JP2001111015A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射光量を有効に画素に導くことが出来る固
体撮像素子を提供する。 【解決手段】 固体撮像装置は、２次元表面を画定する
半導体基板と、前記半導体基板の表面に複数列、複数行
に配列された多数個の光電変換素子と、前記半導体基板
上方に形成され、各光電変換素子上に受光開口を有する
遮光膜と、前記遮光膜上に形成される平坦化絶縁膜と、
前記各受光開口上に、前記平坦化絶縁膜を挟んで形成さ
れるマイクロレンズと前記マイクロレンズ上に形成され
る一層又は複数層の膜とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、行列状に配列した
複数の受光部を有する固体撮像素子に関し、特に光像を
効率的に入力するためのオンチップマイクロレンズの形
状及び構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に多数の光電変換素子を行
列状に形成した固体撮像素子において、基板上に光電変
換素子に対応した開口を有する遮光膜が配置される。集
光効率を向上するためには遮光膜の開口上方にマイクロ
レンズが配置される。

【０００３】図６は従来の固体撮像素子の一部の拡大断
面図である。

【０００４】シリコン等の半導体基板１の表面に光電変
換素子２と、転送チャネル３を形成し、転送チャネル３
に隣接して分離領域４を形成する。光電変換素子２、転
送チャネル３、分離領域４を形成した半導体基板１の表
面を酸化して、酸化シリコン膜等の絶縁膜５を形成す
る。

【０００５】次に、転送チャネル３の上方に、転送電極
６を形成し、その上に、さらに絶縁膜５ａを形成した
後、光電変換素子２上方に開口を有する遮光膜７を転送
電極６の上方に形成する。

【０００６】遮光膜７を形成した上に、パッシベーショ
ン層を含む焦点調整層８を形成して、その上に、カラー
フィルタ層９を形成する。

【０００７】カラーフィルタ層９の上に平坦化層１０を
形成し、その上に、透明な感光性樹脂材料でレンズ層１
１をスピンコートし、フォトリソグラフィによりパター
ンニングし、図６（ａ）の状態にする。

【０００８】その後、図６（ｂ）に示すような形になる
ように、パターンニングしたレンズ層を軟化温度以上に
加熱する熱処理により流動化させる方法等を利用してマ
イクロレンズ１１が形成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】現在開発されているビ
デオカメラ及びデジタルスチルカメラ用の撮像センサ
は、画素数が１００万画素を超えている。このような多
画素撮像センサにおいては、オンチップマイクロレンズ
の大きさは約５μｍ四方以下であり、３μｍ四方に近づ
いている。これは、従来のビデオカメラに使われている
ものの４分の１以下である。

【００１０】画素サイズが小さくなるにつれて、オンチ
ップマイクロレンズも小さくなる。レンズ寸法が縮小す
ると、レンズ曲面の曲率半径も小さくなりやすく、レン
ズの焦点距離が小さくなってしまう。また、レンズ周辺
部における焦点距離が、レンズ中心部のそれよりも短く
なるという問題が顕著になる。

【００１１】このような焦点距離の問題は、従来のカメ
ラレンズでは、非球面レンズを形成することで解決して
いる。固体撮像素子に用いるオンチップマイクロレンズ
においても、この問題を解決するために非球面レンズを
形成することが好ましい。しかし、従来のオンチップマ
イクロレンズ形成方法では、非球面レンズを形成するの
は、非常に困難である。

【００１２】本発明の目的は、インナーレンズを形成す
る等の複雑な工程を必要とせずに、マイクロレンズに入
射した光を受光面に集光することが出来る固体撮像素子
を提供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、入射光量を有効に画
素に導くことが出来る固体撮像素子を提供することであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、固体撮像装置は、２次元表面を画定する半導体基板
と、前記半導体基板の表面に複数列、複数行に配列され
た多数個の光電変換素子と、前記半導体基板上方に形成
され、各光電変換素子上に受光開口を有する遮光膜と、
前記遮光膜上に形成される平坦化絶縁膜と、前記各受光
開口上に、前記平坦化絶縁膜を挟んで形成されるマイク
ロレンズと前記マイクロレンズ上に形成される一層又は
複数層の膜とを有する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施例によ
るマイクロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図
６の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示
す。

【００１６】ｐ型ウェルＷｐを有するｎ型シリコン等の
半導体基板１の表面に例えばｐｎ接合構造の光電変換素
子２と、ｎ型領域の転送チャネル３を形成し、転送チャ
ネル３に隣接してｐ＋型領域である分離領域４を形成す
る。光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４を形
成した半導体基板１の表面を酸化して、酸化シリコン膜
等からなる絶縁膜５を形成する。

【００１７】次に、転送チャネル３の上方に、２層多結
晶シリコン層等の転送電極６を形成し、その上に、さら
に絶縁膜５ａを形成した後、Ａｌ（アルミニュウム）等
からなり、光電変換素子２上方に開口を有する遮光膜７
を転送電極６の上方に形成する。

【００１８】遮光膜７を形成した上に、パッシベーショ
ン層、平坦化絶縁層を含む焦点調整層８を形成し、その
上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三種類の色のフ
ィルターで構成されるカラーフィルタ層９が形成され
る。カラーフィルタ層９の上に、表面を平坦化するため
に、フォトレジスト等の透明絶縁体である平坦化層１０
をスピンコート等で形成する。平坦化層は以降の熱処理
工程に耐えるものとする。

【００１９】次に、平坦化層１０の上に、約２５０℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程
度のマイクロレンズ１１を形成する。ここまでで、まず
図１（ａ）に示すような形状となる。

【００２０】このマイクロレンズ１１の上に、約２００
℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．２μｍ程
度の平均厚さの非球面レンズ化膜１２ａを形成する。非
球面レンズ化膜１２ａは、凹部分を優先的に充填し、マ
イクロレンズ表面に対して濡れ性を有する粘性の小さい
フォトレジスト液を塗布し、軟化温度以下でポストベー
クして形成される。

【００２１】段差のある表面に、粘性の小さい塗布液を
塗布すると、均一の厚さにはならない。マイクロレンズ
１１の外周部分に半径方向に従って厚さを増大する塗布
層が形成されるため、レンズ外周部分での実効的焦点距
離を増加させる。このため、粘性の小さいフォトレジス
ト液を用いて形成される本実施例の非球面レンズ化膜１
２ａは、図１（ｂ）に示すような形状を有し、マイクロ
レンズ１１と協同して非球面レンズを形成する。

【００２２】一方、粘性の大きい塗布液を使用すると、
マイクロレンズ１１の全表面にほぼ均一の厚さに塗布す
ることが可能となる。その後軟化温度以上に加熱する熱
処理工程によって塗布膜を流動化させ、より低い部分に
流れるようにすることもできる。この粘性の制御は、例
えば、レジスト液に混入するシンナー液の量により可能
である。シンナー液が多いと粘性は低下する。

【００２３】なお、非球面レンズ化膜１２ａは、フォト
レジスト膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによ
って形成されてもよい。紫外線硬化樹脂を用いてもよ
い。また、フォトレジスト膜は、塗布に限らず、吹き付
け、又は液に浸す等の方法で形成されてもよい。

【００２４】このようにして、オンチップマイクロレン
ズを非球面レンズとすることにより、入射光量を有効に
画素に導くことが出来る。よって、固体撮像素子の感度
を向上させることが出来る。また、固体撮像素子のスミ
アを減少させることが出来る。

【００２５】図２は、本発明の第２の実施例によるマイ
クロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図
１の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示
す。

【００２６】前述の第１の実施例と同様の方法で半導体
基板１の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離
領域４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層
８、カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。

【００２７】次に、平坦化層１０の上に、約２５０℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程
度のマイクロレンズ１１を形成し、まず図２（ａ）に示
すような形状とする。

【００２８】次に、マイクロレンズ１１上に、平均厚さ
約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着
又は気相反応等により形成し、図２（ｂ）に示すような
形状とする。濡れ性改善膜１３として用いる金属膜は、
マイクロレンズ１１上とマイクロレンズ間のスペース１
５の表面状態を同一にする効果がある。

【００２９】この濡れ性改善膜１３は、金属膜に限ら
ず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されても
よく、マイクロレンズの光学特性に影響を与えない程度
の薄い膜が形成でき、マイクロレンズとの密着性が優れ
たものであればよい。

【００３０】この濡れ性改善膜１３上に、約２００℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．２μｍ程度の
平均厚さの非球面レンズ形成膜１２を形成する。非球面
レンズ形成膜１２は、フォトレジスト液を塗布すること
により形成される。

【００３１】ここでは、粘性の大きいフォトレジスト液
を使用し、マイクロレンズ１１の全表面にほぼ均一の厚
さに塗布する。その後軟化温度以上に加熱する熱処理工
程によって塗布膜を流動化させ、より低い部分に流れる
ようにする。本実施例の場合、２００℃以上の温度で熱
処理することにより流動化させて、図２（Ｃ）に示すよ
うな非球面レンズ化膜１２ａを形成する。

【００３２】オンチップマイクロレンズを非球面レンズ
とすることに加えて、濡れ性改善膜１３を形成すること
により、マイクロレンズを保護することが出来るととも
に、非球面レンズ形成膜の熱処理効果が均一となるとい
う効果がある。

【００３３】なお、非球面レンズ化膜１２ａは、フォト
レジスト膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによ
って形成されてもよい。また、フォトレジスト膜は、塗
布に限らず、吹き付け、又は液に浸す等の方法で形成さ
れてもよい。

【００３４】図３は、本発明の第３の実施例によるマイ
クロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図
１、図２の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部
材を示す。

【００３５】前述の実施例と同様の方法で半導体基板１
の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域
４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層８、
カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。

【００３６】次に、平坦化層１０の上に、約３００℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程
度のマイクロレンズ１１を形成し、まず図３（ａ）に示
すような形状とする。

【００３７】次に、マイクロレンズ１１上に、平均厚さ
約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着
又は気相反応等により形成する。濡れ性改善膜１３とし
て用いる金属膜は、マイクロレンズ１１の表面とマイク
ロレンズ間のスペース１５の表面状態を同一にする効果
がある。

【００３８】この濡れ性改善膜１３は、金属膜に限ら
ず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されても
よく、マイクロレンズの光学特性に影響を与えない程度
の薄い膜が形成でき、マイクロレンズとの密着性が優れ
たものであればよい。

【００３９】この濡れ性改善膜１３上に、約２５０℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の
平均厚さの第１の非球面レンズ形成膜１２をフォトレジ
スト液を塗布することにより形成し、図３（ｂ）に示す
ような形状とする。これを、２５０℃以上で熱処理する
ことにより流動化させて、図３（ｃ）に示すような第１
の非球面レンズ化膜１２ａを形成する。

【００４０】さらにその上に、図３（ｄ）に示すよう
に、約２００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約
０．１μｍ程度の平均厚さの第２の非球面レンズ形成膜
１４をフォトレジスト液を塗布し、軟化温度より低い温
度で第２の非球面レンズ形成膜１４をポストベークして
形成する。

【００４１】ここで使用されるフォトレジスト液は、粘
性が大きいものである。粘性が大きいと、濡れ性改善膜
１３、及び第１の非球面レンズ化膜１２ａの表面に、均
一に膜を形成することが出来る。

【００４２】図３（ｅ）は、第３の実施例の変形例の固
体撮像素子の一部の拡大断面図である。この変形例で
は、第３の実施例の第２の非球面レンズ形成膜１４を、
２００℃以上で熱処理することにより流動化させて、第
２の非球面レンズ化膜１４ａを形成する。

【００４３】第３の実施例に比べて、マイクロレンズ周
辺部の曲率をさらに小さくすることが出来るので、マイ
クロレンズ周辺部の焦点距離を長くすることが出来る。
また、非球面レンズ形成層を２層にすることで、光学特
性のより優れた非球面マイクロレンズを形成することが
出来る。

【００４４】なお、図３（ｅ）に示す、第３の実施例の
変形例は、粘性を小さくしたフォトレジスト液を使用し
て第２の非球面レンズ形成膜１４を形成してもよい。

【００４５】この場合、第２の非球面レンズ形成膜１４
は、レジスト液に混入するシンナー液の量を増やして粘
性を小さくしたフォトレジスト液を、第１の非球面レン
ズ化膜１２ａの上に、塗布することにより形成される。
粘性の小さいフォトレジスト液を使用したことにより、
塗布膜は均一に形成されず、図３（ｅ）に示すような第
２の非球面レンズ化膜１４ａを形成する。

【００４６】図４は、本発明の第４の実施例によるマイ
クロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図
１、図２、図３の参照番号と同じ番号のものは実質的に
同じ部材を示す。

【００４７】前述の実施例と同様の方法で半導体基板１
の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域
４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層８、
カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。

【００４８】次に、平坦化層１０の上に、約３００℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程
度のマイクロレンズ１１を形成し、まず図４（ａ）に示
すような形状とする。

【００４９】次に、マイクロレンズ１１上に、平均厚さ
約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着
又は気相反応等により形成する。この濡れ性改善膜１３
は、金属膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによ
って形成されてもよく、マイクロレンズの光学特性に影
響を与えない程度の薄い膜が形成でき、マイクロレンズ
との密着性が優れたものであればよい。

【００５０】上記濡れ性改善膜１３を、フォトレジ工程
によって部分的に除去する。本実施例では、青色のカラ
ーフィルタであるカラーフィルタ層９Ｂ上方の濡れ性改
善膜１３を除去する。

【００５１】次に、残りの部分の濡れ性改善膜１３とマ
イクロレンズ１１の表面上に、約２００℃の温度で軟化
する粘性の大きいフォトレジスト膜で約０．２μｍ程度
の平均厚さの非球面レンズ形成膜１２を形成し、図４
（ｂ）に示すような形にする。

【００５２】非球面レンズ形成膜１２を、２００℃以上
の温度で熱処理することにより流動化させて、図４
（ｃ）に示すような、非球面レンズ化膜１２ａを形成す
る。

【００５３】本実施例で濡れ性改善膜１３として用いる
金属膜は、マイクロレンズ１１の表面とマイクロレンズ
間のスペース１５の表面状態を同一にする効果がある。
したがって、カラーフィルタ層９Ｂ上方と、カラーフィ
ルタ層９Ｇ及び９Ｒ上方では、非球面レンズ形成膜１２
の濡れ性に差が出る。

【００５４】カラーフィルタ層９Ｂ上方では、マイクロ
レンズ周辺部での曲率が小さくなり、焦点距離が長くな
る。カラーフィルタ層９Ｇ及び９Ｒ上方では、マイクロ
レンズ周辺部での曲率がカラーフィルタ層９Ｂ上方に比
べて大きくなる。こうして、カラーフィルタの色に応じ
て、非球面性の異なるレンズを形成することが出来る。
すなわち、それぞれ波長の異なる光に対して、同一位置
に焦点を結ぶことのできるレンズを形成することができ
る。

【００５５】本実施例よれば、カラーフィルタの色によ
り非球面レンズの形状を変化させることが出来るので、
より有効な入射光の利用が可能である。

【００５６】図５は、本発明の第５の実施例によるマイ
クロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図
１〜図４の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部
材を示す。

【００５７】前述の第３の実施例と同様の方法で半導体
基板１の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離
領域４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層
８、カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。

【００５８】次に、平坦化層１０の上に、約３００℃の
温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程
度のマイクロレンズ１１を形成し、その上に、平均厚さ
約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着
又は気相反応等により形成する。

【００５９】その上に、約２５０℃の温度で軟化するフ
ォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の平均厚さの第１の
非球面レンズ形成膜１２をフォトレジスト液を塗布する
ことにより形成し、これを、２５０℃以上の温度で熱処
理することにより流動化させて、第１の非球面レンズ化
膜１２ａを形成する。

【００６０】さらにその上に、約２００℃の温度で軟化
するフォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の平均厚さの
第２の非球面レンズ形成膜１４をフォトレジスト液を塗
布することにより形成する。以上により図３（ｄ）と同
様の形状になる。

【００６１】その後、フォトリソグラフィ工程によって
第２の非球面レンズ形成膜１４を部分的に除去する。本
実施例では、青色のカラーフィルタであるカラーフィル
タ層９Ｂ上方の第２の非球面レンズ形成膜１４を除去
し、図５に示す形にする。その後必要に応じて２００℃
以上の温度で熱処理を行う。

【００６２】以上により第４の実施例と同様の効果を得
ることが出来る。

【００６３】なお、前述の実施例４及び５では、カラー
フィルタ層９Ｂ上方のマイクロレンズの非球面特性と、
カラーフィルタ層９Ｇ及び９Ｒ上方のマイクロレンズの
非球面特性とを変化させる方法を記載したが、本発明は
これに限定されるものではなく、９Ｒと９Ｂ、９Ｇ、又
は、９Ｇと９Ｂ、９Ｒ、さらには９Ｒと９Ｂと９Ｇとで
マイクロレンズの非球面特性を変化させるようにしても
よい。

【００６４】実施例においては、軟化前の厚さ約１μｍ
のマイクロレンズと全厚さ約０．２μｍの非球面レンズ
形成膜を用いたが、これらは制限的な意味を持つもので
はない。設計に従い種種の厚さを採用することが出来
る。

【００６５】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明
であろう。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
インナーレンズを形成する等の複雑な工程を必要とせず
に、マイクロレンズに入射した光を受光面に集光するこ
とが出来る。

【００６７】また、本発明によれば、入射光量を有効に
画素に導くことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例による固体撮像素子の一部の拡大
断面図である。

【図２】第２の実施例による固体撮像素子の一部の拡大
断面図である。

【図３】第３の実施例による固体撮像素子の一部の拡大
断面図である。

【図４】第４の実施例による固体撮像素子の一部の拡大
断面図である。

【図５】第５の実施例による固体撮像素子の一部の拡大
断面図である。

【図６】従来例による固体撮像素子の一部の拡大断面図
である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…受光素子（受光部）、３…列方向
転送チャネル、４…分離領域、５…絶縁膜、６…転送電
極、７…遮光膜、８…焦点調整層、９…カラーフィルタ
層、１０…平坦化層、１１…マイクロレンズ、１２・１
４…非球面レンズ形成膜、１２ａ・１４ａ…非球面レン
ズ化膜、１３…濡れ性改善膜、１５…マイクロレンズ間
のスペース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 益金 和行 宮城県黒川郡大和町松坂平１丁目６番地 富士フイルムマイクロデバイス株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA13 CA03 DA03 FA06 FA26 GB07 GB11 GC08 GD04 GD07 GD11 GD20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）２次元表面を画定する半導体基板
   と、 （ｂ）前記半導体基板の表面に複数列、複数行に配列さ
   れた多数個の光電変換素子と、 （ｃ）前記半導体基板上方に形成され、各光電変換素子
   上に受光開口を有する遮光膜と、 （ｄ）前記遮光膜上に形成される平坦化絶縁膜と、 （ｅ）前記各受光開口上に、前記平坦化絶縁膜を挟んで
   形成されるマイクロレンズと （ｆ）前記マイクロレンズ上に形成される一層又は複数
   層の膜とを有する固体撮像素子。
2. 【請求項２】前記マイクロレンズ上に形成される膜は、
   前記マイクロレンズの軟化温度より低い軟化温度を有
   し、前記マイクロレンズ形成時の熱処理温度よりも低い
   温度で一回又は複数回軟化処理された膜である請求項１
   に記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】さらに、前期遮光膜と前記マイクロレンズ
   との間に配置されたカラーフィルタを有し、前記マイク
   ロレンズ上に形成される膜の一部がカラーフィルタの色
   に応じて取り除かれている請求項１又は２に記載の固体
   撮像素子。