(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部と、該受光部上に設けられた平坦化層と、前記平坦化層上に積層して設けられ、平坦な表面を有し、有機材料からなるカラーフィルターと、を少なくとも有する固体撮像装置において、
前記カラーフィルターは、前記受光部に向かって屈折率が減少する屈折率分布領域を有するマイクロレンズを有し、該マイクロレンズにより光を前記受光部へ集光し、前記カラーフィルターの内部に前記屈折率分布領域が形成されており、
前記カラーフィルターの平坦な表面上に有機材料からなる反射防止膜を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記反射防止膜は塗布法によって形成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記塗布法はディッピング法であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置へ光を結像する光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光をマイクロレンズで受光部に集光する固体撮像装置および固体撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像装置は、画像の高解像度化と撮影システムの小型化の要求から受光チップの小型化と高画素化に向けた開発が進められている。
【０００３】
チップの小型化と高画素化を達成するためには、画素サイズを縮小することが必須である。受光領域の縮小に伴う電気的な出力信号の低下を補うために光電変換素子の高感度化、Ｓ／Ｎ比改善、各画素の実質的な開口率の増加等の対策がとられている。
【０００４】
マイクロレンズはチップに入射する光の利用効率の改善を目的として考案されたものであり、決められた画素領域に入射する光線を効率よく受光領域に集光することにより実質的に開口率をあげている。
【０００５】
マイクロレンズは通常、個々の受光部に対応して設けられている。マイクロレンズの形成方法としてはフォトリソグラフィー法を用いる方法が一般的である。この方法は、開口部上面を透明樹脂によって平坦化した後に、マイクロレンズとなる感光性樹脂をフォトリソグラフィー法によって各受光部に対応するように島状に形成し、加熱することによって島状の樹脂を軟化させ、その表面張力によって球面化して曲面状のマイクロレンズを形成するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように形成されるマイクロレンズは、受光部上にカラーフィルターや平坦化層を形成し、それらの上に形成されなければならないためにマイクロレンズと受光部との距離を短縮することが難しく、このことはマイクロレンズの開口数をあげる上で大きな制約になっていた。
【０００７】
また、このように形成されるマイクロレンズは高屈折率のマイクロレンズ樹脂界面が露出しているので入射光の反射損失が大きく、画像形成のための光利用効率が低くなるとともに、迷光成分の増加によりコントラストの低下や、ゴーストの発生などといった撮像画質の低下をもたらしていた。
【０００８】
また、マイクロレンズの表面における反射損失を減らすために有機樹脂材料からなるマイクロレンズ表面に無機薄膜等の反射防止膜を形成した場合には、その熱的性質の違いから表面にクラックが入りやすいことも問題となっていた。その１つ１つが同等な撮像機能を果たさなければならない撮像素子アレイの場合には、クラックの発生は致命的であり、その発生の防止が望まれていた。
【０００９】
また、反射防止膜の膜厚を設計する際には、マイクロレンズ表面における入射光の角度依存性と、反射防止膜の形成の際に必然的に発生する膜厚の分布を考慮しなければならず、最適な膜厚の設計が困難であることも問題となっていた。
【００１０】
本発明は上記の点にかんがみてなされたものであり、マイクロレンズと受光部との距離を短縮すると同時に、反射防止膜が形成される際には最適な膜厚の設計が容易で、クラックが発生しにくい固体撮像装置および固体撮像システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、マイクロレンズとを少なくとも有し、前記マイクロレンズの表面が気相に接するように構成された固体撮像装置において、前記受光部の光入射側に設けられる平坦化層に、屈折率が拡がって変化する屈折率分布を前記受光部に対応させて形成することによって前記マイクロレンズが形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、受光部と、マイクロレンズとを少なくとも有する固体撮像装置において、前記マイクロレンズは、前記受光部の光入射側に設けられた屈折率分布を有する樹脂層よりなることを特徴とする。
また、本発明は、受光部と、該受光部上に設けられた平坦化層と、前記平坦化層上に積層して設けられ、平坦な表面を有し、有機材料からなるカラーフィルターと、を少なくとも有する固体撮像装置において、前記カラーフィルターは、前記受光部に向かって屈折率が減少する屈折率分布領域を有するマイクロレンズを有し、該マイクロレンズにより光を前記受光部へ集光し、前記カラーフィルターの内部に前記屈折率分布領域が形成されており、前記カラーフィルターの平坦な表面上に有機材料からなる反射防止膜を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、該受光部上に設けられた平坦化層と、マイクロレンズとを少なくとも有し、前記マイクロレンズの表面が気相に接するように構成された固体撮像装置において、前記平坦化層に屈折率が拡がって変化する屈折率分布を形成することによって前記マイクロレンズが形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記マイクロレンズの表面が気相に接するように構成されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る固体撮像装置は、受光部と、該受光部上に設けられたカラーフィルターと、マイクロレンズとを少なくとも有し、前記マイクロレンズの表面が気相に接するように構成された固体撮像装置において、前記カラーフィルターに屈折率が拡がって変化する屈折率分布を形成することによって前記マイクロレンズが形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、受光部と、該受光部の光入射側に設けられたカラーフィルターと、マイクロレンズとを少なくとも有する固体撮像装置において、前記マイクロレンズは、屈折率分布を有する前記カラーフィルターよりなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
（実施形態１）
図１は実施形態１の模式的断面図を示す。図１において、１１０は反射防止膜、１０２は表面平坦化層１０３の表面、１０３は表面平坦化層を示す。表面平坦化層１０３は受光部（光電変換素子）１０９の光入射側に形成され、低屈折率樹脂で形成されている。表面平坦化層１０３には受光部１０９に対応するように屈折率分布領域１０３ａが形成されている。１０３ｂは低屈折率樹脂領域である。屈折率分布領域１０３ａは表面平坦化層１０３の上部側から下部側に向け拡がりながら、屈折率が次第に減少する構成となっている。図１の曲線はその様子を示したものである。
【００１６】
この屈折率分布領域１０３ａはマイクロレンズとしての機能を果たしていて、入射光を受光部に集めている。図１では、各領域に境界があるような図示になっているが、実際にはこれらの領域に明確な境界はない。また、屈折率分布領域１０３ａは表面平坦化層１０３の内部に形成されているので、その表面は略平面になっている。
【００１７】
また、１０４はカラーフィルター、１０５は層内平坦化層、１０６は遮光膜、１０７は層間絶縁層、１０８は配線、１０９は受光部を示す。
【００１８】
以下、本実施形態の製造方法について説明する。まず、シリコン等を材料とするウェハに受光部１０９、配線１０８、層間絶縁層１０７、遮光層１０６、層内平坦化層１０５を形成する。この方法は従来の半導体製造工程で行うので説明を省略する。ついで、カラーフィルター１０４を形成する。この方法も従来のカラーフィルター形成工程で行うので説明を省略する。
【００１９】
カラーフィルター１０４の形成後、カラーフィルター１０４の凹凸を平坦化するために、アクリル系樹脂等の低屈折率樹脂からなる表面平坦化層１０３を形成する。それから、特開平０６−９４９０３号公報等で開示される拡散重合法により表面平坦化層１０３の表面の所望の位置に屈折率分布領域を形成する。屈折率分布領域における表面の平坦性は、１つの領域内で０．２μｍ以内としている。
【００２０】
ついで、表面平坦化層の表面１０２に反射防止膜１１０を形成する。その形成方法は、一般的な反射防止膜の形成方法を用いることができる。本実施形態の反射防止膜１１０は酸化チタン／酸化珪素の４層積層膜からなり、４００〜７００ｎｍの可視領域における反射率を２％以下としている。
【００２１】
本実施形態では屈折率分布型領域の形成方法として拡散重合法を用いているが、それ以外にも特開昭６１−２５１５４０号公報に開示されるイオン交換法、特開平０２−３１０５０１号公報に開示される選択的重合法等がある。この形成方法は屈折率分布領域のマイクロレンズとしての機能の設計に応じて選択、適用が可能である。
【００２２】
（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１と同様の構成をとるが、反射防止膜１１０の材料およびその形成方法が異なる。本実施形態では、反射防止膜１１０として有機材料としての低屈折率のフッ素樹脂を含むサイトップ（旭硝子製）を用い、形成方法としてはディッピング法を用いる。
【００２３】
以下、本実施形態の製造方法について説明する。まず、シリコン等を材料とするウェハに受光部１０９、配線１０８、層間絶縁層１０７、遮光層１０６、層内平坦化層１０５を形成する。この方法は従来の半導体製造工程で行うので説明を省略する。ついで、カラーフィルター１０４を形成する。この方法も従来のカラーフィルター製造工程で行うので説明を省略する。
【００２４】
カラーフィルター１０４の形成後、カラーフィルター１０４の凹凸を平坦化するために、アクリル系樹脂等の低屈折率樹脂からなる表面平坦化層１０３を形成する。それから、拡散重合法により表面平坦化層１０３の表面の所望の位置に屈折率分布を形成する。屈折率分布領域１０３ａの表面の平坦性は、１つの領域内で０．２μｍ以内としている。
【００２５】
ついで、屈折率分布領域の形成後、表面平坦化層の表面にディッピング法により反射防止膜１１０を形成する。反射防止膜の材料としては、有機材料としての低屈折率のフッ素樹脂を含むサイトップ（旭硝子製）を用い、屈折率１．３４の膜を膜厚約０．２μｍ形成することにより、４００〜７００ｎｍの可視領域における反射率を１．５％以下とすることができた。
【００２６】
本実施形態では、反射防止膜の形成にはディッピング法を用いているが、ディッピング法以外のスピンコート法等の塗布法を用いることも可能である。
【００２７】
また、本実施形態でも、屈折率分布領域の形成には拡散重合法以外にイオン交換法、選択的重合法等を用いることが可能である。
【００２８】
（実施形態３）
次に、実施形態３について図２を用いて詳細に説明する。図２は実施形態３の模式的断面図を示す。１１０は反射防止膜、１０１はカラーフィルターの表面、１０４はカラーフィルターである。カラーフィルター１０４は受光部（光電変換素子）１０９の光入射側に形成され、低屈折率樹脂で形成されている。カラーフィルター１０４には受光部１０９に対応するように屈折率分布領域１０４ａが形成されている。１０４ｂは低屈折率樹脂領域である。
【００２９】
屈折率分布領域１０４ａは表面平坦化層１０４の上部側から下部側に向け拡がりながら、屈折率が次第に減少する構成となっている。図２の曲線はその様子を示したものである。この屈折率分布領域はマイクロレンズとしての機能を果たしていて、入射光を受光部に集めている。
【００３０】
図２では、各領域に境界があるような図示になっているが、実際にはこれらの領域に明確な境界はない。また、屈折率分布領域１０４ａはカラーフィルター１０４の内部に形成されているので、その表面は略平面になっている。
【００３１】
１０５は層内平坦化層、１０６は遮光膜、１０７は層間絶縁層、１０８は配線、１０９は受光部を示す。本実施形態では、カラーフィルター１０４上に表面平坦化層１０３がない構成になっている。
【００３２】
以下、本実施形態の製造方法について説明する。まず、シリコン等のを材料とするウェハに受光部１０９、配線１０８、層間絶縁層１０７、遮光層１０６、層内平坦化層１０５を形成する。この方法は従来の半導体製造工程で行うので説明を省略する。ついで、カラーフィルター１０４を形成する。この方法も従来のカラーフィルター製造工程で行うので説明を省略する。
【００３３】
カラーフィルター１０４の形成後、前述の拡散重合法によりカラーフィルター１０４の表面の所望の位置に屈折率分布領域を形成する。
【００３４】
ついで、屈折率分布領域の形成後、カラーフィルター１０４の表面にディッピング法により反射防止膜１１０を形成する。反射防止膜の材料としては、低屈折率のフッ素樹脂を含む有機材料であるサイトップ（旭硝子製）を用い、屈折率１．３４の膜を膜厚約０．２μｍ形成することにより、４００〜７００ｎｍの可視領域における反射率を１．５％以下とすることができた。
【００３５】
本実施形態では、反射防止膜の形成にはディッピング法を用いているが、ディッピング法以外のスピンコート法等の塗布法を用いることも可能である。
【００３６】
また、実施形態１、実施形態２の場合同様に、屈折率分布領域の形成には拡散重合法以外にイオン交換法、選択的重合法等を用いることが可能である。
【００３７】
以上の実施形態において、マイクロレンズとしての機能を果たす屈折率分布領域は光入射側に形成される表面平坦化層やカラーフィルターの光入射面に形成されているので、それらの上にマイクロレンズを形成していた従来の場合より受光部との距離を近づけることが可能となり、開口数をあげることが可能になった。
【００３８】
また、平面状の層の上に反射防止膜を形成するため、曲面状のマイクロレンズ上に反射防止膜を形成していた従来の場合に比べて、反射防止特性に対する最適な膜厚の設計を容易に行うことができるようになった。
【００３９】
また、略平面で平坦性の高い層上に反射防止膜を形成するので、曲面状で微小な凹凸を有するマイクロレンズ上に形成される反射防止膜に比較して、密着性が向上した。
【００４０】
また、平面状の層上に反射防止膜が形成されることにより、反射防止膜にクラックが発生しにくくなった。さらに、反射防止膜の材料に有機材料を用いた場合は、クラックはさらに発生しにくくなった。
【００４１】
また、スピンコート法、ディッピング法等によって反射防止膜を形成することが可能になったので、従来、その形成方法に採用されていた気相成長法で形成する場合と比較して、その形成の際のコストを大幅に削減することが可能になった。
【００４２】
（実施形態４）
図３は、上記各実施形態で説明した固体撮像装置を用いた固体撮像システムの一例であるスチルビデオカメラのブロック図である。上記の実施形態で説明した固体撮像装置は固体撮像装置２０４として利用されている。図３において、バリア２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ね、レンズ２０２は被写体の光学像を固体撮像装置２０４に結像させる。絞り２０３はレンズを通った光量を可変するためのもので、固体撮像装置２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むため装置である。撮像信号処理回路２０５は固体撮像装置２０４から出力される画像信号に各種の補正、クランプ等の処理を行い、Ａ／Ｄ変換器２０６は固体撮像装置２０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行う。
【００４３】
信号処理部２０７はＡ／Ｄ変換器２０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮したりする。タイミング発生部２０８は固体撮像装置２０４、撮像信号処理回路２０５、Ａ／Ｄ変換器２０６、信号処理部２０７に各種タイミング信号を出力し、全体制御・演算部２０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する。メモリ部２１０は画像データを一時的に記憶するためのもので、記録媒体制御Ｉ／Ｆ（インターフェイス）部２１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うためのインターフェイスである。記録媒体２１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリで着脱可能である。外部Ｉ／Ｆ（インターフェイス）部２１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェイスである。
【００４４】
次に、図３の動作について説明する。バリア２０１が開くとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、Ａ／Ｄ変換器２０６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部２０９は絞り２０３を開放にし、固体撮像装置２０４から出力された信号は、撮像信号処理回路２０５をスルーしてＡ／Ｄ変換器２０６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器２０６は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部２０７に出力する。信号処理部２０７は、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部２０９で行う。
【００４５】
この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２０９は絞りを制御する。次に、固体撮像装置２０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００４６】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置２０４から出力された画像信号は、撮像信号処理回路２０５において補正等がされ、さらにＡ／Ｄ変換器２０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部２０７を通り全体制御・演算２０９によりメモリ部２１０に蓄積される。その後、メモリ部２１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部２０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体２１２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部２１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、次の効果がある。
（１）  マイクロレンズとしての機能を果たす屈折率分布領域は平坦化層やカラーフィルターの表面に形成されているので、平坦化層やカラーフィルター上にマイクロレンズを形成していた従来の場合より受光部との距離を近づけることが可能となり、開口数をあげることが可能になった。
（２）  平面状の層上に反射防止膜を形成するので、曲面状のマイクロレンズ上に反射防止膜を形成していた従来の場合に比べて、反射防止特性に対する膜厚の最適設計を容易に行うことができるようになった。
（３）  略平面で平坦性の高い層上に反射防止膜を形成するので、曲面状で微小な凹凸を有するマイクロレンズ上に形成される反射防止膜に比較して、マイクロレンズとの密着性が向上した。
（４）  平面状の層上に反射防止膜が形成されることにより、反射防止膜にクラックが発生しにくくなった。さらに、反射防止膜の材料に有機材料を用いた場合には、クラックはさらに発生しにくくなった。
（５）  スピンコート法、ディッピング法等の塗布法によって反射防止膜を形成することが可能になったので、従来の方法で形成する場合と比較して、その形成の際のコストを大幅に削減することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１および実施形態２の模式的断面図である。
【図２】本発明の実施形態３の模式的断面図である。
【図３】本発明の実施形態４の一構成図である。
【符号の説明】
１０１  カラーフィルター表面
１０２  表面平坦化層表面
１０３  表面平坦化層
１０４  カラーフィルター
１０５  層内平坦化層
１０６  遮光膜
１０７  層間絶縁膜
１０８  配線
１０９  受光部
１１０  反射防止膜
２０１  バリア
２０２  レンズ
２０３  絞り
２０４  固体撮像装置
２０５  撮像信号処理回路
２０６  Ａ／Ｄ変換器
２０７  信号処理部
２０８  タイミング発生部
２０９  全体制御・演算部
２１０  メモリ部
２１１  記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
２１２  記録媒体
２１３  外部Ｉ／Ｆ部
【図１】
0004136374.tif 000002
【図２】
0004136374.tif 000003
【図３】
0004136374.tif 000004