(57)【要約】【課題】低損失で集光効率の高い小型の固体撮像装置を提供する。【解決手段】低屈折率材料１と高屈折率材料２とを交互に積層した屈折率周期構造と、面内方向に同心的な相似形状（円または多角形）の屈折率周期構造とを有するフォトニック結晶を、各光電変換素子上に配置した固体撮像装置１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを構成する。本フォトニック結晶のみで、ＲＧＢの色分離と集光とを同時に行うことができる。また、本フォトニック結晶は、積層方向の屈折率周期構造を有する多層膜に対して、リソグラフィとエッチングにより面内方向の同心的な相似形状の空洞を設ける方法、または、面内方向の同心的な相似形状を形成したベース上に、自己クローニングにより面内方向と積層方向の屈折率周期構造を設ける方法で製造することができる。【選択図】  図１
2005026567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子上に形成された光学素子とを有する固体撮像装置であって、
前記光学素子は、積層方向の屈折率周期構造と、面内方向の同心的な相似形状の屈折率周期構造とを有するフォトニック結晶により形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記フォトニック結晶の形状は筒型であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は自己クローニング型であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記フォトニック結晶の前記面内方向の同心的な相似形状は、円および多角形のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
配列がハニカム状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
固体撮像装置の製造方法であって、
積層方向の屈折率周期構造を有する多層膜に対して、リソグラフィとエッチングにより面内方向の同心的な相似形状の空洞を設けてフォトニック結晶を製造する工程を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
固体撮像装置の製造方法であって、
面内方向の同心的な相似形状を有するベース上に、自己クローニングにより面内方向と積層方向の屈折率周期構造を設けてフォトニック結晶を製造する工程を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、光電変換素子上に形成された光学素子とを有する固体撮像装置に関し、特に光学素子としてフォトニック結晶を用いた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体撮像装置として、様々な技術が提案されている。例えば図９に示す固体撮像装置３０は、光電変換素子２７へ入射光を集光するために、装置上部にマイクロレンズ２１、さらに装置内部に層内レンズ２４を形成し、集光効率を上げている。また、ＲＧＢの各光信号を検出するために画素ごとにカラーフィルタ２２を設置している。
【０００３】
さらに、様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１および２）。上記特許文献１に開示された固体撮像装置は、光電変換素子の上の窓を囲む領域に、屈折率が異なる物質を周期的に積層したフォトニック結晶を設けることにより、所定波長領域の光の侵入を許さない構造を有する。このため、金属等の遮光膜を用いることなく、光電変換素子の周辺領域に光が入射することを防止できる。
【０００４】
また、特許文献２に開示された固体撮像装置は、光電変換素子上にテーパー形状でかつ光反射性を有する反射膜を形成する。さらに、反射膜により囲まれた部分の光電変換素子上に、周辺から中心に行くに従い屈折率が高くなる透過膜を形成する。その結果、固体撮像装置に入射した光は光電変換素子の方向に効率よく集光されて感度が向上する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−１３３５３６号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−４４４０１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の固体撮像装置はすべて、複数素子により集光と色分離とを行っているため、各素子間での反射損失や結合損失により集光効率に限界があり、画素数向上のための画素の小型化が困難になるという問題がある。
【０００８】
また、カラーフィルタを別途設置しなければならないため、カラーフィルタを構成する樹脂や顔料が画素と同じ程度のサイズまで近づくため、画素の小型化に従って色分離が困難になるという問題がある。
【０００９】
さらに、光は装置中央の画素へは垂直に、周辺の画素へは斜めに入射するが、マイクロレンズはリフローで形成するために、装置中央と周辺とで形状を制御することが困難であり、装置周辺の画素の集光効率が中央よりも低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、特許文献１に開示された固体撮像装置は、ミラーで絞る方式のため集光効率に限界がある。
【００１１】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、低損失で集光効率の高い小型の固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上に形成された多数の光電変換素子と、前記光電変換素子上に形成された光学素子とを有する固体撮像装置であって、前記光学素子は、積層方向の屈折率周期構造と、面内方向の同心的な相似形状の屈折率周期構造とを有するフォトニック結晶により形成されていることを特徴とする。
【００１３】
なお、本発明に係る固体撮像装置のフォトニック結晶の製造方法には、積層方向の屈折率周期構造を有する多層膜に対して、リソグラフィとエッチングにより面内方向の同心的な相似形状の空洞を設けた筒状のフォトニック結晶を製造する方法、および、面内方向の同心的な相似形状を形成したベース上に、自己クローニングにより面内方向と積層方向の屈折率周期構造を設けたフォトニック結晶を製造する方法の二種類がある。
【００１４】
これによって、本発明に係る固体撮像装置は、一つの素子により色分離と集光が同時に実現するため、複数素子による構成が原因である反射損失や結合損失がなくなるので、非常に低損失かつ集光効率の高い小型の固体撮像装置を実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態における固体撮像装置を説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの外観図である。例えば、固体撮像装置１１ｃは、半導体基板５の表面に入射光を信号電荷に変換する光電変換素子４ｃが設けられており、その上部の窓の周りには側面からの光の入射をさえぎる遮光部３が設けられ、その上部に平坦化層７が設けられ、さらにその上部には後述するフォトニック結晶が光学素子として、同心形状の中心が光電変換素子４ｃの中心に一致するように設けられている。
【００１７】
フォトニック結晶は、光の色分離と集光とを同時に行うためのものである。積層方向には多層膜フィルタと同様の屈折率周期構造が形成されている。すなわち、全体で１１層構成であり、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料１が、上から第２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料２が配置されている。なお、上から第６番目の高屈折率材料２の層は積層欠陥共振器である。
【００１８】
フォトニック結晶の材料は、例えば、低屈折率材料１としてＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３など、高屈折率材料２としてＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などを用いることができる。吸収による損失を避けるため、可視域で透明である材料であればよい。ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５とを用いた場合には、ＳｉＯ２の膜厚はすべて２１７ｎｍ、Ｔａ２Ｏ５の膜厚は１４１ｎｍ（ただし、積層欠陥共振器は２８２  ｎｍ）である。
【００１９】
一方、フォトニック結晶の面内方向には同心円状に空洞が１素子あたり３個設けられている。すなわち、最上層の中央の開口および２個のドーナツ状の開口が、それぞれフォトニック結晶の最下層まで垂直に貫通している。中央の開口直径およびドーナツ状の開口幅がともに、固体撮像装置１１ａ、１１ｂおよび１１ｃのフォトニック結晶では、それぞれ１８０ｎｍ、２１０ｎｍ、２５０ｎｍとなっている（ドーナツ状の開口のピッチはすべて６００ｎｍ）。
【００２０】
フォトニック結晶の積層方向の低屈折率材料１と高屈折率材料２のそれぞれの膜厚と屈折率により透過波長が決まるが、上記のように同心円周期が変わることで実効屈折率が変化するため、透過波長が変化し、固体撮像装置１１ａ、１１ｂおよび１１ｃのフォトニック結晶により、それぞれＲ、ＧおよびＢという光のＲＧＢの色分離が可能となる（波長フィルタ機能）。また、このフォトニック結晶の面内方向の相似形状的な屈折率周期構造により集光機能が生じる。
【００２１】
図２は、発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１１ａの積層方向の断面図である。入射光は、積層方向の屈折率周期構造と、面内方向の相似形状的な屈折率周期構造とをもつフォトニック結晶１０ａにより、特定の波長域（赤）のみが透過および集光され、光電変換素子４ａに到達する。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例を示す図である。図１では、面内方向の相似形状が円のものを示したが、図３（ａ）に示す固体撮像装置１１ｄは正六角形、また、図３（ｂ）に示す固体撮像装置１１ｅは正方形である。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１１ｆの平面的な配置例を示す図である。ＲＧＢの各光成分だけが透過するように面内方向の屈折率周期構造を設定した正六角形の３種類の固体撮像装置を、隙間なくかつ互いに同種のものが隣り合わないように平面的に最適配置している。このように固体撮像装置をハニカム状に配列すると、正方格子状に配列する場合に比べて、各固体撮像装置の隅のようなフォトニック結晶からなる光学素子で集光できない領域が減少する。そのため、集光効率が向上する。さらに、固体撮像装置をハニカム状に配列し、フォトニック結晶からなる光学素子の面内方向の同心的な相似形状を六角形とすると、集光できない領域がほとんど発生しない。そのため、集光効率がさらに向上する。
【００２４】
図５は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１１ａ、１１ｂおよび１１ｃのフォトニック結晶の製造方法を示すフローチャートである。まず、スパッタ法等により多層膜を形成することにより、積層方向の屈折率周期構造を設け（Ｓ１）、次に、電子ビーム露光などによるリソグラフィとドライエッチングにより面内方向の同心円的な相似形状の空洞を設ける工程を行って（Ｓ２）、最終的に、図１に示したような積層方向の屈折率周期構造と、面内方向の同心円的な相似形状の屈折率周期構造とを有する筒型のフォトニック結晶を製造する。
【００２５】
以上のように、本実施の形態における固体撮像装置は、フォトニック結晶で形成される光学素子のみを用いて集光および色分離を行うので、従来の問題点である、複数素子から構成されることによる反射損失や結合損失がなく、また、カラーフィルタが不要のため、極めて低損失で集光効率の高い小型の固体撮像装置を実現することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、面内方向の同心的な相似形状は円、正六角形または正方形であったが、その他の多角形で実施してもよい。
【００２７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置を説明する。実施の形態１と異なる点は、フォトニック結晶の構造と製造方法である。
【００２８】
図６は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置１２ａ、１２ｂおよび１２ｃの外観図である。例えば、固体撮像装置１２ｃは、半導体基板５ａの表面に入射光を信号電荷に変換する光電変換素子６ｃが設けられており、その上部の窓の周りには側面からの光の入射をさえぎる遮光部３ａが設けられ、さらにその上部に、後述するフォトニック結晶が光学素子として、同心形状の中心が光電変換素子６ｃの中心に一致するように、設けられている。
【００２９】
フォトニック結晶は、積層方向には多層膜フィルタと同様の屈折率周期構造が形成されている。実施の形態１と同様に全体で１１層構成であり、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料１ａが、また、上から第２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料２ａがそれぞれ配置されている。なお、上から第６番目の高屈折率材料２ａの層は積層欠陥共振器である。低屈折率材料１ａと高屈折率材料２ａの材料例は、実施の形態１と同じである。例えば、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５を用いた場合には、ＳｉＯ２の膜厚は９２ｎｍ（ただし、最下層は２００  ｎｍ）、Ｔａ２Ｏ５の膜厚は６０ｎｍ（ただし、積層欠陥共振器は１２０ｎｍ）である。
【００３０】
一方、フォトニック結晶の面内方向には、最上層から第１０層までは、断面形状が三角形の山形をした突起が３個の同心円を形成することで、屈折率周期構造をとっている。第１１層すなわち最下層の構造は後述する。
【００３１】
図７は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置のフォトニック結晶を製造するためのベースの外観図である。ベース１３ａ、１３ｂおよび１３ｃは、それぞれ図６に示した固体撮像装置１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのフォトニック結晶を自己クローニングで製造する際のベースとなる。すなわち、図６で示した固体撮像装置１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのフォトニック結晶の最下層となるものである。膜厚２００ｎｍのＳｉＯ２の上部に、断面形状が長方形で高さ１００ｎｍの突起が同心円状に３個設けられている。突起の幅および隣り合う同心円のピッチが、ベース１３ａ、１３ｂおよび１３ｃでは、それぞれ８０ｎｍと１６０ｎｍ、１００ｎｍと２００ｎｍ、１２０ｎｍと２４０ｎｍとなっている。中心部の直径は、それぞれ同心円のピッチと同じである。
【００３２】
フォトニック結晶の積層方向の低屈折率材料１と高屈折率材料２のそれぞれの膜厚と屈折率により透過波長が決まるが、上記のように同心円周期が変わることで実効屈折率が変化するため、透過波長が変化し、図６の固体撮像装置１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのフォトニック結晶により、それぞれＢ、ＧおよびＲという光のＲＧＢの色分離が可能となる（波長フィルタ機能）。また、このフォトニック結晶の面内方向の相似形状的な屈折率周期構造により集光機能が生じる。
【００３３】
図８は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置のフォトニック結晶の製造方法を示すフローチャートである。まず、図７に示したような面内方向の同心円的な相似形状を形成したベースの製造工程を行い（Ｓ１１）、次に、自己クローニングによって高屈折率材料と低屈折率材料を交互に積層して、面内方向と積層方向に屈折率周期構造を設ける工程を行って（Ｓ１２）、最終的に、図６に示したような積層方向の屈折率周期構造と、面内方向の同心円的な相似形状の屈折率周期構造とを有する固体撮像装置１２ａ、１２ｂおよび１２ｃのフォトニック結晶を製造する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態２における固体撮像装置は、自己クローニングによって製造したフォトニック結晶のみで形成される光学素子を用いて色分離および集光を行うので、カラーフィルタが不要になり、複数素子による構成が原因である反射損失や結合損失がなくなるので、極めて低損失で集光効率の高い小型の固体撮像装置を実現することができる。そのため、一つの固体撮像装置の面内方向の大きさを従来より小さくすることも可能となる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、面内方向の同心的な相似形状は円であったが、正六角形や正方形などの多角形で実施してもよい。
【００３６】
以上、本発明に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されない。例えば、発明の実施の形態１および２ではフォトニック結晶は１１層の積層構造としたが、それ以上の積層構造としてもよい。また、面内方向の同心的な周期構造は３周期で、かつ規則的であったが、４周期以上であってもよく、また不規則的であってもよい。また、フォトニック結晶の製造方法は、多層膜形成技術、リソグラフィ、エッチング、および自己クローニングに限定されず、他の方法で製造してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る固体撮像装置によって、色分離と集光機能とが一つのフォトニック結晶のみによって同時に実現できる。従って、カラーフィルタが不要となり、複数素子による構成が原因である反射損失や結合損失がなくなるので、低損失化が実現できる。そのため、一つの固体撮像装置の面内方向の大きさを従来より小さくすることも可能となる。さらに、フォトニック結晶は半導体プロセスの精密な多層膜形成技術とリソグラフィとエッチング、または自己クローニングを用いて製造するため、ＲＧＢや装置の位置に応じて最適な周期や構造を容易に制御性よく形成できる。そのため、従来の問題点である装置周辺の画素の集光効率の低下が改善できる。
【００３８】
以上のように、本発明に係る固体撮像装置により、低損失で集光効率の高い小型の固体撮像装置の実現が可能になり、その実用的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の外観図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の平面的な配置例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置のフォトニック結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の外観図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置のフォトニック結晶のベースの外観図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置のフォトニック結晶の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】従来技術に係る固体撮像装置の断面図および上面図である。
【符号の説明】
１、１ａ    低屈折率材料
２、２ａ    高屈折率材料
３、３ａ    遮光部
４ａ、４ｃ    光電変換素子
５、５ａ    半導体基板
６ｃ    光電変換素子
７    平坦化層
１０ａ    フォトニック結晶
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ    固体撮像装置
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ    固体撮像装置
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ    ベース
２１    マイクロレンズ
２２    カラーフィルタ
２３    平坦化層
２４    層内レンズ
２５    平坦化層
２６    遮光部
２７    光電変換素子
２８    半導体基板
３０    固体撮像装置
【図１】
2005026567.tif 000003
【図２】
2005026567.tif 000004
【図３】
2005026567.tif 000005
【図４】
2005026567.tif 000006
【図５】
2005026567.tif 000007
【図６】
2005026567.tif 000008
【図７】
2005026567.tif 000009
【図８】
2005026567.tif 000010
【図９】
2005026567.tif 000011