JP2001230396A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マイクロレンズを有する固体撮像素子におい
て、製造時の洗浄で多層反射防止層の機能が損なわれず
に製造でき、また、製造されたマイクロレンズの表面反
射が低下し、且つ集光性が向上したマイクロレンズを有
する固体撮像素子を提供すること。 【解決手段】受光部１０の上方部に、受光部平坦化層１
６、カラーフィルタ層７、マイクロレンズ層８、反射防
止層９を順次備え、該反射防止層が高屈折率層と低屈折
率層を交互に積層した２層以上の多層反射防止層である
こと。多層反射防止層の厚みをＤ、マイクロレンズ層の
隙間をＬの時、Ｄ≧Ｌ／２であること。高屈折率層が、
酸化セリウム、又は酸化セリウムと他金属酸化物の混合
物であること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射防止層付きの
マイクロレンズを有する固体撮像素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子は、装置の小型化と
高性能化（高精細化、高感度化）において様々な技術向
上が図られてきた。特に素子の微細化に伴う感度低下に
対しては、マイクロレンズを配設し光効率を向上させる
事は欠かせない技術となっている。しかしながら、この
ようなマイクロレンズを配設した固体撮像素子には、以
下の様な問題がある。

【０００３】１）固体操像素子の微細化に伴い、素子の
寸法は約１０μｍ以下と非常に小さくなり、従って固体
撮像素子に相対するマイクロレンズの寸法も約１０μｍ
以下となっている。このマイクロレンズの集光性を少し
でも向上させるために、隣接するマイクロレンズの隙間
（ギャップ）は０．５μｍ以下に、好ましくは０μｍに
することが望まれている。ところが、例えば、透明樹脂
をパターン化し、熱溶融によってマイクロレンズを形成
する方法では、透明樹脂及び露光装置に制約されて安定
して製造できる隙間（ギャップ）は０．４μｍが限界で
ある。すなわち、透明樹脂の特性、フォトリソグラフィ
の条件、熱溶融条件などが少しでも狂えば、隙間（ギャ
ップ）が変動しマイクロレンズにバラツキが生じウェハ
面内においては全面がムラとなってしまう。

【０００４】２）このマイクロレンズの隙間（ギャッ
プ）を０μｍに製造する方法として、例えば、マイクロ
レンズとなる透明樹脂上に、予め感光性レジストによっ
てレンズ形状を得ておき、ドライエッチングによりその
レジスト形状を透明樹脂に転写してマイクロレンズを形
成する方法がある。しかしながら、この方法を用いれ
ば、マイクロレンズの隙間（ギャップ）を０μｍに実現
することはできるが、ドライエッチングによりマイクロ
レンズを形成するために、例えば、８インチウェハの面
内を均一にドライエッチングするのは困難なことであ
る。すなわち、部分的に隙間（ギャップ）０μｍは実現
できるものの、マイクロレンズの厚み分（約１〜２μ
ｍ）を面内均一にドライエッチングすることはできず、
また、欠陥が多く発生し生産性に欠ける製造方法であ
る。

【０００５】３）また、マイクロレンズの屈折率は、そ
の集光性を考慮して１．５５〜１．６０程度の透明樹脂
を用いるので、マイクロレンズの表面反射は約４〜６％
程度となる。この表面反射は固体撮像素子にとっては光
のロスとなるので、この表面反射を緩和させ感度を少し
でも向上させるためには、マイクロレンズ表面上に反射
防止層を形成することが行われている。しかしながら、
従来の反射防止層の材料は、レンズ屈折率よりも僅かに
小さい屈折率の材料を単層で形成する場合が多く、表面
反射の改善は最大約２％程度しか得られていない。

【０００６】４）また、反射防止層を多層反射防止層と
した場合、高屈折率材料として、酸化チタン、又は酸化
チタンと他金属酸化物の混合物を用いると、アルカリ水
溶液、界面活性剤などによる洗浄時に酸化チタンが溶解
し、多層反射防止層の機能を損なうといった耐薬品性の
点での欠点があった。特に、マイクロレンズなどの有機
材料上に形成するには、室温付近の低い基板温度にてほ
ぼ非晶質でこれら多層反射防止層を形成せざるを得ない
が、非晶質の酸化チタンの層は容易にアルカリに溶解す
る欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
解決するためになされたものであり、マイクロレンズを
有する固体撮像素子において、マイクロレンズ製造時の
洗浄の際に、多層反射防止層の機能が損なわれずに製造
することができ、また、製造されたマイクロレンズは、
その表面反射が減少し、且つその集光性が向上したマイ
クロレンズを有する固体撮像素子を提供することを課題
とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体撮像素子
おいて、受光部の上方部に、少なくとも受光部平坦化
層、カラーフィルタ層、マイクロレンズ層、反射防止層
を順次備え、該反射防止層が高屈折率層と低屈折率層を
交互に積層した２層以上の多層反射防止層であることを
特徴とする固体撮像素子である。

【０００９】また、本発明は、上記発明による固体撮像
素子において、前記多層反射防止層の厚みをＤ、隣接す
るマイクロレンズ層の隙間をＬとした時、Ｄ≧Ｌ／２で
あることを特徴とする固体撮像素子である。

【００１０】また、本発明は、上記発明による固体撮像
素子において、前記高屈折率層が、酸化セリウム、又は
酸化セリウムと他金属酸化物の混合物であることを特徴
とする固体撮像素子である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明による固体撮像素子
を、その実施形態に基づいて説明する。本発明における
反射防止層は、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層し
た２層以上の多層反射防止層としたことを特徴とするも
のである。

【００１２】ここで、高屈折率層としては、例えば、チ
タン、セリウム、タンタル、錫、インジュウム、ジルコ
ニア、アルミニウム等の金属酸化物、これらの金属酸化
物の混合物であり屈折率が１．６０以上のものである。
また、低屈折率層としては、例えば、珪素系酸化物やフ
ツ化マグネシウム、珪素やマグネシウム、ジルコニア、
アルミニウム等の金属酸化物の混合物であり屈折率が
１．６０以下のものである。また、層厚（膜厚）は可視
光の中心波長をλとした時、光学的膜厚（実際の膜厚×
屈折率）がλ／４の整数倍である事が望ましい。光学薄
膜による光干渉を用いたこの様な２層以上の多層反射防
止層をマイクロレンズ層の上部に配設する事により、従
来マイクロレンズの表面反射で失われていた光を取り込
むことが可能になり高感度につながる。

【００１３】また、本発明においては、多層反射防止層
の厚みをＤ、隣接するマイクロレンズ層の隙間をＬとし
た時、Ｄ≧Ｌ／２である事を特徴としたものである。図
４（ａ）、（ｂ）は、マイクロレンズの隙間（ギャッ
プ）と多層反射防止層の厚みの関係を示す説明図であ
る。前述した様に、隣接するマイクロレンズの隙間（ギ
ャップ）（Ｌ）を０．４μｍ以下で制御して製造するこ
とは難しく効率が悪いため、予め、約０．５μｍの隙間
（ギャップ）を設けた上で、多層反射防止層をそのギャ
ップの半分程度の層厚（Ｄ）で形成する事により、ギャ
ップを０μｍに縮めるものである。つまり、多層反射防
止層として約０．２５μｍ程度の厚さを形成すれば良
い。（図４（ｂ））

【００１４】これにより、従来マイクロレンズ層（８）
を形成する際のプロセスマージンが高められ、例えば、
熱溶融によるリフローによりレンズを形成する場合であ
っても、約０．４μｍよりも大きい寸法でギャップを設
定できるので、隣接マイクロレンズがリフロー時に接合
してムラとなったり、レンズ形状に差が生じて感度ムラ
が生じるといった不具合が解消され歩留まりが向上す
る。

【００１５】また、多層反射防止層は、真空蒸着やスバ
ッタ等の物理的蒸着にて形成すればよい。これらの技術
は層厚（膜厚）均一性及び層厚（膜厚）制御性に優れる
他、立体的なレンズ等に対する被覆性が良好なため、塗
布法等と比較して狭ギャップの制御が精度良く行える。
詳しくは、図４（ａ）、（ｂ）にマイクロレンズ層
（８）と反射防止層（９）の断面形状を示す様に、例え
ば、塗布法によって反射防止層を形成した場合、図４
（ａ）に示す通り、マイクロレンズのギャップは埋まる
ものの、レンズ頂点と底面部での反射防止層の厚みが異
なるので、結果的にレンズ端部が緩くなり集光性が失わ
れる。また、面内均一に塗布形成することも難しく塗布
ムラになりやすいといった不具合がある。

【００１６】一方、図４（ｂ）に示す様に、物理的蒸着
法を用いて多層反射防止層（９）を形成すれば、マイク
ロレンズ層（８）のレンズ端部付近における多層反射防
止層は、約５０〜６０°の角度をもって成長するので、
多層反射防止層の厚み（Ｄ）が隙間（ギャップ）（Ｌ）
の１／２程度あることによって完全に埋蔵でき、また、
マイクロレンズ層（８）の形状に従って積層するので、
例えば、熱溶融によって形成されたレンズ形状を維持し
たまま、マイクロレンズの隙間（ギャップ）を小さくで
きる。

【００１７】また、本発明における高屈折率層は、酸化
セリウム、又は酸化セリウムと他金属酸化物の混合物で
あることを特徴とするものである。酸化セリウムは、酸
化チタンとならぶ高屈折率酸化物であるが、酸化チタン
と異なりアルカリ耐性の優れた材料である。特に、マイ
クロレンズなどの有機材料上に室温付近の低い基板温度
にて、ほぼ非晶質に形成しても通常のアルカリ洗浄で溶
解されることがない。酸化セリウムには、酸化タンタ
ル、酸化ニオブ、酸化錫、酸化インジウム、その他の他
高屈折率を有する他金属酸化物を混合させても良い。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 ＜実施例１＞図１は、本発明による固体撮像素子の一例
を模式的に示した説明図である。図１に示す様に、実施
例１における固体撮像素子は、受光部の上方部が凹形状
となっている。詳しくは、シリコン基板（１）に受光部
（１０）、絶縁膜（２）が形成され、その上部にゲート
電極（３）と、そのゲート電極（３）を覆うように絶縁
膜（４）と遮光膜（５）が形成されている。受光部の上
方のゲート電極（３）の間は凹形状となっている。そし
て、その受光部の凹形状は、受光部平坦化層（６）で平
坦化され、その上にカラーフィルタ層（７）、マイクロ
レンズ層（８）、反射防止層（９）が順次配設されてい
る。

【００１９】また、図２は、本発明による固体撮像素子
の他の例を模式的に示した説明図である。図２に示す様
に、カラーフィルタ層（７）と、マイクロレンズ層
（８）及び反射防止層（９）の間に、カラーフィルタ層
（７）を平滑化するためのカラーフィルタ層の平坦化層
（１６）を配設したものである。感光性の透明樹脂を用
いてマイクロレンズ層（８）を熱溶融によって形成する
場合、下地の影響を受けやすいので、カラーフィルタ層
が平坦でない場合にはカラーフィルタ層の平坦化層（１
６）を配設することによって下地依存性をなくすことが
できる。

【００２０】そして、反射防止層（９）は２層以上の光
学薄膜から構成されており、そのトータル層厚（膜厚）
は、マイクロレンズの隙間（ギャップ）の１／２以上で
ある。この様に、マイクロレンズ層（８）上に多層反射
防止層が形成されているので、従来、マイクロレンズの
表面において反射されていた光を取り込む事ができる。
また、マイクロレンズの隙間（ギャップ）が反射防止層
を物理的蒸着法によって形成されて埋まるため、０μｍ
ギャップを実現でき、レンズの集光効率が増したものと
なる。

【００２１】次に、本発明に係る固体撮像素子の製造方
法を説明する。図３（ａ）〜（ｆ）は、シリコン基板上
に形成される固体撮像素子の製造工程の概略を示したも
のである。シリコン基板（１）に受光部（１０）、絶縁
膜（２）を形成し、その上部にゲート電極（３）と、そ
のゲート電極（３）を覆うように絶縁膜（４）と、遮光
膜（５）を従来法にて得る。（図３（ａ））

【００２２】そのシリコン基板上に感光性透明樹脂を塗
布形成し、凹形状となった受光部の上方をフォトリソグ
ラフィによりパターン形成する事によって受光部平坦化
層（６）を形成する。次に、３色のカラーフィルタ層
（７）をフォトリソグラフィにより形成した後、カラー
フィルタ層の平坦化層（１６）を透明樹脂にて形成す
る。（図３（ｃ）〜（ｄ））

【００２３】次に、感光性の透明樹脂をフォトリソグラ
フィによってパターン化し、熱溶融によってマイクロレ
ンズ層（８）を得る。（図３（ｅ））固体撮像素子の素
子寸法は約８μｍ程度のものであり、マイクロレンズ層
（８）の高さは約１．０〜２．０μｍ、マイクロレンズ
層を構成する樹脂の屈折率は約１．５９、隣接するマイ
クロレンズの隙間（ギャップ）は、０．５μｍ以下のも
のである。

【００２４】次いで、マイクロレンズが形成された固体
撮像素子の基板に、外部接続用電極パッド（図示せず）
を除いて真空蒸着により、酸化アルミニウムをλ／２、
ついで二酸化珪素をλ／４の膜厚で形成する。すなわ
ち、まず、外部接続用電極パッド上にフォトリソグラフ
ィによりレジストパターンを形成し、次いで、イオンア
シスト法を用いて反射防止層を形成する。詳しくは、酸
素を１０％混合したアルゴンガスを基板に対してイオン
照射しながら、成膜速度１．０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度
７０℃以下のもとＥＢ蒸着法により基板全面に２層の反
射防止層（９）を得る。（図３（ｆ））

【００２５】この時の反射防止層（９）の厚みは約２３
０ｎｍであり、マイクロレンズの隙間（ギャップ）は反
射防止層形成前の約０．５μｍからほぼ０μｍとなっ
た。次いで、剥離液に潰して外部接続用電極パッド上の
レジストパターンを剥離して、外部接続用電極パッド部
を開口する。これによりマイクロレンズの表面反射率
は、従来約４〜５％程度あったものが約０〜５％程度と
改善され、また、マイクロレンズの隙間（ギャップ）が
約０μｍとなったことから、光効率が向上し固体撮像素
子の高感度化を図ることができた。

【００２６】＜実施例２＞実施例１のマイクロレンズが
形成された固体撮像素子の基板に、実施例１の上記２層
の反射防止層の代わりに、スパッタを用いて、酸化アル
ミニウムをλ／４、酸化セリウムと酸化ニオブの混合酸
化物をλ／２、二酸化珪素をλ／４の膜厚で順次形成さ
せる。詳しくは、酸素雰囲気において成膜速度０．５ｎ
ｍ／ｓｅｃ、基板温度７０℃以下のもとＲＦスパッタ法
により基板全面に３層の反射防止層を得る。この時の反
射防止層の厚みは約３２０ｎｍであり、２層反射防止層
と同様にマイクロレンズの隙間（ギャップ）０μｍが実
現できた。

【００２７】尚、上記実施例２では、外部接続用電極パ
ッドを開口するために、予めレジストパターンを設け、
反射防止層を形成後に剥離したが、反射防止層をマイク
ロレンズが形成された固体撮像素子の基板の全面に形成
した後に、外部接続用電極パッドを除いてレジストパタ
ーンを形成して、ドライエッチング等でエッチングし、
外部接続用電極パッド上の反射防止層を除去することに
よって外部接続用電極パッド部を開口してもよい。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、固体撮像素子の受光部の上方
部に、少なくとも受光部平坦化層、カラーフィルタ層、
マイクロレンズ層、反射防止層を順次備え、該反射防止
層が高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した２層以上
の多層反射防止層であるので、製造されたマイクロレン
ズは、その表面反射が低下したマイクロレンズを有する
固体撮像素子となる。

【００２９】また、本発明は、上記固体撮像素子におい
て、多層反射防止層の厚みをＤ、隣接するマイクロレン
ズ層の隙間をＬとした時、Ｄ≧Ｌ／２であるので、製造
されたマイクロレンズは、その表面反射が低下し、且つ
その集光性が向上したマイクロレンズを有する固体撮像
素子となる。

【００３０】また、本発明は、上記固体撮像素子におい
て、高屈折率層が、酸化セリウム、又は酸化セリウムと
他金属酸化物の混合物であるので、マイクロレンズ製造
の際の洗浄時に、多層反射防止層の機能が損なわれずに
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像素子の一例を模式的に示
した説明図である。

【図２】本発明による固体撮像素子の他の例を模式的に
示した説明図である。

【図３】（ａ）〜（ｆ）は、シリコン基板上に形成され
る固体撮像素子の製造工程の概略を示したものである。

【図４】（ａ）、（ｂ）は、マイクロレンズの隙間（ギ
ャップ）と多層反射防止層の厚みの関係を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１…シリコン基板 ２、４…絶縁膜 ３…ゲート電極 ５…遮光膜 ６…受光部平坦化層 ７…カラーフィルタ層 ８…マイクロレンズ層 ９…反射防止層 １０…受光部 １６…カラーフィルタ層の平坦化層 Ｄ…多層反射防止層の厚み Ｌ…マイクロレンズ層の隙間

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2K009 AA05 AA06 AA07 AA08 AA09 BB01 CC02 DD03 FF02 4M118 AA10 AB01 BA03 CA40 EA01 GC07 GD04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体撮像素子おいて、受光部の上方部に、
   少なくとも受光部平坦化層、カラーフィルタ層、マイク
   ロレンズ層、反射防止層を順次備え、該反射防止層が高
   屈折率層と低屈折率層を交互に積層した２層以上の多層
   反射防止層であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】前記多層反射防止層の厚みをＤ、隣接する
   マイクロレンズ層の隙間をＬとした時、Ｄ≧Ｌ／２であ
   ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】前記高屈折率層が、酸化セリウム、又は酸
   化セリウムと他金属酸化物の混合物であることを特徴と
   する請求項１、又は請求項２記載の固体撮像素子。