JP5574926B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる固体撮像素子に関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラの測距用距離検出技術として、撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出する固体撮像装置が特許文献１で開示されている。
この固体撮像装置では、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精細な測距が可能に構成されている。また、動画撮影時にリアルタイム測距が可能とされている。
そして、測距用画素の構造として、マイクロレンズと光電変換部との間にマイクロレンズの光学中心に対し、偏心した開口部を設けた構成とされている。
これにより、カメラレンズの瞳上における特定の領域を通過した光を、選択的に光電変換部に導き、距離の測定が可能とされている。

特許第３５９２１４７号公報

しかしながら、上記従来例のものでは、開口部の位置がカメラレンズの瞳位置と厳密に共役では無く、また配線部での光散乱などにより、偏心した開口部では十分な光束分離をすることができず、測距精度の向上を図る上で必ずしも満足の得られるものではない。
特に、画素サイズが小さくなるにつれて、光電変換部に光を導くためのマイクロレンズのＦ値が大きくなり、画素サイズと回折像の大きさがほぼ同じとなる。
そのため、画素内で光が広がってしまい、偏心した開口部では十分な光束分離が行えず、測距精度の向上を図る上で改善が望まれる。

本発明は、上記課題に鑑み、測距精度の向上を図ることが可能となる固体撮像素子を提供することを目的とするものである。

本発明は、基板の内部に形成された光電変換部と、該基板の光入射面の側に形成された光入射部とを備えた複数の画素を有する固体撮像素子であって、
前記複数の画素の少なくとも一部が、距離測定用の画素で構成されており、
前記距離測定用の画素が有する前記光入射部は、該光入射部の内部に特定入射角で入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタを備え、
前記導波モード共鳴フィルタは、該導波モード共鳴フィルタの法線が該導波モード共鳴フィルタに入射する光束の主光線に対して傾きを有していることを特徴する。

本発明によれば、測距精度の向上を図ることが可能となる固体撮像素子を提供することが可能となる。

本発明の実施形態１における距離測定用の画素の内部構造を説明する概略断面図。 本発明の実施形態１における距離測定用の画素の近傍における構造を説明する図。 本発明の実施形態１におけるカメラレンズの射出瞳と画素への入射光線の関係を説明する図。 本発明の実施形態１における導波モード共鳴フィルタの構造を説明する図。 本発明の実施形態１における入射光が選択的に検出されることを説明する図。 本発明の実施形態１における距離測定用画素の入射光検出特性を説明する図。 本発明の実施形態１における入射光が選択的に検出されることを説明する図。 本発明の実施形態１における距離測定用画素近傍の構造を説明する図。 本発明の実施形態１における距離測定用画素近傍の構造を説明する図。 本発明の実施形態１における複数の距離測定用画素内部の構造を説明する図。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の製造方法を説明する図。 本発明の実施形態１における距離測定用画素内部の構造を説明する図。 本発明の実施形態２における距離測定用画素内部の構造を説明する図。 本発明の実施形態２における入射光が選択的に検出されることを説明する図。 本発明の実施形態２における距離測定用画素の入射光検出特性を説明する図。 本発明の実施形態２における光の伝播の様子を説明する図。 本発明の実施形態２における導波モードフィルタの特性を説明する図。 本発明の実施形態２における距離測定用画素内部の構造を説明する図。 本発明の実施形態２における距離測定用画素内部の構造を説明する図。 本発明の実施形態２における固体撮像素子の製造方法を説明する図。

本発明は、透過率が入射光の入射角によって異なるという、導波モード共鳴フィルタの特性を用い、特に、導波モード共鳴フィルタの法線を、該導波モード共鳴フィルタに入射する光束の主光線に対して傾きを有するように構成した点に特徴がある。
これにより、入射光のうち特定入射角で入射した光を検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子を実現したものである。
なお、上記導波モード共鳴フィルタとしては、非特許文献（マシェフ、外１名、「ゼロ・オーダー・アノマリー・オブ・ディエレクトリック・コーテッド・グレーティングス（Ｚｅｒｏ ｏｒｄｅｒ ａｎｏｍａｌｙ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏａｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇｓ）」、オプティカル・コミュニケーション（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、５５、ｐｐ．３７７−３８０、１９８５）において開示されている導波モード共鳴体を利用したフィルタを用いることができる。即ち、高誘電率部と低誘電率部とが周期的に配置された既知の構造のフィルタを用いることができる。
本発明を実施するための具体的な実施形態は、以下の実施形態による固体撮像素子の構成例によって説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
また、本発明に直接係らない、ゲート電極や配線などは図示を省略した。

［実施形態１］
本発明に係る固体撮像素子に関する実施形態１を、図を用いて説明する。
本実施形態に係る固体撮像素子は、基板の内部に形成された光電変換部と、該基板の光入射面の側に形成された光入射部とを備えた複数の画素を有する。この複数の画素の少なくとも一部が、距離測定用の画素で構成されている。
図１は、距離測定用の画素１００の概略断面図である。
本実施形態の画素１００は、光の入射側（−ｚ側）より、距離測定に用いる波長の光を選択的に透過する波長選択フィルタ１０１、内部に導波モード共鳴フィルタ１０２を有する光入射部１０３、内部に光電変換部１０４を有するシリコン基板１０５を有する。
画素１００に到達する入射光束１０６は拡がり角２θを持ち、その主光線１０７は−ｚ方向から＋ｚ方向に向かってｚ軸に沿っている。
導波モード共鳴フィルタ１０２は、距離測定に用いる波長の光に対し、導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８に垂直に入射した光を反射する特性を有する。
また、導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８は、入射光束１０６の主光線１０７に対して角度φ傾いて配置されている。
入射光束１０６の主光線１０７、シリコン基板１０５の法線１０９は共にｚ方向を向いているため、シリコン基板１０５の法線１０９と導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８のなす角φ’（所定角度）はφに等しい。
図２に、距離測定用の画素の近傍における構造を説明する図を示す。
図２に示すように、距離測定用の画素１００に隣接する画素１５０、１６０には、光入射部１５３、１６３中の、導波モード共鳴フィルタ１０２よりも＋ｚ側（シリコン基板１０５側）に、吸収フィルタ１５１、１６１が配置されている。
ここで、吸収フィルタ１５１、１６１は、距離測定に用いる波長の光を吸収する特性を有している。

以上のように入射光束１０６の主光線１０７に対して、導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８が傾いて配置されていれば、以下に述べる理由によって、高精度の測距が可能となる。
まず、図３を用いて、距離測定用の画素１００において、位相差方式を用いた距離測定が行える条件について説明する。
位相差方式では、カメラレンズの射出瞳１７０上における特定領域１７１を通過した光量と、それとは対称な領域１７２を通過した光量を比較することで、距離測定を行う。
距離測定用の画素１００に対し、カメラレンズの射出瞳１７０は十分遠いことから、カメラレンズの射出瞳１７０中の特定領域１７１から画素に入射した光は、画素から見ると、入射角１７３で入射した光として感じる。
同様に、１７２からの光は入射角１７４で入射した光として感じる。
従って、距離測定のためには、入射角１７３で入射した光のみを選択的に検出する画素と、入射角１７４で入射した光のみを選択的に検出する画素を用意し、両者の出力信号を比較すれば良い。
即ち、特定入射角で入射した光のみを選択的に受光することが必要である。

つぎに、導波モード共鳴フィルタ１０２の構成と原理について説明を行う。
図４（ａ）は、導波モード共鳴フィルタ１０２の概略断面図である。図４（ａ）のＺ軸は、導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８と一致する方向である（即ち、図４のＸ、Ｚ軸は図１のｘ、ｚ軸に対して角度φだけ傾いている。）。
導波モード共鳴フィルタは、Ｘ方向に幅Ａを持つ高誘電率部１２０、Ｘ方向に幅Ｂを持つ低誘電率部１２１がＸ方向に周期Ｐ（＝Ａ＋Ｂ）で配置された構造からなっている。
また、Ｙ方向には図４（ｂ）のように一様な誘電率分布を持っていても良いし、図４（ｃ）、図４（ｄ）のように周期分布を持っていても良い。
導波モード共鳴フィルタ１０２に光が入射した場合、誘電率の異なる領域（高誘電率部１２０、低誘電率部１２１）が周期的に配置されているため、Ｘ方向に沿って特定の大きさを持つ波数ベクトルを持つ光と共鳴を生じ、入射光が反射される。
Ｘ方向の波数ベクトルの大きさは、導波モード共鳴フィルタへの入射角によって異なるため、共鳴を生じる角度で入射した光を反射し、共鳴を生じない角度で入射した光を透過する特性が得られる。

図１では、共鳴を生じる角度がＺ方向（導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８の方向）となるような導波モード共鳴フィルタを用い、法線１０８の方向が入射光束の主光線１０７から角度φだけ傾いている。
すると、＋ｙ方向から見て、＋ｚ方向（主光線１０７の方向）より反時計回りにφだけ傾いて入射した光１０６Ａは、導波モード共鳴フィルタ１０２に対してＺ方向（法線１０８の方向）より入射することとなり、反射される（図５（ａ））。
以上のように、２θの拡がりを持って入射した光束のうち、反時計回りにφだけ傾いて入射した光１０６Ａのみを選択的に反射できる。
実際には、共鳴条件にはある程度の拡がりがあるため、導波モード共鳴フィルタ１０２は、図５（ｂ）に示すように、反時計回りにφの方向に透過率の谷を持ち、拡がりを持った透過率特性を有する。

距離測定のためには、図５（ｃ）のように、反時計回りに傾いて入射した光の透過率（領域１３２の面積）に対する、時計回りに傾いて入射した光の透過率（領域１３１の面積）が大きければ良い。
反時計回りに傾いて入射した光は、角度φ付近で透過率が低下しているため、時計回りに傾いて入射した光を選択的に受光できている。
導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８と、入射光束１０６の主光線１０７のなす角φは、入射光束１０６の拡がり角（２θ）の半分（θ）以下である方が好ましい。
なぜなら、透過率の谷が入射光束の角度拡がりの範囲内にくるため、拡がり角の半分以下とすることで反時計回りに傾いて入射した光を効率よく反射できるからである。

図６（ａ）に、光電変換部における電場強度の入射角依存性を、電磁場計算によって計算した結果を示す。
横軸が反時計回りを正方向に取った入射角度、縦軸が電場強度である。画素１００、１５０、１６０のｘ方向の幅は１．４μｍであり、導波モード共鳴フィルタ１０２の構造パラメータ（Ａ、Ｂ、Ｃ、ε１、ε２、ε３）、は図６（ｂ）に示すとおりである。
ここで、高誘電率部１２０の比誘電率をε１、低誘電率部１２１の比誘電率をε２とし、導波モード共鳴フィルタ１０２の、周囲の光入射部１０３の比誘電率をε３とする。
また、導波モード共鳴フィルタのＺ方向の高さをＣとした。導波モード共鳴フィルタ１０２は、Ｙ方向には一様な誘電率分布を有しており、距離測定に用いる光の波長は５４６ｎｍである。
入射光束１０６は、主光線１０７が＋ｚ方向、拡がり角（２θ）が２０度で入射している。
導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８と、シリコン基板１０５表面の法線１０９のなす角（φ）は５度とした。
図６（ａ）に示すように、反時計回りに５度傾いた光１０６Ａは４３％しか透過しないが、時計回りに５度傾いた光１０６Ｂは７１％が透過する。
従って、時計回りに傾いて入射した光１０６Ｂを選択的に受光しており、位相差方式を用いた距離測定が可能となっている。

以上のように、特定入射角（０度）で入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタ１０２を用い、導波モード共鳴フィルタ１０２の法線１０８を、導波モード共鳴フィルタ１０２に入射する光束１０６の主光線１０７に対して、（角度φ）傾けて配置する。
それにより、入射光束１０６のうち、特定入射角で入射した光（１０６Ｂ）を選択的に受光でき、高精度の測距が可能となる。
一般的に、固体撮像素子の中央部付近の画素では、図１のように、入射光束１０６の主光線１０７は、シリコン基板１０５の法線１０９の方向と一致する。従って、導波モード共鳴フィルタの法線を、基板の入射面に対して所定角度（φ’）傾けて配置すれば、高精度の測距が可能となる。
なお、図１では、共鳴を生じる角度がＺ方向となるような導波モード共鳴フィルタ１０２を用いているが、共鳴を生じる角度がＺ方向から傾いた方向となるような導波モード共鳴フィルタを用いても良い。
例えば、Ｚ方向から２φ傾いた方向となるような導波モード共鳴フィルタ１１２の場合、図７（ａ）のように時計回りにφだけ傾いて入射した光１０６Ｂは共鳴条件を満たすために反射される。
従って、反時計回りに傾いて入射した光を選択的に受光できる。この条件を満たすためには、図６（ｂ）の構造パラメータを持つ導波モード共鳴フィルタを用い、距離測定に用いる光の波長を６７４ｎｍとすればよい。
また、距離測定に用いる光の波長を５４６ｎｍのままで、構造パラメータを図７（ｂ）に変えても良い。
但し、Ｚ方向から傾いた方向の光を反射する導波モード共鳴フィルタ１１２を用いるより、導波モード共鳴フィルタの法線１０８方向に対して平行に入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタ１０２を用いた方が、距離測定の精度が上がるため好ましい。

これは以下のような理由による。導波モード共鳴フィルタの周期配置の対称性は、Ｚ方向から入射した光に対して最も良い。
そのため、導波モード共鳴フィルタとＺ方向から入射した光の共鳴は、Ｚ方向からずれた方向から入射した光との共鳴よりも強くなる。
結果として、Ｚ方向から入射した光に対して共鳴するような導波モード共鳴フィルタ１０２の方が、Ｚ方向から入射した光に対して共鳴するような導波モード共鳴フィルタ１１２よりも、角度選択特性が有効な波長範囲が広くなる。
従って、導波モード共鳴フィルタ１０２の方が、導波モード共鳴フィルタ１１２よりも、より広い帯域の波長の光を距離測定に用いることができる。
距離測定の精度は光の光量で決まるため、導波モード共鳴フィルタ１０２の方が、導波モード共鳴フィルタ１１２よりも、精度が高くなることがわかる。
なお、図１では、距離測定用の画素１００の光入射側に、距離測定に用いる波長の光を選択的に透過する波長選択フィルタ１０１を設けているが、波長選択フィルタを設けなくても良い。
但し、波長選択フィルタ１０１を設ける方が好ましい。なぜならば、波長選択フィルタ１０１を設けた場合、距離測定に用いる波長以外の光が、入射光束の拡がり角全部に渡って入射することを防げるため、距離測定の精度がさらに向上するためである。
距離測定に用いる波長は、被写体の輝度が高い波長を選ぶ方が、距離測定の精度が上がるため好ましい。
一般的な被写体であれば、波長５５０ｎｍ付近の光に対して輝度が高いため、５５０ｎｍ付近の波長の光を距離測定に用いるのが好ましい。

また、図１では距離測定用の画素１００に隣接する画素１５０、１６０に距離測定に用いる波長の光を吸収する吸収フィルタ１５１、１６１が配置されているが、必ずしも吸収フィルタを配置する必要はない。
但し、吸収フィルタ１５１、１６１を配置する方が、距離測定用の画素１００に入った光のうち、隣接画素１５０、１６０で検出される光量が減るため、好ましい。
吸収フィルタ１５１、１６１は、距離測定用に用いる波長の光を吸収するが、画素１５０、１６０で検出する波長の光は吸収しないような波長選択性を持つ。具体的には色素や金属などを使えばよい。
なお、吸収フィルタ１５１、１６１は図８のように導波モード共鳴フィルタ１０２より光の入射側においても良い。
但し、図１のように導波共鳴モードフィルタ１０２とシリコン基板１０５の間においた方が好ましい。
なぜなら、隣接画素の光電変換部１５４、１６４により近い位置で、導波モード共鳴フィルタ１０２を透過した光を吸収できるためである。
また、図２では導波モード共鳴フィルタ１０２が、距離測定用の画素１００を含む複数の画素（画素１５０、画素１００、画素１６０）にまたがって配置されているが、導波モード共鳴フィルタは距離測定用の画素１００のみに設けられていれば良い（図９）。
但し、複数の画素に渡って導波モード共鳴フィルタが配置されていれば、導波モード共鳴フィルタの角度選択特性が優れるため、好ましい。
なぜなら、複数の画素に渡って配置することで、導波モード共鳴フィルタ１０２の周期配置の周期数が増え、入射光束１０６と導波モード共鳴フィルタ１０２の共鳴が強くなるためである。

図１に示す焦点検出用の画素では、入射光束１０６の主光線１０７が＋ｚ方向（シリコン基板表面１０５の法線１０９方向）を向いているが、周辺画素において、主光線１０７が＋ｚ方向から傾いて入射することがある。
その場合、入射光束の主光線１０７と、導波モード共鳴フィルタの法線１０８のなす角度φが一定となるように、導波モード共鳴フィルタの法線１０８と、シリコン基板の法線１０９のなす角φ’（所定角度）を画素毎に変えることが好ましい（図１０）。
これは以下の理由による。導波モード共鳴フィルタの共鳴条件は、導波モード共鳴フィルタに対する光の入射角で決定される。
そのため、入射光束の主光線１０７のなす角度と導波モード共鳴フィルタの法線１０８のなす角度（φ）を一定とすれば、各画素で共鳴条件（入射光束のうち共鳴を生じる光の入射角）が同一となる。
その結果、複数の焦点検出用の画素において、同じ導波モード共鳴フィルタを用いることが可能となり、固体撮像素子の製造が容易となる。
また、本実施形態では、複数の画素間でつぎのような構成を採ることができる。即ち、導波モード共鳴フィルタの法線と、導波モード共鳴フィルタに入射する光束の主光線の傾き角が等しく、かつ傾きの向きが逆であるような一対の距離測定用の画素を構成する。そして、該一対の距離測定用の画素からの信号を用いて、距離測定用の信号を出力するように構成することができる。

つぎに、本実施形態における固体撮像素子の製造方法を図１１を用いて説明する。
まず、シリコン基板１０５の所定の位置にイオンを打ち込み、光電変換部１０４を作製する（図１１（ａ））。
次に、必要に応じて配線層やゲート電極などを配置した後、ＳｉＯ₂部による光入射部１０３を形成し、ＣＭＰなどによって平坦化処理を行う（図１１（ｂ））。
続いて、画素１５０、１６０に対して色素の塗布などで吸収フィルタ１５１、１６１を作製し、画素１００についてはＳｉＯ₂によって平坦化する（図１１（ｃ））。
その後、リソグラフィーによって、−ｘ方向から＋ｘ方向に向かって膜厚が連続的に厚くなる犠牲層１８０を作製し、ドライエッチを行う（図１１（ｄ））。
この際、犠牲層１８０は、エッチングガスに対して完全な耐性を持つもので無ければ良い。
膜厚の薄い犠牲層ほど短い時間でエッチングされるため、犠牲層１８０の膜厚が厚いほどＳｉＯ₂部がエッチングされずに厚く残る（図１１（ｅ））。
次に、傾いたＳｉＯ₂面に、リソグラフィーと堆積などによって高誘電率部１２０、低誘電率部１２１を周期的に配置して導波モード共鳴フィルタを形成する（図１１（ｆ））。
この時、高誘電率部と低誘電率部は所望の誘電率を持つものであれば良く、例えばＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の組み合わせなどを用いればよい。
更に、ＳｉＯ₂を堆積した後、＋ｘ方向から−ｘ方向に向かって膜厚が連続的に厚くなる犠牲層１８１を作製し、ドライエッチを行う。
すると、図１１（ｄ）の工程と同様に、犠牲層１８１の膜厚の厚いものほどＳｉＯ₂が厚く残る。
その後、ＣＭＰなどを施すことで、平坦化された光入射部１０３が形成される（図１１（ｇ））。
最後に、色素の塗布などで波長選択フィルタ１０１を、距離測定用の画素１００に作製すれば、固体撮像素子が製造できる（図１１（ｈ））。

なお、本実施形態では、光入射部１０３が平坦化されている例を示したが、必ずしも平坦化されている必要はない。但し、光入射部１０３が平坦化されていたほうが、画素間の段差によって発生した散乱光がクロストークやロスの原因となるのを防げるために好ましい。
また、本実施形態では、シリコン基板１０５に対して光電変換部１０４を作製するためにイオンを打ち込んだほうから光を入射する、表面入射型の固体撮像素子の例を示したが、必ずしも表面入射型の固体撮像素子である必要はない。
即ち、図１２のように、シリコン基板の、イオンを打ち込んでいない側から光を入射する、裏面入射型の固体撮像素子に適用しても良い。

［実施形態２］
実施形態２として、上記実施形態１と異なる形態の固体撮像素子の構成例について説明する。
図１３に示すように、本実施形態における固体撮像素子２００は、実施形態１の固体撮像素子に対し、導波モード共鳴フィルタ２０２の特性と配置、及び導波モード共鳴フィルタ２０２よりも光入射側に、偏向素子２１０が配置されている構成が異なる。
ここでの導波モード共鳴フィルタ２０２は、図１４に示すように、距離測定に用いる波長の光に対し、導波モード共鳴フィルタ２０２の法線２０８から角度γ（所定の反射角度）だけ傾いた光を反射する特性を有する構成を備える。
また、導波モード共鳴フィルタ２０２の法線２０８は、シリコン基板１０５の法線１０９と同じ方向となるように配置されている。
偏向素子２１０は、シリコン基板１０５の入射面（ｘｙ面）に対して角度αだけ傾いた面２１１（偏向面）を有し、入射光束１０６の主光線１０７を、角度β（所定の偏向角度）だけ偏向させる特性を有する。

以上のように構成された導波モード共鳴フィルタ２０２に対し、上記偏向素子２１０を配置すれば、以下に述べる理由によって、高精度の測距が可能となる。実施形態１で説明したように、距離測定のためには、特定角度から入射した光のみを選択的に受光すればよい。
そこで、導波モード共鳴フィルタ２０２、偏向素子２１０によって特定角度から入射した光のみを選択的に受光できることを示す。
図１３では、＋ｚ方向（入射光束の中心線１０７の方向）から時計回りに角度γ−βだけ傾いた光１０６Ｂは、導波モード共鳴フィルタ２０２に対して法線２０８の方向より角度γだけ傾いて入射することとなり、共鳴条件を満たして反射される（図１４）。
そのため、時計回りに傾いて入射した光の透過率が、反時計回りに傾いて入射した光の透過率よりも小さく、反時計回りに傾いて入射した光を選択的に検出できている。

図１５（ａ）に、光電変換部における電場強度の入射角依存性を、電磁場計算によって計算した結果を示す。
横軸が反時計回りを正方向に取った入射角度、縦軸が電場強度である。画素２００、１５０、１６０のｘ方向の幅は１．４μｍである。
また、導波モード共鳴フィルタ２０２の構造パラメータ（Ａ、Ｂ、Ｃ、ε１、ε２、ε３）、及び偏向素子２１０の構造パラメータ（頂角α、誘電率ε４）は、図１５（ｂ）に示すとおりである。
導波モード共鳴フィルタ２０２は、Ｙ方向には一様な誘電率分布を有しており、距離測定に用いる光の波長は６７４ｎｍである。光束１０６は、主光線１０７が＋ｚ方向、拡がり角（２θ）が２０度で入射している。
図１５（ａ）に示すように、反時計回りに５度傾いた光は９６％が透過し、時計回りに５度傾いた光は２５％しか透過しない。
従って、反時計回りに傾いて入射した光を選択的に受光しており、位相差方式を利用した距離測定が可能となっている。
本計算形態では、角度β（所定の偏向角度）が５度、角度γ（所定の反射角度）が１０度となるように導波モード共鳴フィルタ２０２及び偏向素子２１０の構造パラメータが設計されている。

以上で示したように、偏向素子２１０によって、入射光束１０６の主光線１０７の方向を所定の偏向角度（β）だけ曲げ、主光線を導波モードフィルタ２０２の法線２０８に対して傾けて入射させている。
それにより、入射光束１０６のうち、特定入射角で入射した光を選択的に受光でき、高精度の測距が可能となる。
なお、図１３では、共鳴を生じる角度がＺ方向（法線２０８の方向）から角度γ傾いた方向となるような導波モード共鳴フィルタ２０２を用いているが、共鳴を生じる角度がＺ方向となるような導波モード共鳴フィルタ２１２を用いても良い。
この場合、入射光束の主光線１０６の方向より反時計回りにβだけ傾いて入射した光１０６Ａが共鳴によって反射される（図１６（ａ））。
従って、時計回りに傾いて入射した光を選択的に受光できる。このような条件を満たすためには、図１５（ｂ）の構造パラメータを持つ共鳴フィルタを用い、距離測定に用いる光の波長を５４６ｎｍとすればよい。
また、距離測定に用いる光の波長を６７４ｎｍのままで、構造パラメータを図１６（ｂ）に変えても良い。

導波モード共鳴フィルタの法線１０８方向に対して平行に入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタ２１２を用いれば、実施形態１で説明したように、より広い帯域の波長の光を測距に用いることができる。
その結果、測距精度が向上するため好ましい。
この時、偏向素子２１０による主光線１０７の曲げ角β（所定の偏向角度）は、入射光束１０６の拡がり角（２θ）の半分（θ）以下であることが好ましい。
なぜなら、透過率の谷が入射光束の拡がりの範囲内に来るため、反時計周りに傾いて入射した光を効率よく反射できるためである（図１６（ｃ））。
一方、導波モード共鳴フィルタの法線２０８の方向（Ｚ方向）から角度γ（所定の反射角度）傾いた光を反射する導波モード共鳴フィルタ２０２を用い、曲げ角βが入射光束の拡がり角（２θ）の半分（θ）よりも小さい偏向素子２１０を用いると以下の利点がある。
利点とは、距離測定用の画素１００に入射した光のうち、隣接する画素１５０、１６０で検出される光の光量を減らせるという利点である。

これは以下のような理由による。共鳴を生じる角度がＺ方向となるような導波モード共鳴フィルタ２１２を用いた場合、＋ｚ方向より時計回りに傾いて入射した光１０６Ｂが導波モード共鳴フィルタ２１２を透過する。
従って、透過光束はシリコン基板１０５の法線１０９に対して傾いて入射する（図１６（ｄ））。
そのため、導波モード共鳴フィルタ２１２を透過した光のうち、隣接画素で検出される光量の割合が高くなる。
一方、共鳴を生じる角度がＺ方向から角度γ傾いている導波モード共鳴フィルタ２０２を用いた場合は、反時計回りに傾いて入射した光１０６Ａが導波モード共鳴フィルタ２０２を透過する。
反時計回りに傾いて入射した光は、偏向素子２１０によって角度β曲げられるため、シリコン基板１０５に対して、＋ｚ方向から反時計回りを正方向として、角度−β〜角度−β＋θの範囲の傾きで入射する（図１７（ａ））。
この時、−β＜０＜−β＋θの条件を満たしていれば、透過光束の一部が、シリコン基板１０５の法線１０９に沿って入射する。従って、導波モード共鳴フィルタ２０２を透過した光のうち、隣接画素で検出される光量が少ない。
−β＜０＜−β＋θの不等式は、０＜β＜θと等価であるため、偏向素子２１０による主光線の曲げ角β（所定の偏向角度）が、入射光束の拡がり角（２θ）の半分（θ）以下であれば、隣接画素で検出される光量が少ないことがわかる。

共鳴を生じる方向がＺ方向から角度γ傾いた角度となるような導波モード共鳴フィルタ２０２を用いた場合、
角度γ（所定の反射角度）と、偏向素子２１０による曲げ角β（所定の偏向角度）の差が、入射光束の拡がり角（２θ）の半分（θ）以下であることが好ましい。
なぜなら、透過率の一方の谷が時計回りに傾いた入射光束の拡がりの範囲内に来るため、時計周りに傾いて入射した光を効率よく反射できるためである（図１７（ｂ））。
また、角度γ（所定の反射角度）と角度β（所定の偏向角度）の和が、入射光束の拡がり角（２θ）の半分（θ）以上であることも好ましい。
なぜなら、透過率のもう一方の谷が反時計回りに傾いた入射光束の拡がりの範囲から外れるため、上記和を拡がり角の半分以上とすることで反時計回りに傾いた光を更に選択的に検出できるからである（図１７（ｃ））。
また、図１３では、波長選択フィルタ１０１を、導波モード共鳴フィルタ２０２と偏向素子２１０の間に配置したが、波長選択フィルタ１０１、偏向素子２１０が共に導波モード共鳴フィルタ２０２よりも光の入射側に配置されていれば、互いの順序は問わない。
即ち、図１８のように、偏向素子２１０よりも光入射側に波長選択フィルタ１０１を設けても良い。

なお、図１３では、シリコン基板１０５の光入射面（ｘｙ面）に対して傾いた面２１１によって入射光束の主光線を曲げる偏向素子２１０を用いていたが、このような構成に限られるものではない。
距離測定用の画素に入射する光束の主光線に対して垂直な方向において単調に変化する屈折率分布を有する偏向素子を用いて、入射光束の主光線を曲げるようにしても良い。
即ち、図１９に示すように、入射光束の主光線１０７に対して垂直な方向であるｘ方向に、−ｘ方向から＋ｘ方向に向かって減少するような屈折率分布をつけた偏向素子２３０を用いればよい。
入射光束１０６の主光線１０７は、入射時の＋ｚ方向から、偏向素子２３０の屈折率分布によって、時計回りに曲げられるため、偏向素子２３０は偏向素子２１０と同じ役割を果たすことができる。
屈折率分布を与える方法としては、媒質の密度に粗密を与える、微粒子を分散させるなどの方法がある。

つぎに、本実施形態における固体撮像素子の製造方法を図２０を用いて説明する。
シリコン基板に光電変換層を形成後、吸収フィルタを作製するまでは図１１（ａ）〜（ｃ）と同じ工程であるため、説明を省略する。
図１１（ｃ）の工程後、ＳｉＯ₂層を再度平坦に積み、リソグラフィーと堆積などによって高誘電率部２２０、低誘電率部２２１を周期的に配置して導波モード共鳴フィルタを形成する（図２０（ａ））。
波長選択フィルタを色素の塗布などで作製した後、更に、ＳｉＯ₂を堆積し、＋ｘ方向から−ｘ方向に向かって膜厚が連続的に厚くなる犠牲層２８０を作製し、ドライエッチを行う。
すると、図１１（ｄ）の工程と同様に、犠牲層２８０の膜厚の厚いものほどＳｉＯ₂が厚く残り、偏向素子２１０が作製できる（図２０（ｂ））。
このとき、ＳｉＯ₂の傾いた面が偏向素子２１０の傾いた面２１１に相当する。

１００：距離測定用画素
１０１：波長選択フィルタ
１０２：導波モード共鳴フィルタ
１０３：光入射部
１０４：光電変換部
１０５：シリコン基板
１０６：入射光束
１０７：入射光束の主光線
１０８：導波モード共鳴フィルタの法線
１０９：シリコン基板表面の法線

Claims (18)

1. 基板の内部に形成された光電変換部と、該基板の光入射面の側に形成された光入射部とを備えた複数の画素を有する固体撮像素子であって、
   前記複数の画素の少なくとも一部が、距離測定用の画素で構成されており、
   前記距離測定用の画素が有する前記光入射部は、該光入射部の内部に特定入射角で入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタを備え、
   前記導波モード共鳴フィルタは、該導波モード共鳴フィルタの法線が該導波モード共鳴フィルタに入射する光束の主光線に対して傾きを有していることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記導波モード共鳴フィルタは、該導波モード共鳴フィルタの法線が、前記基板の光入射面に対して、所定角度だけ傾きをもつように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記導波モード共鳴フィルタは、該導波モード共鳴フィルタの法線に対して平行に入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記導波モード共鳴フィルタの法線と、前記距離測定用の画素に入射する光束の主光線とのなす角度が、前記距離測定用の画素に入射する光束の拡がり角の半分以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記距離測定用の画素に入射する光束の主光線と、前記導波モード共鳴フィルタの法線のなす角度が一定となるように、
   前記導波モード共鳴フィルタの法線の前記基板の光入射面に対する所定角度が、前記複数の距離測定用の画素間で異なる角度に配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記導波モード共鳴フィルタは、該導波モード共鳴フィルタの法線が、前記基板の法線と同じ方向となるように配置され、
   前記導波モード共鳴フィルタよりも光の入射側に、前記距離測定用の画素に入射する光束の主光線の方向を曲げる偏向素子を備え、
   前記偏向素子によって曲げられた主光線が、前記導波モード共鳴フィルタの法線に対して、所定の偏向角度で入射することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記導波モード共鳴フィルタが、該導波モード共鳴フィルタの法線に対して平行に入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタで構成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記所定の偏向角度が、前記距離測定用の画素に入射する光束の拡がり角の半分以下であることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記導波モード共鳴フィルタが、該導波モード共鳴フィルタの法線に対して所定の入射角度だけ傾いて入射した光を反射する導波モード共鳴フィルタで構成され、前記所定の偏向角度が、前記光束の拡がり角の半分以下であることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
10. 前記所定の偏向角度と、前記所定の入射角度との差が、前記光束の拡がり角の半分以下であることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子。
11. 前記所定の偏向角度と、前記所定の入射角度との和が、前記光束の拡がり角の半分以上であることを特徴とする請求項９または１０に記載の固体撮像素子。
12. 前記偏向素子によって曲げられた主光線と、前記導波モード共鳴フィルタの法線のなす角度が一定となるように、
    前記偏向素子が、前記複数の距離測定用の画素間で異なることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
13. 前記偏向素子は、少なくとも一つの偏向面を有し、前記距離測定用の画素に入射する光束の主光線に対して該偏向面の法線が傾いており、
    該偏向面を通過することで前記距離測定用の画素に入射する光束の主光線が曲げられ、前記導波モード共鳴フィルタに対して傾いて入射することを特徴とする請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
14. 前記偏向素子は、前記距離測定用の画素に入射する光束の主光線に対して垂直な方向において単調に変化する屈折率分布を有する偏向素子であって、
    前記屈折率分布をもつ偏向素子を透過することにより前記入射光束の主光線が曲がることを特徴とする請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
15. 前記距離測定用の画素において、前記導波モード共鳴フィルタよりも光の入射側に、前記距離測定に用いる波長の光を選択的に透過する波長選択フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
16. 前記距離測定用の画素に隣接する画素に、前記距離測定に用いる波長の光を吸収する吸収フィルタが配置されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
17. 前記導波モード共鳴フィルタが、少なくとも前記距離測定用の画素を含む複数の画素にまたがって、連続的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
18. 前記導波モード共鳴フィルタの法線と、前記導波モード共鳴フィルタに入射する光束の主光線の傾き角が等しく、かつ傾きの向きが逆であるような一対の距離測定用の画素を有し、該一対の距離測定用の画素からの信号を用いて、距離測定用の信号を出力することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

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