(57)【要約】【課題】  斜め入射光に対する集光効率の向上を実現する固体撮像素子を提供する。【解決手段】  固体撮像素子２００は、入射光を集光する集光部６と、集光部６の出射面側に形成され、集光された光を入射し、所定の波長領域の光の進行方向を変えるフォトニック結晶７と、フォトニック結晶７の出射面側に形成され、フォトニック結晶７内の導波光を入射し、電荷に変換する受光部２とを備える。フォトニック結晶７は、所定の波長領域の光に対して平坦な分散面を有することにより、導波光を平行束にする。フォトニック結晶７は、導波光を受光部２の受光面の法線方向に導波する。【選択図】  図１
2005203676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を集光する集光部と、
前記集光部の出射面側に形成され、前記集光された光を入射し、所定の波長領域の光の進行方向を変えるフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶の出射面側に形成され、前記フォトニック結晶内の導波光を入射し、電荷に変換する受光部とを備える
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記フォトニック結晶は、前記所定の波長領域の光に対して平坦な分散面を有することにより、前記導波光を平行束にする
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は、前記導波光を前記受光部の受光面の法線方向に導波する
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
さらに、前記集光部と前記フォトニック結晶との間に形成され、前記集光された光のうち所定の波長領域の光のみを通過させるカラーフィルタ層を備える
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素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶の出射面は、前記受光部の受光面と接している
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素子。
【請求項６】
前記フォトニック結晶の入射面が平坦である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記所定の波長領域は、前記フォトニック結晶の構成材料の種類、大きさ、および配置間隔の中の少なくとも一つを変更することにより、異なる波長領域に設定される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記集光部の焦点位置が、前記フォトニック結晶の入射面上にある
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記集光部の中心軸と前記受光部の開口の中心軸とは平行で、離れている
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
さらに、前記フォトニック結晶の上部または内部に、前記受光部の上部に開口を有して形成され、前記受光部の周辺への光の侵入を防ぐ遮光層を備える
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記集光部の焦点距離をｆ、前記入射光の入射角の最大値をθ、および前記遮光層の開口幅をWとするとき、
ｆ＜W／（２tan(θ)）
の関係が満たされている
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
さらに、前記遮光層の下部に、前記受光部上の前記フォトニック結晶を取り囲んで形成されたアクリル層を備える
ことを特徴とする請求項１０または１１記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶は、
前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第１のフォトニック結晶と、
前記遮光層の下部に、前記第１のフォトニック結晶を取り囲んで形成され、前記第１のフォトニック結晶の平坦な分散面を有する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第２のフォトニック結晶とを備える
ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記フォトニック結晶は、
前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第１のフォトニック結晶と、
前記第１のフォトニック結晶に上部を覆われ、かつ、前記受光部の上部を取り囲んで形成され、前記第１のフォトニック結晶の有する平坦な分散面に対応する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第２のフォトニック結晶とを備える
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記集光部は、マイクロレンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレートおよび分布屈折率型レンズのいずれかである
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
請求項１０記載の固体撮像素子の製造工程であって、
半導体基板に前記受光部を形成する工程と、
前記受光部の上部に前記フォトニック結晶を形成する工程と、
前記フォトニック結晶の表面を平坦化する工程と、
前記フォトニック結晶の上部に前記遮光層を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の固体撮像素子の製造工程であって、
半導体基板に前記受光部を形成する工程と、
前記受光部の上部に前記第１のフォトニック結晶を形成する第１フォトニック結晶工程と、
前記第１のフォトニック結晶の周囲に前記第２のフォトニック結晶を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第１フォトニック結晶工程では、全面に前記第１のフォトニック結晶を形成した後、前記受光部の上部の前記第１のフォトニック結晶以外は除去する
ことを特徴とする請求項１７記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第１フォトニック結晶工程では、フォトニック結晶構造を指定する露光工程で前記第１のフォトニック結晶用のパターンを用いる
ことを特徴とする請求項１７記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１２記載の固体撮像素子の製造方法であって、
半導体基板に前記受光部を形成する工程と、
前記受光部上に、平坦層および前記遮光層を形成する工程と、
前記遮光層の開口部をマスクにして、前記受光部の受光面まで前記平坦層を削ることによって凹部を形成する工程と、
前記凹部に前記フォトニック結晶を形成するフォトニック結晶工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項２１】
前記フォトニック結晶工程では、高分子微粒子による自己組織化を用いる
ことを特徴とする請求項２０記載の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、CCD、MOSイメージセンサー等に搭載される固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
1970年にBell研のBoyleとSmithによって発明されたCCDは、1985年頃から家庭用ビデオカメラに搭載され、1990年代にはほとんどのカメラに搭載された。特に、1990年半ばからデジタルスチルカメラが台頭し、パーソナルコンピュータの普及とあいまって、固体撮像素子（CCD、MOSイメージセンサ）の市場が大きく拡大した。さらに2000年代になると、携帯電話にカメラが内蔵されるようになり、固体撮像素子の市場は飛躍的に伸びている。
【０００３】
固体撮像素子に対する要望は高感度化／高画素化などに変化してきたが、近年はデジタルスチルカメラ／携帯電話などの薄型化にともない、カメラ部分の薄型化に対応することが要望されている。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、固体撮像素子に入射する光が広角（固体撮像素子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。
【０００４】
従来の固体撮像素子の単位画素の断面構造を図１６に示す。固体撮像素子２３０においては、シリコン基板１０１上に、入射光を電荷に変換するp/n接合からなる受光部１０２が形成されている（この他、受光素子の信号を転送する素子（電荷結合素子など）や多層配線があるが、本図では簡単のため省略している）。受光部１０２上には、アクリル平坦層１１１がある。平坦層１１１の役目は、電荷結合素子や多層配線のため凸凹になった表面を平坦にするものである。入射光が受光部１０２外のシリコンに照射して不要な電子正孔対が形成されないようにアルミニウム遮光層１０３が形成されている（不要な電子正孔対はスミアを発生させ、撮影画質を劣化させるため）。遮光層１０３の開口の大きさは受光部１０２の大きさとほぼ等しい。遮光層１０３の上にはアクリル層１０４が存在する。このアクリル層１０４の役目は後述する。その上には、カラーフィルタ層１０５が存在する。カラーフィルタ層１０５には一般に顔料または染料が用いられ、それらが光吸収することにより透過光の色（波長）が決定される。カラーフィルタ層１０５上には、マイクロレンズ１０６が存在する。マイクロレンズ１０６が無い場合、遮光層１０３上付近に光が入射されて無駄になる。マイクロレンズ１０６により光が遮光部１０３の開口部に集められ、受光部１０２に入射されることにより、無駄な光が無くなり、感度が向上する。アクリル層１０４の役目は、この光が集光する光路として必要である。
【０００５】
図１７に、従来のマイクロレンズ付固体撮像素子の製造フローを示す。まず、図１７（ａ）に示すように基板１０１を用意し、次に図１７（ｂ）に示すように、基板１０１中に受光部１０２を形成する。この他、電荷結合素子や配線も形成されるが、ここでは図示を省略している。次に図１７（ｃ）に示すように、その上にアクリル層１１１を形成し、CMPにより表面を平坦化し、平坦層にしている。さらに図１７（ｄ）に示すように、その上にフォトリソグラフィで遮光層１０３を形成する。さらに図１７（ｅ）に示すように、その上にアクリル層１０４を形成する。さらに図１７（ｆ）に示すように、その上にカラーフィルタ層１０５を形成し、最後に図１７（ｇ）に示すように、その上にマイクロレンズ１０６を形成する。
【０００６】
また、フォトニック結晶を利用した固体撮像素子として、様々な技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示された技術では、受光部の上に窓を構成し、窓を囲む領域に所定波長領域の光の侵入を許さないテ−パ形状を有するフォトニック結晶を備える。すなわち、フォトニック結晶は光を透過させない反射ミラーとして利用されている。
【特許文献１】特開２００３−１３３５３６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、従来の固体撮像素子には以下に述べるような問題がある。
図１８は、従来の固体撮像素子に、光が入射した時の様子を示す図である。図１８（ａ）は、固体撮像素子２３０に光が垂直に入射した場合、図１８（ｂ）は傾斜をもって入射した場合である。垂直入射光１０７に対してマイクロレンズ１０６の集光作用によって、光が受光部１０２に集まる。しかしながら、斜め入射光１０８の入射角（固体撮像素子の入射面の垂直軸から測定した角度）が非常に大きい場合には、集光位置は受光部１０２から外れ、まったく光は受光部１０２に入射されない。マイクロレンズ１０６の焦点距離をｆ、受光部１０２の辺をDとするとき、θ＝arctan（Ｄ／２ｆ）より大きな入射角をもつ斜め光は、集光されない。このため薄型カメラ用の焦点距離が短い光学系（入射角θが大きい光学系）に対しては、従来のマイクロレンズでは光を充分捉えることができず、感度が低下する。このため、撮影した画面が暗くなるという問題や、露光時間が長い場合に像がぶれるという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、斜め入射光に対する感度向上を実現する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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、入射光を集光する集光部と、前記集光部の出射面側に形成され、前記集光された光を入射し、所定の波長領域の光の進行方向を変えるフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶の出射面側に形成され、前記フォトニック結晶内の導波光を入射し、電荷に変換する受光部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記フォトニック結晶は、前記所定の波長領域の光に対して平坦な分散面を有することにより、前記導波光を平行束にすることを特徴とする。
このようなフォトニック結晶を用いることによって、光の進行方向を自由に制御できる。従って、集光部で集光された光の進路を制御することができ、固体撮像素子に斜めに入射されて、フォトニック結晶がなければ受光部に入らない方向に向かう光をも制御し、受光部へ効率的に入射させることができるため、高感度な固体撮像素子が実現できる。
【００１１】
さらに、前記フォトニック結晶は、前記導波光を前記受光部の受光面の法線方向に導波することを特徴とする。
これにより、フォトニック結晶がない場合に、受光部から外れてしまう斜め光が折り曲げられて受光部に到達するので、固体撮像素子の感度が大きくなる。
【００１２】
さらに、前記集光部と前記フォトニック結晶との間に形成され、前記集光された光のうち所定の波長領域の光のみを通過させるカラーフィルタ層を備えることを特徴とする。
これにより、入射光のうち必要な色を選別できると同時に、集光部により光が絞られる空間を確保することができる。故に、スポットサイズが小さくなった後の小径の光がフォトニック結晶に入射されることになり、さらに効率的に入射光を受光部に入射させることができ、固体撮像素子の感度が向上する。
前記フォトニック結晶の出射面は、前記受光部の受光面と接していることを特徴とする。
【００１３】
これにより、フォトニック結晶の出射光の進行方向の制御を受光部の受光面ぎりぎりまで行うことができ、高感度な固体撮像素子が実現できる。なお、この構造ではない場合にはフォトニック結晶から出射される光の進行方向は制御されないため、出射光が十分に受光部に入らないこととなる。
前記フォトニック結晶の入射面が平坦であることを特徴とする。
【００１４】
これにより、アクリルなどで配線や電子素子を形成したことによる表面凹凸を平らにするための平坦層を作る必要がなくなり、また製造工程が減るので、固体撮像素子の低価格化が実現できる。
前記所定の波長領域は、前記フォトニック結晶の構成材料の種類、大きさ、および配置間隔の中の少なくとも一つを変更することにより、異なる波長領域に設定されることを特徴とする。
【００１５】
フォトニック結晶の性能は波長により変化するが、これにより、各色（波長）に対応する各画素に対して最適なフォトニック構造にすることができ、各画素に対して光の進行方向の制御を最適化することができる。
前記集光部の焦点位置が、前記フォトニック結晶の入射面上にあることを特徴とする。
これにより、遮光層で遮られる光を少なくすることができ、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
【００１６】
さらに、前記集光部の中心軸と前記受光部の開口の中心軸とは平行で、離れていることを特徴とする。
このように、集光部の中心位置と遮光層の開口部の中心位置が一致していない構造が有効な場合は、主に斜め光が主成分となっている場合であり、垂直入射光に対しては集光効率が低下するが、斜め光に対しては集光が向上する。すなわち、イメージセンサーの周辺画素ではこのような構造にすることにより感度を向上できる。
【００１７】
さらに、前記フォトニック結晶の上部または内部に、前記受光部の上部に開口を有して形成され、前記受光部の周辺への光の侵入を防ぐ遮光層を備えることを特徴とする。
このような、フォトニック結晶と遮光層との形成構造により、フォトニック結晶は遮光層の開口に達した光または達する前の光を制御できるようになるので、固体撮像素子の感度が向上する。
【００１８】
さらに、前記集光部の焦点距離をｆ、前記入射光の入射角の最大値をθ、および前記遮光層の開口幅をWとするとき、ｆ＜W／（２tan(θ)）の関係が満たされていることを特徴とする。
これにより、入射光をほぼ100％受光部に取り込むことができ、極めて高感度な固体撮像素子を実現できる。
【００１９】
さらに、前記フォトニック結晶は、前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第１のフォトニック結晶と、前記遮光層の下部に、前記第１のフォトニック結晶を取り囲んで形成され、前記第１のフォトニック結晶の平坦な分散面を有する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第２のフォトニック結晶とを備えることを特徴とする。
【００２０】
この構造によれば、第１のフォトニック結晶からわずかに洩れる光（遮光層と受光部の間に存在する光）が受光部以外の部分に達してスミアが発生することを抑制できるので、高品位な画質を得ることができる。
また、前記フォトニック結晶は、前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第１のフォトニック結晶と、前記第１のフォトニック結晶に上部を覆われ、かつ、前記受光部の上部を取り囲んで形成され、前記第１のフォトニック結晶の有する平坦な分散面に対応する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第２のフォトニック結晶とを備えることを特徴とする。
【００２１】
光バンドギャップを有するフォトニック結晶は、光を入射させないため遮光層と同じ働きがある。それゆえ、この構成により遮光層が不要となり、固体撮像素子の低価格化を実現できる。
さらに、前記集光部は、マイクロレンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレートおよび分布屈折率型レンズのいずれかであることを特徴とする。
【００２２】
マイクロレンズを固体撮像素子に集積することは、すでに量産的に確立された技術であり、固体撮像素子の低価格化を実現できる。また、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、または分布屈折率型レンズを用いることで固体撮像素子全体を薄く構成することができ、より進んだ薄膜構造を実現できる。
【００２３】
また、固体撮像素子の製造工程であって、半導体基板に前記受光部を形成する工程と、前記受光部の上部に前記フォトニック結晶を形成する工程と、前記フォトニック結晶の表面を平坦化する工程と、前記フォトニック結晶の上部に前記遮光層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
これにより、遮光層と受光部との間を完全にフォトニック結晶で埋めることができ、さらには、フォトニック結晶の表面が平らになっていることにより、従来の平坦化層を取り除いた構成にすることができる。
また、固体撮像素子の製造工程であって、半導体基板に前記受光部を形成する工程と、前記受光部の上部に前記第１のフォトニック結晶を形成する第１フォトニック結晶工程と、前記第１のフォトニック結晶の周囲に前記第２のフォトニック結晶を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２４】
さらに、前記第１フォトニック結晶工程では、全面に前記第１のフォトニック結晶を形成した後、前記受光部の上部の前記第１のフォトニック結晶以外は除去することを特徴とする。
または、前記第１フォトニック結晶工程では、フォトニック結晶構造を指定する露光工程で前記第１のフォトニック結晶用のパターンを用いることを特徴とする。
このように、第２のフォトニック結晶の光バンドギャップを当該画素が扱う色の波長にすることにより、遮光層のない構造を作ることができ、固体撮像素子の低価格化が実現できる。
【００２５】
また、固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板に前記受光部を形成する工程と、前記受光部上に、平坦層および前記遮光層を形成する工程と、前記遮光層の開口部をマスクにして、前記受光部の受光面まで前記平坦層を削ることによって凹部を形成する工程と、前記凹部に前記フォトニック結晶を形成するフォトニック結晶工程とを含むことを特徴とする。
これにより、開口位置と受光面の位置を従来の固体撮像素子と同じ工程で製造することができ、固体撮像素子の低価格化を実現できる。
【００２６】
さらに、前記フォトニック結晶工程では、高分子微粒子による自己組織化を用いることを特徴とする。
これにより、約１μｍ凹んだ場所にフォトニック結晶が製造可能になるため、固体撮像素子を安定して製造することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る固体撮像素子によれば、斜め入射光に対する感度向上を実現することができる。本固体撮像素子を用いることにより、短焦点の撮像光学装置、言い換えれば、超薄型の撮像光学装置を実現することができ、超薄型カメラ付携帯電話や超薄型デジタルスチルカメラ等が実現でき、さらにこれらのポータブル性が高まる。このことは画像を多く扱うユビキタスネットワークでは重要なことである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いてさらに具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の単位画素の断面図を示す図である。本固体撮像素子を用いたイメージセンサーは、実際には画素数として１２８０ｘ１０２４画素を有する（約１３０万画素であり、所謂SXGA対応である。）。図１は、その中の単位画素の断面を示す図である。
【００２９】
図１に示された固体撮像素子２００の上方から入射光が入る。固体撮像素子２００においては、シリコン基板１上に受光素子２（シリコンp-i-n構造）が形成されている。受光素子２の上方の開口部以外には、スミア防止のためAl遮光層３が設けられている。Al遮光層３とシリコン基板１との間には、多数の配線（通常３〜４層で、材料はAlや多結晶シリコンなどある。）が存在するがここでは、図示を省略している。また、受光素子２で発生した電荷を搬送するための電荷結合素子（Charge-Coupled Device)も実際には形成されているが、図示を省略している。フォトニック結晶７は遮光層３を埋め込むように、シリコン基板１および受光素子２上に形成されている。フォトニック結晶７上には、集光距離を確保するためのアクリル層４、色分離のためのカラーフィルタ層５、集光のためのマイクロレンズ６が形成されている。マイクロレンズ６の焦点位置は、受光素子２の受光面になるように調整されている。なお、フォトニック結晶７の入射面の位置を、遮光層３とほぼ同じ位置にしても下記に述べる効果と同様の効果が得られる。
【００３０】
図２に、青用フォトニック結晶７の具体的な構造を示す。この図において、光は左から様々な角度で入射され、右側が出射側（受光面側）となっている。このような構造の一部に遮光層３やアルミ配線層などが形成されているが、この図では簡単のため、図示を省略している。フォトニック結晶７は、X方向およびＺ方向に屈折率周期構造をもった二次元フォトニック結晶であり、Y方向には屈折率は一様である。屈折率1.45のSiO2の中に、半径0.113μmの球状のSi3N4（屈折率2.0）が、正方格子状に三次元配置されており、光の進行方向にはSi3N4が９層形成されている。なお、球状Si3N4の間隔は、0.25μmである。
【００３１】
このような構造を有する青用フォトニック結晶７の分散面は、図３のようになる（分散面に関しては、例えば、「フォトニック結晶研究の現状と将来展望」、光産業技術振興協会、Mar. 2002.参照。）。つまり、ほぼ青色である波長500nmの光に対しては、ほぼ正方の分散面を有する。ほぼ緑色である波長550nmの光に対してはややくぼんだ分散面、ほぼ赤色である波長600nmの光に対してはさらにくぼんだ分散面をもつ。このような分散面をもつフォトニック結晶７に対して、青色光が入射すると、入射角に無関係に分散面に垂直な方向に、光は進行する。固体撮像素子２００においては、青色に対する分散面に垂直な方向に受光素子２が形成されているので、フォトニック結晶７に入射された青色光はフォトニック結晶７内で平行な導波光となり、すべて受光素子２に向かうようになる。
【００３２】
このフォトニック結晶の例では、青色波長500nmに対して分散面が正方になる例を示したが、球状Si3N4の大きさや配置間隔、または材料の種類を調整することにより、緑色波長と赤色波長に対して、それぞれ正方な分散面を有するフォトニック結晶を形成することも可能である。従って、これらのＲＧＢ用フォトニック結晶を用いることにより、それぞれＲＧＢ用画素が構成できるので、これらの画素を組み合わせることによりイメージセンサーを構成することができる。
【００３３】
図４（ａ）、（ｂ）は、この集光の様子を模式的に示した図である。図４（ａ）は固体撮像素子２００に対して垂直入射光９が入った場合、図４（ｂ）は斜め入射光１０が入った場合を示している。図４（ａ）において、入射光９はマイクロレンズ６で集光され、カラーフィルタ層５およびアクリル層４を通過するに従い、スポット径が小さくなる。ところがフォトニック結晶７に入ると全ての光の進行が受光素子２の受光面に垂直方向に曲げられるため、すべての入射光は遮光層３の開口部を通過して、受光素子２に到達する。従来構造と比べ、集光は不完全（スポットサイズは大きい）であるが、全ての光が受光素子２に到達するという点で同じ機能を果たしている。一方、図４（ｂ）において、斜め入射光１０は、上記同様、マイクロレンズ６で集光され、カラーフィルタ層５およびアクリル層４を通過するに従い、スポット径が小さくなる。そして、アクリル層４とフォトニック結晶７の界面に達すると、光の進行方向を受光素子２の受光面の垂直方向に向ける。このため、従来構造では、図１７（ｂ）に示したように、（マイクロレンズの集光効果のため）全く受光素子に光が達しないものが、図４（ｂ）に示すように、一部が遮光層で光が遮られるものの大部分が受光素子２に達するようになる。すなわち、固体撮像素子２００の斜め光に対する感度が向上する。
【００３４】
図５（ａ）〜（ｄ）は、本固体撮像素子の集光率の測定結果を示す図である。それぞれ、横軸は入射角、縦軸は集光率（入射光がすべて受光素子２に入る場合を100％としている。）である。入射角の測定は0°〜20°までの範囲で行った。図中に「MLのみ」と表記したものが、フォトニック結晶なしの構造の場合（フォトニック結晶のない部分はアクリルで埋め込んだ構造にしている。）であり、「ML＋PhC」と表記したものが、フォトニック結晶ありの構造の場合である。
【００３５】
なお、画素の一辺の長さ（ほぼマイクロレンズの直径に等しい。）は４μmであり、受光素子２と遮光層３との間は1.5μm、遮光層３の窓の幅（開口部の１辺の長さ）は２μmである。またカラーフィルタ層５の厚みは0.3μmである。またフォトニック結晶７の厚さは、受光素子２と遮光層３との間の距離1.5μmと等しくしている。
【００３６】
図５に示す４枚のグラフは、それぞれマイクロレンズ６の焦点距離を２〜４μmに変えたものに対応している。なお、マイクロレンズ６の焦点は受光素子２の受光面上の位置に一致させるために、焦点距離の変化はアクリル層４の厚さの変化として、固体撮像素子の構造を形成している。すなわち、マイクロレンズ６の焦点距離2μm、2.5μm、3μm、4μmに対して、アクリル層４の厚さは各々0.2μm、0.7μm、1.2μm、2.2μmである。図５からわかるように、あらゆるマイクロレンズ焦点距離において、フォトニック結晶ありの構造の場合のほうが、フォトニック結晶なしの構造の場合に比べ、集光率が向上していることがわかる。特に広角側では、常に20％程度向上しており、優れた集光特性を得ていることがわかる。
以上のように、本発明に係る固体撮像素子は、斜め入射光に対する集光効率の向上を実現している。
【００３７】
（実施の形態２）
図６に、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の断面を示す。本固体撮像素子２０１の構造では、マイクロレンズ１２の焦点位置が受光部２の受光面上ではなく、フォトニック結晶７の入射面上に設定されているところが本発明の実施の形態１とは異なる。
【００３８】
図６（ａ）に示すように固体撮像素子２０１に垂直入射光９が入射した場合、入射光９はマイクロレンズ１２で集光され、カラーフィルタ層５およびアクリル層４を通過するとき、スポットサイズが小さくなり、フォトニック結晶層７の表面上で焦点を結ぶ。フォトニック結晶７内では、画素の垂直方向に光が進行するため、焦点上の光はほぼスポットサイズが変化することなく、受光素子２へ進行する。
【００３９】
一方、図６（ｂ）に示すような斜め入射光１０に対しては、フォトニック結晶７の表面で最小スポットとなり、遮光層３になんら遮られることなく、受光素子２の方向へ進行を変えるので、ほぼすべての光が受光素子２に入射する。
また参考までに、同じマイクロレンズ焦点距離で受光素子２の受光面を焦点にした場合を図７に示す。ここで、焦点を受光素子２に合わせるため、アクリル層１４の厚さを図６の示した固体撮像素子２０１のアクリル層４の厚さより薄くしている。図７に示す固体撮像素子２０２では光の一部が、遮光層３で遮られており、受光量が減ることがわかる。
【００４０】
このような構造においては、焦点距離ｆをある値以下にすることにより、入射光を１００％受光することができる。すなわち、入射角をθとするとスポットは遮光層３開口の中心から、ｆ・tan(θ）だけずれた位置に焦点を結ぶ。故に、この焦点位置ｆが、遮光層３の開口の内部に入っていれば１００％受光できるから、開口部の大きさをWとするとき、
W／2＞ｆ・tan(θ）
の関係を満たせばよい。すなわち、ｆ＜W／（２・tan(θ)）がほぼ満たされておれば、入射光はほぼ全て、受光素子２に到達する。
以上のように、本発明に係る固体撮像素子は、斜め入射光に対する集光効率の向上を実現する。
【００４１】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の断面を、図８に示す。図８に示す固体撮像素子２０３では、マイクロレンズ１６のセンターが、斜め光１０が来る方向に、遮光層３の開口のセンターとずれて設置されている。これにより、斜め光１０はほぼ全て受光素子２に入射されるようになる。このような構造は、入射光において斜め光が主成分である場合に有効であり、例えばイメージセンサーを構成する画素のうち、周辺部分の画素に対しては特に有効である。
【００４２】
また、製造工程上マイクロレンズ１６がずれて製造されてしまう場合もあるが、その場合にもフォトニック結晶７の作用により光が効率的に受光素子２に導かれるので、従来よりも固体撮像素子の歩留りが良くなる。
【００４３】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子の断面を、図９に示す。固体撮像素子２０４において、遮光層３の下にはフォトニック結晶７がほとんど存在せず、そこにはアクリル層１７が形成されているところが、上記の実施の形態とは異なっている。このような構造にすることにより、後述のように、現在の固体素子撮像素子の製造工程がそのまま使用できるので、低コストで固体撮像素子を製造できる。
【００４４】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る固体撮像素子の断面を、図１０に示す。固体撮像素子２０５において、遮光層３の下にはフォトニック結晶７とは異なる他のフォトニック結晶１８が形成されているところが、上記の実施の形態とは異なっている。フォトニック結晶１８は、この固体撮像素子が取り扱う色（波長域）に対して、光バンドギャップを有しており、光がフォトニック結晶１８の方向に洩れることを防ぐことができるので、より集光効率を高めることができる。
【００４５】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る固体撮像素子の断面を、図１１に示す。固体撮像素子２０６は、図１０に示した固体撮像素子２０５の遮光層３がない構造であるところが、上記の実施の形態５とは異なっている。フォトニック結晶１８は光バンドギャップを有しているので遮光層の代用にもなるため、遮光層を形成する必要がなくなる。これにより、固体撮像素子を低コストで製造できる。
【００４６】
（実施の形態７）
図１２は、本発明に係る固体撮像素子の第１の製造方法を説明するための図である。
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン基板１上に受光素子２および各種配線（図では省略している）を形成する。
その後、図１２（ｂ）に示すように、その上に後述するようにフォトニック結晶７を電子線ビーム露光法とCVDを繰り返すことにより形成する。なお、フォトニック結晶７の表面の平坦の度合いを向上させるため、ＣＭＰ（化学機械的ポリッシュ）を用いており、表面荒さ（ＲＭＳ）は2ｎｍ以下に平坦化している。このようにすることにより、フォトニック結晶７で平坦層を代用させることができるため、フォトニック結晶７の上に平坦化層を形成する必要がない。このため、製造工数を減らすことができる。
【００４７】
その後、図１２（ｃ）に示すように、フォトニック結晶７の上の受光部２の開口以外の部分にアルミニウム遮光層３を形成し、図１２（ｄ）に示すように、その上にアクリル層４、カラーフィルタ層５およびマイクロレンズ層６を順次形成して完成する。
なお、フォトニック結晶７の構造の周期を増やすため、遮光層３を形成した後、再びその上にフォトニック結晶７を形成しても構わない。そうした場合には、図１に示したような固体撮像素子の構造が完成する。
【００４８】
（実施の形態８）
図１３は、本発明に係る固体撮像素子の第２の製造方法を説明するための図である。図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、フォトニック結晶７を形成するところまでは図１２（ａ）および（ｂ）と同じであるが、図１３（ｃ）に示すように、フォトニック結晶７において、受光部２より上の部分のみを残し、その他の部分を除去する。その後、図１３（ｄ）に示すように、そのフォトニック結晶７の周囲に第２のフォトニック結晶１８を形成する。これにより、受光部２上のフォトニック結晶７とその周辺の第２のフォトニック結晶１８に異なる機能（すなわち、第２のフォトニック結晶１８は、遮光層の代用機能を有する。）をもたせることができる。
【００４９】
なお、フォトニック結晶のパターンをフォトリソグラフィなどの露光によって作製する場合、図１３（ｃ）のようにフォトニック結晶７を削ることを行わなくても、単に露光パターンを変えるだけで、同様の構造を製造することができる。
【００５０】
（実施の形態９）
図１４は本発明に係る固体撮像素子の第３の製造方法を説明するための図である。まず図１４（ａ）に示すように、シリコン基板１上に受光部２および各種配線（図では省略している）を形成する。その後、図１４（ｂ）に示すように、その上にアクリル樹脂１７を形成したのち、図１４（ｃ）に示すように、その上の受光部２の開口以外の部分に遮光層３を形成する。ここまでは通常の固体撮像素子の工程と同じであり、極めて安定した工程である。その後、図１４（ｄ）に示すように、受光部２の上のアクリル層１７のみをドライエッチングにより除去する。このとき、遮光膜３をマスクに使用できる。次に図１４（ｅ）に示すように、その上に高分子微粒子の自己組織化によってフォトニック結晶７を形成している（自己組織化については例えば、K. Fukuda, H. -B. Sun, S. Matsuno, and H. Misawa, "Self-organizing three-dimensional colloidal photonic structure with argumented dielectric contrast," Jpn, J. Appl. Phys. 37, (1998) L508参照。）。このような窪みにフォトニック結晶７を作製するには、高分子微粒子の自己組織化が最適である。最後に図１４（ｆ）に示すように、その上にアクリル層４、カラーフィルタ層５およびマイクロレンズ層６を順次形成して完成する。
【００５１】
（実施の形態１０）
本発明に係るフォトニック結晶の製造には主に次に示す手法を用いる。
図１５に、多層膜層のエッチングによってフォトニック結晶構造を製造する方法を示す。図１５（ａ）に示すように、まずＳｉＯ２基板９０６上に、ＣＶＤ法を用いて、Ｓｉ3Ｎ4層９０４とＳｉＯ２層９０５のペアを1セットとして、９セット堆積した多層膜構造を形成する。次に、電子線リソグラフィを用いて、円形のレジスト９０３を形成した後、図１５（ｂ）に示すように、通常のエッチングプロセスを用いて、円柱状の多層膜が残るようにエッチングを行う。次に、図１５（ｃ）に示すように、アセトンを用いて、レジストを剥離した後、スピンコートによってＳｉＯ２コート材料を塗布・加熱して、ＳｉＯ２マトリックス９０７中にＳｉ3Ｎ4微粒子９０４が規則的に並んでいるフォトニック結晶を形成する。
【００５２】
なお、上記の説明において、マイクロレンズ６の集光のため、アクリル層４を設けているが、これをカラーフィルタ層５で代用する方法、すなわちカラーフィルタ層５を厚くする方法をとってももちろん構わない。
なお、本実施の形態では、ＣＣＤを用いているが、ＭＯＳセンサを用いてももちろんよい。また、説明を行った以外の製造方法を用いて固体撮像素子を製造してももちろんよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る固体撮像素子によれば、広角の光学系に対しても感度の高い固体撮像素子を実現することができるので、今後ますます薄型化が進むカメラ付携帯電話や超薄型デジタルスチルカメラ等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の構造図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るフォトニック結晶の光学機能を示す図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における集光の様子を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子と従来構造の固体撮像素子の集光率を比較した図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の断面図で、マイクロレンズ焦点距離が短い場合の図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る固体撮像素子の断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る固体撮像素子の断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態７に係る固体撮像素子の第１の製造方法を示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態８に係る固体撮像素子の第２の製造方法を示す図である。
【図１４】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態９に係る固体撮像素子の第３の製造方法を示す図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１０に係るフォトニック結晶の製造方法を示す図である。
【図１６】従来の固体撮像素子の断面を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｇ）は、従来の固体撮像素子の製造方法を示す図である。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は、従来の固体撮像素子の集光の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１０１  シリコン基板
２、１０２  受光素子
３、１０３  遮光層
４、１４、１０４、１１１  アクリル層
５、１０５  カラーフィルタ層
６、１２、１６、１０６  マイクロレンズ
７、１７、１８  フォトニック結晶
９、１０７  画素に垂直に入射する光
１０、１０８  画素に斜めに入射する光
２００〜２０６、２３０  固体撮像素子
９０３  レジスト
９０４  Ｓｉ3Ｎ4層
９０５  ＳｉＯ２層
９０６  ＳｉＯ２基板
９０７  ＳｉＯ２
【図１】
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【図２】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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