專利名稱：聚光元件及固體攝像器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)碼相機等的聚光元件及固體攝像器件。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)碼相機和帶攝像頭的移動電話等的普及，固體攝像器件的市場有了飛躍的發(fā)展。在這一潮流中，預(yù)計固體攝像器件的高分辨率化和高靈敏度化的速度將進一步加快。
現(xiàn)在，在作為固體攝像器件被廣泛使用的CCD和MOS圖像傳感器中，將具有多個受光部分的半導(dǎo)體集成電路排列成二維狀，將來自被攝物的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
固體攝像元件的靈敏度由相對于入射光量的受光元件的輸出電流的大小來定義，因此，將入射光切實地導(dǎo)入受光元件，對提高靈敏度來說，是一個重要的因素。
圖1表示現(xiàn)有的普通像素的結(jié)構(gòu)的一例。固體攝像器件(藍色光用單位像素)70具有對入射光進行聚光的微透鏡33、對藍色(B)進行色分離并使其透射的濾色片2、將入射光轉(zhuǎn)換成電荷的受光元件(Si光電二極管)6、用于輸送電荷的電信號傳輸部4、AL布線3、平坦化層5以及Si基板7。紅色(R)及綠色(G)用的固體攝像器件，除了濾色片2不同之外是相同結(jié)構(gòu)。由于這樣的結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的聚光效率，所以微透鏡33使用于幾乎所有的固體攝像器件中。
另一方面，作為使用菲涅耳透鏡的固體攝像器件，已經(jīng)公開了各種技術(shù)(例如，參照專利文獻1、專利文獻2)。
在上述專利文獻1所公開的技術(shù)中，透鏡由具有同心圓狀的不同折射率的多層構(gòu)成，具有中心部的折射率最高、隨著向周邊部折射率逐漸降低的結(jié)構(gòu)。此外，在上述專利文獻2所公開的技術(shù)中，利用了厚度分布型透鏡和通過摻雜而具有連續(xù)的折射率分布的梯度折射率型透鏡。
專利文獻1日本特開2000-39503號公報專利文獻2日本特開平5-251673號公報今后，為了推進固體攝像器件的高分辨率化和高靈敏度化，需要不損害聚光效率而對像素進行小型化?？墒?，由于微透鏡為微米級的非常精細的結(jié)構(gòu)，通過在回流中自行組織化而形成，所以，在要進行小型化時，球面形狀的形成控制非常困難。
此外，在微透鏡中存在聚光效率依賴于信號光的入射角度而下降的問題。即，如圖1所示，對于向微透鏡33垂直入射的光35，可以進行高效率的聚光，而對于傾斜入射的光34，由于不能進行充分的聚光，所以聚光效率下降。
圖2是表示現(xiàn)有的像素排列的基本結(jié)構(gòu)的圖。入射光26通過光學(xué)透鏡27入射到設(shè)置在焦距上的固體攝像器件28。固體攝像器件28由多個像素的二維排列構(gòu)成，所以，具有廣角的入射光的情況下，在中央像素和周邊像素中入射角不同。其結(jié)果，出現(xiàn)周邊部的像素的聚光效率比中央低的問題。
圖3表示現(xiàn)有的周邊部像素的結(jié)構(gòu)的一例。在固體攝像器件80的周邊部的像素中，入射光34的入射角度大，所以通過將受光元件6、電信號傳輸部4以及AL布線3那樣的電布線部分在內(nèi)側(cè)(中央)方向錯開，即、使其壓縮，來提高聚光效率?？墒牵苓呄袼氐墓饬渴侵醒氩糠值拇蠹s40％左右，現(xiàn)狀是元件整體的靈敏度受到了周邊元件的靈敏度的限制。此外，由于該值隨著像素尺寸的減小而進一步降低，所以在小型相機那樣的短焦距光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常困難。并且，在固體攝像器件的制造工序中，需要微透鏡33、受光元件6、電信號傳輸部4以及AL布線3的位置對準。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了實現(xiàn)固體攝像器件的高分辨率化和高像質(zhì)化，本發(fā)明的目的在于提供一種在高角度光入射方面比微透鏡強的聚光元件以及該聚光元件的制造方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的聚光元件的特征在于，對入射光進行聚光，具有基板，入射上述入射光；和透光膜的集合體，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有寬度與上述入射光的波長相同程度、或比其短的帶形狀；上述透光膜的集合體產(chǎn)生有效折射率分布。
由此，能夠?qū)崿F(xiàn)在高角度光入射方面比微透鏡強的聚光元件。
并且，可以是在上述透光膜的集合體中各透光膜的線寬恒定。
由此，聚光元件的制造工藝變得容易，能夠以低成本生產(chǎn)高精度的聚光元件。
并且，其特征在于，在以與作為對象的入射光的波長相同程度、或其以下來分割上述透光膜的區(qū)域中，上述透光膜的上述線寬合計比靠內(nèi)側(cè)的帶中心區(qū)域的透光膜的線寬合計小。
由此，透光膜的有效折射率從聚光元件的中央朝向周邊減少，能夠?qū)崿F(xiàn)具有聚光特性的梯度折射率透鏡。
并且，上述帶形狀還可以是同心圓。
而且，其特征在于，在設(shè)入射光的波長為λ、焦距為f、光入射側(cè)介質(zhì)的折射率為n0、光出射側(cè)介質(zhì)的折射率為n1、m為非負的整數(shù)、上述透光膜的折射率的最大值為n0+Δnmax的情況下，在設(shè)對上述n0的差分為Δn(r)時，大致滿足Δn(r)＝Δnmax[1+m-n1r2/(2λf)]。
而且，其特征在于，在設(shè)入射光的波長為λ、焦距為f、上述分割區(qū)域的寬度為a、光出射側(cè)介質(zhì)的折射率為n1、m為非負的整數(shù)、以及菲涅耳帶交界為rm(即，滿足rm2＝2mλf/n1的非負的數(shù))時，將比rm大、比rm+1小的r作為內(nèi)周半徑r的上述分割區(qū)域內(nèi)的上述透光膜的上述線寬合計W滿足W＝a(1+m-n1r2/(2λf))。
由此，通過僅用透光膜的形狀指定具有某種波長的入射光的焦距，能夠用半導(dǎo)體光刻工藝來形成梯度折射率透鏡。
并且，其特征在于，上述透光膜的法線方向的高度恒定。
由此，聚光元件的膜厚均勻，從而用以往的半導(dǎo)體平面工藝來形成聚光元件，并能夠降低制造成本。
并且，其特征在于，上述透光膜的法線方向的剖面形狀是矩形。
由此，能夠?qū)崿F(xiàn)準確的折射率分布，所以提高聚光效率。
并且，其特征在于，上述透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一個。
這些是高折射率的透光材料，因此能夠減薄透光膜的膜厚，制造工藝變得容易。
再者，其特征在于，上述透光膜包含添加了B或P的SiO2即BPSG、及TEOS即四乙基原硅酸鹽中的任一個。
這些是現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝中一般使用的材料，能夠容易地形成聚光元件，并能夠降低制造成本。
并且，其特征在于，上述透光膜包含苯并環(huán)丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚亞酰胺中的任一個。
含有這些的樹脂能夠直接加工，能夠降低制造成本。
并且，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的固體攝像器件，其特征在于，具有聚光元件的單位像素設(shè)置成二維形狀，上述聚光元件具有基板，入射上述入射光；和透光膜的集合體，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有寬度與上述入射光的波長相同程度、或比其短的帶形狀；上述透光膜的集合體產(chǎn)生有效折射率分布。
由此，不使用微透鏡而能夠提高單位像素的聚光效率。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、高靈敏度的固體攝像器件。
再者，其特征在于，在設(shè)置于中央附近的上述單位像素的聚光元件、和設(shè)置在周邊附近的上述單位像素的聚光元件中，上述透光膜的線寬不同。
由此，在二維排列的所有聚光元件中，能夠得到均勻的聚光效率。
并且，其特征在于，至少包括第1單位像素，用于上述入射光中第1顏色光；及第2單位像素，用于具有與上述第1顏色光的代表波長不同的代表波長的第2顏色光；上述第1單位像素具有第1聚光元件；上述第2單位像素具有第2聚光元件，該第2聚光元件的上述第2顏色光的焦距與上述第1聚光元件的上述第1顏色光的焦距相等。
由此，能夠根據(jù)入射光的波長將各像素的透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，并能夠消除由顏色產(chǎn)生的聚光效率的差異。
并且，其特征在于，在位于形成有上述多個單位像素的面的中央的上述單位像素的聚光元件、和位于周邊的單位像素的聚光元件中，各上述分割區(qū)域內(nèi)的上述透光膜的上述線寬合計不同。
由此，根據(jù)固體攝像器件上的單位像素的位置，能夠?qū)⑼哥R結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，能夠緩和固體攝像器件的壓縮結(jié)構(gòu)。并且，聚光元件的制造方法變得容易，能夠提高聚光元件整體的靈敏度。
再者，其特征在于，從形成有上述多個單位像素的面的中央到周邊，分割成多個同心狀的區(qū)域，屬于相同區(qū)域內(nèi)的上述單位像素的上述聚光元件的焦距相等，屬于上述相同區(qū)域以外的上述單位像素的上述聚光元件的焦距不同。
由此，不失去制造工藝的容易性，而能夠在面內(nèi)改變?nèi)肷浣恰?br> 再者，其特征在于，上述單位像素還具有布線層，該布線層在上述聚光元件的出射面?zhèn)葘⑹芄庠纳喜孔鳛殚_口部；由上述聚光元件聚光的光的焦點與上述布線層的上述開口部的位置一致。
由此，能夠最大限度地利用受光面，聚光效率升高。
再者，其特征在于，在位于形成上述多個單位像素的面的中央的上述單位像素中，形成為上述受光元件的中心軸與上述聚光元件的中心軸一致；在位于周邊的單位像素中，形成為上述聚光元件的中心軸比上述受光元件的中心軸靠近上述面的中央。
由此，能夠得到低度的壓縮結(jié)構(gòu)，周邊像素的聚光效率進一步提高。
發(fā)明效果本發(fā)明涉及的聚光元件及固體攝像器件，能夠?qū)崿F(xiàn)通過使同心結(jié)構(gòu)的線寬合計變化而使有效折射率變化的折射率分布型聚光元件。此外，僅以形狀就能指定具有某一波長的入射光的焦距，以半導(dǎo)體光刻工藝形成梯度折射率型透鏡。此外，與現(xiàn)有型的透鏡相比，產(chǎn)生急劇的折射率變化、提高聚光效率。
而且，由于使用高折射率材料，所以能夠減薄透光膜的膜厚，從而制造工藝變得容易。
并且，不使用微透鏡而能夠提高像素的聚光效率。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高靈敏度的固體攝像器件。此外，能夠根據(jù)入射光的波長將各像素的透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，能夠消除因顏色引起的聚光效率的差異。而且，入射光的焦距可變，所以能夠進行適合于各像素結(jié)構(gòu)的透鏡設(shè)計。并且，能夠根據(jù)入射光的入射角度將各像素的透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，能夠消除伴隨入射角度的增加的聚光效率的下降。再者，能夠最大限度地使用受光面，聚光效率提高。
而且，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的一維或二維圖像輸入裝置。能夠根據(jù)固體攝像器件上的像素的位置，將透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，從而能夠使固體攝像器件的壓縮結(jié)構(gòu)緩和。此外，用于聚光元件的制造方法變得容易，所以聚光元件整體的靈敏度也提高。并且，不會喪失工藝的容易性，能夠在面內(nèi)改變?nèi)肷浣恰Ｔ僬?，能夠形成低度的壓縮結(jié)構(gòu)，周邊像素的聚光效率進一步提高。


圖1是表示現(xiàn)有固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是表示現(xiàn)有像素排列的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是表示現(xiàn)有像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖4是表示本發(fā)明實施方式1的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖5是表示本發(fā)明實施方式1的梯度折射率透鏡的上表面結(jié)構(gòu)的圖。
圖6(a)～(e)是表示本發(fā)明實施方式1的梯度折射率透鏡的剖面結(jié)構(gòu)的圖。
圖7是表示本發(fā)明實施方式1的梯度折射率透鏡的折射率分布的圖。
圖8(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式2的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖9(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式2的梯度折射率透鏡的折射率分布的圖。
圖10是表示本發(fā)明實施方式3的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖11(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式3的梯度折射率透鏡的折射率分布的圖。
圖12(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式3的梯度折射率透鏡的聚光特性(模擬結(jié)果)的圖。
圖13是表示本發(fā)明實施方式4的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖14是表示本發(fā)明實施方式4的梯度折射率透鏡的聚光特性的圖。
圖15(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式5的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖16是表示本發(fā)明實施方式5的梯度折射率透鏡的聚光特性的圖。
圖17(a)～(d)是表示本發(fā)明實施方式1～5的固體攝像器件的制造工序的圖。
符號說明1、1a、1b梯度折射率透鏡
2 濾色片3 AL布線4 電信號傳輸部5 平坦化層6 受光元件(Si光電二極管)7 Si基板8 半導(dǎo)體集成電路9、26 入射光13B光用濾色片14G光用濾色片15R光用濾色片16B光用透鏡的折射率分布17G光用透鏡的折射率分布18R光用透鏡的折射率分布19焦距20短焦點用透鏡的折射率分布21中焦點用透鏡的折射率分布22長焦點用透鏡的折射率分布27光學(xué)透鏡28固體攝像器件29中心部的像素用梯度折射率透鏡30周邊部的像素用梯度折射率透鏡31入射光(中心部)32入射光(周邊部)33微透鏡34入射光(傾斜入射)35入射光(垂直入射)70～73、80固體攝像器件
101 高折射率材料(TiO2)102 低折射率材料(空氣)103 相鄰的分割區(qū)域的寬度104 帶線寬(合計)104a、104b帶線寬105 B光用梯度折射率透鏡106 G光用梯度折射率透鏡107 R光用梯度折射率透鏡150 帶線寬(合計)150a～150c帶線寬200 抗蝕劑201 TiO2202 模具203 Ar離子研磨204 濕法蝕刻具體實施方式
以下利用附圖更具體地說明本發(fā)明的實施方式。
(實施方式1)圖4是表示本發(fā)明實施方式1的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖。固體攝像器件(藍色光用單位像素)71的尺寸為2.25μm平方，具有對入射光9進行聚光的梯度折射率透鏡(也稱為“透光膜的集合體”)1、對藍色光(B)進行色分離并使其透射的濾色片2、將入射光轉(zhuǎn)換成電荷的受光元件(Si光電二極管)6、用于輸送電荷的電信號傳輸部4、AL布線3、平坦化層5、以及Si基板7。此外，上述梯度折射率透鏡1具有預(yù)定的膜厚t(例如1μm)。
圖5是表示本發(fā)明實施方式1的梯度折射率透鏡的上表面結(jié)構(gòu)的圖。具有同心帶形狀的透光膜的集合體1用高折射率透光材料101[例如TiO2(n＝2.53)]和低折射率透光材料102[例如空氣(n＝1.0)]構(gòu)成，多個相鄰分割區(qū)域的寬度103例如是恒定的200nm。圖5中的同心形狀的高折射率透光材料101和同心狀的低折射率透光材料102分別形成一個帶。因此，梯度折射率透鏡1也是多個帶的集合體。此外，將帶的寬度稱為“線寬”。
在此，所謂“分割區(qū)域”是指以與入射光的波長大致相同程度、或其以下的任意寬度分割為同心狀的區(qū)域。
在圖5中，梯度折射率透鏡1的各分割區(qū)域(即、以虛線分割的區(qū)域)中的高折射率透光材料為一個，各高折射率透光材料的帶的外周與各分割區(qū)域的外緣相一致。
此外，在圖5中，由于低折射率透光材料102是空氣，構(gòu)成上述高折射率透光材料之間的間隙。而且，作為低折射率透光材料，取代上述空氣，也可以是折射率與空氣相等的真空。
圖6(a)～(d)是表示本發(fā)明實施方式1的梯度折射率透鏡的剖面結(jié)構(gòu)的圖。在圖6(a)中，梯度折射率透鏡1的各分割區(qū)域中的高折射率透光材料為一個，并表示出高折射率透光材料配置成與該分割區(qū)域的外緣相接的樣子。在圖6(b)中，梯度折射率透鏡1的各分割區(qū)域中的高折射率透光材料為一個，并表示出高折射率透光材料配置成與該分割區(qū)域的內(nèi)緣相接(即，低折射率透光材料配置成與該分割區(qū)域的外緣相接)的樣子。
并且，在各分割區(qū)域中，透光膜(即、帶)的數(shù)量可以是多個(圖6的(c)和(d))。此時，可以是高折射率透光材料的線寬恒定(圖6(c))，當然也可以是低折射率透光材料的線寬恒定(圖6(d))。此外，在各分割區(qū)域中，也可以不貫穿透光膜的剖面(圖6(e))。即，如圖6(e)所示，在一個分割區(qū)域中，也可以是高折射率透光材料形成為L字型(即，低折射率透光材料未貫穿)，在剩余部分形成低折射率透光材料。此時，如上述圖6(a)和圖6(e)所示，若一個分割區(qū)域中的高折射率透光材料的體積比相同，則可以說它們具有同等的折射率。
在圖6(a)～(d)中，在所有的梯度折射率透鏡中，各分割區(qū)域中的帶線寬合計104的中央部分最大，隨著向外側(cè)的分割區(qū)域，線寬合計104依次縮小。即，某一外側(cè)的分割區(qū)域中的帶線寬合計比靠內(nèi)側(cè)的分割區(qū)域(帶中心側(cè)區(qū)域)中的帶線寬合計小。
此外，在梯度折射率透鏡1中，對應(yīng)的分割區(qū)域的線寬合計104相同。即，圖6(c)中的線寬104a與線寬104b的合計與圖6(a)或(b)中的線寬104的長度相等。同樣，圖6(d)中的線寬150a、線寬150b以及線寬150c的合計與圖6(b)中的線寬150的長度相等。而且，在圖6(a)～(d)所示的所有的梯度折射率透鏡中，膜厚t是1μm恒定。
上述分割區(qū)域的寬度與入射光的波長相同程度或比其小時，光感應(yīng)的有效折射率neff可以用neff＝{W×nh+(a-W)nl}/a (1)來表示。在此，W表示分割區(qū)域內(nèi)的高折射率透光材料的線寬(包括線寬合計)，a表示各分割區(qū)域的寬度、nh以及nl分別表示高折射率透光材料和低折射率透光材料的折射率。
圖7是表示本發(fā)明實施方式1的梯度折射率透鏡的折射率分布的圖。梯度折射率透鏡的折射率具有中央部分最高、隨著向端部依次降低的階梯狀的特性。并且，圖7所示的拋物線表示使波長(550nm)的入射光以焦距f(4.43μm)進行聚光用的折射率分布，用下式表示(例如，參照“光集成電路”，Ohmsha公司，西原浩共著，1993年8月出版，p.299)。
Δn(r)＝Δnmax[1+m-n1r2/(2λf)] (2)在此，設(shè)入射光的波長為λ、焦距為f、光入射側(cè)材料(光入射側(cè)介質(zhì))的折射率為n0、光出射側(cè)材料(光出射側(cè)介質(zhì))的折射率為n1、非負的整數(shù)為m、透光膜的折射率的最大值為n0+Δnmax(此時，Δnmax為1.53)，設(shè)對于位置r上的上述n0的折射率的差分為Δn(r)。
根據(jù)上述式(1)及式(2)，具有圓型帶形狀的透光膜的外周半徑為r的該透光膜的線寬W滿足W＝a(1+m-n1r2/(2λf)) (3)其中，m＝0，1，2，…及rm＜|r|＜rm+1，菲涅耳帶交界rm＞0滿足rm2＝2mλf/n1并且，本發(fā)明涉及的梯度折射率透鏡的折射率分布設(shè)計成取各分割區(qū)域中的拋物線的中心值。
根據(jù)上述式(3)可知，本發(fā)明涉及的聚光元件的最大特點在于，僅改變線寬W就能對入射光的相位進行調(diào)制，能夠自由決定焦點，能夠?qū)崿F(xiàn)與具有特定波長的光相對應(yīng)的梯度折射率透鏡。
例如，在圖4所示的實施方式中，梯度折射率透鏡的聚光率約為97％，實現(xiàn)了比微透鏡的情況的聚光率90％高的聚光效率。
如上所述，能夠?qū)崿F(xiàn)一種漸變折射率型聚光元件，通過改變構(gòu)成透光膜的集合體的透光材料的線寬合計，來改變有效折射率。
(實施方式2)圖8(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式2的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。垂直入射到固體攝像器件的各像素的B光10、G光11以及R光12分別由B用梯度折射率透鏡105、G用梯度折射率透鏡106以及R用梯度折射率透鏡107聚光，通過B用濾色片13、G用濾色片14以及R用濾色片15，在各受光部進行向電信號的轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明所涉及的梯度折射率透鏡105～107中，能夠根據(jù)入射光10～12的波長對各單位像素的透鏡結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)化，所以由顏色產(chǎn)生的聚光效率的差異消失，能夠高效率地進行聚光。即，在B光梯度折射率透鏡105中，相對于同心圓狀的各分割區(qū)域的高折射率透光材料的線寬(的合計)的減少率大(即，越位于外側(cè)，透光膜的線寬急劇變細)，隨著成為G用梯度折射率透鏡106、R用梯度折射率透鏡107，形成緩和的線寬減少(即，線寬在外側(cè)的透光膜中也不急劇變細)。這是因為，如上述式(2)所示，折射率分布與入射光的波長λ成反比。
圖9(a)～(c)表示本發(fā)明實施方式2的梯度折射率透鏡的折射率分布。即，以圖9(b)所示的綠色用的折射率變化17為中心，如圖9(a)所示，波長越短(藍色側(cè))，折射率變化16越大，如圖9(c)所示，波長越長(紅色側(cè))，具有寬闊的分布18。
如上所述，能夠僅用形成透光膜的集合體的透光材料的線寬控制具有某一波長的入射光的焦距，利用半導(dǎo)體光刻工藝，能夠形成本發(fā)明涉及的梯度折射率透鏡。
(實施方式3)圖10是表示本發(fā)明實施方式3的單位像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。垂直入射到固體攝像器件72的入射光9由梯度折射率透鏡1聚光，通過濾色片2到達受光部(圖中省略)。此時，如上面說明的那樣，入射光9的焦距19能夠根據(jù)各單位像素的聚光元件即透鏡的結(jié)構(gòu)可變。
圖11(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式3的梯度折射率透鏡的折射率分布的圖。當試著以圖11(b)所示的中焦點用透鏡的折射率變化21為基準比較它們時，在圖11(a)所示的短焦點用透鏡中，折射率變化20大，在圖11(c)所示的長焦點用透鏡中成為是緩和的分布22。在本實施方式的單位像素中，反映以上的特性而設(shè)計了各梯度折射率透鏡的結(jié)構(gòu)。
圖12(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式3的梯度折射率透鏡的聚光特性的圖。在圖12(a)～(c)中，表示了使焦距在2.66～4.47μm之間變化時的各單位像素中的光傳播分布圖的模擬結(jié)果。隨著按圖12(a)、(b)和(c)的順序設(shè)定的焦距變長，光束的收斂位置(在各圖的右側(cè)以箭頭表示)向受光元件側(cè)(即、圖的上方側(cè))轉(zhuǎn)移的情況。這啟示通過按照上述式(2)使聚光元件的透鏡結(jié)構(gòu)變化，能夠進行焦距的控制。
為了實現(xiàn)固體攝像器件的高分辨率化，需要像素的高密度化。但是，隨著像素尺寸的減小，作為受光元件的光電二極管的面積縮小，而AL布線的面積幾乎不變。因此，由入射側(cè)的布線部分形成的遮光面積加寬(即、入口變窄)，聚光效率下降。例如，像素尺寸為2.25μm、開口率為24％左右時，通過將焦距設(shè)定在布線部3的開口部，到達受光部6的光量增加，聚光效率顯著改善。例如，在上述例子中聚光效率也達到了90％。
如上所述，本發(fā)明涉及的聚光元件，入射光的焦距根據(jù)其結(jié)構(gòu)可變，能夠進行適合于各單位像素的結(jié)構(gòu)的透鏡設(shè)計。
(實施方式4)圖13是表示本發(fā)明實施方式4的單位像素的基本結(jié)構(gòu)。以特定的角度θ進入固體攝像器件73的入射光9，由梯度折射率透鏡1聚光，通過濾色片2到達受光部6。通過使梯度折射率透鏡1的參數(shù)即焦距、波長及膜厚變化，能夠形成在高角度光入射方面強的透鏡。例如，在本實施方式中，相對于入射角為30°的G光(λ＝550nm)，形成焦距2.9μm、透鏡長度為0.9μm的梯度折射率透鏡。此時的聚光效率為50％，聚光效率成為微透鏡的大約5倍。
圖14是表示本發(fā)明實施方式4的梯度折射率透鏡的聚光特性的圖。如根據(jù)圖14可知，本發(fā)明涉及的梯度折射率透鏡與現(xiàn)有的微透鏡相比，入射光的角度依賴程度小。例如，當入射角度成為5°以上時，相對于在微透鏡中聚光效率開始下降，而在梯度折射率透鏡中到10°左右將聚光效率保持在90％。此外，在入射角度為20°時，相對于在微透鏡中為大約30％，而在梯度折射率透鏡中為70％以上。并且，在入射角度為30°時，相對于在微透鏡中為大約10％，而在梯度折射率透鏡中保持在50％。
如上所述，在本發(fā)明涉及的固體攝像器件中，能夠抑制伴隨入射角度的增加的聚光效率的下降，所以可以期待在便攜電話用攝像機等的短焦距光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。
如上所述，在本發(fā)明涉及的聚光元件中，能夠根據(jù)入射光的入射角度使各單位像素的透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，所以能夠抑制伴隨入射角度增加的聚光效率的下降。
(實施方式5)圖15(a)～(c)是表示本發(fā)明實施方式5的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。該固體攝像器件使用31萬像素的VGA。如圖15(a)所示，信號光26由光學(xué)透鏡27聚光，并照射在具有梯度折射率透鏡的固體攝像器件28上。在包括受光元件以及布線等的半導(dǎo)體集成電路8、及梯度折射率透鏡以二維形狀排列的固體攝像器件28中，在中心部分的單位像素和周邊部分的單位像素中，光的入射角度不同。如圖15(b)所示，相對于入射光31以大致0°的角度入射到固體攝像器件28的中心部分的單位像素中，如圖15(c)所示，在周邊部的單位像素中，入射光32以大約30°入射。
因此，在本實施方式中，從固體攝像器件28的中心部分到周邊部分，階段性地將4種梯度折射率透鏡形成為同心形狀。各梯度折射率透鏡根據(jù)固體攝像器件28上的單位像素的位置將透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，并且使聚光效率最高。即，如圖15(b)所示，位于中心部分的單位像素的梯度折射率透鏡29為通常結(jié)構(gòu)的梯度折射率透鏡，而如圖15(c)所示，位于周邊部分的像素的梯度折射率透鏡30，為了與傾斜的入射光相對應(yīng)，通過使線寬比通常的線寬小，折射率的變化增大。由此，即使是角度成分大的入射光，大部分入射光能夠到達開口部分，所以位于周邊部的像素也能夠?qū)崿F(xiàn)高的聚光效率。
并且，在本實施方式中，未進行半導(dǎo)體集成電路的壓縮。而且，不是4個階段而定義2、3或5階段以上的區(qū)域，將梯度折射率透鏡形成為最適合的形狀。
圖16是表示本發(fā)明實施方式5的梯度折射率透鏡的聚光特性的圖。入射角度增加意味著單位像素的位置位于更靠近固體攝像器件的周邊部。與本發(fā)明的效果對比，圖16表示現(xiàn)有的微透鏡結(jié)構(gòu)中的聚光效率，并且同時表示進行了半導(dǎo)體集成電路壓縮的、固體攝像器件的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖16可知，在具有本發(fā)明的梯度折射率透鏡的固體攝像器件中，不管沒有進行壓縮，能夠?qū)崿F(xiàn)與進行了壓縮的固體攝像器件相同程度的聚光效率，例如入射角度為30°也能實現(xiàn)50％左右的聚光效率。并且，入射角度在20°以內(nèi)，成功地獲得不小于進行了壓縮的固體攝像器件的聚光效率。例如，在入射角度為20°時，相對于在進行了壓縮的固體攝像器件中為80％左右的聚光效率，而在具有本發(fā)明的梯度折射率透鏡的固體攝像器件中實現(xiàn)了90％左右的聚光效率。這意味著能夠制造不壓縮的固體攝像器件。
并且，進一步針對本發(fā)明的固體攝像，只進行實施低度壓縮的措施，有望實現(xiàn)聚光效率不依賴于像素位置的高靈敏度的固體攝像器件，所以具有本發(fā)明的梯度折射率透鏡的固體攝像器件的有用性極高。
(實施方式6)圖17(a)～(d)是表示本發(fā)明實施方式1～5的固體攝像器件的制造工序的圖。如以下說明的那樣，本發(fā)明的梯度折射率透鏡的形成通過納米刻印和蝕刻進行。
如圖17(a)所示，首先利用通常的半導(dǎo)體工藝在Si基板上按順序形成包括受光元件及布線、遮光層、信號傳輸部等(圖17中省略)的半導(dǎo)體集成電路8、濾色片2以及平坦化層5。并且，一個像素的尺寸是2.25μm平方，受光部分為1.1μm平方。
然后，采用等離子CVD在平坦化層5的上部形成TiO2膜201，并在其上部涂敷抗蝕劑200。此外，TiO2膜201和抗蝕劑200的厚度分別為0.8μm和1μm。
然后，如圖17(b)所示，將構(gòu)圖有同心圓結(jié)構(gòu)的SiC制模具(mold)202以150℃加熱壓印(press)在抗蝕劑200上，從而將細微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到抗蝕劑200上。并且，模具用通常的電子線束光刻和蝕刻形成。
然后，如圖17(c)所示，在180℃下進行后烘干(postbake)之后，通過Ar離子研磨進行第1階段的蝕刻203。接著，如圖17(d)所示，除去抗蝕劑200以后，用濕法蝕刻204在像素上形成具有同心圓結(jié)構(gòu)的梯度折射率透鏡。通過以上的工序，可以形成本發(fā)明涉及的固體攝像器件。
這樣，利用本發(fā)明涉及的聚光元件的制造方法，可以容易地大量形成細微的同心結(jié)構(gòu)。而且，各像素之間的相對位置的偏移消失，調(diào)節(jié)操作的工序減少，能夠?qū)崿F(xiàn)聚光元件的低價化。此外，使該梯度折射率透鏡的透鏡膜厚恒定，所以上述制造工藝容易進行，能夠降低制造成本。此外，該梯度折射率透鏡的法線方向的剖面形狀為矩形。
以上說明的實施方式2～5中的透鏡由采用最小加工尺寸為1nm以下的模具的納米刻印法形成，是利用了TiO2和空氣的折射率差的梯度折射率透鏡。
而且，透光膜最好是使用折射率為1.45以上3.4以下的高折射率透明材料。并且，透光膜最好是使用TiO2(折射率2.3～2.55)、ZrO2(2.05)、Nb2O5(2.2)、Ta2O5(2.1)、Si3N4(2.0)以及Si2N3中的任一種。由于它們是高折射率材料，所以能夠減小透光膜的膜厚，制造工序變得容易。
此外，透光膜最好是使用添加了B或P的SiO2(BPSG硼磷硅酸鹽玻璃(Boro-Phospho Silicated Glass))以及TEOS(四乙基原硅酸鹽(Tetraethoxy Silane)中的任一種。它們是現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝中通常使用的材料，所以能夠容易地形成聚光元件，能夠降低制造成本。
此外，透光膜最好是使用苯并環(huán)丁烯(1.5)、聚甲基丙烯酸甲酯(1.55)、聚酰胺(1.53)以及聚亞酰胺(1.58)中的任一種。樹脂能夠直接加工，能夠用納米刻印直接形成聚光元件，所以提高批量生產(chǎn)性。
此外，在上述實施方式1～5中使用了CCD，但是當然也可以使用MOS傳感器。而且，當然也可以使用與進行了說明的梯度折射率透鏡具有相同特性、用其他材料形成的梯度折射率透鏡。而且，當然也可以利用以上說明的方法以外的制造方法來制造梯度折射率透鏡。并且，低折射率材料使用了空氣，但也可以使用其他材料。
此外，當然也可以是透光膜的形狀不是圓，而是多邊形和橢圓等其他的同心形狀。而且，當然也可以將搭載了本發(fā)明透鏡的傳感器形成壓縮結(jié)構(gòu)。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明涉及的聚光元件及固體攝像器件能夠在數(shù)碼攝像機、數(shù)碼靜止相機和帶攝像機的便攜電話等中使用，能夠提高性能和降低價格，所以在產(chǎn)業(yè)上有用。
權(quán)利要求
1.一種聚光元件，對入射光進行聚光，其特征在于，具有基板，入射上述入射光；和透光膜的集合體，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有寬度與上述入射光的波長相同程度、或比其短的帶形狀；上述透光膜的集合體產(chǎn)生有效折射率分布。
2.如權(quán)利要求1所述的聚光元件，其特征在于，在上述透光膜的集合體中，各透光膜的線寬恒定。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聚光元件，其特征在于，在以與作為對象的入射光的波長相同程度、或其以下來分割上述透光膜的區(qū)域中，上述透光膜的上述線寬合計比靠內(nèi)側(cè)的帶中心區(qū)域的透光膜的線寬合計小。
4.如權(quán)利要求3所述的聚光元件，其特征在于，上述帶形狀是同心圓。
5.如權(quán)利要求3所述的聚光元件，其特征在于，在設(shè)入射光的波長為λ、焦距為f、光入射側(cè)介質(zhì)的折射率為n0、光出射側(cè)介質(zhì)的折射率為n1、m為非負的整數(shù)、上述透光膜的折射率的最大值為n0+Δnmax的情況下，在設(shè)對上述n0的差分為Δn(r)時，大致滿足Δn(r)＝Δnmax[1+m-n1r2/(2λf)]。
6.如權(quán)利要求3所述的聚光元件，其特征在于，在設(shè)入射光的波長為λ、焦距為f、上述分割區(qū)域的寬度為a、光出射側(cè)介質(zhì)的折射率為n1、m為非負的整數(shù)、以及菲涅耳帶交界為rm、即滿足rm2＝2mλf/n1的非負的數(shù)時，將比rm大、比rm+1小的r作為內(nèi)周半徑r的上述分割區(qū)域內(nèi)的上述透光膜的上述線寬合計W滿足W＝a(1+m-n1r2/(2λf))。
7.如權(quán)利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述透光膜的法線方向的高度恒定。
8.如權(quán)利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述透光膜的法線方向的剖面形狀為矩形。
9.如權(quán)利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一個。
10.如權(quán)利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述透光膜包含添加了B或P的SiO2即BPSG、及TEOS中的任一個。
11.如權(quán)利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述透光膜包含苯并環(huán)丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚亞酰胺中的任一個。
12.一種固體攝像器件，其特征在于，具有聚光元件的單位像素設(shè)置成二維形狀，上述聚光元件具有基板，入射上述入射光；和透光膜的集合體，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有寬度與上述入射光的波長相同程度、或比其短的帶形狀；上述透光膜的集合體產(chǎn)生有效折射率分布。
13.如權(quán)利要求12所述的固體攝像器件，其特征在于，在設(shè)置于中央附近的上述單位像素的聚光元件、和設(shè)置在周邊附近的上述單位像素的聚光元件中，上述透光膜的線寬不同。
14.如權(quán)利要求12所述的固體攝像器件，其特征在于，至少包括第1單位像素，用于上述入射光中第1顏色光；及第2單位像素，用于具有與上述第1顏色光的代表波長不同的代表波長的第2顏色光；上述第1單位像素具有第1聚光元件；上述第2單位像素具有第2聚光元件，該第2聚光元件的上述第2顏色光的焦距與上述第1聚光元件的上述第1顏色光的焦距相等。
15.如權(quán)利要求12所述的固體攝像器件，其特征在于，在位于形成有上述多個單位像素的面的中央的上述單位像素的聚光元件、和位于周邊的單位像素的聚光元件中，各上述分割區(qū)域內(nèi)的上述透光膜的上述線寬合計不同。
16.如權(quán)利要求12所述的固體攝像器件，其特征在于，從形成有上述多個單位像素的面的中央到周邊，分割成多個同心狀的區(qū)域，屬于相同區(qū)域內(nèi)的上述單位像素的上述聚光元件的焦距相等，屬于上述相同區(qū)域以外的上述單位像素的上述聚光元件的焦距不同。
17.如權(quán)利要求12所述的固體攝像器件，其特征在于，上述單位像素還具有布線層，該布線層在上述聚光元件的出射面?zhèn)葘⑹芄庠纳喜孔鳛殚_口部；由上述聚光元件聚光的光的焦點與上述布線層的上述開口部的位置一致。
18.如權(quán)利要求17所述的固體攝像器件，其特征在于，在位于形成上述多個單位像素的面的中央的上述單位像素中，形成為上述受光元件的中心軸與上述聚光元件的中心軸一致；在位于周邊的單位像素中，形成為上述聚光元件的中心軸比上述受光元件的中心軸靠近上述面的中央。
全文摘要
為了實現(xiàn)固體攝像器件的高分辨率化和高圖像質(zhì)量，提供一種在高角度光入射方面比微透鏡強的聚光元件、及該聚光元件的制造方法。在面內(nèi)方向上以恒定的分割區(qū)域?qū)挾?103)分割的多個分割區(qū)域，每個具有透光膜(101)，該透光膜對分割區(qū)域?qū)挾鹊木€寬合計所占的比率各不相同并呈同心形狀。在各分割區(qū)域中，透光膜(101)的外周/內(nèi)周可以與分割區(qū)域的外周/內(nèi)周一致。在各分割區(qū)域中，線寬合計比相鄰的內(nèi)側(cè)分割區(qū)域的線寬合計小。同心帶形狀是圓，假設(shè)入射光的波長為λ、焦距為f、分割區(qū)域?qū)挾葹閍、透光膜的有效折射率為n
文檔編號H01L27/14GK1894606SQ20048003794
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者歲清公明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社