(57)【要約】【課題】光電変換領域の平面形状とレンズの受光範囲との整合により、感度および解像度の向上が図られ、色消し設計が可能である固体撮像素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、基板１０内に光電変換領域１１が設けられた固体撮像素子であって、光電変換領域１１の上方には、オンチップ複合レンズが設けられる。オンチップ複合レンズは、基板法線方向に対して垂直な第１方向に沿って有限な曲率半径ＲＣ１１を有し、基板法線方向および第１方向に対して垂直な第２方向に沿って無限大の曲率半径ＲＣ１２を有する平凸状のストライプ型レンズ３と、ストライプ型レンズ３から離隔して設けられ、第１方向に沿って有限な曲率半径ＲＣ２１を有し、第２方向に沿って曲率半径ＲＣ２１と同じか、または異なる有限な曲率半径ＲＣ２２を有する平凸状のトーリックレンズ４とを含み、オンチップ複合レンズの第１方向における焦点距離は、第２方向における焦点距離よりも短い。【選択図】図１
2016207730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内に光電変換領域が設けられた固体撮像素子であって、
前記光電変換領域の上方には、オンチップ複合レンズが設けられており、
該オンチップ複合レンズは、基板法線方向に対して垂直な第１方向に沿って有限な曲率半径ＲＣ１１を有し、基板法線方向および第１方向に対して垂直な第２方向に沿って無限大の曲率半径ＲＣ１２を有する平凸状のストライプ型レンズと、
前記ストライプ型レンズから離隔して設けられ、第１方向に沿って有限な曲率半径ＲＣ２１を有し、第２方向に沿って曲率半径ＲＣ２１と同じか、または異なる有限な曲率半径ＲＣ２２を有する平凸状のトーリックレンズとを含み、
第１方向におけるオンチップ複合レンズの合成焦点距離は、第２方向における合成焦点距離よりも短いことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
第１方向に関する光学系において、前記ストライプ型レンズと前記トーリックレンズの間隔Ｓ、前記トーリックレンズのアッベ数ν１、前記トーリックレンズの焦点距離ｆ１、前記ストライプ型レンズのアッベ数ν２、前記ストライプ型レンズの焦点距離ｆ２が、次の関係式：  Ｓ＝（ν１ｆ１＋ν２ｆ２）／（ν１＋ν２）
を満たす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】
前記ストライプ型レンズの中心部が平板状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記トーリックレンズの中心部が平板状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項５】
ＣＣＤ電荷転送機構を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
ＣＭＯＳ素子を用いた電荷転送機構を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
光電変換領域が設けられた基板を用意するステップと、
前記光電変換領域の上方に、無機材料からなるコア部材を形成するステップと、
前記コア部材を覆うように、該無機材料を再度堆積するステップと、
堆積した無機材料に対してエッチバックを施して、ストライプ型レンズに整形するステップと、
該ストライプ型レンズの上に、層間膜を形成するステップと、
該層間膜の上に、有機材料からなるレンズ層を形成するステップと、
該レンズ層の上に、トーリック面を有するマスク部材を形成するステップと、
該マスク部材および該レンズ層に対してエッチバックを施して、該レンズ層をトーリックレンズに整形するステップと、を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
平坦な面の上に、無機材料からなるコア部材を形成するステップと、
前記コア部材を覆うように、該無機材料を再度堆積するステップと、
堆積した無機材料に対してエッチバックを施して、ストライプ型レンズに整形するステップと、を含むことを特徴とするオンチップレンズの製造方法。
【請求項９】
平坦な面の上に、有機材料からなるレンズ層を形成するステップと、
該レンズ層の上に、トーリック面を有するマスク部材を形成するステップと、
該マスク部材および該レンズ層に対してエッチバックを施して、該レンズ層をトーリックレンズに整形するステップと、を含むことを特徴とするオンチップレンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オンチップレンズを備えた固体撮像素子およびその製造方法に関する。また本発明は、オンチップレンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に複数の画素がアレイ状に配置され、当該半導体基板上に信号の読み出し回路および出力アンプを備えた固体撮像素子が開発されている。各画素は、光電変換部を含んでおり、光電変換部に光が入射することにより電気信号を発生し、画像処理に必要な画像信号を生成することが可能である。
【０００３】
一般に、固体撮像素子の内部または外部、あるいは素子の内部と外部の両方に光学系を備えた構成が採用される。本明細書では、固体撮像素子の単位画素上に構成される集光レンズのように、素子の部材として構成される光学系要素を「オンチップ光学系」と称し、固体撮像素子を構成する部材ではなく、例えばカメラのレンズのように、当該素子の外部に配置される集光レンズなどの光学系要素を「外部光学系」と称する。
【０００４】
固体撮像素子の重要な特性の一つとして、画像解像度がある。画像解像度を向上させるには画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、ピッチの減少に伴って光電変換領域が単位画素に占める面積比率が小さくなり、単位面積当たりの入射光量が一定であっても、発生させられる光電子数が減少し、即ち、感度が低下する。そこで光電変換領域への集光を行う構造、即ちオンチップ光学系を形成して、感度を向上させるのが一般的である。しかし多くの場合、光電変換領域の平面形状とオンチップレンズの平面形状が異なっている。このような場合、両者の平面形状が一致している場合に比べて、焦点ずれに対するマージンが減少する。
【０００５】
この対策として、下記の特許文献１では、光電変換領域の寸法が縦横で異なる場合に、頂点付近が平坦なストライプレンズをまず作製し、その上に密着した楕円形のレンズを形成することで、縦横で屈折力を変え、効率的に光電変換部に光を入射できるようにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−３１２４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、ストライプレンズの長手方向およびそれに垂直な方向のいずれにおいても、入射光は有限な曲率半径を持った高屈折率領域を一度しか通過しない。すなわち入射光から見ると、この構造は単レンズと同等である。このため色収差が除去できず、以下に述べるような不具合が生じる。
【０００８】
なおここでは、ＶＰＣＣＤ(Virtual Phase Charge Coupled Device)撮像素子を例として説明する。ＦＦＴ(Full Frame Transfer)型ＣＣＤでは、垂直電荷転送を制御するポリシリコン電極を通過して光が入射するため、特に短波長領域の光がポリシリコン電極で吸収され、感度が低下する。この対策として、ＶＰＣＣＤは、一部の垂直転送ゲート電極を仮想電極で置き換えることにより、光吸収を抑え、感度の低下を防止している。
【０００９】
図２は、ＶＰＣＣＤ撮像素子において色収差起因の不具合が発生する様子を示す断面図である。ここでは、撮像素子の周辺部に存在する画素を想定し、単一のオンチップレンズ４ａに光が斜めに入射する場合を示している。
【００１０】
一般に物質の屈折率は波長が短いほど高くなるため、短波長光２３の屈折は長波長光２４より顕著となる。また一般に、物質の光吸収係数は波長が長いほど小さくなるため、長波長光２４の侵入長は短波長光２３より長い。その結果、例えば、短波長光２３と長波長光２４の中間の波長が光電変換領域に正しく入射するように構造が最適化されている場合、短波長光２３は転送電極によってケラレが生じ、光電変換領域に入射する光量が減少して、感度が低下する。一方、長波長光２４は、本来の光電変換領域を通過して反対側の転送電極の下部まで侵入し、即ち、光電変換領域の外側に入射する。その結果、高ポテンシャルのバリア領域１２の近くで光電変換が起き、光電子が発生する。そのような光電子に対しては、本来、高ポテンシャルのバリア領域１２がバリアの役割を果たすはずである。しかし、画素が微細になり、高ポテンシャルのバリア領域１２の幅が十分取れない場合、ポテンシャルが低下してバリア性能が低下する。その結果、隣接する光電変換領域、図２においては右隣の光電変換領域にまで光電子が流入する。即ち、本来流入するべきではない低ポテンシャル領域に光電子が流入してしまう。これはＭＴＦ(Modulation Transfer Function)の低下を意味し、フレア、ゴースト、コントラスト低下、解像度劣化、スミア、色分解能低下、色再現性劣化などとして現れ、画質の劣化をもたらす。
【００１１】
これらの問題への対策の１つとして容易に考えられるのは、オンチップ光学系の口径を小さくし、光の入射範囲を制限することである。しかしこれはオンチップ光学系のＦ値が大きくなり、即ち、オンチップ光学系が暗くなることを意味し、感度の向上という要求に反するものである。
【００１２】
また、各画素で単一の波長の光を受ける場合、波長別にオンチップ光学系を最適化する方法も考えられる。しかしその場合は屈折の具合に応じてオンチップ光学系を不等間隔に配置したり、レンズの形状を波長ごとに変えたりする必要があるため、設計、製造とも困難になる。またモノクロ撮像素子など、各画素が広い波長範囲の光を受ける素子の場合は、そもそも適用が不可能である。
【００１３】
本発明の目的は、光電変換領域の平面形状とレンズの受光範囲との整合により、感度および解像度の向上が図られ、しかも色消し設計が可能である固体撮像素子およびその製造方法を提供することである。
【００１４】
また本発明の目的は、光電変換領域の平面形状とレンズの受光範囲とが整合した固体撮像素子を容易に製造できるオンチップレンズの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、基板内に光電変換領域が設けられた固体撮像素子であって、
前記光電変換領域の上方には、オンチップ複合レンズが設けられており、
該オンチップ複合レンズは、基板法線方向に対して垂直な第１方向に沿って有限な曲率半径ＲＣ１１を有し、基板法線方向および第１方向に対して垂直な第２方向に沿って無限大の曲率半径ＲＣ１２を有する平凸状のストライプ型レンズと、
前記ストライプ型レンズから離隔して設けられ、第１方向に沿って有限な曲率半径ＲＣ２１を有し、第２方向に沿って曲率半径ＲＣ２１と同じか、または異なる有限な曲率半径ＲＣ２２を有する平凸状のトーリックレンズとを含み、
第１方向におけるオンチップ複合レンズの合成焦点距離は、第２方向における合成焦点距離よりも短いことを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、
光電変換領域が設けられた基板を用意するステップと、
前記光電変換領域の上方に、無機材料からなるコア部材を形成するステップと、
前記コア部材を覆うように、該無機材料を再度堆積するステップと、
堆積した無機材料に対してエッチバックを施して、ストライプ型レンズに整形するステップと、
該ストライプ型レンズの上に、層間膜を形成するステップと、
該層間膜の上に、有機材料からなるレンズ層を形成するステップと、
該レンズ層の上に、トーリック面を有するマスク部材を形成するステップと、
該マスク部材および該レンズ層に対してエッチバックを施して、該レンズ層をトーリックレンズに整形するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、オンチップレンズとして、ストライプ型レンズとトーリックレンズの組合せを採用することによって、光電変換領域の平面形状とレンズの受光範囲との整合化が容易に達成でき、しかも色消し設計が可能になる。その結果、固体撮像素子の感度および解像度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の一例を示す部分斜視図である。
【図２】ＶＰＣＣＤ撮像素子において色収差起因の不具合が発生する様子を示す断面図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子について電荷の転送方向に沿った部分断面図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子について電荷の蓄積方向に沿った部分断面図である。
【図５】転送方向に関する合焦状態およびデフォーカス状態を示す説明図であり、図５（ａ）は図３に対応し、図５（ｂ）は図４に対応し、図５（ｃ）は結像スポットの形状を示す平面図である。
【図６】ＶＰＣＣＤ撮像素子において色収差が軽減される様子を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の一例を示す部分断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の一例を示す部分断面図である。
【図９】ＴＤＩ方式のＣＣＤ固体撮像素子の動作の一例を示す説明図である。
【図１０】ＴＤＩ方式ＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す部分斜視図である。
【図１１】図１０に示す固体撮像素子について電荷の転送方向に沿った部分断面図である。
【図１２】図１０に示す固体撮像素子について電荷の蓄積方向に沿った部分断面図である。
【図１３】１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合のポテンシャルを示す説明図である。
【図１４】１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合の電子の動きを示す電荷の転送方向に沿った部分断面図である。
【図１５】色消し対策後、１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合のポテンシャルを示す説明図である。
【図１６】色消し対策後、１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合の電子の動きを示す電荷の転送方向に沿った部分断面図である。
【図１７】色消し対策後、１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合の電子の動きを示す電荷の蓄積方向に沿った部分断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態５に係る固体撮像素子の一例を示す部分斜視図である。
【図１９】図１８に示す固体撮像素子について電荷の転送方向に沿った部分断面図である。
【図２０】図１８に示す固体撮像素子について電荷のバリア方向に沿った部分断面図である。
【図２１】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２１（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２１（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２２】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２２（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２２（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２３】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２３（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２３（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２４】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２４（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２４（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２５】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２５（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２５（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２６】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２６（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２６（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２７】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２７（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２７（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２８】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２８（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２８（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【図２９】本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２９（ａ）は電荷の転送方向に沿った部分断面図、図２９（ｂ）は電荷の蓄積方向（バリア方向）に沿った部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の一例を示す部分斜視図である。図３は、図１に示す固体撮像素子について電荷の転送方向５に沿った部分断面図である。図４は、図１に示す固体撮像素子について電荷の蓄積方向６に沿った部分断面図である。本明細書では、光によって発生し蓄積される電荷が電子である場合を例示するが、正孔の場合でも半導体材料の導電型を反転することにより同様な構成が可能である。
【００２０】
固体撮像素子は、半導体基板１０と、半導体基板１０内に形成された光電変換領域１１と、光電変換領域１１で発生した光電子を蓄積するための電荷蓄積領域１４と、光電変換領域１１と電荷蓄積領域１４との間および隣接する電荷蓄積領域１４の間で電荷を転送するための転送電極２と、転送電極２の下方に設けられたゲート酸化膜１３などを備える。光電変換領域１１の上部は、転送電極２が存在しない開口部１が形成され、図２と同様なＶＰＣＣＤ撮像素子を構成している。
【００２１】
画素の形状に関して、４相駆動の場合、転送方向５のピッチは蓄積方向６のピッチの１／４となり、光電変換領域１１のサイズも転送方向５に狭く、蓄積方向６に広い。転送方向５において、隣接する転送電極２の間には高ポテンシャルのバリア領域１２が存在する。蓄積方向６においては、光電変換領域１１内で発生した電子を受け取る低ポテンシャルの電荷蓄積領域１４が存在する。電荷は、光電変換領域１１から電荷蓄積領域１４の方向６に流れ、隣接する電荷蓄積領域１４が並ぶ転送方向５に沿って転送される。なお、蓄積方向６の逆方向７にはバリア領域１２があるため、電荷は移動しにくい。
【００２２】
光学系に関して、光電変換領域１１の上方には、個々のオンチップ複合レンズが画素単位で設置される。オンチップ複合レンズは、平凸状のストライプ型レンズ３と、ストライプ型レンズ３から離隔して設けられた平凸状のトーリックレンズ４とを含む。
【００２３】
ストライプ型レンズ３は、基板法線方向に対して垂直な転送方向５に沿って有限な曲率半径ＲＣ１１を有し、基板法線方向および転送方向５に対して垂直な蓄積方向６に沿って無限大の曲率半径ＲＣ１２を有する（ＲＣ１２＝∞）。
【００２４】
トーリックレンズ４は、転送方向５に沿って有限な曲率半径ＲＣ２１を有し、蓄積方向６に沿って有限な曲率半径ＲＣ２２を有し、曲率半径ＲＣ２１は曲率半径ＲＣ２２と同じ（ＲＣ２１＝ＲＣ２２）か、または異なっている（ＲＣ２１≠ＲＣ２２）。また、基板法線方向に対して垂直な転送方向５におけるストライプ型レンズ３とトーリックレンズ４の合成焦点距離は，基板法線方向および転送方向５に対して垂直な蓄積方向６における合成焦点距離よりも短い。トーリックレンズ４の平面形状は、一般に円形、楕円形、長方形、正方形、角丸四角形などが可能であるが、ここでは楕円形を例示している。
【００２５】
なお、図１では、基板１０、ストライプ型レンズ３、トーリックレンズ４の順で配置した場合を例示したが、基板１０、トーリックレンズ４、ストライプ型レンズ３の順で配置することも可能であり、また別のオンチップレンズを追加することも可能である。また、ストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４は、理解容易のため単レンズとして例示したが、複合レンズとして構成することも可能である。
【００２６】
また、図１では、１つのトーリックレンズ４が１つの光電変換領域１１に対応する場合を例示したが、１つのトーリックレンズ４が複数の光電変換領域１１に対応することも可能であり、逆に複数のトーリックレンズが１つの光電変換領域１１に対応することも可能である。なお、転送電極２によるケラレが発生するが、１つのストライプ型レンズ３が複数の光電変換領域１１に対応する構成も可能である。
【００２７】
また、図１のオンチップ光学系では、転送方向５の焦点距離が蓄積方向６の焦点距離より短くなり、焦点の位置も互いにずれることになるが、本発明では、図３に示すように、転送方向５について光電変換領域１１の上面に焦点を結ぶようにレンズの形状と配置を選択するのが好ましい。
【００２８】
次に、オンチップ複合レンズの機能について説明する。図３において転送方向５に沿った断面図に示すように、光は、トーリックレンズ４およびストライプ型レンズ３を通過する際に屈折した後、光電変換領域１１に入射する。一方、図４において蓄積方向６に沿った断面図に示すように、光は、トーリックレンズ４を通過する際に屈折し、続いてストライプ型レンズ３をそのまま通過した後、光電変換領域１１に入射する。従って、オンチップ複合レンズの焦点距離は、転送方向５において蓄積方向６よりも短くなり、また横倍率は、転送方向５において蓄積方向６よりも小さくなる。こうした光学特性は、転送方向５に関する光学系において焦点がずれたデフォーカス状態の場合に有効に作用する。
【００２９】
図５は、転送方向５に関する合焦状態およびデフォーカス状態を示す説明図であり、図５（ａ）は図３に対応し、図５（ｂ）は図４に対応し、図５（ｃ）は結像スポットの形状を示す平面図である。合焦状態の場合、光は光路２１に沿って進行し、光電変換領域１１の上面３３に線分状の結像スポット３１を形成する。一方、デフォーカス状態の場合、光は光路２２に沿って進行し、光電変換領域１１の上面３３に楕円状の結像スポット３２を形成する。デフォーカス状態になる原因として、オンチップ光学系を構成するレンズの曲率半径が製造ばらつき等で変動したり、外部光学系の射出瞳位置がずれること等が挙げられる。
【００３０】
図５から判るように、転送方向５に関する光学系に関して、焦点距離が短く、横倍率が小さく抑えられているため、仮に焦点がずれたとしても結像スポットの広がりを抑制できる。従って、光電変換領域１１の上面３３が転送方向５に狭く、蓄積方向６に広い形状の場合、焦点ずれが生じたとしても、近隣の転送電極２でケラレたり、結像スポットが光電変換領域１１からはみ出したりする現象を防止できる。その結果、フレア、ゴースト、コントラスト低下、解像度劣化、スミア、色分解能低下、色再現性劣化などの画質劣化を軽減でき、明るい外部光学系の使用が可能となり、また画素の微細化も容易となり、感度および解像度の向上が図られる。
【００３１】
さらに、オンチップ複合レンズは、転送方向５に関して複数のレンズで構成され、かつストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４は互いに離隔して設置されているため、複数凸レンズ構造となり、色消し設計が可能になる。
【００３２】
図６は、ＶＰＣＣＤ撮像素子において色収差が軽減される様子を示す断面図である。図２と同様に、撮像素子の周辺部に存在する画素を想定し、単一のオンチップレンズに光が斜めに入射する場合を示している。図２の構成では、短波長光２３は転送電極によってケラレが生じたり、長波長光２４は転送電極の下部へ侵入したりしていたが、図６の構成では、色収差を軽減するように複数レンズを配置しているため、中間波長の光に関して構造を最適化した場合でも、短波長光２３、長波長光２４ともほぼ同じ場所に焦点が結ばれる。その結果、フレア、ゴースト、コントラスト低下、解像度劣化、スミア、色分解能低下、色再現性劣化などの画質劣化を軽減でき、明るい外部光学系の使用が可能となり、また画素の微細化も容易となり、感度および解像度の向上が図られる。
【００３３】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の一例を示す部分断面図である。本実施形態では、色消し設計の最適化を図っている。
【００３４】
オンチップ複合レンズは、転送方向５に関する光学系において、ストライプ型レンズ３とトーリックレンズ４の間隔（レンズ主面間の距離）をＳ、トーリックレンズ４のアッベ数をν１、トーリックレンズ４の焦点距離をｆ１、ストライプ型レンズ３のアッベ数をν２、ストライプ型レンズ３の焦点距離をｆ２として、次の関係式（１）を満たすことが好ましい。ここで、アッベ数ν１，ν２は，レンズ上下の媒質の屈折率と、色消しにしたい波長を考慮した値を用いるのが好ましい。
Ｓ＝（ν１ｆ１＋ν２ｆ２）／（ν１＋ν２）    …（１）
【００３５】
なお、オンチップ複合レンズは、２個のレンズの組合せに限る必要はなく、３個以上のレンズの組合せであっても、幾何光学を援用して適切なレンズ間隔を設定することができる。その場合、合成焦点距離が延びるため、オンチップ光学系は暗くなるが、一般にｎ個のレンズを用いれば、ｎ個の波長に対して色消し設計が可能になる。そのため、固体撮像素子の用途に応じて、使用するレンズの個数を決定することが好ましい。
【００３６】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の一例を示す部分断面図である。本実施形態では、ストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４の一方または両方について、その中心部が平板状に形成されている。
【００３７】
一般にレンズとは、至る所で有限な曲率半径を持つ構造を指すことが多い。しかし、実施の形態１においては、ストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４のいずれにおいても、全体がレンズ形状である必要はなく、例えば、部分的に平板状であってもよい。このことを次に説明する。
【００３８】
図８に示すように、レンズ周辺部に入射した入射光２６ｂは、レンズ構造によって光の進路が屈折しなければ、光電変換領域１１に入射できない。一方、レンズ中心部を通る主光線に近接した入射光２６ａは、レンズ構造によって光の進路が屈折しなくても、光電変換領域１１に入射することが可能である。従って、この条件が満たされる範囲内において、ストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４の一方または両方は、その中心部が平板状でも構わない。これによりオンチップレンズを製造する際の許容誤差を緩和できる。
【００３９】
実施の形態４．
図９は、ＴＤＩ方式のＣＣＤ固体撮像素子の動作の一例を示す説明図である。本発明は任意のタイプの撮像素子にも適用可能であるが、特にＴＤＩ(Time Delay and Integration)方式を採用したＣＣＤ固体撮像素子において有利な効果が得られる。
【００４０】
まずＴＤＩ方式について説明する。一般に、撮像素子の解像度を改善するために画素ピッチを縮小すると、光電変換領域の面積が縮小する分だけ入射光量が減少し、Ｓ／Ｎ比が劣化する。ＴＤＩ方式は、２次元固体撮像素子であるＦＦＴ型ＣＣＤを使用し、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることによって、Ｓ／Ｎを改善することが可能な読出し方式である。具体的な適用例として、例えばリモートセンシングの場合、垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることで、ＴＤＩ動作が実現できる。垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作を行うと、蓄積時間が実効的にＭ倍となるため、感度がＭ倍向上し、Ｓ／Ｎ比は√Ｍ倍に改善される。また前記のＶＰＣＣＤ技術を応用し、画素を構成するｎ相のＣＣＤの転送ゲート全てについて、ゲート開口部を設け、その中に光電変換領域を形成し、さらにＴＤＩ転送チャネルとして機能するゲート非開口部を形成することにより、感度と解像度を同時に向上させることができる。
【００４１】
図９には４相駆動の状態１〜４に対応したチャネルポテンシャルが示されており、ポテンシャル井戸の移動と同期して、１画素長の被写体パターンが移動する様子も示されている。
【００４２】
４層駆動の状態１では、第１のＴＤＩ転送ゲートと第２のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをハイレベルとする電圧が印加され、第１のＴＤＩ転送ゲートと第２のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる。
【００４３】
４相駆動の状態２では、第２のＴＤＩ転送ゲートと第３のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをハイレベルとする電圧が印加され、第２のＴＤＩ転送ゲートと第３のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる。
【００４４】
４相駆動の状態３では、第３のＴＤＩ転送ゲートと第４のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをハイレベルとする電圧が印加され、第３のＴＤＩ転送ゲートと第４のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる。
【００４５】
４相駆動の状態４では、第４のＴＤＩ転送ゲートと第１のＴＤＩ転送ゲートに、ＣＣＤチャネルをハイレベルとする電圧が印加され、第４のＴＤＩ転送ゲートと第１のＴＤＩ転送ゲートの下に、ＣＣＤチャネルポテンシャル井戸が作られる。
【００４６】
この４相駆動の４つの状態１〜４のうち、状態４においては、１画素長の被写体の中心が注目画素と後段の隣接画素の境界、より具体的には、注目画素の第４のＴＤＩ転送ゲートと後段の隣接画素の第１のＴＤＩ転送ゲートの境界に位置する。
【００４７】
次に、ＴＤＩ方式のＣＣＤ固体撮像素子の画素レイアウトについて説明する。
【００４８】
図１０は、ＴＤＩ方式ＣＣＤ固体撮像素子の一例を示す部分斜視図である。図１１は、図１０に示す固体撮像素子について電荷の転送方向５に沿った部分断面図である。図１２は、図１０に示す固体撮像素子について電荷の蓄積方向６に沿った部分断面図である。
【００４９】
半導体基板１０内に光電変換領域１１が形成されている。光電変換領域１１の上部は、転送電極２が存在しない開口部１が形成され、局所的なＶＰＣＣＤ撮像素子を構成している。ＴＤＩ方式ＣＣＤにおいては、３相、４相、またはそれ以上の相数で１画素が形成されるため、転送方向５のピッチは、蓄積方向６の１／３、１／４、またはそれ以下のピッチとなる。このため光電変換領域１１のサイズも転送方向５に狭く、蓄積方向６に広い。転送方向５において、隣接する転送電極２の間には高ポテンシャルのバリア領域１２が存在する。蓄積方向６においては、光電変換領域１１内で発生した電子を受け取る低ポテンシャルの電荷蓄積領域１４が存在する。バリア領域１２は蓄積方向６にも設けられ、隣接する画素の低ポテンシャルの電荷蓄積領域１４への電荷流入を防止する。なおバリア領域１２の幅は光電変換領域１１の場合と同じく、転送方向５に関しては蓄積方向６、バリア方向７よりは狭くなることが多い。
【００５０】
電荷は、光電変換領域１１から電荷蓄積領域１４の方向６に流れ、隣接する電荷蓄積領域１４が並ぶ転送方向５に沿って転送される。なお、蓄積方向６の逆方向７にはバリア領域１２があるため、電荷はほとんど移動しない。
【００５１】
また光電変換領域１１に集光するために、オンチップレンズ４ａが形成される。オンチップレンズ４ａは、有機膜または無機膜からなる高屈折率材料を用いて、プラズマＣＶＤ、スピンコートなどの半導体プロセスを利用して形成することが多い。
【００５２】
このようなＣＣＤ固体撮像素子において、ＴＤＩ動作を行わせたときの問題点を図１３および図１４に示す。図１３は、１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合のポテンシャルを示す説明図であり、図１４はその断面図である。
【００５３】
被写体は１画素長であるため、被写体からの光はケラレなく光電変換領域１１に入射し、発生した光電子はすべて同じ低ポテンシャル領域、図１３においては中央の低ポテンシャル部に集められなければならない。しかし、被写体が特定の光電変換領域の端、図１３では第３のＴＤＩ転送ゲートに来たとき、色収差および光の侵入長の波長依存性に起因して、ケラレが起きたり、それ以外の低ポテンシャル部に光電子が流入することがある。その様子を断面図で表したのが図１４である。ここでは、撮像素子の周辺部に存在する画素を想定し、オンチップレンズ４ａに光が斜めに入射する場合を示している。
【００５４】
前述したように、一般に物質の屈折率は波長が短いほど高くなるため、短波長光２３の屈折は長波長光２４より顕著となる。また一般に、物質の光吸収係数は波長が長いほど小さくなるため、長波長光２４の侵入長は短波長光２３より長い。その結果、例えば、短波長光２３と長波長光２４の中間の波長が光電変換領域に正しく入射するように構造が最適化されている場合、短波長光２３は転送電極によってケラレが生じ、光電変換領域に入射する光量が減少して、感度が低下する。一方、長波長光２４は、本来の光電変換領域を通過して反対側の転送電極の下部まで侵入し、即ち、光電変換領域の外側に入射する。その結果、高ポテンシャルのバリア領域１２の近くで光電変換が起き、光電子が発生する。そのような光電子に対しては、本来、高ポテンシャルのバリア領域１２がバリアの役割を果たすはずである。しかし、上述したように、この方向には高ポテンシャルのバリア領域１２の幅が十分取れないため、ポテンシャルが低下してバリア性能が低下しやすくなっている。その結果、隣接する光電変換領域、図１３および図１４においては右隣の光電変換領域にまで光電子が流入する。即ち、本来流入するべきではない低ポテンシャル領域に光電子が流入してしまう。これはＭＴＦの低下を意味し、フレア、ゴースト、コントラスト低下、解像度劣化、スミア、色分解能低下、色再現性劣化などとして現れ、画質の劣化をもたらす。
【００５５】
この対策として、本発明を実施すれば色消し設計が適用可能である。図１５は、１画素長の明るい被写体からの光が、ＴＤＩ動作しているＣＣＤ固体撮像素子に入射した場合のポテンシャルを示す説明図であり、図１６はその断面図である。図１３と比べて、被写体およびポテンシャルの形は全く同じであるが、色消し設計により色収差が抑えられるため、レンズを透過した後の光の入射位置が波長によってあまり変わらなくなる。その結果、図１３および図１４では転送電極によってケラレていた光を光電変換領域に入射させることが可能になるとともに、右隣の画素に逃げていた左端の長波長光によって発生した光電子を、図１５および図１６に示すように、正しく注目画素に入れることができる。その結果、感度およびＭＴＦの劣化を抑制し、フレア、ゴースト、コントラスト低下、解像度劣化、スミア、色分解能低下、色再現性劣化などを軽減することができる。
【００５６】
一方、蓄積方向６に関する光学系については色消し設計が適用されないため、光線の収束状態は転送方向５には及ばない。しかし、図１７に示すように、蓄積方向６の画素寸法は本来大きいため、この方向への結像スポットのはみ出しのリスクは大きくならない。万一、蓄積方向６へのはみ出しが起き、バリア領域１２の付近で光電子が発生しても、この方向にはバリア領域１２の幅が十分取れるため、バリア領域１２が電子に対して十分高いポテンシャルを有する。よって、光電子はバリア領域１２を乗り越えることができず、より低いポテンシャルを有する電荷蓄積領域１４に移動する。電荷蓄積領域１４は本来の光電変換領域で発生した光電子を蓄積する領域であるため、これは光電変換領域１１で光電子が発生した結果となんら変わらない。従って、この蓄積方向６では集光状態が悪くても、画質の劣化が生じにくいことが判る。
【００５７】
実施の形態５．
図１８は、本発明の実施の形態５に係る固体撮像素子の一例を示す部分斜視図である。図１９は、図１８に示す固体撮像素子について電荷の転送方向５に沿った部分断面図である。図２０は、図１８に示す固体撮像素子について電荷のバリア方向７に沿った部分断面図である。本実施形態では、ＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)固体撮像素子への適用例について説明する。
【００５８】
半導体基板１０内に光電変換領域１１が形成される。光電変換領域１１の上部には、転送電極２の開口部１が形成される。また隣接画素間には、主にＬＯＣＯＳ(Local Oxidation of Silicon)、ＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)などの絶縁膜からなる素子分離領域１６が形成される。転送電極２の反対側には、ＦＤ(Floating Diffusion)領域１５が設置される。
【００５９】
光電変換領域１１からＦＤ領域１５への光電子の流入は、転送電極２によって制御される。なおＣＭＯＳ固体撮像素子においてはＦＤ領域１５で電荷が電圧に変換されて出力されるため、ＦＤ領域１５に蓄積された電荷を電源に捨てるリセット動作時を除き、ＦＤ領域１５からの電荷の移動はほとんどない。
【００６０】
光学系に関して、実施の形態１と同様に、光電変換領域１１の上方には、個々のオンチップ複合レンズが画素単位で設置される。オンチップ複合レンズは、平凸状のストライプ型レンズ３と、ストライプ型レンズ３から離隔して設けられた平凸状のトーリックレンズ４とを含む。
【００６１】
ストライプ型レンズ３は、基板法線方向に対して垂直な転送方向５に沿って有限な曲率半径ＲＣ１１を有し、基板法線方向および転送方向５に対して垂直なバリア方向７に沿って無限大の曲率半径ＲＣ１２を有する（ＲＣ１２＝∞）。
【００６２】
トーリックレンズ４は、転送方向５に沿って有限な曲率半径ＲＣ２１を有し、バリア方向７に沿って有限な曲率半径ＲＣ２２を有し、曲率半径ＲＣ２１は曲率半径ＲＣ２２と同じ（ＲＣ２１＝ＲＣ２２）か、または異なっている（ＲＣ２１≠ＲＣ２２）。また、基板法線方向に対して垂直な転送方向５におけるストライプ型レンズ３とトーリックレンズ４の合成焦点距離は、基板法線方向および転送方向５に対して垂直なバリア方向７における合成焦点距離よりも短い。トーリックレンズ４の平面形状は、一般に円形、楕円形、長方形、正方形、角丸四角形などが可能であるが、ここでは楕円形を例示している。
【００６３】
なお、図１８では、基板１０、ストライプ型レンズ３、トーリックレンズ４の順で配置した場合を例示したが、基板１０、トーリックレンズ４、ストライプ型レンズ３の順で配置することも可能であり、また別のオンチップレンズを追加することも可能である。また、ストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４は、理解容易のため単レンズとして例示したが、複合レンズとして構成することも可能である。また、ストライプ型レンズ３およびトーリックレンズ４は、図８に示したように、その中心部が平板状に形成されていてもよい。
【００６４】
また、図１８では、１つのトーリックレンズ４が１つの光電変換領域１１に対応する場合を例示したが、１つのトーリックレンズ４が複数の光電変換領域１１に対応することも可能であり、逆に複数のトーリックレンズが１つの光電変換領域１１に対応することも可能である。なお、転送電極２によるケラレが発生するが、１つのストライプ型レンズ３が複数の光電変換領域１１に対応する構成も可能である。
【００６５】
次に、本発明がＣＭＯＳ固体撮像素子においても有効である理由について説明する。ＣＭＯＳ固体撮像素子の場合、縦横の解像度を一致させるため、光電変換領域１１は同一ピッチで縦横に配置されることが多い。ここで、光電変換領域１１の転送方向５とバリア方向７の寸法を考える。電荷転送方向５には転送電極２を介してＦＤ領域１５が配置される。転送電極２は、トランジスタスイッチとしての機能を有する必要があり、パンチスルーなどの短チャネル効果を防ぐため、あまり幅を狭くできない。またＦＤ領域１５も十分な飽和電子数を確保するために十分な容量を持つ必要があり、あまりサイズを小さくできない。場合によっては、カメラを高感度に設定したときにはゲインを上げるために小容量のＦＤ領域を使用し、低感度に設定したときには飽和電子数確保のために大容量のＦＤ領域を使用するため、複数のＦＤ領域１５を切り替えて使うことも考えられる。このような場合はＦＤ領域１５がさらに広い面積を占有することになる。
【００６６】
これに対して、バリア方向７には隣接画素と共通の素子分離領域１６があるが、これはスイッチとしての機能を持たせる必要はなく、ＬＯＣＯＳ、ＳＴＩなどの構造を用いることができるため、幅を比較的小さくできる。すなわち、ＣＭＯＳ固体撮像素子においても、転送方向５に狭い光電変換領域１１に向けて、光電変換領域１１とは異なる平面形状の受光範囲にある光を集光するという状況になっている。この状況は、ＣＣＤ撮像素子と同様であり、次に示すように、本発明によって同じ効果が得られる。
【００６７】
図１８〜図２０に示したように、転送方向５に関する光学系に関して、焦点距離が短く、横倍率が小さく抑えられているため、仮に焦点がずれたとしても結像スポットの広がりを抑制できる。従って、光電変換領域１１が転送方向５に狭く、バリア方向７に広い形状の場合、焦点ずれが生じたとしても、近隣の転送電極２でケラレたり、結像スポットが光電変換領域１１からはみ出したりする現象を防止できる。その結果、フレア、ゴースト、コントラスト低下、解像度劣化、スミア、色分解能低下、色再現性劣化などの画質劣化を軽減でき、明るい外部光学系の使用が可能となり、また画素の微細化も容易となり、感度および解像度の向上が図られる。
【００６８】
一方、バリア方向７に関する光学系については、結像スポットのはみ出しのリスクが転送方向５よりも大きくなる。しかし、万一、バリア方向７へのはみ出しが起き、バリア領域１２の付近で光電子が発生しても、素子分離領域１６が電子に対して高いポテンシャルを有する。よって、光電子は素子分離領域１６を乗り越えることができず、より低いポテンシャルを有する光電変換領域１１に移動する。これは本来の光電変換領域１１で光電子が発生した結果となんら変わらない。従って、このバリア方向７では集光状態が悪くても、画質の劣化が生じにくいことが判る。
【００６９】
実施の形態６．
図２１〜図２９は、本発明に係る固体撮像素子の製造方法の一例を示すもので、図２１（ａ）〜図２９（ａ）は電荷の転送方向５に沿った部分断面図、図２１（ｂ）〜図２９（ｂ）は電荷の蓄積方向６（バリア方向７）に沿った部分断面図である。ここでは、ＣＣＤ撮像素子の場合を例示するが、図１８に示したＣＭＯＳ撮像素子にも同様に適用可能である。
【００７０】
最初に、固体撮像素子として、開口部１、転送電極２、光電変換領域１１、電荷蓄積領域１４などが設けられた半導体基板１０を用意する。こうした固体撮像素子は、公知の技術を用いて製造可能であるため、詳細な説明は省略する。半導体基板１０の上には、一般に、透明材料からなる平坦な下地層３００が形成される。
【００７１】
次に、図２１に示すように、下地層３００の上に、シリコン窒化膜などの無機材料を用いて、ストライプ型レンズ３の芯となる膜３０１を全面に堆積する。
【００７２】
次に、図２２に示すように、膜３０１の上にレジストを塗布した後、写真製版を用いてレジストのパターニングを行って、角柱状のマスクパターンＭを形成する。
【００７３】
次に、図２３に示すように、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングを用いて膜３０１の露出部分を除去して、角柱状のコア部材３０２を形成する。その後、マスクパターンＭを除去する。
【００７４】
次に、図２４に示すように、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)などの等方的な成膜方法を用いて、コア部材３０２を覆うように、シリコン窒化膜などの無機材料を再度堆積して、膜３０３を形成する。その結果、膜３０３の表面においてコア部材３０２に対応した部分が円柱形状またはそれに近い曲面形状となり、ストライプ型レンズ３としての機能が付与される。
【００７５】
次に、図２５に示すように、堆積した膜３０３およびコア部材３０２に対してエッチバックを施して、所望の表面形状を有するストライプ型レンズ３に整形する。エッチバックの方法として、ウェットエッチングなどの等方的エッチングも使用できるが、ドライエッチングなどの異方性エッチングが好適である。
【００７６】
次に、図２６に示すように、ストライプ型レンズ３の上に、プラズマＣＶＤ法、有機膜のスピンコートまたは両者の併用などで、透明材料からなる平坦な層間膜５０１を形成する。層間膜５０１の膜厚は、任意に取ることができるが、実施の形態１で説明したように、仕上がり後、転送方向５に関する光学系の焦点が合うように選ばれるのが好ましく、実施の形態２で説明したような色消し条件の式（１）を満たすのがより好ましい。
【００７７】
次に、図２７に示すように、層間膜５０１の上に、有機材料からなるレンズ層４０１を全面に形成する。続いて、熱可塑性樹脂からなるレジストを塗布した後、写真製版を用いてレジストのパターニングを行い、直方体状のマスク部材４０２を形成する。
【００７８】
次に、図２８に示すように、直方体のマスク部材４０２を加熱によって変形させ、いわゆる熱だれを生じさせて、これによりマスク部材４０２にトーリック面を付与する。
【００７９】
次に、図２９に示すように、変形したマスク部材４０２およびレンズ層４０１に対してエッチバックを施して、レンズ層４０１をトーリックレンズに整形する。このときマスク部材４０２とレンズ層４０１に関して選択比のない条件を用いて、下方向への異方性エッチバックを行う。その結果、所望の表面形状を有するトーリックレンズが得られる。選択比のない条件としては、例えば、酸素によるプラズマエッチングが挙げられる。
【００８０】
以上の説明では、オンチップ光学系が２つのオンチップレンズを含み、下側はシリコン窒化膜などの無機膜からなるストライプ型レンズであり、上側は樹脂などの有機膜からなるトーリックレンズであって、両者が全く接触していない場合を例示したが、これはあくまで一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８１】
１  開口部、  ２  転送電極、  ３  ストライプ型レンズ、  ４  トーリックレンズ、
５  転送方向、  ６  蓄積方向、  ７  バリア方向、  １０  半導体基板、
１１  光電変換領域、  １２  バリア領域、  １３  ゲート酸化膜、
１４  電荷蓄積領域、  １５  ＦＤ領域、  １６  素子分離領域、
２１，２２  光路、  ２３  短波長光、  ２４  長波長光、
２６ａ，２６ｂ  入射光、  ３１，３２  結像スポット、  ３３  上面、
３００  下地層、  ３０１，３０３  膜、  ３０２  コア部材、  ４０１  レンズ層、
４０２  マスク部材、  ５０１  層間膜、  Ｍ  マスクパターン。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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