JP4626255B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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そして、このような固体撮像素子を例えば携帯電話機に搭載するために小型化した場合、必然的にレンズの瞳距離が短くなり、2次元配列された複数の画素による画素アレイ部の撮像面、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、シェーディング効果が大きくなり、画質を高いレベルで維持することが困難になる。
そこで従来は、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、または下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ている方法を採用している。
(例えば特許文献1参照)。
特に、層内レンズのレンズ径を画素アレイ部の中心領域と周縁領域とで変化させることにより、レンズ径を変化させるだけで容易に入射光量の最適化を図ることができる。また、層内レンズをレンズ径の異なる第1のレンズと第2のレンズというように、複数種類のレンズ径に形成し、径の小さいレンズを径の大きいレンズよりも画素アレイ部の中心側に位置させることにより、レンズ径を徐々に変化させる場合に比べて容易にパターンを形成できる。
また、層内レンズは上層膜に含まれる最も上層の配線膜よりも上層に形成することで、層内レンズの形状を変化させる際に受ける配線パターン上の制約を小さくでき、レンズ設計の自由度が増し、かつ、配線の上層で有効に入射光を集光して画素に導くことができる。
さらに、層内レンズを高屈折材料よりなるレンズ層の下面を凸面レンズ状に形成したり、あるいは、高屈折材料よりなるレンズ層の上面を凸面レンズ状に形成することにより、加工が容易な単純形状の凸面レンズで有効に入射光を画素に導くことができる。
半導体基板10には、光電変換部としてのフォトダイオード(PD)12と、このフォトダイオード12で生成した信号電荷を読み出すための転送ゲート(TG)14と、転送ゲート14によって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)16等が形成されている。
また、半導体基板10の上には、各種の絶縁膜20を介して複数層のAl配線膜22を積層した上層膜が形成され、この上層膜の上層部分に層内レンズ24が形成されている。そして、この層内レンズ24の上面にカラーフィルタ26及びオンチップレンズ28が配置されている。
また、本実施例において、層内レンズ24は、シリコン酸化膜等による絶縁膜20に対して高屈折率材であるシリコン窒化膜等によるレンズ層を設け、このレンズ層の下面に凸面レンズを形成したものである。そして、図1(A)に示す中央付近の画素では、層内レンズ24はレンズ径が小さく、斜め成分の小さい光に対応する構造となっており、逆に図1(B)に示す周縁部付近の画素では、層内レンズ24はレンズ径が大きく、斜め成分の大きい光に対応する構造となっている。このように画素の位置に応じて最適化したレンズ面を有する層内レンズとすることで、特に周縁部付近の斜め光成分によって低下する集光効率を改善し、感度落ちを防止することが可能となる。
まず、図2において、半導体基板上に複数層の絶縁膜20及びAl配線膜(遮光膜を含む)22を形成する。
その後、高密度プラズマCVD(HDP−CVD)またはプラズマCVDによるテトラエトキシシラン層(P−TEOS)等の低温のCVD酸化膜20Aを堆積する。このCVD酸化膜20Aは上述した絶縁膜20の最上層の膜となるものであり、その屈折率は約1.45である。その後、平坦化のためにCMPを施す。
次に、図3において、このCVD酸化膜20A上にフォトレジスト30を形成し、フォトダイオードの受光部に対応する開口が形成されるようにパターニングする。この時、画素アレイ部の中心から周辺部に向かって徐々にフォトレジスト30の開口が大きくなるようにパターン形成する。
次に、図4において、フォトレジスト30をマスクとして、CVD酸化膜20Aに等方性エッチングを施し、CVD酸化膜20Aの受光部対応領域に凹状の湾曲部21を形成する。この時、凹状湾曲部21は、画素アレイ部の中心と周縁部とでフォトレジスト30の開口の大きさに則した形状となる。
こうして、平坦化されていないCVD酸化膜20Aの屈折率が平坦化されたシリコン窒化膜24Aの屈折率より小さい層内レンズ24が形成される。そして、平坦化されたシリコン窒化膜24Aの上面の界面と平坦化されていなCVD酸化膜20Aの上面の界面では、屈折率の相対的な関係より、光が収束する方向に屈折する。
その後、図6において、シリコン窒化膜24Aの上にカラーフィルタ26、オンチップマイクロレンズ28を形成する。
特に、CMOSイメージセンサが携帯用に応用されるようになると、撮像モジュールが小型になり、その結果、必然的にレンズの瞳距離が短くなり、撮像面、特に周縁部に入射するする光の斜め成分が増大することによる、シェーディング効果が大きくなるが、本実施例では、それを軽減できる効果がある。
本実施例において、層内レンズ44は、絶縁膜20の平坦面上に高屈折率材であるシリコン窒化膜等によるレンズ層を設け、このレンズ層の上面に凸面レンズを形成し、その上にシリコン酸化膜等による平坦化膜を設けたものである。そして、図7(A)に示す中央付近の画素では、層内レンズ44はレンズ径が小さく、斜め成分の小さい光に対応する構造となっており、逆に図7(B)に示す周縁部付近の画素では、層内レンズ24はレンズ径が大きく、斜め成分の大きい光に対応する構造となっている。このように画素の位置に応じて最適化したレンズ面を有する層内レンズとすることで、特に周縁部付近の斜め光成分によって低下する集光効率を改善し、感度落ちを防止することが可能となる。
まず、図8において、半導体基板上に複数層の絶縁膜20及びAl配線膜(遮光膜を含む)22を形成する。
その後、高密度プラズマCVD(HDP−CVD)またはプラズマCVDによるテトラエトキシシラン層(P−TEOS)等の低温のCVD酸化膜20Aを堆積する。このCVD酸化膜20Aの屈折率は約1.45である。その後、平坦化のためにCMPを施す。
次に、図9において、CVD酸化膜20Aの上に、CVD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の屈折率は1.9から2.0程度である。
次に、このシリコン窒化膜44A上にフォトレジストを形成し、フォトダイオードの受光部に対応するマスク部が形成されるようにパターニングする。この時、画素アレイ部の中心から周辺部に向かって徐々にフォトレジストのマスク部が大きくなるようにパターン形成する。そして、このフォトレジストを所要の温度でリフローさせて、マスク部の表面を凸状湾曲部に形成する。この結果、図9に示すように、フォトレジストのマスク部は、画素アレイ部の中心部では小径の凸状湾曲部31Aが形成され、周縁部に近づくにつれて徐々に大径の凸状湾曲部31Bが形成されることになる。
次に、シリコン窒化膜44A上に平坦化膜44Bを形成する。この平坦化膜44Bは、例えば屈折率1.5程度のシリコン酸化膜等で形成することができる。また、屈折率1.5程度のアクリル系の熱硬化樹脂でも形成することができる。
こうして、凸状湾曲部において、屈折率が大きいシリコン窒化膜44Aと屈折率が小さい平坦化膜44Bからなる層内レンズ44が形成される。そして、シリコン窒化膜44Aの凸状湾曲部の界面で屈折率の相対的な関係より、光が収束する方向に屈折する。
その後、図11において、平坦化膜44Bの上にカラーフィルタ26、オンチップマイクロレンズ28を形成する。
特に、CMOSイメージセンサが携帯用に応用されるようになると、撮像モジュールが小型になり、その結果、必然的にレンズの瞳距離が短くなり、撮像面、特に周縁部に入射するする光の斜め成分が増大することによる、シェーディング効果が大きくなるが、本実施例では、それを軽減できる効果がある。
さらに、実施例では、層内レンズの形状が徐々に変化する例について説明したが、本発明は、これに限定されることなく、例えば、層内レンズがレンズ径の異なる少なくとも第1のレンズと第2のレンズとを含み、第1のレンズが第2のレンズよりも径が小さく、かつ第1のレンズが第2のレンズよりも画素アレイ部の中心側に位置しているような構成を含むものとする。この場合、レンズ径の種類が少ない分、設計が容易化するといった利点がある。
Claims (1)
- 半導体基板に光電変換部を形成する工程と、
前記半導体基板上に、絶縁膜を介して複数の配線膜を形成する工程と、
前記複数の配線膜の上部に形成された最上層の絶縁膜上に、開口を有するフォトレジストを形成し、前記フォトレジストを介して前記最上層の絶縁膜をエッチングすることにより、前記光電変換部上に、画素アレイ部内での画素の位置に応じて異なる径となる凹状の湾曲部を形成する工程と、
前記湾曲部が形成された最上層の絶縁膜上に該絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有する材料膜を形成することにより前記湾曲部において層内レンズを形成する工程と、
前記層内レンズ上部にカラーフィルタを形成する工程と、
前記カラーフィルタ上部にオンチップレンズを形成する工程とを有し、
前記フォトレジストの開口は、画素アレイの中心から周辺部に向かって徐々に大きくなるように形成されている
固体撮像素子の製造方法。
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