JP2011103349A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光感度の低下を抑えつつ、シェーディング特性を改善することができる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、基板１１の撮像領域内に２次元状に複数個配置された受光部１２と、各受光部１２の両側に隣接するように設けられ、少なくとも一部に受光部１２に面した段差部３５が設けられた転送電極１５と、転送電極１５上を含む基板１１上に設けられ、受光部１２の上方に開口部が形成された遮光膜１７と、遮光膜１７上を含む基板１１上に設けられた層間絶縁膜２０と、層間絶縁膜２０のうち各受光部１２の上方に位置する部分上に設けられ、下に凸な曲面状の下面を有する層内レンズ２５とを備える。段差部３５の形状は、当該段差部３５に面した受光部１２の撮像領域内での位置に応じて異なる。
【選択図】図２

Description

本明細書に記載の技術は、固体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年、デジタルスチールカメラ、デジタルムービー等の撮影装置の小型化、高解像度化、高感度化の進展に伴い、固体撮像装置に対するチップサイズの小型化、多画素化の要望が益々強くなっている。画素サイズの縮小化なしにチップサイズを小型化したのでは、有効画素数が減少し解像度が低下してしまうため、画素サイズの微細化が年々加速している。

しかし、画素サイズを微細化した場合、フォトダイオードに代表される受光部（光電変換素子）の面積が縮小されるため、光感度が低下するという課題が生じる。特に、カメラの小型化によって射出瞳距離が短くなると、固体撮像装置において、撮像領域の中央部と外周部での光の入射強度差が大きくなり、中央部に比較して外周部で生成される光電変換量が小さくなるので、画像ムラの指標となるシェーディング特性が悪化することが知られている。

一般的に、受光部への集光量は光の入射角に依存し、入射角が大きいほど集光量が低下する。受光部に垂直に入射する光については効率良く集光できるが、斜め入射光に対してはマイクロレンズでの集光効率が低下する。その結果、撮像領域中央部と外周部で集光量が不均一となりシェーディング特性が悪化してしまう。

そこで、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）固体撮像装置を、層内レンズの光軸が撮像領域の中央部から外周部に向けて徐々に傾きを持つような構造とすることでシェーディング特性の改善を図る技術が特許文献１に開示、提案されている。

図１０（ａ）は従来の固体撮像装置における撮像領域の中央部を示す断面図であり、（ｂ）は、当該固体撮像装置における撮像領域の外周部を示す断面図である。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、特許文献１に記載された固体撮像装置は、複数の受光部１１２が配置された撮像領域がシリコン基板１１１に設けられている。シリコン基板１１１上にはゲート絶縁膜１１４が設けられ、ゲート絶縁膜１１４上には各受光部１１２に隣接する転送電極１１５が設けられている。また、転送電極１１５上から受光部１１２上に亘って絶縁膜１１６が設けられ、絶縁膜１１６のうち転送電極１１５の側面及び上面を覆う部分上には、受光部１１２上方の位置に開口部を有する遮光膜１１７が設けられている。遮光膜１１７上にはエッチングストッパ膜１１８が設けられており、エッチングストッパ膜１１８上には段差調整膜１１９が設けられている。

また、段差調整膜１１９上から受光部１１２上方に亘って層間絶縁膜１２０が設けられ、層間絶縁膜１２０上には下に凸な下面と上に凸な上面を有する層内レンズ１２５と、平坦化膜１２６と、オンチップカラーフィルタ１２７と、オンチップレンズ１２８が下から順に設けられている。層内レンズ１２５、オンチップカラーフィルタ１２７、及びオンチップレンズ１２８は受光部１１２ごとに設けられている。

層間絶縁膜１２０のうち受光部１１２の上方に位置する部分の上面は曲率を有する窪みを形成しており、層内レンズ１２５の下面はこの窪みに従って曲率を有する下に凸な形状を有している。

この従来の固体撮像装置では、撮像領域の中央部から外周部に向かうに従って、受光部１１２の開口端部から撮像領域の中央部側に隣接する段差調整膜１１９までの距離Ａが、受光部１１２の開口端部から撮像領域の外周部側に隣接する段差調整膜１１９までの距離Ｂに対して拡大されている。このため、撮像領域の中央部から外周部に向かうに従って、層内レンズ１２５の光軸が傾斜してゆく構成となっている。

撮像領域の中央部では、光Ｌ１が図１０（ａ）に示すように受光部１１２に対して垂直に入射する。一方、撮像領域の外周部では、光Ｌ２が図１０（ｂ）に示すように受光部１１２に対して斜めに入射する。そのため、段差調整膜１１９のずらし量（図１０（ｂ）に示す距離Ａと距離Ｂの差）と段差調整膜１１９の膜厚を制御し、撮像領域中央部と外周部での層内レンズ１２５の形状を変えることで光軸に傾斜をもたらし、受光部１１２への光入射強度を増加させている。このように、同一チップ内で層内レンズ１２５の形状を変えることにより、撮像領域内の集光量を均一化させてシェーディングを低減し、感度の向上を図っている。

特開２００２−３５３４２８号公報

上記従来技術では、段差調整膜１１９から受光部１１２の開口部端までの距離と、段差調整膜１１９の膜厚とで層内レンズ１２５の形状をコントロールするため、段差調整膜１１９とエッチングストッパ膜１１８の形成が必要となる。その結果、段差調整膜１１９とエッチングストッパ膜１１８の膜厚分だけ受光部１１２から層内レンズ１２５下面までの距離が長くなり、受光部１１２に到達する光の強度が低下するため、光感度が低下するという不具合が発生する。

本発明は、光感度の低下を抑えつつ、シェーディング特性を改善することができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一例に係る固体撮像装置は、撮像領域が設けられた半導体基板を備えた固体撮像装置であって、前記半導体基板の上部に設けられ、前記撮像領域内に配置された受光部と、前記半導体基板上に、前記受光部に隣接するように設けられ、前記受光部に面した段差部が設けられた転送電極と、前記転送電極上を含む前記半導体基板上に設けられ、前記受光部の上方に開口部が形成された遮光膜と、前記遮光膜上を含む前記半導体基板上に設けられ、前記受光部の上方において下に凸な曲面状の上面を有する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜のうち前記受光部の上方に位置する部分上に設けられ、下に凸な曲面状の下面を有する層内レンズとを備えている。

この構成によれば、転送電極には受光部に面した段差部が設けられているので、段差部を含めた転送電極の形状に沿って層間絶縁膜の上面を受光部上方において下に凸な曲面状にできる。そのため、層間絶縁膜上に形成された層内レンズの下面形状を段差部の形状によって変えることができ、層内レンズの光軸を撮像領域内での受光部の位置に応じて傾けることができ、集光効率を向上させることができる。そのため、従来に比べて撮像領域内で受光部に入射する光量のバラツキを抑えることができ、シェーディングの発生を抑えることができる。さらに、段差調整膜及びエッチングストッパ膜を形成する必要がないため、半導体基板の上面から層内レンズの最下部の位置までの距離を従来の固体撮像装置に比べて小さくすることができ、受光部に到達する光の減衰を抑えることができる。このため、シェーディング特性が改善され、且つ感度の高い固体撮像装置が実現されうる。

また、前記撮像領域には前記受光部が２次元状に複数個配置されており、前記層内レンズは複数個の前記受光部のそれぞれの上方に設けられており、前記段差部の形状は、当該段差部に面した前記受光部の前記撮像領域内での位置に応じて異なっていれば好ましい。

また、前記受光部と前記転送電極とは交互に配置されており、前記撮像領域の中央部において、前記受光部を間に挟んで互いに隣接する前記転送電極のうち前記受光部に面した部分には、前記受光部を挟んで互いに対向し、前記受光部に対して実質的に左右対称な形状を有する前記段差部が形成されており、前記撮像領域の外周部において、前記受光部を間に挟んで互いに隣接する前記転送電極のうち前記受光部に面した部分の形状は、前記受光部に対して左右非対称となっていることが好ましい。なお、「実質的に左右対称」とは、左右対称になっている場合の他、製造上の誤差などにより完全に左右対称とならない場合も含むことを意味している。

前記撮像領域の外周部では、前記受光部の両側に隣接する前記転送電極に、それぞれ前記受光部に面して前記段差部が形成されており、前記撮像領域の外周部において、前記受光部から見て前記撮像領域の中央部方向に隣接する前記転送電極に形成された前記段差部の段差幅は、前記撮像領域の外周部方向に隣接する前記転送電極に形成された前記段差部の段差幅よりも大きくてもよい。

本発明の一例に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の撮像領域に２次元状に配置された複数の受光部を形成する工程と、前記半導体基板上に、前記受光部の各々の両側に隣接し、少なくとも一部に前記受光部に面した段差部が設けられた転送電極を形成する工程と、前記転送電極上を含む前記半導体基板上に設けられ、受光部の上方に開口を有する遮光膜を形成する工程と、前記受光部の上方において下に凸な曲面状の上面を有する層間絶縁膜を前記遮光膜上を含む前記半導体基板上に形成する工程と、前記層間絶縁膜のうち前記受光部の各々の上方に位置する部分上に、下に凸な曲面状の下面を有する層内レンズを形成する工程とを備えている。

この方法によれば、転送電極に段差部を形成することで、例えば段差部の形状を、当該転送電極に隣接する受光部の撮像領域内の位置に応じて変えることにより、層内レンズの下面形状を変え、特に撮像領域の外周部における集光効率を向上させることができる。その上、従来の方法に比べて半導体基板の上面から層内レンズの最下部までの距離を小さくすることができ、入射光の減衰を抑えることができる。そのため、シェーディング特性が改善され、感度の向上が図られた固体撮像装置を実現することが可能となる。

本発明の固体撮像装置によれば、層内レンズ最下部から半導体基板（受光部）の上面までの距離を短くすることができるため、感度低下を防止しながらシェーディング特性を改善することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置において、撮像領域の中央部における転送電極の形状を示す平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）に示すIb-Ib線に沿った固体撮像装置の断面図である。 （ａ）は、実施形態に係る固体撮像装置において、撮像領域の外周部における転送電極の形状を示す平面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）に示すIIb-IIb線に沿った固体撮像装置の断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、段差部が設けられた転送電極を形成する工程を示す断面図である。 実施形態の第１の変形例に係る固体撮像装置の、撮像領域外周部における断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施形態の第１の変形例に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。 実施形態の第２の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。 （ａ）は従来の固体撮像装置における撮像領域の中央部を示す断面図であり、（ｂ）は、当該固体撮像装置における撮像領域の外周部を示す断面図である。

−固体撮像装置の構成−
以下、本発明の固体撮像装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置において、撮像領域の中央部における転送電極の形状を示す平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）に示すIb-Ib線に沿った固体撮像装置の断面図である。また、図２（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像装置において、撮像領域の外周部における転送電極の形状を示す平面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）に示すIIb-IIb線に沿った固体撮像装置の断面図である。図２（ａ）、（ｂ）において、撮像領域の中央部は、図外右下の方向に位置するものとする。セルサイズは例えば１．５μｍ四方とする。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、ＣＣＤ型の固体撮像装置であって、ｐ型シリコン等からなり、複数の受光部１２が例えばマトリックス状（行列状）等の２次元状に配置されてなる撮像領域が形成された半導体基板１１を備えている。各受光部１２は例えばフォトダイオードであり、半導体基板１１の上部に形成されたｎ型層で構成されている。受光部１２では、半導体基板１１との間にｐｎ接合が形成され、入射光が光電変換され、一定時間電荷が蓄積される。

また、撮像領域において、半導体基板１１の上部には、電荷転送方向（列方向；垂直方向）と交差する方向（行方向；図１（ａ）に示す水平方向）において受光部１２と交互に配置されたｎ型の電荷転送部１３が形成されている。半導体基板１１上にはシリコン酸化物等で構成されたゲート絶縁膜１４が形成され、半導体基板１１のうち電荷転送部１３上にはゲート絶縁膜１４を間に挟んでポリシリコン等からなる転送電極１５が形成されている。

１つの転送電極１５とこれに列方向に隣接する別の転送電極１５とは互いに所定の間隔を空けて配置されており、列方向に配置された複数の転送電極１５は、列ごとに電荷を転送する垂直ＣＣＤを構成する。また、複数の転送電極１５は、行ごとに一体的に形成されている。従って、１つの転送電極１５とこれに列方向に隣接する別の転送電極１５とが、対応する行の各受光部１２を囲むような平面形状を有している。１つの受光部１２から見た場合、少なくとも電荷転送方向に交差する方向（図１（ｂ）の例では水平方向）の両側に転送電極１５が配置されることになる。転送電極１５の従来と異なる具体的な形状については後述する。

また、固体撮像装置は、転送電極１５及びゲート絶縁膜１４上に形成された絶縁膜１６と、絶縁膜１６上に設けられ、受光部１２の上方に開口が形成された遮光膜１７と、遮光膜１７上及び絶縁膜１６上に形成された層間絶縁膜２０と、層間絶縁膜２０上に設けられ、各受光部１２の上方に位置する層内レンズ２５と、層内レンズ２５上に形成された平坦化膜２６と、平坦化膜２６上に形成され、各受光部１２の上方に配置されたカラーフィルタ２７と、カラーフィルタ２７上に形成され、各受光部１２の上方に配置されたオンチップレンズ２８とをさらに備えている。遮光膜１７は絶縁膜１６を挟んで転送電極１５を被覆し、タングステンなどの金属で構成されている。

層間絶縁膜２０の上面には受光部１２の上方において、転送電極１５の形状を反映した下に凸な曲面状の窪みが形成されている。層間絶縁膜２０上に形成された層内レンズ２５は、光透過性が高い窒化シリコン膜などで構成され、層間絶縁膜２０の窪み形状を反映した下に凸な曲面を下面として有している。

層内レンズ２５は一体的に形成されたものであってもよいが、下に凸な曲面を下面として有する下部レンズ２１ａと、下部レンズ２１ａの上面上に配置され、上に凸な曲面を上面として有する上部レンズ２３ａとで構成されていてもよい。層内レンズ２５は、オンチップレンズ２８を通過した入射光Ｌ３、Ｌ４を受光部１２に集めることで感度を向上させる（図１（ｂ）、図２（ｂ）参照）。

層内レンズ２５を被覆する平坦化膜２６は、例えば酸化シリコンなどで構成されている。平坦化膜２６上のカラーフィルタ２７は受光部１２ごとに設けられ、原色系の場合、赤、青、緑のいずれかの色を帯びている。平坦化膜２６上のオンチップレンズ２８は、ネガ型感光樹脂などの光透過材料で構成されている。

本実施形態の固体撮像装置では、図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、各転送電極１５の少なくとも一部に、受光部１２に面した段差部３５が設けられている点が従来の固体撮像装置と異なっている。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像領域の中央部では、受光部１２を挟んで互いに隣接する転送電極１５において、電荷転送方向に平行に延びる受光部１２の中心線を軸としてほぼ線対称な形状の断面を有する２段の段差が形成されている。

図１（ｂ）に示す断面において転送電極１５は、例えば幅（水平方向の幅）５００ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度の長方形の下段部１５ｂ上に、幅２５０ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度の長方形の上段部１５ａが、各々の長辺の中心を揃えて積層されたような２段の段差形状を有している。つまり、受光部１２の両側に位置する転送電極１５は、共に段差幅１２５ｎｍ、段差高さ１００ｎｍの段差部３５を有していることとなる。このため、層内レンズ２５の光軸は受光部１２の受光面に対してほぼ垂直になっており、層内レンズ２５の上面及び下面は、受光部１２に対してほぼ左右対称となっている、言い換えれば、層内レンズ２５の上面及び下面は、電荷転送方向に平行に延びる受光部１２の中心線を通る面を対称面としてほぼ左右対称の曲率を有し、ほぼ面対称の形状を有している。

また、図１（ａ）から分かるように、受光部１２を挟んで電荷転送方向に互いに隣接する転送電極１５にも、互いに形状がほぼ等しい段差部３５が設けられている。このため、層内レンズ２５の上面及び下面は、受光部１２に対して左右対称、すなわち水平方向に平行に延びる受光部１２の中心線を通る面を対称面としてほぼ面対称な形状となっている。

一方、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像領域の外周部では、転送電極１５のうち受光部１２を挟んで互いに隣接する部分の断面形状が、電荷転送方向に平行な方向に延びる受光部１２の中心線を軸として非対称となっている。

図２（ｂ）に示す断面において転送電極１５は、例えば幅（水平方向の幅）５００ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度の長方形の下段部１５ｂの上に、幅２５０ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度の長方形の上段部１５ａが積層された形状をしている。

つまり、受光部１２から見て撮像領域の外周部側（図２（ｂ）に示す左側）に位置する転送電極１５では、下段部１５ｂの受光部１２に面した端部と上段部１５ａの受光部１２に面した端部の位置を一致させた形状となっており、当該受光部１２から見て撮像領域の中央部側（図２（ｂ）に示す右側）に位置する転送電極１５では、段差幅２５０ｎｍ、段差高さ１００ｎｍの段差部３５が受光部１２に面して形成されている。言い換えると、受光部１２の水平方向の一方に隣接する転送電極１５については、撮像領域の外周部側では段差部３５が形成され、撮像領域の中央部側では段差部３５が形成されていない。

ただし、下段部１５ｂの受光部１２に面した端部と上段部１５ａの受光部１２に面した端部の位置は必ずしも一致しなくてもよく、撮像領域内での位置に応じて、受光部１２から見て撮像領域の中央部側に隣接する段差部３５の段差幅が撮像領域の外周部側に隣接する段差部３５の段差幅よりも大きければよい。

以上の構成により、撮像領域の中央部では、受光部１２を間に挟んで対向する転送電極１５に形成された段差部３５の形状に合わせて層間絶縁膜２０の上面に、受光部１２の中心を通る面に対して左右対称の形状（曲率）を有する窪みが形成される（図１（ｂ））。そして、撮像領域の中央部では層内レンズ２５の光軸は基板面（受光面）に対してほぼ垂直になっている。このため、図１（ｂ）に示す受光面に垂直に入射する入射光Ｌ３を効率良く受光することができる。

これに対して撮像領域の外周部では、受光部１２を間に挟んで対向する転送電極１５に形成された段差部３５の形状に合わせて層間絶縁膜２０の上面に、受光部１２の中心を通る面に対して左右非対称な形状（曲率）を有する窪みが形成される。撮像領域内の受光部１２の位置に合わせて所望の傾きの光軸を有する層内レンズ２５を形成することができる。このため、入射光Ｌ４の方向に適宜層内レンズ２５の光軸を傾けることができ、撮像領域の外周部でも効果的に受光することができる。

従って、転送電極１５に２段の階段形状を有する段差部３５を形成し、撮像領域内での位置に応じて層内レンズ２５の光軸を傾けるように段差部３５の段差幅を変化させて、層内レンズ２５の曲率を変化させることにより、撮像領域内の各受光部への集光量を均一化すること、固体撮像装置の感度を大幅に向上させることができる。例えば、撮像領域の中央部から外周部に向かうに従い、段階的に層内レンズ２５の光軸の傾斜が大きくなるように受光部１２を挟んで対向する段差部３５の幅の差を調節することが好ましい。この場合、撮像領域内で受光部１２への集光量を均一化することができる。

さらに、本実施形態の固体撮像装置では、転送電極１５に段差を形成することで、層内レンズ２５の最下部と半導体基板１１（受光部１２）との距離を、段差調整膜１１９とエッチングストッパ膜１１８を設ける従来の固体撮像装置（図１０（ａ）、（ｂ））に比べて短くすることができ、入射光の減衰を抑えることができる。これらの効果については後述する。

−固体撮像装置の製造方法−
本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図３（ａ）〜（ｅ）、図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｅ）、図４（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、撮像領域の外周部を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、イオン注入等の公知の方法により、シリコン等からなる半導体基板１１の上部にｎ型不純物を含む受光部１２や電荷転送部１３等を形成する。次に、半導体基板１１上に熱酸化法、またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、酸化シリコンなどの絶縁体を厚さ５０ｎｍ程度に堆積させ、ゲート絶縁膜１４を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法等を用いてゲート絶縁膜１４上に、導電性の不純物を含み、ポリシリコン等からなる厚さ２００ｎｍ程度の導電性膜１５ｘを形成する。次いで、後に転送電極１５の段差部３５となる部分を形成するために、一般的なリソグラフィプロセスにより、例えばライン６２５ｎｍ、スペース３７５ｎｍのレジストパターン２９ａを導電性膜１５ｘ上に形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、レジストパターン２９ａをマスクとしてドライエッチングを行い、導電性膜１５ｘを膜厚１００ｎｍ程度残した状態でライン６２５ｎｍ、スペース３７５ｎｍのパターンを形成する。これにより、凹状の段差部形成領域３０により区画された上段部１５ａが形成される。ここで、レジストパターン２９ａのライン及びスペースの寸法はエッチングにおけるレジストシフト量に応じて適宜変更可能である。なお、段差部３５の形成位置は上述のように撮像領域の中央部から外周部に向かって変化するので、本工程で用いるレジストパターン２９ａのラインとスペースの寸法は適宜変更してもよい。また、本工程では、エッチング量の制御により導電性膜１５ｘの段差部形成領域３０での膜厚を調整することができる。

続いて、レジストパターン２９ａを除去した後、一般的なリソグラフィプロセスにより、左端（撮像領域外周方向）が段差部形成領域３０のほぼ中央となるように、導電性膜１５ｘ上に例えばライン５００ｎｍ、スペース５００ｎｍのレジストパターン２９ｂを形成する。撮像領域の外周部においては、各レジストパターン２９ｂの所定の方向（図３（ｃ）の例では水平方向）での中心線の位置が、上段部１５ａの所定の方向（例えば水平方向）における中心線よりも撮像領域の外周部寄りになるようにレジストパターン２９ｂが形成される。レジストパターン２９ｂは少なくとも受光部１２の上方に開口が形成されており、段差部形成領域３０の一部及び上段部１５ａの少なくとも一部を覆っている。

次いで、図３（ｄ）に示すように、レジストパターン２９ｂをマスクとして導電性膜１５ｘのうち受光部１２上に形成された部分等をゲート絶縁膜１４が露出するまでエッチングする。これにより、断面が長方形の下段部１５ｂ上に、下段部１５ｂより水平方向の幅が狭い長方形の断面を有する上段部１５ａを重ねたような形状の転送電極１５を形成する。本工程で形成された転送電極１５の上部のうち受光部１２に面した部分の少なくとも一部には段差が形成される。例えば、撮像領域の外周部では、水平方向における転送電極１５の撮像領域の中央部側の端部には段差部３５が形成され、撮像領域の外周部側の端部には段差部３５が形成されない。

ここで、図３（ｂ）に示すレジストパターン２９ａの形状を、撮像領域外周方向の端部の（受光部１２に対する）位置は一定にしてレジストパターン２９ａ同士の間隔を受光部１２の位置毎に変化させることで段差部３５の幅Ｃと幅Ｄの距離をコントロールすることができる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法において、段差部３５が設けられた転送電極１５を形成する工程を示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）は撮像領域の中央部での水平方向断面を示している。

図３（ｂ）に示す工程において、撮像領域の中央部では、図６（ａ）に示したように受光部１２の中心線に対して対称となる位置にライン２５０ｎｍ、スペース７５０ｎｍのレジストパターン２９ａを形成する。

次いで、図３（ｃ）に示す工程において、撮像領域の中央部では、図６（ｂ）に示すように、レジストパターン２９ａを用いて導電性膜１５ｘのエッチングを行うことで、導電性膜１５ｘのパターニングを行う。これにより、導電性膜１５ｘの上部に、後に段差部３５となる凹状の段差部形成領域３０を形成する。ここで、導電性膜１５ｘの上部を上段部１５ａと称する。

次に、ライン５００ｎｍ、スペース５００ｎｍのレジストパターン２９ｂを、ラインの中心位置（水平方向での中心線の位置）と転送電極１５の上段部の中心位置（水平方向での中心線の位置）とが一致するように形成する。言い換えれば、レジストパターン２９ｂの中心線の位置を上段部１５ａの中心線の位置とが同じになるように、レジストパターン２９ｂを形成する。レジストパターン２９ｂは段差形成領域３０の少なくとも一部と上段部１５ａの全体とを覆う。

なお、レジストパターン２９ｂは、撮像領域内の受光部１２の位置に関わらず、互いに隣接する受光部１２の間において同じ位置に形成されていてもよい。

次いで、図３（ｄ）に示す工程において、撮像領域の中央部では、図６（ｃ）に示すように、レジストパターン２９ｂをマスクとして導電性膜１５ｘをエッチングする。これにより、図１（ｂ）に示す大きさの異なる長方形の断面を有する下段部１５ｂと上段部１５ａを、これらの長方形の長辺の中心が一致するように重ねたような形状を有する転送電極１５を形成する。受光部１２の一方に隣接する転送電極１５は、上部両側にほぼ同じ幅及び高さＦの段差部３５を有する。

次に、図３（ｅ）に示すように、転送電極１５を被覆するように厚さ２０ｎｍ程度の絶縁膜１６を形成し、この絶縁膜１６上にタングステンなどからなる厚さ１００ｎｍ程度の金属膜をＣＶＤ法等により形成した後、受光部１２の上方が開口するように当該金属膜をパターニングし、遮光膜１７を形成する。ここで、遮光膜１７は、遮光性があれば金属膜に限定することはない。

次に、図４（ａ）に示すように、受光部１２と遮光膜１７を被覆するように層間絶縁膜２０を形成する。ここで、層間絶縁膜２０の材料として、段差被覆性の高いＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）またはＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）などの材料を選択する。この層間絶縁膜２０は、転送電極１５上部に形成された段差部３５を含め、転送電極１５の形状をなぞるようにして形成され、受光部１２上方に、下に凸の形状となった窪みを形成する。この際には、必要に応じてリフロー処理を施してもよい。

本実施形態の製造方法では、図３（ｂ）で示す工程で、段差部形成領域３０を形成するためのレジストパターン２９ａの形成位置を受光部１２の撮像領域内の位置によって変えることで、転送電極１５の両側に形成される段差幅Ｃ、Ｄを変化させている。撮像領域中央部では、転送電極１５上部に形成される段差幅が（水平方向の）両側とも同じ大きさになるように段差部３５が形成され、撮像領域中央部から離れるに従って、転送電極１５上部の中央部側の段差幅が小さく、且つ外周部側の段差幅が大きくなるように段差部が形成される。そのため、撮像領域の中央部では層内レンズ２５の光軸が受光部に対して垂直となっており、撮像領域の外周部では層内レンズ２５の光軸が撮像領域中央部に向かって傾斜している構造とすることができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２０上に、プラズマＣＶＤ法等により窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などからなる光透過膜２１を形成し、当該光透過膜２１上にレジスト２２を堆積させてからレジスト２２の上面を平坦化する。ここで、レジスト２２を平坦化しない場合には、レジスト２２の膜厚を３０００ｎｍ程度まで厚く形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、レジスト２２と光透過膜２１の材料との選択比がほぼ１となる条件にてレジスト２２及び光透過膜２１のエッチングを実施し、上面が平坦化された光透過膜２１で構成された下部レンズ２１ａを形成する。

次に、図５（ａ）に示すように、上面が平坦化された下部レンズ２１ａ上にプラズマＣＶＤ法により、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる光透過膜２３を形成する。光透過膜２３は下部レンズ２１ａと同じ材料で構成されることが好ましい。続いて、この光透過膜２３上にレジストを塗布し、受光部１２上の領域にレジストパターンを形成した後、リフロー処理を実施する。これにより、上面が凸レンズ形状のレジストパターン２４が形成される。

次に、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン２４と光透過膜２３の材料との選択比がほぼ１となる条件でレジストパターン２４及び光透過膜２３のエッチングを行う。これにより、光透過膜からなり、レジストパターン２４の上面形状をよく反映した凸状の上面を有する上部レンズ２３ａが形成される。本工程により、下部レンズ２１ａと上部レンズ２３ａとで構成された層内レンズ２５が形成される。

次に、図５（ｃ）に示すように、層内レンズ２５を埋め込むように平坦化膜２６を形成してから平坦化膜２６の上面を平坦化した後、当該平坦化膜２６上に染色法などによりカラーフィルタ２７を形成する。染色法では、カゼインなどの高分子に感光剤を添加したものを平坦化膜２６上に塗布し、露光、現像、染色および定着を色毎に繰り返していく。次いで、カラーフィルタ２７上にオンチップレンズ２８を形成する。具体的には、カラーフィルタ２７の上面に光透過性樹脂を塗布し、その上に上面が凸レンズ形状のレジストパターンを形成し、レジストパターン及び光透過性樹脂のエッチングを実施することでオンチップレンズ２８を形成する。以上の工程により、本実施形態の固体撮像装置が作製できる。

本実施形態の固体撮像装置及びその製造方法によれば、図１０（ａ）、（ｂ）に示す従来例と比較し、エッチングストッパ膜１１８と段差調整膜１１９を形成することなく層内レンズ２５を所望の形状に加工することができる。そのため、層間絶縁膜２０をリフローすることで層内レンズ２５の最下部と半導体基板１１（受光部１２）との距離を例えば１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度にまで短くすることができる。例えば転送電極１５、絶縁膜１６、及び遮光膜１７の膜厚の合計が３７０ｎｍ程度とすると、半導体基板１１（受光部１２）の上面から層内レンズ２５の最下部までの距離を、半導体基板１１の上面から遮光膜１７の上面までの距離の約４０％以上５５％以下にすることができる。この場合には、光の回折による損失や層間絶縁膜２０での吸収損失を踏まえて、光感度の低下を非常に効果的に防ぐことができる。

なお、本実施形態の固体撮像装置の製造方法において、段差部３５の形状や層間絶縁膜２０の材料や膜厚、また層間絶縁膜２０のリフロー条件などによっても異なるので、層内レンズ２５の最下部と半導体基板１１（受光部１２）との距離は上記範囲に限られず、半導体基板１１の上面から遮光膜１７の上面までの距離の約２０％以上且つ７０％以下とすれば光感度の低下抑制効果を発揮することは可能である。

ここで、本実施形態の固体撮像装置における光の進路と転送電極形状について説明する。

チップ内の撮像領域中央部では、光は図１（ｂ）に示したように垂直入射のＬ３のような進路となるため、左右対称の断面形状となるように上部両側に段差部を有する転送電極１５を形成し、左右対称の形状を有する層内レンズを形成する。撮像領域外周部では、光は図２（ｂ）に示したように斜め入射のＬ４のような進路となるため、転送電極の上部に左右非対称な段差を設けた転送電極を形成し、左右非対称の形状を有する層内レンズを形成することで下凸レンズの光軸の傾きを変化させ、受光部１２へより多くの光が入るような構造にすることができる。このため、本実施形態の固体撮像装置では、従来の固体撮像装置に比べてシェーディング特性が大幅に改善されている。

−固体撮像装置の変形例−
転送電極の形状は、上述した形状に限られるものではない。例えば、転送電極の段差部が３段以上の階段状になっていてもよい。図７は、本実施形態の第１の変形例に係る固体撮像装置の、撮像領域外周部における断面図である。本変形例に係る固体撮像装置では、撮像領域外周部において、３段構造となった転送電極を有している。なお、図７において、図２（ｂ）と同じ部材については同じ符号を付し、説明は省略する。

転送電極１５は、図７に示す断面において、例えば１段目（下段部１５ｂ）が幅５００ｎｍ、高さ６０ｎｍ程度、２段目（中段部１５ｃ）が幅４００ｎｍ、高さ７０ｎｍ程度、３段目（上段部１５ａ）が幅３００ｎｍ、高さ７０ｎｍ程度の長方形が積層された形状をしている。

撮像領域外周部において、受光部１２の一方に隣接する転送電極１５のうち、撮像領域の中央部に近い部分では下段部１５ｂ、中段部１５ｃ、上段部１５ａの端部位置が揃えられて積層された形状となっており、上部に段差部３５が形成されない。一方、当該転送電極１５のうち、撮像領域の外周部に近い部分（中央部から遠い部分）には三段の段差部３５が形成されている。

これに対し、撮像領域の中央部においては、水平方向の断面において、下段部１５ｂ、中段部１５ｃ、及び上段部１５ａの各長方形断面が、その長辺の中心位置が揃うように積層され、段差部３５は転送電極１５の上部において両側に左右対称に形成される。また、受光部をはさんで対向する面に形成される段差部は同じ形状をしている。

次に、この３段構造の転送電極を備えた本変形例に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、本変形例に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。

まず、図８（ａ）に示すように、後に転送電極１５の段差部３５となる部分を形成するために、一般的なリソグラフィプロセスにより、ライン７００ｎｍ、スペース３００ｎｍのレジストパターン２９ａを導電性膜１５ｘ上に形成する。

次に、図８（ｂ）に示すように、レジストパターン２９ａをマスクとしたエッチングにより、導電性膜１５ｘの一部を６０ｎｍ程度分除去し、図７に示す転送電極１５の上段部１５ａを形成する。続いて、レジストパターン２９ａを除去した後、一般的なリソグラフィプロセスによりライン８５０ｎｍ、スペース１５０ｎｍのレジストパターン２９ｂを導電性膜１５ｘ上に形成する。ここで、リソグラフィプロセスにより形成されたレジストパターン２９ｂのライン部８５０ｎｍは、前工程にて形成された転送電極の上段部１５ａ全体（幅７００ｎｍ）を被覆し、撮像領域中央部方向が上段部１５ａの端部から５０ｎｍ程度はみ出すようにする。

次いで、図８（ｃ）に示すように、導電性膜１５ｘのパターニングを行う。具体的には、レジストパターン２９ｂをマスクとしたエッチングにより、導電性膜１５ｘの一部を７０ｎｍ程度分除去し、転送電極１５の中段部１５ｃを形成する。次に、レジストパターン２９ｂを除去した後、一般的なリソグラフィプロセスにより、中段部１５ｃの撮像領域の外周方向端部から５０ｎｍ程度はみ出した位置から、ライン５００ｎｍ、スペース５００ｎｍのレジストパターン２９ｃを形成する。次いで、レジストパターン２９ｃをマスクとして受光部１２上の導電性膜１５ｘをゲート絶縁膜１４が露出するまでエッチングすることで下段部１５ｂを形成し、最終的に図８（ｄ）に示す３段形状を有する転送電極１５を形成する。

次に、図８（ｅ）に示すように、図３（ｅ）〜図４（ｃ）に示す工程と同じ方法により絶縁膜１６、遮光膜１７、層間絶縁膜２０、及び下部レンズ２１ａを形成する。その後、図５（ａ）〜（ｃ）に示す工程と同じ方法により本変形例に係る固体撮像装置を作製できる。

本変形例の場合、転送電極１５を３段構造としていることにより、転送電極１５を２段構造とする場合に比べて層内レンズ２５の下面と受光部１２との距離をより短くすることができる上、下部レンズ２１ａの光軸の制御性を高めることができるので、集光度のさらなる向上が可能となる。

上記の実施形態及びその変形例に係る固体撮像装置では、段差部３５含め、転送電極１５の形状を同一撮像領域内での受光部１２の位置に応じて変化させているが、第２の変形例として、同一撮像領域内のオンチップレンズ２８の色毎に転送電極１５の形状を変化させてもよい。

図９は、実施形態の第２の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図に示すように、固体撮像装置において、各カラーフィルタ２７の色と位置ごとに転送電極１５の上段部１５ａの幅や位置、段差部３５の段差幅を変化させることで、層内レンズ２５の集光度と焦点深度を最適にすることができる。例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のうち赤色光は最も波長が長く、青色光は最も波長が短いことから、赤色フィルタ２７ａに対応する受光部１２に隣接する転送電極１５と、青色フィルタ２７ｂに対応する受光部１２に隣接する転送電極１５とにおいて、上段部１５ｂの幅や位置、段差部３５の段差幅を別個に設定することができる。

以上の構成によれば、色毎に層内レンズ２５の形状を最適化することができる。この結果、オンチップレンズ２８及び層内レンズ２５により集光される各色光（赤、青、または緑）の集光量が適正化され、色ごとの感度のバラツキを抑えることができるので、色シェーディングの発生を抑えることが可能である。

また、同色光用の受光部１２に隣接する転送電極１５について、撮像領域中央部の上段部１５ａの幅（図９に示す上段部１５ａの断面の長辺）を外周部の上段部１５ａと比較して大きくしたり、撮像領域の中央部において、下段部１５ｂの幅を大きくして、受光部１２の開口面積を小さくしたりすることで、撮像領域内で受光部１２ごとの集光量を均一化することも可能である。

上記に示した本発明の実施形態及びその変形例では、ＣＣＤ型の固体撮像装置を挙げて説明したが、これに限定されるわけではなく、他のタイプの固体撮像装置または固体撮像装置以外の装置に本発明の構成を適用することも可能である。

また、以上の実施形態及びその変形例では電荷転送方向と交差する水平方向の断面を用いて説明したが、電荷転送方向において受光部１２と隣接する転送電極１５についても同様の段差部を設けることで上述の効果を得ることができる。

なお、上述した部材の形状や寸法、製造方法などは一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明によれば、受光部への入射光の集光状態を改善できるので、デジタルカメラやビデオカメラ等の電子撮像機器でのシェーディングの低減及び感度を向上に有用である。

１１ 半導体基板
１２ 受光部
１３ 電荷転送部
１４ ゲート絶縁膜
１５ 転送電極
１５ａ 上段部
１５ｂ 下段部
１５ｃ 中段部
１５ｘ 導電性膜
１６ 絶縁膜
１７ 遮光膜
２０ 層間絶縁膜
２１ 光透過膜
２１ａ 下部レンズ
２２ レジスト
２３ 光透過膜
２３ａ 上部レンズ
２４ レジストパターン
２５ 層内レンズ
２６ 平坦化膜
２７ オンチップレンズ
２７ カラーフィルタ
２７ａ 赤色フィルタ
２７ｂ 青色フィルタ
２８ オンチップレンズ
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ レジストパターン
３０ 段差部形成領域
３５ 段差部

Claims (14)

1. 撮像領域が設けられた半導体基板を備えた固体撮像装置であって、
   前記半導体基板の上部に設けられ、前記撮像領域内に配置された受光部と、
   前記半導体基板上に、前記受光部に隣接するように設けられ、前記受光部に面した段差部が設けられた転送電極と、
   前記転送電極上を含む前記半導体基板上に設けられ、前記受光部の上方に開口部が形成された遮光膜と、
   前記遮光膜上を含む前記半導体基板上に設けられ、前記受光部の上方において下に凸な曲面状の上面を有する層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜のうち前記受光部の上方に位置する部分上に設けられ、下に凸な曲面状の下面を有する層内レンズとを備えている固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記撮像領域には前記受光部が２次元状に複数個配置されており、
   前記層内レンズは複数個の前記受光部のそれぞれの上方に設けられており、
   前記段差部の形状は、当該段差部に面した前記受光部の前記撮像領域内での位置に応じて異なる固体撮像装置。
3. 請求項２に記載の固体撮像装置において、
   前記受光部と前記転送電極とは交互に配置されており、
   前記撮像領域の中央部において、前記受光部を間に挟んで互いに隣接する前記転送電極のうち前記受光部に面した部分には、前記受光部を挟んで互いに対向し、前記受光部に対して実質的に左右対称な形状を有する前記段差部が形成されており、
   前記撮像領域の外周部において、前記受光部を間に挟んで互いに隣接する前記転送電極のうち前記受光部に面した部分の形状は、前記受光部に対して左右非対称となっていることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記撮像領域の外周部では、前記受光部の両側に隣接する前記転送電極に、それぞれ前記受光部に面して前記段差部が形成されており、
   前記撮像領域の外周部において、前記受光部から見て前記撮像領域の中央部方向に隣接する前記転送電極に形成された前記段差部の段差幅は、前記撮像領域の外周部方向に隣接する前記転送電極に形成された前記段差部の段差幅よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項３に記載の固体撮像装置において、
   前記撮像領域の外周部において、前記受光部から見て前記撮像領域の中央部方向に隣接する前記転送電極には、前記受光部に面する前記段差部が形成され、前記受光部から見て前記撮像領域の外周部方向に隣接する前記転送電極のうち前記受光部に面する部分には前記段差部が形成されないことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項２〜５のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
   前記段差部は階段形状であることを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項２〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
   前記撮像領域の中央部では、前記層内レンズが、当該層内レンズに対応する前記受光部に対して実質的に左右対称の形状を有しており、
   前記撮像領域の外周部では、前記層内レンズが、当該層内レンズに対応する前記受光部に対して左右非対称な形状を有していることを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
   前記半導体基板の上面から前記層内レンズの最下部までの距離は、前記半導体基板の上面から前記遮光膜の上面までの距離の２０％以上、且つ７０％以下であることを特徴とする固体撮像装置。
9. 半導体基板の撮像領域に２次元状に配置された複数の受光部を形成する工程と、
   前記半導体基板上に、前記受光部の各々の両側に隣接し、少なくとも一部に前記受光部に面した段差部が設けられた転送電極を形成する工程と、
   前記転送電極上を含む前記半導体基板上に設けられ、受光部の上方に開口を有する遮光膜を形成する工程と、
   前記受光部の上方において下に凸な曲面状の上面を有する層間絶縁膜を前記遮光膜上を含む前記半導体基板上に形成する工程と、
   前記層間絶縁膜のうち前記受光部の各々の上方に位置する部分上に、下に凸な曲面状の下面を有する層内レンズを形成する工程とを備える固体撮像装置の製造方法。
10. 請求項９に記載の固体撮像装置において、
    前記転送電極を形成する工程では、前記段差部に面した前記受光部の前記撮像領域内での位置に応じて前記段差部の形状を変えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 請求項９または１０に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記転送電極を形成する工程は、
    前記半導体基板上に導電性膜を形成する工程と、
    前記導電性膜上に形成された第１のレジストパターンを用いて前記導電性膜に対して第１のエッチングを行い、凹状の段差部形成領域により区画された上段部を形成する工程と、
    前記第１のレジストパターンを除去した後、少なくとも前記段差部形成領域の一部及び前記上段部の一部を覆う第２のレジストパターンを用いて前記導電性膜に対して第２のエッチングを行い、前記段差部を形成する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
12. 請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記撮像領域の中央部では、前記第２のレジストパターンの所定の方向における中心線の位置が、前記上段部の前記所定の方向における中心線と同じ位置になるよう前記第２のレジストパターンを形成し、
    前記撮像領域の外周部では、前記第２のレジストパターンの前記所定の方向における中心線の位置が、前記上段部の前記所定の方向における中心線よりも前記撮像領域の外周部寄りになるように前記第２のレジストパターンが形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
13. 請求項１１または１２に記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記第１のレジストパターンの前記撮像装置の外周部側の端部位置は一定にし、前記第１のレジストパターン同士の間隔を、前記第１のレジストパターンに隣接する前記受光部の前記撮像領域内での位置ごとに変化させることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
14. 請求項１１〜１３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の製造方法において、
    前記第２のレジストパターンは、前記撮像領域内の前記受光部の位置に関わらず、互いに隣接する前記受光部の間において同じ位置に形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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