JP2006114592A

JP2006114592A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2006114592A
Application number: JP2004298576A
Authority: JP
Inventors: Yoshitetsu Toumiya; 祥哲東宮
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP4626255B2

Abstract

【課題】画素アレイ部の各画素において斜め入射光を有効に制御し、特に画素アレイ部の周縁部で顕著となるシェーディング効果を抑制して、画素アレイ部全体で良好な感度を得る。
【解決手段】ＣＭＯＳイメージセンサの多層上層膜内に高屈折材料による層内レンズを設け、画素アレイ部の中央付近の画素の層内レンズは斜め成分の小さい入射光に対応した小さい径のレンズ形状で形成し、画素アレイ部の周縁部付近の画素の層内レンズは斜め成分の大きい入射光に対応した大きい径のレンズ形状で形成することで、各画素の受光部に対する光の集光効率を均一に制御し、撮像面の周縁部での感度落ち（シェーディング効果）を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換部を形成した半導体基板上に上層膜を配置し、この上層膜中に入射光を光電変換部に導く層内レンズを設けた固体撮像素子に関する。

一般に、例えばＣＭＯＳイメージセンサのような固体撮像素子では、光電変換部（フォトダイオード）等を設けた半導体基板上に、遮光パターンや配線パターンのような各種の膜を多層状に配置した構造となっている。
そして、このような固体撮像素子を例えば携帯電話機に搭載するために小型化した場合、必然的にレンズの瞳距離が短くなり、２次元配列された複数の画素による画素アレイ部の撮像面、特に画素アレイ部の周縁部に入射する光の斜め成分が増大する。
このため画素単位で考えた場合、光の進入角度が大きければ大きくなるほど、配線等に光が遮られ、受光面に直接入射する光量は減少する。これにより、シェーディング効果が大きくなり、画質を高いレベルで維持することが困難になる。
そこで従来は、イメージセンサの上層膜に高屈折率材料、例えばＰ−ＳｉＮ膜（プラズマＣＶＤによって形成されたシリコン窒化膜）によって上面に凸レンズ面、または下面に凸レンズ面を形成した集光レンズ（層内レンズ）を形成することにより、受光感度を向上させている方法を採用している。
（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−１２４４３４号公報

しかしながら、近年、イメージセンサの微細化が進み、画素単位のアスペクト比（フォトダイオードの開口面積と深さの比）が増大したため、前記のような撮像面、特に周縁部に入射するする光の斜め成分が増大する理由によるシェーディング効果が大きくなり、画像周縁部での感度落ちの問題が顕在化している。

そこで本発明は、画素アレイ部の各画素において斜め入射光を有効に制御でき、特に画素アレイ部の周縁部で顕著となるシェーディング効果を抑制して、画素アレイ部全体で良好な感度を得ることができる固体撮像素子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、本発明の固体撮像素子は、複数の画素より構成される画素アレイ部を形成した半導体基板と、前記半導体基板上に設けられる上層膜と、前記上層膜内に形成される層内レンズと、前記上層膜上に設けられるマイクロレンズとを有し、前記層内レンズは画素アレイ部内での画素の位置に応じて異なるレンズ形状を有することを特徴とする。

本発明の固体撮像素子によれば、上層膜内に各画素に対応して形成した層内レンズが画素アレイ部内での画素の位置に応じて異なるレンズ形状を有することから、入射光の角度が異なる画素アレイ部の中心付近と周辺部付近の画素で、それぞれ最適な層内レンズによって角度の異なる斜め成分の光が、双方の画素ともに効率よく受光部へ誘導され、上記従来技術で説明した撮像面の周縁部での感度落ち（シェーディング効果）を有効に防止することが可能となる。
特に、層内レンズのレンズ径を画素アレイ部の中心領域と周縁領域とで変化させることにより、レンズ径を変化させるだけで容易に入射光量の最適化を図ることができる。また、層内レンズをレンズ径の異なる第１のレンズと第２のレンズというように、複数種類のレンズ径に形成し、径の小さいレンズを径の大きいレンズよりも画素アレイ部の中心側に位置させることにより、レンズ径を徐々に変化させる場合に比べて容易にパターンを形成できる。
また、層内レンズは上層膜に含まれる最も上層の配線膜よりも上層に形成することで、層内レンズの形状を変化させる際に受ける配線パターン上の制約を小さくでき、レンズ設計の自由度が増し、かつ、配線の上層で有効に入射光を集光して画素に導くことができる。
さらに、層内レンズを高屈折材料よりなるレンズ層の下面を凸面レンズ状に形成したり、あるいは、高屈折材料よりなるレンズ層の上面を凸面レンズ状に形成することにより、加工が容易な単純形状の凸面レンズで有効に入射光を画素に導くことができる。

本発明の実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサの多層上層膜内に高屈折材料による層内レンズを設け、画素アレイ部の中央付近の画素の層内レンズは斜め成分の小さい入射光に対応した小さい径のレンズ形状で形成し、画素アレイ部の周縁部付近の画素の層内レンズは斜め成分の大きい入射光に対応した大きい径のレンズ形状で形成することで、各画素の受光部に対する光の集光効率を均一に制御し、撮像面の周縁部での感度落ち（シェーディング効果）を防止する。

図１は本発明の実施例１によるＣＭＯＳイメージセンサの画素内の構造を示す断面図であり、図１（Ａ）は画素アレイ部の中央付近の画素の構造を示し、図１（Ｂ）は画素アレイ部の周縁部付近の画素の構造を示している。
半導体基板１０には、光電変換部としてのフォトダイオード（ＰＤ）１２と、このフォトダイオード１２で生成した信号電荷を読み出すための転送ゲート（ＴＧ）１４と、転送ゲート１４によって読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングデフュージョン（ＦＤ）１６等が形成されている。
また、半導体基板１０の上には、各種の絶縁膜２０を介して複数層のＡｌ配線膜２２を積層した上層膜が形成され、この上層膜の上層部分に層内レンズ２４が形成されている。そして、この層内レンズ２４の上面にカラーフィルタ２６及びオンチップレンズ２８が配置されている。
また、本実施例において、層内レンズ２４は、シリコン酸化膜等による絶縁膜２０に対して高屈折率材であるシリコン窒化膜等によるレンズ層を設け、このレンズ層の下面に凸面レンズを形成したものである。そして、図１（Ａ）に示す中央付近の画素では、層内レンズ２４はレンズ径が小さく、斜め成分の小さい光に対応する構造となっており、逆に図１（Ｂ）に示す周縁部付近の画素では、層内レンズ２４はレンズ径が大きく、斜め成分の大きい光に対応する構造となっている。このように画素の位置に応じて最適化したレンズ面を有する層内レンズとすることで、特に周縁部付近の斜め光成分によって低下する集光効率を改善し、感度落ちを防止することが可能となる。

図２〜図６は本実施例１によるイメージセンサの製造工程を示す断面図であり、既にフォトダイオード等を形成した半導体基板上に上層膜等を形成する工程を示している。
まず、図２において、半導体基板上に複数層の絶縁膜２０及びＡｌ配線膜（遮光膜を含む）２２を形成する。
その後、高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰ−ＣＶＤ）またはプラズマＣＶＤによるテトラエトキシシラン層（Ｐ−ＴＥＯＳ）等の低温のＣＶＤ酸化膜２０Ａを堆積する。このＣＶＤ酸化膜２０Ａは上述した絶縁膜２０の最上層の膜となるものであり、その屈折率は約１．４５である。その後、平坦化のためにＣＭＰを施す。
次に、図３において、このＣＶＤ酸化膜２０Ａ上にフォトレジスト３０を形成し、フォトダイオードの受光部に対応する開口が形成されるようにパターニングする。この時、画素アレイ部の中心から周辺部に向かって徐々にフォトレジスト３０の開口が大きくなるようにパターン形成する。
次に、図４において、フォトレジスト３０をマスクとして、ＣＶＤ酸化膜２０Ａに等方性エッチングを施し、ＣＶＤ酸化膜２０Ａの受光部対応領域に凹状の湾曲部２１を形成する。この時、凹状湾曲部２１は、画素アレイ部の中心と周縁部とでフォトレジスト３０の開口の大きさに則した形状となる。

次に、図５において、フォトレジスト３０を除去し、ＣＶＤによりシリコン窒化膜２４Ａを形成する。このシリコン窒化膜の屈折率は１．９から２．０程度である。その後、ＣＭＰによりシリコン窒化膜２４Ａの上部を平坦化する。
こうして、平坦化されていないＣＶＤ酸化膜２０Ａの屈折率が平坦化されたシリコン窒化膜２４Ａの屈折率より小さい層内レンズ２４が形成される。そして、平坦化されたシリコン窒化膜２４Ａの上面の界面と平坦化されていなＣＶＤ酸化膜２０Ａの上面の界面では、屈折率の相対的な関係より、光が収束する方向に屈折する。
その後、図６において、シリコン窒化膜２４Ａの上にカラーフィルタ２６、オンチップマイクロレンズ２８を形成する。

以上のようなイメージセンサでは、層内レンズ２４の径が画素アレイ部の中心部から周縁部に向かって大きくなるため、屈折する入射光の面積は画素アレイ部の中心部から周縁部に向かって大きくなる。これにより、画素アレイ部の中心部より周縁部の方が、より斜め光が受光部に入射しやすくなり、周縁部の感度落ちを防止することができる。
特に、ＣＭＯＳイメージセンサが携帯用に応用されるようになると、撮像モジュールが小型になり、その結果、必然的にレンズの瞳距離が短くなり、撮像面、特に周縁部に入射するする光の斜め成分が増大することによる、シェーディング効果が大きくなるが、本実施例では、それを軽減できる効果がある。

図７は本発明の実施例２によるＣＭＯＳイメージセンサの画素内の構造を示す断面図であり、図７（Ａ）は画素アレイ部の中央付近の画素の構造を示し、図７（Ｂ）は画素アレイ部の周縁部付近の画素の構造を示している。本実施例２のイメージセンサは、図１に示したイメージセンサに比較して層内レンズのレンズ形状だけが異なっており、その他は実施例１と共通であるので、以下の説明では、実施例１と同一の構成については同一の符号を用いて相違点を中心に説明する。
本実施例において、層内レンズ４４は、絶縁膜２０の平坦面上に高屈折率材であるシリコン窒化膜等によるレンズ層を設け、このレンズ層の上面に凸面レンズを形成し、その上にシリコン酸化膜等による平坦化膜を設けたものである。そして、図７（Ａ）に示す中央付近の画素では、層内レンズ４４はレンズ径が小さく、斜め成分の小さい光に対応する構造となっており、逆に図７（Ｂ）に示す周縁部付近の画素では、層内レンズ２４はレンズ径が大きく、斜め成分の大きい光に対応する構造となっている。このように画素の位置に応じて最適化したレンズ面を有する層内レンズとすることで、特に周縁部付近の斜め光成分によって低下する集光効率を改善し、感度落ちを防止することが可能となる。

図８〜図１１は本実施例２によるイメージセンサの製造工程を示す断面図であり、既にフォトダイオード等を形成した半導体基板上に上層膜等を形成する工程を示している。
まず、図８において、半導体基板上に複数層の絶縁膜２０及びＡｌ配線膜（遮光膜を含む）２２を形成する。
その後、高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰ−ＣＶＤ）またはプラズマＣＶＤによるテトラエトキシシラン層（Ｐ−ＴＥＯＳ）等の低温のＣＶＤ酸化膜２０Ａを堆積する。このＣＶＤ酸化膜２０Ａの屈折率は約１．４５である。その後、平坦化のためにＣＭＰを施す。
次に、図９において、ＣＶＤ酸化膜２０Ａの上に、ＣＶＤによりシリコン窒化膜４４Ａを形成する。このシリコン窒化膜の屈折率は１．９から２．０程度である。
次に、このシリコン窒化膜４４Ａ上にフォトレジストを形成し、フォトダイオードの受光部に対応するマスク部が形成されるようにパターニングする。この時、画素アレイ部の中心から周辺部に向かって徐々にフォトレジストのマスク部が大きくなるようにパターン形成する。そして、このフォトレジストを所要の温度でリフローさせて、マスク部の表面を凸状湾曲部に形成する。この結果、図９に示すように、フォトレジストのマスク部は、画素アレイ部の中心部では小径の凸状湾曲部３１Ａが形成され、周縁部に近づくにつれて徐々に大径の凸状湾曲部３１Ｂが形成されることになる。

次に、凸状湾曲部を有するレジストと共に、下層のシリコン窒化膜４４Ａをエッチングし、下層のシリコン窒化膜４４Ａにレジストの凸状湾曲部３１Ａ、３１Ｂを転写する。これにより、図１０に示すように、シリコン窒化膜４４Ａの上面に凸面レンズが形成される。
次に、シリコン窒化膜４４Ａ上に平坦化膜４４Ｂを形成する。この平坦化膜４４Ｂは、例えば屈折率１．５程度のシリコン酸化膜等で形成することができる。また、屈折率１．５程度のアクリル系の熱硬化樹脂でも形成することができる。
こうして、凸状湾曲部において、屈折率が大きいシリコン窒化膜４４Ａと屈折率が小さい平坦化膜４４Ｂからなる層内レンズ４４が形成される。そして、シリコン窒化膜４４Ａの凸状湾曲部の界面で屈折率の相対的な関係より、光が収束する方向に屈折する。
その後、図１１において、平坦化膜４４Ｂの上にカラーフィルタ２６、オンチップマイクロレンズ２８を形成する。

以上のようなイメージセンサでは、層内レンズ４４の径が画素アレイ部の中心部から周縁部に向かって大きくなるため、屈折する入射光の面積は画素アレイ部の中心部から周縁部に向かって大きくなる。これにより、画素アレイ部の中心部より周縁部の方が、より斜め光が受光部に入射しやすくなり、周縁部の感度落ちを防止することができる。
特に、ＣＭＯＳイメージセンサが携帯用に応用されるようになると、撮像モジュールが小型になり、その結果、必然的にレンズの瞳距離が短くなり、撮像面、特に周縁部に入射するする光の斜め成分が増大することによる、シェーディング効果が大きくなるが、本実施例では、それを軽減できる効果がある。

なお、以上の実施例１、２では、層内レンズを形成する高屈折材料として主にシリコン窒化膜を用いたが、他の材料を用いてもよい。また、実施例ではＣＭＯＳイメージセンサの例で説明したが、本発明は例えばＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子にも同様に適用できるものである。また、実施例では、画素アレイ部の中心から周縁にむかってレンズ径を変化させるようにしたが、他の形状、例えばレンズの深さを変化させて集光率を変えるようにしてもよい。
さらに、実施例では、層内レンズの形状が徐々に変化する例について説明したが、本発明は、これに限定されることなく、例えば、層内レンズがレンズ径の異なる少なくとも第１のレンズと第２のレンズとを含み、第１のレンズが第２のレンズよりも径が小さく、かつ第１のレンズが第２のレンズよりも画素アレイ部の中心側に位置しているような構成を含むものとする。この場合、レンズ径の種類が少ない分、設計が容易化するといった利点がある。

本発明の実施例１によるイメージセンサの構造を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。本発明の実施例２によるイメージセンサの構造を示す断面図である。図７に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図７に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図７に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。図７に示すイメージセンサの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０……半導体基板、１２……フォトダイオード、１４……転送ゲート、１６……フローティングデフュージョン、２０……絶縁膜、２２……Ａｌ配線膜、２４、４４……層内レンズ、２６……カラーフィルタ、２８……オンチップレンズ。

Claims

複数の画素より構成される画素アレイ部を形成した半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられる上層膜と、
前記上層膜内に形成される層内レンズと、
前記上層膜上に設けられるマイクロレンズとを有し、
前記層内レンズは画素アレイ部内での画素の位置に応じて異なるレンズ形状を有する、
ことを特徴とする固体撮像素子。
前記層内レンズのレンズ形状は画素アレイ部の中心領域の画素では小さいレンズ径を有し、画素アレイ部の周縁領域の画素では大きいレンズ径を有していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記層内レンズは少なくとも、レンズ径の異なる第１のレンズと第２のレンズとを含み、
前記第１のレンズは、前記第２のレンズよりも径が小さく、かつ、前記第２のレンズよりも画素アレイ部の中心側に位置していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記層内レンズは前記上層膜に含まれる最も上層の配線膜よりも上層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記層内レンズは高屈折材料よりなるレンズ層の下面を凸面レンズ状に形成していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
前記層内レンズは高屈折材料よりなるレンズ層の上面を凸面レンズ状に形成していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。