JP2007199175A - レンズ及びレンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスの特性に応じて所望の屈折率分布で形成でき、固体撮像素子等のデバイスに適したレンズ及びレンズの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１上に、光透過層２を形成し、光透過層２に、不純物を導入する不純物導入工程を複数回行うとともに、導入する不純物の量を変えることで、不純物濃度の異なる複数の不純物領域２ａ，２ｂ，２ｃを形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、固体撮像素子等のデバイスに適したレンズ及びレンズの製造方法に関する。

近年、半導体素子等のデバイスは、微細化が進んでいる。例えば、固体撮像素子では、高解像度化、高感度化への要求は高まる一方であり、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいる。固体撮像素子の構造としては、一例として、基板上に光電変換部を構成するフォトダイオード部が形成され、該フォトダイオード部の上方に平坦化層が形成され、また、フォトダイオード部上にパッシベーション膜を兼ねた層内レンズが形成された構造が知られている。さらに、固体撮像素子は、層内レンズの上層に平坦化膜、カラーフィルタ、平坦化膜、オンチップレンズとを順次形成されている。固体撮像素子は、オンチップレンズに入射した光がカラーフィルタを透過し、層内レンズに集光されるとともにフォトダイオード部に受光されることで、フォトダイオード部において電荷信号に変換される構造である。

固体撮像素子は、画像領域の周辺近傍のように、オンチップレンズに入射する光の入射角度が垂直方向に対して傾斜する角度が大きく部位において、オンチップレンズから入射した光が層内レンズに適正に導くことができなくなり、スミア等の要因となってしまうことがあった。そこで、従来では、画像領域に上の位置に応じて層内レンズの位置をずらした構造とするものが提案されている。こうすることで、画像領域の周辺近傍において入射する光の入射角度が大きくなることに起因してスミアなどの不具合が生じることを防止している。

特開平５−７２４０３号公報

しかし、固体撮像素子の製造プロセスにおいて、層内レンズの位置を所定の配置となるように配列することが非常に高い精度を必要とし、製造が困難であった。このように、従来、層内レンズを備え、素子単位で該層内レンズによって光を集光する構成においては、基板上における素子同士の位置に応じて層内レンズの大きさや位置を変えていたが、デバイスの高精細化に伴い、製造プロセスが更に困難になる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、デバイスの特性に応じて所望の屈折率分布で形成でき、固体撮像素子等のデバイスに適したレンズ及びレンズの製造方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、基板上に形成された光透過層とを備え、前記光透過層に、不純物濃度に応じてそれぞれ屈折率が異なる複数の不純物領域が形成され、前記複数の不純物領域のうち一つを中心として、その周囲に他の不純物領域を形成することを特徴とするレンズによって達成される。

また、本発明の上記目的は、基板上に、光透過層を形成し、前記光透過層に、不純物を導入する不純物導入工程を複数回行うとともに、導入する不純物の量を変えることで、不純物濃度の異なる複数の不純物領域を形成することを特徴とするレンズの製造方法によって達成される。

本発明のレンズの製造方法は、光透過層に導入する不純物の量を変えることで、不純物濃度の異なる複数の不純物領域を形成して、不純物濃度に基づいてこれら複数の不純物領域における光の透過率を規定することができる。そして、これら複数の不純物領域のそれぞれの屈折率は導入する不純物の量を調整することで、所望の屈折率を有する不純物領域を形成することができる。また、導入する不純物の領域を所定のパターンを有するマスクなどを用いることで、不純物領域の大きさを任意に定めることができる。こうして、所望の屈折率分布を有するレンズを形成することができる。
例えば固体撮像素子等の特定のデバイスに層内レンズを形成する場合に上記レンズの製造方法を適用すれば、撮像領域の位置に応じて、適した屈折率分布を有するレンズを形成することができ、従来のようにレンズを形成する位置を定める必要が無く、層内レンズを全て同一の形状で且つ等間隔で形成することができ、製造プロセスを簡易化することができる。

不純物導入工程で使用するフォトリソグラフィのマスクパターンをそれぞれ変えることが好ましい。こうすれば、複数の不純物領域における目標の屈折率に基づいてマスクパターンを形成し、不純物濃度を高くしたい領域は、不純物を導入する回数を多くし、不純物濃度を低くしたい領域は不純物を導入する回数を少なくすることによって、レンズが所望の屈折率分布となるように複数の不純物領域を形成することができる。

不純物導入工程として、不純物イオンを注入することが好ましい。こうすれば、不純物イオンの注入回数、注入エネルギー、又は、その不純物イオンの種類によって、目標の屈折率となるようにそれぞれの不純物領域を形成することができる。なお、不純物イオンが、Ａｇ，Ｐｂ，Ｔｌ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｔｉ，Ｃｓのうちいずれかであることが好ましい。

また、光透過層がガラス材料であることが好ましく、特に、光透過層がＳｉＯ_２からなることが好ましい。

本発明によれば、デバイスの特性に応じて所望の屈折率分布で形成でき、固体撮像素子等のデバイスに適したレンズ及びレンズの製造方法を提供できる。

以下、本発明にかかるレンズ及びそのレンズの製造方法の実施形態について、図面を参照し、説明する。
本実施形態の製造方法は、基板上に光透過層を形成し、この光透過層に不純物を導入することで、不純物領域を形成し、光透過層における不純物領域の不純物濃度を高くすることで屈折率を大きくするものである。

図１は、基板上に光透過層を形成した状態を示す図である。シリコンウェハなどの基板１において、レンズを形成する側にＣＶＤなどによって光透過層を形成する。基板１としては、シリコンウェハに限定されず、レンズを形成可能であれば、その他の半導体基板を使用することができる。

なお、本実施形態では、光透過層としてガラス材料を使用することが好ましく、特にＳｉＯ_２を使用することが好ましい。

本実施形態のレンズの製造方法では、不純物濃度の異なる複数の不純物領域を形成するため、不純物を導入する不純物導入工程を複数回行っている。
図２から図４は、それぞれ不純物導入工程を示す図である。図２から図４の不純物導入工程においては、それぞれ一部異なる領域に不純物を導入する工程を行っている。

以下、本実施形態のそれぞれの不純物導入工程について説明する。
本実施形態では、不純物イオンを注入することにより光透過層に不純物を導入している。不純物イオンとしては、例えば、Ａｇ，Ｐｂ，Ｔｌ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｔｉ，Ｃｓのうちいずれかを使用することができる。

先ず、図２に示す工程では、光透過層２上にフォトリソグラフィにより所定のマスクパターンで第１レジストＲ１を形成する。このとき、光透過層２において、不純物イオンの注入を行う領域を除く領域を覆うように、マスクパターンによって第１レジストＲ１を形成する。マスクパターンに形成された開口の形状は目標とするレンズの寸法に応じて設定すればよく、特に限定されない。

そして、図示しないイオン注入装置によって不純物イオンをマスクを介して光透過層２に注入し、第１不純物領域２ａを形成する。その後、レジスト剥離（アッシング）装置などを使用して光透過層１から第１レジストＲ１を剥離する。

次に、図３に示す工程のように、光透過層２において、不純物イオンの注入を行う領域及び第１不純物領域２ａを除く領域を覆うように、マスクパターンによって第２レジストＲ２を形成する。そして、イオン注入装置によって不純物イオンをマスクを介して光透過層２に注入する。

ここで、光透過等２における第１不純物領域２ａでは、前回の不純物導入工程で導入された不純物イオン加え、今回の不純物イオンが重畳され、より不純物濃度が高くなる。また、第１不純物領域２ａを除く、不純物イオンが導入された第２不純物領域２ｂにも不純物イオンが導入されるため、第１不純物領域２ａよりは低いものの、不純物濃度が大きくなる。不純物イオンの注入後、レジスト剥離装置などを使用して光透過層１から第２レジストＲ２を剥離する。

次に、図４に示す工程のように、光透過層２において、今回不純物イオンの注入を行う領域と第１不純物領域２ａと第２不純物領域を除く領域を覆うように、マスクパターンによって第３レジストＲ３を形成する。そして、イオン注入装置によって不純物イオンをマスクを介して光透過層２に注入する。

ここで、光透過等２における第１不純物領域２ａと第２不純物領域２ｂでは、前回の不純物導入工程で導入された不純物イオン加え、今回の不純物イオンが重畳され、より不純物濃度が高くなる。また、第１不純物領域２ａと第２不純物領域２ｂを除く、不純物イオンが導入された第３不純物領域２ｃにも不純物イオンが導入されるため、第１不純物領域２ａと第２不純物領域２ｂよりは低いものの、不純物濃度が大きくなる。このとき、第１不純物領域２ａと第２不純物領域２ｂとには同じ条件で不純物イオンが注入されるため、それぞれの領域同士の不純物濃度の差は相対的に変化しない。不純物イオンの注入後、レジスト剥離装置などを使用して光透過層１から第３レジストＲ３を剥離する。

図５（ａ）本実施形態のレンズの製造方法によって得られるレンズを模式的に示した図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すレンズの各不純物領域の屈折率分布を示す図である。
レンズ１０は、基板１の上面視（図５（ａ）の正面視）において、第１不純物領域２ａ中心として、該第１不純物領域２ａを囲むように正円形状に第２不純物領域２ｂが形成され、また、第１不純物領域２ａ及び第２不純物領域２ｂを囲むように正円形状に第３不純物領域２ｃが形成されている。

図５（ｂ）に示すように、上記工程において、不純物イオンが３回注入された第１不純物領域２ａが最も不純物濃度が高いことから、最も屈折率が大きくなる。また、不純物イオンが２回注入された第２不純物領域２ｂは、第２不純物領域２ｂの次に屈折率が大きくなる。不純物イオンが１回注入された第３不純物領域２ｃが最も不純物濃度が低くなることから、これら不純物領域の中で最も屈折率が小さくなる。

本実施形態では、計３回の不純物イオンの注入を行うことで３つの不純物領域を形成したが、不純物イオンを注入する回数は特に限定されない。また、不純物領域の数は特に限定されず、所望のレンズの屈折率分布に適応するように、任意の数の不純物領域を形成することができる。

本実施形態では、レンズの中央部の屈折率がレンズ周囲の屈折率より大きくなる構造としたが、これに限定されない。例えば、レンズは、レンズ周囲の屈折率がレンズの中央部の屈折率より大きくなる構造としてもよい。

不純物イオンを注入する際に、光透過層２において注入される不純物の深さを制限するため、ストッパ層を形成してもよい。

本発明にかかるレンズの製造方法は、光透過層１に導入する不純物の量を変えることで、不純物濃度の異なる複数の不純物領域２ａ，２ｂ，２ｃを形成して、不純物濃度に基づいてこれら複数の不純物領域２ａ，２ｂ，２ｃにおける光の透過率を規定することができる。そして、これら複数の不純物領域２ａ，２ｂ，２ｃのそれぞれの屈折率は導入する不純物の量を調整することで、所望の屈折率を有する不純物領域２ａ，２ｂ，２ｃを形成することができる。また、導入する不純物の領域を所定のパターンを有するマスクなどを用いることで、不純物領域２ａ，２ｂ，２ｃの大きさを任意に定めることができる。こうして、所望の屈折率分布を有するレンズ１０を形成することができる。

例えば固体撮像素子等の特定のデバイスに層内レンズを形成する場合に上記レンズの製造方法を適用すれば、撮像領域の位置に応じて、適した屈折率分布を有するレンズを形成することができ、従来のようにレンズを形成する位置を定める必要が無く、層内レンズを全て同一の形状で且つ等間隔で形成することができ、製造プロセスを簡易化することができる。

また、上記実施形態のように、不純物導入工程で使用するフォトリソグラフィのマスクパターンをそれぞれ変えるようにすれば、複数の不純物領域における目標の屈折率に基づいてマスクパターンを形成することで、不純物濃度を高くしたい領域は、不純物を導入する回数を多くし、不純物濃度を低くしたい領域は不純物を導入する回数を少なくすることによって、レンズが所望の屈折率分布となるように複数の不純物領域を形成することができる。

さらに、本実施形態の不純物導入工程のように、不純物イオンを注入すれば、不純物イオンの注入回数、注入エネルギー、又は、その不純物イオンの種類によって、目標の屈折率となるようにそれぞれの不純物領域を形成することができる。

基板上に光透過層を形成した状態を示す図である。 レンズの製造方法における不純物導入工程を示す図である。 レンズの製造方法における不純物導入工程を示す図である。 レンズの製造方法における不純物導入工程を示す図である。 （ａ）本実施形態のレンズの製造方法によって得られるレンズを模式的に示した図である。（ｂ）（ａ）に示すレンズの各不純物領域の屈折率分布を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 光透過層
２ａ 第１不純物領域
２ｂ 第２不純物領域
２ｃ 第３不純物領域
１０ レンズ

Claims (7)

1. 基板上に形成された光透過層とを備え、
   前記光透過層に、不純物濃度に応じてそれぞれ屈折率が異なる複数の不純物領域が形成され、前記複数の不純物領域のうち一つを中心として、その周囲に他の不純物領域を形成することを特徴とするレンズ。
2. 基板上に、光透過層を形成し、
   前記光透過層に、不純物を導入する不純物導入工程を複数回行うとともに、導入する不純物の量を変えることで、不純物濃度の異なる複数の不純物領域を形成することを特徴とするレンズの製造方法。
3. 不純物導入工程で使用するフォトリソグラフィのマスクパターンをそれぞれ変えることを特徴とする請求項２に記載のレンズの製造方法。
4. 前記不純物導入工程として、不純物イオンを注入することを特徴とする請求項２又は３に記載のレンズの製造方法。
5. 前記不純物イオンが、Ａｇ，Ｐｂ，Ｔｌ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｔｉ，Ｃｓのうちいずれかであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載のレンズの製造方法。
6. 前記光透過層がガラス材料であることを特徴とする請求項２から５のいずれか１つに記載のレンズの製造方法。
7. 前記光透過層がＳｉＯ_２からなることを特徴とする請求項２から６のいずれか１つに記載のレンズの製造方法。

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