JP2007165713A

JP2007165713A - 固体撮像素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007165713A
Application number: JP2005362039A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kawai; 真一河合
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】固体撮像素子の各画素における入射光の入射率を高める。
【解決手段】複数の光電変換素子が表面部に形成された半導体基板１０と、半導体基板１０の前記光電変換素子の夫々の受光領域（開口部）の上に設けられ該受光領域に近い層ほど屈折率が大きい材料で形成された多層（少なくとも２層以上）構造のマイクロレンズ１２とを備える。マイクロレンズ１２に入射した光は、光電変換素子に近づくほど大きな屈折率層で受光領域側に屈折される。
【選択図】図１

Description

本発明は、画素毎にマイクロレンズを有する固体撮像素子及びその製造方法に係り、特に、斜め入射光でも良好に受光することができる固体撮像素子及びその製造方法に関する。

ＣＭＯＳ型固体撮像素子やＣＣＤ型固体撮像素子は、下記特許文献１，２，３等に記載されている様に、画素毎にマイクロレンズを備え、入射光をマイクロレンズで集光し、光電変換素子（フォトダイオード）の受光領域に入射させる構成になっている。これを図７で説明する。

図７は、ＣＣＤ型固体撮像素子の１画素分の概略断面図である。半導体基板１の表面部にはフォトダイオード（図示せず）が形成され、その上に、開口部を有する遮光膜２、平坦化層３、カラーフィルタ層４、マイクロレンズ５が順に積層される。

デジタルカメラ等に搭載される固体撮像素子の受光面の前面には、図示しないカメラレンズが配置され、このカメラレンズを通した被写体からの入射光が固体撮像素子の受光面に入射することになる。

固体撮像素子の受光面中央に在る画素に対する入射光は、図８に示す様に、略垂直に入射するため、入射光はマイクロレンズ５で更に集光されて遮光膜開口部に入射される。これに対し、受光面周辺部に在る画素に対する入射光は、図９に示す様に、斜め入射となり、マイクロレンズ５で集光されても、集光点が遮光膜開口部から外れ、フォトダイオードには入射光の一部しか入射しなくなることがある。

特許第２９５６１３２号公報特開平６―１２０４６１号公報特許第３０４４７３４号公報

近年の固体撮像素子は多画素化が進み、数百万画素を搭載するのが普通になってきている。このため、各画素の横方向（半導体基板表面に平行な方向）の寸法は小さくなる一方であるが、縦方向（光入射方向）の寸法は、横方向に比較して小さくなっていない。このため、図９に示す不具合、すなわち斜め入射光の開口部への入射率が低下し、また、垂直入射（図８）の場合でもマイクロレンズによる集光点位置が前ピンとなり、入射光の開口部への入射率が低下する傾向にある。

本発明の目的は、マイクロレンズによって集光した入射光の開口部への入射率を高めることが可能な構造を持つ固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、複数の光電変換素子が表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の前記複数の光電変換素子の夫々の受光領域の上に設けられ該受光領域に近い層ほど屈折率が大きい材料で形成された多層（少なくとも２層以上）構造のマイクロレンズとを備えることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板の表面に積層され各光電変換素子の受光領域に開口部が設けられた遮光膜を備えることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記マイクロレンズの上に平坦化層を介して積層されたカラーフィルタ層を備えることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板の受光面周辺部における画素の前記マイクロレンズが、前記半導体基板の受光面中央側にずらして設けられることを特徴とする。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記半導体基板の上に第１層の材料を積層し、該第１層のうち前記各受光領域の上にだけ前記材料を残して該第１層を除去し、前記各受光領域の上に残された前記材料を加熱溶融することで上凸形状のマイクロレンズ第１層を形成し、該マイクロレンズ第１層の上に該マイクロレンズ第１層の材料より屈折率が小さいマイクロレンズ第２層の材料を積層することで、前記マイクロレンズを形成することを特徴とする。

本発明によれば、マイクロレンズに入射した光が光電変換素子の受光領域に近づくほど屈折率の大きい層によって受光領域方向に屈折されるため、光入射率が高くなり、明るい画像を撮像することが可能となる。また、斜め入射光の受光領域への入射率も高くなるため、シェーディングの発生も抑制可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の１画素分の概略断面図である。この固体撮像素子の半導体基板１０には、その表面部に図示しないフォトダイオードが形成され、その上に遮光膜１１が積層されている。遮光膜１１には、フォトダイオードの受光領域上に開口部１１ａが穿設されている。

本実施形態の固体撮像素子では、各画素の開口部１１ａの上に、光入射方向に上凸のマイクロレンズ１２が形成されている。このマイクロレンズ１２は、多層構造でなり、開口部１１ａに一番近いマイクロレンズ第１層（屈折率Ｎ１）１２ａと、その上に積層されたマイクロレンズ第２層（屈折率Ｎ２）１２ｂと、…、開口部１１ａから一番遠いマイクロレンズ第ｎ層（屈折率Ｎｎ）１２ｎとでなる。各マイクロレンズ層は、開口部１１ａに近いものほど、その屈折率が高くなる材料で形成される（即ち、Ｎ１＞Ｎ２＞…＞Ｎｎ）。

マイクロレンズ１２の上には、平坦化層１３が積層されて平坦化され、その上に、カラーフィルタ層１４が積層される。本実施形態の固体撮像素子は、図７で説明したマイクロレンズ５すなわちトップレンズと称されるマイクロレンズは設けていない。

この様に、本実施形態の固体撮像素子では、積層構造のマイクロレンズ１２を、カラーフィルタ層１４と開口部１１ａとの間に設けたため、各画素の縦方向の寸法をトップレンズの分だけ小さくすることができる。また、積層構造のマイクロレンズ１２を開口部１１ａ近傍に設け、開口部１１ａに近いほど光の屈折率を大きくしたため、入射光を効率的に開口部１１ａ内に集光でき、光入射率を高めることができる。

図２は、垂直入射光の光路を示す図である。入射光がカラーフィルタ層１４，平坦化層１３を通ってマイクロレンズ１２に入射し、マイクロレンズ１２内を進み開口部１１ａに近づくほど、開口部１１ａ側に屈折して開口部１１ａ内に入る。

図３は、斜め入射光の光路を示す図である。斜め入射の場合も垂直入射と同様に、入射光がカラーフィルタ層１４，平坦化層１３を通ってマイクロレンズ１２に入射し、マイクロレンズ１２内を進み開口部１１ａに近づくほど、開口部１１ａ側に屈折して開口部１１ａ内に入る。

これにより、本実施形態の固体撮像素子では、入射光の開口部への入射率が高くなるため明るい画像を撮像することが可能となり、また、斜め入射であっても入射光の開口部１１ａ内への入射率が高いためシェーディングの発生も抑制可能となる。

図４，図５は、上述した積層構造のマイクロレンズ１２の製造手順を示す図である。先ず図４（ａ）に示す様に、フォトダイオード等が表面部に形成された半導体基板１０の上に、開口部１１ａを有する遮光膜１１を積層する。次に、図４（ｂ）に示す様に、屈折率Ｎ１の感光性材料１２ａを半導体基板１０の上に積層する。

そして、露光（光硬化），光硬化部分の除去を順次行い、図４（ｃ）に示す様に、開口部１１ａ内に材料１２ａの円柱状（側面視が矩形）の島が残るようにする。次に、固体撮像素子を加熱することで、材料１２ａの島が溶融し、図４（ｄ）に示す様に、上凸のレンズ形状となる。

次に、図４（ｅ）に示す様に、屈折率Ｎ２（＜Ｎ１）の材料１２ｂを表面に積層し、図４（ｆ）に示す様に、材料層１２ｂの画素周辺部を、材料層１２ａの周辺部除去と同様の手順によって取り除く。

以下、同様の手順を繰り返すことで（図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ））、所望の積層数のマイクロレンズ１２を形成する。その後、表面に平坦化層１３を積層して表面を平坦化し、その上にカラーフィルタ層１４を積層する。

以上により、開口部１１ａに近いほど屈折率が高くなる多層構造のマイクロレンズ１２を製造することができる。

図６は、本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の１画素の概略断面図である。図９で説明した様に、斜め入射光をマイクロレンズ５で集光した場合、集光点が遮光膜開口部中央からずれるが、これを解決するために、従来から、受光面周辺部の画素に設けるマイクロレンズ５の位置を光入射方向（受光面中央側）にずらし、マイクロレンズ５の集光点が開口部中央に来るようにしている。

本実施形態の固体固体撮像素子でもこの考え方を採用し、受光面周辺部に設ける画素のマイクロレンズ１２を受光面中央側にずらしている。但し、本実施形態の固体撮像素子のマイクロレンズ１２は多層構造であるため、一番屈折率の高いマイクロレンズ第１層１２ａの位置は受光面中央部の画素と同様に開口部１１ａの中央に設け、上層のマイクロレンズ層ほど受光面中央側にずれる様にしている。これにより、斜め入射光の開口部１１ａへの入射率を更に高めることが可能となる。

本発明に係る固体撮像素子は、入射光のフォトダイオードへの入射率が高いため明るい画像を撮像でき、また、斜め入射光であっても各画素の受光領域への入射率を高めることができるためシェーディングの発生も抑制でき、デジタルカメラ等に搭載する固体撮像素子として有用である。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の１画素分の概略断面図である。図１に示す画素における垂直入射光の光路を示す図である。図１に示す画素における斜め入射光の光路を示す図である。図１に示すマイクロレンズの製造手順を示す図である。図４に続くマイクロレンズ製造手順を示す図である。本発明の別実施形態に係る固体撮像素子の受光面周辺部に設ける画素の１画素分の概略断面図である。従来の固体撮像素子の１画素分の概略断面図である。図７に示す従来の画素における垂直入射光の光路を示す図である。図７に示す従来の画素における斜め入射光の光路を示す図である。

符号の説明

１０半導体基板
１１遮光膜
１１ａ開口部
１２積層構造のマイクロレンズ
１２ａマイクロレンズ第１層（屈折率Ｎ１）
１２ｂマイクロレンズ第２層（屈折率Ｎ２＜Ｎ１）
１２ｃマイクロレンズ第３層（屈折率Ｎ３＜Ｎ２）
１２ｎマイクロレンズ第ｎ層（屈折率Ｎｎ＜Ｎｎ−１＜…＜Ｎ３）
１３平坦化層
１４カラーフィルタ層

Claims

複数の光電変換素子が表面部に形成された半導体基板と、該半導体基板の前記複数の光電変換素子の夫々の受光領域の上に設けられ該受光領域に近い層ほど屈折率が大きい材料で形成された多層（少なくとも２層以上）構造のマイクロレンズとを備えることを特徴とする固体撮像素子。
前記半導体基板の表面に積層され各光電変換素子の受光領域に開口部が設けられた遮光膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記マイクロレンズの上に平坦化層を介して積層されたカラーフィルタ層を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
前記半導体基板の受光面周辺部における画素の前記マイクロレンズが、前記半導体基板の受光面中央側にずらして設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
前記半導体基板の上に第１層の材料を積層し、該第１層のうち前記各受光領域の上にだけ前記材料を残して該第１層を除去し、前記各受光領域の上に残された前記材料を加熱溶融することで上凸形状のマイクロレンズ第１層を形成し、該マイクロレンズ第１層の上に該マイクロレンズ第１層の材料より屈折率が小さいマイクロレンズ第２層の材料を積層することで、前記マイクロレンズを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法。