JPH10270672A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JPH10270672A
JPH10270672A JP9071886A JP7188697A JPH10270672A JP H10270672 A JPH10270672 A JP H10270672A JP 9071886 A JP9071886 A JP 9071886A JP 7188697 A JP7188697 A JP 7188697A JP H10270672 A JPH10270672 A JP H10270672A
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microlens
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solid
light
light receiving
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Yoichi Otsuka
洋一 大塚
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Sony Corp
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    • H01L27/148—Charge coupled imagers

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受光部上に形成したマイクロレンズの曲率半
径や受光部上の層厚を大きく変化させなくても、集光位
置の調整を行うことができるようにすることにより、小
型化や高解像化に好適な固体撮像素子を提供する。 【解決手段】 センサ部２上に対応してマイクロレンズ
１７が形成され、マイクロレンズ１７上に、マイクロレ
ンズ１７の屈折率より低い屈折率の層１８が形成され、
最上面が実質的に平坦面である固体撮像素子１０を構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサ部上にマイ
クロレンズを形成した固体撮像素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】ＣＣＤ固体撮像素子に対して、小型化や
高解像度化のために、フォトダイオードからなる受光部
とＣＣＤレジスタとによって構成されるユニットセルが
縮小化される傾向にある。これにより、受光部であるフ
ォトダイオードの面積が減少し、ＣＣＤ固体撮像素子の
主要特性の１つである、光電変換特性、即ち光感度を低
下させている。
【０００３】実際に、民生用の小型ビデオカメラに使用
される光学サイズの主流は、１／３インチ型から１／４
インチ型ヘと移行し、更には１／６インチ型もしくは更
に小さいサイズの検討もなされている。また、画素数は
２５万画素、３６万画素、３８万画素から５６万画素の
範囲まで広がっている。
【０００４】こうしたＣＣＤ固体撮像素子の光感度を向
上させる技術として、各フォトダイオードに対応した位
置にマイクロレンズを設けることにより、入射光を効率
良く受光部に集光する、いわゆるオンチップマイクロレ
ンズと呼ばれる技術が確立され、導入に至っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図６に、従来における
一般的なオンチップマイクロレンズを形成したＣＣＤ固
体撮像素子の水平方向、即ち垂直ＣＣＤレジスタの転送
方向と直交する方向における断面図を示す。
【０００６】図６に示すように、例えばシリコンからな
る半導体基板３１内に、拡散層等により、垂直ＣＣＤレ
ジスタ４０を構成する電荷転送部３２、及び受光部３３
を構成するフォトダイオードが形成され、電荷転送部３
２上には絶縁膜を介して垂直転送電極３４が形成され、
この垂直転送電極３４を覆って、遮光膜３５が形成され
ている。受光部３３は遮光膜３５の開口に対応して形成
されている。
【０００７】さらに、受光部３３上及び遮光膜３５を覆
って透明平坦化膜３６が形成され、この透明平坦化膜３
６により平坦化された面上に、カラーフィルター３７が
形成されている。このカラーフィルター３７の上には、
再び透明平坦化膜３８が形成され、その上に表面が一定
の曲率を有する球面であるマイクロレンズ３９が形成さ
れて、ＣＣＤ固体撮像素子３０を構成している。
【０００８】この図６では、入射光Ｌの光路はＣＣＤ固
体撮像素子３０に対して垂直に入射する平行入射光とし
ている。図中ｆは、マイクロレンズ３９の焦点距離、ｒ
はマイクロレンズ３９の曲率半径をそれぞれ示す。
【０００９】将来的には、更なるＣＣＤ固体撮像素子３
０のユニットセル縮小化は確実であるが、図６に示すよ
うな単層のマイクロレンズ３９では入射光Ｌを効率良
く、受光部３３内に集光させることが困難となってく
る。即ち、図６に示すように、マイクロレンズ３９に入
射した光Ｌが、受光部３３からかなり高い位置ｆ０で集
光する。このため、受光部３３に入射する光量が少なく
なり、光感度が低下してしまう。
【００１０】また、焦点の位置が受光部３３上のより上
方であるほど、集光した後の光Ｌが垂直ＣＣＤレジスタ
３２へ入射することにより、いわゆるスミアの現象が生
じやすくなる。この現象はユニットセルの縮小化が進む
ほど顕著になる。
【００１１】集光を改善するためには、主に受光部３３
表面からマイクロレンズ３９までの距離（以下、層厚と
する）ｈを低くすることと、マイクロレンズ３９の曲率
半径ｒを大きくすることが必要である。
【００１２】しかしながら、均一なカラーフィルター３
７やマイクロレンズ３９を形成するために、平坦化透明
膜３６，３８や、ＣＣＤ固体撮像素子の色分光を合わせ
るためのカラーフィルター３７等の厚さがある程度は必
要であるため、この層厚ｈを低くするにも限界がある。
【００１３】一方、マイクロレンズ３９の曲率半径ｒを
大きくするためには、例えば透明樹脂の熱リフローによ
ってマイクロレンズ３９を形成する時に、熱リフロー前
の透明樹脂膜厚を薄く設定する必要がある。
【００１４】しかしながら、マイクロレンズ３９を構成
する透明樹脂の膜厚を薄くすると、図８に示すように、
熱リフローした後のレンズの形状が、レンズ上部がやや
平坦な偏平な形状となってしまい、一定の曲率を有する
良好なリフロー形状が得られず、集光に支障が出てくる
可能性がある。また、透明樹脂の膜厚を薄くすると、下
地の段差の影響により透明樹脂を均一に塗布することが
困難になる。
【００１５】従って、均一なマイクロレンズを形成する
ためには、その曲率半径ｒを大きくすることにも限界が
ある。
【００１６】上述した問題の解決のために、本発明にお
いては、受光部上に形成したマイクロレンズの曲率半径
や受光部上の層厚を大きく変化させなくても、集光位置
の調整を行うことができるようにすることにより、小型
化や高解像化に好適な固体撮像素子を提供するものであ
る。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、センサ部上に対応して形成されたマイクロレンズ上
に、マイクロレンズの屈折率より低い屈折率の層が形成
され、最上面が実質的に平坦面である構成とする。
【００１８】上述の本発明の構成によれば、マイクロレ
ンズ上にマイクロレンズの屈折率より低い屈折率の層が
形成されていることにより、マイクロレンズ上が空気の
場合と比較して、マイクロレンズに入射する光の集光位
置を深くすることができる。また、最上面が実質的に平
坦面であるため、最上面においては垂直に入射した光の
屈折は生じない。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明は、センサ部上に対応して
マイクロレンズが形成され、マイクロレンズ上に、マイ
クロレンズの屈折率より低い屈折率の層が形成され、最
上面が実質的に平坦面である固体撮像素子である。
【００２０】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、マイクロレンズの屈折率より低い屈折率の層の上に
反射防止膜が形成された構成とする。
【００２１】また本発明は、上記固体撮像素子におい
て、センサ部の開口の短辺の長さａと、半導体表面から
マイクロレンズのレンズ底面までの長さｂの比ａ／ｂが
１／３以下である構成とする。
【００２２】以下、図面を参照して本発明の固体撮像素
子の実施例を説明する。図１及び図２に、本発明の固体
撮像素子の実施例、本例ではインターライン転送方式の
ＣＣＤ固体撮像素子の概略構成図を示す。図１は平面
図、図２は水平転送方向、いわゆるＨ方向（又は図１に
おけるａ−ａ′断面）における断面図をそれぞれ示す。
【００２３】図１に示すように、このＣＣＤ固体撮像素
子１０は、撮像領域において、マトリックス状に配置さ
れたフォトダイオードからなる受光部（センサ部）２を
有し、この受光部２の各列に対応して垂直ＣＣＤレジス
タ１が設けられて構成される。図中３は、１つの受光部
２と垂直ＣＣＤレジスタ１で構成されるユニットセルを
示す。
【００２４】また、断面構造としては、図２に示すよう
に、例えばシリコンからなる半導体基板１１内に、拡散
層等により、受光部２を構成するフォトダイオード、及
び垂直ＣＣＤレジスタ１を構成する電荷転送部４が形成
され、電荷転送部４上には絶縁膜を介して垂直転送電極
１２が形成され、この垂直転送電極１２を覆って、遮光
膜１３が形成されている。図２の場合には、受光部２は
遮光膜１３の開口に対応して形成されている。受光部２
上及び遮光膜１３を覆って透明平坦化膜１４が形成さ
れ、これにより平坦化された面上にカラーフィルター１
５が形成されている。カラーフィルター１５の上には、
再び透明平坦化膜１６が形成され、その上に表面が一定
の曲率を有する球面であるマイクロレンズ１７が形成さ
れている。
【００２５】本例においては、特にマイクロレンズ１７
上を覆って、マイクロレンズ１７よりも屈折率の低い透
明膜からなる屈折率調整層１８を形成する。
【００２６】ここでマイクロレンズ１７の高さＨｌと、
屈折率調整層１８の厚さ、即ちマイクロレンズ１７の底
面から屈折率調整層１８の上面までの高さＨｉとの間に
は、次の数１の関係が成り立つ。
【００２７】
【数１】Ｈｌ＜Ｈｉ
【００２８】図３に屈折率ｎ１の媒体から、屈折率ｎ
２，レンズ曲率半径ｒを持つマイクロレンズに平行光が
入射した模式図を示す。このときのマイクロレンズの焦
点距離ｆは次の数２で表すことができる。
【００２９】
【数２】
【００３０】図６に示したような一般的な固体撮像素子
の場合、ｎ１の媒体は空気（ｎ１＝１．０）であり、ｎ
２の屈折率を持つ材料は、例えばポリスチレン系樹脂
（ｎ２≒１．６）である。この場合の焦点距離ｆは、ｆ
≒２．６７ｒとなる。
【００３１】これに対して、上述の図２に示す実施例の
構造をとった場合において、例えば屈折率ｎ１の屈折率
調整層１８の材料に、弗素系樹脂（例えば、旭硝子株式
会社製：サイトップ／屈折率ｎ１＝１．３４）を用いた
場合、焦点距離ｆは約６．１５ｒとなり、焦点距離ｆは
従来より約２．３倍延長される。
【００３２】また、上述の図２に示す実施例の構造をと
った場合において、例えば屈折率ｎ２のマイクロレンズ
１７に、ポリイミド樹脂（屈折率ｎ２≒１．７５）を用
い、屈折率ｎ１の屈折率調整層１８に弗素系樹脂（屈折
率ｎ１＝１．３４）を用いた場合には、焦点距離ｆは約
４．２ｒとなる。
【００３３】このように、マイクロレンズ１７よりも屈
折率の低い透明膜からなる屈折率調整層１８を設置した
ことにより、マイクロレンズ１７に入射した光は、図６
で示した場合より焦点距離ｆが延び、焦点の位置も図６
の場合の位置ｆ０よりＬｆの分深くなった位置Ｆとな
る。即ち、屈折率ｎ１のマイクロレンズ１７と屈折率ｎ
２の屈折率調整層１８により構成される、屈折率が異な
る材料の組み合わせによって、焦点距離ｆを自在に制御
することができる。これにより、受光部２に入射する光
量が増加し、ＣＣＤ固体撮像素子１０の光感度が増大す
る。
【００３４】また本例では、屈折率調整層１８における
入射光Ｌの反射を防止するために、屈折率調整層１８上
に反射防止膜１９を設けている。これにより、入射光Ｌ
が反射して受光部へ入射する光量の減少を抑制すること
ができる。
【００３５】図４に屈折率ｎ１の屈折率調整層１８上
に、屈折率ｎ３，膜厚Ｔを有する、反射防止膜１９を設
置した場合の光路を示す。このように、屈折率ｎ１の屈
折率調整層１８上に反射防止膜１９を設置する場合にお
いては、反射防止膜１９の屈折率ｎ３及び膜厚Ｔは、理
想的には以下の数３の条件を満たせばよい。
【００３６】
【数３】ｎ３＝√（ｎ１） Ｔ＝λ／４（λ：反射防止したい光の波長）
【００３７】この数３の条件に完全に合致させることは
困難であるが、実際には、数３の条件に近い屈折率を有
する材料を反射防止膜１９に用いる。尚、この反射防止
膜１９は必ずしも設置しなくてもよい。
【００３８】また、好ましくは、受光部（センサ部）２
の開口の短辺の長さａと、半導体表面即ち受光部２の表
面からマイクロレンズ１７の底面までの長さｂ（層厚
ｈ）の比ａ／ｂを１／３以下とする。従来のようにマイ
クロレンズ３９上が空気である場合には、入射光Ｌが受
光部２よりかなり上方で集光して受光部へ入射する光量
が減少し、また集光した後に広がった光が垂直ＣＣＤレ
ジスタに入射してスミアを生じる。
【００３９】上述の比ａ／ｂの値が充分大きい場合に
は、集光位置が受光部表面よりかなり上方であっても、
受光部が広く、また垂直ＣＣＤレジスタの間隔Ｄｖも充
分であるので、このような問題が生じにくい。一方、ａ
／ｂの値が１／３以下であると、この光量の減少及びス
ミアの発生の問題が顕著になることから、本発明により
屈折率調整層１８を設けて焦点距離ｆを調節することに
より、受光部への入射光量を増加させ、かつスミアを防
止できる効果が大きくなる。
【００４０】上述の実施例では、焦点ｆ１が受光部２の
表面、即ち半導体基板１１の表面より上方に位置してい
るが、受光部２の表面より下方であっても構わない。
【００４１】次に、本発明の固体撮像素子の具体的な設
計例を示す。まず、比較説明のために、図７に従来の構
造による平行光の集光状態の模式図（水平方向の断面
図）を示す。ここで、マイクロレンズ３９の上層は空気
（屈折率ｎ１＝１．０）とし、マイクロレンズ３９及び
下層の屈折率ｎ２は＝１．６０としている。また、マイ
クロレンズ３９の下層の厚さ、即ち層厚ｈ（ｂ）を４．
５０μｍ、受光部３３の開口部の幅ａを１．０μｍ、垂
直ＣＣＤレジスタ３２の間隔Ｄｖを２．０μｍとしてい
る。
【００４２】マイクロレンズ３９の曲率半径ｒ１が１.
０μｍのときには、マイクロレンズ３９の高さｈ１は約
０．９〜１．０μｍであり、焦点距離ｆ１は２．６７μ
ｍとなるため、入射光Ｌは効率良く受光部３３に集光し
ない。しかも、焦点を過ぎた入射光Ｌが広がって遮光膜
３４に入射するようになるため、感度劣化の原因とな
る。また入射光の斜め光成分が多いため、スミアの原因
ともなる。
【００４３】従来は、この焦点距離ｆ１を延長する方法
として、マイクロレンズ３９の曲率半径ｒ１を、ｒ２と
大きくして対応していた。ここで、マイクロレンズ３９
の曲率半径ｒ２を１．７μｍにすると、マイクロレンズ
の高さｈ２は約０．３〜０．４μｍとなり、焦点距離ｆ
２が４．５４μｍに延長されて、集光状態も良好とな
る。
【００４４】しかしながら、１．７μｍの曲率半径ｒ２
を得るためには、レンズ材を０．２〜０．３μｍ程度に
薄く塗布する必要がある。このとき、下地層例えば、ス
クライブライン，ボンディングパッド等の段差の影響で
レンズ材を均一に塗布することが因難になる。また、レ
ンズ材が薄くなることにより、図８に示すように、良好
なリフロー形状が得られず、集光に支障が出てくる可能
性がある。
【００４５】これに対し、高さｈ１，曲率半径ｒ１を有
するマイクロレンズ３９を形成する場合には、レンズ材
の塗布膜厚も約０．８〜０．９μｍでよく、良好なリフ
ロー形状が得られる膜厚であるため、均一なレンズ形状
を得るための設計マージンが広がる。
【００４６】次に、図７で示した従来例と同様の構造に
本発明を適用した設計例を図５に示す。先に図７に示し
た、高さｈ１，曲率半径ｒ１を有するマイクロレンズ３
９と同じ大きさ、即ち高さＨｌ（ｈ１）及び曲率半径ｒ
（ｒ１）を有するマイクロレンズ１７を形成する。そし
て、このマイクロレンズ１７上に、屈折率調整層１８を
構成する透明樹脂を、塗布することにより、或いはパッ
ケージ組み立て時にポッティング（滴下）することによ
り、屈折率調整層１８を形成した。
【００４７】屈折率調整層１８の材料には、弗素系樹脂
（例えば旭硝子株式会社製：サイトップ、屈折率ｎ１＝
１．３４）を用いた。このとき、図５に示すように、焦
点距離ｆが６．１５μｍに迄延長され、集光状態も良好
となった。
【００４８】尚、上述の図５及び図７のマイクロレンズ
の曲率半径ｒ，ｒ１，ｒ２の値は、それぞれ近似値を用
いている。
【００４９】ここで、上述のマイクロレンズ１７の製法
については、例えばマイクロレンズ材を直接リフローす
る製法、あるいはフォトレジストをリフローした後にエ
ッチバックによりフォトレジストからマイクロレンズ材
へレンズ形状を転写する製法等でもよく、製法の如何を
問わない。
【００５０】また、マイクロレンズから受光部表面迄の
間には、実際にはカラーフィルター、平坦化膜、パッシ
ベーション膜等の複数の膜が存在しているが、図中では
これらを一義的に同一屈折率として、入射光Ｌの光路を
示している。
【００５１】上述の例では、平行入射光の場合について
示したが、マイクロレンズに対して斜めに光が入射する
ユニットセルに対しても、本発明を同様に適用すること
ができる。この場合には、入射光の光路に対応して、マ
イクロレンズと受光部の位置関係を水平方向にずらして
形成して、入射光が受光部に入射するように固体撮像素
子を構成してやればよい。
【００５２】また、上述のマイクロレンズの屈折率より
低い屈折率の屈折率調整層１８を、固体撮像素子上を覆
ってパッケージを形成する透明な封止樹脂として用いる
ことができる。この場合には、例えばマイクロレンズを
形成した固体撮像素子上に、これを覆ってマイクロレン
ズの屈折率より低い屈折率の透明樹脂を滴下し、この透
明樹脂を固化することによってパッケージを製造するこ
とができる。これにより、ガラス等で封止する一般的な
パッケージ方式と比較して、固体撮像素子のパッケージ
を低コストで製造することができる。
【００５３】本発明の固体撮像素子は、上述の例に限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
その他様々な構成が取り得る。
【００５４】
【発明の効果】上述の本発明による固体撮像素子によれ
ば、マイクロレンズより屈折率の低い材料からなる層を
マイクロレンズ上に形成し、最上面を実質的に平坦面と
することにより、固体撮像素子のユニットセルの微細化
が図られた状態において、光感度を向上させることがで
きる。
【００５５】また、さらにマイクロレンズの屈折率より
低い屈折率の層の上に反射防止膜が形成されたときに
は、マイクロレンズの屈折率より低い屈折率の層におけ
る反射を防止して、受光部に入射する光量を増加させる
ことができる。
【００５６】また、マイクロレンズの屈折率より低い屈
折率の層を、固体撮像素子上を覆ってパッケージを構成
する透明な封止樹脂として用いた場合には、ガラス等で
封止する一般的なパッケージ方式と比較して、固体撮像
素子のパッケージを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の実施例の平面図であ
る。
【図２】本発明の固体撮像素子の実施例の水平転送方向
の断面図である。
【図３】本発明の固体撮像素子における入射光の挙動を
説明する図である。
【図４】図２の固体撮像素子における入射光の挙動を説
明する図である。
【図５】図２の固体撮像素子の設計例を示す図である。
【図６】従来のＣＣＤ固体撮像素子の水平転送方向の断
面図である。
【図７】図６のＣＣＤ固体撮像素子の設計例を示す図で
ある。
【図８】レンズ材を薄くした場合を説明する図である。
【符号の説明】
１ 垂直ＣＣＤレジスタ、２ 受光部（センサ部）、３
ユニットセル、４ 電荷転送部、１０ ＣＣＤ固体撮
像素子、１１ 半導体基板、１２ 垂直転送電極、１３
遮光膜、１４，１６ 透明平坦化膜、１５ カラーフ
ィルター、１７マイクロレンズ、１８ 屈折率調整層、
１９ 反射防止膜、３０ ＣＣＤ固体撮像素子、３１
半導体基板、３２ 電荷転送部、３３ 受光部、３４
垂直転送電極、３５ 遮光膜、３６，３８ 透明平坦化
膜、３７ カラーフィルター、３９ マイクロレンズ、
４０ 垂直ＣＣＤレジスタ、Ｌ 入射光、ｆ 焦点距
離、ｒ，ｒ１，ｒ２ マイクロレンズの曲率半径、ｂ，
ｈ 受光部表面からマイクロレンズ底面までの高さ（層
厚）、ｈ１，ｈ２、Ｈｌ マイクロレンズの高さ、Ｈｉ
屈折率調整層の厚さ、ａ 受光部の開口部の幅、Ｄｖ
垂直ＣＣＤレジスタの間隔

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 センサ部上に対応してマイクロレンズが
    形成され、 上記マイクロレンズ上に、該マイクロレンズの屈折率よ
    り低い屈折率の層が形成され、 最上面が実質的に平坦面であることを特徴とする固体撮
    像素子。
  2. 【請求項２】 上記マイクロレンズの屈折率より低い屈
    折率の層の上に反射防止膜が形成されて成ることを特徴
    とする請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 上記センサ部の開口の短辺の長さａと、
    半導体表面から上記マイクロレンズのレンズ底面までの
    長さｂの比ａ／ｂが１／３以下であることを特徴とする
    請求項１に記載の固体撮像素子。
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