JP7673370B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

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。

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）。

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に対応する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、解決した。

本発明は、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応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固体撮像装置である。
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、平面視において主レンズと重ならず、かつ主レンズと接しないように配置され、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。

本発明によれば、ペタルフレアを抑制しつつ、高精細化に対応可能な固体撮像素子を提供できる。

本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。 従来のマイクロレンズ部の平面視写真である。 ギャップ領域を示す図である。 本実施形態に係るマイクロレンズ部の部分平面図である。 本実施形態に係るマイクロレンズ部の製造過程の電子顕微鏡像である。 完成したマイクロレンズ部の一例の電子顕微鏡像である。 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。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。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、公知のものを採用できる。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、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。
本実施形態では、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。

上記のメカニズムからは、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が配置された本実施形態のマイクロレンズ部２０を形成できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、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まれる。

例えば、図７に示す変形例の様に、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。

また、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。

本発明の固体撮像素子は、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。

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
２２ 補助レンズ
１００ 固体撮像素子
１０１ ウェハ基板
ＰＤ 光電変換素子

Claims (4)

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、平面視において前記主レンズと重ならず、かつ前記主レンズと接しないように配置され、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. 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、平面視において前記主レンズと重ならず、かつ隣接する複数の前記色フィルタ領域にまたがるように配置され、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。
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。

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