JP6288569B2 - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、固体撮像素子及びその製造方法に関する。
ディジタルカメラ、カメラ付き携帯電話及び車載カメラ等の普及に伴い、固体撮像素子の微細化、高画素化及び高感度化が求められている。固体撮像素子を高感度化するために、複数の画素のそれぞれに、マイクロレンズ等の名称で呼ばれる集光素子を設けることが一般的である。受光素子の表面に焦点を結ぶ集光素子を設けることにより、受光素子への集光効率を向上させることができる。一方、画素領域の中央部と周辺部とでは、画素に入射する光の成分が異なっている。画素領域の中央部では、垂直方向から入射する光が多く、画素領域の周辺部では、斜め方向から入射する光が多くなる。通常の集光素子は、垂直方向から入射する光が焦点に集光されるように設計されている。このため、垂直方向から入射する光は高効率に集光できるが、斜め方向から入射する光の集光効率が低下する。従って、画素領域の周辺部において中央部よりも感度が低下するという問題が生じる。
画素領域の周辺部において感度が低下するという問題を改善するために、画素領域の中央部と周辺部とに異なる形状の凸レンズを設けることが考えられる。しかし、凸レンズの形状をマトリックス内において正確に制御して配置することは非常に困難であり、現実的ではない。このため、屈折率が異なる材料からなる周期構造を用いた、屈折率分布型レンズを用いることが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００６−３５１９７２号公報
しかしながら、屈折率分布型レンズを用いた場合には、焦点距離を十分に短くすることが困難であるという問題がある。屈折率分布型レンズにおいて焦点距離を短くするためには、形成が困難な深い溝が必要となる。従って、屈折率分布型レンズの焦点距離を短くすることは容易ではない。特に、基板の光入射面と反対側の面に配線を設ける裏面照射型（ＢＳＩ）の固体撮像素子においては、焦点距離が長い屈折率分布型レンズの使用は困難である。
本開示の課題は、画素毎の集光効率の均一化及び焦点距離を短くすることが容易な集光素子を備えた固体撮像素子を実現できるようにすることである。
本開示の固体撮像素子の一態様は、基板の画素領域に２次元状に配置された複数の単位画素を備え、前記複数の単位画素のそれぞれは、光電変換部と、入射光を集光する集光素子とを有し、前記集光素子は、前記複数の単位画素のうち前記画素領域の中央部に配置された単位画素に形成された、凸曲面を有する第１の集光素子と、前記複数の単位画素のうち前記画素領域の中央部を除く領域に配置された単位画素に形成された、幅が前記入射光の波長以下である複数の溝部及び凸曲面を有する第２の集光素子とを含み、前記第２の集光素子は、前記基板の平面視において、前記複数の溝部の形成密度が相対的に低い低密度領域と、前記低密度領域よりも前記複数の溝部の形成密度が相対的に高い高密度領域とを有し、前記第２の集光素子の前記低密度領域は、当該第２の集光素子の前記高密度領域よりも前記画素領域の中央部側にして配置されている。
本開示の固体撮像素子の製造方法の第１の態様は、複数の光電変換部が２次元状に配列された画素領域を有する基板を準備する工程と、前記画素領域の上に入射光を集光するための集光素子形成膜を形成する工程と、前記画素領域の中央部を除く領域において、前記集光素子形成膜における前記光電変換部と対応する位置に、前記入射光の波長以下の幅を有する複数の溝部を形成する工程と、前記複数の溝部が形成された後で、前記集光素子形成膜をエッチングすることにより、前記画素領域の中央部において前記複数の溝部を有さない凸曲面の前記集光素子形成膜を備えた第１の集光素子を形成し、前記画素領域の中央部を除く領域において前記複数の溝部を有する凸曲面の前記集光素子形成膜を備えた第２の集光素子を形成する工程とを備え、前記第２の集光素子は、前記基板の平面視において、前記複数の溝部の形成密度が相対的に低い低密度領域と、前記低密度領域よりも前記複数の溝部の形成密度が相対的に高い高密度領域とを有し、前記第２の集光素子の前記低密度領域は、当該第２の集光素子の前記高密度領域よりも前記画素領域の中央部側にして配置されている。
本開示の固体撮像素子の製造方法の第２の態様は、複数の光電変換部が２次元状に配列された画素領域を有する基板を準備する工程と、前記画素領域の上に入射光を集光するための集光素子形成膜を形成する工程と、前記集光素子形成膜をエッチングすることにより、前記集光素子形成膜における前記光電変換部と対応する位置に凸曲面を形成する工程と、前記凸曲面が形成された後に、前記画素領域の中央部を除いて、前記集光素子形成膜に前記入射光の波長以下の幅を有する複数の溝部を形成する工程とを備え、前記複数の溝部を形成する工程では、前記画素領域の中央部に前記複数の溝部を有さない第１の集光素子が形成され、前記画素領域の中央部を除く領域に前記複数の溝部を有する第２の集光素子が形成され、前記第２の集光素子は、前記基板の平面視において、前記複数の溝部の形成密度が相対的に低い低密度領域と、前記低密度領域よりも前記複数の溝部の形成密度が相対的に高い高密度領域とを有し、前記第２の集光素子の前記低密度領域は、当該第２の集光素子の前記高密度領域よりも前記画素領域の中央部側にして配置されている。
本開示の固体撮像素子及びその製造方法によれば、画素毎の集光効率の均一化及び焦点距離を短くすることが容易な集光素子を備えた固体撮像素子を実現できる。
図１は、一実施形態に係る固体撮像素子を示す平面図である。 図２は、一実施形態に係る固体撮像素子を示す断面図である。 図３の（ａ）は、第１の集光素子を示す断面図であり、図３の（ｂ）は、第１の集光素子における屈折率の分布を示す図である。 図４の（ａ）は、第２の集光素子を示す断面図であり、図４の（ｂ）は、第２の集光素子における実効屈折率の分布を示す図であり、図４の（ｃ）は、第２の集光素子と同等の光学特性の集光素子を示す断面図である。 図５は、第２の集光素子の第１の変形例を示す平面図である。 図６は、第２の集光素子の第２の変形例を示す平面図である。 図７は、第２の集光素子の第３の変形例を示す平面図である。 図８は、第２の集光素子の第４の変形例を示す平面図である。 図９は、第２の集光素子の第５の変形例を示す平面図である。 図１０は、一実施形態に係る固体撮像素子の第１の変形例を示す平面図である。 図１１の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１１の（ｂ）は、（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線における断面図である。 図１２の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１２の（ｂ）は、（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線における断面図である。 図１３の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１３の（ｂ）は、（ａ）のＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線における断面図である。 図１４の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１４の（ｂ）は、（ａ）のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線における断面図である。 図１５の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１５の（ｂ）は、（ａ）のＸＶｂ−ＸＶｂ線における断面図である。 図１６の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１６の（ｂ）は、（ａ）のＸＶＩｂ−ＸＶＩｂ線における断面図である。 図１７の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１７の（ｂ）は、（ａ）のＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線における断面図である。 図１８の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法における一工程を示す平面図であり、図１８の（ｂ）は、（ａ）のＸＶＩＩＩｂ−ＸＶＩＩＩｂ線における断面図である。 図１９の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法の変形例における一工程を示す平面図であり、図１９の（ｂ）は、（ａ）のＸＩＸｂ−ＸＩＸｂ線における断面図である。 図２０の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法の変形例における一工程を示す平面図であり、図２０の（ｂ）は、（ａ）のＸＸｂ−ＸＸｂ線における断面図である。 図２１の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法の変形例における一工程を示す平面図であり、図２１の（ｂ）は、（ａ）のＸＸＩｂ−ＸＸＩｂ線における断面図である。 図２２の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法の変形例における一工程を示す平面図であり、図２２の（ｂ）は、（ａ）のＸＸＩＩｂ−ＸＸＩＩｂ線における断面図である。 図２３の（ａ）は、一実施形態の固体撮像素子の製造方法の変形例における一工程を示す平面図であり、図２３の（ｂ）は、（ａ）のＸＸＩＩＩｂ−ＸＸＩＩＩｂ線における断面図である。 図２４は、一実施形態に係る固体撮像素子の第２の変形例を示す断面図である。 図２５は、一実施形態に係る固体撮像素子の第３の変形例を示す断面図である。 図２６は、一実施形態に係る固体撮像素子の第４の変形例を示す断面図である。 図２７は、一実施形態に係る固体撮像素子の第５の変形例を示す平面図である。 図２８は、一実施形態に係る固体撮像素子の第６の変形例を示す平面図である。 図２９は、一実施形態に係る固体撮像素子の第７の変形例を示す平面図である。
本実施形態の固体撮像素子を、図を用いて説明する。
図１は、一実施形態に係る固体撮像素子を示す平面図である。また、図２は、一実施形態に係る固体撮像素子を示す断面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、複数の単位画素１０１が画素領域１００に２次元配列されている。各単位画素１０１の大きさは特に限定されないが、以下においては４μｍ角程度である場合を例として説明する。以下の各図において、構成要素の縮尺は一定ではなく、実際の大きさを反映していない場合がある。
各単位画素１０１は、半導体基板２００に設けられ、光電変換部２０１と、光電変換部２０１に対応して半導体基板２００の一方の面に設けられた集光部２０２と、半導体基板２００の集光部２０２と反対側の面に設けられた配線部２０３とを有している。
光電変換部２０１は、例えば受光素子としてフォトダイオードを含む。集光部２０２は、基板の光入射面の上に、光電変換部２０１と対応して設けられたカラーフィルタ２２１と、カラーフィルタ２２１の上に設けられた第１の集光素子２２２Ａ及び第２の集光素子２２２Ｂとを含む。カラーフィルタ２２１は、例えばベイヤ配列等とすることができる。配線部２０３は、配線２３１と、配線２３１を覆う絶縁膜２３２とを含む。
なお、固体撮像素子の一態様において、複数の単位画素は、基板の一の面に設けられた光電変換部と、基板の光電変換部と反対側の面に設けられた配線部とを含み、第２の集光素子は、基板の一の面の上に設けられていてもよい。
図３の（ａ）は、第１の集光素子を示す断面図であり、図３の（ｂ）は、第１の集光素子における屈折率の分布を示す図である。図１及び図３の（ａ）に示すように、画素領域１００の中央部に設けられた単位画素１０１は、集光素子として通常の凸曲面を有する凸レンズである第１の集光素子２２２Ａを有している。第１の集光素子２２２Ａは、例えば、空気より屈折率が大きい集光素子材料からなる。集光素子材料としては、例えば、酸化シリコンを用いることができる。図３の（ｂ）に示すように、第１の集光素子２２２Ａの屈折率は、全体にわたって一定であり、第１の集光素子２２２Ａに基板面に垂直な方向から入射した光の焦点位置Ｐは、第１の集光素子２２２Ａの中心軸上にある。
図４の（ａ）は、第２の集光素子を示す断面図であり、図４の（ｂ）は、第２の集光素子における実効屈折率の分布を示す図であり、図４の（ｃ）は、第２の集光素子と同等の光学特性の集光素子を示す断面図である。図１及び図４の（ａ）に示すように、画素領域１００の中央部を除く領域に設けられた単位画素１０１は、凸曲面と共に、基板の断面視及び平面視において、互いに略平行な複数の溝部２２２ａを有する第２の集光素子２２２Ｂを有している。第２の集光素子２２２Ｂの溝部２２２ａ以外の部分は、第１の集光素子２２２Ａと同じ集光素子材料により形成されている。溝部２２２ａには通常は空気が満たされている。但し、集光素子材料よりも屈折率が小さい材料が充填されていてもよい。
なお、固体撮像素子の一態様において、複数の溝部２２２ａは、互いに平行して配置されていてもよい。
また、本実施形態では、溝部２２２ａが直線状である例を示しているが、溝部２２２ａは直線状に限られない。しかし、溝部２２２ａを形成するフォトリソグラフィにおいて直線状のパターンであればダイポール照明又は偏光照明等を用いて解像度を向上させることができる。このため、溝部２２２ａを直線状とすることにより、溝部２２２ａの加工が容易となるという利点がある。また、溝部２２２ａを直線状とすることにより、焦点位置Ｐのずれ量ｓを容易に大きくできるという利点もある。
第２の集光素子２２２Ｂにおける溝部２２２ａの形成密度は一定ではなく、１つの第２の集光素子２２２Ｂにおいて、複数の溝部２２２ａは非対称に設けられている。具体的には、第２の集光素子２２２Ｂの一方の側において他方の側よりも溝部２２２ａの形成密度が高い。図４の（ａ）は、紙面に向かって左側を溝部２２２ａの形成密度が相対的に低いＬ領域とし、右側をＬ領域よりも溝部２２２ａの形成密度が相対的に高いＨ領域とした例を示している。Ｈ領域とＬ領域は、第２の集光素子において相対している。溝部２２２ａの形成密度が高いほど、集光素子材料の屈折率と、溝部２２２ａを満たす空気の屈折率との平均化された屈折率である実効屈折率の値が小さくなる。このため、図４の（ｂ）に示すように、第２の集光素子２２２Ｂの実効屈折率は、Ｈ領域側において、Ｌ領域側よりも小さくなるような分布を示す。なお、溝部２２２ａの形成密度とは、第２の集光素子２２２Ｂの単位体積に占める溝部２２２ａの体積の割合である。
溝部２２２ａの幅ｗが十分に狭く、第２の集光素子２２２Ｂに入射する光の波長λ以下である場合には、入射した光は集光素子材料に固有の屈折率ではなく、実効屈折率に応じて屈折する。このため、第２の集光素子２２２Ｂに入射した光は、溝部２２２ａの形成密度に応じた実効屈折率に応じて屈折する。
溝部２２２ａの幅ｗは、好ましくは、λ／２ｎ（但し、λは集光素子に入射する光の波長であり、ｎは集光素子材料の屈折率である。）以下である。第２の集光素子２２２Ｂにおいて影響する光の波長は、空気中の波長λではなく、集光素子材料中における波長λ／ｎである。さらに、集光素子材料が満たされた部分と、空気が満たされた溝部２２２ａとの形成密度比により実効屈折率が平均化されるため、溝部２２２ａの幅をλ／２ｎ以下とすることにより、実効屈折率を効果的に制御することができる。但し、λ／２ｎ以下という条件を満たしていれば、すべての溝部２２２ａの幅は同一でなくてよい。
通常の固体撮像素子の場合、可視光が入射するため、入射光の波長λは、３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ程度である。また、集光素子材料が酸化シリコンである場合には、屈折率ｎは１．４５〜１．５程度である。従って、この場合には、溝部２２２ａの幅ｗは１２０ｎｍ程度よりも狭くすればよい。例えば、溝部２２２ａの幅ｗの最小値を９０ｎｍ程度とすることができる。また、光電変換部２０１に入射する光の波長がカラーフィルタ等により限定される場合には、λをカラーフィルタの透過光の波長とすることができる。例えば、赤色の光が入射する単位画素１０１においては、溝部２２２ａの幅ｗは２７０ｎｍ程度以下であればよい。また、可視光ではなく赤外線センサ等に用いる場合には、溝部２２２ａの幅ｗがさらに広くてもよい。
Ｈ領域においてＬ領域よりも溝部２２２ａの形成密度が高い第２の集光素子２２２Ｂは、図４の（ｃ）に示すようなＨ領域においてＬ領域よりも薄くなった変形レンズと同様の集光特性を有する。その結果、第２の集光素子２２２Ｂに垂直方向から入射した光の焦点位置Ｐは第２の集光素子２２２Ｂの中心軸からｓだけＬ領域側にずれた位置となる。溝部２２２ａが一方向に延びる直線状である場合には、焦点位置Ｐがずれる方向は、溝部２２２ａが延びる方向と直交する方向となる。なお、第２の集光素子２２２Ｂの下面からの距離である焦点深さＤは、第１の集光素子２２２Ａの場合とほぼ同じである。
なお、固体撮像素子の一態様において、第２の集光素子２２２Ｂは、複数の溝部２２２ａの深さが揃っていてもよい。
第２の集光素子２２２Ｂにおける集光位置Ｐの中心軸からのずれ量ｓは、実効屈折率の分布によって決まる。従って、溝部２２２ａの形成密度を高くした方が、ずれ量ｓが大きくなる。
第２の集光素子２２２Ｂの所定の位置だけに一定の密度で溝部２２２ａを設けることにより、所定のずれ量ｓを実現することも可能である。しかし、第２の集光素子２２２Ｂにおける実効屈折率をできるだけ滑らかに変化させた方が、入射光を有効に利用することができる。このため、第２の集光素子２２２Ｂの全体において溝部２２２ａの形成密度が滑らかに変化するように分布を持たせ、実効屈折率を連続的に変化させることが好ましい。
例えば、Ｌ領域側からＨ領域側に向かって次第に溝部２２２ａの形成密度が高くなり、Ｈ領域内において溝部２２２ａの形成密度が最も高くなり、Ｈ領域のＬ領域と反対側に向かって再び溝部２２２ａの形成密度が次第に低くなるようにすることが好ましい。溝部２２２ａの形成密度は、溝部２２２ａの幅、深さ、形成間隔等により変化する。しかし、溝部２２２ａの幅がほぼ一定で、溝部２２２ａの底面の位置が揃っている場合に、溝部２２２ａの形成密度に最も大きく影響するのは、溝部２２２ａの間隔である。このため、溝部２２２ａの間隔を変えることにより溝部２２２ａの形成密度を変化させることができる。従って、図４の（ａ）に示すように、Ｌ領域からＨ領域側に向かって溝部２２２ａの間隔が次第に狭くなり、Ｈ領域内において最も間隔が狭くなり、Ｌ領域と反対側に向かって間隔が次第に広くなるようにすることができる。Ｈ領域内における溝部２２２ａの形成密度が最も高い部分は、必要とする焦点位置Ｐのずれ量ｓに応じて適宜設定すればよいが、通常はＨ領域の中央部よりもＬ領域側とすることができる。つまり、固体撮像素子の一態様において、溝部２２２ａの形成密度は、高密度領域の中央部よりも低密度領域側において高くしてもよい。
さらに、実効屈折率を連続的に変化させる観点から、溝部２２２ａの幅をできるだけ狭くし、刻線密度を高くすることが好ましい。刻線密度を高くすることにより、斜めに入射する光に応じてずれ量ｓを細かく制御することが可能となり、入射光の利用効率を向上できる。また、溝部２２２ａの幅が狭い方が、レンズとして使える表面積を大きくすることができ、入射光の利用効率をより向上できる。
本実施形態において、溝部２２２ａは第２の集光素子２２２Ｂを貫通していないが、溝部２２２ａが第２の集光素子２２２Ｂを貫通していてもよい。溝部２２２ａを深くすることにより溝部２２２ａの形成密度が高くなるため、焦点位置Ｐのずれ量ｓをより大きくすることができる。一方、溝部２２２ａの形成の容易さという観点からは、溝部２２２ａの最大深さを５００ｎｍ程度以下とすることが好ましい。
本実施形態の固体撮像素子は、図１に示すように、画素領域１００の中央部に配置された単位画素１０１は、溝部２２２ａが設けられていない第１の集光素子２２２Ａを有する。一方、画素領域１００の中央部を除く領域に配置された単位画素１０１は、溝部２２２ａが設けられた第２の集光素子２２２Ｂを有している。画素領域１００の周辺部においては、中央部と比べて単位画素１０１に斜めに入射する光が多くなる。このため、垂直方向から入射した光の焦点位置Ｐが単位画素１０１の中心に位置している場合には、集光効率が低下する。しかし、本実施形態の固体撮像素子は、集光位置Ｐを単位画素１０１の中心からずらした第２の集光素子２２２Ｂを有しているため、周辺部に配置された単位画素１０１においても、入射光を効率良く集光できる。
固体撮像素子の一態様において、溝部は、直線状であり、画素領域の中央部と、単位画素の位置とを結ぶ直線に交差する方向に延びていてもよい。
単位画素１０１への光の入射方向は、単位画素１０１の位置により異なる。このため、第２の集光素子２２２Ｂの向きは、単位画素１０１の位置により異なっている。具体的には、溝部２２２ａの形成密度の低いＬ領域が画素領域１００の中央部側になり、溝部２２２ａの形成密度の高いＨ領域が画素領域１００の外側となるように、第２の集光素子２２２Ｂは配置されている。例えば、溝部２２２ａが一方向に延びる直線状である場合には、画素領域１００の中心と単位画素１０１の中心とを結ぶ直線と、溝部２２２ａが延びる方向とが交差するように第２の集光素子２２２Ｂは配置されていてもよい。
集光効率の観点からは、画素領域１００の中心と、単位画素１０１の中心とを結ぶ直線上に焦点位置Ｐが位置するようにすることが理想である。この場合、画素領域１００の中心と、単位画素１０１の中心とを結ぶ直線と、溝部２２２ａの延びる方向とが直交するように、第２の集光素子２２２Ｂが配置されてもよい。しかし、画素領域１００の中心と、単位画素１０１の中心とを結ぶ直線上から焦点位置Ｐが多少ずれていても、焦点位置Ｐが画素領域１００の中心側になるようにすれば集光効率を十分に向上させることができる。
上述したように、画素領域１００の中央部に配置された単位画素１０１と比べて、外側に配置された単位画素１０１ほど斜めに入射する光が多くなる。このため、画素領域１００の中央部付近に配置された単位画素１０１は、焦点位置のずれ量ｓを小さくし、外側に配置された単位画素１０１ほど、第２の集光素子２２２Ｂの焦点位置Ｐのずれ量ｓを大きくすればよい。このため、画素領域１００の外側に配置された単位画素１０１の第２の集光素子２２２Ｂほど溝部２２２ａの単位画素内の平均の形成密度が高くなるようにすればよい。つまり、固体撮像素子の一態様において、溝部２２２ａの単位画素内の平均の形成密度は、画素領域１００の中央部からの距離が小さい単位画素と比べて、画素領域１００の中央部からの距離が大きい単位画素１０１の方が高い構成としてもよい。
ここで、画素領域１００の中央部から外側に向かって溝部２２２ａの形成密度が連続的に変化することが理想である。しかし、画素領域１００を複数のブロックに分割し、ブロック内においては溝部２２２ａの形成密度を同じにし、外側のブロックほど溝部２２２ａの形成密度を高くして、溝部２２２ａの形成密度が段階的に変化するようにしてもよい。
第１の集光素子２２２Ａ及び第２の集光素子２２２Ｂのサイズは、単位画素１０１のサイズ及び集光素子材料の屈折率等により変化する。単位画素１０１が４μｍ角程度である場合には、第１の集光素子２２２Ａは、直径が約４μｍの平面円形状の凸レンズとすることができる。この場合に、集光素子材料に酸化シリコンを用い、曲率半径が２．５μｍとすると、焦点深さＤは約３．５μｍとなる。一方、第２の集光素子２２２Ｂは、第１の集光素子２２２Ａと同様の凸レンズに溝部２２２ａを設ければよい。この場合、第２の集光素子２２２Ｂにおいても焦点深さＤは約３．５μｍとなる。溝部２２２ａのサイズは、例えば最小幅を９０ｎｍ、最大深さを５００ｎｍとすることができる。溝部２２２ａを設ける位置及び溝部２２２ａの形成密度を調整することにより、第２の集光素子２２２Ｂは、焦点位置Ｐのずれ量ｓを１μｍ程度まで変化させることができる。なお、第１の集光素子２２２Ａ及び第２の集光素子２２２Ｂの凸曲面の曲率半径は、１０μｍ程度以下とすることが好ましい。
なお、図１では、溝部２２２ａの両端部が第２の集光素子２２２Ｂの外周に達している構成を例示したが、これに限られない。
図５は、第２の集光素子の第１の変形例を示す平面図である。図５に示すように、第２の集光素子２２２Ｃを、溝部２２２ａの両端部が外周に達していない構成とすることもできる。また、一方の端部が外周に達し、他方の端部が達していない構成とすることもできる。
図６は、第２の集光素子の第２の変形例を示す平面図である。図６に示すように、一方向に延びる直線状の溝部２２２ａではなく、延びる方向が変化する屈曲点を有する溝部２２２ａが設けられた構成の第２の集光素子２２２Ｄとすることもできる。なお、屈曲点の数は、２つに限らず、１つであっても、３つ以上であってもよい。
図７は、第２の集光素子の第３の変形例を示す平面図である。図７に示すように、屈曲点を設ける代わりに、１つの溝部２２２ａの延びる方向は一方向とし、延びる方向が異なる複数の溝部２２２ａを組み合わせた構成の第２の集光素子２２２Ｅとすることもできる。
図８は、第２の集光素子の第４の変形例を示す平面図である。また、図９は、第２の集光素子の第５の変形例を示す平面図である。図７においては、溝部２２２ａが延びる方向が３方向であるが、図８又は図９に示すように、溝部２２２ａが延びる方向が２方向である構成の第２の集光素子２２２Ｆ又は２２２Ｇとすることもできる。また、溝部２２２ａが延びる方向は４方向以上であってもよい。つまり、固体撮像素子の一態様において、第２の集光素子の少なくとも一部において、溝部が延びる方向は、異なる２以上の方向であってもよい。
また、画素領域１００内の位置によって異なる構成の第２の集光素子が設けられていてもよい。
図１０は、一実施形態に係る固体撮像素子の第１の変形例を示す平面図である。図１０に示すように、画素領域１００の対向する辺の中点同士を結ぶ直線上又はその周辺の部分に配置された単位画素１０１には、図５に示すような構成の第２の集光素子２２２Ｃが設けられる。一方、画素領域１００の対角線上又はその周辺の部分に配置された単位画素１０１には、図８に示すような構成の第２の集光素子２２２Ｆが設けられる。また、第２の集光素子２２２Ｃに代えて、第２の集光素子２２２Ｂ、２２２Ｄ又は２２２Ｅとしてもよい。また、第２の集光素子２２２Ｆに代えて第２の集光素子２２２Ｇとしてもよい。
溝部２２２ａが延びる方向が２以上である場合は、各方向のベクトルの和によって、焦点位置Ｐのずれる方向が決まる。このため、互いに異なる方向に延びる溝部２２２ａを組み合わせることにより、画素領域１００内の各位置に細かく対応することが可能となる。
以下において、本実施形態の固体撮像素子の製造方法について図面を参照して説明する。
まず、複数の光電変換部、配線部及び集光素子を除く集光部を有する半導体基板２００を準備する。
次に、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板２００の上に集光素子材料からなる集光素子形成膜２５２を形成する。集光素子形成膜２５２は、例えば、酸化シリコン膜とすることができる。集光素子形成膜２５２の厚さは、必要とする集光素子のサイズに応じて決めればよいが、例えば、１．５μｍとすることができる。
次に、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、集光素子形成膜２５２の上に、レジスト膜２５３を形成する。レジスト膜２５３は、例えば、ポジ型フォトレジストとすることができる。レジスト膜２５３は、例えば、スピンコート法により成膜することができる。レジスト膜２５３の厚さは、例えば、２５０ｎｍ程度とすることができる。
次に、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィを用いてレジスト膜２５３の所定の領域に溝パターン２５３ａを形成する。溝パターン２５３ａの露光には、例えば、波長が１９３ｎｍのアルゴン−フッ素（ＡｒＦ）光源を用いることができる。直線と同じ方向の偏向照明を用いることにより、最小寸法が９０ｎｍ程度の直線状の溝パターン２５３ａを容易に形成することができる。なお、ＡｒＦ光源に代えて波長が２４８ｎｍのクリプトン−フッ素（ＫｒＦ）レーザ光源、波長が１５７ｎｍのフッ素（Ｆ２）レーザ光源等を用いてもよい。また、偏向照明に代えてダイポール照明を用いることもできる。
固体撮像素子の製造方法において、溝部を形成する工程は、集光素子形成膜の上に複数の溝を有する溝パターンを有するレジスト膜を形成し、形成したレジスト膜をマスクとして集光素子形成膜をエッチングし、溝パターンは、ダイポール照明又は偏向照明を用いたフォトリソグラフィにより形成してもよい。
図１３では、溝パターン２５３ａの一例を示している。溝パターン２５３ａを構成する溝の数、間隔、及び方向等は、画素領域１００内の位置に応じて調整する。
次に、図１４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、溝パターン２５３ａを形成したレジスト膜２５３をマスクとして、集光素子形成膜２５２をエッチングし、溝部２２２ａを形成する。この後、レジスト膜２５３を除去する。図１４の（ｂ）には、側壁が略垂直な溝部２２２ａが形成される例を示しているが、溝部２２２ａの側壁が順テーパ又は逆テーパを有していてもよい。
次に、図１５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、集光素子形成膜２５２の上にレジスト膜２５５を形成する。レジスト膜２５５は、例えば、ポジ型フォトレジストとすることができる。レジスト膜２５５は、例えば、スピンコート法により成膜することができる。レジスト膜２５５の厚さは、例えば、１．５μｍ程度とすることができる。
次に、図１６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィを用いてレジスト膜２５５をパターニングする。例えば、レジスト膜２５５を、直径が４．０μｍの円柱状にパターニングすることができる。この場合、露光光源には、例えば、波長が３６５ｎｍのｉ線光源を用いることができる。なお、波長が４３６ｎｍのｇ線光源、ＫｒＦレーザ光源等を用いてもよい。
次に、図１７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、熱板を用いた熱処理により、レジスト膜２５５を変形させて、レンズ状とする。熱処理は、例えば、１９０℃とすることができる。曲率半径は、例えば、２．５μｍとすることができる。
次に、レジスト膜２５５をマスクとして集光素子形成膜２５２をエッチングする。この後、図１８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、レジスト膜２５５を除去する。これにより、画素領域１００の中央部には、溝部２２２ａが設けられていない第１の集光素子２２２Ａが形成され、画素領域の中央部を除く領域には、溝部２２２ａが設けられた第２の集光素子２２２Ｂが形成される。なお、溝部２２２ａの最大深さは５００ｎｍ程度とすることが好ましい。
上記製造方法によれば、溝部２２２ａを形成した後、集光素子をレンズ形状とするため、底面の位置が揃った溝部２２２ａを形成することができる。第２の集光素子２２２Ｂの厚さが厚い部分には深い溝部２２２ａを形成し、厚さが薄い部分には浅い溝部２２２ａを形成することが可能である。つまり、上記製造方法は、微細加工が容易であり、溝部２２２ａを精度良く形成できるという利点がある。但し、溝部２２２ａの底面の位置は揃っていなくてもよい。例えば、第２の集光素子２２２Ｂの表面からの深さが揃った溝部２２２ａを形成することもできる。
例えば、集光素子表面からの深さが揃った溝部２２２ａは、以下のようにして形成することができる。まず、図１９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、光電変換素子等が形成された半導体基板２００の上に集光素子形成膜２５２を形成し、集光素子形成膜２５２の上にレジスト膜２５５を形成する。レジスト膜２５５は、例えば、ポジ型フォトレジストとすることができる。レジスト膜２５５は、例えば、スピンコート法により成膜することができる。
次に、レジスト膜２５５をフォトリソグラフィによりパターニングする。続いて、図２０の（ａ）及び（ｂ）に示すように、熱処理を行いレジスト膜２５５をレンズ状とする。フォトリソグラフィの露光光源には、例えば、ｉ線光源等を用いることができる。熱処理は、例えば、熱板を用いて１９０℃程度で行うことができる。
次に、レジスト膜２５５をマスクとして、集光素子形成膜２５２をエッチングして、集光素子形成膜２５２をレンズ状とする。続いて、レジスト膜２５５を除去して、図２１の（ａ）及び（ｂ）に示す構成を得る。
次に、図２２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、レジスト膜２５３を集光素子形成膜２５２の上に形成し、フォトリソグラフィによりレジスト膜２５３の所定の領域に溝パターン２５３ａを形成する。レジスト膜２５３は、例えば、ポジ型フォトレジストとすることができる。レジスト膜２５３は、例えば、スピンコート法により成膜することができる。レジスト膜２５３の厚さは、例えば、２５０ｎｍ程度とすることができる。溝パターン２５３ａの露光には、例えば、ＡｒＦレーザ光源等を用いることができる。また、直線と同じ方向の偏向照明を用いることにより、最小寸法が９０ｎｍ程度の直線状の溝パターン２５３ａを容易に形成することができる。
次に、レジスト膜２５３をマスクとして集光素子形成膜２５２をエッチングすることにより、溝部２２２ａを形成する。この後、レジスト膜２５３を除去する。これにより、図２３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、画素領域１００の中央部には、溝部２２２ａが設けられていない第１の集光素子２２２Ａが形成される。一方、画素領域１００の中央部を除く領域には、深さが一定の溝部２２２ａが設けられた第２の集光素子２２２Ｂが形成される。
このような製造方法の場合には、レジスト膜２５３に設ける溝パターン２５３ａの形成密度のみで実効屈折率を決定できるため、設計が容易となるという利点がある。
以上の本実施形態に係る製造方法の例においては、集光素子形成膜２５２の加工のために単層レジストを用いているが、反射防止膜等を併用する構成としてもよい。また、集光素子形成膜２５２のエッチングを複数回に別けて行ってもよい。さらに、集光素子形成膜２５２の加工をダブルパターニングにより行ってもよい。例えば、２回の露光と２回のエッチングとを行うＬＥＬＥ（ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ−ＥＴＣＨＩＮＧ―ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ−ＥＴＣＨＩＮＧ）ダブルパターニングを用いることができる。また、露光及びエッチングを複数回としてもよい。また、露光を複数回して現像する方法を用いることもできる。露光及び現像後のレジストパターン又はレジストパターンをエッチングした後のパターンをガイドとして、側壁を成膜してエッチングするＳＡＤＰ（ＳＥＬＦ−ＡＬＩＧＮ−ＤＯＵＢＬＥ−ＰＡＴＴＥＲＮＩＮＧ）を用いることもできる。
以上、裏面照射型の固体撮像素子及びその製造方法について説明したが、本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法は、カラーフィルタ２２１と光電変換部２０１との間に配線部２０３が設けられた表面照射型の固体撮像素子にも適用できる。
図２４は、一実施形態に係る固体撮像素子の第２の変形例を示す断面図である。図２４に示された表面照射型の固体撮像素子において、溝部２２２ａを有する第２の集光素子２２２Ｂを設けることにより、集光効率を向上させることができる。
図２５は、一実施形態に係る固体撮像素子の第３の変形例を示す断面図である。図２５に示すように、カラーフィルタ２２１の上には通常の凸レンズである集光素子２２４が配置され、溝部２２２ａを有する第２の集光素子２２２Ｂが配線部２０３と光電変換部２０１との間に配置された構成としてもよい。
図２６は、一実施形態に係る固体撮像素子の第４の変形例を示す断面図である。図２６に示すように、第２の集光素子２２２Ｂが配線部２０３の中に配置されてもよい。図２５及び図２６に示された構成のように、第２の集光素子２２２Ｂがカラーフィルタ２２１と光電変換部２０１との間に配置された場合にも、集光効率を向上させることができる。これらの構成において、配線部２０３の絶縁膜２３２として、例えば、酸化シリコンを用いる場合には、第２の集光素子２２２Ｂを形成する集光素子材料として、絶縁膜材料より屈折率の高い例えばシリコン窒化膜を用いればよい。これにより、集光機能を有することができる。
また、上記実施の形態及びその変形例では、集光素子の外形が平面円形状である例を示したが、集光素子は、外形が２回以上の回転対称性を有している平面形状であればよい。
図２７は、一実施形態に係る固体撮像素子の第５の変形例を示す平面図であり、図２８は、一実施形態に係る固体撮像素子の第６の変形例を示す平面図であり、図２９は、一実施形態に係る固体撮像素子の第７の変形例を示す平面図である。集光素子の外形は、例えば、図２７に示すような平面正方形状とすることができる。また、図２８に示すような平面楕円形状、又は図２９に示すような平面長方形状とすることもできる。平面楕円形状又は平面長方形状の集光素子は、単位画素１０１の縦横比が異なる場合に有用である。
また、集光素子材料は、シリコン酸化膜に代えて、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４及びＳｉ２Ｎ３等とすることもできる。
本開示の固体撮像素子及びその製造方法は、画素毎の集光効率の均一化及び焦点距離を短くすることが容易な集光素子を容易に実現でき、固体撮像素子及びその製造方法等として有用である。
１００ 画素領域
１０１ 単位画素
２００ 半導体基板
２０１ 光電変換部
２０２ 集光部
２０３ 配線部
２２１ カラーフィルタ
２２２Ａ 第１の集光素子
２２２Ｂ、２２２Ｃ、２２２Ｄ、２２２Ｅ、２２２Ｆ、２２２Ｇ 第２の集光素子
２２２ａ 溝部
２２４ 集光素子
２３１ 配線
２３２ 絶縁膜
２５２ 集光素子形成膜
２５３、２５５ レジスト膜
２５３ａ 溝パターン

Claims (20)

  1. 基板の画素領域に２次元状に配置された複数の単位画素を備え、
    前記複数の単位画素のそれぞれは、光電変換部と、
    入射光を集光する集光素子とを有し、
    前記集光素子は、
    前記複数の単位画素のうち前記画素領域の中央部に配置された単位画素に形成された、凸曲面を有する第１の集光素子と、
    前記複数の単位画素のうち前記画素領域の中央部を除く領域に配置された単位画素に形成された、幅が前記入射光の波長以下である複数の溝部及び凸曲面を有する第２の集光素子とを含み、
    前記第２の集光素子は、前記基板の平面視において、前記複数の溝部の形成密度が相対的に低い低密度領域と、前記低密度領域よりも前記複数の溝部の形成密度が相対的に高い高密度領域とを有し、
    前記第２の集光素子の前記低密度領域は、当該第２の集光素子の前記高密度領域よりも前記画素領域の中央部側にして配置されている、
    固体撮像素子。
  2. λを前記入射光の波長とし、ｎを前記第２の集光素子を形成する材料の屈折率とした場合、
    前記複数の溝部のそれぞれは、幅がλ／２ｎ以下である、
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記複数の溝部の形成密度は、前記高密度領域の中央部よりも前記低密度領域側において高い、
    請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記複数の溝部の形成密度は、前記画素領域の中央部からの距離が小さい単位画素と比べて、前記画素領域の中央部からの距離が大きい単位画素の方が高い、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  5. 前記複数の溝部は、互いに平行して配置されている、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  6. 前記複数の溝部は、直線状であり、前記画素領域の中央部と、前記単位画素の位置とを結ぶ直線に交差する方向に延びている、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  7. 前記第２の集光素子の少なくとも一部において、前記複数の溝部のそれぞれが延びる方向は、異なる２以上の方向である、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  8. 前記集光素子は、平面楕円形状又は平面長方形状である、
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  9. 前記第２の集光素子は、前記複数の溝部の底面の位置が揃っている、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  10. 前記第２の集光素子は、前記複数の溝部の深さが揃っている、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  11. 前記凸曲面は、曲率半径が１０μｍ以下である、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  12. 前記複数の単位画素のそれぞれは、
    前記基板の一の面に設けられた前記光電変換部と、
    前記基板の前記光電変換部と反対側の面に設けられた配線部とを含み、
    前記第２の集光素子は、前記一の面の上に設けられている、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  13. 前記複数の単位画素のそれぞれは、
    前記基板の一の面に設けられた前記光電変換部と、
    前記一の面の上に設けられた配線部と、
    前記配線部の上に設けられたカラーフィルタとを含み、
    前記第２の集光素子は、前記カラーフィルタと前記光電変換部との間に設けられている、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  14. 複数の光電変換部が２次元状に配列された画素領域を有する基板を準備する工程と、
    前記画素領域の上に入射光を集光するための集光素子形成膜を形成する工程と、
    前記画素領域の中央部を除く領域において、前記集光素子形成膜における前記光電変換部と対応する位置に、前記入射光の波長以下の幅を有する複数の溝部を形成する工程と、
    前記複数の溝部が形成された後で、前記集光素子形成膜をエッチングすることにより、前記画素領域の中央部において前記複数の溝部を有さない凸曲面の前記集光素子形成膜を備えた第１の集光素子を形成し、前記画素領域の中央部を除く領域において前記複数の溝部を有する凸曲面の前記集光素子形成膜を備えた第２の集光素子を形成する工程とを備え、
    前記第２の集光素子は、前記基板の平面視において、前記複数の溝部の形成密度が相対的に低い低密度領域と、前記低密度領域よりも前記複数の溝部の形成密度が相対的に高い高密度領域とを有し、
    前記第２の集光素子の前記低密度領域は、当該第２の集光素子の前記高密度領域よりも前記画素領域の中央部側にして配置されている、
    固体撮像素子の製造方法。
  15. 複数の光電変換部が２次元状に配列された画素領域を有する基板を準備する工程と、
    前記画素領域の上に入射光を集光するための集光素子形成膜を形成する工程と、
    前記集光素子形成膜をエッチングすることにより、前記集光素子形成膜における前記光電変換部と対応する位置に凸曲面を形成する工程と、
    前記凸曲面が形成された後に、前記画素領域の中央部を除いて、前記集光素子形成膜に前記入射光の波長以下の幅を有する複数の溝部を形成する工程とを備え、
    前記複数の溝部を形成する工程では、前記画素領域の中央部に前記複数の溝部を有さない第１の集光素子が形成され、前記画素領域の中央部を除く領域に前記複数の溝部を有する第２の集光素子が形成され、
    前記第２の集光素子は、前記基板の平面視において、前記複数の溝部の形成密度が相対的に低い低密度領域と、前記低密度領域よりも前記複数の溝部の形成密度が相対的に高い高密度領域とを有し、
    前記第２の集光素子の前記低密度領域は、当該第２の集光素子の前記高密度領域よりも前記画素領域の中央部側にして配置されている、
    固体撮像素子の製造方法。
  16. 前記複数の溝部を形成する工程では、λを前記入射光の波長とし、ｎを前記第２の集光素子を形成する材料の屈折率とした場合、前記複数の溝部のそれぞれの幅がλ／２ｎ以下となるように前記複数の溝部を形成する、
    請求項１４又は１５に記載の固体撮像素子の製造方法。
  17. 前記複数の溝部を形成する工程では、前記複数の溝部の形成密度が、前記高密度領域の中央部よりも前記低密度領域側において高くなるよう前記複数の溝部を形成する、
    請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
  18. 前記複数の溝部を形成する工程では、前記第２の集光素子における前記複数の溝部の形成密度が、前記画素領域の中央部からの距離が小さい単位画素と比べて、前記画素領域の中央部からの距離が大きい単位画素の方が高くなるよう前記複数の溝部を形成する、
    請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
  19. 前記複数の溝部を形成する工程では、前記集光素子形成膜の上に複数の溝を有する溝パターンを有するレジスト膜を、ダイポール照明又は偏向照明を用いたフォトリソグラフィにより形成し、当該形成したレジスト膜をマスクとして前記集光素子形成膜をエッチングする、
    請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
  20. 前記複数の溝部を形成する工程では、前記複数の溝部を、前記画素領域の中央部と、前記複数の溝部を有する集光素子を含む単位画素の位置とを結ぶ直線に交差する方向に延びる直線状に形成する、
    請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
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