(57)【要約】【課題】  分光特性が優れ且つ厚さが薄い光学層を積層した固体撮像素子を提供する。【解決手段】  光電変換素子２が形成された半導体基板１の上にマイクロレンズを備える固体撮像素子において、半導体基板１の上に厚さＸのカラーフィルタ層が積層されると共に該カラーフィルタ層の表面部を厚さＹ（＜Ｘ）の凸レンズ部１１ａに成形して前記マイクロレンズ１１とし、該カラーフィルタ層の凸レンズ１１ａ部を除く厚さＺ（＝Ｘ−Ｙ）の部分１１ｂを平板形状としたことを特徴とする。この構成により、マイクロレンズの中心を通る光の光路長（カラーフィルタ材通過長）と周辺を通る光路長との差が小さくなり、分光特性が良好となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子が形成された半導体基板の上にマイクロレンズを備える固体撮像素子において、前記半導体基板の上に厚さＸのカラーフィルタ層が積層されると共に該カラーフィルタ層の表面部を厚さＹ（＜Ｘ）の凸レンズ部に成形して前記マイクロレンズとし、該カラーフィルタ層の前記凸レンズ部を除く厚さＺ（＝Ｘ−Ｙ）の部分を平板形状としたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記カラーフィルタ層を通過する平行入射光の前記凸レンズ部の中心５に入射した光の通過光路長に対して該凸レンズ部の周辺部に入射した光の通過光路長の比が０．５〜１．５の範囲となる厚さに前記凸レンズ部を成形したことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記カラーフィルタ層の厚さＸに対して前記凸レンズ部の厚さＹが１／３〜１／２の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記凸レンズ部に整列する位置の前記カラーフィルタ層の裏面部に層内レンズが埋設されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記凸レンズ部の厚さＹに対して厚さＹの上凸形状の前記層内レンズを設けたことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記カラーフィルタ層を通過する平行入射光の前記凸レンズ部の中心に入射した光の通過光路長と該凸レンズ部の周辺部に入射した光の通過光路長とが誤差３０％の範囲で等しいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記カラーフィルタ層が色素または顔料を含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに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、光電変換素子等が形成された半導体基板上にカラーフィルタやマイクロレンズ等の光学層が積層された固体撮像素子に係り、特に、分光特性が優れ且つ厚みが薄い光学層を積層した固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来の固体撮像素子の断面模式図である。半導体基板１には光電変換素子２が形成されると共に、光電変換素子２間に図示しない信号読出手段（ＣＭＯＳ型であればＭＯＳトランジスタ回路、ＣＣＤ型であれば電荷転送路）が形成される。半導体基板１の表面上には平坦化膜３が積層されると共に平坦化膜３内に信号読出手段への光入射を阻止する遮光膜４が埋設される。
【０００３】
平坦化膜３によって平滑化された平坦化膜３表面には、赤色（Ｒ）緑色（Ｇ）青色（Ｂ）のカラーフィルタ層５が積層され、その表面に平坦化膜６が積層されて平滑化され、更にその上に、マイクロレンズ（トップレンズ）層７が積層される。
【０００４】
図７は、層内レンズ（上凸レンズ）を設けた従来の固体撮像素子の断面模式図である。図６に示す固体撮像素子に対し、平坦化膜３の上の光電変換素子２に整列する位置に上凸の層内レンズ８が形成されると共に層内レンズ８を埋める平坦化膜９が積層され、その上にカラーフィルタ層５が設けられる点が異なる。
【０００５】
デジタルスチルカメラ等に搭載される固体撮像素子は、多画素化（高画素化）が進展し、１画素の微細化が進んでいる。しかし、半導体集積回路技術等の進展により水平方向の微細化は進んで１画素の径Ｄ（図６，図７参照）は小さくなるが、垂直方向の厚さＨの微細化すなわち半導体基板１上に積層される光学層の薄膜化は進まず、この結果、１画素のマイクロレンズ（トップレンズ）７と光電変換素子２との間の光路は狭い隘路となり、トップレンズ７の焦点位置を光電変換素子２に合わせるのが困難になってきている。
【０００６】
このため、例えば下記特許文献１，２に記載の従来技術では、図８に示す様に、トップレンズ７自体をカラーフィルタ材料で形成し、光学層の厚さＨを薄くしている。
【０００７】
また、下記特許文献３記載の従来技術では、図６の構造で、カラーフィルタ層５を設ける他にトップレンズ７もカラーフィルタ材料で形成することにより、カラーフィルタ層５を薄くしている。
【０００８】
【特許文献１】特開平５―２０６４２９号公報
【特許文献２】特開平３―２３０１０１号公報
【特許文献３】特開平１０―２０００８３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、図８に示す従来技術では、トップレンズ（カラーフィルタ）７の中心を通る光線ａに対して、トップレンズ７の周辺部を通る光線ｂが通過するカラーフィルタの厚さが薄くなってしまうという問題がある。
【００１０】
例えば、赤色フィルタ材料で形成されたトップレンズ７の周辺部を透過した入射光には、赤色フィルタ材の透過光路長が不十分なため透過光内には青色成分や緑色成分が多く含まれてしまい、分光特性が劣化してしまうという問題がある。
【００１１】
また、特許文献３記載の従来技術では、平坦化膜３の上にカラーフィルタ層５を設け、その上に平坦化膜６を積層し、その上にマイクロレンズ層７を設けるという構造を採用せざるを得ず、つまり、上層を積層するときの下地面を平滑化するために間に平坦化膜を入れることが必須となり、光学層の厚さＨを十分に薄くすることができないという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、分光特性が優れ且つ厚さが薄い光学層を積層した固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、光電変換素子が形成された半導体基板の上にマイクロレンズを備える固体撮像素子において、前記半導体基板の上に厚さＸのカラーフィルタ層が積層されると共に該カラーフィルタ層の表面部を厚さＹ（＜Ｘ）の凸レンズ部に成形して前記マイクロレンズとし、該カラーフィルタ層の前記凸レンズ部を除く厚さＺ（＝Ｘ−Ｙ）の部分を平板形状としたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタ層を通過する平行入射光の前記凸レンズ部の中心に入射した光の通過光路長に対して該凸レンズ部の周辺部に入射した光の通過光路長の比が０．５〜１．５の範囲となる厚さに前記凸レンズ部を成形したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタ層の厚さＸに対して前記凸レンズ部の厚さＹが１／３〜１／２の範囲であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記凸レンズ部に整列する位置の前記カラーフィルタ層の裏面部に層内レンズが埋設されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の固体撮像素子は、前記凸レンズ部の厚さＹに対して厚さＹの上凸形状の前記層内レンズを設けたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタ層を通過する平行入射光の前記凸レンズ部の中心に入射した光の通過光路長と該凸レンズ部の周辺部に入射した光の通過光路長とが誤差３０％の範囲で等しいことを特徴とする。
【００１９】
本発明の固体撮像素子は、前記カラーフィルタ層が色素または顔料を含んで構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、マイクロレンズ（カラーフィルタ）の中心を通る光と周辺部を通る光の光路長差が小さくなるため分光特性が向上し、且つ、カラーフィルタ層を構成する凸レンズ部及びその下の平板形状部分の間に平坦化膜を積層する必要が無くなるため光学層の厚さを薄くすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。半導体基板１には光電変換素子２が形成されると共に、光電変換素子２間に図示しない信号読出手段（ＣＭＯＳ型であればＭＯＳトランジスタ回路等、ＣＣＤ型であれば電荷転送路等）が形成される。半導体基板１の表面上には平坦化膜３が積層されると共に平坦化膜３内に信号読出手段への光入射を阻止する遮光膜４が埋設される。
【００２３】
本実施形態の固体撮像素子では、平坦化膜３によって平滑化された平坦化膜３表面に、盤体型（厚肉型）のマイクロレンズ（トップレンズ）１１が積層される。
【００２４】
各色Ｒ，Ｇ，Ｂのマイクロレンズ１１は、表面部の厚さ（高さ）Ｙの凸レンズ部１１ａと、これに一体に連続した裏面部の厚さＺの円板状（円柱状）本体部１１ｂとから成る。
【００２５】
この盤体型マイクロレンズ１１は、カラーフィルタ材（各色Ｒ，Ｇ，Ｂの色素や顔料を含む材料）を平坦化膜３表面上に厚さＸ（＝Ｙ＋Ｚ）に積層し、その上部１／３から１／２程度の厚さＸの部分を、表面が球面状等の曲面となるようにエッチング等で削ることで形成される。
【００２６】
図２は、図１に示す本実施形態に係る固体撮像素子と、図８に示す従来構造の固体撮像素子とを比較するグラフであり、各色（青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ））のカラーフィルタ材で形成したマイクロレンズ（トップレンズ）を用いた固体撮像素子の分光特性をシミュレーションしたグラフである。夫々のグラフは、縦軸が入射効率を、横軸が透過光の波長（ｎｍ）を示している。従来構造の固体撮像素子に用いるマイクロレンズ（トップレンズ）は、図８に図示するトップレンズ７より厚手の半球状トップレンズとしている。
【００２７】
この図２から分かる通り、入射光の入射角が大きくなり斜め入射になると、従来構造（図２の右側のグラフ）では、楕円線Ｋで示す通り、他波長（青（Ｂ）のカラーフィルタレンズの場合には緑や赤の波長域、緑色（Ｇ）のカラーフィルタレンズの場合には青や赤の波長域、赤色（Ｒ）のカラーフィルタレンズの場合には青や緑の波長域）の光の漏れ込みが多くなり、分光特性が劣化してＲ，Ｇ，Ｂの分離性能が低下することが分かる。
【００２８】
これに対し、図２の左側のグラフに示す通り、本実施形態の固体撮像素子では、入射光の入射角が大きくなっても、他波長の光の漏れ込みは少なく、良好な分光特性が得られることが分かる。
【００２９】
この様に、本実施形態に係る固体撮像素子では、図１の本体部１１ｂを有するマイクロレンズ１１の中心部を通る入射光ａと、周辺部を通る入射光ｂとで、各光路中でのカラーフィルタ材通過光路長がほぼ等しく且つ十分な長さを確保できるため、良好な分光特性を得ることが可能となる。しかも、凸レンズ部１１ａと本体部１１ｂとの間に平坦化膜が不要なため、光学層の厚さＨを低減することが可能となる。
【００３０】
また、多層構造であるが、本体部１１ｂと凸レンズ部１１ａとを一体に形成できるため、製造工程数を減らすことも可能となる。
【００３１】
尚、上述した実施形態では、厚さＸのカラーフィルタ層を積層し、その上部１／３〜１／２の厚さＹの部分を凸レンズ部１１ａに成形した例を述べたが、凸レンズ部１１ａの中心に入射した光のフィルタ材通過光路長と周辺に入射した光のフィルタ通過光路長との比で言えば、（中心）：（周辺）＝１：０．５３程度で良好な分光特性が得られる。このため、（中心）／（周辺）の光路長比を０．５〜１．５の範囲にすれば、或いは、両光路長が誤差３０％程度以内で等しくなれば、十分となる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。この実施形態は、図７に示す層内レンズを備える従来構造の固体撮像素子に、図１に示す第１の実施形態を適用したものであり、上凸の層内レンズ８と平坦化膜９とを平坦化膜３とカラーフィルタレンズ１１との間に介挿した点が図１の実施形態と異なる。
【００３３】
この実施形態では、図７の構造に対して、平坦化膜６が不要となり、また、図７のレンズ７及びカラーフィルタ層５の合計の厚さより薄いカラーフィルタレンズ１１を用いることができるため、光学層の厚さを薄くできるという効果を得ることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。本実施形態では、図３に示す実施形態に対して更に光学層の厚さを薄くするために、図３の平坦化膜９を無くし、上凸の層内レンズ８を、盤体型のマイクロレンズ１２内に埋設している。
【００３５】
即ち、本実施形態のマイクロレンズ１２は、カラーフィルタ材で形成された厚さＹの凸レンズ部１２ａとこれに一体的に連続する厚さＹのカラーフィルタ材で形成された円板状（円柱状）本体部１２ｂと、本体部１２ｂ内に埋設された透明な半球状層内レンズ８とから構成される。上凸の層内レンズ８の厚さ（高さ）は、凸レンズ部１２ａの厚さ（高さ）Ｙと同程度とするのが好ましい。
【００３６】
本実施形態のマイクロレンズ１２は、平坦化層３の上に高さＹの小径（ここでいう小径とは、図７に示す１画素の径Ｄより小さく、隣接画素の層内レンズ８と離間する大きさをいう。）の上凸層内レンズ８を形成し、その上に、層内レンズ８が埋まるように厚さＸのカラーフィルタ層を積層し、このカラーフィルタ層の表面部の厚さＹの部分を凸レンズ形状に成形することで形成される。
【００３７】
本体部１２ｂを設けることで盤体型（厚肉型）にしたマイクロレンズ１２は、本体部１２ｂが存在することで、凸レンズ部１２ａの中心に入射した光のフィルタ材通過光路長と周辺に入射した光のフィルタ材通過光路長との差を小さくすることができる。しかし、本体部１２ｂを厚くすると、カラーフィルタ材の通過光路長が長くなって無駄な光吸収が生じてしまう。
【００３８】
そこで、本実施形態では、この無駄な光吸収を無くし、且つ層内レンズによる光利用効率の向上を図ることができる様に、マイクロレンズ１２内に透明な層内レンズ８を埋設し、マイクロレンズ１２を通過する光のフィルタ材通過光路長が長くなりすぎない様にしている。
【００３９】
斯かる構成にすることで、本実施形態では、光学層の厚さＨが更に薄くなるため感度が一層向上すると共に、トップレンズの形状（焦点位置）の設計自由度が増し、また、層内レンズ８の形状を調整することで、中心部を通る光路長と周辺部を通る光路長の調整を行うことが可能となる。
【００４０】
図５は、図７に示す従来構造の固体撮像素子（トップレンズをカラーフィルタ材で形成している）と、図４に示す本実施形態に係る固体撮像素子とを比較するグラフであり、各色（青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ））のカラーフィルタ材で形成したマイクロレンズ（トップレンズ）を用いた固体撮像素子の分光特性をシミュレーションしたグラフである。夫々のグラフは、縦軸が入射効率を、横軸が透過光の波長（ｎｍ）を示している。
【００４１】
本実施形態の固体撮像素子では、特に、入射角１５度の特性を○印Ｊで示すが、斜め入射光に対する入射光率が高くなっていることが分かる。このため、例えば携帯電話機等に搭載される固体撮像素子の様に素子中央部と素子周辺部とで光の入射角が大きく異なる固体撮像素子であっても、素子中央部と素子周辺部とで同じ分光特性を得ることができるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る固体撮像素子は、素子全体で分光特性の均一化を図ることができるため、デジタルカメラや携帯電話機等に搭載される固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。
【図２】図１に示す実施形態に係る固体撮像素子と従来構造の固体撮像素子との特性を比較するグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子の断面模式図である。
【図５】図４に示す実施形態に係る固体撮像素子と従来構造の固体撮像素子との特性を比較するグラフである。
【図６】従来の固体撮像素子の断面模式図である。
【図７】従来の層内レンズ付き固体撮像素子の断面模式図である。
【図８】従来の別の固体撮像素子の断面模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  半導体基板
２  光電変換素子
３  平坦化層
４  遮光膜
８  層内レンズ
１１，１２  盤体型（厚肉型）のマイクロレンズ
１１ａ，１２ａ  凸レンズ部
１１ｂ，１２ｂ  本体部
【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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【図８】
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