JP2008016559A

JP2008016559A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2008016559A
Application number: JP2006184735A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Mori; 一英森
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】光導波路内へ効率良く光を導いて受光部への集光効率を向上させる。
【解決手段】固体撮像装置１０は、複数のフォトダイオード１１及び垂直転送路１３が形成された半導体基板１５と、この上に形成された転送電極１７と、遮光膜１８と、開口２０を有する絶縁層２１と、インナーレンズ層２２と、平坦化層２３と、カラーフイルタ２４と、マイクロレンズ層２６とを備えている。フォトダイオード１１の上方に位置するインナーレンズ層２２は、光導波路３１及び凸レンズ面３２が一体に形成されており、凸レンズ面３２から入射した光が光導波路３１の内部に入射してフォトダイオード１１へと光を導く。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像装置に関するものである。

近年、ＣＣＤなどの固体撮像装置を用いて撮像した撮影画像をデジタルの画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像装置では、マトリクス状に配列された受光素子（フォトダイオード）が形成された半導体基板の上面に、各受光素子の位置に合わせた開口を有する遮光膜を形成し、さらにこの遮光膜の開口上方に位置するマイクロレンズを形成しており、このマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、遮光膜の開口を通過して各受光素子に受光される。

一方、最近では、固体撮像装置の小型化、高画素化が益々進んできており、これに伴なって受光素子へ入射光を通過させる開口の面積が小さくなってきている。これにより、従来のマイクロレンズによって受光素子に集光する構造では、集光効率が不十分となってきているため、受光素子への集光効率を高めるための構造を有する固体撮像装置が例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載されている固体撮像装置では、受光部（受光素子）とマイクロレンズとの間に垂直に延びる光導波路が形成されており、マイクロレンズで集光した光を光導波路によって受光部へ導くようにしている。
特開平７−４５８０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている固体撮像装置では、マイクロレンズの光軸付近から入射した光は、光導波路の内部で焦点が結ばれるため受光部へ導くことができるが、マイクロレンズの周縁付近から入射した光は、光導波路の外側へ拡散してしまうため、受光部への集光効率が低く、感度が不十分になってしまう可能性がある。また、上記特許文献１に記載の固体撮像装置では、光導波路の壁面に金属薄膜を形成しているが、この金属薄膜を配しただけでは、受光部へ効率良く光を導くことはできず、マイクロレンズから入射した光を損失してしまう可能性がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、光導波路内へ効率良く光を導き、また光導波路に入射した光の損失を防いで受光部への集光効率を向上させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、複数の受光部が形成された半導体基板と、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズとを備えた固体撮像装置において、前記半導体基板と前記マイクロレンズとの間に位置し、前記受光部からマイクロレンズに向かって垂直に延びる光導波路と、この光導波路の上端部に位置し、上方に向かって凸となる凸レンズとが一体に形成されたインナーレンズ層を備えることを特徴とする。

なお、前記光導波路は、略柱状に形成され、その中央部に位置する高屈折率領域と、側壁部に位置する低屈折率領域とからなることが好ましい。また、前記高屈折率領域は、シリコン窒化物や、樹脂から形成されること、さらにまた、前記低屈折率領域は、空気を封入した空隙部であることが好ましい。

あるいは、前記インナーレンズ層の上面に沿って、カラーフィルタ層を設けることや、前記インナーレンズ層を、複数種類の色のうちいずれかの色で、それぞれ着色することが好ましい。

本発明の固体撮像装置では、半導体基板とマイクロレンズとの間に位置し、受光部からマイクロレンズに向かって垂直に延びる光導波路と、この光導波路の上端部に位置し、上方に向かって凸となる凸レンズとが一体に形成されたインナーレンズ層を備えているので、マイクロレンズから入射した光をインナーレンズの凸レンズによって光導波路へ導き、効率良く受光部へ受光させることができる。

以下、図面を参照して本発明を適用したＣＣＤの構造について説明する。図１は、平面図、図２は、図１のＸ−Ｘ線（水平転送方向Ｈと平行）における断面図である。なお、図１においては、遮光膜など一部の上面構造を省略している。本発明を実施した固体撮像装置としてのＣＣＤ１０は、撮影領域において、２次元マトリクス状に配列された複数のフォトダイオード（受光部）１１を有し、このフォトダイオード１１の各列、すなわち垂直転送方向Ｖに沿って垂直転送路１３が設けられて構成されている。

このＣＣＤ１０の断面構造は、図２に示すように、フォトダイオード（受光部）１１と、このフォトダイオード１１を除く部分に垂直転送路１３を構成する電荷転送部１４が形成された半導体基板１５を備えており、電荷転送部１４の上には、絶縁膜１６を介して転送電極１７が形成される。これら電荷転送部１４及び転送電極１７が垂直転送路１３を構成し、フォトダイオード１１に蓄積された電荷を垂直転送する。なお、転送電極１７はドライエッチング法などによって例えば第１ポリシリコンから形成されている。また、絶縁膜１６は、例えば熱酸化法やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってＳｉＯ_２（二酸化シリコン）から形成される。

さらに、半導体基板１５の上部には、スパッタリング法により例えばアルミニウムなどの金属で形成され、転送電極１７を覆って遮光する遮光膜１８と、この遮光膜１８の上面を覆うとともに、フォトダイオード１１に合わせた位置に形成された開口２０を有する絶縁層２１と、開口２０の内部に位置し、フォトダイオード１１の上方に位置するインナーレンズ層２２と、このインナーレンズ層２２及び絶縁層２１の上方を覆い、その上面が平坦化されるように形成された平坦化層２３と、さらにこの平坦化層２３の上面に位置するカラーフイルタ２４と、このカラーフイルタ２４の上方に位置し、インナーレンズ層２２の上方に位置するように凸レンズ面２５が形成された凸型マイクロレンズ層２６とを備えている。インナーレンズ層２２は、例えば、ＳｉＮ（シリコン窒化物；屈折率１．９〜２．０）などからなり、絶縁層１８、及び平坦化層２３は、例えばＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス；屈折率１．４〜１．５）などからなる。また、カラーフイルタ２４は、３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）又は４色（Ｒ，Ｇ，Ｂ＋中間色）の色に対応する色素がそれぞれ含まれたレジスト材などからなる。

本実施形態形態のインナーレンズ層２２は、例えば図３に示す製造工程に沿って形成される。先ず、インナーレンズ層２２が形成される前の工程では、図３（Ａ）に示すようにフォトダイオード１１及び電荷転送部１４が形成された半導体基板１５の上面に絶縁膜１６、転送電極１７及び遮光膜１８が形成される。なお、この図３（Ａ）に示す状態までは従来の製造方法と同様の工程で形成される。そして図３（Ｂ）に示すように、絶縁膜１６及び遮光膜１８の上面に絶縁層２１を形成し、さらにこの絶縁層２１に開口２０を形成する。なお、この絶縁層２１の開口２０を形成する工程としては、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて所定の開口面積に形成する。次に図３（Ｃ）に示すように、開口２０、及び絶縁層２１の上面まで樹脂材料３０によって覆う。これによって、開口２０の内部に樹脂材料３０が充填されて後述する光導波路３１が形成される。なお、この図３（Ｃ）に示す樹脂材料３０を成膜する際は、プラズマＣＶＤ法などによって形成する。

そして、図３（Ｃ）に示す状態から例えばレジストエッヂバック法などによって、図３（Ｄ）に示すように、光導波路３１の上方に突出する凸レンズ面３２を形成する。なお、このレジストエッジバック法によって凸レンズ面３２を形成する場合、図３（Ｃ）に示す樹脂材料３０の上面に感光材料を塗布し、凸レンズ面３２に対応する部分をマスクするパターンを用いて露光し、不要部分を除去する。なお、この露光の際、凸レンズ面３２に対応する部分の一部も溶解することにより曲面となり、凸レンズ面３２が形成される。

このようにして、フォトダイオード１１からマイクロレンズ層２６に向かって垂直に延びる光導波路３１と、この光導波路３１の上端部に位置し、凸レンズ面３２とが一体に形成されたインナーレンズ層２２が形成される。そして、インナーレンズ層２２が形成された後、平坦化層２３と、カラーフイルタ２４と、凸型マイクロレンズ層２６とが形成され、ＣＣＤ１０の製造工程が終了する。そして、凸レンズ面３２及び光導波路３１を有するインナーレンズ層２２は、図４に示すように、凸レンズ面３２から入射した光が光導波路３１の内部に入射する。よって、マイクロレンズ層２６の凸レンズ２５の周縁付近から入射する光Ｌは、マイクロレンズ層２６の凸レンズ面２５、及びインナーレンズ層２２の凸レンズ面３２によって屈折し、光導波路３１の内部へ集光されてフォトダイオード１１へと導かれる（実線Ｌａで示す光路）。

以下、上記構成の作用について説明する。上述したように、マイクロレンズ層２５から入射した光がインナーレンズ層２２の凸レンズ面３２によって集光されて光導波路３１の内部へと導かれるので、フォトダイオード１１へ効率良く集光を行うことが可能となり、ＣＣＤ１０の感度を向上させることができる。もしインナーレンズ層２２の凸レンズ面３２が無ければ、マイクロレンズ層２６の凸レンズ面２５の周縁付近から入射する光Ｌは、点線Ｌｂで示す光路を通り、光導波路３１へは導かれないため、集光効率が低下するが、本実施形態では、インナーレンズ層２２に凸レンズ面３２を一体に形成しているのでそのようなことが無い。

なお、上記第１の実施形態を適用した構成に対してさらに集光効率の向上を図るための本発明の第２実施形態を以下に説明する。この第２実施形態を適用したＣＣＤ４０は、例えば図５に示すように、インナーレンズ層４１を備える。なお、上記第１実施形態と同様の形状及び材料を用いているものについては同符号を付して説明を省略する。インナーレンズ層４１は、上記第１実施形態と同様に、フォトダイオード１１の上方からマイクロレンズ層２６に向かって垂直に延びる光導波路４２と、この光導波路４２の上端部に位置する凸レンズ面４３とを一体に形成している。光導波路４２は、その側壁部、すなわち開口２０の内周面に沿って形成される薄膜状の低屈折率領域４４（屈折率Ｎ_１）と、この低屈折率領域４４を除く光導波路４１の略中央部分に形成される高屈折率領域４５（屈折率Ｎ_２）とからなる。高屈折率領域４５は、低屈折率領域４４よりも屈折率が高い材料で形成される（Ｎ_１＜Ｎ_２）。よって、高屈折率領域４５と低屈折率領域４４の境界面４６における臨界角をθとすると、この境界面４６では全反射の条件；ｓｉｎθ＝Ｎ_１／Ｎ_２の式をほぼ満たすため、凸レンズ面４３から光導波路４２へ入射した光Ｌｃは、境界面４６で全反射してフォトダイオード１１へ導かれる。これによって、集光効率がさらに向上する。なお、上述した条件を満たすインナーレンズ層４１を形成するためには、高屈折率領域４５を例えば、ＳｉＮ（シリコン窒化物；屈折率Ｎ_１＝１．９〜２．０）、またはレジスト材などの樹脂から形成し、低屈折率領域４４を例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート；屈折率Ｎ_２＝１．４９）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール；屈折率Ｎ_２＝１．５）などの樹脂、またはＳｉＯ_２（二酸化シリコン；屈折率Ｎ_２＝１．４６）などから形成することが好ましい。あるいは低屈折率領域４４としては、光導波路４２の壁面部に空隙を形成して空気（屈折率Ｎ_２＝１）を封入した状態にしてもよい。このように一般的に使用される材料又は空気から光導波路４２が形成されているため、ＣＣＤ（固体撮像装置）１０を容易且つローコストに製造することができる。

このような低屈折率領域４４と高屈折率領域４５とを有するインナーレンズ層４１を形成するためには、例えば図６に示すような製造工程に沿って形成される。先ず、上記第１実施形態と同様に、フォトダイオード１１及び電荷転送部１４が形成された半導体基板１５の上面に絶縁膜１６、転送電極１７及び遮光膜１８が形成された状態から、図６（Ａ）に示すように、絶縁膜１６及び遮光膜１８の上面に絶縁層２１を形成し、さらにこの絶縁層２１に開口２０を形成した状態にする。なお、この絶縁層２１に開口２０を形成する工程としては、上記第１実施形態と同様である。次に図６（Ｂ）に示すように、開口２０の内周及び絶縁層２１の上面に沿って薄膜５１を形成する。そして、開口２０の内周面に形成された薄膜５１のみを残し、それ以外を異方的に除去するように、ＲＩＥ法などによりエッチング処理して低屈折率領域４４を形成する。

次に図６（Ｃ）に示すように、開口２０、及び絶縁層２１の上面まで樹脂材料５２によって覆う。これによって、開口２０の内部に樹脂材料５２が充填されて高屈折率領域４５が形成される。なお、この図６（Ｃ）に示す樹脂材料５２を成膜する際は、プラズマＣＶＤ法などによって形成する。そして、図６（Ｃ）に示す状態から例えばレジストエッヂバック法などによって、図６（Ｄ）に示すように、光導波路４２の上方に突出する凸レンズ面４３を形成する。なお、この凸レンズ面４３を形成する工程としては上記第１実施形態と同様である。

また、低屈折率領域４４として光導波路の側壁部に空隙部を形成して空気を封入する場合は、以下の図７に示す製造工程に沿ってＣＣＤの製造を行う。先ず、フォトダイオード１１及び電荷転送部１４が形成された半導体基板１５の上面に絶縁膜１６、転送電極１７遮光膜１８、及び絶縁層２１を形成し、さらにこの絶縁層２１に開口２０を形成するまでの工程は上記実施形態と同様である。次に開口２０の内周及び絶縁層２１の上面に沿って薄膜６０を形成する。そして薄膜６０が形成された状態の開口２０の内部に樹脂材料６１、例えばＳｉＮを充填する（図７（Ａ）に示す状態）。なお、この樹脂材料６１は、後の工程で高屈折率領域４５となる部分である。そして、薄膜６０を全て除去するように、ＲＩＥ法などによりエッチング処理する。これによって、高屈折率領域４５の周囲に空隙部６２が形成された状態となる（図７（Ｂ）に示す状態）。

次に図７（Ｃ）に示すように、絶縁層２１、樹脂材料６１、及び空隙部６２の上面に樹脂材料６３を被覆する。なお、この際、被覆する樹脂材料６３としては粘性の高いもの、例えばＳｉＮを使用する。粘性の高い樹脂材料６３を使用することによって、空隙部６２が埋められることを防止し、空隙部６２の内部に空気が封入された低屈折率領域４４を形成することができる。

そして、図７（Ｃ）に示す状態から例えばレジストエッヂバック法などによって、図７（Ｄ）に示すように、光導波路４２の上方に突出する凸レンズ面４３を形成する。なお、この凸レンズ面４３を形成する工程としては上記第１実施形態と同様である。

なお、上記実施形態では、インナーレンズ層の上方、且つマイクロレンズ層２５の下面に沿ってカラーフィルタを配しているが、本発明はこれに限るものではなく、図８に示すようにインナーレンズ層２２の凸レンズ面３２の上面に沿ってカラーフィルタ層７０を設ける構成としてもよい。なお、この場合、マイクロレンズ層２５の下面に沿って設けるカラーフィルタは不要である。よって、従来のカラーフィルタを無くした分だけ固体撮像装置の薄型化を図ることができる。

あるいは、インナーレンズ層に着色してカラーフィルタとしての機能を持たせるようにしてもよく、例えば、ＰＶＡに合成染色材料を混合して着色したもの、あるいは周知の顔料分散技術によって形成したカラーレジスト材などからインナーレンズ層を形成すればよい。また、この場合もカラーフィルタを別に設ける必要はない。

上記実施形態においては、ＣＣＤに適用した例を上げているが、本発明はこれに限るものではなくＣＭＯＳなど他の固体撮像装置にも適用することができる。

本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラや携帯電話用のカメラ部等の各種撮像装置に適用される他、電子内視鏡等の医療機器にも適用される。

第１実施形態を実施した固体撮像装置の一例を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ線における要部断面図である。インナーレンズを製造するときの工程を示す説明図である。インナーレンズ面付近を拡大した要部断面図ある。反射面における入射光と反射光の関係の概要を示す説明図である。第２実施形態を実施した固体撮像装置を示す平面図である。第２実施形態の固体撮像装置を構成するインナーレンズを製造するときの工程を示す説明図である。第２実施形態の変形例でインナーレンズを製造するときの工程を示す説明図である。カラーフィルタをインナーレンズ上面に形成した例を示す要部断面図である。

符号の説明

１０ＣＣＤ（固体撮像装置）
１１フォトダイオード（受光部）
１５半導体基板
２２インナーレンズ
３１，４２光導波路
３２，４３凸レンズ面
４４低屈折率領域
４５高屈折率領域

Claims

複数の受光部が形成された半導体基板と、前記受光部の上方に位置するマイクロレンズとを備えた固体撮像装置において、
前記半導体基板と前記マイクロレンズとの間に位置し、前記受光部からマイクロレンズに向かって垂直に延びる光導波路と、この光導波路の上端部に位置し、上方に向かって凸となる凸レンズとが一体に形成されたインナーレンズ層を備えることを特徴とする固体撮像装置。
前記光導波路は、略柱状に形成され、その中央部に位置する高屈折率領域と、側壁部に位置する低屈折率領域とからなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記高屈折率領域は、シリコン窒化物から形成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記高屈折率領域は、樹脂から形成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記低屈折率領域は、空気を封入した空隙部であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の固体撮像装置。
前記インナーレンズ層の上面に沿って、カラーフィルタ層を設けることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の固体撮像装置。
前記インナーレンズ層は、複数種類の色のうちいずれかの色で、それぞれ着色されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の固体撮像装置。