JPH09148549A - オンチップレンズ付カラー固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 オンチップレンズ付固体撮像素子において、
色フィルタの色の違いに起因する各色間の感度差をなく
してより良好な色再現性を得るようにする。 【構成】 オンチップレンズが色フィルタにより形成さ
れ、該色フィルタの各色毎の画素の感度に応じてその画
素のオンチップレンズの高さを異ならせる。 【効果】 オンチップレンズの高さにより感度が変わる
ので、各色による感度差をオンチップレンズの高さによ
りなくすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各画素に対応して
その受光素子に集光するオンチップレンズを備えたオン
チップレンズ付カラー固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】カラー固体撮像素子は、一般に基板表面
に赤、青、緑の原色フィルタ、あるいはシアン、マゼン
タ等の補色フィルタ等を適宜配置した色フィルタを有し
ている。そして、斯かるカラー固体撮像素子には各画素
毎にその受光素子に集光して画素の感度を上げるレンズ
素子（マイクロレンズ）を備えたものが多い。図４はそ
のようなオンチップレンズ付カラー固体撮像素子の従来
例の一つを示す断面図である。

【０００３】同図において、１は半導体基板、２、２、
・・・は各画素の受光素子、３は基板１表面に形成され
た平坦化膜で、色フィルタ４、４、・・・の下地を成
す。尚、基板１上にはゲート絶縁膜、転送電極、層間絶
縁膜、遮光膜等があり、その上に平坦化膜３があるが、
これらの図示、説明を省略する。色フィルタ４、４、・
・・は透明樹脂を形成し、これに染料を添加してなる。
５は透明樹脂からなり、表面を凸球面状に形成すること
により形成されたオンチップレンズで、凸レンズとして
機能する。従って、被写体側から結像用レンズを通して
各画素に向けてきた光をその画素の受光素子２、２、・
・・に比較的有効に集光することができる。

【０００４】図５（Ａ）乃至（Ｅ）は図４に示したオン
チップレンズ付カラー固体撮像素子の製造方法を工程順
に示す断面図である。 （Ａ）半導体基板１表面部に図５（Ａ）に示すように受
光素子２、２、・・・を始め、図面に現れない垂直レジ
スタ、水平レジスタ等必要なものを形成し、更に、基板
１表面上に転送電極、層間絶縁膜、遮光膜（Ａｌ）など
を形成する。 （Ｂ）次に、図５（Ｂ）に示すように、平坦化膜３を形
成する。該平坦化膜３表面の半導体基板１表面からの高
さは例えば１．５〜３μｍである。

【０００５】（Ｃ）次に、図５（Ｃ）に示すように色フ
ィルタ４、４、・・・を形成する。該色フィルタ４は染
料あるいは顔料を添加した樹脂をパターニングすること
により１色分の色フィルタを形成することを必要な色分
複数回繰り返すことにより行うとか、一旦全面的に透明
樹脂を形成し、その後、選択的に染色することを複数回
繰り返すという方法により形成される。 （Ｄ）次に、図５（Ｄ）に示すように、保護膜（膜厚例
えば３〜４μｍ）６を塗布する。該保護膜６は例えばＳ
ＯＧからなり、レンズ５を成す透明樹脂と略等しいエッ
チング速度を有している。

【０００６】（Ｅ）次に、上記保護膜６上に、オンチッ
プレンズとなる透明樹脂を形成し、該透明樹脂を各画素
毎に互いに独立して他から分離するようにするエッチン
グをし、その後、リフロー処理することにより各独立し
た透明樹脂の表面を、図５（Ｅ）に示すように、凸球面
状にしてオンチップレンズ５、５、・・・とする。この
各レンズ５、５、・・・の高さ（保護膜表面からの高
さ）は例えば２〜３μｍである。その後、そのレンズ
５、５、・・・及び保護膜６をエッチングバックするこ
とにより図４に示すオンチップレンズ付カラー固体撮像
素子が出来上がる。そして、従来においては、各オンチ
ップレンズ５、５、・・・はどの色の画素であろうがす
べて同じ高さにされていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のオン
チップレンズ付カラー固体撮像素子には、先ず第１に、
オンチップレンズ５、５、・・・が色フィルタ４上に形
成され、オンチップレンズの基板１の表面からの高さが
高くなり、受光素子に有効に集光できず、感度を充分に
上げることが難しいという問題があった。即ち、基板１
表面の層間絶縁膜を介して例えば２層あるいは３層等多
層構造に形成された転送電極上に遮光膜を形成し、更
に、該遮光膜上に平坦化膜３を形成し、その上に色フィ
ルタ４、４、・・・を形成し、該色フィルタ４、４、・
・・上に保護膜６を形成し、該保護膜６上にオンチップ
レンズ５、５、・・・を形成するので、エッチングバッ
クにより若干低くなるとはいえ、オンチップレンズ５、
５、・・・の高さは相当に高く、そのために、感度を高
くすることが難しく、集光ずれが発生し易かったのであ
る。

【０００８】また、色フィルタ４、４、・・・とオンチ
ップレンズ５、５、・・・を別々に形成することは、工
程数の増大を招き、製造コストの増大に繋がるという問
題もあった。そこで、色フィルタそのものでレンズを形
成することが試みられた。即ち、各色フィルタの表面を
凸球面状にしてオンチップレンズとしての機能を発揮さ
せるのである。

【０００９】しかし、従来においては、色の異なる画素
間で感度の齟齬が生じるという問題があった。というの
は、画素は色フィルタの光透過率等の違いにより色毎に
感度が異なり、原色フィルタを例に採ると、緑が最も高
感度で、次に赤の感度が高く、青が最も低感度である。
従って、同じ構造であってもその色フィルタによる感度
差ができた。

【００１０】斯かる感度差は撮像画像の色再現性を低減
する要因となり、好ましくない。そこで、本発明者はそ
の問題を克服すべく模索し、オンチップレンズの高さに
より集光効率を異ならせることにより色フィルタの感度
差を補償するという着想を得た。即ち、オンチップレン
ズの高さにより集光効率が異なる。図６（Ａ）乃至
（Ｃ）はレンズの大きさ、高さにより集光特性が異なる
ことを示すものである。そして、レンズの大きさは各画
素の大きさが一定なので大きさを異ならせることができ
ない。そこで、レンズの高さを色毎に異ならせることに
より集光効率を異ならせて、色フィルタによる感度差の
違いをなくすという着想が生まれた。本発明は斯かる着
想に基づいて為されたものである。

【００１１】即ち、本発明は色フィルタの色の違いに起
因する各色間の感度差をなくしてより良好な色再現性を
得るようにすることを可能にすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明オンチップレンズ
付カラー固体撮像素子は、オンチップレンズが色フィル
タにより形成され、該色フィルタの各色毎の画素の感度
に応じてその画素のオンチップレンズの高さを異ならせ
てなることを特徴とする。従って、本発明オンチップレ
ンズ付カラー固体撮像素子によれば、色フィルタとオン
チップレンズを別個に形成するわけではないので、色フ
ィルタの厚さ分オンチップレンズの高さを低くすること
ができ、延いては、全体的に感度を高くすることができ
るのみならず、製造工数を少なくでき、延いては、製造
コストの低減を図ることができるうえに、色フィルタに
よる各色毎の感度の違いに応じて感度の低い画素につい
てはオンチップレンズを感度が高くなる高さにし、その
逆のときは感度が低くなる高さにすることにより画素の
色間の色フィルタによる感度差を是正することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示実施の形態に
従って詳細に説明する。図１は本発明オンチップレンズ
付カラー固体撮像素子の一つの実施の形態を示す断面図
である。図面において、１は半導体基板、２、２、・・
・は該基板１の表面部に形成された受光素子、３は該基
板１表面に形成された平坦化膜である。尚、基板１上に
はゲート絶縁膜、転送電極、層間絶縁膜、遮光膜等があ
り、その上に平坦化膜３があるが、これら、即ちゲート
絶縁膜、転送電極等の図示、説明を省略する。

【００１４】７、７、・・・は平坦化膜３上に形成され
た色フィルタで、７r 、７ｒ、・・・は赤の、７ｇ、７
ｇ、・・・は緑の、７ｂ、７ｂ、・・・は青の色フィル
タである。該色フィルタ７ｒ、７ｇ、７ｂ、７ｒ、７
ｇ、７ｂ、・・・はオンチップレンズとしても機能する
ように表面が凸球面状に形成されている。そして、オン
チップレンズ７ｒ、７ｇ、７ｂ７ｒ、７ｇ、７ｂ・・・
は色毎に高さが異ならしめられている。即ち、緑の色フ
ィルタ７ｇ、７ｇ、・・・は最も高く形成されている。
これは、緑の色フィルタ７ｇ、７ｇ・・・が他の二つの
原色の色フィルタ７ｒ、７ｒ、・・・、７ｂ、７ｂ、・
・・に比較して画素の感度が高くなることから、相対的
に感度を低めるためにはレンズ高さを高くして集光効率
を悪くする必要があるからである。

【００１５】赤の色フィルタ７ｒ、７ｒ、・・・はそれ
に次ぐ高さに形成されている。これは赤の色フィルタ７
ｒが緑の色フィルタ７ｇに次いで画素の感度が高くなる
からである。そして、最も感度が悪くなる色フィルタ７
ｂ、７ｂ、・・・のレンズ高さを最も低くして集光効率
を低くすることによって感度が高くなるようにしてな
る。このようなオンチップレンズ付カラー固体撮像素子
によれば、色フィルタ７ｒ、７ｇ、７ｂ、７ｒ、７ｇ、
７ｂ・・・がそのままオンチップレンズを成すので、製
造工数が従来よりも少なくて済み、延いては、製造コス
トの低減を図ることができる。

【００１６】そして、オンチップレンズ７ｒ、７ｇ、７
ｂ、７ｒ、７ｇ、７ｂ・・・の基板１表面からの高さ
を、色フィルタの色の違いによる感度差に応じて画素の
最終的感度が一定になるように、異ならせたので、画素
の感度差をなくすことができ、延いては、撮像画像の色
再現性を高めることができる。

【００１７】図２（Ａ）乃至（Ｅ）及び図３（Ｆ）乃至
（Ｋ）は図１に示したオンチップレンズ付カラー固体撮
像素子の製造方法を工程順（Ａ）〜（Ｋ）に示す断面図
である。 （Ａ）半導体基板１表面部に図２（Ａ）に示すように受
光素子２、２、・・・を始め、図面に現れない垂直レジ
スタ、水平レジスタ等必要なものを形成し、更に、基板
１表面上に便宜上図示を省略した転送電極、層間絶縁
膜、遮光膜（Ａｌ）などを形成する。 （Ｂ）次に、図２（Ｂ）に示すように、平坦化膜３を形
成する。該平坦化膜３表面の半導体基板１表面からの高
さは例えば１．５〜３μｍである。

【００１８】（Ｃ）次に、図２（Ｃ）に示すように、あ
る厚さ、例えば５μｍ程度の緑フィルタ形成用のレジス
ト膜７ｇを形成する。該レジスト膜７ｇは透明レジスト
に緑の染料あるいは顔料を添加してなるものである。 （Ｄ）次に、上記緑フィルタ形成用レジスト膜７ｇを露
光、現像によって選択的にエッチングすることにより、
図２（Ｄ）に示すように、緑のフィルタを形成すべき部
分のみに残存させるようにする。

【００１９】（Ｅ）次に、加熱処理により、上記緑フィ
ルタ形成用レジスト膜７ｇを図２（Ｅ）に示すように、
リフローしてレンズ状にすることによりオンチップレン
ズとしても機能するようにする。即ち、色フィルタ７ｇ
は緑の色フィルタでもありまたオンチップレンズでもあ
る。 （Ｆ）次に、図３（Ｆ）に示すように、工程（Ｃ）で形
成した上記緑フィルタ形成用の色フィルタ７ｇよりも適
宜薄くされた赤フィルタ形成用のレジスト膜７ｒを形成
する。該レジスト膜７ｒは透明レジストに赤の染料ある
いは顔料を添加してなるものである。尚、上述のように
赤色フィルタ形成用レジスト膜７ｒを緑色フィルタ形成
用レジスト膜７ｇよりも薄く形成するのは、レジストの
光透過率等の関係で赤の画素の感度が緑の画素の感度よ
りも低くなるために、レンズ高さを低くして感度不足を
補償するためである。

【００２０】（Ｇ）次に、上記赤フィルタ形成用のレジ
スト膜７ｒを露光、現像によって選択的エッチングする
ことにより、図３（Ｇ）に示すように、赤のフィルタを
形成すべき部分のに残存させるようにする。 （Ｈ）次に、加熱処理により、上記赤フィルタ形成用レ
ジスト膜７ｒを図３（Ｈ）に示すように、リフローして
レンズ状にすることによりオンチップレンズとしても機
能するようにする。即ち、色フィルタ７ｒは赤の色フィ
ルタでもありまたオンチップレンズでもある。

【００２１】（Ｉ）次に、図３（Ｉ）に示すように、工
程（Ｆ）で形成した上記赤フィルタ形成用の色フィルタ
７ｒよりも適宜薄くされた青フィルタ形成用のレジスト
膜７ｂを形成する。該レジスト膜７ｂは透明レジストに
青の染料あるいは顔料を添加してなるものである。尚、
上述のように青色フィルタ形成用レジスト膜７ｂを赤色
フィルタ形成用レジスト膜７ｒよりも薄く形成するの
は、染料あるいは顔料を添加したレジストの光透過率等
の関係で青の画素の感度が赤の画素の感度よりも低くな
ることから、レンズ高さを低くして感度不足を補償する
ためである。

【００２２】（Ｊ）次に、上記青フィルタ形成用のレジ
スト膜７b を露光、現像によって選択的エッチングする
ことにより、図３（Ｊ）に示すように、赤のフィルタを
形成すべき部分のに残存させるようにする。 （Ｋ）次に、次に、加熱処理により、上記赤フィルタ形
成用レジスト膜７ｒを図３（Ｋ）に示すように、リフロ
ーしてレンズ状にすることによりオンチップレンズとし
ても機能するようにする。即ち、色フィルタ７ｂは緑の
色フィルタでもあり、またオンチップレンズでもある。

【００２３】このような方法によれば、色フィルタ形成
用のレジスト膜７ｇ、７ｒ、７b の厚さを変えることに
より、オンチップレンズの高さを変えて各色間の感度差
の補償をした図１に示すオンチップレンズ付カラー固体
撮像素子を得ることができる。尚、本固体撮像素子は、
色毎に膜厚の異なる色フィルタ４、例えば原色フィルタ
の場合、緑、赤、青の三色分というように必要分を上述
した例の如く厚さを変えて形成し、その後、その表面に
例えば透明レジストからなるレンズ材を塗布形成し、そ
の後、該レンズ材を選択的にエッチングして各レンズ素
子を形成すべき領域を他から分離し、その後、加熱によ
りリフローしてその表面を凸球面状にすることにより集
光機能を持つようにし、その後、該各オンチップレンズ
及び上記フィルタをエッチバックすることによりフィル
タ兼用の高さの異なるオンチップレンズを形成するよう
な方法で製造しても良い。また、上記実施の形態は本発
明を原色フィルタタイプのオンチップレンズ付カラー固
体撮像素子に適用したものであったが、本発明は原色フ
ィルタのみならず補色フィルタのオンチップレンズ付カ
ラー固体撮像素子にも適用できることはいうまでもな
い。

【００２４】

【発明の効果】本発明オンチップレンズ付カラー固体撮
像素子によれば、色フィルタとオンチップレンズを別個
に形成するわけではないので、色フィルタの厚さ分オン
チップレンズの高さを低くすることができ、延いては、
全体的に感度を高くすることができるのみならず、製造
工数を少なくでき、延いては、製造コストの低減を図る
ことができるうえに、色フィルタによる各色毎の感度の
違いに応じて感度の低い画素についてはオンチップレン
ズを感度が高くなる高さにし、その逆のときは感度が低
くなる高さにすることにより画素の色間の色フィルタに
よる感度差を是正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図２】（Ａ）乃至（Ｅ）は第１の実施の形態のオンチ
ップレンズ付カラー固体撮像素子の製造方法の工程
（Ａ）乃至（Ｅ）を順に示す断面図である。

【図３】（Ｆ）乃至（Ｋ）は第１の実施の形態のオンチ
ップレンズ付カラー固体撮像素子の製造方法の工程
（Ｆ）乃至（Ｋ）を工程順に示す断面図である。

【図４】従来例を示す断面図である。

【図５】（Ａ）乃至（Ｅ）は図４に示した従来例の製造
方法を工程順に示す断面図である。

【図６】（Ａ）乃至（Ｃ）はオンチップレンズの大き
さ、高さによる集光特性の違いを説明する断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 受光素子 ３ 平坦化膜 ７ｒ、７ｇ、７ｂ 色フィルタからなるオンチップレン
ズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各画素に対応してその受光素子に集光す
   るオンチップレンズを備えたオンチップレンズ付カラー
   固体撮像素子において、 上記オンチップレンズが色フィルタにより形成され、 上記色フィルタの各色毎の画素の感度に応じてその画素
   のオンチップレンズの高さを異ならせてなることを特徴
   とするオンチップレンズ付カラー固体撮像素子