KR20100109401A - 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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KR20100109401A
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요이치 오츠카
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Abstract

플레어나 고스트 화상의 발생이 억제되는 고체 촬상 장치와, 그 고체 촬상 장치의 제조 방법을 제공한다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기를 제공한다.
본 발명의 고체 촬상 장치(1)에서는, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 이용하여 입사광을, 기판(9)에 형성된 수광부(2)에 집광한다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(19) 상부에는 평탄화 렌즈층(20)을 형성한다. 평탄화 렌즈층(20)이 형성됨에 의해, 고체 촬상 장치(1)의 광입사면과 공기와의 계면에 온 칩 마이크로 렌즈(19)와 같은 주기 구조가 형성되지 않기 때문에, 주기 구조물에 기인한 반사 회절광의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 고스트 화상이나 플레어의 발생이 억제된다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 사각형 형상으로 하는 것(또는 굴절율 분포형)에 의해 평탄화 렌즈층(20)을 이용한 경우에도 충분한 집광 특성을 얻을 수 있고, 감도의 향상이 도모된다.

Description

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 발명은 고체 촬상 장치와 그 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 디지털 카메라나 비디오 카메라에 사용되는 고체 촬상 장치로서, CCD형의 고체 촬상 장치나 CMOS 형의 고체 촬상 장치가 알려져 있다. 이러한 고체 촬상 장치로는, 2차원 매트릭스(matrix) 모양으로 복수로 형성된 픽셀마다 수광부가 형성되고, 이 수광부에서 수광량에 따라 신호 전하가 생성된다. 그리고, 수광부에서 생성된 신호 전하가 전송되고 증폭됨에 의해 화상 신호를 얻을 수 있다.
근래, 이러한 고체 촬상 장치에 있어서, 픽셀 사이즈의 미세화에 수반하여 축소화된 수광부에 대한 입사광의 집광 효율을 향상시키기 위해, 구면(球面) 형상의 온 칩 마이크로 렌즈나 굴절율 분포형 렌즈가 픽셀의 광 입사측에 형성되어 있다(특허 문헌 1, 특허 문헌 2). 이것에 의해, 수광부에 있어서 입사광의 집광 효율이 향상되고, 감도 특성이 향상한다.
도 20A, 도 20B는 종래예의 온 칩 마이크로 렌즈를 이용한 CCD형의 고체 촬상 장치의 단면 구성을 나타낸다. 도 20A에 나타난 바와 같이, 종래예의 고체 촬상 장치(100)는, 수광부(102)가 형성된 기판(101)과, 기판(101) 위에 형성된 배선층(115)과, 배선층(115) 위에 형성된 컬러 필터층(109)과, 온 칩 마이크로 렌즈(110)로 구성된다.
기판(101)은, 실리콘 기판에 의해 구성된다. 수광부(102)는, 포토 다이오드에 의해 구성되고, 기판(101)의 원하는 영역에 복수개의 매트릭스(matrix) 모양으로 형성되어 있다. 또한, 기판(101)의 수광부(102)에 인접한 영역에는, 판독 채널부(105)를 이용하여 전송 채널부(103)가 형성되어 있고, 이 판독 채널부(105), 및 전송 채널부(103) 위의 배선층(115)에는 전송 전극(107)이 형성되어 있다. 전송 전극(107)은 기판(101) 위에 형성된 게이트 절연막(106)을 이용하여 판독 채널부(105), 및 전송 채널부(103)의 상부에 형성되어 있다. 또한, 도시하지 않지만, 배선층(115)에는 전송 전극(107) 이외에, 층간 절연막을 이용하여, 원하는 배선이 형성되어 있다.
그리고, 수광부(102)와, 수광부(102)에 인접하여 형성된 판독 채널부(105), 및 전송 채널부(103)를 포함하는 영역에 의해 1 픽셀이 구성되고, 상기 1 픽셀은 소자 분리 영역(104)에 의해 인접한 픽셀과 분리되어 있다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(110)는 구면(球面) 형상으로 형성되어 있고, 이 구면 형상으로 구성된 온 칩 마이크로 렌즈(110)은 집광소자로서 사용된다.
이와 같은 구성에 있어서, 입사되어 오는 광은 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(110)에 의해 집광되고, 수광부(102)에 입사된다. 수광부(102)에서는 광전 변환에 의해 입사광에 대응하는 신호 전하가 생성되고 축적된다. 그리고, 수광부(102)에 있어 축적된 신호 전하는, 전송 전극(107)에 대한 전압의 인가에 의해 판독 채널부(105)를 이용하여 전송 채널부(103)에 판독되고, 수직 방향으로 전송된다.
그런데, 이와 같은 종래예의 고체 촬상 장치(100)에 있어서, 공기와 온 칩 마이크로 렌즈(110)의 계면은, 실리콘으로 이루어진 기판(101)의 계면 반사에 뒤이어 입사광의 반사율이 높은 계면이다. 반사율이 높은 계면에 있어서 온 칩 마이크로 렌즈(110)와 같은 주기 구조가 형성되어 있는 경우, 도 20B에 나타난 바와 같이 온 칩 마이크로 렌즈 면에 평행광으로 된 입사광(L1)이 입사된다면 각 픽셀의 온 칩 마이크로 렌즈 면에서의 반사광이 간섭한다. 그렇다면, 반사광의 간섭에 의해 반사 회절광(L2)이 구성된다.
이 때문에, 도 20B에 나타난 바와 같이, 온 칩 마이크로 렌즈(110)의 상방에 커버 유리 또는 다층막형의 적외선 컷트 필터 등 외부 소자(116)가 형성되어 있으면, 그 반사 회절광(L2)이 외부 소자(116)에 반사된다. 그리고 반사 회절광(L2)이 외부 소자(116)에 반사되는 것에 의한 회절광(L3)이 재차 수광부(102)에 입사된다. 이와 같이 하여 입사된 회절광(L3)은 고스트 화상(ghost image) 또는 플레어(flare)의 원인이 된다. 도 21은, 종래예의 고체 촬상 장치(100)로 고휘도의 피사체를 촬영한 때에 얻어지는 화상을 개략적으로 나타난 것이다. 도 21에 나타난 바와 같이, 고휘도의 피사체(121)를 촬영한 경우 전술한 바와 같이 온 칩 마이크로 렌즈(110)에 의한 주기 구조에 의해 생기는 회절광(L3)에 의해, 고휘도의 피사체의 주위에는 고스트 화상 화상(122)이 촬영되게 된다.
특허 문헌3에는 고스트 화상을 억제하기 위해, 온 칩 마이크로 렌즈의 두께를 고스트 화상이 거의 나타나지 않을 정도의 두께로 형성하는 기술이 기재되어 있다. 그렇지만, 공기와 온 칩 마이크로 렌즈의 계면에 주기 구조가 있으면, 플레어나 고스트 화상의 발생을 억제한다는 것은 어렵다.
특개2004-304148호 공보 특개2008-10773호 공보 특개2008-66669호 공보
상술한 문제점을 감안하여, 본 발명은, 플레어나 고스트 화상의 발생이 억제되는 고체 촬상 장치와, 그 고체 촬상 장치의 제조 방법을 제공한다. 또한, 그 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기를 제공한다.
본 발명의 고체 촬상 장치는, 수광부와, 온 칩 마이크로 렌즈(on-chip micro lens)와, 평탄화 렌즈층으로 구성된다. 수광부는, 기판에 형성되고, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성한다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈는, 수광부상의 광이 입사되는 측에 형성되는 사각형(矩型) 형상, 또는 굴절율 분포형의 렌즈이다. 평탄화 렌즈층은, 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하고, 광이 입사되는 면이 평탄하게 되도록 형성된 렌즈이다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치로는, 온 칩 마이크로 렌즈 상부에 평탄화 렌즈층이 형성되기 때문에, 공기와의 계면에 주기 구조(periodic configuration)가 형성되지 않는다. 이 때문에, 반사 회절광의 발생이 억제된다.
본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 기판에, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 수광부를 형성하는 공정, 및 수광부상의 광이 입사되는 측에 사각형 형상, 또는 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 갖는다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하고, 광이 입사되는 면이 평탄하게 되도록 형성된 평탄화 렌즈층을 형성하는 공정을 포함한다.
또한, 본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 기판에, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 수광부를 형성하는 공정, 수광부상의 광이 입사되는 측에 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 갖는다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하도록, 제1 평탄화 렌즈층을 형성하는 공정, 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면이 노출할 때까지, 제1 평탄화 렌즈층을 제거하는 공정을 갖는다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면과, 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면의 높이까지 매입된 제1 평탄화 렌즈층의 윗면에, 제2 평탄화 렌즈층을 형성하는 공정을 갖는다.
본 발명의 전자 기기는, 광학 렌즈와, 광학 렌즈에 집광된 광이 입사되는 고체 촬상 장치와, 고체 촬상 장치로부터 출력된 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하여 구성된다.
그리고, 본 발명에 사용되는 고체 촬상 장치는 수광부와, 온 칩 마이크로 렌즈와, 평탄화 렌즈층으로 구성된다. 수광부는, 기판에 형성되고, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 것이다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈는, 수광부상의 광이 입사되는 측에 형성된 사각형 형상, 또는 굴절율 분포형의 렌즈이다. 평탄화 렌즈층은, 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하고, 광이 입사되는 면이 평탄하게 되도록 형성된 렌즈이다.
본 발명에 의하면, 플레어나 고스트 화상의 발생이 억제되는 고체 촬상 장치를 얻을 수 있다. 또한, 화질이 향상한 전자 기기를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 CCD형의 고체 촬상 장치(1)의 개략 구성도.
도 2는 제1의 실시 형태의 고체 촬상 장치에 있어 수평 방향에 인접한 픽셀의 단면 구성도.
도 3의 A 및 B는 사각형(矩形) 형상을 갖는 온 칩 마이크로 렌즈를 이용한 경우에 온 칩 마이크로 렌즈 내에 입사한 광의 진행 방향을 설명한 도면.
도 4의 A 및 B는 제1의 실시 형태에 있어서 고체 촬상 장치의 제조 방법을 나타내는 공정도(부분 공정 1).
도 5의 C 및 D는 제1의 실시 형태에 있어서 고체 촬상 장치의 제조 방법을 나타내는 공정도(부분 공정 2).
도 6의 E는 제1의 실시 형태에 있어서 고체 촬상 장치의 제조 방법을 나타내는 공정도(부분 공정 3).
도 7은 비교예 1에 관한 고체 촬상 장치의 단면 구성도.
도 8은 비교예 2에 관한 고체 촬상 장치의 단면 구성도.
도 9는 각 고체 촬상 장치를 카메라 세트에 편입한 경우, 촬영시에 발생한 고스트 화상 강도를 시뮬레이션 한 결과.
도 10은 백색 감도를 시뮬레이션에 의해 측정한 결과이고, 샘플A(종래예의 고체 촬상 장치)에 있어서 측정 결과로 규격화 한 것.
도 11은 혼색률(임의의 메모리 : arbitrary unit으로 표시)을 시뮬레이션에 의해 측정한 결과.
도 12는 비교예 1 및 비교예 2의 고체 촬상 장치에 있어, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈의 두께, 및 평탄화 렌즈층의 굴절율 변화에 대응한 감도 특성의 변화를 나타낸 도면.
도 13은 제1의 실시 형태의 고체 촬상 장치에 있어, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈의 높이, 및 평탄화 렌즈층의 굴절율 변화에 대응한 감도 특성의 변화를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 있어 수평 방향에 인접한 픽셀의 단면 구성도.
도 15의 A 및 B는 제2의 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 나타내는 공정도(부분 공정 1).
도 16의 C는 제2의 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 나타내는 공정도(부분 공정 2).
도 17은 본 발명의 제3의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 있어 수평 방향에 인접한 픽셀의 단면 구성도.
도 18은 본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 있어 수평 방향에 인접한 픽셀의 단면 구성도.
도 19는 본 발명의 제5의 실시 형태에 관한 전자 기기의 개략 구성도.
도 20의 A 및 B는 종래예에 관한 고체 촬상 장치의 단면 구성도.
도 21은 종래예의 고체 촬상 장치로 고휘도의 피사체를 촬영한 때에 얻어지는 화상을 개략적으로 나타낸 도면.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치와 그 제조 방법, 및 전자 기기의 하나의 예를, 도 1 내지 도 19를 참조하면서 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 이하의 순서로 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 예로 한정되는 것이 아니다.
1. 제1의 실시 형태 : 고체 촬상 장치의 예
1.1 고체 촬상 장치 전체의 개략 구성
1.2 고체 촬상 장치의 단면 구성
1.3 고체 촬상 장치의 제조 방법
1.4 고체 촬상 장치의 특성
2. 제2의 실시 형태 : 고체 촬상 장치의 예
2.1 고체 촬상 장치의 단면 구성
2.2 고체 촬상 장치의 제조 방법
3. 제3의 실시 형태 : 고체 촬상 장치의 예
4. 제4의 실시 형태 : 고체 촬상 장치의 예
5. 제5의 실시 형태 : 전자 기기
〈1. 제1의 실시 형태 : 고체 촬상 장치의 예〉
도 1 내지 도 13을 이용하여, 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관하여 설명한다. 본 실시 형태예에서 도시된 고체 촬상 장치는, CCD( Charge Coupled Devices )형의 고체 촬상 장치를 예로 든다.
[1.1 고체 촬상 장치 전체의 구성]
도 1은 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 CCD형의 고체 촬상 장치(1)의 개략 구성도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)는, 기판(6)에 형성된 복수의 수광부(2)와, 수직 전송 레지스터(3)과, 수평 전송 레지스터(4)와, 출력 회로(5)를 가지고 구성된다. 그리고, 1개의 수광부(2)와 그 수광부(2)에 인접한 수직 전송 레지스터(3)에 따라 단위 픽셀(7)이 구성된다. 또한, 복수의 픽셀(7)이 형성된 영역이 픽셀부(8)로 된다.
수광부(2)는, 포토 다이오드에 의해 구성되고, 기판(6)의 수평 방향 및 수직 방향에 매트릭스(matrix) 모양으로 복수 형성되어 있다. 수광부(2)에서는, 광전 변환에 의해 입사광에 따라 신호 전하가 생성되고, 축적된다.
수직 전송 레지스터(3)는, CCD 구조로 되어, 수직 방향에 배열된 수광부(2)마다 수직 방향에 복수개 형성되어 있다. 이 수직 전송 레지스터(3)는, 수광부(2)에 축적된 신호 전하를 판독하고, 수직 방향으로 전송한다. 본 실시 형태예의 수직 전송 레지스터(3)가 형성되어 있는 전송 스테이지는, 도시하지 않는 전송 구동 펄스 회로로부터 인가된 전송 펄스에 의해, 예를 들면, 4상 구동되는 구성으로 되어 있다. 또한, 수직 전송 레지스터(3)의 최종단에서는, 전송 펄스가 인가됨에 의해 최종단에 유지되어 있던 신호 전하가 수평 전송 레지스터(4)에 전송되는 구성으로 되어 있다.
수평 전송 레지스터(4)는, CCD 구조로 되어 있고, 수직 전송 레지스터(3)의 최종단의 한 끝에 형성되어 있다. 이 수평 전송 레지스터(4)가 형성되어 있는 전송 스테이지는, 수직 전송 레지스터(3)에 의해 수직 전송되어 온 신호 전하를 하나의 수평 라인마다 수평 방향으로 전송한다.
출력 회로(5)는, 수평 전송 레지스터(4)의 최종단에 형성되어 있다. 출력 회로(5)는, 수평 전송 레지스터(4)에 의해 수평 전송된 신호 전하를 전하 전압 변환함에 의해 영상 신호로서 출력한다.
이상의 구성을 갖는 고체 촬상 장치(1)에 의해, 수광부(2)에 의해 생성 및 축적된 신호 전하는 수직 전송 레지스터(3)에 의해 수직 방향으로 전송되고, 수평 전송 레지스터(4) 내부로 전송된다. 그리고, 수평 전송 레지스터(4) 내부로 전송되어 온 신호 전하는 각각 수평 방향으로 전송되고, 출력 회로(5)를 이용하여 영상 신호로서 출력된다.
[1.2 고체 촬상 장치의 단면 구성]
다음에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 픽셀부(8)의 단면 구성에 관하여 설명한다. 도 2는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 수평 방향에 인접한 픽셀(7)의 개략 단면 구성도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)는, 기판(9)과, 배선층(17)과, 컬러 필터층(18)과, 온 칩 마이크로 렌즈(19)와, 평탄화 렌즈층(20)을 포함하여 구성된다.
기판(9)은, 실리콘으로 이루어진 반도체 기판에 의해 구성된다. 기판(9)의 광 입사측의 원하는 영역에는 포토 다이오드로 이루어진 수광부(2)가 형성되어 있다. 이 수광부(2)에서는 입사한 광이 광전 변환됨에 의해 신호 전하가 생성되고, 축적된다. 또한, 수광부(2)에 인접한 영역에는, 도 1에 도시된 CCD 구조의 수직 전송 레지스터(3)를 구성한 전송 채널부(11)가 형성되어 있고, 전송 채널부(11)와 수광부(2)와의 사이의 영역은 판독 채널부(13)으로 되어 있다. 수광부(2)에서 생성 및 축적된 신호 전하는 판독 채널부(13)를 이용하여 전송 채널부(11)에 판독되고, 전송 채널부(11) 내부로 전송된다. 그리고, 1개의 수광부(2)와 그 수광부(2)에 인접한 전송 채널부(11)를 감싸는 영역에는 소자 분리 영역(12)가 형성되어 있다. 이 소자 분리 영역(12)으로 둘러싸인 영역이 1 픽셀을 구성한다.
배선층(17)은, 기판(9)의 전송 채널부(11) 및 판독 채널부(13) 상부에 게이트 절연막(14)를 이용하여 형성된 전송 전극(15)과, 그 전송 전극(15)을 피복하는 층간 절연막(16)을 포함하여 구성된다. 도 2는, 배선층(17)에 있어 전송 전극(15)만을 도시했지만, 배선층(17)에는 그 밖에, 전송 전극(15)에 구동 펄스를 공급하기 위한 배선막이나 메탈 차광막 등, 원하는 막이 형성되어 있다.
컬러 필터층(18)은, 평탄화된 배선층(17) 상부에 형성되고, R(적색), G(녹색), B(청색)의 각 컬러 필터층(18)이 예를 들면 베이야(Bayer) 배열이 되도록 픽셀마다 형성되어 있다.
온 칩 마이크로 렌즈(19)는, 컬러 필터층(18) 상부에 형성되고, 기판(9)에 형성된 수광부(2) 상부에 있어 단면이 사각형 형상으로 되도록 한 볼록한 부분(19a)를 갖고, 인접한 픽셀(7) 사이에 있어 홈부 바닥(19b)을 갖고 구성된다. 또한, 이와 같은 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 광이 입사되는 측의 면은, 평행광의 입사 방향에 대하여 수평하게 되도록 형성되어 있다. 상기 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 구성한 재료로서는, 스틸렌, 아크릴 등의 유기 수지나, P-SiO2, P-SiN 등의 무기물 재료를 이용할 수 있다.
평탄화 렌즈층(20)은, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 매입하고 피복하도록 형성되어 있고, 평탄화 렌즈층(20) 상부가 평탄화되어 형성되어 있다. 즉, 이 평탄화 렌즈층(20)은, 도 1에 나타내는 픽셀부(8)의 광입사면 전체를 한결같이 평탄하게 하도록 마련되어 있다. 평탄화 렌즈층(20)을 구성한 재료로서는, 불소 함유 수지나, P-SiO2, P-SiN 등의 무기물 재료를 이용할 수 있다. 또한, 평탄화 렌즈층(20)의 굴절율은, 하층의 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 굴절율보다도 낮아지도록 구성되어 있고, 공기의 굴절율과 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 굴절율의 중간의 굴절율으로 되어 있다.
여기에서, 도 3A 및 도 3B를 이용하여, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)로의 광의 집광의 원리를 설명한다.
도 3A 및 도 3B는, 사각형 형상을 갖는 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 이용한 경우에 온 칩 마이크로 렌즈(19) 내에 입사한 광의 진행 방향을 설명한 도면이다. 도 3A에 나타난 바와 같이, 사각형 형상을 갖는 온 칩 마이크로 렌즈(19)는 평탄화 렌즈층(20)보다도 굴절율이 크기 때문에, 온 칩 마이크로 렌즈(19)에 입사한 광의 속도(위상 속도)는 평탄화 렌즈층(20) 안을 진행하는 광의 속도보다도 늦어지고 위상차(La)가 발생한다. 그렇다면, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분과 홈부 바닥의 경계에서는 광의 위상차가 있기 때문에, 도 3B에 나타난 바와 같이 등위상면이 구부러지고, 입사광은 결과적으로 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분 방향에 집광되면서 진행해 간다. 즉, 본 실시 형태예에서는, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 이용함에 의해 입사광을 구부리고 집광시키는 것이 아니고, 광의 위상차를 이용하여 광을 집광한다는 점이다.
또한, 이와 같은 온 칩 마이크로 렌즈(19)에서는, 사각형 형상을 한 볼록한 부분의 높이(Z)를 조정함에 의해, 온 칩 마이크로 렌즈(19)가 원하는 집광력을 갖도록 설계할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)에 의해, 입사광은 수광부(2)에 입사하도록 집광된다. 또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 픽셀부(8)의 광입사면 전면에 평탄화 렌즈층(20)이 형성되어 있는 것에 의해, 공기와의 계면이 평탄하게 되기 때문에, 주기 구조에 기인한 반사 회절광이 절감된다. 이것에 의해 고스트 화상이나 플레어의 발생이 절감된다.
그리고, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 온 칩 마이크로 렌즈(19)와 평탄화 렌즈층(20)의 굴절율 차이가 작은 경우에도, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 높이(Z)를 높게 하는 것으로 집광력을 높일 수 있다.
[1. 3 고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 제조 방법에 관하여 설명한다. 도 4A 내지 도 6E는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 제조 방법을 나타내는 공정도면이다. 본 실시 형태예에 있어서, 컬러 필터층(18)을 형성하는 공정까지는, 통상 행해지는 고체 촬상 장치의 제조 방법과 동일하기 때문에, 설명을 생략하고, 컬러 필터층(18)을 형성한 이후의 공정으로부터 설명한다.
도 4A에 나타난 바와 같이, 컬러 필터층(18)이 형성된 후, 컬러 필터층(18) 위에 스틸렌, 아크릴 등의 유기 수지, 또는 P-SiO2, P-SiN 등의 무기물 재료로 이루어진 온 칩 마이크로 렌즈 기재(21)를 도포한다.
뒤이어, 도 4B에 나타난 바와 같이, 온 칩 마이크로 렌즈 기재(21) 상부에, 후막 레지스트층(22)을 도포형성한다.
뒤이어, 후막 레지스트층(22)을 포토 리소그래피법에 의해 노광 및 현상함에 의해, 도 5C에 나타난 바와 같이 패터닝하여, 레지스트 마스크(22a)를 형성한다. 본 실시 형태예에 있어서, 도 5C에 나타난 바와 같이, 인접한 픽셀간에 있어서 후막 레지스트층(22)이 제거되도록 패터닝 한다.
뒤이어, 패터닝 형성된 레지스트 마스크(22a)에 의해, 온 칩 마이크로 렌즈 기재(21)를 드라이 에칭하여, 드라이 에칭 종료 후, 레지스트 마스크(22a)를 제거한다. 이것에 의해, 도 5D에 나타난 바와 같이, 기판(9)에 형성된 수광부(2) 상부에 있어서 볼록한 부분(19a)을 갖고, 인접한 픽셀간에 있어 홈부 바닥(19b)을 갖는 사각형 형상으로 정형(整形)된 온 칩 마이크로 렌즈(19)가 완성된다.
뒤이어, 도 6E에 나타난 바와 같이, 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 매입하고 피복하도록 온 칩 마이크로 렌즈(19)상 전면에 평탄화 렌즈층(20)을 형성한다. 평탄화 렌즈층(20)은, 불소 함유 수지, P-SiO2, 또는 P-SiN으로 된 평탄화 재료를 CVD법에 의해 퇴적시키거나, 스핀 코트법을 이용하여 도포함에 의해 형성하고, 표면이 평탄하게 되도록 형성된다. 이상의 공정에 의해, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)가 형성된다.
[1. 4 고체 촬상 장치의 특성]
다음에, 비교예 1 및 비교예 2에 있어서 고체 촬상 장치를 나타내고, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 특성에 관하여 설명한다.
도 7은, 비교예 1에 관한 고체 촬상 장치(120)의 단면 구성도이고, 도 8은, 비교예 2에 관한 고체 촬상 장치(130)의 단면 구성도이다. 도 7 및 도 8에 있어서 고체 촬상 장치(120, 130)는, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈를 이용한 예이고, 도 7 및 도 8에 있어 도 20A에 대응한 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
도 7에 나타내는 비교예 1의 고체 촬상 장치(120)는, 도 20A에 도시된 종래예의 고체 촬상 장치(100)에서 온 칩 마이크로 렌즈(110) 윗면에, 평탄화 렌즈층(112)을 형성한 예이다. 이 비교예 1에 있어서 고체 촬상 장치(120)에서는, 도 20A에 도시된 종래예의 고체 촬상 장치(100)와 비교하여 평탄화 렌즈층(112)을 구성함에 의해, 굴절율이 낮은 공기(굴절율 = 1)와 공기에 비교하여 굴절율이 높은 렌즈 재료와의 계면에 주기 구조가 형성되어 있지 않다. 이에 의해, 종래예의 고체 촬상 장치(100)에서 문제가 되었던 플레어나 고스트 화상의 발생이 억제된다.
그렇지만, 비교예 1과 같이, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(110)의 그대로의 상부에 평탄화 렌즈층(112)을 형성한 구성에서는, 온 칩 마이크로 렌즈(110)와 평탄화 렌즈층(112)과의 굴절율 차가 작다. 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(110)를 이용한 경우에는, 입사광을 굴절시켜서 집광하고 있기 때문에, 굴절율 차가 작아진다면 집광력이 작아져 버리고, 감도 특성이 악화한다.
그러면, 이상적으로는 도 8의 비교예 2에 나타난 바와 같이 온 칩 마이크로 렌즈 (113)의 곡률 반경을 작게 하는 것으로, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(113) 위에 평탄화 렌즈층(112)를 형성한 경우에도, 감도 특성을 향상시키는 것을 할 수 있다.
그렇지만, 도 7 및 도 8에 나타낼 것 같은 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈는, 통상 포지티브 레지스트를 리플로우법에 의해 리플로우함에 의해 형성하기 때문에, 반구 이상의 곡률을 갖도록 형성할 수 없다.
또한, 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈면에 입사해 온 입사광(L1)은, 온 칩 마이크로 렌즈의 계면으로 반사하고, 그 반사광(L2)은, 인접한 픽셀에 입사한다. 특히, 곡률이 큰 온 칩 마이크로 렌즈(113)에서는, 계면 각도가 크기 때문에, 비교예 2에 있어서, 비교예 1과 비교하여, 큰 각도의 계면에 있어서 광의 반사율이 크게 증가한다. 그렇다면, 도 8에 도시된 고체 촬상 장치(130)에서는, 인접한 픽셀에 입사하는 광이 많아지고 분광 특성이 손상된다. 이와 같이, 계면 반사에 의해 인접한 픽셀에 입사한 광은 혼색의 원인이 된다. 혼색 특성은 노이즈이기 때문에, 근소한 양이라도, 특성 악화의 원인이 된다.
따라서 비교예 1 및 비교예 2에 있어서 고체 촬상 장치(120, 130)에서는, 고스트 화상의 발생을 억제할 수 있다고 해도, 감도 특성과 혼색 특성이 악화되기 때문에 실용적이지 못하고, 또한, 비교예 2에 있어서 고체 촬상 장치(130)에 관해서는 제조상 실현이 곤란하다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 도 2에 나타난 바와 같이 온 칩 마이크로 렌즈(19)가 사각형 형상으로 되기 때문에 온 칩 마이크로 렌즈(19)에 입사한 입사광(L1)은, 계면에 있어 반사되고, 그 반사광(L2)은 계면에 수직한 방향으로 진행한다. 이 때문에, 인접한 픽셀에 입사하는 것이 없게 된다. 이에 의해, 혼색이 절감된다. 또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 도 6A 및 도 6B를 이용하여 설명한 것처럼, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 집광 특성은, 사각형 형상의 볼록한 부분의 높이(Z)를 조정함에 의해 높인 것을 할 수 있다. 이 때문에, 높이(Z)를 조정함에 의해 비교예 2와 동일한 집광력을 얻을 수 있다. 이것에 의해, 감도 특성을 향상시킬수 있다.
도 9 내지 도 13을 이용하여, 도 20A에 도시된 종래예의 고체 촬상 장치(100), 도 7에 도시된 비교예 1의 고체 촬상 장치(120), 도 8에 도시된 비교예 2의 고체 촬상 장치(130), 및, 도 2에 도시된 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)의 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 9 내지 도 13에 있어, 종래예의 고체 촬상 장치(100)를 샘플 A로서, 비교예 1의 고체 촬상 장치(120)를 샘플 B로서, 비교예 2의 고체 촬상 장치(130)를 샘플 C로서, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)를 샘플D로서 나타낸다.
도 9는, 각 고체 촬상 장치를 카메라 세트에 내장한 경우, 촬영시에 발생한 고스트 화상 강도를 시뮬레이션 한 결과이고, 고휘도 피사체 촬상 픽셀의 감도에 대한 고스트 화상 부분의 픽셀의 휘도 신호의 비율을 측정하는 것이다. 이 고스트 화상 강도는, 일차 회절광의 강도를 측정함에 의해 측정된다.
도 9에 나타난 바와 같이, 평탄화 렌즈층이 형성되어 있지 않는 샘플A와 비교하여, 평탄화 렌즈층을 형성한 샘플 B, C, D에서는, 고스트 화상 부분의 감도 신호의 출력이 10분의 1 이하로 떨어지고 있다. 이것에 의해, 평탄화 렌즈층에 의해 고스트 화상의 발생이 억제되는 효과가 인정된다.
도 10은, 백색 감도를 시뮬레이션에 의해 측정한 결과이고, 샘플A(종래예의 고체 촬상 장치)에 있어서 측정 결과에서 규격화된 것이다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플B에서는, 온 칩 마이크로 렌즈와 평탄화 렌즈층의 굴절율 차가 작고, 온 칩 마이크로 렌즈의 구면 형상의 곡률이 작기 때문에, 광의 굴절력을 얻을 없고 집광 특성이 악화되고, 감도가 좋지 않다. 그것에 비교하여, 온 칩 마이크로 렌즈의 구면 형상을 이상적인 곡률이라고 한 샘플C와, 온 칩 마이크로 렌즈를 사각형 형상에 한 샘플D에서는, 감도 특성이 좋아지고 있다. 또한, 샘플D에서는, 샘플A나 샘플C와 동등 이상의 감도 특성을 얻을 수 있다.
도 11은, 혼색률(임의의 메모리 : arbitrary unit로 표시)을 시뮬레이션에 의해 측정한 결과이다. 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플C의 혼색률이 가장 높고, 샘플D에서는, 샘플A 및 샘플B의 혼색률보다도 낮은 혼색률에 억제되고 있는 것이 밝혀진다.
도 12는, 비교예 1 및 비교예 2의 고체 촬상 장치(120, 130)에 있어, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(110)(113)의 두께, 및 평탄화 렌즈층(112)의 굴절율 변화에 대응한 감도 특성의 변화를 나타난 도면이다. 이 경우의 두께는, 온 칩 마이크로 렌즈의 단면의 가장 두꺼운 부분의 두께로 한다. 또한, 도 13은, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에 있어, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 높이(도 6A로 나타난 높이(Z)에 상당), 및 평탄화 렌즈층(20)의 굴절율 변화에 대응한 감도 특성의 변화를 나타난 도면이다. 도 12 및 도 13은, 모두, 종래예의 고체 촬상 장치(100)에서 측정한 감도에 의해 규격화된 것이고, 또한, 1. 75μm 피치의 픽셀 셀로 시뮬레이션 한 결과이다.
도 12 및 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 각 온 칩 마이크로 렌즈의 두께(높이)를 크게 함에 의해 감도가 향상되고, 종래예의 고체 촬상 장치(1)과 동등하거나 또는 그 이상의 감도를 얻을 수 있다는 것이 밝혀진다.
그렇지만, 전술한 바와 같이, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(110)(113)은 리플로우 제조 방법에 의해 형성하기 때문에 형성 가능한 두께(곡률의 비례)에는 제한이 있고, 도 12의 파선으로 포함하는 범위 내에서 형성하는 것이 실제로는 가능하지 않다. 즉, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈의 두께가 0. 85nm 내지 0. 95nm의 부근이 비교예 2에서 나타난 고체 촬상 장치(130)에 대응하고, 이 범위내에 있어 감도 특성은 양호하게 얻어지지만 실제로 제조는 가능하지 않다. 이 때문에, 높은 감도를 얻으려고 하면, 평탄화 렌즈층(112)의 굴절율을 낮게 할 필요가 있고, 그 때문에, 평탄화 렌즈층(112)의 재료로서 선택할 수 있는 재료가 한정되어 있다.
이에 비해, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)는 제조 가능한 높이의 제약이 없다. 이 때문에, 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 높게 형성함에 의해, 양호한 감도 특성을 얻을 수 있는 평탄화 렌즈층(20)의 굴절율의 선택폭은 넓게 된다.
이처럼, 감도 특성에 관해서는, 제조 방법의 관점에서 보아도 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)가, 종래예의 고체 촬상 장치(100), 비교예 1의 고체 촬상 장치(120), 및 비교예 2의 고체 촬상 장치(130) 보다도 뛰어난 것이 밝혀졌다.
이상의 시뮬레이션 결과로부터, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈 위에 평탄화 렌즈층을 설치한 구성(비교예 1 및 비교예 2)에서는, 고스트 화상의 발생이 억제될 수 있는 것이지만, 감도 특성의 악화나 혼색의 발생을 피할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 이에 대하여, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 고스트 화상의 발생을 억제하고, 또한 감도의 향상이나 혼색률의 저하가 도모되고, 이것에 의해, 화질의 향상이 도모되는 것이 밝혀졌다. 또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 온 칩 마이크로 렌즈(19)가 사각형 형상이기 때문에, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈에 비교하여 설계 변경이 용이하고, 필요한 집광력 등의 성능을 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(1)에서는, 단면이 사각형 형상을 갖는 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 이용한 예를 나타냈지만, 단면이 사각형 형상으로 형성되고 크기가 다른 렌즈를 2층 적층시키고 온 칩 마이크로 렌즈를 구성해도 좋다. 그 경우는, 하층에 면적의 큰 단면이 사각형 형상의 렌즈를 구성하고, 그 상층에 하층의 렌즈의 면적보다도 작은 면적으로 구성된 단면이 사각형 형상의 렌즈를 구성한다.
〈2. 제2의 실시 형태 : 고체 촬상 장치〉
다음에, 본 발명의 제2의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관하여 설명한다. 도 14는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)의 픽셀부(8)의 단면 구성도이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)의 전체 구성은, 도 1과 마찬가지이기 때문에 도시를 생략한다. 또한, 도 10에 있어 도 2에 대응한 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
[2.1 고체 촬상 장치의 구성]
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)에서는, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19) 위에, 제1 평탄화 렌즈층(23) 및 제2 평탄화 렌즈층(24)으로 구성된 2층의 평탄화 렌즈층이 구성된다.
제1 평탄화 렌즈층(23)은, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 홈부 바닥(19b)에 매입되어 형성되어 있고, 제1 평탄화 렌즈층(23)의 윗면은 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분(19a) 윗면과 동일면하게 되도록 형성되어 있다.
제2 평탄화 렌즈층(24)은, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분(19a) 윗면과, 제1 평탄화 렌즈층(23)의 윗면을 피복하여 형성되어 있고, 광입사면으로 된 상부가 평탄하게 되도록 형성되어 있다.
제1 평탄화 렌즈층(23) 및 제2 평탄화 렌즈층(24)은, 불소 함유 수지, P-SiO2, 또는 P-SiN 등의 무기물 재료로 구성되어 있고, 제2 평탄화 렌즈층(24)의 굴절율(n2) 은, 제1 평탄화 렌즈층(23)의 굴절율(n1) 보다도 높게 구성된다. 또한, 제1 평탄화 렌즈층(23) 및 제2 평탄화 렌즈층(24)의 굴절율은, 어느쪽 이라도, 온 칩 마이크로 렌즈의 굴절율(n0) 보다도 낮아지도록 구성된다. 즉, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 굴절율(n0), 제1 평탄화 렌즈층(23)의 굴절율(n1), 제2 평탄화 렌즈층(24)의 굴절율(n2) 의 관계는, n0 >n2 >n1의 관계가 되도록 구성된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)에서는, 제1 평탄화 렌즈층(23)의 굴절율(n1)을, 제2 평탄화 렌즈층(24)의 굴절율(n2) 보다도 낮게 구성함에 의해, 입사한 광의 굴절에 기여하는 위상차가 발생하기 쉬워진다. 이것에 의해, 입사광의 수광부(2)에 대한 집광력이 높아지고 감도가 향상한다.
[2. 2 고체 촬상 장치의 제조 방법]
다음에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)의 제조 방법에 관하여 설명한다. 도 15A 내지 16C는, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)의 제조 방법을 나타내는 공정 도면이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)의 제조 방법에서, 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 형성하는 공정까지는, 제1의 실시 형태에 있어 도 3A 내지 도 4D를 이용하여 설명하는 공정과 마찬가지이기 때문에, 도 3A 내지 도 4D를 원용하고, 설명을 생략한다.
도 15A에 나타난 바와 같이, 온 칩 마이크로 렌즈(19)가 형성된 후, 온 칩 마이크로 렌즈를 매입하도록 온 칩 마이크로 렌즈(19)상 전면에 제1 평탄화 렌즈층(23)을 형성한다. 제1 평탄화 렌즈층(23)은, 불소 함유 수지, P-SiO2, 또는 P-SiN으로 된 평탄화 재료를 CVD법에 의해 퇴적시키거나, 스핀 코트법을 이용하여 도포하거나 하여 형성한다. 여기에서, 제1 평탄화 렌즈층(23)을 구성한 재료는, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 홈부 바닥에 매입되기 때문에, 매입성이 좋은 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
다음에, 도 15B에 나타난 바와 같이, 제1 평탄화 렌즈층(23)이 형성된 후, 제1 평탄화 렌즈층(23)의 윗면이 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분(19a) 윗면과 동일면에 오기까지, 에치 백에 의해 제1 평탄화 렌즈층(23)을 제거한다. 본 실시 형태예에서는, 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 사각형 형상으로 형성하고 있기 때문에, 에치 백(etch back)하는 경우에 에치 레이트가 가파르게 변한다. 이 때문에, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분(19a) 윗면을 에치 스톱으로서 이용할 수 있다.
그 후, 도 16C에 나타난 바와 같이, 온 칩 마이크로 렌즈(19) 및 제1 평탄화 렌즈층(23) 상부에, 제2 평탄화 렌즈층(24)을 형성한다. 제2 평탄화 렌즈층(24)은, 불소 함유 수지, P-SiO2, 또는 P-SiN으로 된 평탄화 재료를 CVD법에 의해 퇴적시키거나, 스핀 코트법을 이용하여 도포하거나 하여 형성한다. 상기 제2 평탄화 렌즈층(24)은, 표면이 평탄하게 되도록 형성되기 위해, 도포 평탄성이 높은 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
이상의 공정에 의해, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)이 형성된다.
이처럼, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)에서는, 온 칩 마이크로 렌즈(19)가 사각형 형상이기 때문에, 제1 평탄화 렌즈층(23)을 에치 백에 의해 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분(19a) 윗면까지 제거하고, 그 후 제2 평탄화 렌즈층(24)을 형성할 수 있다. 이 때문에, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 홈부 바닥(19b)에 매입된 제1 평탄화 렌즈층(23)과, 온 칩 마이크로 렌즈(19)의 볼록한 부분(19a) 상부에 형성된 제2 평탄화 렌즈층(24)을 재질을 바꾸어 형성할 수 있다. 이와 같은 구성은, 구면 형상의 온 칩 마이크로 렌즈를 이용한 비교예 1 및 비교예 2의 고체 촬상 장치로는 실현이 곤란한 것하다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(10)에서는, 온 칩 마이크로 렌즈(19)를 매입한 평탄화 렌즈층을, 제1 평탄화 렌즈층(23)과 제2 평탄화 렌즈층(24)의 2층으로 구성함에 의해, 입사광의 위상차를 크게 할 수 있기 때문에, 집광력을 향상할 수 있다. 이것에 의해, 감도의 향상이 도모된다.
그 밖에, 제1의 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
〈3. 제3의 실시 형태 : 고체 촬상 장치〉
다음에, 본 발명의 제3의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관하여 설명한다. 도 17은, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(30)의 수평 방향에 인접한 픽셀의 단면 구성도이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(30)의 전체 구성은, 도 1과 마찬가지이기 때문에 도시를 생략한다. 또한, 도 17에 있어 도 2에 대응한 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
도 17에 나타난 바와 같이, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(30)에 있어서 온 칩 마이크로 렌즈(25)는, 서브 파장 광학 소자에 의해 구성된다. 이 서브 파장 광학 소자로 된 온 칩 마이크로 렌즈(25)는, 사각형 형상으로 형성된 렌즈의 볼록한 부분(25a) 윗면의 주변부에 복수의 미세한 홈부(27)가 형성됨에 의해 서브 파장 회절 격자가 형성되어 있다. 이 온 칩 마이크로 렌즈(25)에서는, 홈부(27)가 형성되지 않는 볼록한 부분(25a) 윗면이 평탄한 영역(26)의 직경은, 입사된 광의 파장과 동일한 정도가 그것보다도 크게 구성되어 있고, 홈부(27)의 선폭은 입사된 광의 파장과 동일한 정도나 그것보다도 작게 형성되어 있다. 또한, 이 온 칩 마이크로 렌즈(25)는, 굴절율 분포가 프레넬 형(Fresnel type)하게 되도록 홈부(27)가 구성된다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(30)에 있어도, 온 칩 마이크로 렌즈(25)는 평탄화 렌즈층(20)에 매입된 구성으로 되어 있고, 평탄화 렌즈층(20) 윗면은 평탄하게 되어 있다. 본 실시 형태예로는, 온 칩 마이크로 렌즈(25)를 구성한 홈부(27)가 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈(25) 윗면에 형성되어 있는 예이지만, 홈부(27)를 컬러 필터층(18)이 노출하도록 형성하여도 양호하게 서브 파장 회절 격자는 여러 가지의 구성이 가능하다.
본 실시 형태예의 온 칩 마이크로 렌즈(25) 및 평탄화 렌즈층(20)의 재료는, 제1의 실시 형태로 나타난 재료를 이용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(30)는, 컬러 필터층(18) 위에, 통상 행해지는 방법으로 서브 파장 광학 소자로 된 온 칩 마이크로 렌즈(25)를 형성한 후, 평탄화 렌즈층(20)을 형성함에 의해, 형성할 수 있다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(30)에 있어서 온 칩 마이크로 렌즈(25)는, 서브 파장 회절 격자에 의해 프레넬 형의 굴절율 분포가 이루어지고 있다. 이와 같이 구성된 온 칩 마이크로 렌즈(25)에 의해, 입사광은 집광되고 수광부(2)에 입사된다.
이와 같은 온 칩 마이크로 렌즈(25)에서는, 격자의 폭이나 위치 등에 변조를 가하는 것으로, 임의의 굴절율 분포가 실현할 수 있고, 굴절율 분포를 매우 적합하게 설계함에 의해 집광 특성을 보다 높인 것을 할 수 있기 때문에 감도의 향상이 도모된다.
그 밖에, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치에 있어도, 제1의 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
〈4. 제4의 실시 형태 : 고체 촬상 장치〉
다음에, 본 발명의 제4의 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 관하여 설명한다.
도 18은, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(40)의 수평 방향에 인접한 픽셀의 단면 구성도이다. 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(40)의 전체 구성은, 도 1과 마찬가지이기 때문에 도시를 생략한다. 또한, 도 18에 있어 도 2에 대응한 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(40)는, 온 칩 마이크로 렌즈(41)에, 프레넬 렌즈를 이용한 예이다. 또한, 본 실시 형태예에 있어도, 온 칩 마이크로 렌즈(41)를 피복하고, 표면이 평탄하게 되도록 평탄화 렌즈층(20)이 형성되어 있다. 이 프레넬 렌즈로 된 온 칩 마이크로 렌즈(41)에 의해, 입사된 광은 효과적에 집광되고 수광부(2)에 입사한다.
본 실시 형태예의 온 칩 마이크로 렌즈(41) 및 평탄화 렌즈층(20)의 재료는, 제1의 실시 형태로 나타난 재료를 이용할 수 있다. 또한, 본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(40)는, 컬러 필터층(18) 위에, 통상 행해지는 방법으로 프레넬 렌즈로 된 온 칩 마이크로 렌즈(41)를 형성한 후, 평탄화 렌즈층(20)을 형성함에 의해, 형성할 수 있다.
본 실시 형태예의 고체 촬상 장치(40)에 있어도, 온 칩 마이크로 렌즈(41) 위에, 평탄화 렌즈층(20)이 형성되어 있기 때문에, 공기와 접한 광의 입사 계면에 주기 구조가 형성되지 않기 때문에, 고스트 화상의 발생이 억제된다. 또한, 온 칩 마이크로 렌즈(41)에 프레넬 렌즈를 이용함에 의해, 온 칩 마이크로 렌즈(41)의 굴절력을 크게 조정하는 것이 가능해지고, 집광 특성이 향상하기 때문에, 감도 특성이 향상된다.
상술한 제1의 실시 형태 내지 제4의 실시 형태로는, CCD형의 고체 촬상 장치를 예로서 설명했지만, CMOS( Complementary Metal Oxide Semiconductor )형의 고체 촬상 장치에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다. 그 경우에도, 감도 특성 및 혼색 특성이 향상되고, 또한, 고스트 화상의 발생이 억제되는 고체 촬상 장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 고체 촬상 장치에의 적용에 한정되는 것이 아니고, 촬상 장치에도 적용 가능하다. 여기에서, 촬상 장치란, 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 전자 기기에 관련된 것을 말한다. 또한, 전자 기기에 탑재된 상기 모듈상의 형태, 즉 카메라 모듈을 촬상 장치로 한 경우도 있다. 이하에, 본 발명의 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기에 관하여 설명한다.
〈5. 제5의 실시 형태 : 전자 기기〉
도 19에 본 발명의 제5의 실시 형태에 관한 전자 기기(200)의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태예의 전자 기기(200)는, 상술한 본 발명의 제1의 실시 형태에 있어서 고체 촬상 장치(1)를 카메라에 이용한 경우의 실시 형태를 나타낸다.
도 9에, 본 실시 형태예에 관한 전자 기기(200)의 단면 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에 관한 전자 기기(200)는, 정지 화상 촬영이 가능한 디지털 카메라를 예로 든 것이다.
본 실시 형태에 관한 전자 기기(200)는, 고체 촬상 장치(1)와, 광학 렌즈(210)와, 구동 회로(212)와, 신호 처리 회로(213)를 갖는다.
광학 렌즈(210)는, 피사체로부터의 상광(image light)(입사광)을 고체 촬상 장치(1)의 촬상 면상에 결상시킨다. 이것에 의해 고체 촬상 장치(1) 내에 일정 기간 해당 신호 전하가 축적된다. 구동 회로(212)는, 고체 촬상 장치(1)의 전송 동작 신호를 공급한다. 구동 회로(212)로부터 공급된 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 고체 촬상 장치(1)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(213)은, 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 행해진 영상 신호는 메모리 등의 기억 매체에 기억되고, 또는 모니터에 출력된다.
본 실시 형태예의 전자 기기(200)에서는 고체 촬상 장치(1)에 있어 감도 특성의 향상, 혼색의 절감이 이루어지고, 또한 고스트 화상 발생의 억제가 도모되고 있기 때문에, 전자 기기에 있어, 화질의 향상이 도모된다.
고체 촬상 장치(1)를 적용할 수 있는 전자 기기로서는, 디지털 카메라에 한정되는 것이 아니고, 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치에 적용이 가능하다.
본 실시 형태예에 있어서는, 고체 촬상 장치(1)를 전자 기기에 이용한 구성으로 했지만, 전술한 제2의 실시 형태에 있어서 고체 촬상 장치를 이용하는 것도 가능한다.
1 : 고체 촬상 장치 2 : 수광부
3 : 수직 전송 레지스터 4 : 수평 전송 레지스터
5 : 출력 회로 6 : 기판
7 : 픽셀 7 : 단위 픽셀
8 : 픽셀부 9 : 기판
10 : 고체 촬상 장치 11 : 전송 채널부
12 : 소자 분리 영역 13 : 판독 채널부
14 : 게이트 절연막 15 : 전송 전극
16 : 층간 절연막 17 : 배선층
18 : 컬러 필터층 19 : 온 칩 마이크로 렌즈
19a : 볼록한 부분 19b : 홈부 바닥
20 : 평탄화 렌즈층 21 : 온 칩 마이크로 렌즈 기재
22 ; 후막 레지스트층 22a : 레지스트 마스크
23 : 제1 평탄화 렌즈층 24 : 제2 평탄화 렌즈층

Claims (13)

  1. 기판에 형성되고, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 수광부와,
    상기 수광부상의 광이 입사되는 측에 형성된 사각형(矩型) 형상, 또는 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈와,
    상기 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하고, 광이 입사되는 면이 평탄하게 되도록 형성된 평탄화 렌즈층을 포함하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평탄화 렌즈층의 굴절율은 공기의 굴절율보다도 크고, 상기 온 칩 마이크로 렌즈의 굴절율보다도 작은 굴절율을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평탄화 렌즈층은, 상기 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면의 높이까지 매입된 제1 평탄화 렌즈층과, 상기 제1 평탄화 렌즈층의 굴절율과는 다른 굴절율을 갖고, 상기 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면과 상기 제1 평탄화 렌즈층 윗면을 피복하도록 형성된 제2 평탄화 렌즈층으로 구성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 평탄화 렌즈층의 굴절율은, 상기 제2 평탄화 렌즈층의 굴절율보다도 낮고, 상기 제2 평탄화 렌즈층의 굴절율은, 상기 온 칩 마이크로 렌즈의 굴절율보다도 낮은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈는 프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 상기 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈는, 서브 파장 광학 소자인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서,
    기판에, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 수광부를 형성하는 공정,
    상기 수광부상의 광이 입사되는 측에, 사각형 형상, 또는 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈를 형성하는 공정,
    상기 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하고, 광이 입사되는 면이 평탄하게 되도록 형성 평탄화 렌즈층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 평탄화 렌즈층의 굴절율은, 상기 온 칩 마이크로 렌즈의 굴절율보다도 낮은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈는, 프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈는, 서브 파장 광학 소자인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  11. 기판에, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 수광부를 형성하는 공정,
    상기 수광부상의 광이 입사되는 측에, 사각형 형상의 온 칩 마이크로 렌즈를 형성하는 공정,
    상기 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하도록, 제1 평탄화 렌즈층을 형성하는 공정,
    상기 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면이 노출할 때까지, 상기 제1 평탄화 렌즈층을 제거하는 공정,
    상기 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면과, 상기 온 칩 마이크로 렌즈의 윗면의 높이까지 매입된 제1 평탄화 렌즈층의 윗면에, 제2 평탄화 렌즈층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 평탄화 렌즈층의 굴절율은 상기 제2 평탄화 렌즈층의 굴절율보다도 낮고, 상기 제2 평탄화 렌즈층의 굴절율은 상기제 온 칩 마이크로 렌즈의 굴절율보다도 낮은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  13. 광학 렌즈와,
    기판에 형성되고, 입사광에 대응하는 신호 전하를 생성하는 수광부와, 상기 수광부상의 광이 입사되는 측에 형성된 사각형 형상, 또는 굴절율 분포형의 온 칩 마이크로 렌즈와, 상기 온 칩 마이크로 렌즈를 피복하고, 광이 입사되는 면이 평탄하게 되도록 형성된 평탄화 렌즈층을 포함하여 구성되고, 상기 광학 렌즈에 집광된 광이 입사되는 고체 촬상 장치와,
    상기 고체 촬상 장치로부터 출력된 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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