JP2012174853A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遮光領域への光漏れを防止し、光漏れによる画質の劣化を低減することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２４内に形成され、光を電気信号に変換する光電変換素子２５と、半導体基板２４上に光電変換素子２５に対応するように配置され、入射光を光電変換素子２５上に集光するマイクロレンズ１３と、半導体基板２４上に形成され、光を遮光する遮光膜３０と、遮光膜３０上に形成され、入射光を遮光層３０上に集光するマイクロレンズ１４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関し、例えば裏面照射型固体撮像装置に関するものである。

近年、デジタルカメラ、カメラ搭載型携帯電話などの普及により、固体撮像装置（以下、イメージセンサとよぶ）の需要が増加している。固体撮像装置は、入射光を取り込む面によって、表面照射型固体撮像装置と裏面照射型固体撮像装置とに分類される。

裏面照射型固体撮像装置は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極や配線が設けられた面に対向する面から、光学レンズからの入射光を取り込む。これによって、画素の微細化及び配線の遮光による感度低下が回避される。

裏面照射型固体撮像装置は、主に、画素領域と遮光領域（Optical Black部）とから構成されている。遮光領域は遮光層（例えば、メタル層）によって入射光が遮られた領域であり、遮光領域内には、画素領域からの信号を処理する回路や画素領域の動作を制御する回路が設けられる。画素領域は遮光層が開口された領域であり、入射光を取り込み、光電変換素子（例えば、フォトダイオード）によって入射光を電気信号に変換する。

しかし、現行の裏面照射型固体撮像装置では、入射面側にメタル配線が設置されないことや遮光層が一層であるため、光学レンズからの入射光が遮光領域へ漏れやすく、光漏れによる画質劣化を余儀なくされている。

特開２００９−２８３９０２号公報

遮光領域への光漏れを防止し、光漏れによる画質の劣化を低減することができる固体撮像装置を提供する。

一実施態様の固体撮像装置は、半導体基板内に形成され、光を電気信号に変換する光電変換素子と、前記半導体基板上に前記光電変換素子に対応するように配置され、入射光を前記光電変換素子上に集光する第１のマイクロレンズと、前記半導体基板上に形成され、光を遮光する遮光膜と、前記遮光膜上に形成され、入射光を前記遮光層上に集光する第２のマイクロレンズとを具備することを特徴とする。

第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す平面図である。 第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。 第２実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。 第１、第２実施形態の変形例の固体撮像装置の構造を示す平面図である。

以下、図面を参照して実施形態の固体撮像装置について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す平面図である。

図示するように、固体撮像装置は、画素領域１１と遮光領域１２とを備えている。画素領域１１は、遮光層が開口された領域であり、光学レンズからの入射光を取り込み、光電変換素子（例えば、フォトダイオード）によって入射光を電気信号に変換する。遮光領域１２は、遮光層によって入射光が遮られた領域である。遮光領域１２内には、画素領域１１からの信号を処理する回路や画素領域１１の動作を制御する回路が設けられる。

画素領域１１内には、マイクロレンズ１３が行列状に複数配列されている。マイクロレンズ１３の各々は、光電変換素子の各々に対応するように配置されている。マイクロレンズ１３に入った入射光は、マイクロレンズ１３によって光電変換素子上に集光される。

遮光領域１２には、画素領域１１を囲むように、画素領域１１に隣接してマイクロレンズ１４が形成されている。マイクロレンズ１４は、帯状の形状を有し、画素領域１１を囲んでいる。図１には、帯状の２列のマイクロレンズ１４が画素領域１１を囲む例を示すが、これに限るわけではなく、その他の複数列、例えば３列あるいは４列、または単数列（１列）で囲んでもよい。１列のマイクロレンズで画素領域１１を囲む例を、第２実施形態にて記述する。

さらに、図１にはマイクロレンズ１４が画素領域１１を囲む例を示したが、これに限るわけではなく、画素領域１１が矩形形状である場合、４辺あるいは２辺（例えば、対向する２辺）、１辺のみにマイクロレンズを形成してもよい。

次に、第１実施形態の固体撮像装置の断面構造について説明する。

図２は、第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図であり、図１中の２−２線に沿った断面である。

遮光領域１２と接する画素領域１１の断面は以下のようになっている。

図２に示すように、支持基板２１上には絶縁膜２２が形成されている。絶縁膜２２内には、配線層２３が配置されている。絶縁膜２２は、例えばシリコン酸化膜から形成される。配線層２３は、例えばメタル膜から形成される。

絶縁膜２２上には、シリコン半導体基板２４が配置されている。半導体基板２４内には、光電変換素子（例えば、フォトダイオード）２５が形成されている。半導体基板２４上には保護膜２６が形成され、保護膜２６上にはベース層２７が形成される。保護膜２６は、例えばシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜から形成される。ベース層２７は、例えば透明な樹脂膜から形成される。

ベース層２７上には、カラーフィルタ２８が形成されている。カラーフィルタ２８の各々は、光電変換素子（画素）２５の各々に対応するように配置されている。すなわち、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のうち、いずれか１つの色だけを透過するフィルタが、１つの光電変換素子２５に対して配置されている。なお、カラーフィルタ２８は、赤、緑、青に加え、白（Ｗ）を透過する部分を有してもよい。カラーフィルタ２８は、例えば、ベイヤー配列や、ＷＲＧＢ配列などの配列パターンを有する。

カラーフィルタ２８上には、オーバーコート層２９が形成されている。オーバーコート層２９上には、マイクロレンズ１３が形成されている。マイクロレンズ１３は、光電変換素子（画素）２５及びカラーフィルタ２８に対応するように、光電変換素子２５上に配置されている。マイクロレンズ１３は球面（または曲面）を有する。マイクロレンズ１３は、入射光を光電変換素子２５上に集光する。なお、オーバーコート層２９は、例えば透明な樹脂膜から形成され、入射光に対して透過性を有する。

画素領域１１と接する遮光領域１２の断面は以下のようになっている。

支持基板２１上には、絶縁膜２２、配線層２３、半導体基板２４、光電変換素子２５、保護膜２６が順に形成されている。ここまでは、画素領域１１と同様である。

保護膜２６上には、遮光層３０が形成されている。遮光層３０は、メタル層、例えばアルミニウム（Ａｌ）から形成される。遮光層３０上には、保護膜２６を介してベース層２７が形成されている。さらに、ベース層２７上には、オーバーコート層２９が形成されている。

オーバーコート層２９上には、マイクロレンズ１３及びカラーフィルタ２８に近接してマイクロレンズ１４が形成されている。マイクロレンズ１４は、マイクロレンズ１３が有する球面と異なる球面（または曲面）を有する。マイクロレンズ１４が有する球面の曲率は、カラーフィルタ２８上のマイクロレンズ１３が有する球面の曲率より大きい。さらに、マイクロレンズ１４が有する球面の高さは、マイクロレンズ１３が有する球面の高さよりも高い。言い換えると、マイクロレンズ１４が有する球面の底部から最も高い接点までの高さは、マイクロレンズ１３が有する球面の底部から最も高い接点までの高さよりも高く形成されている。

なお、マイクロレンズ１４は、マイクロレンズ１３を形成した後、マイクロレンズ１３の形成工程とは別の工程にて形成してもよい。これにより、マイクロレンズ１３と異なる形状を有するマイクロレンズ１４を容易に形成できる。

第１実施形態では、遮光層３０上に形成されたマイクロレンズ１４により、光学レンズからの入射光４１が遮光層３０下へ迷光として侵入するのを防止する。更に、画素領域１１と遮光領域１２との間の境界部において、マイクロレンズ１４が有する球面の曲率をマイクロレンズ１３が有する球面の曲率より大きくすると、マイクロレンズ１４に入った入射光４１は遮光層３０下により入り込みにくくなり、マイクロレンズ１４によって集光される。集光された光は、遮光層３０に達し、遮光層３０によって遮光される。これにより、画素領域と遮光領域との間から入る入射光４１が、迷光として遮光層３０下に侵入し、黒レベルを検出する画素に入るのを防止でき、迷光によって黒レベルの基準信号が影響を受けるのを低減することができる。以上により、本実施形態によれば、遮光領域への光漏れを防止でき、光漏れによる画質の劣化を低減することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、画素領域の周囲の遮光層上に１列の帯状のマイクロレンズが形成された例を示す。

図３は、第２実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。

画素領域１１の断面構造は第１実施形態と同様である。以下に、画素領域１１と接する遮光領域１２の断面構造を述べる。

遮光層３０上には、マイクロレンズ１３及びカラーフィルタ２８に近接してマイクロレンズ３１が形成されている。マイクロレンズ３１は、マイクロレンズ１３が有する球面と異なる球面（または曲面）を有する。マイクロレンズ３１が有する球面の曲率半径は、カラーフィルタ２８上のマイクロレンズ１３の曲率半径より大きい。マイクロレンズ３１が有する球面の幅は、マイクロレンズ１３が有する球面の幅より大きい。さらに、マイクロレンズ３１が有する球面の高さは、マイクロレンズ１３が有する球面の高さより高い。言い換えると、マイクロレンズ３１が有する球面の底部から最も高い接点までの高さは、マイクロレンズ１３が有する球面の底部から最も高い接点までの高さよりも高く形成されている。

なお、図３には、帯状の１列のマイクロレンズ３１が画素領域１１を囲む例を示したが、これに限るわけではなく、複数列、例えば２列あるいは３列、４列で囲んでもよい。その他の構造は、前述した第１実施形態と同様である。また、マイクロレンズ３１は、マイクロレンズ１３を形成した後、マイクロレンズ１３の形成工程とは別の工程にて形成してもよい。これにより、マイクロレンズ１３と異なる形状を有するマイクロレンズ３１を容易に形成できる。

第２実施形態では、遮光層３０上に形成されたマイクロレンズ３１により、光学レンズからの入射光４１が遮光層３０下へ迷光として侵入するのを防止する。更に、画素領域１１と遮光領域１２との間の境界部において、マイクロレンズ３１が有する球面の幅及び高さをマイクロレンズ１３が有する球面の幅及び高さより大きくすると、マイクロレンズ３１に入った入射光４１は遮光層３０下により入り込みにくくなり、マイクロレンズ３１によって集光される。集光された光は、遮光層３０に達し、遮光層３０によって遮光される。これにより、画素領域と遮光領域との間から入る入射光４１が、迷光として遮光層３０下に侵入し、黒レベルを検出する画素に入るのを防止でき、迷光によって黒レベルの基準信号が影響を受けるのを低減することができる。以上により、本実施形態によれば、遮光領域への光漏れを防止でき、光漏れによる画質の劣化を低減することができる。

［変形例］
第１、第２実施形態では、画素領域１１の周囲に帯状のマイクロレンズ（断面が蒲鉾状）が形成される例を示したが、図４に示すように、画素領域１１を囲む遮光層上に、円形状のマイクロレンズ３２を形成してもよい。すなわち、半導体基板の上方から見たマイクロレンズ３２の形状が帯状ではなく、円形状であってもよい。マイクロレンズ３２の断面構造は、図２及び図３に示したマイクロレンズ１４，３１の構造と同様である。その他の構成及び効果は、前述した実施形態と同様である。

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。

１１…画素領域、１２…遮光領域、１３…マイクロレンズ、１４…マイクロレンズ、２１…支持基板、２２…絶縁膜、２３…配線層、２４…シリコン半導体基板、２５…光電変換素子、２６…保護膜、２７…ベース層、２８…カラーフィルタ、２９…オーバーコート層、３０…遮光層、３１…マイクロレンズ、４１…入射光。

Claims (5)

1. 半導体基板内に形成され、光を電気信号に変換する光電変換素子と、
   前記半導体基板上に前記光電変換素子に対応するように配置され、入射光を前記光電変換素子上に集光する第１のマイクロレンズと、
   前記半導体基板上に形成され、光を遮光する遮光膜と、
   前記遮光膜上に形成され、入射光を前記遮光層上に集光する第２のマイクロレンズと、
   を具備することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１のマイクロレンズは第１球面を有し、前記第２のマイクロレンズは第２球面を有し、前記第２球面の曲率は前記第１球面の曲率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２球面の高さは、前記第１球面の高さよりも高いことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２のマイクロレンズは、前記半導体基板に対して上方から見たとき、帯状の形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記第２のマイクロレンズは、前記半導体基板に対して上方から見たとき、円形の形状を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。

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