(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ特性を向上することができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】複数の光電変換素子１７が２次元的に配置された半導体基板１６と、各光電変換素子１７と対向可能な位置で半導体基板１６上に形成された複数のカラーフィルタ平坦部１３と、上記各カラーフィルタ平坦部１３の上に形成され、カラーフィルタ平坦部１３とは反対側の表面がレンズ形状の複数のカラーフィルタレンズ部１４と、を備える。カラーフィルタ平坦部１３の厚さを平坦部高さＡとし、カラーフィルタレンズ部１４における、カラーフィルタ平坦部側の面からレンズ形状の頂部までの厚さ方向の距離をレンズ部高さＢとしたとき、平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和に対するレンズ部高さＢの比率が０．５以上１未満である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換素子が２次元的に配置された半導体基板と、上記各光電変換素子と対向可能な位置で上記半導体基板上に形成された複数のカラーフィルタ平坦部と、上記各カラーフィルタ平坦部の上に形成され、上記カラーフィルタ平坦部とは反対側の表面がレンズ形状の複数のカラーフィルタレンズ部と、を備えて複数の画素が２次元的に配置された固体撮像装置であって、
上記カラーフィルタ平坦部の厚さを平坦部高さとし、上記カラーフィルタレンズ部における、上記カラーフィルタ平坦部側の面から上記レンズ形状の頂部までの厚さ方向の距離をレンズ部高さとしたとき、
上記平坦部高さと上記レンズ部高さの和に対する上記レンズ部高さの比率が、０．５以上１未満であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
上記平坦部高さと上記レンズ部高さの和が５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
上記各画素の幅が０．６μｍ以上である、請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置上部に形成されるカラーフィルタに特徴を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラや携帯電話カメラなどでは、被写体の撮影において固体撮像装置を用いるものが主流となっている。主な固体撮像装置として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどが存在する。特に、ＣＭＯＳイメージセンサは、微細化技術を取り入れることで目覚ましい発展を遂げている。
【０００３】
一般に、固体撮像装置は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が、例えば格子状に、２次元的に配列されて、各光電変換素子が画素毎に配置される。その光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精細になる。
各画素には、入射する光の経路に特定の波長の光を透過させる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する。一般に、１画素毎に対応して特定の色のカラーフィルタを配置することで、カラーフィルタを規則的に多数配列し、色分解した画像情報を得ることができる構成となる。カラーフィルタの色としては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
【０００４】
また、画素へ入射する光を効率的に光電変換素子へと集光させるために、カラーフィルタ上に、画素ごとにマイクロレンズを配置する構成が開示されている（特許文献１参照）。
また、マイクロレンズとカラーフィルタが一体化した構成が開示されている（特許文献２参照）。開示されている構成は、隣接する画素のカラーフィルタ同士が側面において隙間なく接することにより、混色を緩和する効果があるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１２２１９３号公報
【特許文献２】特許第４７１０６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載の構成は、カラーフィルタをレンズ形状としていることから、画素の対角方向の端部におけるカラーフィルタが薄膜化することに起因する、Ｓ／Ｎ特性や画質特性の劣化が生じる。
本発明は、マイクロレンズとカラーフィルタが一体化した構造において、画素内の位置によってカラーフィルタの厚みが異なることに起因するＳ／Ｎ特性の劣化を改善することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者の鋭意検討の結果から、微細な画素を有する固体撮像装置において、マイクロレンズとカラーフィルタが一体化した構造であって、カラーフィルタの光電変換素子と反対側の面がレンズ形状である場合に、カラーフィルタの高さに対するレンズ形状部の高さの比率を調整することで、顕著な画素のＳ／Ｎ特性の顕著な向上を実現できるということを見出した。
【０００８】
課題を解決するために、本発明の一態様は、複数の光電変換素子が２次元的に配置された半導体基板と、上記各光電変換素子と対向可能な位置で上記半導体基板上に形成された複数のカラーフィルタ平坦部と、上記各カラーフィルタ平坦部の上に形成され、上記カラーフィルタ平坦部とは反対側の表面がレンズ形状の複数のカラーフィルタレンズ部と、を備えて複数の画素が２次元的に配置された固体撮像装置であって、上記カラーフィルタ平坦部の厚さを平坦部高さとし、上記カラーフィルタレンズ部における、上記カラーフィルタ平坦部側の面から上記レンズ形状の頂部までの厚さ方向の距離をレンズ部高さとしたとき、上記平坦部高さと上記レンズ部高さの和に対する上記レンズ部高さの比率が、０．５以上１未満であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の態様によれば、マイクロレンズとカラーフィルタが一体化した構造を採用しても、撮影した画像のＳ／Ｎ特性を向上した固体撮像装置を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に基づいた固体撮像装置の部分概略を示す上面図である。
【図２】図１の点線I−IIに沿った固体撮像装置の断面図である。
【図３】図１の点線III−IVに沿った固体撮像装置の断面図である。
【図４】本発明の実施形態の固体撮像装置において、カラーフィルタ下地部の有無による入射光の伝搬経路の差を示した模式断面図である。
【図５】本発明の実施形態に基づいた固体撮像装置において、実施例における構造を概略的に示す図である。
【図６】高さＡとレンズ部高さＢの和を５００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す図である。
【図７】高さＡとレンズ部高さＢの和を６００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す図である。
【図８】高さＡとレンズ部高さＢの和を７００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す図である。
【図９】高さＡとレンズ部高さＢの和を８００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態における固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の固体撮像装置では、図１に示すように、緑色画素１１Ｇの数と赤色画素１１Ｒの数と青色画素１１Ｂの数の比率が２：１：１となるベイヤー配列にしたがって、４画素を１単位とした配列が周期的に並んでいる。赤色画素１１Ｒは、赤色波長光の強度を検出する画素であり、緑色画素１１Ｇは、緑色波長光の強度を検出する画素であり、青色画素１１Ｂは、青色波長光の強度を検出する画素である。
平面視において、各カラーフィルタ１２の領域が、各画素の領域に一致する。
【００１２】
図２は、図１の点線I−IIに沿った固体撮像装置１０の断面図である。
図２に示すように、固体撮像装置１０において、半導体基板１６の内部には、入射した光を電荷へと変換する作用を持つ複数の光電変換素子１７が設けられている。光電変換素子１７は、図１に示す画素１１毎に設けられ、複数の光電変換素子が２次元的に配置される。
半導体基板１６は、例えば、シリコンで構成される。光電変換素子１７は、例えば、リンなどの元素を半導体基板１６に添加することで形成される。
【００１３】
平面視における各画素の領域は、平面視における光電変換素子１７の幾何中心と一致する重心を有し、かつ隣接する光電変換素子１７同士を結ぶ方向に辺を有する正方形により定義する。また、各画素の一辺の長さを画素の幅と定義する。
半導体基板１６の上には、平坦化層１５が形成される。平坦化層１５は、例えば、シリコン酸化膜などから形成される。また、入射光の反射を低減するために、平坦化層１５と半導体基板との界面には、反射防止膜を、金属酸化物で形成してもよい。
【００１４】
平坦化層１５の上にカラーフィルタ１２が形成される。カラーフィルタ１２は、カラーフィルタ平坦部１３とカラーフィルタレンズ部１４から構成され、この順に、平坦化層１５の上に形成される。カラーフィルタレンズ部１４は、カラーフィルタ平坦部１３とは反対側の表面がレンズ形状となっている。
図２に示すように、カラーフィルタ平坦部１３の厚さ（膜厚）である平坦部高さＡは、例えば、平坦化層１５と接する面から、カラーフィルタレンズ部１４の最底部と接する面までの高さとして定義する。カラーフィルタレンズ部１４のレンズ部高さＢは、例えば、厚さ方向において、カラーフィルタ平坦部１３と接する最底部の面からカラーフィルタレンズ部１４のレンズ形状の頂部までの高さとして定義する。
【００１５】
図３に示すように、カラーフィルタレンズ部１４の側面高さＣは、カラーフィルタ平坦部１３と接する面から、カラーフィルタ平坦部１３と接する面と反対側の表面の最底部までの高さとして定義する。例えば、側面高さＣは、カラーフィルタレンズ部１４における、隣り合うカラーフィルタレンズ部１４との境界位置での、カラーフィルタ平坦部１３からの高さの最低値である。カラーフィルタレンズ部１４の側面高さＣは、カラーフィルタレンズ部１４のレンズ部高さＢよりも低くなる。
カラーフィルタ１２は、例えば、緑色、青色、赤色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ感光性を有する有機材料により構成される。カラーフィルタレンズ部１４は、レンズ母型をマスクとして用いたドライエッチングによりレンズ母型の形状をカラーフィルタ１２に形状転写することにより形成される。また、入射光の反射を低減するために、カラーフィルタレンズ部１４の上部には、反射防止膜を、例えば、シリコン酸化膜などで形成してもよい。
【００１６】
次に、本発明の実施形態における構造により画質特性の向上が実現できる理由を述べる。
図４は、固体撮像装置１０に対して画素に垂直な方向から光が入射した場合における、画素の対角方向の端部への入射光Ｌの挙動を示したものである。
図４（ａ）は、カラーフィルタ平坦部１３を有する構成であり、図４（ｂ）は、カラーフィルタ平坦部１３を有さず、平坦化層１５の上部にカラーフィルタレンズ部１４が形成された場合の構成である。
【００１７】
図４（ｂ）に示すカラーフィルタ平坦部１３を有さない場合において、画素の対角方向の端部への入射光Ｌがカラーフィルタ１２内を通過する光学的距離が、図４（ａ）に示すカラーフィルタ平坦部１３を有する場合における入射光Ｌの光学的距離に対して短くなる。このため、カラーフィルタ平坦部１３を有さない場合に、画素が検出対象とする波長域以外の波長の光が入射した際に、画素の対角方向端部へ入射した光がカラーフィルタ内部を通過する光学的距離が短いために光吸収量が低下し、検出対象の波長域以外の入射光の検出強度が増大することによる混色が増大する。このため、画素のＳ／Ｎ比が劣化し、結果的に画質特性の劣化を引き起こす。
【００１８】
一方、カラーフィルタレンズ部１４のレンズ部高さＢとカラーフィルタ平坦部１３の平坦部高さＡとの和に対する、カラーフィルタレンズ部１４のレンズ部高さＢの比率が、ある値よりも低くなると、カラーフィルタレンズ部による十分な集光がなされないために受光感度が低下することで画素のＳ／Ｎ比が劣化し、結果的に画質特性の劣化を引き起こす。
上記理由により、カラーフィルタ平坦部１３を有する構成とすることにより、画質特性を向上させることが可能となる。
【００１９】
本実施形態では、平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和に対する、レンズ部高さＢの比率（Ｂ／（Ａ＋Ｂ））が０．５以上１未満となっている。
上記比率が、０．５よりも低い場合には、カラーフィルタレンズ部による十分な集光がなされないために受光感度が低下することで画素のＳ／Ｎ比が劣化し、結果的に画質特性の劣化を引き起こす（後述の実施例参照）。  平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和は５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下が好ましい。
【００２０】
その理由は、まず平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和が上記範囲より低い場合、各カラーフィルタの選択波長域外の波長を有する入射光の透過率が増加することで、各カラーフィルタの波長選択性が悪化し、画素のＳ／Ｎ比が劣化するためである。また各カラーフィルタは選択波長域の波長の光を僅かに吸収する性質を持つため、平坦部高さＡとレンズ部高さＢの和が上記範囲より高い場合、各カラーフィルタの選択波長域の波長を有する入射光に対する各カラーフィルタの透過率の低下を引き起こし、各画素の光電変換素子へと到達する光量が減少することで、画素の受光感度が低下し、画素のＳ／Ｎ比が劣化するためである。
【００２１】
また、各画素の水平方向における幅が０．６μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。
その理由は、各画素の幅が０．６μｍよりも狭くなると、ある画素へ入射した光に占める隣接画素へと向かう入射光の割合が増加し、画素のＳ／Ｎ比の劣化が顕著になるためである。また、各画素の幅が３．０μｍよりも広くなると、カラーフィルタレンズ部による十分な集光がなされないために受光感度が低下することで、画素のＳ／Ｎ比の劣化が顕著になるためである。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明の固体撮像装置の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。
シミュレーションは、電磁場解析手法の一種である時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて実施した。以下に、シミュレーションの条件を示す。
シミュレーションに使用した固体撮像装置１０の構造を図５に示す。
上面図である図５（ａ）において、赤色画素１１Ｒ、緑色画素１１Ｇ、青色画素１１Ｂ、それぞれの幅はＸ軸方向とＹ軸方向ともに０．９μｍとした。赤色カラーフィルタ平坦部１３Ｒ及び赤色カラーフィルタレンズ部１４Ｒは、いずれも赤色波長光を透過するカラーフィルタ１２であって、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。緑色カラーフィルタ平坦部１３Ｇと緑色カラーフィルタレンズ部１４Ｇは、いずれも緑色波長光を透過するカラーフィルタ１２であって、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。カラーフィルタ平坦部１３Ｂ及びカラーフィルタレンズ部１４Ｂは、いずれも青色波長光を透過するカラーフィルタ１２であって、Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さを０．９μｍとした。平坦化層１５は、Ｚ軸方向の高さを０．１μｍ、屈折率を１．６、消衰係数を０とした。半導体基板１６は、Ｘ方向の長さ及びＹ方向の長さを１．８μｍ、Ｚ軸方向の高さを３μｍとした。入射光は平行光とし、電場の振動方向はＸ軸方向とした。
【００２３】
上記カラーフィルタ１３Ｒの屈折率及び消衰係数は、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー、を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に０．６μｍの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値を用いた。
【００２４】
上記カラーフィルタ１３Ｇの屈折率及び消衰係数は、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に０．６μｍの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値を用いた。
上記カラーフィルタ１３Ｂの屈折率及び消衰係数は、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３、を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に０．６μｍの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて測定した値を用いた。
【００２５】
カラーフィルタ平坦部１３Ｒとカラーフィルタ平坦部１３Ｇとカラーフィルタ平坦部１３Ｂは、いずれも同一の高さＡとした。カラーフィルタレンズ部１４Ｒとカラーフィルタレンズ部１４Ｇとカラーフィルタレンズ部１４Ｂは、いずれも同一のレンズ部高さＢとした。
入射光は平行光とし、電場の振動方向はＸ軸方向とした。入射光の波長は、単一波長とし、１水準あたり４００ｎｍから７００ｎｍまで１０ｎｍ刻みで３１条件を実施した。
【００２６】
上記の条件でシミュレーションを実施し、各画素における半導体基板１６の表面から深さ３μｍまでにおいて吸収される光強度を計算した。受光感度として、１画素に入射する光パワーの強度に対する、各画素における半導体基板１６の表面から深さ３μｍまでにおいて吸収される光パワーの強度の割合として算出した。
画質の性能指標として、ＳＮＲ１０を用いた。これは、携帯電話カメラ向けの固体撮像装置における色補正処理等を行った後の画質の指標として用いられるものである。
本実施例では、Ｆ値を１．８とした場合において、各画素の受光感度を量子効率とみなし、各水準のシミュレーション結果から計算した分光感度特性からＳＮＲ１０を算出した。ＳＮＲ１０値は照度（ｌｕｘ）の単位を有し、低い数値であることが好ましい。
【００２７】
図６に、高さＡとレンズ部高さＢの和を５００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す。
図７に、高さＡとレンズ部高さＢの和を６００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す。
図８に、高さＡとレンズ部高さＢの和を７００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す。
図９に、高さＡとレンズ部高さＢの和を８００ｎｍとした場合における、比率Ｒに対するＳＮＲ１０の特性を示す。
【００２８】
図７〜図９の結果から分かるように、カラーフィルタ平坦部１３の高さＡとカラーフィルタレンズ部１４のレンズ部高さＢとの和に対するカラーフィルタレンズ部１４Ｂの比率Ｒが、０．５以上１未満の範囲では、カラーフィルタ平坦部１３を有さない構成と同一の構成となる比率Ｒが１の場合に対して、ＳＮＲ１０の値が低いことが分かる。
以上の実施例の結果から、カラーフィルタ平坦部１３の高さＡとカラーフィルタレンズ部１４のレンズ部高さＢとの和に対するカラーフィルタレンズ部１４Ｂの比率Ｒが、０．５以上１未満の範囲にある構成とすることで、カラーフィルタ平坦部１３を有さない構成に比べて画質特性の向上に効果があることを確認した。
【符号の説明】
【００２９】
１０              固体撮像装置
１１              画素
１１Ｂ            青色画素
１１Ｇ            緑色画素
１１Ｒ            赤色画素
１２              カラーフィルタ
１３              カラーフィルタ平坦部
１３Ｂ            青色カラーフィルタ平坦部
１３Ｇ            緑色カラーフィルタ平坦部
１３Ｒ            赤色カラーフィルタ平坦部
１４              カラーフィルタレンズ部
１４Ｂ            青色カラーフィルタレンズ部
１４Ｇ            緑色カラーフィルタレンズ部
１４Ｒ            赤色カラーフィルタレンズ部
１５              平坦化層
１６              半導体基板
１７              光電変換素子
Ａ                カラーフィルタ平坦部の高さ
Ｂ                カラーフィルタレンズ部の高さ
Ｃ                カラーフィルタレンズ部の側面高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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