JP2010021427A - Solid-state imaging element and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging element that is prevented from decreasing sensitivity with the miniaturization of a cell. <P>SOLUTION: The solid-state imaging element has a plurality of pixels each comprising a microlenses 1 and a light-receiving element 6 which receives light converged by the microlens 1, and the pixels each have a transparent flattening film 3 provided between the microlens 1 and light-receiving element 6 and made of a dielectric material, and a plurality of particulates 9 of 5 to 500 nm in particle size provided in the transparent flattening film 3 in an array from the microlens 1 to the light-receiving element 6 and made of a negative dielectric material having a negative dielectric constant. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a solid-state imaging device used for a digital camera or the like and a manufacturing method thereof.

近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機の普及に伴い、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化、高感度化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/高精細な画像を得るためには必要不可欠な技術である。   In recent years, with the popularization of digital cameras and camera-equipped mobile phones, the market for solid-state imaging devices has significantly increased. While a wide variety of application developments are being implemented, the technological trends range from pixel size miniaturization, wide dynamic range, and high sensitivity. In particular, miniaturization of the pixel size is an indispensable technique for obtaining a high-resolution / high-definition image.

CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやMOS(Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像素子では、それぞれが受光素子を有する複数の半導体集積回路(画素)を2次元的に配列して、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定義されていることから、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重要な要素となっている。そのため、CCDイメージセンサや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、マイクロレンズと呼ばれる球面レンズが形成されている。   In a solid-state imaging device such as a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a MOS (Metal Oxide Semiconductor) image sensor, a plurality of semiconductor integrated circuits (pixels) each having a light receiving element are two-dimensionally arranged to Optical signals are converted into electrical signals. Since the sensitivity of a solid-state imaging device is defined by the magnitude of the output current of the light receiving element with respect to the amount of incident light, it is an important factor for improving sensitivity to reliably introduce incident light into the light receiving element. . For this reason, a spherical lens called a microlens is formed in most solid-state imaging devices such as a CCD image sensor and a MOS image sensor.

図11は、従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a basic structure of a conventional general pixel.

図11に示すように、画素の最上部にはマイクロレンズ1が形成されており、その下には、入射光を色分離するためのカラーフィルタ2や、遮光膜4が配置されている。さらに、画素の最下部には入射光を電気信号へ変換するための受光素子6が形成されたSi基板7が配置されている。固体撮像素子の最上部に集光素子(マイクロレンズ1)を形成することによって、入射した光はマイクロレンズ1によって収束され、遮光膜4および配線層5を効率よく通過し、受光素子6に入射する。   As shown in FIG. 11, a microlens 1 is formed on the top of the pixel, and a color filter 2 and a light-shielding film 4 for color-separating incident light are disposed below the microlens 1. Furthermore, a Si substrate 7 on which a light receiving element 6 for converting incident light into an electric signal is formed is disposed at the bottom of the pixel. By forming the condensing element (microlens 1) on the top of the solid-state imaging element, the incident light is converged by the microlens 1 and efficiently passes through the light shielding film 4 and the wiring layer 5 and enters the light receiving element 6. To do.

受光素子に入射光を効率的に導く技術としては、特許文献1に記載の固体撮像素子がある。この固体撮像素子では、受光素子の上方に窒化シリコンなどから構成される高屈折率の光導波路が形成されている。
特開2007−173258号公報
As a technique for efficiently guiding incident light to the light receiving element, there is a solid-state imaging element described in Patent Document 1. In this solid-state imaging device, a high refractive index optical waveguide made of silicon nitride or the like is formed above the light receiving device.
JP 2007-173258 A

しかしながら、画素サイズの微細化に伴い、マイクロレンズ1の集光効率は減少し、固体撮像素子の感度は著しく低下する。図12は、従来の固体撮像素子における入射光10の光伝播プロファイルを示す図である。このとき、画素サイズは0.45μm角であり、遮光膜4の開口は0.25μm角となるため、遮光膜4の開口は入射光10の波長の半分程度となる。そのため、図12に示されるように、入射光10は該開口を通過することができず、受光素子6には入射光10が入らない。   However, with the miniaturization of the pixel size, the light collection efficiency of the microlens 1 is reduced, and the sensitivity of the solid-state imaging device is significantly reduced. FIG. 12 is a diagram showing a light propagation profile of incident light 10 in a conventional solid-state imaging device. At this time, since the pixel size is 0.45 μm square and the opening of the light shielding film 4 is 0.25 μm square, the opening of the light shielding film 4 is about half the wavelength of the incident light 10. Therefore, as shown in FIG. 12, the incident light 10 cannot pass through the opening, and the incident light 10 does not enter the light receiving element 6.

図13はアスペクト比/感度(画素に対して光が垂直に入射したときの感度)と画素サイズ(セルサイズ)との関係を示す図である。ここで、アスペクト比とは、マイクロレンズ1と受光素子6との間の距離をセルサイズで割った値である。セルサイズが6μm角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角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、感度は、図13に示されるように、セルサイズの減少とともに急激に減少している。セルサイズが1μm角以下になると、入射光がほとんど受光素子6に到達することができないため、感度はほぼ0となる。   FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the aspect ratio / sensitivity (sensitivity when light is vertically incident on the pixel) and the pixel size (cell size). Here, the aspect ratio is a value obtained by dividing the distance between the microlens 1 and the light receiving element 6 by the cell size. If the cell size is about 6 μm square, the aspect ratio is approximately 1. As the cell size decreases, the aspect ratio increases. When the cell size is smaller than 2 μm square, the aspect ratio becomes 3 or more. At this time, as shown in FIG. 13, the sensitivity rapidly decreases with a decrease in cell size. When the cell size is 1 μm square or less, the incident light hardly reaches the light receiving element 6 and the sensitivity becomes almost zero.

特許文献1に記載の技術によれば、光導波路の屈折率をより高くすることで、図12および図13に示した問題に対応できると思われるが、光導波路の屈折率を高くするほど光導波路周辺の材料との屈折率差がより大きくなるため、反射により光導波路に光が入らなくなる。従って、この技術でも図12および図13に示した問題に対応できない。   According to the technique described in Patent Document 1, it is considered that the problem shown in FIGS. 12 and 13 can be solved by increasing the refractive index of the optical waveguide. Since the refractive index difference with the material around the waveguide becomes larger, light does not enter the optical waveguide due to reflection. Therefore, this technique cannot cope with the problems shown in FIGS.

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、セルサイズの微細化に伴う感度低下を防止することが可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of preventing a decrease in sensitivity associated with a reduction in cell size and a method for manufacturing the same.

入射光が遮光膜の開口を通過できなくなるのは、光の波長が回折限界よりも大きいためである。反対に言えば、入射光が回折限界よりも小さい領域を通過できるように、入射光の導波モードを変えることができれば、固体撮像素子の感度は向上する。光の回折限界より小さな領域での光伝播を実現するためには、プラズモニック導波路を用いる必要がある。プラズモニック導波路とは、負誘電体と誘電体との界面に存在する表面プラズモンポラリトンを利用した光導波路である。   The reason why the incident light cannot pass through the opening of the light shielding film is that the wavelength of the light is larger than the diffraction limit. In other words, if the waveguide mode of the incident light can be changed so that the incident light can pass through a region smaller than the diffraction limit, the sensitivity of the solid-state imaging device is improved. In order to realize light propagation in a region smaller than the diffraction limit of light, it is necessary to use a plasmonic waveguide. A plasmonic waveguide is an optical waveguide that uses surface plasmon polaritons that exist at the interface between a negative dielectric and a dielectric.

例えば、特開2005−351941号公報では、金属微小球の表面を周回する表面電荷を発生させ、第2および第3の微小球へとプラズモンポラリトンを伝播させることによって、光を導波させている。また、特開2006−023410号公報では、金属膜上に半円状に配置されたプラズモンレンズ構造によって、プラズモン光を集光し、より効率の高い光導波を実現している。いずれの技術も光集積回路に応用されている一般的な2次元導波である。今後、セルサイズが1μm角以下の固体撮像素子を実現するためには、プラズモニック導波路を有する素子の開発が必要不可欠である。   For example, in JP-A-2005-351194, light is guided by generating surface charges that circulate around the surface of a metal microsphere and propagating plasmon polaritons to the second and third microspheres. . In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-023410, plasmon light is collected by a plasmon lens structure arranged in a semicircular shape on a metal film, thereby realizing a more efficient optical waveguide. Both techniques are general two-dimensional waveguides applied to optical integrated circuits. In the future, in order to realize a solid-state imaging device having a cell size of 1 μm square or less, development of a device having a plasmonic waveguide is indispensable.

以上の知見に基づき、本発明者らは固体撮像素子に対するプラズモニック導波路の適用について精査し、本発明に至った。   Based on the above findings, the present inventors have scrutinized the application of the plasmonic waveguide to the solid-state imaging device, and have reached the present invention.

上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像素子は、集光素子と、前記集光素子で集光された光を受ける受光素子とを有する画素を複数備える固体撮像素子であって、前記画素は、前記集光素子と前記受光素子との間に設けられた誘電体材料と、前記集光素子から前記受光素子への方向に近接かつ連続して前記誘電体材料内に設けられた、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ5nm〜500nmの複数の微粒子とを有することを特徴とする。これによって、固体撮像素子内に微粒子によるプラズモニック導波路が構築されるため、セルサイズの減少に伴い入射光の波長が遮光膜の開口より大きくなった場合でも、入射光を受光素子に導くことができ、セルサイズの微細化に伴う感度低下を防止することができる。   In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a plurality of pixels each having a light collecting element and a light receiving element that receives light collected by the light collecting element. The pixel is provided in the dielectric material in the vicinity of the dielectric material provided between the light collecting element and the light receiving element, and continuously in the direction from the light collecting element to the light receiving element, And a plurality of fine particles having a particle size of 5 nm to 500 nm made of a negative dielectric material having a negative dielectric constant. As a result, a plasmonic waveguide made of fine particles is constructed in the solid-state imaging device, so that the incident light is guided to the light receiving element even when the wavelength of the incident light becomes larger than the opening of the light shielding film as the cell size decreases. It is possible to prevent a decrease in sensitivity due to cell size miniaturization.

ここで、前記複数の画素は、第1の種類の材料で構成される微粒子を有する画素と、第2の種類の材料で構成される微粒子を有する画素とを含んでもよい。これによって、プラズモニック導波路による入射光の色分離が可能となり、色再現性が向上する。また、カラーフィルタを設ける必要が無くなるので、小型化が可能となる。   Here, the plurality of pixels may include a pixel having fine particles made of a first type material and a pixel having fine particles made of a second type material. Thereby, color separation of incident light by the plasmonic waveguide becomes possible, and color reproducibility is improved. Further, since it is not necessary to provide a color filter, the size can be reduced.

また、前記複数の画素は、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物およびコバルト亜鉛酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素とを含んでもよい。これによって、特異な金属および酸化物材料を使用する必要がなくなり、生産コストを抑制することができる。   The plurality of pixels include a pixel having fine particles composed of at least one of gold, silver, copper, aluminum, tantalum, chromium, and iron chromium oxide, cobalt titanium oxide, nickel titanium zinc oxide, and cobalt. A pixel having fine particles composed of at least one of zinc oxide and a pixel having fine particles composed of at least one of cobalt aluminum oxide and cobalt chrome oxide may be included. This eliminates the need to use unique metal and oxide materials, and can reduce production costs.

また、1つの前記画素は、異なる材料で構成される2種類以上の微粒子を有してもよい。これによって、製造プロセスが容易になり、生産コストを抑制することができる。   One pixel may have two or more kinds of fine particles made of different materials. As a result, the manufacturing process becomes easy, and the production cost can be suppressed.

また、1つの前記画素内の一列に並ぶ複数の微粒子において、前記集光素子側に配置されている第1の微粒子は、前記受光素子側に配置されている第2の微粒子よりも大きな粒子サイズを持ってもよい。これによって、粒子サイズの大きな微粒子で入射光の散乱が起こり易くなり、プラズモンの変換効率が増加し、感度が向上する。   In the plurality of fine particles arranged in a row in one pixel, the first fine particles arranged on the light collecting element side have a larger particle size than the second fine particles arranged on the light receiving element side. You may have. This facilitates scattering of incident light with fine particles having a large particle size, increasing the plasmon conversion efficiency and improving the sensitivity.

また、前記集光素子は、集光する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の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えていてもよい。これによって、高角度で入射してくる光が集光素子により受光素子に導かれ、光の斜入射特性が向上するので、感度が向上する。   The condensing element may include an effective refractive index distribution generated in a light transmission film having a concentric structure divided by a line width equal to or shorter than a wavelength of light to be collected. As a result, light incident at a high angle is guided to the light receiving element by the condensing element, and the oblique incidence characteristics of the light are improved, so that the sensitivity is improved.

本発明に係る固体撮像素子によれば、素子内において入射光の回折限界より小さな領域での光伝播が可能となり、セルサイズが微細化された場合でも入射光を受光素子に導くことができるので、高感度で超微細セルサイズの固体撮像素子を実現できる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, light propagation in a region smaller than the diffraction limit of incident light within the device is possible, and even when the cell size is miniaturized, incident light can be guided to the light receiving device. A high-sensitivity and ultrafine cell-size solid-state imaging device can be realized.

以下、本発明の実施の形態における固体撮像素子について、図面を参照しながら具体的に説明する。   Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は本実施の形態に係る、フルHD(フルハイビジョン)仕様(200万画素)の固体撮像素子の断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device of full HD (full high vision) specification (2 million pixels) according to the present embodiment.

この固体撮像素子において、セルサイズは0.45μm角である。同固体撮像素子は、樹脂から構成されるマイクロレンズ1と、カラーフィルタ2と、SiO2から構成される透明平坦化膜3と、遮光膜4と、配線層5と、受光素子(Siフォトダイオード)6と、Si基板7とから構成されている。なお、透明平坦化膜3、遮光膜4、配線層5、受光素子6およびSi基板7は、半導体集積回路8を構成する。 In this solid-state imaging device, the cell size is 0.45 μm square. The solid-state imaging device, a microlens 1 formed of a resin, and the color filter 2, a transparent flattening film 3 composed of SiO 2, and the light-shielding film 4, the wiring layer 5, the light-receiving element (Si photodiode ) 6 and the Si substrate 7. The transparent planarizing film 3, the light shielding film 4, the wiring layer 5, the light receiving element 6 and the Si substrate 7 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

マイクロレンズ1は、固体撮像素子への入射光を集める集光素子である。受光素子6は、マイクロレンズ1で集光された光を受け、光電変換を行う。   The microlens 1 is a condensing element that collects incident light on the solid-state imaging element. The light receiving element 6 receives light collected by the microlens 1 and performs photoelectric conversion.

マイクロレンズ1(カラーフィルタ2)と受光素子6との間には、誘電体材料で構成される透明平坦化膜3が設けられている。そして、透明平坦化膜3内には、粒子サイズ(粒径)0.1μmの立方体状の微粒子9が、マイクロレンズ1から受光素子6に向かって一列に並んでY方向に0.2μmの間隔で周期的に配列している。このように、負誘電体材料(誘電率が負である材料)である微粒子9を、誘電体材料であるSiO2(透明平坦化膜3)中に直列に並べて配置することによって、微粒子9は0次元プラズモニック導波路として機能する。なお、図1では、立方体状の微粒子9を記載しているが、球状又は多角形状の微粒子でもかまわない。 A transparent flattening film 3 made of a dielectric material is provided between the microlens 1 (color filter 2) and the light receiving element 6. In the transparent flattening film 3, cubic fine particles 9 having a particle size (particle size) of 0.1 μm are arranged in a line from the microlens 1 toward the light receiving element 6 and spaced by 0.2 μm in the Y direction. Are arranged periodically. In this way, by arranging the fine particles 9 that are negative dielectric material (material having a negative dielectric constant) in series in the dielectric material SiO 2 (transparent flattening film 3), the fine particles 9 are It functions as a 0-dimensional plasmonic waveguide. In FIG. 1, cubic fine particles 9 are shown, but spherical or polygonal fine particles may be used.

微粒子9は、金属または金属酸化物、例えば金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロム、鉄クロム酸化物、コバルトチタンニッケル亜鉛酸化物、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物、コバルト亜鉛酸化物、コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される。   The fine particles 9 are metal or metal oxide such as gold, silver, copper, aluminum, tantalum, chromium, iron chromium oxide, cobalt titanium nickel zinc oxide, cobalt titanium oxide, nickel titanium zinc oxide, cobalt zinc oxide. And at least one of cobalt aluminum oxide and cobalt chromium oxide.

図2に、上記構造を有する固体撮像素子の光伝播プロファイルを示す。   FIG. 2 shows a light propagation profile of the solid-state imaging device having the above structure.

固体撮像素子への入射光10は、マイクロレンズ1によって集光された後、微粒子9を介して遮光膜4および配線層5を通過し、受光素子6に到達する。入射光10は微粒子9で散乱されてプラズモン光が発生し、発生したプラズモン光は隣接する微粒子9を伝播しながら受光素子6へと到達する。基本的に、負誘電体材料からなる微粒子の局在表面プラズモンは1点に局在し、そのままではエネルギー移動しない。しかしながら、微粒子を光の波長より小さい間隔で直列配置することによって、隣接する微粒子間に相互作用が起こり、局在表面プラズモンのエネルギーが隣接する微粒子に移動する。結果として、微粒子の配列に従って、光エネルギーは導波していく。光の強度分布は、微粒子の粒子サイズに強く依存するため、ナノメートルオーダの光導波路が実現できる。なお、図1の固体撮像素子では、微粒子による光散乱によって発生したプラズモン光を利用しているが、集光素子としてKretshman配置したプリズムを設けるなどして、より効率的にプラズモン光を励起すれば、固体撮像素子の感度は向上する。   Incident light 10 to the solid-state imaging device is collected by the microlens 1, passes through the light shielding film 4 and the wiring layer 5 through the fine particles 9, and reaches the light receiving device 6. The incident light 10 is scattered by the fine particles 9 to generate plasmon light, and the generated plasmon light reaches the light receiving element 6 while propagating through the adjacent fine particles 9. Basically, localized surface plasmons of fine particles made of a negative dielectric material are localized at one point and do not transfer energy as they are. However, by arranging the fine particles in series at intervals smaller than the wavelength of light, an interaction occurs between the adjacent fine particles, and the energy of the localized surface plasmon moves to the adjacent fine particles. As a result, the light energy is guided according to the arrangement of the fine particles. Since the light intensity distribution strongly depends on the particle size of the fine particles, a nanometer-order optical waveguide can be realized. In the solid-state imaging device of FIG. 1, plasmon light generated by light scattering by fine particles is used. However, if plasmon light is excited more efficiently by providing a prism arranged as a condensing element, for example. The sensitivity of the solid-state image sensor is improved.

図3(a)〜図3(g)は、本実施の形態に係るプラズモニック導波路の作製工程を示す図である。プラズモニック導波路構造の形成は、複数回のフォトリソグラフィとエッチングによって行われる。   FIG. 3A to FIG. 3G are diagrams showing a manufacturing process of the plasmonic waveguide according to the present embodiment. The plasmonic waveguide structure is formed by a plurality of photolithography and etching.

まず、通常の半導体プロセスを用いて、受光素子6が形成されたSi基板7上に、透明平坦化膜3、遮光膜4および配線層5を形成し、半導体集積回路8(図3では、その詳細については図示していない)を形成する。1つの画素のセルサイズは、0.45μm角であり、1つの受光素子6のサイズは0.25μm角である。   First, using a normal semiconductor process, a transparent planarizing film 3, a light shielding film 4 and a wiring layer 5 are formed on a Si substrate 7 on which a light receiving element 6 is formed, and a semiconductor integrated circuit 8 (in FIG. Details are not shown). The cell size of one pixel is 0.45 μm square, and the size of one light receiving element 6 is 0.25 μm square.

次に、透明平坦化膜3表面にレジスト11を塗布する(図3(a))。その後、フォトリソグラフィ12によって、レジスト11のパターニングを行う(図3(b))。   Next, a resist 11 is applied to the surface of the transparent planarizing film 3 (FIG. 3A). Thereafter, the resist 11 is patterned by photolithography 12 (FIG. 3B).

次に、現像した後、レジスト11をマスクとして透明平坦化膜3にドライエッチング13を行う(図3(c))。その後、ドライエッチング13により形成された透明平坦化膜3の穴の底に金蒸着14により金15を蒸着する(図3(d))。   Next, after development, dry etching 13 is performed on the transparent planarizing film 3 using the resist 11 as a mask (FIG. 3C). Thereafter, gold 15 is deposited by gold deposition 14 on the bottom of the hole of the transparent planarizing film 3 formed by dry etching 13 (FIG. 3D).

次に、CVD装置を用いて、金15上に透明平坦化膜3の一部としてのSiO2膜を形成する(図3(e))。 Next, a SiO 2 film as a part of the transparent flattening film 3 is formed on the gold 15 using a CVD apparatus (FIG. 3E).

最後に、金/SiO2膜を多層状に形成した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)16によって表面を平坦化する(図3(f)および図3(g))。これにより、マイクロレンズ1と受光素子6との間に設けられた透明平坦化膜3内に、マイクロレンズ1から受光素子6への方向に近接かつ連続して並ぶ形で、負誘電体材料で構成される粒子サイズ5nm〜500nmの複数の微粒子9が形成される。 Finally, after a gold / SiO 2 film is formed in a multilayer shape, the surface is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing) 16 (FIG. 3F and FIG. 3G). As a result, in the transparent flattening film 3 provided between the microlens 1 and the light receiving element 6, the negative dielectric material is arranged in the form of being adjacent and continuously arranged in the direction from the microlens 1 to the light receiving element 6. A plurality of fine particles 9 having a particle size of 5 nm to 500 nm are formed.

以上のように本実施の形態の固体撮像素子によれば、入射光を受光素子6に導く0次元プラズモニック導波路を画素内に形成することができるので、入射光は光の回折限界を超えて、波長よりも狭い領域を透過することができる。結果として、セルサイズが1μm角以下に微細化されても、入射光は遮光膜を通過することができ、高感度を維持することができる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, the zero-dimensional plasmonic waveguide that guides the incident light to the light receiving element 6 can be formed in the pixel, so that the incident light exceeds the light diffraction limit. Thus, it is possible to transmit a region narrower than the wavelength. As a result, even if the cell size is reduced to 1 μm square or less, incident light can pass through the light shielding film, and high sensitivity can be maintained.

(実施の形態2)
図4は本実施の形態に係る、フルHD仕様(200万画素)の固体撮像素子の断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device of full HD specification (2 million pixels) according to the present embodiment.

この固体撮像素子において、セルサイズは0.45μm角である。同固体撮像素子は、マイクロレンズ1と、カラーフィルタ2と、透明平坦化膜3と、遮光膜4と、配線層5と、受光素子6と、Si基板7とから構成されている。なお、透明平坦化膜3、遮光膜4、配線層5、受光素子6およびSi基板7は、半導体集積回路8を構成する。   In this solid-state imaging device, the cell size is 0.45 μm square. The solid-state imaging device includes a microlens 1, a color filter 2, a transparent flattening film 3, a light shielding film 4, a wiring layer 5, a light receiving element 6, and a Si substrate 7. The transparent planarizing film 3, the light shielding film 4, the wiring layer 5, the light receiving element 6 and the Si substrate 7 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

マイクロレンズ1と受光素子6との間には、球状の微粒子17、18又は19が、マイクロレンズ1から受光素子6に向かって一列に並んでY方向に0.2μmの間隔で周期的に配列している。隣接する画素においてプラズモニック導波路を構成する主となる微粒子17、18および19の材料が異なる。つまり、赤色透過領域Rの画素(Rのカラーフィルタ2が配置された画素)には、粒径分布5nm〜50nm(メジアン値:15nm)の金から構成される微粒子19が誘電体材料であるSiO2(透明平坦化膜3)中に直列に並べて配置されている。緑色透過領域Gの画素(Gのカラーフィルタ2が配置された画素)には、粒径分布5nm〜50nm(メジアン値:25nm)のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物から構成される微粒子18が誘電体材料であるSiO2(透明平坦化膜3)中に直列に並べて配置されている。青色透過領域Bの画素(Bのカラーフィルタ2が配置された画素)には、粒径分布5nm〜50nm(メジアン値:20nm)のコバルトアルミ酸化物から構成される微粒子17が誘電体材料であるSiO2(透明平坦化膜3)中に直列に並べて配置されている。このとき、小粒径の微粒子17、18および19の表面プラズモンと可視光とのカップリングによるプラズモン光吸収と、金属や金属酸化物の電子遷移吸収による優れた分光特性が実現できる。 Between the microlens 1 and the light receiving element 6, spherical fine particles 17, 18 or 19 are arranged in a row from the microlens 1 toward the light receiving element 6 and periodically arranged at intervals of 0.2 μm in the Y direction. is doing. The materials of the main particles 17, 18 and 19 constituting the plasmonic waveguide are different in adjacent pixels. That is, in the pixel of the red transmission region R (the pixel in which the R color filter 2 is arranged), the fine particles 19 made of gold having a particle size distribution of 5 nm to 50 nm (median value: 15 nm) are SiO, which is a dielectric material. 2 are arranged in series in (transparent planarizing film 3). In the pixel of the green transmission region G (the pixel in which the G color filter 2 is disposed), the fine particles 18 composed of cobalt titanium nickel zinc oxide having a particle size distribution of 5 nm to 50 nm (median value: 25 nm) are dielectric materials. Are arranged in series in SiO 2 (transparent planarizing film 3). In the pixel of the blue transmission region B (the pixel in which the B color filter 2 is arranged), the fine particles 17 made of cobalt aluminum oxide having a particle size distribution of 5 nm to 50 nm (median value: 20 nm) are dielectric materials. They are arranged in series in SiO 2 (transparent planarizing film 3). At this time, it is possible to realize excellent spectral characteristics due to plasmon light absorption by coupling of surface plasmons and visible light of fine particles 17, 18 and 19 having small particle diameters and electronic transition absorption of metals and metal oxides.

図5に、上記構造を有する固体撮像素子の受光感度特性を示す。   FIG. 5 shows the light receiving sensitivity characteristics of the solid-state imaging device having the above structure.

図5において、赤色透過領域Rの画素の感度特性21と、緑色透過領域Gの画素の感度特性20と、青色透過領域Bの画素の感度特性28とが示される。図5から、固体撮像素子は、赤色の波長領域、緑色の波長領域、および青色の波長領域で優れた分光特性を示すことが分かる。   In FIG. 5, the sensitivity characteristic 21 of the pixel in the red transmission region R, the sensitivity characteristic 20 of the pixel in the green transmission region G, and the sensitivity characteristic 28 of the pixel in the blue transmission region B are shown. FIG. 5 shows that the solid-state imaging device exhibits excellent spectral characteristics in the red wavelength region, the green wavelength region, and the blue wavelength region.

なお、微粒子19は金から構成されるとしたが、少なくとも金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロムおよび鉄クロム酸化物を含む第1の種類の材料により構成されればこれに限られない。また、微粒子18は、コバルトチタンニッケル亜鉛酸化物から構成されるとしたが、少なくともコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物およびコバルト亜鉛酸化物を含む第2の種類の材料により構成されればこれに限られない。さらに、微粒子17はコバルトアルミ酸化物から構成されるとしたが、少なくともコバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物を含む第3の種類の材料により構成されればこれに限られない。このようにすることにより、微粒子は媒質中に凝集なく均質に分散され、画素間の色ばらつきのない良好な色再現性を実現することが可能となる。また、第1の種類の微粒子を用いると主に赤色領域の透過フィルタを実現でき、第2の種類の微粒子を用いると主に緑色領域の透過フィルタを実現でき、第3の種類の微粒子を用いると主に青色領域の透過フィルタを実現できる。また、第1、第2および第3の種類の材料を混合し、かつその割合を選択して微粒子17、18および19のそれぞれを構成することにより任意領域の分光特性を実現できる。   The fine particles 19 are made of gold. However, the fine particles 19 are not limited to this as long as they are made of a first type material including at least gold, silver, copper, aluminum, tantalum, chromium, and iron-chromium oxide. The fine particles 18 are made of cobalt titanium nickel zinc oxide. However, the fine particles 18 are of the second kind containing at least cobalt titanium nickel zinc oxide, cobalt titanium oxide, nickel titanium zinc oxide and cobalt zinc oxide. If it is comprised with material, it will not be restricted to this. Further, although the fine particles 17 are made of cobalt aluminum oxide, the fine particles 17 are not limited to this as long as they are made of a third type material including at least cobalt aluminum oxide and cobalt chrome oxide. By doing so, the fine particles are uniformly dispersed in the medium without agglomeration, and good color reproducibility without color variation between pixels can be realized. Further, when the first type of fine particles are used, a transmission filter mainly in the red region can be realized, and when the second type of fine particles is used, a transmission filter mainly in the green region can be realized, and the third type of fine particles is used. A transmission filter in the blue region can be realized. Further, the spectral characteristics of an arbitrary region can be realized by mixing the first, second, and third types of materials and selecting the proportions to form the fine particles 17, 18, and 19, respectively.

また、図6に示すように、1つの画素のプラズモニック導波路は、異なる粒子サイズおよび材料で構成された2種類以上の微粒子を有してもかまわない。上述したように、赤色透過領域Rの画素には、粒径分布5nm〜50nm(メジアン値:15nm)の金から構成される微粒子19が配置され、緑色透過領域Gには粒径分布5nm〜50nm(メジアン値:25nm)のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物から構成される微粒子18が配置され、青色透過領域Bには粒径分布5nm〜50nm(メジアン値:20nm)のコバルトアルミ酸化物から構成される微粒子17が配置されている。しかしながら、マイクロレンズ1と受光素子6との間に配置されたすべての微粒子が同一種類の微粒子である必要はない。例えば、図6に示すように、光の導波のための微粒子(マイクロレンズ1と配線層5との間に配置された微粒子)に関しては全ての画素で同じ材料で同じ粒径0.1μmの微粒子を用い、それ以外の微粒子(配線層5と受光素子6との間に配置された微粒子)に関しては異なる色のカラーフィルタ2が配置された画素で異なる材料の微粒子が用いられてもよい。このような構造にすることによって、画素別に異種材料を配置する製造プロセス上の負荷を低減し、コストを抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 6, the plasmonic waveguide of one pixel may have two or more kinds of fine particles composed of different particle sizes and materials. As described above, fine particles 19 made of gold having a particle size distribution of 5 nm to 50 nm (median value: 15 nm) are arranged in the pixels of the red transmission region R, and a particle size distribution of 5 nm to 50 nm is arranged in the green transmission region G. Fine particles 18 composed of cobalt titanium nickel zinc oxide (median value: 25 nm) are arranged, and the blue transmission region B is composed of cobalt aluminum oxide having a particle size distribution of 5 nm to 50 nm (median value: 20 nm). Fine particles 17 are arranged. However, it is not necessary that all the fine particles arranged between the microlens 1 and the light receiving element 6 are the same kind of fine particles. For example, as shown in FIG. 6, with respect to fine particles for guiding light (fine particles disposed between the microlens 1 and the wiring layer 5), the same material and the same particle size of 0.1 μm are used in all pixels. With respect to other fine particles (fine particles disposed between the wiring layer 5 and the light receiving element 6), fine particles of different materials may be used in pixels in which the color filters 2 of different colors are disposed. By adopting such a structure, it is possible to reduce the load on the manufacturing process in which different materials are arranged for each pixel and to suppress the cost.

以上のように本実施の形態の固体撮像素子によれば、複数の画素は、第1の種類の材料で構成される微粒子19を有する画素と、第2の種類の材料で構成される微粒子18を有する画素と、第3の種類の材料で構成される微粒子17を有する画素とを含む。従って、3つの画素で異なる波長域の光が受光素子6に導かれるので、微粒子にカラーフィルタの機能を持たせることができる。その結果、固体撮像素子にカラーフィルタを設ける必要がなくなるので、固体撮像素子の小型化を実現できる。   As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, the plurality of pixels include the pixels having the fine particles 19 made of the first type material and the fine particles 18 made of the second type material. And pixels having fine particles 17 made of the third type material. Therefore, since light in different wavelength ranges is guided to the light receiving element 6 in the three pixels, the fine particles can have a color filter function. As a result, it is not necessary to provide a color filter on the solid-state image sensor, and thus the size of the solid-state image sensor can be reduced.

(実施の形態3)
図7Aおよび図7Bは本実施の形態に係る、フルHD仕様(200万画素)の固体撮像素子の上面に配置した屈折率分布型マイクロレンズの上面図および断面図である。
(Embodiment 3)
7A and 7B are a top view and a cross-sectional view of a gradient index microlens arranged on the top surface of a solid-state imaging device of full HD specification (2 million pixels) according to the present embodiment.

一般的に、屈折率分布型マイクロレンズが凸レンズ効果を有するためには、屈折率分布型マイクロレンズの屈折率が光学中心25で最も高くなる必要がある。図7Aに示すように、本実施の形態の屈折率分布型マイクロレンズにおいて、レンズ中心付近ではSiO2が密に集まり、外側のゾーン領域(図7Bの破線で囲まれる領域)になるに従って疎へと変わっていく。このとき、各ゾーン領域の幅24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(例えば、n=1.45のSiO2)23と低屈折率材料(例えば、n=1.00の空気)22と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23を増やせば実効屈折率は高くなり、ゾーン領域内の高屈折率材料23を減らせば、実効屈折率は低くなる(図7C)。 Generally, in order for the gradient index microlens to have a convex lens effect, the refractive index of the gradient index microlens needs to be highest at the optical center 25. As shown in FIG. 7A, in the gradient index microlens of the present embodiment, SiO 2 gathers densely near the center of the lens and becomes sparser as it becomes an outer zone region (region surrounded by a broken line in FIG. 7B). It will change. At this time, if the width 24 of each zone region is equal to or smaller than the wavelength of the incident light, the effective refractive index perceived by the light is a high refractive index material (for example, n = 1.45) in the zone region. It is determined by the volume ratio between the SiO 2 ) 23 and the low refractive index material (for example, n = 1.00 air) 22. That is, if the high refractive index material 23 in the zone region is increased, the effective refractive index is increased, and if the high refractive index material 23 in the zone region is decreased, the effective refractive index is decreased (FIG. 7C).

ここで、屈折率分布型マイクロレンズは、各画素の開口に合わせて四角形状とされている。一般に、光の入射窓の領域が円形の場合、レンズとレンズと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。しかしながら、光の入射窓の領域を四角形状とすると、画素の全領域で入射光を集光することができるので、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。   Here, the gradient index microlens has a quadrangular shape in accordance with the opening of each pixel. In general, when the area of the light incident window is circular, a gap is formed between the lenses, so that leakage light is generated and the light collection loss increases. However, if the area of the light incident window is rectangular, the incident light can be collected in the entire area of the pixel, so that there is no leakage light and the light collection loss can be reduced.

図7Dに本実施の形態に係る屈折率分布型マイクロレンズの変形例、つまり2段構造を有する屈折率分布型マイクロレンズの断面図を示す。   FIG. 7D shows a modification of the gradient index microlens according to the present embodiment, that is, a cross-sectional view of a gradient index microlens having a two-stage structure.

本マイクロレンズは、膜厚が0.4μmのSiO2と膜厚が0.8μmのSiO2との2段構造で構成されている。各ゾーン領域(図7Dの破線で囲まれる領域)において、光透過膜(SiO2)の線幅だけでなく、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。なお、図8に示す固体撮像素子の集光素子としては、この2段構造の屈折率分布型マイクロレンズが採用されている。 This microlens has a two-stage structure of SiO 2 having a thickness of 0.4 μm and SiO 2 having a thickness of 0.8 μm. By changing not only the line width of the light transmission film (SiO 2 ) but also the film thickness in each zone area (area surrounded by a broken line in FIG. 7D), it is possible to control the effective refractive index distribution with higher accuracy. Become. Note that this two-stage refractive index distribution type microlens is employed as the condensing element of the solid-state imaging device shown in FIG.

図8は本実施の形態に係る、フルHD仕様(200万画素)の固体撮像素子の断面図である。   FIG. 8 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device of full HD specification (2 million pixels) according to the present embodiment.

この固体撮像素子において、セルサイズは0.45μm角である。同固体撮像素子は、屈折率分布型マイクロレンズ26と、カラーフィルタ2と、透明平坦化膜3と、遮光膜4と、配線層5と、受光素子6と、Si基板7とから構成されている。なお、透明平坦化膜3、遮光膜4、配線層5、受光素子6およびSi基板7は、半導体集積回路8を構成する。   In this solid-state imaging device, the cell size is 0.45 μm square. The solid-state imaging device includes a gradient index microlens 26, a color filter 2, a transparent flattening film 3, a light shielding film 4, a wiring layer 5, a light receiving element 6, and a Si substrate 7. Yes. The transparent planarizing film 3, the light shielding film 4, the wiring layer 5, the light receiving element 6 and the Si substrate 7 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

ここで、屈折率分布型マイクロレンズ26は、SiO2(n=1.45)を同心円状に掘り込んだ構造であり、周りの媒質は空気(n=1.00)である。また、レンズ膜厚は1.2μmである。レンズの断面構造が単位画素に対して対称でないことがわかる。 Here, the gradient index microlens 26 has a structure in which SiO 2 (n = 1.45) is dug concentrically, and the surrounding medium is air (n = 1.00). The lens film thickness is 1.2 μm. It can be seen that the cross-sectional structure of the lens is not symmetrical with respect to the unit pixel.

図9Aおよび図9Bは、本実施の形態に係る、凸レンズ効果を有する屈折率分布型マイクロレンズ26の上面図と屈折率分布を示す図である。   9A and 9B are a top view and a refractive index distribution of the refractive index distribution type microlens 26 having a convex lens effect according to the present embodiment.

屈折率分布型マイクロレンズ26において、同心構造の中心(光学中心25)を画素中心からシフトさせ、偏心構造とすることによって(図9A)、実効屈折率分布も画素に対して、非対称形状となる(図9B)。そのため、屈折率分布型マイクロレンズ26は、集光性だけではなく偏向性も具備することになる。   In the gradient index microlens 26, the center of the concentric structure (optical center 25) is shifted from the center of the pixel to form an eccentric structure (FIG. 9A), so that the effective refractive index distribution also has an asymmetric shape with respect to the pixel. (FIG. 9B). Therefore, the gradient index microlens 26 has not only a light collecting property but also a deflecting property.

図9Cは、非対称な屈折率分布型マイクロレンズ26を伝播する光の様子を示す図である。   FIG. 9C is a diagram illustrating a state of light propagating through the asymmetric gradient index microlens 26.

特定の角度で入射してきた入射光27は、画素中心に対して非対称な屈折率分布を有する屈折率分布型マイクロレンズ26によって偏向され、画素中心軸上に集光される。これは本実施の形態に係る固体撮像素子が、高角度入射に対応していることを示唆しており、固体撮像素子面内で様々な角度の光が入射するような、非線形光学系でも十分に対応できることを示している。   Incident light 27 incident at a specific angle is deflected by a refractive index distribution type microlens 26 having an asymmetric refractive index distribution with respect to the pixel center, and condensed on the pixel center axis. This suggests that the solid-state imaging device according to the present embodiment supports high-angle incidence, and even a nonlinear optical system in which light at various angles is incident on the surface of the solid-state imaging device is sufficient. It shows that it can respond to.

以上のように本実施の形態の固体撮像素子によれば、集光素子は、屈折率分布型マイクロレンズであり、集光する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の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えている。従って、高角度で入射してくる光も受光素子6に導かれ、光の斜入射特性が向上するので、感度が向上する。   As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, the condensing element is a gradient index microlens, and is divided by a line width that is the same as or shorter than the wavelength of the light to be collected. It has an effective refractive index distribution generated in a concentric light transmission film. Accordingly, the light incident at a high angle is also guided to the light receiving element 6 and the oblique incident characteristics of the light are improved, so that the sensitivity is improved.

(実施の形態4)
図10は本実施の形態に係る、フルHD仕様(200万画素)の固体撮像素子の断面図である。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a cross-sectional view of a solid-state image sensor of full HD specification (2 million pixels) according to the present embodiment.

この固体撮像素子において、セルサイズは0.45μm角である。同固体撮像素子は、マイクロレンズ1と、カラーフィルタ2と、透明平坦化膜3と、遮光膜4と、配線層5と、受光素子6と、Si基板7とから構成されている。なお、透明平坦化膜3、遮光膜4、配線層5、受光素子6およびSi基板7は、半導体集積回路8を構成する。   In this solid-state imaging device, the cell size is 0.45 μm square. The solid-state imaging device includes a microlens 1, a color filter 2, a transparent flattening film 3, a light shielding film 4, a wiring layer 5, a light receiving element 6, and a Si substrate 7. The transparent planarizing film 3, the light shielding film 4, the wiring layer 5, the light receiving element 6 and the Si substrate 7 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

実施の形態1の固体撮像素子と同様に、本実施の形態の固体撮像素子では、負誘電体材料を有する粒子サイズ(粒径)0.1μmの立方体状の微粒子9をY方向に光の波長より小さい間隔で周期的に直列に配置することによって、プラズモン光を伝播させている。このとき、本実施の形態の固体撮像素子では、微粒子9による光散乱によって発生したプラズモン光を利用している。しかしながら、光が入射する最上段の微粒子9(光入射面に最も近い微粒子9)の粒子サイズが、波長よりも小さすぎると、微粒子9で入射光の散乱が起こりにくくなり、プラズモンへの変換効率が低下する。そこで本実施の形態では、各画素において最上段の微粒子9のX方向の粒子サイズを、例えば0.2μmとして他の微粒子9よりも大きくしている。これにより、微粒子9での入射光の散乱が起こり易くなり、プラズモン変換効率は高くなる。   Similar to the solid-state imaging device of the first embodiment, in the solid-state imaging device of the present embodiment, cubic fine particles 9 having a negative dielectric material and a particle size (particle size) of 0.1 μm are converted to the light wavelength in the Y direction. Plasmon light is propagated by periodically arranging in series at smaller intervals. At this time, in the solid-state imaging device of the present embodiment, plasmon light generated by light scattering by the fine particles 9 is used. However, if the particle size of the uppermost fine particle 9 (the fine particle 9 closest to the light incident surface) on which light is incident is too small than the wavelength, the fine particle 9 is less likely to scatter incident light, and the conversion efficiency to plasmon is reduced. Decreases. Therefore, in the present embodiment, the particle size in the X direction of the uppermost fine particle 9 in each pixel is set to 0.2 μm, for example, to be larger than the other fine particles 9. Thereby, scattering of incident light easily occurs in the fine particles 9, and plasmon conversion efficiency is increased.

以上のように、本実施の形態の固体撮像素子によれば、1つの画素内の一列に並ぶ複数の微粒子9において、マイクロレンズ1側に配置されている微粒子9は、受光素子6側に配置されている微粒子9よりも大きな粒子サイズを持つ。従って、プラズモンの変換効率が増加し、感度が向上する。   As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, among the plurality of fine particles 9 arranged in a row in one pixel, the fine particles 9 arranged on the microlens 1 side are arranged on the light receiving device 6 side. It has a larger particle size than the fine particles 9 that are formed. Accordingly, the plasmon conversion efficiency is increased and the sensitivity is improved.

以上、本発明の固体撮像素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。   Although the solid-state imaging device of the present invention has been described based on the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment. The present invention includes various modifications made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.

例えば、上記実施の形態において、プラズモニック導波路を構成する微粒子は、球状又は立方体形状を有する微粒子であるとした。しかし、粒径及び一辺などを表す粒子サイズが5nm〜500nmであり、かつ、構成する材料が負誘電体材料である微粒子であれば赤、青および緑の光を受光素子に導くプラズモニック導波路が形成されるため、球状又は立方体形状に限られない。   For example, in the above embodiment, the fine particles constituting the plasmonic waveguide are fine particles having a spherical shape or a cubic shape. However, a plasmonic waveguide that guides red, blue, and green light to a light-receiving element if the particle size representing a particle size and one side is 5 nm to 500 nm and the constituent material is a fine dielectric material. Therefore, the shape is not limited to a spherical shape or a cubic shape.

また、上記実施の形態において、微粒子はY方向に0.2μmの間隔で配置されるとした。しかし、微粒子がY方向に入射光の波長より小さい間隔で配置されれば入射光により生じたプラズモンポラリトンを微粒子間で伝播させることができるため、0.2μmの間隔に限られない。   In the above embodiment, the fine particles are arranged at intervals of 0.2 μm in the Y direction. However, if the fine particles are arranged in the Y direction at intervals smaller than the wavelength of the incident light, plasmon polaritons generated by the incident light can be propagated between the fine particles, and thus the interval is not limited to 0.2 μm.

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、車載用カメラおよび放送用カメラをはじめとするイメージセンサ関連製品などに利用が可能であり、性能向上および低価格化が実現可能であるため産業上有用である。   The solid-state imaging device of the present invention can be used for image sensor-related products such as digital video cameras, digital still cameras, camera-equipped mobile phones, surveillance cameras, in-vehicle cameras, and broadcast cameras, and the performance is improved. In addition, it is industrially useful because the price can be reduced.

実施の形態1に係る固体撮像素子の構造を示す図である。1 is a diagram illustrating a structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る固体撮像素子の光伝播プロファイルを示す図である。3 is a diagram showing a light propagation profile of the solid-state imaging device according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係るプラズモニック導波路の製造工程を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the plasmonic waveguide according to the first embodiment. 実施の形態2に係る固体撮像素子の構造を示す図である。6 is a diagram illustrating a structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態2に係る固体撮像素子の分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral sensitivity characteristic of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態2に係る固体撮像素子の変形例の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the modification of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの上面図である。6 is a top view of a gradient index microlens according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの断面図である。6 is a cross-sectional view of a gradient index microlens according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの屈折率分布を示す図である。6 is a diagram showing a refractive index distribution of a gradient index microlens according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの変形例の断面図を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a cross-sectional view of a modification of the gradient index microlens according to the third embodiment. 実施の形態3に係る固体撮像素子の構造を示す図である。6 is a diagram illustrating a structure of a solid-state imaging device according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの上面図を示す図である。6 is a top view of a gradient index microlens according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの屈折率分布を示す図である。6 is a diagram showing a refractive index distribution of a gradient index microlens according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態3に係る屈折率分布型マイクロレンズの光学特性を示す図である。6 is a diagram illustrating optical characteristics of a gradient index microlens according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態4に係る固体撮像素子の構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment. 従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the basic structure of the conventional common pixel. 従来の固体撮像素子における入射光の光伝播プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the light propagation profile of the incident light in the conventional solid-state image sensor. 従来の固体撮像素子のアスペクト比と感度のセルサイズ依存性を示す図である。It is a figure which shows the cell size dependence of the aspect-ratio and sensitivity of the conventional solid-state image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 マイクロレンズ
2 カラーフィルタ
3 透明平坦化膜
4 遮光膜
5 配線層
6 受光素子
7 Si基板
8 半導体集積回路
9、17、18、19 微粒子
10、27 入射光
11 レジスト
12 フォトリソグラフィ
13 ドライエッチング
14 金蒸着
15 金
16 CMP
20 緑色透過領域Gの画素の感度特性
21 赤色透過領域Rの画素の感度特性
28 青色透過領域Bの画素の感度特性
22 低屈折率材料
23 高屈折率材料
24 ゾーン領域の幅
25 光学中心
26 屈折率分布型マイクロレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro lens 2 Color filter 3 Transparent flattening film 4 Light shielding film 5 Wiring layer 6 Light receiving element 7 Si substrate 8 Semiconductor integrated circuit 9, 17, 18, 19 Fine particle 10, 27 Incident light 11 Resist 12 Photolithography 13 Dry etching 14 Gold Evaporation 15 Gold 16 CMP
20 Sensitivity characteristics of pixels in the green transmission area G 21 Sensitivity characteristics of pixels in the red transmission area R 28 Sensitivity characteristics of pixels in the blue transmission area B 22 Low refractive index material 23 High refractive index material 24 Zone area width 25 Optical center 26 Refraction Rate distribution type micro lens

Claims (8)

集光素子と、前記集光素子で集光された光を受ける受光素子とを有する画素を複数備える固体撮像素子であって、
前記画素は、
前記集光素子と前記受光素子との間に設けられた誘電体材料と、
前記集光素子から前記受光素子への方向に近接かつ連続して前記誘電体材料内に設けられた、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ5nm〜500nmの複数の微粒子とを有する
固体撮像素子。
A solid-state imaging device comprising a plurality of pixels each having a light collecting element and a light receiving element that receives light collected by the light collecting element,
The pixel is
A dielectric material provided between the light collecting element and the light receiving element;
A plurality of fine particles having a particle size of 5 nm to 500 nm, which is formed of a negative dielectric material having a negative dielectric constant, which is provided in the dielectric material in the vicinity of and continuously in the direction from the light collecting element to the light receiving element. A solid-state imaging device.
前記微粒子は、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロム、鉄クロム酸化物、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物、コバルト亜鉛酸化物、コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される
請求項1に記載の固体撮像素子。
The fine particles are at least one of gold, silver, copper, aluminum, tantalum, chromium, iron chromium oxide, cobalt titanium oxide, nickel titanium zinc oxide, cobalt zinc oxide, cobalt aluminum oxide, and cobalt chromium oxide. The solid-state imaging device according to claim 1, comprising:
前記複数の画素は、第1の種類の材料で構成される微粒子を有する画素と、第2の種類の材料で構成される微粒子を有する画素とを含む
請求項1に記載の固体撮像素子。
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the plurality of pixels include pixels having fine particles made of a first type of material and pixels having fine particles made of a second type of material.
前記複数の画素は、
金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、
コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物およびコバルト亜鉛酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、
コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素とを含む
請求項3に記載の固体撮像素子。
The plurality of pixels are:
A pixel having fine particles composed of at least one of gold, silver, copper, aluminum, tantalum, chromium, and iron chromium oxide;
A pixel having fine particles composed of at least one of cobalt titanium oxide, nickel titanium zinc oxide, and cobalt zinc oxide;
The solid-state image sensor of Claim 3.
1つの前記画素は、異なる材料で構成される2種類以上の微粒子を有する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein one pixel includes two or more kinds of fine particles made of different materials.
1つの前記画素内の一列に並ぶ複数の微粒子において、前記集光素子側に配置されている第1の微粒子は、前記受光素子側に配置されている第2の微粒子よりも大きな粒子サイズを持つ
請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
Among a plurality of fine particles arranged in a row in one pixel, the first fine particles arranged on the light collecting element side have a larger particle size than the second fine particles arranged on the light receiving element side. The solid-state image sensor of any one of Claims 1-5.
前記集光素子は、集光する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の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えている
請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The said condensing element is provided with the effective refractive index distribution produced in the light-transmitting film | membrane of the concentric structure divided | segmented by the line | wire width which is comparable or shorter than the wavelength of the light to condense. The solid-state imaging device according to item 1.
集光素子と、前記集光素子で集光された光を受ける受光素子とを有する画素を複数備える固体撮像素子の製造方法であって、
前記集光素子と前記受光素子との間に設けられた誘電体材料内に、前記集光素子から前記受光素子への方向に近接かつ連続して並ぶ形で、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ5nm〜500nmの複数の微粒子を形成する
固体撮像素子の製造方法。
A solid-state imaging device manufacturing method comprising a plurality of pixels each having a light collecting element and a light receiving element that receives light collected by the light collecting element,
A negative dielectric having a negative dielectric constant in a dielectric material provided between the light condensing element and the light receiving element, in a form that is arranged close to and continuously in the direction from the light condensing element to the light receiving element. A method for producing a solid-state imaging device, wherein a plurality of fine particles having a particle size of 5 nm to 500 nm composed of a body material are formed.
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