JP2010027746A - 固体撮像素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】斜め入射時において、導波路内に入射する光の角度の増加による集光ロスおよび混色の増加を低減し、感度向上に有効な集光素子を備えた固体撮像素子を提供する。
【解決手段】基板６と、基板６上に配置された複数の単位画素と、複数の単位画素上に形成された配線層４と、単位画素に含まれる光電変換領域上に形成された配線層４を貫く光導波領域４０１と、光導波領域４０１上に形成された集光素子５０１とを備え、集光素子５０１は実効屈折率分布を有することを特徴とする。
【選択図】図３

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に関する。
ＭＯＳセンサーや電荷結合素子（ＣＣＤ）等の固体撮像素子はデジタルカメラや携帯電話などに搭載され、より高精彩な撮像機能と、より小さいサイズに対する需要の高まりから、素子ひいては画素（セル）の縮小化が要求されている。
図１９は第１のタイプの従来のＭＯＳセンサーの画素部の断面を模式的に示したものである。Ｓｉ基板１０１表面に光電変換領域（フォトダイオード）１０２が形成され、層間絶縁膜１０３を介して配線層１０４が形成されている。また、層間絶縁膜１０３上には画素毎に異なる色の光を入射させるために、カラーフィルタ１０５が形成され、さらにカラーフィルタ１０５上には入射光を前記フォトダイオード１０２に集光するプラスチックよりなるオンチップレンズ１０６を有する。前記要求に応えるには画素（セル）自体の縮小化が必須であるが、これに伴い、集光効率が低下する。この課題は、セルサイズが小さくなった場合に、オンチップレンズ１０６入射面から実際の受光部である光電変換領域（フォトダイオード）１０２までの距離が、オンチップレンズ１０６の焦点距離よりも長くなり、セルサイズが小さい場合にはこの焦点距離を長くできない、すなわち、フォトダイオード１０２上に集光できないことに起因する。
このような課題に対処するために、上記第１のタイプを改良し、オンチップレンズで集光できる距離内に、低屈折率領域で覆われた高屈折率領域がフォトダイオード上面近傍まで形成された光導波機能を有する領域（以下、光導波領域と称する）が配置された第２のタイプの従来技術が知られている（特許文献１参照）。図２０にこの第２のタイプの従来技術を模式的に示す。この第２のタイプの従来技術は、図１９に示した第１タイプの従来技術の構成を原型としているが、カラーフィルタ１０５の下で、かつ、フォトダイオード１０２上の層間絶縁膜１０３内に層間絶縁膜（典型的にはＳｉＯ2）１０３よりも高屈折率材料（例えばＳｉＮ）からなる光導波領域３０１を有する。このような構成とすることによって光導波領域３０１に入射した光は光導波領域３０１内に閉じ込められ、光導波領域３０１内をフォトダイオード１０２へと導波されることが可能となる。すなわち、短い焦点距離のオンチップレンズ１０６による集光ロスを低減する。また、斜め入射光に対してオンチップレンズをシュリンクさせることで光導波領域に集光する技術が開示されている。
以上のような特許文献１の技術のほかに、上記第２のタイプの従来技術として、様々な技術が提案されている（特許文献２〜４参照）。
特許文献２では、電荷結合素子上に光導波領域を形成する技術が開示されている。
特許文献３では、光導波領域を２段構造とし、各段毎に高屈折率材料を埋め込む光導波路の形成工程に関する技術が開示されている。
特許文献４では、入射面に向かって、光導波領域がテーパ形状とされることによって、開口率を高め、また、斜め入射光に対する集光効率を向上する技術が開示されている。
特開２００６−２６１２４７号公報 特許第２８６９２８０号公報 特開２００７−１７３２５８号公報 特開２００７−１９４６０６号公報
しかしながら、上記第１のタイプはもとより、第２の従来の技術を用いたとしても、斜め入射光に対する集光効率は低い。その原因の一つに、導波路内に入射される光の角度が増加することによる導波路内での集光ロス、または混色が生じる、ということがあげられる。これは、次の理由による。つまり、光導波領域の屈折率をｎ１、その周囲の媒質の屈折率をｎ２、導波領域への入射光と法線方向の角度をθとするとき、全反射条件はθ＜ｃｏｓ−１（ｎ２／ｎ１）で与えられる。しかし、θが大きくなると前式を満たすことができなくなり、導波路内での集光ロス、または混色といった問題が発生する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、斜め入射時において、導波路内に入射する光の角度の増加による集光ロスおよび混色の増加を低減し、感度向上に有効な集光素子を備えた固体撮像素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は基板と、前記基板上に配置された複数の単位画素と、前記複数の単位画素上に形成された配線層と、前記単位画素に含まれる光電変換領域上に形成された前記配線層を貫く光導波領域と、前記光導波領域上に形成された集光素子とを備え、前記集光素子は実効屈折率分布を有することを特徴とする。このような構成では、各画素の光導波領域上には屈折率分布型レンズが設けられることにより、光導波領域に入射する光の角度の増加を抑制でき、従来の課題を解決することができる。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記集光素子が、入射光を偏向する機能を備えた第一の領域と、入射光を偏向および集光する機能を備えた第二の領域を有することを特徴とする。このような構成では、光導波領域に入射する光の伝播ロスを低減することができる。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記入射光を偏向する機能を備えた第一の領域が前記集光素子に入射する光の波長以上で、かつ、前記光導波領域の開口幅以下の幅の領域であることを特徴とする。このような構成では、光導波領域の開口に入射する光の漏れを抑制し、さらに伝播ロスを低減することができる。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記集光素子が入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えていることを特徴とする。このような構成では、単位画素毎に実効屈折率分布を容易に最適化でき、設計の自由度が増す。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記光導波領域が異なる光（波長）吸収特性を有する複数種類よりなることを特徴とする。このような構成とすることで、従来技術で必要であった光導波領域とは独立したカラーフィルタ層を除去することに成功し、感度向上に有効である。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記光導波領域を構成する高屈折率媒質は金属酸化物からなり、該屈折率媒質中には、前記金属酸化物に含まれる金属とは異なる材料よりなる、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの粒子がさらに分散されていることを特徴とする。このような構成とすることで、小粒径の金属を含む粒子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吸収と、金属のプラズモン吸収や金属酸化物の電子遷移吸収による優れた色分離特性を持つ光導波領域を実現できる。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記光導波領域が前記第１金属含有粒子として、金、銅、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含む第１の種類の光導波領域と、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１つを含む第２の種類の光導波領域と、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１つを含む第３の種類の光導波領域とを含むことを特徴とする。このような構成とすることで、前記第１の種類の分散粒子を用いると主に赤色領域を、前記第２の種類の分散粒子を用いると主に緑色領域を、前記第３の種類の分散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、前記第１、２、３の種類の分散粒子を混合し、かつ、その割合を選択することにより任意領域の色特性を実現できる。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記集光素子が光電変換領域ごとに異なる複数の種類の分光機能を有し、前記集光素子には金属を含む第２金属含有粒子が分散されていることを特徴とする。このような構成とすることで、従来技術で必要であった光導波領域とは独立したカラーフィルタ層を除去することに成功し、感度向上に有効である。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記集光素子が屈折率１．４以上の該固体撮像素子が受光する可視光から赤外光を５０％以上透過する媒質であって、かつ、前記媒質中に粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの前記第２金属含有粒子を含むことを特徴とする。このような構成とすることで、小粒径の金属を含む粒子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吸収と、金属のプラズモン吸収や金属酸化物の電子遷移吸収による優れた色分離特性を持つ光導波領域を実現できる。
さらに上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、前記集光素子が前記第２金属含有粒子として、金、銅、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含む第１の種類の集光素子と、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１つを含む第２の種類の集光素子と、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１つを含む第３の種類の集光素子とを含むことを特徴とする。このような構成とすることで、前記第１の種類の分散粒子を用いると主に赤色領域を、前記第２の種類の分散粒子を用いると主に緑色領域を、前記第３の種類の分散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、前記第１、２、３の種類の分散粒子を混合し、かつ、その割合を選択することにより任意領域の色特性を実現できる。
以上のように本発明によれば、斜め入射時において、光導波領域に入射する光の角度の増加による集光ロスおよび混色の増加を低減し、感度向上に有効な集光素子を備えた固体撮像素子を実現できる。
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。例えば、集光素子（屈折率分布型マイクロレンズ）は、入射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た集光素子であるが、フレネルレンズであっても構わない。
（実施の形態１）
まず、本発明の第１の実施の形態（実施の形態１）に係る固体撮像素子について説明する。
図１は本実施の形態１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を構成する各画素の□サイズは、例えば、１．７５μｍ角であり、この固体撮像素子５１は、集光素子（屈折率分布型マイクロレンズ）５０１、カラーフィルタ２、層間絶縁膜３、配線層４、光電変換領域（Ｓｉフォトダイオード）５、Ｓｉ基板６より形成されており、各光電変換領域５上の層間絶縁膜３内には、配線層４を貫く光導波領域（光導波路）４０１が形成されている。ここで、光導波領域４０１は光透過膜であるＳｉＮ（ｎ＝２．０（ｎは屈折率、以下同様。））で形成され、集光素子５０１は、光透過膜である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、ＳｉＯ2の膜厚は、例えば、１．２μｍである。つまり、集光素子５０１は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備える屈折率分布型マイクロレンズである。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ、従来技術に係る固体撮像素子および本実施の形態１に係る固体撮像素子の光伝播シミュレーション結果を示すものである。ここでは、入射角度が０度（左図）と４５度（右図）における光伝播方向が示されている。従来技術における固体撮像素子では（図２（ａ））、入射角度４５度で入射した光が斜めに光導波領域に入射しているのに対し（図２（ａ）の右図）、本実施の形態における固体撮像素子では（図２（ｂ））、入射角度４５度で入射した光がほぼ直進しながら光導波領域に入射している（図２（ｂ）の右図）。つまり、図２（ａ）に示されるように、従来のオンチップレンズ搭載固体撮像素子では、入射角度が増加した場合、光導波領域に入射する光の角度も増加する。これによって、光導波領域内の伝播ロスが生じる。それに対し、図２（ｂ）に示されるように、本発明に係る固体撮像素子５１では、入射角度が増加した場合でも、光導波領域４０１に入射する角度を低減し、伝播ロスを低減できる。
図３は、本実施の形態１に係る固体撮像素子５１の集光効率を示したものである。また、従来構造の集光効率も比較として示す。ここで、集光効率とは光電変換領域に入射された光量を単位画素内に入射した光量で割った値である。図３の横軸は、入射光の角度θ（度）を表し、縦軸は、集光効率を表している。図３より、本実施の形態１に係る固体撮像素子５１では、入射角度０〜４５度の全域において、従来構造よりも高い集光効率を示し、４５度入射時で従来構造と比較して集光効率が約１．６倍と大幅に向上している。なお、集光素子５０１の焦点距離は、光導波領域内の中心付近に設定している。これによって、導波路領域に入射する光の角度を極力抑え、高い集光効率を得ることができる。
図４（ａ）〜図４（ｄ）および図５（ａ）〜図５（ｆ）は、それぞれ、本実施の形態１に係る光導波領域４０１および集光素子５０１の作製工程を示す図である。なお、図５（ａ）〜図５（ｆ）では、本実施の形態１に係る固体撮像素子５１の上層部（カラーフィルタ２から上の層）だけが図示されている。
まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板６上に光電変換領域５、層間絶縁膜３、配線層４（上記図４では、その詳細については図示していない）を形成する。また、これらを半導体集積回路８と略称する。
次に、図４（ａ）に示すように各単位画素の光電変換領域５上、光導波領域４０１形成領域に開口７０１をドライエッチングにより形成する。その後に、ＣＶＤ装置を用いて、光導波路媒質ＳｉＮ膜を形成する（図４（ｂ））。開口７０１を光導波路媒質で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図４（ｃ）のように光導波領域４０１が完成する。その後、通常の半導体プロセスを用いて、カラーフィルタ２を形成する（図４（ｄ））。
続いて、集光素子５０１を形成するために、まず、ＣＶＤ装置を用いて、カラーフィルタ２上に、ＳｉＯ2膜１２を形成し、その上にレジスト（光透過膜）１３を塗布する（図５（ａ））。その後、光露光１４によって、パターニングを行う（図５（ｂ））。ＳｉＯ2膜とレジストの厚みはそれぞれ、１．２μｍと０．５μｍである。現像した後、エッチング１５を行い、画素表面に同心円構造を形成する（図５（ｃ））。レジストを除去した後、Ｂｏｔｔｏｍ Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏａｔｉｎｇ（ＢＡＲＣ）材料１６を埋め込み、平坦化する（図５（ｄ））。レジストを塗布した後、再び光露光１４によって、パターニングを行う（図５（ｅ））。エッチングの後、レジストとＢＡＲＣ材料を取り除くことで集光素子５０１を形成することができる（図５（ｆ））。
なお、以上の本実施の形態１に係る集光素子５０１の製造工程では、同心円の線幅が０．１μｍ程度の微細な構造であるため、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。
以上のように、本実施の形態の固体撮像素子では、各画素の光導波領域上には屈折率分布型レンズが設けられるので、光導波領域に入射する光の角度の増加が抑制され、その結果、集光ロスおよび混色の増加が低減され、感度向上に有効な集光素子を備えた固体撮像素子が実現される。
（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態（実施の形態２）に係る固体撮像素子について説明する。
図６は本実施の形態２に係る、固体撮像素子（「単位画素」ともいう。）５２の断面図である。固体撮像素子５２を構成する各画素の□サイズは、例えば、１．７５μｍ角であり、この固体撮像素子５２は、集光素子（屈折率分布型マイクロレンズ）５０２、カラーフィルタ２、層間絶縁膜３、配線層４、光電変換領域（Ｓｉフォトダイオード）５、Ｓｉ基板６より形成されており、各光電変換領域５上の層間絶縁膜３内には、配線層４を貫く光導波領域（光導波路）４０１が形成されている。ここで、光導波領域４０１は光透過膜であるＳｉＮ（ｎ＝２．０）で形成され、集光素子５０２は、光透過膜である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、ＳｉＯ2の膜厚は、例えば、１．２μｍである。つまり、集光素子５０２は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備える屈折率分布型マイクロレンズである。
図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ、本実施の形態２に係る固体撮像素子５２に形成されている集光素子５０２の断面図と屈折率分布を示す図である。図７（ａ）に示される波面から分かるように、本実施の形態２に係る集光素子５０２は、入射光を偏向する機能を備えた第一領域５０２ａと、入射光を偏向および集光する機能を備えた第二領域５０２ｂから形成されている（図７（ｂ））。図７（ｂ）に示されるように、第一領域５０２ａは、集光素子５０２に入射する光の波長以上で、かつ、光導波領域４０１の開口幅以下の幅の領域である。ここで、集光素子５０２の屈折率分布ｎ（ｒ）は以下の式で定義できる。
つまり、第一領域５０２ａの屈折率分布ｎ（ｒ）は以下の式で定義できる。
また、第二の領域５０２ｂの屈折率分布ｎ（ｒ）は以下の式で定義できる。
ただし、
ここで、Ｋ0は波数、ｆは焦点距離、ｎ0は入射側媒質の屈折率、ｎ1は射出側媒質の屈折率、Δｎmaxは光透過膜の屈折率差、θは入射角度であり、Ｄは光導波領域の開口幅である。なお、上記式１および式２において、画素中央からの距離ｒの２次関数で定義されている項は集光成分を、ｒと三角関数で定義されている項は偏向成分をそれぞれ示している。
ここで、入射光を偏向する機能を備えた第一領域５０２ａにおいては、上記式１に示されるように、屈折率分布ｎ（ｒ）はｒの１次式でのみ表されており、集光成分は０である。これによって、第一領域に入射した光は集光されずに平行な波面となる。また、入射光の角度θに対し、屈折率分布ｎ（ｒ）がｓｉｎθに比例した傾きを持つことで、平行な波面を維持したまま入射光を偏向することができる。
図８（ａ）〜図８（ｆ）は、集光素子５０２を構成する、２段同心円構造の各ゾーン領域における高屈折率材料と低屈折率材料の体積比の基本パターン（基本構造）を示す図である。図８（ａ）が最も密な構造、つまり有効屈折率が最も高くなる構造であり、図８（ｂ）から図８（ｆ）になるに従って、有効屈折率は低くなる。このとき、光入射側の上段膜厚ｔ１と基板側の下段膜厚ｔ２は、例えば、それぞれ０．４μｍ、０．８μｍであり、膜厚比（上段／下段）は０．５である。ここで、上記体積比を変化させることにより、有効屈折率を制御することができる。例えば、体積比を高くすれば、基本構造の変化（図８（ａ）→図８（ｆ））による、高屈折率材料の体積減少が大きいため、有効屈折率が高い領域における屈折率の減少が大きくなる。一方、体積比を低くすれば、高屈折率材料の体積減少が小さいため、有効屈折率が低い領域における屈折率の減少が大きくなる。
なお、本実施の形態では、分かりやすく説明するために、図８（ａ）〜図８（ｆ）のような基本構造を例としたが、その他の基本構造を用いても勿論よい。例えば、図８（ｂ）に示される構造と図８（ｃ）に示される構造とを組み合わせた凸形状の基本構造を用いることや、図８（ｂ）に示される構造と図８（ｄ）に示される構造を組み合わせた凹形状の基本構造を用いることもできる。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。
ここで、前記式１および式２で表される放物線はもちろん連続であり、理想的な屈折率分布である。しかしながら、実際の微小光学系（サブミクロン領域）では、連続的な分布を形成することが極めて困難であり、プロセス負荷が非常に大きい。本発明では、レンズの屈折率分布を、入射光波長の半分以下の領域で離散化することによって、同様の効果を得ることに成功している。例えば、図９に示すように等周期（即ち、線幅ｄ０）で屈折率分布の離散化を行う。これによって、基本構造の線幅を一定にすることができ、プロセス条件が画素間で等しくなる。その結果として、プロセスの容易化・高精度化を図ることができる。
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、本実施の形態２に係る固体撮像素子５２の光伝播シミュレーション結果を示すものである。ここでは、比較として実施の形態１の固体撮像素子５１の結果も示されている。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、それぞれ、実施の形態１の固体撮像素子５１における、光が垂直に入射した時の光伝播、光が斜めに入射した時の光伝播、集光素子５０１における波面の拡大図を示す。図１０（ｄ）〜図１０（ｆ）は、それぞれ、本実施の形態２の固体撮像素子５２における、光が垂直に入射した時の光伝播、光が斜めに入射した時の光伝播、集光素子５０２における波面の拡大図を示す。図１０（ｃ）に示されるように、実施の形態１に記載の固体撮像素子５１では、導波路領域内の光の伝播が同心円状となるため光導波領域４０１内で反射を繰り返し伝播する。これによって、光導波領域４０１内の伝播ロスが生じる。それに対し、図１０（ｆ）に示されるように、本実施の形態２に係る固体撮像素子５２では、光導波領域４０１内の光の伝播がほぼ平行な形状となるため、伝播ロスを低減できる。
図１１は、本実施の形態２に係る固体撮像素子５２の集光効率を示したものである。また、実施の形態１の集光効率も比較として示す。図１１より、本実施の形態２に係る固体撮像素子５２では、入射角度０〜４５度の全域において、実施の形態１よりも高い集光効率を示し、０度入射時で実施の形態１と比較して集光効率が約１．２倍に向上している。
以上のように、本実施の形態の固体撮像素子では、各画素の光導波領域上には屈折率分布型レンズの集光素子が設けられ、さらに、その集光素子は、入射光を偏向する機能を備えた第一領域と入射光を偏向および集光する機能を備えた第二領域を有する。これにより、光導波領域に入射する光の伝播ロスがさらに低減される。
（実施の形態３）
次に、本発明の第３の実施の形態（実施の形態３）に係る固体撮像素子について説明する。
図１２は本実施の形態３に係る、固体撮像素子（「単位画素」ともいう。）５３の断面図である。固体撮像素子５３を構成する各画素の□サイズは、例えば、１．７５μｍ角であり、集光素子（屈折率分布型マイクロレンズ）５０３、層間絶縁膜３、配線層４、光電変換領域（Ｓｉフォトダイオード）５、Ｓｉ基板６より形成されている。集光素子５０３は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備える屈折率分布型マイクロレンズである。
各光電変換領域５上の層間絶縁膜３内には、配線層４を貫くように、異なる光（波長）吸収特性を有する複数種類の光導波領域（光導波路）、つまり、赤色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波領域（光導波路）４０２、緑色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波領域（光導波路）４０３、青色波長領域光を透過し、他の波長領域の光を吸収する光導波領域（光導波路）４０４が形成されている。ここで、各光導波領域（光導波路）４０２、４０３、４０４はその周囲を構成するＳｉＯ2の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（例えば、１．８５）を有する有機高分子樹脂媒質よりなり、かつ、各受光波長域の光を５０％以上透過する。さらに、赤色波長を透過する光導波領域４０２には分散粒子として、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：１５ｎｍ）の金粒子が、緑色波長を透過する光導波領域４０３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が、青色波長を透過する光導波領域４０４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が分散されている。なお、各光導波領域（光導波路）４０２、４０３、４０４を構成する高屈折率媒質は、金属酸化物からなっていてもよい。その場合には、該屈折率媒質中には、その金属酸化物に含まれる金属とは異なる金属が含有された金属含有粒子である、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの粒子がさらに分散される。
ここで、各導波領域４０２、４０３、４０４は金属粒子を含むため若干の導電性（１０ｋΩ〜１ＭΩ）を示す。従って、各導波領域４０２、４０３、４０４は、配線層４とは層間絶縁膜３を介して絶縁されていることが好ましい。また、光電変換領域５とも絶縁されていることがより好ましい。本実施の形態では、各導波領域４０２、４０３、４０４と、配線層４および光電変換領域５とは、層間絶縁膜３を介する構成とした。
本実施の形態による固体撮像素子５３の受光感度特性を図１３に示す。本図には、各導波領域４０２、４０３、４０４の夫々に対応する光電変換領域５の受光感度特性（３本のカーブ）が示されている。これら３本のカーブから分かるように、この実施の形態で、赤色領域、緑色領域、青色領域で優れた色分離特性を実現することが可能である。なお、本図が示す特性は、後述する実施の形態４における固体撮像素子の受光感度特性でもある。
図１４は、本実施の形態３に係る固体撮像素子５３の集光効率を示したものである。ここでは、実施の形態１で示した集光効率も比較として示す。ここで、集光効率とは光電変換領域に入射された光量を単位画素内に入射した光量で割った値である。図１４より、本実施の形態３に係る固体撮像素子５３では、入射角度０〜４５度の全域において、実施の形態１で示した固体撮像素子よりも高い集光効率を示し、０度入射時で集光効率が約１．１倍と向上している。上記のように、本実施の形態３に係る固体撮像素子５３により、カラーフィルタの膜厚分、集光素子と光導波領域間の距離を狭め、感度向上を実現した。なお、本実施の形態における固体撮像素子の集光効率は、後述する実施の形態４と同様であるために、本図には、実施の形態４における固体撮像素子の集光効率も併せて示されている。
図１５（ａ）〜図１５（ｆ）および図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、本実施の形態３に係る光導波領域の作製工程を示す図である。まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板６上に光電変換領域５、層間絶縁膜３、配線層４（上記図１５では、その詳細については図示していない）を形成する。
次に、図１５（ａ）に示すように赤色画素のフォトダイオード上、赤色透過導波路形成領域に開口７０２をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と金粒子が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後（図１５（ｂ））、２００℃で焼結する。開口７０２のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口７０１を焼結体で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図１５（ｃ）のように赤色透過光導波領域４０２が完成する。
同様にして、図１５（ｄ）に示すように緑色画素のフォトダイオード上、緑色透過導波路形成領域に開口８０２をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布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が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後（図１５（ｅ））、２００℃で焼結する。開口８０２のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口８０２を焼結体で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図１５（ｆ）のように緑色透過光導波領域４０３が完成する。
同様にして、図１６（ａ）に示すように青色画素のフォトダイオード上、青色透過導波路形成領域に開口９０２をドライエッチングにより形成する。次にホスト樹脂媒質と粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：２０ｎｍ）のコバルトアルミ酸化物が分散された溶媒をスピンコート法によって塗布した後（図１６（ｂ））、２００℃で焼結する。開口９０２のアスペクト比が高いので、本工程を二回繰り返し、開口９０２を焼結体で完全に充填した後、表面研磨によって表面層を除去し、図１６（ｃ）のように緑色透過光導波領域４０４が完成する。
次に、図１６（ｄ）に示すように最表面に層間絶縁膜３を形成し、表面を平坦化した後、実施の形態１と同様に集光素子５０３を形成する。
以上のように、本実施の形態における固体撮像素子では、実施の形態１における特徴に加えて、光導波領域が異なる光（波長）吸収特性を有する複数種類よりなっている。これにより、従来技術で必要であった光導波領域とは独立したカラーフィルタ層が不要となり、実施の形態１の効果に加えて、さらに感度が向上されるという効果が奏される。
なお、赤色波長を透過する光導波領域４０２には、分散粒子として、金だけに限られず、銅、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含む粒子が含有されていてもよい。同様に、緑色波長を透過する光導波領域４０３には、分散粒子として、コバルトチタン酸化物だけに限られず、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１つを含む粒子が含有されていてもよい。同様に、青色波長を透過する光導波領域４０４には、分散粒子として、コバルトアルミ酸化物だけに限られず、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１つを含む粒子が含有されていてもよい。
（実施の形態４）
次に、本発明の第４の実施の形態（実施の形態４）に係る固体撮像素子について説明する。
図１７は本実施の形態に係る、固体撮像素子（「単位画素」ともいう。）５４の断面図である。固体撮像素子５４の□サイズは、例えば、１．７５μｍ角であり、集光素子（屈折率分布型マイクロレンズ）５０４、カラーフィルタ２、層間絶縁膜３、配線層４、光電変換領域（Ｓｉフォトダイオード）５、Ｓｉ基板６より形成されている。各光電変換領域５上の層間絶縁膜３内には、配線層４を貫く光導波領域（光導波路）４０５が形成されている。ここで、光導波領域（光導波路）４０５は光透過膜であるＳｉＮ（ｎ＝２．０）であり、集光素子５０４は、赤色透過領域１１１、緑色透過領域１１２、青色透過領域１１３で構成される。
集光素子５０４は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備える屈折率分布型マイクロレンズであり、本実施の形態では、光電変換領域５ごとに異なる複数の種類の分光機能を有し、金属を含む粒子が分散されている。この集光素子５０４は、屈折率１．４以上の、この固体撮像素子５４が受光する可視光から赤外光を５０％以上透過する媒質であって、かつ、その媒質中に粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの金属含有粒子を含んでいる。具体的には、この集光素子５０４は、光透過膜であるＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）を同心円状に掘り込んだ構造であり、分散粒子として、赤色透過領域１１１には粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：１５ｎｍ）の金が、緑色透過領域１１２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が、青色透過領域１１３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が酸化シリコン中に分散されている。
本実施の形態に固体撮像素子においても実施の形態３で示した集光特性（図１４参照）、および分光特性（図１３）と同様な効果を実現することができる。
図１８（ａ）〜図１８（ｆ）は、本実施の形態４に係る光導波領域４０５の作製工程を示す図である。
まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板６上に光電変換領域５、層間絶縁膜３、配線層４（上記図４では、その詳細については図示していない）を形成する。またこれらを半導体集積回路２４と略称する。
次に、半導体集積回路２４上にＳＯＧ溶液中に分散させた酸化銅粒子溶液をスピンオン法で塗布し、４００℃で焼成し、光吸収材料１２０を形成する。光吸収材料１２０の上にレジスト２２を塗布する。その後、光露光２５によって、レジスト２２をパターニングする（以上、図１８（ａ））。現像した後、ドライエッチ法とウェットエッチ法で、色分離６１を形成し、レジストを除去する（図１８（ｂ））。続いて、ＳＯＧ溶液中に分散させた金粒子溶液をスピンオン法で塗布し、２５０℃で仮焼成し、赤色吸収材料１２１を形成し、レジストを塗布した後、再び光露光によってレジストをパターニングする（図１８（ｃ））。ドライエッチ法やウェットエッチ法で、赤色吸収膜１３１を形成し、レジストを除去し、４００℃で焼成する。
続いて、ＳＯＧ溶液中に分散させたコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物粒子溶液をスピンオン法で塗布し、２５０℃で仮焼成し、緑色吸収材料１２２を形成し、レジストを塗布した後、再び光露光によってレジストをパターニングする（図１８（ｄ））。ドライエッチ法とウェットエッチ法で、緑色吸収膜１３２を形成する。ここで、４００℃焼成をしている赤色吸収膜１３１は、２５０℃焼成のみで十分結晶化していない緑色吸収材料１２２と比べドライエッチレートとウェットエッチレートが低いので、赤色吸収膜１３１はほとんどエッチングされない。その後、レジストを除去し、４００℃で焼成する。
続いて、ＳＯＧ溶液中に分散させたコバルトアルミ酸化物粒子溶液をスピンオン法で塗布し、２５０℃で仮焼成し、青色吸収材料１２３を形成し、レジストを塗布した後、再び光露光によってレジストをパターニングする（図１８（ｅ））。ここで、４００℃焼成をしている赤色吸収膜１３１、緑色吸収膜１３２は、２５０℃焼成のみで十分結晶化していない青色吸収材料１２３と比べドライエッチレートとウェットエッチレートが低いので、赤色吸収膜１３１、緑色吸収膜１３２はほとんどエッチングされない。その後、レジストを除去し、４００℃で焼成する（図１８（ｆ））。
以上のように、本実施の形態における固体撮像素子では、集光素子が光電変換領域ごとに異なる複数の種類の分光機能を有し、それらの集光素子は金属を含む粒子が分散されている。これにより、従来技術で必要であった光導波領域とは独立したカラーフィルタ層が不要となり、実施の形態１の効果に加えて、さらに感度が向上されるという効果が奏される。
なお、集光素子５０４については、上記図１８（ｆ）に示された工程の後、実施の形態１で示した同様の工程により、形成する。
なお、集光素子５０４は、分散粒子として、赤色透過領域１１１には、金だけではなく、銅、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含んでもよい。同様に、緑色透過領域１１２には、コバルトチタンニッケル亜鉛酸化物だけでなく、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１つを含んでもよい。同様に、青色透過領域１１３には、コバルトアルミ酸化物だけでなく、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１つを含んでもよい。
本発明の固体撮像素子は、集光ロスおよび混色の増加が低減され、高感度な集光素子として、例えば、デジタルカメラ、携帯電話などの固体撮像素子として利用可能であり、これらの機器の小型化と撮像画像の画質向上を実現する。
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。 従来と実施の形態１に係る固体撮像素子の集光模様を示す図である。 従来と実施の形態１に係る固体撮像素子の集光特性を示す図である。 実施の形態１に係る固体撮像素子の製造工程を示す図である。 実施の形態１に係る固体撮像素子の製造工程（続き）を示す図である。 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。 実施の形態２に係る集光素子の構造と屈折率分布を示す図である。 実施の形態２に係る集光素子の屈折率分布を形成する基本構造を示す図である。 実施の形態２に係る集光素子の屈折率分布の離散化を示す図である。 実施の形態１、２に係る固体撮像素子の集光模様を示す図である。 実施の形態１、２に係る固体撮像素子の集光特性を示す図である。 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。 実施の形態３、４に係る固体撮像素子の分光特性を示す図である。 実施の形態３、４に係る固体撮像素子の集光特性を示す図である。 実施の形態３に係る固体撮像素子の製造工程を示す図である。 実施の形態３に係る固体撮像素子の製造工程（続き）を示す図である。 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。 実施の形態４に係る固体撮像素子の製造工程を示す図である。 従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。 従来における光導波路の構造例を示す図である。
符号の説明
２ カラーフィルタ
３ 層間絶縁膜
４ 配線層
５ 光電変換領域
６ Ｓｉ基板
８ 半導体集積回路
１２ 光透過膜（ＳｉＯ２）
１３ 光透過膜（ＳｉＮ）
１４ 光露光
１５ エッチング
１６ ＢＡＲＣ材料
２２ レジスト
２４ 半導体集積回路
２５ 光露光
５１〜５３ 固体撮像素子
６１ 色分離
１０１ Ｓｉ基板
１０２ 光電変換領域（フォトダイオード）
１０３ 層間絶縁膜
１０４ 配線層
１０５ カラーフィルタ
１０６ オンチップレンズ
１１１ 赤色透過領域
１１２ 緑色透過領域
１１３ 青色透過領域
１２０ 光吸収材料
１２１ 赤色吸収材料
１２２ 緑色吸収材料
１２３ 青色吸収材料
１３１ 赤色吸収膜
１３２ 緑色吸収膜
１３３ 青色吸収膜
３０１ 光導波領域
４０１ 光導波領域
４０２ 光導波領域（赤色透過）
４０３ 光導波領域（緑色透過）
４０４ 光導波領域（青色透過）
４０５ 光導波領域
５０１、５０２ 集光素子
５０２ａ 第一領域
５０２ｂ 第二領域
５０３、５０４ 集光素子
５０４ 集光素子

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板上に配置された複数の単位画素と、前記複数の単位画素上に形成された配線層と、前記単位画素に含まれる光電変換領域上に形成された前記配線層を貫く光導波領域と、前記光導波領域上に形成された集光素子とを備え、前記集光素子は実効屈折率分布を有することを特徴とする固体撮像素子。
  2. 前記集光素子は、入射光を偏向する機能を備えた第一の領域と、入射光を偏向および集光する機能を備えた第二の領域を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記入射光を偏向する機能を備えた第一の領域は、前記集光素子に入射する光の波長以上で、かつ、前記光導波領域の開口幅以下の幅の領域であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
  5. 前記光導波領域は、異なる光吸収特性を有する複数種類よりなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
  6. 前記光導波領域を構成する高屈折率媒質は金属酸化物からなり、該屈折率媒質中には、前記金属酸化物に含まれる金属とは異なる金属が含有された第１金属含有粒子である、粒径５ｎｍ〜１００ｎｍの粒子がさらに分散されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記光導波領域は、前記第１金属含有粒子として、金、銅、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含む第１の種類の光導波領域と、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１つを含む第２の種類の光導波領域と、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１つを含む第３の種類の光導波領域とを含むことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
  8. 前記集光素子は、光電変換領域ごとに異なる複数の種類の分光機能を有し、前記集光素子には金属を含む第２金属含有粒子が分散されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
  9. 前記集光素子は、屈折率１．４以上の該固体撮像素子が受光する可視光から赤外光を５０％以上透過する媒質であって、かつ、前記媒質中に粒径５ｎｍ〜５０ｎｍの前記第２金属含有粒子を含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
  10. 前記集光素子は、前記第２金属含有粒子として、金、銅、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくとも１つを含む第１の種類の集光素子と、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１つを含む第２の種類の集光素子と、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１つを含む第３の種類の集光素子とを含むことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子。
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