カラー裏面照射型撮像素子
【課題】撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することが可能なカラー裏面照射型撮像素子を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体層２１、２２にｎ型半導体層２３が積層されてなる光電変換部２９を含み、ｐ型半導体層２１、２２側に撮像面２０ａを有する裏面照射型撮像素子２０と、裏面照射型撮像素子２０の各画素に対応して配置される複数のカラーフィルタ４２、及び、複数のカラーフィルタ４２を透過した被写体光を各画素に集光する複数のマイクロレンズ４３が形成された透光性基板４１と、を備え、マイクロレンズ４３は凸曲面状の出射面を備えており、凸曲面状の出射面の頂点と撮像面２０ａとの間に、撮像面２０ａにおける凹凸の影響を受けずに画素間のクロストークを低減するための間隔が設けられている。
【解決手段】ｐ型半導体層２１、２２にｎ型半導体層２３が積層されてなる光電変換部２９を含み、ｐ型半導体層２１、２２側に撮像面２０ａを有する裏面照射型撮像素子２０と、裏面照射型撮像素子２０の各画素に対応して配置される複数のカラーフィルタ４２、及び、複数のカラーフィルタ４２を透過した被写体光を各画素に集光する複数のマイクロレンズ４３が形成された透光性基板４１と、を備え、マイクロレンズ４３は凸曲面状の出射面を備えており、凸曲面状の出射面の頂点と撮像面２０ａとの間に、撮像面２０ａにおける凹凸の影響を受けずに画素間のクロストークを低減するための間隔が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー裏面照射型撮像素子に係り、特に、超高速撮影装置に適用可能なカラー裏面照射型撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体技術の進展により、画素周辺記録型撮像素子のような機能的撮像素子が提案されている。図１１は、従来の表面照射型の機能的撮像素子において、画素が配置される領域（以下、画素エリアと記す）の一部を模式的に示す概念図である。画素エリア７１内には、複数の画素７２（図中には６個だけ示している）が配置されている。画素７２内には、光電変換部７３の他に、メモリ、ＡＤＣ回路などで構成される機能的回路７４が配置されており、この機能的回路７４が１画素の面積の大半（例えば、８０％以上）を占有している。
【０００３】
また、近年、１秒間に１００万フレームの画像を撮影可能な超高速撮影装置が提案されている。撮影速度が速くなるほどフレーム間隔は短くなり、１フレーム当たりの光量が少なくなるので、超高速撮影装置に適用される撮像素子には非常に高い感度が要求される。このため、被写体光を受光する撮像面の面積を大きくすることが重要となるが、上述の表面照射型の機能的撮像素子は開口率が低いという問題を有している。
【０００４】
そこで、機能的回路が形成されていない裏面から被写体光を受光する裏面照射型の撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたような裏面照射型撮像素子においては、機能的回路に妨害されることなく被写体光が光電変換部に到達するため、理論的な開口率を１００％にすることが可能であり、高感度化や撮影速度の高速化を図る上で有利である。
【０００５】
なお、特許文献１に開示された裏面照射型撮像素子は、裏面側の撮像面上に反射防止膜を介してカラーフィルタ及びマイクロレンズを設けた構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−７７４９８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に開示されたような裏面照射型撮像素子の撮像面には、エッチング残りや、エッチング不均一性による若干の突起が数ミクロンレベルで生じている場合がある。また、裏面照射型撮像素子をチップキャリアに実装する際に、バンプボンディングなどによって撮像面に隆起やうねりなどの凹凸が生じる可能性もある。さらに、このように撮像面の平坦性が低い場合には、撮像面上に形成されるカラーフィルタ及びマイクロレンズに損傷が生じやすいという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することが可能なカラー裏面照射型撮像素子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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のカラー裏面照射型撮像素子は、ｐ型半導体層にｎ型半導体層が積層されてなる光電変換部を含み、前記ｐ型半導体層側に撮像面を有する裏面照射型撮像素子と、前記裏面照射型撮像素子の各画素に対応して配置される複数のカラーフィルタ、及び、該複数のカラーフィルタを透過した被写体光を前記各画素に集光する複数のマイクロレンズが形成された透光性基板と、を備え、前記マイクロレンズは前記カラーフィルタを透過した被写体光を出射する凸曲面状の出射面を備えており、前記凸曲面状の出射面の頂点と前記裏面照射型撮像素子の前記撮像面との間に、前記撮像面における凹凸の影響を受けずに前記画素間のクロストークを低減するための間隔が設けられている構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明のカラー裏面照射型撮像素子は、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することができる。
【００１１】
また、本発明のカラー裏面照射型撮像素子は、前記撮像面の周辺領域に前記間隔を設けるためのスペーサを備える構成を有していても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、裏面照射型撮像素子と、カラーフィルタ及びマイクロレンズが形成された透光性基板と、を組み合わせることにより、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することが可能なカラー裏面照射型撮像素子を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の構成を示す断面模式図
【図２】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の要部の構成を示す断面模式図
【図３】カラーフィルタの構成例を示す上面図
【図４】カラーフィルタから撮像面までの間隔に対する集光率の変化を示したグラフ
【図５】チップキャリアへの実装後の裏面照射型撮像素子の表面状態を示す断面模式図
【図６】マイクロレンズを使用した場合と使用しない場合の光学シミュレーション結果を示す図
【図７】マイクロレンズの頂点から撮像面までの間隔に対する集光率の変化を示したグラフ
【図８】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の製造方法を示す工程図
【図９】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の製造方法を示す工程図
【図１０】カラーフィルタ基板の形状の一例を示す断面模式図
【図１１】従来の撮像装置の画素エリアの一部を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子１０の構成を示す断面模式図である。また、図２は、図１に示したカラー裏面照射型撮像素子１０の要部の構成を示す断面模式図である。
【００１６】
図１、図２に示すように、カラー裏面照射型撮像素子１０は、被写体光を受光して被写体を撮像する裏面照射型撮像素子２０と、被写体光を裏面照射型撮像素子２０の撮像面（裏面）２０ａに集光するカラーフィルタ基板４０と、カラーフィルタ基板４０と裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとの間に空隙を設けるためのスペーサ５０と、を備える。カラーフィルタ基板４０と被写体（不図示）との間には、撮影用レンズを含む前段光学系（不図示）が配置されている。なお、図１、図２において、裏面照射型撮像素子２０の裏面と表面とをそれぞれ符号２０ａ及び２０ｂを付して示している。
【００１７】
裏面照射型撮像素子２０は、ｐ＋半導体層２１と、ｐ−半導体層２２と、ｎ−半導体層２３と、ｎ＋半導体層からなる電荷集積領域としての信号集積部２４と、ｐウェル２５と、絶縁層２６と、集積ゲート電極２７と、転送ゲート電極２８と、を含む。ｐ−半導体層２２及びｎ−半導体層２３の積層体は、光電変換部としての受光部２９を構成する。ｐ−半導体層２２のｎ−半導体層２３に接する面と反対側の面は、裏面照射型撮像素子２０の撮像面（裏面）２０ａであり、光入射面となる。
【００１８】
ここで、図２に示すように、裏面照射型撮像素子２０の１つの画素は、１つのｐウェル２５と１つの信号集積部２４を含んでなる。図面が煩雑になるのを避けるために、図１には、６つのｐウェル２５と５つの信号集積部２４を示しているが、実際にはｐウェル２５と信号集積部２４の数は等しく、画素は平面視でマトリクス状に配列される。
【００１９】
信号集積部２４は、ｎ−半導体層２３の内部に、例えば、イオン注入を行うことにより形成される。信号集積部２４は、受光部２９内で生成された電荷（電子−正孔対）のうち、電子を蓄積するための半導体領域として機能する。
【００２０】
ｐウェル２５は、ｎ−半導体層２３の内部の信号集積部２４に隣接する領域に形成されている。ｐウェル２５の不純物濃度は、幅方向における端部よりも中央部の方が高くなるように設定される。このようにｐウェル２５の不純物濃度に幅方向の分布を形成することにより、ｎ−半導体層２３とｐウェル２５との界面近傍において、ｐウェル２５の中央部から端部（信号集積部２４に近い側）に向けて電子を誘導するための電場を生じさせることができる。
【００２１】
なお、ｐウェル２５の一部には、ＣＣＤメモリを含む機能的回路３０が形成される。ここで言う機能的回路３０とは、受光部２９で得られた画素毎の信号電荷の蓄積、転送、増幅、読み出し、Ａ／Ｄ変換、隣接画素間での演算などを行う機能を持った回路のことを指している。本実施形態では、機能的回路３０として蓄積機能を持った回路を例示している。
【００２２】
絶縁層２６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなり、ｐ−半導体層２２及びｎ−半導体層２３の積層体の被写体光が入射する側と反対側の面に形成される。
【００２３】
集積ゲート電極２７は、信号集積部２４に対向するように絶縁層２６の内部に形成される。信号集積部２４に電子を集積するときには、集積ゲート電極２７には所定の正の電圧が印加される。また、信号集積部２４に集積した電子をｐウェル２５内の機能的回路３０に転送する際には、集積ゲート電極２７には所定の負の電圧が印加される。
【００２４】
転送ゲート電極２８は、ｐウェル２５に対向するように絶縁層２６の内部に形成される。転送ゲート電極２８は、機能的回路３０に対応した複数の個別電極からなっており、各個別電極には独立に電圧が印加できるようになっている。
【００２５】
集積ゲート電極２７及び転送ゲート電極２８は、例えば、ポリシリコンによって構成される。なお、集積ゲート電極２７と転送ゲート電極２８は、互いに異なる材料によって構成されても良い。
【００２６】
絶縁層２６内には、集積ゲート電極２７及び転送ゲート電極２８に電圧を印加するために必要な金属配線（不図示）やその他の金属配線（不図示）が形成されている。
【００２７】
カラーフィルタ基板４０は、図１に示すように、透光性基板４１と、透光性基板４１の光出射面側に形成された複数のカラーフィルタ４２と、複数のカラーフィルタ４２の光出射面側に形成された透光性樹脂からなる複数のマイクロレンズ４３と、を含む。
【００２８】
透光性基板４１の材料としては、光学的平面に研磨できるものが好ましく、また、裏面照射型撮像素子２０の材質と近い線膨張係数を有するものが好ましい。例えば、裏面照射型撮像素子２０の材質がＳｉの場合、透光性基板４１の材料としては、ＫｚＦＳ４（線膨張係数：４９×１０-7）、Ｋ−ＺｎＳＦ８（線膨張係数：６０×１０-7）等が好ましい。
【００２９】
マイクロレンズ４３は、例えば、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂からなる。また、マイクロレンズ４３は、被写体光の入射側が平面、被写体光の出射側が凸曲面状となる形状を有しており、カラーフィルタ４２を透過した被写体光を対応する裏面照射型撮像素子２０の画素に集光するようになっている。
【００３０】
図３は、カラーフィルタ４２の構成例を示す上面図である。カラーフィルタ４２としては、裏面照射型撮像素子２０の各画素に対応して、Ｒ、Ｇ及びＢの各原色のフィルタが正方格子状に配置されたベイヤ配列のフィルタ（図３（ａ））、または、補色（グリーン、マゼンタ、イエロー、シアンの４色）が正方格子状に配置された色差順次配列のフィルタ（図３（ｂ））などを用いることができる。
【００３１】
また、スペーサ５０は、マイクロレンズ４３の凸曲面状の出射面の頂点と裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとの間に、所定間隔を設けてカラーフィルタ基板４０を保持するようになっている。スペーサ５０は、例えば紫外線硬化型または熱硬化型の樹脂によって、裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａ上の周辺領域において固定されるようになっている。
【００３２】
以下では、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子１０におけるマイクロレンズ４３と空隙の役割について説明する。図４は、カラー裏面照射型撮像素子１０からマイクロレンズ４３を除いた構成において、カラーフィルタ４２から撮像面２０ａまでの間隔Ｄをパラメータとして集光率の変化を示したグラフである。ここでの集光率とは、裏面照射型撮像素子２０の１つの画素に対応するｐ−半導体層２２の領域に入射した被写体光が、受光部２９内で光電変換され、同一の画素に対応する信号集積部２４で電子として蓄積される割合を表すものである。
【００３３】
図４から分かるように、集光率は間隔Ｄが増すほど線形に低下していき、集光しなかった光は画素間のクロストークに寄与することになる。このグラフによれば、カラーフィルタ４２から撮像面２０ａまでの間隔Ｄを０にすれば、集光率は確実に１００％となり、好適である。
【００３４】
しかしながら、裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａには、エッチング残りや、エッチング不均一性による若干の突起が数ミクロンレベルで生じている場合がある。また、裏面照射型撮像素子２０をチップキャリアに実装する際に、バンプボンディングなどによって撮像面２０ａに隆起やうねりなどの凹凸が生じる可能性もある。
【００３５】
図５は、チップキャリアに実装後の裏面照射型撮像素子２０の表面状態を示す断面模式図である。裏面照射型撮像素子２０は、その表面２０ｂが充填樹脂６２を介してチップキャリア６１と対向するように配置される。また、裏面照射型撮像素子２０内の金属配線（不図示）とチップキャリア６１の電極パッド（不図示）は、バンプ６３によるフリップチップボンディングや、ワイヤボンディング等の手法を用いて電気的に接続される。
【００３６】
図５に示した突起６４、隆起６５、及びうねりなどを避けるためには、裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとカラーフィルタ４２との間の間隔Ｄを零よりも大としなければならない。ここで、間隔Ｄは、撮像面２０ａとカラーフィルタ４２との厚さ方向の最大距離、言い換えれば、撮像面２０ａ内の突起６４、隆起６５、及びうねりが生じていない平坦面を基準としたカラーフィルタ４２までの距離であるとする。
【００３７】
また、撮像面２０ａに上記のような凹凸が生じている場合、主として樹脂で形成されたカラーフィルタ４２の損傷を防ぐためにも間隔Ｄの存在は重要である。間隔Ｄを零よりも大とする場合、既に図４に示したように集光率は低下し、その分画素間のクロストークが増えるが、これを避けるためにマイクロレンズ４３による集光効果を利用する。
【００３８】
通常、表面照射型撮像素子用のマイクロレンズは、開口率の低い撮像面に集光するために用いられ、優れた集光性能が要求される。一方、本実施形態における裏面照射型撮像素子２０の開口率は１００％であるため、本来ならばマイクロレンズ４３を用いて集光させる必要はない。
【００３９】
従って、本実施形態におけるマイクロレンズ４３の役割としては、画素間のクロストーク抑止性能が重要となる。このクロストーク抑止性能はマイクロレンズ４３の材料となる透光性樹脂の屈折率と、マイクロレンズ厚みｔと、主に濡れ性によって決まるマイクロレンズ端部の接触角に依存するマイクロレンズ形状によって決まり、この抑止性能によって撮像面２０ａとマイクロレンズ４３の頂点間に許容される間隔ｄの範囲が決定される。なお、間隔ｄは、撮像面２０ａとマイクロレンズ４３の頂点との厚さ方向の最大距離、言い換えれば、撮像面２０ａ内の突起６４、隆起６５、及びうねりが生じていない平坦面を基準としたマイクロレンズ４３の頂点までの距離であるとする。
【００４０】
図６は、カラーフィルタ基板４０がマイクロレンズ４３を備える場合と備えない場合の光学シミュレーション結果を示す図である。ここでは、レンズの材料である透光性樹脂の屈折率を１．６、マイクロレンズ厚みｔを２．２５μｍ、マイクロレンズ端部の接触角を５２．６°であるとしている。また、撮像面２０ａから間隔Ｄだけ上方に離れた位置に、カラーフィルタ４２を模した同形の正方形のアパーチャを想定し、そのアパーチャに前段光学系により集光された光が入射する場合をシミュレーションしている。より具体的には、被写体とカラーフィルタ基板４０との間に配置される撮影用レンズを含む前段光学系（不図示）のＦ値を１．４、カラーフィルタ４２と裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとの間隔Ｄを１０μｍ、１画素を１辺が４６．８μｍの正方形としている。
【００４１】
図６（ａ）は、カラーフィルタ基板４０がマイクロレンズ４３を備えていない場合の光学シミュレーション結果である。図６（ａ）の左図は２つの画素をクローズアップして示しており、各画素の端部でクロストークが生じている様子が分かる。図６（ａ）の右図は、Ｆ値が１．４の前段光学系から出射された光が１つのカラーフィルタ４２を通過し、撮像面２０ａに投影された像を示している。撮像面２０ａの１つの画素に集光した光の割合は９３．５２０％であり、該１つの画素に集光しなかった光、即ちクロストークに寄与する光の割合は６．４８％であった。
【００４２】
図６（ｂ）は、カラーフィルタ基板４０がマイクロレンズ４３を備えている場合の光学シミュレーション結果である。ここで、マイクロレンズ厚みｔは２．２５μｍ、間隔ｄは７．７５μｍである。図６（ｂ）の左図に示すように、図６（ａ）のシミュレーション結果と比較して画素端部でのクロストークが抑止されている様子が分かる。また、図６（ｂ）の右図は、Ｆ値が１．４の前段光学系から出射された光が１つのカラーフィルタ４２を通過し、撮像面２０ａに投影された像を示している。１つの画素に集光した光の割合は９６．７７％、クロストーク分は３．２３％となり、クロストーク分がマイクロレンズなしの状態と比較して約１／２に低下した。
【００４３】
このマイクロレンズ４３の集光率によってクロストークを抑止できる間隔ｄの範囲が決定される。図７は、マイクロレンズ４３の頂点と撮像面２０ａとの間隔ｄをパラメータとして集光率の変化を示したグラフである。間隔ｄが０〜１５μｍ程度であれば、集光率はほぼ一定であり、クロストークも良好に抑止されることが分かる。
【００４４】
つまり、撮像面２０ａからマイクロレンズ４３の頂点までの上記間隔ｄが１５μｍ以内であるとともに、撮像面２０ａ内の突起、隆起、及びうねりの高さが、撮像面２０ａの平坦面（最低面）から１５μｍ以内であれば、撮像面２０ａの凹凸の影響は吸収され、クロストークが好適に抑止される。
【００４５】
以下、カラー裏面照射型撮像素子１０の製造方法を図８、図９を参照しながら説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、ｐ＋型の半導体基板として、不純物濃度の高いシリコン基板２００（例えば、ボロンのドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上）を準備する。
【００４６】
次に、気相成長によるエピタキシャル成長法により、シリコン基板２００上にｐ−型のシリコン層（ｐ−半導体層２２）をエピタキシャル成長させる。さらに、ｐ−半導体層２２上に、リン等の不純物を含むシリコン層（ｎ−半導体層２３）をエピタキシャル成長させる。このようにして、シリコン基板２００上に気相成長法によるエピタキシャル成長されたｐ−半導体層２２、ｎ−半導体層２３を含む半導体ウェハを作製する。
【００４７】
次に、図８（ｂ）に示すように、ｎ−半導体層２３の一部の領域に、例えば、ヒ素をイオン注入することにより信号集積部２４を形成する。また、信号集積部２４に隣接する領域に、例えば、ボロンの熱拡散によりｐウェル２５（機能的回路３０を内部に含む）を形成する。さらに、信号集積部２４及びｐウェル２５が形成されたｎ−半導体層２３の上に、ＣＶＤ法によって絶縁層２６を形成するとともに、集積ゲート電極２７、転送ゲート電極２８、及び金属配線（不図示）を形成する。
【００４８】
次に、図８（ｃ）に示すように、シリコン基板２００を２５０μｍ程度まで機械的切削により薄片化する。
次に、図８（ｄ）に示すように、ダイシングにより半導体ウェハを個別のチップに分離した後に、チップの表面、端面、及び裏面側の周囲５００μｍ幅の範囲をワックス２０１で被覆する。
【００４９】
次に、図９（ｅ）に示すように、ワックス２０１をエッチングマスクとして用いて、エッチングレートが半導体ウェハの抵抗率に依存する性質を利用して、シリコン基板２００の薄片化を行う。この化学エッチングには、フッ酸、硝酸、酢酸を１：３：８で混合したエッチング液によるフッ硝酸選択エッチングと呼ばれる手法を用いる。
【００５０】
図９（ｅ）には、ｐ−半導体層２２の中央部の面が露出するまでエッチングを行った例を示しているが、ｐ−半導体層２２の中央部付近のシリコン基板２００（２１）を数μｍ程度残してエッチングを終了しても良い。エッチング終了後、ワックス２０１を除去して、画素エリアを裏面とする周囲５００μｍ幅のリムを持った額縁状の裏面照射型撮像素子２０を完成させる。
【００５１】
次に、カラーフィルタ基板４０の製造工程について説明する。図９（ｆ）に示すように、透光性基板４１上にカラーレジストを塗布して露光、現像によりパターニングしてカラーフィルタ４２を形成する。
【００５２】
次に、図９（ｇ）に示すように、カラーフィルタ４２上に、マイクロレンズ４３用の感光性・透光性樹脂を塗布し、露光、現像、高温リフローにより、マイクロレンズ４３を形成する。
【００５３】
次に、図９（ｈ）に示すように、裏面照射型撮像素子２０と、カラーフィルタ基板４０との位置合わせを行う。このとき、裏面照射型撮像素子２０とカラーフィルタ基板４０を向かい合わせた状態で保持する必要があるが、例えば、真空チャックつきの透光性基板で作製した保持冶具２０２などを使用してカラーフィルタ基板４０を保持するのが好適である。
【００５４】
そして、カラーフィルタ４２の透過特性に応じたＲ、ＧもしくはＢの単色の平行光源（不図示）から出射される平行光を保持冶具２０２側からカラーフィルタ基板４０を介して裏面照射型撮像素子２０に入射させる。平行光が裏面照射型撮像素子２０に入射している状態で裏面照射型撮像素子２０を駆動させ、その出力画像を参照しながらカラーフィルタ基板４０を微小移動させ、位置合わせを行うのが好適である。位置合わせには微小移動の可能な６軸駆動のステージを用いるのが好ましい。
【００５５】
位置合わせが終了した後、カラーフィルタ４２及びマイクロレンズ４３を損傷させないために、カラーフィルタ基板４０の画素エリアの外周にスペーサ５０を形成しておくことが好適である（図１参照）。このスペーサ５０の高さは、先に述べたマイクロレンズ４３の頂点と撮像面２０ａとの間隔ｄがクロストークを抑止できる高さとする。
【００５６】
なお、裏面照射型撮像素子２０のレイアウトにも依存するが、カラーフィルタ基板４０の画素エリアに対応する部位（カラーフィルタ４２とマイクロレンズ４３が形成されている部位）以外の周辺部分は極力少なくしなければならない場合がある。この場合、カラーフィルタ基板４０を画素エリアと同程度のサイズに加工することになるが、カラーフィルタ基板４０の厚みと前段光学系のＦ値の関係によって周囲にケラレが生じることがある。
【００５７】
図１０は、例えば、前段光学系がＦ値の低い縮小光学系である場合のカラーフィルタ基板４０の形状の一例を示す断面模式図である。図１０に示すように、カラーフィルタ基板４０を切削する際には、カラーフィルタ基板４０の厚みと前段光学系のＦ値に応じたマージンＭを設けることが好適である。
【００５８】
以上説明したように、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子は、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することができる。
【００５９】
なお、通常の撮像素子においては、個々のチップに分離される前に、フォトリソグラフィーの手法でカラーフィルタが撮像面上に形成される。一方、個々のチップに分離された後に裏面処理が施された裏面照射型撮像素子、あるいは、既にパッケージ化されているモノクロの裏面照射型撮像素子に直接カラーフィルタを形成することは難しい。しかしながら、本実施形態におけるカラーフィルタ基板を上記の撮像素子に適用することにより、通常のフォトリソグラフィーの工程ではカラーフィルタを形成できない撮像素子を単板カラー化することが可能となる。また、このようにして単板カラー化された撮像素子も本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子は、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することができるという効果を有し、超高速撮影装置に適用可能なカラー裏面照射型撮像素子等として有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ カラー裏面照射型撮像素子
２０ 裏面照射型撮像素子
２０ａ 裏面（撮像面）
２０ｂ 表面
２１ ｐ＋半導体層（ｐ型半導体層）
２２ ｐ−半導体層（ｐ型半導体層）
２３ ｎ−半導体層（ｎ型半導体層）
２４ 信号集積部
２５ ｐウェル
２６ 絶縁層
２７ 集積ゲート電極
２８ 転送ゲート電極
２９ 受光部（光電変換部）
３０ 機能的回路
４０ カラーフィルタ基板
４１ 透光性基板
４２ カラーフィルタ
４３ マイクロレンズ
５０ スペーサ
６１ チップキャリア
６２ 充填樹脂
６３ バンプ
６４ 突起
６５ 隆起
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー裏面照射型撮像素子に係り、特に、超高速撮影装置に適用可能なカラー裏面照射型撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体技術の進展により、画素周辺記録型撮像素子のような機能的撮像素子が提案されている。図１１は、従来の表面照射型の機能的撮像素子において、画素が配置される領域（以下、画素エリアと記す）の一部を模式的に示す概念図である。画素エリア７１内には、複数の画素７２（図中には６個だけ示している）が配置されている。画素７２内には、光電変換部７３の他に、メモリ、ＡＤＣ回路などで構成される機能的回路７４が配置されており、この機能的回路７４が１画素の面積の大半（例えば、８０％以上）を占有している。
【０００３】
また、近年、１秒間に１００万フレームの画像を撮影可能な超高速撮影装置が提案されている。撮影速度が速くなるほどフレーム間隔は短くなり、１フレーム当たりの光量が少なくなるので、超高速撮影装置に適用される撮像素子には非常に高い感度が要求される。このため、被写体光を受光する撮像面の面積を大きくすることが重要となるが、上述の表面照射型の機能的撮像素子は開口率が低いという問題を有している。
【０００４】
そこで、機能的回路が形成されていない裏面から被写体光を受光する裏面照射型の撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたような裏面照射型撮像素子においては、機能的回路に妨害されることなく被写体光が光電変換部に到達するため、理論的な開口率を１００％にすることが可能であり、高感度化や撮影速度の高速化を図る上で有利である。
【０００５】
なお、特許文献１に開示された裏面照射型撮像素子は、裏面側の撮像面上に反射防止膜を介してカラーフィルタ及びマイクロレンズを設けた構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−７７４９８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に開示されたような裏面照射型撮像素子の撮像面には、エッチング残りや、エッチング不均一性による若干の突起が数ミクロンレベルで生じている場合がある。また、裏面照射型撮像素子をチップキャリアに実装する際に、バンプボンディングなどによって撮像面に隆起やうねりなどの凹凸が生じる可能性もある。さらに、このように撮像面の平坦性が低い場合には、撮像面上に形成されるカラーフィルタ及びマイクロレンズに損傷が生じやすいという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することが可能なカラー裏面照射型撮像素子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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のカラー裏面照射型撮像素子は、ｐ型半導体層にｎ型半導体層が積層されてなる光電変換部を含み、前記ｐ型半導体層側に撮像面を有する裏面照射型撮像素子と、前記裏面照射型撮像素子の各画素に対応して配置される複数のカラーフィルタ、及び、該複数のカラーフィルタを透過した被写体光を前記各画素に集光する複数のマイクロレンズが形成された透光性基板と、を備え、前記マイクロレンズは前記カラーフィルタを透過した被写体光を出射する凸曲面状の出射面を備えており、前記凸曲面状の出射面の頂点と前記裏面照射型撮像素子の前記撮像面との間に、前記撮像面における凹凸の影響を受けずに前記画素間のクロストークを低減するための間隔が設けられている構成を有している。
【００１０】
この構成により、本発明のカラー裏面照射型撮像素子は、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することができる。
【００１１】
また、本発明のカラー裏面照射型撮像素子は、前記撮像面の周辺領域に前記間隔を設けるためのスペーサを備える構成を有していても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、裏面照射型撮像素子と、カラーフィルタ及びマイクロレンズが形成された透光性基板と、を組み合わせることにより、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することが可能なカラー裏面照射型撮像素子を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の構成を示す断面模式図
【図２】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の要部の構成を示す断面模式図
【図３】カラーフィルタの構成例を示す上面図
【図４】カラーフィルタから撮像面までの間隔に対する集光率の変化を示したグラフ
【図５】チップキャリアへの実装後の裏面照射型撮像素子の表面状態を示す断面模式図
【図６】マイクロレンズを使用した場合と使用しない場合の光学シミュレーション結果を示す図
【図７】マイクロレンズの頂点から撮像面までの間隔に対する集光率の変化を示したグラフ
【図８】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の製造方法を示す工程図
【図９】本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の製造方法を示す工程図
【図１０】カラーフィルタ基板の形状の一例を示す断面模式図
【図１１】従来の撮像装置の画素エリアの一部を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子１０の構成を示す断面模式図である。また、図２は、図１に示したカラー裏面照射型撮像素子１０の要部の構成を示す断面模式図である。
【００１６】
図１、図２に示すように、カラー裏面照射型撮像素子１０は、被写体光を受光して被写体を撮像する裏面照射型撮像素子２０と、被写体光を裏面照射型撮像素子２０の撮像面（裏面）２０ａに集光するカラーフィルタ基板４０と、カラーフィルタ基板４０と裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとの間に空隙を設けるためのスペーサ５０と、を備える。カラーフィルタ基板４０と被写体（不図示）との間には、撮影用レンズを含む前段光学系（不図示）が配置されている。なお、図１、図２において、裏面照射型撮像素子２０の裏面と表面とをそれぞれ符号２０ａ及び２０ｂを付して示している。
【００１７】
裏面照射型撮像素子２０は、ｐ＋半導体層２１と、ｐ−半導体層２２と、ｎ−半導体層２３と、ｎ＋半導体層からなる電荷集積領域としての信号集積部２４と、ｐウェル２５と、絶縁層２６と、集積ゲート電極２７と、転送ゲート電極２８と、を含む。ｐ−半導体層２２及びｎ−半導体層２３の積層体は、光電変換部としての受光部２９を構成する。ｐ−半導体層２２のｎ−半導体層２３に接する面と反対側の面は、裏面照射型撮像素子２０の撮像面（裏面）２０ａであり、光入射面となる。
【００１８】
ここで、図２に示すように、裏面照射型撮像素子２０の１つの画素は、１つのｐウェル２５と１つの信号集積部２４を含んでなる。図面が煩雑になるのを避けるために、図１には、６つのｐウェル２５と５つの信号集積部２４を示しているが、実際にはｐウェル２５と信号集積部２４の数は等しく、画素は平面視でマトリクス状に配列される。
【００１９】
信号集積部２４は、ｎ−半導体層２３の内部に、例えば、イオン注入を行うことにより形成される。信号集積部２４は、受光部２９内で生成された電荷（電子−正孔対）のうち、電子を蓄積するための半導体領域として機能する。
【００２０】
ｐウェル２５は、ｎ−半導体層２３の内部の信号集積部２４に隣接する領域に形成されている。ｐウェル２５の不純物濃度は、幅方向における端部よりも中央部の方が高くなるように設定される。このようにｐウェル２５の不純物濃度に幅方向の分布を形成することにより、ｎ−半導体層２３とｐウェル２５との界面近傍において、ｐウェル２５の中央部から端部（信号集積部２４に近い側）に向けて電子を誘導するための電場を生じさせることができる。
【００２１】
なお、ｐウェル２５の一部には、ＣＣＤメモリを含む機能的回路３０が形成される。ここで言う機能的回路３０とは、受光部２９で得られた画素毎の信号電荷の蓄積、転送、増幅、読み出し、Ａ／Ｄ変換、隣接画素間での演算などを行う機能を持った回路のことを指している。本実施形態では、機能的回路３０として蓄積機能を持った回路を例示している。
【００２２】
絶縁層２６は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなり、ｐ−半導体層２２及びｎ−半導体層２３の積層体の被写体光が入射する側と反対側の面に形成される。
【００２３】
集積ゲート電極２７は、信号集積部２４に対向するように絶縁層２６の内部に形成される。信号集積部２４に電子を集積するときには、集積ゲート電極２７には所定の正の電圧が印加される。また、信号集積部２４に集積した電子をｐウェル２５内の機能的回路３０に転送する際には、集積ゲート電極２７には所定の負の電圧が印加される。
【００２４】
転送ゲート電極２８は、ｐウェル２５に対向するように絶縁層２６の内部に形成される。転送ゲート電極２８は、機能的回路３０に対応した複数の個別電極からなっており、各個別電極には独立に電圧が印加できるようになっている。
【００２５】
集積ゲート電極２７及び転送ゲート電極２８は、例えば、ポリシリコンによって構成される。なお、集積ゲート電極２７と転送ゲート電極２８は、互いに異なる材料によって構成されても良い。
【００２６】
絶縁層２６内には、集積ゲート電極２７及び転送ゲート電極２８に電圧を印加するために必要な金属配線（不図示）やその他の金属配線（不図示）が形成されている。
【００２７】
カラーフィルタ基板４０は、図１に示すように、透光性基板４１と、透光性基板４１の光出射面側に形成された複数のカラーフィルタ４２と、複数のカラーフィルタ４２の光出射面側に形成された透光性樹脂からなる複数のマイクロレンズ４３と、を含む。
【００２８】
透光性基板４１の材料としては、光学的平面に研磨できるものが好ましく、また、裏面照射型撮像素子２０の材質と近い線膨張係数を有するものが好ましい。例えば、裏面照射型撮像素子２０の材質がＳｉの場合、透光性基板４１の材料としては、ＫｚＦＳ４（線膨張係数：４９×１０-7）、Ｋ−ＺｎＳＦ８（線膨張係数：６０×１０-7）等が好ましい。
【００２９】
マイクロレンズ４３は、例えば、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂からなる。また、マイクロレンズ４３は、被写体光の入射側が平面、被写体光の出射側が凸曲面状となる形状を有しており、カラーフィルタ４２を透過した被写体光を対応する裏面照射型撮像素子２０の画素に集光するようになっている。
【００３０】
図３は、カラーフィルタ４２の構成例を示す上面図である。カラーフィルタ４２としては、裏面照射型撮像素子２０の各画素に対応して、Ｒ、Ｇ及びＢの各原色のフィルタが正方格子状に配置されたベイヤ配列のフィルタ（図３（ａ））、または、補色（グリーン、マゼンタ、イエロー、シアンの４色）が正方格子状に配置された色差順次配列のフィルタ（図３（ｂ））などを用いることができる。
【００３１】
また、スペーサ５０は、マイクロレンズ４３の凸曲面状の出射面の頂点と裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとの間に、所定間隔を設けてカラーフィルタ基板４０を保持するようになっている。スペーサ５０は、例えば紫外線硬化型または熱硬化型の樹脂によって、裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａ上の周辺領域において固定されるようになっている。
【００３２】
以下では、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子１０におけるマイクロレンズ４３と空隙の役割について説明する。図４は、カラー裏面照射型撮像素子１０からマイクロレンズ４３を除いた構成において、カラーフィルタ４２から撮像面２０ａまでの間隔Ｄをパラメータとして集光率の変化を示したグラフである。ここでの集光率とは、裏面照射型撮像素子２０の１つの画素に対応するｐ−半導体層２２の領域に入射した被写体光が、受光部２９内で光電変換され、同一の画素に対応する信号集積部２４で電子として蓄積される割合を表すものである。
【００３３】
図４から分かるように、集光率は間隔Ｄが増すほど線形に低下していき、集光しなかった光は画素間のクロストークに寄与することになる。このグラフによれば、カラーフィルタ４２から撮像面２０ａまでの間隔Ｄを０にすれば、集光率は確実に１００％となり、好適である。
【００３４】
しかしながら、裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａには、エッチング残りや、エッチング不均一性による若干の突起が数ミクロンレベルで生じている場合がある。また、裏面照射型撮像素子２０をチップキャリアに実装する際に、バンプボンディングなどによって撮像面２０ａに隆起やうねりなどの凹凸が生じる可能性もある。
【００３５】
図５は、チップキャリアに実装後の裏面照射型撮像素子２０の表面状態を示す断面模式図である。裏面照射型撮像素子２０は、その表面２０ｂが充填樹脂６２を介してチップキャリア６１と対向するように配置される。また、裏面照射型撮像素子２０内の金属配線（不図示）とチップキャリア６１の電極パッド（不図示）は、バンプ６３によるフリップチップボンディングや、ワイヤボンディング等の手法を用いて電気的に接続される。
【００３６】
図５に示した突起６４、隆起６５、及びうねりなどを避けるためには、裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとカラーフィルタ４２との間の間隔Ｄを零よりも大としなければならない。ここで、間隔Ｄは、撮像面２０ａとカラーフィルタ４２との厚さ方向の最大距離、言い換えれば、撮像面２０ａ内の突起６４、隆起６５、及びうねりが生じていない平坦面を基準としたカラーフィルタ４２までの距離であるとする。
【００３７】
また、撮像面２０ａに上記のような凹凸が生じている場合、主として樹脂で形成されたカラーフィルタ４２の損傷を防ぐためにも間隔Ｄの存在は重要である。間隔Ｄを零よりも大とする場合、既に図４に示したように集光率は低下し、その分画素間のクロストークが増えるが、これを避けるためにマイクロレンズ４３による集光効果を利用する。
【００３８】
通常、表面照射型撮像素子用のマイクロレンズは、開口率の低い撮像面に集光するために用いられ、優れた集光性能が要求される。一方、本実施形態における裏面照射型撮像素子２０の開口率は１００％であるため、本来ならばマイクロレンズ４３を用いて集光させる必要はない。
【００３９】
従って、本実施形態におけるマイクロレンズ４３の役割としては、画素間のクロストーク抑止性能が重要となる。このクロストーク抑止性能はマイクロレンズ４３の材料となる透光性樹脂の屈折率と、マイクロレンズ厚みｔと、主に濡れ性によって決まるマイクロレンズ端部の接触角に依存するマイクロレンズ形状によって決まり、この抑止性能によって撮像面２０ａとマイクロレンズ４３の頂点間に許容される間隔ｄの範囲が決定される。なお、間隔ｄは、撮像面２０ａとマイクロレンズ４３の頂点との厚さ方向の最大距離、言い換えれば、撮像面２０ａ内の突起６４、隆起６５、及びうねりが生じていない平坦面を基準としたマイクロレンズ４３の頂点までの距離であるとする。
【００４０】
図６は、カラーフィルタ基板４０がマイクロレンズ４３を備える場合と備えない場合の光学シミュレーション結果を示す図である。ここでは、レンズの材料である透光性樹脂の屈折率を１．６、マイクロレンズ厚みｔを２．２５μｍ、マイクロレンズ端部の接触角を５２．６°であるとしている。また、撮像面２０ａから間隔Ｄだけ上方に離れた位置に、カラーフィルタ４２を模した同形の正方形のアパーチャを想定し、そのアパーチャに前段光学系により集光された光が入射する場合をシミュレーションしている。より具体的には、被写体とカラーフィルタ基板４０との間に配置される撮影用レンズを含む前段光学系（不図示）のＦ値を１．４、カラーフィルタ４２と裏面照射型撮像素子２０の撮像面２０ａとの間隔Ｄを１０μｍ、１画素を１辺が４６．８μｍの正方形としている。
【００４１】
図６（ａ）は、カラーフィルタ基板４０がマイクロレンズ４３を備えていない場合の光学シミュレーション結果である。図６（ａ）の左図は２つの画素をクローズアップして示しており、各画素の端部でクロストークが生じている様子が分かる。図６（ａ）の右図は、Ｆ値が１．４の前段光学系から出射された光が１つのカラーフィルタ４２を通過し、撮像面２０ａに投影された像を示している。撮像面２０ａの１つの画素に集光した光の割合は９３．５２０％であり、該１つの画素に集光しなかった光、即ちクロストークに寄与する光の割合は６．４８％であった。
【００４２】
図６（ｂ）は、カラーフィルタ基板４０がマイクロレンズ４３を備えている場合の光学シミュレーション結果である。ここで、マイクロレンズ厚みｔは２．２５μｍ、間隔ｄは７．７５μｍである。図６（ｂ）の左図に示すように、図６（ａ）のシミュレーション結果と比較して画素端部でのクロストークが抑止されている様子が分かる。また、図６（ｂ）の右図は、Ｆ値が１．４の前段光学系から出射された光が１つのカラーフィルタ４２を通過し、撮像面２０ａに投影された像を示している。１つの画素に集光した光の割合は９６．７７％、クロストーク分は３．２３％となり、クロストーク分がマイクロレンズなしの状態と比較して約１／２に低下した。
【００４３】
このマイクロレンズ４３の集光率によってクロストークを抑止できる間隔ｄの範囲が決定される。図７は、マイクロレンズ４３の頂点と撮像面２０ａとの間隔ｄをパラメータとして集光率の変化を示したグラフである。間隔ｄが０〜１５μｍ程度であれば、集光率はほぼ一定であり、クロストークも良好に抑止されることが分かる。
【００４４】
つまり、撮像面２０ａからマイクロレンズ４３の頂点までの上記間隔ｄが１５μｍ以内であるとともに、撮像面２０ａ内の突起、隆起、及びうねりの高さが、撮像面２０ａの平坦面（最低面）から１５μｍ以内であれば、撮像面２０ａの凹凸の影響は吸収され、クロストークが好適に抑止される。
【００４５】
以下、カラー裏面照射型撮像素子１０の製造方法を図８、図９を参照しながら説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、ｐ＋型の半導体基板として、不純物濃度の高いシリコン基板２００（例えば、ボロンのドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上）を準備する。
【００４６】
次に、気相成長によるエピタキシャル成長法により、シリコン基板２００上にｐ−型のシリコン層（ｐ−半導体層２２）をエピタキシャル成長させる。さらに、ｐ−半導体層２２上に、リン等の不純物を含むシリコン層（ｎ−半導体層２３）をエピタキシャル成長させる。このようにして、シリコン基板２００上に気相成長法によるエピタキシャル成長されたｐ−半導体層２２、ｎ−半導体層２３を含む半導体ウェハを作製する。
【００４７】
次に、図８（ｂ）に示すように、ｎ−半導体層２３の一部の領域に、例えば、ヒ素をイオン注入することにより信号集積部２４を形成する。また、信号集積部２４に隣接する領域に、例えば、ボロンの熱拡散によりｐウェル２５（機能的回路３０を内部に含む）を形成する。さらに、信号集積部２４及びｐウェル２５が形成されたｎ−半導体層２３の上に、ＣＶＤ法によって絶縁層２６を形成するとともに、集積ゲート電極２７、転送ゲート電極２８、及び金属配線（不図示）を形成する。
【００４８】
次に、図８（ｃ）に示すように、シリコン基板２００を２５０μｍ程度まで機械的切削により薄片化する。
次に、図８（ｄ）に示すように、ダイシングにより半導体ウェハを個別のチップに分離した後に、チップの表面、端面、及び裏面側の周囲５００μｍ幅の範囲をワックス２０１で被覆する。
【００４９】
次に、図９（ｅ）に示すように、ワックス２０１をエッチングマスクとして用いて、エッチングレートが半導体ウェハの抵抗率に依存する性質を利用して、シリコン基板２００の薄片化を行う。この化学エッチングには、フッ酸、硝酸、酢酸を１：３：８で混合したエッチング液によるフッ硝酸選択エッチングと呼ばれる手法を用いる。
【００５０】
図９（ｅ）には、ｐ−半導体層２２の中央部の面が露出するまでエッチングを行った例を示しているが、ｐ−半導体層２２の中央部付近のシリコン基板２００（２１）を数μｍ程度残してエッチングを終了しても良い。エッチング終了後、ワックス２０１を除去して、画素エリアを裏面とする周囲５００μｍ幅のリムを持った額縁状の裏面照射型撮像素子２０を完成させる。
【００５１】
次に、カラーフィルタ基板４０の製造工程について説明する。図９（ｆ）に示すように、透光性基板４１上にカラーレジストを塗布して露光、現像によりパターニングしてカラーフィルタ４２を形成する。
【００５２】
次に、図９（ｇ）に示すように、カラーフィルタ４２上に、マイクロレンズ４３用の感光性・透光性樹脂を塗布し、露光、現像、高温リフローにより、マイクロレンズ４３を形成する。
【００５３】
次に、図９（ｈ）に示すように、裏面照射型撮像素子２０と、カラーフィルタ基板４０との位置合わせを行う。このとき、裏面照射型撮像素子２０とカラーフィルタ基板４０を向かい合わせた状態で保持する必要があるが、例えば、真空チャックつきの透光性基板で作製した保持冶具２０２などを使用してカラーフィルタ基板４０を保持するのが好適である。
【００５４】
そして、カラーフィルタ４２の透過特性に応じたＲ、ＧもしくはＢの単色の平行光源（不図示）から出射される平行光を保持冶具２０２側からカラーフィルタ基板４０を介して裏面照射型撮像素子２０に入射させる。平行光が裏面照射型撮像素子２０に入射している状態で裏面照射型撮像素子２０を駆動させ、その出力画像を参照しながらカラーフィルタ基板４０を微小移動させ、位置合わせを行うのが好適である。位置合わせには微小移動の可能な６軸駆動のステージを用いるのが好ましい。
【００５５】
位置合わせが終了した後、カラーフィルタ４２及びマイクロレンズ４３を損傷させないために、カラーフィルタ基板４０の画素エリアの外周にスペーサ５０を形成しておくことが好適である（図１参照）。このスペーサ５０の高さは、先に述べたマイクロレンズ４３の頂点と撮像面２０ａとの間隔ｄがクロストークを抑止できる高さとする。
【００５６】
なお、裏面照射型撮像素子２０のレイアウトにも依存するが、カラーフィルタ基板４０の画素エリアに対応する部位（カラーフィルタ４２とマイクロレンズ４３が形成されている部位）以外の周辺部分は極力少なくしなければならない場合がある。この場合、カラーフィルタ基板４０を画素エリアと同程度のサイズに加工することになるが、カラーフィルタ基板４０の厚みと前段光学系のＦ値の関係によって周囲にケラレが生じることがある。
【００５７】
図１０は、例えば、前段光学系がＦ値の低い縮小光学系である場合のカラーフィルタ基板４０の形状の一例を示す断面模式図である。図１０に示すように、カラーフィルタ基板４０を切削する際には、カラーフィルタ基板４０の厚みと前段光学系のＦ値に応じたマージンＭを設けることが好適である。
【００５８】
以上説明したように、本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子は、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することができる。
【００５９】
なお、通常の撮像素子においては、個々のチップに分離される前に、フォトリソグラフィーの手法でカラーフィルタが撮像面上に形成される。一方、個々のチップに分離された後に裏面処理が施された裏面照射型撮像素子、あるいは、既にパッケージ化されているモノクロの裏面照射型撮像素子に直接カラーフィルタを形成することは難しい。しかしながら、本実施形態におけるカラーフィルタ基板を上記の撮像素子に適用することにより、通常のフォトリソグラフィーの工程ではカラーフィルタを形成できない撮像素子を単板カラー化することが可能となる。また、このようにして単板カラー化された撮像素子も本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るカラー裏面照射型撮像素子は、撮像面に凹凸が存在する場合であっても、カラーフィルタ及びマイクロレンズの損傷を避けるとともに、画素間のクロストークを低減することができるという効果を有し、超高速撮影装置に適用可能なカラー裏面照射型撮像素子等として有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ カラー裏面照射型撮像素子
２０ 裏面照射型撮像素子
２０ａ 裏面（撮像面）
２０ｂ 表面
２１ ｐ＋半導体層（ｐ型半導体層）
２２ ｐ−半導体層（ｐ型半導体層）
２３ ｎ−半導体層（ｎ型半導体層）
２４ 信号集積部
２５ ｐウェル
２６ 絶縁層
２７ 集積ゲート電極
２８ 転送ゲート電極
２９ 受光部（光電変換部）
３０ 機能的回路
４０ カラーフィルタ基板
４１ 透光性基板
４２ カラーフィルタ
４３ マイクロレンズ
５０ スペーサ
６１ チップキャリア
６２ 充填樹脂
６３ バンプ
６４ 突起
６５ 隆起
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体層にｎ型半導体層が積層されてなる光電変換部を含み、前記ｐ型半導体層側に撮像面を有する裏面照射型撮像素子と、
前記裏面照射型撮像素子の各画素に対応して配置される複数のカラーフィルタ、及び、該複数のカラーフィルタを透過した被写体光を前記各画素に集光する複数のマイクロレンズが形成された透光性基板と、を備え、
前記マイクロレンズは前記カラーフィルタを透過した被写体光を出射する凸曲面状の出射面を備えており、前記凸曲面状の出射面の頂点と前記裏面照射型撮像素子の前記撮像面との間に、前記撮像面における凹凸の影響を受けずに前記画素間のクロストークを低減するための間隔が設けられていることを特徴とするカラー裏面照射型撮像素子。
【請求項２】
前記撮像面の周辺領域に前記間隔を設けるためのスペーサを備える請求項１に記載のカラー裏面照射型撮像素子。
【請求項１】
ｐ型半導体層にｎ型半導体層が積層されてなる光電変換部を含み、前記ｐ型半導体層側に撮像面を有する裏面照射型撮像素子と、
前記裏面照射型撮像素子の各画素に対応して配置される複数のカラーフィルタ、及び、該複数のカラーフィルタを透過した被写体光を前記各画素に集光する複数のマイクロレンズが形成された透光性基板と、を備え、
前記マイクロレンズは前記カラーフィルタを透過した被写体光を出射する凸曲面状の出射面を備えており、前記凸曲面状の出射面の頂点と前記裏面照射型撮像素子の前記撮像面との間に、前記撮像面における凹凸の影響を受けずに前記画素間のクロストークを低減するための間隔が設けられていることを特徴とするカラー裏面照射型撮像素子。
【請求項２】
前記撮像面の周辺領域に前記間隔を設けるためのスペーサを備える請求項１に記載のカラー裏面照射型撮像素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４７２４（Ｐ２０１３−４７２４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４１５１（Ｐ２０１１−１３４１５１）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【出願人】（５９１０５３９２６）財団法人エヌエイチケイエンジニアリングサービス (169)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【出願人】（５９１０５３９２６）財団法人エヌエイチケイエンジニアリングサービス (169)
【Ｆターム（参考）】
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