JP2016225392A - 固体撮像素子用マイクロレンズおよび固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子７の高精細化に伴い行われている、屈折率の異なった材料を多層化したマイクロレンズ５で生じる、感度低下、及びフレアなどのノイズ増加による画質低下を改善した固体撮像素子用マイクロレンズおよび固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法を提供すること。
【解決手段】固体撮像素子に設けられる入射光を集束するための固体撮像素子用マイクロレンズ５であって、前記固体撮像素子７が、半導体基板１の表面に形成された複数の光電変換素子２と、前記光電変換素子２のそれぞれの表面に、定められた波長帯域の光を透過させるカラーフィルタ層４を積層した構成であり、前記固体撮像素子用マイクロレンズ５が、内心部と外周部で、異なる屈折率を有し、屈折率が、内心部から外周部にかけて連続的に小さくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子に設けられるオンチップカラーフィルタの上に形成するマイクロレンズおよびその形成方法に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。

固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。

また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を１列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列されたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。

いずれのセンサーにおいても、光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は緻密になるため、近年では、特に大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。

また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過するカラーフィルタ機能を設けている。そのようにすることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の着色透明画素による１画素をパターン形成される。

規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を集めることができる。着色透明画素の色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。

固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには、受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。

しかし、光電変換素子を高集積化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなるため、受光部として利用できる面積割合も減ってしまう。そのため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、固体撮像素子の実効的な感度が低下する。

このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込む目的で、受光領域に近い層ほど屈折率が大きい材料で形成された多層（少なくとも２層以上）構造のマイクロレンズとを備え、マイクロレンズに入射した光を、光電変換素子に近づくほど大きな屈折率層で受光領域側に屈折させる提案されており、斜め入射光でも良好に受光することができ、固体撮像素子の感度が向上する（特許文献１）。

しかしながら、近年の固体撮像素子は多画素化が進み、数百万画素を超える高精細な固体撮像素子が要求されるようになってきており、２層以上の屈折率の異なる層構成にすると、各層の界面での屈折率の変化が悪影響を起こし、高精細な固体撮像素子に付随するマイクロレンズの感度低下、およびフレアなどのノイズ増加による画質低下が生じてしまう。

特開２００７−１６５７１３号公報

本発明の目的は、固体撮像素子の高精細化に伴い行われている、屈折率の異なった材料を多層化したマイクロレンズで生じる、感度低下、及びフレアなどのノイズ増加による画質低下を改善した、固体撮像素子用マイクロレンズおよび固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、固体撮像素子に設けられる入射光を集束するための固体撮像素子用マイクロレンズであって、
前記固体撮像素子が、半導体基板の表面に形成された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれの表面に、定められた波長帯域の光を透過させるカラーフィルタを積層した構成であり、
前記固体撮像素子用マイクロレンズが、内心部と外周部で、異なる屈折率を有し、屈折率が、内心部から外周部にかけて連続的に小さくなっていることを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズである。

また、請求項２に記載の発明は、前記マイクロレンズが、屈折率が異なる２つ以上の透明樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子用マイクロレンズである。

また、請求項３に記載の発明は、前記マイクロレンズの屈折率が、内心部が１．５以上、外周部が１．４以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子用マイクロレンズである。

また、請求項４に記載の発明は、前記固体撮像素子用マイクロレンズの形状が、球面形状、放物線形状、正弦波形状のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の固体撮像素子用マイクロレンズである。

また、請求項５に記載の発明は、複数の光電変換素子が形成されている半導体基板の上に、光電変換素子に対応させたカラーフィルタ層を形成する工程と、
カラーフィルタ層の上に、屈折率が異なる２つ以上の透明樹脂を、屈折率が順次低くなるように、塗布、露光、現像を行って、複数層からなるマイクロレンズを形成する工程と、複数層からなるマイクロレンズを熱フローする加熱工程と、
からなることを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法である。

本発明の固体撮像素子によれば、マイクロレンズ内の屈折率を内心部から外周部にかけて連続的に小さくすることで、高精細な固体撮像素子に付随するマイクロレンズの感度低
下や、フレアなどのノイズ増加による画質低下がなく、集光効率が高く、明るい画像を撮像することが可能な、固体撮像素子用マイクロレンズおよび固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法を提供できた。

本発明の固体撮像素子用マイクロレンズを用いた固体撮像素子の構成を示した概念断面図である。 本発明の固体撮像素子用マイクロレンズにおける屈折率分布を示した概念図である。 本発明の固体撮像素子用マイクロレンズにおける屈折率分布を示した概念図である。 垂直入射光の光路を示した概念図である。 斜入射光の光路を示した概念図である。 本発明の固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法を示した概念図である。

以下本発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子７の概略断面図であり、マイクロレンズ５内の屈折率の変化を連続的な分布とした固体撮像素子用マイクロレンズの構成を示しており、固体撮像素子は、半導体基板１、光電変換素子２、平坦化層３、カラーフィルタ層４、マイクロレンズ５を具備している。半導体基板１は、光電変換素子２を実装するための基板である。

光電変換素子２は、マイクロレンズ５を経由して入射した光を電荷に変換する。平坦化層はマイクロレンズの実装面を平坦化する。カラーフィルタ層４は、光電変換素子２に入射する光の経路に特定の波長の光を透過する役割がある。

このマイクロレンズ５は、屈折率が異なる２つ以上の透明樹脂から形成されるが、その屈折率は、内心部から外周部にかけて連続的に小さくなる分布を持っている。

図２は、本発明の、固体撮像素子用マイクロレンズ５の屈折率分布の一例を示しており、内心部から外周部にかけて、連続的に変化する屈折率分布を持っている。

図３は、本発明の、固体撮像素子用マイクロレンズ５の屈折率分布の他例を示しているが、両例とも、内心部の屈折率が１．５以上、外周部の屈折率が１．４以上になるように形成されている。

図４は、垂直入射光の光路を示した概念図であるが、光がマイクロレンズ５に入射し、マイクロレンズ５内を進み、カラーフィルタ層４、平坦化層３を通って光電変換素子２に入る。

図５は、斜め入射光の光路を示した概念図であるが、斜め入射も垂直入射と同様に、マイクロレンズ５内を進み、カラーフィルタ層４、平坦化層３を通って光電変換素子２に入る。

本実施形態の固体撮像素子７では、上述したマイクロレンズ５の構成により、入射光を効率的に光電変換素子２へ集光することができ、集光効率を高めることができる。

上述したマイクロレンズ５の形成方法について説明する。

図６は、本発明の実施形態に係るマイクロレンズの形成方法を示した概念図であり、ま
ず、光電変換素子２が表面部に形成された半導体基板１の上に、平坦化層３、カラーフィルタ層４を順次積層形成する。

次に、感光性高屈折率透明樹脂８を塗布し（ａ）、露光、現像を行い、光電変換素子の受光部の上部中心部に第一マイクロレンズ９を形成する（ｂ）。

さらに、第一マイクロレンズ９上に感光性のある感光性低屈折率透明樹脂１０を塗布し（ｃ）、露光、現像を行い、第一マイクロレンズ９の真上に第二マイクロレンズ１２を形成する（ｄ））。

ここでマイクロレンズ５に用いる透明樹脂は、熱フローにより屈折率が拡散する材料である。例えば、アクリル系、エポキシ系、アクリルウレタン系、ポリアミド系などである。

そして、第一マイクロレンズ９と第二マイクロレンズ１２を形成した後に加熱処理することで、第一マイクロレンズ９と第二マイクロレンズ１２の屈折率を拡散し、マイクロレンズ５の内心部から外周部にかけて連続的に小さくなるようにする（ｅ）。

本発明の固体撮像素子用マイクロレンズ５によれば、マイクロレンズ５内の屈折率を内心部から外周部にかけて連続的に小さくすることで、光の集光効率が高くなり、明るい画像を撮像することが可能となる。

以下、本実施例を説明する。光電変換素子２が表面上部に形成された半導体基板１上に、遮光層、平坦化層３を形成後、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）３色のカラーレジストを用い、フォトリソグラフィにより、順次に３色のカラーフィルタ層４を形成する。

赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）各々のカラーフィルタ層の膜厚は、０．５〜０．８μｍとし、カラーフィルタ層形成後に、透明樹脂を用いて平坦化層を０．１μｍの厚さに形成する。

次に、形成したカラーフィルタ層上に感光性のある高屈折率の透明樹脂材（感光性アクリル樹脂）を膜厚０．６μｍで塗布し、露光、現像を行い、光電変換素子の受光部の上部中心部に第一マイクロレンズを形成する。ここでの第一マイクロレンズは高さ０．５μｍの半球面形状である。

次に、第一マイクロレンズ上に感光性のある低屈折率の透明樹脂材（感光性アクリル樹脂）を膜厚１．５μｍで塗布し、露光、現像を行い、第一マイクロレンズの真上に第二マイクロレンズを形成する。ここでの第二マイクロレンズは高さ１．２μｍの半球面形状である。

次いで、第一マイクロレンズと第二マイクロレンズを形成した後、半導体基板を搭載可能なサイズのホットプレートを用いて２００℃、３００秒の熱フロー処理を行い、実施例１のマイクロレンズ付固体撮像素子を作製した。

＜比較例１＞
熱フロー処理を行わない以外は、実施例１と同条件で比較例１のマイクロレンズ付固体撮像素子を作製した。

＜受光効率評価＞
実施例１および比較例１のマイクロレンズ付固体撮像素子に、標準光源（光源：キセノンランプ）を照射して、受光効率を測定したところ、比較例１の出力は８０．９％（可視領域）であったが、実施例１の出力は８６．０％であり、熱フロー処理をおこなったマイクロレンズ付固体撮像素子方が約５％良好な結果であった。

＜屈折率分布評価＞
実施例１および比較例１のマイクロレンズの屈折率分布をエリプソメータによって測定した。実施例１のマイクロレンズは、屈折率が、内心部（１．５２）から外周部（１．４３）にかけて連続的に小さくなっているが、比較例１は、中心から０．５μｍの部分で屈折率が１．５１から１．４３に変化する境界面があった。

評価結果を表１に示す。

本発明の、熱フロー処理を施し、屈折率を内心部から外周部にかけて連続的に小さくしたマイクロレンズを用い付固体撮像素子は、受光効率が向上しており、高感度化を図ることができた。

１・・・半導体基板
２・・・光電変換素子
３・・・平坦化層
４・・・カラーフィルタ層
５・・・マイクロレンズ
６・・・光路
７・・・固体撮像素子
８・・・感光性高屈折率透明樹脂
９・・・第一マイクロレンズ
１０・・・感光性低屈折率透明樹脂
１１・・・露光光
１２・・・第二マイクロレンズ

Claims (5)

1. 固体撮像素子上に設けられ、入射光を集束するための固体撮像素子用マイクロレンズであって、
   前記固体撮像素子が、半導体基板の表面に形成された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子のそれぞれの表面に、定められた波長帯域の光を透過させるカラーフィルタを積層した構成であり、
   前記固体撮像素子用マイクロレンズが、内心部と外周部で、異なる屈折率を有し、屈折率が、内心部から外周部にかけて連続的に小さくなっていることを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズ。
2. 前記マイクロレンズが、屈折率が異なる２つ以上の透明樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子用マイクロレンズ。
3. 前記マイクロレンズの屈折率が、内心部が１．５以上、外周部が１．４以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子用マイクロレンズ。
4. 前記固体撮像素子用マイクロレンズの形状が、球面形状、放物線形状、正弦波形状のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の固体撮像素子用マイクロレンズ。
5. 複数の光電変換素子が形成されている半導体基板の上に、光電変換素子に対応させたカラーフィルタ層を形成する工程と、
   カラーフィルタ層の上に、屈折率が異なる２つ以上の透明樹脂を、屈折率が順次低くなるように、塗布、露光、現像を行って、複数層からなるマイクロレンズを形成する工程と、複数層からなるマイクロレンズを熱フローする加熱工程と、
   からなることを特徴とする固体撮像素子用マイクロレンズの形成方法。