JPH08298315A

JPH08298315A - 固体撮像素子とその製造方法

Info

Publication number: JPH08298315A
Application number: JP7101955A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sugimoto; 大杉本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1996-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】感度向上を図るうえで理想的なレンズ構造を
有し、しかもこれを安定して形成することのできる固体
撮像素子とその製造方法を提供する。【構成】光電変換を行う受光部３と、これの受光面３
ａを覆うことなく設けられた遮光膜６とを備えた固体撮
像素子１１である。受光面３ａを覆って平坦化透明層８
が設けられている。平坦化透明層８の上面には、回析格
子からなり、受光面３ａ上に集光するゾーンプレート状
のレンズ部１２が設けられている。レンズ部１２は、例
えばフルネル・ゾーンプレートによって構成されてい
る。また、このような構成の固体撮像素子を得るための
製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）等を用いてなる固体撮像素子とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の固体撮像素子では、転送
レジスタなど光電変換に寄与しない領域が各画素に存在
しているため、画素面全体に占める受光部の受光面の開
口率が通常５０％以下となり、入射光の利用率が十分で
ないといった不満がある。このような不満を解消し、そ
の感度向上を達成するため、例えば画素面全体に占める
受光面の割合を高くするといったことも考えられるが、
受光面の割合を高くすることは構造的に限界があること
から、近年では、受光面の上に凸型のマイクロレンズを
設け、入射した光を受光面に集中させて効率的な集光を
なし、実効的な開口率を高めてその感度向上を図った、
いわゆるオンチップマイクロレンズを有した固体撮像素
子が提供されている。

【０００３】図５はこのような凸型マイクロレンズを用
いた従来の固体撮像素子の一例を示す要部側断面図であ
る。図５において符号１は固体撮像素子、２はシリコン
ウエハ等からなる半導体基板である。半導体基板２に
は、その表層部に光電変換を行う受光部３と、図示しな
い転送レジスタおよびチャンルストップとが形成されて
おり、さらにその表面には前記転送レジスタを駆動させ
る転送電極４が形成されている。また、半導体基板２お
よび前記転送電極４の上には、これらを覆って薄い絶縁
膜５が形成されており、さらに絶縁膜５の上には、転送
電極４と転送レジスタへの光の入射を防ぐため該転送電
極４を覆って遮光膜６が形成されている。ここで、絶縁
膜４上に形成された遮光膜６は、前記受光部３の受光面
３ａを覆うことなく形成されたものとなっている。

【０００４】また、遮光膜６の上にはこれを保護するた
めの保護膜７が形成され、さらにこの保護膜７の上に
は、透明樹脂等からなり、その上面が平坦化されてなる
平坦化透明層８が形成されている。また、これら各構成
要素からなる単位画素の上には、上方に向かって凸とな
る凸レンズ９が、前記受光部３の受光面３ａをその焦点
とするように形成配置されている。そして、このような
構成により固体撮像素子１は、図５中矢印で示すように
光が入射すると、凸レンズの集光効果によって入射光を
受光面３ａに集め、これによりそのその実効開口率を高
めたものとなっている。

【０００５】また、このような構成の固体撮像素子１を
形成するには、まず、図６（ａ）に示すように半導体基
板２に受光部３、転送レジスタ、チャネルストップ等の
各構成要素を形成し、さらにその上に絶縁膜４、転送電
極５、遮光膜６、保護膜７を形成しておく。次に、保護
膜７上に透明樹脂等の透明材料を塗着し、さらにその表
面を平坦化して図６（ｂ）に示すように平坦化透明層８
を形成する。続いて、図６（ｃ）に示すようにこの平坦
化透明層８の上に感光性樹脂層１０を形成する。

【０００６】次いで、形成した感光性樹脂層１０を公知
の露光・現像技術によってパターンニングし、図６
（ｄ）に示すように前記受光面３ａの直上位置に島状の
感光性樹脂パターン１０ａ…を形成する。そして、得ら
れた感光性樹脂パターン１０ａ…を所定時間加熱してリ
フロー処理し、該感光性樹脂パターン１０ａを軟化・溶
融させる。このようにして加熱処理を行うと、感光性樹
脂パターン１０ａ…は、その表面張力によって周縁側で
低く、該周縁から離れた位置、すなわち中央部側で高く
なり、結果として上に凸となるよう半球面状に湾曲し、
これにより図５に示した凸レンズ９が得られ、固体撮像
素子１が形成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
して形成される固体撮像素子１において、その凸レンズ
９の焦点距離は、用いられる感光性樹脂の屈折率や凸レ
ンズ９自体の曲率で決まる。そして、凸レンズ９自体の
曲率は、感光性樹脂の膜厚やリフロー処理条件、すなわ
ちその加熱温度や加熱時間によって決める。しかしなが
ら、このような凸レンズ９の形成方法では、凸レンズ９
を理想的な曲率でしかも安定して形成するのは、前述し
たようにこの曲率を決定する因子が多数あることから極
めて困難であり、したがって十分な感度向上をなし得
る、最適なレンズ形状を安定して得ることができないの
が現状である。

【０００８】また、受光面３ａの形状が長方形の場合に
は、その縦方向と横方向、すなわち固体撮像素子１にお
ける垂直方向（Ｖ方向）と水平方向（Ｈ方向）とで凸レ
ンズ９の焦点距離が異なってしまうことから、やはりこ
の場合にも従来の凸レンズ９を設けた構造では十分な感
度向上を図ることができなかった。本発明は前記事情に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、感度
向上を図るうえで理想的なレンズ構造を有し、しかもこ
れを安定して形成することのできる固体撮像素子とその
製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子で
は、受光部の受光面を覆って平坦化透明層を設け、該平
坦化透明層の上面に、回析格子からなり、前記受光面上
に集光するゾーンプレート状のレンズ部を設けたことを
前記課題の解決手段とした。本発明における請求項４記
載の固体撮像素子の製造方法では、受光部の受光面およ
び遮光膜を覆って、その表面が平坦な透明材料からなる
第一の透明材料層を形成する工程と、該透明材料層上に
透明材料からなる第二の透明材料層を形成する工程と、
該第二の透明材料層をエッチングし、回析格子状でかつ
前記受光面上に集光するゾーンプレート状のレンズ部を
形成する工程とを備えたことを前記課題の解決手段とし
た。請求項５記載の固体撮像素子の製造方法では、受光
部の受光面および遮光膜を覆って、その表面が平坦な透
明材料からなる透明材料層を形成する工程と、該透明材
料層上にレジスト層を形成するとともに、該レジスト層
をパターニングし、回析格子状でかつ前記受光面上に集
光するゾーンプレート状のパターンを形成する工程と、
前記レジスト層からなるパターンをマスクとして前記透
明材料層をエッチングし、該透明材料層の表層部にゾー
ンプレート状のレンズ部を形成する工程とを備えたこと
を前記課題の解決手段とした。

【００１０】

【作用】本発明の固体撮像素子によれば、受光部の受光
面を覆って平坦化透明層を設け、該平坦化透明層の上面
に、回析格子からなり、前記受光面上に集光するゾーン
プレート状のレンズ部を設けたことから、該レンズ部に
よって入射光が受光面上に集められ、これによりその感
度が向上する。

【００１１】また、本発明における請求項４記載の固体
撮像素子の製造方法によれば、表面が平坦な第一の透明
材料層の上に第二の透明材料層を形成するとともに、該
第二の透明材料層をエッチングし、回析格子状でかつ前
記受光面上に集光するゾーンプレート状のレンズ部を形
成するので、従来のごとくレンズ部の形成にリフロー処
理を用いることなく、精緻な加工が可能なエッチング技
術によってレンズ部が形成される。さらに、本発明にお
ける請求項５記載の固体撮像素子の製造方法によれば、
表面が平坦な透明材料層の上にレジスト層を形成すると
ともに、該レジスト層をパターニングし、回析格子状で
かつ前記受光面上に集光するゾーンプレート状のパター
ンを形成し、その後このパターンをマスクとしてエッチ
ングし、該透明材料層の表層部にゾーンプレート状のレ
ンズ部を形成するので、請求項４記載の製造方法と同様
に、レンズ部の形成にリフロー処理を用いることなく、
精緻な加工が可能なエッチング技術によってレンズ部が
形成される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳しく説明す
る。図１は本発明の固体撮像素子の一実施例を示す図で
あり、図１中符号１１は固体撮像素子である。この固体
撮像素子１１が図５に示した固体撮像素子１と異なると
ころは、平坦化透明層８の上に形成されたマイクロレン
ズの構造にある。すなわち、図１に示した固体撮像素子
１１では、受光部３の受光面３ａを覆って設けられた絶
縁膜５、保護膜７の上に平坦化透明層８が形成され、該
平坦化透明層８の上にはレンズ部１２が形成されてい
る。ここで、前記受光面３ａは図２に示すように平面視
略正方形状に形成されたものとなっている。また、平坦
化透明層８は、ポリスチレン樹脂やアクリル樹脂等の透
明樹脂からなるものである。

【００１３】レンズ部１２は、回析格子からなり、前記
受光面３ａ上に集光するゾーンプレート状のもので、本
実施例ではフルネル・ゾーンプレートによって構成され
たものとなっている。このフルネル・ゾーンプレートか
らなるレンズ部１２は、フォトレジスト等の透明樹脂か
らなるもので、図２に示すような平面視形状を有するも
のである。すなわち、このレンズ部１２は、円環状の輪
帯１２ａを同心円状に複数配置し、輪帯１２ａ…とこれ
ら輪帯１２ａ、１２ａ間に形成される空気層１３との屈
折率の差により、輪帯１２ａ…からの光が一点に集まる
ようにしたもので、周辺にいくにしたがって幅が狭くな
る輪帯１２ａ…の一つおきに、光の透過率または位相が
変わるようにしたものである。

【００１４】ここで、中央の輪帯１２ａから外側に向け
てｍ番目の輪帯１２ａの外周円の半径ｒ_mは、ｒ_m＝（ｍλｆ）^1/2 で示される。（ただし、ｆは焦点距離、λは波長を表
す。）したがって、焦点距離、すなわち固体撮像素子のセンサ
面上から、レンズ部１２が形成される平坦化透明層８ま
での距離を６μｍ、光の波長を５００ｎｍとすると、各
輪帯１２ａの外側の半径ｒ_mは、ｍ＝１のとき、ｒ_m＝１．７３μｍｍ＝２のとき、ｒ_m＝２．４５μｍｍ＝３のとき、ｒ_m＝３．００μｍｍ＝４のとき、ｒ_m＝３．４６μｍｍ＝５のとき、ｒ_m＝３．８７μｍｍ＝６のとき、ｒ_m＝４．２４μｍとなる。また、これら各輪帯１２ａの高さ（厚さ）につ
いては、０．１〜０．５μｍ程度とされる。そして、こ
のような構成のフルネル・ゾーンプレートからなるレン
ズ部１２は、その焦点が図２に示すように前記受光面３
ａ上に位置し、かつその焦点パターンＰが点状となって
いる。

【００１５】次に、このような構成の固体撮像装置１１
の製造方法に基づき、本発明における請求項４記載の製
造方法の一実施例を説明する。まず、図３（ａ）に示す
ように、半導体基板２に受光部３、転送レジスタ（図示
略）、チャネルストップ（図示略）等の各構成要素を、
フォトレジスト、イオン打ち込み等の技術によって従来
と同様に形成し、さらにその上に転送電極４、絶縁膜
５、遮光膜６、保護膜７を、フォトレジスト、イオン打
ち込み、熱酸化、デポジションといった技術によってや
はり従来と同様に形成しておく。次に、保護膜７を覆っ
て透明材料、例えばポリスチレン樹脂やアクリル樹脂等
の透明樹脂を塗着し、図３（ｂ）に示すように平坦化透
明層（第一の透明材料層）８を形成する。なお、この平
坦化透明層８の形成にあたっては、従来公知の方法によ
ってその上面を平坦化しておく。

【００１６】次いで、この平坦化透明層８の上に、図３
（ｃ）に示すように感光性透明樹脂からなる感光性透明
樹脂層（第二の透明材料層）１４をスピンコート法など
によって平坦に形成する。その後、予め用意したマスク
パターン、すなわち前記のフルネル・ゾーンプレート状
の透光部を有したマスクパターンを感光性樹脂層１４上
にセットし、公知の露光処理、現像処理（ウエットエッ
チング処理）を行うことにより、図１、図２に示したよ
うなレンズ部１２を形成し、これにより固体撮像素子１
を得る。

【００１７】このような製造方法にあっては、レンズ部
１２の形成を、感光性透明樹脂層（第二の透明材料層）
１４の露光・現像処理によって行うため、感光性透明樹
脂層１４の露光処理に用いるマスクパターンを、予め形
成するレンズ部１２の形状に合わせ、かつこの形状を、
形成するレンズ部１２の焦点が受光面３ａ上に位置する
ようにしておくだけで、理想的な焦点位置を有するレン
ズ部１２を容易に形成することができる。したがって、
このようにして得られた固体撮像素子１１にあっては、
焦点が受光面３ａ上に位置する理想的なレンズ部１２を
有していることから、該レンズ部１２によって入射光が
効率良く受光面３ａ上に集められ、これによりその感度
が向上したものとなる。

【００１８】なお、前記製造方法の実施例では、感光性
透明樹脂層１４を露光・現像処理して該感光性透明樹脂
層からなるレンズ層１２を形成したが、本発明はこれに
限定されることなく、例えば、平坦化透明層８と感光性
透明樹脂層１４とを透明材料層とし、この透明材料層の
うちその表層部となる感光性透明樹脂層１４をドライエ
ッチング処理し、該感光性透明樹脂層１４からなるレン
ズ部を形成するようにしてもよい。

【００１９】すなわち、このドライエッチング法では、
感光性透明樹脂層（透明材料層）１４上にレジスト層
（図示略）を形成し、次に、このレジスト層を、前記の
マスクパターンを用いて露光し、さらに露光後のレジス
ト層を現像する。すると、現像後のレジスト層は、フル
ネル・ゾーンプレート状のレジストパターンとなる。そ
して、このレジストパターンをマスクとして感光性透明
樹脂層１４をドライエッチングし、該感光性透明樹脂層
１４からなるレンズ部を得る。

【００２０】このような方法にあっても、図１、図２に
示したレンズ部１２と同様なレンズ部を形成することが
でき、したがって理想的な焦点位置を有するレンズ部を
容易に形成することができる。また、この例において
は、透明材料層を平坦化透明層８と感光性透明樹脂層１
４とから構成し、その表層部となる感光性透明樹脂層１
４からレンズ部を形成したが、透明材料層を二層で構成
することなく、平坦化透明層８あるいは感光性透明樹脂
層１４からなる一層で構成し、レジストを用いたドライ
エッチング法によってその表層部にレンズ部を形成する
ようにしてもよい。

【００２１】なお、前記実施例では、図２に示したよう
に受光部３の受光面３ａが略正方形状であることから、
レンズ部１２の形状を、円環状の輪帯１２ａ…を同心状
に配置してなるフルネル・ゾーンプレート状のものと
し、該レンズ部１２の焦点パターンＰを点状としたが、
例えば図４に示すように受光部３の受光面３ａが略長方
形の場合には、レンズ部の集光パターンＰは点状でなく
線状であるほうが、集光効率のうえで好ましい。

【００２２】したがって、このように受光面３ａが略長
方形状の場合には、レンズ部として、図４に示したよう
な形状のものとするのが好ましい。図４に示したレンズ
部１５は、図２に示したフルネル・ゾーンプレートの半
部１５ａ（図４参照）が一対と、該フルネル・ゾーンプ
レートを構成する各輪帯１２ａ…の幅に略一致する複数
の幅のプレートを有した直線状のゾーンプレート群１５
ｂ（図４参照）が一対とから構成されたものである。そ
して、フルネル・ゾーンプレートの半部１５ａ一対が、
互いにその円周側を外側に向け、かつ直線側を対向させ
た状態で、前記直線状のゾーンプレート群１５ｂの長さ
に略一致する間隔をあけて配置され、これらフルネル・
ゾーンプレートの半部１５ａ、１５ａの間に前記ゾーン
プレート群１５ｂ、１５ｂが、それぞれのプレートをそ
の幅が略一致するフルネル・ゾーンプレートの半部１５
ａの各輪帯に連続した状態で配置されて構成されたもの
である。

【００２３】このようなレンズ部１５を有した固体撮像
素子にあっては、従来のようにリフロー処理を用いてレ
ンズ部を形成した場合に、受光面３ａの縦方向と横方
向、すなわち固体撮像素子における垂直方向（Ｖ方向）
と水平方向（Ｈ方向）とでレンズ部の焦点距離が異なっ
てしまうのに対し、その垂直方向（Ｖ方向）での焦点と
水平方向（Ｈ方向）での焦点とを同一面上、すなわち受
光面３ａにすることができ、これによりその感度を一層
向上させることができる。また、受光面の形状が、正方
形や長方形でなく、例えば円弧状に湾曲した形状である
場合にも、この形状に合わせて前記フルネルゾーン・プ
レートの一部などからなるレンズ部を形成することによ
り、受光面形状に合う最適な焦点パターンを有する固体
撮像素子を得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子は、回析格子からなり、受光面上に集光するゾーンプ
レート状のレンズ部を有したものであるから、該レンズ
部によって入射光が受光面上に効率良く集められ、これ
によりその感度が十分向上したものとなる。また、本発
明における固体撮像素子の製造方法によれば、従来のご
とくレンズ部の形成にリフロー処理を用いることなく、
精緻な加工が可能なエッチング技術によってレンズ部を
形成するので、理想的な焦点パターンを有するレンズ部
を安定して形成することができ、これにより感度が十分
に向上した固体撮像素子を容易にかつ安定して製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の一実施例の概略構成を
示す側断面図である。

【図２】レンズ部の平面視形状と受光面の平面視形状と
を説明するための模式図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の固体撮像素子の製造
方法を工程順に説明するための要部側断面図である。

【図４】図１に示した固体撮像素子の変形例を示す図で
あり、そのレンズ部の平面視形状と受光面の平面視形状
とを説明するための模式図である。

【図５】従来の固体撮像素子の概略構成を示す側断面図
である。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は従来の固体撮像素子の製造方
法を工程順に説明するための要部側断面図である。

【符号の説明】

３受光部３ａ受光面６遮光膜８平坦化透明層（第一の透明材料層）１１固体撮像素子１２、１５レンズ部１２ａ輪帯１４感光性透明樹脂層（第二の透明材料層）１４第一の透明材料層１５ａフルネル・ゾーンプレートの半部１５ｂゾーンプレート群Ｐ焦点パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換を行う受光部と、該受光部の受
光面を覆うことなく設けられた遮光膜とを備えた固体撮
像素子において、前記受光部の受光面を覆って平坦化透明層を設け、該平坦化透明層の上面に、回析格子からなり、前記受光
面上に集光するゾーンプレート状のレンズ部を設けたこ
とを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記レンズ部が、フルネル・ゾーンプレ
ートによって構成されてなることを特徴とする請求項１
記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記レンズ部が、フルネル・ゾーンプレ
ートの半部一対と、該フルネル・ゾーンプレートを構成
する各輪帯の幅に略一致する複数の幅のプレートを有し
た直線状のゾーンプレート群一対とからなり、前記フルネル・ゾーンプレートの半部一対が、互いにそ
の円周側を外側に向け、かつ直線側を対向させた状態で
前記直線状のゾーンプレート群の長さに略一致する間隔
をあけて配置され、これらフルネル・ゾーンプレートの半部の間に前記ゾー
ンプレート群が、それぞれのプレートをその幅が略一致
するフルネル・ゾーンプレートの半部の各輪帯に連続し
た状態で配置されてなることを特徴とする請求項１記載
の固体撮像素子。
【請求項４】光電変換を行う受光部と、該受光部の受
光面を覆うことなく設けられた遮光膜とを備えた固体撮
像素子の製造方法であって、前記受光部の受光面および遮光膜を覆って、その表面が
平坦な透明材料からなる第一の透明材料層を形成する工
程と、該透明材料層上に透明材料からなる第二の透明材料層を
形成する工程と、該第二の透明材料層をエッチングし、回析格子状でかつ
前記受光面上に集光するゾーンプレート状のレンズ部を
形成する工程と、を備えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】光電変換を行う受光部と、該受光部の受
光面を覆うことなく設けられた遮光膜とを備えた固体撮
像素子の製造方法であって、前記受光部の受光面および遮光膜を覆って、その表面が
平坦な透明材料からなる透明材料層を形成する工程と、該透明材料層上にレジスト層を形成するとともに、該レ
ジスト層をパターニングし、回析格子状でかつ前記受光
面上に集光するゾーンプレート状のパターンを形成する
工程と、前記レジスト層からなるパターンをマスクとして前記透
明材料層をエッチングし、該透明材料層の表層部にゾー
ンプレート状のレンズ部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。