JP2009266900A - Solid-state image sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state image sensor for reducing reflection on a distributed-index microlens surface and also having a condensing element effective for improving sensitivity. <P>SOLUTION: The solid-state image sensor 100 having a plurality of two-dimensionally arranged unit pixels for receiving incident light 7 includes the condensing element 1 having a light transmitting film concentrically split into widths similar to or shorter than a wavelength of the incident light 7 and forming an effective refractive index distribution by splitting the light transmitting film. A minute uneven structure 9 not due to the concentric shape is formed on at least one of surfaces of divided regions of the film. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a solid-state image sensor, and more particularly to a solid-state image sensor used in a digital camera and a method for manufacturing the same.

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。   With the widespread use of digital cameras and camera-equipped mobile phones, the market for solid-state image sensors has expanded significantly. In recent years, there has been a strong demand for thinning digital cameras. In other words, the lens used for the camera part has a short focal point, and the light incident on the solid-state image sensor has a wide angle (a large angle measured from the vertical axis of the incident surface of the solid-state image sensor). Means.

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。   In a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS image sensor, semiconductor integrated circuits having a plurality of light receiving portions are two-dimensionally arranged, and an optical signal from a subject is converted into an electrical signal. Since the sensitivity of a solid-state image sensor is defined by the magnitude of the output current of the light receiving element with respect to the amount of incident light, it is important to improve the sensitivity that incident light is reliably introduced into the light receiving element. Yes.

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。   For this purpose, it is necessary to improve the light collection efficiency of the microlens formed on the top of the CCD or CMOS image sensor. Current microlenses are spherical lenses made of resin, and are used in most solid-state image sensors including CCD and CMOS image sensors.

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。   FIG. 13 is a structural cross-sectional view showing an example of a basic configuration of one pixel in a conventional solid-state imaging device. The solid-state imaging device in the figure includes a microlens 501, a color filter 502, a light shielding layer 503, a light receiving element 504, a substrate 505, and a planarizing film 506. As shown in the figure, incident light 507 perpendicularly incident on the microlens 501 is color-separated by one of red (R), green (G), and blue (B) color filters 502, and then a light receiving element. Conversion to an electrical signal is made at 504.

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。   FIG. 14 is a structural cross-sectional view showing an example of a basic configuration of peripheral pixels in a conventional solid-state imaging device. The solid-state imaging device in the figure includes a micro lens 601, a color filter 602, a light shielding layer 603, a light receiving device 604, a substrate 605, and a planarizing film 606. As shown in the figure, since the incident angle of incident light becomes large in the peripheral pixels, the light collection efficiency is improved by shifting (shrinking) the electric wiring portion inward.

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。   However, in a short focus optical system such as a fine pixel or a small camera, the incident angle of incident light in the peripheral pixels becomes very large, and there is a problem that no further circuit shrinking is possible.

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。   A solid-state imaging device in which a refractive index distribution type microlens having an effective refractive index distribution is formed by a fine structure that is the same as or smaller than the wavelength of incident light is disclosed in Patent Document 1 in response to the problem of wide-angle incidence. Are listed.

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。   15A (a), FIG. 15A (b), and FIG. 15A (c) are respectively an image pickup region center portion, an image pickup region intermediate portion, and an image pickup portion of one pixel in a solid-state image pickup device using the technique described in Patent Document 1. It is structural sectional drawing in the area | region periphery part. 15B (a), FIG. 15B (b), and FIG. 15B (c) are, respectively, an image pickup area center portion and an image pickup area intermediate portion of one pixel in the solid-state image pickup device using the technique described in Patent Document 1. It is a top view in an imaging region peripheral part. 15C (a), FIG. 15C (b), and FIG. 15C (c) are respectively an image pickup region center portion and an image pickup region intermediate portion of one pixel in the solid-state image sensor using the technique described in Patent Document 1. It is a graph which shows the effective refractive index distribution in an imaging region periphery part. 15A, 15B, and 15C each include a microlens 701, a color filter 702, a light shielding layer 703, a light receiving element 704, a substrate 705, and a planarizing film 706.

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。
国際公開第０５／１０１０６７号パンフレット As shown in FIGS. 15A and 15B, the solid-state imaging device using the technique described in Patent Document 1 is light that is concentrically divided with a line width that is the same as or shorter than the wavelength of the incident light 707. It consists of a permeable membrane. Therefore, as shown in FIG. 15C, the refractive index distribution type microlens having different effective refractive index distributions by the division of the light transmission film is mounted in the central part, the intermediate part, and the peripheral part of the imaging region, respectively. Even if the incident light is obliquely incident on the peripheral portion at a large angle with respect to the incident surface normal, the incident light 707 can be condensed on the pixel, and the sensitivity equivalent to the sensitivity of the central portion of the solid-state imaging device can be obtained.
International Publication No. 05/101067 Pamphlet

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。   However, in the distributed refractive index type microlens 701 shown in FIGS. 15A and 15B, the thickness (height) of the divided light transmission film is constant in each unit pixel, and the surface becomes very smooth. ing. For this reason, the light incident on the solid-state imaging device is likely to be reflected on the surface of the microlens 701. As a result, there arises a problem that the amount of light incident on the solid-state image sensor can reach the light receiving element is reduced, and the sensitivity is lowered. Further, the light reflected from the surface of the microlens 701 is reflected and scattered between the camera lens (imaging lens) and the cover glass, thereby causing image defects such as ghost and flare.

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。）。 Here, when the refractive indexes of the medium 1 (microlens 701) and the medium 2 (air) are n 1 and n 2 , respectively, the reflectance R of light perpendicularly incident on the two media is defined by the following equation. (However, it is assumed that the media 1 and 2 are transparent media and have no attenuation.)

Ｒ＝｜(ｎ1−ｎ2)／(ｎ1＋ｎ2)｜2 （１） R = | (n 1 −n 2 ) / (n 1 + n 2 ) | 2 (1)

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。 That is, the reflectance R is defined by the refractive indexes of the medium 1 and the medium 2, and the smaller the refractive index difference (n 1 −n 2 ) between the medium 1 and the medium 2, the smaller the reflectance R becomes.

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。 As an example, when TiO 2 (n = 2.53), which is a high refractive index light transmission film, which is a material of the distributed refractive index type microlens 701 described in Patent Document 1, is used as the medium 1, From the formula (1), the reflectance R is 18.8%. On the other hand, when SiO 2 (n = 1.45), which is a light transmission film having a relatively low refractive index, is used, the reflectance R is 3.4% from the above equation (1), and the reflection is reduced. it can.

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。 However, as the refractive index of the distributed refractive index type microlens material is reduced, the optical path length (= lens refractive index: n × lens film thickness: t 0 ) is shortened and the deflectability is lowered. . That is, as the incident angle of incident light increases, the amount of light that can reach the light receiving portion decreases, and the sensitivity decreases. In order to increase the optical path length, it is necessary to increase the lens film thickness t 0. However, if the lens film thickness is increased, the aspect ratio (= height / width) of the divided light transmission film is increased. Therefore, it becomes difficult to form a distributed refractive index type microlens.

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。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a solid-state imaging device including a condensing element effective in improving sensitivity while suppressing reflection on the surface of a distributed refractive index type condensing element. With the goal.

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。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels that receive incident light are arranged two-dimensionally, and the unit pixel has a wavelength of the incident light. A light transmission film divided into a concentric shape with a width equal to or shorter than that of the light transmission film, and having a condensing element that forms an effective refractive index distribution by dividing the light transmission film, the light transmission film being divided In addition, a plurality of irregularities not depending on the concentric shape are formed on the surface of at least one of the regions.

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。   Thereby, since the effective refractive index of the condensing element accompanied by the effective refractive index distribution gradually changes in the direction perpendicular to the incident surface, reflection on the surface of the condensing element is suppressed, and the sensitivity is improved.

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。   Further, it is preferable that W <λ and H <λ, where W is the pitch of the plurality of unevenness, H is the height of the plurality of unevenness, and λ is the wavelength of the incident light.

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。   Thereby, since the occurrence of scattering / diffraction of incident light on the surface of the condensing element is suppressed, condensing loss caused by a plurality of irregularities is suppressed, and the sensitivity is improved.

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。   Further, the plurality of irregularities may be formed only in a central region of the concentric shape among the divided regions of the light transmission film.

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。   As a result, a plurality of fine irregularities are formed on the surface of the region having the highest effective refractive index of the condensing element, so that reflection on the surface of the condensing element is effectively suppressed and sensitivity is improved.

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。   Further, the unit pixel is formed between a light receiving element and the light collecting element, and is used for R (red), G (green) and B (blue) colors that pass a specific wavelength band of the incident light. It is preferable that any one of the filters is provided, and the plurality of irregularities have an irregular shape having a dimension corresponding to the specific wavelength band.

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。   Thereby, a plurality of fine irregularities can be optimized according to the incident wavelength, so that the color reproducibility is improved.

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。   Further, it is preferable that the plurality of uneven portions are arranged at an equal pitch in the film surface direction of the light transmission film.

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。   Thereby, the reflection on the surface of the condensing element having a plurality of fine irregularities is uniformly suppressed, and the sensitivity is improved.

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。   Moreover, it is preferable that the plurality of irregularities are formed of the same material as the light transmission film.

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。   As a result, the refractive index of the medium having a plurality of fine irregularities is equal to the refractive index of the medium of the condensing element, so that reflection occurring at the interface between the two media can be suppressed, and the sensitivity is improved.

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。   The plurality of irregularities are preferably formed by processing the surface of the light transmission film using photolithography and etching.

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。   Thereby, a some fine unevenness | corrugation can be easily formed by an existing process, and production cost can be suppressed.

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。   In addition, the present invention can be realized not only as a solid-state image sensor having the above-described features, but also has the same configuration and effects as a camera including such a solid-state image sensor.

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。   In addition, the present invention can be realized not only as a solid-state imaging device including such characteristic means, but also as a method for manufacturing a solid-state imaging element using the characteristic means included in the solid-state imaging element as a step. be able to.

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。   According to the solid-state imaging device of the present invention, reflection of incident light can be suppressed by a plurality of fine concavo-convex structures formed on the surface of the distributed refractive index type condensing device, and the sensitivity of the solid-state imaging device is improved. In addition, image defects such as ghost and flare can be suppressed.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In addition, although this invention is demonstrated using the following embodiment and attached drawing, this is for the purpose of illustration and this invention is not intended to be limited to these.

（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。 (Embodiment 1)
The solid-state imaging device according to the first embodiment has a light-transmitting film in which each unit pixel is concentrically divided with a width approximately equal to or shorter than the wavelength of incident light, and effective refraction by dividing the light-transmitting film. A light condensing element with a rate distribution is provided, and a plurality of fine concavo-convex structures having a pitch and a concavo-convex height smaller than the wavelength of incident light are formed on the surface of the light transmission film.

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。   According to this embodiment, since the effective refractive index of the distributed refractive index type condensing element gradually changes in the direction perpendicular to the incident surface, reflection on the surface of the condensing element is suppressed and sensitivity is improved. To do.

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。   Hereinafter, the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a unit pixel in a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. The solid-state imaging device 100 in the figure is used in a 310,000 pixel VGA (Video Graphics Array) and has a size of 5.6 μm square. The solid-state imaging device 100 includes a light collecting element 1, a color filter 2, a light shielding layer (also referred to as a light shielding film) 3, a light receiving element 4, a Si substrate 5, and a planarizing film 6. The light shielding layer 3, the light receiving element 4, and the Si substrate 5 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

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。 The condensing element 1 is a distributed refractive index type microlens. For example, as shown in FIG. 15B (a), SiO 2 (refractive index n = 1.45) which is a light transmission film is dug concentrically. The film thickness is 1.2 μm. Further, the width of the concentric ring, which is each region of SiO 2 divided concentrically, is approximately the same as or shorter than the wavelength of the incident light 7. On the other hand, the surrounding medium is air (n = 1.00). With this structure, the condensing element 1 has an effective refractive index distribution over the incident surface.

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。 Further, a fine concavo-convex structure 9 that is not the concavo-convex shape by the concentric shape is formed on the surface of the light collecting element 1. The fine concavo-convex structure 9 is a plurality of concavo-convex formed on the surface of each region of SiO 2 concentrically divided. The fine concavo-convex structure 9 is made of SiO 2 (n = 1.45) which is a light transmissive film, and has the same material and composition as the light transmissive film constituting the light collecting element 1.

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。   The incident light 7 incident on the light collecting element 1 is color-separated by one of the red (R), green (G), and blue (B) color filters 2, and then converted into an electric signal by the light receiving element 4. Made.

受光素子４は、例えば、Ｓｉフォトダイオードである。   The light receiving element 4 is, for example, a Si photodiode.

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。 FIG. 2A is a cross-sectional view of the fine concavo-convex structure on the surface of the light condensing element according to Embodiment 1 of the present invention. In the fine concavo-convex structure 9 shown in the figure, SiO 2 12 which is a constituent material of the condensing element 1 is formed as a convex portion on the surface of the condensing element 1.

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。 2B (a) and 2B (b) are plan views of the fine concavo-convex structure in the X 1 plane and the X 2 plane described in FIG. 2A, respectively. 2B (a) and FIG. 2B (b) show a convex portion as the incident light 7 travels from the surface of the light collecting element 1 to the light receiving element 4 side as it changes from the X 1 plane to the X 2 plane. It shows that the space occupancy of a certain SiO 2 12 increases and conversely the space occupancy of the air 21 decreases.

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。 FIG. 2C is a graph showing a refractive index distribution in a direction perpendicular to the incident surface of the fine concavo-convex structure according to Embodiment 1 of the present invention. The horizontal axis in FIG. 2C represents the distance x (μm) in the direction perpendicular to the incident surface, and the vertical axis represents the effective refractive index n (x) in a plane parallel to the incident surface. Here, the refractive index of the medium (SiO 2 ) of the fine concavo-convex structure 9 is n 0 , the refractive index of the medium (air) around the fine concavo-convex structure 9 is n 1 , and the fine is at a distance x in the direction perpendicular to the incident surface. When the space occupation ratio of the medium (SiO 2 ) of the concavo-convex structure 9 is f (x), the effective refractive index n (x) can be defined by the following equation.

ｎ（ｘ）＝ｆ（ｘ）・ｎ0＋（１−ｆ（ｘ））・ｎ1 （２） n (x) = f (x) · n 0 + (1−f (x)) · n 1 (2)

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。   From the above equation (2) and the graph of FIG. 2C, when the space occupancy f (x) of the fine concavo-convex structure 9 gradually changes in the direction perpendicular to the incident surface (x direction), the effective refractive index n (x) is also It turns out that it changes gradually.

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。   Therefore, as described in FIGS. 2A and 2B, the shape of the fine concavo-convex structure 9 is convex with respect to the incident direction so that the space occupancy f (x) gradually changes with respect to the x direction. It is desirable.

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。   Moreover, it is preferable that the fine concavo-convex structure 9 is formed with the same material as the condensing element 1 which is a light transmissive film | membrane. Thereby, since the refractive index of the medium of the fine concavo-convex structure 9 and the refractive index of the medium of the condensing element 1 become equal, the reflection which arises in the said two medium interface is suppressed.

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。   Further, it is desirable that the convex portions of the fine concavo-convex structure 9 are arranged on the surface of the light collecting element 1 and at an equal pitch in the incident surface direction.

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。   However, depending on the shape of the fine concavo-convex structure 9, the incident light is scattered and diffracted, and the incident light is bent, so that the amount of light that can reach the light receiving element 4 is reduced and the sensitivity is lowered. Noise will occur.

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。   Therefore, in order to suppress the occurrence of scattering and diffraction of incident light in the fine concavo-convex structure 9, it is desirable that the pitch W of the fine concavo-convex structure 9 and the height H of the concavo-convex shape satisfy the following expressions.

Ｗ＜λ、かつ、Ｈ＜λ （３）             W <λ and H <λ (3)

ここで、λは単位画素への入射光７の波長である。   Here, λ is the wavelength of the incident light 7 to the unit pixel.

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。   When the width W and height H of the fine concavo-convex structure 9 do not satisfy the above formula (3), the incident light 7 senses the shape of the concavo-convex structure, and scattering and diffraction occur. On the contrary, when the width W and height H of the fine concavo-convex structure 9 are smaller than the wavelength λ of the incident light 7, scattering and diffraction of the incident light 7 are suppressed, and the incident light 7 efficiently reaches the light receiving element 4. However, as the height H of the fine concavo-convex structure 9 is larger, the change in the refractive index distribution of the fine concavo-convex structure 9 can be moderated. The higher the height H of 9, the better.

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。   FIG. 3A and FIG. 3B are graphs comparing the transmittance and the reflectance of the light collecting element according to Embodiment 1 and the light collecting element of the conventional structure, respectively. Here, the conventional structure is a structure in which the fine uneven structure 9 is not formed on the surface of the light collecting element. In the figure, the horizontal axis represents the wavelength λ (nm) of the incident light 7, and the vertical axis represents the transmittance T (%) and the reflectance R (%).

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。   The condensing element 1 having the fine concavo-convex structure 9 of the present invention has a transmittance of 99.5% or more and a reflectance of 0.5% or less over the entire visible region with an incident wavelength of 400 to 700 nm, and in the most excellent wavelength region. It has extremely excellent characteristics of a transmittance of 99.8% or more and a reflectance of 0.2% or less. Compared with the conventional structure, the light-collecting element 1 having the fine concavo-convex structure 9 of the present invention is greatly improved, with a transmittance of about 1.05 times and a reflectance of 0.08 times. Further, the width W of the fine concavo-convex structure 9 at this time is 200 nm and the height H is 400 nm, which satisfies the condition of the expression (3).

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。   FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the condensing element according to Embodiment 1 of the present invention. The condensing element 1 is formed by photolithography and etching twice.

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））。 First, a semiconductor integrated circuit 8 (the details are not shown in FIG. 4) including the light receiving element 4, the light shielding layer 3, and the color filter 2 is formed on the Si substrate 5 by using a normal semiconductor process. The size of one pixel unit is 5.6 μm square, and the light receiving unit is 3.5 μm square. Thereafter, a SiO 2 film 11 is formed using a CVD apparatus, and a resist 13 is applied thereon (FIG. 4A).

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。 Next, the resist 13 is patterned by exposure (FIG. 4B). At this time, the thicknesses of the SiO 2 film 11 and the resist are 1.2 μm and 0.5 μm, respectively.

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。 Next, etching is performed, and then the resist 13 is removed to form a concentric structure on the pixel surface (FIG. 4C). The concentric structure at this time is, for example, a concentric structure made of the SiO 2 film 11 as shown in FIG. 15B (a).

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））。   Next, a bottom anti-reflective coating (hereinafter referred to as BARC) material 15 is embedded and planarized. A resist 14 is applied on the flattened concentric structure (FIG. 4D).

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））。   Next, the resist 14 is patterned again by exposure (FIG. 4E).

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。   Next, etching is performed, and then the resist 14 and the BARC material 15 are removed to form the fine concavo-convex structure 9 on the surface of the light collecting element 1 (FIG. 4F). At this time, the width W and height H of the fine concavo-convex structure 9 can be controlled by changing the patterning width (pitch) of the resist 14 by photolithography and the etching conditions (selection ratio, etc.).

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。 In the manufacturing process of the light collecting element 1 according to the present embodiment, the concentric width of the SiO 2 film 11 is a fine structure of about 0.1 μm. A phase mask is used in the photolithography process in order to form a fine uneven structure 9 having a wavelength equal to or less than the wavelength of the incident light 7 on the surface of the light collecting element 1. As a result, the patterning width (pitch) of the resist can be controlled with high accuracy.

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。 Moreover, the condensing element 1 which concerns on this Embodiment does not have a big difference in a manufacturing process, and can be easily manufactured using the elemental technique of a conventional process. Further, since both the concentric structure and the fine concavo-convex structure are composed of the same material, SiO 2 12, not only the material cost can be suppressed, but also the reflection occurring at the medium interface can be suppressed. As a result, the antireflection effect of the solid-state imaging device is improved and the production cost is reduced.

（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。 (Embodiment 2)
FIGS. 5A, 5B, and 5C are structural cross-sectional views of unit pixels for green, blue, and red, respectively, of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention. . The solid-state imaging devices 101, 102, and 103 in FIG. 5A, FIG. 5B, and FIG. 5C are used in a 310,000 pixel VGA (Video Graphics Array), and the size is 5 .6 μm square. The solid-state imaging device 101 includes a condensing element 1A, a color filter 2A, a light shielding layer 3, a light receiving element 4, a Si substrate 5, and a planarizing film 6. Further, the solid-state image sensor 102 is different from the solid-state image sensor 101 only in that it includes a condensing element 1B instead of the condensing element 1A and a color filter 2B instead of the color filter 2A. Further, the solid-state image sensor 103 is different from the solid-state image sensor 101 only in that it includes a condensing element 1C instead of the condensing element 1A and a color filter 2C instead of the color filter 2A. Further, the solid-state imaging devices 101, 102, and 103 are different from the solid-state imaging device 100 described in FIG. 1 only in the configuration of the condensing element and the color filter. Hereinafter, description of the same points as those of the solid-state imaging device 100 will be omitted, and only different points will be described.

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。 Each of the condensing elements 1A, 1B, and 1C is a distributed refractive index type microlens. For example, as shown in FIG. 15B, SiO 2 (refractive index n = 1.45) that is a light transmission film is concentric. The film thickness is 1.2 μm. In addition, the width of the concentric ring, which is each region of SiO 2 divided concentrically, is approximately the same as or shorter than the wavelength of the incident light. On the other hand, the surrounding medium is air (n = 1.00). With this structure, the condensing elements 1A, 1B, and 1C have an effective refractive index distribution over the incident surface. Further, fine concavo-convex structures 9A, 9B and 9C which are not concavo-convex shapes by the concentric structure are formed on the surfaces of the light collecting elements 1A, 1B and 1C, respectively. The fine concavo-convex structures 9A, 9B and 9C are a plurality of concavo-convex formed on the surface of each region of SiO 2 concentrically divided. Here, each of the fine concavo-convex structures 9A, 9B and 9C is made of SiO 2 (n = 1.45) which is a light transmissive film, and the light transmissive films constituting the light collecting elements 1A, 1B and 1C, respectively. The material and composition are the same.

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。 The fine concavo-convex structures 9A, 9B and 9C formed on the surfaces of the light collecting elements 1A, 1B and 1C are respectively a color filter 2A for R (red) and a color filter 2B and B (blue) for G (green). The color filters 2C have different dimensions depending on the wavelengths λ A , λ B, and λ C of the specific transmission band that is color-separated by the color filter 2C. That is, as shown in the above equation (3), the width W and height H of the fine concavo-convex structure are defined by the wavelength λ of the incident light, so that the color filters 2A and G (green) for R (red) are defined. The width W and the height H of the fine concavo-convex structures 9A, 9B, and 9C are optimized for each unit pixel provided with the color filter 2B for B) and the color filter 2C for B (blue).

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。 Specifically, the wavelength λ of a specific transmission band that is color-separated by each color filter is R (λ C = around 600 nm)> G (λ A = around 520 nm)> B (λ B = about 450 nm). There is a relationship. Utilizing this relationship, as described in FIG. 5, the heights H A , H B and H C of the concave and convex portions of the fine concavo-convex structures 9A, 9B and 9C are set as H C > H A > H B. By doing so, the gradient of the refractive index distribution change of each fine concavo-convex structure is made as small as possible, and the reflection of incident light on the surface of each condensing element is reduced.

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。   In the manufacture of the fine concavo-convex structure formed on the surface of the light condensing element according to the present embodiment, the phase mask pattern can be changed for each unit pixel, so that it can be formed without problems using the elemental technology of the conventional process. it can.

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。   According to the present embodiment, since the fine concavo-convex structure is optimized according to the incident wavelength, the color reproducibility is improved.

（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。 (Embodiment 3)
FIG. 6 is a structural cross-sectional view of a unit pixel in the solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. The solid-state image sensor 104 in the figure is used in a 310,000 pixel VGA (Video Graphics Array), and has a size of 5.6 μm square. The solid-state image sensor 104 includes a light collecting element 1D, a color filter 2, a light shielding layer 3, a light receiving element 4, a Si substrate 5, and a planarizing film 6. The light shielding layer 3, the light receiving element 4, and the Si substrate 5 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

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。   The solid-state imaging device 104 according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device 100 described in FIG. 1 only in the configuration of the condensing element 1D. Hereinafter, description of the same points as those of the solid-state imaging device 100 will be omitted, and only different points will be described.

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。 The condensing element 1D is a distributed refractive index type microlens, and has a two-stage concentric circle in which the film thickness of SiO 2 (refractive index n = 1.45) which is a light transmission film is 1.2 μm and 0.8 μm. Structure (also referred to as a two-stage concentric structure). In addition, the width of the concentric ring, which is each region of SiO 2 divided concentrically, is approximately the same as or shorter than the wavelength of the incident light. On the other hand, the surrounding medium is air (n = 1.00). With this structure, the condensing element 1D has an effective refractive index distribution over the incident surface.

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。   FIG. 7A to FIG. 7F are cross-sectional views showing the basic structure of each region of the light collecting element having the two-stage concentric structure according to the third embodiment. FIG. 7A shows the densest structure, that is, the structure having the highest effective refractive index, and the effective refractive index decreases as the structure is changed from FIG. 7B to FIG. 7F. At this time, the film thickness Xu on the upper stage (light incident side) and the film thickness Xb on the lower stage (substrate side) are 0.4 μm and 0.8 μm, respectively, and the film thickness ratio (upper stage / lower stage) is “0.5”. It is. By using a two-stage structure, the number of gradations in the refractive index distribution increases, and the light collection efficiency can be improved. In addition, since the film thickness differs between the upper stage and the lower stage, reflection that occurs on the surface of the light collecting element 1D can be reduced.

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。   However, in the central region of the condensing element 1D, since the structure having the highest effective refractive index described in FIG. 7A exists in a wide range, the film thickness is constant. Therefore, reflection occurs in the central region of the light collecting element 1D in the same manner as in the case of the one-stage structure.

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。 Therefore, in the solid-state imaging device 104 according to the present embodiment, the reflection is effectively reduced by forming the fine concavo-convex structure 9D which is not the concavo-convex shape by the two-stage concentric structure only in the central region of the light condensing element 1D. is doing. The fine concavo-convex structure 9D is a plurality of concavo-convex formed on the surface of the central region of SiO 2 divided concentrically. The fine concavo-convex structure 9D is made of SiO 2 (n = 1.45) which is a light transmission film, and has the same material and composition as the condensing element 1D.

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。 In the manufacturing process of the condensing element 1D according to the present embodiment, three types of structures, a concentric structure, a two-stage concentric structure, and a fine concavo-convex structure 9D are formed with respect to SiO 2 that is a light transmission film. The light collecting element 1D can be formed without any problem by using the elemental technology of the conventional process only by adding the photolithography and the etching process once to the manufacturing process indicated by 1.

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。   According to the present embodiment, the fine uneven structure 9D is formed on the surface of the region where the effective refractive index of the light collecting element is the highest, so that reflection on the surface of the light collecting element is effectively suppressed and the sensitivity is improved. .

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。   In the third embodiment, a two-stage concentric structure is taken as an example, but it goes without saying that the same effect can be expected even in a one-stage or multi-stage concentric structure.

（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。 (Embodiment 4)
FIG. 8 is a structural cross-sectional view of a unit pixel in the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention. The solid-state imaging device 105 in the figure is used in a 310,000 pixel VGA (Video Graphics Array) and has a size of 5.6 μm square. The solid-state imaging device 105 includes a light collecting element 1E, a color filter 2, a light shielding layer 3, a light receiving element 4, a Si substrate 5, and a planarizing film 6. A fine uneven structure 9E is formed on the surface of the light collecting element 1E. The light shielding layer 3, the light receiving element 4, and the Si substrate 5 constitute a semiconductor integrated circuit 8.

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。   The solid-state imaging device 105 according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device 100 described in FIG. 1 only in the configuration of the condensing element 1E. Hereinafter, description of the same points as those of the solid-state imaging device 100 will be omitted, and only different points will be described.

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。 The condensing element 1E is a distributed refractive index type microlens. For example, TiO 2 22 (n = 2.53) which is a light transmission film and SiO 2 12 (n = 1.45) which is a light transmission film. Are combined concentrically. The width of the concentric ring, which is each region of TiO 2 22 or SiO 2 12 divided concentrically, is approximately the same as or shorter than the wavelength of the incident light 7. With this structure, the condensing element 1E has an effective refractive index distribution over the incident surface. In the condensing element 1E according to the present embodiment, the refractive index difference Δn caused by the two light transmission films TiO 2 22 and the light transmission film SiO 2 12 is 1.08, which is shown in the first to third embodiments. This is a value that is at least twice as large as the refractive index difference Δn (0.45) of the light collecting element. This is the optical path length (
This means that the lens refractive index n × lens film thickness t) becomes longer, and the deflection action of incident light increases. Thereby, even when light is incident at a wide angle, the light can be efficiently bent and the sensitivity can be improved.

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。 However, since the refractive index (n = 2.53) of TiO 2 22 which is a light transmission film is very high compared to air 21 (n = 1.00) which is a medium on the incident side, TiO 2 22 and air 21 There is a problem that reflection is likely to occur at the interface.

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。 In order to solve this problem, a fine concavo-convex structure 9E which is not the concavo-convex shape due to the concentric structure is formed on the surface of the light collecting element 1E. The fine uneven structure 9E is a plurality of unevenness formed on the surface of each region of SiO 2 concentrically divided. The fine concavo-convex structure 9E is composed of TiO 2 22 and SiO 2 12 which are light transmission films.

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。   FIG. 9 is a graph showing the angle dependence of the light collection efficiency of a conventional distributed refractive index type microlens. The horizontal axis indicates the incident angle of the incident light 7 when the normal of the incident surface is zero degrees, and the vertical axis indicates the light collection efficiency. The conventional distributed refractive index type microlens for which the dependence in the figure is measured is a condensing element having no fine uneven structure on the surface. A lens having a large refractive index difference has a higher light collection efficiency because of a large deflection effect in a wide-angle incident region as compared with a lens having a small refractive index difference. However, since the reflection component on the lens surface increases, the light collection efficiency is low in the low incident angle region.

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。   FIG. 10 is a graph showing the angle dependence of the light collection efficiency of the light collecting element according to Embodiment 4 of the present invention. The horizontal axis and the vertical axis are respectively the same as the horizontal axis and the vertical axis of the graph shown in FIG. This figure shows that even when a lens having a large refractive index difference is used, the fine concavo-convex structure 9E can reduce the reflection component in the low incident angle region and improve the light collection efficiency.

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。   In the manufacturing process of the light collecting element 1E according to the present embodiment, a process of embedding a high refractive material is added to the manufacturing process shown in the third embodiment before the processing process of the fine concavo-convex structure. It can be done without problems using process elemental technology.

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。   According to the first to fourth embodiments described above, a fine concavo-convex structure is formed on the surface of the distributed refractive index type condensing element, so that the reflection of incident light on the surface of the condensing element is suppressed, and the sensitivity of the solid-state image sensor. And image defects such as ghost and flare are effectively suppressed.

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。   In Embodiments 1 to 4, the surface of the condensing element is made of the same material as the condensing element and a fine uneven structure is formed as a part of the condensing element. You may form with the material different from the made fine uneven structure.

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。   Moreover, in the manufacturing process of the fine concavo-convex structure formed on the surface of the light collecting element according to Embodiments 1 to 4, after the resist is patterned, the resist is formed into a convex curved surface shape by heat treatment, and the fine concavo-convex shape is formed by etch back. A structure may be produced.

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。   In addition, the solid-state image sensor which concerns on this invention is not limited to the said embodiment. Other embodiments realized by combining arbitrary constituent elements in the first to fourth embodiments, and various modifications conceivable by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention to the first to fourth embodiments. Modifications obtained in this way and various devices incorporating the solid-state imaging device according to the present invention are also included in the present invention. For example, a camera incorporating the solid-state imaging device according to the present invention is also included in the present invention.

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。   FIG. 11 is a functional configuration diagram of a camera in which the solid-state imaging device of the present invention is built. The camera shown in the figure includes a lens 51, a solid-state imaging device 52, a drive circuit 53, a signal processing unit 54, and an external interface unit 55. The light that has passed through the lens 51 enters the solid-state image sensor 52. The signal processing unit 54 drives the solid-state image sensor 52 via the drive circuit 53 and takes in an output signal from the solid-state image sensor 52. The output signal is subjected to various signal processing by the signal processing unit 54 and is output to the outside through the external interface unit 55. Here, the solid-state imaging device 52 has a light transmission film that is divided concentrically with a width equal to or shorter than the wavelength of incident light, and condensing with an effective refractive index distribution by dividing the light transmission film. The surface of the light transmission film is provided with an element, and a fine concavo-convex structure having a pitch and concavo-convex height smaller than the wavelength of incident light is formed, so that reflection on the surface of the condensing element is suppressed and good Light collection efficiency and sensitivity. A camera having such a solid-state imaging device has an advantage that a clear image can be taken even with a wide-angle incident light. For example, a digital still camera shown in FIG. This is realized as a video camera shown in (b).

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。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for image sensor-related products such as a digital video camera, a digital still camera, a camera-equipped mobile phone, a surveillance camera, an in-vehicle camera, and a broadcast camera with a built-in solid-state imaging device. It is most suitable for use in a solid-state imaging device that requires high sensitivity.

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。It is a structure sectional view of a unit pixel in a solid-state image sensing device concerning Embodiment 1 of the present invention. 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。It is sectional drawing of the fine concavo-convex structure of the condensing element surface which concerns on Embodiment 1 of this invention. （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。(A) is a plan view of the fine unevenness of X 1 plane described in Figure 2A. (B) is a plan view of the fine unevenness in the described X 2 plane in Figure 2A. 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。It is a graph which shows the refractive index distribution of the perpendicular | vertical direction with respect to the entrance plane of the fine concavo-convex structure which concerns on Embodiment 1 of this invention. （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。(A) is the graph which compared the transmittance | permeability with the condensing element which concerns on Embodiment 1, and the condensing element of the conventional structure. (B) is the graph which compared the reflectance of the condensing element which concerns on Embodiment 1, and the condensing element of the conventional structure. 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。It is a figure which shows the manufacturing process of the condensing element which concerns on Embodiment 1 of this invention. （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。(A) is a structure sectional drawing of the unit pixel for green of the solid-state image sensing device concerning Embodiment 2 of the present invention. FIG. 6B is a structural cross-sectional view of a blue unit pixel of the solid-state imaging element according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 6C is a structural cross-sectional view of a red unit pixel of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. 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。It is a structure sectional view of a unit pixel in a solid-state image sensing device concerning Embodiment 3 of the present invention. （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。(A)-(f) is sectional drawing which shows the basic structure of each area | region of the condensing element which has a 2 step | paragraph concentric structure which concerns on Embodiment 3. FIG. 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。It is a structure sectional view of a unit pixel in a solid-state image sensing device concerning Embodiment 4 of the present invention. 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。It is a graph which shows the angle dependence of the condensing efficiency of the conventional distributed refractive index type | mold microlens. 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。It is a graph which shows the angle dependence of the condensing efficiency of the condensing element which concerns on Embodiment 4 of this invention. 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。It is a functional block diagram of the camera incorporating the solid-state image sensor of this invention. （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。(A) is an external view of a digital still camera. (B) is an external view of a video camera. 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。It is structural sectional drawing which shows an example of the basic composition of one pixel in the conventional solid-state image sensor. 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。It is structural sectional drawing which shows an example of the basic composition of the peripheral pixel in the conventional solid-state image sensor. （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。(A) is a structure sectional view in the center of an imaging region of one pixel in a solid-state image sensor using the technique described in Patent Document 1. (B) is a cross-sectional view of the structure in the middle of the imaging region of one pixel in the solid-state imaging device using the technique described in Patent Document 1. (C) is a cross-sectional view of the structure in the periphery of the imaging region of one pixel in the solid-state imaging device using the technique described in Patent Document 1. （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。(A) is a top view in the center of the imaging region of one pixel in the solid-state imaging device using the technique described in Patent Document 1. (B) is a top view in the middle part of the imaging region of one pixel in the solid-state imaging device using the technique described in Patent Document 1. (C) is a top view in the periphery of the imaging region of one pixel in the solid-state imaging device using the technique described in Patent Document 1. FIG. （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。(A) is a graph which shows the effective refractive index distribution in the imaging region center part of one pixel in the solid-state image sensor using the technique described in patent document 1. FIG. (B) is a graph which shows the effective refractive index distribution in the imaging region intermediate part of one pixel in the solid-state image sensor using the technique described in Patent Document 1. (C) is a graph which shows the effective refractive index distribution in the peripheral part of the imaging area | region of one pixel in the solid-state image sensor using the technique described in patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E Light collecting element 2, 2A, 2B, 2C, 502, 602, 702 Color filter 3, 503, 603, 703 Light shielding layer 4, 504, 604, 704 Light receiving element 5 Si substrate 6, 506, 606, 706 Flattening film 7, 507, 607, 707 Incident light 8, 508 Semiconductor integrated circuit 9, 9A, 9B, 9C, 9D, 9E Fine uneven structure 11 SiO 2 film 12 SiO 2
13, 14 Resist 15 BARC material 21 Air 22 TiO 2
51 Lens 52, 100, 101, 102, 103, 104, 105 Solid-state imaging device 53 Drive circuit 54 Signal processing unit 55 External interface unit 501, 601, 701 Micro lens 505, 605, 705 Substrate

Claims (9)

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。 A solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels that receive incident light are arranged two-dimensionally,
The unit pixel is
It has a light transmission film that is divided in a concentric shape with a width that is the same as or shorter than the wavelength of the incident light, and includes a condensing element that forms an effective refractive index distribution by dividing the light transmission film,
A solid-state imaging device, wherein a plurality of irregularities not depending on the concentric shape are formed on a surface of at least one of the divided regions of the light transmission film. 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。 When the pitch of the plurality of irregularities is W, the height of the plurality of irregularities is H, and the wavelength of the incident light is λ,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein W <λ and H <λ. 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。 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the plurality of irregularities are formed only in a central region of the concentric shape among the divided regions of the light transmission film. 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。 The unit pixel is
Any one of R (red), G (green), and B (blue) color filters that are formed between the light receiving element and the light collecting element and pass a specific wavelength band of the incident light. With
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of irregularities have an irregular shape having a dimension corresponding to the specific wavelength band. 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。 5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the plurality of uneven portions are arranged at an equal pitch in a film surface direction of the light transmission film. 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。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, wherein the plurality of irregularities are formed of the same material as the light transmission film. 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。 The solid-state imaging according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of irregularities are formed by processing a surface of the light transmission film using photolithography and etching. element. 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。 A camera comprising the solid-state imaging device according to claim 1. 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。 A method of manufacturing a solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels each including a light collecting element including a light transmission film are two-dimensionally arranged,
A semiconductor integrated circuit forming step of forming a semiconductor integrated circuit having a light receiving element and a light shielding layer on the substrate;
A light transmissive film laminating step of laminating a light transmissive film on the semiconductor integrated circuit;
A light-transmitting film dividing step for dividing the light-transmitting film into a concentric shape with a width that is approximately equal to or shorter than the wavelength of incident light; and
A concavo-convex structure forming step of forming a plurality of concavo-convex structures not depending on the concentric shape on the surface of at least one of the regions of the light transmissive film divided in the light transmissive film dividing step. Manufacturing method of imaging device.
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