On-chip Inner-layer Lens Technology for an Improvement in Photo-sensitive Characteristics of a CCD Image Sensor Yoshikazu Sano õ, Yoko Shigeta õ, Mich

論 文

論文特集 ■固体撮 像 とその 関連 技術

オ ンチ ップ層 内 レ ンズ技 術 に よ るCCD撮

像 素 子

光 電 変換 特 性 の 向上

正会員

佐

野

義

和 †,

重

田

陽

子 †,

市

川

美 千 代 †

青

木

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On-chip

Inner-layer

Lens Technology

for an Improvement

in Photo-sensitive

Characteristics

of a CCD Image

Sensor

Yoshikazu Sano•õ, Yoko Shigeta•õ, Michiyo Ichikawa•õ, Hiromitsu Aoki•õ, Takuya Umeda•õ•õ, Wataru Kamisaka•õ, Akira Tsukamoto•õ,

Hiroyuki Senda•õ and Naoto Nisoe•õ

Abstract

An on-chip inner-layer lens has been developed to improve the photo-sensitivity

and smear

of CCD image sensors. The inner-layer lens structure consists of a boron-phospho-silicate-glass

(BPSG)

layer and a heat melting transparent resin. The refractive indices for the inner-layer lens was higher than

the BPSG layer and the planarization layer. Taking the incident angle into account, we have applied a new

three dimentional simulation to the inner-layer lens to investigate the optical pass. We fabricate a 1/4-type

IT-CCD image sensor with an inner-layer

lens. This fabricated results of an image sensor has been

explained well by the new three dimentional optical simulation. The increase of photo-sensitivity

using the

inner-layer lens technology is 16% without deterioration in the CCD characteristics.

Furthermore using the

inner-layer lens reduces the smear value by 70%.

1. ま え が き 最 近 の 半 導 体 の プ ロ セ ス,回 路 技 術 の 進 歩 に 伴 っ て CCD撮 像 素 子 の 性 能 向 上 は 著 し い も の が あ り,民 生 用 小 型 ビ デ オ カ メ ラ に使 用 され る光 学 サ イ ズ の 主 流 は 1/3型 か ら1/4型 に移 行 しつ つ あ る.ま た 画 素 数 は, 27万 画 素ccD1)2)か らs-vHs,Hi8の 高 画 素36 万3),38万 画 素.さ ら に,電 子 式 手 振 れ 補 正 機 能 付 き 多 画 素56万 画 素4)5)のCCDま で 範 囲 が 広 が っ て い る.ま た 放 送 用 で は,ハ イ ビ ジ ョ ン用2/3型200万 画 素6)∼8)が実 用 化 さ れ つ つ あ る. こ れ らCCD撮 像 素 子 に 対 す る 小 型 化,高 解 像 度 化 は,現 在 主 流 で あ るIT(Interline Transfer)CCD構 造 で は,図1に 示 す 単 位 セ ル(画 素 部 に お け る1つ の キ ー ワ ー ド:層 内 レ ンズ,オ ンチ ッ プマ イ ク ロ レ ン ズ,固 体 撮 像 素 子CCD,ス ミア,光 学 シ ミュ レー シ ョ ン 1995年8月8日 受 付,1995年10月16日 再 受 付 † 松 下 電 子 工 業 株 式 会 社 半 導 体 事 業 本 部 京 都 研 究 所(〒601京 都 市南 区西九条 春 日町19,TEL 075-681-3181) †† 松 下 電 子 工 業 株 式 会 社 半 導 体 事 業 本 部LSI開 発 セ ン ター(〒167長 岡京市神 足焼 町1,TEL 075-951-8151)

†Kyoto Research Laboratory, Matsushita Electronics Corporation (19, Kasuga-cho, Nishikujo, Minami-ku, Kyoto 601, Japan)

††LSI Development Center, Matsushita Electronics Corporation(1, Yakimachi, Kotari, Nagaokakyo-shi, Kyoto 617, Japan)

フ ォ トダ イ オ ー ド とCCDで 構 成 さ れ る 領 域)の 縮 小 化 に よ り受 光 部 で あ る フ ォ トダ イ オ ー ド面 積 を 減 少 さ せ,主 要 特 性 の ひ と つ で あ る 光 電 変 換 特 性(感 度 と称 す る)を 低 下 さ せ て い る9)∼12).この た め,CCDの 小 型 化,高 解 像 度 化 に と っ て 感 度 向 上 技 術 は ま す ま す 重 要 な テ ー マ とな っ て い る. 感 度 向 上 の 手 法 と し て は,各 々 の 受 光 部 に 対 応 し た 位 置 に マ イ ク ロ レ ン ズ を 設 け,入 射 光 を効 率 良 く受 光 部 に 集 め る オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ン ズ 技 術11)12)や, 雑 音 を 減 らす た め の 出 力 増 幅 器 の 改 善13),等 が な さ れ て い る. 本 論 文 は,感 度 向 上 の 方 法 の う ち,マ イ ク ロ レ ン ズ 技 術 を 中 心 に最 近 の 技 術 方 向 と,今 回新 た に オ ンチ ッ プ フ ィ ル タ 内 部 に 構 成 す る 層 内 レ ン ズ(Inner-layer lens)技 術 と,CCDオ ン チ ッ プ専 用 光 学 シ ミュ レ ー シ ョ ン を 開 発 し た.さ ら に,そ の 効 果 を1/4型IT-CCDに 適 用 し,感 度 向 上 と ス ミア 値 低 減 に 寄 与 す る 実 測 結 果 を今 回 報 告 す る. 2. オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ン ズ 技 術 の 進 展 固 体 撮 像 素 子 の 上 に マ イ ク ロ レ ン ズ を搭 載 し て 感 度 を 向 上 さ せ る 考 え が 最 初 に示 さ れ た の は,1976年 の 特 許 出 願14)か らで あ る.こ れ は 固 体 撮 像 素 子 の 開 発 が 始 ま っ た 頃 とほ ぼ 同 時 期 に,マ イ ク ロ レ ンズ の 重 要 性 が 認 識 さ れ て い た こ と を 示 す.1983年 にIEDM11) の 発 表 で2/3型CCDマ イ ク ロ レ ン ズ が 搭 載 さ れ,そ の 有 効 性 が 示 さ れ た.1990年 のIEDMの 発 表12)で は,コ ン ピ ュー タ シ ミ ュ レー シ ョ ン を用 い 実 効 開 口率 の 高 い マ イ ク ロ レ ンズ の 形 状 を求 め て1/3型CCDに 搭 載 し,大 幅 な 感 度 向 上 を 実 現 で き る こ とが 示 さ れ た.こ の 前 後 の 期 間 に マ イ ク ロ レ ン ズ 搭 載CCDの 量 産 が 開 始 さ れ て い る.特 に デ バ イ ス 縮 小 に伴 う感 度 低 下 の 課 題 を オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ンズ 技 術 で ブ レ イ ク ス ル ー で き た た め,ム ー ビー の 小 型 化 の ニ ー ズ と も重 な り,民 生 用CCD市 場 で は1/2型 か ら1/3型 に 急 速 に置 き換 わ る こ と と な っ た.以 後,民 生 用 途 は も と よ り,産 業 用 か ら放 送 用CCDに 至 る ま で マ イ ク ロ レ ン ズ 技 術 が 必 須 と な り,1994年 「ENGカ メ ラ に お け る CCDマ イ ク ロ レ ン ズ 技 術 」 お よ び 「オ ン ・チ ッ プ ・レ ン ズ 技 術 」 で 国 内2社 が ア メ リカ テ レ ビ芸 術 科 学 ア カ デ ミー か らエ ミー 賞 を授 賞 した の は記 憶 に新 し い15). 3. 最 近 の マ イ ク ロ レ ン ズ 技 術 と そ の 課 題 この よ う に,素 子 の 縮 小 化 と感 度 向 上 とい う相 反 す る要 求 に対 し,CCDメ ー カ は 素 子 自 身 の 感 度 を 上 げ つ つ,主 流 で あ る マ イ ク ロ レ ン ズ 技 術 を採 用 す る こ と で 進 展 し て き た.素 子 の 高 画 素 化 に伴 い,マ イ ク ロ レ ン ズ も微 細 化 プ ロ セ ス で 対 応 し実 効 開 口 率 を上 げ て き た.実 効 開 口率 は単 位 セ ル 当 た り に入 射 さ れ る全 光 束 に対 す る 受 光 部 フ ォ トダ イ オ ー ド に集 光 さ れ る光 束 の 割 合 で,次 の 式 で 示 さ れ る12)16). EAR=(ΣT/ΣU)×100(%) た だ し,EAR:実 効 開 口 率,ΣT:フ ォ ト ダ イ オ ー ド領 域 に集 め ら れ る光 束 量 の 合 計,ΣU:単 位 セ ル に 入 射 す る全 光 束 量 と す る.図2にCCDオ ン チ ッ プ フ ィル タ の模 式 断 面 図 を示 す.こ こで 記 号sは 隣 接 す る マ イ ク ロ レ ン ズ 問 の 距 離(ス ペ ー ス),tは マ イ ク ロ レ ン ズ 自身 の 厚 さ,hは オ ンチ ッ プ フ ィ ル タ の 高 さ を示 す.ま た 写 真1に は マ イ ク ロ レ ン ズ の 外 観SEM写 真 を示 す. 感 度 向 上 に は,単 位 セ ル 内 で よ り広 い 面 積 か ら光 を 集 め実 効 開 口率 を高 め る こ とが 有 効 で あ る.こ の 考 え か ら,レ ン ズ 間 ス ペ ー スsの 距 離 を で き る だ け小 さ く す る こ と が 重 要 と な る.1990年 の 発 表12)で は,s-0.8μmの サ ブ ミ ク ロ ン ス ペ ー ス で あ っ た も の が, 1994年 の 発 表5)で はCCD素 子 に 採 用 さ れ た マ イ ク ロ 図1 IT-CCDの 単 位 セ ル の 説 明 図 IT-CCD unit cell.

図2 CCDオ ンチ ッ プ フ ィル タ の 模 式 断 面 図 と そ の 記 号 説 明

Cross sectional view of a CCD on-chip color filter and the symbol.

レ ン ズ は,ハ ー フ ミ ク ロ ン 近 く ま で 微 細 化 さ れ て い る.今 回,1/4型IT-CCDに 搭 載 さ れ て い る マ イ ク ロ レ ン ズ は,サ ブ ハ ー フ ミ ク ロ ン(s=0.4μm)ス ペ ー ス レ ン ズ を採 用 し,さ ら に感 度 向 上 を 目指 した も の で あ る.図3は1/4型IT-CCDに お け る3次 元 光 学 シ ミュ レ ー シ ョ ン結 果 で,距 離sに 対 す る実 効 開 口 率 比 (マ イ ク ロ レ ン ズ な しの 場 合 を1.0と す る)を 示 す.こ こ で フ ィ ル タ 高 さhを 一 定 に し(こ れ を 標 準 高 さhs とす る),そ れ ぞ れ のsに 対 し レ ン ズ 厚 さtを 可 変 し, 実 効 開 口 率 の 最 も高 い 値 を プ ロ ッ トし た.レ ン ズ な し の 開 口 率 に対 しsの ス ペ ー ス 間 隔 を 小 さ くす る こ とで 2.3倍(s=0.8μm)か ら,2.6倍(s=0.4μm)と な り, 約15%の 増 加 が 得 られ た.シ ミ ュ レー シ ョ ン で はs= 0.2μmの ス ペ ー ス で,さ ら に そ の 比 が 大 き く な る こ とが 示 され て い るが,現 行 の半 導 体 プ ロ セ ス を 用 い て 隣 接 す る レ ン ズ と レ ン ズ の ス ペ ー ス を0.2μmで 安 定 に 形 成 し量 産 す る こ と は難 し い た め,こ の手 法 は 限 界 が あ る と考 え る. 素 子 の 高 感 度 化 で 特 に課 題 と な る の は,低 照 度 撮 像 時 の 感 度 のF値(カ メ ラ レ ン ズ の 絞 り値)依 存 性 で あ る.実 撮 影 で は 暗 い シ ー ンで カ メ ラ レ ンズ 絞 りは 開 放 と な り,そ の 時 の 感 度 の 高 さ が 要 求 さ れ る.こ の 場 合,斜 め 入 射 光 成 分 が 増 加 し て マ イ ク ロ レ ンズ に よ る フ ォ トダ イ オ ー ドの 集 光 量 が 標 準 絞 り時 に対 し て 相 対 的 に少 な くな り,感 度 低 下 を招 く3). こ の よ うな 斜 め 成 分 の 多 い入 射 光 を効 率 良 く フ ォ ト ダ イ オ ー ド に導 くに は,オ ン チ ッ プ フ ィ ル タ の 高 さh を で き る だ け低 くし,そ れ に応 じ て マ イ ク ロ レ ン ズ 厚 さ'を 厚 くす る こ と に よ り感 度 向 上 が 実 現 す る.図4 は,1/4型IT-CCDに お け る3次 元 光 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果 で,レ ン ズ 間 ス ペ ー スsを0.4μmと 一 定 と し,レ ンズ 厚 さtを そ れ ぞ れ の フ ィル タ 高 さ 変 化 率 Δ に対 し可 変 し,実 効 開 口 率 の 最 も高 い 値 を選 び, 実 効 開 口 率 比 を プ ロ ッ ト した(レ ンズ な し の 開 口率 を 1と す る).こ の 図 か ら わ か る よ う に,フ ィ ル タ 高 さ hは 設 計 の 標 準 高 さhsに 対 し+18%ま で 高 く し,レ ン ズ を フ ォ トダ イ オ ー ドか ら離 す と,2.6倍 か ら2.3 倍 に実 効 開 口 率 比 が 下 が る.ま た 標 準 高 さhsに 対 し 低 くし,レ ンズ と フ ォ トダ イ オ ー ドの 距 離 を 近 づ け る と2.8倍 以 上 向 上 す る こ とが 示 さ れ る.こ れ は フ ィ ル タ 高 さ を 低 くす る こ と に よ り,斜 め 光 が 入 射 し た 場 合 で も受 光 部 周 辺 の 遮 光 膜 に よ る ケ ラ レが 少 な くな る こ と を 示 し て い る.し か し な が ら,こ の 高 さhを 低 く す る手 法 も 限 度 が あ る.均 一 な カ ラ ー フ ィル タ や マ イ ク ロ レ ン ズ を 形 成 す る た め 充 分 平 坦 化 で き る 透 明 膜 や,カ ラ ー フ ィル タ の 分 光 に必 要 な 厚 さ な ど,採 用 す る プ ロ セ ス 材 料 に よ り フ ィル タ 高 さ の 低 減 は 制 約 さ れ る.現 行1/4型CCDで も最 もhの 高 さ を低 く安 定 形 成 で き る も の を標 準 高 さhsと して い る. こ の よ う に,前 記 の レ ン ズ ス ペ ー スsを 小 さ く し, フ ィ ル タ 高 さhを 低 く し て 斜 め 成 分 を含 む 入 射 光 を よ り多 く集 光 させ るた め マ イ ク ロ レ ンズ 技 術 は 進 展 し 写 真1 CCDオ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ン ズ 外 観SEM 写 真

A SEM micrograph of an external view of a CCD on-chip micro-lens.

図3 隣 接 す るマ イ ク ロ レ ン ズ 間 の距 離sに 対 す る実 効 開 口率 比(レ ンズ な しの 開 口率 を1と す る)

Effective aperture ratio vs a distance between the adjacent lenses.

図4 オ ン チ ッ プ フ ィ ル タ高 さhの 変 化 率 に 対 す る 実効 開 口 率 比(レ ンズ な しの 開 口率 を1と す る)

Effective aperture ratio vs an on-chip filter height ratio :Ģ.

て きた が,同 手 法 に よ る感 度 向上 は 限 界 に 近 づ き つ つ あ り,新 た な 感 度 向 上 の 方 法 が 求 め ら れ て い る.な お,本 稿 で は 特 に 言 及 し な い 限 り感 度 は 開 放 絞 り (F1.4)で の 記 述 と す る. 4. 新 光 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 我 々 は,今 回 新 た に3次 元 光 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 開 発 し た(PANAMILES Mk-2).す で に 発 表 さ れ て い る光 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ンPANAMILES12)16)を さ ら に 発 展 させ,種 々 の オ ン チ ッ プ フ ィ ル タ とCCD素 子 の 条 件 に フ レ キ シ ブ ル に 対 応 で き る よ う設 計 さ れ て い る.フ ィル タ 各 層 の 形 状 を 自 由 に プ ロ グ ラ ム で き て, よ り正 確 な3次 元 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン結 果 が 得 られ る よ う に な っ た.例 え ば,レ ンズ 形 状 を表 現 す る場 合 は, 円 弧,放 物 線,変 形 円 弧 や サ イ ク ロ イ ド(Cycloid)が 選 択 で き る.ま た,実 断 面 のSEM写 真 に 従 い 離 散 的 に プ ロ ッ ト した 点 を,コ ン ピ ュ ー タ に よ っ て 滑 らか な 曲 線(Smoothing)を 得 る機 能 もあ り,極 め て 高 精 度 の 光 学 検 証 が 可 能 とな っ た. ま た 従 来,マ イ ク ロ レ ン ズ を有 限 要 素 分 割 法 で 対 応 し て い た が,今 回 モ ン テ カ ル ロ 法 を 用 い,入 射 光 子 位 置 と入 射 ベ ク トル を決 定 す る方 法 を採 用 し,計 算 時 間 の 削 減 とプ ロ グ ラ ム 実 行 領 域 の低 減 を実 現 し た.さ ら に,高 速EWSを 使 用 す る こ と に よ り,シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 時 間 を 約1/60と 大 幅 に 削 減 す る こ と が で き た. 図5は,今 回 開 発 し た シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 用 い て CCD素 子 に お け る光 子 軌 道 追 跡 を行 っ た 一 例 で あ る. これ は3次 元 で シ ミュ レ ー シ ョ ン した 光 子 軌 道 を,y 方 向 の レ ン ズ 中 心 位 置 でx-z面 を切 り取 り,2次 元 で わ か りや す く表 現 し た 出力 結 果 で あ る.遮 光 部 や 多 層 膜 の 条 件 を 実 際 の 形 状 に で き る だ け 近 づ け る こ と で,よ り正 確 な 感 度 予 測 が 可 能 と な っ た. 5. オ ン チ ッ プ 層 内 レ ン ズ の プ ロ セ ス 開 発 民 生CCD固 体 撮 像 素 子 に お い て1/3型 か ら1/4型 に移 行 しつ つ あ る 現 在,デ バ イ ス の 感 度 に 対 す る維 持 向 上 の 要 求 は ます ます 高 ま っ て い る.今 回 我 々 は,オ ン チ ッ プ に お け る感 度 向 上 の 新 た な 方 法 と し て,従 来 の オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ン ズ に加 え て,そ の フ ィ ル タ 層 内 に さ ら に マ イ ク ロ レ ン ズ を形 成 した 構 造 の デ バ イ ス を 検 討 し た.各 レ ン ズ を 区 別 す る た め,従 来 フ ィル タ の 上 に 形 成 され て い た マ イ ク ロ レ ンズ を ト ッ プ レ ン ズ(Top lens)と 呼 び,新 た に フ ィル タ 内 に 形 成 す る レ ン ズ は層 内 レ ン ズ(Inner-layer lens)と す る. 斜 め 入 射 光 を よ り多 く フ ォ トダ イ オ ー ドに 集 光 し, フ ィ ル タ 高 さhを さ ら に 低 く薄 膜 化 で き る 層 内 レ ン ズ の 構 造 とプ ロ セ ス を検 討 した.フ ォ トダ イ オ ー ド構 造 は 図1と 図2で 示 し た よ う に,CCDの 転 送 ゲ ー ト を覆 う遮 光 膜 で 囲 ま れ て お り,く ぼ ん だ 形 状 と な っ て い る.こ の構 造 の 上 に 層 間 膜 を施 し,滑 らか な 凹 形 状 を 形 成 す る工 法 を検 討 し た.理 想 的 な 凹 形 状 が 得 ら れ,か つ 層 内 レ ン ズ 材 料 よ り屈 折 率 の 低 い 材 料 と し て,ボ ロ ン リ ン ガ ラ ス(BPSG)を 採 用 し,凹 形 状 を層 内 レ ン ズ 材 料 で 埋 め る こ と に よ り下 向 け に凸 の レ ン ズ が 形 成 さ れ る よ う に し た.こ の 方 式 に す る と,BPSG の 凹 形 状 に レ ン ズ 材 料 を埋 め込 む こ とに よ り,層 内 レ ンズ の 位 置 合 わ せ が 不 要 と な る.こ の セ ル フ ア ラ イ ン 構 造 に よ り,正 確 に フ ォ トダ イ オ ー ド と層 内 レ ンズ の 中 心 を配 置 す る こ とが で き る. 層 内 レ ン ズ の 形 状 はBPSGの 堆 積 厚 さ に よ り変 化 す る.写 真2はBPSG標 準 膜 厚 をAと し,そ の ± 25%の 膜 厚B,C条 件 の3種 の 断 面SEM写 真 で あ る.層 内 レ ン ズ 形 状 と プ ロ セ ス の 安 定 性 か ら膜 厚A のBPSG条 件 を 選 択 した.BPSGの 上 を保 護 膜 で カ バ ー し,そ の上 に層 内 レ ン ズ 材 料 を直 接 埋 め 込 む 構 造 と し た.層 内 レ ン ズ 材 料 はBPSGや 保 護 膜 に 対 し て 屈 折 率 の よ り高 い熱 溶 融 性 透 明 樹 脂 を 選 択 し,層 内 レ ン ズ 形 成 後 は 平 坦 な 膜 が 形 成 で き る よ う に し た.こ の 材 料 と プ ロ セ ス を採 用 す る こ とで,従 来 の オ ン チ ップ フ ィ ル タ 構 造 よ り フ ィ ル タ 高 さhが 低 く形 成 で き る 効 果 が 得 られ た.ま た,層 内 レ ン ズ 材 料 よ り小 さ い 屈 折 率 を もつ カ ラー フ ィ ル タ材 料 お よ び 透 明 平 坦 化 膜 を 層 内 レ ン ズ の 上 に形 成 した. 図5 新3次 元 光 学 シ ミ ュ レー シ ョ ン に よ る光 子 軌 道 解 析 例

An example of a new three-dimentional optical image sensor simulation.

トッ プ レ ンズ は,レ ンズ 間 ス ペ ー スsに0.4μmを 採 用 し,よ り感 度 を高 め る よ う に し た.さ ら に フ ィル タ 高 さhは 標 準 高 さhsよ り さ ら に6%程 度 低 く で き る こ とが 確 か め られ,斜 め 入 射 光 成 分 に対 し て も よ り 効 率 良 く集 光 で き る こ とが 予 想 され た.図6は,今 回 検 討 し た 層 内 レ ン ズ 付 きオ ン チ ッ プ フ ィ ル タ の 模 式 構 造 図 で あ る. 6. 層 内 レ ン ズ の 感 度 シ ミ ュ レ ― シ ョ ン 今 回 開 発 した3次 元 光 学 シ ミ ュ レ ー タ を用 い て 層 内 レ ン ズ に よ る 感 度 向 上 が 可 能 か 見 積 も っ た.BPSG か ら得 られ る 層 内 レ ンズ の 形 状 決 定 は,そ のSEM断 面 解 析 に よ り決 定 され た.そ の結 果,層 内 レ ンズ の 断 面 形 状 は サ イ ク ロ イ ド曲 線 が 最 も適 して い る こ とが わ か り適 用 した.ま た,ト ッ プ レ ンズ の 形 状 は 円 弧 を採 用 した. 図7は,そ の シ ミ ュ レー シ ョ ン結 果 を グ ラ フ化 した も の で あ る.ト ッ プ レ ンズ を 通 過 す る 全 光 束 に 対 し フ ォ トダ イ オ ー ドに 到 達 す る割 合 を 集 光 率 と定 義 し,そ の 高 い もの が 層 内 レ ン ズ 効 果 が 大 き い と した. 集 光 率=(ΣP/ΣL)×100(%) こ こで ΣP:ト ッ プ レ ン ズ 通 過 の 光 束 の な か で フ ォ トダ イ オ ー ドに 到 達 す る 光 束 量,ΣL:ト ッ プ レ ン ズ を 通 過 す る 全 光 束 量 で あ る.ト ッ プ レ ン ズ の み の(現 行)構 造 で 集 光 率 の 最 も 大 き い 値 を 規 格 化 し100%と した.ト ップ レ ン ズ に加 え層 内 レ ン ズ を形 成 した 場 合 と,さ ら に フ ィ ル タ 高 さhを6%低 く し た 層 内 レ ン ズ 構 造 の場 合 の3条 件 を,レ ン ズ 厚 さ'を 可 変 に し て 集 光 率 比 を プ ロ ッ ト し た.レ ン ズ 厚 さ は ト ッ プ レ ン ズ (現行)構 造 で 最 も高 い 集 光 率 の 得 ら れ た 厚 さtsで 規 写真2 BPSG断 面形状SEM写 真

A SEM micrograph of a cross sectional view of BPSG layer.

図6 層 内レンズ構造模 式図

A structure of the inner-layer lens.

図7 層内 レンズ とその薄膜 化 による集光率 向上効 果

A light concentration effect of the inner-layer lens and the thinner on-chip filter with one.

(a) 現行 構造 の集光状 態 (ト ップレ ンズ のみ) (b) 薄膜化 層内 レ ンズ構 造の集 光状 態 (トップ レンズ+層 内 レンズ) 格 化 し100%と した. 3条 件 で そ れ ぞ れ 最 も集 光 率 の 高 い値 を比 較 した 場 合,標 準 高 さhsで は,層 内 レ ン ズ を搭 載 す る こ と で 11%の 集 光 率 向 上 が 示 さ れ た.フ ィ ル タ 高 さhを 低 く形 成 す れ ば さ ら に5%の 向 上 が 示 さ れ,現 行 比 合 計 16%の 感 度 向 上 が 予 測 さ れ た. 図7の な か で 特 徴 的 な 条 件 に つ い て考 察 す る.ト ッ プ レ ン ズ だ け の 構 造 の 最 大 の 集 光 状 態 断 面 図 は 図8 (a)に 示 し,フ ィル タ高 さhを6%低 くして 層 内 レ ン ズ を 採 用 し た状 態 は 図8(b)に 示 す.光 子 軌 跡 を解 析 し た 結 果,層 内 レ ンズ を採 用 す る こ と に よ り,従 来 フ ォ ト ダ イ オ ー ド周 辺 に拡 散 し て い た 斜 め光 が 中 心 方 向 に 集 め られ て い る様 子 が わ か る.そ の説 明 図 を 図9に 示 す. 層 内 レ ン ズ 構 造 で も フ ィル タ 高 さhを 低 くす れ ば, 単 レ ン ズ と 同 じ よ う に集 光 率 が 向 上 す る こ とが 明 らか に な っ た.ま た フ ィ ル タ 高 さhを 低 くす る と,ト ッ プ レ ン ズ の 厚 さ は,標 準 厚 さtsに 対 し8%厚 くす れ ぼ 最 も集 光 率 が 高 い こ とが わ か っ た.層 内 レ ン ズ 構 造 に お い て,ト ップ レ ンズ の 厚 さ'を 最 適 の 集 光 条 件 に す れ ば,従 来 比16%程 度 の 集 光 率 向 上 が 得 ら れ る.さ ら に,CCD固 体 撮 像 素 子 の 特 性 に お い て,ス ミ ア の 成 分 の 低 減 は 重 要 で あ る. ス ミ ア 発 生 原 因 と し て は 一 般 に,(a)多 重 反 射 成 分,(b)斜 め 入 射 光 成 分,(c)pウ ェ ル 内 か ら の 電 荷 拡 散 成 分 が 知 ら れ て い る17).今 回 の 層 内 レ ンズ を採 用 し た 効 果 と して,(a)と(b)の 成 分 を 低 減 で き る と考 え る.(a)の 場 合,フ ォ トダ イ オ ー ドエ ッ ジ部 と遮 光 膜 の 境 界 に密 度 の 濃 い光 束 が 存 在 す る と,遮 光 膜 裏 面 と シ リ コ ン 表 面 の 間 を 光 の 一 部 が 反 射 を 繰 り返 し, CCD部 分 に混 入 す る 光 導 波 現 象3)を 示 す が,今 回 シ ミュ レ ー シ ョ ン結 果 の 図8(a)と 図8(b)を 比 較 す る と,層 内 レ ン ズ(図8(b))の 働 き に よ り,ス ミア の 原 因 とな る エ ッ ジ部 の 光 束 が フ ォ トダ イ オ ー ド中 心 に 集 め られ,同 時 に感 度 向 上 を 実 現 して い る た め,ス ミア の 低 減 が 期 待 さ れ る.ま た(b)の 分 離 領 域 や 垂 直 CCDに 直 接 入 り込 む 斜 め 入 射 光 成 分 も,フ ォ トダ イ オ ー ド中 心 に集 め られ て い る こ とか ら,現 行 構 造 に比 べ 密 度 が 薄 くな り,同 じ くス ミア の 低 減 に結 び つ く と考 え られ る.フ ォ トダ イ オ ー ド と遮 光 膜 境 界 部 分 の 光 束 図8新3次 元 光 学 シ ミュ レ ー シ ョ ンに よ る集 光 状 態 断 面 図

A cross sectional view of the 3-dimentional optical simulation : (PANAMILES Mk-2). (a) A conventional microlens structure, (b) a thinner inner-layer lens structure.

図9 層 内レンズに よる集光効果説明図

Effects of light concentration with the inner-layer lens.

密 度 の 変 化 お よ び,集 光 率16%の 増 加 に よ る感 度 向 上 を考 慮 す る と,3割 程 度 の ス ミア 低 減 が 期 待 され た. 7. 試 作 実 験 結 果 前 記 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を 確 か め,層 内 レ ン ズ の 効 果 を 検 証 す る た め,1/4型CCDの 実 素 子 に 層 内 レ ンズ を 搭 載 し試 作 実 験 を行 っ た.写 真3は 今 回 試 作 し た 層 内 レ ン ズ 付CCDの 断 面 のSEM写 真 で あ る. BPSGの 形 状 を利 用 し て 下 向 き に 凸 型 の 層 内 レ ン ズ が 形 成 さ れ て い る こ とが 観 察 され る. 図10に,実 験 結 果 と シ ミュ レ ー シ ョ ン 結 果 を 並 記 した.縦 軸 は感 度 比 で,現 行 の ト ッ プ レ ン ズ の み の 実 感 度 を1と 規 格 化 し,そ の 何 倍 の 感 度 が 得 られ た か 調 べ た.ま た,シ ミュ レー シ ョ ン結 果 は集 光 率 か ら換 算 した 感 度 比 を プ ロ ッ トした.こ の 図 か らわ か る よ う に, シ ミ ュ レー シ ョ ン結 果 とほ ぼ 一 致 した 感 度 実 測 値 が 得 られ,16%の 増 加 を確 か め た.こ の 結 果,シ ミュ レ ー シ ョ ン に よ る層 内 レ ンズ の 感 度 見 積 りの 正 確 さ と,薄 膜 化 し た 層 内 レ ンズ の 感 度 向 上 効 果 が 証 明 さ れ た. 今 回,ス ミ ア の 低 減 に 関 し て も層 内 レ ン ズ 効 果 が 現 れ る と予 測 して い た.今 回 の 試 作 で は,ト ップ レ ン ズ の み の現 行 構 造 に 対 し 一30%の 低 減 率 が あ っ た.こ れ は感 度 向 上 と共 に,層 内 レ ン ズ の 働 き で 光 束 が フ ォ ト ダ イ オ ー ド中 心 部 に集 め られ,そ の 結 果,エ ッ ジ 部 の 光 密 度 が 薄 く な り,ス ミア の 光 導 波 現 象 の 成 分 と斜 め 入 射 光 成 分 が 低 減 さ れ た と考 え ら れ る.現 行 構 造 で あ れ ば,感 度 を上 げ るた め フ ォ トダ イオ ー ドの 開 口面 積 を 広 げ る とス ミア が 増 加 し相 反 す る特 性 とな る が,層 内 レ ンズ で は,フ ォ トダ イ オ ー ド開 口 面 積 は 変 えず に感 度 とス ミア を 同 時 に 向 上 さ せ る こ とが で きた.他 の 特 性 に つ い て は 問 題 点 は な か っ た.表1に は,層 内 レ ン ズ と現 行 レ ン ズ の 実 測 値 の相 対 比 較 の 結 果 を ま とめ た . 8. む す び 新 し い オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ンズ の 技 術 と して 層 内 レ ン ズ(Inner-layer _{lens)を 検 討 し た .今 回 新 た に 開} 発 し た3次 元 光 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン(PANAMILES Mk-2)を 用 い,光 電 変 換 特 性(感 度)が11%向 上 す る こ と を見 積 も っ た.さ ら に,層 内 レ ン ズ の プ ロ セ ス を 用 い て フ ィ ル タ 高 さhを 低 くす れ ば,合 計+16%の 感 度 向 上 が 予 測 さ れ た. プ ロ セ ス はBPSG膜 に よ り 凹 形 状 を形 成 し,そ の くぼ み を熱 溶 融 型 透 明 樹 脂 で 埋 め 込 む レ ン ズ 構 造 と し た.位 置 決 め は セ ル フ ア ラ イ ン で フ ォ トダ イ オ ー ド と 層 内 レ ン ズ の 中 心 を一 致 させ 形 成 す る こ とが で き た. 1/4型IT-CCDで 層 内 レ ン ズ 構 造 の オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ン ズ を搭 載 し,シ ミュ レ ー シ ョ ン と一 致 した 感 度 実 測 結 果 が 得 ら れ,従 来 の ト ップ レ ン ズ構 造 に対 し て,16%の 増 加 を認 め た.こ れ に よ り シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 正 確 さ と層 内 レ ン ズ の 感 度 向 上 効 果 が 証 明 さ れ た.さ ら に,ス ミ ア の 値 も現 行 ト ッ プ レ ン ズ だ け の値 に 比 較 し て-30%の 低 減 を図 る こ とが で き た.そ の 他 の 特 性 に対 し て は問 題 点 は な か っ た. 今 回,層 内 レ ン ズ を検 討 し た 結 果,重 要 な 特 性 で あ 写真3 層内 レンズ搭載CCD素 子断面SEM写 真

A SEM micrograph of a CCD cross sectional view with the inner-layer lens.

図10 層 内 レ ン ズ の 実 測 感 度 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン結 果

Comparison between the experimental results and the simulation.

表1 層 内 レ ンズ効 果(1/4型CCD実 測 結 果) Comparison between the characteristics with inner

-layer lens and without one .

る感 度 向 上,ス ミ ア低 減 を同 時 に 実 現 さ せ る こ とが で き た.本 研 究 の機 会 を与 え られ,激 励 を い た だ い た 当 社 京 都 研 究 所 江 崎 取 締 役 所 長,ま た 本 研 究 を 行 う に あ た り有 益 な 助 言 な ら び に ご 指 導 い た だ い た,井 上 部 長,寺 川 部 長,阿 知 波 部 長,黒 田 室 長 な らび に ピ ク チ ャ ー コ ン ポ ー ネ ン ト事 業 部 の 古 川 事 業 部 長,開 発 部 と 工 場 技 術 課 の み な さ ま,ま た,立 川 技 師 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ア ドバ イ ス と,素 子 の 試 作,評 価 に 協 力 い た だ い た 拡 散 実 験 部,製 品 開 発3部 の 関 係 各 位 に深 く感 謝 い た し ま す. 〔参 考 文 献 〕 1) 栗 山ほか:"1/3イ ンチ27万 画素CCD撮 像 素子",テ レ ビ学 技報,14,16,pp.39-44(Feb.1990)

2) T. Kuriyama, et al. : "A 1/3-in 270000 Pixel CCD Image Sensor", IEEE Trans. Electron Devices, 38, 5, pp. 949-953 (May 1991)

3) 溝 内 ほ か:"1/3イ ン チ36万 画 素IT-CCD撮 像 素 子",テ レ ビ誌,47,2,pp.197-202(1993)

4) 大 前 ほ か:"1/4イ ン チ 高 解 像 度 手 振 れ 補 正 機 能 付 きCCD 撮 像 素 子",49,2,pp.182-187(1995)

5) S. Terakawa, et al. : "Advanced High Performance CCD Technology for a 1/4-inch 560K Pixel IT-CCD Image Sensor", CICC, pp. 479-483 (1994)

6) K. Harada, et al. : "A 2/3-inch 2M Pixel FIT-CCD

HDTV Image Sensor", ISSCC, pp. 170-171 (1992) 7) M. Morimoto, et al. : "A 2M Pixel HDTV CCD Image

Sensor with Tungsten Photo-Shield and H-CCD Shunt Wiring", ISSCC, pp. 172-173 (1992)

8) Y. Toyoda, et al. : "A 2/3-inch 2.0 M-Pixel M-FIT CCD with a Single Channel HCCD for HDTV Camera", ISSCC, pp. 220-221 (1994) 9) 広 島:"画 素 を 競 う 撮 像 素 子;80dBと430TV本 を 両 立 さ せ た1/2イ ン チCCD",日 経 マ イ ク ロ デ バ イ ス,pp.104-111 (Nov.1998) 10) 川 島 ほ か:"HDTVカ メ ラ 用1イ ン チ150万 画 素IT型 CCD撮 像 素 子",テ レ ビ 学 技 報,16,18,pp.25-30(Feb.1992)

11) Y. Ishihara, et al. : "A high photosensitivity IL-CCD image sensor with monolithic resin lens array", IEDM Tech. Digest, pp. 497-500 (Dec. 1983)

12) Y. Sano, et al. : "Submicron Spaced Lens Array Process Technology for a High Photosensitivity CCD Image Sensor", IEDM Tech. Digest, pp. 283-286 (Dec. 1990)

13) 盛 田 ほ か:"1/3イ ン チ512H画 素IT-CCD撮 像 素 子",1990 年 テ レ ビ 年 次 大,pp.51-52 14) 和 田,照 井,吉 野,太 田:"固 体 撮 像 装 置 及 び そ の 製 造 方 法", 特 許 公 報,特 願 昭51-151123(Dec.1976) 15) 佐 野:"脚 光 浴 び るCCDマ イ ク ロ レ ン ズ 技 術",M&E誌, pp.114-124(Feb.1995)

16) Y. Sano, et al. : "Submicron Spaced Lens Array Process Technology for a High Photosensitivity CCD Image Sensor", Optoelectronics-Dev. &. Tech., 6, 2, pp. 219-229 (Dec. 1991) 17) 秋 元 ほ か:"IL-CCD型 固 体 撮 像 素 子 に お け る ス メ ア の 解 析",テ レ ビ 学 技 報,12,12,pp.19(Feb.1988) さ の よし か ず 佐 野 義 和1974年,同 志 社 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 電 気 工 学 専 攻 修 士 課 程 修 了.同 年,松 下 電 器 産 業(株)に 入 社.現 在,松 下 電 子 工 業(株)京 都 研 究 所 に 勤 務.CCD固 体 撮 像 素 子 の プ ロセ ス とオ ン チ ップ マ イ ク ロ レ ン ズ お よび デ バ イ ス の開 発 に従 事.同 研 究 所 室 長.正 会 員. し げ た よ う こ 重 田 陽 子1991年,奈 良 女 子 大 学 理 学 部 化 学 科 卒 業.同 年,松 下 電 子 工 業(株)に 入 社.CCD固 体 撮 像 素 子 の オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ン ズ お よ び カ ラ ー フ ィル タ の 開 発 に従 事.現 在,同 社 京 都 研 究 所 に勤 務3 い ち か わ み ち よ 市 川学部 化 学 科 卒 業美 千 代1992年,奈 良 女 子 大 学 理 .同 年,松 下 電 器 産 業(株)に 入 社.現 在,松 下 電 子 工 業(株)京 都 研 究 所 に 勤 務.CCD固 体 撮 像 素 子 の オ ン チ ッ プ マ イ ク ロ レ ンズ お よ び カ ラ ー フ ィル タ の 研 究 開 発 に従 事. あお き ひ ろ みつ 青 木 裕 光1982年,大 阪 府 立 大 学 工 学 部 応 用 化 学 科 卒 業.1984年,同 大 大 学 院 修 士 課 程 修 了.同 年,松 下 電 器 産 業(株)に 入 社.松 下 電 子 工 業(株)半 導 体 研 究 所,電 子 総 合 研 究 所 を経 て,1990年 よ り,同 社 京 都 研 究 所 に勤 務.以 来,化 合 物 半 導 体,CCDカ ラ ー フ ィル タ の 研 究 開 発 に従 事. うめ だ た く や 梅 田 卓 也1983年,広 島 大 学 理 学 部 大 学 院 修 士課 程 修 了.同 年,松 下 電 器 産 業(株) 入 社.松 下 電 子 工 業(株)R&Dセ ン タ ー,京 都 研 究 所 を 経 て,現 在,同 社LSI開 発 セ ン タ ー に勤 務.入 社 後,回 路 シ ミュ レ ー タ の 開 発 に従 事.現 在,デ バ イ ス シ ミュ レ ー タ 開 発 業 務 担 当. か み さ か わ た る 上 坂 渡1985年,金 沢 大 学 工 学 部 電 気 工 学 科 修 士 課 程 修 了.同 年,松 下 電 器 産 業 (株)に 入 社.松 下 電 子 工 業(株)に て,プ ロセ ス 技 術 の 開 発 に 従 事 し た 後,1988年 よ り, 固 体 撮 像 素 子 の研 究 開発 に従 事.現 在,同 社 京 都 研 究 所 に勤 務. つ か も と あ き ら 塚 本 朗1987年,大 阪 大学 理 学部 物 理学科大学 院修 士課程修了.翌 年,松 下電器 産業(株)に 入社.松 下電子工業(株)京都研 究 所 に勤務.CCD固 体 撮像 素子 のデバ イ ス開 発 に従事. せ ん だ ひ ろ ゆき 千 田 浩 之1990年,関 西大 学工 学 部 金 属工学科修士課程修了.同 年,松 下電器産業 (株)に入社3現 在,松 下電子 工業(株)京都研 究所 に勤 務.CCD固 体 撮像素 子 の半導体 プ ロセスの開発 に従事. に い そ え な おと 新 添 真 人1992年,同 志 社大 学 工 学部 電気工学科卒 業.同 年,松 下電器産業(株)に 入社.現 在,松 下電子工業(株)京都研究所 に 勤務.CCD固 体撮像 素子 の プロセ ス開発 に 従事.

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