(57)【要約】【課題】感度ムラを抑制し、且つ画素ごとの受光感度を向上させることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置１０は、半導体基板１６と、半導体基板１６の内部に形成される光電変換素子１７と、光電変換素子１７の上部に形成されるカラーフィルタ１３と、光電変換素子１７と対応させてカラーフィルタ１３の上部に配置される凸型のマイクロレンズ１２と、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、固体撮像装置１０の中心部以外の領域に配置されたマイクロレンズ１２は、頂部に平坦面１２０が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板内部に形成される光電変換素子と、前記光電変換素子上部に形成されるカラーフィルタと、前記光電変換素子と対応させて前記カラーフィルタの上部に配置される凸型のマイクロレンズと、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置の中心部以外の領域に配置された前記マイクロレンズは、頂部に平坦面が形成されていること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体撮像装置の前記中心部以外の領域に配置された前記マイクロレンズの中心軸は、対応する前記光電変換素子の中心軸から前記固体撮像装置の中心部寄りにずれていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記頂部に平坦面が形成された前記マイクロレンズは、前記固体撮像装置の中心部を基準として主光線の入射角度が２０度以上となる領域に配置されること
を特徴とする請求項１又は請求項２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、固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置上部に形成されるマイクロレンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラやデジタルカムコーダ等では、被写体の撮影において固体撮像装置を用いるものが主流となっている。主な固体撮像装置として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等が存在し、特にＣＭＯＳイメージセンサは微細化技術を取り入れることで目覚しい発展を遂げている。
【０００３】
一般に、固体撮像装置は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子が、格子状に配列された構成となっている。光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精細になるので、大画素数の固体撮像装置を安価に製造する方法が検討されている。
【０００４】
また、各画素には、入射する光の経路に特定の波長の光を透過させるカラーフィルタを形成することで、対象物の色情報を得ることを可能とする。一般に、１画素に対応して特定の色のカラーフィルタを形成し、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を得ることができる。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
【０００５】
画素が小面積化かつ高集積化された近年の固体撮像装置では、光電変換素子へ取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。このような、微細化した固体撮像装置の感度低下を防止するために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子に導くマイクロレンズを、画素ごとに均一な形状に形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子に導くことで、見かけ上の開口率を大きくすることが可能となり、固体撮像装置の感度の向上が可能となる。
【０００６】
ところで、マイクロレンズの集光効率は光の入射角度に依存して低下する。すなわち、画素に対して垂直に入射する光は高効率に受光部に集光されるが、斜めに入射する光は光電変換素子（受光部）から逸れた位置に向かうため、高効率に光電変換素子に集光することができない。通常の固体撮像装置では、画素領域の中央部と周辺部とでは光の入射角が異なり、画素領域の中央部に入射する光は画素に対して垂直に入射するが、画素領域の周辺部では画素に対して斜めに入射するため、周辺部の画素の集光効率が低下し、感度ムラが生じるという問題が生じる。
【０００７】
このような問題を解決する手段としては、特許文献２、特許文献３に記載の固体撮像装置がある。これらの方法では、撮像領域（画素領域）の周辺部において、マイクロレンズの中心軸を画素の中心軸から撮像領域（画素領域）の中心部寄りにずらすことで、周辺部の光電変換素子への集光効率の低下を防止して固体撮像装置の高感度化を実現している。
【０００８】
また、上記のほかに、特許文献４に記載の固体撮像装置がある。この方法では、マイクロレンズの頂部を平坦化し、平坦部へ斜めに入射する光を屈折させることで、光電変換素子への集光効率を増加させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平３−１５２９７２号公報
【特許文献２】特許第２６００２５０号
【特許文献３】特開平１０−２２９１８０号公報
【特許文献４】特許第３３９９４９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、本発明者の鋭意検討の結果から、特許文献４に記載の構造では、画素サイズが微細になるにつれて垂直入射光の集光効率の低下が顕著になるという問題が生じることが分かった。特許文献４に記載の製造方法においては、固体撮像装置内の全てのマイクロレンズの頂部に平坦面を有するマイクロレンズが形成されるため、画素サイズが微細な固体撮像装置においては、光入射角が垂直である撮像領域の中央部の集光効率の低下を招き、撮像領域全体の感度低下が顕著になると考えられる。
【００１１】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、画素サイズが微細な固体撮像素子においても、感度ムラを抑制し、かつ感度向上を達成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】
上記目的を達成するために、本発明の一態様による固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板内部に形成される光電変換素子と、前記光電変換素子上部に形成されるカラーフィルタと、前記光電変換素子と対応させて前記カラーフィルタの上部に配置される凸型のマイクロレンズと、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、前記固体撮像装置の中心部以外の領域に配置された前記マイクロレンズは、頂部に平坦面が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、画素領域の周辺部の感度を向上させ、感度ムラを抑制できる固体撮像装置を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の固体撮像装置を模式的に示す上面図である。
【図２】図１の点線Ｘ−Ｘ’に沿った固体撮像装置の断面図である。
【図３】本発明の実施形態の固体撮像装置において、入射光が傾いた場合の、マイクロレンズ頂部の形状の違いによる光の伝播経路の差を示した模式断面図である。
【図４】本発明の実施例１の固体撮像装置を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施例２の固体撮像装置を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態による固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態による固体撮像装置の上面図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態による固体撮像装置１０は、複数の画素１１が２次元平面内に格子状に配列されたものである。図１では、理解を容易にするため、固体撮像装置１０の画素領域における画素１１の配列の一部を図示し、他は点線で図示を省略している。
【００１８】
図２は、図１に示す点線Ｘ−Ｘ’に沿った固体撮像装置１０の断面図である。
【００１９】
図２に示すように、固体撮像装置１０において、半導体基板１６の内部には、入射された光を電荷へと変換する作用を持つ複数の光電変換素子１７が形成される。光電変換素子１７は、図１に示す画素１１毎に設けられる。光電変換素子１７は、その中心軸が各画素１１の中心軸と一致するようにして、半導体基板１６内に二次元的に配置されている。半導体基板１６は、例えば、シリコンで構成される。また、光電変換素子１７は、例えば、リン等の元素を半導体基板１６に添加することで形成される。
【００２０】
図２に示すように、半導体基板１６の上部、すなわち光電変換素子１７の上部には、平坦化層１４及び遮光壁１５が形成される。平坦化層１４は、例えば、シリコン酸化膜等で形成される。また、遮光壁１５は、例えば、アルミニウム等の金属で形成する。遮光壁１５は、画素間の混色を防ぐため、必要に応じて形成される。
【００２１】
平坦化層１４の上部には、カラーフィルタ１３が形成される。カラーフィルタ１３は、例えば、緑色、青色、赤色に対応する波長を選択的に透過する顔料や染料を含んだ感光性を有する有機材料により構成されている。また、固体撮像装置１０において、カラーフィルタ１３は、ベイヤー配列に従って配置される。
【００２２】
カラーフィルタ１３の上部には、半導体基板１６内部の光電変換素子１７と対応させて凸型のマイクロレンズ１２が形成される。マイクロレンズ１２は、例えば、屈折率が１．４以上１．８以下程度の感光性を有する透明樹脂により構成される。
【００２３】
図２に示すように、マイクロレンズ１２Ａは、略半球面形状を有しており、図１に示す固体撮像装置１０の中心部に位置する画素１１に対応する位置に配置されている。また、図２に示すように、マイクロレンズ１２Ｂ、１２Ｃは、頂部に平坦面１２０が形成されており、図１に示す固体撮像装置１０の周辺部に位置する画素１１に対応する位置に配置されている。このように、固体撮像装置１０の画素領域内には、異なる形状のマイクロレンズ１２（マイクロレンズ１２Ａ，１２Ｂ、１２Ｃ）が配置されている。ここで、固体撮像装置１０の周辺部は、固体撮像装置１０の中心部を基準として、主光線の入射角が２０度以上となる領域であることが望ましい。また、マイクロレンズ１２Ｂ，１２Ｃにおいて、頂部の平坦面１２０以外の形状は、マイクロレンズ１２Ａと同様の構造とするのが望ましい。
【００２４】
本実施形態による固体撮像装置１０において、マイクロレンズ１２Ｂ，１２Ｃに形成される平坦面１２０の面積は、マイクロレンズ底部の面積の１０％以上８０％以下がよい。これは、この範囲において、マイクロレンズ１２が略半球面形状を有する場合に比べて、斜入射光の受光感度が向上するためである。
【００２５】
マイクロレンズ１２は、濃度分布マスクを用いたフォトリソグラフィ法により作製することができる。濃度分布マスクは、遮光部の濃度階調を適切に設計することで、露光時の透過光量分布を制御することができるフォトマスクである。濃度分布マスクは、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板上に、濃度階調パターンが形成された構成からなる。濃度階調パターンは、遮光性の金属膜等の膜厚を漸次変化させて領域内に濃度傾斜を設ける方法や、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペース（線／空隙が繰り返されているパターン）のような遮光膜の微細パターン配置を変化させて、各パターン領域の平均的な遮光濃度を傾斜させるグレースケールタイプの手法等で形成される。
【００２６】
次に、本実施形態による固体撮像装置１０において、異なる形状のマイクロレンズを備える構造を採用した理由を述べる。
【００２７】
図３は、固体撮像装置１０に光が斜めに入射した場合における、マイクロレンズ１２の頂部の形状の違いによる光の伝播経路の差を模式的に表した図である。図３（ａ）は頂部が略半球形であるマイクロレンズ１２（例えば、図２に示すマイクロレンズ１２Ａ）の光の伝播経路を示し、図３（ｂ）は頂部に平坦面１２０が形成されたマイクロレンズ１２（例えば、図２に示すマイクロレンズ１２Ｂ，１２Ｃ）の光の伝播経路を示している。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、マイクロレンズ１２の頂部が略半球形になっている場合、マイクロレンズ１２の頂部への斜入射光はほとんど屈折せず、斜入射光のうち一定の割合が遮光壁１５で反射するか、又は隣接画素へ向かう。このため、斜入射光が入射した画素１１において、光電変換素子１７に到達する光量が低下する。
【００２９】
一方、図３（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１２の頂部に平坦面１２０が形成されている場合、マイクロレンズ１２の頂部への斜入射光は屈折する。これにより、斜入射光が遮光壁１５で反射する割合及び隣接画素へ向かう割合が低下する。このため、斜入射光が入射した画素における光電変換素子１７に到達する割合、すなわち光電変換素子１７に到達する光量が増加する。したがって、結果として図３（ｂ）に示すようにマイクロレンズ１２の頂部に平坦面１２０が形成されている場合は、図３（ａ）に示すようにマイクロレンズ１２の頂部が略半球形になっている場合に比べて、斜めに入射する光の感度が増加する。
【００３０】
また、斜入射光に対する感度をより高めるために、本実施形態において、平坦面１２０が形成されたマイクロレンズ１２（図２に示すマイクロレンズ１２Ｂ，１２Ｃ）を、固体撮像装置１０の中心側にずらして配置しても良い。ここで、固体撮像装置１０の周辺部に位置する画素１１の中心、すなわち該画素１１と対応する光電変換素子の中心と固体撮像装置１０の中心との距離をＲとし、画素１１に対応するマイクロレンズ１２Ｂ，１２Ｃの中心軸を固体撮像装置１０の中心部に向かってずらす量をｘとする。本実施形態による固体撮像装置１０において、ｘは以下数（１）の範囲とする。これは、ｘが数（１）の範囲を外れると、感度の低下を引き起こすためである。
ｘ＜０．０００７Ｒ                                数（１）
【００３１】
以上のように、本実施形態による固体撮像装置１０は、半導体基板１６と、半導体基板１６の内部に形成される光電変換素子１７と、光電変換素子１７の上部に形成されるカラーフィルタ１３と、光電変換素子１７と対応させてカラーフィルタ１３の上部に配置される凸型のマイクロレンズ１２と、で構成される複数の画素が二次元的に配置された固体撮像装置であって、固体撮像装置１０の中心部以外の領域に配置されたマイクロレンズ１２は、頂部に平坦面１２０が形成されている。
ここで、固体撮像装置１０の中心部以外の領域は、例えば固体撮像装置１０の周辺部であって、固体撮像装置１０の中心部を基準として主光線の入射角が２０度以上となる領域を示す。すなわち、頂部に平坦面１２０が形成されたマイクロレンズは、固体撮像装置１０の周辺部に配置されている。
これにより、固体撮像装置１０の周辺部に配置されたマイクロレンズ１２の斜入射光の感度が増加して感度ムラが改善され、固体撮像装置１０の感度向上を達成することができる。
【００３２】
また、本実施形態において、固体撮像装置１０の中心部以外の領域に配置されたマイクロレンズ１２の中心軸は、該マイクロレンズ１２が対応する光電変換素子１７の中心軸から固体撮像装置１０の中心部寄りにずれていてもよい。これにより、斜入射光に対する感度をより向上させることができる。
【００３３】
次に、本発明の固体撮像装置の実施例を、シミュレーション結果を用いて説明する。
【００３４】
シミュレーションは、電磁場解析手法の一種である時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて実施した。以下に、シミュレーションの条件を示す。
【００３５】
図４は、シミュレーションに使用した実施例１の固体撮像装置１０の構造の一部を模式的に示す図である。図４（ａ）は、本実施例による固体撮像装置１０の一部の上面図である。図４（ａ）に示すように、本実施例による固体撮像装置１０には、特定の色に対応する波長を選択的に透過するカラーフィルタが形成された画素１１が規則的に配置されている。赤色画素１１Ｒは、赤色波長光の強度を検出する画素であり、緑色画素１１Ｇは、緑色波長光の強度を検出する画素であり、青色画素１１Ｂは、青色波長光の強度を検出する画素である。図４（ａ）において、赤色画素１１Ｒ、緑色画素１１Ｇ及び青色画素１１Ｂのそれぞれの幅は、Ｘ軸方向とＹ軸方向ともに１．１μｍとした。
【００３６】
図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＡ−Ａ’線に沿った本実施例の固体撮像装置１０の断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）に示すＢ−Ｂ’線に沿った本実施例の固体撮像装置１０の断面図である。また、本実施例におけるマイクロレンズ１２は、底面が直径１．１μｍの円形であって高さが０．４５μｍである略半球形状とし、屈折率を１．６、消衰係数を０とした。
【００３７】
図４（ｂ）に示す青色カラーフィルタ１３Ｂは、青色画素１１Ｂに対応する位置に形成され、青色波長光を透過するカラーフィルタである。本実施例において青色カラーフィルタ１３Ｂは、Ｘ軸方向の長さおよびＹ軸方向の長さを１．１μｍ、Ｚ軸方向の長さを０．７μｍ、屈折率を１．４８、消衰係数を０．２０６とした。また、本実施例において、青色カラーフィルタ１３Ｂは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を用いた。さらに、シクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡ等の有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に０．７μｍの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて屈折率および消衰係数を測定した。
【００３８】
図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す緑色カラーフィルタ１３Ｇは、緑色画素１１Ｇに対応する位置に形成され、緑色波長光を透過するカラーフィルタである。本実施例において緑色カラーフィルタ１３Ｇは、Ｘ軸方向の長さおよびＹ軸方向の長さを１．１μｍ、Ｚ軸方向の長さを０．７μｍ、屈折率を１．６７、消衰係数を０．００４５２とした。また、本実施例において緑色カラーフィルタ１３Ｇは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用いた。さらに、シクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡ等の有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に０．７μｍの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて屈折率および消衰係数を測定した。
【００３９】
図４（ｃ）に示す赤色カラーフィルタ１３Ｒは、赤色画素１１Ｒに対応する位置に形成され、赤色波長光を透過するカラーフィルタ１３である。本実施例において赤色カラーフィルタ１３Ｒは、Ｘ軸方向の長さおよびＹ軸方向の長さを１．１μｍ、Ｚ軸方向の長さを０．７μｍ、屈折率を１．７７、消衰係数を０．２８１とした。また、本実施例において赤色カラーフィルタ１３Ｒは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエローを用いた。さらに、シクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡ等の有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤、からなる構成としたフォトレジストを、シリコン基板上に０．７μｍの厚さで塗布し、さらに露光及び加熱処理を施した後、分光エリプソメーターを用いて屈折率および消衰係数を測定した。
【００４０】
本実施例において平坦化層１４は、厚さを０．５５μｍ、屈折率を１．６、消衰係数を０とした。
また、遮光壁１５は、各画素間の境界に格子状に配置し、幅方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）の長さを０．１μｍ、Ｚ軸方向の厚さを０．２μｍ、屈折率を０．９８２、消衰係数を６．４５とした。また遮光壁１５は、各画素間の境界に幅方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）の長さの中心部が位置し、且つ半導体基板１６の表面に接し、さらに平坦化層１４内部に含まれるように配置した。
また、本実施例において半導体基板１６は、Ｘ軸方向の長さおよびＹ軸方向の長さを２．２μｍ、Ｚ軸方向の厚さを２．５μｍ、屈折率を４．２４、消衰係数を０．０３０３とした。
また、本実施例において、入射光の波長は０．５５μｍとした。また、入射光は平行光とし、ＸＺ平面を入射面として、入射角度を０度、１０度、２０度とした。電場の振動方向はＸ軸方向とした。
【００４１】
図５は、シミュレーションに使用した実施例２の固体撮像装置１０の構造の一部を模式的に示す図である。図５（ａ）は本実施例による固体撮像装置１０の一部の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＡ−Ａ’線に沿った本実施例の固体撮像装置１０の断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）に示すＢ−Ｂ’線に沿った本実施例による固体撮像装置１０の断面図である。
図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、本実施例のマイクロレンズ１２は、頂部に平坦面１２０が形成されている構造とした。また、本実施例におけるマイクロレンズ１２は、高さ０．３５μｍであって、高さ０．３５μｍまでを図４（ａ）に示す実施例１のマイクロレンズ１２と同様とした。また、図５に示す本実施例による固体撮像装置１０において、その他のシミュレーション条件は図４に示す実施例１による固体撮像装置１０と同様とした。
【００４２】
実施例１及び実施例２の固体撮像装置について上記の条件でシミュレーションを実施し、各画素における半導体基板１６の表面から深さ２．５μｍまでにおいて吸収される光強度を計算した。
【００４３】
上記光強度の計算を実施した上で、１画素に入射する光強度に対する、各画素における半導体基板１６の表面から深さ２．５μｍまでにおいて吸収される入射光強度の割合として受光感度を算出した。
【００４４】
各条件における、緑色画素１１Ｇの受光感度を以下表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１より、マイクロレンズ１２の頂部が平坦面である実施例２（図５（ａ）〜（ｃ）参照）の構造において、マイクロレンズ１２が略半球形状である実施例１（図４（ａ）〜（ｃ）参照）の構造に比べ、入射角度０度及び１０度の場合の感度は低下するが、入射角度２０度の場合の感度は増加することが分かる。
【００４７】
以上の実施例より、光が垂直入射する固体撮像装置１０の中心部においてマイクロレンズ１２を略半球形状とし、光が斜めに入射する（例えば入射角度が２０度以上となる）固体撮像装置１０の周辺部においてマイクロレンズ１２の頂部を平坦面とすることが、固体撮像装置における感度ムラの改善且つ感度向上に効果的であることを確認した。
【００４８】
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。
【符号の説明】
【００４９】
１０  固体撮像装置
１１  画素
１１Ｂ  青色画素
１１Ｇ  緑色画素
１１Ｒ  赤色画素
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  マイクロレンズ
１３  カラーフィルタ
１３Ｂ  青色カラーフィルタ
１３Ｇ  緑色カラーフィルタ
１３Ｒ  赤色カラーフィルタ
１４  平坦化層
１５  遮光壁
１６  半導体基板
１７  光電変換素子
１２０  平坦面
【図１】
2019204932.tif 000004
【図２】
2019204932.tif 000005
【図３】
2019204932.tif 000006
【図４】
2019204932.tif 000007
【図５】
2019204932.tif 000008