JP2005203526A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の受光特性に化学的あるいは機械的な悪影響を及ぼすことなく屈折率分布型レンズを設けた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像素子を構成する半導体基板２００と、撮像素子の各画素に対応する屈折率分布型レンズ部２２０を形成したレンズ基板２４０とを互いに貼り合わせて接合した。屈折率分布型レンズ部２２０はレンズ基板２４０に画素に対応して形成された貫通孔２３１に埋め込み形成され、それぞれ貫通孔の径方向に変化した屈折率を有する。例えばＣＶＤ法による成膜作業によって貫通孔内に埋め込み形成し、ＣＶＤの反応ガスの種類を変化させたり、反応ガスの流量を変化させることによって屈折率分布を変化させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、屈折率分布型レンズによって各画素の受光領域への集光効率を向上した固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来より、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置において、各画素の受光領域（フォトダイオード等）への集光効率の向上を図るために、受光部上のレンズ体に屈折率分布型レンズを用いたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
屈折率分布型レンズは、例えばレンズ基材から化学的な手法によって高屈折率成分を溶出する方法や、屈折率の異なる膜を多層に積層するといった方法で形成することが可能である。
特開平５−６９８８号公報 特開平１１−１２１７２５号公報

しかしながら、上述した従来技術では、いずれも固体撮像装置の受光素子が形成された半導体基板上に直接的に屈折率分布型レンズを形成する構成であるので、受光領域に近接した上層膜に対して屈折率分布型レンズの加工を行なうことになり、受光領域が化学的あるいは機械的な悪影響を受けて、撮像特性の劣化を生じる恐れがある。
そこで本発明は、撮像素子の受光特性に化学的あるいは機械的な悪影響を及ぼすことのない屈折率分布型レンズを有し、信頼性や製造の容易化を図りつつ、集光特性の向上を達成できる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明にかかる固体撮像装置は、光電変換を行なう複数の画素及び上層膜を設けた半導体基板と、前記半導体基板の上層膜上に貼り合わせて接合されたレンズ基板とを具備し、前記レンズ基板は、前記複数の画素に対応して形成された複数の貫通孔と、前記貫通孔に埋め込み形成された複数の屈折率分布型レンズ部とを有し、前記複数の屈折率分布型レンズ部はそれぞれ貫通孔の径方向に変化した屈折率を有していることを特徴とする。
また、本発明にかかる固体撮像装置の製造方法は、レンズ基板の第１面から第２面にかけて固体撮像装置の複数の画素に対応する複数の埋め込み用孔を形成する孔加工工程と、前記レンズ基板の埋め込み用孔に第１面から成膜材料を埋め込み、埋め込み用孔の径方向に変化した屈折率を有する屈折率分布型レンズ部を形成するレンズ形成工程と、前記レンズ基板の第１面及び屈折率分布型レンズ部を平坦化し、レンズ基板の第１面に前記屈折率分布型レンズ部の一方の端面を露呈させる平坦化工程と、前記レンズ基板の第１面を光電変換を行なう複数の画素及び上層膜を設けた半導体基板に位置合わせして張り合わせて接合する接合工程とを有することを特徴とする。

本発明にかかる固体撮像装置及びその製造方法によれば、撮像素子を構成する半導体基板と、撮像素子の各画素に対応する屈折率分布型レンズ部を形成したレンズ基板とを互いに貼り合わせて接合することにより、屈折率分布型レンズ付きの固体撮像装置を構成することから、上述した従来例のように、撮像素子を設けた半導体基板上での直接加工によって屈折率分布型レンズを設ける構成に比べて、撮像素子の受光特性に化学的あるいは機械的な悪影響を及ぼすことなく、屈折率分布型レンズを設けることができ、信頼性や製造の容易化を図り得るとともに、集光特性の向上した固体撮像装置を提供できる効果がある。

本発明の実施の形態による固体撮像装置は、撮像素子を構成する半導体基板と、撮像素子の各画素に対応する屈折率分布型レンズ部を形成したレンズ基板とを互いに貼り合わせて接合したものであり、屈折率分布型レンズ部はレンズ基板に画素に対応して形成された貫通孔に埋め込み形成され、それぞれ貫通孔の径方向に変化した屈折率を有するものとなっている。
この屈折率分布型レンズ部はＣＶＤ法による成膜作業によって貫通孔内に埋め込み形成したもので、例えばＣＶＤの反応ガスの種類を変化させたり、反応ガスの流量を変化させることによって屈折率分布を変化させ、例えば中心部から外側に向けて、低屈折率層、高屈折率層、低屈折率層の順で屈折率を分布させたり、あるいは、高屈折率層、低屈折率層の順で屈折率を分布させることができる。前者の屈折率分布では入射光を画素に鋭角に集光させる集光型となり、後者の屈折率分布では入射光を効率よく伝送する光ファイバー型となるので、必要な撮像特性に合わせて採用すればよい。ＣＶＤ法を用いることで、必要な屈折率分布型レンズ部を容易かつ適正に形成できる。

また、本発明の実施の形態による固体撮像装置の製造方法は、レンズ基板の第１面から第２面にかけて画素に対応する埋め込み用孔を形成し、この埋め込み用孔に第１面から成膜材料を埋め込み、埋め込み用孔の径方向に変化した屈折率を有する屈折率分布型レンズ部を形成し、平坦化によってレンズ基板の第１面に屈折率分布型レンズ部の一方の端面を露呈させ、このレンズ基板の第１面を撮像素子を設けた半導体基板に位置合わせして張り合わせて接合する。
そして、レンズ基板は予め両面を平坦化した高融点金属製基板によって形成し、このレンズ基板をストッパとしてＣＭＰ研磨等を行なうことによって平坦化を行なうことにより、容易かつ適正に貼り付け面を形成できる。
また、レンズ基板と半導体基板とを接合した後、レンズ基板の第２面及び屈折率分布型レンズ部を平坦化し、レンズ基板の第２面に屈折率分布型レンズ部の他方の端面を露呈させることで、光の入射面を容易かつ適正に平坦化できる。
また、埋め込み用孔の加工では、レンズ基板の第２面側を支持基板に接合した状態で、レンズ基板を第１面側から貫通して支持基板側に至る有底状の孔を形成し、その後、レンズ基板をストッパとしてＣＭＰ研磨等を行ない、支持基板を除去してレンズ基板の第２面と屈折率分布型レンズ部の他方の端面を露呈させる。これにより、さらに光の入射面を容易かつ適正に平坦化できる。

図１は本発明の実施例による固体撮像装置の回路構成を示す概略ブロック図である。
この固体撮像装置は、ＣＭＯＳイメージセンサの例であり、複数の画素１１０を２次元アレイ状に配置した撮像領域部１２０と、その周辺に設けられた水平選択回路部１３０、垂直選択回路部１４０、列信号変換回路部１７０、及び画像信号処理回路部１８０等の論理回路を含む周辺領域部１５０とを有している。
そして、画像領域部１２０に設けられた各画素１１０は、水平選択回路部１３０及び垂直選択回路部１４０によって走査され、画素信号が出力信号線より列信号変換回路部１７０及び画像信号処理回路部１８０に伝送され、Ｄ／Ａ変換、ゲイン調整、ノイズ除去、画像補正等の処理を順次施されて画像信号に変換され、出力端末１９０から外部機器（図示せず）に出力される。
なお、図２に示す例は一例であり、例えば画素信号の読み出し方式やＤ／Ａ変換をどこで行なうかといった具体的構成については様々に変形し得るもので、本発明については特に限定されないものとする。また、本発明はＣＭＯＳイメージセンサに限らず、ＣＣＤイメージセンサにも適用できるものである。

本例の固体撮像装置は、従来と同様に半導体ウェーハ上にＣＭＯＳプロセス等を用いて画素１１０、及び各種ＭＯＳトランジスタ等の素子を形成し、その上層にフォトレジストやエッチング等の技術を用いて絶縁膜、遮光膜、及び配線膜等の各種上層膜を形成する。そして、このような上層膜の形成過程で、ＣＭＰ等の平坦化を行ない、その平坦化した上層膜の上に本発明の特徴となる屈折率分布型レンズを用いたマイクロレンズ、カラーフィルタ、及び曲率レンズを配置する。
また、画素１１０は、光電変換素子としてのフォトダイオードと、このフォトダイオードによって生成された信号電荷を所定のタイミングで読み出したり、リセットしたりするための読み出し、増幅、リセット等の各種ＭＯＳトランジスタとを有しており、その上層に受光用開口部を有する遮光膜や各種の配線膜及び絶縁膜等を設けたものである。

次に、本発明の特徴となる屈折率分布型レンズの構造及びその製造方法について説明する。
図２は撮像素子（フォト大オート等）を設けた半導体基板上に屈折率分布型レンズを配置した状態を示す断面図である。また、図３は図２に示す屈折率分布型レンズを上面から見た状態を示す平面図であり、図２は図３のＡ−Ａ断面図である。
図２に示すように、本例の固体撮像装置は、画素１１０を形成した半導体基板２００の上面に遮光膜、配線層、層間絶縁膜といった各種の膜を含む上層膜２１０が配置され、その上に各画素１１０に対応した屈折率分布型レンズ部２２０を設けたレンズ基板２３０が貼り合わせによって設けられている。レンズ基板２３０は、例えばタングステンＷ等の高融点金属より形成され、各画素１１０に対応する貫通孔（埋め込み用孔）２３１を有し、各貫通孔２３１に透明樹脂製の屈折率分布型レンズ部２２０が埋め込み形成されている。

各屈折率分布型レンズ部２２０は、ＣＶＤ法による成膜作業によって貫通孔２３１内に形成され、例えばＣＶＤの反応ガス（ＳｉＯ2 、ＳｉＯＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 等）の種類を変化させたり、反応ガスの流量を変化させることによって屈折率分布を変化させ、所望の光伝達特性を得るようにしたものである。
例えば、ＣＶＤの成膜作業に沿って、反応ガスをＳｉＯ2 、ＳｉＯＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 の順で変化させることにより、中心部から外側に向けて高屈折率層から低屈折率層に変化するように形成でき、この場合には、図４（Ａ）に示すような光ファイバー型の光伝達特性を得ることが可能となる。
また、ＣＶＤの成膜作業に沿って、反応ガスをＳｉＯ2 、ＳｉＯＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ2 の順で変化させることにより、中心部から外側に向けて、低屈折率層、高屈折率層、低屈折率層の順で屈折率を分布させて形成でき、この場合には、図４（Ｂ）に示すように、入射光を画素に鋭角に集光させる集光型となる。
なお、図では省略しているが、レンズ基板２３０の上面に曲率レンズやカラーフィルタを設けてもよいし、レンズ基板２３０の下面に曲率レンズやカラーフィルタを設けてもよい。

次に、本例の固体撮像装置の製造方法について説明する。
図５〜図７は本例の製造方法の各工程を説明する断面図である。
まず、図５及び図６はレンズ基板側の工程であり、図５（Ａ）では、支持基板（Ｓｉ基板）２４０上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）２５０を介してレンズ基板（Ｗ基板）２３０を接合し、このレンズ基板２３０上に貫通孔（埋め込み用孔）形成用のフォトレジストマスク２６０をパターニングした状態を示している。
そして、図５（Ｂ）では、このフォトレジストマスク２６０を通してレンズ基板２３０にエッチングを行ない、埋め込み用孔２３２を形成する。この埋め込み用孔２３２は、レンズ基板２３０を貫通し、さらに支持基板２４０の上層部まで到達した有底孔状に形成されている。

そこで、図６（Ａ）に示すように、フォトレジストマスク２６０を除去した後、埋め込み用孔２３２を形成したレンズ基板２３０の上面（第１面）からＣＶＤによる樹脂膜の成膜を行なう。そして、このＣＶＤの成膜工程で、上述したように反応ガスの制御によって屈折率の分布を持たせ、屈折率分布型レンズ部２２０の基となるレンズ体２２１を形成する。
次に、図６（Ｂ）に示すように、レンズ基板２３０の上面をストッパとしてＣＭＰ等によって平坦化処理を行ない、レンズ基板２３０の第１面にレンズ体２２１（屈折率分布型レンズ部２２０）の一方の端面が露呈した状態とする。
そして、このようなレンズ基板２３０を上下反転し、図７に示すように、画素１１０や上層膜２１０を形成した半導体基板２００に貼り合わせて接合する。ここでは、画素１１０とレンズ体２２１（屈折率分布型レンズ部２２０）とを位置合わせし、例えば接着性の樹脂による熱溶着等を用いて接合する。

次に、レンズ基板２３０の第２面側にＣＭＰ等の研磨処理を施し、支持基板２４０、シリコン酸化膜２５０、レンズ体２２１の他方の端部を除去して平坦化し、レンズ基板２３０の第２面に屈折率分布型レンズ部２２０の他方の端面が露呈した状態とする。すなわち、この状態で、図３に示す貫通孔（埋め込み用孔）２３１と屈折率分布型レンズ部２２０を有するレンズ基板２３０が完成する。なお、この場合の平坦化もレンズ基板２３０をストッパとして用いる。
以上のようにして、屈折率分布型レンズ部２２０を有する固体撮像装置を作製することができ、撮像素子を設けた半導体基板に直接加工を行なって屈折率分布型レンズを形成する場合に比べ、撮像素子側に負荷をかけけることなく、安定的に生産できるという利点がある。

本発明の実施例による固体撮像装置の回路構成を示す概略ブロック図である。 図１に示す固体撮像装置の撮像素子を設けた半導体基板上に屈折率分布型レンズを配置した状態を示す断面図である。 図２に示す屈折率分布型レンズを上面から見た状態を示す平面図である。 図２に示す屈折率分布型レンズを上面から見た状態を示す説明図である。 図２に示す固体撮像装置の製造方法の各工程を説明する断面図である。 図２に示す固体撮像装置の製造方法の各工程を説明する断面図である。 図２に示す固体撮像装置の製造方法の各工程を説明する断面図である。

符号の説明

１１０……画素、１２０……撮像領域部、１３０……水平選択回路部、１４０……垂直選択回路部、１５０……周辺領域部、１７０……列信号変換回路部、１８０……画像信号処理回路部、２００……半導体基板、２１０……上層膜、２２０……屈折率分布型レンズ部、２３０……レンズ基板、２３１……貫通孔（埋め込み用孔）、２４０……支持基板。

Claims (13)

1. 光電変換を行なう複数の画素及び上層膜を設けた半導体基板と、
   前記半導体基板の上層膜上に貼り合わせて接合されたレンズ基板とを具備し、
   前記レンズ基板は、前記複数の画素に対応して形成された複数の貫通孔と、前記貫通孔に埋め込み形成された複数の屈折率分布型レンズ部とを有し、
   前記複数の屈折率分布型レンズ部はそれぞれ貫通孔の径方向に変化した屈折率を有している、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記屈折率分布型レンズ部はＣＶＤ法による成膜作業によって貫通孔内に埋め込み形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記屈折率分布型レンズ部は前記ＣＶＤ法による成膜作業で反応ガスの種類を変化させることによって屈折率分布を変化させたものであることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記屈折率分布型レンズ部は前記ＣＶＤ法による成膜作業で反応ガスの流量を変化させることによって屈折率分布を変化させたものであることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
5. 前記屈折率分布型レンズ部は中心部に低屈折率層を有し、その外側に高屈折率層を有し、さらにその外側に低屈折率層を有していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記屈折率分布型レンズ部は中心部に高屈折率層を有し、その外側に低屈折率層を有していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. レンズ基板の第１面から第２面にかけて固体撮像装置の複数の画素に対応する複数の埋め込み用孔を形成する孔加工工程と、
   前記レンズ基板の埋め込み用孔に第１面から成膜材料を埋め込み、埋め込み用孔の径方向に変化した屈折率を有する屈折率分布型レンズ部を形成するレンズ形成工程と、
   前記レンズ基板の第１面及び屈折率分布型レンズ部を平坦化し、レンズ基板の第１面に前記屈折率分布型レンズ部の一方の端面を露呈させる平坦化工程と、
   前記レンズ基板の第１面を光電変換を行なう複数の画素及び上層膜を設けた半導体基板に位置合わせして張り合わせて接合する接合工程と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記レンズ形成工程では、ＣＶＤ法による成膜作業によって埋め込み用孔内に屈折率分布型レンズ部を埋め込み形成することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記レンズ形成工程では、前記ＣＶＤ法による成膜作業で反応ガスの種類を変化させることによって屈折率分布型レンズ部の屈折率分布を変化させることを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記レンズ形成工程では、前記ＣＶＤ法による成膜作業で反応ガスの流量を変化させることによって屈折率分布型レンズ部の屈折率分布を変化させることを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記レンズ基板は予め両面を平坦化した高融点金属製基板によって形成され、前記平坦化工程はレンズ基板をストッパとしてＣＭＰ研磨を行なう工程であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記レンズ基板と半導体基板とを接合した後、前記レンズ基板の第２面及び屈折率分布型レンズ部を平坦化し、レンズ基板の第２面に前記屈折率分布型レンズ部の他方の端面を露呈させる第２の平坦化工程を有することを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記孔加工工程では、レンズ基板の第２面側を支持基板に接合した状態で、レンズ基板を第１面側から貫通して支持基板側に至る有底状の孔を形成し、前記第２の平坦化工程では、レンズ基板をストッパとしてＣＭＰ研磨を行ない、支持基板を除去してレンズ基板の第２面と屈折率分布型レンズ部の他方の端面を露呈させることを特徴とする請求項１２記載の固体撮像装置の製造方法。
    

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