JP4967291B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置およびカメラに関し、特に、層内レンズを有するＭＯＳ型固体撮像装置の製造方法、当該製造方法により製造された固体撮像装置、および当該固体撮像装置を備えたカメラに関する。

近年、カメラ付携帯電話やＰＤＡ（personal Digital Assistant）などのモバイル機器に搭載されている固体撮像装置としては、消費電力の観点などから、ＣＣＤイメージセンサに比べて電源電圧が低いＭＯＳ型イメージセンサが多く用いられている。ＭＯＳ型イメージセンサとしては、単位画素に３トランジスタ（能動素子）が含まれているものが知られている（特許文献１参照）。

固体撮像装置の画素の微細化に伴い、画素の感度の向上が求められている。感度向上を図るため、従来の最上層のオンチップレンズに加えて、オンチップレンズと光電変換素子との間に層内レンズを形成する技術が知られている。この層内レンズとして、光入射側が凸面となった層内レンズが形成される（特許文献２参照）。
特開２００２−５１２６３号公報 特開２００２−７６３１６号公報

しかしながら、光入射側が凸面となった層内レンズを採用した場合、層内レンズに起因する段差を解消して平坦面を形成するためには、厚い絶縁膜あるいは樹脂層を形成する必要がある。このため、光電変換素子からオンチップレンズまでの距離が長くなってしまい、集光効率が低下するという問題がある。

また、下地に対してセルフアラインで形成でき、かつ、できるだけ大きい寸法（直径）の層内レンズが望まれている。例えば、銅配線を用いた配線層内に層内レンズを形成する場合には、層内レンズの形成領域においては、ＳｉＣからなるキャップ層を除去する必要がある。このキャップ層の除去パターンと、層内レンズのパターンがずれてしまうと、層内レンズの集光特性の低下に繋がる。また、アルミニウム配線を用いた配線層内に層内レンズを形成する場合には、アルミニウム配線パターンと、層内レンズのパターンがずれてしまうと集光特性の低下に繋がる。

従来、下地に対してセルフアラインで層内レンズを形成できなかったことから、下地とのパターンのずれを考慮して、層内レンズの直径を画素寸法に対して小さめに形成していた。画素のさらなる感度向上を図るためには、画素寸法に対してできるだけ大きい層内レンズを形成して、入射光を効率的に光電変換素子に集光させることが要求される。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、下地に対してセルフアラインで形成でき、層内レンズの寸法の拡大を図ることができる固体撮像装置の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、集光特性の向上を図った層内レンズを有する固体撮像装置およびカメラを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に光電変換素子および能動素子を形成する工程と、前記基板の上層に配線層およびキャップ層を繰り返し形成する工程と、前記光電変換素子の領域において、最下層のキャップ層まで層を除去して、レンズ埋め込み部を形成する工程と、前記レンズ埋め込み部の表面を覆い、前記レンズ埋め込み部の形状を調整するレンズ形状調整膜を形成する工程と、前記レンズ形状調整膜により形状が調整された前記レンズ埋め込み部内にレンズ材を埋め込む工程とを有する。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に光電変換素子および能動素子を形成する工程と、前記基板の上層であって前記光電変換素子を除く領域に配線を形成する工程と、前記配線を被覆し、前記光電変換素子の領域にレンズ埋め込み部を有する層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜の前記レンズ埋め込み部内にレンズ材を埋め込む工程とを有する。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された光電変換素子と、前記基板に形成され、前記光電変換素子により光電変換して得られる電荷を読み出す能動素子と、前記基板の上層に形成された複数の配線層と、上下の配線層の境界に形成された複数のキャップ層と、前記光電変換素子の領域において、前記特定の配線層と、当該配線層の上下のキャップ層が除去されることにより形成されたレンズ埋め込み部と、前記レンズ埋め込み部内に形成され、レンズ形状を調整するレンズ形状調整膜と、前記レンズ形状調整膜を介して前記レンズ埋め込み部を埋め込んで形成された層内レンズとを有する。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された光電変換素子と、前記基板に形成され、前記光電変換素子により光電変換して得られる電荷を読み出す能動素子と、前記光電変換素子および前記能動素子を含む前記基板の上層に形成された配線と、前記配線を被覆するように形成され、前記光電変換素子に対応する領域に凹状のレンズ埋め込み部を有する層間絶縁膜と、前記レンズ埋め込み部内に埋め込まれて形成された層内レンズとを有する。

上記の目的を達成するため、本発明のカメラは、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、基板に形成された光電変換素子と、前記基板に形成され、前記光電変換素子により光電変換して得られる電荷を読み出す能動素子と、前記基板の上層に形成された複数の配線層と、上下の配線層の境界に形成された複数のキャップ層と、前記光電変換素子の領域において、前記特定の配線層と、当該配線層の上下のキャップ層が除去されることにより形成されたレンズ埋め込み部と、前記レンズ埋め込み部内に形成され、レンズ形状を調整するレンズ形状調整膜と、前記レンズ形状調整膜を介して前記レンズ埋め込み部を埋め込んで形成された層内レンズとを有する。

上記の目的を達成するため、本発明のカメラは、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、基板に形成された光電変換素子と、前記基板に形成され、前記光電変換素子により光電変換して得られる電荷を読み出す能動素子と、前記光電変換素子および前記能動素子を含む前記基板の上層に形成された配線と、前記配線を被覆するように形成され、前記光電変換素子に対応する領域に凹状のレンズ埋め込み部を有する層間絶縁膜と、前記レンズ埋め込み部内に埋め込まれて形成された層内レンズとを有する。

本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、下地に対してセルフアラインで層内レンズを形成でき、層内レンズの寸法の拡大を図ることができる。
本発明の固体撮像装置およびカメラによれば、集光特性の向上を図った層内レンズを有する固体撮像装置およびカメラを実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る増幅型固体撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態では、例えばＭＯＳ型イメージセンサを例に説明する。

固体撮像装置１０は、光電変換素子である例えばフォトダイオードを含む単位画素１１と、当該画素１１が行列状に２次元配列されてなる画素アレイ部（撮像部）１２と、垂直選択回路１３と、信号処理回路であるカラム回路１４と、水平選択回路１５と、水平信号線１６と、出力回路１７と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１８とを有する。

画素アレイ部１２には、行列状の画素配列に対して列ごとに垂直信号線１２１が配置されている。単位画素１１の具体的な回路構成については後述する。

垂直選択回路１３は、シフトレジスタなどによって構成される。垂直選択回路１３は、画素１１の転送トランジスタを駆動する転送信号や、リセットトランジスタを駆動するリセット信号などの制御信号を行単位で順次出力することによって画素アレイ部１２の各画素１１を行単位で選択駆動する。

カラム回路１４は、画素アレイ部１２の列方向の画素ごと、即ち垂直信号線１２１ごとに配される信号処理回路である。カラム回路１４は、例えばＳ／Ｈ（サンプルホールド）回路およびＣＤＳ(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路などによって構成される。

水平選択回路１５は、シフトレジスタなどによって構成され、カラム回路１４を通して出力される各画素１１の信号を順次選択して水平信号線１６に出力させる。なお、図１では、図面の簡略化のため、水平選択スイッチについては図示を省略している。この水平選択スイッチは、水平選択回路１５によって列単位で順次オン／オフ駆動される。

水平選択回路１５による選択駆動により、カラム回路１４から列ごとに順次出力される単位画素１１の信号は、水平信号線１６を通して出力回路１７に供給され、当該出力回路１７で増幅などの信号処理が施された後、デバイス外部へ出力される。

タイミングジェネレータ１８は、各種のタイミング信号を生成し、これら各種のタイミング信号を基に垂直選択回路１３、カラム回路１４および水平選択回路１５などの駆動制御を行う。

（画素回路）
図２は、単位画素１１の回路構成の一例を示す回路図である。

単位画素１１Ａは、光電変換素子、例えばフォトダイオード１１１に加えて、例えば転送トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３および増幅トランジスタ１１４の３つのトランジスタ（能動素子）を有する。ここでは、トランジスタ１１２〜１１４として、例えばｎチャネルのＭＯＳトランジスタを用いている。

転送トランジスタ１１２は、フォトダイオード１１１のカソードとＦＤ（フローティングディフュージョン）部１１６との間に接続されている。転送トランジスタ１１２のゲートに転送パルスφＴＲＧが与えられることによって、フォトダイオード１１１で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷（ここでは、電子）がＦＤ部１１６に転送される。

リセットトランジスタ１１３は、選択電源ＳＥＬＶＤＤにドレインが、ＦＤ部１１６にソースがそれぞれ接続されている。フォトダイオード１１１からＦＤ部１１６への信号電荷の転送に先立って、ゲートにφリセットパルスＲＳＴが与えられることによってＦＤ部１１６の電位がリセットされる。選択電源ＳＥＬＶＤＤは、電源電圧としてＶＤＤレベルとＧＮＤレベルとを選択的にとる電源である。

増幅トランジスタ１１４は、ＦＤ部１１６にゲートが、選択電源ＳＥＬＶＤＤにドレインが、垂直信号線１２１にソースがそれぞれ接続されたソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタ１１４は、リセットトランジスタ１１３によってリセットした後のＦＤ部１１６の電位をリセットレベルとして垂直信号線１２１に出力し、さらに転送トランジスタ１１２によって信号電荷を転送した後のＦＤ部１１６の電位を信号レベルとして垂直信号線１２１に出力する。

図３は、単位画素１１の回路構成の他の例を示す回路図である。

単位画素１１Ｂは、光電変換素子、例えばフォトダイオード１１１に加えて、例えば転送トランジスタ１１２、リセットトランジスタ１１３、増幅トランジスタ１１４および選択トランジスタ１１５の４つのトランジスタを有する画素回路となっている。ここでは、トランジスタ１１２〜１１５として、例えばｎチャネルのＭＯＳトランジスタを用いている。

転送トランジスタ１１２は、フォトダイオード１１１のカソードとＦＤ（フローティングディフュージョン）部１１６との間に接続されている。転送トランジスタ１１２のゲートに転送パルスφＴＲＧが与えられることによって、フォトダイオード１１１で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷（ここでは、電子）がＦＤ部１１６に転送される。

リセットトランジスタ１１３は、電源ＶＤＤにドレインが、ＦＤ部１１６にソースがそれぞれ接続されている。フォトダイオード１１１からＦＤ部１１６への信号電荷の転送に先立って、リセットトランジスタ１１３のゲートにリセットパルスφＲＳＴが与えられることによってＦＤ部１１６の電位がリセットされる。

選択トランジスタ１１５は、例えば、電源ＶＤＤにドレインが、増幅トランジスタ１１４のドレインにソースがそれぞれ接続されている。選択トランジスタ１１５は、そのゲートに選択パルスφＳＥＬが与えられることによってオン状態となり、増幅トランジスタ１１４に対して電源ＶＤＤを供給することによって画素１１Ｂの選択をなす。なお、この選択トランジスタ１１５については、増幅トランジスタ１１４のソースと垂直信号線１２１との間に接続した構成を採ることも可能である。

増幅トランジスタ１１４は、ＦＤ部１１６にゲートが、選択トランジスタ１１５のソースにドレインが、垂直信号線１２１にソースがそれぞれ接続されたソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタ１１４は、リセットトランジスタ１１３によってリセットした後のＦＤ部１１６の電位をリセットレベルとして垂直信号線１２１に出力し、さらに転送トランジスタ１１２によって信号電荷を転送した後のＦＤ部１１６の電位を信号レベルとして垂直信号線１２１に出力する。

上述した３トランジスタ構成の単位画素１１Ａや、４トランジスタ構成の単位画素１１Ｂでは、フォトダイオード１１１で光電変換して得られる信号電荷を転送トランジスタ１１２によってＦＤ部１１６に転送し、当該ＦＤ部１１６の信号電荷に応じた電位を増幅トランジスタ１１４によって増幅して垂直信号線１２１に出力するアナログ的な動作が行われる。

図４は、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。

シリコンからなる半導体基板２０のｐ型ウェル内には、フォトダイオード２１およびトランジスタ２２が形成されている。フォトダイオード２１は、主としてｐ型ウェル内に形成されたｎ型領域により形成され、ｎ型領域の表層にはｐ型領域が形成されている。フォトダイオード２１は、図２および図３のフォトダイオード１１１に相当する。トランジスタ２２は、図２および図３のトランジスタ１１２，１１３，１１４，１１５に相当する。

半導体基板２０上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２３が形成されている。層間絶縁膜２３内には、配線２５が形成されている。フォトダイオード２１のゲートあるいはソース・ドレインと配線２５とは、コンタクト２４により接続されている。配線２５は例えば銅配線である。コンタクト２４は、例えばタングステンにより形成される。

第１配線層Ｍ１は、上記の層間絶縁膜２３と、層間絶縁膜２３に埋め込まれて形成された配線２５およびコンタクト２４とを有する。第１配線層Ｍ１の配線２５は、ダマシン法により形成される。

第１配線層Ｍ１上には、銅の拡散を防止するためのキャップ層２６が形成されている。キャップ層２６は、例えばＳｉＣからなる。第１配線層Ｍ１上には、キャップ層２６を介して第２配線層Ｍ２が形成されている。

第２配線層Ｍ２は、キャップ層２６上に形成された酸化シリコンからなる層間絶縁膜２７と、層間絶縁膜２７に埋め込まれて形成された配線２８とを有する。配線２８は、例えば銅配線である。第２配線層Ｍ２の配線２８は、例えばデュアルダマシン法により形成される。このため、配線２８と、配線２８直下のコンタクトとは同時に形成される。

第２配線層Ｍ２上には、キャップ層２９が形成されている。本実施形態では、第２配線層Ｍ２内に層内レンズ３２が形成されている。層内レンズ３２が形成される位置において、キャップ層２９およびキャップ層２６は除去されており、層間絶縁膜２７内にレンズ埋め込み部（溝）３０が形成されている。キャップ層２６，２９による光吸収を抑制し、かつ、集光特性への影響を抑制するため、層内レンズ３２の形成位置においてはキャップ層は全て除去される。

レンズ埋め込み部３０の表面を被覆するように、レンズ形状調整膜３１が形成されている。レンズ埋め込み部３０におけるレンズ形状調整膜３１の傾斜等を調整することにより、レンズ形状のレンズ埋め込み部３０ａが形成される。このレンズ埋め込み部３０ａ内に、レンズ材３２ａ〜３２ｃが埋め込まれることにより、層内レンズ３２が形成されている。

層内レンズ３２および第２配線層Ｍ２の上層には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜３３が形成されている。層間絶縁膜３３内には、例えばタングステンからなるコンタクト３４が形成されている。層間絶縁膜３３上には、例えばアルミニウムからなる配線３５が形成されている。配線３５を被覆するように、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜３６が形成されている。

以上のように、第２配線層Ｍ２上には、層間絶縁膜３３、コンタクト３４、配線３５、層間絶縁膜３６とを有する第３配線層Ｍ３が形成されている。

図示はしないが、第３配線層Ｍ３上には、樹脂からなる平坦化層と、カラーフィルタと、樹脂からなる平坦化層と、オンチップレンズが順に形成されている。

次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図５〜図６を参照して説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、半導体基板２０にフォトダイオード２１およびトランジスタ２２を形成した後、半導体基板２０の上層に配線層およびキャップ層を繰り返し形成する。例えば、層内レンズが形成される第２配線層Ｍ２およびその上層のキャップ層２９までを形成する。第１配線層Ｍ１の形成では、半導体基板２０上に例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２３を形成した後、ダマシンプロセスにより層間絶縁膜２３内に埋め込まれた配線２５を形成する。第２配線層Ｍ２の形成では、キャップ層２６上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜２７を形成した後、デュアルダマシンプロセスにより、層間絶縁膜２７内に埋め込まれた配線２８とコンタクトとを同時に形成する。以上により、図５（ａ）に示す構造が形成される。

次に、図５（ｂ）に示すように、レジスト塗布、露光および現像により、キャップ層２９上に、フォトダイオード２１に対応する位置に開口をもつレジストマスクＲを形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、最も下層に存在するキャップ層２６までエッチングする。すなわち、キャップ層２９、層間絶縁膜２７、キャップ層２６をエッチングする。この結果、後に形成する層内レンズに対応する位置に、レンズ埋め込み部３０が形成される。レンズ埋め込み部３０の側壁面は略垂直となる。

次に、図６（ａ）に示すように、レンズ埋め込み部３０の表面を覆い、レンズ埋め込み部３０の形状を調整するレンズ形状調整膜３１を形成する。レンズ形状調整膜３１は、例えばＨＤＰ（High Density Plasma）―ＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜である。ＨＤＰ−ＣＶＤ法では、レンズ埋め込み部３０の角部に対応する位置にテーパーをもつ酸化シリコン膜が形成される。ＨＤＰ−ＣＶＤ法の条件を制御することにより、種々の角度のテーパーをもつレンズ形状調整膜３１を形成できる。レンズ形状調整膜３１により、レンズ埋め込み部３０ａの形状が制御される。

あるいは、プラズマＣＶＤによりレンズ埋め込み部３０上に均一に絶縁膜３１ａ（図中、破線で示す）を形成した後、ドライエッチングあるいはスパッタエッチング（逆スパッタリング）により、絶縁膜３１ａの表面をエッチングして、所望の形状のレンズ埋め込み部３０ａをもつレンズ形状調整膜３１を形成してもよい。なお、ＨＤＰ−ＣＶＤ法を用いた場合であって、膜の堆積時だけでは表面形状の制御が十分でない場合には、その後にエッチングを施してレンズ形状調整膜３１の表面形状を整えても良い。

次に、図６（ｂ）に示すように、レンズ形状調整膜３１上にレンズ材を形成する。レンズ形状調整膜３１上に単一のレンズ材を形成しても、屈折率の異なる複数種のレンズ材を形成してもよい。ただし、層内レンズと周囲の絶縁膜との間での屈折率の急激な変化を抑制することが好ましいため、本例では屈折率の異なる複数種のレンズ材を形成する。例えば、レンズ形状調整膜３１上に、レンズ材３２ａと、レンズ材３２ｂと、レンズ材３２ｃを積層する例について説明する。レンズ材３２ａは、例えばＵＶＳｉＮ（ＵＶ照射を利用したＣＶＤ法により形成したＳｉＮ）である。レンズ材３２ｂは、例えばプラズマＳｉＮ（プラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＮ）である。層内レンズ３２ｃは、ＵＶＳｉＮである。通常、酸化シリコン膜、ＵＶＳｉＮ、プラズマＳｉＮの順に屈折率が高くなる。

次に、図６（ｃ）に示すように、レンズ材上にレジストマスクを形成し、エッチバックを行うことにより、レンズ埋め込み部３０ａ内にレンズ材３２ａ〜３２ｃを残す。これにより、レンズ埋め込み部３０ａに層内レンズ３２が形成される。あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により、レンズ埋め込み部３０ａ以外のレンズ材を除去して、レンズ埋め込み部３０ａに層内レンズ３２を形成してもよい。

以降の工程としては、層内レンズ３２上に第３配線層Ｍ３を形成し、第３配線層Ｍ３上に平坦化層を形成し、平坦化層上にカラーフィルタを形成し、カラーフィルタ上に平坦化層を形成し、平坦化層上にオンチップレンズを形成する。この結果、固体撮像装置が完成する。

上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、最上層のキャップ層２９から最下層のキャップ層２６を除去するまでエッチングすることにより、レンズ埋め込み部３０を形成し、このレンズ埋め込み部３０の形状を調整するレンズ形状調整膜３１を形成し、レンズ形状調整膜３１により形状が調整されたレンズ埋め込み部３０ａ内にレンズ材３２ａ〜３２ｃを埋め込むことにより、層内レンズ３２が形成される。

本実施形態では、キャップ層２６，２９を除去する際に形成したレンズ埋め込み部３０に対してセルフアラインで層内レンズ３２を形成できる。すなわち、キャップ層２６，２９に対してセルフアラインで層内レンズ３２を形成できる。この結果、キャップ層２６，２９に対する層内レンズ３２のずれを防止することができることから、レンズの集光特性を向上させることができる。また、ずれを防止できるため、面積の大きいレンズ埋め込み部３０を形成することができることから、大きな直径をもつ層内レンズ３２を形成することができる。層内レンズ３２の面積を大きくできることから、集光特性の向上した固体撮像装置を形成することができる。

また、光入射側における層内レンズ３２の段差は小さい。このため、層内レンズ３２の上層の層間絶縁膜３３を薄くすることができる。この結果、フォトダイオード２１からオンチップレンズまでの距離を小さくすることができ、感度を向上させた固体撮像装置を製造することができる。

図７は、層内レンズのレンズ膜厚と、量子効率の関係を測定した結果を示す。図中、Ａは、本実施形態に係る固体撮像装置の層内レンズの測定結果を示す。Ｂは、光入射側が凸面となった従来例の層内レンズの測定結果を示す。

図７に示すように、レンズ膜厚が薄くなるに従って、従来例の層内レンズと同等以上の量子効率を実現することができる。層内レンズ自体の量子効率が同等以上となれば、フォトダイオード２１からオンチップレンズまでの距離を小さくすることができる本実施形態の層内レンズの方が、従来例の層内レンズに比べて効果が大きい。

上記の固体撮像装置は、例えば、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、あるいは電子内視鏡用カメラなどのカメラに用いられる。

図８は、上記の固体撮像装置が用いられるカメラの概略構成図である。

カメラ５０は、上記した固体撮像装置１０と、光学系５１と、信号処理回路５３とを有する。

光学系５１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１０の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置１０のフォトダイオード２１において、入射光は入射光量に応じた信号電荷に変換され、フォトダイオード２１のｎ型領域において、一定期間当該信号電荷が蓄積される。

信号処理回路５３は、固体撮像装置１０の出力信号に対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。

上記の本実施形態に係る固体撮像装置を備えたカメラによれば、感度を向上させたカメラを実現することができる。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態に係る固体撮像装置の層内レンズ近傍の断面図を示す。

第２実施形態では、層内レンズ３２は、レンズ埋め込み部３０ａに埋め込まれたレンズ材３２ａ，３２ｂと、レンズ材３２ａ，３２ｂの側面に形成されたレンズ材３２ｄ１（側壁レンズ）と、レンズ材３２ａ，３２ｂの上面に形成されたレンズ材３２ｄ２とを有する。レンズ材３２ｄ１からなる側壁レンズは、いわゆるウィングレンズ（ｗｉｎｇ ｌｅｎｓ）である。

上記の層内レンズ３２では、端部にレンズ材３２ｄ１からなる側壁レンズが形成されているため、端部に入射した光も効率的にフォトダイオード２１へ集光させることができる。この結果、層内レンズ３２の集光特性を向上させることができる。

次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図１０を参照して説明する。なお、図１０では、半導体基板２０を省略している。

まず、図１０（ａ）に示すように、第１実施形態と同様にして、レンズ形状調整膜３１を形成する。続いて、レンズ形状調整膜３１上に、レンズ材３２ａおよびレンズ材３２ｂを形成する。レンズ材３２ａとしてＵＶＳｉＮを形成し、レンズ材３２ｂとしてプラズマＳｉＮを形成する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、レジストマスクＲ２を用いたドライエッチングにより、レンズ埋め込み部３０ａのみにレンズ材３２ａ，３２ｂのパターンを形成する。

次に、図１０（ｃ）に示すように、レンズ材３２ａ，３２ｂを被覆するように、レンズ材３２ｄを形成する。レンズ材３２ｄとしては、ＵＶＳｉＮを形成する。

最後に、全面ドライエッチングを施すことにより、レンズ材３２ａ，３２ｂの側面にレンズ材３２ｄ１を残し、レンズ材３２ａ，３２ｂの上面にレンズ材３２ｄ２を残す。以上により、図９に示す層内レンズが形成される。

層内レンズ３２の形成後の工程については、第１実施形態と同様である。以上により、固体撮像装置が完成する。

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、レンズ埋め込み部３０ａ内を含む全面にレンズ材３２ａ，３２ｂを形成し、レジストマスクを用いたエッチングにより、レンズ埋め込み部３０ａにレンズ材３２ａ，３２ｂのパターンを形成し、レンズ埋め込み部３０ａから突出したレンズ材３２ａ，３２ｂの側面にレンズ材３２ｄ１（側壁レンズ）を形成することにより、集光特性をさらに向上させた層内レンズ３２を形成することができる。

上記の層内レンズ３２を備えた固体撮像装置およびカメラによれば、第１実施形態に比べてさらに感度を向上させることができる。

（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。本例では、第３配線層Ｍ３内に層内レンズを形成する例について説明する。

第３配線層Ｍ３の下層の構造については、層内レンズ３２が形成されていない点を除いて、第１実施形態と同様である。ただし、第２配線層Ｍ２には、層内レンズ３２が形成されていてもよい。

第２配線層Ｍ２の層間絶縁膜３３上には、配線３５が形成されている。配線３５は、例えばアルミニウム配線からなる。配線３５を被覆するように、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜３６が形成されている。

層間絶縁膜３６は、配線３５の段差を反映した表面形状をもつ。後述するように、この層間絶縁膜３６の表面形状は、必要に応じて調整される。層間絶縁膜３６には、フォトダイオード２１に対応する位置に、凹部、すなわちレンズ埋め込み部３６ｂが形成されている。

レンズ埋め込み部３６ｂ内には、層間絶縁膜３６よりも高い屈折率のレンズ材３７ａが埋め込まれている。レンズ材３７ａは、例えばＵＶＳｉＮからなる。なお、本例の場合には、レンズ材３７ａ上の全面に、レンズ材３７ｂおよびレンズ材３７ｃが形成されている。レンズ材３７ｂはプラズマＳｉＮであり、レンズ材３７ｃはＵＶＳｉＮである。これにより、レンズ埋め込み部３６ｂに対応する位置に、レンズ材３７ａ〜３７ｃの積層構造からなる層内レンズ３７が形成されている。なお、層内レンズ３７は、単一の層により形成されていてもよい。

層内レンズ３７の上層には、図示はしないが、樹脂からなる平坦化層と、カラーフィルタと、樹脂からなる平坦化層と、オンチップレンズが形成されている。

次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図１２〜図１３を参照して説明する。

まず、図１２（ａ）に示すように、第１実施形態と同様にして、層間絶縁膜３３までを形成する。

次に、図１２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜３３上に、アルミニウム膜の形成およびパターニングにより、配線３５を形成する。ここで、配線３５は、フォトダイオード２１以外の領域に形成する。

次に、図１２（ｃ）に示すように、配線３５を被覆するように、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により酸化シリコン膜を堆積させて、層間絶縁膜３６を形成する。このとき、層間絶縁膜３６の表面形状は、配線３５の段差を反映したものとなる。層間絶縁膜３６には、フォトダイオード２１に対応する位置に、凹部、すなわちレンズ埋め込み部３６ａが形成される。このレンズ埋め込み部３６ａの形状は、ＨＤＰ−ＣＶＤ法における条件を変化させることにより、調整可能である。

次に、図１３（ａ）に示すように、層間絶縁膜３６の表面に対して、ドライエッチングあるいはスパッタエッチング（逆スパッタリング）を施す。これにより、レンズ形状に調整されたレンズ埋め込み部３６ｂとなる。

次に、図１３（ｂ）に示すように、レンズ埋め込み部３６ｂを埋め込むように全面に、レンズ材３７ａを形成する。レンズ材３７ａとして、例えばＵＶＳｉＮを形成する。なお、以降のエッチバック工程あるいはＣＭＰ工程を行わずに、層内レンズ３７としてもよい。

次に、図１３（ｃ）に示すように、レジストマスクを用いたエッチバック、あるいはＣＭＰ法により、レンズ埋め込み部３６ｂ内のみにレンズ材３７ａを残す。以降の工程としては、全面に、レンズ材３７ｂおよびレンズ材３７ｃを堆積させる。

これにより、レンズ埋め込み部３６ｂに対応する位置に積層されたレンズ材３７ａと、レンズ材３７ｂと、レンズ材３７ｃとを有する層内レンズ３７が形成される。層内レンズ３７を形成した後に、平坦化層、カラーフィルタ、平坦化層、オンチップレンズを順に形成することにより、固体撮像装置が完成する。

上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、配線３５の段差を利用して形成された層間絶縁膜３６のレンズ埋め込み部３６ｂ内に、レンズ材を埋め込むことにより層内レンズ３７を形成することから、第３配線層Ｍ３の配線３５に対して自己整合的に層内レンズ３７を形成することができる。

図１５は、第３配線層Ｍ３の配線３５の平面図である。本例においては、配線３５が最上層配線であるとする。

最上層配線である配線３５は、遮光膜を兼ねる。このため、各画素のフォトダイオード２１を区画するように網目状に配線３５が形成される。従って、層内レンズ３７は、配線３５により囲まれた領域に自己整合的に形成されることとなる。この結果、配線３５により囲まれた領域に、最大の直径をもつ層内レンズ３７を自己整合的に形成できる。

また、本例では、第３配線層Ｍ３内に、配線による段差を利用して層内レンズ３７を形成する例について説明したが、第２配線層Ｍ２内に配線による段差を利用した層内レンズ３７を形成してもよい。

図１５は、第２配線層Ｍ２の配線２８の平面図である。

第２配線層Ｍ２内に層内レンズを形成しない場合には、図中、実線で示すパターンで配線２８が形成される。第２配線層Ｍ２内に層内レンズ３７を形成する場合には、図中破線で示すパターンを追加して、各画素を取り囲むようなパターンに近づけることが好ましい。これにより、配線２８に囲われた領域に、自己整合的に層内レンズ３７が形成されるからである。以上のように、層内レンズ３７は、最上層配線以外の配線にも形成可能である。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、層内レンズ３２，３７が形成される配線層に限定はない。従って、第１実施形態で説明した層内レンズ３２を第３配線層Ｍ３内に形成してもよい。また、第３実施形態で説明した層内レンズ３７を第２配線層Ｍ２内に形成してもよい。また、本実施形態では、第１配線層Ｍ１および第２配線層Ｍ２では銅配線を採用し、第３配線層Ｍ３ではアルミニウム配線を採用した例について説明したが、配線材料に限定はない。

また、画素の回路構成には特に限定はない。さらに、本実施形態では、３層の配線層をもつ固体撮像装置の例について説明したが、４層以上の配線層をもつ固体撮像装置に本発明を適用することも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

第１〜第３実施形態に係る固体撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。 単位画素の回路構成の一例を示す回路図である。 単位画素の回路構成の他の例を示す回路図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の効果を説明するための図である。 第１〜第３実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラの構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の層内レンズの断面図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の製造における工程断面図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の第３配線層の平面図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の第２配線層の平面図である。

符号の説明

１０…固体撮像装置、１１，１１Ａ，１１Ｂ…単位画素、１２…画素アレイ部、１３…垂直選択回路、１４…カラム回路、１５…水平選択回路、１６…水平信号線、１７…出力回路、１８…タイミングジェネレータ（ＴＧ）、２０…半導体基板、２１…フォトダイオード、２２…トランジスタ、２３…層間絶縁膜、２４…コンタクト、２５…配線、２６…キャップ層、２７…層間絶縁膜、２８…配線、２９…キャップ層、３０，３０ａ…レンズ埋め込み部、３１…レンズ形状調整膜、３２…層内レンズ、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、３２ｄ…レンズ材、３３…層間絶縁膜、３４…コンタクト、３５…配線、３６…層間絶縁膜、３６ａ，３６ｂ…レンズ埋め込み部、３７…層内レンズ、３７ａ，３７ｂ，３７ｃ…レンズ材、５０…カメラ、５１…光学系、５３…信号処理回路、Ｍ１…第１配線層、Ｍ２…第２配線層、Ｍ３…第３配線層

Claims (2)

1. 基板に光電変換素子および能動素子を形成する工程と、
   前記基板の上層において前記光電変換素子を囲むように配線を形成する工程と、
   前記光電変換素子の領域に前記配線の段差を反映した表面形状を有する凹状のレンズ埋め込み部が設けられるように、前記配線を被覆する層間絶縁膜を形成する工程と、
   前記層間絶縁膜を形成した後、前記層間絶縁膜の表面をエッチングして、前記レンズ埋め込み部の形状をレンズ形状に調整する工程と、
   前記層間絶縁膜の前記レンズ埋め込み部内にレンズ材を埋め込んで層内レンズを形成する工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
2. 前記層内レンズの形成工程においては、
   前記レンズ埋め込み部内に埋め込んだレンズ材上に、当該埋め込んだレンズ材と屈折率が異なるレンズ材を形成することで、前記層内レンズを形成する、
   請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。

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