(57)【要約】【課題】光の利用効率を向上させたマイクロレンズを備える撮像装置を提供する。【解決手段】外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が行列配置され、撮像部の光入射面上に画素の行方向に沿って延伸された柱状レンズ２０と、柱状レンズ２２上に画素の列方向に沿って延伸された柱状レンズ２２とを備える撮像装置によって上記課題を解決することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、
前記撮像部の光入射面上における前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向と交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズと、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１の柱状レンズ及び前記第２の柱状レンズは、前記撮像部の光入射面に対して上又は下に凸のレンズ面形状を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、
前記第１の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率と前記第２の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率とが異なることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の撮像装置において、
前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズの中心位置は、前記撮像部の撮像面と平行な平面内において前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズと対応する画素の中心位置に対してずらされて配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の各々に対応付けられて独立して配置されたマイクロレンズと、
前記撮像部の光入射面上における前記マイクロレンズ上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置の製造方法であって、
前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、
前記撮像部の画素の第１の方向に沿ってパターンニングされたレジスト層を前記第１の光透過層上に形成する第２の工程と、
前記レジスト層を熱溶融させる第３の工程と、
前記レジスト層をマスクとして前記第１の光透過層をエッチングする工程と、を備え、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする撮像装置の製造方法。
【請求項７】
外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置の製造方法であって、
前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、
前記撮像部の画素の第１の方向に沿って前記第１の光透過層をパターンニングする第２の工程と、
前記第１の光透過層を不活性ガスイオンを用いてエッチングする第３の工程と、を備え、
前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする撮像装置の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の撮像装置の製造方法において、
前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズ、及び、前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向に交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズを形成することを特徴とする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、マイクロレンズを備えた撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像装置やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）固体撮像装置は、半導体基板上にマトリックス状に配置された画素においてそれぞれ生成された情報電荷を画像信号として出力する。このような固体撮像装置では、画素に入射される光を画素の光電変換領域に集光するためのマイクロレンズを備えている。マイクロレンズ６０は、図１３に示すように、半球形状をしており、各画素に対応付けて画素毎に独立して配置される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１７３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半球形状をしたような画素毎に独立したマイクロレンズ６０を用いた場合、マイクロレンズ６０間に非集光領域６２が発生する。非集光領域６２に入射された光はいずれの画素の光電変換領域にも集光されないので、固体撮像装置における光の利用効率が低下してしまう。特に、画素の微細化が進むにつれて、リソグラフィ技術のレジストパターンの平面形状が丸みを帯びるため固体撮像装置の撮像領域に対する非集光領域６２の割合が増加し、光の利用効率は著しく低下する。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、入射光の利用効率を向上させたマイクロレンズを備えた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】
【０００６】
本発明は、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、前記撮像部の光入射面上における前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向と交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズと、を備えることを特徴とする。前記第１の柱状レンズ及び前記第２の柱状レンズは、前記撮像部の光入射面に対して上又は下に凸のレンズ面形状を有することが好適である。
【０００７】
ここで、前記第１の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率と前記第２の柱状レンズにおけるレンズ面の曲率とを異ならせることも好適である。これにより、画素の形状に合わせて集光を行うことができる。また、前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズの中心位置は、前記撮像部の撮像面と平行な平面内において前記第１の柱状レンズ又は前記第２の柱状レンズと対応する画素の中心位置に対してずらされて配置されていることも好適である。これにより、撮像部の入射面側に前段レンズが設けられている場合にも、光の入射角による集光の位置のずれの影響を低減することができる。
【０００８】
なお、外部からの光を受けて情報電荷を生成する複数の画素が二次元配置された撮像部を備えた撮像装置であって、前記撮像部の光入射面上に前記画素の各々に対応付けられて独立して配置されたマイクロレンズと、前記撮像部の光入射面上における前記マイクロレンズ上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズと、を備える構成としても良い。これにより、少なくとも従来技術より非集光領域を低減することができる。
【０００９】
また、本発明は、上記本発明における撮像装置の製造方法であって、前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、前記撮像部の画素の第１の方向に沿ってパターンニングされたレジスト層を前記第１の光透過層上に形成する第２の工程と、前記レジスト層を熱溶融させる第３の工程と、前記レジスト層をマスクとして前記第１の光透過層をエッチングする工程と、を備え、前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする。
【００１０】
また、前記撮像部の光入射面上に所定波長の光に対して透光性を有する第１の光透過層を形成する第１の工程と、前記撮像部の画素の第１の方向に沿って前記第１の光透過層をパターンニングする第２の工程と、前記第１の光透過層を不活性ガスイオンを用いてエッチングする第３の工程と、を備え、前記撮像部の光入射面上に前記画素の第１の方向に沿って延伸された柱状レンズを形成することを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記画素の第１の方向に沿って延伸された第１の柱状レンズ、及び、前記第１の柱状レンズ上に前記画素の第１の方向に交差する第２の方向に沿って延伸された第２の柱状レンズを形成することが好適である。
【００１２】
これらの方法により、前記画素の行方向に沿って延伸された第１の柱状レンズ、及び、前記第１の柱状レンズ上に前記画素の列方向に沿って延伸された第２の柱状レンズを形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、マイクロレンズを備えた撮像装置において、非集光領域を低減させ、光の利用効率を向上させることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態における固体撮像装置１００は、図１に示すように、複数の画素１０が２次元行列に配置された撮像部を備える。各画素１０は、それぞれ光電変換素子を備えており、入射された光に応答して情報電荷を生成し、画像信号として出力する。
【００１５】
図２及び図３は、図１のＡ−Ａライン及びＢ−Ｂラインに沿った断面図である。固体撮像装置１００は、図２及び図３に示すように、柱状レンズ２０，２２を備えて構成される。柱状レンズ２０は、各行に対応付けられて、各行に沿って延伸されて配置される。柱状レンズ２２は、柱状レンズ２０と交差するように、各列に対応付けられて、各列に沿って延伸されて配置される。柱状レンズ２０，２２は、各行又は各列に対応付けられて、固体撮像装置１００の撮像部に隙間無く配置されることが好適である。
【００１６】
柱状レンズ２０，２２は、それぞれ各行及び各列の画素の端部から画素の中心に向かって上方向又は下方向に膨らんだレンズ面を備えたものである。例えば、半円柱形状、Ｕ字形状、Ｖ字形状などの断面形状を有し、入射される光を帯状に集光する。柱状レンズ２０，２２のレンズ面の形状（曲率）は、構成材料の屈折率、対応する画素の大きさ、画素の形状、レンズと光電変換素子までの距離等に応じて適宜調整することが好ましい。
【００１７】
柱状レンズ２０，２２は、図４及び図５に示すように、例えば、半円柱形状領域Ａ及び周辺領域Ｂの組み合わせで構成することができる。光は、図４及び図５の上部から下部へ向けて入射されるものとする。半円柱形状領域Ａ及び周辺領域Ｂは共に固体撮像装置１００において光電変換の対象となる光の波長領域に対する吸収が小さい透明な材質で構成される。柱状レンズ２０，２２は、図４に示すように、それぞれ上に凸のレンズ面を有する構造とすることができる。この場合、半円柱形状領域Ａの屈折率ＮＡを周辺領域Ｂの屈折率ＮＢよりも高くする。例えば、半円柱形状領域Ａを窒化珪素（ＳｉＮ）で構成し、周辺領域Ｂを酸化珪素（ＳｉＯ２）で構成する。また、柱状レンズ２０，２２は、図５に示すように、それぞれ下に凸のレンズ面を有する構造とすることができる。この場合、半円柱形状領域Ａの屈折率ＮＡを周辺領域Ｂの屈折率ＮＢよりも高くする。例えば、半円柱形状領域Ａを窒化珪素（ＳｉＮ）で構成し、周辺領域Ｂを酸化珪素（ＳｉＯ２）で構成する。
【００１８】
半円柱形状領域Ａの屈折率ＮＡと周辺領域Ｂの屈折率ＮＢとの関係を満たす限り、柱状レンズ２０，２２は上に凸又は下に凸の構造を適宜組み合わせることができる。例えば、図６（ａ）のように、柱状レンズ２０，２２を共に上に凸の構造としても良いし、図６（ｂ）のように、柱状レンズ２０を下に凸及び柱状レンズ２２を上に凸の構造としても良いし、図６（ｃ）のように、柱状レンズ２０を上に凸及び柱状レンズ２２を下に凸の構造としても良いし、図６（ｄ）のように、柱状レンズ２０，２２を共に下に凸の構造としても良い。
【００１９】
以上のように、柱状レンズ２０，２２を各列及び各行に互いに交差するように配置することによって、非集光領域の面積を減少させることができる。すなわち、柱状レンズ２０，２２の各行又は各列に対応したレンズを隣り同士で非集光領域に設けることなく接触させることができる。これにより、従来の半球形状のレンズに比べて撮像領域に対する集光領域の割合が増加する。
【００２０】
また、レンズ面の曲率を互いに異ならせた２層の柱状レンズ２０，２２を組み合わせて用いることによって、画素の形状や大きさに合せて行方向への光の集光度と列方向への光の集光度とを別々に容易に調整することができる。例えば、画素が長方形であり、画素の行方向と列方向との辺の長さが異なる場合、長辺を有する方向と交差する柱状レンズのレンズ面の曲率よりも短辺を有する方向と交差する柱状レンズのレンズ面の曲率を大きくすることが好適である。これによって、画素の形状に合せて光を集光させることができる。
【００２１】
なお、上層のレンズを柱状レンズとし、下層のレンズを従来のような画素毎に独立して配置されたマイクロレンズとしても良い。このとき、上層の柱状レンズによって集光された帯状の領域に対して、下層のマイクロレンズ間に非集光領域が生じないように配置することが好適である。すなわち、集光された帯状の領域では、隣接する下層のマイクロレンズを接触させるように配置する。この構成によっても非集光領域を減少させることができる。
【００２２】
また、図７に示すように、偶数列を構成している複数の画素１０の各々が奇数列を構成している複数の画素に対して各列の光電変換素子のピッチの１／２ずつ列方向にずらされ、偶数行を構成している複数の画素の各々が奇数行を構成している複数の画素に対して各行の光電変換素子のピッチの１／２ずつ行方向にずらされたハニカム構造を有するものがある。この場合、隣接する画素１０の中心は互いに角度φ＝６０°の正三角形の頂点に配置される。なお、転送電極も各画素１０の周辺に沿ってハニカム状に配設される。このような構成においては、図７に示すように、複数の行又は列に跨るように各柱状レンズ２０，２２を配設することが好適である。このとき、柱状レンズ２０と柱状レンズ２２とを直交させずに交差させる。具体的には、柱状レンズ２０と柱状レンズ２２とを隣接する画素１０がなす角度φで交差させることが好適である。
【００２３】
なお、図８に示すように、撮像部に外部からの光を集光させるために、撮像部の上部に前段レンズ２４を設けた場合、前段レンズ２４によって撮像部２６の中心から周辺へ向かうにつれて撮像部２６の垂直方向に対する各画素への光の入射角度θが大きくなる。そこで、図９に示すように、柱状レンズ２０，２２の中心位置を対応する画素の中心位置に対して前段レンズ２４の中心線から離れる方向に向けて幅δだけずらして配置することが好適である。幅δは、光の入射角度θ、画素の入射面と柱状レンズ２０，２２との距離等に基づいて決定することができる。すなわち、入射角度θで入射された光が柱状レンズ２０，２２によって対応する画素の中心に集光されるように幅δを決定する。具体的には、前段レンズ２４の中心線（一般的には撮像部２６の中心）から周辺へ向かうにつれて、幅δを大きくするように配置する。これによって、前段レンズ２４の影響を抑え、画像のずれ等を低減して高画質の画像を得ることができる。
【００２４】
柱状レンズ２０，２２は、図１０に示すように、転写法を用いて半導体基板３０の表面上に形成することができる。画素が形成された半導体基板３０の表面上に、図１０（ａ）に示すように、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有する合成樹脂層３２を形成する。続いて、図１０（ｂ）に示すように、合成樹脂層３２の表面上にフォトレジスト層３４を形成する。ここで、フォトレジスト層３４を既存のフォトリソグラフィ技術によってパターンニングして、撮像面への投影領域が各行に沿って配置された画素に一致するように延伸されたフォトレジストパターンを形成する。次に、図１０（ｃ）に示すように、フォトレジストパターンを熱溶融させて、上に凸の曲面形状を有する柱状レンズパターン３６とする。続いて、図１０（ｄ）に示すように、ドライエッチング技術等を用いて全面のエッチングを行って、合成樹脂層３２に柱状レンズパターン３６の形状を転写して柱状レンズ２０のレンズ面を形成する。さらに、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有し、合成樹脂層３２より屈折率が低い合成樹脂層３８を合成樹脂層３２上に形成することによって柱状レンズ２０が形成される。なお、図１０（ｅ）に示すように、柱状レンズ２０と同様に、各列に沿って配置された画素に一致するように延伸された柱状レンズ２２を柱状レンズ２０上に形成することができる。
【００２５】
なお、合成樹脂層３４の代わりに酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（ＳｉＮ）などの無機絶縁層を用いることで、無機絶縁物の柱状レンズを形成することもできる。
【００２６】
なお、フォトレジスト層３４の加工形状及び熱溶融の条件を変えることによってフォトレジストパターンの曲面の曲率を調整することができる。これによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の曲率を調整することができる。
【００２７】
また、柱状レンズ２０，２２は、図１１に示すように、レジストを利用したエッチング法を用いて半導体基板３０の表面上に形成することもできる。図１１（ａ）に示すように、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有する光透過層４０を画素が形成された半導体基板３０の表面上に形成する。可視光領域に対しては、光透過層４０は窒化珪素や酸化珪素で構成することができる。次に、フォトリソグラフィ技術等を用いて、撮像部の各行に沿って画素が形成された領域上にレジスト膜を形成する。このレジスト膜を利用して、ドライエッチング技術又はウェットエッチング技術を用いて光透過層４０をエッチングする。エッチング後にレジスト膜を除去することによって、図１１（ｂ）に示すように、光透過層４０に撮像部の画素の各行に沿って延伸された凸部４４が形成される。続いて、図１１（ｃ）に示すように、光透過層４０上を光透過層４６で覆う。このとき、光透過層４６をほぼ均一な膜厚で形成する。光透過層４６は、撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有し、光透過層４０とほぼ屈折率が等しい材質とすることが好適である。例えば、光透過層４６は光透過層４０と同じ材質とする。さらに、光透過層４６を不活性ガスイオンによるイオンエッチングでエッチングする。これによって、図１１（ｄ）に示すように、凸部４４に対応する角部が滑らかに加工され、柱状レンズ２０のレンズ面が形成される。撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有し、光透過層４０，４６より屈折率が低い光透過材である光透過層４８を光透過層４６上に形成することによって柱状レンズ２０が形成される。さらに、図１１（ｅ）に示すように、柱状レンズ２０と同様に、各列に沿って配置された画素に一致するように延伸された柱状レンズ２２を柱状レンズ２０上に形成することもできる。なお、光透過層４６を形成する前に、凸部４４の角部をエッチングしても良い。
【００２８】
なお、不活性ガスイオンによるイオンエッチングの条件を変更することによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の曲率を調整することができる。
【００２９】
また、図１２に示すように、下に凸の柱状レンズ２０，２２を形成することも可能である。
【００３０】
図１２（ａ）に示すように、画素が形成された半導体基板３０の表面上に撮像部で光電変換対象となる波長領域において透光性を有する光透過層５０を形成する。可視光領域においては、光透過層５０は、例えば、酸化珪素で構成する。次に、フォトリソグラフィ技術等を用いて、図１２（ｂ）に示すように、撮像部の各行に沿って隣り合う画素の間に対応する領域上のみにレジスト膜５１を形成する。このレジスト膜５１をマスクとして利用して、ドライエッチング技術等の異方性エッチングを適用することによって光透過層５０をエッチングする。エッチング後にレジスト膜５１を除去する。これによって、図１２（ｃ）に示すように、光透過層５０に撮像部の画素の各行に沿って延伸された凸部５２が形成される。さらに、ウェットエッチング技術等の等方性エッチングを用いて光透過層５０をエッチングする。これによって、図１２（ｄ）に示すように、撮像部の各行に沿って画素の中心部から画素の端部に向けて連続的に膜厚が厚くなった凸部５４が形成される。このように加工された光透過層５０上に、光電変換対象となる波長領域において透光性を有する光透過層５６を形成する。光透過層５６は、光透過層５０よりも屈折率が高い材質で構成する。可視光領域においては、例えば、光透過層５６は窒化珪素で構成する。この光透過層５６を機械研磨や化学研磨等によって平坦化させることによって、図１２（ｅ）に示すように、下に凸の柱状レンズ２０を形成することができる。さらに、図１２（ｆ）に示すように、下に凸の形状を有する柱状レンズ２２を形成することもできる。
【００３１】
なお、ドライエッチング及びウェットエッチングの条件を変更することによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の曲率を調整することができる。
【００３２】
また、上記のレンズ製造方法を適宜組み合わせることによって、柱状レンズ２０，２２のレンズ面の凸部を上向き又は下向きに適宜選択して形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態における固体撮像装置の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態における固体撮像装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における固体撮像装置の断面図である。
【図４】上に凸のレンズ面を有する柱状レンズの構造を示す断面図である。
【図５】下に凸のレンズ面を有する柱状レンズの構造を示す断面図である。
【図６】柱状レンズのレンズ面の組み合わせを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における固体撮像装置の平面図の別例である。
【図８】固体撮像装置の撮像部への集光レンズの作用を示す図である。
【図９】レンズ収差を考慮した柱状レンズの形状を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図１３】従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  画素、２０，２２  柱状レンズ、３０  半導体基板、３２  合成樹脂層、３４  フォトレジスト層、３６  柱状レンズパターン、３８  合成樹脂層、４０  第１の光透過層、４４  凸部、４６  第２の光透過層、４８  第３の光透過層、５０  第１の光透過層、５１  レジスト膜、５２，５４  凸部、５６  第２の光透過層、６０  マイクロレンズ、６２  非集光領域、１００  固体撮像装置。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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