JP2008172091A - Solid-state imaging device - Google Patents

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香織 布施
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雅章 小川
Toshihiko Kitamura
敏彦 北村
Akira Komatsu
公 小松
Yasuhisa Omuro
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device having high utilization efficiency of light. <P>SOLUTION: The solid-state imaging device 1 includes: a substrate 2; photo diodes 3 formed in a matrix on the surface of the substrate 2; first micro lenses 10 formed above the substrate 2; and second micro lenses 12 formed above the first micro lenses, wherein the first micro lenses 10 and the second micro lenses 12 are arranged in a checkerboard pattern, as viewed from a direction perpendicular to the substrate 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、受光部ごとにマイクロレンズを設けた固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device in which a microlens is provided for each light receiving unit.

従来より、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）センサーなどの固体撮像装置においては、半導体基板の表層部に複数の光電変換部が形成されており、半導体基板上には配線層が設けられており、配線層上における光電変換部に対応する位置には、それぞれマイクロレンズが設けられている。半導体基板の表面に垂直な方向から見て、光電変換部はマトリクス状に配列されており、マイクロレンズは光電変換部に一対一で対応しているため、マイクロレンズもマトリクス状に配列されている（例えば、特許文献１参照。）。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a solid-state imaging device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, a plurality of photoelectric conversion portions are formed on a surface layer portion of a semiconductor substrate, and a wiring layer is formed on the semiconductor substrate. Are provided, and microlenses are respectively provided at positions corresponding to the photoelectric conversion portions on the wiring layer. As viewed from the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, the photoelectric conversion units are arranged in a matrix, and the microlenses correspond to the photoelectric conversion units on a one-to-one basis, so the microlenses are also arranged in a matrix. (For example, refer to Patent Document 1).

このようなマイクロレンズは、配線層上に感光性のレンズ材料を塗布して材料層を形成し、この材料層をフォトリソグラフィ法によってパターニングして、マイクロレンズが形成される予定の領域ごとに区画し、その後、区画された材料層をリフローすることにより形成される。このとき、区画された材料層がリフローによって溶融し、表面張力によってそれぞれ液滴形状となり、これが凝固することによってレンズ形状となる。   In such a microlens, a photosensitive lens material is applied onto a wiring layer to form a material layer, and this material layer is patterned by a photolithography method, and is divided into regions where microlenses are to be formed. And then reflowing the partitioned material layer. At this time, the partitioned material layer is melted by reflow, and each has a droplet shape due to surface tension, which solidifies into a lens shape.

しかしながら、このような従来の固体撮像装置には、以下に示すような問題点がある。すなわち、上述の如く、半導体基板の表面に垂直な方向から見て、マイクロレンズはマトリクス状に配列されているが、各マイクロレンズの形状は円形である。また、材料層を溶融させてマイクロレンズを形成する際に、区画された材料層同士が接触してしまうと最適なレンズ形状が得られないため、マイクロレンズ同士は離隔して形成する必要がある。このため、隣り合うマイクロレンズ間には必然的に隙間が形成されてしまい、特に、マトリクスの斜め方向において隣り合うマイクロレンズ間には大きな隙間が形成されてしまう。このような隙間は、入射した光が光電変換部に到達しない無効領域となる。このため、従来の固体撮像装置は、光の利用効率が低く、感度が低い。   However, such a conventional solid-state imaging device has the following problems. That is, as described above, the microlenses are arranged in a matrix as viewed from the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, but the shape of each microlens is circular. Further, when the microlens is formed by melting the material layer, an optimum lens shape cannot be obtained if the partitioned material layers come into contact with each other. Therefore, it is necessary to form the microlenses apart from each other. . For this reason, a gap is inevitably formed between adjacent microlenses, and in particular, a large gap is formed between adjacent microlenses in the diagonal direction of the matrix. Such a gap becomes an invalid area where incident light does not reach the photoelectric conversion unit. For this reason, the conventional solid-state imaging device has low light use efficiency and low sensitivity.

特開２００５−３１７７５２号公報JP 2005-317752 A

本発明の目的は、光の利用効率が高い固体撮像装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device with high light use efficiency.

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板にマトリクス状に形成された光電変換部と、前記基板上における一部の前記光電変換部に対応する位置に設けられた第１のマイクロレンズと、前記第１のマイクロレンズよりも上方であって、残りの前記光電変換部に対応する位置に設けられた第２のマイクロレンズと、を備え、前記基板の表面に垂直な方向から見て、前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとは市松模様状に配置されていることを特徴とする固体撮像装置が提供される。   According to one embodiment of the present invention, a substrate, a photoelectric conversion unit formed in a matrix on the substrate, and a first microlens provided at a position corresponding to a part of the photoelectric conversion unit on the substrate And a second microlens provided above the first microlens and at a position corresponding to the remaining photoelectric conversion unit, and viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate The solid-state imaging device is provided in which the first microlens and the second microlens are arranged in a checkered pattern.

本発明によれば、光の利用効率が高い固体撮像装置を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a solid-state imaging device with high light utilization efficiency.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図であり、
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の下層及び上層のマイクロレンズの位置関係を例示する平面図である。
なお、図２においては、図を見易くするために、マイクロレンズ以外の構成要素は、図示を省略している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to this embodiment.
FIG. 2 is a plan view illustrating the positional relationship between the lower and upper microlenses of the solid-state imaging device according to this embodiment.
In FIG. 2, the components other than the microlens are not shown in order to make the drawing easier to see.

本実施形態に係る固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳセンサーである。図１に示すように、固体撮像装置１においては、基板２が設けられており、基板２の表層部には、光電変換部としてのフォトダイオード３が形成されている。基板２の表面に垂直な方向から見て（以下、「平面視で」という）、フォトダイオード３はマトリクス状に配列されている。ここで、基板２としては、例えばシリコン基板を用いることができる。   The solid-state imaging device according to the present embodiment is, for example, a CMOS sensor. As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 1 is provided with a substrate 2, and a photodiode 3 as a photoelectric conversion unit is formed on the surface layer portion of the substrate 2. When viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate 2 (hereinafter referred to as “in plan view”), the photodiodes 3 are arranged in a matrix. Here, as the substrate 2, for example, a silicon substrate can be used.

また、基板２上には、配線層４が設けられている。配線層４においては、例えば、ＴＥＯＳ（Tetra-Etyl-Ortho-Silicate：正珪酸四エチル（Si(OC2H5)4））によって形成された層間絶縁膜５内に、金属配線６が多層に埋設されている。金属配線６は、フォトダイオード３の直上域には配設されておらず、直上域間の領域のみに配設されている。 A wiring layer 4 is provided on the substrate 2. In the wiring layer 4, for example, metal wirings 6 are formed in multiple layers in an interlayer insulating film 5 formed of TEOS (Tetra-Etyl-Ortho-Silicate: regular tetraethyl silicate (Si (OC 2 H 5 ) 4 )). Buried. The metal wiring 6 is not disposed in the region directly above the photodiode 3 but is disposed only in the region between the regions directly above.

更に、配線層４上には、ベース層７が設けられている。ベース層７は、平坦化及び光の反射防止のために設けられており、また、固体撮像装置１の製造に際して、レジスト層の露光時に金属配線６によって反射された光を吸収する役割も果たしている。ベース層７は、例えば、アクリル系の透明樹脂によって形成されており、露光にｉ線を用いる場合には、ｉ線吸収剤が含有されている。更にまた、ベース層７上には、カラーフィルター層８が設けられている。カラーフィルター層８は、フォトダイオード３ごとに着色されており、例えば、赤、緑、青に着色されている。更にまた、カラーフィルター層８上には、第１のオーバーコート層９が設けられている。第１のオーバーコート層９は平坦化のために設けられており、例えば、アクリル系の透明樹脂によって形成されている。   Further, a base layer 7 is provided on the wiring layer 4. The base layer 7 is provided for planarization and prevention of light reflection, and also plays a role of absorbing light reflected by the metal wiring 6 during exposure of the resist layer when the solid-state imaging device 1 is manufactured. . The base layer 7 is formed of, for example, an acrylic transparent resin, and contains i-line absorbent when i-line is used for exposure. Furthermore, a color filter layer 8 is provided on the base layer 7. The color filter layer 8 is colored for each photodiode 3, for example, red, green, and blue. Furthermore, a first overcoat layer 9 is provided on the color filter layer 8. The first overcoat layer 9 is provided for planarization, and is made of, for example, an acrylic transparent resin.

そして、第１のオーバーコート層９上には、複数個の第１のマイクロレンズ１０が設けられている。そして、これらの第１のマイクロレンズ１０は第２のオーバーコート層１１によって埋め込まれており、第２のオーバーコート層１１の上面は平坦になっている。第２のオーバーコート層１１も、第１のオーバーコート層９と同様に、例えばアクリル系の透明樹脂により形成されており、平坦性を確保している。   A plurality of first microlenses 10 are provided on the first overcoat layer 9. These first microlenses 10 are embedded with a second overcoat layer 11, and the upper surface of the second overcoat layer 11 is flat. Similarly to the first overcoat layer 9, the second overcoat layer 11 is formed of, for example, an acrylic transparent resin, and ensures flatness.

また、第２のオーバーコート層１１上には、複数個の第２のマイクロレンズ１２が設けられている。従って、第２のマイクロレンズ１２は第１のマイクロレンズ１０よりも上方に位置している。第２のマイクロレンズ１２は、例えば固体撮像装置１の上面において露出している。   A plurality of second microlenses 12 are provided on the second overcoat layer 11. Accordingly, the second microlens 12 is located above the first microlens 10. The second microlens 12 is exposed, for example, on the upper surface of the solid-state imaging device 1.

マイクロレンズ１０及び１２はオンチップマイクロレンズであり、例えば、有機材料によって形成されており、例えば、ノボラック系の樹脂により形成されている。また、上層の第２のマイクロレンズ１２の曲率は、下層の第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きい。すなわち、第２のマイクロレンズ１２の曲率半径は第１のマイクロレンズ１０の曲率半径よりも小さい。更に、第２のマイクロレンズ１２の直径は第１のマイクロレンズ１０の直径よりも小さい。   The microlenses 10 and 12 are on-chip microlenses, which are made of, for example, an organic material, and are made of, for example, a novolac resin. The curvature of the second microlens 12 in the upper layer is larger than the curvature of the first microlens 10 in the lower layer. That is, the radius of curvature of the second microlens 12 is smaller than the radius of curvature of the first microlens 10. Furthermore, the diameter of the second microlens 12 is smaller than the diameter of the first microlens 10.

マイクロレンズ１０及び１２は、それぞれフォトダイオード３に対応する位置に配置されており、１つのフォトダイオード３には１つのマイクロレンズ１０又は１つのマイクロレンズ１２が対応している。すなわち、第１のマイクロレンズ１０は、フォトダイオード３に対応する位置のうち一部の位置に配置されており、第２のマイクロレンズ１２は、残りの位置に配置されている。例えば、固体撮像装置１の撮像面の中央部では、マイクロレンズ１０及び１２は対応するフォトダイオード３の直上域に配置されており、撮像面の周辺部では、マイクロレンズ１０及び１２は対応するフォトダイオード３の直上域から固体撮像装置１の中心軸に寄った位置に配置されている。これにより、１つのマイクロレンズ１０又は１２によって集光された光が、１つのフォトダイオード３に入射する。   The microlenses 10 and 12 are respectively arranged at positions corresponding to the photodiodes 3, and one microlens 10 or one microlens 12 corresponds to one photodiode 3. That is, the first microlens 10 is arranged at a part of the positions corresponding to the photodiode 3, and the second microlens 12 is arranged at the remaining position. For example, in the central part of the imaging surface of the solid-state imaging device 1, the microlenses 10 and 12 are arranged immediately above the corresponding photodiode 3, and in the peripheral part of the imaging surface, the microlenses 10 and 12 correspond to the corresponding photo. It is arranged at a position close to the central axis of the solid-state imaging device 1 from the region directly above the diode 3. Thereby, the light condensed by one microlens 10 or 12 enters one photodiode 3.

そして、図２に示すように、平面視で、第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２とは、市松模様状に配置されている。すなわち、フォトダイオード３の相互に直交する２つの配列方向、すなわち、行方向及び列方向の双方において、第１のマイクロレンズ１０及び第２のマイクロレンズ１２は交互に配列されている。このため、第２のマイクロレンズ１２は、第１のマイクロレンズ１０の斜め上方に位置している。また、第１のマイクロレンズ１０同士は離隔しており、第２のマイクロレンズ１２同士も離隔している。更に、平面視で、隣り合う第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２とは重なり合っており、両マイクロレンズ間に隙間は存在しない。更にまた、第１のマイクロレンズ１０は第２のマイクロレンズ１２によって集光された光の光路に介在しないように配置されている。   As shown in FIG. 2, the first microlens 10 and the second microlens 12 are arranged in a checkered pattern in a plan view. That is, the first microlenses 10 and the second microlenses 12 are alternately arranged in two arrangement directions perpendicular to each other, that is, in both the row direction and the column direction. For this reason, the second microlens 12 is positioned obliquely above the first microlens 10. Further, the first microlenses 10 are separated from each other, and the second microlenses 12 are also separated from each other. Further, the first microlens 10 and the second microlens 12 that are adjacent to each other overlap in a plan view, and there is no gap between the two microlenses. Furthermore, the first microlens 10 is disposed so as not to be interposed in the optical path of the light condensed by the second microlens 12.

次に、本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置の動作を例示する光学モデル図である。
なお、図３においては、固体撮像装置の構成要素のうち、光学的な動作に実質的に影響を与えない構成要素は図示を省略している。 Next, the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment will be described.
FIG. 3 is an optical model diagram illustrating the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment.
In FIG. 3, the components that do not substantially affect the optical operation among the components of the solid-state imaging device are not shown.

図３に示すように、図示の上方から固体撮像装置１の撮像面に入射した光Ｌのうち、上層の第２のマイクロレンズ１２に入射した光は、第２のマイクロレンズ１２によって集光される。一方、光Ｌのうち第２のマイクロレンズ１２に入射しなかった光は、下層の第１のマイクロレンズ１０に入射し、第１のマイクロレンズ１０によって集光される。上述の如く、平面視で、第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２との間には隙間が存在しないため、光Ｌのうち第２のマイクロレンズ１２に入射しなかった光は、そのほぼ全てが第１のマイクロレンズ１０に入射する。これにより、固体撮像装置１の撮像面に入射した光Ｌは、第２のマイクロレンズ１２及び第１のマイクロレンズ１０のうちいずれか一方のみに入射する。   As shown in FIG. 3, among the light L incident on the imaging surface of the solid-state imaging device 1 from above in the drawing, the light incident on the upper second microlens 12 is collected by the second microlens 12. The On the other hand, light that has not entered the second microlens 12 out of the light L enters the first microlens 10 in the lower layer and is collected by the first microlens 10. As described above, since there is no gap between the first microlens 10 and the second microlens 12 in plan view, the light that has not entered the second microlens 12 in the light L is Almost all of them are incident on the first microlens 10. As a result, the light L incident on the imaging surface of the solid-state imaging device 1 enters only one of the second microlens 12 and the first microlens 10.

そして、マイクロレンズ１２又は１０によって集光された光は、図１に示す第１のオーバーコート層、カラーフィルター層８、ベース層７及び配線層４を通過して、基板２に形成されたフォトダイオード３に入射する。フォトダイオード３に入射した光は電気信号に変換され、金属配線６を介して転送される。このとき、配線層４には金属配線６が形成されているが、金属配線６は第２のマイクロレンズ１２及び第１のマイクロレンズ１０とフォトダイオード３とを結ぶ光路上には配置されていないため、集光の邪魔になることはない。また、第２のマイクロレンズ１２の周辺部の直下域には第１のマイクロレンズ１０の周辺部が存在しているが、第２のマイクロレンズ１２の曲率は相対的に大きいため、第２のマイクロレンズ１２によって集光された光が第１のマイクロレンズ１０に入射することはない。   The light condensed by the microlens 12 or 10 passes through the first overcoat layer, the color filter layer 8, the base layer 7 and the wiring layer 4 shown in FIG. The light enters the diode 3. Light incident on the photodiode 3 is converted into an electrical signal and transferred through the metal wiring 6. At this time, although the metal wiring 6 is formed in the wiring layer 4, the metal wiring 6 is not disposed on the optical path connecting the second microlens 12 and the first microlens 10 and the photodiode 3. Therefore, it does not interfere with light collection. Further, although the peripheral portion of the first microlens 10 exists in the region directly below the peripheral portion of the second microlens 12, the second microlens 12 has a relatively large curvature, The light condensed by the microlens 12 does not enter the first microlens 10.

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の製造方法について説明する。
図４（ａ）乃至（ｃ）及び図５（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図４及び図５においては、図を簡略化するために、ベース層７（図１参照）、カラーフィルター層８（図１参照）及び第１のオーバーコート層９（図１参照）は図示を省略している。また、配線層４において、金属配線６（図１参照）も図示を省略している。 Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device 1 according to this embodiment will be described.
4A to 4C and FIGS. 5A to 5D are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a solid-state imaging device according to this embodiment.
4 and 5, in order to simplify the drawings, the base layer 7 (see FIG. 1), the color filter layer 8 (see FIG. 1), and the first overcoat layer 9 (see FIG. 1) are The illustration is omitted. In the wiring layer 4, the metal wiring 6 (see FIG. 1) is also not shown.

先ず、図４（ａ）に示すように、基板２の表層に、複数のフォトダイオード３をマトリクス状に形成する。次に、層間絶縁膜５（図１参照）及び金属配線６（図１参照）を交互に堆積させて、配線層４を形成する。次に、配線層４上にベース層７（図１参照）及びカラーフィルター層８（図１参照）を形成する。次に、カラーフィルター層８上に第１のオーバーコート層９（図１参照）を形成する。そして、第１のオーバーコート層９上に、例えば有機材料からなるマイクロレンズ材をスピンコート塗布にて形成する。   First, as shown in FIG. 4A, a plurality of photodiodes 3 are formed in a matrix on the surface layer of the substrate 2. Next, the interlayer insulating film 5 (see FIG. 1) and the metal wiring 6 (see FIG. 1) are alternately deposited to form the wiring layer 4. Next, a base layer 7 (see FIG. 1) and a color filter layer 8 (see FIG. 1) are formed on the wiring layer 4. Next, a first overcoat layer 9 (see FIG. 1) is formed on the color filter layer 8. Then, a microlens material made of, for example, an organic material is formed on the first overcoat layer 9 by spin coating.

次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりマイクロレンズ材２１をパターニングし、第１のマイクロレンズ１０を形成する予定の領域のみにマイクロレンズ材２１を残留させる。すなわち、平面視で、フォトダイオード３に対応する領域のうちの一部に、例えば正方形状に区画化されたマイクロレンズ材２１のパターンを、市松模様状に残留させる。   Next, as shown in FIG. 4B, the microlens material 21 is patterned by photolithography, and the microlens material 21 is left only in the region where the first microlens 10 is to be formed. That is, the pattern of the microlens material 21 partitioned into, for example, a square shape is left in a checkered pattern in a part of the region corresponding to the photodiode 3 in plan view.

次に、図４（ｃ）に示すように、リフローを行い、パターニングしたマイクロレンズ材２１を溶融させる。これにより、マイクロレンズ材２１の各パターンが表面張力によって液滴形状となる。その後、マイクロレンズ材２１を冷却して凝固させる。この結果、マイクロレンズ材２１から第１のマイクロレンズ１０が形成される。   Next, as shown in FIG. 4C, reflow is performed to melt the patterned microlens material 21. Thereby, each pattern of the microlens material 21 becomes a droplet shape by the surface tension. Thereafter, the microlens material 21 is cooled and solidified. As a result, the first microlens 10 is formed from the microlens material 21.

次に、図５（ａ）に示すように、第１のマイクロレンズ１０を埋め込むように、第２のオーバーコート層１１を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、第２のオーバーコート層１１上に、例えば有機材料からなるマイクロレンズ材２２をスピンコート塗布にて形成する。 Next, as shown in FIG. 5A, the second overcoat layer 11 is formed so as to embed the first microlens 10.
Next, as shown in FIG. 5B, a microlens material 22 made of, for example, an organic material is formed on the second overcoat layer 11 by spin coating.

次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりマイクロレンズ材２２をパターニングし、第２のマイクロレンズ１２を形成する予定の領域のみにマイクロレンズ材２２を残留させる。すなわち、平面視で、フォトダイオード３に対応する領域のうち、第１のマイクロレンズ１０が設けられていない領域に、例えば正方形状のマイクロレンズ材２２のパターンを市松模様状に残留させる。このとき、平面視で、マイクロレンズ材２２の各パターンの大きさを、図４（ｂ）に示す工程において形成したマイクロレンズ材２１の各パターンの大きさよりも小さくする。   Next, as shown in FIG. 5C, the microlens material 22 is patterned by photolithography, and the microlens material 22 is left only in a region where the second microlens 12 is to be formed. That is, in a region corresponding to the photodiode 3 in a plan view, for example, a pattern of the square microlens material 22 is left in a checkered pattern in a region where the first microlens 10 is not provided. At this time, the size of each pattern of the microlens material 22 is made smaller than the size of each pattern of the microlens material 21 formed in the step shown in FIG.

次に、図５（ｄ）に示すように、パターニングしたマイクロレンズ材２２をリフローし、液滴形状とする。これにより、マイクロレンズ材２２から第２のマイクロレンズ１２を形成する。このとき、第２のマイクロレンズ１２の直径は、第１のマイクロレンズ１０の直径よりも小さくなり、第２のマイクロレンズ１２の曲率は、第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きくなる。以上の工程により、図１に示す固体撮像装置１が製造される。   Next, as shown in FIG. 5D, the patterned microlens material 22 is reflowed to form a droplet shape. Thereby, the second microlens 12 is formed from the microlens material 22. At this time, the diameter of the second microlens 12 is smaller than the diameter of the first microlens 10, and the curvature of the second microlens 12 is larger than the curvature of the first microlens 10. Through the above steps, the solid-state imaging device 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、マイクロレンズを２層に形成し、第１及び第２のマイクロレンズを市松模様状に配置することにより、第１のマイクロレンズ同士及び第２のマイクロレンズ同士はそれぞれ十分に離隔しつつ、平面視では第２のマイクロレンズ１２と第１のマイクロレンズ１０とを隙間無く配置することができる。これにより、マイクロレンズ間の無効領域を低減し、固体撮像装置１の撮像面に入射した光の大部分を第２のマイクロレンズ１２又は第１のマイクロレンズ１０に入射させることができる。従って、本実施形態に係る固体撮像装置１は、光の利用効率が高い。 Next, the effect of this embodiment will be described.
In the present embodiment, the microlenses are formed in two layers, and the first and second microlenses are arranged in a checkered pattern so that the first microlenses and the second microlenses are sufficiently separated from each other. While being separated, the second microlens 12 and the first microlens 10 can be arranged without a gap in plan view. Thereby, the ineffective area between the microlenses can be reduced, and most of the light incident on the imaging surface of the solid-state imaging device 1 can be incident on the second microlens 12 or the first microlens 10. Therefore, the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment has high light use efficiency.

また、本実施形態によれば、第１の及び第２のマイクロレンズを市松模様状に配置することにより、各マイクロレンズを加工する際に、マイクロレンズ材のパターン間の間隔を広めに確保することができるため、隣り合うパターン同士が接触してしまい、レンズ形状が崩れることを防止できる。これにより、固体撮像装置の小型化及び高感度化に伴って画素の高密度化が進んでも、マイクロレンズ間の間隔の制御が困難になることがないため、既存のレンズ形成技術によりマイクロレンズを形成することができる。この結果、製造コストが増加することがない。   Further, according to the present embodiment, by arranging the first and second microlenses in a checkered pattern, a large interval between the patterns of the microlens material is ensured when each microlens is processed. Therefore, it is possible to prevent the adjacent patterns from coming into contact with each other and the lens shape from collapsing. As a result, even if the density of the pixels is increased with the downsizing and high sensitivity of the solid-state imaging device, it is not difficult to control the spacing between the microlenses. Can be formed. As a result, the manufacturing cost does not increase.

更に、本実施形態においては、上層の第２のマイクロレンズ１２の曲率を、下層の第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きくしているため、平面視で、第２のマイクロレンズ１２と第１のマイクロレンズ１０とが重なり合っていても、第２のマイクロレンズ１２によって集光された光が、第１のマイクロレンズ１０に入射することを防止できる。これにより、光の利用効率をより一層高めることができる。この場合、固体撮像装置の製造工程において、上層のマイクロレンズ材２２のパターンを下層のマイクロレンズ材２１のパターンよりも小さく形成することにより、第２のマイクロレンズ１２を第１のマイクロレンズ１０よりも小さく形成し、第２のマイクロレンズ１２の曲率を第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きくすることができる。   Further, in the present embodiment, the curvature of the second microlens 12 in the upper layer is larger than the curvature of the first microlens 10 in the lower layer, so that the second microlens 12 and the second microlens 12 in the plan view are displayed. Even if the first microlens 10 overlaps, the light collected by the second microlens 12 can be prevented from entering the first microlens 10. Thereby, the utilization efficiency of light can be improved further. In this case, in the manufacturing process of the solid-state imaging device, the second microlens 12 is made smaller than the first microlens 10 by forming the pattern of the upper microlens material 22 smaller than the pattern of the lower microlens material 21. The curvature of the second microlens 12 can be made larger than the curvature of the first microlens 10.

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置３１においては、ベース層７内に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる層内レンズ３２が埋設されている。層内レンズ３２は、第１のマイクロレンズ１０とフォトダイオード３との間、及び第２のマイクロレンズ１２とフォトダイオード３との間に配置されており、フォトダイオード３に対応する領域の全てに形成されている。従って、フォトダイオード３はマトリクス状に配列されているため、層内レンズ３２もマトリクス状に配列されている。例えば、各フォトダイオード３の直上域には１つの層内レンズ３２が配置されており、その直上域には１つのマイクロレンズ１０又は１２が配置されている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to this embodiment.
As shown in FIG. 6, in the solid-state imaging device 31 according to the present embodiment, an intralayer lens 32 made of, for example, silicon nitride (SiN) is embedded in the base layer 7. The in-layer lens 32 is disposed between the first microlens 10 and the photodiode 3 and between the second microlens 12 and the photodiode 3, and is disposed in the entire region corresponding to the photodiode 3. Is formed. Therefore, since the photodiodes 3 are arranged in a matrix, the inner lenses 32 are also arranged in a matrix. For example, one intra-layer lens 32 is disposed immediately above each photodiode 3, and one microlens 10 or 12 is disposed immediately above the region. Other configurations in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

本実施形態においては、固体撮像装置３１の撮像面に入射した光のうち、第２のマイクロレンズ１２に入射した光は、第２のマイクロレンズ１２を通過することによって集光され、この第２のマイクロレンズ１２の直下に配置された層内レンズ３２を通過することによって更に集光されて、対応するフォトダイオード３に入射する。一方、固体撮像装置３１の撮像面に入射した光のうち、第２のマイクロレンズ１２に入射しなかった光は、第１のマイクロレンズ１０に入射する。そして、第１のマイクロレンズ１０によって集光され、この第１のマイクロレンズ１０の直下に配置された層内レンズ３２を通過することによって更に集光されて、対応するフォトダイオード３に入射する。   In the present embodiment, of the light incident on the imaging surface of the solid-state imaging device 31, the light incident on the second microlens 12 is collected by passing through the second microlens 12, and this second The light is further condensed by passing through the intralayer lens 32 arranged immediately below the microlens 12 and enters the corresponding photodiode 3. On the other hand, the light that has not entered the second microlens 12 out of the light that has entered the imaging surface of the solid-state imaging device 31 enters the first microlens 10. Then, the light is condensed by the first microlens 10, further condensed by passing through the intralayer lens 32 disposed immediately below the first microlens 10, and incident on the corresponding photodiode 3.

このように、本実施形態においては、入射した光がマイクロレンズ１２又は１０と、層内レンズ３２との２枚のレンズを通過するため、前述の第１の実施形態と比較して、より集光効率が高い。なお、層内レンズ３２間には隙間が存在するが、マイクロレンズ１２及び１０の集光作用により、この隙間には実質的に光が入射しないため、この隙間が無効領域となることはない。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。   As described above, in the present embodiment, the incident light passes through the two lenses of the microlens 12 or 10 and the in-layer lens 32, so that it is more concentrated than the first embodiment. High light efficiency. Although there is a gap between the inner lenses 32, light is not substantially incident on this gap due to the light condensing action of the microlenses 12 and 10, so this gap does not become an invalid region. Operations and effects other than those described above in the present embodiment are the same as those in the first embodiment described above.

以上、実施形態を参照して本発明の特徴を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、上述のいずれかの実施形態に対して、当業者が適宜設計変更を加えたもの、工程の変更を加えたもの、構成要素若しくは工程の追加又は削除を行ったものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。例えば、前述の各実施形態においては、基板がシリコン基板である例を示したが、他の半導体基板（例えば、砒化ガリウム、ゲルマニウム、炭化シリコン、窒化ガリウム等）を用いてもよい。更に、前述の各実施形態においては、固体撮像装置がＣＭＯＳセンサーである例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device：電荷結合素子）センサーなど、他の種類の固体撮像装置であってもよい。   The features of the present invention have been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments. For example, any one of the above-described embodiments in which a person skilled in the art appropriately changes the design, adds a change in the process, and adds or deletes a component or a process is also a feature of the present invention. As long as it is provided, it is included in the scope of the present invention. For example, in each of the embodiments described above, an example in which the substrate is a silicon substrate has been shown, but other semiconductor substrates (for example, gallium arsenide, germanium, silicon carbide, gallium nitride, etc.) may be used. Further, in each of the above-described embodiments, an example in which the solid-state imaging device is a CMOS sensor has been shown. However, the present invention is not limited to this, and for example, a CCD (Charge-Coupled Device) sensor or the like. This kind of solid-state imaging device may be used.

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to a first embodiment of the invention. 本実施形態に係る固体撮像装置の下層及び上層のマイクロレンズの位置関係を例示する平面図である。It is a top view which illustrates the positional relationship of the micro lens of the lower layer and upper layer of the solid-state imaging device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る固体撮像装置の動作を例示する光学モデル図である。It is an optical model figure which illustrates operation | movement of the solid-state imaging device concerning this embodiment. （ａ）乃至（ｃ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を例示する工程断面図である。(A) thru | or (c) are process sectional drawings which illustrate the manufacturing method of the solid-state imaging device concerning this embodiment. （ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を例示する工程断面図である。(A) thru | or (d) are process sectional drawings which illustrate the manufacturing method of the solid-state imaging device concerning this embodiment. 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the solid-state imaging device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 固体撮像装置、２ 基板、３ フォトダイオード、４ 配線層、５ 層間絶縁膜、６ 金属配線、７ ベース層、８ カラーフィルター層、９ 第１のオーバーコート層、１０ 第１のマイクロレンズ、１１ 第２のオーバーコート層、１２ 第２のマイクロレンズ、２１、２２ マイクロレンズ材、３１ 固体撮像装置、３２ 層内レンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid-state imaging device, 2 board | substrate, 3 photodiode, 4 wiring layer, 5 interlayer insulation film, 6 metal wiring, 7 base layer, 8 color filter layer, 9 1st overcoat layer, 10 1st micro lens, 11 Second overcoat layer, 12 Second microlens, 21, 22 Microlens material, 31 Solid-state imaging device, 32 In-layer lens

Claims (5)

基板と、
前記基板にマトリクス状に形成された光電変換部と、
前記基板上における一部の前記光電変換部に対応する位置に設けられた第１のマイクロレンズと、
前記第１のマイクロレンズよりも上方であって、残りの前記光電変換部に対応する位置に設けられた第２のマイクロレンズと、
を備え、
前記基板の表面に垂直な方向から見て、前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとは市松模様状に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。 A substrate,
Photoelectric conversion portions formed in a matrix on the substrate;
A first microlens provided at a position corresponding to a part of the photoelectric conversion unit on the substrate;
A second microlens provided above the first microlens and at a position corresponding to the remaining photoelectric conversion unit;
With
The solid-state imaging device, wherein the first microlens and the second microlens are arranged in a checkered pattern when viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate. 前記基板の表面に垂直な方向から見て、前記第１のマイクロレンズの一部と前記第２のマイクロレンズの一部とが相互に重なっていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。   2. The solid-state imaging according to claim 1, wherein a part of the first microlens and a part of the second microlens overlap each other when viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate. apparatus. 前記第１のマイクロレンズは、前記第２のマイクロレンズによって集光された光の光路に介在しないことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。   3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first microlens is not interposed in an optical path of light condensed by the second microlens. 前記第２のマイクロレンズの曲率は、前記第１のマイクロレンズの曲率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a curvature of the second microlens is larger than a curvature of the first microlens. 前記光電変換部と前記第１及び第２のマイクロレンズとの間に配置された層内レンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像装置。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising an intra-layer lens disposed between the photoelectric conversion unit and the first and second microlenses.
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