JP2010258466A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像エリアの周辺部分において色むら（色シェーディング）の発生を防止して射出瞳距離の短縮化に適した固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の受光部２を有する半導体基板１上に各受光部２に対応するマイクロレンズ１０とカラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂとを有し、特定色のカラーフィルタ８Ｒは他の色のカラーフィルタ８Ｇ、８Ｂと異なる屈折率を有し、特定色のカラーフィルタ８Ｒに対応するマイクロレンズ１０と受光部２との間に、他の色に対応する受光部２と集光状態を合わせるための屈折率調整層６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子の各々にマイクロレンズを有する固体撮像装置、その製造方法およびカメラに関する。

近年、固体撮像装置のチップサイズの小型化や画素数の増大とあいまって、デジタルカメラ、デジタルムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機等の小型化、高性能化が進んでいる。

従来の固体撮像装置では、固体撮像装置のチップサイズを小型化し画素数を増大させながらも、感度を向上させるために光電変換素子のそれぞれに光学的なマイクロレンズを備えている。

また、デジタルスチルカメラやカメラ付き携帯電話機などでは、カメラの小型化に伴い、短射出瞳距離化が進んでいる。ここで、射出瞳とは受光面側から見たレンズ（あるいは絞り）の虚像をいい、射出瞳距離とは受光面とレンズとの距離をいう。

図７は、射出瞳距離を説明するための、携帯電話機等のカメラ部分の断面図である。同図において携帯電話機のフレーム１１１にはレンズ１１０が取り付けられ、携帯電話機内部には固体撮像装置としてＣＣＤイメージセンサ１１２を備えている。射出瞳距離Ｄは、レンズ１１０とＣＣＤイメージセンサ１１２との間の距離である。短射出瞳距離化により、受光面の中央部には光が垂直に入射するが、受光面の周辺部には垂直ではなく斜め光しか入射しなくなる。

図８は、従来の固体撮像装置における光電変換素子とマイクロレンズの位置関係を示す断面図である。同図左側は光電変換素子が二次元状に配列された撮像エリアの中央部分を、同図右側は、撮像エリアの周辺部分を示している。また、同図の矢線は入射光を示している。固体撮像装置は、シリコン半導体基板３１と、シリコン半導体基板３１中に形成された光電変換素子３２と、転送電極と遮光膜とからなる転送電極部３４と、光電変換素子３２および転送電極部３４の表面を平坦化するための平坦化膜３７と、赤色、緑色、青色のカラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂと、平坦化膜３９と、マイクロレンズ４０とを有している。同図の矢線に示すように、撮像エリアの中央部分では入射光がほぼ垂直に到来するのに対して、射出瞳距離が短いほど周辺部分では斜めに到来することになる。

また、特許文献１ではカラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂの膜厚が異なる場合に、カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂそれぞれの上の部分の平坦化膜３９は、異なる厚さで個別に形成される。これにより、カラーフィルタに対応して個別に形成される平坦化膜３９の厚さとカラーフィルタの厚さの和を同じにし、平坦化膜３９の上面を平坦にしている。この平坦化膜３９は厚さ調整用であり、その上にマイクロレンズ４０が形成される。これにより、マイクロレンズに対する光電変換素子の見かけ上の開口面積を増大させ、感度の向上を図っている。

特開平１１−２８９０７３号公報

しかしながら、上記従来技術によれば、射出瞳距離の短縮化に伴って撮像エリアの周辺部分において色むら（色シェーディング）が発生するという問題がある。つまり、画像の周辺部分ではホワイトバランスがくずれて色がついてしまう。

なぜなら、カラーフィルタの屈折率がどの色も同じではなくて色によって異なり、この屈折率の違いによって、カラーフィルタから受光面までの光路に色によって違いが生じる結果、受光面での集光状態に差が生じるからである。

例えば、アクリル系の樹脂に顔料を分散したカラーフィルタの場合、青色と緑色のカラーフィルタは屈折率ｎ＝１．５５であるのに対して、赤色のカラーフィルタはｎ＝約１．６程度である。この屈折率は、色により異なる顔料の粒子径の大きさと樹脂の材質とに応じて決定付けられる。

この屈折率の違いにより、図８の例では、カラーフィルタ８Ｂ、８Ｇを通過する青色および緑色の通過光の光路（矢線）とカラーフィルタ８Ｒを通過する赤色の通過光の光路（矢線）とが若干異なる。図８では、緑色および青色の通過光はほぼ受光面に集光するのに対して、カラーフィルタ８Ｒの通過光は受光面よりも深い位置に集光している。この集光位置の違いは、撮像エリアの中央部分ではさほど問題にならないが、射出瞳距離が短い場合に斜め光しか入射しない撮像エリアの周辺部分では、色により集光状態が異なってしまう。図８右側の例では赤色の集光率が低下している。

また、近年のカメラの小型化に伴い射出瞳距離の短縮化が必要とされている。

上記課題に鑑み本発明は、撮像エリアの周辺部分において色むら（色シェーディング）の発生を防止して射出瞳距離の短縮化に適した固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、複数の受光部を有する半導体基板上に各受光部に対応するマイクロレンズとカラーフィルタとを有する固体撮像装置であって、特定色のカラーフィルタは他の色のカラーフィルタと異なる屈折率を有し、前記固体撮像装置は、特定色のカラーフィルタに対応するマイクロレンズと受光部との間に、他の色に対応する受光部と集光状態を合わせるための屈折率調整層を備える。

この構成によれば、カラーフィルタの色による屈折率の違いに起因する受光部における集光状態の違いを、屈折率調整層によって解消するので、撮像エリアの周辺部分であっても、どの色も同じように受光部に集光させることができる。すなわち、受光面より深い位置でも浅い位置でもなく、どの色に対応する受光部でも受光面において最も集光する状態とすることができる。その結果、色むら（色シェーディング）の発生を防止することができる。それゆえ、射出瞳距離の短縮化を容易に図ることができる。

ここで、前記特定色のカラーフィルタは、他の色のカラーフィルタよりも高い屈折率を有し、前記屈折率調整層は、特定色のカラーフィルタよりも低い屈折率を有する構成としてもよい。

ここで、前記屈折率調整層は、前記特定色のカラーフィルタに接して形成され、他のカラーフィルタに接する同じ高さに位置する透明膜よりも低い屈折率を有する構成としてもよい。

この構成によれば、高い屈折率を有する特定色のカラーフィルタを通過する光は、他の色のカラーフィルタに比べて拡がるけれども、より低い屈折率を有する屈折率調整層により通過光を狭めるので、他の色に対応する受光部と同じ集光状態にすることができる。

また、前記特定色のカラーフィルタは、他の色のカラーフィルタよりも低い屈折率を有し、前記屈折率調整層は、特定色のカラーフィルタよりも高い屈折率を有する構成としてもよい。

ここで、前記屈折率調整層は、前記特定色のカラーフィルタに接して形成され、他のカラーフィルタに接して屈折率調整層と同じ高さに形成された透明膜よりも高い屈折率を有する構成としてもよい。

この構成によれば、低い屈折率を有する特定色のカラーフィルタを通過する光は、他の色のカラーフィルタに比べて狭まるけれども、より高い屈折率を有する屈折率調整層により拡がるので、他の色に対応する受光部と同じ集光状態にすることができる。

ここで、前記カラーフィルタは、その色により異なる膜厚を有する構成としてもよい。

この構成によれば、膜厚によりカラーフィルタの分光特性を調整し、かつ、上記と同様に集光状態を合わせることができる。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法およびカメラについても上記と同様である。

以上説明してきたように本発明の固体撮像装置によれば、撮像エリアの周辺部分であっても、どの色も受光部に同じように集光させることができる。すなわち、受光面より深い位置でも浅い位置でもなく、どの色に対応する受光部でも受光面において最も集光する状態とすることができる。その結果、色むら（色シェーディング）の発生を防止することができる。それゆえ、射出瞳距離の短縮化を容易に図ることができる。

本発明の実施形態における固体撮像装置の断面を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）固体撮像装置の製造方法を製造工程の順にその断面を示す図である。 第１の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 第２の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 第３の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 第４の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。 射出瞳距離を説明するための携帯電話機等のカメラ部分の断面図である。 従来の固体撮像装置における光電変換素子とマイクロレンズの位置関係を示す断面図である。

＜固体撮像装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態における固体撮像装置の断面を示す図である。同図の矢線は入射光を示している。

同図に示すように、この固体撮像装置は、シリコン半導体基板１と、シリコン半導体基板１中に形成された光電変換素子２と、転送電極部４と、平坦化膜５と、屈折率調整層６と、カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂと、平坦化膜９と、マイクロレンズ１０とを有し、屈折率調整層６を設けることによって、特定色として赤のカラーフィルタ８Ｒに対応する光電変換素子２と、他の色に対応する光電変換素子２とで集光状態を合わせるよう構成されている。

カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂは、アクリル系の樹脂に顔料を分散した材料により形成される。それぞれの屈折率は、樹脂の材質と顔料の粒子径により定まり、本実施例では同順にｎ＝１．６、１．５５、１．５５であるものとする。

光電変換素子２は、例えばｐ型シリコン半導体基板１中にｎ型不純物注入層として形成される。転送電極部４は、内部に２層の転送電極とその上部および側面を覆う遮光膜とからなる。

平坦化膜５は、例えばアクリル系の樹脂（屈折率ｎ＝１．５）により形成され、カラーフィルタ８Ｂおよび８Ｇに対応する光電変換素子２および転送電極部４の上を平坦化する透明膜である。この平坦化膜５は、カラーフィルタ８Ｒに対応する光電変換素子２の上方の部分に埋設されるように屈折率調整層６が形成される。

屈折率調整層６は、例えばアクリル系の樹脂（屈折率ｎ＝１．４５）により形成される。その屈折率は、特定色のカラーフィルタ８Ｒよりも低く、また、平坦化膜５よりも低く設定されている。平坦化膜５および屈折率調整層６の屈折率は、アクリル系樹脂の場合、フッ素などの不純物の混入により小さくなり、その濃度により所望の値に設定可能である。図１中の矢線に示すように、高い屈折率を有するカラーフィルタ８Ｒの通過光は、他の色のカラーフィルタ８Ｂ、８Ｇに比べて拡がる。しかし、屈折率調整層６により通過光を狭めるので、他の色に対応する光電変換素子２と同様の集光状態にすることができる。つまり、どの色のカラーフィルタにおいても、その通過光を光電変換素子２の受光面に集光することができる。つまり、カラーフィルタの屈折率の違いにより受光面よりも深い位置や浅い位置に集光することを解消することができる。

以上説明してきたように、本発明の実施の形態における固体撮像装置は、撮像エリアの周辺部分においても色により集光率に差が生じないので、周辺部分の色むらを防止することができる。

なお、図１の固体撮像装置では、特定色としての赤色のカラーフィルタ８Ｒの屈折率が他の色のカラーフィルタ８Ｂ、８Ｇよりも高い場合について説明したが、特定色のカラーフィルタの屈折率が他の色のカラーフィルタよりも低い場合、屈折率調整層６は特定色のカラーフィルタよりも高い屈折率を有し、平坦化膜５よりも高い屈折率を有する構成とすればよい。その場合、低い屈折率を有する特定色のカラーフィルタの通過光は、他の色のカラーフィルタ８Ｂ、８Ｇに比べて狭まるが。屈折率調整層６により通過光を拡げるので、他の色に対応する光電変換素子２と同様の集光状態にすることができる。

＜固体撮像装置の製造方法＞
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態における固体撮像装置の製造方法を製造工程の順にその断面を示す図である。その製造工程を以下の（１１）〜（１４）に説明する。

（１１）図２（ａ）に示すように、光電変換素子２と転送電極部４が形成されたシリコン半導体基板１に対して、平坦化膜５の材料（例えば屈折率ｎ＝１．５のアクリル系樹脂）を光電変換素子２および転送電極部４の上に平坦に塗布した後、露光、現像することにより、特定色である赤色に対応する光電変換素子２の上を転送電極部４の高さ程度まで除去する。

（１２）図２（ｂ）に示すように、平坦化膜５の窪みの部分、つまる特定色である赤色に対応する光電変換素子２の上に屈折率調整層６を形成する。この形成は、屈折率調整層６の材料（例えば屈折率ｎ＝１．４５のアクリル系樹脂）を塗布、露光、現像することにより赤色に対応する光電変換素子２の上に形成する。

（１３）図２（ｃ）に示すように、カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂを順次形成する。これらのカラーフィルタは、例えば顔料を分散したフィルタ材料を塗布、露光、現像することにより形成される。例えば、カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂの屈折率はそれぞれ１．６、１．５５、１．５５である。

（１４）図２（ｄ）に示すように、カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂの上に、平坦化膜９およびマイクロレンズ１０を形成する。

以上説明してきたように本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法によれば、色により異なるカラーフィルタの屈折率の差を緩和する屈折率調整層６を有する固体撮像装置を製造する。これにより、撮像エリアの中心部分においても周辺部分においてもどのカラーフィルタの通過光も受光面に集光するので、色により集光率に差が生じず、周辺部分の色むらを防止することができる。

＜変形例＞
本発明の固体撮像装置は、上記実施形態の構成に限らず種々の変形が可能である。その変形例について以下説明する。

（１）図３は、本発明の実施の形態における第１の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、図１の固体撮像装置と比較して、屈折率調整層６が特定色のカラーフィルタの下ではなく上に形成されている点が異なっている。

図３において特定色のカラーフィルタの屈折率が他の色のカラーフィルタよりも高い場合、屈折率調整層６は特定色のカラーフィルタよりも低い屈折率を有し、平坦化膜９よりも低い屈折率を有する。逆に、特定色のカラーフィルタの屈折率が他の色のカラーフィルタよりも低い場合、屈折率調整層６は特定色のカラーフィルタよりも高い屈折率を有し、平坦化膜９よりも高い屈折率を有する。また、同図の固体撮像装置の製造方法については、上記（１１)ではなく（１４）において屈折率調整層６を形成するよう変形すればよい。この構成によれば、図１の固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。

（２）図４は、本発明の実施の形態における第２の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、図１の固体撮像装置と比較して、カラーフィルタ８Ｒ、８Ｇ、８Ｂの厚さが異なっている点である。特定色のカラーフィルタ、他の色のカラーフィルタ、平坦化膜５のそれぞれの屈折率の関係は、図１と同じでよい。

この構成によれば、図１の固体撮像装置と同様の効果に加えて、カラーフィルタの厚さにより分光特性の調整を容易にすることができる。

（３）図５は、本発明の実施の形態における第３の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、図４の固体撮像装置と比較して、カラーフィルタの下が平坦化されている代わりにカラーフィルタの上が平坦化されている点が異なっている。

この構成によっても、図４の固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。

（４）図６は、本発明の実施の形態における第４の変形例における固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、図４の固体撮像装置と比較して、屈折率調整層６が特定色のカラーフィルタの下ではなく上に形成されている点が異なっている。

この構成によっても、図４の固体撮像装置と同様の効果を得ることができる。

（５）上記実施の形態では、カラーフィルタ８Ｒの屈折率が他の色のカラーフィルタと異なる例を示したが、カラーフィルタ８Ｒではなく、カラーフィルタ８Ｇ、８Ｂの何れかの屈折率が異なる場合も、同様である。

（６）上記実施の形態では、カラーフィルタ８Ｒに対して屈折率調整層６を設けているが、からカラーフィルタ８Ｒではなくカラーフィルタ８Ｇ、８Ｇに屈折率調整層６を設ける構成としてもよい。その場合も、どの色のカラーフィルタ通過光も同じように光電変換素子２の受光面に集光するように構成することができる。

（７）上記実施の形態では、３色のカラーフィルタのうち２つの屈折率が同じで１つのみ異なる場合を説明したが、３つとも異なる場合であってもよい。その場合、２つの色のカラーフィルタに屈折率調整層を設ける構成とすればよい。屈折率調整層の屈折率は、対応する色の屈折率に応じて、光電変換素子の受光面に集光するように定めればよい。

本発明は、半導体基板上に形成された複数の受光素子の各々にマイクロレンズおよびカラーフィルタを有する固体撮像装置、その製造方法、その固体撮像装置を有するカメラに適しており、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳイメージセンサ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに内蔵のカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。

１ シリコン半導体基板
２ 光電変換素子
４ 転送電極部
５ 平坦化膜
６ 屈折率調整層
８ カラーフィルタ
９ 平坦化膜
１０ マイクロレンズ

Claims (8)

1. 撮像エリアの周辺部分に形成された第１の受光部および第２の受光部を有する半導体基板と、
   前記第１の受光部の上に形成され、主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタと、
   前記第２の受光部の上に形成され、主に第１の波長の光とは異なる第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタと、
   前記第１の受光部の上に形成された第１の透明膜と、
   前記第２の受光部の上に形成され、前記第１の透明膜とは屈折率の異なる第２の透明膜と、
   前記第１のカラーフィルタの上と前記第２のカラーフィルタの上とにわたって形成された平坦化膜と、
   前記平坦化膜上であって、前記第１の受光部の上に形成された第１のマイクロレンズと、
   前記平坦化膜上であって、前記第２の受光部の上に形成された第２のマイクロレンズとを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１の透明膜は前記第１のカラーフィルタよりも下に形成されており、
   前記第２の透明膜は前記第２のカラーフィルタよりも下に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１の透明膜は前記第１のカラーフィルタよりも上に形成されており、
   前記第２の透明膜は前記第２のカラーフィルタよりも上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記第１の波長は前記第２の波長よりも長く、
   前記第１の透明膜の屈折率は前記第２の透明膜の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記第１のカラーフィルタの屈折率と前記第２のカラーフィルタの屈折率とは異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記第１のカラーフィルタの膜厚と前記第２のカラーフィルタの膜厚とは異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置を有することを特徴とするカメラ。
8. 半導体基板の撮像エリアの周辺部分に第１の受光部および第２の受光部を形成する工程と、
   前記第１の受光部の上に、主に第１の波長の光を透過する第１のカラーフィルタを形成する工程と、
   前記第２の受光部の上に、主に第１の波長の光とは異なる第２の波長の光を透過する第２のカラーフィルタを形成する工程と、
   前記第１の受光部の上に第１の透明膜を形成する工程と、
   前記第２の受光部の上に、前記第１の透明膜とは屈折率の異なる第２の透明膜を形成する工程と、
   前記第１のカラーフィルタの上と前記第２のカラーフィルタの上とにわたって平坦化膜を形成する工程と、
   前記平坦化膜上であって、前記第１の受光部の上に第１のマイクロレンズを、前記第２の受光部の上に第２のマイクロレンズを形成する工程とを備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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