JP2005294467A

JP2005294467A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2005294467A
Application number: JP2004106242A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Nagano; 明彦長野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】固体撮像装置の光入射面に設けたマイクロレンズから頂点と光電変換部までの距離を従来と同等に保ちつつ、マイクロレンズの開口率を向上させること。
【解決手段】マイクロレンズ（１０９）と光電変換部（１０２）とをぞれぞれ有する複数の画素が２次元状に配列して成る本発明の固体撮像装置（１００）は、前記マイクロレンズの球面が、レンズ形成層（１０８）と、カラーフィルタ層（１０６）にまたがって形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ、カムコーダー等の撮像装置に用いる固体撮像素子に関するものである。

近年、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いる固体撮像素子では、画素数を増やして画質を向上させる一方で、チップサイズを小さくすることにより低価格化を図っている。そのため、固体撮像素子を構成する１画素の大きさは年々小さくなり、それに伴って受光部の面積も小さくなってきている。

受光部の面積が小さくなると受光感度が低下してしまうため、固体撮像素子の光入射面にマイクロレンズを形成してより多くの光を受光部に導くようにして受光効率を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１３〜図１５は従来のマイクロレンズを有する固体撮像装置の説明図である。

図１３は固体撮像素子１００ｐを上面から見た平面図で、便宜上４つの画素を図示している。図中１０８ｐはマイクロレンズで、平坦化層１０７ｐの上に形成されている。マイクロレンズ１０８ｐは公知のレジストリフロー法にて形成されるため、隣接する画素のマイクロレンズ１０８ｐが融着しないように、マイクロレンズ１０８ｐ間には間隔が設けられている。

図１４は図１３に示す固体撮像素子１００ｐのＡ−Ａ’の断面図で、垂直入射光の光路を示す図であり、図１５はＢ−Ｂ’の断面図で、斜入射光の光路を示す図である。固体撮像素子１００ｐに入射した光は、マイクロレンズ１０８ｐにて屈折して平坦化層１０７ｐ、カラーフィルタ層１０６ｐ、及び層間絶縁膜層１０３ｐを透過して、シリコン基板１０１ｐに形成された光電変換部１０２ｐへと集光される。図中、１０４ｐ、１０５ｐはアルミニウム等で形成された電極層である。

しかしながら、図１３の固体撮像素子１００ｐの平面図に示したような各画素にそれぞれ形成された４つのマイクロレンズ１０８ｐに囲まれた領域に垂直に入射した光は、図１４の固体撮像素子１００ｐの断面図に示すように電極１０５ｐにて遮光されたり、光電変換部１０２ｐの領域外に入射するなどして、光電変換部１０２へは到達しない。

このように、光電変換部１０２ｐに導かれる光量はマイクロレンズ１０８の開口率に大きく依存するため、マイクロレンズの開口率を向上させる様々な技術が開示されている。

例えば、特許文献２の固体撮像装置では、マイクロレンズ形成後、さらにマイクロレンズカバー膜を積層することによって、マイクロレンズ間の間隔を小さくしてマイクロレンズの開口率を向上させている。

また、特許文献３の固体撮像装置では、マイクロレンズとカラーフィルタ層との間の平坦化層に凹部を設け、凹部に入射した光を屈折作用により光電変換部に導くことによって集光効率を向上させている。

さらに、特許文献４の固体撮像装置では、マイクロレンズ形成後、隣接するマイクロレンズとの間に光入射側に凸のシリンドリカルレンズを形成することによって、集光効率を向上させている。

特公昭６０−５９７５２号公報（第１頁、図２）特許３１６６１９９号（第３頁、図１）特開平６−５３４５８号公報（第２頁、図１）特許３４０２４７９号（第３頁、図２）

図１６及び図１７は特許文献２に開示されている固体撮像装置の断面図で、図１３に示す構成と同様の構成には、同じ参照番号を付している。図１６及び図１７に示す固体撮像装置では、マイクロレンズ１０８ｐの形成後、さらにマイクロレンズカバー膜１０９ｐを積層することによって、マイクロレンズ間の間隔を小さくしてマイクロレンズの開口率を向上させている。図１６は対角方向に隣接する画素の断面図（図１３の固体撮像装置の平面図に図示したＡ−Ａ’面のような断面図）で、垂直入射光の光路を図示している。図１７は水平方向に隣接する画素の断面図（図１３の固体撮像装置の平面図に図示したＢ−Ｂ’面のような断面図）で、斜入射光の光路を図示している。

しかしながら、図１７の固体撮像素子１００ｐの断面図に示すように、マイクロレンズ１０８ｐの形成後、さらにその上にマイクロレンズカバー膜１０９ｐを積層すると、成膜した分マイクロレンズカバー膜１０９ｐの頂点と光電変換部１０２ｐとの距離が長くなり、マイクロレンズ１０８ｐの光軸に対して斜めに入射した光は光電変換部１０２ｐからはずれた位置に到達して光電変換されないという欠点があった。

また、マイクロレンズとカラーフィルタ層との間の平坦化層に凹部を設けた特許文献３の固体撮像装置では、形成された凹部はＵ字形形状で凹部の底部に入射した光に対しては集光作用しないため、集光効率が十分とは言えなかった。また、複数のマイクロレンズに囲まれた領域にＵ字形形状の凹部を形成することは現実的には難しいという欠点があった。

さらに、マイクロレンズ形成後、隣接するマイクロレンズとの間に光入射側に凸のシリンドリカルレンズを形成した特許文献４の固体撮像装置では、シリンドリカルレンズの軸と光電変換部の位置が偏心しているため、光電変換部に集光させうることが難しいという欠点があった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、固体撮像装置の光入射面に設けたマイクロレンズから頂点と光電変換部までの距離を従来と同等に保ちつつ、開口率を向上させることを第１の目的とする。

また、固体撮像装置の光入射面に設けたマイクロレンズから頂点と光電変換部までの距離を従来と同等に保ちつつ、集光率を向上させることを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するために、マイクロレンズと光電変換部とをぞれぞれ有する複数の画素が２次元状に配列して成る本発明の固体撮像装置は、前記マイクロレンズの球面が、レンズ形成層と、該レンズ形成層と機能の異なる光透過層にまたがって形成されていることを特徴とする。

また、上記第２の目的を達成するために、マイクロレンズと、平坦化層と、光電変換部とをぞれぞれ有する複数の画素が２次元状に配列して成る本発明の固体撮像装置は、隣接する複数のマイクロレンズに囲まれた前記平坦化層の領域に、四角錐を削り取った形状の凹部が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、固体撮像装置の光入射面に設けたマイクロレンズから頂点と光電変換部までの距離を従来と同等に保ちつつ、マイクロレンズの開口率を向上させることができる。

また、別の構成によれば、固体撮像装置の光入射面に設けたマイクロレンズから頂点と光電変換部までの距離を従来と同等に保ちつつ、集光率を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態における固体撮像素子１００を上面から見た平面図で、固体撮像素子１００を構成する多数の画素（例えば、数十万〜数百万画素）の内、ほぼ中央に位置する４つの画素を図示したものである。図１において、１０８はレンズ形成層、１０６はカラーフィルタ層であり、各画素毎に異なる色のカラーフィルタが形成されている。本第１の実施形態におけるマイクロレンズ１０９は、レンズ形成層１０８及びカラーフィルタ層１０６にまたがって形成され、画素全体を覆っている。

なお、図中ｐは画素ピッチで、本第１の実施形態の固体撮像素子１００では、ｐ＝３.０μｍとする。

図１（ｂ）及び（ｃ）は、１つのマイクロレンズ１０９の形状を概念的に説明するための図であり、図１（ｂ）は、マイクロレンズ１０９の上面図、図１（ｃ）はマイクロレンズ１０９の中央を通る断面図、図１（ｄ）はマイクロレンズ１０９の画素の一辺における断面図である。図１（ｂ）乃至（ｄ）に示すように、マイクロレンズ１０９は、各画素の中央から画素周囲までの距離の内、少なくとも最も長い距離（画素が矩形の場合、対角線の半分の距離）を半径ｒにもつ球面から、画素のサイズに切り取った形状をしている。従って、ｘ及びｙ方向に隣接する画素のマイクロレンズ１０９は、図１（ａ）中のｙ−ｚ平面及びｚ−ｘ平面で互いに接面（図１（ｄ）に示す面が接面）し、また、４つのマイクロレンズ１０９は、それら４つのマイクロレンズ１０９の中央で点交差する。

図２は図１の固体撮像素子１００の平面図に示したＡ−Ａ’面の断面図で、垂直入射光の光路を示している。図２において、１０２は光電変換部、１０１は光電変換部１０２が形成されたシリコン基板、１０３は層間絶縁膜層、１０４、１０５はアルミニウム等で形成された電極層である。

また、図中ｔはレンズ形成層１０８の厚さで、本第１の実施形態では従来の固体撮像装置のマイクロレンズレンズ１０８ｐの厚さとほぼ同等の厚さ（約０.５μｍ）とする。各マイクロレンズ１０９は、Ａ−Ａ’面の断面の場合、各画素のカラーフィルタ層１０６の境界面で接している。マイクロレンズ１０９に入射した光が光電変換部１０２の近傍に集光するようなマイクロレンズ１０９の曲率が得られるように、本第１の実施形態のマイクロレンズ１０９の高さ（ｔ＋ｈ）は、
０.２０≦（ｔ＋ｈ）／ｌ≦０.４０ …（１）

を満足するように設定される。ここで、ｌはレンズ形成層１０８の頂点から光電変換部までの距離で、本第１の実施形態の固体撮像装置１００では、ｌ＝５.５μｍであるものとする。上記式（１）を満足するために、本第１の実施形態ではマイクロレンズ１０９の高さｔ＋ｈを、例えば１.１８μｍに設定する。なお、上述したｔ、ｔ＋ｈ、ｌの値はあくまでも一例であり、各画素の設計に応じて、式（１）を満たすように適宜変更することが勿論可能である。
上記構成によれば、各レンズ形成層１０８の周辺に入射した光もカラーフィルタ層１０６に形成された球面を介して光電変換部１０２に導かれるため、受光効率を向上させることが可能となる。

なお、本第１の実施形態の固体撮像素子１００では、レンズ形成層１０８とカラーフィルタ層１０６の光電変換部１０２に対する偏心量は同一である。

図３は図１の固体撮像素子１００の平面図に示したＢ−Ｂ’面の断面図で、斜入射光の光路を示している。固体撮像素子１００に斜めに入射した光は、マイクロレンズ１０９にて屈折して、カラーフィルタ層１０６及び層間絶縁膜層１０３を透過して、シリコン基板１０１に形成された光電変換部１０２へ集光する。

このように、レンズ形成層１０８の厚さを従来の固体撮像装置のマイクロレンズの厚さとほぼ同等の厚さ（約０.５μｍ）として、レンズ形成層１０８及びカラーフィルタ層１０６にまたがって１画素全面を覆うマイクロレンズ１０９を形成することによって、レンズ形成層１０８の頂点と光電変換部１０２との距離が長くなることを防止することができるため、固体撮像素子１００に斜めに入射する光束に対しても効率よく集光することを可能としている。

即ち、本第１の実施形態によれば、固体撮像装置の光入射面に形成されたマイクロレンズの開口率が向上するため、受光効率が向上すると共に、マイクロレンズの頂点と光電変換部との距離が長くならないように構成されるため、固体撮像装置に斜めに入射する光を効率よく光電変換部に導くことが可能となる。

図４は本発明の固体撮像素子１００のマイクロレンズ１０９を製造するプロセス説明図である。なお、ここでは図１のＡ−Ａ’面に相当する断面により説明する。

シリコン基板１０１に光電変換部１０２を形成し、複数の層間絶縁膜層１０３を介して電極層１０４、１０５を形成後、公知のフォトリソグラフィ工程を経てカラーフィルタ層１０６を形成する（図４（ａ））。次に、カラーフィルタ層１０６上にレンズ形成層１０８を成膜し、さらにその上にポジ型のフォトレジスト層１１０を成膜する。そして、フォトマスク１５０を介して露光を行う（図４（ｂ））。

図５はフォトマスク１５０の平面図で、便宜上４画素分の範囲を図示している。フォトマスク１５０は電子ビームで描画され、１画素の中心部の透過率が最も低く、周辺にいくにしたがって透過率が高くなるように構成されている。従って、４つの画素の中心部の透過率が最も高くなっている。

露光後現像処理を行うことによって、ポジ型のフォトレジスト層１１０は光が照射された領域がその露光量に応じて現像されるため、１画素全面を覆う所定の球面形状が形成される（図４（ｃ））。

さらにエッチング処理を行うことによってマイクロレンズ形成層１０８及びカラーフィルタ層１０６に球面形状のマイクロレンズ１０９が形成される。このとき、フォトレジスト１１０とレンズ形成層１０８及びカラーフィルタ層１０６のエッチング処理における選択比が１：１になるように設定されているため、フォトレジスト１１０の球面形状がそのままレンズ形成層１０８及びカラーフィルタ層１０６に転写される（図４（ｄ））。以上の処理により、マイクロレンズ１０９が形成される。

なお、上記第１の実施形態によれば、マイクロレンズ１０９の球面が画素全体に亘る場合について説明したが、球面が画素全体を完全に覆っていないような場合であっても、少なくともレンズ形成層１０８よりも広い面積となるようにカラーフィルタ層１０６にまたがって球面を形成すれば、従来と比較して開口率及び集光効率を向上させることが可能である。

また、マイクロレンズ１０９の球面をレンズ形成層１０８からカラーフィルタ層１０６に亘って形成する場合について説明したが、本発明はカラーフィルタ層に限るものではなく、画素の構成に応じて、レンズ形成層１０８の１層下にある層にまたがって、曲面を形成すればよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図６は本発明の第２の実施形態における固体撮像素子２００を上面から見た平面図で、固体撮像素子２００を構成する多数の画素（例えば、数十万〜数百万画素）の内、ほぼ中央に位置する４つの画素を図示したものである。図中２０８はマイクロレンズで、隣接する画素のマイクロレンズ２０８と融着しないように所定の間隔で形成されている。また、２０７は平坦化層で、４つの画素のマイクロレンズ２０８で囲まれた領域には四角錐を削り取ったような凹部２２０が設けられている。

図中ｐは画素ピッチ、ｄは隣接する画素のマイクロレンズ２０８間の最小間隔ｄである。本第２の実施形態の固体撮像素子２００では、ｐ＝３.０μｍ、マイクロレンズの最小間隔ｄ＝０.２μｍとなるように構成するものとする。

図７は図６の固体撮像素子２００の平面図に示したＡ−Ａ’面の断面図で、垂直入射光の光路を示している。図７において、１０２は光電変換部、１０１は光電変換部１０２が形成されたシリコン基板、１０３は層間絶縁膜層、１０４、１０５はアルミニウム等で形成された電極層、２０６はカラーフィルタ層である。

また、図中ｔはマイクロレンズ２０８の厚さで、本第２の実施形態では従来の固体撮像装置のマイクロレンズ１０８ｐの厚さとほぼ同等の厚さ（約０．５μｍ）とする。マイクロレンズ２０８の球面の延長線上に、四角錐を削り取ったような凹部２２０が形成されている。

マイクロレンズ２０８及び凹部２２０の斜面に入射した光が光電変換部１０２近傍に集光するように、平坦化層２０７を削ることによって形成された凹部の深さｈは、
((sqrt(２)−１)×ｐ＋ｄ)×(ｐ−ｄ)／４／ａ≦ｈ≦ａ−sqrt((ａ＋ｔ)^２−ｐ^２／２) …（２）

を満足するように設定される。ここで、変数ａは、
ａ＝((ｐ−ｄ)^２−４＊ｔ^２)／８ｔ
である。その結果、各マイクロレンズ２０８に挟まれた領域に形成された凹部２２０の斜面に入射した光も光電変換部１０２に導かれるため、受光効率を向上させている。
上記式（２）を満足させるために、本第２の実施形態では凹部２２０の深さｈを、例えば０．６μｍに設定する。なお、上述したｔ、ｐ、ｄ、ｈの値はあくまでも一例であり、各画素の設計に応じて、式（２）を満たすように適宜変更することが勿論可能である。

図８は図６の固体撮像素子２００の平面図に示したＢ−Ｂ’面の断面図で、斜入射光の光路を示している。固体撮像素子２００に斜めに入射した光は、マイクロレンズ２０８にて屈折して、平坦化層２０７、カラーフィルタ層２０６、及び層間絶縁膜層１０３を透過して、シリコン基板１０１に形成された光電変換部１０２へ集光する。

このように、マイクロレンズ２０８の厚さを従来の固体撮像装置のマイクロレンズの厚さとほぼ同等の厚さ（約０．５μｍ）として、さらに複数のマイクロレンズ２０８で囲まれた領域に四角錐を削り取ったような凹部２２０を形成することによって、マイクロレンズ２０８の頂点と光電変換部１０２との距離が長くなることを防止することができると共に、マイクロレンズ２０８の開口からはずれた平坦化層２０７領域に入射した光も集光されるため、固体撮像素子２００に斜めに入射する光束に対しても効率よく受光することを可能としている。

図９及び図１０は本発明の固体撮像素子２００のマイクロレンズ２０８及び凹部２２０を製造するプロセス説明図である。なお、ここでは図６のＡ−Ａ’面に相当する断面により説明する。

シリコン基板１０１に光電変換部１０２を形成し、複数の層間絶縁膜層１０３を介して電極層１０４、１０５を形成後、公知のフォトリソグラフィ工程を経てカラーフィルタ層２０６を形成する。次に、カラーフィルタ層２０６上にマイクロレンズを形成するための平坦化層２０７を成膜し、さらにその上にポジ型のフォトレジスト層１１０を成膜する。凹部２２０を形成する領域では光が透過するようなパターンのフォトマスク２０１を介して露光を行う（図９（ａ））。図１１にここで用いられるフォトマスク２０１の平面図を示す。なお、図１１では、便宜上４画素分の範囲を図示している。

露光後現像処理を行うことによって、凹部２２０を形成する領域のフォトレジスト層１１０が現像され、平坦化層２０７が露出する（図９（ｂ））。さらにフォトレジスト層１１０が除去された領域をプラズマによるドライエッチング処理を行うことによって、平坦化層２０７に四角錐を削り取ったような凹部２２０を形成する。さらに剥離処理をおこなって、残ったフォトレジスト層１１０を除去する（図９（ｃ））。

次に、マイクロレンズ形成層であるフォトレジスト２０８を成膜後、マイクロレンズの配置と同一の遮光特性を有するフォトマスク２０２を介して露光を行う（図１０（ａ））。図１２にここで用いられるフォトマスク２０２の平面図を示す。なお、図１２では、便宜上４画素分の範囲を図示している。

露光後現像処理を行うことによって、マイクロレンズを形成しない領域のフォトレジスト２０８を除去する（図１０（ｂ））。

さらに、パターニングされたマイクロレンズ形成層２０８を公知のレジストリフロー法にて熱溶融することにより、マイクロレンズ２０８が形成される（図１０（ｃ））。

本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の一部画素を示す平面図、及びマイクロレンズの形状を説明するための概念図である。図１に示す固体撮像装置の断面図である。図１に示す固体撮像装置の別の断面図である。本発明の第１の実施形態におけるマイクロレンズの製造プロセス説明図である。本発明の第１の実施形態におけるマイクロレンズの製造プロセスで用いられるフォトマスクの平面図である。本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の一部画素を示す平面図である。図６に示す固体撮像装置の断面図である。図６に示す固体撮像装置の別の断面図である。本発明の第２の実施形態におけるマイクロレンズの製造プロセス説明図である。本発明の第２の実施形態におけるマイクロレンズの製造プロセス説明図である。本発明の第２の実施形態におけるマイクロレンズの製造プロセスで用いられるフォトマスクの平面図である。本発明の第２の実施形態におけるマイクロレンズの製造プロセスで用いられるフォトマスクの平面図である。従来の固体撮像装置の一部画素を示す平面図である。図１３に示す従来の固体撮像装置の断面図である。図１３に示す従来の固体撮像装置の別の断面図である。従来の別の固体撮像装置の断面図である。従来の別の固体撮像装置の別の断面図

符号の説明

１００、１００ｐ、２００固体撮像装置
１０１、１０１ｐシリコン基板
１０２、１０２ｐ光電変換部
１０３、１０３ｐ層間絶縁膜層
１０４、１０４ｐ、１０５、１０５ｐ電極層
１０６、１０６ｐ、２０６カラーフィルタ層
１０７ｐ、２０７・・・平坦化層
１０８レンズ形成層
１０８ｐ、１０９、２０８マイクロレンズ
１１０フォトレジスト層
１５０、２０１、２０２フォトマスク
２２０凹部

Claims

マイクロレンズと光電変換部とをぞれぞれ有する複数の画素が２次元状に配列して成る固体撮像装置であって、前記マイクロレンズの球面が、レンズ形成層と、該レンズ形成層と機能の異なる光透過層にまたがって形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
前記光透過層はカラーフィルタ層であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記マイクロレンズの球面が、各画素全体に亘って形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
マイクロレンズと、平坦化層と、光電変換部とをぞれぞれ有する複数の画素が２次元状に配列して成る固体撮像装置であって、隣接する複数のマイクロレンズに囲まれた前記平坦化層の領域に、四角錐を削り取った形状の凹部が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
各画素のピッチをｐ、隣接する前記マイクロレンズ間の最小間隔をｄ、前記マイクロレンズの高さをｔとしたときに、前記凹部の深さｈは
((sqrt(２)−１)×ｐ＋ｄ)×(ｐ−ｄ)／４／ａ≦ｈ≦ａ−sqrt((ａ＋ｔ)^２−ｐ^２／２)、
但し、ａ＝((ｐ−ｄ)^２−４＊ｔ^２)／８ｔ
を満足することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。