(57)【要約】【課題】射出瞳距離が短いモジュールにおいても良好なシェーディング特性を実現する。【解決手段】画素アレイ部を設けた半導体基板上に配線や層間絶縁膜を積層し、最上層の絶縁膜（保護膜）を形成する場合に、この上層膜の上面に画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元曲面状の湾曲面を形成し、この湾曲面に沿ってオンチップマイクロレンズを形成することにより、画素アレイ部の各画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きくし、３次元方向の瞳補正を行うようにした。湾曲面の形成方法としては、例えば上層膜の上面をＣＭＰ法にて研磨して平坦化する工程で、その研磨レートの違いを活用して形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を含む画素アレイ部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された配線及び絶縁膜を含む上層膜と、
前記上層膜上に形成されたオンチップマイクロレンズとを有し、
前記上層膜の上面が湾曲面に形成されるとともに、前記オンチップマイクロレンズが前記湾曲面に沿って形成され、前記複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離が画素アレイ部内の画素の位置に応じて変化している、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記上層膜の湾曲面は画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元の曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きいことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記オンチップマイクロレンズと画素アレイ部との間に低誘電率膜を配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
複数の画素を含む画素アレイ部が形成された半導体基板上に配線及び絶縁膜を含む上層膜を形成する工程と、
前記上層膜上にオンチップマイクロレンズを形成する工程とを有し、
前記上層膜の上面を湾曲面に形成するとともに、前記オンチップマイクロレンズを前記湾曲面に沿って形成し、前記複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部内の画素の位置に応じて変化させる、
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記上層膜の湾曲面は画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元の曲面状に形成することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項７】
前記複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きくすることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記上層膜の上面をＣＭＰ法によって研磨する研磨工程を有し、前記研磨工程において、上層膜内の配線のパターンを調整して研磨レートを制御することにより、前記湾曲面を形成することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記上層膜の上面をエッチングすることにより、前記湾曲面を形成することを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素アレイ部の上部に各種の積層膜を介してオンチップマイクロレンズを設けた固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子は、各種の撮像システムに広く利用されており、特に昨今では、携帯電話等のモバイル用の撮像素子レンズ付きモジュールでは、さらなる小型化が求められている。
そして、このようなモジュールを使用した場合、レンズと撮像素子との間の距離（射出瞳距離）が短くなり、画素アレイ部の中央部の画素に入射する光量と周辺部の画素に入射する光量との差が徐々に拡大する傾向となっている。このように、画像の中央と周辺で感度ムラが生じる現象をシェーディングと呼び、上述のように射出瞳距離が徐々に短くなる設計条件において、有効なシェーディング対策を行うことが、極めて重要な課題となっている。
【０００３】
図６は従来の固体撮像素子を示す平面図である。
図示のように、半導体チップ１００の中央部には、多数の画素を２次元方向に配列した画素アレイ部１１０が形成されている。この画素アレイ部１１０の外周部には、オプティカルブラック（ＯＰＢ）をとるための遮光画素が配置されるＯＰＢ部１１１が形成されており、その内側に実際の撮像を行う有効画素部１１２が形成されている。
また、画素アレイ部１１０の周囲には、各画素の信号を順次読み出すための走査等を行う垂直シフトレジスタ１２０Ａ、１２０Ｂ及び水平シフトレジスタ１３０が設けられ、その外側に信号処理回路１４０や入力出力端子１５０等が配置されている。
そして、このような半導体チップ１００の上にオンチップマイクロレンズや被写体レンズ等が設けられ、小型カメラモジュールを構成されている。
【０００４】
図７及び図８は射出瞳距離に対するシェーディングの変化を説明するための模式図である。
図７は平坦なオンチップマイクロレンズ１５０に対し、被写体（光源）１５１からの光が同一の明るさになる面１５２を仮想的に示したものであり、面１５２の位置を画素アレイ部の中心部の画素に合わせた場合、周辺部に配置される画素ほど面１５２より遠くなる。
また、図８は射出瞳距離が異なるモジュールで各画素に対する入射光の角度を示しており、射出瞳距離の大きい図８（Ａ）の場合に比べて、射出瞳距離の小さい図８（Ｂ）の場合の方が画素アレイ部の周辺部の画素に入射する光の傾斜角度が大きくなる。
（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
そして、従来のシェーディング対策としては、撮像素子の上部に配置されるオンチップマイクロレンズ（ＯＣＬ）、撮像素子の層内に配置されるインナーレンズ （ＩＮＬ）、または撮像素子のメタル配線のパターンを調整する瞳補正を行っている。
図９はオンチップマイクロレンズの瞳補正の例を示している。図示のように、オンチップマイクロレンズ１５０のパターンを全体的に画素アレイ部１１０の中心方向に縮小することで瞳補正を行う。
図１０はこのような瞳補正によって各画素に入射する光の光路を示す断面図である。図示のように、光電変換部（フォトダイオード）１６１等を設けたシリコン基板１６０の上には、ゲート絶縁膜（図示せず）を介して転送電極１６２が設けられ、その上層に複数の配線１６３、層間絶縁膜１６４、及び各種プラグ１６５等が積層され、最上層の絶縁膜１６４の上にカラーフィルタ（図示せず）が配置され、その上にオンチップマイクロレンズ１６８が設けられている。
そして、図１０（Ｂ）に示す画素アレイ部の中央の画素では、マイクロレンズ１６８が光電変換部１６１の真上に配置され、入射光が光電変換部１６１に垂直に入射するのに対し、図１０（Ａ）に示す画素アレイ部の周辺部の画素では、マイクロレンズ１６８が光電変換部１６１の斜め上に配置され、入射光が光電変換部１６１に斜めに入射する。
【特許文献１】特開２００３−２６４２８１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、上記従来の瞳補正は２次元的な補正であるため、効果が限定的であり、また、適正な瞳補正を行うには、予めモジュール毎の瞳距離に応じてマイクロレンズのずらし量を決定することが必要となり、実際の設計を行う上で困難な点も多いことから、従来の瞳補正による対策では十分なシェーディング特性が得られなくなってきている。
【０００７】
そこで本発明は、射出瞳距離が短いモジュールにおいても良好なシェーディング特性を実現することが可能な固体撮像素子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、本発明の固体撮像素子は、複数の画素を含む画素アレイ部が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に積層された配線及び絶縁膜を含む上層膜と、前記上層膜上に形成されたオンチップマイクロレンズとを有し、前記上層膜の上面が湾曲面に形成されるとともに、前記オンチップマイクロレンズが前記湾曲面に沿って形成され、前記複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離が画素アレイ部内の画素の位置に応じて変化していることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、複数の画素を含む画素アレイ部が形成された半導体基板上に配線及び絶縁膜を含む上層膜を形成する工程と、前記上層膜上にオンチップマイクロレンズを形成する工程とを有し、前記上層膜の上面を湾曲面に形成するとともに、前記オンチップマイクロレンズを前記湾曲面に沿って形成し、前記複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部内の画素の位置に応じて変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の固体撮像素子によれば、オンチップマイクロレンズの下地となる上層膜の上面が湾曲面に形成され、オンチップマイクロレンズが上層膜の湾曲面に沿って形成され、複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離が画素アレイ部内の画素の位置に応じて変化していることから、従来は２次元的な補正しかできなかった瞳補正を３次元に補正でき、より有効なシェーディング抑制効果を得ることができる効果がある。
また、例えば上層膜の湾曲面は画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元の曲面状に形成し、複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きいことにより、適切な瞳補正を行うことが可能となり、感度の向上を図ることが可能となる。
さらに、例えばオンチップマイクロレンズと画素アレイ部との間に低誘電率膜を配置したことにより、各画素の光電変換部への集光効率を向上することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、オンチップマイクロレンズの下地となる上層膜の上面を湾曲面に形成し、オンチップマイクロレンズを上層膜の湾曲面に沿って形成し、複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部内の画素の位置に応じて変化させたことから、従来は２次元的な補正しかできなかった瞳補正を３次元に補正でき、より有効なシェーディング抑制効果を有する固体撮像素子を作成できる効果がある。
また、例えば上層膜の湾曲面は画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元の曲面状に形成し、複数の画素とオンチップマイクロレンズとの距離が画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きいように形成することで、固体撮像素子の適切な瞳補正を行うことが可能となり、感度の向上を図ることが可能となる。
また、上層膜の上面をＣＭＰ法によって研磨する研磨工程において、上層膜内の配線のパターンを調整して研磨レートを制御することで湾曲面を形成することにより、作業工程数を増加させることなく、安価に実現できる利点がある。
あるいは、上層膜の上面をエッチングすることで湾曲面を形成することにより、適正な湾曲面を自在に形成することができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態では、画素アレイ部を設けた半導体基板上に配線や層間絶縁膜を積層し、最上層の絶縁膜（保護膜）を形成する場合に、この上層膜の上面に画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元曲面状の湾曲面を形成し、この湾曲面に沿ってオンチップマイクロレンズを形成することにより、画素アレイ部の各画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きくし、３次元方向の瞳補正を行うようにした。
ここで、湾曲面の形成方法としては、例えば上層膜の上面をＣＭＰ法にて研磨して平坦化する工程で、その研磨レートの違いを活用して形成することができる。なお、研磨レートの違いとは、ＣＭＰ法が下地パターンの影響を受けることにより生じるものであり、下地パターンを何らかの方法で調整することにより、研磨レートに差を付け、湾曲面を形成する。また、湾曲させる膜としては、複数層の層間絶縁膜を適宜選択して湾曲させる。
また、湾曲形状は下地パターンを適宜に変えることでコントロールし、またＣＭＰの条件によってコントロールしても良い。また、必要に応じて層間絶縁膜に低誘電率材料を組合わせることにより、集光した光を光電変換部方向に屈折させ、集光した光を効率よく光電変換部に到達させる。
このようなＣＭＰ法の研磨レートの調整の代わりに、例えば各種のエッチング法を応用することにより、湾曲面を形成しても良い。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例による固体撮像素子を示す図であり、図１（Ａ）はオンチップマイクロレンズの断面を示し、図１（Ｂ）は画素アレイ部の周辺部の画素の断面を示している。なお、固体撮像素子の全体構成や画素アレイ部の中央部の画素の構成は従来例と同様であるので図示は省略している。
図１（Ａ）に示すように、本実施例の固体撮像素子では、湾曲したオンチップマイクロレンズ１０を用いたものであり、オンチップマイクロレンズ１０の下層に配置される上層膜に画素アレイ部の中心側で凹んだ３次元曲面状の湾曲面を形成し、この上にオンチップマイクロレンズ１０を形成することで、画素アレイ部の各画素とオンチップマイクロレンズとの距離を画素アレイ部の中心側で小さく、画素アレイ部の周辺側で大きくし、３次元方向の瞳補正を行うようにしたものである。この結果、オンチップマイクロレンズ１０の各マイクロレンズ１０Ａの位置は、被写体（光源）１１からの光が同一の明るさになる面１２に沿って配置される。
したがって、図１（Ｂ）に示すように、画素アレイ部の周辺部にある画素では、マイクロレンズ１０Ａが３次元方向に傾斜して配置され、入射光を効率よく画素に供給する。なお、図示は省略しているが、画素アレイの中心部の画素では、従来と同様に光軸に直角の配置となっている。
【００１３】
また、図１（Ｂ）に示すように、本実施例の素子構造は、上述した従来例と同様に、まず、光電変換部（フォトダイオード）２１等を設けたシリコン基板２０の上にゲート絶縁膜（図示せず）を介して転送電極２２を設け、その上層に複数の配線（ポリシリコン膜やアルミ膜等）２３、層間絶縁膜（シリコン酸化膜等）２４、及び各種プラグ（タングステン等）２５等を積層し、最上層の絶縁膜（保護膜）２４の上にカラーフィルタ（図示せず）を配置し、その上にオンチップマイクロレンズ１０を設けたものである。
そして、本実施例では、オンチップマイクロレンズ１０の下層の絶縁膜２４に３次元湾曲面２４Ａを形成し、この湾曲面２４Ａに沿ってカラーフィルタやオンチップマイクロレンズ１０を形成することで、図１（Ａ）に示すような３次元湾曲構造のオンチップマイクロレンズ１０を得る。
図２はこのような３次元湾曲構造のオンチップマイクロレンズ１０を有する半導体チップの膜厚分布を模式的に示す斜視図である。
図示のように、半導体チップ３０は全体として平板状に形成されているが、画素アレイ部３１だけは、半球面状または非球面状に凹んだ３次元湾曲面３１Ａが形成され、その上にオンチップマイクロレンズ（図２では省略する）が配置されている。
【００１４】
次に、このような湾曲面の形成は、以下に説明するような方法で効率よく形成することが可能である。
まず、第１の方法は、上層膜（絶縁膜２４）の上面をＣＭＰ法にて研磨して平坦化する工程で、その研磨レートの違いを活用して形成する方法である。すなわち、ＣＭＰ法では、下地パターンの影響によって研磨レートに差異が生じる。そこで、湾曲させる絶縁膜の下地パターンを意図的に調整して研磨レートに差を付け、湾曲面を形成する。
図３は具体的な下地パターンの調整例を示す断面図である。
図示のように、例えば最上層の配線パターンにおいて、画素アレイ部４０側の配線２３Ａと周辺回路部４１（画素アレイ部の外部）側の配線２３Ｂで疎密差を付け、周辺回路部側では配線幅等の調整によって密集したパターンとし、画素アレイ部内では密集度の低いパターンとする。これにより、配線２３の上に積層される最上層の絶縁膜２４は、上面に下地パターンに対応する疎密度を有する凹凸２４Ｂが形成され、この上面にＣＭＰ研磨を行うと、凹凸２４Ｂの疎密に対応する研磨レートが生じ、上述した３次元湾曲面が形成される。そこで、この上にカラーフィルタを介してオンチップマイクロレンズ１０を形成することで、３次元方向に湾曲したオンチップマイクロレンズ１０を形成できる。
【００１５】
なお、下地の配線パターンを調整する際に、本例では画素アレイ部と周辺回路部で密集度を変えるようにしたが、さらに画素アレイ部内において、周辺から中心にかけて徐々に密集度を下げていくようなパターンとしてもよい。
すなわち、オンチップマイクロレンズの湾曲形状は下地パターンを適宜に変えることでコントロールし、またＣＭＰの条件によってコントロールしても良い。
また、本例では最上層の配線の疎密パターンだけを調整したが、他の膜の疎密パターンを調整するようにしてもよい。例えば、１つの層のパターンの調整だけでは十分な変化を与えられないような場合に複数の層のパターンを調整して有効な疎密状態を得ることが可能となる。
【００１６】
また、下地絶縁膜に湾曲面を形成する第２の方法として各種のエッチング技術を応用することが可能である。
図４はその一例を示す断面図である。まず、図４（Ａ）は最上層の絶縁膜２４の上にエッチング保護膜５０を配置した状態を示している。このエッチング保護膜５０には、画素アレイ部よりも小径の開口５０Ａが形成されている。
そして、このエッチング保護膜５０をマスクとして、等方性エッチング（ドライエッチングまたはウエットエッチング）を行うことにより、絶縁膜２４の上面に３次元湾曲面２４Ａを形成する。
なお、湾曲面の形状はマスクやエッチングの条件を選択することにより、適宜調整が可能である。
【００１７】
また、図５は図１に示す構成に加えて低誘電率膜（ＬｏｗＫ）を設けた例を示している。すなわち、図５に示す例では、最上層の絶縁膜２４の上に低誘電率膜６０を設け、その上にカラーフィルタやオンチップマイクロレンズ１０を設けたものである。なお、図５は画素アレイ部の周辺の画素の構造を示しているが、他の画素においても同様に低誘電率膜が配置されているものとする。
このように、絶縁膜と低誘電率材料を組合わせることにより、集光した光を光電変換部方向に屈折させ、効率よく光電変換部に到達させることが可能となる。
なお、低誘電率膜を設ける位置は図５の例に限らず、他の絶縁膜に重ねて配置するようにしてもよい。
【００１８】
以上説明したように、本発明の実施例では、従来２次元的な補正しかできなかった瞳補正を３次元に補正でき、より有効なシェーディング抑制効果を得ることが可能となる。
また、作業工程数を増加させることなく、安価に実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例による固体撮像素子のオンチップマイクロレンズ及び画素アレイ部の周辺部の画素の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子のチップ形状を示す斜視図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子を実現する場合の具体的な下地パターンの調整例を示す断面図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子を実現する場合のエッチング工程を示す断面図である。
【図５】図１に示す固体撮像素子の他の画素構造例を示す断面図である。
【図６】従来の固体撮像素子の素子構造を示す平面図である。
【図７】従来の固体撮像素子に設けられるオンチップマイクロレンズに対する入射光の様子を示す断面図である。
【図８】射出瞳距離に対するシェーディングの変化を説明する断面図である。
【図９】従来の固体撮像素子における瞳補正を示す説明図である。
【図１０】従来の固体撮像素子における画素の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０……オンチップマイクロレンズ、２０……シリコン基板、２１……被写体、２２……転送電極、２３……配線、２４……層間絶縁膜、２５……プラグ。
【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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【図１０】
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