JP4645158B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の画素を形成した基板上にマイクロレンズを設け、入射光を各画素に効率的に導くようにした固体撮像装置及びその製造方法に関する。

従来、マイクロレンズを備えた固体撮像装置としては、光電変換を行うフォトダイオード（光電変換部）を含む複数の画素が２次元アレイ状に配置され、その上部にフォトダイオード以外の領域を遮光するための遮光層が配置され、この遮光層に光を入射させるため開口部が形成され、さらに、この遮光層の上部に各画素に対して光を集めるためのマイクロレンズが配置されたものが知られている（例えば図８参照）。

ところで、近年の固体撮像装置（例えば特許文献１参照）を用いたビデオカメラ等においては、カメラ機体側の対物レンズは、オート・フォーカスの高速化を追求した結果、インナーフォーカス方式が主流になってきており、射出瞳距離が著しく短くなってきている。
しかし、このように、射出瞳距離が縮むと、従来の固体撮像装置の構造では画素アレイ部周辺の受光部への入射率が低下して感度シェーディングとなる問題があった。これは、画素アレイ部周辺にある受光部上のオンチップレンズが、斜めからの入射光を直下の受光部に集光させきれず、入射光の一部が受光部から外れて遮光膜上に入射してしまう、いわゆるケラレが発生するためである。このように射出瞳距離が縮まれば、よりシェーディングが悪化する問題があった。

そこで、このような問題点の対応策として、オンチップレンズのシェーディング補正を行う方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
例えば、オンチップ、平板オンチップレンズアレイなどのオンチップレンズアレイに、有効画素中心を中心として微小スケーリング（例えば、０．９９９倍等）をかけることで、各画素の受光部とそれに対応するオンチップレンズとの水平方向のズレ量を中心から遠ざかるに従って、集光部を対応する受光部より中心方向に漸次大きくずらすようにしたものである。
このようなシェーディング補正を行ったことにより、画素アレイ部の周辺画素の受光部の中心とオンチップレンズの中心が光軸に合うようになり、射出瞳によるセンタリングエラーが補正される。

図８はこのような従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
図示のように、この固体撮像装置では、光電変換部１３を形成したシリコン基板１０上に遮光層（配線層）１２、及び層間絶縁膜１４を含む上層膜を介してマイクロレンズ１１が配置されている。
マイクロレンズ１１は平坦化された層間絶縁膜１４の上面に配置され、撮像レンズ１５から入射した光を各画素の光電変換部１３に導く。そして、上述したスケーリングによってマイクロレンズ１１の配置が光電変換部１３よりも画素アレイ部の中心方向に縮小しており、撮像レンズ１５から各光電変換部１３に向かう主光線光軸上に各マイクロレンズ１１が配置され、各画素の像高（画素アレイ部の中心から各画素までの距離）に対応する斜め入射光を各光電変換部１３に効率的に集光するようになっている。
さらに上述したスケーリングによって、遮光層１２の開口部の配置も、各主光線光軸上に配置されるように、画素アレイ部の中心方向にずらして配置されており、各マイクロレンズ１１に入射した光が遮光層１２で遮られることなく、各光電変換部１３に集光される。
特開平６−１４０６０９号公報 特開平１−２１３０７９号公報

しかしながら、上記従来技術のシェーディング補正では、マイクロレンズのパターンを水平方向にずらすだけであるので、撮像レンズからマイクロレンズまでの主光線光軸の長さが画素アレイ部の中心部と周辺部とで異なるため、集光効率も画素アレイ部の周辺部と中心部とで異なることになり、十分なシェーディング補正効果を得ることができないという問題がある。

そこで本発明は、画素アレイ部全体にわたってシェーディングを防止でき、全体で均一な集光効率を実現して感度や画質の向上を図ることができる固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、撮像レンズと、撮像レンズの下方に配置された層間絶縁膜と、層間絶縁膜上に配置され、撮像レンズまでの主光線光軸の長さがそれぞれ均一とされたマイクロレンズ群と、層間絶縁膜の下方に配置され、複数の光電変換部を含む画素アレイ部を形成した基板と、を含む。
また本発明の製造方法は、複数の光電変換部を含む画素アレイ部を形成した基板と、前記基板上に層間絶縁膜を介して配置されるマイクロレンズとを有する固体撮像装置の製造方法であって、層間絶縁膜の上面にマイクロレンズ形成面となる曲面を形成する曲面形成工程と、曲面に沿ってマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程とを有する。そして、曲面形成工程では、硬度が小さく、変形量の大きい研磨パッドを用いたＣＭＰ法によるディッシングを作用させることにより、層間絶縁膜の上面を凹状または凸状の曲面を形成する。

本発明の固体撮像装置によれば、撮像レンズからマイクロレンズまでの主光線光軸の長さが均一であることにより、さらに有効にシェーディングを防止できる。さらに、光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて徐々に変化していることにより、画素アレイ部全体に滑らかな光学特性を得ることができる。

また、光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて徐々に伸張していることにより、撮像レンズの瞳距離が「マイナス方向」の場合に適応でき、光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて徐々に短縮していることにより、撮像レンズの瞳距離が「プラス方向」の場合に適応できる。

また、本発明の製造方法によれば、上層膜の上面にマイクロレンズ形成面となる曲面を形成する場合に、ＣＭＰ法によるディッシングを作用させて上層膜の上面を凹状または凸状の曲面を形成することから、滑らかなマイクロレンズ形成面を容易に得ることが可能となる。なお、この曲面形成工程において、ＣＭＰ用の研磨パッドを硬度が小さく、変形量の大きいものを使用することにより、さらに良好な曲面を得ることが可能となる。
また、曲面形成工程において、上層膜に含まれる配線層の密度をマイクロレンズ形成面とその他の領域とで変えた状態で上層膜を形成することにより、上層膜の上面に段差を形成し、その後、ＣＭＰ法による平坦化を行うことによって曲面を形成することにより、工程を増やすことなく、マイクロレンズ形成面を得ることが可能となる。あるいは、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によって上層膜の上面に段差を形成し、その後、ＣＭＰ法による平坦化を行うことによって曲面を形成することにより、配線層の密度設計に拘束されることなく、適正にマイクロレンズ形成面を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態では、それぞれ光電変換部を含む画素を２次元配列して構成した画素アレイ部を基板に形成し、この基板上に配線や遮光層を含む上層膜を設け、その上に、各光電変換部に対応してマイクロレンズを設けた構成で、上層膜（層間絶縁膜）の上面の撮像エリアに対応する領域を凹形状または凸形状の球面に形成してマイクロレンズ形成面とし、ここにマイクロレンズを設けることにより、撮像レンズと各マイクロレンズとの距離を均一化し、全体で均一な集光効率を実現して、シェーディングを防止し、感度や画質を向上する。また、マイクロレンズ形成面は、ＣＭＰ法のディッシングを利用して形成する。

図１は本発明の実施例１による固体撮像装置を示す断面図であり、撮像レンズの瞳距離が「マイナス方向」の場合の構成例を示している。
この固体撮像装置では、光電変換部２３を形成したシリコン基板２０上に遮光層（配線層）２２、及び層間絶縁膜２４を含む上層膜を介してマイクロレンズ２１が配置されており、その上部に撮像レンズ２５が配置されている。なお、層間絶縁膜２４中に形成される遮光層（配線層）２２は各光電変換部２３の上部では、各光電変換部２３に対応した遮光層として形成され、その他の領域では光電変換部への電源供給線や、信号供給線、信号引き出し線等として形成されるものである。

そして、本実施例において、層間絶縁膜２４の上面（マイクロレンズ形成面２４Ａ）は、画素アレイ部（撮像エリア）の周辺部から中央部にかけて凹んだ球面状に形成されており、この上面に沿ってマイクロレンズ２１が配置されている。したがって、各画素のマイクロレンズ２１と光電変換部２３との距離（基板の垂直方向の距離）は、画素アレイ部の周辺部から中央部にかけて徐々に拡大される状態で配置され、一方、各画素のマイクロレンズ２１と撮像レンズ２５との距離（主光線光軸の長さ）は均一となっている。
すなわち、画素アレイ部の中心付近のマイクロレンズ２１に入射する光の主光線光軸Ｄの長さと、画素アレイ部の周辺付近のマイクロレンズ２１に入射する光の主光線光軸Ｃの長さとがほぼ同じ長さとなり、画素アレイ部の中心付近のマイクロレンズ２１からみた撮像レンズの立体角Ｆと画素アレイ部の周辺付近のマイクロレンズ２１からみた撮像レンズの立体角Ｃがほぼ同じとなり、画素アレイ部の周辺付近の感度が低くなるという問題を回避できる。

次に、本実施例におけるマイクロレンズ形成面２４Ａの形成方法について説明する。
図２〜図４は図１に示すマイクロレンズ形成面２４Ａの形成工程の２つの例を示す断面図である。なお、図２〜図４は光電変換部２３等を形成した基板上に遮光層（配線層）２２や層間絶縁膜２４が配置された状態を示している。
まず、図２は第１の例を示している。この例では、遮光層（配線層）２２の配線密度を、撮像エリア内（すなわち、遮光層２２Ａとして形成される領域）では小さく、撮像エリアの外周から外側（すなわち、配線層２２Ｂとして形成される領域）では大きくなるように設定している。
これにより、遮光層（配線層）２２の上に形成される層間絶縁膜２４は遮光層（配線層）２２からの高さが、撮像エリアの上部では低く（薄く）、撮像エリアの外周部では高く（厚く）形成され、撮像エリアの外周に沿って段差が生じる。
そこで、この段差を有する層間絶縁膜２４の上面をＣＭＰ等により平坦化（平滑化）することにより、図３に示すように、凹形状に曲面に形成されたマイクロレンズ形成面２４Ａを得ることができ、このマイクロレンズ形成面に対して従来の工法によってマイクロレンズを形成する。なお、この場合のＣＭＰ工程において、研磨パッドには硬度が小さく、変形量の大きいものを使用することにより、良好なマイクロレンズ形成面２４Ａを得ることができる。

また、図４は第２の例を示している。この例は、図２の例のように、配線層の密度を自由に設定できない場合の、凹形状に曲面形成されたマイクロレンズ形成面を得る方法である。
すなわち、図４に示すように、層間絶縁膜２４を形成した後、その上面にフォトレジスト２８を積層し、フォトリソグラフィ法を用いて、撮像エリアの上部または撮像エリアの中心部にのみ開口を形成する。そして、ドライエッチング法により、フォトレジスト２８をマスクとしたエッチングを行い、層間絶縁膜２４を凹形状に加工して撮像エリア内に段差を設ける。
そして、この凹形状面をＣＭＰにより平坦化（平滑化）することにより、図３に示したのと同様の凹形状に曲面形成されたマイクロレンズ形成面２４Ａを得ることができる。なお、この場合のＣＭＰ工程においても研磨パッドには硬度が小さく、変形量の大きいものを使用するものとする。
なお、フォトレジストをマスクとするエッチングは、ドライエッチングに限定されず、ウェットエッチングにより、凹形状を形成しても良い。

図５は本発明の実施例２による固体撮像装置を示す断面図であり、撮像レンズの瞳距離が「プラス方向」の場合の構成例を示している。
この固体撮像装置では、光電変換部３３を形成したシリコン基板３０上に遮光層（配線層）３２、及び層間絶縁膜３４を含む上層膜を介してマイクロレンズ３１が配置されている。また、この場合の撮像レンズを仮想撮像レンズ３６として示している。
上述した実施例１の固体撮像装置では、マイクロレンズを層間絶縁膜の凹んだ上面に沿って形成したが、本実施例２では、逆に層間絶縁膜３４の上面（マイクロレンズ形成面３４Ａ）を画素アレイ部（撮像エリア）の周辺部から中央部にかけて突出した球面状に形成し、ここにマイクロレンズ３１を設けたものである。
このような構成により、画素アレイ部の中心付近のマイクロレンズ３１に入射する光の主光線光軸Ｆの長さと、画素アレイ部の周辺付近のマイクロレンズ３１に入射する光の主光線光軸Ｅの長さがほぼ同じ長さとなり、画素アレイ部の中心付近のマイクロレンズからみた撮像レンズの立体角Ｆと撮像エリア周辺付近のマイクロレンズからみた撮像レンズの立体角Ｅがほぼ同じとなり、撮像エリア周辺付近の感度が低くなる問題を回避できる。

図６及び図７は図５に示すマイクロレンズ形成面３４Ａの形成工程の例を示す断面図である。なお、図６及び図７は光電変換部３３等を形成した基板上に遮光層（配線層）３２や層間絶縁膜３４が配置された状態を示している。
まず、図６において、層間絶縁膜３４を形成した後、フォトリソグラフィ法を用いて、撮像エリア上部または撮像エリア中心部のみ、フォトレジスト３８を形成する。次に、ドライエッチング法によりフォトレジスト３８をマスクとしたエッチングを行い、層間絶縁膜３４を凸形状に加工し、撮像エリアの外周に沿って段差を設ける。
次に、この凸形状面をＣＭＰ等により平坦化（平滑化）することにより、図７に示すような凸形状に曲面形成されたマイクロレンズ形成面３４Ａを得ることができる。
なお、この場合のＣＭＰ工程においても研磨パッドには硬度が小さく、変形量の大きいものを使用するものとする。また、フォトレジストをマスクとするエッチングは、ドライエッチングに限定されず、ウェットエッチングにより、凸形状を形成しても良い。

以上のように本発明の実施例１、２によれば、画素の微細化、多画素化に伴うマイクロレンズの集光の不均一性による光シェーディングを大幅に低減することが可能となり、この固体撮像装置を用いたビデオカメラ、スチルビデオカメラ、あるいは携帯電話搭載のデジタルスチルカメラなどの撮像システムにおいて、再生画像の画質向上が実現できる。
また、本発明を複眼式固体撮像装置に適応することにより、装置の小型化、特に薄型化が実現されるため、例えば、厚さ３ｍｍ 程度の薄型カードサイズカメラや薄型携帯電話へ本固体撮像装置の搭載が実現できる。

なお、本発明は上記実施例１、２に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、曲面である層間絶縁膜上に形成される各マイクロレンズのレンズ面曲率は、均一である必要はない。
また、各光電変換部がフラットな面に形成される場合、その上部に曲面上に配置される各マイクロレンズは、それぞれ対応するマイクロレンズと光電変換部との距離が異なるように配置される。これに対し、各マイクロレンズの焦点が、各対応する光電変換部に設定されるようにするためには、各マイクロレンズの曲率は各画素で異なることが望ましい。
また、上記実施例では、各光電変換部が平坦面に形成された例を説明したが、これに限定されるものではなく、曲面に形成されるものであってもよい。
また、マイクロレンズの曲率（焦点距離）を、各マイクロレンズにて均一になるように設定する場合は、各光電変換部を曲面上に配置されるように形成すればよい。つまり、曲面上に配置される各マイクロレンズと、各対応する光電変換部との距離が均一になるように各光電変換部を曲面上に配置すれば良い。
また、本発明を適用する固体撮像装置としては、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等、種々の形態のものに広く適用できるものである。

本発明の実施例１による固体撮像装置を示す断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す固体撮像装置の製造工程の一部を示す断面図である。 本発明の実施例２による固体撮像装置を示す断面図である。 図５に示す固体撮像装置の製造工程の一部を示す断面図である。 図５に示す固体撮像装置の製造工程の一部を示す断面図である。 従来例による固体撮像装置を示す断面図である。

符号の説明

２０……シリコン基板、２１……マイクロレンズ、２２……遮光層（配線層）、２３……光電変換部、２４……層間絶縁膜、２５……撮像レンズ。

Claims (11)

1. 撮像レンズと、
   前記撮像レンズの下方に配置された層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜上に配置され、前記撮像レンズまでの主光線光軸の長さがそれぞれ均一とされたマイクロレンズ群と、
   前記層間絶縁膜の下方に配置され、複数の光電変換部を含む画素アレイ部を形成した基板と、
   を含む
   固体撮像装置。
2. 前記マイクロレンズ群が前記層間絶縁膜上に形成した曲面に沿って形成されている請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記層間絶縁膜内には、その開口部が、各マイクロレンズを透る主光線光軸上にそれぞれ配置される遮蔽層が配設される請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて徐々に変化している請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて徐々に伸張している請求項３記載の固体撮像装置。
6. 前記光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて徐々に短縮している請求項３記載の固体撮像装置。
7. 前記光電変換部とマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心部から周辺部にかけて基板面に対して垂直方向に変化している請求項３記載の固体撮像装置。
8. 複数の光電変換部を含む画素アレイ部を形成した基板と、前記基板上に層間絶縁膜を介して配置されるマイクロレンズとを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記層間絶縁膜の上面にマイクロレンズ形成面となる曲面を形成する曲面形成工程と、
   前記曲面に沿ってマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程と、を有し、
   前記曲面形成工程はＣＭＰ法によるディッシングを作用させることにより、前記層間絶縁膜の上面を凹状または凸状の曲面を形成する、
   固体撮像装置の製造方法。
9. 前記曲面形成工程において、ＣＭＰ用の研磨パッドを硬度が小さく、変形量の大きいものを使用することを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記曲面形成工程において、前記層間絶縁膜に含まれる配線層の密度をマイクロレンズ形成面とその他の領域とで変えた状態で前記層間絶縁膜を形成することにより、前記層間絶縁膜の上面に段差を形成し、その後、ＣＭＰ法による平坦化を行うことによって曲面を形成する請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記曲面形成工程において、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によって前記層間絶縁膜の上面に段差を形成し、その後、ＣＭＰ法による平坦化を行うことによって曲面を形成する請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。

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