JP2003209230A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】集光率を向上させて感度の向上を図ることがで
きる固体撮像装置およびその製造方法を提供する。 【解決手段】第１マイクロレンズ５１上に、当該第１マ
イクロレンズ５１に比して屈折率の大きい第２マイクロ
レンズ５２を形成することで、最上層の第２マイクロレ
ンズ５２は、第１マイクロレンズ５１への集光の機能を
持たせるだけで良いため、焦点距離の短いレンズ、すな
わち、曲率半径の小さいマイクロレンズとすることがで
き、斜め入射光Ｌ２についても効率良くフォトセンサ２
に導くことが可能であることから、カメラレンズのＦ値
の変化に対する集光の変化を小さく出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、集光効率
の向上のためのオンチップマイクロレンズを有する固体
撮像装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の携帯型のパーソナルコンピュータ
や小型ビデオカメラの進展に伴い、ますます低消費電力
の固体撮像素子が必須となってきている。特に、画像処
理を扱う装置は、ＣＣＤ固体撮像素子が主流で用いられ
ているが、その動作特性上から低消費電力化は非常に困
難である。ＣＣＤ固体撮像素子を駆動させるためには、
少なくとも５Ｖ以上の電圧が必要である。携帯装置のデ
ジタルＬＳＩは、近年、１．５Ｖ化の研究開発が主流で
あるが、これら携帯装置の低消費電力化において、ＣＣ
Ｄ固体撮像素子を用いると、電力消費が甚だしく、大き
な問題を有している。

【０００３】そこで、近年、画像入力素子としてＣＭＯ
Ｓ型の固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）が注目
されている。この固体撮像素子はＣＭＯＳ技術を用いる
ため、低電圧の駆動が可能となり、特に近年の携帯端末
との組み合わせには低消費電力化の観点で非常に有効な
固体撮像素子と考えられる。

【０００４】図１３は、ＣＭＯＳイメージセンサの断面
の一例を示す図である。図１３に示すＣＭＯＳイメージ
センサでは、基板１０にフォトセンサ２０を形成し、絶
縁膜に埋め込むようにして配線１３１，１３２，１３３
を形成し、最終配線工程後にＰＳＧ膜や窒化シリコン膜
を形成して、ＣＭＰなどにより平坦化することにより平
坦化膜１４０を形成している。その平坦化膜１４０の上
層には、ＣＣＤイメージセンサの製造方法において良く
知られた方法によりカラーフィルタ１５０、オンチップ
マイクロレンズ１５１が形成されている。

【０００５】図１４を参照して、従来技術における平坦
化膜形成後の製造工程について説明する。ここでは、平
坦化膜１４０の下に形成されている配線等は図示しな
い。初めに、図１４（ａ）に示すように、平坦化膜１４
０上に、例えば感光性を有する着色樹脂をリソグラフィ
ーの手法によりカラーフィルタパターンにすることで、
カラーフィルタ１５０を形成する。具体的には、感光性
を有し顔料を分散させた着色樹脂を塗布し、９０℃から
１００℃の温度のホットプレートにて９０秒から１２０
秒の間でベーク後、ｉ線ステッパーを用いて露光を行
い、ＴＭＡＨ（テトラメチルジシラザン）水溶液などの
アルカリ現像液にて現像後、１００℃から１２０℃の温
度のホットプレートにて９０秒から１２０秒の間で硬化
を行うことを必要回数繰り返して形成される。例えば原
色タイプのイメージセンサであれば、赤、青、緑の３回
繰り返し、補色タイプのイメージセンサであれば、シア
ン、マゼンタ、イエロー、緑の４回繰り返す。

【０００６】次に、図１４（ｂ）に示すように、例えば
ポリスチレン系樹脂を用いた透明な感光性樹脂を塗布し
透明有機系膜１５１’を形成する。この透明有機系膜１
５１’はレンズ材となる。

【０００７】次に、図１４（ｃ）に示すように、感光性
樹脂を塗布後、フォトリソグラフィーの手法及び熱リフ
ローによりマイクロレンズ形状の感光性樹脂Ｒを形成す
る。熱リフローは、最適なレンズ形状を得るために、例
えば１５０℃から１８０℃の温度により１２０秒から２
４０秒の間で行われる。

【０００８】最後に、酸素プラズマを用いた異方性プラ
ズマドライエッチングにより、図１４（ｃ）で形成した
感光性樹脂Ｒのマイクロレンズ形状をレンズ材である透
明有機系膜１５１’に転写をすることで、オンチップマ
イクロレンズ１５１を形成し、図１４（ｄ）の構造を得
る。

【０００９】図１３に示した従来例においては、カラー
フィルタ１５０の下端、平坦化膜１４０の上面からオン
チップマイクロレンズ１５１下端までの距離Ｌ１は２．
５μｍから３μｍある。この距離Ｌ１は、ＣＭＯＳイメ
ージセンサとＣＣＤイメージセンサとでほとんど差がな
い。

【００１０】しかしながら、ＣＭＯＳイメージセンサは
一つのフォトセンサに対し数個のトランジスタを有して
おり、そのために多層の配線１３１，１３２，１３３を
フォトセンサ２０上に形成する必要があり、フォトセン
サ２０からカラーフィルタ１５０の下端、平坦化膜１４
０上面までの距離Ｌ２が長くなってしまう。

【００１１】ＣＣＤイメージセンサでは、その距離Ｌ２
は２．３μｍであるが、ＣＭＯＳイメージセンサでは５
μｍ以上になる。結果として、フォトセンサ２０からオ
ンチップマイクロレンズ１５１までの距離、いわゆる層
厚Ｌ３が厚くなってしまう。ＣＭＯＳイメージセンサも
ＣＣＤイメージセンサと同様に、今後画素サイズの縮小
が進むことは容易に予想されるが、ＭＯＳメモリプロセ
スを流用して製造されるＣＭＯＳイメージセンサは、プ
ロセスが進むほど配線構造が複雑になることもあり、こ
の層厚Ｌ３を薄くすることは容易でない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って、画素サイズと
層厚とのアスペクト比は大きくなるばかりである。その
結果、カメラレンズのＦ値が小さいときのようにイメー
ジセンサへの斜め入射光Ｌ２が増加した場合に、図１５
に示すようにフォトセンサ２０に光が集光しない状況が
発生してくる。

【００１３】また、ＣＭＯＳイメージセンサはユニット
セル面積に対するフォトセンサ２０の開口率も低い上
に、図１３に示されるように最上層まで配線が開口Ｃの
ぎりぎりに迫っている場合が多く、オンチップマイクロ
レンズ１５１により集光された入射光Ｌ１が配線１３３
により遮られてしまう。

【００１４】このとき集光された光が配線により遮られ
なくするために、図１６のようにフォトセンサ２０から
更に離れた位置にオンチップマイクロレンズ１５１ａを
形成することも考えられるが、この場合、先ほど述べた
場合と同様に画素サイズと層厚とのアスペクト比が更に
大きくなり、カメラレンズのＦ値が小さいときのように
イメージセンサへの斜め入射光Ｌ２が増加した場合にフ
ォトセンサ２０に光が集光しない状況が発生する。

【００１５】カメラレンズのＦ値によらず入射光をフォ
トセンサ２０へ集光させるためには、オンチップマイク
ロレンズ１５１の曲率半径は小さいほうが良く、そのた
めには、フォトセンサ２０からオンチップマイクロレン
ズ１５１までの距離は短くする必要がある。しかしなが
ら、ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトセンサ
２０の周辺の上層に形成される多層配線の存在により、
入射光が配線により遮られることなくフォトセンサ２０
に集光する状態を保ちながらオンチップマイクロレンズ
１５１の位置を下げることには限界がある。

【００１６】このように、ＣＭＯＳイメージセンサにお
いては、全ての入射光をフォトセンサに集光させること
が困難であり、結果的にデバイス感度の低下を招いてい
る。そこで、入射光を効率良くフォトセンサに導くよう
なデバイス構造とその製造方法が望まれている。

【００１７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、集光率を向上させて感度の向上を
図ることができる固体撮像装置およびその製造方法を提
供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の固体撮像装置は、基板に形成され、入射光
量に応じた電荷を生成する受光部と、前記受光部の上層
に形成され、第１の屈折率をもち入射した光を前記受光
部へ集光し得るように光の入射側に曲面をもつ第１のレ
ンズと、前記第１のレンズ上に形成され、前記第１の屈
折率より大きい第２の屈折率をもち、入射した光を前記
第１のレンズへ集光する第２のレンズとを有する。

【００１９】前記第２のレンズは、入射した光を前記第
１のレンズへ集光する曲率に形成されている。

【００２０】前記第２のレンズは、所定の波長領域の光
を透過するフィルタ機能を有する。あるいは、前記第１
のレンズは、所定の波長領域の光を透過するフィルタ機
能を有する。あるいは、前記第１のレンズの下層に形成
され、所定の波長領域の光を透過するカラーフィルタを
有する。

【００２１】上記の本発明の固体撮像装置では、第２の
レンズに入射光が入射すると、当該入射光は第１のレン
ズに集光される。第１のレンズは、第２のレンズに比し
て屈折率が小さいことから、第１のレンズの曲面、すな
わち、第２のレンズとの界面において、第２のレンズに
より集光された入射光は、その焦点距離が長くなる方へ
屈折して受光部へ集光するように入射光路が変えられる
ことで、入射光が受光部へ集光される。このように、第
２のレンズにより第１のレンズへ入射光を集光し、第１
のレンズにより受光部へ入射光を集光するようにするこ
とで、第２のレンズは、第１のレンズへの集光の機能を
持たせるだけで良いため、焦点距離の短いレンズ、すな
わち、曲率半径の小さいレンズで形成される。

【００２２】さらに、上記の目的を達成するため、本発
明の固体撮像装置の製造方法は、基板に受光部を形成す
る工程と、前記受光部の上層に、第１の屈折率をもち入
射した光を前記受光部へ集光し得るように光の入射側に
曲面をもつ第１のレンズを形成する工程と、前記第１の
レンズ上に、前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率
をもち、入射した光を前記第１のレンズへ集光し得る第
２のレンズを形成する工程とを有する。

【００２３】前記第２のレンズを形成する工程におい
て、顔料を分散させた着色樹脂をレンズ形状にパターニ
ングして形成する。あるいは、前記第１のレンズを形成
する工程において、顔料を分散させた着色樹脂をレンズ
形状にパターニングして形成する。あるいは、前記受光
部を形成する工程の後、前記第１のレンズを形成する工
程の前に、所定の波長領域の光を透過するカラーフィル
タを形成する工程をさらに有する。

【００２４】上記の本発明の固体撮像装置の製造方法で
は、受光部の上層に、第１の屈折率をもち入射した光を
受光部へ集光し得るように光の入射側に曲面をもつ第１
のレンズを形成し、第１のレンズ上に、第１の屈折率よ
り大きい第２の屈折率をもち、入射した光を前記第１の
レンズへ集光し得る第２のレンズを形成することで、上
述した作用を有する固体撮像装置が製造され、焦点距離
の短い、すなわち、曲率半径の小さい第２のレンズが形
成される。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の固体撮像装置お
よびその製造方法の実施の形態について、図面を参照し
て説明する。

【００２６】第１実施形態 図１に、本実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置の
構成の一例を示す。図１に示す固体撮像装置１は、光電
変換を行うフォトダイオード（即ち、ｐｎ接合型のフォ
トセンサ）２と、画素を選択する例えばＭＯＳトランジ
スタからなる垂直選択用スイッチ素子４と、例えばＭＯ
Ｓトランジスタからなる読み出し用スイッチ素子３とに
よって構成された単位画素５が、マトリックス状に複数
配列されてなる撮像領域と、各行毎に垂直選択用スイッ
チ素子４の制御電極（ゲート電極）が共通に接続された
垂直選択線ＳＶＬに垂直走査パルスφＶ（φＶ１，・・
・φＶｍ，・・・φＶｍ＋ｋ，・・・）を出力する垂直
走査回路６と、各列毎に読み出し用スイッチ素子３の主
電極が共通に接続された垂直信号線ＶＬと、各列毎に垂
直選択用スイッチ素子４の主電極に接続された読み出し
パルス線ＲＬと、垂直信号線ＶＬと水平信号線ＨＬに主
電極が接続された例えばＭＯＳトランジスタからなる水
平スイッチ素子７と、水平スイッチ素子７の制御電極と
読み出しパルス線ＲＬに接続された水平走査回路８と、
水平信号線ＨＬに接続されたアンプ９により構成されて
いる。

【００２７】各単位画素５では、読み出し用スイッチ素
子３の一方の主電極が、フォトセンサ２に接続され、他
方の主電極が垂直信号線ＶＬに接続されている。また、
垂直選択用スイッチ素子４の一方の主電極が、読み出し
用スイッチ素子３の制御電極に接続され、その他方の主
電極が読み出しパルス線ＲＬに接続され、その制御電極
が垂直選択線ＳＶＬに接続されている。

【００２８】水平走査回路８から各水平スイッチ素子７
の制御電極に水平走査パルスφＨ（φＨ１，・・・φＨ
ｎ，・・・φＨｎ＋１，・・・）が供給されるととも
に、各読み出しパルス線ＲＬに水平読み出しパルスφＨ
^R （φＨ^R １，・・・φＨ^R ｎ，・・・φＨ^R ｎ＋１，
・・・）が供給される。

【００２９】この固体撮像装置１の基本動作は、次のよ
うになる。垂直走査回路６からの垂直走査パルスφＶｍ
と、水平走査回路８からの読み出しパルスφＨ^R ｎを受
けた垂直選択用スイッチ素子４が、それらのパルスφＶ
ｍ，φＨ^R ｎの積のパルスを作り、この積のパルスで読
み出し用スイッチ素子３の制御電極を制御して、フォト
センサ２で光電変換された信号電荷を垂直信号線ＶＬに
読み出す。この信号電荷は、水平映像期間中に、水平走
査回路８からの水平走査パルスφＨにより制御された水
平スイッチ素子７を通して水平信号線ＨＬに出力され、
これに接続されたアンプ９により信号電圧に変換されて
出力される。

【００３０】尚、上記の例では、単位画素内に２つのト
ランジスタを有する例について説明したが、これに限ら
れず、単位画素内に５つのトランジスタを有するもの
等、様々なタイプのものが存在する。

【００３１】図２に、上記のフォトセンサ２およびその
上層構成を示す断面図を示す。図２に示すように、例え
ば、酸化シリコン等からなる素子分離絶縁膜１１により
画素分離されたｐ型の半導体基板１０の活性領域に、ｎ
型不純物を含有するｎ型半導体領域１２が形成され、当
該ｎ型半導体領域１２とｐ型の半導体基板１０との間で
ｐｎ接合を形成してなるフォトセンサ２が構成されてい
る。

【００３２】画素分離された半導体基板１０の他の部分
において、フォトセンサ２のｎ型半導体領域１２と同時
に形成されたｎ型半導体領域１２’が形成されており、
当該ｎ型半導体領域１２，１２’間における半導体基板
１０上には、酸化シリコン等からなるゲート絶縁膜とポ
リシリコン等からなるゲート電極が積層形成されて構成
されるｎＭＯＳトランジスタからなる読み出し用スイッ
チ素子３が形成されている。なお、図示しない領域にお
いて、他のトランジスタ等が形成されている。

【００３３】フォトセンサ２および読み出し用スイッチ
素子３を被覆して、酸化シリコン等からなる絶縁膜１３
が形成され、当該絶縁膜１３上には、フォトセンサ２上
方に開口を有するチタン等からなる遮光膜１４が形成さ
れている。遮光膜１４および絶縁膜１３を被覆して、酸
化シリコン等からなる第１の層間絶縁膜２１が形成さ
れ、さらに同様にして、酸化シリコン等からなる第２の
層間絶縁膜２２が形成されている。

【００３４】第２の層間絶縁膜２２上には、チタンある
いは窒化チタン等からなるバリアメタル３１ｂに挟まれ
た銅やシリコンを含有するアルミニウム配線３１ａ等か
らなる第１の配線３１が形成されている。

【００３５】第２の層間絶縁膜２２および第１の配線３
１を被覆して全面に、酸化シリコン等からなる第３の層
間絶縁膜２３および第４の層間絶縁膜２４が形成されて
おり、当該第４の層間絶縁膜２４上には、チタンあるい
は窒化チタン等からなるバリアメタル３２ｂに挟まれた
銅やシリコンを含有するアルミニウム配線３２ａ等から
なる第２の配線３２が形成されている。

【００３６】第４の層間絶縁膜２４および第２の配線３
２を被覆して全面に、酸化シリコン等からなる第５の層
間絶縁膜２５および第６の層間絶縁膜２６が形成されて
おり、当該第６の層間絶縁膜２６上には、チタンあるい
は窒化チタン等からなるバリアメタル３３ｂに挟まれた
銅やシリコンを含有するアルミニウム配線３３ａ等から
なる第３の配線３３が形成されている。

【００３７】このようにして、半導体基板１０に形成さ
れたフォトセンサ２や読み出し用スイッチ素子３および
その他のトランジスタの上層には、多層配線が形成され
ている。なお、必要に応じて、層間絶縁膜に形成された
コンタクトホールを通じて、各配線３１，３２，３３間
は、電気的に接続されている。本実施形態では、一例と
して、第１の配線３１、第２の配線３２、第３の配線３
３の３層配線の例を示してあるが、これに限定されるも
のではない。

【００３８】第３の配線３３および第６の層間絶縁膜２
６を被覆して全面に、酸化シリコン等からなる第７の層
間絶縁膜２７が形成されており、当該第７の層間絶縁膜
２７を被覆して、表面が平坦化されたＰＳＧ(Phosphosi
licate glass) 膜や窒化シリコン膜等からなる平坦化膜
４０が形成されている。

【００３９】平坦化膜４０上には、第１マイクロレンズ
５１が形成され、当該第１マイクロレンズ５１上には、
第２マイクロレンズ５２が形成されている。第１マイク
ロレンズ５１は、第２マイクロレンズ５２より低い屈折
率を有する材料により構成され、例えば屈折率が１．５
程度のＢＰＳＧ（Borophosphosilicate glass)膜で形成
されている。第２マイクロレンズ５２は、比較的屈折率
の高い有機材料、例えばポリイミド樹脂で形成され、こ
のポリイミド樹脂の光に対する屈折率データは図３に示
すようなものであり、当該屈折率は通常のレンズ材とし
て用いられる有機材料の約１．６よりも高く１．８程度
ある。また、第２マイクロレンズ５２は、顔料が分散さ
れて着色されており、カラーフィルタの機能も持つ。

【００４０】次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装
置の製造方法について、図４から図７を用いて説明す
る。ここで説明する例は、原色タイプのＣＭＯＳイメー
ジセンサで赤、緑、青の３色のカラーフィルタを必要と
する場合である。

【００４１】まず、一般的なＣＭＯＳイメージセンサの
形成と同様に、ＣＭＯＳ技術を用いて、半導体基板１０
にフォトセンサ２を構成するｎ型半導体領域１２や他の
トランジスタのソース・ドレイン領域等の各種半導体領
域を形成し、半導体基板１０上にゲート絶縁膜およびゲ
ート電極を形成することで、半導体基板に複数のトラン
ジスタを形成した後、層間絶縁膜の堆積工程および配線
形成工程を繰り返すことにより、層間絶縁膜２１〜２７
内に配線３１，３２，３３を形成する。

【００４２】そして、図４（ａ）に示すように、最上層
の第７の層間絶縁膜２７を形成後、窒化シリコン等を堆
積させてＣＭＰなどにより平坦化することで平坦化膜４
０を形成する。但し、ここでは平坦化膜４０の下に形成
されている配線等は図示していない。その平坦化膜４０
上に屈折率が１．５程度の例えばＢＰＳＧ膜等をＣＶＤ
法により１から２μｍ程度堆積させて、第１マイクロレ
ンズ用層５１０を形成する。

【００４３】次に、図４（ｂ）に示すように、第１マイ
クロレンズ用層５１０上に感光性樹脂を塗布後、フォト
リソグラフィーの手法及び熱リフローによりマイクロレ
ンズ形状の感光性樹脂Ｒ１を形成する。熱リフローは、
最適なレンズ形状を得るために、例えば１５０℃から１
８０℃の温度により１２０秒から２４０秒の間で行われ
る。

【００４４】次に、図４（ｃ）に示すように、異方性プ
ラズマドライエッチングにより図４（ｂ）で形成した感
光性樹脂Ｒ１のマイクロレンズ形状を第１マイクロレン
ズレンズ用層５１０に転写し、第１マイクロレンズ５１
を形成する。

【００４５】次に、図５（ｄ）に示すように、例えば緑
の顔料を分散させたポリイミド樹脂を塗布して第１カラ
ーフィルタ兼レンズ層５２１を形成する。ポリイミド樹
脂は、例えば１．８程度の比較的高い屈折率を有する。
図３にポリイミド樹脂の波長に対する屈折率データの一
例を示したが、屈折率は材料の組成を変更することによ
り調整が可能である。

【００４６】次に、図５（ｅ）に示すように、緑のカラ
ーフィルタを必要とする画素の第１カラーフィルタ兼レ
ンズ層５２１上にプラズマドライエッチング耐性の高い
ポジ型フォトレジストＲ２をフォトリソグラフィーの手
法を用いてパターニングした後に、当該フォトレジスト
Ｒ２をマスクとして異方性プラズマドライエッチングを
行うことにより、第１カラーフィルタ兼レンズ層５２１
をパターニング形成する。

【００４７】次に、図５（ｆ）に示すように、エッチン
グマスクとして用いたポジ型フォトレジストＲ２をＭＭ
Ｐ（メチルメトキシプロピオネート）などの溶剤により
除去する。

【００４８】次に、図６（ｇ）に示すように、図５
（ｄ）から５（ｆ）と同様の手法で、例えば赤の顔料を
分散させたポリイミド樹脂を塗布して第２カラーフィル
タ兼レンズ層５２２を形成し、１色目の緑と２色目の赤
のカラーフィルタ以外のカラーフィルタを必要とする画
素の第２カラーフィルタ兼レンズ層５２２を除去する。

【００４９】次に、図６（ｈ）に示すように、３色目の
青の顔料を分散させたポリイミド樹脂を塗布して第３カ
ラーフィルタ兼レンズ層５２３を形成する。ここで、４
色のカラーフィルタが必要な場合は、図５（ｄ）から
（ｆ）と同様の手法で１、２、３色目以外のカラーフィ
ルタを必要とする画素のポリイミド樹脂を除去をした後
に４色目のポリイミド樹脂を塗布する。

【００５０】次に、図７（ｉ）に示すように、感光性樹
脂を塗布後、フォトリソグラフィーの手法及び熱リフロ
ーによりマイクロレンズ形状の感光性樹脂Ｒ３を形成す
る。熱リフローは、最適なレンズ形状を得るために、例
えば１５０℃から１８０℃の温度により１２０秒から２
４０秒の間で行われる。

【００５１】次に、図７（ｊ）に示すように、異方性プ
ラズマドライエッチングにより図７（ｉ）で形成した感
光性樹脂Ｒ３のマイクロレンズ形状をカラーフィルタ兼
レンズ層５２１，５２２，５２３に転写し、第２マイク
ロレンズ５２を形成する。このときの異方性プラズマド
ライエッチングは、感光性樹脂Ｒ３とカラーフィルタ兼
レンズ層５２１，５２２，５２３のエッチング速度が等
しくなるようにガス流量などの条件を調整する。以上に
より、図２に示すような本実施形態に係る固体撮像装置
が製造される。

【００５２】上記の本実施形態に係る固体撮像装置で
は、カラーフィルタの機能を持つ第２マイクロレンズ５
２に入射光Ｌ１が入射すると、当該入射光Ｌ１は第１マ
イクロレンズ５１に集光される。このとき、当該第２マ
イクロレンズ５２のカラーフィルタ機能により、入射光
Ｌ１の所望の波長領域のみが透過することとなる。第１
マイクロレンズ５１は、第２マイクロレンズ５２に比し
て屈折率が小さいことから、第２マイクロレンズ５２に
より集光されてきた入射光Ｌ１は、その焦点距離が長く
なる方へ屈折し、フォトセンサ２へ集光するように入射
光路が変えられることで、入射光Ｌ１がフォトセンサ２
へ集光されることとなる。

【００５３】ここで、第１マイクロレンズ５１の大きさ
について言及しておくと、本実施形態の構造では、第１
マイクロレンズ５１には第２マイクロレンズ５２からの
入射光が十分に集光されてきているので、第１マイクロ
レンズ５１は、図２に示されるように画素の大きさとほ
ぼ同等に形成する必要は無い。最上層配線により決定さ
れるフォトセンサ２上層の開口Ｃとほぼ同等、またはそ
れ以上の大きさがあれば十分である。

【００５４】以上のような集光作用を有する本実施形態
に係る固体撮像装置によれば、最上層の第２マイクロレ
ンズ５２は、第１マイクロレンズ５１への集光の機能を
持たせるだけで良いため、焦点距離の短いレンズ、すな
わち、曲率半径の小さいマイクロレンズとすることがで
き、斜め入射光Ｌ２についても効率良くフォトセンサ２
に導くことが可能であることから、カメラレンズのＦ値
の変化に対する集光の変化を小さく出来る。また、第２
マイクロレンズ５２は屈折率が比較的高いため、入射光
Ｌ１はより大きく屈折されて、第１マイクロレンズ５１
へと集光され、レンズの曲率半径を更に小さくすること
と同等の効果が得られる。

【００５５】更に、第２マイクロレンズ５２に顔料を分
散させた着色樹脂を用いることで、以下の効果を有す
る。すなわち、従来において、オンチップマイクロレン
ズ材として使用されたポリスチレン系樹脂は屈折率が約
１．６であるが、一般的に使用されているカラーフィル
タ材料は、屈折率１．６から１．７と必ずしもオンチッ
プマイクロレンズとカラーフィルタの屈折率は同じには
ならず、少なからずその界面での反射、屈折が起こる。
また、オンチップマイクロレンズとカラーフィルタの界
面は必ずしも平面とはならない。このことは、入射光を
効率良く集光させるためのオンチップマイクロレンズの
設計において制御を困難にする要因として働き、入射光
の光路に対してバラツキを与えることとなる。結果とし
て、入射光がフォトセンサに完全に集光しない状態が発
生する。それに比して、本実施形態では、第２マイクロ
レンズ５２がカラーフィルタ機能を備えることで、上記
のようなマイクロレンズからの入射光が屈折率の異なる
カラーフィルタにて光路が変化することによる集光効率
の低下を防止できる。

【００５６】以上のように、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置
において、入射光Ｌ１を効率良くフォトセンサ２に導く
ことが可能となり、また、カメラレンズのＦ値による集
光の変化が少ないため、斜め入射光Ｌ２についても効率
良くフォトセンサ２に集光することが可能である。

【００５７】第２実施形態 第１実施形態では、最上層の第２マイクロレンズ５２に
色素を含有するポリイミド樹脂を採用して、カラーフィ
ルタの機能を兼用する例について説明したが、本実施形
態では、第１マイクロレンズ５１に顔料を分散させた着
色樹脂を用いてカラーフィルタの機能を兼用する。

【００５８】そのため、本実施形態においては、第１マ
イクロレンズは、例えば屈折率が１．６程度のノボラッ
ク系樹脂やアクリル系樹脂に顔料を分散させた着色樹脂
を使用する。なお、平坦化膜４０より下層の構成につい
ては第１実施形態と同様である。

【００５９】上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製
造方法について、図８から図１１を用いて説明する。こ
こでも説明する例は、第１実施形態と同様、原色タイプ
のＣＭＯＳイメージセンサで、赤、緑、青の３色のカラ
ーフィルタを必要とする場合である。

【００６０】まず、第１実施形態と同様、一般的なＣＭ
ＯＳイメージセンサの形成と同様に、ＣＭＯＳ技術を用
いて、半導体基板１０にフォトセンサ２を構成するｎ型
半導体領域１２や他のトランジスタのソース・ドレイン
領域等の各種半導体領域を形成し、半導体基板１０上に
ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成することで、半導
体基板に複数のトランジスタを形成した後、層間絶縁膜
の堆積工程および配線形成工程を繰り返すことにより、
層間絶縁膜２１〜２７内に配線３１，３２，３３を形成
する。

【００６１】そして、図８（ａ）に示すように、最上層
の層間絶縁膜２７を形成後、窒化シリコン等を堆積させ
てＣＭＰなどにより平坦化することで平坦化膜４０を形
成する。但し、第１実施形態と同様、平坦化膜４０の下
に形成されている配線等は図示していない。続いて、平
坦化膜４０上に、例えば緑の顔料を分散させたノボラッ
ク系樹脂を塗布して第１カラーフィルタ兼レンズ層５１
１を形成する。

【００６２】次に、図８（ｂ）に示すように、緑のカラ
ーフィルタを必要とする画素の第１カラーフィルタ兼レ
ンズ層５１１上にプラズマドライエッチング耐性の高い
ポジ型フォトレジストＲ１１をフォトリソグラフィーの
手法を用いてパターニングした後に、当該フォトレジス
トＲ１１をマスクとして異方性プラズマドライエッチン
グを行うことにより、第１カラーフィルタ兼レンズ層５
１１をパターニングする。

【００６３】次に、図８（ｃ）に示すように、エッチン
グマスクとして用いたポジ型フォトレジストＲ１１をＭ
ＭＰ（メチルメトキシプロピオネート）などの溶剤によ
り除去する。

【００６４】次に、図９（ｄ）に示すように、図８
（ａ）から８（ｃ）と同様の手法で、例えば赤の顔料を
分散させたノボラック系樹脂を塗布して第２カラーフィ
ルタ兼レンズ層５１２を形成し、１色目の緑と２色目の
赤のカラーフィルタ以外のカラーフィルタを必要とする
画素の第２カラーフィルタ兼レンズ層５１２を除去す
る。

【００６５】次に、図９（ｅ）に示すように、３色目の
青の顔料を分散させたノボラック系樹脂を塗布して第３
カラーフィルタ兼レンズ層５１３を形成する。ここで、
４色のカラーフィルタが必要な場合は、図８（ａ）から
（ｃ）と同様の手法で１、２、３色目以外のカラーフィ
ルタを必要とする画素のカラーフィルタ兼レンズ層を除
去をした後に４色目のカラーフィルタ兼レンズ層を形成
する。

【００６６】次に、図１０（ｆ）に示すように、感光性
樹脂を塗布後、フォトリソグラフィーの手法及び熱リフ
ローによりマイクロレンズ形状の感光性樹脂Ｒ１２を形
成する。熱リフローは、最適なレンズ形状を得るため
に、例えば１５０℃から１８０℃の温度により１２０秒
から２４０秒の間で行われる。

【００６７】次に、図１０（ｇ）に示すように、異方性
プラズマドライエッチングにより図１０（ｆ）で形成し
た感光性樹脂Ｒ１２のマイクロレンズ形状をカラーフィ
ルタ兼レンズ層５１１，５１２，５１３に転写し、第１
マイクロレンズ５１ａを形成する。このときの異方性プ
ラズマドライエッチングは、感光性樹脂Ｒ１２とカラー
フィルタ兼レンズ層５１１，５１２，５１３のエッチン
グ速度が等しくなるようにガス流量などの条件を調整す
る。

【００６８】次に、図１０（ｈ）に示すように、第１マ
イクロレンズ５１ａ上に、屈折率が１．８程度の無色透
明なポリイミド樹脂を１から２μｍ程度塗布して、第２
マイクロレンズ用層５２０を形成する。

【００６９】次に、図１１（ｉ）に示すように、第２マ
イクロレンズ用層５２０上に感光性樹脂を塗布後、フォ
トリソグラフィーの手法及び熱リフローによりマイクロ
レンズ形状の感光性樹脂Ｒ１３を形成する。熱リフロー
は、最適なレンズ形状を得るために、例えば１５０℃か
ら１８０℃の温度により１２０秒から２４０秒の間で行
われる。

【００７０】次に、図１２（ｊ）に示すように、異方性
プラズマドライエッチングにより図１２（ｉ）で形成し
た感光性樹脂Ｒ１３のマイクロレンズ形状を第２マイク
ロレンズ用層５２０に転写し、第２マイクロレンズ５２
ａを形成する。以上により、本実施形態に係る固体撮像
装置が製造される。

【００７１】上記の本実施形態に係る固体撮像装置で
は、第１マイクロレンズ５１ａがカラーフィルタ機能を
有する点以外においては、第１実施形態と同様の作用を
有し、第２マイクロレンズ５２ａに入射した入射光は、
第１マイクロレンズ５１ａに集光され、第１マイクロレ
ンズ５１ａは、第２マイクロレンズ５２ａに比して屈折
率が小さいことから、第２マイクロレンズ５２ａにより
集光されてきた入射光Ｌ１は、その焦点距離が長くなる
方へ屈折し、フォトセンサ２へ集光するように入射光路
が変えられることで、入射光Ｌ１がフォトセンサ２へ集
光されることとなる。

【００７２】従って、本実施形態に係る固体撮像装置に
おいても、第１実施形態と同様の理由から、最上層の第
２マイクロレンズ５２ａは、第１マイクロレンズ５１ａ
への集光の機能を持たせるだけで良いため、焦点距離の
短い、すなわち、曲率半径の小さいマイクロレンズとす
ることができ、斜め入射光Ｌ２についても効率良くフォ
トセンサ２に導くことが可能であることから、カメラレ
ンズのＦ値の変化に対する集光の変化を小さく出来る。
また、第２マイクロレンズ５２ａは屈折率が比較的高い
ため、入射光はより大きく屈折されて、第１マイクロレ
ンズ５１ａへと集光され、レンズの曲率半径を更に小さ
くすることと同等の効果が得られる。

【００７３】更に、第１実施形態と同様に、第１マイク
ロレンズ５１ａに着色樹脂を用いることで、マイクロレ
ンズからの入射光が屈折率の違うカラーフィルターにて
光路が変化することによる集光効率の低下を防止でき
る。

【００７４】以上のようにして、本実施形態において
も、第１実施形態と同様にして、ＣＭＯＳ型の固体撮像
装置において、入射光を効率良くフォトセンサ２に導く
ことが可能となり、また、カメラレンズのＦ値による集
光の変化が少ないため、斜め入射光についても効率良く
フォトセンサ２に集光することが可能である。

【００７５】第３実施形態 図１２に、本実施形態に係るフォトセンサ２およびその
上層構成を示す断面図を示す。第１実施形態および第２
実施形態においては、第１マイクロレンズあるいは第２
マイクロレンズのいずれかが、カラーフィルタ機能を兼
用する構造の例について説明したが、本実施形態では、
マイクロレンズの下層に従来と同様のカラーフィルタ５
０を有する。

【００７６】すなわち、本実施形態では、平坦化膜４０
上に、例えば感光性を有する着色樹脂をリソグラフィー
の手法によりカラーフィルタパターンに形成されたカラ
ーフィルタ５０を有する。

【００７７】また、カラーフィルタ５０上には、第１マ
イクロレンズ５１ｂが形成され、当該第１マイクロレン
ズ５１ｂ上には、第２マイクロレンズ５２ｂが形成され
ている。第１マイクロレンズ５１ｂは、第２マイクロレ
ンズ５２ｂより低い屈折率を有する材料により構成さ
れ、例えば屈折率が１．６程度のノボラック系樹脂で形
成されている。第２マイクロレンズ５２ｂは、比較的屈
折率の高い有機材料、例えば屈折率が１．８程度のポリ
イミド樹脂で形成される。なお、平坦化膜４０より下層
の構成については第１実施形態と同様である。

【００７８】上記構成の固体撮像装置の製造において
は、平坦化膜４０を形成後に、従来と同様にして、感光
性を有し顔料を分散させた着色樹脂を塗布し、９０℃か
ら１００℃の温度のホットプレートにて９０秒から１２
０秒の間でベーク後、ｉ線ステッパーを用いて露光を行
い、ＴＭＡＨ（テトラメチルジシラザン）水溶液などの
アルカリ現像液にて現像後、１００℃から１２０℃の温
度のホットプレートにて９０秒から１２０秒の間で硬化
を行うことを必要回数繰り返すことで、カラーフィルタ
５０が形成される。例えば原色タイプのイメージセンサ
であれば、赤、青、緑の３回繰り返し、補色タイプのイ
メージセンサであればシアン、マゼンタ、イエロー、緑
の４回繰り返す。

【００７９】続いて、第２実施形態と同様にして、カラ
ーフィルタ５０上に屈折率が１．６程度の例えばノボラ
ック系樹脂からなる第１マイクロレンズ５１ｂを形成
し、第１マイクロレンズ５１ｂを形成後に、例えばポリ
イミド樹脂からなる第２マイクロレンズ５２ｂを形成す
ることで、図１２に示す本実施形態に係る固体撮像装置
が製造される。

【００８０】上記の本実施形態に係る固体撮像装置で
は、第１および第２実施形態と同様の作用を有し、第２
マイクロレンズ５２ｂに入射した入射光Ｌ１は、第１マ
イクロレンズ５１ｂに集光され、第１マイクロレンズ５
１ｂは、第２マイクロレンズ５２ｂに比して屈折率が小
さいことから、第２マイクロレンズ５２ｂにより集光さ
れてきた入射光Ｌ１は、その焦点距離が長くなる方へ屈
折し、フォトセンサ２へ集光するように入射光路が変え
られる。そして、カラーフィルタ５０を通過すること
で、入射光Ｌ１の所望の波長領域のみがフォトセンサ２
へ集光されることとなる。

【００８１】従って、本実施形態に係る固体撮像装置に
おいても、第１実施形態と同様の理由から、最上層の第
２マイクロレンズ５２ｂは、第１マイクロレンズ５１ｂ
への集光の機能を持たせるだけで良いため、焦点距離の
短い、すなわち、曲率半径の小さいマイクロレンズとす
ることができ、斜め入射光Ｌ２についても効率良くフォ
トセンサ２に導くことが可能であることから、カメラレ
ンズのＦ値の変化に対する集光の変化を小さく出来る。
また、第２マイクロレンズ５２ｂは屈折率が比較的高い
ため、入射光Ｌ１はより大きく屈折され、第１マイクロ
レンズ５１ｂへと集光されて、レンズの曲率半径を更に
小さくすることと同等の効果が得られる。

【００８２】以上のようにして、本実施形態において
も、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置において、入射光を効率
良くフォトセンサ２に導くことが可能となり、また、カ
メラレンズのＦ値による集光の変化が少ないため、斜め
入射光についても効率良くフォトセンサ２に集光するこ
とが可能である。

【００８３】本発明は、上記の実施形態の説明に限定さ
れない。本実施形態では、カラーフィルタを必要とする
単板カラー用のＣＭＯＳイメージセンサについて説明し
たが、本発明は、カラーフィルタを必要としない白黒Ｃ
ＭＯＳイメージセンサにおいても適用可能である。例え
ば、第１実施形態について説明すると、第２マイクロレ
ンズ５２の形成において、着色されていない無色透明な
ポリイミド樹脂を用いることで可能であり、製造方法に
おいては、ポリイミド樹脂のパターニングをすることな
く、無色透明なポリイミド樹脂を塗布した後に図７
（ｉ）から（ｊ）の工程を行えば良い。同様にして、第
２実施形態について適用することも可能である。

【００８４】また、実施例ではＣＭＯＳイメージセンサ
への適用について述べてきたが、本発明は、もちろんＣ
ＣＤイメージセンサやその他のイメージセンサへも同様
の適用が可能であり、その用途を制限するものではな
い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
変更が可能である。

【００８５】

【発明の効果】本発明によれば、集光率を向上させて感
度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１から第３実施形態に係るＣＭＯＳ型の固体
撮像装置の構成の一例を示す図である。

【図２】第１実施形態に係る固体撮像装置のフォトセン
サおよびその上層構成を示す断面図である。

【図３】ポリイミド樹脂の波長に対する屈折率データの
一例を示す図である。

【図４】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造におい
て、第１マイクロレンズ形成後の断面図である。

【図５】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造におい
て、第１カラーフィルタ兼レンズ層のパターニング後の
断面図である。

【図６】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造におい
て、第３カラーフィルタ兼レンズ層の形成後の断面図で
ある。

【図７】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造におい
て、第２マイクロレンズ形成後の断面図である。

【図８】第２実施形態に係る固体撮像装置の製造におい
て、第１カラーフィルタ兼レンズ層のパターニング後の
断面図である。

【図９】第２実施形態に係る固体撮像装置の製造におい
て、第３カラーフィルタ兼レンズ層の形成後の断面図で
ある。

【図１０】第２実施形態に係る固体撮像装置の製造にお
いて、第１マイクロレンズ形成後の断面図である。

【図１１】第２実施形態に係る固体撮像装置の製造にお
いて、第２マイクロレンズ形成後の断面図である。

【図１２】第３実施形態に係る固体撮像装置のフォトセ
ンサおよびその上層構成を示す断面図である。

【図１３】従来例の固体撮像装置のフォトセンサおよび
その上層構成を示す断面図である。

【図１４】従来例の固体撮像装置のカラーフィルタおよ
びオンチップマイクロレンズの形成工程を示す図であ
る。

【図１５】従来例の固体撮像装置による問題点を説明す
るための図である。

【図１６】従来例の固体撮像装置による他の問題点を説
明するための図である。

【符号の説明】

１…固体撮像装置、２，２０…フォトセンサ、３…読み
出し用スイッチ素子、４…垂直選択用スイッチ素子、５
…単位画素、６…垂直走査回路、７…水平スイッチ素
子、８…水平走査回路、９…アンプ、１０…半導体基
板、１１…素子分離絶縁膜、１２，１２’…ｎ型半導体
領域、１３…絶縁膜、１４…遮光膜、２１…第１の層間
絶縁膜、２２…第２の層間絶縁膜、２３…第３の層間絶
縁膜、２４…第４の層間絶縁膜、２５…第５の層間絶縁
膜、２６…第６の層間絶縁膜、２７…第７の層間絶縁
膜、３１…第１の配線、３１ａ…アルミニウム配線、３
１ｂ…バリアメタル、３２…第２の配線、３２ａ…アル
ミニウム配線、３２ｂ…バリアメタル、３３…第３の配
線、３３ａ…アルミニウム配線、３３ｂ…バリアメタ
ル、４０…平坦化膜、５０…カラーフィルタ、５１，５
１ａ，５１ｂ…第１マイクロレンズ、５２，５２ａ，５
２ｂ…第２マイクロレンズ、１３１，１３２，１３３…
配線、１４０…平坦化膜、１５０…カラーフィルタ、１
５１…オンチップマイクロレンズ、５１０…第１マイク
ロレンズ用層、５１１…第１カラーフィルタ兼レンズ
層、５１２…第２カラーフィルタ兼レンズ層、５１３…
第３カラーフィルタ兼レンズ層、５２０…第２マイクロ
レンズ用層、５２１…第１カラーフィルタ兼レンズ層、
５２２…第２カラーフィルタ兼レンズ層、５２３…第３
カラーフィルタ兼レンズ層、ＳＶＬ…垂直選択線、ＶＬ
…垂直信号線、ＲＬ…読み出しパルス線、ＨＬ…水平信
号線。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 31/10 Ａ Ｆターム(参考） 4M118 AA04 AA10 AB01 BA10 BA14 CA01 CA03 CA40 CB14 FA06 GB11 GC08 GC09 GD04 5C022 AC42 AC54 AC55 5C024 AX01 CX41 CY47 EX24 EX43 EX52 GZ34 5F049 MA02 NA20 NB03 NB05 RA08 TA12

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に形成され、入射光量に応じた電荷を
   生成する受光部と、 前記受光部の上層に形成され、第１の屈折率をもち入射
   した光を前記受光部へ集光し得るように光の入射側に曲
   面をもつ第１のレンズと、 前記第１のレンズ上に形成され、前記第１の屈折率より
   大きい第２の屈折率をもち、入射した光を前記第１のレ
   ンズへ集光する第２のレンズとを有する固体撮像装置。
2. 【請求項２】前記第２のレンズは、入射した光を前記第
   １のレンズへ集光する曲率に形成されている請求項１記
   載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】前記第２のレンズは、所定の波長領域の光
   を透過するフィルタ機能を有する請求項１記載の固体撮
   像装置。
4. 【請求項４】前記第１のレンズは、所定の波長領域の光
   を透過するフィルタ機能を有する請求項１記載の固体撮
   像装置。
5. 【請求項５】前記第１のレンズの下層に形成され、所定
   の波長領域の光を透過するカラーフィルタを有する請求
   項１記載の固体撮像装置。
6. 【請求項６】基板に受光部を形成する工程と、 前記受光部の上層に、第１の屈折率をもち入射した光を
   前記受光部へ集光し得るように光の入射側に曲面をもつ
   第１のレンズを形成する工程と、 前記第１のレンズ上に、前記第１の屈折率より大きい第
   ２の屈折率をもち、入射した光を前記第１のレンズへ集
   光し得る第２のレンズを形成する工程とを有する固体撮
   像装置の製造方法。
7. 【請求項７】前記第２のレンズを形成する工程におい
   て、顔料を分散させた着色樹脂をレンズ形状にパターニ
   ングして形成する請求項６記載の固体撮像装置の製造方
   法。
8. 【請求項８】前記第１のレンズを形成する工程におい
   て、顔料を分散させた着色樹脂をレンズ形状にパターニ
   ングして形成する請求項６記載の固体撮像装置の製造方
   法。
9. 【請求項９】前記受光部を形成する工程の後、前記第１
   のレンズを形成する工程の前に、 所定の波長領域の光を透過するカラーフィルタを形成す
   る工程をさらに有する請求項６記載の固体撮像装置の製
   造方法。