JP2820074B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は固体撮像装置に係
り、特にマイクロレンズを有する固体撮像装置の受光部
構造及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】 固体撮像装置の小型化及び画素数の増
大によって、一画素の面積は益々縮小化される傾向にあ
る。画素が縮小すると受光面積が小さくなるために、感
度が低下する。しかし、主たるノイズ源であるリセット
ノイズやオンチップアンプノイズは変化しないため、結
果として、画素の縮小はＳ／Ｎ劣化を招く。従って、十
分なＳ／Ｎを確保するためには、ノイズを低減させる
か、あるいは固体撮像素子の感度を向上させることが必
要がある。感度を向上させるために、画素表面にマイク
ロレンズを設け、フォトダイオードへの集光率を高める
構造が種々提案されている。また、ｐｎフォトダイオー
ドのｎ領域を低濃度に形成することによって空乏層を厚
くし、フォトダイオード自体の感度を向上させる技術も
提案されている。

【０００３】図７はマイクロレンズを有する従来の固体
撮像装置の一例を示す構成図である。シリコン基板１０
１上に、ｐ+ 領域１０２、ｎ領域１０３、及びｐウエル
１０４からなるフォトダイオード（以下、ＰＤと称す
る）がマトリクス状に配列されている。フォトダイオー
ドＰＤ以外の領域には、酸化膜１０５を介して転送電極
１０９が設けられ、さらに転送電極１０９の上部には遮
光膜１０６が形成されている。シリコン基板１０１の全
面には、フォトダイオードＰＤ、酸化膜１０５及び遮光
膜１０６を被覆する平坦化膜１０７が形成されており、
さらに、平坦化膜１０７上にはフォトダイオードＰＤに
入射光を集光するためのマイクロレンズ１０８が画素ご
とに形成されている。

【０００４】図８（Ａ）及び（Ｂ）は、図７に示すマイ
クロレンズの製造方法を示す工程図である。同図（Ａ）
に示すように、まずシリコン基板１０１上に平坦化膜１
０７を形成し、さらに平坦化膜１０７の表面にマイクロ
レンズの素材であるレンズ樹脂層を形成する。続いて、
レンズ樹脂層を部分的にエッチング除去し、各フォトダ
イオードＰＤに対応した直方体状のレンズ樹脂層を形成
する。その後、同図（Ｂ）に示すように、熱処理による
「だらし工程」によって樹脂層をなだらかにしてマイク
ロレンズ１０８を完成させる。

【０００５】このようにマイクロレンズを形成すること
によってフォトダイオードの集光率を向上させる技術
は、特開平５−２１８３７２号公報及び特開平５−２４
３５３９号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、上記
従来構造においては、図８（Ｂ）に示すように、隣接す
るマイクロレンズ１０８間に隙間が存在するため、その
部分に入射した光ＬはフォトダイオードＰＤに入射しな
い。このマイクロレンズ間の隙間をなくすために「だら
し工程」で隣接するマイクロレンズ１０８同士を密着さ
せると、マイクロレンズ形状が対称形でなくなり、シェ
ーディング等の特性劣化を招いてしまう。このためにマ
イクロレンズ間の隙間は残しておく必要がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は、固体撮像装置の
特性劣化を引き起こすことなく感度及びＳ／Ｎを向上さ
せることが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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】 本発明による固体撮像
装置は、基板に複数の光電変換素子が形成され、各光電
変換素子への入射光を集光するためのレンズが基板上に
透明層を介して複数形成され、更に、その透明層は、隣
接するレンズ間の隙間部分に凹レンズ機能を有する光学
手段を含むことを特徴とする。

【０００９】光学手段は入射光を分散させる凹レンズ機
能を有する構成であればよい。すなわち、光の入射側の
媒質より出射側の媒質の方が屈折率が大きい凹曲面であ
ることが望ましい。より詳しくは、透明層表面に形成さ
れた凹部、あるいは透明層内部に形成された凹曲面であ
る。

【００１０】透明層内部に形成される場合には、基板上
に表面に凹部を有する第１透明層を形成し、その第１透
明層上に第１透明層より屈折率の小さい第２透明層を形
成する。固体撮像装置表面をできるだけ平滑化するため
に第２透明層は凹部を埋めるだけでもよい。あるいは、
凹部を有する透明層をその透明層よりも屈折率の小さい
２つの透明層で挟んでもよい。この構成は、２回屈折が
生じるためにより大きな偏向量を得ることができる。い
ずれにしても、凹レンズ機能を生じさせる凹曲面は、固
体撮像装置の表面近くに形成されることが望ましい。

【００１１】透明層表面又は内部に、すなわち集光レン
ズとは別個に、凹レンズ機能を有する光学手段が設けら
れているために、集光レンズの形状に影響を与えること
なく入射光を光電変換素子へ集光させることができ、特
性を劣化させることなく感度及びＳ／Ｎを向上させるこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施例を図面を
参照しながら詳細に説明する。図１（Ａ）〜（Ｄ）は本
発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を示
す工程図である。同図（Ａ）に示すように、フォトダイ
オードＰＤが形成された基板１上に平坦化膜２（例えば
ＳｉＯ2 ：屈折率ｎ1 ＝１．４６）を形成し、この平坦
化膜２の表面にレジスト膜３を塗布する。そして、フォ
トダイオードＰＤ間の所定部分のレジスト膜３をエッチ
ング除去して隙間４を形成する。この隙間４の幅は、エ
ッチングのアンダカットを考慮して、形成されるべきマ
イクロレンズの隙間間隔より狭く形成される。

【００１３】続いて、隙間４が形成されたレジスト膜３
をマスクとして、同図（Ｂ）に示すように、ウェットエ
ッチングにより隙間４の平坦化膜２に凹部５を形成す
る。凹部５の形成後、レジスト膜３を除去する。

【００１４】続いて、同図（Ｃ）に示すように、レンズ
樹脂層６を形成し、凹部５及びその近傍のレンズ樹脂層
６をエッチング除去することで、各フォトダイオードＰ
Ｄに対応した直方体状のレンズ樹脂層６を多数形成す
る。

【００１５】最後に、同図（Ｄ）に示すように、「だら
し工程」によりレンズ樹脂層６をなだらかにしてマイク
ロレンズ７を形成する。なお、マイクロレンズ６の屈折
率は平坦化膜２とほぼ同じである。空気の屈折率ｎ0 は
約１．０、平坦化膜２の屈折率ｎ1 は約１．４６である
から、凹部５の湾曲面５ａによってマイクロレンズ７間
の平坦化膜２は凹レンズ機能を有する。従って、同図
（Ｄ）に示すように、隣接するマイクロレンズ間の隙
間、即ち凹部５に入射した入射光８は両側のフォトダイ
オードＰＤへ向けて屈折する。

【００１６】図２（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第２実施
形態に係る固体撮像素子の製造方法を示す工程図であ
る。本実施形態においては、まず同図（Ａ）に示すよう
に、フォトダイオードＰＤが形成された基板１上に平坦
化膜１０（例えばＳｉＯ2 ：屈折率１．４６）を形成
し、この平坦化膜１０の表面に屈折率の異なる材料の平
坦化膜１１（例えば窒化シリコン膜：屈折率２．０）を
形成する。

【００１７】以下、第１実施形態と同様に、平坦化膜１
１上にレジスト膜１２を塗布し、フォトダイオードＰＤ
間の所定部分のレジスト膜１２をエッチング除去して隙
間を形成する。この隙間の幅は、エッチングのアンダカ
ットを考慮して、形成されるべきマイクロレンズの隙間
間隔より狭く形成される。

【００１８】続いて、隙間が形成されたレジスト膜１２
をマスクとして、ウェットエッチングにより平坦化膜１
１に凹部５を形成する。凹部５の形成後、レジスト膜１
２を除去し、平坦化膜１１より屈折率の小さい材料（こ
こではＳｉＯ2）を堆積させて平坦化膜１３を形成す
る。続いて、平坦化膜１３上にレンズ樹脂層を形成し、
凹部５及びその近傍のレンズ樹脂層をエッチング除去す
ることで、各フォトダイオードＰＤに対応した直方体状
のレンズ樹脂層を多数形成する。最後に、「だらし工
程」によりレンズ樹脂層をなだらかにしてマイクロレン
ズ１４を形成する。

【００１９】平坦化膜１１の屈折率は２．０、それを挟
む平坦化膜１０及び１３の屈折率は１．４６であるか
ら、凹部５の湾曲面５ａによってマイクロレンズ１４間
の平坦膜は凹レンズ機能を有する。従って、同図（Ｂ）
に示すように、隣接するマイクロレンズ間の隙間に入射
した入射光８は両側のフォトダイオードＰＤへ向けて屈
折する。

【００２０】図２（Ｃ）は、本発明の第３実施形態によ
る固体撮像装置の構成を示す概略的断面構成図である。
本実施形態では、図２（Ｂ）に示す平坦化膜１３を形成
した後、エッチバックによって平坦化膜１３を平坦化膜
１１表面まで除去し、凹部５のみに平坦化膜１３（ここ
では、窒化シリコン）を残存させる。このように凹部５
を屈折率の小さい材料で埋めることにより、第２実施形
態と同様の効果を得ることができ、更に凹部５が平坦化
されるために汚染に対しても有利となる。

【００２１】更に、図２（Ｂ）及び（Ｃ）における入射
光８の屈折の様子を見れば分かるように、凹レンズ特性
を与える凹部５は、できるだけ表面近くに形成しフォト
ダイオードＰＤ形成面から離すのが有利である。より大
きな偏向量が得られるからである。

【００２２】図３（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第４実
施形態による固体撮像装置の製造方法を示す工程図であ
る。本実施形態においては、まず同図（Ａ）に示すよう
に、フォトダイオードＰＤが形成された基板１上に平坦
化膜１０（例えば窒化シリコン：屈折率２．０）を形成
し、その平坦化膜１０上にレジスト膜１２を塗布する。
レジスト膜１２のうちフォトダイオードＰＤ間の所定部
分をエッチング除去して隙間を形成する。この隙間の幅
は、エッチングのアンダカットを考慮して、形成される
べきマイクロレンズの隙間間隔より狭く形成される。

【００２３】続いて、隙間が形成されたレジスト膜１２
をマスクとして、ウェットエッチングにより平坦化膜１
０に凹部５を形成する。凹部５の形成後、レジスト膜１
２を除去し、平坦化膜１０より屈折率の小さい材料（こ
こではＳｉＯ2）を堆積させて平坦化膜１３を形成す
る。続いて、平坦化膜１３上にレンズ樹脂層を形成し、
凹部５及びその近傍のレンズ樹脂層をエッチング除去す
ることで、各フォトダイオードＰＤに対応した直方体状
のレンズ樹脂層を多数形成する。最後に、「だらし工
程」によりレンズ樹脂層をなだらかにしてマイクロレン
ズ１４を形成する。

【００２４】平坦化膜１０の屈折率は２．０、その上に
形成された平坦化膜１３の屈折率は１．４６であるか
ら、凹部５の湾曲面５ａによってマイクロレンズ１４間
の平坦膜は凹レンズ機能を有する。従って、同図（Ｂ）
に示すように、隣接するマイクロレンズ間の隙間に入射
した入射光８は両側のフォトダイオードＰＤへ向けて屈
折する。平坦化膜１０を所望の厚さに形成することで、
マイクロレンズ１４間に入射した光をフォトダイオード
ＰＤまで偏向させることができる。

【００２５】図３（Ｃ）は、本発明の第５実施形態によ
る固体撮像装置の構成を示す概略的断面構成図である。
本実施形態では、図３（Ｂ）に示す平坦化膜１３を形成
した後、エッチバックによって平坦化膜１３を平坦化膜
１０表面まで除去し、凹部５のみに平坦化膜１３（ここ
では、ＳｉＯ2）を残存させる。このように凹部５を屈
折率の小さい材料で埋めることにより、第２実施形態と
同様の効果を得ることができ、更に凹部５が平坦化され
るために汚染に対しても有利となる。また、第３実施例
と同様に、凹レンズ特性を与える凹部５をできるだけ表
面近くに形成しフォトダイオードＰＤ形成面から離すこ
とで、より大きな偏向量が得られる。

【００２６】図４は、上記各実施形態の平面図である。
図に示すように所定径のマイクロレンズ７あるいは１４
がマトリクス状に配列され、その間に凹レンズ特性を有
する凹部領域５が形成されている。ここで、マイクロレ
ンズ１４の端と凹部５の端とを完全に一致させることは
困難であるが、凹部５の領域で入射光８を屈折させてフ
ォトダイオードＰＤへ集光するよりも、マイクロレンズ
７あるいは１４で集光する方が効率的であること明らか
である。従って、マイクロレンズ７，１４を出来るだけ
大きく形成し、凹部５の領域はその端がマイクロレンズ
端と一致するように出来るだけ小さく表面近くに形成す
ることでマイクロレンズにより集光されなかった光のみ
を凹部５でフォトダイオードＰＤに導くのが望ましい。

【００２７】

【実施例】 図５（Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示す第１
実施形態の一実施例における入射光の集光及び拡散の様
子を示す模式図である。図１に示す第１実施形態におい
て、マイクロレンズ７に屈折率約１．４６のレンズ樹脂
を使用し、平坦化膜２にＳｉＯ2（屈折率１．４６）を
使用した。この場合、同図（Ａ）に示すように、マイク
ロレンズ７によって入射光８はフォトダイオードＰＤに
集光され、また同図（Ｂ）に示すように、凹部５によっ
て入射光８は拡散され、フォトダイオードＰＤ方向に偏
向される。

【００２８】図６（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示
す第２実施形態の一実施例における入射光の集光及び拡
散の様子を示す模式図である。図２（Ｂ）に示す第２実
施形態において、マイクロレンズ１４に屈折率約１．４
６のレンズ樹脂を使用し、平坦化膜１０及び１３にＳｉ
Ｏ2（屈折率１．４６）を使用し、凹部５の湾曲面を形
成した平坦化膜１１に窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を使用
した。この場合、図６（Ａ）に示すように、マイクロレ
ンズ１４によって入射光８は集光し、また凹部５の湾曲
面５ａ及び平坦化膜１０及び１１の界面で入射光８は屈
折しフォトダイオードＰＤ側へ偏向する。

【００２９】

【発明の効果】 以上詳細に説明したように、本発明に
よれば、集光レンズとは別に、透明層表面又は内部に凹
レンズ機能を有する光学手段が設けられている。このた
めに、レンズによって集光されるだけでなく、隣接する
レンズ間の隙間に入射した入射光も光学手段により屈折
して光電変換素子へ集められ、集光レンズの形状に影響
を与えることなく、すなわち特性を劣化させることな
く、感度及びＳ／Ｎを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の製
造方法を示す工程図である。

【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第２実施形態に係
る固体撮像装置の製造方法を示す工程図であり、（Ｃ）
は本発明の第３実施形態による固体撮像装置の概略的断
面構成図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第４実施形態に係
る固体撮像装置の製造方法を示す工程図であり、（Ｃ）
は本発明の第５実施形態による固体撮像装置の概略的断
面構成図である。

【図４】各実施例形態における概略的平面図である。

【図５】図１に示す第１実施形態の一実施例における入
射光の集光及び拡散を示す模式図である。

【図６】図２に示す第２実施形態の一実施例における入
射光の集光及び拡散を示す模式図である。

【図７】従来の固体撮像装置の一例を示す断面構成図で
ある。

【図８】図７に示す従来例の部分的製造工程図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２，１０，１１，１３ 平坦化膜 ３，１２ レジスト膜 ４ 隙間 ５ 凹部 ５ａ 湾曲面 ６，１４ マイクロレンズ ７ レンズ樹脂層 ８ 入射光 ＰＤ フォトダイオード

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に複数の光電変換素子が配列形成され
   た固体撮像装置において、 前記基板上に形成され、表面に凹部を有する第１透明層
   と、 前記第１透明層上に形成され、前記第１透明層より屈折
   率の小さい第２透明層と、 前記第２透明層上の前記第１透明層凹部上以外の部分に
   設けられ、前記複数の光電変換素子の各々に対応した複
   数の凸型集光レンズと、 からなることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】基板に複数の光電変換素子が配列形成され
   た固体撮像装置において、 前記基板上に形成された第１透明層と、 前記第１透明層上に形成され、前記第１透明層より屈折
   率が大きく、且つ表面に凹部を有する第２透明層と、 前記第２透明層上に形成され、前記第２透明層より屈折
   率が小さい第３透明層と、 前記第３透明層上の前記第２透明層凹部上以外の部分に
   設けられ、前記複数の光電変換素子の各々に対応した複
   数の凸型集光レンズと、 からなることを特徴とする固体撮像装置。
3. 【請求項３】基板に複数の光電変換素子が配列形成され
   た固体撮像装置において、 前記基板上に形成された第１透明層と、 前記第１透明層上に形成され、前記第１透明層より屈折
   率が大きく、且つ表面に凹部を有する第２透明層と、 前記第２透明層の前記凹部のみに形成され、前記第２透
   明層より屈折率が小さい第３透明層と、 前記第２透明層上の前記凹部以外の部分に設けられ、前
   記複数の光電変換素子の各々に対応した複数の凸型集光
   レンズと、 からなることを特徴とする固体撮像装置。
4. 【請求項４】基板に複数の光電変換素子が配列形成さ
   れ、各光電変換素子に対応して集光レンズが設けられた
   固体撮像装置の製造方法において、 前記複数の光電変換素子が形成された前記基板上に第１
   透明層を形成し、 前記第１透明層上に前記第１透明層より屈折率が大きい
   第２透明層を形成し、 前記第２透明層上にマスク層を形成し、 前記マスク層を部分的にエッチングすることにより、形
   成されるべき集光レンズ間の隙間より狭い幅の開口部を
   形成し、 前記開口部が形成された前記マスク層をマスクとして前
   記第２透明層をエッチングすることにより、前記第２透
   明層に凹曲面を形成し、 前記第２透明層上に前記第２透明層より屈折率の小さい
   第３透明層を形成し、 前記凹曲面が存在する領域を挟んで、前記第３透明層上
   に前記集光レンズを形成する、 ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記第３透明層は、前記第２透明層の前記
   凹部のみに形成されることを特徴とする請求項４記載の
   固体撮像装置の製造方法。