JP2004304148A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、CMOS型の固体撮像素子及びその製造方法に関し、単一層内レンズによる最適な集光を可能にした固体撮像素子、及び層内レンズを精度よく形成できる製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凹部を有する第1の層と、凹部を埋めるように形成された第2の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。
【選択図】 図4
【解決手段】 本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凹部を有する第1の層と、凹部を埋めるように形成された第2の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。
【選択図】 図4
Description
本発明は、固体撮像素子に層内レンズを備えてなる固体撮像素子及び製造方法に関する。
固体撮像素子では、各センサ部の受光面の微細化が進んだり、受光面を挟んで遮光パターンや配線パターンのような各種の膜が積層されるような場合、入射光率が低下する。特に、遮光パターンや配線パターンが多く積層されるようなCMOS型の固体撮像素子においては、入射光が配線等に遮られて入射光率を低下する。このような入射光率の低下に対する対策としては、受光面上に対応する配線層の間に層内レンズ、即ち層内集光レンズを設け、入射光を配線に遮られずにセンサ部へ集光させ、集光率を改善する方法が知られている(例えば特開2001ー94085号参照)。
従来、多層配線を有するCMOS型固体撮像素子の層内集光レンズは、次のようにして形成されていた。センサ部を形成した基板上に絶縁層を介して各センサ部を挟んで平行する第1の配線を形成した後、全面に流動性膜(いわゆるリフロー膜)を形成する。流動性膜として、例えばCVD(化学気相成長)法により屈折率1.4〜1.46程度のBPSG(ボロン・リン・シリケートガラス)膜を堆積する。次に、このBPSG膜を、800〜950℃程度の温度で熱処理することでリフローさせる。この遮光パターンの段差を利用したリフロー処理により、BPSG膜は第1の配線に平行したシリンドリカルな凹形状に形成される。次に、プラズマCVD法によって屈折率2.0程度の窒化シリコン膜を堆積し、この窒化シリコン膜をCMP法(化学機械研磨法)により平坦化する。これにより、屈折率の小さい凹形状のBPSG膜と屈折率の大きい平坦化された窒化シリコン膜とにより、一方向に延びる第1のシリンドリカル層内集光レンズが形成される。次に、第1のシリンドリカル層内集光レンズを構成する膜上に第1の配線と直交するように、センサ部を挟んで平行する第2の配線を形成した後、同じようにして第2の配線に沿うシリンドリカルな凹形状のBPSG膜を形成し、その上に平坦化した窒化シリコン膜を形成し、第2のシリンドリカル層内集光レンズを形成する。この2つの互いに交差する第1及び第2のシリンドリカル層内集光レンズで、各センサ部毎に区画された層内集光レンズが形成される。
特開2001−94085号公報
ところで、上述した流動性膜を用いた層内集光レンズの形状は、そのレンズの高さやレンズの位置、曲率が下地の遮光膜または配線の間隔、高さで自己整合的に決定されてしまう。このため、最適に集光する上で必要な層内集光レンズの形状を得ることが難しい。
また、流動性膜のリフロー過程においては、800〜950℃の高温度での熱処理を必要としていることから、配線層に実績のあるAlを使用することが出来なかった。
本発明は、上述の点に鑑み、最適な集光を可能にした精度の良い単一の層内レンズを備えた固体撮像素子ならびにその製造方法を提供するものである。
本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凹部を有する第1の層と、凹部を埋めるように形成された第2の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。
配線層は、少なくとも受光部を挟んだ両側に形成された第1の配線と、第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが受光部からの距離を異にして形成されている。層内レンズは第1の配線と第2の配線との間に位置する。
第1の配線と第2の配線とは、一体的に形成し、所定の電圧源に接続されるように形成することができる。画素は電荷読み出し用トランジスタと、電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、複数の配線は平坦化膜の上方に形成されている。よって、第1の層は複数の配線を直接覆って形成されて配線層を構成する絶縁層で形成することができる。よって、第1の層は、配線層上に形成された絶縁層で形成することができる。層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が受光部の中心上から撮像領域の中心側に偏って形成することができる。複数のレンズの少なくとも1つは層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることができる。
配線層は、少なくとも受光部を挟んだ両側に形成された第1の配線と、第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが受光部からの距離を異にして形成されている。層内レンズは第1の配線と第2の配線との間に位置する。
第1の配線と第2の配線とは、一体的に形成し、所定の電圧源に接続されるように形成することができる。画素は電荷読み出し用トランジスタと、電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、複数の配線は平坦化膜の上方に形成されている。よって、第1の層は複数の配線を直接覆って形成されて配線層を構成する絶縁層で形成することができる。よって、第1の層は、配線層上に形成された絶縁層で形成することができる。層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が受光部の中心上から撮像領域の中心側に偏って形成することができる。複数のレンズの少なくとも1つは層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることができる。
本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部とMOSトランジスタからなる画素を有した、いわゆるCMOS型の固体撮像素子である。上記本発明のCMOS型の固体撮像素子では、エッチングにより形成された凹部を有する第1の層と、凹部を埋めるように形成された第2の層から成る層内レンズであるので、配線の凹凸に関係なく層内レンズを形成することができる。受光部を挟んだ両側に受光部からの距離が異なるように第1の配線と第2の配線を形成する場合でも、配線に依存することなく層内レンズを形成することができる。第1の配線と第2の配線とが一体的に形成され、所定の電圧源に接続されていても、配線に関係なく層内レンズを形成することができる。電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、複数の配線は平坦化膜の上方に形成されているので、所定の位置に層内レンズを形成することができる。第1の層は複数の配線を覆って、配線層を構成する絶縁層であるので、所定の位置に層内レンズを形成することができる。第1の層は配線層上に形成された絶縁層であるので、絶縁層の界面での屈折を利用することができる。層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が受光部の中心上から撮像領域の中心側に偏って形成されるので、斜め光によるシェーディングが改善され、瞳補正が可能になる。複数のレンズの少なくとも1つは層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズであるので、オンチップと層内レンズの併用により集光効率を向上することができる。
本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凸部を有する第1の層と、凸部を覆って形成された第2の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。
配線層は、少なくとも受光部を挟んだ両側に形成された第1の配線と、第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが受光部からの距離を異にして形成されている。層内レンズは第1の配線と第2の配線との間に位置する。第1の層と第2の層との間には、凸部を覆って形成された第3の層を有することができる。
配線層は、少なくとも受光部を挟んだ両側に形成された第1の配線と、第2の配線とを有し、第1の配線と第2の配線とが受光部からの距離を異にして形成されている。層内レンズは第1の配線と第2の配線との間に位置する。第1の層と第2の層との間には、凸部を覆って形成された第3の層を有することができる。
上記本発明のCMOS型の固体撮像素子では、複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凸部を有する第1の層と、凸部を覆って形成された第2の層とから成る層内レンズであるので、配線の凹凸に関係なく、適切な位置に層内レンズを形成することができる。受光部を挟んだ両側に受光部からの距離が異なる第1の配線と第2の配線を形成することができるので、配線に依存することなく層内レンズを形成することができる。第1の層と第2の層との間に凸部を覆うように第3の層を形成するので、凸形状の層内レンズをなめらかに形成できる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、基板表面に複数の受光部を形成する工程と、受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、エッチング用マスクを用いて第1の絶縁層をエッチングし、受光部の上方に凹部を形成する工程と、凹部を埋めるように第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成する工程とを有することを特徴とする。この製造方法において、配線を形成する工程より前に、電荷読み出し用とトランジスタを形成する工程と、電荷読み出し用トランジスタを動作するためのゲート電極を形成する工程と、ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成する工程とを有し、配線及び凹部を平坦化膜より上方に形成することができる。
上記の本発明の固体撮像素子の製造方法では、受光部を挟んだ両側に配線を形成し、第1の屈折率を有する第1の絶縁層をエッチングして受光部の上方に凹部を形成し、凹部を埋めて第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成するので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。また、配線を形成する前に電荷読み出し用トランジスタとゲート電極を形成し、ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成し、配線及び凹部が平坦化膜より上方に形成されるので、受光部に近い位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、基板表面に複数の受光部を形成する工程と、受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、第1の絶縁層上の受光センサ部に対応した位置にリフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、リフロー膜と共に第1の絶縁層をエッチバックして、第1の絶縁層に凸状面を転写する工程と、第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成する工程とを有することを特徴とする。この製造方法において、第2の絶縁層を形成する工程より前に、第1の絶縁層の凸状面を覆う第3の絶縁層を形成することができる。
上記の本発明の固体撮像素子の製造方法では、受光部を挟んだ両側に配線を形成し、第1の屈折率を有する第1の絶縁層の上の受光部に対応した位置に凸状面をなしたリフロー膜を形成し、リフロー膜と共に第1の絶縁層をエッチバックして、第1の絶縁層に凸状面を転写し、第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成するので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凸レンズによる層内レンズを形成することができる。また、第2の絶縁層を形成する前に、第1の絶縁層の凸状面を覆う第3の絶縁層を形成するので、層内レンズである凸レンズ形状することができる。
本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部とMOSトランジスタからなる画素が複数配列されてなり、各受光センサ部に対応して夫々単一の層内集光レンズが形成される。
この固体撮像素子においては、受光センサ部より上方に形成された最上層の配線の一部を受光センサ部を挟む両側に位置して構成することができる。層内集光レンズは、撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏って形成することができる。
この固体撮像素子においては、受光センサ部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部を、受光センサ部に対して非対称の配置し、非対称の配線に影響されずに層内集光レンズを形成した構成とすることができる。
配線としては、Alを含む金属材で形成することができる。
この固体撮像素子においては、受光センサ部より上方に形成された最上層の配線の一部を受光センサ部を挟む両側に位置して構成することができる。層内集光レンズは、撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏って形成することができる。
この固体撮像素子においては、受光センサ部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部を、受光センサ部に対して非対称の配置し、非対称の配線に影響されずに層内集光レンズを形成した構成とすることができる。
配線としては、Alを含む金属材で形成することができる。
上記本発明のCMOS型の固体撮像素子では、各受光センサ部に対応して夫々層内集光レンズが形成されるので、遮光パターン、配線パターン等が多く積層されていても受光センサ部への最適な集光が可能になる。しかも、単一の層内集光レンズであるので、層内集光レンズの構成が簡単になり、高信頼性化が図れる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部とMOSトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光センサ部を挟む配線を形成する工程と、全面に第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、エッチング用マスクを有して第1の絶縁層を各受光センサ部に対応する位置で等方性エッチングにより選択的に除去して各受光センサ部に対応した凹部を形成する工程と、凹部を含む全面に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成する工程と、第2の絶縁層を平坦化して凹部内に第2の絶縁層を残し、第1及び第2の絶縁層により単一の層内集光レンズを形成する工程とを有することを特徴とする。
上記本発明の固体撮像素子の製造方法では、画素が形成された半導体領域上の第1の屈折率を有する第1の絶縁層を、エッチング用マスクを介して等方性エッチングにより選択除去し各受光センサ部に対応した位置に凹部を形成するので、凹部の大きさ、位置、曲率、等を任意に設定できる。その後、凹部内に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成して層内集光レンズを形成するので、レンズの高さ及び大きさ、レンズの位置、レンズの曲率等を最適化することができる。また、下地に影響されずに形成される。層内集光レンズは、従って、最適集光のための層内集光レンズの形成が可能になる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部とMOSトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光センサ部を挟む配線を形成する工程と、全面に第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、第1の絶縁層上の各受光センサ部に対応した位置に、リフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、リフロー膜と共に第1の絶縁層をエッチバックして、第1の絶縁層に凸状面を転写する工程と、第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する平坦化膜を形成して第1の絶縁層及び平坦化膜により単一の層内集光レンズを形成する工程とを有することを特徴とする。
上記本発明の固体撮像素子の製造方法では、受光センサ部に対応して形成した凸状面をなしたリフロー膜と共に、第1の屈折率を有する第1の絶縁層をエッチバックして、リフロー膜の形状を第1の絶縁層に転写し、第2の屈折率を有する平坦化膜を形成して層内集光レンズを形成するので、レンズの高さ及び大きさ、レンズの位置、レンズの曲率等を最適化することができる。また、層内集光レンズは、下地に影響されずに形成される。従って、最適集光のための層内集光レンズの形成が可能になる。
本発明に係る固体撮像素子によれば、CMOS型の固体撮像素子において、各受光部に対して第1の層をエッチングして形成した凹部を第2の層で埋めるようにして層内レンズ(凹レンズ)を形成するので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に層内レンズを配置することができる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光させることができる。単一の層内レンズであるので、層内レンズの構成が簡単になる。受光部を挟んで両側に受光部からの距離が異なるように第1の配線及び第2の配線が形成される場合、その配線の凹凸に依存して層内レンズを形成使用とすると、受光部に対する所望の位置に層内レンズを配置できない可能性が高い。しかし、本発明では、受光部からの距離が異なる配線を含む場合でも配線に依存することなく、層内レンズ(凹レンズ)を所望の位置に配置することができる。第1の配線と第2の配線とが一体的に形成されて所定の電圧源に接続されるような配線が配置されていても、配線に影響されずに層内レンズを所望の位置に配置することができる。読み出し用トランジスタのゲート電極が受光部に対して偏って形成されている固体撮像素子であっても、ゲート電極の凹凸に依存することなく、所望の位置に層内レンズを配置することができる。
配線層を構成する絶縁層に対して凹部を設けて層内レンズを形成するときは、受光部に近い位置に層内レンズを形成することができる。したがって、受光部上の層厚を低減し固体撮像素子の小型化を図ることができる。配線層とは別に形成された絶縁層に凹部を形成して層内レンズを形成するときは、集光した光を配線層横を通して受光部に導くときに、別形成された絶縁層の界面での屈折も利用できる。配線層に含まれる配線の凹凸に依存せずに撮像領域内における入射光の傾きの偏りに応じて層内レンズを配置することができる。層内レンズを撮像領域の中心から離れた画素ほど、層内レンズ中心を受光部の中心から撮像領域の中心側に偏って形成するときは、斜め光によるシェーディングが改善され、瞳補正が可能になる。複数のレンズの少なくとも1つが層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることにより、オンチップレンズと層内レンズとの共同作業により入射光を受光部へ集光させることができる。
配線層を構成する絶縁層に対して凹部を設けて層内レンズを形成するときは、受光部に近い位置に層内レンズを形成することができる。したがって、受光部上の層厚を低減し固体撮像素子の小型化を図ることができる。配線層とは別に形成された絶縁層に凹部を形成して層内レンズを形成するときは、集光した光を配線層横を通して受光部に導くときに、別形成された絶縁層の界面での屈折も利用できる。配線層に含まれる配線の凹凸に依存せずに撮像領域内における入射光の傾きの偏りに応じて層内レンズを配置することができる。層内レンズを撮像領域の中心から離れた画素ほど、層内レンズ中心を受光部の中心から撮像領域の中心側に偏って形成するときは、斜め光によるシェーディングが改善され、瞳補正が可能になる。複数のレンズの少なくとも1つが層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることにより、オンチップレンズと層内レンズとの共同作業により入射光を受光部へ集光させることができる。
本発明に係る固体撮像素子によれば、CMOS型の固体撮像素子において、各受光部に対して第1の層をエッチングして形成した凹部を第2の層で埋めるようにして層内レンズ(凸レンズ)を形成するので、配線の凹凸に依存することなく、適切な位置に層内レンズを配置することがきる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光させることができる。単一の層内レンズであるので、層内レンズの構成が簡単になる。受光部を挟んで両側に受光部からの距離が異なるように第1の配線及び第2の配線が形成される場合、その配線の凹凸に依存して層内レンズを形成使用すると、受光部に対する所望の位置に層内レンズを配置できない可能性が高い。しかし、本発明では、受光部からの距離が異なる配線を含む場合でも配線に依存することなく、層内レンズ(凸レンズ)を所望の位置に配置することができる。第1の層と第2の層との間に凸部を覆って第3の層を形成するときは、層内レンズである凸形状をなめらかに形成することができる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、各受光部に対応して第1の屈折率を有する第1の絶縁層をエッチングして凹部を形成し、この凹部を埋めるように第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成することにより、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光するCMOS型の固体撮像素子を製造することができる。配線を形成する工程より前に、電荷読み出し用トランジスタ、そのゲート電極、ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成する工程を有し、配線及び凹部を平坦化膜より上方に形成することにより、受光部に近い位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。これにより受光部上の層厚を低減し小型化された固体撮像素子を製造することができる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、各受光部に対応して第1の屈折率を有する第1の絶縁層上に凸状面をなしたリフロー膜を形成し、リフロー膜と共に第1の絶縁層をエッチバックして第1の絶縁層に凸状面を転写し、この第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成することにより、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凸レンズによる層内レンズを形成することがきる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光するCMOS型の固体撮像素子を製造することができる。第2の絶縁層を形成する工程より前に、第1の絶縁層の凸状面を覆う第3の絶縁層を形成するときは、層内レンズである凸レンズ形状することができる。
本発明に係る固体撮像素子によれば、CMOS型の固体撮像素子において、各受光センサ部に対応して単一の層内集光レンズ23を有することができる。このため、遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部2へ最適に集光させることができる。また、単一の層内集光レンズであるので、層内集光レンズの構成が簡単になる。また、撮像領域の周辺側の層内集光レンズ23は、レンズ中心が周辺側へ行くに従って受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏って形成するときは、斜め光によるシェーディングの改善が図れる。CMOS型の固体撮像素子の配線をAlを含む金属材料で形成できるので、配線としての信頼性が得られる。
受光センサ部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部が、受光センサ部に対して非対称の配置され、非対称の配線に影響されずに層内集光レンズが形成されるときは、配線、遮光膜の配置を気にすることなく、単一の層内集光レンズを形成することが可能になる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いCMOS型の固体撮像素子を提供することができる。
受光センサ部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部が、受光センサ部に対して非対称の配置され、非対称の配線に影響されずに層内集光レンズが形成されるときは、配線、遮光膜の配置を気にすることなく、単一の層内集光レンズを形成することが可能になる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いCMOS型の固体撮像素子を提供することができる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、第1の絶縁層の凹部をレジストマスク27を介して等方性エッチングし、その後に第2の絶縁層を形成して層内集光レンズを形成している。このため、CMOS型の固体撮像素子において、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線をAlを含む金属材料で形成することができる。層内集光レンズの形状(レンズの高さ、レンズの位置、レンズの曲率等)は、レジストマスク開口パターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。また、レジストマスクの開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズの中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、レンズずらしによる瞳補正法を適用することができる。このように本発明の製造方法によれば、CMOS型の固体撮像素子における層内集光レンズを精度よく形成することができる。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、第1の屈折率を有する第1の絶縁層上に各受光センサ部に対応した位置にリフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成し、このリフロー膜と共に、第1の絶縁層をエッチバックすることにより、第1の絶縁層に凸状面が転写される。この第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する平坦化膜(絶縁層)を形成して凸状レンズによる層内集光レンズを形成するので、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。特に最上沿うの配線の一部が受光センサ部を挟んで両側に平行して、且つ受光センサ部に対して非対称に配置される場合に、下地配線に影響されずに各受光センサ部に対して層内集光レンズを形成することができる。層内集光レンズの形状(レンズ高さ、レンズ位置、レンズの曲率等)は、フォトレジストによるリフロー膜のパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。リフロー膜の形状パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズの中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、レンズずらし瞳補正法を適用することができる。このように本発明の製造方法によれば、CMOS型の固体撮像素子における層内集光レンズを精度よく形成することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1及び図2は、本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態の要部、即ち画素部の構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子は、いわゆるCMOS型の固体撮像素子である。本実施の形態の固体撮像素子1は、図1に示すように、光電変換を行う受光部、いわゆる受光センサ部(即ち、フォトダイオード)2と、画素を選択する垂直選択用スイッチ素子(MOSトランジスタ)3と、読出し用スイッチ素子(MOSトランジスタ)4とによって構成された単位画素5がマトリックス状に複数配列されて成る撮像領域を有する。読出し用スイッチ素子4の一方の主電極が受光センサ部2に接続され、読出し用スイッチ素子4の制御電極(いわゆるゲート電極)が垂直選択用スイッチ素子3の一方の主電極に接続される。各行毎の垂直選択スイッチ素子3の制御電極(いわゆるゲート電極)は垂直選択線6が接続され、この垂直選択線6に垂直走査回路(図示せず)から出力される垂直走査パルスが供給される。各列毎の垂直選択スイッチ素子3の他方の主電極は読出しパルス線7に接続され、この読出しパルス線7に水平走査回路(図示せず)から出力される読出しパルスが供給される。各列毎の読出し用スイッチ素子4の他方の主電極は垂直信号線8に接続される。なお、垂直信号線8と水平信号線(図示せず)との間に、MOSトランジスタからなる水平スイッチ素子(図示せず)が接続され、水平スイッチ素子の制御電極に水平走査回路から出力される水平走査パルスが供給される。
図2は、図1の等価回路に対応した撮像領域の要部の平面構造を示す。読出しパルス線7及び垂直信号線8は垂直方向に沿って形成され、垂直選択線6は読出しパルス線7及び垂直信号線8と直交するように水平方向に沿って形成される。受光センサ部2と半導体領域11との間にゲート絶縁層を介してL字型のゲート電極12が形成され、受光センサ部2、半導体領域11及びゲート電極12により読出し用スイッチ素子4が形成される。垂直選択線6と一体のゲート電極14と、このゲート電極14を挟むソース、ドレイン領域となる両領域15及び16とにより、垂直選択用スイッチ素子3が形成される。17は読出し用スイッチ素子4を構成する半導体領域11と垂直信号線とのコンタクト部、18は読出し用スイッチ素子4のゲート電極12と垂直選択用スイッチ素子3の他方の領域16とのコンタクト部、19は垂直選択用スイッチ素子3の一方の領域15と読出しパルス線7とのコンタクト部を夫々示す。
図3は、図2のAーA線上の断面構造を示す。本実施の形態においては、特に、受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した半導体基板21上に、層間絶縁層22を介して例えば第1層配線の垂直選択線6と、例えば第2層配線の読出しパルス線7、垂直信号線8が形成され、さらにその上に各受光センサ部2の位置に対応するように、隣り合う配線群(読出しパルス線7及び垂直信号線8)間に単一の層内レンズ、いわゆる層内集光レンズ(凹レンズ、凸レンズ)23が形成されて成る。層内集光レンズ23上には、カラーフィルタ24が形成され、さらにその上に各受光センサ部2、従って各層内集光レンズ23に対応する位置にオンチップマイクロレンズ25が形成される。本例では受光センサ部2を挟んで配置された最上層である第2層配線7,8が受光センサ部2に対して非対称に設計されている。よって、ある画素の第2層配線8と隣接画素の第2層配線7とが受光センサ部から異なる距離に配置されている。
ここで下側の層間絶縁層22は、受光センサ部2に蓄積された電荷を読み出すための読み出しトランジスタ4のゲート電極等による凹凸を覆っており、平坦化膜の役目も果たしている。また、第1層配線の垂直選択線6とこの配線を絶縁する層間絶縁層22とを含んで第1層配線層が形成される。第2層配線の読み出しパルス線7及び垂直信号線8と、これらの配線を絶縁し層内集光レンズ23を形成する絶縁層26とを含んで第2配線層が形成される。
図4は、撮像領域の周辺の画素部を示す。本実施の形態では、周辺側の画素に入射される斜め光L1 に対するシェーディング対策として、層内集光レンズ23を撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心が受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏って形成するように成す。
次に、上述した本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を図5及び図6を参照して説明する。
先ず、図5Aに示すように、半導体基板21に所謂CMOSセンサを構成する受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した後、この半導体基板21上に層間絶縁層22を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部2を挟んで一方向に延びる第1層配線となる垂直選択線6、及び受光センサ部2を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第2層配線群となる読出しパルス線7と垂直信号線8を形成する。これらの垂直選択線6、読出しパルス線7及び垂直信号線8は、Alを含む金属材料、本例ではAlにより形成される。本例では、第2配線群となる読出しパルス線7及び垂直信号線8は、図2に示すように受光センサ部2に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7とが受光センサ部3から異なる距離に配置されている。
先ず、図5Aに示すように、半導体基板21に所謂CMOSセンサを構成する受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した後、この半導体基板21上に層間絶縁層22を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部2を挟んで一方向に延びる第1層配線となる垂直選択線6、及び受光センサ部2を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第2層配線群となる読出しパルス線7と垂直信号線8を形成する。これらの垂直選択線6、読出しパルス線7及び垂直信号線8は、Alを含む金属材料、本例ではAlにより形成される。本例では、第2配線群となる読出しパルス線7及び垂直信号線8は、図2に示すように受光センサ部2に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7とが受光センサ部3から異なる距離に配置されている。
次に、図5Bに示すように、読出しパルス線7及び垂直信号線8を含む全面に、第1の屈折率を有する第1の絶縁層26を形成し、その後、第1の絶縁層26を平坦化する。例えば第1の絶縁層26は、高密度プラズマCVD又はプラズマTEOS等の低温のCVD膜、例えばBPSG(ボロン・リン・シリケートガラス)膜を堆積して形成することができる。BPSG膜は、前述したように屈折率が1.40〜1.46程度である。平坦化は、CMP(化学的機械的研磨)法を用いて行うことができる。
次に、図5Cに示すように、第1の絶縁層26上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を各受光センサ部2に対応する位置に開口27Aが形成されるようにパターニングして、レジストマスク27を形成する。このレジストマスク27を介して等方エッチングにより、第1の絶縁層26を選択的にエッチング除去する。これにより、第1の絶縁層26には、各受光センサ部2に対応して層内集光レンズを形成するための凹部28が形成される。この凹部28は、その位置、大きさ、曲率、深さ等をレジストマスク27の開口27A、エッチング時間等により任意に制御することができる。
次に、レジストマスク27を除去した後、図6Aに示すように、凹部28を埋めるように全面に第2の屈折率を有する第2の絶縁層29を形成する。第2の絶縁層29は、例えばプラズマCVD法による窒化シリコン(PーSiN)膜を堆積して形成することができる。この窒化シリコン膜は、前述したように屈折率が2.0程度である。
次に、図6Bに示すように、エッチバック等により第2の絶縁層29を平坦化する。これにより凹部28において、屈折率の小さい第1の絶縁層26と屈折率の大きい第2の絶縁層29とによる単一の層内集光レンズ(凹レンズ)23が形成される。この層内集光レンズ23では、平坦化された第2の絶縁層29の上面の界面と平坦化されない第1の絶縁層26の上面の界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
次に、図6Cに示すように、上記平坦化された上面にカラーフィルタ24を形成し、さらにカラーフィルタ24上にオンチップマイクロレンズ25を形成して、目的のCMOS型の固体撮像素子1を得る。
本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子1によれば、各受光センサ部2に対応して単一の層内集光レンズ、本例では凹レンズ23を有するので、遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部2へ最適に集光させることができる。最上層の配線7、8が受光センサ部2を挟んで両側に配置されている場合にも各受光センサ部に単一の層内集光レンズを有するので集光率の向上が図れる。また、2つのシリンドリカルな層内集光レンズを組み合わせることなく、単一の層内集光レンズ23であるので、層内集光レンズの構成が簡単になる。配線6、7、8をAlを含む金属材料で形成できるので、配線6、7、8としての信頼性が得られる。また、撮像領域の周辺側の層内集光レンズ23は、レンズ中心が周辺側へ行くに従って受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏って形成されるので、斜め光によるシェーディングの改善が図れる。配線7,8が受光センサ部2に対して非対称に配置されていて、層内集項レンズ23は下地配線に影響されずに形成され、良好な受光が得られる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いCMOS型の固体撮像素子を提供することができる。
本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子の製造方法によれば、第1の絶縁層16の凹部28をレジストマスク27を介して等方性エッチングし、その後に第2の絶縁層19を形成して層内集光レンズ23を形成するので、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。特に最上層の配線の一部が受光センサ部2を挟んで両側に平行して且つ受光センサ部2に対して非対称に配置される場合に、下地の配線に影響されずに各受光センサ部に対して層内集光レンズ23を形成することができる。層内集光レンズ23の形状(レンズの高さ、レンズの位置、レンズの曲率等)は、レジストマスク27の開口27Aのパターン(いわゆる開口パターン)やエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線6、7、8をAlを含む金属材料で形成することができる。また、レジストマスク27の開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ23の中心を受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。このように本実施の形態の製造方法によれば、CMOS型の固体撮像素子における層内集光レンズ23を精度よく形成することができる。
次に、上述した本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子及びその製造方法の他の実施の形態を図7、図8及び図9を参照して説明する。
先ず、図7Aに示すように前述と同様に、半導体基板21に所謂CMOSセンサを構成する受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した後、この半導体基板21上に層間絶縁層22を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部2を挟んで一方向に延びる第1層配線となる垂直選択線6、及び受光センサ部2を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第2層配線群となる読出しパルス線7と垂直信号線8を形成する。これらの垂直選択線6、読出しパルス線7及び垂直信号線8は、Alを含む金属材料、本例ではAlにより形成される。本例では、第2層配線群となる読出しパルス線7及び垂直信号線8は、図2に示したように受光センサ部2に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7とが受光センサ部2から異なる距離に配置されている。
先ず、図7Aに示すように前述と同様に、半導体基板21に所謂CMOSセンサを構成する受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した後、この半導体基板21上に層間絶縁層22を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部2を挟んで一方向に延びる第1層配線となる垂直選択線6、及び受光センサ部2を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第2層配線群となる読出しパルス線7と垂直信号線8を形成する。これらの垂直選択線6、読出しパルス線7及び垂直信号線8は、Alを含む金属材料、本例ではAlにより形成される。本例では、第2層配線群となる読出しパルス線7及び垂直信号線8は、図2に示したように受光センサ部2に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7とが受光センサ部2から異なる距離に配置されている。
次に、図7Bに示すように、読出しパルス線7及び垂直信号線8を含む全面に、第1の平坦化膜(絶縁層)261を形成する。次に第1の屈折率を有する第1の絶縁層291を形成する。例えば第1の絶縁層291は、高密度プラズマCVD又はプラズマTEOS等の低温のCVD膜、例えばプラズマSiN膜(紫外領域の光を透過し易い膜)、あるいは第1の絶縁層と同程度の屈折率を有するBPSG(ボロン・リン・シリケートガラス)膜を堆積して形成することができる。ここで、前述と同様に垂直選択線6とこの配線を絶縁する層間絶縁層22とを含んで第1層配線層が形成される。また、読み出しパルス線7、垂直選択線8とこれら配線を絶縁する平坦化膜261とを含んで第2層配線層が形成される。
次に、図7Cに示すように、第1の絶縁層291上にフォトレジスト膜を形成し、パターニングして各受光センサ部上に対応する位置に夫々フォトレジスト膜によるリフロー膜27を形成する。
次に、図8Aに示すように、このリフロー膜27を所要の温度でリフローさせて、表面を凸状面としたリフロー膜271とする。
次に、図8Bに示すように、凸状面を有するリフロー膜271と共に、下層の第1の絶縁層291をエッチバックし、第1の絶縁層291にリフロー膜271の表面形状を転写し、第1の絶縁層291に凸状部291Aを形成する。この凸状部291Aは、その位置、大きさ、曲率、深さ等をリフロー膜271の形状、エッチング時間等により任意に制御することができる。
次に、図8Cに示すように、凸状部291Aを有する第1の絶縁層291上に第1の絶縁層291の表面形状に沿うように、第1の絶縁層291と同程度の屈折率を有する第2の絶縁層301を形成する。第2の絶縁層301は、例えば屈折率が2.0程度のプラズマCVD法による窒化シリコン膜(PーSiN膜)で形成することができる。
次に、図9Aに示すように、第2の絶縁層301上に第2の屈折率を有する第2の平坦化膜(絶縁層)302を形成する。第2の平坦化膜302は、例えば屈折率1.5程度の絶縁層で形成することができる。第2の平坦化膜302は、例えば、熱硬化性アクリル樹脂膜で形成することができる。これにより凸状部291Aにおいて、屈折率の大きい第1及び第2の絶縁層291及び301と屈折率の小さい第2の平坦化膜302による単一の層内集光レンズ(凸レンズ)231が形成される。この層内集光レンズ231では、第2の平坦化膜302と第1及び第2の絶縁層291及び301の上面との界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
次に、図9Bに示すように、第2の平坦化膜302の上面にカラーフィルタ24を形成し、さらにカラーフィルタ24上にオンチップマイクロレンズ25を形成して、目的のCMOS型の固体撮像素子100を得る。
尚、第2の絶縁層301と平坦化膜302との界面には、両層の屈折率の中間の屈折率を有する反射防止膜を形成し、また、第1の平坦化膜261と第1の絶縁層291との界面にも両層の屈折率の中間の屈折率を有する反射防止膜を形成することができる。
本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子100によれば、各受光センサ部2に対して単一の層内集光レンズ、本例では凸レンズ231を有するので、遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部2へ最適に集光させることができる。最上層の配線7、8が受光センサ部2を挟んで両側に配置されている場合にも各受光センサ部に単一の層内集光レンズを有するので、集光率の向上が図れる。また、2つのシリンドリカルな層内集光レンズを組み合わせることなく、単一の層内集光レンズ231であるので、層内集光レンズの構成が簡単になる。配線6、7、8はAlを含む金属材料で形成できるので、配線6、7、8としての信頼性が得られる。また、撮像領域の種辺側の層内集光レンズ231は、レンズ中心が周辺へ行くに従って受光センサ部2の中心側に偏って形成されるので、斜め光によるシェーディングの改善が図れる。配線7、8が受光センサ部2に対して非対称に配置されていても、層内集光レンズ231は、下地配線に影響されずに形成され、良好な集光が得られる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いCMOS型の固体撮像素子を提供することができる。
本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子100の製造方法によれば、第1の絶縁層291上に各受光センサ部2に対応して、表面が凸状面となしたリフロー膜271を形成し、このリフロー膜271と共に、第1の絶縁層291をエッチバックすることにより、第1の絶縁層291にリフロー膜の表面形状、即ち凸状面が転写される。この凸状部291Aに沿うように第1の絶縁層291上に第1の絶縁層291と同程度の屈折率(第1の屈折率)を有する第2の絶縁層301を形成した後、全面に第2の屈折率を有する第2の平坦化膜302を形成して凸状レンズによる層内集光レンズ231を形成するので、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。特に最上沿うの配線の一部が受光センサ部2を挟んで両側に平行して、且つ受光センサ部2に対して非対称に配置される場合に、下地配線に影響されずに各受光センサ部に対して層内集光レンズ231を形成することができる。層内集光レンズ231の形状(レンズ高さ、レンズ位置、レンズの曲率等)は、フォトレジストによるリフロー膜271のパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線6、7、8をAlを含む金属材料で形成することができる。また、リフロー膜271の形状パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ231の中心を受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。このように本実施の形態の製造方法によれば、CMOS型の固体撮像素子における層内集光レンズ23を精度よく形成することができる。
図10は、本発明に係る固体撮像素子の他の実施の形態を示す。本実施の形態においては層内レンズを各画素に複数設けている。
即ち、本実施の形態に係る固体撮像素子101は、前述の図3と同様に受光センサ部2、垂直選択用スイッチ素子3及び読み出し用スイッチ素子4を形成した半導体基板21上に、層間絶縁層22を介して第1層配線の垂直選択センサ部6と、第2層配線の読み出しパルス線7、垂直信号線8が形成され、その上に層間絶縁層26を介して各受光センサ部2の位置に対応するように下層の層内集光レンズ23が形成される。そして、さらに層間絶縁層40が形成され、この層間絶縁層40上に配線9が形成され、配線9を覆って平坦化した絶縁層46A上に上層の層内集光レンズ43が形成される。上層の層内集光レンズ43上には、カラーフィルタ24が形成され、その上に各受光センサ部2及び層内集光レンズ23、43に対応する位置にオンチップマイクロレンズ25が形成される。この配線9は、下層の配線と同様に、ある画素の配線9と隣接画素の配線9とが受光センサ部2から異なる距離に配置される。ここで、垂直選択線6とこの配線を絶縁する層間絶縁層22とを含んで第1層配線層が形成される。読み出しパルス線7、垂直選択線8とこれら配線を絶縁する絶縁層26を含んで第2層配線層が形成される。さらに配線9とこの配線を絶縁する絶縁層46Aとを含んで第3層配線層が形成される。
この固体撮像素子では、垂直信号線8と読み出しパルス線7よりさらに上方に配線9が設けられ、ある画素の配線9と、その隣接画素の配線9との間に対応する上部に上層の層内集光レンズ43を構成する凹部が設けられる。ここで、下側の層内レンズの凹部は、垂直信号線8、読み出しパルス線7を覆って平坦化する絶縁層26の上面に形成されており、一方、上側の層内レンズの凹部は、配線9を覆って平坦化する絶縁層46Aの上に別形成された絶縁層46Bの表面に形成されている。絶縁層46Aと絶縁層46Bとを別形成した場合は、その界面での屈折を利用して光をより効率的に受光センサ部に導くことができる。逆に絶縁層26のみを用いる場合は構成を削減できる。
また、図10は2つの凹部の層内レンズを設けた場合を示したが、凸部の層内レンズを含むようにしてもよく、また、層内レンズの数をさらに増やしてもよい。
また、図10のように層内レンズを複数設ける場合であって各層内レンズを必要に応じて、撮像領域の周辺にある画素においてほど、撮像領域の中心側に偏って形成しシェーディング対策を取ることができる。
尚、図10においては絶縁層26と絶縁層46Aとの間に層間膜40を設けたが必ずしも必要ない。
即ち、本実施の形態に係る固体撮像素子101は、前述の図3と同様に受光センサ部2、垂直選択用スイッチ素子3及び読み出し用スイッチ素子4を形成した半導体基板21上に、層間絶縁層22を介して第1層配線の垂直選択センサ部6と、第2層配線の読み出しパルス線7、垂直信号線8が形成され、その上に層間絶縁層26を介して各受光センサ部2の位置に対応するように下層の層内集光レンズ23が形成される。そして、さらに層間絶縁層40が形成され、この層間絶縁層40上に配線9が形成され、配線9を覆って平坦化した絶縁層46A上に上層の層内集光レンズ43が形成される。上層の層内集光レンズ43上には、カラーフィルタ24が形成され、その上に各受光センサ部2及び層内集光レンズ23、43に対応する位置にオンチップマイクロレンズ25が形成される。この配線9は、下層の配線と同様に、ある画素の配線9と隣接画素の配線9とが受光センサ部2から異なる距離に配置される。ここで、垂直選択線6とこの配線を絶縁する層間絶縁層22とを含んで第1層配線層が形成される。読み出しパルス線7、垂直選択線8とこれら配線を絶縁する絶縁層26を含んで第2層配線層が形成される。さらに配線9とこの配線を絶縁する絶縁層46Aとを含んで第3層配線層が形成される。
この固体撮像素子では、垂直信号線8と読み出しパルス線7よりさらに上方に配線9が設けられ、ある画素の配線9と、その隣接画素の配線9との間に対応する上部に上層の層内集光レンズ43を構成する凹部が設けられる。ここで、下側の層内レンズの凹部は、垂直信号線8、読み出しパルス線7を覆って平坦化する絶縁層26の上面に形成されており、一方、上側の層内レンズの凹部は、配線9を覆って平坦化する絶縁層46Aの上に別形成された絶縁層46Bの表面に形成されている。絶縁層46Aと絶縁層46Bとを別形成した場合は、その界面での屈折を利用して光をより効率的に受光センサ部に導くことができる。逆に絶縁層26のみを用いる場合は構成を削減できる。
また、図10は2つの凹部の層内レンズを設けた場合を示したが、凸部の層内レンズを含むようにしてもよく、また、層内レンズの数をさらに増やしてもよい。
また、図10のように層内レンズを複数設ける場合であって各層内レンズを必要に応じて、撮像領域の周辺にある画素においてほど、撮像領域の中心側に偏って形成しシェーディング対策を取ることができる。
尚、図10においては絶縁層26と絶縁層46Aとの間に層間膜40を設けたが必ずしも必要ない。
複数の層内レンズを設けたため、入射光をより多くの回数屈折させることにより効率的に受光部に導くことができる。
次に、上述した本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子101の製造方法の他の実施の形態を図11から図15を参照して説明する。
先ず、図11Aに示すように、半導体基板21に所謂CMOSセンサを構成する受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した後、この半導体基板21上に層間絶縁層22を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部2を挟んで一方向に延びる第1層配線となる垂直選択線6、及び受光センサ部2を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第2層配線群となる読出しパルス線7と垂直信号線8を形成する。これらの垂直選択線6、読出しパルス線7及び垂直信号線8は、Alを含む金属材料、本例ではAlにより形成される。本例では、第2配線群となる読出しパルス線7及び垂直信号線8は、図2に示すように受光センサ部2に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7とが受光センサ部3から異なる距離に配置されている。
先ず、図11Aに示すように、半導体基板21に所謂CMOSセンサを構成する受光センサ部2、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子3及び読出し用スイッチ素子4を形成した後、この半導体基板21上に層間絶縁層22を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部2を挟んで一方向に延びる第1層配線となる垂直選択線6、及び受光センサ部2を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第2層配線群となる読出しパルス線7と垂直信号線8を形成する。これらの垂直選択線6、読出しパルス線7及び垂直信号線8は、Alを含む金属材料、本例ではAlにより形成される。本例では、第2配線群となる読出しパルス線7及び垂直信号線8は、図2に示すように受光センサ部2に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7とが受光センサ部3から異なる距離に配置されている。
次に、図11Bに示すように、読出しパルス線7及び垂直信号線8を含む全面に、第1の屈折率を有する第1の絶縁層26を形成し、その後、第1の絶縁層26を平坦化する。例えば第1の絶縁層26は、高密度プラズマCVD又はプラズマTEOS等の低温のCVD膜、例えばBPSG(ボロン・リン・シリケートガラス)膜を堆積して形成することができる。BPSG膜は、前述したように屈折率が1.40〜1.46程度である。平坦化は、CMP(化学的機械的研磨)法を用いて行うことができる。
次に、図11Cに示すように、第1の絶縁層26上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を各受光センサ部2に対応する位置に開口27Aが形成されるようにパターニングして、レジストマスク27を形成する。このレジストマスク27を介して等方エッチングにより、第1の絶縁層26を選択的にエッチング除去する。これにより、第1の絶縁層26には、各受光センサ部2に対応して層内集光レンズを形成するための凹部28が形成される。この凹部28は、その位置、大きさ、曲率、深さ等をレジストマスク27の開口27A、エッチング時間等により任意に制御することができる。
次に、レジストマスク27を除去した後、図12Aに示すように、凹部28を埋めるように全面に第2の屈折率を有する第2の絶縁層29を形成する。第2の絶縁層29は、例えばプラズマCVD法による窒化シリコン(PーSiN)膜を堆積して形成することができる。この窒化シリコン膜は、前述したように屈折率が2.0程度である。
次に、図12Bに示すように、エッチバック等により第2の絶縁層29を平坦化する。これにより凹部28において、屈折率の小さい第1の絶縁層26と屈折率の大きい第2の絶縁層29とによる単一の下層の層内集光レンズ(凹レンズ)23が形成される。この層内集光レンズ23では、平坦化された第2の絶縁層29の上面の界面と平坦化されない第1の絶縁層26の上面の界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
次に、図12Cに示すように、下層の層内集光レンズ23が形成された表面上に、層間絶縁層40を形成した後、層間絶縁層40上に配線9を形成する。
次に、図13Aに示すように、配線9を含む全面に、絶縁層26Aを形成し、その後、絶縁層46Aを平坦化する。さらに、平坦化された絶縁層46A上に絶縁層46Bを形成し平坦化する。例えば絶縁層46Aは、高密度プラズマCVD又はプラズマTEOS等の低温のCVD膜、例えばBPSG(ボロン・リン・シリケートガラス)膜を堆積して形成することができる。BPSG膜は、前述したように屈折率が1.40〜1.46程度である。平坦化は、CMP(化学的機械的研磨)法を用いて行うことができる。
次に、図13Bに示すように、絶縁層46B上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を各受光センサ部2に対応する位置に開口47Aが形成されるようにパターニングして、レジストマスク47を形成する。このレジストマスク47を介して等方エッチングにより、絶縁層46Bを選択的にエッチング除去する。これにより、絶縁層46Bには、各受光センサ部2に対応して層内集光レンズを形成するための凹部48が形成される。この凹部48は、その位置、大きさ、曲率、深さ等をレジストマスク47の開口47A、エッチング時間等により任意に制御することができる。
次に、レジストマスク47を除去した後、図14Aに示すように、凹部48を埋めるように全面に屈折率を有する絶縁層49を形成する。絶縁層49は、例えばプラズマCVD法による窒化シリコン(PーSiN)膜を堆積して形成することができる。この窒化シリコン膜は、前述したように屈折率が2.0程度である。
次に、図14Bに示すように、エッチバック等により絶縁層49を平坦化する。これにより凹部48において、屈折率の小さい第3の絶縁層46Bと屈折率の大きい第4の絶縁層49とによる単一の上層の層内集光レンズ(凹レンズ)43が形成される。この上層の層内集光レンズ43では、平坦化された第4の絶縁層49の上面の界面と平坦化されない第3の絶縁層46Bの上面の界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
次に、図15に示すように、上記平坦化された上面にカラーフィルタ24を形成し、さらにカラーフィルタ24上にオンチップマイクロレンズ25を形成して、目的のCMOS型の固体撮像素子101を得る。
なお、上例では、下層の層内集光レンズ32と上層の層内集光レンズ43とは、同じ屈折率の絶縁層を用いて形成したが、これに限定されるものではない。層内集光レンズ23と43を異なる屈折率の絶縁層で形成することも可能である。
なお、上例では、下層の層内集光レンズ32と上層の層内集光レンズ43とは、同じ屈折率の絶縁層を用いて形成したが、これに限定されるものではない。層内集光レンズ23と43を異なる屈折率の絶縁層で形成することも可能である。
本実施の形態に係る固体撮像素子101によれば、各受光センサ部2に対応して単一の層内集光レンズ、本例では凹部レンズ23、43を有するので遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部2へ最適に集光させることができる。特に、本実施の形態では各受光センサ部2に対して複数の層内集光レンズ23、43を設けることにより、入射光をより多くに回数屈折させることができ、より効率的に入射光を受光センサ部2に導くことができる。その他、前述と同様に、2つのシリンドリカルな層内集光レンズを組み合わせることなく、単一の層内集光レンズ23、43であるので、層内集光レンズの構成が簡単になる、配線6、7、8、9はAlを含む金属材料で形成できるので、配線6、7、8、9としての信頼性が得られる、また、撮像領域の周辺側の層内集光レンズ23、43は、レンズ中心が周辺へ行くに従って受光センサ部2の中心側に偏って形成されるので斜め光によるシェーディングの改善が図れる。受光センサ部2に対して配線7、8が、また配線9が非対称に配置されていても、上層及び下層の層内集光レンズ23,43は下地配線に影響されずに形成され、良好な集光が得られる。したがって、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いCMOS型の固体撮像素子を提供することができる。
本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子101の製造方法によれば、第1の絶縁層の凹部をレジストマスクを介して等方性エッチングし、その後、第2の絶縁層を形成して下層の層内集光レンズ23を形成し、同じように第3の絶縁層の凹部をレジストマスクを介して等方性エッチングし、その後、第4の絶縁層を形成して上層の層内集光レンズ43を形成することにより、1画素当たり複数の単一の層内集光レンズ23、43を容易に形成することができる。特に、配線の一部が受光センサ部2を挟んで両側に平行して且つ受光センサ部2に対して非対称に配置される場合に、下地の配線に影響されずに各受光センサ部2に対して複数の層内集光レンズを形成することができる。また、前述と同様に、上下層の層内集光レンズ23、43の形状(レンズ高さ、レンズの位置、レンズの曲率等)は、レジストマスク27の開口27A、レジストマスク47の開口47Aのパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線6、7、8、9をAlを含む金属材料で形成することができる。レジストマスク27、47の開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ23,43の中心を受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策とし、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。
本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子101の製造方法によれば、第1の絶縁層の凹部をレジストマスクを介して等方性エッチングし、その後、第2の絶縁層を形成して下層の層内集光レンズ23を形成し、同じように第3の絶縁層の凹部をレジストマスクを介して等方性エッチングし、その後、第4の絶縁層を形成して上層の層内集光レンズ43を形成することにより、1画素当たり複数の単一の層内集光レンズ23、43を容易に形成することができる。特に、配線の一部が受光センサ部2を挟んで両側に平行して且つ受光センサ部2に対して非対称に配置される場合に、下地の配線に影響されずに各受光センサ部2に対して複数の層内集光レンズを形成することができる。また、前述と同様に、上下層の層内集光レンズ23、43の形状(レンズ高さ、レンズの位置、レンズの曲率等)は、レジストマスク27の開口27A、レジストマスク47の開口47Aのパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線6、7、8、9をAlを含む金属材料で形成することができる。レジストマスク27、47の開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ23,43の中心を受光センサ部2の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策とし、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。
上述した本実施の形態に係るCMOS型の固体撮像素子の製造方法においては、1画素当たり1つ又は2つの層内レンズを有する場合を示したが、3つ以上の層内レンズを有する場合も同様であり、凹部のレンズ、凸部のレンズを組み合わせて複数形成することもできる。
また、上述した説明では省略したが、上記の製造工程の前に、受光部から電荷を読み出すための電荷読み出し用トランジスタを形成する工程、該電荷読み出し用トランジスタを動作させるためのゲート電極を形成する工程、該ゲート電極を覆って平坦化する平坦化層を形成する工程を含んでいることが多い。
なお、本発明は、最上層に遮光を兼ねるように各受光センサ部の周りに一体的に形成した配線を配置したCMOS型の固体撮像素子にも適用できる。その場合は、この最上層の配線が所定の電圧源に接続されているものであることが多い。
また、上記の説明では、受光センサ部から異なる距離に設けられた配線を、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7としたが、この構成に限らず、ドレイン信号線やトランジスタ駆動用の様々なパルス線等でもよいし、隣接画素の配線ではなく、2配線共に同一の画素に属する配線であってもよい。
また、「固体撮像素子」は上記の説明に用いた構成のみを含む場合に限らず、必要な光学系、撮像チップ、及び信号処理チップ等をまとめてモジュール化した素子のことをも示すものとする。
なお、本発明は、最上層に遮光を兼ねるように各受光センサ部の周りに一体的に形成した配線を配置したCMOS型の固体撮像素子にも適用できる。その場合は、この最上層の配線が所定の電圧源に接続されているものであることが多い。
また、上記の説明では、受光センサ部から異なる距離に設けられた配線を、ある画素の垂直信号線8と隣接画素の読み出しパルス線7としたが、この構成に限らず、ドレイン信号線やトランジスタ駆動用の様々なパルス線等でもよいし、隣接画素の配線ではなく、2配線共に同一の画素に属する配線であってもよい。
また、「固体撮像素子」は上記の説明に用いた構成のみを含む場合に限らず、必要な光学系、撮像チップ、及び信号処理チップ等をまとめてモジュール化した素子のことをも示すものとする。
1・・固体撮像素子、2・・受光センサ部、3・・垂直選択用スイッチ素子、4・・読み出し用スイッチ素子、5・・単位画素、6・・垂直選択線、7・・読み出しパルス線、8・・垂直信号線、9・・配線、11・・半導体領域、12・・ゲート電極、14・・ゲート電極、15・・一方の領域、16・・他方の領域、21・・半導体基板、22・・層間絶縁層、23・・層内集光レンズ、24・・カラーフィルタ、25・・オンチップマイクロレンズ、26・・第1の絶縁層、27・・レジストマスク、27A・・開口、28・・凹部、
29・・第2の絶縁層、40・・層間絶縁層、43・・層内集光レンズ、46A・・絶縁層、46B・・第3の絶縁層、47・・レジストマスク、47A・・開口、100・・固体撮像素子、101・・固体撮像素子、231・・層内集光レンズ、261・・第1の平坦化膜、271・・リフロー膜、291・・第1の絶縁層、291A・・凸状部、301・・第2の絶縁層、302・・第2の平坦化膜
29・・第2の絶縁層、40・・層間絶縁層、43・・層内集光レンズ、46A・・絶縁層、46B・・第3の絶縁層、47・・レジストマスク、47A・・開口、100・・固体撮像素子、101・・固体撮像素子、231・・層内集光レンズ、261・・第1の平坦化膜、271・・リフロー膜、291・・第1の絶縁層、291A・・凸状部、301・・第2の絶縁層、302・・第2の平坦化膜
Claims (22)
- 受光部を含む複数の画素と、
前記受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、
前記複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凹部を有する第1の層と、
前記凹部を埋めるように形成された第2の層とから成る層内レンズである
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記配線層は少なくとも、前記受光部を挟んだ両側に形成された第1の配線と、第2の配線とを有し、
前記第1の配線と前記第2の配線とは前記受光部からの距離が異なっており、
前記層内レンズは前記第1の配線と前記第2の配線との間に位置する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記第1の配線と前記第2の配線とは一体的に形成され、所定の電圧源に接続されている
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 - 前記画素は電荷読み出し用トランジスタと、
前記電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、
前記複数の配線は前記平坦化膜の上方に形成されている
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の層は前記複数の配線を直接覆って形成されて前記配線層を構成する絶縁層である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記第1の層は前記配線層上に形成された絶縁層である
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が前記受光部の中心上から前記撮像領域の中心側に偏って形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記複数のレンズの少なくとも1つは前記層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズである
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 - 受光部を含む複数の画素と、
前記受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、
前記複数のレンズの少なくとも1つは、エッチングにより形成された凸部を有する第1の層と、前記凸部を覆って形成された第2の層とから成る層内レンズである
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記配線層は少なくとも、前記受光部を挟んだ両側に形成された第1の配線と、第2の配線とを有し、
前記第1の配線と前記第2の配線とは前記受光部からの距離が異なっており、
前記層内レンズは前記第1の配線と前記第2の配線との間に位置する
ことを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子。 - 前記第1の層と前記第2の層との間に前記凸部を覆って形成された第3の層を有する
ことを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子。 - 基板表面に複数の受光部を形成する工程と、
前記受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、
第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、
エッチング用マスクを用いて前記第1の絶縁層をエッチングし、前記受光部の上方に凹部を形成する工程と、
前記凹部を埋めるように第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記配線を形成する工程より前に、
電荷読み出し用トランジスタを形成する工程と、
前記電荷読み出し用トランジスタを動作するためのゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成する工程とを有し、
前記配線及び前記凹部は前記平坦化膜より上方に形成される
ことを特徴とする請求項12記載の固体撮像素子の製造方法。 - 基板表面に複数の受光部を形成する工程と、
前記受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、
第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層上の前記受光部に対応した位置にリフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、
前記リフロー膜と共に前記第1の絶縁層をエッチバックして、前記第1の絶縁層に前記凸状面を転写する工程と、
前記第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2の絶縁層を形成する工程より前に、
前記第1の絶縁層の前記凸状面を覆う第3の絶縁層を形成する
ことを特徴とする請求項14記載の固体撮像素子の製造方法。 - 受光部とMOSトランジスタからなる画素が複数配列されてなり、
前記各受光部に対応して夫々単一の層内レンズが形成されて成る
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記受光部より上方に形成された最上層の配線の一部が前記受光部を挟む両側に位置して成る
ことを特徴とする請求項16記載の固体撮像素子。 - 前記層内レンズが撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心を受光部の中心より撮像領域の中心側に偏って形成されて成る
ことを特徴とする請求項16記載の固体撮像素子。 - 前記受光部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部が、前記受光部に対して非対称に配置され、
前記非対称の配線に影響されずに前記層内レンズが形成されて成る
ことを特徴とする請求項16記載の固体撮像素子。 - 前記配線がAlを含む金属材で形成されて成る
ことを特徴とする請求項16記載の固体撮像素子。 - 受光部とMOSトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光部を挟む配線を形成する工程と、
全面に第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、
エッチング用マスクを有して前記第1の絶縁層を各受光部に対応する位置で等方性エッチングにより選択的に除去して各受光部に対応した凹部を形成する工程と、
前記凹部を含む全面に第2の屈折率を有する第2の絶縁層を形成する工程と、
前記第2の絶縁層を平坦化して前記凹部内に第2の絶縁層を残し、前記第1及び第2の絶縁層により単一の層内レンズを形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 受光部とMOSトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光部を挟む配線を形成する工程と、
全面に第1の屈折率を有する第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層上の各受光部に対応した位置に、リフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、
前記リフロー膜と共に前記第1の絶縁層をエッチバックして、前記第1の絶縁層に前記凸状面を転写する工程と、
前記第1の絶縁層上に第2の屈折率を有する平坦化膜を形成して前記第1の絶縁層及び前記平坦化膜により単一の層内レンズを形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
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- 2003-09-26 JP JP2003336104A patent/JP2004304148A/ja not_active Abandoned
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