JPH1073703A - ソリッドステート撮像装置用の無機材料からなるレンズアレイの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトダイオードに導かれる光線量を増加さ
せる、ソリッドステート撮像装置用レンズアレイを形成
する方法を提供すること。 【解決手段】 撮像装置の製造方法であって、（ａ）半
導体基板を与える工程と、（ｂ）半導体基板内に複数の
離間された撮像用画素を形成する工程と、（ｃ）撮像用
画素上に誘電層100を付着させ、化学−機械的研磨を用
いて誘電層100を光学的に平坦にして、光学的平坦面100
aを形成する工程と、（ｄ）光学的平坦面100aに、複数
の凹部122cを形成する工程と、（ｅ）光学的平坦面100a
上にレンズ材料を均一に付着させて、凹部122cを完全に
充填する工程と、（ｆ）レンズ材料を成形してレンズ13
2cを形成する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一体に形成された
レンズアレイを有するソリッドステート撮像装置(solid
state imager)の製造方法に係り、特に、無機材料から
なる１つあるいは複数の層から形成される平坦なレンズ
アレイを有する撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ソリ
ッドステート撮像装置は、感光性領域を有して互いに横
方向にオフセットされた複数の画素から構成される装置
として見ることができる。ソリッドステート撮像装置の
これらの画素に対して位置合わせして配置されるレンズ
アレイは、この分野では周知のものであり、種々の形態
をとることが可能である。光に対する感度を上げてデバ
イス性能を最適化するために、それぞれのレンズによ
り、入射光線が集束されて、撮像装置において対応する
画素へ導かれる。そして、感光性領域（フォトダイオー
ド）がそれぞれの画素の一部分しか占有しないインター
ライン(interline)型の撮像装置に関しては、この分野
では周知であるように、レンズアレイによる効果は重要
なものとなっている。図１には、半導体基板１２内に形
成されたフォトダイオード１４、ゲート電極１６、およ
び光線シールド(light shield)１８を有して構成され、
レンズ２２に対して位置合わせされている、従来技術に
よる典型的なインターライン型撮像装置における単一の
画素１０が示されている。通常、ゲート電極１６および
光線シールド１８は、図示されない絶縁酸化物により、
互いに電気的に絶縁されるとともに、半導体基板１２か
らも電気的に絶縁されている。レンズアレイは、複数の
レンズ２２を有して構成されている。フォトダイオード
１４、半導体基板１２、ゲート電極１６、および光線シ
ールド１８から、撮像装置の半導体部分(semiconductor
portion)４０が構成されている。

【０００３】例えば、シリンダ状レンズアレイに関する
Ishihara氏の米国特許4,667,092号、あるいは長方形状
レンズアレイに関するWeiss氏の米国特許4,694,185号に
示されるように、撮像装置に対して一体的に設けられる
レンズアレイは、通常、フォトレジスト等のフォトリソ
グラフィーにより成形されるポリマーを熱変形すること
で形成される。

【０００４】図１に示されるデバイスには、フォトダイ
オード１４における光線の収集を最大化するように、フ
ォトダイオード１４からレンズアレイを離間させるため
のレンズ支持層２０が形成されている。従来技術におい
ては、ある程度の平坦化を実現するために、レンズ支持
層２０には、少なくとも１つの有機材料あるいは無機材
料からなるスペーサ層(spacer layer)が含まれている。
また、図には、フォトダイオード１４に収集されない遮
蔽された光線３０が示されている。次に、図２（ａ）お
よび図２（ｂ）に示される撮像装置においては、レンズ
支持層２０が、上部スペーサ層２０ａおよび下部スペー
サ層２０ｂを有して構成されている。図２（ｂ）に示さ
れるように、カラー撮像装置を製造するために、カラー
フィルタ要素２６が、上部スペーサ層２０ａと下部スペ
ーサ層２０ｂとの間に、レンズ支持層２０の一部として
設けられている。光学的にアクティブな固体デバイス(o
p-tically active solid state device)における重合可
能なモノマーに関する上記のような平坦な層の使用およ
び制限が、McColgin氏の米国特許4,553,153号に開示さ
れている。また、Nomura氏の米国特許5,321,249号に開
示されたようなカラーフィルタアレイは、通常、有機材
料によりコーティングされる。

【０００５】図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるよ
うに、レンズ支持層２０上にレンズアレイを形成するた
めに、通常はフォトレジストであるコーティング材料
が、レンズ支持層２０上で露光され、そして現像され、
これにより長方形状のレジストアイランド(resist isla
nd)２８のアレイが形成される。その後、残存する光化
学物質(photochemistry)をブリーチ(bleach)するため
に、レジストパターンがフラッド露光され(flood expos
ed)、これに続いて、凸レンズ２２を形成するのに充分
な量のレジスト材料が流れるまでレジストパターンが加
熱される。この際、米国特許4,694,185号に示されるよ
うに、隣り合うレンズから流れるレジスト材料が一緒に
ならないように加熱する必要がある。それゆえ、隣り合
うレンズ２２間には、ある程度の離間距離が必要とな
り、結果的にある程度の光線の損失が生じる。

【０００６】光線を完全に有効利用するために、与えら
れた画素に対応するすべての入射光線は、光線シールド
１８内に形成された対応するアパチャ２４を通して、フ
ォトダイオード１４内あるいはその近傍へ導かれる必要
がある。アパチャ２４の開口部が、通常、この分野で周
知であるように、スミアを低減させるために小さく形成
されるとともに、既に述べたように、レンズ２２間には
適当な離間距離を設ける必要があることから、すべての
光線をフォトダイオード１４に導くのは不可能であっ
た。さらに、光線シールド１８内に形成されたアパチャ
２４は、多くの場合、撮像装置を上方から見た際に長方
形形状を有するのに対して、レンズ２２は、多くの場
合、撮像装置を上方から見た際に正方形形状を有してお
り、これにより、フォトダイオード１４へ導かれる光線
量がさらに低減される。それゆえ、撮像装置の感度は、
光線が有効利用されるような場合と比較すると、低いも
のとなっている。

【０００７】光線の大部分をフォトダイオード１４へ導
くことによる光線収集効率の増加を実現するために、レ
ンズアレイの構造に関する種々の改善が試みられてい
る。Enomoto氏の米国特許5,321,297号およびNakai氏の
米国特許5,293,267号には、長辺および短辺を有するア
パチャに対応するように、方向によって曲率が異なるレ
ンズを形成する方法が開示されている。これにより、フ
ォトダイオードに導かれる入射光線量が増加される。Yo
nemoto氏の米国特許5,306,926号には、フォトダイオー
ドへ光線を導くのを支援するような屈折率を有する材料
から形成されたスペーサ層および平坦層の使用に関して
開示されている。Masegawa氏の米国特許5,371,397号に
は、種々の光線分散構造に関して、および、フォトダイ
オードに入射する光線を平行化して、スミアを低減する
ために慎重に調整された屈折率を有する層の使用に関し
て開示されている。また、レンズ間の間隔を低減あるい
は有効利用するための他の改善が試みられている。例え
ば、Jech氏の米国特許5,324,930号には、フォトダイオ
ードに対してレンズアレイを横方向にオフセットするこ
とで、レンズ間のギャップに入射した光線の一部を有効
利用できることが開示されている。Revelli氏等から共
通に譲渡され、1995年1月6日に出願された米国特許出願
08/369,235号には、より小さいギャップを有するレンズ
を形成する技術が開示されている。

【０００８】上記のような改善策が試みられているにも
かかわらず、すべての入射光線をアパチャ２４を通して
フォトダイオード１４内へ導くのはいまだ不可能であ
り、それゆえ、撮像装置の感度を増加させることがいま
だ要求されている。アパチャ２４のサイズが小さいこ
と、およびレンズアレイ領域上においてレンズ２２間の
ギャップにより占有される部分が比較的大きなことで、
画素が小さくなるような撮像装置に対しては、上記のよ
うな要求は、特に強くなっている。さらに、このような
撮像装置に関しては、材料が溶解して流れるのに充分な
高い温度にさらされるとともに実質的に透明に維持され
る必要のある有機材料の安定化が困難であるという問題
が生じている。Mehra氏等の米国特許4,966,831号には、
レンズを酸化から保護する方法が開示されている。しか
し、このような方法は付加的な生成工程を必要とする。

【０００９】また、この技術分野における困難な問題と
して、ポリマーからなる通常のレンズ材料において選択
できる屈折率の範囲が、ガラスの屈折率と大きく変わる
ことがない値に制限されている点が上げられる。光線の
屈折は、レンズ面における材料の屈折率の差異に基づい
て決定されるから、屈折率の範囲が上記のように制限さ
れることで、保護あるいはパッケージングのために、ポ
リマー材料でレンズをオーバーコーティング(overcoati
ng)することは困難となる。さらに、レンズの上部面が
平坦ではないので、通常の処理工程において明らかなよ
うに、レンズ上部面がさらなるデバイス処理工程に対し
て有効に作用することはなく、それゆえ、後に続くフォ
トリソグラフィー工程に対して好適な処理条件を与える
ものではない。

【００１０】さらに、この技術分野における困難な問題
として、ポリマーからなるレンズ材料を、レンズ形状あ
るいは光吸収特性を変化させることなしに、例えばデバ
イスの試験や機器の殺菌で通常用いられる温度まで過度
に加熱することができない点が上げられる。米国特許5,
321,297号には、無機材料からなるレンズ層に対するの
と同じエッチング速度をポリマーからなるレンズアレイ
材料に対しても有する等方性エッチングを用いること
で、無機材料からなるレンズ層上に形成されたポリマー
からなるレンズアレイの形状を無機材料からなるレンズ
層に転写する技術が開示されている。この方法によれ
ば、加熱可能であるとともに、広い範囲の光学的特性を
有する材料の選択を可能とするレンズアレイを形成する
ことができるが、実際的にエッチングの制御が困難であ
り、この分野において広く用いられてはいない。また、
この方法では、レンズ間のギャップに基づく光学的収集
効率の低下に関する問題を解決することはできない。

【００１１】最後に、現在使用されている方法は、デバ
イスが異なるサイズを有することで、プロセス制御が困
難であり、また、平坦化（平面化）を実現する方法が不
完全であることで、光学的効率にある程度の損失が生じ
ている。特に異なる横方向のサイズを有するデバイスに
対して共通の処理工程を適用する際には、図２（ａ）お
よび図２（ｂ）に示されるように、電極１６および光線
シールド１８の形状及び配置に起因して、上部スペーサ
層２０ａ、下部スペーサ層２０ｂ、およびカラーフィル
タ要素２６の形状を制御するのが困難となる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、
フォトダイオードに導かれる光線量を増加させる、ソリ
ッドステート撮像装置用レンズアレイを形成する方法を
提供することを目的とする。

【００１３】上記の目的を達成するための撮像装置の形
成方法は、（ａ）半導体基板を設ける工程と、（ｂ）半
導体基板内に複数の離間された撮像用画素を形成する工
程と、（ｃ）撮像用画素上に誘電層を付着させて（デポ
ジット(deposit)させて）、そして、化学−機械的研磨
(chemical mechanical polishing)により、誘電層を光
学的に平坦にして、光学的平坦面を形成する工程と、
（ｄ）光学的平坦面に、複数の凹部を形成する工程と、
（ｅ）光学的平坦面上にレンズ材料を均一に付着させ
て、凹部を完全に充填する工程と、（ｆ）レンズ材料を
成形する工程とを有する。

【００１４】本発明により、フォトダイオードへ導かれ
る入射光線量を増加させることで、デバイス感度が高め
られた撮像装置が提供される。また、本発明により、レ
ンズアレイの上部面上に空気以外の層を設けるにあたっ
て、広い範囲の材料の選択を可能とする撮像装置が提供
される。デバイスの製造中および製造後における熱処理
に対して耐えられる材料の選択が可能となる。また、本
発明により、レンズ間のギャップを制御あるいは削減す
ることにより、光線の損失が低減される撮像装置が提供
される。さらに、本発明により、少なくとも幾つかのレ
ンズの形状に関して、熱的リフロー(thermal reflow)で
与えられる制御よりも高い程度の制御が実現可能である
撮像装置が提供される。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、従来技術の撮像装置を示
す部分断面図である。図２は、上部スペーサ層および下
部スペーサ層を有する従来技術の撮像装置を示す部分断
面図である。図３、図４、図５、および図６は、本発明
により、レンズアレイ内のそれぞれのレンズの平坦な上
面部が、レンズが形成されている基板の上面部に対して
同一平面上にあるように形成されたソリッドステート撮
像装置を示す断面図および平面図である。図７および図
８は、本発明により、レンズの中央部近傍および周囲部
分における曲率が制御可能であるソリッドステート撮像
装置を示す断面図である。図９および図１０は、本発明
により、レンズが実質的にシルンダ状に形成され、隣り
合うレンズが実質的に接触するように配置されているソ
リッドステート撮像装置を示す断面図、平面図、および
斜視図である。図１１および図１２は、本発明により、
レンズの形成を支援するために、横方向に対するエッチ
ング停止要素(etch-stop)が使用されているソリッドス
テート撮像装置を示す断面図および斜視図である。

【００１６】以下の説明において、図を参照する際に
は、図１および図２で示された構成要素と同一の構成要
素に対しては、同一の参照番号が付される。図３から図
６には、本発明の第１の実施の形態が示されている。こ
の実施の形態においては、ソリッドステート撮像装置内
のそれぞれのレンズの平坦な上面部が、レンズが形成さ
れている基板の上面部に対して同一平面上にあるように
レンズが形成されている。図３（ａ）は、ソリッドステ
ート撮像装置の半導体部分４０を示す断面図である。ソ
リッドステート撮像装置の半導体部分４０は、半導体基
板１２上に形成されている。撮像用画素１０は、この分
野で通常実施されているように、フォトダイオード１
４、これに隣接する電極１６、および電極に対応する光
線シールド１８を有して構成されている。フォトダイオ
ード１４は、撮像用画素１０の感光領域であり、撮像用
画素１０に対する入射光線が、フォトダイオード１４へ
導かれる必要がある。本発明の方法に関する説明を容易
とするために、ソリッドステート撮像装置の形態が、主
に電極１６および光線シールド１８の形態を用いて、適
切に表現されている。ゲート誘電層等のソリッドステー
ト撮像装置の他の詳細な特徴部は、ここでは図示されて
はいない。

【００１７】図３（ｂ）に示されるように、半導体部分
４０上には、酸化物が好適である誘電層１００が形成さ
れ、この誘電層１００により、後工程でレンズを形成す
るための表面が与えられる。誘電層１００は、例えば化
学蒸着法（ＣＶＤ）あるいはプラズマ支援ＣＶＤによ
り、ソリッドステート撮像装置の半導体部分４０上に付
着（デポジット）される。そして、図３（ｃ）に示され
るように、誘電層１００の表面が平坦化され、光学的平
坦面１００ａが形成される。この光学的平坦面１００ａ
は、フォトダイオード１４へ入射する光線の屈折に関し
て、誘電体からなる理想的な平坦面と同一の屈折特性を
有している。誘電層１００は、化学−機械的研磨(chemi
cal mechanical polishing)により、平坦化されるのが
好適である。この実施の形態における誘電層１００は、
例えば図１に示された従来技術によるレンズ支持層２０
のようなレンズ支持層として機能し、さらに、誘電層１
００には、本発明による利点として、光学的平坦面１０
０ａが与えられている。

【００１８】次に、図４（ａ）に示されるように、光学
的平坦面１００ａ上に、エッチング停止層(etch-stop l
ayer)１１０が均一に付着される。エッチング停止層１
１０は、窒素化合物からなるのが好適である。そして、
フォトレジスト層１１２に対して、それぞれの撮像用画
素１０の光線シールド１８に位置合わせして、互いに離
間した開口部１１４が設けられるように、パターンが形
成される。このパターン形成は、図４（ａ）に示され
た、開口部１１４からなる１つの列の中心を通る断面図
により明らかにされている。次に、好ましくはリアクテ
ィブイオンエッチング( reactive ion etching)あるい
は当業者に周知である他の方法を用いて、開口部１１４
内のエッチング停止層１１０が除去される。開口部１１
４内のエッチング停止層１１０が除去された結果が、図
４（ｂ）に示されている。

【００１９】デバイス内における半導体部分４０の構造
は既に理解されているので、図４（ｃ）から図６（ｃ）
においては、半導体部分４０の表示が省略される。図４
（ｃ）に示されるように、例えば酸素プラズマにより、
フォトレジスト層１１２の残存部分が除去された後に、
誘電層１００に対して、ウェットエッチングあるいはド
ライエッチングのいずれをも用いることができる実質的
に等方性のエッチングが実施され、凹部１２０が形成さ
れる。それぞれの凹部１２０の周縁部における光学的平
坦面１００ａに対する傾斜が、好ましくは垂直である大
きな角度を有するように、光学的平坦面１００ａにおい
て、隣り合う凹部が接触しないか、あるいは接触が最小
限に抑えられるのが好適である。

【００２０】図５（ａ）に示されるように、エッチング
停止層１１０が除去されて、誘電層１００よりも大きな
屈折率を有するレンズ材料１３０が付着される。レンズ
材料１３０は、窒化シリコン、酸化チタン、酸化タンタ
ル(tantalum oxide)からなるグループから選択されるの
が好適であり、真空蒸着、あるいはゾル−ゲルの付着お
よび高密度化により、付着（デポジット）することが可
能となっている。この工程においては、レンズ材料１３
０からなるコーティング層の上部は不規則に形成されて
いる。次に、図５（ｂ）に示されるように、好ましくは
化学−機械的研磨を用いて、レンズ材料１３０が光学的
に平坦となるように平坦化される。この際、誘電層１０
０の光学的平坦面１００ａにおいて凹部１２０が形成さ
れていない領域からはレンズ材料１３０が除去され、こ
れにより、光学的に平坦なレンズ面１３０ａを有するレ
ンズ１３２が形成される。図５（ｂ）に示されるよう
に、研磨されたレンズ１３２の光学的に平坦な面１３０
ａが、誘電層１００の光学的平坦面１００ａに対して同
一平面上にあるように、レンズが形成されている。上記
の製造工程を考慮して、図５（ｃ）から明らかなよう
に、レンズ１３２は互いに離間して平面上に配置され、
これにより、光学的平坦面１００ａの少なくとも一部分
は、見ることができる状態を維持される。

【００２１】次に、図６（ａ）には、カラーフィルタア
レイ１５０が示されている。このカラーフィルタアレイ
１５０は、レンズ１３２およびレンズの下部に配置され
る（図示されない）フォトダイオード１４に対して位置
合わせして、光学的平坦面１００ａおよび光学的に平坦
なレンズ面１３０ａ上に形成されている。カラーフィル
タアレイ１５０は、それぞれ可視スペクトルの異なる部
分を透過させる第１のカラーフィルタ要素１５０ａ、第
２のカラーフィルタ要素１５０ｂ、および第３のカラー
フィルタ要素１５０ｃを複数有して構成されている。カ
ラーフィルタアレイ１５０を形成する方法は、この分野
では周知であり、例えばこの方法に関するNomura氏の米
国特許5,321,249号には、レンズを含まない材料上への
コーティング技術におけるスピン(spin)に関して記載さ
れている。

【００２２】限定することを意図するものではないが、
例えば参照された上記のNomura氏の米国特許に記載され
たカラーフィルタ材料のような、カラーフィルタアレイ
を形成するために通常使用される有機ポリマー材料によ
り、オーバーコーティングを実施しても、本発明による
レンズ１３２に関する光線屈折特性は、著しく低下する
ようなことはない。このような効果は、レンズを形成す
るのに無機材料を使用することで、有機材料からなるレ
ンズにより与えられる屈折率の選択範囲よりも高い屈折
率の範囲を選択することが可能となることで実現され
る。例えば、上記の引用された好適なレンズ材料のグル
ープは、１．６から２．４の範囲の屈折率を有してお
り、また、有機ポリマー材料は、この分野では周知であ
るように、通常は、１．４から１．６の範囲の屈折率を
有している。また、誘電層１００の光学的平坦面１００
ａが平坦であることと、この面が不溶解性を有すること
で、カラーフィルタアレイ１５０の形成工程が簡略化さ
れる。さらに、この分野では周知であるように、カラー
フィルタアレイの底面が平坦であることは、均一なスペ
クトル透過特性を実現することに関して、有効に作用す
る。このような効果は、図１および図２に示された従来
技術により実現できるものではない。

【００２３】図６（ｂ）に示されるように、隣り合う凹
部１２０が接触するまで、誘電層１００のエッチング時
間を延長すると、隣り合う光学的に平坦なレンズ面１３
０ａが接触可能となる。光学的に平坦なレンズ面１３０
ａが接触することで、同一平面上にあるという関係を維
持したままで、誘電層１００の光学的平坦面１００ａに
対する光学的に平坦なレンズ面１３０ａの比率を大きく
することができる。

【００２４】また、図６（ｃ）に示される実施の形態に
おいては、誘電層１００の屈折率よりも小さい屈折率を
有する、例えばエポキシ樹脂のような有機材料から実質
的に形成される層１５２が、光学的に平坦なレンズ面１
３０ａおよび光学的平坦面１００ａ上に設けられてい
る。これにより、第１の実施の形態（図６（ａ））のカ
ラーフィルタ層１５０に代えて、上記の実質的に有機材
料から形成された層がオーバーコーティングされる。こ
の実施の形態は、この分野では周知であるように、撮像
装置をパッケージングする上で有利な効果を与えるもの
であり、さらに、レンズ１３２の屈折特性を犠牲にする
ことなく、パッケージングを可能とするものである。こ
のような効果は、レンズ１３２を形成するのに無機材料
を使用することで、レンズを形成する際に高い屈折率の
範囲の選択が可能となったことに基づくものである。例
えば上記の引用された好適なレンズ材料のグループは、
１．６から２．４の範囲の屈折率を有している。また、
誘電層１００の屈折率よりも小さい屈折率を有する有機
材料から実質的に形成される層１５２を、図６（ａ）に
示されるカラーフィルタ層１５０の上部に設けることも
可能である。この方法は、カラーフィルタを備えた撮像
装置をパッケージングするうえで、有利な効果を与える
ものである。

【００２５】図７および図８には、本発明による第２の
実施の形態が示されている。この実施の形態において
は、誘電層１００内に凹部１２０を形成する方法が変更
され、エッチング処理が連続する幾つかの工程に分けて
実施されるとともに、これらの工程間においてマスク形
状が変更される。この実施の形態を用いることで、レン
ズ１３２の中央部近傍および周囲部分における曲率を共
に制御する手段が与えられる。凹部１２０の下部に配置
されたフォトダイオード１４に対する凹部１２０の相対
位置は、図１に示される第１の実施の形態と比較して変
わることはなく、同じ位置関係を有している。図７
（ａ）には、誘電層１００をエッチングするための準備
工程においてエッチング停止層１１０内に形成された開
口部１１４が示されている。この開口部１１４は、図４
（ｂ）により説明された処理工程と同様の処理工程を用
いて形成されている。図７（ｂ）に示されるように、図
４（ｃ）と同様にして、誘電層１００のエッチングがあ
る程度実施され、部分的にエッチングされた凹部１２２
が形成される。この工程においては、横方向へのエッチ
ングが充分ではなく、部分的にエッチングされた凹部１
２２が接触することはない。そして、図７（ｃ）に示さ
れる処理工程において、誘電層１００のエッチングが中
断され、好ましくは高圧プラズマエッチング処理を用い
て、エッチング停止層１１０自体に対する等方性エッチ
ングが実施される。それゆえ、エッチング停止層１１０
および開口部１１４のサイズが変更され、開口部１１４
が横方向に拡張されて、第１の変更された開口部１１４
ａが形成される。次に、図８（ａ）に示されるように、
誘電層１００のエッチングが継続され、第１の変更され
た凹部１２２ａが形成される。この際、凹部１２２ａに
おける水平方向のエッチング長さに対する垂直方向のエ
ッチング長さの割合は、第１の変更された開口部１１４
ａを形成しない場合の割合とは異なるものとなってい
る。水平方向のエッチング速度に対する垂直方向のエッ
チング速度の割合の正確な変化は、エッチング処理の種
類およびパラメータに基づいて決定される。エッチング
処理におけるこのようなパラメータの例としては、当業
者には周知であるように、異方性の程度、第１の変更さ
れた開口部１１４ａの変更された程度、および第１の変
更された凹部１２２ａ内における位置等が上げられる。
図８（ａ）においては、開口部１１４の形状変更が、第
１の変更された凹部１２２ａの上面部より水平方向にお
いて小さなサイズを有する第１の変更された開口部１１
４ａの生成として示されているが、常にこのような開口
部の生成が実施される必要はない。

【００２６】図８（ｂ）に示されるように、上記のよう
な工程を繰り返すことで、第１の変更された開口部１１
４ａが再び形状変更されて、第２の変更された開口部１
１４ｂが形成され、そして、第１の変更された凹部１２
２ａがさらにエッチングされて、第２の変更された凹部
１２２ｂが形成される。さらに、このような一連の工程
が繰り返されると、図８（ｃ）に示されるように、最終
的な凹部１２２ｃが形成される。この最終的な凹部１２
２ｃは、そのエッジにおいて角度１２４を有している。
また、誘電層１００の光学的平坦面１００ａは、図３か
ら図６で示された第１の実施の形態のように一定のサイ
ズの開口部１１４を用いた際に得られる平坦面よりも小
さくなっている。そして、図５（ａ）および図５（ｂ）
で示されるのと同様の方法を用いて、図８（ｄ）に示さ
れるように、凹部１２２ｃ内にレンズ１３２ｃが形成さ
れる。特に、一定サイズの開口部１１４を用いた場合と
異なり、最終的な凹部１２２ｃの形状は、実質的に球面
状とはならない。第１の実施の形態に基づいて形成され
る球面状の凹部１２０は、特に開口部１１４が凹部１２
０の横方向長さと比較して小さく、エッチングが等方性
である場合に実現される。（図８（ｃ）に示される）角
度１２４と、（図８（ｃ）に示される）誘電層１００と
の境界面１２８に沿った最終的な凹部１２２ｃの全体的
な形状は、半導体基板１２内のフォトダイオード１４へ
導かれる光量を決定するうえでの重要な決定要因とな
る。レンズ設計の分野において周知であるように、境界
面１２８における曲率分布を制御できれば、光線量を最
大化するうえで有効となる。レンズ１３２ｃの境界面１
２８における入射光線の全体的な内面反射を防止するう
えでは、特に、角度１２４を減少させるのが有効に作用
する。

【００２７】図９および図１０には、本発明により実現
される第３の実施の形態が示されている。この実施の形
態による方法では、初期工程としては、図３（ａ）から
図６（ｂ）に示される方法と同様の工程が与えられてい
るが、レンズが実質的にシリンダ形状を有し、隣り合う
レンズが実質的に接触するように形成されている点が異
なっている。

【００２８】図９（ａ）には、（図示されない）半導体
部分４０上に前工程で付着された、好ましくは酸化物か
らなる誘電層１００が示されており、この誘電層１００
により、後工程でレンズ１３２を形成するための表面が
与えられる。誘電層１００の表面は、好ましくは化学−
機械的研磨により、既に平坦化され、これにより、図３
（ｃ）に示されるように、誘電体からなる理想的な平坦
面と同一の屈折特性を有する光学的平坦面１００ａが形
成される。また、図９（ａ）には、光学的平坦面１００
ａ上に付着され、好ましくは窒素化合物から形成される
エッチング停止層１１０が示されている。図９（ａ）の
断面図および図９（ｂ）の平面図に示されるように、エ
ッチング停止層１１０は、従来から使用されている（図
示されない）フォトレジストを用いてパターン形成さ
れ、これにより、図９（ｂ）において点線で示されるフ
ォトダイオード１４に対して位置合わせして、エッチン
グ停止層１１０内に細長い長方形形状の互いに離間した
開口部１１４が形成される。図９（ａ）には、図９
（ｂ）に示された１列の離間して形成された開口部１１
４の中心線Ａ−Ａに沿った断面図が示されている。

【００２９】図９（ａ）および図９（ｂ）に示されるよ
うに、エッチング停止層１１０において、隣り合う細長
い開口部１１４の頂部と底部との間には、ブリッジセク
ション(bridge section)１１６が形成されている。ブリ
ッジセクション１１６の垂直方向長さは、隣り合う開口
部の頂部と底部との間の垂直方向距離として与えられ、
ブリッジセクション１１６の水平方向長さは、開口部１
１４の水平方向長さと等しくなっている。そして、エッ
チング停止層における隣り合うブリッジセクション１１
６間の間隔は、フォトダイオード１４の長さに等しくな
っている。ブリッジセクション１１６は、後工程におい
て誘電層１００をエッチングする際に、エッチング停止
層１１０において開口部１１４の両側の水平方向に隣り
合う領域を連結するように機能する。また、誘電層１０
０をエッチングする際には、エッチング停止層１１０が
実質的にアンダーカットされる。

【００３０】図９（ｃ）には、図９（ｂ）のＡ−Ａ線に
沿った断面図が示されており、この工程においては、誘
電層１００に対して、ウェットエッチングあるいはドラ
イエッチングのいずれもが可能である実質的に等方性を
有するエッチングが実施されている。この実質的に等方
性を有するエッチングにより、（図９（ｂ）に示される
ように、）エッチング停止層１１０においてブリッジセ
クション１１６から最も離間した中央部１１８の下部位
置で、光学的平坦面において互いにまさしく接触する凹
部１２０ａが形成される。この場合、隣り合う凹部１２
０ａは、非常に近接してはいるが接触しないのが好適で
ある。等方性のエッチングにより、エッチング停止層１
１０のブリッジセクション１１６はアンダーカットされ
る。図９（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った断面における凹部１
２０ａを、図９（ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面における
凹部１２０ａとおおよそ同一形状とするために、ブリッ
ジセクション１１６の垂直方向長さは、例えば（図９
（ｂ）に示される）開口部１１４の水平方向長さよりも
短くなるように、充分に短くされるのが好適である。こ
のような状態は、（好適なケースとして与えられる）隣
り合う凹部１２０ａが接触するか、あるいはおおよそ接
触するまでエッチング処理を実施可能である際に、特に
実現されるものである。

【００３１】次に、図１０（ａ）に示されるように、エ
ッチング停止層１１０が除去されて、誘電層１００より
も大きな屈折率を有するレンズ材料１３０が付着され
る。レンズ材料１３０は、窒化シリコン、酸化チタン、
酸化タンタルからなるグループから選択されるのが好適
であり、真空蒸着、あるいはゾル−ゲルの付着および高
密度化により、付着（デポジット）することが可能とな
っている。この工程においては、図１０（ａ）に示され
るように、レンズ材料１３０からなるコーティング層の
上部は不規則に形成されている。次に、図１０（ｂ）に
示されるように、好ましくは化学−機械的研磨を用い
て、レンズ材料１３０が平坦化され、光学的に平坦なレ
ンズ面１３０ａが形成される。この際、誘電層１００の
光学的平坦面１００ａにおいて凹部１２０ａが形成され
ていない領域からはレンズ材料１３０が除去される。図
９（ｃ）に示される凹部１２０ａは実質的に連続してい
るので、等方性エッチングあるいは化学−機械的研磨に
より、オリジナルの光学的平坦面１００ａの残り部分が
少し除去されるが、これに代えて、誘電層１００におい
て光学的に平坦な再研磨面１００ｂが形成される。そし
て、図１０（ｂ）に示されるように、光学的に平坦なレ
ンズ面１３０ａが、再研磨面１００ｂに対して、同一平
面上にあるようにレンズ１３２が形成される。そして、
図１０（ｃ）に示されるように、半シリンダ形状のレン
ズ１３２が、面方向に実質的に連続したレンズアレイが
形成される。

【００３２】図１０（ｄ）には、レンズ１３２およびレ
ンズ下部に配置された（図示されない）フォトダイオー
ド１４に対して位置合わせして、光学的に平坦な再研磨
面１００ｂおよび光学的に平坦なレンズ面１３０ａ上に
形成されたカラーフィルタアレイ１５０が示されてい
る。カラーフィルタアレイ１５０は、それぞれ可視スペ
クトルの異なる部分を透過させる第１のカラーフィルタ
要素１５０ａ、第２のカラーフィルタ要素１５０ｂ、お
よび第３のカラーフィルタ要素１５０ｃを複数有して構
成されている。カラーフィルタアレイ１５０を形成する
方法は、この分野では周知であり、例えばこの方法に関
するNomura氏の米国特許5,321,249号には、レンズを含
まない材料上へのコーティング技術におけるスピン(spi
n)に関して記載されている。第２の実施の形態において
も述べられたように、限定することを意図するものでは
ないが、例えば参照された上記のNomura氏の米国特許に
記載されたカラーフィルタ材料のような有機ポリマー材
料により、オーバーコーティングを実施しても、本発明
によるレンズ１３２に関する光線屈折特性は、著しく低
下するようなことはない。このような効果は、レンズを
形成するのに無機材料を使用することで、有機材料から
なるレンズにより与えられる屈折率の範囲よりも高い屈
折率の範囲を選択することが可能となることで実現され
る。例えば、上記の引用された好適なレンズ材料のグル
ープは、１．９から２．４の範囲の屈折率を有してお
り、また、有機ポリマー材料は、この分野では周知であ
るように、通常は、１．４から１．６の範囲の屈折率を
有している。また、同一平面上にあるレンズ１３２の光
学的に平坦なレンズ面１３０ａと誘電層１００の光学的
に平坦な再研磨面１００ｂとが平坦であること、および
これらの面が不溶解性であることにより、これらの層上
にカラーフィルタを形成する工程が簡略化され、また、
面が平坦であることは、カラーフィルタ要素の均一なス
ペクトル透過特性を実現することに関して有効に作用す
る。

【００３３】図１１および図１２には、本発明による第
４の実施の形態が示されている。この実施の形態におい
ては、凹部１２０を形成するための図４（ｃ）に示され
たエッチング工程に対応する、誘電層１００のエッチン
グが、エッチング停止要素１６０により横方向に制限を
受ける。図１１（ａ）および図１１（ｂ）には、水平方
向における望ましくないエッチングを防止するための横
方向に対するエッチング停止要素１６０を形成するため
の方法が示されている。図１１（ａ）に示されるよう
に、第１に、従来から使用されているフォトレジスト１
６１に対してパターン形成を行って狭い開口部を形成
し、その後、好ましくはリアクティブイオンエッチング
を用いて誘電層１００をエッチングすることで、トレン
チ１６２が形成される。この際、トレンチの深さが誘電
層の厚さよりも小さくなるように、エッチングが実施さ
れる。トレンチ１６２の幅は、０．２ミクロンよりも小
さいのが好適である。

【００３４】図１１（ｂ）に示されるエッチング停止要
素１６０の形成は、誘電層１００に対するエッチングに
耐えられる（耐食性を有する）、好ましくはポリシリコ
ンあるいは窒化シリコンである充填材料１６４により、
好ましくは化学蒸着法を用いてトレンチ１６２を充填す
ることで実現される。そして、誘電層１００の光学的平
坦面１００ａ上から充填材料を完全に除去するために、
好ましくは化学−機械的研磨を用いて、誘電層１００が
平坦化される。このような処理工程は、半導体技術分野
において周知のものである。

【００３５】次に、図４（ｂ），（ｃ）、図７および図
８、あるいは図９および図１０を基にして説明された一
連の工程と同じ手順により、図１１（ｃ）に示されるよ
うに、誘電層１００内に凹部１２０が形成される。すな
わち、エッチング停止層１１０内に開口部１１４を形成
した後に、等方性のエッチングを実施して、誘電層１０
０内に凹部１２０を形成する。エッチング停止要素１６
０は、誘電層１００に対して等方性のエッチングが実施
される際に、エッチング停止層１１０を固定する機能を
も有している。この実施の形態においては、凹部１２０
が少なくともエッチング停止要素１６０の側部に到達す
るように、充分なエッチングが実施される必要がある。
図５（ａ）および図５（ｂ）に対応する図１２（ａ）お
よび図１２（ｂ）に示されるように、レンズ材料１３０
の付着および化学−機械的研磨による平坦化を実施する
ことで、エッチング停止要素１６０が存在すること以外
は図５（ｂ）に示された平坦なレンズ構造と同様の構造
を有するレンズが得られる。この実施の形態において
は、エッチング停止要素１６０により、レンズ１３２の
周縁部における傾斜角度の低下が防止されとともに、さ
らに、望ましくない光線の遮蔽が実現される。

【００３６】図１２（ｃ）には、光学的平坦面１００ａ
および光学的に平坦なレンズ面１３０ａ上に、カラーフ
ィルタ要素１５０ａ、１５０ｂ、および１５０ｃを有し
て構成されるカラーフィルタアレイ１５０が形成される
のが示されている。第３の実施の形態と同様に、この実
施の形態においては、レンズ材料１３０が高い屈折率を
有することで、図２の従来例に示されるように、レンズ
アレイの下部にカラーフィルタアレイを設けるのではな
く、レンズ１３２上にカラーフィルタアレイ１５０を設
けることが可能となる。図１２（ｄ）には、エッチング
停止要素１６０および凹部１２０ｂの好適な配置を示す
ために、図１２（ｂ）に対応する斜視図が示されてい
る。

【００３７】本発明の実施の形態においては、他の材料
を選択することも可能となっている。特に、トレンチ充
填材料１６４に関しては、１つのレンズから他のレンズ
へ光線が横切るのを防止するために、タングステン、チ
タン、タンタル、およびこれらの金属のシリサイド（珪
素化合物）からなるグループから選択されるのが好適で
ある不透明材料を使用することが可能である。

【００３８】特定の実施の形態を参照して本発明が詳細
に説明されたが、当業者により本発明の範囲内における
種々の変形が可能であり、またこのような変形が自明の
範囲内にあることが解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術の撮像装置を示す部分断面図であ
る。

【図２】 上部スペーサ層および下部スペーサ層を有す
る従来技術の撮像装置を示す部分断面図である。

【図３】 本発明により、レンズアレイ内のそれぞれの
レンズの平坦な上面部が、レンズが形成されている基板
の上面部に対して同一平面上にあるように形成されたソ
リッドステート撮像装置を示す断面図である。

【図４】 本発明により、レンズアレイ内のそれぞれの
レンズの平坦な上面部が、レンズが形成されている基板
の上面部に対して同一平面上にあるように形成されたソ
リッドステート撮像装置を示す断面図である。

【図５】 本発明により、レンズアレイ内のそれぞれの
レンズの平坦な上面部が、レンズが形成されている基板
の上面部に対して同一平面上にあるように形成されたソ
リッドステート撮像装置を示す断面図および平面図であ
る。

【図６】 本発明により、レンズアレイ内のそれぞれの
レンズの平坦な上面部が、レンズが形成されている基板
の上面部に対して同一平面上にあるように形成されたソ
リッドステート撮像装置を示す断面図および平面図であ
る。

【図７】 本発明により、レンズの中央部近傍および周
囲部分における曲率が制御可能であるソリッドステート
撮像装置を示す断面図である。

【図８】 本発明により、レンズの中央部近傍および周
囲部分における曲率が制御可能であるソリッドステート
撮像装置を示す断面図である。

【図９】 本発明により、レンズが実質的にシルンダ状
に形成され、隣り合うレンズが実質的に接触するように
配置されているソリッドステート撮像装置を示す断面図
および平面図である。

【図１０】 本発明により、レンズが実質的にシルンダ
状に形成され、隣り合うレンズが実質的に接触するよう
に配置されているソリッドステート撮像装置を示す断面
図および斜視図である。

【図１１】 本発明により、レンズの形成を支援するた
めに、横方向に対するエッチング停止要素が使用されて
いるソリッドステート撮像装置を示す断面図である。

【図１２】 本発明により、レンズの形成を支援するた
めに、横方向に対するエッチング停止要素が使用されて
いるソリッドステート撮像装置を示す断面図および斜視
図である。

【符号の説明】

１０ 撮像用画素 １２ 半導体基板 １４ フォトダイオード １６ 電極 １８ 光線シールド ４０ 半導体部分 １００ 誘電層 １００ａ 光学的平坦面 １００ｂ 再研磨面 １１０ エッチング停止層 １１２ フォトレジスト層 １１４，１１４ａ，１１４ｂ 開口部 １１６ ブリッジセクション １１８ 中央部 １２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２２，１２２ａ，１２
２ｂ，１２２ｃ 凹部 １２４ 角度 １２８ 境界面 １３０ レンズ材料 １３０ａ レンズ面 １３２，１３２ｃ レンズ １５０ カラーフィルタアレイ １５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ カラーフィルタ要素 １５２ 有機材料層 １６０ エッチング停止要素 １６１ フォトレジスト １６２ トレンチ １６４ 充填材料

フロントページの続き (72)発明者 デヴィッド・ローレンス・ロッセ アメリカ合衆国・ニューヨーク・14450・ フェアポート・ウェスト・チャーチ・スト リート・100 (72)発明者 ロバート・リロイ・ニールセン アメリカ合衆国・ニューヨーク・14536・ ピッツフォード・コッパーウッズ・30

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）半導体基板を設ける工程と、 （ｂ）該半導体基板内に複数の離間された撮像用画素を
   形成する工程と、 （ｃ）該撮像用画素上に誘電層を付着させ、化学−機械
   的研磨を用いて前記誘電層を光学的に平坦にして、光学
   的平坦面を形成する工程と、 （ｄ）該光学的平坦面に、複数の凹部を形成する工程
   と、 （ｅ）前記光学的平坦面上にレンズ材料を均一に付着さ
   せて、前記凹部を完全に充填する工程と、 （ｆ）前記レンズ材料を成形する工程とを有することを
   特徴とする撮像装置の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の撮像装置製造方法におい
   て、 前記レンズ材料が、化学−機械的研磨を用いて、光学的
   に平坦に成形されることを特徴とする撮像装置製造方
   法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の撮像装置製造方法におい
   て、 前記誘電層に前記複数の凹部を形成する工程が、 （ａ）前記誘電層をエッチングすることなしに等方性の
   エッチングを実施することで、開口部を有するマスキン
   グ材料を形成し、これにより前記誘電層をマスクする工
   程と、 （ｂ）前記マスキング材料をエッチングすることなし
   に、第１の深さまで、前記誘電層に対して等方性エッチ
   ングを実施する工程と、 （ｃ）前記マスキング材料内の前記開口部のサイズを拡
   張するために、前記マスキング材料に対して等方性エッ
   チングを実施する工程と、 （ｄ）前記凹部が所定の形状を有するように形成される
   まで、この請求項における前記工程（ｂ）および前記工
   程（ｃ）を繰り返す工程と、 （ｅ）前記マスキング材料を完全に除去する工程とを有
   することを特徴とする撮像装置製造方法。
4. 【請求項４】 （ａ）半導体基板を設ける工程と、 （ｂ）該半導体基板内に複数の離間された撮像用画素を
   形成する工程と、 （ｃ）該撮像用画素上に誘電層を付着させ、化学−機械
   的研磨を用いて前記誘電層を光学的に平坦にして、光学
   的平坦面を形成する工程と、 （ｄ）レンズの形成が予定される位置と位置との間に、
   垂直方向に延びて細長い形状を有する複数のエッチング
   用トレンチを形成する工程と、 （ｅ）該トレンチをトレンチ用充填材料で充填する工程
   と、 （ｆ）垂直方向に延びる複数のエッチング停止要素を形
   成するために、前記光学的平坦面上の前記トレンチ用充
   填材料を除去する工程と、 （ｇ）前記光学的平坦面において、垂直方向に延びる前
   記エッチング停止要素間に、複数の凹部を形成する工程
   と、 （ｈ）前記凹部を完全に充填するように、レンズ材料を
   均一に付着させる工程と、 （ｉ）化学−機械的研磨を用いて、前記レンズ材料を光
   学的に平坦に成形する工程とを有することを特徴とする
   撮像装置の製造方法。