WO2010122758A1 - 集光素子、集光素子群および固体撮像装置 - Google Patents

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Definitions

  • a light-collecting element has one or more first annular zones having a first refractive index and a second refractive index different from the first refractive index.
  • One or more second annular zones, and the first annular zone and the second annular zone are concentrically arranged alternately adjacent to each other. At least one of the one or more first annular zones and the one or more second annular zones has a gap in a portion where the width of the annular zone is gradually narrowed.
  • the light collecting element group according to another embodiment of the present invention has at least two first and second light collecting elements which are the above light collecting elements, and the length of the gap between the first light collecting elements. The length may be different from the length of the gap of the second light collecting element.
  • Example 1 an example in which a gap as a gap is provided in the first annular zone has been described, but in Example 2, an example in which a gap is provided in the second annular zone will be described.
  • the gap is filled with a high refractive index material and is connected to the adjacent first annular zone region.
  • FIG. 13 shows a condensing element group according to Example 11 of the present invention.
  • condensing elements for four adjacent pixels are shown.
  • the in-pixel void portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and arranged concentrically.
  • Example 6 if the widths of the gaps 203a, 203b, and 203c filled with the high refractive index material are gradually changed, it can be stably manufactured without causing deterioration of the characteristics of the light collecting element.

Abstract

　集光素子は、第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域(１０２)と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域(１０３)とを有し、前記第１の輪帯領域(１０２)と前記第２の輪帯領域(１０３)とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子であって、第１の輪帯領域(１０２)および第２の輪帯領域(１０２)のうちの少なくとも１つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙(１０４)を有する。

Description

集光素子、集光素子群および固体撮像装置
　本発明は集光素子に関し、特に、異なる屈折率を有する第１の輪帯と第２の輪帯とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子、集光素子群およびそれを有する固体撮像装置に関する。
　デジタルビデオレコーダ、デジタルスチルカメラや、最近急速に増加してきたカメラ付き携帯電話などの映像を電磁気的に記録する機器には一般的に、映像から電気信号に変換する装置が用いられる（これを撮像装置と呼ぶ）。近年では撮像装置には、半導体素子の一種である電荷結合素子センサ（一般的にＣＣＤセンサと呼ぶ。以下ＣＣＤセンサと記す）や、ＭＯＳセンサが用いられ、これらの機器の小型化・低価格化に貢献している。これらの撮像装置は、１つの光検知素子が内蔵された微小な画素を多数平面に並べることにより一画面を構成する。したがって撮像装置の性能は、これら多数の画素の性能により決定される。
　撮像装置の性能の中でも特に重要なのは、微小な入力画像を低雑音（すなわち低Ｓ／Ｎ比）で電気信号に変換できる能力や、入力画像を高電気信号出力できる能力（すなわち高増幅率）である。
　低Ｓ／Ｎ比や高増幅率を達成するための方法として、画素内の光検知素子のＳ／Ｎ比や増幅率を改善する方法がまず考えられるが、以下に説明する方法も一般に採用される。
　図１９は、従来の典型的な固体撮像装置における１つの画素の断面を表す図である。同図のように画素１６０１は、光検知素子１６０２と、集光素子１６０３と、色フィルタ１６０４と、配線１６０６とを有する。画素１６０１への入射光１６０５は、集光素子１６０３によって集光され、色フィルタ１６０４によって赤色もしくは青色もしくは緑色に色分離された後、光検知素子１６０２に入力される。集光素子１６０３によって光検知素子１６０２に入射する入射光１６０５の強度密度が増大されるため、低Ｓ／Ｎ比や増幅率の改善が可能になる。
　ここで問題になるのは、入射光１６０５の入射角度が変化したとき、集光素子１６０３による焦点も変化してしまい、光検知素子１６０２上に集光されなくなるということである。画素１６０１が撮像装置内の周辺の画素である場合、このことは顕著に生じる。
　この課題を解決するため、各画素に対し非対称に集光素子を配置する従来例がある（特許文献２）。もしくは、撮像装置の周辺の画素では、集光素子に対する光検知素子１６０２の位置をずらすことも従来に行われている。しかしこれらの従来例においては入射光１６０５の入射角が比較的小さいときには効果が高いが、入射角が大きくなると効果が低くなるという問題がある。また、入射光１６０５の角度に従って、光検知素子１６０２に対する配線１６０６の位置を変化させる必要があるが、通常、回路配置位置の制約（レイアウトルール）があるため、この位置変化が不可能になる場合もある。
　入射角が大きいときも画素の特性を維持するという課題を達成するために、特許文献１では、図２０（ａ）のように集光素子を形成している。図２０（ａ）に示す画素は、輪帯状の複数の光透過膜１５０１と、基板１５０２と、光検知素子１５０４と、配線１５０６を有する。光透過膜１５０１は中心を同じくする円もしくは輪帯状に加工されている。輪帯の幅は自然光の波長程度であるか、それよりも小さく、典型的には０．１μｍ程度である。光透過膜１５０１を通過する入射光１５０５の感じる屈折率は、光透過膜１５０１の面上で、波長程度の大きさの領域で平均化された値となり、光透過膜１５０１の屈折率もしくは媒質（典型的には空気）の屈折率の値にはならない。輪帯の幅が極めて細いため、入射光１５０５の感じる屈折率は輪帯の幅に依存し、光透過膜１５０１の屈折率と媒質の屈折率の中間の値となる。すなわち、光透過膜１５０１の面は、入射光１５０５にとっては、同心円状に屈折率が分布していることと同等である。この屈折率の分布を適切に与えておくと、光透過膜１５０１および基板１５０２を通過した入射光１５０５は回折効果により集光され、光検知素子１５０４に到達する。入射光１５０５の集光される位置は光透過膜１５０１の形状を変化させることにより制御できる。従って、入射光１５０５の入射角を考慮して光透過膜１５０１の形状を設計することにより、性能を劣化させることなく光検知素子１５０４に集光させることが出来、前記課題が達成できる。
　図２０（ｂ）は、図２０（ａ）を上面から見た図である。１５０１は光透過膜、１５０７は媒質である。光透過膜１５０１と媒質１５０７はそれぞれ輪帯形状であり、且つ同心円状に配置されている。
国際公開第２００５／１０１０６７号 特開２００１－１９６５６８号公報
　しかしながら、図２０（ｂ）の形状を通常の半導体装置作製工程により実現しようとすると、以下の問題が生じる。
　すなわち、１画素分の領域である正方形状の（ここでは例示として正方形を挙げるが、実際には長方形などでも構わない）外周に沿って、光透過膜１５０１と媒質１５０７は切り取られる。
　この外周の切り取りに於いて問題となるのが、１５０８に示した極小部である。極小部１５０８の横方向の幅は、外周と集光素子の中心との位置関係により、無限に小さくなる可能性がある。
　第１の問題として、所望の形状を作製するにはリソグラフィーを用いるが、リソグラフィーでは露光光源の波長に依存し、作製可能な最小寸法が決定されるため、無限に小さい構造は実現できないということである。極小部１５０８の横方向の幅がこの最小寸法以下であるとして、図２０（ｂ）のようなマスクパターンを作製し、露光しようとしても、極小部１５０８近傍の形状が、歪んだり、消失したりするだけである。つまり、図２０（ｂ）のような形状は作製することが出来ない。
　第２の問題として、一般的に、通常の半導体装置作製工程で得られる形状・構造にはある一定のばらつきがあり、ばらつき量に対して小さい構造・形状を作製しようとすると、その構造・形状が出現したり、消失したりし、どちらかに制御できないということである。
　例えば、リソグラフィーの場合、露光時、光の強度のばらつきや、ウエハの上面の凹凸・反りにより、露光後の転写形状にばらつきが生じる。そのため、図２０（ｂ）のような形状を作製しようとしても、極小部１５０８の形状が消失するか、歪むか、いずれにせよ形状が大きくばらつくことになる。
　以上述べたように、特許文献１で開示されている集光素子では、極小部１５０８のような構造が含まれており、この部分が、通常の半導体装置作製工程では、安定的に作製できないという問題がある。形状が大きく変化するため、工程管理が不可能になったり、歩留まりが低下したり、集光素子の特性が大きくばらついてしまう。
　上記課題に鑑み本発明は、通常の半導体装置作製工程でも安定的に作製でき、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止する集光素子、集光素子群および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形態における集光素子は、第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記第１の輪帯領域と前記第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子であって、前記１以上の第１の輪帯領域および前記１つ以上の第２の輪帯領域のうちの少なくとも１つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙を有する。
　この構成によれば、第１の輪帯が上記間隙を有することによって、第１の輪帯の幅が製造プロセスにおける作製可能な最小寸法以下になることを防止することができる。これにより、第１の輪帯の形状が、歪んだり、消失したりすることを防止し、かつ、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止することができる。さらに、製造プロセスにおけるばらつき量に対しても制御不能なほどの小さい構造・形状を避けることができ、通常の半導体装置作製工程でも安定的に作製することができる。
　ここで、前記１つ以上の第１の輪帯領域および前記１つ以上の第２の輪帯領域の少なくとも一方は２段構成であって、前記間隙は、前記２段構成のうちの下段部又は上段部に設けられていてもよい。
　ここで、前記間隙の対向する端面はほぼ平行であってもよい。
　ここで、前記１つ以上の第１の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、前記１つ以上の第２の輪帯領域は空気により構成され、前記１以上の第１の輪帯領域うちの少なくとも１つは、前記間隙を有し、前記間隙は、空隙であり隣接する第２の輪帯領域につながっていてもよい。
　この構成によれば、第１の輪帯の幅が徐々に狭くなる部分が空隙に置き換わっていることを特徴とし、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止するという前記課題を解決する。
　ここで、前記１つ以上の第１の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、前記１つ以上の第２の輪帯領域は空気により構成され、前記１つ以上の第２の輪帯領域のうちの少なくとも１つは、前記間隙を有し、前記間隙は、前記高屈折率材料で満たされ隣接する第１の輪帯領域につながっていてもよい。
　この構成によれば、第１の輪帯の幅が徐々に狭くなる部分の間隙が前記高屈折率材料で満たされており、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止するという前記課題を解決する。
　ここで、前記間隙の面積は、前記集光素子の面積の３％以下であってもよい。
　また、本発明の一形態における集光素子群は、上記の集光素子である第１の集光素子と、第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記１つ以上の第１の輪帯領域と前記１つ以上の第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第２の集光素子とを有し、前記第１の集光素子と第２の集光素子とは境界を挟んで隣に配置されていてもよい。
　ここで、本発明の他の形態における集光素子群は、少なくとも２つの上記の集光素子である第１、第２の集光素子を有し、前記第１の集光素子の間隙の長さは、前記第２の集光素子の間隙の長さと異なっていてもよい。
　ここで、上記の集光素子群は、上記の集光素子を複数個備え、１列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化していてもよい。
　ここで、上記の集光素子群は、上記の集光素子である第１の集光素子と、第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記１つ以上の第１の輪帯領域と前記１つ以上の第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第２の集光素子とを有し、前記第１の集光素子と第２の集光素子とは隣接して配置されていてもよい。
　ここで、前記第１の集光素子の間隙の長さは、前記第２の集光素子の間隙の長さと異なっていてもよい。
　ここで、上記の集光素子群において、１列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化していてもよい。
　また、本発明の一形態における固体撮像装置は、複数の受光素子を含む撮像領域と、前記複数の受光素子に対応する複数の集光素子とを備える固体撮像装置であって、前記複数の集光素子は、上記の集光素子を含む。
　ここで、前記集光素子の中心位置は、前記受光素子の中心位置からずれ量を有し、前記ずれ量は前記集光素子の撮像領域中の位置に依存し、前記間隙の長さは、前記集光素子の撮像領域中の位置に依存していてもよい。
　本発明の一形態におけるにおける集光素子は、上記構成を有し、通常の半導体装置作製工程でも安定的に作製でき、第１の輪帯の形状が、歪んだり、消失したりすることを防止し、かつ、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止することができる。
図１は、本発明の実施例１に係る集光素子の構成を示す上面図である。 図２は、本発明の実施例１に係る集光素子の上面図および画素の断面図である。 図３は、本発明の実施例２に係る集光素子の構成を示す上面図である。 図４は、本発明の実施例３に係る集光素子の上面図である。 図５は、本発明の実施例４に係る集光素子群の上面図である。 図６は、本発明の実施例５に係る集光素子を示す図である。 図７は、本発明の実施例６に係る集光素子群を示す図である。 図８（ａ）（ｂ）は、本発明の実施例７に係る集光素子群を説明する上面図である。 図９は、本発明の実施例８に係る集光素子の上面図である。 図１０は、本発明の実施例８に係る集光素子のもう一つの例を示す図である。 図１１は、本発明の実施例９に係る集光素子群を示す図である。 図１２は、本発明の実施例１０に係る集光素子群を示す図である。 図１３は、本発明の実施例１１に係る集光素子群を示す図である。 図１４（ａ）（ｂ）は、本発明の実施例１２に係る集光素子群を説明する図である。 図１５は、本発明の実施例１３に係る集光素子および画素の上面図と断面図である。 図１６は、２段構成集光素子の製造工程を説明する図である。 図１７は、いくつかの隣接する集光素子に対し、その１つ目の適用例を示す図である。 図１８は、いくつかの隣接する集光素子に対し、その２つ目の適用例を示す図である。 図１９は、従来の典型的な固体撮像装置における１つの画素の断面図である。 図２０（ａ）は、従来技術における集光素子の断面図である。図２０（ｂ）は、従来技術における集光素子の上面図である。 図２１は、本発明の実施例７の効果を説明する図である。
　以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
　本発明の一形態における集光素子は、第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記第１の輪帯領域と前記第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置されている。第１および第２の輪帯領域の幅は、入射光の波長程度あるいはそれより短い幅を有する。これにより、集光素子のレンズ機能を実現している。
　また、第１の輪帯領域の少なくとも１つ、または第２の輪帯領域の少なくとも１つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙を有する。この間隙は、第１の輪帯の幅が製造プロセスにおける作製可能な最小寸法以下になることを防止している。また、上記の間隙の対向する端面はほぼ平行である。つまり、上記の間隙は輪帯の幅方向にほぼ平行に一部が欠落した形状になっている。この形状は既存の製造プロセスにより容易に形成できる。
　以下、図面を参照しながら具体的な実施例について説明する。以下の図で、同じ符号のものは同一の構成要素を表す。
　実施例１では、第１の輪帯領域が空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、第２の輪帯領域が空気により構成され、間隙が空隙であり隣接する第２の輪帯領域につながっている構成について説明する。
　図１は本発明の実施例１に係る集光素子の構成を示す上面図である。同図の集光素子は、画素端空隙部１０１によって隣接する他の集光素子と隔てられ、第２の輪帯である画素内高屈折率部１０２と、第１の輪帯である画素内空隙部１０３と、空隙１０４とを有する。画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。その同心円の中心は、画素中心に一致することもあれば、一致しない（画素中心に対し偏心する）こともある。ここで、画素端空隙部１０１、画素内空隙部１０３、空隙１０４は、画素内高屈折率部１０２よりも屈折率の低い材料（以下、低屈折率材料と記す）で形成されている。低屈折率材料、画素内高屈折率部１０２の材料の典型的な組み合わせはそれぞれ、空気とシリコン酸化膜である。また、空気とＴｉＯ2でもよい。また、空気とシリコン窒化膜でもよい。また、シリコン酸化膜とＴｉＯ2でもよい。また、これらの材料に限られることなく、低屈折率材料の屈折率が、画素内高屈折率部１０２の材料の屈折率よりも小さければ、原理上は許される。
　図２は、図１に示した本発明の実施例１に係る集光素子の上面図および画素の断面図である。画素３０７は、受光部３０６と、遮光膜３０５と、集光素子とを含む。遮光膜３０５は、配線を兼ねることもある。受光部３０６は、通常、光検知素子（一般にはフォトダイオードである）が設置される。これらに加えて、カラーフィルターなど、他の構成物も含まれることがある。これらで、画素３０７が形成される。
　画素３０７の典型的な一辺の長さは６μｍ～１μｍ程度である。また、画素内空隙部１０３の最小幅は０．１μｍ程度である。これは、画素内高屈折率部１０２の最小幅も同様である。画素端空隙部１０１の幅は、０．１μｍ～１μｍ程度である。ただし、これらの最小寸法は、製造装置に依存するものであり（例えば露光装置に依存）、これに限られるものではない。ここで示した最小寸法は、露光のための光として、ＫｒＦを用いた場合である。また、高屈折率材料としてシリコン酸化膜、低屈折率材料として空気を用いた場合、画素内高屈折率部１０２の厚さ（図２の中にｔで示した）は、約１．２μｍである。ただし、これに限られるものではない。
　図１、図２に示した本発明の実施例１に係る集光素子を製造するには、例えば以下の工程で可能である。まず、集光素子の下面までの構造を、固体光検知素子の一般的な製造工程などで作製したあと、その上面に画素内高屈折率部１０２の元になるべき高屈折率薄膜を積層する。次にその上にフォトレジストを積層し、スキャナ、ステッパなどの露光装置により露光、現像する。その後、ドライエッチングなどの手段により、高屈折率薄膜をエッチングし、フォトレジストを除去すれば完成する。ただし、製造方法はこれに限られるものではない。
　図１において、画素内空隙部１０３が、画素端空隙部１０１に接近する近傍で、画素内高屈折率部１０２に、空隙１０４が配置されている。この空隙１０４により、画素内高屈折率部１０２の直径方向の幅が小さくなって、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することが出来る。
　実施例１では、第１の輪帯領域に間隙としての空隙が設けられる例を説明したが、実施例２では、第２の輪帯領域に間隙が設けられる例について説明する。この場合、間隙は、高屈折率材料で満たされ隣接する第１の輪帯領域につながっている。
　図３は本発明の実施例２に係る集光素子の構成を示す上面図である。同図の集光素子は、図１と比べて、空隙１０４の代わりに間隙２０３を有する点が異なっている。間隙２０３は、集光素子中心から外向きに凸状であり、高屈折率材料により形成される。画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。その同心円の中心は、画素中心に一致することもあれば、一致しない（画素中心に対し偏心する）こともある。また、材料、寸法、製造方法などについては実施例１と同様である。
　図３において、画素内空隙部１０３の領域のうち、画素内高屈折率部１０２が画素端に接近する近傍に、高屈折率材料で満たされた間隙２０３が配置されている。間隙２０３を配置することにより、画素内空隙部１０３の直径方向の幅が小さくなって、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することができる。
　図４に本発明の実施例３に係る集光素子の上面図を示す。同図において、画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれほぼ円形であり、同心円状に配置されている。
　図４では、同心円中心が画素中心に対し、斜め方向にずれている。この場合、図４のように２箇所空隙１０４を配置すれば、半導体製造工程で作製できないほど小さくなることを回避することが出来る。
　図５に本発明の実施例４に係る集光素子群の上面図を示す。図５では、左側の画素に搭載した集光素子では空隙１０４がないが、右側の画素に搭載した集光素子では空隙１０４がある。これは、左側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的近い箇所に同心円の中心があるが、右側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的遠い箇所に同心円の中心があるためである。このように、同心円中心位置が画素毎に変化する場合、空隙１０４を設置するか否かは、次のように決定すれば、安定的・且つ高歩留まりで集光素子を作製することが出来る。
　図５に示した距離ｄに着目し、
　　　　ｄ　＜　ｋ１λ／ＮＡ
が満たされれば、この位置に空隙１０４を配置すればよい。ここで、ＮＡは露光装置の開口数、λは露光波長、ｋ１は比例係数である。露光装置として、ＫｒＦスキャナを用い、位相シフトマスクを用いた場合は、右辺は約０．１μｍ程度となる。
　これを無視し、上式が成立しているにもかかわらず空隙１０４を配置しない場合、この部分でレジストのブリッジや消失が生じてしまい、現実的には製造できなくなってしまう。実際には、上式よりも余裕を持ってｄの最小寸法を決定した方がよい。ＫｒＦスキャナを用いた場合、０．２μｍ程度にすると、安定的に集光素子を製造できることを我々は見出している。
　注意点としては、空隙１０４が大きくなりすぎると、空隙１０４を加えたことによる集光素子の特性劣化などの影響が生じるので、空隙１０４の面積は、画素面積に対して３％以下程度にとどめておくことが望ましい。
　図６に本発明の実施例５に係る集光素子を示す。本実施例では、画素中心に対し同心円中心が斜めにずれているため、空隙１０４が２箇所配置される必要がある。その他は実施例４と同様である。
　図７に本発明の実施例６に係る集光素子群を示す。図７は、実際の固体撮像素子上に配置されている本発明の一形態におけるに係る複数の集光素子の一部を抜き出したものである。固体撮像装置は一般に、２次元的に画素が配列され、各画素の最上部には集光素子が搭載される構造を持つ。一般のカメラシステムでは、この固体撮像素子の上側にさらに撮像用の光学レンズが配置されており、撮像したい外部からの像を固体撮像素子上に投射する。この投射像は広がりを持つために、各画素への入射光の主光線角度は、その画素の位置により変化する。すなわち、固体光検知素子上の中心に位置する画素への入射光の角度は固体光検知素子に対し垂直だが、そこから位置が固体光検知素子の周辺に移動するに従って、入射光が斜めになっていく。これに対応し、集光素子の中心位置を徐々に変化させ、各画素内の受光面に入射光が導かれるようにする。
　このとき、中心位置が徐々に変化するに従って、空隙１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの幅を徐々に変化させることにより、集光素子の特性劣化をきたすことなく安定的に製造することができる。
　ここでは、横方向に隣接する集光素子を示したが、縦方向に隣接の場合や、斜め方向に隣接の場合も同様である。
　なお、上記の固体撮像装置は、静止画または動画を撮像する機能を有するものに限らず、単に光の有無や変化を検知する光検知機能を有するものでもよい。
　図８は本発明の実施例７に係る集光素子群を説明する上面図である。ここでは、４画素分の集光素子を示している。図中の各画素に配置されている集光素子において、画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。図８（ａ）は、実施例６に記載した通りに、空隙１０４ａが配置されている。すなわち、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃと右方向へ行くに従い、空隙１０４の幅が大きくなっている。それに対し、図８（ｂ）では、ほぼ図８（ａ）と配置は同じだが、空隙１０４の幅が右方向へ行くに従って必ずしも大きくなっていない。しかし、空隙１０４ｆは空隙１０４ｄに対し幅が大きくなっており、図８（ｂ）の４画素を大局的に見ると図８（ａ）と同様に右方向に幅が大きくなっているといえる。このように局所的には空隙の幅が単調変化していなくても、大局的には単調変化していれば、つまり、１列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化していれば、実施例６と同様の効果を得ることができる。ただし、実施例６で述べた空隙の配置方法と、この実施例７の配置方法が大幅に異なると、固体撮像装置からの出力画像にムラやノイズが重畳されることになるので注意が必要である。
　図２１は本発明の実施例７に係る集光素子群の発明の効果を説明する図である。集光素子の大きさを５．６μｍ角とし、空隙１０４の最小寸法を幅２００μｍ、長さ１５０μｍとしたとき、各画素での信号強度の変化を示している。横軸は画素の位置であり、固体撮像装置上で中心から外側方向へ移動したときの座標を画素単位で示している。縦軸は信号強度であるが、座標０における画素の信号強度で規格化している。
　例えば、理想形状の集光素子群が作製可能だとした場合、図２１のように直線的に信号強度が減少する場合を考える。これに本発明の一形態を適用した場合、空隙１０４を導入する前後で信号強度の不連続変化が生じる。しかし、空隙１０４を十分小さくした場合はこの不連続量は出力画像上で確認できない程度に小さくすることができる（この場合だと約１％未満）。それに対し、本発明の一形態を適用しない場合は、形状が不安定になることが予想されるため、図２１のように単調でない特性になってしまう。これは出力画像においてザラとして確認できてしまう。
　図９に本発明の実施例８に係る集光素子の上面図を示す。画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。
　図９では、同心円中心が画素中心に対し、斜め方向にずれている。この場合、図９のように２箇所高屈折率材料で満たされた間隙２０３を配置すれば、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することができる。
　図１０は本発明の実施例８に係る集光素子のもう一つの例である。画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。図１０の集光素子では、上下左右の画素境界で画素内高屈折率材料で満たされた間隙２０３が接するので、上下左右４箇所に、高屈折率材料で満たされた間隙２０３が配置されている。図９、図１０以外にも様々な形状の集光素子が考えられるが、同じ考え方で高屈折率材料で満たされた間隙２０３を配置することで、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することができる。
　図１１に本発明の実施例９に係る集光素子群を示す。画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。
　図１１では、左側の画素に搭載した集光素子では高屈折率材料で満たされた間隙２０３がないが、右側の画素に搭載した集光素子では高屈折率材料で満たされた間隙２０３がある。これは、左側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的近い箇所に同心円の中心があるが、右側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的遠い箇所に同心円の中心があるためである。このように、同心円中心位置が画素毎に変化する場合、高屈折率材料で満たされた間隙２０３を設置するか否かは、次のように決定すれば、安定的、且つ高歩留まりで集光素子を作製することができることは実施例４と同様である。
　図１２に本発明の実施例１０に係る集光素子群を示す。画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。
　本実施例では、画素中心に対し同心円中心が斜めにずれているため、高屈折率材料で満たされた間隙２０３が２箇所配置される必要がある。その他は実施例９と同様である。
　図１３に本発明の実施例１１に係る集光素子群を示す。ここでは、隣接する４画素分の集光素子を示している。各画素に配置されている集光素子において、画素内空隙部１０３と画素内高屈折率部１０２はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。
　実施例６と同様に、高屈折率材料で満たされた間隙２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃの幅を徐々に変化させれば、集光素子の特性劣化をきたすことなく安定的に製造することができる。
　図１４は本発明の実施例１２に係る集光素子群を説明する図である。ここでは、４画素分の集光素子を示している。図中の各画素に配置されている集光素子において、図１４（ａ）は、実施例１１に記載した通りに、高屈折率材料で満たされた間隙２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃが配置されている。すなわち、高屈折率材料で満たされた間隙２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃと右方向へ行くに従い、幅が小さくなっている。それに対し、図１４（ｂ）では、ほぼ図１４（ａ）と配置は同じだが、高屈折率材料で満たされた間隙２０３ｄ、２０３ｅ、２０３ｆの幅が右方向へ行くに従って必ずしも小さくなっていない。しかし、高屈折率材料で満たされた間隙２０３ｆは２０３ｄに対し幅が小さくなっており、図１４（ｂ）の４画素を大局的に見ると図１４（ａ）と同様に右方向に幅が小さくなっている、つまり、１列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙２０３の長さは単調に小さくなっている。このように局所的には間隙２０３の幅が単調変化していなくても、大局的には単調変化していれば、実施例１１と同様の効果を得ることができる。ただし、実施例１１で述べた空隙の配置方法と、この実施例１２の配置方法が大幅に異なると、固体撮像装置からの出力画像にムラやノイズが重畳されることになるので注意が必要である。
　図１５は、本発明の実施例１３に係る集光素子を有する画素の上面図および断面図である。図１５の集光素子は、２段構成であり、図１、図２等と比べて上段部の画素内高屈折率部１７０１が追加されている点が異なっている。
　本発明の実施例１３を説明する前に、図１５に示した２段構成集光素子の製造方法を説明する。図１６は２段構成集光素子の製造方法を説明する図である。同図（ａ）から（ｅ）へ順番に工程が進行する。同図（ａ）から（ｅ）はそれぞれ、遮光膜や受光素子を含む固体撮像装置の画素１つ分の断面を示す。２００２は完成前の集光素子であり、（ａ）から（ｅ）へ工程が進むに従って加工されていく。２００３は第１マスクであり、２００３ａは第１マスクの遮光部、２００３ｂは第１マスクの光透過部である。２００４はレジストである。２００５は第２マスクであり、２００５ａは第２マスクの遮光部、２００５ｂは第２マスクの光透過部である。
　図１６（ａ）は加工前の集光素子２００２を示している。集光素子２００２の材料は典型的にはシリコン酸化膜であり、厚さは０．８μｍ～１．５μｍ程度である。図１６（ａ）の集光素子２００２の上面にレジストを塗布し、第１マスク２００３を用いて露光する。レジストがポジ型であれば、現像後、レジストの形状は図１６（ｂ）の２００４のように、第１マスクの光透過部２００３ｂに対応する部分が消失し、第１マスクの遮光部２００３ａに対応する部分が残る。
　図１６（ｂ）の状態で、レジストのエッチング速度に対し、集光素子２００２の材料のエッチング速度が十分大きくなる方法を用いて集光素子２００２の厚さ分全てエッチングしたあと、レジストを除去すれば図１６（ｃ）のような形状を得ることが出来る。
　次に図１６（ｃ）の上面にレジストを塗布し、第２マスク２００５により露光、現像すれば、図１６（ｄ）の形状が得られる。その後、集光素子２００２を所定の厚さ分部分エッチングすれば、最終形状である図１６（ｅ）が得られる。このときのエッチング深さは典型的には集光素子２００２の厚さの４分の１～３分の１程度である。
　このような２段構成を持った集光素子に対しても、本発明の実施例１から実施例１２に挙げた集光素子と同様の方法を適用すれば、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止するという課題を解決することができる。
　以下、２段構成集光素子のいくつかの適用例を挙げる。
　図１７は、いくつかの隣接する集光素子に対し、その１つ目の適用例を示している。下段の画素内高屈折率部１０２の上段に画素内高屈折率部１５１が設けられている。下段部の画素内高屈折率部１０２は、下段の空隙１０４を有する。図１７に示した集光素子では、本発明の実施例１に係る集光素子と同様に、下段の画素内高屈折率部１０２に適用している。
　図１８は、いくつかの隣接する集光素子に対し、その２つ目の適用例を示している。下段の画素内高屈折率部１０２の上段に画素内高屈折率部１５１が設けられている。上段部の画素内高屈折率部１５１は、上段の空隙１０４を有する。図１８に示した集光素子では、本発明の実施例１に係る集光素子で示した方法を上段の画素内高屈折率部１５１に適用している。
　本発明一形態におけるにおける集光素子は、固体撮像装置に対し用いることができ有用である。また、微細な同心円形状をもった集光素子に有用である。
　１０１　画素端空隙部
　１０２、１７０１　画素内高屈折率部
　１０３　画素内空隙部
　１０４　空隙
　２０３　間隙
　３０５　遮光膜
　３０６　受光部
　３０７　画素
　１５０１　光透過膜
　１５０２　基板
　１５０３　色フィルタ
　１５０４　光検知素子
　１５０５　入射光
　１５０６　配線
　１５０７　媒質
　１５０８　極小部
　２００１　固体撮像装置
　２００２　集光素子
　２００３　第１マスク
　２００４　レジスト
　２００５　第２マスク

Claims (14)

  1. 　第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記第１の輪帯領域と前記第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子であって、
    　前記１つ以上の第１の輪帯領域および前記１つ以上の第２の輪帯領域のうちの少なくとも１つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙を有する
    集光素子。
  2. 　前記１つ以上の第１の輪帯領域および前記１つ以上の第２の輪帯領域の少なくとも一方は２段構成であって、
    　前記間隙は、前記２段構成のうちの下段部又は上段部に設けられている
    請求項１に記載の集光素子。
  3. 　前記間隙の対向する端面はほぼ平行である請求項１記載の集光素子。
  4. 　前記１つ以上の第１の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、
    　前記１つ以上の第２の輪帯領域は空気により構成され、
    　前記１つ以上の第１の輪帯領域のうちの少なくとも１つは、前記間隙を有し、
    　前記間隙は、空隙であり隣接する第２の輪帯領域につながっている
    請求項１に記載の集光素子。
  5. 　前記１つ以上の第１の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、
    　前記１つ以上の第２の輪帯領域は空気により構成され、
    　前記１つ以上の第２の輪帯領域のうちの少なくとも１つは、前記間隙を有し、
    　前記間隙は、前記高屈折率材料で満たされ隣接する第１の輪帯領域につながっている
    請求項１に記載の集光素子。
  6. 　前記間隙の面積は、前記集光素子の面積の３％以下である
    請求項１～５の何れか１項に記載の集光素子。
  7. 　請求項４に記載の集光素子である第１の集光素子と、
    　第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記１つ以上の第１の輪帯領域と前記１つ以上の第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第２の集光素子とを有し、
    　前記第１の集光素子と第２の集光素子とは境界を挟んで隣に配置される
    集光素子群。
  8. 　請求項４に記載の集光素子である第１の集光素子と、
    　請求項４に記載の集光素子である第２の集光素子とを有し、
    　前記第１の集光素子の間隙の長さは、前記第２の集光素子の間隙の長さと異なる
    　集光素子群。
  9. 　請求項４に記載の集光素子を複数個備え、
    　１列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化する
    集光素子群。
  10. 　請求項５に記載の集光素子である第１の集光素子と、
    　第１の屈折率を有する１つ以上の第１の輪帯領域と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する１つ以上の第２の輪帯領域とを有し、前記１つ以上の第１の輪帯領域と前記１つ以上の第２の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第２の集光素子とを有し、
    　前記第１の集光素子と第２の集光素子とは隣接して配置される
    集光素子群。
  11. 　請求項５に記載の集光素子である第１の集光素子と、
    　請求項５に記載の集光素子である第２の集光素子とを有し、
    　前記第１の集光素子の間隙の長さは、前記第２の集光素子の間隙の長さと異なる
    集光素子群。
  12. 　請求項５に記載の集光素子を複数個備え、
    　１列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化する
    集光素子群。
  13. 　複数の受光素子を含む撮像領域と、前記複数の受光素子に対応する複数の集光素子とを備える固体撮像装置であって、
    　前記複数の集光素子は、請求項１に記載の集光素子を含む
    固体撮像装置。
  14. 　前記集光素子の中心位置は、前記受光素子の中心位置からずれ量を有し、
    　前記ずれ量は前記集光素子の撮像領域中の位置に依存し、
    　前記間隙の長さは、前記集光素子の撮像領域中の位置に依存する
    請求項１３に記載の固体撮像装置。
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