JP2014022649A - 固体撮像素子、撮像装置、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像性能を向上する。
【解決手段】固体撮像素子（１）は、二次元的に配列された画素（３）のそれぞれに配置された光電変換部（１５）を含む受光層（３２）と、光電変換部に光を集光するレンズ要素（４９）を含むレンズ層（３６）と、レンズ層と受光層との間に配置され、光電変換部から電荷を読み出すための回路と電気的に接続された配線（４３〜４５）を含む配線層３４と、配線層とレンズ層との間に配置された中間層３５と、を備える。中間層は、受光層の厚み方向から見て光電変換部の中心と重なる画素中央部（５０）と、受光層の厚み方向から見て画素中央部の周囲の少なくとも一部に配置され、画素中央部よりも屈折率が高い画素周縁部（５１）と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像素子、撮像装置、及び電子機器に関する。

ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型等の固体撮像素子は、カメラ等の撮像装置、形状や位置を測定する測定装置等の電子機器に用いられている（例えば、下記の特許文献１参照）。固体撮像素子は、複数の画素のそれぞれに配置されたフォトダイオードと、各画素のフォトダイオードに光を集光するマイクロレンズ等を備える。

特開２０１２−２８５８５号公報

上述のような固体撮像素子において、マイクロレンズにより集光された光の一部は、例えば配線等でケラレが生じて、この画素のフォトダイオードに入射しないことがありえる。また、マイクロレンズにより集光された光の一部は、隣の画素のフォトダイオードに入射してしまうことがありえる。特に、明るい画像を得るためにマイクロレンズとして明るいレンズを用いると、マイクロレンズから出射した光の広がり角が大きくなるので、所望のフォトダイオードに入射させることが難しくなる。結果として、撮像性能が低下するおそれがある。本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、撮像性能を向上させることを目的の１つとする。

本発明の第１の態様の固体撮像素子は、光を電力に変換する光電変換部を含む受光層と、前記光電変換部に光を集光するレンズ要素を含むレンズ層と、前記レンズ層と前記受光層との間に配置され、前記光電変換部から電荷を読み出すための回路と電気的に接続された配線を含む配線層と、前記配線層と前記レンズ層との間に配置された中間層と、を備え、前記中間層は、前記受光層の厚み方向から見て前記光電変換部の中心と重なる画素中央部と、前記受光層の厚み方向から見て前記画素中央部の周囲の少なくとも一部に配置され、前記画素中央部よりも屈折率が高い画素周縁部と、を含む。

本発明の第２の態様の固体撮像素子は、裏面照射型の固体撮像素子であって、光を電力に変換する光電変換部を含む受光層と、前記光電変換部に光を集光するレンズ要素を含むレンズ層と、前記受光層と前記レンズ層との間に配置された中間層と、を備え、前記中間層は、前記受光層の厚み方向から見て前記光電変換部の中心と重なる画素中央部と、前記受光層の厚み方向から見て前記画素中央部の周囲の少なくとも一部に配置され、前記画素中央部よりも屈折率が高い画素周縁部と、を含む。

本発明の３の態様の撮像装置は、第１の態様または第２の態様の固体撮像素子を備えている。

本発明の４の態様の電子機器は、第１の態様または第２の態様の固体撮像素子を備えている。

本発明によれば、撮像性能を向上させることができる。

第１実施形態による固体撮像素子を示す概略構成図である。 第１実施形態による固体撮像素子の画素の回路構成を示す図である。 第１実施形態による固体撮像素子を示す側断面図である。 第２実施形態による固体撮像素子の画素の構造を示す側断面図である。 第３実施形態による固体撮像素子の画素の構造を示す側断面図である。 第４実施形態による固体撮像素子の画素の構造を示す側断面図である。 固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面工程図である。 固体撮像素子の製造方法の他の例を示す断面工程図である。

次に、図面を参照しながら実施形態について説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態による固体撮像素子を示す概略構成図である。固体撮像素子１は、いわゆるＣＭＯＳ型の固体撮像素子であるが、他の増幅型、ＣＣＤ型などの他の固体撮像素子であってもよい。

固体撮像素子１は、画素領域２に二次元的に配列された複数の画素３と、画素３から電荷（電気信号）を読み出すための周辺回路４とを備える。固体撮像素子１の周辺回路４は、一般的なＣＭＯＳ型の固体撮像素子と同様に、垂直走査回路５、水平走査回路６、周知のＣＤＳ回路等を含む読み出し回路７、及び出力アンプ８を備える。

固体撮像素子１において、複数の画素３のそれぞれは、入射した光の光量に応じた電気信号を出力する。垂直走査回路５は、画素３（図２に示すフォトダイオード１５）からの電気信号を行単位で読み出し回路７に取り出す。水平走査回路６は、読み出し回路７に取り出された電気信号を列単位で出力アンプ８に供給する。出力アンプ８は、読み出し回路７からの電気信号を画像信号として、出力端子９を介して出力する。

上述のような周辺回路４は、例えば、画素領域２の周辺の周辺領域１０に配置される。周辺領域１０は、画素領域２の隣り合う２つの辺の側（例えば、上側と左側）のみに配置してもよいし、画素領域２を中心にしてその上下左右に配置してもよい。なお、図１に示した周辺回路４の構成は、一例であり、適宜変更できる。

図２は、固体撮像素子１の画素３の回路構成を示す図である。図２に示すように、画素３は、選択トランジスタ１１と、ソースフォロアの増幅トランジスタ１２と、リセットトランジスタ１３と、転送トランジスタ１４と、光電変換部としてのフォトダイオード１５とから構成されている。なお、図２の符号Ｖｃｃは、電源を示す。

図１及び図２に示すように、画素３の選択トランジスタ１１のゲートは、行ごとに選択線２０に共通に接続されている。画素３のリセットトランジスタ１３のゲートは、行ごとにリセット線２１に共通に接続されている。画素３の転送トランジスタ１４のゲートは、行ごとに転送線２２に共通に接続されている。画素３の選択トランジスタ１１のソースは、列ごとに垂直信号線２３に共通に接続されている。選択線２０、リセット線２１及び転送線２２は、垂直走査回路５に接続されている。垂直信号線２３は、読み出し回路７に接続されている。なお、図２に示した画素３の回路構成は、一例であり、適宜変更できる。

図３は、本実施形態による固体撮像素子１の画素３の構造を示す側断面図である。本実施形態の固体撮像素子１は、いわゆる表面照射型の固体撮像素子である。固体撮像素子１は、基板３１の表層に形成された受光層３２上に、光学層３３、配線層３４、中間層３５、及びレンズ層３６がこの順に積層された構造である。

本実施形態において、固体撮像素子１の外部からレンズ層３６に入射した入射光の少なくとも一部は、レンズ層３６、中間層３５、配線層３４、及び光学層３３を通って、受光層３２に入射する。以下の説明において、受光層３２に対して光が入射してくる側を、適宜、上方あるいは上という。

受光層３２は、基板３１の表層に形成されたフォトダイオード１５（光変換部）を含む。基板３１は、基板３１は、例えばシリコン基板等の半導体基板である。フォトダイオード１５は、複数の画素３のそれぞれに設けられている。フォトダイオード１５は、入射光の光量に応じた電荷（電力）を発生する。

光学層３３は、フォトダイオード１５の光入射側を覆うように設けられた反射防止膜４０と、受光層３２の厚み方向から見てフォトダイオード１５の周囲に配置された導波路形成部４１と、反射防止膜４０及び導波路形成部４１を覆うように設けられた層間絶縁膜４２とを備える。本実施形態において、受光層３２（固体撮像素子１）の厚み方向を、単に厚み方向ということがある。

反射防止膜４０は、入射光の波長に応じて、膜構成（層数、各層の材料、各層の厚さ等）が設定される。例えば、反射防止膜４０は、基板３１側から順に積層されたＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層（シリコン窒化層）及びＳｉＯ_２層からなる３層膜で構成することができる。あるいは、例えば、反射防止膜４０は、基板３１側から順に積層されたＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層、ＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層及びＳｉＯ_２層からなる５層膜で構成することができる。

導波路形成部４１は、厚み方向から見てフォトダイオード１５の周囲に向う光が導波路形成部４１で反射することで、配線層３４を通った光をフォトダイオード１５に導くように設けられている。導波路形成部４１は、例えば、厚み方向から見てフォトダイオード１５を環状に囲むように形成されている。環状は、枠状であってもよいし、円環状であってもよい。導波路形成部４１は、例えば層間絶縁膜４２よりも屈折率が高い材料で形成される。層間絶縁膜４２は、例えばＳｉＯ_２層等で構成される

配線層３４は、光学層３３上に積層されている。配線層３４は、いわゆる多層配線構造であり、配線４３〜４５及び層間絶縁膜４６〜４８を備える。配線４３は、光学層３３の層間絶縁膜４２上に形成されている。層間絶縁膜４６は、配線４３を覆うように形成されている。配線４４は、層間絶縁膜４６上に形成されている。層間絶縁膜４７は、配線４４を覆うように形成されている。配線４５は、層間絶縁膜４７上に形成されている。層間絶縁膜４８は、配線４５を覆うように形成されている。

配線４３〜４５は、図１に示した周辺回路４と図２に示した各画素のトランジスタとを電気的に接続している。配線４３〜４５は、図２に示した選択線２０、リセット線２１、転送線２２、及び垂直信号線２３の少なくとも１つを含む。例えば、配線層３４において、選択線２０と転送線２２と垂直信号線２３は、互いに異なる層に形成され、リセット線２１は、選択線２０又は転送線２２と同じ層に形成される。

配線層３４に設けられた配線４３〜４５のうち最上層に配置された配線４５は、配線４５よりも下層に対して遮光膜となるように、設けられている。例えば、配線４５は、アルミニウム等の光反射性を有する導電材料で形成されることで、遮光膜として機能する。図２に示した各種のトランジスタは、厚み方向（光入射側）から見て配線４５に覆われるように、配置されている。このように、図２に示した各種のトランジスタは、光による誤動作の発生が抑制されている。

なお、配線層３４に設けられた配線４３〜４５のうち配線４５以外の配線が、上述のような遮光膜として形成されていてもよい。また、配線層３４に設けられた配線４３〜４５のうち２以上の配線が、上述のような遮光膜として形成されていてもよい。また、上述のような遮光膜は、配線４３〜４５と別に設けられていてもよく、その形成材料は、導電材料でも絶縁材料でもよい。

レンズ層３６は、中間層３５上に積層されている。レンズ層３６は、複数の画素３のそれぞれに設けられたマイクロレンズ４９を含む。すなわち、マイクロレンズ４９は、フォトダイオード１５と１対１の対応で設けられている。マイクロレンズ４９は、固体撮像素子１の外部からマイクロレンズ４９へ入射した光を、フォトダイオード１５に集光する。

ところで、一般的な固体撮像素子において、マイクロレンズによって集光された光の一部（広角成分）は、配線層の配線でケラレが発生することによってフォトダイオードに届かないことがある。結果として、明るい画像を撮像することが難しくなる場合がある。また、このような広角成分の光は、隣の画素のフォトダイオードに入射することもありえる。結果として、明るさ、色の再現性が低下（ムラが発生）する場合がある。このような撮像性能の低下は、マイクロレンズとして開口数（ＮＡ）が高いレンズを用いるほど、顕著になる可能性がある。

本実施形態において、中間層３５は、マイクロレンズ４９を通った光の配線層３４におけるケラレの発生を抑制する。中間層３５は、厚み方向から見て画素３の中心を含む画素中央部５０と、厚み方向から見て画素中央部５０の周囲の少なくとも一部に配置された画素周縁部５１とを備える。

本実施形態において、固体撮像素子１の外部からマイクロレンズ４９に入射した光は、画素中央部５０を通って、フォトダイオード１５に入射する。また、マイクロレンズ４９によって集光する光の少なくとも一部（例えば広角成分）は、画素周縁部５１の界面で反射して、画素中央部５０を通るように導光される。そのため、固体撮像素子１は、ケラレによる光量のロスを低減することができ、明るい画像を撮像できる。また、固体撮像素子１は、ある画素３のマイクロレンズ４９を通った光の一部が隣の画素３のフォトダイオード１５に入射することを抑制できるので、ムラの発生を抑制できる。

次に、中間層３５の構成について詳しく説明する。画素中央部５０は、その下層側から上層側に向かって、光学膜５２、パッシベーション膜（保護膜）５３、光学膜５４、平坦化膜５５、カラーフィルタ５６、及び平坦化膜５７がこの順に積層された構造である。

光学膜５２の屈折率は、例えば、パッシベーション膜５３の屈折率よりも低く、かつ、層間絶縁膜４２の屈折率よりも高く設定される。層間絶縁膜３５は、例えば、屈折率が１．４６のＳｉＯ_２膜で構成される。パッシベーション膜５３は、例えば、屈折率が２．０のＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）で構成される。光学膜５４の屈折率は、例えば、パッシベーション膜５３の屈折率よりも低く、かつ、平坦化膜５５の屈折率よりも高く設定される。平坦化膜５５及び平坦化膜５７は、例えば、有機材料で形成され、屈折率が１．５５の樹脂膜で構成される。カラーフィルタ５６は、例えば、ベイヤー配列に従って画素３ごとに配置された赤色部、緑色部、及び青色部を含む。

このように、本実施形態において画素中央部５０は、複数の膜及びカラーフィルタが積層された多層構造であるが、その少なくとも１つの層が省略されていてもよく、単層構造でもよい。例えば、光学膜５２と光学膜５４の一方または双方は、省略されていてもよく、平坦化膜５５及び平坦化膜５７の一方または双方は、省略されていてもよい。また、画素中央部５０の各層の形成材料は、適宜変更できる。例えば、パッシベーション膜５３は、ＳｉＯ_２膜で構成されていてもよいし、ＳｉＯＮ膜で構成されていてもよい。

画素周縁部５１は、例えば、厚み方向から見て画素中央部５０を枠状（環状）に囲むように、配置される。画素周縁部５１は、厚み方向から見て、隣り合う１対のマイクロレンズ４９のギャップの中心位置５８と重なるように、設けられている。本実施形態において、画素周縁部５１は、中心位置５８（図３の紙面と垂直に延びる面）に関して、対称的に設けられている。画素周縁部５１は、例えば、厚み方向から見て配線４３〜４５の形成領域に収まるように設けられる。

画素周縁部５１は、中間層３５の厚み方向の少なくとも一部に設けられる。例えば、画素周縁部５１は、画素中央部５０を構成する少なくとも１つの層と同じ階層に設けられる。本実施形態において、画素周縁部５１は、画素中央部５０のすべての層にわたって設けられている。画素周縁部５１は、例えば、画素中央部５０に形成されたトレンチの内側に配置される。

画素周縁部５１は、画素中央部５０のうち画素周縁部５１と同じ階層に配置される少なくとも１つの層よりも屈折率が高く設定される。例えば、画素周縁部５１は、カラーフィルタ５６よりも屈折率が高く設定される。この場合に、第１の画素３において、カラーフィルタ５６を通って隣の第２の画素３に向う光は、画素周縁部５１の界面で反射することによって、第１の画素３の画素中央部５０側に戻される。これにより、配線層３４でケラレが発生することが抑制される。

また、画素周縁部５１は、平坦化膜（平坦化膜５５と平坦化膜５７の一方または双方）よりも屈折率が高くてもよい。この場合に、平坦化膜を通って隣の画素３に向う光は、画素中央部５０に戻されるので、配線層３４でケラレが発生することが抑制される。また、画素周縁部５１は、光学膜５２と光学膜５４の一方または双方よりも屈折率が高くてもよいし、パッシベーション膜５３よりも屈折率が高くてもよい。

画素周縁部５１の屈折率は、例えば、画素中央部５０の平均的な屈折率よりも高く設定される。ここで、画素中央部５０を構成する各膜の屈折率を各膜の厚みで重み付けした屈折率（平均的な屈折率）は、例えば１．５であるとする。この場合に、画素周縁部５１の屈折率は、例えば、画素中央部５０の平均的な屈折率（１．５）の１．２倍よりも大きく、すなわち１．８よりも大きく設定される。また、画素周縁部５１の屈折率は、例えば、画素中央部５０の平均的な屈折率（１．５）よりも０．３以上大きく、すなわち１．８よりも大きく設定される。

画素周縁部５１は、同じ階層の画素中央部５０よりも屈折率が高く設定されているほど、画素周縁部５１側に向う光を画素中央部５０側に戻すことができ、その屈折率が２．０よりも大きく設定されていてもよい。また、画素周縁部５１は、消衰係数ｋを０以下（ｋ≦０）に設定することで、画素周縁部５１での光の損失を減らすことができる。

ところで、画素中央部５０のうち厚みが相対的に厚い層は、画素中央部５０のうち厚みが相対的に薄い層と比較して、厚み方向の側方へ向かう光の光量が多くなりやすい。そのため、固体撮像素子１は、相対的に厚い層を通って画素周縁部５１側に向う光を画素中央部５０側に戻すように、画素周縁部５１が構成されていると、撮像性能を向上させる効果が高い。画素中央部５０のうち厚みが相対的に厚い層としては、例えば、カラーフィルタ５６、平坦化膜５５、平坦化膜５７等が挙げられる。画素中央部５０のうち厚みが相対的に厚い層は、例えば、有機材料で形成される層である。画素周縁部５１は、画素中央部５０のうち厚みが相対的に厚い層の少なくとも１つと同じ階層に設けられていてもよい。

また、画素中央部５０のうち厚みが相対的に薄い層としては、例えばパッシベーション膜５３が挙げられる。画素中央部５０のうち厚みが相対的に薄い層は、例えば、無機材料で形成される層である。画素周縁部５１は、画素中央部５０のうち厚みが相対的に薄い層の少なくとも１つよりも屈折率が低くてもよい。また、画素周縁部５１は、画素中央部５０のうち厚みが相対的に薄い層の少なくとも１つと同じ階層に設けられていなくてもよい。

画素周縁部５１は、上述のような屈折率となるように、その形成材料が適宜選択される。例えば、画素周縁部５１は、ＳｉＮ等の無機材料で形成されていてもよいし、樹脂材料で形成されていてもよい。画素周縁部５１の屈折率は、例えば、その形成材料（例えば樹脂材料）に微粒子（フィラー）を加えること等で、調整可能である。

以上のような本実施形態の固体撮像素子１において、レンズ層３６と配線層３４との間に配置された中間層３５は、厚み方向から見て画素中央部５０の周囲に配置された画素周縁部５１を含み、画素周縁部５１の屈折率が画素中央部５０よりも高い。そのため、固体撮像素子１は、厚み方向から見て画素３の外側に向う光を画素中央部５０に集めることができる。結果として、固体撮像素子１は、配線４５におけるケラレの発生が抑制され、明るい画像を撮像可能となる。また、固体撮像素子１は、ある画素３のマイクロレンズ４９を通った光が隣の画素３のフォトダイオード１５に入射することが抑制され、クロストーク等によるムラの発生が抑制される。このように、本実施形態によれば、撮像性能を向上することができる。

また、本実施形態において、画素周縁部５１は、隣り合う１対のマイクロレンズ４９の間の中心位置５８に関して、対称的に設けられている。そのため、固体撮像素子１は、マイクロレンズ４９を通った光の光量と出力との関係性が複数の画素３で揃うようになり、ムラの発生を抑制できる。また、本実施形態において、画素周縁部５１は、厚み方向から見て配線４５の形成領域に収まるように設けられているので、画素周縁部５１での光の損失を減らすことができる。

また、本実施形態において、固体撮像素子１は、中間層３５を通った光をフォトダイオード１５に導く導波路形成部４１を有する。そのため、固体撮像素子１は、中間層３５とフォトダイオード１５との間における光の損失が低減され、明るい画像を撮像できる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態において、上述した実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略する。

図４は、本実施形態による固体撮像素子１を示す概略構成図である。画素周縁部５１は、厚み方向から見てフォトダイオード１５の中心を枠状に囲むように、設けられている。本実施形態において、画素周縁部５１に囲まれる領域（画素中央部５０）の外寸（外形）を、画素周縁部５１の内寸（内径）という。

本実施形態において、画素周縁部５１は、厚み方向から見て、受光層３２に近づく側（下方）の内径Ｒ１がレンズ層３６に近づく側（上方）の内径Ｒ２よりも小さい。画素周縁部５１は、受光層３２に近づく側からレンズ層３６に近づく側に向うにつれて内径が小さくなるテーパー形状を含む。このテーパー形状において、画素周縁部５１の底面５１ａと側面５１ｂとの間の角度（テーパー角α）は、例えば、７０°以上に設定される。ここでは、画素周縁部５１の底面５１ａは、配線層３４の配線４５よりもフォトダイオード１５（画素３）の中心側に張り出している。なお、図４に示す例において、画素周縁部５１は、レンズ層３６側の端部が尖った形状であるが、この端部が丸みを帯びた形状でもよい。

本実施形態において、固体撮像素子１の外部からマイクロレンズ４９に入射した入射光は、画素周縁部５１の側面５１ｂで反射して、画素中央部５０側に折り返される。画素周縁部５１のテーパー形状のテーパー角αが７０°以上であれば、例えば固体撮像素子１の外部に向って反射する光が少なくなり、光の損失が低減される。この入射光は、スポット径が絞られながら、画素周縁部５１の底面５１ａの開口を通って配線層３４に入射する。底面５１ａが配線４５よりも画素３の中心側に張り出しているので、底面５１ａの開口を通った入射光が配線４５でけられることが抑制される。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子１は、厚み方向から見て画素３の外側に向う光を画素中央部５０に集めることができ、明るい画像を撮像すること、ムラの発生を抑制すること等ができる。

本実施形態の画素周縁部５１は、例えば、配線層３４上に膜を形成した後、この膜に画素中央部５０を配置する孔部を形成することで得られる。このような方法で画素周縁部５１を形成する場合に、側面５１ｂが底面５１ａに対して傾斜しているので、画素周縁部５１を形成しやすい。例えば、側面５１ｂが底面５１ａに対して垂直である構成と比較して、画素周縁部５１の厚みが増した場合に、画素中央部５０を配置する孔部を形成することが容易である。そのため、例えば、画素中央部５０のうち厚みが相対的に厚い層に対応させて画素周縁部５１を形成することが容易になる。

なお、本実施形態において、固体撮像素子１は、導波路形成部４１を備えていない。このように、固体撮像素子１は、導波路形成部４１が省略されていてもよいし、反射防止膜４０が省略されていてもよい。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態において、上述した実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略する。

図５は、本実施形態による固体撮像素子１を示す概略構成図である。本実施形態において、画素周縁部５１は、配線層３４上に形成された下層部６０と、下層部６０よりもレンズ層３６側に設けられた上層部６１とを有する。下層部６０と上層部６１は、厚み方向からみた形状がそれぞれ格子状であり、画素中央部５０を枠状に囲むように設けられている。

画素周縁部５１は、厚み方向から見て、受光層３２に近づく側（下層部６０）の内径Ｒ１がレンズ層３６に近づく側（上層部６１）の内径Ｒ２よりも小さい。画素周縁部５１は、下層部６０の内周面と上層部６１の内周面の間に段差を有している。すなわち、上層部６１の内径Ｒ２は、下層部６０の内径Ｒ１からステップ的に変化しており、下層部６０の内径Ｒ１と不連続である。

図５に示す例において、下層部６０は、光学膜５２、パッシベーション膜５３、及び光学膜５４と同じ階層に設けられている。また、上層部６１は、平坦化膜５５及びカラーフィルタ５６と同じ階層に設けられている。平坦化膜５７は、カラーフィルタ５６上と、画素周縁部５１の上層部６１上とを平坦化するように、設けられている。

上層部６１と下層部６０の一方または双方は、同じ階層に配置される画素中央部５０の層の少なくとも１つよりも屈折率が高く設定される。本実施形態において、上層部６１は、画素中央部５０のうち上層部６１と同じ階層に配置される層の少なくとも１つよりも屈折率が高く設定される。本実施形態において、下層部６０は、画素中央部５０のうち下層部６０と同じ階層に配置される層の少なくとも１つよりも屈折率が高く設定される。上層部６１の屈折率は、下層部６０の屈折率と同じでもよいし、異なっていてもよい。また、上層部６１の形成材料は、下層部６０の形成材料と同じでもよいし、異なっていてもよい。

本実施形態の固体撮像素子１は、上述の実施形態で説明したように、厚み方向から見て画素３の外側に向う光を画素中央部５０に集めることができ、明るい画像を撮像すること、ムラの発生を抑制すること等ができる。また、本実施形態の固体撮像素子１は、上層部６１と下層部６０とを分けて形成できるので、形成プロセスの自由度や材料選択の自由度が高い。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態において、上述した実施形態と同様の構成については、同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略する。

図６は、本実施形態による固体撮像素子１を示す概略構成図である。本実施形態において、固体撮像素子１は、いわゆる裏面照射型の固体撮像素子である。図６に示す固体撮像素子１は、上述の実施形態で説明したような受光層３２、レンズ層３６、及び中間層３５を備える。本実施形態において、配線層３４は、受光層３２に対してレンズ層３６と反対に設けられている。

本実施形態において、中間層３５の画素中央部５０は、光学層３３上に積層されたカラーフィルタ５６と、カラーフィルタ５６上に積層された平坦化膜５７とを備える。中間層３５の画素周縁部５１は、カラーフィルタ５６と同じ階層及び平坦化膜５７と同じ階層にわたって、形成されている。

本実施形態の固体撮像素子１は、上述の実施形態で説明したように、厚み方向から見て画素３の外側に向う光を画素中央部５０に集めることができ、明るい画像を撮像すること、ムラの発生を抑制すること等ができる。

上述のような各実施形態の固体撮像素子１は、例えば、カメラ等の撮像装置に用いることができる。撮像装置は、例えば、固体撮像素子１及び撮影レンズを備える。この撮像装置は、固体撮像素子１の撮像性能が高いので、高品質な画像を撮像できる。また、固体撮像素子１は、撮影機能付きの携帯端末等の電子機器にも利用できる。

また、固体撮像素子１は、光学的に計測を行う計測装置等の電子機器、あるいは、このような計測装置を備える電子機器において、光を検出する光検出部として利用できる。光学的に計測を行う計測装置としては、例えば、形状を測定する形状計測装置、レーザー干渉計、合焦装置等の距離を計測する距離計測装置、エンコーダー等の位置計測装置等が挙げられる。このような計測装置を備える電子機器としては、例えば、露光装置等が挙げられる。

次に、上述の実施形態に係る固体撮像素子１の製造方法の例について説明する。図７は、固体撮像素子の製造方法の一例を示す断面工程図である。図７においては、配線層３４よりも下層の構造の図示を省略している。

本例において、固体撮像素子１を製造するには、図３等に示した基板３１上に受光層３２を形成し、受光層３２上に光学層３３を形成した後に、光学層３３上に配線層３４を形成する。次いで、図７（Ａ）に示すように、中間層３５の画素中央部５０を構成する各膜を積層し、後に画素中央部５０となる積層体を形成する。次いで、図７（Ｂ）に示すように、この積層体をパターニングすることによって、この積層体のうち画素周縁部５１が配置される領域にトレンチＴを形成する。次いで、図７（Ｃ）に示すように、トレンチＴの内側に画素周縁部５１を形成する。次いで、例えば、平坦化膜５７上と画素周縁部５１上とにわたって図３に示したレンズ層３６を形成すること等によって、固体撮像素子１が得られる。以上のような各部の形成は、公知の成膜技術、レジスト技術、フォトリソグラフィ法、及びエッチング技術を適宜用いて、行うことができる。

次に、図８を参照しつつ、固体撮像素子１の製造方法の他の例について説明する。図８は、固体撮像素子１の製造方法の他の例を示す断面工程図である。図８においては、配線層３４よりも下層の構造の図示を省略している。

本例においては、中間層３５のうちカラーフィルタ５６と同じ階層のみに画素周縁部５１を形成する。本例において、固体撮像素子１を製造するには、図３等に示した基板３１上に受光層３２を形成し、受光層３２上に光学層３３を形成した後に、光学層３３上に配線層３４を形成する。次いで、図８（Ａ）に示すように、配線層３４上に光学膜５２、パッシベーション膜５３、光学膜５４、平坦化膜５５をこの順に積層する。次いで、図８（Ｂ）に示すように、後に画素中央部５０となる膜５１ｃを、平坦化膜５５上に形成する。次いで、図８（Ｃ）に示すように、膜５１ｃをパターニングすることによって、膜５１ｃのうちカラーフィルタ５６（画素中央部５０）が配置される領域に孔部を形成する。このようにして、膜５１ｃは、孔部を有する隔壁状の画素周縁部５１になる。次いで、図８（Ｄ）に示すように、画素周縁部５１の孔部の内側にカラーフィルタ５６を形成する。次いで、例えば、カラーフィルタ５６上と画素周縁部５１上とにわたって図３に示した平坦化膜５７を形成し、この平坦化膜５７上にレンズ層３６を形成すること等によって、固体撮像素子１が得られる。

１・・・固体撮像素子、３・・・画素、３２・・・受光層、３４・・・配線層、３５・・・中間層、３６・・・レンズ層、４０・・・反射防止膜、４３〜４５・・・配線、５０・・・画素中央部、５１・・・画素周縁部、５８・・・中心位置、６０・・・下層部、６１・・・上層部、Ｒ１・・・内径、Ｒ２・・・内径、Ｔ・・・トレンチ

Claims (17)

1. 二次元的に配列された画素のそれぞれに配置された光電変換部を含む受光層と、
   前記光電変換部に光を集光するレンズ要素を含むレンズ層と、
   前記レンズ層と前記受光層との間に配置され、前記光電変換部から電荷を読み出すための回路と電気的に接続された配線を含む配線層と、
   前記配線層と前記レンズ層との間に配置された中間層と、を備え、
   前記中間層は、
   前記受光層の厚み方向から見て前記光電変換部の中心と重なる画素中央部と、
   前記受光層の厚み方向から見て前記画素中央部の周囲の少なくとも一部に配置され、前記画素中央部よりも屈折率が高い画素周縁部と、を含む固体撮像素子。
2. 裏面照射型の固体撮像素子であって、
   二次元的に配列された画素のそれぞれに配置された光電変換部を含む受光層と、
   前記光電変換部に光を集光するレンズ要素を含むレンズ層と、
   前記受光層と前記レンズ層との間に配置された中間層と、を備え、
   前記中間層は、
   前記受光層の厚み方向から見て前記光電変換部の中心と重なる画素中央部と、
   前記受光層の厚み方向から見て前記画素中央部の周囲の少なくとも一部に配置され、前記画素中央部よりも屈折率が高い画素周縁部と、を含む固体撮像素子。
3. 前記中間層の画素周縁部の屈折率は、前記画素中央部の屈折率の１．２倍以上である
   請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記中間層の画素周縁部の屈折率は、前記画素中央部の屈折率よりも０．３以上大きい
   請求項１〜３のいずれか一項記載の固体撮像素子。
5. 前記中間層の画素周縁部の屈折率は、１．８よりも大きい
   請求項１〜４のいずれか一項記載の固体撮像素子。
6. 前記中間層の画素周縁部は、屈折率が２．０よりも大きく、かつ消衰係数が０以下である
   請求項１〜５のいずれか一項記載の固体撮像素子。
7. 前記レンズ要素は、前記光電変換部と１対１の対応で配置されており、
   前記中間層の画素周縁部は、隣り合う１対の前記レンズ要素の間の中心位置に対して対称的に設けられている
   請求項１〜６のいずれか一項記載の固体撮像素子。
8. 前記中間層の画素周縁部は、前記受光層の厚み方向から見て前記配線の形成領域に収まるように、設けられている
   請求項１記載の固体撮像素子。
9. 前記配線層の配線のうち前記中間層に最も近い配線と前記受光層との間に配置され、前記中間層からの光を前記光電変換部に導く導波路を有する
   請求項１または８記載の固体撮像素子。
10. 前記中間層は、カラーフィルタを含む
    請求項１〜９のいずれか一項記載の固体撮像素子。
11. 前記画素周縁部は、前記中間層のうち少なくとも前記カラーフィルタと同じ層に設けられている
    請求項１０記載の固体撮像素子。
12. 前記中間層の画素周縁部は、前記受光層の厚み方向から見て、前記光電変換部を環状に囲み、前記受光層側の内径が前記レンズ層側の内径よりも小さい
    請求項１〜１１のいずれか一項記載の固体撮像素子。
13. 前記中間層の画素周縁部は、前記前記受光層側から前記レンズ層側に向うにつれて内径が小さくなるテーパー形状を含み、前記テーパー形状のテーパー角が７０°以上である
    請求項１２記載の固体撮像素子。
14. 前記中間層の画素周縁部は、
    下層部と、
    前記下層部よりも前記レンズ層側に設けられ、前記下層部と内径が不連続な上層部と、を有する
    請求項１２記載の固体撮像素子。
15. 前記中間層の画素周縁部は、前記中間層に形成されたトレンチの内側に配置されている
    請求項１〜１４のいずれか一項記載の固体撮像素子。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えている撮像装置。
17. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えている電子機器。

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