JP5022601B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される集光素子および固体撮像装置に関するものである。
ディジタルカメラやカメラ付携帯電話等の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大している。このような流れの中、固体撮像装置の高解像度化や高感度化はさらに加速していくと考えられる。
現在、固体撮像装置として広く使用されているＣＣＤやＭＯＳ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を２次元状に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。
固体撮像素子の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって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。
従来の一般的な画素の構造の一例を図１に示す。固体撮像装置（青色光用単位画素）７０は、入射光を集光するマイクロレンズ３３、青色（Ｂ）を色分離して透過させるカラーフィルタ２、入射光を電荷に変換する受光素子（Ｓiフォトダイオード）６、電荷を転送するための電気信号伝送部４、Ａl配線３、平坦化層５、およびＳi基板7を備える。赤色（Ｒ）および緑色（Ｇ）用の固体撮像装置についても、カラーフィルタ２のみが異なることを除いて同じ構成である。このような構成は、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３３はほとんど全ての固体撮像装置において使用されている。
一方、フレネルレンズを利用した固体撮像装置として、様々な技術が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
上記特許文献１に開示された技術では、レンズは同心円状に異なる屈折率をもつ複数の層からなり、中心部が最も屈折率が高く、周辺部になるにつれて順に屈折率が減少するように構成されている。また、上記特許文献２に開示された技術では、厚さ分布型レンズと、ドーピングによって連続的に屈折率分布を持たせた分布屈折率型レンズが利用されている。
特開２０００−３９５０３号公報 特開平５−２５１６７３号公報
今後、固体撮像装置の高解像度化や高感度化を進めていくためには、集光効率を損なうことなく、画素を小型化する必要がある。しかしながら、マイクロレンズはマイクロメートルオーダーの非常に微細な構造であり、リフローで自己組織化的に形成されるため、小型化を行おうとする場合、球面形状の形成の制御が非常に困難である。
また、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という問題がある。つまり、図１に示すように、マイクロレンズ３３に垂直に入射する光３５については高効率に集光することができるが、斜めに入射する光３４に対しては十分な集光ができないため集光効率が減少する。
図２は、従来の画素配列の基本構造を示す図である。入射光２６は、光学レンズ２７により焦点距離上に設置された固体撮像装置２８に入射する。固体撮像装置２８は複数の画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央画素と周辺画素とでは入射角が異なる。その結果、周辺の画素の集光効率が中央より低下するという問題が起こる。
図３に従来の周辺部の画素の構造の一例を示す。固体撮像装置８０の周辺部の画素では入射光３４の入射角度が大きくなるため、受光素子６、電気信号伝送部４およびＡl配線３といった電気配線部分を内側（中央）方向にずらす、すなわち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。しかしながら、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。さらに固体撮像装置の製造工程においては、マイクロレンズ３３、受光素子６、電気信号伝送部４およびＡl配線３の位置合わせが必要となる。
そこで、本発明は、固体撮像装置の高解像度化や高画質化を実現するために、マイクロレンズよりも高角度光入射に強い集光素子、および、その集光素子の製造方法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、本発明に係る集光素子は、入射光を集光する集光素子であって、前記入射光が入射する基板と、前記基板上の前記入射光が入射する位置に形成された、光透過膜の集合体とを備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記光透過膜の集合体が実効屈折率分布を生じることを特徴とする。
これにより、マイクロレンズより高角度光入射に強い集光素子を実現することができる。
また、前記光透過膜の集合体において、各光透過膜の線幅が一定であるように構成してもよい。
これにより、集光素子の製造プロセスが容易になることから、精度の高い集光素子を低コストで生産することが可能となる。
また、前記光透過膜が対象とする入射光の波長と同程度、もしくはそれ以下で分割した領域において、前記光透過膜の前記線幅の合計が、より内側のゾーン中心側領域の光透過膜の線幅の合計より小さいことを特徴とする。
これにより、光透過膜の有効屈折率は集光素子の中央から周辺に向かって減少するようになるので、集光特性を有する分布屈折率レンズを実現することができる。
さらに、前記ゾーン形状は同心円でもよい。
また、入射光の波長をλ、焦点距離をｆ、光入射側媒質の屈折率をｎ0、光出射側媒質の屈折率をｎ1、ｍを非負の整数、前記光透過膜の屈折率の最大値をｎ0＋Δｎmaxとした場合において、前記ｎ0に対する差分をΔｎ（ｒ）とするとき、
Δｎ(ｒ)＝Δｎmax［１＋ｍ−ｎ1ｒ2／(２λｆ)］
をほぼ満たすことを特徴とする。
さらに、入射光の波長をλ、焦点距離をｆ、前記分割した領域の幅をａ、光出射側媒質の屈折率をｎ1、ｍを非負の整数、および、フレネルゾーン境界をｒm（すなわち、ｒm 2＝２ｍλｆ／ｎ1を満たす非負の数）とするとき、ｒmより大きくｒm+1より小さいｒを内周の半径ｒとする前記分割領域内の前記光透過膜の前記線幅の合計Ｗは、
Ｗ＝ａ(１＋ｍ−ｎ1ｒ2／(２λｆ))
を満たすことを特徴とする。
これにより、ある波長をもつ入射光の焦点距離を光透過膜の形状のみで指定でき、半導体リソグラフィプロセスで分布屈折率レンズを形成することができる。
また、前記光透過膜の法線方向の高さが一定であることを特徴とする。
これにより、集光素子の膜厚が均一であることから、従来の半導体プレーナープロセスによって集光素子の形成が可能であり、製造コストを低減させることができる。
また、前記光透過膜の法線方向の断面形状が矩形であることを特徴とする。
これにより、正確な屈折率分布を実現することができるため、集光効率が高まる。
また、前記光透過膜は、ＴiＯ2、ＺrＯ2、Ｎb2Ｏ5、Ｔa2Ｏ5、Ｓi3Ｎ4およびＳi2Ｎ3の中のいずれかを含むことを特徴とする。
これらは高屈折率光透過材料であるので、光透過膜の膜厚を薄くすることができ、製造プロセスが容易になる。
さらに、前記光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳiＯ2（ＢＰＳＧ）およびＴＥＯＳの中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、前記光透過膜は、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中のいずれかを含むことを特徴とする。
これらを含む樹脂は直接加工が可能であり、製造コストを低減させることができる。
また、上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、入射光を集光する集光素子と受光素子とを備える単位画素が２次元状に設置された撮像領域を有する固体撮像装置であって、前記集光素子は、前記入射光が入射する基板と、前記基板上の前記入射光が入射する位置に形成された、光透過膜の集合体とを備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記光透過膜の集合体が、前記単位画素内の一点からの距離に対応した一つの放物線で表される実効屈折率分布を生じることを特徴とする。
これにより、マイクロレンズを用いることなく、単位画素の集光効率を向上させることができる。従って、高解像度、高感度な固体撮像装置を実現することができる。
さらに、前記撮像領域の中央付近に配置された前記単位画素の集光素子と、前記撮像領域の周辺付近に配置された単位画素の集光素子とでは、前記光透過膜の線幅が異なることを特徴とする。
これにより、２次元配列したすべての集光素子において、均一な集光効率を得ることができる。
さらに、少なくとも、前記入射光のうち第１の色光用の第１の単位画素と、前記第１の色光の代表波長とは異なる代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、前記第1の単位画素は、第１の集光素子を備え、前記第２の単位画素は、前記第２の色光の焦点距離が前記第１の集光素子の前記第１の色光の焦点距離と等しい第２の集光素子を備え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。
さらに、前記撮像領域の中央付近に配置された前記単位画素の集光素子よりも、前記撮像領域の周辺付近に配置された単位画素の集光素子のほうが、前記単位画素内の前記光透過膜の線幅の合計が少なく、前記単位画素の内の前記放物線で表される実効屈折率分布の変化が大きいことを特徴とする。
これにより、固体撮像装置上の単位画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となり、固体撮像装置のシュリンク構造を緩和させることができる。また、集光素子の製造方法が容易となり、集光素子全体の感度を向上させることもできる。
さらに、前記撮像領域は、当該撮像領域の中央から周辺にかけて複数の同心状の領域で分割され、同一の領域内に属する前記単位画素の前記集光素子の焦点距離は等しく、前記同一の領域外に属する前記単位画素の前記集光素子の焦点距離とは異なることを特徴とする。
これにより、製造プロセスの容易性を失うことなく、入射角を面内で変えることができる。
さらに、前記単位画素は、前記集光素子の出射面側に、受光素子の上部を開口部とする配線層を備え、前記集光素子で集光された光の焦点が、前記配線層の前記開口部の位置と一致していることを特徴とする。
これにより受光面を最大限に使用でき、集光効率が高くなる。
さらに、前記撮像領域の中央付近に配置された前記単位画素では、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、前記撮像領域の周辺付近に配置された前記単位画素では、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撮像領域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、低度のシュリンク構造をとることができ、周辺画素の集光効率がより向上する。
本発明に係る集光素子および固体撮像装置は、同心構造の線幅の合計を変化させることによって、有効屈折率を変化させることができる分布屈折率型集光素子が実現できる。また、ある波長をもつ入射光の焦点距離を形状のみで指定でき、半導体リソグラフィプロセスで分布屈折率レンズを形成できる。また、従来型のレンズよりもより鋭い屈折率変化が生じ、集光効率が高まる。
また、高屈折率材料を用いるため、光透過膜の膜厚を薄くでき、製造プロセスが容易になる。
また、マイクロレンズを用いることなく、画素の集光効率を向上させることができる。従って、高解像度、高感度な固体撮像装置を実現できる。また、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、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。また、入射光の入射角度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、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を無くすことができる。また、受光面を最大限に使用でき、集光効率が高くなる。
また、感度の高い１次元または２次元画像入力装置が実現できる。固体撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となり、固体撮像装置のシュリンク構造を緩和させることができる。また、集光素子の製造方法が容易となり、集光素子全体の感度も向上する。また、プロセスの容易性を失うことなく、入射角を面内で変えることができる。また、低度のシュリンク構造をとることができ、周辺画素の集光効率がより向上する。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態をさらに具体的に説明する。
（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る単位画素の基本構造を示す断面図である。固体撮像装置（青色光用単位画素）７１は、サイズが２．２５μｍ角であり、入射光９を集光する分布屈折率レンズ（「光透過膜の集合体」ともいう。）１、青色光（Ｂ）を色分離して透過させるカラーフィルタ２、入射光を電荷に変換する受光素子（Ｓiフォトダイオード）６、電荷を転送するための電気信号伝送部４、Ａl配線３、平坦化層５、およびＳi基板７を備える。なお、上記分布屈折率レンズ１は、所定の膜厚ｔ（例えば、１μｍ）を有している。
図５は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。同心ゾーン形状を有する光透過膜の集合体１は、高屈折率光透過材料１０１［例えば、ＴiＯ2（ｎ＝２．５３）］と低屈折率光透過材料１０２［例えば、空気(ｎ＝１．０)］で構成されており、複数の隣り合う分割領域の幅１０３は、例えば一定の２００ｎｍである。図５における同心状の高屈折率光透過材料１０１や同心状の低屈折率光透過材料１０２は、それぞれ１つのゾーンを形成する。したがって、分布屈折率レンズ１は、複数のゾーンの集合体でもある。なお、ゾーンの幅を「線幅」ということとする。
ここで、「分割領域」とは、入射光の波長と同程度、もしくはそれ以下の任意の幅で同心状に分割した領域をいう。
図５では、分布屈折率レンズ１の各分割領域（即ち、破線で区切った領域）における高屈折率光透過材料は１つであり、各高屈折率光透過材料のゾーンの外周は各分割領域の外縁と一致している。
なお、図５において、低屈折率光透過材料１０２は空気であるため、上記高屈折率光透過材料間の隙間を構成することとなる。また、低屈折率光透過材料としては、上記空気の代わりに、空気と屈折率が等しい真空でもよい。
図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。図６（ａ）では、分布屈折率レンズ１の各分割領域における高屈折率光透過材料は１つであり、この分割領域の外縁に接するように高屈折率光透過材料が配置されている様子が示されている。図６（ｂ）では、分布屈折率レンズ１の各分割領域における高屈折率光透過材料は１つであり、この分割領域の内縁に接するように高屈折率光透過材料が配置（即ち、この分割領域の外縁に接するように低屈折率光透過材料が配置）されている様子が示されている。
なお、各分割領域において、光透過膜（即ち、ゾーン）の数は複数でもかまわない（図６（ｃ）、（ｄ））。このとき、高屈折率光透過材料の線幅が一定（図６（
ｃ））でもよいし、低屈折率光透過材料の線幅が一定（図６（ｄ））でも勿論よい。また、各分割領域において、光透過膜の断面が貫通していなくてもよい（図６（ｅ））。つまり、図６（ｅ）に示すように。１つの分割領域において、高屈折率光透過材料が「Ｌ字型」に形成され（即ち、低屈折率光透過材料が貫通していなく）、残りの部分に低屈折率光透過材料が形成されていてもよい。この場合、上記図６（ａ）と図６（ｅ）に示されるように、１つの分割領域における高屈折率光透過材料の体積比が同じであれば、これらは同等の屈折率を有するといえる。
図６（ａ）〜（ｄ）においては、いずれの分布屈折率レンズにおいても、各分割領域におけるゾーンの線幅の合計１０４は、その中央部分が最も大きく、外側の分割領域になるに従って、線幅の合計１０４は順に小さくなっていく。即ち、ある外側の分割領域におけるゾーンの線幅の合計は、より内側の分割領域（ゾーン中心側領域）におけるゾーンの線幅の合計より小さい。
また、分布屈折率レンズ１では、対応する分割領域の線幅の合計１０４は同じになっている。すなわち、図６（ｃ）における線幅１０４ａと線幅１０４ｂの合計は、図６（ａ）又は（ｂ）における線幅１０４の長さと等しい。同様に、図６（ｄ）における線幅１５０ａ、線幅１５０ｂおよび線幅１５０ｃの合計は、図６（ｂ）における線幅１５０の長さと等しい。なお、図６（ａ）〜（ｄ）に示す何れの分布屈折率レンズにおいても、膜厚ｔは１μｍで一定である。
上記分割領域の幅が、入射光の波長と同程度かそれより小さいときには、光が感じる有効屈折率ｎeffは、
ｎeff＝｛Ｗ×ｎh＋(ａ−Ｗ)ｎl｝／ａ （１）
で表すことができる。ここで、Ｗは分割領域内の高屈折率光透過材料の線幅（線幅の合計も含む。）、ａは各分割領域の幅、ｎhおよびｎlはそれぞれ高屈折率光透過材料および低屈折率光透過膜材料の屈折率をそれぞれ表している。
図７は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。分布屈折率レンズの屈折率は、中央部分が最も高く、端になるに従って順に低くなるような階段状の特性になる。なお、図７に示す放物線は、波長λ（５５０ｎｍ）の入射光を焦点距離ｆ（４．４３μｍ）で集光させるための屈折率分布を示しており、次の式で表される（例えば、『光集積回路』、オーム社、西原浩共著、１９９３年８月発行、ｐ.２９９参照）。
Δｎ(ｒ)＝Δｎmax[１＋ｍ−ｎ1ｒ2／(２λｆ)] （２）
ここで、入射光の波長をλ、焦点距離をｆ、光入射側材料（光入射側媒質）の屈折率をｎ0、光出射側材料（光出射側媒質）の屈折率をｎ1、非負の整数をｍ、光透過膜の屈折率の最大値をｎ0＋Δｎmax（この場合、Δｎmaxは１．５３）とし、位置ｒにおける前記ｎ0に対する屈折率の差分をΔｎ（ｒ）とする。
上記の（１）および（２）式から、円形のゾーン形状を有する光透過膜の外周の半径がｒである、当該光透過膜の線幅Ｗは、
Ｗ＝ａ(１＋ｍ−ｎ1ｒ2／(２λｆ)) （３）
を満たす。
ただし、ｍ＝ ０，１，２，・・・
および、ｒm < |ｒ| < ｒm+1であり、
フレネルゾーン境界ｒｍ＞０は、
ｒm 2＝２ｍλｆ／ｎ1
を満たす。なお、本発明に係る分布屈折率レンズの屈折率分布は、各分割領域における放物線の中心値をとるように設計している。
上記の（３）式からも明らかなように、本発明に係る集光素子の最大の特長は、線幅Ｗを変えるだけで入射光の位相を変調することができ、焦点を自由自在に決定できることであり、特定の波長をもつ光に対応した分布屈折率レンズを実現できることである。
例えば、図４に示した実施の形態において、分布屈折率レンズの集光率は約９７％であり、マイクロレンズの場合の集効率９０％よりも高い集光効率を実現している。
以上のように、光透過膜の集合体を構成する光透過材料の線幅の合計を変化させることによって、有効屈折率を変化させることができる分布屈折率型集光素子が実現できる。
（実施の形態２）
図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る単位画素の基本構造を示す図である。固体撮像装置の各画素に垂直に入ってきたＢ光１０、Ｇ光１１およびＲ光１２は、それぞれＢ用分布屈折率レンズ１０５、Ｇ用分布屈折率レンズ１０６およびＲ用分布屈折率レンズ１０７によって集光され、Ｂ用カラーフィルタ１３、Ｇ用カラーフィルタ１４およびＲ用カラーフィルタ１５を通過して、各受光部で電気信号への変換が行われる。本発明に係る分布屈折率レンズ１０５〜１０７では、入射光１０〜１２の波長によって各単位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、色による集光効率の違いはなくなり高効率に集光することができる。すなわち、Ｂ用分布屈折率レンズ１０５では、同心円状の各分割領域における高屈折率光透過材料の線幅（の合計）の減少率が大きい（即ち、外側になるほど光透過膜の線幅が急激に細くなる）のに対して、Ｇ用分布屈折率レンズ１０６、Ｒ用分布屈折率レンズ１０７となるにつれて、緩やかな線幅の減少（即ち、外側の光透過膜でも線幅が急激に細くならない）となっている。これは、上記（２）式にも示したように、屈折率分布が入射光の波長λに反比例するためである。
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。つまり、図９（ｂ）に示した緑用の屈折率変化１７を中心にして、図９（ａ）に示すように波長が短い（青色側）ほど屈折率変化１６は大きく、図９（ｃ）に示すように波長が長い（赤色側）ほどブロードな分布１８を有している。
以上のように、ある波長をもつ入射光の焦点距離を、光透過膜の集合体を形成する光透過材料の線幅のみで制御でき、半導体リソグラフィプロセスを用いて、本発明に係る分布屈折率レンズを形成することが可能となる。
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係る単位画素の基本構造を示す図である。固体撮像装置７２に垂直に入ってきた入射光９は、分布屈折率レンズ１によって集光され、カラーフィルタ２を通過して、受光部（図では省略している。）に到達する。このとき、入射光９の焦点距離１９は、これまでに説明したとおり、各単位画素の集光素子であるレンズの構造によって可変させることができでる。
図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３に係る分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。図１１（ｂ）に示す中焦点用レンズの屈折率変化２１を基準としてこれらを比較してみると、図１１（ａ）に示す短焦点用レンズでは屈折率変化２０が大きく、図１１（ｃ）に示す長焦点レンズでは緩やかな分布２２となっている。本実施の形態における単位画素では、以上の特性を反映させて各分布屈折率レンズの構造を設計している。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３に係る分布屈折率レンズの集光特性を示す図である。図１２（ａ）〜（ｃ）には、焦点距離を２．６６〜４．４７μｍの間で変化させたときの、各単位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が示されている。図１２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の順で設定した焦点距離が長くなるに従って、光束の収束位置（各図の右側に矢印で示している）が受光素子側（即ち、図の上方側）に移行していく様子が確認できる。これは、上記（２）式に従って集光素子のレンズ構造を変化させることによって、焦点距離の制御が可能であることを示唆している。
固体撮像装置の高解像度化を達成するためには、画素の高密度化が必要となる。しかしながら、画素サイズの減少に伴って、受光素子であるフォトダイオードの面積は小さくなるが、Ａl配線の面積はほとんど変わらない。そのため、入射側の配線部分による遮光面積が広くなり（つまり入口が狭くなり）、集光効率は低下する。例えば、画素サイズが２．２５μｍで開口率が２４％程度であるとき、焦点距離を配線部３の開口部に設定することにより、受光部６に到達する光量は増加し、集光効率は著しく改善する。例えば、上記の例では集光効率を９０％にも達する。
以上のように、本発明に係る集光素子は、その構造により入射光の焦点距離が可変となり、各単位画素の構造に適したレンズ設計が可能となる。
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４に係る単位画素の基本構造を示す図である。固体撮像装置７３に特定の角度θで入ってきた入射光９は、分布屈折率レンズ1によって集光され、カラーフィルタ２を通過して、受光部６に到達する。分布屈折率レンズ1のパラメータである焦点距離、波長および膜厚を変化させることによって、高角度入射に強いレンズが形成することが可能である。例えば、本実施の形態では、入射角３０°のＧ光（λ＝５５０ｎｍ）に対して、焦点距離２．９μｍ、レンズ長０．９μｍの分布屈折率レンズを形成している。このときの集光効率は５０％であり、マイクロレンズの約５倍の集光効率となっている。
図１４は、本発明の実施の形態４に係る分布屈折率レンズの集光特性を示す図である。図１４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、従来の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。例えば、入射角度が５°以上になるとマイクロレンズでは集光効率が低下し始めるのに対し、分布屈折率レンズでは１０°程度まで集光効率を９０％に保っている。また、入射角度が２０°ではマイクロレンズでは約３０％であるのに対し、分布屈折率レンズでは７０％以上である。さらに、入射角度が３０°ではマイクロレンズでは約１０％であるのに対し、分布屈折率レンズでは５０％を保っている。
以上のように、本発明に係る固体撮像装置は、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を抑制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。
以上のように、本発明に係る集光素子では、入射光の入射角度によって各単位画素のレンズ構造を最適化させることが可能となり、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を抑制することができる。
（実施の形態５）
図１５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。本固体撮像装置は、３１万画素のＶＧＡを使用している。図１５（ａ）に示すように、信号光２６は光学レンズ２７によって集光され、分布屈折率レンズを有する固体撮像装置２８上に照射される。受光素子および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が２次元状に配列されている固体撮像装置２８においては、中心部分の単位画素と周辺部分の単位画素とでは、光の入射角度が異なる。図１５（ｂ）に示すように、固体撮像装置２８の中心部分の単位画素には入射光３１がほぼ０°で入射するのに対して、図１５（ｃ）に示すように、周辺部分の単位画素には入射光３２が約３０°で入射する。
そこで、本実施の形態では、固体撮像装置２８の中心部分から周辺部分にかけて段階的に４種類の分布屈折率レンズを、同心形状に形成する。それぞれの分布屈折率レンズは、固体撮像装置２８上の単位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する。すなわち、図１５（ｂ）に示すように、中心部分に位置する単位画素の分布屈折率レンズ２９は、通常の構造の分布屈折率レンズであるが、図１５（ｃ）に示すように、周辺部分に位置する画素の分布屈折率レンズ３０は、斜め入射光に対応するため、通常より線幅を小さくすることにより、屈折率変化が大きくなるようにしてある。これにより、角度成分が大きい入射光であっても、そのほとんどが開口部分に到達することができるため、周辺部に位置する画素であっても高い集光効率を達成することができる。
なお、本実施の形態では、半導体集積回路のシュリンクは行っていない。また、４段階でなくても２、３あるいは５段階以上の領域を定義して分布屈折率レンズを最適な形状に形成するようにしても勿論よい。
図１６は、本発明の実施の形態５に係る分布屈折率レンズの集光特性を示す図である。入射角度が増加することは、単位画素の位置が固体撮像装置のより周辺に位置することを示唆している。図１６には本発明の効果の比較として、従来のマイクロレンズ構造における集光効率を示し、半導体集積回路のシュリンクを行っている固体撮像装置のデータを併記して示している。図１６からも明らかなように、本発明に係る分布屈折率レンズを有する固体撮像装置では、シュリンクを行っていないにもかかわらず、シュリンクを行っている固体撮像装置と同程度の、例えば入射角度が３０°でも５０％程度という集光効率を達成している。さらに、入射角度が２０°以内では、シュリンクを行っている固体撮像装置以上の集光効率を得ることに成功している。例えば、入射角度が２０°の場合、シュリンクを行っている固体撮像装置では８０％程度であるのに対して、本発明に係る分布屈折率レンズを有する固体撮像装置では９０％程度という集光効率を達成している。このことはシュリンクフリーの固体撮像装置の製造が可能であることを示唆している。
また、さらに本発明に係る固体撮像装置に対して、低度のシュリンクを施す対応をするだけで、集光効率が画素位置に依存しない高感度の固体撮像装置が実現できることが期待できるので、本発明に係る分布屈折率レンズを有する固体撮像装置の有用性は極めて高い。
（実施の形態６）
図１７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１〜５に係る固体撮像装置の製造工程を示す図である。以下に説明するように、本発明に係る分布屈折率レンズの形成はナノインプリンティングとエッチングによって行う。
図１７（ａ）に示すように、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、信号伝送部等（図１７では省略している。）からなる半導体集積回路８、カラーフィルタ２および平坦化層５を順次形成する。なお、１画素のサイズは、２．２５μｍ角であり、受光部は１．１μｍ角である。
その後にプラズマＣＶＤを用いて、平坦化層５の上部にＴiＯ2膜２０１を形成し、その上部にレジスト２００を塗布する。なお、ＴiＯ2膜２０１とレジスト２００の厚みはそれぞれ０．８μｍと１μｍである。
次に、図１７（ｂ）に示すように、同心円構造をパターニングしてあるＳiＣ製のモールド（金型）２０２を、レジスト２００に１５０℃で加熱プレスすることによって、微細構造をレジスト２００上に転写する。なお、モールドは通常の電子線ビームリソグラフィーとエッチングによって形成したものである。
その後、図１７（ｃ）に示すように、1８０℃でポストベークを行った後、Ａrイオンミリングによって、第１段階のエッチング２０３を行う。次に、図１７（ｄ）に示すように、レジスト２００を除去した後、ウェットエッチング２０４によって画素上に同心円構造を有する分布屈折率レンズを形成する。以上の工程により本発明に係る固体撮像装置が形成できる。
このように、本発明に係る集光素子の製造方法により、微細な同心構造を容易に大量形成することが可能となる。また各画素間の相対位置のズレがなくなり、調整作業の工程が減り、集光素子の低価格化が実現できる。また、本分布屈折率レンズは、レンズ膜厚を一定としているため、上記製造プロセスが容易に行うことができ、製造コストダウンが可能である。また、本分布屈折率レンズは、法線方向の断面形状が矩形である。
以上で説明を行った実施の形態２〜５におけるレンズは、最小加工寸法１ｎｍ以下の金型を用いたナノプリンティング法によって形成しており、ＴiＯ2と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズである。
また、光透過膜は、屈折率が１．４５以上３．４以下の高屈折透明材料を用いるのが望ましい。さらに、光透過膜は、ＴiＯ2（屈折率２．３〜２．５５）、ＺrＯ2（２．０５）、Ｎｂ2Ｏ5（２．２）、Ｔa2Ｏ5（２．１）、Ｓi3Ｎ4（２．０）およびＳi2Ｎ3の中のいずれかを用いるのが望ましい。これらは高屈折率材料であるため、光透過膜の膜厚を薄くでき、製造プロセスが容易になる。
また、光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳiＯ2（ＢＰＳＧ(Boro-Phospho Ｓilicated Glass)）およびＴＥＯＳ（TetraethoxySilane）の中のいずれかを用いるのが望ましい。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、光透過膜は、ベンゾシクロブテン（１．５）、ポリメタクリル酸メチル（１．５５）、ポリアミド（１．５３）およびポリイミド（１．５８）の中のいずれかを用いるのが望ましい。樹脂は直接加工でき、ナノインプリントで直接集光素子を形成できるため、量産性が高まる。
なお、上記実施の形態１〜５では、ＣＣＤを用いているが、ＭＯＳセンサを用いても勿論よい。また、説明を行った分布屈折率レンズと同じ特性をもつ、他の材料によって形成された分布屈折率レンズを用いても勿論よい。また、以上で説明した方法以外の製造方法を用いて分布屈折率レンズを製造しても勿論よい。また、低屈折率材料には空気を用いたが、他の材料を用いてもよい。
また、光透過膜の形状は円でなくても多角形や楕円などのその他の同心形状であっても勿論よい。また、本発明のレンズを搭載したセンサをシュリンク構造としても勿論よい。
本発明に係る集光素子および固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話等に利用が可能であり、性能向上や低価格化も実現できるため、産業上有用である。
従来の固体撮像装置の基本構造を示す断面図である。 従来の画素配列の基本構造を示す図である。 従来の画素の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る単位画素の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態１に係る分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る単位画素の基本構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る単位画素の基本構造を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３に係る分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態３に係る分布屈折率レンズの集光特性（シミュレーション結果）を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る単位画素の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る分布屈折率レンズの集光特性を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態５に係る固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る分布屈折率レンズの集光特性を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１〜５に係る固体撮像装置の製造工程を示す図である。
符号の説明
１、１ａ、１ｂ 分布屈折率レンズ
２ カラーフィルタ
３ Ａl配線
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、２６ 入射光
１３ Ｂ光用カラーフィルタ
１４ Ｇ光用カラーフィルタ
１５ Ｒ光用カラーフィルタ
１６ Ｂ光用レンズの屈折率分布
１７ Ｇ光用レンズの屈折率分布
１８ Ｒ光用レンズの屈折率分布
１９ 焦点距離
２０ 短焦点用レンズの屈折率分布
２１ 中焦点用レンズの屈折率分布
２２ 長焦点用レンズの屈折率分布
２７ 光学レンズ
２８ 固体撮像装置
２９ 中心部の画素用の分布屈折率レンズ
３０ 周辺部の画素用の分布屈折率レンズ
３１ 入射光（中心部）
３２ 入射光（周辺部）
３３ マイクロレンズ
３４ 入射光（斜め入射）
３５ 入射光（垂直入射）
７０〜７３、８０ 固体撮像装置
１０１ 高屈折率材料（ＴiＯ2）
１０２ 低屈折率材料（空気）
１０３ 隣り合う分割領域の幅
１０４ ゾーンの線幅（合計）
１０４ａ、１０４ｂ ゾーンの線幅
１０５ Ｂ光用分布屈折率レンズ
１０６ Ｇ光用分布屈折率レンズ
１０７ Ｒ光用分布屈折率レンズ
１５０ ゾーンの線幅（合計）
１５０ａ〜１５０ｃ ゾーンの線幅
２００ レジスト
２０１ ＴiＯ2
２０２ 金型
２０３ Ａrイオンミリング
２０４ ウェットエッチング

Claims (5)

  1. 入射光を集光する集光素子と受光素子とを備える単位画素が２次元状に設置された撮像領域を有する固体撮像装置であって、
    前記集光素子は、
    光透過膜の集合体を備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記光透過膜の集合体が、前記単位画素内の一点からの距離に対応した一つの放物線で表される実効屈折率分布を生じ、
    前記撮像領域の中央付近に配置された前記単位画素の集光素子と、前記撮像領域の周辺付近に配置された単位画素の集光素子とでは、前記光透過膜の線幅が異なり、
    前記撮像領域の中央付近に配置された前記単位画素の集光素子よりも、前記撮像領域の周辺付近に配置された単位画素の集光素子のほうが、前記単位画素内の前記光透過膜の線幅の合計が少なく、前記単位画素の内の前記放物線で表される実効屈折率分布の変化が大きい
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 少なくとも、前記入射光のうち第１の色光用の第１の単位画素と、
    前記第１の色光の代表波長とは異なる代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、
    前記第1の単位画素は、第１の集光素子を備え、
    前記第２の単位画素は、前記第２の色光の焦点距離が前記第１の集光素子の前記第１の色光の焦点距離と等しい第２の集光素子を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記撮像領域は、当該撮像領域の中央から周辺にかけて複数の同心状の領域で分割され、同一の領域内に属する前記単位画素の前記集光素子の焦点距離は等しく、前記同一の領域外に属する前記単位画素の前記集光素子の焦点距離とは異なる
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  4. さらに、前記単位画素は、
    前記集光素子の出射面側に、受光素子の上部を開口部とする配線層を備え、
    前記集光素子で集光された光の焦点が、前記配線層の前記開口部の位置と一致している
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  5. 前記撮像領域の中央付近に配置された前記単位画素では、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、前記撮像領域の周辺付近に配置された前記単位画素では、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撮像領域の中央寄りに形成されている
    ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
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