JP2003332548A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 外付け光学ローパスフィルタを必要とせずに
モアレを低減することの出来る固体撮像素子を提供す
る。 【解決手段】 固体撮像素子は、２次元表面を画定する
半導体基板と、前記半導体基板の受光領域２に複数列、
複数行に形成された多数個の光電変換素子と、前記半導
体基板上方に形成された平坦化絶縁膜８と、前記平坦化
絶縁膜８上方に形成され、それぞれが入射光を２つ以上
の光電変換素子に入射させる光学特性を有する複数個の
マイクロレンズ１２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オンチップマイク
ロレンズを有する固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子においては、多数の画素
（光電変化素子）が離散的に配置され、空間的に連続な
入射パターンでも画素ごとに標本化される。そのため、
画素の配列ピッチで決まるナイキスト周波数以上の空間
周波数のパターンが入ると折り返しノイズを発生する。
この折り返しノイズは、パターンの持つ繰返し周期と、
標本化周波数ｆｓの差の成分が映像信号の帯域内に現れ
るためで、モアレと呼ばれている。

【０００３】図１０は光学ローパスフィルタを有する従
来の固体撮像素子に入射する光線の入射経路を模式的に
表した概略図である。

【０００４】通常、固体撮像素子の前面に複屈折性を有
する板を置く、すると高い空間周波数成分を減衰させ、
モアレを避けることのできる光学的低域フィルタ（光学
ローパスフィルタ）としての効果を得ることができる。
一般的な固体撮像素子では、水晶板等を光学的低域フィ
ルタ（光学ローパスフィルタ）３０として、使用してい
る。

【０００５】水晶には、光学的異方性が有り、水晶結晶
の光軸に対して垂直に振動して進む常光線は結晶内でど
の方向にも等速で進む。これに対して、光軸に並行に振
動して進む異常光線は、光軸に対する角度で速度が異な
る性質から２光線を形成し、光学ローパスフィルタ効果
を得ることが出来る。

【０００６】例えば、図１０に示すように、入射光Ｌ
は、光学ローパスフィルタ３０において、入射光Ｌ１と
入射光Ｌ２に分けられる。入射光Ｌ１は、マイクロレン
ズ２２ａで集光されて、カラーフィルタ層９、層内レン
ズ２０等を通過して光電変換素子２ａに入射する。一
方、入射光Ｌ２は、光学ローパスフィルタ３０により屈
折し、マイクロレンズ２２ａに隣接するマイクロレンズ
２２ｂで集光され、カラーフィルタ層９、層内レンズ２
０等を通過して光電変換素子２ａに隣接する光電変換素
子２ｂに入射する。

【０００７】通常、光学ローパスフィルタ３０は、画素
配列に併せて設計され、縦、横、斜めに２〜３枚を組み
合わせて用いられる。その他、結晶厚を水晶よりも薄く
しても大きな複屈折効果が得られるリチウムニオベイト
（強誘電体）結晶が用いられることもある。

【０００８】従来の、固体撮像素子では、上記のよう
に、水晶板やリチウムニオベイト等を用いた光学ローパ
スフィルタ３０を固体撮像素子の前面に配置することに
より、その光学ローパスフィルタ３０の複屈折効果を利
用して、入射光の一部を隣接する光電変換素子２へ入射
して、モアレを低減させていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、光学
ローパスフィルタ３０としては、主に、水晶板を用いる
事が多いが、水晶板が、高価なために、固体撮像素子の
製造コストが上がってしまうという問題がある。

【００１０】また、固体撮像素子パッケージの透明ガラ
ス版を光学ローパスフィルタ（水晶リッド）とする場合
があるが、固体撮像素子パッケージの製造工程でかかる
圧力等のために水晶板が割れてしまうことが多く、歩留
まりを低下させると言う問題がある。

【００１１】また、水晶板の代わりに、リチウムニオベ
イトを用いることがあるが、強誘電体であるために、ご
みの付着や機械歪に弱いなどの問題がある。

【００１２】本発明の目的は、外付け光学ローパスフィ
ルタを必要とせずにモアレを低減することの出来る固体
撮像素子を提供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、少ない枚数の光学ロ
ーパスフィルタでモアレを低減することの出来る固体撮
像素子を提供することである。

【００１４】また、本発明のさらに他の目的は、結晶厚
の薄い光学ローパスフィルタでモアレを低減することの
出来る固体撮像素子を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、固体撮像素子は、２次元表面を画定する半導体基板
と、前記半導体基板の受光領域に複数列、複数行に形成
された多数個の光電変換素子と、前記半導体基板上方に
形成された平坦化絶縁膜と、前記平坦化絶縁膜上方に形
成され、それぞれが入射光を２つ以上の光電変換素子に
入射させる光学特性を有する複数個のマイクロレンズと
を有する。

【００１６】本発明の他の観点によれば、固体撮像素子
の製造方法は、（ａ）２次元表面を画定する半導体基板
を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板に多数個の光
電変換素子を複数列、複数行に形成する工程と、（ｃ）
前記半導体基板上方に、平坦化絶縁膜を形成する工程
と、（ｄ）それぞれが入射光を２つ以上の光電変換素子
に入射させる光学特性を有する複数個のマイクロレンズ
を前記平坦化絶縁膜上方に形成する工程とを有する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施例に
よる固体撮像素子のマイクロレンズの配置を概略的に示
す平面図である。

【００１８】図１（Ａ）は、複数の画素（光電変換素子
２）が複数行複数列に亘り正方行列状に配置された基板
表面に配置されるマイクロレンズの配列例を示す。マイ
クロレンズはそれぞれ光電変換素子の上に配置されてい
る。

【００１９】本実施例のマイクロレンズアレイでは、最
も外側に位置する各行および各列のマイクロレンズを除
いて、個々のマイクロレンズ１２、１３の平面形状が四
角形の四隅を丸めた形状になる。これらのマイクロレン
ズ１２、１３は、行方向に隣り合うもの同士、および列
方向に隣り合うもの同士が、平面視上、上記四隅を丸め
た四角形の一辺で互いに線接触する。最も外側に位置す
る各行および各列のマイクロレンズ１２、１３も、行方
向に隣り合うもの同士、および列方向に隣り合うもの同
士で、平面視上、互いに線接触する。

【００２０】対角線方向に隣り合うマイクロレンズ１
２、１３同士の間には、空隙（無効領域）が形成され
る。隣り合うマイクロレンズ１２、１３同士を上述のよ
うに互いに接触させて形成することにより、個々のマイ
クロレンズ１２、１３の平面視上の面積が広く、マイク
ロレンズとして機能しない無効領域が狭いマイクロレン
ズアレイを容易に得ることができる。

【００２１】本実施例では、図に示すように、マイクロ
レンズ１２が、市松模様に配置され、残りの領域にマイ
クロレンズ１３が配置される。

【００２２】なお、点線で示すようにマイクロレンズ１
２は、本来円形又はほぼ円形であるが、点線部の上面に
平面視上矩形のマイクロレンズ１３が部分的に重なるよ
うに形成されているので、マイクロレンズ１２も平面視
上は矩形に見える。

【００２３】図１（Ｂ）は、複数の画素（光電変換素子
２）をいわゆる画素ずらし配列した場合の例である。

【００２４】ここで、本明細書でいう「画素ずらし配
置」とは、２次元テトラゴナル行列の第１格子と、その
格子間に格子点を有する第２格子とを合わせた配置を指
す。例えば、奇数列（行）中の各光電変換素子２に対
し、偶数列（行）中の光電変換素子２の各々が、光電変
換素子２の列（行）方向ピッチの約１／２、列（行）方
向にずれ、光電変換素子列（行）の各々が奇数行（列）
または偶数行（列）の光電変換素子２のみを含む。「画
素ずらし配置」は、多数個の光電変換素子を複数行、複
数列に亘って行列状に配置する際の一形態である。

【００２５】なお、ピッチの「約１／２」とは、１／２
を含む他に、製造誤差、設計上もしくはマスク製作上起
こる画素位置の丸め誤差等の要因によって１／２から外
れてはいるものの、得られる固体撮像素子の性能および
その画像の画質からみて実質的に１／２と同等とみなす
ことができる値をも含むものとする。上記の「光電変換
素子行内での光電変換素子２のピッチの約１／２」につ
いても同様である。

【００２６】図に示すように、マイクロレンズ１２及び
マイクロレンズ１３が、図１（Ａ）の配列を４５度傾け
たものと同様に配置される。ここで、マイクロレンズ１
２は、正方行列状に配置されているが、４５度傾いた方
向から見ると市松状に配置されている。本明細書では、
このような配置も市松状と呼ぶ。

【００２７】図２は、本発明の第１の実施例によるマイ
クロレンズが球面レンズ形状、または、ほぼ球面レンズ
と見なすことができる表面形状のマイクロレンズになる
原理を説明するための斜視図である。図２は、４個のマ
イクロレンズ１２の各々と部分的に重なるようにして形
成されたマイクロレンズ用パターン１３ａをリフローさ
せたときの様子を示す。同図においては、リフローした
マイクロレンズ用パターンを参照符号１３ａで示す。

【００２８】リフローさせる前のマイクロレンズ用パタ
ーン１３ａの平面形状は、長方形または正方形である。

【００２９】平面形状が長方形または正方形のパターン
を平坦面上に形成してリフローさせると、その平面形状
は、長方形または正方形の四隅を丸めた形状となり、表
面の曲率は非球面レンズ形状になる。対向する辺の中点
同士を結ぶ表面が表面張力によって第１の半径の円弧と
なったとする。このとき，対角コーナを結ぶ表面は、高
さが等しく基線が長くなる。この表面も円弧になったと
してもその半径は第１の半径より長くなる。結果として
得られる面は球面にはならない。

【００３０】この理由は、リフローさせたときに表面張
力によって半球形になろうとする力が働くものの、平坦
面とパターンとの接触面の形状（長方形または正方形）
は変化しないためであると推察される。

【００３１】平坦面上に、円形パターンを形成してリフ
ローすれば、このような事情は解消され、球面を得るこ
とができる。マイクロレンズ１２がこのようにして得た
球面である。ここで、図１（Ａ），（Ｂ）の平面図に示
す矩形領域を考える。各辺は両端で下地表面に接し、中
間部では次第に持ちあがっている。もしこのような周縁
が規定できれば、その内部領域に球面を実現できるであ
ろう。

【００３２】マイクロレンズ用パターン１３ａは各マイ
クロレンズ１２と部分的に重なるようにして形成され
る。パターン１３ａの下側周縁を考察すると、上記で述
べた通りの両端で下地表面に接し、中間部では隣接する
マイクロレンズ１２によって次第に持ち上げられた形状
となっている。

【００３３】したがって、リフローしたマイクロレンズ
用パターン１３ａの表面形状は、球面レンズ形状、また
は、ほぼ球面レンズとみなすことができる形状で安定す
る。始めに作る球面レンズを規則的に正確に配置するこ
と、その後作る矩形パターンを初めの球面レンズに対し
て正確に配置することが重要である。

【００３４】したがって、リフローしたマイクロレンズ
用パターン１３ａを冷却すれば、球面レンズ形状、また
は、ほぼ球面レンズとみなすことができる表面形状を有
するマイクロレンズ１３が得られる。

【００３５】なお、このような形状をしたマイクロレン
ズ１２、１３又は複数のマイクロレンズ１２、１３から
なるマイクロレンズアレイを本明細書では、最近接する
マイクロレンズ間にギャップが存在しない点からギャッ
プレス・マイクロレンズと呼ぶ。

【００３６】また、上記のギャップレス・マイクロレン
ズの製造方法は、本出願と同一出願人による特許出願２
００２−０２５５１９の明細書の発明の実施の形態の項
に記載されている。例えば、図１（Ａ）に示すマイクロ
レンズ１２に対応するレンズパターンを、円形又は多角
形の表面形状（点線部分）を有するレジストパターンで
形成し、溶融することによりマイクロレンズ１２を形成
する。

【００３７】その後、矩形の平面形状を有するマイクロ
レンズ１３を形成する。マイロレンズ１２の裾（点線部
分）は、マイクロレンズ１３の下に入り込んだ部分を有
することになる。

【００３８】従来のマイクロレンズでは、隣接する各マ
イクロレンズ間にマイクロレンズの融着を防止するため
に、ギャップ（間隔）を設ける必要があり、入射光の有
効利用を妨げて感度を低下させていたが、上記の製造方
法によりギャップレス・マイクロレンズを形成すること
により、それを防ぐことが出来る。

【００３９】上記のギャップレス・マイクロレンズの製
造方法は、ドライエッチで削る（いわゆる転写法）では
なく溶かして表面を変形する（いわゆるリフロー法）で
行われるので、マイクロレンズの表面の平坦性を改善す
ることも出来る。

【００４０】図３は、第１の実施例による固体撮像素子
を図１（Ａ）の線ｘ−ｙで切断した拡大断面図である。
なお、図１０の参照番号と同じ番号のものは実質的に同
じ部材を示す。

【００４１】ｎ型シリコン等の半導体基板１の表面にｐ
型ウェルが形成される。ｐ型ウェルの表面領域にｐｎ接
合ダイオード構造の光電変換素子を形成するｎ型領域２
（以下、説明の便宜上、光電変換素子２と呼ぶ）と、ｎ
型領域の転送チャネル領域３が形成される。光電変換素
子２、転送チャネル領域３を電気的に分離する分離領域
（チャネルストップ）４がｐ型領域で形成される。光電
変換素子２、転送チャネル領域３、分離領域４を形成し
た半導体基板１の表面を熱酸化して、酸化シリコン膜か
らなる絶縁膜５が形成される。

【００４２】次に、転送チャネル領域３の上方に、２層
の多結晶シリコン層等による転送電極６が形成され、さ
らに絶縁膜５ａで覆われる。絶縁膜５ａ上に、Ｗ（タン
グステン）等からなり、光電変換素子２上方に開口を有
する遮光膜７が形成される。遮光膜７が形成された上
に、パッシベーション層、平坦化絶縁層を含む平坦化層
８ａが形成される。以上の工程は、公知の１例であり、
他の公知の工程を用いても良い。

【００４３】なお、本実施例では、ギャップレス・マイ
クロレンズを用いることにより、マイクロレンズの周辺
領域に入射する光を光電変換素子の受光部表面へ効率的
に集光することができるので、遮光膜７を省略してもよ
い。

【００４４】図４は、図３に示す第１の実施例による固
体撮像素子の第１平坦化層８ａ以降の製造工程を示す拡
大断面図である。

【００４５】図４（Ａ）に示すように、第１平坦化層８
ａ上に、層内レンズ（インナーレンズ）１０の材料とな
る透明レジストをスピンコート等により塗布し、フォト
リソグラフィ等により必要な部分を残して透明レジスト
を除去してパターニングし、層内レンズ用パターン１０
ａが形成される。

【００４６】層内レンズ用パターン１０ａは、上面から
見た場合に、層内レンズ用パターン１０ａと行方向また
は列方向に隣り合う空き領域とが市松状となるように、
選択的にパターニングされる。すなわち、層内レンズ用
パターン１０ａは、図１（Ａ）又は図１（Ｂ）のマイク
ロレンズ１２の下方に形成される。層内レンズ用パター
ン１０ａの平面形状は、円形もしくはほぼ円形といえる
多角形である。

【００４７】その後、図４（Ｂ）に示すように、層内レ
ンズ用パターン１０ａの表面を加熱してリフローさせる
ことにより、レンズ形状が形成される。さらに、ポスト
ベークすることにより、熱硬化させ、層内レンズ１０が
形成される。この時、層内レンズ１０は、平面形状が円
形であり、球面レンズ形状又はほぼ球面レンズとみなす
ことが出来る形状になる。

【００４８】次に、層内レンズ１０が形成された平坦化
層８の表面上に透明レジストをスピンコート等により塗
布し、フォトリソグラフィ等により必要な部分を残して
パターニングし、層内レンズ用パターン１１ａが形成さ
れる。

【００４９】この時、個々の層内レンズ用パターン１１
ａは、行方向または列方向に隣り合う層内レンズ１０間
に露出する平坦化層８表面を覆うと共に、近傍の各層内
レンズ１０と部分的に重なるように形成される。

【００５０】層内レンズ１１を球面レンズ形状、また
は、ほぼ球面レンズとみなすことができる表面形状のマ
イクロレンズに成形するうえからは、個々の層内レンズ
用パターン１１ａとその近傍の各層内レンズ１０とが次
のように重なるように、層内レンズ用パターン１１ａお
よび層内レンズ１０それぞれの大きさを選定することが
好ましい。

【００５１】すなわち、個々の層内レンズ用パターン１
１ａとその近傍の各層内レンズ１０とが重なっている領
域を平面視したときに、個々の層内レンズ用パターン１
１ａの一辺の概ね５０％以上、好ましくは６０％以上の
領域が層内レンズ１０上に位置するように、個々の層内
レンズ用パターン１１ａとその近傍の各層内レンズ１０
それぞれの大きさを選定することが好ましい。

【００５２】層内レンズ用パターン１１ａは、例えば、
図１（Ａ）又は図１（Ｂ）のマイクロレンズ１３の下方
に形成される。

【００５３】その後、図４（Ｃ）に示すように、層内レ
ンズ用パターン１１ａの表面を加熱してリフローさせる
ことにより、レンズ形状が形成される。さらに、ポスト
ベークすることにより、熱硬化させ、層内レンズ１１が
形成される。層内レンズ１０及び１１で形成された凹凸
を平坦化するために、フォトレジスト等の透明絶縁体で
ある第２平坦化層８ｂがスピンコート等で形成される。
第２平坦化層８ｂは以降の熱処理工程に耐えるものとす
る。

【００５４】次に、図４（Ｄ）に示すように、第２平坦
化層８ｂ上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三種類
の色のフィルタで構成されるカラーフィルタ層９が形成
される。カラーフィルタ層９の上に、表面を平坦化する
ために、フォトレジスト等の透明絶縁体である第３平坦
化層８ｃがスピンコート等で形成される。第３平坦化層
８ｃは以降の熱処理工程に耐えるものとする。

【００５５】次に、第３平坦化層８ｃの上に、層内レン
ズ用パターン１０ａと同様の工程により、マイクロレン
ズ用パターン１２ａが形成される。

【００５６】その後、図４（Ｅ）に示すように、マイク
ロレンズ用パターン１２ａの表面を加熱してリフローさ
せることにより、レンズ形状が形成される。さらに、ポ
ストベークすることにより、熱硬化させ、マイクロレン
ズ１２が形成される。この時、マイクロレンズ１２は、
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に点線で示すように、平面形
状が円形であり、球面レンズ形状又はほぼ球面レンズと
みなすことが出来る形状になる。

【００５７】次に、層内レンズ用パターン１１ａと同様
の工程により、マイクロレンズ用パターン１３ａが形成
される。マイクロレンズ用パターン１３ａの表面を加熱
してリフローさせることにより、レンズ形状が形成され
る。さらに、ポストベークすることにより、熱硬化さ
せ、マイクロレンズ１３が形成され、図３に示すような
固体撮像素子となる。

【００５８】なお、マイクロレンズ１２及び１３は、焦
点距離が、固体撮像素子２とマイクロレンズ１２及び１
３の下面との距離より短くなるように、レンズ径、高
さ、レジスト材料等が設定される。

【００５９】図５（Ａ）は、第１の実施例による固体撮
像素子に入射する光線の入射経路を模式的に表した概略
図である。図中、破線により入射経路を表す。また、図
３及び図４と同様の部分には同じ参照番号が付与されて
いる。

【００６０】マイクロレンズ１３（又は１２）に入射す
る光の内、中心部に入射する入射光ＬＣは、入射光ＬＣ
が入射したマイクロレンズ１３（又は１２）の下方にあ
る光電変換素子２に入射し、周辺部に入射する入射光Ｌ
Ｌ及びＬＲは、入射した側と反対側に隣接する光電変換
素子２に入射するように、マイクロレンズ１３（又は１
２）のレンズ形状および屈折率等が設定される。

【００６１】マイクロレンズ１２、１３の屈折率（ｎ
１）、第３平坦化層８ｃの屈折率（ｎ２）、第２平坦化
層８ｂの屈折率（ｎ３）、層内レンズ１０及び１１の屈
折率（ｎ４）及び第１平坦化層８ａの屈折率（ｎ５）
は、大気中の屈折率をｎ０とした場合に、ｎ０＜ｎ１＝
ｎ２＜ｎ３＜ｎ４＜ｎ５の関係になるように設定され
る。なお、実際には、カラーフィルタ層９も一定の屈折
率を有するが、説明の便宜上、図中入射光は、カラーフ
ィルタ層９により屈折しないものとして示す。以下の図
６〜９もこの点につき同様である。

【００６２】例えば、マイクロレンズ１３の中心部に入
射する入射光ＬＣは、第３平坦化層８ｃ、カラーフィル
タ層９、第２平坦化層８ｂ、層内レンズ１１及び第１平
坦化層８ａを介してマイクロレンズ１３に対応する（下
方にある）光電変換素子２に入射する。

【００６３】また、例えば、マイクロレンズ１３の左側
周辺部に入射する入射光ＬＬは、マイクロレンズ１３の
焦点距離が光電変換素子２とマイクロレンズ１３の下面
との間の距離よりも短く設定されているため、第３平坦
化層８ｃ、カラーフィルタ層９、第２平坦化層８ｂを介
して、右側に隣接する層内レンズ１０に入射し、第１平
坦化層８ａを介してマイクロレンズ１３の右側に隣接す
るマイクロレンズ１２に対応する（下方にある）光電変
換素子２に入射する。

【００６４】同様に、例えば、マイクロレンズ１３の右
側周辺部に入射する入射光ＬＲは、第３平坦化層８ｃ、
カラーフィルタ層９、第２平坦化層８ｂを介して、左側
に隣接する層内レンズ１０に入射し、第１平坦化層８ａ
を介してマイクロレンズ１３の左側に隣接するマイクロ
レンズ１２に対応する（下方にある）光電変換素子２に
入射する。

【００６５】さらに、図１（Ａ）を参照して説明すれ
ば、マイクロレンズ１３の上側周辺部に入射する入射光
は、下側に隣接する光電変換素子２に、下側周辺部に入
射する入射光は、上側に隣接する光電変換素子２に、入
射する。すなわち、マイクロレンズ１３（および１２）
は、周辺部に入射した光を該周辺部の対角線上に隣接す
る画素に方向付けるように設定されている。

【００６６】本実施例のように層内レンズ１０および１
１としていわゆるギャップレスレンズを用いることによ
り、隣接画素に対応するマイクロレンズに集光される入
射光を効率的に集光することが可能となる。

【００６７】以上のように、本発明の第１の実施例によ
れば、１つの画素に対応したマイクロレンズへの入射光
の一部が、隣接画素受光部（光電変換素子）に導入さ
れ、光信号の一部が画素間で互いに混合するので、光学
ローパスフィルタと同等の機能を有する集光光学系をオ
ンチップで実現することが出来る。

【００６８】図５（Ｂ）は、第１の実施例の変形例によ
る固体撮像素子に入射する光線の入射経路を模式的に表
した概略図である。図中、破線により入射経路を表す。
また、図３、図４及び図５（Ａ）と同様の部分には同じ
参照番号が付与されている。

【００６９】この第１の実施例の変形例では、マイクロ
レンズ１３ｍ（又は１２ｍ）の形状のみが第１の実施例
と異なる。例えば、マイクロレンズを形成するためのレ
ジストパターンが溶融すると、下地表面との面に一定の
接触角を形成しようとする性質がある。レンズ周辺部で
の曲面は、接触角と表面張力との影響を受ける。レンズ
中心部の曲面は、ほぼ表面張力によって決まる。このよ
うにレンズの周辺部と中心部とで、レンズ表面の曲率を
変える事が可能である。マイクロレンズ１３ｍ（又は１
２ｍ）は、周辺部の焦点距離が中心部の焦点距離よりも
短くなっている。その他の構成については、第１の実施
例と同様であるので、説明を省略する。

【００７０】例えば、マイクロレンズ１３ｍの中心部に
入射する入射光ＬＣは、第１の実施例と同様に、第３平
坦化層８ｃ、カラーフィルタ層９、第２平坦化層８ｂ、
層内レンズ１１及び第１平坦化層８ａを介してマイクロ
レンズ１３ｍに対応する（下方にある）光電変換素子２
に入射する。

【００７１】また、例えば、マイクロレンズ１３ｍの左
右周辺部に入射する入射光ＬＬ又はＬＲは、マイクロレ
ンズ１３ｍの周辺部の焦点距離が光電変換素子２とマイ
クロレンズ１３ｍの下面との間の距離よりも短く設定さ
れているため、第１の実施例と同様に、第３平坦化層８
ｃ、カラーフィルタ層９、第２平坦化層８ｂを介して、
右側に隣接する層内レンズ１０に入射し、第１平坦化層
８ａを介してマイクロレンズ１３ｍの右側又は左側に隣
接するマイクロレンズ１２ｍに対応する（下方にある）
光電変換素子２に入射する。

【００７２】マイクロレンズ１３ｍの中心部の左右周辺
に入射する入射光ＬＣＬ又はＬＣＲは、マイクロレンズ
１３ｍの中心部の焦点距離が周辺部の焦点距離に比して
長くなっているので、第３平坦化層８ｃ、カラーフィル
タ層９、第２平坦化層８ｂ、層内レンズ１０及び第１平
坦化層８ａを介して、マイクロレンズ１３ｍに対応する
（下方にある）光電変換素子２に入射する。

【００７３】以上のように、本発明の第１の実施例の変
形例によれば、マイクロレンズ１３ｍ及び１２ｍの中心
部の焦点距離が周辺部の焦点距離に比して長くなってい
るので、第１の実施例同様に周辺部に入射する光を隣接
する画素に入射させることができるとともに、中心部付
近に入射した光は、対応する画素に入射させることがで
きる。

【００７４】図６は、本発明の第２の実施例による固体
撮像素子に入射する光線の入射経路を模式的に表した概
略図である。図中、破線により入射経路を表す。また、
図３、図４及び図５と同様の部分には同じ参照番号が付
与されている。

【００７５】この第２の実施例は、第３平坦化層８ｃの
上に、ギャップレスのマイクロレンズ１２及び１３が形
成される代わりに、半円筒状（セミシリンドリカル）形
状のマイクロレンズ１４が形成される。

【００７６】マイクロレンズ１４は、例えば、第３平坦
化層８ｃの表面上に透明レジストをスピンコート等によ
り塗布し、フォトリソグラフィ等により必要な部分を残
してストライプ状にパターニングした後、リフローさせ
ることにより形成される。なお、マイクロレンズ１４以
外は、第１の実施例と同様の工程により形成される。

【００７７】マイクロレンズ１４が形成される位置は、
例えば、図６（Ｂ）に示すように、それぞれの光電変換
素子２の境界上である。すなわち、マイクロレンズ１４
は、光電変換素子２上方に、その四辺を囲むように形成
される。なお、本明細書で、「画素（光電変換素子２）
の境界上」及び「画素（光電変換素子２）間」とは、図
６（Ａ）の１点鎖線で示す各画素の間（境界）の中点と
その周辺部を指す。

【００７８】また、マイクロレンズ１４の焦点距離は、
光電変換素子２とマイクロレンズ１４の下面との間の距
離よりも短く設定される。すなわち、マイクロレンズ１
４の周辺部に入射した光が、対角線上に位置する光電変
換素子２に入射するようにレンズ形状及び屈折率等が設
定される。

【００７９】マイクロレンズ１４の屈折率（ｎ１）、第
３平坦化層８ｃの屈折率（ｎ２）、第２平坦化層８ｂの
屈折率（ｎ３）、層内レンズ１０及び１１の屈折率（ｎ
４）及び第１平坦化層８ａの屈折率（ｎ５）は、大気中
の屈折率をｎ０とした場合に、ｎ０＜ｎ１＝ｎ２＜ｎ３
＜ｎ４＜ｎ５の関係になるように設定される。

【００８０】例えば、図６（Ａ）に破線で示すように、
光電変換素２の真上から入射する入射光ＬＣ１〜ＬＣ３
は、第３平坦化層８ｃ、カラーフィルタ層９、第２平坦
化層８ｂ、層内レンズ１１及び第１平坦化層８ａを介し
て、入射面の下方にある光電変換素子２に入射する。

【００８１】また、例えば、マイクロレンズ１４の中心
線（１点鎖線で示す）より左側に入射した入射光ＬＬ
は、マイクロレンズ１４の右側下方に位置する光電変換
素子２Ｒに集光され、右側に入射した入射光ＬＲは、マ
イクロレンズ１４の左側下方に位置する光電変換素子２
Ｌに集光される。

【００８２】以上のように、第２の実施例では、画素
（光電変換素子２）間に、半円筒状のマイクロレンズ１
４を形成することにより、画素間に入射する光（又は入
射する光の一部）を、隣接する画素に拡散させる。よっ
て、光信号の一部が画素間で互いに混合するので、光学
ローパスフィルタと同等の機能を有する集光光学系をオ
ンチップで実現することが出来る。

【００８３】なお、マイクロレンズ１４の形状は、半円
筒形に限らず、例えば、断面が３角形となる形状等でも
良く、画素境界上に入射する光を隣接する画素に方向付
けできる形状であればどのようなものでもよい。

【００８４】以上の第１及び第２の実施例では、最上層
のマイクロレンズ（トップマイクロレンズ）に集光作用
を有する焦点距離の短いレンズ（例えば、凸型レンズ
等）を用いて、画素境界上に入射する光（又はその一
部）を隣接する画素に導入することにより、光学ローパ
スフィルタと同等の機能を果たす例を示した。以下、第
３の実施例及びその変形例では、トップマイクロレンズ
に光の拡散作用を有するレンズ（例えば、凹型レンズ
等）を用いて、画素境界上に入射する光（又はその一
部）を隣接する画素に導入することにより、光学ローパ
スフィルタと同等の機能を果たす例を示す。

【００８５】図７は、本発明の第３の実施例による固体
撮像素子に入射する光線の入射経路を模式的に表した概
略図である。図中、破線により入射経路を表す。また、
図３、図４及び図５と同様の部分には同じ参照番号が付
与されている。

【００８６】この第３の実施例では、第３平坦化層８ｃ
の上に、光の拡散作用を有する凹型マイクロレンズ１５
が形成される。マイクロレンズ１５は、例えば、第３平
坦化層８ｃの表面上に透明レジストをスピンコート等に
より塗布し、画素境界線上をマスキングして、等法性エ
ッチング等を行い、凹型形状に形成される。マイクロレ
ンズ１５の形成は、その他の公知の例によっても良い。
なお、マイクロレンズ１５以外は、第１の実施例と同様
の工程により形成される。

【００８７】マイクロレンズ１５に入射する光の内、中
心部に入射する入射光ＬＣ１〜ＬＣ３は、入射光ＬＣ１
〜ＬＣ３が入射したマイクロレンズ１５の下方にある光
電変換素子２に入射し、周辺部に入射する入射光ＬＬ及
びＬＲは、入射した側に隣接する光電変換素子２に入射
するように、マイクロレンズ１５のレンズ形状および屈
折率等が設定される。

【００８８】マイクロレンズ１５の屈折率（ｎ１）、第
３平坦化層８ｃの屈折率（ｎ２）、第２平坦化層８ｂの
屈折率（ｎ３）、層内レンズ１０及び１１の屈折率（ｎ
４）及び第１平坦化層８ａの屈折率（ｎ５）は、大気中
の屈折率をｎ０とした場合に、ｎ０＜ｎ１＝ｎ２＜ｎ３
＜ｎ４＜ｎ５の関係になるように設定される。

【００８９】例えば、マイクロレンズ１５の中心部に入
射する入射光ＬＣ１は、第３平坦化層８ｃ、カラーフィ
ルタ層９、第２平坦化層８ｂ、層内レンズ１１及び第１
平坦化層８ａを直進し、マイクロレンズ１５に対応する
（下方にある）光電変換素子２に入射する。

【００９０】また、マイクロレンズ１５の中心部近傍に
入射する入射光ＬＣ２及びＬＣ３は、第３平坦化層８
ｃ、カラーフィルタ層９、第２平坦化層８ｂを屈折しつ
つ通過した後に、層内レンズ１１により画素中心付近に
集光され第１平坦化層８ａを介してマイクロレンズ１５
に対応する（下方にある）光電変換素子２に入射する。

【００９１】また、例えば、マイクロレンズ１５の左側
周辺部に入射する入射光ＬＬは、マイクロレンズ１５の
拡散作用により、第３平坦化層８ｃ、カラーフィルタ層
９、第２平坦化層８ｂを介して、左側に隣接する層内レ
ンズ１０に入射し、第１平坦化層８ａを介してマイクロ
レンズ１５の左側に隣接するマイクロレンズ１５に対応
する（下方にある）光電変換素子２Ｌに入射する。

【００９２】同様に、例えば、マイクロレンズ１５の右
側周辺部に入射する入射光ＬＲは、第３平坦化層８ｃ、
カラーフィルタ層９、第２平坦化層８ｂを介して、右側
に隣接する層内レンズ１０に入射し、第１平坦化層８ａ
を介してマイクロレンズ１５の左側に隣接するマイクロ
レンズ１５に対応する（下方にある）光電変換素子２Ｒ
に入射する。

【００９３】さらに、図１（Ａ）同様の平面構成では、
マイクロレンズ１５の上側周辺部に入射する入射光は、
上側に隣接する光電変換素子２に、下側周辺部に入射す
る入射光は、下側に隣接する光電変換素子２に、入射さ
れる。すなわち、マイクロレンズ１３（および１２）
は、周辺部に入射した光を該周辺部と同一方向の隣接す
る画素に導入するように設定されている。

【００９４】以上のように、本発明の第３の実施例によ
れば、入射光の一部が、隣接画素受光部（光電変換素
子）に導入され、光信号の一部が画素間で互いに混合す
るので、光学ローパスフィルタと同等の機能を有する集
光光学系をオンチップで実現することが出来る。

【００９５】図８は、本発明の第３の実施例の変形例に
よる固体撮像素子に入射する光線の入射経路を模式的に
表した概略図である。図中、破線により入射経路を表
す。また、図３、図４、図５及び図７と同様の部分には
同じ参照番号が付与されている。

【００９６】この第３の実施例の変形例では、図７に示
す第３の実施例に加えて、第１平坦化層８ａ内の光電変
換素子２上方に拡散作用を有する下凸レンズ１６が形成
される。下凸レンズ１６の形成は、公知の例による。な
お、下凸レンズ１６以外は、第３の実施例と同様の工程
により形成される。

【００９７】マイクロレンズ１５の屈折率（ｎ１）、第
３平坦化層８ｃの屈折率（ｎ２）、第２平坦化層８ｂの
屈折率（ｎ３）、層内レンズ１０及び１１の屈折率（ｎ
４）、下凸レンズ１６の屈折率（ｎ６）、及び第１平坦
化層８ａの屈折率（ｎ５）は、大気中の屈折率をｎ０と
した場合に、ｎ０＜ｎ１＝ｎ２＜ｎ３＜ｎ４＜ｎ６＜ｎ
５の関係になるように設定される。

【００９８】上述のように、層内レンズ１０及び１１の
下方に下凸レンズ１６を形成することにより、層内レン
ズ１０及び１１を通過して入射する光を、光電変換素子
２の中心部近傍に集光することが出来る。

【００９９】以上、本発明の第１〜第３の実施例及び第
３の実施例の変形例によれば、固体撮像素子最上層に形
成されるトップマイクロレンズにより、入射光の一部
（例えば光電変換素子間に入射する光）を、周辺の隣接
する光電変換素子に入射させる。よって、光信号の一部
が画素間で互いに混合するので、光学ローパスフィルタ
と同等の機能を有する集光光学系をオンチップで実現す
ることが出来る。

【０１００】また、本発明の実施例によれば、光学ロー
パスフィルタと同等の機能を有する集光光学系をオンチ
ップで実現するので、固体撮像素子とカメラのレンズ系
の間に光学ローパスフィルタを設ける必要がない。よっ
て、固体撮像素子を用いたカメラの小型化、及びローコ
スト化が可能になる。

【０１０１】また、本発明の実施例によれば、固体撮像
素子パッケージに水晶板等を取り付ける必要がなく、機
械的、熱的ストレスの問題が生じないので、固体撮像素
子の製造歩留まりが向上し、併せて、高価な水晶板を必
要としないので、コストアップを回避することが出来
る。

【０１０２】また、固体撮像素子が、大型化した場合に
は、光学ローパスフィルタとして用いる水晶板等の入手
が困難になるが、本発明の実施例を用いることにより、
簡単に素子の大型化に対応することが出来る。

【０１０３】また、本発明の実施例に光学ローパスフィ
ルタ等を併せて用いる場合は、通常光軸によって２枚以
上の光学ローパスフィルタを必要とするが、その枚数を
削減することが出来る。

【０１０４】また、本発明の実施例と光学ローパスフィ
ルタ等を組み合わせて用いる場合は、水晶板の結晶厚を
通常より薄くしても、十分な光学ローパスフィルタを得
ることが出来る。

【０１０５】なお、実施例では、最上層のマイクロレン
ズ（トップレンズ）により、入射光（又は入射光の一
部）を第１に隣接する画素に入射させるようにしたが、
第１隣接画素に限らず、該第１隣接画素に隣接する第２
隣接画素に入射光を入射させるようにマイクロレンズの
形状及び屈折率、焦点距離を設定してもよい。例えば、
緑色のカラーフィルタに対応する画素に対応するマイク
ロレンズに入射した光を、同じ緑色のカラーフィルタに
対応する画素に入射させるようにしてもよい。

【０１０６】なお、実施例では、ＣＣＤ型の固体撮像素
子を用いて本発明を説明したが、本発明は、図１０に示
すようなＭＯＳ型の固体撮像素子においても利用するこ
とが可能である。なお、ＭＯＳ型固体撮像素子の他の構
成は公知の例による。

【０１０７】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、組合せ等が可能なことは当業者に自明
であろう。

【０１０８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外付け光学ローパスフィルタを必要とせずにモアレを低
減することの出来る固体撮像素子を提供することができ
る。

【０１０９】また、本発明によれば、少ない枚数の光学
ローパスフィルタでモアレを低減することの出来る固体
撮像素子を提供することができる。

【０１１０】また、本発明によれば、結晶厚の薄い光学
ローパスフィルタでモアレを低減することの出来る固体
撮像素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による固体撮像素子のマ
イクロレンズの配置を概略的に示す平面図である。

【図２】本発明の第１の実施例によるマイクロレンズが
球面レンズ形状、または、ほぼ球面レンズと見なすこと
ができる表面形状のマイクロレンズになる原理を説明す
るための斜視図である。

【図３】第１の実施例による固体撮像素子を図１（Ａ）
若しくは図１（Ｂ）のｘ−ｙで切断した拡大断面図であ
る。

【図４】図３に示す第１の実施例による固体撮像素子の
第１平坦化層８ａ意向の製造工程を示す拡大断面図であ
る。

【図５】第１の実施例による固体撮像素子に入射する光
線の入射経路を模式的に表した概略図である。

【図６】本発明の第２の実施例による固体撮像素子に入
射する光線の入射経路を模式的に表した概略図である。

【図７】本発明の第３の実施例による固体撮像素子に入
射する光線の入射経路を模式的に表した概略図である。

【図８】本発明の第３の実施例の変形例による固体撮像
素子に入射する光線の入射経路を模式的に表した概略図
である。

【図９】ＭＯＳ型固体撮像素子の一例を表す概略図であ
る。

【図１０】従来の固体撮像素子に入射する光線の入射経
路を模式的に表した概略図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…受光素子（受光部）、３…列方向
転送チャネル領域、４…分離領域、５…絶縁膜、６…転
送電極、７…遮光膜、８…平坦化層、９…カラーフィル
タ層、１０、１１、２０…層内レンズ、１２、１３、１
４、１５、２２…マイクロレンズ、１６…下凸レンズ、
３０…光学ローパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇家 眞司 宮城県黒川郡大和町松坂平１丁目６番地 富士フイルムマイクロデバイス株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA10 BA14 CA02 CA40 EA20 FA06 GC08 GC20 GD04 GD06 GD07 GD08 5C024 CX14 CY33 EX43 EX52 5F088 AA02 BA16 BA18 BA20 BB03 EA04 HA10 JA12 JA13

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元表面を画定する半導体基板と、 前記半導体基板の受光領域に複数列、複数行に形成され
   た多数個の光電変換素子と、 前記半導体基板上方に形成された平坦化絶縁膜と、 前記平坦化絶縁膜上方に形成され、それぞれが入射光を
   ２つ以上の光電変換素子に入射させる光学特性を有する
   複数個のマイクロレンズとを有する固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記複数個のマイクロレンズは、前記多
   数個の光電変換素子の中から市松状に選択した光電変換
   素子に１個ずつ対応して形成された第１のマイクロレン
   ズと、 前記市松状に選択した光電変換素子以外の光電変換素子
   に対応して、各々が近傍の前記第１のマイクロレンズと
   部分的に重なるように形成された第２のマイクロレンズ
   とを含む請求項１記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記複数個のマイクロレンズのそれぞれ
   は、周辺部の焦点距離が中心部の焦点距離よりも短いマ
   イクロレンズである請求項１又は２記載の固体撮像素
   子。
4. 【請求項４】 前記複数個のマイクロレンズは、前記複
   数行、複数列の光電変換素子の隣接する行ないし列に設
   けられた半円筒形のマイクロレンズである請求項１記載
   の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 前記複数個のマイクロレンズの焦点距離
   は、前記複数個のマイクロレンズの下面とそれぞれに対
   応する光電変換素子表面との間の距離よりも短い請求項
   １〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 【請求項６】 前記複数個のマイクロレンズは凹レンズ
   である請求項１記載の固体撮像素子。
7. 【請求項７】 さらに、前記複数個のマイクロレンズと
   前記平坦化絶縁膜との間に形成されたカラーフィルタ層
   と、 前記カラーフィルタ層の表面に形成された第２の平坦化
   絶縁層とを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の
   固体撮像素子。
8. 【請求項８】 さらに、前記平坦化絶縁膜と前記複数個
   のマイクロレンズとの間に形成され、前記複数個のマイ
   クロレンズを通過した入射光を受ける層内レンズを有す
   る請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
9. 【請求項９】 前記層内レンズは、前記多数個の光電変
   換素子の中から市松状に選択した光電変換素子に１個ず
   つ対応して形成された第１の層内レンズと、 前記市松状に選択された光電変換素子以外の光電変換素
   子に対応し、各々が近傍の前記第１の層内レンズと部分
   的に重なるように形成された第２の層内レンズとを含む
   請求項８記載の固体撮像素子。
10. 【請求項１０】 さらに、前記平坦化絶縁膜内に前記層
    内レンズのそれぞれに対応するように形成される別のマ
    イクロレンズを有する請求項１〜９のいずれか１項に記
    載の固体撮像素子。
11. 【請求項１１】 前記別のマイクロレンズは、下凸レン
    ズ形状である請求項１０記載の固体撮像素子。
12. 【請求項１２】 前記多数個の光電変換素子は、画素ず
    らし配置されている請求項１〜１１のいずれか１項に記
    載の固体撮像素子。
13. 【請求項１３】 さらに、前記光電変換素子の列ごとに
    垂直電荷転送路を有する請求項１〜１２のいずれか１項
    に記載の固体撮像素子。
14. 【請求項１４】 さらに、前記光電変化素子ごとにＭＯ
    Ｓ型電荷検出回路を有する請求項１〜１２のいずれか１
    項に記載の固体撮像素子。
15. 【請求項１５】 （ａ）２次元表面を画定する半導体基
    板を準備する工程と、 （ｂ）前記半導体基板に多数個の光電変換素子を複数
    列、複数行に形成する工程と、 （ｃ）前記半導体基板上方に、平坦化絶縁膜を形成する
    工程と、 （ｄ）それぞれが入射光を２つ以上の光電変換素子に入
    射させる光学特性を有する複数個のマイクロレンズを前
    記平坦化絶縁膜上に形成する工程とを有する固体撮像素
    子の製造方法。