JP4546797B2 - 固体撮像装置、その製造方法およびカメラ - Google Patents

固体撮像装置、その製造方法およびカメラ Download PDF

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Description

本発明は、複数の受光部を有する半導体基板上に各受光部に対応する層内に形成されたレンズとカラーフィルタとを有する固体撮像装置およびカメラに関する。
近年、固体撮像装置のチップサイズの小型化や画素数の増大とあいまって、デジタルカメラ、デジタルムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機等の小型化、高性能化が進んでいる。
従来の固体撮像装置では、固体撮像装置のチップサイズを小型化し画素数を増大させながらも、感度を向上させるために受光部のそれぞれに光学的なマイクロレンズを備えている。
これまでは、チップの最表部にマイクロレンズが形成されているのみであったが、より微細な画素サイズになるにつれ、最表部のマイクロレンズだけでは、充分な集光効果を得られなくなってきている。そのため、最表部のマイクロレンズと受光部との間に層内レンズを形成することで集光効果を更に向上させた固体撮像装置が知られている。
また、デジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話機などでは、カメラの小型化に伴い、短射出瞳距離化が進んでいる。ここで、射出瞳とは受光面側から見たレンズ（あるいは絞り）の虚像をいい、射出瞳距離とは受光面とレンズの虚像点との距離をいう。
図１０は、射出瞳距離を説明するための、携帯電話機等のカメラ部分の断面図である。同図において携帯電話機のフレーム８１にはレンズ８０が取り付けられ、携帯電話機内部には固体撮像装置としてＣＣＤイメージセンサ８２を備えている。射出瞳距離Ｄは、レンズ８０の虚像点とＣＣＤイメージセンサ８２との間の距離である。短射出瞳距離化により、受光面の中央部には光が垂直に入射するが、受光面の周辺部には垂直ではなく斜め光しか入射しなくなる。
図１１（ａ）（ｂ）は、従来の固体撮像装置における受光部とマイクロレンズの位置関係を示す断面図である。同図（ａ）は受光部が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図（ｂ）は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、図中の矢線は入射光を示している。固体撮像装置は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１中に形成された受光部１０２と、転送電極と遮光膜とからなる転送電極部１０３と、層内凸レンズ１０４と、受光部１０２、転送電極部１０３および層内凸レンズ１０４の表面を平坦化するための平坦化膜１０５と、赤色、緑色、青色のカラーフィルタ１０６Ｒ、１０６Ｇ、１０６Ｂと、マイクロレンズ下平坦化膜１０７と、マイクロレンズ１０８とを有している。同図の矢線に示すように、撮像エリアの中央部分では入射光がほぼ垂直に到来するのに対して、射出瞳距離が短いほど周辺部分では斜めに到来することになる。
図１２（ａ）〜（ｄ）は、従来の層内凸レンズの形成方法を示す図である。図１２（ａ）に示すように、透明材料１５１（例えばプラズマ窒化膜）をプラズマＣＶＤ法で成膜する。次いで、図１２（ｂ）に示すように、この透明材料１５１の上にレジストをマスクを介してパターニングし、更にリフロー処理をすることにより上に凸状のパターン１５２を形成する。最後に図１２（ｃ）に示すように、この上に凸状のパターンをマスクとして、透明材料１５１をエッチングして形状を転写することにより、図１２（ｄ）の層内凸レンズを形成している。
特開平１１−４０７８７号公報
しかしながら、上記従来技術によれば、最表部に形成されるマイクロレンズおよび層内レンズが色配列に関係なく同じ形状、同じ材質で形成されているため、波長によって集光効果が異なり、感度および色再現性が悪化するという課題があった。
さらに、上記従来技術によれば、射出瞳距離の短縮化に伴って撮像エリアの周辺部分において色むら（色シェーディング）が発生するという問題がある。つまり、画像の周辺部分ではホワイトバランスがくずれて色が付いてしまうという課題があった。
なぜなら、色つまり波長ごとに層内レンズやマイクロレンズの屈折率が異なり、この屈折率の違いによって、色配列ごとの受光面での集光状態に差が生じるからである。受光面上で十分に集光されずに広がった場合、入射光が受光部領域から外れやすくなり、感度が低下する。色配列ごとの受光面での集光状態に差がある場合には、各色毎に感度差が生じて色むら（色シェーディング）が発生する。
そこで本発明は、上記のような事情を鑑みてなされたものであり、より微細な画素サイズにおいても、各色配列ごとの集光効果を損ねることなく感度向上、色再現性向上させること、また、撮像エリアの周辺部分において色むら（色シェーディング）の発生を防止して射出瞳距離の短縮化に適した固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、複数の受光部と、各前記複数の受光部に対応して該受光部の上に形成されたカラーフィルタと、前記受光部の上であって前記カラーフィルタよりも下層に設けられた層内レンズとを有する固体撮像装置であって、前記層内レンズは、対応する前記カラーフィルタの色に応じて層内レンズの幅が異なることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、複数の受光部と、各前記複数の受光部に対応して該受光部の上に形成されたカラーフィルタと、前記受光部の上であって前記カラーフィルタよりも下層に設けられた層内レンズとを有する固体撮像装置であって、前記層内レンズと、層内レンズの直上層に形成される膜のうち少なくとも一方は、対応する前記カラーフィルタの色に応じて屈折率が異なることを特徴とする。
これにより、撮像エリアの周辺部分であっても、どの色も同じように受光部に集光させることができる。すなわち、受光面より深い位置でも浅い位置でもなく、どの色に対応する受光部でも受光面において最も集光する状態とすることができる。その結果、色むら（色シェーディング）の発生を防止することができる。それゆえ、射出瞳距離の短縮化を容易に図ることができる。
なお、前記層内レンズは、上に凸状もしくは上に凹状の形状であって良い。
なお、前記層内レンズは、上に凸状の形状を有し、前記カラーフィルタのそれぞれは、赤、緑、青のうちのいずれかの色を有し、前記層内レンズの形状は、赤部、緑部、青部の順に曲率が小さくなっていることが好ましい。
また、前記層内レンズは、上に凹状の形状を有し、前記カラーフィルタのそれぞれは、赤、緑、青のうちのいずれかの色を有し、前記層内レンズの直上層に形成される膜の屈折率は、赤部、緑部、青部の順に小さくなっていることが好ましい。
なお、前記層内レンズの直上層に形成される膜の少なくとも一部は色材料で形成され、特定の光波長帯域を透過するカラーフィルタとしての機能を有することを特徴とする。これにより、より簡略化したプロセスが可能となる。
ここで、前記層内レンズは、各前記カラーフィルタの色に対応してマスク上のパターンを変えたグラディエーションマスクを使用して露光および現像を行うことにより形成することが好ましい。
また、本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に、複数の受光部と、各前記複数の受光部に対応して複数の色から選ばれるいずれかの色を有する層内レンズを有する固体撮像装置であって、前記層内レンズは、該層内レンズの色に応じて曲率形状もしくは屈折率が異なることを特徴とする。
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、色配列ごとにマスク上のパターンを変えることにより前記層内に形成されたレンズの形状を色配列ごとに変えることを特徴とする。ここで、前記層内レンズは、該層内レンズの色に応じてマスク上のパターンを変えたグラディエーションマスクを使用して露光および現像を行うことにより形成することが好ましい。
このように、マスク上のパターンを色配列ごとに変えることにより形成するので、工数増となることなく形成することができる。また容易に形状を変えることができる。
さらに、本発明に係るカメラは、本発明に係る固体撮像装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた感度、色再現性を有し、かつ色むらの少ない固体撮像装置およびカメラが実現できる。
以上説明してきたように本発明の固体撮像装置によれば、色ごとの集光効果を損ねることなく感度向上、色再現性向上させることができる。また、撮像エリアの周辺部分であっても、どの色も同じように受光部に集光させることができる。すなわち、受光面より深い位置でも浅い位置でもなく、どの色に対応する受光部でも受光面において最も集光する状態とすることができる。その結果、色むら（色シェーディング）の発生を防止することができる。それゆえ、射出瞳距離の短縮化を容易に図ることができる。
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施形態における固体撮像装置の断面を示す図である。同図（ａ）は受光部が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図（ｂ）は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、図中の矢線は入射光を示している。
同図に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板１と、半導体基板１中に形成された受光部２と、転送電極部３と、可視光で透明なプラズマ窒化膜（屈折率ｎ＝１．９）で形成された色配列ごとに大きさが異なる層内凸レンズ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと、可視光で透明なアクリル樹脂（屈折率ｎ＝１．５）で形成された平坦化膜５と、カラーフィルタ６Ｒ、６Ｇ、６Ｂと、マイクロレンズ下平坦化膜７と、可視光で透明なアクリル樹脂で形成されたマイクロレンズ８とを有している。この構成により、空気とマイクロレンズ８との屈折率差を利用して集光レンズとして作用する。かつ平坦化膜５と層内凸レンズ４との屈折率差を利用して集光レンズとして作用する。ここで、マイクロレンズ８を形成するアクリル樹脂は、波長により屈折率が異なる。一般的に波長が短いほど、屈折率が高いため、赤、緑、青の順に、マイクロレンズ８の集光効果が強くなっている。従って、どの色に対応する受光部でも受光面において最も集光する状態とするためには、層内凸レンズ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの底面部を同じとした場合、色配列ごとに高さが異なるようにすることによって、つまり、この場合、４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの順で、高さを低くして、曲率を小さくすることにより、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されている。また、撮像エリアの周辺部分であっても、このような構成にすることにより、どの色も同じように受光部に集光させることができる。
図２（ａ）（ｂ）は、本発明の第１の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図（ａ）は受光部が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図（ｂ）は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、同図の矢線は入射光を示している。
同図に示すとおり、図１と異なる点は、層内凸レンズの高さだけでなく、幅も変えた層内凸レンズ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂを備えた構成となっている点である。このように幅もかえて、曲率をコントロールすることにより、より効果的に、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成することができる。また、撮像エリアの周辺部分であっても、このような構成にすることにより、どの色も同じように受光部に集光させることができる。
なお、図１、図２の固体撮像装置では、層内凸レンズの高さおよび幅を色配列ごとに変える構成としたが、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されれば、曲率を色配列ごとに変えた構成としてもよいし、形状を色配列ごとに変えた構成としてもよい。
図３は、本発明の第２の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図の矢線は入射光を示している。
同図に示すとおり、図１の実施例と異なる点は、層内凸レンズの形状ではなく、材質が異なる層内凸レンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを備えた構成となっている点である。このように色配列ごとに材質つまり屈折率が異なる層内凸レンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを設けることによって、つまりこの場合、２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂの順で、だんだん屈折率の低くなる材質を選ぶことにより、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されている。
図４（ａ）（ｂ）は、本発明の第３の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図（ａ）は受光部が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図（ｂ）は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、同図の矢線は入射光を示している。
同図に示すように、図１の実施例と異なる点は、層内凸レンズの大きさは同じで、その上に形成される平坦化膜が色配列ごとに材質（屈折率）が異なっていることである。これは選択的にパターニングすることにより、容易に形成することができる。このように色配列ごとに材質つまり屈折率が異なる平坦化膜２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂを設けることによって、つまりこの場合、２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂの順で、だんだん屈折率の高くなる材質を選ぶことにより、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されている。また、撮像エリアの周辺部分であっても、このような構成にすることにより、どの色も同じように受光部に集光させることができる。
図５は、本発明の第４の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図の矢線は入射光を示している。
同図に示すとおり、図４の実施例と異なる点は、平坦化膜２５の１色以上が色材料であることである。どの色も同じように受光部に集光させることができれば、平坦化膜に色材料を選択することも可能である。こうすることにより、工程の簡略化も図ることができる。
なお、図４、図５の固体撮像装置では、層内凸レンズを有する構造であったが、層内上凹レンズを有する構造であっても、色配列ごとに層内上凹レンズ上に形成される平坦化膜の材質、つまり屈折率を変えてやることによっても、同様の効果があることは言うまでもない。図６に、その一例を示す。
図６は、本発明の第５の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図の矢線は入射光を示している。層内上凹レンズ３４の上に色配列ごとに材質つまり屈折率が異なる平坦化膜３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂを設ける構造となっている。
図７（ａ）（ｂ）は、本発明の第６の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図（ａ）は受光部が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図（ｂ）は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、同図の矢線は入射光を示している。
同図に示すように、図１の実施例と異なる点は、層内凸レンズの大きさは同じで、カラーフィルタが集光レンズとして機能しており、その集光レンズも兼ねたカラーフィルタが色ごとに形状が異なっていることである。カラーフィルタはアクリル系の樹脂に顔料を分散した材料により形成されており、その屈折率ｎは１．５５である。可視光で透明なアクリル樹脂（屈折率ｎ＝１．５）で形成された平坦化膜５およびマイクロレンズ下平坦化膜７との屈折率差を利用して集光レンズとして作用させることができる。
このように色ごとに形状が異なるカラーフィルタ４６Ｒ、４６Ｇ、４６Ｂを設けることによって、つまりこの場合、４６Ｂ、４６Ｇ、４６Ｒの順に、曲率を小さくして、より丸みを持たせることによって、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されている。また、撮像エリアの周辺部分であっても、このような構成にすることにより、どの色も同じように受光部に集光させることができる。
なお、図７の固体撮像装置では、集光レンズとして作用するカラーフィルタの形状を色ごとに変える構成であったが、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されれば、色ごとに材質（屈折率）を変えた構成としてもよい。
図８（ａ）（ｂ）は、本発明の第７の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図（ａ）は受光部が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図（ｂ）は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、同図の矢線は入射光を示している。
同図に示すとおり、図１や図７の実施例と異なる点は、層内凸レンズの高さだけでなく、集光レンズも兼ねたカラーフィルタも色ごとに形状が異なっていることである。このように複数の集光レンズを色配列ごとに形状をかえることにより、より効果的に、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成することができる。また、撮像エリアの周辺部分であっても、このような構成にすることにより、どの色も同じように受光部に集光させることができる。また特性の安定化が増し、より感度向上、色再現性向上および色むらの改善を期待することができる。
なお、図８の固体撮像装置では、層内凸レンズと集光レンズも兼ねたカラーフィルタが色ごとに形状が異なっている構成であったが、赤のカラーフィルタ６Ｒに対応する受光部２と、緑のカラーフィルタ６Ｇに対応する受光部２と、青のカラーフィルタ６Ｂとで集光状態を合わせるよう構成されれば、層内凸レンズとマイクロレンズが色配列ごとに形状を変えた構成としてもよいし、層内凸レンズと集光レンズも兼ねたカラーフィルタとマイクロレンズの３つの集光レンズが色配列ごとに形状もしくは材質（屈折率）を変えた構成としてもよい。
（固体撮像装置の製造方法）
図９（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態における固体撮像装置の製造方法を製造工程の順にその断面を示す図である。その製造工程を以下に説明する。
まず、図９（ａ）に示すように、透明材料５１（例えばプラズマ窒化膜）をプラズマＣＶＤ法で成膜する。次いで、図９（ｂ）に示すように、この透明材料５１の上にレジストを色配列ごとにパターン形状が異なるマスクを介してパターニングし、更にリフロー処理をすることにより上に凸状のパターン５２を形成する。本実施例では、グラディエーションマスクを用いることにより、色配列ごとに高さを容易に変えることが可能となる。最後に図９（ｃ）に示すように、この上に凸状のパターンをマスクとして、透明材料５１をエッチングして転写することにより、図９（ｄ）の色配列ごとに形状が異なる層内凸レンズを形成する。
なお、図９では、層内凸レンズの高さを変える例を示したが、図２のように幅を変えるには、パターンを色配列ごとに変えたマスクを使用すればよい。また、図９では凸レンズとしたが、グラディエーションマスクのパターン変更により、凹レンズ形状にもすることができる。
以上説明してきたように本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法によれば、簡単に色配列ごとに形状の異なる層内凸レンズを形成することができ、これにより、撮像エリアの中心部分においても周辺部分においてもどのカラーフィルタの通過光も受光面に集光するので、色により集光率に差が生じず、周辺部分の色むらを防止することができる。
なお、これまでの実施形態での固体撮像装置は、赤、緑、青の３色（原色）でカラーフィルタが構成されていたが、イエロ、シアン、マゼンタ、緑の４色（補色）でカラーフィルタが構成されている固体撮像装置でも、同様の効果が期待できることは言うまでもない。
また、上記の固体撮像装置をデジタルスチルカメラ、デジタルムービーカメラに適用することで、優れた感度、色再現性を有し、かつ色むらの少ないカメラを実現することができる。
本発明は、半導体基板上に形成された複数の受光素子の各々にマイクロレンズおよびカラーフィルタを有する固体撮像装置、その製造方法、その固体撮像装置を有するカメラに適しており、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳイメージセンサ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに内蔵のカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。
（ａ）、（ｂ）本発明の実施形態における固体撮像装置の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）第１の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 第２の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）第３の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 第４の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 第５の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）第６の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）第７の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 本発明の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。 射出瞳距離を説明するための携帯電話機等のカメラ部分の断面図である。 従来の固体撮像装置の断面を示す図である。 従来の固体撮像装置の製造方法を示す図である。
符号の説明
１、１０１ 半導体基板
２、１０２ 受光部
３、１０３ 転送電極部
４、１４、２４、１０４ 層内凸レンズ
５、２５、３５、１０５ 平坦化膜
６、４６、１０６ カラーフィルタ
７、１０７ マイクロレンズ下平坦化膜
８、１０８ マイクロレンズ
３４ 層内上凹レンズ
５１、１５１ 透明材料
５２、１５２ 凸状パターン

Claims (7)

  1. 半導体基板上に、複数の受光部と、各前記複数の受光部に対応して該受光部の上に形成されたカラーフィルタと、前記受光部の上であって前記カラーフィルタよりも下層に設けられた層内レンズとを有する固体撮像装置であって、
    前記カラーフィルタは、赤、緑、青の原色であって、
    前記層内レンズの幅は、対応する前記カラーフィルタの色が赤、緑、青の順に小さくなり、
    前記層内レンズの高さは、対応する前記カラーフィルタの色が赤、緑、青の順に小さくなり、
    前記層内レンズの曲率は、対応する前記カラーフィルタの色が赤、緑、青の順に小さくなっていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記層内レンズは、上に凸状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記層内レンズはプラズマ窒化膜であ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. 前記カラーフィルタの上にさらにマイクロレンズを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
  5. 前記マイクロレンズはアクリル樹脂で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置を有することを特徴とするカメラ。
  7. 半導体基板に複数の受光部を形成する工程と、
    各前記複数の受光部に対応して該受光部の上に層内レンズを形成する工程と、
    各前記複数の受光部に対応して該層内レンズの上にカラーフィルタを形成する工程とを備え、
    前記層内レンズを形成する工程は、前記半導体基板の上に透明材料を形成する工程と、前記透明材料を、対応する前記カラーフィルタの色に応じた幅にパターニングする工程と、
    前記パターニングされた透明材料をリフローする工程とからなり、
    前記カラーフィルタは、赤、緑、青の原色であって、
    前記層内レンズの幅は、対応する前記カラーフィルタの色が赤、緑、青の順に小さくなり、
    前記層内レンズの高さは、対応する前記カラーフィルタの色が赤、緑、青の順に小さくなり、
    前記層内レンズの曲率は、対応する前記カラーフィルタの色が赤、緑、青の順に小さくなっていることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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