JPWO2014156704A1 - 固体撮像素子、撮像装置、電子装置、および製造方法 - Google Patents

固体撮像素子、撮像装置、電子装置、および製造方法 Download PDF

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Abstract

本開示は、固体撮像素子の感度低下を抑止することができるようにする固体撮像素子、撮像装置、電子装置、および製造方法に関する。本開示の第１の側面である固体撮像素子は、入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、前記センサ部を覆うカラーフィルタと、前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズとを備え、前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている。本開示は、固体撮像素子の他、撮像装置や撮像部を有する電子装置に適用できる。

Description

本開示は、固体撮像素子、撮像装置、電子装置、および製造方法に関し、特に、受光感度の低下や混色を抑止できるようにした固体撮像素子、撮像装置、電子装置、および製造方法に関する。
従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置には、CMOSイメージセンサに代表される固体撮像素子が搭載されている。
図１は、従来の一般的な固体撮像素子の断面図を示している。
該固体撮像素子１０は、光の入射側から順に、オンチップレンズ１１、カラーフィルタ１２、遮光部１３、およびセンサ部１４などが積層されて構成されている。さらに、オンチップレンズ１１がSiNなどの高屈折率の無機膜から形成される場合、オンチップレンズ１１とカラーフィルタ１２の間には、カラーフィルタ１２の段差を解消するための平坦化層１５が設けられる。
該固体撮像素子１０においては、オンチップレンズ１１により入射光が下層側に集光され、カラーフィルタ１２を介してセンサ部１４に入射され、センサ部１４にて光電変換が行なわれる。
ところで、一般的な固体撮像素子１０では、各画素にそれぞれ対応するオンチップレンズ１１が同一の材料により横方向に一体的に繋がって形成されている。これに起因し、同図に示されるように、オンチップレンズ１１のある画素に対応する領域に入射した光のうち、隣の画素に漏れてしまって本来入射すべきセンサ部１４に到達せずに、隣の画素のセンサ部１４に入射してしまうものが存在し得る。このような現象は、受光感度の低下や混色の悪化につながるので、なんらかの対策が必要である。
そこで、上記現象の対策として、一体形成されているオンチップレンズ１１の各画素に対応する領域の境に溝を設けるようにした固体撮像素子が本出願人により提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図２は、上記対策が施された固体撮像素子の断面図である。
該固体撮像素子２０は、オンチップレンズ１１の各画素に対応する領域の境の溝２１で光が全反射する。よって、入射光が本来入射すべき画素のセンサ部１４から隣の画素のセンサ部１４に漏れることをふせぎ、混色を抑止することができる。
特開２００８−２７０６７９
ところで、図２に示されたようにオンチップレンズ１１に溝２１を設ける工程には、通常、フォトリソグラフィ技術が用いられる。フォトリソグラフィ技術が用いられた場合、溝２１の位置の重ね合わせにズレが発生し易い。
また、溝２１の幅も数百nmとなり、オンチップレンズ１１に占める溝２１の幅が比較的広くなってしまい、オンチップレンズ１１の面積が狭くなってしまうので集光効率が悪化してしまうことになる。
また例えば図３に示されるように、溝２１を設けたオンチップレンズ１１の上に、オンチップレンズ１１とは材質の異なる他材質膜３１が成膜される固体撮像素子３０では、溝２１に該他材質が入り込むことになる。この場合、オンチップレンズ１１と溝２１に入り込んだ他材質の屈折率の差が小さくなるので、溝２１を設けて入射光の漏れを防ぐ効果が薄れてしまうことになる。
さらに、図１乃至図３に示されたように平坦化層１５を設けている場合、オンチップレンズ１１からセンサ部１４までの距離が平坦化層１５の分だけ長くなるので、感度劣化、欠陥劣化、斜入射特性の悪化なども問題となり得る。
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子の感度劣化を抑止できるようにするものである。
本開示の第１の側面である固体撮像素子は、入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、前記センサ部を覆うカラーフィルタと、前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズとを備え、前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている。
前記レンズにはスリットが空けられており、前記スリットの上側は塞がれているようにすることができる。
前記カラーフィルタと前記レンズの間には屈折率調整膜が設けられているようにすることができる。
前記屈折率調整膜はSiONとすることができる。
前記スリットは、前記レンズの各画素の対応する領域の境界に空けられているようにすることができる。
前記スリットの上側は前記レンズと同一の前記所定のレンズ材または前記レンズ材とは異なるSiONにより塞がれているようにすることができる。
前記所定のレンズ材はSiNとすることができる。
前記固体撮像素子は、表面照射型または裏面照射型のイメージセンサとすることができる。
本開示の第１の側面である固体撮像素子は、前記レンズの上層に前記所定のレンズ材よりも屈折率が小さい材料の膜をさら備えることができる。
前記固体撮像素子は、CSP構造とすることができる。
前記スリットの幅は、100nm未満とすることができる。
本開示の第２の側面である撮像装置は、固体撮像素子が搭載された撮像装置であって、前記固体撮像素子は、入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、前記センサ部を覆うカラーフィルタと、前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズとを備え、前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている。
本開示の第３の側面である電子装置は、撮像部を有する電子装置であって、前記撮像部に搭載された固体撮像素子は、入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、前記センサ部を覆うカラーフィルタと、前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズとを備え、前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている。
本開示の第１乃至第３の側面においては、レンズにより集光された入射光が平坦化層を介することなく、カラーフィルタを介してセンサ部に入射される。
本開示の第４の側面である製造方法は、入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズとを備え、前記レンズにはスリットが空けられており、前記スリットの上側は塞がれている固体撮像素子の製造方法において、前記レンズ材の層を画素毎に半球状に成形し、前記半球状に成形された前記レンズ材にさらに同一の前記レンズ材を積層することによって前記半球状の前記レンズ材のサイズを増加させ、サイズが増加された各画素に対応する前記半球状の前記レンズ材の接合領域をエッチングして前記スリットを空け、前記スリットが空けられた前記レンズ材の上に成膜を行なう。
本開示の第４の側面においては、レンズ材の層が画素毎に半球状に成形され、前記半球状に成形された前記レンズ材にさらに同一の前記レンズ材が積層されることによって前記半球状の前記レンズ材のサイズが増加され、サイズが増加された各画素に対応する前記半球状の前記レンズ材の接合領域がエッチングされてスリットが空けられ、前記スリットが空けられた前記レンズ材の上に成膜が行なわれる。
本開示の第１乃至第３の側面によれば、感度劣化を抑止できる。
本開示の第４の側面によれば、感度劣化を抑止可能な固体撮像素子を製造できる。
従来の一般的な固体撮像素子の断面図である。 従来のオンチップレンズに溝を設けた固体撮像素子の断面図である。 オンチップレンズ上に他材質膜を成膜した固体撮像素子の断面図である。 本開示の第１の実施の形態である固体撮像素子の断面図である。 本開示の第１の実施の形態である固体撮像素子の上面図である。 スリットによる全反射角を表す図である。 スリットの長さと受光感度の関係を表す図である。 スリットの形成処理を説明するフローチャートである。 スリットの形成処理の過程を説明するための図である。 本開示の第２の実施の形態である固体撮像素子の断面図である。 本開示の第３の実施の形態である固体撮像素子の断面図である。 本開示の第４の実施の形態である固体撮像素子の断面図である。
以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。
［本開示の第１の実施の形態である固体撮像素子５０の構成例］
図４は、本開示の第１の実施の形態である固体撮像素子５０の断面図を示している。該固体撮像素子５０の構成要素のうち、図１の固体撮像素子１０との共通する構成要素については共通の符号を付している。
固体撮像素子５０は、光が入射される側から順に、オンチップレンズ１１、平坦化層１５、カラーフィルタ１２、遮光部１３、およびセンサ部１４が積層されて構成されており、オンチップレンズ１１の内部の各画素に対応する領域の境にはスリット５１が空けられている。
なお、図示は省略するが、スリット５１が設けられたオンチップレンズ１１の上に、オンチップレンズ１１よりも屈折率が小さい樹脂材料などの膜を成膜してもよい。
図５は、該固体撮像素子５０の上面図である。同図に示されるように、スリット５１は、オンチップレンズ１１の上下左右に隣接する画素に対応する領域の境に設けられる。換言すれば、オンチップレンズ１１の各画素に対応する領域は、スリット５１によって囲まれている。
ただし、図４に示された断面図は図５に示された線分ＡＡ’における断面であり、図５に示された線分ＢＢ’の断面（不図示）にスリット５１は存在しない。
固体撮像素子５０においては、オンチップレンズ１１により入射光が下層側に集光され、カラーフィルタ１２を介してセンサ部１４に入射され、センサ部１４にて光電変換が行なわれる。
なお、固体撮像素子５０のスリット５１と、図２に示された固定撮像素子２０の溝２１との違いは、スリット５１は溝２１に比較して充分に狭いことである。具体的には、フォトリソグラフィ技術により形成される溝２１の幅が数百nmであるのに対して、プラズマエッチング（ＥＢ）により形成されるスリット５１の幅は数nmとされる。なお、スリット５１の幅は百nm未満とすることが望ましい。
また、溝２１はその上方が解放されているのに対して、スリット５１はオンチップレンズ１１と同じ材料などによりその上方が塞がれていることである。なお、スリット５１の形成については、図８および図９を参照して後述する。
図６は、スリット５１による全反射角を表している。オンチップレンズ１１とスリット５１（すなわち、空気）の屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２、全反射角をθ１とした場合、以下の関係が知られている。
sinθ１＞ｎ２／ｎ１
例えば、オンチップレンズ１１に従来の一般的な材料を用いた場合には全反射角θ１は４３度となり、オンチップレンズ１１にSiNを用いた場合には全反射角θ１は３０度となる。
図７は、スリット５１の長さ（深さ）と受光感度の関係を検証した結果を示している。同図から明らかなように、スリット５１の長さが長いほど、受光感度が良いことが分かる。
［製造方法］
次に、本開示の実施の形態である固体撮像素子５０のスリット５１の形成処理について、図８および図９を参照して説明する。
図８は、固体撮像素子５０のスリット５１の形成処理を説明するフローチャートである。図９は、スリット５１が形成される工程を説明するための固体撮像素子５０の断面図である。ただし、図９においては、固体撮像素子５０のカラーフィルタ１２よりも下層側の図示を省略している。
ステップＳ１においては、図９のＡに示されるように、カラーフィルタ１２の上層に平坦化層１５が設けられ、この平坦化層１５の上層にオンチップレンズ１１となる高屈折率のレンズ材（例えばSiN）の層が形成される。さらに、該レンズ材の層の上に、フォトリソグラフィ技術により半球状のレンズ形状が形成される。
ステップＳ２においては、図９のＢに示されるように、ドライエッチングにより、ステップＳ１で形成された該レンズ形状がレンズ材に転写される。
ステップＳ３においては、図９のＣに示されるように、レンズ形状のレンズ材の上に、さらに同一のレンズ材の層が積層される。この膜を積層する過程においては、レンズ材の半球が徐々に大きくなって、半球同士が接合する位置（すなわち、スリット５１が設けられる位置）に正確に、膜質の脆いレンズ材接合領域が形成される。
なお、図９のＣには、ステップＳ２でレンズ材に転写された半球状の部位と、ステップＳ３で積層された部位との境を示すために線が描かれているが、実際には同一の材料により成形されているので、光学的な境は存在しない。以下の図９のＤおよび図９のＥについても同様である。
ステップＳ４において、図９のＤに示されるように、エッチングにより、半球同士が接合するレンズ材接合領域にスリット５１が空けられる。なお、レンズ材接合領域は膜質が脆いので、エッチングにより速やかに容易にスリット５１を空けることができる。また、レンズ材接合領域は正確に半球状同士の境に存在し、該レンズ材接合領域がエッチングされるので、セルフアラインでスリット５１を形成できる。
ステップＳ５において、図９のＥに示されるように、スリット５１の上に同一のレンズ材による成膜が行なわれてスリット５１の上部が塞がれる。さらに、上側が塞がれたスリット５１を有するオンチップレンズ１１の上層に、同一のレンズ材とは異なる素材（例えば、SiON）により成膜したり、その上層に樹脂膜を形成したりするようにしてもよい。以上で、スリット５１の形成処理の説明を終了する。
以上説明したようにスリット５１が設けられた固体撮像素子５０は、図１に示された固体撮像素子１０ではオンチップレンズ１１の内部で隣の画素に漏れてしまっていた光をスリット５１で全反射させて元の画素のセンサ部１４に入射させることができる。したがって、受光感度を上げるとともに混色を抑止することができる。
また、スリット５１の上側が塞がれていることにより、図２に示された固体撮像素子２０のようにオンチップレンズ１１の面積が狭くなって集光効率が低下してしまうことを抑止できる。
また、図３の固体撮像素子３０のようにオンチップレンズ１１上に、レンズ材よりも屈折率の小さい他の材料を成膜してもよい。この場合においても、スリット５１の上側が塞がれていることにより、該他の材料がスリット５１に入り込まないので、スリット５１による全反射の効果の低下を防止できる。
［本開示の第２の実施の形態である固体撮像素子６０の構成例］
図１０は、本開示の第２の実施の形態である固体撮像素子６０の断面図を示している。該固体撮像素子６０は、図４の固体撮像素子５０から平坦化層１５を省略したものである。
すなわち、固体撮像素子６０は、カラーフィルタ１２の上に直接的にオンチップレンズ１１が形成されている。なお、固体撮像素子６０についてもスリット５１が設けられたオンチップレンズ１１の上に、オンチップレンズ１１よりも屈折率が小さい樹脂材料などの膜を成膜してもよい。
固体撮像素子６０は、固体撮像素子５０に比較して、平坦化層１５が省略された分だけ、オンチップレンズ１１とセンサ部１４の距離が近いので、感度劣化、欠陥劣化、斜入射特性の悪化などを抑止できる。
なお、固体撮像素子６０の製造方法については、上述した固体撮像素子５０の製造方法と同様であるので、その説明は省略する。
［本開示の第３の実施の形態である固体撮像素子７０の構成例］
図１１は、本開示の第３の実施の形態である固体撮像素子７０の断面図を示している。該固体撮像素子７０は、図１の固体撮像素子１０から平坦化層１５を省略したものである。
すなわち、固体撮像素子７０は、カラーフィルタ１２の上に直接的にオンチップレンズ１１が形成されている。なお、固体撮像素子７０についてもオンチップレンズ１１よりも屈折率が小さい樹脂材料などの膜を成膜してもよい。
固体撮像素子７０は、上述した第１および第２の実施の形態のようにオンチップレンズ１１内にスリット５１が設けられていないので、受光感度を上げたり、混色を抑止したりする効果は得られない。しかしながら、図１に示された固体撮像素子１０に比較して、平坦化層１５が省略された分だけ、オンチップレンズ１１とセンサ部１４の距離が近いので、感度劣化、欠陥劣化、斜入射特性の悪化などを抑止できる。
なお、固体撮像素子７０の製造方法については、スリット５１を設ける工程を省略することを除いては、上述した固体撮像素子５０の製造方法と同様であるので、その説明は省略する。
［本開示の第４の実施の形態である固体撮像素子８０の構成例］
図１２は、本開示の第４の実施の形態である固体撮像素子８０の断面図を示している。該固体撮像素子８０は、図１の固体撮像素子１０から平坦化層１５を省略したものであり、かつ、カラーフィルタ１２の上層に、オンチップレンズ１１の屈折率と、カラーフィルタ１２の屈折率の中間の屈折率を有するSiONなどの屈折率調整膜８１が設けられたものである。
すなわち、固体撮像素子８０は、カラーフィルタ１２の上に屈折率調整膜８１が、その上にオンチップレンズ１１が形成されている。なお、固体撮像素子８０についてもオンチップレンズ１１よりも屈折率が小さい樹脂材料などの薄膜を成膜してもよい。
固体撮像素子８０は、上述した第１および第２の実施の形態のようにオンチップレンズ１１内にスリット５１が設けられていないので、受光感度を上げたり、混色を抑止したりする効果は得られない。しかしながら、図１に示された固体撮像素子１０に比較して、平坦化層１５が省略された分だけ、オンチップレンズ１１とセンサ部１４の距離が近いので、感度劣化、欠陥劣化、斜入射特性の悪化などを抑止できる。また、屈折率調整膜８１を設けたことにより、界面反射を抑止できるので、感度向上が期待できる。なお、第１および第２の実施の形態においても屈折率調整膜８１を設けることができる。
なお、固体撮像素子７０の製造方法については、カラーフィルタ１２の上に屈折率調整膜８１を設ける工程を追加すること、およびスリット５１を設ける工程を省略すること以外は、上述した固体撮像素子５０の製造方法と同様であるので、その説明は省略する。
なお、本実施の第１乃至第４の形態である固体撮像素子５０，６０，７０，８０は、表面照射型または裏面照射型のいずれのイメージセンサに対しても適用可能である。また、CSP(chip size package)構造とする場合にも好適である。
さらに、本実施の第１乃至第４の形態である固体撮像素子５０，６０，７０，８０は、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置の他、撮像部を備える任意の電子装置に適用できる。
なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、
前記センサ部を覆うカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズと
を備え、
前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている
固体撮像素子。
（２）
前記レンズにはスリットが空けられており、前記スリットの上側は塞がれている
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記カラーフィルタと前記レンズの間には屈折率調整膜が設けられている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記屈折率調整膜はSiONである
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記スリットは、前記レンズの各画素の対応する領域の境界に空けられている
前記（１）から（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記スリットの上側は前記レンズと同一の前記所定のレンズ材または前記レンズ材とは異なるSiONにより塞がれている
前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
前記所定のレンズ材はSiNである
前記（６）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記固体撮像素子は、表面照射型または裏面照射型のイメージセンサである
前記（１）から（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記レンズの上層に前記所定のレンズ材よりも屈折率が小さい材料の膜を
さらに備える
前記（１）から（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記固体撮像素子は、CSP構造である
前記（１）から（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）
前記スリットの幅は、100nm未満である
前記（２）から（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子。
１１ オンチップレンズ， １２ カラーフィルタ， １３ 遮光部， １４ センサ部， １５ 平坦化層， ５０ 固体撮像素子， ５１ スリット， ６０，７０，８０ 固体撮像素子， ８１ 屈折率調整膜

Claims (14)

  1. 入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、
    前記センサ部を覆うカラーフィルタと、
    前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズと
    を備え、
    前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている
    固体撮像素子。
  2. 前記レンズにはスリットが空けられており、前記スリットの上側は塞がれている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記カラーフィルタと前記レンズの間には屈折率調整膜が設けられている
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記屈折率調整膜はSiONである
    請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 前記スリットは、前記レンズの各画素の対応する領域の境界に空けられている
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  6. 前記スリットの上側は前記レンズと同一の前記所定のレンズ材または前記レンズ材とは異なるSiONにより塞がれている
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  7. 前記所定のレンズ材はSiNである
    請求項３に記載の固体撮像素子。
  8. 前記固体撮像素子は、表面照射型または裏面照射型のイメージセンサである
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  9. 前記レンズの上層に前記所定のレンズ材よりも屈折率が小さい材料の膜を
    さらに備える
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  10. 前記固体撮像素子は、CSP構造である
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  11. 前記スリットの幅は、100nm未満である
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  12. 固体撮像素子が搭載された撮像装置であって、
    前記固体撮像素子は、
    入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、
    前記センサ部を覆うカラーフィルタと、
    前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズと
    を備え、
    前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている
    撮像装置。
  13. 撮像部を有する電子装置であって、
    前記撮像部に搭載された固体撮像素子は、
    入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、
    前記センサ部を覆うカラーフィルタと、
    前記カラーフィルタを介して前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズと
    を備え、
    前記レンズは前記カラーフィルタの段差を解消するための平坦化層を設けることなく前記カラーフィルタの上層に形成されている
    電子装置。
  14. 入射光に応じて電気信号を発生するセンサ部と、
    前記センサ部に前記入射光を集光させるための、所定のレンズ材による積層膜で成形されたレンズとを備え、
    前記レンズにはスリットが空けられており、前記スリットの上側は塞がれている
    固体撮像素子の製造方法において、
    前記レンズ材の層を画素毎に半球状に成形し、
    前記半球状に成形された前記レンズ材にさらに同一の前記レンズ材を積層することによって前記半球状の前記レンズ材のサイズを増加させ、
    サイズが増加された各画素に対応する前記半球状の前記レンズ材の接合領域をエッチングして前記スリットを空け、
    前記スリットが空けられた前記レンズ材の上に成膜を行なう
    製造方法。
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