JP2008244225A - 固体撮像装置，グレースケールマスクおよびカラーフィルタならびにマイクロレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置の撮像領域に結像される像において、撮像領域の中央部と周辺部において生じる色信号レベルの差である、色シェーディングの発生を抑える。
【解決手段】半導体基板１１上に、光電変換素子１３を２次元的に複数備えた固体撮像装置１０Ｂにおいて、光電変換素子１３上に形成する凸状のカラーフィルタ層２２を、撮像領域の周辺部に向うに従い薄膜となるように形成し、さらに光電変換素子１３の中心軸より内側にずれ、かつカラーフィルタ層２２を覆うように形成する凸状のマイクロレンズ２３を、撮像領域の周辺部に向うに従い外側に大きな曲率となり、かつ頂点が光電変換素子１３の中心軸よりも外側に位置するように設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体撮像装置、および固体撮像装置における光電変換素子上に設けられるグレースケールマスク，カラーフィルタ，マイクロレンズに関するものである。

近年、画像のカラー化の進展に伴い、単板カラー型の固体撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型を中心としたデジタルスチルカメラ用や、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型を中心としたカメラ付き携帯電話用などにおいて、カラーフィルタ層とマイクロレンズを有する固体撮像装置に対する小型化および高画素化への要求が増大してきている。

しかし、このような固体撮像装置に対する要求は、受光センサ部である光電変換素子の受光面積を縮小させる結果、固体撮像装置の主要特性である光電変換特性(光感度)を低下させる一因となる。

画素サイズを縮小せずに画素数のみを増加させれば、チップサイズの増大を招き、固体撮像装置を大きくしてしまうため、画素サイズの縮小も同時に実施しなければならない。一般的に、画素サイズを縮小すれば、フォトダイオードに代表される光電変換素子も縮小されるため、その結果、光感度の低下は逃れられない。特に、射出瞳距離が短くなると、撮像領域の中央部と周辺部での光感度差が大きくなり、その結果、シェーディング特性が悪化することが知られている。

一般的に、マイクロレンズへの集光は光の入射角度に依存して低下する。すなわち、光電変換素子に垂直に入射する光については効率良く光電変換素子に集光することができるが、斜めに入る光に対しては効率良く光電変換素子に集光することができない。よって、撮像領域の中央部と周辺部とでは光の入射角が異なるため、周辺部では中央部に比べ光電変換素子への集光が低下するという課題がある。

このような課題を解決する先行技術としては、特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置がある。

図１１は特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置のマイクロレンズの曲率を示す概略等高線図、図１２は射出瞳距離が短い場合における被写体（光源）からＣＣＤ型固体撮像装置に入射する光路の概略図、図１３は、図１１のＸ−Ｘ‘断面における撮像領域の中央部（図１１のＡ部）の固体撮像装置１００Ａの１画素分を示す概略断面図、図１４は、図１１のＸ−Ｘ‘断面における撮像領域の右側周辺部（図１１のＢ部）の固体撮像装置１００Ｂの１画素分を示す概略断面図、図１５は、図１１のＸ−Ｘ‘断面における撮像領域の左側周辺部（図１１のＣ部）の固体撮像装置１００Ｃの１画素分を示す概略断面図である。

図１１において、２３ａはマイクロレンズ２３のマイクロレンズの曲率を示す等高線、４１はＣＣＤ型固体撮像装置の単位画素を示し、図１２において、１３は光電変換素子（ＣＣＤ）、４２は被写体、Ｌは入射する光を示す。

図１３において、１１はＮ型の半導体基板、１２はＰ型ウエル層、１４は転送レジスタ、１５はゲート絶縁膜、１６は転送電極、１７は層間絶縁膜、１８は金属遮光膜、１９は表面保護膜、２０は第二の平坦化膜、２２はカラーフィルタ層、２３は第一のマイクロレンズ、２４は第二のマイクロレンズ、２５は第一の平坦化膜を示す。

図１１，図１２に示す固体撮像装置１００Ａの撮像領域の中央部Ａにおいては、単位画素４１に入射した光Ｌは、図１３に示すように、第一のマイクロレンズ２３により集光され、カラーフィルタ層２２によって色分離された後、第一の平坦化膜２５を介して層内レンズとしての第二のマイクロレンズ２４によってさらに集光される。第二のマイクロレンズ２４によって集光された光Ｌは、第二の平坦化膜２０を通過して金属遮光膜１８で囲まれた開口部に入り、Ｎ型の半導体基板１１に形成された光電変換素子１３に入る。

ここで、第一のマイクロレンズ２３に入射する光は、光電変換素子１３の光入射面に対して垂直方向を向いており、かつ第一のマイクロレンズ２３および第二のマイクロレンズ２４は垂直方向の光を光電変換素子１３に導く形状を有する。よって、第一のマイクロレンズ２３に入射した光は、金属遮光膜１８には進行せず、光電変換素子１３に進行する。

また同様に、撮像領域の右側周辺部Ｂにおいて、単位画素４１に入射した光は、図１４に示すように、第一のマイクロレンズ２３および第二のマイクロレンズ２４によって集光された後、光電変換素子１３に入り光電変換される。ここで、第一のマイクロレンズ２３に入る光は光電変換素子１３の光入射面に対して斜め方向を向いており、第一のマイクロレンズ２３および第二のマイクロレンズ２４は、中央部Ａのマイクロレンズ２３，２４に比べて曲率が大きくなるように形成されている。

さらに、第二のマクロレンズ２４の中心軸Ｌ１は、開口部の中心軸Ｋから撮像領域の中央部寄り、つまり左側にずれており、また第一のマイクレレンズ２３の中心軸Ｌ２は、開口部の中心軸Ｋから第二のマイクロレンズ２４よりも更に左側にずれているので、第一のマイクロレンズ２３に入射した光は光電変換素子１３に進行する。

同様に、撮像領域の左側周辺部において、単位画素４１に入射した光は、図１５に示すように、第一のマイクロレンズ２３および第二のマイクロレンズ２４によって集光された後、光電変換素子１３に入り光電変換される。ここで、第一のマイクロレンズ２３に入る光は光電変換素子１３の光入射面に対して斜め方向を向いており、第一のマイクロレンズ２３および第二のマイクロレンズ２４は中央部Ａのマイクロレンズ２３，２４に比べて曲率が大きくなるように形成されている。さらに、第二のマクロレンズ２４の中心軸Ｍ１は、開口部の中心軸Ｋから撮像領域の中心部寄り、つまり右側にずれており、また第一のマイクレレンズ２３の中心軸Ｍ２は開口部の中心軸Ｋから第二のマイクロレンズ２４よりも更に右側にずれているので、第一のマイクロレンズ２３に入射した光は光電変換素子１３に進行する。

以上のように、特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置は、撮像領域の周辺部において、マイクロレンズの中心軸を開口部の中心軸から撮像領域の中心部寄りにずらすと共に、中心部から周辺部側に行くほどマイクロレンズの曲率を大きくすることにより、周辺部の光電変換素子への集光の低下を防止して固体撮像装置としての高感度化を実現している。
特開２００６−４９７２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置では、光感度に大きな影響を及ぼすカラーフィルタ層について考慮する記載がなく、しかもマイクロレンズ，平坦化膜，カラーフィルタに関する屈折率に関する記載が見られない。

また、固体撮像装置の小型化には更なる薄膜化が必要となる。薄膜化するほど、例えば入射角度依存性，高感度化，シェーディング，ライン濃淡など、多くの特性の向上が期待できる。さらに射出瞳距離が短くなった場合においては、周辺領域での感度低下が顕著となる。

図１６は特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置における撮像領域右側周辺部での光路についての説明図であって、ここで、右側の光路ｈはレンズ表面で反射されてしまうため、光電変換素子１３に到達しない。よって、実質的に有効となる光量は光路ｆと光路ｇの範囲となり、極めて狭い領域での入射光しか集光させることができない。

図１３には特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置における撮像領域中央部での光路について示しており、第一のマイクロレンズ２３に入射した光Ｌは効率よく光電変換素子１３に集光される。すなわち、光量としては、光路ｓ〜ｉ〜ｊの範囲となり大部分の入射光は光電変換される。すなわち、マイクロレンズ２３，２４の曲率を周辺ほど内側に大きくするだけでは大きな集光効果は期待できない。

そこで、本発明は、かかる問題に鑑み、射出瞳距離が短くなった場合においても、周辺領域での感度低下が少なく、さらに薄膜化をも可能としたシェーディング特性に優れた高画質を実現する固体撮像装置、グレースケールマスクおよびカラーフィルタならびにマイクロレンズを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数の光電変換素子上に平坦化膜を介して複数色の凸型のカラーフィルタが所定の位置に形成され、前記各カラーフィルタ上に独立して凸型のマイクロレンズを有する撮像領域が形成された固体撮像装置であって、前記カラーフィルタの頂点を、前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い前記光電変換素子の中心軸から内側にずれるように設定し、前記マイクロレンズの頂点を、前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い前記光電変換素子の中心軸から外側にずれ、かつ凸面外側に大きな曲率となるように設定したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、光電変換素子上に形成するカラーフィルタとマイクロレンズとを密着して形成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、カラーフィルタの屈折率を前記マイクロレンズの屈折率よりも小さくしたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、平坦化膜の屈折率をカラーフィルタの屈折率よりも大きくしたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、カラーフィルタの底面からの高さを撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い低くなるように設定したことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、カラーフィルタ間にカラーフィルタ層よりも薄い黒色フィルタ層を配したことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の固体撮像装置は、撮像領域の遮光膜上に形成する黒色フィルタを、画素ごとに所定の黒色フィルタパターンを射出瞳補正した状態で形成することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、撮像領域に形成するカラーフィルタを、画素ごとに所定のカラーフィルタパターンを射出瞳補正した状態で形成することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、マイクロレンズはカラーフィルタを覆うように設けたことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、カラーフィルタ上に形成するマイクロレンズは、画素ごとに所定のマイクロレンズパターンを射出瞳補正した状態で形成したことを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、マイクロレンズ底面からの高さを、撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い高くなるように設定したことを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置において、複数のマイクロレンズの層が積載されたレンズ構造を有し、少なくとも１層以上のマイクロレンズ層における凸面の曲率を、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従い外側に大きくなるように設定したことを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、固体撮像装置のカラーフィルタ層の形成に用いられるグレースケールマスクであって、複数の単位パターンが２次元的に配置され、当該グレースケールマスクの中央部の前記単位パターンは線対称な透過率分布を有し、かつ当該グレースケールマスクの周辺部の前記単位パターンは非線対称な透過率分布を有するように設定したことを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、固体撮像装置のマイクロレンズ層の形成に用いられるグレースケールマスクであって、複数の単位パターンが２次元的に配置され、当該グレースケールマスクの中心部の前記単位パターンは線対称な透過率分布を有し、かつ当該グレースケールマスクの周辺部の前記単位パターンは非線対称な透過率分布を有するように設定したことを特徴とする。

請求項１５に記載のカラーフィルタに係る発明は、請求項１３に記載のグレースケールマスクを用いたことを特徴とする。

請求項１６に記載のマイクロレンズに係る発明は、請求項１４に記載のグレースケールマスクを用いたことを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像装置において高感度化，小型化および高画質化が可能になり、よって、本発明を採用することにより、画質に優れた小型のカメラを実現することができるなど、実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、図１１〜図１６にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態であるＣＣＤ型固体撮像装置のマイクロレンズの曲率を示す概略等高線図であって、撮像領域での中央１画素と周辺８画素分の配置をレンズ形状後の等高線概略図として示したものである。また、図２は、図１のＸ−Ｘ‘断面における単位画素４１およびその中央領域（図１のＡ部）を示す概略断面図、図３は、図１のＸ−Ｘ‘断面における単位画素４１およびその周辺領域（図１のＢ部）を示す概略断面図、図４は、図１のＸ−Ｘ‘断面における単位画素４１およびその周辺領域（図１のＢ部）を示す概略断面図である。

図１に示すような構成のＣＣＤ型固体撮像装置の撮像領域の中央部Ａにおいて、撮像領域に入射した光は、図２に示すように、固体撮像装置１０Ａの第一のマイクロレンズ２３によって集光され、カラーフィルタ層２２によって色分離された後、平坦化層２０を通過して金属遮光膜１８で囲まれた開口部に入り、半導体基板としてのＳｉ基板１１に形成された光電変換素子１３に入り光電変換される。ここで第一のマイクロレンズ２３およびカラーフィルタ層２２の底面から最も高い位置にある凸面における頂点Ｏ１，Ｏ２は、光電変換素子１３の光入射面の中心を通り、光入射面に垂直な開口部の中心軸Ｎ上にあり、第一のマイクロレンズ２３に入る光は、光電変換素子１３の光入射面に対して垂直方向を向いている。よって、第一のマイクロレンズ２３に入射した光は、金属遮光膜１８には進行せず光電変換素子１３に進行する。このとき、撮像領域中心部における感度は、光入射面に対する光入射角に依存し、光入射角が０度のときに最大となる。

また同様に、撮像領域の右側周辺部Ｂにおいて、図３に示すように、固体撮像装置１０Ｂの撮像領域に入射した光は、第一のマイクロレンズ２３によって集光され、カラーフィルタ層２２によって色分離された後、平坦下層２０を通過して金属遮光膜１８で囲まれた開口部に入り、Ｓｉ基板１１に形成された光電変換素子１３に入り光電変換される。

しかし、第一のマイクロレンズ２３は中央部と異なる形状を有し、凸面の曲率が中心部の第一のマイクロレンズ２３の曲率よりも大きく、カラーフィルタ層２２と第一のマイクロレンズ２３は射出瞳補正されているため、凸面における頂点Ｐ１，Ｐ２が開口部の中心軸Ｎからはずれている。第一のマイクロレンズ２３の凸面における頂点Ｐ１は撮像領域の周辺寄り、つまり右側にずれ、カラーフィルタ層２２の凸面における頂点Ｐ２は撮像領域の中心寄り、つまり左側にずれているので、第一のマイクロレンズ２３に入る光は、光電変換素子１３に進行する。

すなわち、開口部中心軸Ｎに対し、カラーフィルタ層２２の頂点Ｐ２は中心部寄りにあり、第一のマイクロレンズ２３の頂点Ｐ１は開口中心軸Ｎに対し、周辺側（外側あるいは頂点Ｐ２とは開口中心軸Ｎに対して反対側）に位置する。

また同様に、撮像領域の左側周辺部Ｃにおいて、図４に示すように、固体撮像装置１０Ｃの撮像領域に入射した光は、第一のマイクロレンズ２３によって集光され、カラーフィルタ層２２によって色分離された後、平坦化層２０を通過して金属遮光膜１８で囲まれた開口部に入り、Ｓｉ基板１１に形成された光電変換素子１３に入り光電変換される。

しかし、第一のマイクロレンズ２３は中央部と異なる形状を有し、凸面の曲率が中心部の第一のマイクロレンズ２３の曲率よりも大きく、カラーフィルタ層２２と第一のマイクロレンズ２３は射出瞳補正されているため、凸面における頂点Ｑ１，Ｑ２が開口部の中心軸Ｎからはずれている。第一のマイクロレンズ２３の凸面における頂点Ｑ１は撮像領域の周辺寄り、つまり左側にずれ、カラーフィルタ層２２の凸面における頂点Ｑ２は撮像領域の中心寄り、つまり右側にずれているので、第一のマイクロレンズ２３に入る光は、光電変換素子１３に進行する。つまり、開口部中心軸Ｎに対し、カラーフィルタ層２２の頂点Ｑ２は中心部寄りにあり、第一のマイクロレンズ２３の頂点Ｑ１は、開口中心軸Ｎに対し、周辺側（外側あるいは頂点Ｑ２とは中心軸Ｎに対して反対側）に位置する。

図５は前記カラーフィルタ層の膜厚が撮像領域の中心部に比べて周辺部が薄膜化される状態を説明するための図であって、図５（ａ）は撮像領域中心部（図１のＡ部）でのカラーフィルタ層形成後の概略断面図、図５（ｂ）は撮像領域周辺部（図１のＣ部）でのカラーフィルタ層形成後の概略断面図である。

撮像領域の中央部では、図２に示すように、入射光は光電変換素子１３に対し垂直に入るが、撮像領域の周辺部では、図４に示すように、入射光は光電変換素子１３に対し斜めに入射するため、周辺領域と中央部が同じ分光特性を得るためには、同じカラーフィルタ厚である必要がある。すなわち、カラーフィルタ層２２の厚さはｄ１≒ｄ２となるため、撮像領域周辺部での最大フィルタ膜厚は、撮像領域中央部に比べ薄膜化される。さらに、撮像領域周辺部では射出瞳補正されているため、カラーフィルタ層２２の頂点ｅは開口部中心軸Ｎから撮像領域の中心寄りに、すなわち右側にずれている。同時に薄い黒色フィルタ層２１も、カラーフィルタ層２２と同じように右側にずれている。

その後、カラーフィルタ層２２を囲むようにマイクロレンズ（図５では図示を省略）が形成される。ここでカラーフィルタ層２２の形状としては、斜光に対して混色防止に有利となる断面形状が上凸形状となることが望ましい。しかしながら、この上凸形状となるカラーフィルタ層２２が所定の位置にマトリクス状に配置すると単位画素間に隙間が存在してしまい、ここに斜光が入射すると、金属遮光膜１８で反射され、その反射光は迷光となり、光電変換素子１３に進入する。その結果、ライン濃淡，混色，感度ムラなどの不具合が発生する。この課題を解消するために、薄い黒色フィルタ層２１をカラーフィルタ層２２形成前に形成することが望ましい。なお、黒色フィルタ層２１の膜厚としては１００ｎｍ〜２００ｎｍが望ましい。

また、第一のマイクロレンズ２３の凸面の曲率は、図１に示すＣＣＤ型固体撮像装置の概略等高線図に示されるように、撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従い外側に大きくなり、図４に示すように、開口部中心軸Ｎからカラーフィルタ層２２の頂点Ｑ２とは逆方向、すなわち、左側に第一のマイクロレンズ２３の頂点Ｑ１のずれ量が大きくなってきている。つまり、線対称な断面形状を有する第一のマイクロレンズ２３から、断面形状が外側に大きな曲率を有する第一のマイクロレンズ２３に変化している。

また同様に、図３に示すように開口部中心軸Ｎからカラーフィルタ層２２の頂点Ｐ２とは逆方向、すなわち右側に第一のマイクロレンズ２３の頂点Ｐ１のずれ量が大きくなってきている。つまり、線対称な断面形状を有する第一のマイクロレンズ２３から、外側程断面形状が外側に大きな曲率を有する第一のマイクロレンズ２３に変化している。

ここで、マイクロレンズの断面形状とは、マイクロレンズ底面から最も高い位置にあるマイクロレンズの凸面における頂点を通り、光電変換素子１３の光入射面に対して垂直な断面の形状をいう。さらに、撮像領域の周辺部になる程、中央部よりもマイクロレンズの曲率が大きく形成されるため、マイクロレンズの高さも周辺部に向うに従い中心部に比べて高くなる。

次に、本実施形態における断面形状が凸面を有するカラーフィルタ層の形成方法について説明する。

図６（ａ），（ｂ）は断面形状が凸面を有するカラーフィルタ層の形成方法の説明図である。

まず、図６（ａ）に示すように、無機系あるいは有機系の透明材料から構成される平坦化膜６０上に、顔料系あるいは染料系で構成されるネガ型のカラーレジスト６１を塗布する。その後、グレースケールマスク６２を用いてネガ型のカラーレジスト６１を露光かつ現像し、凸面状となるカラーフィルタ層を形成する。

ここで、グレースケールマスク６２には、複数の単位パターンが射出瞳補正され、２次元状に形成されており、複数の単位パターンは、線対称な透過率分布を有する。よって、グレースケールマスク６２の単位パターンを透過する光の強度は、図６（ｂ）に示すようになる。

次に、本実施形態におけるマイクロレンズの形成方法について説明する。

図７（ａ）〜（ｃ）は線対称の断面形状を有する中心部のマイクロレンズの形成方法の説明図である。

まず、図７（ａ）に示すように、無機系あるいは有機系の透明材料から構成されるレンズ材料７０上にポジ型レジスト７１を塗布する。そして、射出瞳補正されたグレースケールマスク７２を用いてポジ型レジスト７１を露光かつ現像し、線対称の断面形状を有する半球形状のマイクロレンズが形成する。

次に、図７（ｂ）に示されるように、周知のエッチバック法によりポジ型レジスト７１の半球形状をレンズ材料７０に転写する。これによって、線対称の断面形状を有する半球形状のマイクロレンズ７０が形成される。

ここで、グレースケールマスク７２には、複数の単位パターンが射出瞳補正され、２次元状に形成されており、複数の単位パターンは、線対称な透過率分布を有する。よって、グレースケールマスク７２の単位パターンを透過する光の強度は図７（ｃ）に示すようになる。

図８（ａ）〜（ｃ）は本実施形態における線対称でない断面形状を有する撮像領域周辺部でのマイクロレンズの形成方法の説明図である。

まず、図８（ａ）に示すように、無機系あるいは有機系の透明材料から構成されるレンズ材料８０上に、ポジ型レジスト８１を塗布する。そして、射出瞳補正されたグレースケールマスク７２を用いてポジ型レジスト８１を露光かつ現像し、線対称でない断面形状を有する半球形状のポジ型レジスト８１が形成される。

次に、図８（ｂ）に示されるように、周知のエッチバック法によりポジ型レジスト８１の半球形状をレンズ材料８０に転写する。これによって、線対称でない断面形状を有する半球形状のマイクロレンズ８０が形成される。

ここで、グレースケールマスク７２には、複数の単位パターンが射出瞳補正され、２次元状に形成されており、複数の単位パターンは線対称でない透過率分布を有する。よって、グレースケールマスク７２の単位パターンを透過する光の強度は図８（ｃ）に示すようになる。このとき、単位パターンでの中心からの最も濃い位置あるいは淡い位置のずれは、グレースケールマスク７２の中央部の単位パターンから外周部の単位パターンに向かうに従い大きくなっている。

以上のように、本実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置によれば、撮像領域の周辺部に入射する、光電変換素子１３の光入射面に対して斜め方向を向いた光を光電変換素子１３に導き、撮像領域の周辺部での光電変換素子１３への集光効率を高めることが可能となり、本実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像装置の高感度化，シェーディング特性の改善，スミア特性の改善，混色防止，感度ムラ防止，小型化を実現することができる。

また、本実施形態での固体撮像装置によれば、カラーフィルタ層２２の薄膜化と、カラーフィルタ層２２を覆うような形でマイクロレンズ２３の曲率を制御することにより、撮像領域周辺部での集光効率を向上させることができる。

よって、特許文献１に記載のＣＣＤ型固体撮像装置よりも光電変換素子からマイクロレンズ頂点までの距離を短くすることができ、その結果、さらなる薄膜化と高画質化が実現できる。

また、本実施形態での固体撮像装置によれば、工程数を増やすことなくＣＣＤ型固体撮像装置の薄膜化及び高画質化を実現することができる。

前記実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置では、射出瞳補正された黒色フィルタ層２１、射出瞳補正を加えたグレースケールマスク６２により断面形状が凸面状となるカラーフィルタ層６１、さらにカラーフィルタ層６１を覆うように射出瞳補正を加えたグレースケールマスク７２により、断面形状が中心部で線対称となる半球形状のマイクロレンズ７０、周辺部に向かうに従い外側に曲率が大きくなるようなマイクロレンズ８０が形成される構成について説明した。

しかし、図９（撮像領域中心部）に示すように、層内下凸レンズを有するＣＣＤ型固体撮像装置であっても、層内下凸レンズ９０を形成した後、透明膜９１により平坦化処理された表面に薄い黒色フィルタ層２１と、グレースケールマスクを用いて形成されるカラーフィルタ層２２と、マイクロレンズ２３とを連続して形成する構造としてもよい。

さらに、図１０（撮像領域周辺部）に示すように、層内下凸レンズを有するＣＣＤ型固体撮像装置であっても、下凸レンズ９０を形成した後、透明膜により平坦化処理された平坦化膜９１上に、射出瞳補正されたマスクを用い、薄い黒色フィルタ層２１を形成し、連続して射出瞳補正されたグレースケールマスクを用い光電変換素子１３上にカラーフィルタ層２２を形成し、さらに射出瞳補正されたグレースケールマスクを用いカラーフィルタ層２２を覆うようにマイクロレンズ２３を形成する構造としてもよい。

すなわち、撮像領域中心部では、開口中心軸Ｎとカラーフィルタ層２２の頂点Ｒ２およびマイクレレンズ２３の頂点Ｒ１が一致する構造であるが、撮像領域周辺部では、開口中心軸Ｎに対し、撮像領域の外側になるに従いカラーフィルタ層２２での頂点Ｒ２は開口中心軸Ｎから内側に変化し、マイクロレンズ２３の頂点Ｒ１は開口中心軸Ｎから反対となる外側に変化する構造となる。

また、入射光はマイクロレンズ表面に垂直に入射する程、集光効率が高いため、マイクロレンズの入射光側は可能な限り平面形状となることが望ましい。

また、本実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置では、マイクロレンズの形成はレジストで断面形状が半球形状を形成後、エッチバック法により、そのレジスト形状をレンズ材料に転写所望とするマイクレレンズを形成するとした。しかし、転写ではなく、マイクロレンズを構成する感光性透明樹脂、例えばアクリル系樹脂に射出瞳補正されたグレースケールマスクを用いて、露光，現像（熱フロー処理を含む）を施すことにより断面形状が半球形状となるマイクロレンズを形成してもよい。

また、本実施形態のＣＣＤ型固体撮像装置は、１層のレンズ構造を有し、光電変換素子上に形成されるカラーフィルタ層を覆うようにマイクロレンズが形成されるとした。または、光電変換素子上に下凸となる第一の層内レンズを有し、透明膜による平坦化処理後カラーフィルタ層を形成し、上凸となる第二のマイクロレンズを形成するとした。しかし、ＣＣＤ型固体撮像装置は上凸となる凸面の曲率が中心部から外周に向かう程大きくなるマイクロレンズを有する２層以上のマイクロレンズが積層された多層のレンズ構造を有してもよい。これにより、ＣＣＤ型固体撮像装置の集光効率をより高くすることができるので、ＣＣＤ型固体撮像装置の更なる高感度化を実現することができる。

また、本実施形態では、凸面の曲率が有効画素領域の中心部から外側に向かうに従い外側に大きくなるマイクロレンズを有する固体撮像装置としてＣＣＤ型固体撮像装置を例示して説明したが、固体撮像装置はＭＯＳ型固体撮像装置であってもよい。

上述したように本実施形態の固体撮像装置は、光電変換素子と、光電変換素子上方に形成された凸型のカラーフィルタ層と、各カラーフィルタ層間に形成された黒色フィルタ層と、凸型カラーフィルタ層上に凸型のカラーフィルタ層を覆うように形成するマイクロレンズとを有する複数の単位画素が２次元状に配列されて撮像領域が形成された固体撮像装置であって、単位画素が有する凸型のカラーフィルタ層は、前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い凸型のカラーフィルタ層の厚さが薄くなる構成になっている。

さらに、凸型のカラーフルタ層の間には迷光を吸収し、高輝度光を吸収するための薄い黒色フィルタ層が形成されている。一般には、金属遮光膜によって光電変換素子以外に入射する光を遮断する構造が知られているが、金属遮光膜であるため入射光が乱反射し、一部は迷光となり光電変換素子に入り込み、スミア特性を悪化させる要因となる。また、高輝度光が入射した場合には金属表面で反射され、フレア特性の悪化を招く。

さらに、凸型のカラーフィルタ層を覆う形で形成するマイクロレンズは、撮像領域の中央部から外側に向かうに従い凸面の曲率が外側に向かって大きくなる構成になっている。また、マイクロレンズは、撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従いマイクロレンズの高さが高くなる。

前記黒色フィルタ層と前記カラーフィルタ層と前記マイクロレンズは、画素ごとに所定のパターンを射出瞳補正した状態で形成される。

撮像領域の中央部における単位画素が有するカラーフィルタ層とマイクロレンズは、凸型のカラーフィルタ層の頂点と、マイクロレンズの凸面の頂点を通り、光電変換素子の光入射面に対して垂直な断面が線対称の形状であり、前記撮像領域の周辺部における単位画素が有するカラーフィルタ層とマイクロレンズは、凸型のカラーフィルタ層の頂点と、マイクロレンズの凸面の頂点は、開口部中心軸とは異なる位置にあり、光電変換素子の光入射面に対して垂直な断面が線対称ではない形状であってもよい。

これにより、中央部から周辺部に向かうに従い凸型のカラーフィルタ層の頂点は、開口部中心軸から徐々に中心方向にずれていく。また、中心部から周辺部に向かうに従い凸型のマイクロレンズの凸面の頂点は、開口部の中心軸から徐々に中心から反対方向にずれていく。

さらに、カラーフィルタ層の高さが中央部のカラーフィルタ層から徐々に低くなるか、あるいはマイクロレンズの高さが中心部のマイクロレンズから徐々に高くなり、撮像領域周辺部での光電変換素子への集効率の低下が抑制されるため、感度，シェーディング，スミア，入射角依存性等に優れた固体撮像装置の小型化及び高画質化を実現できる。

また、前記固体撮像装置は、複数のマイクロレンズ層が積層されたレンズ構造を有し、前記マイクロレンズの凸面の曲率は、少なくとも２層以上のマイクロレンズ層において、前記撮像領域の中心部から周辺部に向かう程大きくなってもよい。

これにより、固体撮像装置の集光効率を高くすることが可能となり、固体撮像装置の更なる高感度化を実現することができる。

また、本実施形態における固体撮像装置のカラーフィルタ層の形成に用いられるグレースケールマスクは、色ごとに複数の単位パターンが所定の位置に２次元状に形成され、単位パターンが線対象な透過率分布を有し、さらに画素ごとに所定のパターンを射出瞳補正された状態とする構成のグレースケールマスクとすることもできる。

また、本実施形態の固体撮像装置のマイクロレンズの形成に用いられるグレースケールマスクは、複数の単位パターンが２次元状に形成され、中心部の単位パターンが線対称な透過率分布を有し、周辺部の単位パターンが線対称でない透過率分布を有し、さらに画素ごとに所定のパターンを射出瞳補正された状態とする構成のグレースケールマスクとすることもできる。

これによって、撮像領域の周辺に向かうに従い凸面外側の曲率が大きくなるマイクロレンズを容易に形成することができるため、小型化および高画質化を実現することが可能な固体撮像装置を低コストで作成することができる。

また、固体撮像装置の製造方法において、前記グレースケールマスクを用いて各カラーフィルタ層とマイクロレンズを積層して形成するようにすることもできる。

これによって、高感度化，小型化および高画質化された固体撮像装置からデータが出力されるので、画質に優れた小型のカメラを実現することができる。

以上、本発明に係るＣＣＤ型固体撮像装置について実施の形態について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形または修正が可能である。

本発明は、固体撮像装置に適用され、特に光電変換素子上に設けられたカラーフィルタおよびマイクロレンズ、あるいは、それらを形成するためのグレースケールマスクなどとして有効である。

本発明の実施形態であるＣＣＤ型固体撮像装置のマイクロレンズの曲率を示す概略等高線図 図１のＸ−Ｘ‘断面における単位画素およびその中央領域（図１のＡ部）を示す概略断面図 図１のＸ−Ｘ‘断面における単位画素およびその周辺領域（図１のＢ部）を示す概略断面図 図１のＸ−Ｘ‘断面における単位画素およびその周辺領域（図１のＣ部）を示す概略断面図 カラーフィルタ層の膜厚が撮像領域の中心部に比べて周辺部が薄膜化される状態を説明するための図であって、（ａ）は撮像領域中心部（図１のＡ部）でのカラーフィルタ層形成後の概略断面図、（ｂ）は撮像領域周辺部（図１のＣ部）でのカラーフィルタ層形成後の概略断面図 （ａ），（ｂ）は断面形状が凸面を有するカラーフィルタ層の形成方法の説明図 （ａ）〜（ｃ）は線対称の断面形状を有する中心部のマイクロレンズの形成方法の説明図 （ａ）〜（ｃ）は本実施形態における線対称でない断面形状を有する撮像領域周辺部でのマイクロレンズの形成方法の説明図 本実施形態の変形例における撮像領域中央部を示す断面概略図 本実施形態の変形例における撮像領域右側周辺部を示す断面概略図 従来のＣＣＤ型固体撮像装置のマイクロレンズの曲率を示す概略等高線図 射出瞳距離が短い場合における被写体（光源）からＣＣＤ型固体撮像装置に入射する光路の概略図 図１１のＸ−Ｘ‘断面における撮像領域の中央部（図１１のＡ部）の固体撮像装置の１画素分を示す概略断面図 図１１のＸ−Ｘ‘断面における撮像領域の右側周辺部（図１１のＢ部）の固体撮像装置の１画素分を示す概略断面図 図１１のＸ−Ｘ‘断面における撮像領域の左側周辺部（図１１のＣ部）の固体撮像装置の１画素分を示す概略断面図 従来のＣＣＤ型固体撮像装置における撮像領域右側周辺部での光路についての説明図

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 固体撮像装置
１１ Ｎ型の半導体基板
１２ Ｐ型のウエル層
１３ 光電変換素子
１４ 転送レジスタ
１５ ゲート絶縁膜
１６ 転送電極
１７ 層間絶縁膜
１８ 金属遮光膜
１９ 表面保護膜
２０，２５，６０，９１ 平坦化膜
２１ 黒色フィルタ層
２２ カラーフィルタ層
２３，２４， マイクロレンズ
４１ 単位画素
６１ ネガ型のカラーレジスト
６２，７２ グレースケールマスク
７０，８０ レンズ材料
７１，８１ ポジ型のレジスト
９０ 層内下凸レンズ

Claims (16)

1. 複数の光電変換素子上に平坦化膜を介して複数色の凸型のカラーフィルタが所定の位置に形成され、前記各カラーフィルタ上に独立して凸型のマイクロレンズを有する撮像領域が形成された固体撮像装置であって、
   前記カラーフィルタの頂点を、前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い前記光電変換素子の中心軸から内側にずれるように設定し、
   前記マイクロレンズの頂点を、前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い前記光電変換素子の中心軸から外側にずれ、かつ凸面外側に大きな曲率となるように設定したことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光電変換素子上に形成する前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとを密着して形成したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記カラーフィルタの屈折率を前記マイクロレンズの屈折率よりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記平坦化膜の屈折率を前記カラーフィルタの屈折率よりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 前記カラーフィルタの底面からの高さを前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い低くなるように設定したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
6. 前記カラーフィルタ間に前記カラーフィルタ層よりも薄い黒色フィルタ層を配したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 前記撮像領域の遮光膜上に形成する黒色フィルタを、画素ごとに所定の黒色フィルタパターンを射出瞳補正した状態で形成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
8. 前記撮像領域に形成する前記カラーフィルタを、画素ごとに所定のカラーフィルタパターンを射出瞳補正した状態で形成することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
9. 前記マイクロレンズは前記カラーフィルタを覆うように設けたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
10. 前記カラーフィルタ上に形成する前記マイクロレンズは、画素ごとに所定のマイクロレンズパターンを射出瞳補正した状態で形成したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
11. 前記マイクロレンズ底面からの高さを、前記撮像領域の中央部から周辺部に向かうに従い高くなるように設定したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
12. 前記複数のマイクロレンズの層が積載されたレンズ構造を有し、少なくとも１層以上のマイクロレンズ層における凸面の曲率を、前記撮像領域の中心部から周辺部に向かうに従い外側に大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
13. 固体撮像装置のカラーフィルタ層の形成に用いられるグレースケールマスクであって、
    複数の単位パターンが２次元的に配置され、当該グレースケールマスクの中央部の前記単位パターンは線対称な透過率分布を有し、かつ当該グレースケールマスクの周辺部の前記単位パターンは非線対称な透過率分布を有するように設定したことを特徴とするグレースケールマスク。
14. 固体撮像装置のマイクロレンズ層の形成に用いられるグレースケールマスクであって、
    複数の単位パターンが２次元的に配置され、当該グレースケールマスクの中心部の前記単位パターンは線対称な透過率分布を有し、かつ当該グレースケールマスクの周辺部の前記単位パターンは非線対称な透過率分布を有するように設定したことを特徴とするグレースケールマスク。
15. 請求項１３に記載のグレースケールマスクを用いたことを特徴とするカラーフィルタ。
16. 請求項１４に記載のグレースケールマスクを用いたことを特徴とするマイクロレンズ。

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