(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表層部に縦横に配列した状態に設けられて光電変換をなす多数の受光センサ部と、該受光センサ部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記基体上の、前記電荷転送部の略直上位置に絶縁膜を介して設けられた転送電極とを備え、前記転送電極を覆って平坦化層が設けられてなる固体撮像素子において、
前記平坦化層上に、前記受光センサ部の縦または横の列の一方に沿って該受光センサ部の受光部を覆う状態で設けられたレンズ材のパターンを蒲鉾状あるいは略半円柱状に形成してなる第１ストライプオンチップレンズと、
該第１ストライプオンチップレンズ上に、前記受光センサ部の縦または横の列の他方に沿って該受光センサ部の受光部を覆う状態で蒲鉾状あるいは略半円柱状に形成してなる第２ストライプオンチップレンズとを備え、
前記第２ストライプオンチップレンズは前記第１ストライプオンチップレンズ上に直接形成されてなり、該第２ストライプオンチップレンズは該第１ストライプオンチップレンズより小さい屈折率を有してなることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光センサ部への集光効率を高め、感度特性の向上を図った固体撮像素子に関する。
【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一層進み、これに伴って受光エリアが縮小され、感度低下やスミアの増加などの特性劣化を招いている。
感度低下の対策としては、例えば各単位画素上にそれぞれオンチップレンズ（ＯＣＬ）を設け、素子に入射する光を有効利用して受光センサ部での集光効率を高めるといったことがなされている。
【０００３】
このようなオンチップレンズの作製方法としては、通常、図４（ａ）に示すように固体撮像素子の各構成要素を形成した基板１に平坦化層２、カラーフィルタ３を形成し、さらにカラーフィルタ３上に樹脂等からなるレンズ材を塗布する。そして、このレンズ材を、基板１に形成した各画素毎に島状にパターニングし、レンズパターン４を形成する。
その後、１５０〜２００℃で加熱して熱的リフロー処理を施すことにより、図４（ｂ）に示すように凸形状のオンチップレンズ５を得る。
【０００４】
ところで、固体撮像素子においては、単位画素の縦横比が撮像素子のタイプ毎で大きく変わる。そして、このように単位画素の縦横比が変わると、この縦横比に合わせて前記のレンズパターン４の縦横比も変わることから、結果的に得られるオンチップレンズ５の形状も撮像素子のタイプ毎に変わることになる。
しかして、オンチップレンズ５はもともと受光センサ部での集光効率を高めるために形成されるものであるから、撮像素子のタイプ毎でその集光を最適化するべく、単位画素の縦横比とは別にオンチップレンズ５の形状を変える必要がある。なお、オンチップレンズ５の曲率については、レンズ材の塗布膜厚、島状に分離されたレンズパターン４の体積及びその形状、さらにリフロー処理の際のリフロー温度を適宜選択することにより、所望する形に変えることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常固体撮像素子は図５（ａ）中二点鎖線で示すようにその単位画素Ｕが正方形であり、したがってこの単位画素Ｕ内に転送電極６が配置されることなどから受光センサ部の開口部（受光部）７は長方形となる。したがって、形成されるオンチップレンズ５の底面を図５（ｂ）に示すように円形状としたり、図５（ｃ）に示すように四隅が丸められた正方形状としたり、さらには楕円形状（図示略）とすると、単位画素Ｕの四隅にオンチップレンズ５が形成されていない領域が発生してしまい、結果としてこの領域が無効領域となり、十分に高い集光効率が得られなくなってしまう。
【０００６】
一方、オンチップレンズによる集光効率を高めるべく極力レンズの無効領域をなくそうとすると、図５（ｄ）に示すようにオンチップレンズ５の底面を単位画素Ｕの形状に合わせて正方形にする必要がある。
しかしながら、このように正方形の底面を有する凸レンズを形成するのは、前述したようにレンズパターン４をリフロー処理して凸レンズ形状にする現状の技術では困難であり、その四隅が丸められて図５（ｃ）に示したような形状となってしまったり、入射した光を確実に受光センサ部の開口部７に導ける最適形状とならなくなったりしてしまう。
【０００７】
そして、図５（ｃ）に示したように四隅が丸められると、前述したように単位画素Ｕの四隅が無効領域になってしまい、また最適形状にならなくなると、特にオンチップレンズの四隅に入射した光が受光センサ部の開口部７の端部に入射し易くなり、反射して再度オンチップレンズの方に向かったり、場合によってはスミア成分となって特性の悪化を招いてしまう。
【０００８】
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、単位画素の四隅にも無効領域を作らず、これにより単位画素のほぼ全域が集光のための有効領域となり、したがって集光効率が高められて感度特性が向上した、固体撮像素子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、基体の表層部に縦横に配列した状態に設けられて光電変換をなす多数の受光センサ部と、該受光センサ部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部と、前記基体上の、前記電荷転送部の略直上位置に絶縁膜を介して設けられた転送電極とを備え、前記転送電極を覆って平坦化層が設けられてなり、前記平坦化層上に、前記受光センサ部の縦または横の列の一方に沿って該受光センサ部の受光部を覆う状態で設けられたレンズ材のパターンを蒲鉾状あるいは略半円柱状に形成してなる第１ストライプオンチップレンズと、該第１ストライプオンチップレンズ上に、前記受光センサ部の縦または横の列の他方に沿って該受光センサ部の受光部を覆う状態で蒲鉾状あるいは略半円柱状に形成してなる第２ストライプオンチップレンズとを備え、前記第２ストライプオンチップレンズは前記第１ストライプオンチップレンズ上に直接形成されてなり、該第２ストライプオンチップレンズは該第１ストライプオンチップレンズより小さい屈折率を有してなることを前記課題の解決手段とした。
【００１０】
この固体撮像素子によれば、蒲鉾状あるいは略半円柱状の第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとが、それぞれ受光センサ部の縦列あるいは横列に沿って形成され、これによりこれら第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとは平面視した状態で互いに直交して配置されたものとなっているので、一方のレンズでＸ方向の集光が可能になり、他方のレンズでＹ方向の集光が可能になる。よって、これら第１、第２のストライプオンチップレンズが重なることにより、Ｘ方向、Ｙ方向の集光が可能になる。
また、これら第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとは、平面視した状態で重なっている部分が正方形あるいは長方形となり、この重なっている部分においてもＸ方向、Ｙ方向の集光が可能になっていることから、受光センサ部、さらにはこれを含む単位画素において、その四隅においても入射光を確実に受光センサ部に導くことが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の固体撮像素子の一実施形態例を示す図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において符号１０は固体撮像素子、符号１１はシリコン基板（基体）である。
【００１２】
シリコン基板１１には、図１（ａ）、（ｂ）に示すようにその表層部に縦横に配列した状態で多数の受光センサ部１２が形成されている。受光センサ部１２の一方の側には読み出し部（図示略）、電荷転送部（図示略）がこの順に形成され、他方の側にはチャネルストップ（図示略）が形成されている。そして、このような構成により受光センサ部１２で光電変換されて得られた信号電荷は、読み出し部を介して電荷転送部に読み出され、さらに該電荷転送部にて転送されるようになっている。
【００１３】
また、シリコン基板１１の表面部には、図１（ｂ）に示すように熱酸化法やＣＶＤ法等によって形成されたＳｉＯ2からなる絶縁膜１３が設けられている。
絶縁膜１３の上には、電荷転送部（図示略）の略直上位置にポリシリコンからなる第１の垂直転送電極１４が形成されている。また、絶縁膜１３上には、第１の垂直転送電極１４を覆ってＳｉＯ2からなる層間絶縁膜１５が形成されている。
【００１４】
層間絶縁膜１５の上には、図１（ｃ）に示すように第２の垂直転送電極１６が形成され、該層間絶縁膜１５の上には、第２の垂直転送電極１６を覆って別の層間絶縁膜１７が形成され、この層間絶縁膜１７の上には、遮光膜１８が形成されている。遮光膜１８は、受光センサ部１２の直上部の一部を開口して形成されたもので、アルミニウムやアルミニウム合金、さらにはＴｉやＷ等の高融点金属からなるものである。
【００１５】
層間絶縁膜１７上には、遮光膜１８を覆って平坦化層１９が形成されている。この平坦化層１９は、ＣＶＤ法等によりＮＳＧ（シリケートガラス）やＰＳＧ（リンシリケートガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケートガラス）が堆積されて形成されたもので、層間絶縁膜として機能するとともに、第１の垂直転送電極１４、第２の垂直転送電極１６によってシリコン基板１１上の絶縁膜１３上に形成された凹凸を少なくするためのものである。また、この平坦化層１９の上には、平坦化されてなるカラーフィルタ層（図示略）が形成されている。
【００１６】
平坦化層１９の上には、カラーフィルタ層を介して感光性樹脂等からなる第１ストライプオンチップレンズ２０が複数並列して形成されている。第１ストライプオンチップレンズ２０は、前記受光センサ部１２の縦または横の列の一方に沿って形成配置されたもので、この例では図１（ｂ）、（ｃ）に示すように第１、第２の垂直転送電極１４、１６の電荷転送方向と直交する方向に直線状に延びて形成されたものである。また、この第１ストライプオンチップレンズ２０は、蒲鉾状あるいは略半円柱状に形成されたもので、前記受光センサ部１２の各受光部、すなわち前記遮光膜１８の開口部を確実に覆い、さらには該受光センサ部１２を含む各単位画素のほぼ全域を覆った状態に形成されたものである。
【００１７】
また、平坦化層１９の上には、第１ストライプオンチップレンズ２０を覆ってＢＰＳＧ等からなる平坦化層２１が形成されており、さらにこの平坦化層２１の上には、図１（ｂ）、（ｃ）、図２に示すように前記第１ストライプオンチップレンズ２０に直交した状態で感光性樹脂等からなる第２ストライプオンチップレンズ２２が複数並列して形成されている。ここで、平坦化層２１は、当然のことながら第１ストライプオンチップレンズ２０より低い屈折率を有する材料によって形成されている。第２ストライプオンチップレンズ２２も、前記受光センサ部１２の縦または横の列の一方に沿って形成配置されたもので、この例では図１（ｂ）、（ｃ）に示すように第１、第２の垂直転送電極１４、１６の電荷転送方向と同じ方向に直線状に延びて形成されたものである。また、この第２ストライプオンチップレンズ２２も、蒲鉾状あるいは略半円柱状に形成されたもので、前記受光センサ部１２の各受光部、すなわち前記遮光膜１８の開口部を確実に覆い、さらには該受光センサ部１２を含む各単位画素Ｕのほぼ全域を覆った状態に形成されたものである。
【００１８】
このような構成からなる固体撮像素子１０を作製するには、平坦化層１９、さらにはカラーフィルタ層の形成までのプロセスについては従来と同じに行う。
そして、第１ストライプオンチップレンズ２０を形成するには、感光性樹脂等のレンズ材を予め設定された厚さでカラーフィルタ層の上に塗布し、さらにこれを、第１、第２の垂直転送電極１４、１６の電荷転送方向と直交する方向にストライプ状にパターニングする。ここで、このレンズ材からなるパターンについては、第１、第２の垂直転送電極１４、１６の電荷転送方向と直交する方向に配列された単位画素の幅になるべく近い幅となるように、すなわち各パターン間が露光の際の解像限界に近い幅で分離されるように形成する。
続いて、得られたストライプ状のパターンを１５０〜２００℃程度で加熱してリフロー処理を施すことにより、図３（ａ）の平面図で示すように蒲鉾状あるいは略半円柱状の第１ストライプオンチップレンズ２０を得る。
【００１９】
次いで、これら第１ストライプオンチップレンズ２０を覆った状態に平坦化層２１を形成する。ただし、この平坦化層２１の平坦化については、加熱によるリフロー処理を行うことによって第１ストライプオンチップレンズ２０の形状までも変化してしまう場合、エッチバック法を用いるのが望ましい。
このようにして平坦化層２１を形成したら、この平坦化層２１上に再度感光性樹脂等のレンズ材を予め設定された厚さでカラーフィルタ層の上に塗布し、さらにこれを、第１、第２の垂直転送電極１４、１６の電荷転送方向と同じ方向にストライプ状にパターニングする。なお、このレンズ材からなるパターンについても、先の第１ストライプオンチップレンズ２０形成の際のパターンと同様に、単位画素の幅になるべく近い幅となるように形成する。
続いて、得られたストライプ状のパターンを１５０〜２００℃程度で加熱してリフロー処理を施すことにより、図３（ｂ）の平面図で示すように蒲鉾状あるいは略半円柱状の第２ストライプオンチップレンズ２２を得る。
【００２０】
このようにして第１ストライプオンチップレンズ２０、第２ストライプオンチップレンズ２２を形成するので、それぞれの曲率についてはそのレンズ材のパターン幅等によって独立して設定し形成することができる。したがって、受光センサ部１２の受光部（遮光膜１８の開口部）が長方形である場合に、その縦方向に対応するレンズと横方向に対応するレンズとで曲率を変えることができ、これにより最適な集光条件を作ることができる。
【００２１】
このような構成の固体撮像素子１０にあっては、第１ストライプオンチップレンズ２０と第２ストライプオンチップレンズ２２とが平面視した状態で互いに直交して配置されているので、一方のレンズでＸ方向の集光を行うことができ、他方のレンズでＹ方向の集光を行うことができる。よって、これら第１、第２のストライプオンチップレンズ２０、２２が重なる受光センサ部１２の直上においては、Ｘ方向、Ｙ方向の集光を行うことができることから、入射した光を確実に受光センサ部１２に導くことができる。
【００２２】
また、これら第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとは、平面視した状態で重なっている部分が正方形あるいは長方形となり、この重なっている部分においてもＸ方向、Ｙ方向の集光が可能になっていることから、受光センサ部、さらにはこれを含む単位画素において、その四隅においても入射光を確実に受光センサ部に導くことでき、これにより一層集光効率を高めることができる。
しかも、受光センサ部１２の受光部（遮光膜１８の開口部）が長方形である場合でも、その縦方向に対応するストライプオンチップレンズと横方向に対応するストライプオンチップレンズとで曲率を変えることができることから、より最適な集光条件を容易に作ることができる。
【００２３】
なお、前記実施形態例では、第１ストライプオンチップレンズ２０上に平坦化層２１を形成し、その上に第２ストライプオンチップレンズ２２を形成するようにしたが、本発明はこれに限定されることなく、第２ストライプオンチップレンズ２２の屈折率が第１ストライプオンチップレンズ２０の屈折率より小さくなるようにそれぞれのレンズ材を選択すれば、これらの間に平坦化層２１を形成することなく、第１ストライプオンチップレンズ２０上に第２ストライプオンチップレンズ２２を直接形成することができる。
【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、蒲鉾状あるいは略半円柱状の第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとを、それぞれ受光センサ部の縦列あるいは横列に沿って形成し、これによりこれら第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとを平面視した状態で互いに直交して配置されたものとしているので、一方のレンズでＸ方向の集光を行うことができ、他方のレンズでＹ方向の集光を行うことができる。よって、これら第１、第２のストライプオンチップレンズが重なる受光センサ部の受光部直上において、Ｘ方向、Ｙ方向の集光を行うことができることから、入射した光を確実に受光センサ部に導くことができる。
【００２５】
また、これら第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとは、平面視した状態で重なっている部分が正方形あるいは長方形となり、この重なっている部分においてもＸ方向、Ｙ方向の集光が可能になっていることから、受光センサ部、さらにはこれを含む単位画素において、従来のものでは受光センサ部内に取り込みにくかったその四隅においても入射光を確実に受光センサ部に導くことができ、これにより一層集光効率を高めることができる。
【００２６】
しかも、受光センサ部の受光部が長方形である場合でも、その縦方向に対応するストライプオンチップレンズと横方向に対応するストライプオンチップレンズとで曲率を変えることができることから、より最適な集光条件を容易に作ることができる。したがって、受光センサ部の受光部（開口部）がいかなる縦横比のものであっても、容易に集光効率が高められて感度特性が向上し、これにより優れた感度特性を有する固体撮像素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の固体撮像素子の一実施形態例を示す図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図２】  第１ストライプオンチップレンズと第２ストライプオンチップレンズとの配置状態を模式的に示した斜視図である。
【図３】  （ａ）は第１ストライプオンチップレンズの配置状態を示す平面図、（ｂ）は第２ストライプオンチップレンズの配置状態を示す平面図である。
【図４】  （ａ）、（ｂ）は従来の固体撮像素子の製造方法の一例を工程順に説明するための要部側断面図である。
【図５】  （ａ）は固体撮像素子の要部平面図、（ｂ）〜（ｄ）は従来のオンチップレンズの底面形状を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１０…固体撮像素子、１１…シリコン基板（基体）、１２…受光センサ部、１３…絶縁膜、１４…第１の垂直転送電極、１６…第２の垂直転送電極、１９…平坦化層、２０…第１ストライプオンチップレンズ、２１…平坦化層、２２…第２ストライプオンチップレンズ
【図１】
0003666203.tif 000002
【図２】
0003666203.tif 000003
【図３】
0003666203.tif 000004
【図４】
0003666203.tif 000005
【図５】
0003666203.tif 000006