JPWO2013021554A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

固体撮像装置（１００）が有する単位画素（１１）は、入射光を集光する集光素子（１）を備え、集光素子（１）は、入射光の波長より短い線幅ごとに分割された、同心構造の円環形状を有する複数のゾーン領域で構成され、当該複数のゾーン領域の組み合わせにより制御された実効屈折率分布を有しており、当該複数のゾーン領域のうち少なくとも一つのゾーン領域では、当該ゾーン領域を構成する光透過膜が、同心構造の円周方向に、入射光の波長より短い間隔ごとに分割されている。

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関するものである。

デジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。そして、近年はデジタルカメラの薄型化に対する要望が強くなってきている。これは言い換えれば、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（固体撮像装置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。

ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどの固体撮像装置では、複数の受光部分を有する半導体集積回路を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。固体撮像装置の感度は、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。

そのためには、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサの最上部に形成されているマイクロレンズの集光効率を向上させる必要がある。現状のマイクロレンズは、樹脂製の球面レンズであり、ＣＣＤ及びＣＭＯＳイメージセンサを始めとするほとんどの固体撮像装置に用いられている。

図１０は、従来の固体撮像装置が有する画素の基本構造の一例を示す図である。固体撮像装置５００は、マイクロレンズ５０１と、カラーフィルタ５０２と、配線層５０３と、受光素子５０６と、Ｓｉ基板５０７とで構成される。図１０に示すように、マイクロレンズ５０１に垂直に入射した入射光５０２Ａ（破線）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ５０２によって色分離された後、配線層５０３による遮光の影響を受けずに、受光素子５０６に入射し、電気信号へと変換される。

図１１は、従来の固体撮像装置が有する周辺画素の構造の一例を示す図である。固体撮像装置５１０の周辺画素では、入射光５０２Ｂ（実線）の入射角度が大きくなるため、配線層５０３を内側にずらす（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。

しかしながら、微細な画素や小型カメラのような短焦点光学系では、周辺画素における入射光の入射角度は非常に大きくなり、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。

上記の周辺画素への広角入射の課題に対して、特許文献１には、入射光の波長と同程度かそれよりも小さな微細構造によって実効屈折率分布を有する屈折率分布型の集光素子を形成した固体撮像装置が提案されている。特許文献１に記載された固体撮像装置は、撮像領域の中心部、中間部、及び周辺部で屈折率が異なる屈折率分布型の集光素子を搭載することにより、周辺画素に入射面の垂直軸に対して大きな角度で斜め入射しても、受光素子に入射光を集光でき、固体撮像装置の中心部の感度と同等の感度を得ることができる。

特開２００６−３５１９７２号公報

しかしながら、前述した分布屈折率型の集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも小さな幅の同心構造を有する複数のゾーン領域により形成されているが、当該ゾーン領域内において、高屈折率材料と低屈折率材料との体積比が異なる最小基本構造の組み合わせによって所望の屈折率分布を形成するため、上記最小基本構造の組み合わせにより、屈折率分布の再現性の精度が決まる。

これにより、所望の屈折率分布と上記最小基本構造の組み合わせにより実際に形成される集光素子の有する実効屈折率分布との間に生じる量子化誤差が大きい場合、所望の集光特性を実現することが困難な場合が生じる。

これに対し、特許文献１に開示された従来技術では、上記最小基本構造の組み合わせが６パターンしか存在しないため、屈折率分布の再現性が悪く、設計自由度が低く集光効率が低下するという課題が生じる。従来技術では、これを抑制するために、集光素子における上記最小基本構造の段数を増加させる構造について記載されているが、マスク枚数と製造工程数が増えるため、結果的にコストが高くなってしまうという課題が生じる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、マスク枚数や製造工程数を増加させること無く、最小基本構造の組み合わせパターンを増加させることにより、屈折率分布の再現性を向上させることができ、集光効率を向上させることが可能な集光素子を備えた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、入射光を集光する集光素子を備える単位画素が配置された固体撮像装置であって、前記集光素子は、前記入射光の波長より短い線幅ごとに分割された、同心構造の円環形状を有する複数のゾーン領域で構成され、当該複数のゾーン領域の組み合わせにより制御された実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つのゾーン領域では、前記ゾーン領域を構成する光透過膜が、前記同心構造の円周方向において、前記入射光の波長より短い間隔ごとに分割されていることを特徴とする。

上記構成によれば、光透過膜を複数回の積層工程に分け、各工程間でマスク合わせしながら積層工程ごとにパターン形成する、という複雑な工程を経ることなく、円環形状のゾーン領域を有する従来の集光素子と比較して、高精度な実効屈折率分布を実現できる。これにより、マスク枚数や製造工程数を増加させること無く、集光素子の所望の屈折率分布の再現性を向上させることができる。また、集光効率が向上し、固体撮像装置の感度を向上させることができる。

また、前記ゾーン領域を構成する光透過膜は、前記入射光の波長より短い間隔ごとに分割された複数の円弧状の光透過膜で構成されていることが好ましい。

これにより、ゾーン領域を構成する光透過膜は、円弧の中心点に対して対称性を有する実効屈折率分布となる。

また、前記複数の円弧状の光透過膜は、当該円弧状の光透過膜の内周部もしくは外周部に配置された円環状の光透過膜と連続していてもよい。

上記円弧状の光透過膜に隣接する領域が、光透過膜の形成されていない領域である場合、実効屈折率の急激な変化が生じてしまう。これに対して、上記円弧状の光透過膜が、その内周部もしくは外周部に配置された隣接する円環状の光透過膜と連続している場合には、実効屈折率の急激な変化が生じないので、実効屈折率分布の量子化誤差を抑制することが可能となる。

また、前記複数の円弧状の光透過膜の各々は、前記単位画素の中心を同心点とした同一円周上に配置されていてもよい。

これにより、ゾーン領域を構成する光透過膜は、単位画素の中心に対して対称性を有する実効屈折率分布となり得る。

また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、上述した固体撮像装置のいずれかと、前記受光面の上部に、光を入射させるための撮像レンズとを備え、前記撮像レンズは、入射光を前記受光面に広角に入射させる第１撮像レンズと、入射光を前記受光面にテレセントリックに入射させる第２撮像レンズとを有する交換レンズであることを特徴とする。

上記構成によれば、広角入射用及びテレセントリック入射用のいずれの撮像レンズが選択されても、複雑な工程を経ることなく、いずれの撮像レンズにも対応し得る高精度な実効屈折率分布を実現できる。これにより、マスク枚数や製造工程数を増加させること無く、集光素子の所望の屈折率分布の再現性を向上させることができる。また、集光効率が向上し、撮像装置の感度を向上させることができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、マスク枚数や製造工程数を増加させること無く、集光素子の屈折率分布の再現性を向上させることができる。これにより、集光効率が向上し、固体撮像装置の感度を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の詳細な構成を示す図である。 図３は、撮像レンズから光が広角に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。 図４は、撮像レンズから光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置が有する単位画素の基本構造の一例を示す断面図である。 図５Ｂは、本発明の固体撮像装置が有する単位画素に形成された集光素子の上面図の一例である。 図６は、本発明の実施の形態に係る集光素子の最小基本構造を示す図である。 図７Ａは、従来の最小基本構造を用いた場合に生じる実効屈折率分布の量子化誤差を示すグラフである。 図７Ｂは、本実施の形態に係る最小基本構造を用いた場合に生じる実効屈折率分布の量子化誤差を示すグラフである。 図８Ａは、従来の集光素子を搭載した固体撮像装置の集光特性の計算結果を示す図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態に係る集光素子を搭載した固体撮像装置の集光特性の計算結果を示す図である。 図９は、量子化誤差のない理想的な実効屈折率分布を有する集光素子を搭載した固体撮像装置の集光特性の計算結果を示す図である。 図１０は、従来の固体撮像装置が有する画素の基本構造の一例を示す図である。 図１１は、従来の固体撮像装置が有する周辺画素の構造の一例を示す図である。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の詳細な構成を示す図である。図１に記載された撮像装置は、固体撮像装置１００と、レンズ１１０と、ＤＳＰ（デジタル信号処理回路）１２０と、画像表示デバイス１３０と、画像メモリ１４０とを備える。

なお、一眼デジタルカメラでは、レンズ１１０は交換レンズである。但し、本発明は、一眼デジタルカメラのように交換レンズを用いるカメラに限定されるものではなく、例えば、交換レンズではなくても１０倍以上の高倍率ズームが出来るレンズが搭載された撮像装置（カメラ）などにも用いることが出来る。

図３は、撮像レンズから光が広角に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。同図に示されるように、光を広角入射させる場合には、レンズ１１０として撮像レンズ１１０Ａが選択される。また、図４は、撮像レンズから光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。同図に示されるように、光をテレセントリックに入射させる場合には、レンズ１１０として撮像レンズ１１０Ｂが選択される。

本発明の実施の形態に係る撮像装置では、レンズ１１０を介して外部から光が入射し、入射した光は固体撮像装置１００によりデジタル信号に変換されて出力される。そして、出力されたデジタル信号はＤＳＰ１２０により処理されて映像信号として画像メモリ１４０に出力されて記録され、また画像表示デバイス１３０に出力されて画像表示される。

ＤＳＰ１２０は、固体撮像装置１００の出力信号に対してノイズ除去等の処理を行って映像信号を生成する画像処理回路１２１と、固体撮像装置１００における画素の走査タイミングおよびゲインの制御を行うカメラシステム制御部１２２とから構成される。ＤＳＰ１２０は、例えば固体撮像装置１００の単位セル内で共有される画素間での特性差に関する補正を行う。

固体撮像装置１００は１チップで形成され、固体撮像装置１００が形成されたチップとＤＳＰ１２０が形成されたチップとは別チップとされる。これにより、固体撮像装置１００の形成工程とＤＳＰ１２０の形成工程とを分離することで撮像部と処理部との製造工程を分離できるので、製造工程を削減して低コスト化を実現できる。また、タイミング制御、ゲイン制御および画像処理をユーザ毎に自由に設定することが可能となるため、使用の自由度を高くすることができる。

固体撮像装置１００は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の固体撮像装置であり、図１及び図２に示されるように、画素部（画素アレイ）１０と、垂直走査回路（行走査回路）１４と、通信・タイミング制御部３０と、ＡＤ変換（アナログ／デジタルコンバータ）回路２５と、参照信号生成部２７と、出力Ｉ／Ｆ２８と、信号保持スイッチ２６３と、信号保持容量２６２と、カラムアンプ４２とを備える。以下、図２を参照して、固体撮像装置１００の機能について説明する。

画素部１０は、複数の単位セル１０Ａが半導体基板のウェルに２次元状（行列状）に配列されて構成される。各単位セル１０Ａは、複数の単位画素（光電変換素子）を含んで構成される。各単位セル１０Ａは、垂直走査回路１４で制御される信号線と、単位セル１０Ａからの電圧信号をＡＤ変換回路２５に伝達する垂直信号線１９とに接続される。

垂直走査回路１４は、単位セル１０Ａを垂直方向に行単位で走査し、垂直信号線１９に電圧信号を出力させる単位セル１０Ａの行を選択する。

通信・タイミング制御部３０は、外部端子を介して入力されたマスタークロックＣＬＫ０およびデータＤＡＴＡを受け取り、種々の内部クロックを生成し参照信号生成部２７および垂直走査回路１４などを制御する。

参照信号生成部２７は、ＡＤ変換回路２５のカラムＡＤ（カラムアナログ／デジタルコンバータ）回路２６にＡＤ変換用の参照電圧ＲＡＭＰを供給するＤＡＣ（デジタル／アナログコンバータ）２７ａを有する。

カラムアンプ４２、信号保持スイッチ２６３および信号保持容量２６２は、単位セル１０Ａの列に対応して設けられている。カラムアンプ４２は、単位セル１０Ａから出力された電圧信号を増幅し、信号保持容量２６２は信号保持スイッチ２６３を介して伝達されてきた増幅された電圧信号を保持する。カラムアンプ４２を設けることで、単位セル１０Ａの電圧信号を増幅することが可能となり、Ｓ／Ｎの改善およびゲインの切り替え等が可能となる。

ＡＤ変換回路２５は、単位セル１０Ａの列に対応して設けられたカラムＡＤ回路２６を複数有する。カラムＡＤ回路２６は、ＤＡＣ２７ａで生成される参照電圧ＲＡＭＰを用いて、単位セル１０Ａから出力された信号保持容量２６２のアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。

カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２、スイッチ２５８およびデータ記憶部２５６から構成される。電圧比較部２５２は、単位セル１０Ａから垂直信号線１９（Ｈ０、Ｈ１、・・・）および信号保持容量２６２を経由して得られるアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較する。データ記憶部２５６は、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間とカウンタ部２５４を利用してカウントした結果とを保持するメモリとして構成される。

電圧比較部２５２の一方の入力端子には、他の電圧比較部２５２の入力端子と共通に、ＤＡＣ２７ａで生成される階段状の参照電圧ＲＡＭＰが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する列の信号保持容量２６２が接続され、画素部１０から電圧信号が入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。

カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２に参照電圧ＲＡＭＰが供給されると同時にクロック信号でのカウント（計数）を開始し、信号保持容量２６２を介して入力されたアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行う。

この際、カラムＡＤ回路２６は、ＡＤ変換とともに、信号保持容量２６２を介して入力された電圧モードの画素信号（電圧信号）に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶｓｉｇとの差分をとる処理を行う。これによって、固定パターンノイズ（ＦＰＮ：Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）およびリセットノイズ等と呼ばれるノイズ信号成分を電圧信号から取り除くことができる。

なお、カラムＡＤ回路２６は、ノイズレベルをダウンカウントし、信号レベルをアップカウントすることで真の信号レベルＶｓｉｇのみを取り出す構成であり、このカラムＡＤ回路２６でデジタル化された信号は、水平信号線１８を介して出力Ｉ／Ｆ２８に入力される。

なお、図１及び図２に示した固体撮像装置１００は、カラムＡＤ回路２６を搭載しているが、ＡＤ回路は固体撮像装置の外に構成されていても良い。

以上、この構成により、画素部１０からは、単位セル１０Ａの行ごとに電圧信号が順次出力される。そして、画素部１０に対する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部１０全体の電圧信号の集合で示されることとなる。

次に、固体撮像装置１００が有する集光素子の構造について説明する。

図５Ａは、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置が有する単位画素の基本構造の一例を示す断面図である。また、図５Ｂは、本発明の固体撮像装置が有する単位画素に形成された集光素子の上面図の一例である。

図５Ａに示されるように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置が有する単位画素１１は、分布屈折率型レンズの集光素子１と、カラーフィルタ２と、配線層３と、受光素子（Ｓiフォトダイオード）６と、Ｓｉ基板７とを備える。集光素子１の膜厚は、例えば、１．２μｍである。

集光素子１は、光透過膜であるＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４５）が同心円状に配置された同心構造となっている。ここで、集光素子１を内周半径差の幅でドーナツ状に分割した同心構造の円環形状の領域をゾーン領域と定義する。集光素子１は、複数のゾーン領域の組み合わせにより形成されており、各ゾーン領域の線幅は、入射光の波長より短い。

また、集光素子１は、下段光透過膜３３Ａと上段光透過膜３３Ｂとの２段構造となっている。下段光透過膜３３ＡであるＳｉＯ_２の膜厚は、例えば、０．８μｍであり、上段光透過膜３３ＢであるＳｉＯ_２の膜厚は、例えば、０．４μｍである。また、ＳｉＯ_２の周りの媒質は空気（屈折率ｎ＝１．００）である。ゾーン領域の線幅が、入射光の波長と同程度かそれより小さいときには、光が感じる実効屈折率は、光透過膜であるＳｉＯ_２（ｎ＝１．４５）と周りの媒質である空気（ｎ＝１．００）との体積比により算出できる。この実効屈折率を、ゾーン領域単位で、任意に組み合わせることによって、所望の実効屈折率分布を実現することができる。このように、本発明における固体撮像装置は、上記ゾーン領域における光透過膜と空気との体積比を変えるだけで、実効屈折率分布を自由自在に制御できるという特徴を有している。

さらに、図５Ｂに示されるように、集光素子１では、複数のゾーン領域のうち少なくとも１つのゾーン領域では、当該ゾーン領域を構成する光透過膜が、同心構造の円周方向にも、入射光の波長より短い間隔ごとに分割されている。この集光素子１の構成によれば、円環形状のゾーン領域を有する従来の集光素子と比較して、より高精度な実効屈折率分布を実現できる。

ここで、上述した、ゾーン領域を構成する光透過膜が、同心構造の円周方向に、入射光の波長より短い間隔ごとに分割されている、という表現は、下段光透過膜３３Ａ及び上段光透過膜３３Ｂの双方が上記所定の間隔で形成された領域と下段光透過膜３３Ａ及び上段光透過膜３３Ｂの双方が形成されていない領域とが同心構造の円周方向に交互に配置された態様、下段光透過膜３３Ａ及び上段光透過膜３３Ｂの双方が上記所定の間隔で形成された領域と下段光透過膜３３Ａのみが形成された領域とが同心構造の円周方向に交互に配置された態様、及び、下段光透過膜３３Ａのみが上記所定の間隔で形成された領域と下段光透過膜３３Ａ及び上段光透過膜３３Ｂの双方が形成されていない領域とが同心構造の円周方向に交互に配置された態様に適用される。

また、ゾーン領域を構成する光透過膜は、入射光の波長より短い間隔で分割された複数の円弧状の光透過膜で構成されていることが好ましい。これにより、ゾーン領域を構成する光透過膜は、円弧の中心点に対して対称性を有する実効屈折率分布となる。

ここで、上述した、上記円弧状の光透過膜とは、下段光透過膜３３Ａ及び上段光透過膜３３Ｂの双方が同心構造の円周方向に入射光の波長より短い間隔ごとに分割された光透過膜の一単位であり、または、下段光透過膜３３Ａのみが同心構造の円周方向に入射光の波長より短い間隔ごとに分割された光透過膜の一単位である。

また、上記複数の円弧状の光透過膜は、下段光透過膜３３Ａと上段光透過膜３３Ｂとで構成されており、下段光透過膜３３Ａのみで形成された部分で分割されている。また、上記複数の円弧状の光透過膜の一部は、その内周部もしくは外周部に配置された円環状の光透過膜と連続していてもよい。上段光透過膜３３Ｂまで形成された円弧状の光透過膜に隣接する領域が、光透過膜の形成されていない領域である場合、実効屈折率の急激な変化が生じてしまう。これに対して、円弧状の光透過膜が、その内周部もしくは外周部に配置された隣接する円環状の光透過膜と連続している場合には、実効屈折率の急激な変化が生じないので、後述する実効屈折率分布の量子化誤差を抑制することが可能となる。

さらには、上記複数の円弧状の光透過膜の各々は、単位画素１１の中心を同心点とした同一円周上に配置されていてもよい。これにより、ゾーン領域を構成する光透過膜は、単位画素１１の中心に対して対称性を有する実効屈折率分布となり得る。

以上、集光素子１は、入射光の波長と同程度かそれよりも小さな線幅を有する同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせにより形成されており、これにより、集光素子１は、実効屈折率分布を有するマイクロレンズとして機能する。さらに、上記複数のゾーン領域うち少なくとも一つのゾーン領域では、同心構造の光透過膜が、円周方向に、光の波長より短い間隔で分割されている。

図６は、本発明の実施の形態に係る集光素子の最小基本構造を示す図である。図６の（ａ）〜（ｌ）は、本発明の固体撮像装置が有する集光素子の実効屈折率分布を実現するための最小基本構造である。図５Ｂに記載された集光素子１の同心構造は、図６の（ａ）〜（ｌ）に記載された最小基本構造が適宜組み合わされることにより実現される。

ここで、実効屈折率n_effは以下の式で表すことができる。

ここで、ｎ_ＳｉＯ２及びｎ_Ａｉｒは、それぞれ、ＳｉＯ_２及び空気の屈折率であり、ｆは最小基本構造におけるＳｉＯ_２の体積比を表している。ここで、ＳｉＯ_２の体積比fは、最小基本構造の体積を分母、ＳｉＯ_２の体積を分子とした時の値であり、充填率を意味している。すなわち、fが大きい構造ほど、その構造が有する実効屈折率は高くなり、fが小さい構造ほど実効屈折率は低くなる。

本実施の形態に係る集光素子１は、所望の屈折率分布と実際に形成される集光素子による実効屈折率分布との差異である量子化誤差を低減するために、従来の最小基本構造と比較して充填率及び形状のバリエーションを増加させた最小基本構造を導入することにより形成されている。

具体的には、本発明の集光素子１を実現するにあたり、図６の（ａ）〜(ｌ)に示した１０階調の最小基本構造が用いられる。これは、特許文献１に記載された従来の最小基本構造である６階調に対し、１．５倍以上の階調増加となっている。この要因は、従来構造が同心構造を構成する円環状構造を基本とした構造であることに対し、本実施の形態に係る集光素子１では、円環状構造を円周方向に入射光の波長より短い幅で分割することで、円周方向においても階調を持たせることができることに起因する。この階調増加は、従来の２次元平面上における最小基本構造の構築に対し、３次元立方体における最小基本構造を構築するという思想によるため、従来の段数増加や基本デザインルール増加のようなプロセス起因によるものではなく、本質的に屈折率分布の再現性を向上させる有効な手段である。また、集光素子を形成する材料の屈折率差が大きくなればなるほど、階調増加により生じる量子化誤差の低減効果が大きくなるため、セルサイズの微細化や入射角度範囲の広角化にも対応可能である。

図７Ａは、従来の最小基本構造を用いた場合に生じる実効屈折率分布の量子化誤差を示すグラフである。また、図７Ｂは、本実施の形態に係る最小基本構造を用いた場合に生じる実効屈折率分布の量子化誤差を示すグラフである。図７Ａ及び図７Ｂともに、目的とする所望の屈折率分布(目標値)と、各々の最小基本構造を用いることにより実現可能な実効屈折率分布とを表している。図７Ａ及び図７Ｂに記載された実効屈折率の表す放物線（目的の屈折率分布）は、入射光を焦点距離Ｄｆで集光させるための実効屈折率分布を示しており、下の式で表される。

Δｎ(ｘ)＝Δｎ_ｍａｘ［(Ａｘ^２＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］ （式２−１）

ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは定数であり、Δｎ_ｍａｘは、光透過膜材料でＳiＯ_２と空気との屈折率差（０．４５）である。

また、上記式２−１は、入射側媒質の屈折率をｎ_０、出射側媒質の屈折率をｎ_１としたときの各パラメータは、以下の通りである。

Ａ＝−（ｋ_０ｎ_１）／２Ｄｆ （式２−２）
Ｂ＝−ｋ_０ｎ_０ （式２−３）
ｋ_０＝２π／λ （式２−４）

これにより、目的とする焦点距離Ｄｆ、対象とする入射光の入射角度θ、及び波長λごとに、集光素子を最適化することが可能となる。なお、上記式２−１において、集光成分は画素中央から周辺方向への距離ｘの２次関数によって表わされ、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表されている。

図７Ａ及び図７Ｂに記載された実効屈折率分布の比較から明らかなように、従来の最小基本構造を用いた場合と本実施の形態の最小基本構造を用いた場合とでは、量子化誤差に大きな差異が存在する。従来の最小基本構造を用いた場合には、上記量子化誤差が大きく、所望の集光性能を実現することができず、集光効率の低下を生じることが考えられる。

図８Ａは、従来の集光素子を搭載した固体撮像装置の集光特性の計算結果を示す図である。また、図８Ｂは、本発明の実施の形態に係る集光素子を搭載した固体撮像装置の集光特性の計算結果を示す図である。さらに、図９は、量子化誤差のない理想的な実効屈折率分布を有する集光素子を搭載した固体撮像装置の集光特性の計算結果を示す図である。これらの計算結果は、有限要素法による電磁界シミュレーションにより、設定した光源より発生した光が固体撮像装置の表面に入射され、受光素子を含む固体撮像装置全域に光が伝播する様子を示している。入射光は波長５４０ｎｍ、入射角度は固体撮像装置表面に対して平行な設定とした。

図８Ａ及び図８Ｂに記載された集光特性の分布図を比較すると、従来の集光素子による集光分布に対し、本発明の集光素子１による集光分布は、受光素子に効率良く集光されている様子が確認できる。具体的には、従来の集光素子では、入射光の一部が固体撮像装置内の遮光膜である配線層に遮られることで集光ロスが生じている。これに対し、本発明の集光素子１では、配線層に遮られることなく受光素子に効率良く集光できている。これは、従来技術と本発明との間に生じている屈折率分布の再現性の差異であり、量子化誤差を低減することで集光性能を向上させることができることを示している。

ここで、集光性能の向上効果を定量化するため、計算結果より得られた受光素子の受光強度を入射強度で割った値を集光効率とし、従来と本発明との集光効率を比較した。その結果、従来の固体撮像装置では、集光効率は８３％であるのに対し、本発明の固体撮像装置では、集光効率は８８％であり、従来と比較して約１．１倍の向上効果が得られた。この結果は、本発明の集光素子１が、図９に示した量子化誤差の無い連続屈折率分布を有する集光素子の集光効率９０％と同程度な集光性能を実現できており、量子化誤差の低減による効果が十分に得られていることを示している。

以上説明した通り、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、入射光を集光する集光素子を備え、当該集光素子は、入射光の波長より短い線幅ごとに分割された、同心構造の円環形状を有する複数のゾーン領域で構成され、当該複数のゾーン領域の組み合わせにより制御された実効屈折率分布を有している。また、複数のゾーン領域のうち少なくとも一つのゾーン領域では、当該ゾーン領域を構成する光透過膜が、同心構造の円周方向に、入射光の波長より短い間隔ごとに分割されている。具体的には、ゾーン領域を構成する光透過膜は、入射光の波長より短い間隔で分割された複数の円弧状の光透過膜で構成されている。

上述した本発明の固体撮像装置が有する集光素子の構成によれば、光透過膜を複数回の積層工程に分け、各工程間でマスク合わせしながら積層工程ごとにパターン形成する、という複雑な工程を経ることなく、充填率及び３次元形状のバリエーションを有する最小基本構造を組み合わせることにより、高精度な実効屈折率分布を実現できる。よって、マスク枚数や製造工程数を増加させること無く、集光素子の所望の屈折率分布の再現性を向上させることができる。これにより、集光効率が向上し、固体撮像装置の感度を向上させることができる。

以上、本発明の固体撮像装置及び撮像装置について、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る固体撮像装置及び撮像装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置または撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

なお、上記実施の形態では、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に挙げたが、本発明は、これにとらわれることなく、ＣＣＤ型の固体撮像装置でも同様の効果が得られる。

本発明の固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話機、監視用カメラ、車載用カメラ、放送用カメラをはじめとするイメージセンサ関連製品の性能向上及び低価格化が実現可能であり、産業上有用である。

１ 集光素子
２、５０２ カラーフィルタ
３、５０３ 配線層
６、５０６ 受光素子
７、５０７ Ｓｉ基板
１０ 画素部
１０Ａ 単位セル
１１ 単位画素
１４ 垂直走査回路
１８ 水平信号線
１９ 垂直信号線
２５ ＡＤ変換回路
２７ 参照信号生成部
２７ａ ＤＡＣ
２８ 出力Ｉ／Ｆ
３０ 通信・タイミング制御部
３３Ａ 下段光透過膜
３３Ｂ 上段光透過膜
４２ カラムアンプ
１００、５００、５１０ 固体撮像装置
１１０ レンズ
１１０Ａ、１１０Ｂ 撮像レンズ
１２０ ＤＳＰ
１２１ 画像処理回路
１２２ カメラシステム制御部
１３０ 画像表示デバイス
１４０ 画像メモリ
２５２ 電圧比較部
２５４ カウンタ部
２５６ データ記憶部
２５８ スイッチ
２６２ 信号保持容量
２６３ 信号保持スイッチ
５０１ マイクロレンズ
５０２Ａ、５０２Ｂ 入射光

Claims (5)

1. 入射光を集光する集光素子を備える単位画素が配置された固体撮像装置であって、
   前記集光素子は、前記入射光の波長より短い線幅ごとに分割された、同心構造の円環形状を有する複数のゾーン領域で構成され、当該複数のゾーン領域の組み合わせにより制御された実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つのゾーン領域では、前記ゾーン領域を構成する光透過膜が、前記同心構造の円周方向において、前記入射光の波長より短い間隔ごとに分割されている
   固体撮像装置。
2. 前記ゾーン領域を構成する光透過膜は、前記入射光の波長より短い間隔ごとに分割された複数の円弧状の光透過膜で構成されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の円弧状の光透過膜は、当該円弧状の光透過膜の内周部もしくは外周部に配置された円環状の光透過膜と連続している
   請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の円弧状の光透過膜の各々は、前記単位画素の中心を同心点とした同一円周上に配置されている
   請求項２または３に記載の固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記集光素子よりも光の入射側に、当該光を入射させるための撮像レンズとを備え、
   前記撮像レンズは、前記光を前記集光素子に広角に入射させる第１撮像レンズと、前記光を前記集光素子にテレセントリックに入射させる第２撮像レンズとを有する交換レンズである
   撮像装置。

Images