JP2006049636A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像装置の受光部に結像される像において、撮像領域周辺部に生じる色信号レベルの差、すなわち、色シェーディングの発生をおさえる。
【解決手段】 固体撮像装置２０は、半導体基板１１上に複数の受光部１２、複数の電荷転送部１３、層間膜１４、遮光膜１５、平坦化膜１６が形成されている。さらに、平坦化膜１６上に赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９が受光部の位置に合わせて形成されている。また、赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９は、凸状であり、それぞれマイクロレンズとしても機能するカラーフィルターである。そして、その曲率は、赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９の順に、小さいことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置の周辺に生じる色信号レベルの落ち込み、すなわち、色シェーディングを抑制した固体撮像装置に関するものである。

従来、マイクロレンズとしても機能するカラーフィルターがある（例えば、特許文献１参照。）。
図３は、従来の固体撮像装置の断面構造を示す断面図である。

同図に示されるように、固体撮像装置１０は、半導体基板１上に複数の受光部２、複数の電荷転送部３、層間膜４、遮光膜５、平坦化膜６が形成されている。さらに、平坦化膜６上に、赤色フィルター７、緑色フィルター８、青色フィルター９が受光部に合わせて形成されている。また、赤色フィルター７、緑色フィルター８、青色フィルター９は、凸状であり、それぞれマイクロレンズとして機能するカラーフィルターである。そして、その曲率は、それぞれ同じである。
特開平３−２３０１０１号公報

しかしながら、この構造では、マイクロレンズとしても機能するカラーフィルターの曲率が同じであるため、カラーフィルターから受光部までの光路長に差が生じ、各カラーフィルターで感度ムラが生じる。特に、撮像領域周辺部では、斜め光が入射するために、受光部に到達する光の量は赤色画素、緑色画素、青色画素で差が大きくなる。結果、波長が短くなるほど、光の屈折率が高くなるため、曲率が同じであると色シェーディングが生じやすくなる。

図４は、固体撮像装置の撮像領域の平面図であり、撮像領域３０の中央部３１と周辺部３２を示している。また、これらに対応する光の集光状態を図５に示している。
図５（ａ）に撮像領域中央部、（ｂ）に撮像領域周辺部が示されるように、赤色フィルター７，緑色フィルター８，青色フィルター９ごとに、集光する位置が異なる。

合焦点位置が受光部２上にない場合、撮像領域の端になるほど集光された光が受光部２の領域内に入らなくなり検出感度が低下するため、色シェーディングが生じてしまう。これは、各色のカラーフィルターの屈折率が光の波長により異なるためである。

そこで、本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、色シェーディングを抑制することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

この目的を解決するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に形成された複数の受光部と、各受光部の上に個別に配置されている複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置であって、前記複数のマイクロレンズのうち、第１の波長フィルター特性を有する第１のマイクロレンズの曲率と、前記第１の波長フィルター特性とは異なる第２の波長フィルター特性を有する第２のマイクロレンズの曲率とが異なることを特徴とする。

さらに、本発明の固体撮像装置は、前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとのうち、波長フィルター特性における平均透過波長が長い方は、他方よりも曲率が大きいことを特徴としてもよい。

また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に形成された複数の受光部と、各受光部の上に個別に配置されている複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置であって、前記複数のマイクロレンズのうち、第１の色を有する第１のマイクロレンズの曲率と、前記第１の色とは異なる第２の色を有する第２のマイクロレンズの曲率とが異なることを特徴とする。

さらに、本発明の固体撮像装置は、前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとのうち、色に対応する波長が長い方は、他方よりも曲率が大きいことを特徴としてもよい。

なお、前記複数のマイクロレンズの夫々は、赤、緑、青のいずれかの色を有し、赤、緑、青の順に曲率が小さいマイクロレンズであることを満足することが好ましい。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に形成された複数の受光部と、各受光部の上に個別に配置されている複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記複数のマイクロレンズのうち、曲率の小さいマイクロレンズから順番に形成することを特徴とする。

以上、本発明に係る固体撮像装置によれば、半導体基板上に形成された受光部の上に形成されたカラーフィルターの波長透過帯域の長波長にあるものほど曲率を大きくすることで、受光部上での集光状態を均一にすることができ、色シェーディングを抑制することができる。

以下に本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の撮像領域中央部と撮像領域周辺部における断面構造を示す断面図である。なお、図１（ａ）は、撮像領域中央部についてであり、（ｂ）は、撮像領域周辺部についてである。

図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、固体撮像装置２０は、半導体基板１１上に、複数の受光部１２、複数の電荷転送部１３、層間膜１４、遮光膜１５、平坦化膜１６が形成されている。ここで、複数の開口部が形成された遮光膜１６によって生じた段差が、平坦化膜１６によって平坦化される。さらに、平坦化されたその上面に赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９が受光部の位置に合わせて配置されている。また、赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９のそれぞれは、凸状であり、マイクロレンズとしても機能するカラーフィルターである。

なお、赤色フィルター１７は、可視光の赤色領域の波長を、緑色フィルター１８は、可視光の緑色領域の波長を、青色フィルター１９は、可視光の青色領域の波長を、取分け、よく透過する。

また、これらのカラーフィルターは、各色で曲率が異なっており、その曲率は、赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９の順に小さくなっている。言い換えれば、カラーフィルターの透過波長の長い順に曲率が大きくなっている。

例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、赤色フィルター１７の曲率をＲｒ、緑色フィルター１８の曲率をＲｇ、青色フィルター１９の曲率をＲｂとすれば、次式（１）で示される関係を有することになる。
（１） Ｒｒ ＞ Ｒｇ ＞ Ｒｂ
これによって、赤色フィルター１７、緑色フィルター１８、青色フィルター１９により集光される光の集光状態を均一にすることができる。そして、斜め光が入射した場合においても同じ量の入射光が受光部１２に受光されるため、色シェーディングを抑制することができる。特にその効果は、固体撮像装置の撮像領域周辺部（図１（ｂ）を参照。）に行くほど効果的である。

なお、マイクロレンズとしても機能するカラーフィルターの材料によっては、屈折率、吸収率といった光学特性が異なるので、受光部１２上で均一に集光されるように各色のカラーフィルターが構成されれば、必ずしも”Ｒｒ＞Ｒｇ＞Ｒｂ”の関係を満たすような曲率でなくてもよい。

なお、本発明の固体撮像装置におけるカラーフィルターを形成する順番としては、曲率の小さい順、すなわち、青色フィルター１９、緑色フィルター１８、赤色フィルター１７の順で形成することが好ましい。これは、曲率の小さい順で形成することで、塗りムラを防止することができる。

次にマイクロレンズとしても機能するカラーフィルターの具体的な製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、マイクロレンズとしても機能するカラーフィルターの形成方法を示す図である。

ここでは、マイクロレンズとして機能するカラーフィルターを形成するにあたって、色毎に塗布膜厚を変える方法、色毎に露光量を変える方法等を用いて、カラーフィルターの曲率を変えることとする。

具体的には、平坦化膜２０１の上に、青色の熱変形性の感光性材料２０２（以下、青色レジスト２０２と呼称する。）、緑色の熱変形性の感光性材料２１２（以下、緑色レジスト２１２と呼称する。）、赤色の熱変形性の感光性材料２２２（以下、赤色レジスト２２２と呼称する。）を、それぞれ塗布する度に、（ａ）塗布回転数を変えて所望の膜厚にし、（ｂ）露光機の積算光量を変えて各画素に対応した部分を露光し、（ｃ）現像・硬化ベークを実施する。そして、青色フィルター２０３、緑色フィルター２１３、赤色フィルター２２３の順で、それぞれの曲率を異なるようにして形成する。

なお、カラーフィルターの材料としては、熱変形性のフェノール系感光性材料とする。また、カラーフィルターの寸法としては、目安として、高さ０．３μｍから２．０μｍとする。

図２（ａ）に示されるように、青色フィルター２０３は、平坦化アクリル膜２０１（図１における平坦化膜１６に相当。）上に、青色レジスト２０２を回転塗布することで膜を形成する。次に、青色レジスト２０２に対し紫外線（ｉ線）照射した後、アルカリ現像することで画素領域ごとに分離独立させる形状にパターニングする。そして、パターニングされた青色レジスト２０２をホットプレート上で１００〜２００℃の間で加熱することで、凸状の青色フィルター２０３（図１における青色フィルター１９に相当。）を形成する。このとき、凸状の青色フィルター２０３は水平・垂直方向で分離独立している。

次に、図２（ｂ）に示されるように、緑色フィルター２１３は、青色フィルター２０３が形成された平坦化アクリル膜２０１上に、緑色レジスト２１２を回転塗布することで膜を形成する。次に、緑色レジスト２１２に対し紫外線（ｉ線）照射した後、アルカリ現像することで画素領域ごとに分離独立させる形状にパターニングする。そして、パターニングされた緑色レジスト２１２をホットプレート上で１００〜２００℃の間で加熱することで、凸状の緑色フィルター２１３（図１における緑色フィルター１８に相当。）を形成する。このとき、凸状の緑色フィルター２１３は水平・垂直方向で分離独立している。

次に、図２（ｃ）に示されるように、赤色フィルター２２３は、青色フィルター２０３，緑色フィルター２１３が形成された平坦化アクリル膜２０１上に、赤色レジスト２２２を回転塗布することで膜を形成する。次に、赤色レジスト２２２に対し紫外線（ｉ線）照射した後、アルカリ現像することで画素領域ごとに分離独立させる形状にパターニングする。そして、パターニングされた赤色レジスト２２２をホットプレート上で１００〜２００℃の間で加熱することで、凸状の赤色フィルター２２３（図１における赤色フィルター１７に相当。）を形成する。このとき、凸状の赤色フィルター２２３は、水平・垂直方向で分離独立している。

なお、赤色レジスト、緑色レジスト、青色レジスト等の感光性材料としては、スチレン系、アクリル系、エポキシ系であってもかまわないし、光照射としては、可視光（ｇ線）、エキシマレーザ（ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２）であってもよい。ただし、熱変形性でない材料の場合でも、露光によるフォーカス調整ができるものであればよい。
なお、青色レジスト２０２、緑色レジスト２１２、赤色レジスト２２２を、それぞれ塗布する度に、グレーマスクを使用して露光して現像・硬化ベークして所望の曲率を形成するとしてもよい。その際に、グレーマスクの階調は、青色フィルター２０３用、緑色フィルター２１３用、赤色フィルター２２３用で異なるようにしておけばよい。

なお、撮像領域の中央部における赤色フィルターの曲率と撮像領域の周辺部における赤色フィルターの曲率が異なるとしてもよい。その場合においては、周辺部に行くほど、曲率が大きくなるのが好ましい。撮像領域の周辺部に行くほど、入射光の角度が大きくなり、より入射光を屈折させるためである。同様に、緑色フィルター、青色フィルターについても、周辺部に行くほど、曲率が大きくなるとしてもよい。

なお、カラーフィルターの寸法としては、製造工程、カラーフィルターの材料による光学特性等によっては、必ずしも、高さ０．３μｍから２．０μｍに限られないことは言うまでもない。

なお、カラーフィルターの材料による光学特性が、色毎に異なるとしてもよい。その場合においては、例えば、屈折率が色ごとに異なれば、”Ｒｒ＜Ｒｇ＜Ｒｂ”の大小関係が逆転する場合があり得ることは言うまでもない。

なお、マイクロレンズとして機能するカラーフィルターを、エッチバックによって曲率を変えて形成するとしてもよい。

本発明は、色シェーディングを抑制した固体撮像装置等として、特に、撮像領域周辺部において顕著になる色シェーディングを抑制した固体撮像装置等として、利用することができる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態における固体撮像装置の撮像領域中央部と撮像領域周辺部における断面構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、マイクロレンズとして機能するカラーフィルターの形成方法を示す図である。 従来の固体撮像装置の断面構造を示す断面図である。 固体撮像装置の撮像領域の平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、従来の固体撮像装置の撮像領域中央部と撮像領域周辺部における断面構造を示す断面図である。

符号の説明

１，１１ 半導体基板
２，１２ 受光部
３，１３ 電荷転送部
４，１４ 層間膜
５，１５ 遮光幕
６，１６ 平坦化膜
７，１７ 赤色フィルター
８，１８ 緑色フィルター
９，１９ 青色フィルター
１０，２０ 固体撮像装置
３０ 撮像領域
３１ 撮像領域中央部
３２ 撮像領域周辺部
２０１ 平坦化アクリル膜
２０２ 青色の熱変形性感光性材料
２０３ 青色フィルター
２１２ 緑色の熱変形性感光性材料
２１３ 緑色フィルター
２２２ 赤色の熱変形性感光材料
２２３ 赤色フィルター

Claims (6)

1. 半導体基板上に形成された複数の受光部と、各受光部の上に個別に配置されている複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置であって、
   前記複数のマイクロレンズのうち、第１の波長フィルター特性を有する第１のマイクロレンズの曲率と、前記第１の波長フィルター特性とは異なる第２の波長フィルター特性を有する第２のマイクロレンズの曲率とが異なる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとのうち、波長フィルター特性における平均透過波長が長い方は、他方よりも曲率が大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 半導体基板上に形成された複数の受光部と、各受光部の上に個別に配置されている複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置であって、
   前記複数のマイクロレンズのうち、第１の色を有する第１のマイクロレンズの曲率と、前記第１の色とは異なる第２の色を有する第２のマイクロレンズの曲率とが異なる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとのうち、色に対応する波長が長い方は、他方よりも曲率が大きい
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数のマイクロレンズの夫々は、赤、緑、青のいずれかの色を有し、赤、緑、青の順に曲率が小さいマイクロレンズである
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 半導体基板上に形成された複数の受光部と、各受光部の上に個別に配置されている複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記複数のマイクロレンズのうち、曲率の小さいマイクロレンズから順番に形成する
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
   
   

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