JP2007157743A - 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色毎の光学強度を最適にすることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】多数の光電変換素子と、多数の光電変換素子の上方にギャップレスで形成された多数のマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、多数のマイクロレンズの各々の焦点距離が、各々のマイクロレンズの下方にある光電変換素子の検出する色に応じて決まっている固体撮像素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、ギャップレスマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法に関する。

固体撮像素子には、光電変換素子に光を集光するために、マイクロレンズアレイが設けられている。このようなマイクロレンズアレイとして、マイクロレンズ間に隙間のないギャップレスマイクロレンズアレイが知られている（特許文献１，２，３参照）。

ギャップレスマイクロレンズアレイの製造方法としては、まず、光電変換素子の上方に多数の矩形のレジストを、隣接するレジスト同士の間隔を一定にして形成し、このレジストをリフローし、リフローされたレジストにイオン注入を行ってこれを硬化させて、上凸状の多数のレンズを形成する。その後、多数のレンズ上にスピンコート等によってオーバーコート膜を形成し、多数のレンズ間の隙間をオーバーコート膜によって埋めることで、ギャップレスマイクロレンズアレイを形成する。この方法によれば、オーバーコート膜形成後の各マイクロレンズの曲率は全体を通して一定である。

特開平１０−２０６６０５号公報 特開平５−１４５８１３号公報 特開２０００−３０４９０６号公報

固体撮像素子は、一般に、３色以上のカラーフィルタと、その上層のマイクロレンズ等からなる光学層を有し、各カラーフィルタを透過した光の波長は、それぞれ一定ではない。又、固体撮像素子に含まれる光電変換素子であるフォトダイオードは、その深さによって光の波長毎の吸収効率が異なる。従来の固体撮像素子では、フォトダイオードの上方に形成されるマイクロレンズの曲率が一定であり、その焦点距離も一定である。つまり、フォトダイオード毎に異なる波長の光が入射されるにも関わらず、各フォトダイオードには同一の深さにて光が集められており、色毎の光学強度が最適となってはいなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、色毎の光学強度を最適にすることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。又、このような固体撮像素子を製造するのに適した製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の上方にギャップレスで形成された多数のマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、前記多数のマイクロレンズの各々の焦点距離が、前記各々のマイクロレンズの下方にある前記光電変換素子の検出する色に応じて決まっている。

本発明の固体撮像素子は、前記多数のマイクロレンズの各々が、凸状のレンズと、前記レンズ上に形成された前記レンズの曲率を調整するオーバーコート膜とから構成される。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、ギャップレスマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法であって、前記ギャップレスマイクロレンズの製造工程が、多数の光電変換素子の各々の上方に多数の凸状のレンズを形成するレンズ形成工程と、前記多数のレンズの上に、前記多数のレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜を形成するオーバーコート膜形成工程とを含み、前記レンズ形成工程では、１つの前記レンズに注目したとき、前記注目しているレンズと前記注目しているレンズに隣接するレンズとの距離が、前記注目しているレンズの下方にある光電変換素子の特徴に応じて変化するように、前記多数のレンズを形成する。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換素子の特徴が、前記光電変換素子の検出する色である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換素子の特徴が、前記光電変換素子の感度である。

本発明の固体撮像素子の製造方法は、前記光電変換素子の特徴が、前記光電変換素子の位置である。

本発明によれば、色毎の光学強度を最適にすることが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の一部分を示す表面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、Ｘ方向とこれに直交するＹ方向に配列された多数の画素部１，２，３を備える。画素部１，２，３には、それぞれ光電変換素子であるフォトダイオードと、フォトダイオード上方に形成されたカラーフィルタと、カラーフィルタ上方に形成されたマイクロレンズとが含まれている。平面視上の画素部の大きさと、その画素部に含まれるカラーフィルタの大きさは同じである。

画素部１には、赤色（Ｒ）の光を透過するＲカラーフィルタが含まれている。このため、図１では画素部１に“Ｒ”の文字を付してある。画素部２には、緑色（Ｇ）の光を透過するＧカラーフィルタが含まれている。このため、図１では画素部２に“Ｇ”の文字を付してある。画素部３には、青色（Ｂ）の光を透過するＢカラーフィルタが含まれている。このため、図１では画素部３に“Ｂ”の文字を付してある。以下では、画素部１，２，３のことを、それぞれＲ画素部，Ｇ画素部，Ｂ画素部と言う。

Ｒ画素部，Ｇ画素部，Ｂ画素部は、それぞれY方向にストライプ状に配列されている。尚、各画素部の配列は図１に示す例に限らず、公知の様々な配列を採用することができる。

図２（ａ）は、図１に示す固体撮像素子のａ−ａ線のＲカラーフィルタから上の断面模式図であり、（ｂ）は図１に示す固体撮像素子のｂ−ｂ線のＢカラーフィルタから上の断面模式図である。
図２に示すように、Ｂ画素部にはＢカラーフィルタ４Ｂが含まれており、Ｒ画素部にはＲカラーフィルタ４Ｒが含まれている。Ｂカラーフィルタ４Ｂ及びＲカラーフィルタ４Ｒの上方には平坦化膜５が形成されている。Ｂカラーフィルタ４Ｂ及びＲカラーフィルタ４Ｒの上方には、平坦化膜５を介して樹脂材料からなる上凸状のレンズ６ｃが形成されている。このレンズ６ｃは、各画素部に対応して１つ形成されている。レンズ６ｃ上には、レンズ６ｃの曲率を調整する樹脂材料からなるオーバーコート膜７ｂが固体撮像素子の全面に渡って形成されている。各画素部に含まれるレンズ６ｃと、オーバーコート膜７ｂとによって、その画素部のフォトダイオードに光を集光するマイクロレンズ８が構成されている。オーバーコート膜７が、レンズ６ｃ同士の間に埋まる形になっているため、各画素部に含まれるマイクロレンズ８は、ギャップレスとなっている。

尚、図２ではＢ画素部とＲ画素部しか図示していないが、Ｇ画素部も他の画素部と同様に、Ｇカラーフィルタ、平坦化膜５、レンズ６ｃ、及びオーバーコート膜７ｂが含まれる。又、各画素部に含まれるレンズ６ｃの大きさは、Ｒ画素部、Ｇ画素部、及びＢ画素部毎に異なっている。レンズ６ｃの平面視のサイズは、Ｒ画素部が最も大きく、Ｇ画素部、Ｂ画素部の順に小さくなっている。以下では、Ｂ画素部に含まれるマイクロレンズ８をＢマイクロレンズ８といい、Ｒ画素部に含まれるマイクロレンズ８をＲマイクロレンズ８といい、Ｇ画素部に含まれるマイクロレンズ８をＧマイクロレンズ８という。

本実施形態の固体撮像素子の特徴は、多数のマイクロレンズ８の各々の焦点距離が、その各々のマイクロレンズ８の下方にあるフォトダイオードの検出する色に応じて決まっている点である。

Ｂマイクロレンズ８は、その焦点距離が、Ｂ画素部に含まれるフォトダイオードのＢ光の吸収効率が最も高い深さに来るように形成されている。同様に、Ｒマイクロレンズ８は、その焦点距離が、Ｒ画素部に含まれるフォトダイオードのＲ光の吸収効率が最も高い深さに来るように形成されている。又、Ｇマイクロレンズ８も、その焦点距離が、Ｇ画素部に含まれるフォトダイオードのＧ光の吸収効率が最も高い深さに来るように形成されている。

このような構成により、各カラーフィルタを透過した各波長の光が、フォトダイオードにて効率良く吸収されるため、色毎の光学強度を最適にすることができる。

以上のような構成の固体撮像素子のマイクロレンズは、具体的には後述するが、基本的には、従来と同様の方法で製造することができる。即ち、平坦化膜５上に多数のレンズ６ｃを形成した後、多数のレンズ６ｃ上にスピンコートによってオーバーコート膜７ｂを形成することで、製造可能である。

ここで、あるレンズ６ｃに注目したとき、注目しているレンズ６ｃと、注目しているレンズ６ｃに隣接するレンズ６ｃとのギャップが広いと、スピンコートによって塗布されたオーバーコート材料は、そのギャップに流れ込んで平坦化膜５に水平な方向に浅く広がり、平坦化膜５に垂直な方向の膜厚はあまり厚くならない。この結果、注目しているレンズ６ｃとオーバーコート膜７ｂからなるマイクロレンズ８は、注目しているレンズ６ｃそのものの持つ曲率に近い値を維持する。
一方、注目しているレンズ６ｃに隣接するレンズ６ｃとのギャップが狭いと、スピンコートによって塗布されたオーバーコート材料は、そのギャップに流れ込んでも、平坦化膜５に水平な方向にはあまり広がることはできず、平坦化膜５に垂直な方向の膜厚が厚くなる。この結果、注目しているレンズ６ｃとオーバーコート膜７ｂからなるマイクロレンズ８の曲率は、注目しているレンズ６ｃそのものの持つ曲率よりも小さい値となるよう調整される。

このような考察に基づくと、レンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとのギャップを予め調整しておけば、最終的に形成されるマイクロレンズ８の曲率も調整できることが分かる。マイクロレンズ８の曲率が小さい場合は、焦点距離が長く、マイクロレンズ８の曲率が大きい場合は、焦点距離が短くなるため、本実施形態では、このことを利用して、Ｒマイクロレンズ８、Ｇマイクロレンズ８、及びＢマイクロレンズ８の各々の焦点距離を変えている。

以下、固体撮像素子の製造方法を具体的に説明する。
図３は、図１に示す固体撮像素子の製造工程を説明する図であり、図１に示す固体撮像素子のａ−ａ線の断面模式図である。図４は、図１に示す固体撮像素子の製造工程を説明する図であり、図１に示す固体撮像素子のｂ−ｂ線の断面模式図である。平坦化膜５を形成するまでのプロセスは、従来と同様であるため説明を省略する。

まず、図３（Ａ），図４（Ａ）に示すように、平坦化膜５上にエキシマレーザ又は紫外線露光用のレジストを塗布し、紫外領域の光による露光及び現像を行って、レジストをパターニングし、各画素部のフォトダイオードに対応した位置に、所定間隔を空けて矩形状のレジスト６ａを形成する。

次に、図３（Ｂ），図４（Ｂ）に示すように、レジスト６ａを所定温度で熱リフロー処理し、角部を丸めて断面が上凸状のレンズ形状のレジスト６ｂを形成する。

次に、図３（Ｃ），図４（Ｃ）に示すように、レンズ形状のレジスト６ｂにイオン注入を施してこれを硬化し、凸状のレンズ６ｃを形成する。図３，４の（Ａ）〜（Ｃ）までが、特許請求の範囲のレンズ形成工程に相当する。

尚、レンズ形成工程は上述した方法に限らない。例えば、平坦化膜５上に、エキシマレーザ又は紫外線露光用の第一のレジストを塗布し、更にその上に第二のレジストを塗布し、第二のレジストのパターニングを行って、第一のレジスト上に矩形のレジストを形成し、形成した矩形のレジストを熱溶融させてレンズ形状のレジストを得た後、そのレジストを第一のレジストに転写し、転写して得られたレジストにイオン注入を行ってレンズ６ｃを形成することも可能である。

本実施形態では、レンズ形成工程において、最終的に形成される多数のレンズ６ｃのいずれかに注目したとき、その注目しているレンズ６ｃと、注目しているレンズ６ｃに隣接するレンズ６ｃとの距離が、注目しているレンズ６ｃの下方にあるフォトダイオードの検出する色に応じて変化するように、多数のレンズ６ｃを形成することで、Ｒマイクロレンズ８、Ｇマイクロレンズ８、及びＢマイクロレンズ８の各々の焦点距離を変えている。

レンズ６ｃ同士の間隔は、矩形のレジスト６ａ同士の間隔に依存する。このため、矩形のレジスト６ａを形成する際に、各レジスト６ａの大きさや配置を調整しておくことで、Ｒマイクロレンズ８、Ｇマイクロレンズ８、及びＢマイクロレンズ８の各々の焦点距離を変えることが可能である。

そこで、本実施形態では、レジストのパターニングを行う前に、まず、全ての画素部がＲ画素部であると仮定した状態で、各レジスト６ａと、それに隣接するレジスト６ａとのギャップが、Ｒ光の波長に応じた値となるように、各レジスト６ａの大きさ及び配置を決定し、この大きさ及び配置を、Ｒ画素部に形成すべきレジスト６ａに適用する。次に、全ての画素部がＧ画素部であると仮定した状態で、各レジスト６ａと、それに隣接するレジスト６ａとのギャップが、Ｇ光の波長に応じた値となるように、各レジスト６ａの大きさ及び配置を決定し、この大きさ及び配置を、Ｇ画素部に形成すべきレジスト６ａに適用する。次に、全ての画素部がＢ画素部であると仮定した状態で、各レジスト６ａと、それに隣接するレジスト６ａとのギャップが、Ｂ光の波長に応じた値となるように、各レジスト６ａの大きさ及び配置を決定し、この大きさ及び配置を、Ｂ画素部に形成すべきレジスト６ａに適用する。

そして、このようにして決定した大きさ及び配置に基づいてパターニングを行う。このパターニング後の固体撮像素子の平面図を図５に示した。図５に示すように、各画素部に形成されたレジスト６ａのＸ方向の端部から、そのレジスト６ａの形成された画素部のＸ方向の端部までの距離Ｌ１と、各画素部に形成されたレジスト６ａのＹ方向の端部から、そのレジスト６ａの形成された画素部のＹ方向の端部までの距離Ｌ２は同一である。又、この距離Ｌ１，Ｌ２の大きさは、Ｂ画素部が最も大きく、Ｒ画素部が最も小さくなっている。

このようにすることで、各レジスト６ａと、それに隣接するレジスト６ａとの間の距離のうち、最低限確保できる距離Ｌ１が、画素部で検出する色に応じて変化する。このため、多数のレンズ６ｃのいずれかに注目したとき、その注目しているレンズ６ｃと、注目しているレンズ６ｃに隣接するレンズ６ｃとの距離も、その注目しているレンズ６ｃの下方にあるフォトダイオードの検出する色に応じて変化することになる。

そして、レンズ６ｃ形成後、図３（Ｄ），図４（Ｄ）に示すように、レジスト６ａと同一材料で且つレジスト６ａよりも低粘度のレジストからなるオーバーコート膜７ａ（レンズ６ｃの曲率を調整するための膜）を、スピンコード法によってレンズ６ｃ上に形成する。次に、図３（Ｅ），図４（Ｅ）に示すように、そのオーバーコート膜７ａにイオン注入等によって硬化処理を施し、これによって、レンズ６ｃとオーバーコート膜７ｂとからなる所望のマイクロレンズ８を得る。

スピンコートの際、図３に示すように、Ｒ画素部に形成されたレンズ６ｃのＸ方向に隣接するレンズ６ｃとのギャップにはオーバーコート材料が流れ込むが、ここに流れ込んだオーバーコート材料は、平坦化膜５に水平な方向にはあまり広がることはできず、平坦化膜５に垂直な方向の膜厚が厚くなる。この結果、Ｒマイクロレンズ８の曲率は、レンズ６ｃそのものの持つ曲率よりも小さい値となるよう調整される。

又、図４に示すように、Ｂ画素部に形成されたレンズ６ｃのＸ方向に隣接するレンズ６ｃとのギャップにはオーバーコート材料が流れ込むが、ここに流れ込んだオーバーコート材料は、平坦化膜５に水平な方向に浅く広がり、平坦化膜５に垂直な方向の膜厚はあまり厚くならない。この結果、Ｂマイクロレンズ８の曲率は、レンズ６ｃそのものの持つ曲率に近い値に維持される。

又、図示していないが、Ｇマイクロレンズ８についても同様に、その曲率が調整され、その曲率は、Ｒマイクロレンズ８よりは大きく、Ｂマイクロレンズ８よりは小さくなる。

尚、各画素部においては、レンズ６ｃのＸ方向に隣接するレンズ６ｃとのギャップと、Ｙ方向に隣接するレンズ６ｃとのギャップとが異なる。しかし、注目しているレンズ６ｃの隣にどのような大きさのレンズ６ｃが形成されていようと、上記距離Ｌ１（＝Ｌ２）が小さければ、注目しているレンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとのギャップは小さくなる傾向にあり、上記距離Ｌ１（＝Ｌ２）が大きければ、注目しているレンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとのギャップは大きくなる傾向にある。このため、Ｙ方向についてもほぼ同様に曲率を調整することが可能である。

尚、図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示すように、レジスト６ａの大きさは場所毎に変わっているため、レンズ６ｃの曲率も場所毎に異なっている。このため、マイクロレンズ８をギャップレスにしなくて良いのであれば、レンズ６ｃをそのままマイクロレンズ８として利用することも可能である。しかし、この曲率の差は微小であり、大きな差を付けることは難しいため、このままではマイクロレンズ８の曲率の制御範囲を広げることは難しい。本実施形態の方法によれば、レンズ６ｃ同士のギャップ調整とオーバーコート膜形成とを組み合わせているため、マイクロレンズ８の曲率の制御範囲を容易に広げることが可能である。

又、図３と図４を比較して分かるように、Ｒマイクロレンズ８は、Ｂマイクロレンズ８よりも集光面積が大きいため集光効果が高く、特に、斜め光を効率良く集光することが可能である。そこで、高感度のフォトダイオードと低感度のフォトダイオードを有する固体撮像素子を製造する際に、上述した方法を採用することも可能である。ここで言う高感度のフォトダイオードと低感度のフォトダイオードを有する固体撮像素子とは、フォトダイオード開口は同一とし、その開口上方のマイクロレンズの集光効率を変えることで、感度に差を与えたものを想定している。

例えば、高感度にすべきフォトダイオードについては、その上方に形成するレンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとの距離が相対的に狭くなるように、低感度にすべきフォトダイオードについては、その上方に形成するレンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとの距離が相対的に広くなるように、レンズ６ｃを形成すれば良い。このように、最終的に形成される多数のレンズ６ｃのいずれかに注目したとき、その注目しているレンズ６ｃと、注目しているレンズ６ｃに隣接するレンズ６ｃとの距離が、注目しているレンズ６ｃの下方にあるフォトダイオードの感度に応じて変化するように、多数のレンズ６ｃを形成すれば良い。

又、上述した製造方法は、固体撮像素子の輝度シェーディングを低減させるために利用することもできる。例えば、輝度シェーディングが顕著となる固体撮像素子の周辺部に配置されたフォトダイオードについては、その上方に形成するレンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとの距離が相対的に狭くなるように、輝度シェーディングが問題とならない固体撮像素子の中心部に配置されたフォトダイオードについては、その上方に形成するレンズ６ｃと、それに隣接するレンズ６ｃとの距離が相対的に広くなるように、レンズ６ｃを形成すれば良い。このように、最終的に形成される多数のレンズ６ｃのいずれかに注目したとき、その注目しているレンズ６ｃと、注目しているレンズ６ｃに隣接するレンズ６ｃとの距離が、注目しているレンズ６ｃの下方にあるフォトダイオードの位置に応じて変化するように、多数のレンズ６ｃを形成すれば良い。

尚、光電変換素子は、その特徴として、何色を検出するものなのか、どのような感度を持つものなのか、どの位置にあるものなのか等をあげることができる。このため、光電変換素子の検出する色、光電変換素子の感度、及び光電変換素子の位置は、その光電変換素子の持つ特徴ということができる。

又、上述したレンズ６ｃ同士のギャップは、０．１μｍ〜０．５μｍであることが好ましい。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の一部分を示す表面模式図 （ａ）は、図１に示す固体撮像素子のａ−ａ線のＲカラーフィルタから上の断面模式図、（ｂ）は図１に示す固体撮像素子のｂ−ｂ線のＢカラーフィルタから上の断面模式図 図１に示す固体撮像素子の製造工程を説明する図 図１に示す固体撮像素子の製造工程を説明する図 レジストパターニング後の固体撮像素子の平面図

符号の説明

１ Ｒ画素部
２ Ｇ画素部
３ Ｂ画素部
４Ｂ Ｂカラーフィルタ
４Ｒ Ｒカラーフィルタ
５ 平坦化膜
６ａ 矩形のレジスト
６ｂ レンズ状のレジスト
６ｃ 硬化されたレンズ
７ａ オーバーコート膜
７ｂ 硬化されたオーバーコート膜
８ マイクロレンズ

Claims (6)

1. 多数の光電変換素子と、前記多数の光電変換素子の上方にギャップレスで形成された多数のマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、
   前記多数のマイクロレンズの各々の焦点距離が、前記各々のマイクロレンズの下方にある前記光電変換素子の検出する色に応じて決まっている固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記多数のマイクロレンズの各々は、凸状のレンズと、前記レンズ上に形成された前記レンズの曲率を調整するオーバーコート膜とから構成される固体撮像素子。
3. ギャップレスマイクロレンズを有する固体撮像素子の製造方法であって、
   前記ギャップレスマイクロレンズの製造工程が、多数の光電変換素子の各々の上方に多数の凸状のレンズを形成するレンズ形成工程と、前記多数のレンズの上に、前記多数のレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜を形成するオーバーコート膜形成工程とを含み、
   前記レンズ形成工程では、１つの前記レンズに注目したとき、前記注目しているレンズと前記注目しているレンズに隣接するレンズとの距離が、前記注目しているレンズの下方にある光電変換素子の特徴に応じて変化するように、前記多数のレンズを形成する固体撮像素子の製造方法。
4. 請求項３記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記光電変換素子の特徴が、前記光電変換素子の検出する色である固体撮像素子の製造方法。
5. 請求項３記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記光電変換素子の特徴が、前記光電変換素子の感度である固体撮像素子の製造方法。
6. 請求項３記載の固体撮像素子の製造方法であって、
   前記光電変換素子の特徴が、前記光電変換素子の位置である固体撮像素子の製造方法。

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