JP2009087983A - 固体撮像装置及び固体撮像装置製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズの配置によらず望遠側，広角側の何れの場合も感度シェーディングを改善することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、フォトダイオード（ＰＤ）１２、層内レンズ３６、マイクロレンズ３９等から構成される。フォトダイオード１２は、半導体基板２１に２次元に配列されて設けられ、マイクロレンズ３９，層内レンズ３６によって導かれる入射光５１ａ，ｂを信号電荷へと光電変換する。マイクロレンズ３９は、フォトダイオード１２が配列された撮像領域の周辺部分で、中心位置が撮像領域の中央の方向にシフトするようにスケーリングした配置に設けられている。層内レンズ３６は、撮像領域の中央からの距離に応じて、撮像領域の周辺部分では、真上から見たときの大きさ，厚さ，曲率半径が大きくなるようにスケーリングされて設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、２次元に配列されたフォトダイオードに効率良く光を集光するためにスケーリングして配置されたマイクロレンズを有する固体撮像装置に関し、さらに詳しくは、マイクロレンズとともに層内レンズが設けられた固体撮像装置に関する。

デジタルカメラ等の電子式カメラにはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の固体撮像装置が用いられている。

近年では、固体撮像装置の小型化，高画素化が進んでいる。これにともなって開口面積が小さくなったフォトダイオードに、被写体からの光を効率良く集光し、感度を向上させることを目的として、固体撮像装置内にはマイクロレンズが設けられている。このマイクロレンズは、２次元に配列されたフォトダイオードの各々に対応するように２次元に配列して設けられる。

また、固体撮像装置のフォトダイオードは２次元に配列して設けられているから、この配列の中央付近のフォトダイオードに入射する光の角度と、周辺部分のフォトダイオードに入射する光の角度とが異なる。したがって、単純に各々のフォトダイオードの直上にマイクロレンズを配置しても、中央部分のフォトダイオードへの集光効率と比較して、周辺部分のフォトダイオードへの集光効率は悪く、いわゆる感度シェーディングが生じてしまう。こうしたことから、マイクロレンズは各々のフォトダイオードの直上に設けられるのではなく、周辺部分のマイクロレンズほど対応するフォトダイオードよりも中央寄りの配置となるように、フォトダイオードの配列に対してスケーリングされた配列で設けられる。

一方、上述のようなマイクロレンズだけでなく、フォトダイオードが形成される半導体上の層構造の中に、より集光効率を高めるためのレンズ、いわゆる層内レンズが設けられた固体撮像装置が知られている。この層内レンズは、一般に、転送電極の段差を覆うように薄いリフロー膜を設けることで生じるフォトダイオードの開口部上の凹部に、高屈折率材料からなる層を設けることで作製される。

近年では、フォトダイオードが配列された撮像領域の中央部分と周辺部分とで、この層内レンズを曲率が異なるように形成したり（特許文献１）、周辺部分の層内レンズの面形状を非対称に形成することにより（特許文献２）、さらに周辺部分のフォトダイオードの集光効率を向上させ、感度シェーディングを改善した固体撮像装置が知られている。

また、固体撮像装置は、カラー画像を得るために、例えばＲＧＢのカラーフィルタで各々のフォトダイオードを覆い、各フォトダイオードはいずれか１色の光を光電変換するように設けられている。したがって、層内レンズを全ての色のフォトダイオードに共通の形状に設けると、波長に応じて集光効率が異なってしまうため、いわゆる色シェーディングが生じる。こうしたことから、層内レンズの曲率形状を、ＲＧＢ各色ごとに異なる曲率形状となるように形成することで、色シェーディングを軽減する固体撮像装置が知られている（特許文献３）。
特開２００１−１９６５６８号公報 特開２００２−１５１６７０号公報 特開２００６−９３４５６号公報

上述のような固体撮像装置は、内視鏡やデジタルカメラなど様々な撮像装置に搭載される。これらの撮像装置、例えばデジタルカメラには、ズーム比の特に大きなズームレンズ、すなわち超望遠，超広角のズームレンズの搭載が強く望まれている。このようなズーム比の大きなズームレンズを搭載する撮像装置では、撮像領域の周辺部分に位置するフォトダイオードに入射する被写体からの光の角度は、望遠側と広角側とで大きく異なる。

前述のように、フォトダイオードの配列に対してスケーリングした配列にマイクロレンズを設けたり、曲率形状が撮像領域の中央部分と周辺部分とで異なるように層内レンズを配置したり、撮像領域の周辺部分における層内レンズの曲率形状が非対称になるように層内レンズを設けるなどの調節をすれば、比較的小さなズーム比のズームレンズを用いる撮像装置においても、感度シェーディングはある程度は軽減される。

しかしながら、近年求められているズーム比の大きい超望遠，超広角のレンズでは、撮像領域の周辺部分に位置するフォトダイオードへの光の入射角度が望遠側と広角側とで大きく異なるために、前述のような従来の方法では望遠側で感度シェーディングを改善し、かつ、広角側においても感度シェーディングを改善することは困難である。

例えば、撮像領域の周辺部分に配置されたフォトダイオードに光が最も傾斜して入射する広角端で感度シェーディングを改善するように、マイクロレンズの配置や層内レンズの曲率形状等を調節すれば、撮像領域内の全てのフォトダイオードに略垂直に光が入射する望遠端では層内レンズ等が十分に機能せず入射光の一部が転送電極を覆う遮光膜に遮られるなどして、かえって感度シェーディングが顕著に生じてしまう。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、望遠側と広角側とでともに感度シェーディングを改善する固体撮像装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、２次元配列された複数のフォトダイオードの各々に被写体からの光を集光させるように、前記フォトダイオードの配列に対して配置がスケーリングされたマイクロレンズを有する固体撮像装置であり、前記フォトダイオードと前記マイクロレンズとの間に、各々の前記フォトダイオードごとに層内レンズを設けるとともに、前記層内レンズは、前記フォトダイオードが配列された撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど真上から見たときの大きさを大きくしたことを特徴とする。

また、前記層内レンズは、前記撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど厚くなるようにしたことを特徴とする。

また、前記層内レンズは、前記撮像領域の中央部分に設けられたものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど曲率半径を大きくしたことを特徴とする。

また、前記層内レンズは、前記撮像領域の中央部分に設けられたものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど、対応する前記フォトダイオードの中心位置から前記撮像領域の中央部分の方向に中心位置が偏っていることを特徴とする。

前記層内レンズは、上凸レンズであることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置製造方法は、複数のフォトダイオードを２次元に配列して設けるとともに、前記フォトダイオードを駆動する回路を半導体基板に形成するフォトダイオード形成ステップと、前記フォトダイオードが配列された撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分のものほど真上から見たときの大きさが大きい層内レンズを各々の前記フォトダイオードに対応して設ける層内レンズ形成ステップと、前記フォトダイオードの配列に応じて配置がスケーリングされたマイクロレンズを設けるマイクロレンズ形成ステップと、を備えることを特徴とする。

また、前記層内レンズ形成ステップは、前記撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど真上から見たときの大きさが大きい異方的なレジストパターンを設ける異方的レジストパターニングステップと、前記異方的レジストパターニングステップで設けられた前記レジストパターンを転写するように、前記フォトダイオードの中央部分と周辺部分とで均一な条件でエッチングを行う均一エッチングステップと、を備えることを特徴とする。

また、異方的な前記レジストパターンは、前記撮像領域の中央部分に位置するものとよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど、対応する前記フォトダイオードの中心位置から前記撮像領域の中央部分の方向に中心位置が偏っていることを特徴とする。

また、前記層内レンズ形成ステップは、前記フォトダイオード形成ステップで設けられた前記フォトダイオードの位置に応じて、前記フォトダイオードの配列の中央部分と周辺部分とで寸法が同一のレジストパターンを設ける等方的レジストパターニングステップと、前記フォトダイオードの配列の中央部分と周辺部分とでエッチングガスの濃度分布が異なるように調節してエッチングを行う不均一エッチングステップと、を備えることを特徴とする。

また、前記撮像領域の中央部分をエッチングするエッチングガスの濃度と比較して、前記撮像領域の周辺部分をエッチングするエッチングガスの濃度が低くなるように、前記不均一エッチングステップは前記エッチングガスの濃度分布を調節することを特徴とする。

本発明によれば、望遠側と広角側とでともに感度シェーディングを改善する固体撮像装置、及びその製造方法を提供することができる。

[固体撮像装置]
図１に示すように、固体撮像装置１０は、インターライン転送方式のＣＣＤ型イメージセンサであり、フォトダイオード（ＰＤ）１２、垂直ＣＣＤ１６、水平ＣＣＤ１７、出力アンプ１８など半導体基板２１上に設けられた各部から構成される。

フォトダイオード１２は、被写体からの光をその強度に正確に比例した信号電荷へと変換する光電変換素子であり、２次元に配列して設けられている。具体的には、フォトダイオード１２は、正方格子状に配列されており、横方向（Ｘ方向）に所定間隔に並べて設けられているとともに、これに直交する縦方向（Ｙ方向）にもまた所定間隔で並べて設けられている。また、フォトダイオード１２上にはＲＧＢ何れか１色の光を透過するカラーフィルタが設けられており、各フォトダイオード１２は、被写体からの光のうちＲＧＢ何れか１色の成分だけを光電変換するように設けられている。このように、フォトダイオード１２が配列された領域が撮像領域２２であり、固体撮像装置１０の前方に設けられたレンズ等によって、この撮像領域２２に被写体像が結像される。

垂直ＣＣＤ１６は、フォトダイオード１２に蓄積された信号電荷を読み出し、縦方向（Ｙ方向）に転送するＣＣＤであり、フォトダイオード１２の各列に設けられている。また、垂直ＣＣＤ１６の終端には、各垂直ＣＣＤ１６に共通の水平ＣＣＤ１７が接続されている。

水平ＣＣＤ１７は、信号電荷を横方向（Ｘ方向）に転送するＣＣＤであり、各々の垂直ＣＣＤ１６の終端に接続されている。また、水平ＣＣＤ１７は、垂直ＣＣＤ１６の列ごとに順に信号電荷を受け取り、転送する。

出力アンプ１８は、水平ＣＣＤ１７の終端に設けられており、水平ＣＣＤ１７によって転送されてきた信号電荷を、その電荷量に応じた電圧信号に変換する。この出力アンプ１８の出力する電圧信号が、画像処理回路（図示しない）で処理されることによって、被写体の画像データとなる。

図２に示すように、半導体基板２１はｎ型のシリコン基板であり、ｎ型基層２６の表層にｐ型ウェル層２７が形成されている。また、このｐ型ウェル層２７には、信号電荷を蓄積するｎ型の蓄積層２８、ｐ型の不純物が高濃度にドープされた高濃度ｐ型（ｐ＋）層２９、電荷転送チャネル３１などが形成されている。

フォトダイオード１２は、半導体基板２１の厚さ方向に設けられた蓄積層２８と高濃度ｐ型層２９とのｐｎ接合からなり、半導体基板２１の表層に埋め込み型のフォトダイオードとして設けられる。このフォトダイオード１２は、前述のように所定の間隔で２次元に配列されている。

電荷転送チャネル３１は、このフォトダイオード１２に隣接するようにｐ型ウェル層２７内に設けられたｎ型のチャネルであり、前述の垂直ＣＣＤ１６を構成する。すなわち、電荷転送チャネル３１は、フォトダイオード１２の配列のＹ方向（図２では紙面に垂直な方向）に延在して設けられており、信号電荷はこの電荷転送チャネル３１に読み出され、転送される。また、この電荷転送チャネル３１は、ｐ型ウェル層２７と高濃度ｐ型層２９とによって対応するフォトダイオード１２の列の各蓄積層２８から離間して設けられている。同様に、電荷転送チャネル３１は、ｐ型ウェル層２７によって隣接する他列のフォトダイオード１２の蓄積層２８から離間して設けられている。

半導体基板２１上には、ゲート絶縁膜３２、転送電極３３、遮光膜４２、第１平坦化層３４、マイクロレンズ３９、第２平坦化層３７、カラーフィルタ３８、マイクロレンズ３９などが設けられている。

ゲート絶縁膜３２は、半導体基板２１の全面に一様に設けられており、酸化シリコンなどの透光性の材料からなる。このゲート絶縁膜３２は、ｐ型ウェル層２７内に形成された電荷転送チャネル３１等の各部と、転送電極３３との間を絶縁する。

転送電極３３は、ポリシリコン等の導電性材料からなり、電荷転送チャネル３１のポテンシャルを調節するゲート電極として設けられている。この転送電極３３は、電荷転送チャネル３１とともに垂直ＣＣＤ１６を構成する。すなわち、転送電極３３に印加する電圧が調節されることにより、蓄積層２８から電荷転送チャネル３１への信号電荷の読み出しや、電荷転送チャネル３１内での信号電荷の転送が制御される。また、転送電極３３は、電荷転送チャネル３１に沿ってフォトダイオード１２の列間に設けられているとともに、これに垂直な方向、すなわちフォトダイオード１２の行間にも同様に設けられており、各フォトダイオード１２間を縫うように縦横に設けられている。これら縦横に設けられた転送電極３３間には、層間絶縁膜４１が設けられている。

遮光膜４２は、タングステン等の遮光性材料からなり、転送電極３３を覆うように設けられている。被写体からの光は撮像領域２２の全体に入射するが、遮光膜４２は、転送電極３３や電荷転送チャネル３１などフォトダイオード１２以外の各部をこの被写体からの光から遮蔽し、スミア等の発生を防止する。一方、遮光膜４２は、フォトダイオード１２の直上には設けられず、開口４３が形成されている。したがって、この開口４３からフォトダイオード１２に入射する光が光電変換され、信号電荷となる。

第１平坦化層３４は、例えばＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）等の透光性材料からなる。この第１平坦化層３４は、転送電極３３，遮光膜４２，フォトダイオード１２の開口４３などの半導体基板２１上の堆積物全体を覆い、転送電極３３等の堆積物による凹凸と比較して十分な厚さに設けられる。また、第１平坦化層３４の上面は、熱処理やＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより一様に平坦化されている。

層内レンズ３６は、第１平坦化層３４上に設けられた上に凸面を向けたレンズであり、被写体からの光を効率良くフォトダイオード１２へと導く。この層内レンズ３６は、各々のフォトダイオード１２に対応する位置に配列して設けられている。また、後述するように、層内レンズ３６は、フォトダイオード１２の配列に応じて、真上から見たときの大きさ，厚さ，曲率半径等がスケーリングされている。

第２平坦化層３７は、第１平坦化層３４の上に、層内レンズ３６を覆うように設けられている。この第２平坦化層３７は、第１平坦化層３４と同様にＢＰＳＧ等の透光性材料からなり、層内レンズ３６の厚さと比較して十分な厚さに設けられ、その表面は熱処理やＣＭＰによって平坦化されている。

カラーフィルタ３８は、第２平坦化層３７上に設けられており、撮像領域２２に入射する光のうち、所定の色を選択的に透過させる。このカラーフィルタ３８は、赤色を透過するフィルタ、緑色を透過するフィルタ、青色を透過するフィルタからなり、これら各色のフィルタは各々のフォトダイオード１２に入射する光が透過する位置に応じて、隙間なく配列されている。また、カラーフィルタ３８は透明な樹脂材料からなり、透過させる色に応じて部分的に所定の顔料が含有されている。

マイクロレンズ３９は、カラーフィルタ３８上に設けられた上に凸面を向けたレンズであり、被写体からの光を効率良くフォトダイオード１２へと導く。このマイクロレンズ３９は、各々のフォトダイオード１２に対応する位置に配列して設けられている。また、マイクロレンズ３９の配列は、フォトダイオード１２の配列に応じてスケーリングされている。

例えば、撮像領域２２の中央部分では、マイクロレンズ３９はフォトダイオード１２の直上に設けられ、マイクロレンズ３９の中心位置はフォトダイオード１２の中心位置と略一致するように設けられている（図２）。同時に、層内レンズ３６の中心位置もフォトダイオード１２の中心位置に略一致するように設けられている。

また、撮像領域２２の中央部分では、固体撮像装置１０の撮像領域２２に被写体像を結像させるズームレンズ（以下、単にズームレンズと称す）が望遠側の配置であるか広角側の配置であるかによらず、入射光５１ａは撮像領域２２に略垂直に入射する。この入射光５１ａは、マイクロレンズ３９や層内レンズ３６によって屈曲され、収斂され、フォトダイオード１２に入射する。

一方、図３に示すように、撮像領域２２の周辺部分では、マイクロレンズ３９は、その中心位置がフォトダイオード１２の直上から撮像領域２２の中央側寄りとなるようにスケーリングされた配置に設けられている。例えば、フォトダイオード１２の中心位置とマイクロレンズ３９の中心位置との間隔をｄとすれば、撮影領域２２の中央に近いほどｄの値は小さく、撮影領域２２の周辺部分ほどｄの値が大きくなるように、マイクロレンズ３９は配置されている。

層内レンズ３６は、撮像領域２２の周辺部分においても、中心位置がフォトダイオード１２の中心位置に一致するように設けられている。しかし、こうした撮像領域２２の周辺部分に位置する層内レンズ３６は、撮像領域２２の中央部分に位置する層内レンズ３６と比較して、固体撮像装置１０を真上から見た場合の大きさ、厚さ、曲率半径等がスケーリングして設けられている。具体的には、周辺部分に位置する層内レンズ３６は、中央部分に位置する層内レンズ３６よりも、真上から見たときの大きさ（径）は大きく、厚さは厚く、そして、曲率半径は大きい。このことは、撮像領域２２の中央部分と周辺部分との差異にとどまらない。すなわち、各々の層内レンズ３６は、撮像領域２２の中央を基準として、この撮像領域２２の中央からの距離に応じて、真上から見たときの大きさは大きく、厚さは厚く、曲率半径は大きくなるようにスケーリングして設けられている。

前述のように、撮像領域２２の中央部分では、望遠側であろうと広角側であろうと入射光５１ａは撮像領域２２に略垂直に入射するが、図３（Ａ）に示すように、撮像領域２２の周辺部分では、ズームレンズが広角側に配置されているほど、入射光５１ｂは撮像領域２２に傾斜して入射する。固体撮像装置１０の層内レンズ３６は、撮像領域２２の周辺部分に位置するほど、径が大きく、厚く、曲率半径が大きくなるようにスケーリングして設けられているから、撮像領域２２に斜めに入射する入射光５１ｂは、この層内レンズ３６やマイクロレンズ３９等によって屈曲され、収斂され、遮光膜４２などに遮られることなくフォトダイオード１２に到達する。

さらに、図３（Ｂ）に示すように、撮像領域２２の周辺部分においても、ズームレンズが望遠側に配置されていると、入射光５１ａは撮像領域２２に垂直に入射する。このとき、層内レンズ３６が、大きさ，厚さ，曲率半径等がスケーリングして設けられているために、撮像領域２２の周辺部分に垂直に入射する入射光５１ａもまた、この層内レンズ３６やマイクロレンズ３９によって屈曲され、収斂され、遮光膜４２などに遮られることなくフォトダイオード１２に到達する。

一方、図４に示すように、固体撮像装置５６には、撮像領域２２の周辺部分においても、撮像領域２２の中央部分と同様のスケールで配列された層内レンズ５７が設けられているとする。すなわち、層内レンズ５７は、大きさ，厚さ，曲率半径等のスケールが中央部分のものと周辺部分のものとで全く同様に設けられているとする。また、図４（Ａ）に示すように、ズームレンズが広角側に配置されている場合に、撮像領域２２の周辺部分に斜めに入射する入射光５１ｂが、遮光膜４２等に遮られることなくフォトダイオード１２に到達するように、層内レンズ５７は大きさ，厚さ，曲率半径等が定められている。

このとき、図４（Ｂ）に示すように、ズームレンズを望遠側に配置すると、撮像領域２２の周辺部分であっても、入射光５１ａは撮像領域２２に略垂直に入射する。しかし、層内レンズ５７は、撮像領域２２の周辺部分であってもその中央部分のものと同じスケールで設けられているから、マイクロレンズ３９や層内レンズ５７によって屈曲，収斂された入射光５１ａの一部は遮光膜４２等に遮られ、フォトダイオード１２には到達しない。

以上のように、固体撮像装置１０は、撮像領域２２の中央を基準として、この撮像領域２２の中央からの距離に応じて、層内レンズ３６の寸法をスケーリングして設けられているから、この固体撮像装置１０に被写体像を結像させるズームレンズが、広角側，望遠側の何れに配置されていようとも入射光をフォトダイオード１２へと導くことができる。すなわち、ズームレンズが望遠側，広角側のいずれの場合であっても感度シェーディングを改善することができる。

[固体撮像装置の製造方法]
上述の固体撮像装置１０を製造する場合には、まず、半導体基板２１に埋め込み型のフォトダイオード１２やこのフォトダイオード１２を制御する回路等を形成する（フォトダイオード形成ステップ）。具体的には、図５に示すように、ｎ型のシリコンからなる半導体基板２１の表層に、イオン注入などによりｐ型の不純物を一様にドープし、ｐ型ウェル層２７を形成する。さらに、ｎ型の蓄積層２８と高濃度ｐ型層２９とをｐｎ接合を、イオン注入などにより半導体基板２１の表層に形成し、フォトダイオード１２を形成する。このとき、同様にしてフォトダイオード１２に隣接するように電荷転送チャネル３１を設ける。こうしてフォトダイオード１２の形成された半導体基板２１上に、フォトダイオード１２を駆動する回路等、すなわちゲート絶縁膜３２や転送電極３３、層間絶縁膜４１、遮光膜４２等をパターニングする。このように形成されるフォトダイオード１２は、前述のように２次元に配列されている。

次に、図６に示すように、転送電極３３や遮光膜４２といった半導体基板２１に設けられた構造物と比較して十分な厚みとなるようにＢＰＳＧを堆積させる。そして、このＢＰＳＧの表面を熱処理とＣＭＰにより平坦化し、第１平坦化層３４を形成する。

こうして形成された第１平坦化層３４の上には、層内レンズ３６を形成する（層内レンズ形成ステップ）。具体的には、図７に示すように、第１平坦化層３４の上に、層内レンズ３６となるレンズ材料６１、例えば透明な樹脂を堆積する。

さらに、このレンズ材料６１の上にレジストを塗布し、マスク６２を用いてこのレジストをパターニングする（異方的レジストパターニングステップ）。ここで用いるレジストは、後述するエッチングの速度がレンズ材料６１と略等しくなるように選択される。また、このとき用いるマスク６２は、図８に示すように、中央のマスクパターン６３ａを基準とすると、この中央のマスクパターン６３ａからの距離に応じてマスクパターン６３ａを拡大したマスクパターン６３ｂ，ｃが設けられている。すなわち、中央のマスクパターン６３ａを周囲に配置されたマスクパターン６３ｂは、中央のマスクパターン６３ａと比較してサイズが大きくなっている。また、周辺部分に配置されたマスクパターン６３ｃは、マスクパターン６３ａ，ｂと比較して最も大きなパターンとなっている。また、マスク６２に設けられたマスクパターン６３ａ〜ｃの配列は、フォトダイオード１２の配列に対応して縦横に配列されている。

半導体基板２１に既に形成されているフォトダイオード１２の配列に対して、マスク６２を正確に位置合わせし、塗布したレジストを露光，現像し、パターニングすると、図９に示すように、マスク６２のマスクパターン６３ａ〜ｃと同様のレジストパターンがレンズ材料６１上に残る。こうして形成されるレジストパターン６４は、層内レンズ３６に対応するように、図９（Ａ）に示すように撮像領域２２の中央部分では小さく、図９（Ｂ）に示すように撮像領域２２の周辺部分では中央部分のレジストパターン６４と比較して大きい。すなわち、レジストパターン６４は、撮像領域２２の中央からの距離に応じて大きさの異なる異方的なパターンとなっている。また、レジストパターン６４は、撮像領域２２の何れの部分においても、各レジストパターン６４の中心位置とフォトダイオード１２の中心位置は一致している。

このように層内レンズ３６に対応して設けられたレジストパターン６４は、熱フローにより溶融され、図１０に示すように、表面が層内レンズ３６の面形状そのものに対応するレンズ母型６６が形成される。このレンズ母型６６は、図１０（Ａ）に示すように、撮像領域２２の中央部分では溶融前のレジストパターン６４の大きさを反映したものとなっている。また、図１０（Ｂ）に示すように、撮像領域２２の周辺部分では、溶融前のレジストパターン６４の大きさを反映し、中央部分のレンズ母型６６と比較して、真上から見たときの大きさ（径）が大きく、厚さは厚く、曲率半径は大きいものとなっている。すなわち、レンズ母型６６は、撮像領域２２の中央からの距離に応じて、大きさ，厚さ，曲率半径等がスケーリングされている。

こうして形成されたレンズ母型６６をマスクとして、撮像領域２２の全域で均一な条件下でレンズ材料６１をエッチングすることにより、レンズ母型６６の形状をレンズ材料６１に転写し、層内レンズ３６を形成する（均一エッチングステップ）。具体的には、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、撮像領域２２の中央部分及び周辺部分とで同じ条件でドライエッチングを行う。例えば、エッチングガス６７の濃度，噴射速度等の条件は、撮像領域２２の中央部分（図１１（Ａ））と撮像領域２２の周辺部分（図１１（Ｂ））とで等しくなるように調節されており、撮像領域２２の全面で均一なエッチングが行われる。このとき、レジストのエッチング速度はレンズ材料６１のエッチング速度と等しくなるように選ばれているから、レンズ母型６６とレンズ材料６１とは略均一な速度でエッチングされる。したがって、エッチングが進行するにしたがって徐々にレンズ母型６６の形状がレンズ材料６１に転写される。

このエッチングは、レンズ母型６６の配置されていない平坦部分が第１平坦化層３４に達するまで行われると、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１平坦化層３４上にはレンズ母型６６の形状が正確に転写された層内レンズ３６が形成される。したがって、層内レンズ３６は、その中心位置が各々フォトダイオード１２の中心位置と一致しているともに、撮像領域２２の中央部分のもの（図１２（Ａ））と比較して、撮像領域２２の周辺部分のもの（図１２（Ｂ））ほど、真上から見たときの大きさ（径），厚さ，曲率半径が何れも大きくなるようにスケーリングされている。

こうして層内レンズ３６が形成されると、前述の第１平坦化層３４の形成と同様にして、層内レンズ３６を覆うように第２平坦化層３７が形成される。この第２平坦化層３７の上には、フォトダイオード１２の配列に対応するように、カラーフィルタ３８及びマイクロレンズ３９を形成する。カラーフィルタ３８は、赤色，緑色，青色のフィルタを順に形成する。また、前述の層内レンズ３６と同様に、レンズ材料を堆積し、このレンズ材料上にレジストからなるレンズ母型を設け、このレンズ母型の形状を転写するようにドライエッチングを行い、マイクロレンズ３９を形成する。

マイクロレンズ３９及びカラーフィルタ３８の配列は、フォトダイオード１２の配列に対応しているが、撮像領域２２の中央部分に設けられるものの中心位置が対応するフォトダイオード１２の中心位置と略一致する一方で、撮像領域２２の周辺部分に設けられるものの中心位置は対応するフォトダイオード１２の中心位置よりも中央部分寄りに配置されている。すなわち、撮像領域２２の中央からの距離に応じて、中心位置が撮像領域２２の中央に近づくように、スケーリングされた位置に設ける。

以上のように、撮像領域２２の中央からの距離に応じてサイズが大きくなるレジストパターンを形成し、これを熱処理してレンズ母型６６を形成し、撮像領域２２の全面で均一な条件となるようにエッチングして層内レンズ３６を形成するから、撮像領域２２の中央部分のものと比較して撮像領域２２の周辺部分のものほど、真上から見たときの大きさ（径），厚さ，曲率半径が各々大きくなるように層内レンズ３６を設けることができる。また、こうした層内レンズ３６を設けることにより、ズームレンズが広角側，望遠側の何れの配置であっても感度シェーディングを改善することができる。

上述の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域２２の中央からの距離に応じて大きさ，厚さ，曲率半径等がスケーリングされたレジストパターン６４及びこれを熱処理したレンズ母型６６を設け、撮像領域２２の全域で一様な条件化でエッチングを行い層内レンズ３６を形成するが、これに限らず、レジストパターン６４やこれを熱処理したレンズ母型６６は、撮像領域２２の全域で同じ形状のものであっても良い。

例えば、レンズ材料６１上に塗布したレジストをパターニングする（等方的レジストパターニングステップ）。このとき、図１３に示すように、中央のマスクパターン７１ａを基準として、その周囲に位置するマスクパターン７１ｂ，ｃがこの中央のマスクパターン７１と同じサイズのパターンとなっているマスク７２を用いる。

このマスク７２を用いてパターニングされたレジストパターン７３は、図１４に示すように、撮像領域２２の全域、すなわち中央部分でも周辺部分でも同様の大きさとなる。すなわち、レジストパターン７３は、撮像領域２２内の位置によらず等方的なパターンとなっている。

したがって、このレジストパターン７３を熱処理して形成されたレンズ母型７４は、撮像領域２２内の位置にかかわらず、図１５に示すように、直上から見た大きさ，厚さ，曲率半径等が全て等しく形成される。各々のレンズ母型７４の中心位置は、対応するフォトダイオード１２の中心位置と一致するように形成されている。

そして、形成されたレンズ母型７４をマスクとして、撮像領域２２の位置に応じた条件で、このレンズ母型７４の形状を転写するようにエッチングして層内レンズ３６を形成する（不均一エッチングステップ）。すなわち、図１６（Ａ）に示すように、撮像領域２２の中央付近では、濃度や噴射速度等が所定条件のエッチングガス７６ａによってエッチングを行う。一方、図１６（Ｂ）に示すように、撮像領域２２の周辺部分では、撮像領域２２の中央付近のエッチングガス７６ａと比較して、例えば濃度の低いエッチングガス７６ｂとなるように調節された状態でエッチングを行い、大きさ，厚さ，曲率半径等がスケーリングされた層内レンズ３６を形成する。

このように、撮像領域２２の全域で形状等の等しいレンズ母型７４をマスクとするかわりに、撮像領域２２の中央からの距離に応じてエッチングガスの濃度が低くなるように、撮像領域２２内の位置に応じて不均一な条件に調節してエッチングを行うことで、前述と同様に、大きさ，厚さ，曲率半径等が撮像領域２２の中央からの距離に応じてスケーリングされた層内レンズ３６を形成することができる。

なお、撮像領域２２の全域で共通のサイズ等のレンズ母型７４をマスクとし、エッチング条件を撮像領域２２内で変化させることで層内レンズ３６を形成する場合には、上述のように、エッチングガス６７の濃度分布を変化させることに限らず、噴射速度等の他の各種条件を調節しても良い。

なお、上述の実施形態では、層内レンズ３６の寸法、直上から見たときの大きさ，厚さ，曲率半径が撮像領域２２の中央からの距離に応じてスケーリングされている例を示すが、これに限らず、撮像領域２２の中央からの距離に応じて各々の層内レンズ３６の配置をもスケーリングして設けても良い。

すなわち、図１７（Ａ）に示すように、撮像領域２２の中央部分ではフォトダイオード１２の中心位置と、層内レンズ３６の中心位置、マイクロレンズ３９の中心位置は略一致するように配置する。このとき、図１７（Ｂ）に示すように、撮像領域２２の周辺部分ではフォトダイオード１２の中心位置に対して、層内レンズ３６の中心位置は撮像領域２２の中央の方向にシフトして配置し、また、マイクロレンズ３９の中心位置も、撮像領域２２の中央の方向にシフトして配置する。

また、レジストパターンを形成するときに、予めパターンの配置がスケーリングされたマスクを用いることで、フォトダイオード１２に対する配置をもスケーリングされた層内レンズ３６は作製される。

このように、真上から見たときの大きさ，厚さ，曲率半径だけでなく、対応するフォトダイオード１２に対する配置をもスケーリングして層内レンズ７８を配置することによって、ズームレンズが広角側，望遠側の何れの配置であっても容易に感度シェーディングを改善することができる。

なお、上述の実施形態では、フォトダイオードが正方格子状に配列された例を示すが、これに限らず、ハニカム配列であっても良い。また、上述の実施形態では、固体撮像装置１０はＣＣＤ型の固体撮像装置であるが、これに限らず、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置であっても良い。

固体撮像装置の構成を示す概略図である。 撮像領域中央部分の撮像領域中央を通るＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 撮像領域周辺部分のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 層内レンズの大きさ等がスケーリングされていない場合の撮像領域周辺部分における入射光の様子を示す断面図である。 フォトダイオードを形成する様子を示す断面図である。 第１平坦化層を形成する様子を示す断面図である。 レンズ材料を堆積する様子を示す断面図である。 マスクに設けられたパターンの様子を示す説明図である。 レジストをパターニングする様子を示す断面図である。 レンズ母型を形成する様子を示す断面図である。 撮像領域内で均一な条件のエッチングにより層内レンズを形成する様子を示す断面図である。 形成された層内レンズの様子を示す断面図である。 一様なレジストパターンを形成する時に用いるマスクの様子を示す説明図である。 撮像領域内で一様なレジストパターンの様子を示す断面図である。 撮像領域内で一様なレンズ母型の様子を示す断面図である。 撮像領域内で不均一な条件でエッチングすることにより層内レンズを形成する様子を示す断面図である。 層内レンズの中心位置がスケーリングされて配置される様子を示す断面図である。

符号の説明

１０ 固体撮像装置
１２ フォトダイオード
２１ 半導体基板
２２ 撮像領域
３６，７８ 層内レンズ
３９ マイクロレンズ
６２，７２ マスク
６３ａ〜ｃ，７１ａ〜ｃ マスクパターン
６４，７３ レジストパターン
６６，７４ レンズ母型
６７，７６ａ，ｂ エッチングガス

Claims (10)

1. ２次元配列された複数のフォトダイオードの各々に被写体からの光を集光させるように、前記フォトダイオードの配列に対して配置がスケーリングされたマイクロレンズを有する固体撮像装置において、
   前記フォトダイオードと前記マイクロレンズとの間に、各々の前記フォトダイオードごとに層内レンズを設けるとともに、前記層内レンズは、前記フォトダイオードが配列された撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど真上から見たときの大きさを大きくしたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記層内レンズは、前記撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記層内レンズは、前記撮像領域の中央部分に設けられたものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど曲率半径を大きくした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。
4. 前記層内レンズは、前記撮像領域の中央部分に設けられたものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど、対応する前記フォトダイオードの中心位置から前記撮像領域の中央部分の方向に中心位置が偏っていることを特徴とする請求項１ないし３に記載の固体撮像装置。
5. 前記層内レンズは、上凸レンズであることを特徴とする請求項１ないし４に記載の固体撮像装置。
6. 複数のフォトダイオードを２次元に配列して設けるとともに、前記フォトダイオードを駆動する回路を半導体基板に形成するフォトダイオード形成ステップと、
   前記フォトダイオードが配列された撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分のものほど真上から見たときの大きさが大きい層内レンズを各々の前記フォトダイオードに対応して設ける層内レンズ形成ステップと、
   前記フォトダイオードの配列に応じて配置がスケーリングされたマイクロレンズを設けるマイクロレンズ形成ステップと、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置製造方法。
7. 前記層内レンズ形成ステップは、
   前記撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど真上から見たときの大きさが大きい異方的なレジストパターンを設ける異方的レジストパターニングステップと、
   前記異方的レジストパターニングステップで設けられた前記レジストパターンを転写するように、前記フォトダイオードの中央部分と周辺部分とで均一な条件でエッチングを行う均一エッチングステップと、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置製造方法。
8. 異方的な前記レジストパターンは、前記撮像領域の中央部分に位置するものよりも、前記撮像領域の周辺部分に位置するものほど、対応する前記フォトダイオードの中心位置から前記撮像領域の中央部分の方向に中心位置が偏っていることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置製造方法。
9. 前記層内レンズ形成ステップは、
   前記フォトダイオード形成ステップで設けられた前記フォトダイオードの位置に応じて、前記フォトダイオードの配列の中央部分と周辺部分とで寸法が同一のレジストパターンを設ける等方的レジストパターニングステップと、
   前記フォトダイオードの配列の中央部分と周辺部分とでエッチングガスの濃度分布が異なるように調節してエッチングを行う不均一エッチングステップと、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置製造方法。
10. 前記撮像領域の中央部分をエッチングするエッチングガスの濃度と比較して、前記撮像領域の周辺部分をエッチングするエッチングガスの濃度が低くなるように、前記不均一エッチングステップは前記エッチングガスの濃度分布を調節することを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置製造方法。

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