(57)【要約】【課題】  熱リフロー方式に比較して再現性の向上を図ることができ、簡易かつ安定的にシェーディング補正されたオンチップレンズを得る。【解決手段】  いわゆるグレートーンマスクを用いて紫外線感光樹脂などのフォトレジストに紫外線露光を行うことにより、露光→現像後のレジスト形状を直接レンズ面形状に形成する。これにより、熱リフローで形成していた従来のオンチップレンズでは必然的に４象限対称的な球面レンズアレイに形成されていたものが、本実施の形態では、個々のレンズはいわゆる自由曲面レンズで形成でき、各レンズの形状も像高に応じて独立に変えることが可能である。【選択図】図１
2006156515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が形成された基板と、
前記基板の上部に配置されるオンチップレンズとを有し、
前記オンチップレンズは濃淡パターンを有するマスクを通して透過性感光膜を露光して現像することにより、前記マスクの濃淡パターンに応じてシェーディング補正されたレンズ曲面を有している、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記シェーディング補正されたレンズ曲面の面関数が像高に応じて変化していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記面関数は球面に傾斜成分を重畳した曲面であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記面関数は画素の中心に対して非対称形状を有する曲面であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記面関数は主光線を撮像装置の中心に垂直に入射させる曲面であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項６】
複数の画素が形成された基板と、前記基板の上部に形成されるオンチップレンズとを有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記オンチップレンズを濃淡パターンを有するマスクを通して透過性感光膜を露光する工程と、
前記露光後の透過性感光膜を現像し、前記マスクの濃淡パターンに応じてシェーディング補正されたレンズ曲面を形成する工程と、
を有していることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記シェーディング補正されたレンズ曲面の面関数を像高に応じて変化させることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項８】
前記面関数は球面に傾斜成分を重畳した曲面であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記面関数は画素の中心に対して非対称形状を有する曲面であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記面関数は主光線を撮像装置の中心に垂直に入射させる曲面であることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記濃淡パターンを有するマスクは、グレートーンマスクであることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
前記濃淡パターンを有するマスクは、バイナリパターンで構成されたグレートーンマスクであることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
前記露光が全画素に対する一括露光であることを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等のように、複数の画素を設けた基板上にシェーディング補正されたオンチップレンズを設けた固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置（例えば特許文献１参照）を用いたビデオカメラ等においては、カメラ機体側の対物レンズは、オート・フォーカスの高速化を追求した結果、インナーフォーカス方式が主流になってきており、射出瞳距離が著しく短くなってきている。そのため、射出瞳距離は従来１００ｍｍ程度あったものが、３０ｍｍ程度となり、さらに将来の機器では十数ｍｍまで短くなることが予想される。
図９及び図１０は従来の固体撮像装置の具体例を示す断面図であり、射出瞳距離の異なる２つの例を示している。なお、共通する構成要素は同一符号を付している。
図示のように、これらの固体撮像装置では、半導体基板１に画素アレイ部を構成する複数の受光部１ａを形成し、その上層に遮光膜２を形成するとともに、この遮光膜２を各受光部１ａ上で開口させて受光部１ａを露呈させ、さらに各受光部１ａ上に位置するオンチップレンズ３を一体的に設けた構成となっている。
【０００３】
このような固体撮像装置を従来の射出瞳距離が長い場合に用いた例では、図９に示すように、画素アレイ部の中心から外れた周辺の受光部１ａにおいてもオンチップレンズで集光された入射光が受光部１ａの露出面内に収まっていた。
しかし、前述のように、射出瞳距離が縮むと、従来の固体撮像装置の構造では画素アレイ部周辺の受光部１ａへの入射率が低下して感度シェーディングとなる問題があった。これは、図１０に示すように、画素アレイ部周辺にある受光部１ａ上のオンチップレンズ３は、斜めからの入射光を直下の受光部１ａに集光させきれず、図中斜線で示す部分の入射光が受光部１ａから外れて遮光膜２上に入射してしまう、いわゆるケラレが発生するためである。このように射出瞳距離が縮まれば、よりシェーディングが悪化する問題があった。
【０００４】
そこで、このような問題点の対応策として、オンチップレンズのシェーディング補正を行う方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
例えば、オンチップ、平板オンチップレンズアレイなどのオンチップレンズアレイに、有効画素中心を中心として微小スケーリング（例えば、０．９９９倍等）をかけることで、各画素の受光部とそれに対応するオンチップレンズとの水平方向のズレ量を中心から遠ざかるに従って、集光部を対応する受光部より中心方向に漸次大きくずらすようにしたものである。
このようなシェーディング補正を行ったことにより、例えば図１１に示すように、画素アレイ部の周辺画素の受光部１ａの中心とオンチップレンズ３の中心が光軸に合うようになり、射出瞳によるセンタリングエラーが補正される。
【０００５】
ところで、このようなオンチップレンズは以下のような方法で形成される。
まず、図１２（ａ）に示すように、下地基板１０上に紫外線感光樹脂などの光透過材料からなるフォトレジスト１２を配置し、図１２（ｂ）に示すように、マスク１４を通して紫外線照射を行い、フォトレジスト１２を画素配列に合わせて賽の目状にパターンニングする。そして、このパターンニングの際に、前述のように露光装置の投影倍率にスケーリングをかけて転写する。この後、図１２（ｃ）に示すように、加熱処理することにより、フォトレジスト１２が表面張力により半球状に形成される。これをレンズとして用いる。このような方法を、いわゆる熱リフロー方式と呼び、一般的に用いられている。
【特許文献１】特開平６−１４０６０９号公報
【特許文献２】特開平１−２１３０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した熱リフロー方式は、基本的には熱制御方式であるため、量産プロセスとしての再現性が十分でないという問題がある。
また、特許文献２などで用いられるオンチップレンズ形成の際のパターンニング工程において、倍率にスケーリングを掛ける方法では露光工程の中に複数の投影倍率を用いることになり、プロセス工程の複雑化と投影露光装置の安定面に問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、熱リフロー方式に比較して再現性の向上を図ることができ、簡易かつ安定的にシェーディング補正されたオンチップレンズを得ることができる固体撮像装置及びその製造方法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】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、複数の画素が形成された基板と、前記基板の上部に配置されるオンチップレンズとを有し、前記オンチップレンズは濃淡パターンを有するマスクを通して透過性感光膜を露光して現像することにより、前記マスクの濃淡パターンに応じてシェーディング補正されたレンズ曲面を有していることを特徴とする。
また本発明の製造方法は、複数の画素が形成された基板と、前記基板の上部に配置されるオンチップレンズとを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記オンチップレンズを濃淡パターンを有するマスクを通して透過性感光膜を露光する工程と、前記露光後の透過性感光膜を現像し、前記マスクの濃淡パターンに応じてシェーディング補正されたレンズ曲面を形成する工程とを有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、オンチップレンズが濃淡パターンを有するマスクを通して透過性感光膜を露光して現像することにより、前記マスクの濃淡パターンに応じてシェーディング補正されたレンズ曲面を有していることから、レンズ曲面をマスクの濃淡パターンに応じて形成でき、従来のスケーリングや熱リフロー方式に比べて、各画素に応じた最適なレンズ面によって斜め入射光を適正に制御でき、受光特性の向上を図ることが可能となる。また、熱リフローを使わないことで、簡易な製造工程でレンズ面の再現性を向上でき、高精度の固体撮像装置を得ることが可能となる。
また、例えば、シェーディング補正されたレンズ曲面の面関数が像高に応じて変化させることにより、各画素の像高に応じたレンズ面の最適化が可能となり、斜め入射光をさらに適正に制御できる。
また、例えば各レンズの面関数には球面に傾斜成分を重畳した曲面を形成するものや、画素の中心に対して非対称形状を有する曲面を形成するものを用いることができ、自由度の高いレンズ形状を作製できる。そして、面関数として、主光線を撮像装置の各画素中心に垂直に入射させる曲面を形成するものとし、各受光部への集光効率を有効に高めることができる。
さらに、濃淡パターンを有するマスクに、いわゆるグレートーンマスクを用い、さらに、単純なバイナリパターンで構成されたグレートーンマスクを用いることで、簡易な設備で固体撮像装置の作製が可能である。また、露光を全画素に対して一括露光で形成でき、簡易な露光作業によって固体撮像装置を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態では、いわゆるグレートーンマスクを用いて紫外線感光樹脂などのフォトレジストに紫外線露光を行うことにより、露光→現像後のレジスト形状を直接レンズ面形状に形成する。これは、本件出願人が先に提案した特願２００３−１８４３９号による露光用マスクを応用して露光面の光強度分布を任意に制御し、現像後のレジストの高さ分布を任意に制御するという原理に基づいている。
これにより、熱リフローで形成していた従来のオンチップレンズでは必然的に４象限対称的な球面レンズアレイに形成されていたものが、本実施の形態では、個々のレンズはいわゆる自由曲面レンズで形成でき、各レンズの形状も独立に変えることが可能である。
つまり、前述のシェーディングを補正するために、画素アレイ部の周辺に行くに従ってオンチップレンズの面関数を変更するようにする。具体的には、通常のレンズ面関数に重畳して、ある傾き成分を大きくすることにより、角度の大きな入射光が画素アレイ部の周辺部に入っても、主光線は受光部の中心に垂直入射するようになり、シェーディングは各画素の像高（画素アレイ中心からの距離）に応じて良好に制御することができる。
【００１１】
これにより、まず、熱リフローのプロセスを用いずにオンチップレンズを形成できるため、プロセスの再現性が向上する。また、このオンチップレンズの形状を画素アレイ部の周辺に行くに従って徐々に変えるように形成しておき、シェーディングを従来のスケーリング制御によるレンズ位置シフトではなく、各レンズのレンズ面関数制御によって補正することにより、露光装置の倍率にスケーリングをかけることなく、プロセスの簡素化と露光装置の安定化が実現できる。
さらに、画素アレイ部の中心から周辺までの全ての画素で、主光線が受光部に垂直に入るので、従来のスケーリングによるオンチップレンズシフトとは異なり、光線の入射角度特性が画素アレイ部全体で均一になり、シェーディングは理想的な形で補正される。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例による固体撮像装置のオンチップレンズ形成方法を示す断面図である。また、図２は図１に示すオンチップレンズのレンズ形状を示す説明図であり、図２（ａ）はグレートーンマスクを用いた露光プロセスの概念図を示し、図２（ｂ）はバイナリ型グレートーンマスクとその透過光強度分布を示したものである。
なお、本実施例では説明を簡単にするため、以降では１次元のオンチップレンズアレイと画素アレイを前提に説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施例では、下地基板２０上に例えば光硬化性を有する透過性感光膜としてのフォトレジスト２２を配置した状態で、図１（ｂ）に示すように、グレートーンマスク２４を用いて紫外線の一括露光を行った後、現像を行うことにより、レジスト２２に直接レンズ面形状を形成することにより、熱リフロー処理を行うことなく、オンチップレンズを形成できる。
また、本実施例で用いるグレートーンマスクは、１レンズ内で光の透過部と遮断部とが微細なバイナリパターンで構成されており、その透過部面積の比率（スペースパターンとラインパターンの比率）によって透過光強度の強弱を実現するものである。そして、図２（ｂ）に示すように、光の遮光部２４２が相対的に太い領域では透過光強度が小さくなり、逆に光の透過部２４１が相対的に太い領域では透過光強度が大きくなる。したがって、遮光部２４２と透過部２４１の比率を１レンズ内の位置に応じて連続的に変化させることにより、光強度分布を１レンズ面内で制御し、レジストに与える露光量に分布を形成する。これによりレジストの現像後の面形状を自在に制御できる。
【００１３】
次に、本実施例で採用するレンズ形状について詳細に説明する。
まず、画素アレイ部の周辺部のオンチップレンズへの入射光線に関し、図３（ａ）のような系を仮定する。すなわち、半導体基板３２には画素アレイ部を構成する複数の受光部３４が形成され、その上面に遮光膜３６が配置されており、各受光部３４から所定の距離を隔てた位置にオンチップレンズ３０が配置されている。
そして、オンチップレンズ３０においては、任意像高の受光部ｉへの入射光としてＦ値が２．８、入射角度がθiを仮定し、オンチップレンズの材料としては屈折率ｎの感光樹脂を仮定する。ここでθが微小である時、この光線の主光線が受光部に垂直に入射するためには、図３（b）に示すように偏角＝θi／（ｎ−１）のプリズムと組み合わせたオンチップレンズが設置されていればよいので、図３（ａ）に示すようなオンチップレンズとなる。
【００１４】
次にビデオカメラ等での撮像装置への入射角度特性として図４に示すような特性曲線を想定する。この特性は撮像素子前段のレンズ系設計によって一意に決まる。図４の縦軸は主光線入射角度、横軸は像高を示し、像高が大きくなるにつれて、通常は特性曲線に沿って入射角度が大きくなる。なお、ズームレンズ等で画角可変とする場合は、ズーム位置毎に入射角度特性が変わるが、平均的な中立位置での角度特性を代表値として用いればよい。これにより各像高の受光部iへの入射角度θｉが求まる。
よって、受光部iにおけるプリズム偏角はθｉ／（ｎ−１）となり、オンチップレンズの面関数の傾斜成分が求まる。
ここで、簡単のために画素アレイ部の中心に対応するオンチップレンズの形状をサイズ５μｍ角、曲率半径ｒ、中心厚ｄ、バックフォーカス５μｍの球面レンズと仮定する。よって、各受光部0(画素アレイ中心)に対応するオンチップレンズの形状は図５（ｂ）に示すような曲面となる。なお、図５（ｂ）には０°入射と５°入射の光線も示している。５°入射光は受光部から外れてしまうことが図より分かる。
ここでオンチップレンズへ入射角度θiの光を受光部に垂直に入射させるオンチップレンズの面関数は次式１で表される。
【００１５】
【数１】
2006156515.tif 000003
【００１６】
ここでＺはサグ量であり、各レンズ中心（ｙ＝０）からのＺ方向深さ、ｋは円錐常数、yはレンズ中心からの距離、ｃは曲率で曲率半径（ｒ）の逆数である。
また、図５（ａ）にはｋ＝０、ｎ＝１．５、θi＝５°、ｄ＝１．６６ｕｍ、ｃ＝１／４（１／ｕｍ）の場合での光線追跡の結果を示す。斜入射においても主光線が受光部中心に垂直に入射されていることが分かる。このようにして、受光部iに相当する像高における主光線の入射角度が、図４に示されるような特性曲線から決まり、さらに式１によって、受光部iの中心に垂直入射せしめるオンチップレンズの面関数が導出することができる。
【００１７】
以上のような本実施例による手順で設計したオンチップレンズは、図２（ａ）に示すように、像高毎に徐々にその面関数が変わるような構造を持つことになり、各オンチップレンズに入射する主光線は垂直に受光部中心に入射することになる。これによりシェーディングは撮像素子全面に渡って良好に補正される。
【００１８】
次にこのオンチップレンズを形成するためのマスクについて説明する。本実施例では図１に示すような半導体プロセスを用いて図２（ａ）に示すようなレンズアレイを一括露光で形成する。
ここでは説明の簡単のため、段落００１４で述べた設計の１次元レンズアレイに対してシェーディング補正することを目標形状とする場合を説明する。また、ポジ型レジストを使用することを前提する。
まず、露光装置の条件としては、露光波長３６５ｎｍ、ＮＡ＝０．５、σ＝０．５、縮小投影倍率を１／５倍と仮定する。ここでσはコヒーレンスファクタであり、σ＝照明ＮＡ/投影レンズＮＡ  の比率で表せる。また、使用するレジストの初期膜厚を２μｍとして、露光量に対する現像後の残膜特性をＺ＝Ａ＋Ｂ＊ｌｎ（dose）とする。ここでdoseは露光量を示し、単位は[mJ/cm2]である。ここでは、具体例として図６に示すように、Ａ＝２．７、Ｂ＝−０．４５なるレジスト特性を用いる。
【００１９】
次に、グレーマスクを構成するパターンピッチは、結像してはいけないので、次式２より最大非結像ピッチを導出する。
【００２０】
【数２】
2006156515.tif 000004
【００２１】
これより、前述の段落００１８の光学条件の場合は、４８７ｎｍ以下のピッチであればマスクパターンは結像しない。また、オンチップレンズのサイズは５μｍ角と小さいので、なるだけ多くのパターンで形状を精度よく制御したい。さらに、パターンピッチは単位レンズ全体サイズの１／整数でなければいけないので、ピッチ（Ｐ）を５０００ｎｍ/１２＝４１６．７ｎｍとしてパターンを構成する。つまり単位レンズは１３本のスペースパターンにより形成される。
各ｙ座標における目標サグ量Ｚ（ｙ）は式１で表され、これを現像後に得るための露光量分布は、仮定したレジスト残膜特性より、次式３より求まる。これを図７の表１内に示す。
【００２２】
【数３】
2006156515.tif 000005
【００２３】
次に図２に矢印Ａで示すサグ量が最小（つまり最も狭い透過部）の部分（Ａ部）のマスクパターン（また、Ａ部のサグ量をＺ０と表記する）を最小透過率が得られるパターンで構成すると仮定する。この箇所におけるスペースサイズをマスク製造上の保証下限と一致させることにする。ここではマスクの最小スペース寸法を５００ｎｍ（ウエハ上１００ｎｍ）として、Ａ部のパターンは３１６．７ｎｍライン、１００ｎｍスペースとなり、このパターンの透過率（Ｔmin ）は５．７６％となる。このパターンサイト（表１中のパターンｎｏの−１）でのサグ量Ｚ０を３００ｎｍであると設定する。よって、このマスクを実際に露光する際に設定すべき露光量（Dset）は１４．７ｍＪ／０．０５７６＝２５６ｍJ/ｃｍ２となる。
また、各ｙ座標における目標透過率は次式４で表される。
【００２４】
【数４】
2006156515.tif 000006
【００２５】
さらに、この透過率を得るためのスペース寸法は次式４より求まる。
【００２６】
【数５】
2006156515.tif 000007
【００２７】
ここでｙはパターンピッチの整数倍ｍＰ（ただし、ｍ＝０、±１、±２…±５、±６）である。
【００２８】
表１（図７）には以下の条件による具体的なマスク設計解（各スペースパターン中心座標におけるスペース寸法）を示している。ここでは以下の条件で実際にマスクパターンを設計している。
目標形成形状  
ｋ＝０、ｎ＝１．６、θi＝５°、ｄ＝１．７ｕｍ、ｃ＝１／４（１／ｕｍ）
レジスト残膜特性  Ａ＝２．７２  、Ｂ＝−０．４５  
Tmin＝０．０５７６
Ｚ０＝３００ｎｍ
また、他の像高のオンチップレンズｊについても同様の処理をしてパターン設計をする。
そして、このマスクパターンを前述の段落００２３の露光量（Dset）で転写露光し、現像することによって、所望の形状が得られる。
【００２９】
なお、以上の説明では、シェーディング補正が施された１次元レンズアレイの例で説明したが、これを通常のＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置である２次元レンズアレイに展開するのは容易であり、各オンチップレンズ（ｉ、ｊ）の傾斜角度θxｉ、θｙｊを前段のカメラレンズ光学系で決まる入射角度特性より求め、各オンチップレンズの目標面関数を定義し、前述の１次元のグレースケールマスクパターン設計手法と同様の手法でマスクパターン設計する。
図８は画素アレイ部の１／４象限の各画素の傾斜成分を示したものであり、各画素内の矢印は傾斜角度θｘ、θｙを示す。２次元パターンの場合はコンタクトホールアレイまたはアイランドアレイで構成すればよい（例えば特願２００３−１８４３９号参照）。
また、本実施例では図６のようなオープンフレーム露光によるレジストの残膜特性を用いてマスクパターンを設計したが、グレートーンパターンで構成された較正マスクを用いた残膜特性データを用いたパターン設計をしても構わない（例えば特願２００３−２８１４８９号参照）。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例による固体撮像装置のオンチップレンズの形成方法を示す断面図である。
【図２】（a）は図１に示すオンチップレンズのレンズ形状形成方法を示す説明図、（b）はグレーマスクの概念図である。
【図３】（a）は撮像素子への入射が補正されたオンチップレンズの形状の概念図であり、（b）は（a）に示すレンズ設計のための説明図である。
【図４】画素アレイ部への入射光の角度特性を示す図である。
【図５】図１に示す実施例によるレンズ設計例を示す断面図である
【図６】実施例で用いたレジストの露光量特性を示す図である
【図７】図１に示す実施例の具体的なマスク設計解を示す表である。
【図８】２次元撮像装置に本発明を展開する際に各オンチップレンズに重畳する傾斜成分を示す説明図である。
【図９】固体撮像装置の射出瞳距離Ｌ１が長い従来例を示す断面図である。
【図１０】固体撮像装置の射出瞳距離Ｌ２が短い従来例を示す断面図である。
【図１１】図１０の固体撮像装置に対してシェーディング補正を行った場合を示す断面図である。
【図１２】オンチップレンズ形成プロセスの従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０……下地基板、２２……フォトレジスト、２４……グレートーンマスク。
【図１】
2006156515.tif 000008
【図２】
2006156515.tif 000009
【図３】
2006156515.tif 000010
【図４】
2006156515.tif 000011
【図５】
2006156515.tif 000012
【図６】
2006156515.tif 000013
【図７】
2006156515.tif 000014
【図８】
2006156515.tif 000015
【図９】
2006156515.tif 000016
【図１０】
2006156515.tif 000017
【図１１】
2006156515.tif 000018
【図１２】
2006156515.tif 000019