(57)【要約】      （修正有）【課題】長辺および短辺を有する長方形の撮像領域の該長辺に沿った方向におけるシェーディングを低減する技術を提供する。【解決手段】複数のマイクロレンズのうち長辺に沿った第１方向に隣接するマイクロレンズの間の谷部Ｖ１と頂部Ａ１との高低差Ｈ１が、短辺に沿った第２方向に隣接するマイクロレンズの間の谷部Ｖ２と頂部Ａ２との高低差Ｈ２より大きく、前記第１方向に隣接するマイクロレンズの谷部Ｖ１に接する接線Ｔ１と法線に垂直な面Ｐとがなす角度Ｇ１が、前記第２方向に隣接するマイクロレンズのそれぞれの谷部Ｖ２に接する接線Ｔ２と前記法線に垂直な面Ｐとがなす角度Ｇ２と等しいか、角度Ｇ２よりも小さい。【選択図】図３
2015095603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長辺および短辺を有する長方形の撮像領域を構成するように配列された複数の光電変換部を有する半導体基板と、前記複数の光電変換部に各々対応する複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置であって、
前記複数のマイクロレンズのうち前記長辺に沿った第１方向に隣接する第１および第２マイクロレンズの間の第１谷部と前記第１および第２マイクロレンズの頂部との第１高低差が、前記複数のマイクロレンズのうち前記短辺に沿った第２方向に隣接する第３および第４マイクロレンズの間の第２谷部と前記第３および第４マイクロレンズの頂部との第２高低差より大きく、
前記第１および第２マイクロレンズのそれぞれの中心を通り且つ前記半導体基板の表面の法線に平行な断面における前記第１マイクロレンズの表面のうち前記第１谷部に接する最外周部における接線と前記法線に垂直な面とがなす第１角度が、前記第３および第４マイクロレンズのそれぞれの中心を通り且つ前記法線に平行な断面における前記第３マイクロレンズの表面のうち前記第２谷部に接する最外周部における接線と前記法線に垂直な前記面とがなす第２角度と等しいか、前記第２角度よりも小さい、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１方向における前記光電変換部の配列ピッチと前記第２方向における前記光電変換部の配列ピッチとが互いに等しい、
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】
前記複数のマイクロレンズは、互いに接して配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記半導体基板は、第１面および第２面を有し、前記複数のマイクロレンズは、前記半導体基板の前記第１面の側に配置され、前記半導体基板の前記第２面の側に配線構造が配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１および第２マイクロレンズの間の前記谷部と前記半導体基板との間、および、前記第３および第４マイクロレンズの間の前記谷部と前記半導体基板との間に、遮光部材が配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数のマイクロレンズのうち前記複数のマイクロレンズからなるアレイの最外周部を構成するマイクロレンズ以外のマイクロレンズは、同一の形状を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。
【請求項８】
請求項１乃至６のずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記複数のマイクロレンズを形成するためのフォトレジスト膜を前記半導体基板の上に形成し、グレースケールマスクを使って前記フォトレジスト膜を露光し、露光された前記フォトレジスト膜を現像することによって前記複数のマイクロレンズを形成する工程を含む、
ことを特徴とする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、固体撮像装置、カメラ、および、固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、光電変換部に光を集光させるためにマイクロレンズを備えている。撮像領域への光の入射角は、撮像領域の中央部よりも周辺部において大きい。そのため、マイクロレンズによる光電変換部への光の集光効率は、撮像領域の中央部よりも周辺部において低下する。これによって固体撮像装置の構造に起因するシェーディングが発生しうる。
【０００３】
特許文献１には、イメージャ部の中心から離れるほど、受光部に対応するオンチップレンズおよび中間層（色フィルタ層）をイメージャ部の中心方向へずらす量を大きくすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−１４０６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体撮像装置の撮像領域は、通常は、正方形ではなく、長辺および短辺を有する長方形である。したがって、長辺に沿った方向におけるシェーディングと短辺に沿った方向におけるシェーディングとは互いに異なる。しかしながら、従来は、長辺に沿った方向におけるシェーディングと短辺に沿った方向におけるシェーディングとの相違を考慮したマイクロレンズアレイの設計はなされていなかった。つまり、従来は、マイクロレンズの長辺に沿った断面形状と短辺に沿った断面形状とが同一であった。
【０００６】
本発明は、長辺および短辺を有する長方形の撮像領域の該長辺に沿った方向におけるシェーディングを低減するために有利な技術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】
【０００７】
本発明の１つの側面は、長辺および短辺を有する長方形の撮像領域を構成するように配列された複数の光電変換部を有する半導体基板と、前記複数の光電変換部に各々対応する複数のマイクロレンズとを有する固体撮像装置であって、前記複数のマイクロレンズのうち前記長辺に沿った第１方向に隣接する第１および第２マイクロレンズの間の第１谷部と前記第１および第２マイクロレンズの頂部との第１高低差が、前記複数のマイクロレンズのうち前記短辺に沿った第２方向に隣接する第３および第４マイクロレンズの間の第２谷部と前記第３および第４マイクロレンズの頂部との第２高低差より大きく、前記第１および第２マイクロレンズのそれぞれの中心を通り且つ前記半導体基板の表面の法線に平行な断面における前記第１マイクロレンズの表面のうち前記第１谷部に接する最外周部における接線と前記法線に垂直な面とがなす第１角度が、前記第３および第４マイクロレンズのそれぞれの中心を通り且つ前記法線に平行な断面における前記第３マイクロレンズの表面のうち前記第２谷部に接する最外周部における接線と前記法線に垂直な前記面とがなす第２角度と等しいか、前記第２角度よりも小さい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、長辺および短辺を有する長方形の撮像領域の該長辺に沿った方向におけるシェーディングを低減するために有利な技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態の固体撮像装置の構成を示す模式図。
【図２】固体撮像装置を含むカメラを示す模式図。
【図３】固体撮像装置の部分的な断面図。
【図４】本発明の１つの実施形態の固体撮像装置の断面図。
【図５】本発明の他の実施形態の固体撮像装置の断面図。
【図６】固体撮像装置の製造方法の一実施形態を説明するための図。
【図７】固体撮像装置の製造方法の一実施形態を説明するための図。
【図８】比較例を示す図。
【図９】比較例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。
【００１１】
図１に例示されるように、本発明の１つの実施形態の固体撮像装置１００は、撮像領域１と、周辺回路領域２とを有する。撮像領域１は、長辺Ｓ１および短辺Ｓ２を有する長方形の形状を有する。ここで、長辺Ｓ１に沿った方向をＸ方向（第１方向）、短辺に沿った方向をＹ方向（第２方向）とする。また、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。
【００１２】
撮像領域１は、複数の行および複数の列を構成するように複数の画素を有し、各画素は、光電変換部を有する。光電変換部は、半導体基板に形成される。周辺回路領域２は、例えば、撮像領域１における行を選択する行選択回路、行選択回路によって選択された行の複数の画素から信号を読み出す読み出し回路を含みうる。周辺回路領域２は、読み出し回路によって読み出された複数の画素の信号から１つの画素の信号を順に選択する列選択回路を含みうる。撮像領域１は、中央部１ａと、中央部１ａを取り囲む周辺部１ｂとを有する。
【００１３】
図２には、固体撮像装置１００を含むカメラＣＡＭが模式的に示されている。カメラ１００は、被写体の像を固体撮像装置１００の撮像領域１に形成するレンズＬを含む。図２（ａ）は、撮像領域１の長辺Ｓ１に沿った方向、即ちＸ方向（第１方向）に沿った断面図であり、図２（ｂ）は、撮像領域１の短辺Ｓ２に沿った方向、即ちＹ方向（第２方向）に沿った断面図である。
【００１４】
撮像領域１の中心（レンズＬの光軸）から離れるに従ってマイクロレンズ２０に入射する光の入射角が大きくなる。ここで、撮像領域１の長辺Ｓ１（Ｘ方向（第１方向）に沿って配列されたマイクロレンズのうち最も外側（即ち、短辺Ｓ２に隣接するマイクロレンズ２０）に対する光線の入射角をＦ１とする。また、撮像領域１の短辺Ｓ２（Ｙ方向（第２方向））に沿って配列されたマイクロレンズのうち最も外側（即ち、長辺Ｓ１に隣接するマイクロレンズ２０）に対する光線の入射角をＦ２とする。この定義の下で、Ｆ１＞Ｆ２の関係が成り立つ。
【００１５】
図３（ａ）は、固体撮像装置１００を撮像領域１の長辺Ｓ１に沿った方向（Ｘ方向（第１方向））に沿って切断した断面の一部を示す断面図である。図３（ｂ）は、固体撮像装置１００を撮像領域１の短辺Ｓ２に沿った方向（Ｙ方向（第２方向））に沿って切断した断面の一部を示す断面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示す例では、固体撮像装置１００は、裏面照射型として構成されている。つまり、図３（ａ）、（ｂ）に示す例では、半導体基板１０は、第１面Ｓ１および第２面Ｓ２を有し、複数のマイクロレンズ２０は、半導体基板１０の第１面Ｓ１の側に配置され、半導体基板１０の第２面Ｓ２の側に配線構造（不図示）が配置されている。ただし、本発明は、複数のマイクロレンズ２０が半導体基板１０の第１面Ｓ１の側に配置され、配線構造が半導体基板１０の第１面Ｓ１とマイクロレンズ２０との間に配置された固体撮像装置（表面照射型の固体撮像装置）としても構成されうる。
【００１６】
固体撮像装置１００は、撮像領域１を構成するように配列された複数の光電変換部１２を有する半導体基板１０と、複数の光電変換部１２に各々対応する複数のマイクロレンズ２０（２０−１、２０−２、２０−３、２０−４）とを有する。ここで、符号２０−１、２０−２、２０−３、２０−４は、説明の便宜上、複数のマイクロレンズ２０を相互に区別するためのものである。固体撮像装置１００は、複数のマイクロレンズ２０と半導体基板１０との間に、絶縁層１４および／またはカラーフィルタ層１６を含みうる。複数のマイクロレンズ２０は、互いに接し、隙間なく、即ち、複数のマイクロレンズ２０の下地の層を露出させることなく、配置されている。光電変換部１２を含む画素は、正方形状を有しうる。換言すると、Ｘ方向（第１方向）における光電変換部１２の配列ピッチとＹ方向（第２方向）における光電変換部１２の配列ピッチとが互いに等しいように光電変換部１２が配列されうる。複数のマイクロレンズ２０のうち当該複数のマイクロレンズ２０からなるアレイの最外周部を構成するマイクロレンズ以外のマイクロレンズは、同一の形状を有する。最外周部に設けられるマイクロレンズは、隣接するマイクロレンズが他のマイクロレンズに比べて少ないため、形状が異なるためである。
【００１７】
複数のマイクロレンズ２０のうち長辺Ｓ１に沿ったＸ方向（第１方向）に隣接する第１、第２マイクロレンズ２０−１、２０−２の間の第１谷部Ｖ１と第１、第２マイクロレンズ２０−１、２０−２の頂部Ａ１とは、第１高低差Ｈ１を有する。複数のマイクロレンズ２０のうち短辺Ｓ２に沿ったＹ方向（第２方向）に隣接する第３、第４マイクロレンズ２０−３、２０−４の間の第２谷部Ｖ２と第３、第４マイクロレンズ２０−３、２０−４の頂部Ａ２とは、第２高低差Ｈ２を有する。この実施形態では、Ｈ１＞Ｈ２が満たされる。これは、Ｘ方向に関するマイクロレンズ２０のパワーをＹ方向に関するマイクロレンズ２０のパワーより大きくすることに相当し、入射角Ｆ２よりも大きい入射角Ｆ１の光線（つまり、入射角の大きい光線）を光電変換部２０に集光させるために有利である。
【００１８】
図３（ａ）に示す断面は、Ｘ方向（第１方向）に隣接する第１、第２マイクロレンズ２０−１、２０−２のそれぞれの中心を通り且つ半導体基板１０の表面の法線に平行な断面である。図３（ａ）に示す断面における第１マイクロレンズ２０−１の表面のうち第１谷部Ｖ１に接する最外周部における接線Ｔ１と前記法線に垂直な面Ｐとがなす角度を第１角度Ｇ１とする。図３（ｂ）に示す断面は、Ｙ方向（第２方向）に隣接する第３、第４マイクロレンズ２０−３、２０−４のそれぞれの中心を通り且つ半導体基板１０の表面の法線に平行な断面である。図３（ｂ）に示す断面における第３マイクロレンズ２０−３の表面のうち第２谷部Ｖ２に接する最外周部における接線Ｔ２と前記法線に垂直な面Ｐとがなす角度を第２角度Ｇ２とする。この実施形態では、Ｇ１≦Ｇ２が満たされる。
【００１９】
ここで、単純な例として、Ｈ１＞Ｈ２を満たすようにマイクロレンズ２０の表面を球面で構成した場合、Ｇ１＞Ｇ２となる。Ｇ１が大きくなるに従って、Ｘ−Ｚ面に沿って進行しマイクロレンズ２０の最外周部（つまり、第１谷部Ｖ１の近傍）に入射する光を光電変換部２０に集光させることが難しくなる。そこで、この実施形態では、Ｇ１≦Ｇ２という制限を設けることによって、Ｘ−Ｚ面に沿って進行しマイクロレンズ２０の最外周部に入射する光を光電変換部２０に効率的に集光させる。つまり、この実施形態では、Ｇ１≦Ｇ２という制限を満たすようにマイクロレンズ２０の表面形状を規定することによって、Ｘ−Ｚ面に沿って進行しマイクロレンズ２０の最外周部に入射する光を光電変換部２０に効率的に集光させる。
【００２０】
なお、Ｙ−Ｚ面に沿って進行しマイクロレンズ２０の最外周部に入射する光については、Ｘ−Ｚ面に沿って進行しマイクロレンズ２０の最外周部に入射する光よりも光電変換部２０への集光が容易である。
【００２１】
以上のように、Ｈ１＞Ｈ２、Ｇ１≦Ｇ２を満たすことによって、入射角の大きい光線を光電変換部２０に効率的に集光させることができる。これは、撮像領域１の長辺に沿った方向におけるシェーディングを低減するために有利である。
【００２２】
図４（ａ）には、図１のＸ方向に沿ったＥ−Ｂ線における断面構造が模式的に示されている。図４（ｂ）には、図１のＹ方向に沿ったＥ−Ｄ線における断面構造が模式的に示されている。図４（ａ）、（ｂ）には、光線が一点鎖線で示されている。Ｈ１＞Ｈ２、Ｇ１≦Ｇ２を満たすことによって、入射角Ｆ２の光線の他、入射角Ｆ２よりも大きい入射角Ｇ１の光線も効率的に光電変換部１２に入射する。
【００２３】
図８（ａ）、（ｂ）には、上記の実施形態に対する比較例が模式的に示されている。図８（ａ）は、図１のＸ方向に沿ったＥ−Ｂ線における断面構造に相当するが、Ｈ１＝Ｈ２、Ｇ１＝Ｇ２である。図８（ｂ）は、図１のＹ方向に沿ったＥ−Ｄ線における断面構造に相当するが、Ｈ１＝Ｈ２、Ｇ１＝Ｇ２である。Ｂの位置の画素では、光電変換部１２ａに入射すべき光線の一部が隣の光電変換部１２ｂに入射している。これにより、光電変換部１２ａを含む画素の感度が低下しシェーディングが発生する他、混色が生じる。
【００２４】
図５には、本発明の他の実施形態の固体撮像装置が示されている。他の実施形態の固体撮像装置では、複数のマイクロレンズ２０が半導体基板１０の第１面Ｓ１の側に配置され、金属パターンなどの導電パターン３０を含む配線構造が半導体基板１０の第１面Ｓ１とマイクロレンズ２０との間に配置されている。このような固体撮像装置を表面照射型の固体撮像装置と呼ぶことができる。半導体基板１０の第２面には、一般的には、配線構造は配置されない。導電パターン３０は、画素間での混色を防止するための遮光パターン（遮光部材）を含みうる。
【００２５】
図９（ａ）、（ｂ）には、上記の他の実施形態に対する比較例が模式的に示されている。図９（ａ）は、図１のＸ方向に沿ったＥ−Ｂ線における断面構造に相当するが、Ｈ１＝Ｈ２、Ｇ１＝Ｇ２である。図９（ｂ）は、図１のＹ方向に沿ったＥ−Ｄ線における断面構造に相当するが、Ｈ１＝Ｈ２、Ｇ１＝Ｇ２である。Ｂの位置の画素では、光電変換部１２ａに入射すべき光線の一部が導電パターン３０、および、絶縁層１４とカラーフィルタ層１６との界面などによって反射され、隣の光電変換部１２ｂに入射している。これにより、光電変換部１２ａを含む画素の感度が低下しシェーディングが発生する他、混色が生じる。
【００２６】
以下、図６および図７を参照しながら固体撮像装置の製造方法の一実施形態を説明する。この製造方法では、マイクロレンズ２０を形成するために、例えば、グレースケールマスクといった透過率分布を有するマスクを用いたフォトリソグラフィー工程が採用される。図６には、１つのマイクロレンズに対応するグレースケールマスクＭが例示されている。なお、実際には、図６に例示されたようなグレースケールマスクＭが二次元状に配列されたグレースケールマスクが使用される。図６には、グレースケールマスクＭのＸ方向に沿った透過率分布が例示されている。
【００２７】
ここで、撮像領域１の長辺方向、即ちＸ方向（第１方向）に沿った透過率分布におけるマイクロレンズ２０の最外周部に対応する部分の透過率をＴ１とする。また、撮像領域１の短辺方向、即ちＹ方向（第２方向）に沿った透過率分布におけるマイクロレンズ２０の最外周部に対応する部分の透過率をＴ２とする。この定義において、この実施形態では、Ｔ１＞Ｔ２が成り立ち、これによってＨ１＞Ｈ２が実現される。
【００２８】
また、撮像領域１の長辺方向、即ちＸ方向（第１方向）に沿った透過率分布におけるマイクロレンズ２０の最外周部に対応する部分の傾きをΔＩ１とする。また、撮像領域１の短辺方向、即ちＹ方向（第２方向）に沿った透過率分布におけるマイクロレンズ２０の最外周部に対応する部分の傾きをΔＩ２とする。この定義において、この実施形態では、ΔＩ１≦ΔＩ２が成り立ち、これによってＧ１≦Ｇ２が実現される。
【００２９】
以下、図７を参照しながら固体撮像装置の製造方法の手順を例示的に説明する。まず、図７（ａ）に示す工程では、光電変換部１０を含む半導体基板１０、絶縁層１４およびカラーフィルタ層１６を有する構造ＳＴを準備する。図示されていないが、構造ＳＴは、更に、トランジスタおよび配線構造を含む。
【００３０】
図７（ｂ）に示す工程では、構造ＳＴのマイクロレンズ２０を形成すべき面の上にフォトレジスト膜２１を形成し、フォトレジスト膜２１をグレースケールマスクＭを用いて露光装置によって露光する。ここで、フォトレジスト膜２１は、露光光に対して鈍感なフォトレジスト（γカーブが緩やかなフォトレジスト）を用いて形成されうる。
【００３１】
次いで、図７（ｃ）に示す工程では、露光されたフォトレジスト膜２１を現像する。これにより、露光量分布に応じた厚さ分布（即ち形状）を有するマイクロレンズ２０が形成される。マイクロレンズ２０の屈折率は、例えば１．６である。
【００３２】
以下、実施例を説明する。
【００３３】
[実施例１]
実施例１の固体撮像装置は、図３、４に例示されるような裏面照射型の固体撮像装置であり、より具体的には、１／２．３型裏面照射型ＣＭＯＳセンサであり、撮像領域１の長辺の長さが５．９ｍｍ、短辺の長さが４．４ｍｍである。光電変換部１２を含む画素は、１．６ｕｍ×１．６ｕｍの正方形状を有し、画素数は、約１０００万である。光電変換部１２は、各画素の中心にセンタリングされ、１．３ｕｍ×１．３ｕｍの寸法を有する。絶縁層４およびカラーフィルタ層の合計厚さは、約０．８ｕｍである。Ｈ１＝約０．４５ｕｍ、Ｈ２＝約０．３７ｕｍ、Ｇ１＝約４３．２度、Ｇ２＝約４６．３度である。マイクロレンズ２０の頂点とその下地の層であるカラーフィルタ層１６との界面との距離は、０．６ｕｍである。実施例１のマイクロレンズ２０の焦点距離は、裏面照射型の固体撮像装置であることを考慮したものになっている。
【００３４】
[実施例２]
実施例２の固体撮像装置は、図５に例示されるような表面照射型の固体撮像装置であり、より具体的には、フルサイズの表面照射型ＣＭＯＳセンサであり、撮像領域１の長辺の長さが３６ｍｍ、短辺の長さが２４ｍｍである。光電変換部１２を含む画素は、６ｕｍ×６ｕｍの正方形状を有し、画素数は、約２４００万である。光電変換部１２は、各画素の中心にセンタリングされ、４ｕｍ×４ｕｍの寸法を有する。絶縁層４およびカラーフィルタ層の合計厚さは、約４．５ｕｍである。半導体基板１とマイクロレンズ２０との間には、金属パターンなどの導電パターン３０が配置されている。導電パターン３０は、遮光パターン（遮光部材）を含み、該遮光パターンの下面は、光電変換部１２の表面から．０ｕｍの高さに位置し、線幅が０．８ｕｍ、厚さが０．５ｕｍである。該遮光パターンは、隣接する画素間での混色を防止するように配置されている。Ｈ１＝約１．２０ｕｍ、Ｈ２＝約０．９８ｕｍ、Ｇ１＝約３６．７度、Ｇ２＝約３６．７度である。マイクロレンズ２０の頂点とその下地の層であるカラーフィルタ層１６との界面との距離は、約１．６ｕｍである。実施例２のマイクロレンズ２０の焦点距離は、表面照射型の固体撮像装置であることを考慮したものになっている。
【００３５】
[その他]
以下、上記の実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。
【図１】
2015095603.tif 000003
【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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