JP2014036092A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 性能の良い光電変換装置を提供する。
【解決手段】 レンズアレイは複数の凸メニスカスレンズを含み、凸メニスカスレンズは、凸メニスカスレンズよりも低い屈折率を有するとともに、凸メニスカスレンズの凹面に沿った凸面を有する第１部材と、凸メニスカスレンズよりも低い屈折率を有するとともに、凸メニスカスレンズの凸面に沿った凹面を有する第２部材と、の間に位置し、第１部材は凸メニスカスレンズと光電変換部との間に位置する。
【選択図】 図１

Description

本発明はレンズを有する光電変換装置に関する。

ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどの撮像装置においては、光利用効率を高めるためにオンチップレンズ（マイクロレンズ）が用いられる。複数のオンチップレンズが複数の光電変換部に対応して配列されてレンズアレイを構成する。オンチップレンズとしてはトップレンズや層内レンズが知られている。

特許文献１には層内レンズとして、入射面を凸面、出射面を平面とした平凸レンズを用いることが記載されている。層内レンズとその出射側の媒体である光導波路（第２の透明膜）との界面での反射を抑制するために、光導波路の屈折率と層内レンズの屈折率比を０．９５〜１．０５とすることが記載されている。

特開２００８−１９２９５１号公報

層内レンズの出射側の媒体の屈折率を層内レンズの屈折率よりも十分に低くすると、層内レンズと出射側の媒体との屈折率差によって、層内レンズとの出射面での反射率が増大する。そのため、出射面と光電変換部との間にさらに屈折率の異なる界面がある場合には、例えば、出射面および界面を反射せずに透過した光と、出射面を透過後、界面および出射面で反射してから界面を透過する光とで、光路長の違いによる光の干渉が生じ得る。そしてこれら出射面あるいは界面の位置（高さ）が光電変換部毎に異なると、光電変換部毎に干渉の強さが異なる現象が生じるため、同じ強度の入射光であっても、光電変換部毎に光電変換の結果として得られる信号の強度が異なるという問題が生じる。一方、特許文献１の様に、層内レンズと出射側の媒体との屈折率差を小さくすると、光を光電変換部に導くことが難しくなり、光利用効率が低下するという問題がある。

本発明は、性能の良い光電変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、複数の光電変換部が配列された光電変換領域と、前記光電変換領域の上に設けられたレンズアレイと、を備える光電変換装置であって、前記レンズアレイは複数の凸メニスカスレンズを含み、前記凸メニスカスレンズは、前記凸メニスカスレンズよりも低い屈折率を有するとともに、前記凸メニスカスレンズの凹面に沿った凸面を有する第１部材と、前記凸メニスカスレンズよりも低い屈折率を有するとともに、前記凸メニスカスレンズの凸面に沿った凹面を有する第２部材と、の間に位置し、前記第１部材は前記凸メニスカスレンズと前記光電変換部との間に位置することを特徴とする。

本発明によれば、性能の良い光電変換装置を提供することが可能となる。

光電変換装置の一例の断面模式図。 光電変換装置の一例の断面模式図。 光電変換装置の一例の断面模式図。 光電変換装置の製造方法の一例の断面模式図。 光電変換装置の製造方法の一例の断面模式図。 光電変換装置の製造方法の一例の断面模式図。 光電変換装置の製造方法の一例の断面模式図。

以下、図面を用いて光電変換装置について説明する。なお、同じもしくは類似の部材には図面間で共通の符号を付しており、重複する事項については説明を省略する。

図１（ａ）は光電変換装置の第１実施形態の一例を、図１（ｂ）は第２実施形態の光電変換装置の一例を示している。まず、第１実施形態と第２実施形態の共通点を説明する。

光電変換装置１０００は光電変換ユニット１００、導光ユニット２００、第１集光ユニット３００、フィルタユニット４００、第２集光ユニット５００、金属構造体６００を有している。第１集光ユニット３００と光電変換ユニット１００との間に導光ユニット２００が位置する。第２集光ユニット５００と光電変換ユニット１００との間に第１集光ユニット３００が位置する。第１集光ユニット３００と第２集光ユニット５００との間にフィルタユニット４００が位置する。

光電変換ユニット１００は複数の光電変換部１０１が配列された光電変換領域をする。光電変換領域の光電変換部１０１は、例えば半導体基板に形成された埋め込み型のフォトダイオードである。フォトダイオードは第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域を有し、光電変換によって発生した第１導電型の信号電荷が光電変換部１０１の第１導電型の半導体領域に収集される。信号電荷が電子の場合、第１導電型はＮ型である。光電変換ユニット１００には不図示の半導体素子が設けられている。この半導体素子はＭＯＳトランジスタやＭＯＳゲート、あるいはＣＣＤであって、光電変換部１０１で生じた信号電荷を転送したり、信号電荷に基づいて電気信号を生成したりする。例えばＭＯＳ型の光電変換装置では、光電変換部１０１の信号電荷は転送ゲートを介して浮遊拡散部に転送される。浮遊拡散部は増幅トランジスタのゲートに接続されており、増幅トランジスタのゲート電圧に応じた信号が増幅トランジスタから出力される。光電変換ユニット１００は光電変換領域に加えて、周辺領域を有することができる。周辺領域には、オプティカルブラック信号を生成するため遮光体６３５で遮光されたダミー光電変換部１０１０、信号電荷に基づく信号を処理する信号処理部、上記光電変換領域の素子を駆動するための駆動部が設けられる。これら信号処理部や駆動部は光電変換領域と同一半導体基板に設けられる。

導光ユニット２００は各々が導光路（光導波路）として機能する複数の導光部２０１と、導光部２０１を囲む基部２２０を含む。導光部２０１は光透過性を有する導光部材２１０で構成されている。導光部２０１の形状は、円柱、多角柱、円錐台、多角錐台、円錐、多角錐などが挙げられる。

図１（ａ）に示した例では、互いに独立した複数の導光部材２１０の各々が導光部２０１を構成している。図１（ｂ）に示した例では、導光部材２１０は複数の導光部２０１とこれらを連結する連結部２０２とを含む。

導光部２０１の導光原理としては、全反射あるいは金属反射が挙げられる。全反射は、基部２２０が導光部材２１０よりも屈折率の低い層（低屈折率層）を有するか、基部２２０と導光部材２１０との間に導光部材２１０よりも屈折率の低い領域（低屈折率領域）を有するかのいずれかの場合に生じ得る。低屈折率領域は例えばエアギャップである。金属反射は、基部２２０と導光部材２１０との間に金属膜を有する場合に生じ得る。図１（ａ）および図１（ｂ）の導光原理は共に全反射である。

導光部材２１０と基部２２０の各々は単層構造であってもよいし複層構造であってもよい。図１（ａ）の導光部材２１０は１層構造であり、図１（ｂ）の導光部材２１０は２層構造である。図１（ａ）の導光部材２１０は窒化シリコンであり、図１（ｂ）の導光部材２１０は導光部２０１の外層として機能する窒化シリコン層２１１と導光部２０１の内層として機能する樹脂層２１２を有する。導光部２０１において、外層の屈折率を内層の屈折率を高くすることで、基部２２０へ光の漏れ出しによる光の損失を低減できる。樹脂層２１２の材料は、純粋な樹脂に限らず、樹脂よりも高い屈折率を有する無機粒子を分散させた高分子樹脂であってもよい。例えば、アクリル樹脂やポリイミド樹脂、酸化チタン粒子をポリイミド樹脂やシロキサン樹脂に分散させた材料が挙げられる。例えば、酸化チタン粒子を分散させたシロキサン樹脂の屈折率は１．８〜２．０の範囲である。

図１（ａ）および図１（ｂ）の基部２２０は多層構造である。基部２２０は光電変換ユニット１００を保護する保護膜２２１を含む。保護膜２２１は窒化シリコン層２２１１、酸化シリコン層２２１２、窒化シリコン層２２１３を含む多層膜である。保護膜２２１は反射防止膜としても機能し得る。導光部材２１０と光電変換ユニット１００との間には保護膜２２１が位置することになるが、これを省略して、導光部材２１０と光電変換ユニット１００とが接する構造としてもよい。基部２２０は酸化シリコン層２２２１、２２２２、２２２３を含む。基部２２０はさらに窒化シリコン層２２３１、２２３２を含む。

本例では、基部２２０が導光部材２１０よりも屈折率の低い層（低屈折率層）を有し、低屈折率層が導光部材２１０と界面を成して導光部材２１０を囲む。酸化シリコン層２２２１、２２２２、２２２３が、導光部材２１０によりも屈折率の低い低屈折率層として機能する。

なお、以下の説明では、酸化シリコンの屈折率が１．４０以上１．６０未満であり、酸窒化シリコンの屈折率が１．６０以上１．８０未満であり、窒化シリコンの屈折率が１．８０以上２．３０未満であるものとして説明を行う。ただし、屈折率は材料の元素組成比や膜密度、不純物の種類や量などによって異なるためこの範囲に限定されるものではない。樹脂の屈折率は種類に応じて様々なものがあり、樹脂に粒子を分散させることで実効的な屈折率はさらに幅広い値を取りうる。

第１集光ユニット３００は、複数の層内レンズ３０１が配列されてなる層内レンズアレイ３１０を含む。層内レンズ３０１は、凸メニスカスレンズである。凸メニスカスレンズは凹面と凸面を有し、凸面の曲率が凹面の曲率よりも大きい集束レンズである。凸メニスカスレンズの凹面が光電変換部１０１側に位置し、凸面が光電変換部１０１とは反対側に位置する。光は層内レンズ３０１の凸面に入射し、凹面から出射する。層内レンズ３０１の凹面の曲率半径は例えば１μｍ以上６μｍ以下であり、凸面の曲率半径は例えば０．５μｍ以上である。本例では、層内レンズ３０１の凸面の投影面積は、層内レンズ３０１の凹面の投影面積よりも大きい。なお、投影面積とは、層内レンズ３０１の光軸に沿って、凸面あるいは凹面の輪郭を光軸に垂直な平面に投影した際の、輪郭で囲まれた領域の面積である。典型的には光軸は光電変換部の受光面に垂直であるが、光軸が光電変換部の受光面に対して傾斜している場合もある。また、本例では、層内レンズ３０１の凸面の投影面積は、導光部２０１の入り口の面積よりも大きい。つまり、層内レンズ３０１を導光ユニット２００に投影すると、層内レンズ３０１の凸面の輪郭が導光部２０１の入り口の輪郭を囲むような位置関係に配置されている。本例の導光部２０１は光電変換部１０１に向かって細くなる、順テーパー形状を有しているため、導光部２０１の入り口が導光部２０１の内で最大径となる。本例の層内レンズ３０１は、互いに隣り合う層内レンズ３０１の凸面同士が離れているが、境界を成していてもよい。本例の層内レンズ３０１は、互いに隣り合う層内レンズ３０１の凹面同士が離れているが、境界を成していてもよい。

第１集光ユニット３００は、第１部材としての凸部材３２０と第２部材としての凹部材３３０を有する。層内レンズ３０１は凸部材３２０と凹部材３３０の間に位置する。凹部材３３０と光電変換ユニット１００との間に層内レンズ３０１が位置し、層内レンズ３０１と光電変換ユニット１００との間に凸部材３２０が位置する。

層内レンズ３０１の屈折率は凸部材３２０の屈折率および凹部材３３０の屈折率よりも高い。凸部材３２０の屈折率と凹部材３３０の屈折率は、同じでもよいし異なっていてもよいが、凸部材３２０の屈折率が凹部材３３０の屈折率以上であると、光の発散を抑制できるため好ましい。層内レンズ３０１の屈折率は１．７０以上であることが好ましい。

図１（ａ）の例では凸部材３２０の材料は酸化シリコンであり、層内レンズ３０１の材料は窒化シリコンであり、凹部材３３０の材料は屈折率が１．４０〜１．７０、好ましくは１．５０〜１．６０の樹脂である。図１（ｂ）の例では凸部材３２０の材料は屈折率が１．４０〜１．７０、好ましくは１．５０〜１．７０の樹脂であり、層内レンズ３０１の材料は窒化シリコンであり、凹部材３３０は屈折率が１．４０〜１．７０の樹脂である。凹部材３３０の材料は酸化シリコンであってもよい。

凸部材３２０は層内レンズ３０１の凹面に沿った凸面を有する。図１（ａ）の例では、凸部材３２０は各々が凹面を有する複数の凸部３２２とこれらを連結する平坦部３２１とを含む。図１（ｂ）の例では、互いに独立した複数の凸部材３２０の各々が凸面を有している。凸部材の凸面の投影面積は、層内レンズ３０１の凹面の投影面積と一致しうる。

凹部材３３０は層内レンズ３０１の凸面に沿った凹面を有する。図１（ａ）、図１（ｂ）の凹部材３３０は、層内レンズ３０１の各々の凸面に対応した複数の凹面を有する連続膜である。連続膜を分割して、凹部材３３０を層内レンズ３０１ごとに複数設けることもできる。図１（ａ）および図１（ｂ）の例では凹部材３３０は複数の凹面と凹面間の平坦面を有するが、平坦面は無くてもよい。凹部材３３０の凹面の投影面積は、層内レンズ３０１の凸面の投影面積と一致しうる。本例において、凹部材３３０の層内レンズ３０１とは反対側の面は、凹部材３３０の層内レンズ３０１側の面よりも平坦な平坦面である。凹部材３３０は平坦化膜として機能する。凹部材３３０の層内レンズ３０１とは反対側の面が、層内レンズ３０１の凸面に対応した凸面を有していてもよい。

層内レンズアレイ３１０は複数の層内レンズ３０１を含む、膜状の一体の部材（層内レンズ膜）であり得る。しかし、独立した複数の層内レンズ３０１を含む部材群であってもよい。層内レンズ３０１は屈折率が異なる層を含む多層構造を有していてもよく、層内レンズアレイ３１０は多層膜であってもよい。その場合、層内レンズ３０１あるいは層内レンズアレイ３１０の複数の層の内で最も凸部材３２０に近い層の屈折率は凸部材３２０の屈折率よりも高い。また、層内レンズ３０１あるいは層内レンズアレイ３１０の複数の層の内で最も凹部材３３０に近い層の屈折率は凹部材３３０の屈折率よりも高い。多層構造を有する典型的な層内レンズ３０１としては、凸部材３２０側から第１副層としての酸窒化シリコン層、主層としての窒化シリコン層、第２副層としての酸窒化シリコン層の３層構造が挙げられる。主層は副層よりも厚く、副層よりも屈折率が高い。副層が、主層の屈折率と凸部材３２０または凹部材３３０の屈折率の間の屈折率を有することで、副層は反射防止層として機能しうる。

フィルタユニット４００はカラーフィルタアレイ４１０を含む。カラーフィルタアレイ４１０は赤色光フィルタ４０１、緑色光フィルタ４０２、青色光フィルタ４０３がベイヤー配列に従って配列されている。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）は、２×２のベイヤー配列においてＬ字状に配列された３色のフィルタ４０１〜４０３を含むように示している。各フィルタ４０１は、凹部材３３０の層内レンズ３０１とは反対側の平坦面に沿って配列されている。フィルタユニット４００はカラーフィルタアレイ４１０を覆って平坦化するコーティング４２０を含む。

第２集光ユニット５００は複数のトップレンズ５０１で構成されたトップレンズアレイ５１０を有する。各トップレンズ５０１はコーティング４２０の平坦面に沿って配列されている。本例では、互いに隣り合うトップレンズ５０１の凸面同士は接しており、ギャップレスレンズアレイとなっている。つまり、トップレンズ５０１の径と、トップレンズ５０１のピッチ（光軸間距離）が等しくなっている。トップレンズ５０１の材料はスチレンなどの樹脂である。トップレンズ５０１は凸レンズであり、平凸レンズ、両凸レンズ、凸メニスカスレンズのいずれでもよい。本例では平凸レンズである。本例のトップレンズ５０１の凸面の曲率は層内レンズ３０１の凸面の曲率よりも小さい。

なお、図１（ａ）、（ｂ）では、光電変換領域に対応する区域のみにカラーフィルタアレイ４１０やトップレンズアレイ５１０を配置しており、周辺領域に対応する区域にはカラーフィルタアレイ４１０やトップレンズアレイ５１０を配置していない。しかし、製造工程上の理由等でカラーフィルタアレイ４１０やトップレンズアレイ５１０を周辺領域に対応する区域にも設ける場合がある。

金属構造体６００はコンタクトプラグ（不図示）と、第１配線層６１０と、第２配線層６２０と、ビアプラグ６２５と、金属層６３０を有する。これらは基部２２０で支持されている。第３金属層６３０は、パッド開口６４０に露出する電極パッドと、ダミー光電変換部１０１０を遮光する遮光体６３５を含む。コンタクトプラグおよびビアプラグ６２５は主にタングステンで構成され、第１配線層６１０と第２配線層６２０は主に銅で構成され、第３金属層６３０は主にアルミニウムで構成されている。各配線層および金属層はバリアメタルを含み得る。第１配線層６１０はコンタクトプラグに接続し、第２配線層６２０は不図示の位置で第１配線層６１０に接続し、第３金属層６３０はビアプラグ６２５を介して第２配線層に接続する。金属層や配線層の数および金属の材料はこれらに限られない。酸化シリコン層２２２１は第１配線層６１０と光電変換ユニット１００の間であって、コンタクトプラグと同じレベルに位置する。酸化シリコン層２２２２は２層あり、一方は第１配線層６１０と同レベルに、他方は第２配線層６２０と同レベルに位置する。酸化シリコン層２２２３は第１配線層６１０と第２配線層６２０との間に位置し、第１配線層６１０と第２配線層６２０とを接続するビアプラグと同レベルに位置する。窒化シリコン層２２３１、２２３２は、第１配線層６１０に対応するものと第２配線層６２０に対応するものの２組設けられている。窒化シリコン層２２３１は配線層の下面側に設けられ、窒化シリコン層２２３２は配線層の上面側に設けられる。少なくとも窒化シリコン層２２３２は銅の拡散防止層として機能する。

以上、光電変換ユニット１００、導光ユニット２００、第１集光ユニット３００、フィルタユニット４００、第２集光ユニット５００、金属構造体６００を有する光電変換装置１０００について説明した。導光ユニット２００、フィルタユニット４００、第２集光ユニット５００および金属構造体６００の少なくともいずれかは省略が可能である。また、これらの順序を入れ替えることも可能である。金属構造体６００を光電変換ユニット１００に対して第１集光ユニット３００とは反対側に配置して、裏面照射型の光電変換装置としてもよい。また、第１集光ユニット３００と光電変換ユニット１００との間にフィルタユニット４００を配置してもよい。また、第２集光ユニット５００のトップレンズ５０１を凸メニスカスレンズとしてもよい。その場合、第２集光ユニット５００が、トップレンズ５０１の凹面に沿った凸面を有する凸部材と、トップレンズ５０１の凸面に沿った凹面を有する凹部材とを含むことができる。トップレンズ５０１の屈折率が凸部材および凹部材より高いことで、トップレンズ５０１は集光することができる。この場合、第１集光ユニット３００の層内レンズ３０１が凸メニスカスレンズでなく平凸レンズであってもよいし、第１集光ユニット３００が存在しなくてもよい。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）、図３（ｂ）は、本実施形態の層内レンズ３０１について説明するための、層内レンズ３０１の近傍の拡大断面図である。図２（ａ）と図３（ａ）は層内レンズ３０１を凸メニスカスレンズとした形態であり、図２（ｂ）と図３（ｂ）は、比較のために層内レンズ３０１を平凸レンズとした形態である。図２（ａ）、図３（ａ）の層内レンズ３０１は、互いに隣り合う層内レンズ３０１の凸面同士が境界を成している。導光部材２１０と層内レンズ３０１の材料は共に窒化シリコン、凸部材３２０、中間部材３５０および基部２２０の材料を酸化シリコンとする。凹部材３３０の材料は層内レンズ３０１よりも屈折率の低い樹脂である。光電変換ユニット１００として、半導体基板１０３と、半導体基板１０３に形成された光電変換部１０１と浮遊拡散部１０２と転送ゲート電極１１０を記載している。

図２（ｂ）における光Ｌ２は層内レンズ３０１に入射するとその凸面で屈折する。層内レンズ３０１と導光部材２１０との間には屈折率差がないため、凸面で屈折した光は直進して導光されながら、導光部２０１内を進み光電変換部１０１に入射する。一般的に、光電変換領域の周辺部では、層内レンズ３０１に対する入射光の、光電変換部１０１の受光面に対する入射角が大きくなる。例えばカメラのズームレンズの広角側においてその傾向は顕著となる。入射角が大きくなると、次のような問題が生じる。仮に導光部２０１が無ければ迷光となる。導光部２０１があっても入射の入射角が大きくなると、例えば導光部２０１での臨界角を満たさずに導光部２０１で導光できない場合が生じる。あるいは光電変換部１０１に大きい入射角で入射すると、半導体基板内を受光面に対して斜めに進行し、他の誤った光電変換部１０１で光電変換を生じる場合もある。そのため、導光部２０１や光電変換部１０１には、より垂直に近い光がより細い光束で入射することが、光利用効率を向上する上で好ましい。図２（ａ）や図３（ａ）に示す様な、層内レンズ３０１および導光部材２１０よりも屈折率の低い凸部材３２０を設けることにより、光利用効率を向上することができる。

図３（ａ）における矢印Ｌ３Ａ、図３（ｂ）における矢印Ｌ４Ａはともに層内レンズ３０１の光軸ＯＰと一致する垂直入射光である。本例では光軸ＯＰは光電変換部１０１の受光面ＦＳに垂直である。図３（ａ）における矢印Ｌ３Ｂ、図３（ｂ）における矢印Ｌ４Ｂはともに光軸ＯＰからやや離れた位置から層内レンズ３０１に入射する。各光は、層内レンズ３０１を通過して、凸部材３２０あるいは中間部材３５０とこれらより高い屈折率を有する導光部材２１０との界面Ａに入射する。光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａは界面Ａを透過し、光Ｌ３Ｂ、Ｌ４Ｂは界面Ａで反射する。光Ｌ３Ｂ、Ｌ４Ｂは凸部材３２０あるいは中間部材３５０とこれらより高い屈折率を有する層内レンズ３０１との界面Ｂで再び反射して、導光部材２１０に入射する。このように、凸部材３２０と層内レンズ３０１との間の反射面（界面Ｂ）よりも光電変換部１０１側に位置し、上述したような干渉を生じる反射面（界面Ａ）を構成する、凸部材３２０よりも高い屈折率を有する部材を第３部材とする。導光部材２１０は、凸部材３２０あるいは中間部材３５０より高い屈折率を有し、光電変換部１０１と凸部材３２０あるいは中間部材３５０との間に位置する第３部材でありうる。導光部材２１０が無く、酸化シリコン層２２２２、２２２３、２２２４および窒化シリコン層２２３１、２２３２が光電変換部１０１の上に延在する場合には、これらが界面Ａと同様の反射面を形成する。その場合、窒化シリコン層２２３１、２２３２が第３部材となりうる。

中間部材３５０の厚み（界面Ａと界面Ｂの距離）をＤ、屈折率をｎとすると、受光面ＦＳまでの光Ｌ４Ｂの光路長は光Ｌ４Ａの光路長よりも２ｎＤだけ長くなる。２ｎＤ＝ｍ_ｅλ／２（ｍ_ｅは偶数、λは入射光の波長）を満たす波長λにおいて光Ｌ４Ａと光Ｌ４Ｂは干渉して強め合い、２ｎＤ＝ｍ_ｏλ／２（ｍ_ｏは奇数、λは入射光の波長）を満たす波長λにおいて、光Ｌ４Ａと光Ｌ４Ｂは干渉して弱め合う。このように、波長に応じて、干渉により光強度が大きくなったり小さくなったりして、波長間での光強度の差が大きくなる。その結果、光電変換装置１０００によって得られる画像に明暗むらや色むらが発生する。例えば、ｎ＝１．６、Ｄ＝３００ｎｍのとき、色むらが発生する波長は、９６０ｎｍ、４８０ｎｍ、２４０ｎｍ・・・となる。上記の光Ｌ４Ｂが４回反射して干渉して強め合う場合、色ムラが発生する波長は、９６０ｎｍ、６４０ｎｍ、４８０ｎｍ、３８４ｎｍ、…となる。製造時の誤差等により光電変換部１０１ごとに厚みＤが異なるとすれば、同じ色のカラーフィルタを有していても、光電変換部１０１ごとに明るさが異なる。

これに対して、図３（ａ）の形態では、界面Ｂが凹面であるため、界面Ａと界面Ｂとの距離は連続的に変化する。図３（ａ）中のＧは、層内レンズ３０１の凹面に沿った凸面を有する凸部３２２とこれらを連結する平坦部３２１とから成る凸部材３２０のうち、平坦部３２１の位置を示すべく、便宜上、記載している。凹面の高低をｄとすると、界面Ａ内での位置による光Ｌ３ＡとＬ３Ｂとで光路長の差は０から２ｎｄまでの値を取りうる。そのため、ある光電変換部１０１で特定の波長の光のみが顕著に強くなったり弱くなったりすることを抑制できる。２ｎｄがλ／２以上であれば十分に実用的であり、２ｎｄがλ以上であれば、干渉光を原因とする画質の低下に対して、良好な改善を示しうる。ｎ＝１．６、λ＝６４０ｎｍとすれば、２ｎｄ≧λ／２を満たすのはｄ≧１００ｎｍの場合であり、２ｎｄ≧λを満たすのはｄ≧２００ｎｍの場合である。λ＝４８０ｎｍとすれば２ｎｄ≧λを満たすのはｄ≧１５０ｎｍの場合である。凸部３２２の高低差を２００ｎｍ以上とすれば、波長が６４０ｎｍの赤色光だけでなく波長が４８０ｎｍの青色光に対しても、十分に光の干渉に起因する画質低下を抑制することが出来る。そのため光Ｌ３Ａと光Ｌ３Ｂとの干渉ムラが低減できる。ここでは便宜的に、界面Ｂでの反射の前後で光の方向が変わらないように説明したが、凹面である界面Ｂでは入射方向と反射方向が異なる。このことも光の進行方向がそろうことにより生じる光の干渉を抑制する一因である。また、層内レンズ３０１の凹面での反射光は集束されるため、迷光の発生を抑制できる。

次に、光電変換装置１０００の製造方法の一例を説明する。

図４（ａ）〜図４（ｄ）および図５（ｅ）〜図５（ｆ）は図１（ａ）に示した第１実施形態の光電変換装置１０００の製造方法を示す断面図である。図６（ａ）〜図６（ｄ）および図７（ｅ）〜図７（ｆ）は図１（ｂ）に示した第２実施形態の光電変換装置１０００の製造方法を示す断面図である。

＜工程ａ＞ 図４（ａ）、図６（ａ）は工程ａの説明図である。本工程では、光電変換ユニット１００および導光ユニット２００の基部２２０を形成する。

まず、光電変換ユニット１００を作製する。光電変換ユニット１００は公知の半導体フロントエンドプロセスを用いて製造できる。次いで、光電変換ユニット１００の上に、保護膜２２１を形成する。光電変換領域の全面に窒化シリコン層２２１１、酸化シリコン層２２１２および窒化シリコン層２２１３を形成し、窒化シリコン層２２１３を光電変換部１０１に合せてパターニングする。例えば、この窒化シリコン層２２１３の成膜は熱ＣＶＤ法を用いて行われる。この時の熱ＣＶＤ法の条件としては、例えば基板温度が５００〜７００℃、ガス圧力が１０〜５０Ｔｏｒｒである。

次いで、公知の半導体バックエンドプロセスを用いてコンタクトプラグや配線層、ビアプラグを形成する。例えば第１配線層６１０はシングルダマシン法を用いて形成される。第２配線層６２０はデュアルダマシン法を用いて、配線とビアプラグとが同時に形成される。酸化シリコン層２２２１、２２２２、２２２３、２２２４は層間絶縁層として機能する。窒化シリコン層２２３１はトレンチ形成時のエッチングストップ層として機能し、窒化シリコン層２２３２は銅の拡散防止層として機能する。以上の様にして、基部２２０が形成される。

図６（ａ）の例では、酸化シリコン層２２２４および窒化シリコン層２２３２を貫通して第２配線層６２０に達するビアホールを形成し、このビアホールにビアプラグ６２５を埋め込む。その後、ビアプラグ６２５に接続する金属層６３０を酸化シリコン層２２２４の上に形成する。同時に遮光体６３５がダミー光電変換部１０１０を覆うように形成される。金属層６３０を覆うように、酸化シリコン層２２２５を形成する。

＜工程ｂ＞ 図４（ｂ）、図６（ｂ）は工程ｂの説明図である。本工程は、導光部材２１０の形成工程の一部である。

公知のフォトリソグラフィ技術によって基部２２０の上にフォトレジストなどのマスクパターン２５０を形成する。続いて、このマスクパターン２５０を用いて、複数の酸化シリコン層２２２１、２２２２、２２２３、２２２４および窒化シリコン層２２３１、２２３２をエッチングする。これによって、光電変換領域上に複数の開口２６１が形成される。その後、マスクパターン２５０は除去される。

図４（ｂ）の例では、ダミー光電変換部１０１０上にもダミー開口２６１０が形成される。

図６（ｂ）の例では、金属層６３０が酸化シリコン層２２２５で覆われているため、金属層６３０はマスクパターン２５０の除去時のアッシング等から保護される。

＜工程ｃ＞ 図４（ｃ）、図６（ｃ）は工程ｃの説明図である。本工程は、導光部材２１０の形成工程の一部である。

図４（ｃ）の例では、複数の開口２６１およびダミー開口２６１０を埋める埋め込み材２７０を形成する。埋め込み材２７０の形成は、例えば高密度プラズマＣＶＤ法による窒化シリコンの成膜によって行うことができる。

図６（ｃ）の例では、複数の開口２６１およびダミー開口２６１０の内面を覆う窒化シリコン層２１１を保護膜として形成する。例えば、この窒化シリコン層２１１の成膜はプラズマＣＶＤ法を用いて行われる。この時のプラズマＣＶＤ法の条件としては、例えば基板温度が３００〜５００℃、ガス圧力が１〜１０Ｔｏｒｒ、高周波電力は５００〜１０００Ｗである。そして、周辺領域においては、窒化シリコン層２１１と酸化シリコン層２２２５を順次エッチングして、金属層６３０を露出される開口６４１を形成する。その後、水素雰囲気中で加熱することにより、水素終端処理（水素アロイ処理）を行う。そしてこの加熱以降は、この温度よりも高い温度となることはない。周辺領域において窒化シリコン層２１１はパッシベーション膜として機能する。

＜工程ｄ＞ 図４（ｄ）、図６（ｄ）は工程ｄの説明図である。本工程も、導光部材２１０の形成工程の一部である。導光部材２１０の上面が光電変換部１０１ごとに異なると、導光部材２１０の上面での反射光の光路長の違いによる光の干渉ムラが生じ、明暗ムラや色ムラなどを生じうる。そのため、導光部材２１０の上面は極力平坦になるように行われる。

図４（ｄ）の例では、余分な埋め込み材２７０をエッチング法やＣＭＰ法を用いて除去する。ＣＭＰ法で平坦化しながら埋め込み材２７０を除去すると良い。本例では、基部２２０の上面を成す酸化シリコン層２２２４が露出するまで埋め込み材２７０を除去している。そして、基部２２０の上面と複数の導光部材２１０の上面とが平坦面を形成している。しかし、基部２２０の上に埋め込み材２７０の一部を残留させて、光電変換領域に渡って、平坦化された導光部材２１０の上面が延在していてもよい。

図６（ｄ）の例では、樹脂材料をスピンコート法などの塗布法を用いて形成して開口２６１を埋める樹脂層２１２を形成する。これにより、窒化シリコン層２１１と樹脂層２１２を含む導光部材２１０が形成される。塗布法によれば、塗膜が流動するため、基部２２０の凹凸の程度よりも平滑な上面を有する導光部材２１０を得ることができる。導光部材２１０にリフロー法やエッチバック法などによる平坦化処理をさらに行ってもよい。

＜工程ｅ＞ 図５（ｅ）、図７（ｅ）は工程ｅの説明図である。本工程では凸部材３２０を形成する。

図５（ｅ）の例では、まず、導光部材２１０および基部２２０を覆う酸化シリコン層３２０１を形成する。次に酸化シリコン層３２０１と酸化シリコン層２２２４および窒化シリコン層２２３２を貫通して第２配線層６２０に達するビアホールを形成し、このビアホールにビアプラグ６２５を埋め込む。その後、ビアプラグ６２５に接続する金属層６３０を酸化シリコン層３２０１の上に形成する。同時に遮光体６３５がダミー導光部材２１００を覆うように形成される。金属層６３０を覆うように、酸化シリコン層３２０２が酸化シリコン層３２０１の上に積層される。酸化シリコン層３２０１、３２０２は凸部材３２０の材料層として機能する。次に、酸化シリコン層３２０２の上に、平凸レンズ形状のパターンを形成する。このパターンの形成方法としては、感光性樹脂の露光量に階調性を持たせて現像により露光階調に応じた表面形状を得る階調露光法や、樹脂を流動させて表面張力によって表面形状を得るリフロー法などが挙げられる。周辺領域では酸化シリコン層３２０２、３２０１を上記パターン形成用の樹脂で覆っておく。これらのパターンをエッチバック法により酸化シリコン層３２０２に転写することにより、凸面を有する平凸レンズ形状の凸部材３２０を得ることができる。なお、ここでは凸部材３２０の凸面は酸化シリコン層３２０２のみで形成されているが、酸化シリコン層３２０１も用いてもよい。また、凸面間の酸化シリコン層３２０１を残留させて凸部３２２の連結部としているが、下地の酸化シリコン層２２２４が露出するまで酸化シリコン層３２０２、３２０１を加工して、互いに独立した複数の凸部材３２０を形成することもできる。周辺領域ではパターン形成用の樹脂で覆われているため、酸化シリコン層３２０２は加工されないで残留し、金属層６３０を覆う絶縁層としての酸化シリコン層２２２５となる。凸部材３２０の形成に用いられた不要なレジストパターンは除去される。

図７（ｅ）の例でも図５（ｅ）と同様に行うことが出来る。しかし、導光部材２１０が樹脂（樹脂層２１２）を含む場合、導光部材２１０を形成した後に、導光部材２１０の耐熱温度以上の温度を導光部材２１０に加えることは好ましくない。熱ダメージにより、導光部材２１０の樹脂に失透や失色等の変質が生じたり、ボイドやクラックが生じたりする可能性があるためである。例えば、シロキサン樹脂においては、４００℃程度まで加熱するとボイドやクラック等が生じ得る。加熱を伴う処理としては凸部材３２０の成膜が挙げられる。凸部材３２０の母材をその導光部材２１０の耐熱温度未満の温度で成膜することでこのような熱ダメージは避けられる。低温で成膜する方法としては低温プラズマＣＶＤ法のような堆積法やスピンコート法のような塗布法などが挙げられる。平坦面の上に堆積法で成膜された堆積膜を、凸面を有する凸部材３２０に加工するには、エッチング処理を行う必要がある。一般的にプラズマエッチングなどのドライエッチングが用いられるが、ドライエッチングはエッチングダメージによって樹脂の劣化を招く可能性がある。そのため、導光部２０１上でのドライエッチングを伴わない加工方法を採用することでエッチングダメージは避けられる。以上説明したように、導光部材２１０の樹脂に対する熱ダメージとエッチングダメージの２点を鑑みると、凸部材３２０自体を感光性樹脂で形成することが好ましい。導光部材２１０上にスピンコート法で感光性樹脂材料を塗布し、フォトリソグラフィにより樹脂材料をパターニングして凸部材３２０を形成する。上述した階調露光法を用いてもよいしリフロー法を用いてもよい。樹脂のリフロー法は加熱を伴うが、低温である。凸部材３２０は、例えば屈折率１．４０〜１．６０程度の樹脂材料であり、例えばスチレン樹脂やアクリル樹脂を用いることができる。

＜工程ｆ＞ 図５（ｆ）、図７（ｆ）は工程ｆの説明図である。本工程では凸メニスカスレンズとなるように層内レンズ３０１を形成する。

凸部材３２０の上に層内レンズ３０１の材料を成膜する。層内レンズ３０１の材料は凸部材３２０よりも屈折率の高い材料である。本工程においても、工程ｅについて説明した熱ダメージとエッチングダメージを低減することが有効である。

図５（ｆ）および図７（ｆ）の層内レンズ３０１の材料は窒化シリコンであり、異方性を高めたプラズマＣＶＤ法によって窒化シリコンを堆積することで成膜することができる。

異方性を高めたプラズマＣＶＤ法によれば、下地である凸部材３２０の凸面の法線の方向に依らずに等しい堆積レートで成膜されるのではなく、凸部材３２０の凸面の法線の方向に応じて異なる堆積レートで成膜される。凸部材３２０の凸面の頂部付近で堆積レート高く、凸面の中腹部から麓部にかけて堆積レートが低くなる条件で成膜することで、凸メニスカスレンズを形成することができる。プラズマＣＶＤ法において異方性を高めるために、原料流量、電力（パワー）、圧力、バイアスなどの成膜条件を調整することが有効である。また、装置側の構成、例えば、ＣＶＤ装置のチャンバーにおける原料ガス供給ノズルと半導体基板との距離や位置を調整することも有効である。プラズマ密度は低いよりも高い方が異方性が高まる。圧力は低い（減圧）よりも高い（常圧）方が異方性が高まる。バイアスは大きいよりも小さい方が異方性が高まる。なお、図５（ｆ）の例の様に導光部材２１０への熱ダメージの影響が小さい場合には、プラズマＣＶＤ法に替えて熱ＣＶＤ法を用いることも可能である。導光部材２１０に樹脂層２１２を用いる図７（ｆ）の例では、層内レンズ３０１の成膜温度は、樹脂層２１２の耐熱温度未満であることが好ましい。樹脂層２１２にシロキサン樹脂を用いる場合には成膜温度は例えば３５０℃以下であり、３００℃以下であることが好ましい。プラズマＣＶＤ方を用いた具体的な成膜条件としては、例えば基板温度が１５０〜３５０℃、ガス圧力が１〜５Ｔｏｒｒ、高周波電力が２５０〜７５０Ｗである。このような方法であれば、光電変換領域上でエッチングを行わずに、層内レンズ３０１の材料を堆積するだけで層内レンズアレイ３１０が形成できるので、導光部２０１や光電変換部１０１に与えるダメージを低減することができる。

図５（ｆ）の例では、凸部材３２０が酸化シリコンであるから、層内レンズ３０１の材料には、凸部材３２０よりも屈折率の高い樹脂を用いることもできる。樹脂材料を塗布法で凸部材３２０の上に成膜した後に、エッチバック法や階調露光法などを用いて樹脂膜を加工して、凸メニスカスレンズを形成することもできる。つまり、樹脂膜の上面の曲率が凸部材３２０の凸面の曲率よりも大きくなるように樹脂膜を成形すればよい。勿論、エッチングダメージの影響が軽微であれば、凸部材３２０の上に窒化シリコンから成る層内レンズ３０１形成材料を堆積し、図５（ｅ）における凸部材３２０の形成と同様の手法により、層内レンズ３０１を凸メニスカス形状に堆積膜を加工しても良い。

図７（ｆ）の例の様に、凸部材３２０に樹脂材料を用いると、樹脂材料よりも屈折率の高い材料は限られてしまう。窒化シリコンや酸窒化シリコンなどの高屈折率材料を、堆積法を用いて成膜して層内レンズ３０１を形成することができる。

図５（ｆ）、図７（ｆ）において、層内レンズアレイ３１０を成す窒化シリコン膜の周辺領域に形成された部分は、パッシベーション膜として機能させる目的で残している。図７（ｆ）の例では窒化シリコン層２１１がパッシベーション膜として機能し得るため、層内レンズアレイ３１０用の窒化シリコン膜は周辺領域から除去してもよい。図５（ｆ）の例では、半導体基板全面にレジストを塗布形成し、周知のフォトリソグラフィにより、金属層６３０を露出させるための開口パターンを形成し、周知のエッチング技術により開口６４１を形成する。なお、図５（ｆ）では層内レンズ３０１の材料のみを開口し、第３金属層６３０を覆う酸化シリコン層２２２５は開口されていない。後述するように、トップレンズ５０１形成後のパッド開口６４０形成時に、酸化シリコン層２２２５を除去可能だからである。勿論、本工程ｆで第３金属層６３０が露出するまで酸化シリコン層２２２５を開口しても良い。開口６４１の形成に用いたレジストを剥離除去し、その後、水素アロイ処理が施される。

＜工程ｇ＞ 図５（ｇ）、図７（ｇ）は工程ｇの説明図である。本工程では凹部材３３０を形成する。

層内レンズ３０１の上面を覆うように、層内レンズ３０１よりも屈折率の低い材料を成膜して、凹部材３３０として用いる。凹部材３３０の材料としては樹脂が好適であり、スピンコート法などの塗布法を用いて成膜することが好ましい。スピンコート法により平坦面を有して成膜することができる。さらにリフロー法やエッチバック法を用いて平坦化処理を行ってもよいが、特に図７（ｇ）の場合には、熱ダメージやエッチングダメージを考慮すると、塗布法のみで平坦性を確保することが好ましい。凹部材３３０の材料として酸化シリコンを用いることもでき、ＳＯＧ法等の塗布法で形成することもできる。堆積法を用いる場合には、とりわけ平坦化処理を行うことが望ましく、平坦化処理としてＣＭＰ法やエッチバック法を用いることができる。しかし、エッチンバック法はもちろんのこと、ＣＭＰ法もまたエッチングダメージと同様の機械的ダメージを導光部材２１０に与えることになる。そのため、凹部材３３０は塗布法を用いて形成することが好ましいと云える。

＜工程ｈ＞ 図５（ｈ）、図７（ｈ）は工程ｈの説明図である。本工程ではフィルタユニット４００と第２集光ユニット５００を形成する。

公知の感光性カラーレジストを用いてカラーフィルタアレイ４１０を形成し、塗布法を用いて平坦化のためのコーティング４２０を形成する。その上に、トップレンズアレイ５１０を形成する。トップレンズアレイ５１０は、凸部材３２０の形成方法として説明したような階調露光法やリフロー法、エッチバック法などのを用いることができる。トップレンズ５０１の材料には感光性樹脂を用いることができ、凸部材３２０と同じ材料を用いることもできる。トップレンズ５０１の上方は屈折率が１．００の空気などが典型的であり、層内レンズ３０１とは異なり、屈折率が１．６０程度であっても十分な集光力を得ることができる。トップレンズ５０１形成後に、周知のフォトリソ技術および周知のエッチング技術を用いて、第３金属層６３０が露出するまでパッド開口６４０を形成する。図５（ｆ）の場合、平坦化のためのコーティング４２０、凹部材３３０および酸化シリコン層３２０２をエッチング除去している。図６（ｆ）ではパッド開口６４０が不図示であるが、図５（ｆ）の場合と同様に、コーティング４２０、凹部材３３０、層内レンズ３０１形成材料層、樹脂層２１２をエッチング除去する。

以上の様に、光電変換装置１０００を製造することができる。ここまで説明したように、導光部材２１０の材料に樹脂を用いる場合には、この樹脂に熱ダメージ、エッチングダメージを極力与えぬよう、導光部材２１０の形成以降の工程には十分な検討が必要である。特に導光部材２１０に近い第１集光ユニット３００の形成においては、塗布法による成膜や、低温での堆積法による成膜の採用が好適である。また、光によるパターニングや異方性を有する堆積法にる凸メニスカスレンズの成形が好適である。

１０１ 光電変換部
３１０ 層内レンズアレイ
３０１ 層内レンズ
３２０ 凸部材
３３０ 凹部材

Claims (12)

1. 複数の光電変換部が配列された光電変換領域と、前記光電変換領域の上に設けられたレンズアレイと、を備える光電変換装置であって、
   前記レンズアレイは複数の凸メニスカスレンズを含み、
   前記凸メニスカスレンズは、
   前記凸メニスカスレンズよりも低い屈折率を有するとともに、前記凸メニスカスレンズの凹面に沿った凸面を有する第１部材と、前記凸メニスカスレンズよりも低い屈折率を有するとともに、前記凸メニスカスレンズの凸面に沿った凹面を有する第２部材と、の間に位置し、
   前記第１部材は前記凸メニスカスレンズと前記光電変換部との間に位置することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記レンズアレイと前記光電変換領域との間には、複数の導光路が配列されている請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１部材の屈折率が前記第２部材の屈折率以上である請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記第２部材の前記凸メニスカスレンズとは反対側の面は前記第２部材の前記凹面に比べて平坦である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 互いに隣り合う前記凸メニスカスレンズの前記凸面同士が境界を成している請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 互いに隣り合う前記凸メニスカスレンズの前記凹面同士が離れている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記凸メニスカスレンズの前記凸面の投影面積が、前記凸メニスカスレンズの前記凹面の投影面積よりも大きい請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記レンズアレイよりも前記光電変換領域から離れて位置する第２のレンズアレイを備え、前記第２のレンズアレイは複数の凸レンズを含み、前記凸メニスカスレンズの前記凸面の曲率が前記凸レンズの凸面の曲率よりも大きい請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記導光路の導光部の材料は樹脂である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記第１部材および前記第２部材の材料は樹脂である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 前記凸メニスカスレンズの材料は窒化シリコンおよび酸窒化シリコンの少なくとも一方である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記第１部材と前記光電変換部とに間には、前記第１部材よりも高い屈折率を有する第３部材が位置する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
    

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