JP2005174967A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 層内レンズにクラックや剥がれを生じさせることなく、デバイスの要求性能に応じて所望の屈折率を設計し、均一性が良好な高品質、かつ、高性能の層内レンズを備えた固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 光電変換部２が形成された半導体基板１上に第１透明膜１０を形成し、その上に第１透明膜１０よりも屈折率が高い第２透明膜をスパッタリング法により成膜して、光電変換部２上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方に凸部を形成して層内レンズ１１を構成する。第２透明膜は、金属化合物や珪素化合物から所望の屈折率の薄膜を選択することができ、２種類以上の化合物を同時にスパッタリングしたり、２種類以上の化合物を交互に積層して薄膜多層構造とすることによって、自由に屈折率を変更することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 光電変換部２が形成された半導体基板１上に第１透明膜１０を形成し、その上に第１透明膜１０よりも屈折率が高い第２透明膜をスパッタリング法により成膜して、光電変換部２上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方に凸部を形成して層内レンズ１１を構成する。第２透明膜は、金属化合物や珪素化合物から所望の屈折率の薄膜を選択することができ、２種類以上の化合物を同時にスパッタリングしたり、２種類以上の化合物を交互に積層して薄膜多層構造とすることによって、自由に屈折率を変更することができる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、例えばカメラ類などの画像入力装置に用いられ、光電変換部に対応した位置に層内レンズを持つ固体撮像素子などの半導体素子およびその製造方法に関する。
この種の固体撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ；電荷結合素子）イメージセンサ（以下、単にＣＣＤという）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどがある。これは、デジタルカメラをはじめとして、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話装置、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置など、様々な用途に利用されている。また、このような固体撮像素子を用いたデバイスが普及するにつれて、固体撮像素子に対して、画素数の増大、受光感度の向上などの高機能化、高性能化に加えて、小型化、低価格化などに対する要求が益々強まってきている。
このように、固体撮像素子の小型化および高画素化が進み、これと同時に低価格化が要求されると、その画素サイズは益々縮小化される。このような画素サイズの縮小化に伴って、固体撮像素子の基本性能の一つである受光感度が低下するため、照度が低いところで鮮明な像を撮影することは困難である。したがって、単位画素当りの受光感度を如何にして向上させるかということが重要な問題になっている。
そこで、固体撮像素子の受光感度を向上させる方法として、例えば特許文献１には、カラーフィルタの上部に有機高分子材料によりマイクロレンズを形成する方法が開示されている。また、例えば特許文献２には、図４に示すように、カラーフィルタの下部であって受光部とカラーフィルタとの間の積層構造内部にも所謂、層内レンズを形成する方法が開示されている。
図４に示すように、従来の固体撮像素子には、半導体基板２１の表面側に各画素を構成する光電変換部２２（受光部）、読み出しゲート部２３、ＣＣＤ転送チャネル２４およびチャネルストッパ２５が形成されている。
ＣＣＤ転送チャネル２４上には絶縁膜２６を介して転送電極２７が形成されており、その上には層間絶縁膜２８を介して遮光膜２９が形成されている。この遮光膜２９上には、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｒａｓｓ）などによる第１の平坦化膜３０および窒化シリコン系膜などからなる層内レンズ３１が形成され、その上の第２の平坦化膜３２によって表面が平滑化されている。層内レンズ３１は光電変換部２２の上方に位置するように形成されている。その第２の平坦化膜３２上には、レッド、グリーンおよびブルー（Ｒ、ＧおよびＢ）が組み合わされたカラーフィルタ３３が形成され、さらにその上に保護膜３４を介して光電変換部２２の上方に位置するようにマイクロレンズ３５が形成されている。
また、固体撮像素子の受光感度を向上させる他の方法として、例えば特許文献３には、電圧を印加することによって屈折率が変化する性質（ポッケルス効果）を利用した屈折率可変マイクロレンズが開示されている。
固体撮像素子をビデオカメラなどに組み込んだ場合、ビデオカメラ側に設けられているレンズのＦ値は、その撮像状況に応じて適切な露出となるように変化される。したがって、ビデオカメラのレンズを経て固体撮像素子に入射される光は、ビデオカメラのレンズの絞りによってその角度が変化し、平行光だけではなく斜め光も入射される。このため、ビデオカメラのレンズの絞りに対応して、常に光電変換部で入射光を受光することができるように、マイクロレンズまたは層内マイクロレンズの上下部に電極を設ける。マイクロレンズまたは層内マイクロレンズに電圧を印加することによって、マイクロレンズまたは層内マイクロレンズの屈折率を自在に変化させることができるようにする。この場合、マイクロレンズまたは層内マイクロレンズの材料としては、電気光学セラミックスからなる屈折率可変材料層（例えば、ＰＬＺＴ、ＬｉＮｂＯ３）が用いられる。ＰＬＺＴは、チタン酸・ジルコン酸鉛固溶体（ＰｂＴｉＯ３・ＰｂＺｒＯ３）においてＰｂの一部をＬａで置換させた圧電材料である。
以下に、一般的に知られている層内レンズ３１の形成方法について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板２１内に所定の不純物イオンの注入などを行って、光電変換部２２、読み出しゲート部２３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）２４およびチャネルストッパ２５をそれぞれ形成する。
その後、半導体基板２１の表面に絶縁膜２６を形成し、その上に所定パターンの転送電極２７を例えば膜厚３００ｎｍに形成する。その転送電極２７上に、層間絶縁膜２８を介して転送電極２７を被覆し、光電変換部２２上に開口部を有する遮光膜２９を例えば膜厚２００ｎｍに形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、遮光膜２９上に、例えば所定のリン濃度およびボロン濃度に設定されたＢＰＳＧ膜を常圧ＣＶＤ法によって膜厚６００ｎｍ程度に堆積し、９００℃以上の高温下でリフローすることにより、第１の平坦化膜３０を形成する。
続いて、図５（ｃ）に示すように、第1の平坦化膜３０上に、窒化シリコン系膜３６をプラズマＣＶＤ法によって例えば膜厚１２００ｎｍ程度に成膜する。また、上記屈折率可変材料を用いてマイクロレンズや層内レンズを形成する場合には、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３をターゲットとして、ガス種およびその流量としてＡｒ：１００ｓｃｃｍ、Ｏ２：１０ｓｃｃｍの条件下でスパッタリングを行ない、ＰＬＺＴ膜を成膜する。以下では、窒化シリコン系膜を成膜した場合について説明する。
さらに、図５（ｄ）に示すように、窒化シリコン系膜３６上にポジ型レジストを塗布し、所望の層内レンズ３１を得るためにパターニングを行なった後、例えば１６０℃前後でリフローし、レンズ形状を有するレジストパターン３７を作製する。
その後、図５（ｅ）に示すように、異方性の強い条件下でドライエッチングを行って、レジストパターン３７のレンズ形状を窒化シリコン系膜３６に転写し、層内レンズ３１を形成する。
さらに、層内レンズ３１の集光率を向上させるために、図４に示すように、層内レンズ３１を覆うように屈折率が低い材料からなる第２の平坦化膜３２を形成して表面を平坦化させる。その後、カラーフィルタ３３、保護膜３４およびマイクロレンズ３５を順次形成して、上記従来のＣＣＤ型固体撮像素子を作製することができる。
特公第２９４５４４０号公報
特開平１１−４０７８７号公報
特開２００１−６０６７８号公報
しかしながら、上述したような層内レンズの形成方法では、下記（１）〜（３）に示すような問題が生じる。
（１）層内レンズ３１として成膜される窒化シリコン系膜３６は、一般に、常圧ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤ装置を用いて形成されるが、１０００ｎｍ以上の膜厚に形成されると、膜応力により塑性変化し、膜内にクラックや剥がれが発生する。また、成膜温度も２００℃以上と高く、ウェハ面内の膜厚の均一性も悪いため、高温や膜ストレスにより下地素子への悪影響や素子内での層内レンズの膜厚不均一が生じ、固体撮像素子の画質を悪化させる。
（２）窒化シリコン系膜３６で形成された層内レンズ３１の屈折率は最大でも２．０程度であり、例えば成膜時に酸素含有量を増やすとＳｉＯＮとなって屈折率が１．５程度まで下がる。これに対して、ビデオカメラを小型化する場合には、より集光率（入射光のうち、光電変換部に入射させる光量の割合）を向上させると同時に短瞳位置レンズに対応するべく、撮像素子最表面から光電変換部までの距離をより短くする必要がある。そのためには、チップ表面に形成されるマイクロレンズやカラーフィルタの薄膜化と同時に、層内レンズの薄膜化が必須条件となる。集光率を向上させると共に、層内レンズを薄膜化させるためには、層内レンズの屈折率を高くする必要があるが、従来のＣＶＤ法により窒化シリコン系膜を成膜した場合、２．０以上の屈折率を有する均一性が良好な透明膜を形成することは非常に困難である。
（３）ＰＬＺＴやＬｉＮｂＯ３などの電気光学セラミックスからなる屈折率可変材料層をスパッタリング法により成膜して形成した屈折率可変マイクロレンズや層内レンズでは、レンズの上下に透明電極を形成して電圧印加のための配線を加工する必要があり、工程が煩雑で製造コストも高くなるという問題がある。また、固体撮像素子にこのような屈折率可変マイクロレンズを組み込んだ場合、電圧印加により透光性を維持し、かつ、機械的な歪みも発生しないという条件下では、屈折率を変化させることが可能な範囲は２．２〜２．６程度である。したがって、カメラレンズの絞りに応じてその都度、レンズの屈折率を可変とするよりも、固体撮像素子が搭載されるビデオカメラの設計に応じてレンズの絞りを広げた場合に斜め光を効率よく光電変換部へ入射させることができるように、マイクロレンズや層内マイクロレンズの厚さ、形状および屈折率などをそのビデオカメラの用途毎に設計し、それに適したマイクロレンズや層内マイクロレンズを作製する方が、性能的にもコスト的にも有利である。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、層内レンズにクラックや剥がれを生じさせることなく、デバイスの要求性能に応じて所望の屈折率を設計でき、均一性が良好な高品質でかつ高性能の層内レンズを得ることができる固体撮像装置などの半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体素子は、半導体基板上に形成された光電変換部と、該光電変換部上に設けられた第１透明膜と、該光電変換部に対応した該第１透明膜上の位置に設けられた層内レンズとを有する半導体素子において、該層内レンズは、該第１透明膜よりも屈折率が高く、２種類以上の化合物の薄膜多層構造により成膜された第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜は、金属化合物および珪素化合物から選ばれた２種類以上の化合物を含む。
本発明の半導体素子は、半導体基板上に形成された光電変換部と、該光電変換部上に設けられた第１透明膜と、該光電変換部に対応した該第１透明膜上の位置に設けられた層内レンズとを有する半導体素子において、該層内レンズは、該第１透明膜よりも屈折率が高く、スパッタリング法により成膜された第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜は、金属化合物および珪素化合物から選ばれた１種類または２種類以上の化合物を含む。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜は、２種類以上の化合物を含む。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜は、２種類以上の化合物の薄膜多層構造である。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜は、酸化チタン層と窒化シリコン層とが交互に積層された薄膜多層構造である。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜は、酸化チタン層と酸化シリコン層とが交互に積層された薄膜多層構造である。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第１透明膜は、前記光電変換部上方の凹部に起因する凹部を上面に有し、該上面の凹部内に前記第２透明膜が埋め込まれて該第２透明膜の下面に凸部が形成されて前記層内レンズが構成されている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第２透明膜上に該第２透明膜よりも屈折率が低い第３透明膜が形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子における第３透明膜の上方にはマイクロレンズが形成されている。
本発明の半導体素子の製造方法は、光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜を成膜する第１透明膜成膜工程と、該第１透明膜上に、該第１透明膜よりも屈折率が高い第２透明膜を、２種類以上の化合物の薄膜多層構造により成膜する第２透明膜成膜工程と、該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置に該第２透明膜の上下面の少なくとも一方面に凸部を形成する層内レンズ作製工程とを有しており、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の半導体素子の製造方法は、光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜を成膜する第１透明膜成膜工程と、該第１透明膜上に該第１透明膜よりも屈折率が高い第２透明膜をスパッタリング法により成膜する第２透明膜成膜工程と、該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置に該第２透明膜の上下面の少なくとも一方面に凸部を形成する層内レンズ作製工程とを有しており、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体素子の製造方法における第２透明膜成膜工程は、２種類以上の化合物を同時にスパッタリングして前記第２透明膜を成膜する。
さらに、好ましくは、本発明の半導体素子の製造方法における第２透明膜成膜工程は、２種類以上の化合物薄膜を順次またはこれを繰り返して積層して前記第２透明膜を薄膜多層構造に形成する。
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
本発明にあっては、層内レンズとして、２種類以上の化合物の薄膜多層構造により成膜された第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成されている。これにより、層内レンズとして成膜される第２透明膜は、１０００ｎｍよりも大幅に薄い膜厚に形成できて、膜応力による膜内にクラックや剥がれも抑制され得る。また、第２透明膜として、２種類以上の化合物薄膜を順次積層して薄膜多層構造とすることにより、第２透明膜の屈折率を、デバイスの要求性能に応じた所望の屈折率に任意に変更することも可能となる。さらに、薄膜多層構造では、単層に比べて、層内レンズ表面での反射が低減できて集光率をより向上させることが可能となる。
または、少なくとも光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜を形成し、その上に第２透明膜をスパッタリング法で成膜して、光電変換部の上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方に凸部をレンズ状に形成することによって層内レンズが作製されている。
スパッタリング法によれば、ＣＶＤ法に比べて成膜温度が低く、ウェハ面内の膜厚均一性も良い第２透明膜が得られ、高温や膜ストレスによる下地素子への悪影響や層内レンズの膜厚不均一を防ぐことができる。
この第２透明膜は、金属化合物や珪素化合物から所望の屈折率の薄膜を選択することができる。また、２種類以上を同時にスパッタリングしたり、２種類以上の化合物薄膜を交互に積層することにより、自由に屈折率を変更することができる。例えば、酸化チタン層と窒化シリコン層とが交互に積層された薄膜多層構造や、酸化チタン層と酸化シリコン層とが交互に積層された薄膜多層構造が挙げられる。このような薄膜多層構造によれば、膜ストレスを緩和し、クラックや剥がれが生じるのを防ぐことができる。また、薄膜多層構造によれば、単層に比べて、層内レンズ表面での反射を低減して集光率をより向上させることができる。ＣＶＤ法に比べて、スパッタリング法は膜厚の制御性が良いため、制御性良く薄膜多層構造を作製することができる。
層内レンズの凸部は、第２透明膜上面にエッチングなどにより上に凸状に加工形成することができる。また、第１透明膜の下面凹凸に起因する上面凹部により、層内レンズの凸部を第２透明膜下面に下に凸状に形成することもできる。
さらに、第２透明膜の上に第２透明膜よりも屈折率が低い第３透明膜を形成することにより、表面を平坦化させることができる。また、第２透明膜の上方にマイクロレンズを形成することにより、さらに集光効率を向上させることができる。
本発明によれば、層内レンズとして、２種類以上の化合物の薄膜多層構造により成膜された第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成したり、または、第２透明膜をスパッタリング法により成膜して、光電変換部の上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方に凸部を形成するため、層内レンズにクラックや剥がれを生じさせることなく、デバイスの要求性能に応じて屈折率を設計して、所望の屈折率を有する均一性が良好な高品質、かつ、高性能の層内レンズを備えた半導体素子およびその製造方法を提供することが可能となる。
以下に、本発明の半導体素子およびその製造方法の実施形態を、固体撮像素子およびその製造方法に適用した場合について説明する。なお、本発明の半導体素子としては、ＣＣＤイメージセンサおよびＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＭＤ、チャージインジェクションデバイス、バイポーライメージセンサ、光導電膜イメージセンサ、積層型ＣＣＤイメージセンサ、赤外イメージセンサなどのいわゆる固体撮像素子のみならず、半導体集積回路の製造工程において製造される受光素子、発光ダイオードなどの発光素子または液晶パネルなどの光透過制御素子など、種々の装置における受光部または発光部として使用されるものの全てが含まれる。
本発明の半導体素子では、少なくとも光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜が形成され、その上に第１透明膜よりも屈折率が高い第２透明膜がスパッタリング法により成膜されて、光電変換部の上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方面に凸部が形成されて層内レンズが構成されている。
この半導体基板としては、半導体装置を作製するための基板として通常使用される基板であれば、特に限定されるものではなく、例えば、シリコンやゲルマニウムなどの半導体、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体などからなる基板を使用することができる。特に、シリコン基板を用いることが好ましい。この半導体基板は、通常、ｎ型またはｐ型の不純物がドーピングされているが、さらに、ｎ型またはｐ型のウェル領域を１以上有していてもよい。
また、半導体基板表面には、光電変換部（発光部または受光部）の他に、電荷転送領域、分離領域、コンタクト領域、チャネルストッパ領域などとして、高濃度のｎ型またはｐ型の不純物を含有する領域が形成されていてもよい。さらに、他の半導体装置や回路などが組み合わせられていてもよい。
光電変換部としては、受光部または発光部が挙げられる。受光部としては、例えば、半導体基板表面に形成されるｐｎ接合ダイオードが挙げられる。このｐｎ接合ダイオードにおいて、半導体基板表面に形成されるｐ型またはｎ型の不純物層の大きさ、形状、数、不純物層の不純物濃度などは、必要とされる半導体装置の性能に応じて適宜設定することができる。
また、発光部として、例えば、発光ダイオードなどが挙げられる。半導体基板表面に光電変換部を形成する方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、フォトリソグラフィおよびエッチング工程により半導体基板の所望の領域に開口部を有するフォトマスクを形成し、このフォトマスクを用いて半導体基板にイオン注入する方法が挙げられる。
また、例えばＣＣＤでは、通常、光電変換部の間の半導体基板上に、絶縁膜を介して転送電極が形成される。その転送電極上に層間絶縁膜を介して遮光膜が形成される。転送電極は、電極として使用される材料であれば特に限定されず、例えば、多結晶シリコンやタングステンシリサイドなどが挙げられる。この転送電極の膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、３００ｎｍ〜６００ｎｍ程度が挙げられる。遮光膜は、可視光および／または赤外光をほぼ完全に遮ることができる材料および膜厚であれば特に限定されるものではなく、例えば、タングステンシリサイドやチタンタングステン等の金属膜、合金膜等からなる膜厚１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のものが挙げられる。絶縁膜および層間絶縁膜は、通常使用されている材料であれば特に限定されず、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるプラズマＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｏｘｙ Ｓｉｌａｎｅ）膜、ＬＴＯ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）膜、ＨＴＯ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）膜、ＮＳＧ（Ｎｏｎｅ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜またはスピンコート法により塗布形成したＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜、ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜などの単層膜またはこれらの積層膜等が挙げられる。これら絶縁膜、層間絶縁膜、転送電極および遮光膜の厚さは、その上方に形成される層内レンズが下に凸状である場合、その下面凸部の厚さおよび形状などを決定する一要件となることがあるため、後述する第１透明膜等の厚さ、材料等を考慮して、全膜厚が５００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度に調整されることが好ましい。
第１透明膜は、光電変換部の上方において、転送電極および遮光膜などの下面の凹凸に起因する凹部を上面に有していてもよいし、第１透明膜の上面は必ずしも凹部を有していなくてもよく、第１透明膜の表面が平滑であってもよい。この第１透明膜は、材料や膜厚などにもよるが、光の透過率が８０％〜１００％程度であることが好ましい。第１透明膜の材料としては、上記絶縁膜として例示したような単層膜または積層膜が挙げられ、特に、ＢＰＳＧが好ましい。膜厚は、例えば１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度が挙げられる。なお、第１透明膜上面の凹部の形状および深さなどは、その上に形成される層内レンズが下に凸状である場合、その下面凸部の厚さおよび形状などを決定する一要件となることがあるため、適切に調整されることが好ましい。
これらの絶縁膜、層間絶縁膜、転送電極、遮光膜および第１透明膜は、スパッタリング法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの種々のＣＶＤ法、スピンコート法、真空蒸着法、ＥＢ法等、当該分野で公知の方法を適宜選択して形成することができる。
第２透明膜は、スパッタリング法により成膜される。光電変換部の上方において、第１透明膜が下面の凹凸に起因する凹部を上面に有している場合には、第２透明膜の下面に凸部が形成され、下に凸状の層内レンズが形成される。さらに、必要に応じて、例えばドライエッチング法により第２透明膜の上面に凸部を加工形成することによって、光電変換部の上方に、上に凸状の層内レンズが形成される。第２透明膜は、上下面の両方に凸部が形成されていてもよい。
第２透明膜は、第１透明膜よりも屈折率が高く、例えばＴｉＯ２（屈折率２．５）、ＴａＯ２（屈折率２．２）、ＺｒＯ２（屈折率２．２）、ＩＴＯ［Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２］（屈折率２．１）、ＩＺＯ［Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ２］（屈折率２．０）、Ｓｂ２Ｏ３（屈折率２．２）、ＰＺＴ（ＰｂＺｒ０．５Ｔｉ０．５Ｏ３）（屈折率２．６）、ＳｒＴｉＯ３（屈折率２．４）、Ａｌ２Ｏ３（屈折率１．７）、Ｓｉ３Ｎ４（屈折率２．０）、ＳｉＯＮ（屈折率１．８）、ＳｉＯ２（屈折率１．５）などの金属化合物や珪素化合物が挙げられる。これらの金属化合物や珪素化合物から所望の屈折率を有する薄膜を選択して成膜することができる。また、２種類以上の化合物を同時にスパッタリングしたり、または交互に積層して薄膜多層構造を形成することによって、自由に屈折率を変更することができると共に、膜ストレスを緩和し、層内レンズにクラックや剥がれを生じることを防ぐことができる。さらに、薄膜多層構造によれば、単層膜で層内レンズを作製した場合に比べて、層内レンズ表面での反射を低減させることができ、集光率をより向上させることができる。このような薄膜多層構造を実現するためには、膜厚の高度な制御性が要求されるため、従来のＣＶＤ法では困難であるが、スパッタリング法によれば実現することができる。
第２透明膜は、例えば、単層膜として屈折率が２．５であるＴｉＯ２または屈折率が１．５のＳｉＯ２をそれぞれ単独でスパッタリング法により形成することができる。また、薄膜多層構造として、屈折率が２．５のＴｉＯ２と屈折率が１．５のＳｉＯ２とを各５層（膜厚９０ｎｍ）交互に積層形成することによって、膜厚９００ｎｍで屈折率２．１程度の第２透明膜を成膜することができる。８インチウェハでこのような薄膜多層構造を成膜した場合、面内均一性は９００ｎｍ±１０ｎｍ以内であり、通常のＣＶＤ法による場合に比べてばらつきが約１／５以下に抑えられている。さらに、屈折率が２．０のＳｉ３Ｎ４と屈折率が１．５のＳｉＯ２とを交互に各５層積層形成することによって、屈折率１．８程度の透明膜を成膜することもできる。
また、第２透明膜からなる層内レンズ上に、透明で低屈折率を有する材料からなる第３透明膜を、層内レンズの表面を均一な膜厚で覆うように形成してもよい。この第３透明膜の材料としては、上記第２透明膜を構成する高屈折率材料膜よりも屈折率が０．５以上低いものが挙げられる。この第３透明膜は、スパッタリング法やＣＶＤ法により単層膜または積層膜として形成することができる。また、第３透明膜は、有機樹脂を用いてもよく、例えば可視光領域での屈折率が１．６程度より小さいもの、具体的にはフルオロオレフィン系共重合体、含フッ素脂肪族環構造を有するポリマー、パーフルオロアルキルエーテル系コポリマー、含フッ素（メタ）アクリレートポリマーの１種または２種以上の混合物などが挙げられる。さらに、これらポリマーにフッ化物、具体的にはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などが添加されていてもよい。
さらに、層内レンズの上方に、第３透明膜を介してマイクロレンズを形成することが好ましい。また、第３透明膜とマイクロレンズとの間に、カラーフィルタ、パッシベーション膜、保護膜、平坦化膜、層間膜などとして機能する１種類または２種類以上の膜を、任意の材料で任意の膜厚にて形成してもよい。マイクロレンズは、当該分野で公知の方法により、公知の材料を用いて形成することができる（例えば特許文献１）。なお、マイクロレンズの形状は、下層の第３透明膜、パッシベーション膜、保護膜、平坦化膜、層間膜等により底部が平坦化されており、上に凸状でアーチ型の形状などに加工されていることが好ましい。
ここで、以下に、本発明の半導体素子およびその製造方法の具体的な実施形態１として、ＣＣＤ固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で挙げている材料や装置などは、通常の半導体素子の製造工程で用いられている材料や装置をそのまま使用することができ、ここではその材料や装置の詳細な説明は省略する。
図１は、本発明のＣＣＤ固体撮像素子における実施形態１の要部構成を示す断面図である。なお、図１では、ＣＣＤ固体撮像素子の１画素分の構成を示している。
図１に示すように、半導体素子としてのＣＣＤ固体撮像素子２０は、半導体基板１の表面側に、複数の光電変換部２、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル４およびチャネルストッパ５が設けられており、ＣＣＤ転送チャネル４上に絶縁膜６を介して転送電極７が設けられている。
光電変換部２は、例えば複数のｐｎ接合ダイオードが半導体基板１表面にマトリックス状に形成されており、光電変換部２に入射された光は信号電荷に変換される。光電変換部２にて変換された信号電荷は、読み出しゲート部３を介して光電変換部２の一方側（図１では左側）に設けられたＣＣＤ転送チャネル４に供給され、図示しない電荷検出部に転送されて検出される。光電変換部２の他方側（図１では右側）に設けられたＣＣＤ転送チャネル４には、光電変換部２との間にチャネルストッパ５が設けられているため、この光電変換部２からは信号電荷が供給されない。
転送電極７上には、層間絶縁膜８を介して遮光膜９が設けられている。この遮光膜９は、転送部（ＣＣＤ転送チャネル４）への光漏れ防止のために設けられており、光電変換部２の端部も遮光膜９で覆われている。光電変換部２の端部以外は光学的に上方が開口している。
遮光膜９上には、第１透明膜としてＢＰＳＧからなる第１平坦化膜１０が積層され、その上に、光電変換部２の上方に位置するように高屈折率の第２透明膜からなる層内レンズ１１が形成されている。
層内レンズ１１は、光電変換部２に光を集光するために設けられており、その上面は上に凸状に形成されている。その層内レンズ１１を覆うように、表面を平坦化するための第３透明膜として第２平坦化膜１２が設けられている。その第２平坦化膜１２上に、レッド、グリーン、ブルーが組み合わされたカラーフィルタ１３および透明な有機膜からなる保護膜１４を介して、光電変換部２および層内レンズ１１の上方に位置するようにマイクロレンズ１５が設けられている。
以上により、ＣＣＤ固体撮像素子２０が構成されており、ＣＣＤ固体撮像素子２０は、例えば以下のようにして作製することができる。
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１内に所定の不純物イオン注入などを行って、光電変換部（受光部）２、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）４およびチャネルストッパ５をそれぞれ形成する。
次に、半導体基板１の表面側に、例えば熱酸化によりシリコン酸化膜などの絶縁膜６を形成し、その上にポリシリコンからなる所定パターンの転送電極７を形成する。さらに、転送電極７上に、層間絶縁膜８を介して、転送電極７の端面側を被覆し、かつ光電変換部２上に開口部を有する遮光膜９を、例えば、タングステンシリサイドにより形成する。
さらに、図２（ｂ）に示すように、遮光膜９を覆うようにＢＰＳＧを常圧ＣＶＤ法により膜厚９００ｎｍに堆積する。この場合、ＢＰＳＧ膜中に含まれるリンおよびボロンの濃度と、後で行なわれるリフロー温度とを調節して、表面が平滑で、かつ、光電変換部２上に凹部を有するように設定してもよい。本実施形態では、リンの濃度を４．２ｗｔ％、ボロンの濃度を３．８ｗｔ％に設定した。続いて、リフローを９５０℃にて２０分間行ない、第１平坦化膜１０を形成する。
続いて、図２（ｃ）に示すように、第１平坦化膜１０上に、ターゲットとしてそれぞれＳｉとＴｉを用い、Ｏ２とＡｒの気流下で、ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とを交互に９０ｎｍずつスパッタリング法により成膜し、膜厚が合計９００ｎｍで屈折率が２．１の高屈折率透明膜（第２透明膜）１６を形成する。本実施形態では、２種類の膜を交互にスパッタリングして形成したが、ＴｉＯ２単膜でもよく、ＴｉＯ２とＴａＯ２とを同時にスパッタリングして形成してもよい。
さらに、図２（ｄ）に示すように、従来技術と同様に、ポジ型フォトレジストを上記高屈折率透明膜１６上に塗布し、所望のパターンにパターニングを行なった後、１６０℃でリフローし、レンズ形状を有するレジストパターン１７を形成する。
その後、図２（ｅ）に示すように、異方性の強い条件下でドライエッチングを行い、レジスト１７のレンズ形状を上記高屈折率透明膜１６に転写して、層内レンズ１１を形成する。本実施形態では、ドライエッチングによって、光電変換部２の上部以外は下地の第１平坦化膜１０が表面に露出されるまでエッチングを行っているが、例えばドライエッチングを途中で止めて、図２（ｆ）に示すように、第１平坦化膜１０上に平坦部１８ａが残るような形状に層内レンズ１８を形成してもよい。
さらに、層内レンズの集光率を上げるために、層内レンズ１１を覆うように屈折率が低い第２平坦化膜１２を形成して、表面を平坦化する。その後、グリーン、レッド、ブルーそれぞれの分光特性を有する顔料を分散したネガ型レジストを塗布、フォト（露光）、現像というフォトリソグラフィー技術により所望のパターンに加工し、カラーフィルタ１３を形成する。その上に、アクリル樹脂（例えば、熱硬化性アクリル樹脂 オプトマーSS-1151：ＪＳＲ株式会社）を厚み０．７μｍに塗布して保護膜１４を形成し、続いてマイクロレンズ１５を公知の技術（例えば、特許文献１に記載されているような方法）を用いて形成して、図１に示すＣＣＤ固体撮像素子を作製することができる。
以上により、本発明の実施形態によれば、光電変換部２が形成された半導体基板１上に第１透明膜１０を形成し、その上に第１透明膜１０よりも屈折率が高い第２透明膜をスパッタリング法により成膜して、光電変換部２の上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方に凸部を形成して層内レンズ１１を形成する。この場合、第２透明膜は、金属化合物や珪素化合物から所望の屈折率の薄膜を選択することができ、２種類以上の化合物を同時にスパッタリングしたり、２種類以上の化合物を交互に積層して薄膜多層構造とすることによって、自由に屈折率を変更することができる。層内レンズにクラックや剥がれを生じさせることなく、デバイスの要求性能に応じて所望の屈折率を設計し、均一性が良好な高品質でかつ高性能の層内レンズを提供することができる。
なお、前述したように、図１に示すように、第１平坦化膜１０（第１透明膜）の上面を平坦化し、高屈折率透明膜（第２透明膜）１６の上面を加工形成して上に凸状の層内レンズ１１を形成してもよいし、図３に示すように、第１平坦化膜１０の上面において光電変換部２上に凹部を有するように形成して、高屈折率透明膜１６の下面に凸部を形成し、下に凸状の層内レンズ１９を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用した例について説明したが、その他の素子、例えば、ＭＯＳ型固体撮像素子などの他の固体撮像素子や、液晶表示素子、受光素子および発光素子（光電変換部は、光−電気変換部および電気−光変換部を含む）などについても本発明を適用することができ、上記実施形態と同様に、層内レンズ、平坦化膜、保護膜、マイクロレンズの厚さなどとその形成条件などを適宜調整することによって、所望の形状の層内レンズを有する半導体素子を得ることができる。
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
例えば層内レンズを有する固体撮像素子などの半導体素子およびその製造方法の分野において、少なくとも光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜を形成し、その上に第１透明膜よりも屈折率が高い第２透明膜をスパッタリング法により成膜して、光電変換部の上方において第２透明膜の上下面の少なくとも一方に凸部を形成して層内レンズを構成することにより、層内レンズにクラックや剥がれを生じさせることなく、デバイスの要求性能に応じて屈折率を設計して、所望の屈折率を有する均一性が良好な高品質でかつ、高性能の層内レンズを得ることができる。
本発明の固体撮像素子は、固体撮像素子の小型化および高画素化と共に低価格化が要求され、その画素サイズが縮小化されても、層内レンズによって受光感度を向上させることができる。このため、デジタルカメラ、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話装置、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリなど、様々な用途において幅広く利用可能であり、デバイスの高機能化および高性能化と共に小型化および低価格化を図ることができる。
１ 半導体基板
２ 光電変換部
３ 読み出しゲート部
４ ＣＣＤ転送チャネル
５ チャネルストッパ
６ 絶縁膜
７ 転送電極
８ 層間絶縁膜
９ 遮光膜
１０ 第１平坦化膜（第１透明膜）
１１ 層内レンズ
１２ 第２平坦化膜（第３透明膜）
１３ カラーフィルタ
１４ 保護膜
１５ マイクロレンズ
１６ 高屈折率透明膜（第２透明膜）
１７ レジストパターン
１８ 層内レンズ
１８ａ 層内レンズの平坦部
１９ 層内レンズ
２０ ＣＣＤ固体撮像素子
２ 光電変換部
３ 読み出しゲート部
４ ＣＣＤ転送チャネル
５ チャネルストッパ
６ 絶縁膜
７ 転送電極
８ 層間絶縁膜
９ 遮光膜
１０ 第１平坦化膜（第１透明膜）
１１ 層内レンズ
１２ 第２平坦化膜（第３透明膜）
１３ カラーフィルタ
１４ 保護膜
１５ マイクロレンズ
１６ 高屈折率透明膜（第２透明膜）
１７ レジストパターン
１８ 層内レンズ
１８ａ 層内レンズの平坦部
１９ 層内レンズ
２０ ＣＣＤ固体撮像素子
Claims (15)
- 半導体基板上に形成された光電変換部と、該光電変換部上に設けられた第１透明膜と、該光電変換部に対応した該第１透明膜上の位置に設けられた層内レンズとを有する半導体素子において、
該層内レンズは、該第１透明膜よりも屈折率が高く、２種類以上の化合物の薄膜多層構造により成膜された第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成されている半導体素子。 - 前記第２透明膜は、金属化合物および珪素化合物から選ばれた２種類以上の化合物を含む請求項１に記載の半導体素子。
- 半導体基板上に形成された光電変換部と、該光電変換部上に設けられた第１透明膜と、該光電変換部に対応した該第１透明膜上の位置に設けられた層内レンズとを有する半導体素子において、
該層内レンズは、該第１透明膜よりも屈折率が高く、スパッタリング法により成膜された第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成されている半導体素子。 - 前記第２透明膜は、金属化合物および珪素化合物から選ばれた１種類または２種類以上の化合物を含む請求項３に記載の半導体素子。
- 前記第２透明膜は、２種類以上の化合物を含む請求項３に記載の半導体素子。
- 前記第２透明膜は、２種類以上の化合物の薄膜多層構造である請求項３または５に記載の半導体素子。
- 前記第２透明膜は、酸化チタン層と窒化シリコン層とが交互に積層された薄膜多層構造である請求項１または６に記載の半導体素子。
- 前記第２透明膜は、酸化チタン層と酸化シリコン層とが交互に積層された薄膜多層構造である請求項１または６に記載の半導体素子。
- 前記第１透明膜は、前記光電変換部上方の凹部に起因する凹部を上面に有し、該上面の凹部内に前記第２透明膜が埋め込まれて該第２透明膜の下面に凸部が形成されて前記層内レンズが構成されている請求項１または３に記載の半導体素子。
- 前記第２透明膜上に該第２透明膜よりも屈折率が低い第３透明膜が形成されている請求項１または３に記載の半導体素子。
- 前記第３透明膜の上方にはマイクロレンズが形成されている請求項１０に記載の半導体素子。
- 光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜を成膜する第１透明膜成膜工程と、
該第１透明膜上に、該第１透明膜よりも屈折率が高い第２透明膜を、２種類以上の化合物の薄膜多層構造により成膜する第２透明膜成膜工程と、
該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置に該第２透明膜の上下面の少なくとも一方面に凸部を形成する層内レンズ作製工程とを有する半導体素子の製造方法。 - 光電変換部が形成された半導体基板上に第１透明膜を成膜する第１透明膜成膜工程と、
該第１透明膜上に該第１透明膜よりも屈折率が高い第２透明膜をスパッタリング法により成膜する第２透明膜成膜工程と、
該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置に該第２透明膜の上下面の少なくとも一方面に凸部を形成する層内レンズ作製工程とを有する半導体素子の製造方法。 - 前記第２透明膜成膜工程は、２種類以上の化合物を同時にスパッタリングして前記第２透明膜を成膜する請求項１３記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第２透明膜成膜工程は、２種類以上の化合物薄膜を順次またはこれを繰り返して積層して前記第２透明膜を薄膜多層構造に形成する請求項１３記載の半導体素子の製造方法。
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