JP2009170562A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】受光部の面積が減少した場合や各波長を透過する光の集光状態が違うときにおいても、感度向上と色再現性に優れた固体撮像装置とマイクロレンズの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】異なる高さのマイクロレンズを設けることにより、集光効率が高められ、高感度と色再現性に優れた固体撮像装置を実現できる。また、異なる屈折率のマイクロレンズを設けることにより、集光効率が高められ、高感度と色再現性に優れた固体撮像装置を実現できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の色の光を受光する複数の撮像画素を備える固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。

固体撮像装置は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及びファクシミリ等の様々な画像入力機器に使用されている。図１５の従来の固体撮像装置の構成を説明する図に示すように、固体撮像装置は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）及びＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等に代表され、光を電子信号に変換する受光部がマトリスク状に配置されている。また、色彩を再現するカラーフィルタを備えたカラー固体撮像装置も一般に知られている。カラーフィルタは、光の三原則と呼ばれる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各フィルタにより構成され、発色性が良く再現性に優れた原色カラーフィルタ並びにシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、グリーン（Ｇ）の各フィルタと、感度が高く落ち着いた色合いになりやすいといわれる補色カラーフィルタの二種類が用いられている。そして、各受光部上に上記のいずれかの色のパターンが配置されている。また、このような固体撮像装置においては、小型化、高画素化、高解像度化の要請により、受光部の面積が減少してきている。このような受光部の面積減少に伴う光電変換特性の低下を補うため、カラーフィルタ層下に層内レンズ１３、カラーフィルタ層上にマイクロレンズ２００が配置され、転送領域等の受光部以外の領域に入射する光を集光させて受光部に集光する役割を果たしている。

上記の受光部に入射する光の集光効率を上げて高感度を実現するために、マイクロレンズ２００の形状、曲率を制御して集光効率を上げたり、感度均一性を向上できるマイクロレンズ形成方法が提案されている。例えば、感光性を持つ熱軟化性樹脂を母体としたマイクロレンズ形成フローで、塗布、露光現像によりフォトレジストパターンを形成し、熱リフローの前にマイクロレンズ２００の一部に光照射を加え、熱軟化点を未照射部分と変化させることにより、熱リフロー後、形成されたマイクロレンズ２００の曲率を各マイクロレンズ部内、各色フィルタ、あるいはチップ面内で異ならしめることが可能である（例えば、特許文献１を参照）。また、受光部に入射する光量を制御するため、オンチップマイクロレンズの形状をカラーフィルタ層の各色に対応して異ならしめ、色再現性の優れることが可能となる固体撮像装置が提案されている。例えば、マイクロレンズ形成用の有機高分子材料層に形成するレジストパターンの平面形状に大小を持たせ、これをリフローすることにより形成できる。あるいは、レジストパターン形成後にさらに上層レジスト膜を塗布し、厚さを必要とするレジストパターン上にのみに上層レジストを残し、これらをともにリフローしてリフローパターンとし、これをエッチバックして有機高分子材料を転写すれば異なる形状のマイクロレンズ形成が可能である。また、レジストパターン形成後にさらに上層レジスト膜を塗布し、厚さを必要とするレジストパターン上にのみに上層レジストを残し、これらをともにリフローしてリフローレジストパターンとし、これをエッチバックして有機高分子材料に転写すると異なる高さのマイクロレンズ形成が可能である（例えば、特許文献２を参照）。
特開平５−７５０８５号公報 特開平９−１１６１２７号公報

しかしながら、受光部の面積が減少してきている中で、マイクロレンズや層内レンズがあった場合でも、各カラーフィルタ層を透過した光を受光部に集めることが難しくなる。そこで、より多くの光を受光部に集めるためには、マイクロレンズの最適な曲率を保ちながら、水平、垂直方向に隣接するマイクロレンズとの間がギャップレス、対角方向に隣接するマイクロレンズとの間がギャップレス、もしくは狭小化となる無効領域が無い、もしくは無効領域が少ないマイクロレンズ形成が必要とされる。

また、長波長の光である赤（Ｒ）色のカラーフィルタを透過する光と、中間波長の光である緑（Ｇ）色のカラーフィルタを透過する光と、短波長の光である青（Ｂ）のカラーフィルタを透過する光などは、波長に比例して集光位置や集光幅などの集光状態が異なる。よって、色毎に集光効率を最適化するためには、マイクロレンズの断面と平面形状を色毎に制御することが必要とされる。

ところが、前記従来のオンチップマイクロレンズ形成方法や固体撮像装置には以下のような問題がある。熱リフローの前に光照射部と未照射部によるマイクロレンズの曲率を変化させる形成方法やレジストパターンの平面形状に大小を持たせリフローする形成方法では、水平、垂直方向に隣接するマイクロレンズとの間がギャップレス、対角方向に隣接するマイクロレンズとの間が狭小化、もしくはギャップレスになるマイクロレンズの曲率を制御するのが困難である。また、レジスト形成後にさらに上層レジスト膜を塗布し、厚さを必要とするレジストパターン上にのみに上層レジストを残し、これらをともにリフローする形成方法は、現行のリソ工程の合わせ精度では、上層パターンと下層パターンに合わせずれが生じ、リフロー後安定した曲率のマイクロレンズ形成が不可能であり、リフロー及び熱硬化をしていない下層になるパターン上に上層レジストを塗布するとミキシングは避けられない。

そこで、本発明は、従来技術の問題を解決し、受光部の面積が減少した場合や各波長を透過する光の集光状態が違うときにおいても、感度向上と色再現性に優れた固体撮像装置とマイクロレンズの製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板上に行列状に配置され、複数の色の光を受光する複数の撮像画素を備える固体撮像装置の製造方法であって、前記基板上に第１の受光部と第２の受光部を形成する工程と、前記第１および第２の受光部の上に第１の平坦化膜を形成する工程と、前記第１の平坦化膜の上における前記第１および第２の受光部と対応する位置に層内レンズを形成する工程と、前記層内レンズを囲むように第２の平坦化膜を形成する工程と、前記第２の平坦化膜の上における前記第１の受光部と対応する位置に第１のカラーフィルタを、前記第２の受光部と対応する位置に第２のカラーフィルタを形成する工程と、前記第１のカラーフィルタの上に第１のレンズ材料層を、前記第２のカラーフィルタの上に第２のレンズ材料層を形成する工程と、前記第１および第２のレンズ材料層の上にレンズ形状を形成する工程と、前記レンズ形状及び前記レンズ材料層にドライエッチングを行なうことによりマイクロレンズを形成する工程とを有し、前記第２のレンズ材料層と前記第１のレンズ材料層はエッチングレートまたは屈折率が異なることを特徴とする。

また、前記受光部形成工程において、さらに第３の受光部を形成し、前記カラーフィルタ形成工程において、さらに第３のカラーフィルタを形成し、前記レンズ材料層形成工程において、さらに第３のレンズ材料層を形成し、前記第３のレンズ材料層は前記第１および第２のレンズ材料層のエッチングレートまたは屈折率と異なることを特徴とする。

また、前記第１のカラーフィルタの透過波長は前記第２のカラーフィルタの透過波長より長く、前記第２のカラーフィルタの透過波長は前記第３のカラーフィルタの透過波長より長いことを特徴とする。

また、前記第１のレンズ材料層は前記第２のレンズ材料層よりもエッチングレートが小さく、前記第２のレンズ材料層は前記第３のレンズ材料層よりもエッチングレートが小さいことを特徴とする。

また、前記第１のレンズ材料層は前記第２のレンズ材料層よりも屈折率が大きく、前記第２のレンズ材料層は前記第３のレンズ材料層よりも屈折率が大きいことを特徴とする。
さらに、本発明の固体撮像装置は、基板上に行列状に配置される複数の色の光を受光する複数の撮像画素を備える固体撮像装置であって、前記基板に形成された第１の受光部および第２の受光部と、前記第１および第２の受光部の上に形成された第１の平坦化膜と、前記第１の平坦化膜の上における前記第１および第２の受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、前記層内レンズを囲むように形成される第２の平坦化膜と、前記第２の平坦化膜の上における前記第１の受光部と対応する位置に形成された第１のカラーフィルタおよび前記第２の受光部と対応する位置に形成された第２のカラーフィルタと、前記第１のカラーフィルタの上に形成された第１のマイクロレンズおよび前記第２のカラーフィルタの上に形成された第２のマイクロレンズとを備え、前記前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズは高さ、曲率、屈折率のうち少なくとも一つが異なることを特徴とする。

また、前記基板に形成された第３の受光部と、前記第２の平坦化膜の上における前記第３の受光部と対応する位置に形成された第３のカラーフィルタと、前記第３のカラーフィルタの上に形成された第３のマイクロレンズとをさらに備え、前記第３のマイクロレンズは前記第１および第２のマイクロレンズとは高さ、曲率、屈折率のうち少なくとも一つが異なることを特徴とする。

また、前記第１のカラーフィルタの透過波長は前記第２のカラーフィルタの透過波長より長く、前記第２のカラーフィルタの透過波長は前記第３のカラーフィルタの透過波長より長いことを特徴とする。

また、前記第１のカラーフィルタは撮像領域の中央領域に位置し、前記第３のカラーフィルタは前記撮像領域の周辺領域に位置し、前記第２のカラーフィルタは前記撮像領域における前記中央領域と前記周辺領域の間の境界領域に位置することを特徴とする。

また、前記第１のマイクロレンズは前記第２のマイクロレンズよりも高く、前記第２のマイクロレンズは前記第３のマイクロレンズよりも高いことを特徴とする。
また、前記第１のマイクロレンズは前記第２のマイクロレンズよりも屈折率が大きく、前記第２のマイクロレンズは前記第３のマイクロレンズよりも屈折率が大きいことを特徴とする。

また、前記第１、第２、および第３の受光部の基板上における配置は、原色ベイヤ配列を構成していることを特徴とする。
また、前記第１、第２、および第３の受光部の基板上における配置は、原色ストライプ配列を構成していることを特徴とする。

以上により、受光部の面積が減少した場合や各波長を透過する光の集光状態が違うときにおいても、感度向上と色再現性に優れた固体撮像装置とマイクロレンズの製造方法を提供することができる。

以上のように、異なる高さのマイクロレンズを設けることにより、集光効率が高められ、高感度と色再現性に優れた固体撮像装置を実現できる。また、異なる屈折率のマイクロレンズを設けることにより、集光効率が高められ、高感度と色再現性に優れた固体撮像装置を実現できる。

本発明に係る固体撮像装置は、異なる材質を用いて形成されたマイクロレンズを有していることを特徴とする。
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に行列状に配置された、長波長の光を受光する複数の第１撮像画素と、中間の波長の光を受光する複数の第２撮像画素と、短波長の光を受光する複数の第３撮像画素とを備え、複数の第１の撮像画素は、基板上に形成された受光部と対応する位置に第１の平坦化膜を介在して形成された層内レンズと、第１平坦化膜及び層内レンズの上に第２の平坦化膜が形成され、第２の平坦化膜の上には長波長の光を透過するカラーフィルタがそれぞれ形成され、長波長の光を透過するカラーフィルタ上には長波長の光を透過する第１のマイクロレンズをそれぞれ有し、複数の第２の撮像画素は、基板上に形成された受光部と対応する位置に第１の平坦化膜を介在して形成された層内レンズと、第１平坦化膜及び層内レンズ上に第２の平坦化膜が形成され、第２の平坦化膜の上には中間の光の波長を透過するカラーフィルタがそれぞれ形成され、中間の波長の光を透過するカラーフィルタ上には中間の波長の光を透過する第１のマイクロレンズと異なる材質からなる第２のマイクロレンズをそれぞれ有し、複数の第３の撮像画素は、基板上に形成されたフォトダイオードと対応する位置に第１の平坦化膜を介在して形成された層内レンズと、第１の平坦化膜及び層内レンズの上に第２の平坦化膜が形成され、第２の平坦化膜の上に短波長の光を透過するカラーフィルタがそれぞれ形成され、短波長の光を透過するカラーフィルタ上には短波長の光を透過する第１のマイクロレンズと異なる材質からなる第３のマイクロレンズをそれぞれ有していることを特徴とする。

異なる材質を有していることにより、転写後のマイクロレンズの高さやマイクロレンズの大きさ及び曲率を異ならしめることができ、長波長の光を透過するカラーフィルタ層と中間の光の波長を透過するカラーフィルタ層と短波長の光を透過するカラーフィルタ層の異なる波長に対応して、カラーフィルタ層上に、最適な形状のマイクロレンズが形成できる。また、異なる材質を有していることにより、転写後、異なる幅や高さ及び曲率を持つマイクロレンズの形成が可能となる。従って、受光部に、より多くの光を集光させることができ感度向上が可能となる。また、異なる材質を有していることにより、容易にマイクロレンズの形状を制御できることから、ライン濃淡のばらつきや感度ムラの発生も抑えることができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法におけるマイクロレンズの形成方法は、長波長の光を透過するカラーフィルタ層上に長波長の光を透過する第１のマクロレンズ形状の元となる第１のレンズ材料層を形成する工程と、中間の波長の光を透過するカラーフィルタ層上に中間の光の波長を透過する第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層を形成する工程と、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上に短波長の光を透過する第３のマイクロレンズ形状の元となる第３のレンズ材料層を形成する工程と、前記レンズ材料層の上にレンズ形状を形成する工程と、ドライエッチでエッチングを行ない、前記レンズ材料層に前記レンズ形状を転写する工程を有することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置における、レンズ材料層の上にあるレンズ形状と、長波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第１のマイクロレンズ形状の元となる第１のレンズ材料層と、中間の波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層と、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３のレンズ材料層は、それぞれエッチングレートが異なる材質を有していることがよい。異なるエッチングレートの材質を有していることにより、転写後、マイクロレンズ形状の高さや大きさ及び曲率を異ならしめることが可能となる。

例えば、レンズ材料層の上にあるレンズ形状と、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３のレンズ材料層と、中間の波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層のエッチングレートは、長波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第１のマイクロレンズ形状の元となる第１のレンズ材料層のエッチングレートよりも早いエッチングレートを有している材質のものがよい。さらに、レンズ材料層の上にあるレンズ形状と、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３レンズ材料層のエッチングレートは、中間の波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層のエッチングレートよりも早いエッチングレートを有している材質のものがよい。さらに、レンズ材料層の上にあるレンズ形状のエッチングレートは、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３レンズ材料層のエッチングレートよりも早いエッチングレートを有している材質のものがよい。

また、レンズ材料層の上にあるレンズ形状の材質は、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３のレンズ材料層と同じエッチングレートを有している材質でもよい。

このような構成にすることにより、異なる波長の光を透過するカラーフィルタ層上に、受光部へ入射する光の集光を高める最適な形状のマイクロレンズ形成が可能となる。
本発明の固体撮像装置における、長波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第１のマイクロレンズ形状の元となる第１のレンズ材料層と、中間の光の波長を透過するカラーフィルタ層上の第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層と、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３のレンズ材料層は、それぞれ屈折率が異なる材質を有していることがよい。レンズ材料層が異なる屈折率を有していることにより、転写後、各カラーフィルタ層上に屈折率が異なるマイクロレンズ形成が可能となる。

例えば、中間の光の波長を透過するカラーフィルタ層上の第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層の屈折率と、長波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第１のマイクロレンズ形状の元となる第１のレンズ材料層の屈折率は、短波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第３のマイクロレンズ形状の元となる第３のレンズ材料層の屈折率よりも高い屈折率の材質を有するものがよい。さらに、長波長の光を透過するカラーフィルタ層上の第１のマイクロレンズ形状の元となる第１のレンズ材料層の屈折率は、中間の光の波長を透過するカラーフィルタ層上の第２のマイクロレンズ形状の元となる第２のレンズ材料層の屈折率よりも高い屈折率の材質を有するものがよい。

このような構成にすることにより、異なる波長の光を透過するカラーフィルタ上に屈折率が異なるマイクロレンズ形成が可能となり、各撮像画素の受光部へ入射する光の集光状態を異なる波長ごとに最適にできる。
（実施形態１）
以下、本発明の本実施形態１に係る固体撮像装置及び製造方法について、ＣＣＤ固体撮像装置を例として図１〜図６を参照して説明する。

図１は実施形態１に係る固体撮像装置の構成を説明する図であり、図１（ａ）は平面配置を示し、図１（ｂ）はＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、図１（ｃ）は図１（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面構成を示している。図１（ｂ）及び図１（ｃ）においては、３画素分のみを記載している。

なお、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示されるように、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、第１のマイクロレンズ３５Ａと第２のマイクロレンズ３５Ｂと第３のマイクロレンズ３５Ｃに異なるエッチレートの材質を有していることを特徴とする。

まず、図１に示すように本実施形態１の固体撮像装置は、長波長の光である赤色（Ｒ）の光を受光する複数の第１の撮像画素１１Ａ、中間の光の波長である緑色（Ｇ）の光を受光する複数の第２の撮像画素１１Ｂ及び短波長の光である青色（Ｂ）の受光する複数の第３の撮像画素１１Ｃが、半導体基板１０の上に原色ベイヤ配列となるように行列状に形成されている。

各撮像画素は、半導体基板１０の上に形成された受光部１２と、半導体基板１０の上における受光部１２に隣接する部分に絶縁膜２２を介在させて形成された転送電極２１を有している。

また、各転送電極２１の上面及び側面は遮光膜２３にそれぞれ覆われ、さらにホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）等からなる第１の平坦化膜２４に覆われている。
次に、第１の平坦化膜２４の上における各受光部１２に対応する位置には、層内レンズ１３がそれぞれ形成されている。層内レンズ１３の上及び囲む部分には、例えばアクリル系の透明樹脂からなる第２の平坦化膜３１が形成され、第２の平坦化膜３１の上における各受光部１２に対応する位置には、各撮像画素が受光する光を透過するカラーフィルタ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃが形成されている。

次に、第１の撮像画素１１Ａが受光する長波長の光である赤色（Ｒ）の光を通過するカラーフィルタ１４Ａの上には、例えばエッチングレートが２５．３ｎｍ／ｓｅｃを有するスチレン系の樹脂からなる第１のマイクロレンズ３５Ａが形成され、第２の撮像画素１１Ｂが受光する中間の波長の光である緑色（Ｇ）の光を透過するカラーフィルタ１４Ｂの上には、例えばエッチングレートが２４．２ｎｍ／ｓｅｃを有するアクリル系の樹脂からなる第２のマイクロレンズ３５Ｂが形成され、短波長の光である青色（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタ１４Ｃの上には、例えばエッチングレートが２３．０ｎｍ／ｓｅｃを有するアクリル系の樹脂からなる第３のマイクロレンズ３５Ｃが形成されている。

次に、本実施形態における各撮像画素の上層に形成されているマイクロレンズ形状を図面参照して説明する。図２は本発明の実施形態１に係るマイクロレンズの構成を説明する断面図を示し、図３は本発明の実施形態１に係る撮像画素とマイクロレンズの構成を説明する平面図を示す。

例えば、第１のマイクロレンズ３５Ａの垂直方向の幅ａと水平方向の幅ｂと対角方向の幅ｃは、第１の撮像画素３５Ａの垂直方向の幅ａと水平方向の幅ｂと対角方向の幅ｃと同じであり、高さｈ１は１．０μｍ程度である。例えば、第２のマイクロレンズの垂直方向の幅ａと水平方向の幅ｂは、第２の撮像画素３５Ｂの垂直方向の幅ａと水平方向ｂの幅と同じであるが、対角方向の四隅にギャップｄが０．１μｍ程度あり、第２の撮像画素１１Ｂの対角方向の幅ｃに比べ第２のマイクロレンズ３５Ｂの対角方向の幅ｃ´は狭く、高さｈ２は１．１μｍ程度である。例えば、第３のマイクロレンズの垂直方向の幅ａと水平方向の幅ｂは同じであるが、対角方向の四隅にギャップｄが０．２μｍ程度あり、第３の撮像画素１１Ｃの対角方向の幅ｃに比べ第３のマイクロレンズ３５Ｃの対角方向ｃ”は狭く、高さｈ３は１．２μｍ程度である。これにより、各撮像画素の受光部１２へ入射する光を効率よく集光させることができ、高感度が実現できる。

ここでは、マイクロレンズの高さを受光波長ごとに異なる構成について説明したが、受光波長ごとに曲率を異なる構成としても集光効率を向上させることができる。また、マイクロレンズの形状を受光波長ごとに最適化させて、ライン濃淡のばらつきや感度ムラの発生を抑制することもできる。

以下に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図４〜図６を参照して説明する。
図４、図５及び図６は、本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、半導体基板上に１０に、公知の手法により受光部１２、絶縁膜２２及び転送電極２１を形成する。続いて、転送電極２１を覆う遮光膜２３を形成した後、半導体基板１０の上に第１の平坦化膜２４を形成し、形成した第１の平坦化膜２４の上に層内レンズ１３を形成する。続いて、層内レンズ１３の上を覆うように第２の平坦化膜３１を形成した後、第２の平坦化膜３１の上に、長波長の光である赤色の光を透過する第１のカラーフィルタ１４Ａ、中間の光である緑色を透過する第２のカラーフィルタ１４Ｂ及び短波長の光である青色の光を透過する第３のカラーフィルタ１４Ｃを各撮像画素の位置に合わせて形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、各カラーフィルタ上に第１のマイクロレンズ形状の元となるフォトレジスト１５を塗布した後プリベークを行なう。
次に、図５（ａ）に示すように、長波長の光である赤色の光を受光する第１の撮像画素１１Ａの位置に合わせて第１のカラーフィルタの領域をマスキングし露光する。

次に、図５（ｂ）に示すように、露光をしたフォトレジスト１５を現像で除去することで、第１のカラーフィルタ１４Ａの上に第１のレンズ材料層５１を形成する。
同様にして、図５（ｃ）に示すように、中間の波長の光である緑色の光を受光する第２の撮像画素１１Ｂの位置に合わせて第２のカラーフィルタ１４Ｂの上には、第２のレンズ材料層５２を形成し、図６（ａ）に示すように、短波長の光である青色の光を受光する第３の撮像画素１１Ｃの位置に合わせて第３のカラーフィルタ１４Ｃの上には、第３のレンズ材料層５３を形成する。ここで、第１のレンズ材料層５１，第２のレンズ材料層５２及び第３のレンズ材料層５３は、それぞれ異なるエッチレートの材料層とする。

次に、図６（ｂ）に示すように、公知の手法を用いて第１のレンズ材料層５１、第２のレンズ材料層５２及び第３のレンズ材料層５３の上に、例えばエッチングレートが２３．０ｎｍ／ｓｅｃを有しているアクリル系の樹脂からなるレンズ形状４１を各撮像画素の位置に合わせて形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように公知の手法を用いてレンズ形状４１をドライエッチでエッチングを行ない、各レンズ材料層に転写する。このエッチングは、例えばフッ素系ガスを用いる異方性の反応性イオンエッチングとする。

第１のレンズ材料層５１，第２のレンズ材料層５２及び第３のレンズ材料層５３がそれぞれ異なるエッチレートであるため、図６（ｃ）のエッチングにより、各マイクロレンズ形状の高さや大きさ及び曲率を異ならしめることが実現できる。

なお、異なるエッチングレートの材質からなる第１のレンズ材料層５１、第２のレンズ材料層５２及び第３のレンズ材料層５３の形成順序は任意に入れ替えてかまわない。
本実施形態１において、受光部１２の面積や転送電極２１、絶縁膜２２及び遮光膜２３の形状やマイクロレンズと受光部２１との距離等が変化することで、第１のレンズ材料層５１、第２のレンズ材料層５２及び第３のレンズ材料層５３を必要に応じて入れ替えてもよい。

さらに、必要に応じてマイクロレンズ形状の高さや大きさ及び曲率を異ならしめるために、前記以外のエッチレートが異なるレンズ材料を用いてもよい。
また、レンズ形状とレンズ材料層はそれぞれ異なる４種類のエッチングレートであっても良いし、レンズ形状といずれかのレンズ材料層のエッチングレートを同じにして、３種類のエッチングレートが異なった材質を用いてもよい。

さらに、必要に応じてレンズ形状４１と第１のレンズ材料層５１が同じエッチングレートを有する材質と第２のレンズ材料層５２と第３のレンズ材料層５３が同じエッチングレートを有する材質からなる２種類からなる異なるエッチレートを用いてかまわない。

本実施形態１の原色ベイヤ配列において、垂直方向における第１の撮像画素１１Ａに挟まれた第２の撮像画素１１Ｂと、第３の撮像画素１１Ｃに挟まれた第２の撮像画素１１Ｂのレンズ材料層５２は、エッチングレートが異なる材質を有しているのがよい。

この構成により、隣接する異なる波長のカラーフィルタを透過した光が第２の撮像画素に入射した場合に起こりうる見かけ上大きく異なってしまう出力差による感度ムラを、エッチングレートの異なる材質を用いてマイクロレンズ形状を最適に形成することで任意に出力差をなくすことが可能となり、このような原因による感度ムラの発生を防ぐことができる。
（実施形態２）
図７は実施形態２に係る固体撮像装置の構成を説明する図であり、図７（ａ）は平面配置を示し、図７（ｂ）はＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示し、図７（ｃ）は図７（ａ）のＩｃ−Ｉｃ線における断面構成を示している。図７において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

なお、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示されるように、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、第１のマイクロレンズ３５Ａと第２のマイクロレンズ３５Ｂと第３のマイクロレンズ３５Ｃに異なる屈折率の材質を有していることを特徴とする。また、それぞれの高さや曲率等は同じでかまわない。

以下に、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を製造方法と共に、図面を参照して説明する。図８、図９及び図１０は、本発明の実施形態２に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図を示している。図８、図９及び図１０において図４、図５及び図６と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

図８（ａ）に示すように、各カラーフィルタ上に第１のマイクロレンズ形状の元となる例えば屈折率ｎ＝１．５８を有するフォトレジスト１８を塗布した後プリベークを行なう。

次に、図８（ｂ）に示すように、長波長の光である赤色の光を受光する第１の撮像画素１１Ａの位置に合わせて、第１のカラーフィルタ１４Ａの領域をマスキングし露光する。
次に、図８（ｃ）に示すように、露光をしたフォトレジスト１８を現像で除去することで、第１のカラーフィルタの上に屈折率ｎ＝１．５８を有した第１のレンズ材料層６１を形成する。

同様にして、図９（ａ）に示すように、中間の波長の光である緑色の光を受光する第２の撮像画素１１Ｂの位置に合わせて、第２のカラーフィルタ１４Ｂの上には、例えば屈折率ｎ＝１．６１を有した第２のレンズ材料層６２を形成し、図９（ｂ）に示すように、短波長の光である青色の光を受光する第３の撮像画素１１Ｃの位置に合わせて、第３のカラーフィルタ１４Ｃの上には、例えば屈折率ｎ＝１．６２を有した第３のレンズ材料層６３を形成する。

次に、図９（ｃ）に示すように、公知の手法を用いて第１のレンズ材料層５１、第２のレンズ材料層５２及び第３のレンズ材料層５３の上に、アクリル系の樹脂からなるレンズ形状４１を各撮像画素の位置に合わせて形成する。

次に、図１０に示すように、公知の手法を用いてレンズ形状４１をドライエッチでエッチングを行ない、各レンズ材料層に転写する。
これにより、異なる屈折率の備えたマイクロレンズ形成が可能なり、各撮像画素の受光部１２へ入射する光の集光状態を異なる波長ごとに最適にできる。

なお、異なる屈折率の材質からなる第１のレンズ材料層６１、第２のレンズ材料層６２、第３のレンズ材料層６３の形成順序は任意に入れ替えてかまわない。
本実施形態２において、受光部１２の面積や転送電極２１、絶縁膜２２及び遮光膜２３の形状やマイクロレンズと受光部１２との距離等が変化した場合には、第１のレンズ材料層６１、第２のレンズ材料層６２及び第３のレンズ材料層６３を必要に応じて入れ替えてもよい。

さらに、必要に応じて受光部１２の面積や転送電極２１、絶縁膜２２及び遮光膜２３の形状やマイクロレンズと受光部１２との距離等が変化した場合には、前記以外の屈折率が異なるレンズ材料を用いてもよい。

本実施形態２においては、レンズ材料層が３種類の屈折率が異なった材質を備えた構成について説明したが、必要に応じて２種類の屈折率が異なった材質を備えた構成でもかまわない。

また、必要に応じて２種類の屈折率が異なった材質を備えた構成において、レンズ材料層に備える組み合わせを変えてもよい。
本実施形態２の原色ベイヤ配列において、垂直方向における第１の撮像画素１１Ａに挟まれた第２の撮像画素１１Ｂと、第３の撮像画素１１Ｃに挟まれた第２の撮像画素１１Ｂのレンズ材料層５２は、屈折率が異なる材質を有しているのがよい。

また、本実施形態のように屈折率を変えるとともに、第１の実施形態のようにエッチングレートも変えることで、より最適な集光特性を得ることができる。
この構成により、隣接する異なる波長のカラーフィルタを透過した光が第２の撮像画素に入射した場合に起こりうる見かけ上大きく異なってしまう出力差による感度ムラを、屈折率が異なったマイクロレンズ形状を形成することで任意に出力差をなくすことが可能となり、このような原因による感度ムラの発生を防ぐことができる。
（本実施形態３）
さらに、本発明に係る固体撮像装置は、有効画素領域内の中心領域と周辺領域とで入射する光量の差異から起きる領域の出力差による感度ムラも低減することができる。

本実施形態の固体撮像装置は、有効画素領域を複数に分割し、複数の有効画素領域上に位置するカラーフィルタ層上に、複数の有効画素領域ごとに異なる材質からなるマイクロレンズを有している構成を特徴とする。

なお、ここでは、本実施形態においての異なる材質は、エッチングレートが異なる材質からなることを例として説明する。
以下に、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を、図面を参照して説明する。

図１１は実施形態３に係る固体撮像装置の構成を説明する図であり、図１１（ａ）は平面構成を示し、図１１（ｂ）は断面構成を示している。図１１において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。

例えば、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示されるように、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、複数の有効画素領域１００を選択的に分割した中心部領域１１１、中心部と周辺部の間の領域１１２、周辺部領域１１３の上に、各領域各々に異なるエッチングレートを有しているマイクロレンズを備えていることを特徴とする。

この構成により、各領域各々に異なる大きさや異なる高さのマイクロレンズ形成が可能となり、有効画素領域内の中心部と周辺部に入射する光量の差異を抑え、感度ムラの低減が実現できる。

図１２、図１３、図１４は本発明の実施形態３に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図を示している。
なお、本実施形態における製造方法は、実施形態１の製造方法に準じており、ここでの説明は省略する。

さらに、本実施形態によれば、本実施形態２で述べたように、異なる屈折率の材質を用いてもよい。各領域に異なる屈折率からなるマイクロレンズを形成することで、同様の効果を得ることができる。

なお、異なるエッチングレートの材質からなる中心部領域１１１の第１のレンズ材料層８１、中心部と周辺部の間の領域の第２のレンズ材料層８２及び周辺部領域の第３のレンズ材料層８３の形成順序は任意に入れ替えてかまわない。

さらに、本実施形態において、有効画素領域部の各領域の分割領域の数は必要に応じて変化させるとよい。これにより、各領域の入射する光量を容易に調整ができる。
実施形態１と実施形態２及び実施形態３において、レンズ形成４１とレンズ材料層に用いる材質は、光透過性樹脂であるノボラック系、シリコン系、ポリイミド系、フッ素系の樹脂の材質を用いてもよい。

実施形態１と実施形態２及び実施形態３においてレンズ材料層及びレンズ形成を、有機レジストを用いて形成したが、無機レジストを用いてもよい。
実施形態１と実施形態２及び実施形態３において、入射光を各受光部１２に集光するための層内レンズ１３が上凸構造を備えた構成について説明したが、層内レンズ１３の構造が下凸構造を備えた固体撮像装置や層内レンズ１３がない固体撮像装置においても同様の効果を得ることができる。

また、実施形態１と実施形態２及び実施形態３において、長波長の光を受光する第１の撮像画素１１Ａ、中間の光を受光する第２の撮像画素１１Ｂ及び短波長の光を受光する第３の撮像画素１１Ｃが市松模様に配置された原色ベイヤ配列の例を示したが、第１の撮像画素１１Ａ、第２の撮像画素１１Ｂ及び第３の撮像画素１１Ｃがストライプ状配列の場合にも同様の効果が得られる。

さらに、実施形態１と実施形態２及び実施形態３においては、カラーフィルタが３色の原色フィルタである場合について説明しているが、カラーフィルタの色数は限定されるものではない。また、本発明に係る製造方法は原色フィルタ以外の補色フィルタ等にも同様に適用できる。

実施形態１と実施形態２及び実施形態３においては、必要に応じてエッチングレートが異なる材質と屈折率が異なる材質を組み合わせてもよい。
さらに、実施形態１と実施形態２及び実施形態３においては、レンズ材料層は同じ高さにするとよい。レンズ材料層を同じ高さに揃えることにより、レンズ形状を形成するときに発生する塗布ムラを抑えられることになる。

さらに、本実施形態１と本実施形態２及び本実施形態３においては、ＣＣＤ型固体撮像装置の製造方法の例を説明したが、本発明に係る製造方法は、ＭＯＳ型固体撮像装置にも同様に適用できることは言うまでもない。

本発明は、感度向上と色再現性に優れ、複数の色の光を受光する複数の撮像画素を備える固体撮像装置及びその製造方法等に有用である。

実施形態１に係る固体撮像装置の構成を説明する図 本発明の実施形態１に係るマイクロレンズの構成を説明する断面図 本発明の実施形態１に係る撮像画素とマイクロレンズの構成を説明する平面図 本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 本発明の実施形態１に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 実施形態２に係る固体撮像装置の構成を説明する図 本発明の実施形態２に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 本発明の実施形態２に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 本発明の実施形態２に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 実施形態３に係る固体撮像装置の構成を説明する図 本発明の実施形態３に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 本発明の実施形態３に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 本発明の実施形態３に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 従来の固体撮像装置の構成を説明する図

符号の説明

１０ 半導体基板
１１Ａ 第１の撮像画素
１１Ｂ 第２の撮像画素
１１Ｃ 第３の撮像画素
１２ 受光部
１３ 層内レンズ
１４Ａ カラーフィルタ
１４Ｂ カラーフィルタ
１４Ｃ カラーフィルタ
１５、１８、７１ フォトレジスト
２１ 転送電極
２２ 絶縁膜
２３ 遮光膜
２４ 第１の平坦化膜
３１ 第２の平坦化膜
３５Ａ 第１のマイクロレンズ
３５Ｂ 第２のマイクロレンズ
３５Ｃ 第３のマイクロレンズ
４１ レンズ形状
５１、６１、８１ 第１のレンズ材料層
５２、６２、８２ 第２のレンズ材料層
５３、６３、８３ 第３のレンズ材料層
１００ 有効画素領域
１１１ 中心部領域
１１２ 中心部と周辺部の間の領域
１１３ 周辺部領域
２００ マイクロレンズ

Claims (13)

1. 基板上に行列状に配置され、複数の色の光を受光する複数の撮像画素を備える固体撮像装置の製造方法であって、
   前記基板上に第１の受光部と第２の受光部を形成する工程と、
   前記第１および第２の受光部の上に第１の平坦化膜を形成する工程と、
   前記第１の平坦化膜の上における前記第１および第２の受光部と対応する位置に層内レンズを形成する工程と、
   前記層内レンズを囲むように第２の平坦化膜を形成する工程と、
   前記第２の平坦化膜の上における前記第１の受光部と対応する位置に第１のカラーフィルタを、前記第２の受光部と対応する位置に第２のカラーフィルタを形成する工程と、
   前記第１のカラーフィルタの上に第１のレンズ材料層を、前記第２のカラーフィルタの上に第２のレンズ材料層を形成する工程と、
   前記第１および第２のレンズ材料層の上にレンズ形状を形成する工程と、
   前記レンズ形状及び前記レンズ材料層にドライエッチングを行なうことによりマイクロレンズを形成する工程とを有し、
   前記第２のレンズ材料層と前記第１のレンズ材料層はエッチングレートまたは屈折率が異なることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記受光部形成工程において、さらに第３の受光部を形成し、
   前記カラーフィルタ形成工程において、さらに第３のカラーフィルタを形成し、
   前記レンズ材料層形成工程において、さらに第３のレンズ材料層を形成し、
   前記第３のレンズ材料層は前記第１および第２のレンズ材料層のエッチングレートまたは屈折率と異なることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記第１のカラーフィルタの透過波長は前記第２のカラーフィルタの透過波長より長く、前記第２のカラーフィルタの透過波長は前記第３のカラーフィルタの透過波長より長いことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記第１のレンズ材料層は前記第２のレンズ材料層よりもエッチングレートが小さく、前記第２のレンズ材料層は前記第３のレンズ材料層よりもエッチングレートが小さいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記第１のレンズ材料層は前記第２のレンズ材料層よりも屈折率が大きく、前記第２のレンズ材料層は前記第３のレンズ材料層よりも屈折率が大きいことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 基板上に行列状に配置される複数の色の光を受光する複数の撮像画素を備える固体撮像装置であって、
   前記基板に形成された第１の受光部および第２の受光部と、
   前記第１および第２の受光部の上に形成された第１の平坦化膜と、
   前記第１の平坦化膜の上における前記第１および第２の受光部に対応する位置に形成された層内レンズと、
   前記層内レンズを囲むように形成される第２の平坦化膜と、
   前記第２の平坦化膜の上における前記第１の受光部と対応する位置に形成された第１のカラーフィルタおよび前記第２の受光部と対応する位置に形成された第２のカラーフィルタと、
   前記第１のカラーフィルタの上に形成された第１のマイクロレンズおよび前記第２のカラーフィルタの上に形成された第２のマイクロレンズとを備え、
   前記前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズは高さ、曲率、屈折率のうち少なくとも一つが異なることを特徴とする固体撮像装置。
7. 前記基板に形成された第３の受光部と、
   前記第２の平坦化膜の上における前記第３の受光部と対応する位置に形成された第３のカラーフィルタと、
   前記第３のカラーフィルタの上に形成された第３のマイクロレンズとをさらに備え、
   前記第３のマイクロレンズは前記第１および第２のマイクロレンズとは高さ、曲率、屈折率のうち少なくとも一つが異なることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記第１のカラーフィルタの透過波長は前記第２のカラーフィルタの透過波長より長く、前記第２のカラーフィルタの透過波長は前記第３のカラーフィルタの透過波長より長いことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
9. 前記第１のカラーフィルタは撮像領域の中央領域に位置し、前記第３のカラーフィルタは前記撮像領域の周辺領域に位置し、前記第２のカラーフィルタは前記撮像領域における前記中央領域と前記周辺領域の間の境界領域に位置することを特徴とする請求項７に記載の固体撮像装置。
10. 前記第１のマイクロレンズは前記第２のマイクロレンズよりも高く、前記第２のマイクロレンズは前記第３のマイクロレンズよりも高いことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 前記第１のマイクロレンズは前記第２のマイクロレンズよりも屈折率が大きく、前記第２のマイクロレンズは前記第３のマイクロレンズよりも屈折率が大きいことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
12. 前記第１、第２、および第３の受光部の基板上における配置は、原色ベイヤ配列を構成していることを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
13. 前記第１、第２、および第３の受光部の基板上における配置は、原色ストライプ配列を構成していることを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれかに記載の固体撮像装置。

Images