(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）２次元表面を画定する半導体基板と、
（ｂ）前記半導体基板の表面に複数列、複数行に配列された多数個の光電変換素子と、
（ｃ）前記半導体基板上方に形成され、各光電変換素子上に受光開口を有する遮光膜と、
（ｄ）前記遮光膜上に前記半導体基板の全面に渡って形成される平坦化絶縁膜と、
（ｅ）前記各受光開口上に、前記平坦化絶縁膜を挟んで形成されるマイクロレンズと、
（ｆ）前記マイクロレンズ及び前記マイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜上に形成され、前記マイクロレンズ表面を保護するとともに、該マイクロレンズ表面と前記マイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜表面との表面状態を同一化させる濡れ性改善膜と、
（ｇ）前記マイクロレンズ外周部分及びマイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜上方の前記濡れ性改善膜上に形成され、前記マイクロレンズ外周部分での実効的焦点距離を増加させることにより前記マイクロレンズを非球面レンズ化する非球面レンズ化膜と
を有する固体撮像素子。
【請求項２】
さらに、前記遮光膜と前記平坦化絶縁膜との間に配置されたカラーフィルタを有し、前記濡れ性改善膜の一部がカラーフィルタの色に応じて取り除かれており、
前記濡れ性改善膜の一部がカラーフィルタの色に応じて取り除かれた部分においては、前記非球面レンズ化膜が前記マイクロレンズ外周部分の上及びマイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜上に形成されている請求項１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、行列状に配列した複数の受光部を有する固体撮像素子に関し、特に光像を効率的に入力するためのオンチップマイクロレンズの形状及び構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板上に多数の光電変換素子を行列状に形成した固体撮像素子において、基板上に光電変換素子に対応した開口を有する遮光膜が配置される。集光効率を向上するためには遮光膜の開口上方にマイクロレンズが配置される。
【０００３】
図６は従来の固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【０００４】
シリコン等の半導体基板１の表面に光電変換素子２と、転送チャネル３を形成し、転送チャネル３に隣接して分離領域４を形成する。光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４を形成した半導体基板１の表面を酸化して、酸化シリコン膜等の絶縁膜５を形成する。
【０００５】
次に、転送チャネル３の上方に、転送電極６を形成し、その上に、さらに絶縁膜５ａを形成した後、光電変換素子２上方に開口を有する遮光膜７を転送電極６の上方に形成する。
【０００６】
遮光膜７を形成した上に、パッシベーション層を含む焦点調整層８を形成して、その上に、カラーフィルタ層９を形成する。
【０００７】
カラーフィルタ層９の上に平坦化層１０を形成し、その上に、透明な感光性樹脂材料でレンズ層１１をスピンコートし、フォトリソグラフィによりパターンニングし、図６（ａ）の状態にする。
【０００８】
その後、図６（ｂ）に示すような形になるように、パターンニングしたレンズ層を軟化温度以上に加熱する熱処理により流動化させる方法等を利用してマイクロレンズ１１が形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
現在開発されているビデオカメラ及びデジタルスチルカメラ用の撮像センサは、画素数が１００万画素を超えている。このような多画素撮像センサにおいては、オンチップマイクロレンズの大きさは約５μｍ四方以下であり、３μｍ四方に近づいている。これは、従来のビデオカメラに使われているものの４分の１以下である。
【００１０】
画素サイズが小さくなるにつれて、オンチップマイクロレンズも小さくなる。レンズ寸法が縮小すると、レンズ曲面の曲率半径も小さくなりやすく、レンズの焦点距離が小さくなってしまう。また、レンズ周辺部における焦点距離が、レンズ中心部のそれよりも短くなるという問題が顕著になる。
【００１１】
このような焦点距離の問題は、従来のカメラレンズでは、非球面レンズを形成することで解決している。固体撮像素子に用いるオンチップマイクロレンズにおいても、この問題を解決するために非球面レンズを形成することが好ましい。しかし、従来のオンチップマイクロレンズ形成方法では、非球面レンズを形成するのは、非常に困難である。
【００１２】
本発明の目的は、インナーレンズを形成する等の複雑な工程を必要とせずに、マイクロレンズに入射した光を受光面に集光することが出来る固体撮像素子を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、入射光量を有効に画素に導くことが出来る固体撮像素子を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、固体撮像素子は、２次元表面を画定する半導体基板と、前記半導体基板の表面に複数列、複数行に配列された多数個の光電変換素子と、前記半導体基板上方に形成され、各光電変換素子上に受光開口を有する遮光膜と、前記遮光膜上に前記半導体基板の全面に渡って形成される平坦化絶縁膜と、前記各受光開口上に、前記平坦化絶縁膜を挟んで形成されるマイクロレンズと、前記マイクロレンズ及び前記マイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜上に形成され、前記マイクロレンズ表面を保護するとともに、該マイクロレンズ表面と前記マイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜表面との表面状態を同一化させる濡れ性改善膜と、前記マイクロレンズ外周部分及びマイクロレンズ間に露出する前記平坦化絶縁膜上方の前記濡れ性改善膜上に形成され、前記マイクロレンズ外周部分での実効的焦点距離を増加させることにより前記マイクロレンズを非球面レンズ化する非球面レンズ化膜とを有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例によるマイクロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示す。
【００１６】
ｐ型ウェルＷｐを有するｎ型シリコン等の半導体基板１の表面に例えばｐｎ接合構造の光電変換素子２と、ｎ型領域の転送チャネル３を形成し、転送チャネル３に隣接してｐ＋型領域である分離領域４を形成する。光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４を形成した半導体基板１の表面を酸化して、酸化シリコン膜等からなる絶縁膜５を形成する。
【００１７】
次に、転送チャネル３の上方に、２層多結晶シリコン層等の転送電極６を形成し、その上に、さらに絶縁膜５ａを形成した後、Ａｌ（アルミニュウム）等からなり、光電変換素子２上方に開口を有する遮光膜７を転送電極６の上方に形成する。
【００１８】
遮光膜７を形成した上に、パッシベーション層、平坦化絶縁層を含む焦点調整層８を形成し、その上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三種類の色のフィルターで構成されるカラーフィルタ層９が形成される。カラーフィルタ層９の上に、表面を平坦化するために、フォトレジスト等の透明絶縁体である平坦化層１０をスピンコート等で形成する。平坦化層は以降の熱処理工程に耐えるものとする。
【００１９】
次に、平坦化層１０の上に、約２５０℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程度のマイクロレンズ１１を形成する。ここまでで、まず図１（ａ）に示すような形状となる。
【００２０】
このマイクロレンズ１１の上に、約２００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．２μｍ程度の平均厚さの非球面レンズ化膜１２ａを形成する。非球面レンズ化膜１２ａは、凹部分を優先的に充填し、マイクロレンズ表面に対して濡れ性を有する粘性の小さいフォトレジスト液を塗布し、軟化温度以下でポストベークして形成される。
【００２１】
段差のある表面に、粘性の小さい塗布液を塗布すると、均一の厚さにはならない。マイクロレンズ１１の外周部分に半径方向に従って厚さを増大する塗布層が形成されるため、レンズ外周部分での実効的焦点距離を増加させる。このため、粘性の小さいフォトレジスト液を用いて形成される本実施例の非球面レンズ化膜１２ａは、図１（ｂ）に示すような形状を有し、マイクロレンズ１１と協同して非球面レンズを形成する。
【００２２】
一方、粘性の大きい塗布液を使用すると、マイクロレンズ１１の全表面にほぼ均一の厚さに塗布することが可能となる。その後軟化温度以上に加熱する熱処理工程によって塗布膜を流動化させ、より低い部分に流れるようにすることもできる。この粘性の制御は、例えば、レジスト液に混入するシンナー液の量により可能である。シンナー液が多いと粘性は低下する。
【００２３】
なお、非球面レンズ化膜１２ａは、フォトレジスト膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されてもよい。紫外線硬化樹脂を用いてもよい。また、フォトレジスト膜は、塗布に限らず、吹き付け、又は液に浸す等の方法で形成されてもよい。
【００２４】
このようにして、オンチップマイクロレンズを非球面レンズとすることにより、入射光量を有効に画素に導くことが出来る。よって、固体撮像素子の感度を向上させることが出来る。また、固体撮像素子のスミアを減少させることが出来る。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施例によるマイクロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図１の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示す。
【００２６】
前述の第１の実施例と同様の方法で半導体基板１の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層８、カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。
【００２７】
次に、平坦化層１０の上に、約２５０℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程度のマイクロレンズ１１を形成し、まず図２（ａ）に示すような形状とする。
【００２８】
次に、マイクロレンズ１１上に、平均厚さ約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着又は気相反応等により形成し、図２（ｂ）に示すような形状とする。濡れ性改善膜１３として用いる金属膜は、マイクロレンズ１１上とマイクロレンズ間のスペース１５の表面状態を同一にする効果がある。
【００２９】
この濡れ性改善膜１３は、金属膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されてもよく、マイクロレンズの光学特性に影響を与えない程度の薄い膜が形成でき、マイクロレンズとの密着性が優れたものであればよい。
【００３０】
この濡れ性改善膜１３上に、約２００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．２μｍ程度の平均厚さの非球面レンズ形成膜１２を形成する。非球面レンズ形成膜１２は、フォトレジスト液を塗布することにより形成される。
【００３１】
ここでは、粘性の大きいフォトレジスト液を使用し、マイクロレンズ１１の全表面にほぼ均一の厚さに塗布する。その後軟化温度以上に加熱する熱処理工程によって塗布膜を流動化させ、より低い部分に流れるようにする。本実施例の場合、２００℃以上の温度で熱処理することにより流動化させて、図２（Ｃ）に示すような非球面レンズ化膜１２ａを形成する。
【００３２】
オンチップマイクロレンズを非球面レンズとすることに加えて、濡れ性改善膜１３を形成することにより、マイクロレンズを保護することが出来るとともに、非球面レンズ形成膜の熱処理効果が均一となるという効果がある。
【００３３】
なお、非球面レンズ化膜１２ａは、フォトレジスト膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されてもよい。また、フォトレジスト膜は、塗布に限らず、吹き付け、又は液に浸す等の方法で形成されてもよい。
【００３４】
図３は、本発明の第３の実施例によるマイクロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図１、図２の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示す。
【００３５】
前述の実施例と同様の方法で半導体基板１の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層８、カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。
【００３６】
次に、平坦化層１０の上に、約３００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程度のマイクロレンズ１１を形成し、まず図３（ａ）に示すような形状とする。
【００３７】
次に、マイクロレンズ１１上に、平均厚さ約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着又は気相反応等により形成する。濡れ性改善膜１３として用いる金属膜は、マイクロレンズ１１の表面とマイクロレンズ間のスペース１５の表面状態を同一にする効果がある。
【００３８】
この濡れ性改善膜１３は、金属膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されてもよく、マイクロレンズの光学特性に影響を与えない程度の薄い膜が形成でき、マイクロレンズとの密着性が優れたものであればよい。
【００３９】
この濡れ性改善膜１３上に、約２５０℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の平均厚さの第１の非球面レンズ形成膜１２をフォトレジスト液を塗布することにより形成し、図３（ｂ）に示すような形状とする。これを、２５０℃以上で熱処理することにより流動化させて、図３（ｃ）に示すような第１の非球面レンズ化膜１２ａを形成する。
【００４０】
さらにその上に、図３（ｄ）に示すように、約２００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の平均厚さの第２の非球面レンズ形成膜１４をフォトレジスト液を塗布し、軟化温度より低い温度で第２の非球面レンズ形成膜１４をポストベークして形成する。
【００４１】
ここで使用されるフォトレジスト液は、粘性が大きいものである。粘性が大きいと、濡れ性改善膜１３、及び第１の非球面レンズ化膜１２ａの表面に、均一に膜を形成することが出来る。
【００４２】
図３（ｅ）は、第３の実施例の変形例の固体撮像素子の一部の拡大断面図である。この変形例では、第３の実施例の第２の非球面レンズ形成膜１４を、２００℃以上で熱処理することにより流動化させて、第２の非球面レンズ化膜１４ａを形成する。
【００４３】
第３の実施例に比べて、マイクロレンズ周辺部の曲率をさらに小さくすることが出来るので、マイクロレンズ周辺部の焦点距離を長くすることが出来る。また、非球面レンズ形成層を２層にすることで、光学特性のより優れた非球面マイクロレンズを形成することが出来る。
【００４４】
なお、図３（ｅ）に示す、第３の実施例の変形例は、粘性を小さくしたフォトレジスト液を使用して第２の非球面レンズ形成膜１４を形成してもよい。
【００４５】
この場合、第２の非球面レンズ形成膜１４は、レジスト液に混入するシンナー液の量を増やして粘性を小さくしたフォトレジスト液を、第１の非球面レンズ化膜１２ａの上に、塗布することにより形成される。粘性の小さいフォトレジスト液を使用したことにより、塗布膜は均一に形成されず、図３（ｅ）に示すような第２の非球面レンズ化膜１４ａを形成する。
【００４６】
図４は、本発明の第４の実施例によるマイクロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図１、図２、図３の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示す。
【００４７】
前述の実施例と同様の方法で半導体基板１の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層８、カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。
【００４８】
次に、平坦化層１０の上に、約３００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程度のマイクロレンズ１１を形成し、まず図４（ａ）に示すような形状とする。
【００４９】
次に、マイクロレンズ１１上に、平均厚さ約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着又は気相反応等により形成する。この濡れ性改善膜１３は、金属膜に限らず、有機材料、無機材料のいずれによって形成されてもよく、マイクロレンズの光学特性に影響を与えない程度の薄い膜が形成でき、マイクロレンズとの密着性が優れたものであればよい。
【００５０】
上記濡れ性改善膜１３を、フォトレジ工程によって部分的に除去する。本実施例では、青色のカラーフィルタであるカラーフィルタ層９Ｂ上方の濡れ性改善膜１３を除去する。
【００５１】
次に、残りの部分の濡れ性改善膜１３とマイクロレンズ１１の表面上に、約２００℃の温度で軟化する粘性の大きいフォトレジスト膜で約０．２μｍ程度の平均厚さの非球面レンズ形成膜１２を形成し、図４（ｂ）に示すような形にする。
【００５２】
非球面レンズ形成膜１２を、２００℃以上の温度で熱処理することにより流動化させて、図４（ｃ）に示すような、非球面レンズ化膜１２ａを形成する。
【００５３】
本実施例で濡れ性改善膜１３として用いる金属膜は、マイクロレンズ１１の表面とマイクロレンズ間のスペース１５の表面状態を同一にする効果がある。したがって、カラーフィルタ層９Ｂ上方と、カラーフィルタ層９Ｇ及び９Ｒ上方では、非球面レンズ形成膜１２の濡れ性に差が出る。
【００５４】
カラーフィルタ層９Ｂ上方では、マイクロレンズ周辺部での曲率が小さくなり、焦点距離が長くなる。カラーフィルタ層９Ｇ及び９Ｒ上方では、マイクロレンズ周辺部での曲率がカラーフィルタ層９Ｂ上方に比べて大きくなる。こうして、カラーフィルタの色に応じて、非球面性の異なるレンズを形成することが出来る。すなわち、それぞれ波長の異なる光に対して、同一位置に焦点を結ぶことのできるレンズを形成することができる。
【００５５】
本実施例よれば、カラーフィルタの色により非球面レンズの形状を変化させることが出来るので、より有効な入射光の利用が可能である。
【００５６】
図５は、本発明の第５の実施例によるマイクロレンズの一部の拡大断面図である。なお、図６、図１〜図４の参照番号と同じ番号のものは実質的に同じ部材を示す。
【００５７】
前述の第３の実施例と同様の方法で半導体基板１の上に、光電変換素子２、転送チャネル３、分離領域４、絶縁膜５、転送電極６、遮光膜７、焦点調整層８、カラーフィルタ層９、平坦化層１０を形成する。
【００５８】
次に、平坦化層１０の上に、約３００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で平均厚さ約１μｍ程度のマイクロレンズ１１を形成し、その上に、平均厚さ約１０ｎｍ程度の濡れ性改善膜１３として金属膜を蒸着又は気相反応等により形成する。
【００５９】
その上に、約２５０℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の平均厚さの第１の非球面レンズ形成膜１２をフォトレジスト液を塗布することにより形成し、これを、２５０℃以上の温度で熱処理することにより流動化させて、第１の非球面レンズ化膜１２ａを形成する。
【００６０】
さらにその上に、約２００℃の温度で軟化するフォトレジスト膜で約０．１μｍ程度の平均厚さの第２の非球面レンズ形成膜１４をフォトレジスト液を塗布することにより形成する。以上により図３（ｄ）と同様の形状になる。
【００６１】
その後、フォトリソグラフィ工程によって第２の非球面レンズ形成膜１４を部分的に除去する。本実施例では、青色のカラーフィルタであるカラーフィルタ層９Ｂ上方の第２の非球面レンズ形成膜１４を除去し、図５に示す形にする。その後必要に応じて２００℃以上の温度で熱処理を行う。
【００６２】
以上により第４の実施例と同様の効果を得ることが出来る。
【００６３】
なお、前述の実施例４及び５では、カラーフィルタ層９Ｂ上方のマイクロレンズの非球面特性と、カラーフィルタ層９Ｇ及び９Ｒ上方のマイクロレンズの非球面特性とを変化させる方法を記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、９Ｒと９Ｂ、９Ｇ、又は、９Ｇと９Ｂ、９Ｒ、さらには９Ｒと９Ｂと９Ｇとでマイクロレンズの非球面特性を変化させるようにしてもよい。
【００６４】
実施例においては、軟化前の厚さ約１μｍのマイクロレンズと全厚さ約０．２μｍの非球面レンズ形成膜を用いたが、これらは制限的な意味を持つものではない。設計に従い種種の厚さを採用することが出来る。
【００６５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インナーレンズを形成する等の複雑な工程を必要とせずに、マイクロレンズに入射した光を受光面に集光することが出来る。
【００６７】
また、本発明によれば、入射光量を有効に画素に導くことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【図２】第２の実施例による固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【図３】第３の実施例による固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【図４】第４の実施例による固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【図５】第５の実施例による固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【図６】従来例による固体撮像素子の一部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…受光素子（受光部）、３…列方向転送チャネル、４…分離領域、５…絶縁膜、６…転送電極、７…遮光膜、８…焦点調整層、９…カラーフィルタ層、１０…平坦化層、１１…マイクロレンズ、１２・１４…非球面レンズ形成膜、１２ａ・１４ａ…非球面レンズ化膜、１３…濡れ性改善膜、１５…マイクロレンズ間のスペース
【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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