JP2011061133A - 半導体イメージセンサとその製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光の全反射のみを利用した画素構成では、全反射面の角度が重要な設計要因となり、半導体イメージセンサの他の特性との両立が困難であった。また、光の入射角によっては全反射が実現されず、隣接画素へ光が漏れ込むことによる光感度低下や分解能劣化を誘起していた。
【解決手段】
感光素子１１の上部に窪みを形成し、この内部に絶縁材料を充填して光学要素１９を形成する。光学要素１９は第１の材料と第２の材料とから構成されており、該光学要素の中央領域では第２の材料が、該光学要素内の周辺領域では第１の材料が、それぞれ主成分となり、屈折率分布を実現している。入射光２５はカラーフィルタ２０を通過した後、該光学要素内で屈折したり、側壁で全反射してから感光素子１１へ到達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体イメージセンサの画素構成に関するものである。

半導体イメージセンサは半導体技術の進歩を背景として多画素化・小型化が進み、多くの画像入力装置に広範に搭載されるようになった。中でも、デジタルカメラや携帯電話では、画像記録やスキャナとしての応用が急速に広がった。これらの応用分野では、半導体イメージセンサへのさらなる多画素化や小型化への要求が強く、画素構成の改良が種々行われてきた。中でも、各画素に集光用のマイクロレンズを搭載する構成は広く普及している。かかるマイクロレンズの一例としては、透明樹脂をウェーハ全面に塗布し、画素の感光素子領域のみを残してから、高温雰囲気中で当該樹脂を変形させ凸レンズ形状を形成することにより作成される。マイクロレンズの集光作用により、画素内の感光素子領域外へ入射する光も感光素子へ導くことが可能となり、イメージセンサの感度向上が達成されるようになった。多画素化や小型化では、画素面積に対する感光素子領域の面積比（いわゆる開口比）が小さくなりがちであり、マイクロレンズの搭載は有効な設計手法として多用されるに至っている。

しかしながら、マイクロレンズを搭載することにより、イメージセンサ表面は平坦でなくなるため、ゴミや汚れが付着しやすくなり、組立工程での格別な注意が必須となっている。また、マイクロレンズを搭載しても、センサ中央部の画素と周辺部の画素とでは、光の入射状況が異なるので、撮像画面内での明るさや光感度のムラが発生するとされていた。

このような課題を解決するために、下記引用特許文献１では、マイクロレンズ代替として、光の全反射を利用する画素構成法が提案されている。

図１８は特許文献１に記載されている画素構成例である。同図において、カラーフィルタを通過した入射光線は、全反射面１で反射され、受光部２へ到達する。透明材料部３と、低屈折率部分４との材料を適宜選択することにより、屈折率差を利用した全反射現象が実現される。

特開平５−２３５３１３号公報

引用特許文献１では、当該全反射面が「酸化シリコンや窒化シリコンなどの固体材料」と「真空や空気などの気体材料」との界面で構成されていることが具体的に例示されている。しかしながら、これらの組合せを実際の半導体イメージセンサで具現化することは難しい。特に、図１８に引用した構成では４の部分を中空状態で形成することになり、全反射面１の表面（４側の面）を光学的に平坦化することは困難である。

さらに、引用特許文献１では全反射を実現するため、全反射面１が垂直方向となす角度を「２６．５度」にすることが示されている。しかしながら、半導体イメージセンサの設計では、この角度を他の構造要因から独立して設定することは一般的ではない。周知の半導体製造プロセスがもたらす垂直・水平方向の寸法への制限、入射光に対する出力電気信号の大きさ、画素内で占める受光部の面積比など、前記した角度は多くの設計要項との関連において決定される。すなわち、「２６．５度」の角度が実現できないと、引用特許の効果は低減することになる。

前項で記したように、前記全反射面の角度が「２６．５度」よりも大きな値である場合には、屈折率差に起因する全反射が起こらず、入射光の一部は前記４の領域へ入りこむ。この光成分は、該当する画素での光電変換に寄与できないことによる光感度の低下や、隣接画素で光電変換されてしまうことによる分解能の低下といった半導体イメージセンサの特性劣化を誘起する。

配列された感光素子のそれぞれの上方に集光するための透明な光学要素を設けた半導体イメージセンサであって、前記光学要素の中心領域の屈折率を、該光学要素の中心領域の外を占める周辺領域の屈折率より高くする。

前記光学要素は、屈折率の異なる少なくとも２種類の透明材料から構成され、前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、屈折率を高くする材料の含有率を小さくし、かつ、屈折率を低くする材料の含有率を大きくする。

前記光学要素の一部における屈折率を、前記光学要素の一部における前記少なくとも２種類の透明材料の構成比で決定する。

なお、前記光学要素内の任意の場所の屈折率は、その場所での前記透明材料の構成に依存している。例えば、前記光学要素の中心領域ではＳｉ_３Ｎ_４などを主成分として構成されているので、この領域での屈折率はＳｉ_３Ｎ_４の屈折率（＝２．０）と大略等しくなる。また、例えば、前記光学要素の周辺領域ではＳｉＯ_２などを主成分として構成されているので、この領域での屈折率はＳｉＯ_２の屈折率（＝１．５）と大略等しくなっている。さらに、例えば、前記光学要素の中心領域と周辺領域との間にある中間の領域では、Ｓｉ_３Ｎ_４やＳｉＯ_２とが混在しているので、その屈折率はそれぞれの中間の値となる。

なお、一般に、ある屈折率を有する透明材料に、この屈折率よりも屈折率が高い透明材料を混合すると、混合された透明材料の屈折率を高められる。逆に、屈折率が低い透明材料を混合すると、混合された透明材料の屈折率を低くすることができる。例えば、ＳｉＯ_２（屈折率が低い）にＳｉ_３Ｎ_４（屈折率が高い）を混合する場合では、Ｓｉ_３Ｎ_４が「屈折率を高くする材料」となる。また、逆に、Ｓｉ_３Ｎ_４にＳｉＯ_２を混合する場合では、ＳｉＯ_２が「屈折率を低くする材料」となる。

なお、前記光学要素が２種類の材料で構成されている場合においては、感光素子を含む画素が複数個配列され、前記感光素子の上方の絶縁層内に設けられた集光機能を有する透明な光学要素を備えた半導体イメージセンサであって、前記光学要素を第１の屈折率を有する第１の材料と第２の屈折率を有する第２の材料とで構成し、前記光学要素の中心領域は前記第２の材料を主成分として構成し、前記光学要素内で前記中心領域から離れた周辺領域を前記第１の材料を主成分として構成すると言い換えることができる。また、前記第１の材料の第１の屈折率を、前記第２の材料の第２の屈折率よりも小さいように構成することにより、上記した段落００１０項を実現できる。

なお、前記光学要素が２種類の材料で構成されている場合においては、前記第１の材料と前記第２の材料とから構成された前記光学要素を、前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記第２の材料の含有比率が単調に小さくなり、かつ、前記第１の材料の含有比率が単調に大きくなるように構成することにより、上記した段落００１１項を実現できる。

なお、前記光学要素の構成例として、前記第１の材料と前記第２の材料とで構成されている場合には、これら２つの材料の含有率の合計は１００％となる。具体例を挙げて述べるならば、前記光学要素内の特定の場所において、前記第１の材料の含有率が２０パーセントである場合には、前記第２の材料の含有率は８０パーセントとなる。また、この特定の場所から前記光学要素の中心領域に向った第２の特定の場所では、前記第１の材料の含有率は例えば１０パーセントとなり、前記第２の材料の含有率は９０パーセントとなる。

なお、上記した段落００１６項において、「単調」とは、例えば「空間的位置が前記中心領域に向うに従って、含有比率の変化は増大の一方向であり、一度増大した含有率が再度減少することがない」という意味である。しかしながら、実際の半導体プロセスでは、製造過程において、プロセス条件や気相成長膜質などに若干の揺らぎが発生するのは避けられない。このため、ミクロの視点で見ると「単調」ではなく、微小な増減を繰り返しながら、全体としては増大あるいは減少していることになる。本明細書で用いた「単調」なる用語には、このような揺らぎに起因する微小な増減が含まれていても良い。

前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記光学要素は、前記屈折率の低い材料の含有率を段階的に高めることにより、該屈折率が段階的に低くなるようにする。

なお、感光素子を含む画素が複数個配列され、前記感光素子の上方の絶縁層内に設けられた集光機能を有する透明な光学要素を備えた半導体イメージセンサでは、前記光学要素の構成例として前記光学要素の中心領域から、前記中心領域から離れた周辺領域に渡って複数の層を空間的に配置することもある。この場合においては、前記複数の層を構成する各層での前記材料のそれぞれの含有率を前記各層毎に変化させ、前記中心領域での前記層の屈折率が、前記周辺領域での前記層の屈折率よりも大きくなるように構成される。この場合には、前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記複数の層を構成する各層の境界で、屈折率が段階的（階段状）に小さくなることになる。

なお、上記した段落００２０項での「層」についてより詳細に概説する。前記した画素内での光学要素には、中心領域から周辺領域にかけて複数の層が存在しており、特定の層は、前記したように少なくとも２つ以上の材料から構成されている。当該特定の層における、それぞれの材料の含有率は当該層ごとに決まっており、さらに、前記中心領域に近い層ほど屈折率が高くなるような含有率になっている。例えば、前記材料として、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｔａ_２Ｏ_５の３つの場合について記載すると、
（１）前記光学要素の中心に位置する層：
ＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４の含有率＝０％
Ｔａ_２Ｏ_５の含有率＝１００％
（２）前記光学要素の中心から少し離れていて中心領域に位置する層
（例えば、前記した（１）の外側に位置する層である）：
ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の含有率＝０％
Ｓｉ_３Ｎ_４の含有率＝１００％
（３）前記中心領域と周辺領域の中間に位置する層：
ＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４の含有率＝５０％
Ｔａ_２Ｏ_５の含有率＝０％
（４）前記周辺領域で前記光学要素の最外周に位置する層：
ＳｉＯ_２の含有率１００％
Ｓｉ_３Ｎ_４とＴａ_２Ｏ_５の含有率＝０％
といった含有率の例が挙げられる。

なお、上記した段落００２０項では、前記光学要素が有限な厚さを有する複数の層で構成されていることが記載されている。この場合には、各層内での前記材料の含有率は一定であり、隣接する層との境界で含有率が段階的に変化し、即ち、屈折率が段階的に変化することが示されている。

前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、前記光学要素は、前記屈折率の低い材料の含有率を連続的に高めることにより、該屈折率が連続的に低くなるようにする。

なお、上記した段落００２３項は、前記光学要素が無限小の厚さを有する複数の層で構成されているような場合に対応している。このような場合には、「層」の数は無限大となり、「層」の境界を明確に規定することが困難となる。即ち、前記した含有率は特定の「層」内での値を示すのではなく、この「層」が存在する場所（光学要素内での空間的位置）での含有率の値となる。このため、中心領域から周辺領域に向かって、含有率が急激に変化することなく、連続的に変化することになる。

なお、前記光学要素を構成する透明な材料としては、無機材料、有機材料、ハイブリッド材料など、各種の材料を組合せて利用することができる。例えば、無機材料としては、透明な導電材料として周知のＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Ｓｎ／Ｉｎ_２Ｏ_３）や、ＡＴＯ（アンチモンスズ酸化物、Ｓｂ／ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、水酸化アルミ（ＡｌＯ（ＯＨ））などがある。これらの物質の中には、粒子径を小さくして分散させることにより透明性を確保する手法を併用する場合もあることが知られている。また、上記した金属酸化物など以外にも、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化窒素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの酸化物、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などのフッ素化合物や、鉛ガラス、各種のガラスもある。また、有機材料としては、フッ素系ポリマー（フッ素樹脂）やシリコーン系ポリマー（シリコーン樹脂）などがある。

なお、光学要素は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル等の２種類以上の透明材料からなることが特徴である。前記光学要素が２種類の材料で構成されている場合においては、前記第１の材料は酸化シリコンを含んだ材料とし、前記第２の材料は窒化シリコンを含んだ材料とすることが一例として挙げられる。なお、「酸化シリコン」や「窒化シリコン」には異なる成分比を有する物質が存在することが知られている。一般に半導体分野で利用される材料としての「酸化シリコン」はＳｉＯ_２が多いが、「窒化シリコン」にはＳｉ_３Ｎ_４を代表として、ＳｉＮｘと記載される物質が知られている。これらの物質は正しくは「窒化シリコン系の物質」と称されるべきであるが、本明細書では便宜上「Ｓｉ_３Ｎ_４」あるいは「窒化シリコン」と表記している。

なお、上記した段落００１１項などでは、前記光学要素の材質が単一かつ一様ではなく、周辺から中央に向かって材質が変化している「傾斜材料」であることが示されている。例えば、酸化シリコンと窒化シリコンとで前記光学要素を構成する場合には、前記光学要素の中心領域では窒化シリコン比率が高く、一方、前記光学要素内の周辺領域では酸化シリコン比率が高いことが挙げられる。この状態を屈折率で表現すると、「光学要素の中心領域は周辺領域よりも屈折率が大きい」ことに対応している。

なお、感光素子を含む画素が複数個配列され、前記感光素子の上方の絶縁層内に設けられた集光機能を有する透明な光学要素を備えた半導体イメージセンサであって、前記光学要素の大きさは、光が入射する側（上方）が大きく、前記感光素子側が小さいように構成しても良い。さらに、前記光学要素の、光が入射する側の大きさは、前記半導体イメージセンサの画素の大きさと大略等しいことが好ましい。また、前記光学要素の前記感光素子側の大きさは、前記感光素子の大きさと大略等しいか、あるいは、小さいことが好ましい。例えば、前記光学要素の代表的な形状は逆四角錐台である。

前記光学要素が、該光学要素を配置する前記半導体イメージセンサの絶縁層に接する側壁に、光を反射する層を設ける。

なお、前記光を反射する層は、前記側壁全体に設けられていても良い。また、前記側壁の上部（イメージセンサへ光が入射する側の上部）にのみ設けられていても良い。

前記感光素子の上方の絶縁層に窪みを設ける工程と、前記窪み内に屈折率の異なる少なくとも２種類の透明材料を充填して前記光学要素を形成する気相成長工程と、を含み、前記気相成長工程では、該工程初期から該工程終了期までの期間にわたり気相成長条件を変化させるような半導体イメージセンサの製造方法を採用する。

前記光学要素の側壁は、前記絶縁層内に設けられた前記窪みに沿って形成されるので、当該側壁の表面は光学的に平坦となる。この製造プロセスは半導体分野で多用されている技術から構成されているので、前記光学要素の製造は容易である。従って、当該側壁に凹凸がないので、光の全反射が阻害されることもなく、所望の集光効果が発揮できる。

前記光学要素の屈折率分布は均一ではなく、中心領域での屈折率が、前記光学要素内の周辺領域での屈折率よりも大きくなるように製造されている。このため、前記光学要素内では、光の屈折が発生し、光は屈折率がより大きい領域に向うことになる。このため、前記光学要素の側壁での全反射することなく、光が側壁に到達する前に、前記光学要素内で中心領域に向う光成分を増加させることが可能となる。このため、従来例では、重要な画素設計要因であると同時に制約要因ともなっていた当該側壁の角度への制約が低くなり、画素設計の自由度を大幅に向上できた。この結果、複数の絶縁層の厚さ、前記光学要素の形状などが、前記半導体イメージセンサの電気的特性、光電変換特性などの改善を踏まえて決定することができるようになった。

本発明による半導体イメージセンサの画素構成によれば、マイクロレンズが不要になり、かつ、集光機能を有する光学要素の材料で当該イメージセンサの表面を平坦化できる利点がある。かかる平坦化により、当該イメージセンサの表面汚染が避けられ、機械的な清掃手段も採用できる利点がある。

前記半導体イメージセンサを構成する感光素子の上方の絶縁層内に設けられた窪みに、光透過性を有する材料を充填して前記光学要素を構成することにより、マイクロレンズと同様な集光機能を実現できた。さらに、前記光学要素として屈折率の異なる材料を空間的に分布させることにより集光機能が向上した。

前記側壁での全反射が期待できないような入射角度が大きい入射光に対しても、当該側壁に設けられた反射層により、前記光学要素内に反射させることができるようになった。この結果、当該側壁を通りぬける光が無くなり、光感度の低下、分解能の低下などの特性劣化を阻止できた。

当該屈折率分布の実現には、気相成長工程を利用して、気相成長の初期から工程終了までの期間にわたり成長条件を変化させるような製造法が利用できた。

半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。（第１の実施形態） 光学要素内での屈折率分布を示す図である。 光学要素（円筒形状）における光跡解析をするためのモデル図である。 光学要素（円筒形状）内での光跡を示す図である。 （階段状の屈折率分布） 光学要素（円筒形状）内での光跡を示す図である。 （直線状の屈折率分布） 光学要素（上下反転の円錐台形状）における光跡解析をするためのモデ ル図である。 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 （第２の実施形態） 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 （第３の実施形態） 半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。 （側壁に反射層あり） （第４の実施形態） 半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。（第５の実施形態） 半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。 （光学要素の底面にマイクロレンズあり） （第６の実施形態） 図１２の製造プロセスを示す図である。 半導体イメージセンサの画素構成を示す図である。 （光学要素の上部開口にマイクロレンズあり） （第７の実施形態） 半導体イメージセンサの構成を示す図である。 （第８の実施形態） 半導体イメージセンサの構成を示す図である。 （第９の実施形態） 半導体イメージセンサの構成を示す図である。 （第１０の実施形態） 従来の半導体イメージセンサの構成を示す図である。

以下、図面に示した本発明の各実施形態に基づき本発明を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態としての画素構成例を示す図である。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているにすぎない。同図において、１０はＳｉなどの半導体基板、１１はフォトダイオードなどから成る感光素子、１２は当該１１からの光電変換信号を外部回路へ接続すると同時に当該１１を周期的に基準電位まで充電するための拡散層、１３は当該１１と当該１２とを電気的に接続するためのゲート電極、１４は１１から１３などで構成されるトランジスタ、１５は第１の絶縁層、１６はイメージセンサの駆動および信号処理に必要な配線層であり、入射光が感光素子領域外へ照射されることを防止する光遮蔽層としても機能している。１７は前記した１６の表面に積層された酸化膜や樹脂などからなる第２の絶縁層であり、半導体イメージセンサの表面を平坦化する機能を有している。さらに、１８は第２の絶縁層上に積層化された第３の絶縁層である。第１の絶縁層１５と第２の絶縁層１７と第３の絶縁層１８の一部には、感光素子１１の上部に位置するように窪みが形成され、この内部に絶縁材料あるいは樹脂材料が充填されて光学要素１９が形成されている。すなわち、１９は入射光に対面した上部開口、感光素子側との境界である底面、および、側壁とから構成されている。光学要素１９の断面は同図に例示したように、図の垂直方向に一様な断面積を有するのではなく、上部に向かって断面積が大きくなるように形成されている。また、１９の底面は感光素子１１と直接接することがなく、第１の絶縁層１５の一部を介して接していることが望ましいが、この限りではない。

本実施形態では、２５で例示した入射光はカラーフィルタ２０を通過した後、光学要素１９の上部開口へ入射してから当該底面に到達し、当該底面を通過して感光素子１１へ入射する。この光学要素内では、後述するように、屈折率が変化する場所で１回あるいは複数回繰り返して全反射したり、側壁で全反射したりして当該底面に達する。即ち、当該光学要素の上部開口へ入射した全ての光量は、効率的に集光されて当該感光素子へ導かれる。すなわち、当該光学要素１９は従来多用されてきたマイクロレンズと同様な機能を有している。カラーフィルタ２０と光学要素１９の上部には保護膜としての第４の絶縁層２１が積層され、半導体イメージセンサの表面が平坦化される。図１の構成では従来例と比較して、画素の最上面、すなわち、半導体イメージセンサの表面は原理的に平坦となり、従来構成で発生しがちであった汚染やゴミ付着といった種々の課題が克服されることになる。

図１に示した実施形態では、カラー画像の撮像用としての半導体イメージセンサが例示された。しかしながら、本実施形態にはカラー用に限定されることなく、白黒画像の撮像用イメージセンサも含まれる。白黒画像用イメージセンサの場合には、カラーフィルタ２０が必要なく、光学要素１９の上部開口が第４の絶縁層２１と直接接していることになる。さらには、第３の絶縁層１８の表面と光学要素１９の上部開口とが大略同一平面であるような平坦化表面を形成している場合には、第４の絶縁層２１が不要になることもある。

図１において、第３の絶縁層１８の厚さについて記載する。半導体イメージセンサの画素では、感光素子１１の平面的な広がり（面積）は画素面積よりも小さいので、２５で代表される入射光の全てを効率良く集光して感光素子へ集中化させることが、光感度の増大に必須となる。図１では光学要素１９の形状を、上部になるほど面積が大きくなるようにして、当該光学要素の上部開口が大きくなるように設定されている。同図において、２２と２３は画素の配列ピッチ（画素面積に対応している）を示している。画素内での感光素子１１の位置は、必ずしも幾何学的な画素中心の位置と一致していないため、２２と２３とでは平面的な相対位置がずれているが、その寸法は同一である。同図で概念的に示したように、第３の絶縁層１８の厚さを大きく設定することにより、光学要素１９の上部開口の大きさを画素ピッチ２３と大略等しくすることができる。このような構成では、等価的に画素全面が入射光を受光することができることになる。即ち、第３の絶縁層１８の厚さは光学要素１９の上部開口を画素ピッチと等しくするための重要な設計要因となっている。勿論、第３の絶縁層１８の厚さが小さくても、光学要素の側壁の角度を大きく（側壁の傾きを水平方向に近づける）しても、当該上部開口を画素ピッチと等しくできるが、このような構成では、後述する当該側面での全反射効果を期待することが困難になる欠点が発生するので好ましくない。

＜光学要素の形状＞
図１に示した実施形態では、光学要素１９の垂直方向の断面形状のみが例示されている。光学要素の水平方向での平面的な形状（輪切りにした時の形状）については、
（１）感光素子側との境界である底面は、当該感光素子の大きさと大略等しく、その形状
も当該感光素子と同じであることが好ましいが、この限りではない。当該感光素子
の形状は、通常は長方形（正方形を含む）であることが多いが、当該底面がこの長
方形以外の形状、例えば、多角形や円形であっても良い。
（２）入射光に対面した上部開口は、前記半導体イメージセンサの画素の大きさと大略等
しく、その形状も当該画素と同じであることが好ましいが、この限りではない。当
該画素の形状は、通常は長方形（正方形を含む）であることが多いが、当該上部開
口がこの長方形以外の形状、例えば、多角形や円形であっても良い。しかしながら、
当該画素へ入射した光を全て光電変換に寄与させるためには、前記上部開口は、当
該画素と同じ形状、同じ大きさであることが好ましい。
（３）光学要素の中間部分（側壁がある部分）は、前記上部開口と類似した形状であるこ
とが好ましいが、この限りではない。通常は、前記上部開口と前記底面とをつなぐ
ような形状、例えば、四角錐台（上面が下面よりも面積が大きい）類似の形状であ
る。

図１に示した光学要素１９の製造プロセスについては後述するが、その屈折率は一様ではなく、１９の断面内で空間的に分布している。図１の一点鎖線２７で示した部分の断面での屈折率分布例を図２（ａ）乃至図２（ｃ）に示す。同図（ａ）は屈折率の分布が段階的な階段状２８になっており、同図（ｂ）では屈折率の分布が連続的な直線２９になっており、また、同図（ｃ）では屈折率の分布が連続的な曲線３０になっている。いずれの場合も、光学要素１９の中心領域では屈折率が大きく、周辺領域では屈折率が小さいことが特徴になっている。さらに、同図に示した屈折率の分布は中心に向って単調に増加していることも特徴になっている。

図２（ａ）では階段状に変化する段階的な屈折率分布が示されている。換言するならば、前記光学要素の中心領域から周辺領域に渡って複数の層が存在し、各層が特定の屈折率を有している場合に対応している。一方、図２（ｂ）では、直線状で連続的に変化する屈折率分布が示されている。この分布は、図２（ａ）において、前記した層の厚さが極度に小さくなり、層数が極度に大きくなった場合に相当している。即ち、図２（ａ）での階段の段差が小さくなり、直線状で連続的な屈折率分布になったとみなせる。

＜光学要素（円筒形状）内での屈折率分布＞
図３は前項で記載した屈折率分布を有する光学要素の集光機能を説明するための図である。同図（ａ）は光学要素を、断面が円形の筒型であると仮定した時の概念的な構造図である。中心部から外周部にかけて同心円状の図形が描かれており、層状の構造となっている。さらに、それぞれの円形境界で屈折率が階段状に変化する場合、即ち、図２（ａ）に例示した段階的な屈折率分布の場合に対応して示されている。図３（ｂ）では、さらにモデルを簡略化した図が示されている。即ち、同図（ａ）において、中心部から外周部にわたって縦方向に切断し、複数の板が層状に積層された構造へ簡略化されている。この場合には、同図（ｂ）の奥側が光学要素の中心部に、手前側が光学要素の外周部にそれぞれ対応している。さらに、同図（ｃ）には、同図（ｂ）の簡略化モデルを横側から見た概念図を示している。同図（ｃ）では、右端の層が光学要素の中央部（屈折率が最大）、左端の層が光学要素の外周部（屈折率が最小）に対応している。さらに、同図（ｃ）においては、下側が感光素子側に、上側が半導体イメージセンサの表面側（前記した上部開口であり、結像レンズからの光が入射する側）に対応している。同図（ｃ）では、図形の右上から一定の入射角度をもって光が入射する様子が示されている。以下には、層状構造を有する光学要素の内部で、この光線が描く光跡をシミュレーション結果として例示する。

＜光学要素（円筒形状）内での光跡−１＞
図４は前記した光学要素内での、入射光線の光跡を示している。同図の横軸は光学要素の中心（距離が０マイクロメートルに対応）から外周（距離が６マイクロメートルに対応）までの距離を示している。縦軸は光学要素の前記上部開口からの深さを示している。また、同図には中心から外周に向かって１マイクロメートル毎に屈折率が階段状に段階的に減少することも示されている。即ち、中心では屈折率２．０（Ｓｉ_３Ｎ_４に相当）、外周では屈折率１．５（ＳｉＯ_２に相当）であるような６層構造である。以上のように、同図では、光学要素の直径が１２マイクロメートル、高さが１０マイクロメートルの円筒形（６層構造）で、屈折率が階段状に分布している構成を仮定している。さらに、同図では光学要素の最上部へ入射した光の入射角度（図３（ｃ）を参照）をパラメータとしている。同図（ａ）では光学要素の中心に光が入射した場合、同図（ｂ）では光学要素の中心から外周側へ２マイクロメートル離れた位置に光が入射した場合が示されている。

図４（ａ）では、入射角度が１０度から４０度までは、屈折率が変化する特定の境界で全反射する。例えば
（１）入射角度１０度では距離１マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率１．９の
領域には入射せず、屈折率２．０の領域へ反射される。
（２）入射角度２０度では距離２マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率１．８の
領域には入射せず、屈折率１．９の領域へ反射される。
（３）入射角度３０度では距離３マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率１．７の
領域には入射せず、屈折率１．８の領域へ反射される。
（４）入射角度４０度では距離５マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率１．５の
領域には入射せず、屈折率１．６の領域へ反射される。
（５）入射角度５０度では、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依存するが、距
離６マイクロメートルの所で全反射する場合もありうる。
（６）入射角度６０度の場合は、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依存するが、
光学要素から外側へ光が抜け出る場合がありうる。
図４（ｂ）では、入射角度が１０度から３０度までは、屈折率が変化する特定の境界で全反射する。例えば
（１）入射角度１０度では距離３マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率１．７の
領域には入射せず、屈折率１．８の領域へ反射される。
（２）入射角度２０度では距離４マイクロメートルの位置（深さ方向では欄外の１３マ
イクロメートル）で全反射し、屈折率１．６の領域には入射せず、屈折率１．７
の領域へ反射される。
（３）入射角度３０度では距離５マイクロメートルの位置で全反射し、屈折率１．５の
領域には入射せず、屈折率１．６の領域へ反射される。
（４）入射角度４０度では、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依存するが、距
離６マイクロメートルの所で全反射する場合もありうる。
（５）入射角度５０度と６０度の場合は、光学要素の外側を構成する物質の屈折率に依
存するが、光学要素から外側へ光が抜け出る場合がありうる。
図４（ａ）と（ｂ）で示したように、入射角度が大きくなると、光学要素の外周に相当する側壁から外側へ光が抜け出る場合があることが分かる。この光の通過を阻止するために、光学要素の側壁（距離６マイクロメートルの位置）に反射層を設け、この反射層で光を反射させることにより、全ての光を光学要素内で伝播させることができる。かかる構成をとれば、屈折率分布を有する光学要素内の前記した特定の境界での全反射、および当該側壁での反射により、入射光を全て光学要素内に閉じ込めることができ、最終的には前記光学要素の底面から前記感光素子へ光を導くことが可能となる。

＜光学要素（円筒形状）内での光跡−２＞
図５は前記した光学要素内での、入射光線の他の光跡例を示している。同図の横軸は光学要素の中心（距離が０マイクロメートルに対応）から外周（距離が６マイクロメートルに対応）までの距離を示している。縦軸は光学要素の最上部（上部開口）からの深さを示している。同図では、図２（ｂ）に例示したような屈折率の分布、即ち、中心から外周に向かって直線的に屈折率が減少する場合が示されている。同図では、中心の屈折率は２．０（Ｓｉ_３Ｎ_４に相当）、外周の屈折率は１．４（ＳｉＯ_２に相当すると仮定）としている。同図では光学要素の最上部へ入射した光の入射角度（図３（ｃ）を参照）をパラメータとしている。同図（ａ）では光学要素の中心に光が入射した場合、同図（ｂ）では光学要素の中心から外周側へ２マイクロメートル離れた位置に光が入射した場合が示されている。

図５では、図４と同様な光跡のシミュレーション結果が示されている。ただし、屈折率の分布が直線的に連続であると仮定しているため、光跡は連続曲線になっており、全反射の状況も示されている。しかしながら、厳密に述べるならば、全反射は起こらず、図面上で光跡が垂直になった位置からは光跡は垂直下方へ進むことになる。解析では、計算の便宜上、０．１マイクロメートルで区切って計算していること、および、現実の半導体イメージセンサでも屈折率分布の局所的な揺らぎがあるため、全反射の発生が見られることになる。同図においても、上記した００４７項で記載したと同様な解釈ができるので、詳細は省略する。

さらに、図２（ｃ）のような連続曲線状に変化する屈折率分布でも同様な結果が得られることは明らかである。

＜光学要素（上下反転の円錐台形状）内での光跡＞
図３乃至図５では、光学要素が円筒状であると仮定して光跡結果が示された。光学要素の形状はこれに限らず、他の形状であっても良い。例えば、光学要素が上方に向って断面積が大きくなるようなバケツ形（上下反転させた円錐台）であっても良い。図６（ａ）はバケツ形の光学要素の断面を示した図である。後述するように、光学要素を製造する場合には、側壁側から順次に透明絶縁膜が堆積されていく。このため、図２（ａ）のような階段状の屈折率分布の場合は、図６（ａ）のような形状になる。同図（ａ）の破線で区切った部分のみを切り出して簡易化した図が同図（ｂ）に示されている。即ち、前記したバケツ形の光学要素においても、図４乃至図５に示したシミュレーション結果が適用可能である。ただし、図６（ａ）において５０で示した入射光の角度と５１で示した側壁角度との和が、図６（ｂ）での入射角度に対応している。即ち、図４でのパラメータである角度を「図４での表示角度から側壁角度を減算した値が実際の入射光に対応する角度〔図６（ａ）の５０〕である」と読み替える必要がある。例えば、側壁角度を２０度とするならば、図４（ａ）での「３０度」の光跡は、図６（ａ）では１０度に対応している。

＜図４の光跡を図６に対応させる＞
前項で記したように、側壁角度が２０度の場合、図６に対応させて図４を読み替えると、
（１）光学要素の中心への入射光
１）０度から２０度までの入射光は光学要素内の屈折率が変化する面で全反射
される
２）３０度以上の入射光は光学要素の外周部から漏れ出す可能性がある
（２）光学要素の中心から２マイクロメートル離れた場所への入射光
１）０度から１０度までの入射光は光学要素内の屈折率が変化する面で全反射
される
２）２０度以上の入射光は光学要素の外周部から漏れ出す可能性がある
と言える。なお、本項での入射光の角度は図６（ａ）の座標系〔図６（ａ）の５０に対応〕で記載されている。また、光学要素の外周部から漏れ出す光に対しては、当該光学要素の側壁に反射層を設け、この反射層で光学要素内に反射させれば、光の漏れ出しを防止することができる。

図４乃至図６に示した解析結果は、本明細書で引用した「特許文献−１」の場合と比較して、はるかに大きな入射角度の光も効率良く集光できることを示している。別の見方をするならば、光学要素の高さや側壁角度などでの設計自由度が大きくなることになり、本発明の有効性が高いと言える。

図４と図５で示したシミュレーション結果から、本発明によれば、屈折率分布により入射光線を光学要素の中心部へ向わしめ、光学要素の外周部で全反射が期待できない場合には当該反射層により入射光線を光学要素の中心部へ向わしめることが可能となる。この結果、広い範囲にわたる入射角度の光線に対して、また、光学要素の寸法、形状などから制約を受けることなく、効率的な光電変換ができる半導体イメージセンサを実現することができる。

＜光学要素の製造プロセス−１＞
図７は前記光学要素を含む半導体イメージセンサの製造プロセスを概説する図である。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図（ａ）において、半導体基板１０にフォトダイオードなどで構成された感光素子１１と拡散層１２を形成し、続いて、周知の技術を用いて第１の絶縁層１５、ゲート電極１３、光遮蔽機能を併せ有する配線層１６が形成される。同図（ａ）では配線層１６は単層の場合が例示されているが、複数層から構成されていても良い。続いて、配線層１６を含む表面全体には第２の絶縁層１７が形成される。さらに、第３の絶縁層１８が１７の上に積層化される。１７と１８の構成材料としては、透明な樹脂であっても良く、また、酸化膜や窒化膜のような絶縁材料であっても良い。第２の絶縁層１７および第３の絶縁層１８の表面は大略平坦になっているのが一般的であるが、必ずしも平坦である必要はない。同図（ｂ）ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層６０を利用して、感光素子１１の上方に窪み６１が形成される。この形成には主として化学的なエッチングなどが利用される。エッチングの具体的な手法としては、弗酸などを主成分とする湿式エッチング、プラズマや反応性ガスを用いる乾式エッチング、さらに乾式エッチングの一種として、深さ方向に断面形状変化が殆どない異方性エッチングや、深さ方向の断面形状変化を伴う等方性エッチングなどが挙げられる。また、窪み６１の形成には、複数のエッチング技術を組合わせても良い。

なお、マスク層６０は窪み６１の形成後は不要となるので、除去しても良い。また、マスク層６０が入射光に対して不透明である場合には、遮光層として利用できるので残しておくこともあり得る。さらに、かかる不透明遮光層の他の例としては、当該６０と当該１８との間にカーボンや金属あるいは不透明な樹脂から成る遮光層を設け、当該窪み６１の形成に先立って当該遮光層の一部をエッチングなどで除去しても良い。

図７（ｃ）では、窪み６１の内部を含む表面全体が透明な絶縁材料あるいは樹脂材料などで充填、被覆され、光学要素６２と表面層６３を形成している。表面層６３は不要な要素であるので、エッチングなどの化学的手段、あるいは、研磨などの機械的手段により除去されても良いが、６２と６３の表面が平坦である場合には除去されなくても良い。もし、６３を除去する工程を採用した場合には、窪み６１内部に光学要素６２のみが形成された状態となる。なお、光学要素６２は、感光素子で検出される画像の光波長に対して光透過性を有していることが必要である。例えば、カラー撮像用の半導体イメージセンサでは可視光波長域で透明な絶縁材料あるいは樹脂材料が、白黒撮像用の半導体イメージセンサでは近赤外波長域と可視光波長域で透明な材料が、また、赤外線撮像用の半導体イメージセンサでは赤外波長域で透明な材料が選択される。これらの材料を窪み６１へ充填するプロセスについては後述する。以下の図面では表面層６３の樹脂が除去されている構成が示される。図７（ｄ）では、光学要素６２の上にカラーフィルタ２０が周知の技術で設けられる。さらに、カラーフィルタ２０の表面に第４の絶縁層２１が積層され、全体構成の表面が平坦化される。

図７（ｂ）において、窪み６１の断面形状については、図示したように当該窪みの上部（上部開口）よりも下部（底面）の方の面積が小さいことが望ましい。この形状は図１で示した入射光２５の反射には重要な要因となる。断面形状の面積の差異については、画素および感光素子の大きさや形状、さらには、第１の絶縁層１５、第２の絶縁層１７、および、第３の絶縁層１８の厚さなどを考慮して決定される。

＜光学要素の製造プロセス−２＞
本項では、図７（ｃ）に示した光学要素６２を充填し、さらに、図２（ａ）乃至図２（ｃ）に例示した分布屈折率を実現するプロセスについて概説する。本発明の特徴である分布した屈折率は、周知の気相成長工程でガス、圧力、電力などの雰囲気条件を連続的に変化させながら絶縁材料を堆積させることにより実現される。具体的には、気相成長工程の初期においては、光学要素の外周部にＳｉＯ_２のみを堆積させる。そして、時間経過とともに雰囲気中の窒素濃度を向上させるとともに酸素濃度を下げることにより、ＳｉＯ_２−Ｓｉ_３Ｎ_４の混成膜を光学要素の中間部分に堆積させる。最終段階では酸素濃度をゼロもしくは極度に減少させることにより、Ｓｉ_３Ｎ_４を光学要素の中心部に堆積させる。このような雰囲気条件の連続可変手法により、光学要素の周辺領域の屈折率をＳｉＯ_２の大略１．４５から、中心領域の屈折率をＳｉ_３Ｎ_４の大略２．０まで実現することが可能となる。あるいは、気相成長工程での雰囲気を時間経過とともにＳｉがより多く含有するような制御手法も適用可能である。なお、上記の説明では、雰囲気条件を連続的に変化させる例が記載されているが、雰囲気条件を一定時間毎に変化させることにより、図２（ａ）のような階段状に変化する屈折率分布を実現することも可能である。

前記プロセスの製造条件については、使用する製造装置や気相成長時の雰囲気条件などにより決定される。一例としてＳｉＯ_２の成長条件を挙げるならば、高周波帯での上部電極への供給電力＝３００Ｗ、下部電極への供給電力＝２００Ｗ、雰囲気温度＝摂氏３００度、真空度＝７０パスカル、Ｏ_２（反応ガス）の流量＝毎分１０００立方センチメートル、Ｎ２（反応ガス）＝毎分１００立方センチメートル、ＴＥＯＳ（反応ガス）＝毎分５０立方センチメートルであり、この条件での成膜速度は毎秒約５０オングストロームである。また、他の一例としてＳｉ_３Ｎ_４の成長条件を挙げるならば、高周波帯での供給電力＝１００Ｗ、雰囲気温度＝摂氏３００度、真空度＝１３０パスカル、Ｓｉ３Ｈ４（反応ガス）の流量＝毎分５立方センチメートル、ＮＨ３（反応ガス）＝毎分１００立方センチメートルであり、この条件での成膜速度は毎秒約３オングストロームである。

前項では光学要素の構成材料をＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４の組合せとしたが、本発明ではこの組合せに限ることはない。例えば、周知の他の材料、Ｔａ_２Ｏ_５などを利用することも可能である。さらに、図２（ａ）のような階段状の屈折率分布を、各段階で光学要素の構成材料を変えることにより達成することも可能である。例えば、ＳｉＯ_２のみ、ＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４の混成膜、Ｓｉ_３Ｎ_４のみ、そして、Ｔａ_２Ｏ_５のみのような順序の組合せも可能である。

＜第２の実施形態＞
図８は本発明の第２の実施形態であり、窪みの他の形成法を示している。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層７０を利用して、感光素子１１の上方に窪み７１が形成されている。かかる形成の手段としては湿式エッチングや等方性ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）が代表的である。当該手段では、マスク層７０の端部の下部までエッチングが行われ、マスク層７０のパターニング開口よりも当該７１の最上部の寸法が大きくなる特徴がある。図示していないが、引続く工程で窪み７１に光学要素が形成される。

＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態であり、窪みの他の形成法を示している。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層８０を利用して、感光素子１１の上方に窪み８１が形成されている。この窪み８１は第１段階と第２段階の２ステップで形成される。第１段階では、異方性ＲＩＥなどでマスク層８０のパターニング開口の形状と大略等しい形状を有する垂直の窪みが形成される。引続いて第２段階では、等方性ＲＩＥにより、マスク層８０の端部の下部まで横方向にもエッチングが進行する。この２段階を経ることにより、図示したようなプラグ形の窪みが実現される。また、第１段階の異方性ＲＩＥでは、エッチング条件を変化させることにより、窪みの断面形状を変化させることが可能である。このため、図９に例示したように、窪みの下部（底面）から上部（上部開口）に向って断面積を少しずつ大きくしたり、あるいは、ほぼ同一な断面積として垂直な側壁形状を形成することも可能となる。本実施形態では、複数のエッチング手段が組合されて窪み加工されることが特徴である。図示していないが、引続く工程で窪み８１には光学要素が形成される。

＜第４の実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態であり、窪みの他の形成法を示している。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図ではパターニングされたフォトレジストや金属や絶縁材などから成るマスク層９０を利用して、感光素子１１の上方に窪み９１が形成されており、この窪みの側壁には金属薄膜などで構成された反射層９２が設けられている。反射層９２は蒸着などの周知の手段により設けられる。一般の蒸着手段においては、窪み９１の底部まで反射層が形成されてしまうことがあるが、ＲＩＥなどの手法を用いて底部の反射層のみを除去する必要がある。一方、改良された蒸着装置を用いて斜め方向から金属粒子が飛来して、側壁部のみに反射層を形成しても良い。図示していないが、引続く工程で窪み９１には光学要素が形成される。本実施形態では、光学要素の側壁で光が全反射することを利用できないような場合でも、入射光を効率よく反射させ、感光素子１１へ光を集光できる利点がある。

＜第４の実施形態の変形＞
図１０に示した実施形態では、反射層９２は、窪み９１の側壁全体に設けられている。しかしながら、計算された光跡（図４および図５）を参照すると、反射層による当該側壁での反射は、当該側壁の上方で発生していることがわかる。換言すると、光学要素内で当該側壁の下方に向う光は、当該側壁に到達する以前に、光学要素内の屈折率が変化する部分で折り返され、光学要素の中心領域に向っている。このため、反射層９２は当該側壁の上方部分にのみ形成されていても集光効果には何ら影響を与えない。この場合には、前項の後半で記載した「斜め方向からの蒸着」手法が採用できる。即ち、斜め方向からの蒸着では、当該窪みの底部に反射層が形成されないため、製造プロセスが簡略化される利点がある。

＜第５の実施形態＞
図１１は本発明の第５の実施形態であり、半導体イメージセンサの画素の他の構成例を示している。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているに過ぎない。同図において、１００は第２の絶縁層１７の上部に設けられたカラーフィルタである。このカラーフィルタを形成してから、第３の絶縁層１８が積層化され、続いて、光学要素１０１が形成される。入射光１０２は当該光学要素に入射してから、カラーフィルタ１００で色分離され、感光素子１１へ到達する。図１に示した構成と異なり、この構成では、光学要素の底部は感光素子１１から離れて位置することになるが、光学要素１０１に屈折率分布を設けることにより、入射光の集光作用は達成される。

＜第６の実施形態＞
図１２は本発明の第６の実施形態であり、半導体イメージセンサの画素の他の構成例を示している。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているに過ぎない。同図の構成では、光学要素１１１の下部にマイクロレンズ１１０が設けられていることに特徴がある。１１０は樹脂材料あるいは絶縁材料で形成されうるが、その屈折率が１７の屈折率よりも大きい材料が選定されている。入射光１１２は、当該光学要素内での屈折率分布により前記した特定の境界で全反射したり、側壁での反射により、光学要素の底部に到達してから、マイクロレンズ１１０で屈折し、集光されてから感光素子１１に到達する。本構成では、マイクロレンズは、集光機能に補助的な役割りを担っている。このマイクロレンズにより、光学要素の底面を通過した光が横方向に伝播することが阻止され、光電変換効率の向上に寄与できる。また、画素構成での設計自由度がさらに拡大される利点もある。

＜マイクロレンズの製造プロセス＞
図１３は図１２の製造方法を概説する図であり、図１と同一番号は同一構成要素を示している。前記した工程により作成された同図（ａ）の構造体は、同図（ｂ）に示すように、パターニングされたマスク層１２０を利用して乾式あるいは湿式の等方性エッチングを施すことにより、凹レンズ形状の凹み１２１が形成される。この形成工程後、同図（ｃ）に示すように、第２の絶縁層１７の屈折率よりも屈折率が大きい樹脂材料あるいは絶縁材料が当該構成全面上に被覆され、レンズ層１２２が形成される。引き続き、同図（ｄ）に示すように、レンズ層１２２がエッチバックと称される工程により部分的に除去され、１２０と大略同一平面を有するように平坦化されて、マイクロレンズ１２３が形成される。同図での１２３の形状は図１２での１１０の形状と異なるが、入射光の集光機能については同一とみなせる。なお、同図（ｄ）ではマスク層１２０が除去されていないが、１２０と１２３の表面が平坦化されている限り除去の必要性はない。さらに、１２０が単にエッチング時のマスクとして機能するだけではなく、他の機能、例えば、入射光に対して低い透過率を有している材料から構成され光遮蔽機能をも有している場合には、マスク層１２０は除去されない方が好ましい。同図（ｅ）は同図（ｄ）とは異なり、図１２の１１０と同一形状を実現するための製造例を示している。すなわち、同図（ｂ）のマスク層１２０が除去されてから１２２が設けられ、さらにエッチバック工程により上面が平坦化されて１２３が形成される。

＜第７の実施形態＞
図１４は本発明の第７の実施形態であり、当該半導体イメージセンサの画素の他の構成例を示している。同図において、図１と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図において図形の縦横比は必ずしも実際の当該イメージセンサと合致しておらず、画素の構成および動作を概念的に示しているに過ぎない。同図において、１３１は光学要素１３０の上部開口面に埋め込まれたマイクロレンズであり、図１３で概説したような工程に類似して形成されている。１３１の屈折率は光学要素１３０の屈折率よりも大きいことが条件となり、当該条件を満足するような材料が選択される。本実施形態においても、レンズ層１３１は補助的なマイクロレンズとして機能しており、入射光の集光効率の増大に寄与している。

＜第８の実施形態＞
図１５は本発明の第８の実施形態であり、図１と同一番号は同一構成要素を示している。同図は図１に例示した画素が横方向に３個並び、イメージセンサ部分１４０を構成している場合が示されている。なお、同図には図１に例示した画素構造、すなわち、光学要素の上部にカラーフィルタ２０が配置されている構造を例示したが、図１１から図１４に例示した構造であっても良い。１４０上にはカバーガラス１４１が密着して積層化されている。前述したように、本発明においては、半導体イメージセンサの表面が本質的に平坦であるため、図１５のようにカバーガラス１４１をイメージセンサ部分１４０の表面に密着させることが可能である。この密着構造により、突発的な力の印加に対しても、カバーガラス１４１が補強材として機能するので半導体イメージセンサの破壊を防止できる。さらに、カバーガラス１４１を積層化する前に、イメージセンサ部分１４０の表面を機械的に洗浄することができるので汚染防止の観点からも有利となる。

本実施形態では、「カバーガラス」と表記しているが、より厳密に記述するならば「特定の光波長域で透明であるような特性を少なくとも備えた平板」である。すなわち、カバーガラスは表面被覆だけではなく、別の複数の機能を有していることもあり得る。例えば、可視像撮像用デジタルカメラへ半導体イメージセンサを応用する場合は、撮像効果に影響を与える近赤外光を光学的に除去する赤外遮断フィルタ機能が挙げられる。なお、白黒撮像用の場合は、見かけ上の光感度を増大させるため、入射光に含まれる近赤外光エネルギも積極的に利用する場合がある。このような場合には、カバーガラスは可視光から近赤外光までの波長域に対して透明である必要がある。また、半導体イメージセンサを熱画像検出が目的の赤外撮像装置へ応用する場合において、撮像効果に影響を与える可視光を除去する赤外フィルタが挙げられる。これらの応用事例では、カバーガラス自身、あるいは該カバーガラスの表面あるいは裏面にフィルタ層が作成される。フィルタ層の構成には、金属や誘電体薄膜を多層積層した干渉フィルタを直接ガラス面に形成する手法や、多段に積層したプラスチック膜を引き伸ばしてからガラス面に張る手法などがある。また、カバーガラスに付加した別の機能例としてカラーフィルタの搭載がある。この事例には、カバーガラスの表面あるいは裏面に画素ピッチと等しいカラーフィルタアレイを形成することが挙げられる。すなわち、図１５において、カラーフィルタ２０をイメージセンサ部分１４０の一部に構成するのではなく、カバーガラス１４１の一部に構成する例がある。このような構成では、カバーガラス面に周知の手法でカラーフィルタアレイを直接作成しても良いし、あるいは、カバーガラスとは異なるガラス薄板にカラーフィルタアレイを形成してからカバーガラスに貼り付けても良い。本明細書における「カバーガラス」という用語には本項で例記したこれらの機能例が含まれており、いずれも本発明に含まれている。

＜第９の実施形態＞
図１６は本発明の第９の実施形態であり、前項で概説したカバーガラスへの機能付与の一例である。同図において、図１５と同一番号は同一構成要素を示している。本実施形態では、図１５の実施形態とは異なり、カラーフィルタ２０が搭載されていない。同図において、１５１はその一部に蛍光膜を含むカバーガラスである。この蛍光膜は入射した紫外線１５２を可視光に変換して放射し、この可視光がイメージセンサ部分１４０で画像信号に変換される。蛍光膜からの可視光の放射には方向性がないので、１４０に配列された光学要素の構成としては図１０に例示したような光学要素側壁に反射層を有するような構成が好ましいが、この限りではない。さらに、本実施形態では入射光が紫外線であるような事例が示されているが、入射光としてはこれに限らず、Ｘ線などの放射光が入射するような応用例でも、１５１の構成を変えることにより適用できる。

＜第１０の実施形態＞
図１７は本発明の第１０の実施形態であり、図１５と同一番号は同一構成要素を示している。なお、同図には図１に例示した画素構造、すなわち、光学要素の上部にカラーフィルタが配置されている構造を例示したが、図１１から図１４に例示した構造であっても良い。本実施形態では、カバーガラス１６１に画素に対応して配列された凸レンズ１６２が含まれている。この構成にでは、１６２は補助的なマイクロレンズとして機能し、フォトダイオード１１への集光効果を一層高めることが可能である。１６２の形成方法については、各種の周知技術を利用することができる。例えば、カバーガラス１６１の下側表面を凹レンズ上の窪みに加工してから、１６２となる材料を埋め込むことが挙げられる。ここでは、凸レンズの機能を発揮させるため、１６２の屈折率は１６１の屈折率よりも大きな材料を選択する必要がある。しかしながら、従来例とは異なり、凸レンズ１６２は補助的機能を有すれば良いので、その形状や特性に対する制限は緩やかである。本実施形態においても、イメージセンサ部分１４０の表面はカバーガラス１６１の下側表面に密着させることが可能なため、従来のマイクロレンズ搭載事例での種々の課題は解決されることになる。

なお、図１５から図１７に例示した実施形態では、カバーガラスと称される構造体が一様な厚さを有する平板として示されているが、この限りではない。すなわち、イメージセンサ部分１４０の画素に対応する領域のみが透明な素材で形成され、駆動系や信号処理系といった電子回路が含まれる領域が金属であって、この透明な素材がこの金属にハーメチックシールされている構成もあり得る。このような構成は特に高信頼性を要求される用途にはより適している。

本明細書では図１で示したように、標準的な構成と考えられるイメージセンサの画素構成が記載されている。しかしながら、イメージセンサの構成には多種あり、本発明はこれらの全てに適用できる。一例として挙げるならば、感度増大のためのいわゆる裏面照射型イメージセンサの構成、感度増大のために画素毎に増幅機能を持たせたりフォトダイオード自身が増幅機能を有すると言ったいわゆる増幅型イメージセンサの構成、水平垂直レジスタを介して画素からの信号読み出しを実行するＣＣＤ型イメージセンサ、さらには、イメージセンサ自体が積層構造をなしていて各層毎に撮像機能、信号処理機能、メモリ機能、入出力制御機能などが割り当てられているような３次元の構成などがある。ここで記載した構成例は全て本発明に含まれている。

本明細書で詳述した半導体イメージセンサの画素構成では、集光用のマイクロレンズを必要としていない。かかる構成は、デジタルカメラや携帯電話への応用以外にも、赤外イメージセンサ、光半導体素子、光学的な信号処理用の半導体装置など、さらには、光を放射するようなディスプレイにも広く適用できる。

１ 全反射面
２ 受光部
３ 透明材料部
４ 低屈折率部分
１０ 半導体基板
１１ 感光素子
１２ 拡散層
１３ ゲート電極
１４ トランジスタ
１５ 第１の絶縁層
１６ 配線層
１７ 第２の絶縁層
１８ 第３の絶縁層
１９、６２、１０１、１１１、１３０ 光学要素
２０、１００ カラーフィルタ
２１ 第４の絶縁層
２２、２３ 画素ピッチ
２５、１０２、１１２ 入射光
２７ 断面を示す部分
２８ 階段状の屈折率分布
２９ 直線状の屈折率分布
３０ 連続的な曲線状の屈折率分布
５０ 入射角度
５１ 側壁角度
６０、７０、８０、９０、１２０ マスク層
６１、７１、８１、９１ 窪み
６３ 表面層
９２ 反射層
１１０、１２３、１３１ マイクロレンズ
１２１ 凹み
１２２ レンズ層
１４０ イメージセンサ部分
１４１、１５１、１６１ カバーガラス
１５２ 紫外線
１６２ 凸レンズ

Claims (6)

1. 配列された感光素子のそれぞれの上方に集光するための透明な光学要素を設けた半導体イメージセンサであって、
   前記光学要素の中心領域の屈折率は、該光学要素の中心領域の外を占める周辺領域の屈折率より高くなることを特徴とする半導体イメージセンサ。
2. 前記光学要素は、屈折率の異なる少なくとも２種類の透明材料から構成され、
   前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、
   屈折率を高くする材料の含有率を小さくし、かつ、屈折率を低くする材料の含有率を大きくしたこと
   を特徴とする請求項１に記載の半導体イメージセンサ。
3. 前記光学要素の一部における屈折率は、
   前記光学要素の一部においては前記少なくとも２種類の透明材料の構成比で決定される場合を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体イメージセンサ。
4. 前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、
   前記光学要素は、
   前記屈折率の低い材料の含有率を段階的に高めることにより、
   該屈折率が段階的に低くなることを特徴とする請求項２に記載の半導体イメージセンサ。
5. 前記中心領域から前記周辺領域に向かうに従い、
   前記光学要素は、
   前記屈折率の低い材料の含有率を連続的に高めることにより、
   該屈折率が連続的に低くなることを特徴とする請求項２に記載の半導体イメージセンサ。
6. 前記光学要素が、該光学要素を配置する前記半導体イメージセンサの絶縁層に接する側壁に、光を反射する層を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体イメージセンサ。