(57)【要約】【課題】画素間の感度のばらつきを抑制できる固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明に係る固体撮像装置１００は、行列状に配置された複数の単位画素１０１を備える固体撮像装置であって、複数の単位画素１０１は、それぞれ、光を電気信号に光電変換するフォトダイオード１１１と、入射光を集光するトップレンズ２１０と、トップレンズ２１０により集光された入射光をフォトダイオード１１１に集光する層内レンズ２０６とを備え、フォトダイオード１１１の重心３０２は、単位画素１０１の中心３０１から第１方向にずれており、トップレンズ２１０は、重心３０３が単位画素１０１の中心３０１から第１方向にずれるように、非対称な形状で形成され、層内レンズ２０６は、重心３０４が単位画素１０１の中心３０１から第１方向にずれるように形成される。【選択図】図３
2009302483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、
前記複数の画素は、それぞれ、
光を電気信号に光電変換する光電変換部と、
入射光を集光する第１レンズと、
前記第１レンズにより集光された入射光を前記光電変換部に集光する第２レンズとを備え、
前記光電変換部の受光面の実質的な中心は、画素の中心から第１方向にずれており、
前記第１レンズは、焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように非対称な形状で形成され、
前記第２レンズは、焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように形成される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素は、さらに、
前記光電変換部の受光面の一部を覆い、前記光電変換部により光電変換された電気信号を転送するためのゲート電極を備え、
前記第１方向は、前記光電変換部に対して前記ゲート電極が配置される方向と逆方向である
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１レンズは、前記光電変換部の表面と垂直かつ前記第１方向と水平かつ当該画素の中心を含む面に対して対称であり、前記光電変換部の表面と垂直かつ前記第１方向と垂直かつ当該画素の中心を含む面に対して非対称である
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記各画素における前記第１方向と逆側の端部の前記第１レンズが形成されない領域は、当該画素における前記第１方向側の端部の前記第１レンズが形成されない領域より広い
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１方向は、前記画素の対角線方向である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１レンズは、隣接する４つの画素の第１レンズのうち、前記第１方向に位置する２つの画素の第１レンズと接触し、前記第１方向と逆方向に位置する２つの画素の第１レンズと接触しない
請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記複数の画素において、前記第２レンズは、同一形状であり、かつ中心位置が当該画素の中心から前記第１方向にずれるように配置される
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１レンズ及び前記第２レンズは、焦点の位置が当該画素の中心から前記第１方向に、前記ゲート電極が前記光電変換部の一部を覆う領域の前記ゲート電極のゲート長方向の距離の１／２に相当する距離ずれるように形成される
請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１レンズは、中心位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように配置される
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の画素は、第１画素及び第２画素を含み、
前記第１画素及び第２画素において、前記第１方向は、異なる方向である
請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記複数の画素は、多画素１セル構造であり、
当該１セルは、それぞれ前記第１画素及び第２画素を含む
請求項１０記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記光電変換部は第１配置セルに基づき配置され、前記第１レンズ及び前記第２レンズは第２配置セルに基づき配置され、
前記複数の画素が行列状に配置される画素アレイにおいて、当該画素アレイの中心から周辺に向かうに従い、前記画素の前記第２配置セルの中心は、当該画素の前記第１配置セルの中心に対して前記画素アレイの中心側にずれ、
前記光電変換部の受光面の実質的な中心は、前記第１配置セルの中心から第１方向にずれており、
前記第１レンズは、焦点の位置が前記第２配置セルの中心から前記第１方向にずれるように形成され、
前記第２レンズは、焦点の位置が前記第２配置セルの中心から前記第１方向にずれるように形成される
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第２レンズは、上凸レンズである
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第２レンズは、下凸レンズである
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置の製造方法であって、
前記複数の画素は、それぞれ、
光を電気信号に光電変換する光電変換部と、
入射光を集光する第１レンズと、
前記第１レンズにより集光された入射光を前記光電変換部に集光する第２レンズとを備え、
前記製造方法は、
受光面の実質的な中心が画素の中心から第１方向にずれた前記光電変換部を形成する光電変換部形成ステップと、
焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれた前記第２レンズを形成する第２レンズ形成ステップと、
焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように、非対称な形状の前記第１レンズを形成する第１レンズ形成ステップとを含む
固体撮像装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第１レンズ形成ステップは、
前記画素の中心を含む前記第１方向の線を中心線とする線対称であり、かつ前記画素の中心を含む前記第１方向と直行する方向の線を中心線として非対称であるマスクを用いて、前記第１レンズの材料をパターニングするパターニングステップと、
前記パターニングされた前記材料をリフローすることで、表面が凸状に湾曲した非対称な形状の前記第１レンズを形成するリフローステップとを含む
請求項１５記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１７】
前記パターニングステップでは、前記マスクを用いて、長方形の角の１つを切り取った５角形に前記第１レンズの材料をパターニングし、
当該長方形の角の１つは、前記第１方向と逆方向の角である
請求項１６記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置として、一般的にＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサと、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサとが知られている。ＣＭＯＳイメージセンサの製造プロセスは、ＣＭＯＳのＬＳＩのプロセスと似ているため、ＣＣＤイメージセンサに比べ、同じチップに複数の回路を積載できる利点がある。例えば、ＣＭＯＳイメージセンサは、Ａ／Ｄ変換回路、及びタイミングジェネレーターなどを同じチップに積載できる。
【０００３】
一方で、ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサに比べて、フォトダイオードへの入射光量が低下するため、優れた感度特性を確保することが困難な場合がある。
【０００４】
なぜなら、ＣＭＯＳイメージセンサは、複数の回路を搭載するために、複数の配線層（通常は２層〜４層）を形成する必要がある。この金属配線によって光が遮られることで、フォトダイオードに入射光が届きにくくなるからである。
【０００５】
そこで、フォトダイオード上に２個のレンズを形成することにより、入射光をより高効率で集光させる構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
以下、従来の固体撮像装置について説明する。
【０００７】
図１７は、従来の固体撮像装置の単位画素の回路構成を示す図である。
【０００８】
図１７に示す固体撮像装置５００は、単位画素５１０と、水平選択トランジスタ１２３と、垂直走査回路１４０と、水平走査回路１４１とを備える。なお、図１３では、１つの単位画素５１０のみを記載しているが、固体撮像装置５００は、行列状に配置された複数の単位画素５１０を備える。
【０００９】
単位画素５１０は、フォトダイオード１１１と、電荷転送ゲート１１２と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部１１４と、リセットトランジスタ１２０と、垂直選択トランジスタ１２１と、増幅トランジスタ１２２とを備える。
【００１０】
フォトダイオード１１１は、入射光を信号電荷（電子）に変換し、変換した信号電荷を蓄積する光電変換部である。
【００１１】
電荷転送ゲート１１２のゲート電極は、読み出し信号線１１３に接続される。電荷転送ゲート１１２は、読み出し信号線１１３に印加される読み出しパルスに基づいて、フォトダイオード１１１に蓄積された信号電荷をＦＤ部１１４に転送する。
【００１２】
ＦＤ部１１４は、増幅トランジスタ１２２のゲート電極に接続される。
【００１３】
増幅トランジスタ１２２は、ＦＤ部１１４の電位変化を電圧信号にインピーダンス変換し、変換した電圧信号を垂直信号線１３３に出力する。
【００１４】
垂直選択トランジスタ１２１のゲート電極は垂直選択線１３１に接続される。垂直選択トランジスタ１２１は、垂直選択線１３１に印加される垂直選択パルスに基づいてＯＮ又はＯＦＦし、所定の期間だけ増幅トランジスタ１２２を駆動する。
【００１５】
リセットトランジスタ１２０のゲート電極は、垂直リセット線１３０に接続される。リセットトランジスタ１２０は、垂直リセット線１３０に印加される垂直リセットパルスに基づいて、ＦＤ部１１４の電位を電源線１３２の電位にリセットする。
【００１６】
垂直走査回路１４０及び水平走査回路１４１は、１サイクルの間に複数の単位画素５１０を１度ずつ走査する。
【００１７】
具体的には、垂直走査回路１４０は、１サイクルの間の一定期間、１つの垂直選択線１３１に垂直選択パルスを出力することにより、当該垂直選択線１３１に対応する行の単位画素５１０を選択する。選択された各単位画素５１０の出力信号（電圧信号）がそれぞれの垂直信号線１３３に出力される。
【００１８】
水平走査回路１４１は、一定期間の間に各水平選択線１３４に水平選択パルスを順次出力することで水平選択トランジスタ１２３を選択する。
【００１９】
選択された水平選択トランジスタ１２３は、接続される垂直信号線１３３の出力信号を水平信号線１３５に出力する。
【００２０】
水平走査回路１４１により、１つの行の全単位画素５１０の走査が終了すると、垂直走査回路１４０は、次の行の垂直選択線１３１に垂直選択パルスを出力する。次に、上記と同様に、新しい行の各画素が走査される。
【００２１】
以上の動作を繰り返して、１サイクルの間に全単位画素５１０が１度ずつ走査されることで、全単位画素５１０の出力信号が時系列的に水平信号線１３５に出力される。
【００２２】
図１８は、従来の固体撮像装置５００の撮像領域の構成を示す断面図である。
【００２３】
図１９は、単位画素５１０の構成要素の接続関係を模式的に示す図である。
【００２４】
図１８に示すように、固体撮像装置５００は、半導体基板２０１と、絶縁層２０２と、配線２０３Ａ〜２０３Ｃと、遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂと、パッシベーション膜２０５と、層内レンズ６０６と、平坦化膜２０７と、カラーフィルタ２０８と、トップレンズ６１０とを備える。
【００２５】
フォトダイオード１１１、電荷転送ゲート１１２、及びＦＤ部１１４は、半導体基板２０１に形成される。
【００２６】
絶縁層２０２は、半導体基板２０１の上に形成される。複数層の配線２０３Ａ〜２０３Ｃは、絶縁層２０２内に形成される。配線２０３Ａ〜２０３Ｃは、例えば、アルミニウムで形成される。
【００２７】
遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂは、それぞれ配線２０３Ａ及び配線２０３Ｂの上に形成され、トランジスタ等の回路部への光の入射を防止する。遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂは、配線製造時に形成される配線保護膜である。
【００２８】
通常、配線２０３Ａ〜２０３Ｃが、Ｃｕなど腐食しやすい材料で形成される場合、製造時に配線２０３Ａ〜２０３Ｃを保護するためにＳｉＮ膜、又はＳｉＯＮ膜などの保護膜が形成される。この場合、保護膜は、配線２０３Ａ〜２０３Ｃ上部全面に形成される。しかしながら、保護膜がフォトダイオード１１１上に形成されると、フォトダイオード１１１上に酸化シリコン膜と窒化シリコン膜（保護膜）との積層膜が形成される。これにより、フォトダイオード１１１への入射光が反射される。
【００２９】
そこで、フォトダイオード１１１上のみは、保護膜（窒化シリコン膜）を除去することが好ましい。また、フォトダイオード１１１上以外の領域では、保護膜は、遮光膜として機能するので、残しておくことが好ましい。
【００３０】
また、回路部に入射光３１０が漏れ入ると、光電変換が起こる。その結果生じた電子によって偽信号が発生し、当該偽信号がノイズとなる。遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂを設けることにより、当該ノイズを低減できる。
【００３１】
パッシベーション膜２０５は、絶縁層２０２の上に形成され、例えば、窒化シリコンで形成される。
【００３２】
層内レンズ６０６は、パッシベーション膜２０５の上に形成される。
【００３３】
平坦化膜２０７は、層内レンズ６０６の上に形成され、例えば、酸化シリコン、又は樹脂（アクリル系樹脂、又はフッ素系樹脂）で形成される。
【００３４】
カラーフィルタ２０８は、平坦化膜２０７の上に形成される。
【００３５】
トップレンズ６１０は、カラーフィルタ２０８の上に形成されるオンチップレンズである。
【００３６】
図１９に示すように、フォトダイオード１１１、ＦＤ部１１４及びリセットトランジスタ１２０を形成するｎ型不純物層はゲート電極下部のチャネル領域によって連結されるように設けられている。これにより、効率的な信号電荷の転送及び消去ができる。
【００３７】
また、トップレンズ６１０及び層内レンズ６０６は、フォトダイオード１１１に入射光３１０を集光する。トップレンズ６１０及び層内レンズ６０６は、一定のピッチで等間隔に形成される。
【００３８】
ここで、従来の固体撮像装置５００では、単位画素５１０における、フォトダイオード１１１、電荷転送ゲート１１２、ＦＤ部１１４、リセットトランジスタ１２０、垂直選択トランジスタ１２１、増幅トランジスタ１２２、画素内配線、トップレンズ６１０及び層内レンズ６０６の相対的な位置関係は、複数の単位画素５１０で共通である。すなわち、各構成要素は、同じ並進対称性をもつように同じピッチで等間隔に配列される。この結果、入射光３１０は、各単位画素でフォトダイオード１１１に同じように入射することになり、単位画素５１０ごとのばらつきの小さい良質な画像を得ることができる。
【００３９】
ところで、ＣＭＯＳイメージセンサなどの増幅型固体撮像装置では、上記のように少なくとも２層、望ましくは３層以上の多層配線が必要であり、これによりフォトダイオード１１１の上部に作られる構造が厚くなる。例えば、フォトダイオード１１１の表面から最上部の３層目の配線２０３Ｃまでの高さは、画素サイズと同程度の３〜５μｍとなる。
【００４０】
このため、被写体をレンズにより結像したうえで撮像する固体撮像装置においては、撮像領域の周辺部寄りの領域ではシェーディングが大きいという問題がある。すなわち、斜めに入射する光が遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂ及び配線２０３Ａ〜２０３Ｃによって遮られることで、フォトダイオード１１１に集光される光量が減少する。これにより、画質劣化が顕著になるという問題がある。
【００４１】
そこで、撮像領域の周辺部寄りの領域においては、斜めに入射する光もフォトダイオード１１１に集光されるように、瞳補正と称してトップレンズ６１０、及び遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂの開口部の位置を補正することで、シェーディングを軽減する方法が知られている。具体的には、フォトダイオード１１１から見て光が入射して来る方向にトップレンズ６１０及び遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂの開口部をずらして配置する。
【００４２】
また、フォトダイオード１１１への入射光量の減少を防止するために、単位画素５１０内のトランジスタの面積を減少させることで、フォトダイオード１１１の面積の減少を抑える方法が用いられている。しかしながら、この方法で固体撮像装置の特性を保つのにも限界がある。
【００４３】
これに対して、各単位画素５１０に必須であるフォトダイオード１１１及び電荷転送ゲート１１２以外の、従来全ての単位画素５１０に設けられていたＦＤ部１１４、増幅トランジスタ１２２、垂直選択トランジスタ１２１、及びリセットトランジスタ１２０を複数の隣接する単位画素５１０間で共有する多画素１セル構造の固体撮像装置が提案されている。多画素１セル構造の固体撮像装置では、単位画素当りのトランジスタ数及び配線数を減らすことができる。これにより、十分なフォトダイオード１１１の面積を確保でき、かつ、配線によるケラレを減少できるので、単位画素の縮小化に有効に対応できる。
【特許文献１】特開２００６−１１４５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４４】
しかしながら、多画素１セル構造では、フォトダイオード１１１が等ピッチに配置されない。または、フォトダイオード１１１上に配置されるゲート電極により、フォトダイオードの実質的な重心位置は等ピッチに配置されない。これにより、フォトダイオード１１１に入射する光の中心は、フォトダイオード１１１の中心とは一致しない。よって、入射光量が減少することで、感度が低下する。また、入射する光の向きに応じて、単位画素５１０間で、フォトダイオード１１１への入射光量にばらつきが生じる。これにより、各単位画素５１０からの信号出力にばらつきが生じる。つまり、画素間で感度がばらつくという問題が生じる。
【００４５】
そこで本発明は、画素間の感度のばらつきを抑制できる固体撮像装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置であって、前記複数の画素は、それぞれ、光を電気信号に光電変換する光電変換部と、入射光を集光する第１レンズと、前記第１レンズにより集光された入射光を前記光電変換部に集光する第２レンズとを備え、前記光電変換部の受光面の実質的な中心は、画素の中心から第１方向にずれており、前記第１レンズは、焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように非対称な形状で形成され、前記第２レンズは、焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように形成される。
【００４７】
この構成によれば、第１レンズ及び第２レンズの焦点の位置は、画素の中心から光電変換部の受光面の実質的な中心に近づく方向にずれる。これにより、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部への入射光量を増加できる。
【００４８】
さらに、光電変換部が等ピッチで配置されない場合、つまり、画素間で光電変換部の相対位置が異なる場合であっても、各画素において、第１レンズ及び第２レンズの焦点の位置を、光電変換部の受光面の実質的な中心に近づけることで、画素間の光電変換部への入射光量のばらつきを低減できる。つまり、本発明に係る固体撮像装置は、画素間の感度のばらつきを抑制できる。
【００４９】
さらに、本発明に係る固体撮像装置は、非対称な形状の第１レンズを用いることで、焦点の位置をずらすことによる第１レンズの面積の縮小を抑制できる。
【００５０】
また、前記複数の画素は、さらに、前記光電変換部の受光面の一部を覆い、前記光電変換部により光電変換された電気信号を転送するためのゲート電極を備え、前記第１方向は、前記光電変換部に対して前記ゲート電極が配置される方向と逆方向であってもよい。
【００５１】
この構成によれば、画素間でゲート電極の配置位置が異なることにより、画素間で光電変換部の受光面の実質的な中心が異なる場合であっても、画素間の光電変換部への入射光量のばらつきを低減できる。
【００５２】
また、前記第１レンズは、前記光電変換部の表面と垂直かつ前記第１方向と水平かつ当該画素の中心を含む面に対して対称であり、前記光電変換部の表面と垂直かつ前記第１方向と垂直かつ当該画素の中心を含む面に対して非対称であってもよい。
【００５３】
また、前記各画素における前記第１方向と逆側の端部の前記第１レンズが形成されない領域は、当該画素における前記第１方向側の端部の前記第１レンズが形成されない領域より広くてもよい。
【００５４】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、焦点の位置をずらすことによる第１レンズの面積の縮小を抑制しつつ、第１レンズの焦点の位置を第１方向にずらすことができる。
【００５５】
また、前記第１方向は、前記画素の対角線方向であってもよい。
【００５６】
また、前記第１レンズは、隣接する４つの画素の第１レンズのうち、前記第１方向に位置する２つの画素の第１レンズと接触し、前記第１方向と逆方向に位置する２つの画素の第１レンズと接触しなくてもよい。
【００５７】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、第１レンズの集光率を向上できる。
【００５８】
また、前記複数の画素において、前記第２レンズは、同一形状であり、かつ中心位置が当該画素の中心から前記第１方向にずれるように配置されてもよい。
【００５９】
この構成によれば、従来と同様の形状の第２レンズを用いて、第２レンズの焦点の位置をずらすことができる。
【００６０】
また、前記第１レンズ及び前記第２レンズは、焦点の位置が当該画素の中心から前記第１方向に、前記ゲート電極が前記光電変換部の一部を覆う領域の前記ゲート電極のゲート長方向の距離の１／２に相当する距離ずれるように形成されてもよい。
【００６１】
この構成によれば、第１レンズ及び第２レンズの焦点の位置を光電変換部の受光面の実質的な中心に略一致させることができる。
【００６２】
また、前記第１レンズは、中心位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように配置されてもよい。
【００６３】
また、前記複数の画素は、第１画素及び第２画素を含み、前記第１画素及び第２画素において、前記第１方向は、異なる方向であってもよい。
【００６４】
また、前記複数の画素は、多画素１セル構造であり、当該１セルは、それぞれ前記第１画素及び第２画素を含んでもよい。
【００６５】
また、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記光電変換部は第１配置セルに基づき配置され、前記第１レンズ及び前記第２レンズは第２配置セルに基づき配置され、前記複数の画素が行列状に配置される画素アレイにおいて、当該画素アレイの中心から周辺に向かうに従い、前記画素の前記第２配置セルの中心は、当該画素の前記第１配置セルの中心に対して前記画素アレイの中心側にずれ、前記光電変換部の受光面の実質的な中心は、前記第１配置セルの中心から第１方向にずれており、前記第１レンズは、焦点の位置が前記第２配置セルの中心から前記第１方向にずれるように形成され、前記第２レンズは、焦点の位置が前記第２配置セルの中心から前記第１方向にずれるように形成されてもよい。
【００６６】
この構成によれば、画素アレイの周辺部の画素における、光電変換部への入射光量の低下を抑制できる。
【００６７】
また、前記第２レンズは、上凸レンズであってもよい。
【００６８】
また、前記第２レンズは、下凸レンズであってもよい。
【００６９】
この構成によれば、上凸レンズを用いる場合よりも、光電変換部の表面と第１レンズとの距離、及び光電変換部の表面と第２レンズとの距離を小さくできる。これにより、入射光を光電変換部に集光させやすくなる。
【００７０】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、行列状に配置された複数の画素を備える固体撮像装置の製造方法であって、前記複数の画素は、それぞれ、光を電気信号に光電変換する光電変換部と、入射光を集光する第１レンズと、前記第１レンズにより集光された入射光を前記光電変換部に集光する第２レンズとを備え、前記製造方法は、受光面の実質的な中心が画素の中心から第１方向にずれた前記光電変換部を形成する光電変換部形成ステップと、焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれた前記第２レンズを形成する第２レンズ形成ステップと、焦点の位置が画素の中心から前記第１方向にずれるように、非対称な形状の前記第１レンズを形成する第１レンズ形成ステップとを含む。
【００７１】
これによれば、第１レンズ及び第２レンズの焦点の位置は、画素の中心から光電変換部の受光面の実質的な中心に近づく方向にずれる。これにより、本発明に係る製造方法により製造された固体撮像装置は、光電変換部への入射光量を増加できる。
【００７２】
さらに、光電変換部が等ピッチで配置されない場合、つまり、画素間で光電変換部の相対位置が異なる場合であっても、各画素において、第１レンズ及び第２レンズの焦点の位置を、光電変換部の受光面の実質的な中心に近づけることで、画素間の光電変換部への入射光量のばらつきを低減できる。つまり、本発明に係る製造方法により製造された固体撮像装置は、画素間の感度のばらつきを抑制できる。
【００７３】
さらに、本発明に係る製造方法により製造された固体撮像装置は、非対称な形状の第１レンズを用いることで、焦点の位置をずらすことによる第１レンズの面積の縮小を抑制できる。
【００７４】
また、前記第１レンズ形成ステップは、前記画素の中心を含む前記第１方向の線を中心線とする線対称であり、かつ前記画素の中心を含む前記第１方向と直行する方向の線を中心線として非対称であるマスクを用いて、前記第１レンズの材料をパターニングするパターニングステップと、前記パターニングされた前記材料をリフローすることで、表面が凸状に湾曲した非対称な形状の前記第１レンズを形成するリフローステップとを含んでもよい。
【００７５】
また、前記パターニングステップでは、前記マスクを用いて、長方形の角の１つを切り取った５角形に前記第１レンズの材料をパターニングし、当該長方形の角の１つは、前記第１方向と逆方向の角であってもよい。
【００７６】
これによれば、非対称な形状の第１レンズを容易に製造できる。
【発明の効果】
【００７７】
以上より、本発明は、画素間の感度のばらつきを抑制できる固体撮像装置及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する。
【００７９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の各単位画素において、トップレンズ及び層内レンズの焦点の位置は、フォトダイオードの受光面の実質的な中心に一致する。これにより、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、画素間の感度のばらつきを抑制できる。
【００８０】
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、ＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳイメージセンサ）である。また、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、４画素１セル構造を有する。
【００８１】
図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１００における単位セル１１０の構造を示す回路図である。
【００８２】
単位セル１１０は、４つの単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄと、リセットトランジスタ１２０と、垂直選択トランジスタ１２１と、増幅トランジスタ１２２とを備える。なお、４つの単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄを特に区別しない場合には単位画素１０１と記す。
【００８３】
図１に示す単位セル１１０は、４つの単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄに対して共通のＦＤ１１４を備える。また、リセットトランジスタ１２０、垂直選択トランジスタ１２１、及び増幅トランジスタ１２２は、４つの単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄで共有される。
【００８４】
単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄは、それぞれフォトダイオード１１１と、電荷転送ゲート１１２とを備える。
【００８５】
フォトダイオード１１１は、入射光を信号電荷（電子）に変換し、変換した信号電荷を蓄積する光電変換部である。
【００８６】
電荷転送ゲート１１２のゲート電極は、読み出し信号線１１３に接続される。電荷転送ゲート１１２は、読み出し信号線１１３に印加される読み出しパルスに基づいて、フォトダイオード１１１に蓄積された信号電荷をＦＤ部１１４に転送するトランジスタである。
【００８７】
ＦＤ部１１４は、４つの単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄの電荷転送ゲート１１２のドレインに接続される。また、ＦＤ部１１４は、増幅トランジスタ１２２のゲート電極に接続される。
【００８８】
増幅トランジスタ１２２は、ＦＤ部１１４の電位変化を電圧信号にインピーダンス変換し、変換した電圧信号を垂直信号線１３３に出力する。
【００８９】
垂直選択トランジスタ１２１のゲート電極は垂直選択線１３１に接続される。垂直選択トランジスタ１２１は、垂直選択線１３１に印加される垂直選択パルスに基づいてＯＮ又はＯＦＦすることにより、所定の期間だけ増幅トランジスタ１２２を駆動する。
【００９０】
リセットトランジスタ１２０のゲート電極は、垂直リセット線１３０に接続される。リセットトランジスタ１２０は、垂直リセット線１３０に印加される垂直リセットパルスに基づいて、ＦＤ部１１４の電位を電源線１３２の電位にリセットする。
【００９１】
また、図１には図示しないが、固体撮像装置１００は、図１３に示す固体撮像装置５００と同様に、垂直走査回路１４０と、水平走査回路１４１とを備える。また、固体撮像装置１００は、行列状に配置された複数の単位画素１０１（単位セル１１０）を備える。
【００９２】
垂直走査回路１４０及び水平走査回路１４１は、１サイクルの間に複数の単位画素１０１を１度ずつ走査する。
【００９３】
具体的には、垂直走査回路１４０は、１サイクルの間の一定期間、１つの垂直選択線１３１に垂直選択パルスを出力することにより、当該垂直選択線１３１に対応する行の単位セル１１０、つまり４個で一組の単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄを選択する。
【００９４】
この際、単位画素１０１Ａ〜１０１Ｄのフォトダイオード１１１に蓄積された信号電荷は、読み出し信号線１１３に印加される読み出しパルスに基づいて、順次、ＦＤ部１１４に転送される。ＦＤ部１１４に転送された信号電荷は増幅トランジスタ１２２によって電圧信号に変換され、変換された電圧信号が順次垂直信号線１３３に出力される。
【００９５】
水平走査回路１４１は、一定期間の間に各水平選択線１３４に水平選択パルスを順次出力することで水平選択トランジスタ１２３を選択する。
【００９６】
選択された水平選択トランジスタ１２３は、接続される垂直信号線１３３の出力信号を水平信号線１３５に出力する。
【００９７】
水平走査回路１４１により、１つの行の全単位画素１０１の走査が終了すると、垂直走査回路１４０は、次の行の垂直選択線１３１に垂直選択パルスを出力する。次に、上記と同様に、新しい行の各単位画素１０１が走査される。
【００９８】
以上の動作を繰り返して、１サイクルの間に全単位画素１０１が１度ずつ走査されることで、全単位画素１０１の出力信号が時系列的に水平信号線１３５に出力される。
【００９９】
このように、固体撮像装置１００は、４画素１セル構成を有することで、単位画素１０１当りのトランジスタ数を減らすことができる。これにより、固体撮像装置１００は、フォトダイオード１１１の受光面積を十分に確保できる。
【０１００】
図２は、固体撮像装置１００の撮像領域の平面図である。図３は、図２のＦ１−Ｆ２面における断面図である。
【０１０１】
なお、図２では、１つの単位セル１１０に含まれる４つの単位画素１０１のフォトダイオード１１１に、同じ記号（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、・・・ｘ）を付している。また、単位画素１０１の位置を示すために、左下に原点（０，０）をとり、縦方向の位置を示すｘ（行番号）と横方向の位置を示すｙ（列番号）との組（ｘ，ｙ）を用いるものとする。
【０１０２】
また、図２に示すダミートランジスタ１２５は、隣接する単位画素１０１間の光学特性を向上させるために併設しているゲート電極である。具体的には、垂直選択トランジスタ１２１、及び増幅トランジスタ１２２が配置されているトランジスタ配置領域と、リセットトランジスタ１２０、及びダミートランジスタ１２５が配置されているトランジスタ配置領域のゲート形状を同様、又はほぼ同様となるようにすることにより、画素間の感度差を小さくできる。このように、ゲート電極に入射した光の反射の影響を同等にすることで、画素間の感度差を小さくできる。なお、ダミートランジスタ１２５は、必ずしも必要ではない。
【０１０３】
図３に示すように、固体撮像装置１００は、半導体基板２０１と、絶縁層２０２と、配線２０３Ａ〜２０３Ｃと、遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂと、パッシベーション膜２０５と、層内レンズ２０６と、平坦化膜２０７と、カラーフィルタ２０８と、トップレンズ２１０と、低屈折率膜２１１とを備える。
【０１０４】
半導体基板２０１は、例えばシリコン基板である。
【０１０５】
絶縁層２０２は、半導体基板２０１の上に形成され、例えば酸化シリコンで形成される。
【０１０６】
配線２０３Ａ〜２０３Ｃは、例えば、アルミニウム、銅又はチタンで形成される。１層目の配線２０３Ａは、基板コンタクト（図示省略）、及び電荷転送ゲート１１２等に電位を印加するための大域的な配線である。２層目の配線２０３Ｂ及び３層目の配線２０３Ｃは、単位画素１０１間のトランジスタを接続するための局所的な配線、及び、垂直選択線１３１及び垂直信号線１３３などに用いられる大域的な配線である。
【０１０７】
配線２０３Ａ〜２０３Ｃは、フォトダイオード１１１の上方をできるだけ避けるようにレイアウトされる。これにより、フォトダイオード１１１の開口率を上げることができるので、フォトダイオード１１１に多くの光を導入できる。
【０１０８】
遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂは、それぞれ配線２０３Ａ及び配線２０３Ｂの上に形成され、トランジスタ等の回路部への光の入射を防止する。遮光膜２０４Ａ及び２０４Ｂは、ＳｉＮ膜（ｎ＝１．８〜２程度）、又はＳｉＯＮ膜（ｎ＝１．５５〜１．８程度）で形成される保護膜である。
【０１０９】
パッシベーション膜２０５は、絶縁層２０２の上に形成され、例えば、窒化シリコンで形成される保護膜である。
【０１１０】
層内レンズ２０６は、パッシベーション膜２０５の上に形成され、ＳｉＮ膜（ｎ＝１．８〜２程度）、又はＳｉＯＮ膜（ｎ＝１．５５〜１．８程度）などの高屈折材料で形成される。層内レンズ２０６は上凸レンズである。
【０１１１】
平坦化膜２０７は、層内レンズ２０６の上に形成され、例えば、酸化シリコンで形成される。
【０１１２】
カラーフィルタ２０８は、平坦化膜２０７の上に形成され、所定の周波数帯域の光のみを透過する。
【０１１３】
トップレンズ２１０は、カラーフィルタ２０８の上に形成されるオンチップレンズである。トップレンズ２１０は、アクリル系樹脂（ｎ＝１．５程度）、ＳｉＮ膜（ｎ＝１．８〜２程度）、ＳｉＯＮ膜（ｎ＝１．５５〜１．８程度）又はフッ化樹脂で形成される。
【０１１４】
低屈折率膜２１１は、トップレンズ２１０の上に形成される。低屈折率膜２１１の屈折率はトップレンズ２１０の屈折率より低い。例えば、低屈折率膜２１１の屈折率は１．２〜１．５程度であり、トップレンズ２１０の屈折率は１．５〜１．８程度である。例えば、低屈折率膜２１１は、アクリル樹脂、又はフッ化樹脂で形成される。
【０１１５】
トップレンズ２１０は、低屈折率膜２１１を透過した入射光３１０を集光する。次に、層内レンズ２０６は、トップレンズ２１０により集光され、カラーフィルタ２０８及び平坦化膜２０７を透過した入射光３１０を、フォトダイオード１１１に集光する。
【０１１６】
ここで、ＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサに比べて、配線層数が多い。これにより、ＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサに比べ、半導体基板２０１の表面と層内レンズ２０６との距離、及び、半導体基板２０１の表面とトップレンズ２１０との距離が大きい。
【０１１７】
このような場合、トップレンズ２１０及び層内レンズ２０６の曲率を小さくする必要がある。なぜなら、曲率が大きい場合、集光位置が半導体基板２０１の表面よりも高い位置になる。これにより、半導体基板２０１の表面では入射光の広がりが大きくなるので、フォトダイオード１１１へ十分に集光できないためである。
【０１１８】
通常、ＣＣＤイメージセンサの１．７５μｍのセルでは、層内レンズ２０６の高さは０．７μｍ程度であり、トップレンズ２１０の高さは０．５μｍ程度である。この高さをそのままＭＯＳイメージセンサに適用した場合、集光位置が半導体基板２０１の表面よりもはるかに高い位置となる。そのため、ＭＯＳイメージセンサでは、層内レンズ２０６の高さを０．３μｍ程度とし、トップレンズ２１０の高さを０．２μｍ程度とする。
【０１１９】
ここで、トップレンズ２１０は、後述する熱フロー法で形成される。熱フロー法では、トップレンズ２１０の高さを０．５μｍ以下にすることは極めて困難である。そこで、トップレンズ２１０の上に、トップレンズ２１０よりも屈折率が低い低屈折率膜２１１を塗布することにより、トップレンズ２１０の屈折率を実効的に小さくできる。
【０１２０】
なお、低屈折率膜２１１を形成しなくてもよいが、本発明に係る固体撮像装置１００の構造の場合は、低屈折率膜２１１を形成することが好ましい。
【０１２１】
また、フォトダイオード１１１のｎ型領域とＦＤ部１１４のｎ型領域とは、効率的な信号電荷の転送が行えるように、電荷転送ゲート１１２のチャネル領域を介して連結されるように設けられている。この場合、フォトダイオード１１１の中心は、単位画素１０１の中心３０１と同一であるが、フォトダイオード１１１上の一部分を覆うように電荷転送ゲート１１２が形成されることによって、フォトダイオード１１１の集光の重心３０２が単位画素１０１の中心３０１からずれる。
【０１２２】
この結果、各フォトダイオード１１１の重心３０２の配列は、ピッチが大きい区間（境界位置３２１を含む区間）とピッチが小さい区間（境界位置３２２を含む区間）とが交互に現れる配列になる。例えば、図３に示すように、単位画素１０１Ａと単位画素１０１Ｂとは、境界位置３２１において、互いにＦＤ部１１４を共有しているので、フォトダイオード１１１の重心３０２のピッチが大きい。一方、単位画素１０１Ｂと単位画素１０１Ｃとは、境界位置３２２において、ＦＤ部１１４を共有していないので、フォトダイオード１１１の重心３０２のピッチが小さい。
【０１２３】
図４は、単位画素１０１におけるフォトダイオード１１１の配置例を示す平面図である。
【０１２４】
図４に示すように、４画素１セル構成を用いた場合、単位画素１０１の中心３０１と、フォトダイオード１１１の重心３０２とは一致しない。ここで、フォトダイオード１１１の重心３０２とは、フォトダイオード１１１の受光面の実質的な中心、つまりフォトダイオード１１１の表面のうち電荷転送ゲート１１２により覆われない領域の重心である。
【０１２５】
つまり、４画素１セル構成を用いた場合、隣接する単位画素１０１において、それぞれ電荷転送ゲート１１２の配置が異なる。これにより、フォトダイオード１１１の重心３０２の位置もそれぞれ異なる。
【０１２６】
また、例えば、フォトダイオード１１１の中心と、単位画素１０１の中心３０１とは一致する。ここで、フォトダイオード１１１の中心とは、電荷転送ゲート１１２が形成されている領域を含むフォトダイオード１１１の中心である。
【０１２７】
図５Ａは、トップレンズ２１０の配置例を示す平面図である。
【０１２８】
図５Ａに示すように、トップレンズ２１０の重心３０３は、フォトダイオード１１１の重心３０２と一致する。ここで、トップレンズ２１０の重心３０３とは、トップレンズ２１０の光学的な重心、つまり、フォトダイオード１１１に対して垂直な光が、トップレンズ２１０により集光される中心位置（焦点の位置（光軸））である。例えば、図５Ａに示すように、複数の単位画素１０１において、トップレンズ２１０の配置位置（中心位置）は同一であり、トップレンズ２１０の形状（向き）を変更することで、トップレンズ２１０の重心３０３が調整される。
【０１２９】
具体的には、トップレンズ２１０の形状は、半導体基板２０１（フォトダイオード１１１）の表面に垂直、かつトップレンズ２１０の重心３０３を偏位する方向（以下、偏位方向）に垂直、かつ単位画素１０１の中心３０１を含む面に対して非対称である。また、トップレンズ２１０の形状は、半導体基板２０１の表面に垂直、かつ偏位方向に水平、かつ単位画素１０１の中心３０１を含む面に対して対称である。
【０１３０】
また、トップレンズ２１０が形成されない無効領域が偏位方向（単位画素１０１の中心３０１からトップレンズ２１０の重心３０３への方向）で小さく、偏位方向と反対の方向で大きくなる。つまり、単位画素１０１における偏位方向と逆側の端部の無効領域は、当該単位画素１０１における偏位方向の端部の無効領域より広い。
【０１３１】
なお、トップレンズ２１０の形状に加え、配置位置を変更してもよい。
【０１３２】
図５Ｂは、トップレンズ２１０の形状及び配置位置を変更した場合のトップレンズ２１０の配置例を示す平面図である。図５Ｂに示すようにトップレンズ２１０の中心３０５を偏位方向にずらしたうえで、トップレンズ２１０の形状を調整することにより、トップレンズ２１０の重心３０３をフォトダイオード１１１の重心３０２に一致させてもよい。
【０１３３】
なお、トップレンズ２１０の形状を同一としたうえで配置位置のみを調整してもよい。
【０１３４】
図６は、層内レンズ２０６の配置例を示す平面図である。
【０１３５】
図６に示すように、層内レンズ２０６の重心３０４は、フォトダイオード１１１の重心３０２と一致する。層内レンズ２０６の重心３０４とは、層内レンズ２０６の光学的な重心、つまり、フォトダイオード１１１に対して垂直な光が、層内レンズ２０６により集光される中心位置（焦点の位置（光軸））である。例えば、図６に示すように、複数の単位画素１０１において層内レンズ２０６の形状を同一とし、層内レンズ２０６の配置位置（中心位置）を変更することで、層内レンズ２０６の重心３０４が調整される。また、層内レンズ２０６の形状は、当該層内レンズ２０６の重心３０４に対して点対称である。なお、層内レンズ２０６の配置位置を同一としたうえで形状を変更してもよいし、形状及び配置位置を共に変更してもよい。
【０１３６】
また、単位画素（ｉ，ｊ）１０１Ａのフォトダイオード１１１と、単位画素（ｉ＋１，ｊ＋１）１０１Ｂのフォトダイオード１１１とは、ＦＤ部１１４を中心として点対称に配置される。同様に、ｉ番目の行の各フォトダイオード１１１は、それぞれ、（ｉ＋１）番目の行の、１つ右の列のフォトダイオードとＦＤ部１１４を中心として点対称に配置される。
【０１３７】
これに合わせて、層内レンズ２０６の重心３０４及びトップレンズ２１０の重心３０３を偏位させて配置する。具体的には、層内レンズ２０６の重心３０４及びトップレンズ２１０の重心３０３を、フォトダイオード１１１を偏位した方向と同方向にずらす。この場合、ｉ番目の行の単位画素１０１と、（ｉ＋１）番目の行の、１つ右の列のフォトダイオード１１１とでは、層内レンズ２０６の重心３０４及びトップレンズ２１０の重心３０３の偏位方向は、逆方向になる。
【０１３８】
すなわち、フォトダイオード１１１の重心３０２の間隔が狭まっている箇所では、トップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４の間隔も狭め、逆にフォトダイオード１１１の重心３０２の間隔が広がっている箇所では、トップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４の間隔も広げるように配置される。
【０１３９】
以上より、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、トップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４が、フォトダイオード１１１の重心３０２と一致するようにトップレンズ２１０及び層内レンズ２０６が配置される。これにより、光軸に平行にトップレンズ２１０に入射した入射光３１０は、トップレンズ２１０及び層内レンズ２０６により、フォトダイオード１１１の重心３０２に近い領域に集光される。よって、固体撮像装置１００は、効果的に入射光を集光できる。
【０１４０】
さらに、各単位画素１０１において、フォトダイオード１１１の重心３０２と、トップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４が一致するので、トップレンズ２１０及び層内レンズ２０６によって集光された光の一部が、半導体基板２０１の共有領域の上部の電荷転送ゲート１１２でケラレ（反射）又は吸収されることも少なくなる。よって、各単位画素１０１間での入射光量のばらつきを低減できる。これにより、固体撮像装置１００は、各単位画素１０１で感度がそろい、好ましい撮像特性が得られる。さらに、固体撮像装置１００は、光のケラレを最小限に抑えられることで、ケラレした光が隣接する単位画素１０１に漏れ入ることで生じる混色を減少できる。
【０１４１】
さらに、固体撮像装置１００は、トップレンズ２１０を非対称な形状とすることで、トップレンズ２１０の重心３０３を、偏位方向にずらす。ここで、トップレンズ２１０の形状を変化させず、配置位置のみを偏位方向にずらした場合、隣接する単位画素１０１間で偏位方向が異なるため、トップレンズ２１０を単位画素１０１の中心３０１に配置した場合に比べて、トップレンズ２１０の面積を縮小させる必要がある。一方、固体撮像装置１００では、非対称な形状のトップレンズ２１０を用いることで、配置位置をずらす必要がない（又は、ずらし量を低減できる）。よって、固体撮像装置１００は、トップレンズ２１０の重心３０３をずらすことによるトップレンズ２１０の面積の縮小を抑制できる。
【０１４２】
また、層内レンズ２０６及びトップレンズ２１０のみではなく、配線２０３Ａ〜２０３Ｃも、フォトダイオード１１１の重心３０２に合わせて偏位させて配置してもよい。これにより、配線２０３Ａ〜２０３Ｃにより生じるケラレを減少できる。
【０１４３】
なお、トップレンズ２１０の重心３０３とフォトダイオード１１１の重心３０２とは必ずしも一致しなくてもよく、層内レンズ２０６の重心３０４とフォトダイオード１１１の重心３０２とは必ずしも一致しなくてもよい。
【０１４４】
例えば、トップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４を、フォトダイオード１１１の中心（単位画素１０１の中心３０１）からフォトダイオード１１１の重心３０２に近づける側にずらせばよい。これにより、フォトダイオード１１１の入射光量を増加させ、かつ、単位画素１０１間の感度ばらつきを低減できる。
【０１４５】
言い換えると、層内レンズ２０６の重心３０４及びトップレンズ２１０の重心３０３は、フォトダイオード１１１の中心に対して、電荷転送ゲート１１２が配置される方向の逆方向にずれる。例えば、図４〜図６に示す例では、単位画素１０１の対角線方向における電荷転送ゲート１１２が形成される方向の逆方向（左上の単位画素１０１の左上方向）にトップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４をずらす。なお、フォトダイオード１１１の対角線方向における電荷転送ゲート１１２が形成される方向の逆方向にトップレンズ２１０の重心３０３及び層内レンズ２０６の重心３０４をずらしてもよい。
【０１４６】
ここで、電荷転送ゲート１１２のチャネル長方向（転送方向）における、フォトダイオード１１１と電荷転送ゲート１１２との重なり部分の長さをｄ１とすると、トップレンズ２１０のフォトダイオード１１１の中心（単位画素１０１の中心３０１）からのずらし量ｄ２、及び層内レンズ２０６のフォトダイオード１１１の中心からのずらし量ｄ３は、例えば、ｄ１／２となる。
【０１４７】
例えば、１辺の画素サイズが１．７５μｍである場合、ｄ１＝２００ｎｍ程度であるので、ｄ２＝ｄ３＝１００ｎｍとなる。ただし、ずらし量ｄ２とｄ３とは必ずしも同じである必要はない。例えば、２つのレンズで集光される場合の焦点位置が、フォトダイオード１１１の重心３０２と一致するように、トップレンズ２１０の重心３０３と層内レンズ２０６の重心３０４とのずらし量を異ならせてもよい。例えば、ずらし量ｄ２及びｄ３は、ｄ３＞ｄ１／２＞ｄ２、又は、ｄ２＞ｄ１／２＞ｄ３の関係を満たせばよい。
【０１４８】
次に、固体撮像装置１００の製造方法を説明する。
【０１４９】
なお、本発明の特徴部分である層内レンズ２０６及びトップレンズ２１０以外の製造方法は、従来と同様であり説明は省略する。
【０１５０】
図７Ａ〜図７Ｄは、層内レンズ２０６の製造方法を説明するための図である。
【０１５１】
まず、図７Ａに示すように、パッシベーション膜２０５の上に、窒化シリコン層４０１を形成する。次に、窒化シリコン層４０１の上に、レジスト４０２を形成する。
【０１５２】
次に、レジストリフローを行うことで、図７Ｂに示すように凸形状のレジスト４０３を形成する。
【０１５３】
次に、エッチバックを行うことで、図７Ｃに示すように凸形状の層内レンズ２０６を形成する。
【０１５４】
ここで、エッチバック後の層内レンズ２０６間の距離Ｍ２が小さいほど、層内レンズ２０６の面積が増加する。これにより、集光率が向上する。ただし、１辺が１．７５μｍの画素セルの場合、距離Ｍ２を７００ｎｍ以下で形成することは困難である。なぜなら、レジスト４０２は等方的にエッチングされるため、エッチバック後の層内レンズ２０６間の距離Ｍ２は、大きくなるからである。
【０１５５】
これに対して、図７Ｄに示すように、層内レンズ２０６のエッチバック後に、再度、層内レンズ２０６上に堆積膜２０６Ｂを堆積してもよい。これにより、層内レンズ２０６（層内レンズ２０６及び堆積膜２０６Ｂ）間の距離は、Ｍ２からＭ３に縮小するので、層内レンズ２０６の面積を増加できる。例えば、１辺が１．７５μｍの画素セルの場合、層内レンズ２０６間の距離Ｍ３は３００ｎｍ程度が好ましい。これ以上距離Ｍ３を増加させると、層内レンズ２０６端の曲率が層内レンズ２０６の中心付近に比べて低下する。これにより、層内レンズ２０６の集光率が低下する。
【０１５６】
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂは、トップレンズ２１０の製造方法を説明するための図である。
【０１５７】
図８Ａは、トップレンズ２１０の形成に用いるレジストパターンを示す平面図である。図９Ａは、図８ＡのＧ１−Ｇ２面における断面図である。図８Ｂは、当該製造方法により形成されたトップレンズ２１０の平面図である。図９Ｂは、図８ＢのＨ１−Ｈ２面における断面図である。
【０１５８】
トップレンズ２１０は、熱フロー法を用いて形成される。
【０１５９】
まず、カラーフィルタ２０８の上の平坦化膜上に、無機系又は有機系の透明材料から構成されるレンズ材料を形成する。次に、形成したレンズ材料の上にポジ型レジストを形成する。ここで、ポジ型レジストのマスクレイアウト４１２は、図８Ａのように、単位画素１０１の偏位方向と水平な対角線（単位画素１０１の中心３０１を含む偏位方向の線）を中心線とする線対称であり、かつ偏位方向と直行する対角線（単位画素１０１の中心３０１を含む偏位方向と直行する方向の線）を中心線として非対称な形状である。具体的には、マスクレイアウト４１２は、正方形の対角の１つを切り取った５角形の形状である。ここで、切り取られる正方形の角の１つは、偏位方向と逆方向に位置する角である。
【０１６０】
当該マスクレイアウト４１２を用いてパターニングを行うことで、図９Ａに示すフォトレジスト４１１が形成される。
【０１６１】
次に、フォトレジスト４１１を所要の温度でリフローすることで、フォトレジスト４１１の表面を凸状の湾曲状にする。この結果、図８Ｂ及び図９Ｂに示すように、凸状湾曲部を有する非対称なトップレンズ２１０が形成される。
【０１６２】
ここで、リフローの熱処理温度を高く設定しすぎると、レンズ材料が完全に溶融して、全方向に形状が一定な偏位の無い構造となるので、最適な熱処理温度（２００度程度）でリフローを行う必要がある。
【０１６３】
従来、このような非対称のレンズ形状を形成する場合、グレースケールマスクを用いることが提唱されている。グレースケールマスクには複数の単位パターンが２次元状に形成されている。当該単位パターンのそれぞれは、非対称な透過率分布を有するマスクである。しかしながら、グレースケールマスクの作製には、高度な技術が必要であり、かつ極めて高いコストがかかる。
【０１６４】
一方、本発明の実施の形態１に係る製造方法を用いることで、低コストで非対称な形状のレンズを形成できる。
【０１６５】
次に、上記製造方法で形成されたトップレンズ２１０の詳細な構成を説明する。
【０１６６】
レンズがトップレンズ２１０及び層内レンズ２０６の２層で構成される場合、トップレンズ２１０は画素への入射光を層内レンズ２０６に導き、層内レンズ２０６はフォトダイオード１１１に光を導く。
【０１６７】
この場合、トップレンズ２１０では、画素に入射する光を可能な限り高い割合で層内レンズ２０６に導くようにするため、隣接するトップレンズ２１０が接触するように形成する。
【０１６８】
図１０Ａは、トップレンズ２１０が隣接する単位画素間で接触しない場合の平面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＩ１−Ｉ２面の断面図である。図１０Ｃは、トップレンズ２１０が隣接する単位画素間で接触する場合の平面図である。図１０Ｄは、図１０ＣのＪ１−Ｊ２面の断面図である。
【０１６９】
図１０Ｃ及び図１０Ｄに示すように、トップレンズ２１０が接触する場合、特に単位画素１０１の境界付近で、レンズの曲率が小さくなる。そのため、対角方向（図１０Ａ及び図１０Ｃの斜め方向）に比べて、水平及び垂直方向（図１０Ａ及び図１０Ｃの縦及び横方向）ではトップレンズ２１０の曲率が小さくなる。
【０１７０】
一方で、トップレンズ２１０が接触する場合のレンズが形成されない領域の面積Ｂは、トップレンズ２１０が接触しない場合のレンズが形成されない領域の面積Ａに比べて小さくなる。つまり、トップレンズ２１０を接触させることで、トップレンズ２１０の面積を大きくできる。
【０１７１】
図１１は、トップレンズ２１０が形成されない領域の面積と、集光率との関係を示すグラフである。
【０１７２】
一般的に、トップレンズ２１０が形成されない領域の面積を小さくすると、所定の面積までは集光率は向上する。しかし、トップレンズ２１０が形成されない領域を所定の面積以下にすると、隣接するトップレンズ２１０が接触する。これにより、トップレンズ２１０が接触する部分で、トップレンズ２１０の曲率が低下する。これにより、トップレンズ２１０の集光率が低下する。
【０１７３】
一方、当該面積を小さくしすぎると、水平方向の焦点位置が基板上面に近づき、光が１層目の配線２０３Ａ及び２層目の配線２０３Ｂで反射されるようになり、集光率が低下する。つまり、トップレンズ２１０が形成されない領域の面積には最適な値がある。通常、１．７５μｍセルの場合には、当該面積の最適な値は０．０９μｍ2程度である。つまり、セル全体の面積に対して、トップレンズが形成されない領域が占める面積の割合は、３％〜５％程度が最適である。
【０１７４】
このように、トップレンズ２１０と層内レンズ２０６を形成することで、集光率を最大限に高めることができる。
【０１７５】
図１２は、トップレンズ２１０の平面図である。
【０１７６】
例えば、図１２に示すように、トップレンズ２１０は、２方向の境界４２０及び４２１では隣接する単位画素１０１のトップレンズ２１０と接触し、残る２方向の境界４２２及び４２３では隣接する単位画素１０１のトップレンズ２１０と接触しない。具体的には、トップレンズ２１０は、隣接する４つの単位画素１０１のトップレンズ２１０のうち、偏位方向に位置する２つの単位画素１０１のトップレンズ２１０と接触し、偏位方向と逆方向に位置する２つの単位画素１０１のトップレンズ２１０と接触しない。トップレンズ２１０をこのような構造にすることで集光率を最大にできる。
【０１７７】
以上、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１００について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【０１７８】
例えば、層内レンズ２０６は凹形状（下凸状）のレンズであってもよい。図１３は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の変形例の構成を示す断面図である。
【０１７９】
図１３に示すように、固体撮像装置１００は、凹形状の層内レンズ２０６Ａを備えてもよい。凹レンズを用いることで、凸レンズを用いる場合よりも、半導体基板２０１の表面と層内レンズ２０６Ａとの距離、及び半導体基板２０１の表面とトップレンズ２１０との距離を小さくできる。具体的には、半導体基板２０１の表面と層内レンズ２０６Ａとの距離を４μｍから３μｍに短縮でき、半導体基板２０１の表面とトップレンズ２１０との距離を５μｍから４μｍに短縮できる。これにより、入射光をフォトダイオード１１１に集光させやすくなる。
【０１８０】
また、上記説明では、固体撮像装置１００は、トップレンズ２１０と層内レンズ２０６との２つのレンズを用いる例を示したが、単一のレンズを用いてもよい。また、固体撮像装置１００は、３つ以上のレンズを用いてもよい。
【０１８１】
また、上記説明では、固体撮像装置１００は、４画素１セル構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、固体撮像装置１００は、２画素１セル構成、又は４画素１以上を１セルとする構成であってもよい。
【０１８２】
また、本発明をＣＣＤイメージセンサに適用してもよい。
【０１８３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１００の特徴に加え、画素アレイの周辺部への入射光量を増加できる固体撮像装置について説明する。
【０１８４】
図１４は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００を搭載した撮像装置（カメラ）の概略構成を示し、特にカメラレンズ４３０、画素アレイ４３１及び光線の入射角度の関係を示す図である。
【０１８５】
図１４に示すように、画素アレイ（撮像領域）４３１の中心部４３２では、入射光は半導体基板２０１に垂直（角度０°）で入射する。一方、画素アレイ４３１の周辺部４３３及び４３４では、斜め光（角度２５°程度）が入射する。
【０１８６】
近年、イメージセンサの微細化が進み、画素単位のアスペクト比（フォトダイオード１１１の開口面積と深さとの比）が増大したため、周辺部４３３及び４３４に入射する光の斜め成分が増大する。
【０１８７】
これに対して、本発明の実施の形態２では、画素アレイ４３１の中心部４３２から、入射光の斜め成分が増大する画素アレイ４３１の周辺部４３３及び４３４に向かうにつれ、トップレンズ２１０、層内レンズ２０６、及び配線２０３Ａ〜２０３Ｃの位置を、単位画素１０１の中心３０１に対して、画素アレイ４３１の中心部４３２側にずらした固体撮像装置１００について説明する。
【０１８８】
図１５Ａは、層内レンズ２０６の画素アレイ４３１における配置を示す平面図である。図１５Ｂは、トップレンズ２１０の画素アレイ４３１における配置を示す平面図である。
【０１８９】
図１５Ａ及び図１５Ｂに示す第１配置セル４４１は、単位画素１０１に含まれる下層の構成要素（フォトダイオード１１１及び電荷転送ゲート１１２等）に対する単位セルである。第２配置セル４４２は、単位画素１０１に含まれる上層の構成要素（トップレンズ２１０、層内レンズ２０６、及び配線２０３Ａ〜２０３Ｃ等）に対する単位セルである。
【０１９０】
つまり、複数の単位画素１０１のそれぞれにおいて、下層の構成要素は、第１配置セル４４１に基づき配置され、上層の構成要素は、第２配置セル４４２に基づき配置される。
【０１９１】
図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、第１配置セル４４１と、第２配置セル４４２とは、画素アレイ４３１の中心部では重なり、画素アレイ４３１の中心から周辺に向かうに従い、第２配置セル４４２の中心は、第１配置セル４４１の中心に対して画素アレイ４３１の中心側にずれる。つまり、層内レンズ２０６及びトップレンズ２１０は、周辺に近づくほど、画素アレイ４３１の中心側にずれる。
【０１９２】
図１６は、画素アレイ４３１の周辺部である図１５Ａ及び図１５ＢにおけるＬ１−Ｌ２面付近の断面図である。なお、画素アレイ４３１の中心部である図１５Ａ及び図１５ＢにおけるＫ１−Ｋ２面付近の断面図は図３と同様である。
【０１９３】
図１６に示すように、層内レンズ２０６及びトップレンズ２１０を画素アレイ４３１の中心側にずらすことで、斜め光をフォトダイオード１１１の重心へ入射させやすくなる。これにより、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置１００は、集光率を高めることができる。
【０１９４】
なお、実施の形態１で説明したように、本発明に係る固体撮像装置１００では、層内レンズ２０６の重心３０４及びトップレンズ２１０の重心３０３は、フォトダイオード１１１の重心３０２の方向に偏位して配置されている。つまり、複数の単位画素１０１において、フォトダイオード１１１の重心３０２は、当該単位画素１０１の第１配置セル４４１の中心から偏位方向にずれており、トップレンズ２１０は、重心３０３が当該単位画素１０１の第２配置セル４４２の中心から偏位方向にずれるように形成され、層内レンズ２０６は、重心３０４が当該単位画素１０１の第２配置セル４４２の中心から偏位方向にずれるように形成される。
【０１９５】
これにより、層内レンズ２０６及びトップレンズ２１０の配置も１行おきに画素アレイ４３１の中心方向に対するずらし量が大・小・大・小・・・・の順番で配置される。
【０１９６】
なお、上記説明では、画素アレイ４３１の中心部から周辺部に向かうにつれ、トップレンズ２１０の配置位置を、画素アレイ４３１の中心部４３２側にずらす例を説明したが、トップレンズ２１０の形状を調整することにより、トップレンズ２１０の重心３０３を画素アレイ４３１の中心部４３２側にずらしてもよい。さらに、トップレンズ２１０の形状及び配置位置を調整してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明は、固体撮像装置に適用でき、特に、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及びファクシミリ等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１９８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の単位セルの構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるフォトダイオードの配置例を示す平面図である。
【図５Ａ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズの配置例を示す平面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例におけるトップレンズの配置例を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置における層内レンズの配置例を示す図である。
【図７Ａ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置における層内レンズの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置における層内レンズの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置における層内レンズの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置における層内レンズの製造方法を説明するための図である。
【図８Ａ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズの形成に用いるレジストパターンを示す平面図である。
【図８Ｂ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズの平面図である。
【図９Ａ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｂ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズの製造方法を説明するための図である。
【図１０Ａ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズが接触しない場合の平面図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズが接触しない場合の断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズが接触する場合の平面図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズが接触する場合の断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズが形成されない領域の面積と、集光率との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置におけるトップレンズの平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の変形例の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示す図である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態２に係る層内レンズの画素アレイにおける配置を示す平面図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施の形態２に係るトップレンズの画素アレイにおける配置を示す平面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の画素アレイの周辺部における断面図である。
【図１７】従来の固体撮像装置の単位画素の構成を示す回路図である。
【図１８】従来の固体撮像装置における撮像領域の構成を示す断面図である。
【図１９】従来の固体撮像装置における単位画素の構成要素の接続関係を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１９９】
１００、５００  固体撮像装置
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ  単位画素
１１０、５１０  単位セル
１１１  フォトダイオード
１１２  電荷転送ゲート
１１３  読み出し信号線
１１４  ＦＤ部
１２０  リセットトランジスタ
１２１  垂直選択トランジスタ
１２２  増幅トランジスタ
１２３  水平選択トランジスタ
１２５  ダミートランジスタ
１３０  垂直リセット線
１３１  垂直選択線
１３２  電源線
１３３  垂直信号線
１３４  水平選択線
１３５  水平信号線
１４０  垂直走査回路
１４１  水平走査回路
２０１  半導体基板
２０２  絶縁層
２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ  配線
２０４Ａ、２０４Ｂ  遮光膜
２０５  パッシベーション膜
２０６、２０６Ａ  層内レンズ
２０６Ｂ  堆積膜
２０７  平坦化膜
２０８  カラーフィルタ
２１０  トップレンズ
２１１  低屈折率膜
３０１  単位画素の中心
３０２  フォトダイオードの重心
３０３  トップレンズの重心
３０４  層内レンズの重心
３０５  トップレンズの中心
３１０  入射光
３２１、３２２  境界位置
４０１  窒化シリコン層
４０２、４０３  レジスト
４１１  フォトレジスト
４１２  マスクレイアウト
４２０、４２１、４２２、４２３  境界
４３０  カメラレンズ
４３１  画素アレイ
４３２  中心部
４３３、４３４  周辺部
４４１  第１配置セル
４４２  第２配置セル
【図１】
2009302483.tif 000003
【図２】
2009302483.tif 000004
【図３】
2009302483.tif 000005
【図４】
2009302483.tif 000006
【図５Ａ】
2009302483.tif 000007
【図５Ｂ】
2009302483.tif 000008
【図６】
2009302483.tif 000009
【図７Ａ】
2009302483.tif 000010
【図７Ｂ】
2009302483.tif 000011
【図７Ｃ】
2009302483.tif 000012
【図７Ｄ】
2009302483.tif 000013
【図８Ａ】
2009302483.tif 000014
【図８Ｂ】
2009302483.tif 000015
【図９Ａ】
2009302483.tif 000016
【図９Ｂ】
2009302483.tif 000017
【図１０Ａ】
2009302483.tif 000018
【図１０Ｂ】
2009302483.tif 000019
【図１０Ｃ】
2009302483.tif 000020
【図１０Ｄ】
2009302483.tif 000021
【図１１】
2009302483.tif 000022
【図１２】
2009302483.tif 000023
【図１３】
2009302483.tif 000024
【図１４】
2009302483.tif 000025
【図１５Ａ】
2009302483.tif 000026
【図１５Ｂ】
2009302483.tif 000027
【図１６】
2009302483.tif 000028
【図１７】
2009302483.tif 000029
【図１８】
2009302483.tif 000030
【図１９】
2009302483.tif 000031