(57)【要約】【課題】受光面にアレイ状に配置された受光素子へ集光するためのマイクロレンズを各受光素子上に配置した固体撮像素子のシェーディングを抑制する。【解決手段】受光面１ａを覆う１個の凸レンズ状をなす凸状膜６を、マイクロレンズ５上に設ける。凸状膜６の屈折率は、マイクロレンズ５より小さい。受光面１ａの周辺に入射する入射光２ｃは、凸状膜６により垂直方向に屈折されてマイクロレンズ５へほぼ垂直に入射する。また、凸状膜６によりマイクロレンズ５が長焦点になる。このため、受光素子３の周辺上方に形成された配線４による入射光の遮蔽が少なく、シェーディングが小さくなる。                                                            【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に画定された受光面に配列された受光素子と、各前記受光素子上に設けられたマイクロレンズとを有する固体撮像素子において、
前記マイクロレンズ上に設けられて前記受光面を凸レンズ状に覆う、前記マイクロレンズより低い屈折率を有する凸状膜を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記凸状膜は、前記受光面の中央部で平坦であり、前記受光面の周辺部で撮像側に凸となる曲面を有す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】
前記マイクロレンズの中心軸が前記受光素子の中央を通過するように前記マイクロレンズが配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記マイクロレンズと前記凸状膜の屈折率の差が０．１以上かつ０．２以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記マイクロレンズの屈折率が１．５以上かつ１．７以下であり、
前記凸状膜の屈折率が１．４以上かつ１．５以下であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の受光面にアレイ状に配列された受光素子にマイクロレンズを用いて集光する固体撮像素子に関し、とくに低シェーディングの固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の受光面に受光素子をアレイ状に配列した固体撮像素子は、デジタルスチルカメラあるいは携帯電話等の携帯端末のカメラに組み込まれて広く使用されている。これら携帯端末の小型化に伴いカメラもまた小型化され、同時に固体撮像素子も小型化が進められている。このような固体撮像素子の小型化は、画素面積を縮小させる結果、受光素子の縮小による感度低下を招来する。
【０００３】
かかる受光素子の縮小による感度低下を抑制するために、受光素子上にマイクロレンズを配置し、画素に入射する光をマイクロレンズで集光して受光素子に入射する固体撮像素子が用いられている。以下、かかるマイクロレンズを用いた従来の固体撮像素子の構造を説明する。
【０００４】
図３は従来の固体撮像素子断面図であり、マイクロレンズを用いた固体撮像素子の構造を表している。図３（イ）は、固体撮像素子１３と入射光の関係を表している。図３（ロ）〜（ニ）は、それぞれ構造の異なる第１〜第３の固体撮像素子を表している。ここで、図３（ロ）〜（ニ）におけるそれぞれ中央（左右に対する中央）の図は、図３（イ）に示す受光面１ａの中央に位置する部分の素子構造を、左右の図は図３（イ）に示す受光面１ａの周辺に位置する部分の素子構造を表している。
【０００５】
図３（イ）を参照して、固体撮像素子１３を構成する基板１上に、受光素子３が配置される受光面１ａが設けられ、受光面１ａの周辺には受光素子３を駆動する周辺回路（不図示）が設けられている。カメラのレンズであるカメラレンズ（不図示）を通過した光は、一点から放射される入射光２ａ、２ｃとなり受光面１ａに入射する。この入射光２ａ、２ｃのうち、受光面１ａの中央付近に入射する入射光２ａは受光面１ａにほぼ垂直に入射する。しかし、受光面１ａの周辺近くに入射する入射光２ｃは受光面１ａに斜めに入射することから、以下に説明するようにシェーディングが発生する。
【０００６】
図３（ロ）を参照して、第１の固体撮像素子は、受光面１ａに受光素子３がアレイ状、例えば行列状に形成され、その各受光素子３の上に絶縁性の層間膜７を介してマイクロレンズ５が形成されている。このマイクロレンズ５は、マイクロレンズ５の中心軸５ａ（光軸）が対応する受光素子３の中心を通るように配置されている。即ち、マイクロレンズ５は受光素子３の直上に配置されている。
【０００７】
層間膜７中には、受光素子３の周囲に多層に形成された配線４が設けられている。この配線４は遮光膜として機能し、入射光２ａ、２ｃは配線４に囲まれた透明な窓４ａを透過して受光素子に入射される。このとき、受光面１ａの周辺部に近い受光素子３へ入射する入射光２ｃは、基板１表面に対して斜めに入射するため、入射光２ｃが受光素子３の中心からずれた位置に入射する。その結果、入射光２ｃの一部が配線４により遮光されるシェーディングが発生する。受光素子３の受光寸法（受光領域の平面寸法）が小さくなると、受光寸法に対する配線の高さ（窓４ａのアスペクト比）が大きくなるため、シェーディングは一層大きくなる。その結果、受光面１ａ内で大きな感度分布が生じてしまう。
【０００８】
カメラを小型にするため射出瞳距離（カメラレンズと受光面１ａとの距離）を短くした場合、周辺部に入射する入射光２ｃはより斜めに入射するので、シェーディングはさらに大きくなる。このため、カメラ及び固体撮像素子の小型化は制限されてしまう。
【０００９】
かかる斜め入射に起因するシェーディングを抑制するため、マイクロレンズ５を受光素子３の中心からずらして配置する方法が考案されている。
【００１０】
図３（ハ）を参照して、第２の固体撮像素子は、受光面１ａの中心部分では第１の固体撮像素子と同様に、マイクロレンズ５と受光素子３の中心が一致している。しかし、受光面１ａの周辺部分では、マイクロレンズ５の中心軸５ａ（光軸）が対応する受光素子３の中心より受光面１ａの中央側を通るようにマイクロレンズ５が配置されている。即ち、マイクロレンズ５は受光素子３の直上から中央側にずれた位置に配置されている。
【００１１】
この第２の固体撮像素子では、周辺部分に斜めに入射する入射光２ｃは、マイクロレンズ５により第１の固体撮像素子よりも中央側にずれた位置に集光する。このように、入射光２ｃが受光素子３の中心近くに集光するので、入射光２ｃの周辺が配線４によりシェーディングされにくくなる。
【００１２】
しかし、この第２の固体撮像素子では、マイクロレンズ５が受光素子３の斜め上方に配置されるため、集光する入射光２ｃは受光素子３表面へ斜めに入射する。このため、配線４が厚い場合には入射光２ｃの一部が配線４に遮蔽されシェーディングを生じやすい。
【００１３】
さらに、配線４が厚く窓４ａのアスペクト比が大きい場合、あるいは層間膜７が厚い場合は、長焦点のマイクロレンズ５を用いる必要がある。長焦点のマイクロレンズ５は、曲率が小さな薄いマイクロレンズ又は屈折率が小さな材料からなるマイクロレンズにより作製することができる。
【００１４】
しかし、マイクロレンズ５は、作製工程に樹脂のリフローやグラデーション露光（マイクロレンズの中央から周辺に向かい徐々に露光量を変化させる露光）が用いられるため、リフローやグラデーション露光により形成される形状が制約され、曲率の小さな薄いマイクロレンズを精密に作製することは難しい。また、マイクロレンズ５の材料は、通常はＳｉＯ2 等の透明無機材料又は透明樹脂が用いられることから、屈折率を小さくするにも材料面から制約されてしまう。このため、長焦点のマイクロレンズ５を作製することは難しい。
【００１５】
かかる斜め入射する入射光２ｃのシェーディング及び長焦点マイクロレンズ作製の困難さを解決するために、マイクロレンズ５上に低屈折率の平坦膜９を形成した第３の固体撮像素子が提案されている。（例えば特許文献１を参照。）。
【００１６】
図３（ニ）を参照して、第３の固体撮像素子では、第２の固体撮像素子のマイクロレンズ５上に、マイクロレンズ５より低屈折率の材料からなる上面が平坦な平坦膜９が設けられる。受光面１ａ周辺部の受光素子３に斜め入射した入射光２ｃは、平坦膜９の表面で屈折して、入射角（入射面の垂直方向と入射光２ｃとのなす角）より小さな屈折角（入射面の垂直方向と屈折した入射光２ｃとのなす角）で層間膜９中を進行し、マイクロレンズ５により集光される。
【００１７】
この構造では、入射光２ｃが平坦膜９により垂直方向へ近づく方向に屈折されるから、屈折後の入射光２ｃは平坦膜９への入射角より小さな入射角で（即ち受光面に対してより垂直に）マイクロレンズ５表面に入射する。このため、平坦膜９のない場合に較べて斜め入射に起因するシェーディングを減少することができる。
【００１８】
さらに、マイクロレンズ５の表面（光の入射する面）は平坦膜９と接しているので、マイクロレンズ５の実効的な屈折率（マイクロレンズ５と外部媒体との屈折率の差）が小さくなり、その結果、マイクロレンズ５の焦点距離が長くなる。即ち、長焦点マイクロレンズとして機能する。従って、アスペクト比の高い窓４ａ又は厚い相関膜７を用いても高い集光効率が実現されるので、射出瞳距離の短いカメラレンズを用いたカメラに適用しても感度の低下を少なくすることができる。
【特許文献１】特開２００５−５７０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述したように、マイクロレンズの上に低屈折率の平坦膜を設けることで、入射光の斜め入射及びカメラの射出瞳距離の短縮に起因するシェーディングを抑制し、カメラ及び固体撮像素子の小型に伴う感度低下を抑制することができる。
【００２０】
しかし、平坦膜による入射光の進行方向の変化のみでは、入射光をマイクロレンズへ十分に垂直に入射することは難しく、マイクロレンズへの斜め入射に起因するシェーディングを十分に抑制することができない。さらに、斜め入射に起因するシェーディングを抑制するため、受光面の周辺部では、マイクロレンズを受光素子の直上から受光面の中央側へずらして配置しなければならず、精密な位置合せが必要となり製造が難しい。
【００２１】
本発明は、射出瞳距離が短く、入射光が受光面に斜めに入射される固体撮像素子であっても、マイクロレンズへの入射光を受光面に十分に垂直に入射させることでシェーディングが十分に抑制された固体撮像素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述した課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は、基板上に画定された受光面に配列された受光素子と、各前記受光素子上に設けられたマイクロレンズと、マイクロレンズ上に設けられて受光面を凸レンズ状に覆うマイクロレンズより低い屈折率を有する凸状膜とを備える。
【００２３】
上記本発明の固体撮像素子では、マイクロレンズ上に、受光面を凸レンズ状に覆う凸状膜が設けられる。受光面に斜めに入射する入射光は、この凸レンズ状の凸状膜により受光面に垂直に近づく方向に屈折されてマイクロレンズに入射する。この凸状膜は凸レンズの機能を有するから、平坦膜に較べてより大きく入射光を垂直方向へ屈折させる。従って、入射光は平坦膜に較べてマイクロレンズへより垂直に入射するので、斜め入射に起因するシェーディングがより有効に抑制される。
【００２４】
また、マイクロレンズを覆う凸状膜との屈折率差が小さいので、マイクロレンズの焦点距離が長くなり、高アスペクト比の窓かつ短射出瞳距離のカメラレンズを用いた場合でもシェーディングが小さくなる。
【００２５】
上述の凸状膜は、マイクロレンズが集光レンズとしての機能を喪失しないように、マイクロレンズより低屈折率でなければならない。この観点から、凸状膜の屈折率は、マイクロレンズの屈折率よりも０．１以上小さいことが好ましい。他方、入射光を小さな曲率の凸状膜でも大きく屈折するように、屈折率は大きいことが望ましい。この観点からは、凸状膜の屈折率は、マイクロレンズの屈折率から０．２以内にあることが好ましい。
【００２６】
マイクロレンズ及び凸状膜の材料は、透明であれば無機材料であっても有機材料であってもよい。有機材料は、リフロー又はグラデーション露光により容易に製造することができる点で優れている。有機材料を用いる場合、マイクロレンズに屈折率が高い、例えば屈折率が１．５〜１．７のフェノール系樹脂を用い、凸状膜に屈折率が例えば１．４〜１．５のアクリル系樹脂を用いることができる。
【００２７】
上述した本発明の凸状膜は、受光面の周辺部に斜めに入射する入射光が垂直方向に近づくように、受光面の中心を光軸とする凸レンズ状の上面形状を有している。ここで、凸レンズ状の上面形状とは、受光面の中心を通る垂線（上記凸レンズ状の光軸と一致する。）上の一点から受光面上に放射される入射光を、この垂線に平行に近づける凸の上面形状をいう。かかる凸レンズ状の上面形状には、マイクロレンズ５の光軸を回転軸とする上面が上方に凸の回転面であって、例えば、球面、楕円面若しくは放物面又はこれらの面の組合せがあり、さらに一部が平坦面の場合が含まれる。
【００２８】
かかる凸状膜は、受光面の中心から周辺まで一様の曲率（球面）の面又は周辺近傍で曲率が徐々に大きくなる面を有する凸状の膜とすることもできる。また、受光面の中央部分を平面（曲率が０）又は小さな曲率の凸面とし、受光面の周辺部を曲率が大きな凸面即ち撮像側に凸となる曲面を有するようにすることができる。この中央部分の曲率が小さな凸状膜は、曲率を一様に又は徐々に変化させる場合に較べて、同じ厚さの凸状膜を用いたとき、周縁部の曲率を大きくすることができる。このため、とくに入射角が大きくなる周辺部で、入射光が垂直方向に大きく屈折するので、効果的に周辺部のシェーディングを抑制することができる。
【００２９】
本発明の固体撮像素子は、上述したようにマイクロレンズに垂直に近い方向から入射光が入射するので、受光素子の真上にマイクロレンズを配置することができる。このため、斜め入射に起因するシェーディングが少ない。本発明ではこれに限らず、受光面の周辺部で、マイクロレンズを受光素子の真上から受光面の中央側にずらして配置することもできる。この構成では、凸状膜に要求される入射光の屈折量が小さくてもよいので、凸状膜の製造が容易である。
【発明の効果】
【００３０】
上述したように本発明によれば、受光面の周辺部に斜めに入射する入射光を、凸レンズ状の凸状膜により垂直に近い方向に屈折させでマイクロレンズに入射させるので、大きなアスペクト比の受光素子の窓を有する固体撮像素子を短射出瞳距離のカメラレンズと組み合わせても低シェーディングのカメラを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の第１実施形態はＣＭＯＳセンサーを用いた固体撮像素子に関する。
【００３２】
図１は本発明の第１実施形態断面図であり、固体撮像素子の断面構造を表している。図１（イ）は、固体撮像素子１３と入射光の関係を表している。図１（ロ）は、固体撮像素子の受光素子近傍の拡大図であり、紙面の右から左に順に、受光面の左端に位置する受光素子の近傍、受光面の中央に位置する受光素子の近傍及び受光面の右端に位置する受光素子の近傍を表している。
【００３３】
図１（イ）を参照して、本第１実施形態に係る固体撮像素子１０では、３．５ｍｍ×３．５ｍｍの正方形のシリコン基板１の表面に、２ｍｍ×１．５ｍｍの矩形の受光面１ａが画定され、その受光面に６４０個×４８０個の受光素子３がアレイ状に配設されている。本固体撮像素子１０を組み込むカメラでは、カメラレンズ（不図示）は、その光軸が受光面１ａの中心を通る垂直線に一致するように、受光面１ａの直上に配置される。従って、カメラレンズを通して受光面１ａの中央に入射する入射光２ａは、受光面１ａに垂直に入射する。他方、カメラレンズを通して受光面１ａの周辺に入射する入射光２ｃは、受光面１ａに斜めに大きな入射角をもって入射する。
【００３４】
図１（ロ）を参照して、受光素子３は、受光面１ａの表面に形成されたフォトダイオードから構成されている。受光素子３が形成されない受光面１ａの領域には、受光素子３を駆動するためのＣＭＯＳ回路を構成するトランジスタ（不図示）が形成されている。
【００３５】
基板１上に厚さ６μｍの層間膜７が形成され、この層間膜７中にＣＭＯＳ回路の配線４が埋め込まれている。この層間膜７は、透明な絶縁膜からなり、ＣＭＯＳ回路を構成する絶縁膜の他、カラーフィルタを構成する絶縁膜を含むことができる。配線４は、例えば３〜５層の多層配線からなり、受光素子３の周辺を囲むように配置される。この配線４は入射光２ａ、２ｃを遮光する遮光部を形成する。従って、受光層３の直上には透光な層間膜７で充填され周囲を配線４により遮光された、入射光２ａ、２ｃに対する透明な窓４ａが形成さる。
【００３６】
層間膜７の上面に、マイクロレンズ５が形成されている。マイクロレンズ５は、マイクロレンズ５の光軸５ａが受光素子３の中心を通るように、各受光素子３の直上に１個ずつ配置される。従って、マイクロレンズ５は受光素子３と同様のアレイ状に配置される。
【００３７】
マイクロレンズ５は、屈折率が１．５〜１．７、例えば１．６のフェノール系樹脂からなる。そして、マイクロレンズ５を被覆するように、層間膜７上に凸状膜６が形成されている。勿論、マイクロレンズ５の材料として、通常用いられる他の材料を用いることもできる。
【００３８】
凸状膜６は、屈折率が１．４〜１．５、例えば１．５のアクリル系樹脂からなり、受光面１ａの全面を覆う凸レンズ状をなしている。本第１実施形態では、受光面１ａを覆う矩形の樹脂パターンをリフローさせて形成される凸状膜６、又は、受光面１ａを覆う樹脂膜をグラデーション露光し現像することで形成される凸状膜６を用いた。これらリフロー又はグラデーション露光により形成される凸状膜６は、製造が容易な点で優れる。
【００３９】
本第１実施形態の固体撮像素子１０では、入射光２ａ、２ｃは、初めに凸状膜６により、受光面１ａの中心軸（受光面１ａに垂直である。）に平行に近づく方向に屈折される。このとき、受光面１ａの周辺近くでは中央部よりも凸状膜６の上面は大きく傾斜しているから、入射光２ｃは周辺部分で大きく曲げられ、その結果マイクロレンズ５に垂直に近い角度で入射する。このように、凸状膜６とすることで、平坦膜の場合よりも入射光２ｃをマイクロレンズ５に垂直に近い角度で入射することができる。
【００４０】
凸状膜６の屈折率を大きくして入射光２ａ、２ｃを大きく屈折させることが、入射光２ｃをマイクロレンズ５に垂直に近い角度で入射するためには好ましい。しかし、凸状膜６の屈折率が大きくてマイクロレンズ５の屈折率に近過ぎると、マイクロレンズ５の焦点が長くなり過ぎて好ましくない。本実施形態では、凸状膜の屈折率をマイクロレンズ５の屈折率より０．１〜０．２小さくしている。かかる範囲の屈折率を有する凸状膜６を用いることで、マイクロレンズ５の焦点距離を容易に適切な範囲に制御することができる。
【００４１】
上述の本第１実施形態に係る固体撮像素子１０は、以下の工程により製造することができる。
【００４２】
図１を参照して、まず、シリコン基板１の上面に、受光素子３及びｐ及びｎ型トランジスタ（不図示）をアレイ状に形成する。次いで、ＣＭＯＳ回路を構成する多層配線４を多層膜７の一部（下層）と共に形成する。次いで、カラーフィルタ（不図示）を多層膜７の一部として形成し、上面が平坦な多層膜７を形成する。
【００４３】
次いで、多層膜７上面にマイクロレンズ５を形成する。このマイクロレンズ５は、マイクロレンズ５を画定する樹脂膜パターンを露光、現像により形成し、その樹脂膜パターンをリフローして形成することができる。あるいは、グラデーション露光を用いて感光性樹脂膜を露光し、現像することで形成してもよい。さらには良く知られているように、リフロー又はグラデーション露光により形成された凸状の樹脂膜をマスクとして下層の透明材料層をエッチングすることで形成することもできる。この方法では、凸状膜の材料として、適切な透明材料を使用できる。
【００４４】
以上の製造工程は、従来の固体撮像素子の製造に通常用いられる工程である。
【００４５】
ついで、凸状膜６を形成する。凸状膜６は、受光面１ａを覆う矩形の樹脂膜をマイクロレンズ５上に形成し、この樹脂膜をリフローして凸レンズ状とすることで形成することができる。あるいは、感光性樹脂膜をグラデーション露光して凸レンズ状の凸状膜６を形成してもよい。さらに、リフローまたはグラデーション露光により形成された樹脂膜をマスクとして、下層の透明材料膜をエッチングして透明材料膜からなる凸状膜６を形成することもできる。
【００４６】
以上の工程を経て、本第１実施形態に係る固体撮像素子１０が製造される。
【００４７】
図２は本発明の第２実施形態断面図であり、固体撮像素子の断面構造を表している。図２（イ）は、固体撮像素子１１と入射光の関係を表している。図２（ロ）は、固体撮像素子の受光素子近傍の拡大図であり、紙面の右から左に順に、受光面の左端に位置する受光素子の近傍、受光面の中央に位置する受光素子の近傍及び受光面の右端に位置する受光素子の近傍を表している。
【００４８】
本発明の第２実施形態は、第１実施形態に係る固体撮像素子１０の凸状膜６の形状及びマイクロレンズ５の配置位置が異なる固体撮像素子１１に関する。
【００４９】
本第２実施形態に係る固体撮像素子１１は、図２を参照して、凸状膜６の中央部の上面がほぼ平面又は平面に近い平坦面をなす点、及び受光面１ａの周辺部分に配置されるマイクロレンズ５が、受光素子３の中心から中央よりにずれて配置される点で、第１実施形態と異なる。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００５０】
本第２実施形態では、凸状膜６は、中央部分で平坦なので、第１実施形態と同じ厚さの凸状膜であっても、周辺部分では曲率が大きな大曲率面６ｂを構成する。従って、周辺に斜めに入射する入射光２ｃを、第１実施形態よりも大きく垂直方向へ屈折させることができる。このため、効果的にシェーディングが防止される。
【００５１】
さらに、マイクロレンズ５が受光素子３直上より中央側に配置されるので、凸状膜６により屈折された入射光２ｃが十分に垂直に入射せず、多少斜めに入射しても、斜め入射に起因するシェーディングが抑制される。
【００５２】
なお、凸状膜６により入射光２ｃが十分垂直にマイクロレンズ５に入射することができる場合は、本第２実施形態においてもマイクロレンズ５を受光素子３の直上に配置してもよい。本第２実施形態では、受光面１ａの周辺部上には凸状膜６の大曲率面６ｂが配置されているので、周辺部に入射する入射光２ｃをマイクロレンズ５へ垂直に入射させ易い。このため、マイクロレンズ５を受光素子３の直上に配置しても、周辺部のシェーディングが効果的に抑制される。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明を、携帯機器に組み込まれる小型カメラの固体撮像素子に適用することで、小型かつ低シェーディングのカメラを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態断面図
【図２】本発明の第２実施形態断面図
【図３】従来の固体撮像素子断面図
【符号の説明】
【００５５】
１  基板
１ａ  受光面
２ａ、２ｃ  入射光
３  受光素子
４  配線
５  マイクロレンズ
５ａ  中心軸
６  凸状膜
６ａ  平坦面
６ｂ  大曲率面
７  層間膜
９  平坦膜
１０、１１、１３  固体撮像素子
【図１】
2008078326.tif 000003
【図２】
2008078326.tif 000004
【図３】
2008078326.tif 000005