JP2012109302A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受光領域全域での集光率を向上させた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、基板の受光領域の中央部２５に配置された受光部と、受光領域の周縁部２６に配置された受光部と、中央部２５に配置された受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズ２と、周縁部２６に配置された受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズ２とを備え、中央部２５に配置された受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズ２の形状と周縁部２６に配置された受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズ２の形状とは、受光領域の中央部２５への光の入射角と受光領域の周縁部２６への光の入射角との差異に応じて異なっている。
【選択図】図７

Description

本発明は、光電変換部に形成された受光部ごとにカラーフィルタおよびレンズが配置された固体撮像装置およびその製造方法に関する。

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受光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、配線層上における受光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。また、被写体の色を再現
するために、配線層とマイクロレンズとの間には、補色系又は原色系のカラーフィルタ
が設けられている。

近年、このような固体撮像装置においては、画素ピッチの微細化に伴って、各画素におけるマイクロレンズから受光部までの光路のアスペクト比が高くなり、集光率が低下するという問題が生じている。

特に、固体撮像装置に設けられた受光領域の周縁部に配置された画素に向かって斜め方向から入射した光の一部が、配線層内の配線等によって反射されてしまい、受光部に到達する光の割合が低下してしまう。この結果、固体撮像装置によって撮像された画像の周縁部において相対的に輝度が低下する現象、すなわち、シェーディングが引き起こされる。

このようなシェーディングを抑制するためには、マイクロレンズから受光部までの距離を縮めることが有効である。例えば、特許文献１には、カラーフィルタをナノインプリント法によりマイクロレンズ形状に加工し、カラーフィルタにミクロレンズの機能を持たせ、マイクロレンズを不要として受光部までの距離を縮めることにより集光率を高める手法が開示されている。

また、受光領域全域に渡って集光率を高める手法としては、層内レンズおよびマイクロレンズの複数のレンズを配置し、更に両面凸レンズにすることが有効である。しかし、球面のみで構築されたレンズでは様々な収差が発生し、像がぼやけたり湾曲したりといった弊害の元となる。これを抑えるために形状や屈折率などの異なるレンズを複数組み合わせる工夫がなされてきたが、球面レンズのみの組み合わせでは収差補正に実用上の限界があった。そこで、非球面レンズを組み合わせ、様々な収差を補正する技術が提案されてきた。

シェーディングを抑制するためには、受光領域内でレンズ中心軸を変化させることが有効である。例えば、特許文献２には、グレーティングマスクを使用して形成する手法が提案されている。グレーティングマスクとは、各受光領域における光の透過率が、遮光と透光との間の中間値を取るマスクである。なお、通常のマスクにおいては、各受光領域における光の透過率は、遮光及び透光の２水準のみである。グレーティングマスクには、例えば、露光に使用する光の解像度未満のサイズのパターンが形成されており、このパターンにおける遮光部分と透光部分との比率が、受光領域毎に異なっている。そして、このようなグレーティングマスクを使用して、ＳｉＮ上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの異方性エッチングを施し、ＳｉＮでレンズを形成する手法が提案されている。

特開２００８−２１８５６３号公報（２００８年０９月１８日公開） 特開２００８−１９３３８３（２００８年０８月２１日公開）

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、片面レンズしか形成できないため、集光率を高めるには限界がある。

また、特許文献２に記載の技術においては、複雑な形状を有するグレーティングマスクを使用するため、マスクコストが増大する。更に、フォトリソグラフィー技術によりレジストでレンズパターンを形成するため、露光後ベークでの熱処理が必須であるので、非球面レンズ形状やレンズ中心位置が異なるレンズ形状の形成は困難である。更に、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術によりレンズを形成するため、工程数が増加するといった課題が発生する。

本発明の目的は、画素ピッチが微細化された高画素の固体撮像装置において、受光領域全域に渡って集光率を向上し、さらに様々な収差を低減できる固体撮像装置及びその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、基板の受光領域の中央部に配置された第１受光部と、前記受光領域の周縁部に配置された第２受光部と、前記第１受光部に対応する位置に形成された第１レンズと、前記第２受光部に対応する位置に形成された第２レンズとを備え、前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とは、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異なっていることを特徴とする。

この特徴により、前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とを、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異ならせ、入射角の差異によって受光領域の周縁部において中央部よりも相対的に輝度が低下するシェーディング現象を防止して、受光領域内のすべての領域において高集光率を達成することができるように形状を異ならせることができる。この結果、受光領域の中央と周縁とでレンズの形状を異ならせるという簡単な構成により、受光領域全域での集光率を向上させた固体撮像装置を提供することができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記第１レンズは、レンズ中心軸とレンズ頂点軸とが一致しており、前記第２レンズは、レンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも前記受光領域の中心部側に位置していることが好ましい。

上記構成によれば、受光領域の周縁部において、レンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも受光領域の中心部側に位置しているので、受光領域の中央部と周縁部とで光の入射角が異なるために周縁部で相対的に輝度が低下するシェーディング現象を効果的に防止することができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記第１及び第２受光部上に形成された第１層間絶縁膜と、前記第１層間絶縁膜上に配列して形成された複数の層内レンズと、前記層内レンズ上に形成された第２層間絶縁膜と、前記第２層間絶縁膜上に形成されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に形成された第３層間絶縁膜と、前記第３層間絶縁膜上に配列して形成された複数のマイクロレンズとをさらに備え、前記層内レンズ及び前記マイクロレンズは、片面もしくは両面に凸なレンズ形状を有し、前記第１レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含み、前記第２レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含むことが好ましい。

上記構成によれば、受光領域の中央部に対応して配置されたレンズと受光領域の周縁部に対応して配置されたレンズとの形状を、層内レンズとマイクロレンズとの双方で、受光領域の中央部への光の入射角と周縁部への光の入射角との差異に応じて異ならせることができ、シェーディング現象を防止して、受光領域全域での集光率をより一層向上させることができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記層内レンズおよび前記マイクロレンズの片面もしくは両面のレンズ形状は、球面もしくは非球面であることが好ましい。

上記構成によれば、層内レンズおよびマイクロレンズを容易に形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記層内レンズおよび前記マイクロレンズは、光透過性材料層の上に所定のレンズパターンを有するテンプレートを押し付けて形成することが好ましい。

上記構成によれば、層内レンズおよびマイクロレンズを容易に形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記光透過性材料層は、ＵＶ硬化樹脂もしくは熱硬化性樹脂によって構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、必要な光学性能及びプロセス性能を低コストに得ることができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記カラーフィルタは、グリーン、レッドおよびブルーの３色、あるいは、イエロー、シアンおよびマゼンダの３色のカラーレジストから構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、カラーフィルタを３色のみで簡単に構成することができる。

本発明に係る固体撮像装置では、前記第１、第２、および第３層間絶縁膜は、ＵＶ硬化樹脂もしくは熱硬化性樹脂によって構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、第３層間絶縁膜を容易に形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、基板の受光領域の中央部に第１受光部を、前記受光領域の周縁部に第２受光部をそれぞれ形成する受光部形成工程を包含し、前記第１受光部に対応する位置に第１レンズを、前記第２受光部に対応する位置に第２レンズをそれぞれ形成し、前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とを、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異なるように形成することを特徴とする。

この特徴により、前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とを、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異ならせ、入射角の差異によって受光領域の周縁部において中央部よりも相対的に輝度が低下するシェーディング現象を防止して、受光領域内のすべての領域において高集光率を達成することができるように形状を異ならせることができる。この結果、受光領域の中央と周縁とでレンズの形状を異ならせるという簡単な構成により、受光領域全域での集光率を向上させた固体撮像装置を製造することができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記第１および第２受光部の上に、第１層間絶縁膜を形成する第１層間絶縁膜形成工程と、前記第１層間絶縁膜の上に第１レンズパターンを有する第１テンプレートを押し付けて、前記第１層間絶縁膜に第１レンズパターンを形成する第１レンズパターン形成工程と、前記第１層間絶縁膜上に、光透過性材料層を塗布し第２レンズパターンを有する第２テンプレートを押し付けて、第１および第２レンズパターンを有する複数の層内レンズを形成する層内レンズ形成工程と、前記光透過性材料層の上に第２層間絶縁膜を形成する第２層間絶縁膜形成工程と、前記第２層間絶縁膜上にカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程と、前記カラーフィルタ上に第３層間絶縁膜を形成する第３層間絶縁膜形成工程と、前記第３層間絶縁膜の上に第３レンズパターンを有する第３テンプレートを押し付けて、前記第３層間絶縁膜に第３レンズパターンを形成する第３レンズパターン形成工程と、前記第３層間絶縁膜上に、光透過性材料層を塗布し第４レンズパターンを有する第４テンプレートを押し付けて、第３および第４レンズパターンを有する複数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程とをさらに包含し、前記第１レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含み、前記第２レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含むことが好ましい。

上記構成により、受光領域の中央部に対応して配置されたレンズと受光領域の周縁部に対応して配置されたレンズとの形状を、層内レンズとマイクロレンズとの双方で、受光領域の中央部への光の入射角と周縁部への光の入射角との差異に応じて異ならせることができ、シェーディング現象を防止して、受光領域全域での集光率をより一層向上させることができる固体撮像装置を製造することができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記第１および第２テンプレートが、一体に形成され、一方の面に前記第１レンズパターンが形成され、他方の面に前記第２レンズパターンが形成され、前記第３および第４テンプレートが、一体に形成され、一方の面に前記第３レンズパターンが形成され、他方の面に前記第４レンズパターンが形成されていることが好ましい。

上記構成により、層内レンズの第１および第２レンズパターン及びマイクロレンズの第３および第４レンズパターンを容易に形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記第２テンプレートの第２レンズパターンおよび第４テンプレートの第４レンズパターンは、前記第２レンズのレンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも前記受光領域の中心部側に位置するようにパターンが形成されていることが好ましい。

上記構成により、受光領域の周縁部において、レンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも受光領域の中心部側に位置しているので、受光領域の中央部と周縁部とで光の入射角が異なるために周縁部で相対的に輝度が低下するシェーディング現象を効果的に防止することができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法では、前記第１層間絶縁膜形成工程と前記第１レンズパターン形成工程と前記層内レンズ形成工程とが、ナノプリント装置内の一連の工程により実施され、前記第３層間絶縁膜形成工程と前記第３レンズパターン形成工程と前記マイクロレンズ形成工程とが、ナノプリント装置内の一連の工程により実施されることが好ましい。

上記構成により、層内レンズおよびマイクロレンズを精度良く形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置は、前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とを、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異ならせたので、入射角の差異によって受光領域の周縁部において中央部よりも相対的に輝度が低下するシェーディング現象を防止して、受光領域内のすべての領域において高集光率を達成することができるように形状を異ならせることができる。この結果、受光領域の中央と周縁とでレンズの形状を異ならせるという簡単な構成により、受光領域全域での集光率を向上させた固体撮像装置を提供することができる。

実施の形態１に係る固体撮像装置の概略構成を示す模式図である。 （ａ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｂ）は上記製造方法に使用するテンプレートの断面図であり、（ｃ）〜（ｆ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）は上記製造方法に使用する他のテンプレートの断面図であり、（ｂ）〜（ｃ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｄ）は上記製造方法に使用する他のテンプレートの断面図であり、（ｅ）〜（ｆ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。 上記固体撮像装置に設けられたカラーフィルタの配置態様を説明するための平面図である。 テンプレートの拡大平面図である。 図５に示される断面ＢＢに沿った断面図である。 レンズ中心軸及びレンズ頂点軸の定義を説明するための模式図である。 （ａ）は実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｂ）は上記製造方法に使用するテンプレートの断面図であり、（ｃ）〜（ｄ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｅ）は上記製造方法に使用するテンプレートの断面図であり、（ｆ）〜（ｇ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｃ）は上記製造方法に使用する他のテンプレートの断面図であり、（ｄ）〜（ｅ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）は上記製造方法に使用する他のテンプレートの断面図であり、（ｂ）〜（ｃ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。

本発明の固体撮像装置に関する実施の一形態について図１〜図１２に基づいて説明すれば以下のとおりである。

（実施の形態１）
（固体撮像装置の構成）
図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置１の概略構成を示す模式図である。固体撮像装置１は、ＣＣＤチップ１２によって構成されている。一つのＣＣＤチップ１２は、光を受光して電気信号に変換する光電変換部１５と、光電変換部１５の周りに配置されてロジック回路を有する周辺回路部１３とに大別される。光電変換部１５は、受光領域を構成する。

図２（ａ）は固体撮像装置１の製造方法を説明するための図１に示す面ＲＲ´に沿った断面図であり、（ｂ）は上記製造方法に使用するテンプレート８の断面図であり、（ｃ）〜（ｆ）は固体撮像装置１の製造方法を説明するための面ＲＲ´に沿った断面図である。図３（ａ）は上記製造方法に使用する他のテンプレート９の断面図であり、（ｂ）〜（ｃ）は固体撮像装置１の製造方法を説明するための面ＲＲ´に沿った断面図であり、（ｄ）は上記製造方法に使用する他のテンプレート９の断面図であり、（ｅ）〜（ｆ）は固体撮像装置１の製造方法を説明するための面ＲＲ´に沿った断面図である。

まず、図３（ｆ）を参照して実施の形態１に係る固体撮像装置１の構成を説明する。固体撮像装置１は、シリコン基板３０を備えている。シリコン基板３０の表面には、複数の受光部１６と、受光部１６によって受光された光から変換された電荷を転送する電荷転送部１７とが形成されている。各電荷転送部１７の上には、転送電極１８と遮光膜１９とがこの順番に形成されている。受光部１６と転送電極１８と遮光膜１９とシリコン基板３０とを覆うように層間絶縁膜４が形成されている。

層間絶縁膜４の上には、層内レンズ２２が受光部１６に対応する位置に形成されている。層内レンズ２２は、下側は平面であり上側は凸面を有している。層内レンズ２２を覆うように層間絶縁膜５が形成されている。層間絶縁膜５の上には、カラーフィルタ６が形成されている。カラーフィルタ６は、赤色（Ｒ）フィルタ、緑色（Ｇ）フィルタ、及び青色（Ｂ）フィルタを含む。

図４は、カラーフィルタ６の赤色（Ｒ）フィルタ、緑色（Ｇ）フィルタ、及び青色（Ｂ）フィルタの配置態様を説明するための平面図である。そして、図２及び図３は、図４に示す断面ＴＴに沿った断面図である。図２及び図３は、図４に示す断面ＴＴに沿った断面図である。図４に示すように、図２及び図３に示す断面図には、赤色（Ｒ）フィルタ及び緑色（Ｇ）フィルタは現れるが、青色（Ｂ）フィルタは現れない。

カラーフィルタ６の上には層間絶縁膜７が形成されている。層間絶縁膜７の上にはマイクロレンズ２が受光部１６に対応する位置に形成されている。マイクロレンズ２は、受光部１６と反対側の面に略半球状の凸面を有し、受光部１６側の面に扁平な凸面を有する。

光電変換部１５の中央部に配置された層内レンズ２２の形状と、光電変換部１５の周縁部に配置された層内レンズ２２の形状とは、光電変換部１５の中央部への光の入射角と光電変換部１５の周縁部への光の入射角との差異に応じて異なっている。例えば、光電変換部１５の中央部に配置された層内レンズ２２は、レンズ中心軸とレンズ頂点軸とが一致しており、光電変換部１５の周縁部に配置された層内レンズ２２は、レンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも光電変換部１５の中心部側に位置している。

また、光電変換部１５の中央部に配置されたマイクロレンズ２の形状と、光電変換部１５の周縁部に配置されたマイクロレンズ２の形状とは、光電変換部１５の中央部への光の入射角と光電変換部１５の周縁部への光の入射角との差異に応じて異なっている。例えば、光電変換部１５の中央部に配置されたマイクロレンズ２は、レンズ中心軸とレンズ頂点軸とが一致しており、光電変換部１５の周縁部に配置されたマイクロレンズ２は、レンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも光電変換部１５の中心部側に位置している。

（固体撮像装置の製造方法）
次に、実施の形態１に係る固体撮像装置１の製造方法を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、公知の技術を用いて形成した一般的なＣＣＤイメージセンサーの製造工程により製造する。

図２（ａ）を参照すると、シリコン基板３０からなる半導体ウエハーに、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィー、ドライエッチング、ロコス酸化を行い、光電変換部１５と周辺回路部１３と（図１）を形成する。次にフォトリソグラフィー、イオン注入を繰り返し行い、受光部１６および電荷転送部１７を光変換部１５と周辺回路部１３と（図１）に形成する。

次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりポリシリコンを受光部１６および電荷転送部１７の上に成膜する。その後、フォトリソグラフィー、ドライエッチングを行い、転送電極１８を電荷転送部１７の上に形成する。次に、遮光膜１９となるアルミニウムやアルミニウム合金、あるいはチタンやタングステンなどの高融点金属をスパッタ法により単層あるいは複層形成する。その後、フォトリソグラフィー、ドライエッチングを行い、受光部１６の上のみ遮光膜１９を開口させる。

次に、ＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス）膜やＳｉＯ_２膜を、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。その後、高温加熱によるリフロー処理やＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行い、表面が平坦な層間絶縁膜４を、受光部１６、転送電極１８及び遮光膜１９を覆うように形成する。次に、アルミニウムやアルミニウム合金、あるいはチタンやタングステンなどの高融点金属を、スパッタ法により単層あるいは複層形成する。その後、フォトリソグラフィー、ドライエッチングを行い、周辺回路部１３に対応する領域のみ金属配線を形成する。今回は、金属配線として、アルミニウム合金を用い、膜厚は１．０μｍ形成した。

ここまでの工程は、公知の技術を用いて形成した一般的なＣＣＤイメージセンサーの製造工程であり、これ以降の工程をカラーフィルタ工程と称する。

図２（ｂ）及び（ｃ）を参照すると、層内レンズ２２の材料となる光透過性材料２０をパターニングするテンプレート８の一方の面Ａには、層内レンズ２２の形状をパターニングする凹部が形成されている。

図２（ｃ）を参照すると、層内レンズ２２の材料となる光透過性材料２０をスピンコーター法により層間絶縁膜４の上に塗布する。本実施の形態では、スピンコーター法により塗布した。しかしながら、本発明はこの手法に限定されない。高粘度の材料等ではインクジェット方式や、スキャン方式など非スピン方式で塗布しても構わない。

また、レジスト等の感光性材料では、スピンコーター処理後、熱処理を行い成膜が完了するが、本手法では、塗布した後、テンプレート８を用いたナノインプリント法によってパターニングする。このため、光透過性材料２０が変形し易いように、スピンコーター法による処理後は、熱処理は実施しない。透明膜の材料となる光透過性材料２０としては、硬化方式では、ＵＶ硬化樹脂もしくは熱硬化性樹脂があり、屈折率としては、１．４〜２．０程度の種々の材料がある。光学性能としては、高屈折率材料の方が一般的には望ましいが、必要な光学性能およびプロセス性能およびコスト面から種々の材料を選択することができる。本実施の形態では、屈折率１．４９のＵＶ硬化樹脂を用いた。

層内レンズ２２のパターンのパターニング手法としては、ナノインプリント装置を用いるナノインプリント法により行った。ナノインプリント装置は、ＵＶ硬化方式と熱硬化方式との２種類がある。本実施の形態では、ＵＶ硬化方式かつステップ＆リピート方式で実施した。

テンプレート８は、石英からなる基材に層内レンズ２２に形成されるべきレンズパターンを加工したものである。光電変換部１５の形状は、固定撮像装置を組み込む完成品の仕様によって決定され、一般的には、横：縦＝４：３、または横：縦＝１６：９になる。

片面に凹型の球面形状を有するテンプレート８を光透過性材料２０に密着させ、テンプレート８側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射させ、ステップ＆リピート方式でウエハー全面に、図２（ｄ）に示す凸型のレンズパターンからなる層内レンズ２２を形成した。

次に、図２（ｅ）を参照すると、アクリル系樹脂をスピンコーター法により層内レンズ２２の上に塗布した後、ドライエッチャーによりウエハー全面に渡ってエッチバックを行い平坦化し、層間絶縁膜５を形成した。

そして、図２（ｆ）を参照すると、グリーン、レッドおよびブルーの３色のカラーフィルタを塗布、露光、現像により形成した。なお、イエロー、シアンおよびマゼンダの３色のレジストのカラーフィルタを形成してもよい。前述したように、カラーフィルタは図４に示すように配置されているので、図２及び図３に示す断面図には、赤色（Ｒ）フィルタ及び緑色（Ｇ）フィルタは現れるが、青色（Ｂ）フィルタは現れない。

次に、図３（ａ）を参照すると、テンプレート９は、一方の面Ｃに半球状の凹部が形成されており、他方の面Ｄには、半球状の凹部に対応する位置に扁平状の凸部が形成されている。

図３（ｂ）を参照すると、層間絶縁膜２４をスピンコーター法によりカラーフィルタ６の上に塗布し、テンプレート９の面Ｄを層間絶縁膜２４に密着させ、テンプレート９側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射し、ステップ＆リピート方式でウエハー全面に、図３（ｃ）に示すように、レンズパターンを有する層間絶縁膜７を形成した。

図５は、テンプレート９の拡大平面図である。受光領域２１の中央部２５にはレンズ用パターン２７が形成され、周縁部２６にはレンズ用パターン２８が形成されている。

図６は、図５に示される面ＳＳ´に沿った断面図である。受光領域の中央部２５では、光の入射方向は垂直方向であり、マイクロレンズ２のレンズ中心軸Ｐとレンズ頂点軸Ｑとの位置が一致している。しかしながら、受光領域の周縁部２６では、マイクロレンズ２のレンズ中心軸Ｐとレンズ頂点軸Ｑとの位置が一致しておらず、レンズ頂点軸Ｑがレンズ中心軸Ｐよりも受光領域の中央部２５側に位置している。周縁部２６への光の入射方向は中央部２５に向かう方向に傾いた斜め方向であり、レンズ中心軸Ｐとレンズ頂点軸Ｑとを含む面は、周縁部２６への光の入射方向に対応している。

図７は、レンズ中心軸Ｐ及びレンズ頂点軸Ｑの定義を説明するための模式図である。レンズ中心軸Ｐは、レンズエッジａ・ｂの輪郭線に基づいて算出した重心を通る軸である。レンズ頂点軸Ｑは、レンズの表面高さが最も高い位置を通る軸である。

本実施の形態に係る固体撮像装置に設けられた層間レンズ及びマイクロレンズのレンズ中心軸Ｐ及びレンズ頂点軸Ｑの位置は、例えば３次元形状測定器による測定により特定することができる。３次元形状測定器は、例えば、株式会社ニコン製
1289785076468_0.aspx
ＮＥＸＩＶ ＶＭＲ−３０２０を使用することができる。

固体撮像装置１に入射した光は、図３（ｆ）に示すマイクロレンズ２で集光され、カラーフィルタ６を透過した後、層内レンズ２２で再度集光され、受光部１６に入る。しかし、マイクロレンズ２に入射した光は、受光領域の中央部２５と周縁部２６とで入射角が異なるため、その結果、受光領域の中央部と周縁部とでマイクロレンズ２および層内レンズ２２が同じレンズ形状であると、受光領域内で相対的に輝度が低下する現象、すなわち、シェーディングが引き起こされる。

本実施の形態では、光学シミュレーションにより、受光領域内全てで高集光率を達成するために、図６に示すように、受光領域の中央部２５と周縁部２６とで、マイクロレンズ２、層内レンズ２２の上下面のレンズ形状を変化させている。

次に、図３（ｄ）及び図３（ｅ）を参照すると、テンプレート９の面Ｃと面Ｄとを反転させて表裏面を入れ替え、面Ｃが層間絶縁膜７に対向するようにする。そして、マイクロレンズ２の材料となる光透過性材料２３をスピンコーター法により塗布する。その後、テンプレート９を光透過性材料２３に密着させ、テンプレート９側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射させ、図３（ｆ）のように両面にレンズパターンを有するマイクロレンズ２をステップ＆リピート方式でウエハー全面に形成した。

本実施の形態では、テンプレートを用いたインプリント方式を採用することにより、レンズ形状は球面だけでなく非球面形状等、様々なレンズ形状を形成することが可能となる。また、マイクロレンズ２および層内レンズ２２のレンズ形状の組み合わせを変えることにより、集光率、レンズ収差など、様々な光学性能を最適化することが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に係る固体撮像装置の光学特性を更に向上させることを目的として、層内レンズ２２Ａが上下面双方にレンズ形状を有する実施形態である。以下、実施例１と異なる部分を中心に図面に基づいて説明する。

図８（ａ）は実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｂ）は上記製造方法に使用するテンプレート１０の断面図であり、（ｃ）〜（ｄ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｅ）は上記製造方法に使用するテンプレート１０の断面図であり、（ｆ）〜（ｇ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。図９（ａ）〜（ｂ）は実施の形態２に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図であり、（ｃ）は上記製造方法に使用する他のテンプレート１１の断面図であり、（ｄ）〜（ｅ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。図１０（ａ）は上記製造方法に使用する他のテンプレート１１の断面図であり、（ｂ）〜（ｃ）は上記固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。実施の形態１において前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

図８（ａ）を参照すると、実施の形態１で前述したように、公知の技術を用いて形成した一般的なＣＣＤイメージセンサーの製造工程により、シリコン基板３０に受光部１６、電荷転送部１７、転送電極１８、遮光膜１９、及び層間絶縁膜４を形成する。

図８（ｂ）を参照すると、層内レンズ２２Ａの材料となる光透過性材料をパターニングするテンプレート１０の一方の面Ｆには、層内レンズ２２Ａの形状をパターニングする凸部が形成されており、他方の面Ｅには層内レンズ２２Ａの形状をパターニングする凹部が形成されている。

図８（ｃ）を参照すると、層間絶縁膜２９をスピンコーター法により層間絶縁膜４の上に塗布する。

面Ｆに凸型の形状を有するテンプレート１０を層間絶縁膜２９に密着させ、テンプレート１０側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射させ、ステップ＆リピート方式でウエハー全面に、図８（ｄ）に示す凹型のレンズパターンからなる層間絶縁膜２９を形成した。

次に、図８（ｅ）に示すように、テンプレート１０の表裏面を入れ替え、面Ｅが下になるようにして、層内レンズ２２Ａの材料となる光透過性材料２０Ａをスピンコーター法により層間絶縁膜２９の上に塗布した。その後、テンプレート１０を光透過性材料２０Ａに密着させ、テンプレート１０側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射させ、図８（ｇ）に示すように両面にレンズパターンを有する層内レンズ２２Ａをステップ＆リピート方式でウエハー全面に形成した。

次に、図９（ａ）に示すように層間絶縁膜５を形成した。そして、図９（ｂ）に示すように３色のカラーフィルタ６を形成した。次に、図９（ｃ）を参照すると、テンプレート１１は、一方の面Ｇに半球状の凹部が形成されており、他方の面Ｈには、半球状の凹部に対応する位置に扁平状の凹部が形成されている。

図９（ｄ）を参照すると、層間絶縁膜２４をカラーフィルタ６の上に塗布し、テンプレート１１の面Ｈを層間絶縁膜２４に密着させ、テンプレート１１側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射させ、図９（ｅ）に示すように、レンズパターンを有する層間絶縁膜７Ａをステップ＆リピート方式でウエハー全面に形成した。

次に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照すると、テンプレート１１の面Ｈと面Ｇとを反転させて表裏面を入れ替え、面Ｇが層間絶縁膜２４に対向するようにする。そして、マイクロレンズ２Ａの材料となる光透過性材料２３をスピンコーター法により塗布する。その後、テンプレート１１を光透過性材料２３に密着させ、テンプレート１１側から、λ＝３６５ｎｍの単波長のＵＶ光を約１０ｓｅｃ照射させ、図１０（ｃ）に示すように両面にレンズパターンを有するマイクロレンズ２Ａをステップ＆リピート方式でウエハー全面に形成した。

テンプレート１０・１１も、実施の形態１で前述したテンプレート８・９と同様に、図５に示すように、受光領域の中央部２５では、１個のマイクロレンズ２の上面が円形になるように円形のパターン２７が形成されている。受光領域の周縁部２６でも、マイクロレンズ２の上面が円形になるように、円形のパターン２８が形成されている。そして、図６に示すように、受光領域の中央部２５では、レンズ中心軸Ｐとレンズ頂点軸Ｑとの位置が一致している。しかしながら、受光領域の周縁部２６では、レンズ中心軸Ｐとレンズ頂点軸Ｑとの位置が一致しておらず、レンズ頂点軸Ｑがレンズ中心軸Ｐよりも受光領域の中央部２５側に位置している。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、光電変換部の受光部ごとにカラーフィルタおよびレンズが配置された固体撮像装置およびその製造方法に適用することができる。

１ 固体撮像装置
２ マイクロレンズ（第１レンズ、第２レンズ）
４ 層間絶縁膜（第１層間絶縁膜）
５ 層間絶縁膜（第２層間絶縁膜）
６ カラーフィルタ
７ 層間絶縁膜（第３層間絶縁膜）
８、９、１０、１１ テンプレート（第１〜第４テンプレート）
１２ ＣＣＤチップ
１３ 周辺回路部
１５ 光電変換部
１６ 受光部（第１受光部、第２受光部）
１７ 電荷転送部
１８ 転送電極
１９ 遮光膜
２０ 光透過性材料
２１ 領域
２２ 層内レンズ（第１レンズ、第２レンズ）
２３ 光透過性材料
２４ 層間絶縁膜
２５ 中央部
２６ 周縁部
２７、２８ パターン
２９ 層間絶縁膜
３０ シリコン基板

Claims (13)

1. 基板の受光領域の中央部に配置された第１受光部と、
   前記受光領域の周縁部に配置された第２受光部と、
   前記第１受光部に対応する位置に形成された第１レンズと、
   前記第２受光部に対応する位置に形成された第２レンズとを備え、
   前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とは、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異なっていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１レンズは、レンズ中心軸とレンズ頂点軸とが一致しており、
   前記第２レンズは、レンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも前記受光領域の中心部側に位置している請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１及び第２受光部上に形成された第１層間絶縁膜と、
   前記第１層間絶縁膜上に配列して形成された複数の層内レンズと、
   前記層内レンズ上に形成された第２層間絶縁膜と、
   前記第２層間絶縁膜上に形成されたカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に形成された第３層間絶縁膜と、
   前記第３層間絶縁膜上に配列して形成された複数のマイクロレンズとをさらに備え、
   前記層内レンズ及び前記マイクロレンズは、片面もしくは両面に凸なレンズ形状を有し、
   前記第１レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含み、
   前記第２レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含む請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記層内レンズおよび前記マイクロレンズの片面もしくは両面のレンズ形状は、球面もしくは非球面である請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記層内レンズおよび前記マイクロレンズは、光透過性材料層の上に所定のレンズパターンを有するテンプレートを押し付けて形成する請求項３記載の固体撮像装置。
6. 前記光透過性材料層は、ＵＶ硬化樹脂もしくは熱硬化性樹脂によって構成されている請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記カラーフィルタは、グリーン、レッドおよびブルーの３色、あるいは、イエロー、シアンおよびマゼンダの３色のカラーレジストから構成されている請求項３記載の固体撮像装置。
8. 前記第１、第２、および第３層間絶縁膜は、ＵＶ硬化樹脂もしくは熱硬化性樹脂によって構成されている請求項３記載の固体撮像装置。
9. 基板の受光領域の中央部に第１受光部を、前記受光領域の周縁部に第２受光部をそれぞれ形成する受光部形成工程を包含し、
   前記第１受光部に対応する位置に第１レンズを、前記第２受光部に対応する位置に第２レンズをそれぞれ形成し、
   前記第１レンズの形状と前記第２レンズの形状とを、前記受光領域の中央部への光の入射角と前記受光領域の周縁部への光の入射角との差異に応じて異なるように形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
10. 前記第１および第２受光部の上に、第１層間絶縁膜を形成する第１層間絶縁膜形成工程と、
    前記第１層間絶縁膜の上に第１レンズパターンを有する第１テンプレートを押し付けて、前記第１層間絶縁膜に第１レンズパターンを形成する第１レンズパターン形成工程と、
    前記第１層間絶縁膜上に、光透過性材料層を塗布し第２レンズパターンを有する第２テンプレートを押し付けて、第１および第２レンズパターンを有する複数の層内レンズを形成する層内レンズ形成工程と、
    前記光透過性材料層の上に第２層間絶縁膜を形成する第２層間絶縁膜形成工程と、
    前記第２層間絶縁膜上にカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程と、
    前記カラーフィルタ上に第３層間絶縁膜を形成する第３層間絶縁膜形成工程と、
    前記第３層間絶縁膜の上に第３レンズパターンを有する第３テンプレートを押し付けて、前記第３層間絶縁膜に第３レンズパターンを形成する第３レンズパターン形成工程と、
    前記第３層間絶縁膜上に、光透過性材料層を塗布し第４レンズパターンを有する第４テンプレートを押し付けて、第３および第４レンズパターンを有する複数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程とをさらに包含し、
    前記第１レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第１受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含み、
    前記第２レンズは、前記複数の層内レンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記複数のマイクロレンズのうちの前記第２受光部に対応する位置に形成されたマイクロレンズとを含む請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記第１および第２テンプレートが、一体に形成され、一方の面に前記第１レンズパターンが形成され、他方の面に前記第２レンズパターンが形成され、
    前記第３および第４テンプレートが、一体に形成され、一方の面に前記第３レンズパターンが形成され、他方の面に前記第４レンズパターンが形成されている請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記第２テンプレートの第２レンズパターンおよび第４テンプレートの第４レンズパターンは、前記第２レンズのレンズ頂点軸がレンズ中心軸よりも前記受光領域の中心部側に位置するようにパターンが形成されている請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記第１層間絶縁膜形成工程と前記第１レンズパターン形成工程と前記層内レンズ形成工程とが、ナノプリント装置内の一連の工程により実施され、
    前記第３層間絶縁膜形成工程と前記第３レンズパターン形成工程と前記マイクロレンズ形成工程とが、ナノプリント装置内の一連の工程により実施される請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
    

Images