WO2022004660A1 - 固体撮像素子 - Google Patents

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    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state image sensor, more particularly an on-chip type solid-state image sensor to which a color filter and a microlens array are attached.
  • This application applies to Japanese Patent Application No. 2020-11260 filed in Japan on June 30, 2020, Japanese Patent Application No. 2020-134980 filed in Japan on August 7, 2020, and Japan on August 7, 2020. Claim priority based on Japanese Patent Application No. 2020-134981 filed in Japan, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • a microlens may be arranged in order to efficiently guide light to the photoelectric conversion element (see, for example, Patent Document 1).
  • petal flare a new problem in the past, in the process of advancing the study for realizing such a high-definition solid-state image sensor, and raised this problem. Settled.
  • An object of the present invention is to provide a solid-state image sensor capable of achieving high definition while suppressing petal flare.
  • the solid-state image pickup device includes a wafer substrate having a plurality of photoelectric conversion elements, and a filter unit having a plurality of types of color filters formed on the wafer substrate and arranged corresponding to the photoelectric conversion elements.
  • a microlens unit having a plurality of microlenses arranged corresponding to a color filter.
  • the microlens unit has a main lens arranged in a color filter region in which one of the color filters is arranged in plan view, and an auxiliary lens arranged in a corner portion of the color filter region and having different lens parameters from the main lens. ..
  • the solid-state image pickup device includes a wafer substrate having a plurality of photoelectric conversion elements, and a filter unit having a plurality of types of color filters formed on the wafer substrate and arranged corresponding to the photoelectric conversion elements.
  • a microlens unit having a plurality of microlenses arranged corresponding to a color filter.
  • the diagonal gap which is the shortest distance between two microlenses diagonally adjacent to each other in the color filter region in which the color filter is arranged, is 15% or more of the longest side in the plan view shape of the color filter region. It is 25% or less.
  • the solid-state image pickup device includes a wafer substrate having a plurality of photoelectric conversion elements, and a filter unit having a plurality of types of color filters formed on the wafer substrate and arranged corresponding to the photoelectric conversion elements.
  • a microlens unit having a plurality of microlenses arranged corresponding to a color filter.
  • the filling factor of the microlens with respect to the color filter region is 90% or more and 95% or less.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a solid-state image sensor according to the first embodiment.
  • the solid-state image sensor 100 includes a wafer substrate 101 having a plurality of photoelectric conversion elements PD, and an on-chip color filter 1 formed on the wafer substrate 101.
  • the on-chip color filter 1 has a filter unit 10 including a plurality of types of color filters, and a microlens unit 20 arranged on the filter unit 10.
  • the filter unit 10 includes three types of color filters 11, 12, and 13.
  • the color type, number, and distribution of the filter unit 10 can be appropriately determined, and a known color type, number, and distribution can be adopted for the filter unit 10. For example, a Bayer arrangement using three colors of red, green, and blue can be exemplified.
  • each color filter overlaps with one of the photoelectric conversion elements PD.
  • the microlens unit 20 has a plurality of microlenses.
  • the microlens has a main lens 21 (microlens) that guides light to each photoelectric conversion element PD, and an auxiliary lens arranged around the main lens 21. Since the auxiliary lens does not exist in the cross section of FIG. 1, it is not shown in FIG. 1, and the details will be described later.
  • the main lens 21 has substantially the same arrangement as the color filter of the filter unit 10, and each color filter overlaps with one of the main lenses 21 in the plan view of the solid-state image sensor 100. That is, each main lens 21 is arranged in the color filter region, which is the region in which one of the color filters is arranged in the plan view of the on-chip color filter 1. In the solid-state image sensor 100, the light incident on the main lens 21 is guided to the photoelectric conversion element PD through the corresponding color filter, thereby exhibiting the image pickup function.
  • each microlens of the microlens unit uses known techniques such as thermal reflow and etch back, and the optical surface of the microlens is substantially free of gap in each color filter region in plan view. It was common knowledge that they were formed to be arranged.
  • Petal flare is a flare that occurs in the shape of petals at intervals around the optical axis of the microlens, and is thought to be caused by the interference of reflected light in a direction other than the normal direction that occurs on the optical surface of the microlens.
  • petal flare itself is thought to have occurred in conventional microlens arrays, but in the past, the amount of light received by the photoelectric conversion element was large, and the distance (pitch) from the adjacent color filter region was large. It is probable that the occurrence of petal flare did not manifest itself as a problem.
  • the inventor has studied various methods for reducing petal flare. As a result, it was found that it is effective to provide an auxiliary lens separately from the main lens in the microlens portion.
  • the microlens When the plan view shape of the color filter area where one of the color filters is arranged is square, the microlens has a gap in the color filter area as shown in FIG. 2 by making the diameter of the microlens substantially the same as the diagonal line of the square. Will be placed without.
  • a gap region 23 without a microlens is generated in a corner portion of the color filter region.
  • Each gap region is configured to include corners of a plurality of adjacent color filter regions.
  • an auxiliary lens 22 having a diameter smaller than that of the main lens is provided in the gap region 23, thereby succeeding in reducing petal flare.
  • the mechanism by which the petal flare is reduced by providing the auxiliary lens 22 has not been completely confirmed, it is considered that the following actions are the main factors.
  • a part of the light incident on the microlens unit 20 is incident on the auxiliary lens 22.
  • reflected light is generated in a direction other than the normal direction as in the main lens 21, but this reflected light has different dimensions between the main lens and the auxiliary lens.
  • the phase is different from the reflected light generated by the main lens. Therefore, it is considered that when the reflected light of the main lens and the reflected light of the auxiliary lens interfere with each other, the petal flare is canceled out and the petal flare can be reduced.
  • the effect of reducing petal flare can be expected.
  • the auxiliary lens 22 is formed in the gap region 23 where the main lens 21 is not arranged, if the diameter of the auxiliary lens 22 becomes too large, the diameter of the main lens becomes small and the amount of light guided to the photoelectric conversion element PD decreases. There is a demerit of doing so.
  • the diameter of the auxiliary lens 22 is preferably smaller than the diameter of the main lens 21, and more preferably about 1% or more and 30% or less.
  • the lens parameter different from that of the main lens is not limited to the diameter.
  • petal flare can be efficiently reduced in the solid-state image pickup device 100 to be manufactured by setting parameters other than the diameter as illustrated below alone or in combination with the diameter as appropriate. ⁇ Height ⁇ Area ratio occupied by the auxiliary lens in the gap area ⁇ Planar shape (oval, oval, etc.)
  • the auxiliary lens 22 can be formed at the same time by the process of forming the main lens. Specifically, by appropriately setting the mask design and performing photolithography, as shown in FIG. 5, a second prototype 220 as an auxiliary lens is formed between the first prototype 210 as the main lens. After that, by etching back the first prototype 210 and the second prototype 220, as shown in FIG. 6, the microlens portion 20 according to the first embodiment in which the auxiliary lens 22 is arranged around the main lens 21 is formed. can.
  • a plurality of auxiliary lenses 22 may be arranged in one gap region 23.
  • the plurality of auxiliary lenses 22 arranged may have the same shape or may be different.
  • the number and arrangement of the auxiliary lenses 22 are not particularly limited and can be set as appropriate.
  • the auxiliary lens 22 does not have to straddle the adjacent color filters.
  • the gap region 23 may be configured on a single color filter, and the primary lens 21 and the auxiliary lens 22 may be formed on the same color filter. That is, one main lens 21 and one or more auxiliary lenses 22 may be formed on a single color filter.
  • the solid-state image sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
  • the solid-state image sensor according to the second embodiment is different from the first embodiment in that an auxiliary lens is not used.
  • the same members as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the inventor has studied various methods for reducing petal flare. As a result, it has been found that it is effective to provide a certain amount of a gap region without a microlens in the plan view of the microlens portion.
  • the microlenses are arranged without gaps as shown in FIG. 2 by making the diameter of the microlenses substantially the same as the diagonal line of the square.
  • the diameter of the microlens is reduced from this state, as shown in FIG. 3, a gap region without the microlens is generated in the corner portion of the square.
  • FIG. 8 is a simulation result of examining the relationship between the diagonal gap in the gap region and the amount of reflected light in a direction other than the normal direction.
  • the color filter area was a square with a side of 1.1 ⁇ m.
  • the "diagonal gap” is a color filter area of a microlens arranged in an arbitrary color filter area and a microlens arranged in another color filter around the color filter area and in contact with only the corners. It means the shortest distance on the line passing through the corner portion where is in contact with, and is shown by the symbol DG in FIG. That is, the diagonal gap is the shortest distance between any microlens in plan view and other microlenses adjacent in the diagonal direction thereof.
  • the diagonal gap is the distance including the partition wall. As shown in FIG. 8, it can be seen that as the diagonal gap increases, the reflected light in directions other than the normal direction decreases. If the microlens is too small for the color filter region, the amount of light that can be guided to the photoelectric conversion element is reduced, resulting in a decrease in sensitivity. It was found that when the length is 15% or more and 25% or less, the reflected light in a direction other than the normal direction can be reduced with almost no influence on the performance such as sensitivity.
  • FIG. 9 is a simulation result of examining the relationship between the thickness of the microlens and the amount of reflected light in a direction other than the normal direction.
  • the conditions such as the dimensions of the color filter area were the same as in the simulation according to FIG.
  • FIG. 9 it can be seen that as the thickness of the microlens increases, the reflected light in a direction other than the normal direction decreases.
  • the thickness of the microlens is 50% or more and 65% or less of the length of one side of the corresponding color filter region, the reflected light in a direction other than the normal direction is emitted with almost no effect on performance such as sensitivity. It turned out that it can be reduced. Furthermore, if the thickness of the microlens is in the range of 50% or more and 54% or less of the length of one side of the color filter region, the light collection efficiency of the microlens can be improved and the reflected light in directions other than the normal direction can be reduced at a high level. It can be said that it is more preferable because it is compatible. In FIGS.
  • the solid-state image sensor according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 10.
  • the solid-state image sensor according to the third embodiment is different from the first embodiment in that an auxiliary lens is not used.
  • the same members as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
  • the inventor has studied various methods for reducing petal flare. As a result, it was found that it is effective to reduce the area where the microlens is arranged in the plan view of the microlens portion.
  • the microlenses are arranged without gaps in the color filter area as shown in FIG. 2 by making the diameter of the microlenses substantially the same as the diagonal line of the square.
  • a gap region 23 non-filled region
  • main lens 21 microlens
  • FIG. 10 is a simulation result of examining the relationship between the filling rate, which is the ratio occupied by the microlens in the color filter region, and the amount of reflected light in a direction other than the normal direction.
  • the color filter area was a square with a side of 1.1 ⁇ m.
  • the filling rate is, for example, determined by the following equations (1) and (2), but is not limited to this, and may be determined by image processing (pixel count, etc.) of a plan view image in the color filter region.
  • FIG. 9 is a diagram described in the second embodiment described above, and is a simulation result of examining the relationship between the thickness of the microlens and the amount of reflected light in a direction other than the normal direction.
  • the conditions such as the dimensions of the color filter area were the same as in the simulation according to FIG.
  • FIG. 9 it can be seen that as the thickness of the microlens increases, the reflected light in a direction other than the normal direction decreases.
  • the solid-state image sensor according to the first embodiment, the modified example of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment has been described above, the solid-state image sensor of the present invention does not deviate from the gist of the present invention. Includes range configuration changes and combinations.
  • each color filter area is not limited to the square described above, but may be a rectangle or another polygon.
  • the shape of the color filter area when there are a plurality of types of side lengths such as a rectangle, the thickness, diagonal gap, etc. may be set based on the length of the longest side.
  • the color filter may not be arranged in a part of the plan view.
  • the present invention when the present invention is applied to a solid-state image sensor or the like in which a part of a photoelectric conversion element is used for focus adjustment or the like, there is also an embodiment in which a color filter is not arranged in a region corresponding to the photoelectric conversion element used for focus adjustment in the filter unit. sell.
  • the solid-state image sensor according to the present invention may have a gap region in which an auxiliary lens is not arranged.
  • a partition wall may be formed between each color filter to prevent stray light.
  • the partition wall may be a light-absorbing partition wall or a light-reflecting partition wall.
  • Example 1 A wafer substrate having a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional matrix and metal wiring and the like was prepared. Three color filters of G (green), R (red), and B (blue) are formed on this wafer substrate in a bayer arrangement while corresponding to the regions of each photoelectric conversion element, and the filters are formed on the wafer substrate. A part was provided. A transparent layer made of a non-photosensitive resin is formed on the filter portion by a coater, a hard mask made of a photosensitive resin is coated on the transparent layer and exposure-developed, and a circular lens pattern in a plan view is formed in each color filter region. Formed. This lens pattern was subjected to a heat flow process at 160 ° C.
  • Example 1 the solid-state image sensor according to Example 1 was obtained.
  • Color filter area Square with a side of 1.1 ⁇ m
  • Microlens thickness 0.58 ⁇ m (52.7% of the above side)
  • Microlens diagonal gap 0.1 ⁇ m (9.09% of the above side)
  • Microlens filling rate 99.5%
  • Example 2 A solid-state image sensor with a color filter according to a comparative example was obtained by the same procedure as in Example 1 except that the thickness of the microlens was set to 0.52 ⁇ m (47.3% of the above side) by changing the etching process.
  • Example 2 It was carried out except that the diagonal gap of the microlens was 0.27 ⁇ m (24.5% of the above side) due to the change of the lens pattern and the etching process, and the filling rate of the microlens was 94.0%.
  • a solid-state image sensor with a color filter according to Example 2 was obtained in the same procedure as in Example 1.
  • Table 1 shows the maximum intensity of petal flare in each color of Example 1 and Comparative Example.
  • Table 1 shows relative values with the maximum intensity of the comparative example as 100.
  • Example 1 As shown in Table 1, in Example 1, the maximum intensity of petal flare was reduced by 20% or more in any of the color filters.
  • FIG. 11 is a plan view photograph of the microlens portion according to the second embodiment, which was obtained by a scanning electron microscope (SEM). Compared with FIG. 2, it can be seen that a relatively large diagonal gap (unfilled region) is secured at the corner of each color filter region.
  • FIG. 12 shows a photograph of the petal flare of the comparative example
  • FIG. 13 shows a photograph of the petal flare of the second embodiment. In Example 2, it can be seen that the brightness of the petal flare is suppressed as compared with the comparative example.

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Abstract

本発明の固体撮像素子は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える。前記マイクロレンズ部は、平面視において前記色フィルタの一つが配置された色フィルタ領域内に配置された主レンズと、前記色フィルタ領域の隅部に配置され、前記主レンズとレンズパラメータが異なる補助レンズと、を有する。

Description

固体撮像素子
　本発明は、固体撮像素子、より詳しくは、カラーフィルタおよびマイクロレンズアレイが取り付けられたオンチップタイプの固体撮像素子に関する。
　本願は、２０２０年６月３０日に日本に出願された特願２０２０－１１２６９０号、２０２０年８月７日に日本に出願された特願２０２０－１３４９８０号、及び２０２０年８月７日に日本に出願された特願２０２０－１３４９８１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　光電変換素子に入射する光の経路に、特定の波長の光を選択的に透過する複数色の着色透明パターンを平面配置したカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式の固体撮像素子が普及している。
　カラー固体撮像素子の薄型軽量化と高精細化に伴い、光電変換素子の配列基板上に直接カラーフィルタを形成するオンチップタイプの固体撮像素子が増えている。
　オンチップタイプの固体撮像素子には、光電変換素子に効率よく光を導くために、マイクロレンズが配置されることがある（例えば、特許文献１参照）。
日本国特開２０１３－８７７７号公報
　デジタル・イメージ機器の高画質化や小型化が進んでおり、オンチップタイプの固体撮像素子においてもさらに高精細化が要請されている。
　発明者は、このような固体撮像素子の高精細化を実現するための検討を進める過程で、従来問題視されていなかったペタルフレア（ｐｅｔａｌ　ｆｌａｒｅ）という新たな問題点を認識し、この問題点を解決した。
　本発明は、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化を実現可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る固体撮像素子は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える。
　マイクロレンズ部は、平面視において色フィルタの一つが配置された色フィルタ領域内に配置された主レンズと、色フィルタ領域の隅部に配置され、主レンズとレンズパラメータが異なる補助レンズとを有する。
　本発明の一態様に係る固体撮像素子は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える。
　複数のマイクロレンズにおいて、色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップは、色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の１５％以上２５％以下である。
　本発明の一態様に係る固体撮像素子は、複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、ウェハ基板上に形成され、光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部とを備える。
　色フィルタが配置された色フィルタ領域の平面視において、色フィルタ領域に対するマイクロレンズの充填率は９０％以上９５％以下である。
　本発明によれば、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化を実現可能な固体撮像素子を提供できる。
本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す模式断面図である。 従来のマイクロレンズ部を示す平面視における写真である。 ギャップ領域を示す図である。 第１実施形態に係るマイクロレンズ部を示す部分平面図である。 第１実施形態に係るマイクロレンズ部の製造過程における電子顕微鏡像である。 第１実施形態において完成したマイクロレンズ部の一例を示す電子顕微鏡像である。 第１実施形態の変形例に係るマイクロレンズ部を模式的に示す部分拡大図である。 第２実施形態に係る固体撮像素子のマイクロレンズ部における対角ギャップと、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の方向における反射光との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 第２実施形態に係る固体撮像素子のマイクロレンズの厚みと、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の方向における反射光との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 第３実施形態に係る固体撮像素子色フィルタ領域におけるマイクロレンズの充填率と、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の方向における反射光との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例に係るマイクロレンズを示す平面視における写真である。 比較例に係る固体撮像装置に生じたペタルフレアを示す写真である。 実施例に係る固体撮像装置に生じたペタルフレアを示す写真である。
　本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
　以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
（第１実施形態）
　図１～図４を参照し、第１実施形態に係る固体撮像素子を説明する。
　図１は、第１実施形態に係る固体撮像素子を示す模式断面図である。固体撮像素子１００は、複数の光電変換素子ＰＤを有するウェハ基板１０１と、ウェハ基板１０１上に形成されたオンチップカラーフィルタ１とを備えている。
　オンチップカラーフィルタ１は、複数種類の色フィルタを含むフィルタ部１０と、フィルタ部１０上に配置されたマイクロレンズ部２０とを有する。
　フィルタ部１０は、色フィルタ１１、１２、１３の３種類の色フィルタを含む。フィルタ部１０の色の種類や数、および配分は、適宜決定でき、公知の色の種類や数、および配分をフィルタ部１０に採用できる。例えば、赤、緑、青の三色を用いたベイヤ配列などを例示できる。固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、光電変換素子ＰＤの１つと重なっている。
　マイクロレンズ部２０は、複数のマイクロレンズを有する。マイクロレンズは、各光電変換素子ＰＤに光を導く主レンズ２１（マイクロレンズ）と、主レンズ２１の周囲に配置された補助レンズとを有する。補助レンズは、図１の断面には存在しないため、図１には図示されておらず、詳細については後述する。
　主レンズ２１は、フィルタ部１０の色フィルタと概ね同様の配置態様を有しており、固体撮像素子１００の平面視において、各色フィルタは、主レンズ２１の１つと重なっている。すなわち、各主レンズ２１は、オンチップカラーフィルタ１の平面視において、色フィルタの一つが配置された領域である色フィルタ領域内に配置されている。
　固体撮像素子１００においては、主レンズ２１に入射した光が対応する色フィルタを経て光電変換素子ＰＤに導かれることにより、撮像機能を発揮する。
　固体撮像素子の感度を向上させるためには、マイクロレンズによりできるだけ多くの光を光電変換素子に導くことが必要である。このため、マイクロレンズ部の各マイクロレンズは、熱リフローおよびエッチバック等の公知の技術を用いて、図２に示すように、平面視においてマイクロレンズの光学面が各色フィルタ領域内にほぼ隙間なく配置されるよう形成されるのが常識であった。
　ところが、平面視におけるマイクロレンズの直径あるいはマイクロレンズが配置された色フィルタの一辺の寸法が１．２μｍ以下に高精細化された固体撮像素子において、十分な色純度が得られない現象が散見されるようになった。
　発明者がこの現象について検討したところ、マイクロレンズによるペタルフレアがその大きな要因であることをつきとめた。
　ペタルフレアは、マイクロレンズの光軸まわりに間隔を空けて花びら状に生じるフレアであり、マイクロレンズの光学面で生じる法線方向以外の方向における反射光の干渉により生じると考えられている。ペタルフレア自体は、原理上これまでのマイクロレンズアレイでも発生していたと考えられるが、従来は、光電変換素子が受光する光量が多かったことや、隣接する色フィルタ領域との距離（ピッチ）が大きかったこと等により、ペタルフレアの発生は問題として顕在化していなかったと考えられる。
　発明者は、ペタルフレアを減少させる方法について種々検討した。その結果、マイクロレンズ部に、主レンズと別に補助レンズを設けることが有効であることを見出した。
　色フィルタの一つが配置された色フィルタ領域の平面視形状が正方形である場合、マイクロレンズの直径を正方形の対角線と概ね同一とすることでマイクロレンズが図２のように色フィルタ領域内に隙間なく配置される。この状態からマイクロレンズの直径を減少させると、図３に示すように、色フィルタ領域の隅部分にマイクロレンズのないギャップ領域２３が生じる。各ギャップ領域は、隣接する複数の色フィルタ領域の隅部を含んで構成されている。
　第１実施形態では、ギャップ領域２３内に、図４に示すように、主レンズよりも小さい径の補助レンズ２２を設けることにより、ペタルフレアを減少させることに成功した。
　補助レンズ２２を設けることによりペタルフレアが減少する機序については、完全に確認できていないが、以下のような作用を主要とすると考えられる。
　マイクロレンズ部２０に入射する光の一部は補助レンズ２２に入射する。その結果、補助レンズ２２の光学面では、主レンズ２１と同様に法線方向以外の方向における反射光が生じるが、この反射光は、主レンズと補助レンズとの寸法が異なっているために、主レンズで生じる反射光とは位相が異なっている。
　このため、主レンズの反射光と補助レンズの反射光とが干渉すると、ペタルフレアを打ち消す方向に作用し、ペタルフレアを減少させることができると考えられる。
　上記のメカニズムを考慮すると、補助レンズ２２を構成するレンズパラメータの少なくとも一つが主レンズ２１と異なっていれば、ペタルフレアの減少効果を期待できる。換言すると、主レンズ２１と補助レンズ２２の寸法、形状等が異なればペタルフレアの減少効果を得られる。補助レンズ２２は主レンズ２１が配置されないギャップ領域２３内に形成されるため、補助レンズ２２の直径が大きくなりすぎると、主レンズの直径が小さくなって光電変換素子ＰＤに導ける光の量が減少するというデメリットが生じる。この観点からは、補助レンズ２２の直径は、主レンズ２１の直径未満であることが好ましく、１％以上３０％以下程度がより好ましい。
　補助レンズ２２において、主レンズと異ならせるレンズパラメータは、直径には限られない。補助レンズ２２においては、以下に例示するような直径以外のパラメータを単独または直径と適宜組み合わせて設定することで、作製する固体撮像素子１００において効率よくペタルフレアを低減できる。
・高さ
・ギャップ領域内において補助レンズが占める面積比率
・平面視形状（楕円形、長円形など）
　補助レンズ２２の形成方法は、主レンズ２１と同様であるため、主レンズを形成する際のプロセスにより同時に補助レンズを形成できる。具体的には、マスクデザインを適切に設定してフォトリソグラフィを行うことにより、図５に示すように、主レンズとなる第一原型２１０間に補助レンズとなる第二原型２２０を形成する。その後、第一原型２１０および第二原型２２０をエッチバックすることにより、図６に示すように、主レンズ２１の周囲に補助レンズ２２が配置された第１実施形態に係るマイクロレンズ部２０を形成できる。
　以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明の具体的な構成は上述した第１実施形態に限られない。
（第１実施形態の変形例）
　例えば、図７に示す変形例のように、一つのギャップ領域２３内に、複数の補助レンズ２２が配置されてもよい。複数配置される補助レンズ２２は、同一形状であってもよいし、異なっていてもよい。補助レンズ２２の個数や配列にも特に制限はなく、適宜設定できる。
　また、補助レンズ２２は隣接する色フィルタ上にまたがらなくてもよい。換言すると、ギャップ領域２３が単一の色フィルタ上に構成されており、主レンズ２１と補助レンズ２２が同一の色フィルタ上に形成されてもよい。すなわち単一の色フィルタ上に１つの主レンズ２１と１つ以上の補助レンズ２２が形成されてもよい。
（第２実施形態）
　図８及び図９を参照し、第２実施形態に係る固体撮像素子を説明する。
　第２実施形態に係る固体撮像素子は、補助レンズを用いていない点で、第１実施形態とは異なっている。第２実施形態の説明では、第１実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
　発明者は、ペタルフレアを減少させる方法について種々検討した。その結果、マイクロレンズ部の平面視において、マイクロレンズのないギャップ領域を一定量設けることが有効であることを見出した。
　色フィルタの平面視形状が正方形である場合、マイクロレンズの直径を正方形の対角線と概ね同一とすることでマイクロレンズが図２のように隙間なく配置される。この状態からマイクロレンズの直径を減少させると、図３に示すように、正方形の隅部分にマイクロレンズのないギャップ領域が生じる。
　図８は、ギャップ領域の対角ギャップと法線方向以外の方向における反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域は、一辺１．１μｍの正方形とした。
　「対角ギャップ」とは、任意の色フィルタ領域に配置されたマイクロレンズと、当該色フィルタ領域の周囲にあり角部のみが接する他の色フィルタに配置されたマイクロレンズとの、色フィルタ領域が接する角部を通る線上における最短距離を意味し、図３に符号ＤＧで示している。すなわち、対角ギャップとは、平面視における任意のマイクロレンズとその対角方向に隣接した他のマイクロレンズとの最短距離である。なお、各色フィルタが隔壁で隔離され、対角方向の色フィルタの隅部同士が直接接しない構成の場合、対角ギャップは隔壁を含む距離となる。
　図８に示すように、対角ギャップが増加するにつれて、法線方向以外の方向における反射光が減少していることがわかる。色フィルタ領域に対してマイクロレンズが小さくなりすぎると、光電変換素子に導ける光の量が減少することにより感度が低下するが、発明者の検討では、対角ギャップが対応する色フィルタ領域の一辺の長さの１５％以上２５％以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の方向における反射光を低減できることが分かった。
　さらに、発明者の検討では、マイクロレンズの厚みもペタルフレアに影響を与えることも確認された。すなわち、対角ギャップを所定の範囲としたうえでマイクロレンズの厚みを以下の通り調整することで、ペタルフレアをさらに抑制することが可能となる。
　図９は、マイクロレンズの厚みと法線方向以外の方向における反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域の寸法等の諸条件は、図８に係るシミュレーションと同様とした。
　図９に示すように、マイクロレンズの厚みが増加するにつれて、法線方向以外の方向における反射光が減少していることがわかる。発明者の検討では、厚みが対応する色フィルタ領域の一辺の長さの５０％以上６５％以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の方向における反射光を低減できることが分かった。さらにマイクロレンズの厚みが色フィルタ領域の一辺の長さの５０％以上５４％以下の範囲であれば、マイクロレンズの集光効率向上と法線方向以外の方向における反射光の低減を高いレベルで両立できるためより好ましいといえる。
　図８および図９において、「Ｓｕｍ」は全回折光の総和を指し、「Ｍａｘ」は全回折次数で最も強く回折した光を指す。いずれもペタルフレアに影響するが、ペタルフレアを抑制するには、Ｍａｘの値を抑えることがより効果的である。
（第３実施形態）
　図１０を参照し、第３実施形態に係る固体撮像素子を説明する。
　第３実施形態に係る固体撮像素子は、補助レンズを用いていない点で、第１実施形態とは異なっている。第３実施形態の説明では、第１実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。
　発明者は、ペタルフレアを減少させる方法について種々検討した。その結果、マイクロレンズ部の平面視において、マイクロレンズが配置された領域を減少させることが有効であることを見出した。
　色フィルタの平面視形状が正方形である場合、マイクロレンズの直径を正方形の対角線と概ね同一とすることでマイクロレンズが図２のように色フィルタ領域に隙間なく配置される。この状態からマイクロレンズの直径を減少させると、図３に示すように、色フィルタ領域の隅部分に主レンズ２１（マイクロレンズ）のないギャップ領域２３（非充填領域）が生じる。
　図１０は、色フィルタ領域内においてマイクロレンズが占める比率である充填率と、法線方向以外の方向における反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域は、一辺１．１μｍの正方形とした。
　充填率は、例えば以下の式（１）や式（２）により求められるが、これには限られず、色フィルタ領域の平面視画像の画像処理（ピクセル数カウント等）等により求めてもよい。
・マイクロレンズの平面視面積／色フィルタ領域の平面視面積×１００（％）…（１）
・（色フィルタ領域の平面視面積－非充填領域の平面視面積）／色フィルタ領域の平面視面積×１００（％）…（２）
　図１０に示すように、充填率が減少するにつれて、法線方向以外の方向における反射光が減少していることがわかる。色フィルタ領域に対して充填率が小さくなりすぎると、光電変換素子に導ける光の量が減少することにより感度が低下するが、発明者の検討では、充填率が９０％以上９５％以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の方向における反射光を低減できることが分かった。
　さらに、発明者の検討では、マイクロレンズの厚みもペタルフレアに影響を与えることも確認された。すなわち、充填率を所定の範囲としたうえでマイクロレンズの厚みを以下の通り調整することで、ペタルフレアをさらに抑制することが可能となる。
　図９は、上述した第２実施形態において説明した図であり、マイクロレンズの厚みと法線方向以外の方向における反射光の量との関係を検討したシミュレーション結果である。色フィルタ領域の寸法等の諸条件は、図１０に係るシミュレーションと同様とした。
　図９に示すように、マイクロレンズの厚みが増加するにつれて、法線方向以外の方向における反射光が減少していることがわかる。発明者の検討では、厚みが色フィルタ領域の一辺の長さの６５％以下であれば、感度等の性能にほとんど影響を与えずに法線方向以外の方向における反射光を低減できることが分かった。
　図９および図１０において、「Ｓｕｍ」は全回折光の総和を指し、「Ｍａｘ」は全回折次数で最も強く回折した光を指す。いずれもペタルフレアに影響するが、ペタルフレアを抑制するには、Ｍａｘの値を抑えることがより効果的である。
　以上、第１実施形態、第１実施形態の変形例、第２実施形態、及び第３実施形態に係る固体撮像素子について説明したが、本発明の固体撮像素子は、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含む。
　例えば、各色フィルタ領域の形状は、上述した正方形に限られず、長方形や他の多角形であってもよい。色フィルタ領域の形状において、長方形等の様に辺の長さが複数種類ある場合は、最長辺の長さを基準として厚みや対角ギャップ等を設定すればよい。
　例えば、本発明の固体撮像素子においては、平面視における一部に色フィルタが配置されなくてもよい。
　例えば、光電変換素子の一部をピント調整等に用いる固体撮像素子等に本発明を適用する場合、フィルタ部においてピント調整に用いる光電変換素子に対応する領域に色フィルタを配置しないといった態様もありうる。
　同様に、本発明に係る固体撮像素子は、補助レンズが配置されていないギャップ領域を有してもよい。
　各色フィルタ間に、迷光を防ぐための隔壁が形成されてもよい。隔壁は、光吸収性隔壁であってもよいし、光反射性隔壁であってもよい。
　上述した第２実施形態及び第３実施形態に係る固体撮像素子について、実施例および比較例を用いてさらに説明する。本発明の技術的範囲は、実施例および比較例の具体的内容のみによって何ら制限されない。
（実施例１）
　二次元マトリクス状に配列された複数の光電変換素子と、メタル配線等を有するウェハ基板を準備した。このウェハ基板に、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）、およびＢ（青）の３色の色フィルタを、各光電変換素子の領域に対応させつつベイヤ配列にて形成し、ウェハ基板上にフィルタ部を設けた。
　フィルタ部上に、非感光性樹脂からなる透明層をコーターにより形成し、透明層上に感光性樹脂からなるハードマスクをコートおよび露光現像し、各色フィルタ領域内に、平面視円形のレンズパターンを形成した。
　このレンズパターンに１６０℃３００秒の熱フロー工程を施してレンズパターンを半球状にした後、エッチングプロセスにてレンズパターンおよび透明層をエッチングした。
　以上により、実施例１に係る固体撮像素子を得た。実施例１における各部の寸法は以下の通りである。
　色フィルタ領域：一辺１．１μｍの正方形
　マイクロレンズ厚み：０．５８μｍ（上記一辺の５２．７％）
　マイクロレンズ対角ギャップ：０．１μｍ（上記一辺の９．０９％）
　マイクロレンズ充填率：９９．５％
（比較例）
　エッチングプロセスの変更によりマイクロレンズの厚みを０．５２μｍ（上記一辺の４７．３％）とした点を除き、実施例１と同様の手順で比較例に係るカラーフィルタ付き固体撮像素子を得た。
（実施例２）
　レンズパターンおよびエッチングプロセスの変更によりマイクロレンズの対角ギャップを０．２７μｍ（上記一辺の２４．５％）とした点、及び、マイクロレンズの充填率を９４．０％とした点を除き、実施例１と同様の手順で実施例２に係るカラーフィルタ付き固体撮像素子を得た。
　実施例１および比較例の各色におけるペタルフレアの最大強度を表１に示す。表１では、比較例の最大強度を１００とした相対値を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、実施例１では、いずれの色フィルタにおいてもペタルフレアの最大強度が２０％以上低減されていた。
　図１１は、実施例２に係るマイクロレンズ部の平面視写真であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で取得したものである。図２と比べると、各色フィルタ領域の隅部に比較的大きな対角ギャップ（非充填領域）が確保されていることがわかる。
　図１２に比較例のペタルフレアの写真を、図１３に実施例２のペタルフレアの写真をそれぞれ示す。実施例２では、比較例に比してペタルフレアの明度が抑えられていることがわかる。
１　オンチップカラーフィルタ（カラーフィルタ）
１０　フィルタ部
１１、１２、１３　色フィルタ
２０　マイクロレンズ部
２１　主レンズ（マイクロレンズ）
２２　補助レンズ
１００　固体撮像素子
１０１　ウェハ基板
ＤＧ　対角ギャップ
ＰＤ　光電変換素子

Claims (8)

  1. 　複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、
    　前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、
    　前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部と、
    　を備え、
    　前記マイクロレンズ部は、
    　　平面視において前記色フィルタの一つが配置された色フィルタ領域内に配置された主レンズと、
    　　前記色フィルタ領域の隅部に配置され、前記主レンズとレンズパラメータが異なる補助レンズと、を有する、
    　固体撮像素子。
  2. 　前記補助レンズは、隣接する複数の前記色フィルタ領域にまたがって配置されている、
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　平面視における前記補助レンズの直径が前記主レンズの直径よりも小さい、
    　請求項１または２に記載の固体撮像素子。
  4. 　前記補助レンズの直径は、前記主レンズの直径の１％以上３０％以下である、
    　請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 　複数の光電変換素子を有するウェハ基板と、
    　前記ウェハ基板上に形成され、前記光電変換素子に対応して配置された複数種類の色フィルタを有するフィルタ部と、
    　前記色フィルタに対応して配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ部と、
    　を備え、
    　前記複数のマイクロレンズにおいて、前記色フィルタが配置された色フィルタ領域の対角方向に隣接する２つのマイクロレンズの最短距離である対角ギャップが、前記色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の１５％以上２５％以下である、
    　固体撮像素子。
  6. 　前記マイクロレンズの厚みが、対応する前記色フィルタ領域における前記最長辺の５０％以上６５％以下である、
    　請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 　前記色フィルタが配置された色フィルタ領域の平面視において、色フィルタ領域に対する前記マイクロレンズの充填率が９０％以上９５％以下である、
    　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
  8. 　前記マイクロレンズの厚みが、対応する前記色フィルタ領域の平面視形状における最長辺の５０％以上６５％以下である、
    　請求項７に記載の固体撮像素子。
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