JP3178629B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

固体撮像装置およびその製造方法

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14601Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627Microlenses

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばビデオカメラや
電子スチルカメラ等に用いて好適な固体撮像装置および
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、例えばビデオカメラ等において
は、その撮像素子として、撮像管の代わりに固体撮像装
置が用いられるようになってきている。撮像管において
は、入射光に対応して発生した電荷が電子ビームにより
走査されるため、撮像面を有効に利用することができ
る。
【0003】これに対して、固体撮像装置においては、
入射光量に対応する電荷を生成する感光素子と、この感
光素子に発生した電荷を読み出すための電荷読出機構部
を同一平面上に形成しなければならないため、固体撮像
装置全体の面積のうち、感光素子の面積として用いるこ
とができる範囲が限定されてくる(その一部の面積は、
電荷読出機構部のために確保しておかなければならな
い)。その結果、例えばMOS型のXYアドレス型撮像
装置においては、感光素子の面積の固体撮像装置全体の
面積に対する割合は、30%乃至50%となる。
【0004】また、近年、より精細な画像を形成するた
め、固体撮像装置の感光素子数を増加させる傾向にある
が、電荷読出機構部は、その形状をあまり小さくするこ
とができない。このため、必然的に感光素子1個あたり
の面積が低下し、固体撮像装置の感度が低下することに
なる。
【0005】そこで従来より、図4に示すように、1個
の感光素子12に対応して1個のマイクロレンズ11を
形成し、マイクロレンズ11により入射される光を感光
素子12上に集光するようにすることが提案されてい
る。このようにすると、電荷読出機構部13に入射され
る光を効率的に感光素子12に集光することができるた
め、感度を向上させることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、感光素
子12の単位画素14の面積当たりの占有率、すなわち
開口率を非常に小さくすると、この画素14に入射され
た光をマイクロレンズ11で対応する感光素子12に集
光するには、マイクロレンズ11の曲率、屈折率等を大
きいものにしなければならず、結果的にマイクロレンズ
11を製造することが困難であった。そのため、単位画
素に入射された光を完全に感光素子に集光することが困
難となり、感度を十分に向上させることができないとい
う課題があった。
【0007】さらにまた、感光素子12とマイクロレン
ズ11との距離を大きくしなければならず、結果的に隣
接する画素からの入射光が混入してしまい、画像がぼけ
てしまう課題があった。
【0008】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、製造を容易にし、より鮮明な画像を得るこ
とができるようにするものである。さらに、画素への入
射光を効果的に利用することにより、感度を向上させる
ことができるようにするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、入射光に対応する電荷を生成する感光素子30と、
感光素子30により生成された電荷を読み出す電荷読出
機構部40とを備える固体撮像装置において、感光素子
30に光を集光する位置に形成された第1のマイクロレ
ンズ34と、第1のマイクロレンズ34に光を集光する
位置に形成された第2のマイクロレンズ38とを少なく
とも備え、第1のマイクロレンズ34は、その1個が、
感光素子30の1個に光を集光するように配置され、第
2のマイクロレンズ38は、その1個が、複数の第1の
マイクロレンズ34に光を集光するように配置される
とを特徴とする。
【0010】この第1のマイクロレンズ34と第2のマ
イクロレンズ38は、その形成する位置、屈折率、曲
率、半径および厚さのうち、少なくとも1つを制御する
ことにより、入射光を感光素子30に集光させるように
することができる。
【0011】第2のマイクロレンズ38は、その1個が
第1の方向に配置されている2つの第1のマイクロレン
ズ34と、第1の方向と垂直な第2の方向に配置されて
いる2つの第1のマイクロレンズ34の、合計4個の第
1のマイクロレンズ34に光を集光するように形成する
ことができる。
【0012】また、第2のマイクロレンズ38からの光
が、対応する第1のマイクロレンズ34を介して入射さ
れる4個の感光素子30は、第2のマイクロレンズ38
の中心付近に集中して形成することができる。
【0013】請求項5に記載の固体撮像装置の製造方法
は、半導体基板33上に感光素子30を形成し、感光素
子30の上に、そこに第2のマイクロレンズ38からの
光を集光する位置に、対応する第1のマイクロレンズ3
4を形成し、4個の第1のマイクロレンズ34の上に、
そこに入射される光が、対応する感光素子30に光を集
光する位置に、対応する第2のマイクロレンズ38を形
成することを特徴とする。
【0014】
【作用】請求項1に記載の固体撮像装置においては、感
光素子30の上に第1のマイクロレンズ34が配置さ
れ、その上にさらに第2のマイクロレンズ38が複数の
第1のマイクロレンズ34に光を集光するように配置さ
れる。従って、マイクロレンズ34,38の屈折率、曲
率、半径、厚さ等を、それ程大きくする必要がなくな
り、製造が容易となる。また、光を感光素子30に有効
に集光することができ、隣接する画素からの光が入射さ
れるおそれも少なくなる。
【0015】また、請求項5に記載の固体撮像装置の製
造方法においては、半導体基板33上に感光素子30が
形成され、その上にマイクロレンズ34が、さらにその
上にマイクロレンズ38が順次形成される。従って、感
光素子30に対して効率的に光を集光することができる
固体撮像装置を容易に製造することが可能となる。
【0016】
【実施例】図1は、本発明の固体撮像装置の一実施例の
構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A’線断
面図を表している。この実施例においては、半導体基板
33上に形成された感光素子30の上に、透明な平坦化
膜32が形成され、その上に第1の(下層の)マイクロ
レンズ34が形成されている。このマイクロレンズ34
は、透明な平坦化膜35で被服され、この平坦化膜35
の上に、さらに第2の(上層の)マイクロレンズ38が
形成されている。
【0017】感光素子30は、画素41に対応して設け
られている。即ち、1個の画素41に対して、1個の感
光素子30が設けられている。そして、1個の感光素子
30に対応して、1個のマイクロレンズ34が形成され
ている。さらに、図1において、水平方向に配置されて
いる2個のマイクロレンズ34と、水平方向と垂直な上
下方向に配置されている2個のマイクロレンズ34の合
計4個のマイクロレンズ34(即ち、4個の画素)に対
応して、1個のマイクロレンズ38が形成されている。
【0018】図1に示すように、4個の画素に入射され
た光のうち、その大半はマイクロレンズ38により取り
込むことができる。マイクロレンズ38は、この取り込
んだ光を対応する4個のマイクロレンズ34に集光す
る。そして、4個のマイクロレンズ34は、それぞれ対
応する4個の感光素子30に対してさらに光を集光す
る。このようにして、各画素41に入射された光が対応
する感光素子30に集光されることになる。
【0019】図2に示すように、マイクロレンズ38
は、表面の曲率変化が外周程大きいため、その外周部に
おける屈折角の方が、内周部における屈折角より大きく
なっている。即ち、マイクロレンズ38に入射された光
のうち、より外周に入射された光は、より内周に入射さ
れた光より、より内周方向に大きく屈折される。そこ
で、図1に示すように、マイクロレンズ34は、マイク
ロレンズ38の中心付近に集中して配置されている。
【0020】このように、マイクロレンズ34にマイク
ロレンズ38より入射される光の入射角は、必ずしも均
等にはならない。そこで、図1および図2に示すよう
に、感光素子30はマイクロレンズ34の中心には配置
されず、マイクロレンズ38の中心に偏った位置に集中
するように配置される。
【0021】このように感光素子30に入射させる光を
集光するレンズを2層にして構成するようにしたので、
各層に形成するマイクロレンズ34,38は、それぞれ
屈折率、曲率、半径または厚さのいずれも1個のマイク
ロレンズにより集光する場合に較べて、小さい値のもの
にすることもできる。マイクロレンズ34,38は、そ
の形成する位置、屈折率、曲率、半径および厚さのう
ち、少なくとも1つを制御することにより、入射光が感
光素子30に効果的に入射されるようになされる。
【0022】次に、図3を参照してこのような固体撮像
装置を製造する方法について説明する。最初に半導体基
板33に感光素子30を形成する。そして、このように
して感光素子30を形成した半導体基板33の上に、例
えば透明で、比較的小さい屈折率を有するイソブチルメ
タアクリレートよりなる平坦化膜32を形成し、さらに
その上に例えばノボラック系樹脂等(レンズ材料)より
なるレジスト膜31を形成する(図3(a))。
【0023】次に通常のフォトリソグラフィにより、レ
ジスト膜31に対して所定のパターンを露光し、これを
現像してマイクロレンズ34を形成する位置にレジスト
膜31を残す様にする(図3(b))。
【0024】そして、次に適当な温度に加熱してレジス
ト膜31によりマイクロレンズ34を形成する(図3
(c))。
【0025】この様にして、マイクロレンズ34が形成
されたら、次にその上に、やはり屈折率の低い透明なイ
ソブチルメタアクリレートよりなる平坦化膜35を形成
する(図3(d))。そして、この平坦化膜35の上
に、例えばイソプロピルメタアクリレートよりなるレン
ズ材料36を塗布し、さらにその上に、レジスト膜37
を形成する。そして、図3(b)における場合と同様
に、通常のフォトリソグラフィによりレジスト膜37上
に所定のパターンを露光し、これを現像して不要な部分
を除去する(図3(e))。
【0026】次に、このレジスト膜37をマスクとし
て、ウエットエッチングあるいはガスプラズマ中におい
てエッチングを行い、レンズ材料36のうち不要な部分
を除去する(図3(f))。さらに、マスクとされたレ
ジスト膜37を除去することにより、マイクロレンズ3
8を形成する(図3(j))。
【0027】以上の製造過程において、マイクロレンズ
34はその1個が1個の感光素子30に光を集光するよ
うに形成され、マイクロレンズ38は、その1個が水平
方向および垂直方向に配置されている合計4個のマイク
ロレンズ34に光を集光するように形成される。
【0028】以上の実施例においては、マイクロレンズ
を2層の構成としたが、3層以上に構成することも可能
である。
【0029】
【発明の効果】以上の如く請求項1に記載の固体撮像装
置によれば、感光素子の上に第1のマイクロレンズを形
成し、さらにその上に第2のマイクロレンズを複数の第
1のマイクロレンズ34に光を集光するように形成する
ようにしたので、第1および第2のマイクロレンズを1
層のマイクロレンズで構成する場合に較べて、その屈折
率、曲率、半径または厚さを小さくすることができ、製
造が容易となる。また、感光素子に効果的に光を集光す
ることができ、隣接する画素の光が入射されるようなこ
とが抑制される。
【0030】請求項5に記載の固体撮像装置の製造方法
によれば、半導体基板上に感光素子を形成し、その上に
第1のマイクロレンズを、さらにその上に第2のマイク
ロレンズをそれぞれ形成するようにしたので、感光素子
に効果的に光を集光することができる固体撮像装置を容
易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像装置の一実施例の構成を示す
平面図である。
【図2】図1のA−A’線断面図である。
【図3】本発明の固体撮像装置の製造方法の製造工程を
説明する断面図である。
【図4】従来の固体撮像装置の一例の構成を示す平面図
である。
【符号の説明】
11 マイクロレンズ 12 感光素子 13 電荷読出機構部 14 画素 30 感光素子 31 レジスト膜 32 平坦化膜 33 半導体基板 34 マイクロレンズ 35 平坦化膜 36 レンズ材料 37 レジスト膜 38 マイクロレンズ 40 電荷読出機構部 41 画素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/14 H04N 1/028 H04N 5/335

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入射光に対応する電荷を生成する感光素
    子と、 前記感光素子により生成された電荷を読み出す電荷読出
    機構部とを備える固体撮像装置において、 前記感光素子に光を集光する位置に形成された第1のマ
    イクロレンズと、前記第1のマイクロレンズに光を集光
    する位置に形成された第2のマイクロレンズとを少なく
    とも備え、 前記第1のマイクロレンズは、その1個が、前記感光素
    子の1個に光を集光するように配置され、 前記第2のマイクロレンズは、その1個が、複数の前記
    第1のマイクロレンズに光を集光するように配置される
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項2】 前記第1のマイクロレンズと第2のマイ
    クロレンズは、その形成する位置、屈折率、曲率、半径
    および厚さのうち、少なくとも1つを制御することによ
    り、入射光を前記感光素子に集光させるようになされて
    いることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 前記第2のマイクロレンズは、その1個
    が、第1の方向に配置されている2つの前記第1のマイ
    クロレンズと、前記第1の方向と垂直な第2の方向に配
    置されている2つの前記第1のマイクロレンズの、合計
    4個の前記第1のマイクロレンズに光を集光するように
    形成されていることを特徴とする請求項1または2に記
    載の固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 1個の前記第2のマイクロレンズからの
    光が、対応する前記第1のマイクロレンズを介して入射
    される4個の前記感光素子は、前記第2のマイクロレン
    ズの中心付近に集中して形成されていることを特徴とす
    る請求項3に記載の固体撮像装置。
  5. 【請求項5】 請求項3または4に記載の固体撮像装置
    を製造する固体撮像装置の製造方法において、 半導体基板上に前記感光素子を形成し、 前記感光素子の上に、そこに前記第2のマイクロレンズ
    からの光を集光する位置に、対応する前記第1のマイク
    ロレンズを形成し、 4個の前記第1のマイクロレンズの上に、そこに入射さ
    れる光が、対応する前記感光素子に光を集光する位置
    に、対応する前記第2のマイクロ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。
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