专利名称：固体摄像元件、固体摄像器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有在半导体衬底上形成的光电转换元件和在光电转换元件上形成的光学元件的固体摄像元件，特别涉及将光子晶体用作光学元件的固体摄像元件、以及由多个固体摄像元件构成的固体摄像器件。
背景技术：
以前，作为提高固体摄像元件的聚光效率的技术，提出了各种技术。例如，如图1所示的固体摄像元件30，为了将入射光聚光到光电转换元件27上，在其上部形成了微透镜21，还在其内部形成了层内透镜24，来谋求改善聚光效率。另外，固体摄像元件30为了检测RGB光信号中的一种光信号而设置了滤色片22。即，根据检测的光信号，从三种滤色片中选择一种滤色片来设置。
另外，关于固体摄像元件(或固体摄像器件)，提出了各种技术(例如，参照日本特开2003-133536号公报(现有技术1)和日本特开2001-44401号公报(现有技术2))。
上述现有技术1中所公开的固体摄像器件，具有如下结构在围住光电转换元件之上的窗口的区域设置波导构造的光子晶体，从而阻止预定波长区域的光的侵入。因此，不必使用金属等遮光膜，在防止光射入到其周边区域的同时，可谋求聚光效率的改善。
另外，上述现有技术2中所公开的固体摄像元件，在光电转换元件上形成有锥状且具有光反射性的反射膜。并且，在反射膜所围起的部分的光电转换元件的上部，形成有随着从周边到中心折射率变高的透射膜。其结果，入射到固体摄像元件的光在光电转换元件的位置高效率地聚光，聚光灵敏度提高。
但是，上述现有的固体摄像元件(或固体摄像器件)，全部由多个元件进行聚光和色分离，因此聚光效率因各元件之间的反射损耗和耦合损耗而有限，存在难以实现用于提高单位面积的像素数量的固体摄像元件的小型化的问题。
另外，在上述现有技术中，必须另外设置滤色片，构成滤色片的树脂和颜料的尺寸是固体摄像元件的尺寸的几分之一左右，因此存在色分离随着固体摄像元件的小型化而变得困难的问题。
另外，从固体摄像元件30的集合体即固体摄像器件来看，光几乎垂直地入射到固体摄像器件的中央附近的固体摄像元件30，光倾斜地入射到周边附近的固体摄像元件30。但是，由于微透镜21通过回流而形成，所以，难以将固体摄像器件的中央附近的固体摄像元件30的微透镜21和周边附近的固体摄像元件30的微透镜21区分开来成型(即，考虑固体摄像器件的各个固体摄像元件的位置，来控制各微透镜的成型)，因此，存在固体摄像器件的周边附近的固体摄像元件的聚光效率低于中央附近的固体摄像元件的聚光效率的问题。
再有，在上述现有技术1中所公开的固体摄像器件中，采用以反射镜得到RGB的各光的方式，因此存在聚光效率有限的问题。
发明内容
因此，本发明是为了解决上述的问题点而做出的发明，目的在于提供一种低损耗且聚光效率高的小型的固体摄像元件、固体摄像器件及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明的固体摄像元件包括光电转换元件和在上述光电转换元件上形成的光学元件，上述光学元件具有使折射率不同的至少两种透光材料层叠而构成的具有预定折射率的折射率周期构造；上述折射率周期构造具有在层叠方向上的周期构造、以及在面内方向上呈同心且相似形状的周期构造。
据此，本发明的固体摄像元件，由于由具有折射率周期构造的一体型光学元件同时实现色分离和聚光，因此没有由多个元件构成固体摄像元件时产生的反射损耗和耦合损耗，能实现低损耗且聚光效率高的小型的固体摄像元件。
另外，为了达到上述目的，本发明的固体摄像器件中多个固体摄像元件排列成2维形状，上述固体摄像元件包括光电转换元件和在上述光电转换元件上形成的光学元件，上述光学元件具有使不同折射率的至少2种透光材料层叠而构成的具有预定折射率的折射率周期构造，上述折射率周期构造，具有在层叠方向上的周期构造和在面内方向上呈同心且相似形状的周期构造。
据此，本发明的固体摄像器件，由于是将低损耗且聚光效率高的上述固体摄像元件排列成2维形状而构成，因此作为固体摄像器件整体也能实现低损耗且聚光效率高的小型的固体摄像器件。
另外，本发明的固体摄像器件的制造方法，使用用于半导体的制造工艺中的多层膜形成技术(例如，光刻和刻蚀等)，来形成具有折射率周期构造的光学元件(光子晶体)，因此能容易地实现用于从RGB光信号中检测出一种光信号的折射率周期构造、和与固体摄像器件中的固体摄像元件的位置相对应的最佳的折射率周期构造。
另外，本发明的固体摄像器件的制造方法，在成形垂直剖面形状为三角形的具有折射率周期构造的光学元件(光子晶体)的情况下，在面内方向上具有同心且相似形状的基底上通过自己隆起而成形。该垂直剖面形状为三角形的具有折射率周期构造的光学元件(光子晶体)，也和筒型形状的光学元件(光子晶体)具有同等的功能。
如上所述，本发明的固体摄像器件除了低损耗且聚光效率高之外，还能实现小型化，因此应用范围广，其实用价值极高。
图1(a)是现有技术涉及的固体摄像元件的剖面图。
图1(b)是现有技术涉及的固体摄像元件的俯视图。
图2是本发明实施方式1涉及的固体摄像元件组的外观图。
图3是示出了本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的构成低折射率层或高折射率层的低折射率材料或高折射率材料的具体例的图。
图4是用于说明本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的光子晶体的间距和开口的图。
图5是示出了本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的间距和开口尺寸的具体例的图。
图6是本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的剖面图的一例。
图7(a)是作为本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的变形例，示出了面内方向的周期构造的形状为正六边形的固体摄像元件的图。
图7(b)是作为本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的变形例，示出了面内方向的周期构造的形状为正方形的固体摄像元件的图。
图8是示出了平面地配置了本发明实施方式1涉及的、面内方向的周期构造的形状为正六边形的固体摄像元件的图。
图9是示出了本发明实施方式1涉及的固体摄像元件的光子晶体的制造方法的流程图。
图10是本发明实施方式2涉及的固体摄像元件组的外观图。
图11是本发明实施方式2涉及的固体摄像元件组的光子晶体的基底的外观图。
图12是示出了本发明实施方式2涉及的固体摄像元件的光子晶体的制造方法的流程图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细地说明本发明涉及的实施方式。
(实施方式1)图2是本实施方式涉及的固体摄像元件11a、11b和11c的外观图。例如，固体摄像元件11c，在半导体衬底5c的表面设置有将入射光转换成信号电荷的光电转换元件4c，在光电转换元件4c上部的窗口周围，设置有遮挡来自侧面方向的光的射入的遮光部3c，在遮光部3c的上部设置有平坦化层7c，在平坦化层7c的上部还设置有后面详述的层叠结构的光子晶体。如图2所示，固体摄像元件11c的光子晶体，在中心部设有圆柱状的空洞的开口部8c，在其周围设置有纵长环状的空洞、即两个开口部9c、10c。另外，在从该固体摄像元件11c的正上方看过去的情况下，可以确认是5个同心圆，这些同心圆的中心和光电转换元件4c的中心形成一致。
该光子晶体用于同时进行光的色分离和聚光。在层叠方向上，形成与多层膜滤光片一样的折射率周期构造。也就是说，在整体上以11层的多层膜构成，从最上层开始，奇数层为由低折射率材料形成的低折射率层1(例如，固体摄像元件11c时为1c)，从上面起第2层开始，偶数层为由高折射率材料形成的高折射率层2(例如，固体摄像元件11c时为2c)，它们交替配置。另外，从上面起第6层由高折射材料形成的层是层叠缺陷谐振器6(例如，固体摄像元件11c时为6c)。
构成光子晶体的材料，例如，作为低折射率材料1有SiO2、Al2O3等，作为高折射率材料2有TiO2、Ta2O5等。另外，为了避免因吸收引起的损耗，在可见区最好是透明的材料。在使用了SiO2和Ta2O5的情况下，由SiO2形成的各低折射率层的膜厚为217(nm)，由Ta2O5形成的各高折射率层的膜厚为141(nm)(其中，层叠缺陷谐振器为282(nm))。
另一方面，在光子晶体的面内方向上，每个固体摄像元件上都设有3个同心圆状的空洞。也就是说，最上层中央的开口和两个环状的开口各自垂直地挖空，直到光子晶体的最下层。中央的开口的直径和环状开口的宽度，在固体摄像元件11a、11b和11c的光子晶体中，都分别为180(nm)、210(nm)、250(nm)(环状开口的间距全部为600(nm))。
透射波长由光子晶体的层叠方向的低折射率层1和高折射率层2各自的膜厚和折射率决定，但是，实际折射率因同心圆周期如上述那样变化而变化，所以透射波长发生变化，且利用固体摄像元件11a、11b和11c的光子晶体能够对R、G和B这些光分别进行色分离(波长滤光片功能)。另外，在该光子晶体的面内方向上，因同心且相似形状的折射率周期构造而产生聚光功能。
另外，固体摄像元件11a、11b和11c的构造并不限于如上所述的构造。
图3是示出了本实施方式涉及的构成固体摄像元件的低折射率材料和高折射率材料的具体例的图。另外，图3中还示出了上述图2中的层叠缺陷谐振器6c的膜厚的具体例。
图4是用于说明本实施方式涉及的固体摄像元件的光子晶体的间距和开口的图。在上述图2中示出了有3个开口部的固体摄像元件的例子，而在图4中示出了有4个开口部的固体摄像元件11a’的例子。在图4中，将相邻开口之间的距离定义为间距。例如，将从中央的开口端到下一环状开口端的距离定义为间距P1。以下，间距P2、P3也同样进行定义。再有，在图4中，将中央的开口的宽度定义为A1，将其外侧的环状开口的宽度从内侧起依次定义为A2、A3。
图5是如上述图4所定义时，光子晶体的间距和开口尺寸的具体例。
图6是本实施方式涉及的固体摄像元件11a的层叠方向的剖面图的一例。光子晶体10a具有层叠方向的折射率周期构造、以及在面内方向上呈同心且相似形状的(例如同心圆状的)折射率周期构造，通过该光子晶体10a仅使入射光中的特定波长段(此时为红)透射并聚光，并到达光电转换元件4a。
图7是表示本实施方式涉及的固体摄像元件的变形例的图。在上述图2中，示出了在面内方向上的同心状的形状(即，在水平面上剖开时的剖面形状)为圆的例子，但是，图7(a)所示的固体摄像元件11d是正六边形，另外，图7(b)所示的固体摄像元件11e是正方形。
图8是示出了平面地配置了本发明实施方式1涉及的、在面内方向上的同心且相似的形状为正六边形的固体摄像元件11f的例的图。此时，配置仅使RGB中的某1个光成分透射的3种正六边形的固体摄像元件11f，使得没有间隙并且种类相同的固体摄像元件11f彼此不相邻。如果将固体摄像元件11f象这样排列成蜂巢状，则与排列成正方形格子状时相比，在各固体摄像元件的光子晶体中，角部分的不能聚光的区域减少。因此，聚光效率提高。并且，如果将固体摄像元件排列成蜂巢状，并在由光子晶体构成的光学元件的面内方向上，将同心且相似形状设置成六边形，则几乎不产生不能聚光的区域。因此，聚光效率进一步提高。
图9是表示本实施方式涉及的固体摄像元件11a、11b和11c的光子晶体的制造方法的流程图。首先，通过用溅射法等形成多层膜，设置叠层方向的折射率周期构造(S1)，接着，经过通过基于电子束曝光等光刻法和干刻蚀等在面内方向上设置同心且相似形状的空洞的工序(S2)，最终制造出具有上述图2所示的层叠方向的折射率周期构造、以及在面内方向上具有同心且相似形状的折射率周期构造的筒型光子晶体。另外，作为实现上述图2所示的纵横比大的深的微细构造的刻蚀技术，请参照以下所示的文献。
(1)Inductively coupled plasma(ICP)EtchingT.Bada他Journal ofLightwave technology，vol.17pp.2113-2120，1999；(2)Electron Cyclotron Resonance(ECR)EtchingT.Bada他Japanese Journal of Applied Physics，vol.38pp.7253-7256，1999；(3)Anode-Coupled Reactive Ion Etching(RIE)T.Saitoh他Japanese Journal of Applied Physica，vol.39pp.6259-6263，2000。
如上所述，本实施方式的固体摄像元件，仅使用由光子晶体形成的光学元件进行聚光和色分离，因此没有作为现有的问题点的、因由多个元件构成而引起的反射损耗和耦合损耗，另外，不需要滤色片，因此能实现极低损耗且聚光效率高的小型固体摄像元件。
另外，在本实施方式中，在面内方向上，同心且相似的形状是圆、正六边形或者正方形，但是也可以用其它的多边形来实施。
(实施方式2)接下来，说明本发明实施方式2涉及的固体摄像元件。与实施方式1的不同点在于，光子晶体的构造和制造方法。
图10是本实施方式涉及的固体摄像元件12a、12b和12c的外观图。例如，固体摄像元件12c，在半导体衬底5c的表面设置有将入射光转换成信号电荷的光电元件4c，在该光电元件4c上部的窗口周围设置有遮挡来自侧面的光的射入的遮光部3c，在该遮光部3c的上部还设置有后面详述的光子晶体，且该光子晶体的同心且相似形状的中心与光电转换元件4c的中心一致。
光子晶体在叠层方向上形成有与多层膜滤光片一样的折射率周期构造。与上述实施方式1一样，整体上由11层构成，从最上层起在奇数层上配置有低折射率层1c，并且，从上面第2层起在偶数层上配置有高折射率层2c。另外，从上面起第6层的由高折射率材料构成的层为层叠缺陷谐振器6c。低折射率层1c和高折射率层2c的材料例子与上述实施方式1相同。例如，在使用了SiO2和Ta2O5的情况下，SiO2的膜厚为92(nm)(其中，最下层为200(nm))，Ta2O5的膜厚为60(nm)(其中，层叠缺陷谐振器为120(nm))。
另一方面，在光子晶体的面内方向上，从最上层到第10层为止，剖面形状为三角形的山形突起形成3个同心圆，由此得到折射率周期构造。第11层即最下一层的构造在后面详述。
图11是用于制造本发明实施方式2涉及的固体摄像元件的光子晶体的基底的外观图。基底13a、13b和13c分别成为通过自己隆起制造上述图10所示的固体摄像元件12a、12b和12c的光子晶体时的基底。即，成为上述图10所示的固体摄像元件12a、12b和12c的光子晶体的最下层。在膜厚200(nm)的SiO2的上部，设置3个剖面形状为长方形、高度为100(nm)的同心圆状突起。突起的宽度和相邻的同心圆的间距，在基底13a、13b和13c上，分别为80(nm)和160(nm)、100(nm)和200(nm)，以及120(nm)和240(nm)。中心部的直径分别与同心圆的间距相同。
透射波长由光子晶体在层叠方向上的低折射率材料1和高折射率材料2各自的膜厚和折射率决定，但是，实际折射率因同心圆周期如上所述变化而变化，因此透射波长变化，上述图10的固体摄像元件12a、12b和12c的光子晶体可分别对B、G和R这些光进行RGB的色分离(波长滤光片功能)。另外，在光子晶体的面内方向上，同心且相似形状的折射率周期构造产生聚光功能。
图12是表示本实施方式涉及的固体摄像元件的光子晶体的制造方法的流程图。首先，进行在上述图11所示的面内方向上形成同心且相似形状的基底的制造工序(S11)，接着，经过通过自己隆起交替层叠高折射率材料和低折射率材料，从而在面内方向上和层叠方向上设置折射率周期构造的工序(S12)，最终，制造出具有上述图10所示的层叠方向上的折射率周期构造、以及在面内方向上的同心且相似形状的折射率周期构造的固体摄像元件12a、12b和12c的光子晶体。
如上所述，本实施方式2中的固体摄像元件，使用只由通过自己隆起制造出的光子晶体形成的光学元件进行色分离和聚光，因此不需要滤色片，没有因多个元件的结构而造成的反射损耗和耦合损耗，因此能实现极低损耗且聚光效率高的小型的固体摄像元件。因此，可以使一个固体摄像元件在面内方向上的大小比以前小。
另外，在本实施方式中，在面内方向上同心且相似的形状为圆，但也可以用正六边形和正方形等多边形来实施。
以上，对于本发明涉及的固体摄像元件，基于实施方式进行了说明，但是本发明并不限于这些实施方式。例如，在上述实施方式1和2中，光子晶体做成11层的层叠构造，但是也可以做成11层以上的层叠构造。另外，面内方向的同心的周期构造为3个周期，并且是规则的，但是，大于或等于4个周期也可以，并且也可以是不规则的。另外，光子晶体的制造方法并不限于多层膜形成技术、光刻、刻蚀和自己隆起，也可以用其它方法来制造。
产业上的可利用性本发明可以用于固体摄像元件，特别是可以应用于数字静像照相机、便携式终端等中的CCD型固体摄像器件等中。
权利要求
1.一种固体摄像元件，包括光电转换元件和在上述光电转换元件上形成的光学元件，其特征在于，上述光学元件具有使折射率不同的至少两种透光材料层叠而构成的具有预定折射率的折射率周期构造；上述折射率周期构造具有在层叠方向上的周期构造、以及在面内方向上呈同心且相似形状的周期构造。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述光学元件的构造是使上述面内方向上的同心且相似的形状在垂直于上述面内方向的方向上延伸的筒型形状。
3.如权利要求2所述的固体摄像元件，其特征在于，作为上述筒型形状，在上述光学元件上，在上述垂直的方向上形成有同心状的一个或者多个开口部。
4.如权利要求3所述的固体摄像元件，其特征在于，作为上述筒型形状，在上述光学元件上，越是靠近外侧的开口部，表示一个开口部的宽度的开口宽度与表示上述一个开口部和与之最近的外侧的开口部之间的间隔的间距的比例越大。
5.如权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，作为上述筒型形状，在上述光学元件上，上述间距一定，并且上述开口宽度越靠近外侧越大。
6.如权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，作为上述筒型形状，在上述光学元件上，上述开口宽度一定，并且上述间距越靠近外侧越小。
7.如权利要求4所述的固体摄像元件，其特征在于，作为上述筒型形状，在上述光学元件上，上述间距越靠近外侧越小，并且上述开口宽度越靠近外侧越大。
8.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，在上述面内方向上呈同心且相似的形状的周期构造的垂直剖面形状，呈连续的三角形。
9.如权利要求2或8所述的固体摄像元件，其特征在于，上述相似的形状是圆或者多边形。
10.如权利要求8所述的固体摄像元件，其特征在于，上述光学元件通过自己隆起的方法形成。
11.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，上述光学元件包括由低折射率材料构成的低折射率层和由高折射率材料构成的高折射率层，作为上述低折射率材料使用SiO2或者Al2O3中的任意一种，作为上述高折射率材料使用TiO2、Ta2O5、Nb2O5或者HfO2中的任意一种。
12.一种固体摄像器件，多个固体摄像元件排列成2维形状，其特征在于，上述固体摄像元件包括光电转换元件和在上述光电转换元件上形成的光学元件，上述光学元件具有使不同折射率的至少2种透光材料层叠而构成的具有预定折射率的折射率周期构造，上述折射率周期构造，具有在层叠方向上的周期构造和在面内方向上呈同心且相似形状的周期构造。
13.如权利要求12所述的固体摄像器件，其特征在于，上述固体摄像器件的上述固体摄像元件排列成蜂巢状。
14.一种固体摄像器件的制造方法，该固体摄像器件的多个固体摄像元件排列成2维形状，其特征在于，上述固体摄像元件包括光电转换元件和在上述光电转换元件上形成的光学元件，上述光学元件具有使折射率不同的至少2种透光材料层叠而构成的具有预定折射率的折射率周期构造，上述折射率周期构造，具有在层叠方向上的周期构造和在面内方向上呈同心且相似形状的周期构造，上述制造方法包括用光刻和刻蚀使面内方向上的同心且相似形状在垂直方向上延伸，形成具有筒型空洞的上述光学元件的元件形成步骤。
15.一种固体摄像器件的制造方法，该固体摄像器件的多个固体摄像元件排列成2维形状，其特征在于，上述固体摄像元件包括光电转换元件和在该光电转换元件上形成的光学元件，上述光学元件具有使折射率不同的至少2种透光材料层叠而构成的具有预定折射率的折射率周期构造，上述折射率周期构造，具有在层叠方向上的周期构造和在面内方向上呈同心且相似形状的周期构造，在上述面内方向上呈同心且相似形状的周期构造的垂直剖面形状，呈连续的三角形，上述制造方法包括在面内方向上具有同心且相似形状的基底上，通过自己隆起形成具有上述折射率周期构造的上述光学元件的元件形成步骤。
16.如权利要求14或者15所述的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，上述光学元件为光子晶体。
全文摘要
本发明提供一种固体摄像元件、固体摄像器件及其制造方法。具有使低折射率材料(1)和高折射率材料(2)交替层叠的折射率周期构造、以及在面内方向上为同心且相似的形状(圆或者多边形)的折射率周期构造的光子晶体，配置在各光电转换元件上而构成固体摄像元件(11a、11b和11c)。只用本光子晶体就能同时进行RGB的色分离和聚光。另外，本光子晶体，对于具有层叠方向的折射率周期构造的多层膜，能用通过光刻和刻蚀在面内方向上设置同心且相似形状的空洞的方法来制造，或者在面内方向上形成同心且相似形状的基底上，能用通过自己隆起设置面内方向和层叠方向的折射率周期构造的方法来制造。
文档编号H04N5/335GK1797774SQ200410101190
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者折田贤儿, 泷川信一 申请人:松下电器产业株式会社