JP2007158179A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色収差の影響を低減することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体撮像素子１０は、各画素毎に設けられたカラーフィルタ４５と、カラーフィルタ４５に対応するように設けられ、色画素を構成する受光素子１３と、受光素子１３の各々に光を集光するためのレンズ層５３とを備え、レンズ層５３がアクロマートレンズ構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関する。

従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子においては、その感度向上のために、各受光素子の受光面の上にオンチップレンズを設け、それら受光素子への入射光の集光効率を向上させる構成のものがある（例えば、下記特許文献１等）。

図８は、従来のオンチップのマイクロレンズを備えた固体撮像素子の構成の一例を示す模式図である。従来の固体撮像素子１は、受光素子２が形成されたシリコン基板上に、絶縁膜、転送電極、層間絶縁膜、遮光膜、を介して平坦化層３，カラーフィルタ４が形成されている。そして、カラーフィルタ４には平坦化層５を介して上方に凸面を有するマイクロレンズ６が設けられている。

特開２００５−３１１６９３号公報

ところで、上記固体撮像素子１に設けられたオンチップのマイクロレンズとしては、入射した光を受光素子２側に向って一点に集光する平凸レンズが使用されている。光にはその波長によって屈折率が異なる性質があり、例えば、従来の固体撮像素子１のように平凸レンズであるマイクロレンズ６に集光されるとともにカラーフィルタ４を透過した可視光は、波長の短い青色光が受光素子２に対して手前側に集光し、波長の長い赤色光が受光素子２に対して奥側に集光する。つまり、光が波長毎に焦点位置がずれてしまうといった、いわゆる色収差が生じてしまうという問題があり、この色収差の影響に起因して、受光領域における受光する光の感度にばらつきが生じてしまう点で改善の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、色収差の影響を低減することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、各画素毎に設けられたカラーフィルタと、前記カラーフィルタに対応するように設けられ、色画素を構成する受光素子と、前記受光素子の各々に光を集光するためのレンズ層とを備えた固体撮像素子であって、前記レンズ層がアクロマートレンズ構造を有することを特徴とする固体撮像素子によって達成される。

また、本発明の上記目的は、各画素毎に設けられたカラーフィルタと、前記カラーフィルタに対応するように設けられ、色画素を構成する受光素子と、前記受光素子の各々に光を集光するためのレンズ層とを備えた固体撮像素子の製造方法であって、前記カラーフィルタを有する基板上に塗布された第１のレンズ材料をグレースケールマスクを使用して露光し、現像後、熱処理を行うことで凹型レンズ層を形成し、前記凹型レンズ層に第２のレンズ材料を塗布し、該第２のレンズ材料を露光し、現像後、熱処理を行うことで前記凹型レンズ層上に両凸型レンズ層を形成することで、アクロマートレンズ構造を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法によって達成される。

アクロマートレンズは、屈折率と色分散の異なる２枚のレンズを貼り合わせて２色（赤色と青色）の焦点位置のずれを補正することができる。このため、本発明に係る固体撮像素子は、レンズ層をアクロマートレンズ構造とすることで、レンズ層を透過した可視光における波長の短い青色光と波長の長い赤色光との焦点位置を一定とすることが可能となり、色収差の影響を低減することができる。

アクロマートレンズは、凹型レンズ層と、凹型レンズ層の上面に形成された両凸型レンズ層とを備え、凹型レンズ層の焦点距離をＦ２とし、アッベ数をＶ２とし、両凸型レンズ層の焦点距離をＦ１とし、アッベ数をＶ１としたとき、凹型レンズ層及び両凸型レンズ層がＦ１・Ｖ１＝Ｆ２・Ｖ２を満たすことが好ましい。

本発明によれば、色収差の影響を低減することができる固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明に係る固体撮像素子の一実施形態の構成を示す部分拡大断面図である。
図１に示す固体撮像素子１０は、ｎ型のシリコン基板１１を有し、シリコン基板１１の表面部に受光素子であるフォトダイオード１３が複数形成されている。また、シリコン基板１１には、各フォトダイオード１３で発生した信号電荷を転送するための電荷転送部１５が配設されている。

電荷転送部１５は、複数のフォトダイオード１３に対応してシリコン基板１１表面部に形成された複数の電荷転送チャネル１７と、電荷転送チャネル１７の上層に形成された電荷転送電極１９と、フォトダイオード１３で発生した電荷を電荷転送チャネル１７に読み出すための電荷読み出し領域２１とを有している。

本実施形態において、電荷転送電極１９は、第１の電極１９ａと第２の電極１９ｂとを有している。第１の電極１９ａと第２の電極１９ｂの間は電極間絶縁膜２９によって絶縁される。

シリコン基板１１の表面部にはｐウェル層２３が形成され、ｐウェル層２３の表面部にはｐ領域２５ａが形成され、ｐ領域２５ａの下にはｎ領域２５ｂが形成され、ｐ領域２５ａとｎ領域２５ｂがフォトダイオード１３を構成している。フォトダイオード１３で発生した信号電荷は、ｎ領域２５ｂに蓄積される。

ｐ領域２５ａの右側には、少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル１７が形成される。ｎ領域２５ｂと電荷転送チャネル１７の間のｐウェル層２３には電荷読み出し領域２１が形成される。

シリコン基板１１表面にはゲート酸化膜２７が形成され、電荷読み出し領域２１と電荷転送チャネル１７の上には、ゲート酸化膜２７を介して、第１の電極１９ａと第２の電極１９ｂが形成される。

垂直転送チャネル１７の右側にはｐ＋領域からなるチャネルストップ３１が設けられ、隣接するフォトダイオード１３との分離が図られる。

電荷転送電極１９の上には酸化シリコン膜３３が形成され、更にその上に中間層３５が形成される。中間層３５のうち、４７は遮光膜、３９はＢＰＳＧ（borophospho silicate glass）からなる絶縁膜、４１はＰ−ＳｉＮからなる絶縁膜（パッシベーション膜）、４３は透明樹脂膜からなる平坦化層である。遮光膜４７は、フォトダイオード１３の開口部分を除いて設けられる。中間層３５上方には、カラーフィルタ４５とレンズ層５３が設けられる。カラーフィルタ４５とレンズ層５３との間には、絶縁性の透明樹脂等からなる図示しない平坦化層が充填されていてもよい。

本実施形態の固体撮像素子１０において、レンズ層５３は、アクロマートレンズ構造を有している。レンズ層５３は、カラーフィルタ上に堆積された凹型レンズ層５１と、この凹型レンズ層５１の上面に形成された両凸型レンズ層５２とを備えている。

凹型レンズ層５１は、複数のフォトダイオード１３のそれぞれの上方に、下方側に窪んだ形状の凹状の湾曲面が複数形成されている。両凸型レンズ層５２は、上下の各面にそれぞれ突出する凸状の湾曲面が形成されている。ここで、凹型レンズ層５１の凹状の湾曲面と両凸型レンズ層５２の下型の湾曲面とのそれぞれ曲率は等しくなる。

ここで、凹型レンズ層５１の焦点距離をＦ２とし、アッベ数をＶ２とし、両凸型レンズ層５２の焦点距離をＦ１とし、アッベ数をＶ１としたとき、凹型レンズ層５１及び両凸型レンズ層５２がＦ１・Ｖ１＝Ｆ２・Ｖ２を満たすようにそのレンズの材料を選定することが好ましい。一般に、白色光はプリズムを通過すると赤・橙・黄・緑・青・藍・紫の7色の色の帯を生じ、このときのこれらの色の帯の幅を色分散といい、アッベ数は、この色分散の大きさを表す量である。

アクロマートレンズは、屈折率と色分散の異なる２枚のレンズを貼り合わせて２色（赤色と青色）の焦点位置のずれを補正することができる。このため、本発明に係る固体撮像素子１０は、レンズ層５３をアクロマートレンズ構造とすることで、レンズ層５３を透過した可視光における波長の短い青色光と波長の長い赤色光との焦点位置を一定とすることが可能となり、色収差の影響を低減することができる。こうして、フォトダイオード１３に受光される光の感度にばらつきが生じることを防止することができる。

次に、本発明に係る固体撮像素子の製造工程を説明する。
図２から図６は、図１に示す本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。以下、本実施形態の固体撮像素子１０のレンズ層５３の製造工程のみを説明し、カラーフィルタ４５より下方の部分の製造工程は一般に知られている固体撮像素子と同じであるため説明を省略する。

先ず、図２に示す工程にように、カラーフィルタ４５に凹型レンズ層５１の母材となる第１のガラス材料を塗布する。ここで第１のガラス材料としてはポジ型の材料を使用する。

次に、図３に示す工程のように、塗布された第１のガラス材料にグレースケールマスクを使用してポジ型のフォトレジスト（感光性材料）に不均一な露光を行う。ここで、ポジ型又はネガ型の選択によりレジストに形状を転写する工程（フォトリソグラフィ工程）を行う。

グレースケースマスク６１には、透過率が所定の分布となるパターンで形成されており、このパターンは、凹型レンズ層５１の湾曲面の目標とする曲率や使用する第１のレンズ材料や後述する第２のレンズ材料に応じて、予めシミュレーションなどによって設定されている。露光後、図４に示すように、第１のレンズ材料を現像し、熱処理することで凹状の湾曲面５１ａが形成される。

なお、露光の際に、ポジ型又はネガ型の選択によってフォトリソグラフィ工程において用いるフォトマスクの形状が変化するが、基本的な形成手順は変わらない。本実施形態においては、ポジ型レジストを用いる場合について説明する。

図５に示す工程のように、凹型レンズ層５１の湾曲面５１ａ上に、両凸型レンズ層５２の母材となる第２のレンズ材料を塗布する。第２のレンズ材料としては、第１のレンズ材料と屈折率及び色分散の異なる材料が使用される。

図６に示すように、マスク６２を使用してポジレジストにフォトリソグラフィ工程によって所定のパターンを露光する。そして、現像後、熱処理を行うことで、図７に示すように、所望の曲率を有する凸状の湾曲面５２ａを有する両凸型レンズ層５２を形成する。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態では、カラーフィルタ４５より下の部分の構成は特に限定されず、レンズ層５３によって集光された光をフォトダイオード１３などの光電変換部に導く構成のものであれば適宜変更することができる。

本発明に係る固体撮像素子の一実施形態の構成を示す部分拡大断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。 本実施形態の固体撮像素子の製造工程の一部を示す部分拡大断面図である。 従来の固体撮像素子の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１３ フォトダイオード（受光素子）
４５ カラーフィルタ
５１ 凹型レンズ層
５２ 両凸型レンズ層
５３ レンズ層

Claims (4)

1. 各画素毎に設けられたカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタに対応するように設けられ、色画素を構成する受光素子と、
   前記受光素子の各々に光を集光するためのレンズ層とを備えた固体撮像素子であって、
   前記レンズ層がアクロマートレンズ構造を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記アクロマートレンズは、凹型レンズ層と、前記凹型レンズ層の上面に形成された両凸型レンズ層とを備え、
   前記凹型レンズ層の焦点距離をＦ２とし、アッベ数をＶ２とし、前記両凸型レンズ層の焦点距離をＦ１とし、アッベ数をＶ１としたとき、前記凹型レンズ層及び前記両凸型レンズ層がＦ１・Ｖ１＝Ｆ２・Ｖ２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 各画素毎に設けられたカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタに対応するように設けられ、色画素を構成する受光素子と、
   前記受光素子の各々に光を集光するためのレンズ層とを備えた固体撮像素子の製造方法であって、
   前記カラーフィルタを有する基板上に塗布された第１のレンズ材料をグレースケールマスクを使用して露光し、現像後、熱処理を行うことで凹型レンズ層を形成し、前記凹型レンズ層に第２のレンズ材料を塗布し、該第２のレンズ材料を露光し、現像後、熱処理を行うことで前記凹型レンズ層上に両凸型レンズ層を形成することで、アクロマートレンズ構造を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
4. 前記凹型レンズ層の焦点距離をＦ２とし、アッベ数をＶ２とし、前記両凸型レンズ層の焦点距離をＦ１とし、アッベ数をＶ１としたとき、前記凹型レンズ層及び前記両凸型レンズ層がＦ１・Ｖ１＝Ｆ２・Ｖ２を満たすことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。

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