JP2013021168A - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる屈折率を有するマイクロレンズが画素毎に精度良く形成された固体撮像装置を提供することを目的とする。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】マイクロレンズの形成時において、まず始めに、無機材料からなる無機マイクロレンズ２１を形成する。その後、有機材料からなる有機マイクロレンズ層２２ａを形成したのち、熱リフローすることで有機マイクロレンズ層２２ａを変形させ、半球状の有機マイクロレンズ２２を形成する。これにより、始めに形成されるマイクロレンズが、無機材料で形成されるため、レンズ特性を維持した状態で、有機マイクロレンズ２２を形成できる。これにより、屈折率の異なるマイクロレンズを精度良く形成できる。
【選択図】図２

Description

本開示は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及びその固体撮像装置を用いた電子機器に関する。

従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラに用いられる固体撮像装置として、ＣＣＤ型の固体撮像装置やＣＭＯＳ型の固体撮像装置が知られている。これらの固体撮像装置では、二次元マトリクス状に複数個形成された画素毎に受光部が形成されており、この受光部では、受光量に応じて信号電荷が生成される。そして、受光部で生成された信号電荷が転送され増幅されることにより画像信号が得られる。

固体撮像装置では、一般的に、入射した光を受光部に効率よく入射させるため、画素毎にマイクロレンズが設けられている。また、近年、固体撮像装置の仕様により、画素毎に異なる屈折率を有するマイクロレンズを形成する構成が提案されている。

例えば、特許文献１では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の画素毎に屈折率の異なるマイクロレンズを形成し、集光効率を向上させる構成が記載されている。特許文献１に記載の発明では、透明樹脂層の上部に２回の熱リフロー法によって画素毎に高さの異なるマイクロレンズパターンを形成し、ドライエッチングすることで透明樹脂層を所望のマイクロレンズ形状としている。

また、特許文献２では、自動焦点検出（ＡＦ）のための瞳分割位相方式が採用された固体撮像装置において、位相検出用画素と撮像画素とでマイクロレンズの曲率を変えることにより屈折率を変える構成が記載されている。特許文献２に記載の発明では、マイクロレンズの平面形状を、撮像画素では矩形状にし、位相検出用画素では円形状にすることで曲率の異なるマイクロレンズを得ている。
マイクロレンズの表面形状や形成位置などは、集光効率や屈折率に大きく影響するため、屈折率の異なるマイクロレンズをより精度良く形成する方法が望まれている。

特開２００９−１９８５４７号公報 特開２００９−１０９９６５号公報

上述の点に鑑み、本開示は、異なる屈折率を有するマイクロレンズが画素毎に精度良く形成された固体撮像装置を提供することを目的とする。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供することを目的とする。

本開示の固体撮像装置は、光電変換部からなる画素が複数形成された基板と、基板上部に形成された無機材料からなる無機マイクロレンズを有する。また、無機マイクロレンズに隣接して形成され、裾部が無機マイクロレンズの裾部に接するか、又は乗り上げるようにして形成された有機材料からなる有機マイクロレンズを有する。

本開示の固体撮像装置では、無機マイクロレンズを無機材料で形成し、有機マイクロレンズを有機材料で形成することにより、無機マイクロレンズと有機マイクロレンズとで屈折率を異ならせることができる。

本開示の固体撮像装置の製造方法は、基板に、光電変換部を備える複数の画素を形成する工程と、基板に形成された所定の画素の上部に、無機材料からなる無機マイクロレンズを形成する工程を有する。また、無機マイクロレンズが形成されていない画素の上部に、有機材料からなる有機マイクロレンズを形成する工程を有する。

本開示の固体撮像装置の製造方法では、始めに耐光性、耐熱性に優れた無機材料からなる無機マイクロレンズを形成する。このため、無機マイクロレンズのレンズ性能を低下させることなく、有機マイクロレンズを形成することができる。これにより、屈折率の異なるマイクロレンズを精度良く形成することができる。

本開示の電子機器は、光学レンズと、光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置であって、上述の構成とされた固体撮像装置と、固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路とを備える

本開示によれば、異なる屈折率を有するマイクロレンズが画素毎に精度良く形成された固体撮像装置を得ることができる。また、その固体撮像装置を適用することで、画質の向上が図れた電子機器を得ることができる。

本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素の断面構成である。 Ａ，Ｂ 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その１）である。 Ｃ，Ｄ 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その２）である。 Ｅ，Ｆ 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その３）である。 Ｇ，Ｈ 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その４）である。 Ｉ 本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その５）である。 本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素の断面構成である。 Ａ，Ｂ 本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その１）である。 Ｃ，Ｄ 本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その２）である。 Ｅ，Ｆ 本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その３）である。 Ｇ，Ｈ 本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程図（その４）である。 Ａ〜Ｃ 本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程に対応した平面構成図である。 本開示の第３の実施形態に係る電子機器の概略構成図である。

以下に、本開示の実施形態に係る電子機器、及びその電子機器に用いられる固体撮像装置の一例を、図１〜図１０を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：固体撮像装置
１−１ 固体撮像装置の全体構成
１−２ 固体撮像装置の要部の構成
１−３ 固体撮像装置の製造方法
２．第２の実施形態：固体撮像装置
２−１ 固体撮像装置の要部の構成
２−２ 固体撮像装置の製造方法
３．第３の実施形態：電子機器

＜１．第１の実施形態：固体撮像装置＞
［１−１ 固体撮像装置の全体構成］
図１は、本開示の第１の実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の全体を示す概略構成図である。
本実施形態例の固体撮像装置１は、シリコンからなる基板１１上に配列された複数の画素２から構成される画素領域３と、垂直駆動回路４と、カラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、制御回路８等を有して構成される。

画素２は、フォトダイオードからなる光電変換部と、複数の画素トランジスタとから構成され、基板１１上に、２次元アレイ状に規則的に複数配列される。画素２を構成する画素トランジスタは、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、アンプトランジスタで構成される４つのＭＯＳトランジスタであってもよく、また、選択トランジスタを除いた３つのトランジスタであってもよい。

画素領域３は、２次元アレイ状に規則的に複数配列された画素２から構成される。画素領域３は、実際に光を受光し光電変換によって生成された信号電荷を増幅してカラム信号処理回路５に読み出す有効画素領域と、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域（図示せず）とから構成されている。黒基準画素領域は、通常は、有効画素領域の外周部に形成されるものである。

制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、及び水平駆動回路６等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、制御回路８で生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力される。

垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素領域３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素２のフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線を通してカラム信号処理回路５に供給する。

カラム信号処理回路５は、例えば、画素２の列毎に配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域（図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される）からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線１０とのあいだに設けられている。

水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１０に出力させる。

出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１０を通して、順次に供給される信号に対し信号処理を行い出力する。

［１−２ 固体撮像装置の要部の構成］
図２に、本実施形態例の固体撮像装置１の要部の断面構成を示す。図２では、画素領域における３画素分の断面構成を示している。本実施形態例では、画素領域が、被写体像の画像信号を出力する撮像画素２ａと、焦点位置を検出するための位相差検出画素２ｂとを有して構成されたオートフォーカス機能を有する固体撮像装置を例としている。図２では、位相差検出画素２ｂに撮像画素２ａが挟まれるように構成された領域の断面を示す。撮像画素２ａ及び位相差検出画素２ｂについては、後述する。以下の説明で、撮像画素２ａと位相差検出画素２ｂとを区別しない場合には、画素２として説明する。

本実施形態例の固体撮像装置１は、光電変換部であるフォトダイオードＰＤからなる画素２が複数形成された基板１２と、配線層１４と、カラーフィルタ層１８と、平坦化膜１９と、応力緩和層２０とを備える。また、位相差検出画素２ｂ上部に形成された無機マイクロレンズ２１と、撮像画素２ａ上部に形成された有機マイクロレンズ２２とを備える。

基板１２は、例えばシリコンからなる半導体基板で構成されている。基板１２の表面には、第１導電型、例えばｐ型の半導体ウェル領域１３が形成されており、その半導体ウェル領域１３の表面側には、光電変換部を構成するフォトダイオードＰＤと、画素トランジスタ（図示せず）が画素毎に形成されている。

フォトダイオードＰＤは、第２導電型、例えばｎ型の不純物領域で構成され、入射した光の光量に応じた信号電荷を生成、蓄積する。フォトダイオードＰＤで生成、蓄積された信号電荷は、図示しない画素トランジスタを介して画素毎に読み出される。

配線層１４は、基板１２の表面側に形成され、層間絶縁膜１５を介して複数層（図２では３層）に積層された配線１６を有して構成されている。撮像画素２ａ上部では、配線１６は、基板１２に形成されたフォトダイオードＰＤを光入射側に開口するように形成されている。また、位相差検出画素２ｂ上部では、最下層、すなわち基板１２表面に一番近い側の配線１６が位相差検出画素２ｂを一部遮光する遮光膜１７を兼ねる構成とされている。遮光膜１７の上部の配線１６は、撮像画素２ａと同様、基板１２に形成されたフォトダイオードＰＤを光入射側に開口するように形成されている。

ところで、位相差検出画素２ｂは自動焦点検出（ＡＦ：オートフォーカス）を行うために位相差検出用信号を出力する画素とされ、本実施形態例の固体撮像装置１におけるオートフォーカスは、瞳分割を行うことで２つの像を得る瞳分割位相差方式を適用する。このため、本実施形態例では、固体撮像装置１の上部に設置される図示しない光学系の射出瞳からの光束を２つの位相差検出画素２ｂで分離し、その一対の位相差検出画素２ｂから出力された像の位相差を検出することで、オートフォーカスがなされる。
そして、対象な位置の射出瞳領域からの光束を分離するため遮光膜１７が形成されており、一対の位相差検出画素２ｂでは、遮光膜１７で開口される開口領域が鏡面対象となるように設けられている。

カラーフィルタ層１８は、配線層１４上部に形成され、画素２毎に、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）青（Ｂ）の光を選択的に透過するような材料で構成されている。図２では、緑赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色で画素２を構成しているが、これに限られるものではなく、シアン、黄色、黒色を用いることもでき、また、白色のような全ての光を透過し、赤外領域を透過させないように構成することもできる。その他、画素毎に、異なる色を透過するカラーフィルタ層１８を用いてもよく、また、全ての画素２において同じ色を透過するカラーフィルタ層１８を用いてもよい。カラーフィルタ層１８において透過させる色の組み合わせは、その仕様により種々の選択が可能である。なお、カラーフィルタ層１８は、感度特性及び色再現性向上のため、フィルタ毎に最適な分光特性を達成する必要があり、各フィルタの厚さは色毎に異なる。

平坦化膜１９は、カラーフィルタ層１８上に形成され、上述したように、色毎に厚さの異なるカラーフィルタ層１８上を平坦化するために形成されている。平坦化膜１９としては、透過性、及び耐熱性などを有する材料を用いることが好ましく、アクリル系熱硬化樹脂材料及びスチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料等を用いることが望ましい。さらに、固体撮像装置１の集光特性向上に向けて縦方向構造の低層化を行う場合には、熱可塑性と熱硬化性を兼ね備えるアクリル系樹脂材料及び、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂材料などを用いることが好ましい。

応力緩和層２０は、平坦化膜１９上に形成されており、上述の有機材料からなる平坦化膜１９と、後述する無機材料からなる無機マイクロレンズ２１との膜応力の差を緩和するために設けられている。応力緩和層２０は、無機系の材料で形成することが望ましく、また、低温ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法での成膜方法で形成することが好ましい。応力緩和層２０としては、例えば、ＳｉＯ_２(以下、ＳｉＯ)、Ｓｉ_３Ｎ_４（以下、ＳｉＮ）、又は組成式Ｓｉ_ｘＯ_ｙ（但し、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、以下、ＳｉＯＮと記す）で表されるシリコン化合物のいずれかを用いることが好ましい。

無機マイクロレンズ２１は、位相差検出画素２ｂ上の応力緩和層２０上部に形成され、表面が所望の曲率を有するように形成されている。位相差検出画素２ｂ上部に形成される無機マイクロレンズ２１は、無機材料で構成されており、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ、又はＳｉＯＮのいずれかを用いることが好ましい。

また、位相差検出画素２ｂでは、瞳分割された像を位相差検出用信号として得るため、入射光の焦点位置が遮光膜１７の表面となるように形成することが好ましい。このため、位相差検出画素２ｂ上部に形成される無機マイクロレンズ２１は、後述の有機マイクロレンズ２２を構成する有機材料よりも屈折率の高い無機材料で形成することがより好ましく、例えばＳｉＮ、又はＳｉＯＮで形成することが好ましい。そして、無機マイクロレンズ２１は、入射した光の焦点が遮光膜１７の表面となるような曲率に形成されている。

有機マイクロレンズ２２は、撮像画素２ａ上の平坦化膜１９上部に形成され、表面が所望の曲率を有するように形成されている。撮像画素２ａ上部に形成される有機マイクロレンズは、有機材料で構成されており、例えば、アクリル系樹脂材料、スチレン系樹脂材料、エポキシ系樹脂、又はアクリルスチレン強重合樹脂で構成することが好ましい。また、撮像画素２ａでは、感度向上のため焦点位置が基板１２の表面となることが好ましい。このため、撮像画素２ａ上部に形成される有機マイクロレンズ２２は、入射した光の焦点が基板１２の表面となるような曲率に形成されている。

このように、本実施形態例では、撮像画素２ａに比較して焦点距離が短く設定される位相差検出画素２ｂ上部では、無機材料からなる無機マイクロレンズ２１が形成される。そして、位相差検出画素２ｂよりも焦点距離が長く設定される撮像画素２ａ上部には、有機材料からなる有機マイクロレンズ２２が形成される。

反射防止膜２３は、無機マイクロレンズ２１及び有機マイクロレンズ２２表面を被覆するように形成されており、マイクロレンズ表面での光の反射を低減するために形成されている。反射防止膜２３の材料としては、例えば、ＬＴＯ（Low Temperature Oxide）膜や、ＳｉＯＮを用いることができる。

ところで、有機材料層と無機材料層とでは、その膜応力が大きく異なる。このため、有機材料からなる平坦化膜１９上に無機材料からなる無機マイクロレンズ２１を直接接する形で積層すると、その界面に膜応力差に起因するシワや歪みが発生する。つまり、無機材料層と有機材料層とを積層した場合には、膜応力差に起因した不具合が積層界面に発生する。

これに対し、本実施形態例では、有機材料からなる平坦化膜１９と、無機材料とからなる無機マイクロレンズ２１との積層体において、有機材料層と無機材料層の膜応力値の間で、これらと異なる応力値を有する応力緩和層２０を形成する。すなわち、本実施形態例では、膜応力の関係は、無機材料層＜応力緩和層＜有機材料層とされ、この条件に合った材料を応力緩和層２０として用いる。

このように、応力緩和層２０を設けることにより、応力緩和層２０の上下に形成された平坦化膜１９と無機マイクロレンズ２１の間の膜応力差を緩和することができる。これにより、有機材料層と無機材料層とを積層した場合にも膜応力差に起因する表面不具合の発生を抑制することができる。この結果、積層界面に発生する表面のシワ、歪みの不具合を抑制し、その後のリソグラフィプロセスで問題無くパターン形成が可能となる。したがって、固体撮像装置１において集光特性の悪化を避けることができる。

平坦化膜１９、応力緩和層２０、無機マイクロレンズ２１に適用可能な材料を上述したが、それらの組み合わせとしては、例えば、平坦化膜１９をアクリル系熱可塑性硬化材料で形成し、無機マイクロレンズ２１を低温ＳｉＮ膜で形成することが好ましい。この場合、応力緩和層２０を低温ＳｉＯＮ膜で形成することで新たな工程を追加することなく、同一ＣＶＤプロセス内で応力緩和層２０（ＳｉＯＮ）と無機マイクロレンズ層２１ａ（ＳｉＮ）を連続して形成することができ、簡便性に優れる。

また、応力緩和層２０の光学特性は、屈折率が、１．４〜２．０であり、透明性を有することが好ましい。特に、応力緩和層２０をＳｉＯＮで形成した場合には、屈折率が１．６〜１．９となる。このため、応力緩和層２０が、屈折率が１．８〜２．０のＳｉＮからなる無機マイクロレンズ２１と屈折率が１．４〜１．５のアクリル系樹脂からなる平坦化膜１９の界面反射を低減する反射防止膜を兼ねることができる。この結果、固体撮像装置１の集光特性が向上する。

応力緩和層２０の膜応力は、−１００〜１００ＭＰａが好ましい。なお、ここで示す膜応力は、薄膜応力測定器（ウエハ反り測定装置 ＦＳＭ ５００ＴＣ（株ビジョン））を用いて測定した値である。

以上の構成を有する固体撮像装置１では、撮像画素２ａにおいて、入射した光の光量に応じた信号電荷が生成され、画素信号として出力されることにより画像を得ることができる。また、位相差検出画素２ｂでは瞳分割された像を取得し位相差を検出することで、オートフォーカスを行うことができる。対象な位置の瞳射出領域からの光束を分離する一対の位相差検出画素２ｂは、固体撮像装置の仕様に応じて画素領域３内に複数設ける。位相差検出画素２ｂは、画素領域３内にライン状に設けてもよく、ランダムに配置してもよい。また、図２では、赤色画素と青色画素を位相差検出画素２ｂとし、緑色画素を撮像画素２ａとしたが、位相差検出画素２ｂを構成する画素は任意に設定できる。

また、本実施形態例の固体撮像装置１では、無機マイクロレンズ２１を、有機マイクロレンズ２２を構成する有機材料よりも高屈折率の無機材料で形成し、入射した光の焦点が遮光膜１７の表面となるような曲率に形成されている。これにより、一対の位相差検出画素２ｂの一方には、固体撮像装置１の光入射面側に設置された撮影光学系（図示せず）の一対の部分領域の一方の領域を通過した被写体光束が入射する。また、他方の位相差検出画素２ｂには、固体撮像装置１の光入射面側に設置された撮影光学系の一対の部分領域の他方の領域を通過した被写体光束が入射する。

このように、位相差検出画素２ｂでは、遮光膜１７を設け、入射した光の焦点位置が遮光膜１７上となるように無機マイクロレンズ２１の屈折率を調整することにより、各位相差検出画素２ｂには瞳分割された所望の光束が入射する。そして、一対の位相差検出画素２ｂで検出された像の位相差を検出することで、位相差を検出することができる。

［１−３ 固体撮像装置の製造方法］
次に、本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法を説明する。図３〜図７は、本実施形態例の固体撮像装置１の製造方法を示した製造工程図である。

まず、図３Ａに示すように、シリコンからなる基板１２の表面側にｐ型半導体ウェル領域１３を形成し、その表面に、イオン注入によりフォトダイオードＰＤを形成する。その後、図示しない画素トランジスタを形成した後、層間絶縁膜１５と配線１６との形成を交互に繰り返すことにより、複数層（本実施形態例では３層）の配線１６を有する配線層１４を形成する。そして、配線層１４上部に、色毎にカラーフィルタ層１８をパターンニング形成することで、画素２毎に異なるカラーフィルタ層１８を形成する。これらの工程は、一般的な固体撮像装置と同様の製造方法を適用することができる。

次に、図３Ｂに示すように、カラーフィルタ層１８上部に有機樹脂系材料、特に、アクリル系樹脂材料、スチレン系樹脂材料、又はエポキシ系樹脂材料からなる平坦化膜１９を形成する。平坦化膜１９を薄く平坦化するためには、熱硬化性に加えて、熱可塑性も同時に有する樹脂材料を用いることが好ましい。平坦化膜１９は、上記材料をカラーフィルタ層１８上部にスピンコーディング法により塗布し、カラーフィルタ層１８等の耐熱劣化が起こらない温度、例えば２００〜３００℃にて数分間熱硬化処理を行うことにより形成する。そして、平坦化膜１９を形成することにより、カラーフィルタ層１８表面の凹凸が平坦化される。

次に、図４Ｃに示すように、平坦化膜１９上に応力緩和層２０を形成する。応力緩和層２０は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ等を上記と同様に２００〜２３０℃の処理温度で形成する。

次に、図４Ｄに示すように、応力緩和層２０上部に、無機マイクロレンズ２１を構成する無機マイクロレンズ層２１ａを形成する。無機マイクロレンズ層２１ａは、例えばプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ等の無機材料を、２００〜２３０℃の処理温度で形成する。

次に、図５Ｅに示すように、無機マイクロレンズ層２１ａ上部に、所望の領域が開口されたレジストマスク２４を形成する。このレジストマスク２４は、レジスト層を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成する。本実施形態例では、撮像画素２ａ上部が開口されるようにレジストマスクを形成する。

次に、図５Ｆに示すように、レジストマスク２４を熱リフローし、レジストマスク２４がレンズ形状となるように処理する。ここでも、下の層を劣化させない処理温度で処理する。
次に、レジストマスク２４を介してエッチング加工を行うことにより、図６Ｇに示すように、無機マイクロレンズ層２１ａにレジストマスク２４の形状を転写し、半球状の無機マイクロレンズ２１を形成する。無機マイクロレンズ２１を構成するＳｉＮ等の無機材料層のエッチングは、例えば、ＣＦ_４／Ｏ_２ガスなどを用いたプラズマエッチング法により行う。なお、図６Ｇでは、全面に一層無機マイクロレンズ層２１ａが残るようにエッチングされているが、無機マイクロレンズ２１が形成される領域以外に無機マイクロレンズ層２１ａが残らないようにエッチングしてもよい。

次に、図６Ｈに示すように、無機マイクロレンズ２１が形成されていない画素２、本実施形態例では撮像画素２ａの上部に、有機材料からなる有機マイクロレンズ層２２ａを形成する。この有機マイクロレンズ層２２ａは、画素領域３全面に有機材料層を塗布した後、一般的な方法と同様にしてパターニングすることで形成する。

次に、有機マイクロレンズ層２２ａを熱リフローすることにより、図７Ｉに示すように、半球状の有機マイクロレンズ２２を形成する。その後、無機マイクロレンズ２１、及び有機マイクロレンズ２２表面にＬＴＯ、又はＳｉＯＣからなる反射防止膜２３を形成することにより、図２に示した固体撮像装置１が完成する。

本実施形態例では、無機マイクロレンズ２１は耐熱性、耐光性に優れた無機材料で形成されている。このため、無機マイクロレンズ２１の形状や表面へのダメージをほとんど発生させることなく、有機マイクロレンズ２２を形成することができる。これにより、屈折率の異なるレンズを容易に形成できる。また、無機マイクロレンズ２１が無機材料で構成されるため、有機材料からなる有機マイクロレンズ２２の作成時にリフロー温度の設定範囲が広がる。

図２に示すように、有機材料からなる有機マイクロレンズ２２を挟むように無機マイクロレンズ２１を形成した場合には、有機マイクロレンズ層２２ａのリフロー時に、有機材料の滑りが無機マイクロレンズ２１の裾で止まる。これにより、有機マイクロレンズ層２２ａのリフロー時の滑り特性が緩やかになり、有機マイクロレンズ２２の形状制御性が向上する。

以上のように、本実施形態例の固体撮像装置１では、最適な屈折率が異なる撮像画素２ａと位相差検出画素２ｂとで、それぞれ最適な屈折率を有するマイクロレンズを形成することができる。また、無機材料からなる無機マイクロレンズ２１を形成した後で、有機材料からなる有機マイクロレンズ２２を形成することで、レンズ性能を損なうことなく、屈折率の異なる２種類のマイクロレンズを形成することができる。

本実施形態例では、オートフォーカス用の位相差検出画素２ｂを所望の領域に形成する例としたが、市松状に設けてもよい。市松状に設けた場合には、有機マイクロレンズ２２を形成する領域の四方が無機マイクロレンズ２１で囲まれるため、有機材料の熱リフロー時における樹脂の滑りが無機材料からなるマイクロレンズの裾でとまる。これにより、有機材料からなるマイクロレンズを精度良く形成することができる。

＜２．第２の実施形態：固体撮像装置＞
［２−１ 固体撮像装置の要部の構成］
次に、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。図８に、本実施形態例の固体撮像装置３０の要部の断面構成を示す。本実施形態例の固体撮像装置３０の全体構成は、図１と同様であるから、図示を省略し、重複説明を省略する。また、図８において、図２に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態例の固体撮像装置３０は、画素２を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のベイヤー配列とし、各画素２の色毎に、異なる屈折率のマイクロレンズを形成する例である。本実施形態例では、緑色画素２Ｇに無機マイクロレンズ３１を形成し、青色画素２Ｂに第１の有機マイクロレンズ３２を形成し、赤色画素２Ｒに第２の有機マイクロレンズ３３を形成する。光は波長が長いほど屈折率が小さい。このため、無機マイクロレンズ３１の屈折率ｎ１と、第１の有機マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２と、第２の有機マイクロレンズ３３の屈折率ｎ３との大小関係をｎ１＞ｎ２＞ｎ３とすることで、各画素２で入射した光の焦点位置が基板１２表面となるように調整する。

［２−２ 固体撮像装置の製造方法］
図９〜図１２に、本実施形態例の固体撮像装置３０の製造工程を示す断面図を示す。また、図１３Ａ〜Ｃに、本実施形態例の固体撮像装置３０の製造工程に対応した平面図を示す。

まず、図３Ａ〜図４Ｃと同様にして、画素２が形成された基板１２上に、配線層１４、カラーフィルタ層１８、平坦化膜１９、応力緩和層２０を形成する。
次に、図９Ａに示すように、応力緩和層２０上部の画素領域全面に、無機マイクロレンズ３１を構成する無機マイクロレンズ層３１ａを形成する。無機マイクロレンズ層３１ａは、例えばプラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ等の無機材料を、２００〜２３０℃の処理温度で形成する。

次に、図９Ｂに示すように、無機マイクロレンズ層３１ａ上部に、緑色画素２Ｇ以外の領域が開口されたレジストマスク３４を形成する。このレジストマスク３４は、レジスト層を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成する。

次に、図１０Ｃに示すように、レジストマスク３４を熱リフローし、レジストマスク３４がレンズ形状となるように処理する。ここでも、下の層を劣化させない処理温度で処理する。
次に、図１０Ｄに示すように、レジストマスク３４を介してエッチング加工を行うことにより、無機マイクロレンズ層３１ａにレジストマスク３４の形状を転写し、半球状の無機マイクロレンズ３１を形成する。無機マイクロレンズ３１を構成するＳｉＮ等の無機材料層のエッチングは、例えば、ＣＦ_４／Ｏ_２ガスなどを用いたプラズマエッチング法により行う。

以上のようにして、緑色画素２Ｇ上部に無機材料からなる無機マイクロレンズ３１を選択的に形成する。図１３Ａは、緑色画素２Ｇ上部に無機マイクロレンズ３１を形成したときの平面構成図である。本実施形態例では、画素２はベイヤー配列とされているため、無機マイクロレンズ３１は、図１３Ａに示すように、画素領域３に市松状に形成される。

次に、図１１Ｅに示すように、青色画素２Ｂの上部に、有機材料からなる第１の有機マイクロレンズ層３２ａを形成する。この第１の有機マイクロレンズ層３２ａは、画素領域全面に有機材料層を塗布した後、一般的な方法と同様にしてパターニングすることで形成する。
次に、図１１Ｆに示すように、第１の有機マイクロレンズ層３２ａを熱リフローすることにより、半球状の第１の有機マイクロレンズ３２を形成する。第１の有機マイクロレンズ３２は、入射した光の焦点位置が基板１２表面となるような曲率を有するように形成する。

図１３Ｂは、青色画素２Ｂ上部に第１の有機マイクロレンズ３２を形成したときの平面構成図である。本実施形態例では、画素２はベイヤー配列とされているため、第１の有機マイクロレンズ３２は、市松状に形成された無機マイクロレンズ３１に囲まれた位置に形成される。このため、第１の有機マイクロレンズ層３２ａをリフローする際に、第１の有機マイクロレンズ層３２ａを構成する有機材料の滑りが無機マイクロレンズの裾で止まる。これにより、第１の有機マイクロレンズ層３２ａのリフロー時の滑り特性が緩やかになり、第１の有機マイクロレンズ３２の形状制御性が向上する。また、第１の有機マイクロレンズ３２は、無機マイクロレンズ３１に囲まれた領域に形成されるため、実質的にセルフアラインで形成される。

次に、図１２Ｇに示すように、赤色画素２Ｒの上部に、有機材料からなる第２の有機マイクロレンズ層３３ａを形成する。この第２の有機マイクロレンズ層３３ａは、画素領域全面に有機材料層を塗布した後、一般的な方法と同様にしてパターニングすることで形成する。
次に、図１２Ｈに示すように、第２の有機マイクロレンズ層３３ａを熱リフローすることにより、半球状の第２の有機マイクロレンズ３３を形成する。第２の有機マイクロレンズ３３は、入射した光の焦点位置が基板１２表面となるような曲率を有するように形成する。

図１３Ｃは、赤色画素２Ｒ上部に第２の有機マイクロレンズ３３を形成したときの平面構成図である。本実施形態例では、画素２はベイヤー配列とされているため、第２の有機マイクロレンズ３３は、市松状に形成された無機マイクロレンズ３１に囲まれた位置に形成される。このため、第２の有機マイクロレンズ層３３ａをリフローする際も、第２の有機マイクロレンズ層３３ａを構成する有機材料の平面方向の滑りが無機マイクロレンズ３１の裾部で止まる。これにより、第２の有機マイクロレンズ層３３ａのリフロー時の滑り特性が緩やかになり、第２の有機マイクロレンズ３３の形状制御性が向上する。また、第２の有機マイクロレンズ３３は、無機マイクロレンズ３１に囲まれた領域に形成されるため、実質的にセルフアラインで形成される。

その後、図８に示すように、無機マイクロレンズ３１、第１の有機マイクロレンズ３２及び第２の有機マイクロレンズ３３表面にＬＴＯ、又はＳｉＯＣからなる反射防止膜２３を形成することにより、本実施形態例の固体撮像装置３０が完成する。
本実施形態例の固体撮像装置３０では、第１の有機マイクロレンズ３２、及び第２の有機マイクロレンズ３３は、無機マイクロレンズ３１の裾で止まるような構成としたが、一部、無機マイクロレンズ３１の裾部に乗り上げるまでリフローしてもよい。第１の有機マイクロレンズ３２及び第２の有機マイクロレンズ３３の形状は熱リフロー時に制御可能であり、種々の選択が可能である。

このように、本実施形態例では、始めに無機材料からなるマイクロレンズを市松状に形成し、その後、マイクロレンズが形成されていない領域に、有機材料からなるマイクロレンズを形成する。これにより、有機材料からなるマイクロレンズの形成時には、その周りに無機材料のマイクロレンズが既に形成されている。このため、有機材料からなるマイクロレンズのリフロー時における滑りが無機材料からなるマイクロレンズで抑えられるため、滑り特性が緩やかになり、形状制御性や形状自由度が向上する。これにより、所望の屈折率のレンズを容易に形成することができる。そして、四方が無機マイクロレンズで囲まれた領域に有機マイクロレンズを形成するため、リフロー時にはセルフアラインで有機マイクロレンズが形成される。
その他、第１の実施形態と同様の効果を有する。

また、上述の本実施形態例では、無機マイクロレンズ３１を形成した後、第１の有機マイクロレンズ３２、及び第２の有機マイクロレンズ３３を形成する例としたが、これに限られるものではない。所定の位置に無機マイクロレンズを形成した後、その無機マイクロレンズとは異なる位置に、屈折率の異なる無機マイクロレンズを形成し、最後に有機マイクロレンズを形成するようにしてもよい。

以上の第１及び第２の実施形態に係る固体撮像装置では、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に説明したが、ＣＣＤ型固体撮像装置に適用することもできる。
また、本開示では、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置にも適用可能である。広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。

さらに、本開示は、画素領域の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限られるものではない。画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すＸ−Ｙアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、画素領域と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。

また、本開示は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。

＜３．第３の実施形態：電子機器＞
次に、本開示の第３の実施形態に係る電子機器について説明する。図１４は、本開示の第３の実施形態に係る電子機器２００の概略構成図である。
本実施形態に係る電子機器２００は、固体撮像装置１と、光学レンズ２０１と、シャッタ装置２０２と、駆動回路２０５と、信号処理回路２０４とを有する。本実施形態例の電子機器２００は、固体撮像装置１として上述した本開示の第１の実施形態における固体撮像装置を電子機器（カメラ）に用いた場合の実施形態を示す。

光学レンズ２０１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置１内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。シャッタ装置２０２は、固体撮像装置１への光照射期間および遮光期間を制御する。駆動回路２０５は、固体撮像装置１の転送動作およびシャッタ装置２０２のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路２０５から供給される駆動信号（タイミング信号）により、固体撮像装置１の信号転送を行なう。信号処理回路２０４は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。

本実施形態例の電子機器２００では、固体撮像装置１においてオンチップマイクロレンズのレンズ特性が向上し、集光特性の向上が図られるため、画質の向上が図られる。

固体撮像装置１を適用できる電子機器２００としては、カメラに限られるものではなく、デジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置に適用可能である。

本実施形態例においては、固体撮像装置１として、第１の実施形態における固体撮像装置１を電子機器に用いる構成としたが、前述した第２の実施形態で製造した固体撮像装置を用いることもできる。

なお、本開示は以下のような構成をとることができる。
（１） 光電変換部からなる画素が複数形成された基板と、
前記基板上部に形成された無機材料からなる無機マイクロレンズと、
前記無機マイクロレンズに隣接して形成され、裾部が前記無機マイクロレンズの裾部に接するか、又は乗り上げるようにして形成された有機材料からなる有機マイクロレンズと、
を備える固体撮像装置。
（２）
前記基板上に形成された有機材料からなる平坦化膜を有し、
前記平坦化膜と無機マイクロレンズとの間には、少なくとも１層以上の応力緩和層を有する
（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記無機マイクロレンズは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）のいずれかで形成されている
（１）又は（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記応力緩和層がＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表されるシリコン化合物から選ばれる少なくとも１つ以上の材料から形成されている
（１）〜（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）
前記応力緩和層の屈折率が１．４〜２．０である
（１）〜（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記応力緩和層は反射防止膜を兼ねる
（１）〜（５）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（７）
前記無機マイクロレンズは、瞳分割された像を検出し、位相差検出用信号を出力する一対の位相差検出画素の上部に形成されており、
前記有機マイクロレンズは、被写体像の画像信号を出力する撮像画素の上部に形成されており、
前記無機マイクロレンズの屈折率は、前記有機マイクロレンズの屈折率よりも大きい
（１）〜（６）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（８）
基板に、光電変換部を備える複数の画素を形成する工程と、
前記基板に形成された所定の画素の上部に、無機材料からなる無機マイクロレンズを形成する工程と、
前記無機マイクロレンズが形成されていない画素の上部に、有機材料からなる有機マイクロレンズを形成する工程と、
を備える固体撮像装置の製造方法。
（９）
前記有機マイクロレンズを形成する工程では、有機材料からなる有機マイクロレンズ層をパターニングにより所定の画素の上部に形成する工程と、熱リフローにより有機マイクロレンズ層を変形させる工程とを有する
（８）に記載の固体撮像装置の製造方法。
（１０）
前記無機マイクロレンズは、市松状に形成する
（８）又は（９）に記載の固体撮像装置の製造方法。
（１１）
前記無機マイクロレンズを形成する前の工程において、
前記基板上に有機材料からなる平坦化膜を形成する工程と、
前記平坦化膜上に、少なくとも１層以上の応力緩和層を形成する工程と、
備える
（８）〜（１０）のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
（１２）
前記無機マイクロレンズは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）のいずれかで形成する
（８）〜（１１）のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
（１３）
前記応力緩和層はＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表されるシリコン化合物から選ばれる少なくとも１つ以上の材料で形成する
（８）〜（１２）のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
（１４）
前記応力緩和層は屈折率が１．４〜２．０の材料で形成する
（８）〜（１３）のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
（１５）
前記有機マイクロレンズの形成を繰り返すことにより、異なる屈折率を有する有機マイクロレンズを形成する
（８）〜（１４）のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
（１６）
光学レンズと、
光電変換部からなる画素が複数形成された基板と、
前記基板上部に形成された無機材料からなる無機マイクロレンズと、
前記無機マイクロレンズに隣接して形成され、裾部が前記無機マイクロレンズの裾部に接するか、又は乗り上げるようにして形成された有機材料からなる有機マイクロレンズと、を備える固体撮像装置であって、前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
を備える電子機器。

１，３０・・・固体撮像装置、２・・・画素、２ａ・・・撮像画素、２ｂ・・・位相差検出画素、２Ｂ・・・青色画素、２Ｇ・・・緑色画素、２Ｒ・・・赤色画素、３・・・画素領域、４・・・垂直駆動回路、５・・・カラム信号処理回路、６・・・水平駆動回路、７・・・出力回路、８・・・制御回路、１０・・・水平信号線、１１・・・基板、１２・・・基板、１３・・・半導体ウェル領域、１４・・・配線層、１５・・・層間絶縁膜、１６・・・配線、１７・・・遮光膜、１８・・・カラーフィルタ層、１９・・・平坦化膜、２０・・・応力緩和層、２１・・・無機マイクロレンズ、２１ａ・・・無機マイクロレンズ層、２２・・・有機マイクロレンズ、２２ａ・・・有機マイクロレンズ層、２３・・・反射防止膜、２４・・・レジストマスク、３１・・・無機マイクロレンズ、３１・・・第３のマイクロレンズ、３１ａ・・・無機マイクロレンズ層、３２・・・第１の有機マイクロレンズ、３２ａ・・・第１の有機マイクロレンズ層、３３・・・第２の有機マイクロレンズ、３３ａ・・・第２の有機マイクロレンズ層、３４・・・レジストマスク、２００・・・電子機器、２０１・・・光学レンズ、２０２・・・シャッタ装置、２０４・・・信号処理回路、２０５・・・駆動回路

Claims (16)

1. 光電変換部からなる画素が複数形成された基板と、
   前記基板上部に形成された無機材料からなる無機マイクロレンズと、
   前記無機マイクロレンズに隣接して形成され、裾部が前記無機マイクロレンズの裾部に接するか、又は乗り上げるようにして形成された有機材料からなる有機マイクロレンズと、
   を備える固体撮像装置。
2. 前記基板上に形成された有機材料からなる平坦化膜を有し、
   前記平坦化膜と無機マイクロレンズとの間には、少なくとも１層以上の応力緩和層を有する
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記無機マイクロレンズは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）のいずれかで形成されている
   請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記応力緩和層がＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表されるシリコン化合物から選ばれる少なくとも１つ以上の材料から形成されている
   請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記応力緩和層の屈折率が１．４〜２．０である
   請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記応力緩和層は反射防止膜を兼ねる
   請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記無機マイクロレンズは、瞳分割された像を検出し、位相差検出用信号を出力する一対の位相差検出画素の上部に形成されており、
   前記有機マイクロレンズは、被写体像の画像信号を出力する撮像画素の上部に形成されており、
   前記無機マイクロレンズの屈折率は、前記有機マイクロレンズの屈折率よりも大きい
   請求項１に記載の固体撮像装置。
8. 基板に、光電変換部を備える複数の画素を形成する工程と、
   前記基板に形成された所定の画素の上部に、無機材料からなる無機マイクロレンズを形成する工程と、
   前記無機マイクロレンズが形成されていない画素の上部に、有機材料からなる有機マイクロレンズを形成する工程と、
   を備える固体撮像装置の製造方法。
9. 前記有機マイクロレンズを形成する工程では、有機材料からなる有機マイクロレンズ層をパターニングにより所定の画素の上部に形成する工程と、熱リフローにより有機マイクロレンズ層を変形させる工程とを有する
   請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記無機マイクロレンズは、市松状に形成する
    請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記無機マイクロレンズを形成する前の工程において、
    前記基板上に有機材料からなる平坦化膜を形成する工程と、
    前記平坦化膜上に、少なくとも１層以上の応力緩和層を形成する工程と、
    備える
    請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記無機マイクロレンズは、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）のいずれかで形成する
    請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方法。
13. 前記応力緩和層はＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ（但し、０＜Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）で表されるシリコン化合物から選ばれる少なくとも１つ以上の材料で形成する
    請求項１２に記載の固体撮像装置の製造方法。
14. 前記応力緩和層は屈折率が１．４〜２．０の材料で形成する
    請求項１３に記載の固体撮像装置の製造方法。
15. 前記有機マイクロレンズの形成を繰り返すことにより、異なる屈折率を有する有機マイクロレンズを形成する
    請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
16. 光学レンズと、
    光電変換部からなる画素が複数形成された基板と、
    前記基板上部に形成された無機材料からなる無機マイクロレンズと、
    前記無機マイクロレンズに隣接して形成され、裾部が前記無機マイクロレンズの裾部に接するか、又は乗り上げるようにして形成された有機材料からなる有機マイクロレンズと、を備える固体撮像装置であって、前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
    を備える電子機器。