JP3729353B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、より特定的には、いわゆるＣＣＤのように、画素ごとに配置された各光電変換部が入射光量に応じた電荷を発生し、電荷転送部が各光電変換部で発生した電荷を転送することにより、電気信号を出力する固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤに代表される固体撮像装置は、近年、画素数の増大化および装置の小型化の点において、著しい向上が実現されている。一般的に、固体撮像装置においては、各画素の面積に比べて、フォトダイオード部上方の遮光膜に設けられた開口部の面積は小さい。また、さらに画素サイズが小さくなると（約３μｍ×３μｍ以下）、１つのフォトダイオード部が受ける絶対的な光の量が、従来に比べて顕著に減少している。そのため、１つの画素に対して照射された光を効率良く開口部に導かなければならない。
【０００３】
１つの画素に対して照射される光を、有効に開口部に集めるため、従来の固体撮像装置においては、カラーフィルタの上部にマイクロレンズ（以下「上部レンズ」と称する）が設けられている。そして、最近では、さらに集光率を向上させて感度を向上させるために、カラーフィルタの上部だけでなくその下部にもマイクロレンズ（以下、「層内レンズ」と称する）を形成するようになってきた（例えば、特許文献１を参照）。なお、２枚のマイクロレンズ構成にすることで、色収差による光波長ごとの焦点ずれを低減する効果もある。
【０００４】
図１８は、上部レンズおよび層内レンズを有する従来の固体撮像装置の断面構造の一例を示している。図１８において、遮光メタル膜１１０は、ゲート電極１０８や電荷転送部１０６に光が当たることを防止する。また、遮光メタル膜１１０は、フォトダイオード部１０４に光が入射されるように、フォトダイオード部１０４の上部に開口部を有している。上部レンズ１２２および層内レンズ５３０は、フォトダイオード部１０４に光を集める。これら上部レンズ１２２および層内レンズ５３０の間には、カラーフィルタ１２０が設けられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１６４８３７号公報（第７頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２は、短い方が好ましい。もし、この距離５５２が長くなると、上部レンズ１２２および層内レンズ５３０を通った光のうち、遮光メタル膜１１０でさえぎられる光や、隣接する画素に進入する光が発生する問題が生じる。例えば、図１８に示される固体撮像装置においては、上部レンズを通った光５６２、５６４および５６６のうち、遮光メタル膜１１０でさえぎられる光５６６が存在する。このため、上部レンズ１２２を通じて入射された光より、フォトダイオード部１０４が受ける光の量が少なくなる。また、遮光メタル膜１１０でさえぎられた光５６６が直接または反射等で他の画素に進入すると、混色が発生するという不具合が生じる。
【０００７】
フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２を短くするために、カラーフィルタ１２０の膜厚を薄くすることも考えられるが、このような方法では分光特性の劣化を招くため、好ましくない。カラーフィルタ１２０は、所定の分光特性を得るために、一定以上の膜厚を確保する必要がある。そのため、上部レンズ１２２および層内レンズ５３０間の距離は、カラーフィルタ１２０の膜厚によって規制を受け、あまり近づけることができない。このことが、フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２の短縮化を阻んでいる。さらに、カラーフィルタの膜厚の規制によって上部レンズ１２２および層内レンズ５３０間の距離が長くなると、層内レンズ５３０の曲率を上部レンズ１２２の曲率よりも大きくする必要がある。もし、上部レンズ１２２の曲率を層内レンズ５３０の曲率よりも大きくすると、上部レンズ１２２によってあまりにも絞られすぎた光あるいは焦点を結んだ後の拡散光が層内レンズ５３３に入射することになり、フォトダイオード部１０４の表面に集光スポットを形成することが困難になる。層内レンズ５３０の曲率を上げるためには、層内レンズ５３０の厚みを増す必要がある。層内レンズ５３０の厚みを増すと、フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２は、さらに長くなる。
【０００８】
それゆえに、本発明の目的は、高感度化および小型化が可能で、しかも混色を低減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である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画素ごとに配置された各光電変換部が入射光量に応じた電荷を発生し、各光電変換部で発生した電荷を電気信号に変換し、電気信号を出力するような固体撮像装置（代表的には、ＣＣＤ）に向けられており、カラーフィルタ層と、上部レンズと、層内レンズとを備えている。カラーフィルタは、各光電変換部の上方に配置され、特定の波長の光を透過させる。上部レンズは、カラーフィルタ層の上部に配置され、入射した光を収束させてカラーフィルタ層に入射させる。層内レンズは、カラーフィルタ層と光電変換部との間に配置され、上部レンズで収束された光をさらに収束させて対応する光電変換部に入射させる。ここで、本発明の最大の特徴は、層内レンズがフレネルレンズ構造を有していることである。このようなレンズ構造を採用することにより、層内レンズの曲率を大きくしても、その厚さを薄くでき、光電変換部の表面から上部レンズまでの距離を短くできる。その結果、隣接画素にもれ込もうとする光が低減し、混色を防止できる。すなわち、色むらやフリッカの低減が可能な固体撮像装置を実現できる。さらに、上部レンズに斜めから入射する光も効率よく光電変換部に集められるため、カメラレンズの絞りが大きくても画像が鮮明となる。
【００１０】
フレネルレンズ構造を有する層内レンズは、典型的には、中央レンズと、その外側に配置された１つまたは複数の環状レンズとを含む。中央レンズは、中心が光軸上にある円状かつ曲面を持つレンズである。各環状レンズは、中央レンズの外側に位置し、かつ中央レンズの光軸から見て同心の環状かつ帯状の面を持つレンズである。中央レンズおよび各環状レンズは、材料の選び方により、それぞれに異なる屈折率を持たせることも可能である。たとえば、中央レンズの光軸から外側に行くにつれて各レンズの屈折率を大きくするようにしても良いし、逆に小さくするようにしても良い。このように、各レンズの屈折率を異ならせることにより、必要に応じて、様々な光学的特性を層内レンズに持たせることが可能となる。また、各環状レンズのそれぞれの半径方向幅は、中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなるようにしても良い。これにより層内レンズの高さを最小限に抑える設計が可能となる。なお、層内レンズは、一例として、ＳｉＮ（窒化珪素）により構成される。
【００１１】
本発明は、上記のような構成を有する固体撮像装置の製造方法にも向けられている。第１の製造方法では、まず、光電変換部の上層に絶縁膜を形成する。次に、光電変換部の直上であって絶縁膜の上部にレンズを形成する。次に、絶縁膜およびレンズを覆うようにレジスト層を形成する。次に、レンズの上方に、レンズの光軸上に中心を持つ円を底面とし、かつレンズの直径よりも小さい直径を有する円筒形状のホールをレジスト層に形成する。次に、レンズ中心部の表面形状を維持させるべくホール内をエッチングし、最後にレジスト層を除去する。
【００１２】
第２の製造方法では、まず、光電変換部の上層に絶縁膜を形成する。次に、光電変換部の直上であって絶縁膜の上部に、画素が並ぶ周期の５０〜７０％の直径を有する中央レンズを形成する。次に、中央レンズよりも屈折率が小さい材料を用いて、中央レンズを覆うように表面を平坦化させる平坦化膜を形成する。次に、平坦化膜の表面上であって中央レンズの上方に、中央レンズの光軸上に中心を持つ円を底面とし、かつ中央レンズと直径が等しい円筒形状のレジストを形成する。次に、レジスト下方の平坦化膜を残し、他の部分の平坦化膜を除去する。次に、絶縁膜および平坦化膜を覆うように、レンズ材料から成るレンズ膜を形成する。最後に、平坦化膜が現れる深さまでレンズ膜をエッチングすることにより、中央レンズの外周に、環状レンズとなるサイドウォールを形成する。
【００１３】
なお、サイドウォールを形成するための一連の作業を、複数回繰り返すことにより、中央レンズの外側に複数の環状レンズを形成するようにしても良い。この場合、各環状レンズの屈折率がそれぞれ同一になるよう各サイドウォールを形成しても良いし、各環状レンズの屈折率が少なくとも２種類以上存在するよう各サイドウォールを形成しても良い。また、各環状レンズのそれぞれの半径方向幅が中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなるように各サイドウォールを形成しても良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の模式的な平面図である。図１では、電荷転送に関わる構成が特に示されている。図１において、単位画素１２は、固体撮像装置を構成する画素のうち、１つの画素が占める領域を示す。光電変換部としてのフォトダイオード部１０４は、受けた光の強度に応じて電荷を発生させる。垂直ＣＣＤ１６は、複数の画素から、フォトダイオード部１０４で発生した電荷を受けとり、これを転送する。水平ＣＣＤ１８は、各垂直ＣＣＤ１６から電荷を受けとり、これを出力アンプ２０に転送する。信号１４は、信号電荷の流れを示す。
【００１５】
図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の模式的な断面図である。図２の断面は、図１に示される固体撮像装置１０を点線２２に沿って切断した場合の断面である。隣接する画素についても同様であるため、図示および説明を省略する。以下、図２を用いて、第１の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、インターラインＣＣＤ固体撮像装置について説明するが、他の種類の固体撮像装置、例えばＭＯＳ型の固体撮像装置等であってもよい。
【００１６】
図２に示されるように、本発明に係る固体撮像装置１００において、Ｓｉ（シリコン）基板１０２は、固体撮像装置を形成するための基板である。フォトダイオード部１０４は、Ｓｉ基板１０２に形成され、受けた光の強度に応じて電荷を発生させる。電荷転送部１０６は、Ｓｉ基板１０２に形成され、フォトダイオード部１０４が発生させた電流を搬送する。ゲート電極１０８は、Ｓｉ基板１０２上において各フォトダイオード部１０４に隣接して配置され、フォトダイオード部１０４で発生した電荷を電荷転送部１０６に移動させるためのスイッチの役割を果たす。遮光メタル膜１１０（フォトシールド）は、ゲート電極１０８の全体を覆うように形成され、さらに、フォトダイオード部１０４の一部を覆うように形成される。遮光メタル膜１１０は、ゲート電極１０８に光が当たることを防止する。
【００１７】
ＭＯＳゲート絶縁膜１１２は、ゲート電極１０８とＳｉ基板１０２との間に形成され、両者を絶縁する。層間絶縁膜１１４は、ゲート電極１０８と遮光メタル膜１１０とを絶縁する。絶縁膜１１６は、上述した構造を形成したＳｉ基板１０２およびさらにその上全面に堆積される。
【００１８】
上部レンズ１２２並びに中央レンズ１３２および環状レンズ１３４は、その組み合わせにより、平行入射光をフォトダイオード部１０４の表面付近に集光する。中央レンズ１３２および環状レンズ１３４は、組み合わされてフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。中央レンズ１３２は、放物面や球面に近いレンズである。環状レンズ１３４は、例えば、放物面や球面の一部を、環状かつ帯状に抽出した面を有する。
【００１９】
周知のごとく、フレネルレンズ構造は、球面レンズや非球面レンズの表面の形状を維持したままレンズ内部の領域を減らし、光軸を中心とした同心円状の帯状の部分に切り分け、中心部と周辺部とで厚さがほぼ同じになるよう、ほぼ平坦に作られた構造を有する。これにより、レンズ内部において光が進む距離が短くなるため、収差が減るなどの利点がある。また、帯状の各レンズ部分毎に、曲率を異ならせたり、屈折率を異ならせてもよい。一般に、各レンズ部分の焦点は一致する。
【００２０】
但し、厳密に球面形状を有するレンズの形成は困難であり、層内レンズの表面は、放物面である場合が多い。通常、層内レンズの光軸は、フォトダイオード部の開口の中心を通る。但し、固体撮像装置の周辺部におけるぼけを防止する目的で、層内レンズの光軸を、意図的にフォトダイオード部の開口の中心からずらす場合もある。
【００２１】
中央レンズ１３２および環状レンズ１３４は、プラズマＣＶＤにより形成された窒化シリコンの膜（Ｐ−ＳｉＮ：プラズマ窒化シリコン）等を材料として形成される。平坦化膜１１８は、中央レンズ１３２および環状レンズ１３４を覆うように形成される。カラーフィルタ１２０は、平坦化膜１１８の上面に形成され、特定の波長の光（赤、緑、青など）を透過させる。
【００２２】
図３〜図８は、図２に示す固体撮像装置を製造する過程における、各段階での模式断面図を示す。以下、図２および図３〜図８を用いて、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。
【００２３】
図３は、Ｓｉ基板に形成された、固体撮像装置の電荷転送に関わる部分を示す図である。まず、Ｓｉ基板１０２に、イオン注入等の方法を用い、所望の不純物拡散層を形成する。イオン注入とは、イオンを高エネルギーで加速し、加速したイオンを基板に衝突させ、半導体基板にｐ型あるいはｎ型などの性質を持たせるものである。これにより、フォトダイオード部１０４および電荷転送部１０６が形成される。
【００２４】
次に、熱酸化やＣＶＤ法により、ＭＯＳゲート絶縁膜１１２を堆積させる。ＭＯＳゲート絶縁膜１１２は、例えば、ＯＮＯ（ＳｉＯ2−ＳｉＮ−ＳｉＯ2）構造を有する。
【００２５】
次に、ゲート電極１０８をＣＶＤ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により堆積させる。次に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングプロセス等により、必要なパターン（図示せず）を形成する。次に、電極絶縁膜（図示せず）を酸化／ＣＶＤ等により堆積させる。次に、図には示していないが、第２のゲート電極の堆積、加工を行う。なお、３層以上の電極構造の場合は、この工程を繰り返す。次に、これら二層に構成された電極上に、酸化／ＣＶＤにより層間絶縁膜１１４を堆積させる。次に、フォトダイオード部１０４の上部を除くエリアに、遮光メタル膜１１０を堆積させる。
【００２６】
図４は、固体撮像装置の電荷転送に関わる部分に、さらに絶縁膜を形成した様子を示す図である。遮光メタル膜１１０を堆積した後、その上部に、絶縁膜１１６を堆積させる。絶縁膜１１６は、絶縁物としての役割と、素子表面を平坦化させる役割とを持つ。絶縁膜１１６として、例えば、ホウ素（Ｂ）およびリン（Ｐ）が含まれた酸化シリコンであるＢＰＳＧ（ボロン・フォスフォ・シリケート・グラス）等が用いられる。
【００２７】
一般に、半導体素子の製造工程には、高密度化にともなう断線などの問題を防ぐため、素子表面を平坦にする工程が含まれる。例えば、素子表面に絶縁膜であるＢＰＳＧの膜をＣＶＤ法により形成し、その後に、熱を加えて流動性を持たせる熱処理（リフロー）、または研磨液を用いて物理的に研磨するＣＭＰ（化学的機械的研磨）により平坦化する。熱処理においては、ＢＰＳＧにホウ素とリンが含まれることで、酸化シリコンを用いる場合に比較して、表面はより平坦になることが知られている。
【００２８】
図５は、図４に示される素子に、さらにレンズを形成した様子を示す図である。レンズ１３０を形成する方法として、まず、Ｐ−ＳｉＮの層をプラズマＣＶＤで形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、レジストを選択的に所望の大きさおよび位置に形成する。通常は各画素の開口位置の上方に、円筒状に形成される。次に、熱処理してレジストを溶解させ、レジストの表面張力を利用し、レンズ形状のレジストを形成する。次に、Ｐ−ＳｉＮおよびレジストのエッチングレートが同等となる条件の下で、レジストが全てなくなるまでドライエッチングを行う。これにより、レジストのレンズ形状が、Ｐ−ＳｉＮに転写される。すなわち、レンズ形状のレジストが存在していた部分の下方に、レンズ形状のＰ−ＳｉＮが形成される。エッチングガスとしては、四フッ化炭素、酸素およびアルゴンの混合ガスが用いられる。
【００２９】
図６は、図５に示される素子に、所望の形状を有するレジスト１４０の膜を形成した様子を示す図である。レンズ１３０の形成後、レンズ１３０を覆うようにレジスト膜を形成する。次に、レジストをエッチングし、レンズ１３０と同心で、かつ、レンズ１３０の直径よりも小さい直径の底面を有する円筒状のホールを形成する。
【００３０】
一般に、層内レンズが小さすぎると、層内レンズで集光できない光の量が多くなる。逆に、層内レンズが大きすぎると、フォトダイオードの開口部分に集光できない光の量が多くなる。そのため、加工の容易性および集光のしやすさの点から、ホール底面の直径は、フォトダイオードの開口部分を覆う程度、すなわち画素のサイズ（画素が並ぶ周期）の５０〜７０％が好ましい。
【００３１】
図７は、図６に示される素子をエッチングした様子を示す図である。レンズ１３０のうち、レジストにより覆われていないホール下方部分をエッチングする。この際、レンズ１３０の表面の形状を維持したまま、深さ方向に均一にエッチングする。これにより、中央レンズ１３２および環状レンズ１３４が形成される。次に、レジスト１４０をエッチングして除去する。
【００３２】
図８は、図７に示される素子の表面を平坦化した様子を示す図である。中央レンズ１３２および環状レンズ１３４の形成後、平坦化膜１１８で、中央レンズ１３２および環状レンズ１３４を覆うように、表面が平坦化される。平坦化膜１１８には、透明な材料であれば良く、有機材料であっても無機材料であってもよい。
【００３３】
次に、図８に示される素子に、さらにカラーフィルタおよび上部レンズを形成する（図２参照）。まず、平坦化された表面上に、カラーフィルタ１２０を形成する。カラーフィルタ１２０は、有機基材を染料で染色する染色法や、色素を含んだレジストを塗布およびエッチングするカラーレジスト塗布法などにより形成される。カラーフィルタ１２０の形成は、所望の、各画素の配置に対応したカラーフィルタの色の配置（カラーコーディング）が形成されるまで、各色毎に順次繰り返される。
【００３４】
次に、カラーフィルタ１２０の上に、上部レンズ１２２を形成する。上部レンズ１２２の形成においては、一般に、熱溶融性の透明な樹脂の膜を堆積した後、矩形状にエッチングし、これに熱を加えて流動性をもたせることにより、表面張力によってレンズ形状とする方法が用いられる。また、レジスト熱リフロー転写などにより堆積形成する方法も知られている。
【００３５】
本実施形態によれば、図２に示されるように、Ｓｉ基板１０２の表面から上部レンズまでの距離を、従来の距離５５２から距離１５２まで縮めることができる。これにより、平行光１６２や１６４に加え、レンズの端からの斜め光１６６もフォトダイオードの開口部に集光することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。以下、図９を用いて、第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、インターラインＣＣＤ固体撮像装置について説明したが、他の種類の固体撮像装置、例えばＭＯＳ型の固体撮像装置等であってもよい。
【００３７】
図９に示されるように、Ｓｉ基板１０２、フォトダイオード部１０４、電荷転送部１０６、ゲート電極１０８、遮光メタル膜１１０、ＭＯＳゲート絶縁膜１１２、層間絶縁膜１１４、絶縁膜１１６、上部レンズ１２２、およびカラーフィルタ１２０は、第１の実施形態におけるものとそれぞれ同じであり、説明を省略する。
【００３８】
本実施形態において、上部レンズ１２２並びに中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、入射する光をフォトダイオード部１０４に集光する。中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、組み合わされてフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、屈折率が互いに異なる。中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、Ｐ−ＳｉＮ等を材料として形成される。
【００３９】
具体的な製造方法は後述するが、本実施形態に係る固体撮像装置では、中央レンズ２３２および環状レンズ２３６を、互いに異なる材料で形成している。そのため、中央レンズ２３２および環状レンズ２３６の屈折率を、互いに異ならせることができる。これにより、例えば、中心部付近のレンズの焦点距離と環状レンズの焦点距離とを変えることができ、単一の材料により層内レンズを形成する場合に比べ、集光率が改善された非球面レンズの作成が可能となる。
【００４０】
図１０は、中心に位置する中央レンズ２３２と、その周囲に沿って存在する環状レンズ２３６と、さらにその周囲に沿って存在する環状レンズ２４０とが組み合わされて形成された、フレネルレンズ構造を有する層内レンズを示す図である。図９に示されるように、層内レンズを多重のレンズ構成とし、さらに、各レンズ部に所望の屈折率を持たせることにより、層内レンズ全体として、任意の理想レンズへ近づけることが可能となる。
【００４１】
図１１〜図１５は、図９に示す固体撮像装置を製造する過程における各段階の模式的な断面構造を示している。以下、図９および図１１〜図１５を用いて、第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。Ｓｉ基板１０２に絶縁膜１１６を形成するまでの処理は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法と同じであり、図３に示される素子が得られるため、説明を省略する。
【００４２】
図１１は、図４に示される素子に中央レンズおよび平坦化膜を形成した様子を示す図である。中央レンズ２３２の直径は、第１の実施形態と同様に、画素サイズ（画素が並ぶ周期）の５０〜７０％程度が好ましい。平坦化膜２３３は、中央レンズ２３２を覆うように形成される。平坦化膜２３３を形成する材料の屈折率は、中央レンズ２３２がレンズとしての機能を果たすように、中央レンズ２３２を形成する材料の屈折率より小さい。
【００４３】
図１２は、図１１に示される素子に、レジストパターンを形成した様子を示す図である。レジストパターン２４４は、中央レンズ２３２の上方を覆う円筒状に形成される。図１３は、図１２に示される素子をエッチングした様子を示す図である。中央レンズ２３２の上方の平坦化膜２３４のみが残され、その他の領域の平坦化膜は、除去される。残された平坦化膜２３４は、中央レンズ２３２が、後のエッチングなどの処理により影響を受けないようにするために形成される。
【００４４】
図１４は、図１３に示される素子に、環状レンズ２３６を形成するレンズ材料２４６の膜を形成した様子を示す図である。中央レンズ２３２と環状レンズ２３６とで、形成する材料を異ならせることにより、屈折率を異ならせることができる。屈折率の異なる材料としてＳｉＯＮを用いれば、ＯおよびＮの比率を変化させることにより、屈折率を１．７５〜２．３付近で変化させることができることが知られている。レンズの作成方法は、第１の実施形態に係る方法と同様であるため、説明を省略する。但し、ＳｉＯＮのように酸素を含む材料で膜を形成する場合、エッチングガス中の酸素の割合を減らす調整が一般に必要とされる。
【００４５】
図１５は、図１４に示される素子をエッチングして、環状レンズ２３６を形成し、さらに平坦化膜２１８を形成した様子を示す図である。エッチングにより、中央レンズ２３２の周囲に環状レンズ２３６となるサイドウォールが形成される。平坦化膜２１８は、中央レンズ２３２および環状レンズ２３６を覆うように形成される。
【００４６】
図１５に示される素子に、平坦化膜２１８、カラーフィルタ１２０、および上部レンズ１２２を形成する方法は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００におけるものと同じであるため、説明を省略する。
【００４７】
図１０に示される固体撮像装置は、図９に示される素子におけるサイドウォールの形成と同様に、さらにその外側に環状レンズを作成したものである。また、平坦化膜２３８の形成は、平坦化膜２３４の形成と同様に行う。その際、環状レンズ２４０となるサイドウォールごとに材料を任意に選択できるため、屈折率を任意の値とした最適レンズ設計が可能となる。たとえば、中央レンズの光軸から外側に行くにつれて各環状レンズの屈折率を大きくするようにしても良いし、逆に小さくするようにしても良い。このように、各レンズの屈折率を異ならせることにより、必要に応じて、様々な光学的特性を層内レンズに持たせることが可能となる。
【００４８】
（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、インターラインＣＣＤ型固体撮像装置について説明した。しかし、本発明に係る固体撮像装置は、他のＣＣＤ固体撮像装置またはＭＯＳ型撮像装置であってもよい。図１６および図１７は、固体撮像装置にＦＤＡ（Floating Diffusion Amp）型ＭＯＳ撮像装置を採用した場合の模式的断面図である。なお、他のＭＯＳ型固体撮像装置であっても同様である。
【００４９】
特に、ＭＯＳ型撮像装置の場合、配線が多層構造になるのが一般的である。そのため、外部からの光を効率的にフォトダイオード部に集光するためには、レンズを多層にすることが好ましい。ここで、層内レンズをフレネルレンズ構造とすれば、図１６および図１７に示すように層内レンズ高さを配線の厚さよりも低くすることができる。そのため、多層配線に影響されず、配線の層間（図１６）あるいは、配線と同位置（図１７）に配置することができるため配線の総数以上の多段の層内レンズをも形成可能となる。
【００５０】
図１６において、Ｓｉ基板１０２、フォトダイオード部１０４、カラーフィルタ１２０、および上部レンズ１２２は、第１の実施形態に係るものと同じであり、また、ゲート電極３０８は、第１の実施形態に係るゲート電極１０８と同じ役割であるため、説明を省略する。電荷電圧変換部３０６は、フォトダイオード部１０４で発生した電荷をゲート電極３０８で転送して電圧に変換する役割を果たす。
【００５１】
ＭＯＳ型固体撮像装置においては、アルミ配線３４２は、多層にわたって形成される。プラグ３４０は、アルミ配線３４２とアルミ配線３４２との間、ゲート電極３０８とアルミ配線３４２との間、または電荷電圧変換部３０６とアルミ配線３４２との間を電気的に接続する。絶縁膜３５０は、フォトダイオード部１０４、電荷電圧変換部３０６、ゲート電極３０８、およびアルミ配線３４２が、互いに電気的な絶縁関係を保つために形成される。
【００５２】
中央レンズ３３２ａと環状レンズ３３６ａと、および中央レンズ３３２ｂと環状レンズ３３６ｂとは、それぞれフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。各層内レンズは、平坦化膜３３４ａ、３３４ｂ、および３５２により覆われている。
【００５３】
図１７において、Ｓｉ基板１０２、フォトダイオード部１０４、カラーフィルタ１２０、および上部レンズ１２２は、第１の実施形態に係るものと同じであり、また、ゲート電極４０８は、第１の実施形態に係るゲート電極１０８と同じ役割であり、電荷電圧変換部４０６は、第３の実施形態の電荷電圧変換部３０６と同じ役割であるため、説明を省略する。
【００５４】
ＭＯＳ型固体撮像装置においては、アルミ配線４４２は、多層にわたって形成される。プラグ４４０は、アルミ配線４４２とアルミ配線４４２との間、ゲート電極４０８とアルミ配線４４２との間、または電荷電圧変換部４０６とアルミ配線４４２との間を電気的に接続する。絶縁膜４５０は、フォトダイオード部１０４、電荷電圧変換部４０６、ゲート電極４０８、およびアルミ配線４４２が、互いに電気的な絶縁関係を保つために形成される。
【００５５】
中央レンズ４３２ａおよび環状レンズ４３６ａの組と、中央レンズ４３２ｂおよび環状レンズ４３６ｂの組と、および中央レンズ４３２ｃおよび環状レンズ４３６ｃの組とは、それぞれフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。各層内レンズは、平坦化膜４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃおよび３５２により覆われている。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、層内レンズをフレネルレンズ構成としたので、層内レンズの曲率を大きくしても、その厚さを薄くでき、光電変換部の表面から上部レンズまでの距離を短くできる。その結果、隣接画素にもれ込もうとする光が低減し、混色を防止できる。すなわち、色むらやフリッカの低減が可能な固体撮像装置を実現できる。さらに、上部レンズに斜めから入射する光も効率よく光電変換部に集められるため、カメラレンズの絞りが大きくても画像が鮮明となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図
【図２】 Ｓｉ基板に電荷転送に関わる部分を形成した基板の断面図
【図３】 Ｓｉ基板に形成された、固体撮像装置の電荷転送に関わる部分を示す図
【図４】 図３に示される基板に、絶縁膜を形成した様子を示す断面図
【図５】 図４に示される基板に、層内レンズを形成した様子を示す断面図
【図６】 図５に示される基板に、レジストのホールを形成した様子を示す断面図
【図７】 図６に示される基板をエッチングした様子を示す断面図
【図８】 図７に示される基板からレジストを除去した上で、平坦化膜を形成した様子を示す断面図
【図９】 第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面図
【図１０】 第２の実施形態に係る固体撮像装置であって、サイドウォールを複数形成した様子を示す断面図
【図１１】 図１０に示される基板に、層内レンズを形成したうえで、平坦化膜を形成した様子を示す断面図
【図１２】 図１１に示される基板に、円柱状のレジストを形成した様子を示す断面図
【図１３】 図１２に示される基板をエッチングした上で、レジストを除去した様子を示す断面図
【図１４】 図１３に示される基板に、レンズ材料の膜を形成した様子を示す断面図
【図１５】 図１４に示される基板からレンズ材料の膜を除去して環状レンズを形成し、さらに平坦化膜を形成した様子を示す断面図
【図１６】 配線の層間に層内レンズを備えるＭＯＳ型固体撮像装置の断面図
【図１７】 配線と同位置に層内レンズを備えるＭＯＳ型固体撮像装置の断面図
【図１８】 従来の固体撮像装置の断面図
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、より特定的には、いわゆるＣＣＤのように、画素ごとに配置された各光電変換部が入射光量に応じた電荷を発生し、電荷転送部が各光電変換部で発生した電荷を転送することにより、電気信号を出力する固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤに代表される固体撮像装置は、近年、画素数の増大化および装置の小型化の点において、著しい向上が実現されている。一般的に、固体撮像装置においては、各画素の面積に比べて、フォトダイオード部上方の遮光膜に設けられた開口部の面積は小さい。また、さらに画素サイズが小さくなると（約３μｍ×３μｍ以下）、１つのフォトダイオード部が受ける絶対的な光の量が、従来に比べて顕著に減少している。そのため、１つの画素に対して照射された光を効率良く開口部に導かなければならない。
【０００３】
１つの画素に対して照射される光を、有効に開口部に集めるため、従来の固体撮像装置においては、カラーフィルタの上部にマイクロレンズ（以下「上部レンズ」と称する）が設けられている。そして、最近では、さらに集光率を向上させて感度を向上させるために、カラーフィルタの上部だけでなくその下部にもマイクロレンズ（以下、「層内レンズ」と称する）を形成するようになってきた（例えば、特許文献１を参照）。なお、２枚のマイクロレンズ構成にすることで、色収差による光波長ごとの焦点ずれを低減する効果もある。
【０００４】
図１８は、上部レンズおよび層内レンズを有する従来の固体撮像装置の断面構造の一例を示している。図１８において、遮光メタル膜１１０は、ゲート電極１０８や電荷転送部１０６に光が当たることを防止する。また、遮光メタル膜１１０は、フォトダイオード部１０４に光が入射されるように、フォトダイオード部１０４の上部に開口部を有している。上部レンズ１２２および層内レンズ５３０は、フォトダイオード部１０４に光を集める。これら上部レンズ１２２および層内レンズ５３０の間には、カラーフィルタ１２０が設けられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１６４８３７号公報（第７頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２は、短い方が好ましい。もし、この距離５５２が長くなると、上部レンズ１２２および層内レンズ５３０を通った光のうち、遮光メタル膜１１０でさえぎられる光や、隣接する画素に進入する光が発生する問題が生じる。例えば、図１８に示される固体撮像装置においては、上部レンズを通った光５６２、５６４および５６６のうち、遮光メタル膜１１０でさえぎられる光５６６が存在する。このため、上部レンズ１２２を通じて入射された光より、フォトダイオード部１０４が受ける光の量が少なくなる。また、遮光メタル膜１１０でさえぎられた光５６６が直接または反射等で他の画素に進入すると、混色が発生するという不具合が生じる。
【０００７】
フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２を短くするために、カラーフィルタ１２０の膜厚を薄くすることも考えられるが、このような方法では分光特性の劣化を招くため、好ましくない。カラーフィルタ１２０は、所定の分光特性を得るために、一定以上の膜厚を確保する必要がある。そのため、上部レンズ１２２および層内レンズ５３０間の距離は、カラーフィルタ１２０の膜厚によって規制を受け、あまり近づけることができない。このことが、フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２の短縮化を阻んでいる。さらに、カラーフィルタの膜厚の規制によって上部レンズ１２２および層内レンズ５３０間の距離が長くなると、層内レンズ５３０の曲率を上部レンズ１２２の曲率よりも大きくする必要がある。もし、上部レンズ１２２の曲率を層内レンズ５３０の曲率よりも大きくすると、上部レンズ１２２によってあまりにも絞られすぎた光あるいは焦点を結んだ後の拡散光が層内レンズ５３３に入射することになり、フォトダイオード部１０４の表面に集光スポットを形成することが困難になる。層内レンズ５３０の曲率を上げるためには、層内レンズ５３０の厚みを増す必要がある。層内レンズ５３０の厚みを増すと、フォトダイオード部１０４の表面から上部レンズ１２２までの距離５５２は、さらに長くなる。
【０００８】
それゆえに、本発明の目的は、高感度化および小型化が可能で、しかも混色を低減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である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画素ごとに配置された各光電変換部が入射光量に応じた電荷を発生し、各光電変換部で発生した電荷を電気信号に変換し、電気信号を出力するような固体撮像装置（代表的には、ＣＣＤ）に向けられており、カラーフィルタ層と、上部レンズと、層内レンズとを備えている。カラーフィルタは、各光電変換部の上方に配置され、特定の波長の光を透過させる。上部レンズは、カラーフィルタ層の上部に配置され、入射した光を収束させてカラーフィルタ層に入射させる。層内レンズは、カラーフィルタ層と光電変換部との間に配置され、上部レンズで収束された光をさらに収束させて対応する光電変換部に入射させる。ここで、本発明の最大の特徴は、層内レンズがフレネルレンズ構造を有していることである。このようなレンズ構造を採用することにより、層内レンズの曲率を大きくしても、その厚さを薄くでき、光電変換部の表面から上部レンズまでの距離を短くできる。その結果、隣接画素にもれ込もうとする光が低減し、混色を防止できる。すなわち、色むらやフリッカの低減が可能な固体撮像装置を実現できる。さらに、上部レンズに斜めから入射する光も効率よく光電変換部に集められるため、カメラレンズの絞りが大きくても画像が鮮明となる。
【００１０】
フレネルレンズ構造を有する層内レンズは、典型的には、中央レンズと、その外側に配置された１つまたは複数の環状レンズとを含む。中央レンズは、中心が光軸上にある円状かつ曲面を持つレンズである。各環状レンズは、中央レンズの外側に位置し、かつ中央レンズの光軸から見て同心の環状かつ帯状の面を持つレンズである。中央レンズおよび各環状レンズは、材料の選び方により、それぞれに異なる屈折率を持たせることも可能である。たとえば、中央レンズの光軸から外側に行くにつれて各レンズの屈折率を大きくするようにしても良いし、逆に小さくするようにしても良い。このように、各レンズの屈折率を異ならせることにより、必要に応じて、様々な光学的特性を層内レンズに持たせることが可能となる。また、各環状レンズのそれぞれの半径方向幅は、中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなるようにしても良い。これにより層内レンズの高さを最小限に抑える設計が可能となる。なお、層内レンズは、一例として、ＳｉＮ（窒化珪素）により構成される。
【００１１】
本発明は、上記のような構成を有する固体撮像装置の製造方法にも向けられている。第１の製造方法では、まず、光電変換部の上層に絶縁膜を形成する。次に、光電変換部の直上であって絶縁膜の上部にレンズを形成する。次に、絶縁膜およびレンズを覆うようにレジスト層を形成する。次に、レンズの上方に、レンズの光軸上に中心を持つ円を底面とし、かつレンズの直径よりも小さい直径を有する円筒形状のホールをレジスト層に形成する。次に、レンズ中心部の表面形状を維持させるべくホール内をエッチングし、最後にレジスト層を除去する。
【００１２】
第２の製造方法では、まず、光電変換部の上層に絶縁膜を形成する。次に、光電変換部の直上であって絶縁膜の上部に、画素が並ぶ周期の５０〜７０％の直径を有する中央レンズを形成する。次に、中央レンズよりも屈折率が小さい材料を用いて、中央レンズを覆うように表面を平坦化させる平坦化膜を形成する。次に、平坦化膜の表面上であって中央レンズの上方に、中央レンズの光軸上に中心を持つ円を底面とし、かつ中央レンズと直径が等しい円筒形状のレジストを形成する。次に、レジスト下方の平坦化膜を残し、他の部分の平坦化膜を除去する。次に、絶縁膜および平坦化膜を覆うように、レンズ材料から成るレンズ膜を形成する。最後に、平坦化膜が現れる深さまでレンズ膜をエッチングすることにより、中央レンズの外周に、環状レンズとなるサイドウォールを形成する。
【００１３】
なお、サイドウォールを形成するための一連の作業を、複数回繰り返すことにより、中央レンズの外側に複数の環状レンズを形成するようにしても良い。この場合、各環状レンズの屈折率がそれぞれ同一になるよう各サイドウォールを形成しても良いし、各環状レンズの屈折率が少なくとも２種類以上存在するよう各サイドウォールを形成しても良い。また、各環状レンズのそれぞれの半径方向幅が中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなるように各サイドウォールを形成しても良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の模式的な平面図である。図１では、電荷転送に関わる構成が特に示されている。図１において、単位画素１２は、固体撮像装置を構成する画素のうち、１つの画素が占める領域を示す。光電変換部としてのフォトダイオード部１０４は、受けた光の強度に応じて電荷を発生させる。垂直ＣＣＤ１６は、複数の画素から、フォトダイオード部１０４で発生した電荷を受けとり、これを転送する。水平ＣＣＤ１８は、各垂直ＣＣＤ１６から電荷を受けとり、これを出力アンプ２０に転送する。信号１４は、信号電荷の流れを示す。
【００１５】
図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の模式的な断面図である。図２の断面は、図１に示される固体撮像装置１０を点線２２に沿って切断した場合の断面である。隣接する画素についても同様であるため、図示および説明を省略する。以下、図２を用いて、第１の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、インターラインＣＣＤ固体撮像装置について説明するが、他の種類の固体撮像装置、例えばＭＯＳ型の固体撮像装置等であってもよい。
【００１６】
図２に示されるように、本発明に係る固体撮像装置１００において、Ｓｉ（シリコン）基板１０２は、固体撮像装置を形成するための基板である。フォトダイオード部１０４は、Ｓｉ基板１０２に形成され、受けた光の強度に応じて電荷を発生させる。電荷転送部１０６は、Ｓｉ基板１０２に形成され、フォトダイオード部１０４が発生させた電流を搬送する。ゲート電極１０８は、Ｓｉ基板１０２上において各フォトダイオード部１０４に隣接して配置され、フォトダイオード部１０４で発生した電荷を電荷転送部１０６に移動させるためのスイッチの役割を果たす。遮光メタル膜１１０（フォトシールド）は、ゲート電極１０８の全体を覆うように形成され、さらに、フォトダイオード部１０４の一部を覆うように形成される。遮光メタル膜１１０は、ゲート電極１０８に光が当たることを防止する。
【００１７】
ＭＯＳゲート絶縁膜１１２は、ゲート電極１０８とＳｉ基板１０２との間に形成され、両者を絶縁する。層間絶縁膜１１４は、ゲート電極１０８と遮光メタル膜１１０とを絶縁する。絶縁膜１１６は、上述した構造を形成したＳｉ基板１０２およびさらにその上全面に堆積される。
【００１８】
上部レンズ１２２並びに中央レンズ１３２および環状レンズ１３４は、その組み合わせにより、平行入射光をフォトダイオード部１０４の表面付近に集光する。中央レンズ１３２および環状レンズ１３４は、組み合わされてフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。中央レンズ１３２は、放物面や球面に近いレンズである。環状レンズ１３４は、例えば、放物面や球面の一部を、環状かつ帯状に抽出した面を有する。
【００１９】
周知のごとく、フレネルレンズ構造は、球面レンズや非球面レンズの表面の形状を維持したままレンズ内部の領域を減らし、光軸を中心とした同心円状の帯状の部分に切り分け、中心部と周辺部とで厚さがほぼ同じになるよう、ほぼ平坦に作られた構造を有する。これにより、レンズ内部において光が進む距離が短くなるため、収差が減るなどの利点がある。また、帯状の各レンズ部分毎に、曲率を異ならせたり、屈折率を異ならせてもよい。一般に、各レンズ部分の焦点は一致する。
【００２０】
但し、厳密に球面形状を有するレンズの形成は困難であり、層内レンズの表面は、放物面である場合が多い。通常、層内レンズの光軸は、フォトダイオード部の開口の中心を通る。但し、固体撮像装置の周辺部におけるぼけを防止する目的で、層内レンズの光軸を、意図的にフォトダイオード部の開口の中心からずらす場合もある。
【００２１】
中央レンズ１３２および環状レンズ１３４は、プラズマＣＶＤにより形成された窒化シリコンの膜（Ｐ−ＳｉＮ：プラズマ窒化シリコン）等を材料として形成される。平坦化膜１１８は、中央レンズ１３２および環状レンズ１３４を覆うように形成される。カラーフィルタ１２０は、平坦化膜１１８の上面に形成され、特定の波長の光（赤、緑、青など）を透過させる。
【００２２】
図３〜図８は、図２に示す固体撮像装置を製造する過程における、各段階での模式断面図を示す。以下、図２および図３〜図８を用いて、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。
【００２３】
図３は、Ｓｉ基板に形成された、固体撮像装置の電荷転送に関わる部分を示す図である。まず、Ｓｉ基板１０２に、イオン注入等の方法を用い、所望の不純物拡散層を形成する。イオン注入とは、イオンを高エネルギーで加速し、加速したイオンを基板に衝突させ、半導体基板にｐ型あるいはｎ型などの性質を持たせるものである。これにより、フォトダイオード部１０４および電荷転送部１０６が形成される。
【００２４】
次に、熱酸化やＣＶＤ法により、ＭＯＳゲート絶縁膜１１２を堆積させる。ＭＯＳゲート絶縁膜１１２は、例えば、ＯＮＯ（ＳｉＯ2−ＳｉＮ−ＳｉＯ2）構造を有する。
【００２５】
次に、ゲート電極１０８をＣＶＤ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により堆積させる。次に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングプロセス等により、必要なパターン（図示せず）を形成する。次に、電極絶縁膜（図示せず）を酸化／ＣＶＤ等により堆積させる。次に、図には示していないが、第２のゲート電極の堆積、加工を行う。なお、３層以上の電極構造の場合は、この工程を繰り返す。次に、これら二層に構成された電極上に、酸化／ＣＶＤにより層間絶縁膜１１４を堆積させる。次に、フォトダイオード部１０４の上部を除くエリアに、遮光メタル膜１１０を堆積させる。
【００２６】
図４は、固体撮像装置の電荷転送に関わる部分に、さらに絶縁膜を形成した様子を示す図である。遮光メタル膜１１０を堆積した後、その上部に、絶縁膜１１６を堆積させる。絶縁膜１１６は、絶縁物としての役割と、素子表面を平坦化させる役割とを持つ。絶縁膜１１６として、例えば、ホウ素（Ｂ）およびリン（Ｐ）が含まれた酸化シリコンであるＢＰＳＧ（ボロン・フォスフォ・シリケート・グラス）等が用いられる。
【００２７】
一般に、半導体素子の製造工程には、高密度化にともなう断線などの問題を防ぐため、素子表面を平坦にする工程が含まれる。例えば、素子表面に絶縁膜であるＢＰＳＧの膜をＣＶＤ法により形成し、その後に、熱を加えて流動性を持たせる熱処理（リフロー）、または研磨液を用いて物理的に研磨するＣＭＰ（化学的機械的研磨）により平坦化する。熱処理においては、ＢＰＳＧにホウ素とリンが含まれることで、酸化シリコンを用いる場合に比較して、表面はより平坦になることが知られている。
【００２８】
図５は、図４に示される素子に、さらにレンズを形成した様子を示す図である。レンズ１３０を形成する方法として、まず、Ｐ−ＳｉＮの層をプラズマＣＶＤで形成する。次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、レジストを選択的に所望の大きさおよび位置に形成する。通常は各画素の開口位置の上方に、円筒状に形成される。次に、熱処理してレジストを溶解させ、レジストの表面張力を利用し、レンズ形状のレジストを形成する。次に、Ｐ−ＳｉＮおよびレジストのエッチングレートが同等となる条件の下で、レジストが全てなくなるまでドライエッチングを行う。これにより、レジストのレンズ形状が、Ｐ−ＳｉＮに転写される。すなわち、レンズ形状のレジストが存在していた部分の下方に、レンズ形状のＰ−ＳｉＮが形成される。エッチングガスとしては、四フッ化炭素、酸素およびアルゴンの混合ガスが用いられる。
【００２９】
図６は、図５に示される素子に、所望の形状を有するレジスト１４０の膜を形成した様子を示す図である。レンズ１３０の形成後、レンズ１３０を覆うようにレジスト膜を形成する。次に、レジストをエッチングし、レンズ１３０と同心で、かつ、レンズ１３０の直径よりも小さい直径の底面を有する円筒状のホールを形成する。
【００３０】
一般に、層内レンズが小さすぎると、層内レンズで集光できない光の量が多くなる。逆に、層内レンズが大きすぎると、フォトダイオードの開口部分に集光できない光の量が多くなる。そのため、加工の容易性および集光のしやすさの点から、ホール底面の直径は、フォトダイオードの開口部分を覆う程度、すなわち画素のサイズ（画素が並ぶ周期）の５０〜７０％が好ましい。
【００３１】
図７は、図６に示される素子をエッチングした様子を示す図である。レンズ１３０のうち、レジストにより覆われていないホール下方部分をエッチングする。この際、レンズ１３０の表面の形状を維持したまま、深さ方向に均一にエッチングする。これにより、中央レンズ１３２および環状レンズ１３４が形成される。次に、レジスト１４０をエッチングして除去する。
【００３２】
図８は、図７に示される素子の表面を平坦化した様子を示す図である。中央レンズ１３２および環状レンズ１３４の形成後、平坦化膜１１８で、中央レンズ１３２および環状レンズ１３４を覆うように、表面が平坦化される。平坦化膜１１８には、透明な材料であれば良く、有機材料であっても無機材料であってもよい。
【００３３】
次に、図８に示される素子に、さらにカラーフィルタおよび上部レンズを形成する（図２参照）。まず、平坦化された表面上に、カラーフィルタ１２０を形成する。カラーフィルタ１２０は、有機基材を染料で染色する染色法や、色素を含んだレジストを塗布およびエッチングするカラーレジスト塗布法などにより形成される。カラーフィルタ１２０の形成は、所望の、各画素の配置に対応したカラーフィルタの色の配置（カラーコーディング）が形成されるまで、各色毎に順次繰り返される。
【００３４】
次に、カラーフィルタ１２０の上に、上部レンズ１２２を形成する。上部レンズ１２２の形成においては、一般に、熱溶融性の透明な樹脂の膜を堆積した後、矩形状にエッチングし、これに熱を加えて流動性をもたせることにより、表面張力によってレンズ形状とする方法が用いられる。また、レジスト熱リフロー転写などにより堆積形成する方法も知られている。
【００３５】
本実施形態によれば、図２に示されるように、Ｓｉ基板１０２の表面から上部レンズまでの距離を、従来の距離５５２から距離１５２まで縮めることができる。これにより、平行光１６２や１６４に加え、レンズの端からの斜め光１６６もフォトダイオードの開口部に集光することができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。以下、図９を用いて、第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、インターラインＣＣＤ固体撮像装置について説明したが、他の種類の固体撮像装置、例えばＭＯＳ型の固体撮像装置等であってもよい。
【００３７】
図９に示されるように、Ｓｉ基板１０２、フォトダイオード部１０４、電荷転送部１０６、ゲート電極１０８、遮光メタル膜１１０、ＭＯＳゲート絶縁膜１１２、層間絶縁膜１１４、絶縁膜１１６、上部レンズ１２２、およびカラーフィルタ１２０は、第１の実施形態におけるものとそれぞれ同じであり、説明を省略する。
【００３８】
本実施形態において、上部レンズ１２２並びに中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、入射する光をフォトダイオード部１０４に集光する。中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、組み合わされてフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、屈折率が互いに異なる。中央レンズ２３２および環状レンズ２３６は、Ｐ−ＳｉＮ等を材料として形成される。
【００３９】
具体的な製造方法は後述するが、本実施形態に係る固体撮像装置では、中央レンズ２３２および環状レンズ２３６を、互いに異なる材料で形成している。そのため、中央レンズ２３２および環状レンズ２３６の屈折率を、互いに異ならせることができる。これにより、例えば、中心部付近のレンズの焦点距離と環状レンズの焦点距離とを変えることができ、単一の材料により層内レンズを形成する場合に比べ、集光率が改善された非球面レンズの作成が可能となる。
【００４０】
図１０は、中心に位置する中央レンズ２３２と、その周囲に沿って存在する環状レンズ２３６と、さらにその周囲に沿って存在する環状レンズ２４０とが組み合わされて形成された、フレネルレンズ構造を有する層内レンズを示す図である。図９に示されるように、層内レンズを多重のレンズ構成とし、さらに、各レンズ部に所望の屈折率を持たせることにより、層内レンズ全体として、任意の理想レンズへ近づけることが可能となる。
【００４１】
図１１〜図１５は、図９に示す固体撮像装置を製造する過程における各段階の模式的な断面構造を示している。以下、図９および図１１〜図１５を用いて、第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。Ｓｉ基板１０２に絶縁膜１１６を形成するまでの処理は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法と同じであり、図３に示される素子が得られるため、説明を省略する。
【００４２】
図１１は、図４に示される素子に中央レンズおよび平坦化膜を形成した様子を示す図である。中央レンズ２３２の直径は、第１の実施形態と同様に、画素サイズ（画素が並ぶ周期）の５０〜７０％程度が好ましい。平坦化膜２３３は、中央レンズ２３２を覆うように形成される。平坦化膜２３３を形成する材料の屈折率は、中央レンズ２３２がレンズとしての機能を果たすように、中央レンズ２３２を形成する材料の屈折率より小さい。
【００４３】
図１２は、図１１に示される素子に、レジストパターンを形成した様子を示す図である。レジストパターン２４４は、中央レンズ２３２の上方を覆う円筒状に形成される。図１３は、図１２に示される素子をエッチングした様子を示す図である。中央レンズ２３２の上方の平坦化膜２３４のみが残され、その他の領域の平坦化膜は、除去される。残された平坦化膜２３４は、中央レンズ２３２が、後のエッチングなどの処理により影響を受けないようにするために形成される。
【００４４】
図１４は、図１３に示される素子に、環状レンズ２３６を形成するレンズ材料２４６の膜を形成した様子を示す図である。中央レンズ２３２と環状レンズ２３６とで、形成する材料を異ならせることにより、屈折率を異ならせることができる。屈折率の異なる材料としてＳｉＯＮを用いれば、ＯおよびＮの比率を変化させることにより、屈折率を１．７５〜２．３付近で変化させることができることが知られている。レンズの作成方法は、第１の実施形態に係る方法と同様であるため、説明を省略する。但し、ＳｉＯＮのように酸素を含む材料で膜を形成する場合、エッチングガス中の酸素の割合を減らす調整が一般に必要とされる。
【００４５】
図１５は、図１４に示される素子をエッチングして、環状レンズ２３６を形成し、さらに平坦化膜２１８を形成した様子を示す図である。エッチングにより、中央レンズ２３２の周囲に環状レンズ２３６となるサイドウォールが形成される。平坦化膜２１８は、中央レンズ２３２および環状レンズ２３６を覆うように形成される。
【００４６】
図１５に示される素子に、平坦化膜２１８、カラーフィルタ１２０、および上部レンズ１２２を形成する方法は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００におけるものと同じであるため、説明を省略する。
【００４７】
図１０に示される固体撮像装置は、図９に示される素子におけるサイドウォールの形成と同様に、さらにその外側に環状レンズを作成したものである。また、平坦化膜２３８の形成は、平坦化膜２３４の形成と同様に行う。その際、環状レンズ２４０となるサイドウォールごとに材料を任意に選択できるため、屈折率を任意の値とした最適レンズ設計が可能となる。たとえば、中央レンズの光軸から外側に行くにつれて各環状レンズの屈折率を大きくするようにしても良いし、逆に小さくするようにしても良い。このように、各レンズの屈折率を異ならせることにより、必要に応じて、様々な光学的特性を層内レンズに持たせることが可能となる。
【００４８】
（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、インターラインＣＣＤ型固体撮像装置について説明した。しかし、本発明に係る固体撮像装置は、他のＣＣＤ固体撮像装置またはＭＯＳ型撮像装置であってもよい。図１６および図１７は、固体撮像装置にＦＤＡ（Floating Diffusion Amp）型ＭＯＳ撮像装置を採用した場合の模式的断面図である。なお、他のＭＯＳ型固体撮像装置であっても同様である。
【００４９】
特に、ＭＯＳ型撮像装置の場合、配線が多層構造になるのが一般的である。そのため、外部からの光を効率的にフォトダイオード部に集光するためには、レンズを多層にすることが好ましい。ここで、層内レンズをフレネルレンズ構造とすれば、図１６および図１７に示すように層内レンズ高さを配線の厚さよりも低くすることができる。そのため、多層配線に影響されず、配線の層間（図１６）あるいは、配線と同位置（図１７）に配置することができるため配線の総数以上の多段の層内レンズをも形成可能となる。
【００５０】
図１６において、Ｓｉ基板１０２、フォトダイオード部１０４、カラーフィルタ１２０、および上部レンズ１２２は、第１の実施形態に係るものと同じであり、また、ゲート電極３０８は、第１の実施形態に係るゲート電極１０８と同じ役割であるため、説明を省略する。電荷電圧変換部３０６は、フォトダイオード部１０４で発生した電荷をゲート電極３０８で転送して電圧に変換する役割を果たす。
【００５１】
ＭＯＳ型固体撮像装置においては、アルミ配線３４２は、多層にわたって形成される。プラグ３４０は、アルミ配線３４２とアルミ配線３４２との間、ゲート電極３０８とアルミ配線３４２との間、または電荷電圧変換部３０６とアルミ配線３４２との間を電気的に接続する。絶縁膜３５０は、フォトダイオード部１０４、電荷電圧変換部３０６、ゲート電極３０８、およびアルミ配線３４２が、互いに電気的な絶縁関係を保つために形成される。
【００５２】
中央レンズ３３２ａと環状レンズ３３６ａと、および中央レンズ３３２ｂと環状レンズ３３６ｂとは、それぞれフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。各層内レンズは、平坦化膜３３４ａ、３３４ｂ、および３５２により覆われている。
【００５３】
図１７において、Ｓｉ基板１０２、フォトダイオード部１０４、カラーフィルタ１２０、および上部レンズ１２２は、第１の実施形態に係るものと同じであり、また、ゲート電極４０８は、第１の実施形態に係るゲート電極１０８と同じ役割であり、電荷電圧変換部４０６は、第３の実施形態の電荷電圧変換部３０６と同じ役割であるため、説明を省略する。
【００５４】
ＭＯＳ型固体撮像装置においては、アルミ配線４４２は、多層にわたって形成される。プラグ４４０は、アルミ配線４４２とアルミ配線４４２との間、ゲート電極４０８とアルミ配線４４２との間、または電荷電圧変換部４０６とアルミ配線４４２との間を電気的に接続する。絶縁膜４５０は、フォトダイオード部１０４、電荷電圧変換部４０６、ゲート電極４０８、およびアルミ配線４４２が、互いに電気的な絶縁関係を保つために形成される。
【００５５】
中央レンズ４３２ａおよび環状レンズ４３６ａの組と、中央レンズ４３２ｂおよび環状レンズ４３６ｂの組と、および中央レンズ４３２ｃおよび環状レンズ４３６ｃの組とは、それぞれフレネルレンズ構造を有する層内レンズを形成する。各層内レンズは、平坦化膜４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃおよび３５２により覆われている。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、層内レンズをフレネルレンズ構成としたので、層内レンズの曲率を大きくしても、その厚さを薄くでき、光電変換部の表面から上部レンズまでの距離を短くできる。その結果、隣接画素にもれ込もうとする光が低減し、混色を防止できる。すなわち、色むらやフリッカの低減が可能な固体撮像装置を実現できる。さらに、上部レンズに斜めから入射する光も効率よく光電変換部に集められるため、カメラレンズの絞りが大きくても画像が鮮明となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図
【図２】 Ｓｉ基板に電荷転送に関わる部分を形成した基板の断面図
【図３】 Ｓｉ基板に形成された、固体撮像装置の電荷転送に関わる部分を示す図
【図４】 図３に示される基板に、絶縁膜を形成した様子を示す断面図
【図５】 図４に示される基板に、層内レンズを形成した様子を示す断面図
【図６】 図５に示される基板に、レジストのホールを形成した様子を示す断面図
【図７】 図６に示される基板をエッチングした様子を示す断面図
【図８】 図７に示される基板からレジストを除去した上で、平坦化膜を形成した様子を示す断面図
【図９】 第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面図
【図１０】 第２の実施形態に係る固体撮像装置であって、サイドウォールを複数形成した様子を示す断面図
【図１１】 図１０に示される基板に、層内レンズを形成したうえで、平坦化膜を形成した様子を示す断面図
【図１２】 図１１に示される基板に、円柱状のレジストを形成した様子を示す断面図
【図１３】 図１２に示される基板をエッチングした上で、レジストを除去した様子を示す断面図
【図１４】 図１３に示される基板に、レンズ材料の膜を形成した様子を示す断面図
【図１５】 図１４に示される基板からレンズ材料の膜を除去して環状レンズを形成し、さらに平坦化膜を形成した様子を示す断面図
【図１６】 配線の層間に層内レンズを備えるＭＯＳ型固体撮像装置の断面図
【図１７】 配線と同位置に層内レンズを備えるＭＯＳ型固体撮像装置の断面図
【図１８】 従来の固体撮像装置の断面図
Claims (13)
- 画素ごとに配置された各光電変換部が入射光量に応じた電荷を発生し、各光電変換部で発生した電荷を電気信号に変換し、前記電気信号を出力する固体撮像装置であって、
各前記光電変換部の上方に配置され、特定の波長の光を透過させるカラーフィルタ層と、
前記カラーフィルタ層の上部に配置され、入射した光を収束させて当該カラーフィルタ層に入射させる上部レンズと、
前記カラーフィルタ層と前記光電変換部との間に配置され、前記上部レンズで収束された光をさらに収束させて対応する光電変換部に入射させる層内レンズとを備え、
前記層内レンズは、フレネルレンズ構造を有していることを特徴とする、固体撮像装置。 - 前記層内レンズは、
中心が光軸上にある円状かつ曲面を持つ中央レンズと、
前記中央レンズの外側に位置し、かつ当該中央レンズの光軸から見て同心の環状かつ帯状の面を持つ１つまたは複数の環状レンズとを含む、請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記中央レンズおよび各前記環状レンズは、それぞれが異なる屈折率を有することを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
- 前記中央レンズおよび各前記環状レンズのそれぞれの屈折率は、前記中央レンズの光軸から外側に行くにつれて大きくなることを特徴とする、請求項３に記載の固体撮像装置。
- 前記中央レンズおよび各前記環状レンズのそれぞれの屈折率は、前記中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなることを特徴とする、請求項３に記載の固体撮像装置。
- 各前記環状レンズのそれぞれの半径方向幅は、前記中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなることを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
- 前記層内レンズは、ＳｉＮ（窒化珪素）により構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。
- 画素ごとに配置され入射光量に応じて電荷を発生する光電変換部とカラーフィルタ層との間に層内レンズが設けられた固体撮像装置を製造する方法であって、
前記光電変換部の上層に絶縁膜を形成する絶縁膜形成ステップと、
前記光電変換部の直上であって前記絶縁膜の上部にレンズを形成するレンズ形成ステップと、
前記絶縁膜および前記レンズを覆うようにレジスト層を形成するレジスト形成ステップと、
前記レンズの上方に、当該レンズの光軸上に中心を持つ円を底面とし、かつ当該レンズの直径よりも小さい直径を有する円筒形状のホールを前記レジスト層に形成するホール形成ステップと、
前記レンズ中心部の表面形状を維持させるべく前記ホール内をエッチングするエッチングステップと、
前記レジスト層を除去するレジスト層除去ステップとを備える、固体撮像装置の製造方法。 - 画素ごとに配置され入射光量に応じて電荷を発生する光電変換部とカラーフィルタ層との間に層内レンズが設けられた固体撮像装置を製造する方法であって、
前記光電変換部の上層に絶縁膜を形成する絶縁膜形成ステップと、
前記光電変換部の直上であって前記絶縁膜の上部に、画素が並ぶ周期の５０〜７０％の直径を有する中央レンズを形成する中央レンズ形成ステップと、
前記中央レンズよりも屈折率が小さい材料を用いて、当該中央レンズを覆うように表面を平坦化させる平坦化膜を形成する平坦化膜形成ステップと、
前記平坦化膜の表面上であって前記中央レンズの上方に、当該中央レンズの光軸上に中心を持つ円を底面とし、かつ当該中央レンズと直径が等しい円筒形状のレジストを形成するレジスト形成ステップと、
前記レジスト下方の平坦化膜を残し、他の部分の平坦化膜を除去する平坦化膜除去ステップと、
前記絶縁膜および前記平坦化膜を覆うように、レンズ材料から成るレンズ膜を形成するレンズ膜形成ステップと、
前記平坦化膜が現れる深さまで前記レンズ膜をエッチングすることにより、前記中央レンズの外周に、環状レンズとなるサイドウォールを形成するサイドウォール形成ステップとを備える、固体撮像装置の製造方法。 - 前記平坦化膜形成ステップ、前記レジスト形成ステップ、前記平坦化膜除去ステップ、前記レンズ膜形成ステップおよび前記サイドウォール形成ステップで行われる一連の作業を、複数回繰り返すことにより、前記中央レンズの外側に複数の環状レンズを形成することを特徴とする、請求項９に記載の固体撮像装置の製造方法。
- 各前記環状レンズの屈折率がそれぞれ同一であることを特徴とする、請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
- 各前記環状レンズの屈折率が少なくとも２種類以上であることを特徴とする、請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
- 各前記環状レンズのそれぞれの半径方向幅は、前記中央レンズの光軸から外側に行くにつれて小さくなることを特徴とする、請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
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