JP2016036004A - ダブルレンズ構造とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダブルレンズ構造とその製造方法を提供する。
【解決手段】ダブルレンズ構造は、第一屈折率を有するカラーフィルター層でなる第一レンズ構造、および、第二屈折率を有するマイクロレンズ材料層でなり、且つ、第一レンズ構造上に設置される第二レンズ構造を有する。カラーフィルター層の第一屈折率とマイクロレンズ材料層の第二屈折率は異なる。入射光が第二レンズ構造に進入して、その後、第一レンズ構造を通過する。さらに、ダブルレンズ構造の製造方法も提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズアレイに関するものであって、特に、ソリッドステートイメージセンサーに用いるダブルレンズ構造を有するマイクロレンズアレイ、および、その製造方法に関するものである。

近年、ソリッドステートイメージセンサーが開発され、各種画像捕捉装置、たとえば、ビデオカメラ、デジタルカメラ、小型カメラ適応パソコン、小型カメラ適応モバイル等に幅広く用いられている。イメージセンサーは、特定波長の入射放射線、たとえば、可視光、ＵＶ光、ＩＲ光線等を吸収すると共に、吸収放射に対応する電気信号を生成する。半導体ベースのイメージセンサーは、多種の異なるタイプ、たとえば、電化結合素子 (ＣＣＤ) イメージセンサー、または、相補型ＭＯＳ (ＣＭＯＳ) イメージセンサーがある。

ソリッドステートイメージセンサーは、通常、フォトセンサーを含む画素のアレイからなる。各画素中の各フォトセンサーは、イメージセンサー中のフォトセンサーに照射する入射光に対応する電気信号を生成する。よって、各フォトセンサーにより生成される電気信号の大きさは、フォトセンサーに照射される入射光の量に比例する。

マイクロレンズアレイは、通常、ソリッドステートイメージセンサー上に設置されて、入射放射線をフォトセンサーに屈折させる。しかし、大量の入射光は、通常、フォトセンサーに入射しない。光線ロスのため、ソリッドステートイメージセンサーの感度が改善されない。

本発明は、ダブルレンズ構造とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施態様によると、ダブルレンズ構造とその製造方法が提供される。ダブルレンズ構造がソリッドステートイメージセンサー上に設置され、ソリッドステートイメージセンサーのマイクロレンズアレイとして用いられて、マイクロレンズアレイの集光効率を改善する。よって、ソリッドステートイメージセンサーの感度が向上する。

好ましい態様において、ダブルレンズ構造が提供される。ダブルレンズ構造は、第一屈折率を有するカラーフィルター層でなる第一レンズ構造を有する。ダブルレンズ構造は、さらに、第二屈折率を有するマイクロレンズ材料層でなり、且つ、第一レンズ構造上に設置される第二レンズ構造を有する。入射光は第二レンズ構造に進入し、その後、第一レンズ構造を通過する。カラーフィルター層の第一屈折率は、マイクロレンズ材料層の第二屈折率と異なる。

好ましい態様において、ダブルレンズ構造の製造方法が提供される。本方法は、第一屈折率を有するカラーフィルター層を基板上に形成する工程を有する。本方法は、さらに、カラーフィルター層上に、第一ハードマスクを形成する工程を有し、第一ハードマスクは凸状である。本方法は、さらに、第一ハードマスクを用いて、カラーフィルター層をエッチングして、第一凸状面を有する第一レンズ構造を形成する工程を有する。さらに、本方法は、第二屈折率を有するマイクロレンズ材料層を、第一レンズ構造上に形成する工程を有する。本方法は、さらに、第二ハードマスクを、マイクロレンズ材料層上に形成する工程を有し、第二ハードマスクは凸状である。本方法は、さらに、第二ハードマスクを用いて、マイクロレンズ材料層をエッチングし、第二凸状面を有する第二レンズ構造を形成する工程を有する。カラーフィルター層の第一屈折率は、マイクロレンズ材料層の第二屈折率より大きい。

別の態様において、ダブルレンズ構造の製造方法が提供される。本方法は、第一屈折率の分割材料層を、基板上に形成する工程を有する。本方法は、さらに、第一グリッド形状のハードマスクを、分割材料層上に形成する工程を有する。本方法は、さらに、第一グリッド形状のハードマスクを用いることにより、分割材料層をエッチングして、グリッド形状の仕切りを基板上に形成する工程を有する。さらに、本方法は、グリッド形状の仕切り中に、第二屈折率を有するカラーフィルター層をコーティングして、第一凹状面を有する第一レンズ構造を形成する工程を有する。本方法は、さらに、第三屈折率のマイクロレンズ材料層を、第一レンズ構造上に形成する工程を有する。本方法は、さらに、第二ハードマスクをマイクロレンズ材料層上に形成する工程を有し、第二ハードマスクは凸状である。さらに、本方法は、第二ハードマスクを用いて、マイクロレンズ材料層をエッチングして、第一凸状面を有する第二レンズ構造を形成する工程を有する。分割材料層の第一屈折率は、カラーフィルター層の第二屈折率より低い。カラーフィルター層の第二屈折率は、マイクロレンズ材料層の第三屈折率より低い。

ダブルレンズ構造は、光電変換素子上で入射光を正確に照準させることができる。よって、ソリッドステートイメージセンサーの感度が向上する。

実施形態によるソリッドステートイメージセンサー上に設置されるダブルレンズ構造の部分断面図である。 実施形態による図１のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図１のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図１のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図１のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図１のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 別の実施形態によるソリッドステートイメージセンサー上に設置されるダブルレンズ構造の部分断面図である。 実施形態による図３のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図３のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図３のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図３のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図３のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。 実施形態による図３のダブルレンズ構造の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。

上記及び他の目的及び本発明の特徴は、添付図面とともに以下の記載を参照することにより明らかとなる。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態についての説明及び添付図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明の実施形態において、ダブルレンズ構造がマイクロレンズアレイとして用いられ、ソリッドステートイメージセンサー上に設置されて、マイクロレンズアレイの集光効率を改善する。よって、ソリッドステートイメージセンサーの感度も向上する。

図１は、実施形態によるソリッドステートイメージセンサー１０２上に設置されるダブルレンズ構造１００の部分断面図である。ソリッドステートイメージセンサー１０２は、基板１０１、たとえば、正面１０１Ａと背面１０１Ｂを有する半導体基板を有する。半導体基板はウェハかチップである。ソリッドステートイメージセンサー１０２は、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される複数の光電変換素子１０３、たとえば、フォトダイオードを有する。各光電変換素子１０３は、それぞれ、ソリッドステートイメージセンサー１０２の対応する一つの画素Ｐ中に設置される。光電変換素子１０３は互いに隔離される。図１では、５個の画素が示されているが、 実際は、ソリッドステートイメージセンサー１０２は、数百万かそれ以上の画素を有する。

ソリッドステートイメージセンサー１０２に必要な各種配線と電気回路を有する配線層 (図示しない)が、基板１０１の正面１０１Ａ上に形成される。ソリッドステートイメージセンサー１０２は、さらに、基板１０１の正面１０１Ａ上に設置される遮光層１０５を有する。遮光層１０５は、二個の隣接画素Ｐ間に設置される複数の遮光仕切り１０５Ｐを有する。さらに、パッシベーション層１０７が遮光層１０５上に形成され、ほぼ平坦な表面を有する。

ダブルレンズ構造１００は、パッシベーション層１０７上に形成される第一レンズ構造１０９、および、第一レンズ構造１０９上に形成される第二レンズ構造１１１を有する。第一レンズ構造１０９は、第一屈折率ｎ_１を有するカラーフィルター層でなる。好ましい実施形態において、カラーフィルター層は、複数のカラーフィルターコンポーネント、たとえば、赤色(Ｒ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、緑色(Ｇ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｇ、および、青色(Ｂ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｂを有する。別の形態において、カラーフィルター層は、さらに、白色(Ｗ)カラーフィルターコンポーネント (図示しない)を有する。これらのカラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂは、互いに接続される。各カラーフィルターコンポーネントは、各ソリッドステートイメージセンサー１０２の一つの画素Ｐに対応する。

第二レンズ構造１１１は、カラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１と異なる第二屈折率ｎ_２を有するマイクロレンズ材料層でなる。第二レンズ構造１１１は、複数のマイクロレンズ素子１１１ＭＬを有する。各マイクロレンズ素子１１１ＭＬは、それぞれ、ソリッドステートイメージセンサー１０２の一つの画素Ｐに対応する。第一レンズ構造１０９と第二レンズ構造１１１は、ダブルレンズ構造を有するマイクロレンズアレイを構築し、ソリッドステートイメージセンサー１０２に応用される。

好ましい実施形態において、カラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１は、マイクロレンズ材料層の第二屈折率ｎ_２より大きい。実施形態において、カラーフィルター層でなる第一レンズ構造１０９は、各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂに対し、上部凸状面１０９ＶＵを有する。第一レンズ構造１０９は、さらに、上部凸状面１０９ＶＵと反対側に下方平坦面１０９ＦＬを有する。マイクロレンズ材料層でなる第二レンズ構造１１１は、各マイクロレンズ素子１１１ＭＬに対し、上部凸状面１１１ＶＵを有する。第二レンズ構造１１１は、さらに、上部凸状面１１１ＶＵの反対側に下部凸状面１１１ＶＬを有する。このほか、第二レンズ構造１１１の下部凸状面１１１ＶＬが第一レンズ構造１０９の上部凸状面１０９ＶＵと共形で形成され、接触する。

入射光１１３は、上部凸状面１１１ＶＵから、第二レンズ構造１１１に進入し、第一レンズ構造１０９を通過して、光電変換素子１０３に到達する。図１に示されるように、好ましい形態において、ダブルレンズ構造１００が、基板１０１の正面１０１Ａ上に形成される。よって、入射光１１３は、正面１０１Ａ上に形成される配線層(図示しない)を通過して、その後、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される光電変換素子１０３に到達する。実施形態において、ソリッドステートイメージセンサー１０２は、表面照射(front-side illuminated、ＦＳＩ)イメージセンサーと称される。別の形態において、ダブルレンズ構造１００が、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される。よって、入射光１１３は、まず、背面１０１Ｂ上に形成される光電変換素子１０３に到達し、基板１０１の正面１０１Ａ上に形成される配線層 (図示しない)を通過しない。実施形態において、ソリッドステートイメージセンサー１０２は、裏面照射(back-side illuminated、ＢＳＩ)イメージセンサーと称される。

表面照射(ＦＳＩ)と裏面照射(ＢＳＩ)型イメージセンサーにおいて、入射光１１３は、ダブルレンズ構造１００により凝集されて、光電変換素子１０３で集光する。よって、表面照射(ＦＳＩ)と裏面照射(ＢＳＩ)型イメージセンサーの感度が向上する。

実施形態において、第一レンズ構造１０９の第一屈折率ｎ_１は、第二レンズ構造１１１の第二屈折率ｎ_２より大きい。このほか、第二レンズ構造１１１は、上部凸状面１１１ＶＵを有し、第一レンズ構造１０９は、上部凸状面１０９ＶＵを有する。第一レンズ構造１０９と第二レンズ構造１１１の形状の設計と屈折率により、ダブルレンズ構造１００の集光効率が改善される。よって、ソリッドステートイメージセンサー１０２の感度が向上する。単一レンズ構造でなり、且つ、平坦な表面を有するカラーフィルター層上に設置されるマイクロレンズアレイと比較すると、実施形態のダブルレンズ構造１００は、集光効率が大幅に向上している。

図２Ａ〜図２Ｅは、実施形態による図１のダブルレンズ構造１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図２Ａを参照すると、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される複数の光電変換素子１０３、たとえば、フォトダイオードを有する基板１０１が提供される。さらに、配線層 (図示しない)が、基板１０１の正面１０１Ａ上に形成される。光電変換素子１０３と配線層は、半導体製造技術により形成される。遮光層１０５が基板１０１上に形成される。遮光層１０５は、二個の隣接画素Ｐ間に設置される複数の遮光仕切り１０５Ｐを有する。好ましい実施形態において、遮光層１０５は、黒色フォトレジスト、または、金属材でなる。遮光層１０５は、露光と現像プロセスにより形成される。さらに、パッシベーション層１０７が、基板１０１上に形成されて、遮光層１０５を被覆する。パッシベーション層１０７は、ほぼ平坦な表面を有する。パッシベーション層１０７の材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、または、その他の適切な材料である。パッシベーション層１０７は、蒸着、または、コーティングプロセスにより形成される。その結果、ソリッドステートイメージセンサー１０２が完成する。

カラーフィルター層１０８が、ソリッドステートイメージセンサー１０２のパッシベーション層１０７上に形成される。カラーフィルター層１０８は、第一屈折率ｎ_１を有する。カラーフィルター層１０８は、複数のカラーフィルターコンポーネント、たとえば、赤色(Ｒ)カラーフィルターコンポーネント１０８Ｒ、緑色(Ｇ)カラーフィルターコンポーネント１０８Ｇ、 青色(Ｂ)カラーフィルターコンポーネント１０８Ｂを有する。カラーフィルターコンポーネント１０８Ｒ、１０８Ｇ、および１０８Ｂは互いに接続され、平坦な表面を有する。カラーフィルターコンポーネント１０８Ｒ、１０８Ｇ、および１０８Ｂは、異なる段階で、順に、コーティングとフォトリソグラフィプロセスにより形成される。

図２Ｂを参照すると、第一ハードマスク１２０が、カラーフィルター層１０８上に形成される。第一ハードマスク１２０は、複数の素子１２１を有する。各素子１２１は凸状を有し、各カラーフィルターコンポーネント１０８Ｒ、１０８Ｇ、または、１０８Ｂに対応する。第一ハードマスク１２０の材料は透明有機材料を含む。第一ハードマスク１２０は、コーティング、フォトリソグラフィとエッチングプロセスにより形成される。好ましい実施形態において、第一ハードマスク１２０の厚さは、カラーフィルター層１０８より小さい。第一ハードマスク１２０の各素子１２１の面積は、各カラーフィルターコンポーネント １０８Ｒ、１０８Ｇ、または、１０８Ｂより小さい。第一ハードマスク１２０の素子１２１は互いに分離される。

エッチバックプロセス１２２を第一ハードマスク１２０を用いて、カラーフィルター層１０８に対して行う。好ましい実施形態において、第一ハードマスク１２０とカラーフィルター層１０８のエッチング選択比は、約１：０．８である。エッチバックプロセス１２２はドライエッチングとすることができる。ドライエッチングプロセスは、フッ素 (F)ベースのガス、たとえば、CF₄, CHF₃等のプロセスガスを用いて実行される。エッチバックプロセス１２２後、カラーフィルター層１０８の上部がエッチングされて、凸状面に加工される。カラーフィルター層１０８の下部はエッチングされず、パッシベーション層１０７で残留する。第一ハードマスク１２０も除去される。図２Ｃに示されるように、カラーフィルター層でなる第一レンズ構造１０９が完成する。第一レンズ構造１０９は、各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂに対し、上部凸状面１０９ＶＵを有する。第一レンズ構造１０９の隣接ゾーンの底部、すなわち、カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂの底部が互いに接続される。

別の形態において、第一ハードマスク１２０の厚さは、カラーフィルター層１０８とほぼ同じである。第一ハードマスク１２０の各素子１２１の面積は、各カラーフィルターコンポーネント１０８Ｒ、１０８Ｇ、または、１０８Ｂにほぼ等しい。第一ハードマスク１２０の素子１２１は、互いに接続される。第一ハードマスク１２０を用いて、エッチバックプロセス１２２をカラーフィルター層１０８に対して行った後、カラーフィルター層１０８の上部と下部両方がエッチング、および、加工されて、各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、または、１０９Ｂの凸状を形成する。第一レンズ構造１０９が完成する。実施形態において、第一レンズ構造１０９の隣接ゾーンの下部、すなわち、カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂの下部は互いに分離される。

図２Ｄを参照すると、マイクロレンズ材料層１１０が第一レンズ構造１０９上にコートされ、ほぼ平坦な表面を有する。マイクロレンズ材料層１１０は、カラーフィルター層１０８の第一屈折率ｎ_１より低い第二屈折率ｎ_２を有する。マイクロレンズ材料層１１０の材料は、透明有機材料である。図２Ｅを参照すると、第二ハードマスク１２４が、マイクロレンズ材料層１１０上に形成される。第二ハードマスク１２４は、複数の素子１２５を有する。各素子１２５は凸状を有し、各ソリッドステートイメージセンサー１０２の一つの画素Ｐに対応する。好ましい実施形態において、第二ハードマスク１２４の材料は、第一ハードマスク１２０と同じである。第二ハードマスク１２０は、コーティング、フォトリソグラフィ、および、エッチングプロセスにより形成される。

好ましい実施形態において、第二ハードマスク１２４の厚さは、マイクロレンズ材料層１１０より小さい。第二ハードマスク１２４の各素子１２５の面積は、各画素Ｐとほぼ同じである。第二ハードマスク１２４の素子１２５は、互いに接続される。別の形態において、第二ハードマスク１２４の厚さは、マイクロレンズ材料層１１０より小さい。第二ハードマスク１２４の各素子１２５の面積は、各画素Ｐより小さい。第二ハードマスク１２４の素子１２５は互いに分離される。

エッチバックプロセス１２６を第二ハードマスク１２４を用いて、マイクロレンズ材料層１１０に対して行う。好ましい実施形態において、第二ハードマスク１２４とマイクロレンズ材料層１１０のエッチング選択比は、約１：０．８である。エッチバックプロセス１２６はドライエッチングとすることができる。エッチバックプロセス１２６後、マイクロレンズ材料層１１０の上部がエッチングされ、第二レンズ構造１１１の各マイクロレンズ素子１１１ＭＬの凸状に加工される。マイクロレンズ材料層１１０の下部はエッチングされず、第一レンズ構造１０９で残留する。エッチバックプロセス１２６後、第二ハードマスク１２４も除去される。図１のダブルレンズ構造１００が完成する。図１に示されるように、第二レンズ構造１１１は、マイクロレンズ材料層１１０でなり、且つ、各マイクロレンズ素子１１１ＭＬの上部凸状面１１１ＶＵと下部凸状面１１１ＶＬを有する複数のマイクロレンズ素子１１１ＭＬを有する。実施形態において、第二レンズ構造１１１の隣接ゾーンの下部、すなわち、マイクロレンズ素子１１１ＭＬの下部が互いに接続される。

実施形態において、第二レンズ構造１１１の上部凸状面１１１ＶＵと第一レンズ構造１０９の上部凸状面１０９ＶＵの曲率は、第一レンズ構造１０９を形成するカラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１、および、第二レンズ構造１１１を形成するマイクロレンズ材料層の第二屈折率ｎ_２にしたがって調整できる。さらに、第二レンズ構造１１１の上部凸状面１１１ＶＵと第一レンズ構造１０９の上部凸状面１０９ＶＵの曲率は、光電変換素子１０３の位置と、第一レンズ構造１０９の厚さと第二レンズ構造１１１の厚さにしたがって調整できる。

図３を参照すると、実施形態によるソリッドステートイメージセンサー１０２上に設置されるダブルレンズ構造１００の部分断面が示される。前述のように、ソリッドステートイメージセンサー１０２は、基板１０１、基板１０１の背面１０１Ｂ上に形成される複数の光電変換素子１０３、基板１０１の正面１０１Ａ上に形成される配線層 (図示しない)、基板１０１上に形成される遮光層１０５およびパッシベーション層１０７を有する。

好ましい実施形態において、複数の仕切り１１５が、パッシベーション層１０７上に形成される。各仕切り１１５が、ソリッドステートイメージセンサー１０２の二つの隣接画素Ｐ間に設置される。上から見ると、仕切り１１５はグリッド形状である。よって、仕切り１１５は、グリッド形状の仕切りとも称される。グリッド形状の仕切り１１５は、複数の開口１１６を有する。第一レンズ構造１０９は、カラーフィルター層でなり、グリッド形状の仕切り１１５の開口１１６中に設置される。グリッド形状の仕切り１１５は、カラーフィルター層と同一平面に設置されて、カラーフィルター層を複数のゾーンに分割する。好ましい実施形態において、カラーフィルター層のこれらのゾーンは、複数のカラーフィルターコンポーネント、たとえば、赤色(Ｒ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、緑色(Ｇ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｇ、および、青色(Ｂ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｂを有する。各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、または、１０９Ｂは、一つの個別ゾーンに対応する。別の形態において、カラーフィルター層のゾーンは、さらに、白色 (Ｗ)カラーフィルターコンポーネントを含む。カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂは、グリッド形状の仕切り１１５によって互いに隔てられる。各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂは、ソリッドステートイメージセンサー１０２の一つの画素Ｐに対応する。

好ましい実施形態において、第一レンズ構造１０９を形成するカラーフィルター層は、第一屈折率ｎ_１を有する。第二レンズ構造１１１が第一レンズ構造１０９上に形成される。第二レンズ構造１１１は、複数のマイクロレンズ素子１１１ＭＬを有する。各マイクロレンズ素子１１１ＭＬは、ソリッドステートイメージセンサー１０２の一つの画素Ｐに対応する。第二レンズ構造１１１は、第二屈折率ｎ_２を有するマイクロレンズ材料層でなる。第一レンズ構造１０９と第二レンズ構造１１１は、ダブルレンズ構造を有するマイクロレンズアレイを構築し、ソリッドステートイメージセンサー１０２に応用される。

実施形態において、カラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１は、マイクロレンズ材料層の第二屈折率ｎ_２より低い。カラーフィルター層でなる第一レンズ構造１０９は、各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂの上部凹状面１０９ＣＵを有する。第一レンズ構造１０９は、さらに、上部凹状面１０９ＣＵと反対側に下方平坦面１０９ＦＬを有する。マイクロレンズ材料層でなる第二レンズ構造１１１は、各マイクロレンズ素子１１１ＭＬの上部凸状面１１１ＶＵを有する。第二レンズ構造１１１は、さらに、上部凸状面１１１ＶＵと反対側に下部凹状面１１１ＣＬを有する。さらに、第二レンズ構造１１１の下部凹状面１１１ＣＬが第一レンズ構造１０９の上部凹状面１０９ＣＵと共形で形成され、接触する。

入射光１１３が、上部凸状面１１１ＶＵから、第二レンズ構造１１１に進入して、その後、第一レンズ構造１０９を通過して、光電変換素子１０３に到達する。表面照射(ＦＳＩ)と裏面照射(ＢＳＩ)型イメージセンサー両方において、入射光１１３は、ダブルレンズ構造１００の第二レンズ構造１１１と第一レンズ構造１０９により凝集され、その後、光電変換素子１０３で集光される。よって、表面照射(ＦＳＩ)と裏面照射(ＢＳＩ)型イメージセンサーの感度が向上する。

実施形態において、第一レンズ構造１０９の第一屈折率ｎ_１は、第二レンズ構造１１１の第二屈折率ｎ_２より低い。さらに、第二レンズ構造１１１は、上部凸状面１１１ＶＵを有し、第一レンズ構造１０９は、上部凹状面１０９ＣＵを有する。第一レンズ構造１０９と第二レンズ構造１１１の形状と屈折率の設計にしたがって、ダブルレンズ構造１００の集光効率が改善される。よって、ソリッドステートイメージセンサー１０２の感度が向上する。単一レンズ構造でなり、且つ、平坦な表面を有するカラーフィルター層上に設置されるマイクロレンズアレイと比較すると、実施形態によるダブルレンズ構造１００は、集光効率が大幅に向上している。

好ましい実施形態において、グリッド形状の仕切り１１５は、第三屈折率ｎ_３の透明材でなる。グリッド形状の仕切り１１５の第三屈折率ｎ_３は、カラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１より低く、第一レンズ構造１０９を形成する。グリッド形状の仕切り１１５の高さＨは、第一レンズ構造１０９の上部凹状面１０９ＣＵ底部の高さｈより高い。好ましい実施形態において、ソリッドステートイメージセンサー１０２の一つの画素Ｐは、幅が約 0.9μｍ〜 約 1.4μｍである。グリッド形状の仕切り１１５は、幅Ｗが約 0.1μｍ〜 約 0.3μｍである。別の形態において、グリッド形状の仕切り１１５の幅Ｗと高さHは、一画素Ｐの面積にしたがって、その他の範囲に変化する。

図４Ａ〜図４Ｆは、実施形態による図３のダブルレンズ構造１００の製造プロセスの各種段階の部分断面図である。図４Ａを参照すると、基板１０１、複数の光電変換素子１０３、配線層 (図示しない)、遮光層１０５、および、パッシベーション層１０７を有するソリッドステートイメージセンサー１０２が提供される。分割材料層１１４が、パッシベーション層１０７上にコートされる。分割材料層１１４は、カラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１より低い第三屈折率ｎ_３の透明、且つ、低屈折率材で、第一レンズ構造１０９を形成する。好ましい実施形態において、第三屈折率ｎ_３は１．４より小さく、第一屈折率ｎ_１は１．７より大きい。

図４Ｂを参照すると、ハードマスク材料層１３０が、分割材料層１１４上にコートされる。好ましい実施形態において、ハードマスク材料層１３０の材料はフォトレジストである。後に形成されるグリッド形状の仕切り１１５のパターンに対応するパターンを有するフォトマスク１３２が提供され、ハードマスク材料層１３０上に設置される。露光プロセス１３４をフォトマスク１３２を用いて、ハードマスク材料層１３０に対して行う。現像プロセスを露光したハードマスク材料層１３０に対して行い、図４Ｃに示されるようなハードマスク１３６を、分割材料層１１４上に形成する。

上から見ると、ハードマスク１３６は、グリッド形状の仕切り１１５のパターンに対応するグリッド形状を有する。ハードマスク１３６は、グリッド形状のハードマスクとも称される。図４Ｃを参照すると、エッチングプロセス１３８をグリッド形状のハードマスク１３６を用いて、分割材料層１１４に対して行う。エッチングプロセス１３８はドライエッチングとすることができる。エッチングプロセス１３８の後、分割材料層１１４の一部が除去されて、パッシベーション層１０７上に、図４Ｄに示されるようなグリッド形状の仕切り１１５を形成する。グリッド形状の仕切り１１５は、複数の 開口１１６を有する。好ましい実施形態において、グリッド形状の仕切り１１５は、ソリッドステートイメージセンサー１０２の隣接画素Ｐ間に設置される。グリッド形状の仕切り１１５の開口１１６のそれぞれは、一つの画素Ｐに対応する。グリッド形状の仕切り１１５は、遮光層１０５に対応する。

図４Ｅを参照すると、カラーフィルター層が、パッシベーション層１０７上と、グリッド形状の仕切り１１５の開口１１６中にコートされる。カラーフィルター層は、複数のカラーフィルターコンポーネント、たとえば、赤色(Ｒ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、緑色(Ｇ) カラーフィルターコンポーネント１０９Ｇ、および、青色(Ｂ)カラーフィルターコンポーネント１０９Ｂを有する。カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂは、異なるステップで、コーティング、露光と現像プロセスにより順に形成される。グリッド形状の仕切り１１５の上部にコートされるカラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、または、１０９Ｂの一部が、現像プロセスにより除去される。

実施形態において、グリッド形状の仕切り１１５は、カラーフィルター層の各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂのコーティングの厚さ大きい高さＨを有する。よって、グリッド形状の仕切り１１５の開口１１６中に形成される各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂが、上部凹状面１０９ＣＵを有する。つまり、コーティングプロセスにより、各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂの皿状形状が形成される。図４Ｅに示されるように、カラーフィルター層でなり、且つ、各カラーフィルターコンポーネント１０９Ｒ、１０９Ｇ、および、１０９Ｂの上部凹状面１０９ＣＵを有する第一レンズ構造１０９が完成する。

図４Ｆを参照すると、マイクロレンズ材料層１１０が、第一レンズ構造１０９とグリッド形状の仕切り１１５上にコートされる。マイクロレンズ材料層１１０は、カラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１より大きい第二屈折率ｎ_２を有し、第一レンズ構造１０９を形成する。マイクロレンズ材料層１１０はほぼ平面である。ハードマスク１４０が、マイクロレンズ材料層１１０上に形成される。ハードマスク１４０は、複数の素子１４１を有する。各素子１４１は凸状で、ソリッドステートイメージセンサー１０２の各画素Ｐに対応する。好ましい実施形態において、ハードマスク１４０の材料は、透明有機材料料を含む。ハードマスク１４０は、コーティング、フォトリソグラフィとエッチングプロセスにより形成される。

好ましい実施形態において、ハードマスク１４０の厚さは、マイクロレンズ材料層１１０より小さい。ハードマスク１４０の各素子１４１の面積は、各画素Ｐより小さい。ハードマスク１４０の素子１４１は互いに分離される。別の形態において、ハードマスク１４０の厚さは、マイクロレンズ材料層１１０とほぼ同じである。ハードマスク１４０の各素子１４１の面積は、各画素Ｐとほぼ等しい。ハードマスク１４０の各素子１４１は、互いに接続される。

エッチバックプロセス１４２をハードマスク１４０を用いて、マイクロレンズ材料層１１０に対して行う。好ましい実施形態において、ハードマスク１４０とマイクロレンズ材料層１１０のエッチング選択比は、約１：０．８である。エッチバックプロセス１４２は、ドライエッチング、または、ウェットエッチングプロセスとすることができる。エッチバックプロセス１４２後、マイクロレンズ材料層１１０の上部がエッチング、および、加工されて、第二レンズ構造１１１の各マイクロレンズ素子１１１ＭＬの上部凸状面１１１ＶＵを形成する。マイクロレンズ材料層１１０の下部はエッチングされず、第一レンズ構造１０９で残留する。エッチバックプロセス１４２後、ハードマスク１４０も除去される。マイクロレンズ材料層１１０でなるマイクロレンズ素子１１１ＭＬを有する第二レンズ構造１１１が、第一レンズ構造１０９上に形成される。図３のダブルレンズ構造１００が完成する。

好ましい実施形態において、グリッド形状の仕切り１１５の上部にコートされるマイクロレンズ材料層１１０の一部が、エッチバックプロセス１４２により除去される。その結果、第二レンズ構造１１１のマイクロレンズ素子１１１ＭＬは互いに分離される。別の形態において、エッチバックプロセス１４２後、グリッド形状の仕切り１１５の上部にコートされるマイクロレンズ材料層１１０の一部が残留する。その結果、第二レンズ構造１１１のマイクロレンズ素子１１１ＭＬは、互いに接続される。

実施形態において、第二レンズ構造１１１の上部凸状面１１１ＶＵと第一レンズ構造１０９の上凹状表面１０９ＣＵの曲率は、第一レンズ構造１０９を形成するカラーフィルター層の第一屈折率ｎ_１、および、第二レンズ構造１１１を形成するマイクロレンズ材料層の第二屈折率ｎ_２にしたがって調整される。さらに、第二レンズ構造１１１の上部凸状面１１１ＶＵと第一レンズ構造１０９の上部凹状面１０９ＣＵの曲率は、光電変換素子１０３の位置、第一レンズ構造１０９の厚さ、および、第二レンズ構造１１１の厚さにしたがって調整できる。

本発明の実施形態によると、ダブルレンズ構造が提供されて、ソリッドステートイメージセンサーのマイクロレンズアレイとして用いる。マイクロレンズアレイの集光効率は、ダブルレンズ構造の設計により改善される。ダブルレンズ構造の実施形態において、第一レンズ構造と第二レンズ構造の表面形状は、材料の屈折率にしたがって修正され、第一レンズ構造と第二レンズ構造を形成する。さらに、第一レンズ構造と第二レンズ構造の各種表面形状を有するダブルレンズ構造の製造方法も提供される。ダブルレンズ構造は、光電変換素子上で入射光を正確に照準させることができる。よって、ソリッドステートイメージセンサーの感度が向上する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

100〜ダブルレンズ構造
101〜基板
101A〜基板正面
101B〜基板背面
102〜ソリッドステートイメージセンサー
103〜光電変換素子
105〜遮光層
105P〜遮光仕切り
107〜パッシベーション層
108〜カラーフィルター層
108R、108G、108B、109R、109G、109B〜カラーフィルターコンポーネント
109〜第一レンズ構造
109VU〜第一レンズ構造の上部凸状面
109CU〜第一レンズ構造の上部凹状面
109FL〜第一レンズ構造の下方平坦面
110〜マイクロレンズ素子
111〜第二レンズ構造
111ML〜マイクロレンズ素子
111VU〜第二レンズ構造の上部凸状面
111CL〜第二レンズ構造の下部凹状面
111VL〜第二レンズ構造の下部凸状面
P〜画素
113〜入射光
114〜分割材料層
115〜仕切り
116〜開口
120〜第一ハードマスク
121〜第一ハードマスクの素子
122、126、142〜エッチバックプロセス
124〜第二ハードマスク
125〜第二ハードマスクの素子
130〜ハードマスク材料層
132〜フォトマスク
134〜露光プロセス
136〜グリッド状ハードマスク
138〜エッチングプロセス
140〜ハードマスク
141〜ハードマスクの素子
H、h〜高さ
W〜幅

Claims (14)

1. ダブルレンズ構造であって、
   第一屈折率を有するカラーフィルター層でなる第一レンズ構造、および、
   第二屈折率を有するマイクロレンズ層でなり、且つ、前記第一レンズ構造上に設置される第二レンズ構造、を有し、
   入射光が、第二レンズ構造に進入して、第一レンズ構造を通過し、前記カラーフィルター層の前記第一屈折率が、前記マイクロレンズ層の前記第二屈折率と異なることを特徴とするダブルレンズ構造。
2. 前記カラーフィルター層の前記第一屈折率は、前記マイクロレンズ層の前記第二屈折率より大きく、前記カラーフィルター層でなる前記第一レンズ構造は第一凸状面を有し、前記マイクロレンズ層でなる前記第二レンズ構造は、前記第一レンズ構造の前記第一凸状面上に設置される第二凸状面を有し、および、前記入射光は、前記第二凸状面から第二レンズ構造に進入することを特徴とする請求項１に記載のダブルレンズ構造。
3. 前記第二レンズ構造は、さらに、前記第二凸状面と反対側に第三凸状面を有し、前記マイクロレンズ層の前記第三凸状面は、前記第一レンズ構造の前記第一凸状面と共形で形成され、接触し、および、前記第一レンズ構造は、さらに、前記第一凸状面と反対側に平坦な表面を有することを特徴とする請求項２に記載のダブルレンズ構造。
4. 前記カラーフィルター層の前記第一屈折率は、前記マイクロレンズ層の前記第二屈折率より低く、前記カラーフィルター層でなる前記第一レンズ構造は第一凹状面を有し、および、前記マイクロレンズ層でなる前記第二レンズ構造は、前記第一レンズ構造の前記第一凹状面上に設置される第一凸状面を有し、および、前記入射光は、前記第一凸状面から第二レンズ構造に進入することを特徴とする請求項１に記載のダブルレンズ構造。
5. 前記第二レンズ構造は、さらに、前記第一凸状面と反対側に第二凹状面を有し、前記第二レンズ構造の前記第二凹状面は、前記第一レンズ構造の前記第一凹状面と共形で形成され、接触し、および、前記第一レンズ構造は、さらに、前記第一凹状面と反対側に平坦な表面を有することを特徴とする請求項４に記載のダブルレンズ構造。
6. さらに、前記カラーフィルター層と同一平面上に設置され、前記カラーフィルター層を複数のゾーンに分割するグリッド形状の仕切りを有し、前記グリッド形状の仕切りは、前記カラーフィルター層の前記第一屈折率より低い第三屈折率を有し、前記グリッド形状の仕切りの高さは、前記第一凹状面の下部で、前記カラーフィルター層の厚さより高く、および、前記グリッド形状の仕切りの幅は、0.1μm〜 0.3μmであることを特徴とする請求項４に記載のダブルレンズ構造。
7. 第一屈折率を有するカラーフィルター層を基板上に形成する工程と、
   第一ハードマスクを、前記カラーフィルター層上に形成し、前記第一ハードマスクが凸状を有する工程と、
   前記第一ハードマスクを用いることにより、前記カラーフィルター層をエッチングして、第一凸状面を有する第一レンズ構造を形成する工程と、
   第二屈折率を有するマイクロレンズ材料層を、前記第一レンズ構造に形成する工程と、
   第二ハードマスクを、前記マイクロレンズ材料層上に形成し、前記第二ハードマスクが凸状を有する工程と、
   前記第二ハードマスクを用いることにより、前記マイクロレンズ材料層をエッチングして、第二凸状面を有する第二レンズ構造を形成する工程と、を有し、
   前記カラーフィルター層の前記第一屈折率は、前記マイクロレンズ材料層の前記第二屈折率より大きいことを特徴とするダブルレンズ構造の製造方法。
8. 前記第一ハードマスクを用いることにより、前記カラーフィルター層をエッチングして、前記第一レンズ構造を形成する前記工程後、前記第一ハードマスクの厚さは、カラーフィルター層より薄く、前記カラーフィルター層の下部はエッチングされず、前記第一レンズ構造の隣接ゾーンの下部が互いに接続される; または、
   前記第一ハードマスクを用いることにより、前記カラーフィルター層をエッチングして、前記第一レンズ構造を形成する前記工程の後、前記第一ハードマスクの厚さは、前記カラーフィルター層に等しく、カラーフィルター層の下部がエッチングされ、前記第一レンズ構造の隣接ゾーンの下部が互いに分離されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第二ハードマスクの厚さは、前記マイクロレンズ材料層より薄く、
   前記第二ハードマスクを用いることにより、前記マイクロレンズ材料層をエッチングして、前記第二レンズ構造を形成する前記工程の後、前記マイクロレンズ材料層の下部はエッチングされず、前記第二レンズ構造の隣接ゾーンの下部が互いに接続されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 基板上に、第一屈折率を有する分割材料層を形成する工程と、
    第一グリッド形状のハードマスクを、前記分割材料層上に形成する工程と、
    前記第一グリッド形状のハードマスクを用いることにより、前記分割材料層をエッチングして、複数の開口を有するグリッド形状の仕切りを形成する工程と、
    第二屈折率を有するカラーフィルター層を、前記グリッド形状の仕切りの前記開口中に形成して、第一凹状面を有する第一レンズ構造を形成する工程と、
    第三屈折率を有するマイクロレンズ材料層を、前記第一レンズ構造上にコーティングする工程と、
    第二ハードマスクを、前記マイクロレンズ材料層に形成し、前記第二ハードマスクが凸状を有する工程と、
    前記第二ハードマスクを用いることにより、前記マイクロレンズ材料層をエッチングして、第一凸状面を有する第二レンズ構造を形成する工程と、を有し、
    前記分割材料層の前記第一屈折率は、前記カラーフィルター層の前記第二屈折率より低く、前記カラーフィルター層の前記第二屈折率は、前記マイクロレンズ材料層の前記第三屈折率より低いことを特徴とするダブルレンズ構造の製造方法。
11. 前記グリッド形状の仕切りの前記開口中に、前記カラーフィルター層を形成する前記工程は、コーティングプロセス、露光プロセス、および、現像プロセスを有し、前記現像プロセス後、前記グリッド形状の仕切りの前記上部にコートされる前記カラーフィルター層の一部が除去されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記グリッド形状の仕切りの前記開口中の前記カラーフィルター層は、前記コーティングプロセスにより、皿状形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第二ハードマスクを用いることにより、前記マイクロレンズ材料層をエッチングして、前記第二レンズ構造を形成する前記工程の後、前記第二ハードマスクの厚さは、前記マイクロレンズ材料層と等しく、前記グリッド形状の仕切りの前記上部にコートされる前記マイクロレンズ材料層の一部が除去されて、前記グリッド形状の仕切りを露光することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記第二ハードマスクを用いることにより、前記マイクロレンズ材料層をエッチングして、前記第二レンズ構造を形成する前記工程の後、前記第二ハードマスクの厚さは、前記マイクロレンズ材料層より薄く、前記グリッド形状の仕切りの上部にコートされる前記マイクロレンズ材料層の一部が、前記グリッド形状の仕切りで残留することを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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