(57)【要約】【課題】  斜め光を入射させる際に配線層が光路の妨げとならず感度が向上し、また画素間クロストークの発生を防止することが可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】  半導体基板１０の表面部分に形成されたフォトダイオードＰＤ、フォトダイオードＰＤ上に形成された第１の絶縁膜１２、第１の絶縁膜１２上に形成された第２の絶縁膜２１、第２の絶縁膜２１上に形成された第３の絶縁膜２２、第３の絶縁膜２２上に形成されたマイクロレンズＭＬを備え、第１の絶縁膜１２と第２の絶縁膜２１との界面に第１のレンズＬ１が形成され、第２の絶縁膜２１と第３の絶縁膜２２との界面に第２のレンズＬ２が形成され、第１のレンズＬ１は第１の絶縁膜１２と第２の絶縁膜２１との界面からフォダイオードＰＤ側に焦点を有し、第２のレンズＬ２は第２の絶縁膜２１と第２の絶縁膜２２との界面からマイクロレンズＭＬ側に焦点を有する。【選択図】  図１
2006120787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面部分に形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方に形成された屈折率ｎ１を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ２を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ３を有する第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ４を有するマイクロレンズと、
を備え、
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面に第１のレンズが形成され、
前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜との界面に第２のレンズが形成され、
前記第１のレンズは、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面から前記フォダイオード側に焦点を有し、
前記第２のレンズは、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜との界面から前記マイクロレンズ側に焦点を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板の表面部分に形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方に形成された屈折率ｎ１を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ２を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ３を有する第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ４を有する第４の絶縁膜と、
前記第４の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ５を有するマイクロレンズと、
を備え、
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面に第１のレンズが形成され、
前記第３の絶縁膜と前記第４の絶縁膜との界面に第２のレンズが形成され、
前記第１のレンズは、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面から前記フォダイオード側に焦点を有し、
前記第２のレンズは、前記第３の絶縁膜と前記第４の絶縁膜との界面から前記マイクロレンズ側に焦点を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記マイクロレンズと前記第２のレンズとの距離は、前記マイクロレンズの焦点距離ｆ３と前記第２のレンズの焦点距離ｆ２との和に略等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のレンズの焦点距離ｆ１の絶対値は、前記第２のレンズの焦点距離ｆ２の絶対値より小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１のレンズの曲率半径ｒ１と、前記第２のレンズの曲率半径ｒ２との間には、
｜ｒ１／（ｎ２−ｎ１）｜  ＜  ｜ｒ２／（ｎ３−ｎ２）｜
の関係が成立することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか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係わり、特にマイクロレンズを有する装置に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置において、光電変換を行うフォトダイオードは、半導体基板のほぼ表面に形成されている。フォトダイオードの上方には、メタル配線層が設けられており、その多くは多層構造となっている。
【０００３】
最上層にはマイクロレンズが形成されており、固体撮像装置に入射した光をフォトダイオードに集光させる。
【０００４】
従来の固体撮像装置では、マイクロレンズの焦点をほぼフォトダイオードの表面に設定している。これにより、マイクロレンズの端に入射した光線は、マイクロレンズの端とフォトダイオードの中心を結ぶ直線上を通過して、フォトダイオードに入射する。
【０００５】
このとき、フォトダイオードの中心と、マイクロレンズの端とを結ぶ直線状にメタル配線層が配置されていると、そのメタル配線層が、マイクロレンズ端からフォトダイオードに向かう光路を遮ることとなる。
【０００６】
光路が遮られると、カメラレンズから射出されたフォトンの一部がフォトダイオードに到達することができず、光に対する感度が低下する。
【０００７】
より具体的には、カメラレンズの絞りを開けて、斜め光を固体撮像装置に入射させて感度を向上させようとしたとき、斜め光がフォトダイオードに入射されず感度を向上させることができないという問題点があった。
【０００８】
このような問題に対し、メタル配線層が光路を遮ることがないように、最上層のメタル配線層をフォトダイオードの上方付近に配置しないという手法をとることも考えられる。
【０００９】
しかしその場合には、画素間のクロストークが発生しやすいという新たな問題が発生していた。隣接するように配置された二つのマイクロレンズの境界領域に斜めから入射した光は、例えば一方のフォトダイオード用の青フィルタの途中まで透過した後に、他方のフォトダイオード用の緑フィルタを透過し、この緑フィルタの下のフォトダイオードに入射する。
【００１０】
この結果、本来緑フィルタを透過した光しか入射すべきでない緑用のフォトダイオードに対して、青フィルタを透過した光が混入することによって、画素間クロストークが発生していた。
【特許文献１】特開平８−３１６４４８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記事情に鑑み、斜め光を入射させる際に配線層が光路の妨げとならず感度が向上し、また画素間クロストークの発生を防止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】
【００１２】
本発明の一態様による固体撮像装置は、
半導体基板の表面部分に形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方に形成された屈折率ｎ１を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ２を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ３を有する第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ４を有するマイクロレンズと、
を備え、
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面に第１のレンズが形成され、
前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜との界面に第２のレンズが形成され、
前記第１のレンズは、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面から前記フォダイオード側に焦点を有し、
前記第２のレンズは、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜との界面から前記マイクロレンズ側に焦点を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の一態様による固体撮像装置は、
半導体基板の表面部分に形成されたフォトダイオードと、
前記フォトダイオードの上方に形成された屈折率ｎ１を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ２を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ３を有する第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ４を有する第４の絶縁膜と、
前記第４の絶縁膜上に形成された屈折率ｎ５を有するマイクロレンズと、
を備え、
前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面に第１のレンズが形成され、
前記第３の絶縁膜と前記第４の絶縁膜との界面に第２のレンズが形成され、
前記第１のレンズは、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との界面から前記フォダイオード側に焦点を有し、
前記第２のレンズは、前記第３の絶縁膜と前記第４の絶縁膜との界面から前記マイクロレンズ側に焦点を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の固体撮像装置によれば、斜め光を入射させる際に配線層が光路の妨げとならず感度が向上し、また画素間クロストークの発生を防止することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態による固体撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００１６】
先ず、図１を用いて、固体撮像装置の回路構成について説明する。
【００１７】
マトリクス状に配置された各々のフォトダイオードＰＤにおいて光電変換されて蓄積された信号電荷は、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートをハイレベルにすることにより、検知ノードＤＮに読み出される。
【００１８】
検知ノードＤＮの電圧は、リセットトランジスタＲＳＴｒを用いて、予め所定の電圧に設定されている。この後、アドレス線ＡＤＬを選択的に選択することにより、読み出すべきラインが選択される。
【００１９】
このとき、負荷トランジスタＬＴｒと増幅トランジスタＡＭＴｒの組み合わせでソースフォロワ回路として動作し、増幅トランジスタＡＭＴｒのゲート電圧に応じた電圧が垂直信号線ＶＳＬに出力される。
【００２０】
垂直信号線ＶＳＬに読み出された電圧は、水平選択トランジスタＨＳＴｒを経て、図示されていないセンサにオンチップで搭載されているアンプＡＭＰにより増幅されて出力される。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態によるフォトダイオードＰＤを含む固体撮像装置について述べる。
【００２２】
（１）実施の形態１
図２に、本実施の形態１による固体撮像装置の縦断面を示す。
【００２３】
半導体基板１０の表面部分において、シャロートレンチアイソレーションによる素子分離領域１１で分離された素子領域に、フォトダイオードＰＤが形成されている。このフォトダイオードＰＤは、半導体基板１０中に例えばイオン注入等によって、隣や砒素等の不純物を選択的に導入することにより形成される。
【００２４】
フォトダイオードＰＤの上方における図中右側には、読出しゲートＧＥが配置されており、表面全体を覆うようにシリコン酸化膜１２が形成されている。
【００２５】
このシリコン酸化膜１２中において、入射光が通過する経路を除いた領域に、多層配線として３層構造を有するメタル配線層ＭＬ１〜ＭＬ３が形成されている。
【００２６】
シリコン酸化膜１２上には、シリコン窒化膜２１が形成され、さらにその上には平坦化層２２が形成されている。この平坦化層２２は、例えばアクリル樹脂等の透明樹脂で形成されている。
【００２７】
平坦化層２２中において、入射光が通過する経路に、Ｒ、Ｇ、Ｂ等のいずれかの色を有するカラーフィルタＣＦが設けられている。
【００２８】
平坦化層２２の表面上には、マイクロレンズＭＬが設けられている。
【００２９】
ここで、シリコン酸化膜１２とシリコン窒化膜２１との界面においてレンズＬ１が形成され、シリコン窒化膜２１と平坦化層２２との界面においてレンズＬ２が形成されている。
【００３０】
このような構成を備えた本実施の形態１による固体撮像装置の動作について、以下に説明する。
【００３１】
図示されていないカメラレンズから光が射出されて、曲率半径ｒ３のマイクロレンズＭＬに入射する。
【００３２】
このマイクロレンズＭＬは、屈折率ｎ０＝１である真空と、屈折率ｎ３（＝１．５５）を有するマイクロレンズＭＬの材料との界面として形成されている。
【００３３】
ここで、
ｎ０＜ｎ４  かつ  ｒ３＞０                          （１）
であることから、マイクロレンズＭＬは凸レンズとして作用し、平行光が入射した場合は焦点距離ｆ３にて結像することになる。この焦点はマイクロレンズＭＬから見て、図中下側のフォトダイオードＰＤ側に存在する。
【００３４】
なお、近軸領域では、光学においてよく知られた式を適用して、
１／ｆ３＝（ｎ３−１）・１／ｒ３                    （２）
となり、正の値をとる。
【００３５】
尚、焦点距離の正負の定義として、ここでは図中下方向を正とし、上方向を負とする。また、曲率半径の正負の符号は、図中上方向に凸の形状をしている場合をプラスとし、下方向に凸の形状をしている場合をマイナスとする。
【００３６】
マイクロレンズＭＬから下方に射出された入射光は、カラーフィルタＣＦを透過した後、曲率半径ｒ２を有するレンズＬ２に入射する。
【００３７】
このレンズＬ２は、屈折率ｎ３（＝１．５５）の材料、具体的には例えばアクリル樹脂等の透明樹脂から成る平坦化膜２２と、屈折率ｎ２（＝１．９）の材料であるシリコン窒化膜２１との界面として形成されている。
【００３８】
ここで、
ｎ３＜ｎ２  かつ  ｒ２＜０                          （３）
であることから、レンズＬ２は凹レンズとして作用する。この場合の焦点距離ｆ２は、
１／ｆ２＝（ｎ２−ｎ３）・１／ｒ２                    （４）
で表され、負の値をとる。この焦点は、平坦化層２２とシリコン窒化膜２１との界面におけるレンズＬ２から見て、図中上側のマイクロレンズＭＬ側に存在する。
【００３９】
レンズＬ２から下方に射出された入射光は、次に図中の曲率半径ｒ１のレンズＬ１に入射する。このレンズＬ１は、屈折率ｎ２（＝１．９）であるシリコン窒化膜と、屈折率ｎ１（＝１．４５）なるシリコン酸化膜との界面として形成されている。本実施の形態では、
ｎ２＞ｎ１  かつ  ｒ１＜０                            （５）
であることから、レンズＬ１は、凸レンズとして働き、焦点距離ｆ１は
１／ｆ１＝（ｎ１−ｎ２）・１／ｒ１                    （６）
で表され、正の値をとる。この焦点は、シリコン窒化膜２１とシリコン酸化膜１２との界面におけるレンズＬ１から見て、図中下側のフォトダイオードＰＤ側に存在する。
【００４０】
レンズＬ１を通過した入射光はフォトダイオードＰＤに入射され、これにより信号電荷が発生し蓄積される。フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷は、フォトダイオードＰＤの図中右側に隣接するように配置された読出しゲートへの印加電圧がハイレベルになることによって、選択的に読み出される。
【００４１】
ところで、上述したようにフォトダイオードＰＤの上部にはマイクロレンズＭＬが形成されており、固体撮像装置に入射した光をフォトダイオードＰＤに集光する役割を果たしている。
【００４２】
ここで本実施の形態１では、フォトダイオードＰＤとマイクロレンズＭＬとの中間に、層内レンズが二つ形成されている。
【００４３】
この二つのレンズのうち、マイクロレンズＭＬ側のレンズＬ２は凹レンズとして作用し、もう一方のフォトダイオードＰＤ側のレンズＬ１は凸レンズとして作用する。
【００４４】
ここで、レンズＬ２の焦点距離ｆ２とマイクロレンズＭＬの焦点距離ｆ３との和が、レンズＬ２とレンズＭＬの距離にほぼ等しくなるように設定されている。
【００４５】
本実施の形態１ではｆ２が負の値をとるため、レンズＬ２とレンズＬ３との距離Ｌは、以下の（７）式で表される。
【００４６】
Ｌ＝｜ｆ２｜＋ｆ３                                    （７）
ところで、レンズＬ１の焦点距離ｆ１の絶対値がレンズＬ２の焦点距離ｆ２の絶対値より小さい場合、平行光を１番目のレンズ（マイクロレンズＭＬ）に入射させると焦点に結像し、この焦点を通過した光は２番目のレンズ（レンズＬ２）を通過したあと、平行光になるという性質が得られる。
【００４７】
このような場合に、レンズＬ１の曲率半径ｒ１とレンズＬ２の曲率半径ｒ２との間には、以下の（８）式が成立する。
【００４８】
｜ｒ１／（ｎ２−ｎ１）｜  ＜  ｜ｒ２／（ｎ３−ｎ２）｜  （８）
このような性質を利用し、マイクロレンズＭＬとレンズＬ２との距離を、この二つのレンズの焦点の和に略一致させることで、マイクロレンズＭＬに入射した平行光がレンズＬ２を通過した後、再び平行光として出力されることになる。
【００４９】
次に、マイクロレンズＭＬに入射した平行光がフォトダイオードＰＤに入射するまでの光路について、図２を用いて詳細に説明する。
【００５０】
矢印Ａ１で示されたマイクロレンズＭＬの中心を通った光は、垂直にマイクロレンズＭＬに入射する。
【００５１】
矢印Ａ２、Ａ３で示されたマイクロレンズＭＬの端を通った光は、マイクロレンズＭＬによって中心方向に向かって進行方向を曲げた後、平坦化層２２の内部を進んでいく。
【００５２】
シリコン窒化膜２１と平坦化層２２との界面に形成されたレンズＬ２は凹レンズの作用を有するので、矢印Ａ２、Ａ３で示された光はほぼ垂直方向に進行方向を変えて進んでいく。
【００５３】
シリコン窒化膜２１とシリコン酸化膜１２との界面に形成されたレンズＬ１であり、再び進行方向を変えて、フォトダイオードＰＤのほぼ中心に入射する。
【００５４】
ここで、比較例１としての固体撮像装置について、入射光がフォトダイオードＰＤａに入射する光路を示した図３を用いて説明する。ここで、図２に示された要素と同一のものには同一の番号を付して説明を省略する。
【００５５】
この比較例１では、レンズの構成がマイクロレンズＭＬのみから成っている。このマイクロレンズＭＬの焦点は、ほぼフォトダイオードＰＤの表面に設定されている。
【００５６】
矢印Ｂ１で示されたマイクロレンズＭＬの中心を通った光は、上記実施の形態１と同様に垂直にフォトダイオードＰＤに入射する。
【００５７】
一方、矢印Ｂ２、Ｂ３で示されたマイクロレンズＭＬの端を通った光は、マイクロレンズＭＬによって中心方向に向かって進行方向を曲げた後、平坦化層１２の内部を進んでいき、フォトダイオードＰＤに入射する。
【００５８】
このとき、矢印Ｂ３で示されたように、マイクロレンズＭＬの端とフォトダイオードＰＤの中心とを結ぶ直線上にメタル配線層ＭＬ３が配置されていると、このメタル配線層ＭＬ３がマイクロレンズＭＬの端からフォトダイオードＰＤに向かう光路を遮ることとなる。この結果、図示されていないカメラレンズから射出されたフォトンの一部がフォトダイオードＰＤに到達することができず、感度が低下することとなる。
【００５９】
また、比較例２としての固体撮像装置は、図４に示されたようにメタル配線層が光路を遮らないように、三層構造のメタル配線層ＭＬ１〜ＭＬ３のうち最上層のメタル配線層ＭＬ３がフォトダイオードＰＤ付近に配置されていない構造を有している。
【００６０】
しかし、この比較例２では、画素間のクロストークが発生しやすいという新たな問題が発生する。
【００６１】
即ち、図４において矢印Ｂ４で示されたように、二つのマイクロレンズＭＬａ、ＭＬｂの境界領域に入射した光は、図中右の例えば青フィルタＣＦｂを透過した後、図中左の緑フィルタＣＦａを透過した後、この緑フィルタＣＦａ用のフォトダイオードＰＤａに入射する。
【００６２】
この結果、本来は緑の光しか入るべきでない緑用のフォトダイオードＰＤａに、青フィルタＣＦｂを通過した光が混入して、画素間クロストークを招くこととなる。
【００６３】
上述した比較例１と異なり、上記実施の形態１によれば、図２において矢印Ａ２、Ａ３で示されたように、マイクロレンズＭＬの端を通った光が、比較的最上層のメタル配線層ＭＬ３から水平方向に離れた位置を通過する。このため、メタル配線層ＭＬ３が光路を遮って感度が低下することがない。この結果、本実施の形態１では、比較例１と比較して、斜め光に対する高い感度が得られる。
【００６４】
また、本実施の形態１によれば、最上層のメタル配線層ＭＬ３が光路を妨げることがないため、比較例２と異なりフォトダイオードＰＤの付近に配置することができる。これにより、隣接するマイクロレンズＭＬに入射した光が他のカラーフィルタＣＦを通過した後、フォトダイオードＰＤに混入するおそれがないので、クロストークの発生を防止することができる。
【００６５】
図５に、本実施の形態１による固体撮像装置に対し、１０度の傾きを有する光をマイクロレンズＭＬのほぼ前面に渡って入射させたときのそれぞれの光線を追跡したシミュレーション結果について示す。この図５から明らかなように、全ての光線がフォトダイオードＰＤにおける半分の領域に入射している。
【００６６】
一方、比較例１による固体撮像装置に、同様に１０度の傾きを有する光をマイクロレンズＭＬのほぼ前面に渡って入射させたときのそれぞれの光線の追跡結果を図６に示す。この場合には、フォトダイオードＰＤに入射しない光線も多く存在し、また入射する光線もフォトダイオードＰＤの端部に集中している。
【００６７】
従って、本実施の形態１によれば比較例１より高い感度が得られることがわかる。
【００６８】
（２）実施の形態２
図３に示された比較例１、あるいは図４に示された比較例２では、マイクロレンズＭＬを通過した入射光が並行光でなくなる。このため、マイクロレンズＭＬとフォトダイオードＰＤとの距離が遠いと光が拡散してしまい、フォトダイオードＰＤに全て入射させることができず感度が低下する。
【００６９】
これに対し上記実施の形態１では、図２に示されたように、レンズＬ２を通った後はレンズＬ１に入射するまでの間、平行光を維持する。よって、レンズＬ２からレンズＬ１までの距離が離れていても平行光が維持され、この後レンズＬ１を通過した光がフォトダイオードＰＤに入射することになる。
【００７０】
そこで、本発明の実施の形態２では、図７に示されたように、２番目のレンズＬ１２と１番目のレンズＬ１１との間隔を長く空けることで、５層構造を有するメタル配線層ＭＬ１〜ＭＬ５の配置を可能としている。
【００７１】
半導体基板１０の表面部分における、素子分離領域１１で分離された素子領域に、フォトダイオードＰＤが形成されている。
【００７２】
フォトダイオードＰＤの上方における図中右側には、読出しゲートＧＥが配置されており、表面全体を覆うようにシリコン酸化膜１２が形成されている。
【００７３】
このシリコン酸化膜１２中において、入射光が通過する経路を除いた領域に、多層配線として５層構造を有するメタル配線層のうち、第１層目のメタル配線層ＭＬ１が形成されている。
【００７４】
シリコン酸化膜１２は表面が平坦に形成されており、入射光が通過する経路において、その表面上に上に凸状にシリコン窒化膜３１が形成されている。
【００７５】
シリコン窒化膜３１、メタル配線層ＭＬ１、シリコン酸化膜１２の表面上には、シリコン酸化膜３２が形成されている。シリコン酸化膜３２中において、入射光が通過する経路を除いた領域に、第２層目から第４層目のメタル配線層ＭＬ２〜ＭＬ４が形成されている。
【００７６】
このシリコン酸化膜３２は表面が平坦に形成されており、入射光が通過する経路において、その表面上にはシリコン窒化膜３３が形成されている。また、シリコン酸化膜３２の表面上には、入射光が通過する経路を除いた領域に、第５層目のメタル配線層ＭＬ５が形成されている。
【００７７】
シリコン酸化膜３２、シリコン窒化膜３３、メタル配線層ＭＬ５の表面上には、平坦化層３４が形成されている。この平坦化層３４２は上記実施の形態１と同様に、例えばアクリル樹脂等の透明樹脂で形成されている。
【００７８】
平坦化層３４中において、入射光が通過する経路に、Ｒ、Ｇ、Ｂ等のいずれかの色を有するカラーフィルタＣＦが設けられている。
【００７９】
平坦化層２２の表面上には、マイクロレンズＭＬが設けられている。
【００８０】
ここで、シリコン窒化膜３１とシリコン酸化膜３２との界面においてレンズＬ１１が形成され、シリコン窒化膜３３と平坦化層３４との界面においてレンズＬ１２が形成されている。
【００８１】
このような構成を備えた本実施の形態２による固体撮像装置の動作について、以下に説明する。
【００８２】
図示されていないカメラレンズから光が射出されて、曲率半径ｒ３のマイクロレンズＭＬに入射する。
【００８３】
このマイクロレンズＭＬは、屈折率ｎ０＝１である真空と、屈折率ｎ４を有するマイクロレンズＭＬの材料との界面として形成され、凸レンズとして作用し、平行光が入射した場合は焦点距離ｆ３にて結像することになる。この焦点はマイクロレンズＭＬから、図中下側のフォトダイオードＰＤ側に存在する。
【００８４】
マイクロレンズＭＬから下方に射出された入射光は、カラーフィルタＣＦを透過した後、曲率半径ｒ２を有するレンズＬ１２に入射する。
【００８５】
このレンズＬ１２は、屈折率ｎ３の材料、例えばアクリル樹脂等の透明樹脂から成る平坦化膜３４と、屈折率ｎ２の材料であるシリコン窒化膜３３との界面として形成され、凹レンズとして作用する。この焦点は、平坦化層３４とシリコン窒化膜３３との界面におけるレンズＬ１２から見て、図中上側のマイクロレンズＭＬ側に存在する。
【００８６】
レンズＬ１２から下方に射出された入射光は、シリコン酸化膜３２を通過した後、曲率半径ｒ１のレンズＬ１１に入射する。このレンズＬ１１は、屈折率ｎ１であるシリコン酸化膜３２と屈折率ｎ２なるシリコン窒化膜３１との界面として形成され、凸レンズとして作用する。この焦点は、シリコン酸化膜３２とシリコン窒化膜３１との界面におけるレンズＬ１１から見て、図中下側のフォトダイオードＰＤ側に存在する。
【００８７】
レンズＬ１１を通過した入射光はフォトダイオードＰＤに入射され、これにより信号電荷が発生し蓄積される。フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷は、フォトダイオードＰＤの図中右側に隣接するように配置された読出しゲートへの印加電圧がハイレベルになることによって、選択的に読み出される。
【００８８】
本実施の形態２においても上記実施の形態１と同様に、フォトダイオードＰＤとマイクロレンズＭＬとの中間に、層内レンズが二つ形成されている。
【００８９】
マイクロレンズＭＬ側のレンズＬ１２は凹レンズとして作用し、もう一方のフォトダイオードＰＤ側のレンズＬ１１は凸レンズとして作用する。
【００９０】
レンズＬ１２の焦点距離ｆ２とマイクロレンズＭＬの焦点距離ｆ３との和が、レンズＬ１２とレンズＭＬの距離にほぼ等しくなるように設定されている。
【００９１】
また、上記実施の形態１と同様に、レンズＬ１１の焦点距離ｆ１の絶対値がレンズＬ１２の焦点距離ｆ２の絶対値より小さい場合、平行光を１番目のマイクロレンズＭＬに入射させると焦点に結像し、この焦点を通過した光は２番目のレンズＬ１２を通過したあと、平行光になる。
【００９２】
このような性質を利用することで、マイクロレンズＭＬに入射した平行光がレンズＬ１２を通過した後、再び平行光として出力される。これにより、レンズＬ１２とレンズＬ１１との距離を空けることができる。
【００９３】
この実施の形態２における光路は、矢印Ｃ１で示されたマイクロレンズＭＬの中心を通った光は、垂直にマイクロレンズＭＬに入射する。
【００９４】
矢印Ｃ２、Ｃ３で示されたマイクロレンズＭＬの端を通った光は、マイクロレンズＭＬによって中心方向に向かって進行方向を曲げた後、平坦化層３４の内部を進んでいく。
【００９５】
シリコン窒化膜３３と平坦化層３４との界面に形成されたレンズＬ１２は凹レンズとしての作用を有するので、矢印Ｃ２、Ｃ３で示された光はほぼ垂直方向に進行方向を変えて進んでいく。
【００９６】
シリコン酸化膜３２とシリコン窒化膜３１との界面に形成されたレンズＬ１１により光が再び進行方向を変えて、フォトダイオードＰＤのほぼ中心に入射する。
【００９７】
このような本実施の形態２による固体撮像装置に対し、１０度の傾きを有する光をマイクロレンズＭＬのほぼ前面に渡って入射させたときのそれぞれの光線を追跡したシミュレーション結果を図８に示す。この図８から明らかなように、上記実施の形態１と同様に本実施の形態２においても。全ての光線がフォトダイオードＰＤにおける半分の領域に入射している。
【００９８】
従って、本実施の形態２によれば、上記比較例１、比較例２より高い感度を得ることが可能である。
【００９９】
上述した実施の形態はいずれも一例であって、本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲内において様々に変形することが可能である。例えば、多層配線層の層構成の数は、上記実施の形態１における３層、あるいは上記実施の形態２における５層に限らず、任意の数に設定することができる。また、２種類の異なる材料の界面にレンズを形成する際に、上記実施の形態ではシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、透明樹脂を用いているが、これらの組み合わせに限らず透光性を有する材料であれば他の材料を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の実施の形態１による固体撮像装置の回路構成を示した回路図。
【図２】同実施の形態１による固体撮像装置のフォトダイオードＰＤ付近の構造を示した縦断面図。
【図３】比較例１による固体撮像装置のフォトダイオードＰＤ付近の構造を示した縦断面図。
【図４】比較例２による固体撮像装置のフォトダイオードＰＤ付近の構造を示した縦断面図。
【図５】上記実施の形態１による固体撮像装置に斜めから入射した光の経路を追跡した結果を示す縦断面図。
【図６】上記比較例１による固体撮像装置に斜めから入射した光の経路を追跡した結果を示す縦断面図。
【図７】本発明の実施の形態２による固体撮像装置のフォトダイオードＰＤ付近の構造を示した縦断面図。
【図８】同実施の形態２による固体撮像装置に斜めから入射した光の経路を追跡した結果を示す縦断面図。
【符号の説明】
【０１０１】
ＰＤ  フォトダイオード
ＭＬ  マイクロレンズ
ＭＬ１〜ＭＬ５  メタル配線層
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１１、Ｌ１２  レンズ
１０  半導体基板
１２、３２  シリコン酸化膜
２１、３１、３３  シリコン窒化膜
２２、３４  平坦化層
【図１】
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【図２】
2006120787.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006120787.tif 000006
【図５】
2006120787.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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