(57)【要約】【課題】分布屈折率型マイクロレンズ表面での反射を抑制するとともに、感度向上に有効な集光素子を備えた固体撮像素子を提供する。【解決手段】入射光７を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子１００が、入射光７の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された光透過膜を有し当該光透過膜の分割により実効屈折率分布を形成する集光素子１を備え、当該光透過膜の分割された各領域のうち少なくとも一の領域表面には、前記同心形状によらない微細凹凸構造９が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子であって、
前記単位画素は、
前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された光透過膜を有し、当該光透過膜の分割により実効屈折率分布を形成する集光素子を備え、
前記光透過膜の分割された各領域のうち少なくとも一の領域表面には、前記同心形状によらない複数の凹凸が形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数の凹凸のピッチをＷ、前記複数の凹凸の高さをＨ、および前記入射光の波長をλとすると、
Ｗ＜λ、かつ、Ｈ＜λである
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】
前記複数の凹凸は、前記光透過膜の分割された各領域のうち、前記同心形状の中心の領域にのみ形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記単位画素は、
受光素子と前記集光素子との間に形成され、前記入射光の特定の波長帯域を通過させるＲ（赤色）用、Ｇ（緑色）用およびＢ（青色）用カラーフィルタのうちいずれか１つを備え、
前記複数の凹凸は、前記特定の波長帯域に応じた寸法の凹凸形状を有する
ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記複数の凹凸部は、前記光透過膜の膜面方向に等ピッチで配列されている
ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記複数の凹凸は、前記光透過膜と同一の材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記複数の凹凸は、フォトリソグラフィとエッチングとを用いて前記光透過膜の表面が加工されることにより形成される
ことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備える
ことを特徴とするカメラ。
【請求項９】
光透過膜を含む集光素子を備える単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子の製造方法であって、
基板上に、受光素子および遮光層を有する半導体集積回路を形成する半導体集積回路形成ステップと、
前記半導体集積回路の上に、光透過膜を積層する光透過膜積層ステップと、
前記光透過膜を入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅に、かつ、同心形状に分割する光透過膜分割ステップと、
前記光透過膜分割ステップで分割された光透過膜の各領域のうち少なくとも一の領域表面に、前記同心形状によらない複数の凹凸を形成する凹凸構造形成ステップとを含む
ことを特徴と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、固体撮像素子に関し、特にデジタルカメラに用いられる固体撮像素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像素子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、カメラ部分に用いられ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は広角（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。
【０００３】
ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子では、複数の受光部分を有する半導体集積回路が２次元的に配列され、被写体からの光信号が電気信号に変換される。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、入射した光が確実に受光素子に導入されることが感度向上のため重要な要素となっている。
【０００４】
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、ＣＭＯＳ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用いられている。
【０００５】
図１３は、従来の固体撮像素子における一画素の基本構成の一例を示す構造断面図である。同図における固体撮像素子は、マイクロレンズ５０１と、カラーフィルタ５０２と、遮光層５０３と、受光素子５０４と、基板５０５と、平坦化膜５０６とを備える。同図に示すように、マイクロレンズ５０１に垂直に入射した入射光５０７は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、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、受光素子５０４において電気信号への変換がなされる。
【０００６】
図１４は、従来の固体撮像素子における周辺画素の基本構成の一例を示す構造断面図である。同図における固体撮像素子は、マイクロレンズ６０１と、カラーフィルタ６０２と、遮光層６０３と、受光素子６０４と、基板６０５と、平坦化膜６０６とを備える。同図に示されたように、周辺の画素では、入射光の入射角度が大きくなるため、電気配線部分を内側にずらす（シュリンクさせる）ことによって、集光効率の向上が図られている。
【０００７】
しかし、微細な画素や小型カメラのような短焦点光学系では、周辺の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。
【０００８】
上記の広角入射の課題に対して、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マイクロレンズを形成した固体撮像素子が、特許文献１に記載されている。
【０００９】
図１５Ａ（ａ）、図１５Ａ（ｂ）および図１５Ａ（ｃ）は、それぞれ、特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中央部、撮像領域中間部および撮像領域周辺部における構造断面図である。また、図１５Ｂ（ａ）、図１５Ｂ（ｂ）および図１５Ｂ（ｃ）は、それぞれ、特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中央部、撮像領域中間部および撮像領域周辺部における上面図である。また、図１５Ｃ（ａ）、図１５Ｃ（ｂ）および図１５Ｃ（ｃ）は、それぞれ、特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中央部、撮像領域中間部および撮像領域周辺部における実効屈折率分布を示すグラフである。図１５Ａ、図１５Ｂおよび図１５Ｃにおける固体撮像素子は、いずれも、マイクロレンズ７０１と、カラーフィルタ７０２と、遮光層７０３と、受光素子７０４と、基板７０５と、平坦化膜７０６とを備える。
【００１０】
特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるように、入射光７０７の波長と同程度かそれよりも短い線幅で同心円状に分割された光透過膜からなる。よって、図１５Ｃに示されるように、それぞれ、撮像領域の中心部、中間部および周辺部において、当該光透過膜の分割により実効屈折率分布が異なる屈折率分布型マイクロレンズが搭載されることにより、周辺部に入射面法線に対して大きな角度で斜め入射しても、画素に入射光７０７を集光でき、固体撮像素子の中心部の感度と同等の感度を得ることができる。
【特許文献１】国際公開第０５／１０１０６７号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図１５Ａおよび図１５Ｂで示した分布屈折率型のマイクロレンズ７０１は、各単位画素において、分割された光透過膜の膜厚（高さ）が一定であり、表面は非常に平滑となっている。このため、固体撮像素子に入射した光は、マイクロレンズ７０１の表面において反射が生じやすい。この結果、固体撮像素子に入射した光が受光素子に到達できる量が減少し、感度が低下するといった問題が生じる。また、マイクロレンズ７０１の表面で反射した光が、カメラレンズ（撮像レンズ）やカバーガラスとの間で多重反射、散乱することによって、ゴーストやフレアといった画像欠陥の原因となる。
【００１２】
ここで、媒質１（マイクロレンズ７０１）、媒質２（空気）の屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2とした場合、２つの媒質に垂直入射した光の反射率Ｒは以下の式で定義される（ただし、媒質１、２は透明媒質で減衰がないとする。）。
【００１３】
Ｒ＝｜(ｎ1−ｎ2)／(ｎ1＋ｎ2)｜2          （１）
【００１４】
すなわち、反射率Ｒは媒質１および媒質２の屈折率によって定義され、媒質１および媒質２の屈折率差（ｎ1−ｎ2)が小さければ小さいほど、反射率Ｒも小さくなる。
【００１５】
一例として、特許文献１に記載されている分布屈折率型のマイクロレンズ７０１の材料である高屈折率の光透過膜であるＴｉＯ2（ｎ＝２．５３）を媒質１として用いた場合、上記（１）式より、反射率Ｒは１８．８％となる。これに対して、比較的低屈折率の光透過膜であるＳｉＯ2(ｎ＝１．４５)を用いた場合、上記（１）式より、反射率Ｒは３．４％となり、反射を低減できる。
【００１６】
しかしながら、分布屈折率型マイクロレンズ材料の屈折率を小さくすればするほど、光路長（＝レンズの屈折率：ｎ×レンズ膜厚：ｔ0）が短くなってしまい、偏向性は低下してしまう。すなわち、入射光の入射角度が大きくなると、受光部に到達できる光量が減少し、感度が低下する。光路長を長くするためには、レンズ膜厚ｔ0を厚くする必要があるが、レンズ膜厚を厚くすると、分割された光透過膜のアスペクト比（＝高さ／幅）が高くなってしまい、分布屈折率型マイクロレンズの形成が困難となる。
【００１７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、分布屈折率型の集光素子表面での反射を抑制するとともに、感度向上に有効な集光素子を備えた固体撮像素子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】
【００１８】
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、入射光を受光する単位画素が二次元状に複数配置された固体撮像素子であって、前記単位画素は、前記入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心形状に分割された光透過膜を有し、当該光透過膜の分割により実効屈折率分布を形成する集光素子を備え、前記光透過膜の分割された各領域のうち少なくとも一の領域表面には、前記同心形状によらない複数の凹凸が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、実効屈折率分布を伴う集光素子の有効屈折率が、入射面と垂直方向において徐々に変化するので、当該集光素子の表面での反射が抑制され、感度が向上する。
【００２０】
また、前記複数の凹凸のピッチをＷ、前記複数の凹凸の高さをＨ、および前記入射光の波長をλとすると、Ｗ＜λ、かつ、Ｈ＜λであることが好ましい。
【００２１】
これにより、集光素子表面での入射光の散乱・回折の発生が抑制されるので、複数の凹凸によって生じる集光ロスが抑制され、感度が向上する。
【００２２】
また、前記複数の凹凸は、前記光透過膜の分割された各領域のうち、前記同心形状の中心の領域にのみ形成されてもよい。
【００２３】
これにより、集光素子の有効屈折率が最も高い領域の表面に複数の微細な凹凸が形成されるので、効果的に当該集光素子の表面での反射が抑制され、感度が向上する。
【００２４】
また、前記単位画素は、受光素子と前記集光素子との間に形成され、前記入射光の特定の波長帯域を通過させるＲ（赤色）用、Ｇ（緑色）用およびＢ（青色）用カラーフィルタのうちいずれか１つを備え、前記複数の凹凸は、前記特定の波長帯域に応じた寸法の凹凸形状を有することが好ましい。
【００２５】
これにより、入射波長に応じて複数の微細な凹凸を最適化することができるので、色再現性が向上する。
【００２６】
また、前記複数の凹凸部は、前記光透過膜の膜面方向に等ピッチで配列されていることが好ましい。
【００２７】
これにより、複数の微細な凹凸を有する集光素子表面での反射が一様に抑制され、感度が向上する。
【００２８】
また、前記複数の凹凸は、前記光透過膜と同一の材料で形成されていることが好ましい。
【００２９】
これにより、複数の微細な凹凸の媒質の屈折率と集光素子の媒質の屈折率とが等しくなるので、上記２つの媒質界面で生じる反射を抑制することができ、感度が向上する。
【００３０】
また、前記複数の凹凸は、フォトリソグラフィとエッチングとを用いて前記光透過膜の表面が加工されることにより形成されることが好ましい。
【００３１】
これにより、複数の微細な凹凸を現有プロセスで容易に形成でき、生産コストを抑制することができる。
【００３２】
また、本発明は、上記のような特徴を有する固体撮像素子として実現することができるだけでなく、このような固体撮像素子を備えるカメラとしても、同様の構成と効果がある。
【００３３】
また、本発明は、このような特徴的な手段を備える固体撮像素子として実現することができるだけでなく、固体撮像素子に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像素子の製造方法として実現することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の固体撮像素子によれば、分布屈折率型の集光素子の表面に形成された複数の微細な凹凸構造により、入射光の反射を抑制することができ、固体撮像素子の感度の向上およびゴーストやフレアといった画像欠陥を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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。
【００３６】
（実施の形態１）
本実施の形態１における固体撮像素子は、各単位画素が入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心円状に分割された光透過膜を有し当該光透過膜の分割により実効屈折率分布を伴う集光素子を備え、当該光透過膜の表面には、入射光の波長よりも小さいピッチおよび凹凸高さを有する複数の微細な凹凸構造が形成されている。
【００３７】
この実施の形態によれば、分布屈折率型の集光素子の有効屈折率が、入射面と垂直方向において徐々に変化するので、当該集光素子の表面での反射が抑制され、感度が向上する。
【００３８】
以下、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３９】
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。同図における固体撮像素子１００は、３１万画素のＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ａｒｒａｙ）で使用されているものであり、サイズは５．６μｍ角である。また、固体撮像素子１００は、集光素子１と、カラーフィルタ２と、遮光層（遮光膜ともいう）３と、受光素子４と、Ｓｉ基板５と、平坦化膜６とを備える。遮光層３、受光素子４およびＳｉ基板５は、半導体集積回路８を構成する。
【００４０】
集光素子１は、分布屈折率型マイクロレンズであり、例えば、図１５Ｂ（ａ）に記載されたように、光透過膜であるＳｉＯ2（屈折率ｎ＝１．４５）を同心円状に掘り込んだ同心形状を有し、膜厚は１．２μｍである。また、同心円状に分割されたＳｉＯ2の各領域である同心円環の幅は、入射光７の波長と同程度かそれよりも短い。一方、周りの媒質は空気（ｎ＝１．００）である。この構造により、集光素子１は、入射面にわたり実効屈折率分布を有する。
【００４１】
また、集光素子１の表面には、上記同心形状による凹凸形状ではない微細凹凸構造９が形成されている。微細凹凸構造９は、同心円状に分割されたＳｉＯ2の各領域の表面において形成された複数の凹凸である。また、微細凹凸構造９は、光透過膜であるＳｉＯ2（ｎ＝１．４５）によって構成され、集光素子１を構成する光透過膜と材料、組成ともに同一のものである。
【００４２】
集光素子１に入射した入射光７は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ２によって色分離された後、受光素子４において電気信号への変換がなされる。
【００４３】
受光素子４は、例えば、Ｓｉフォトダイオードである。
【００４４】
図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る集光素子表面の微細凹凸構造の断面図である。同図に記載された微細凹凸構造９は、集光素子１の表面に、集光素子１の構成材料であるＳｉＯ2１２が凸部として形成されている。
【００４５】
図２Ｂ（ａ）および図２Ｂ（ｂ）は、それぞれ、図２Ａに記載されたＸ1平面およびＸ2平面における微細凹凸構造の平面図である。図２Ｂ（ａ）および図２Ｂ（ｂ）は、Ｘ1平面からＸ2平面へ変化するにつれ、つまり、集光素子１表面から受光素子４側へと入射光７が進行するにつれ、凸部であるＳｉＯ2１２の空間占有率が増加し、逆に、空気２１の空間占有率が減少していくことを示している。
【００４６】
図２Ｃは、本発明の実施の形態１に係る微細凹凸構造の入射面と垂直方向の屈折率分布を示すグラフである。図２Ｃの横軸は、入射面と垂直方向における距離ｘ（μｍ）を表し、縦軸は、入射面と平行な面における有効屈折率ｎ（ｘ）を表している。ここで、微細凹凸構造９の媒質（ＳｉＯ2）の屈折率をｎ0、微細凹凸構造９の周囲の媒質（空気）の屈折率をｎ1、また、入射面と垂直方向の距離ｘにおける微細凹凸構造９の媒質（ＳｉＯ2）の空間占有率をｆ（ｘ）とすると、有効屈折率ｎ（ｘ）は、以下の式で定義できる。
【００４７】
ｎ（ｘ）＝ｆ（ｘ）・ｎ0＋（１−ｆ（ｘ））・ｎ1          （２）
【００４８】
上記（２）式および図２Ｃのグラフより、微細凹凸構造９の空間占有率ｆ（ｘ）が入射面と垂直方向（ｘ方向）に対し徐々に変化する場合、有効屈折率ｎ（ｘ）も徐々に変化することがわかる。
【００４９】
従って、図２Ａおよび図２Ｂに記載されたように、微細凹凸構造９の形状は空間占有率ｆ（ｘ）がｘ方向に対し徐々に変化するように、入射方向に対して、凸型であることが望ましい。
【００５０】
また、微細凹凸構造９は、光透過膜である集光素子１と同一の材料で形成されていることが好ましい。これにより、微細凹凸構造９の媒質の屈折率と集光素子１の媒質の屈折率とが等しくなるので、上記２つの媒質界面で生じる反射が抑制される。
【００５１】
また、微細凹凸構造９の有する凸部は、集光素子１の表面に、かつ、入射面方向に等ピッチで配列されていることが望ましい。
【００５２】
しかしながら、微細凹凸構造９の形状によっては、入射光の散乱・回折が発生し、入射光が曲げられてしまい、受光素子４に到達できる光量が減少し、感度が低下するばかりではなく、スミアなどのノイズが発生してしまう。
【００５３】
よって、微細凹凸構造９で入射光の散乱・回折の発生を抑制するために、微細凹凸構造９のピッチである幅Ｗと凹凸形状の高さＨは、以下の式を満たすことが望ましい。
【００５４】
Ｗ＜λ、かつ、Ｈ＜λ          （３）
【００５５】
ここで、λは単位画素への入射光７の波長である。
【００５６】
微細凹凸構造９の幅Ｗ、高さＨが上記（３）式を満たさないとき、凹凸構造の形状を入射光７が感知してしまい、散乱・回折が発生する。逆に、微細凹凸構造９の幅Ｗと高さＨが入射光７の波長λよりも小さい時、入射光７の散乱・回折が抑制され、入射光７は効率よく受光素子４に到達する。ただし、微細凹凸構造９の高さＨは、大きければ大きいほど微細凹凸構造９の屈折率分布変化を緩やかにすることができるので、上記（３）式を満たす範囲内であれば、微細凹凸構造９の高さＨは大きいほど良い。
【００５７】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ、実施の形態１に係る集光素子と従来構造の集光素子との透過率および反射率を比較したグラフである。ここで、従来構造は、微細凹凸構造９が集光素子表面に形成されていない構造である。同図における横軸は、入射光７の波長λ（ｎｍ）を表し、縦軸は、透過率Ｔ（％）および反射率Ｒ（％）を表している。
【００５８】
本発明の微細凹凸構造９を有する集光素子１は、入射波長４００〜７００ｎｍの可視領域全域において、透過率９９．５％以上、反射率０．５％以下であり、最も優れた波長領域では透過率９９．８％以上、反射率０．２％以下と極めて優れた特性を有している。従来構造と比較すると、本発明の微細凹凸構造９を有する集光素子１は、透過率は約１．０５倍、反射率は０．０８倍であり、大幅に改善している。また、このときの微細凹凸構造９の幅Ｗは２００ｎｍ、高さＨは４００ｎｍであり、前記（３）式の条件を満たすものである。
【００５９】
図４は、本発明の実施の形態１に係る集光素子の製造工程を示す図である。集光素子１の形成は、２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。
【００６０】
まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板５上に受光素子４、遮光層３およびカラーフィルタ２からなる半導体集積回路８（図４では、その詳細については図示していない）を形成する。１つの画素単位のサイズは、５．６μｍ角であり、受光部は３．５μｍ角である。その後に、ＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＯ2膜１１を形成し、その上にレジスト１３を塗布する（図４（ａ））。
【００６１】
次に、露光によって、レジスト１３のパターニングを行う（図４（ｂ））。このとき、ＳｉＯ2膜１１とレジストの厚みはそれぞれ、１．２μｍと０．５μｍである。
【００６２】
次に、エッチングを行い、その後、レジスト１３を除去し、画素表面に同心構造を形成する（図４（ｃ））。このときの同心構造とは、例えば、図１５Ｂ（ａ）に記載されたようなＳｉＯ2膜１１からなる同心円構造である。
【００６３】
次に、Ｂｏｔｔｏｍ  Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏａｔｉｎｇ（以下、ＢＡＲＣと記す）材料１５を埋め込み、平坦化する。平坦化された同心構造上にレジスト１４を塗布する（図４（ｄ））。
【００６４】
次に、再び露光によって、レジスト１４のパターニングを行う（図４（ｅ））。
【００６５】
次に、エッチングを行い、その後、レジスト１４とＢＡＲＣ材料１５とを取り除くことで集光素子１表面に微細凹凸構造９を形成する（図４（ｆ））。この時、フォトリソグラフィによるレジスト１４のパターニングの幅（ピッチ）やエッチング条件（選択比など）を変えることで、微細凹凸構造９の幅Ｗや高さＨを制御することができる。
【００６６】
本実施の形態に係る集光素子１の製造工程では、ＳｉＯ2膜１１の同心形状の幅は０．１μｍ程度の微細な構造である。集光素子１の表面に、入射光７の波長以下の微細凹凸構造９を形成するため、フォトリソグラフィ工程において位相マスクが用いられている。これにより、レジストのパターニングの幅（ピッチ）を高精度に制御することが可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態に係る集光素子１は、製造工程に大きな違いが無く、容易に従来プロセスの要素技術を用いて製造することができる。また、同心構造および微細凹凸構造のいずれも同一の材料であるＳｉＯ2１２によって構成されていることから、材料費を抑えるだけでなく、媒質界面で生じる反射も抑制することができる。結果として、固体撮像素子の反射防止効果が向上し、かつ、生産コストが低減される。
【００６８】
（実施の形態２）
図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、それぞれ、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の緑色用、青色用および赤色用単位画素の構造断面図である。図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）における固体撮像素子１０１、１０２および１０３は、３１万画素のＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ａｒｒａｙ）で使用されているものであり、サイズは５．６μｍ角である。固体撮像素子１０１は、集光素子１Ａと、カラーフィルタ２Ａと、遮光層３と、受光素子４と、Ｓｉ基板５と、平坦化膜６とを備える。また、固体撮像素子１０２は、固体撮像素子１０１と比較して、集光素子１Ａの代わりに集光素子１Ｂを、およびカラーフィルタ２Ａの代わりにカラーフィルタ２Ｂを備える点のみ異なる。また、固体撮像素子１０３は、固体撮像素子１０１と比較して、集光素子１Ａの代わりに集光素子１Ｃを、およびカラーフィルタ２Ａの代わりにカラーフィルタ２Ｃを備える点のみ異なる。また、固体撮像素子１０１、１０２および１０３は、図１に記載された固体撮像素子１００と比較して、集光素子およびカラーフィルタの構成のみが異なる。以下、固体撮像素子１００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明をする。
【００６９】
集光素子１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは、いずれも分布屈折率型マイクロレンズであり、例えば、図１５Ｂに記載されたように、光透過膜であるＳｉＯ2（屈折率ｎ＝１．４５）を同心円状に掘り込んだ同心形状を有し、膜厚は１．２μｍである。また、同心円状に分割されたＳｉＯ2の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。一方、周りの媒質は空気（ｎ＝１．００）である。この構造により、集光素子１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは、入射面にわたり実効屈折率分布を有する。また、集光素子１Ａ、１Ｂおよび１Ｃの表面には、それぞれ、上記同心構造による凹凸形状ではない微細凹凸構造９Ａ、９Ｂおよび９Ｃが形成されている。微細凹凸構造９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、同心円状に分割されたＳｉＯ2の各領域の表面において形成された複数の凹凸である。ここで、微細凹凸構造９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、いずれも光透過膜であるＳｉＯ2（ｎ＝１．４５）によって構成され、それぞれ、集光素子１Ａ、１Ｂおよび１Ｃを構成する光透過膜と材料、組成ともに同一のものである。
【００７０】
集光素子１Ａ、１Ｂおよび１Ｃの表面に形成された微細凹凸構造９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、それぞれ、Ｒ（赤色）用のカラーフィルタ２Ａ、Ｇ（緑色）用のカラーフィルタ２ＢおよびＢ（青色）用のカラーフィルタ２Ｃで色分離される特定の透過帯の波長λA、λBおよびλCによって異なる寸法を有している。すなわち、前記（３）式で示したように、入射光の波長λで微細凹凸構造の幅Ｗ、高さＨは定義されていることから、Ｒ（赤色）用のカラーフィルタ２Ａ、Ｇ（緑色）用のカラーフィルタ２ＢおよびＢ（青色）用のカラーフィルタ２Ｃを各々備えた単位画素毎に、微細凹凸構造９Ａ、９Ｂおよび９Ｃの幅Ｗ、高さＨは最適化されている。
【００７１】
具体的には、各々のカラーフィルタで色分離される特定の透過帯の波長λは、Ｒ（λC＝６００ｎｍ前後）＞Ｇ（λA＝５２０ｎｍ前後）＞Ｂ（λB＝４５０ｎｍ前後）といった関係がある。この関係を利用して、図５に記載されたように、微細凹凸構造９Ａ、９Ｂおよび９Ｃの各々の凹凸の高さＨA、ＨBおよびＨCを、ＨC＞ＨA＞ＨBとすることで、各々の微細凹凸構造の屈折率分布変化の勾配をできる限り微少にし、各集光素子表面における入射光の反射を低減している。
【００７２】
本実施の形態に係る集光素子の表面に形成された微細凹凸構造の製造では、単位画素毎に位相マスクのパターンを変化させることで、従来プロセスの要素技術を用いて問題なく形成することができる。
【００７３】
本実施の形態により、入射波長に応じて微細凹凸構造が最適化されるので、色再現性が向上する。
【００７４】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。同図における固体撮像素子１０４は、３１万画素のＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ａｒｒａｙ）で使用されているものであり、サイズは５．６μｍ角である。また、固体撮像素子１０４は、集光素子１Ｄと、カラーフィルタ２と、遮光層３と、受光素子４と、Ｓｉ基板５と、平坦化膜６とを備える。遮光層３、受光素子４およびＳｉ基板５は、半導体集積回路８を構成する。
【００７５】
本実施の形態に係る固体撮像素子１０４は、図１に記載された固体撮像素子１００と比較して、集光素子１Ｄの構成のみが異なる。以下、固体撮像素子１００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明をする。
【００７６】
集光素子１Ｄは、分布屈折率型マイクロレンズであり、光透過膜であるＳｉＯ2（屈折率ｎ＝１．４５）の膜厚が１．２μｍと０．８μｍの２段階の同心円を有する同心構造（２段同心構造ともいう）である。また、同心円状に分割されたＳｉＯ2の各領域である同心円環の幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い。一方、周りの媒質は空気（ｎ＝１．００）である。この構造により、集光素子１Ｄは、入射面にわたり実効屈折率分布を有する。
【００７７】
図７（ａ）〜図７（ｆ）は、実施の形態３に係る２段同心構造を有する集光素子の各領域の基本構造を示す断面図である。図７（ａ）が最も密な構造、つまり有効屈折率が最も高い構造であり、図７（ｂ）から図７（ｆ）の構造になるに従って、有効屈折率が低くなる。このとき、上段（光入射側）の膜厚Ｘｕと下段（基板側）の膜厚Ｘｂは、それぞれ０．４μｍと０．８μｍであり、膜厚比（上段／下段）は「０．５」である。２段構造にすることによって屈折率分布の階調数が増加し、集光効率を向上させることができる。また、上段と下段で膜厚が異なることから、集光素子１Ｄの表面で生じる反射を低減できる。
【００７８】
しかしながら、集光素子１Ｄの中心領域においては、図７（ａ）に記載された有効屈折率が最も高い構造が広範囲で存在するため、膜厚が一定となる。よって、集光素子１Ｄの中心領域では、１段構造の場合と同様にして、反射が生じる。
【００７９】
そこで、本実施の形態に係る固体撮像素子１０４では、集光素子１Ｄの中心領域にのみ、上記２段同心構造による凹凸形状ではない微細凹凸構造９Ｄを形成することにより、効果的に反射を低減している。微細凹凸構造９Ｄは、同心円状に分割されたＳｉＯ2の中心領域の表面において形成された複数の凹凸である。また、微細凹凸構造９Ｄは、光透過膜であるＳｉＯ2（ｎ＝１．４５）によって構成され、集光素子１Ｄと材料、組成ともに同一のものである。
【００８０】
本実施の形態に係る集光素子１Ｄの製造工程では、光透過膜であるＳｉＯ2に対し、同心構造、２段同心構造および微細凹凸構造９Ｄの３種類の構造を形成するが、実施の形態１で示された製造工程に、フォトリソグラフィとエッチング工程を１回ずつ追加するだけで、従来プロセスの要素技術を用いることで問題なく集光素子１Ｄを形成することができる。
【００８１】
本実施の形態により、集光素子の有効屈折率が最も高い領域の表面に微細凹凸構造９Ｄが形成されるので、効果的に当該集光素子の表面での反射が抑制され、感度が向上する。
【００８２】
なお、本実施の形態３では、２段同心円構造を例に挙げたが、もちろん１段や多段同心円構造においても同様な効果が見込めることは言うまでもない。
【００８３】
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。同図における固体撮像素子１０５は、３１万画素のＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ａｒｒａｙ）で使用されているものであり、サイズは５．６μｍ角である。また、固体撮像素子１０５は、集光素子１Ｅと、カラーフィルタ２と、遮光層３と、受光素子４と、Ｓｉ基板５と、平坦化膜６とを備える。集光素子１Ｅの表面には微細凹凸構造９Ｅが形成されている。遮光層３、受光素子４およびＳｉ基板５は、半導体集積回路８を構成する。
【００８４】
本実施の形態に係る固体撮像素子１０５は、図１に記載された固体撮像素子１００と比較して、集光素子１Ｅの構成のみが異なる。以下、固体撮像素子１００と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明をする。
【００８５】
集光素子１Ｅは、分布屈折率型マイクロレンズであり、例えば、光透過膜であるＴｉＯ2２２（ｎ＝２．５３）と、光透過膜であるＳｉＯ2１２（ｎ＝１．４５）とが同心円状に組み合わされることにより構成されている。また、同心円状に分割されたＴｉＯ2２２またはＳｉＯ2１２の各領域である同心円環の幅は、入射光７の波長と同程度かそれよりも短い。この構造により、集光素子１Ｅは、入射面にわたり実効屈折率分布を有する。本実施の形態に係る集光素子１Ｅでは、上記２つの光透過膜ＴｉＯ2２２および光透過膜ＳｉＯ2１２によって生じる屈折率差△ｎは１．０８であり、実施の形態１〜３で示された
集光素子の屈折率差△ｎ(０．４５)よりも２倍以上大きい値である。これは、光路長（
レンズ屈折率ｎ×レンズ膜厚ｔ）が長くなることを意味しており、入射した光の偏向作用が増加する。これにより、光が広角で入射した場合でも効率よく光を曲げることができ、感度を向上させることができる。
【００８６】
しかしながら、光透過膜であるＴｉＯ2２２の屈折率（ｎ＝２．５３）が、入射側の媒質である空気２１（ｎ＝１．００）に比べ非常に高いため、ＴｉＯ2２２と空気２１との界面で反射が起こりやすいという問題がある。
【００８７】
この問題を解決するため、集光素子１Ｅの表面には、上記同心構造による凹凸形状ではない微細凹凸構造９Ｅが形成されている。微細凹凸構造９Ｅは、同心円状に分割されたＳｉＯ2の各領域の表面において形成された複数の凹凸である。また、微細凹凸構造９Ｅは、光透過膜であるＴｉＯ2２２およびＳｉＯ2１２によって構成されている。
【００８８】
図９は、従来の分布屈折率型マイクロレンズの集光効率の角度依存性を示すグラフである。横軸は、入射面の法線を零度としたときの入射光７の入射角度を、また、縦軸は、集光効率を示す。同図の依存性を測定した従来の分布屈折率型マイクロレンズとは、表面の微細凹凸構造を有しない集光素子のことである。屈折率差が大きいレンズは、屈折率差が小さいレンズに比べ、広角度入射領域では偏向作用が大きいため集光効率は高い。しかしながら、レンズ表面での反射成分が大きくなるため、低入射角度領域では集光効率が低い。
【００８９】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る集光素子の集光効率の角度依存性を示すグラフである。横軸および縦軸は、それぞれ、図９に記載されたグラフの横軸および縦軸と同様である。同図は、屈折率差が大きいレンズを用いた場合でも、微細凹凸構造９Ｅにより、低入射角度領域での反射成分を低減し、集光効率を向上できることを示している。
【００９０】
本実施の形態に係る集光素子１Ｅの製造工程では、実施の形態３で示された製造工程に、高屈折材料を埋め込む工程が、微細凹凸構造の加工工程前に追加されるだけで、従来プロセスの要素技術を用いて問題なくできる。
【００９１】
上述した実施の形態１〜４により、分布屈折率型の集光素子の表面に微細凹凸構造が形成されるので、当該集光素子表面での入射光の反射が抑制され、固体撮像素子の感度の向上およびゴーストやフレアといった画像欠陥が有効に抑制される。
【００９２】
なお、実施の形態１〜４では、集光素子の表面に、集光素子と同一材料で、集光素子の一部として微細凹凸構造が形成されているが、集光素子とその表面に形成された微細凹凸構造とは異なる材料によって形成されてもよい。
【００９３】
また、実施の形態１〜４に係る集光素子の表面に形成する微細凹凸構造の製造工程において、レジストをパターニングした後、加熱処理でレジストを凸曲面形状に形成して、エッチバックにより微細凹凸構造を作製しても良い。
【００９４】
なお、本発明に係る固体撮像素子は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１〜４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、実施の形態１〜４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素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。例えば、本発明に係る固体撮像素子が内蔵されたカメラも本発明に含まれる。
【００９５】
図１１は、本発明の固体撮像素子が内蔵されたカメラの機能構成図である。同図に記載されたカメラは、レンズ５１と、固体撮像素子５２と、駆動回路５３と、信号処理部５４と、外部インターフェイス部５５とを備える。レンズ５１を通過した光は、固体撮像素子５２に入射する。信号処理部５４は、駆動回路５３を介して固体撮像素子５２を駆動し、固体撮像素子５２からの出力信号を取り込む。その出力信号は、信号処理部５４で各種信号処理が施され、外部インターフェイス部５５を介して外部に出力される。ここで、固体撮像素子５２は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅で同心円状に分割された光透過膜を有し当該光透過膜の分割により実効屈折率分布を伴う集光素子を備え、当該光透過膜の表面には、入射光の波長よりも小さいピッチおよび凹凸高さを有する微細凹凸構造が形成されているので、当該集光素子の表面での反射が抑制され良好な集光効率および感度を有する。このような固体撮像素子を有するカメラは、広角な入射光に対しても、鮮明な画像を撮影することができる利点を有し、例えば、図１２（ａ）に示されるデジタルスチルカメラおよび図１２（ｂ）に示されるビデオカメラとして実現される。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、固体撮像素子を内蔵する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に有用であり、特に広角撮像および高感度が要求される固体撮像素子に用いるのに最適である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１に係る集光素子表面の微細凹凸構造の断面図である。
【図２Ｂ】（ａ）は、図２Ａに記載されたＸ1平面における微細凹凸構造の平面図である。（ｂ）は、図２Ａに記載されたＸ2平面における微細凹凸構造の平面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１に係る微細凹凸構造の入射面と垂直方向の屈折率分布を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、実施の形態１に係る集光素子と従来構造の集光素子との透過率を比較したグラフである。（ｂ）は、実施の形態１に係る集光素子と従来構造の集光素子との反射率を比較したグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１に係る集光素子の製造工程を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の緑色用単位画素の構造断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の青色用単位画素の構造断面図である。（ｃ）は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の赤色用単位画素の構造断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｆ）は、実施の形態３に係る２段同心円構造を有する集光素子の各領域の基本構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子における単位画素の構造断面図である。
【図９】従来の分布屈折率型マイクロレンズの集光効率の角度依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る集光素子の集光効率の角度依存性を示すグラフである。
【図１１】本発明の固体撮像素子が内蔵されたカメラの機能構成図である。
【図１２】（ａ）は、デジタルスチルカメラの外観図である。（ｂ）は、ビデオカメラの外観図である。
【図１３】従来の固体撮像素子における一画素の基本構成の一例を示す構造断面図である。
【図１４】従来の固体撮像素子における周辺画素の基本構成の一例を示す構造断面図である。
【図１５Ａ】（ａ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中央部における構造断面図である。（ｂ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中間部における構造断面図である。（ｃ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域周辺部における構造断面図である。
【図１５Ｂ】（ａ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中央部における上面図である。（ｂ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中間部における上面図である。（ｃ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域周辺部における上面図である。
【図１５Ｃ】（ａ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中央部における実効屈折率分布を示すグラフである。（ｂ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域中間部における実効屈折率分布を示すグラフである。（ｃ）は特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子における一画素の撮像領域周辺部における実効屈折率分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ    集光素子
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、５０２、６０２、７０２    カラーフィルタ
３、５０３、６０３、７０３    遮光層
４、５０４、６０４、７０４    受光素子
５    Ｓｉ基板
６、５０６、６０６、７０６    平坦化膜
７、５０７、６０７、７０７    入射光
８、５０８    半導体集積回路
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ    微細凹凸構造
１１    ＳｉＯ2膜
１２    ＳｉＯ2
１３、１４    レジスト
１５    ＢＡＲＣ材料
２１    空気
２２    ＴｉＯ2
５１    レンズ
５２、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５    固体撮像素子
５３    駆動回路
５４    信号処理部
５５    外部インターフェイス部
５０１、６０１、７０１    マイクロレンズ
５０５、６０５、７０５    基板
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009266900.tif 000009
【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】
2009266900.tif 000017
【図１４】
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【図１５Ａ】
2009266900.tif 000019
【図１５Ｂ】
2009266900.tif 000020
【図１５Ｃ】
2009266900.tif 000021