JP4595405B2

JP4595405B2 - 固体撮像装置及びその製造方法

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Inventors: 太知名取
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Description

本発明は、カラーフィルターの色信号ごとに色収差の補正を行う固体撮像装置及びその製造方法に関する。

固体撮像素子としては、単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子やカラーＣＭＯＳ型固体撮像素子などが広く知られている。図１１に単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子の従来構造の概略断面の一例を示す。この単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子１０１は、例えばシリコン半導体基板１０２の撮像領域に画素となる受光部１０３がマトリックス状に配列される共に、各受光部列に対応して垂直転送レジスタ７が形成され、さらに撮像領域上に酸化シリコン層１１０、窒化シリコン層１１１を介して色フィルター１１２及びオンチップマイクロレンズ（以下、マイクロレンズという）１１３を形成して構成される。垂直転送レジスタ１０７は、基板１０２表面に形成した転送チャネル領域１０４上にゲート絶縁膜１０５を介して例えば多結晶シリコンからなる転送電極１０６を形成して構成される。基板１０２の表面上には、層間絶縁膜１０８を介して受光部１０３以外の垂直転送レジスタ１０７を含む領域に例えばアルミニウム（Ａｌ）またはタングステン（Ｗ）等による遮光膜９が形成され、更に酸化シリコン層１１０、窒化シリコン層１１１が形成される。そして窒化シリコン層１１１上に、各色フィルター成分からなる色フィルター１１２が形成され、この色フィルター１１２上に各受光部１０３に対応したマイクロレンズ１１３が形成される。

単板式のカラー固体撮像素子の場合、色フィルター１１２はオンチップで形成しており、種類としては大きく分けて、原色系と補色系がある。原色系は色再現性が良く、補色系は色フィルターの透過率が高く感度に有利である。原色系フィルター及び補色系フィルターは、それぞれ目的に応じて使い分けられている。例えば原色系フィルター１１２には、図示しないが各赤（Ｒ）フィルター成分１１２Ｒ，緑（Ｇ）フィルター成分１１２Ｇ及び青（Ｂ）フィルター成分１１２Ｂを有している。更に、フィルター１１２の色配列にも様々なものがあり、代表的なものとしては、原色系フィルター配列では、ＧストライプＲＢ線順次、Ｇ市松ＲＢ線順次（ベイヤ配列）、ＲＧＢ縦ストライプ等がある。一方、補色系フィルター配列では、Ｙｅ・Ｃｙ・Ｍｇ・Ｇ色差線順次、Ｙｅ・Ｇ・Ｃｙ縦ストライプ、Ｗ・Ｙｅ・Ｃｙ縦ストライプ、等がある。いずれの色配列を採用しても、最終的にＲ／Ｇ／Ｂに色分離する為には、最低でも３色が必要で、一般的には１色１画素にて構成している。

図１２は、固体撮像装置の青色、緑色、赤色それぞれの代表的な波長領域におけるフォトセンサ上方各層の媒質の平均屈折率を示す。各媒質の屈折率は、光の波長によって変化しており、カラーフィルターを除き、波長が長くなるにつれて屈折率が下がる。ここで、固体撮像装置は、通常、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）などの画素の色の波長の長さによらず同一構造に形成される。そのため光の波長による屈折率差の影響により、図１３ａに示すように、撮像領域の中央では、ＲＧＢの色信号ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの違いによってフォトセンサへの集光深さ位置が、色信号ＬＲ、ＬＧ，ＬＢの順に変化して、いわゆる色収差が発生する。さらに、このとき固体撮像装置の周辺の画素を考えると、図１３ｂに示すようにＲＧＢの色信号ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの違いによってフォトセンサ上方の横方向において、集光位置のズレによって赤色信号ＬＲ、ＬＧ、ＬＢの順に遮光膜によりけられる。このような色信号ごとに集光ズレが生じると撮像領域の中心から周辺に向けて感度低下し、いわゆるシェーディングが色信号ごとに異なるため、撮像領域の周辺において青色、緑色、赤色の各信号のバランス(ホワイトバランス)が崩れ、色が変化してしまう。

一方、本発明の先行技術として、特許文献１には、マイクロレンズを透過する際の入射光の屈折が光の波長によって異なり、赤、緑、青の各色光の焦点位置がずれて各色毎の感度のバラツキ、色バランスのバラツキを改善するために、各色のフィルターの膜厚を違えて各色光の焦点位置を揃えるように構成した固体撮像素子が提案されている。
特開２００２−９４０３７号公報

ところで、近年、画素サイズの微細化により、フォトセンサの表面積がますます縮小してきており、上述のような集光の横方向の位置ズレの影響が大きくなっている。そのため、光の屈折率の波長依存による各色信号ごとの集光位置がずれる、いわゆる色収差の発生しない構造が望まれている。

本発明は、上述の点に鑑み、カラーフィルターの色信号ごとに色収差の補正を行う固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質＜下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成することを特徴とする。この構成では、媒質境界形状として、屈折率差の大小の画素に応じて凸形状と凹形状の組み合わせ、あるいは、凸形状と凹形状と平坦形状の組み合わせを含むものである。

本発明の固体撮像装置は、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＞下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成することを特徴とする。この構成では、媒質境界形状として、屈折率差の大小の画素に応じて凸形状と凹形状の組み合わせ、あるいは、凸形状と凹形状と平坦形状の組み合わせを含むものである。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、各受光部のフォトセンサ上方の下側媒質層である複数の色フィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、前記色フィルターのうち上面が平坦な第１の色フィルター成分を形成する工程と、前記第１の色フィルター成分を含む全面に該第１の色フィルター成分以外の部分の上面が凹形状となるように、第２の色フィルター材料膜を形成する工程と、前記第２の色フィルター材料膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして上面が凹形状の第２の色フィルター成分を形成する工程と、第３の色フィルター材料膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして第３の色フィルターを形成する工程と、前記第３の色フィルター成分の上面を熱リフロー処理して凸形状に形成する工程と、前記各色フィルター上に上側媒質層であるマイクロレンズを形成する工程を有することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、各受光部のフォトセンサ上方に複数のフィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、前記下側媒質層上の第１の画素となる部分に凸状部を形成する工程と、前記下側媒質層の第２の画素となる部分に開口を有するレジスト層を形成する工程と、前記開口を介して等方性エッチングし、下側媒質層に凹状部を形成する工程と、前記レジスト層を除去した後、前記下側媒質層より屈折率が大きい上側媒質層を積層する工程と、前記上側媒質層上に各色フィルター成分及びマイクロレンズを形成する工程を有することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質＜下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状を凸形状に形成することにより、凸レンズ効果で入射光の集光位置が上方にシフトされる。また、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成することにより凹レンズ効果で入射光の集光位置が下方へシフトされる。したがって、各色の入射光の各フォトセンサへの集光位置を揃えることができる。

本発明の固体撮像装置では、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＞下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状を凸形状に形成することにより、凸レンズ効果で入射光の集光位置が浅くなる方にシフトされる。屈折率差が小さい画素の媒質境界形状を凹形状に形成することにより、凹レンズ効果で入射光の集光位置が深くなる方にシフトされる。したがって、各色の入射光のフォトセンサへの集光位置を揃えることができる。

本発明の固体撮像装置の製造方法では、下側媒質層である色フィルターの形状を色信号ごとに凹凸状に形成し、上側媒質層であるマイクロレンズを形成することで、マイクロレンズと色フィルター間の境界面に選択的に凹凸レンズを形成することができる。

本発明の固体撮像装置の製造方法では、上側媒質層と下側媒質層の間の境界面に選択的に凹凸レンズを形成することができる。

本発明の固体撮像装置によれば、フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質＜下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成するので、屈折率差のある媒質の境界面の凹凸形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。

本発明の固体撮像装置によれば、受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＞下側媒質の場合、各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成するので、屈折率差のある媒質の境界面の凹凸形状を各画素ごとに変えることによって、オンチップマイクロレンズからの入射光の色収差を除去することができ、フォトセンサへの集光位置のずれを無くすことができる。結果として、周辺画素での集光のずれも無くなり、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しなくなるため、チップ周辺での色の変化を無くすことができる。

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、下側媒質層である色フィルターの形状を凹凸状に形成して、上側媒質層であるマイクロレンズを形成するので、マイクロレンズと色フィルター間の境界面に色信号に応じて凹凸レンズを形成することができる。したがって、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しない固体撮像装置を製造することができる。

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、上側媒質層と下側媒質層の間の境界面に各画素に応じて凹凸状のレンズを形成することができる。したがって、色信号ごとのシェーディングに差が無くなることによりホワイトバランスのズレが発生しない固体撮像装置を製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る固体撮像素子に適用される単板式のカラーＣＣＤ固体撮像素子の一実施の形態を示す。
本実施の形態に係るＣＣＤ固体撮像素子１は、半導体基板、例えばシリコン半導体基板（例えば半導体基板上にエピタキシャル層を成長させた所謂エピタキシャル基板）２の撮像領域にマトリックス状に配列されるように画素となる複数の受光部３が形成されると共に、各受光部３列に対応して垂直転送レジスタ７が形成され、さらに撮像領域上に酸化シリコン層１０、窒化シリコン層１１を介して色フィルター１２及びその上にアレイ状に配列したオンチップマイクロレンズ１３を形成して構成される。この各マイクロレンズ１３は、有効撮像領域に入射される光が各受光部に集光される位置に配列形成される。

垂直転送レジスタ７は、基板表面に形成した転送チャネル領域４上にゲート絶縁膜５を介して例えば多結晶シリコンによる転送電極６を形成して構成される。基板表面上には、層間絶縁膜８、受光部３に開口９Ａを有した遮光膜９が形成され、さらに例えば酸化シリコン層１０、窒化シリコン層１１等が形成される。色フィルター１２としては、本例では赤色フィルター成分１２Ｒ、緑色フィルター成分１２Ｇ及び青色フィルター成分１２Ｂからなる原色系色フィルターが形成される。このような固体撮像素子１においては、有効撮像領域１５の周辺における斜め光によるシェーディング特性を改善するために、有効撮像領域１５の中心から周辺へ行くに従って、マイクロレンズ１３、色フィルター成分１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの中心を受光部３の中心より有効撮像領域中心側にずらす、いわゆる出射瞳補正がなされる。

ここで、受光部３の上層を構成する各媒質の屈折率について説明する。各媒質の屈折率の関係は、マイクロレンズ＜カラーフィルター、カラーフィルター＜窒化シリコン、窒化シリコン＞酸化シリコンとなり、青色、緑色、赤色の各波長領域での屈折率差は図２に示すとおりとなる。
図２に示すように、各ＲＧＢの波長において、固体撮像装置を構成するマイクロレンズとカラーフィルター間、またカラーフィルターと窒化シリコン間、さらに窒化シリコンと酸化シリコン間の媒質の違いにより屈折率差を生じている。
本例では、マイクロレンズとカラーフィルター間の屈折率差は、青色（Ｂ）波長４００〜５１５ｎｍのとき屈折率差−０．０２、緑色（Ｇ）波長４９０〜５９０ｎｍのとき屈折率差−０．０６、赤色（Ｒ）波長５７０〜６５０ｎｍのとき屈折率差−０．１８である。
次に、カラーフィルターと窒化シリコン層間の屈折率差は、青色（Ｂ）波長４００〜５１５ｎｍのとき屈折率差−０．４４、緑色（Ｇ）波長４９０〜５９０ｎｍのとき屈折率差−０．３７、赤色（Ｒ）波長５７０〜６５０ｎｍのとき屈折率差−０．２４である。
次に、窒化シリコン層と酸化シリコン層間の屈折率差は、青色（Ｂ）波長４００〜５１５ｎｍのとき屈折率差０．６１、緑色（Ｇ）波長４９０〜５９０ｎｍのとき屈折率差０．５７、赤色（Ｒ）波長５７０〜６５０ｎｍのとき屈折率差０．５５である。

先ず、第１の媒質境界例について、マイクロレンズとカラーフィルターの境界面について説明する。媒質間の屈折率の関係は、マイクロレンズ＜カラーフィルターとなる。青色、緑色、赤色の各波長領域での屈折率差及びその大小関係は、それぞれ、０．０２（青色）＜０．０６（緑色）＜０．１８（赤色）となっている。ここで、このマイクロレンズ１３とカラーフィルター１２の境界面を図３に示すような平面で考えた場合、マイクロレンズを通ってきた青色、緑色、赤色の各光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲは、それぞれの波長での屈折率差により赤色、緑色、青色の順に焦点位置が上方にずれてしまう。

そこで図４は、本発明に係る固体撮像装置の第１の実施の形態を示す構成図である。本例は、フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＜下側媒質の場合である。本実施の形態においては、マイクロレンズ＜カラーフィルターの関係の屈折率となるとき、マイクロレンズ１３［１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ］とカラ―フィルター１２［１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ］間の境界面の形状を、各色の画素に応じて異ならす。３色の中で中間の屈折率差を有する緑色の画素については、境界面の形状を平らな形状とする。この緑色画素のマイクロレンズ１３Ｇと緑色カラーフィルター成分１２Ｇ間ではレンズ効果は生じない。この緑色画素の平らな境界面形状を基準にして、３色の中の屈折率差の小さい青色の画素については境界面の形状を凹型形状にし、３色の中の屈折率差の大きい赤色の画素については境界面の形状を凸型形状にして、それぞれにレンズ効果を持たせるようになす。青色画素のマイクロレンズ１３Ｂと青色カラーフィルター成分１２Ｂ間では凹型状レンズ２１が形成され、赤色画素のマイクロレンズ１３Ｒと赤色カラーフィルター成分１２Ｒ間では凸型状レンズ２２が形成される。

第１実施形態に係る固体撮像装置によれば、マイクロレンズとカラーフィルター間の境界面の形状を変えて、レンズ効果を持たせることで各色の入射光の焦点位置のズレを無くすことができる。
すなわち、本例のように、屈折率がマイクロレンズ＜カラーフィルターの媒質境界例のような関係を持つ媒質境界では、境界面の凹形状レンズ２１を通過した青色の光ＬＢは焦点位置が下方にずれ、境界面の凸形状レンズ２２を通過した赤色の光ＬＲは焦点位置が上方にずれる。このとき、媒質間の屈折率差に応じて、境界面で形成されるレンズ曲率を調整することにより各色信号ごとに焦点位置の調整をすることができる。これによって、青色の光ＬＢ及び赤色の光ＬＲの焦点位置は、緑色の光ＬＧの焦点位置に揃えられる。

図５は、参考例１に係る固体撮像装置を示す構成図である。フォトセンサ３の上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＜下側媒質の場合、本例では、各媒質の屈折率の関係が、マイクロレンズ＜カラーフィルターのときを示す。各ＲＧＢ色信号ごとにマイクロレンズ１３とカラーフィルター１２間の境界面の形状を全て凸型形状とする。すなわち、各赤、緑及び青色に対応する上記境界面にそれぞれ凸形状レンズ２４，２５及び２６が形成される。各境界面の凸型形状（凸形状レンズ２４，２５，２６）の曲率は、青色＜緑色＜赤色の順に大きくなる。すなわち、本例では、赤色信号が入射する凸型形状の曲率が大きくなりレンズとしての効果が大きいため、焦点位置が上方にずれる。他の緑色、青色信号についても、マイクロレンズの内側の凸型形状の曲率を変えることで、焦点位置を調整する。このとき、媒質間の屈折率差に応じて、各境界面のレンズ曲率を調整することにより各色信号ごとに焦点位置の調整をすることができ、焦点位置のずれを無くすことができる。
このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正することによって、色信号毎のフォトセンサ３への集光位置のずれを無くすことができる。

次に、図１に示す第２の媒質境界例として、窒化シリコン層と酸化シリコン層の境界面について説明する。媒質間の屈折率の関係は、窒化シリコン＞酸化シリコンとなっている。青色、緑色、赤色の各波長領域での屈折率差及び大小関係は、それぞれ０．６１（青色）＞０．５７（緑色）＞０．５５（赤色）となっている。ここで、この窒化シリコン層１１と酸化シリコン層１０の境界面を図６に示すような平面で考えた場合、窒化シリコン層１１を通ってきた青色、緑色、赤色の光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲは、それぞれの波長の屈折率差により青色、緑色、赤色の順に焦点位置が下方にずれていく。

図７は、本発明に係る固体撮像装置の第２の実施形態を示す構成図である。フォトセンサ３の上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＞下側媒質の場合、本例では、媒質間の屈折率の関係は、窒化シリコン＞酸化シリコンである。
３色の中で屈折率差の大きい青色の画素については、窒化シリコン層１１の酸化シリコン層１０の境界面との形状を凸型形状にして、３色の中で屈折率差の小さい赤色画素については、窒化シリコン層１１の酸化シリコン層１０の境界面との形状を凹型形状することにより、それぞれがレンズ効果を持ち、焦点位置のズレを無くすことができる。ここで、緑色画素は、図４と同様に、窒化シリコン層１１と酸化シリコン層１０との境界面の形状を平ら形状とする。屈折率が上側媒質＞下側媒質の関係にあるとき、赤色画素の上記境界面に形成される凹型形状は、レンズ効果として見たときには凸形状レンズ２７に相当し、青色画素の上記境界に形成される凸型形状は、レンズ効果として見たときには凸形状レンズ２８に相当する。

第２の実施形態に係る固体撮像装置によれば、屈折率が窒化シリコン＞酸化シリコンの関係を持った媒質境界では、窒化シリコン層１１と酸化シリコン層１０の境界面の凸形状レンズ２８を通過した青色の光ＬＢは焦点位置が下方にずれ、また、凹形状レンズ２７を通過した赤色の光ＬＲは焦点位置が上方にずれる。このとき、媒質間の屈折率差に応じて、レンズ曲率を調整することにより焦点位置の調整をすることができる。これによって、青色の光ＬＢ及び赤色の光ＬＲの焦点位置は、緑色の焦点位置に揃えられる。このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正することによって、色信号ごとのフォトセンサ３への集光位置のずれを無くすことができる。

図８は、参考例２に係る固体撮像装置を示す構成図である。フォトセンサ３の上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＞下側媒質の場合、本例では、媒質間の屈折率の関係は、窒化シリコン＞酸化シリコンである。
参考例２に係る固体撮像装置は、赤、緑及び青の各色画素に対応する窒化シリコン層１１と酸化シリコン層１０の境界面の形状を全て凹型形状（レンズ効果として見たとき凸形状レンズ２９，３０，３１）とし、その凹型形状(凸形状レンズ２９，３０，３１)の曲率を青色＜緑色＜赤色の順に大きくなるようにする。窒化シリコン層１１と酸化シリコン層１０の境界面の凹型形状の曲率が、大きいほどレンズとしての効果が大きくなり、焦点位置が上方にずれる。この場合、境界面の凹型形状は、図７で説明したようにレンズ効果として見たときに凸形状レンズに相当し、赤色画素に対応する凸形状レンズ２９、緑色画素に対応する凸形状レンズ３０、青色画素に対応する凸形状レンズ３１の順にその曲率が大きくなる。したがって、各色の光ＬＲ，ＬＧ及びＬＢの焦点位置のずれを無くすことができる。このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正することによって、色信号毎のフォトセンサ３への集光位置のずれを無くすことができる。

上例では、屈折率差のある媒質の境界面形状として、赤、緑及び青の各色画素に対応して、凹型形状と凸型形状と平坦形状の組み合わせ例、全て凹型形状のみの組み合わせ例、全て凸型形状のみの組み合わせ例について説明したが、その他、図示せざるも凹型形状と凸型形状の組み合わせ例、凹型形状と平坦形状の組み合わせ例、凸型形状と平坦形状の組み合わせ例についても構成することができ、同様の作用効果を奏する。

図９は、図４に示す第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施の形態を示す工程図である。
である。
まず、図９（ａ）に示すように、撮像領域において各受光部のフォトセンサ３、垂直転送レジスタ７、遮光膜９、酸化シリコン層１０、窒化シリコン層１１を形成した後、窒化シリコン上の緑色画素に対応した部分に表面が平坦な緑色フィルター成分１２Ｇを形成する。このとき、緑色フィルター成分１２Ｇの膜厚は、後に形成する青色フィルター成分１２Ｂよりも厚い膜厚に設定されている。ここで、各色フィルター成分は有機材料、例えば感光性樹脂に色素を含有した材料膜で形成することができる。緑色フィルター成分１２Ｇは、緑色素を有したフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ法を用いて所定パターンに露光、現像して形成する。露光後、紫外線照射しながら、加熱を行って硬化する。

次に図９（ｂ）に示すように、緑色フィルター成分１２Ｇを含む窒化シリコン層１１上の全面に、青色素を含有したフォトレジスト膜を塗布する。このとき、フォトレジスタ膜を緑色フィルター成分１２Ｇの膜厚より薄く塗布することによって、緑色フィルター成分１２Ｇ以外の部分で表面が凹面となるようにフォトレジスト膜が成膜される。

次に、図９（ｃ）に示すように、次いで、青色が画素に対応した部分の青色素含有のフォトレジスト膜が残るように、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることにより表面が凹形状の青色フィルター成分１２Ｂを形成する。この後、同様にして青色フィルター成分１２Ｂの硬化処理を行う。

次に、図９（ｄ）に示すように、赤色素を含有するフォトレジスト膜を全面に塗布し、同様にフォトリソグラフィ法を用いてパターニングして赤色画素に対応する部分に赤色フィルター成分１２Ｒを形成する。このとき、赤色フィルター成分１２Ｒのパターンは、隣接するフィルター成分１２Ｇ，１２Ｂのパターンと重ならないよう小さめのパターンとする。この硬化前の赤色フィルター成分１２Ｒは表面が凹形状を呈している。

次に、図９（ｅ）に示すように、赤色フィルター成分１２Ｒに対して、熱リフロー処理を行うことにより、表面凸型形状の赤色フィルター成分１２Ｒのパターンが形成される。

ここで、凸型の形状は、赤色フィルター１２Ｒのパターニング時のパターンサイズ及び熱リフローの温度、時間によって調整される。こうして、所望の構造を得ることができる。

この後、各色フィルター成分１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ上にマイクロレンズ１３を形成する。これにより、マイクロレンズ１３と各色フィルター成分１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂとの境界面を凸形形状、平坦形状、凹形形状とした目的の固体撮像装置を得る。

本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、画素ごとに色フィルターの上面の形状を変えて、さらに色フィルター上にマイクロレンズを形成するため、マイクロレンズと色フィルター間の境界面形状を図４に示すように変えることができ、マイクロレンズとカラーフィルター間の各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正し、色信号ごとのフォトセンサ３への集光位置のずれを無くすことができる固体撮像装置を製造することができる。

図１０は、図７に示した第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の他の実施の形態を示す工程図である。
まず、図１０（ａ）に示すように、各画素のフォトセンサ３、垂直転送レジスタ、遮光膜９、酸化シリコン層１０を形成した後、酸化シリコン層１０上の凸型形状を形成する青色画素に対応する部分に選択的にフォトレジストパターンをフォトリソグラフィの手法にて形成し、熱リフローにて表面凸型のレジストパターンを形成する。

続いて、図１０（ｂ）に示すように、レジストと酸化シリコンの選択比が１となる条件にて異方性エッチングを行い、レジストパターン４０を酸化シリコン層１０に転写する。これにより、表面を凸型形状１０Ｂとした酸化シリコン層１０が形成される。このとき、酸化シリコン層１０が薄くなるので、ここでエッチングされる膜厚分をあらかじめ必要な膜厚に追加して成膜しておく。凸型の形状は、レンズ形状を形成するためのレジスト膜厚、熱リフロー温度などにより調整される。

次いで、図１０（ｃ）に示すように、凹型形状を形成する赤色画素に対応する部分に窓４１が開くようフォトレジストパターン４２を形成する。

この後、図１０（ｄ）に示すように、レジストパターン４２をマスクとして、酸化シリコン層１０に等方エッチングにてエッチングを行い、赤色画素に対応する部分の酸化シリコン層１０に、凹型形状１０Ｒを形成する。凹型形状１０Ｒは、等方性エッチングに異方性を加えるなどして条件を変更することにより調整される。

次に図１０（ｅ）に示すように、マスクレジスト４２を剥離する。これにより、青色画素に対応する部分が表面凸型形状１０Ｂ、緑色画素に対応する部分が表面平坦形状、赤色画素に対応する部分が表面凹型形状の酸化シリコン層１０が形成される。

次に図１０（ｆ）に示すように、酸化シリコン層１０上に屈折率の異なる窒化シリコン層１１を形成する。これにより、酸化シリコン層１０と窒化シリコン層１１の間に、各色信号ごとのレンズを形成することができる。屈折率差の大きい青色の画素については、窒化シリコン層１１の酸化シリコン層１０の境界面との形状を凸型形状にし、３色の中で屈折率差の小さい赤色画素については、窒化シリコン層１１の酸化シリコン層１０の境界面との形状を凹型形状にして、それぞれにレンズ効果を持たせ、緑色画素については、窒化シリコン層１１の酸化シリコン層１０の境界面を平ら形状として、焦点位置のズレを無くした目的の固体撮像装置を得る。

本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、酸化シリコン層１０と窒化シリコン層１１の境界面上に各色信号ごとのレンズを形成するため、このようにして各媒質境界の屈折率の波長依存による色収差を画素毎に補正し、色信号ごとのフォトセンサ３への集光位置のずれを無くすことができる固体撮像装置を製造することができる。

本実施形態の固体撮像装置及びその製造方法では、ＲＧＢの３色カラーフィルターを用いて説明したが、４色以上の色フィルター、補色のフィルターを有する場合にも適用することができる。

本実施の形態に係る固体撮像装置としては、フレームトランスファ方式、あるいはインターライントランスファ方式、フレームインターライントランスファ方式のいずれにも適用することができる。

本実施の形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について、ＣＣＤ固体撮像装置を用いて説明したが、ＣＭＯＳ型固体撮像装置にも適用することができる。

本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態を示す断面構成図である。図１の各媒質の屈折率差を示す図である。従来の固体撮像装置の要部を示す構成図である。本発明に係る固体撮像装置の第１の実施の形態を示す構成図である。参考例１に係る固体撮像装置を示す構成図である。従来の固体撮像装置の要部を示す構成図である。本発明に係る第２の実施の形態を示す構成図である。参考例２に係る固体撮像装置を示す構成図である。ａ〜ｅ図４の本実施の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。ａ〜ｆ図７の本実施の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。従来の固体撮像装置を示す断面図である。図１１の各媒質の屈折率を示す図である。ａ従来の撮像領域の中央の要部を示す断面図である。ｂ従来の撮像領域の周辺の要部を示す断面図である。

１・・固体撮像装置、２・・シリコン基板、３・・フォトセンサ、４・・チャネル領域、５・・ゲート絶縁膜、６・・転送電極、７・・垂直転送レジスタ、８・・層間絶縁膜、９・・遮光膜、１０・・酸化シリコン層、１１・・窒化シリコン層、１２［１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ］・・カラーフィルター、１３・・マイクロレンズ、２１・・凹形状レンズ、２２、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、・・凸型状レンズ、４０、４２・・レジストパターン、４１・・窓、１０１・・固体撮像装置、１０２・・シリコン基板、１０３・・フォトセンサ、１０４・・チャネル領域、１０５・・ゲート絶縁膜、１０６・・転送電極、１０７・・垂直転送レジスタ、１０８・・層間絶縁膜、１０９・・遮光膜、１１０・・酸化シリコン層、１１１・・窒化シリコン層、１１２・・カラーフィルター、１１３・・マイクロレンズ

Claims

受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
フォトセンサ上方に形成される前記媒質の屈折率が上側媒質＜下側媒質の場合、
各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、
前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成する
ことを特徴とする固体撮像装置。
受光部となる各フォトセンサ上方にカラーフィルターを備える固体撮像素子であって、
フォトセンサ上方に形成される媒質の屈折率が上側媒質＞下側媒質の場合、
各画素の色に相当する波長範囲における屈折率差が大きい画素の媒質境界形状は凸形状に形成し、
前記屈折率差が小さい画素の媒質境界形状は凹形状に形成する
ことを特徴とする固体撮像装置。
各受光部のフォトセンサ上方の下側媒質層である複数の色フィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、
前記色フィルターのうち上面が平坦な第１の色フィルター成分を形成する工程と、
前記第１の色フィルター成分を含む全面に該第１の色フィルター成分以外の部分の上面が凹形状となるように、第２の色フィルター材料膜を形成する工程と、
前記第２の色フィルター材料膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして上面が凹形状の第２の色フィルター成分を形成する工程と、
第３の色フィルター材料膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングして第３の色フィルターを形成する工程と、
前記第３の色フィルター成分の上面を熱リフロー処理して凸形状に形成する工程と、
前記各色フィルター上に上側媒質層であるマイクロレンズを形成する工程を有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
各受光部のフォトセンサ上方に複数のフィルター成分からなる色フィルターを備える固体撮像装置の製造方法であって、
前記下側媒質層上の第１の画素となる部分に凸状部を形成する工程と、
前記下側媒質層の第２の画素となる部分に開口を有するレジスト層を形成する工程と、
前記開口を介して等方性エッチングし、下側媒質層に凹状部を形成する工程と、
前記レジスト層を除去した後、前記下側媒質層より屈折率が大きい上側媒質層を積層する工程と、
前記上側媒質層上に各色フィルター成分及びマイクロレンズを形成する工程を有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。