮像素子における単位画素のアスペクト比および感度の画素サイズ（セルサイズ）依存性を示すグラフである。ここでアスペクト比とは、マイクロレンズ―受光素子間距離をセルサイズで割った値である。セルサイズが６μｍ程度であればアスペクト比はほぼ１である。セルサイズの減少に伴って、アスペクト比は増加し、セルサイズが２μｍよりも小さくなるとアスペクト比は３以上となる。このとき、画素面に対して光が垂直に入射（図１６では０度で図示されている）したときの感度は、セルサイズの減少とともに、急激に減少している。また、光の入射角度が３０°（図１６では３０度で図示されている）の場合、感度の減少はより顕著となっている。これは、アスペクト比の増加が、斜め入射特性に悪影響を及ぼすことを示唆している。

図１７（ａ）は従来の固体撮像素子と入射光との関係を説明する図である。同図は、固体撮像素子５１１と撮像レンズ５１２とで構成された一般的な撮像系を表す。また、同図は、単位画素が２次元配列され、撮像レンズ５１２よって光が中心画素に集光された場合を示している。

図１７（ｂ）は、従来の固体撮像素子における一画素に垂直入射した入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。撮像レンズ５１２の中心を通過した入射光５２０は、中心画素に対して垂直に入射し、撮像レンズ５１２の周辺を通過した入射光５２１は、中心画素に対して斜めに入射する。垂直に入射した入射光５２０は、３枚のレンズによって受光素子に効率よく集光されている。

一方、図１７（ｃ）は、従来の固体撮像素子における一画素に斜め入射した入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。撮像レンズ５１２から斜め入射した入射光５２１は、配線層によって遮光されているのがわかる。アスペクト比の増加に伴って、斜め入射光の遮光角度はより小さくなるため、図１６に示されたような、低感度化が顕著になる。また、この結果は、各画素に入射できる光の立体角が小さいことを示しており、撮像レンズの高ＮＡ（開口数）化、光学モジュールの短焦点化（薄型化）が非常に困難であることを示唆している。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高解像度および高精細な画像に必須の微細なセルサイズであっても、高角度（広角）入射可能な固体撮像素子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素子は、入射光を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子であって、前記単位画素は、前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された第１の光透過膜を有し、当該第１の光透過膜の分割により凸レンズ型の実効屈折率分布を形成する第１のレンズと、前記入射光の伝搬方向に対し前記第１のレンズと直列に配置され、前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された第２の光透過膜を有し、当該第２の光透過膜の分割により凹レンズ型の実効屈折率分布を形成する第２のレンズとを備えることを特徴とする。

これにより、固体撮像素子内に光透過膜を用いて凸レンズ効果および凹レンズ効果を有する光学系が構築されるので、層内レンズの枚数を増やすことなく、また、各単位画素のアスペクト比を大きくすることなく受光素子への集光効率を上昇させ、感度を向上させることができる。

また、前記第１のレンズは、前記入射光の伝搬方向に対して、前記第２のレンズの前段に配置されていることが好ましい。

これにより、入射光を効率よく受光素子に導入することができ、感度が向上する。

また、前記第２のレンズは、前記入射光の伝搬方向に対して、前記第１のレンズの前段に配置されていてもよい。

これにより、各画素に光を広角入射することができ、斜め入射特性の向上、ならびに短焦点モジュールが実現できる。

また、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズのうち少なくともいずれか一方は、前記単位画素の表面中心に対し画素面方向に非対称である実効屈折率分布を有してもよい。

これにより、斜め入射特性が向上するので、高角度（広角）入射光に対して感度が向上する。

また、前記第１のレンズおよび前記第２のレンズは、それぞれ、前記第１の光透過膜および前記第２の光透過膜を前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割することにより生成された複数のゾーン領域の組み合わせで構成され、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の幅および第１の膜厚を有し同心形状である下段ゾーン領域と、前記下段ゾーン領域の上に接して構成され、第２の幅および第２の膜厚を有し同心形状である上段ゾーン領域とを含んでもよい。

これにより、高精度な分布屈折率レンズを現有半導体薄膜プロセスで容易に形成でき、生産コストを抑制することができる。

また、本発明は、上記のような特徴を有する固体撮像素子として実現することができるだけでなく、このような固体撮像素子を備えるカメラとしても、同様の構成と効果がある。

また、本発明は、このような特徴的な手段を備える固体撮像素子として実現することができるだけでなく、固体撮像素子に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像素子の製造方法として実現することができる。

本発明に係る固体撮像素子によれば、素子内に凸レンズ効果と凹レンズ効果を有する光学系を簡便な半導体薄膜プロセスを用いて構築することができるので、アスペクト比を高くすることなく、広角入射可能な微細セルサイズを実現できる。

（実施の形態１）
本実施の形態１における固体撮像素子の各単位画素は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心円状に分割された第１光透過膜を有し当該第１光透過膜の分割により凸レンズ型の実効屈折率分布を伴う第１のレンズと、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心円状に分割された第２光透過膜を有し当該第２光透過膜の分割により凹レンズ型の実効屈折率分布を伴う第２のレンズとを備え、第１のレンズと第２のレンズは入射光の伝搬方向に対し直列配置されている。

この実施の形態によれば、アスペクト比を高くすることなく受光素子への集光効率が上昇し、素子感度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。同図における固体撮像素子１００は、フルＨＤ仕様（２００万画素）であり、図１ではその一単位画素が図示されている。単位画素のセルサイズは２．８μｍ角である。また、固体撮像素子１００は、分布屈折率型レンズ１および３と、カラーフィルタ２と、遮光層４と、配線層５と、受光素子６と、Ｓｉ基板７と、透明平坦化膜８とを備える。なお、遮光層４、配線層５、受光素子６、Ｓｉ基板７、透明平坦化膜８は、半導体集積回路９を構成する。

分布屈折率型レンズ１は、第１のレンズであり、単位画素の最上層に形成され、凸レンズ効果を有する分布屈折率型のマイクロレンズとしての機能を有する。また、分布屈折率型レンズ１は、第１の光透過膜であるＳｉＯ₂膜（ｎ＝１．４５）を同心円状に掘り込んだ同心形状を有し、周りの媒質は空気１０（ｎ＝１．００）である。ここで、同心円状に分割されたＳｉＯ₂の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。また、分布屈折率型レンズ１の膜厚は、例えば、１．２μｍである。

分布屈折率型レンズ３は、第２のレンズであり、遮光層４とカラーフィルタ２との間に形成され、凹レンズ効果を有する分布屈折率型のマイクロレンズとしての機能を有する。また、分布屈折率型レンズ３は、同心円状に掘り込まれた第２の光透過膜であるＳｉＯ₂膜３０２の上に、ＳｉＮ膜３０１（ｎ＝２．００）を埋め込んだ構造である。ここで、同心円状に分割されたＳｉＯ₂膜３０２の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。また、分布屈折率型レンズ３の膜厚は、例えば、１μｍである。

カラーフィルタ２は、分布屈折率型レンズ１に入射した入射光を、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかに色分離し、当該色分離された入射光を後段の分布屈折率型レンズ３へ低ロスで伝達する機能を有する。

受光素子６は、例えば、Ｓｉフォトダイオードで構成され、入射光を受光し、光信号としての入射光を電気信号へ変換する機能を有する。

図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｄ）は、それぞれ、本発明の固体撮像素子における凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの上面図、断面図および実効屈折率分布を示すグラフある。一般的に、凸レンズ効果を有するためには、分布屈折率型レンズの屈折率は光学中心で最も高くなる。図２（ａ）および図２（ｂ）に示されたように、レンズ中心付近ではＳiＯ₂が密に集まり、外側のゾーン領域になるに従って疎へと変わっていく。このとき、各ゾーン領域幅１４が入射光の波長と同程度かそれよりも小さければ、光が感じる実効屈折率は、そのゾーン領域内の高屈折率材料１３（例えば、ＳｉＯ₂）と低屈折率材料１２（例えば、空気）の体積比によって決まる。つまり、図２（ｄ）に示されたように、ゾーン領域内の高屈折率材料１３を増やせば有効屈折率は高くなり、ゾーン領域内の高屈折率材料１３を減らせば、有効屈折率は低くなる。なお、ゾーン領域とは、光透過膜を入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割することにより生成された同心円環、同心円、またはこれらの組み合わせで構成された領域である。

ここで、図２（ａ）に記載されたように、分布屈折率型レンズ１を形成する画素領域は、各単位画素の開口に合わせて四角形状としている。一般に、入射窓の領域が円形の場合、隣接支合うレンズの間に隙間ができるため、漏れ光が発生し、集光ロスが増大する原因となる。これに対し、入射窓の領域が四角形状の場合には、画素の全領域で入射光を集光することができるので、上記漏れ光は無くなり、集光ロスを低減させることが可能となる。

図２（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における２段構造を有する分布屈折率型レンズの断面図である。分布屈折率型レンズ１は、ＳｉＯ₂を材料とし、第２の膜厚が０．４μｍ、第１の膜厚が０．８μｍの２段同心構造の光透過膜によって構成されている。各ゾーン領域は、第１の幅および第２の幅としての２種類の幅を有するだけでなく、膜厚も変化させることによって、より精度の高い実効屈折率分布の制御が可能となる。本実施の形態における分布屈折率型レンズ１は、この２段同心構造を採用している。

図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の構造断面図、実効屈折率分布を示すグラフおよび入射光の伝搬経路を示す図である。

図３（ａ）では、光の伝搬方向に対して、分布屈折率型レンズ１が前段に、また、分布屈折率型レンズ３が後段に配置されている。このとき、前述したように、分布屈折率型レンズ１は凸レンズとして機能する。これに対して、分布屈折率型レンズ３は、レンズ中心１１１付近では、ＳiＯ₂の割合が高く、レンズ周辺ではＳｉＮの割合が高くなっている。そのため、図３（ｂ）下段に示されるように、分布屈折率型レンズ３の屈折率は、レンズ中心での１．４５から、レンズ周辺での２まで変化することになり、凹レンズとして機能する。結果として、図３（ａ）に記載された分布屈折率型レンズの配置は、図３（ｃ）に記載された、凸レンズ１７と凹レンズ１８で構成される一般的な光学系と等価となる。入射光１９は、凸レンズ１７によって集光された後、凹レンズ１８によって並行伝搬光となる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における単位画素の光伝搬プロファイルを示す図である。図中の下方より入射光１９が単位画素に入射される。同図より、入射光１９は、凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ１によって集光された後、凹レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ３によって並行伝搬光となり、遮光層４、配線層５を通過した後、受光素子６に到達していることがわかる。

また、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子１００は、素子内に、凸レンズ効果と凹レンズ効果を有する光学系が光透過膜により容易に構築されるので、アスペクト比を高くすることなく、高受光効率を有する微細セルサイズが実現される。

図５は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率型レンズの作製工程を示す図である。分布屈折率型レンズ１および３の形成は、２回のフォトリソグラフィとエッチングにより実現される。

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を含む半導体集積回路９（図５では、その詳細については図示していない）を形成する。一単位画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．３μｍ角である。その後に、ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＯ₂膜２２を形成し、その上にレジスト２０を塗布する（図５（ａ））。

次に、露光によって、レジスト２０のパターニングを行う（図５（ｂ））。このとき、ＳｉＯ₂膜２２とレジスト２０の厚みはそれぞれ、１．２μｍと０．５μｍである。

次に、エッチングを行い、その後、残っているレジスト２０を除去し、画素表面に同心構造を形成する（図５（ｃ））。このときの同心構造とは、例えば、図２（ａ）に記載されたような光透過膜からなる同心円構造である。

次に、Ｂｏｔｔｏｍ Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏａｔｉｎｇ（以下、ＢＡＲＣと記す）材料２４を埋め込み、平坦化する（図５（ｄ））。

次に、平坦化されたＢＡＲＣ材料２４の上に、レジスト２１を塗布した後、再び露光によって、パターニングを行う（図５（ｅ））。

次に、既に加工されているＳｉＯ₂膜２２を、途中段階までエッチングする（図５（ｆ））。

次に、残っているレジスト２１とＢＡＲＣ材料２４を取り除き、ＳｉＮ２５を埋め込み、平坦化することによって、凹レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ３を形成する。形成された分布屈折率型レンズ３の上に、ＳｉＯ₂膜２６を堆積する（図５（ｇ））。

最後に、図５（ａ）〜図５（ｆ）を繰り返すことによって、凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ１を形成する。

なお、本作製工程では、分布屈折率型レンズ３の上に直接ＳｉＯ₂膜２６を積層しているが、本発明に係る固体撮像素子の製造工程では、分布屈折率型レンズ３とＳｉＯ₂膜２６との間にカラーフィルタ２や必要な透明平坦化膜８が形成される。

本実施の形態に係る分布屈折率型レンズの製造工程では、同心円環の幅が０．１μｍ程度の微細な構造であり、入射光の波長以下の微細凹凸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。これにより、レジストのパターニングの幅（ピッチ）を高精度に制御することが可能となる。

また、本実施の形態に係る分布屈折率型レンズは、製造工程に大きな違いが無く、容易に現有の薄膜形成プロセスを用いて製造することができることから、生産コストが低減される。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。同図における固体撮像素子２００は、フルＨＤ仕様（２００万画素）であり、図６ではその一単位画素が図示されている。単位画素のセルサイズは２．８μｍ角である。また、固体撮像素子２００は、分布屈折率型レンズ１Ａおよび３Ａと、カラーフィルタ２と、遮光層４と、配線層５と、受光素子６と、Ｓｉ基板７と、透明平坦化膜８とを備える。なお、遮光層４、配線層５、受光素子６、Ｓｉ基板７、透明平坦化膜８は、半導体集積回路９を構成する。図６に記載された固体撮像素子２００は、図１に記載された固体撮像素子１００と比較して、分布屈折率型レンズ１の代わりに分布屈折率型レンズ１Ａを、および分布屈折率型レンズ３の代わりに分布屈折率型レンズ３Ａを備える点のみ異なる。以下、固体撮像素子１００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明をする。

分布屈折率型レンズ１Ａは、第１のレンズであり、遮光層４とカラーフィルタ２との間に形成され、凸レンズ効果を有する分布屈折率型のマイクロレンズとしての機能を有する。また、分布屈折率型レンズ１Ａは、同心円状に掘り込まれた第１の光透過膜であるＳｉＮ膜１０１（ｎ＝２．００）の２段同心構造の上に、ＳｉＯ₂膜１０２（ｎ＝１．４５）を埋め込んだ構造である。ここで、同心円状に分割されたＳｉＮ膜１０１の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。分布屈折率型レンズ１Ａの膜厚は、例えば、１μｍである。

分布屈折率型レンズ３Ａは、第２のレンズであり、単位画素の最上層に形成され、凹レンズ効果を有する分布屈折率型のマイクロレンズとしての機能を有する。また、分布屈折率型レンズ３Ａは、同心円状に掘り込まれた第２の光透過膜であるＳｉＯ₂膜３０２（ｎ＝１．４５）の２段同心構造の上に、ＳｉＮ膜３０１（ｎ＝２．００）を埋め込んだ構造である。ここで、同心円状に分割されたＳｉＯ₂膜３０２の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。分布屈折率型レンズ３Ａの膜厚は、例えば、１μｍである。

図７（ａ）、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の構造断面図、実効屈折率分布を示すグラフおよび入射光の伝搬経路を示す図である。

図７（ａ）では、光の伝搬方向に対して、分布屈折率型レンズ３Ａが前段に、また、分布屈折率型レンズ１Ａが後段に配置されている。このとき、分布屈折率型レンズ３Ａは、ＳｉＯ₂とＳｉＮとの割合変化により、凹レンズとして機能する。これに対して、分布屈折率型レンズ１Ａは、ＳｉＯ₂とＳｉＮの割合変化により、凸レンズとして機能する。そのため、分布屈折率型レンズ３Ａおよび分布屈折率型レンズ１Ａの実効屈折率分布は、それぞれ、図７（ｂ）上段および下段のような面内分布を有する。結果として、図７（ａ）に記載された分布屈折率型レンズの配置は、図７（ｃ）に記載された、凹レンズ１８と凸レンズ１７とで構成される一般的な光学系と等価となる。この構成によれば、ある立体角を持って入射する入射光１９は、凹レンズ１８によって並行伝搬光となった後、凸レンズ１７によって集光される。

図８（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の入射光の伝搬経路を示す図である。また、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子における単位画素面に垂直に入射された場合および斜め入射された場合の光伝搬プロファイルを示す図である。いずれの図においても、図中の下方より入射光が単位画素に入射されている。レンズ中心を通過する入射光１９１は、図８（ｂ）に示されたプロファイルにより、素子内を垂直に伝搬し、受光素子６に到達している様子が確認される。これに対して、レンズ周辺に斜め入射する入射光１９２は、図８（ｃ）に示されたプロファイルにより、凹レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ３によって並行伝搬光となった後、凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ１によって集光され、遮光層４、配線層５を通過した後、高効率に受光素子６に到達している様子が確認される。

これにより、本実施の形態に係る固体撮像素子２００は、広角度入射に対しても高効率に入射光を受光できるので、本発明の固体撮像素子を含む光学モジュールの短焦点化に非常に有用である。

なお、本実施の形態に係る分布屈折率型レンズの製造工程については、実施の形態１で説明した製造工程が含む各工程の順序や材料の選択を変更することのみにより、実施の形態１で説明した製造工程を適用することが可能となる。従って、本実施の形態に係る分布屈折率型レンズにおいても、製造工程に大きな違いが無く、容易に現有の薄膜形成プロセスを用いて製造することができることから、生産コストが低減される。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。同図における固体撮像素子３００は、フルＨＤ仕様（２００万画素）であり、図９ではその一単位画素が図示されている。単位画素のセルサイズは２．８μｍ角である。また、固体撮像素子３００は、分布屈折率型レンズ１Ｂおよび３と、カラーフィルタ２と、遮光層４と、配線層５と、受光素子６と、Ｓｉ基板７と、透明平坦化膜８とを備える。なお、遮光層４、配線層５、受光素子６、Ｓｉ基板７、透明平坦化膜８は、半導体集積回路９を構成する。図９に記載された固体撮像素子３００は、図１に記載された固体撮像素子１００と比較して、分布屈折率型レンズ１の代わりに分布屈折率型レンズ１Ｂを備える点のみ異なる。以下、固体撮像素子１００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明をする。

分布屈折率型レンズ１Ｂは、第１のレンズであり、単位画素の最上層に形成され、凸レンズ効果を有する分布屈折率型のマイクロレンズとしての機能を有する。また、分布屈折率型レンズ１Ｂは、第１の光透過膜であるＳｉＯ₂膜（ｎ＝１．４５）を同心円状に掘り込んだ同心形状であり、周りの媒質は空気１０（ｎ＝１．００）である。ここで、同心円状に分割されたＳｉＯ₂の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。また、分布屈折率型レンズ１Ｂの膜厚は、例えば、１．２μｍである。特筆するべき点として、分布屈折率型レンズ１Ｂのレンズ中心が画素中心に対して、非対称配置されていることが挙げられる。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの上面図と実効屈折率分布を示すグラフである。図１０（ａ）に記載されたように、分布屈折率型レンズ１Ｂは、同心構造の中心を画素中心からシフトさせ、偏心構造としている。これにより、図１０（ｂ）に示されたように、実効屈折率分布が、画素中心１１に対して非対称形状となる。そのため、分布屈折率型レンズ１Ｂは、集光性だけではなく偏向性も具備することになる。

図１０（ｃ）は、非対称な屈折率分布を有する分布屈折率型レンズを介して伝搬する光の様子を示す図である。特定の角度で入射してきた入射光１９３は、画素中心１１に対して非対称な屈折率分布を有する、分布屈折率型レンズ１Ｂによって偏向され、画素中心１１軸上に集光する。

図１１は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子における単位画素の光伝搬プロファイルを示す図である。図中の下方より入射光１９３が単位画素に斜め入射される。入射光１９３は、画素中心１１に対して非対称な屈折率分布を有し、凸レンズ効果を具備した分布屈折率型レンズ１Ｂによって伝搬方向を画素面垂直方向に偏向されているのがわかる。その後、凹レンズ効果を有する分布屈折率型レンズ３によって並行伝搬光となり、遮光層４、配線層５を通過した後、高効率に受光素子６に到達している様子が確認される。

これにより、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子３００は、高角度入射に対しても高効率に入射光を受光できるので、固体撮像素子面内で様々な角度の光が入射するような、非線形光学系でも有用である。

なお、本実施の形態では、凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズを偏心させた場合を例としたが、もちろん凹レンズ効果を有する分布屈折率型レンズを偏心させてもよい。

なお、本実施の形態に係る分布屈折率型レンズの製造工程については、実施の形態１で説明した製造工程のレジストパターンのみを変更することにより、実施の形態１で説明した製造工程を適用することが可能となる。従って、本実施の形態に係る分布屈折率型レンズにおいても、製造工程に大きな違いが無く、容易に現有の薄膜形成プロセスを用いて製造することができることから、生産コストが低減される。

上述した実施の形態１〜３により、素子内に凸レンズ効果と凹レンズ効果を有する光学系を簡便な半導体薄膜プロセスを用いて構築することができるので、アスペクト比を高くすることなく、広角入射可能な微細セルサイズを実現することが可能となる。

なお、本発明に係る固体撮像素子は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１〜３における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態１〜３に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。例えば、本発明に係る固体撮像素子が内蔵されたカメラも本発明に含まれる。

図１２は、本発明の固体撮像素子が内蔵されたカメラの機能構成図である。同図に記載されたカメラは、レンズ５１と、固体撮像素子５２と、駆動回路５３と、信号処理部５４と、外部インターフェイス部５５とを備える。レンズ５１を通過した光は、固体撮像素子５２に入射する。信号処理部５４は、駆動回路５３を介して固体撮像素子５２を駆動し、固体撮像素子５２からの出力信号を取り込む。その出力信号は、信号処理部５４で各種信号処理が施され、外部インターフェイス部５５を介して外部に出力される。ここで、固体撮像素子５２は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心円状に分割された第１光透過膜を有し当該第１光透過膜の分割により凸レンズ型の実効屈折率分布を伴う第１のレンズと、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心円状に分割された第２光透過膜を有し当該第２光透過膜の分割により凹レンズ型の実効屈折率分布を伴う第２のレンズとを備え、第１のレンズと第２のレンズは入射光の伝搬方向に直列に配置されているので、層内レンズの枚数を増やすことなく低アスペクト比で良好な集光効率および感度を有する。このような固体撮像素子を有するカメラは、広角な入射光に対しても、鮮明な画像を撮影することができる利点を有し、例えば、図１３（ａ）に示されるデジタルスチルカメラおよび図１３（ｂ）に示されるビデオカメラとして実現される。

本発明は、固体撮像素子を内蔵する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有用であり、特に広角入射可能な微細セルサイズが要求される固体撮像素子に用いられるのに最適である。

本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。 （ａ）は、本発明の固体撮像素子における凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの上面図である。（ｂ）は、本発明の固体撮像素子における凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの断面図である。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における２段構造を有する分布屈折率型レンズの断面図である。（ｄ）は、本発明の固体撮像素子における凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの実効屈折率分布を示すグラフある。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の構造断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の実効屈折率分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の入射光の伝搬経路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における単位画素の光伝搬プロファイルを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る分布屈折率型レンズの作製工程を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の構造断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の実効屈折率分布を示すグラフである。（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の入射光の伝搬経路を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率型レンズを組み合わせた場合の入射光の伝搬経路を示す図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子における単位画素面に垂直に入射された場合の光伝搬プロファイルを示す図である。（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子における単位画素面に斜め入射された場合の光伝搬プロファイルを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態３に係る凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの上面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る凸レンズ効果を有する分布屈折率型レンズの実効屈折率分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子における単位画素の光伝搬プロファイルを示す図である。 本発明の固体撮像素子が内蔵されたカメラの機能構成図である。 （ａ）は、デジタルスチルカメラの外観図である。（ｂ）は、ビデオカメラの外観図である。 従来の固体撮像素子における一画素の基本構成の一例を示す構造断面図である。 （ａ）は、マイクロレンズと層内レンズとを備えた従来の固体撮像素子における入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。（ｂ）は、マイクロレンズと２個の層内レンズとを備えた従来の固体撮像素子における入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。 従来の固体撮像素子における単位画素のアスペクト比および感度の画素サイズ（セルサイズ）依存性を示すグラフである。 （ａ）は従来の固体撮像素子と入射光との関係を説明する図である。（ｂ）は、従来の固体撮像素子における一画素に垂直入射した入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。（ｃ）は、従来の固体撮像素子における一画素に斜め入射した入射光の光伝搬プロファイルを示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、３、３Ａ 分布屈折率型レンズ
２、５０２ カラーフィルタ
４、５０４ 遮光層
５、５０６ 配線層
６、５０８ 受光素子
７、５０７ Ｓｉ基板
８、５０９ 透明平坦化膜
９ 半導体集積回路
１０ 空気
１１ 画素中心
１２ 低屈折率材料
１３ 高屈折率材料
１４ ゾーン領域幅
１７ 凸レンズ
１８ 凹レンズ
１９、１９１、１９２、１９３、５１９、５２０、５２１ 入射光
２０、２１ レジスト
２２、２６、１０２、３０２ ＳｉＯ₂膜
２４ ＢＡＲＣ材料
２５ ＳｉＮ
５１ レンズ
５２、１００、２００、３００、５１１ 固体撮像素子
５３ 駆動回路
５４ 信号処理部
５５ 外部インターフェイス部
１０１、３０１ ＳｉＮ膜
１１１ レンズ中心
５０１ マイクロレンズ
５０３、５０５ 層内レンズ
５１２ 撮像レンズ

Claims (7)

1. 入射光を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子であって、
   前記単位画素は、
   前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された第１の光透過膜を有し、当該第１の光透過膜の分割により凸レンズ型の実効屈折率分布を形成する第１のレンズと、
   前記入射光の伝搬方向に対し前記第１のレンズと直列に配置され、前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された第２の光透過膜を有し、当該第２の光透過膜の分割により凹レンズ型の実効屈折率分布を形成する第２のレンズとを備える
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１のレンズは、前記入射光の伝搬方向に対して、前記第２のレンズの前段に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記第２のレンズは、前記入射光の伝搬方向に対して、前記第１のレンズの前段に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記第１のレンズおよび前記第２のレンズのうち少なくともいずれか一方は、前記単位画素の表面中心に対し画素面方向に非対称である実効屈折率分布を有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１のレンズおよび前記第２のレンズは、それぞれ、前記第１の光透過膜および前記第２の光透過膜を前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割することにより生成された複数のゾーン領域の組み合わせで構成され、
   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の幅および第１の膜厚を有し同心形状である下段ゾーン領域と、
   前記下段ゾーン領域の上に接して構成され、第２の幅および第２の膜厚を有し同心形状である上段ゾーン領域とを含む
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備える
   ことを特徴とするカメラ。
7. 入射光を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子の製造方法であって、
   基板上に、受光素子、配線層および遮光層を有する半導体集積回路を形成する半導体集積回路形成ステップと、
   前記半導体集積回路の上に、第１の光透過膜を積層する第１光透過膜積層ステップと、
   前記第１の光透過膜を、凹レンズ型または凸レンズ型の実効屈折率分布を形成するように、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅に、かつ、同心形状に分割する第１光透過膜分割ステップと、
   第１の光透過膜の上に、第２の光透過膜を積層する第２光透過膜積層ステップと、
   前記第２の光透過膜を、前記第１の光透過膜の有する実効屈折率分布と異なる型の実効屈折率分布を有するように、前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅に、かつ、同心形状に分割する第２光透過膜分割ステップとを含む
   ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。