(57)【要約】【課題】セルサイズの微細化に伴う感度低下を防止することが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】マイクロレンズ１と、マイクロレンズ１で集光された光を受ける受光素子６とを有する画素を複数備える固体撮像素子であって、画素は、マイクロレンズ１と受光素子６との間に設けられた、誘電体材料で構成される透明平坦化膜３と、マイクロレンズ１から受光素子６に向かって一列に並んで透明平坦化膜３内に設けられた、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ５ｎｍ〜５００ｎｍの複数の微粒子９とを有する。【選択図】図１
2010021427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光素子と、前記集光素子で集光された光を受ける受光素子とを有する画素を複数備える固体撮像素子であって、
前記画素は、
前記集光素子と前記受光素子との間に設けられた誘電体材料と、
前記集光素子から前記受光素子への方向に近接かつ連続して前記誘電体材料内に設けられた、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ５ｎｍ〜５００ｎｍの複数の微粒子とを有する
固体撮像素子。
【請求項２】
前記微粒子は、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロム、鉄クロム酸化物、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物、コバルト亜鉛酸化物、コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の画素は、第１の種類の材料で構成される微粒子を有する画素と、第２の種類の材料で構成される微粒子を有する画素とを含む
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記複数の画素は、
金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、
コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物およびコバルト亜鉛酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、
コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素とを含む
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
１つの前記画素は、異なる材料で構成される２種類以上の微粒子を有する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
１つの前記画素内の一列に並ぶ複数の微粒子において、前記集光素子側に配置されている第１の微粒子は、前記受光素子側に配置されている第２の微粒子よりも大きな粒子サイズを持つ
請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記集光素子は、集光する光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えている
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
集光素子と、前記集光素子で集光された光を受ける受光素子とを有する画素を複数備える固体撮像素子の製造方法であって、
前記集光素子と前記受光素子との間に設けられた誘電体材料内に、前記集光素子から前記受光素子への方向に近接かつ連続して並ぶ形で、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ５ｎｍ〜５００ｎｍの複数の微粒子を形成する
固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機の普及に伴い、固体撮像素子の市場は著しく拡大してきた。多種多様なアプリケーション展開が実施されているなか、技術のトレンドは、画素サイズの微細化、広ダイナミックレンジ化、高感度化と多岐にわたっている。特に画素サイズの微細化は、高解像度／高精細な画像を得るためには必要不可欠な技術である。
【０００３】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子では、それぞれが受光素子を有する複数の半導体集積回路（画素）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。そのため、ＣＣＤイメージセンサやＭＯＳイメージセンサを始めとするほとんどの固体撮像素子には、マイクロレンズと呼ばれる球面レンズが形成されている。
【０００４】
図１１は、従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。
【０００５】
図１１に示すように、画素の最上部にはマイクロレンズ１が形成されており、その下には、入射光を色分離するためのカラーフィルタ２や、遮光膜４が配置されている。さらに、画素の最下部には入射光を電気信号へ変換するための受光素子６が形成されたＳｉ基板７が配置されている。固体撮像素子の最上部に集光素子（マイクロレンズ１）を形成することによって、入射した光はマイクロレンズ１によって収束され、遮光膜４および配線層５を効率よく通過し、受光素子６に入射する。
【０００６】
受光素子に入射光を効率的に導く技術としては、特許文献１に記載の固体撮像素子がある。この固体撮像素子では、受光素子の上方に窒化シリコンなどから構成される高屈折率の光導波路が形成されている。
【特許文献１】特開２００７−１７３２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、画素サイズの微細化に伴い、マイクロレンズ１の集光効率は減少し、固体撮像素子の感度は著しく低下する。図１２は、従来の固体撮像素子における入射光１０の光伝播プロファイルを示す図である。このとき、画素サイズは０．４５μｍ角であり、遮光膜４の開口は０．２５μｍ角となるため、遮光膜４の開口は入射光１０の波長の半分程度となる。そのため、図１２に示されるように、入射光１０は該開口を通過することができず、受光素子６には入射光１０が入らない。
【０００８】
図１３はアスペクト比／感度（画素に対して光が垂直に入射したときの感度）と画素サイズ（セルサイズ）との関係を示す図である。ここで、アスペクト比とは、マイクロレンズ１と受光素子６との間の距離をセルサイズで割った値である。セルサイズが６μｍ角程度であればアスペクト比はほぼ１である。セルサイズの減少に伴って、アスペクト比は増加し、セルサイズが２μｍ角よりも小さくなるとアスペクト比は３以上となる。このとき、感度は、図１３に示されるように、セルサイズの減少とともに急激に減少している。セルサイズが１μｍ角以下になると、入射光がほとんど受光素子６に到達することができないため、感度はほぼ０となる。
【０００９】
特許文献１に記載の技術によれば、光導波路の屈折率をより高くすることで、図１２および図１３に示した問題に対応できると思われるが、光導波路の屈折率を高くするほど光導波路周辺の材料との屈折率差がより大きくなるため、反射により光導波路に光が入らなくなる。従って、この技術でも図１２および図１３に示した問題に対応できない。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、セルサイズの微細化に伴う感度低下を防止することが可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
入射光が遮光膜の開口を通過できなくなるのは、光の波長が回折限界よりも大きいためである。反対に言えば、入射光が回折限界よりも小さい領域を通過できるように、入射光の導波モードを変えることができれば、固体撮像素子の感度は向上する。光の回折限界より小さな領域での光伝播を実現するためには、プラズモニック導波路を用いる必要がある。プラズモニック導波路とは、負誘電体と誘電体との界面に存在する表面プラズモンポラリトンを利用した光導波路である。
【００１２】
例えば、特開２００５−３５１９４１号公報では、金属微小球の表面を周回する表面電荷を発生させ、第２および第３の微小球へとプラズモンポラリトンを伝播させることによって、光を導波させている。また、特開２００６−０２３４１０号公報では、金属膜上に半円状に配置されたプラズモンレンズ構造によって、プラズモン光を集光し、より効率の高い光導波を実現している。いずれの技術も光集積回路に応用されている一般的な２次元導波である。今後、セルサイズが１μｍ角以下の固体撮像素子を実現するためには、プラズモニック導波路を有する素子の開発が必要不可欠である。
【００１３】
以上の知見に基づき、本発明者らは固体撮像素子に対するプラズモニック導波路の適用について精査し、本発明に至った。
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像素子は、集光素子と、前記集光素子で集光された光を受ける受光素子とを有する画素を複数備える固体撮像素子であって、前記画素は、前記集光素子と前記受光素子との間に設けられた誘電体材料と、前記集光素子から前記受光素子への方向に近接かつ連続して前記誘電体材料内に設けられた、誘電率が負である負誘電体材料で構成される粒子サイズ５ｎｍ〜５００ｎｍの複数の微粒子とを有することを特徴とする。これによって、固体撮像素子内に微粒子によるプラズモニック導波路が構築されるため、セルサイズの減少に伴い入射光の波長が遮光膜の開口より大きくなった場合でも、入射光を受光素子に導くことができ、セルサイズの微細化に伴う感度低下を防止することができる。
【００１５】
ここで、前記複数の画素は、第１の種類の材料で構成される微粒子を有する画素と、第２の種類の材料で構成される微粒子を有する画素とを含んでもよい。これによって、プラズモニック導波路による入射光の色分離が可能となり、色再現性が向上する。また、カラーフィルタを設ける必要が無くなるので、小型化が可能となる。
【００１６】
また、前記複数の画素は、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロムおよび鉄クロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物およびコバルト亜鉛酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素と、コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される微粒子を有する画素とを含んでもよい。これによって、特異な金属および酸化物材料を使用する必要がなくなり、生産コストを抑制することができる。
【００１７】
また、１つの前記画素は、異なる材料で構成される２種類以上の微粒子を有してもよい。これによって、製造プロセスが容易になり、生産コストを抑制することができる。
【００１８】
また、１つの前記画素内の一列に並ぶ複数の微粒子において、前記集光素子側に配置されている第１の微粒子は、前記受光素子側に配置されている第２の微粒子よりも大きな粒子サイズを持ってもよい。これによって、粒子サイズの大きな微粒子で入射光の散乱が起こり易くなり、プラズモンの変換効率が増加し、感度が向上する。
【００１９】
また、前記集光素子は、集光する光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えていてもよい。これによって、高角度で入射してくる光が集光素子により受光素子に導かれ、光の斜入射特性が向上するので、感度が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る固体撮像素子によれば、素子内において入射光の回折限界より小さな領域での光伝播が可能となり、セルサイズが微細化された場合でも入射光を受光素子に導くことができるので、高感度で超微細セルサイズの固体撮像素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態における固体撮像素子について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態に係る、フルＨＤ（フルハイビジョン）仕様（２００万画素）の固体撮像素子の断面図である。
【００２３】
この固体撮像素子において、セルサイズは０．４５μｍ角である。同固体撮像素子は、樹脂から構成されるマイクロレンズ１と、カラーフィルタ２と、ＳｉＯ2から構成される透明平坦化膜３と、遮光膜４と、配線層５と、受光素子（Ｓｉフォトダイオード）６と、Ｓｉ基板７とから構成されている。なお、透明平坦化膜３、遮光膜４、配線層５、受光素子６およびＳｉ基板７は、半導体集積回路８を構成する。
【００２４】
マイクロレンズ１は、固体撮像素子への入射光を集める集光素子である。受光素子６は、マイクロレンズ１で集光された光を受け、光電変換を行う。
【００２５】
マイクロレンズ１（カラーフィルタ２）と受光素子６との間には、誘電体材料で構成される透明平坦化膜３が設けられている。そして、透明平坦化膜３内には、粒子サイズ（粒径）０．１μｍの立方体状の微粒子９が、マイクロレンズ１から受光素子６に向かって一列に並んでＹ方向に０．２μｍの間隔で周期的に配列している。このように、負誘電体材料（誘電率が負である材料）である微粒子９を、誘電体材料であるＳｉＯ2（透明平坦化膜３）中に直列に並べて配置することによって、微粒子９は０次元プラズモニック導波路として機能する。なお、図１では、立方体状の微粒子９を記載しているが、球状又は多角形状の微粒子でもかまわない。
【００２６】
微粒子９は、金属または金属酸化物、例えば金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロム、鉄クロム酸化物、コバルトチタンニッケル亜鉛酸化物、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物、コバルト亜鉛酸化物、コバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物の少なくともいずれかで構成される。
【００２７】
図２に、上記構造を有する固体撮像素子の光伝播プロファイルを示す。
【００２８】
固体撮像素子への入射光１０は、マイクロレンズ１によって集光された後、微粒子９を介して遮光膜４および配線層５を通過し、受光素子６に到達する。入射光１０は微粒子９で散乱されてプラズモン光が発生し、発生したプラズモン光は隣接する微粒子９を伝播しながら受光素子６へと到達する。基本的に、負誘電体材料からなる微粒子の局在表面プラズモンは１点に局在し、そのままではエネルギー移動しない。しかしながら、微粒子を光の波長より小さい間隔で直列配置することによって、隣接する微粒子間に相互作用が起こり、局在表面プラズモンのエネルギーが隣接する微粒子に移動する。結果として、微粒子の配列に従って、光エネルギーは導波していく。光の強度分布は、微粒子の粒子サイズに強く依存するため、ナノメートルオーダの光導波路が実現できる。なお、図１の固体撮像素子では、微粒子による光散乱によって発生したプラズモン光を利用しているが、集光素子としてKretshman配置したプリズムを設けるなどして、より効率的にプラズモン光を励起すれば、固体撮像素子の感度は向上する。
【００２９】
図３（ａ）〜図３（ｇ）は、本実施の形態に係るプラズモニック導波路の作製工程を示す図である。プラズモニック導波路構造の形成は、複数回のフォトリソグラフィとエッチングによって行われる。
【００３０】
まず、通常の半導体プロセスを用いて、受光素子６が形成されたＳｉ基板７上に、透明平坦化膜３、遮光膜４および配線層５を形成し、半導体集積回路８（図３では、その詳細については図示していない）を形成する。１つの画素のセルサイズは、０．４５μｍ角であり、１つの受光素子６のサイズは０．２５μｍ角である。
【００３１】
次に、透明平坦化膜３表面にレジスト１１を塗布する（図３（ａ））。その後、フォトリソグラフィ１２によって、レジスト１１のパターニングを行う（図３（ｂ））。
【００３２】
次に、現像した後、レジスト１１をマスクとして透明平坦化膜３にドライエッチング１３を行う（図３（ｃ））。その後、ドライエッチング１３により形成された透明平坦化膜３の穴の底に金蒸着１４により金１５を蒸着する（図３（ｄ））。
【００３３】
次に、ＣＶＤ装置を用いて、金１５上に透明平坦化膜３の一部としてのＳｉＯ2膜を形成する（図３（ｅ））。
【００３４】
最後に、金／ＳｉＯ2膜を多層状に形成した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）１６によって表面を平坦化する（図３（ｆ）および図３（ｇ））。これにより、マイクロレンズ１と受光素子６との間に設けられた透明平坦化膜３内に、マイクロレンズ１から受光素子６への方向に近接かつ連続して並ぶ形で、負誘電体材料で構成される粒子サイズ５ｎｍ〜５００ｎｍの複数の微粒子９が形成される。
【００３５】
以上のように本実施の形態の固体撮像素子によれば、入射光を受光素子６に導く０次元プラズモニック導波路を画素内に形成することができるので、入射光は光の回折限界を超えて、波長よりも狭い領域を透過することができる。結果として、セルサイズが１μｍ角以下に微細化されても、入射光は遮光膜を通過することができ、高感度を維持することができる。
【００３６】
（実施の形態２）
図４は本実施の形態に係る、フルＨＤ仕様（２００万画素）の固体撮像素子の断面図である。
【００３７】
この固体撮像素子において、セルサイズは０．４５μｍ角である。同固体撮像素子は、マイクロレンズ１と、カラーフィルタ２と、透明平坦化膜３と、遮光膜４と、配線層５と、受光素子６と、Ｓｉ基板７とから構成されている。なお、透明平坦化膜３、遮光膜４、配線層５、受光素子６およびＳｉ基板７は、半導体集積回路８を構成する。
【００３８】
マイクロレンズ１と受光素子６との間には、球状の微粒子１７、１８又は１９が、マイクロレンズ１から受光素子６に向かって一列に並んでＹ方向に０．２μｍの間隔で周期的に配列している。隣接する画素においてプラズモニック導波路を構成する主となる微粒子１７、１８および１９の材料が異なる。つまり、赤色透過領域Ｒの画素（Ｒのカラーフィルタ２が配置された画素）には、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：１５ｎｍ）の金から構成される微粒子１９が誘電体材料であるＳｉＯ2（透明平坦化膜３）中に直列に並べて配置されている。緑色透過領域Ｇの画素（Ｇのカラーフィルタ２が配置された画素）には、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：２５ｎｍ）のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物から構成される微粒子１８が誘電体材料であるＳｉＯ2（透明平坦化膜３）中に直列に並べて配置されている。青色透過領域Ｂの画素（Ｂのカラーフィルタ２が配置された画素）には、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：２０ｎｍ）のコバルトアルミ酸化物から構成される微粒子１７が誘電体材料であるＳｉＯ2（透明平坦化膜３）中に直列に並べて配置されている。このとき、小粒径の微粒子１７、１８および１９の表面プラズモンと可視光とのカップリングによるプラズモン光吸収と、金属や金属酸化物の電子遷移吸収による優れた分光特性が実現できる。
【００３９】
図５に、上記構造を有する固体撮像素子の受光感度特性を示す。
【００４０】
図５において、赤色透過領域Ｒの画素の感度特性２１と、緑色透過領域Ｇの画素の感度特性２０と、青色透過領域Ｂの画素の感度特性２８とが示される。図５から、固体撮像素子は、赤色の波長領域、緑色の波長領域、および青色の波長領域で優れた分光特性を示すことが分かる。
【００４１】
なお、微粒子１９は金から構成されるとしたが、少なくとも金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、クロムおよび鉄クロム酸化物を含む第１の種類の材料により構成されればこれに限られない。また、微粒子１８は、コバルトチタンニッケル亜鉛酸化物から構成されるとしたが、少なくともコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物、コバルトチタン酸化物、ニッケルチタン亜鉛酸化物およびコバルト亜鉛酸化物を含む第２の種類の材料により構成されればこれに限られない。さらに、微粒子１７はコバルトアルミ酸化物から構成されるとしたが、少なくともコバルトアルミ酸化物およびコバルトクロム酸化物を含む第３の種類の材料により構成されればこれに限られない。このようにすることにより、微粒子は媒質中に凝集なく均質に分散され、画素間の色ばらつきのない良好な色再現性を実現することが可能となる。また、第１の種類の微粒子を用いると主に赤色領域の透過フィルタを実現でき、第２の種類の微粒子を用いると主に緑色領域の透過フィルタを実現でき、第３の種類の微粒子を用いると主に青色領域の透過フィルタを実現できる。また、第１、第２および第３の種類の材料を混合し、かつその割合を選択して微粒子１７、１８および１９のそれぞれを構成することにより任意領域の分光特性を実現できる。
【００４２】
また、図６に示すように、１つの画素のプラズモニック導波路は、異なる粒子サイズおよび材料で構成された２種類以上の微粒子を有してもかまわない。上述したように、赤色透過領域Ｒの画素には、粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：１５ｎｍ）の金から構成される微粒子１９が配置され、緑色透過領域Ｇには粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：２５ｎｍ）のコバルトチタンニッケル亜鉛酸化物から構成される微粒子１８が配置され、青色透過領域Ｂには粒径分布５ｎｍ〜５０ｎｍ（メジアン値：２０ｎｍ）のコバルトアルミ酸化物から構成される微粒子１７が配置されている。しかしながら、マイクロレンズ１と受光素子６との間に配置されたすべての微粒子が同一種類の微粒子である必要はない。例えば、図６に示すように、光の導波のための微粒子（マイクロレンズ１と配線層５との間に配置された微粒子）に関しては全ての画素で同じ材料で同じ粒径０．１μｍの微粒子を用い、それ以外の微粒子（配線層５と受光素子６との間に配置された微粒子）に関しては異なる色のカラーフィルタ２が配置された画素で異なる材料の微粒子が用いられてもよい。このような構造にすることによって、画素別に異種材料を配置する製造プロセス上の負荷を低減し、コストを抑制することができる。
【００４３】
以上のように本実施の形態の固体撮像素子によれば、複数の画素は、第１の種類の材料で構成される微粒子１９を有する画素と、第２の種類の材料で構成される微粒子１８を有する画素と、第３の種類の材料で構成される微粒子１７を有する画素とを含む。従って、３つの画素で異なる波長域の光が受光素子６に導かれるので、微粒子にカラーフィルタの機能を持たせることができる。その結果、固体撮像素子にカラーフィルタを設ける必要がなくなるので、固体撮像素子の小型化を実現できる。
【００４４】
（実施の形態３）
図７Ａおよび図７Ｂは本実施の形態に係る、フルＨＤ仕様（２００万画素）の固体撮像素子の上面に配置した屈折率分布型マイクロレンズの上面図および断面図である。
【００４５】
一般的に、屈折率分布型マイクロレンズが凸レンズ効果を有するためには、屈折率分布型マイクロレンズの屈折率が光学中心２５で最も高くなる必要がある。図７Ａに示すように、本実施の形態の屈折率分布型マイクロレンズにおいて、レンズ中心付近ではＳｉＯ2が密に集まり、外側のゾーン領域（図７Ｂの破線で囲まれる領域）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２４が入射光の波長と同程度かそれよりも小さければ、光が感じる実効屈折率は、そのゾーン領域内の高屈折率材料（例えば、ｎ＝１．４５のＳｉＯ2）２３と低屈折率材料（例えば、ｎ＝１．００の空気）２２と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２３を増やせば実効屈折率は高くなり、ゾーン領域内の高屈折率材料２３を減らせば、実効屈折率は低くなる（図７Ｃ）。
【００４６】
ここで、屈折率分布型マイクロレンズは、各画素の開口に合わせて四角形状とされている。一般に、光の入射窓の領域が円形の場合、レンズとレンズと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、光の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。
【００４７】
図７Ｄに本実施の形態に係る屈折率分布型マイクロレンズの変形例、つまり２段構造を有する屈折率分布型マイクロレンズの断面図を示す。
【００４８】
本マイクロレンズは、膜厚が０．４μｍのＳｉＯ2と膜厚が０．８μｍのＳｉＯ2との２段構造で構成されている。各ゾーン領域（図７Ｄの破線で囲まれる領域）において、光透過膜（ＳｉＯ2）の線幅だけでなく、膜厚も変化させることによって、より精度の高い実効屈折率分布の制御が可能となる。なお、図８に示す固体撮像素子の集光素子としては、この２段構造の屈折率分布型マイクロレンズが採用されている。
【００４９】
図８は本実施の形態に係る、フルＨＤ仕様（２００万画素）の固体撮像素子の断面図である。
【００５０】
この固体撮像素子において、セルサイズは０．４５μｍ角である。同固体撮像素子は、屈折率分布型マイクロレンズ２６と、カラーフィルタ２と、透明平坦化膜３と、遮光膜４と、配線層５と、受光素子６と、Ｓｉ基板７とから構成されている。なお、透明平坦化膜３、遮光膜４、配線層５、受光素子６およびＳｉ基板７は、半導体集積回路８を構成する。
【００５１】
ここで、屈折率分布型マイクロレンズ２６は、ＳｉＯ2（ｎ＝１．４５）を同心円状に掘り込んだ構造であり、周りの媒質は空気（ｎ＝１．００）である。また、レンズ膜厚は１．２μｍである。レンズの断面構造が単位画素に対して対称でないことがわかる。
【００５２】
図９Ａおよび図９Ｂは、本実施の形態に係る、凸レンズ効果を有する屈折率分布型マイクロレンズ２６の上面図と屈折率分布を示す図である。
【００５３】
屈折率分布型マイクロレンズ２６において、同心構造の中心（光学中心２５）を画素中心からシフトさせ、偏心構造とすることによって（図９Ａ）、実効屈折率分布も画素に対して、非対称形状となる（図９Ｂ）。そのため、屈折率分布型マイクロレンズ２６は、集光性だけではなく偏向性も具備することになる。
【００５４】
図９Ｃは、非対称な屈折率分布型マイクロレンズ２６を伝播する光の様子を示す図である。
【００５５】
特定の角度で入射してきた入射光２７は、画素中心に対して非対称な屈折率分布を有する屈折率分布型マイクロレンズ２６によって偏向され、画素中心軸上に集光される。これは本実施の形態に係る固体撮像素子が、高角度入射に対応していることを示唆しており、固体撮像素子面内で様々な角度の光が入射するような、非線形光学系でも十分に対応できることを示している。
【００５６】
以上のように本実施の形態の固体撮像素子によれば、集光素子は、屈折率分布型マイクロレンズであり、集光する光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分割された同心円構造の光透過膜で生じる実効屈折率分布を備えている。従って、高角度で入射してくる光も受光素子６に導かれ、光の斜入射特性が向上するので、感度が向上する。
【００５７】
（実施の形態４）
図１０は本実施の形態に係る、フルＨＤ仕様（２００万画素）の固体撮像素子の断面図である。
【００５８】
この固体撮像素子において、セルサイズは０．４５μｍ角である。同固体撮像素子は、マイクロレンズ１と、カラーフィルタ２と、透明平坦化膜３と、遮光膜４と、配線層５と、受光素子６と、Ｓｉ基板７とから構成されている。なお、透明平坦化膜３、遮光膜４、配線層５、受光素子６およびＳｉ基板７は、半導体集積回路８を構成する。
【００５９】
実施の形態１の固体撮像素子と同様に、本実施の形態の固体撮像素子では、負誘電体材料を有する粒子サイズ（粒径）０．１μｍの立方体状の微粒子９をＹ方向に光の波長より小さい間隔で周期的に直列に配置することによって、プラズモン光を伝播させている。このとき、本実施の形態の固体撮像素子では、微粒子９による光散乱によって発生したプラズモン光を利用している。しかしながら、光が入射する最上段の微粒子９（光入射面に最も近い微粒子９）の粒子サイズが、波長よりも小さすぎると、微粒子９で入射光の散乱が起こりにくくなり、プラズモンへの変換効率が低下する。そこで本実施の形態では、各画素において最上段の微粒子９のＸ方向の粒子サイズを、例えば０．２μｍとして他の微粒子９よりも大きくしている。これにより、微粒子９での入射光の散乱が起こり易くなり、プラズモン変換効率は高くなる。
【００６０】
以上のように、本実施の形態の固体撮像素子によれば、１つの画素内の一列に並ぶ複数の微粒子９において、マイクロレンズ１側に配置されている微粒子９は、受光素子６側に配置されている微粒子９よりも大きな粒子サイズを持つ。従って、プラズモンの変換効率が増加し、感度が向上する。
【００６１】
以上、本発明の固体撮像素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００６２】
例えば、上記実施の形態において、プラズモニック導波路を構成する微粒子は、球状又は立方体形状を有する微粒子であるとした。しかし、粒径及び一辺などを表す粒子サイズが５ｎｍ〜５００ｎｍであり、かつ、構成する材料が負誘電体材料である微粒子であれば赤、青および緑の光を受光素子に導くプラズモニック導波路が形成されるため、球状又は立方体形状に限られない。
【００６３】
また、上記実施の形態において、微粒子はＹ方向に０．２μｍの間隔で配置されるとした。しかし、微粒子がＹ方向に入射光の波長より小さい間隔で配置されれば入射光により生じたプラズモンポラリトンを微粒子間で伝播させることができるため、０．２μｍの間隔に限られない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
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、カメラ付携帯電話機、監視用カメラ、車載用カメラおよび放送用カメラをはじめとするイメージセンサ関連製品などに利用が可能であり、性能向上および低価格化が実現可能であるため産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施の形態１に係る固体撮像素子の構造を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る固体撮像素子の光伝播プロファイルを示す図である。
【図３】実施の形態１に係るプラズモニック導波路の製造工程を示す図である。
【図４】実施の形態２に係る固体撮像素子の構造を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る固体撮像素子の分光感度特性を示す図である。
【図６】実施の形態２に係る固体撮像素子の変形例の構造を示す図である。
【図７Ａ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの上面図である。
【図７Ｂ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの断面図である。
【図７Ｃ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの屈折率分布を示す図である。
【図７Ｄ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの変形例の断面図を示す図である。
【図８】実施の形態３に係る固体撮像素子の構造を示す図である。
【図９Ａ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの上面図を示す図である。
【図９Ｂ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの屈折率分布を示す図である。
【図９Ｃ】実施の形態３に係る屈折率分布型マイクロレンズの光学特性を示す図である。
【図１０】実施の形態４に係る固体撮像素子の構造を示す図である。
【図１１】従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。
【図１２】従来の固体撮像素子における入射光の光伝播プロファイルを示す図である。
【図１３】従来の固体撮像素子のアスペクト比と感度のセルサイズ依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１    マイクロレンズ
２    カラーフィルタ
３    透明平坦化膜
４    遮光膜
５    配線層
６    受光素子
７    Ｓｉ基板
８    半導体集積回路
９、１７、１８、１９    微粒子
１０、２７    入射光
１１    レジスト
１２    フォトリソグラフィ
１３    ドライエッチング
１４    金蒸着
１５    金
１６    ＣＭＰ
２０    緑色透過領域Ｇの画素の感度特性
２１    赤色透過領域Ｒの画素の感度特性
２８    青色透過領域Ｂの画素の感度特性
２２    低屈折率材料
２３    高屈折率材料
２４    ゾーン領域の幅
２５    光学中心
２６    屈折率分布型マイクロレンズ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図２】
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【図１２】
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