JP2010278276A - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】受光部のセルサイズが縮小しても光導波路に効率よく光を導入し受光部まで導くことができるようにすること。
【解決手段】本発明は、受光部ＰＤの上方の絶縁膜Ｉに形成される溝Ｈと、溝Ｈの内壁側に設けられる第１の導波路コア部Ｃ１と、第１の導波路コア部Ｃ１を介して溝Ｈ内に埋め込まれる第２の導波路コア部Ｃ２と、第２の導波路コア部Ｃ２と同一材料で一体に設けられる矩形レンズＤＬとを有する固体撮像装置である。また、この固体撮像装置を用いた電子機器でもある。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法および電子機器に関する。詳しくは、受光部上方の絶縁膜内に光導波路を有する固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法および電子機器に関する。

固体撮像装置は、受光部を中心とした単位であるセルの微細化にともない集光力が低下することから、従来より受光部上方に光導波路を備えた構成が採用されている。また、更なる集光力向上、特に画角依存、Ｆ値依存改善のため、光導波路上端にレンズ機能を備えた構成も考えられている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開２００８−９１７７１号公報 特開２００６−４９８２５号公報

しかしながら、従来の技術では、次のような問題がある。すなわち、セルサイズが縮小するにしたがい、球面レンズ（屈折型）での集光に限界があり、特に長波長側の集光が困難となっている。また、光導波路上端に設けられるレンズによって瞳補正を行おうとした場合、従来の構造では隣接するセルとの間隔の問題から十分な瞳補正を行うことができないという問題が生じている。

本発明は、受光部のセルサイズが縮小しても光導波路に効率よく光を導入し受光部まで導くことができるようにすることを目的とする。

本発明は、受光部の上方の絶縁膜に形成される溝と、溝の内壁側に設けられる第１の導波路コア部と、第１の導波路コア部を介して溝内に埋め込まれる第２の導波路コア部と、第２の導波路コア部と同一材料で一体に設けられる矩形レンズとを有する固体撮像装置である。また、この固体撮像装置を用いた電子機器でもある。

このような本発明では、第２の導波路コア部と同一材料で一体に矩形レンズが設けられていることから、矩形レンズの光回折作用によって導波路内に光を効率よく導くことができるようになる。

ここで、第２の導波路コア部と矩形レンズとが一体となっているとは、両者間に境界がなく同一材料によって連続して形成されていることを言う。

また、本発明は、第１の導波路コア部が無機材料で形成され、第２の導波路コア部および矩形レンズが有機材料で形成されているものでもある。特に、第１の導波路コア部が窒化シリコン、第２の導波路コア部および矩形レンズが感光性材料で形成されていることで、第２の導波路コア部および矩形レンズを露光および現像によって直接形成できるようになる。

また、本発明は、受光部の上方に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、溝の内壁側に第１の導波路コア部を形成する工程と、第１の導波路コア部を介して溝内に感光性材料を埋め込む工程と、感光性材料を露光および現像することで溝内に残った感光性材料で第２の導波路コア部を構成し、溝の上方に矩形状に残った感光性材料で矩形レンズを構成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法である。

このような本発明では、溝内に埋め込んだ感光性材料を露光、現像することで溝内に第２の導波路コア部を形成するとともに、この第２の導波路コア部と一体となる矩形レンズを形成できるようになる。

また、本発明は、受光部の上方に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、溝の内壁側に第１の導波路コア部を形成する工程と、第１の導波路コア部を介して溝内に有機材料を埋め込む工程と、有機材料の上に感光性材料を塗布し、感光性材料を露光および現像することで溝の上方に感光性材料のパターンが残るよう構成する工程と、感光性材料のパターンをマスクとして有機材料をエッチングすることで溝内に残った有機材料で第２の導波路コア部を構成し、溝の上方に矩形状に残った有機材料で矩形レンズを構成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法である。

このような本発明では、第１の導波路コア部を介して溝内に埋め込まれた有機材料によって第２の導波路コア部およびこれと一体となる矩形レンズとを形成できるようになる。

本発明によれば、光導波路上端の矩形レンズによって光導波路に効率よく光を導入し、受光部まで導くことが可能となる。

本実施形態に係る固体撮像装置の主要部である固体撮像素子の一例を説明する概略平面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の主要部である固体撮像素子の部分断面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置の第１の製造方法を説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の第１の製造方法を説明する模式断面図（その２）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の第２の製造方法を説明する模式断面図（その１）である。 本実施形態に係る固体撮像装置の第２の製造方法を説明する模式断面図（その２）である。 シミュレーション条件を説明する模式図である。 平行光の受光感度について矩形レンズの厚さとギャップとの関係を示すシミュレーション結果を示す図である。 平行光の受光感度について、矩形レンズのテーパの有無による影響をシミュレーション計算した結果を示す図である。 平行光の受光感度について、平坦化膜の屈折率による影響をシミュレーション計算した結果を示す図である。 矩形レンズで瞳補正を行った場合の感度のシミュレーション計算結果を示す図である。 矩形レンズの段数による瞳補正の効果をシミュレーション計算した結果示す図である。 本実施形態に係る電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像装置の構造（主要部平面構造の例、断面構造の例）
２．固体撮像装置の製造方法（第１の製造方法、第２の製造方法の例）
３．受光感度シミュレーション（受光感度、瞳補正の効果のシミュレーション計算例）
４．電子機器（撮像装置への適用例）

＜１．固体撮像装置の構造＞
［本実施形態に係る固体撮像装置の主要部平面構造］
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の主要部である固体撮像素子の一例を説明する概略平面図である。固体撮像素子２０は、複数の画素１０、垂直信号線ＶＤＬ、垂直選択回路１１、水平選択／信号処理回路１２、出力回路１３を備えている。

複数の画素１０は、シリコン基板等の半導体基板上にマトリクス状に配置されている。各画素１０は、受光光量に応じた電荷を生成する受光部（フォトダイオード）と各種トランジスタを含む周辺回路とを各々有している。

垂直信号線ＶＤＬは、各画素１０で取り込んだ電荷に応じた信号を水平選択／信号処理回路１２へ送る配線であり、画素１０の並びの垂直方向に沿って配線されている。垂直選択回路１１は、行単位で画素１０を選択し、垂直方向に沿って順次走査する回路である。

水平選択／信号処理回路１２は、列単位で画素１０を選択し、水平方向に沿って順次走査する回路および垂直信号線ＶＤＬを介して送られてきた信号を処理する回路である。水平選択／信号処理回路１２は、垂直選択回路１１による走査に同期して水平方向に沿った画素１０を順次選択する。選択の順に応じて画素１０の信号が垂直信号線ＶＤＬを介して順次水平選択／信号処理回路１２へ送られる。水平選択／信号処理回路１２は、順次送られてきた画素１０の信号を出力回路１３へ送る。

出力回路１３は、水平選択／信号処理回路１２から順に送られる画素１０の信号に対して種々の信号処理を施して出力する。

［固体撮像装置の断面構造］
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の主要部である固体撮像素子の部分断面図である。この図では、一つの受光部ＰＤに対応した部分の断面構造を示している。受光部ＰＤは図示しない半導体基板に形成されている。この受光部ＰＤの上方には配線部Ｌが設けられており受光部ＰＤとの間、各配線層の層間ならびに配線部Ｌの上方には絶縁膜Ｉが設けられている。配線部Ｌの上方に設けられる絶縁膜Ｉの表面は平坦化されている。

絶縁膜Ｉにおける受光部ＰＤの上方には、受光部ＰＤの光軸に沿って溝Ｈが設けられており、この溝Ｈの内壁側に第１の導波路コア部Ｃ１が形成されている。第１の導波路コア部Ｃ１は、溝Ｈの底部および側面に沿って設けられているとともに、絶縁膜Ｉの表面側にも設けられている。第１の導波路コア部Ｃ１としては、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜、ＳｉＯＮ膜、フォトレジスト膜、酸化チタン膜等が用いられる。

また、溝Ｈ内には第１の導波路コア部Ｃ１を介して第２の導波路コア部Ｃ２が埋め込まれている。第２の導波路コア部Ｃ２は、第１の導波路コア部Ｃ１を介して溝Ｈの凹部内に埋め込まれているとともに、表面側は第１の導波路コア部Ｃ１を覆う状態で形成されている。

さらに、溝Ｈに埋め込まれた第２の導波路コア部Ｃ２の上側には、第２の導波路コア部Ｃ２と同一材料で一体に矩形レンズＤＬが設けられている。矩形レンズＤＬは第２の導波路コア部Ｃ２との間に境界なく同一材料によって連続した状態で形成されている。矩形レンズＤＬは、光の回折を利用したレンズであり、第２の導波路コア部Ｃ２からの厚さおよび隣接する矩形レンズとの間隔などの条件によって所定の集光を行う。なお、矩形レンズＤＬは、製造上、側面にテーパが付いた台形状となる場合もあるが、凸型が所定のピッチで連続し、隣接する凸型の間に隙間が設けられる構成となる。

矩形レンズＤＬの上には平坦化膜Ｍが設けられており、表面が平坦化されている。また、平坦化膜Ｍの上には各受光部ＰＤに対応した色のカラーフィルタＣＦが設けられ、さらにその上にオンチップレンズＯＣＬが形成されている。

このような固体撮像素子２０では、受光部ＰＤの光軸に沿って形成される絶縁膜Ｉの溝に第１の導波路コア部Ｃ１および第２の導波路コア部Ｃ２が設けられ、絶縁膜Ｉをクラッドとした光導波路構造が構成されている。

また、本実施形態では、第１の導波路コア部Ｃ１が無機材料で形成され、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬが有機材料で形成されていることも特徴の一つである。例えば、第１の導波路コア部Ｃ１は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタン膜等で形成されている。また、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬは、アクリル系樹脂、ポリイミド、ポリシロキサン樹脂、スチレン系樹脂等で形成されている。

このように、第１の導波路コア部Ｃ１が無機材料、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬが有機材料で形成されることにより、第２の導波路コア部Ｃ２をエッチングして矩形レンズＤＬを形成する際、第１の導波路コア部Ｃ１との間にエッチングストッパーを設ける必要がなくなる。

つまり、第１の導波路コア部Ｃ１と第２の導波路コア部Ｃ２とが無機材料もしくは有機材料のいずれか一方で形成されている場合、第２の導波路コア部Ｃ２をエッチングによって形成する際のエッチング条件で第１の導波路コア部Ｃ１が不要にエッチングされてしまうことがある。これを防止するため、第１の導波路コア部Ｃ１と第２の導波路コア部Ｃ２との間にエッチングストッパーを設ける必要が生じる。

一方、本実施形態のように、第１の導波路コア部Ｃ１が無機材料、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬが有機材料で形成されることで、無機材料と有機材料とのエッチングレートの相違から第２の導波路コア部Ｃ２にオーバエッチングが生じても、第１の導波路コア部Ｃ１はエッチングされない。したがって、第１の導波路コア部Ｃ１と第２の導波路コア部Ｃ２との間にエッチングストッパーを設ける必要がなくなる。

このようにエッチングストッパーが不要になると、第１の導波路コア部Ｃ１と第２の導波路コア部Ｃ２との間にエッチングストッパーによる境界が発生せず、不要な光の屈折を発生させずに済む。

また、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬは、感光性材料で形成されていてもよい。第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬが感光性材料で形成されていると、第２の導波路コア部Ｃ２をエッチングして矩形レンズＤＬを形成する際、マスクを用いた露光および現像によって直接矩形レンズＤＬが形成されることになる。

また、第１の導波路コア部Ｃ１が無機材料であると、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって溝Ｈの内壁側に所望の厚さで制御性良く形成することができる。一方、第２の導波路コア部Ｃ２が有機材料であると、第１の導波路コア部Ｃ１を介して溝Ｈ内に埋め込む際、スピンコートによって溝Ｈ内まで確実に埋め込むことができるようになる。

第１の導波路コア部Ｃ１の屈折率と第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬの屈折率とは、なるべく近い値の材料を用いることが望ましい。これにより、第２の導波路コア部Ｃ２をエッチングして矩形レンズＤＬを形成する際、エッチングされる部分（矩形レンズＤＬに隣接する部分）に第２の導波路コア部Ｃ２が残っても、また残らずにエッチングされても、光の屈折の影響を少なくすることができる。このため、第２の導波路コア部Ｃ２のエッチング量の制御に余裕を持たせることができ、製造上有利となる。

図２に示す固体撮像素子２０の構造のように、矩形レンズＤＬがオンチップレンズＯＣＬと光導波路との間に設けられることでインナーレンズとしての役目を果たす。これによって、オンチップレンズＯＣＬを通過した光がインナーレンズとして矩形レンズＤＬによって効率良く光導波路内に導かれることになる。

インナーレンズが矩形レンズＤＬとなっていることで、曲面レンズに比べて集光性を高めることができる。このため、隣接画素との間での位置調整に余裕を持たせることができる。このような位置調整の余裕分を利用して、矩形レンズＤＬによる瞳補正を行うようにしてもよい。すなわち、受光部ＰＤの光軸に対する矩形レンズＤＬの位置を、受光部ＰＤのチップ内での位置に応じて設定する。例えば、受光部ＰＤがチップの中央付近に配置されている場合、矩形レンズＤＬは受光部ＰＤの光軸に対してずれなく配置される。一方、受光部ＰＤがチップの中央から離れるほど、矩形レンズＤＬは受光部ＰＤの光軸に対するずれ量が放射方向に沿って多くなる。これにより、光の入射角度によるずれを補間し、効率よく光導波路内へ光を導くことになる。

図２に示す本実施形態では、矩形レンズＤＬの凸型が１段となっているが、凸型が２第以上の多段に設けられているものであってもよい。

このような構造から成る本実施形態の固体撮像装置では、光導波路上に矩形レンズＤＬを配置することから、球面レンズの場合に比べ狭小領域でありながら集光能力を高めることができる。これにより、微細セルへの対応が可能となる。また、球面レンズに比べて狭小範囲で済むことから、画素サイズが小さくなっても光導波路上で十分な瞳補正を行うことが可能となる。さらに、矩形レンズでは複雑な曲面を持たないことから、感光材料を利用した単純なフォトリソグラフィで形成でき、簡単な工程で、しかもマスク設計による精度の高い転写で製造を行うことが可能となる。

なお、上記本実施形態の固体撮像装置の構成では、主として受光側に配線部がある表面照射型のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを例としたが、受光側とは反対側に配線部がある裏面照射型のＣＭＯＳセンサであってもよい。また、ＣＭＯＳセンサに限らず、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）センサであっても適用可能である。

＜２．固体撮像装置の製造方法＞
［第１の製造方法］
図３〜図４は、本実施形態に係る固体撮像装置の第１の製造方法を説明する模式断面図である。なお、この図では、半導体基板に受光部が形成され、その上に配線部Ｌおよび絶縁膜Ｉが形成された後の状態を示している。絶縁膜Ｉは、例えば酸化シリコンから成り、配線部Ｌの下側、層間、上側に形成されている。

先ず、図３（ａ）に示すように、絶縁膜Ｉに所定深さの溝Ｈを形成し、この状態で無機材料３１を全面に被着する。無機材料は、例えば窒化シリコンを用い、ＣＶＤ法によって成膜する。この無機材料３１が第１の導波路コア部Ｃ１となる。

次に、図３（ｂ）に示すように、溝Ｈ内の第１の導波路コア部Ｃ１を介して有機材料３２を埋め込む処理を行う。有機材料３２としては、感光性を備えた材料を用いる。例えば、アクリル系樹脂、ポリイミド、ポリシロキサン樹脂、スチレン系樹脂を用いる。有機材料３２は、スピンコートによって塗布される。有機材料３２は無機材料に比べて溝Ｈ内への埋め込み性が良いため、スピンコートによって溝Ｈ内にボイドなく確実に埋め込まれる。有機材料３２は、基板上、すなわち、第１の導波路コア部Ｃ１の上に約５００ｎｍ厚で塗布される。

次いで、図３（ｃ）に示すように、フォトマスクを用いて感光性を備えた有機材料３２を露光する。フォトマスクは、光導波路上にパターンが残るような露光を行うため、遮光部と透光部とが設けられる。遮光部および透光部は、有機材料３２の感光性がポジ型かネガ型かによって異なる。いずれの型を用いてもよい。露光機は、ｉ線、ＫｒＦ、ＡｒＦ等の露光光を照射するものが用いられる。有機材料３２としてスチレン系樹脂を用いる場合、一例として５０００Ｊ／ｍ²で照射する。露光の際に用いるフォトマスクの設計によって、後に形成される矩形レンズの位置（瞳補正による配置）を設定することができる。

次に、有機材料３２を露光した後、現像を行うと、図４（ａ）に示すようなパターニングが成される。現像後は、ベーキングさらに必要に応じてＵＶ（紫外線）キュア等を施し、有機材料３２を硬化させる。有機材料３２としてスチレン系樹脂を用いる場合、１７０℃、２分間のベーキングおよび約２０ｍＷ／ｃｍ２のＵＶ照射を１００秒間施し、１００℃から１５０℃に昇温して硬化させる。これにより、溝Ｈ内に埋め込まれた有機材料３２は第２の導波路コア部Ｃ２となるとともに、パターニングされた部分が矩形レンズＤＬとなる。

次に、図４（ｂ）に示すように、形成された矩形レンズＤＬを覆うよう平坦化膜Ｍを形成する。その後、平坦化膜Ｍの上にカラーフィルタおよびオンチップレンズを形成する。本実施形態では、材料にもよるが、絶縁膜Ｉの屈折率が約１．４、第１の導波路コア部Ｃ１の屈折率が約１．７〜約１．９、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬの屈折率が約１．６、平坦化膜Ｍの屈折率が約１．４〜約１．５となっている。

第１の製造方法では、有機材料３２として感光性を備えているものを用いるため、フォトマスクによる露光、現像によるパターニングで矩形レンズＤＬを形成することができる。このため、フォトマスクの位置決め精度と同等な精度によって矩形レンズＤＬを製造できることになる。

［第２の製造方法］
図５〜図６は、本実施形態に係る固体撮像装置の第２の製造方法を説明する模式断面図である。なお、この図では、半導体基板に受光部が形成され、その上に配線部Ｌおよび絶縁膜Ｉが形成された後の状態を示している。絶縁膜Ｉは、例えば酸化シリコンやＢＰＳＧから成り、配線部Ｌの下側、層間、上側に形成されている。

先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁膜Ｉに所定深さの溝Ｈを形成し、この状態で無機材料３１を全面に被着する。無機材料は、例えば窒化シリコンを用い、ＣＶＤ法によって成膜する。この無機材料３１が第１の導波路コア部Ｃ１となる。

次に、図５（ｂ）に示すように、溝Ｈ内の第１の導波路コア部Ｃ１を介して有機材料３２を埋め込む処理を行う。有機材料３２としては、感光性を備えていない材料を用いる。例えば、アクリル系樹脂、ポリイミド、ポリシロキサン樹脂、スチレン系樹脂を用いる。有機材料３２は、スピンコートによって塗布される。有機材料３２は無機材料に比べて溝Ｈ内への埋め込み性が良いため、スピンコートによって溝Ｈ内にボイドなく確実に埋め込まれる。有機材料３２は、基板上、すなわち、第１の導波路コア部Ｃ１の上に約５００ｎｍ厚で塗布される。例えば、ポリシロキサン樹脂を用いる場合、スピンコート後、１２０℃、２２０℃、３１０℃の昇温ステップによってベーキングを行い、膜厚を約５００ｎｍにする。

次いで、図５（ｃ）に示すように、有機材料３２の上にレジストＲを塗布し、図示しないフォトマスクによる露光および現像によってパターニングを行う。レジストＲのパターニングは、矩形レンズの形状に対応して同じもしくは僅かに大きく形成される。例えば、レジストＲは膜厚１μｍ、隣接のレジストパターンとの間、０．４μｍで形成される。

次に、図６（ａ）に示すように、パターニングしたレジストＲをマスクとしてドライエッチングを行う。ドライエッチングの条件の一例は、ＣＦ₄ガスを用いて７００Ｗの出力で行う。

これにより、レジストＲのパターンが有機材料３２に転写され、図６（ｂ）に示すように矩形レンズＤＬが形成される。有機材料３２は、溝Ｈに埋め込まれた部分が第２の導波路コア部Ｃ２となり、溝Ｈの上方にエッチングされずに残った凸型部分が矩形レンズＤＬとなる。なお、有機材料３２のドライエッチングを行う際、矩形レンズＤＬの周辺部分の有機材料３２を５０ｎｍ〜１００ｎｍ厚程度残すようにしてもよい。有機材料３２のオーバエッチによって第１の導波路コア部Ｃ１が影響を受けるのを防止するためである。なお、有機材料３２のエッチング条件によっては無機材料である第１の導波路コア部Ｃ１がエッチングされないため、矩形レンズＤＬの周辺の有機材料３２を完全に除去してもよい。

次に、図６（ｃ）に示すように、形成された矩形レンズＤＬを覆うよう平坦化膜Ｍを形成する。その後、平坦化膜Ｍの上にカラーフィルタおよびオンチップレンズを形成する。本実施形態では、材料にもよるが、絶縁膜Ｉの屈折率が約１．４、第１の導波路コア部Ｃ１の屈折率が約１．７〜約１．９、第２の導波路コア部Ｃ２および矩形レンズＤＬの屈折率が約１．７５〜約１．８、平坦化膜Ｍの屈折率が約１．４〜約１．５となっている。

第２の製造方法では、有機材料３２として感光性を備えていないものを用いるため、第１の導波路コア部Ｃ１である無機材料との間で屈折率差の小さいものを適用することができる。

なお、矩形レンズＤＬとして多段構成にする場合、上記第２の製造方法を適用すればよい。すなわち、図５（ｃ）に示すレジストＲのパターニングの際、多段の矩形レンズの形状に対応したパターニングを行い、エッチバックすることで多段形状を有機材料３２に転写できることになる。

＜３．受光感度シミュレーション＞
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の光学特性のシミュレーションについて説明する。

［シミュレーション条件］
図７は、シミュレーション条件を説明する模式図である。この図では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色に対応した３つの画素が隣接している構成を示しており、シミュレーションではＧ（緑）の画素を中心とした計算を行っている。図７では、シミュレーションで用いるパラメータとして、矩形レンズＤＬの厚さＶＬ、矩形レンズＤＬの隙間Ｇａｐ、平坦化膜Ｍの膜厚ｄ、オンチップレンズＯＣＬの膜厚Ｄを示している。矩形レンズＤＬの厚さＶＬは、矩形レンズＤＬの底部から最上部までの厚さである。矩形レンズＤＬの間隔Ｇａｐは、隣りの画素の矩形レンズＤＬの隙間である。平坦化膜Ｍの膜厚ｄは、矩形レンズＤＬの底部からの厚さである。オンチップレンズＯＣＬの膜厚Ｄは、オンチップレンズＯＣＬの曲面の底部から最上部までの厚さである。

シミュレーションで用いるパラメータは以下の通りである。
光の波長：５５０ｎｍ±２０ｎｍ
断面数：ＨＨ断面
屈折率パラメータ：ＶＦ材料屈折率
入射角：Ｆ値依存（−２５度〜０度）

上記のシミュレーションパラメータを用い、矩形レンズＤＬのテーパの有無、矩形レンズＤＬの厚さｄ（０．３μｍ〜０．５μｍ）、矩形レンズＤＬの隙間Ｇａｐ（０．３μｍ〜０．６μｍ）、オンチップレンズＯＣＬの膜厚Ｄ（０．１５μｍ、０．２２μｍ）、平坦化膜の膜厚ｄ（５００ｎｍ）についてシミュレーションを行った。

［シミュレーション結果］
（矩形レンズの厚さとギャップとの関係）
図８は、平行光の受光感度について矩形レンズの厚さとギャップとの関係を示すシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）はオンチップレンズＯＣＬの膜厚Ｄが１５０ｎｍの場合、図８（ｂ）はオンチップレンズＯＣＬの膜厚Ｄが２２０ｎｍの場合である。各々横軸が矩形レンズの厚さＶＬ、縦軸が矩形レンズの隙間Ｇａｐを示し、平行光の受光感度の分布を示している。

シミュレーションの結果、オンチップレンズＯＣＬの膜厚が０．１５μｍの場合、矩形レンズの最適な隙間Ｇａｐは、０．３〜０．６μｍの中では０．４μｍであることが分かる。この場合、矩形レンズの厚さｄは０．５μｍがよい。なお、５％以上の感度向上を見込めるのは、矩形レンズの厚さｄが０．４μｍ以上である。

また、オンチップレンズＯＣＬの膜厚が０．２２μｍの場合、５％以上の感度向上を見込めるのは、矩形レンズの厚さｄが０．５μｍ、矩形レンズの隙間Ｇａｐが０．４μｍとなる。

（テーパ依存性）
図９は、平行光の受光感度について、矩形レンズのテーパの有無による影響をシミュレーション計算した結果を示す図である。ここでは、矩形レンズの隙間Ｇａｐが０．３μｍ、０．４μｍの場合について、各々矩形レンズにテーパが有る場合、無い場合の受光感度（規格化感度）をシミュレーションした。テーパが有る場合のテーパ角度は３０度とした。

図９に示すように、いずれの隙間Ｇａｐであっても、テーパの有り、無しによる感度の影響は１％程度であり、テーパの有無による感度への影響は少ないことが分かる。

（平坦化膜の屈折率依存性）
図１０は、平行光の受光感度について、平坦化膜の屈折率による影響をシミュレーション計算した結果を示す図である。ここでは、矩形レンズの膜厚ＶＬが０．３μｍから０．５μｍについて、第１の屈折率に対して０．２低い第２の屈折率の２つについて、矩形レンズが無い場合に対する相対感度をシミュレーション計算した。

これにより、屈折率が０．２低くなると、２％程度感度を向上できることが分かる。例えば、平坦化膜Ｍとして、中空シリカ等を混入した樹脂を用いることで屈折率を下げると、感度向上を図ることができる。

［矩形レンズによる瞳補正のシミュレーション］
次に、瞳補正についてのシミュレーション計算結果を説明する。ここでのシミュレーションで用いるパラメータは以下の通りである。
光の波長：５５０ｎｍ±２０ｎｍ
断面数：ＨＨ断面
入射角：１５度、２０度、２５度

上記のシミュレーションパラメータを用い、矩形レンズＤＬの厚さｄ（０．３μｍ〜０．５μｍ）、矩形レンズＤＬの隙間Ｇａｐ（０．４μｍ）、オンチップレンズＯＣＬの膜厚Ｄ（０．１５μｍ）、平坦化膜の膜厚ｄ（５００ｎｍ）についてシミュレーションを行った。

（瞳補正による感度向上）
図１１は、矩形レンズで瞳補正を行った場合の感度のシミュレーション計算結果を示す図である。ここでは、光の入射角度が１５度、２０度、２５度の各々について、矩形レンズで瞳補正を行った場合の感度向上率（矩形レンズでの瞳補正を行わなかった場合の感度に対する向上率）を示している。なお、瞳補正は、受光部の光軸を基準としてレンズのずれ量によって表される。

入射角度１５度の場合は、オンチップレンズでの瞳補正（−０．５μｍ）について矩形レンズでの瞳補正（−０．１μｍ）を加えたものとなっている。この場合には、矩形レンズでの瞳補正を行わない場合に比べ、約６．５％の感度向上となっている。

入射角度２０度の場合は、オンチップレンズでの瞳補正（−０．５μｍ）について矩形レンズでの瞳補正（−０．１μｍ）を加えたものとなっている。この場合には、矩形レンズでの瞳補正を行わない場合に比べ、約１１％の感度向上となっている。

入射角度２５度の場合は、オンチップレンズでの瞳補正（−０．４μｍ）について、矩形レンズでの瞳補正（−０．３μｍ）を加えたものとなっている。この場合には、矩形レンズでの瞳補正を行わない場合に比べ、約１３％の感度向上となっている。

（矩形レンズの段数による感度向上）
図１２は、矩形レンズの段数による瞳補正の効果をシミュレーション計算した結果示す図である。ここでは、光の入射角度を２０度として、矩形レンズが無い場合の受光感度を基準に、１段の矩形レンズの場合、２段の矩形レンズの場合の受光感度向上率を示している。なお、シミュレーションのパラメータは上記瞳補正のシミュレーションパラメータに加え、２段目の矩形レンズとして、膜厚ＶＬ２が０．４μｍ、隙間Ｇａｐ２が０．５μｍを加えている（図１２下図参照）。

このシミュレーション結果より、例えば入射角度２０度の場合には、矩形レンズを２段にして瞳補正を最適化することで、矩形レンズが無い場合に比べて約２０％の感度向上を図ることができる。

＜４．電子機器＞
図１３は、本実施形態に係る電子機器の一例である撮像装置の構成例を示すブロック図である。図１３に示すように、撮像装置９０は、レンズ群９１を含む光学系、固体撮像装置９２、カメラ信号処理回路であるＤＳＰ（Digital Signal Processor）回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６、操作系９７および電源系９８等を有している。これらのうち、ＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６、操作系９７および電源系９８がバスライン９９を介して相互に接続された構成となっている。

レンズ群９１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置９２の撮像面上に結像する。固体撮像装置９２は、レンズ群９１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置９２として、先述した本実施形態の固体撮像装置が用いられる。

表示装置９５は、液晶表示装置や有機ＥＬ(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置９２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置９６は、固体撮像装置９２で撮像された動画または静止画を、不揮発性メモリやビデオテープ、ＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。

操作系９７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系９８は、ＤＳＰ回路９３、フレームメモリ９４、表示装置９５、記録装置９６および操作系９７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。

このような撮像装置９０は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。この固体撮像装置９２として先述した本実施形態に係る固体撮像装置を用いることで、不要なゴミによるノイズの発生を抑制でき、高画質の撮像装置を提供できることになる。

１…固体撮像装置、１０…画素、２０…固体撮像素子、Ｃ１…第１の導波路コア部、Ｃ２…第２の導波路コア部、ＣＦ…カラーフィルタ、ＤＬ…矩形レンズ、Ｈ…溝、Ｉ…絶縁膜、Ｌ…配線部、Ｍ…平坦化膜、ＯＣＬ…オンチップレンズ、ＰＤ…受光部

Claims (9)

1. 受光部の上方の絶縁膜に形成される溝と、
   前記溝の内壁側に設けられる第１の導波路コア部と、
   前記第１の導波路コア部を介して前記溝内に埋め込まれる第２の導波路コア部と、
   前記第２の導波路コア部と同一材料で一体に設けられる矩形レンズと、
   を有する固体撮像装置。
2. 前記第１の導波路コア部は無機材料で形成され、前記第２の導波路コア部および前記矩形レンズは有機材料で形成されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１の導波路コア部は窒化シリコンで形成され、前記第２の導波路コア部および前記矩形レンズは感光性材料で形成されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記受光部の光軸に対する前記矩形レンズの位置が、前記受光部のチップ内での位置に応じて設定されている
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記矩形レンズは多段に形成されている
   請求項１から４のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記矩形レンズの上方にオンチップレンズが設けられている
   請求項１から５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 受光部の上方に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、
   前記溝の内壁側に第１の導波路コア部を形成する工程と、
   前記第１の導波路コア部を介して前記溝内に感光性材料を埋め込む工程と、
   前記感光性材料を露光および現像することで前記溝内に残った前記感光性材料で第２の導波路コア部を構成し、前記溝の上方に矩形状に残った前記感光性材料で矩形レンズを構成する工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
8. 受光部の上方に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、
   前記溝の内壁側に第１の導波路コア部を形成する工程と、
   前記第１の導波路コア部を介して前記溝内に有機材料を埋め込む工程と、
   前記有機材料の上に感光性材料を塗布し、前記感光性材料を露光および現像することで前記溝の上方に感光性材料のパターンが残るよう構成する工程と、
   前記感光性材料のパターンをマスクとして前記有機材料をエッチングすることで前記溝内に残った前記有機材料で第２の導波路コア部を構成し、前記溝の上方に矩形状に残った前記有機材料で矩形レンズを構成する工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
9. 固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置で生成した電荷に基づく信号を処理する信号処理部を有し、
   前記固体撮像装置が、
   受光部の上方の絶縁膜に形成される溝と、
   前記溝の内壁側に設けられる第１の導波路コア部と、
   前記第１の導波路コア部を介して前記溝内に埋め込まれる第２の導波路コア部と、
   前記第２の導波路コア部と同一材料で一体に設けられる矩形レンズと、
   を有する電子機器。

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