CN101339952B - 固体摄像装置和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提高灵敏度特性，对于摄像装置的光圈(F值)特性，灵敏度特性的降低较小的固体摄像装置及其制造方法。固体摄像装置具有：配置有受光部(12)的摄像区域；具有配置于受光部(12)的上方，形成开口部的金属布线(22A)、(22B)、(22C)和第1绝缘膜(20)的布线层；按每个受光部(12)设置，在布线层上或上部形成的层内透镜(24)；在布线层和层内透镜(24)上形成的透明的第2绝缘膜(26)；按每个受光部(12)设置，形成于第2绝缘膜(26)，上表面为凸状曲面的顶部透镜(28)；和在顶部透镜(28)上形成，由比顶部透镜(28)低的折射率的材料构成的透明的透明膜(30)。使入射光的至少一部分的焦点位于半导体基板(10)的上方的位置。

Description

固体摄像装置和其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在形成有光电变换部等的受光部的半导体基板的上方，设有将入射光引导到受光部的透镜的固体摄像装置。
背景技术
一般，例如，在如MOS图像传感器的固体摄像装置中，成为如下构造：在设有受光部(光敏二极管等光电变换部)的半导体基板上，将如遮光图案或布线图案的各种膜多层状地配置。在将这样的固体摄像装置小型化的情况下，必然地，照相机透镜的瞳距会缩短，多个像素二维排列的像素阵列部(摄像区域)，特别是在像素阵列部的周缘部入射的光的倾斜成分增大。因此，在以像素为单位来考虑的情况下，光的进入角度越大，由于布线等而光被遮挡且在受光面直接入射的光量越减少。由此，将画质维持在高水平变得困难。
因此，在专利文献1公开了一种现有技术，通过在图像传感器的上层膜用高折射率材料，例如P-SiN膜(通过等离子CVD法形成的硅氮化膜)形成在上表面形成有凸透镜面的聚光透镜(层内透镜)，来提高受光灵敏度。
另外，在专利文献2，如图16所示，公开了在具有设于基板111的表面部的受光元件112、和配置于基板111上方的聚光透镜116的固体摄像装置中，通过使聚光透镜116的焦点位于比基板111的上表面更深的位置，提高灵敏度。
专利文献1：特开2000-124434号公报
专利文献2：特开平2-309674号公报
但是，现有技术所涉及的固体摄像装置中，有以下的不合适之处。
首先，在MOS图像传感器的情况下，通常，与CCD图像传感器不同，在将入射光变换成电荷的光电变换部的上部，形成有多层的金属布线。因此，若使焦点位于比基板上表面更深的位置，入射光在布线会散射，或变得容易被反射，与在基板上表面对准焦点的情况相比，灵敏度下降。即，若使焦点位置比基板111的上表面位置更深，则在金属布线的光的反射变大，向光敏二极管的聚光率下降。
另外，在固体摄像装置中，一般顶部透镜(配置在上层的透镜)由有机材料形成。该形成方法如图17(a)所示，一般为如下方法(下面称为热回流工艺)：在暂时形成矩形状(四边形状)的图案128a后，通过热处理形成具有曲线的透镜128。
但是，在用热回流工艺形成透镜128时，在矩形状的图案的高度(厚度)比某固定的高度(厚度)要低(薄)的情况下，如图17(b)所示，透镜128中央部的上表面变得平坦，在热流后形成具有平坦均匀形状的透镜曲面较困难。因此，在现有的固体摄像装置中，有时无法按设计形成顶部透镜。
发明内容
因此，本发明目的在于提供一种固体摄像装置，实现灵敏度特性的提高，并且相对于摄像装置(照相机)的光圈(F值)特性，灵敏度特性的降低较小。
本发明的固体摄像装置具有：由在半导体基板形成的多个受光部构成的摄像区域；配置于所述多个受光部上，由金属布线和绝缘膜形成的多层布线层；按每个所述受光部设置，形成于所述多层布线层上的第1透镜；形成于所述第1透镜的上方的第2透镜；和形成于所述第2透镜上的透明膜；所述透明膜的折射率比所述第2透镜的折射率低，所述第2透镜的厚度比所述第1透镜的厚度厚。
根据该构成，和未设透明膜的情况相比，可以降低第2透镜的有效折射率。因此，可以容易地最优化通过第2透镜的光的焦点位置。例如，在第2透镜由光刻胶(photoresist)等的有机材料构成的情况下，也可以使第2透镜的厚度较厚，同时又使入射光的焦点位置位于半导体基板的上方。
本发明的固体摄像装置的制造方法具有工序(a)，在半导体基板的上部形成受光部；工序(b)，形成分别具有金属布线和埋入所述金属布线的第1绝缘膜的一层或多层的布线层，所述金属布线形成配置于所述受光部的上方区域的开口部；工序(c)，形成按每个所述受光部设置、且配置于所述布线层上或上部的第1透镜；工序(d)，在所述布线层和所述第1透镜上形成透明的第2绝缘膜；工序(e)，形成按每个每个受光部设置、配置于所述第2绝缘膜上、上表面是凸状曲面的第2透镜；和工序(f)，在所述第2透镜上形成由折射率比所述第2透镜更低的材料构成的透明的透明膜。
根据该方法，可以形成受光效率良好的固体摄像装置。
特别是，若用光刻胶等有机材料构成第2透镜，由于可以容易地形成向上凸出或向下凸出的曲面，所以优选。这种情况下，形成由该有机材料构成的图案后，通过加热，可以形成第2透镜，这时，即使图案的厚度充分地厚，也可以使通过第2透镜和第1透镜的光的焦点位于比半导体基板的上表面位置更高的位置。
根据本发明，在摄像区域上的各像素中，可以使入射光通过第1透镜和第2透镜，效率良好地会聚到受光部，可以实现灵敏度特性的提高，并且，对于摄像装置(照相机)的光圈(F值)特性，可以获得灵敏度特性的降低较小的固体摄像装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的MOS图像传感器的像素内的构造的截面图。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的MOS图像传感器的变形例的截面图。
图3(a)～(c)是在本发明的实施方式1所涉及的MOS图像传感器的像素中，表示各层布线图案的平面图。
图4是对将实施方式1所涉及的MOS图像传感器搭载于摄像装置的情况下的入射光进行说明的图。
图5(a)是表示在实施方式1所涉及的MOS图像传感器中，在设于摄像区域的中心部的像素的入射光的图，(b)是表示在配置于摄像区域的周边部的像素的入射光的图。
图6(a)～(d)是表示实施方式1所涉及的固体摄像装置的制造工序的截面图。
图7(a)、(b)是表示具有密封用的玻璃基板的情况下的实施方式1的MOS图像传感器的截面图。
图8(a)、(b)是表示实施方式1的MOS图像传感器的一个例子的截面图。
图9是表示实施方式1的MOS图像传感器的变形例的截面图。
图10(a)、(b)是表示在实施方式1的变形例所涉及的MOS图像传感器的像素的一部分中，在各个水平方向和对角方向的纵向截面的图。
图11(a)、(b)和(c)表示实施方式1所涉及的MOS图像传感器的像素的一部分中，各个第1层的布线图案、第2层的布线图案和第3层布线图案的平面图。
图12(a)是示意性表示在MOS图像传感器中，在任意的方向均留出间隔来配置的顶部透镜的平面图和截面图，(b)是示意性表示至少在水平方向在相邻的透镜之间连接的顶部透镜的平面图和截面图。
图13是表示在MOS图像传感器中，顶部透镜之间的空间和聚光率的关系的图。
图14是表示本发明的实施方式2所涉及的MOS图像传感器的像素的一部分的截面图。
图15(a)、(b)是表示在实施方式2所涉及的MOS图像传感器中，在各个水平方向和对角方向上的纵向截面的图。
图16是表示现有的固体摄像装置的截面图。
图17(a)、(b)是表示各个顶部透镜的高度的较高的情况和较低的情况的该顶部透镜的热流前和热流后的状态的图。
符号的说明
10-半导体基板，12-受光部，20、20A-绝缘膜，22A、22B、22C-布线，24、25、29-层内透镜，26-绝缘膜，30-透明膜，28-顶部透镜，31B-光刻胶，40-玻璃基板，41-粘接剂，42-物质，44A-硅氮化膜，44B-平坦化膜，50-滤色片。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置即放大型固体摄像装置(MOS图像传感器、CMOS图像传感器)进行说明。
(实施方式1)
<MOS图像传感器的构成及其作用·效果>
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的MOS图像传感器的像素内的构造的截面图。
如图1所示，本实施方式的MOS图像传感器具有：设于半导体基板10上，接受入射光，进行光电变换的光敏二极管(PD)等受光部12；传输门(TG，未图示)，其设于半导体基板10上，读出由受光部12生成的信号电荷；摄像区域，其设于半导体基板10上，大量配置有具有将由传输门从受光部12读出的信号电荷暂时积蓄的浮置扩散电容(FD)的像素。这里，传输门由晶体管构成。
另外，在半导体基板10上，形成有绝缘膜20A，在绝缘膜20A上，例如设有设置为多层的绝缘膜20，各层的绝缘膜20上或上部设有由铝或铜等金属材料构成的布线22A、22B、22C。第1层的布线22A、第2层的布线22B、第3层的布线22C按照尽量不横穿各个受光部12的上方的方式，在受光部12上方，在纵向和横向留出规定的间隔a、b、c地配置。即本实施方式所涉及的固体摄像装置是在像素内形成有多层布线的放大型固体摄像装置(MOS图像传感器、CMOS图像传感器)。
另外，在设于最上层布线22C上的绝缘膜20上设有层内透镜(第1透镜)24。并且，在层内透镜24和最上层的绝缘膜20的上方形成有包括滤色片的绝缘膜26，在绝缘膜26上形成有顶部透镜(第2透镜)28。在顶部透镜28上设有透明膜30。
层内透镜24形成于绝缘膜20的平坦面上，由高折射率材料即硅氮化膜(Si3N4)等构成。该层内透镜24的上表面为凸型，在层内透镜24上设有由硅氧化膜等构成的绝缘性的平坦化膜(未图示)。包括滤色片的绝缘膜26设于该平坦化膜上。
顶部透镜28由透明的高分子树脂等的有机材料构成，具有凸状的上表面。这里，本实施方式所涉及的固体摄像装置的特征之一是在顶部透镜28上，通过设置折射率比透镜要低的某种透明膜(绝缘膜)30，使顶部透镜28的折射率有效地变小。在后面对此进行详细说明，由此，即使顶部透镜28的中心厚度为例如0.5μm以上，也可以使顶部透镜28的有效折射率和顶部透镜28的中心厚度小于0.5μm的情况相同。
另外，在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，通过顶部透镜28和层内透镜24会聚的光的焦点位置位于半导体基板10的上表面的上方。这里，在本申请说明书中仅称为“焦点位置”时，意味着平行光在顶部透镜28入射的情况下的焦点位置。另外，扩散光的焦点位置也可以在半导体基板10的上表面上方，在扩散光的焦点位置在上表面位置以下的高度的情况下，由于光穿过半导体基板10的内部，可以抑制光在相邻像素的受光部12漏出，所以优选。
这里，若将布线22A的受光部12上方的开口宽度a、布线22B的受光部12上方的开口宽度b、布线22C的受光部12上方的开口宽度c进行比较，成为b＜a＜c的关系。
因此，在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，通过将入射光的焦点位置置于半导体基板10的上表面的上方，可以使在设有布线22A的第1布线层和设有布线22B的第2布线层之间的入射光的扩散变小，可以抑制由于布线引起的光的反射和散射造成的聚光率的降低，提高聚光率。
另外，优选入射光的焦点位置在第1布线层和第2布线层之间，换言之在布线22A的下表面以上并且在布线22B的上表面以下的高度范围。但是，在俯视观察的情况下，需要入射光的焦点位置在受光部12上方的开口部内。
光的扩散在焦点位置成为最小。因此，在焦点位置的上下附近，由于光的扩散变小，所以，通过将布线的开口宽度最小的附近作为焦点位置，可以使向受光部12的聚光率成为最大。
另外，通常，若将第1层的布线22A的受光部12上的开口宽度a、第2层的布线22B的受光部12上的开口宽度b、第3层的布线22C的受光部12上的开口宽度c比较，成为b＜a＜c的关系。因此，比起第3层的布线22C，在第1层的布线22A的附近减小扩散的方式更能抑制因布线层中的光的反射或散射而造成的聚光率的下降。
另外，在本实施方式的MOS图像传感器中，通过顶部透镜28的中心部的纵向的截面和在水平方向(图1的左右方向)、垂直方向(图1的从面前向里的方向)、对角方向等任意的方向均具有大致相同的形状。即顶部透镜28的上表面的曲率从哪个方向看都相同。
另外，在图1所示的MOS图像传感器中，在顶部透镜28上设置的透明膜30的上表面是平面形状，但是也可以如图2所示透明膜30的上表面是凸的曲面形状。这种情况下，可以使透明膜30具有透镜的功能。
接着，图3(a)～(c)是在本发明的实施方式1所涉及的MOS图像传感器的像素中，表示各层布线图案的平面图。
如图3(a)所示，第1层的布线22A例如由在水平方向(在图3(a)的横方向)横穿受光部12的一部分的布线22A-1和局部形成的布线22A-2、布线22A-3、布线22A-4构成。另外，布线22A-1是用于向传输门供给电源电压的布线，通过触头(未图示)和传输门连接。
另外，布线22A-2是用于读出半导体基板10上的FD的电位的布线，通过触头与第2层的布线22B-1连接。布线22A-3是用于向半导体基板10上的放大晶体管、复位晶体管供给电源的布线，通过触头与第2层的布线22B-2连接。
另外，如图3(b)所示，第2层的布线由在垂直方向(在图3(b)的纵向)横穿受光部12的一部分的布线22B-1、22B-2和局部形成的布线22B-3构成。布线22B-1是用于读出FD的电位的布线，布线22B-2具有向半导体基板10上的放大晶体管、复位晶体管供给电源电压的作用。
进而，第2层的布线22C和布线22A-4通过布线22B-3和触头电连接，具有将FD的电位施加于放大晶体管的栅电极的作用。
如以上说明，在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，第3层的布线22C的布线数较少，其开口宽度c与第1层的开口宽度a、第2层的开口宽度b相比，非常大。另外，如果比较第1层的开口宽度a与第2层的开口宽度b，则通常第2层的开口宽度b的一方较小。
成为开口宽度a＞开口宽度b，在通常的半导体制造工序中，由于每次形成布线时要在绝缘膜将布线埋入并进行平坦化，所以，越在上层，平坦化后的绝缘膜表面的偏差就越大，布线的微细化变得困难。即为了使第1层的最小布线宽度变得比第2层的最小布线宽度小，第1层的开口宽度a可以比第2层的开口宽度b大。像素尺寸例如若为一边为1.75μm，则a＝1.2μm，b＝0.9μm、c＝1.5μm左右。
即为了取确保向受光部12入射的光量，按照使光不在第1层的布线22A和第2层的布线22B反射或散射的方式，对层内透镜24和顶部透镜28的形状进行控制很重要。这种情况下，作为透镜的形状，按照使通过顶部透镜28和层内透镜24会聚的光的焦点位置位于半导体基板10的上部的方式来设计透镜曲率很重要。特别是，需要按照使在第1布线层与第2布线层之间的入射光的扩散变小的方式，使光的焦点位于第1布线层与第2布线层之间。
另外，由于在MOS图像传感器中，在摄像区域内，形成有CCD(ChargeCoupled Device)图像传感器所没有的由布线层和层间绝缘膜构成的多层布线层，所以，半导体基板10的上表面与层内透镜24的距离h1和半导体基板10的上表面与顶部透镜28的距离h2，与CCD图像传感器相比，非常大。在本实施方式的MOS图像传感器中，例如h1＝3.5μm，h2＝4.5μm左右。与此相对，在CCD图像传感器中，h1＝2.5μm，h2＝3.5μm左右。因此，在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，顶部透镜28和层内透镜24的曲率比在CCD图像传感器中的要小。
其原因是在透镜表面的曲率较大的情况下，聚光位置会到远高于基板上表面的位置，在基板上表面入射光的扩散变大，不能向受光部12充分地聚光。
另外，通常，在CCD图像传感器中，在单元尺寸为1.75μm(一边)的情况下，层内透镜的中心厚度为0.7μm左右，顶部透镜的中心厚度为0.5μm左右。这里，在CCD图像传感器中，在顶部透镜上部未形成有绝缘膜等，而空气(折射率＝1)存在。
将该透镜厚度保持，并应用于MOS图像传感器情况下，焦点位置位于远高于基板上表面的位置，不能获得充分的聚光率。因此，在MOS图像传感器中，需要层内透镜的中心厚度为0.3μm左右，顶部透镜的中心厚度为0.2μm左右。但是，这样将中心厚度较薄的顶部透镜作成按照设计的形状，如下所述十分困难。
另外，顶部透镜28，一般地，用热流法形成，具体的过程是形成构成顶部透镜的光刻胶，按照形成与受光部12对应的形状的掩模部的方式形成图案，使该光刻胶在规定的温度回流，使掩模部的表面凸状地弯曲，并形成。通过该过程，形成如图6(d)表示的具有凸状地弯曲的上表面的顶部透镜28。
但是，在该过程(热流法)中，通常，难以平坦、均匀性良好地实现按照透镜厚度为小于0.5μm的方式使透镜高度降低的形状。如图17(a)所示，若在透镜厚度比某固定值厚的情况(例如，透镜厚度为0.5μm以上)下，将透镜融解，通过将透镜形状变钝，透镜的上表面整体成为具有曲面(曲率)的形状。但是，如图17(b)所示，在透镜厚度小于0.5μm左右薄时，只在透镜的两端的附近成为具有曲率的形状，在透镜的中心附近不具有曲率，成为直线的构造。
与此相对，在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，在顶部透镜28上，涂敷、形成折射率比透镜要低的透明的透明膜30。由此，由于有效地减小了顶部透镜28的折射率，所以，可以使顶部透镜28的厚度在规定值以上并且将入射光的焦点位置设定于第1布线层与第2布线层之间。
例如，在顶部透镜28的形成中所使用的光刻胶的折射率为1.5的情况下，若透明膜30的折射率＝1.2左右，则顶部透镜的中心厚度为0.7μm以上并且1.0μm以下即可，可以形成平坦的，均匀性良好的透镜形状。另外，在图像传感器的上表面通过粘接剂粘接玻璃基板(透明部分)的情况下，设透明膜30的折射率为1.4以上并且小于1.5，使粘接剂和玻璃基板的折射率与透明膜30的折射率相等，这种方式是在降低入射光的反射上优选的方式。
如以上，在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，使顶部透镜28的中心厚度比层内透镜24的中心厚度要厚，另外，并且通过在顶部透镜28上涂敷折射率比顶部透镜28要低的透明膜30，可以使焦点位置位于第1布线层与第2布线层之间。进而，可以防止顶部透镜28的形状偏差，可以获得具有高灵敏度特性并且能抑制灵敏度偏差的MOS图像传感器。
即本发明特征为不适用于CCD图像传感器而适用于MOS图像传感器(放大型固体摄像装置、CMOS图像传感器)，由此，可以可得到厚度良好的图像特性。
另外，作为透明膜30的材料，可以使用氟化树脂等的低折射率膜。
其原因是氟化树脂和其他的树脂(例如丙稀酸树脂等)相比，不易产生对光的劣化(膜的强度较强)，耐热性良好，另外，对光的波长的穿透率的依赖性也非常小。
另外，只要具有比顶部透镜28低的折射率，也可以由氟化树脂以外的透明材料来构成透明膜30，例如可以使用SOG(Spin on Glass)膜等的氧化膜。
如以上说明，近年来，图像传感器的微细化不断发展，由于像素单位的纵横比(aspect ratio)(光敏二极管的开口面积S与深度D之比D/S)增大，所以，在上述的摄像区域，特别是在摄像区域的周缘部入射的光的倾斜成分增大。另外，如上述，在MOS图像传感器中，由于在栅电极上形成有多层布线，所以在传感器入射的光到达受光部为止的距离一般比CCD传感器要长。
因此，MOS传感器的层内透镜和顶部透镜的设计比CCD装置要复杂。即在MOS传感器中，比起CCD装置，更加需要透镜设计的最优化的研究。因此可以得知，本发明的发明者们进行层内透镜和顶部透镜的厚度的研究，结果可知在顶部透镜上未设有透明层的构造中，理论上，在顶部透镜的厚度比层内透镜的厚度薄的一方，可以使在受光部入射的光量增加的情况较多。
但是，如上述，在一般构成的MOS图像传感器中，例如，如使用热流法制作顶部透镜的情况，使顶部透镜的厚度在规定值以下，是实际难以实现的。与此相对，在本实施方式的MOS图像传感器中，通过在顶部透镜28上形成低折射率的透明的透明膜30，来使顶部透镜28的厚度比层内透镜24的厚度薄的情况下也可以获得同样良好的光学特性。因此，在本实施方式的MOS图像传感器中，可以提高灵敏度，并且对于相机透镜的F值的变化(F值依赖性)，也可以最小限度地控制灵敏度的降低。
另外，作为顶部透镜28的构成材料，也可以使用光刻胶以外的透明的有机材料。但是，由于可以在相对低温形成凸状曲面，并由于可以忽略向MOS图像传感器的注入层等的影响等原因，所以，使用光刻胶最为优选。
另外，层内透镜24的构成材料不限于氮化硅，也可以是氮氧化硅、氧化硅等其他的无机材料，也可以是氟化树脂或丙稀酸树脂等的有机材料。
接着，采用图4和图5，对本实施方式所涉及的MOS图像传感器中的，即收缩(shrink)构造进行说明。
图4是对将实施方式1所涉及的MOS图像传感器搭载于摄像装置的情况下的入射光进行说明的图，图5(a)是表示在实施方式1的MOS图像传感器中，在设于摄像区域的中心部的像素的入射光的图，(b)是表示在配置于摄像区域的周边部的像素的入射光的图。
为了容易理解，虽然图1及其说明未触及，在本实施方式的MOS图像传感器中，如图5所示，优选在配置于摄像区域的周边部的像素中，以受光部12的位置为基准，将顶部透镜28、层内透镜24、布线22A、22B、22C的位置向摄像区域的中心侧或周边侧偏离。其原因在下面进行说明。
如图4所述，在位于摄像区域的中央部的像素，主要是垂直(角度0°)的光入射，在位于摄像区域的周边部的像素主要是倾斜的光(角度25°左右)入射。即在MOS图像传感器入射的光中，倾斜成分所占有的比率随着从摄像区域(像素阵列)的中心趋向周边部而增大。因此，在位于摄像区域的周边区域的像素中，通过将顶部透镜28、层内透镜24、布线22A、22B、22C的位置适当地向摄像区域的中心侧或周边侧偏离，从而倾斜光不易被布线等遮挡，可以防止到达受光部12的光量减少，提高聚光率。另外，不一定使顶部透镜28、层内透镜24、布线全部偏离，根据需要，只要任意1个以上的部件的位置偏离即可。
<MOS图像传感器(固体摄像装置)的制造方法>
图6(a)～(d)是表示实施方式1所涉及的固体摄像装置的制造工序的截面图。
首先，如图6(a)所示，在半导体基板10的上部通过离子注入法等公知的方法形成光敏二极管等的受光部12后，在半导体基板10上形成由多层或单层的膜构成的绝缘膜(层间绝缘膜)20A并用Al或Au等形成布线22A。接着，通过高密度等离子CVD(HDP-CVD)或在低温的等离子CVD法将由四乙氧基硅烷层(P-TEOS)等构成的绝缘膜20堆积。该绝缘膜20的折射率约为1.45。之后，通过CMP法将绝缘膜20的上表面平坦化。另外，通过将布线的形成、绝缘膜20的形成及其平坦化的工序反复，由此在像素内形成多层布线。
接着，如图6(b)所示，在多层布线层中的最上层的绝缘膜20上，通过CVD法形成硅氮化膜44A。该硅氮化膜44A的折射率为1.9到2.0左右。接着，在硅氮化膜44A上形成光刻胶，按照在与受光部12对应的位置形成掩模部的方式对光刻胶进行图案形成。并且，使该光刻胶在规定的温度回流，使掩模部的上表面形成为凸状曲面。通过该过程，形成具有凸状曲面的光刻胶31B。
接着，如图6(c)所示，通过将具有凸状曲面的光刻胶31B和硅氮化膜44A一起进行蚀刻，将光刻胶31B的上表面形状复制在硅氮化膜44A上，形成以硅氮化膜44A作为母材的层内透镜24。这里，层内透镜24的中心厚度例如为350nm左右。
接着，如图6(d)所示，在层内透镜24上形成绝缘的平坦化膜44B。作为该平坦化膜的材料，例如可以使用折射率1.5左右的硅氧化物等，也可以使用折射率1.5左右的丙稀酸系的热固性树脂。另外，根据两层的折射率的相对关系，在层内透镜24的凸状上表面与平坦化膜44B的界面上，光进行折射。
进而，在平坦化膜44B上依次形成滤色片50、顶部透镜28、透明膜30。具体地，形成构成顶部透镜28的光刻胶，按照在与受光部12对应的位置形成掩模部的方式对光刻胶进行图案形成。并且，使该掩模部在规定的温度回流，在掩模部的上表面成为凸状曲面，形成顶部透镜28。另外，作为顶部透镜的材料，使用的光刻胶的折射率例如为1.6左右。接着，在顶部透镜28上，例如，通过旋转镀膜法(Spin Coat)等在顶部透镜28上形成由氟化树脂等的低折射率材料(具有比用于形成顶部透镜28的光刻胶的折射率更低的折射率的材料)构成的透明膜30。另外，该低折射率材料的折射率例如为1.4。另外，在透明膜30的折射率为1.4左右的情况下，顶部透镜28的厚度为0.5μm以上且1.0μm以下即可，可以形成平坦的均匀性良好的透镜形状。另外，若透明膜30的折射率为1.5左右，则顶部透镜28的厚度可以为0.7μm以上并且1.0μm以下。
图7(a)、(b)是表示具有密封用的玻璃基板(透明部件)的情况下的本实施方式的MOS图像传感器的截面图。如图7(b)所示，也可以在透明膜30上进一步配置具有比透明膜30更低的折射率的物质42(气体等)，如图7(a)所示，也可以配置用于将密封用的玻璃基板40粘接的透明的粘接剂41等。但是，如后述，由于使用粘接剂41的一方聚光效率提高，所以更为优选。另外，下面的说明中“固体摄像元件”是方便地指，在MOS图像传感器中(固体摄像装置)中，除了玻璃基板40和气体的物质42以外的部分。
通常，图像传感器等的固体摄像元件由保护封装密封，这种情况下，在固体摄像装置的受光部侧，一般按照使入射光穿过的方式配置玻璃基板。并且，如图7(b)所示，在玻璃基板40与固体摄像元件的上表面之间形成空间。这种情况下，入射光在玻璃基板40的上表面、玻璃基板40的底面、固体摄像元件的上表面3个界面被反射。通常，在每次反射时有5％左右的光被反射。这部分，使在受光部12入射的光量减少到原来入射光的80％左右。
另一方面，在玻璃基板40和固体摄像元件上表面之间配置粘接剂41的情况下，可以大幅降低在玻璃基板40的底面和固体摄像元件的上表面的2个反射。
但是，更为优选是使玻璃基板40、粘接剂41和低折射率的透明膜30的折射率大致相同。这种情况下，在受光部12入射的光量可以成为原来的入射的光量的95％，与未配置粘接剂41的情况相比，可以使在摄像区域入射的光量增加。具体地，设定低折射率的透明膜30的折射率为1.4以上并且小于1.5，则玻璃基板40、粘接剂41的折射率与透明膜30大致相等，更期望1.4以上并且小于1.5。
即在本发明中，如图8(a)所示，在透明膜30的上表面为平面形状的情况下，在透明膜30上形成粘接剂41，可以在其上形成玻璃基板40。另外，在图8(a)所示的构成中，具有可以容易地进行透明膜30和粘接剂41的材料选定的优点。
另外，如图8(b)所示，在透明膜30具有粘接剂的功能的情况下，可以在透明膜30上形成玻璃基板40。另外，在采用如图8(b)所示的构成的情况下，可以将在透明膜30和玻璃基板40的界面的光反射量降低，使到达受光部的光量增加，另外，有可以缩短制造工序等的优点。
进而，在本发明的MOS图像传感器中，如图9所示，在透明膜30的上表面是曲面形状的情况下，与如图8(a)所示的MOS图像传感器同样，在透明膜30上形成粘接剂41，可以在其上形成玻璃基板40。另外，在如图9所示的构成中，具有可以容易地进行透明膜30和粘接剂41的材料选定的优点。
<第1实施方式的变形例>
接着，采用图10、图11对实施方式1的变形例所涉及的固体摄像装置(MOS图像传感器)的细节进行说明。
图10(a)、(b)是表示在实施方式1的变形例所涉及的MOS图像传感器的像素的一部分中，在各个水平方向和对角方向的纵向截面的图，图11(a)、(b)和(c)表示实施方式1的变形例所涉及的MOS图像传感器的像素的一部分中，各个第1层的布线图案、第2层的布线图案和第3层的布线图案的平面图。这里，“对角方向”意味着作为原则，摄像区域的平面形状为四边形的情况下，该四边形的对角线的方向。
在图1表示的实施方式1所涉及的MOS图像传感器中，在任意的方向切开的纵向截面中，由顶部透镜28和层内透镜24会聚的光的焦点位置也是基板上方的一点。与此相对，在本变形例所涉及的MOS图像传感器中，对于在顶部透镜28的光轴方向入射的光，比起通过顶部透镜28的水平方向截面和垂直方向截面的光的焦点，通过顶部透镜28的对角方向截面的光的焦点位于距离半导体基板10的上表面更上方的位置。在图10(a)、(b)所示的例子中，通过顶部透镜28的水平方向截面的光的焦点位置在半导体基板10(受光部12)的上表面附近，通过顶部透镜28的对角方向截面的光的焦点位置在受光部的上方并且在第1布线层与第2布线层之间。
另外，在水平方向的纵向截面中，顶部透镜28和相邻的顶部透镜28接触或连接，在对角方向的纵向截面中，顶部透镜28与相邻的顶部透镜28之间留出间隔。另外，若将顶部透镜28按照与相邻的透镜接触或连接的方式配置，则和不与相邻的透镜接触或连接的情况相比，该方向的透镜的曲率下降。
进而，如图11(a)所示，第1层的布线22A的水平方向的受光部12上的开口宽度a变得比第1层布线22A的对角方向的开口宽度d大，第2层的布线22B的水平方向的开口宽度b变得比第2层布线22B的对角方向的开口宽度e大。
因此，在本实施方式的MOS图像传感器中，在与其他方向相比开口宽度较小的对角方向的纵向截面中，由于入射光的焦点按照位于第1布线层和第2布线层之间的方式来设定，所以在布线的开口宽度较窄的方向，也可以提高聚光率。与此相对，在水平方向的纵向截面中，入射光的焦点比起对焦方向的纵向截面的焦点，更靠近半导体基板10的上表面。在水平方向的纵向截面中，在布线层内的入射光的扩散幅度扩大，由于布线宽度变宽，所以可以通过布线较小地抑制光的反射和散射，不产生聚光率的下降。
另外，并不限于图10、图11所示的例子，若将在布线的开口宽度变窄的方向上的纵向截面的入射光的焦点设定在与在其他方向的纵向截面的入射光的焦点相比，距离半导体基板10的上表面更近的位置，则可以获得与本实施方式的MOS图像传感器相同的效果。
接着，采用图12、图13，对本变形例所涉及的MOS图像传感器的顶部透镜的形状的细节进行说明。图12(a)是示意性表示在MOS图像传感器中，在任意的方向均留出间隔来配置的顶部透镜的平面图和截面图，(b)是示意性表示至少在水平方向在相邻的透镜之间连接的顶部透镜的平面图和截面图。
这里，在图12(b)所表示的例子中，对于顶部透镜28，水平方向的空间g1(≤0)、对角方向的空间g2分别比图12(a)所示的g1(＞0)、g2小。图12(a)所示的透镜相当于实施方式1的顶部透镜28，图12(b)所示的透镜相当于实施方式1的变形例所涉及的顶部透镜。
接着，图13是表示在MOS图像传感器中，顶部透镜之间的空间与聚光率的关系的图。另外，虽然实际的空间g1不会成为负的，但是为了表示相邻的顶部透镜28之间的重叠的大小，在图13中也图示了g1＜0的区域。
通常，在顶部透镜28之间的空间入射的光不朝向受光部，由布线等接受散射。因此，若通过使顶部透镜28之间的空间变小，使入射光朝向光敏二极管，则可以提高聚光率。另一方面，在不存在水平方向的空间的情况下，由于相邻的顶部透镜28之间相互连接，所以在透镜边缘的曲率变小。这时，如图13所示，随着g1从0成为负的值，虽然由于对角方向的空间g2变小引起聚光率上升，但是若g2成为某固定值以下，则聚光率会下降。因此，顶部透镜28的对角方向的空间g2存在最佳值，根据本申请的发明者们的研究，得知在1.75μm单元(cell)的情况下，对角方向的空间宽度g2＝0.5μm左右为最佳值。
在图10、图11所示的实施方式1的变形例所涉及的固体摄像装置中，在形成顶部透镜28时，对四边形状的光刻胶之间在水平方向(和垂直方向)的水平方向的间隔进行适当的调节，使热流之后的顶部透镜28在水平方向彼此接触即可。
这样，在具有顶部透镜28的MOS图像传感器中，将通过顶部透镜28和层内透镜24会聚的入射光的焦点位置置于对角方向截面中第1层的布线22A与第2层的布线22B之间，通过在水平方向截面将焦点位置配置于比在对角方向截面的焦点位置更靠近半导体基板10的上表面，可以最大限度地提高聚光率。
另外，在本变形例的MOS图像传感器中，不仅在水平方向，也可以在垂直方向上对相邻的顶部透镜28之间进行连接，这种情况下，顶部透镜28的上表面的曲率在垂直方向与水平方向大致相同。但是，在像素中，由于布线构造和受光部(光敏二极管)的形状在垂直方向和水平方向不同，所以，也可以将顶部透镜28的曲率最优化，使其在水平方向和垂直方向具有不同的曲率。例如，也可以与受光部的长边方向相比，在该受光部的短边方向，将顶部透镜28的曲率增大，使光更容易地入射到受光部。
另外，优选通过顶部透镜28的水平方向截面的光的焦点在半导体基板10的上表面以上并且低于最下层的布线层(布线22A的下表面)的高度范围。
(实施方式2)
图14是表示本发明的实施方式2所涉及的MOS图像传感器的像素的一部分的截面图。在上述图中，对与图1所示的实施方式1的MOS图像传感器相同的部件标注与图1相同的符号。
如图14所示，本实施方式的MOS图像传感器在层内透镜25的下表面向下凸出(凸状)的点上与实施方式1的MOS图像传感器不同。
这种情况下，虽然半导体基板10的上表面与层内透镜25的距离h3、和实施方式1的MOS图像传感器的距离h1大致相等，但是，半导体基板10的上表面和顶部透镜28的距离h4可以比实施方式1的MOS图像传感器的h2小。
其原因是在层内透镜的上表面为凸状的情况下，相对于在绝缘膜20上形成层内透镜24的情况，当层内透镜的下表面向下凸出时，可以在绝缘膜20的内部形成层内透镜25。即在本实施方式的MOS图像传感器中，与层内透镜25未形成于绝缘膜26内的部分对应地使绝缘膜26变薄。例如，可以使h3＝3μm，h4＝4μm左右。这样，通过使半导体基板10的上表面与顶部透镜28的距离h2变小，从而与使层内透镜的上表面为凸状的情况相比，将入射光更容易聚光到受光部12，可以提高聚光率。
这种情况下，也通过使层内透镜25的厚度(中心厚度)比顶部透镜28的厚度要厚，可以获得与层内透镜24的上表面为凸状的情况相同的聚光效果。
另外，如图15(a)、(b)所示，通过将下表面向下凸出的层内透镜29和具有与在水平方向相邻的透镜连接的顶部透镜28的MOS图像传感器进行组合，可以进一步有效地将光会聚在受光部12。这里，图15(a)、(b)是表示在本实施方式所涉及的MOS图像传感器中，在各个水平方向和对角方向纵向截面图的图。
【产业上的利用的可行性】
本发明的固体摄像装置可以适用于视频摄像机、数码照相机和传真机等的各种图像输入设备。

Claims (10)

1.一种固体摄像装置，具有：
由在半导体基板形成的多个受光部构成的摄像区域；
配置于所述多个受光部上，由金属布线和绝缘膜形成的多层布线层；
按每个所述受光部设置，形成于所述多层布线层上的第1透镜；
形成于所述第1透镜的上方的第2透镜；和
形成于所述第2透镜上的透明膜；
所述透明膜的折射率比所述第2透镜的折射率低，所述第2透镜的厚度比所述第1透镜的厚度厚，
所述多个受光部、所述第1透镜和所述第2透镜在所述摄像区域内，在垂直和水平方向二维配置；
在水平方向相邻的所述第2透镜之间相互连接；
对于所述第2透镜的上表面而言，水平方向的曲率比对角方向的曲率小。
2.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述透明膜的上表面是平面形状。
3.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述透明膜的上表面是曲面形状。
4.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具有：配置于所述透明膜上的粘接剂；和
形成于所述粘接剂上的透明部件。
5.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
还具有：形成于所述透明膜上的透明部件。
6.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
设于所述摄像区域的周边部的所述金属布线、所述第1透镜和所述第2透镜中的至少一个，以所述受光部的位置为基准，向所述摄像区域的中心侧接近的方向或离开的方向偏离。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第1透镜的上表面是凸状曲面。
8.根据权利要求1～6中任意一项所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第1透镜的下表面是向下凸出的曲面。
9.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第1透镜由无机材料构成。
10.根据权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，
所述第2透镜由有机材料构成。
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