JP5404732B2 - 光電変換素子およびこれを用いた光電変換装置、撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、光導波路を有する光電変換素子に関する。

光電変換部を備えた光電変換素子において、光電変換部の数を増やすため、及び／又は光電変換素子を小型化するためには、光電変換部のピッチを小さくしたり、受光面の面積を小さくしたりする必要がある。そのため、入射光の利用効率を高めることで光電変換素子の感度を向上することができる。

入射光の利用効率を高めるためには、特許文献１、２、３に記載されているように、受光部（光電変換部）の受光面上に光導波路（光路部材）を設け、光導波路の上部にマイクロレンズを形成することが有効である。

特許文献１には、マイクロレンズの焦点が光導波路の入射面近辺に位置することが開示されている。特許文献２には、マイクロレンズの焦点が受光面近傍に位置することが開示されている。特許文献３には、マイクロレンズの光軸付近の領域から入射した光の焦点が光導波路の出射面付近に位置し、マイクロレンズの周縁付近の領域から入射した光の焦点が光導波路の入射面付近に位置することが開示されている。

特開平０７−０４５８０５号公報 特開２００２−１１８２４５号公報 特開２００８−２１８６５０号公報

本発明は、受光面に入射する光の量を増加させることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の光電変換素子は、光電変換部と、開口部を囲む側面および前記側面から延在した上面を有する絶縁膜と、前記側面に接し、前記光電変換部の受光面に対応した領域に下面を有する光路部材と、少なくとも１つの集光レンズ体層を含む集光部材と、を備え、前記光路部材は、円錐台形状、角錐台形状、角柱形状または円柱形状を呈しており、前記集光部材は、前記集光レンズ体層と前記光路部材との間に位置する高屈折率層と、前記高屈折率層と前記光路部材との間に位置し、前記高屈折率層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層と、を含み、前記絶縁膜は、前記光路部材の屈折率より低い屈折率を有し前記光路部材を囲む、１層以上の低屈折率絶縁層を含んでおり、前記上面は、前記受光面を含む第１平面に平行で前記第１平面から距離Ｔだけ離れた第２平面内に位置しており、前記下面は、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に前記距離Ｔ以下の距離Ｄだけ離れた第３平面内に位置しており、前記集光部材は、前記集光部材の、前記開口部に対応した領域に入射する光の焦点を、前記光路部材の内部であって、前記第２平面と、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／２だけ離れた第４平面と、の間に形成することを特徴とする。
また、上記課題を解決するための本発明の光電変換素子は、光電変換部と、開口部を囲む側面および前記側面から延在した上面を有する絶縁膜と、前記側面に接し、前記光電変換部の受光面に対応した領域に下面を有する光路部材と、少なくとも１つの集光レンズ体層を含む集光部材と、を備え、前記光路部材は、円錐台形状、角錐台形状、角柱形状または円柱形状を呈しており、前記絶縁膜は、前記光路部材の屈折率より低い屈折率を有し前記光路部材を囲む、１層以上の低屈折率絶縁層を含んでおり、前記上面は、前記受光面を含む第１平面に平行で前記第１平面から距離Ｔだけ離れた第２平面内に位置しており、前記下面は、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に前記距離Ｔ以下の距離Ｄだけ離れた第３平面内に位置しており、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／２だけ離れた平面を第４平面として、前記集光部材は、前記集光部材の前記開口部に対応した領域に入射する光の焦点を、前記受光面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／８だけ離れた第５平面と、前記受光面に平行で前記第４平面から前記受光面側とは反対側に距離Ｄ／８だけ離れた第６平面と、の間に形成することを特徴とする。

本発明によれば、受光面に入射する光の量を増加させることができる。

本発明を説明する断面模式図。 本発明を説明する模式図。 光電変換素子の第１実施形態を説明する断面模式図。 光電変換素子の第２実施形態を説明する断面模式図。 光電変換素子の第３実施形態を説明する断面模式図。 光電変換素子の第４実施形態を説明する断面模式図。 光電変換素子の第５実施形態を説明する断面模式図。 光電変換素子の第６実施形態を説明する断面模式図。 光電変換装置および撮像システムを説明する模式図。 光電変換装置の一例を説明する断面模式図。

以下、図面を用いて、本発明を説明する。図１は本発明の概念を示す、光電変換素子１の模式断面図である。

光電変換素子１は、光電変換部１１０を備えている。光電変換素子１を１次元状あるいは２次元状に複数（多数）配列することで光電変換装置を成すことができる。光電変換装置については図９を用いて後述するが、光電変換装置は光電変換素子１から得られた信号を制御するための不図示の周辺回路をさらに含んでいてもよい。

光電変換部１１０は基板１００に設けられている。光電変換装置では、１つの基板１００は複数の光電変換部１１０を有しており、複数の光電変換部１１０の各々が別々の光電変換素子１の一部を成す。

光電変換部１１０の、図面上で上側の面が受光面１１１である。受光面１１１を含む仮想的（幾何学的な）な平面を第１平面１００１と呼ぶことにする。典型的には、光電変換部１１０は半導体基板１００の主面１０１より深部に、不純物を導入することによって形成される。そのため、光電変換部１１０の受光面１１１は、典型的には基板１００の主面１０１の少なくとも一部と実質的に一致し、第１平面１００１は基板１００の主面１０１を含む。

ただし、光電変換部１１０は、半導体基板１００の主面１０１に凹みを設けて、該凹みの底面より深部に形成されていてもよい。あるいは、ガラス板等の主面上にＭＩＳ型構造あるいはＰＩＮ型構造を有する薄膜として形成されていてもよい。これらの場合には、基板１００の主面１０１と光電変換部１１０の受光面１１１は必ずしも同一平面内には存在しない。

基板１００上（主面１０１上）には、少なくとも基板１００の光電変換部が配された一主面１０１を覆う絶縁膜２００が設けられている。詳細には、絶縁膜２００は基板１００の主面１０１と、光電変換部１１０の受光面１１１を覆っている。すなわち、絶縁膜２００の下面は基板１００の主面１０１と受光面１１１に接している。絶縁膜２００は、複数の光電変換部１１０同士が導通しない程度の絶縁性（基板１００の導電率よりも低い導電率）を有する。典型的には、絶縁膜２００は透明である。絶縁膜２００は一種類の材料からなる単層膜であってもよいが、典型的には絶縁膜２００は複数の層からなる多層膜である。多層膜については後述する。

絶縁膜２００は開口部２０１（穴部）を有している。開口部２０１は貫通穴もしくは凹部とすることができるが、図１では、開口部２０１を凹部とした場合の構成を示している。絶縁膜２００は、実質的に平坦で基板１００の主面１０１に平行な上面２０２を有している。上面２０２を含む仮想的（幾何学的な）な平面を第２平面１００２と呼ぶことにする。第２平面１００２は第１平面１００１に平行であって、第１平面１００１と第２平面１００２は距離Ｔだけ離れている。距離Ｔは絶縁膜２００の厚みと実質的に一致する。開口部２０１は上面２０２に連続している。詳細には、開口部２０１は、底面２０３と側面２０４とで構成されている。底面２０３を含む仮想的（幾何学的な）な平面を第３平面１００３と呼ぶことにする。底面２０３は受光面１１１に対応した領域に位置している。詳細には、底面２０３は主面１０１に平行な方向（第１平面１００１および第３平面１００１に平行な方向）において、受光面１１１からの正射影に入るように位置している。このようにして、受光面１１１と底面２０３とは絶縁膜２００の一部を介して対向している。第３平面１００３は第２平面１００２（及び第１平面１００２）に平行であって、第２平面１００２と第３平面１００３は距離Ｄだけ離れている。距離Ｄは開口部２０１の深さと実質的に一致する。側面２０４は上面２０２及び底面２０３に連続している。そのため、側面２０４は実質的に第２平面１００２と第３平面１００３との間に延在している。なお、開口部２０１の断面形状がＵ字型を呈していて、実際には底面２０３と側面２０４の境界が明確でない場合がある。第３平面１００３は、少なくとも、絶縁膜２００の基板１００側とは反対側の表面において基板１００に最も近い点（開口部２０１の底）を含むように決定される。上記したように、「絶縁膜２００の基板１００側とは反対側の表面」は上面２０２、底面２０３、側面２０４を有している。絶縁膜２００の基板１００側の表面は、絶縁膜２００の下面である。これまでの説明から明らかなように、第１平面１００１と第３平面１００３は、距離Ｔ−Ｄ（＞０）だけ離れている。なお、開口部２０１を凹部ではなく貫通穴とした場合には、受光面１１１が開口部の底面を成す。そして、開口部２０１の深さは実質的に絶縁膜２００の厚みと等しくなり、Ｔ＝Ｄとなる。

ここで、第２平面１００２と第３平面１００３との中間に位置する仮想的（幾何学的）な平面として、第４平面１００４を定義する。第４平面１００４は、第２平面１００２から受光面１１１側に距離Ｄ／２だけ離れており、第３平面１００３から受光面１１１側に距離Ｄ／２だけ離れている。したがって、第３平面１００４は、第１平面１００１から、距離Ｔ−（Ｄ／２）だけ離れていることになる。

距離Ｄ（開口部２０１の深さ）は、距離Ｔ（絶縁膜２００の厚み）の１／４以上であることが好ましく、距離Ｔの１／２以上であることがより好ましい。また、距離Ｄは、入射光の波長よりも長いことが好ましい。典型的な入射光の波長は緑色の０．５５μｍであり、距離Ｄは０．５５μｍ以上であることが好ましい。したがって、絶縁膜２００の厚みは０．５５μｍより厚いことが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましい。絶縁膜２００を極端に厚くすると応力が大きくなったり、製造に時間がかかったりするため、実用的には、絶縁膜２００の厚みＴ_Ｉは１０μｍ以下、好ましくは５．０μｍ以下とする。

開口部２０１の開口端（第２平面１００２内での側面２０４）の幅（直径）は、典型的には１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましい。開口端の幅が、２．０μｍ以下である場合に本発明は特に顕著な効果を奏する。

また、第２平面１００２と第４平面１００４との間に位置する仮想的（幾何学的）な平面として、第５平面１００５と、第６平面１００６を定義する。第５平面１００５は、第２平面１００２から受光面１１１側に距離Ｄ／８だけ離れている。第６平面１００６は、第４平面１００４から第２平面１００２側に距離Ｄ／８だけ離れている。したがって、第６平面１００６は第５平面１００５から距離Ｄ／４だけ離れている。

開口部２０１内には光路部材２２０が位置している。光路部材２２０は透明である。なお、ここでいう透明とは実質的に光電変換を行う波長域の光に対して一定の透明度を有していればよく、波長選択性を有していてもよい。光路部材２２０の屈折率は、絶縁膜２００の屈折率よりも高いことがより好ましい。ただし、光路部材２２０の一部の屈折率が絶縁膜２００の屈折率以下であってもよい。なお本発明において単に屈折率という場合には絶対屈折率を意味している。屈折率は波長によって異なるが、少なくとも光電変換部１１０で信号電荷を生成し得る光の波長に対する屈折率である。さらに、光電変換素子１がカラーフィルタ等の波長選択層を有している場合には、当該波長選択層を透過した光の波長を用いる。しかしながら、実用的には、入射光の波長を人間の眼が敏感な緑色の波長である０．５５μｍとみなしても差支えなく、以下の説明では、０．５５μｍに対する屈折率として説明する。

光路部材２２０の形状は実質的に開口部２０１の形状と略一致する。本実施形態では、光路部材２２０は円錐台形状を呈するが、開口部２０１の形状に応じて、角錐台形状でもよいし、角柱形状、円柱形状でもよい。光路部材２２０は中心軸に対して回転対称軸であることが好ましい。光路部材２２０の幅（直径）は、典型的には１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましい。開口端の幅が、２．０μｍ以下である場合に本発明は特に顕著な効果を奏する。

光路部材２２０は、開口部２０１の底面２０３と接している。なお、開口部が貫通穴の場合には、光路部材２２０は光電変換部１１０の受光面１１１と接する。光路部材２２０の、開口部２０１と接する面を下面と呼ぶ。光路部材２２０に入射した光は、光路部材２２０の下面から光電変換部１１０へ向けて出射される。したがって、光路部材２２０の下面を出射面と云うこともできる。光路部材２２０の下面は底面２０３と界面を成し、光路部材２２０の下面は底面２０３と実質的に同一平面（第３平面１００３）内に位置する。したがって、図面上では、下面の代わりに底面２０３のみを示している。光路部材２２０が光電変換部１１０の受光面１１１に接する（Ｔ＝Ｄ）と、光電変換部１１０でノイズが生じやすくなる場合があるため、光路部材２２０は光電変換部１１０と接しないように、Ｔ＞Ｄとすることが好ましい。

光路部材２２０は開口部２０１の側面２０４に囲まれていることが好ましい。光路部材２２０の屈折率が絶縁膜２００の屈折率よりも高く、光路部材２２０と絶縁膜２００とが界面を成す場合には、幾何光学的には当該界面で全反射を生じ、光路部材２２０内に入射光を導き結果として受光面１１１に導くことができる。また、光路部材２２０と側面２０４の間に光路部材２２０に比べて不透明な膜を設ける場合には、光路部材２２０の屈折率が絶縁膜２００の屈折率以下であってもよい。不透明膜を設けると、迷光の原因となる、側面２０４から漏れ出す光の量を低減できる。さらに、不透明膜が金属光沢を有する膜（金属膜等）であると、当該不透明膜で金属反射を生じ、光路部材２２０内に入射光を導き結果として受光面１１１に導くことができる。なお、当然ながら、不透明膜は底面２０３の少なくとも一部を覆わず、底面２０３と光路部材２２０は接するべきである。不透明膜が光路部材２２０と側面２０４との間に位置すると、光路部材２２０に入射せずに絶縁膜２００に入射した光は、光路部材２２０には入射しない。一方、不透明膜を設けずに、光路部材２２０が絶縁膜２００の側面２０４と接していると、絶縁膜２００に入射した光を、絶縁膜２００から光路部材２２０に入射させることが可能となる。そのため、不透明膜を設けるよりも、光路部材２２０が側面２０４と接していることが好ましい。

以上説明したように、少なくとも光路部材２２０と絶縁膜２００とが光導波路構造をなし、光路部材２２０が光導波路構造の光路としての機能を有する。

光路部材２２０の材料（透明材料）は、有機材料（樹脂）でもよいが、無機材料は化学的に安定であるために好ましい。無機材料としては、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適であり、特に酸窒化シリコン、窒化シリコンが好ましい。光路部材２２０は複数の材料で構成されていてもよく、光路部材２２０は屈折率分布を有していてもよい。実用的には、光路部材２２０の屈折率は１．６以上であることが好ましい。また「透明」とは実質的に光電変換を行う波長域の光に対して十分な光透過性を有していれはよい。

光電変換素子１は、第２平面１００２の、受光面１１１側とは反対側に集光部材３００が設けられている。図１では、集光部材３００の集光機能３１０を模式的に両凸レンズ形状を用いて示している。詳細は後述するが、集光部材３００は少なくとも１つの集光レンズ体層を含む。典型的には、集光部材は、複数の層で構成されてなる積層部材である。集光部材３００の一部である層３０１は、集光部材３００の複数の層のうちの、光路部材２２０から最も離れた層（最外層）である。最外層３０１が集光機能を有していてもよい。集光部材３００は光軸５０１を有している。図１では光軸５０１が第１平面１００１に垂直である例を示したが、第１平面１００２に対して傾いていてもよい。

集光部材３００の一部である層３０２は集光部材３００の最内層である。最内層３０２は、光路部材２２０と接している。最内層３０２が集光機能を有していてもよい。最内層３０２の材料は光路部材２２０と同じ材料であってもよい。その場合、互いに同じ透明材料からなる光路部材２２０と最内層３０２とが一体となって、光路部材２２０と最内層３０２との境界が明確に観察できない場合がある。上述したように、光路部材２２０は開口部２０１の内側（第２平面１００２と第３平面１００３との間）に位置し、最内層３０２は開口部２０１の外側に存在する。したがって、透明材料が、開口部２０１の内側に存在するか、開口部２０１の外側に存在するかを判断することにより、光路部材２２０と最内層３０２を区別することができる。開口部２０１の内側と外側の区分は、光電変換素子１の断面の観察画像において、絶縁膜２００の上面２０２を開口部２０１上まで仮想的に延長する（側面２０４の上端同士を仮想的に直線で結ぶ）ことにより可能である。

なお、「同じ材料」とは、化学量論的組成が同じである材料を意味している。そのため、化学量論的組成からずれた（すなわち、非化学量論的組成が異なっている）材料や、結晶性、材料密度、不純物（１ｗｔ％以下）およびその濃度が異なっている材料も「同じ材料」とみなすことができる。例えば、窒化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｎ＝３：４であるが、化学量論的組成比が同じである範囲内において、実際のＳｉとＮの比が互いに異なる材料同士も同じ材料とみなす。なお、化学量論的組成が異なる材料は同じ材料ではない。例えば、一酸化チタン（ＴｉＯ）と二酸化チタン（ＴｉＯ_２）はいずれも酸素とチタンの化合物（酸化チタン）ではあるが、化学量論的には異なる材料である。

最外層３０１は、１．０００以上１．００１以下の屈折率を有する媒質４００と界面を成している。実質的には、媒質４００は空気や窒素等の気体、もしくは真空である。なお、媒質４００は光電変換素子１とは別体であって、光電変換素子１の一部ではない。

光電変換素子１では、媒質４００から集光部材３００へ、集光部材３００の光軸５０１と平行に入射した光が実質的に１点に集光される。この時の集光される点が焦点５００である。図１には、光軸５０１を長鎖線で、入射光の模式的な光路を、符号を付さない短鎖線で示している。

本発明では、集光部材３００は、光路部材２２０の内部に焦点５００を形成する。さらに、焦点５００は第２平面１００２と第４平面１００４との間の領域に位置する。開口部２０１のこの領域は、開口部２０１の上部に位置するから、上部領域と称する。なお、焦点５００は第２平面１００２内と第４平面１００４内には位置しない。

図２には、ある光電変換素子において、入射光量を一定とした場合に光電変換部で生成される信号電荷の量（感度）と焦点５００の位置との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す。焦点５００の位置は、集光部材３００の構成を異ならせることによって変化させている。また、線Ａと線Ｂは第２平面１００２内における開口部２０１の開口端面積（上面２０２で囲まれる領域の面積）を異ならせたものであり、線Ｂが線Ａよりも開口端面積が小さい。そのため、線Ｂの感度は線Ａよりも低くなっている。

図２から理解されるように、焦点５００が第２平面１００２と第４平面１００４との間の領域（上部領域）に位置すると、上部領域外に位置する場合に比べて感度が高くなる。

このことは、光が直線的（幾何光学的）ではなく、波動光学的に回折を生じながら伝搬するためであると考えられる。回折光は、開口端内に収まらない光、すなわち絶縁膜２００に入射してしまい迷光となって、損失の原因となり得る。しかしながら、焦点５００が第２平面１００２と第４平面１００４との間の領域に位置することにより、回折光をも開口部２０１内に入射させることができ、感度が向上すると推測される。このような波動光学的な回折は、開口端の幅が２．０μｍ以下である場合に、特に影響が大きくなる。

さらに、焦点５００は、第２平面１００２と第５平面１００５との間に形成されるよりも、第５平面１００５と第４平面１００４との間に形成されることが好ましい。これは、第２平面１００２と第５平面１００５の間に焦点５００が位置すると、集光部材３００に光が斜めに入射した場合に、焦点５００が光路部材２２０内に形成されない可能性が生じるためである。

また、線Ａと線Ｂとの比較から理解されるように、開口端面積が小さくなると、（線Ａ→線Ｂ）、焦点５００が第２平面１００２と第４平面１００４との間の領域から離れた場合の感度の低下が顕著になる。上部領域のうち、第５平面１００５と第６平面１００６との間の領域（上部中央領域）に、焦点５００が位置するとより好ましい。焦点５００が上部中央領域にあると、特に感度が高くなる。さらに、例えば製造上の誤差により、開口端面積自体にばらつきがあったり、開口端の中心と光軸５０１とのずれ量によって実質的な開口端面積にばらつきが生じたりしても、感度のばらつきを低減することができる。

図１に示す様に、集光部材３００の最外層３０１へ入射する光には、最外層３０１の、光軸５０１に近い中心領域５１０へ入射する光と、光軸５０１から遠い周辺領域５２０へ入射する光が存在する。中心領域５１０は開口部２０１に対応した領域である。詳細には、中心領域５１０は、主面１０１に平行な方向（第１平面１００１および第２平面１００２に平行な方向）において、開口端からの正射影に入る領域である。一方、周辺領域５２０は上面２０２に対応した領域である。詳細には、主面１０１に平行な方向（第１平面１００１および第２平面１００２に平行な方向）において、上面２０２からの正射影の領域に入る領域である。

幾何光学的には中心領域５１０へ入射した光は、光路中に光束を発散する要要素（例えば凹レンズや光軸から遠ざかる方向の屈折）が無い限りは、開口端からの正射影から外れることはない。しかしながら、波動光学的には上記したように回折が生じ、光束が開口端からの正射影から外れる場合があり、損失の原因となりうる。そのため、本発明では、中心領域５１０へ入射した光の焦点が上部領域に位置する。また、周辺領域５２０へ入射した光の焦点が上部領域に位置することが好ましい。なお、集光部材３００が収差を有していると、周辺領域５２０に入射した光の焦点が、中心領域５１０に入射した光の焦点と異なる場合がある。そのような場合でも、周辺領域５２０に入射した光の焦点が上部領域に位置することが好ましく、上部中央領域に位置することがより好ましい。

焦点５００の位置は、集光部材３００の光軸５０１が貫く複数の層の各層の材料の物性（主に屈折率）、表面形状、厚さ、複数の層の積層順序、入射光の波長、およびこれらの組み合わせによって決まる。さらには、波動光学的には、集光部材３００以外の構造、例えば絶縁膜２００や光路部材２２０の屈折率や形状も焦点５００の位置に影響を与える。

焦点５００を上部領域に位置せしめるためには、光学解析シミュレーターを用いて、集光部材３００の構成を決定する必要がある。焦点５００の位置は、上記したように波動光学的な要因の影響を受けるため、光学解析シミュレーターとしては、時間領域差分法（ＦＤＴＤ法：Ｆｉｎｅｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）を用いた三次元波動光学解析シミュレーターを用いることが望ましい。上記図２は、時間領域差分法による解析結果である。なお、解析に当たっては、集光部材３００の構造の一部（特に形状）を近似的な構成に置き換えても実用上の問題はない。

以下に、焦点５００を上部領域に位置せしめるための具体的な構成を、所謂ＣＭＯＳ型等の画素増幅型光電変換素子を例に第１〜８実施形態として説明する。なお、以下の実施形態は、光路部材２２０の屈折率が絶縁膜２００の屈折率よりも高い形態である。

各材料に関して、典型的には、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の屈折率は１．８〜２．３、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）の屈折率は１．６〜１．９、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の屈折率は１．４〜１．５、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧの屈折率は１．４〜２．０である。以下、便宜的に、酸化シリコンの屈折率＜酸窒化シリコンの屈折率＜窒化シリコンの屈折率、が満たされているものとして説明する。なお、一般的な樹脂の屈折率は１．３〜２．０であり、種類によって異なる。

以下の実施形態に限定されることなく、本発明の思想を逸脱しない範囲において、第１〜第８実施形態の構造の組み合わせ、変形、一部の構成の省略、材料の変更を行うことができる。本発明は、所謂、裏面照射型光電変換素子や、電荷転送型（ＣＣＤ型）の光電変換素子に適用することもできる。

＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態の光電変換素子１の一例を説明するための断面模式図である。

Ｎ型シリコンからなる半導体基板１００の中にＮ^＋型半導体領域１１２が設けられている。Ｎ^＋型半導体領域１１２の下部を含む周囲にはＮ型半導体領域１１３が設けられている。Ｎ型半導体領域１１３の下部にはＰ型半導体領域１１４が設けられている。Ｎ^＋型半導体領域１１２が主に電荷蓄積領域として機能することができる。Ｎ^＋型半導体領域１１２とＮ型半導体領域１１３とＰ型半導体領域１１４とが光電変換部１１０の一部を構成することができる。

そして、主面１０１の上には、絶縁膜２００が設けられている。絶縁膜２００は多層膜である。絶縁膜２００は、主面１０１側から順に、第１絶縁層２０５、第２絶縁層２０６、第３絶縁層２０７、第４絶縁層２０８、第５絶縁層２０９、第６絶縁層２１０、第７絶縁層２１１、第８絶縁層２１２、第９絶縁層２１３、第１０絶縁層２１４、第１１絶縁層２１５が順次積層されてなる。また絶縁膜２００は、第２絶縁層２０６の一部と第３絶縁層２０７の一部との間に位置した第１２絶縁層２１６を含んでいる。

これらの絶縁層のうち、第２絶縁層２０６、第５絶縁層２０９、第９絶縁層２１３、および、第１１絶縁層２１５は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。第３絶縁層２０７はＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）からなるが、ＢＰＳＧに代えて、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）でもよい。これらの絶縁層のうち、第１絶縁層２０５、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４、第１２絶縁層２１６は窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる。絶縁膜２００の厚みは、これら第１〜１１絶縁膜の厚みを合計したものとなり、距離Ｔも実質的に絶縁膜２００の厚みと等しくなる。ここでは、第１１絶縁層２１５が絶縁膜２００の上面２０２を成す。また、第１２絶縁層２１６が開口部２０１の底面２０３を成す。

絶縁膜２００の内部には配線２１７が設けられている。配線２１７は多層配線であってもよく、図３では、配線２１７が、第１配線層２１７１と、第２配線層２１７２と、コンタクト層２１７３（ビア）とで構成された例を示している。コンタクト層２１７３は、第１配線層２１７１と第２配線層２１７２との間に位置しており、第１配線層２１７１と第２配線層２１７２同士を接続している。配線層を２層とした例を示したが、第１配線層２１７１と第２配線層２１７２との間にさらに配線層を設けて３層以上の配線層としてもよい。配線２１７には銅やアルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。典型的な配線２１７は不透明であり、金属光沢を有している。半導体基板１００の主面１０１上にＭＯＳ構造を有する転送ゲートのゲート電極２１８が設けられている。ゲート電極２１８はポリシリコンからなり、不図示のコンタクト層（プラグ）を介して第１配線層２１７１に接続されている。

配線２１７について、一例を挙げる。不図示のプラグはタングステンを主成分とし、シングルダマシン法によって形成することができる。第１配線層２１７１は銅を主成分とし、シングルダマシン法によって形成することができる。コンタクト層２１７３および第２配線層２１７２は銅を主成分とし、デュアルダマシン法によって一体的に形成することができる。この際、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２はエッチング制御層および銅の拡散防止層として、第１０絶縁層２１４は銅の拡散防止層として用いることができる。なお、第１配線層２１７１、第２配線層２１７２、コンタクト層２１７３、プラグは、絶縁膜２００との界面近傍に、タンタル等を主成分とするバリアメタルを有することができる。

開口部２０１の側面２０４の平面形状（第１平面１００１に平行な平面内での開口部２０１の形状）は閉ループ状であり、円形や、楕円形、角丸四角形、四角形、六角形とすることができる。ここでは、円形である。したがって、底面２０３も円形である。開口部２０１の開口端（第２平面１００２内での側面２０４）の幅（直径）は、典型的には１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましい。開口端の幅が、２．０μｍ以下である場合に本発明は特に顕著な効果を奏する。本実施形態では、開口端の幅を、１．５μｍ程度としている。

開口部２０１の断面形状（第１平面１００１に垂直な平面内での開口部２０１の形状）は、図３に示す様な逆台形や、台形（正台形）、長方形、正方形、あるいはこれらを組み合わせた階段形とすることができる。

ここでは、第３絶縁層２０７が存在する範囲内に開口部２０１の底面が位置している。換言すれば、第３平面１００３内に第３絶縁層２０７が位置している。開口部２０１の底面（第３平面１００３）は、第１配線層２１７１よりも半導体基板１００の近くに位置していることが好ましい。

光路部材２２０は開口部２０１の内側に位置している。そして、光路部材２２０の下面（出射面）は、開口部２０１の底面と接している。そのため、開口部２０１の底面２０３と光路部材２２０の下面は実質的に一致し、光路部材２２０の下面は、第３平面１００３内に位置している。光路部材２２０は、絶縁膜２００で囲まれている。詳細には、光路部材２２０は、絶縁膜２００の第３絶縁層２０７、第４絶縁層２０８、第５絶縁層２０９、第６絶縁層２１０、第７絶縁層２１１、第８絶縁層２１２、第９絶縁層２１３、第１０絶縁層２１４および、第１１絶縁層２１５で囲まれている。光路部材２２０の形状は実質的に開口部２０１の形状と略一致する。本実施形態では、光路部材２２０は円錐台形状を呈するが、開口部２０１の形状に応じて、角錐台形状でもよいし、角柱形状、円柱形状でもよい。

光路部材２２０および絶縁膜２００の形成方法は特に限定されない。
典型的には、開口部２０１のない多層絶縁膜にエッチング加工を施して開口部２０１を有する絶縁膜２００を形成した後に、開口部２０１内に光路部材２２０の材料を堆積させて光路部材２２０を形成する第１の形成方法を採用することができる。他には、絶縁膜２００を構成する各絶縁層を形成するごとに、各絶縁層をエッチングして開口を設ける工程と、光路部材２２０の材料を開口内に配置する工程とを繰り返す第２の形成方法を採用してもよい。また、先に光路部材２２０を配置した後に、光路部材２２０の周囲に絶縁膜２００の一部の絶縁層を配置する第３の形成方法を採用してもよい。

本実施形態では、第１の形成方法を採用した例を示している。第１２絶縁層２１６は、絶縁膜２００の一部を構成し、開口部２０１の底面２０３を構成している。第１２絶縁層２１６は、受光面１１１の上部及びゲート電極２１８の一部の上部に配置されている。平面方向における第１２絶縁層２１６の面積は、底面２０３の面積よりも大きい。また、平面方向における第１２絶縁層２１６の面積は、第１絶縁層２０５、第２絶縁層２０６の面積よりも大きい。

第１２絶縁層２１６は絶縁膜２００に開口部２０１を形成する際のエッチングストッパーとして機能しうる。光路部材２２０と光電変換部１１０との間に、光路部材２２０の屈折率と光電変換部１１０の屈折率との間の屈折率を有する層（ここでは、酸化シリコンからなる第２絶縁層２０６）を設けると、光路部材２２０から光電変換部１１０への透過率が向上する。

ここでは、第３絶縁層２０７が存在する範囲内に開口部２０１の底面が位置している。換言すれば、第３平面１００３内に第３絶縁層２０７が位置している。開口部２０１の底面（第３平面１００３）は、第１配線層２１７１よりも半導体基板１００の近くに位置していることが好ましい。

なお、絶縁膜２００が多層膜である場合、多層膜の一部の層の屈折率が光路部材２２０の屈折率以上であってもよい。このような層を高屈折率絶縁層と呼ぶ。一方、光路部材２２０の屈折率よりも低い屈折率を有する、多層膜の残りの層を低屈折率絶縁層と呼ぶ。

本実施形態の場合、光路部材２２０が酸窒化シリコンであるから、絶縁膜２００のうちの、窒化シリコンからなり開口部２０１の側面２０４を成す、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４は高屈折率絶縁層である。例えば、光路部材２２０の屈折率が１．９程度である場合、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４の屈折率が２．０程度であると、これらの絶縁層は、高屈折率絶縁層である。なお、第１絶縁層２０５も高屈折率絶縁層であるが、開口部２０１の側面２０４を成していない。

しかしながら、このような光路部材２２０の屈折率以上の層（高屈折率絶縁層）が開口部２０１の側面２０４の大部分を形成することは好ましくない。これは、光路部材２２０に入射した光が高屈折率絶縁層内を伝搬して、開口部２０１から漏れる可能性があるためである。そのため、高屈折率絶縁層が成す開口部２０１の側面２０４は、開口部２０１の側面２０４全体の面積の半分未満とすること好ましく、１／４未満とすることがより好ましい。換言すれば、多層膜のうちの光路部材２２０の屈折率より低い層（低屈折率絶縁層）が、開口部２０１の側面２０４全体の面積の半分以上、好ましくは３／４以上を成すことが好ましい。各層が成す側面２０４の面積は、各層の厚みや側面２０４の角度を適宜設定することで調整できる。１つの低屈折率絶縁層の厚みは、典型的には０．１０μｍ以上０．６０μｍ以下である。１つの高屈折率絶縁層の厚みは、光路部材２２０に入射する光の波長をλ、高屈折率絶縁層の屈折率をＮ_０Ｈとして、λ／２Ｎ_０Ｈ以下であることが好ましく、λ／４Ｎ_０Ｈ以下であることがより好ましい。高屈折率絶縁層の厚みは、典型的には０．０１０μｍ以上０．１０μｍ以下である。

集光部材３００の構成を説明する。集光部材３００は第２平面１００２から順次、中間層３１９、カラーフィルタ層３２７、レンズ基体層３２８、レンズ体層３２９が積層されてなる。

レンズ基体層３２８の入射側表面（図３における上面）は、入射側に向かって凸の理想球面、略球面、あるいは非球面（以下、これらを合わせて曲面と呼ぶ）を成している、すなわち凸レンズ形状を有している。これにより、レンズ体層３２９に入射した光は光軸５０１に近づき、集光される。レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９は互いに同じ有機材料（樹脂）からなり、レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９は互いに接している。つまり、レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９は実質的に一体として設けられている。レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９の境界を観察することは困難な場合が多い。その場合には、レンズ体層３２９の曲面領域の端同士を結んだ平面を仮想的な境界に設定することができる。なお、レンズ基体層３２８を省略して、レンズ体層３２９とカラーフィルタ層３２７が接する構成としてもよい。

レンズ体層３２９の材料の物性（特に屈折率）、曲面の形状（特にその曲率、高さ、幅）は焦点５００の位置に大きく影響する。概して、曲率を大きくするほど、焦点５００の位置は第１平面１００１から遠くなる。レンズ基体層３２８の材料の物性（特に屈折率）および厚みは、集光された光がレンズ基体層３２８内で光軸５０１に近づく距離に影響するため、焦点５００を決定する要因の一つとなる。典型的なレンズ体層３２９の屈折率は、１．６〜２．０である。

カラーフィルタ層３２７は、色材を含有する有機材料（樹脂）からなる。色材としては染料を用いることができるが、顔料を用いてもよい。カラーフィルタ層３２７の材料の物性（特に屈折率）および厚みは、レンズ基体層３２８とカラーフィルタ層３２７との界面で屈折した光がカラーフィルタ層３２７中で光軸５０１に近づく距離に影響するため、焦点５００を決定する要因の一つとなる。典型的なカラーフィルタ層３２７の厚みは０．１〜１．０μｍ、屈折率は１．４〜１．６である。

中間層３１９は、光路部材２２０と同じく酸窒化シリコンからなり、中間層３１９は光路部材２２０と接している。そのため、中間層３１９と光路部材２２０は実質的に一体として設けられている。中間層３１９は図１を用いて説明した最内層３０２に相当する。中間層３１９は、レンズ体層３２９と光路部材２２０との距離を調整する機能を有しており、中間層３１９の厚みを適切に設定することで、焦点５００の位置を制御することができる。典型的な中間層３１９の厚みは、０．０８０μｍ以上である。一方、中間層３１９を極端に厚くすると光路部材２２０への入射光量が減少する。中間層３１９の厚みは開口部２０１の深さＤ以下であることが好ましく、開口部２０１の深さＤの半分以下であることがより好ましい。また、中間層３１９の厚みは入射光の波長をλ、中間層３１９の屈折率をＮ_３１９として、λ／４Ｎ_３１９以上２λ／Ｎ_３１９以下とすることが好ましい。典型的な中間層３１９の厚みは０．２０μｍ以下である。

＜第２実施形態＞
図４を用いて第２実施形態を説明する。本実施形態は、集光部材３００の最内層である中間層３１９の屈折率が光路部材２２０の屈折率よりも高くなっている。ここでは、光路部材２２０は酸窒化シリコンからなり、中間層３１９は窒化シリコンからなる。この点以外は第１実施形態と同じであり、説明を省略する。ここでは
本実施形態では、中間層３１９の屈折率が光路部材２２０の屈折率よりも高くなっている。そのため、中間層３１９から光路部材２２０に入射する光のうち、中間層３１９と光路部材２２０との界面に斜めに入射する光はスネルの法則に従って、光軸５０１へ近づく方向に屈折する。したがって、焦点５００の位置を第１実施形態に比べて、上部中央領域に近づけることができる。

なお、第１実施形態に比べて、中間層３１９とカラーフィルタ層３２７との屈折率差が大きくなっているため、中間層３１９内では、光軸５０１から離れる方向への屈折が生じやすい。したがって、第１実施形態に比べて中間層３１９の厚みは薄くすることが好ましい。

＜第３実施形態＞
図５を用いて第３実施形態を説明する。本実施形態では、集光部材３００は、第１レンズ体層３２９と第２レンズ体層３２４の２つのレンズ体層を有している。詳細には、第２実施形態における第２平面１００２と、カラーフィルタ層３２７との間に、第２平面１００２側から順に、第１中間層３１９、第２レンズ基体層３２３、第２レンズ体層３２４、第２レンズ体コーティング層３２５、第２中間層３２６が設けられている。第１レンズ基体層３２８、第１レンズ体層３２９は、第１、第２実施形態のレンズ基体層３２８、レンズ体層３２９と同じであってよい。第１中間層３１９は、第２実施形態の中間層３１９と同じであってよく、窒化シリコンからなる。また、光路部材２２０および中間層３１９は窒化シリコンからなる。これらの点以外は第２実施形態と同様であり、説明を省略する。

第２中間層３２６は有機材料（樹脂）からなり、第１レンズ体層３２９と第２レンズ体層３２４との距離を調整する機能を有している。また、第２レンズ体層３２４の曲面形状に対して平坦化されており、カラーフィルタ層３２７や第１レンズ基体層３２８、第１レンズ体層３２９での光路の傾きを抑制する機能も有している。第２中間層３２６の最薄部の厚みは、典型的には０．１〜０．５μｍである。第２中間層３２６の屈折率は１．４〜１．５である。

第２レンズ基体層３２３及び第２レンズ体層３２４は有機材料（樹脂）からなり、第２レンズ体層３２４は凸レンズ形状（平凸レンズ形状）を有している。なお、第２レンズ体層３２４の屈折率は、第２中間層３２６の屈折率よりも高い。そのため、第１レンズ体層３２９で集光された光をさらに集光することができ、焦点の位置を、上部中央領域に近づけることができる。

また、本実施形態では、光路部材２２０に窒化シリコンを用いている。したがって、第１、第２実施形態に比べて光路部材２２０と絶縁膜２００の低屈折率絶縁層（第３絶縁層２０７第５絶縁層２０９、第９絶縁層２１３、および、第１１絶縁層２１５）との屈折率差が大きくなっている。そのため、光路部材２２０から絶縁膜２００の低屈折率絶縁層へ漏れ出す光の量を低減することができる。また、第１，２実施形態に比べて光路部材２２０と絶縁膜２００の高屈折率絶縁層（第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４）との屈折率差が小さくなっている（ほぼ等しくなっている）。そのため、光路部材２２０から絶縁膜２００の高屈折率絶縁層へ漏れ出す光の量を低減することができる。

第２レンズ体コーティング層３２５は酸化シリコンからなり、第２レンズ体層３２４の屈折率と第２中間層３２６の屈折率の間の屈折率を有している。このように、第２レンズ体コーティング層３２５が第２レンズ体層３２４の屈折率と第２中間層３２６の屈折率の間の屈折率を有すると、第２中間層３２６から第２レンズ体層３２４への入射光が増加する。これは、第２レンズ体コーティング層３２５を設けない場合に生じ得る第２中間層３２６と第２レンズ体層３２４との界面での反射を抑制し、透過率を高くできるためである。

第２レンズ体コーティング層３２５の厚みは、第２レンズ体層３２４の厚みより小さく、第２レンズ体層３２４の厚みの１／２以下であることが好ましい。第２レンズ体コーティング層３２５の厚みを、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４Ｎ_３２５倍〜（Ｍ＋０．５）／４Ｎ_３２５倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４Ｎ_３２５倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、Ｎ_３２５は第２レンズ体コーティング層３２５の屈折率である。Ｍは１又は３が好ましく、１がより好ましい。第２レンズ体コーティング層３２５の厚みをこのように設定すると、第２レンズ体層３２４の表面での反射光と、第２レンズ体コーティング層３２５の表面での反射光との干渉を弱めることができ、波動光学的な視点での反射抑制機能を奏する。

＜第４実施形態＞
図６を用いて第４実施形態を説明する。本実施形態では、集光部材３００は、低屈折率層３２１を有している。詳細には、第３実施形態における第１中間層３１９と第２レンズ基体層３２３との間に、低屈折率層３２１が設けられている。低屈折率層３２１は酸窒化シリコンからなる。また、第２レンズ基体層３２３及び第２レンズ体層３２４は窒化シリコンからなる。これらの点以外は第３実施形態と同じであり、説明を省略する。

第２レンズ体層３２４が窒化シリコンからなると、樹脂からなる場合に比べて、第２レンズ体層３２４の屈折率を高くすることができる。そのため、第２中間層３２６と第２レンズ体層３２４との屈折率差が、第３実施形態に比べて大きくなり、集光能力（パワー）を高くすることができる。そのため、焦点５００をより好適な位置に設定することができる。

第３実施形態では、第１中間層３１９の屈折率が第２レンズ基体層３２３の屈折率がよりも高くなっているため、第１中間層３１９と第２レンズ基体層３２３の界面では、スネルの法則に従って光軸５０１から遠ざかる方向の屈折が生じる。第４実施形態では、仮に低屈折率層３２１を設けずに、第１中間層３１９と第２レンズ基体層３２３が接していたとしても、双方が窒化シリコンからなるために両者の屈折率差が小さい（あるいは無い）ために、光軸５０１から遠ざかる方向の屈折を低減できる。さらに、第４実施形態では第２レンズ基体層３２３と第１中間層３１９との間に、第２レンズ基体層３２３と界面を成す低屈折率層３２１が設けられている。低屈折率層３２１の屈折率は、第２レンズ基体層３２３の屈折率よりも低い。そのため、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との界面では、スネルの法則に従って光軸５０１に近づく方向に屈折が生じる。そのため、製造上の制約のために集光能力向上に限界がある第２レンズ体層３２４を補完するように、焦点５００をより好適な位置に設定することができる。なお、第２レンズ基体層３２３を省略して、第２レンズ体層３２４と低屈折率層３２１が接する形態としても同様の効果を得ることができる。また、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との間に、低屈折率層３２１の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層を設けたとしても、当該高屈折率層と低屈折率層３２１との界面では、同様に、光軸５０１に近づく方向の屈折を生じせしめることができる。

一方、低屈折率層３２１の屈折率が第１中間層３１９の屈折率よりも低いため、低屈折率層３２１と第１中間層３１９の界面では、スネルの法則に従って光軸５０１から遠ざかる方向の屈折が生じる。しかしながら、低屈折率層３２１と第１中間層３１９の界面は、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との界面よりも光路部材２２０に近い。そのため、低屈折率層３２１と第１中間層３１９の界面での屈折による焦点５００の位置への影響は第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との界面での屈折に比べて小さい。

実用的には、低屈折率層３２１の屈折率は、第２レンズ基体層３２３（あるいは第２レンズ体層３２４）の屈折率の０．９５倍以下であることが好ましく、０．８５倍以下であることが好ましい。第３実施形態のように、第２レンズ基体層３２３の材料に樹脂を用いた場合にも本実施形態のように低屈折率層３２１を設けることもできる。第２レンズ基体層３２３（あるいは第２レンズ体層３２４）が窒化シリコンからなる場合には、実用的には、低屈折率層３２１の屈折率は、１．４０以上１．６０以下であることが好ましい。

＜第５実施形態＞
図７を用いて第５実施形態を説明する。本実施形態では、集光部材３００は、第１中屈折率層３２２と第２中屈折率層３２０を有している。
詳細には、第４実施形態における第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との間に第１中屈折率層３２２が設けられており、低屈折率層３２１と中間層３１９との間に第２中屈折率層３２０が設けられている。第１中屈折率層３２２および第２中屈折率層３２０の材料は酸窒化シリコンからなり、低屈折率層３２１の材料は酸化シリコンである。この点以外は第４実施形態と同じであり、説明を省略する。

第１中屈折率層３２２の上面は第２レンズ基体層３２３の下面と界面を成しており、第１中屈折率層３２２の屈折率は、第２レンズ基体層３２３の屈折率よりも低い。低屈折率層３２１の上面は第１中屈折率層３２２の下面と界面を成しており、低屈折率層３２１の屈折率は、第１中屈折率層３２２の屈折率よりも低い。そのため、第１中屈折率層３２０は、第２レンズ基体層３２３の屈折率と低屈折率層３２１の屈折率の間の屈折率を有している。第２中屈折率層３２０の上面は低屈折率層３２１の下面と界面を成しており、第２中屈折率層３２０の屈折率は、低屈折率層３２１の屈折率より高い。第２中屈折率層３２０の下面は第１中間層３１９の上面と界面を成しており、第２中屈折率層３２０の屈折率は、第１中間層３１９の屈折率よりも低い。そのため、第２中屈折率層３２０は、低屈折率層３２１の屈折率と、第１中間層３１９の屈折率の間の屈折率を有している。

第４実施形態の場合、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１の屈折率差により、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との界面で入射光の反射が生じる場合がある。また、低屈折率層３２１と第１中間層３１９の屈折率差により、低屈折率層３２１と第１中間層３１９の界面で入射光の反射が生じる場合がある。この時の反射率Ｒは、Ｒ＝（Ｎ_３２１−Ｎ_３１９）^２／（Ｎ_３２１＋Ｎ_３１９）^２で表すことができる。ここでＮ_３２１は低屈折率層３２１の屈折率、Ｎ_３１９は第１中間層３１９の屈折率である。

第５実施形態では、第２レンズ基体層３２３と第１中屈折率層３２２との屈折率差と、中屈折率層３２２と低屈折率層３２１との屈折率差の双方が、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との屈折率差よりも小さい。したがって、第２レンズ基体層３２３から低屈折率層３２１への透過率を向上でき、低屈折率層３２１へ入射する光量を増加させることができる。

また、低屈折率層３２１と第２中屈折率層３２０との屈折率差と、第２中屈折率層３２０と第１中間層３１９との屈折率の双方が、低屈折率層３２１と第１中間層３１９との屈折率差よりも小さい。したがって、低屈折率層３２１から第１中間層３１９への透過率を向上でき、第１中間層３１９へ入射する光量を増加させることができる。

本実施例でも、実用的には、低屈折率層３２１の屈折率は、第２レンズ基体層３２３（あるいは第２レンズ体層３２４）の屈折率の０．９５倍以下であることが好ましく、０．８５倍以下であることが好ましい。低屈折率層３２１の屈折率は、１．４０以上１．６０以下であることが好ましい。

低屈折率層３２１の厚みは６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより好ましい。また、第１中屈折率層３２２の厚みは、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。第２中屈折率層３２０の厚みも第１中屈折率層３２２と同様に、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

第１中屈折率層３２２の屈折率Ｎ_３２２は、（Ｎ_３２３＋Ｎ_３２２）／４以上であることが好ましく、３×（Ｎ_３２３＋Ｎ_３２２）／４以下であることも好ましい。ここで、Ｎ_３２３は第１第２レンズ基体層３２３の屈折率である。第１中屈折率層３２０の屈折率Ｎ_３２０は、（Ｎ_３１９＋Ｎ_３２０）／４以上であることが好ましく、３×（Ｎ_３１９＋Ｎ_３２０）／４以下であることも好ましい。

第２レンズ基体層３２３の屈折率が第１中間層３１９の屈折率よりも高い場合、第１中屈折率層３２２の屈折率を第２中屈折率層３２０の屈折率よりも高くすることが好ましい。すなわち、Ｎ_３２１＜Ｎ_３２０＜Ｎ_３２２＜Ｎ_３１９＜Ｎ_３２３とすることが好ましい。逆に、第２レンズ基体層３２３の屈折率が第１中間層３１９の屈折率よりも低い場合、第１中屈折率層３２２の屈折率を第２中屈折率層３２０の屈折率よりも低くすることが好ましい。すなわち、Ｎ_３２１＜Ｎ_３２２＜Ｎ_３２０＜Ｎ_３２３＜Ｎ_３１９とすることが好ましい。このように、第１中屈折率層３２２と第２中屈折率層３２０の屈折率を、その上下の部材の屈折率に合せて異ならせることで、第２レンズ基体層３２３から第１中間層３１９への光の透過率を向上することができ、光電変換装置１の感度を向上することできる。

第１中屈折率層３２２の厚みを、入射光の波長をλとして、（Ｍ−０．５）λ／４Ｎ_３２２〜（Ｍ＋０．５）λ／４Ｎ_３２２倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４Ｎ_３２２倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、Ｎ_３２２は第１中屈折率層３２２の屈折率である。Ｍは１又は３が好ましく、１がより好ましい。第１中屈折率層３２２の厚みをこのように設定すると、第１中屈折率層３２２と第２レンズ基体層３２３との界面での反射光と、第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１との界面での反射光の干渉を弱める、波動光学的な視点での反射抑制機能を奏する。

同様に、第２中屈折率層３２０の厚みを、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４Ｎ_３２０倍〜（Ｍ＋０．５）／４Ｎ_３２０倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４Ｎ_３２０倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、Ｎ_３２０は第２中屈折率層３２０の屈折率である。

第４実施形態で説明したように光軸５０１へ近づくような屈折を、各層の厚みが限られた範囲で大きくする上では、第１中屈折率層３２２の厚みと低屈折率層３２１の厚みを次のように設定すると良い。まず、第２レンズ基体層３２３と第１中屈折率層３２２との相対屈折率と、第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１との相対屈折率とを比較する。相対屈折率が大きい方の出射側の媒質（第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１の一方）の厚みを、小さい方の出射側の媒質（第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１の他方）の厚みよりも大きくする。なお、ここで相対屈折率は、（入射側媒質の屈折率）／（出射側媒質の屈折率）であり、本実施形態では１より大きい値である。なお、これまでの説明において、単に「屈折率」と記載した場合には、絶対屈折率を意味するものとする。スネルの法則によれば、相対屈折率が大きいほど出射角が大きくなるため、上記相対屈折率が大きい方の出射側媒質の厚みを大きくすることにより、出射光をより大きく光軸５０１に近づけることができる。例えば、第２レンズ基体層３２３の屈折率が２．００、第１中屈折率層３２２の屈折率が１．７２、低屈折率層３２１の屈折率が１．４６の場合には、２．００／１．７２＜１．７２／１．４６である。したがって、低屈折率層３２１の厚みを、第１中屈折率層３２２の厚みよりも大きくすればよい。

例えば、第２レンズ基体層３２３を屈折率が２．００の窒化シリコンとし、第１中間層３１９を屈折率が１．８４の窒化シリコンとすることができる。したがって、第１中屈折率層３２２の屈折率を第２中屈折率層３２０の屈折率よりも高くすることにより、第２レンズ基体層３２３の下面と第１中間層３１９の上面での反射光を低減することができる。例えば第１中屈折率層３２２を屈折率が１．７３の酸窒化シリコンとし、低屈折率層３２１を屈折率が１．４６の酸化シリコンとし、第２中屈折率層３２０を１．６５とすることができる。

上記した第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１の関係は、第１中屈折率層３２２が第２レンズ基体層３２３と界面を成す場合について説明したが、第２レンズ基体層３２３が設けられずに第１中屈折率層３２２が第２レンズ体層３２４と界面を成す場合でも同様である。また、上記した第２中屈折率層３２０と低屈折率層３２１の関係は、第２中屈折率層３２０が第１中間層３１９と界面を成す場合について説明したが、第１中間層３１９が設けられずに第１中屈折率層３２２が光路部材２２０と界面を成す場合でも同様である。

＜第６実施形態＞
図８を用いて第６実施形態を説明する。本実施形態では、集光部材３００は、第５実施形態における第１レンズ体層３２９上に第１レンズ体コーティング層３３０を有している。そのため、第１レンズ体コーティング層３３０が図１を用いて説明した最外層３０１に相当する。この点以外は第５実施形態と同じであり、説明を省略する。

第１レンズ体コーティング層３３０はフッ素系樹脂からなり、異物の付着等を抑制することができる。第１レンズ体コーティング層３３０は、第１レンズ体層３２９の屈折率と媒質４００の屈折率の間の屈折率を有している。媒質４００の屈折率は１．００１以下であり、第１レンズ体コーティング層３３０の屈折率は１．００１より高く、第１レンズ体層３２９の屈折率よりも低い。
第１レンズ体コーティング層３３０の厚みは、第２レンズ体コーティング層３２５と同様に設定することができる。

＜光電変換装置＞
図９を用いて、光電変換装置１０およびそれを用いた撮像システム３０の一例を説明する。光電変換装置１０は、例えば、イメージングセンサーや測距センサー、測光センサーとしての利用が可能である。光電変換装置１０が、イメージングセンサーと測距センサー、測光センサーとしての機能のうちの複数の機能を兼ね備えていてもよい。

光電変換装置１０と、光電変換装置１０から出力された電気信号が入力され、当該電気信号を処理する信号処理装置２０とを備える撮像システム３０を構築することもできる。図９は、撮像システム３０の一例を示す図である。電気信号は、光電変換装置１０のＯＵＴ１、ＯＵＴ２から出力される。ここでは、出力経路をＯＵＴ１、ＯＵＴ２の２つを設けた例を示したが、出力経路は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。電気信号は、信号処理装置２０のＩＮに入力される。電気信号は、電流信号であってもよいし電圧信号でもよく、また、アナログ信号であってもよいしデジタル信号であってもよい。

光電変換装置１０をイメージセンサーとして用いる場合には、信号処理装置２０を、ＩＮに電気信号を入力することにより、ＯＵＴ３から画像信号を出力するように構成する。光電変換装置１０を焦点検出用の測距センサーとして用いる場合には、信号処理装置２０を、ＩＮに電気信号を入力することにより、光電変換装置１０の前方に設けられたレンズを駆動するための駆動信号を、ＯＵＴ３から出力するように構成する。光電変換装置１０を測光センサーとして用いる場合には、信号処理装置２０を、ＩＮに電気信号を入力することにより、シャッターを制御して露光時間を調整する制御信号をＯＵＴ３から出力するように構成する。なお、上記シャッターはメカニカルシャッターでも電子シャッターでもよいが、電子シャッターの場合は、実質的に光電変換装置１０を制御することになる。本発明の光電変換装置１０をイメージセンサーとして用いると特に好適であり、良好な画像を得ることができる。

図９に示した撮像システム３０における光電変換装置１０の一例を説明する。本例では、光電変換装置１０として画素増幅型光電変換装置をイメージセンサーとして用いている。図９において、光電変換装置１０は、画素領域６１１と、垂直走査回路６１２と、２つの読み出し回路６１３と、２つの水平走査回路６１４と、２つの出力アンプ６１５を備えている。画素領域６１１以外の領域を周辺回路領域とも称する。

画素領域６１１には、複数（多数）の光電変換素子１が２次元状に配列されている。各光電変換素子１が１画素に相当する。互いに隣り合う光電変換素子１同士の間隔（画素ピッチ）は、典型的には、１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であると、本発明は特に顕著な効果を奏する。周辺回路領域には、読み出し回路６１３、例えば、列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等が設けられ、垂直走査回路６１２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路６１４は、読み出し回路６１３の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ６１５は、水平走査回路６１４によって選択された列の信号を増幅して出力する。

以上の構成は、光電変換装置１０の一つの構成例に過ぎず、これに限定されるものではない。読み出し回路６１３と水平走査回路６１４と出力アンプ６１５とは、２系統の出力経路（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）を構成するため、画素領域６１１を挟んで上下に１つずつ配置されている。

代表的な撮像システム３０としてはスチルカメラやビデオカメラ等のカメラが挙げられる。撮像システム３０は、光電変換装置１０を移動可能にする移動手段（不図示）を備えることもできる。移動手段としては、電動モーターやレシプロエンジン、ロータリーエンジン等を動力源とする車輪が挙げられる。また、移動手段としては、プロペラ、タービンエンジン、ロケットエンジン等の推進装置も挙げられる。このような、移動手段を備える撮像システムは、自動車や鉄道車両、船舶、航空機、人工衛星等に、光電変換装置１０および信号処理装置２０を搭載することにより実現が可能である。

図１０を用いて光電変換装置１０の一例を説明する。本実施形態では、光電変換装置１０は、パッケージ７００と、ボンディングワイヤ７１０と、リード７２０と、封止層３３１とを備えている。リード７２０が上記したＯＵＴ１、ＯＵＴ２となっている。

基板１００はパッケージ７００に不図示の接着剤（ダイボンドペースト）を介してパッケージ７００に固定されている。パッケージ７００の材料には、セラミックやプラスチックを用いることができる。基板１００は透明な封止層３３１で覆われている。封止層３３１はレンズ体層３２９（あるいは第１レンズ体層３２９）の屈折率よりも低い屈折率を有する透明な樹脂からなる。封止層３３１と基板１００との間には、絶縁膜２００や集光部材３００の一部を成す不図示の層が位置している。そして、封止層３３１は媒質４００と接しており、封止層３３１が、図１を用いて説明した集光部材３００の最外層３０１に相当する。封止層３３１は外部からの衝撃や汚染から基板１００を保護することができる。当然、図１０で示した構成から、封止層３３１を削除（封止層３３１を媒質４００に置き換える）してもよいし、またさらには、媒質４００を介して透明板を基板１００と対向させてもよい。その場合には、第１〜５実施形態のレンズ体層３２９（あるいは第１レンズ体層３２９）や第６実施形態の第１レンズ体コーティング層３３０が最外層３０１に相当する。

第５実施形態として説明した、図７のような構造を有する光電変換素子１を、１．５μｍ間隔で２次元状に配列（正方格子状に配列）することで、光電変換装置１０を作製した。絶縁膜２００の厚み（距離Ｔ）を１．５μｍとし、開口部２０１の深さ（距離Ｄ）を１．４μｍとした。なお、第１絶縁層２０５、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４の厚みをすべて０．０７μｍ以下とした。開口部２０１の上端の直径を０．８μｍとした。光路部材２２０の屈折率は１．９程度であった。第１レンズ体層３２９の高さを０．５μｍ、幅を１．５μｍとした。表面はほぼ理想球面であった。第２レンズ体層３２４の高さを０．２７μｍ、第２レンズ基体層３２３の厚みを０．２３μｍ、第２レンズ体層３２４の幅を１．２μｍとした。第２レンズ体層３２４の表面はほぼ理想球面であった。また、第１レンズ体層３２９の先端と第２レンズ体層３２４の先端との距離を１．７μｍに設定した。第２レンズ体層３２４の先端と、第２平面１００５との距離を０．７μｍに設定した。なお、第１中屈折率層３２２（酸窒化シリコン）の厚みを０．０８μｍ、低屈折率層３２１（酸化シリコン）の厚みを０．１０μｍ、第２中屈折率層３２０（酸窒化シリコン）の厚みを０．０８μｍ、第２中間層３１９（窒化シリコン）の厚みは０．２μｍとした。時間領域差分法を用いたシミュレーションの結果、焦点５００の位置は、光路部材２２０の内部の、受光面１１１から約１．１μｍ離れた位置に形成されることが分かった。このような光電変換装置１０をイメージセンサーとして用いてビデオカメラを作製したところ、良好な画像を得ることができた。

１００ 半導体基板
１０１ 主面
１１０ 光電変換部
１１１ 受光面
２００ 絶縁膜
２０１ 凹部
２０２ 上面
２０３ 底面
２０４ 側面
２２０ 光路部材
３００ 集光部材
３２９ レンズ層（第１レンズ層）
３２４ 第２レンズ層
３２１ 低屈折率層
５００ 焦点
５０１ 光軸５０１
５１０ 中心領域
５２０ 周辺領域
１００１ 第１平面
１００２ 第２平面
１００３ 第３平面
１００４ 第４平面
１００５ 第５平面
１００６ 第６平面
１００７ 第７平面

Claims (16)

1. 光電変換部と、
   開口部を囲む側面および前記側面から延在した上面を有する絶縁膜と、
   前記側面に接し、前記光電変換部の受光面に対応した領域に下面を有する光路部材と、
   少なくとも１つの集光レンズ体層を含む集光部材と、を備え、
   前記光路部材は、円錐台形状、角錐台形状、角柱形状または円柱形状を呈しており、
   前記絶縁膜は、前記光路部材の屈折率より低い屈折率を有し前記光路部材を囲む、１層以上の低屈折率絶縁層を含んでおり、
   前記集光部材は、前記集光レンズ体層と前記光路部材との間に位置する高屈折率層と、前記高屈折率層と前記光路部材との間に位置し、前記高屈折率層の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層と、を含み、
   前記上面は、前記受光面を含む第１平面に平行で前記第１平面から距離Ｔだけ離れた第２平面内に位置しており、
   前記下面は、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に前記距離Ｔ以下の距離Ｄだけ離れた第３平面内に位置しており、
   前記集光部材は、前記集光部材の、前記開口部に対応した領域に入射する光の焦点を、前記光路部材の内部であって、前記第２平面と、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／２だけ離れた第４平面と、の間に形成することを特徴とする光電変換素子。
2. 前記集光部材は、前記絶縁膜の前記上面に接する、前記光路部材と同じ材料で構成された中間層を有し、
   前記集光部材は、前記上面に対応した領域に入射する光の焦点を、前記光路部材の内部であって、前記第２平面と前記第４平面との間に形成することを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
3. 前記距離Ｄが前記距離Ｔの１／２以上であり、前記距離Ｄが前記距離Ｔよりも小さく、
   前記集光部材は、前記集光部材の前記開口部に対応した領域に入射する光の焦点を、前記受光面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／８だけ離れた第５平面と、前記受光面に平行で前記第４平面から前記受光面側とは反対側に距離Ｄ／８だけ離れた第６平面と、の間に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
4. 光電変換部と、
   開口部を囲む側面および前記側面から延在した上面を有する絶縁膜と、
   前記側面に接し、前記光電変換部の受光面に対応した領域に下面を有する光路部材と、
   少なくとも１つの集光レンズ体層を含む集光部材と、を備え、
   前記光路部材は、円錐台形状、角錐台形状、角柱形状または円柱形状を呈しており、
   前記絶縁膜は、前記光路部材の屈折率より低い屈折率を有し前記光路部材を囲む、１層以上の低屈折率絶縁層を含んでおり、
   前記上面は、前記受光面を含む第１平面に平行で前記第１平面から距離Ｔだけ離れた第２平面内に位置しており、
   前記下面は、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に前記距離Ｔ以下の距離Ｄだけ離れた第３平面内に位置しており、前記第１平面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／２だけ離れた平面を第４平面として、
   前記集光部材は、前記集光部材の前記開口部に対応した領域に入射する光の焦点を、前記受光面に平行で前記第２平面から前記受光面側に距離Ｄ／８だけ離れた第５平面と、前記受光面に平行で前記第４平面から前記受光面側とは反対側に距離Ｄ／８だけ離れた第６平面と、の間に形成することを特徴とする光電変換素子。
5. 前記距離Ｄが０．５５μｍ以上であり、前記距離Ｔが１０μｍ以下であり、前記光路部材の屈折率が１．６以上であり、前記低屈折率絶縁層の屈折率が１．４〜１．５であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
6. 前記絶縁膜は、前記光路部材の屈折率以上の屈折率を有し前記光路部材を囲む、１層以上の高屈折率絶縁層を含んでいることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
7. 前記第２平面における前記開口部の幅が２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
8. 前記集光部材は、前記集光レンズ体層としての第１レンズ体層と、前記第１レンズ体層と前記光路部材との間に位置する第２レンズ体層とを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
9. 前記集光部材は、前記集光レンズ体層としての第１レンズ体層と、前記高屈折率層としての第２レンズ体層とを含み、前記低屈折率層は、前記光路部材の屈折率よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
10. 前記集光部材は、前記第２レンズ体層と前記低屈折率層との間に位置する、前記第２レンズ体層の屈折率と前記低屈折率層の屈折率の間の屈折率を有する第１中屈折率層と、
    前記光路部材と前記低屈折率層との間に位置する、前記光路部材の屈折率と前記低屈折率層の屈折率の間の屈折率を有する第２中屈折率層と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子。
11. 前記第２レンズ体層の屈折率が前記光路部材の屈折率よりも高く、前記第１中屈折率層の屈折率が前記第２中屈折率層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換素子。
12. 前記第２レンズ体層および前記光路部材が窒化シリコンからなり、前記低屈折率層が酸化シリコンからなることを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子。
13. 前記第１レンズ体層の上に設けられた、前記第１レンズ体層の屈折率よりも低い屈折率を有する第１レンズ体コーティング層と、前記第２レンズ体層の上に設けられた、前記第１レンズ体層の屈折率よりも低い屈折率を有する第２レンズ体コーティング層と、の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の光電変換素子。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換素子の複数が配列されていることを特徴とする光電変換装置。
15. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換素子の複数が２次元状に配列され、前記複数の光電変換素子の各々が画素を成す画素領域を備え、前記画素領域において、互いに隣り合う光電変換素子同士の間隔は２．０μｍ以下であることを特徴とする光電変換装置。
16. 請求項１４に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置から出力された電気信号が入力され、前記電気信号を処理する信号処理装置と、を有することを特徴とする撮像システム。

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