JP2006229110A - Imaging device and imaging device manufacturing method - Google Patents

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Mitsuru Okikawa
満 沖川
Masaaki Ohashi
雅昭 大橋
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging device having a micro lens which improves the utilization of light. <P>SOLUTION: The imaging device is composed of cylindrical lenses 20 with a plurality of pixels disposed in line for generating information charge on receipt of light from outside, and extended along the direction in rows of pixels on the incident plane of imaging unit; and cylindrical lenses 22 extended along the direction in columns of pixels on the cylindrical lenses 20. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、マイクロレンズを備えた撮像装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an imaging apparatus including a microlens and a method for manufacturing the same.

ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像装置やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）固体撮像装置は、半導体基板上にマトリックス状に配置された画素においてそれぞれ生成された情報電荷を画像信号として出力する。このような固体撮像装置では、画素に入射される光を画素の光電変換領域に集光するためのマイクロレンズを備えている。マイクロレンズ６０は、図１３に示すように、半球形状をしており、各画素に対応付けて画素毎に独立して配置される。   A CCD (Charge Coupled Device) solid-state imaging device and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) solid-state imaging device output information charges generated in pixels arranged in a matrix on a semiconductor substrate as image signals. Such a solid-state imaging device includes a microlens for condensing light incident on a pixel in a photoelectric conversion region of the pixel. As shown in FIG. 13, the microlens 60 has a hemispherical shape and is arranged independently for each pixel in association with each pixel.

特開２００２−２１７３９３号公報JP 2002-217393 A

しかしながら、半球形状をしたような画素毎に独立したマイクロレンズ６０を用いた場合、マイクロレンズ６０間に非集光領域６２が発生する。非集光領域６２に入射された光はいずれの画素の光電変換領域にも集光されないので、固体撮像装置における光の利用効率が低下してしまう。特に、画素の微細化が進むにつれて、リソグラフィ技術のレジストパターンの平面形状が丸みを帯びるため固体撮像装置の撮像領域に対する非集光領域６２の割合が増加し、光の利用効率は著しく低下する。   However, when the microlens 60 independent for each pixel having a hemispherical shape is used, a non-condensing region 62 is generated between the microlenses 60. Since the light incident on the non-condensing region 62 is not condensed on the photoelectric conversion region of any pixel, the light use efficiency in the solid-state imaging device is lowered. In particular, as the pixels become finer, the planar shape of the resist pattern of the lithography technique is rounded, so that the ratio of the non-condensing region 62 to the imaging region of the solid-state imaging device increases, and the light utilization efficiency is significantly reduced.

本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、入射光の利用効率を向上させたマイクロレンズを備えた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。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an imaging device including a microlens with improved incident light utilization efficiency and a method for manufacturing the imaging device.

本発明は、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、前記撮像部の光入射面上における前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向と交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズと、を備えることを特徴とする。前記第１の柱状レンズ及び前記第２の柱状レンズは、前記撮像部の光入射面に対して上又は下に凸のレンズ面形状を有することが好適である。   The present invention is an imaging apparatus including an imaging unit in which a plurality of pixels that generate information charges by receiving light from the outside are two-dimensionally arranged, and the first of the pixels is arranged on a light incident surface of the imaging unit. A first columnar lens that extends along the direction of, and a second column that intersects the first direction of the pixel on the first columnar lens on the light incident surface of the imaging unit. And a second columnar lens. It is preferable that the first columnar lens and the second columnar lens have a lens surface shape that is convex upward or downward with respect to the light incident surface of the imaging unit.

ここで、前記第１の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率と前記第２の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率とを異ならせることも好適である。これにより、画素の形状に合わせて集光を行うことができる。また、前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズの中心位置は、前記撮像部の撮像面と平行な平面内において前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズと対応する画素の中心位置に対してずらされて配置されていることも好適である。これにより、撮像部の入射面側に前段レンズが設けられている場合にも、光の入射角による集光の位置のずれの影響を低減することができる。   Here, it is also preferable that the curvature of the lens surface of the first columnar lens is different from the curvature of the lens surface of the second columnar lens. Thereby, it can condense according to the shape of a pixel. The center position of the first columnar lens or the second columnar lens is a pixel position corresponding to the first columnar lens or the second columnar lens in a plane parallel to the imaging surface of the imaging unit. It is also preferable that the arrangement is shifted with respect to the center position. As a result, even when a front lens is provided on the incident surface side of the imaging unit, it is possible to reduce the influence of the shift of the condensing position due to the incident angle of light.

なお、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、前記撮像部の光入射面上に前記画素の各々に対応付けられて独立して配置されたマイクロレンズと、前記撮像部の光入射面上における前記マイクロレンズ上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、を備える構成としても良い。これにより、少なくとも従来技術より非集光領域を低減することができる。   An imaging device including an imaging unit in which a plurality of pixels that generate information charges by receiving light from the outside are two-dimensionally arranged and associated with each of the pixels on a light incident surface of the imaging unit And a microlens that is arranged independently, and a first columnar lens that extends along the first direction of the pixel on the microlens on the light incident surface of the imaging unit. Also good. Thereby, a non-light-condensing area | region can be reduced at least rather than a prior art.

また、本発明は、上記本発明における撮像装置の製造方法であって、前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、前記撮像部の画素の第１の方向に沿ってパターンニングされたレジスト層を前記第１の光透過層上に形成する第２の工程と、前記レジスト層を熱溶融させる第３の工程と、前記レジスト層をマスクとして前記第１の光透過層をエッチングする工程と、を備え、前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする。   The present invention is also a method for manufacturing an imaging device according to the present invention, wherein a first light transmission layer having a light-transmitting property with respect to light of a predetermined wavelength is formed on a light incident surface of the imaging unit. A first step, a second step of forming a patterned resist layer on the first light transmission layer along a first direction of the pixels of the imaging unit, and a second step of thermally melting the resist layer. And a step of etching the first light transmission layer using the resist layer as a mask, and extending along the first direction of the pixels on the light incident surface of the imaging unit. A lens is formed.

また、前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、前記撮像部の画素の第１の方向に沿って前記第１の光透過層をパターンニングする第２の工程と、前記第１の光透過層を不活性ガスイオンを用いてエッチングする第３の工程と、を備え、前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする。   A first step of forming a first light transmission layer having translucency with respect to light of a predetermined wavelength on a light incident surface of the imaging unit, and a first direction of pixels of the imaging unit; A second step of patterning the first light transmissive layer, and a third step of etching the first light transmissive layer using inert gas ions. A columnar lens extended along the first direction of the pixel is formed on the surface.

ここで、前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズ、及び、前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向に交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズを形成することが好適である。   Here, the first columnar lens extended along the first direction of the pixel, and the second column extending along the first direction of the pixel on the first columnar lens. It is preferable to form the formed second columnar lens.

これらの方法により、前記画素の行方向に沿って延伸された第１の柱状レンズ、及び、前記第１の柱状レンズ上に前記画素の列方向に沿って延伸された第２の柱状レンズを形成することができる。   By these methods, a first columnar lens extended along the row direction of the pixels and a second columnar lens extended along the column direction of the pixels are formed on the first columnar lens. can do.

本発明によれば、マイクロレンズを備えた撮像装置において、非集光領域を低減させ、光の利用効率を向上させることできる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in an imaging device provided with the micro lens, a non-condensing area | region can be reduced and the utilization efficiency of light can be improved.

本発明の実施の形態における固体撮像装置１００は、図１に示すように、複数の画素１０が２次元行列に配置された撮像部を備える。各画素１０は、それぞれ光電変換素子を備えており、入射された光に応答して情報電荷を生成し、画像信号として出力する。   As shown in FIG. 1, a solid-state imaging device 100 according to an embodiment of the present invention includes an imaging unit in which a plurality of pixels 10 are arranged in a two-dimensional matrix. Each pixel 10 includes a photoelectric conversion element, generates information charges in response to incident light, and outputs it as an image signal.

図２及び図３は、図１のＡ−Ａライン及びＢ−Ｂラインに沿った断面図である。固体撮像装置１００は、図２及び図３に示すように、柱状レンズ２０，２２を備えて構成される。柱状レンズ２０は、各行に対応付けられて、各行に沿って延伸されて配置される。柱状レンズ２２は、柱状レンズ２０と交差するように、各列に対応付けられて、各列に沿って延伸されて配置される。柱状レンズ２０，２２は、各行又は各列に対応付けられて、固体撮像装置１００の撮像部に隙間無く配置されることが好適である。   2 and 3 are sectional views taken along lines AA and BB in FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, the solid-state imaging device 100 includes columnar lenses 20 and 22. The columnar lens 20 is arranged in association with each row and extended along each row. The columnar lens 22 is associated with each column so as to intersect with the columnar lens 20 and is extended and disposed along each column. It is preferable that the columnar lenses 20 and 22 are associated with each row or each column and arranged in the imaging unit of the solid-state imaging device 100 without a gap.

柱状レンズ２０，２２は、それぞれ各行及び各列の画素の端部から画素の中心に向かって上方向又は下方向に膨らんだレンズ面を備えたものである。例えば、半円柱形状、Ｕ字形状、Ｖ字形状などの断面形状を有し、入射される光を帯状に集光する。柱状レンズ２０，２２のレンズ面の形状（曲率）は、構成材料の屈折率、対応する画素の大きさ、画素の形状、レンズと光電変換素子までの距離等に応じて適宜調整することが好ましい。   Each of the columnar lenses 20 and 22 includes a lens surface that swells upward or downward from the edge of the pixel in each row and each column toward the center of the pixel. For example, it has a cross-sectional shape such as a semi-cylindrical shape, a U-shape, or a V-shape, and collects incident light in a strip shape. The shape (curvature) of the lens surfaces of the columnar lenses 20 and 22 is preferably adjusted as appropriate according to the refractive index of the constituent material, the size of the corresponding pixel, the shape of the pixel, the distance between the lens and the photoelectric conversion element, and the like. .

柱状レンズ２０，２２は、図４及び図５に示すように、例えば、半円柱形状領域Ａ及び周辺領域Ｂの組み合わせで構成することができる。光は、図４及び図５の上部から下部へ向けて入射されるものとする。半円柱形状領域Ａ及び周辺領域Ｂは共に固体撮像装置１００において光電変換の対象となる光の波長領域に対する吸収が小さい透明な材質で構成される。柱状レンズ２０，２２は、図４に示すように、それぞれ上に凸のレンズ面を有する構造とすることができる。この場合、半円柱形状領域Ａの屈折率ＮＡを周辺領域Ｂの屈折率ＮＢよりも高くする。例えば、半円柱形状領域Ａを窒化珪素（ＳｉＮ）で構成し、周辺領域Ｂを酸化珪素（ＳｉＯ２）で構成する。また、柱状レンズ２０，２２は、図５に示すように、それぞれ下に凸のレンズ面を有する構造とすることができる。この場合、半円柱形状領域Ａの屈折率ＮＡを周辺領域Ｂの屈折率ＮＢよりも高くする。例えば、半円柱形状領域Ａを窒化珪素（ＳｉＮ）で構成し、周辺領域Ｂを酸化珪素（ＳｉＯ２）で構成する。 As shown in FIGS. 4 and 5, the columnar lenses 20 and 22 can be configured by a combination of a semi-cylindrical region A and a peripheral region B, for example. It is assumed that light is incident from the upper part to the lower part in FIGS. 4 and 5. Both the semi-cylindrical region A and the peripheral region B are made of a transparent material that has low absorption in the wavelength region of light that is a target of photoelectric conversion in the solid-state imaging device 100. As shown in FIG. 4, each of the columnar lenses 20 and 22 may have a structure having an upwardly convex lens surface. In this case, the refractive index N A semicylindrical shaped region A is higher than the refractive index N B of the peripheral region B. For example, the semi-cylindrical region A is made of silicon nitride (SiN), and the peripheral region B is made of silicon oxide (SiO 2 ). Further, as shown in FIG. 5, each of the columnar lenses 20 and 22 can have a structure having a convex lens surface on the bottom. In this case, the refractive index N A semicylindrical shaped region A is higher than the refractive index N B of the peripheral region B. For example, the semi-cylindrical region A is made of silicon nitride (SiN), and the peripheral region B is made of silicon oxide (SiO 2 ).

半円柱形状領域Ａの屈折率ＮＡと周辺領域Ｂの屈折率ＮＢとの関係を満たす限り、柱状レンズ２０，２２は上に凸又は下に凸の構造を適宜組み合わせることができる。例えば、図６（ａ）のように、柱状レンズ２０，２２を共に上に凸の構造としても良いし、図６（ｂ）のように、柱状レンズ２０を下に凸及び柱状レンズ２２を上に凸の構造としても良いし、図６（ｃ）のように、柱状レンズ２０を上に凸及び柱状レンズ２２を下に凸の構造としても良いし、図６（ｄ）のように、柱状レンズ２０，２２を共に下に凸の構造としても良い。 As long as it satisfies the relation between the refractive index N B of the refractive index N A and the peripheral region B of the semi-cylindrical regions A, shaped lenses 20 and 22 can be combined with the structure of the convex appropriately convex or down on. For example, as shown in FIG. 6A, both the columnar lenses 20 and 22 may be convex upward, and as shown in FIG. 6B, the columnar lens 20 is downward and the convex and columnar lenses 22 are upward. 6 (c), the columnar lens 20 may be convex upward and the columnar lens 22 may be downwardly convex, or as shown in FIG. 6 (d). Both lenses 20 and 22 may have a downwardly convex structure.

以上のように、柱状レンズ２０，２２を各列及び各行に互いに交差するように配置することによって、非集光領域の面積を減少させることができる。すなわち、柱状レンズ２０，２２の各行又は各列に対応したレンズを隣り同士で非集光領域に設けることなく接触させることができる。これにより、従来の半球形状のレンズに比べて撮像領域に対する集光領域の割合が増加する。   As described above, by arranging the columnar lenses 20 and 22 so as to intersect each column and each row, the area of the non-condensing region can be reduced. In other words, the lenses corresponding to the respective rows or columns of the columnar lenses 20 and 22 can be brought into contact with each other without being provided in the non-condensing region. Thereby, the ratio of the condensing area | region with respect to an imaging area increases compared with the conventional hemispherical lens.

また、レンズ面の曲率を互いに異ならせた２層の柱状レンズ２０，２２を組み合わせて用いることによって、画素の形状や大きさに合せて行方向への光の集光度と列方向への光の集光度とを別々に容易に調整することができる。例えば、画素が長方形であり、画素の行方向と列方向との辺の長さが異なる場合、長辺を有する方向と交差する柱状レンズのレンズ面の曲率よりも短辺を有する方向と交差する柱状レンズのレンズ面の曲率を大きくすることが好適である。これによって、画素の形状に合せて光を集光させることができる。   Also, by using a combination of two layers of columnar lenses 20 and 22 having different curvatures of the lens surfaces, the light concentration in the row direction and the light in the column direction are matched to the shape and size of the pixels. The degree of light collection can be easily adjusted separately. For example, when the pixel is rectangular and the lengths of the sides of the pixel in the row direction and the column direction are different, the pixel intersects the direction having the shorter side than the curvature of the lens surface of the columnar lens that intersects the direction having the longer side. It is preferable to increase the curvature of the lens surface of the columnar lens. Thereby, light can be condensed according to the shape of the pixel.

なお、上層のレンズを柱状レンズとし、下層のレンズを従来のような画素毎に独立して配置されたマイクロレンズとしても良い。このとき、上層の柱状レンズによって集光された帯状の領域に対して、下層のマイクロレンズ間に非集光領域が生じないように配置することが好適である。すなわち、集光された帯状の領域では、隣接する下層のマイクロレンズを接触させるように配置する。この構成によっても非集光領域を減少させることができる。   Note that the upper lens may be a columnar lens, and the lower lens may be a microlens that is arranged independently for each pixel as in the prior art. At this time, it is preferable to dispose the non-condensing region between the microlenses in the lower layer with respect to the band-like region condensed by the upper columnar lens. That is, in the condensed band-shaped region, the adjacent lower layer microlenses are arranged in contact with each other. This configuration can also reduce the non-condensing region.

また、図７に示すように、偶数列を構成している複数の画素１０の各々が奇数列を構成している複数の画素に対して各列の光電変換素子のピッチの１／２ずつ列方向にずらされ、偶数行を構成している複数の画素の各々が奇数行を構成している複数の画素に対して各行の光電変換素子のピッチの１／２ずつ行方向にずらされたハニカム構造を有するものがある。この場合、隣接する画素１０の中心は互いに角度φ＝６０°の正三角形の頂点に配置される。なお、転送電極も各画素１０の周辺に沿ってハニカム状に配設される。このような構成においては、図７に示すように、複数の行又は列に跨るように各柱状レンズ２０，２２を配設することが好適である。このとき、柱状レンズ２０と柱状レンズ２２とを直交させずに交差させる。具体的には、柱状レンズ２０と柱状レンズ２２とを隣接する画素１０がなす角度φで交差させることが好適である。   In addition, as shown in FIG. 7, each of the plurality of pixels 10 constituting the even-numbered columns is arranged at half the pitch of the photoelectric conversion elements of each column with respect to the plurality of pixels constituting the odd-numbered columns. Honeycomb that is shifted in the direction and each of the plurality of pixels constituting the even-numbered row is shifted in the row direction by half the pitch of the photoelectric conversion element of each row with respect to the plurality of pixels constituting the odd-numbered row Some have a structure. In this case, the centers of adjacent pixels 10 are arranged at the vertices of an equilateral triangle with an angle φ = 60 °. Note that the transfer electrodes are also arranged in a honeycomb shape along the periphery of each pixel 10. In such a configuration, as shown in FIG. 7, it is preferable to arrange the columnar lenses 20 and 22 so as to straddle a plurality of rows or columns. At this time, the columnar lens 20 and the columnar lens 22 are crossed without being orthogonally crossed. Specifically, it is preferable that the columnar lens 20 and the columnar lens 22 intersect at an angle φ formed by the adjacent pixels 10.

なお、図８に示すように、撮像部に外部からの光を集光させるために、撮像部の上部に前段レンズ２４を設けた場合、前段レンズ２４によって撮像部２６の中心から周辺へ向かうにつれて撮像部２６の垂直方向に対する各画素への光の入射角度θが大きくなる。そこで、図９に示すように、柱状レンズ２０，２２の中心位置を対応する画素の中心位置に対して前段レンズ２４の中心線から離れる方向に向けて幅δだけずらして配置することが好適である。幅δは、光の入射角度θ、画素の入射面と柱状レンズ２０，２２との距離等に基づいて決定することができる。すなわち、入射角度θで入射された光が柱状レンズ２０，２２によって対応する画素の中心に集光されるように幅δを決定する。具体的には、前段レンズ２４の中心線（一般的には撮像部２６の中心）から周辺へ向かうにつれて、幅δを大きくするように配置する。これによって、前段レンズ２４の影響を抑え、画像のずれ等を低減して高画質の画像を得ることができる。   In addition, as shown in FIG. 8, when the front lens 24 is provided in the upper part of an imaging part in order to condense the light from the outside to an imaging part, it goes to the periphery from the center of the imaging part 26 by the front lens 24. The incident angle θ of light on each pixel with respect to the vertical direction of the imaging unit 26 increases. Therefore, as shown in FIG. 9, it is preferable that the center positions of the columnar lenses 20 and 22 are shifted by a width δ toward the direction away from the center line of the front lens 24 with respect to the center position of the corresponding pixel. is there. The width δ can be determined based on the incident angle θ of light, the distance between the incident surface of the pixel and the columnar lenses 20 and 22, and the like. That is, the width δ is determined so that the light incident at the incident angle θ is collected by the columnar lenses 20 and 22 at the center of the corresponding pixel. Specifically, the width δ is increased from the center line of the front lens 24 (generally the center of the imaging unit 26) toward the periphery. Thereby, it is possible to obtain a high-quality image by suppressing the influence of the front lens 24 and reducing an image shift or the like.

柱状レンズ２０，２２は、図１０に示すように、転写法を用いて半導体基板３０の表面上に形成することができる。画素が形成された半導体基板３０の表面上に、図１０（ａ）に示すように、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有する合成樹脂層３２を形成する。続いて、図１０（ｂ）に示すように、合成樹脂層３２の表面上にフォトレジスト層３４を形成する。ここで、フォトレジスト層３４を既存のフォトリソグラフィ技術によってパターンニングして、撮像面への投影領域が各行に沿って配置された画素に一致するように延伸されたフォトレジストパターンを形成する。次に、図１０（ｃ）に示すように、フォトレジストパターンを熱溶融させて、上に凸の曲面形状を有する柱状レンズパターン３６とする。続いて、図１０（ｄ）に示すように、ドライエッチング技術等を用いて全面のエッチングを行って、合成樹脂層３２に柱状レンズパターン３６の形状を転写して柱状レンズ２０のレンズ面を形成する。さらに、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有し、合成樹脂層３２より屈折率が低い合成樹脂層３８を合成樹脂層３２上に形成することによって柱状レンズ２０が形成される。なお、図１０（ｅ）に示すように、柱状レンズ２０と同様に、各列に沿って配置された画素に一致するように延伸された柱状レンズ２２を柱状レンズ２０上に形成することができる。   As shown in FIG. 10, the columnar lenses 20 and 22 can be formed on the surface of the semiconductor substrate 30 using a transfer method. On the surface of the semiconductor substrate 30 on which the pixels are formed, as shown in FIG. 10A, a synthetic resin layer 32 having translucency in the wavelength region to be subjected to photoelectric conversion in the imaging unit is formed. Subsequently, as shown in FIG. 10B, a photoresist layer 34 is formed on the surface of the synthetic resin layer 32. Here, the photoresist layer 34 is patterned by an existing photolithography technique to form a photoresist pattern that is stretched so that the projected area on the imaging surface coincides with the pixels arranged along each row. Next, as shown in FIG. 10C, the photoresist pattern is thermally melted to form a columnar lens pattern 36 having an upward convex curved shape. Subsequently, as shown in FIG. 10D, the entire surface is etched using a dry etching technique or the like, and the shape of the columnar lens pattern 36 is transferred to the synthetic resin layer 32 to form the lens surface of the columnar lens 20. To do. Furthermore, the columnar lens 20 is formed by forming on the synthetic resin layer 32 a synthetic resin layer 38 that has translucency in the wavelength region to be subjected to photoelectric conversion in the imaging unit and has a refractive index lower than that of the synthetic resin layer 32. The As shown in FIG. 10E, similarly to the columnar lens 20, a columnar lens 22 extended so as to coincide with the pixels arranged along each column can be formed on the columnar lens 20. .

なお、合成樹脂層３４の代わりに酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（ＳｉＮ）などの無機絶縁層を用いることで、無機絶縁物の柱状レンズを形成することもできる。 Note that by using an inorganic insulating layer such as silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) in place of the synthetic resin layer 34, an inorganic insulating columnar lens can be formed.

なお、フォトレジスト層３４の加工形状及び熱溶融の条件を変えることによってフォトレジストパターンの曲面の曲率を調整することができる。これによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の曲率を調整することができる。   Note that the curvature of the curved surface of the photoresist pattern can be adjusted by changing the processing shape of the photoresist layer 34 and the thermal melting conditions. Thereby, the curvature of the lens surfaces of the columnar lenses 20 and 22 can be adjusted.

また、柱状レンズ２０，２２は、図１１に示すように、レジストを利用したエッチング法を用いて半導体基板３０の表面上に形成することもできる。図１１（ａ）に示すように、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有する光透過層４０を画素が形成された半導体基板３０の表面上に形成する。可視光領域に対しては、光透過層４０は窒化珪素や酸化珪素で構成することができる。次に、フォトリソグラフィ技術等を用いて、撮像部の各行に沿って画素が形成された領域上にレジスト膜を形成する。このレジスト膜を利用して、ドライエッチング技術又はウェットエッチング技術を用いて光透過層４０をエッチングする。エッチング後にレジスト膜を除去することによって、図１１（ｂ）に示すように、光透過層４０に撮像部の画素の各行に沿って延伸された凸部４４が形成される。続いて、図１１（ｃ）に示すように、光透過層４０上を光透過層４６で覆う。このとき、光透過層４６をほぼ均一な膜厚で形成する。光透過層４６は、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有し、光透過層４０とほぼ屈折率が等しい材質とすることが好適である。例えば、光透過層４６は光透過層４０と同じ材質とする。さらに、光透過層４６を不活性ガスイオンによるイオンエッチングでエッチングする。これによって、図１１（ｄ）に示すように、凸部４４に対応する角部が滑らかに加工され、柱状レンズ２０のレンズ面が形成される。撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有し、光透過層４０，４６より屈折率が低い光透過材である光透過層４８を光透過層４６上に形成することによって柱状レンズ２０が形成される。さらに、図１１（ｅ）に示すように、柱状レンズ２０と同様に、各列に沿って配置された画素に一致するように延伸された柱状レンズ２２を柱状レンズ２０上に形成することもできる。なお、光透過層４６を形成する前に、凸部４４の角部をエッチングしても良い。   Further, as shown in FIG. 11, the columnar lenses 20 and 22 can be formed on the surface of the semiconductor substrate 30 by using an etching method using a resist. As shown in FIG. 11A, a light transmissive layer 40 having translucency in a wavelength region to be subjected to photoelectric conversion in the imaging unit is formed on the surface of a semiconductor substrate 30 on which pixels are formed. For the visible light region, the light transmission layer 40 can be made of silicon nitride or silicon oxide. Next, using a photolithography technique or the like, a resist film is formed on the region where the pixels are formed along each row of the imaging unit. Using this resist film, the light transmission layer 40 is etched using a dry etching technique or a wet etching technique. By removing the resist film after the etching, as shown in FIG. 11B, convex portions 44 are formed in the light transmission layer 40 that extend along each row of pixels of the imaging unit. Subsequently, as shown in FIG. 11C, the light transmission layer 40 is covered with a light transmission layer 46. At this time, the light transmission layer 46 is formed with a substantially uniform film thickness. The light transmissive layer 46 is preferably made of a material having translucency in a wavelength region to be subjected to photoelectric conversion in the imaging unit and having substantially the same refractive index as that of the light transmissive layer 40. For example, the light transmission layer 46 is made of the same material as the light transmission layer 40. Further, the light transmission layer 46 is etched by ion etching using inert gas ions. As a result, as shown in FIG. 11 (d), the corner portion corresponding to the convex portion 44 is processed smoothly, and the lens surface of the columnar lens 20 is formed. By forming on the light transmission layer 46 a light transmission layer 48 which is a light transmission material having a light transmission property in a wavelength region to be subjected to photoelectric conversion in the imaging unit and having a refractive index lower than that of the light transmission layers 40 and 46. A lens 20 is formed. Furthermore, as shown in FIG. 11E, similarly to the columnar lens 20, a columnar lens 22 extended so as to coincide with the pixels arranged along each column can be formed on the columnar lens 20. . Note that the corners of the protrusions 44 may be etched before the light transmission layer 46 is formed.

なお、不活性ガスイオンによるイオンエッチングの条件を変更することによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の曲率を調整することができる。   Note that the curvature of the lens surfaces of the columnar lenses 20 and 22 can be adjusted by changing the conditions of ion etching with inert gas ions.

また、図１２に示すように、下に凸の柱状レンズ２０，２２を形成することも可能である。   In addition, as shown in FIG. 12, it is also possible to form columnar lenses 20 and 22 that are convex downward.

図１２（ａ）に示すように、画素が形成された半導体基板３０の表面上に撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有する光透過層５０を形成する。可視光領域においては、光透過層５０は、例えば、酸化珪素で構成する。次に、フォトリソグラフィ技術等を用いて、図１２（ｂ）に示すように、撮像部の各行に沿って隣り合う画素の間に対応する領域上のみにレジスト膜５１を形成する。このレジスト膜５１をマスクとして利用して、ドライエッチング技術等の異方性エッチングを適用することによって光透過層５０をエッチングする。エッチング後にレジスト膜５１を除去する。これによって、図１２（ｃ）に示すように、光透過層５０に撮像部の画素の各行に沿って延伸された凸部５２が形成される。さらに、ウェットエッチング技術等の等方性エッチングを用いて光透過層５０をエッチングする。これによって、図１２（ｄ）に示すように、撮像部の各行に沿って画素の中心部から画素の端部に向けて連続的に膜厚が厚くなった凸部５４が形成される。このように加工された光透過層５０上に、光電変換対象となる波長領域において透光性を有する光透過層５６を形成する。光透過層５６は、光透過層５０よりも屈折率が高い材質で構成する。可視光領域においては、例えば、光透過層５６は窒化珪素で構成する。この光透過層５６を機械研磨や化学研磨等によって平坦化させることによって、図１２（ｅ）に示すように、下に凸の柱状レンズ２０を形成することができる。さらに、図１２（ｆ）に示すように、下に凸の形状を有する柱状レンズ２２を形成することもできる。   As shown in FIG. 12A, a light transmission layer 50 having translucency is formed on the surface of a semiconductor substrate 30 on which pixels are formed in a wavelength region to be subjected to photoelectric conversion by an imaging unit. In the visible light region, the light transmission layer 50 is made of, for example, silicon oxide. Next, using a photolithographic technique or the like, as shown in FIG. 12B, a resist film 51 is formed only on the corresponding region between adjacent pixels along each row of the imaging unit. The light transmission layer 50 is etched by applying anisotropic etching such as a dry etching technique using the resist film 51 as a mask. The resist film 51 is removed after the etching. As a result, as shown in FIG. 12C, convex portions 52 that are extended along each row of pixels of the imaging unit are formed in the light transmission layer 50. Further, the light transmission layer 50 is etched using isotropic etching such as wet etching technique. As a result, as shown in FIG. 12D, convex portions 54 having a film thickness that is continuously increased from the center of the pixel toward the end of the pixel are formed along each row of the imaging unit. On the light transmission layer 50 processed in this way, a light transmission layer 56 having translucency in a wavelength region to be subjected to photoelectric conversion is formed. The light transmission layer 56 is made of a material having a refractive index higher than that of the light transmission layer 50. In the visible light region, for example, the light transmission layer 56 is made of silicon nitride. By planarizing the light transmission layer 56 by mechanical polishing, chemical polishing, or the like, a downwardly convex columnar lens 20 can be formed as shown in FIG. Furthermore, as shown in FIG. 12F, a columnar lens 22 having a downwardly convex shape can be formed.

なお、ドライエッチング及びウェットエッチングの条件を変更することによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の曲率を調整することができる。   Note that the curvature of the lens surfaces of the columnar lenses 20 and 22 can be adjusted by changing the dry etching and wet etching conditions.

また、上記のレンズ製造方法を適宜組み合わせることによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の凸部を上向き又は下向きに適宜選択して形成することができる。   Further, by appropriately combining the lens manufacturing methods described above, the convex portions of the lens surfaces of the columnar lenses 20 and 22 can be appropriately selected to be formed upward or downward.

本発明の実施の形態における固体撮像装置の平面図である。It is a top view of the solid-state imaging device in an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態における固体撮像装置の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体撮像装置の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 上に凸のレンズ面を有する柱状レンズの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the columnar lens which has an upward convex lens surface. 下に凸のレンズ面を有する柱状レンズの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the columnar lens which has a convex convex lens surface. 柱状レンズのレンズ面の組み合わせを示す図である。It is a figure which shows the combination of the lens surface of a columnar lens. 本発明の実施の形態における固体撮像装置の平面図の別例である。It is another example of the top view of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 固体撮像装置の撮像部への集光レンズの作用を示す図である。It is a figure which shows the effect | action of the condensing lens to the imaging part of a solid-state imaging device. レンズ収差を考慮した柱状レンズの形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the columnar lens which considered the lens aberration. 本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the solid-state imaging device in embodiment of this invention. 従来の固体撮像装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional solid-state imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 画素、２０，２２ 柱状レンズ、３０ 半導体基板、３２ 合成樹脂層、３４ フォトレジスト層、３６ 柱状レンズパターン、３８ 合成樹脂層、４０ 第１の光透過層、４４ 凸部、４６ 第２の光透過層、４８ 第３の光透過層、５０ 第１の光透過層、５１ レジスト膜、５２，５４ 凸部、５６ 第２の光透過層、６０ マイクロレンズ、６２ 非集光領域、１００ 固体撮像装置。   10 pixels, 20, 22 columnar lens, 30 semiconductor substrate, 32 synthetic resin layer, 34 photoresist layer, 36 columnar lens pattern, 38 synthetic resin layer, 40 first light transmitting layer, 44 convex portion, 46 second light Transmissive layer, 48 third light transmissive layer, 50 first light transmissive layer, 51 resist film, 52, 54 convex portion, 56 second light transmissive layer, 60 microlens, 62 non-condensing region, 100 solid-state imaging apparatus.

Claims (8)

外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、
前記撮像部の光入射面上における前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向と交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズと、
を備えることを特徴とする撮像装置。 An imaging apparatus including an imaging unit in which a plurality of pixels that receive information from outside and generate information charges are two-dimensionally arranged,
A first columnar lens extended along a first direction of the pixel on the light incident surface of the imaging unit;
A second columnar lens extended along a second direction intersecting the first direction of the pixel on the first columnar lens on the light incident surface of the imaging unit;
An imaging apparatus comprising: 請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１の柱状レンズ及び前記第２の柱状レンズは、前記撮像部の光入射面に対して上又は下に凸のレンズ面形状を有することを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1,
The first columnar lens and the second columnar lens have a lens surface shape that is convex upward or downward with respect to the light incident surface of the imaging unit. 請求項１又は２に記載の撮像装置において、
前記第１の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率と前記第２の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率とが異なることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1 or 2,
An imaging apparatus, wherein a curvature of a lens surface in the first columnar lens is different from a curvature of a lens surface in the second columnar lens. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の撮像装置において、
前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズの中心位置は、前記撮像部の撮像面と平行な平面内において前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズと対応する画素の中心位置に対してずらされて配置されていることを特徴とする撮像装置。 In the imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The center position of the first columnar lens or the second columnar lens is the center position of the pixel corresponding to the first columnar lens or the second columnar lens in a plane parallel to the imaging surface of the imaging unit. An image pickup apparatus, wherein the image pickup apparatus is arranged to be shifted with respect to the image pickup apparatus. 外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の各々に対応付けられて独立して配置されたマイクロレンズと、
前記撮像部の光入射面上における前記マイクロレンズ上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、
を備えることを特徴とする撮像装置。 An imaging apparatus including an imaging unit in which a plurality of pixels that receive information from outside and generate information charges are two-dimensionally arranged,
A microlens independently associated with each of the pixels on the light incident surface of the imaging unit;
A first columnar lens extended along the first direction of the pixel on the microlens on the light incident surface of the imaging unit;
An imaging apparatus comprising: 外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置の製造方法であって、
前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、
前記撮像部の画素の第１の方向に沿ってパターンニングされたレジスト層を前記第１の光透過層上に形成する第２の工程と、
前記レジスト層を熱溶融させる第３の工程と、
前記レジスト層をマスクとして前記第１の光透過層をエッチングする工程と、を備え、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする撮像装置の製造方法。 A method of manufacturing an imaging device including an imaging unit in which a plurality of pixels that receive light from outside and generate information charges are two-dimensionally arranged,
A first step of forming a first light transmission layer having translucency with respect to light of a predetermined wavelength on a light incident surface of the imaging unit;
A second step of forming a resist layer patterned along a first direction of the pixels of the imaging unit on the first light transmission layer;
A third step of thermally melting the resist layer;
Etching the first light transmission layer using the resist layer as a mask,
A method for manufacturing an imaging apparatus, comprising: forming a columnar lens extending along a first direction of the pixel on a light incident surface of the imaging unit. 外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置の製造方法であって、
前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、
前記撮像部の画素の第１の方向に沿って前記第１の光透過層をパターンニングする第２の工程と、
前記第１の光透過層を不活性ガスイオンを用いてエッチングする第３の工程と、を備え、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする撮像装置の製造方法。 A method of manufacturing an imaging device including an imaging unit in which a plurality of pixels that receive light from outside and generate information charges are two-dimensionally arranged,
A first step of forming a first light transmission layer having translucency with respect to light of a predetermined wavelength on a light incident surface of the imaging unit;
A second step of patterning the first light transmission layer along a first direction of pixels of the imaging unit;
And a third step of etching the first light transmission layer using inert gas ions,
A method for manufacturing an imaging apparatus, comprising: forming a columnar lens extending along a first direction of the pixel on a light incident surface of the imaging unit. 請求項６又は７に記載の撮像装置の製造方法において、
前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズ、及び、前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向に交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズを形成することを特徴とする撮像装置の製造方法。 In the manufacturing method of the imaging device according to claim 6 or 7,
A first columnar lens extending along a first direction of the pixel, and a first columnar lens extending along a second direction intersecting the first direction of the pixel on the first columnar lens. 2. A method of manufacturing an imaging device, wherein two columnar lenses are formed.
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