JP2006269735A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各カラーフィルターの色ごとにオンチップレンズの形状を設定することで、感度の向上とともに色バランスの向上を可能とする。
【解決手段】基板１１に設けた複数の光電変換領域１２と、各光電変換領域１２に入射する入射光の一部の波長が透過されるものであって各光電変換領域１２の上方に設けたカラーフィルター３１と、各カラーフィルター３１の上方に設けたオンチップレンズ４１とを備え、入射光がオンチップレンズ４１、カラーフィルター３１の順に透過して光電変換領域１２に入射される固体撮像装置１であって、オンチップレンズ４１は、各カラーフィルター３１の色に対応させて入射光が光電変換領域１２中に集光されるように形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーフィルターの色によらず光電変換領域に集光される固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関するものである。

固体撮像素子において、フォトダイオードに入射光を集光させるため、または、混色を防ぐため、カラーフィルター上部にオンチップレンズ（On Chip Lens）を形成することが必要となっている。オンチップレンズは、通常、カラーフィルターの色（赤、緑、青等）に関わらず、曲率、形状が同じであった（例えば、特許文献１参照。）。

上記オンチップレンズの製造方法は、通常、オンチップレンズを形成するためのレジストを塗布した後にそのレジスト膜をキュアする。続いて、上記レジスト膜上にレンズのパターニングに必要なレジストを塗布、露光、現像、キュアしてレンズ形状を形成する。そしてそのレンズ形状を転写するように、エッチバックを実施することによって、上記オンチップレンズを形成するためのレジスト膜でオンチップレンズを形成する。その際の曲率は、上記各レジスト膜厚によって決定される。

しかしながら、各カラーフィルターの色により、オンチップレンズから光電変換される領域までの深さが異なるため、オンチップレンズによって決定される入射光の集光位置や色収差が重要となってくる。通常、カラーフィルタの色に関わらず、オンチップレンズが同一形状のため、カラーフィルタの色毎に最適な集光位置とはなっていなかった。この結果、カラーフィルターの各色ごとで、入射される光量に差ができ、光電変換量が均一でなかった。すなわち、カラーフィルターの色によって感度に差が生じていた。

特開２０００−１５６４８５号公報

解決しようとする問題点は、カラーフィルターの色毎に最適な集光位置に集光することができない点である。

本発明の固体撮像装置は、基板に設けた複数の光電変換領域と、前記各光電変換領域に入射する入射光の一部の波長が透過されるものであって前記各光電変換領域の上方に設けたカラーフィルターと、前記各カラーフィルターの上方に設けたオンチップレンズとを備え、前記入射光が前記オンチップレンズ、前記カラーフィルターの順に透過して前記光電変換領域に入射される固体撮像装置であって、前記オンチップレンズは、各カラーフィルターの色に対応させて前記入射光が前記光電変換領域中に集光されるように形成されていることを最も主要な特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に設けた複数の光電変換領域と、前記各光電変換領域に入射する入射光の一部の波長が透過されるものであって前記各光電変換領域の上方に設けたカラーフィルターと、前記各カラーフィルターの上方に設けたオンチップレンズとを備え、前記入射光が前記オンチップレンズ、前記カラーフィルターの順に透過して前記光電変換領域に入射される固体撮像装置の製造方法において、前記オンチップレンズは、各カラーフィルターの色に対応させて前記入射光が前記光電変換領域中に集光されるように、各カラーフィルターの色ごとにレンズ曲率を変えて形成することを最も主要な特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、オンチップレンズは、各カラーフィルターの色に対応させて入射光が光電変換領域中に集光されるように形成されているため、オンチップレンズの色収差が補正され、光電変換領域において各波長の最適な集光位置、すなわち色収差を考慮した集光位置となるようにオンチップレンズの焦点位置を設定できるという利点がある。これにより、固体撮像素子の感度特性を向上させることが可能になる。また、カラーフィルターの色ごとでレンズ形状を最適化するため、入射光がバランスよく光電変換領域に入射され、光電変換が均等に行なわれるようになり、色〔例えば、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）〕のバランスが良くなる。

本発明の固体撮像装置の製造方法では、オンチップレンズは、各カラーフィルターの色に対応させて入射光が光電変換領域中に集光されるように形成されるため、オンチップレンズの色収差が補正され、光電変換領域において各波長の最適な集光位置、すなわち色収差を考慮した集光位置となるようにオンチップレンズの焦点位置を設定できるという利点がある。これにより、感度特性を向上させた固体撮像装置の製造が可能になる。また、カラーフィルターの色ごとでレンズ形状を最適化するため、入射光がバランスよく光電変換領域に入射され、光電変換が均等に行なわれるようになり、色〔例えば、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）〕のバランスを向上させた固体撮像装置の製造が可能になる。

感度を高めるとともに色バランスを向上させるという目的を、各カラーフィルターの色に対応させて入射光が光電変換領域中に集光されるように、オンチップレンズを形成することで実現した。

本発明の固体撮像装置に係る一実施例を、図１の概略構成断面図によって説明する。

図１に示すように、半導体基板１１に入射光を光電変換して電気信号に変換する光電変換領域１２が形成されている。図示はしないが、光電変換領域１２上には入射光を光電変換領域１２に導く光路１３が形成されている。また、図示はしないが、上記半導体基板１１上には絶縁膜を介して転送回路、レジスタ回路等に接続する配線が、例えば多層配線構造に形成されている。その多層配線層の一部領域を貫通するように、上記光路１３が形成されている。上記光路１３上には透明な平坦化絶縁膜２１が形成されている。

上記平坦化絶縁膜２１上には、例えば、光の３原色に対応した、赤色のカラーフィルター３１（３１Ｒ）、緑色のカラーフィルター３１（３１Ｇ）、青色のカラーフィルター３１（３１Ｂ）が形成されている。上記各カラーフィルター３１上には、半球状のオンチップレンズ４１が形成されている。したがって、上記光電変換領域１２に入射される入射光は、上記各カラーフィルター３１上に形成された上記オンチップレンズ４１を透過して集光され、各カラーフィルター３１、平坦化絶縁膜２１、光路１３等を透過して光電変換領域１２に入射される。

上記オンチップレンズ４１は、各カラーフィルター３１の色に対応させて入射光が光電変換領域１２中の所定の位置（例えば最適な感度、色バランスが得られる位置）に集光されるように形成されている。一例として、光電変換領域１２中に入射光が集光されるように、各オンチップレンズ４１は、各カラーフィルター３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂを透過した色の波長に対応させ、かつ各オンチップレンズ４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの屈折率を考慮して、各オンチップレンズ４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの曲率半径が設定されている。

上記固体撮像装置１では、オンチップレンズ４１は、各カラーフィルター３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂの色に対応させて入射光が光電変換領域１２中に集光されるように形成されているため、オンチップレンズ４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂの色収差が補正され、光電変換領域１２において各波長の最適な集光位置、すなわち色収差を考慮した集光位置となるようにオンチップレンズ４１の焦点位置を設定できるという利点がある。これにより、固体撮像素子の感度特性を向上させることが可能になる。また、カラーフィルターの色ごとでレンズ形状を最適化するため、入射光がバランスよく光電変換領域に入射され、光電変換が均等に行なわれるようになり、色〔例えば、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）〕のバランスが良くなる。

次に、本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を、図２の製造工程断面図によって説明する。なお、図２において、（２）図以降の図面では、カラーフィルター下の平坦化絶縁膜よりも下層（光電変換領域側）は、（１）図に示した構造と同様であるため、図示は省略した。

図２（１）に示すように、半導体基板１１に入射光を光電変換して電気信号に変換する光電変換領域１２が形成されている。図面では、一つのカラーフィルターに対応した光電変換領域を示したが、各カラーフィルターに対応して光電変換領域が形成されている。また、光電変換領域１２上には入射光を光電変換領域１２に導く光路１３が形成されている。また、上記半導体基板１１上には絶縁膜を介して転送回路、駆動トランジスタ等に接続する配線１５が、例えば多層配線構造に形成されている。その多層配線層の一部領域に上記光路１３が形成されている。上記光路１３上には透明な平坦化絶縁膜２１が形成されている。

上記平坦化絶縁膜２１上には、例えば、光の３原色に対応した、赤色のカラーフィルター３１（３１Ｒ）、緑色のカラーフィルター３１（３１Ｇ）、青色のカラーフィルター３１（３１Ｂ）が形成されている。

上記半導体基板１１上に、光電変換領域１２、詳細な図示はしていないが転送領域等を形成し、さらに多層配線構造および光路１３を形成し、上記平坦化絶縁膜２１を形成し、さらに上記各カラーフィルター３１（３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂ）を形成するまでの工程は、既知の製造技術によって形成される。

次に、図２（２）に示すように、上記各カラーフィルター３１上に、オンチップレンズを形成するためのレジスト膜５１を形成する。このレジスト膜５１は、例えば、顔料分散型レジスト、染料を含む着色感光性透明樹脂等を用いることができる。このときの膜厚は、例えば、０．１μｍ〜５μｍの厚さに形成する。次いで、上記レジスト膜５１をキュアする。次に、上記レジスト膜５１上にオンチップレンズの形状を決定するレジスト膜５３を形成する。このレジスト膜５３は、例えばノボラック系のポジ型レジストを用いることができる。そして、上記レジスト膜５３に対して、露光、現像、キュアを行い、上記レジスト膜５３で半球状のオンチップレンズ形状を形成する。

その際、上記レジスト膜５１で形成される赤色のカラーフィルター３１Ｒ上のオンチップレンズの焦点位置が上記光電変換領域１２〔前記図２（１）参照〕中の所定の位置（例えば最適な感度、色バランスが得られる位置）となるように、レジスト膜５１の屈折率を考慮して、レンズの曲率半径が決定される。

その後、上記レジスト膜５３、５１の全面をエッチバックする。

その結果、図２（３）に示すように、レジスト膜５１に上記レジスト膜５３〔前記図２（２）参照〕で形成されたオンチップレンズ形状が転写され、レジスト膜５１からなる赤色のカラーフィルター３１Ｒ用のオンチップレンズ４１（４１Ｒ）が形成される。

次に、図２（４）に示すように、上記各カラーフィルター３１上に、オンチップレンズを形成するためのレジスト膜５５を形成する。このレジスト膜５５は、エッチバックした際に、上記オンチップレンズ４１Ｒの形状を損ねないでエッチングできる材料を用いることが必要であり、例えば、顔料分散型レジスト、染料を含む着色感光性透明樹脂等を用いることができる。このときの膜厚は、例えば、０．１μｍ〜５μｍの厚さに形成する。次いで、上記レジスト膜５５をキュアする。次に、上記レジスト膜５５上にオンチップレンズの形状を決定するレジスト膜５７を形成する。このレジスト膜５７は、例えばノボラック系のポジ型レジストを用いることができる。そして、上記レジスト膜５７に対して、露光、現像、キュアを行い、上記レジスト膜５７で半球状のオンチップレンズ形状を形成する。

その際、上記レジスト膜５５で形成される青色のカラーフィルター３１Ｂ上のオンチップレンズの焦点位置が上記光電変換領域１２〔前記図２（１）参照〕中の所定の位置（例えば最適な感度、色バランスが得られる位置）となるように、レジスト膜５５の屈折率を考慮して、レンズの曲率半径が決定される。

その後、上記レジスト膜５７、５５の全面をエッチバックする。

その結果、図２（５）に示すように、レジスト膜５５〔前記図２（４）参照〕に上記レジスト膜５７で形成されたオンチップレンズ形状が転写され、レジスト膜５５からなる青色のカラーフィルター３１Ｂ用のオンチップレンズ４１（４１Ｂ）が形成される。

次に、図２（６）に示すように、上記各カラーフィルター３１上に、オンチップレンズを形成するためのレジスト膜５９を形成する。このレジスト膜５９は、エッチバックした際に、上記オンチップレンズ４１Ｒ、４１Ｂの形状を損ねないでエッチングできる材料を用いることが必要であり、例えば、顔料分散型レジスト、染料を含む着色感光性透明樹脂等を用いることができる。このときの膜厚は、例えば、０．１μｍ〜５μｍの厚さに形成する。次いで、上記レジスト膜５９をキュアする。次に、上記レジスト膜５９上にオンチップレンズの形状を決定するレジスト膜６１を形成する。このレジスト膜６１は、例えばノボラック系のポジ型レジストを用いることができる。そして、上記レジスト膜６１に対して、露光、現像、キュアを行い、上記レジスト膜６１で半球状のオンチップレンズ形状を形成する。

その際、上記レジスト膜５９で形成される緑色のカラーフィルター３１Ｇ上のオンチップレンズの焦点位置が上記光電変換領域１２〔前記図２（１）参照〕中の所定の位置（例えば最適な感度、色バランスが得られる位置）となるように、レジスト膜５９の屈折率を考慮して、レンズの曲率半径が決定される。

その後、上記レジスト膜６１、５９の全面をエッチバックする。

その結果、図２（７）に示すように、レジスト膜５９に上記レジスト膜６１〔前記図２（６）参照〕で形成されたオンチップレンズ形状が転写され、レジスト膜５９からなる緑色のカラーフィルター３１Ｇ用のオンチップレンズ４１（４１Ｇ）が形成される。

上記固体撮像装置の製造方法では、オンチップレンズ４１は、各カラーフィルター３１の色に対応させて入射光が光電変換領域１２中に集光されるように形成されるため、オンチップレンズ４１の色収差が補正され、光電変換領域１２において各波長の最適な集光位置、すなわち色収差を考慮した集光位置となるようにオンチップレンズ４１の焦点位置を設定できるという利点がある。これにより、感度特性を向上させた固体撮像装置の製造が可能になる。また、カラーフィルター３１の色ごとに各オンチップレンズ４１のレンズ形状（曲率半径）を最適化するため、入射光がバランスよく光電変換領域１２に入射され、光電変換が均等に行なわれるようになり、色〔例えば、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）〕のバランスを向上させた固体撮像装置の製造が可能になる。

上記説明では、光の３原色のカラーフィルターの事例を説明したが、その他の色のカラーフィルターについても、そのカラーフィルターの色の波長に対応させて、オンチップレンズの屈折率を考慮して、その形状（例えば曲率半径）を変えて形成することができる。

本発明の固体撮像装置に係る一実施例を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、１１…基板、３１…カラーフィルター、４１…オンチップレンズ

Claims (4)

1. 基板に設けた複数の光電変換領域と、前記各光電変換領域に入射する入射光の一部の波長が透過されるものであって前記各光電変換領域の上方に設けたカラーフィルターと、前記各カラーフィルターの上方に設けたオンチップレンズとを備え、前記入射光が前記オンチップレンズ、前記カラーフィルターの順に透過して前記光電変換領域に入射される固体撮像装置であって、
   前記オンチップレンズは、各カラーフィルターの色に対応させて前記入射光が前記光電変換領域中に集光されるように形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記オンチップレンズは、入射光が前記カラーフィルターを透過して前記光電変換領域中に集光されるように、前記カラーフィルターを透過する光の波長に対応させた曲率を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 基板に設けた複数の光電変換領域と、前記各光電変換領域に入射する入射光の一部の波長が透過されるものであって前記各光電変換領域の上方に設けたカラーフィルターと、前記各カラーフィルターの上方に設けたオンチップレンズとを備え、前記入射光が前記オンチップレンズ、前記カラーフィルターの順に透過して前記光電変換領域に入射される固体撮像装置の製造方法において、
   前記オンチップレンズは、各カラーフィルターの色に対応させて前記入射光が前記光電変換領域中に集光されるように、レンズ曲率を変えて形成する
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
4. 前記オンチップレンズは、入射光が前記カラーフィルターを透過して前記光電変換領域中に集光されるように、前記カラーフィルターを透過する光の波長に対応させた曲率を有するように形成される
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置の製造方法。
   
   
   

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