JP2003209231A - 固体撮像装置および固体撮像システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロレンズと受光面との距離を短縮する
と同時に、反射防止膜が形成される際には膜厚の最適設
計が容易で、クラックが発生しにくい固体撮像装置を提
供する。 【解決手段】 受光部１０９と、マイクロレンズとを少
なくとも有し、マイクロレンズの表面が気相に接するよ
うに構成された固体撮像装置において、受光部１０９の
光入射側に設けられる平坦化層１０３に、屈折率が拡が
って変化する屈折率分布領域１０３（ａ）を受光部１０
９に対応させて形成することによってマイクロレンズが
形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光をマイクロ
レンズで受光部に集光する固体撮像装置および固体撮像
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像装置は、画像の高解像度
化と撮影システムの小型化の要求から受光チップの小型
化と高画素化に向けた開発が進められている。

【０００３】チップの小型化と高画素化を達成するため
には、画素サイズを縮小することが必須である。受光領
域の縮小に伴う電気的な出力信号の低下を補うために光
電変換素子の高感度化、Ｓ／Ｎ比改善、各画素の実質的
な開口率の増加等の対策がとられている。

【０００４】マイクロレンズはチップに入射する光の利
用効率の改善を目的として考案されたものであり、決め
られた画素領域に入射する光線を効率よく受光領域に集
光することにより実質的に開口率をあげている。

【０００５】マイクロレンズは通常、個々の受光部に対
応して設けられている。マイクロレンズの形成方法とし
てはフォトリソグラフィー法を用いる方法が一般的であ
る。この方法は、開口部上面を透明樹脂によって平坦化
した後に、マイクロレンズとなる感光性樹脂をフォトリ
ソグラフィー法によって各受光部に対応するように島状
に形成し、加熱することによって島状の樹脂を軟化さ
せ、その表面張力によって球面化して曲面状のマイクロ
レンズを形成するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように形
成されるマイクロレンズは、受光部上にカラーフィルタ
ーや平坦化層を形成し、それらの上に形成されなければ
ならないためにマイクロレンズと受光部との距離を短縮
することが難しく、このことはマイクロレンズの開口数
をあげる上で大きな制約になっていた。

【０００７】また、このように形成されるマイクロレン
ズは高屈折率のマイクロレンズ樹脂界面が露出している
ので入射光の反射損失が大きく、画像形成のための光利
用効率が低くなるとともに、迷光成分の増加によりコン
トラストの低下や、ゴーストの発生などといった撮像画
質の低下をもたらしていた。

【０００８】また、マイクロレンズの表面における反射
損失を減らすために有機樹脂材料からなるマイクロレン
ズ表面に無機薄膜等の反射防止膜を形成した場合には、
その熱的性質の違いから表面にクラックが入りやすいこ
とも問題となっていた。その１つ１つが同等な撮像機能
を果たさなければならない撮像素子アレイの場合には、
クラックの発生は致命的であり、その発生の防止が望ま
れていた。

【０００９】また、反射防止膜の膜厚を設計する際に
は、マイクロレンズ表面における入射光の角度依存性
と、反射防止膜の形成の際に必然的に発生する膜厚の分
布を考慮しなければならず、最適な膜厚の設計が困難で
あることも問題となっていた。

【００１０】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、マイクロレンズと受光部との距離を短縮する
と同時に、反射防止膜が形成される際には最適な膜厚の
設計が容易で、クラックが発生しにくい固体撮像装置お
よび固体撮像システムを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、マイク
ロレンズとを少なくとも有し、前記マイクロレンズの表
面が気相に接するように構成された固体撮像装置におい
て、前記受光部の光入射側に設けられる平坦化層に、屈
折率が拡がって変化する屈折率分布を前記受光部に対応
させて形成することによって前記マイクロレンズが形成
されていることを特徴とする。

【００１２】本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、
該受光部上に設けられた平坦化層と、マイクロレンズと
を少なくとも有し、前記マイクロレンズの表面が気相に
接するように構成された固体撮像装置において、前記平
坦化層に屈折率が拡がって変化する屈折率分布を形成す
ることによって前記マイクロレンズが形成されているこ
とを特徴とする。

【００１３】本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、
該受光部上に設けられたカラーフィルターと、マイクロ
レンズとを少なくとも有し、前記マイクロレンズの表面
が気相に接するように構成された固体撮像装置におい
て、前記カラーフィルターに屈折率が拡がって変化する
屈折率分布を形成することによって前記マイクロレンズ
が形成されていることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。

【００１５】（実施形態１）図１は実施形態１の模式的
断面図を示す。図１において、１１０は反射防止膜、１
０２は表面平坦化層１０３の表面、１０３は表面平坦化
層を示す。表面平坦化層１０３は受光部（光電変換素
子）１０９の光入射側に形成され、低屈折率樹脂で形成
されている。表面平坦化層１０３には受光部１０９に対
応するように屈折率分布領域１０３ａが形成されてい
る。１０３ｂは低屈折率樹脂領域である。屈折率分布領
域１０３ａは表面平坦化層１０３の上部側から下部側に
向け拡がりながら、屈折率が次第に減少する構成となっ
ている。図１の曲線はその様子を示したものである。

【００１６】この屈折率分布領域１０３ａはマイクロレ
ンズとしての機能を果たしていて、入射光を受光部に集
めている。図１では、各領域に境界があるような図示に
なっているが、実際にはこれらの領域に明確な境界はな
い。また、屈折率分布領域１０３ａは表面平坦化層１０
３の内部に形成されているので、その表面は略平面にな
っている。

【００１７】また、１０４はカラーフィルター、１０５
は層内平坦化層、１０６は遮光膜、１０７は層間絶縁
層、１０８は配線、１０９は受光部を示す。

【００１８】以下、本実施形態の製造方法について説明
する。まず、シリコン等を材料とするウェハに受光部１
０９、配線１０８、層間絶縁層１０７、遮光層１０６、
層内平坦化層１０５を形成する。この方法は従来の半導
体製造工程で行うので説明を省略する。ついで、カラー
フィルター１０４を形成する。この方法も従来のカラー
フィルター形成工程で行うので説明を省略する。

【００１９】カラーフィルター１０４の形成後、カラー
フィルター１０４の凹凸を平坦化するために、アクリル
系樹脂等の低屈折率樹脂からなる表面平坦化層１０３を
形成する。それから、特開平０６−９４９０３号公報等
で開示される拡散重合法により表面平坦化層１０３の表
面の所望の位置に屈折率分布領域を形成する。屈折率分
布領域における表面の平坦性は、１つの領域内で０．２
μｍ以内としている。

【００２０】ついで、表面平坦化層の表面１０２に反射
防止膜１１０を形成する。その形成方法は、一般的な反
射防止膜の形成方法を用いることができる。本実施形態
の反射防止膜１１０は酸化チタン／酸化珪素の４層積層
膜からなり、４００〜７００ｎｍの可視領域における反
射率を２％以下としている。

【００２１】本実施形態では屈折率分布型領域の形成方
法として拡散重合法を用いているが、それ以外にも特開
昭６１−２５１５４０号公報に開示されるイオン交換
法、特開平０２−３１０５０１号公報に開示される選択
的重合法等がある。この形成方法は屈折率分布領域のマ
イクロレンズとしての機能の設計に応じて選択、適用が
可能である。

【００２２】（実施形態２）本実施形態は、実施形態１
と同様の構成をとるが、反射防止膜１１０の材料および
その形成方法が異なる。本実施形態では、反射防止膜１
１０として有機材料としての低屈折率のフッ素樹脂を含
むサイトップ（旭硝子製）を用い、形成方法としてはデ
ィッピング法を用いる。

【００２３】以下、本実施形態の製造方法について説明
する。まず、シリコン等を材料とするウェハに受光部１
０９、配線１０８、層間絶縁層１０７、遮光層１０６、
層内平坦化層１０５を形成する。この方法は従来の半導
体製造工程で行うので説明を省略する。ついで、カラー
フィルター１０４を形成する。この方法も従来のカラー
フィルター製造工程で行うので説明を省略する。

【００２４】カラーフィルター１０４の形成後、カラー
フィルター１０４の凹凸を平坦化するために、アクリル
系樹脂等の低屈折率樹脂からなる表面平坦化層１０３を
形成する。それから、拡散重合法により表面平坦化層１
０３の表面の所望の位置に屈折率分布を形成する。屈折
率分布領域１０３ａの表面の平坦性は、１つの領域内で
０．２μｍ以内としている。

【００２５】ついで、屈折率分布領域の形成後、表面平
坦化層の表面にディッピング法により反射防止膜１１０
を形成する。反射防止膜の材料としては、有機材料とし
ての低屈折率のフッ素樹脂を含むサイトップ（旭硝子
製）を用い、屈折率１．３４の膜を膜厚約０．２μｍ形
成することにより、４００〜７００ｎｍの可視領域にお
ける反射率を１．５％以下とすることができた。

【００２６】本実施形態では、反射防止膜の形成にはデ
ィッピング法を用いているが、ディッピング法以外のス
ピンコート法等の塗布法を用いることも可能である。

【００２７】また、本実施形態でも、屈折率分布領域の
形成には拡散重合法以外にイオン交換法、選択的重合法
等を用いることが可能である。

【００２８】（実施形態３）次に、実施形態３について
図２を用いて詳細に説明する。図２は実施形態３の模式
的断面図を示す。１１０は反射防止膜、１０１はカラー
フィルターの表面、１０４はカラーフィルターである。
カラーフィルター１０４は受光部（光電変換素子）１０
９の光入射側に形成され、低屈折率樹脂で形成されてい
る。カラーフィルター１０４には受光部１０９に対応す
るように屈折率分布領域１０４ａが形成されている。１
０４ｂは低屈折率樹脂領域である。

【００２９】屈折率分布領域１０４ａは表面平坦化層１
０４の上部側から下部側に向け拡がりながら、屈折率が
次第に減少する構成となっている。図２の曲線はその様
子を示したものである。この屈折率分布領域はマイクロ
レンズとしての機能を果たしていて、入射光を受光部に
集めている。

【００３０】図２では、各領域に境界があるような図示
になっているが、実際にはこれらの領域に明確な境界は
ない。また、屈折率分布領域１０４ａはカラーフィルタ
ー１０４の内部に形成されているので、その表面は略平
面になっている。

【００３１】１０５は層内平坦化層、１０６は遮光膜、
１０７は層間絶縁層、１０８は配線、１０９は受光部を
示す。本実施形態では、カラーフィルター１０４上に表
面平坦化層１０３がない構成になっている。

【００３２】以下、本実施形態の製造方法について説明
する。まず、シリコン等のを材料とするウェハに受光部
１０９、配線１０８、層間絶縁層１０７、遮光層１０
６、層内平坦化層１０５を形成する。この方法は従来の
半導体製造工程で行うので説明を省略する。ついで、カ
ラーフィルター１０４を形成する。この方法も従来のカ
ラーフィルター製造工程で行うので説明を省略する。

【００３３】カラーフィルター１０４の形成後、前述の
拡散重合法によりカラーフィルター１０４の表面の所望
の位置に屈折率分布領域を形成する。

【００３４】ついで、屈折率分布領域の形成後、カラー
フィルター１０４の表面にディッピング法により反射防
止膜１１０を形成する。反射防止膜の材料としては、低
屈折率のフッ素樹脂を含む有機材料であるサイトップ
（旭硝子製）を用い、屈折率１．３４の膜を膜厚約０．
２μｍ形成することにより、４００〜７００ｎｍの可視
領域における反射率を１．５％以下とすることができ
た。

【００３５】本実施形態では、反射防止膜の形成にはデ
ィッピング法を用いているが、ディッピング法以外のス
ピンコート法等の塗布法を用いることも可能である。

【００３６】また、実施形態１、実施形態２の場合同様
に、屈折率分布領域の形成には拡散重合法以外にイオン
交換法、選択的重合法等を用いることが可能である。

【００３７】以上の実施形態において、マイクロレンズ
としての機能を果たす屈折率分布領域は光入射側に形成
される表面平坦化層やカラーフィルターの光入射面に形
成されているので、それらの上にマイクロレンズを形成
していた従来の場合より受光部との距離を近づけること
が可能となり、開口数をあげることが可能になった。

【００３８】また、平面状の層の上に反射防止膜を形成
するため、曲面状のマイクロレンズ上に反射防止膜を形
成していた従来の場合に比べて、反射防止特性に対する
最適な膜厚の設計を容易に行うことができるようになっ
た。

【００３９】また、略平面で平坦性の高い層上に反射防
止膜を形成するので、曲面状で微小な凹凸を有するマイ
クロレンズ上に形成される反射防止膜に比較して、密着
性が向上した。

【００４０】また、平面状の層上に反射防止膜が形成さ
れることにより、反射防止膜にクラックが発生しにくく
なった。さらに、反射防止膜の材料に有機材料を用いた
場合は、クラックはさらに発生しにくくなった。

【００４１】また、スピンコート法、ディッピング法等
によって反射防止膜を形成することが可能になったの
で、従来、その形成方法に採用されていた気相成長法で
形成する場合と比較して、その形成の際のコストを大幅
に削減することが可能になった。

【００４２】（実施形態４）図３は、上記各実施形態で
説明した固体撮像装置を用いた固体撮像システムの一例
であるスチルビデオカメラのブロック図である。上記の
実施形態で説明した固体撮像装置は固体撮像装置２０４
として利用されている。図３において、バリア２０１は
レンズのプロテクトとメインスイッチを兼ね、レンズ２
０２は被写体の光学像を固体撮像装置２０４に結像させ
る。絞り２０３はレンズを通った光量を可変するための
もので、固体撮像装置２０４はレンズ２０２で結像され
た被写体を画像信号として取り込むため装置である。撮
像信号処理回路２０５は固体撮像装置２０４から出力さ
れる画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行い、
Ａ／Ｄ変換器２０６は固体撮像装置２０４より出力され
る画像信号のアナログ−ディジタル変換を行う。

【００４３】信号処理部２０７はＡ／Ｄ変換器２０６よ
り出力された画像データに各種の補正を行ったりデータ
を圧縮したりする。タイミング発生部２０８は固体撮像
装置２０４、撮像信号処理回路２０５、Ａ／Ｄ変換器２
０６、信号処理部２０７に各種タイミング信号を出力
し、全体制御・演算部２０９は各種演算とスチルビデオ
カメラ全体を制御する。メモリ部２１０は画像データを
一時的に記憶するためのもので、記録媒体制御Ｉ／Ｆ
（インターフェイス）部２１１は記録媒体に記録又は読
み出しを行うためのインターフェイスである。記録媒体
２１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半
導体メモリで着脱可能である。外部Ｉ／Ｆ（インターフ
ェイス）部２１３は外部コンピュータ等と通信するため
のインターフェイスである。

【００４４】次に、図３の動作について説明する。バリ
ア２０１が開くとメイン電源がオンされ、次にコントロ
ール系の電源がオンし、Ａ／Ｄ変換器２０６などの撮像
系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御す
るために、全体制御・演算部２０９は絞り２０３を開放
にし、固体撮像装置２０４から出力された信号は、撮像
信号処理回路２０５をスルーしてＡ／Ｄ変換器２０６へ
出力される。Ａ／Ｄ変換器２０６は、その信号をＡ／Ｄ
変換して、信号処理部２０７に出力する。信号処理部２
０７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算
部２０９で行う。

【００４５】この測光を行った結果により明るさを判断
し、その結果に応じて全体制御・演算部２０９は絞りを
制御する。次に、固体撮像装置２０４から出力された信
号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の
演算を全体制御・演算部２０９で行う。その後、レンズ
を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断
したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。

【００４６】そして、合焦が確認された後に本露光が始
まる。露光が終了すると、固体撮像装置２０４から出力
された画像信号は、撮像信号処理回路２０５において補
正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器２０６でＡ／Ｄ変換さ
れ、信号処理部２０７を通り全体制御・演算２０９によ
りメモリ部２１０に蓄積される。その後、メモリ部２１
０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部２０９の制
御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１１を通り半導体メモ
リ等の着脱可能な記録媒体２１２に記録される。また外
部Ｉ／Ｆ部２１３を通り直接コンピュータ等に入力して
画像の加工を行ってもよい。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、次の効
果がある。 （１） マイクロレンズとしての機能を果たす屈折率分
布領域は平坦化層やカラーフィルターの表面に形成され
ているので、平坦化層やカラーフィルター上にマイクロ
レンズを形成していた従来の場合より受光部との距離を
近づけることが可能となり、開口数をあげることが可能
になった。 （２） 平面状の層上に反射防止膜を形成するので、曲
面状のマイクロレンズ上に反射防止膜を形成していた従
来の場合に比べて、反射防止特性に対する膜厚の最適設
計を容易に行うことができるようになった。 （３） 略平面で平坦性の高い層上に反射防止膜を形成
するので、曲面状で微小な凹凸を有するマイクロレンズ
上に形成される反射防止膜に比較して、マイクロレンズ
との密着性が向上した。 （４） 平面状の層上に反射防止膜が形成されることに
より、反射防止膜にクラックが発生しにくくなった。さ
らに、反射防止膜の材料に有機材料を用いた場合には、
クラックはさらに発生しにくくなった。 （５） スピンコート法、ディッピング法等の塗布法に
よって反射防止膜を形成することが可能になったので、
従来の方法で形成する場合と比較して、その形成の際の
コストを大幅に削減することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１および実施形態２の模式的
断面図である。

【図２】本発明の実施形態３の模式的断面図である。

【図３】本発明の実施形態４の一構成図である。

【符号の説明】

１０１ カラーフィルター表面 １０２ 表面平坦化層表面 １０３ 表面平坦化層 １０４ カラーフィルター １０５ 層内平坦化層 １０６ 遮光膜 １０７ 層間絶縁膜 １０８ 配線 １０９ 受光部 １１０ 反射防止膜 ２０１ バリア ２０２ レンズ ２０３ 絞り ２０４ 固体撮像装置 ２０５ 撮像信号処理回路 ２０６ Ａ／Ｄ変換器 ２０７ 信号処理部 ２０８ タイミング発生部 ２０９ 全体制御・演算部 ２１０ メモリ部 ２１１ 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部 ２１２ 記録媒体 ２１３ 外部Ｉ／Ｆ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｇ０２Ｂ 1/10 Ａ Ｆターム(参考） 2H048 BB02 BB08 BB10 BB28 BB47 2K009 AA07 CC03 CC26 DD02 4M118 AA01 AA05 AA10 AB01 BA06 CA02 CB13 EA01 GC07 GD04 GD10 5C024 CX41 CY47 EX43 EX52 5F088 BA03 BA20 BB03 EA04 HA01 HA05 HA10 HA20 JA12 JA13

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光部と、マイクロレンズとを少なくと
   も有し、前記マイクロレンズの表面が気相に接するよう
   に構成された固体撮像装置において、 前記受光部の光入射側に設けられる平坦化層に、屈折率
   分布を前記受光部に対応させて形成することによって前
   記マイクロレンズが形成されていることを特徴とする固
   体撮像装置。
2. 【請求項２】 受光部と、該受光部上に設けられた平坦
   化層と、マイクロレンズとを少なくとも有し、前記マイ
   クロレンズの表面が気相に接するように構成された固体
   撮像装置において、 前記平坦化層に屈折率分布を形成することによって前記
   マイクロレンズが形成されていることを特徴とする固体
   撮像装置。
3. 【請求項３】 受光部と、該受光部上に設けられたカラ
   ーフィルターと、マイクロレンズとを少なくとも有し、
   前記マイクロレンズの表面が気相に接するように構成さ
   れた固体撮像装置において、 前記カラーフィルターに屈折率分布を形成することによ
   って前記マイクロレンズが形成されていることを特徴と
   する固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記平坦化層はカラーフィルター上に形
   成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮
   像装置。
5. 【請求項５】 前記平坦化層または前記カラーフィルタ
   ーの表面には反射防止膜が形成されていることを特徴と
   する請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装
   置。
6. 【請求項６】 前記反射防止膜は有機材料であることを
   特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
7. 【請求項７】 前記反射防止膜は塗布法によって形成さ
   れることを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像
   装置。
8. 【請求項８】 前記塗布法はディッピング法であること
   を特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
9. 【請求項９】 請求項１から８のいずれか１項に記載の
   固体撮像装置と、 前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、 前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回
   路とを有することを特徴とする固体撮像システム。