JP6300564B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関する。
固体撮像装置は、複数の画素を有しており、各画素に対応して、基板上に形成された光電変換部と、該光電変換部の上に配されたマイクロレンズと、を備える。また、固体撮像装置は、光電変換部とマイクロレンズとの間に配されたインナーレンズをさらに備えうる。該インナーレンズは、マイクロレンズにおける周辺部分に入射した光を光電変換部に向けて屈折させる。この構造によると、各画素での光感度が向上する。
ところで、インナーレンズが、画素間でレンズ高さ（インナーレンズの底面から頂部までの距離）のばらつきを有すると、画素間で光感度差が生じてしまう。このことは、例えば、固体撮像装置に一様光が入射した場合でも、各画素からの信号値が互いに異なることによる色むら等、画像の品質低下をもたらしうる。
本発明の目的は、各画素での光感度を向上させつつ画素間での光感度差を低減するのに有利な技術を提供することにある。
本発明の一つの側面は固体撮像装置の製造方法にかかり、前記固体撮像装置の製造方法は、光電変換部が設けられた基板を準備する工程と、前記基板の上に、前記光電変換部に対応するインナーレンズを形成するための誘電体膜を形成する工程と、レンズ形状、円錐形状および多角錐形状のいずれか１つを有する部材を前記誘電体膜の上に形成する工程と、前記部材および前記誘電体膜を、前記誘電体膜の平坦な上面に前記部材の一部が残存し、かつ、前記誘電体膜のうちの前記残存した一部の周辺の部分が除去されるようにエッチングして前記インナーレンズを形成する工程と、前記インナーレンズを形成する工程の後に、前記誘電体膜を除去せずに、前記誘電体膜の前記平坦な上面の上の前記部材の前記残存した一部を除去する工程と、前記部材の前記残存した一部を除去する工程の後に、前記インナーレンズの上に、前記光電変換部に対応するマイクロレンズを形成する工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、各画素での光感度を向上させつつ画素間での光感度差を低減することができる。
以下、図１〜図７を参照しながら、本発明の好適な実施形態として、固体撮像装置Ｉの構成例およびその製造方法の例を述べる。
（１． 固体撮像装置Ｉの構成例）
（１−１． 固体撮像装置Ｉの全体構成の例）
図１は、固体撮像装置Ｉの全体構成例を説明するための模式図である。固体撮像装置Ｉは、撮像領域Ｒ１および周辺領域Ｒ２を有する。
（１−１． 固体撮像装置Ｉの全体構成の例）
図１は、固体撮像装置Ｉの全体構成例を説明するための模式図である。固体撮像装置Ｉは、撮像領域Ｒ１および周辺領域Ｒ２を有する。
撮像領域Ｒ１には、例えば、複数の画素がアレイ状に配列されて画素アレイが形成されている。撮像領域Ｒ１は、受光領域Ｒ１ａと遮光領域Ｒ１ｂとを有してもよい。受光領域Ｒ１ａには、受光光量に基づく信号を読み出すための画素が配される。受光光量に基づく信号は、撮像の他、焦点検出等に使用されてもよい。遮光領域Ｒ１ｂには、入射光を遮光するための遮光部材と、ノイズ成分の信号を読み出すための画素とが配される。
周辺領域Ｒ２には、処理部が設けられている。処理部は、撮像領域Ｒ１の各画素を駆動するための駆動部、撮像領域Ｒ１の各画素から読み出された信号を処理する信号処理部等を含む。例えば、処理部としては、垂直走査回路ＶＳＣ、増幅部Ａｍｐ、アナログデジタル変換部ＡＤＣ（以下、単に「ＡＤ変換部ＡＤＣ」とする。）、メモリＭｅｍ、水平走査回路ＨＣＳ、タイミングジェネレータＴＧ、パッド群ＰＡＤ等である。
各画素は、公知の回路構成を採ればよい。各画素は、例えば、フォトダイオード等の光電変換部と、入射光量に応じて該光電変換部で生じた電荷に基づく電気信号を画素信号として読み出すための複数のＭＯＳトランジスタと、で形成される。これら光電変換部や複数のＭＯＳトランジスタは、シリコン等の半導体で構成された基板に、公知の半導体製造プロセスを用いて形成されればよい。
上記複数のＭＯＳトランジスタは、例えば、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ等を含む。転送トランジスタは、ゲートに供給される制御信号に応答して、光電変換部の電荷を転送トランジスタのドレイン領域であるフローティングディフュージョンに転送する。増幅トランジスタは、ゲートがフローティングディフュージョンに接続されており、フローティングディフュージョンに転送された電荷量に応じた量の電流を出力する。リセットトランジスタは、ゲートに供給される制御信号に応答して、フローティングディフュージョンの電位をリセットする。複数のＭＯＳトランジスタは、更に、選択トランジスタを含んでもよい。選択トランジスタは、ゲートに供給される制御信号に応答して、増幅トランジスタの電流量に応じたレベルの信号を画素信号として出力する。
垂直走査回路ＶＳＣは上述の制御信号を各画素に出力し、各画素は制御信号に応答して駆動され、各画素からの画素信号が増幅部Ａｍｐに入力される。増幅部Ａｍｐは、画素アレイの各列に対応して配されており、画素信号を増幅してＡＤ変換部ＡＤＣに出力する。ＡＤ変換部ＡＤＣは、画素アレイの各列に対応して配されており、増幅部Ａｍｐからの信号をＡＤ変換する。該画素信号は、その後、デジタル信号として処理される。メモリＭｅｍは、画素アレイの各列に対応して配されており、例えば、画素信号を保持するためのメモリと、リセット後の画素からの信号を保持するためのメモリとを含む。水平走査回路ＨＳＣは、各列から読み出された画素信号を水平転送するための信号を出力する。該画素信号は、このようにして順に外部に出力される。タイミングジェネレータＴＧは、例えば外部からのクロック信号に基づいて、画素信号を読み出すための制御信号を、垂直走査回路ＶＳＣや水平走査回路ＨＳＣに出力する。パッド群ＰＡＤの各電極パッドは、画素信号を読み出すための電極パッドであり、読み出された画素信号を出力するための電極パッドの他、制御信号を入力するための電極パッドや電源電圧を供給するための電極パッドをも含む。
（１−２． 固体撮像装置Ｉの断面構造の例）
図２は、図１におけるカットラインＡ−Ｂの断面構成を示す模式図である。固体撮像装置Ｉは、第１の構造ＳＴ１、第２の構造ＳＴ２および第３の構造ＳＴ３を有する。
図２は、図１におけるカットラインＡ−Ｂの断面構成を示す模式図である。固体撮像装置Ｉは、第１の構造ＳＴ１、第２の構造ＳＴ２および第３の構造ＳＴ３を有する。
第１の構造ＳＴ１は、主に、前述の光電変換部や処理部が形成された半導体回路部である。第１の構造ＳＴ１は、基板１０１、基板１０１に形成された各素子（光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョンＦＤ、トランジスタ等）、素子分離部１０９等を含む。
具体的には、基板１０１は、素子分離部１０９によって区画されており、該区画された基板１０１の各領域には、光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョンＦＤ及び各トランジスタが形成されている。ウェル１０７およびウェル１０８は、前述の処理部を構成するＭＯＳトランジスタを形成するため拡散領域である。ゲート電極１１０ａは、転送トランジスタのゲート電極であり、ゲート電極１１０ｂは、増幅トランジスタや信号処理用の各トランジスタのゲート電極である。また、これらの上には、絶縁膜１０２を介して保護膜１１１が配され、さらに、必要に応じて、光電変換部ＰＤの直上にエッチングストッパ１１７が配されている。
第２の構造ＳＴ２は、主に、絶縁部材および該絶縁部材の中に形成された配線部を含む構造である。絶縁部材は、層間絶縁膜２１３（２１３ａ等）を含み、配線部は、各配線層に配された配線パターン２１２（２１２ａ等）、コンタクトプラグ２１４を含む。本例では、第２の構造ＳＴ２に、更に、入射光を光電変換部ＰＤに導くための導光路ＬＧ等が形成された場合を説明する。
具体的には、第１の構造ＳＴ１の上に、酸化シリコン等の絶縁材料で構成された層間絶縁膜２１３（２１３ａ〜２１３ｅ）及び２１９と、銅やアルミニウム等の金属材料で構成された配線パターン２１２ａ及び２１２ｂとが配されている。また、各層間絶縁膜２１３の間には金属拡散防止膜２１５が配されてもよい。層間絶縁膜２１３ａには、基板１０１上の各素子と配線パターン２１２とを電気的に接続するコンタクトプラグ２１４が形成される。導光路ＬＧは、光電変換部ＰＤの上に配され、層間絶縁膜２１３ａ〜２１３ｅに形成された開口に窒化シリコン等の屈折率の大きい透光性材料を埋設して形成される。導光路ＬＧの上には層間絶縁膜２１９が配されている。層間絶縁膜２１９の上には、外部との電気的接続を形成するための電極２３０が配されている。電極２３０は、プラグ２２１を介して配線パターン２１２に電気的に接続されている。
第３の構造ＳＴ３は、主に、固体撮像装置Ｉへの入射光を集光するための光学系を形成する部分である。第３の構造ＳＴ３は、インナーレンズＩＬ、カラーフィルタ３２６（３２６ａ等）、マイクロレンズＭＬ等の光学素子を含む。各光学素子と光電変換部との対応は、１対１に限らず、光学素子１つに対して２つの光電変換部が対応してもよい。
具体的には、第２の構造ＳＴ２の上に、インナーレンズＩＬが、反射防止膜３２０ａを介して配されている。インナーレンズＩＬは、反射防止膜３２０ａの上に形成されたインナーレンズ部材ＩＬｉの少なくとも一部を成形して得られる。詳細は後述するが、インナーレンズＩＬの頂部は、平坦に形成されている。
インナーレンズＩＬの上には、反射防止膜３２０ｂが配されている。カラーフィルタ３２６ａ及び３２６ｂは、反射防止膜３２０ｂのうちの光電変換部ＰＤに対応する部分の上に、平坦化層３２５を介して配される。カラーフィルタ３２６ａ及び３２６ｂは、所定の波長の光を通過させ、例えば、赤、緑、青色等の透光性材料で構成される。さらに、その上には、平坦化層３２７を介してマイクロレンズＭＬが配されている。マイクロレンズＭＬは、平坦化層３２７の上に形成されたマイクロレンズ部材ＭＬｉの少なくとも一部を成形して得られる。
なお、周辺領域Ｒ２には、マイクロレンズ部材ＭＬｉの上面から反射防止膜３２０ａの上面にわたって、電極２３０を露出する開口ＯＰが形成されている。
（２． 固体撮像装置Ｉの製造方法の例）
以下、図３（Ａ）〜３（Ｆ）を参照しながら固体撮像装置Ｉの製造方法の例を述べる。固体撮像装置Ｉは、公知の半導体製造技術を用いて製造することが可能である。
以下、図３（Ａ）〜３（Ｆ）を参照しながら固体撮像装置Ｉの製造方法の例を述べる。固体撮像装置Ｉは、公知の半導体製造技術を用いて製造することが可能である。
まず、図３（Ａ）に例示されるように、前述の第１の構造ＳＴ１を準備し、第１の構造ＳＴ１の上に、層間絶縁膜と配線層とが交互に配された積層構造を形成する。具体的には、まず、例えば、シリコン等の半導体で構成されたＰ型の基板１０１に、後に形成されるべき各素子を電気的に分離する素子分離部１０９を形成する。素子分離部１０９は、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法やＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法により形成される。
その後、素子分離部１０９によって区画された基板１０１の各領域に、イオン注入及び熱処理によってウェル１０７及び１０８、光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョンＦＤ、並びに、各トランジスタを形成する。光電変換部ＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤは、例えばＮ型で形成される。ウェル１０７、およびウェル１０８は、画素から読み出された信号を処理する信号処理部を構成するＭＯＳトランジスタを形成するためのＰ型およびＮ型の拡散領域である。
その後、ゲート電極１１０ａ及び１１０ｂを、ウェル１０７ないし１０８上に絶縁膜を介して形成し、それらの両端にソース又はドレインとなる拡散領域（不図示）を形成して、各トランジスタを形成する。ゲート電極１１０ａは、転送トランジスタのゲート電極であり、ゲート電極１１０ｂは、増幅トランジスタや信号処理用の各トランジスタのゲート電極である。
また、必要に応じて、各トランジスタが形成された基板１０１の上には、例えば絶縁膜１０２を介して保護膜１１１を形成してもよい。保護膜１１１は、例えば窒化シリコンで構成されてもよいし、窒化シリコンと酸化シリコンとを用いた複数の層で構成されてもよい。保護膜１１１は、その後の各工程による影響から光電変換部ＰＤを保護する。また、保護層１１１は、光電変換部ＰＤへの光の反射を防止する機能と、シリサイド工程による金属拡散を防止する機能とを兼ねるように構成されるとよい。
また、必要に応じて、保護膜１１１のうちの光電変換部ＰＤの直上の部分を覆うように、エッチングストッパ１１７を形成してもよい。エッチングストッパ１１７は、後に為される開口２１６を形成するためのエッチング工程で用いられる。なお、ここまでで第１の構造ＳＴ１が得られる。
その後、第１の構造ＳＴ１の上に、層間絶縁膜と配線層とが交互に配された積層構造を形成する。例えば、酸化シリコン等で構成された層間絶縁膜２１３（２１３ａ〜２１３ｅ）をそれぞれ形成する。各層間絶縁膜２１３には配線パターン２１２やコンタクトプラグ２１４が形成される。例えば、第１の層間絶縁膜２１３ａの中には、基板１０１の各拡散領域と配線パターンとを電気的に接続するコンタクトプラグ２１４が形成される。コンタクトプラグ２１４には、例えばタングステン等の導電性材料が用いられる。また、例えばダマシン法によって、第２の層間絶縁膜２１３ｂの中には配線パターン２１２ａが形成され、第３ないし第４の層間絶縁膜２１３ｃ〜２１３ｄの中には配線パターン２１２ｂが形成される。配線パターン２１２は、例えば銅やアルミニウム等の導電性材料が用いられる。ここで、積層構造を形成する際には、少なくとも１つの層間絶縁膜に対して、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ、以下ＣＭＰ）法やエッチバック法等、層間絶縁膜の上面を平坦にする平坦化処理が施されてもよい。
また、必要に応じて、各層間絶縁膜２１３の間には、例えば金属拡散防止膜２１５が形成される。金属拡散防止膜２１５には、例えば窒化シリコンが用いられる。また、金属拡散防止膜２１５は、各配線パターン２１２を形成するための開口を各層間絶縁膜２１３にエッチングによって形成する際に、エッチングストッパとしても機能しうる。
次に、図３（Ｂ）に例示されるように、上記積層構造に導光路ＬＧを形成する。具体的には、各層間絶縁膜２１３及び各拡散防止膜２１５を含む絶縁部材のうちの、光電変換部ＰＤの上の部分を除去し、開口２１６を形成する。開口２１６は、後に入射光を光電変換部ＰＤに導く導光路ＬＧが形成されるように、光電変換部ＰＤの直上に形成され、その平面視における外形は、円形状でもよいし多角形形状や矩形形状でもよい。
開口２１６を形成する上記工程では、エッチングストッパ１１７が露出するように絶縁部材（各層間絶縁膜２１３及び各拡散防止膜２１５を含む）の一部を除去すればよいが、エッチングストッパ１１７は露出しなくてもよい。エッチングストッパ１１７には、層間絶縁膜２１３ａよりもエッチングレートが小さい材料が用いられる。例えば、層間絶縁膜２１３ａに酸化シリコンを用い、エッチングストッパ１１７に窒化シリコンや酸窒化シリコンを用いてもよい。
また、開口２１６を形成する上記工程では、互いにエッチング条件が異なる複数回のエッチングを行ってもよい。ここでは、撮像領域Ｒ１に開口２１６が形成された場合を例示しているが、必要に応じて周辺領域Ｒ２にも形成される。
次に、図３（Ｃ）に例示されるように、透光性材料で開口２１６を埋設し、導光路ＬＧを形成する。この工程は、例えばＣＶＤ等の堆積法によって為され、透光性材料には、例えば層間絶縁膜２１３よりも屈折率の大きい窒化シリコン等が用いられる。この工程は、互いに条件が異なる複数回の堆積工程によって為されてもよい。例えば、該透光性材料の部材２１８ｉを、最初はエッチングストッパ１１７や各層間絶縁膜２１３等との密着性を考慮した条件で堆積し、その後、形成速度を優先した条件で堆積してもよいし、又は、途中で異なる材料を用いてもよい。その他、有機材料を塗布法によって形成することによって導光路ＬＧを形成してもよい。
なお、層間絶縁膜２１３ｅの上には該透光性材料の部材２１８ｉが形成されるため、例えばＣＭＰ法による平坦化処理により、撮像領域Ｒ１から周辺領域Ｒ２にわたって部材２１８ｉの上面を平坦化するとよい。又は、層間絶縁膜２１３ｅの上面が露出するように部材２１８ｉを除去しつつ、その上面を平坦化してもよい。
次に、図３（Ｄ）に例示されるように、図３（Ｃ）の工程で得られた構造の上に層間絶縁膜２１９を形成する。その後、層間絶縁膜２１３ｅ及び２１９並びに部材２１８ｉに、配線パターン２１２ｂに電気的に接続されたプラグ２２１及び電極２３０を形成する。なお、ここまでで第２の構造ＳＴ２が得られる。
その後、電極２３０及び層間絶縁膜２１９を覆うように反射防止膜３２０ａを形成し、反射防止膜３２０ａの上にインナーレンズ部材ＩＬｉを形成する。インナーレンズ部材ＩＬｉは、例えば窒化シリコン等、屈折率の大きい透光性材料であって、誘電体材料で構成されている。ここで、インナーレンズ部材ＩＬｉは、化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下ＣＶＤ）法、高密度プラズマＣＶＤ法等によって成膜される誘電体膜である。なお、塗布等の他の方法にて形成される誘電体膜であってもよい。
さらに、その後、インナーレンズ部材ＩＬｉのうちの光電変換部ＰＤに対応する部分の上に、レジストパターンＲＭを形成する。レジストパターンＲＭは、例えば、インナーレンズ部材ＩＬｉの上に形成されたレジスト部材（「レジスト部材ＲＭｉ」とする）をレンズ形状に成形することによって得られる。具体的には、例えば、レジスト部材ＲＭｉは熱可塑性の材料で構成されており、レジスト部材ＲＭｉを、リソグラフィ技術を用いてパターニングした後、該パターニングされたレジスト部材ＲＭｉを加熱（リフロー法）によってレンズ形状に成形すればよい。該成形は、感光性の材料で構成されたレジスト部材ＲＭｉを露光および現像することによって為されてもよい。該露光は、多階調フォトマスクを用いて為されうる。
次に、図３（Ｅ）に例示されるように、レジストパターンＲＭをエッチングしてインナーレンズ部材ＩＬｉをエッチングする。ここで、レジストパターンＲＭの一部ＲＭ’が残るように該エッチング処理を終了する。換言すると、この工程では、レジストパターンＲＭの形状の一部（レンズ形状のうちの周辺部分の形状）が、インナーレンズ部材ＩＬｉに転写される。そして、インナーレンズ部材ＩＬｉの上面のうち、レンズ形状の中央部分であってレジストパターンＲＭの形状が転写されていない部分がそのまま残る。つまり、インナーレンズ部材ＩＬｉである誘電体膜の上面の一部がそのまま維持される。この時、維持される上面の一部は、誘電体膜を成膜した際の上面である。これにより、上面が平坦なインナーレンズＩＬが形成される。なお、平坦とは、誘電体膜の成膜時のばらつき、および層間絶縁膜等の平坦化処理のばらつきの範囲を含む。なお、このエッチング工程では、レジストパターンＲＭのエッチングレートと、インナーレンズ部材ＩＬｉのエッチングレートとは、互いに等しくてもよいし異なっていてもよい。
次に、図３（Ｆ）に例示されるように、例えばアッシングにより、残存する一部ＲＭ’を除去し、上面が平坦なインナーレンズＩＬを得る。このようにして形成されたインナーレンズＩＬの上面の高さは、インナーレンズ部材ＩＬｉの形成時（図３（Ｄ）の工程の時）の上面の高さと実質的に等しい。
その後、図３（Ｆ）の工程で得られた構造を覆うように、反射防止膜３２０ｂを形成し、反射防止膜３２０ｂの上に、平坦化層３２５を介してカラーフィルタ３２６（３２６ａ等）を形成する。さらに、その後、カラーフィルタ３２６の上に、平坦化層３２７を介してマイクロレンズＭＬを形成する。マイクロレンズＭＬは、平坦化層３２７の上に形成されたマイクロレンズ部材ＭＬｉに、レンズ形状のレジストパターンの形状を転写することによって形成されればよい。マイクロレンズＭＬは、円弧状ないし丘陵型のレンズ形状に形成されてもよいし、インナーレンズＩＬと同様に、その頂部が平坦に形成されてもよい。なお、ここまでで第３の構造ＳＴ３が得られる。以上のようにして、前述の図２の構造が得られる。
なお、上述の各層、各膜または各部材は、単一の層で構成されてもよいし、２以上の層で構成されてもよい。また、該各層、各膜または各部材が形成された後には、適宜、ＣＭＰ処理等の平坦化処理が為されてもよい。
固体撮像装置Ｉの製造方法は、上記方法に限られるものではなく、他の公知の製造プロセスによっても製造可能である。例えば、インナーレンズＩＬの他の形成方法として、平坦にすべき頂部をレジストパターンで覆い、その後、その周辺部分に対してハーフエッチングを行って（即ち、隣接画素間に凹形状を形成して）インナーレンズＩＬを形成してもよい。
（３． 頂部が平坦なインナーレンズについて）
以下、図４〜図７を参照しながら、インナーレンズの頂部が平坦であることによる効果等について述べる。図４の（Ａ１）〜（Ａ４）は、インナーレンズＩＬの形成方法の例を示す模式図である。ここでは説明の容易化のため構造ＳＴ１及びＳＴ２を単純化して示している。
以下、図４〜図７を参照しながら、インナーレンズの頂部が平坦であることによる効果等について述べる。図４の（Ａ１）〜（Ａ４）は、インナーレンズＩＬの形成方法の例を示す模式図である。ここでは説明の容易化のため構造ＳＴ１及びＳＴ２を単純化して示している。
図４の（Ａ１）の工程では、第２の構造ＳＴ２の上にインナーレンズ部材ＩＬｉを形成し、インナーレンズ部材ＩＬｉの上にレジスト部材ＲＭｉを形成する。（Ａ２）の工程では、レジスト部材ＲＭｉをレンズ形状に成形し、レジストパターンＲＭを形成する。（Ａ３）の工程では、（Ａ２）の工程で得られたレジストパターンＲＭをエッチングしてインナーレンズ部材ＩＬｉをエッチングする。該エッチングは、レジストパターンＲＭの一部ＲＭ’が残るように終了される。（Ａ４）の工程では、残存する一部ＲＭ’を除去し、上面が平坦なインナーレンズＩＬを得る。
図５の（Ｂ１）〜（Ｂ３）は、比較例として、インナーレンズＩＬＲの形成方法を示している。（Ｂ１）〜（Ｂ２）の工程は、図４の（Ａ１）〜（Ａ２）の工程と同様である。本比較例は、（Ｂ３）の工程に示されるように、レジストパターンＲＭの全てをエッチングしてレジストパターンＲＭの形状をインナーレンズ部材ＩＬｉに転写し、インナーレンズＩＬＲを形成する、という点で、図４の（Ａ３）の工程とは異なる。よって、インナーレンズＩＬＲは、その周辺部から頂部まで曲面を有している。
図６は、固体撮像装置のＲＧＢ光感度比ばらつきの、インナーレンズのレンズ高さ依存性を説明するための図である。ＲＧＢ光感度比ばらつきは、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）のいずれかを検知する各画素間の光感度比のばらつきを表す指標である。なお、本明細書では、ベイヤ配列にしたがう画素アレイを想定してＲＧＢ光感度比ばらつきをある評価方法に基づいて説明するが、他の評価方法で各画素の光感度差を評価してもよい。
図６（ａ）は、単位画素の構造を示す模式図である。ここで図示されたインナーレンズは、上記比較例（周辺部から頂部まで曲面を有するインナーレンズＩＬＲ）にしたがう。インナーレンズＩＬＲのレンズ高さ（底面から頂部までの距離）をＨ１とし、導光路ＬＧの高さ（導光路ＬＧの下面から上面までの距離）をＨ２とする。図６（ｂ）は、ＲＧＢ光感度比ばらつきのレンズ高さＨ１依存性を示すプロット図である。
ここで、図６（ａ）の構造において、インナーレンズＩＬＲに入射した光の光電変換部ＰＤまでの透過率について、
Ｔｒ：赤色光（波長６３０ｎｍ）の透過率、
Ｔｇ：緑色光（波長５５０ｎｍ）の透過率、
Ｔｂ：青色光（波長４５０ｎｍ）の透過率、
とする。これらは、ベイヤ配列にしたがう画素アレイの各画素を測定することにより得られる。また、
（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＡＸ：Ｔｒ／Ｔｇの最大値、
（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＩＮ：Ｔｒ／Ｔｇの最小値、
（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＡＸ：Ｔｂ／Ｔｇの最大値、
（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＩＮ：Ｔｂ／Ｔｇの最小値、
とする。
Ｔｒ：赤色光（波長６３０ｎｍ）の透過率、
Ｔｇ：緑色光（波長５５０ｎｍ）の透過率、
Ｔｂ：青色光（波長４５０ｎｍ）の透過率、
とする。これらは、ベイヤ配列にしたがう画素アレイの各画素を測定することにより得られる。また、
（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＡＸ：Ｔｒ／Ｔｇの最大値、
（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＩＮ：Ｔｒ／Ｔｇの最小値、
（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＡＸ：Ｔｂ／Ｔｇの最大値、
（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＩＮ：Ｔｂ／Ｔｇの最小値、
とする。
上記記号を用いると、本評価方法では、ＲＧＢ光感度比ばらつきは、
ＳＶ≡｛（（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＡＸ／（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＩＮ−１）２＋（（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＡＸ／（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＩＮ−１）２｝１／２、
と定義される。この定義によると、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶが大きいほど、ＲＧＢ各色の画素間での光感度ばらつき量が大きいことを示し、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶが小さいほど、ＲＧＢ各色の画素間での光感度ばらつき量が小さいことを示す。
ＳＶ≡｛（（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＡＸ／（Ｔｒ／Ｔｇ）ＭＩＮ−１）２＋（（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＡＸ／（Ｔｂ／Ｔｇ）ＭＩＮ−１）２｝１／２、
と定義される。この定義によると、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶが大きいほど、ＲＧＢ各色の画素間での光感度ばらつき量が大きいことを示し、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶが小さいほど、ＲＧＢ各色の画素間での光感度ばらつき量が小さいことを示す。
なお、上記式に基づく計算において、各部材の屈折率を、
平坦化層の材料 ：１．５５、
酸化シリコン（ＳｉＯ２） ：１．４７、
窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）：２．０、
酸窒化シリコン（ＳｉＮＯ）：１．７３、
シリコン（Ｓｉ） ：４．０、
とした。
平坦化層の材料 ：１．５５、
酸化シリコン（ＳｉＯ２） ：１．４７、
窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）：２．０、
酸窒化シリコン（ＳｉＮＯ）：１．７３、
シリコン（Ｓｉ） ：４．０、
とした。
ここで、導光路ＬＧの高さＨ２が全画素間で１００ｎｍの範囲のばらつきを有するとし、Ｈ１およびＨ２以外のパラメータ（他の部材の厚さないし膜厚）については一定（固定値）とした。この場合、図６（ｂ）のＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶのインナーレンズＩＬＲのレンズ高さＨ１依存性によると、Ｈ１＝４８５ｎｍ近傍では、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶは小さい値をとる。一方で、Ｈ１＝４２５ｎｍ近傍、及び、Ｈ１＝５４０ｎｍ近傍では、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶは大きい値をとる。
即ち、インナーレンズＩＬＲのレンズ高さＨ１が画素間で６０〜７０ｎｍ程度の差を有すると、ＲＧＢ光感度比ばらつきＳＶが大きく変化してしまう。よって、インナーレンズＩＬＲのレンズ高さＨ１ばらつきを抑制することを要する。
しかしながら、一般に、エッチングによるインナーレンズ部材のエッチング量のばらつきは、該インナーレンズ部材を堆積法等によって形成する場合の厚さないし膜厚のばらつきよりも大きい。そのため、前述の比較例（図５の（Ｂ１）〜（Ｂ３）参照）のインナーレンズＩＬＲの形成方法によると、レンズ高さＨ１ばらつきが生じてしまう。
これに対して、本発明にかかるインナーレンズＩＬの形成方法によると、図４の（Ａ３）〜（Ａ４）に示されるように、インナーレンズ部材ＩＬｉの各光電変換部ＰＤの上の部分の上面を残ししながら該部分の周辺部分を除去する。つまり、光電変換部ＰＤの上の部分のインナーレンズ部材ＩＬｉの上面が平坦なまま維持される。上述の例では、レンズ形状に成形されたレジストパターンＲＭをエッチングしてインナーレンズ部材ＩＬｉをエッチングする際、レジストパターンＲＭの一部ＲＭ’が残るように該エッチングを終了する。その後、残存する一部ＲＭ’は除去され、上面が平坦なインナーレンズＩＬが得られる。よって、本形成方法によると、インナーレンズＩＬの上面の高さは、インナーレンズ部材ＩＬｉの形成時の上面の高さと実質的に等しい。よって、本形成方法によると、インナーレンズＩＬのレンズ高さのばらつきは、前述の比較例に対して低減される。
図７は、インナーレンズの光学特性を説明するための模式図であり、図７（ａ）は、インナーレンズの形状が円弧状（インナーレンズＩＬＲ）の場合を示しており、図７（ｂ）は、インナーレンズの頂部が平坦な形状（インナーレンズＩＬ）の場合を示している。
図７（ａ）及び（ｂ）において、光Ｌ１は、マイクロレンズＭＬを通過してインナーレンズＩＬＲの中央に入射した光を示し、光Ｌ２は、光Ｌ１よりも外側の部分に入射した光を示している。なお、光Ｌ１と光Ｌ２とは、いずれも、インナーレンズＩＬＲの頂部の互いに近傍の部分に入射した光であるものとし、光Ｌ１及びＬ２のインナーレンズＩＬＲによる屈折については考慮しないものとする。
ここで、図７（ａ）の場合、光Ｌ１と光Ｌ２とでは、インナーレンズＩＬＲの曲面によって光路差ｄが生じる。ここで、光Ｌ１の光路における光Ｌ１の光電変換部ＰＤへの透過率が最大になるように光学系が設計されているとすると、光Ｌ２の光路では光路長が光Ｌ１とは光路差ｄずれており、光Ｌ２の光電変換部ＰＤへの透過率が低下して光感度が低下しうる。
一方、図７（ｂ）の場合、インナーレンズＩＬの中央部分Ｐ１は、その上面が平坦になっているため、光Ｌ１と光Ｌ２とで光路長が互いに実質的に等しい（光路差ｄが生じない）。よって、図７（ａ）の場合に対して光感度が向上する。
また、中央部分Ｐ１の周辺の周辺部分Ｐ２に入射した光Ｌ３は、周辺部分Ｐ２で導光路ＬＧに向けて屈折され、その後、導光路ＬＧを通って光電変換部ＰＤに導かれる。周辺部分Ｐ２は、導光路ＬＧの外縁よりも内側に位置してもよいし、光電変換部ＰＤの外縁よりも内側に位置してもよい。これにより、インナーレンズＩＬへの入射光のうち、中央部分Ｐ１に入射した光は、そのまま導光路ＬＧに導かれ、周辺部分Ｐ２に入射した光は、導光路ＬＧに向けて効果的に屈折される。
なお、図７（ｂ）では、周辺部分Ｐ２が所定の曲率の曲面形状を有するインナーレンズＩＬの形状を例示したが、インナーレンズＩＬの形状はこれに限られるものではない。例えば、インナーレンズＩＬは、周辺部分Ｐ２が所定の傾斜角の傾斜面を有する形状でもよい（即ち、インナーレンズＩＬの断面形状が台形形状でもよい）。例えば、レジストパターンＲＭを円錐形状にすれば、インナーレンズＩＬの平面視での外形が円形で、インナーレンズＩＬの断面形状が台形形状になる。また、例えば、レジストパターンＲＭを多角錐形状にすれば、インナーレンズＩＬの平面視での外形が多角形で、インナーレンズＩＬの断面形状が台形形状になる。
以上、本発明によると、インナーレンズＩＬのレンズ高さのばらつきが低減され、その結果、画素間の光感度比ばらつきが低減されるとともに各画素での光感度が向上する。
なお、インナーレンズ部材ＩＬｉが形成されるまでの工程において、少なくとも１回はＣＭＰ法等による平坦化処理が行われていることが望ましい。これにより、インナーレンズＩＬの上面の高さのばらつきを、さらに低減することができる。
また、以上では、導光路ＬＧを有する構造を例示したが、本発明は、導光路ＬＧを有しない構造にも適用可能であるし、裏面照射型の固体撮像装置にも適用可能である。また、２以上の光電変換部に対して１つのインナーレンズが設けられた構造では、インナーレンズの平坦な部分が、隣接画素の光電変換部と光電変換部との境界に位置する場合がある。この場合においても、本発明を、該インナーレンズに適用することが可能であり、これによって多重反射が低減される。
本発明は上記態様に限られるものでないことは言うまでもなく、目的、用途等に応じて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その一部を変更してもよい。
（撮像システム）
また、以上の実施形態は、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置について述べた。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含みうる。該信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。
また、以上の実施形態は、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置について述べた。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含みうる。該信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。
Claims (15)
- 光電変換部が設けられた基板を準備する工程と、
前記基板の上に、前記光電変換部に対応するインナーレンズを形成するための誘電体膜を形成する工程と、
レンズ形状、円錐形状および多角錐形状のいずれか１つを有する部材を前記誘電体膜の上に形成する工程と、
前記部材および前記誘電体膜を、
前記誘電体膜の平坦な上面に前記部材の一部が残存し、かつ、
前記誘電体膜のうちの前記残存した一部の周辺の部分が除去される
ようにエッチングして前記インナーレンズを形成する工程と、
前記インナーレンズを形成する工程の後に、前記誘電体膜を除去せずに、前記誘電体膜の前記平坦な上面の上の前記部材の前記残存した一部を除去する工程と、
前記部材の前記残存した一部を除去する工程の後に、前記インナーレンズの上に、前記光電変換部に対応するマイクロレンズを形成する工程と、を有する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記誘電体膜を形成する工程において、前記誘電体膜の上面は、ＣＶＤ法によって形成され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。
- 前記部材は、熱可塑性の材料で構成されており、前記誘電体膜上に熱可塑性の部材を形成し、該形成された熱可塑性の部材をパターニングし、該パターニングされた熱可塑性の部材を加熱することによって形成される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記部材は、感光性の材料で構成されており、前記誘電体膜上に感光性の部材を形成し、該形成された感光性の部材を露光し、該露光された感光性の部材を現像することによって形成される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記感光性の部材を露光するのに多階調フォトマスクを用いる
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記部材はレジストパターンである
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。 - 前記マイクロレンズを形成する工程は、
前記インナーレンズの上に、前記マイクロレンズを形成するための第２の誘電体膜を形成する工程と、
前記マイクロレンズに平坦な上面が形成されるように前記第２の誘電体膜を成形する工程と、
を含む
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記基板を準備する工程の後かつ前記誘電体膜を形成する工程の前に、
前記基板の上に、絶縁部材と該絶縁部材の中に配された配線部とを含む構造を形成する工程と、
前記構造の前記光電変換部と対応する部分に、導光路を形成する工程と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記インナーレンズは、平坦な頂部と、前記頂部の周辺にあり曲面形状を有する周辺部とを含み、前記基板に直交する入射光のうち、前記頂部に入射した部分と前記周辺部に入射した部分とのそれぞれが前記導光路の上面に到達する形状を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記インナーレンズを形成する工程では、前記残存した一部の外縁が前記導光路の外縁よりも内側になるように、前記部材および前記誘電体膜をエッチングする
ことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記インナーレンズを形成する工程では、前記残存した一部の外縁が前記光電変換部の外縁よりも内側になるように、前記部材および前記誘電体膜をエッチングする
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記インナーレンズを形成する工程では、前記残存した一部に覆われた前記平坦な上面の周辺に、前記平坦な上面に接続された曲面または傾斜面が前記誘電体膜の上面の他の一部として形成される
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。 - 基板に配列された複数の光電変換部と、
前記基板の上に配され、絶縁部材と該絶縁部材の中に配された配線部とを含む構造と、
前記構造に形成され、前記絶縁部材よりも高い屈折率を有する部材で構成された導光路と、
前記構造の上に、前記複数の光電変換部に対応するように配された複数のインナーレンズと、
前記複数のインナーレンズの上に、前記複数の光電変換部に対応するように配された複数のマイクロレンズと、を備え、
前記複数のインナーレンズの各々は、平坦な頂部と、前記頂部の周辺にあり曲面形状を有する周辺部とを含み、前記基板に直交する光のうち、前記頂部に入射した部分と前記周辺部に入射した部分とのそれぞれが前記導光路の上面に到達する形状を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記複数のマイクロレンズの各々は、その頂部が平坦である
ことを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。 - 請求項１３または１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と、を備える
ことを特徴とするカメラ。
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