(57)【要約】【課題】固体撮像素子の周辺部に発生するシェーディング現象を低減する。【解決手段】基板上に配列された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子を含む基板の表面を覆った透明膜と、前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応して前記透明膜上に形成された複数のカラーフィルタとを備え、前記複数のカラーフィルタのそれぞれが入射光と直交する方向の表面を有して均一な厚みで形成される。【選択図】図１
2008021753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配列された複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子を含む前記基板の表面を覆った透明膜と、
前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応して前記透明膜上に形成された複数のカラーフィルタとを備え、
前記複数のカラーフィルタのそれぞれが入射光と直交する方向の表面を有して均一な厚みで形成されている固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数のカラーフィルタのそれぞれが形成されている箇所の前記透明膜が入射光と直交する方向の表面を有している請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の光電変換素子のそれぞれに入射光を集光するマイクロレンズが前記複数のカラーフィルタのそれぞれの上に形成されている請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記マイクロレンズは入射光に対して光軸対称回転形を有している請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
基板上に複数の光電変換素子を形成する工程（ａ）と、
前記複数の光電変換素子を含む前記基板の表面を覆う透明膜を形成する工程（ｂ）と、
前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応する複数のカラーフィルタを前記透明膜上に形成する工程（ｃ）と、
前記複数の光電変換素子のそれぞれに入射光を集光するマイクロレンズを前記複数のカラーフィルタのそれぞれの上に形成する工程（ｄ）とを有した固体撮像素子の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、前記透明膜は前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応する所定の箇所ごとに入射光と直交する方向の表面を有するように形成し、
前記工程（ｃ）において、前記透明膜の所定の箇所の表面上に前記複数のカラーフィルタのそれぞれを均一な厚みで形成し、
前記工程（ｄ）において、前記均一な厚みの複数のカラーフィルタのそれぞれの上に前記複数のマイクロレンズのそれぞれを入射光に対して光軸対称回転形を有するように形成する固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｂ）（ｃ）（ｄ）の内の少なくとも１つは、
感光性材料からなる膜を形成するステップと、
前記膜を前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応する所定の箇所ごとのグレー階調の露光量に設計したグレースケールマスクを介して露光するステップと、
前記露光された膜を現像して露光量に応じた膜厚を残すステップと
を含んでいる請求項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、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に固体撮像素子が備えるカラーフィルタとマイクロレンズ及びそれぞれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のカラー固体撮像素子（以下、単に固体撮像素子という）の構成を図５（ａ）に示す。シリコン基板１０１に光電変換素子１０２が複数配列して形成され、光電変換素子１０２を含むシリコン基板１０１の表面を覆う絶縁膜（図示省略）が形成され、その上に電極１０３と遮光膜１０４と平坦化層としての透明膜１０５が形成され、透明膜１０５上にカラーフィルタ１０６、さらにその上にマイクロレンズ１０７が形成されていて、光電変換素子１０２に色成分を集める構造になっている。
【０００３】
固体撮像素子は、撮影対象が均一な明るさを有するときには、受光面に配列された受光素子（つまり光電変換素子１０２）の位置にかかわらず同一の出力であることが望まれる。しかし光源から撮影光学系を通って入射してくる主光線は、図示したように、固体撮像素子の中央部ではマイクロレンズ１０７及びカラーフィルタ１０６の形成面に対して垂直に入射する一方で、周辺部では傾斜して入射する。そのため、図５（ｂ）に示すように、主光線が中心部のカラーフィルタ１０６を透過する行路長がｒで表されるときには、周辺部のカラーフィルタ１０６を透過する行路長はｒ’（＝ｒ／ｃｏｓθ）となる。固体撮像素子の中央部の行路長ｒに比べて周辺部の行路長ｒ’は大きくなるのである。
【０００４】
カラーフィルタ１０６の吸収係数と透過分光を図６（ａ）、（ｂ）に示す。透過分光は光が物質を透過する程度を表す量（透過率）であり、次式に示すように定義される。
Ｔ＝ｅｘｐ（−α・ｄ）
ここでＴは透過率、αは吸収係数、ｄは物質の膜厚である。吸収係数は物質固有の値であるから、膜厚が大きくなれば透過率は小さくなる。
【０００５】
上記の行路長ｒ，ｒ’は膜厚に相当する。固体撮像素子の中央部の行路長ｒに比べて周辺部の行路長ｒ’が大きいので、カラーフィルタを通過する光の透過率は周辺部でより小さくなる。固体撮像素子の全体にわたっての受光量は均一ではなく、中央部の光電変換素子１０２に比べると周辺部の光電変換素子１０２での受光量が少なく、周辺部における撮像素子の出力感度が小さくなる。その結果、固体撮像素子から出力される画像信号のレベルは画像の周辺部において低くなり、最終的に得られる画像は中央部に比べて周辺部が暗くなるという、シェーディングと呼ばれる特性不良が生じる。
【０００６】
従来より種々のシェーディング対策が提案されている。たとえば、特許文献１では、受光面の複数の受光部のそれぞれの上に配置する集光部のピッチを受光部のピッチよりも小さくすることにより、具体的には、受光面の周辺部においてはカラーフィルタ及びマイクロレンズを受光面の中心方向にずらすことにより、周辺部での感度特性の向上を図っている。つまり、周辺部の集光部へ傾いて入射する主光線が受光部の中心部分へ集光するようにして、受光部へ集光されない無効光をなくし、シェーディングを補正している。
【０００７】
特許文献２では、受光面の複数の受光部のそれぞれの上に配置するマイクロレンズの直径を、受光面の中央部から周辺部に向かって次第に大きくすることで、周辺部の受光部での受光量の低下が防止されている。
【０００８】
特許文献３では、受光面の複数の受光部上に設けるカラーフィルタについて、受光面の中央部から周辺部に向かうに従って膜厚を小さくすることで、入射光の透過率を相違させ、周辺部での受光量を増加させている。
【特許文献１】特開平１−２１３０７９号公報
【特許文献２】特開平１１−１５０２５４号公報
【特許文献３】特開２００４−７１６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の技術では、周辺部のマイクロレンズの集光による感度特性の劣化は防ぐ事ができるが、行路長が異なることへの対策はできない、という問題がある。
【００１０】
特許文献２の技術では、複数の受光部のそれぞれの上に配置するマイクロレンズの直径を受光面の中央部から周辺部に向かって次第に大きくさせているのであるが、周辺部の出力感度を基準にして中央部の出力感度を相対的に低下させている。そのため、中央部の出力感度は図５に示した従来構造でのレベルよりも低下する結果となっている。
【００１１】
特許文献３の技術では、カラーフィルタの膜厚を受光面の中央部から周辺部に向かうに従って小さくすることで、周辺部での透過率、光量を増加させているのであるが、周辺部への入射角度が大きい光学系については、周辺部でカラーフィルタの透過率を変化させても感度特性は向上しない。図７に示すように、受光面（マイクロレンズ及びカラーフィルタの形成面）への入射角度が±２０°以上になると、撮像素子の感度特性はほぼ０となるからである。
【００１２】
本発明は、上記問題に鑑み、中央部での感度特性は従来と同様に確保しながら、周辺部での感度特性の低下を低減できる固体撮像素子およ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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は、基板上に配列された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子を含む前記基板の表面を覆った透明膜と、前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応して前記透明膜上に形成された複数のカラーフィルタとを備え、前記複数のカラーフィルタのそれぞれが入射光と直交する方向の表面を有して均一な厚みで形成されていることを特徴とする。
【００１４】
前記複数のカラーフィルタのそれぞれが形成されている箇所の前記透明膜が入射光と直交する方向の表面を有していることを特徴とする。
前記複数の光電変換素子のそれぞれに入射光を集光するマイクロレンズが前記複数のカラーフィルタのそれぞれの上に形成されていることを特徴とする。前記マイクロレンズは入射光に対して光軸対称回転形を有していることを特徴とする。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、基板上に複数の光電変換素子を形成する工程（ａ）と、前記複数の光電変換素子を含む前記基板の表面を覆う透明膜を形成する工程（ｂ）と、前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応する複数のカラーフィルタを前記透明膜上に形成する工程（ｃ）と、前記複数の光電変換素子のそれぞれに入射光を集光するマイクロレンズを前記複数のカラーフィルタのそれぞれの上に形成する工程（ｄ）とを有した固体撮像素子の製造方法であって、前記工程（ｂ）において、前記透明膜は前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応する所定の箇所ごとに入射光と直交する方向の表面を有するように形成し、前記工程（ｃ）において、前記透明膜の所定の箇所の表面上に前記複数のカラーフィルタのそれぞれを均一な厚みで形成し、前記工程（ｄ）において、前記均一な厚みの複数のカラーフィルタのそれぞれの上に前記複数のマイクロレンズのそれぞれを入射光に対して光軸対称回転形を有するように形成することを特徴とする。
【００１６】
前記工程（ｂ）（ｃ）（ｄ）の内の少なくとも１つは、感光性材料からなる膜を形成するステップと、前記膜を前記複数の光電変換素子のそれぞれに対応する所定の箇所ごとのグレー階調の露光量に設計したグレースケールマスクを介して露光するステップと、前記露光された膜を現像して露光量に応じた膜厚を残すステップとを含んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体撮像素子は、複数の光電変換素子のそれぞれに対応する複数のカラーフィルタが入射光と直交する方向の表面を有して均一な厚みで形成されているので、光電変換素子が受光面の中央部にあるか周辺部にあるかに関わらず同等の感度特性を確保することができ、シェーディング現象を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。カラー固体撮像素子（以下、固体撮像素子という）１００において、シリコン基板１０１に入射光を電荷に変換する光電変換素子１０２が複数配列して形成され、光電変換素子１０２を含むシリコン基板１０１の表面を覆って絶縁膜（図示省略）が形成され、シリコン基板１０１上における光電変換素子１０２の間の位置に、光電変換素子１０２で生成した電荷を転送する多結晶シリコンなどの電極１０３が形成され、各電極１０３を覆って当該電極１０３に光が入射するのを防ぐ遮光膜１０４が形成され、光電変換素子１０２及び遮光膜１０４の上に透明膜１０５が形成されている。そして透明膜１０５上にカラーフィルタ１０６が形成され、その上にマイクロレンズ１０７が形成されている。
【００１９】
カラーフィルタ１０６は、赤色カラーパターン１０６Ｒ（以下、カラーパターン１０６Ｒという）、緑色カラーパターン１０６Ｇ（以下、カラーパターン１０６Ｇという）、青色カラーパターン１０６Ｂ（以下、カラーパターン１０６Ｂという）１０６Ｂが水平方向に順次に並んだもので、個々の光電変換素子１０２にいずれか一つの色のカラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂが対応している。そしてカラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂのそれぞれの上にマイクロレンズ１０７が形成されている。個々の光電変換素子１０２に対して、一つの色のカラーパターンと、一つのマイクロレンズ１０７とが備えられた構造である。なおカラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂのそれぞれが請求項１でいうカラーフィルタに相当する。
【００２０】
この固体撮像素子１００が従来のものと相違するのは、光電変換素子１０２の上の透明膜１０５が、入射光の主光線に対して垂直な方向の上面を持つように、また均一な厚みを持つように形成されている点である。このため、周辺部の光電変換素子１０２上の透明膜１０５の上面は傾斜した傾斜面となっていて、各傾斜面の上に、カラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂのいずれかが均一な厚みで、したがって前記傾斜面と同様に傾斜した傾斜面を上面を持って形成されている。マイクロレンズ１０７は、カラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂの傾斜面の上にあって、入射光の主光線に対して光軸対称回転形を有している。
【００２１】
上記の固体撮像素子１００では、撮影光学系を通って入射してきた光は、マイクロレンズ１０７、カラーフィルタ１０６、透明膜１０５、及び絶縁膜（図示せず）を順に通って光電変換素子１０２に入る。その際に、ある一つのマイクロレンズ１０７に入射した入射光は、続いてその下のカラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂのいずれかを通ることで特定の範囲の波長の光となって、対応する一つの光電変換素子１０２に集光される。
【００２２】
なおその際に、固体撮像素子１００の中央部への入射光は光電変換素子１０２に対して垂直な方向にマイクロレンズ１０７に入射する一方で、周辺部への入射光は光電変換素子１０２に対して傾斜した方向にマイクロレンズ１０７に入射するのであるが、上述したように、周辺部の光電変換素子１０２については、透明膜１０５の上面並びにカラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂの上面が入射光に対して垂直な方向の傾斜面とされているため、且つ、マイクロレンズ１０７は入射光の主光線に対して光軸対称回転型であるため、個々の光電変換素子１０２に対する集光が精度良く行なわれ、光電変換素子１０２における出力感度が向上し、シェーディング現象を抑制することができる。
【００２３】
つまり、固体撮像素子１００の中央部と周辺部とで、主光線がカラーフィルタ１０６を透過する行路長ｒが等しくなり、透過率が等しくなるため、周辺部の光電変換素子１０２における出力感度が従来よりも向上する。また周辺部への入射角度が大きい光学系であっても、周辺部のマイクロレンズ１０７によって光電変換素子１０２に精度良く集光される。固体撮像素子１００の中央部は、透明膜１０５，カラーパターン１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂとも従来（図５参照）と同様の形状なので出力感度の低下を来たすことはない。固体撮像素子１００が小型化及び多画素化されている場合に特に好ましい特性である。
【００２４】
上記の固体撮像素子１００の製造方法について図２〜図４を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０１に光電変換素子１０２を配列して形成し、各光電変換素子１０２を含むシリコン基板１０１の表面を覆うように絶縁膜（図示省略）を形成し、この絶縁膜上における光電変換素子１０２の間の位置に電極１０３を多結晶シリコンにより形成し、各電極１０３を覆う遮光膜１０４を形成する。これらは、いずれも公知の方法によって行なえばよい。次に感光性材料を用いて例えばスピンコート等の方法で透明膜１０５を形成して光電変換素子１０２及び遮光膜１０４等の上を覆う。なお絶縁膜はＳｉＯＮ膜、遮光膜はタングステン膜、透明膜はアクリル系透明樹脂、などである。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、グレースケールマスク２０１を用いて透明膜１０５の露光を行なう。グレースケールマスク２０１は、露光量が漸次に変化するように所望のグレー階調が設計されたものであり、透明膜１０５は光電変換素子１０２のそれぞれに対応する所定の箇所ごとにグレー階調に応じた露光量で露光される。なおこの図２（ｂ）以降では固体撮像素子の周辺部のみ図示する（中央部については図１参照）。
【００２６】
露光後の透明膜１０５を現像すると、透明膜１０５はグレースケールマスク２０１のグレー階調による露光量に応じた膜厚で残り、図２（ｃ）に示すように、固体撮像素子１００の周辺部では透明膜１０５の上面は傾斜し、その傾斜角も固体撮像素子１００の外端に近づくほど大きくなる。グレースケールマスク２０１のグレー階調と感光性材料のポジ型／ネガ型とはこのような所望の形状を目ざして決定されているものである。
【００２７】
次に、図２（ｄ）に示すように、透明膜１０５上に複数の顔料が含有され所望の分光特性を有する例えば緑色となる顔料含有感光性材料からなる膜１０６´をスピンコート等の方法によって形成し、図２（ｅ）に示すように、別途のグレースケールマスク２０２（Ｇマスクパターン）を用いてその所定のグレー階調に応じた露光量で露光し、露光後の膜１０６´を現像する。図２（ｆ）は、現像によって形成されるカラーパターン１０６Ｇを示す。グレー階調による露光量に応じた膜厚で残って、透明膜１０５の上面と同等に傾斜した上面と均一な膜厚とを持つことになる。
【００２８】
同様にして図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、グレースケールマスク２０３（Ｂマスクパターン）を用いてカラーパターン１０６Ｂを形成し、次いで、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すように、グレースケールマスク２０４（Ｒマスクパターン）を用いてカラーパターン１０６Ｒを形成する。これにより、カラーパターン１０６Ｇ，１０６Ｒ，１０６Ｂよりなるカラーフィルタ１０６が完成する。
【００２９】
その後に、図４（ａ）に示すように、カラーフィルタ１０６上に例えばアルカリ可溶性ポジ型でフェノール系樹脂である感光性材料の膜１０７´を例えばスピンコート等の方法によって形成し、図４（ｂ）に示すように、別途のグレースケールマスク２０５を用いて露光する。この際に用いるグレースケールマスク２０５は所望の曲率が形成されるようにグレー階調が設計されたものである。露光後の膜１０７´を現像すると、図４（ｃ）に示すように、光軸対称回転形のマイクロレンズ１０７が形成される。
【００３０】
以上のようにして、透明膜１０５、カラーフィルタ１０６、マイクロレンズ１０７のそれぞれを、感光性材料で成膜した後にグレースケールマスクを用いて露光する方法によって、グレースケールマスクのグレー階調に応じた傾きや凹凸などの形状を持たせて形成することができる。
【００３１】
以上の実施形態では、赤、緑及び青の三色のカラーパターンからなる原色系のカラーフィルタを形成する場合について説明したが、特にこれに限るものではなく、例えば補色系のカラーフィルタを形成する場合等も同様に実施できる。カラーパターンの色の数についても、特に限定するものではない。カラーパターンの一部又は全部が、二層以上のカラーパターンからなる積層構造を取っていてもよい。ＣＭＯＳ型及びＣＣＤ型等の固体撮像素子の種類についても、特に限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の固体撮像素子及びその製造方法は、シェーディング現象を抑制できるので、小型化及び多画素化に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態の固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図
【図２】図１の固体撮像素子の製造工程を説明する断面図
【図３】図１の固体撮像素子の製造工程を図２に続いて説明する断面図
【図４】図１の固体撮像素子の製造工程を図３に続いて説明する断面図
【図５】従来の固体撮像素子の構成およびそのシェーディング現象のメカニズムを説明する断面図
【図６】固体撮像素子について従来より知られている波長と吸収係数との関係および波長と透過分光との関係をそれぞれ示す相関図
【図７】固体撮像素子について従来より知られている入射角度と感度特性との関係を示す相関図
【符号の説明】
【００３４】
１０１      シリコン基板
１０２      光電変換素子
１０３      電極
１０４      遮光膜
１０５      透明膜
１０６      カラーフィルタ
１０６Ｒ    赤色カラーパターン
１０６Ｇ    緑色カラーパターン
１０６Ｂ    青色カラーパターン
１０７      マイクロレンズ
２０１      透明膜用のグレースケールマスク
２０２      グレースケールマスク
２０３      グレースケールマスク
２０４      グレースケールマスク
２０５      マイクロレンズ用のグレースケールマスク
【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】
2008021753.tif 000007
【図６】
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【図７】
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