JP2006173314A - 固体撮像装置およびマスク描画方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 像高に対する入射角度特性が比例関係にない場合に集光率を向上させた固体撮像装置およびマスク作製方法を提供する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、二次元状に配置された受光部２からなる受光領域と、光電変換素子の真上の位置から受光領域の光学中心寄りにずれを持たせた位置に配列されたマイクロレンズからなるマイクロレンズ層とを有する固体撮像装置であって、前記マイクロレンズ層６は、一部分のマイクロレンズからなる第１マイクロレンズ群と、第１マイクロレンズ群よりも前記光学中心から離れた位置に存在する他の一部分のマイクロレンズからなる第２マイクロレンズ群とを含み、前記第２マイクロレンズ群に属するマイクロレンズのずれは、第２マイクロレンズ群に属するマイクロレンズのずれよりも小さい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、二次元状に配置された光電変換素子からなる受光領域と、各光電変換素子に対応するマイクロレンズとを有する固体撮像装置に関し、特に、光電変換素子の真上の位置から受光領域の光学中心寄りにずれを持たせた位置に配列されたマイクロレンズからなるマイクロレンズ層とを有する固体撮像装置に関する。

図１は、例えば特許文献１等に開示された従来の固体撮像装置の断面を示す図である。同図では、固体撮像装置における受光領域の中央部と、受光領域内の周辺部と、受光領域外の周辺配線部とをそれぞれ部分的に図示している。この固体撮像装置は、二次元状に配列された受光部２を有する半導体基板１、配線層３、コンタクト層４、遮光層兼配線層５、集光するためのマイクロレンズ層６を有している。同図のように、カメラのフレーム１０の開口に設けられたレンズ１１からの光は、受光領域の中央部に対してはほぼ垂直に入射するが、受光領域内の周辺部になるにつれて入射角が大きくなっている。斜め光しか入らない周辺部は中央部に比べて光量が少なくなる。これを改善するために、マイクロレンズは、受光部２のピッチよりも小さく、中心部から遠ざかるにつれて中心部寄りにずれるように配置されている。言い換えれば、光学中心に向けてマイクロレンズ層６は例えば９９％シュリンク(縮小)され、遮光層兼配線層５は９８％シュリンクされている。

また、特許文献２等に開示された従来の固体撮像装置は、複数の配線層のそれぞれを異なるシュリンク率（縮小率）で中心部にずらしている。これにより、複数の配線層を有する場合でも周辺部の集光率を改善している。
第２６００２５０号特許公報 特開２００１−２３７４０４号公報

図２Ａは、像高に対する入射角度特性を示す図である。図２Ｂは撮像領域（受光領域）と像高との関係を示す説明図である。図２Ｂの破線枠はアスペクト比が４：３の場合の撮像領域を示している。像高とは、撮像領域の光学中心からの距離をいう。すなわち、光学中心から最も遠い四隅の像高を１００％とし、光学中心から見て左右の水平端は８０％、光学中心から見て上下の垂直端は６０％としている。

従来の固体撮像装置では図２Ａ中の破線で示す入射角特性を有していた。つまり、像高と入射角は比例している。このため、マイクロレンズは、受光部のピッチよりも小さく、中心部から遠ざかるにつれて中心部寄りにずれるように配置されている。

ところで、近年のデジタルカメラや携帯電話機に内蔵されるカメラのように、カメラの小型化に伴い、短射出瞳距離化が進んでいる。ここで、射出瞳とは撮像領域の受光面側から見たレンズ（図１のレンズ１１）あるいは絞りの虚像をいい、射出瞳距離とは受光面とレンズ１１との距離をいう。このような短射出瞳距離化に伴い、撮像領域の入射角特性は、必ずしも従来のように像高と比例するとは限らず、例えば図２Ａの実線に示すように、撮像領域の周辺部の入射角度の方がその内周側よりも小さいという逆転が生じている場合がある。図２Ａの例では、像高８０〜１００％における入射角度が、像高６０〜８０％における入射角とよりも小さくなっている。このような逆転は、短射出瞳距離化に伴うレンズ１１の開口および形状に依存して生じると考えられる。

しかしながら従来の固体撮像装置では、マイクロレンズのピッチが受光部のピッチよりも小さく、マイクロレンズが中心部から遠ざかるにつれて中心部寄りにずれるように配置されているので、入射角度の逆転など像高に対する入射角度特性が比例関係にない場合には却って集光率を低下させるという問題があった。

上記課題に鑑み本発明は、像高に対する入射角度特性が比例関係にない場合に、集光率を向上させる固体撮像装置およびマスク作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の固体撮像装置は、二次元状に配置された光電変換素子からなる受光領域と、光電変換素子に入射光を導くマイクロレンズからなるマイクロレンズ層とを有する固体撮像装置であって、前記マイクロレンズ層は、マイクロレンズのピッチが異なる複数の領域を有し、少なくとも一の領域は複数のマイクロレンズを含み、当該複数のマイクロレンズのピッチは光電変換素子のピッチと異なることを特徴とする。

この構成によれば、像高対入射角度特性が比例関係にない場合に、複数の領域毎に実際の入射角度に対応させて、集光率を向上させることができる。

ここで、前記複数の領域のそれぞれは複数のマイクロレンズを含み、前記マイクロレンズのピッチは、領域内で一定であり、領域毎に異なるようにしてもよい。

この構成によれば、マイクロレンズのピッチが、領域内で一定であり、領域毎に異なることにより、領域毎に実際の入射角度に適切に対応させて集光率を向上させることができる。

ここで、前記複数の領域は、マイクロレンズを含む複数の第１の領域と、第１の領域間の境界領域となるマイクロレンズを含まない第２の領域とを有し、前記マイクロレンズのピッチは、前記第１の領域内で一定であり、何れの第１の領域でも同じであり、前記第２の領域にまたがるマイクロレンズのピッチは、第１の領域におけるマイクロレンズのピッチと異なるようにしてもよい。

この構成によれば、第２の領域にまたがるマイクロレンズのピッチを適切に設定するによって第１の領域毎に実際の入射角度に適切に対応させて集光率を向上させることができる。

ここで、前記複数の領域は、同心円状に配置されているようにしてもよい。
ここで、前記複数の領域は、多角形状に配置されているようにしてもよい。

ここで、前記各領域におけるマイクロレンズのピッチは、入射される光の異なる入射角に対応するようにしてもよい。

また、本発明のマスクの作製方法は、二次元状に配置された光電変換素子からなる受光領域を有する固体撮像装置の製造に使用されるマスクの作製方法であって、受光領域より上層のパターンのうち第１領域における部分パターンを、受光領域の光学中心を基準として第１補正倍率で縮小描画する第１ステップと、前記上層のパターンのうち第１領域と異なる第２領域の部分パターンを、受光領域の光学中心を基準として第２補正倍率で縮小描画する第２ステップとを有する。

この構成によれば、上記固体撮像装置の製造に適したマスクを作製することができる。すなわち、像高対入射角度特性が比例関係になく逆転している場合に、その逆転に対処する第１領域と第２領域とを形成するためのマスクを作製することができる。

ここで、前記第１領域は、前記光学中心を中心とする同心円状の領域であり、前記第２領域は、前記光学中心を中心とするドーナツ状の領域であるようにしてもよい。

ここで、前記第１領域は、前記光学中心を中心とする多角形状の領域であり、前記第２領域は、前記光学中心を中心とする多角形のドーナツ状の領域であるようにしてもよい。

ここで、前記第１補正倍率は第２補正倍率と同じであり、前記各部分パターンは、光電変換素子に対応して二次元状に配置される要素を表し、第２ステップにおいて、前記第１領域と第２領域との境界をまたがって隣接する要素のピッチを、第１領域内の要素間のピッチよりも大きくするようにしてもよい。

ここで、前記第１ステップにおける縮小描画と、第２ステップにおける縮小描画とを一括して行うようにしてもよい。

この構成によれば、部分パターンのパターンの描画を一括して行うので、マスク作製の工数を減らすことができる。

ここで、前記第１補正倍率は第２補正倍率と異なるようにしてもよい。
ここで、前記第１および第２ステップにおける各部分パターンは、固体撮像装置の製造プロセスにおける配線ルールとしての最小幅を、その縮小率で除算した値を設計ルールとして描画のためのレイアウトデータを有しているようにしてもよい。

この構成によれば、マスク上の縮小された描画パターンにより固体撮像装置を製造するにも関わらず、製造プロセスにおける配線ルールとしての最小幅を保証することができる。

ここで、前記第１および第２ステップにおいて、前記設計ルールは、配線と、配線を接続するコンタクトと、前記要素としてのマイクロレンズの描画に適用されるようにしてもよい。

本発明の固体撮像装置およびマスク作製方法によれば、像高対入射角度特性が比例関係にない場合に集光率を向上させることができる。

（実施の形態１）
図３Ａは、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の平面図を示す模式図である。図３Ａに示すように、固体撮像措置の表面は、大きくは、受光領域と周辺回路領域とからなる。この受光領域は、複数の領域つまり撮像領域１、２、３からなる。各撮像領域は、光軸中心(または光学中心)を中心とする四角形の境界で区切られている。また、撮像領域１、２、３は、四角形の境界でなく多角形の境界で区切られていてもよいし、図３Ｂに示すように、光軸中心を中心とする円形の境界で区切られてもよい。

図４は、固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、図３Ａまたは図３Ｂに示した撮像領域１と撮像領域２の境界近辺の４画素に相当し、紙面の左を光軸中心として並んでいる。

この固体撮像装置は、二次元状に配列された受光部２を有する半導体基板１、配線層３、コンタクト層４、遮光層兼配線層５ａ、カラーフィルタ層５ｂ、集光するためのマイクロレンズ層６を有している。マイクロレンズ層は、マイクロレンズを含む複数の撮像領域１、２と、撮像領域間の境界領域となるマイクロレンズを含まない境界領域とを有する。前記マイクロレンズのピッチは、撮像領域内で一定であり、何れの撮像領域でも同じである。また、境界領域にまたがるマイクロレンズのピッチは、撮像領域におけるマイクロレンズのピッチと異なっている。各マイクロレンズのピッチは、受光部２のピッチ（Ｓ０＋Ｌ０）よりも小さく、光軸中心寄りにずれた位置に配置されている。同様に遮光層兼配線層５ａ、コンタクト層４も光軸中心寄りにずれた位置に配置されている。１つの画素におけるずれ量（またはシュリンク率つまり縮小率）は、マイクロレンズ層６、カラーフィルタ層５ｂ、遮光層兼配線層５ａの順に小さくなっている。同図では、遮光層兼配線層５ａにおける開口部のサイズＳと遮光部分のサイズＬとを図示してある。遮光層兼配線層５ａにおける開口部のサイズＳおよび遮光部分のサイズＬは、何れの撮像領域内でも一定になっている。遮光層兼配線層５ａにおける開口部のピッチは、何れの撮像領域内でも一定のＳ＋Ｌになっているが、遮光層兼配線層５ａの境界領域における開口部のピッチ(Ｓ＋Ｌ１２)とは異なっている。

これにより、像高に対する入射角度特性が比例関係にない場合に第２マイクロレンズ群に属するマイクロレンズによって、その外周側の全マイクロレンズの集光率を向上させることができる。

図５は、図３Ａにおける撮像領域１と撮像領域２の境界部分の拡大平面図を示す模式図である。図５では、遮光層兼配線層５ａの開口部のレイアウトを示している。図中のＳは開口部の一辺のサイズ、Ｌは撮像領域１および２内における開口部間距離を示す。Ｌ１２は境界をまたぐ開口部間距離を示し、Ｌよりも大きい。なお、Ｓ、Ｌ、Ｌ１２は水平方向の距離であるが、正方画素セルの場合は垂直方向の距離も同じである。当然ながら、光軸中心方向の距離は、水平または垂直方向の距離のルート２倍になる。これらの開口部のずれについてもマイクロレンズと同様である。すなわち、第２マイクロレンズ群に属するマイクロレンズ下部の開口部のずれは、第１マイクロレンズ群に属するマイクロレンズ下部の開口部のずれにも小さくなっている。

言い換えると、撮像領域１と撮像領域２の境界を跨って隣接する開口部のピッチ（同図ではＳ＋Ｌ１２）は、撮像領域１内の開口部のピッチ（Ｓ＋Ｌ）よりも大きくなっている。また、撮像領域１と撮像領域２とで開口部のサイズＳおよび開口部間距離は同じになっている。よって、図５に示すようなレイアウトをマスクとして予め作製しておけば、固体撮像装置の製造プロセスにおいて、撮像領域１と撮像領域２とを一括露光することができる。

撮像領域はそれぞれは、各領域への光の入射角に対応している。
図６Ａは、撮像領域１〜４の領域毎の入射角度特性を示す図である。 図６Ｂは、図６Ａに対応する同心円状の撮像領域１〜４を示す。撮像領域１の入射角度特性は像高０〜４０度の平均、撮像領域２の入射角度特性は像高４０〜６０度の平均、撮像領域３の入射角度特性は像高６０〜８０度の平均、撮像領域４の入射角度特性は像高８０〜１００度の平均としている。各撮像領域におけるマイクロレンズのずれ量は、この平均的な入射角度に対して最適な値に設定される。図５の例では、最適なずれ量を得るための境界の開口部間距離Ｌ１２が設定される。

以上のように本実施の形態における固体撮像装置によれば、像高対入射角度特性が比例関係になく逆転している場合に第２マイクロレンズ群に属するマイクロレンズによっての外側の集光率を向上させることができる。また、入射角の大きさに応じた複数の領域を設けることにより、入射角に適したずれをマイクロレンズに持たせることができることができる。また、このようなずれは、境界をまたぐマイクロレンズ間距離や開口部間距離Ｌ１２を領域内よりも大きく設定することにより実現することができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２における固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、図４に示した固体撮像装置の断面と比較して、撮像領域１内の開口部間距離がＬ１に、開口部サイズがＳ１に、撮像領域２内の開口部間距離がＬ２に、開口部サイズがＳ２になっている点が異なっている。図６Ａ、図６Ｂに示した入射角度特性は同じであるものとする。同じ点は説明を省略して、異なる点を中心に説明する。Ｌ１、Ｌ２は、撮像領域１、２の入射角度特性に応じて最適な値に設定される。この例では、Ｌ２＞Ｌ１、Ｌ１２＞Ｌ１、Ｌ１２＞＝Ｌ２とする。つまり、撮像領域１内の開口部のピッチは、撮像領域２内のピッチよりも小さくなっている。開口部のサイズおよび開口部間距離も異なっている。このことは、撮像領域毎にシュリンク率が異なることを意味する。撮像領域毎にシュリンク率が異なることから、撮像領域毎に入射光特性に応じた開口部のピッチ、開口部のサイズおよび開口部間距離を設定することが可能となる。

図８は、固体撮像装置の平面図を示す図である。図８は図５の平面図と比較して、撮像領域１内の開口部間距離がＬ１に、開口部サイズがＳ１に、撮像領域２内の開口部間距離がＬ２に、開口部サイズがＳ２になっている点が異なっている。

以下上記実施の形態１および２で説明した固体撮像装置の製造に用いられるマスクの作成について説明する。

図９は、マスクの作製プロセスおよび固体撮像装置製造プロセスを示すフローチャートである。同図では主として受光領域のマスク作製プロセスを示し、受光領域の周囲の配線領域については省略している。

マスク作製プロセスにおいて、まず、固体撮像装置が実装される装置における入射角度特性を取得し（Ｓ１）、入射角度特性に応じて受光領域を複数の領域に分割する（Ｓ２）。このとき受光領域は、図６Ａ、６Ｂに示したように入射角度特性に応じて分割される。ここで複数の領域は、図３Ｂのように光学中心を中心とする同心円状に分割してもよいし、図３Ａのように、前記光学中心を中心とする四角形で分割してもよいし、多角形で分割してもよい。また、受光領域において分割される位置、つまり領域の境界の位置は、遮光層兼配線層５ａに対しては、画素間の遮光される部分とする。さらに遮光される部分において隣接する領域がオーバーラップするように領域の境界が決定される。配線層３およびマイクロレンズ層６に対しては、分割される位置を、できるだけスペース部分領域とする。

次に、領域毎のレイアウトデータを作成する（Ｓ２）。このレイアウトデータは分割後の各領域内の要素のレイアウトを表すデータである。各パターンは、光電変換素子に対応して二次元状に配置される要素を表す。ここでいう要素には、マイクロレンズ、配線、遮光兼用配線、コンタクトなどがある。

さらに、レイアウトデータに従って領域毎に実際のマスクとなるガラス基板上にパターンを描画する（Ｓ３、Ｓ４）。この描画はガラス基板上に反射膜となる材料を塗布、露光、現像することにより反射膜を形成することによる。その際、分割された領域に描画すべき部分パターンを、レイアウトデータを用いて受光領域の光学中心を基準として領域個別の補正倍率で露光することにより描画する。より具体的には、各領域のパターンは、固体撮像装置の製造プロセスにおける配線ルールとしての最小幅を、その縮小率で除算した値を設計ルールとするレイアウトデータとしてもつ。言い換えれば、最終的に固体撮像装置として描画された結果自体は等しい設計ルールで出来上がる必要があるので、縮小描画する前のレイアウトデータ自体が補正倍率にあった設計ルールでレイアウトされる必要がある。この設計ルールは、配線と、配線層間を接続するコンタクトと、カラーフィルタと、マイクロレンズの描画に適用される。上記ステップＳ３、Ｓ４により各領域のパターンが描画されるが、一の領域と他の領域との境界をまたがって隣接する要素のピッチは、領域内の要素間のピッチよりも大きくするように描画される。

全部の領域についてパターンの描画が完了すると１枚のマスクが完成する（Ｓ５）。マスクは、固体撮像装置製造プロセスに含まれる配線層３形成工程、コンタクト層５形成工程、遮光層配線層形５成工程、マイクロレンズ層６形成工程のそれぞれに１枚ずつ作製される。あるいは、共通に使用できる場合は兼用される。

このように作成されたマスクを用いることにより、実施の形態１、２に示した固体撮像装置は、配線層３形成工程（Ｓ１１）、コンタクト層４形成工程（Ｓ１２）、遮光層兼配線層５ａ形成工程（Ｓ１３）、カラーフィルタ層５ｂ形成工程（Ｓ１４）、マイクロレンズ層６形成工程（Ｓ１５）を経て製造される。

以上のマスク作製プロセスによれば、上記固体撮像装置の製造に適したマスクを作製することができる。すなわち、像高対入射角度特性が比例関係になく逆転している場合に、その逆転に対処する複数の領域を形成するためのマスクを作製することができる。

なお、同じ補正倍率で描画すべき領域が複数存在する場合には、ステップＳ４、Ｓ５において個別に描画する代わりに、一括して描画するようにしてもよい。同じ補正倍率の領域を同時に露光することにより効率を向上させることができる。

本発明は、半導体基板上に形成された複数の受光素子の各々にマイクロレンズを有する固体撮像装置、その製造のためのマスクの作製方法、その固体撮像装置を有するカメラに適しており、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳイメージセンサ、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに内蔵のカメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。

従来の固体撮像装置の断面を示す図である。 像高に対する入射角度特性を示す図である。 撮像領域と像高との関係を示す説明図である。 同心円状に領域分割された撮像領域の平面図を示す図である。 矩形状に領域分割された撮像領域の平面図を示す図である。 実施の形態１における固体撮像装置の断面を示す図である。 固体撮像装置の平面図を示す図である。 領域毎の入射角特性を示す図である。 領域およびその境界を示す図である。 実施の形態１における固体撮像装置の断面を示す図である。 固体撮像装置の平面図を示す図である。 マスクの作製工程を示す説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 受光部
３ 配線層
４ コンタクト層
５ 遮光層兼配線層
６ マイクロレンズ層

Claims (14)

1. 二次元状に配置された光電変換素子からなる受光領域と、光電変換素子に入射光を導くマイクロレンズからなるマイクロレンズ層とを有する固体撮像装置であって、
   前記マイクロレンズ層は、マイクロレンズのピッチが異なる複数の領域を有し、
   少なくとも一の領域は複数のマイクロレンズを含み、当該複数のマイクロレンズのピッチは光電変換素子のピッチと異なる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の領域のそれぞれは複数のマイクロレンズを含み、
   前記マイクロレンズのピッチは、領域内で一定であり、領域毎に異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の領域は、マイクロレンズを含む複数の第１の領域と、第１の領域間の境界領域となるマイクロレンズを含まない第２の領域とを有し、
   前記マイクロレンズのピッチは、前記第１の領域内で一定であり、何れの第１の領域でも同じであり、
   前記第２の領域にまたがるマイクロレンズのピッチは、第１の領域におけるマイクロレンズのピッチと異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の領域は、同心円状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の領域は、多角形状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の固体撮像装置。
6. 前記各領域におけるマイクロレンズのピッチは、入射される光の異なる入射角に対応する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
7. 二次元状に配置された光電変換素子からなる受光領域を有する固体撮像装置の製造に使用されるマスクの作製方法であって、
   受光領域より上層のパターンのうち第１領域における部分パターンを、受光領域の光学中心を基準として第１補正倍率で縮小描画する第１ステップと、
   前記上層のパターンのうち第１領域と異なる第２領域の部分パターンを、受光領域の光学中心を基準として第２補正倍率で縮小描画する第２ステップと
   を有することを特徴とするマスクの作製方法。
8. 前記第１領域は、前記光学中心を中心とする同心円状の領域であり、
   前記第２領域は、前記光学中心を中心とするドーナツ状の領域である
   ことを特徴とする請求項７記載のマスクの作製方法。
9. 前記第１領域は、前記光学中心を中心とする多角形状の領域であり、前記第２領域は、前記光学中心を中心とする多角形のドーナツ状の領域である
   ことを特徴とする請求項７記載のマスクの作製方法。
10. 前記第１補正倍率は第２補正倍率と同じであり、
    前記各部分パターンは、光電変換素子に対応して二次元状に配置される要素を表し、
    第２ステップにおいて、前記第１領域と第２領域との境界をまたがって隣接する要素のピッチを、第１領域内の要素間のピッチよりも大きくする
    ことを特徴とする請求項８または９記載のマスクの作製方法。
11. 前記第１ステップにおける縮小描画と、第２ステップにおける縮小描画とを一括して行う
    ことを特徴とする請求項１０記載のマスクの作製方法。
12. 前記第１補正倍率は第２補正倍率と異なる
    ことを特徴とする請求項８または９記載のマスクの作製方法。
13. 前記第１および第２ステップにおける各部分パターンは、固体撮像装置の製造プロセスにおける配線ルールとしての最小幅を、その縮小率で除算した値を設計ルールとしてもつ
    ことを特徴とする請求項８または９記載のマスクの作製方法。
14. 前記第１および第２ステップにおいて、前記設計ルールは、配線と、配線を接続するコンタクトと、前記要素としてのマイクロレンズの描画に適用される
    ことを特徴とする請求項１３記載のマスクの作製方法。

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