JP5356263B2

JP5356263B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP5356263B2
Application number: JP2010005255A
Authority: JP
Inventors: 久晃岡井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011146481A

Description

本発明は、マイクロレンズアレイと反射防止膜とを設けた固体撮像装置に関するものである。

近年の固体撮像装置では、開口率向上のためにフォトダイオード上にマイクロレンズアレイを設けることが通常行われている。

上記マイクロレンズアレイは、製造工程においてフォトリソグラフィ技術を用いることから、レンズ材料にＰＭＭＡなどの透明な感光性樹脂が用いられており、その樹脂の屈折率は約１．６である。一方、マイクロレンズアレイと接する空気の屈折率は１．０であることから、マイクロレンズアレイと空気との界面における反射率は約５％になる。

そして、この反射が原因で、固体撮像装置においてはコントラストの強い被写体では暗部の詳細が撮像できず、また光強度が強い場合にはゴースト、フレアなどの現象が発生するといった問題が生じる。ゴーストやフレアなどを防止するには、この反射を低減する必要があり、マイクロレンズアレイの感光性樹脂よりも屈折率の小さい反射防止膜をマイクロレンズアレイ上に形成し、マイクロレンズアレイからの反射を低減している。

上記反射防止膜は、マイクロレンズアレイの感光性樹脂における耐熱性が無いことから、２００度程度の低温で形成される。その結果、反射防止膜は、ポーラス（多孔質）な膜質となり、応力に弱いという性質をもっている。そのため、上記反射防止膜は、プリント基板などへの実装時での熱処理により、固体撮像装置全体へ掛かる応力に起因してクラックが発生する。フォトダイオード上のマイクロレンズアレイ内で反射防止膜にクラックが発生すると、撮像した画像にクラックが線として写しだされるという不具合を引き起こす。

特許文献１には、反射防止膜のクラック発生を防止する方法として、マイクロレンズの境界に凹構造を持たせることが開示されている。この方法では、凹部の反射防止膜をポーラスな膜とし、下地樹脂やカラーフィルタからの吸湿水分をこのポーラスな反射防止膜を介して外部に放出させて、反射防止膜のクラックを防止する。

特開２００２−２８０５３４号公報（２００２年９月２７日公開）特開２００７−１７３５３５号公報（２００７年７月５日公開）

しかしながら、特許文献１の方法は、下地マイクロレンズ樹脂の吸湿放出に対するクラック防止策であり、熱処理による応力に対するクラックに対しては防止できず、マイクロレンズ形成領域以外でのクラックに対しては防止策とならない。

実装時の熱処理に起因した応力による反射防止膜のクラック発生頻度に関しては、特にマイクロレンズ形成領域以外の平坦な領域の反射防止膜は下地樹脂層の応力を受けてクラックが発生しやすい。一方、マイクロレンズ形成領域上の反射防止膜は、球面になっているマイクロレンズが固体撮像装置全体に掛かる応力や下地樹脂層の応力に対する緩衝材となり、クラックが発生しにくい。

上記応力によるクラックは、応力が掛かる度に曲がることなく真っ直ぐに伸びていく特長がある。このため、マイクロレンズ形成領域以外（すなわち、有効画素領域外であり、マイクロレンズが形成されていない平坦な領域）で発生したクラックは、応力が掛かる度に伸びていき、ついにはマイクロレンズ形成領域に進入し、有効画素領域内にもクラックを発生させてしまう。特許文献１の技術は、このようにして生じるマイクロレンズアレイ内のクラックを防止することはできない。

また、特許文献２には、図１０に示すように、固体撮像装置の有効画素領域上にマイクロレンズ形成領域１０１を形成し、その周辺にダミーマイクロレンズ形成領域１０２を設けたマイクロレンズアレイが開示されている。特許文献２のマイクロレンズアレイ１００は、ダミーマイクロレンズ形成領域１０２にダミーマイクロレンズの部分的欠損（図示せず）を設けて画素位置特定の指標とするものであるため、クラック防止の目的については記載されていない。但し、上述したように、マイクロレンズ上では反射防止膜にクラックが発生しにくいため、ダミーマイクロレンズ形成領域上においてもクラックは発生しにくいと考えられる。

しかしながら、特許文献２では、ダミーマイクロレンズの境界線がフォトダイオード上のマイクロレンズの境界線と一直線になる配置となっている。このため、マイクロレンズ形成領域１０１およびダミーマイクロレンズ形成領域１０２以外の平坦領域でクラックが発生すると、発生したクラックがこの境界線上に沿ってマイクロレンズ形成領域１０１内（すなわち、有効画素領域内）へと進入する。このため、特許文献２の構成においても、ダミーマイクロレンズアレイ１０２の領域を越えて進入する反射防止膜のクラックを防止することはできない。

本願発明の目的は、マイクロレンズアレイと反射防止膜とを備えた固体撮像装置において、反射防止膜におけるクラックがマイクロレンズ形成領域に進入することを効果的に防止し、実装時の熱処理に対して高信頼性をもった固体撮像装置提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、半導体基板上にフォトダイオードをマトリクス状に配置してなる撮像素子と、撮像光を上記フォトダイオード上に集光させるマイクロレンズアレイと、上記マイクロレンズアレイの表面反射を低減させる反射防止膜とを備えた固体撮像装置において、上記マイクロレンズアレイは、撮像素子の有効画素領域に対応するマイクロレンズ形成領域と、上記マイクロレンズ形成領域の周囲に配置されるダミーマイクロレンズ形成領域とを含み、上記ダミーマイクロレンズ形成領域では、上記有効画素領域の少なくとも１辺に沿った領域で、上記マイクロレンズ形成領域および上記ダミーマイクロレンズ形成領域以外で、上記反射防止膜で発生したクラックが上記有効画素領域へ進入することを防止し得る配置パターンとされており、上記ダミーマイクロレンズ形成領域における上記配置パターンは、上記マイクロレンズ形成領域における最外周のマイクロレンズ列のさらに外側に、少なくとも２列のダミーマイクロレンズ列が形成されており、隣接するダミーマイクロレンズ列同士では、ダミーマイクロレンズ間の境界線が一直線とならないようにダミーマイクロレンズの配置がずらされたパターンであることを特徴としている。

上記の構成によれば、反射防止膜におけるクラックが、マイクロレンズが形成されていないマイクロレンズアレイ周辺の平坦領域で発生した場合、そのクラックの成長はダミーマイクロレンズ形成領域で阻害され、マイクロレンズ形成領域（すなわち、撮像素子の有効画素領域）までは進入しない。これにより、撮像した画像にクラックが線として写しだされるという不具合を防止できる。
また、マイクロレンズアレイ周辺の平坦領域で発生したクラックは、ダミーマイクロレンズ列におけるダミーマイクロレンズ間の境界線に沿って直線的に成長する。しかしながら、上記の構成では、ダミーマイクロレンズ間の境界線が一直線とならないようにダミーマイクロレンズの配置がずらされた少なくとも２列のダミーマイクロレンズ列が形成されている。このため、外周側のダミーマイクロレンズ間の境界線に沿って進入したクラックは、内周側のダミーマイクロレンズに当たって、それ以上の成長は阻止される。

本発明は、半導体基板上にフォトダイオードをマトリクス状に配置してなる撮像素子と、撮像光を上記フォトダイオード上に集光させるマイクロレンズアレイと、上記マイクロレンズアレイの表面反射を低減させる反射防止膜とを備えた固体撮像装置において、上記マイクロレンズアレイは、撮像素子の有効画素領域に対応するマイクロレンズ形成領域と、上記マイクロレンズ形成領域の周囲に配置されるダミーマイクロレンズ形成領域とを含み、上記ダミーマイクロレンズ形成領域では、上記有効画素領域の少なくとも１辺に沿った領域で、上記マイクロレンズ形成領域および上記ダミーマイクロレンズ形成領域以外で、上記反射防止膜で発生したクラックが上記有効画素領域へ進入することを防止し得る配置パターンとされており、上記ダミーマイクロレンズ形成領域における上記配置パターンは、上記マイクロレンズ形成領域における最外周のマイクロレンズ列のさらに外側に、少なくとも２列のダミーマイクロレンズ列が形成されており、隣接するダミーマイクロレンズ列同士では、ダミーマイクロレンズ間の境界線が一直線とならないようにダミーマイクロレンズの配置がずらされたパターンである。

それゆえ、反射防止膜におけるクラックの成長がダミーマイクロレンズ形成領域で阻害され、マイクロレンズ形成領域（すなわち、撮像素子の有効画素領域）までは進入することを防止できるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態を示すものであり、実施の形態１におけるマイクロレンズアレイの構成を示す平面図である。固体撮像装置の構成を示す断面図である。固体撮像装置におけるフォトダイオードとマイクロレンズアレイとの配置関係を示す断面図である。マイクロレンズとダミーマイクロレンズとの配置関係の参照例を示すものであり、１列のダミーマイクロレンズを有する場合の平面図である。（ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係るマイクロレンズとダミーマイクロレンズとの配置関係の例を示す平面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係るマイクロレンズとダミーマイクロレンズとの配置関係の例を示すものであり、４辺にダミーマイクロレンズ形成領域を設けた場合の平面図である。マイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズ形成領域およびダミーマイクロレンズ形成領域がマイクロレンズアレイの４辺のどれかに偏って配置された場合の例を示す平面図である。本発明の一実施形態を示すものであり、実施の形態２におけるマイクロレンズアレイの構成を示す平面図である。本発明の一実施形態を示すものであり、実施の形態２におけるマイクロレンズアレイの他の構成を示す平面図である。従来のマイクロレンズアレイの構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔固体撮像装置の構成〕
先ずは、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を図２を参照して説明する。図２に示す固体撮像装置では、半導体基板１１上に複数の光電変換素子がマトリクス状に形成されて撮像素子を構成している。各光電変換素子は、受光フォトダイオード１２および第１ないし第３転送部１３〜１５を備えている。上記光電変換素子によって得られる画像データは、金属配線１６を介して外部に読み出される。上記光電変換素子における撮像面側は、平坦化膜１７によって平坦化されており、その上にカラーフィルタ２１、マイクロレンズアレイ２２、反射防止膜２３が形成されている。

カラーフィルタ２１は、固体撮像装置によって得られる撮像をカラー画像にするためのものである。マイクロレンズアレイ２２は、撮像光を受光フォトダイオード１２上に集光させ、固体撮像装置における開口率を実質的に向上させるための手段である。反射防止膜２３は、マイクロレンズアレイ２２の表面反射を低減させ、ゴーストやフレア等の発生を防止するものである。

本発明の固体撮像装置は、反射防止膜２３におけるクラックがマイクロレンズ形成領域上に進入することを防止できるように、マイクロレンズアレイ構成を工夫したことを特徴とする。マイクロレンズアレイ構成の具体例を、以下の実施の形態１，２において説明する。

〔実施の形態１〕
マイクロレンズアレイ２２は、図１および図３に示すように、光電変換素子のフォトダイオードに対して１対１に対応して形成された（すなわち、撮像素子の有効画素領域に対応した）マイクロレンズが配置されるマイクロレンズ形成領域２５と、その周囲に形成されたダミーマイクロレンズ形成領域２６（クラック侵入防止領域）とを有している。さらに、ダミーマイクロレンズ形成領域２６の周囲にはマイクロレンズが形成されない平坦領域がある。

本実施の形態にかかる固体撮像装置において、ダミーマイクロレンズ形成領域２６を設けることには以下の２つの目的がある。
A) マイクロレンズ形成領域２５におけるマイクロレンズの形状を安定化させる。すなわち、マイクロレンズアレイ２２の加工工程では、周辺部に形成されるマイクロレンズの形状が安定せず精度が低くなるため、周辺部にダミーマイクロレンズを形成し、有効画素領域内のマイクロレンズの精度を高める。
B) 反射防止膜２３にて発生したクラックがマイクロレンズ形成領域２５に進入することを防止する。すなわち、マイクロレンズ上の反射防止膜２３は、感光性樹脂からなる球面のレンズにより応力が緩和されクラックが発生しにくい。この現象を利用し、平坦領域で発生するクラックがダミーマイクロレンズ形成領域２６にて食い止められるようにする。

本発明は上記B)の目的を達成するためのダミーマイクロレンズの配置パターンに特徴を有するものである。これについて、以下に詳細に説明する。

クラック進入防止用のダミーマイクロレンズの配置パターンの具体例としては、図１に示す例が挙げられる。この配置パターンでは、第１列目のダミーマイクロレンズにおいて、当該列のダミーマイクロレンズの境界線が、有効画素領域内のマイクロレンズの境界線、および第２列目のダミーマイクロレンズの境界線と一直線にならないように配置がずらされている。最も好適には、ダミーマイクロレンズはマイクロレンズと同サイズ、かつ同ピッチの列として配列され、第１列目のダミーマイクロレンズの列は、有効画素領域内のマイクロレンズの列、および第２列目のダミーマイクロレンズの列と半ピッチずらして配置されている。尚、本説明では、最外周のマイクロレンズ列に対して、近い側のダミーマイクロレンズから第１列目、第２列目、…としている。

ダミーマイクロレンズを上記配置パターンとすることにより、ダミーマイクロレンズ形成領域２６よりも外周の平坦領域でクラックが発生したとしても、該クラックがマイクロレンズ形成領域２５に進入することが防止される。すなわち、発生したクラックが、第２列目のダミーマイクロレンズの境界線に沿って進入したとしても、進入したクラック第１列目のダミーマイクロレンズに当たるため、それ以上は境界線に沿って進入することができない。すなわち、第１列目のダミーマイクロレンズを、クラック進入を食い止めるための壁として作用させることができる。

上記説明より明らかなように、本実施の形態に係るダミーマイクロレンズの配置パターンにおいては、ダミーマイクロレンズを少なくとも２列以上配置し、隣接するダミーマイクロレンズ列同士で、ダミーマイクロレンズの配置をずらすことが重要である。これにより、配置をずらされた２列のダミーマイクロレンズ列のうち、内側のダミーマイクロレンズ列を、クラック進入を食い止めるための壁として作用させることができる。

例えば、図４に示すように、ダミーマイクロレンズが１列しか形成されず、このダミーマイクロレンズ列と有効画素領域内のマイクロレンズ列とがずらして配置されている場合を考える。この場合では、ダミーマイクロレンズの境界線に沿って発生したクラックは、最外周のマイクロレンズ列を壁として進入を防止される。しかしながら、最外周のマイクロレンズ列の途中まではクラックが進入するため、クラック進入を完全に防止することはできない。

また、ダミーマイクロレンズが２列形成される場合、第１列目のダミーマイクロレンズ列と第２列目のダミーマイクロレンズ列とがずらされていれば、第１列目のダミーマイクロレンズ列によってクラック進入を防止できる。このため、図５（ａ）に示すように、第１列目のダミーマイクロレンズ列と有効画素領域内のマイクロレンズ列とがずらされていない構成であっても本発明に含まれる。しかしながら、図１に示すように、第１列目のダミーマイクロレンズ列と有効画素領域内のマイクロレンズ列とがずらされていれば、最外周のマイクロレンズ列もクラック進入を防止する壁として作用するため、２重の防止手段となり、より好適である。

さらに、図５（ｂ）に示すように、ダミーマイクロレンズが３列以上形成される場合には、クラック進入を防止する壁を多段に設けるため、最外周のマイクロレンズ列から全てのダミーマイクロレンズ列にかけて、隣接する全てマイクロレンズ列同士でマイクロレンズの配置をずらすことが最も好適である。

尚、上記説明は、マイクロレンズアレイのある１辺に着目した説明であるが、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、マイクロレンズアレイの４辺全てにおいて、隣接するダミーマイクロレンズ列同士の配置をずらし、クラック進入を防止する構成とすることが好ましい。また、このように、マイクロレンズアレイの４辺全てにおいて、隣接するダミーマイクロレンズ列同士の配置をずらす構成をとる場合、有効画素領域の辺（すなわち、最外周のマイクロレンズ列と第１列目のダミーマイクロレンズ列との境界）に沿って発生するクラックについても考慮する必要がある。図６（ａ）〜（ｃ）に示す構成例は何れも、有効画素領域の辺に沿って発生するクラックをも防止できる構成となっている。

また、固体撮像装置においては、有効画素領域は撮像素子（Ｓｉチップ）の中央に配置されているとは限らず、Ｓｉチップの４辺のどれかに偏って配置されている場合もある。この場合、マイクロレンズアレイ２２においても、図７に示すように、マイクロレンズ形成領域２５およびダミーマイクロレンズ形成領域２６は、マイクロレンズアレイ２２の４辺のどれかに偏って配置される。

その場合、クラックが発生する頻度は、有効画素領域がＳｉチップの辺に近い領域では発生頻度が小さく、辺に遠い領域では発生頻度が高くなる（面積あたりに発生する確率は同じなので、面積が小さい場合、頻度は小さくなる）。このように発生頻度が低くなるような場合、つまり有効画素領域がＳｉチップの辺に近い領域では、その辺に形成されるダミーマイクロレンズ列においてクラック進入防止用の構造をとらないことも考えられる。あるいは、有効画素領域がＳｉチップの辺に近い領域では、ダミーマイクロレンズを配置しないことも考えられる。したがって、本発明では、マイクロレンズアレイの少なくとも１辺において、隣接するダミーマイクロレンズ列同士の配置をずらす構成をとるものであればよい。

〔実施の形態２〕
上記実施の形態１では、マイクロレンズ形成領域２５の周囲にダミーマイクロレンズ形成領域２６を形成し、ダミーマイクロレンズの配置によって、クラックの進入を防止するものとなっている。

これは、ダミーマイクロレンズ自体は、マイクロレンズの作成精度を高めるために従来から形成されているものであり（例えば、特許文献２）、このダミーマイクロレンズのパターンを工夫してクラック進入防止の機能を得る、といったところから実施の形態１の構成が発想されたためである。

しかしながら、本発明は、マイクロレンズアレイの周辺にクラック進入を阻害するための手段を設ける点に特徴を有するものであり、その手段はダミーマイクロレンズに限定されるものではない。

例えば、図８に示すように、マイクロレンズ形成領域２５の周囲を囲むように畝部２７（クラック侵入防止領域）を作成するといった構成も本発明に含まれる。この構成では、畝部２７はその長手方向において切れ目無く形成されており、ダミーマイクロレンズのようなレンズ境界線がないため、より確実にクラック進入を阻止できる。

畝部２７における長手軸に垂直な断面の形状は、マイクロレンズと同様に円弧形状の表面とすることが好ましい。これにより、畝部２７が応力に対する緩衝材となり、畝部２７上での反射防止膜のクラック発生を防止できる。但し、本発明において、畝部２７における平面パターン形状や断面形状は図示の例に限定されるものではなく、クラック進入を防止でき、かつ応力に対する緩衝材となる形状であればよい。また、上記畝部２７は、マイクロレンズアレイの少なくとも１辺において形成されるものであっても良い。

また、図８では、マイクロレンズ形成領域２５のすぐ外側に畝部２７を形成しているが、図９に示すようにマイクロレンズ形成領域２５と畝部２７との間にダミーマイクロレンズ形成領域２６を形成してもよい。この構成では、ダミーマイクロレンズを形成することによるマイクロレンズの作成精度の向上効果も得ることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１１半導体基板
１２フォトダイオード
２２マイクロレンズアレイ
２３反射防止膜
２５マイクロレンズ形成領域
２６ダミーマイクロレンズ形成領域

Claims

半導体基板上にフォトダイオードをマトリクス状に配置してなる撮像素子と、撮像光を上記フォトダイオード上に集光させるマイクロレンズアレイと、上記マイクロレンズアレイの表面反射を低減させる反射防止膜とを備えた固体撮像装置において、
上記マイクロレンズアレイは、撮像素子の有効画素領域に対応するマイクロレンズ形成領域と、上記マイクロレンズ形成領域の周囲に形成されるクラック侵入防止領域とを含み、
上記クラック侵入防止領域として、上記マイクロレンズ形成領域の周囲に配置されるダミーマイクロレンズ形成領域を有し、
上記ダミーマイクロレンズ形成領域では、上記有効画素領域の少なくとも１辺に沿った領域で、上記マイクロレンズ形成領域および上記ダミーマイクロレンズ形成領域以外で、上記反射防止膜で発生したクラックが上記有効画素領域へ進入することを防止し得る配置パターンとされており、
上記ダミーマイクロレンズ形成領域における上記配置パターンは、
上記マイクロレンズ形成領域における最外周のマイクロレンズ列のさらに外側に、少なくとも２列のダミーマイクロレンズ列が形成されており、
隣接するダミーマイクロレンズ列同士では、ダミーマイクロレンズ間の境界線が一直線とならないようにダミーマイクロレンズの配置がずらされたパターンであることを特徴とする固体撮像装置。