JP4514576B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、光電変換機能を有する受光部に光を集光するためのレンズを備えた固体撮像装置に関する。
従来、光電変換機能を有する受光部に光を集光するためのレンズを備えた固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
図２７は、上記特許文献１に開示された受光部に光を集光するためのレンズを備えた従来の固体撮像装置の構造を示した断面図である。図２７を参照して、従来の固体撮像装置１０２は、基板１０４を備えている。この基板１０４の表面には、入射された光を電荷信号に変換する光電変換機能を有する複数の受光部１０５が所定の間隔を隔てて形成されている。また、基板１０４上には、平坦な上面を有するパッシベーション層１０６が形成されている。このパッシベーション層１０６上には、受光部１０５に光を集光するための上に凸の形状の上面部１０７ａを有する複数のレンズ１０７が所定の間隔を隔てて形成されている。このレンズ１０７は、レンズ中心１０７ｄが受光部１０５の中心に一致するように配置されている。また、隣接する２つのレンズ１０７間を埋め込むとともに、レンズ１０７の上面部１０７ａを覆うように、平坦化層１０８が形成されている。また、平坦化層１０８の上には、カラーフィルタ層１０９が形成されている。このように、カラーフィルタ層１０９と基板１０４との間に配置されるレンズ１０７は、カラーフィルタ層１０９上に形成されるマイクロレンズと異なり、インナーレンズなどと呼ばれている。また、カラーフィルタ層１０９の上には、平坦化層１１０を介して複数のマイクロレンズ１１１が所定の間隔を隔てて形成されている。
特開平６−１０４４１４号公報
しかしながら、図２７に示した従来の固体撮像装置１０２では、レンズ１０７の上面部１０７ａの上に平坦化層１０８を介してカラーフィルタ層１０９が形成されているので、レンズ１０７の上面部１０７ａとカラーフィルタ層１０９の下面との間の平坦化層１０８の厚みの分、固体撮像装置１０２の高さ方向の寸法が増大するという不都合がある。これにより、従来の基板１０４とカラーフィルタ層１０９との間にレンズ１０７が設けられた固体撮像装置では、小型化を図るのが困難であるという問題点があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、基板とカラーフィルタ層との間にレンズが設けられた構造において、小型化を図ることが可能な固体撮像装置を提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による固体撮像装置は、基板に形成された受光部と、基板上に形成されたカラーフィルタ層と、基板とカラーフィルタ層との間に形成され、受光部に光を集光するためのレンズとを備えている。また、レンズは、上に凸の形状の上面部を有するとともに、上面部の上端部がカラーフィルタ層の下面に実質的に接触する。
この一の局面による固体撮像装置では、上記のように、基板とカラーフィルタ層との間に受光部に光を集光するためのレンズを形成するとともに、レンズの上面部の上端部をカラーフィルタ層の下面に実質的に接触するように形成することによって、レンズの上面部の上端部とカラーフィルタ層の下面との間の距離を実質的に０にすることができるので、固体撮像装置の高さ方向の寸法を低減することができる。これにより、基板とカラーフィルタ層との間にレンズが設けられた固体撮像装置を小型化することができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、レンズの上面部の上端部以外の領域を覆うように形成され、レンズの上面部の上端部と実質的に同じ高さを有する実質的に平坦な上面部を有する樹脂層をさらに備える。そして、カラーフィルタ層は、レンズの上面部の上端部と樹脂層の上面部との上に形成されている。このように構成すれば、カラーフィルタ層をレンズの上面部の上端部と樹脂層の上面部とからなる実質的に平坦な面上に形成することができるので、カラーフィルタ層を上に凸の形状の上面部を有するレンズの上に容易に形成することができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、レンズの上面部の上端部は、カラーフィルタ層の下面に実質的に接触する実質的に平坦な上端面部を含む。このように構成すれば、カラーフィルタ層が形成されるレンズの上面部の上端部を含む面を、容易に平坦化することができるので、容易に、カラーフィルタ層を上に凸の形状の上面部を有するレンズの上に形成することができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、レンズは、レンズ中心が受光部の中心に対して所定の距離ずらして配置されている。このように構成すれば、斜め方向からレンズに入射した光の焦点が受光部に合うようにレンズ中心と受光部の中心とのずれ量を調節することによって、斜め方向から入射した光を受光部に有効に集光することができる。これにより、複数の受光部によって基板に受光領域を形成する場合に、受光領域の中央部近傍に比べてより斜め方向からの光が入射される受光領域の端部近傍においても、レンズの受光部への集光効率を向上させることができるので、基板とカラーフィルタ層との間にレンズが設けられた固体撮像装置の感度特性を向上させることができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、隣接する２つの受光部間の領域で、かつ、基板とレンズとの間の領域に形成された遮光部材をさらに備え、レンズの下端部は、遮光部材の上端部より上に配置されている。このように構成すれば、レンズを配置する横方向の位置が遮光部材によって制限されないので、容易に、レンズのレンズ中心を受光部の中心に対して所定の距離ずらして配置することができる。
上記遮光部材を含む構成において、好ましくは、遮光部材の上端部と同等以上の高さを有する実質的に平坦な上面を有する平坦化層をさらに備え、レンズは、平坦化層の上面上に形成されている。このように構成すれば、レンズを平坦化層の上面上の任意の位置に配置することができるので、容易に、レンズのレンズ中心を受光部の中心に対して所定の距離ずらして配置することができる。
上記平坦化層を含む構成において、好ましくは、平坦化層は、遮光部材を覆うように形成されている。このように構成すれば、遮光部材を覆うように平坦化層が形成された固体撮像装置において、容易に、レンズのレンズ中心を受光部の中心に対して所定の距離ずらして配置することができるので、感度特性を向上させることができる。
上記平坦化層を含む構成において、好ましくは、平坦化層は、遮光部材の側面および下面を覆うように形成され、遮光部材の上端部と平坦化層の上面とは実質的に同じ高さを有する。このように構成すれば、遮光部材全体を覆うように平坦化層を形成する場合に比べて、平坦化層の上面の高さを低減することができるので、固体撮像装置の高さ方向の寸法をより低減しながら、レンズのレンズ中心を受光部の中心に対して所定の距離ずらして配置することができる。これにより、固体撮像装置をより小型化しながら、固体撮像装置の感度特性を向上させることができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、複数の受光部により基板に形成された受光領域をさらに備え、レンズは、複数の受光部の各々に対応するように複数設けられ、受光領域の端部近傍におけるレンズのレンズ中心と、対応する受光部の中心との間のずれ量は、受光領域の中央部近傍におけるレンズのレンズ中心と、対応する受光部の中心との間のずれ量に比べて大きい。このように構成すれば、受光領域の端部近傍において、受光領域の中央部近傍に比べてより斜め方向から入射される光を有効に受光部に集光することができるとともに、受光領域の中央部近傍においては垂直方向に近い光を受光部に集光することができる。これにより、受光領域の中央部近傍と受光領域の端部近傍との両方において、受光部への集光効率を向上させることができる。
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、複数の受光部により基板に形成された受光領域をさらに備え、レンズのレンズ中心と、対応する受光部の中心との間のずれ量は、受光領域の中央部近傍から複数の受光部が配置される方向に沿って受光領域の端部へ行くにしたがって徐々に大きくなるように構成されている。このように構成すれば、受光領域の中央部近傍から複数の受光部が配置される方向に沿って受光領域の端部近傍に行くにしたがって入射角が徐々に増大する光を、その入射角に応じて有効に受光部に集光することができる。これにより、受光領域の中央部近傍および端部近傍を含む受光領域の全領域に渡って、受光部への集光効率を向上させることができる。
この場合において、好ましくは、受光部と射出瞳との間の距離をＬとし、受光部の上面の高さ位置から隣接する２つのレンズの境界部の高さ位置までの距離より大きく、受光部の上面の高さ位置からレンズのレンズ中心の高さ位置までの距離より小さい任意の距離をｈとし、受光領域内の任意の受光部の中心と受光領域の中心との間の距離をａとした場合に、レンズのレンズ中心と、対応する受光部の中心との間のずれ量は、ａ×ｈ／Ｌで表される式によって求められる。このように構成すれば、容易に、レンズにより、受光領域の中央部近傍から複数の受光部が配置される方向に沿って受光領域の端部近傍に行くにしたがって入射角が徐々に増大する光を、その入射角に応じて有効に受光部に集光することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図６は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための図である。まず、図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態による固体撮像装置６０の構造について説明する。
本発明の第１実施形態による固体撮像装置６０は、図１に示すように、２つの光学レンズ１ａおよび１ｂと、開口絞り１ｃと、固体撮像素子２とを備えている。この固体撮像素子２と、２つの光学レンズ１ａおよび１ｂと、開口絞り１ｃとは、それぞれ、所定の間隔を隔てて配置されている。また、光学レンズ１ａおよび１ｂは、被写体からの反射光を集光するために設けられている。また、開口絞り１ｃは、光学レンズ１ａおよび１ｂ間に配置されている。これにより、開口絞り１ｃの開口部を介して光学レンズ１ａから光学レンズ１ｂに光が入射するように構成されている。
また、固体撮像素子２は、インターライン型ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）の構造を有している。具体的には、固体撮像素子２は、複数の画素３を含んでいる。また、固体撮像素子２の画素３では、図２に示すように、半導体基板４の表面の所定領域に、入射された光を電荷信号に変換する光電変換機能を有する受光部５が形成されている。なお、半導体基板４は、本発明の「基板」の一例である。また、受光部５は、それぞれ、約２μｍ〜約５μｍの所定の間隔を隔てて、各画素３に対応して１つずつ配置されている。また、複数の受光部５により、図３に示すように、半導体基板４の表面に受光領域５ａが形成されている。また、半導体基板４の表面上には、図２に示すように、絶縁膜６を介して、受光部５で得られた電荷信号を転送するための転送ゲート７が設けられている。この転送ゲート７は、ポリシリコンによって形成されている。また、絶縁膜８を介して、転送ゲート７の上方を覆うように、Ａｌなどの金属からなる遮光部材９が形成されている。この遮光部材９は、隣接する２つの受光部５間の領域で、かつ、受光領域５ａ（図３参照）の上方の領域に設けられている。また、遮光部材９は、転送ゲート７に光が入射するのを防止する機能を有する。
ここで、第１実施形態では、遮光部材９および転送ゲート７を覆うように、平坦な上面１０ａを有するシリコン酸化膜からなる平坦化層１０が形成されている。この平坦化層１０の上面１０ａは、遮光部材９の上端部から約１００ｎｍ〜約８００ｎｍの高さ位置に形成されている。また、平坦化層１０の上面１０ａ上には、受光部５に光を集光するためのＳｉＮからなる複数のレンズ１１が形成されている。このレンズ１１は、上に凸の形状を有する上面部１１ａと、平坦化層１０の上面１０ａに接触する平坦な下面部１１ｂとを有する。また、レンズ１１の上面部１１ａは、平坦化された上端面部１１ｃを含んでいる。また、レンズ１１は、レンズ中心１１ｄにおいて約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの厚みを有するとともに、隣接する２つの凸形状の境界部１１ｅにおいて約５０ｎｍ〜約２００ｎｍの厚みを有している。また、レンズ１１の境界部１１ｅを埋め込むとともに、レンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃ以外の領域を覆うように、アクリル樹脂からなる樹脂層１２が形成されている。この樹脂層１２は、レンズ１１の上端面部１１ｃと同じ高さ位置に平坦化された上面部１２ａを有している。そして、この樹脂層１２の上面部１２ａとレンズ１１の上端面部１１ｃとからなる平坦な面上に約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するカラーフィルタ層１３が形成されている。これにより、レンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃは、カラーフィルタ層１３の下面に接触されている。このように、第１実施形態では、カラーフィルタ層１３と半導体基板４との間に、インナーレンズとしてのレンズ１１が配置されている。なお、カラーフィルタ層１３は、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の３色の顔料をそれぞれ添加した感光性の樹脂材料によって形成されている。
また、第１実施形態では、図２に示すように、受光領域５ａ（図３参照）の中央部の画素３ａでは、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと対応する受光部５の中心とが一致するように配置されている。その一方、受光領域５ａ（図３参照）の端部近傍の画素３ｂでは、図４に示すように、レンズ１１のレンズ中心１１ｄが対応する受光部５の中心に対して所定の距離Ｌ１ずらして配置されている。また、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心との間のずれ量は、受光領域５ａ（図３参照）の中央部近傍から複数の受光部５が配置される方向に沿って受光領域５ａの端部近傍へ行くにしたがって徐々に大きくなるように構成されている。したがって、受光領域５ａの中央部と端部との中間部では、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心との間のずれ量は、受光領域５ａの中央部におけるずれ量（０：図２参照）と、受光領域５ａの端部近傍におけるずれ量（Ｌ１：図４参照）との中間のずれ量になるように設定されている。なお、受光領域５ａのすべての領域において、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心との間のずれ量は、約５００ｎｍ以下に設定されている。
また、第１実施形態では、各レンズ１１のレンズ中心１１ｄと、対応する受光部５の中心との間のずれ量ｄ（図６参照）は、以下の式（１）を用いて設定されている。なお、以下の式（１）において、Ｌは受光部５と射出瞳２０（図５参照）との間の距離であり、ｈは受光部５の上面の高さ位置から隣接する２つのレンズ１１の境界部１１ｅの高さ位置までの距離より大きく、受光部５の上面の高さ位置からレンズ１１のレンズ中心１１ｄの高さ位置までの距離より小さい任意の距離であり、ａは受光領域５ａ内の任意の受光部５の中心と、受光領域５ａの中心５ｂとの間の距離である。また、射出瞳２０（図５参照）は、開口絞り１ｃ（図１参照）より固体撮像素子２側に配置された光学レンズ１ｂによってできる開口絞り１ｃの像である。
ｄ＝ａ×ｈ／Ｌ・・・（１）
また、第１実施形態では、複数のレンズ１１は、連続した１つの層からなる。これにより、隣接するレンズ１１間に隙間が形成されるのが抑制されるので、大きく斜め方向に傾いた入射光に対応して複数のレンズ１１のレンズ中心１１ｄを、対応する受光部５の中心に対して大きくずらして配置する場合にも、複数のレンズ１１を所定の間隔（隙間）を隔てて不連続に配置する場合と異なり、隣接するレンズ１１間の隙間の領域に起因して受光部５に集光されない入射光が生じるという不都合が発生するのを抑制することができる。
第１実施形態では、上記のように、半導体基板４とカラーフィルタ層１３との間に形成されたレンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃをカラーフィルタ層１３の下面に接触するように形成することによって、レンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃとカラーフィルタ層１３の下面との間の距離を０にすることができるので、固体撮像素子２の高さ方向の寸法を低減することができる。これにより、半導体基板４とカラーフィルタ層１３との間にレンズ１１が設けられた固体撮像装置を小型化することができる。
また、第１実施形態では、樹脂層１２の上面部１２ａを、レンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃと同じ高さ位置に平坦に形成するとともに、カラーフィルタ層１３を、レンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃと樹脂層１２の上面部１２ａとの上に形成することによって、カラーフィルタ層１３をレンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃと樹脂層１２の上面部１２ａとからなる平坦な面上に形成することができる。これにより、カラーフィルタ層１３を上に凸の形状を有するレンズ１１の上に容易に形成することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、受光領域５ａの端部近傍におけるレンズ１１のレンズ中心１１ｄと、対応する受光部５の中心との間のずれ量を、受光領域５ａの中央部近傍におけるレンズ１１のレンズ中心１１ｄと、対応する受光部５の中心との間のずれ量に比べて大きくなるように構成することによって、図７に示すように、固体撮像素子２に対して斜め方向からの光が入射する場合にも、図８に示すように、斜め方向からレンズ１１に入射した光の焦点を受光部５に合わせることができる。これにより、受光領域５ａの端部近傍において、受光領域５ａの中央部近傍に比べてより斜め方向から入射される光を有効に受光部５に集光することができるとともに、受光領域５ａの中央部近傍においては、垂直方向に近い光を受光部５に集光することができる。これにより、受光領域５ａの中央部近傍と受光領域５ａの端部近傍との両方において、受光部５への集光効率を向上させることができるので、半導体基板４とカラーフィルタ層１３との間にレンズ１１が設けられた固体撮像装置６０の感度特性を向上させることができる。なお、固体撮像素子２に対して斜め方向からの光が入射する場合に、レンズ１１のレンズ中心１１ｄを受光部５の中心に対してずらすことなく配置すると、図９に示すように、入射した光の焦点を受光部５に合わせることができないので、斜め方向から入射した光を受光部５に集光するのが困難である。
また、第１実施形態では、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと、対応する受光部５の中心との間のずれ量を受光領域５ａの中央部近傍から複数の受光部５が配置される方向に沿って受光領域５ａの端部近傍へ行くにしたがって徐々に大きくなるように構成することによって、受光領域５ａの中央部近傍から複数の受光部５が配置される方向に沿って受光領域５ａの端部近傍へ行くにしたがって入射角が徐々に増大する光を、その入射角に応じて有効に受光部５に集光することができる。これにより、受光領域５ａの中央部近傍および端部近傍を含む受光領域５ａの全領域に渡って、受光部５への集光効率を向上させることができる。
図１０〜図１７は、本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。次に、図２〜図６および図１０〜図１７を参照して、本発明の第１実施形態による固体撮像素子２の製造プロセスについて説明する。
まず、図１０に示すように、複数の受光部５からなる受光領域５ａ（図３参照）が形成された半導体基板４の表面上の所定領域に、絶縁膜６を介して、ポリシリコンからなる転送ゲート７を形成する。また、絶縁膜８を介して、転送ゲート７の上方を覆うようにＡｌなどの金属材料からなる遮光部材９を形成する。この後、遮光部材９を覆うように、シリコン酸化膜からなる平坦化層１０を形成する。そして、平坦化層１０の上面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用いて平坦化する。これにより、遮光部材９の上端部から約１００ｎｍ〜約８００ｎｍの高さに平坦化層１０の平坦化された上面１０ａを形成する。
次に、図１１に示すように、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、平坦化層１０の上面１０ａ上に約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜１１ｆを形成する。
次に、図１２に示すように、リソグラフィ技術を用いて、ＳｉＮ膜１１ｆ上の所定の領域にレジスト１４を形成する。この際、受光領域５ａ（図３参照）の中央部では、図１２に示すように、レジスト１４の中心と受光部５の中心とが一致するようにレジスト１４をパターニングする。その一方、受光領域５ａ（図３参照）の中央部近傍から端部近傍の領域（図示せず）では、受光領域５ａの中央部近傍から複数の受光部５の配置される方向に沿って受光領域５ａの端部近傍へ行くにしたがってレジスト１４の中心と受光部５の中心との間のずれ量が徐々に大きくなるようにレジスト１４をパターニングする。なお、レジスト１４の中心と受光部５の中心との間のずれ量は、約５００ｎｍ以下になるように設定する。この際、レジスト１２の中心と受光部５の中心との間のずれ量は、上記した式（１）を用いて設定する。具体的には、まず、図１３に示すように、レンズ中心１１ｄ（図６参照）と受光部５の中心とが一致した配列Ａの領域を設定する。そして、設定した配列Ａにおける各レンズ１１の凸形状を所定の割合で縮小させてレンズ中心１１ｄを受光部５の中心に対して内側にずれ量ｄ（図６参照）だけずらすことにより、配列Ｂの領域を設定する。この際、配列Ａの領域の中心を原点とした配列Ａ中の所定のレンズ１１のレンズ中心１１ｄの座標を（ｘ０，ｙ０）とし、上記式（１）における距離Ｌ（図６参照）を１２ｍｍとし、距離ｈ（図６参照）を３μｍとする。この場合、上記式（１）により求めた、対応する配列Ｂ中のレンズ１１のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心との間のずれ量ｄは、ｘ軸方向では（−ｘ０×３／１２０００）のずれ量になるとともに、ｙ軸方向では（−ｙ０×３／１２０００）のずれ量になる。これにより、配列Ｂの領域のレンズ１１のレンズ中心１１ｄの座標は、（ｘ０−ｘ０×３／１２０００，ｙ０−ｙ０×３／１２０００）と設定する。このため、原点の座標と、レジスト１４の中心の座標（ｘ０−ｘ０×３／１２０００，ｙ０−ｙ０×３／１２０００）とを設定することにより、受光部５の中心に対してずれ量ｄを有するようにレンズ１１を形成するためのレジスト１４をパターニングすることができる。
たとえば、受光領域５ａ（図１３参照）の対角長を約３９５０μｍに設定する場合、受光領域５ａの中心から最も離れた対角の位置では、中心から約１９７５μｍの距離がある。したがって、この対角上におけるレンズ１１（図６参照）のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心との間のずれ量ｄは、１９７５×３／１２０００＝０．４９４μｍと求められる。これにより、受光領域５ａの対角長を約３９５０μｍに設定する場合には、対角上のレンズ１１のレンズ中心１１ｄを約０．４９４μｍだけ受光領域５ａの中心側にずらすために、レンズ中心１１ｄに対応するレジスト１４（図１２参照）の中心を約０．４９４μｍだけ受光領域５ａ（図１３参照）の中心側にずれるように形成する。
次に、ホットプレート上において約１６０℃、約２分間の熱処理を行うことによって、レジスト１４の流動性を向上させる。これにより、レジスト１４は、図１４に示すように、表面張力により上に凸の形状に形成される。また、このとき、上に凸の形状を有する隣接する２つのレジスト１４の間には、約０．２μｍの間隔が設けられる。
次に、上に凸の形状のレジスト１４とＳｉＮ膜１１ｆとを同時にエッチングすることによって、図１５に示すように、レジスト１４の上に凸の形状を反映した上に凸の形状の上面部１１ａを有する複数のレンズ１１を形成する。また、この複数のレンズ１１は、連続した１つの層からなるように形成する。なお、この場合の具体的なエッチング条件としては、ガス：ＣＦ４ガス（約５ｓｃｃｍ〜約２５ｓｃｃｍ）、Ｏ２ガス（約５ｓｃｃｍ〜約３０ｓｃｃｍ）およびＡｒガス（約５０ｓｃｃｍ〜約１５０ｓｃｃｍ）、ＲＦ電力：約５００Ｗ〜約１０００Ｗ、ガス圧力：約２．６Ｐａ〜約１０．７Ｐａである。これにより、受光領域５ａ（図３参照）の中央部では、図１５に示すように、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心とが一致するように構成されたレンズ１１が形成される。その一方、受光領域５ａの中央部近傍から端部近傍の領域（図示せず）では、受光領域５ａの中央部近傍から複数の受光部５の配置される方向に沿って受光領域５ａの端部近傍へ行くにしたがって、レンズ１１のレンズ中心１１ｄと受光部５の中心との間のずれ量が徐々に大きくなるように構成されたレンズ１１が形成される。
次に、図１６に示すように、スピンコート法を用いて、レンズ１１の隣接する２つの凸形状の間の境界部１１ｅを埋め込むとともに、レンズ１１の上面部１１ａを覆うようにアクリル樹脂からなる樹脂層１２を形成する。このスピンコート法による樹脂層１２の形成は、レンズ１１上にアクリル樹脂を塗布した後、固体撮像素子２を垂直方向の軸を中心に回転させてアクリル樹脂をレンズ１１の全面に広げることにより行う。なお、この際の固体撮像素子２の回転数は、アクリル樹脂を平坦な基板上に塗布して回転させた場合に、基板上に約５００ｎｍ〜約１５００ｎｍの厚みを有するアクリル樹脂の膜が形成される回転数に設定する。
次に、ＣＭＰ法を用いて、レンズ１１の一部が露出するまで樹脂層１２の上面を研磨する。これにより、図１７に示すように、共に平坦化されたレンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃと樹脂層１２の上面部１２ａとが同じ高さ位置に形成される。この後、レンズ１１の上面部１１ａの上端面部１１ｃと樹脂層１２の上面部１２ａとの上に約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するカラーフィルタ層１３を形成する。このカラーフィルタ層１３は、ＲＧＢの３色の顔料がそれぞれ添加された感光性の樹脂材料を用いて、露光および現像を行うことによって形成する。このようにして、図２および図４に示した第１実施形態による固体撮像装置６０の固体撮像素子２が形成される。
（第２実施形態）
図１８は、本発明の第２実施形態による固体撮像素子の受光領域の中央部における画素部分の構造を示した断面図である。図１９は、本発明の第２実施形態による固体撮像素子の受光領域の端部近傍における画素部分の構造を示した断面図である。この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、フレームトランスファ型ＣＣＤの固体撮像素子に本発明を適用した例について説明する。
この第２実施形態による固体撮像素子２２では、図１８に示すように、半導体基板２４の表面の所定領域に、入射された光を電荷信号に変換する光電変換機能を有する複数の受光部２５が形成されている。なお、半導体基板２４は、本発明の「基板」の一例である。また、複数の受光部２５により、上記第１実施形態と同様、受光領域５ａ（図３参照）が形成されている。また、複数の受光部２５は、それぞれ、約０．３μｍ〜約３μｍの間隔を隔てて配置されている。また、受光部２５が形成された半導体基板２４上には、絶縁膜２６を介して、ポリシリコンからなる転送ゲート２７が形成されている。また、転送ゲート２７を覆うように平坦化層２８が形成されている。この平坦化層２８は、良好な被覆性および光透過性を有するシリコン酸化膜によって形成されている。
ここで、第２実施形態では、Ｗなどからなる遮光部材２９が、平坦化層２８に形成された溝部２８ｂを埋め込むように形成されている。これにより、遮光部材２９の側面および底面は、平坦化層２８で覆われている。また、遮光部材２９の上端部と平坦化層２８の上面とは同じ高さになるように形成されている。これにより、遮光部材２９の上端部および平坦化層２８の上面によって平坦面２８ａが形成されている。この平坦面２８ａ上には、上記第１実施形態によるレンズ１１（図２および図４参照）と同様の構造を有する複数のレンズ３０が形成されている。この複数のレンズ３０は、連続した１つの層からなる。また、レンズ３０の上に凸の形状の上面部３０ａは、平坦化された上端面部３０ｃを含んでいる。また、レンズ３０の隣接する２つの凸形状の間の境界部３０ｅを埋め込むとともに、レンズ３０の上面部３０ａの上端面部３０ｃ以外の領域を覆うように、アクリル樹脂からなる樹脂層３１が形成されている。この樹脂層３１は、レンズ３０の上端面部３０ｃと同じ高さ位置に平坦化された上面部３１ａを有している。そして、樹脂層３１の上面部３１ａとレンズ３０の上端面部３０ｃとからなる平坦な面上にカラーフィルタ層３２が形成されている。これにより、レンズ３０の上面部３０ａの上端面部３０ｃは、カラーフィルタ層３２の下面に接触されている。
また、第２実施形態では、図１８に示すように、受光領域５ａ（図３参照）の中央部の画素２３ａでは、レンズ３０のレンズ中心３０ｄと対応する受光部２５の中心とが一致するように配置されている。その一方、受光領域５ａ（図３参照）の端部近傍の画素２３ｂでは、図１９に示すように、レンズ３０のレンズ中心３０ｄが対応する受光部２５の中心に対して所定の距離ずらして配置されている。また、レンズ３０のレンズ中心３０ｄと対応する受光部２５の中心との間のずれ量は、受光領域５ａ（図３参照）の中央部近傍から複数の受光部２５が配置される方向に沿って受光領域５ａ（図３参照）の端部近傍へ行くにしたがって徐々に大きくなるように構成されている。このずれ量は、上記式（１）によって求められたずれ量ｄになるように設定されている。また、受光領域５ａ（図３参照）の全ての領域において、レンズ３０のレンズ中心３０ｄと対応する受光部２５の中心との間のずれ量は、約５００ｎｍ以下になるように構成されている。なお、第２実施形態による固体撮像素子２２の上記以外の構造は、上記した第１実施形態による固体撮像素子２と同様である。
第２実施形態では、上記のように、半導体基板２４とカラーフィルタ層３２との間に形成されたレンズ３０の上面部３０ａの上端面部３０ｃをカラーフィルタ層３２の下面に接触するように形成することによって、レンズ３０の上面部３０ａの上端面部３０ｃとカラーフィルタ層３２の下面との間の距離を０にすることができるので、固体撮像素子２２の高さ方向の寸法を低減することができる。これにより、半導体基板２４とカラーフィルタ層３２との間にレンズ３０が設けられた固体撮像装置を小型化することができる。
また、第２実施形態では、受光領域５ａの端部近傍におけるレンズ３０のレンズ中心３０ｄと、対応する受光部２５の中心との間のずれ量を、受光領域５ａの中央部近傍におけるレンズ３０のレンズ中心３０ｄと、対応する受光部２５の中心との間のずれ量に比べて大きくなるように構成することによって、受光領域５ａの端部近傍において、受光領域５ａの中央部近傍に比べてより斜め方向から入射される光を有効に受光部２５に集光することができるとともに、受光領域５ａの中央部近傍においては、垂直方向に近い光を受光部２５に集光することができる。これにより、受光領域５ａの中央部近傍と受光領域５ａの端部近傍との両方において、受光部２５への集光効率を向上させることができるので、半導体基板２４とカラーフィルタ層３２との間にレンズ３０が設けられた固体撮像装置の感度特性を向上させることができる。
第２実施形態のこれ以外の効果は、上記した第１実施形態による効果と同様である。
図２０〜図２３は、本発明の第２実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１８〜図２３を参照して、本発明の第２実施形態による固体撮像素子２２の製造プロセスについて説明する。
まず、第２実施形態では、図２０に示すように、複数の受光部２５からなる受光領域５ａ（図３参照）が形成された半導体基板２４の上面を覆うように、絶縁膜２６およびポリシリコンからなる転送ゲート２７をこの順で形成する。そして、転送ゲート２７を覆うようにシリコン酸化膜からなる平坦化層２８を形成した後、平坦化層２８の上面をＣＭＰ法により平坦化する。そして、平坦化された平坦化層２８の上面上の所定領域にレジスト３３を形成する。
次に、図２１に示すように、レジスト３３をマスクとして、平坦化層２８を所定の深さ分だけエッチングすることにより溝部２８ｂを形成する。この後、平坦化層２８上のレジスト３３を除去する。
次に、図２２に示すように、Ｗなどからなる金属層２９ａを平坦化層２８の溝部２８ｂを埋め込むとともに、平坦化層２８の上面上に延びるように形成する。そして、金属層２９ａの余分な部分をＣＭＰ法を用いて研磨することにより、図２３に示すように、Ｗなどからなる遮光部材２９を形成するとともに、遮光部材２９の上端部および平坦化層２８の上面を同じ高さにする。これにより、遮光部材２９の上端部および平坦化層２８の上面によって構成された平坦面２８ａが形成される。この後、上記第１実施形態と同様の製造プロセスにより、図１８および図１９に示したように、平坦面２８ａ上に、レンズ３０、樹脂層３１およびカラーフィルタ層３２を形成する。このようにして、図１８および図１９に示した第２実施形態による固体撮像素子２２が形成される。
（第３実施形態）
図２４は、本発明の第３実施形態による固体撮像素子の受光領域の中央部における画素部分の構造を示した断面図である。図２５は、本発明の第３実施形態による固体撮像素子の受光領域の端部近傍における画素部分の構造を示した断面図である。この第３実施形態では、上記第１実施形態と異なり、インターライン型ＣＣＤの固体撮像素子において、レンズの上に凸の形状の上面部に平坦な上端面部を形成しない場合について説明する。まず、図２４および図２５を参照して、本発明の第３実施形態による固体撮像素子４２の構造について説明する。
この第３実施形態による固体撮像素子４２では、図２４に示すように、平坦化層１０の上面１０ａ上に受光部５に光を集光するための複数のレンズ５１が形成されている。この複数のレンズ５１は、連続した１つの層からなる。また、レンズ５１は、上に凸の形状を有する上面部５１ａと、平坦化層１０の上面１０ａに接触する平坦な下面部５１ｂとを有する。なお、上面部５１ａの頂上部５１ｇは、上記第１および第２実施形態と異なり、平坦面形状に形成されていない。また、レンズ５１は、レンズ中心５１ｄにおいて約５００ｎｍ〜約８００ｎｍの厚みを有するとともに、隣接する２つの凸形状の境界部５１ｅにおいて約５０ｎｍ〜約２００ｎｍの厚みを有している。また、レンズ５１の境界部５１ｅを埋め込むとともに、レンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇ以外の領域を覆うように、アクリル樹脂からなる樹脂層５２が形成されている。この樹脂層５２は、レンズ５１の頂上部５１ｇと同じ高さ位置に平坦化された上面部５２ａを有している。この樹脂層５２の平坦な上面部５２ａとレンズ５１の頂上部５１ｇとによって平坦な面が構成されている。そして、この樹脂層５２の上面部５２ａとレンズ５１の頂上部５１ｇとからなる平坦な面上に約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するカラーフィルタ層５３が形成されている。これにより、レンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇは、カラーフィルタ層５３の下面に接触されている。このように、第３実施形態では、カラーフィルタ層５３と半導体基板４との間に、レンズ５１が配置されている。
また、第３実施形態では、図２４に示すように、受光領域５ａ（図３参照）の中央部の画素４３ａでは、レンズ５１のレンズ中心５１ｄと対応する受光部５の中心とが一致するように配置されている。その一方、受光領域５ａ（図３参照）の端部近傍の画素４３ｂでは、図２５に示すように、レンズ５１のレンズ中心５１ｄが対応する受光部５の中心に対して所定の距離ずらして配置されている。また、レンズ５１のレンズ中心５１ｄと受光部５の中心との間のずれ量は、受光領域５ａ（図３参照）の中央部近傍から複数の受光部５が配置される方向に沿って受光領域５ａ（図３参照）の端部近傍へ行くにしたがって徐々に大きくなるように構成されている。なお、第３実施形態による固体撮像素子４２の上記以外の構造は、上記した第１実施形態による固体撮像素子２と同様である。
第３実施形態では、上記のように、半導体基板４とカラーフィルタ層５３との間に形成されたレンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇをカラーフィルタ層５３の下面に接触するように形成することによって、レンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇとカラーフィルタ層５３の下面との間の距離を０にすることができるので、固体撮像素子４２の高さ方向の寸法を低減することができる。これにより、半導体基板４とカラーフィルタ層５３との間にレンズ５１が設けられた固体撮像装置を小型化することができる。
第３実施形態のこれ以外の効果は、上記した第１実施形態による効果と同様である。
図２６は、本発明の第３実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図２４〜図２６を参照して、本発明の第３実施形態による固体撮像素子４２の製造プロセスについて説明する。
まず、第３実施形態では、上記した第１実施形態の図１０〜図１５と同様の工程により、上に凸の形状の上面部５１ａを有する複数のレンズ５１と、レンズ５１の下方の部分とを形成する。この後、図２６に示すように、スピンコート法を用いて、レンズ５１の隣接する２つの凸形状の境界部５１ｅを埋め込むとともに、レンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇ以外の領域を覆うように、アクリル樹脂からなる樹脂層５２を形成する。この際、スピンコート法の回転数を調節することにより、レンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇと同じ高さ位置に平坦化された樹脂層５２の上面部５２ａを形成する。この後、レンズ５１の上面部５１ａの頂上部５１ｇと樹脂層５２の上面部５２ａとの上に、約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有するカラーフィルタ層５３を形成する。このようにして、図２４および図２５に示した第３実施形態による固体撮像素子４２が形成される。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第３実施形態では、インターライン型ＣＣＤの固体撮像素子において、レンズの上面部の頂上部をカラーフィルタ層の下面に接触させるように構成したが、本発明はこれに限らず、フレームトランスファ型ＣＣＤなどの他の形式の固体撮像素子において、レンズの上面部の頂上部をカラーフィルタ層の下面に接触させるように構成してもよい。
また、上記第３実施形態では、複数のレンズの上面部の頂上部が全てカラーフィルタ層の下面に接触するように構成した例について示したが、本発明はこれに限らず、複数のレンズの上面部の頂上部のうち、任意のレンズの上面部の頂上部のみがカラーフィルタ層の下面に接触するとともに、その他のレンズの上面部の頂上部がカラーフィルタ層の下面に接触しないように構成してもよい。
また、上記実施形態では、平坦化層または絶縁膜の上面をＣＭＰ法を用いて平坦化する例を示したが、本発明はこれに限らず、エッチングを行うことにより平坦化層または絶縁膜の上面を平坦化してもよい。
また、上記実施形態では、シリコン酸化膜からなる平坦化層または絶縁膜を形成したが、本発明はこれに限らず、シリコン窒化膜からなる平坦化層または絶縁膜を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、受光部に集光するためのレンズとしてカラーフィルタ層と半導体基板との間に形成されたレンズ（インナーレンズ）のみを設けたが、本発明はこれに限らず、カラーフィルタ層と半導体基板との間に形成されたレンズ（インナーレンズ）に加えて、さらに、カラーフィルタ層上に各受光部に対応した複数の凸部を有するマイクロレンズを設けてもよい。
また、上記実施形態では、アクリル樹脂を用いてレンズの上面部を覆うように樹脂層を形成したが、本発明はこれに限らず、アクリル樹脂以外の樹脂材料を用いてレンズの上面部を覆うように樹脂層を形成してもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、ＣＭＰ法を用いて樹脂層の上面を平坦化するとともに、レンズの上面部に平坦な上端面部を形成したが、本発明はこれに限らず、エッチングを行うことにより樹脂層の上面を平坦化するとともに、レンズの上面部に平坦な上端面部を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ＣＣＤに本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、ＣＭＯＳセンサなどの他の種類の固体撮像装置に本発明を適用してもよい。ＣＭＯＳセンサなどの他の種類の固体撮像装置に本発明を適用した場合にも、固体撮像装置を小型化することができるなどの上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、複数のレンズを連続した１つの層からなるように構成したが、本発明はこれに限らず、複数のレンズを連続した１つの層からなる部分と、それ以外の他の層からなる部分とを含むように構成してもよい。
また、上記第１実施形態では、遮光部材をＡｌを含む材料によって形成するとともに、第２実施形態では、遮光部材をＷを含む材料によって形成したが、本発明はこれに限らず、遮光部材をＡｌまたはＷのどちらを含む材料によって形成してもよい。
本発明の第１実施形態による固体撮像装置の全体構成を示した概略図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の受光領域の中央部における画素部分の構造を示した断面図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の受光領域の構造を説明するための概略図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の受光領域の端部近傍における画素部分の構造を示した断面図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置における射出瞳の構成を示した模式図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置におけるレンズのずれ量について説明するための模式図である。 図１に示した第１実施形態による固体撮像装置に対する光の入射経路を示した模式図である。 図４に示した第１実施形態による固体撮像素子に対する光の入射経路を示した断面図である。 図４に示した第１実施形態による固体撮像素子の効果を説明するための比較例を示した断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置において、レンズをずらして形成する際のプロセスを説明するための模式図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像素子の受光領域の中央部における画素部分の構造を示した断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像素子の受光領域の端部近傍における画素部分の構造を示した断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像素子の受光領域の中央部における画素部分の構造を示した断面図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像素子の受光領域の端部近傍における画素部分の構造を示した断面図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 受光部に光を集光するためのレンズを備えた従来の固体撮像装置の構造を示した断面図である。
符号の説明
４、２４ 半導体基板（基板）
５、２５ 受光部
１１、３０、５１ レンズ
１１ａ、３０ａ、５１ａ 上面部
１３、３２、５３ カラーフィルタ層

Claims (10)

  1. 基板に形成された受光部と、
    前記基板上に形成されたカラーフィルタ層と、
    前記基板と前記カラーフィルタ層との間に形成され、前記受光部に光を集光するための複数のレンズとを備え、
    前記レンズのそれぞれは、上に凸の形状の上面部を有するとともに、前記上面部の上端部が前記カラーフィルタ層の下面に実質的に接触し、且つ、下に実質的に平坦な形状の下端部を有するとともに、前記下端部が共通の平坦な下面部を構成し、
    前記レンズの上面部の上端部以外の領域を覆うように形成され、前記レンズの上面部の上端部と実質的に同じ高さを有する実質的に平坦な上面部を有する樹脂層をさらに備え、
    前記カラーフィルタ層は、前記レンズの上面部の上端部と前記樹脂層の上面部との上に形成されている、固体撮像装置。
  2. 前記レンズの上面部の上端部は、前記カラーフィルタ層の下面に実質的に接触する実質的に平坦な上端面部を含む、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記レンズは、レンズ中心が前記受光部の中心に対して所定の距離ずらして配置されている、請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 隣接する２つの前記受光部間の領域で、かつ、前記基板と前記レンズとの間の領域に形成された遮光部材をさらに備え、
    前記レンズの下端部は、前記遮光部材の上端部より上に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記遮光部材の上端部と同等以上の高さを有する実質的に平坦な上面を有する平坦化層をさらに備え、
    前記レンズは、前記平坦化層の上面上に形成されている、請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記平坦化層は、前記遮光部材を覆うように形成されている、請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記平坦化層は、前記遮光部材の側面および下面を覆うように形成され、
    前記遮光部材の上端部と前記平坦化層の上面とは実質的に同じ高さを有する、請求項５に記載の固体撮像装置。
  8. 複数の前記受光部により前記基板に形成された受光領域をさらに備え、
    前記レンズは、前記複数の受光部の各々に対応するように複数設けられ、
    前記受光領域の端部近傍における前記レンズのレンズ中心と、対応する前記受光部の中心との間のずれ量は、前記受光領域の中央部近傍における前記レンズのレンズ中心と、対応する前記受光部の中心との間のずれ量に比べて大きい、請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 複数の前記受光部により前記基板に形成された受光領域をさらに備え、
    前記レンズのレンズ中心と、対応する前記受光部の中心との間のずれ量は、前記受光領域の中央部近傍から前記複数の受光部が配置される方向に沿って前記受光領域の端部へ行くにしたがって徐々に大きくなるように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記受光部と射出瞳との間の距離をＬとし、前記受光部の上面の高さ位置から隣接する２つの前記レンズの境界部の高さ位置までの距離より大きく、前記受光部の上面の高さ位置から前記レンズのレンズ中心の高さ位置までの距離より小さい任意の距離をｈとし、前記受光領域内の任意の前記受光部の中心と前記受光領域の中心との間の距離をａとした場合に、前記レンズのレンズ中心と、対応する前記受光部の中心との間のずれ量は、ａ×ｈ／Ｌで表される式によって求められる、請求項９に記載の固体撮像装置。
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