(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に信号転送素子を形成し、
前記信号転送素子の上方に有機樹脂膜を形成し、
前記有機樹脂膜に複数の凹状の湾曲部を形成し、
前記有機樹脂膜が有する前記複数の凹状の湾曲部の上方に反射性の金属材料を用いて一つの下部電極を形成することにより、前記有機樹脂膜が有する湾曲部の形状を反映した複数の凹状の湾曲部を有する一つの下部電極を形成し、
前記一つの下部電極の上方に無機材料を用いることで前記下部電極が有する湾曲部の形状を反映した複数の凹状の湾曲部を有する光電変換層を形成し、
前記光電変換層の上方に無機材料を用いることで前記光電変換層が有する湾曲部の形状を反映した複数の凹状の湾曲部を有する上部電極を形成して、光電変換素子を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
【請求項２】
基板上に信号転送素子を形成し、
前記信号転送素子の上方に有機樹脂膜を形成し、
前記有機樹脂膜に複数の凹状の湾曲部を形成し、
前記有機樹脂膜が有する前記複数の凹状の湾曲部の上方に反射性の金属材料を用いて一つの下部電極を形成することにより、前記有機樹脂膜が有する湾曲部の形状を反映した複数の凹状の湾曲部を有する一つの下部電極を形成し、
前記一つの下部電極の上方に無機材料を用いることで前記下部電極が有する湾曲部の形状を反映した複数の凹状の湾曲部を有する光電変換層を形成し、
前記光電変換層の上方に無機材料を用いることで前記光電変換層が有する湾曲部の形状を反映した複数の凹状の湾曲部を有する上部電極を形成して、光電変換素子を形成し、
前記光電変換素子の上方にマイクロレンズを形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記湾曲部の高低差を０．２５μｍ〜４μｍに形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、前記光電変換素子が有する一つの下部電極の表面材料として、アルミニウムを用いることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記有機樹脂膜の材料として、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、またはアクリル樹脂から選択された材料を用いることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号転送素子の上方に光電変換素子を積層してなる光電変換装置に関する。特に、光電変換装置の感度向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電変換装置は、光電変換素子を有する装置である。光電変換素子とは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子と電気エネルギーを光エネルギーに変換する素子である。光電変換素子のうち、光エネルギー（光信号）を電気エネルギー（電気信号）に変換する素子は、エネルギー発生を目的とした光起電力素子（太陽電池）と、信号処理を行なうための受光素子とがある。この受光素子は、光起電力効果を用いたホトダイオード、ホトトランジスタや、光導電効果を用いた光導電セル等がある。
光電変換装置の一つであるイメージセンサは、集積回路技術の進歩により、ホトダイオードや光導電セルと信号転送素子とを同一素子基板上に集積化した装置であり、広く用いられるようになってきている。
【０００３】
光電変換装置に用いられる光電変換素子は一般に光エネルギー（光信号）を効率よく電気エネルギー（電気信号）に変換するため、様々な工夫がなされている。例えば光電変換素子の電極をテクスチャー構造にして光電変換素子の中で光を散乱させ、光電変換素子（太陽電池）のエネルギー発生量を向上させている。しかしテクスチャー構造の光散乱は確率論的な乱反射であるので意識的に制御できず、均一に電気エネルギー（電気信号）を増すことはできない。
【０００４】
光電変換装置のなかでも特に最近注目されているのはイメージセンサである。イメージセンサを用いたデジタルスチルカメラ、カムコーダ等がマルチメディアの到来に伴って急速に普及しており、イメージセンサに入った光信号を電気信号に変換する効率（変換効率）を向上させる試みが盛んになされている。イメージセンサは同一素子基板の同一平面上に光電変換素子と信号転送素子などが配置される結果、イメージセンサの信号転送素子の領域は光電変換のできないデッドスペースとなる。そこで光信号を光電変換装置の光電変換素子の領域に集光させるため、マイクロレンズを設けたイメージセンサが提案されている。
【０００５】
また、光電変換素子と信号転送素子とを積層させ、光電変換機能と信号転送機能とを垂直方向に機能分担させる図２に示すような積層型のイメージセンサが提案されている。図２に示すのは積層型のイメージセンサの一画素の断面図である。積層型のイメージセンサは、信号転送素子２０１を集積化した基板上に光電変換素子２０２を形成するものである。図２に示すような積層型のイメージセンサの構造にすると、同一平面上に光電変換素子と信号転送素子が配置されるイメージセンサと比べデッドスペースをほとんどなくすことができるので、イメージセンサの光電変換素子の領域を増やすことができる。
また、図２では信号転送素子２０１にトップゲート型のＭＯＳトランンジスタを用いたＭＯＳ形イメージセンサを示したが、信号転送素子にＭＯＳキャパシタを利用したＣＣＤイメージセンサや、他の信号転送素子を用いたイメージセンサを積層型のイメージセンサに用いることもできる。
【０００６】
イメージセンサは急速な普及に伴い、さらに小型、さらに安価とすることが要求されている。現に、イメージセンサの大きさは年々小さくなりつつあり、イメージセンサの大きさを決定する光学系の大きさが８０年代の２／３インチから現在の１／４インチにまでなっており、実際に１／４インチカメラ用のイメージセンサーが商品化されている。また、イメージセンサの光学系の大きさが小さくなると安価なイメージセンサを作製できる。
イメージセンサの大きさを小さくし、なおかつ従来と同じ解像度または従来よりも高い解像度を有する高画質なイメージセンサを得ようとすると、一画素の大きさを小さくした高密度なイメージセンサが必要になる。実際に、イメージセンサの光学系の縮小に伴い画素の大きさも小さくなっており、一画素の大きさが１０μｍ×１０μｍ以下のイメージセンサも商品化されている。そして、今後も画素の大きさの縮小化はさらに進むと予想される。
【０００７】
イメージセンサの一画素の大きさが小さくなると、一画素に入る光信号はそれだけ小さくなる。そして、イメージセンサの光電変換素子で変換される電気信号も小さくなり、すなわち発生する電荷の量が少なくなるので、発生する電荷の量に対し装置内外の電気的影響により発生するノイズの相対的な割合が増し、感度が低下する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように高画質で小さなイメージセンサを得るために、イメージセンサの一画素の大きさを小さくしていくと、イメージセンサの感度が低下するという問題が生じる。画素の縮小に伴うイメージセンサの感度低下を解決するためには、従来のマイクロレンズを設けたり、光電変換素子と信号転送素子を積層化させるだけでは不十分である。
【０００９】
イメージセンサの光電変換層に光を閉じ込めて、発生する電荷量を向上させれば感度を向上させることができる。しかし、テクスチャー構造の電極を有する光電変換素子をイメージセンサに用いると、散乱光を制御できず、各画素毎の感度にばらつきが生じる。
【００１０】
そこで本発明は、イメージセンサの感度を向上させ、かつ各画素毎の感度の均一性を持ったイメージセンサを得ることを目的とする。
また、本発明はイメージセンサに限らず、光電変換素子を有する光電変換装置の感度を向上させ、かつ感度の均一性を持った光電変換装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
光電変換装置の光電変換素子に入った光信号（以後光とする）をむだなく電気信号（以後電荷とする）に変換させることによって感度を上げることができる。特に均一に光を閉じ込めるために本発明は、光の反射、集光、分散を利用して光を集めて制御することを特徴とする。そこで、本発明は光電変換装置の光電変換素子に用いられている電極に注目した。
【００１２】
本発明の第１の構成は積層型の光電変換装置において、信号転送素子の上方に有機樹脂膜が設けられ、有機樹脂膜の上方に光電変換素子が設けられ、光電変換素子の下部電極は湾曲部を有することを特徴とする光電変換装置である。
【００１３】
本発明の第１の構成を図１に示す。図１に示しているのは、信号転送素子１０１と光電変換素子１０２が積層してなる光電変換装置の一画素の断面図である。光電変換素子１０２は下部電極１０４、光電変換層１０６、上部電極１０５からなる。信号転送素子１０１の上方に有機樹脂膜１０３が設けられ、有機樹脂膜１０３の上方に光電変換素子１０２が設けられ、光電変換素子の下部電極１０４は湾曲部を有する。
図１は光電変換装置の一画素分の断面を示しており、一画素の下部電極にに３個の湾曲部が設けられている。すなわち図１に示す光電変換装置は一画素に３×３の９個の湾曲部が形成されている。
湾曲部を有する下部電極１０４は光閉じ込めの効果が大きい。また集光機能を有しているので光を均一に閉じ込めることができる。また各画素毎の感度のばらつきを防ぐため下部電極の湾曲部の配置を各画素毎に同じ配置とすると好ましい。
さらに下部電極１０４で集光された光が上部電極１０５で再反射される際に上部電極も湾曲部を有すると、この上部電極によって意識的に光を分散させることができ、上下の電極で分散、集光を繰り返すことにより、感度を均一に向上できる。
【００１４】
また、本発明の第２の構成は、本発明の第１の構成において、光電変換素子の下部電極の材料、特に表面材料は、アルミニウム、モリブデン、タンタル、チタン、金、銀、白金から選択された金属材料であることを特徴とする光電変換装置である。
本発明の第１の構成は光電変換素子の下部電極が湾曲部を有し、下部電極の湾曲部を用いて電荷に変換されなかった光を反射、集光させることを特徴としている。すなわち下部電極での反射光を集光させることを特徴としており、その下部電極の表面材料に反射率の高い材料を設けることは必須である。
【００１５】
また本発明の第３の構成は、本発明の第１の構成または本発明の第２の構成において、光電変換素子の下部電極の湾曲部の高低差は０．２５μｍ〜４μｍであることを特徴とする光電変換装置である。高低差は湾曲部を形成する時に用いるレジストの紫外線透過厚によって限定される。
光電変換素子の下部電極の湾曲部の高低差（図１の１１０）は反射角度に影響する。この湾曲部を利用して光を反射、集光させるので、ある程度高低差の大きい湾曲部、すなわちある程度の反射角度を有する湾曲部を必要とする。
また光電変換素子の下部電極の湾曲部は、球面レンズ状でなくともシリンドリカルレンズ状でもかまわない。
【００１６】
また、本発明の第４の構成は、本発明の第１乃至第３の構成において、光電変換素子の下部電極の湾曲部は、下部電極と信号転送素子とを接続するためのコンタクトホールより大きく、一画素の大きさより小さいことを特徴とする光電変換装置である。
図１を用いて本発明の第４の構成を説明する。光電変換素子の下部電極の湾曲部の大きさ１１１は、下部電極１０４と信号転送素子１０１とを接続するためのコンタクトホール１１２より大きく、一画素の大きさ１１３より小さければよい。図１の光電変換装置の断面図は、３個の湾曲部を有する構造としたが、１個や２個でも、また３個よりさらに複数でもかまわない。
【００１７】
また、本発明の第５の構成は、本発明の第１乃至第４の構成において、有機樹脂膜の材料は、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、またはアクリル樹脂から選択された有機樹脂であることを特徴とする光電変換装置である。
【００１８】
また、本明細書において信号転送素子とは、光電変換素子で変換された電気信号の蓄積機能と、信号蓄積と読み取りの切り換え機能と、画素位置の選択機能とを少なくとも有する信号転送素子全てを含む。さらに、読み取り機能の他に、増幅機能を備えた信号転送素子も含む。
ゆえに、図１の信号転送素子にはＭＯＳトランジスタを用いたが、ＭＯＳキャパシタ、ＭＯＳトランジスタやＭＯＳキャパシタを組み合わせた信号転送素子、または他の信号転送素子を用いることもできる。そして、図１のイメージセンサにはＭＯＳ形イメージセンサを用いているが、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＩＤイメージセンサ、ＣＰＤイメージセンサ、及びそれらを組み合わせたイメージセンサを用いることもできる。
また、本発明を用いると、光電変換層の表面積を広げることができ、光電変換効率を上げることができる。
【００１９】
本発明の第１の構成の光電変換装置の作製方法、つまり光電変換素子の下部電極表面に湾曲部を形成する方法は、下部電極を等方性エッチングして形成させてもよいが、均一で滑らかな湾曲部を形成するため、本発明の第６の構成では下部電極の下方の有機樹脂膜に湾曲部を形成し、その上方に湾曲部を有する下部電極を形成する。
【００２０】
本発明の第６の構成は、本発明の第１の構成の光電変換装置の作製方法である。すなわち図１に示す光電変換装置の作製方法である。
本発明の第６の構成、すなわち図１の光電変換素子の作製方法を図１、図３、及び図６に示す。まず図３（ａ）に示すように、基板１０７上に信号転送素子１０１を形成し、信号転送素子１０１の上方に有機樹脂の平坦化膜３０１を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように平坦化膜３０１上にレジスト３０２を形成する。次に、図３（ｃ）に示すように、レジスト３０２に湾曲部を形成する。そして、平坦化膜３０２をレジスト３０３の湾曲部とほぼ同じ形状にエッチングして、図３（ｄ）に示す構造を得る。その後、図１に示すように、コンタクトホールを形成し、光電変換素子の下部電極１０４を形成し、下部電極１０４の上に光電変換層１０６と上部電極１０５を形成して、第１の構成の光電変換装置を作製する。
【００２１】
図３（ｃ）に示す、有機樹脂平坦化膜３０１に湾曲部を形成する方法は、レジスト３０２にパターニングによって湾曲部を形成しそれをエッチングする方法を用いる。
パターニング方法には▲１▼パターンを密着させて一括露光する方法と、▲２▼パターンを基板から離して焦点を合わせて露光するステッパやミラープロジェクションアライナ（ＭＰＡ）を用いる方法や、プロキシミティ方式がある。
【００２２】
一般には、素子の小型化に伴い、解像度をできるだけ良くするよう検討されている。例えば、▲２▼の方法を用いた場合、マスクパターンを解像度よく基板に投影するために、光学系を用いる等をしている。本発明は逆に、解像度を低くして像をぼかし、パターニング形状を不明瞭とし、湾曲部を形成するものである。基板とマスクが離れているため光のまわりこみが生じることも合わせて考慮すると、湾曲部を形成することは可能である。
【００２３】
解像度を高めるために、光学系を用いて焦点深度と基板の位置を合わせるのが一般的だが、本発明では逆に焦点深度と基板の位置を意識的にずらす。光学系を調節して焦点深度をずらすか、基板の位置を動かすせば焦点深度と基板の位置をずらすことができる。
以下、図６および図７を用いながら、湾曲部の具体的な形成方法を説明する。図６（ａ）は、円形がくり抜かれたパターンが印刷されるマスクである。図６（ｂ）に示すのは、図６（ａ）のマスク６０１のＡ−Ｂ断面図とポジ型のレジスト６０２の断面図である。マスクの上方から矢印で示す光６０５が入射し、マスクと離して置かれているポジ型のレジストを露光する。マスクと離してレジストを置くため光のまわり込みが生じ、一部の光６０７は斜めに進む。そして焦点が合っている状態からマスクとレジストとの距離６０３を少しずらして露光すると、図６（ｃ）に示すパターニング形状の不明瞭な凹湾曲部を有するレジスト６０４を形成できる。
【００２４】
マスクパターンを図６（ａ）に示すマスクとほぼ逆転させた、図７（ａ）に示す円形のパターンが印刷されているマスク７０１を用いて、図７（ｂ）に示すようにポジ型のレジスト７０２を図６のマスクを用いたときと同様に露光すると、今度は図７（ｃ）に示す凸湾曲部を形成できる。
また図６、図７では球面レンズ状の湾曲部を形成したが、シリンドリカルレンズ状に湾曲部を形成したい場合には細長い長方形のパターンが印刷されたマスクを用いるて形成することができる。
【００２５】
レジストは、ポジ型のレジスト、ネガ型のレジストのどちらを用いてもよい。同じ種類のレジストを用いた場合、図６、図７で示したようにマスクパターンを逆転させれば、凹凸が逆になった湾曲部を形成できる。また、同じマスクパターンを用いた場合、ポジ型レジスト、ネガ型レジストを使い分ければ、凹湾曲部も凸湾曲部も形成することができる。すなわち、マスクパターンとレジストの選択により凸湾曲部も凹湾曲部も形成できる。
さらに有機樹脂膜（例えば図３（ａ）の３０１）に感光性ポリイミドを用いて、その感光性ポリイミドを図６に示すように直接パターニングで形成することでレジストを用いることなく直接有機樹脂膜に湾曲部を形成できる。感光性ポリイミドとしては、商品名ホトニースのネガ型のレジスト等がある。
【００２６】
図６に示すレジストの湾曲部の高低差６１０は、レジスト厚６１１により限定される。ここでレジスト厚とはレジストを露光できうる厚み、すなわちレジストの紫外線透過厚であり、現在の技術ではレジスト厚０．２５μｍ〜４μｍである。ゆえに湾曲部の高低差は０．２５μｍ〜４μｍとなる。
【００２７】
また湾曲部の大きさはマスクパターンによりコントロールでき、湾曲部の大きさと湾曲部の高低差をコントロールすることにより湾曲部の形状を変えることができる。湾曲部は、球面レンズ状の近似的半円球面もしくはシリンドリカルレンズ状の近似的半円柱面を有する形状にすることが好ましい。
本発明の第６の構成において、上記方法を用いて図３（ｃ）に示す湾曲部を有するレジスト３０３を形成し、そのレジスト３０３をエッチングして図３に示す有機樹脂平坦化膜３０１に湾曲部を形成する。エッチングはレジストと有機樹脂膜の選択比が１対１から１対２、好ましくは選択比がほぼ１対１の方法を用いて行なう。
【００２８】
こうして作製した湾曲部を有する有機樹脂膜の上方に光電変換素子の下部電極、光電変換層、上部電極を形成する。下部電極は平坦にならないように無機材料を用いて湾曲部を形成する。また光電変換層、上部電極に無機材料を用いて湾曲部を形成すると上部電極も湾曲部を有するのでさらに好ましい。
【００２９】
本発明の第７の構成は、図４に示すように、積層型の光電変換装置において、信号転送素子１０１の上方に有機樹脂膜１０３が設けられ、有機樹脂膜１０３の上方に光電変換素子１０２が設けられ、光電変換素子の上部電極１０５の上にマイクロレンズ４０１が設けられ、光電変換素子の下部電極１０４は湾曲部を有することを特徴とする光電変換装置である。
本構成は、本発明の第１の構成の光電変換装置の上にマイクロレンズを設けた光電変換装置である。
【００３０】
従来は、光を光電変換素子に集めるためため、一画素に１個のマイクロレンズを形成している。しかし、積層型にすることによって、画素と光電変換素子をほぼ同じ大きさとすることが可能となり、光を集める必要はなくなってきている。
一方、表面にマイクロレンズを形成すると、光をロスなく光電変換素子に取り入れることができる。
【００３１】
従来の集光を目的としたマイクロレンズは、一画素に１個のマイクロレンズを設けているが、画素が角形でマイクロレンズが球形なので、画素の四つ角にはレンズがない領域となる。そこで、１画素当りのマイクロレンズの個数に関しても検討した。
【００３２】
マイクロレンズのない領域を少なくするには、マイクロレンズの大きさを小さくし、一画素に複数のマイクロレンズを間隔がほとんどゼロとなるように配置することによって達成できる。さらに、マイクロレンズが厚いとマイクロレンズ自体に光が吸収されてしまう。一画素に複数のマイクロレンズを設ければ、一つのマイクロレンズは小さくなるので、マイクロレンズの厚みを薄くでき、光のロスを少なくすることができる。さらに、複数のマイクロレンズを形成すると、複数の集光点が生じ、変換効率を上げることができる。
【００３３】
このマイクロレンズの大きさ、光電変換素子の下部電極の大きさと同じであっても違っていてもかまわない。さらに、マイクロレンズの凸部と光電変換層の凹部または凸部の位置は、揃っていてもずれていても構わない。しかしマイクロレンズの凸部と下部電極の凹部の位置を揃えると両凸マイクロレンズとなるので、片凸マイクロレンズよりも効率がさらに上がり好ましい。
【００３４】
また、各画素ごとの感度をなるべく同じくするため、各画素のマイクロレンズの配置を同じ配置とする。その際、セルの境界付近にマイクロレンズがあるとパターニングが多少ずれただけでセルの感度に影響を与えてしまう。よって、セルの境界線付近にはマイクロレンズを配置しないようにするとさらによい。
【００３５】
本発明の第８の構成は、本発明の第７の構成の光電変換装置の作製方法である。図４に示す信号転送素子１０１の上方に光電変換素子１０２を積層してなる光電変換装置の作製方法であり、第１の構成の光電変換装置の上方にマイクロレンズを形成した光電変換装置の作製方法である。第１の光電変換装置を作製するまでは、第６の構成と同じ方法を用いる。
【００３６】
その後の作製方法を図５、図７に示す。まず、図５（ａ）に示すように、光電変換層の上部電極１０５の上方に有機樹脂の平坦化膜５０１を形成し、その上にレジスト５０２を形成する。このレジストに例えばポジ型のレジストを用いた場合、図７に示すようなマスク７０１を用いてパターニングして、図７（ｃ）に示す凸湾曲部を有するレジスト７０４（すなわち図５（ｃ）の５０３）を形成する。そして、レジストと有機樹脂膜のエッチング選択比が１対１から１対２、好ましくはほぼ１対１となるようにエッチングして、図４のマイクロレンズを形成することができる。
【００３７】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例は、図１に示すような下部電極１０４、光電変換層１０６、上部電極１０５からなる光電変換素子１０２の下部電極１０４が湾曲部を有する積層型のイメージセンサおよびその作製方法である。
下部電極１０４を湾曲部にすると、光を集めることができるので、光を均一に閉じ込めることができる。
【００３８】
図１に本実施例の光電変換装置の一画素の断面図を示す。本実施例の光電変換装置には、ソース領域１２０、チャンネル領域１２１、ドレイン領域１２２を有する半導体層と、ゲート絶縁膜１２３、ゲート電極１２４を有するトップゲート型のＭＯＳトランジスタ１０１が設けられ、ＭＯＳトランジスタ１０１の上にポリイミド膜１０３が設けられている。
【００３９】
一画素の大きさ１１３は１０μｍ×１０μｍである。しかし、画素の大きさは本実施例では１０μｍ×１０μｍとしたが、この大きさに限定されることはない。
またＭＯＳトランジスタの上に設けられているポリイミド膜１０３の材料は、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリイミドアミド等の他の有機樹脂でもよい。
【００４０】
ポリイミド膜１０３の上に光電変換素子として本実施例ではＰＩＮダイオード１０２が設けられている。ＰＩＮダイオード１０２の下部電極としてアルミニウム１０４、上部電極としてＩＴＯ１０５が設けられ、アルミニウム１０４は湾曲部を有する。
本実施例ではＰＩＮダイオードの下部電極として金属の中でも反射率の大きいアルミニウムを設けているが、表面にアルミニウムが設けられているような、チタンやモリブデンとアルミニウムの積層膜でもよい。さらに、アルミニウム以外の反射率の大きな金属材料である、チタン、モリブデン、タンタル、白金、金、銀を下部電極の表面材料に用いることもできる。
【００４１】
また、光電変換素子として本実施例ではＰＩＮダイオードを設けているが、他のホトダイオードや光導電セル等であってもよい。
また感度の均一性を有させるために、ＰＩＮダイオードの下部電極であるアルミニウム１０４の湾曲部の配置を各画素ごとに同じ配置とするとさらによい。
【００４２】
さらにアルミニウム１０４で集光された光が再びＩＴＯ１０５で反射される際にＩＴＯも湾曲部を有する場合には、反射光がこのＩＴＯの湾曲部によって意図的に分散させることができ、上下の電極で光の分散、集光を繰り返すことによりより感度を均一に向上できる。
【００４３】
図１、図３、および図６に本実施例で示す光電変換素子の作製工程を示す。まず、図３（ａ）に示すように、トップゲート型のＭＯＳトランジスタ１０１を形成し、その上方に厚み５μｍ〜１０μｍのポリイミドの平坦化膜３０１を設ける。
ポリイミドの平坦化膜３０１の上に、図３（ｂ）に示すようにポジ型のレジスト３０２を付ける。レジストは、１μｍ〜３．５μｍの厚みを持つように形成する。
【００４４】
そして露光の際に、焦点が合っている状態から焦点深度を少しずらし、図６（ａ）に示す円が抜かれたパターンが印刷されているマスク６０１を用い、ポジ型レジスト３０２を図３（ｃ）のように凹湾曲部を有するレジスト３０３に加工する。図６（ａ）のマスク６０１は、一画素に相当するマスクを示しており、本実施例では一画素に３×３の９個の湾曲部を形成する。このマスクの円の大きさ６０６は２μｍ〜３μｍであるように設計されている。
【００４５】
露光装置はミラープロジェクションアライナ（ＭＰＡ）を用いる。露光の再にＭＰＡの光学系の焦点深度を微妙にずらし、パターンをぼかしてレジスト露光を行い、湾曲部にパターニングする。湾曲部の高低差６１０はレジスト厚６１１とほぼ同じか、それより少し小さい０．５μｍ〜３．５μｍである。また、湾曲部の大きさ６１２はほぼマスクの円の直径６１３と同じか、それより少し大きい２μｍ〜３．５μｍである。
【００４６】
次に、図３に示すレジスト３０３の湾曲部とほぼ同じ形状にポリイミド３０１を形成するため、エッチングレートがほぼ１対１となるような条件でＲＩＥ異方性エッチングを行なう。エッチングは、ＣＦ4 ／Ｏ2 を５対９５の割合で混合したエッチングガスを用いてＲＩＥ異方性エッチングを行なう。このエッチングガスを用いると、レジストと、ポリイミドのエッチング選択比をほぼ１対１にすることができる。
【００４７】
本実施例では、ＣＦ4 ／Ｏ2 を混合したエッチングガスを用いてＲＩＥ異方性エッチングを行なったが、レジストとポリイミドのエッチング選択比を１対１から１対２になるような、他の材料や他の条件でＲＩＥ異方性エッチングすることも可能である。また、一般のドライエッチングによっても可能である。このようにして、図３（ｄ）に示す凹湾曲部を有するポリイミド３０４を形成することができる。
【００４８】
またポリイミドとレジストのプリベーク温度を低めに設定しておき、ポリイミドをレジストとほぼ同じ形状にエッチングした後ポリイミドを再度ベークして表面を滑らかにする工程を加えるとさらによい。この場合プリベークは１００〜２００度で行い、２度目のベークは２５０〜３５０度で行なう。
【００４９】
ポリイミド膜に一画素に９個ずつ凹湾曲部を形成したのち、図１に示すようにコンタクトホールを形成し、アルミニウム１０４を形成する。アルミニウム１０４もポリイミド膜１０３とほぼ同じ凹湾曲部を有する。このようにして反射率が大きく、光を集める働きを有する凹湾曲部を下部電極に設ける。
更に、アモルファスシリコン１０６、ＩＴＯ１０５を形成し、図１に示す目的のイメージセンサを作製する。このようにして作製した図１に示す構造のイメージセンサは、画素を小さくしても感度を均一に向上させることができる。
【００５０】
本実施例は、露光装置としてＭＰＡを用いたが、焦点深度を調節できるようなステッパを用いて作製することもできる。またプロキシミティ方式を用いることもできる。
また、本実施例は、湾曲部の高低差を０．５μｍ〜３．５μｍに形成したが、０．２５μｍ〜４μｍをとり得る。さらに、本実施例は、図１に示す湾曲部の大きさ１１１が２μｍ〜３．５μｍであるが、下部電極と信号転送素子とを接続するためのコンタクトホールより大きく、画素より小さければよい。
【００５１】
〔実施例２〕
本実施例は、実施例１のイメージセンサの上部に複数のマイクロレンズを形成した光電変換素子およびその作製方法である。
１画素の光電変換素子の上に複数のマイクロレンズを設けることで、変換効率を上げることができる。
【００５２】
図４に本実施例で示すイメージセンサの一画素の断面図を示す。実施例１のイメージセンサの光電変換素子１０２の上方にアクリル樹脂からなるマイクロレンズ４０１が断面上に３個設けられており、縦横３個ずつの計９個のマイクロレンズが一画素に設けられている。
【００５３】
本実施例のイメージセンサの作製工程を図５、図７に示す。まず、図５（ａ）に示すように、実施例１のイメージセンサの光電変換層の上部電極であるＩＴＯ１０５の上方に膜厚５μｍ〜１０μｍアクリル樹脂の平坦化膜５０１を形成し、その上に膜厚２μｍ〜４μｍのポジ型のレジスト５０２を形成する。
【００５４】
このレジストを図７（ａ）で示すような、実施例１で用いたマスクとほぼ逆のマスクパターンが形成されているマスク７０１（円パターンが印刷されているマスク）を用いて実施例１と同様の方法でパターニングして図７（ｃ）に示すような湾曲部を有するレジスト７０４（図５（ｂ）の５０３にあたる）を形成する。マスク７０１は一画素に相当するマスクであり、３×３の円パターンが印刷されており、一画素に３×３の９個のマイクロレンズを形成することができる。図７（ａ）のマスクの円の大きさ７１０は２μｍ〜４μｍに設計したものを用い、実施例１のマスクと同じ配置とする。本実施例では、図７（ａ）の７０１で示すマスクを用いたが、マスクのパターン形状は他の形状であってもかまわない。
【００５５】
次に、図５（ｂ）に示すレジスト５０３とアクリル樹脂の平坦化膜５０１のエッチング選択比が１対１から１対２、好ましくはほぼ１対１となるようにエッチングして、図４のマイクロレンズ４０１を形成することができる。
ＣＦ4 ／Ｏ2 を５対９５の割合で混合したエッチングガスを用いてレジスト膜をエッチングし、凸状曲面を有するアクリル樹脂を形成する。本実施例ではＣＦ4 ／Ｏ2 系のエッチングガスを用いたが、レジスト５０３と有機樹脂膜５０１のエッチング選択比が１対１であるような他のエッチング方法を用いてもよい。
【００５６】
このように、実施例１とマスクパターンを変えると、同じポジ型レジストを用いても凸湾曲部を形成できる。
【００５７】
本実施例のように、一画素に複数のレンズを設けることで、変換効率を上げることができる。また、本実施例のように、光電変換素子の下部電極のマスクパターンとマイクロレンズのマスクパターンを対応させると、両凸マイクロレンズ４０１を形成することができ、片凸マイクロレンズよりもさらに変換効率をあげることができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は、光の反射、集光、分散を利用して変換効率を上げることができ、イメージセンサの画素の縮小に伴い問題となった感度を向上させることができる。また、意識的に集光させて光を制御できるので、特にイメージセンサで問題となった画素ごとの感度の均一性を持たせることができる。
また、本発明はイメージセンサに限らず、光電変換素子を有する光電変換装置の感度を向上させ、かつ感度の均一性を持たせることができる。
【００５９】
更に、本発明を用いると、感度の点において一画素の大きさの限界を縮めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  積層型イメージセンサの模式図
【図２】  積層型イメージセンサの模式図
【図３】  積層型イメージセンサの作製工程の模式図
【図４】  積層型イメージセンサの模式図
【図５】  積層型イメージセンサの作製工程の模式図
【図６】  マスクのパターンおよびマスクとレジストの断面図
【図７】  マスクのパターンおよびマスクとレジストの断面図
【符号の説明】
１０１      信号転送素子
１０２      光電変換素子
１０３      有機樹脂
１０４      下部電極
１０５      上部電極
１０６      光電変換層
１０７      基板
１１０      湾曲部の高低差
１１１      湾曲部の大きさ
１１２      コンタクトホールの大きさ
１１３      画素の大きさ
１２０      ソース
１２１      チャネル
１２２      ドレイン
１２３      ゲート絶縁膜
１２４      ゲート電極
２０１      信号転送素子
２０２      光電変換素子
３０１      有機樹脂の平坦化膜
３０２      レジスト
３０３      レジスト
４０１      マイクロレンズ
５０１      有機樹脂の平坦化膜
５０２      レジスト
５０３      レジスト
【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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