JP2008172091A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率が高い固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１においては、基板２が設けられており、基板２の表層部にはフォトダイオード３がマトリクス状に形成されている。また、基板２上には第１のマイクロレンズ１０が形成されており、それより上方には第２のマイクロレンズ１２が形成されている。基板２に垂直な方向から見て、第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２とは、市松模様状に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、受光部ごとにマイクロレンズを設けた固体撮像装置に関する。

従来より、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）センサーなどの固体撮像装置においては、半導体基板の表層部に複数の光電変換部が形成されており、半導体基板上には配線層が設けられており、配線層上における光電変換部に対応する位置には、それぞれマイクロレンズが設けられている。半導体基板の表面に垂直な方向から見て、光電変換部はマトリクス状に配列されており、マイクロレンズは光電変換部に一対一で対応しているため、マイクロレンズもマトリクス状に配列されている（例えば、特許文献１参照。）。

このようなマイクロレンズは、配線層上に感光性のレンズ材料を塗布して材料層を形成し、この材料層をフォトリソグラフィ法によってパターニングして、マイクロレンズが形成される予定の領域ごとに区画し、その後、区画された材料層をリフローすることにより形成される。このとき、区画された材料層がリフローによって溶融し、表面張力によってそれぞれ液滴形状となり、これが凝固することによってレンズ形状となる。

しかしながら、このような従来の固体撮像装置には、以下に示すような問題点がある。すなわち、上述の如く、半導体基板の表面に垂直な方向から見て、マイクロレンズはマトリクス状に配列されているが、各マイクロレンズの形状は円形である。また、材料層を溶融させてマイクロレンズを形成する際に、区画された材料層同士が接触してしまうと最適なレンズ形状が得られないため、マイクロレンズ同士は離隔して形成する必要がある。このため、隣り合うマイクロレンズ間には必然的に隙間が形成されてしまい、特に、マトリクスの斜め方向において隣り合うマイクロレンズ間には大きな隙間が形成されてしまう。このような隙間は、入射した光が光電変換部に到達しない無効領域となる。このため、従来の固体撮像装置は、光の利用効率が低く、感度が低い。

特開２００５−３１７７５２号公報

本発明の目的は、光の利用効率が高い固体撮像装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板にマトリクス状に形成された光電変換部と、前記基板上における一部の前記光電変換部に対応する位置に設けられた第１のマイクロレンズと、前記第１のマイクロレンズよりも上方であって、残りの前記光電変換部に対応する位置に設けられた第２のマイクロレンズと、を備え、前記基板の表面に垂直な方向から見て、前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとは市松模様状に配置されていることを特徴とする固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、光の利用効率が高い固体撮像装置を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図であり、
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の下層及び上層のマイクロレンズの位置関係を例示する平面図である。
なお、図２においては、図を見易くするために、マイクロレンズ以外の構成要素は、図示を省略している。

本実施形態に係る固体撮像装置は、例えばＣＭＯＳセンサーである。図１に示すように、固体撮像装置１においては、基板２が設けられており、基板２の表層部には、光電変換部としてのフォトダイオード３が形成されている。基板２の表面に垂直な方向から見て（以下、「平面視で」という）、フォトダイオード３はマトリクス状に配列されている。ここで、基板２としては、例えばシリコン基板を用いることができる。

また、基板２上には、配線層４が設けられている。配線層４においては、例えば、ＴＥＯＳ（Tetra-Etyl-Ortho-Silicate：正珪酸四エチル（Si(OC₂H₅)₄））によって形成された層間絶縁膜５内に、金属配線６が多層に埋設されている。金属配線６は、フォトダイオード３の直上域には配設されておらず、直上域間の領域のみに配設されている。

更に、配線層４上には、ベース層７が設けられている。ベース層７は、平坦化及び光の反射防止のために設けられており、また、固体撮像装置１の製造に際して、レジスト層の露光時に金属配線６によって反射された光を吸収する役割も果たしている。ベース層７は、例えば、アクリル系の透明樹脂によって形成されており、露光にｉ線を用いる場合には、ｉ線吸収剤が含有されている。更にまた、ベース層７上には、カラーフィルター層８が設けられている。カラーフィルター層８は、フォトダイオード３ごとに着色されており、例えば、赤、緑、青に着色されている。更にまた、カラーフィルター層８上には、第１のオーバーコート層９が設けられている。第１のオーバーコート層９は平坦化のために設けられており、例えば、アクリル系の透明樹脂によって形成されている。

そして、第１のオーバーコート層９上には、複数個の第１のマイクロレンズ１０が設けられている。そして、これらの第１のマイクロレンズ１０は第２のオーバーコート層１１によって埋め込まれており、第２のオーバーコート層１１の上面は平坦になっている。第２のオーバーコート層１１も、第１のオーバーコート層９と同様に、例えばアクリル系の透明樹脂により形成されており、平坦性を確保している。

また、第２のオーバーコート層１１上には、複数個の第２のマイクロレンズ１２が設けられている。従って、第２のマイクロレンズ１２は第１のマイクロレンズ１０よりも上方に位置している。第２のマイクロレンズ１２は、例えば固体撮像装置１の上面において露出している。

マイクロレンズ１０及び１２はオンチップマイクロレンズであり、例えば、有機材料によって形成されており、例えば、ノボラック系の樹脂により形成されている。また、上層の第２のマイクロレンズ１２の曲率は、下層の第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きい。すなわち、第２のマイクロレンズ１２の曲率半径は第１のマイクロレンズ１０の曲率半径よりも小さい。更に、第２のマイクロレンズ１２の直径は第１のマイクロレンズ１０の直径よりも小さい。

マイクロレンズ１０及び１２は、それぞれフォトダイオード３に対応する位置に配置されており、１つのフォトダイオード３には１つのマイクロレンズ１０又は１つのマイクロレンズ１２が対応している。すなわち、第１のマイクロレンズ１０は、フォトダイオード３に対応する位置のうち一部の位置に配置されており、第２のマイクロレンズ１２は、残りの位置に配置されている。例えば、固体撮像装置１の撮像面の中央部では、マイクロレンズ１０及び１２は対応するフォトダイオード３の直上域に配置されており、撮像面の周辺部では、マイクロレンズ１０及び１２は対応するフォトダイオード３の直上域から固体撮像装置１の中心軸に寄った位置に配置されている。これにより、１つのマイクロレンズ１０又は１２によって集光された光が、１つのフォトダイオード３に入射する。

そして、図２に示すように、平面視で、第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２とは、市松模様状に配置されている。すなわち、フォトダイオード３の相互に直交する２つの配列方向、すなわち、行方向及び列方向の双方において、第１のマイクロレンズ１０及び第２のマイクロレンズ１２は交互に配列されている。このため、第２のマイクロレンズ１２は、第１のマイクロレンズ１０の斜め上方に位置している。また、第１のマイクロレンズ１０同士は離隔しており、第２のマイクロレンズ１２同士も離隔している。更に、平面視で、隣り合う第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２とは重なり合っており、両マイクロレンズ間に隙間は存在しない。更にまた、第１のマイクロレンズ１０は第２のマイクロレンズ１２によって集光された光の光路に介在しないように配置されている。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置の動作を例示する光学モデル図である。
なお、図３においては、固体撮像装置の構成要素のうち、光学的な動作に実質的に影響を与えない構成要素は図示を省略している。

図３に示すように、図示の上方から固体撮像装置１の撮像面に入射した光Ｌのうち、上層の第２のマイクロレンズ１２に入射した光は、第２のマイクロレンズ１２によって集光される。一方、光Ｌのうち第２のマイクロレンズ１２に入射しなかった光は、下層の第１のマイクロレンズ１０に入射し、第１のマイクロレンズ１０によって集光される。上述の如く、平面視で、第１のマイクロレンズ１０と第２のマイクロレンズ１２との間には隙間が存在しないため、光Ｌのうち第２のマイクロレンズ１２に入射しなかった光は、そのほぼ全てが第１のマイクロレンズ１０に入射する。これにより、固体撮像装置１の撮像面に入射した光Ｌは、第２のマイクロレンズ１２及び第１のマイクロレンズ１０のうちいずれか一方のみに入射する。

そして、マイクロレンズ１２又は１０によって集光された光は、図１に示す第１のオーバーコート層、カラーフィルター層８、ベース層７及び配線層４を通過して、基板２に形成されたフォトダイオード３に入射する。フォトダイオード３に入射した光は電気信号に変換され、金属配線６を介して転送される。このとき、配線層４には金属配線６が形成されているが、金属配線６は第２のマイクロレンズ１２及び第１のマイクロレンズ１０とフォトダイオード３とを結ぶ光路上には配置されていないため、集光の邪魔になることはない。また、第２のマイクロレンズ１２の周辺部の直下域には第１のマイクロレンズ１０の周辺部が存在しているが、第２のマイクロレンズ１２の曲率は相対的に大きいため、第２のマイクロレンズ１２によって集光された光が第１のマイクロレンズ１０に入射することはない。

次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の製造方法について説明する。
図４（ａ）乃至（ｃ）及び図５（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図４及び図５においては、図を簡略化するために、ベース層７（図１参照）、カラーフィルター層８（図１参照）及び第１のオーバーコート層９（図１参照）は図示を省略している。また、配線層４において、金属配線６（図１参照）も図示を省略している。

先ず、図４（ａ）に示すように、基板２の表層に、複数のフォトダイオード３をマトリクス状に形成する。次に、層間絶縁膜５（図１参照）及び金属配線６（図１参照）を交互に堆積させて、配線層４を形成する。次に、配線層４上にベース層７（図１参照）及びカラーフィルター層８（図１参照）を形成する。次に、カラーフィルター層８上に第１のオーバーコート層９（図１参照）を形成する。そして、第１のオーバーコート層９上に、例えば有機材料からなるマイクロレンズ材をスピンコート塗布にて形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりマイクロレンズ材２１をパターニングし、第１のマイクロレンズ１０を形成する予定の領域のみにマイクロレンズ材２１を残留させる。すなわち、平面視で、フォトダイオード３に対応する領域のうちの一部に、例えば正方形状に区画化されたマイクロレンズ材２１のパターンを、市松模様状に残留させる。

次に、図４（ｃ）に示すように、リフローを行い、パターニングしたマイクロレンズ材２１を溶融させる。これにより、マイクロレンズ材２１の各パターンが表面張力によって液滴形状となる。その後、マイクロレンズ材２１を冷却して凝固させる。この結果、マイクロレンズ材２１から第１のマイクロレンズ１０が形成される。

次に、図５（ａ）に示すように、第１のマイクロレンズ１０を埋め込むように、第２のオーバーコート層１１を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、第２のオーバーコート層１１上に、例えば有機材料からなるマイクロレンズ材２２をスピンコート塗布にて形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法によりマイクロレンズ材２２をパターニングし、第２のマイクロレンズ１２を形成する予定の領域のみにマイクロレンズ材２２を残留させる。すなわち、平面視で、フォトダイオード３に対応する領域のうち、第１のマイクロレンズ１０が設けられていない領域に、例えば正方形状のマイクロレンズ材２２のパターンを市松模様状に残留させる。このとき、平面視で、マイクロレンズ材２２の各パターンの大きさを、図４（ｂ）に示す工程において形成したマイクロレンズ材２１の各パターンの大きさよりも小さくする。

次に、図５（ｄ）に示すように、パターニングしたマイクロレンズ材２２をリフローし、液滴形状とする。これにより、マイクロレンズ材２２から第２のマイクロレンズ１２を形成する。このとき、第２のマイクロレンズ１２の直径は、第１のマイクロレンズ１０の直径よりも小さくなり、第２のマイクロレンズ１２の曲率は、第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きくなる。以上の工程により、図１に示す固体撮像装置１が製造される。

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、マイクロレンズを２層に形成し、第１及び第２のマイクロレンズを市松模様状に配置することにより、第１のマイクロレンズ同士及び第２のマイクロレンズ同士はそれぞれ十分に離隔しつつ、平面視では第２のマイクロレンズ１２と第１のマイクロレンズ１０とを隙間無く配置することができる。これにより、マイクロレンズ間の無効領域を低減し、固体撮像装置１の撮像面に入射した光の大部分を第２のマイクロレンズ１２又は第１のマイクロレンズ１０に入射させることができる。従って、本実施形態に係る固体撮像装置１は、光の利用効率が高い。

また、本実施形態によれば、第１の及び第２のマイクロレンズを市松模様状に配置することにより、各マイクロレンズを加工する際に、マイクロレンズ材のパターン間の間隔を広めに確保することができるため、隣り合うパターン同士が接触してしまい、レンズ形状が崩れることを防止できる。これにより、固体撮像装置の小型化及び高感度化に伴って画素の高密度化が進んでも、マイクロレンズ間の間隔の制御が困難になることがないため、既存のレンズ形成技術によりマイクロレンズを形成することができる。この結果、製造コストが増加することがない。

更に、本実施形態においては、上層の第２のマイクロレンズ１２の曲率を、下層の第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きくしているため、平面視で、第２のマイクロレンズ１２と第１のマイクロレンズ１０とが重なり合っていても、第２のマイクロレンズ１２によって集光された光が、第１のマイクロレンズ１０に入射することを防止できる。これにより、光の利用効率をより一層高めることができる。この場合、固体撮像装置の製造工程において、上層のマイクロレンズ材２２のパターンを下層のマイクロレンズ材２１のパターンよりも小さく形成することにより、第２のマイクロレンズ１２を第１のマイクロレンズ１０よりも小さく形成し、第２のマイクロレンズ１２の曲率を第１のマイクロレンズ１０の曲率よりも大きくすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置３１においては、ベース層７内に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる層内レンズ３２が埋設されている。層内レンズ３２は、第１のマイクロレンズ１０とフォトダイオード３との間、及び第２のマイクロレンズ１２とフォトダイオード３との間に配置されており、フォトダイオード３に対応する領域の全てに形成されている。従って、フォトダイオード３はマトリクス状に配列されているため、層内レンズ３２もマトリクス状に配列されている。例えば、各フォトダイオード３の直上域には１つの層内レンズ３２が配置されており、その直上域には１つのマイクロレンズ１０又は１２が配置されている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。

本実施形態においては、固体撮像装置３１の撮像面に入射した光のうち、第２のマイクロレンズ１２に入射した光は、第２のマイクロレンズ１２を通過することによって集光され、この第２のマイクロレンズ１２の直下に配置された層内レンズ３２を通過することによって更に集光されて、対応するフォトダイオード３に入射する。一方、固体撮像装置３１の撮像面に入射した光のうち、第２のマイクロレンズ１２に入射しなかった光は、第１のマイクロレンズ１０に入射する。そして、第１のマイクロレンズ１０によって集光され、この第１のマイクロレンズ１０の直下に配置された層内レンズ３２を通過することによって更に集光されて、対応するフォトダイオード３に入射する。

このように、本実施形態においては、入射した光がマイクロレンズ１２又は１０と、層内レンズ３２との２枚のレンズを通過するため、前述の第１の実施形態と比較して、より集光効率が高い。なお、層内レンズ３２間には隙間が存在するが、マイクロレンズ１２及び１０の集光作用により、この隙間には実質的に光が入射しないため、この隙間が無効領域となることはない。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

以上、実施形態を参照して本発明の特徴を説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。例えば、上述のいずれかの実施形態に対して、当業者が適宜設計変更を加えたもの、工程の変更を加えたもの、構成要素若しくは工程の追加又は削除を行ったものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。例えば、前述の各実施形態においては、基板がシリコン基板である例を示したが、他の半導体基板（例えば、砒化ガリウム、ゲルマニウム、炭化シリコン、窒化ガリウム等）を用いてもよい。更に、前述の各実施形態においては、固体撮像装置がＣＭＯＳセンサーである例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device：電荷結合素子）センサーなど、他の種類の固体撮像装置であってもよい。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の下層及び上層のマイクロレンズの位置関係を例示する平面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の動作を例示する光学モデル図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を例示する工程断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を例示する工程断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を例示する断面図である。

符号の説明

１ 固体撮像装置、２ 基板、３ フォトダイオード、４ 配線層、５ 層間絶縁膜、６ 金属配線、７ ベース層、８ カラーフィルター層、９ 第１のオーバーコート層、１０ 第１のマイクロレンズ、１１ 第２のオーバーコート層、１２ 第２のマイクロレンズ、２１、２２ マイクロレンズ材、３１ 固体撮像装置、３２ 層内レンズ

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板にマトリクス状に形成された光電変換部と、
   前記基板上における一部の前記光電変換部に対応する位置に設けられた第１のマイクロレンズと、
   前記第１のマイクロレンズよりも上方であって、残りの前記光電変換部に対応する位置に設けられた第２のマイクロレンズと、
   を備え、
   前記基板の表面に垂直な方向から見て、前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとは市松模様状に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記基板の表面に垂直な方向から見て、前記第１のマイクロレンズの一部と前記第２のマイクロレンズの一部とが相互に重なっ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. 前記第１のマイクロレンズは、前記第２のマイクロレンズによって集光された光の光路に介在しないことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２のマイクロレンズの曲率は、前記第１のマイクロレンズの曲率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
5. 前記光電変換部と前記第１及び第２のマイクロレンズとの間に配置された層内レンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像装置。

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