JP3405620B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置（以下Ｃ
ＣＤともいう）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、固体撮像装置をカラー化する方法
として、ガラス板上にカラーフィルタ層を形成したもの
を固体撮像素子に接着するフィルタ接着方式に代わって
固体撮像素子が形成された半導体基板の上に直接カラー
フィルタ層を形成するオンチップカラーフィルタ方式が
主流となってきた。さらに小型固体撮像装置にあって
は、カラーフィルタ層の上にマイクロレンズを形成し、
入射光を受光部に集光して受光感度を向上させている。
【０００３】以下従来の固体撮像装置について説明す
る。図５は従来の固体撮像装置の撮像部断面図であり、
１３は固体撮像素子が形成されたｎ型半導体基板、１２
はｐウェル層、１１は受光部、１０は電荷転送部、９は
シリコン酸化膜、もしくは窒化膜、８はポリシリコン電
極、１４は遮光用メタル層、５は半導体素子表面保護
膜、１９は素子を平坦にするための平坦膜、４はカラー
フィルター層、３は中間透明膜であり１はマイクロレン
ズである。また、他の従来例として１４の遮光膜にシリ
コン酸化膜を介しさらにもう１層金属膜を、設けて遮光
を強化し、５の表面保護膜で半導体素子形成する場合も
ある。このようにしてマイクロレンズ１を各受光部に対
応させ、配置しレンズにより集光された光を受光部１１
に導き感度を増加させ、受光部で光エネルギーで発生し
た電子とホールのうち、電子をポリシリコンゲート８に
電圧印加し、電荷転送部１０へ電子を移動させる。移動
した電子は電荷転送部１０をポリシリコン電極に電圧が
印加され、形成されるポテンシャルエネルギーにより出
力部へ転送される。
【０００４】また他の例としてマイクロレンズ１下の中
間膜３の屈折率をマイクロレンズの屈折率より大きいポ
リイミド等の物質で形成し光路を制御する発明（特開平
５−１３４１１１号公報）が提案されている。
【０００５】なお、カラーフィルター４は３板式撮像装
置やＣＣＤ白黒の場合には使用しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、以下のような課題を有しており充分な感
度向上が困難であった。
【０００７】一般に固体撮像装置は光学系レンズで光を
集め結像される場所に置かれる。この場合、絞りの開口
部の大きさにより入射角度が相違する。特に絞りを開い
た状態では図４に示すように斜め入射する光１８により
その光路は受光部１１に到達せず、遮光膜７の方向にな
る。この結果、光学系レンズの絞り開放時には、思うよ
うに感度が増加しないことが発生する。
【０００８】またできるだけ、斜め光成分を受光部に導
くためには、マイクロレンズ１から受光部１１までの距
離（レンズ・受光部距離と称す）を短くすることが、知
られている。しかし従来の技術において、遮光膜１４に
アルミを使い、周囲の配線にも共用しているため１μｍ
近い膜厚が必要となり、さらに開口部段差が大きくなる
ためカラーフィルタやマイクロレンズ形成がばらつきな
くできるよう十分な平坦化膜１９を形成する必要があ
る。また他の例で遮光膜を２段にする方法を採用する固
体撮像装置も上記と同様の理由で、レンズ・受光部距離
を短くできない。
【０００９】また他の例である特開平５−１３４１１１
号公報の提案は、マイクロレンズの屈折率１．５６を超
えるレンズ効果を与えようとするものであるが、屈折率
が高い程、その材料は光透過率が低下し、着色して感度
低下を伴うという問題がある。
【００１０】本発明は上記の従来の課題を解決するもの
で、斜め入射光において、集光率の減少を抑制し、感度
の高い、画像特性に優れた固体撮像装置を提供すること
を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子が形成された
半導体基板上に、前記固体撮像素子の受光部に対応して
表面保護膜、下のマイクロレンズ、中間膜、上のマイク
ロレンズが順に形成された固体撮像装置であって、前記
上下のマイクロレンズの光屈折率が実質的に同じで、か
つ光の透過率がほぼ等価であり、前記中間膜よりも前記
上下のマイクロレンズの光屈折率が大きいとともに、前
記表面保護膜から前記受光部までの膜の平均屈折率より
も前記上下のマイクロレンズの光屈折率か大きく、 前記
下のマイクロレンズは中央部が上下両方に膨らんだ凸型
であることを特徴とする。
【００１２】本発明の別の固体撮像装置は、固体撮像素
子が形成された半導体基板上に、前記固体撮像素子の受
光部に対応して表面保護膜、下のマイクロレンズ、中間
膜、上のマイクロレンズが順に形成された固体撮像装置
であって、前記上下のマイクロレンズの光屈折率が実質
的に同じで、かつ光の透過率がほぼ等価であり、前記中
間膜よりも前記上下のマイクロレンズの屈折率が大きい
とともに、前記表面保護膜から前記受光部までの膜の平
均屈折率よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率が
大きく、前記下のマクロレンズは上面が平坦であり、下
面の中央部が下方向に膨らんだ凸型であることを特徴と
する。
【００１３】また前記構成においては、受光部以外の遮
光領域に、遮光膜として金属シリサイド膜、及び高融点
金属膜から選ばれる少なくとも一つの膜を形成したこと
が好ましい。
【００１４】また前記構成においては、金属シリサイド
膜が、タングステンシリサイド（ＷＳｉ），モリブデン
シリサイド（ＭｏＳｉ）及びチタンシリサイド（ＴｉＳ
ｉ）から選ばれる少なくとも一つの膜であることが好ま
しい。
【００１５】また前記構成においては、高融点金属膜
が、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）及びチタ
ン（Ｔｉ）から選ばれる少なくとも一つの金属膜である
ことが好ましい。
【００１６】また前記構成においては、遮光膜と受光部
の表層にボロン−リン−シリサイドガラス（ＢＰＳＧ）
膜を形成したことが好ましい。また前記構成において
は、受光部領域のボロン−リン−シリサイドガラス（Ｂ
ＰＳＧ）膜断面を凹形状に形成したことが好ましい。
【００１７】また前記構成においては、ＢＰＳＧ膜の厚
さが０．５μｍ〜１．２μｍの範囲であることが好まし
い。また前記構成においては、半導体素子表面保護膜
が、ＳｉＯ2 ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮから選ばれる少なく
とも一つの膜を形成したことが好ましい。また前記構成
においては、前記下のマイクロレンズの上側に接してカ
ラーフィルター層が形成されていることが好ましい。
【００１８】次に本発明の固体撮像装置の製造方法は、
固体撮像素子が形成された半導体基板上に、前記固体撮
像素子の受光部に対応してマイクロレンズが上下２層に
形成された固体撮像装置の製造方法であって、 Ａ．前記受光部の上方にＳｉＯ2 ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮ
から選ばれる少なくとも一つの表面保護膜を分子堆積法
により形成し、 Ｂ．その表層に第２マイクロレンズ材料樹脂を塗布し、
加熱軟化し、硬化して第２マイクロレンズを形成し、 Ｃ．前記第２マイクロレンズ材料樹脂よりも屈折率の低
い樹脂材料を塗布し、平坦化して中間膜を形成し、 Ｄ．前記第２マイクロレンズ材料樹脂と同等の屈折率を
有するとともに光の透過率がほぼ等価の第１マイクロレ
ンズ材料樹脂を塗布し、加熱軟化し、硬化して第１マイ
クロレンズを形成し、 Ｅ．前記表面保護膜から前記受光部までの膜の平均屈折
率よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率を大きく
することを特徴とする。
【００１９】前記構成においては、下段のマイクロレン
ズの断面形状を、中央部が上下方向の少なくとも一方向
に膨らんだ凸型に形成することが好ましい。また前記構
成においては、上段のマイクロレンズの断面形状を、中
央部が上下方向の少なくとも一方向に膨らんだ凸型に形
成することが好ましい。
【００２０】また前記構成においては、受光部以外の遮
光領域に、さらに遮光膜として金属シリサイド膜、及び
高融点金属膜から選ばれる少なくとも一つの膜をスパッ
タリングまたはＣＶＤ(chemical vapor deposite) 法に
より形成すると、薄くて均一な膜厚の遮光膜が得られる
ために好ましい。
【００２１】また前記構成においては、金属シリサイド
膜が、タングステンシリサイド（ＷＳｉ），モリブデン
シリサイド（ＭｏＳｉ）及びチタンシリサイド（ＴｉＳ
ｉ）から選ばれる少なくとも一つの膜であることが好ま
しい。
【００２２】また前記構成においては、高融点金属膜
が、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）及びチタ
ン（Ｔｉ）から選ばれる少なくとも一つの金属膜である
ことが好ましい。
【００２３】また前記構成においては、遮光膜と受光部
の表層に、さらにボロン−リン−シリサイドガラス（Ｂ
ＰＳＧ）膜をＣＶＤ法により形成することが好ましい。
また前記構成においては、受光部領域のボロン−リン−
シリサイドガラス（ＢＰＳＧ）膜断面を凹形状に形成す
ることが好ましい。
【００２４】また前記構成においては、ボロン−リン−
シリサイドガラス（ＢＰＳＧ）膜の厚さが０．５μｍ〜
１．２μｍの範囲であることが好ましい。また前記構成
においては、上下のマイクロレンズの間であって、下段
のマイクロレンズの上側に接してさらにカラーフィルタ
ー層を形成することが好ましい。
【００２５】
【作用】前記した本発明の構成によれば、固体撮像素子
が形成された半導体基板上に、前記固体撮像素子の受光
部に対応して表面保護膜、下のマイクロレンズ、中間
膜、上のマイクロレンズが順に形成された固体撮像装置
であって、前記上下のマイクロレンズの光屈折率が実質
的に同じで、かつ光の透過率がほぼ等価であり、前記中
間膜よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率が大き
いとともに、前記表面保護膜から前記受光部までの膜の
平均屈折率よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率
が大きいことことにより、斜め入射光の集光率の減少を
抑制し、感度の高い、画像特性に優れた固体撮像装置を
実現できる。すなわち、固体撮像装置に光が斜め入射す
る場合に受光部からはずれる光路をとる光を、下段の第
２マイクロレンズにより、より垂直に近い形に集光し、
感度低下を抑制できる。また、マイクロレンズ材料と同
じで、それと等価な透過率の材料を使用するため、光吸
収による感度低下も発生しない。
【００２６】前記において、下段のマイクロレンズの断
面形状が、中央部が上下方向の少なくとも一方向に膨ら
んだ凸型であると、いわゆる凸面レンズの原理により、
上部からの光を有効に集光し、受光部の中心位置に光を
集めることができるので、感度を高く保持できる。
【００２７】また前記において、上段のマイクロレンズ
の断面形状が、中央部が上下方向の少なくとも一方向に
膨らんだ凸型であると、前記と同様にいわゆる凸面レン
ズの原理により、上部からの光を有効に集光し、受光部
の中心位置に光を集めることができるので、感度を高く
保持できる。
【００２８】また前記において、受光部以外の遮光領域
に、遮光膜として金属シリサイド膜、及び高融点金属膜
から選ばれる少なくとも一つの膜を形成すると、従来の
金属アルミ膜を遮光膜に使用した場合に比べてポリシリ
コン電極を薄く遮光できるとともに、遮光膜とポリシリ
コン電極によって凸形状となるので、ポリシリコン電極
と隣接する電極との間の受光部が凹形状になり、その上
にＢＰＳＧ膜が形成され、これにより第２マイクロレン
ズの形状を決めることができる。すなわち、最終のＢＰ
ＳＧ膜の膜厚でレンズの形状が決まるが、その土台とな
る形状は、ポリシリコン電極と遮光膜の厚さと幅と間隔
によって定まる。たとえばポリシリコン電極の厚さが約
０．８〜１μｍ、ポリシリコン電極と隣のポリシリコン
電極の間隔（受光部）が約５μｍ、ポリシリコン電極表
面の遮光膜の厚さが約０．４μｍ、ＢＰＳＧ膜の膜厚が
約０．８μｍの場合、第２マイクロレンズの形状は中央
が凸形状の凸レンズとなる。
【００２９】前記において、金属シリサイド膜が、タン
グステンシリサイド（ＷＳｉ），モリブデンシリサイド
（ＭｏＳｉ）及びチタンシリサイド（ＴｉＳｉ）から選
ばれる少なくとも一つの膜であると更に効果的である。
前記において、高融点金属膜が、タングステン（Ｗ），
モリブデン（Ｍｏ）及びチタン（Ｔｉ）から選ばれる少
なくとも一つの金属膜であってもよい。
【００３０】また前記において、遮光膜と受光部の表層
にボロン−リン−シリサイドガラス（ＢＰＳＧ）膜を形
成すると、一般のリンガラス（ＰＳＧ）や窒化ガラス
（ＮＳＧ）に比べ、加熱により滑らかな表面形状が実現
する。
【００３１】また前記構成においては、受光部領域のボ
ロン−リン−シリサイドガラス（ＢＰＳＧ）膜断面は、
前記のポリシリコン電極と遮光膜で形成され、隣接する
凸形状全体を覆うため、表面が滑らかな凹形状が達成さ
れる。すなわち、受光部の上の部分が窪んだ滑らかな断
面形状となり、この形状で第２マイクロレンズの形状が
決定できる。また、深い形状にする場合は、ＢＰＳＧ膜
の膜厚を薄く、浅い窪みの場合は厚い膜を堆積させるこ
とが好ましい。前記においては、ＢＰＳＧ膜の厚さが
０．５μｍ〜１．２μｍの範囲であることが好ましい。
【００３２】また前記において、半導体素子表面保護膜
が、ＳｉＯ2 ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮから選ばれる少なく
とも一つの膜を形成する。これらは半導体のパッシベー
ション（表面保護）に一般的に使われる材料で、表面ダ
ストによる素子内汚染や水分浸透を防止することができ
る。
【００３３】また前記において、上下のマイクロレンズ
の間であって、下段のマイクロレンズの上側に接してカ
ラーフィルター層を形成すると、良好なカラーＣＣＤを
実現できる。
【００３４】次に本発明の固体撮像装置の製造方法の構
成によれば、固体撮像素子が形成された半導体基板上
に、前記固体撮像素子の受光部に対応してマイクロレン
ズが上下２層に形成された固体撮像装置の製造方法であ
って、 Ａ．前記受光部の上方にＳｉＯ2 ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮ
から選ばれる少なくとも一つの表面保護膜を分子堆積法
により形成し、 Ｂ．その表層に第２マイクロレンズ材料樹脂を塗布し、
加熱軟化し、硬化して第２マイクロレンズを形成し、 Ｃ．前記第２マイクロレンズ材料樹脂よりも屈折率の低
い樹脂材料を塗布し、平坦化して中間膜を形成し、 Ｄ．前記第２マイクロレンズ材料樹脂と同等の屈折率を
有するとともに光の透過率がほぼ等価の第１マイクロレ
ンズ材料樹脂を塗布し、加熱軟化し、硬化して第１マイ
クロレンズを形成し、 Ｅ．前記表面保護膜から前記受光部までの膜の平均屈折
率よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率を大きく
することにより、効率良く合理的に本発明の固体撮像装
置を製造できる。
【００３５】
【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例におけ
る固体撮像装置の撮像部断面図で、上下２層のマイクロ
レンズをもつオンチップフィルタとその下の半導体素子
構造の例を示している。図２は本発明の第２の実施例に
おける固体撮像装置の撮像部断面図で塗布し、加熱溶融
して２層マイクロレンズを形成した例を示している。こ
れらの図において、図１〜図３及び図６に示す数字は同
一箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】（実施例１）第１の実施例は、図１に示す
ようにｎ型半導体基板１３の上に不純物注入法または不
純物注入後のドライブイン炉を用いて、厚さ約３μｍの
ｐウェル層１２を形成し、その表層部に不純物注入法を
用いて、１辺約１μｍ、厚さ約０．３μｍの電極転送部
１０及び１辺約１．５μｍ、厚さ約１μｍの受光部１１
を形成した。次にパイロ酸化低圧ＣＶＤ(chemical vapo
r deposite) による窒化膜形成法を用いて、厚さ約０．
１μｍのシリコン酸化膜と窒化ケイ素膜（ＳｉＮ）の合
体したＯＮＯ膜９を形成した。次に低圧ＣＶＤ法を用い
て、１辺約１μｍ、厚さ約０．４μｍのポリシリコン電
極８を形成した。
【００３７】前記ポリシリコン電極８の上に遮光膜７と
してタングステン（Ｗ）またはタングステンシリサイド
（ＷＳｉ）を１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で堆積さ
せ、受光部１１の上の部分のみをエッチングで除去し
た。本実施例では、スパッタ法またはＣＶＤ法を用いて
ＷＳｉを厚さ０．４μｍに形成した。
【００３８】その上にＢＰＳＧ膜６を堆積させた。ＢＰ
ＳＧのボロン濃度は３重量％、リンの濃度は６重量％で
あり、堆積膜厚は０．４〜１．２μｍの範囲でおこな
う。本実施例では、常圧ＣＶＤ法を用いて、厚さ０．８
μｍに形成した。ＢＰＳＧの屈折率は約１．４７であ
る。この場合、受光部１１の上の部分が窪んだ断面形状
となった。深い形状にする場合は、ＢＰＳＧ膜の膜厚は
薄く、浅い窪みの場合は厚い膜を堆積させる。この形状
で第２マイクロレンズ２の形状が決定される。さらに素
子表面保護膜５として、ＳｉＯ2 、ＳｉＯＮまたはＳｉ
Ｎ膜（本実施例ではＳｉＯ2 を使用した）をプラズマＣ
ＶＤで堆積させた。膜厚は約４００ｎｍで、屈折率はほ
ぼ１．５０〜１．５５である。前記ｎ型半導体基板１３
から素子表面保護膜５までを半導体撮像素子部２２と総
称する。
【００３９】前記素子表面保護膜５の表面に第２マイク
ロレンズ２の材料２’を回転塗布（スピンコート）方法
で塗布した。材料はポリパラビニルフェノール系樹脂
で、加熱すると溶融し更に加熱すると硬化する性質があ
る。
【００４０】前記ポリパラビニルフェノール系樹脂に
は、ナフトキノンジアジド感光剤が添加されており、紫
外線によりパターンニングできる。図６（ａ）に塗布状
態の断面図を示す。第２マイクロレンズを形成するサイ
ズに設計されたレチクル（別名マスク、透明な合成石英
にクロムの金属パターンで形成された１／５縮小用投影
レチクル、窓部の大きさは縦２５μｍ、横２０μｍ、ク
ロムのパターンの厚さ０．１μｍ）１６を通して紫外線
１５を照射し、マイクロレンズ材料の除去する部分を感
光させた。次に有機アルカリ液（当業界で一般的に使用
されている非メタル系有機アンモニウム現像液）で洗浄
すると、露光部分の現像パターンニング１７が形成され
た。その状態の断面を図６（ｂ）に示す。更に紫外線を
照射し、レンズ材料を透過率９０〜９８％程度に高め、
約１５０〜１８０℃で５分間熱処理した後、溶融硬化を
確実に行わせるため、さらに２００℃で５分間硬化処理
した。その結果、第２のマイクロレンズ２を形成でき
た。その断面は図６（ｃ）で示す。第２のマイクロレン
ズ２の直径は９μｍ、最大厚さの部分は２．２μｍであ
った。この第２のマイクロレンズ２の屈折率ｎ2 は１．
５６０であった。
【００４１】同じ系の材料で感光性のない透明樹脂を１
５０℃で軟化後、硬化をおこす樹脂の場合、その樹脂の
上にノボラック系感光性レジスト（ＴＳＭＲ−８９０
０：ＴＤＫ社製）で塗布パターンニングの後、ドライま
たはウェットエッチングで最終レンズ形状以外の部分を
除去した。下地は無機系のＳｉＯ系のため有機樹脂との
エッチングレート差を大きくとれて、確実にパターン形
成ができた。
【００４２】ノボラック系レジストを選択的に剥離液で
洗浄して除去し、純水洗浄し、乾燥後、第２マイクロレ
ンズ材料を１５０℃で溶融後、更に２００℃に加熱して
硬化した。その結果、図６（ｃ）の断面をもつ構造とな
った。第２のマイクロレンズの直径は９μｍ、最大厚さ
の部分は２μｍであった。
【００４３】第２マイクロレンズ形成後、カラーフィル
ター材料を塗布形成した。カラーフィルターは、ネガ型
感光性アクリル系被染色材料４（図１）を回転塗布して
０．３〜０．９μｍの膜厚に形成し、同じ色で染色する
画素部を残すため、紫外線露光により架橋し、１３０℃
で５分間硬化させた。その後、所定の染色液に浸漬させ
て染色した。この染色は当業界で良く知られている公知
の方法を用いた。カラーフィルターの屈折率ｎ4 は１．
５５でほぼ第２マイクロレンズの屈折率と等しく、光路
はマイクロレンズと等しかった。その後、透明なアクリ
ル樹脂からなる中間膜３を回転塗布により０．９μｍの
膜厚に形成し平坦化した。
【００４４】中間膜の屈折率ｎ3は約１．４９５で第２
マイクロレンズの屈折率ｎ2より小さく、上方向に凸形
状の第２マイクロレンズが集光できるようになった。ま
た白黒撮像や３板式撮像装置の場合は、カラーフィルタ
ーは不要で、直接中間膜３を回転塗布した。その後、第
１マイクロレンズの材料を塗布し、マイクロレンズの形
状に従ったレチクル（マスク）をとおして紫外線露光し
た。マイクロレンズは感光性材料であるため、有機アル
カリ液（非メタル系有機アンモニウム現像液）で現像し
不要部分を除去し、さらに紫外線照射で材料を透明化
し、１３０〜１６０℃の温度で５分間加熱し溶融、硬化
し、その後信頼性を上げるため２００℃で５分間再加熱
した。この結果、図１に示す第１マイクロレンズ１が形
成された。この第１のマイクロレンズ１の屈折率ｎ1 は
１．５６０であった。また前記マイクロレンズ１〜２間
に挟まれた中間膜３の屈折率は１．４９５であった。さ
らに、ＢＰＳＧ膜６から受光部１１までの膜の平均屈折
率は、ＢＰＳＧ膜６とほぼ同様の１．４７０であった。
前記第１マイクロレンズ１から第２マイクロレンズ２ま
でをオンチップマイクロレンズ部２１と総称する。
【００４５】この結果、下段の第２マイクロレンズのあ
る場合の固体撮像装置（ＣＣＤ）の感度出力は、光学レ
ンズの絞りをＦ１．４と開放にし、斜め入射光成分を含
ませた条件下では、従来法（第１レンズのみ存在）に比
べて、＋１０〜＋１５％の感度増加が認められた。ま
た、画像上好ましくない迷光成分（スミア）も約３０％
減少されることが認められた。これを図３に示すと、絞
りを開いた状態では斜め入射する光１８によりその光路
は受光部１１に漏れなく到達する。この結果、光学系レ
ンズの絞り開放時には、感度が増加する。
【００４６】以上の実施例から明らかな通り、固体撮像
装置に光が斜め入射する場合に受光部からはずれる光路
をとる光を、下段の第２マイクロレンズにより、より垂
直に近い形に集光し、感度の高い固体撮像装置であるこ
とが確認できた。また、マイクロレンズ材料と同じで、
それと等価な透過率の材料を使用するため、光吸収によ
る感度低下も発生しないことも確認できた。
【００４７】（実施例２）第２の実施例では、表面保護
膜５の上第２マイクロレンズ材料２´を塗布までは第１
の実施例と同じであるが（図６（ａ））、パターニング
せず直接溶融し硬化する方法を採用した。図２にその断
面構造を示す。塗布後、紫外線で透明化した後、溶融温
度である１９０〜２００℃で５分間熱処理を行うと、い
ったん液状化し平坦化された。さらに加熱を継続する
と、硬化した。第１の例では第２マイクロレンズは個々
に分離し上下方向に凸形状を示し、第２の例では下方向
にのみ凸型となった。第２のマイクロレンズの直径は約
１０μｍで、中央部の最大厚さは約１．７〜１．８μｍ
であった。
【００４８】いずれの例も第２マイクロレンズの屈折率
ｎ2はＢＰＳＧの屈折率ｎ6＝１．４７に対し大きく（ｎ
2＞ｎ6）、素子表面保護膜５の屈折率ｎ5に対してはｎ2
はほぼ同様で１．５６０であった。この第２のマイクロ
レンズ２の屈折率ｎ2 は１．５６０であった。
【００４９】次に、第２マイクロレンズ形成後、実施例
１と同様にカラーフィルター材料を塗布形成した。カラ
ーフィルターの屈折率ｎ4は１．５５でほぼ第２マイク
ロレンズの屈折率と等しく光路はマイクロレンズと等し
かった。その後中間膜３を回転塗布し平坦化した材料を
塗布形成した。中間膜も実施例１と同様に形成した。
【００５０】中間膜の屈折率ｎ3は約１．４９で第２マ
イクロレンズの屈折率ｎ2より小さく、上方向に凸形状
の第２マイクロレンズが集光できるようになった。また
白黒撮像や３板式撮像装置の場合は、カラーフィルター
は不要で、直接中間膜３を回転塗布した。その後、第１
マイクロレンズの材料を塗布し、マイクロレンズの形状
に従ったレチクル（マスク）をとおして紫外線露光し
た。マイクロレンズは感光性材料であるため、有機アル
カリ液（非メタル系有機アンモニウム現像液）で現像し
不要部分を除去し、さらに紫外線照射で材料を透明化
し、１３０〜１６０℃で５分間加熱し溶融、硬化し、そ
の後信頼性を上げるため２００℃で５分間再加熱した。
この結果、図２に示す第１マイクロレンズ１が形成され
た。この第１のマイクロレンズ１の屈折率ｎ1 は１．５
６０であった。また前記マイクロレンズ１〜２間に挟ま
れた中間膜３の屈折率は１．４９５であった。さらに、
ＢＰＳＧ膜６から受光部１１までの膜の平均屈折率は、
ＢＰＳＧ膜６とほぼ同様の１．４７０であった。
【００５１】この結果、下段の第２マイクロレンズのあ
る場合の固体撮像装置（ＣＣＤ）の感度出力は、光学レ
ンズの絞りをＦ１．４と開放にし、斜め入射光成分を含
ませた条件下では、従来法（第１レンズのみ存在）に比
べて、＋５〜＋１０％の感度増加が認められた。また、
画像上好ましくない迷光成分（スミア）も約２０％減少
されることが認められた。これを図３に示すと、絞りを
開いた状態では斜め入射する光１８によりその光路は受
光部１１に漏れなく到達する。この結果、光学系レンズ
の絞り開放時には、感度が増加する。
【００５２】以上の実施例から明らかな通り、固体撮像
装置に光が斜め入射する場合に受光部からはずれる光路
をとる光を、下段の第２マイクロレンズにより、より垂
直に近い形に集光し、感度の高い固体撮像装置であるこ
とが確認できた。また、マイクロレンズ材料と同じで、
それと等価な透過率の材料を使用するため、光吸収によ
る感度低下も発生しないことも確認できた。
【００５３】（実施例３）次に本発明の実施例における
固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら
説明する。
【００５４】図６（ａ）は同製造方法の半導体撮像素子
完成後、前記式（化１）に示したポリパラビニルフェノ
ールを２μｍ厚さに塗布した工程を説明する断面図、図
６（ｂ）は同製造方法の第２マイクロレンズの材料２´
がポジ型感光材料で、レチクル（マスク）１６をとおし
て紫外線１５を照射した後、有機アンモニアで現像した
中間の工程を説明する断面図、図６（ｃ）は紫外線照射
し透明化した後、１５０〜１８０℃で加熱し溶融、硬化
する同製造方法の中間の工程を説明する断面図である。
【００５５】その後、ネガ型感光性アクリル系被染色材
料４（図１）を回転塗布により０．３〜０．９μｍの膜
厚に形成し、同じ色で染色する画素部を残すため、紫外
線露光により架橋し、１３０℃で５分間硬化させた。そ
の後、所定の染色液に浸漬させて染色した。この染色は
当業界で良く知られている公知の方法を用いた。カラー
フィルターの屈折率ｎ4 は１．５５でほぼ第２マイクロ
レンズの屈折率と等しく、光路はマイクロレンズと等し
かった。その後、中間膜３を回転塗布により０．９μｍ
の膜厚に形成し平坦化した。その後、第１マイクロレン
ズ１を約２μｍの厚さに塗布し、レチクル（マスク）を
とおして紫外線露光した。露光部分を有機アルカリ液
（非メタル系有機アンモニウム現像液）で洗浄後、さら
に紫外線照射で材料を透明化し、１３０〜１６０℃の温
度で５分間加熱し溶融、硬化し、その後信頼性を上げる
ため２００℃で５分間再加熱して第２マイクロレンズを
形成した。この第２マイクロレンズの屈折率ｎ2 は１．
５６０であった。また第１のマイクロレンズ１の屈折率
ｎ1 も１．５６０であった。中間膜３の屈折率ｎ3は約
１．４９５で第２マイクロレンズの屈折率ｎ2より小さ
く、上方向に凸形状の第２マイクロレンズが集光できる
ようになった。さらに、ＢＰＳＧ膜６から受光部１１ま
での膜の平均屈折率は、ＢＰＳＧ膜６とほぼ同様の１．
４７０であった。
【００５６】この結果、下段の第２マイクロレンズのあ
る場合の固体撮像装置（ＣＣＤ）の感度出力は、光学レ
ンズの絞りをＦ１．４と開放にし、斜め入射光成分を含
ませた条件下では、従来法（第１レンズのみ存在）に比
べて、＋１０〜＋１５％の感度増加が認められた。ま
た、画像上好ましくない迷光成分（スミア）も約３０％
減少されることが認められた。これを図３に示すと、絞
りを開いた状態では斜め入射する光１８によりその光路
は受光部１１に漏れなく到達する。この結果、光学系レ
ンズの絞り開放時には、感度が増加する。
【００５７】以上の実施例から明らかな通り、固体撮像
装置に光が斜め入射する場合に受光部からはずれる光路
をとる光を、下段の第２マイクロレンズにより、より垂
直に近い形に集光し、感度の高い固体撮像装置であるこ
とが確認できた。また、マイクロレンズ材料と同じで、
それと等価な透過率の材料を使用するため、光吸収によ
る感度低下も発生しないことも確認できた。また、画像
上好ましくない迷光成分（スミア）も同時に減少できる
ことが確認できた。
【００５８】以上説明したように本実施例の固体撮像装
置は、遮光膜に高融点金属、または、その金属シリサイ
ド膜を使用し遮光膜を薄膜化した上でＢＰＳＧ膜を全体
に覆いＳｉＯ2 、またはＳｉＯＮ、またはＳｉＮである
表面保護膜を形成した素子に直接マイクロレンズを形成
しカラーフィルターと中間膜を塗布し平坦化したのちさ
らにマイクロレンズを形成し上下２段のレンズを形成
し、少なくとも下段のマイクロレンズの屈折率が、中間
膜やＢＰＳＧの屈折率より大きいことにより、固体撮像
装置に光が斜め入射する場合に受光部からはずれる光路
をとる光を、下段の第２マイクロレンズにより、より垂
直に近い形に集光し、感度低下を抑制する固体撮像装置
が実現できる。
【００５９】また本発明は、マイクロレンズ材料と同じ
で、それと等価な透過率の材料を使用するため、光吸収
による感度低下も発生しない固体撮像装置を実現でき
る。
【００６０】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像装
置は、斜め入射光の集光率の減少を抑制し、感度の高
い、画像特性に優れた固体撮像装置を実現できる。すな
わち、固体撮像装置に光が斜め入射する場合に受光部か
らはずれる光路をとる光を、下段の第２マイクロレンズ
により、より垂直に近い形に集光し、感度低下を抑制で
きる。また、マイクロレンズ材料と同じで、それと等価
な透過率の材料を使用するため、光吸収による感度低下
も発生しない。
【００６１】次に本発明の固体撮像装置の製造方法によ
れば、固体撮像素子が形成された半導体基板上に、前記
固体撮像素子の受光部に対応してマイクロレンズが上下
２層に形成された固体撮像装置の製造方法であって、 Ａ．前記受光部の上方にＳｉＯ2 ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮ
から選ばれる少なくとも一つの表面保護膜を分子堆積法
により形成し、 Ｂ．その表層に第２マイクロレンズ材料樹脂を塗布し、
加熱軟化し、硬化して第２マイクロレンズを形成し、 Ｃ．前記第２マイクロレンズ材料樹脂よりも屈折率の低
い樹脂材料を塗布し、平坦化して中間膜を形成し、 Ｄ．前記第２マイクロレンズ材料樹脂と同等の屈折率を
有するとともに光の透過率がほぼ等価の第１マイクロレ
ンズ材料樹脂を塗布し、加熱軟化し、硬化して第１マイ
クロレンズを形成し、 Ｅ．前記表面保護膜から前記受光部までの膜の平均屈折
率よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率を大きく
することにより、効率良く合理的に本発明の固体撮像装
置を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における固体撮像装置の撮像
部断面図
【図２】本発明の第２の実施例における固体撮像装置の
撮像部断面図
【図３】本発明の一実施例の斜め光を第２マイクロレン
ズが集光し受光部へ光を導く説明図。
【図４】従来例で斜め光が受光部からはずれた光路の説
明図。
【図５】従来の固体撮像装置の撮像部断面図
【図６】本発明の一実施例の第２マイクロレンズを形成
する製造方法を示す図。
【符号の説明】
１ 第１マイクロレンズ（屈折率ｎ1） ２ 第２マイクロレンズ（屈折率ｎ2） ２´ 第２マイクロレンズの材料 ３ 中間膜 （屈折率ｎ3） ４ カラーフィルター層（屈折率ｎ4） ５ 素子表面保護膜 （屈折率ｎ5） ６ ＢＰＳＧ膜 （屈折率ｎ6） ７ 遮光膜 ８ ポリシリコン電極 ９ シリコン酸化膜と窒化ケイ素膜の合体したＯＮＯ膜 １０ 電荷転送部 １１ 受光部 １２ ｐウェル層 １３ ｎ型半導体基板 １４ アルミ遮光膜 １５ 紫外線 １６ レチクル（マスク） １７ 露光部分の現像パターンニング １８ 斜め光 １９ 平坦膜 ２１ オンチップマイクロレンズ部 ２２ 半導体撮像素子部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−104414（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−209100（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−244392（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/14

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体撮像素子が形成された半導体基板上
    に、前記固体撮像素子の受光部に対応して表面保護膜、
    下のマイクロレンズ、中間膜、上のマイクロレンズが順
    に形成された固体撮像装置であって、 前記上下のマイクロレンズの光屈折率が実質的に同じ
    で、かつ光の透過率がほぼ等価であり、 前記中間膜よりも前記上下のマイクロレンズの光屈折率
    が大きいとともに、前記表面保護膜から前記受光部まで
    の膜の平均屈折率よりも前記上下のマイクロレンズの光
    屈折率か大きく、 前記下のマイクロレンズは中央部が上下両方に膨らんだ
    凸型であることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 固体撮像素子が形成された半導体基板上
    に、前記固体撮像素子の受光部に対応して表面保護膜、
    下のマイクロレンズ、中間膜、上のマイクロレンズが順
    に形成された固体撮像装置であって、 前記上下のマイクロレンズの光屈折率が実質的に同じ
    で、かつ光の透過率がほぼ等価であり、 前記中間膜よりも前記上下のマイクロレンズの屈折率が
    大きいとともに、前記表面保護膜から前記受光部までの
    膜の平均屈折率よりも前記上下のマイクロレンズの光屈
    折率が大きく、 前記下のマクロレンズは上面が平坦であり、下面の中央
    部が下方向に膨らんだ凸型であることを特徴とする固体
    撮像装置。
  3. 【請求項３】 前記下のマイクロレンズの上側に接して
    カラーフィルタ一層が形成されていることを特徴とする
    請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
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