JP2010239077A - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び電子機器 - Google Patents

固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】フレアやゴーストの発生が抑制された固体撮像装置と、その固体撮像装置の製造方法を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像装置１では、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９を用いて入射光を、基板９に形成された受光部２に集光する。また、オンチップマイクロレンズ１９上部には平坦化レンズ層２０を形成する。平坦化レンズ層２０が形成されることによって、固体撮像装置１の光入射面と空気との界面にオンチップマイクロレンズ１９のような周期構造が形成されないので、周期構造物に起因する反射回折光の発生を抑制することができる。これにより、ゴーストやフレアの発生が抑制される。また、オンチップマイクロレンズ１９を矩形形状（又は屈折率分布型）とすることで平坦化レンズ層２０を用いた場合にも十分な集光特性を得ることができ、感度の向上が図られる。
【選択図】図２

Description

本発明は固体撮像装置とその製造方法に関する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
従来、デジタルカメラやビデオカメラに用いられる固体撮像装置として、ＣＣＤ型の固体撮像装置やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。これらの固体撮像装置では、二次元マトリクス状に複数個形成された画素毎に受光部が形成されており、この受光部では、受光量に応じて信号電荷が生成される。そして、受光部で生成された信号電荷が転送され増幅されることにより画像信号が得られる。
近年、これらの固体撮像装置においては、画素サイズの微細化に伴って縮小化される受光部に対する入射光の集光効率を向上させるために、球面形状のオンチップマイクロレンズや屈折率分布型レンズが画素の光入射側に形成されている（特許文献１、特許文献２）。これにより、受光部における入射光の集光効率が向上し、感度特性が向上する。
図２０Ａ，Ｂに、従来例のオンチップマイクロレンズを用いたＣＣＤ型の固体撮像装置の断面構成を示す。図２０Ａに示すように、従来例の固体撮像装置１００は、受光部１０２が形成された基板１０１と、基板１０１上に形成された配線層１１５と、配線層１１５上に形成されたカラーフィルタ層１０９と、オンチップマイクロレンズ１１０とから構成されている。
基板１０１は、シリコン基板により構成されている。受光部１０２は、フォトダイオードによって構成され、基板１０１の所望の領域に複数個マトリクス状に形成されている。また、基板１０１の受光部１０２に隣接する領域には、読み出しチャネル部１０５を介して転送チャネル部１０３が形成されており、この読み出しチャネル部１０５、及び転送チャネル部１０３上の配線層１１５には転送電極１０７が形成されている。転送電極１０７は基板１０１上に形成されたゲート絶縁膜１０６を介して読み出しチャネル部１０５、及び転送チャネル部１０３の上部に形成されている。また、図示しないが、配線層１１５には転送電極１０７の他、層間絶縁膜を介して、所望の配線が形成されている。
そして、受光部１０２と、受光部１０２に隣接して形成された読み出しチャネル部１０５、及び転送チャネル部１０３を含む領域により１画素が構成され、この１画素は素子分離領域１０４によって隣接する画素と分離されている。また、オンチップマイクロレンズ１１０は球面形状に形成されており、この球面形状で構成されるオンチップマイクロレンズ１１０は集光素子として用いられる。
このような構成において、入射されてくる光は球面形状のオンチップマイクロレンズ１１０によって集光され、受光部１０２に入射される。受光部１０２では光電変換により入射光に応じた信号電荷が生成され蓄積される。そして、受光部１０２において蓄積された信号電荷は、転送電極１０７への電圧の印加により読み出しチャネル部１０５を介して転送チャネル部１０３に読み出され、垂直方向に転送される。
ところで、このような従来例の固体撮像装置１００では、空気とオンチップマイクロレンズ１１０の界面は、シリコンからなる基板１０１の界面反射に次いで入射光の反射率が高い界面である。反射率の高い界面においてオンチップマイクロレンズ１１０のような周期構造が形成されている場合、図２０Ｂに示すようにオンチップマイクロレンズ面に平行光からなる入射光Ｌ１が入射されると各画素のオンチップマイクロレンズ面での反射光が干渉する。そうすると、反射光の干渉により反射回折光Ｌ２が構成される。
このため、図２０Ｂに示すように、オンチップマイクロレンズ１１０の上方にカバーガラス若しくは多層膜型の赤外線カットフィルタ等の外部素子１１６が形成されていると、その反射回折光Ｌ２が外部素子１１６に反射される。そして反射回折光Ｌ２が外部素子１１６に反射されることによる回折光Ｌ３が再び受光部１０２に入射されてしまう。このようにして入射される回折光Ｌ３はゴースト・フレアの原因となる。図２１は、従来例の固体撮像装置１００で高輝度の被写体を写したときに得られる画像を概略的に示したものである。図２１に示すように、高輝度の被写体１２１を写した場合前述したようにオンチップマイクロレンズ１１０による周期構造によってできる回折光Ｌ３により、高輝度な被写体の周りにはゴースト１２２が写り込む。
特許文献３にはゴーストを抑制するため、オンチップマイクロレンズの厚みをゴーストが現れにくい厚みに形成することが記載されている。しかしながら、空気とオンチップマイクロレンズの界面に周期構造がある限りフレアやゴーストの発生を劇的に抑制することは難しい。
特開２００４−３０４１４８号公報 特開２００８−１０７７３号公報 特開２００８−６６６６９号公報
上述の点に鑑み、本発明は、フレアやゴーストの発生が抑制された固体撮像装置と、その固体撮像装置の製造方法を提供する。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供する。
本発明の固体撮像装置は、受光部と、オンチップマイクロレンズと、平坦化レンズ層とから構成されている。受光部は、基板に形成され、入射光に応じた信号電荷を生成するものである。また、オンチップマイクロレンズは、受光部上の光が入射される側に形成された矩形形状、又は屈折率分布型のレンズである。平坦化レンズ層は、オンチップマイクロレンズを被覆して、光が入射される面が平坦となるように形成されたレンズである。
本実施形態例の固体撮像装置では、オンチップマイクロレンズ上部に平坦化レンズ層が形成されるため、空気との界面に周期構造が形成されない。このため、反射回折光の発生が抑制される。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に、入射光に応じた信号電荷を生成する受光部を形成する工程、及び受光部上の光が入射される側に矩形形状、又は屈折率分布型のオンチップマイクロレンズを形成する工程を有する。また、オンチップマイクロレンズを被覆して、光が入射される面が平坦となるように形成平坦化レンズ層を形成する工程を含有する。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に、入射光に応じた信号電荷を生成する受光部を形成する工程、受光部上の光が入射される側に矩形形状のオンチップマイクロレンズを形成する工程を有する。また、オンチップマイクロレンズを被覆するように、第１平坦化レンズ層を形成する工程、オンチップマイクロレンズの上面が露出するまで、第１平坦化レンズ層を除去する工程を有する。さらに、オンチップマイクロレンズの上面と、オンチップマイクロレンズの上面の高さまで埋め込まれた第１平坦化レンズ層の上面に、第２平坦化レンズ層を形成する工程を有する。
本発明の電子機器は、光学レンズと、光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路を含んで構成されている。
そして、本発明に用いられる固体撮像装置は受光部と、オンチップマイクロレンズと、平坦化レンズ層とから構成されている。受光部は、基板に形成され、入射光に応じた信号電荷を生成するものである。また、オンチップマイクロレンズは、受光部上の光が入射される側に形成された矩形形状、又は屈折率分布型のレンズである。平坦化レンズ層は、オンチップマイクロレンズを被覆して、光が入射される面が平坦となるように形成されたレンズである。
本発明によれば、フレアやゴーストの発生が抑制された固体撮像装置を得ることができる。また、画質の向上した電子機器を得ることができる。
本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型の固体撮像装置１の概略構成図である。 第１の実施形態の固体撮像装置において水平方向に隣接する画素の断面構成図である。 Ａ，Ｂ 矩形形状を有するオンチップマイクロレンズを用いた場合にオンチップマイクロレンズ内に入射する光の進行方向を説明する図である。 Ａ，Ｂ 第１の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その１）である。 Ｃ，Ｄ 第１の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その２）である。 Ｅ 第１の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その３）である。 比較例１に係る固体撮像装置の断面構成図である。 比較例２に係る固体撮像装置の断面構成図である。 各固体撮像装置をカメラセットに組み込んだ場合、撮影時に発生するゴースト強度をシミュレーションした結果である。 白色感度をシミュレーションにより測定した結果であり、サンプルＡ（従来例の固体撮像装置）における測定結果で規格化したものである。 混色率（任意のメモリ：arbitrary unitで表示）をシミュレーションによって測定した結果である。 比較例１及び比較例２の固体撮像装置において、球面形状のオンチップマイクロレンズの厚み、及び平坦化レンズ層の屈折率の変化に対応した感度特性の変化を示した図である。 第１の実施形態の固体撮像装置において、矩形形状のオンチップマイクロレンズの高さ、及び平坦化レンズ層の屈折率の変化に対応した感度特性の変化を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置において水平方向に隣接する画素の断面構成図である。 Ａ，Ｂ 第２の実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その１）である。 Ｃ 第２の実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その２）である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置において水平方向に隣接する画素の断面構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置において水平方向に隣接する画素の断面構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 従来例に係る固体撮像装置の断面構成図である。 従来例の固体撮像装置で高輝度の被写体を写したときに得られる画像を概略的に示したものである。
以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器の一例を、図１〜図１９を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：固体撮像装置の例
１．１固体撮像装置全体の概略構成
１．２固体撮像装置の断面構成
１．３固体撮像装置の製造方法
１．４固体撮像装置の特性
２．第２の実施形態：固体撮像装置の例
２．１固体撮像装置の断面構成
２．２固体撮像装置の製造方法
３．第３の実施形態：固体撮像装置の例
４．第４の実施形態：固体撮像装置の例
５．第５の実施形態：電子機器
〈１．第１の実施形態：固体撮像装置の例〉
図１〜図１３を用いて、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態例で示す固体撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）型の固体撮像装置を例としたものである。
［１．１ 固体撮像装置全体の構成］
図１は本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ型の固体撮像装置１の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態例の固体撮像装置１は、基板６に形成された複数の受光部２と、垂直転送レジスタ３と、水平転送レジスタ４と、出力回路５とを有して構成されている。そして、１つの受光部２とその受光部２に隣接する垂直転送レジスタ３とにより単位画素７が構成されている。また、複数の画素７が形成される領域が画素部８とされる。
受光部２は、フォトダイオードにより構成され、基板６の水平方向及び垂直方向にマトリクス状に複数個形成されている。受光部２では、光電変換により入射光に応じて信号電荷が生成され、蓄積される。
垂直転送レジスタ３は、ＣＣＤ構造とされ、垂直方向に配列される受光部２毎に垂直方向に複数形成されている。この垂直転送レジスタ３は、受光部２に蓄積された信号電荷を読み出して、垂直方向に転送するものである。本実施形態例の垂直転送レジスタ３が形成されている転送ステージは、図示しない転送駆動パルス回路から印加される転送パルスにより、例えば、４相駆動される構成とされている。また、垂直転送レジスタ３の最終段では、転送パルスが印加されることにより最終段に保持されていた信号電荷が水平転送レジスタ４に転送される構成とされている。
水平転送レジスタ４は、ＣＣＤ構造とされ、垂直転送レジスタ３の最終段の一端に形成されている。この水平転送レジスタ４が形成されている転送ステージは、垂直転送レジスタ３により垂直転送されてきた信号電荷を一水平ライン毎に水平方向に転送する。
出力回路５は、水平転送レジスタ４の最終段に形成されている。出力回路５では、水平転送レジスタ４により水平転送された信号電荷を電荷電圧変換することにより映像信号として出力する。
以上の構成を有する固体撮像装置１により、受光部２により生成・蓄積された信号電荷は垂直転送レジスタ３により垂直方向に転送されて、水平転送レジスタ４内に転送される。そして、水平転送レジスタ４内に転送されてきた信号電荷はそれぞれ水平方向に転送され、出力回路５を介して映像信号として出力される。
［１．２ 固体撮像装置の断面構成］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の画素部８の断面構成について説明する。図２は、本実施形態例の固体撮像装置１の水平方向に隣接する画素７の概略断面構成図である。
図２に示すように、本実施形態例の固体撮像装置１は、基板９と、配線層１７と、カラーフィルタ層１８と、オンチップマイクロレンズ１９と、平坦化レンズ層２０とを含んで構成されている。
基板９は、シリコンからなる半導体基板により構成されている。基板９の光入射側の所望の領域にはフォトダイオードからなる受光部２が形成されている。この受光部２では入射した光が光電変換されることによって信号電荷が生成され、蓄積される。また、受光部２に隣接する領域には、図１に示したＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３を構成する転送チャネル部１１が形成されており、転送チャネル部１１と受光部２との間の領域は読み出しチャネル部１３とされている。受光部２で生成・蓄積された信号電荷は読み出しチャネル部１３を介して転送チャネル部１１に読み出され、転送チャネル部１１内を転送される。そして、一つの受光部２とその受光部２に隣接する転送チャネル部１１とを囲む領域には素子分離領域１２が形成されている。この素子分離領域１２で囲まれた領域が１画素を構成する。
配線層１７は、基板９の転送チャネル部１１及び読み出しチャネル部１３上部にゲート絶縁膜１４を介して形成された転送電極１５と、その転送電極１５を被覆する層間絶縁膜１６とを含んで構成されている。図２では、配線層１７において転送電極１５のみを図示したが、配線層１７にはその他、転送電極１５に駆動パルスを供給するための配線膜やメタル遮光膜等、所望の膜が形成されている。
カラーフィルタ層１８は、平坦化された配線層１７上部に形成され、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各カラーフィルタ層１８が例えばベイヤー配列となるように画素毎に形成されている。
オンチップマイクロレンズ１９は、カラーフィルタ層１８上部に形成され、基板９に形成された受光部２上部において断面が矩形形状となるような凸部１９ａを有し、隣接する画素７間において凹部１９ｂを有して構成されている。また、このような矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９の光が入射される側の面は、平行光の入射方向に対して水平となるように形成されている。このオンチップマイクロレンズ１９を構成する材料としては、スチレン、アクリルなどの有機樹脂や、Ｐ−ＳｉＯ２、Ｐ−ＳｉＮなどの無機材料を用いることができる。
平坦化レンズ層２０は、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９を埋め込んで被覆すするように形成されており、平坦化レンズ層２０上部が平坦化されて形成されている。すなわち、この平坦化レンズ層２０は、図１に示す画素部８の光入射面全体を一様に平坦にするように設けられている。平坦化レンズ層２０を構成する材料としては、フッ素含有樹脂や、Ｐ−ＳｉＯ２、Ｐ−ＳｉＮなどの無機材料を用いることができる。また、平坦化レンズ層２０の屈折率は、下層のオンチップマイクロレンズ１９の屈折率よりも低くなるように構成されており、空気の屈折率とオンチップマイクロレンズ１９の屈折率の中間の屈折率とされている。
ここで、図３Ａ，Ｂを用いて、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９での光の集光の原理を説明する。
図３Ａ，Ｂは、矩形形状を有するオンチップマイクロレンズ１９を用いた場合にオンチップマイクロレンズ１９内に入射する光の進行方向を説明する図である。図３Ａに示すように、矩形形状を有するオンチップマイクロレンズ１９は平坦化レンズ層２０よりも屈折率が大きいため、オンチップマイクロレンズ１９に入射した光の速度（位相速度）は平坦化レンズ層２０内を進む光の速度よりも遅くなり位相差Ｌａが発生する。そうすると、オンチップマイクロレンズ１９の凸部と凹部の境界では光の位相差があるため、図３Ｂに示すように等位相面が曲がり、入射光は結果的にオンチップマイクロレンズ１９の凸部方向に集光されながら進行していく。すなわち、本実施形態例では、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９を用いることにより入射光を曲げて集光させるのではなく、光の位相差を利用して光を集光する。
また、このようなオンチップマイクロレンズ１９では、矩形形状をなす凸部の高さＺを調整することにより、オンチップマイクロレンズ１９が所望の集光力を有するように設計することができる。
以上のように、本実施形態例の固体撮像装置１では、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９により、入射光は受光部２に入射するように集光される。また、本実施形態例の固体撮像装置１では、画素部８の光入射面全面に平坦化レンズ層２０が形成されていることにより、空気との界面が平坦になるので、周期構造に起因する反射回折光が低減される。これによりゴーストやフレアの発生が低減される。
そして、本実施形態例の固体撮像装置１では、オンチップマイクロレンズ１９と平坦化レンズ層２０との屈折率差が小さい場合でも、オンチップマイクロレンズ１９の高さＺを高くすることで集光力を高めることができる。
［１．３ 固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法について説明する。図４Ａ〜図６Ｅは、本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法を示す工程図である。本実施形態例においては、カラーフィルタ層１８を形成する工程までは、通常行われている固体撮像装置の製造方法と同様であるから、説明を省略し、カラーフィルタ層１８を形成した後の工程から説明する。
図４Ａに示すように、カラーフィルタ層１８が形成された後、カラーフィルタ層１８上にスチレン、アクリルなどの有機樹脂、又はＰ−ＳｉＯ２、Ｐ−ＳｉＮなどの無機材料からなるオンチップマイクロレンズ基材２１を塗布する。
次いで、図４Ｂに示すように、オンチップマイクロレンズ基材２１上部に、厚膜レジスト層２２を塗布形成する。
次いで、厚膜レジスト層２２をフォトリソグラフィ法により露光・現像することにより、図５Ｃに示すようにパターニングし、レジストマスク２２ａを形成する。本実施形態例では、図５Ｃに示すように、隣接する画素間において厚膜レジスト層２２が除去されるようにパターニングする。
次いで、パターニング形成されたレジストマスク２２ａにより、オンチップマイクロレンズ基材２１をドライエッチングし、ドライエッチング終了後、レジストマスク２２ａを除去する。これにより、図５Ｄに示すように、基板９に形成された受光部２上部において凸部１９ａを有し、隣接する画素間において凹部１９ｂを有するような矩形形状に整形されたオンチップマイクロレンズ１９が完成する。
次いで、図６Ｅに示すように、オンチップマイクロレンズ１９を埋め込んで被覆するようにオンチップマイクロレンズ１９上全面に平坦化レンズ層２０を形成する。平坦化レンズ層２０は、フッ素含有樹脂、Ｐ−ＳｉＯ２、又はＰ−ＳｉＮからなる平坦化材料をＣＶＤ法により堆積させたり、スピンコート法を用いて塗布したりすることによって形成し、表面が平坦になるように形成される。以上の工程により、本実施形態例の固体撮像装置１が形成される。
［１．４ 固体撮像装置の特性］
次に、比較例１及び比較例２における固体撮像装置を示して、本実施形態例の固体撮像装置１の特性について説明する。
図７は、比較例１に係る固体撮像装置１２０の断面構成図であり、図８は、比較例２に係る固体撮像装置１３０の断面構成図である。図７及び図８における固体撮像装置１２０，１３０は、球面形状のオンチップマイクロレンズを用いた例であり、図７及び図８において図２０Ａに対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
図７に示す比較例１の固体撮像装置１２０は、図２０Ａに示した従来例の固体撮像装置に１００おけるオンチップマイクロレンズ１１０上面に、平坦化レンズ層１１２を形成した例である。この比較例１における固体撮像装置１２０では、図２０Ａに示す従来例の固体撮像装置１００に比較し平坦化レンズ層１１２を構成することによって、屈折率の低い空気（屈折率＝１）と空気に比較して屈折率の高いレンズ材料との界面に周期構造が形成されていない。これにより、従来例の固体撮像装置１００で問題になっていたフレアやゴーストの発生が抑制される。
しかしながら、比較例１のように、球面形状のオンチップマイクロレンズ１１０のままで上部に平坦化レンズ層１１２を形成する構成では、オンチップマイクロレンズ１１０と平坦化レンズ層１１２との屈折率差が小さい。球面形状のオンチップマイクロレンズ１１０を用いる場合には、入射光を屈折させることにより集光しているため、屈折率差がちいさくなると集光力が小さくなってしまい、感度特性が悪化する。
そこで、理想的には図８の比較例２に示すようにオンチップマイクロレンズ１１３の曲率半径を小さくすることで、球面形状のオンチップマイクロレンズ１１３上に平坦化レンズ層１１２を形成した場合でも、感度特性を向上させることができる。
しかしながら、図７及び図８に示すような球面形状のオンチップマイクロレンズは、通常ポジレジストをリフロー法によってリフローすることによって形成するため、半球以上の曲率を有するように形成することができない。
また、図７及び図８に示すように、球面形状のオンチップマイクロレンズ面に入射してきた入射光Ｌ１は、オンチップマイクロレンズの界面で反射し、その反射光Ｌ２は、隣接する画素に入射する。特に、曲率の大きなオンチップマイクロレンズ１１３では、界面角度が大きいため、比較例２では、比較例１に比べ、大きく角度がついた界面における光の反射率が大きく上がってしまう。そうすると、図８に示した固体撮像装置１３０では、隣接する画素に入射してしまう光が多くなり分光特性が損なわれる。このように、界面反射によって隣接する画素に入射されてしまった光は混色の原因となる。混色特性はノイズであるため、わずかな量でも、特性悪化の原因となる。
したがって、比較例１及び比較例２における固体撮像装置１２０，１３０では、ゴーストの発生を抑制できるとしても、感度特性と混色特性が悪化するため実用的ではなく、また、比較例２における固体撮像装置１３０については、製造上実現が困難である。
本実施形態例の固体撮像装置１では、図２に示すようにオンチップマイクロレンズ１９が矩形形状とされるためオンチップマイクロレンズ１９に入射する入射光Ｌ１は、界面において反射され、その反射光Ｌ２は界面に垂直な方向に進行する。このため、隣接する画素に入射することがない。これにより、混色は低減される。
また、本実施形態例の固体撮像装置１では、図６Ａ，Ｂを用いて説明したように、オンチップマイクロレンズ１９の集光特性は、矩形形状の凸部の高さＺを調整することによって高めることができる。このため、高さＺを調整することにより比較例２と同等の集光力を得ることができる。これにより、感度特性を向上させることができる。
図９〜図１３を用いて、図２０Ａに示した従来例の固体撮像装置１００、図７に示した比較例１の固体撮像装置１２０、図８に示した比較例２の固体撮像装置１３０、及び、図２に示した本実施形態例の固体撮像装置１の特性のシミュレーション結果を示す。図９〜図１３において、従来例の固体撮像装置１００をサンプルＡ、比較例１の固体撮像装置１２０をサンプルＢ、比較例２の固体撮像装置１３０をサンプルＣ、本実施形態例の固体撮像装置１をサンプルＤとして示す。
図９は、各固体撮像装置をカメラセットに組み込んだ場合、撮影時に発生するゴースト強度をシミュレーションした結果であり、高輝度被写体撮像画素の感度に対するゴースト部分の画素の輝度信号の割合を測定したものである。このゴースト強度は、一次回折光の強度を測定することによって測定している。
図９に示すように、平坦化レンズ層が形成されていないサンプルＡに比較し、平坦化レンズ層を形成したサンプルＢ，Ｃ，Ｄでは、ゴースト部分の感度信号の出力が１０分の１以下に落ちている。これにより、平坦化レンズ層によりゴーストの発生が抑制された効果が認められた。
図１０は、白色感度をシミュレーションにより測定した結果であり、サンプルＡ（従来例の固体撮像装置）における測定結果で規格化したものである。図１０からわかるように、サンプルＢでは、オンチップマイクロレンズと平坦化レンズ層の屈折率差が小さい上に、オンチップマイクロレンズの球面形状の曲率が小さいため、光の屈折力が得られず集光特性が悪化し、感度が良くない。それに比較し、オンチップマイクロレンズの球面形状を理想的な曲率としたサンプルＣと、オンチップマイクロレンズを矩形形状にしたサンプルＤでは、感度特性は良くなっている。さらに、サンプルＤでは、サンプルＡやサンプルＣと同等以上の感度特性が得られている。
図１１は、混色率（任意のメモリ：arbitrary unitで表示）をシミュレーションによって測定した結果である。図１１からわかるように、サンプルＣの混色率が一番高く、サンプルＤでは、サンプルＡ及びサンプルＢの混色率よりも低い混色率に抑えられていることがわかる。
図１２は、比較例１及び比較例２の固体撮像装置１２０，１３０において、球面形状のオンチップマイクロレンズ１１０（１１３）の厚み、及び平坦化レンズ層１１２の屈折率の変化に対応した感度特性の変化を示した図である。この場合の厚みは、オンチップマイクロレンズの断面の一番厚い部分の厚みとする。
また、図１３は、本実施形態例の固体撮像装置１において、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９の高さ（図６Ａで示した高さＺに相当）、及び平坦化レンズ層２０の屈折率の変化に対応した感度特性の変化を示した図である。図１２及び図１３は、いずれも、従来例の固体撮像装置１００で測定した感度によって規格化したものであり、また、１．７５μｍピッチの画素セルでシミュレーションした結果である。
図１２及び図１３からわかるように、各オンチップマイクロレンズの厚み（高さ）を大きくすることによって感度が向上し、従来例の固体撮像装置１と同等、若しくはそれ以上の感度が得られることがわかる。
しかしながら、前述したように、球面形状のオンチップマイクロレンズ１１０（１１３）はリフロー製法によって形成するため形成可能な厚み（曲率の比例）には制限があり、図１２の破線で囲む範囲内での形成しか実際にはできない。すなわち、球面形状のオンチップマイクロレンズの厚みが０．８５ｎｍ〜０．９５ｎｍのあたりが比較例２で示した固体撮像装置１３０に対応し、この範囲内において感度特性は良好に得られるが実際に製造はできない。このため、高い感度を得ようとすると、平坦化レンズ層１１２の屈折率を低くする必要があり、そのため、平坦化レンズ層１１２の材料として選択できる材料が限られている。
これに対し、本実施形態例の固体撮像装置１では、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９は製造可能な高さの制約は無い。このため、オンチップマイクロレンズ１９を高く形成することにより、良好な感度特性が得られる平坦化レンズ層２０の屈折率の選択幅が広くなる。
このように、感度特性に関しては、製造法の観点からみても本実施形態例の固体撮像装置１が、従来例の固体撮像装置１００、比較例１の固体撮像装置１２０、及び比較例２の固体撮像装置１３０よりも優れていることがわかる。
以上のシミュレーション結果から、球面形状のオンチップマイクロレンズ上に平坦化レンズ層を設ける構成（比較例１及び比較例２）では、ゴーストの発生が抑制できるものの、感度特性の悪化や混色の発生が避けられないことがわかる。これに対し、本実施形態例の固体撮像装置１では、ゴーストの発生を抑制し、かつ感度の向上や混色率の低下が図られ、これにより、画質の向上が図られることがわかる。また、本実施形態例の固体撮像装置１では、オンチップマイクロレンズ１９が矩形形状であるため、球面形状のオンチップマイクロレンズに比較して設計変更が容易であり、必要な集光力などの性能を容易に得ることができる。
また、本実施形態例の固体撮像装置１では、断面が矩形形状を有するオンチップマイクロレンズ１９を用いた例を示したが、断面が矩形形状で形成され大きさの異なるレンズを２層積層させてオンチップマイクロレンズを構成してもよい。その場合は、下層に面積の大きな断面が矩形形状のレンズを構成し、その上層に下層のレンズの面積よりも小さい面積で構成された断面が矩形形状のレンズを構成する。
〈２．第２の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１４は、本実施形態例の固体撮像装置１０の画素部８の断面構成図である。本実施形態例の固体撮像装置１０の全体構成は、図１と同様であるから図示を省略する。また、図１０において図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
［２．１ 固体撮像装置の構成］
本実施形態例の固体撮像装置１０では、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９上に、第１平坦化レンズ層２３及び第２平坦化レンズ層２４からなる２層の平坦化レンズ層が構成されている。
第１平坦化レンズ層２３は、オンチップマイクロレンズ１９の凹部１９ｂに埋め込まれて形成されており、第１平坦化レンズ層２３の上面はオンチップマイクロレンズ１９の凸部１９ａ上面と同一面となるように形成されている。
第２平坦化レンズ層２４は、オンチップマイクロレンズ１９の凸部１９ａ上面と、第１平坦化レンズ層２３の上面を被覆して形成されており、光入射面となる上部が平坦となるように形成されている。
第１平坦化レンズ層２３及び第２平坦化レンズ層２４は、フッ素含有樹脂、Ｐ−ＳｉＯ２、又はＰ−ＳｉＮなどの無機材料から構成されており、第２平坦化レンズ層２４の屈折率ｎ２は、第１平坦化レンズ層２３の屈折率ｎ１よりも高く構成されている。また、第１平坦化レンズ層２３及び第２平坦化レンズ層２４の屈折率は、どちらも、オンチップマイクロレンズの屈折率ｎ０よりも低くなるように構成されている。
すなわち、オンチップマイクロレンズ１９の屈折率ｎ０、第１平坦化レンズ層２３の屈折率ｎ１、第２平坦化レンズ層２４の屈折率ｎ２の関係は、ｎ０＞ｎ２＞ｎ１となるように構成されている。
本実施形態例の固体撮像装置１０では、第１平坦化レンズ層２３の屈折率ｎ１を、第２平坦化レンズ層２４の屈折率ｎ２よりも低く構成することにより、入射する光の屈折に寄与する位相差が生じやすくなる。これにより、入射光の受光部２に対する集光力が高まり感度が向上する。
［２．２ 固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１０の製造方法について説明する。図１５Ａ〜１６Ｃは、本実施形態例の固体撮像装置１０の製造方法を示す工程図である。本実施形態例の固体撮像装置１０の製造方法では、オンチップマイクロレンズ１９を形成する工程までは、第１の実施形態において図３Ａ〜図４Ｄを用いて説明した工程と同様であるから、図３Ａ〜図４Ｄを援用し、説明を省略する。
図１５Ａに示すように、オンチップマイクロレンズ１９が形成された後、オンチップマイクロレンズを埋め込むようにオンチップマイクロレンズ１９上全面に第１平坦化レンズ層２３を形成する。第１平坦化レンズ層２３は、フッ素含有樹脂、Ｐ−ＳｉＯ２、又はＰ−ＳｉＮからなる平坦化材料をＣＶＤ法により堆積させたり、スピンコート法を用いて塗布したりすることによって形成する。ここで、第１平坦化レンズ層２３を構成する材料は、矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９の凹部に埋め込まれるため、埋め込み性の良い材料で構成されることが好ましい。
次に、図１５Ｂに示すように、第１平坦化レンズ層２３が形成された後、第１平坦化レンズ層２３の上面が矩形形状のオンチップマイクロレンズ１９の凸部１９ａ上面と同一面にくるまで、エッチバックによって第１平坦化レンズ層２３を除去する。本実施形態例では、オンチップマイクロレンズ１９を矩形形状で形成しているため、エッチバック時にエッチレートが急峻に変わる。このため、オンチップマイクロレンズ１９の凸部１９ａ上面をエッチストップとして用いることができる。
その後、図１６Ｃに示すように、オンチップマイクロレンズ１９及び第１平坦化レンズ層２３上部に、第２平坦化レンズ層２４を形成する。第２平坦化レンズ層２４は、フッ素含有樹脂、Ｐ−ＳｉＯ２、又はＰ−ＳｉＮからなる平坦化材料をＣＶＤ法により堆積させたり、スピンコート法を用いて塗布したりすることによって形成する。この第２平坦化レンズ層２４は、表面が平坦になるように形成されるため、塗布平坦性が高い材料で構成されることが好ましい。
以上の工程により、本実施形態例の固体撮像装置１０が形成される。
このように、本実施形態例の固体撮像装置１０では、オンチップマイクロレンズ１９が矩形形状であるため、第１平坦化レンズ層２３をエッチバックによりオンチップマイクロレンズ１９の凸部１９ａ上面まで除去し、その後第２平坦化レンズ層２４を形成できる。このため、オンチップマイクロレンズ１９の凹部１９ｂに埋め込まれる第１平坦化レンズ層２３と、オンチップマイクロレンズ１９の凸部１９ａ上部に形成される第２平坦化レンズ層２４とを材質を変えて形成することができる。このような構成は、球面形状のオンチップマイクロレンズを用いた比較例１及び比較例２の固体撮像装置では実現困難である。
本実施形態例の固体撮像装置１０では、オンチップマイクロレンズ１９を埋め込む平坦化レンズ層を、第１平坦化レンズ層２３と第２平坦化レンズ層２４の２層で構成することにより、入射光の位相差を大きくすることができるので、集光力を向上することができる。これにより、感度の向上が図られる。
その他、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈３．第３の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１７は、本実施形態例の固体撮像装置３０の水平方向に隣接する画素の断面構成図である。本実施形態例の固体撮像装置３０の全体構成は、図１と同様であるから図示を省略する。また、図１７において図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
図１７に示すように、本実施形態例の固体撮像装置３０におけるオンチップマイクロレンズ２５は、サブ波長光学素子により構成されている。このサブ波長光学素子からなるオンチップマイクロレンズ２５は、矩形形状に形成されたレンズの凸部２５ａ上面の周辺部に複数の微細な溝部２７が形成されることによりサブ波長回折格子が形成されている。このオンチップマイクロレンズ２５では、溝部２７が形成されない凸部２５ａ上面の平坦な領域２６の直径は、入射される光の波長と同程度がそれよりも大きく構成されており、溝部２７の線幅は入射される光の波長と同程度かそれよりも小さく形成されている。また、このオンチップマイクロレンズ２５は、屈折率分布がフレネル型となるように溝部２７が構成されている。
本実施形態例の固体撮像装置３０においても、オンチップマイクロレンズ２５は平坦化レンズ層２０に埋め込まれた構成とされており、平坦化レンズ層２０上面は平坦にされている。本実施形態例では、オンチップマイクロレンズ２５を構成する溝部２７が矩形形状のオンチップマイクロレンズ２５上面に形成されている例としたが、溝部２７をカラーフィルタ層１８が露出するように形成してもよくサブ波長回折格子は種々の構成が可能である。
本実施形態例のオンチップマイクロレンズ２５及び平坦化レンズ層２０の材料は、第１の実施形態で示した材料を用いることができる。また、本実施形態例の固体撮像装置３０は、カラーフィルタ層１８上に、通常行われている方法でサブ波長光学素子からなるオンチップマイクロレンズ２５を形成した後、平坦化レンズ層２０を形成することによって、形成することができる。
本実施形態例の固体撮像装置３０におけるオンチップマイクロレンズ２５は、サブ波長回折格子によりフレネル型の屈折率分布がなされている。このように構成されたオンチップマイクロレンズ２５により、入射光は集光されて受光部２に入射される。
このようなオンチップマイクロレンズ２５では、格子の幅や位置などに変調を加えることで、任意の屈折率分布が実現でき、屈折率分布を好適に設計することにより集光特性をより高めることができるので感度の向上が図られる。
その他、本実施形態例の固体撮像装置においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
〈４．第４の実施形態：固体撮像装置〉
次に、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図１８は、本実施形態例の固体撮像装置４０の水平方向に隣接する画素の断面構成図である。本実施形態例の固体撮像装置４０の全体構成は、図１と同様であるから図示を省略する。また、図１８において図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態例の固体撮像装置４０は、オンチップマイクロレンズ４１に、フレネルレンズを用いた例である。また、本実施形態例においても、オンチップマイクロレンズ４１を被覆して、表面が平坦となるように平坦化レンズ層２０が形成されている。
このフレネルレンズからなるオンチップマイクロレンズ４１により、入射された光は効果的に集光され受光部２に入射する。
本実施形態例のオンチップマイクロレンズ４１及び平坦化レンズ層２０の材料は、第１の実施形態で示した材料を用いることができる。また、本実施形態例の固体撮像装置４０は、カラーフィルタ層１８上に、通常行われている方法でフレネルレンズからなるオンチップマイクロレンズ４１を形成した後、平坦化レンズ層２０を形成することによって、形成することができる。
本実施形態例の固体撮像装置４０においても、オンチップマイクロレンズ４１上に、平坦化レンズ層２０が形成されているので、空気と接する光の入射界面に周期構造が形成されないので、ゴーストの発生が抑制される。また、オンチップマイクロレンズ４１にフレネルレンズを用いることにより、オンチップマイクロレンズ４１の屈折力を大きく調整することが可能となり、集光特性が向上するので、感度特性が向上する。
上述した第１の実施形態〜第４の実施形態では、ＣＣＤ型の固体撮像装置を例として説明したが、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置に本発明を適用することも可能である。その場合も、感度特性及び混色特性が向上され、かつ、ゴーストの発生が抑制された固体撮像装置を得ることができる。
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
以下に、本発明の固体撮像装置を用いた電子機器について説明する。
〈５．第５の実施形態：電子機器〉
図１９に本発明の第５の実施形態に係る電子機器２００の概略構成を示す。
本実施形態例の電子機器２００は、上述した本発明の第１の実施形態における固体撮像装置１をカメラに用いた場合の実施形態を示す。
図９に、本実施形態例に係る電子機器２００の断面構成を示す。本実施形態に係る電子機器２００は、静止画撮影が可能なデジタルスチルカメラを例としたものである。
本実施形態に係る電子機器２００は、固体撮像装置１と、光学レンズ２１０と、駆動回路２１２と、信号処理回路２１３とを有する。
光学レンズ２１０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。
駆動回路２１２は、固体撮像装置１の転送動作信号を供給する。駆動回路２１２から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行なう。信号処理回路２１３は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号はメモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
本実施形態例の電子機器２００では固体撮像装置１において感度特性の向上、混色の低減がなされ、かつゴースト発生の抑制が図られているため、電子機器において、画質の向上が図られる。
固体撮像装置１を適用できる電子機器としては、デジタルスチルカメラに限られるものではなく、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。
本実施形態例においては、固体撮像装置１を電子機器に用いる構成としたが、前述した第２の実施形態における固体撮像装置を用いることもできる。
１ 固体撮像装置
２ 受光部
３ 垂直転送レジスタ
４ 水平転送レジスタ
５ 出力回路
６ 基板
７ 画素
７ 単位画素
８ 画素部
９ 基板
１０ 固体撮像装置
１１ 転送チャネル部
１２ 素子分離領域
１３ 読み出しチャネル部
１４ ゲート絶縁膜
１５ 転送電極
１６ 層間絶縁膜
１７ 配線層
１８ カラーフィルタ層
１９ オンチップマイクロレンズ
１９ａ 凸部
１９ｂ 凹部
２０ 平坦化レンズ層
２１ オンチップマイクロレンズ基材
２２ 厚膜レジスト層
２２ａ レジストマスク
２３ 第１平坦化レンズ層
２４ 第２平坦化レンズ層

Claims (13)

  1. 基板に形成され、入射光に応じた信号電荷を生成する受光部と、
    前記受光部上の光が入射される側に形成された矩形形状、又は屈折率分布型のオンチップマイクロレンズと、
    前記オンチップマイクロレンズを被覆して、光が入射される面が平坦となるように形成された平坦化レンズ層と、
    を含む固体撮像装置。
  2. 前記平坦化レンズ層の屈折率は空気の屈折率よりも大きく、前記オンチップマイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率を有している
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記平坦化レンズ層は、前記矩形形状のオンチップマイクロレンズの上面の高さまで埋め込まれた第１平坦化レンズ層と、前記第１平坦化レンズ層の屈折率とは異なる屈折率を有し、前記オンチップマイクロレンズの上面と前記第１平坦化レンズ層上面を被覆するように形成された第２平坦化レンズ層から構成される
    請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 前記第１平坦化レンズ層の屈折率は、前記第２平坦化レンズ層の屈折率よりも低く、前記第２平坦化レンズ層の屈折率は、前記オンチップマイクロレンズの屈折率よりも低い
    請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 前記屈折率分布型のオンチップマイクロレンズはフレネルレンズである
    請求項２記載の固体撮像装置。
  6. 前記屈折率分布型のオンチップマイクロレンズは、サブ波長光学素子である
    請求項２記載の固体撮像装置。
  7. 基板に、入射光に応じた信号電荷を生成する受光部を形成する工程、
    前記受光部上の光が入射される側に、矩形形状、又は屈折率分布型のオンチップマイクロレンズを形成する工程、
    前記オンチップマイクロレンズを被覆して、光が入射される面が平坦となるように形成平坦化レンズ層を形成する工程、
    を含む固体撮像装置の製造方法。
  8. 前記平坦化レンズ層の屈折率は、前記オンチップマイクロレンズの屈折率よりも低い
    請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
  9. 前記屈折率分布型のオンチップマイクロレンズは、フレネルレンズである
    請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
  10. 前記屈折率分布型のオンチップマイクロレンズは、サブ波長光学素子である
    請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
  11. 基板に、入射光に応じた信号電荷を生成する受光部を形成する工程、
    前記受光部上の光が入射される側に、矩形形状のオンチップマイクロレンズを形成する工程、
    前記オンチップマイクロレンズを被覆するように、第１平坦化レンズ層を形成する工程、
    前記オンチップマイクロレンズの上面が露出するまで、前記第１平坦化レンズ層を除去する工程、
    前記オンチップマイクロレンズの上面と、前記オンチップマイクロレンズの上面の高さまで埋め込まれた第１平坦化レンズ層の上面に、第２平坦化レンズ層を形成する工程、
    を含む固体撮像装置の製造方法。
  12. 前記第１平坦化レンズ層の屈折率は前記第２平坦化レンズ層の屈折率よりも低く、前記第２平坦化レンズ層の屈折率は前記第オンチップマイクロレンズの屈折率よりも低い
    請求項１１記載の固体撮像装置の製造方法。
  13. 光学レンズと、
    基板に形成され、入射光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部上の光が入射される側に形成された矩形形状、又は屈折率分布型のオンチップマイクロレンズと、前記オンチップマイクロレンズを被覆して、光が入射される面が平坦となるように形成された平坦化レンズ層を含んで構成され、前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    を含む電子機器。
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