JPH0745805A - オンチップマイクロレンズを備えた固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 画素が微細化されてもマイクロレンズの設計
の自由度が大きく、充分なマイクロレンズ効果の発揮が
可能なマイクロレンズ付の固体撮像装置を提供する。 【構成】 ＣＭＤのチャネル領域３，ゲート酸化膜４及
びゲート電極５からなるＭＯＳホトダイオード部に対し
て絶縁層６をエッチングして光導波路用穴10を形成した
のち、絶縁薄膜11と金属薄膜12を順次形成する。ＲＩＥ
法で金属薄膜12の除去を行い、穴10の側壁にのみ金属薄
膜12を残し、該穴10内にSiＯ₂ 等の透明材料を埋め込ん
で光導波路10ａを形成すると共に、焦点が光導波路10ａ
の入射面付近に存在するように平坦化層13及びマイクロ
レンズ14を形成し、マイクロレンズ付固体撮像装置を構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、感度を向上させるた
めにマイクロレンズを設けた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像装置においては、感度を
向上させるために、受光部フォトダイオード上にオンチ
ップ、あるいは貼り合わせ技術を用いてマイクロレンズ
を形成し、開口率の向上を計っている。かかる技術に関
しては、例えば特開昭６０−３８９８９号公報におい
て、インターライン転送ＣＣＤ撮像装置に適用したもの
が示されている。

【０００３】次に上記公報に開示されている技術内容に
ついて説明する。まず図８は、インターライン転送ＣＣ
Ｄ撮像装置の平面概念図で、101 は例えばフォトダイオ
ードからなる光電変換素子、102 は光電変換素子101 で
光電変換した信号を読み出す垂直ＣＣＤレジスタで、図
示していないがフォトダイオードと垂直ＣＣＤレジスタ
102 の間には信号電荷の転送を制御するトランスファゲ
ート領域が配置されている。103 は並列に転送されてき
た垂直ＣＣＤレジスタ102 の信号を、１ライン毎に出力
部104 へ読み出す水平ＣＣＤレジスタである。図９は図
８の拡大図で、101 は光電変換素子、102 は垂直ＣＣＤ
レジスタ、105 はトランスファゲート領域、106 ，107
は垂直ＣＣＤレジスタ102 の転送電極で、通常多結晶シ
リコンが使用されている。転送電極106 ，107 は１つの
光電変換素子101 に対応して１／２段のＣＣＤを形成し
ており、図示していないが各転送電極とも垂直ＣＣＤレ
ジスタ102 の部分では２つの異なる電位をもつように、
２層ゲート構造、あるいは基板半導体の不純物制御を行
っている。また、転送電極106 ，107 は光電変換素子10
1 の垂直分離部108 を通して隣接する垂直ＣＣＤレジス
タへ接続されている。また、トランスファゲート領域10
5 及び垂直ＣＣＤレジスタ102 は、例えばAlのような光
を通さない層109 で遮光されている。このように構成さ
れているＣＣＤ撮像装置においては、光電変換素子101
の実際の開口率は20〜40％に制限されている。

【０００４】次に上記公報に開示されているかかるＣＣ
Ｄ撮像装置における開口率を向上させるため設けたマイ
クロレンズの形成方法について説明する。図10は図９の
Ａ−Ａ′線に沿った断面を模式的に示している。インタ
ーライン転送ＣＣＤ撮像装置は半導体基板100 の主面
に、例えば基板不純物と反対の導電型をもつフォトダイ
オードなどの光電変換素子101 、閾値電圧を不純物によ
って制御されたトランスファゲート領域105 ，埋め込み
チャネルからなる垂直ＣＣＤレジスタ102 が形成されて
いる。そして基板の表面には絶縁膜110 を介して転送電
極106 が配置されている。更にリンガラス層111 を介し
て、垂直ＣＣＤレジスタ102 及びトランスファゲート領
域105 を遮光するようにアルミニウムからなる遮光層10
9 が配置されている。

【０００５】このような構成のインターライン転送ＣＣ
Ｄ撮像装置に開口率向上用のレンズを形成するには、ま
ず図11に示すように、ＣＣＤ撮像装置の主面に、透明で
感光性のある第１の樹脂層112 を形成する。該感光性樹
脂層112 はＣＣＤ撮像装置の主面の凹凸をなくすと共
に、後で形成するレンズの焦点が光電変換素子上に結ぶ
ように、レンズの焦点距離を調整する役目を兼ねてい
る。透明感光性樹脂層112の厚さはレンズの曲率，レン
ズ材料の屈折率，光電変換素子101 の開口率によって決
定される。この構成例のように感光性樹脂層112 を集光
レンズとして使用する場合、屈折率を1.５、レンズの曲
率半径を光電変換素子101 のピッチ、光電変換素子101
の開口率50％とすると、少なくとも感光性樹脂層112 の
厚さは光電変換素子101 のピッチの１／２以上必要とな
る。

【０００６】感光性樹脂層112 を被着した後、撮像装置
のボンデングパッド部及びスクライプ線上の感光性樹脂
層112 を樹脂自身のフォトレジスト作用を用いて除去す
る。その後感光性樹脂層112 を硬化するため、該樹脂層
112 の転化温度以上で熱処理する。次に、感光性樹脂層
112 上にレンズアレイを形成するための第２の感光性樹
脂層113 を被着する。その後、第２の感光性樹脂層113
は、露光，現像のフォトレジスト工程により、遮光層10
9 上の一部及び光電変換素子101 を垂直方向に分離して
いる垂直分離部108 上の一部が除去される。図12は第２
感光性樹脂層113 の現像後の平面模式図で、該第２感光
性樹脂層113 は光電変換素子101 に対応してモザイク状
に形成される。なお図13は、図12の断面を示す図であ
る。

【０００７】その後、第２感光性樹脂層113 は、樹脂の
転化温度以上で、且つ第１の感光性樹脂層112 を熱処理
した温度より低い条件で熱処理を行い、該樹脂層113 の
熱流動によりレンズ形状に成形され、マイクロレンズア
レイ部114 が形成される。図14は第２感光性樹脂層113
の熱処理後の断面図である。

【０００８】このようにマイクロレンズアレイ部114 が
形成されたＣＣＤ撮像装置においては、入射光はレンズ
状の第２感光性樹脂層113 からなるレンズアレイ部114
の曲率半径及び第１感光性樹脂層112 の厚さにより、遮
光層109 及び光電変換素子101 の垂直分離部108 に照射
された光も、光電変換素子101 の中に完全に集光するこ
とができる。

【０００９】そして、入射光がレンズアレイ部114 に対
して垂直に入射されると仮定した場合、図15に示すよう
に、絶縁層110 ，リンガラス層111 （図示せず），樹脂
層112 等からなる中間層の厚さｔ₁ ，レンズアレイ部の
厚さｔ₂ としたとき、次式（１）を満足すると、開口率
はほぼ100 ％になる。 ｔ₁ ＝｛ｎ₁ ／（ｎ₁ −ｎ₀ ）｝・｛（ｐ² ＋ｔ₂ ² ）／２ｔ₂ ｝−ｔ₂ ・・・・・（１） ここで、ｎ₀ ，ｎ₁ は、それぞれ空気及び中間層の屈折
率、ｐは水平方向画素ピッチの１／２である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体製造
工程により作成される固体撮像装置においては、配線を
形成するポリシリコン層あるいはアルミニウム層等を受
光部上に多層に積層配置しているため、平坦化層上部ま
での距離ｔ₁ は、約４μｍ程度が最低必要となる。

【００１１】一方、固体撮像装置においては、高解像度
化を目的とした画素の縮小化が進められており、例えば
１／２インチハイビジョン用固体撮像装置においては、
画素サイズが3.８μｍ前後となっている。このような画
素サイズの固体撮像装置において、ｎ₀ ＝１，ｎ₁ ＝1.
５，ｔ₁ ＝4.０μｍ，ｐ＝3.８／２＝1.９μｍとして、
前記（１）式から、レンズの厚さｔ₂ を求めると、ｔ₂
＝1.73μｍとなる。

【００１２】この場合、レンズの厚さｔ₂ ＝1.73μｍ
と、レンズ底面の長さ（画素ピッチ）２ｐ＝3.８μｍか
らわかるように、マイクロレンズはほぼ半球形となる。
このような半球形マイクロレンズの製作工程は、そのプ
ロセスが難しくなる。

【００１３】また、全反射を起こすブリュースター角θ
は、次式（２）より算出される。 sinθ＝ｎ₀ ／ｎ₁ ・・・・・（２） ｎ₀ ＝１，ｎ₁ ＝1.５の場合、θ＝41.8°となる。そし
て、この角度以上に入射面に対し傾いて進入する光は全
反射される。したがって、前記半球形レンズの場合、上
部よりレンズ部に垂直に均一光が入射した場合、全反射
により無効となる割合は、１−｛ cos（90−θ）｝² ＝
0.56となる。

【００１４】すなわち、レンズ部に入射する均一光のう
ち、56％の光は全反射により受光部に入らないことにな
り、大幅な光感度の低下が生じることになる。更に、レ
ンズ周辺部で全反射された入射光は、他画素に入射する
場合があるが、この場合は、クロストークの発生とな
り、解像度及びレスポンスの低下を生じることとなる。

【００１５】レンズの厚さｔ₂ は、中間層の厚さｔ₁ を
増すことにより薄くすることができる。例えば、ｔ₁ ＝
８μｍとした場合は、上記（１）式より、ｔ₂ ＝0.71μ
ｍととなる。この場合、円弧形状のマイクロレンズとな
り、垂直入射光は全反射されることなく、レンズ層を通
過する。したがって、このような円弧形状のマイクロレ
ンズは、レンズ形状としては問題はないが、次に述べる
ような光路上での問題が生じる。すなわち、4.０μｍ前
後に画素サイズが縮小された場合、画素部における受光
開口部は、２μｍ□以下と小さいものとなる。しかも開
口部周辺は配線用のポリシリコンあるいは多層アルミニ
ウム配線が縦横に存在している。オンチップマイクロレ
ンズの製造工程において、画素部における開口部とマイ
クロレンズの中心に合わせずれが生じると、入射光の一
部が上記ポリシリコン配線あるいは多層アルミニウム配
線に当たり、反射，吸収を受け、感度の低下を生じる。

【００１６】オンチップマイクロレンズにおいて、レン
ズ層の厚さが薄いほど、レンズを通過した入射光の角度
が垂直に近くなるため、配線による反射，吸収は、レン
ズ層が厚い場合に比べ、起こり易くなることとなる。ま
たレンズ層の厚さが薄く焦点距離が長いほど、入射光波
長の差による焦点位置のずれ（色収差）が大きくなるた
め、マイクロレンズの焦点の位置（平坦層の厚さ）の設
定が難しくなる。

【００１７】更に、カメラレンズのＦナンバ（絞り）に
よって、マイクロレンズに入射する入射光の角度が変わ
る（Ｆ値が小さいほど大きい入射角の成分が増える）
が、この入射角度が変わった時の光路のずれは、平坦化
層が厚いほど（レンズの厚さが薄いほど）大きくなる。
以上の理由により、レンズ層の厚さをあまり薄くするこ
とは不具合が生じ、望ましくない。しかし平坦化層が厚
くなる要因が現実には存在する。

【００１８】例えば、単板カラー固体撮像装置において
は、通常マイクロレンズ下の平坦化層中に、赤（Ｒ），
緑（Ｇ），青（Ｂ）等のカラーフィルターが形成され
る。また、固体撮像装置の受光部は大別して、ＣＣＤ
（Charge Coupled Device ）撮像装置に使われている接
合型ｐ−ｎダイオードと、ＣＭＤ（Charge Modulation
Device）撮像装置に使われているＭＯＳ型ダイオードに
大別される。ＭＯＳ型ダイオードでは、その電極を形成
している多結晶シリコンにより、特に青色光が一部吸収
され、青感度の低下をきたす。この欠点を解消する一方
法として、青色光を緑色〜赤色光に効率よく変換する蛍
光体薄膜の利用がある。このように単板カラー固体撮像
装置に蛍光体薄膜を利用する場合、カラーフィルター下
に蛍光体薄膜を形成する必要がある。

【００１９】以上のように、単板カラー固体撮像装置に
おいて、蛍光体薄膜あるいはカラーフィルター層を形成
した場合、更に平坦化層上部より半導体表面までの距離
は長くなることになり、平坦化層上部に上記（１）式の
関係を満たすような、微細画素用のオンチップマイクロ
レンズを形成することは、ますます困難となる。

【００２０】本発明は、従来のオンチップマイクロレン
ズを備えた固体撮像装置における上記問題点を解消する
ためになされたもので、画素が微細化されても、マイク
ロレンズの設計の自由度が大きく、充分なマイクロレン
ズ効果の発揮が可能で、且つカラーフィルター，蛍光体
薄膜等が同時に形成可能なオンチップマイクロレンズを
備えた固体撮像装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、ホトダイオードを含む画素を２
次元状に多数配置した受光部と、該受光部上に形成され
た配線を含む絶縁層とを有する固体撮像装置において、
少なくとも前記ホトダイオード上の絶縁層の一部に、受
光部の受光面に対して垂直に光導波路を設けると共に、
該光導波路の上部にオンチップマイクロレンズを形成
し、該オンチップマイクロレンズの焦点が前記光導波路
の光入射面近辺に存在するように構成するものである。

【００２２】このように構成された固体撮像装置におい
ては、入射光はマイクロレンズにより光導波路の光入射
面近辺に集光され、光導波路により効率的に受光部に導
かれる。したがって、マイクロレンズ用平坦化層を構成
する絶縁層の厚さ、あるいはマイクロレンズの厚さに、
プロセス上における制限はなくなり、自由度が大きいマ
イクロレンズの設計が可能となる。また光導波路の上部
に形成される絶縁層中に光遮蔽物は存在しないため、光
の反射，吸収等は生じない。更に、光導波路を蛍光物質
で形成し、その上部にカラーフィルターを設けることに
より、微細画素で高感度な単板カラー固体撮像装置が実
現可能となる。

【００２３】

【実施例】次に実施例について説明する。図１は、本発
明に係るオンチップマイクロレンズを備えた固体撮像装
置の第１実施例を形成する製造工程を示す図である。本
発明は、固体撮像装置の受光部を構成するホトダイオー
ドとして、ｐ−ｎ接合ダイオード，ＭＯＳ型ホトダイオ
ードのいずれを用いたものにも、適用可能であるが、以
下述べる各実施例では、ＭＯＳ型ホトダイオードからな
るＣＭＤを画素として用いたもので説明を行うこととす
る。

【００２４】図１の（Ａ）において、１はｎ⁺ 拡散層よ
りなるＣＭＤのソース領域、２はｎ⁺ 拡散層よりなるド
レイン領域、３はｎ^- エピタキシャル層よりなるチャネ
ル領域である。４はゲート酸化膜、５は多結晶シリコン
よりなるＣＭＤのゲート電極であり、チャネル領域３，
ゲート酸化膜４及びゲート電極５とでＭＯＳ型ホトダイ
オードを形成している。６は酸化膜等よりなる絶縁層で
あり、パッシベーション膜形成工程及び表面平坦化工程
の終了後は、絶縁層６の表面７は受光領域一様にわたり
良好に平坦化されている。次に、全面にレジスト膜８を
形成したのち、ＭＯＳ型ホトダイオード部の少なくとも
その一領域を開口するように、ホトリソグラフィー法を
用いて開口部９となる部分のレジスト膜８を除去する。
その後、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法を
用いて、異方的に開口部９の下部の絶縁層６を除去し、
光導波路用の穴10を形成する。なお、上記エッチング工
程においては、絶縁層６とゲート電極５を構成している
多結晶シリコンとのエッチング選択性の良好なエッチン
グガス系を用いる。

【００２５】図１の（Ａ）に示す構成を形成する工程が
終了したのち、レジスト膜８を除去し、次いで図１の
（Ｂ）に示すように、500 ℃以下の温度で、膜厚の均一
性がよく且つ被覆性のよい絶縁膜及び金属膜の形成が可
能な、低温Low Pressure Chemical Vapor Deposition
（ＬＰＣＶＤ）法あるいはPlasma CVD（ＰＣＶＤ）法等
により、1000Å程度の厚さの絶縁薄膜11及び金属薄膜12
を順次形成する。絶縁薄膜11の材料としては、例えば二
酸化シリコン（SiＯ₂ ），チッ化シリコン（SiＮ）等の
電気的な絶縁性に優れた可視光に透明なものがよく、ま
た金属薄膜12の材料としては、アルミニウム（Al），銀
（Ag），金（Au）等の高反射率を有する材料が好適であ
る。

【００２６】なお、絶縁薄膜11を形成するのは、金属薄
膜12と多結晶シリコンゲート電極５、あるいは図示して
いないが、絶縁層６中に存在するアルミニウム等からな
る配線との間の電気的な短絡を避けるためである。した
がって、例えば、図１の（Ａ）に示したＲＩＥ法による
絶縁層６のエッチング工程において、多結晶シリコンゲ
ート電極５の表面に数千Åの絶縁層６を残すようなエッ
チング工程を選択し、且つ絶縁層６中に存在するアルミ
ニウム，多結晶シリコン等からなる配線と金属薄膜12の
接触がないプロセス条件が選択できる場合は、必ずしも
絶縁薄膜11の形成の必要はない。

【００２７】上記金属薄膜12の形成後、該金属薄膜12の
みを除去できるＲＩＥ工程により、異方的に金属薄膜12
の除去を行い、図１の（Ｃ）に示すように、光導波路用
穴10の側壁にのみ金属薄膜12が形成された状態にする。

【００２８】その後、図１の（Ｄ）に示すように、光導
波路用穴10の内部にSiＯ₂ 等の可視光に対して透明な材
料を埋め込んで、光導波路10ａを形成すると共に、続い
て、前記（１）式の関係を満たすようなパラメータ値を
有するレンズ用平坦化層13及びマイクロレンズ14を、熱
軟化性樹脂等を用いて順次形成する。この際、マイクロ
レンズ14の焦点は、光導波路10ａの表面15の付近に存在
するように設計する。これにより、オンチップマイクロ
レンズを備えた固体撮像装置が得られる。なお、図１の
（Ｄ）において、16は入射光路を示している。

【００２９】なお、上記製造工程の説明においては、光
導波路用穴10の内部への埋め込み工程とレンズ用平坦化
層13の形成工程とを、別工程として説明を行ったが、平
坦化層13の形成工程において、一挙に光導波路用穴10の
埋め込みを行い光導波路10ａを形成する工程を行うこと
も可能である。

【００３０】図１の（Ｄ）の断面図からわかるように、
本実施例においては、光導波路を備えたマイクロレンズ
を良好に形成することが可能であり、しかもマイクロレ
ンズ用平坦化層13中には光遮蔽物が存在しないため、光
導波路10ａに効率よく入射光の集光が可能となる。また
集光された光は、反射率のよい金属薄膜12により効率よ
くホトダイオード部に導かれるため、高感度で且つ低ク
ロストークの固体撮像装置が実現可能となる。

【００３１】なお、上記実施例では、マイクロレンズ14
は平坦化層13の表面に形成したものを示したが、平坦化
層13より高屈折率を有する材料よりなるマイクロレンズ
を、平坦化層13中に埋め込んで形成する埋込レンズ構成
とすることも勿論可能であり、更にはその埋込レンズと
表面に形成されたマイクロレンズを併用した二階建レン
ズ構成とすることも可能である。

【００３２】また、図１に示した第１実施例において、
絶縁薄膜11をSiＮ（屈折率2.０）で形成する場合、図１
の（Ｄ）に示したプロセス終了時点で、その厚さを600
Åあるいは1600Å近辺にするならば、入射光の多重干渉
効果により、絶縁薄膜11の下方に形成されているＭＯＳ
型ホトダイオードの感度の向上が可能となる。

【００３３】次に第２実施例について説明する。この実
施例は、コアークラッド（core clad ）型の光導波路を
備えたものである。この実施例においても、まず図１の
（Ａ）に示した第１実施例と同様の工程で光導波路用穴
を形成する。但し、絶縁層６は屈折率が約1.５の絶縁材
料で形成されている。次に、図２の（Ａ）に示すよう
に、ゾル−ゲル法等を用いて、絶縁層６の屈折率よりも
高屈折率値を有するTiＯ₂ （屈折率約2.０）等の材料を
塗布し、光導波路用穴の内部を埋め込んで光導波路10ａ
を形成すると共に、全面に高屈折率膜17を形成する。次
いで、レジスト膜18を高屈折率膜17の上に塗布し表面の
平坦化を行う。なお、TiＯ₂ は良好な絶縁材であるが、
高屈折率膜17が電気的な導電性を有する材料で形成され
る場合には、図１の（Ｂ）に示した第１実施例と同様
に、予め絶縁薄膜11を形成する必要がある。その後、レ
ジスト膜18と高屈折率膜17の選択比が１であるようなエ
ッチング条件を用いて、ＲＩＥ工程によりエッチバック
を行う。これにより高屈折率膜17の表面は良好に平坦化
される。続いて、図２の（Ｂ）に示すように、レンズ用
平坦化層13及びマイクロレンズ14を光導波路10ａの直上
に形成し、マイクロレンズ付の固体撮像装置を完成す
る。

【００３４】第２実施例においては、光導波路10ａを構
成している材料が、光導波路10ａを取り囲んでいる絶縁
層６の構成材料より高屈折率を有するため、光導波路10
ａの構成は、コアークラッドの関係を満たし、マイクロ
レンズ14で集光された光は、良好にホトダイオード部に
導かれる。なお高屈折率膜17の形成工程において、高屈
折率材料の塗布後、表面の平坦性が良好ならば、レジス
ト膜18の塗布とその後のエッチバック工程は省略可能と
なる。更には、高屈折率膜17の厚さのみで、前記（１）
式の数値関係が満たされる場合は、レンズ用平坦化層13
の形成は不要となる。

【００３５】更にまた、光学的なパラメータの選択によ
っては、図２の（Ａ）に示した高屈折率膜17の直上、あ
るいはレジスト膜18の直上にマイクロレンズ14を形成し
て固体撮像装置を完成させることも可能であり、この場
合はマイクロレンズ形成工程が大幅に簡略化される。な
お、本実施例で説明した高屈折率膜17の表面を平坦化す
るエッチバック技術は、第１実施例で説明した、光導波
路を可視光に透明な材料を埋め込んで形成する工程にお
いても適用可能である。

【００３６】次に第３実施例を、図３の（Ａ）〜（Ｄ）
を用いて説明する。第１及び第２実施例においては、Ｒ
ＩＥ法を用いて、光導波路用の穴をエッチングで形成し
たものを示したが、従来例でも説明したように、絶縁層
６の厚さは４μｍ近くあり、図１の（Ａ）に示したよう
に、絶縁層６をゲート電極５まで除去する場合の終点検
出が難しいという問題がある。第３実施例は、かかる問
題点を解消するようにしたものである。構成としては、
図３の（Ａ）に示すように、ゲート電極５の直上あるい
は数百ÅのSiＯ₂ 膜20を挟んで、SiＮ膜等のＲＩＥ工程
において除去される際に固有発光を行う膜19を形成した
点に特徴を有する。

【００３７】この構成によれば、絶縁層６のＲＩＥ法を
用いたエッチングによる光導波路用の穴10の形成時に、
固有発光膜19による固有発光を検出することにより、光
導波路用穴10の形成のための絶縁層６のエッチングの終
点検出が効果的に可能となる。光導波路用の穴10の形成
後の図３の（Ｂ）〜（Ｄ）に示す工程は、図１の（Ｂ）
〜（Ｄ）に示した第１実施例と同様であるので、ここで
は、その説明を省略する。但し、この実施例では、絶縁
薄膜11は形成していないものを示している。

【００３８】なお、SiＮ等よりなる固有発光膜19は、こ
の膜19の表面までＲＩＥ法を用いたエッチングによる絶
縁層６の除去が終了した後に、除去してもよいし、ある
いは残存させておいても構わない。また第１実施例でも
説明したように、固有発光膜19がSiＮよりなり、且つそ
の膜厚が約600 Åあるいは約1600Åの場合は、多重干渉
効果によりＭＯＳ型ホトダイオードの感度向上効果が達
成できる。

【００３９】また第３実施例において、絶縁層６のＲＩ
Ｅ法を用いたエッチング工程の終了後、固有発光膜19を
完全に除去する場合は、第１実施例と同じく、絶縁薄膜
11を絶縁層６と金属薄膜12との間に介在させてもよい。
また、たとえ固有発光膜19が残存する場合でも、絶縁層
６の内部に存在する配線が光導波路10ａの側壁に設けら
れている金属薄膜12と接触する場合は、やはり同様に絶
縁薄膜11を介在させる必要がある。

【００４０】なお、第３実施例を示した図３において
は、SiＮ等からなる固有発光膜19は、ゲート電極５の直
上部のみに形成されたように図示しているが、勿論、受
光部全面にSiＮ等からなる固有発光膜19を設けるように
しても何ら問題はない。

【００４１】次に第４実施例について説明する。この実
施例は光導波路の形状を上記各実施例と異ならせたもの
である。第１〜第３実施例においては、光導波路の側壁
を半導体（シリコン）表面に対し垂直とし、光導波路を
円筒形状としたものを示したが、第４実施例は、かかる
円筒形状に代え、光導波路をすり鉢形状に形成した点を
特徴としている。

【００４２】具体的には、図４の（Ａ）に示すように、
レジスト膜８をマスクとして絶縁層６をエッチングして
光導波路用の穴10を形成する際、穴10に多少テーパー21
が形成されるような条件で、気相ＲＩＥエッチングを実
施する。その後第１実施例と同様な工程により、図４の
（Ｂ）に示すように、すり鉢形状を有する光導波路10ａ
を備えた固体撮像装置が得られる。

【００４３】本実施例による利点としては、光導波路10
ａの光入射面側の面積が第１〜第３実施例のものに比べ
拡がるため、マイクロレンズ14からの入射光をより効率
よく光導波路10ａに導くことが可能となる。逆に光導波
路10ａのホトダイオード側の光出射面は、光入射面に比
べて開口は小さくてよいので、光導波路10ａの光出射面
とホトダイオード部との合わせずれに対する許容度が大
きくなり、プロセスの合わせずれに対するマージンを大
きくすることも可能となる。なお、この第４実施例は、
第１〜第３実施例との併用が可能である。

【００４４】次に第５実施例を、図５の（Ａ）〜（Ｄ）
に基づいて説明する。この第５実施例では、図５の
（Ａ）に示すように、絶縁層６の形成後に、Ti，TiＮ等
よりなる反射防止膜22を受光部全面に亘り絶縁層６の上
部に形成し、続いてレジストパターン８を形成し、ＲＩ
Ｅ法により選択的に、反射防止膜22，絶縁層６を順次除
去し、光導波路用穴10を形成する。図５の（Ａ）に示し
た工程の終了後、図５の（Ｄ）に示すマイクロレンズ形
成工程までは、図５の（Ｂ），（Ｃ）に示すように、図
１の（Ｂ），（Ｃ）に示した第１実施例とほぼ同様であ
るので、その説明を省略する。

【００４５】この第５実施例においては、図５の（Ｄ）
に示すように、光導波路10ａ以外に入射する迷光23は、
反射防止膜22により吸収されるため、フレア等の偽信号
の抑圧に大きな効果がある。なお、この第５実施例の構
成は、第１〜第４実施例の構成との併用が可能である。

【００４６】次に第６実施例を、図６の（Ａ）〜（Ｄ）
に基づいて説明する。この第６実施例は、単板カラーカ
メラ用のカラーフィルターを設けたマイクロレンズ付の
固体撮像装置に関するものである。まず図６の（Ａ）に
示すように、図５の（Ａ）に示した第５実施例と同様
に、光導波路用の穴10を形成し、次いで図６の（Ｂ）に
示すように、絶縁薄膜11及び金属薄膜12を順次形成し、
ＲＩＥ法により金属薄膜12の除去を行って、光導波路用
の穴10の側壁にのみ金属薄膜12が形成された状態とす
る。次いで、図６の（Ｃ）に示すように、光導波路用の
穴10の内部に、Ｒ，Ｇ，Ｂなどの選択透光性を有する有
機あるいは無機のカラーフィルター材を埋め込み光導波
路型カラーフィルター24を形成する。

【００４７】なおカラーフィルター24の形成工程あるい
はその存在により、金属薄膜12が腐食されるおそれがあ
る場合は、図６の（Ｃ）に示すように、上記金属薄膜12
を光導波路用穴10の側壁に形成した後、カラーフィルタ
ー24を形成する前に、SiＯ₂等の絶縁材料よりなる腐食
防止薄膜25を低温ＬＰＣＶＤ法等を用いて形成すればよ
い。

【００４８】光導波路型カラーフィルター24を形成した
後は、図６の（Ｄ）に示すように、第１実施例と同様
に、レンズ用平坦化層13及びマイクロレンズ14を形成
し、カラーフィルターを備えた固体撮像装置が得られ
る。

【００４９】この実施例においては、図６の（Ｄ）に示
すように、レンズ用平坦化層13の下、すなわちマイクロ
レンズ14の焦点付近あるいは、それより下方に光導波路
型カラーフィルター24が形成されているため、マイクロ
レンズ用平坦化層13の厚さの設計は、カラーフィルター
24とは無関係に設定でき、したがってマイクロレンズの
光学設計の自由度は、カラーフィルターの存在にもかか
わらず大にすることができる。またカラーフィルター24
で選択的に透過された各色の光は、その光導波路効果に
より、効率的にホトダイオードに集光されるため、高感
度且つ混色のない色再現性に優れた固体撮像装置の実現
が可能である。また、この実施例は、第１，３，４，５
実施例との併用が可能である。

【００５０】最後に、第７実施例を図７の（Ａ）〜
（Ｄ）に基づいて説明する。この第７実施例は、カラー
フィルターと蛍光材料層を設けたマイクロレンズ付の固
体撮像装置に関するものである。まず図７の（Ａ），
（Ｂ）に示すように、図５の（Ａ），（Ｂ）に示した第
５実施例と同様に、光導波路用の穴10を形成したのち、
絶縁薄膜11と金属薄膜12を順次形成する。次いで、図７
の（Ｃ）に示すように、光導波路用穴10内に、青色光
（波長：400 〜450 nm）を効率よく緑〜赤色光に変換す
るクマリン等の蛍光物質を埋め込み光導波路型蛍光材料
層26を形成する。その後、図７の（Ｄ）に示すように、
カラーフィルター27が蛍光材料層26に対向して位置する
ように、その中に含むレンズ用平坦化層13を形成し、最
後にマイクロレンズ14を作成する。なお、第６実施例と
同様に、金属薄膜12の保護のため、蛍光材料層26と金属
薄膜12との間に、絶縁材料よりなる保護用薄膜を介在さ
せる構成が有用である。

【００５１】このように構成されたマイクロレンズ付の
固体撮像装置においては、マイクロレンズ14で集光され
た青色光は、光導波路型蛍光材料層26により、効率よく
緑〜赤色光に変換されるため、ＭＯＳ型ホトダイオード
においても、高い青感度が得られる。更に蛍光材料層26
による蛍光は、全方向に等方的に放射されるが、この蛍
光材料層26は光導波路を形成しているため、蛍光材料層
26内に蛍光が閉じ込められ、したがって蛍光が他の画素
部に入射して生じる混色や、蛍光が逸散することにより
生じる青感度の低下を有効に防止できる。

【００５２】なお、三板カラーカメラの場合は、固体撮
像装置中にカラーフィルターは不要なため、三板カラー
カメラに用いる場合、図７の（Ｄ）に示した第７実施例
においては、蛍光材料層26は必要であるがカラーフィル
ター27は形成しなくてもよい。逆に、ｐ−ｎ接合ホトダ
イオード構造の画素を用いた固体撮像装置に適用する場
合は、蛍光材料層は不要なため、図７の（Ｄ）に示した
第７実施例の構造においては、カラーフィルター27は必
要であるが、蛍光材料層26は形成しなくてもよい。この
場合、もちろん第６実施例に示したようなカラーフィル
ターを設けた構成を適用することができる。

【００５３】図７の（Ｄ）に示したカラーフィルターの
配置態様は、通常のカラーセンサで用いられるカラーフ
ィルターの製造工程と同一の工程で形成できるため、安
定したプロセスでカラーフィルターが製作可能となる。

【００５４】更に、この実施例におけるカラーフィルタ
ー27は、光導波路型蛍光材料層26の光入射面付近に形成
すればよく、従来のカラーセンサの場合の画素全面にカ
ラーフィルターを形成する必要がある場合に比べて、カ
ラーフィルターの位置合わせ等を考慮した形成工程に充
分余裕が生じるという利点もある。更に図７の（Ｄ）に
示すように、光導波路型蛍光材料層26以外の部分が、反
射防止膜22で覆われている構成になっているので、カラ
ーセンサの混色防止，迷光の低減等多くの長所が生じる
こととなる。なお、この実施例も、第１，３，４，５実
施例との併用が可能である。

【００５５】

【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、ホトダイオード上の絶縁層の一部に光
導波路を設けると共に、その上部にマイクロレンズを設
け、その焦点を光導波路の光入射面近辺に存在するよう
にしたので、画素が微細化されても、マイクロレンズの
設計の自由度が大きく、充分なマイクロレンズ効果の発
揮を可能としたマイクロレンズ付の固体撮像装置を実現
することができる。また光導波路を蛍光物質で形成し、
カラーフィルターを設けることにより、微細画素で高感
度な単板カラー固体撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の第１実施例の構成
を説明するための製造工程を示す図である。

【図２】本発明の第２実施例の構成を説明するための製
造工程を示す図である。

【図３】本発明の第３実施例の構成を説明するための製
造工程を示す図である。

【図４】本発明の第４実施例の構成を説明するための製
造工程を示す図である。

【図５】本発明の第５実施例の構成を説明するための製
造工程を示す図である。

【図６】本発明の第６実施例の構成を説明するための製
造工程を示す図である。

【図７】本発明の第７実施例の構成を説明するための製
造工程を示す図である。

【図８】従来のインターライン転送ＣＣＤ撮像装置の構
成例を示す概略平面図である。

【図９】図８の部分拡大図である。

【図10】図９のＡ−Ａ′線に沿った断面を示す図であ
る。

【図11】従来のマイクロレンズアレイ部を備えたＣＣＤ
固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。

【図12】図11に示す製造工程に続く製造工程を示す平面
図である。

【図13】図12の断面を示す図である。

【図14】マイクロレンズアレイ部が形成されたＣＣＤ固
体撮像装置の断面を示す図である。

【図15】レンズアレイ部の厚さ及び中間層の厚さと開口
率との関係を説明するための説明図である。

【符号の説明】

１ ＣＭＤソース領域 ２ ＣＭＤドレイン領域 ３ チャネル領域 ４ ゲート酸化膜 ５ ゲート電極 ６ 絶縁層 ７ 絶縁層表面 ８ レジスト膜 ９ 開口部 10 光導波路用穴 10ａ 光導波路 11 絶縁薄膜 12 金属薄膜 13 レンズ用平坦化層 14 マイクロレンズ 15 光導波路表面 16 入射光路 17 高屈折率膜 18 レジスト膜 19 固有発光膜 20 SiＯ₂ 膜 21 テーパー 22 反射防止膜 23 迷光 24 光導波路型カラーフィルター 25 腐食防止薄膜 26 光導波路型蛍光材料層 27 カラーフィルター

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホトダイオードを含む画素を２次元状に
   多数配置した受光部と、該受光部上に形成された配線を
   含む絶縁層とを有する固体撮像装置において、少なくと
   も前記ホトダイオード上の絶縁層の一部に、受光部の受
   光面に対して垂直に光導波路を設けると共に、該光導波
   路の上部にオンチップマイクロレンズを形成し、該オン
   チップマイクロレンズの焦点が前記光導波路の光入射面
   近辺に存在するように構成したことを特徴とする固体撮
   像装置。
2. 【請求項２】 前記光導波路は、その側壁が高光反射率
   を有する薄膜で覆われていることを特徴とする請求項１
   記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記高光反射率を有する薄膜は、アルミ
   ニウム，銀，金のいずれかで形成されていることを特徴
   とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記光導波路の側壁に設けた高光反射率
   を有する薄膜と、前記配線を有する絶縁層との間に絶縁
   材料よりなる薄膜が形成されていることを特徴とする請
   求項２又は３記載の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 前記光導波路は、該光導波路を囲む前記
   絶縁層の屈折率よりも大きい屈折率をもつ材料で形成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装
   置。
6. 【請求項６】 前記光導波路を形成する屈折率の大きい
   材料は、チタンオキサイドであることを特徴とする請求
   項５記載の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 前記光導波路の光出射面側に面して、チ
   ッ化シリコン膜が形成されていることを特徴とする請求
   項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 【請求項８】 前記光導波路の光入射面側の面積が光出
   射面側の面積よりも大なるように構成したことを特徴と
   する請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装
   置。
9. 【請求項９】 前記光導波路の光入射面側の光導波路部
   分以外の領域に、光に対して吸収あるいは低反射特性を
   有する膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜
   ８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 【請求項10】 前記光に対して吸収あるいは低反射特性
    を有する膜は、チタニウムあるいはチタンナイトライド
    膜であることを特徴とする請求項９記載の固体撮像装
    置。
11. 【請求項11】 前記光導波路は、カラーフィルターで形
    成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４，
    ７，８，９，10のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 【請求項12】 前記カラーフィルターと前記高光反射率
    を有する薄膜との間に、絶縁材料よりなる薄膜が形成さ
    れていることを特徴とする請求項11記載の固体撮像装
    置。
13. 【請求項13】 前記光導波路は、青色光を緑色光又は赤
    色光に変換する作用を有する蛍光物質で形成されている
    ことを特徴とする請求項１，２，３，４，７，８，９，
    10のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
14. 【請求項14】 前記蛍光物質と前記高光反射率を有する
    薄膜との間に、絶縁材料よりなる薄膜が形成されている
    ことを特徴とする請求項13記載の固体撮像装置。
15. 【請求項15】 前記光導波路の光入射面側と前記オンチ
    ップマイクロレンズの間にカラーフィルターが設けられ
    ていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，
    ６，７，８，９，10，13，14のいずれか１項に記載の固
    体撮像装置。