JP2013012518A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子に設けるマイクロレンズの高透過率化を目的としてマイクロレンズ表面に形成する反射防止膜に、クラックによる欠陥が発生しない、高感度の固体撮像素子の構造を提供すること。
【解決手段】半導体基板２上に複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側に、光電変換素子の各々に１対１に対応してマイクロレンズ７を受光有効領域Ａに備えた固体撮像素子１において、受光有効領域に隣接する周辺領域Ｂに、受光有効領域を取り囲むように複数の凸状体７２をマイクロレンズと同一の材料で設け、マイクロレンズと凸状体の表面を均一に覆う反射防止膜８を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に設けるマイクロレンズの高性能化に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。

固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。

また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過する各種のカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサーとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の色の１画素を設けて、色分解した画像情報を集めることができる。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。

カラーフィルタは、フォトリソグラフィー法を用いて形成することが主流となっている。すなわち、基板上に所定の色の感光性着色透明樹脂を塗布した後、所定のパターンを有する露光用フォトマスクを介して感光性着色透明樹脂にパターン露光、現像を行い、所定の部位に着色透明樹脂からなるカラーフィルタを形成する。また、基板上への感光性着色透明樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることが多い。すなわち、基板上に感光性着色透明樹脂を滴下した後、基板を回転することで滴下した感光性着色透明樹脂を基板上に均一に塗り広げる方法である。

固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。

このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを光電変換素子上に形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。マイクロレンズの形成方法としては、マイクロレンズの素材となるアクリル系感光性樹脂
をフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズタイプ（特許文献１参照）や、マイクロレンズの素材となるアクリル透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱フロー性を有するレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状をアクリル透明樹脂層に転写する転写タイプ（特許文献２参照）がある。

図２は、着色透明樹脂パターンからなるカラーフィルタ画素上に１画素毎に１個の無色透明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導く従来のカラー固体撮像素子を一例として、固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
カラー固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン６を複数の光電変換素子３に１対１に対応させて設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン６を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ７を設けてなる。上記の説明は、固体撮像素子の受光有効領域を示す矢印Ａの領域に関する説明であるが、受光有効領域に隣接する周辺領域を示す矢印Ｂの領域においては、光電変換素子３が不要の領域で隣接する着色透明画素パターン６に代えて、同等の高さ空間を層として物理的に埋める充填層６１を設ける。また、第二の透明平坦化層５１上にマイクロレンズ７は不要であるが、固体撮像素子として最終的にパッケージ化する上で安定した実装に寄与するマイクロレンズとの並列層７１を設けることが多い。なお、これらの周辺領域Ｂの断面構造は、図示していないが周辺領域に設ける各種マーク類や電極端子や断裁線等の配置により、多様に変化する。

図３は、従来のカラー固体撮像素子１の構造の他の一例を説明するための模式断面図であって、図２と同様な構造のマイクロレンズ７の表面に反射防止膜８を設けた例である。マイクロレンズ７は、固体撮像素子の感度向上に資するために外光を効率良く集光する目的で設けるものであるから、マイクロレンズを透過する光量が減ることは問題である。従って、表面反射による光量の減衰を防止するために、マイクロレンズ７の表面に反射防止膜８を設ける（特許文献３参照）。

特開２００８−３４５０９号公報 特開２００９−１５２３１５号公報 特開２００１−２３０３９６号公報

図３に模式的に示した断面構造を有する固体撮像素子において、マイクロレンズ７の表面に設ける反射防止膜８は、一般にマイクロレンズ形成樹脂である有機材料上に、マイクロレンズ形成樹脂より屈折率の小さい二酸化珪素等の無機材料の薄層を形成することにより、表面反射率を低減することができる。しかし、積層された両層の熱膨張係数が異なることや、無機材料成膜時の膜に内在するストレス等が原因となって、マイクロレンズ表面に形成した反射防止膜にクラックが発生することがあり、均一に高透過率の性能を維持したいマイクロレンズの性能が損なわれ、固体撮像素子の不具合となる。

本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、固体撮像素子に設けるマイクロレンズの高透過率化を目的としてマイクロレンズ表面に形成する反射防止膜に、クラックによる欠陥が発生しない、高感度の固体撮像素子の構
造を提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側に、光電変換素子の各々に１対１に対応してマイクロレンズを受光有効領域に備えた固体撮像素子において、受光有効領域に隣接する周辺領域に、受光有効領域を取り囲むように複数の凸状体をマイクロレンズと同一の材料で設け、マイクロレンズと凸状体の表面を均一に覆う反射防止膜を形成したことを特徴とする固体撮像素子である。

また、請求項２に記載の発明は、前記凸状体が、受光有効領域に備えたマイクロレンズと同一形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子である。

また、請求項３に記載の発明は、前記反射防止膜が、屈折率がマイクロレンズより小さい単層反射防止膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子である。

また、請求項４に記載の発明は、前記反射防止膜が、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した２層以上の多層反射防止膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子である。

また、請求項５に記載の発明は、前記反射防止膜が、二酸化珪素を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子である。

本発明は、受光有効領域に隣接する周辺領域に、受光有効領域を取り囲むように複数の凸状体をマイクロレンズと同一の材料で設け、マイクロレンズと凸状体の表面を均一に覆う反射防止膜を形成するので、クラックによる欠陥が発生しない反射防止膜をマイクロレンズ表面に形成でき、均一に高透過率の性能を維持するマイクロレンズを設けて、高感度の固体撮像素子を容易に提供することができる。

本発明の固体撮像素子の構造の一例を説明するための模式断面図である。 従来の固体撮像素子の構造の一例を説明するための模式断面図である。 従来の固体撮像素子の構造の他の一例を説明するための模式断面図である。 マイクロレンズ表面における光の分光反射率を、反射防止膜の有無により比較したグラフである。図中、ＭＬはマイクロレンズを指す。

以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の固体撮像素子の構造の一例を説明するための模式断面図である。

本発明は、半導体基板２上に複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子１の画素部の受光面側に、光電変換素子３の各々に１対１に対応してマイクロレンズ７を受光有効領域Ａに備えた固体撮像素子において、受光有効領域Ａに隣接する周辺領域Ｂに、受光有効領域Ａを平面上で取り囲むように複数の凸状体７２をマイクロレンズと同一の材料で設け、マイクロレンズと凸状体の表面を均一に覆う反射防止膜８を形成したことを特徴とする固体撮像素子１である。以下、カラー固体撮像素子の例に従って、具体的に説明する。

カラー固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン６を複数の光電変換素子３に１対１に対応させて設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン６を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ７を設けてなる。

透明平坦化層５としては、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍ程度の厚さで均一に回転塗布し、熱処理して硬化する。着色透明画素パターン６は、所定の分光透過率特性を有する特定の色の顔料等の色素成分とアルカリ可溶性樹脂を含む感光性材料を、前記透明平坦化層上に回転塗布し、露光、現像工程を含む一連のフォトリソグラフィー法によりパターン形成し、熱硬化して種々の耐性を得る。上記の着色透明画素パターン形成工程を異なる色についても同様に繰り返すことにより、必要な複数色からなる着色透明画素パターンの繰り返し配列を得ることができる。
なお、受光有効領域Ａに隣接する周辺領域を示す矢印Ｂの領域においては、光電変換素子３が不要の領域であって、隣接する着色透明画素パターン６に代えて、同等の高さ空間を層として物理的に埋める充填層６１を設ける。充填層６１には、複数色の着色透明画素パターンを作る材料の内の１色を充てて、該色のパターンと同時形成することができる。

着色透明画素パターンは、色によって、必要な分光透過率を得るための厚さに差が生じ易い。そこで、透明平坦化層５より平坦化効果を大きくするために充分に厚い層で、透明平坦化層５と同様の材料を、着色透明画素パターン上に塗布、熱処理して、第二の透明平坦化層５１を形成することが好ましい。
上記平坦化がなされた表面の内、受光有効領域Ａには、所定の形状に設計されたマイクロレンズ７を光電変換素子３の各々に対応した平面上の各位置に設ける。また、受光有効領域Ａに隣接する周辺領域Ｂに、受光有効領域Ａを平面上で取り囲むように複数の凸状体７２をマイクロレンズ７と同一の材料で設ける。

なお、周辺領域Ｂに設ける凸状体７２をどのように配置するかは、図示していないが、多様に変化する。例えば、周辺領域Ｂに設ける各種マーク類や電極端子や断裁線等のパターンの配置により、該パターンを避ける位置に凸状体を設ける。しかし、周辺領域Ｂの中でも、受光有効領域Ａに隣接する受光有効領域Ａの特に近傍の領域には、前記各種マーク類や電極端子や断裁線等のパターンの配置を行わないことは設計上妥当であるので、本発明の凸状体７２を受光有効領域Ａを取り囲むように設けることができる。

本発明は、受光有効領域Ａに設けるマイクロレンズ７と、周辺領域Ｂに設ける凸状体７２とを、同一材料で設けることを特徴としている。同一材料で設けるマイクロレンズと凸状体の形成は、同時に形成することが合理的であり、形成方法としては、従来よりマイクロレンズの形成方法として実施された前述の２方式が可能である。すなわち、マイクロレンズの素材となるアクリル系感光性樹脂をフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズタイプや、マイクロレンズの素材となるアクリル透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有するレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状をアクリル透明樹脂層に転写する転写タイプが、いずれも可能である。

前記凸状体の形状は、上述の各形成方法におけるフォトリソグラフィー法を利用する工程で、使用する露光用マスクのパターン設計を考慮することにより、各種の形状が可能であるが、受光有効領域に備えたマイクロレンズと同一形状とすることが、最も容易であり、かつ、後の工程でクラックによる欠陥が発生しない反射防止膜をマイクロレンズ上に設ける上でも最適である。

また、本発明は、前述のように同一材料で設けたマイクロレンズ７と凸状体７２の表面を、反射防止膜８で均一に覆うように形成する。マイクロレンズ７の表面に反射防止膜８を設けることのみによっても、マイクロレンズの表面反射による透過光量の減少を防ぐことができ、高感度の固体撮像素子を提供することができる。しかし、特に受光有効領域Ａの端部付近のマイクロレンズ表面上の反射防止膜は、一般に使用される無機材料の成膜時の膜に内在するストレスの解放等が原因となって、クラックが発生しやすい。そこで、本発明では、受光有効領域Ａに隣接する周辺領域Ｂに、受光有効領域Ａを取り囲むように複数の凸状体をマイクロレンズと同一の材料で設け、マイクロレンズと凸状体の表面を均一に覆う反射防止膜８を形成することにより、受光有効領域Ａの端部付近のマイクロレンズ表面上の反射防止膜が、反射防止膜８としての端部には該当しなくなり、ストレスの解放による緩和を生じる領域ではなくなるので、この領域でのクラックの発生を抑制できる。

また、受光有効領域Ａから隣接する周辺領域Ｂに、マイクロレンズ７と凸状体７２の表面を連続する反射防止膜８は、前記２種類の下地の境界において、下地の形状が同一である方が、クラックの発生起因を与え難いので、凸状体７２の形状をマイクロレンズ７の形状と同一にすることが最適である。
なお、本発明では、周辺領域Ｂに設けた凸状体７２の表面に形成した反射防止膜８でのクラック発生は防止できないが、受光有効領域Ａの外での重大ではない欠陥に限定される。

前記反射防止膜８は、無機材料の単層膜または多層膜で、真空蒸着法やスパッタリング法等の真空成膜技術を用いて形成できる。
マイクロレンズの表面における光の表面反射率は、使用材料や製法により異なるが、例えば、従来のフローレンズタイプでは、屈折率１．６０、転写タイプでは、屈折率１．５５の光学特性により決まる表面反射率が、可視域平均値で、それぞれ約５．３％、約４．７％に得られていた。本発明の反射防止膜を単層膜で形成する場合には、反射防止膜の屈折率を、上記のマイクロレンズの屈折率より小さくすることにより、反射防止効果が得られる。例えば、屈折率１．４６の二酸化珪素の単層薄膜をマイクロレンズの表面に形成すると、可視域平均の表面反射率で約３．５％とすることができ、反射防止膜８を形成しない場合より表面反射率を低減できるので、高感度の固体撮像素子を提供することに寄与することができる。

図４は、マイクロレンズ表面における光の分光反射率を、反射防止膜の有無により比較したグラフである。点線で示す従来のマイクロレンズ表面の分光反射率に較べて、二酸化珪素被膜をマイクロレンズ表面に０．１μｍの厚さに形成した場合の、実線で示すマイクロレンズ表面の分光反射率は、可視光全域の波長に亘って、顕著に低下していることを示している。

前記反射防止膜８は、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した２層以上の多層反射防止膜であってもよい。ここで、高屈折率層としては、例えば、チタン、セリウム、タンタル、錫、インジウム、ジルコニウム、アルミニウム等の金属の酸化物、あるいはこれらの金属酸化物の混合物であり、屈折率が１．６０以上のものである。また、低屈折率層としては、屈折率が１．６０未満のもので、例えば、二酸化珪素を始めとする珪素系酸化物や、弗化マグネシウムの他、マグネシウム、ジルコニウム、アルミニウム等の金属の酸化物、あるいはこれらの金属酸化物の混合物が可能である。

前記反射防止膜を構成する無機材料の単層膜または多層膜に用いる薄膜材料の中でも、特に、二酸化珪素は、低コスト、高品質の膜を従来の真空成膜技術により容易に得ることができ、薄膜の光学的特性や耐性についても、成膜方法との関連で最も良く知られている材料の一つであるので、本発明に用いる反射防止膜の構成材料に含むことが好ましい。

１・・・カラー固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５・・・透明平坦化層
５１・・・第二の透明平坦化層
６・・・着色透明画素パターン
６１・・・充填層
７・・・マイクロレンズ
７１・・・マイクロレンズとの並列層
７２・・・凸状体
８・・・反射防止膜
Ａ・・・固体撮像素子の受光有効領域
Ｂ・・・受光有効領域に隣接する周辺領域

Claims (5)

1. 半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側に、光電変換素子の各々に１対１に対応してマイクロレンズを受光有効領域に備えた固体撮像素子において、受光有効領域に隣接する周辺領域に、受光有効領域を取り囲むように複数の凸状体をマイクロレンズと同一の材料で設け、マイクロレンズと凸状体の表面を均一に覆う反射防止膜を形成したことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記凸状体が、受光有効領域に備えたマイクロレンズと同一形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記反射防止膜が、屈折率がマイクロレンズより小さい単層反射防止膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記反射防止膜が、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した２層以上の多層反射防止膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
5. 前記反射防止膜が、二酸化珪素を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。