固体撮像装置およびカメラモジュール
【課題】感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置１２は、複数のフォトダイオード１９、カラーフィルタ層２１、複数のマイクロレンズ１６、および補助レンズ１７を具備する。複数のフォトダイオード１９は、半導体基板１８に形成される。カラーフィルタ層２１は、複数のフォトダイオード１９が形成された半導体基板１８上に形成される。複数のマイクロレンズ１６は、カラーフィルタ層２１上に形成される。補助レンズ１７は、カラーフィルタ層２１上に、複数のマイクロレンズ１６より低い屈折率を有する材料によって、複数のマイクロレンズ１６を覆うように形成される。補助レンズ１７は表面に湾曲部１７ａを有し、湾曲部１７ａに入射された光を、実質的に垂直な方向から複数のマイクロレンズ１６に入射させる方向に屈折させる。
【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置１２は、複数のフォトダイオード１９、カラーフィルタ層２１、複数のマイクロレンズ１６、および補助レンズ１７を具備する。複数のフォトダイオード１９は、半導体基板１８に形成される。カラーフィルタ層２１は、複数のフォトダイオード１９が形成された半導体基板１８上に形成される。複数のマイクロレンズ１６は、カラーフィルタ層２１上に形成される。補助レンズ１７は、カラーフィルタ層２１上に、複数のマイクロレンズ１６より低い屈折率を有する材料によって、複数のマイクロレンズ１６を覆うように形成される。補助レンズ１７は表面に湾曲部１７ａを有し、湾曲部１７ａに入射された光を、実質的に垂直な方向から複数のマイクロレンズ１６に入射させる方向に屈折させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置およびカメラモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体撮像装置は、２次元配列された複数のフォトダイオードと、これらのフォトダイオードに対応するように２次元配列された複数のマイクロレンズと、を有する。
【０００３】
近年、固体撮像装置は、微細化、低背化されている。微細化、低背化された従来の固体撮像装置をカメラモジュールに適用すると、特に周辺部分のマイクロレンズには、極端に傾いた方向（複数のマイクロレンズの頂点を結ぶ平面の垂線に対して所定の角度より大きな角度を有する方向）から光が入射される。極端に傾いた方向からマイクロレンズに光が入射されると、入射された光は所定のフォトダイオードに集光されず、固体撮像装置の感度が低下する。
【０００４】
また、極端に傾いた方向からマイクロレンズに光が入射されると、入射された光はマイクロレンズにおいて反射され、他のマイクロレンズを介して他のフォトダイオードに到達する。従って、出力画像に混色が生ずる。
【０００５】
従って、この固体撮像装置が適用されたカメラモジュールの感度も低下し、カメラモジュールからの出力画像にも混色が生ずる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０５８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態は、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置およびカメラモジュール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】
【０００８】
実施形態に係る固体撮像装置は、複数のフォトダイオード、カラーフィルタ層、複数のマイクロレンズ、および補助レンズを具備する。前記複数のフォトダイオードは、半導体基板に形成される。前記カラーフィルタ層は、前記複数のフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ層上に形成される。前記補助レンズは、前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成される。前記補助レンズは表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる。
【０００９】
また、実施形態に係るカメラモジュールは、複数のフォトダイオード、カラーフィルタ層、複数のマイクロレンズ、補助レンズ、およびレンズホルダを具備する。前記複数のフォトダイオードは、半導体基板に形成される。前記カラーフィルタ層は、前記複数のフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ層上に形成される。前記補助レンズは、前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成される。前記補助レンズは表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる。前記レンズホルダは、筒状であって、前記複数のフォトダイオード、前記カラーフィルタ層、前記複数のマイクロレンズ、および前記補助レンズを具備する固体撮像装置を覆うように配置され、前記固体撮像装置に光を集光するレンズを内部に有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係るカメラモジュールを示す縦断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す上面図である。
【図３】図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す固体撮像装置の断面図である。
【図４】図１に示すカメラモジュールの一部を拡大して示す断面図である。
【図５】第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図７】第３の実施形態に係るカメラモジュールの一部を拡大して示す、図４に相当する断面図である。
【図８】第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図９】第５の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図１０】第６の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、実施形態に係る固体撮像装置およびカメラモジュールについて説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０を示す縦断面図である。図１に示すカメラモジュール１０は、回路基板１１上に載置された固体撮像装置１２と、固体撮像装置１２を含む回路基板１１を覆うように、回路基板１１の側面に固定されたレンズホルダ１３と、を有する。
【００１３】
レンズホルダ１３は、一端に天板を有する筒状であって、レンズ１４および赤外線遮断フィルタ１５を有するものである。レンズ１４は、レンズホルダ１３の天板に設けられた開口部に配置されており、カメラモジュール１０に入射された光を固体撮像装置１２に集光する。また、赤外線遮断フィルタ１５は、レンズホルダ１３の内部に配置されており、カメラモジュール１０に入射された光の赤外線成分が、固体撮像装置１２に到達することを抑制する。
【００１４】
図２は、固体撮像装置１２を示す上面図である。図２に示すように、固体撮像装置１２は、複数の凸状のマイクロレンズ１６を有する。複数のマイクロレンズ１６は、２次元状に格子配列されている。それぞれのマイクロレンズ１６は、縦方向および横方向において隣接する他のマイクロレンズ１６と、互いに接している。
【００１５】
また、図１に示すように、複数のマイクロレンズ１６上には、これらを全て覆うように、補助レンズ１７が設けられている。補助レンズ１７は、複数のマイクロレンズ１６からなるマイクロレンズアレー上に対応する表面に凹状の湾曲部１７ａを有する。なお、補助レンズ１７は、複数のマイクロレンズ１６より低い屈折率の材料により形成されている。
【００１６】
図３は、図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す固体撮像装置１２の断面図である。図３に示す固体撮像装置１２は、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置である。
【００１７】
この固体撮像装置１２において、例えばシリコンからなるＰ型の半導体基板１８には、複数のフォトダイオード１９が形成されている。複数のフォトダイオード１９は、複数のマイクロレンズ１６の配列に応じて、格子状に配列形成されている。
【００１８】
フォトダイオード１９を含む半導体基板１８の表面上には、透明の第１の平坦化層２０が形成されている。第１の平坦化層２０の表面は、例えばＣＭＰ法によって平坦化されている。
【００１９】
第１の平坦化層２０の表面上には、赤色成分の光を透過させる赤色カラーフィルタ部（以下Ｒフィルタと称する）（図示せず）、緑色成分の光を透過させる緑色カラーフィルタ部２１Ｇ（以下Ｇフィルタ２１Ｇと称する）、および青色成分の光を透過させる青色カラーフィルタ部２１Ｂ（以下Ｂフィルタ２１Ｂと称する）からなるカラーフィルタ層２１が形成されている。なお、図示は省略するが、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ２１Ｇ、およびＢフィルタ２１Ｂは、複数のフォトダイオード１９の配列に応じて、格子状に配列形成されている。Ｒフィルタ、Ｇフィルタ２１Ｇ、およびＢフィルタ２１Ｂは、例えばベイヤー配列されている。
【００２０】
カラーフィルタ層２１上には、透明の第２の平坦化層２２が形成されている。第２の平坦化層２２の表面は、例えばＣＭＰ法によって平坦化されている。
【００２１】
第２の平坦化層２２の表面上には、複数のマイクロレンズ１６が形成されている。これらのマイクロレンズ１６は、例えば透明樹脂等の材料を凸レンズ状に形成したものである。
【００２２】
図４は、図１に示すカメラモジュール１０の一部を拡大して示す断面図である。以下、図４を参照して、図３に示す固体撮像装置１２の構成を説明する。
【００２３】
図４に示すように、第２の平坦化層２２の表面上に形成された複数のマイクロレンズ１６は、実質的に垂直な方向から入射された光を、反射させずに所定のフォトダイオード１９（図３）に集光させることができるように設計されたものである。従って、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に光が入射される場合、各マイクロレンズ１６は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９（図３）に光を集光させることができる。しかし、特に周辺部分に配置されたマイクロレンズ１６のように、斜め方向から各マイクロレンズ１６に光が入射される場合、各マイクロレンズ１６は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９（図３）に光を集光させることができない。
【００２４】
なお、実質的に垂直な方向とは、全てのマイクロレンズ１６の頂点を通る平面Ｓに対して垂直な方向、もしくは垂直方向から所定の角度以下の角度だけ傾いた方向である。すなわち、各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から光Ｌ１が入射された場合、もしくは各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度以下の角度θ２だけ傾いた方向から光Ｌ２が入射された場合、これらの光Ｌ１、Ｌ２は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９（図３）に集光される。
【００２５】
これに対して、斜め方向とは、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度より大きい角度だけ傾いた方向である。すなわち、各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度より大きい角度θ３だけ傾いた方向から光Ｌ３が入射された場合、この光Ｌ３は、所定のフォトダイオード１９（図３）に集光されないか、若しくはマイクロレンズ１６の表面で反射される。
【００２６】
ここで、上記所定の角度は、固体撮像装置１２に要求される感度、および出力画像の色再現性に基づく。従って、各マイクロレンズ１６に、所定の角度以下の角度だけ傾いた方向（実質的に垂直な方向）から光が入射される場合、固体撮像装置１２に要求される感度は保障され、出力画像の色再現性も保障される。しかし、各マイクロレンズ１６に、所定の角度より大きい角度だけ傾いた方向（斜め方向）から光が入射される場合、固体撮像装置１２に要求される感度は保障されず、出力画像の色再現性も保障されない。
【００２７】
このように構成された複数のマイクロレンズ１６を含む第２の平坦化層２２の表面上には、補助レンズ１７が形成されている。補助レンズ１７の表面の一部は凹状に湾曲しており、これによって湾曲部１７ａが構成されている。
【００２８】
湾曲部１７ａは、カメラモジュール１０のレンズ１４によって湾曲部１７ａに集光された光Ｌ４を屈折させて、その屈折した光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。湾曲部１７ａの屈折率および曲率は、湾曲部１７ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。すなわち、湾曲部１７ａの屈折率および曲率は、光Ｌ４を、光Ｌ１若しくは光Ｌ２方向に屈折させて各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００２９】
なお、補助レンズ１７は、湾曲部１７ａに集光された光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。従って、湾曲部１７ａに集光された光は、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、本実施形態に係る固体撮像装置１２を用いて撮像された画像において、明暗の差は従来より小さくなる。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１２を用いて撮像された画像において、シェーディングが改善される。
【００３０】
さらに、補助レンズ１７の湾曲部１７ａに集光された光は、実質的に垂直な方向から、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、フォトダイオード１９の格子配列に対してマイクロレンズ１６の格子配列をずらす、いわゆるスケーリングをほとんど行う必要もない。
【００３１】
上述した補助レンズ１７は、例えば以下のように製造される。まず、例えば、露光量が多いほど現像液（アルカリ溶液）に対して溶解性が増大するポジ型の透明樹脂からなるレジストを、複数のマイクロレンズ１６を含む第２の平坦化層２２の表面上に形成する。次に、四角形状の光の透過領域において、中央部ほど露光光の透過率が高くなるグレーティングマスクを用いてレジストを露光する。すると、光の透過領域の直下のレジストには露光光が照射され、さらに、この領域においては、中央部ほど多くの露光光が照射される。次に、露光されたレジストを現像する。現像においては、露光光が照射された領域が、露光量に応じて溶解する。このようにして、一部が凹状に湾曲した補助レンズ１７が形成される。
【００３２】
なお、補助レンズ１７の製造方法は、上述の方法に限定されない。例えば、転写法によって補助レンズ１７を製造してもよい。すなわち、第２の平坦化層２２の表面上に、補助レンズ１７の材料となる層、表面の一部が凹状に湾曲したレジスト、をこの順で形成した後、レジストをエッチングにより除去して、レジストの形状を補助レンズ１７の材料となる層に転写することにより、補助レンズ１７を形成してもよい。
【００３３】
裏面照射型の固体撮像装置１２において、図３に示すように、半導体基板１８の裏面上には、酸化膜２３を介して配線層２４が形成されている。配線層２４は、複数の配線２４ａの層間に層間絶縁膜２４ｂが形成されたものである。配線層２４を半導体基板１８の裏面上に形成することにより、配線２４ａ設計の自由度を向上させることができるため、配線層２４の厚さを薄くすることができる。従って、裏面照射型の固体撮像装置１２は、表面照射型の固体撮像装置と比較して、低背化することができる。
【００３４】
以上に説明した第１の実施形態に係る固体撮像装置１２によれば、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ１７が形成されているため、斜め方向からマイクロレンズ１６に入射されようとする光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができる。従って、各マイクロレンズ１６は、入射された光を十分にフォトダイオード１９に集光することができ、さらに、各マイクロレンズ１６に入射された光が、マイクロレンズ１６の表面において反射されることを抑制することができる。従って、補助レンズ１７が形成されない従来の固体撮像装置と比較して、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置１２を提供することができる。
【００３５】
このように、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる本実施形態に係る固体撮像装置１２に対して、層内レンズを有する固体撮像装置が知られている。しかし、層内レンズは、マイクロレンズで集光した光を効率良くフォトダイオードに集光するためのものである。従って、斜め方向からマイクロレンズに光が入射された場合、その光はマイクロレンズの表面において反射される。従って、固体撮像装置に層内レンズを設ければ感度は向上するが、出力画像に混色が発生することを抑制することはできない。さらに層内レンズを形成すると、固体撮像装置全体の厚さが増す。
【００３６】
また、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる本実施形態に係る固体撮像装置１２に対して、高い屈折率の材料によって各マイクロレンズを形成した固体撮像装置も知られている。高い屈折率の材料によって各マイクロレンズを形成すれば、マイクロレンズに侵入する光の屈折角を大きくすることができる。したがって、上記の補助レンズ１７を形成しなくても、斜め方向から入射された光を、所定のフォトダイオードに集光させ、固体撮像装置の感度を向上させることができるように思われる。しかし、マイクロレンズの屈折率を高くすると、マイクロレンズ表面において反射されやすくなるため、出力画像に混色が生じ、出力画像の色再現性が劣化する。
【００３７】
また、以上に説明した第１の実施形態に係るカメラモジュール１０によれば、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置１２が適用されている。従って、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュール１０を提供することができる。
【００３８】
さらに、以上に説明した第１の実施形態に係るカメラモジュール１０によれば、固体撮像装置１２に集光される光のうち、固体撮像装置１２のマイクロレンズ１６に対して斜め方向から入射される成分を低減するために、モジュール１０のレンズ１４を多層化する必要もない。従って、コストを上昇させずに、感度を向上させ、かつ出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュール１０を提供することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置３０を示す、図３に相当する縦断面図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置３０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、第２の平坦化層３１、および補助レンズ３２の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００４０】
図５に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０において、第２の平坦化層３１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された第２の平坦化層２２（図３）より厚く形成されている。さらに、第２の平坦化層３１には、四角形状の凹部３１ａが形成されている。
【００４１】
複数のマイクロレンズ１６は、第２の平坦化層３１の凹部３１ａの底面に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に形成されている。
【００４２】
また補助レンズ３２は、第２の平坦化層３１の凹部３１ａを埋めるように形成されている。凹部３１ａに埋め込まれた補助レンズ３２は、この表面全体が凹状に湾曲した湾曲部３２ａになっている。湾曲部３２ａの屈折率および曲率は、湾曲部３２ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００４３】
この補助レンズ３２は、例えば、第２の平坦化層３１の凹部３１ａを埋めるように補助レンズ３２となる材料を形成した後、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様に形成すればよい。
【００４４】
以上に説明した第２の実施形態に係る固体撮像装置３０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ３２が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置３０を提供することができる。
【００４５】
また、固体撮像装置３０を適用した第２の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置４０を示す、図３に相当する縦断面図である。第３の実施形態に係る固体撮像装置４０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ４１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００４７】
図６に示すように、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０において、補助レンズ４１の表面の一部は凸状に湾曲しており、これによって湾曲部４１ａが構成されている。
【００４８】
図７は、第４の実施形態に係るカメラモジュールの一部を拡大して示す、図４に相当する断面図である。以下、図７を参照して、さらに補助レンズ４１について詳細に説明する。
【００４９】
図７に示すように、凸状の湾曲部４１ａは、カメラモジュールのレンズ１４によって湾曲部４１ａに集光された光Ｌ４´を屈折させて、その屈折した光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。湾曲部４１ａの屈折率および曲率は、湾曲部４１ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。すなわち、湾曲部４１ａの屈折率および曲率は、光Ｌ４´を光Ｌ２´方向に屈折させて各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００５０】
なお、補助レンズ４１は、湾曲部４１ａに集光された光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。従って、湾曲部４１ａに集光された光は、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、本実施形態に係る固体撮像装置４０を用いて撮像された画像において、明暗の差は従来より小さくなる。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置４０を用いて撮像された画像において、シェーディングが改善される。
【００５１】
さらに、補助レンズ４１の湾曲部４１ａに集光された光は、実質的に垂直な方向から、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、フォトダイオード１９の格子配列に対してマイクロレンズ１６の格子配列をずらす、いわゆるスケーリングをほとんど行う必要もない。
【００５２】
ここで、本実施形態における実質的に垂直な方向とは、全てのマイクロレンズ１６の頂点を通る平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度以下の角度だけ傾いた方向である。すなわち、各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度以下の角度θ２´だけ傾いた方向から光Ｌ２´が入射された場合、この光Ｌ２´は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９に集光される。
【００５３】
このように構成された補助レンズ４１は、例えば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）の製造方法において、補助レンズ４１となるレジスト材料をネガ型にする、若しくは、補助レンズ４１となるポジ型のレジスト材料に対して、中央部ほど露光光の透過率が低くなるグレーティングマスクを用いて露光することにより、形成することができる。
【００５４】
以上に説明した第３の実施形態に係る固体撮像装置４０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ４１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置４０を提供することができる。
【００５５】
また、この固体撮像装置４０を適用した第３の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００５６】
（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置５０を示す、図３に相当する縦断面図である。第４の実施形態に係る固体撮像装置５０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ５１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００５７】
図８に示すように、第４の実施形態に係る固体撮像装置５０において、補助レンズ４１の表面は、それぞれが凸状に湾曲した複数の湾曲部５１ａによって構成されている。複数の湾曲部５１ａは、例えば格子状に配列されている。なお、図８においては、複数の湾曲部５１ａは互いに離間しているが、複数の湾曲部５１ａは、互いに接するように形成されてもよい。
【００５８】
各湾曲部５１ａの屈折率および曲率は、格子状に配列された複数の湾曲部５１ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００５９】
このように構成された補助レンズ５１は、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０に形成された補助レンズ４１（図６）と同様に形成することができる。ただし、グレーティングマスクは、複数の透過領域を、格子状に設けたものを用いる。
【００６０】
以上に説明した第４の実施形態に係る固体撮像装置５０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ５１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置１２を提供することができる。
【００６１】
また、この固体撮像装置５０を適用した第４の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００６２】
（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置６０を示す、図３に相当する縦断面図である。第５の実施形態に係る固体撮像装置６０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ６１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００６３】
図９に示すように、第５の実施形態に係る固体撮像装置１２において、補助レンズ６１は、２層構造になっている。補助レンズ６１の下層６１−１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様の湾曲部１７ａを有するものである。また、補助レンズ６１の上層６１−２は、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０に形成された補助レンズ４１（図６）と同様の湾曲部４１ａを有するものである。
【００６４】
ただし、下層の補助レンズ６１−１の湾曲部６１−１ａの屈折率および曲率、および上層の補助レンズ６１−２の湾曲部６１−２ａの屈折率および曲率は、上層の補助レンズ６１−２の湾曲部６１−２ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるようにそれぞれ調節されている。なお、下層の補助レンズ６１−１と上層の補助レンズ６１−２とは、同一材料によって形成されてもよいし、互いに異なる材料により形成されてもよい。さらに、互いに異なる材料を用いて下層の補助レンズ６１−１と上層の補助レンズ６１−２とを形成する場合、互いの材料の屈折率の関係に制限はない。
【００６５】
このように構成された補助レンズ６１は、下層の補助レンズ６１−１を、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様に形成した後、上層の補助レンズ６１−２を、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０に形成された補助レンズ４１（図６）と同様に形成すればよい。
【００６６】
以上に説明した第５の実施形態に係る固体撮像装置６０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ６１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置６０を提供することができる。
【００６７】
また、この固体撮像装置６０を適用した第５の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００６８】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置６０およびカメラモジュールは、上層の補助レンズ６１−２の湾曲部６１−２ａに入射された光を上層の補助レンズ６１−２で一度屈折させた後、下層の補助レンズ６１−１の湾曲部６１−１ａで、さらに屈折させる。従って、例えば第１、第３の実施形態に係る固体撮像装置１２、４０のように、一層の補助レンズ１７、４１のみでは固体撮像装置１２、４０およびカメラモジュール１０に要求される感度および色再現性を満たすことができない場合に有効である。
【００６９】
（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置７０を示す、図３に相当する縦断面図である。第６の実施形態に係る固体撮像装置７０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ７１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００７０】
図１０に示すように、第６の実施形態に係る固体撮像装置７０において、補助レンズ７１は、２層構造になっている。補助レンズ７１の下層７１−１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様の湾曲部７１−１ａを有するものである。また、補助レンズ７１の上層７１−２は、第４の実施形態に係る固体撮像装置５０に形成された補助レンズ５１（図８）と同様の湾曲部７１−２ａを有するものである。
【００７１】
ただし、下層の補助レンズ７１−１の湾曲部７１−１ａの屈折率および曲率、および上層の補助レンズ７１−２の湾曲部７１−２ａの屈折率および曲率は、上層の補助レンズ７１−１の湾曲部７１−１ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるようにそれぞれ調節されている。なお、下層の補助レンズ７１−１と上層の補助レンズ７１−２とは、同一材料によって形成されてもよいし、互いに異なる材料により形成されてもよい。さらに、互いに異なる材料を用いて下層の補助レンズ７１−１と上層の補助レンズ７１−２とを形成する場合、互いの材料の屈折率の関係に制限はない。
【００７２】
このように構成された補助レンズ７１は、下層の補助レンズ７１−１を、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様に形成した後、上層の補助レンズ７１−２を、第４の実施形態に係る固体撮像装置５０に形成された補助レンズ５１（図８）と同様に形成すればよい。
【００７３】
以上に説明した第６の実施形態に係る固体撮像装置７０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ７１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置７０を提供することができる。
【００７４】
また、この固体撮像装置７０を適用した第６の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００７５】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置７０およびカメラモジュールも、第５の実施形態に係る固体撮像装置６０およびカメラモジュールと同様に、一層の補助レンズのみでは固体撮像装置およびカメラモジュールに要求される感度および色再現性を満たすことができない場合に有効である。
【００７６】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７７】
例えば、実施形態３乃至６に係る固体撮像装置４０、５０、６０、７０に形成された補助レンズ４１、５１、６１、７１を、実施形態２に係る固体撮像装置３０に形成されたように、第２の平坦化層３１の凹部３１ａに埋め込まれるように形成されてもよい。
【００７８】
また、各実施形態若しくはこれらの組み合わせに係る補助レンズを、表面照射型の固体撮像装置に適用してもよい。ここで表面照射型の固体撮像装置とは、半導体基板の表面上に配線層が形成されており、この配線層上に、カラーフィルタ層、マイクロレンズが形成されたものである。
【符号の説明】
【００７９】
１０・・・カメラモジュール
１１・・・回路基板
１２、３０、４０、５０、６０、７０・・・固体撮像装置
１３・・・レンズホルダ
１４・・・レンズ
１５・・・赤外線遮断フィルタ
１６・・・マイクロレンズ
１７、３２、４１、５１、６１、７１・・・補助レンズ
１７ａ、３２ａ、４１ａ、５１ａ、６１−１ａ、６１−２ａ、７１−１ａ、７１−２ａ・・・湾曲部
１８・・・半導体基板
１９・・・フォトダイオード
２０・・・第１の平坦化層
２１・・・カラーフィルタ層
２１Ｇ・・・緑色カラーフィルタ部
２１Ｂ・・・青色カラーフィルタ部
２２、３１・・・第２の平坦化層
２３・・・酸化膜
２４・・・配線層
２４ａ・・・配線
２４ｂ・・・層間絶縁膜
３１ａ・・・凹部
６１−１、７１−１・・・補助レンズの下層
６１−２、７１−２・・・補助レンズの上層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置およびカメラモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体撮像装置は、２次元配列された複数のフォトダイオードと、これらのフォトダイオードに対応するように２次元配列された複数のマイクロレンズと、を有する。
【０００３】
近年、固体撮像装置は、微細化、低背化されている。微細化、低背化された従来の固体撮像装置をカメラモジュールに適用すると、特に周辺部分のマイクロレンズには、極端に傾いた方向（複数のマイクロレンズの頂点を結ぶ平面の垂線に対して所定の角度より大きな角度を有する方向）から光が入射される。極端に傾いた方向からマイクロレンズに光が入射されると、入射された光は所定のフォトダイオードに集光されず、固体撮像装置の感度が低下する。
【０００４】
また、極端に傾いた方向からマイクロレンズに光が入射されると、入射された光はマイクロレンズにおいて反射され、他のマイクロレンズを介して他のフォトダイオードに到達する。従って、出力画像に混色が生ずる。
【０００５】
従って、この固体撮像装置が適用されたカメラモジュールの感度も低下し、カメラモジュールからの出力画像にも混色が生ずる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０５８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態は、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置およびカメラモジュール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】
【０００８】
実施形態に係る固体撮像装置は、複数のフォトダイオード、カラーフィルタ層、複数のマイクロレンズ、および補助レンズを具備する。前記複数のフォトダイオードは、半導体基板に形成される。前記カラーフィルタ層は、前記複数のフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ層上に形成される。前記補助レンズは、前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成される。前記補助レンズは表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる。
【０００９】
また、実施形態に係るカメラモジュールは、複数のフォトダイオード、カラーフィルタ層、複数のマイクロレンズ、補助レンズ、およびレンズホルダを具備する。前記複数のフォトダイオードは、半導体基板に形成される。前記カラーフィルタ層は、前記複数のフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ層上に形成される。前記補助レンズは、前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成される。前記補助レンズは表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる。前記レンズホルダは、筒状であって、前記複数のフォトダイオード、前記カラーフィルタ層、前記複数のマイクロレンズ、および前記補助レンズを具備する固体撮像装置を覆うように配置され、前記固体撮像装置に光を集光するレンズを内部に有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係るカメラモジュールを示す縦断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す上面図である。
【図３】図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す固体撮像装置の断面図である。
【図４】図１に示すカメラモジュールの一部を拡大して示す断面図である。
【図５】第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図７】第３の実施形態に係るカメラモジュールの一部を拡大して示す、図４に相当する断面図である。
【図８】第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図９】第５の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【図１０】第６の実施形態に係る固体撮像装置を示す、図３に相当する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、実施形態に係る固体撮像装置およびカメラモジュールについて説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０を示す縦断面図である。図１に示すカメラモジュール１０は、回路基板１１上に載置された固体撮像装置１２と、固体撮像装置１２を含む回路基板１１を覆うように、回路基板１１の側面に固定されたレンズホルダ１３と、を有する。
【００１３】
レンズホルダ１３は、一端に天板を有する筒状であって、レンズ１４および赤外線遮断フィルタ１５を有するものである。レンズ１４は、レンズホルダ１３の天板に設けられた開口部に配置されており、カメラモジュール１０に入射された光を固体撮像装置１２に集光する。また、赤外線遮断フィルタ１５は、レンズホルダ１３の内部に配置されており、カメラモジュール１０に入射された光の赤外線成分が、固体撮像装置１２に到達することを抑制する。
【００１４】
図２は、固体撮像装置１２を示す上面図である。図２に示すように、固体撮像装置１２は、複数の凸状のマイクロレンズ１６を有する。複数のマイクロレンズ１６は、２次元状に格子配列されている。それぞれのマイクロレンズ１６は、縦方向および横方向において隣接する他のマイクロレンズ１６と、互いに接している。
【００１５】
また、図１に示すように、複数のマイクロレンズ１６上には、これらを全て覆うように、補助レンズ１７が設けられている。補助レンズ１７は、複数のマイクロレンズ１６からなるマイクロレンズアレー上に対応する表面に凹状の湾曲部１７ａを有する。なお、補助レンズ１７は、複数のマイクロレンズ１６より低い屈折率の材料により形成されている。
【００１６】
図３は、図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿って示す固体撮像装置１２の断面図である。図３に示す固体撮像装置１２は、いわゆる裏面照射型の固体撮像装置である。
【００１７】
この固体撮像装置１２において、例えばシリコンからなるＰ型の半導体基板１８には、複数のフォトダイオード１９が形成されている。複数のフォトダイオード１９は、複数のマイクロレンズ１６の配列に応じて、格子状に配列形成されている。
【００１８】
フォトダイオード１９を含む半導体基板１８の表面上には、透明の第１の平坦化層２０が形成されている。第１の平坦化層２０の表面は、例えばＣＭＰ法によって平坦化されている。
【００１９】
第１の平坦化層２０の表面上には、赤色成分の光を透過させる赤色カラーフィルタ部（以下Ｒフィルタと称する）（図示せず）、緑色成分の光を透過させる緑色カラーフィルタ部２１Ｇ（以下Ｇフィルタ２１Ｇと称する）、および青色成分の光を透過させる青色カラーフィルタ部２１Ｂ（以下Ｂフィルタ２１Ｂと称する）からなるカラーフィルタ層２１が形成されている。なお、図示は省略するが、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ２１Ｇ、およびＢフィルタ２１Ｂは、複数のフォトダイオード１９の配列に応じて、格子状に配列形成されている。Ｒフィルタ、Ｇフィルタ２１Ｇ、およびＢフィルタ２１Ｂは、例えばベイヤー配列されている。
【００２０】
カラーフィルタ層２１上には、透明の第２の平坦化層２２が形成されている。第２の平坦化層２２の表面は、例えばＣＭＰ法によって平坦化されている。
【００２１】
第２の平坦化層２２の表面上には、複数のマイクロレンズ１６が形成されている。これらのマイクロレンズ１６は、例えば透明樹脂等の材料を凸レンズ状に形成したものである。
【００２２】
図４は、図１に示すカメラモジュール１０の一部を拡大して示す断面図である。以下、図４を参照して、図３に示す固体撮像装置１２の構成を説明する。
【００２３】
図４に示すように、第２の平坦化層２２の表面上に形成された複数のマイクロレンズ１６は、実質的に垂直な方向から入射された光を、反射させずに所定のフォトダイオード１９（図３）に集光させることができるように設計されたものである。従って、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に光が入射される場合、各マイクロレンズ１６は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９（図３）に光を集光させることができる。しかし、特に周辺部分に配置されたマイクロレンズ１６のように、斜め方向から各マイクロレンズ１６に光が入射される場合、各マイクロレンズ１６は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９（図３）に光を集光させることができない。
【００２４】
なお、実質的に垂直な方向とは、全てのマイクロレンズ１６の頂点を通る平面Ｓに対して垂直な方向、もしくは垂直方向から所定の角度以下の角度だけ傾いた方向である。すなわち、各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から光Ｌ１が入射された場合、もしくは各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度以下の角度θ２だけ傾いた方向から光Ｌ２が入射された場合、これらの光Ｌ１、Ｌ２は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９（図３）に集光される。
【００２５】
これに対して、斜め方向とは、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度より大きい角度だけ傾いた方向である。すなわち、各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度より大きい角度θ３だけ傾いた方向から光Ｌ３が入射された場合、この光Ｌ３は、所定のフォトダイオード１９（図３）に集光されないか、若しくはマイクロレンズ１６の表面で反射される。
【００２６】
ここで、上記所定の角度は、固体撮像装置１２に要求される感度、および出力画像の色再現性に基づく。従って、各マイクロレンズ１６に、所定の角度以下の角度だけ傾いた方向（実質的に垂直な方向）から光が入射される場合、固体撮像装置１２に要求される感度は保障され、出力画像の色再現性も保障される。しかし、各マイクロレンズ１６に、所定の角度より大きい角度だけ傾いた方向（斜め方向）から光が入射される場合、固体撮像装置１２に要求される感度は保障されず、出力画像の色再現性も保障されない。
【００２７】
このように構成された複数のマイクロレンズ１６を含む第２の平坦化層２２の表面上には、補助レンズ１７が形成されている。補助レンズ１７の表面の一部は凹状に湾曲しており、これによって湾曲部１７ａが構成されている。
【００２８】
湾曲部１７ａは、カメラモジュール１０のレンズ１４によって湾曲部１７ａに集光された光Ｌ４を屈折させて、その屈折した光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。湾曲部１７ａの屈折率および曲率は、湾曲部１７ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。すなわち、湾曲部１７ａの屈折率および曲率は、光Ｌ４を、光Ｌ１若しくは光Ｌ２方向に屈折させて各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００２９】
なお、補助レンズ１７は、湾曲部１７ａに集光された光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。従って、湾曲部１７ａに集光された光は、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、本実施形態に係る固体撮像装置１２を用いて撮像された画像において、明暗の差は従来より小さくなる。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１２を用いて撮像された画像において、シェーディングが改善される。
【００３０】
さらに、補助レンズ１７の湾曲部１７ａに集光された光は、実質的に垂直な方向から、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、フォトダイオード１９の格子配列に対してマイクロレンズ１６の格子配列をずらす、いわゆるスケーリングをほとんど行う必要もない。
【００３１】
上述した補助レンズ１７は、例えば以下のように製造される。まず、例えば、露光量が多いほど現像液（アルカリ溶液）に対して溶解性が増大するポジ型の透明樹脂からなるレジストを、複数のマイクロレンズ１６を含む第２の平坦化層２２の表面上に形成する。次に、四角形状の光の透過領域において、中央部ほど露光光の透過率が高くなるグレーティングマスクを用いてレジストを露光する。すると、光の透過領域の直下のレジストには露光光が照射され、さらに、この領域においては、中央部ほど多くの露光光が照射される。次に、露光されたレジストを現像する。現像においては、露光光が照射された領域が、露光量に応じて溶解する。このようにして、一部が凹状に湾曲した補助レンズ１７が形成される。
【００３２】
なお、補助レンズ１７の製造方法は、上述の方法に限定されない。例えば、転写法によって補助レンズ１７を製造してもよい。すなわち、第２の平坦化層２２の表面上に、補助レンズ１７の材料となる層、表面の一部が凹状に湾曲したレジスト、をこの順で形成した後、レジストをエッチングにより除去して、レジストの形状を補助レンズ１７の材料となる層に転写することにより、補助レンズ１７を形成してもよい。
【００３３】
裏面照射型の固体撮像装置１２において、図３に示すように、半導体基板１８の裏面上には、酸化膜２３を介して配線層２４が形成されている。配線層２４は、複数の配線２４ａの層間に層間絶縁膜２４ｂが形成されたものである。配線層２４を半導体基板１８の裏面上に形成することにより、配線２４ａ設計の自由度を向上させることができるため、配線層２４の厚さを薄くすることができる。従って、裏面照射型の固体撮像装置１２は、表面照射型の固体撮像装置と比較して、低背化することができる。
【００３４】
以上に説明した第１の実施形態に係る固体撮像装置１２によれば、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ１７が形成されているため、斜め方向からマイクロレンズ１６に入射されようとする光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができる。従って、各マイクロレンズ１６は、入射された光を十分にフォトダイオード１９に集光することができ、さらに、各マイクロレンズ１６に入射された光が、マイクロレンズ１６の表面において反射されることを抑制することができる。従って、補助レンズ１７が形成されない従来の固体撮像装置と比較して、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置１２を提供することができる。
【００３５】
このように、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる本実施形態に係る固体撮像装置１２に対して、層内レンズを有する固体撮像装置が知られている。しかし、層内レンズは、マイクロレンズで集光した光を効率良くフォトダイオードに集光するためのものである。従って、斜め方向からマイクロレンズに光が入射された場合、その光はマイクロレンズの表面において反射される。従って、固体撮像装置に層内レンズを設ければ感度は向上するが、出力画像に混色が発生することを抑制することはできない。さらに層内レンズを形成すると、固体撮像装置全体の厚さが増す。
【００３６】
また、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる本実施形態に係る固体撮像装置１２に対して、高い屈折率の材料によって各マイクロレンズを形成した固体撮像装置も知られている。高い屈折率の材料によって各マイクロレンズを形成すれば、マイクロレンズに侵入する光の屈折角を大きくすることができる。したがって、上記の補助レンズ１７を形成しなくても、斜め方向から入射された光を、所定のフォトダイオードに集光させ、固体撮像装置の感度を向上させることができるように思われる。しかし、マイクロレンズの屈折率を高くすると、マイクロレンズ表面において反射されやすくなるため、出力画像に混色が生じ、出力画像の色再現性が劣化する。
【００３７】
また、以上に説明した第１の実施形態に係るカメラモジュール１０によれば、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置１２が適用されている。従って、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュール１０を提供することができる。
【００３８】
さらに、以上に説明した第１の実施形態に係るカメラモジュール１０によれば、固体撮像装置１２に集光される光のうち、固体撮像装置１２のマイクロレンズ１６に対して斜め方向から入射される成分を低減するために、モジュール１０のレンズ１４を多層化する必要もない。従って、コストを上昇させずに、感度を向上させ、かつ出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュール１０を提供することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置３０を示す、図３に相当する縦断面図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置３０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、第２の平坦化層３１、および補助レンズ３２の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００４０】
図５に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０において、第２の平坦化層３１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された第２の平坦化層２２（図３）より厚く形成されている。さらに、第２の平坦化層３１には、四角形状の凹部３１ａが形成されている。
【００４１】
複数のマイクロレンズ１６は、第２の平坦化層３１の凹部３１ａの底面に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に形成されている。
【００４２】
また補助レンズ３２は、第２の平坦化層３１の凹部３１ａを埋めるように形成されている。凹部３１ａに埋め込まれた補助レンズ３２は、この表面全体が凹状に湾曲した湾曲部３２ａになっている。湾曲部３２ａの屈折率および曲率は、湾曲部３２ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００４３】
この補助レンズ３２は、例えば、第２の平坦化層３１の凹部３１ａを埋めるように補助レンズ３２となる材料を形成した後、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様に形成すればよい。
【００４４】
以上に説明した第２の実施形態に係る固体撮像装置３０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ３２が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置３０を提供することができる。
【００４５】
また、固体撮像装置３０を適用した第２の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置４０を示す、図３に相当する縦断面図である。第３の実施形態に係る固体撮像装置４０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ４１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００４７】
図６に示すように、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０において、補助レンズ４１の表面の一部は凸状に湾曲しており、これによって湾曲部４１ａが構成されている。
【００４８】
図７は、第４の実施形態に係るカメラモジュールの一部を拡大して示す、図４に相当する断面図である。以下、図７を参照して、さらに補助レンズ４１について詳細に説明する。
【００４９】
図７に示すように、凸状の湾曲部４１ａは、カメラモジュールのレンズ１４によって湾曲部４１ａに集光された光Ｌ４´を屈折させて、その屈折した光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。湾曲部４１ａの屈折率および曲率は、湾曲部４１ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。すなわち、湾曲部４１ａの屈折率および曲率は、光Ｌ４´を光Ｌ２´方向に屈折させて各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００５０】
なお、補助レンズ４１は、湾曲部４１ａに集光された光を、実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させる。従って、湾曲部４１ａに集光された光は、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、本実施形態に係る固体撮像装置４０を用いて撮像された画像において、明暗の差は従来より小さくなる。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置４０を用いて撮像された画像において、シェーディングが改善される。
【００５１】
さらに、補助レンズ４１の湾曲部４１ａに集光された光は、実質的に垂直な方向から、ほぼ均一な強度で、各マイクロレンズ１６に入射する。従って、フォトダイオード１９の格子配列に対してマイクロレンズ１６の格子配列をずらす、いわゆるスケーリングをほとんど行う必要もない。
【００５２】
ここで、本実施形態における実質的に垂直な方向とは、全てのマイクロレンズ１６の頂点を通る平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度以下の角度だけ傾いた方向である。すなわち、各マイクロレンズ１６に、平面Ｓに対して垂直な方向から所定の角度以下の角度θ２´だけ傾いた方向から光Ｌ２´が入射された場合、この光Ｌ２´は、所定のフィルタ（Ｒフィルタ（図示せず）、Ｇフィルタ２１Ｇ、またはＢフィルタ２１Ｂ）を介して所定のフォトダイオード１９に集光される。
【００５３】
このように構成された補助レンズ４１は、例えば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）の製造方法において、補助レンズ４１となるレジスト材料をネガ型にする、若しくは、補助レンズ４１となるポジ型のレジスト材料に対して、中央部ほど露光光の透過率が低くなるグレーティングマスクを用いて露光することにより、形成することができる。
【００５４】
以上に説明した第３の実施形態に係る固体撮像装置４０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ４１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置４０を提供することができる。
【００５５】
また、この固体撮像装置４０を適用した第３の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００５６】
（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置５０を示す、図３に相当する縦断面図である。第４の実施形態に係る固体撮像装置５０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ５１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００５７】
図８に示すように、第４の実施形態に係る固体撮像装置５０において、補助レンズ４１の表面は、それぞれが凸状に湾曲した複数の湾曲部５１ａによって構成されている。複数の湾曲部５１ａは、例えば格子状に配列されている。なお、図８においては、複数の湾曲部５１ａは互いに離間しているが、複数の湾曲部５１ａは、互いに接するように形成されてもよい。
【００５８】
各湾曲部５１ａの屈折率および曲率は、格子状に配列された複数の湾曲部５１ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるように調節されている。
【００５９】
このように構成された補助レンズ５１は、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０に形成された補助レンズ４１（図６）と同様に形成することができる。ただし、グレーティングマスクは、複数の透過領域を、格子状に設けたものを用いる。
【００６０】
以上に説明した第４の実施形態に係る固体撮像装置５０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ５１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置１２を提供することができる。
【００６１】
また、この固体撮像装置５０を適用した第４の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００６２】
（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置６０を示す、図３に相当する縦断面図である。第５の実施形態に係る固体撮像装置６０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ６１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００６３】
図９に示すように、第５の実施形態に係る固体撮像装置１２において、補助レンズ６１は、２層構造になっている。補助レンズ６１の下層６１−１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様の湾曲部１７ａを有するものである。また、補助レンズ６１の上層６１−２は、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０に形成された補助レンズ４１（図６）と同様の湾曲部４１ａを有するものである。
【００６４】
ただし、下層の補助レンズ６１−１の湾曲部６１−１ａの屈折率および曲率、および上層の補助レンズ６１−２の湾曲部６１−２ａの屈折率および曲率は、上層の補助レンズ６１−２の湾曲部６１−２ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるようにそれぞれ調節されている。なお、下層の補助レンズ６１−１と上層の補助レンズ６１−２とは、同一材料によって形成されてもよいし、互いに異なる材料により形成されてもよい。さらに、互いに異なる材料を用いて下層の補助レンズ６１−１と上層の補助レンズ６１−２とを形成する場合、互いの材料の屈折率の関係に制限はない。
【００６５】
このように構成された補助レンズ６１は、下層の補助レンズ６１−１を、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様に形成した後、上層の補助レンズ６１−２を、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０に形成された補助レンズ４１（図６）と同様に形成すればよい。
【００６６】
以上に説明した第５の実施形態に係る固体撮像装置６０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ６１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置６０を提供することができる。
【００６７】
また、この固体撮像装置６０を適用した第５の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００６８】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置６０およびカメラモジュールは、上層の補助レンズ６１−２の湾曲部６１−２ａに入射された光を上層の補助レンズ６１−２で一度屈折させた後、下層の補助レンズ６１−１の湾曲部６１−１ａで、さらに屈折させる。従って、例えば第１、第３の実施形態に係る固体撮像装置１２、４０のように、一層の補助レンズ１７、４１のみでは固体撮像装置１２、４０およびカメラモジュール１０に要求される感度および色再現性を満たすことができない場合に有効である。
【００６９】
（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態に係るカメラモジュールに適用される固体撮像装置７０を示す、図３に相当する縦断面図である。第６の実施形態に係る固体撮像装置７０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と比較して、補助レンズ７１の形態が異なる。以下に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と異なる点について説明する。
【００７０】
図１０に示すように、第６の実施形態に係る固体撮像装置７０において、補助レンズ７１は、２層構造になっている。補助レンズ７１の下層７１−１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様の湾曲部７１−１ａを有するものである。また、補助レンズ７１の上層７１−２は、第４の実施形態に係る固体撮像装置５０に形成された補助レンズ５１（図８）と同様の湾曲部７１−２ａを有するものである。
【００７１】
ただし、下層の補助レンズ７１−１の湾曲部７１−１ａの屈折率および曲率、および上層の補助レンズ７１−２の湾曲部７１−２ａの屈折率および曲率は、上層の補助レンズ７１−１の湾曲部７１−１ａに集光された光を実質的に垂直な方向から各マイクロレンズ１６に入射させることができるようにそれぞれ調節されている。なお、下層の補助レンズ７１−１と上層の補助レンズ７１−２とは、同一材料によって形成されてもよいし、互いに異なる材料により形成されてもよい。さらに、互いに異なる材料を用いて下層の補助レンズ７１−１と上層の補助レンズ７１−２とを形成する場合、互いの材料の屈折率の関係に制限はない。
【００７２】
このように構成された補助レンズ７１は、下層の補助レンズ７１−１を、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２に形成された補助レンズ１７（図３）と同様に形成した後、上層の補助レンズ７１−２を、第４の実施形態に係る固体撮像装置５０に形成された補助レンズ５１（図８）と同様に形成すればよい。
【００７３】
以上に説明した第６の実施形態に係る固体撮像装置７０であっても、複数のマイクロレンズ１６上に補助レンズ７１が形成されているため、第１の実施形態に係る固体撮像装置１２と同様に、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができる固体撮像装置７０を提供することができる。
【００７４】
また、この固体撮像装置７０を適用した第６の実施形態に係るカメラモジュールであっても、第１の実施形態に係るカメラモジュール１０と同様に、コストを上昇させずに、感度を向上させ、出力画像に混色が発生することを抑制することができるカメラモジュールを提供することができる。
【００７５】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置７０およびカメラモジュールも、第５の実施形態に係る固体撮像装置６０およびカメラモジュールと同様に、一層の補助レンズのみでは固体撮像装置およびカメラモジュールに要求される感度および色再現性を満たすことができない場合に有効である。
【００７６】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７７】
例えば、実施形態３乃至６に係る固体撮像装置４０、５０、６０、７０に形成された補助レンズ４１、５１、６１、７１を、実施形態２に係る固体撮像装置３０に形成されたように、第２の平坦化層３１の凹部３１ａに埋め込まれるように形成されてもよい。
【００７８】
また、各実施形態若しくはこれらの組み合わせに係る補助レンズを、表面照射型の固体撮像装置に適用してもよい。ここで表面照射型の固体撮像装置とは、半導体基板の表面上に配線層が形成されており、この配線層上に、カラーフィルタ層、マイクロレンズが形成されたものである。
【符号の説明】
【００７９】
１０・・・カメラモジュール
１１・・・回路基板
１２、３０、４０、５０、６０、７０・・・固体撮像装置
１３・・・レンズホルダ
１４・・・レンズ
１５・・・赤外線遮断フィルタ
１６・・・マイクロレンズ
１７、３２、４１、５１、６１、７１・・・補助レンズ
１７ａ、３２ａ、４１ａ、５１ａ、６１−１ａ、６１−２ａ、７１−１ａ、７１−２ａ・・・湾曲部
１８・・・半導体基板
１９・・・フォトダイオード
２０・・・第１の平坦化層
２１・・・カラーフィルタ層
２１Ｇ・・・緑色カラーフィルタ部
２１Ｂ・・・青色カラーフィルタ部
２２、３１・・・第２の平坦化層
２３・・・酸化膜
２４・・・配線層
２４ａ・・・配線
２４ｂ・・・層間絶縁膜
３１ａ・・・凹部
６１−１、７１−１・・・補助レンズの下層
６１−２、７１−２・・・補助レンズの上層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された複数のフォトダイオードと、
これらのフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成されたカラーフィルタ層と、
このカラーフィルタ層上に形成された複数のマイクロレンズと、
前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成され、表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる補助レンズと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記補助レンズは、複数の湾曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記補助レンズの湾曲部は、凹状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記補助レンズの湾曲部は、凸状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記補助レンズは、複数の層が重ねられた構造であり、
これらの各層は、それぞれ表面に湾曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記補助レンズは、下層および上層が重ねられた構造であり、
前記下層の補助レンズの湾曲部は凹状に形成され、前記上層の補助レンズの湾曲部は、凸状に形成されることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記上層の補助レンズは、複数の湾曲部を有し、これらの湾曲部は、それぞれ凸状に形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記カラーフィルタ層の表面上に、さらに凹部を有する平坦化層を有し、
前記複数のマイクロレンズは、前記平坦化層の凹部の底面に形成され、
前記補助レンズは、前記平坦化層の凹部を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記半導体基板の裏面に、さらに配線層を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
半導体基板に形成された複数のフォトダイオードと、
これらのフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成されたカラーフィルタ層と、
このカラーフィルタ層上に形成された複数のマイクロレンズと、
前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成され、表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる補助レンズと、
を具備する固体撮像装置と
この固体撮像装置を覆うように配置され、前記固体撮像装置に光を集光するレンズを内部に有する筒状のレンズホルダと、
を具備することを特徴とするカメラモジュール。
【請求項１】
半導体基板に形成された複数のフォトダイオードと、
これらのフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成されたカラーフィルタ層と、
このカラーフィルタ層上に形成された複数のマイクロレンズと、
前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成され、表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる補助レンズと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記補助レンズは、複数の湾曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記補助レンズの湾曲部は、凹状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記補助レンズの湾曲部は、凸状に形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記補助レンズは、複数の層が重ねられた構造であり、
これらの各層は、それぞれ表面に湾曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記補助レンズは、下層および上層が重ねられた構造であり、
前記下層の補助レンズの湾曲部は凹状に形成され、前記上層の補助レンズの湾曲部は、凸状に形成されることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記上層の補助レンズは、複数の湾曲部を有し、これらの湾曲部は、それぞれ凸状に形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記カラーフィルタ層の表面上に、さらに凹部を有する平坦化層を有し、
前記複数のマイクロレンズは、前記平坦化層の凹部の底面に形成され、
前記補助レンズは、前記平坦化層の凹部を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記半導体基板の裏面に、さらに配線層を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
半導体基板に形成された複数のフォトダイオードと、
これらのフォトダイオードが形成された前記半導体基板上に形成されたカラーフィルタ層と、
このカラーフィルタ層上に形成された複数のマイクロレンズと、
前記カラーフィルタ層上に、前記複数のマイクロレンズより低い屈折率を有する材料によって、前記複数のマイクロレンズを覆うように形成され、表面に湾曲部を有し、この湾曲部に入射された光を、実質的に垂直な方向から前記複数のマイクロレンズに入射させる方向に屈折させる補助レンズと、
を具備する固体撮像装置と
この固体撮像装置を覆うように配置され、前記固体撮像装置に光を集光するレンズを内部に有する筒状のレンズホルダと、
を具備することを特徴とするカメラモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３０５４０（Ｐ２０１３−３０５４０Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４１７０（Ｐ２０１１−１６４１７０）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]