JP2000332227A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

固体撮像装置とその製造方法

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JP2000332227A
JP2000332227A JP11140426A JP14042699A JP2000332227A JP 2000332227 A JP2000332227 A JP 2000332227A JP 11140426 A JP11140426 A JP 11140426A JP 14042699 A JP14042699 A JP 14042699A JP 2000332227 A JP2000332227 A JP 2000332227A
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JP
Japan
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kamaboko
microlens
solid
imaging device
state imaging
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JP11140426A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Kawajiri
和廣 川尻
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Fujifilm Holdings Corp
Fujifilm Microdevices Co Ltd
Original Assignee
Fujifilm Microdevices Co Ltd
Fuji Photo Film Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 画素を高密度化すること、あるいは集光効率
を高めることを可能とするマイクロレンズの構造を有す
る固体撮像装置とその製造方法を提供することを課題と
する。 【解決手段】 固体撮像装置は、互いに直行する行方向
と列方向の2次元に複数の受光素子(2)を形成した基
板(1)と、基板の上に形成され、行方向に延在し、列
方向の断面が凸レンズ形状である複数行の第1の蒲鉾型
マイクロレンズ(3)と、第1の蒲鉾型マイクロレンズ
の上に形成され、列方向に延在し、行方向の断面が凸レ
ンズ形状である複数列の第2の蒲鉾型マイクロレンズ
(4)とを有し、第1と第2の蒲鉾型マイクロレンズが
交わる領域の下に受光素子が形成され、第1と第2の蒲
鉾型マイクロレンズを通過した光が受光素子に集光され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に係
わり、特に、複数の受光素子に光を効率的に集光するた
めに好都合な構造のマイクロレンズを有する固体撮像装
置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】CCDイメージセンサをはじめとする固
体撮像装置には、半導体基板に形成された複数のフォト
ダイオードなどの受光素子の各々の上に微小なマイクロ
レンズが設けられている。マイクロレンズで集光された
光は、受光素子の受光領域に効率的に導かれる。固体撮
像装置では、複数の受光素子(画素)に対応して配列し
た複数のマイクロレンズのつながりで構成されたマイク
ロレンズアレイが用いられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】図4に従来のマイクロ
レンズアレイを用いた固体撮像装置の一部を模式的に示
す。図4(a)は、平面図であり、図4(b)は図4
(a)のI−I´線に沿った縦断面図である。複数のマ
イクロレンズ20は、半導体基板21の上に形成されて
いる。半導体基板21には例えばフォトダイオード22
とCCD(図示せず。)などが形成されている。マイクロ
レンズ20はフォトダイオード22の受光領域に光を集
光するように配置される。
【0004】図4に示す従来の固体撮像装置では、個々
のマイクロレンズ20は互いに分離していて、隣接する
マイクロレンズ間にレンズの役目をしない無効領域23
が広く形成されている。このような構造では、固体撮像
装置の全面積に対する実質的な受光面積の割合が少なく
なるので、光の利用効率が低い。また、マイクロレンズ
の配置間隔で受光素子の配列が決まるので、多数の画素
を高密度化する場合に不利な制限となる。
【0005】本発明の目的は、画素数を高密度化するこ
と、あるいは集光効率を高めることを可能とするマイク
ロレンズの構造を有する固体撮像装置又はその製造方法
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、互いに直行する行方向と列方向の2次元に複数の受
光素子を形成した基板と、前記基板の上に形成され、前
記行方向に延在し、前記列方向の断面が凸レンズ形状で
ある複数行の第1の蒲鉾型マイクロレンズと、前記第1
の蒲鉾型マイクロレンズの上に形成され、前記列方向に
延在し、前記行方向の断面が凸レンズ形状である複数列
の第2の蒲鉾型マイクロレンズとを有し、前記第1と第
2の蒲鉾型マイクロレンズが交わる領域の下に前記受光
素子が形成され、前記第1と第2の蒲鉾型マイクロレン
ズを通過した光が前記受光素子に集光される固体撮像装
置が提供される。
【0007】本発明の他の観点によれば、(a)半導体
基板内で互いに直行する行方向と列方向の2次元に複数
の受光素子を形成する工程と、(b)前記半導体基板の
上に、前記行方向に延在し、前記列方向の断面が凸レン
ズ形状である複数行の第1の蒲鉾型マイクロレンズを形
成する工程と、(c)前記第1の蒲鉾型マイクロレンズ
の上に、前記列方向に延在し、前記行方向の断面が凸レ
ンズ形状である複数列の第2の蒲鉾型マイクロレンズを
形成する工程とを有し、前記工程(b)及び(c)は、
前記第1と第2の蒲鉾型マイクロレンズが交わる領域の
下に前記受光素子が形成され、前記第1と第2の蒲鉾型
マイクロレンズを通過した光が前記受光素子に集光され
るように前記第1及び第2の蒲鉾型マイクロレンズを形
成する固体撮像装置の製造方法が提供される。
【0008】第1と第2の蒲鉾型マイクロレンズを直交
させ、両者が交わる領域の下に受光素子を配置したこと
により、レンズの無効領域が最小限となり、効率的に集
光される。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施例による固
体撮像装置の平面図及び側断面図を示す。図1(a)
は、平面図であり、図1(b)は図1(a)の固体撮像
装置を紙面の下方から見た側断面図であり、図1(c)
は図1(a)の固体撮像装置を紙面の右方から見た側断
面図である。
【0010】半導体基板1に受光素子であるフォトダイ
オード2が公知のプロセス技術により形成されている。
複数のフォトダイオード2は、画素に対応しており、互
いに直交する列方向と行方向に沿って所定間隔で配列さ
れている。
【0011】なお、図1では具体的に描いてないが、例
えばCCDカラーイメージセンサである場合には、半導
体基板1にフォトダイオード2の他、フォトダイオード
2から電荷を読み出すためのトランスファーゲートと、
読み出した電荷を転送するための電荷結合素子(CC
D)と、不要な光を遮る遮光膜と、カラーフィルタなど
も形成される。
【0012】半導体基板1の上には、光透過層6が形成
される。光透過層6の上には、列方向(図の垂直方向)
に延在する層中蒲鉾型マイクロレンズ3が形成されてい
る。蒲鉾型マイクロレンズ3は、列方向の断面が矩形で
あり、行方向(図の水平方向)の断面が凸レンズ形状で
ある。
【0013】さらに、層中蒲鉾型マイクロレンズ3の上
には、光透過層5が形成される。光透過層5の上には、
行方向に延在する表面蒲鉾型マイクロレンズ4が形成さ
れている。蒲鉾型マイクロレンズ4は、列方向の断面が
凸レンズ形状であり、行方向の断面が矩形である。
【0014】表面蒲鉾型マイクロレンズ4は、焦点距離
fsを有し、図1(c)の点線で示すように、外部から
の光31を、各フォトダイオード2の位置で列方向に集
光する。層中蒲鉾型マイクロレンズ3は、焦点距離fi
を有し、図1(b)の点線で示すように、表面蒲鉾形マ
イクロレンズ4を通過してきた光31を、各フォトダイ
オード2の位置で行方向に集光する。
【0015】従って、表面蒲鉾形マイクロレンズ4と層
中蒲鉾型マイクロレンズ3とが交差する領域を通過した
光31はその下のフォトダイオード2上に効果的に集光
される。焦点距離fs>焦点距離fiの関係を有する。
フォトダイオード2は、表面蒲鉾型マイクロレンズ4と
層中蒲鉾型マイクロレンズ3が交わる領域の下に形成さ
れる。
【0016】表面蒲鉾型マイクロレンズ4と、層中蒲鉾
型マイクロレンズ3との間には、層中蒲鉾型マイクロレ
ンズ3よりも屈折率の低い樹脂材料あるいはSiO2
どの透明無機材料による光透過層5を設けている。層中
蒲鉾型マイクロレンズ3と、基板1との間には、酸化シ
リコン、窒化シリコンなどの透明無機材料による光透過
層6が設けられている。
【0017】次に、図2と図3の工程図を参照して、本
発明の実施例によるマイクロレンズを備えた固体撮像装
置の製造方法を(a)から(g)に順に説明する。この
工程図は、基板上のマイクロレンズの部分の拡大断面図
である。なお、マイクロレンズの下に形成されている固
体撮像素子の基板の詳細については省略している。
【0018】始めに、図2(a)において、フォトダイ
オード2、電荷結合素子(CCD)、フォトダイオード
2から電荷を読み出すためのトランスファーゲート、不
要な光を遮る遮光膜などが公知のプロセス技術により半
導体基板10に形成される。半導体基板10の上に光透
過性のPSG(phospho−silicate−g
lass)膜11がCVDによる形成される。
【0019】次に、図2(b)に示すように、CMP等
によりPSG膜11の表面を平坦化する。PSG膜11
の屈折率は約1.5である。
【0020】さらに、図2(c)に示すように、平坦化
したPSG膜11を介して、フォトダイオード2の上に
CVDによりSiN層を形成する。フォトリソグラフィ
及びエッチングにより、SiN層を列方向に細長くパタ
ーニングして、所定パターンのSiN層12を形成す
る。SiN層12は、後に形成する層中蒲鉾型マイクロ
レンズ3の芯となる。このSiN層12の屈折率は約
2.0である。SiNの代わりにSiONでもよい。
【0021】次に、図2(d)に示すように、SiN層
12を覆って基板全面上にさらにSiN層13をCVD
により堆積する。SiN層12及び13は、断面が蒲鉾
形状の層中蒲鉾型マイクロレンズ3(図1)を形成す
る。
【0022】次に、図2(e)に示すように、屈折率が
SiN層13よりも小さな約1.5の有機材料の光透過
層14を形成する。光透過層14の屈折率をSiN層1
3の屈折率よりも小さくすることにより、SiN層13
はフォトダイオード2に集光するレンズとして機能す
る。
【0023】さらに、その上にレンズ材料層15を行方
向に細長い複数のパターンに形成する。レンズ材料層1
5は、光透過層14よりも屈折率が大きく、屈折率が約
1.6の感光性樹脂であり、フォトリソグラフィにより
パターニングすることができる。
【0024】図2(e)を右側から見た断面図を図3
(f)に示す。このレンズ材料層15は、材料が熱可塑
性(熱軟化性)及び感光性樹脂であり、例えばアクリル
系樹脂のポリグリシジルメタクリレート(PGMA)等
が用いられ、断面が矩形でパターニングされる。パター
ニング後に、レンズ材料層15を180℃で約30秒間
加熱すると、レンズ材料層15が溶けて角が丸くなり、
図3(g)で示したような断面が凸レンズ状の表面蒲鉾
型マイクロレンズ4に変形する。この熱可塑性樹脂材料
は、熱硬化性を有し、熱変形のあとで硬化し、冷却した
後は、それ以後加熱しても変形はしない。レンズ材料層
15は、その上の空気よりも屈折率が高いので、外光を
フォトダイオード2に集光することができる。
【0025】以上の工程を経て図1に示したような蒲鉾
型マイクロレンズ3,4を交差するように組み合わせた
固体撮像装置が完成する。
【0026】なお、表面蒲鉾型マイクロレンズ4及び層
中蒲鉾型マイクロレンズ3は、レンズとして機能するた
めの屈折率を有するものであれば、他の材料を使用する
ことができる。例えば、層中蒲鉾型マイクロレンズ3を
樹脂で形成してもよい。
【0027】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
互いに直交する第1及び第2の蒲鉾型マイクロレンズが
重なる部分を通過する光が有効に受光素子に集光される
ので、無効領域が最小限に狭められ、レンズの集光効率
を高めることができ画素(受光素子)を高密度化するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による蒲鉾型マイクロレンズを
備えた固体撮像装置の平面図と側断面図である。
【図2】本発明の実施例による固体撮像装置の製造方法
の工程を示す断面図である。
【図3】本発明の実施例による固体撮像装置の製造方法
の工程を示す別の方向から見た断面図である。
【図4】従来の技術による固体撮像装置のマイクロレン
ズアレイの構造を示す平面図と断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 フォトダイオード 3 層中蒲鉾型マイクロレンズ 4 表面蒲鉾形マイクロレンズ 5、6 光透過層 10 半導体基板 11 PSG膜 12、13 SiN層 14 有機材料層 15 レンズ材料層 20 従来のマイクロレンズ 21 半導体基板 22 フォトダイオード 23 無効領域
フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA10 AB01 BA10 CA02 FA06 GB03 GC07 GD04 GD05 GD07 5C024 AA01 CA12 CA31 EA04 FA01 GA01 GA51

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 互いに直行する行方向と列方向の2次元
    に複数の受光素子を形成した基板と、 前記基板の上に形成され、前記行方向に延在し、前記列
    方向の断面が凸レンズ形状である複数行の第1の蒲鉾型
    マイクロレンズと、 前記第1の蒲鉾型マイクロレンズの上に形成され、前記
    列方向に延在し、前記行方向の断面が凸レンズ形状であ
    る複数列の第2の蒲鉾型マイクロレンズとを有し、前記
    第1と第2の蒲鉾型マイクロレンズが交わる領域の下に
    前記受光素子が形成され、前記第1と第2の蒲鉾型マイ
    クロレンズを通過した光が前記受光素子に集光される固
    体撮像装置。
  2. 【請求項2】 前記第1の蒲鉾型マイクロレンズが無機
    材料で形成され、前記第2の蒲鉾型マイクロレンズが有
    機材料で形成されている請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 前記第1の蒲鉾型マイクロレンズは前記
    第2の蒲鉾型マイクロレンズよりも焦点距離が短い請求
    項1又は2記載の固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 さらに、前記第1の蒲鉾型マイクロレン
    ズと前記第2の蒲鉾型マイクロレンズとの間に前記第1
    の蒲鉾型マイクロレンズよりも屈折率の低い透過層を有
    する請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項5】 前記透過層は、前記第2の蒲鉾型マイク
    ロレンズよりも屈折率が低い請求項4記載の固体撮像装
    置。
  6. 【請求項6】 (a)半導体基板内で互いに直行する行
    方向と列方向の2次元に複数の受光素子を形成する工程
    と、 (b)前記半導体基板の上に、前記行方向に延在し、前
    記列方向の断面が凸レンズ形状である複数行の第1の蒲
    鉾型マイクロレンズを形成する工程と、 (c)前記第1の蒲鉾型マイクロレンズの上に、前記列
    方向に延在し、前記行方向の断面が凸レンズ形状である
    複数列の第2の蒲鉾型マイクロレンズを形成する工程と
    を有し、前記工程(b)及び(c)は、前記第1と第2
    の蒲鉾型マイクロレンズが交わる領域の下に前記受光素
    子が形成され、前記第1と第2の蒲鉾型マイクロレンズ
    を通過した光が前記受光素子に集光されるように前記第
    1及び第2の蒲鉾型マイクロレンズを形成する固体撮像
    装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記第1の蒲鉾型マイクロレンズが無機
    材料で形成され、前記第2の蒲鉾型マイクロレンズが有
    機材料で形成され、 前記工程(c)は、前記有機材料を加熱することにより
    前記凸レンズ形状の第2の蒲鉾型マイクロレンズを形成
    する請求項6記載の固体撮像装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記第1の蒲鉾型マイクロレンズは前記
    第2の蒲鉾型マイクロレンズよりも焦点距離が短い請求
    項6又は7記載の固体撮像装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 さらに、(d)前記工程(b)及び
    (c)の間に、前記第1の蒲鉾型マイクロレンズと前記
    第2の蒲鉾型マイクロレンズとの間に前記第1の蒲鉾型
    マイクロレンズよりも屈折率の低い透過層を形成する工
    程を有する請求項5〜7のいずれかに記載の固体撮像装
    置の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記透過層は、前記第2の蒲鉾型マイ
    クロレンズよりも屈折率が低い請求項9記載の固体撮像
    装置の製造方法。
JP11140426A 1999-05-20 1999-05-20 固体撮像装置とその製造方法 Withdrawn JP2000332227A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018060129A (ja) * 2016-10-07 2018-04-12 大日本印刷株式会社 光学素子、撮像モジュール、撮像装置

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