JP4456040B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される固体撮像装置およびその製造方法等に関するものである。

イメージセンサ関連製品（ディジタルカメラやカメラ付携帯電話など）の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。このような流れの中、固体撮像装置に対する要望は高感度化／高画素化とともに、広角度化へと変化している。これは、デジタルスチルカメラや携帯電話などの薄型化に伴う、カメラモジュール部分の薄型化に起因している。カメラ光学系の縮小は、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光は広角（即ち、固体撮像装置を構成する固体撮像素子の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。

現在、固体撮像装置として広く使用されているＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサでは、複数の受光部分を有する半導体集積回路である固体撮像素子（「画素」ともいう。）を２次元に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。

固体撮像素子の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって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。

従来の一般的な固体撮像素子の一例を図３０に示す。マイクロレンズ６０に垂直に入射した光５８（破線で示した光）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ２によって色分離された後、受光部６において電気信号への変換がなされる。従来、比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズはほとんど全ての固体撮像素子において使用されている。

今後、広角入射に対応した固体撮像素子を開発するためには、特定の角度で入射する光を確実に受光素子へと導入する必要がある。

しかしながら、従来のマイクロレンズでは、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり図３０において、マイクロレンズ６０に垂直に入射してくる光５８については高効率に集光することができるが、斜め入射の光５９（実線で示した光）に対しては集光効率が減少するのである。これは、斜め入射の光５９が、固体撮像素子中のＡl配線３に遮光されてしまい、受光素子６まで到達できないためである。

上述したように、固体撮像装置は、複数の画素が２次元配列されて構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、固体撮像装置の中央付近の画素と周辺付近の画素とでは入射角が異なる（図２７参照）。その結果、周辺付近の画素の集光効率が中央付近のものより低下するという問題が起こる。

図２８は、周辺付近における画素の断面図の一例を示す図である。周辺付近のの画素の場合、入射光の入射角度が大きくなるため、電気配線のパターンを内側方向にずらす（シュリンクさせる）ことによって、集光効率の向上を図っている。

図２９にマイクロレンズを用いた固体撮像素子の集光効率の入射角度依存性を示す。入射角度が２０°程度までの光に対しては高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると効率は急激に減少する。結果として、周辺画素の光量は中央部分の約４０％程度であり、素子全体の感度は周辺素子の感度に律速されているのが現状である。また、この値は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、小型カメラのような短焦点光学系への応用が非常に困難になる。さらに製造工程においては、これ以上の回路シュリンクができないといった問題が発生している。

そこで、入射角度の増加に伴う、固体撮像素子の感度減少を防ぐためには、入射角度に対応したマイクロレンズの設計が必要となる。しかしながら、現在の固体撮像素子の画素サイズが２．２μmと非常に微細な構造であるにもかかわらず、今後、将来的には、高画素化のためにより微小なセルサイズが必要とされている。このため、マイクロレンズの加工はサブミクロンオーダーとなり、現行プロセスの熱リフローによる形成は不可能になる。

上述したように、薄型カメラ用の焦点距離が短い光学系（入射角θが大きい光学系）に対応した固体撮像素子を実現するためには、マイクロレンズよりも、微細加工が容易で、高角度光入射に強い、新しい集光素子の開発が必要である。

近年、光リソグラフィならびに電子線リソグラフィに代表されるプレーナープロセス技術の発展に伴い、サブ波長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示している。ある大学の研究グループでは、非球面レンズであるフレネルレンズを、格子状のＳＷＬＬに変化し、集光効果があることをシミュレーションによって実証している（例えば、非特許文献１参照）。手法としては、従来のフレネルレンズ（図２６（ａ））をλ／２ｎ（λ：入射光の波長、n：レンズ材料の屈折率）の領域６１で分割し、各領域において線形近似（図２６（ｂ））ならびに矩形形状への近似（図２６（ｃ））を行うことによって、ＳＷＬＬを形成している。また、同様にサブ波長領域で、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、回折効率の向上を図った報告もある（例えば、特許文献１参照）。

ＳＷＬＬを固体撮像素子用の集光素子と用いることができれば、一般的な半導体プロセスで、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。
D. W. Prather, Opt. Eng. 38 870-878 (1998) 特開２００４−２０９５７号公報

しかしながら、ＳＷＬＬの分割周期（例えば図２６の領域６１）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。上述の方法では、この領域において、さらに構造を微細化（０．０１〜０．１μm）しなければならないため、現在のプロセスでは形成が非常に困難である。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、入射角が大きい光学系に対応し得る高感度な固体撮像装置等を提供することを目的とする。

本発明では、屈折率分布を、入射光波長の半分程度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ができる分布屈折率レンズを考案した。本レンズの構造は、回折光学における共鳴領域と有効屈折率法領域の境界に位置している。このとき、入射光は材料自体の屈折率と、構造に起因して平均化した屈折率（有効屈折率）の両方を感じることになる。結果として、屈折率分布型レンズと膜厚分布型レンズ両方の集光特性を備えることとなり、集光効率は、従来の屈折率分布型レンズよりも高くなる。

また、基本構造の線幅をサブミクロンのオーダーで一定とできるため、プロセス条件（リソ、エッチング等）が画素間で等しくなる。結果として、プロセスの容易化・高精度化が図れる。

上記課題を解決するため、本発明は、集光素子を有する固体撮像素子であって、前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、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、従来の半導体プレーナープロセスを踏襲した集光素子（分布屈折率レンズ）の作製を実現し、高精細な固体撮像素子を容易に提供することができる。

また、前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が凸状に配置されていたり、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が凹状に配置されていたり、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が階段状に配置されていたり、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が矩形状に配置されていてもよい。

また、前記集光素子は、光入射側の構造が光出射側の構造に比べ、有効屈折率が低い疎構造であることを特徴とする。これにより、凸型レンズを形成することができ、集光効率の高いレンズを形成することができる。

また、前記集光素子は、光出射側の構造が光入射側の構造に比べ、有効屈折率が低い疎構造であることを特徴とする。これにより、分布屈折率レンズの作製プロセスを簡素化することができ、製造コストの低減が実現できる。

また、前記集光素子は、入射光の波長をλ、屈折率をｎとした場合に、前記線幅がλ／２ｎ程度であることを特徴とする。これにより、屈折率分布型レンズと膜厚分布型レンズの両方の集光特性を備えることとなり、集光効率は、従来の屈折率分布型レンズより高くすることが可能となる。

また、前記集光素子は、前記線幅が均等であることを特徴とする。これにより、基本構造の線幅を一定にすることができ、作製プロセスの容易化および高精度化を図ることができる。

さらに、前記第２膜厚が前記第１膜厚よりも厚いことを特徴とする。これにより、屈折率分布（低ｎ領域）の再現性を向上させることができる。

また、前記第２膜厚が前記第1膜厚よりも薄いことを特徴とする。これにより、屈折率分布（高ｎ領域）の再現性を向上させることができる。

また、前記集光素子は、屈折率の異なる２種類以上の光透過材料によって構成されていることを特徴とする。これにより、レンズの強度が増加し、コンタミネーションが低減するため、レンズの信頼性を高めることができる。

このとき、前記集光素子は、屈折率差が０．５以下の光透過材料によって構成されていてもよい。これにより、低入射角度時（０〜２０°）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、屈折率差が０．５以上の光透過材料によって構成されていてもよい。これにより、高入射角度時（２０〜４０°）の集光効率は向上させることができる。

また、前記集光素子は、ＴiO₂、ＺrO₂、Ｎb₂O₅、Ｔa₂O₅、Ｓi₃N₄およびＳi₂N₃のいずれかの光透過材料を含むことを特徴とする。これらは高屈折率材料であるため集光素子の膜厚を薄くすることができ、製造プロセスを容易にすることができる。

また、前記集光素子は、ＢまたはＰが添加されたＳiＯ₂（ＢＰＳＧ）およびＴＥＯＳのいずれかを含むことを特徴とする。これらは従来の半導体プロセスで一般的に使用されている材料であるので、集光素子の容易な形成が可能であり、製造コストを低減させることができる。

また、前記集光素子は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドのいずれかを含むことを特徴とする。樹脂は金型を用いて、直接加工できるため、量産性を高めることができる。

また、前記集光素子は、入射光の波長によって、当該集光素子の中心を含む垂直断面における前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜の構造が異なることを特徴とする。これにより、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、色による集光効率の違いを無くすことができる。

また、前記集光素子は、さらに、集光された光の焦点距離の設定によって、前記光透過膜の構造が異なることを特徴とする。これにより、入射光の焦点距離が可変となり、各画素構造に適したレンズ設計が可能となる。

さらに、前記集光素子は、前記入射光の入射角度によって、前記光透過膜の構造が異なることを特徴とする。これにより、入射角度に対応した集光素子を形成することができ、広角入射に強い固体撮像素子を実現することができる。

また、前記集光素子は、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜を層内レンズとして有することを特徴とする。これにより、レンズの強度を増加させることができる。

また、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜は、その断面がテーパ構造であることを特徴とする。これにより、断面方向の屈折率変化が連続的になり、表面での反射成分が小さくなるため、集光効率を向上させることができる。

さらに、前記一のゾーン領域においては、前記上段光透過膜の位置と前記下段光透過膜の位置が、所定の合わせずれマージン分ずれていることを特徴とする。これにより、前記集光素子を構成する上段光透過膜と下段光透過膜について、予め合わせずれマージンを考慮して配置するため、上段光透過膜と下段光透過膜の合わせずれに伴う弊害を軽減し、その結果として、プロセスの容易化を図ることができる。

また、集光素子を備える単位画素が２次元状に配置された固体撮像装置であって、前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、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、集光効率の高い集光素子を備える固体撮像装置を提供することができる。

また、前記集光素子の前記同心構造における中心が、前記単位画素の中心とずれていることを特徴とする。これにより、固体撮像素子の感度をより向上させることができる。

また、前記集光素子は、対応する前記単位画素の全領域に形成されていることを特徴とする。これにより、開口率が高くなり、撮像素子の感度を向上させることができる。

また、前記固体撮像装置は、さらに、当該装置の中央に位置する単位画素の集光素子における第１膜厚と第２膜厚の合計より、当該装置の周辺に位置する単位画素の集光素子における第１膜厚と第２膜厚の合計が厚いことを特徴とする。これにより、各画素間における色ムラ、入射光量差を低減させることができる。

さらに、前記固体撮像装置は、さらに、受光素子を備え、当該装置の中央に位置する単位画素では、前記受光素子の中心軸と前記集光素子の中心軸が一致するように形成され、当該装置の周辺に位置する単位画素では、前記受光素子の中心軸より前記集光素子の中心軸が前記面の中央寄りに形成されていることを特徴とする。これにより、レンズ構造が簡単化するとともに、高い集光効率が得られるため、固体撮像素子の感度を向上させることができる。

また、本発明は、所定の膜厚を有する光透過膜を含む集光素子と受光素子とを備える単位画素が２次元状に配置された固体撮像装置の製造方法であって、Ｓi基板上に、受光素子と、配線、遮光層および信号伝送部からなる半導体集積回路とを形成する工程と、前記半導体集積回路上に光透過膜を堆積する工程と、前記光透過膜を同心構造に加工する工程と、加工後の前記光透過膜上にバークとレジストを形成する工程と、前記同心構造の第１膜厚を有する下段光透過膜と第２膜厚を有する上段光透過膜とを形成する工程とを含むことを特徴とする。これにより、従来の半導体プロセスを使用することができるため、製造コストを低減させることができる。

上記レンズ構造を有する固体撮像素子を用いることにより、解像度および感度の向上を図り、製造工程の容易化を実現することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を用いて具体的に説明する。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基本構造を示す図である。図１に示されるように、固体撮像素子（「画素」ともいう。）１００は、そのサイズ□が２．２５μmであり、分布屈折率レンズ１、カラーフィルタ２、Ａl配線３、信号伝送部４、平坦化層５、受光素子（Ｓiフォトダイオード）６、Ｓi基板７を備える（なお、図１に示すように、Ａl配線３〜Ｓi基板７までを「半導体集積回路８」ともいう。）。

また、図２は、上記図１に示す固体撮像素子１００の３次元構造を示す図である。図２では簡単化のために、分布屈折率レンズ１（０°用）、Ａl配線３、受光素子６のみが描がれている。さらに、図２では、２段同心円構造の分布屈折率レンズ１が固体撮像素子１００の１部品として具備されている様子が確認できる。

図３に、上記図１における分布屈折率レンズ１の上面図を示す。この分布屈折率レンズ１の同心円構造は、上記図１のように、膜厚が０．４μｍ（ｔ₁）と０．８μｍ（ｔ₂）の２段同心円構造のＳiＯ₂（ｎ＝２）によって構成されている。なお、本文中では、上段／下段の同心円構造を、上段／下段光透過膜と定義している。図３において、膜厚が１．２μmの部分は「グレー」で示し、膜厚０．８μmの部分は「ドットパターン」で示している。なお、膜厚が０μmの部分は「パターンなし：白」で示している。また、本実施の形態に係る分布屈折率レンズ１は、ＳiＯ₂を同心円形状に掘り込んだ構造であり、周りの媒質は空気（ｎ＝１）である。

ここで、分布屈折率レンズ１を形成する領域は、各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、レンズと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。しかしながら、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。

図４は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズ１のより詳細な断面図の一例である。一般的な分布屈折率レンズでは、その屈折率は光学中心で最も高くなる。図４に示すように、本実施の形態の場合においても、光学中心１４の付近では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、各ゾーン領域の幅（以下「線幅ｄ」という。）１３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、そのゾーン領域内の高屈折率材料（例えば、ＳiＯ₂）と低屈折率材料（例えば、空気）の体積比によって決まる。つまり、ゾーン領域内の高屈折率材料を増やせば有効屈折率は高くなり、ゾーン領域内の高屈折率材料を減らせば、有効屈折率は低くなる。

図５（ａ）〜（ｆ）は、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を示す図である。図５（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、（ｂ）から（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ｔ₁１５と基板側の下段膜厚ｔ₂１６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。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（（ａ）→（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。

本実施の形態では、分りやすく説明するために、図５（ａ）〜（ｆ）のような基本構造を例としたが、その他の構造を用いても勿論よい。例えば、図５（ｃ）と図５（ｂ）とを組み合わせた凸形状の構造を用いたり、図５（ｂ）と図５（ｄ）を組み合わせた凹形状の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。

本発明の最大の特長は、基本構造の組み合わせを変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本実施の形態に係る分布屈折率レンズ１の屈折率の変化は図６の実線のように表される。分布屈折率レンズ１の屈折率は、円中心部分が最も高く、端になるに従って順に低くなる。放物線は、波長λ（５５０nm）の入射光を焦点距離ｆ（３．０μm）で集光させるための屈折率分布を示しており、下の式で表される。
Δｎ(x)＝Δｎ_max［(Ａｘ²＋ＢｘＳinθ)／２π＋Ｃ］ （１）
（Ａ、Ｂ、Ｃ：定数）

ここで、Δｎ_maxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．４３）である。また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ₀、出射側媒質の屈折率をｎ₁とするときに、
Ａ＝−（ｋ₀ｎ₁）／２ｆ （２）
Ｂ＝−ｋ₀ｎ₀ （３）
ｋ₀＝２π／λ （４）
によってパラメータを設定することができる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度、波長ごとにレンズを最適化することが可能となる。なお、上記（１）式において、画素中央からの距離ｘの２次関数で定義されている項は集光成分を、ｘと三角関数の積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、上記（１）式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６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（リソグラフィ、エッチング等）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。

一方、図７に示すように不等周期（即ち、ｄ₁＞ｄ₂＞ｄ₃＞ｄ₄＞ｄ₅）で屈折率分布を離散化してもよい。なお、この場合の各線幅は、屈折率を等分するように定義している。このときの分布屈折率レンズの構造は図８のようになり、線幅の異なるゾーン領域毎に高屈折率材料と低屈折率材料を組み合わせて構成する。本構造の利点は、屈折率分布を等ピッチで分割できるため、屈折率分布の再現性が高く、集光効率の向上が可能となる点である。

なお、上記図３では入射光の角度を０°、分割手法を等ピッチとしたときのレンズ構造であり、光学中心は各画素の中心と一致する。

本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御している。このとき、図９に示すように、上記（１）式でもたらされる位相変調は、第１ゾーン１８だけでなく、第２ゾーン１９、第３ゾーン２０のように、上記（１）式を２πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、１位相毎にゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調１７（実線で示した曲線）と等しくなる。

本発明の第２の特長として、屈折率分布によって発生する集光性を、膜厚分布によって補強できることが挙げられる。一般的に回折光学では、波長に比べて大きい構造をフーリエ光学、波長より小さい構造を有効屈折率法によって体系化でき、前者の場合は光を線として、後者の場合は電磁場として取り扱うことができる。共鳴領域とは、上記２領域の間に位置する領域であり、光の挙動は線と電磁場、どちらの振る舞いも許容されている。

ここで、本発明のレンズ構造は、分割された各ゾーン領域の幅をλ／２ｎ程度に設定しており、共鳴領域と有効屈折率法領域の境界に位置している。このとき、入射光は材料自体の屈折率と、構造に起因して平均化した屈折率（有効屈折率）の両方を感じることになる。結果として、屈折率分布型レンズと膜厚分布型レンズ両方の集光特性を備えることとなり、集光効率は、従来の屈折率分布型レンズよりも高くなる。

図１０（ａ）〜（ｇ）は、分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。分布屈折率レンズは、２段同心円構造とし、その形成は２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、および配線、遮光層、信号伝送部、カラーフィルタからなる半導体集積回路（図１０では描いていない。）を形成する。１画素のサイズは、２．２５μｍ角であり、受光部は１．５μｍ角である。その後に、ＣＶＤ装置を用いて、ＳiＯ₂膜２３を形成し、その上にレジスト２２を塗布する。その後、光露光２５によって、パターニングを行う（以上、図１０（ａ））。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２６を行い（図１０（ｂ））、画素表面に微細構造を形成する（図１０（ｃ））。レジストを除去した後、バークを埋め込み、平坦化する（図１０（ｄ））。レジストを塗布した後、再び光露光２５によってパターニングを行う（図１０（ｅ））。エッチングの後（図１０(ｆ)）、レジストとバークを取り除くことによって本発明のレンズが形成される。（図１０（ｇ））。

本実施の形態では、２段同心円構造のレンズ形成を試みたが、図１０（ａ）〜（ｇ）に示した、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた工程を用いることにより、さらなる段数（即ち、３段以上）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。

以後の実施の形態において、分布屈折率レンズの形成は上述の工程を用いている。

（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係るＶＧＡ使用（３１万画素）の固体撮像素子における画素配列の様子を示す図である。信号光２８は、光学レンズ２９によって集光され、レンズを有する固体撮像素子３０上に照射される。受光素子と配線等からなる半導体集積回路８ならびに分布屈折率レンズ３２（又は３４）が２次元配列されている固体撮像素子においては、中心部分の画素と周辺部分の画素とでは、光の入射角度が異なっている。中心部分では入射光３１がほぼ０°で入射するのに対して、周辺部分では入射光３３が約３０°で入射する。そこで、本実施の形態では、固体撮像素子の中央から周辺部分にかけて、各画素に入射する最も光強度の強い入射光成分に対応する分布屈折率レンズを形成した。それぞれの分布屈折率レンズは、固体撮像素子上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係る、光入射角度（画素位置）に依存した画素の基本構造を示す図である。各分布屈折率レンズ３８、３９又は４０は、入射光に対して上記（１）式で表される屈折率分布を有している。入射窓に入射角０°で入射してくる光３５、入射角α／２°で入射してくる光３６、入射角α°で入射してくる光３７は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ３８、α／２°入射光用分布屈折率レンズ３９、α°入射光用分布屈折率レンズ４０によって集光され、カラーフィルタ２を通過して、受光部で電気信号への変換が行われる。

本実施の形態に係る分布屈折率レンズ３８、３９又は４０では、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能であることから、入射角度による集光効率の違いはなく、高効率に集光することができる。０°入射光用分布屈折率レンズ３８では、同心円の中心が画素中央部分にあるのに対して、入射角度が増加すると、円の中心は光の入射側にシフトしていく。

これは、上記（１）式に示されているように、屈折率分布の２次曲線の最大値が、入射角度の増加に伴って、光入射側にシフトするためである（図１３参照）。このとき、レンズの同心円構造は画素領域に対して非対称となる（図１２（ｂ）、（ｃ）参照）。

また、上記（１）式のパラメータA、Ｂ、K₀の関係から明らかなように、位相変調は対象とする光の波長によって異なる。これは各画素に入射する光の色に応じて、最適なレンズ構造を持つことを意味している。本実施の形態において、波長０.４５μm、０.５５μm、０.６５μmの光を、それぞれの色用のレンズ構造を有する画素に入射した場合、いずれも８０％程度の高い集光効率を示すことがわかっている。

図１４に、入射角度４０°の入射光に対する、画素中における光伝播プロファイルのシミュレーション結果を示す。入射光の伝播方向はレンズ通過時に曲げられ、第１の配線層（遮光層）で焦点を結び、その後受光素子まで伝播していく様子が確認できる。これは、上記（１）式に従って作製した分布屈折率レンズを用いることにより、光を効率よく受光素子へと伝播させることが可能であることを示唆している。

図１５に集光効率の角度依存性を示す。横軸の角度は、固体撮像素子に入射する光の角度を示しており、０°が中心部分の画素に入射する光を、３０°以上が周辺画素に入射する光を意味する。従来のマイクロレンズを用いた固体撮像素子の集光効率が入射角度２０°付近の画素から急激に低下するのに対して、本発明の分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は６０％を保っている。さらに、入射角度が４０°付近の領域では、マイクロレンズの集光効率の４倍となっている。

図１５からも明らかなように、本発明に係る分布屈折率レンズは、マイクロレンズと比較して、入射光の角度依存性に強いことがわかる。これにより、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を緩和することができることから、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系への応用が期待できる。

（実施の形態３）
図１６は、実施の形態３に係る、空気以外の２種類の光透過材料で構成されている分布屈折率レンズを示す図である。空気領域が含まれていないことによって、屈折率変化のダイナミックレンジは低下するが、レンズ表面を平坦にすることができるため、散乱ロスが低減できる。また、レンズの上面にさらに堆層できることから多層膜化への応用が容易になる。さらに、レンズの強度が補強されるため、耐久性も高くなる。本実施の形態では、層内レンズとして用いているが、もちろんトップレンズとして使用しても良い。その際には、レンズをコンタミから守る保護膜としての役割も持つ。

（実施の形態４）
図１７は、実施の形態４に係る凹型構造の分布屈折率レンズを示す図である。本レンズの特長の１点目は、光入射面側の構造が大きく、基板側の構造が小さいということである。このような凹型構造では、レンズ表面の平坦度が高くなるため、入射光の表面での散乱ロスが低下し、集光効率が向上する。また、本レンズの特長の２点目は、作製プロセスの簡素化が可能な点と微細加工の容易化が可能な点である。

図１８（ａ）〜（ｄ）に、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す。レンズ形成は、光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、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路８（図１８では描いていない）を形成する。１画素のサイズは、２.２５μm角であり、受光部は１.５μm角である。その後に、プラズマＣＶＤを用いて、低屈折率材料としてＳiＯ₂膜２３を形成し、その上にレジスト２２を塗布した後、光リソグラフィによってパターニングする（以上、図１８(ａ)）。ＳiＯ₂膜とレジストの厚みはそれぞれ、１．２μm と０.５μmである。上記実施の形態１の図１０に記載した工程と同様に、パターニングとバーク埋め込み、エッチング２６を繰り返し、２段同心円構造を形成する（図１８（ｂ））。レジストとバークを除去した後（図１８（ｃ））、高屈折率材料としてＳiN４２をＣＶＤによって埋め込む（図１８(ｄ)）。最後にレンズ表面を平坦化することによって、ＳiＯ₂中に埋め込まれたＳiNの分布屈折率レンズが形成される。

図１８の工程を採用することにより、比較的に微細加工が容易であるシリカ系材料、樹脂材料をテンプレートとして、一般的に微細加工が困難であるとされている、高屈折率材料（ＳiN、ＴiO₂等）のレンズを形成することができる。また、上段と下段の光透過材料の埋め込みを一括で実行できるため、工程数を減少させ、生産コストを抑えることができる。

図１９に集光効率の角度依存性を示す。従来のマイクロレンズを用いた固体撮像素子の集光効率が入射角度２０°付近の画素から急激に低下するのに対して、本発明に係る分布屈折率レンズでは、周辺画素（４０°領域）においても、集光効率は５０％を保っている。

（実施の形態５）
図２０（ａ）、（ｂ）は、実施の形態５に係る、２種類の材料で構成された分布屈折率型レンズの、画素中における光伝播プロファイルのシミュレーション結果を示す図である（０°入射）。図２０（ａ）は、材料の屈折率差が小さいレンズの場合であり、入射光は第１の配線層（遮光層）で焦点を結び、その後受光素子まで伝播していく様子が確認できる。これは、光を効率よく受光素子へと伝播させることが可能であることを示唆している。それに対して、図２０（ｂ）は、材料の屈折率差が大きいレンズの場合であり、レンズ表面での反射光または散乱光成分が大きくなるため、受光素子に到達する光量は減少している。

図２１に集光効率の角度依存性を示す。上述したように、低角度入射領域では屈折率差の小さいレンズのほうが集光効率は高い。しかしながら、入射角度が大きくなるに従って、屈折率差の大きなレンズのほうが効率は良くなる。これは、屈折率差が大きいほど、光路長（=レンズの屈折率：n×レンズ膜厚：ｔ₀）が長くなり、偏向性が向上するためである。同様の効果は、レンズ膜厚を変化させても得ることができる。

（実施の形態６）
図２２は、実施の形態６に係る、ＶＧＡ使用（３１万画素）の固体撮像素子における画素配列の様子を示す図である。信号光２８は、光学レンズ２９によって集光され、分布屈折率レンズ（ＢＣＢ／ＳiN構成）４６、４７又は４８を有する固体撮像素子３０上に照射される。ＢＣＢ等の樹脂材料は厚膜形成とその後の加工が容易であるため、高集光効率の分布屈折率レンズの形成が可能である。入射角度が小さい中央付近の画素では、レンズ膜厚ｔａは薄く（０．６μm）、入射角度の増加に伴って（周辺画素）、膜厚は厚くなっている。４０°入射用の画素において、レンズ膜厚ｔｃは１．０μmである。入射角度によるレンズの最適化によって、素子全体の感度は向上し、周辺画素における信号強度の減少率は約２０％程度である。

（実施の形態７）
図２３は、実施の形態７に係る、断面がテーパ構造である分布屈折率レンズを示す図である。各ゾーン領域の光透過膜の断面は、光の進行方向に対して線幅が太くなるテーパ構造である。急激な屈折率変化がないため、レンズ表面での散乱や反射が低減でき、効率良く光を画素内に取り込むことができ、集光効率を向上させることができる。また、ゾーン領域ごとの光透過膜の断面を、矩形構造にすると（上記図４参照）、入射光の感じる屈折率変化が大きくなり、レンズの集光性ならびに偏向性が向上する。どちらの構造を用いるかは、固体撮像素子の用途に依存するが、低角度入射光を扱う素子では、取り込み効率が高いテーパ型レンズを、高角度光用の素子では偏向性に優れる矩形型レンズをそれぞれ用いることが望ましい。

（実施の形態８）
図２４（ａ）、（ｂ）は、実施の形態８に係る、リソグラフィ時の合わせずれ対策の様子を示す図である。

本実施の形態に係る分布屈折率レンズでは、段数の数だけ、プロセス時の合わせが必要となる。そのため、図２４（ａ）のように、上段と下段の断面が面一になっている設計の場合（点線囲み部分）、低度の合わせずれによって、パターンの細りまたは消失が発生する。そこで、図２４（ｂ）のように、比較的アスペクト比が高いパターンを、各段で予めずらすように設計することで、合わせ時のパターン崩れを最小限に食い止めることができる。入射光の波長に比例して、合わせマージンを大きくとることができ、λ／４ｎ以下のマージン量であれば、大きな集光効率の低下は観測されない。

（実施の形態９）
図２５は、実施の形態９に係る、シュリンク構造を有する固体撮像素子上にレンズを搭載した場合の断面図である。固体撮像素子をシュリンクさせることにより、レンズの偏向成分を小さくすることができ、位相変調量を減らすことができる。結果として、レンズ設計が容易となり、集光効率は向上する。

なお、上記実施の形態１〜９では、同心円構造の分布屈折率レンズの例を示したが、同心構造であれば、四角形や六角形などの多角形であってもよい。

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、カメラ付携帯電話を始めとするイメージセンサ関連製品の性能向上、低価格化を実現でき、産業上有用である。

実施の形態１における１画素の基本構造を示す図である。 実施の形態１における１画素の３次元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の上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の断面構造を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は実施の形態１における分布屈折率レンズ（等ピッチ）を構成する基本構造を示す図である。 実施の形態１におけるレンズの屈折率分布（等ピッチ）を示す図である。 実施の形態１におけるレンズの屈折率分布（不等ピッチ）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（不等ピッチ）を構成する基本構造を示す図である。 実施の形態１における光の位相変調を示す図である。 （ａ）〜（ｇ）は、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における画素配列の基本構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における、光入射角度に依存した１画素の基本構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における３種類のレンズの屈折率分布を示す図である。 実施の形態２における画素中の光伝播を示す図である。 実施の形態２における固体撮像素子の集光効率を示す図である。 実施の形態３における１画素の基本構造を示す図である。 実施の形態４における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態４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４における固体撮像素子の集光効率を示す図である。 実施の形態５における画素中の光伝播を示す図である。 実施の形態５における固体撮像素子の集光効率を示す図である。 実施の形態６における画素配列の基本構造を示す図である。 実施の形態７における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態８における、リソグラフィ時の合わせずれ対策の様子を示す図である。 実施の形態９における固体撮像素子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。 従来の画素配列の基本構造を示す図である。 従来の固体撮像素子の基本構造を示す図である。 従来のマイクロレンズを用いた固体撮像素子の集光特性を示す図である。 従来の画素の基本構造を示す図である。

符号の説明

１ 分布屈折率レンズ（同心円構造）
２ カラーフィルタ
３ Ａl配線（遮光膜）
４ 電気信号伝送部
５ 平坦化層
６ 受光素子（Ｓiフォトダイオード）
７ Ｓi基板
８ 半導体集積回路
９ 入射光
１０ ＳiＯ₂層（膜厚１．２μm：ｎ＝１．４５）
１１ ＳiＯ₂層（膜厚０．８μm）
１２ ＳiＯ₂層（厚０μm＝空気（ｎ＝１．０）
１３ 等ピッチ（０．２μm）
１４ 光学中心
１５ 総膜厚（１．２μm）
１６ 上段膜厚（０．４μm）
１７ 位相変調
１８ 第１ゾーン
１９ 第２ゾーン
２０ 第３ゾーン
２１ 不等ピッチ
２２ レジスト
２３ ＳiＯ₂
２４ 半導体集積回路
２５ 光リソグラフィ
２６ エッチング
２７ バーク
２８ 入射光
２９ 光学レンズ
３０ 固体撮像素子
３１ 装置中央部の入射光
３２ 装置中央部画素用分布屈折率レンズ
３３ 装置周辺部の入射光
３４ 装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
３５ 入射光（０°入射）
３６ 入射光（α／２°入射）
３７ 入射光（α°入射）
３８ ０°入射光用分布屈折率レンズ
３９ α／２°入射光用分布屈折率レンズ
４０ α°入射光用分布屈折率レンズ
４１ ＳiＯ₂（埋め込み材料）
４２ ＳiＯ₂埋め込み
４３ 入射光（０°入射）
４４ 入射光（α／２°入射）
４５ 入射光（α°入射）
４６ ０°入射光用分布屈折率レンズ(膜厚０．６μm)
４７ α／２°入射光用分布屈折率レンズ(膜厚０．８μm)
４８ α°入射光用分布屈折率レンズ(膜厚１．０μm)
４９ 上層を光学中心内側へシュリンク
５０ 上層を光学中心外側へシュリンク
５１ 斜め入射
５２ シュリンクさせた分布屈折率レンズ
５３ 入射光
５４ 光学レンズ
５５ 固体撮像素子
５６ 斜め入射光
５７ マイクロレンズ
５８ 垂直入射光
５９ 斜め入射光
６０ マイクロレンズ
６１ 領域
１００ 固体撮像素子

Claims (25)

1. 集光素子と受光素子とを備える単位画素が配置された固体撮像素子であって、
   前記集光素子は、前記受光素子に入射する光の波長より短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって制御された有効屈折率分布を有しており、
   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
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が凸状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が凹状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
4. 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が階段状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
5. 前記集光素子の中心を含む垂直断面の一部では、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜が矩形状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
6. 前記集光素子は、光入射側の構造が光出射側の構造に比べ、有効屈折率が低い疎構造である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
7. 前記集光素子は、光出射側の構造が光入射側の構造に比べ、有効屈折率が低い疎構造である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
8. 前記集光素子は、前記受光素子に入射する光の波長をλ、前記光透過膜の屈折率をｎとした場合に、前記線幅がλ／２ｎである
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
9. 前記集光素子は、前記線幅が均等である
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
10. 前記第２膜厚が前記第１膜厚よりも厚い
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
11. 前記第２膜厚が前記第１膜厚よりも薄い
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
12. 前記集光素子は、屈折率の異なる２種類以上の光透過材料によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
13. 前記集光素子は、屈折率差が０．５以下の光透過材料によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子。
14. 前記集光素子は、屈折率差が０．５以上の光透過材料によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子。
15. 前記集光素子は、ＴiO₂、ＺrO₂、Ｎb₂O₅、Ｔa₂O₅、Ｓi₃N₄およびＳi₂N₃のいずれかの光透過材料を含む
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
16. 前記集光素子は、ＢまたはＰが添加されたＳiＯ₂（ＢＰＳＧ）およびＴＥＯＳのいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
17. 前記集光素子は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドのいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
18. 前記集光素子は、前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜を層内レンズとして有する
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
19. 前記上段光透過膜および前記下段光透過膜を組み合わせた光透過膜は、その断面がテーパ構造である
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
20. 前記一のゾーン領域においては、前記上段光透過膜の位置と前記下段光透過膜の位置が、所定の合わせずれマージン分ずれている
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
21. 前記単位画素が２次元状に配置された
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
22. 前記集光素子の前記同心構造における中心が、前記単位画素の中心とずれている
    ことを特徴とする請求項２１記載の固体撮像素子。
23. 前記集光素子は、対応する前記単位画素の全領域に形成されている
    ことを特徴とする請求項２１記載の固体撮像素子。
24. 前記固体撮像素子は、さらに、
    前記固体撮像素子の中央に位置する単位画素の集光素子における第１膜厚と第２膜厚の合計より、前記固体撮像素子の周辺に位置する単位画素の集光素子における第１膜厚と第２膜厚の合計が厚い
    ことを特徴とする請求項２１記載の固体撮像素子。
25. 前記固体撮像素子の中央に位置する単位画素では、前記受光素子の中心軸と前記集光素子の同心構造の中心軸が一致するように形成され、前記固体撮像素子の周辺に位置する単位画素では、前記受光素子の中心軸より前記集光素子の同心構造の中心軸が前記面の中央寄りに形成されている
    ことを特徴とする請求項２１記載の固体撮像素子。