JPH11284162A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体撮像素子の薄型化を図り、集光率の向上
を図る。 【解決手段】 受光センサ部１２上に、受光センサ部１
２に凹部を有する層間膜２１を有し、層間膜２１上に、
受光センサ１２に対向する側が、層間膜の凹部２１ａを
埋め込んで、凹部２１ａの曲面により凸部２７ａが形成
されてなる複数のマイクロレンズ２７を有し、マイクロ
レンズの各々が複数種類の色のうち、いずれかの色を有
する有色マイクロレンズであるものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子、特
にカラー固体撮像素子に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子においては、その小
型化や画素の高密度化が進み、これに伴って、受光エリ
アが縮小され、感度低下などの特性の劣化を招いてい
る。感度低下の対策としては、マイクロレンズ、例えば
いわゆるオンチップレンズや、層内レンズを設け、受光
センサ部での集光効率を高めるといったことが提案され
ている。以下、従来における固体撮像素子の構造を説明
する。

【０００３】図６に、従来構造の固体撮像素子１００の
要部の概略断面図を示す。図６に示すように、基板１０
１上には、光電変換を行う多数の受光センサ部１０２
が、行および列状に配列形成されている。各共通の列上
の受光センサ部１０２に対し、電荷転送部１０４が形成
される。受光センサ部１０２で光電変換されて得られた
信号電荷は、電荷転送部１０４に読み出されて、列方向
に転送されるようになされている。

【０００４】基板１０１上には、絶縁膜（図示せず）が
積層され、この絶縁膜を介して、電荷転送部１０４のほ
ぼ直上位置に、転送電極１０７が形成されている。この
転送電極１０７上には、転送電極を覆った状態で、高融
点金属よりなる遮光膜１０９が形成されている。

【０００５】この遮光膜１０９上を覆って、例えばＢＰ
ＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）よりなる層間
膜１１１が形成されている。この層間膜１１１には、リ
フロー処理（熱軟化処理）することにより、転送電極１
０７間の受光センサ部１０２上に、凹部１１１ａが形成
される。これら凹部１１１ａは、所要の曲率を有する凹
面に調整される。

【０００６】層間膜１１１上には、層間膜の凹部１１１
ａを、例えば、プラズマ窒化シリコン等の層内レンズ材
で埋め込んで、この凹部１１１ａの曲面によって受光セ
ンサ部１０２に入射光を集光させるために必要な曲率の
凸部を有する層内レンズ１１４が形成されている。層内
レンズ１１４の上面は、公知のいわゆるレジストエッチ
バック法、あるいはＣＭＰ法（化学機械研磨法）によっ
て平坦化されている。

【０００７】平坦化された層内レンズ１１４の上には、
カラーフィルター層１１６が形成される。このカラーフ
ィルター層１１６は、色素が分散された樹脂等により公
知の方法で形成される。

【０００８】カラーフィルター層１１６上には、凸レン
ズ状のマイクロレンズ１１７が形成されている。このマ
イクロレンズ１１７は、入射光を層内レンズ１１４を介
して受光センサ部１１２に集光させるためのものであ
る。よって、この凸型のマイクロレンズ１１７の曲率
は、図６に示す固体撮像素子１００における受光センサ
部１０２からマイクロレンズ１１７までの距離に応じて
所望の値に選定する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
おいて示した構造の固体撮像素子１００においては、以
下に述べる不都合が生じる。すなわち、図６に示す層内
レンズ１１４を有する構造の固体撮像素子１００におい
ては、層内レンズ１１４と、カラーフィルター層１１６
とが、それぞれ設けられるため、受光センサ部１０２か
らマイクロレンズ１１７の形成面までの厚さが４〜５μ
ｍ以上程度になり、受光センサ部１０２からマイクロレ
ンズ１１７の形成面までの距離が大となる。

【００１０】このように、受光センサ部１０２からマイ
クロレンズ１１７までの距離が大となると、図７に示す
ように、カメラの撮像レンズの絞りを開いた場合のよう
に、マイクロレンズ１１７に対して斜めに入射する光が
増加した場合、図７中、破線Ｌ’で示すように、角度θ
傾いて入射した光がマイクロレンズ１１７により集光さ
れると、遮光膜１０９の開口の中心の集光が低下する。
すなわち、Ｆ値依存が悪化して、中心平行光に対する感
度は良好だが、絞り開放側での感度低下が顕著となる。
また、集光された光が、遮光膜１０９の開口端に近づく
ことにより、隣接の受光センサ部１０２や電荷転送部に
信号電荷を混入させて、いわゆるスミアを発生させる。

【００１１】本発明は、上記不都合を解消するため、受
光センサ部１０２からマイクロレンズ１１７までの距離
を小さく形成した構造の固体撮像素子を提供するもので
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子
は、基板上に光電変換を行う受光センサ部を有し、受光
センサ部上に、凹部を有する層間膜を有し、層間膜上
に、上面が凸面とされた複数のマイクロレンズを有し、
このマイクロレンズは、層間膜の凹部を埋め込んで、凹
部の曲面により凸部が形成されて成り、マイクロレンズ
の凸部の曲率は、受光センサ部に入射光を集光させるた
めに必要な曲率を有する凸面とされて成り、マイクロレ
ンズの各々が、複数種類の色のうち、いずれかの色を有
する有色マイクロレンズであるものとする。

【００１３】本発明の固体撮像素子は、従来の固体撮像
素子を構成する層内レンズと、カラーフィルターと、マ
イクロレンズを一体化した有色マイクロレンズを有する
ものである。本発明の固体撮像素子においては、有色マ
イクロレンズが、層内レンズ、カラーフィルター、およ
びマイクロレンズのそれぞれの機能を有する。また、本
発明の固体撮像素子を作製する場合においては、層内レ
ンズと、カラーフィルターと、マイクロレンズが一体化
された有色マイクロレンズを作製するのみで足り、これ
らを個別に作製する必要がなくなる。また、本発明の固
体撮像素子の構造によれば、有色マイクロレンズが、層
内レンズ、カラーフィルター、およびマイクロレンズの
役割を兼ねていることから、これら層内レンズ、カラー
フィルター、およびマイクロレンズを別個に設ける必要
がなくなり、これにより受光センサ部からマイクロレン
ズまでの距離が小さくなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の固体撮像素子は、基板上
に光電変換を行う受光センサ部を有し、受光センサ部上
に、受光センサ部に凹部を有する層間膜を有し、層間膜
上に複数のマイクロレンズを有し、マイクロレンズの、
受光センサに対向する側が、層間膜の凹部を埋め込ん
で、凹部の曲面により受光センサ部に入射光を集光させ
るために必要な曲率を有する凸部が形成されて成り、マ
イクロレンズの各々が複数種類の色のうち、いずれかの
色を有する有色マイクロレンズであるものとする。

【００１５】以下、本発明の固体撮像素子の一例につい
て図を参照して説明するが、本発明は、以下の例に限定
されるものではない。図１に、本発明の固体撮像素子１
０の一例の要部の概略断面図を示す。図１に示すよう
に、例えば、シリコン基板１１上には、光電変換を行う
多数の受光センサ部１２が、行および列状に配列形成さ
れている。各共通の列上の受光センサ部１２に対し、そ
の一方の側には、電荷転送部１４が形成される。受光セ
ンサ部１２で光電変換されて得られた信号電荷は、上記
一方の電荷転送部１４に読み出されて、列方向の転送さ
れるようになされる。

【００１６】電荷転送部１４のほぼ直上位置に、例えば
ポリシリコンからなる転送電極１７が形成されており、
さらに転送電極１７とは一部が重なり合う状態で他の転
送電極が形成される。

【００１７】この転送電極１７上には、転送電極を覆
い、受光センサ部１２上に、受光窓１２ａが穿設された
高融点金属よりなる遮光膜１９が形成される。

【００１８】遮光膜１９上を覆って、全面的に例えばＢ
ＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）よりなる層
間膜２１が形成される。この層間膜２１は、リフロー処
理（熱軟化処理）を施すことにより、転送電極１７間の
受光センサ部１２上に凹部２１ａが形成される。この凹
部２１ａは、所要の曲率に調整される。

【００１９】層間膜２１上には、例えば、プラズマ窒化
シリコン等により、パッシベーション膜２２が形成され
る。

【００２０】このパッシベーション膜２２上には、マイ
クロレンズ２７が形成されている。このマイクロレンズ
２７は、受光センサ１２に対向する側が、層間膜２１の
凹部２１ａを埋め込んで、この凹部２１ａの曲面により
凸部２７ａが形成されて成る。このマイクロレンズ２７
の凸部２７ａは、入射光を受光センサ部１２に集光させ
るために必要な曲率を有する凸面とされて成る。また、
マイクロレンズ２７の各々が、複数種類の色のうち、い
ずれかの色を有する有色マイクロレンズとされる。

【００２１】このマイクロレンズ２７の表面には、低反
射膜２８がコーティングされる。この低反射膜２８によ
り、マイクロレンズ２７表面での入射光の反射が低減さ
れ、入射光を効率良く素子の中に取り込むことができる
ようになされる。

【００２２】図１に示した本発明の一例の固体撮像素子
は、以下のようにして作製することができる。すなわ
ち、先ず、従来公知の方法により、シリコン基板１１上
に、受光センサ部１２、電荷転送部１４、転送電極１７
をそれぞれ形成し、次に、転送電極１７を覆って層間絶
縁膜（図示せず）を形成し、その後、例えばタングステ
ン（Ｗ）等の高融点金属を被着させて遮光膜１９を形成
する。この遮光膜１９には、受光センサ部１２上に、受
光窓１２ａを穿設する。

【００２３】次に、例えばＢＰＳＧを用いて、これを例
えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）法により、遮光膜１９を覆って全面的に
層間膜２１を形成する。次に、この層間膜２１を所定の
条件、例えば７００℃〜８００℃程度に熱軟化処理（リ
フロー処理）して、層間膜２１の凹部２１ａを形成する
が、この凹部２１ａの中心は、遮光膜１９の開口部にあ
る受光センサ部１２の中心と一致するように形成する。
また、この凹部２１ａ上には、最終的に有色のマイクロ
レンズ２７が形成されるが、このマイクロレンズは、凹
部２１ａを埋め込んでこの凹部２１ａの曲面により凸部
を形成するようにするものであり、このマイクロレンズ
２７が、従来の固体撮像素子の層内レンズとしての役割
も兼ねるようにすることから、層間膜２１の凹部２１ａ
の曲率は、入射光を受光素子に集光するために必要な曲
率を有するように形成する。

【００２４】層間膜２１上には、例えばＳｉＮ膜やＳｉ
ＯＮ膜によるパッシベーション膜２２を、例えばプラズ
マＣＶＤ法により成膜する。このパッシベーション膜２
２は、下層の層間膜２１に上層からイオンが混入するこ
とを防止する役割を有する。

【００２５】次に、図２に示すように、例えば、ポリビ
ニルアルコールに合成染料を含有させた材料や、顔料を
分散させた材料により、パッシベーション２２上に、例
えばレッド、グリーン、ブルーの三原色のカラーフィル
ター層３０を形成する。

【００２６】その後、このカラーフィルター層３０上
に、フォトレジストを塗布し、その表面を平坦化させて
フォトレジスト層３１を形成する。

【００２７】次に、図３に示すように、フォトレジスト
層３１を露光し、その後現像処理することにより所要の
パターンに形成する。すなわち、フォトレジスト層３１
の内、遮光膜１９の開口部分にあるものを残したパター
ンに形成する。

【００２８】次に、図４に示すように、フォトレジスト
層３１を熱軟化処理（リフロー処理）することにより、
その表面を所要の曲率を有する球面にし、レンズ型形成
層３１ａを形成する。このため、予めフォトレジスト層
３１の材料の融点が、カラーフィルター層３０の材料の
融点よりも低い材料を選定するものとし、フォトレジス
ト層３１をカラーフィルター層３０の材料の融点よりも
低い温度で加熱処理する。溶融したフォトレジスト層３
１は表面張力によりその表面が球状になり、レンズ型形
成層３１ａを得ることができる。

【００２９】次に、表面が球状のレンズ型形成層３１ａ
をマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ
Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の等方性エッチングを行い、レンズ
型形成層３１ａ、カラーフィルター層３０をエッチング
して、図１に示すように、各カラーフィルターを凸レン
ズ状に成形する。そして、この凸レンズ状のカラーフィ
ルターは、最終的に得られる固体撮像素子１０における
マイクロレンズ２７を構成する。

【００３０】次に、マイクロレンズ２７の表面に、マイ
クロレンズ２７表面での入射光の反射を低減することの
できる低反射膜２８をコーティングし、最終的に目的と
する固体撮像素子１０を作製することができる。

【００３１】このようにして得られた固体撮像素子１０
にあっては、マイクロレンズ２７の上部の凸面で集光さ
れ、さらにマイクロレンズ２７の下部、すなわち、受光
センサ部１２に対向する側の凸部２７ａで再度集光され
た光が、遮光膜１９の開口部内に入射し、受光センサ部
１２に至り、ここで光電変換がなされる。

【００３２】本発明の固体撮像素子によれば、有色マイ
クロレンズ２７が、図６を参照して説明した従来構造の
固体撮像素子１００の層内レンズ１１４とカラーフィル
ター１１６と、マイクロレンズ１１７の機能を有する。

【００３３】本発明の固体撮像素子は、層内レンズとカ
ラーフィルターと、マイクロレンズをそれぞれ別個に形
成することなく、有色マイクロレンズを形成するのみで
足りるため、受光センサ部から、マイクロレンズの底面
までの距離を小さく形成することができる。また、この
ように受光センサ部から、マイクロレンズまでの距離を
小さく形成したことにより、図５に示すように、カメラ
の撮像レンズの絞りを開いた場合のように、マイクロレ
ンズ２７に対して斜めに入射する光が増加しても、図５
中の破線で示すように、マイクロレンズ２７により集光
された光は、遮光膜１９の開口の中心からずれた場合に
おいても、受光センサ部１２へ集光し、従来構造の固体
撮像素子に比べて集光率が向上が図られる。すなわち、
絞り開放側においても感度の低下を低減することができ
る。また、集光されて光が、隣接の受光センサ部１２や
電荷転送領域（図示せず）に信号電荷を混入させること
を回避することができるため、いわゆるスミアの発生を
防止することができる。

【００３４】上述した実施例においては、カラーフィル
ター層３０上に形成したフォトレジスト層３１を加熱処
理することによりその表面を球状形状を形成したが、本
発明はこの例に限定されるものではない。すなわち、フ
ォトレジスト層３０を溶液によって部分的に溶解し、そ
の表面に球状形状を形成する、いわゆる化学的処理を行
う場合についても同様に適用することができる。

【００３５】また、上述した実施例においては、層間膜
２１をＢＰＳＧにより形成するものとしたが、本発明は
この例に限定されるものではなく、ＰＳＧ等、層間膜２
１を熱軟化処理（リフロー処理）することによって、所
要の曲率を有する凹部２１ａを形成することができる材
料であれば、従来公知の材料を適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の固体撮像素子によれば、層内レ
ンズと、カラーフィルターと、マイクロレンズの機能を
有し、これらが一体化された有色マイクロレンズを形成
した構造としたため、受光センサ部からマイクロレンズ
までの距離を小さくすることができた。これにより、カ
メラの撮像レンズの絞りを開いた状態のように、マイク
ロレンズに対して斜めに入射する光が増加した場合にお
いても、マイクロレンズにより集光された光は、遮光膜
の開口の中心からずれることがなく、集光率の低下を効
果的に回避することができた。

【００３７】また、本発明の固体撮像素子は、層内レン
ズと、カラーフィルターと、マイクロレンズが一体化さ
れた有色マイクロレンズを形成するのみで、これら層内
レンズと、カラーフィルターと、マイクロレンズを別個
に形成しないものとしたため、固体撮像素子の製造工程
を簡略化することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の概略断面図を示す。

【図２】本発明の固体撮像素子の作製工程図を示す。

【図３】本発明の固体撮像素子の作製工程図を示す。

【図４】本発明の固体撮像素子の作製工程図を示す。

【図５】本発明の固体撮像素子によるレンズの入射光の
集光を状態を示す図である。

【図６】従来の固体撮像素子の概略断面図を示す。

【図７】従来の構造の固体撮像素子における入射光の集
光の状態を示す。

【符号の説明】

１０，１００…固体撮像素子、１１，１０１…基板、１
２，１０２…受光センサ部、１２ａ…受光窓、１４，１
０４…電荷転送部、１７，１０７…転送電極、１９，１
０９…遮光膜、２１，１１１…層間膜、２１ａ，１１１
ａ…凹部、２２…パッシベーション膜、１１４…層内レ
ンズ、１１６…カラーフィルター層、２７，１１７…マ
イクロレンズ、２７ａ…凸部、２８…低反射膜、３０…
カラーフィルター層、３１…フォトレジスト層、３１ａ
…レンズ型形成層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、光電変換を行う受光センサ部
   を有する固体撮像素子であって、 上記受光センサ部上に、凹部を有する層間膜を有し、 上記層間膜上に上面が凸面とされた複数のマイクロレン
   ズを有し、 上記マイクロレンズの、受光センサに対向する側が、上
   記層間膜の凹部を埋め込んで、該凹部の曲面により、上
   記受光センサ部に入射光を集光させるために必要な曲率
   を有する凸面とされ、 上記マイクロレンズの各々が複数種類の色のうち、いず
   れかの色を有する有色マイクロレンズであることを特徴
   とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 上記マイクロレンズに低反射膜がコーテ
   ィングされていることを特徴とする請求項１に記載の固
   体撮像素子。