JP2012134261A - レンズおよびその製造方法、固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることにより、平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対しても中央部分に確実に集光させて集光効率を向上させる。
【解決手段】平坦化膜上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、レンズ形状を、マイクロレンズ３７として、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向に端部同士が重なりを有したアレイ状に形成する。平面視外形が円形のレンズ形状から、縦方向および横方向の少なくともいずれかの方向に重なりを有したアレイ状に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レンズおよびその製造方法、このレンズが用いられて、被写体からの光が集光されて入射され、この入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に設けられた固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

この種の従来の固体撮像素子は、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状でマトリクス状に配列されているが、テレビジョン方式の走査線の数に起因して受光部の形状が平面視で長方形状をしている。このような従来の固体撮像素子について図１０を参照して説明する。

図１０は、従来の固体撮像素子におけるマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図である。

図１０に示すように、被写体からの光が各マイクロレンズ１０１によって集光されて入射され、この入射光を光電変換して撮像する複数の受光部１０２が２次元状でマトリクス状に配設されている。ところが、受光部１０２は平面視で長方形状をしており、マイクロレンズ１０１は、同じ高さであるが、横方向と縦方向で幅が異なり、横方向の曲率と縦方向の曲率とが同じにならず、横方向に最適な曲率に合わせると、縦方向の曲率が最適にならず、また、縦方向に最適な曲率に合わせると、横方向の曲率が最適にならず、横方向と縦方向で焦点の深さも異なることから、受光部１０２の受光感度やスミアが悪化する。

これを解決するために、１個の受光部１０２の平面視形状が矩形に対して、横方向の曲率と縦方向の曲率とを同じにするようにマイクロレンズの平面視形状を正方形としたものを左右に２個用いた個例が特許文献１、２に開示されている。

図１１は、特許文献１、２に開示されている従来の固体撮像素子のマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図である。

図１１に示すように、従来の固体撮像素子２００において、１個の長方形の受光部２０１に対して、２個の平面視正方形のマイクロレンズ２０２を平面視で左右に並べて配置している。個々のマイクロレンズ２０２の形状は平面視正方形であるため、横方向の曲率と縦方向の曲率とを同じにすることができて、横方向と縦方向で焦点の深さを同じにすることができる。これによって、１個の長方形の受光部２０１に対して個々のマイクロレンズ２０２がそれぞれ焦点を最適に合わせることができる。

図１２（ａ）は、特許文献３に開示されている従来の固体撮像素子のマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡＡ線断面図、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＢＢ線断面図である。

図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、従来の固体撮像素子３００において、表面層に受光部３０１が平面視でマトリックス状に配置された基体３０２と、受光部３０１の配置方向に沿って受光部３０１上を覆う状態で基体３０２上に平坦化膜３０３が設けられ、平坦化膜３０３上に、各受光部３０１に対応してストライプ状のオンチップレンズ３０４が配列されている。このオンチップレンズ３０４の側壁における各受光部３０１間に対応する部分には、先端が浅い楔型の切り込み部３０５が設けられている。

これによって、先端が浅い楔型の切り込み部３０５を受光部３０１間に対応する側壁部分に設けてなるストライプ状のオンチップレンズ３０４を採用したことにより、受光部３０１間に対応するオンチップレンズ３０４部分に照射された光をも各受光部３０１に集光させることができて、各受光部３０１における集光効率の向上を図ることができる。

特開平１０−７０２５８号公報 特開２０００−１７４２４４号公報 特開２０００−１６４８３８号公報

特許文献１、２に開示されている上記従来の構成では、１個の長方形の受光部２０１に対して２個のマイクロレンズ２０２を用いて、受光部２０１の中心でない位置に２箇所集光されるので、真上からの入射光に対しては全く問題がないが、斜め光に対しては受光部２０１に対して集光部が外れ易くなって、集光効率および受光感度が悪化する。このことは、固体撮像素子以外の電子機器においても、斜め光に対して照射対象に対して集光部が外れ易くなって、照射対象への集光効率が悪化する。

特許文献３に開示されている上記従来の構成では、縦方向（ＢＢ線方向）にはレンズが繋がっているため、集光効率は良いものの、横方向（ＡＡ線方向）に対して縦方向（ＢＢ線方向）が極端に詰まっているため、かまぼこ状で長手方向（縦方向）に山と谷が各受光部３０１に対応するようにリフロー処理によってレンズ形状に順次形成されていることから、横方向の曲率と縦方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることは困難であり、受光効率と共に、受光部３０１の受光感度やスミアが悪化するという虞がある。このことは、固体撮像素子以外の電子機器においても、リフロー処理によって横方向の曲率と縦方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることが困難であることから、平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対して、最適なレンズ形状に比べて照射対象への集光効率は悪化する。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることにより、平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対しても中央部分に確実に集光させて集光効率を向上させることができるレンズおよびその製造方法、このレンズを用いて各画素毎の受光感度特性およびスミアを良好に改善することができる固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明のレンズの製造方法は、２次元状でマトリクス状に配列されるレンズのレンズ形状を、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が互いに重なりを有したアレイ状に形成するレンズ形成工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明のレンズの製造方法は、下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、該感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、該レンズ形状を、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が重なりを有したアレイ状に形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明のレンズの製造方法は、下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する第１感光性レジスト膜成膜工程と、フォトマスクを用いて、千鳥格子に配置された各位置に所定形状の感光性レジスト膜を形成する第１レジスト膜形成工程と、熱処理により該所定形状の感光性レジスト膜をリフローして、該千鳥格子状の各位置に所定のレンズ形状を形成する第１レンズ形状形成工程と、該下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する第２感光性レジスト膜成膜工程と、フォトマスクを用いて、該千鳥格子状の配置を縦方向または横方向に１画素分ずらした各位置に所定形状の感光性レジスト膜を形成する第２レジスト膜形成工程と、熱処理により当該所定形状の感光性レジスト膜をリフローして、該千鳥格子状の配置を縦方向または横方向に１画素分ずらした各位置に所定のレンズ形状に形成する第２レンズ形状形成工程とを有し、該レンズ形状を、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が重なりを有したアレイ状に形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のレンズの製造方法における平面視外形が円形、楕円形および４角形のいずれのレンズ形状から、前記縦方向および横方向の少なくともいずれかの方向に重なりを有したアレイ状に形成する。

さらに、好ましくは、本発明のレンズの製造方法におけるレンズ形状は、集光効率を高くするように平面視縦方向と横方向の各曲率が同一とする形状である。

さらに、好ましくは、本発明のレンズの製造方法におけるレンズ形状は、その断面形状が上に凸形状である。

さらに、好ましくは、本発明のレンズの製造方法におけるレンズ形状は、レンズ中央部分を平面または緩やかな曲率を持った凸面とし、その外周側で光をより内側に曲げるように該緩やかな曲率よりも高い曲率を持った曲面にする。

さらに、好ましくは、本発明のレンズの製造方法における透過率階調マスクは、遮光材のパターン密度によって透過光量が調整されている。

さらに、好ましくは、本発明のレンズの製造方法における感光性レジスト膜は、前記照射光量の増加に伴ってレジスト残膜量が、パターン形成用の感光性レジスト膜に比べて徐々に低下していく特性を有する。

本発明のレンズは、本発明の上記レンズの製造方法により製造されたレンズであって、前記レンズ形状は、前記平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が重なりを有したアレイ状に形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明のレンズは、集効用のレンズであって、レンズ形状の平面視外形が円形、楕円形および４角形のいずれかであって、前記平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が重なりを有したアレイ状に形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に配設され、該複数の受光部の平面視形状が長方形のそれぞれに対して該入射光を集光するレンズがそれぞれ設けられた固体撮像素子の製造方法において、
該レンズを、本発明の上記レンズの製造方法により製造するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の固体撮像素子は、被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に配設され、該複数の受光部の平面視形状が長方形のそれぞれに対して該入射光を集光するレンズがそれぞれ設けられた固体撮像素子において、該レンズとして、本発明の上記レンズのそれぞれが該複数の受光部のそれぞれに対応するように形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における受光部の上方にレンズが設けられ、該レンズは、平面視で縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかで隣接したレンズと互いにレンズ端部同士が重なって形成されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子は、ＣＣＤ固体撮像素子またはＣＭＯＳ固体撮像素子である。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、レンズ形状を、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向に端部同士が重なりを有したアレイ状に形成する。このレンズの平面視外形が円形、楕円形および４角形のいずれのレンズ形状から、縦方向および横方向の少なくともいずれかの方向に重なりを有したアレイ状に形成する。

これによって、レンズを透過率階調マスクを用いて縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることが可能となる。平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対しても中央部分に確実に効率よく集光させて集光効率を向上させることが可能となる。このレンズを用いて各画素毎の受光感度特性およびスミアを良好に改善することが可能となる。

以上により、本発明によれば、レンズを透過率階調マスクを用いて縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることができる。平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対しても中央部分に確実に効率よく集光させて集光効率を向上させることができる。このレンズを用いて各画素毎の受光感度特性およびスミアを良好に改善することができる。

本発明の実施形態１におけるＣＭＯＳ固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 （ａ）は、図１の固体撮像素子における平面視外形円形のマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のマイクロレンズにおけるＣＣ線縦断面図、（ｃ）は、（ｂ）のマイクロレンズにおけるＣＣ線縦断面構成例の変形例を示す縦断面図である。 図１の固体撮像素子におけるマイクロレンズおよび受光部の配列例の変形例１（平面視円形状レンズが縦方向にのみ連なっている事例）を模式的に示す平面図である。 図１の固体撮像素子におけるマイクロレンズおよび受光部の配列例の変形例２（平面視楕円形状レンズが縦方向および横方向に連なっている事例）を模式的に示す平面図である。 図１の固体撮像素子におけるマイクロレンズおよび受光部の配列例の変形例３（平面視楕円形状レンズが縦方向にのみ連なっている事例）を模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態２におけるＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図６の固体撮像素子における平面視外形４角形のマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図である。 図６の固体撮像素子におけるマイクロレンズおよび受光部の配列例の変形例１（平面視４角形状レンズが縦方向にのみ連なっている事例）を模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２の固体撮像素子のいずれかを撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 従来の固体撮像素子におけるマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図である。 特許文献１、２に開示されている従来の固体撮像素子のマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、特許文献３に開示されている従来の固体撮像素子のマイクロレンズおよび受光部の配列例を模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡＡ線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢＢ線断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１の固体撮像素子におけるマイクロレンズの製造方法の変形例を説明するための各製造工程を示す平面図である。

以下に、本発明のレンズおよびその製造方法を固体撮像素子およびその製造方法に適用した場合の実施形態１、２および、この固体撮像素子の実施形態１、２のいずれかを画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態５について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるＣＭＯＳ固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。

図１において、本実施形態１のＣＭＯＳ固体撮像素子１には、複数の画素部が行列方向にマトリクス状に配設されている。その各画素部にはそれぞれ、半導体基板２１の表面部に、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオードで構成された受光部２２が設けられ、この受光部２２に隣接して受光部２２からの信号電荷を、電荷転送トランジスタの電荷転送部２３を通して電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤに電荷転送するための転送ゲート２４がゲート絶縁膜２５を介して設けられている。これらの電荷転送部２３、ゲート絶縁膜２５および転送ゲート２４により、受光部２２からフローティングディフュージョンＦＤに撮像信号を転送する電荷転送手段としての電荷転送トランジスタが構成されている。さらに、この受光部２２毎に、フローティングディフュージョンＦＤに電荷転送された信号電荷が電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅トランジスタ（図示せず）で増幅されて画素部毎の撮像信号として読み出すための読出回路を有している。

この読出回路は、フローティングディヒュージョン部ＦＤを所定電圧（例えば電源電圧）にリセットするためのリセットトランジスタおよび、リセット後にフローティングディヒュージョン部ＦＤの電位に応じてその電位信号を増幅して信号線に撮像信号を出力する増幅トランジスタがロジックトランジスタ領域２６に設けられ、このロジックトランジスタ領域２６が各画素部２７間に素子分離層ＳＴＩを介して設けられている。これらのリセットトランジスタおよび増幅トランジスタはそれぞれ、ソース（Ｓ）／ドレイン（Ｄ）およびゲート（Ｇ）で構成されている。

これらの転送ゲート２４、フローティングディヒュージョン部ＦＤおよびロジックトランジスタ領域２６の上方には、この読出回路の回路配線部や、転送ゲート２４およびフローティングディヒュージョン部ＦＤに接続される回路配線部が設けられている。ゲート絶縁膜２５および転送ゲート２４上には、微細化した配線間の埋め込み性が良好な層間絶縁膜２８が形成され、その上に第１配線層２９が形成され、その上に、微細化した配線間の埋め込み性が良好な層間絶縁膜３０が形成されて、その上に第２配線層３１が形成されることにより、上記した回路配線部が構成されている。

また、これらの配線層２９と転送ゲート２４間、配線層２９とフローティングディヒュージョン部ＦＤ間、配線層２９とロジックトランジスタ領域２６のソース（Ｓ）／ドレイン（Ｄ）およびゲート（Ｇ）間にそれぞれ、導電性材料（例えばタングステン）からなるコンタクトプラグ３２がそれぞれ形成され、また、各配線層２９とその上の各配線層３１間にそれぞれ各コンタクトプラグ３３がそれぞれ形成されて、アルミニュウムや銅などからなる配線層２９、３１と転送ゲート２４、フローティングディヒュージョン部ＦＤおよびロジックトランジスタ領域２６のソース（Ｓ）／ドレイン（Ｄ）およびゲート（Ｇ）との間が電気的にそれぞれ接続されている。

これらの層間絶縁膜３０および各配線層３１上には、段差を埋め込むための層間絶縁膜３４が形成されている。この層間絶縁膜３４上には、受光部２２毎に配置されたＲ，Ｇ，Ｂ各色の所定の色配列（例えばベイヤー配列）のカラーフィルタ３５が形成され、さらに、その上に下地膜である平坦化膜３６が形成され、その上に受光部２２への集光用のマイクロレンズ３７が更に形成されている。この集光用のマイクロレンズ３７について図２を用いて詳細に説明する。

図２（ａ）は、図１の固体撮像素子におけるマイクロレンズ３７および受光部２２の配列例を模式的に示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のマイクロレンズにおけるＣＣ線縦断面図、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のマイクロレンズにおけるＣＣ線縦断面構成例の変形例を示す縦断面図である。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、集光用のマイクロレンズ３７は、受光部２２の平面視形状が長方形状に対して中央部（対角線の中心部を含む領域）に集光すると共に、平面視が円形状で縦方向と横方向の各曲率が同一の最適なレンズ形状とするように、入射光の利用面積を広げて隣接のマイクロレンズ３７同士が縦方向および横方向に接したアレイ状態に形成されている。この場合、受光部２２の平面視形状は長方形であることから、その上方のマイクロレンズ３７も長方形状になるが、平面視が円形状で左右および上下の隣接したマイクロレンズ３７と互いに重なって形成されている。即ち、マイクロレンズ３７は、平面視外形が円形のレンズ形状から、縦方向および横方向に重なりを有したアレイ状に形成されている。これによって、縦方向と横方向の各曲率を同一の最適なレンズ形状とすることができる。

上記構成の本実施形態１のＣＭＯＳ固体撮像素子１の製造方法としては、半導体基板２１（または半導体層）上に、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部２２を形成する受光部形成工程と、この受光部２２毎に隣接して、電荷転送手段としての電荷転送部２３および転送ゲート２４を形成する電荷転送手段形成工程と、受光部２２および転送ゲート２４上に層間絶縁膜２８を形成する第１層間絶縁膜形成工程と、層間絶縁膜２８内に、転送ゲート２４および電荷転送先の電荷電圧変換領域（フローティングディヒュージョン部ＦＤ）にそれぞれ接続する各コンタクトプラグ３２をそれぞれ形成する第１コンタクトプラグ形成工程と、各コンタクトプラグ３２にそれぞれ接続するように各第１配線層２９をそれぞれ層間絶縁膜２８上に形成する第１配線部形成工程と、層間絶縁膜２８および各第１配線層２９上に層間絶縁膜３０を形成する第２層間絶縁膜形成工程と、層間絶縁膜３０内に、各第１配線部２９にそれぞれ接続する各第２コンタクトプラグ３３をそれぞれ形成する第２コンタクトプラグ形成工程と、各第２コンタクトプラグ３３にそれぞれ接続するように各第２配線層３１をそれぞれ形成する第２配線部形成工程と、層間絶縁膜３０および各第２配線層３１上に層間絶縁膜３４を形成する第３層間絶縁膜形成工程と、この層間絶縁膜３４上に所定の色配列のカラーフィルタ３５を各受光部２２の位置に対応して形成するカラーフィルタ形成工程と、このカラーフィルタ３５上に平坦化膜３６を介して、マイクロレンズ３７を、入射光の利用面積を広げるように隣接のマイクロレンズ３７のレンズ周囲端部同士が接したアレイ状態に一体化して形成するマイクロレンズ形成工程とを有している。

このマイクロレンズ形成工程としては、平坦化膜３６上に感光性のあるレジスト膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術として透過率階調マスクを用いて紫外線の照射光量を平面位置に応じて制御して、マイクロレンズ３７として、レジスト膜を所定のレンズ形状のレジスト膜に形成することができる。

要するに、このマイクロレンズ形成工程は、平坦化膜３６上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、このレンズ形状を、平面視縦方向および横方向に重なりを有したアレイ状に形成する。

ここで、透過率階調マスクを用いてマイクロレンズ３７を形成する場合についてさらに詳細に説明する。

従来では、マスクにより平面視長方形のレジスト膜を形成し、これに対して熱処理によってリフローしてその表面張力により転写用のレンズ形状のレジスト膜を作っていたが、本実施形態１では、透過率階調マスクを用いてリフローなしで、入射光の利用面積を広げるように隣接マイクロレンズ１６同士が接した状態で、平面視が円形状で縦方向と横方向の各曲率が同一の最適なレンズ形状を感光性のレジスト膜で直接作っている。これによって、リフロー処理がない分、レンズ形成工程が簡略化でき、所望のレンズ形状になる。入射光の利用面積を広げるように隣接マイクロレンズ３７同士が接して互いに重なった状態でマイクロレンズ３７を各受光部２２の位置に対応して形成する。

この透過率階調マスクは、レンズ形状のレジスト膜の周囲ほど光透過率がよく、周囲ほど強い光が感光性のレジスト膜に照射されて、断面が上に凸のレンズ形状に形成されるように透過光量が制御される。要するに、この透過率階調マスクでは、レンズ中央部分ほど透過する光量が面積的に少なくなるように構成されており、レンズ周囲部ほど透過する光量が面積的に多くなるように構成（遮光材のクロムのパターン密度、例えばドットパターン密度により透過光量を調整）されて、観光性のレジスト膜を上に凸のレンズ形状のレジスト膜に形成することができる。

このように、透過率階調マスクを用いて、マイクロレンズ３７として、リフローなしで所望のレンズ形状のレジスト膜を作ることができるため、入射光の利用面積を広げて利用効率を向上させ、隣接のマイクロレンズ３７の端部同士が縦横方向にそれぞれ重なって平面視で円形から略長方形のレンズ形状になっても、平面視が円形状でレンズ厚さおよびその径サイズや、縦方向と横方向の各曲率が同一のレンズ形状に形成することができる。これによって、レンズ形成工程が簡略化できて、リフローなしであることからレンズ形状が画素毎のバラツキも大幅に抑制することができて、所望のレンズ形状に作製することができて、受光部２２での受光感度を向上でき、その受光感度のバラツキをも抑制することができる。図２（ｂ）のように平面視が円形で縦横方向に曲率が等しい「上に凸」のレンズ断面形状の他に、図２（ｃ）のマイクロレンズ３７Ａは、レンズ中央部分が平面または緩やかなと凸面とし、その外周側で光をより内側に曲げるような曲率を持たせることにより、隣接したマイクロレンズ３７の端部同士の重なり部分を減らしてレンズ自体の高さを、図２（ｂ）の場合に比べて大幅に低くすることができる。

以上により、本実施形態１によれば、平坦化膜上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、レンズ形状を、マイクロレンズ３７として、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向に端部同士が重なりを有したアレイ状に形成する。平面視外形が円形のレンズ形状から、縦方向および横方向に重なりを有したアレイ状に形成する。

これによって、透過率階調マスクを用いて、マイクロレンズ３７を縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることができる。平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象（受光部２２）に対しても中央部分に確実に効率よく集光させて集光効率を向上させることができる。このレンズを用いて各画素毎の受光感度特性およびスミアを良好に改善することができる。

なお、本実施形態１では、マイクロレンズ３７および受光部２２の配列例として、平面視が円形状で縦方向と横方向の各曲率が同一の最適なレンズ形状とするように、入射光の利用面積を広げて隣接のマイクロレンズ３７同士が縦方向および横方向に重なったアレイ状態に形成されている場合について説明したが、これに限らず、図３のように、隣接したマイクロレンズ３７ａ同士が縦方向のみに重なったアレイ状態に形成されていてもよい。もちろん、図示していないが、隣接したマイクロレンズ同士が横方向のみに重なったアレイ状態に形成されていてもよい。さらに、平面視外形が円形状ではなく、図４に示すように平面視外形が楕円形状で縦方向と横方向の各曲率が多少異なるものの、受光部２２の中央部上に効率的に集光するように最適なレンズ形状としてもよい。この場合に、図４では、入射光の利用面積を広げて隣接のマイクロレンズ３７ｂ同士が縦方向および横方向に重なるアレイ状態に形成されている。また、図５では、隣接したマイクロレンズ３７ｃ同士が縦方向のみに接したアレイ状態に形成されている。もちろん、図示していないが、隣接したマイクロレンズ同士が横方向のみに接したアレイ状態に形成されていてもよい。

なお、上記実施形態１では、マイクロレンズ形成工程としては、平坦化膜３６上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、このレンズ形状を、平面視外形が円形のレンズ形状から、縦方向および横方向に重なりを有したアレイ状に形成する場合について説明したが、これに限らず、千鳥格子状で２次元状に配置された各位置にレンズをリフローにより形成し、次に、千鳥格子状で２次元状に配置された各位置を横方向または縦方向に１画素分ずらした各位置にレンズをリフローにより形成して、２次元状でマトリクス状に配置された複数のレンズを形成してもよい。このように、千鳥格子状に複数のレンズを形成することにより、メルトによるリフローを行っても隣接画素同士のレンズがくっ付きを起こさず、レンズの端部で互いにオーバラップさせて形成させることができ、縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることにより、平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対しても中央部分に確実に集光させて集光効率を向上させることができる。

即ち、上記マイクロレンズ形成工程として、図１３（ａ）に示すように、平坦化膜３６上に感光性レジスト膜を成膜する第１感光性レジスト膜成膜工程と、フォトマスクを用いて、千鳥格子に配置された各位置に所定形状の感光性レジスト膜を形成する第１レジスト膜形成工程と、熱処理により所定形状の感光性レジスト膜をリフローして、千鳥格子状の各位置に所定のレンズ形状を形成する第１レンズ形状形成工程と、図１３（ｂ）に示すように、平坦化膜３６上に感光性レジスト膜を成膜する第２感光性レジスト膜成膜工程と、フォトマスクを用いて、千鳥格子状の配置を１画素分ずらした位置に所定形状の感光性レジスト膜を形成する第１レジスト膜形成工程と、熱処理により所定形状の感光性レジスト膜をリフローして、千鳥格子状の配置を１画素分ずらした位置に所定のレンズ形状に形成する第２レンズ形状形成工程とを有している。このように、千鳥格子に配置されたマイクロレンズ３７を、フォト２回、１画素分ずらしてリフリーにより、マトリクス状に配列されたマイクロレンズ３７を形成することができる。

要するに、上記感光性レジスト膜成膜工程、レジスト膜形成工程およびレンズ形状形成工程を２回繰り返して、千鳥格子状で２次元状に配置された各位置にレンズを形成し、次に、千鳥格子状で２次元状に配置された各位置を横方向または縦方向に１画素分ずらした各位置にレンズを形成して、２次元状でマトリクス状に配置された複数のレンズを形成する。

（実施形態２）
上記実施形態１では、ＣＭＯＳ固体撮像素子１におけるマイクロレンズ３７のレンズ形状を、平面視外形が円形および楕円形のいずれのレンズ形状から、縦方向および横方向の少なくともいずれかの方向に重なりを有したアレイ状に形成する場合について説明したが本実施形態２では、ＣＣＤ固体撮像素子１Ａにおけるマイクロレンズのレンズ形状を、平面視外形が４角形（長方形）のレンズ形状から、縦方向および横方向の少なくともいずれかの方向に重なりを有したアレイ状に形成する場合について説明する。なお、平面視外形が４角形（長方形）のレンズ形状はＣＭＯＳ固体撮像素子１におけるマイクロレンズ３７に適用することができ、また、平面視外形が４角形（長方形）のレンズ形状もＣＭＯＳ固体撮像素子１に適用することもできる。

図６は、本発明の実施形態２におけるＣＣＤ固体撮像素子の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。

図６において、本実施形態２のＣＣＤ固体撮像素子１Ａには、複数の画素部が行列方向にマトリクス状に配設されている。その各画素部にはそれぞれ、半導体基板２の表面部に、受光素子として入射光を光電変換して信号電荷を生成するフォトダイオードで構成された受光部３が設けられ、この受光部３に隣接して受光部３からの信号電荷を、信号電荷読み出し部を通して読み出して電荷転送するための電荷転送部４が設けられている。この電荷転送部４および信号電荷読み出し部上にはゲート絶縁膜５を介してゲート電極６が配置されている。このゲート電極６は、信号電荷を読み出すと共に、読み出された信号電荷を電荷転送制御するための電荷転送電極として機能する。これらの受光部３および電荷転送部４からなる半導体基板２の画素部７間（水平方向の間）には画素分離層（素子分離層）としてのストップ層８が設けられている。

このゲート電極６上には、入射光がゲート電極６により反射してノイズが発生するのを防ぐために遮光膜９が絶縁層１０を介して形成されている。また、受光部３の上方は遮光膜９には、入射光用の窓部として開口部９ａが形成されている。

これらの受光部３の表面と遮光膜９との段差部分を平坦化するための層間絶縁膜１１が形成されている。この表面が平坦化された層間絶縁膜１１上に、受光部３への集光用の層内レンズ１２が、受光部３に対応するように形成されている。この各層内レンズ１２上には、各層内レンズ１２間の段差を埋め込んでその表面が平坦化するように層間絶縁膜１３が形成されている。

さらに、この層間絶縁膜１３上には、受光部３毎に配置されたＲ，Ｇ，Ｂ各色の所定の色配列（例えばベイヤー配列）のカラーフィルタ１４が形成され、さらに、その上に下地膜としての平坦化膜１５が形成され、その上に受光部３への集光用のマイクロレンズ１６が更に形成されている。この集光用のマイクロレンズ１６は、入射光の利用面積を広げるように、平面視外形が４角形（長方形）のレンズ形状から、縦方向および横方向に重なりを有したアレイ状に形成されている。

上記構成の本実施形態１のＣＣＤ固体撮像素子１Ａの製造方法としては、半導体基板２（または半導体層）上に、入射光を光電変換して撮像する複数の受光部３を２次元状に形成する受光部形成工程と、受光部３毎に隣接して電荷転送手段としての電荷転送部４およびその上のゲート電極６をそれぞれ形成する電荷転送手段形成工程と、ゲート電極６上を覆うと共に、受光部３の上方を開口した遮光膜９を形成する遮光膜形成工程と、受光部３および遮光膜９の段差部上に層間絶縁膜１１を形成する第１層間絶縁膜形成工程と、この層間絶縁膜１１上に、上に凸形状の層内レンズ１２を各受光部３の位置に対応して形成する層内レンズ形成工程と、層内レンズ１２間の凹凸を埋め込むように層間絶縁膜１３を形成する第２層間絶縁膜形成工程と、この層間絶縁膜１３上に所定の色配列のカラーフィルタ１４を各受光部３の位置に対応して形成するカラーフィルタ形成工程と、このカラーフィルタ１４上に、平坦化膜１５を介してマイクロレンズ１６を、入射光の利用面積を広げるように、隣接マイクロレンズ１６同士が縦方向および横方向に重なった状態で各受光部３の位置に対応して形成するマイクロレンズ形成工程とを有している。

このマイクロレンズ形成工程としては、平坦化膜１５上に感光性のあるレジスト膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術として透過率階調マスクを用いて紫外線の照射光量を平面位置に応じて制御して、平面視外形が４角形（長方形）のマイクロレンズ１６として、レジスト膜を所定のレンズ形状のレジスト膜に形成することができる。

要するに、このマイクロレンズ形成工程は、平坦化膜１５上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有し、このレンズ形状を、平面視外形が４角形のレンズ形状から、縦方向および横方向に重なりを有したアレイ状に形成する。

図７は、図６のＣＣＤ固体撮像素子１Ａにおける平面視外形４角形のマイクロレンズ１６および受光部３の配列例を模式的に示す平面図である。なお、図８では、図６のＣＣＤ固体撮像素子１Ａにおけるマイクロレンズ１６ａおよび受光部３の配列例の変形例１として平面視４角形状（長方形）レンズが縦方向にのみ連なっている事例を模式的に示している。また、そのレンズ形状は、その断面形状が上に凸形状であってもよく、また、そのレンズ形状は、レンズ中央部分を平面または緩やかな曲率を持った凸面とし、その外周側で光をより内側に曲げるように緩やかな曲率よりも高い曲率を持った曲面にしてもよい。この場合に用いる透過率階調マスクは、前述したが、遮光材のパターン密度によって透過光量が調整されている。感光性レジスト膜は、照射光量の増加に伴ってレジスト残膜量が、パターン形成用の感光性レジスト膜に比べて徐々に低下していく特性を有するものを用いる。これは上記実施形態１の場合も同様である。

以上により、本実施形態２によれば、グレイスケールの透過率階調マスクを用いてリフローなしで、縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることができる。平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象（受光部３）に対してもその中央部分に確実に効率よく集光させて集光効率を向上させることができる。この平面視外形４角形のマイクロレンズ１６を用いて各画素毎の受光感度特性およびスミアを良好に改善することができる。特に、平面視外形４角形のマイクロレンズ１６は、４角の隙間をなくして入射光の利用効率をより改善することもできる。

（実施形態３）
図９は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２の固体撮像素子のいずれかを撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図９において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態１、２の固体撮像素子１または１Ａからの撮像信号を所定の信号処理をしてカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。

この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、レンズおよびその製造方法、このレンズが用いられて、被写体からの光が集光されて入射され、この入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に設けられた固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、レンズを透過率階調マスクを用いて縦方向と横方向の曲率に対して最適なレンズ形状とすることができる。平面視で縦方向と横方向の長さが異なる照射対象に対しても中央部分に確実に効率よく集光させて集光効率を向上させることができる。このレンズを用いて各画素毎の受光感度特性およびスミアを良好に改善することができる。

１ ＣＭＯＳ固体撮像素子
２１ 半導体基板
２２ 受光部
２３ 電荷転送部
２４ 転送ゲート
２５ ゲート絶縁膜
２６ ロジックトランジスタ領域
２７ 画素部
２８ 層間絶縁膜
２９ 第１配線層
３０ 層間絶縁膜
３１ 第２配線層
３２、３３ コンタクトプラグ
３４ 層間絶縁膜
３５ カラーフィルタ
３６ 平坦化膜
３７、３７Ａ、３７ａ〜３７ｃ マイクロレンズ
１Ａ ＣＣＤ固体撮像素子
２ 半導体基板
３ 受光部
４ 電荷転送部
５ ゲート絶縁膜
６ ゲート電極
７ 画素部
８ ストップ層
９ 遮光膜
９ａ 開口部
１０ 絶縁層
１１ 層間絶縁膜
１２ 層内レンズ
１３ 層間絶縁膜
１４ カラーフィルタ
１５ 平坦化膜
１６、１６ａ マイクロレンズ
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部

Claims (16)

1. ２次元状でマトリクス状に配列されるレンズのレンズ形状を、平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が互いに重なりを有したアレイ状に形成するレンズ形成工程を有するレンズの製造方法。
2. 前記レンズ形成工程は、
   下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する感光性レジスト膜成膜工程と、
   透過率階調マスクを用いて照射光量を平面的に制御して、該感光性レジスト膜をレンズ形状に形成するレンズ形状形成工程とを有するレンズの製造方法。
3. 前記レンズ形成工程は、
   下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する第１感光性レジスト膜成膜工程と、フォトマスクを用いて、千鳥格子に配置された各位置に所定形状の感光性レジスト膜を形成する第１レジスト膜形成工程と、熱処理により該所定形状の感光性レジスト膜をリフローして、該千鳥格子状の各位置に所定のレンズ形状を形成する第１レンズ形状形成工程と、該下地膜上に感光性レジスト膜を成膜する第２感光性レジスト膜成膜工程と、フォトマスクを用いて、該千鳥格子状の配置を縦方向または横方向に１画素分ずらした各位置に所定形状の感光性レジスト膜を形成する第２レジスト膜形成工程と、熱処理により当該所定形状の感光性レジスト膜をリフローして、該千鳥格子状の配置を縦方向または横方向に１画素分ずらした各位置に所定のレンズ形状に形成する第２レンズ形状形成工程とを有する請求項１に記載のレンズの製造方法。
4. 前記平面視外形が円形、楕円形および４角形のいずれのレンズ形状から、前記縦方向および横方向の少なくともいずれかの方向に重なりを有したアレイ状に形成する請求項１〜３のいずれかに記載のレンズの製造方法。
5. 前記レンズ形状は、集光効率を高くするように平面視縦方向と横方向の各曲率が同一とする形状である請求項１〜３のいずれかに記載のレンズの製造方法。
6. 前記レンズ形状は、その断面形状が上に凸形状である請求項１〜３のいずれかに記載のレンズの製造方法。
7. 前記レンズ形状は、レンズ中央部分を平面または緩やかな曲率を持った凸面とし、その外周側で光をより内側に曲げるように該緩やかな曲率よりも高い曲率を持った曲面にする請求項２に記載のレンズの製造方法。
8. 前記透過率階調マスクは、遮光材のパターン密度によって透過光量が調整されている請求項２に記載のレンズの製造方法。
9. 前記感光性レジスト膜は、前記照射光量の増加に伴ってレジスト残膜量が、パターン形成用の感光性レジスト膜に比べて徐々に低下していく特性を有する請求項２に記載のレンズの製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のレンズの製造方法により製造されたレンズであって、
    前記レンズ形状は、前記平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が重なりを有したアレイ状に形成されているレンズ。
11. 集効用のレンズであって、
    レンズ形状の平面視外形が円形、楕円形および４角形のいずれかであって、前記平面視縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかの方向にレンズ端部同士が重なりを有したアレイ状に形成されているレンズ。
12. 被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に配設され、該複数の受光部の平面視形状が長方形のそれぞれに対して該入射光を集光するレンズがそれぞれ設けられた固体撮像素子の製造方法において、
    該レンズを、請求項１〜９のいずれかに記載のレンズの製造方法により製造する固体撮像素子の製造方法。
13. 被写体からの入射光を光電変換して撮像する複数の受光部が２次元状に配設され、該複数の受光部の平面視形状が長方形のそれぞれに対して該入射光を集光するレンズがそれぞれ設けられた固体撮像素子において、
    該レンズとして、請求項１０または１１に記載のレンズのそれぞれが該複数の受光部のそれぞれに対応するように形成されている固体撮像素子。
14. 前記受光部の上方にレンズが設けられ、該レンズは、平面視で縦方向および横方向のうちの少なくともいずれかで隣接したレンズと互いにレンズ端部同士が重なって形成されている請求項１３に記載の固体撮像素子。
15. ＣＣＤ固体撮像素子またはＣＭＯＳ固体撮像素子である請求項１３に記載の固体撮像素子。
16. 請求項１３〜１５のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

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