JP2022030762A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部１０と、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズ２１を有するマイクロレンズ部２０とを備える。複数のマイクロレンズにおいて、色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップは、色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の１５％以上２５％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子、より詳しくは、カラーフィルタおよびマイクロレンズアレイが取り付けられたオンチップタイプの固体撮像素子に関する。

光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を選択的に透過する複数色の着色透明パターンを平面配置したカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式の固体撮像素子が普及している。
固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化に伴い、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプの固体撮像素子が増えている。

オンチップタイプの固体撮像素子には、光電変換素子に効率よく光を導くために、マイクロレンズが配置されることがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－８７７７号公報

デジタル・イメージ機器の高画質化や小型化が進んでおり、オンチップタイプの固体撮像素子においてもさらに高精細化が要請されている。
発明者は、このような固体撮像素子の高精細化に対応する検討を進める過程で、従来問題視されていなかったペタルフレア（petal flare）という新たな問題点を認識し、解決した。

本発明は、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える固体撮像素子である。
複数のマイクロレンズにおいて、色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップは、色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の１５％以上２５％以下である。

本発明によれば、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応可能な固体撮像素子を提供できる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。 従来のマイクロレンズ部の平面視写真である。 同固体撮像素子に係るマイクロレンズ部の模式平面図である。 マイクロレンズ部における対角ギャップと、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の反射光との関係のシミュレーション結果のグラフである。 マイクロレンズの厚みと、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の反射光との関係のシミュレーション結果のグラフである。 実施例に係るマイクロレンズの平面視写真である。 比較例に係る固体撮像装置に生じたペタルフレアの写真である。 実施例に係る固体撮像装置に生じたペタルフレアの写真である。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板１０１上に形成されたオンチップカラーフィルタ１とを備えている。

オンチップカラーフィルタ１は、複数種類の色フィルタを含むフィルタ部１０と、フィルタ部１０上に配置されたマイクロレンズ部２０とを有する。
フィルタ部１０は、色フィルタ１１、１２、１３の３種類の色フィルタを含む。フィルタ部１０の色の種類や数、および配分は、適宜決定でき、公知のものを採用できる。例えば、赤、緑、青の三色を用いたベイヤ配列などを例示できる。固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、光電変換素子ＰＤの１つと重なっている。

マイクロレンズ部２０は、複数のマイクロレンズ２１を有する。マイクロレンズ２１は、フィルタ部１０の色フィルタと概ね同様の配置態様を有しており、固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、マイクロレンズ２１の１つと重なっている。

以上の様に構成された固体撮像素子１００においては、マイクロレンズ２１に入射した光が対応する色フィルタを経て光電変換素子ＰＤに導かれることにより、撮像機能を発揮する。
固体撮像素子の感度を向上させるためには、マイクロレンズによりできるだけ多くの光を光電変換素子に導くことが必要である。このため、マイクロレンズ部の各マイクロレンズは、熱リフローおよびエッチバック等の公知の技術を用いて、図２に示すように、平面視においてマイクロレンズの光学面がほぼ隙間なく配置されるよう形成されるのが常識であった。

ところが、マイクロレンズの直径あるいはマイクロレンズが配置された色フィルタの一辺の寸法が１．２μｍ以下に高精細化された固体撮像素子において、十分な色純度が得られない現象が散見されるようになった。
発明者がこの現象について検討したところ、マイクロレンズによるペタルフレアがその大きな要因であることをつきとめた。

ペタルフレアは、マイクロレンズの光軸まわりに間隔を空けて花びら状に生じるフレアであり、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の反射光の干渉により生じると考えられている。ペタルフレア自体は、原理上これまでのマイクロレンズアレイでも発生していたと考えられるが、従来は、光電変換素子が受光する光量が多かったことや、隣接する色フィルタ領域との距離（ピッチ）が大きかったことにより、問題として顕在化していなかったと考えられる。

発明者は、ペタルフレアを減少させる方法について種々検討した。その結果、マイクロレンズ部の平面視において、マイクロレンズのないギャップ領域を一定量設けることが有効であることを見出した。

色フィルタの平面視形状が正方形である場合、マイクロレンズの直径を正方形の対角線と概ね同一とすることでマイクロレンズが図２のように隙間なく配置される。この状態からマイクロレンズの直径を減少させると、図３に示すように、正方形の隅部分にマイクロレンズのないギャップ領域が生じる。

図４は、ギャップ領域の対角ギャップと法線方向以外の反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域は、一辺１．１μｍの正方形とした。
「対角ギャップ」とは、任意の色フィルタ領域に配置されたマイクロレンズと、当該色フィルタ領域の周囲にあり角部のみが接する他の色フィルタに配置されたマイクロレンズとの、色フィルタ領域が接する角部を通る線上における最短距離を意味し、図３に符号ＤＧで示している。すなわち、対角ギャップとは、平面視における任意のマイクロレンズとその対角方向に隣接した他のマイクロレンズとの最短距離である。なお、各色フィルタが隔壁で隔離され、対角方向の色フィルタの隅部同士が直接接しない構成の場合、対角ギャップは隔壁を含む距離となる。
図４に示すように、対角ギャップが増加するにつれて、法線方向以外の反射光が減少していることがわかる。色フィルタ領域に対してマイクロレンズが小さくなりすぎると、光電変換素子に導ける光の量が減少することにより感度が低下するが、発明者の検討では、対角ギャップが対応する色フィルタ領域の一辺の長さの１５％以上２５％以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の反射光を低減できることが分かった。

さらに、発明者の検討では、マイクロレンズの厚みもペタルフレアに影響を与えることも確認された。すなわち、対角ギャップを所定の範囲としたうえでマイクロレンズの厚みを以下の通り調整することで、ペタルフレアをさらに抑制することが可能となる。
図５は、マイクロレンズの厚みと法線方向以外の反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域の寸法等の諸条件は、図４に係るシミュレーションと同様とした。
図５に示すように、マイクロレンズの厚みが増加するにつれて、法線方向以外の反射光が減少していることがわかる。発明者の検討では、厚みが対応する色フィルタ領域の一辺の長さの５０％以上６５％以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の反射光を低減できることが分かった。さらにマイクロレンズの厚みが色フィルタ領域の一辺の長さの５０％以上５４％以下の範囲であれば、マイクロレンズの集光効率向上と法線方向以外の反射光の低減を高いレベルで両立できるためより好ましいといえる。
図４および図５において、「Ｓｕｍ」は全回折光の総和を指し、「Ｍａｘ」は全回折次数で最も強く回折した光を指す。いずれもペタルフレアに影響するが、ペタルフレアを抑制するには、Ｍａｘの値を抑えることがより効果的である。

本実施形態の固体撮像素子について、実施例および比較例を用いてさらに説明する。本発明の技術的範囲は、実施例および比較例の具体的内容のみによって何ら制限されない。

（実施例１）
二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、メタル配線等を有するウェハ基板を準備した。このウェハ基板に、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）、およびＢ（青）の３色の色フィルタを、各光電変換素子の領域に対応させつつベイヤ配列にて形成し、ウェハ基板上にフィルタ部を設けた。
フィルタ部上に、非感光性樹脂からなる透明層をコーターにより形成し、透明層上に感光性樹脂からなるハードマスクをコートおよび露光現像し、各色フィルタ領域内に、平面視円形のレンズパターンを形成した。
このレンズパターンに１６０℃３００秒の熱フロー工程を施してレンズパターンを半球状にした後、エッチングプロセスにてレンズパターンおよび透明層をエッチングした。
以上により、実施例１に係る固体撮像素子を得た。実施例１における各部の寸法は以下の通りである。
色フィルタ領域：一辺１．１μｍの正方形
マイクロレンズ厚み：０．５８μｍ（上記一辺の５２．７％）
マイクロレンズ対角ギャップ：０．１μｍ（上記一辺の９．０９％）

（比較例）
エッチングプロセスの変更によりマイクロレンズの厚みを０．５２μｍ（上記一辺の４７．３％）とした点を除き、実施例１と同様の手順で比較例に係るカラーフィルタ付き固体撮像素子を得た。

（実施例２）
レンズパターンおよびエッチングプロセスの変更によりマイクロレンズの対角ギャップを０．２７μｍ（上記一辺の２４．５％）とした点を除き、実施例１と同様の手順で比較例に係るカラーフィルタ付き固体撮像素子を得た。
実施例１および比較例の各色におけるペタルフレアの最大強度を表１に示す。表１では、比較例の最大強度を１００とした相対値を示している。

表１に示すように、実施例１では、いずれの色フィルタにおいてもペタルフレアの最大強度が２０％以上低減されていた。

図６は、実施例２に係るマイクロレンズ部の平面視写真であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で取得したものである。図２と比べると、各色フィルタ領域の隅部に比較的大きな対角ギャップが確保されていることがわかる。
図７に比較例のペタルフレアの写真を、図８に実施例２のペタルフレアの写真をそれぞれ示す。実施例２では、比較例に比してペタルフレアの明度が抑えられていることがわかる。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。

例えば、各色フィルタ領域の形状は、上述した正方形に限られず、長方形や他の多角形であってもよい。色フィルタ領域の形状において、長方形等の様に辺の長さが複数種類ある場合は、最長辺の長さを基準として厚みや対角ギャップ等を設定すればよい。

本発明の固体撮像素子は、平面視における一部に色フィルタが配置されなくてもよい。例えば、光電変換素子の一部をピント調整等に用いる固体撮像素子等に本発明を適用する場合、フィルタ部においてピント調整に用いる光電変換素子に対応する領域に色フィルタを配置しないといった態様もありうる。

各色フィルタ間に、迷光を防ぐための隔壁が形成されてもよい。隔壁は、光吸収性隔壁であってもよいし、光反射性隔壁であってもよい。

１ オンチップカラーフィルタ
１０ フィルタ部
１１、１２、１３ 色フィルタ
２０ マイクロレンズ部
２１ マイクロレンズ
１００ 固体撮像素子
１０１ ウェハ基板
ＤＧ 対角ギャップ
ＰＤ 光電変換素子

Claims (2)

1. 複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、
   前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、
   前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部と、
   を備え、
   前記複数のマイクロレンズにおいて、前記色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップが、前記色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の１５％以上２５％以下である、
   固体撮像素子。
2. 前記マイクロレンズの厚みが、対応する前記色フィルタ領域における前記最長辺の５０％以上６５％以下である、
   請求項１に記載の固体撮像素子。

Images