固体撮像装置およびその製造方法

【課題】カメラ一体型ビデオ等に搭載される固体撮像装置において、斜め方向から入射した光の一部が光電変換素子に入射せず、光利用効率の低下を招き、また迷光となって他の光電変換素子へ入射し、固体撮像装置の解像度を低下させるという課題を解決し、光の入射角度に影響されず、均一で高い集光率を得ることができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】シリコン基板１１の表面に設けられた光電変換素子１２の上面に第１の平坦化膜１６と、カラーフィルタ層１７と、第２の平坦化膜１８と、凸状レンズまたはレンチキュラレンズのマイクロレンズ１９とが順次形成されており、その光学ブロック２１の周囲に溝２０が設けられている。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は基板上にマトリックス状に配置された複数の光電変換素子を備えた固体撮像装置に関し、特に光電変換素子の上面に集光手段を形成することにより光電変換素子に有効的に光を入射させることができる固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、カメラ一体型ビデオに代表されるように固体撮像装置を内蔵するカメラが民生分野をはじめ、監視用、放送用、医療用またはテレビ会議、テレビ電話等のマルチメディアの分野においても広く採用されてきており、その忠実な色彩の再現性や微細なディテールの表現など高画質に関する要求からカメラの小型化、高性能化が強く要望されている。このことから固体撮像装置に対してチップサイズの小型化、画素数の増大およびＳ／Ｎの向上が要求されるようになってきた。特にＳ／Ｎに対しては光電変換素子の感度を向上させることと並行して光電変換素子への入射光を増大させるために光電変換素子上に直接集光用の光学レンズを形成することが行われている。
【０００３】図８、図９は従来の固体撮像装置の、特に撮像中心に対しての周辺部の構成を拡大して示したものである。図において１はシリコン基板であり、その上面に光電変換素子２が形成されている。光電変換素子２が隣り合う間隙にはポリシリコン電極３が絶縁層４を介して形成されており、さらにその上面には同じく絶縁層４を介して遮光膜５が形成されている。また光電変換素子２およびポリシリコン電極３の領域は表面が凹凸状となっており、その表面を平滑化するため第１の平坦化膜６が塗布されている。つぎにその第１の平坦化膜６の上面にカラーフィルタ７および第２の平坦化膜８が形成され、さらにその上面にマイクロレンズ９が設けられており、入射光ａ，ｂ，ｃ等を光電変換素子２へ集光する構成となっている。
【０００４】図８は固体撮像装置の周辺部を示しているために、入射光ａ，ｂ，ｃは図に示すように斜め方向から入射しており、したがってマイクロレンズ９により屈折された光ａｒは遮光膜５部分で反射し、辛うじて光電変換素子２へ入射しているが、同じく遮光膜５部分で反射した光ｂｒおよび光ｃｒは光電変換素子２には入射せず、外部へ向けて反射すると同時にカラーフィルタ７の界面や第２の平坦化膜８の界面等で複雑に反射されて他の光電変換素子へ迷光となって入射し、隣接画素間で混色を起こす原因となっている。このような課題を解決するために従来は下記のような手段を用いて固体撮像装置の周辺部における入射効率の改善を図ってきた。
（１）マイクロレンズのピッチを中央部から周辺部にかけて段階的に変化させることによって光電変換素子とマイクロレンズとの中心軸をずらす。
（２）固体撮像装置の中央部から周辺部にかけてそれぞれの光電変換素子に対応するマイクロレンズの曲率を段階的に変化させる。
（３）マイクロレンズと光電変換素子との距離を小さくする。
【０００５】図９は上記の課題を解決するために考えられた一つの構成を示すものであり、マイクロレンズのピッチを段階的に変化させて固体撮像装置の周辺部にある光電変換素子２の上面に位置するマイクロレンズ９の中心軸ＲＣを光電変換素子２の中心軸ＰＣよりずらすことにより、斜め方向よりの入射光ａ，ｂ，ｃがマイクロレンズ９により屈折された光ａｒ，ｂｒ，ｃｒを効率よく光電変換素子上に集光するように構成したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のようなマイクロレンズの位置をずらす方法は煩雑なマイクロレンズ・パラメータ最適化設計が必要となり、コスト上昇の原因となり、また、カメラレンズの全ての使用条件下（Ｆ値、射出瞳位置）に最適な解は原理的に不可能である。入射光の複雑な反射によって生じた迷光に起因する隣接画素間の混色を完全に解決するには至っていない。
【０００７】本発明は上記課題を解決するものであり、光の入射角度に影響されず、均一で高い集光率を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成するために、基板主面上にマトリックス状に配置した複数の光電変換素子の上に形成された平坦化膜の上方に位置する集光手段の少なくとも対向する２辺の列に平行に、その集光手段の隣接領域内に溝を形成することにより、１画素列ごとに、または１画素ごとに集光手段であるマイクロレンズを含む光学ブロックを構成し、マイクロレンズに入射した光をその光学ブロック内で多重反射させて光の利用効率を高めるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明は、半導体基板主面にマトリックス状に複数の光電変換素子が配置され、その半導体基板上に光電変換素子に対応して樹脂膜を介して集光手段が形成された固体撮像装置であって、集光手段の少なくとも対向する２辺の列の隣接領域内に溝が形成されている構成をとることにより、溝を構成する２面または４面の壁面においてマイクロレンズにより屈折入射された光を反射させ、入射光を無駄なく光電変換素子に取り込み光の利用効率を高めることができる。
【００１０】本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、集光手段をレンチキュラレンズとしたものであり、比較的簡単な製造工程により請求項１に記載の実施の形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【００１１】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、集光手段を凸状の光学レンズとしたものであり、光電変換素子の上面に位置する光学ブロックの４面が反射面を形成しているために入射光の極めて高い利用効率を得ることができる。
【００１２】本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１記載の固体撮像装置において、溝を構成する壁面に金属薄膜を形成したものであり、集光手段を透過した光が金属薄膜によって鏡面化した溝の壁面で全反射するため、光の利用効率を大きく向上することができる。
【００１３】本発明の請求項５に記載の発明は、光電変換素子がマトリックス状に配置形成された基板の主面上に平坦化膜を形成する工程と、平坦化膜の上面に透明樹脂層を形成する工程と、透明樹脂層の上面に感光性樹脂層を形成したのち、感光性樹脂層を選択的に露光して光電変換素子に対応する領域に溝状のパターンを形成する工程と、感光性樹脂層をマスクとして透明樹脂層、平坦化膜をエッチングにより深さ方向に選択的に除去して溝を形成する工程と、透明樹脂層を加熱して軟化させ、表面を凸状に成形した集光手段を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法であり、固体撮像装置の全域に亘って均一でかつノイズの少ない画像が得られる固体撮像装置を提供することができる。
【００１４】本発明の請求項６に記載の発明は、光電変換素子がマトリックス状に配置形成された基板の主面上に平坦化膜を形成する工程と、平坦化膜の上面に透明樹脂層を形成する工程と、透明樹脂層に溝を形成したのちに透明樹脂層を加熱し軟化させて凸状に成形した集光手段を形成する工程と、集光手段をマスクとして平坦化膜を溝の深さ方向にエッチング除去する工程とを有する固体撮像装置の製造方法であり、請求項４に記載の実施の形態と同様に固体撮像装置の全域に亘って均一でかつノイズの少ない画像が得られる固体撮像装置を提供することができる。
【００１５】本発明の請求項７に記載の発明は、光電変換素子がマトリックス状に配置形成された基板の主面上に平坦化膜を形成する工程と、平坦化膜の上面に透明樹脂層を形成する工程と、透明樹脂層に溝を形成したのちに透明樹脂層を加熱し軟化させて凸状に成形した集光手段を形成する工程と、集光手段の表面に選択的に感光性樹脂パターンを形成する工程と、感光性樹脂パターンをマスクとして平坦化膜を溝の深さ方向にエッチング除去したのち感光性樹脂パターンを除去する工程とを有する固体撮像装置の製造方法であり、請求項４に記載の実施の形態と同様に固体撮像装置の全域に亘って均一でかつノイズの少ない画像が得られる固体撮像装置を提供することができる。
【００１６】本発明の請求項８に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法に関し、平坦化膜を形成する工程が、第１の平坦化膜を形成した後、その上面にカラーフィルタ層を挟んで第２の平坦化膜を形成する２つの工程よりなるものであり、色純度に優れたカラー映像を撮像する固体撮像装置を提供できる。
【００１７】本発明の請求項９に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法に関し、溝状のパターンを光学変換素子に対応して平行線状に形成し、透明樹脂層、平坦化膜を深さ方向に選択的に除去して形成された溝を集光手段の隣接領域に平行線状に形成したものであり、集光手段をレンチキュラレンズとして形成でき、集光効率に優れた固体撮像装置を比較的安価に提供することができる。
【００１８】本発明の請求項１０に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法に関し、溝状のパターンを光学変換素子に対応して碁盤目状に形成し、透明樹脂層、平坦化膜を深さ方向に選択的に除去して形成された溝を集光手段の隣接領域に碁盤目状に形成したものであり、集光手段を独立した凸状のレンズとして形成でき、レンズより入射した光を光学ブロックを構成する４面の壁面で反射することができるため、ノイズ光を遮断することにより集光効率および解像度に優れた固体撮像装置を製造することができる。
【００１９】本発明の請求項１１に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法に関し、溝を形成する工程をドライエッチング法を用いて行うものであり、極めて高い加工精度を有する製造方法を提供することができる。
【００２０】本発明の請求項１２に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法に関し、溝を形成する工程のあとに、その溝を構成する内壁面に金属薄膜を形成する工程を付加するものであり、光の利用効率を大きく向上することができる固体撮像装置を製造することができる。
【００２１】つぎに本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）図１は本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の一部分の構造を示すものである。固体撮像装置の基本的な構成部分は従来と同様であり、図１において１１は光電変換素子１２が形成されたシリコン基板、１３は絶縁層１４を介して設けられたポリシリコン電極でその上面には遮光層１５が形成されている。図に見られるようにシリコン基板１１の表面はポリシリコン電極１３の形成によって凹凸を生じているためにその表面を平滑化するため第１の平坦化膜１６が設けられている。１７はカラーフィルタ層であり、このカラーフィルタ層１７は赤、緑、青でそれぞれその厚さが異なるためその上面にはさらに第２の平坦化膜１８が設けられている。１９は撮影レンズ（図示せず）より入射した光を光電変換素子１２の面に集光するためのマイクロレンズである。２０は本発明の特徴とする溝であってマイクロレンズ１９が互いに隣接する境界部に設けられており、したがって溝２０を設けることによって生じた第１および第２の平坦化膜１６，１８、カラーフィルタ１７およびマイクロレンズ１９より構成される光学ブロック２１には壁面２２が形成されている。
【００２２】なお、この壁面２２の全面に亘って蒸着やスパッタリング等の手段により金属薄膜を形成することも可能であり、この場合マイクロレンズ１９を透過した光は鏡面を呈する金属薄膜によって全反射されるため、入射光の利用効率をさらに高めることができる。
【００２３】図２は図１に示す固体撮像装置の構成を示す一部のイメージ斜視図であり、碁盤目状に溝２０が形成されているために壁面２２は独立したマイクロレンズを含む光学ブロック２１の４面に形成されている。
【００２４】（実施の形態２）図３は本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置の一部イメージ斜視図であり、断面は図１と同様である。図３から明らかなように、本実施の形態における固体撮像装置を構成するマイクロレンズ２３はレンチキュラレンズを構成しているために溝２４はマイクロレンズ２３が対向する２辺に平行に設けられており、したがって壁面２５は光学ブロック２６の２面に形成されている。
【００２５】つぎに図１を用いて本発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態における光電変換素子に入射する光の状態について説明する。
【００２６】図１に示すように、斜め方向から入射した光ａ，ｂ，ｃはそれぞれマイクロレンズ１９によって屈折され、光ａの場合は遮光膜１５上の絶縁層１４で反射し、光ｂは同じく絶縁層１４で反射されて本発明の特徴的構造である溝２０によって形成された光学ブロック２１の内壁面２３で反射したのちマイクロレンズ１９および光学ブロック２１の他の内壁面２３で反射し、また光ｃは光学ブロック２１の内壁面２３で反射し、それぞれ光ａｒ，ｂｒ，ｃｒとなって光電変換素子１２へ入射される。溝２０の内部は空気で満たされており、十分な反射率を得ることができるが、溝２０によって生じた光学ブロック２１の外壁面２２に蒸着またはスパッタリング等によりクロムまたはアルミニウム等の金属薄膜を設けることによりさらに反射光率を向上することができる。
【００２７】なお、レンチキュラレンズを有する第２の実施の形態の場合、光学ブロックの内壁面は２面であるが、凸状レンズを有する第１の実施の形態の場合はその内壁面が４面であり、光電変換素子に対して優れた集光率を得ることが可能である。さらにマイクロレンズ１９へ入射した光は光学ブロック２１から外部へ出ることがないため、迷光を発生することもなくノイズも防止することができる。
【００２８】（実施の形態３）つぎに本発明の第３の実施の形態である固体撮像装置の製造方法について図４（ａ）〜（ｄ）および図５（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００２９】図４（ａ）に示すように、複数の光電変換素子３２が形成されたシリコン基板３１の光電変換素子３２の隣接領域にポリシリコン電極よりなる複数の配線３３が形成される。つぎに図４（ｂ）に示すように、光電変換素子３２の面と配線３３との面を平坦化するために第１の平坦化膜３４を形成し、その上面に赤、緑、青よりなるカラーフィルタ層３５および異なる厚さを有するカラーフィルタ層３５の面を平坦化するための第２の平坦化膜３６を形成する。つぎに図４（ｃ）に示すようにこの第２の平坦化膜３６の上面にレンズを形成するための透明樹脂層３７を塗布し、さらに、図４（ｄ）のように、必要とする凸状レンズまたはレンチキュラレンズを形成するためのレジストパターン３８を透明樹脂層３７の上面に形成する。つぎにこのレジストパターン３８をマスクとして透明樹脂層３７、第２の平坦化膜３６、カラーフィルタ層３５、第１の平坦化膜３４を図５（ａ）に示すようにドライエッチングして溝３９を形成すると同時にそれぞれ光電変換素子３２に対応したマイクロレンズ原型４０を形成する。図５（ａ）はこのドライエッチング工程において、溝３９を配線３３の表面までエッチングすることによって形成した例について示しているが、溝３９の底面を第１の平坦化膜３４の表面またはそれよりも上面に設けることも可能である。つぎに図５（ｂ）に示すように、加熱処理によってマイクロレンズ原型４０を溶融することにより、凸状レンズまたはレンチキュラレンズよりなるマイクロレンズ４１が形成されて外壁面４２によって囲まれた光学ブロック４３が得られる。
【００３０】なお、図示していないがこの工程の後、溝３９を取り囲む光学ブロック４３の外壁面４２上にクロム、アルミニウム等の金属薄膜を蒸着またはスパッタリングにより形成して光学ブロック４３の外壁面４２を鏡面化することにより、さらに光の利用効率を高め、また光学ブロックより外へ光が散乱することを防止できるため、隣接画素間の混色をより効果的に回避できる固体撮像装置を製造することができる。
【００３１】溝３９の形成によって生じた光学ブロック４３の外壁面４２への金属薄膜の形成は、図５（ａ）に示すドライエッチングによる溝３９の形成後、クロムまたはアルミニウムをスパッタリングして全面に被覆させた後、マイクロレンズ原型４０の表面の金属薄膜を研磨により除去して光学ブロック４３の外壁面４２のみに金属薄膜を形成することも可能であり、また全面に金属薄膜を形成した後、溝３９内にエッチングレジストを充填して化学エッチングによりマイクロレンズ原型４０の表面に付着した金属薄膜を除去したのち、溝３９内のエッチングレジストを溶解除去することによって形成することも可能である。
【００３２】（実施の形態４）つぎに本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置の製造方法について図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。本実施の形態における前半工程は上記第３の実施の形態における製造工程の前半、すなわち図４（ａ）〜（ｄ）に示す工程と同様であり説明を省略し、後半工程について説明する。図６（ａ）は、第２の平坦化膜３６上にマイクロレンズ原型４０を形成したところである。その後、図６（ｂ）のように加熱処理によってマイクロレンズ原型４０を溶融して凸状レンズまたはレンチキュラレンズよりなるマイクロレンズ４１を形成する。つぎに図６（ｃ）に示すように加熱処理によってエッチング耐性が高くなったマイクロレンズ４１をエッチングレジストとして第２の平坦化膜３６、カラーフィルタ層３５、第１の平坦化膜３４をドライエッチングして溝３９を形成すると同時にそれぞれ光電変換素子３２に対応した光学ブロック４３を形成する。本実施の形態においても光学ブロック４３の外壁面４２上に金属薄膜を設けて鏡面化できることは第３の実施の形態の場合と同様である。
【００３３】また図６（ｃ）に示すエッチング工程において溝３９の底面を第１の平坦化膜３４の表面またはそれよりも上面に設けることも可能である。
【００３４】（実施の形態５）つぎに本発明の第５の実施の形態における固体撮像装置の製造方法について図７（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。本実施の形態における前半工程も前述の第３の実施の形態における製造工程の前半、すなわち図４（ａ）〜（ｄ）に示す工程と同様であり説明を省略し、後半工程について説明する。図７（ａ）は、第２の平坦化膜３６上にマイクロレンズ原型４０を形成したところである。その後、図７（ｂ）のように加熱処理によってマイクロレンズ原型４０を溶融して凸状レンズまたはレンチキュラレンズよりなるマイクロレンズ４１を形成する。つぎに図７（ｃ）に示すようにマイクロレンズ４１の全面を覆うようにエッチングレジスト４４を塗布したのちパターニングしてマイクロレンズ４１の上面のみにエッチングレジスト４４を残し図７（ｄ），（ｅ）に示すように第２の平坦化膜３６、カラーフィルタ層３５、第１の平坦化膜３４をエッチングして溝３９を形成すると同時にそれぞれ光電変換素子３２に対応した外壁面４２によって囲まれた光学ブロック４３を形成する。本実施の形態においても光学ブロック４３の外壁面４２上に金属薄膜を設けて鏡面化できることは第３の実施の形態の場合と同様である。また図７（ｅ）に示すエッチング工程において溝３９の底面を第１の平坦化膜３４の表面またはそれよりも上面に設けることも可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、撮影レンズより入射された光は固体撮像装置の周辺部においてマイクロレンズよりなる集光手段で屈折されてもマイクロレンズの隣接領域に設けられた溝によって形成された光学ブロックの内壁面において多重反射を繰り返していかなるＦ値においても光学ブロック内の光電変換素子に無駄なく集光することができるので光の利用効率を従来より向上することが可能となり、またマイクロレンズより入射した光が乱反射して他の光電変換素子に迷光として侵入することを防止できるため隣接画素間の混色を効果的に防ぐことができ、高い品質を有する画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における固体撮像装置の一部拡大断面図
【図２】同固体撮像装置のイメージを説明する一部拡大斜視図
【図３】本発明の第２の実施の形態における固体撮像装置のイメージを説明する一部拡大斜視図
【図４】本発明の第３の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す前半工程断面図
【図５】同第３の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す後半工程断面図
【図６】本発明の第４の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す後半工程断面図
【図７】本発明の第５の実施の形態における固体撮像装置の製造方法を示す後半工程断面図
【図８】従来の固体撮像装置の一部拡大断面図
【図９】他の従来の固体撮像装置の一部拡大断面図
【符号の説明】
１１シリコン基板（基板）
１２光電変換素子
１６第１の平坦化膜（平坦化膜）
１８第２の平坦化膜（平坦化膜）
１９マイクロレンズ（集光手段）
２０溝

【特許請求の範囲】
【請求項１】半導体基板主面にマトリックス状に複数の光電変換素子が配置され、前記半導体基板上に前記光電変換素子に対応して樹脂膜を介して集光手段が形成された固体撮像装置であって、前記集光手段の少なくとも対向する２辺の列の隣接領域内に溝が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】集光手段が、レンチキュラレンズである請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】集光手段が、凸状の光学レンズである請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】溝を構成する壁面に金属薄膜が形成されている請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】光電変換素子がマトリックス状に配置形成された基板の主面上に平坦化膜を形成する工程と、前記平坦化膜の上面に透明樹脂層を形成する工程と、前記透明樹脂層の上面に感光性樹脂層を形成したのち、前記感光性樹脂層を選択的に露光して前記光電変換素子に対応する領域に溝状のパターンを形成する工程と、前記感光性樹脂層をマスクとして前記透明樹脂層、平坦化膜をエッチングにより深さ方向に選択的に除去して溝を形成する工程と、前記透明樹脂層を加熱して軟化させ、表面を凸状に成形した集光手段を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
【請求項６】光電変換素子がマトリックス状に配置形成された基板の主面上に平坦化膜を形成する工程と、前記平坦化膜の上面に透明樹脂層を形成する工程と、前記透明樹脂層に溝を形成したのちに前記透明樹脂層を加熱し軟化させて凸状に成形した集光手段を形成する工程と、前記集光手段をマスクとして平坦化膜を前記溝の深さ方向にエッチング除去する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】光電変換素子がマトリックス状に配置形成された基板の主面上に平坦化膜を形成する工程と、前記平坦化膜の上面に透明樹脂層を形成する工程と、前記透明樹脂層に溝を形成したのちに前記透明樹脂層を加熱し軟化させて凸状に成形した集光手段を形成する工程と、前記集光手段の表面に選択的に感光性樹脂パターンを形成する工程と、前記感光性樹脂パターンをマスクとして前記平坦化膜を前記溝の深さ方向にエッチング除去したのち前記感光性樹脂パターンを除去する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
【請求項８】平坦化膜を形成する工程が、第１の平坦化膜を形成した後、その上面にカラーフィルタ層を挟んで第２の平坦化膜を形成する２つの工程よりなる請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】透明樹脂層、平坦化膜を深さ方向に選択的に除去して形成された溝が、集光手段の隣接領域に平行線状に形成されている請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】透明樹脂層、平坦化膜を深さ方向に選択的に除去して形成された溝が集光手段の隣接領域に碁盤目状に形成されている請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】溝を形成する工程が、ドライエッチング法を用いて行う工程である請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】溝を形成する工程のあとに、前記溝を構成する内壁面に金属薄膜を形成する工程を付加する請求項５から７のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。

【図１】