(57)【要約】【課題】光電変換部に対する入射光量のばらつきを抑制して撮像画像の悪化を防止した固体撮像素子を提供する。【解決手段】入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、複数のカラーフィルタと、隣接するカラーフィルタどうしの重なり、または隣接するカラーフィルタ間の隙間によって生じる表面の凹凸が撮像画像に影響を与えない高さとなる厚さで、カラーフィルタ上に平坦化層を形成する。またはカラーフィルタの分光特性が同一の領域を入射光が通過するように集光レンズを形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、
複数のカラーフィルタと、
隣接する前記カラーフィルタどうしの重なり、または隣接する前記カラーフィルタ間の隙間によって生じる表面の凹凸が撮像画像に影響を与えない高さとなる厚さで、前記カラーフィルタ上に形成された平坦化層と、
を有する固体撮像素子。
【請求項２】
前記平坦化膜は、
前記凹凸の高さが０．２μｍ以下となる厚さである請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、
複数のカラーフィルタと、
前記入射光を、前記カラーフィルタの分光特性が同一の領域を通過させる形状である、前記光電変換部に入射光を集光する集光レンズと、
を有する固体撮像素子。
【請求項４】
前記集光レンズは、
前記入射光を、前記カラーフィルタの膜厚が同一の領域を通過させる形状である請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記集光レンズは、
画素径をＬとしたとき、前記画素の両端から内側に０．１Ｌから０．２５Ｌの位置で、前記入射光の最も外側の光路と、前記カラーフィルタの前記集光レンズとの対向面とを一致させる形状である請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光電変換部と前記カラーフィルタ間に形成される配線層を有し、
前記配線層は、前記入射光の最も外側の光路と交差しないように配置された配線を有する請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記集光レンズは、
カラーフィルタの機能を有する請求項１乃至６のいずれか１項記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記固体撮像素子は、
複数の露光領域に分割され、該分割された露光領域のパターンをそれぞれ繋ぎ合わせることで所望のパターンを形成する分割露光法を用いて前記カラーフィルタが形成される請求項１乃至７のいずれか１項記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカラー画像を撮像するためのカラーフィルタを有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラービデオカメラやカラースチルカメラ等で用いる固体撮像素子としては、図４に示す構成が知られている。
【０００３】
図４は従来の固体撮像素子の構造を示す側断面図である。
【０００４】
図４に示すように、固体撮像素子は、半導体基板１の表面近傍に、入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換部２を備えた構成である。光電変換部２は格子状に配列された複数の画素毎に設けられている。なお、半導体基板１上には、一般に光電変換部２と共に不図示の能動素子が形成される。
【０００５】
半導体基板１上には、光電変換部２上に開口を備えた、例えばＳｉＯ２から成る第１の層間絶縁膜３が堆積され、第１の層間絶縁膜３上にはＡｌ（アルミニウム）等を用いて所望の形状にパターニングされた第１の配線４が形成される。
【０００６】
また、第１の層間絶縁膜３上には、回路パターンに対応して第２の層間絶縁膜、第２の配線６、第３の層間絶縁膜７、第３の配線８が順次形成される。これらの層間絶縁膜及び配線は３層構造である必要はなく、２層、１層、あるいは４層以上の構造であってもよい。
【０００７】
第３の層間絶縁膜７上には、第３の配線８を覆うようにして、例えばＳｉＯＮからなる保護膜９が堆積され、その上に、例えばアクリル系樹脂からなる第１の平坦化層１０が堆積されている。
【０００８】
第１の平坦化膜１０上には、各画素に対応して入射光を分光するカラーフィルタ１１が設けられている。カラーフィルタ１１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の顔料を含むフォトレジストを用いて形成される。
【０００９】
カラーフィルタ１１上には、光透過性を有する第２の平坦化層１２が堆積され、その上に光電変換部２に入射光を集光するための集光レンズであるマイクロレンズ１３が形成される。
【００１０】
チップサイズの大きな固体撮像素子では、パターン形成領域が露光装置による１回の露光可能範囲よりも大きいため、パターン形成領域を複数の露光領域に分割し、これら分割したパターンを繋ぎ合わせることで所望のパターンを形成する分割露光が採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
また、近年の固体撮像素子では、高集積化に伴ってカラーフィルタの寸法ばらつきや位置ずれにより、隣接するカラーフィルタどうしが重なって形成される場合や隙間が空いて形成される場合がある。さらに、カラーフィルタの角部は露光装置の解像度の低下により円弧状に形成されるため、このような角部にもカラーフィルタが形成されない隙間が生じる。これら撮像画像の悪化を招くカラーフィルタの重なりや隙間を無くす手法は、例えば特許文献２で開示されている。特許文献２には３種類のカラーフィルタを順次重ねて形成し、その後最下層のカラーフィルタが露出するまで上層のカラーフィルタを除去することで隣接するカラーフィルタ間の隙間を無くす手法が記載されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−６８４９号公報
【特許文献２】
特開平１０−２０９４１０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示すように、固体撮像素子１４を第１の露光領域１５と第２の露光領域１６の２つの露光領域に分割して形成する場合、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の露光領域１５と第２の露光領域１６とで、カラーフィルタの位置ずれによる重なり量やカラーフィルタ間の隙間の大きさが異なることがある。
【００１４】
このような場合、カラーフィルタ上に形成される第２の平坦化膜の表面が十分に平坦化されず、カラーフィルタの重なり部位や隙間部位で凹凸が生じてしまう。
【００１５】
例えば、カラーフィルタの隙間部位に生じる第２の平坦化膜の凹部は、図７に示すようにレンズと同様に作用して入射光を分散させる。その結果、分散されることでカラーフィルタを通過した光が光電変換部へ到達し、画素間で入射光量にばらつきが生じてしまう。さらに、カラーフィルタの隙間を通過した光も配線等で反射されることで最終的に光電変換部へ到達することがあるため、撮像画像が悪化する問題がある。
【００１６】
一方、カラーフィルタの重なり部位でも、膜厚が厚いカラーフィルタを通過することで光電変換部に到達する入射光量が減衰するため、画素間で入射光量にばらつきが生じてしまう。
【００１７】
特に、上記分割露光によりカラーフィルタを形成する場合は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように第１の露光領域と第２の露光領域とで、カラーフィルタの重なり量や隙間量が異なるため、第２の平坦化膜の表面に生じる凹凸の高さも異なり、入射光量のばらつきが撮像画像に顕著に現れてしまう。
【００１８】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、光電変換部に対する入射光量のばらつきを抑制して撮像画像の悪化を防止した固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の固体撮像素子は、入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、
複数のカラーフィルタと、
隣接する前記カラーフィルタどうしの重なり、または隣接する前記カラーフィルタ間の隙間によって生じる表面の凹凸が撮像画像に影響を与えない高さとなる厚さで、前記カラーフィルタ上に形成された平坦化層と、
を有する構成である。
【００２０】
このとき、前記平坦化膜は、
前記凹凸の高さが０．２μｍ以下となる厚さであることが望ましい。
【００２１】
または、本発明の固体撮像素子は、
入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換部と、
複数のカラーフィルタと、
前記入射光を、前記カラーフィルタの分光特性が同一の領域を通過させる形状である、前記光電変換部に入射光を集光する集光レンズと、
を有する構成である。
【００２２】
ここで、前記集光レンズは、
前記入射光を、前記カラーフィルタの膜厚が同一の領域を通過させる形状であり、画素径をＬとしたとき、前記画素の両端から内側に０．１Ｌから０．２５Ｌの位置で、前記入射光の最も外側の光路と、前記カラーフィルタの前記集光レンズとの対向面とを一致させる形状であることが望ましい。
【００２３】
また、前記光電変換部と前記カラーフィルタ間に形成される配線層を有し、
前記配線層は、前記入射光の最も外側の光路と交差しないように配置された配線を有する構成であってもよい。
【００２４】
また、上記前記固体撮像素子は、
複数の露光領域に分割され、該分割された露光領域のパターンをそれぞれ繋ぎ合わせることで所望のパターンを形成する分割露光法を用いて前記カラーフィルタが形成されるものであってもよい。
【００２５】
上記のように構成された固体撮像素子では、隣接するカラーフィルタどうしの重なり、または隣接するカラーフィルタ間の隙間によって生じる表面の凹凸が撮像画像に影響を与えない高さとなる厚さでカラーフィルタ上に形成される平坦化層を有することで、平坦化層の形状に起因する光電変換部への入射光量の変化が低減されるため、画素間での入射光量のばらつきが低減される。また、入射光を、カラーフィルタの分光特性が同一の領域を通過させる形状の集光レンズを有することで、カラーフィルタの特性に起因する光電変換部への入射光量の変化が低減されるため、画素間での入射光量のばらつきが低減される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態の構成を示す側断面図である。また、図２は本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態の構成を示す側断面図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態では、カラーフィルタ２１上に堆積する第２の平坦化膜２２を従来よりも厚く形成し、その表面に生じる凹凸量が十分に小さくなるようにする。具体的には、第２の平坦化膜２２の表面に生じる凹凸の深さ（高さ）が０．２μｍ以下となるように第２の平坦化膜２２の厚さを設定する。
【００２９】
このような構成では、第２の平坦化層１２の形状に起因する光電変換部２への入射光量の変化が低減されるため、画素間での入射光量のばらつきが低減され、撮像画像の悪化が防止される。
【００３０】
一方、本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態では、カラーフィルタの重なり部位を光電変換部への入射光が通過しないようにマイクロレンズ２３の形状を設定する。具体的には、図２に示すように、画素径をＬとしたとき、画素の両端から内側に０．１Ｌ〜０．２５Ｌの位置で、入射光の最も外側の光路とカラーフィルタ１１の上面とが一致するようにマイクロレンズ２３の径及び厚さを設定する。
【００３１】
このような構成では、カラーフィルタ１１の特性に起因する光電変換部２への入射光量の変化が低減されるため、画素間での入射光量のばらつきが低減され、撮像画像の悪化が防止される。
【００３２】
特に、分割露光法を用いてカラーフィルタが形成される固体撮像素子に上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用すれば、分割された各領域間の入射光量のばらつきが低減されるため、撮像画像の悪化がより防止される。
【００３３】
その他の構成は図４に示した従来の固体撮像素子と同様であるため、その説明は省略する。したがって、図１、図２では従来と同じ構成要素については同じ符号を付与して示している。
【００３４】
なお、図１及び図２では、マイクロレンズ２３とカラーフィルタ１１を別々に備えた構成を示しているが、マイクロレンズ２３はカラーフィルタ１１の機能を有する構成であってもよい。
【００３５】
【実施例】
次に本発明の固体撮像素子の実施例について図面を用いて説明する。
【００３６】
なお、本実施例は上記第１の実施の形態の固体撮像素子の具体的な製造例である。
【００３７】
図１に示したカラーフィルタ１１上に形成される第２の平坦化膜２２の材料としては、通常、ＰＧＭＡ（ポリグリシジルメタアクリレート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）、ポリイミド等が用いられる。より具体的には、例えば、ＦＶＲ（富士薬品工業製）、オプトマーＳＳ（ＪＳＲ製）、オプトマーＬＣ（ＪＳＲ製）、オプトマーＡＨ（ＪＳＲ製）等が好適な材料として知られている。
【００３８】
本実施例では、上記オプトマーＡＨを使用し、その厚さが０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍの第２の平坦化膜２２を有する固体撮像素子をそれぞれ形成した。このとき第２の平坦化膜２２上に生じる凹部の深さは、０．３１μｍ、０．２１μｍ、０．１０μｍであった。この第２の平坦化膜２２の膜厚に対する第２の平坦化膜表面に生じる凹凸の高さの関係を図３に示す。なお、オプトマーＡＨ（ＪＳＲ製）の屈折率ｎＤは１．５５である。
【００３９】
上記膜厚の異なる第２の平坦化膜２２上にそれぞれマイクロレンズ２３を形成し、３種類の固体撮像素子を製作した。なお、配線及び層間絶縁膜を含む半導体基板１からカラーフィルタ１１までの構造は図４に示した従来の構成と同様とした。
【００４０】
上記固体撮像素子を使用して撮像を行ったところ、分割露光によって形成された隣接する露光領域間の画素信号の電圧差は、第２の平坦化膜２２の凹凸を画素領域内で０．２μｍ以下となるように設定すれば、画質上問題が無いことが確認できた。すなわち、第２の平坦化膜の膜厚は、およそ１．０μｍ以上に設定すればよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００４２】
隣接するカラーフィルタどうしの重なり、または隣接するカラーフィルタ間の隙間によって生じる表面の凹凸が撮像画像に影響を与えない高さとなる厚さでカラーフィルタ上に形成される平坦化層を有することで、平坦化層の形状に起因する光電変換部への入射光量の変化が低減されるため、画素間での入射光量のばらつきが低減され、撮像画像の悪化が防止される。また、入射光を、カラーフィルタの分光特性が同一の領域を通過させる形状の集光レンズを有することで、カラーフィルタの特性に起因する光電変換部への入射光量の変化が低減されるため、画素間での入射光量のばらつきが低減され、撮像画像の悪化が防止される。
【００４３】
特に、分割露光法を用いてカラーフィルタが形成される構成では、分割された領域間の入射光量のばらつきが低減されるため、撮像画像の悪化がより防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像素子の第１の実施の形態の構成を示す側断面図である。
【図２】本発明の固体撮像素子の第２の実施の形態の構成を示す側断面図である。
【図３】第２の平坦化膜の膜厚に対する第２の平坦化膜表面に生じる凹凸の高さの関係を示すグラフである。
【図４】従来の固体撮像素子の構造を示す側断面図である。
【図５】分割露光する固体撮像素子の一例を示す平面図である。
【図６】図５に示した固体撮像素子が有するカラーフィルタの位置ずれの様子を示す平面図である。
【図７】図５に示した固体撮像素子が有するカラーフィルタの位置ずれの様子を示す側断面図である。
【符号の説明】
１　　半導体基板
２　　光電変換部
３　　第１の層間絶縁膜
４　　第１の配線
５　　第２の層間絶縁膜
６　　第２の配線
７　　第３の層間絶縁膜
８　　第３の配線
９　　保護膜
１０　　第１の平坦化層
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ　　カラーフィルタ
１２、２２　　第２の平坦化層
１３、２３　　マイクロレンズ
【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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