JP2012119377A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感度向上と混色低減とを実現した固体撮像装置を提供する。
【解決手段】実施の形態によれば、固体撮像装置１は、半導体基板１０と、市松状の配置で半導体基板１０に形成された各々複数の光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒと、光電変換部１１ｂ、１１ｒに対応する各位置に設けられた複数のマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを含むマイクロレンズ配列ＭＬＡ１と、光電変換部１１ｇに対応する各位置に設けられたマイクロレンズＭＬｇを含み、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１よりも受光面側に配されたマイクロレンズ配列ＭＬＡ２とを有する。マイクロレンズＭＬｇの周縁部とマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒの周縁部とが重なっている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

従来から、複数の画素（フォトダイオード）の配列に対応して複数の色フィルタが配列された固体撮像装置において、画素に入射する光量を増大させ、感度を向上させることが望まれている。

また、色フィルタを通過した光がその対応した画素ではなく隣接した画素へ入射してしまうことに起因した光学的混色が問題となっており、光学的混色を低減することが望まれている。

混色低減や感度向上を実現するためには、画素上に形成するマイクロレンズの面積を大きくすることが有効である。

しかしながら、従来技術では、隣接する画素のマイクロレンズの面積はトレードオフの関係にある。すなわち、ある画素のマイクロレンズの面積を大きくすると、隣接する画素のマイクロレンズの面積を小さくしなければならないという問題がある。

特開２００７−４７５６９号公報

本発明の一つの実施形態は、感度向上と混色低減とを実現した固体撮像装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、基板と、市松状の配置で基板に形成された各々複数の第１の光電変換部及び第２の光電変換部と、第１の光電変換部に対応する各位置に設けられた複数の第１のマイクロレンズを含む第１のマイクロレンズ配列層と、第２の光電変換部に対応する各位置に設けられた複数の第２のマイクロレンズを含み、第１のマイクロレンズ配列層よりも受光面側に配された第２のマイクロレンズ配列層とを有する。第１のマイクロレンズの周縁部と第２のマイクロレンズの周縁部とが重なっている。

図１は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置の断面図。 図２は、複数の色フィルタ層のレイアウト構成を示す図。 図３は、マイクロレンズの周縁部が素子分離領域に達している状態を示す図。 図４は、色フィルタ層を斜めに通過した光がマイクロレンズによって捕捉されて光電変換部に入射する状態を示す図。 図５は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法を示す図。 図６は、固体撮像装置を用いた撮像モジュールの構成を示す図。 図７は、マイクロレンズを同一層に形成した固体撮像装置の構成例を示す図。 図８は、マイクロレンズのギャップが反射防止膜によって潰れたことにより、ある光電変換部に入射すべき光が別の光電変換部に入射した状態を示す図。 図９は、マイクロレンズを重ならないように異なる層に形成した固体撮像装置において混色が発生した状態を示す図。 図１０は、丘型レンズやデジタルマイクロレンズを用いた固体撮像装置の構成例を示す図。 図１１は、色フィルタ層をマイクロレンズで挟んだ固体撮像装置の構成を示す図。 図１２は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置の断面図。 図１３は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法を示す図。 図１４は、第３の実施形態にかかる固体撮像装置の断面図。 図１５は、第３の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法を示す図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態にかかる固体撮像装置１の構成について説明する。図１は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置の断面図である。図１（ａ）は、青色の色フィルタ層と緑色の色フィルタ層とを通る断面の構成を示す。図１（ｂ）は、赤色の色フィルタ層と緑色の色フィルタ層とを通る断面の構成を示す。図２は、複数の色フィルタ層のレイアウト構成を示す図である。図１（ａ）は、図２のＩａ−Ｉａ線で切った断面に対応しており、図１（ｂ）は、図２のＩｂ−Ｉｂ線で切った断面に対応している。

固体撮像装置１は、半導体基板１０、平坦化層２０、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１、平坦化層３０、色フィルタ配列ＣＦＡ、平坦化層５０、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２を備える。半導体基板１０は、表面１０ａと裏面１０ｂとを有する。固体撮像装置１は、半導体基板１０の裏面１０ｂ側から光が入射する裏面照射型の固体撮像装置である。

半導体基板１０のウエル領域１２内には、複数の光電変換部（複数の画素）１１ｇ、１１ｂ、１１ｒが配されている。第１の光電変換部としての光電変換部１１ｂ、１１ｒと、第２の光電変換部としての光電変換部１１ｇは、２次元的に（例えば市松状に）配列されている。ウエル領域１２は、第１導電型（例えばＰ型）の不純物を低い濃度で含む。各光電変換部は、例えばフォトダイオードであり、電荷蓄積領域を含む。電荷蓄積領域は、第１導電型と反対導電型である第２導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、ウエル領域１２における第１導電型の不純物の濃度よりも高い濃度で含む。

光電変換部１１ｂは、図２に示すＩａ−Ｉａ線に沿った方向において光電変換部１１ｇに隣接している。光電変換部１１ｒは、光電変換部１１ｂの隣接する方向と交差する方向（図２に示すＩｂ−Ｉｂ線に沿った方向）において光電変換部１１ｇに隣接している。

光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの間隙となる素子分離領域の表面１０ａ側には層間絶縁膜１４が設けられている。層間絶縁膜１４の内部には、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒにおいて発生した電荷を転送するための配線１３が形成されている。

平坦化層２０は、半導体基板１０の裏面１０ｂを覆っている。これにより、平坦化層２０は、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１が配されるための平坦な表面を提供する。

第１のマイクロレンズ配列層としてのマイクロレンズ配列ＭＬＡ１は、平坦化層２０の表面に配されている。マイクロレンズ配列ＭＬＡ１では、第１のマイクロレンズとしての複数のマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒが複数の光電変換部１１ｂ、１１ｒの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒは、それぞれ、光電変換部１１ｂ、１１ｒに集光するように配されている。

平坦化層３０は、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの間隙を埋めるとともに、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの上まで覆っている。これにより平坦化層３０は、色フィルタ配列ＣＦＡが配されるための平坦な表面を提供する。平坦化層３０は、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒよりも屈折率が低い透明な材料で形成されている。

色フィルタ配列ＣＦＡは、平坦化層３０の表面に配されている。色フィルタ配列ＣＦＡは、複数の光電変換部の少なくとも一部に対応する各位置に、互いに異なる波長域の光を透過させる少なくとも三種類の色フィルタ層を備えている。本実施形態では、色フィルタ配列ＣＦＡには、色フィルタ層４０ｂと、色フィルタ層４０ｒと、色フィルタ層４０ｇとが複数の光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。

平坦化層５０は、複数の色フィルタ層を覆っている。これにより、平坦化層５０は、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２が配されるための平坦な表面を提供する。

第２のマイクロレンズ配列層としてのマイクロレンズ配列ＭＬＡ２は、平坦化層５０の表面に配されている。マイクロレンズ配列ＭＬＡ２では、第２のマイクロレンズとしての複数のマイクロレンズＭＬｇが複数の光電変換部１１ｇの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。マイクロレンズＭＬｇは、光電変換部１１ｇに集光するように配されている。

マイクロレンズ配列ＭＬＡ２の上には反射防止膜６０が形成されている。反射防止膜６０は、空気中からマイクロレンズＭＬｇや色フィルタ層４０ｂ、４０ｒに入射する際に反射される光を低減して、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒへ入射する光量を増やす働きをする。なお、反射防止膜６０を省略した構成とすることも可能である。

次に、色フィルタ配列ＣＦＡにおける複数の色フィルタ層の具体的な構成について説明する。

色フィルタ配列ＣＦＡでは、例えば、図２に示すように、ベイヤー配列に従って、対角方向に配された緑色の色フィルタ層４０ｇと他の対角方向に配された青色の色フィルタ層４０ｂ及び赤色の色フィルタ層４０ｒとによって形成される四つの色フィルタ層の単位配列が２次元的に繰り返し配列されている。なお、ここではベイヤー配列を例として説明するが、各色フィルタ層が周期性を持って配置されるのであれば、配置パターンは任意である。

色フィルタ層４０ｂは、光電変換部１１ｂに青色の光が入射するように平坦化層３０上の光電変換部１１ｂに対応する位置に配されている。すなわち、色フィルタ層４０ｂは、裏面１０ｂに垂直な方向から透視した場合に、光電変換部１１ｂを含むように配されている。色フィルタ層４０ｂは、青色の波長域に分光透過率のピークを有する。

色フィルタ層４０ｒは、光電変換部１１ｒに赤色の光が入射するように平坦化層３０上の光電変換部１１ｒに対応する位置に配されている。すなわち、色フィルタ層４０ｒは、裏面１０ｂに垂直な方向から透視した場合に、光電変換部１１ｒを含むように配されている。色フィルタ層４０ｒは、赤色の波長域に分光透過率のピークを有する。

色フィルタ層４０ｇは、光電変換部１１ｇに緑色の光が入射するように平坦化層３０上の光電変換部１１ｇに対応する位置に配されている。すなわち、色フィルタ層４０ｇは、裏面１０ｂに垂直な方向から透視した場合に、光電変換部１１ｇを含むように配されている。色フィルタ層４０ｇは、緑色の波長域に分光透過率のピークを有する。

図１に示したように、本実施形態においては、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを含むマイクロレンズ配列ＭＬＡ１と、マイクロレンズＭＬｇを含むマイクロレンズ配列ＭＬＡ２とが別々の層として形成されているため、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒは、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの配列の縦横方向では、他のマイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒと隣接していない。このため、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒの周縁部は、隣接する光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒとの間の素子分離領域（換言すると、配線１３の上）まで達している。図３は、マイクロレンズの周縁部が素子分離領域に達している状態を示す図である。これにより、集光性能が向上するため、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒにおける感度が向上する。ただし、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒは、素子分離領域を超えて隣接する光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの上まで食み出ないようにしている。これは、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ、ＭＬｒが素子分離領域を超えて重なると、ある画素に本来入射すべき光が隣接する画素のマイクロレンズに集光されてしまい、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ、ＭＬｒの実効的な開口寸法が小さくなってしまうためである。また、色フィルタ層４０ｂ、４０ｒを斜めに通過した光がマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒによって捕捉されて対応する光電変換部１１ｂ、１１ｒに入射するため、光学的混色が低減される。図４は、色フィルタ層４０ｂ（４０ｒ）を斜めに通過した光がマイクロレンズＭＬｂ（ＭＬｒ）によって捕捉されて光電変換部１１ｂ（１１ｒ）に入射する状態を示す図である。

次に、実施の形態にかかる固体撮像装置１の製造方法について説明する。図５は、固体撮像装置の製造方法を示す図である。図５（ａ）〜（ｈ）は工程断面図であり、図５（ｉ）〜（ｐ）はそれぞれ図５（ａ）〜（ｈ）に対応した平面図である。図５（ａ）〜（ｈ）に示す断面は、図２のＩａ−Ｉａ線で切った断面に対応しており、図５（ｉ）〜（ｐ）に示す平面は、図２に示す平面に対応している。

図５（ａ）、（ｉ）に示す工程では、第１導電型（例えばＰ型）の不純物を低い濃度で含むウエル領域１２を有する半導体基板１０を準備する。半導体基板１０は、例えばシリコンで形成する。Ｐ型の不純物は、例えばボロンである。そして、半導体基板１０のウエル領域１２内に、複数の光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒを形成する。これにより、ウエル領域１２内に複数の光電変換部（複数の画素）１１ｇ、１１ｂ、１１ｒが配された半導体基板１０が得られる。各光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒは、例えばフォトダイオードであり、電荷蓄積領域を含むように形成する。電荷蓄積領域は、第１導電型と反対導電型である第２導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、ウエル領域１２における第１導電型の不純物の濃度より高い濃度で含むように形成する。Ｎ型の不純物は、例えばリン又は砒素である。また、表面１０ａ側には、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの間と対応する部分に電荷転送のための配線１３を備えた層間絶縁膜１４を形成する。そして、半導体基板１０の裏面１０ｂに、透光性を有する樹脂で平坦化層２０を形成する。

図５（ｂ）、（ｊ）に示す工程では、平坦化層２０の表面に、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを含む複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ配列ＭＬＡ１を形成する。例えば、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを、それぞれ、平坦化層２０の表面における光電変換部１１ｂ、１１ｒに対応した領域に形成する。マイクロレンズ配列ＭＬＡ１は公知の手法（フォトリソグラフィ法によって所定のパターンで残留させたマイクロレンズ材を溶融・凝固させる方法やマイクロレンズモールドを用いたインプリント法など）を適用して製造可能である。

図５（ｃ）、（ｋ）に示す工程では、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの間隙を埋めるとともに、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの頂の上まで覆うように透光性を有する樹脂で平坦化層３０を形成する。

図５（ｄ）、（ｌ）に示す工程では、平坦化層３０の表面における光電変換部１１ｇに対応した領域に、色フィルタ層４０ｇを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層３０の表面に色フィルタ層４０ｇとなる樹脂を塗布して緑色樹脂層を形成する。緑色樹脂層は、緑色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、緑色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、複数の四角形状の緑色の層が市松状に配列されたパターン（図５（ｌ）参照）となるように緑色樹脂層をエッチング加工する。

図５（ｅ）、（ｍ）に示す工程では、平坦化層３０の表面における光電変換部１１ｒに対応した領域に、色フィルタ層４０ｒを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層３０の露出した表面に色フィルタ層４０ｒとなる赤色の樹脂を塗布して赤色樹脂層を形成する。赤色樹脂層は、赤色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、赤色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、平坦化層３０が露出した複数の領域のうちの１列おきの領域に四角形状の赤色の層が複数配列されたパターンとなるように赤色樹脂層をエッチング加工する。色フィルタ層４０ｂについても同様に、平坦化層３０の表面における光電変換部１１ｂに対応した領域に、色フィルタ層４０ｂを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層３０の露出した表面に色フィルタ層４０ｂとなる樹脂を塗布して青色樹脂層を形成する。青色樹脂層は、青色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、青色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、青色樹脂層をエッチング加工して、色フィルタ層４０ｇ、４０ｒ及び４０ｂがベイヤー配列した色フィルタ配列ＣＦＡとする（図５（ｍ）参照）。

なお、色フィルタ層４０ｇ、４０ｂ、４０ｒを形成する順序は任意であり、上記の例に限定されることはない。

図５（ｆ）、（ｎ）に示す工程では、色フィルタ層４０ｇ、４０ｂ、４０ｒを含む色フィルタ配列ＣＦＡを覆う平坦化層５０を透光性を有する樹脂で形成する。

図５（ｇ）、（ｏ）に示す工程では、平坦化層５０の表面に、マイクロレンズＭＬｇを含む複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ配列ＭＬＡ２を形成する。例えば、マイクロレンズＭＬｇを平坦化層５０の表面における光電変換部１１ｇに対応した領域に形成する。マイクロレンズ配列ＭＬＡ２はマイクロレンズ配列ＭＬＡ１と同様に公知の手法を適用して製造可能である。

図５（ｈ）、（ｐ）に示す工程では、マイクロレンズＭＬｇを含むマイクロレンズ配列ＭＬＡ２の上に反射防止膜６０を形成する。

以上のようにして、実施の形態にかかる固体撮像装置１が製造される。

図６は、固体撮像装置１を用いた撮像モジュールの構成を示す図である。固体撮像装置１は、レンズ３０１及び赤外線カットフィルタ（ＩＲカットフィルタ）３０２を備えた筐体３００に装着される。撮像モジュールは、レンズ３０１を介して筐体３００内に光を取り込み、ＩＲカットフィルタ３０２を通過した光を固体撮像装置１の受光面へ入射させる。固体撮像装置１とＩＲカットフィルタ３０２とは離れて設置されているため、固体撮像装置１の受光面には空気から光が入射する。空気の屈折率はマイクロレンズの材質である樹脂の屈折率よりも小さいため、光はマイクロレンズ配列ＭＬＡ２の表面で反射されやすく、集光効率を向上させる妨げとなる。本実施形態のように、最表層（マイクロレンズ配列ＭＬＡ２の表面）にマイクロレンズよりも屈折率が小さい材料で反射防止膜６０を形成することにより、空気中からマイクロレンズＭＬｇや色フィルタ層４０ｂ、４０ｒに入射する際に反射される光を低減して、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒへ入射する光量を増やすことができる。

ここで、裏面照射型の固体撮像装置において、マイクロレンズＭＬｇと、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒとを同一層に形成する場合について考える。図７は、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｒ及びＭＬｂを同一層に形成した固体撮像装置の構成例を示す図である。マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒ及びＭＬｇが、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの配列の縦横方向に関して、他のマイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒと隣接していると、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒの大きさは、隣接する他のマイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒの大きさとトレードオフの関係になる。すなわち、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒのいずれかを大きくすると、他のマイクロレンズの大きさを小さくしなければならなくなる。したがって、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒを同一層に形成する場合は、集光性能の向上に限界がある。

さらに、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒを同一層に形成する場合は、最表層に反射防止膜６０を設けるとマイクロレンズＭＬｇとＭＬｂ（ＭＬｒ）とのギャップが潰れてしまうため、レンズの周縁部の曲率が実質的に変化してしまう。このため、本来ある画素に入射すべき光が別の画素へ入射してしまうことがあり、画素ごとに集光性能にばらつく原因となる。図８は、マイクロレンズのギャップが反射防止膜によって潰れたことにより、光電変換部１１ｇに入射すべき光が光電変換部１１ｂに入射した状態を示す図である。このような画素ごとの集光性能のばらつきを防ぐためにレンズギャップを大きく確保することは、集光性能の向上の妨げとなる。

マイクロレンズＭＬｇと、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒとを異なる層に形成する場合でも、マイクロレンズＭＬｇの周縁部と、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの周縁部とが上下に重なっていない場合には、マイクロレンズＭＬｇ、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒを同一層に形成する場合と同様に、集光効率は向上しない。また、斜めに入射した光が、対応する色フィルタを通らずに光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒに到達しやすいため、混色が発生しやすくなる。図９は、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒとマイクロレンズＭＬｇとを重ならないように異なる層に形成した固体撮像装置において、色フィルタ層４０ｂ（４０ｒ）を通過した光が光電変換部１１ｇに到達して混色が発生した状態を示す図である。

これに対し、本実施形態のように、マイクロレンズＭＬｇとマイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒとを異なる層に形成し、レンズの周縁部が上下方向に重なるようにすれば、各色のマイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ及びＭＬｒの面積を拡大できる。したがって、実施の形態によれば、裏面照射型の固体撮像装置１において、集光効率を向上させることができる。さらに、斜めに入射した光が対応する色フィルタを通らずに光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒに到達しにくくなるため、混色の発生が低減される。また、マイクロレンズＭＬｇはマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒと隣接していないため、反射防止膜６０を形成してもマイクロレンズＭＬｇの周縁部の曲率は変化しない。したがって、画素ごとに集光性能にばらつきが生じることはない。

また、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１は、色フィルタ層４０ｂ、４０ｒで拡散した光を再集光するため、集光効率が向上する。

このように、本実施形態にかかる固体撮像装置は、高感度であるとともに、光学的混色の発生が発生しにくい。

なお、ここではマイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ、ＭＬｒが球面状の構成を例として説明したが、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ、ＭＬｒは断面視台形状の丘型レンズであっても良い。丘型レンズを用いる場合には、レンズ上部が平面に近い形状であるため、平坦化層による平坦化が容易となる。また、マイクロレンズＭＬｇ、ＭＬｂ、ＭＬｒは微小構造で物質の屈折率を実効的に変化させて光を集光する（光を回折させて集光する）デジタルマイクロレンズであっても良い。デジタルマイクロレンズは、画素ごとに光学特性を変えることが可能であるため、デジタルマイクロレンズを用いることで集光効率をさらに向上させることが可能となる。また、これらを組み合わせて用いることも可能であり、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１とマイクロレンズ配列ＭＬＡ２とで異なる種類のレンズを用いることが可能である。図１０（ａ）に、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１を丘型レンズＨＭＬとした固体撮像装置、図１０（ｂ）に、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２をデジタルマイクロレンズＤＭＬとした固体撮像装置、図１０（ｃ）に、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１、ＭＬＡ２をデジタルマイクロレンズＤＭＬとした固体撮像装置の構成例を示す。

丘型レンズＨＭＬやデジタルマイクロレンズＤＭＬは公知の方法を適用して製造可能であるため、製造方法についての詳細な説明は割愛する。一例を挙げると、丘型レンズＨＭＬはマイクロレンズモールドを用いたインプリント法で形成可能である。また、デジタルマイクロレンズＤＭＬは、グレーティングマスクを用いてのエッチング法やマイクロレンズモールドを用いたインプリント法などで形成可能である。

また、上記の例では、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１として、光電変換部１１ｂ、１１ｒに対応する位置にマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを設けたが、光電変換部１１ｇに対応する位置にもマイクロレンズＭＬｂやＭＬｒよりも小径のマイクロレンズＭＬｇを第３のマイクロレンズとして設けて、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１のマイクロレンズＭＬｇとマイクロレンズ配列ＭＬＡ２のマイクロレンズＭＬｇとで色フィルタ層４０ｇを挟む構造としても良い。図１１は、色フィルタ層４０ｇをマイクロレンズ配列ＭＬＡ１のマイクロレンズＭＬｇとマイクロレンズ配列ＭＬＡ２のマイクロレンズＭＬｇとで挟んだ固体撮像装置の構成を示す図である。この構成においては色フィルタ層４０ｇで拡散した光がマイクロレンズ配列ＭＬＡ１のマイクロレンズＭＬｇで再集光されるため、集光効率をさらに向上させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態にかかる固体撮像装置の構成について説明する。図１２は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置の断面図である。図１２（ａ）は、青色の色フィルタ層と緑色の色フィルタ層とを通る断面の構成を示す。図１２（ｂ）は、赤色の色フィルタ層と緑色の色フィルタ層とを通る断面の構成を示す。本実施形態においては、色フィルタ配列ＣＦＡと、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１との位置が第１の実施形態とは相違する。すなわち、第１の実施形態ではマイクロレンズ配列ＭＬＡ１とマイクロレンズ配列ＭＬＡ２との間に色フィルタ配列ＣＦＡが形成されていたが、本実施形態では、色フィルタ配列ＣＦＡの上にマイクロレンズ配列ＭＬＡ１、ＭＬＡ２が形成されている。

固体撮像装置１は、半導体基板１０、平坦化層２０、色フィルタ配列ＣＦＡ、平坦化層７０、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１、平坦化層３０、平坦化層５０、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２及び反射防止膜６０を備える。固体撮像装置１は、半導体基板１０の裏面１０ｂ側から光が入射する裏面照射型の固体撮像装置である。

半導体基板１０は、第１の実施形態と同様である。

平坦化層２０は、半導体基板１０の裏面１０ｂを覆っている。これにより、平坦化層２０は、色フィルタ配列ＣＦＡが配されるための平坦な表面を提供する。

色フィルタ配列ＣＦＡは、平坦化層２０の表面に配されている。色フィルタ配列ＣＦＡでは、色フィルタ層４０ｂと、色フィルタ層４０ｒと、色フィルタ層４０ｇとが、複数の光電変換部の配列に対応して例えば２次元的に配列されている。

平坦化層７０は、色フィルタ配列ＣＦＡを覆っている。これにより、平坦化層７０は、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１が配されるための平坦な表面を提供する。

第１のマイクロレンズ配列層としてのマイクロレンズ配列ＭＬＡ１は、平坦化層７０の表面に配されている。マイクロレンズ配列ＭＬＡ１では、第１のマイクロレンズとしての複数のマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒが複数の光電変換部１１ｂ、１１ｒの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒは、それぞれ、光電変換部１１ｂ、１１ｒに集光するように配されている。

平坦化層３０は、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの間隙を埋め、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの上まで覆っている。これにより平坦化層３０は、平坦化層５０が配されるための平坦な表面を提供する。平坦化層３０は、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒよりも屈折率が低い透明な材料で形成されている。

平坦化層５０は、平坦化層３０を覆ってより平面度の高い面としている。これにより、平坦化層５０は、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２が配されるための平坦な表面を提供する。

第２のマイクロレンズ配列層としてのマイクロレンズ配列ＭＬＡ２は、平坦化層５０の表面に配されている。マイクロレンズ配列ＭＬＡ２では、第２のマイクロレンズとしての複数のマイクロレンズＭＬｇが複数の光電変換部１１ｇの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。マイクロレンズＭＬｇは、光電変換部１１ｇに集光するように配されている。

マイクロレンズ配列ＭＬＡ２の上には反射防止膜６０が形成されている。反射防止膜６０は、空気中からマイクロレンズＭＬｇや平坦化層３０に入射する際に反射される光を低減して、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒへ入射する光量を増やす働きをする。なお、反射防止膜６０を省略した構成とすることも可能である。

次に、色フィルタ配列ＣＦＡ及び各色の色フィルタ層の具体的な構成については第１の実施形態と同様である。

図１３は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法を示す図である。図１３（ａ）〜（ｉ）は工程断面図であり、図１３（ｊ）〜（ｒ）はそれぞれ図１３（ａ）〜（ｉ）に対応した平面図である。

図１３（ａ）、（ｊ）に示す工程は、図５（ａ）、（ｉ）に示した工程と同様である。

図１３（ｂ）、（ｋ）に示す工程では、平坦化層２０の表面における光電変換部１１ｇに対応した領域に、色フィルタ層４０ｇを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層２０の表面に色フィルタ層４０ｇとなる樹脂を塗布して緑色樹脂層を形成する。緑色樹脂層は、緑色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、緑色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、複数の四角形状の緑色の層が市松状に配列されたパターン（図１３（ｋ）参照）となるように緑色樹脂層をエッチング加工する。

図１３（ｃ）、（ｌ）に示す工程では、平坦化層２０の表面における光電変換部１１ｒに対応した領域に、色フィルタ層４０ｒを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層２０の露出した表面に色フィルタ層４０ｒとなる樹脂を塗布して赤色樹脂層を形成する。赤色樹脂層は、赤色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、赤色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、平坦化層２０が露出した複数の領域のうちの１列おきの領域に四角形状の赤色の層が複数配列されたパターンとなるように赤色樹脂層をエッチング加工する。色フィルタ層４０ｂについても同様に、平坦化層２０の表面における光電変換部１１ｂに対応した領域に、色フィルタ層４０ｂを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層２０の露出した表面に色フィルタ層４０ｂとなる樹脂を塗布して青色樹脂層を形成する。青色樹脂層は、青色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、青色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、青色樹脂層をエッチング加工して、色フィルタ層４０ｇ、４０ｒ及び４０ｂがベイヤー配列した色フィルタ配列ＣＦＡとする（図１３（ｌ）参照）。

なお、色フィルタ層４０ｇ、４０ｂ、４０ｒを形成する順序は任意であり、上記の例に限定されることはない。

図１３（ｄ）、（ｍ）に示す工程では、色フィルタ配列ＣＦＡの上に、透光性を有する樹脂で平坦化層７０を形成する。

図１３（ｅ）、（ｎ）に示す工程では、平坦化層７０の表面に、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを含む複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ配列ＭＬＡ１を形成する。例えば、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを、それぞれ、平坦化層７０の表面における光電変換部１１ｂ、１１ｒに対応した領域に形成する。

図１３（ｆ）、（ｏ）に示す工程では、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの間隙を埋めるとともに、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒの上まで覆うように平坦化層３０を形成する。

図１３（ｇ）、（ｐ）に示す工程では、透光性を有する樹脂で平坦化層３０を覆い平坦化層５０を形成する。

図１３（ｈ）、（ｑ）に示す工程では、平坦化層５０の表面に、マイクロレンズＭＬｇを含む複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ配列ＭＬＡ２を形成する。例えば、マイクロレンズＭＬｇを平坦化層５０の表面における光電変換部１１ｇに対応した領域に形成する。

図１３（ｉ）、（ｒ）に示す工程では、マイクロレンズＭＬｇを含むマイクロレンズ配列ＭＬＡ２の上に反射防止膜６０を形成する。反射防止膜６０を形成することにより、空気中からマイクロレンズＭＬｇや平坦化層３０に入射する際に光が反射されることを防止して、光電変換部１１ｇ、１１ｒ、１１ｂへ入射する光量を増やすことができる。

以上のようにして、実施の形態にかかる固体撮像装置１が製造される。

本実施形態にかかる固体撮像装置は、色フィルタ配列ＣＦＡがマイクロレンズ配列ＭＬＡ１、ＭＬＡ２の下に位置しているため、色フィルタ配列ＣＦＡを通過する際に拡散した光を再集光する効果は得られないが、基板１０の裏面１０ｂに形成した平坦化層２０の上に色フィルタ配列ＣＦＡを形成するため、製造が容易である。

この他については第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は割愛する。

（第３の実施形態）
第３の実施形態にかかる固体撮像装置の構成について説明する。図１４は、第３の実施形態にかかる固体撮像装置の断面図である。図１４（ａ）は、青色の色フィルタ層と緑色の色フィルタ層とを通る断面の構成を示す。図１４（ｂ）は、赤色の色フィルタ層と緑色の色フィルタ層とを通る断面の構成を示す。本実施形態においては、緑色の色フィルタ層の位置が第１の実施形態とは相違する。すなわち、第１の実施形態では緑色の色フィルタ層を含む全ての色フィルタ層が色フィルタ配列ＣＦＡとして形成されていたが、本実施形態では、緑色の色フィルタ層はマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒに隣接して形成されている。

固体撮像装置１は、半導体基板１０、平坦化層２０、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１、色フィルタ配列ＣＦＡ１、平坦化層８０、色フィルタ配列ＣＦＡ２、平坦化層９０、平坦化層１００、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２及び反射防止膜６０を備える。固体撮像装置１は、半導体基板１０の裏面１０ｂ側から光が入射する裏面照射型の固体撮像装置である。

半導体基板１０及び平坦化層２０は、第１の実施形態と同様である。

第１のマイクロレンズ配列層としてのマイクロレンズ配列ＭＬＡ１は、平坦化層２０の表面に配されている。マイクロレンズ配列ＭＬＡ１では、第１のマイクロレンズとしての複数のマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒが複数の光電変換部１１ｂ、１１ｒの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。例えば、マイクロレンズＭＬｂ及びＭＬｒは、それぞれ、光電変換部１１ｂ、１１ｒに集光するように配されている。

色フィルタ配列ＣＦＡ１は、平坦化層２０の表面かつマイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒの間に配されている。色フィルタ配列ＣＦＡ１では、複数の色フィルタ層４０ｇが複数の光電変換部１１ｇの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。

平坦化層８０は、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒ及び色フィルタ層４０ｇを上まで覆っている。これにより平坦化層８０は、色フィルタ配列ＣＦＡ２が配されるための平坦な表面を提供する。平坦化層８０は、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒよりも屈折率が低い透明な材料で形成されている。

色フィルタ配列ＣＦＡ２は、平坦化層８０の表面に配されている。色フィルタ配列ＣＦＡ２では、色フィルタ層４０ｂと、色フィルタ層４０ｒとが複数の光電変換部１１ｂ、１１ｒの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。

平坦化層９０は、色フィルタ層４０ｂ、４０ｒを上まで覆っている。これにより平坦化層９０は、平坦化層１００が配されるための平坦な表面を提供する。

平坦化層１００は、平坦化層９０を覆ってより平面度の高い面としている。これにより、平坦化層１００は、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２が配されるための平坦な表面を提供する。

第２のマイクロレンズ配列層としてのマイクロレンズ配列ＭＬＡ２は、平坦化層１００の表面に配されている。マイクロレンズ配列ＭＬＡ２では、第２のマイクロレンズとしての複数のマイクロレンズＭＬｇが複数の光電変換部１１ｇの配列に対応して例えば２次元的に配列されている。マイクロレンズＭＬｇは、光電変換部１１ｇに集光するように配されている。

マイクロレンズ配列ＭＬＡ２の上には反射防止膜６０が形成されている。反射防止膜６０は、空気中からマイクロレンズＭＬｇや色フィルタ層４０ｂ、４０ｒに入射する際に反射される光を低減して、光電変換部１１ｇ、１１ｂ、１１ｒへ入射する光量を増やす働きをする。なお、反射防止膜６０を省略した構成とすることも可能である。

色フィルタ配列ＣＦＡ１では、緑色の色フィルタ層４０ｇが市松状に配置されている。色フィルタ配列ＣＦＡ２では、青色の色フィルタ層４０ｂ及び赤色の色フィルタ層４０ｒが、色フィルタ層４０ｇが配置されていない部分に市松状に配置されている。半導体基板１０と垂直な方向から透視した場合に、色フィルタ層４０ｇ、４０ｂ、４０ｒはベイヤー配列となっている。

色フィルタ配列ＣＦＡ１、ＣＦＡ２の各色の色フィルタ層の具体的な構成については第１の実施形態と同様である。

図１５は、固体撮像装置の製造方法を示す図である。図１５（ａ）〜（ｉ）は工程断面図であり、図１５（ｊ）〜（ｒ）はそれぞれ図１５（ａ）〜（ｉ）に対応した平面図である。

図１５（ａ）、（ｊ）に示す工程は、図５（ａ）、（ｉ）に示した工程と同様である。

図１５（ｂ）、（ｋ）に示す工程では、平坦化層２０の表面に、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを含む複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ配列ＭＬＡ１を形成する。例えば、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒを、それぞれ、平坦化層２０の表面における光電変換部１１ｂ、１１ｒに対応した領域に形成する。

図１５（ｃ）、（ｌ）に示す工程では、平坦化層２０の表面における光電変換部１１ｇに対応した領域に、色フィルタ配列ＣＦＡ１として色フィルタ層４０ｇを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層２０の表面に色フィルタ層４０ｇとなる樹脂を塗布して緑色樹脂層を形成する。緑色樹脂層は、緑色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、緑色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、複数の四角形状の緑色の層が市松状に配列されたパターン（図１５（ｌ）参照）となるように緑色樹脂層をエッチング加工する。

図１５（ｄ）、（ｍ）に示す工程では、マイクロレンズＭＬｂ、ＭＬｒ及び色フィルタ層４０ｇの上に、透光性を有する樹脂で平坦化層８０を形成する。

図１５（ｅ）、（ｎ）に示す工程では、平坦化層８０の表面における光電変換部１１ｒに対応した領域に、色フィルタ層４０ｒを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層２０の露出した表面に色フィルタ層４０ｒとなる樹脂を塗布して赤色樹脂層を形成する。赤色樹脂層は、赤色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、赤色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、平坦化層２０が露出した複数の領域のうちの１列おきの領域に四角形状の赤色の層が複数配列されたパターンとなるように赤色樹脂層をエッチング加工する。色フィルタ層４０ｂについても同様に、平坦化層８０の表面における光電変換部１１ｂに対応した領域に、色フィルタ層４０ｂを形成する。具体的には、例えばスピンコート法により、平坦化層２０の露出した表面に色フィルタ層４０ｂとなる樹脂を塗布して青色樹脂層を形成する。青色樹脂層は、青色の波長域に分光透過率のピークを有するように、例えば、青色の顔料又は染料を含むレジスト材料で形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、青色樹脂層をエッチング加工して、色フィルタ層４０ｒ及び４０ｂが市松状に配置された色フィルタ配列ＣＦＡ２とする（図１５（ｎ）参照）。

図１５（ｆ）、（ｏ）に示す工程では、色フィルタ層４０ｂ及び４０ｒの間隙を埋めるとともに、色フィルタ層４０ｂ及び４０ｒの上まで覆うように、透光性を有する樹脂で平坦化層９０を形成する。

図１５（ｇ）、（ｐ）に示す工程では、透光性を有する樹脂で平坦化層９０を覆い、平坦化層１００を形成する。

図１５（ｈ）、（ｑ）に示す工程では、平坦化層１００の表面に、マイクロレンズＭＬｇを含む複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ配列ＭＬＡ２を形成する。例えば、マイクロレンズＭＬｇを平坦化層１００の表面における光電変換部１１ｇに対応した領域に形成する。

図１５（ｉ）、（ｒ）に示す工程では、マイクロレンズＭＬｇを含むマイクロレンズ配列ＭＬＡ２の上に反射防止膜６０を形成する。反射防止膜を形成することにより、空気中からマイクロレンズＭＬｇや平坦化層１００に入射する際に光が反射されることを防止して、光電変換部１１ｇ、１１ｒ、１１ｂへ入射する光量を増やすことができる。

以上のようにして、実施の形態にかかる固体撮像装置１が製造される。

なお、上記の例では、色フィルタ層４０ｇを色フィルタ配列ＣＦＡ１、色フィルタ層４０ｂ、４０ｒを色フィルタ配列ＣＦＡ２としたが、これらは逆の配置であっても良い。

本実施形態にかかる固体撮像装置は、色フィルタ層４０ｇがマイクロレンズＭＬｇよりも下に位置しているため、色フィルタ層４０ｇを通過する際に拡散した光を再集光する効果は得られないが、その他については実施形態１と同様の効果が得られる。

上記の各実施形態においては、裏面照射型の固体撮像装置を例として説明したが、裏面照射型に限定されることはなく、表面照射型の固体撮像装置についても同様に実施可能である。また、上記の各実施形態では、緑色に対応する画素の数が青色や赤色に対応する画素の数の２倍となるベイヤー配列の構成を例としたが、このような画素の配置に限定されることはない。また、上記の各実施形態では、基板側に位置するマイクロレンズ配列ＭＬＡ１に対応する光電変換部１１ｂ、１１ｒが青色及び赤色に対応し、受光面側に位置するマイクロレンズ配列ＭＬＡ２に対応する光電変換部１１ｇが緑色に対応する構成を例としたが、マイクロレンズ配列ＭＬＡ１を単色に対応させ、マイクロレンズ配列ＭＬＡ２を複数色に対応させることも可能である。さらに、色フィルタそのものを省略した構成とすることも可能である。また、上記の各実施形態においては、色フィルタ層が青色、赤色、緑色の波長域に分光透過率のピークを有する構成を例としたが、フォトニックフィルタや補色フィルタのように可視光域に分光透過率のピークを複数有していてもよい。すなわち、色フィルタ層としては、可視光域に任意の分光透過率のピークを１ないし複数有するものを使用することが可能である。また、上記の各実施形態においては、青色、赤色及び緑色の三色に対応する三種類の色フィルタ層をベイヤー配列させた構成を例としたが、色フィルタ層は例として挙げた三色に限定されることは無いし、配列パターンもベイヤー配列に限定されることはない。例えば、黄色に対応する色フィルタ層や無色透明の色フィルタ層を含む四種類以上の色フィルタを備えた構成とすることもできる。これらの色フィルタ層は、任意の周期性を持つパターンで配置できる。例えば、色フィルタ層はハニカム構造で周期的に配置することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 固体撮像装置、１０ 半導体基板、１１ｇ、１１ｂ、１１ｒ 光電変換部、４０ｇ、４０ｂ、４０ｒ 色フィルタ層、６０ 反射防止膜、ＭＬＡ１、ＭＬＡ２ マイクロレンズ配列、ＭＬｇ、ＭＬｂ、ＭＬｒ マイクロレンズ。

Claims (7)

1. 基板と、
   市松状の配置で前記基板に形成された各々複数の第１の光電変換部及び第２の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部に対応する各位置に設けられた複数の第１のマイクロレンズを含む第１のマイクロレンズ配列層と、
   前記第２の光電変換部に対応する各位置に設けられた複数の第２のマイクロレンズを含み、前記第１のマイクロレンズ配列層よりも受光面側に配された第２のマイクロレンズ配列層とを有し、
   前記第１のマイクロレンズの周縁部と前記第２のマイクロレンズの周縁部とが重なっていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１のマイクロレンズ配列層は、前記第２の光電変換部に対応する各位置に設けられ前記第１のマイクロレンズよりも小径の第３のマイクロレンズを含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１及び第２のマイクロレンズの周縁部は、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間で重なっていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間には、素子分離領域が形成されることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記第１及び第２の光電変換部の一方のうちの一部に対応する各位置に設けられ、互いに異なる波長域の光を透過させる色フィルタを少なくとも３種類以上有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の色フィルタが任意の周期性を持つパターンによって配置されたことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 前記第２のマイクロレンズ配列層の上に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の固体撮像装置。

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