JP2004079608A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 Download PDF

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泉　誠
Mitsuru Okikawa
沖川　満
Kazuhiro Sasada
笹田　一弘
Naoteru Matsubara
松原　直輝
Tatsuhiko Koide
小出　辰彦
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Abstract

【課題】光学レンズと固体撮像素子とを一体化した場合でも、高い集光能力を得ることが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】この固体撮像装置は、光学レンズ４と、マイクロレンズとしてのＳｉＮ膜１１および１２を含む固体撮像素子３と、光学レンズ４と固体撮像素子３のマイクロレンズとしてのＳｉＮ膜１２との間に形成され、光学レンズ４と固体撮像素子３とを接着するための樹脂層５とを備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関し、特に、光電変換機能を有する固体撮像素子を含む固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光電変換機能を有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置が知られている。図２１は、従来の固体撮像装置の全体構成を示した概略図である。図２２は、図２１に示した従来の固体撮像装置の固体撮像素子部の断面図である。まず、図２１および図２２を参照して、従来の固体撮像装置の構造について説明する。
【０００３】
従来の固体撮像装置では、図２１に示すように、固体撮像素子１０３の上方に、屈折率が１である空気層１０５を介して、被写体からの反射光を集光するための光学レンズ１０４が設けられている。
【０００４】
また、固体撮像素子１０３の具体的な構造としては、図２２に示すように、Ｓｉ基板１０６の所定領域に、入射された光を信号電荷に変換する光電変換機能を有する受光部１０７が形成されている。受光部１０７が形成されたＳｉ基板１０６上には、層間絶縁膜１０８が形成されている。層間絶縁膜１０８上の所定領域には、遮光膜１０９が形成されている。この遮光膜１０９は、所定領域に光が入射するのを防止する機能を有する。そして、遮光膜１０９および層間絶縁膜１０８を覆うように、層間絶縁膜１１０が形成されている。層間絶縁膜１１０上には、上に凸の形状を有する凸部１１１ａと平坦部１１１ｂとを有する樹脂膜１１１が形成されている。この樹脂膜１１１は、約１．５の屈折率を有する。そして、樹脂膜１１１の凸部１１１ａは、光を集光するマイクロレンズとしての機能を有する。すなわち、光学レンズ１０４（図２１参照）を通って空気層１０５に入射した光は、空気層１０５の屈折率（１．０）よりも樹脂膜１１１の屈折率（約１．５）が大きいため、樹脂膜１１１の凸部１１１ａの表面で内側に屈折される。これにより、樹脂膜１１１の凸部１１１ａに入射する光は、受光部１０７に集光される。
【０００５】
ところで、近年、固体撮像装置が搭載される携帯機器などの小型化に伴って、固体撮像素子の小型化が要求されている。しかしながら、図２１に示した従来の固体撮像装置では、固体撮像素子１０３と光学レンズ１０４とが空気層１０５を介して別々に設けられているため、固体撮像素子１０３と光学レンズ１０４とを含む固体撮像装置を小型化するのが困難であった。
【０００６】
そこで、従来、固体撮像装置の小型化を図るために、固体撮像素子と光学レンズとを樹脂層を介して接着することにより、固体撮像素子と光学レンズとを一体化した固体撮像装置が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の提案された固体撮像装置では、約１．５の屈折率を有する樹脂層を、固体撮像素子と光学レンズとを接着するために使用していた。この場合、従来のマイクロレンズとして機能する約１．５の屈折率を有する樹脂膜を固体撮像素子上に形成したとしても、接着剤としての樹脂層の屈折率（約１．５）と、マイクロレンズとして機能する樹脂膜の屈折率（約１．５）とがほぼ同じであるため、樹脂層からマイクロレンズとしての樹脂膜に入射する光を屈折させるのが困難であるという不都合があった。このため、従来の提案された固体撮像装置では、固体撮像素子上にマイクロレンズを形成せずに、固体撮像素子と光学レンズとを、接着剤としての樹脂層を介して接着していた。その結果、光学レンズと固体撮像素子とを一体化した場合に、高い集光能力を有する固体撮像装置を得るのが困難であるという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、光学レンズと固体撮像素子とを一体化した場合でも、高い集光能力を得ることが可能な固体撮像装置を提供することである。
【０００９】
この発明のもう１つの目的は、光学レンズと固体撮像素子とを一体化した場合でも、高い集光能力の固体撮像装置を容易に形成することが可能な固体撮像装置の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による固体撮像装置は、光学レンズと、マイクロレンズを含む固体撮像素子と、光学レンズと固体撮像素子のマイクロレンズとの間に形成された樹脂層とを備える。なお、本発明における樹脂層は、有機系の高分子のみならず、無機ＳＯＧおよびＳｉ系高分子などを含む広い概念である。
【００１１】
この第１の局面による固体撮像装置では、上記のように、光学レンズと固体撮像素子との間に樹脂層が形成された構造において、固体撮像素子上にマイクロレンズを設けることによって、そのマイクロレンズを樹脂層からの光を屈折可能なように構成すれば、固体撮像素子と光学レンズとの間に樹脂層を形成したとしても、樹脂層からマイクロレンズに入射する光を屈折させることができる。これにより、樹脂層からマイクロレンズに入射する光を集光することができる。その結果、高い集光能力を有する固体撮像装置を得ることができる。
【００１２】
上記第１の局面による固体撮像装置において、好ましくは、固体撮像素子は、受光部を含み、固体撮像素子のマイクロレンズは、受光部および受光部の近傍の上方に形成されている。このように構成すれば、受光部の上方から入射する光だけでなく、受光部の近傍の上方から入射する光もマイクロレンズにより集光することができるので、より集光効率を向上させることができる。
【００１３】
上記第１の局面による固体撮像装置において、好ましくは、固体撮像素子のマイクロレンズは、樹脂層の屈折率よりも大きい屈折率を有する。このように構成すれば、容易に、樹脂層からマイクロレンズに入射する光を内側に屈折させることができるので、受光部に容易に光を集光することができる。
【００１４】
上記第１の局面による固体撮像装置において、好ましくは、固体撮像素子のマイクロレンズは、所定の間隔を隔てて形成され、上に凸の形状を有する第１の膜と、隣接する第１の膜の間隙を埋め込むように形成され、樹脂層の屈折率よりも大きく、かつ、第１の膜と同等以下の屈折率を有する第２の膜とを含む。このように構成すれば、隣接する第１の膜の間隙の上方から入射する光を第２の膜に入射させることができる。この際、隣接する第１の膜の間隙の上方から第２の膜に入射する光は、樹脂層の屈折率よりも第２の膜の屈折率が大きいため、内側に屈折する。これにより、第１の膜の上方から入射する光のみならず、隣接する第１の膜の間隙の上方から入射する光も、第２の膜を介して受光部に集光することができるので、集光効率をより向上させることができる。また、第２の膜を樹脂層の屈折率と第１の膜の屈折率との中間の屈折率を有するようにすれば、第２の膜により樹脂層と第１の膜との間の屈折率差を緩和することができる。これにより、屈折率差が大きいことに起因して、樹脂層から第１の膜に入射する光の反射量が多くなるのを抑制することができるので、集光効率が低下するのを抑制することができる。
【００１５】
上記第１の局面による固体撮像装置において、好ましくは、固体撮像素子上に形成された凹形状の第３の膜をさらに備え、固体撮像素子のマイクロレンズは、第３の膜の凹形状部に埋め込まれ、第３の膜よりも大きい屈折率を有するとともに、下に凸の形状を有する第４の膜を含む。このように構成すれば、第４の膜の屈折率が第３の膜の屈折率よりも大きいため、第４の膜と第３の膜との境界面である第４の膜の下に凸の表面で光を内側に屈折させることができるので、樹脂層と第４の膜とで屈折率差を設ける必要がない。これにより、第４の膜の屈折率を考慮することなく、樹脂層の材料を選択することができるので、樹脂層の材料の選択の自由度を拡大することができる。
【００１６】
この発明の第２の局面による固体撮像装置の製造方法は、固体撮像素子上に所定の屈折率を有する第１の膜を形成する工程と、第１の膜上の所定の領域にレジストを形成する工程と、熱処理を行うことによって、レジストを上に凸の形状にする工程と、レジストと第１の膜とを同時にエッチングすることによって、上に凸の形状のレジストの形状を反映した上に凸の形状の第１の膜を形成する工程と、上に凸の形状の第１の膜を含む固体撮像素子と、光学レンズとを、第１の膜よりも屈折率の小さい樹脂層により接着する工程とを備える。
【００１７】
この第２の局面による固体撮像装置の製造方法では、上記のように、固体撮像素子上に形成された第１の膜を上に凸の形状にした後に、第１の膜を含む固体撮像素子と光学レンズとを第１の膜よりも屈折率の小さい樹脂層により接着することによって、固体撮像素子と光学レンズとを接着剤としての樹脂層を介して接着したとしても、樹脂層からマイクロレンズとして機能する第１の膜に入射する光を内側に屈折させることができる。これにより、樹脂層からマイクロレンズに入射する光を受光部に集光することができるので、高い集光能力を有する固体撮像装置を容易に形成することができる。
【００１８】
上記第２の局面による固体撮像装置の製造方法において、好ましくは、樹脂層により接着する工程に先立って、隣接する第１の膜の間隙を埋め込むように、樹脂層の屈折率よりも大きく、かつ、第１の膜と同等以下の屈折率を有する第２の膜を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、隣接する第１の膜の間隙の上方から入射する光を第２の膜に入射させることができる。この際、隣接する第１の膜の間隙の上方から第２の膜に入射する光は、樹脂層の屈折率よりも第２の膜の屈折率が大きいため、内側に屈折する。これにより、第１の膜の上方から入射する光のみならず、隣接する第１の膜の間隙の上方から入射する光も、第２の膜を介して受光部に集光することができるので、集光効率をより向上させることができる。また、第２の膜を樹脂層の屈折率と第１の膜の屈折率との中間の屈折率を有するようにすれば、第２の膜により樹脂層と第１の膜との間の屈折率差を緩和することができる。これにより、屈折率差が大きいことに起因して、樹脂層から第１の膜に入射する光の反射量が多くなるのを抑制することができるので、集光効率が低下するのを抑制することができる。
【００１９】
この発明の第３の局面による固体撮像装置の製造方法は、固体撮像素子上の所定の領域に柱状部を形成する工程と、柱状部を覆うように、膜材料を塗布することによって、凹形状の塗布膜を形成する工程と、塗布膜の凹形状部を埋め込むように、塗布膜よりも大きい屈折率を有する下に凸の形状を有するレンズ膜を形成する工程と、下に凸の形状のレンズ膜を含む固体撮像素子と、光学レンズとを、樹脂層により接着する工程とを備える。なお、本発明における柱状部は、柱状のもののみならず、壁状のものも含む広い概念である。
【００２０】
この第３の局面による固体撮像装置の製造方法では、上記のように、固体撮像素子上に凹形状の塗布膜を形成するとともに、塗布膜の凹形状部を埋め込むように、塗布膜よりも大きい屈折率を有する下に凸の形状を有するレンズ膜を形成した後に、レンズ膜を含む固体撮像素子と光学レンズとを樹脂層により接着することによって、固体撮像素子と光学レンズとを接着剤としての樹脂層を介して接着したとしても、レンズ膜の屈折率が塗布膜の屈折率よりも大きいため、レンズ膜と塗布膜との境界面であるレンズ膜の下に凸の表面で光を内側に屈折させることができる。これにより、樹脂層とレンズ膜とで屈折率差を設ける必要がない。その結果、レンズ膜の屈折率を考慮することなく、樹脂層の材料を選択することができるので、樹脂層の材料の選択の自由度を拡大することができる。
【００２１】
上記第３の局面による固体撮像装置の製造方法において、好ましくは、柱状部の上部の幅は、下部の幅よりも小さい。このように構成すれば、隣接する下に凸のレンズ膜間の間隔を小さくすることができるので、その分、レンズ膜の下に凸の表面の長さが大きくなる。これにより、レンズ膜の面積を大きくすることができるので、集光効率をより向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置を示した概略斜視図である。図２は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子周辺の断面図である。まず、図１および図２を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。
【００２４】
第１実施形態では、図１に示すように、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｐａｃｋａｇｅ）基板１上に、ドライバなどの周辺回路２および固体撮像素子３が組み込まれている。固体撮像素子３上には、接着剤としての樹脂層５を介して、被写体からの反射光を集光するための光学レンズ４が一体的に形成されている。この樹脂層５は、約１ｍｍ〜約２ｍｍの厚みを有するエポキシ樹脂からなるとともに、約１．５の屈折率を有する。
【００２５】
また、固体撮像素子３の具体的な構造としては、図２に示すように、Ｓｉ基板６の所定領域に、入射された光を信号電荷に変換する光電変換機能を有する受光部７が形成されている。受光部７が形成されたＳｉ基板６上には、約０．６μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜８が形成されている。このＳｉＯ２からなる層間絶縁膜８は、約１．４６の屈折率を有する。そして、層間絶縁膜８上の所定領域には、約１５０ｎｍ（約０．１５μｍ）の厚みを有するＡｌからなる遮光膜９が形成されている。この遮光膜９は、所定領域に光が入射するのを防止する機能を有する。そして、遮光膜９および層間絶縁膜８を覆うように、約１．７μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１０が形成されている。このＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１０は、約１．４６の屈折率を有する。
【００２６】
ここで、第１実施形態では、図２に示すように、層間絶縁膜１０上に、上に凸の形状を有する凸部１１ａと、平坦部１１ｂとを有するＳｉＮ膜１１が形成されている。このＳｉＮ膜１１の凸部１１ａは、受光部７の上方および遮光膜９の一部領域の上方に配置されているとともに、平坦部１１ｂからの高さが約１．５２μｍで、かつ、約２．８２μｍの曲率半径を有する。そして、ＳｉＮ膜１１の平坦部１１ｂは、遮光膜９の一部領域の上方に配置されているとともに、約０．２μｍの幅で約０．３μｍの厚みを有する。このＳｉＮ膜１１は、約２．０５の屈折率を有する。そして、ＳｉＮ膜１１上には、約０．１μｍの厚みを有するＳｉＮ膜１２が、ＳｉＮ膜１１の平坦部１１ｂを埋め込むように形成されている。このＳｉＮ膜１２は、約２．０５の屈折率を有する。そして、ＳｉＮ膜１１およびＳｉＮ膜１２は、光を集光するマイクロレンズとしての機能を有する。なお、ＳｉＮ膜１１は、本発明の「マイクロレンズ」および「第１の膜」の一例であり、ＳｉＮ膜１２は、本発明の「マイクロレンズ」および「第２の膜」の一例である。
【００２７】
そして、ＳｉＮ膜１２上には、約１．５の屈折率を有するエポキシ樹脂からなる接着剤としての樹脂層５を介して、光学レンズ４が一体的に形成されている。
【００２８】
第１実施形態では、上記のように、光学レンズ４が樹脂層５により接着された固体撮像素子３の受光部７上に、樹脂層５の屈折率（約１．５）よりも大きい屈折率（約２．０５）を有するマイクロレンズとしてのＳｉＮ膜１１および１２を設けることによって、固体撮像素子３と光学レンズ４とを約１．５の屈折率を有する接着剤としての樹脂層５を介して接着したとしても、樹脂層５からマイクロレンズとしてのＳｉＮ膜１１および１２に入射する光を内側に屈折させることができる。これにより、樹脂層５からマイクロレンズとしてのＳｉＮ膜１１および１２に入射する光を受光部７に集光することができるので、高い集光能力を有する光学レンズ一体型の固体撮像装置を得ることができる。
【００２９】
また、第１実施形態では、上記のように、ＳｉＮ膜１１上に、ＳｉＮ膜１１の受光部７の近傍の上方に配置された平坦部１１ｂを埋め込むように、ＳｉＮ膜１２を形成することによって、ＳｉＮ膜１１の平坦部１１ｂの上方から入射する光をＳｉＮ膜１２に入射させることができる。この際、ＳｉＮ膜１１の平坦部１１ｂの上方からＳｉＮ膜１２に入射する光は、樹脂層５の屈折率（約１．５）よりもＳｉＮ膜１２の屈折率（約２．０５）が大きいため、内側に屈折する。これにより、ＳｉＮ膜１１の凸部１１ａの上方から入射する光のみならず、ＳｉＮ膜１１の平坦部１１ｂの上方から入射する光も、ＳｉＮ膜１２を介して、受光部７に入射させることができる。その結果、集光効率をより向上させることができる。
【００３０】
図３〜図８は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。図９は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための概略斜視図である。次に、図１〜図９を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の製造方法について説明する。
【００３１】
まず、図３に示すように、受光部７が形成されたＳｉ基板６上に、約０．６μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜８を形成する。そして、層間絶縁膜８上の所定領域に、約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌからなる遮光膜９を形成する。その後、遮光膜９および層間絶縁膜８を覆うように、約１．７μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１０を形成する。この後、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、層間絶縁膜１０上に、約２．５μｍの厚みを有するＳｉＮ膜１１を形成する。
【００３２】
次に、図４に示すように、ＳｉＮ膜１１上に、約２μｍの厚みを有するレジスト１３を塗布する。
【００３３】
次に、図５に示すように、リソグラフィ技術を用いて、レジスト１３を、約４．８μｍの幅にするとともに、隣接するレジスト１３間の距離を、約０．４μｍの間隔にする。その後、アッシングを行うことによって、隣接するレジスト１３間のＳｉＮ膜１１上に薄く残ったレジスト部分（図示せず）を除去する。このアッシングの条件としては、Ｏ３ガスを用いて、約１気圧で約２００℃〜約４００℃の温度で、約５秒〜約３０秒間行う。この後、約１５０℃で約３０分間の熱処理を行うことによって、レジスト１３の流動性を向上させる。これにより、レジスト１３は、図６に示すように、表面張力により上に凸の形状を有するレジスト１３ａになる。
【００３４】
そして、この上に凸の形状のレジスト１３ａとＳｉＮ膜１１とを同時にエッチングすることによって、図７に示すように、レジスト１３ａの上に凸の形状を反映した上に凸の形状を有するＳｉＮ膜１１を形成する。具体的には、ＳｉＮ膜１１を、曲率半径が約２．８２μｍで、かつ、平坦部１１ｂからの高さが約１．５２μｍの上に凸の形状の凸部１１ａと、約０．２μｍの幅で約０．３μｍの厚みを有する平坦部１１ｂとを有する形状に加工する。このエッチング時には、酸素ガスを増量することによって、レジスト１３ａに対するアッシングも同時に行われるので、このエッチング時に、レジスト１３ａは除去される。なお、具体的なエッチング条件としては、ガス圧力：約１９．９５Ｐａ〜約３９．９Ｐａ、ガス：ＣＨＦ３ガス（約０ｍｌ／ｓ〜約１５ｍｌ／ｓ）、ＣＦ４ガス（約６０ｍｌ／ｓ〜約１００ｍｌ／ｓ）、Ａｒガス（約６００ｍｌ／ｓ〜約９００ｍｌ／ｓ）およびＯ２ガス（約２５ｍｌ／ｓ〜約３５ｍｌ／ｓ）、高周波電力：約１２０Ｗ〜約２００Ｗである。
【００３５】
次に、図８に示すように、ＣＶＤ法を用いて、凸部１１ａと平坦部１１ｂとを有するＳｉＮ膜１１上に、ＳｉＮ膜１１の平坦部１１ｂを埋め込むように、約０．１μｍの厚みを有するＳｉＮ膜１２を形成する。なお、図８に示すように、ＳｉＮ膜１２の表面には、平坦部が形成されないようにするのが好ましい。これにより、マイクロレンズとしてのＳｉＮ膜１１および１２を有する固体撮像素子３が形成される。
【００３６】
最後に、図９に示すように、ＳｉＰ基板１上に、ドライバなどの周辺回路２および図８に示した固体撮像素子３を組み込む。そして、図１および図２に示したように、固体撮像素子３と光学レンズ４とを、約１ｍｍ〜約２ｍｍの厚みを有するエポキシ樹脂（屈折率：約１．５）からなる接着剤としての樹脂層５を介して一体的に接着する。このようにして、第１実施形態による固体撮像装置が形成される。
【００３７】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子周辺の断面図である。この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、マイクロレンズとして機能する下に凸の形状を有するＳｉＮ膜が形成された固体撮像素子について説明する。なお、第２実施形態のマイクロレンズ部以外の構造は、第１実施形態と同様である。
【００３８】
この第２実施形態では、図１０に示すように、固体撮像素子２３上に、接着剤としての樹脂層２５を介して、被写体からの反射光を集光するための光学レンズ２４が一体的に形成されている。この樹脂層２５は、約１ｍｍ〜約２ｍｍの厚みを有するエポキシ樹脂からなるとともに、約１．５の屈折率を有する。
【００３９】
また、固体撮影素子２３の具体的な構造としては、図１０に示すように、Ｓｉ基板２６の所定領域に、入射された光を信号電荷に変換する光電変換機能を有する受光部２７が形成されている。受光部２７が形成されたＳｉ基板２６上には、約０．６μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜２８が形成されている。このＳｉＯ２からなる層間絶縁膜２８は、約１．４６の屈折率を有する。そして、層間絶縁膜２８上の所定領域には、約１５０ｎｍ（約０．１５μｍ）の厚みを有するＡｌからなる遮光膜２９が形成されている。この遮光膜２９は、所定領域に光が入射するのを防止する機能を有する。そして、遮光膜２９および層間絶縁膜２８を覆うように、約１．７μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜３０が形成されている。このＳｉＯ２からなる層間絶縁膜３０は、約１．４６の屈折率を有する。
【００４０】
ここで、第２実施形態では、図１０に示すように、層間絶縁膜３０上の無感度領域に、ＳｉＯ２からなる柱状部３１が形成されている。この柱状部３１は、約０．１３μｍの幅と約２．５μｍの高さとを有するとともに、隣接する柱状部３１間の距離が、約５μｍの間隔になるように、平面的に見て格子状に形成されている。また、柱状部３１は、上部と下部とで同じ幅を有する長方形状に形成されている。また、層間絶縁膜３０の上面と柱状部３１の側面とを覆うように、凹形状のＳＯＧ膜３２が形成されている。このＳＯＧ膜３２は、約１．４の屈折率を有する。また、ＳＯＧ膜３２の平坦部３２ａは、受光部２７の上方に配置されているとともに、約２μｍの幅で約０．５μｍの厚みを有する。そして、ＳＯＧ膜３２の曲面部３２ｂは、遮光膜２９の近傍の上方に配置されているとともに、約２．３μｍの曲率半径を有する。そして、ＳＯＧ膜３２の平坦部３２ａおよび曲面部３２ｂからなる凹形状部には、約２μｍの厚みを有するＳｉＮ膜３３が埋め込まれている。これにより、このＳｉＮ膜３３は、下に凸の形状を有することになる。この下に凸の形状を有するＳｉＮ膜３３は、約２．０５の屈折率を有する。また、ＳｉＮ膜３３の凸形状の下面は、光を集光するマイクロレンズとしての機能を有する。なお、ＳＯＧ膜３２は、本発明の「塗布膜」および「第３の膜」の一例であり、ＳｉＮ膜３３は、本発明の「マイクロレンズ」、「第４の膜」および「レンズ膜」の一例である。
【００４１】
第２実施形態では、上記のように、固体撮像素子２３の受光部２７上に、凹形状のＳＯＧ膜３２と、ＳＯＧ膜３２の屈折率（約１．４）よりも大きい屈折率（約２．０５）を有するとともに、ＳＯＧ膜３２の凹形状部を埋め込むように形成された下に凸の形状を有するＳｉＮ膜３３とを設けることによって、固体撮像素子２３と光学レンズ２４とを、約１．５の屈折率を有する接着剤としての樹脂層２５を介して接着したとしても、マイクロレンズとしてのＳｉＮ膜３３からＳＯＧ膜３２に入射する光を、ＳｉＮ膜３３とＳＯＧ膜３２との境界面であるＳｉＮ膜３３の下に凸の表面（下面）で内側に屈折させることができる。これにより、下に凸の形状のＳｉＮ膜３３からＳＯＧ膜３２に入射する光を集光することができるので、高い集光能力を有する固体撮像装置を形成することができる。
【００４２】
また、第２実施形態では、ＳｉＮ膜３３とＳＯＧ膜３２との境界面であるＳｉＮ膜３３の下面で光を屈折させることができるので、樹脂層２５とＳｉＮ膜３３とで屈折率差を設ける必要がない。これにより、ＳｉＮ膜３３の屈折率を考慮することなく、樹脂層の材料を選択することができるので、樹脂層の材料の選択の自由度を拡大することができる。
【００４３】
図１１〜図１９は、図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図および平面図である。次に、図１０〜図１９を参照して、第２実施形態による固体撮像装置の製造方法について説明する。
【００４４】
まず、図１１に示すように、受光部２７が形成されたＳｉ基板２６上に、約０．６μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜２８を形成する。次に、層間絶縁膜２８上の所定領域に、約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌからなる遮光膜２９を形成する。その後、遮光膜２９および層間絶縁膜２８を覆うように、約１．７μｍの厚みを有するＳｉＯ２からなる層間絶縁膜３０を形成する。この後、ＣＶＤ法を用いて、層間絶縁膜３０上に、約２．５μｍの厚みを有するＳｉＯ２膜３１ａを形成する。
【００４５】
次に、図１２に示すように、ＳｉＯ２膜３１ａ上に、レジスト３４を塗布する。そして、図１３および図１４に示すように、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３４を、約０．１３μｍの幅にするとともに、隣接するレジスト３４間の距離を、約５μｍの間隔に加工する。
【００４６】
次に、図１５および図１６に示すように、レジスト３４をマスクとしてＳｉＯ２膜３１ａをエッチングすることによって、約０．１３μｍの幅で約２．５μｍの高さを有する平面的に見て格子状の柱状部３１を形成する。この柱状部３１は、隣接する柱状部３１間の距離が、約５μｍの間隔になるように形成する。この後、レジスト３４を除去する。
【００４７】
次に、図１７に示すように、スピンコート法を用いて、層間絶縁膜３０上に、柱状部３１の側面を覆うように、ＳＯＧ膜３２を塗布することによって、凹形状のＳＯＧ膜３２を形成する。この際、ＳＯＧ膜３２の平坦部３２ａを、約２μｍの幅と約０．５μｍの厚みとを有するように形成するとともに、曲面部３２ｂを、約２．３μｍの曲率半径に形成する。
【００４８】
次に、図１８に示すように、ＣＶＤ法を用いて、ＳＯＧ膜３２の凹形状部を埋め込むとともに、全体を覆うように、約３μｍの厚みを有するＳｉＮ膜３３を形成する。その後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用いて、ＳｉＮ膜３３の上面を研磨することによって、ＳｉＮ膜３３の上面を平坦化するとともに、ＳｉＮ膜３３の上面が柱状部３１の上面とほぼ等しくなるようにする。具体的には、ＳｉＮ膜３３の厚みが、約２μｍになるまで研磨する。これにより、マイクロレンズとして機能する下に凸の形状を有するＳｉＮ膜３３を含む固体撮像素子２３が形成される。
【００４９】
最後に、ＳｉＰ基板（図示せず）上に、固体撮像素子２３と周辺回路（図示せず）とを組み込む。そして、図１０に示したように、固体撮像素子２３と光学レンズ２４とを、約１ｍｍ〜約２ｍｍの厚みを有するエポキシ樹脂からなる接着剤としての樹脂層２５を介して一体的に接着する。このようにして、第２実施形態による固体撮像装置が形成される。
【００５０】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５１】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、ＳｉＮ膜１１、１２および３３をマイクロレンズとして用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、他の高屈折率材料からなる膜をマイクロレンズとして用いるようにしてもよい。この場合、高屈折率材料は、約１．８以上の屈折率を有するのが好ましい。高屈折率材料としては、たとえば、酸化チタン（屈折率：約２．７６）、チタン酸鉛（屈折率：約２．７）、チタン酸カリウム（屈折率：約２．６８）、酸化チタンアナターゼ（屈折率：約２．５２）、酸化ジルコン（屈折率：約２．４）、硫化亜鉛（屈折率：約２．３７〜約２．４３）、酸化アンチモン（屈折率：約２．０９〜約２．２９）、酸化亜鉛（屈折率：約２．０１〜約２．０３）および鉛白（屈折率：約１．９４〜約２．０９）などが考えられる。
【００５２】
また、上記第１実施形態では、樹脂層５とＳｉＮ膜１１との間に、ＳｉＮ膜１１と同一の材料からなるＳｉＮ膜１２を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、樹脂層５の屈折率よりも大きく、かつ、下側のＳｉＮ膜１１の屈折率よりも小さい屈折率を有する膜を形成するようにしてもよい。たとえば、樹脂層が約１．５の屈折率で、下側の膜が約２．０５の屈折率を有するＳｉＮ膜の場合には、樹脂層と下側の膜との間に、約１．８〜約１．９の屈折率を有するＳｉＯＮ膜を形成することが考えられる。この場合、ＳｉＯＮ膜により樹脂層とＳｉＮ膜との間の屈折率差を緩和することができる。これにより、屈折率差が大きいことに起因して、樹脂層からＳｉＮ膜に入射する光の反射量が多くなるのを抑制することができるので、集光効率が低下するのを抑制することができる。
【００５３】
また、上記第１実施形態では、約２．８２μｍの曲率半径を有するＳｉＮ膜１１を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、他の曲率半径を有する膜を形成するようにしてもよい。この場合、膜の曲率半径を小さくすれば、集光効率をより向上することができる。また、膜の曲率半径を大きくしたとしても、膜の下面上に形成される層間膜の厚みを大きくすれば、集光効率の低下を抑制することができる。
【００５４】
また、上記第１実施形態では、レジスト１３ａをマスクとして、ＳｉＮ膜１１をエッチングする前に、レジスト１３ａ間のＳｉＮ膜１１上の薄く残ったレジストをアッシングにより除去するようにしたが、本発明はこれに限らず、エッチングの後に残ったレジストをアッシングするようにしてもよい。
【００５５】
また、上記第２実施形態では、上部層間膜３０上に、約２μｍの幅の平坦部３２ａを有する凹形状のＳＯＧ膜３２を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、他の幅の平坦部を有する凹形状の膜を形成するようにしてもよい。この場合、スピンコート法を用いれば、平坦部の幅を４μｍと広くしたとしても、曲面部の曲率半径が変わることはない。
【００５６】
また、上記第２実施形態では、柱状部３１を上部と下部とで同じ幅を有する長方形状にしたが、本発明はこれに限らず、柱状部の上部の幅が、下部の幅よりも小さい形状にしてもよい。すなわち、図２０に示す変形例のように、柱状部４１の上部の幅が、下部の幅よりも小さくなるような先細り形状に形成してもよい。なお、このような先細り形状を有する柱状部４１を形成する際には、柱状部４１を上部と下部とが同じ幅で形成した後、その柱状部４１をウェットエッチングまたは等方性ドライエッチングすることによって、図２０に示すようなテーパ形状（先細り形状）の柱状部４１が形成される。なお、この場合、柱状部４１の上部の先端部を尖らすようにしてもよい。
【００５７】
図２０に示した第２実施形態の変形例では、上記のように、柱状部４１の上部の幅を、下部の幅よりも小さくすることによって、隣接するマイクロレンズとしてのＳｉＮ膜３３間の間隔を小さくすることができるので、その分、ＳｉＮ膜３３の下に凸の表面の長さを長くすることができる。これにより、ＳｉＮ膜３３の面積を大きくすることができるので、集光効率をより向上させることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光学レンズと固体撮像素子とを一体化した場合でも、高い集光能力を得ることが可能な固体撮像装置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実施形態による固体撮像装置を示した概略斜視図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子周辺の断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための概略斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の固体撮像素子周辺の断面図である。
【図１１】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための平面図である。
【図１５】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための平面図である。
【図１７】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１９】図１０に示した第２実施形態による固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】本発明の第２実施形態の変形例による固体撮像素子の断面図である。
【図２１】従来の固体撮像装置の全体構成を示した概略図である。
【図２２】図２０に示した従来の固体撮像装置の固体撮像素子部の断面図である。
【符号の説明】
３、２３　固体撮像素子
４、２４　光学レンズ
５、２５　樹脂層
７、２７　受光部
１１　ＳｉＮ膜（マイクロレンズ、第１の膜）
１２　ＳｉＮ膜（マイクロレンズ、第２の膜）
１３　レジスト
３１、４１　柱状部
３２　ＳＯＧ膜（塗布膜、第３の膜）
３３　ＳｉＮ膜（マイクロレンズ、第４の膜、レンズ膜）

Claims (9)

  1. 光学レンズと、
    マイクロレンズを含む固体撮像素子と、
    前記光学レンズと、前記固体撮像素子のマイクロレンズとの間に形成された樹脂層とを備えた、固体撮像装置。
  2. 前記固体撮像素子は、受光部を含み、
    前記固体撮像素子のマイクロレンズは、前記受光部および前記受光部の近傍の上方に形成されている、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記固体撮像素子のマイクロレンズは、前記樹脂層の屈折率よりも大きい屈折率を有する、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記固体撮像素子のマイクロレンズは、
    所定の間隔を隔てて形成され、上に凸の形状を有する第１の膜と、
    隣接する前記第１の膜の間隙を埋め込むように形成され、前記樹脂層の屈折率よりも大きく、かつ、前記第１の膜と同等以下の屈折率を有する第２の膜とを含む、請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像素子上に形成された凹形状の第３の膜をさらに備え、
    前記固体撮像素子のマイクロレンズは、
    前記第３の膜の凹形状部に埋め込まれ、前記第３の膜よりも大きい屈折率を有するとともに、下に凸の形状を有する第４の膜を含む、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  6. 固体撮像素子上に所定の屈折率を有する第１の膜を形成する工程と、
    前記第１の膜上の所定の領域にレジストを形成する工程と、
    熱処理を行うことによって、前記レジストを上に凸の形状にする工程と、
    前記レジストと前記第１の膜とを同時にエッチングすることによって、前記上に凸の形状のレジストの形状を反映した上に凸の形状の第１の膜を形成する工程と、
    前記上に凸の形状の第１の膜を含む固体撮像素子と、光学レンズとを、前記第１の膜よりも屈折率の小さい樹脂層により接着する工程とを備えた、固体撮像装置の製造方法。
  7. 前記樹脂層により接着する工程に先立って、隣接する前記第１の膜の間隙を埋め込むように、前記樹脂層の屈折率よりも大きく、かつ、前記第１の膜と同等以下の屈折率を有する第２の膜を形成する工程をさらに備える、請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。
  8. 固体撮像素子上の所定の領域に柱状部を形成する工程と、
    前記柱状部を覆うように、膜材料を塗布することによって、凹形状の塗布膜を形成する工程と、
    前記塗布膜の凹形状部を埋め込むように、前記塗布膜よりも大きい屈折率を有する下に凸の形状を有するレンズ膜を形成する工程と、
    前記下に凸の形状のレンズ膜を含む固体撮像素子と、光学レンズとを、樹脂層により接着する工程とを備えた、固体撮像装置の製造方法。
  9. 前記柱状部の上部の幅は、下部の幅よりも小さい、請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
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