JP2009016574A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感度特性の向上を図りつつ、撮像装置の絞り（Ｆ値）特性に対して感度特性の低下が小さい固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、受光部１２が配置された撮像領域と、受光部１２の上方に配置され、開口部を形成する金属配線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃと、第１の絶縁膜２０とを有する配線層と、受光部１２ごとに設けられ、配線層の上または上部に形成された層内レンズ２４と、配線層および層内レンズ２４の上に形成された透明な第２の絶縁膜２６と、受光部１２ごとに設けられ、第２の絶縁膜２６の上に形成され、上面が凸状曲面であるトップレンズ２８と、トップレンズ２８の上に形成され、トップレンズ２８よりも屈折率の低い材料で構成された透明な透明膜３０とを備えている。これにより、入射光の少なくとも一部の焦点を半導体基板１０の上方に位置させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換部等の受光部を形成した半導体基板の上方に、入射光を受光部に導くレンズを設けた固体撮像装置に関する。

一般に、例えばＭＯＳイメージセンサのような固体撮像装置では、受光部（フォトダイオード等の光電変換部）を設けた半導体基板上に、遮光パターンや配線パターンのような各種の膜を多層状に配置した構造となっている。このような固体撮像装置を小型化した場合、必然的にカメラレンズの瞳距離が短くなり、複数の画素が２次元配列された画素アレイ部（撮像領域）、特に画素アレイ部の周縁部に入射する光の斜め成分が増大する。このため、画素単位で考えた場合、光の進入角度が大きければ大きくなるほど、配線等によって光が遮られ、受光面に直接入射する光量は減少する。これにより、画質を高いレベルで維持することが困難になる。

そこで、特許文献１には、イメージセンサの上層膜に高屈折率材料、例えばＰ−ＳｉＮ膜（プラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン窒化膜）によって上面に凸レンズ面を形成した集光レンズ（層内レンズ）を形成することにより、受光感度を向上させる従来技術が開示されている。

また、特許文献２には、図１６に示すように、基板１１１の表面部に設けられた受光素子１１２と、基板１１１上方に配置された集光レンズ１６とを備える固体撮像装置において、集光レンズ１６の焦点を基板１１１の上面より深い位置にすることにより、感度を向上させることが開示されている。
特開２０００−１２４４３４号公報 特開平２−３０９６７４号公報

しかし、従来技術に係る固体撮像装置においては、以下の不具合がある。

まず、ＭＯＳイメージセンサの場合には、通常、ＣＣＤイメージセンサと異なり、入射光を電荷に変換する光電変換部の上部には、複数層の金属配線が形成されている。従って、基板上面より焦点を深い位置にすると、配線に入射光が散乱、または反射されやすくなり、基板上面に焦点を合わせる場合に比べて感度が低下する。すなわち、焦点位置を基板１１１の上面位置よりも深くすると、金属配線での光の反射が大きくなり、フォトダイオードへの集光率が低下する。

また、固体撮像装置では、一般的にトップレンズ（上層に配置されるレンズ）は有機材料により形成されている。その形成方法は、図１７（ａ）に示すように、一旦矩形状（四辺形状）のパターン１２８ａを形成した後に、熱処理によって曲線を有したレンズ１２８を形成する方法（以下、熱リフロープロセスと呼ぶ）が一般的である。

しかし、熱リフロープロセスでレンズ１２８を形成する際に、矩形状のパターンの高さ（厚さ）をある一定の高さ（厚さ）より低く（薄く）した場合、図１７（ｂ）に示すように、レンズ１２８中央部の上面が平坦となり、熱フロー後になだらかで均一な形状を有するレンズ曲面を形成することが困難となる。そのため、従来の固体撮像装置では、トップレンズの形状を設計通りに形成することができない場合があった。

そこで、本発明は、感度特性の向上を図りつつ、撮像装置（カメラ）の絞り（Ｆ値）特性に対して感度特性の低下が小さい固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板に形成した複数の受光部からなる撮像領域と、前記複数の受光部の各々の上方に配置され、金属配線および絶縁膜により形成された多層配線と、前記受光部ごとに設けられ、前記多層配線の上に形成した第１のレンズと、前記第１のレンズの上方に形成した第２のレンズと、前記第２のレンズの上に形成した透明膜と
を備え、前記透明膜の屈折率は前記第２のレンズの屈折率よりも低く、前記第２のレンズの厚さは前記第１のレンズの厚さよりも厚い。

この構成により、透明膜を設けない場合に比べ、第２のレンズにおける実効的な屈折率を下げることができる。従って、第２のレンズを通る光の焦点位置を容易に最適化することができる。例えば、第２のレンズがフォトレジスト等の有機材料で構成されている場合であっても、第２のレンズの厚さを厚くしながら入射光の焦点位置を半導体基板の上方に位置させることが可能となる。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の上部に受光部を形成する工程（ａ）と、前記受光部の上方領域に配置された開口部を形成する金属配線と、前記金属配線埋め込む第１の絶縁膜とをそれぞれ有する一層または複数層の配線層を形成する工程（ｂ）と、前記受光部ごとに設けられ、前記配線層の上または上部に配置された第１のレンズを形成する工程（ｃ）と、前記配線層および前記第１のレンズの上に透明な第２の絶縁膜を形成する工程（ｄ）と、前記受光部ごとに設けられ、前記第２の絶縁膜の上に配置され、上面が凸状曲面である第２のレンズを形成する工程（ｅ）と、前記第２のレンズの上に、前記第２のレンズよりも屈折率の低い材料で構成された透明な透明膜を形成する工程（ｆ）とを備えている。

この方法によれば、受光効率の良い固体撮像装置を形成することができる。

特に、第２のレンズをフォトレジスト等の有機材料で構成すれば、上に凸または下に凸な曲面を容易に形成することができるので、好ましい。この場合、当該有機材料で構成されたパターンを形成後に加熱することで第２のレンズを形成することができるが、この際に、パターンの厚さを十分に厚くしても、第２のレンズおよび第１のレンズを通る光の焦点を半導体基板の上面位置より高い位置にすることが可能となる。

本発明によれば、撮像領域上の各画素において第１のレンズおよび第２のレンズを通して入射光を効率良く受光部に集めることができ、感度特性の向上を図ることができるとともに、撮像装置（カメラ）の絞り（Ｆ値）特性に対して感度特性の低下が小さい固体撮像装置を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る固体撮像装置である増幅型固体撮像装置（ＭＯＳイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ）について説明する。

（第１の実施形態）
−ＭＯＳイメージセンサの構成およびその作用・効果−
図１は、第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの画素内の構造を示す断面図である。

同図に示すように、本実施形態のＭＯＳイメージセンサは、半導体基板１０上に設けられ、入射光を受けて光電変換を行うフォトダイオード（ＰＤ）等の受光部１２と、半導体基板１０上に設けられ、受光部１２で生成した信号電荷を読み出すための転送ゲート（ＴＧ；図示せず）と、半導体基板１０に設けられ、転送ゲートによって受光部１２から読み出された信号電荷を一時的に蓄積するフローティングデフュージョン（ＦＤ）等を有する画素が多数配置された撮像領域を備えている。ここでは、転送ゲートはトランジスタで構成されている。

また、半導体基板１０の上には絶縁膜２０Ａが形成され、絶縁膜２０Ａの上には例えば複数層設けられた絶縁膜２０が設けられ、各層の絶縁膜２０の上または上部にはアルミまたは銅などの金属材料により構成された配線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが設けられている。第１層の配線２２Ａ、第２層の配線２２Ｂ、第３層の２２Ｃは、それぞれ受光部１２の上方をできるだけ横切らないように、受光部１２上方では、縦方向および横方向に所定の間隔ａ、ｂ、ｃを空けて配置されている。すなわち、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、画素内に多層配線が形成された増幅型固体撮像装置（ＭＯＳイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ）である。

また、最上層の配線２２Ｃ上に設けられた絶縁膜２０の上には層内レンズ（第１のレンズ）２４が設けられている。そして、層内レンズ２４および最上層の絶縁膜２０の上方にはカラーフィルタを含む絶縁膜２６が形成されており、絶縁膜２６の上にはトップレンズ（第２のレンズ）２８が形成されている。トップレンズ２８上には透明膜３０が設けられている。

層内レンズ２４は、絶縁膜２０の平坦面上に形成され、高屈折率材であるシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等で構成される。この層内レンズ２４の上面は凸型であり、層内レンズ２４上にはシリコン酸化膜等で構成された絶縁性の平坦化膜（図示せず）が設けられる。カラーフィルタを含む絶縁膜２６は、この平坦化膜上に設けられる。

トップレンズ２８は、透明な高分子樹脂等の有機材料で構成され、凸状の上面を有している。ここで、本実施形態に係る固体撮像装置の特徴の１つは、トップレンズ２８上に、レンズよりも低屈折率である透明膜（絶縁膜）３０が設けられたことにより、トップレンズ２８の屈折率を実効的に小さくしていることにある。後に詳述するが、これにより、トップレンズ２８の中心厚が例えば０．５μｍ以上であっても、トップレンズ２８の実効的な屈折率をトップレンズ２８の中心厚が０．５μｍ未満である場合と同等にすることができる。

また、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８と層内レンズ２４により集められる光の焦点位置が、半導体基板１０の上面よりも上方に位置している。ここで、本願明細書中で単に「焦点位置」というときは、平行光がトップレンズ２８に入射した場合の焦点位置を意味する。なお、拡散光の焦点位置は半導体基板１０の上面より上であってもよいが、拡散光の焦点位置が上面位置以下の高さにある場合、光が半導体基板１０の内部を通過して隣接画素の受光部１２に漏れるのを抑えることができるので好ましい。

ここで、配線２２Ａの受光部１２上方の開口幅ａ、配線２２Ｂの受光部１２上方の開口幅ｂ、配線２２Ｃの受光部１２上方の開口幅ｃを比較すると、ｂ＜ａ＜ｃの関係になる。

従って、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、入射光の焦点位置を半導体基板１０の上面よりも上方にすることにより、配線２２Ａが設けられた第１配線層と配線２２Ｂが設けられた第２の配線層との間での入射光の広がりを小さくすることができ、配線による光の反射や散乱による集光率の低下を抑制し、集光率を向上させることができる。

なお、入射光の焦点位置は、第１の配線層と第２の配線層との間、言い換えれば配線２２Ａの下面以上で且つ配線２２Ｂの上面以下の高さ範囲にあることが好ましい。ただし、平面的に見た場合に、入射光の焦点位置が受光部１２上方の開口部内にある必要がある。

光の広がりは焦点位置で最も小さくなる。よって、焦点位置の上下付近にて光の広がりは小さくなるため、配線の開口幅が最も小さくなる付近を焦点位置とすることにより、受光部１２への集光率を最大にすることができる。

なお、通常、第１層の配線２２Ａの受光部１２上の開口幅ａ、第２層の配線２２Ｂの受光部１２上の開口幅ｂ、第３層の配線２２Ｃの受光部１２上の開口幅ｃを比較すると、ｂ＜ａ＜ｃの関係になる。そこで、第３層の配線２２Ｃよりも、第１層の配線２２Ａ付近にて、広がりを小さくする方が、配線層での光の反射や散乱による集光率の低下を抑制できる。

なお、本実施形態のＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８の中心部を通る縦方向の断面は、水平方向（図１の左右方向）、垂直方向（図１の手前から奥に向かう方向）、対角方向など、いずれの方向においてもほぼ同一の形状を有している。すなわち、トップレンズ２８の上面の曲率はどの方向から見ても同一になっている。

なお、図１で示されたＭＯＳイメージセンサにおいて、トップレンズ２８上に設けられた透明膜３０の上面は平面形状であるが、図２に示すように透明膜３０の上面が上に凸な曲面形状であってもよい。この場合は、透明膜３０にレンズとしての機能を持たせることができる。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のＭＯＳイメージセンサの画素において、各層の配線パターンを示す平面図である。

図３（ａ）に示すように、第１層の配線２２Ａは、例えば、受光部１２の一部を水平方向（図３（ａ）での横方向）に横切る配線２２Ａ−１と、局所的に形成される配線２２Ａ−２、２２Ａ−３、２２Ａ−４から構成される。また、配線２２Ａ−１は、転送ゲートに電源電圧を供給するための配線であり、コンタクト（図示せず）を介して転送ゲートに接続される。

また、配線２２Ａ−２は半導体基板１０上のＦＤの電位を読み出すための配線であり、コンタクトを介して第２層の配線２２Ｂ−１に接続する。配線２２Ａ−３は半導体基板１０上の増幅トランジスタ、リセットトランジスタに電源を供給するための配線であり、コンタクトを介して第２層の配線２２Ｂ−２に接続する。

また、図３（ｂ）に示すように、第２層の配線は、受光部１２の一部を垂直方向（図３（ｂ）での縦方向）に横切る配線２２Ｂ−１、２２Ｂ−２と、局所的に形成される配線２２Ｂ−３とから構成される。配線２２Ｂ−１は、ＦＤの電位を読み出すための配線であり、配線２２Ｂ−２は、半導体基板１０上の増幅トランジスタ、リセットトランジスタに電源電圧を供給する役割を持つ。

さらに、第３層の配線２２Ｃと配線２２Ａ−４は、配線２２Ｂ−３およびコンタクトを介して電気的に接続され、ＦＤの電位を、増幅トランジスタのゲート電極に印加する役割を持つ。

以上説明したように、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、第３層の配線２２Ｃは配線数が少なく、その開口幅ｃは第１層の配線幅ａ，第２層の配線幅ｂに比べて、極めて大きい。また、第２層の開口幅ａと第２層の開口幅ｂを比べると、通常、第２層の開口幅ｂの方が小さくなっている。

開口幅ａ＞開口幅ｂとなるのは、通常の半導体製造工程では、配線を形成するたびに絶縁膜で配線を埋め込んで平坦化を行うので、上層になるほど平坦化後の絶縁膜表面のばらつきが大きくなり、配線の微細化が困難になるためである。つまり、第２層の最小配線幅より、第１層の最小配線幅が小さくなるために、第１層の開口幅ａは第２層の開口幅ｂよりも大きくすることができる。画素サイズが例えば１辺１．７５μｍであれば、ａ＝１．２μｍ、ｂ＝０．９μｍ、ｃ＝１．５μｍ程度である。

つまり、受光部１２への入射光量を確保するためには、第１層の配線２２Ａと第２層の配線２２Ｂとで光が反射または散乱されないように、層内レンズ２４とトップレンズ２８の形状を制御することが重要である。この場合、レンズ形状としては、トップレンズ２８と層内レンズ２４により集光される光の焦点位置が、半導体基板１０よりも上部に位置するように、レンズ曲率を設計することが重要である。特に、第１の配線層と第２の配線層の間で入射光の広がりが小さくなるように、光の焦点を第１の配線層と第２の配線層の間に位置させることが必要である。

また、ＭＯＳイメージセンサでは、撮像領域内にＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサにはない配線層と層間絶縁膜からなる多層配線が形成されているため、半導体基板１０の上面と層内レンズ２４との距離ｈ１と半導体基板１０の上面とトップレンズ２８との距離ｈ２が、ＣＣＤイメージセンサに比べると極めて大きくなっている。本実施形態のＭＯＳイメージセンサでは、例えばｈ１＝３．５μｍ、ｈ２＝４．５μｍ程度である。これに対し、ＣＣＤイメージセンサでは、ｈ１＝２．５μｍ、ｈ２＝３．５μｍ程度である。このため、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８と層内レンズ２４の曲率がＣＣＤイメージセンサにおけるよりも小さくなっている。

この理由は、レンズ表面の曲率が大きい場合、集光位置が基板上面よりもはるかに高い位置にくることになり、基板上面では入射光の広がりが大きくなって、受光部１２へ十分に集光することができないためである。

なお、通常、ＣＣＤイメージセンサでは、セルサイズが１．７５μｍ（１辺）の場合には、層内レンズの中心厚は０．７μｍ程度、トップレンズの中心厚は０．５μｍ程度である。ここで、ＣＣＤイメージセンサでは、トップレンズ上部に絶縁膜などは形成せず、空気が（屈折率＝１）が存在する。

このレンズ厚さをそのままＭＯＳイメージセンサに適用する場合、焦点位置が基板上面よりもはるかに高い位置となり、十分な集光率が得られない。そのため、ＭＯＳイメージセンサでは、層内レンズの中心厚は０．３μｍ程度、トップレンズの中心厚は０．２μｍ程度とする必要がある。 しかしながら、このように中心厚の薄いトップレンズを設計通りの形状にすることは以下で説明するように困難である。

また、トップレンズ２８は、一般的には、熱フロー法で形成され、その具体的なプロセスは、トップレンズとなるフォトレジストを形成し、受光部１２に対応する形状のマスク部が形成されるようにパターニングし、このフォトレジストを所定の温度でリフローさせて、マスク部の表面を凸状に湾曲させて形成する、というものである。このプロセスにより、図６（ｄ）に示すような、凸状に湾曲した上面を持つトップレンズ２８が形成されることになる。

ところが、このプロセス（熱フロー法）では、通常、レンズ厚さが０．５μｍ未満のようにレンズ高さを低くする形状を、なだらかで、均一性良く実現することは極めて困難である。図１７（ａ）のように、レンズ厚さがある一定よりも厚い場合（例えば、レンズ厚さが０．５μｍ以上）であれば、レンズを溶解して、レンズ形状をなまらせることにより、レンズの上面全体が曲面（曲率）をもった形状となる。しかし、図１７（ｂ）のように、レンズ厚さが０．５μｍよりも薄い時には、レンズの両端の近傍のみが曲率を持つ形状となり、レンズの中心付近では曲率を持たず、直線的な構造となる。

これに対し、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８の上に、レンズよりも低屈折率で透明な透明膜３０が塗布、形成されている。これにより、トップレンズ２８の屈折率を実効的に小さくしているため、トップレンズ２８の厚みを所定値以上としつつ、入射光の焦点位置を第１配線層と第２配線層との間に設定することができる。

例えば、トップレンズ２８の形成に用いたフォトレジストの屈折率が１．５の場合、透明膜３０の屈折率＝１．２程度であれば、トップレンズの中心厚を０．７μｍ以上且つ１．０μｍ以下とすればよく、なだらかで、均一性の良いレンズ形状を形成することが可能となる。なお、イメージセンサの上面に接着剤を介してガラス基板（透明部材）を接着させる場合には、透明膜３０の屈折率を１．４以上且つ１．５未満とし、接着剤とガラス基板の屈折率を透明膜３０の屈折率と同等にすることが入射光の反射を低減する上で好ましい。

以上のように、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８の中心厚を層内レンズ２４の中心厚よりも厚くして、なおかつ、トップレンズ２８上にトップレンズ２８よりも低屈折率である透明膜３０を塗布することで、焦点位置を第１の配線層と第２の配線層の間とすることができる。さらに、トップレンズ２８の形状ばらつきを防ぐことができ、高い感度特性を有し、且つ感度ばらつきが抑えられたＭＯＳイメージセンサを得ることができる。

すなわち、本発明は、ＣＣＤイメージセンサではなくＭＯＳイメージセンサ（増幅型固体撮像装置、ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用されることが特徴であり、これにより優れた画像特性を得ることができる。

なお、透明膜３０の材料としては、フッ化樹脂などの低屈折率膜を用いることができる。

その理由は、フッ化樹脂は、他の樹脂（例えば、アクリル樹脂など）に比べて、光に対する劣化が起きにくく（膜の強度が強く）、耐熱性にも優れ、また、光の波長に対する透過率の依存性も極めて小さいためである。

なお、トップレンズ２８よりも低い屈折率を有していれば、フッ化樹脂以外の透明性材料で透明膜３０を構成してもよく、例えば、ＳＯＧ（Spin on Glass）膜などの酸化膜を用いることができる。

以上説明したように、近年、イメージセンサの微細化が進み、画素単位のアスペクト比（フォトダイオードの開口面積Ｓと深さＤの比Ｄ／Ｓ）が増大したため、上述の撮像領域、特に撮像領域の周縁部に入射する光の斜め成分が増大する。また、上述のように、ＭＯＳセンサではゲート電極の上に多層配配線が形成されているため、センサに入射した光が受光部に到達するまでの距離が一般的にはＣＣＤセンサよりも長くなる。

従って、ＭＯＳセンサにおける層内レンズおよびトップレンズの設計はＣＣＤデバイスより複雑である。すなわち、ＭＯＳセンサでは、ＣＣＤデバイスよりも、さらなるレンズ設計の最適化の検討が必要である。そのため、本願発明者らが、層内レンズとトップレンズとの厚さの検討を行ったところ、トップレンズ上に透明層を設けない構造では、理論上、トップレンズの厚さが層内レンズの厚さに比べて薄い方が受光部に入射する光量を増やすことができる場合が多いことが分かった。

しかしながら、上述のように、一般的な構成のＭＯＳイメージセンサでは、例えば、熱フロー法を用いてトップレンズを作製する場合のように、トップレンズの厚さを所定値以下にすることは実際には困難であった。これに対し、本実施形態のＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８の上に低屈折率の透明な透明膜３０が形成されていることにより、トップレンズ２８の厚さを層内レンズ２４の厚さより薄くした場合と同様の優れた光学特性を得ることができる。このため、本実施形態のＭＯＳイメージセンサでは、感度が向上している上にカメラレンズのＦ値の変化（Ｆ値依存性）に対しても感度の低下を最小限に抑えることができる。

なお、トップレンズ２８の構成材料としてはフォトレジスト以外の透明な有機材料を用いてもよい。ただし、比較的低温で凸状曲面の形成が可能で、ＭＯＳイメージセンサの注入層などへの影響を無視できる等の理由から、フォトレジストを用いるのが最も好ましい。

また、層内レンズ２４の構成材料は窒化シリコンに限られることはなく、酸窒化シリコン、酸化シリコンなど他の無機材料であってもよいし、フッ素樹脂やアクリル樹脂などの有機材料であってもよい。

次に、図４および図５を用いて、本実施形態に係るＭＯＳイメージセンサにおける、いわゆるシュリンク構造について説明する。

図４は、第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサを撮像装置に搭載した場合の入射光について説明するための図であり、図５（ａ）は、第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサにおいて、撮像領域の中心部に設けられた画素での入射光を示す図であり、（ｂ）は、撮像領域の周辺部に配置された画素での入射光を示す図である。

理解を容易にするために、図１およびその説明では触れなかったが、本実施形態のＭＯＳイメージセンサにおいて、図５（ｂ）に示すように、撮像領域の周辺部に配置された画素では、受光部１２の位置を基準としたトップレンズ２８、層内レンズ２４、配線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの位置を撮像領域の中心側あるいは周辺側にずらすことが好ましい。この理由について以下で説明する。

図４に示すように、撮像領域の中央部に位置する画素には垂直（角度０°）の光が主に入射するが、撮像領域の周辺部に位置する画素には斜め光（角度２５°程度）が主に入射する。すなわち、ＭＯＳイメージセンサに入射する光のうち斜め成分の占める割合は、撮像領域（画素アレイ）の中心から周辺部に向かうにつれ増大する。そのため、撮像領域の周辺領域に位置する画素では、トップレンズ２８、層内レンズ２４、配線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの位置を撮像領域の中心方向、あるいは周辺方向に適宜ずらすことにより、斜め光が配線等に遮られにくくなり、受光部１２に届く光量が減少するのを防ぎ、集光率を高めることができる。なお、必ずしもトップレンズ２８、層内レンズ２４、配線のすべてがずれていてもよいが、必要に応じて、いずれか１つ以上の部材の位置がずれていればよい。

−ＭＯＳイメージセンサ（固体撮像装置）の製造方法−
図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。

まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板１０の上部にイオン注入法などの公知の方法によりフォトダイオード等の受光部１２を形成した後、半導体基板１０上に複数層または単数層の膜からなる絶縁膜（層間絶縁膜）２０Ａと、ＡｌやＣｕなどを用いて配線２２Ａを形成する。続いて、高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰ−ＣＶＤ）または低温でのプラズマＣＶＤ法によってテトラエトキシシラン層（Ｐ−ＴＥＯＳ）等で構成された絶縁膜２０を堆積する。この絶縁膜２０の屈折率は約１．４５である。その後、ＣＭＰ法により絶縁膜２０の上面を平坦化する。また、配線の形成、絶縁膜２０の形成およびその平坦化の工程を繰り返すことにより、画素内に多層配線が形成される。

次に、図６（ｂ）に示すように、多層配線層のうち最上層の絶縁膜２０の上に、ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜４４Ａを形成する。このシリコン窒化膜４４Ａの屈折率は１．９から２．０程度である。続いて、シリコン窒化膜４４Ａ上にフォトレジストを形成し、受光部１２に対応する位置にマスク部が形成されるようにフォトレジストをパターニングする。そして、このフォトレジストを所定の温度でリフローさせて、マスク部の上面を凸状曲面に形成する。このプロセスにより、凸状曲面を有するフォトレジスト３１Ｂが形成される。

次に、図６（ｃ）に示すように、凸状曲面を有するフォトレジスト３１Ｂと共に、シリコン窒化膜４４Ａをエッチングすることにより、シリコン窒化膜４４Ａにフォトレジスト３１Ｂの上面形状を転写し、シリコン窒化膜４４Ａを母材とする層内レンズ２４を形成する。ここでは、層内レンズ２４の中心厚は例えば３５０ｎｍ程度である。

次に、図６（ｄ）に示すように、層内レンズ２４上に絶縁性の平坦化膜４４Ｂを形成する。この平坦化膜４４Ｂの材料としては、例えば屈折率１．５程度のシリコン酸化物等を用いてもよいし、屈折率１．５程度のアクリル系の熱硬化樹脂等を用いてもよい。なお、層内レンズ２４の凸状の上面と平坦化膜４４Ｂとの界面では、両層の屈折率の相対的な関係より、光が屈折する。

さらに、平坦化膜４４Ｂの上にカラーフィルタ５０、トップレンズ２８、透明膜３０を順次形成する。具体的には、トップレンズ２８となるフォトレジストを形成し、受光部１２に対応する位置にマスク部が形成されるようにフォトレジストをパターニングする。そして、このマスク部を所定の温度でリフローさせて、マスク部の上面を凸状曲面にしてトップレンズ２８を形成する。なお、トップレンズ２８の材料として用いたフォトレジストの屈折率は、例えば１．６程度である。続いて、トップレンズ２８の上に、例えば、フッ化樹脂などの低屈折率材料（トップレンズ２８を形成するためのフォトレジストの屈折率よりも低い屈折率である材料）からなる透明膜３０をスピンコート法等により形成する。なお、この低屈折率材料の屈折率は例えば、１．４である。なお、透明膜３０の屈折率が１．４程度である場合、トップレンズ２８の厚さは０．５μｍ以上１．０μｍ以下とすればよく、なだらかで均一性の良いレンズ形状を形成することが可能である。また、透明膜３０の屈折率が１．５程度であればトップレンズ２８の厚さは０．７μｍ以上且つ１．０μｍ以下とすることができる。

図７（ａ）、（ｂ）は、封止用のガラス基板（透明部材）を備えた場合の本実施形態のＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。図７（ｂ）に示すように、透明膜３０の上に、透明膜３０よりもさらに低い屈折率を有する物質４２（気体等）をさらに配置してもよいし、図７（ａ）に示すように、封止用のガラス基板４０を接着させるための透明な接着剤４１などを配置してもよい。ただし、後述のように、接着剤４１を用いる方が集光効率が向上するのでより好ましい。なお、以下の説明で「固体撮像素子」とは、便宜的に、ＭＯＳイメージセンサ（固体撮像装置）のうち、ガラス基板４０や気体である物質４２を除く部分を指すものとする。

通常、イメージセンサなどの固体撮像素子は保護パッケージに封止されるが、その場合、固体撮像装置の受光部側には、入射光が透過するようにガラス基板を配置することが一般的である。そして、図７（ｂ）に示すように、ガラス基板４０と固体撮像素子の上面との間にはスペースを形成する。この場合、入射光は、ガラス基板４０の上面、ガラス基板４０の底面、固体撮像素子の上面の３つの界面で反射される。通常、１回あたりの反射で５％程度の光が反射される。その分、受光部１２に入射する光量は元の入射光の８０％程度に減少する。

一方、ガラス基板４０と固体撮像素子上面との間に接着剤４１を配置する場合には、ガラス基板４０の底面、固体撮像素子の上面での２つを大幅に低減することが可能である。

ただし、ガラス基板４０、接着剤４１、および低屈折率の透明膜３０の屈折率をほぼ同程度にすることが、より好ましい。この場合、受光部１２に入射する光量を元の入射光量の９５％程度とすることが可能となり、接着剤４１を配置しない場合に比べて撮像領域に入射する光量を増加させることができる。具体的には、低屈折率の透明膜３０の屈折率を１．４以上且つ１．５未満とし、ガラス基板４０、接着剤４１の屈折率も透明膜３０とほぼ同等に、１．４以上且つ１．５未満にすることがより望ましい。

すなわち、本発明では、図８（ａ）に示すように、透明膜３０の上面が平面形状である場合は、透明膜３０の上に接着剤４１を形成し、その上にガラス基板４０を形成することができる。なお、図８（ａ）に示す構成には、透明膜３０と接着剤４１の材料選定を容易にすることができるという長所がある。

また、図８（ｂ）に示すように、透明膜３０が接着剤の機能を備えている場合は、透明膜３０の上にガラス基板４０を形成することができる。なお、図８（ｂ）に示す構成をとる場合は、透明膜３０およびガラス基板４０における界面での光反射量を低減させ受光部へ到達させる光量を増やすことができ、また、製造工程が短縮できるなどの長所がある。

さらに、本発明のＭＯＳイメージセンサにおいて、図９に示すように、透明膜３０の上面が曲面形状である場合は、図８（ａ）に示すＭＯＳイメージセンサと同様に透明膜３０の上に接着剤４１を形成し、その上にガラス基板４０を形成することができる。なお、図９に示す構成には、透明膜３０と接着剤４１の材料選定を容易にすることができるという長所がある。

−第１の実施形態の変形例−
次に、図１０、図１１を用いて、第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置（ＭＯＳイメージセンサ）の詳細について説明する。

図１０（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態の変形例に係るＭＯＳイメージセンサの画素の一部において、それぞれ水平方向および対角方向での縦断面を示す図であり、図１１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第１の実施形態の変形例に係るＭＯＳイメージセンサの画素の一部において、それぞれ第１層の配線パターン、第２層の配線パターン、および第３層の配線パターンを示す平面図である。ここで、「対角方向」とは、原則として、撮像領域の平面形状が四辺形である場合に、当該四辺形の対角線の方向を意味するものとする。

図１に示す第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサでは、いずれの方向で切った縦断面においてもトップレンズ２８および層内レンズ２４により集められる光の焦点位置は
基板上方の一点である。これに対し、本変形例に係るＭＯＳイメージセンサでは、トップレンズ２８の光軸方向に入射する光について、トップレンズ２８の水平方向断面および垂直方向断面を通る光の焦点よりもトップレンズ２８の対角方向断面を通る光の焦点の方が半導体基板１０の上面から上方に離れた位置にある。図１０（ａ）、（ｂ）に示す例では、トップレンズ２８の水平方向断面を通る光の焦点位置は半導体基板１０（受光部１２）の上面付近であり、トップレンズ２８の対角方向断面を通る光の焦点位置は受光部の上方で且つ第１の配線層と第２の配線層の間となっている。

また、水平方向の縦断面において、トップレンズ２８は隣接するトップレンズ２８と接触あるいは接続され、対角方向の縦断面において、トップレンズ２８は隣接するトップレンズ２８との間に間隔が空けられている。なお、トップレンズ２８を、隣接するレンズと接触あるいは接続するように配置すると、隣接するレンズと接触あるいは接続しない場合に比べて、当該方向におけるレンズの曲率が低下する。

さらに、図１１（ａ）に示すように、第１層の配線２２Ａの水平方向における受光部１２上の開口幅ａは、第１層の配線２２Ａの対角方向の開口幅ｄよりも大きくなっており、第２層の配線２２Ｂの水平方向の開口幅ｂは、第２層の配線２２Ｂの対角方向の開口幅ｅよりも大きくなっている。

このため、本実施形態のＭＯＳイメージセンサでは、他の方向に比べて開口幅の小さい対角方向の縦断面において、入射光の焦点が第１配線層と第２配線層との間にくるように設定されているので、配線の開口幅が狭い方向においても集光率を高めることができる。これに対し、水平方向の縦断面においては入射光の焦点が水平方向の縦断面におけるよりも半導体基板１０の上面に近くなっている。水平方向の縦断面においては配線層内での入射光の広がり幅は広がるが、配線幅が広くなっているため、配線により光の反射および散乱が小さく抑えられ、集光率の低下は生じない。

なお、図１０、図１１に示した例に限らず、配線の開口幅が狭くなっている方向での縦断面における入射光の焦点を、他の方向での縦断面における入射光の焦点よりも半導体基板１０の上面に近い位置に設定しておけば、本実施形態のＭＯＳイメージセンサと同様の効果を得ることができる。

次に、図１２、図１３を用いて、本変形例に係るＭＯＳイメージセンサのトップレンズ形状の詳細について説明する。図１２（ａ）は、ＭＯＳイメージセンサにおいて、いずれの方向にも間隔を空けて配置されたトップレンズを模式的に示す平面図および断面図であり、（ｂ）は、少なくとも水平方向で隣接するレンズ同士で接続されたトップレンズを模式的に示す平面図および断面図である。

ここで、図１２（ｂ）に示す例では、トップレンズ２８について、水平方向のスペースｇ１（≦０）、対角方向のスペースｇ２が図１２（ａ）に示すｇ１（＞０）、ｇ２よりもそれぞれ小さくなっている。図１２（ａ）に示すレンズは第１の実施形態におけるトップレンズ２８に相当し、図１２（ｂ）に示すレンズは第１の実施形態の変形例に係るトップレンズに相当する。

次に、図１３は、ＭＯＳイメージセンサにおいて、トップレンズ間のスペースと集光率の関係を示す図である。なお、実際のスペースｇ１は負にはならないが、隣接するトップレンズ２８同士の重なりの大きさを表すために図１３ではｇ１＜０の領域も図示している。

通常、トップレンズ２８間のスペースに入射する光は、受光部には向かわず、配線などにより散乱を受ける。そこで、トップレンズ２８間のスペースを小さくすることにより、入射光がフォトダイオードに向かうようにすれば、集光率を向上させることができる。一方、水平方向のスペースが存在しない場合、隣接するトップレンズ２８同士が互いに接続するため、レンズ端での曲率が小さくなる。このとき、図１３に示すように、ｇ１が０から負の値になるにつれて対角方向のスペースｇ２が小さくなることによって集光率は上昇するが、ｇ２がある一定値以下となると、集光率は低下する。従って、トップレンズ２８の対角方向のスペースｇ２には最適値が存在し、本願発明者らの検討結果によれば、１．７５μｍセルの場合には、対角方向のスペース幅ｇ２＝０．５μｍ程度が最適値となることが分かった。

図１０、図１１に示す第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置において、トップレンズ２８を形成する際には、水平方向（および垂直方向）に四辺形状のフォトレジスト同士の水平方向の間隔を適宜調節して、熱フロー後のトップレンズ２８同士を水平方向で接触するようにすればよい。

このように、トップレンズ２８を備えたＭＯＳイメージセンサにおいて、トップレンズ２８と層内レンズ２４により集められる入射光の焦点位置を、対角方向断面では第１層の配線２２Ａと第２層の配線２２Ｂとの間として、水平方向断面では焦点位置を対角方向断面での焦点位置より半導体基板１０の上面近くに配置することで、集光率を最大限に高めることができる。

なお、本変形例のＭＯＳイメージセンサでは、水平方向だけでなく垂直方向に隣接するトップレンズ２８同士が接続されていてもよく、その場合はトップレンズ２８上面の曲率は垂直方向と水平方向とでほぼ同じである。しかし、画素においては配線構造や受光部（フォトダイオード）の形状が垂直方向と水平方向とで異なるため、トップレンズ２８の曲率を最適化し、水平方向と垂直方向とで異なる曲率を持たせるようにしてもよい。例えば、受光部の短辺方向では、その長辺方向に比べてトップレンズ２８の曲率を大きくして光を受光部に入射させやすくしてもよい。

なお、トップレンズ２８の水平方向断面を通る光の焦点は、半導体基板１０上面以上且つ最下層の配線層（配線２２Ａの下面）未満の高さ範囲にあることが好ましい。

（第２の実施形態）
図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの画素の一部を示す断面図である。同図では、図１に示す第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサと同じ部材については図１と同一の符号を付している。

図１４に示すように、本実施形態のＭＯＳイメージセンサは、層内レンズ２５の下面が下に凸（凹状）である点が第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサと異なっている。

この場合、半導体基板１０の上面と層内レンズ２５との距離ｈ３は第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサにおける距離ｈ１とほぼ同等であるが、半導体基板１０の上面とトップレンズ２８との距離ｈ４は第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサにおけるｈ２より小さくすることが可能である。

その理由は、層内レンズの上面が凸状である場合は、絶縁膜２０の上に層内レンズ２４を形成するのに対して、層内レンズの下面が下に凸である場合は、絶縁膜２０の内部に層内レンズ２５を形成できるためである。すなわち、本実施形態のＭＯＳイメージセンサでは、層内レンズ２５が絶縁膜２６内に形成されない分、絶縁膜２６を薄くすることができる。例えば、ｈ３＝３μｍ、ｈ４＝４μｍ程度とすることができる。このように、半導体基板１０の上面とトップレンズ２８との距離ｈ２を小さくすることにより、層内レンズの上面を凸状にする場合よりも、入射光を受光部１２に集光させやすくなり、集光率を向上させることができる。

この場合も、層内レンズ２５の厚さ（中心厚）をトップレンズ２８の厚さよりも厚くすることにより、層内レンズ２４の上面が凸状である場合と同等の集光効果が得られる。

また、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、下面が下に凸な層内レンズ２９を、水平方向で隣接するレンズと接続されたトップレンズ２８を有するＭＯＳイメージセンサと組み合わせることにより、さらに効果的に受光部１２に光を集めることが可能となる。ここで、図１５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態のＭＯＳイメージセンサにおいて、それぞれ水平方向および対角方向での縦断面を示す図である。

本発明の固体撮像装置は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及びファクシミリ等の種々の画像入力機器に適用できる。

本発明の第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの画素内の構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの変形例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの画素において、各層の配線パターンを示す平面図である。 第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサを撮像装置に搭載した場合の入射光について説明するための図である。 （ａ）は、第１の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサにおいて、撮像領域の中心部に設けられた画素での入射光を示す図であり、（ｂ）は、撮像領域の周辺部に配置された画素での入射光を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、封止用のガラス基板を備えた場合の第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサを示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサの一例を示す断面図である。 第１の実施形態のＭＯＳイメージセンサの変形例を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態の変形例に係るＭＯＳイメージセンサの画素の一部において、それぞれ水平方向および対角方向での縦断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、第１の実施形態の変形例に係るＭＯＳイメージセンサの画素の一部において、それぞれ第１層の配線パターン、第２層の配線パターン、および第３層の配線パターンを示す平面図である。 （ａ）は、ＭＯＳイメージセンサにおいて、いずれの方向にも間隔を空けて配置されたトップレンズを模式的に示す平面図および断面図であり、（ｂ）は、少なくとも水平方向で隣接するレンズ同士で接続されたトップレンズを模式的に示す平面図および断面図である。 ＭＯＳイメージセンサにおいて、トップレンズ間のスペースと集光率の関係を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサの画素の一部を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２の実施形態に係るＭＯＳイメージセンサにおいて、それぞれ水平方向および対角方向での縦断面を示す図である。 従来の固体撮像装置を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれトップレンズの高さが高い場合と低い場合における当該トップレンズの熱フロー前と熱フロー後の状態を示す図である。

符号の説明

１０ 半導体基板
１２ 受光部
２０、２０Ａ 絶縁膜
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 配線
２４、２５、２９ 層内レンズ
２６ 絶縁膜
３０ 透明膜
２８ トップレンズ
３１Ｂ フォトレジスト
４０ ガラス基板
４１ 接着剤
４２ 物質
４４Ａ シリコン窒化膜
４４Ｂ 平坦化膜
５０ カラーフィルタ

Claims (15)

1. 半導体基板に形成した複数の受光部からなる撮像領域と、
   前記複数の受光部の各々の上方に配置され、金属配線および絶縁膜により形成された多層配線と、
   前記受光部ごとに設けられ、前記多層配線の上に形成した第１のレンズと、
   前記第１のレンズの上方に形成した第２のレンズと、
   前記第２のレンズの上に形成した透明膜と
   を備え、
   前記透明膜の屈折率は前記第２のレンズの屈折率よりも低く、前記第２のレンズの厚さは前記第１のレンズの厚さよりも厚いことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記透明膜の上面は平面形状であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記透明膜の上面は曲面形状であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記透明膜の上に配置された接着剤と、
   前記接着剤の上に形成された透明部材とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
5. 前記透明膜の上に形成された透明部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
6. 前記撮像領域の周辺部に設けられた前記金属配線、前記第１のレンズ、および前記第２のレンズのうち少なくとも１つは、前記受光部の位置を基準として、前記撮像領域の中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
7. 前記第１のレンズの上面は凸状曲面であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
8. 前記第１のレンズの下面は下に凸な曲面であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
9. 前記複数の受光部、前記第１のレンズ、および前記第２のレンズは前記撮像領域内で垂直および水平方向に２次元状に配置され、
   前記第２のレンズ同士は互いに接触していないことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
10. 前記複数の受光部、前記第１のレンズ、および前記第２のレンズは前記撮像領域内で垂直および水平方向に２次元状に配置され、
    水平方向に隣接する前記第２のレンズ同士は互いに接続されており、
    前記第２のレンズの上面について、水平方向における曲率は、対角方向における曲率よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
11. 前記第１のレンズは無機材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
12. 前記第２のレンズは有機材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
13. 半導体基板の上部に受光部を形成する工程（ａ）と、
    前記受光部の上方領域に配置された開口部を形成する金属配線と、前記金属配線埋め込む第１の絶縁膜とをそれぞれ有する一層または複数層の配線層を形成する工程（ｂ）と、
    前記受光部ごとに設けられ、前記配線層の上または上部に配置された第１のレンズを形成する工程（ｃ）と、
    前記配線層および前記第１のレンズの上に透明な第２の絶縁膜を形成する工程（ｄ）と、
    前記受光部ごとに設けられ、前記第２の絶縁膜の上に配置され、上面が凸状曲面である第２のレンズを形成する工程（ｅ）と、
    前記第２のレンズの上に、前記第２のレンズよりも屈折率の低い材料で構成された透明な透明膜を形成する工程（ｆ）と
    を備えている固体撮像装置の製造方法。
14. 前記工程（ｅ）は、
    第２の絶縁膜上にフォトレジストを形成する工程（ｅ１）と、
    リソグラフィ処理を行って、前記フォトレジストで構成され、互いに間隔を空けて配置された四辺形状のパターンを前記受光部ごとに形成する工程（ｅ２）と、
    熱処理を行って、前記パターンを変形させ、前記フォトレジストで構成された前記第２のレンズを形成する工程（ｅ３）とを含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置の製造方法。
15. 前記第２のレンズおよび前記第１のレンズにより集められた入射光の少なくとも一部の焦点は、前記半導体基板の上面より上に位置し、
    前記工程（ｅ）で形成された前記第２のレンズの厚さは０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の固体撮像装置の製造方法。

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