JP5086877B2 - 固体撮像素子およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

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Description

本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
上述した従来の固体撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ，電荷結合素子）イメージセンサ（以下、ＣＣＤと称する）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどがある。
この固体撮像素子は、デジタルカメラを始めとして、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置など様々な用途に利用されている。また、このような従来の固体撮像素子を用いた製品が普及するにつれて、固体撮像素子に対して、画素数の増大、受光感度の向上などの高機能化、高性能化に加えて、小型化、低価格化などに対する要求が益々強まってきている。
このように、固体撮像素子の小型化および高画素化が進み、これと同時に低価格化が要求されると、その画素サイズは益々縮小化される。このような画素サイズの縮小化に伴って、従来の固体撮像素子の基本性能の一つである受光感度が低下するため、照度が低いところで鮮明な像を撮影することが困難となる。したがって、単位画素当りの受光感度を如何にして向上させるかということが重要な問題になっている。
そこで、固体撮像素子の受光感度を向上させる方法として、例えば特許文献１には、カラーフィルタの上部に有機高分子材料によりマイクロレンズを形成する方法が開示されている。また、特許文献２、３には、カラーフィルタの上部にマイクロレンズを形成する他に、このカラーフィルタの下部であって受光部とカラーフィルタとの間の積層構造の内部にも所謂、層内レンズを形成する方法が開示されている。特許文献２では上に凸状の層内レンズを転写により形成しているのに対して、特許文献３では光電変換部と転送電極との間の凹状段差を用いて下に凹状の層内レンズを形成している。ここでは、上に凸状の層内レンズを転写により形成する特許文献２について図８および図９（a）〜図９（e）を参照して詳細に説明する。
図８は、特許文献２に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の１画素分の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図８に示すように、従来の固体撮像素子２０では、半導体基板２１の表面部側に、各画素を構成する光電変換部２２（受光部）、読み出しゲート部２３、ＣＣＤ転送チャネル２４および、チャネルストッパ２５などの不純物拡散層がそれぞれ形成されている。
これらの読み出しゲート部２３およびＣＣＤ転送チャネル２４上には絶縁膜２６を介して転送電極２７が形成されている。この転送電極２７は、所定方向の電荷転送機能の他に、光電変換部２２（受光部）からＣＣＤ転送チャネル２４に信号電荷を読み出す機能も兼用している。この転送電極２７上には層間絶縁膜２８を介して遮光膜２９が形成されている。この遮光膜２９は光電変換部２２（受光部）上が開口されている。
これらの絶縁膜２６および遮光膜２９上には、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｒａｓｓ）などによる第１の平坦化膜３０および、その上に窒化シリコン系膜などからなる層内レンズ３１が形成されている。この層内レンズ３１は光電変換部２２の上方に位置するように形成されている。第１の平坦化膜３０および層内レンズ３１上には第２の平坦化膜３２が設けられてその表面が平坦化されている。その第２の平坦化膜３２上には、画素毎に３原色のレッド、グリーンおよびブルー（Ｒ、ＧおよびＢ）が組み合わされて配列されたカラーフィルタ３３が形成されており、さらにその上に保護膜３４を介して光電変換部２２の上方に位置するようにマイクロレンズ３５が形成されている。
ここで、従来の固体撮像素子２０の製造方法について図９（ａ）〜図９（ｅ）を参照して詳細に説明する。
図９（ａ）〜図９（ｅ）はそれぞれ、図８の従来のＣＣＤ固体撮像素子の層内レンズ形成工程までの各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
まず、図９（ａ）に示すように、まず、不純物拡散層形成工程として、半導体基板２１内に所定の不純物イオン注入を行って、光電変換部２２、読み出しゲート部２３、ＣＣＤ転送チャネル（転送部）２４およびチャネルストッパ２５をそれぞれ形成する。
その後、半導体基板２１の表面に絶縁膜２６を形成し、その上に転送電極材料を例えば膜厚３００ｎｍに成膜し、所定パターンの転送電極２７を形成する。この転送電極２７上を層間絶縁膜２８により被覆し、この層間絶縁膜２８を介して例えば膜厚２００ｎｍの遮光膜２９を、光電変換部２２上に開口部を有するように形成する。
次に、図９（ｂ）に示すように、第１の平坦化工程として、遮光膜２９および絶縁膜２６上に、例えば所定のリン濃度およびボロン濃度に設定されたＢＰＳＧ膜を常圧ＣＶＤ法によって膜厚６００ｎｍ程度に堆積し、摂氏９００度以上の高温下でリフローすることにより、第１の平坦化膜３０を形成する。
続いて、図９（ｃ）に示すように、層内レンズ形成工程（その１；窒化シリコン系膜成膜工程）として、第１の平坦化膜３０上に、窒化シリコン系膜３６をプラズマＣＶＤ法によって例えば膜厚１２００ｎｍ程度に成膜する。
さらに、図９（ｄ）に示すように、層内レンズ形成工程（その２；レジストレンズパターン形成工程）として、窒化シリコン系膜３６上にポジ型レジストを塗布し、所望の層内マイクロレンズ３１を得るために同様のレンズ形状でパターニングを行う。その後、例えば摂氏１６０度前後でリフローし、レンズ形状を有するレジストパターン３７を窒化シリコン系膜３６上に作製する。
その後、図９（ｅ）に示すように、層内レンズ形成工程（その３；転写工程）として、異方性の強い条件下でドライエッチングを行って、レジストパターン３７のレンズ形状を窒化シリコン系膜３６に転写し、層内レンズ３１を形成する。
さらに、層内レンズ３１の集光率を向上させるために、図８に示すように、層内レンズ３１を覆うように屈折率が低い材料からなる第２の平坦化膜３２を形成して表面を平坦化させる。その後、カラーフィルタ３３、保護膜３４さらにマイクロレンズ３５を順次形成して、上記従来のＣＣＤ型固体撮像素子２０を作製することができる。
なお、以上では、窒化シリコン系膜を成膜する場合について説明したが、これに限らず、上記屈折率可変材料を用いてマイクロレンズや層内マイクロレンズを形成する場合には、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３をターゲットとして、ガス種およびその流量としてＡｒ：１００ｓｃｃｍ、Ｏ２：１０ｓｃｃｍの条件下でスパッタリングを行ない、ＰＬＺＴ膜を成膜してもよい。
一方、特許文献４には、固体撮像素子の受光感度を向上させる他の方法として、電圧を印加することによって屈折率が変化する性質（ポッケルス効果）を利用した屈折率可変マイクロレンズが開示されている。
この固体撮像素子をビデオカメラなどに組み込んだ場合、カメラ側に設けられているレンズのＦ値は、その撮像状況に応じて適切な露出となるように変化させる。したがって、ビデオカメラのレンズを経て固体撮像素子に入射される光は、ビデオカメラのレンズの絞りによってその角度が変化し、平行光だけではなく斜め光も入射される。
このため、ビデオカメラのレンズの絞りに対応して、常に、光電変換部で入射光を受光することができるように、マイクロレンズや層内レンズの上下部に電極を設けている。マイクロレンズや層内レンズに電圧を印加することによって、マイクロレンズや層内レンズの屈折率を自在に変化させることができる。
この場合、マイクロレンズまたは層内マイクロレンズの材料としては、電気光学セラミックスからなる屈折率可変材料層（例えば、ＰＬＺＴ、ＬｉＮｂＯ３）が用いられる。ＰＬＺＴは、チタン酸・ジルコン酸鉛固溶体（ＰｂＴｉＯ３・ＰｂＺｒＯ３）においてＰｂの一部をＬａで置換させた圧電材料である。
特許第２９４５４４０号公報 特開平１１−４０７８７号公報 特開平１１−８７６７２号公報 特開２００１−６０６７８号公報
しかしながら、上記従来の層内レンズでは、下記（１）および（２）に示すような問題が生じる。
（１）特許文献２のように、窒化シリコン系膜３６で形成された層内レンズ３１の屈折率は２．０程度であり、例えば窒化シリコン系膜３６の成膜の際に、酸素含有量を増やすとＳｉＯＮ膜となって屈折率が１．５程度まで下がる。これに対して、カメラを小型化する場合には、より集光率（入射光の内、光電変換部２２に入射する光量の割合）を向上させると同時に短瞳位置レンズに対応すべく、撮像素子最表面から光電変換部２２までの距離をより短くする必要がある。しかしながら、撮像素子の小型化と同時に高画素化が進むにつれて、画素サイズが益々縮小化され、光電変換部２２（受光部）の幅に対する転送電極２７と遮光膜２９の高さのアスペクト比（図３に示すｂ／ａ）が更に大きくなってくる。光電変換部２２（受光部）への入射光量を増大させるためには、チップ表面に形成するマイクロレンズ３５やカラーフィルタ３３の薄膜化と同時に、マイクロレンズ３５や層内レンズ３１の集光率の向上が必須条件となる。この集光率を向上させるためには、単にマイクロレンズ３５や層内レンズ３１を薄膜化したり屈折率を上げるだけでは限界に来ている。これらは特許文献３の場合も同様である。
（２）特許文献４のように、ＰＬＺＴやＬｉＮｂＯ３などの電気光学セラミックスからなる屈折率可変材料層をスパッタリング法により成膜して形成した屈折率可変マイクロレンズや層内レンズでは、レンズの上下に透明電極を形成して電圧印加のための配線を加工する必要があり、工程が煩雑で製造コストも高くなるという問題がある。また、固体撮像素子にこのような屈折率可変マイクロレンズを組み込んだ場合、電圧印加により透光性を維持し、かつ、機械的な歪みも発生しないという条件下では、屈折率を変化させることが可能な範囲は２．２〜２．６程度である。さらに、電圧印加によってマイクロレンズや層内レンズ全体の屈折率は変化するものの、上記（１）で記載した画素サイズの縮小によりアスペクト比の増加に対して、その集光率の向上は期待できない。したがって、カメラレンズの絞りに応じてその都度、レンズの屈折率を可変とするよりも、固体撮像素子が搭載されるカメラの設計に応じてレンズの絞りを広げた場合に斜め光を効率よく光電変換部へ入射させることができるように、マイクロレンズや層内レンズの厚さ、形状および屈折率などをそのカメラの用途毎に設計し、それに適したマイクロレンズや層内レンズを作製する方が、性能的にもコスト的にも有利である。
本発明は上記従来の問題を解決するもので、デバイスの要求性能に応じてマイクロレンズや層内レンズの集光率を向上させることができる固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子は、半導体基板または基板に設けられた半導体領域上に形成された光電変換部と、該光電変換部上に設けられた第１透明膜と、該光電変換部に対応した該第１透明膜上の位置に設けられたレンズとを有する固体撮像素子において、該レンズは、屈折率を連続的または段階的に変えて成膜された第２透明膜を用いて形成されており、該第２透明膜の上面は、該光電変換部の上方の領域に上に凸の形状に形成されており、該第２透明膜の下面は、下に凸の形状に形成されており、該レンズは、複数の層で連続的に形成されており、該複数の層のうちの最上層は、該上に凸の形状を有する上面を含み、該複数の層のうちの最上層は、該最上層の下にある全面に形成された層の全面には延在せず、該最上層の下にある該全面に形成された層は、該複数の層のうちの１つの層であり、かつ、該最上層に隣接しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜は、金属化合物および珪素化合物の少なくともいずれである。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜は、酸化珪素、酸化窒化珪素および窒化珪素のようにその化学組成が制御されて膜内の屈折率を連続的または段階的に変えて形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜は、前記光電変換部側の下面から上面に向かって前記屈折率が連続的または段階的に増加するかまたは減少するように形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜の屈折率が１．４から２．２の範囲内で変えられている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１透明膜は、前記光電変換部の上方の凹部に起因する凹部を上面に有し、前記レンズとして、該上面の凹部内に前記第２透明膜が埋め込まれて該第２透明膜の下面が下に凸に形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部が形成された半導体基板または基板に設けられた半導体領域上に、該光電変換部からの信号電荷を転送するためのゲート電極が設けられ、該ゲート電極と該光電変換部との段差に起因して、前記第１透明膜には、該光電変換部の上方に凹部が形成されており、前記レンズとして、該第１透明膜の凹部内に前記第２透明膜が埋め込まれて該第２透明膜の下面が下に凸に形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜は、凸部と共に屈折率が膜内で連続的または段階的に変えられて成膜されて、該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置に上に凸のレンズが形成されている。要するに、詳細に後述するが、レンズ形状部１６ａを追加して、上に凸の層内レンズ１１Ｂの各層全てを上に凸のレンズ曲面になるように構成している。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜上に、該第２透明膜よりも屈折率が低い第３透明膜が形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２透明膜は、前記第１透明膜よりも屈折率が高く設定されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第３透明膜の上方に、前記光電変換部に対応するように前記レンズとは別のレンズが形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第３透明膜と前記別のレンズとの間にカラーフィルタおよび保護膜が形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるレンズは層内レンズである。また、レンズは層内レンズの上方のマイクロレンズでもよい。
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるＣＣＤ固体撮像素子またはＣＭＯＳ固体撮像素子である。
本発明の固体撮像素子の製造方法は、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部が形成された半導体基板または基板に設けられた半導体領域上に、該光電変換部からの信号電荷を転送するためのゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、該光電変換部および該ゲート電極上に第１透明膜を成膜する第１透明膜成膜工程と、該第１透明膜上に、該第１透明膜と屈折率が異なる第２透明膜を、屈折率が膜内で連続的または段階的に変えて成膜して、該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置にレンズを形成するレンズ形成工程であって、該第２透明膜の上面は、該光電変換部の上方の領域に上に凸の形状に形成されており、該第２透明膜の下面は、下に凸の形状に形成されており、該レンズは、複数の層で連続的に形成されており、該複数の層のうちの最上層は、該上に凸の形状を有する上面を含み、該複数の層のうちの最上層は、該最上層の下にある全面に形成された層の全面には延在せず、該最上層の下にある該全面に形成された層は、該複数の層のうちの１つの層であり、かつ、該最上層に隣接しているレンズ形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
本発明においては、光電変換部に対応した第１透明膜上の位置に設けられたレンズを備え、このレンズは、屈折率を膜内で連続的または段階的に変えて成膜された第２透明膜を用いて形成されており、該第２透明膜の上下面の少なくとも一方面が凸状に形成されている。これにより、レンズの屈折率が膜内で連続的または段階的に変化させることで、高い位置から徐々に集光されるので、光電変換部に到達する光の集光効率が向上する。したがって、デバイスの要求性能に応じて屈折率が設計された所望の光学特性を有する高品質でかつ高性能のレンズとして、層内レンズやその上のマイクロレンズを備えた固体撮像素子を実現することが可能となる。
以上により、本発明によれば、レンズとして、例えば層内レンズやその上のマイクロレンズを有する固体撮像素子の分野において、少なくとも光電変換部が形成された半導体基板（または半導体領域）上に、第１透明膜を形成し、その上に第１透明膜と屈折率が異なる第２透明膜を、屈折率を膜内で連続的または段階的に変え、光電変換部に対応する第１透明膜上の位置に第２透明膜の上下面に少なくとも一方面に凸部を形成することによって、デバイスの要求性能に応じて屈折率が設計された所望の光学特性を有する高品質でかつ高性能のレンズとして、層内レンズやその上のマイクロレンズを備えた固体撮像素子を得ることができる。
以下に、本発明の固体撮像素子およびその製造方法の実施形態１として光電変換部と転送電極との間の凹状段差を用いて層内レンズを形成する場合、本発明の固体撮像素子およびその製造方法の実施形態２として層内レンズを転写により形成する場合について説明し、さらに固体撮像素子の実施形態１、２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の集光シミュレーション結果を模式的に示す１画素分の要部縦断面図である。
図１において、本実施形態１の固体撮像素子２０Ａは、半導体基板１の表面側に、複数の光電変換部２、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル４およびチャネルストッパ５などの不純物拡散層がそれぞれ設けられている。読み出しゲート部３およびＣＣＤ転送チャネル４上に絶縁膜６を介して転送電極７が形成されている。例えばＣＣＤの場合、隣接する光電変換部２の間の半導体基板１上に、絶縁膜６を介して転送電極７が形成される。この転送電極７は、所定方向の電荷転送機能の他に、光電変換部２（受光部）からＣＣＤ転送チャネル４に信号電荷を読み出す機能も兼用している。
光電変換部２は、例えば複数のｐｎ接合ダイオード（フォトダイオード）が半導体基板１の表面側にマトリックス状に形成されており、光電変換部２に入射された光は信号電荷に変換される。光電変換部２にて光電変換された信号電荷は、読出しゲート部３を介して光電変換部２の一方側に設けられたＣＣＤ転送チャネル４に供給され、最終的に図示しない電荷検出部（図示せず）に電荷転送されて電圧検出される。光電変換部２の他方側に設けられたＣＣＤ転送チャネル４は、光電変換部２との間にチャネルストッパ５が設けられて素子分離されている。
転送電極７上には、層間絶縁膜８を介して遮光膜９が設けられている。この遮光膜９は、転送部（ＣＣＤ転送チャネル４）への光漏れ防止のために設けられており、光電変換部２の端部（外周部）も遮光膜９で覆われている。遮光膜９は、光電変換部２の端部以外は光学的に光電変換部２の上方が開口（光入射口）されている。
これらの遮光膜９および絶縁膜６上には、ＢＰＳＧ膜からなる第１透明膜１０が光電変換部２上で凹状に成膜され、その上に、光電変換部２の上方に位置するように高屈折率の第２透明膜からなる下に凸状の層内レンズ１１Ａが形成されている。
層内レンズ１１Ａは、光電変換部２に光を集光させるために、屈折率を膜内で段階的に変えて成膜された複数層（ここでは５層）の第２透明膜で構成されており、その下面が、転送電極７および遮光膜９と光電変換部２との段差を反映して下に凸状に形成されている。第２透明膜からなる層内レンズ１１Ａの複数層は、下面から上面に向かって、膜内の屈折率を１．４から２．２の範囲内で段階的に増加するように形成されている。
この層内レンズ１１Ａ上を覆うように、表面を平坦化するための第３透明膜として平坦化膜１２が設けられている。さらにその上に、図示しないカラーフィルタおよび保護膜を介して、光電変換部２に光を集光するためのマイクロレンズ１５が設けられている。
ここで、上記構成の固体撮像素子２０Ａの製造方法について詳細に説明する。
まず、半導体基板１上に、光電変換部２（受光部）、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル４およびチャネルストッパ５などの不純物拡散層を形成する。半導体基板１としては、通常、半導体装置を形成するための基板として使用される基板であれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコンやゲルマニウムなどの半導体、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体などからなる基板を使用することができる。特に、シリコン基板を用いることが好ましい。この半導体基板１は、通常ｎ型またはｐ型の不純物がドーピングされているが、さらに、ｎ型またはｐ型のウェル領域を１以上有していてもよい。また、半導体基板１の表面には、光電変換部２（受光部）、読み出しゲート部３、電荷転送領域（ＣＣＤ転送チャネル４）、チャネルストッパ領域（チャネルストッパ５）の他に、素子分離領域やコンタクト領域などとして、高濃度のｎ型またはｐ型の不純物を含有する不純物拡散領域が形成される。さらに、これに他の半導体素子や回路などが組み合わされていてもよい。
この光電変換部２として、例えば、半導体基板１の表面に形成されるｐｎ接合ダイオード（受光部；フォトダイオード）が挙げられる。このｐｎ接合ダイオードにおいて、半導体基板１の表面側に形成されるｐ型またはｎ型の不純物層の大きさ、形状、数、不純物層の不純物濃度などは、必要とされる半導体装置の性能に応じて適宜設定することができる。半導体基板１の表面側に光電変換部２を形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィおよびエッチング工程により半導体基板１の所望の領域に開口部を有するフォトマスクを形成し、このフォトマスクを用いて半導体基板１に所定の不純物イオンによりイオン注入する方法が挙げられる。
次に、読み出しゲート部３およびＣＣＤ転送チャネル４上に絶縁膜６を介して転送電極７を形成する。転送電極７の材料として、電極として使用される材料であれば特に限定されず、例えば、多結晶シリコンやタングステンシリサイド、アルミニュウムなどが挙げられる。この転送電極の膜厚は特に限定されるものではなく、例えば、３００〜６００ｎｍ程度が挙げられる。
続いて、転送電極７上に層間絶縁膜８を介して、光電変換部２上を開口する所定形状の遮光膜９を形成する。遮光膜９は、可視光および／または赤外光をほぼ完全に遮ることができる材料および膜厚であれば特に限定されるものではなく、例えば、タングステンシリサイドやチタンタングステンなどの金属膜、合金膜などからなる膜厚１００〜１０００ｎｍ程度のものが挙げられる。また、層間絶縁膜８は、通常使用されている材料であれば特に限定されず、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるプラズマＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｏｘｙ Ｓｉｌａｎｅ）膜、ＬＴＯ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）膜、ＨＴＯ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）膜、ＮＳＧ（Ｎｏｎｅ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜またはスピンコート法により塗布形成したＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜、ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜などの単層膜またはこれらの積層膜などが挙げられる。
その後、絶縁膜６および遮光膜９上に第１透明膜１０を形成する。第１透明膜１０は、光電変換部２の上方において、転送電極７および遮光膜９と光電変換部２との段差（凹凸）に起因した凹部が上面に形成される。この第１透明膜１０は、材料や膜厚などにもよるが、光の透過率が８０〜１００パーセント程度であることが好ましい。第１透明膜１０の材料としては、上記絶縁膜６として例示したような単層膜または積層膜が挙げられ、特に、ＢＰＳＧ膜が好ましい。膜厚は、例えば、１００〜２０００ｎｍ程度が挙げられる。なお、第１透明膜１０の上面の凹部形状およびその深さなどは、その上に形成される層内レンズ１１Ａが下に凸状であるため、その下面凸部の厚さおよび形状などを決定する一要件となるため、その凸部を適切に調整することが好ましい。
これらの転送電極７、層間絶縁膜８、遮光膜９および第１透明膜１０は、スパッタリング法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの種々のＣＶＤ法、スピンコート法、真空蒸着法、ＥＢ法など、当該分野で用いる方法を適宜選択して形成することができる。
層内レンズ１１Ａを構成する複数層の第２透明膜についても、上記第１透明膜１０の場合と同じように、前述のような種々の方法で形成することができるが、ここではその一例としてＣＶＤ法による方法について説明する。
光電変換部２の上方において、第１透明膜１０が下地面の凹凸に起因する凹部を上面に有している。この場合に、第１透明膜１０上に形成される第２透明膜の下面に凸部が形成され、下に凸状の層内レンズ１１Ａが形成される。さらに必要に応じて、例えばドライエッチング法により第２透明膜の上面に凸部を加工形成することによって、光電変換部２の上方に、上に凸状の層内レンズを形成することができる。このようにして、層内レンズを構成する第２透明膜は、上下面の両方に凸部を形成することもできる。
層内レンズ１１Ａを構成する第２透明膜の複数層は、屈折率が下から１．６〜２．０に順次変化する５層の積層構造とする。第２透明膜の材料としては、透明膜１０よりも屈折率が高く、例えば、ＴｉＯ２（屈折率２．５）、ＴａＯ２（同２．２）、ＺｒＯ２（同２．２）、Ｓｉ３Ｎ４（同２．０）、ＳｉＯＮ（同１．８）、ＳｉＯ２（同１．５）系などの金属化合物や珪素化合物が挙げられる。これらの金属化合物や珪素化合物の屈折率は、例えばＣＶＤ法で形成する場合は、使用する反応ガスの種類、組成、流量など、さらには成膜時の温度、圧力などを調整することによって、ある一定の範囲内で段階的（積層構造）に変えることができる。
即ち、第２透明膜の成膜例としては、まず屈折率１．５のＳｉＯ２を、反応ガスとしてＯ２とＳｉＨ４を使用して形成し、成膜の途中でＮＨ３ガスを適量加え、同時にＯ２ガスを減量して、ＳｉＯＮ（屈折率１．８）膜を形成する。続いて、Ｏ２ガスをさらに減量し、ＮＨ３ガスをさらに増量していくことによって、膜組成は限りなくＳｉ３Ｎ４（同２．０）に近づいていく。このような方法によって、第２透明膜は、上面が屈折率２．０のＳｉ３Ｎ４膜で、下面にいくにつれて、屈折率が１．８のＳｉＯＮに段階的に変化させ、最下面は屈折率１．５のＳｉＯ２に限りなく近い膜組成の第２透明膜ができあがる。よって、層内レンズ１１Ａを構成する第２透明膜の複数層は、屈折率が下から１．６〜２．０に順次段階的に変化する５層の積層構造とすることができる。
また、この第２透明膜からなる層内レンズ１１Ａ上に、透明で低屈折率を有する材料からなる第３透明膜としての平坦化膜１２を、層内レンズ１１Ａの表面を均一な膜厚で覆うように形成する。この第３透明膜の材料としては、上記第２透明膜を構成する高屈折率材料膜の表面よりも屈折率が０．５程度小さいもの（屈折率１.５）が挙げられる。この第３透明膜の平坦化膜１２は、スパッタリング法やＣＶＤ法により単層膜または積層膜として形成することができる。また、平坦化膜１２は、有機樹脂を用いてもよく、例えば可視光領域での屈折率が１．６程度より小さいもの、具体的にはフルオロオレフィン系共重合体、含フッ素脂肪族環構造を有するポリマー、パーフルオロアルキルエーテル系コポリマー、含フッ素（メタ）アクリレートポリマーの１種または２種以上の混合物などが挙げられる。さらに、これらポリマーにフッ化物、具体的にはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などが添加されていてもよい。
さらに、層内レンズ１１Ａの上方に、第３透明膜の平坦化膜１２を介してマイクロレンズ１５を形成する。また、第３透明膜の平坦化膜１２とマイクロレンズ１５との間に、図示していないが、カラーフィルタ、パッシベーション膜、保護膜、平坦化膜、層間膜などとして機能する１種または２種以上の膜を、任意の材料で、任意の膜厚にて形成してもよい。例えば、図示していないが、平坦化膜１２上にカラーフィルタさらに保護膜を介してマイクロレンズ１５を形成することができる。マイクロレンズ１５の形状は、下層の第３透明膜である平坦化膜１２、パッシベーション膜、保護膜、平坦化膜、層間膜などにより底部が平坦化されており、上に凸状でアーチ型のレンズ形状などに加工する。
なお、上記実施形態１では、層内レンズ１１Ａを構成する第２透明膜の屈折率が下面から上面に向かって段階的（積層構造）に増加するように第２透明膜を複数層（ここでは５層）成膜する場合について説明したが、これに限らず、層内レンズ１１Ａを構成する第２透明膜の屈折率が下面から上面に向かって連続的に増加するように第２透明膜を成膜するように構成できる。この場合、第２透明膜を構成する金属化合物や珪素化合物の屈折率は、例えばＣＶＤ法で形成する場合は、使用する反応ガスの種類、組成、流量など、さらには成膜時の温度、圧力などを調整することによって、ある一定の範囲内で連続的に変えることができる。即ち、第２透明膜の成膜例として、まず屈折率１．５のＳｉＯ２を、反応ガスとしてＯ２とＳｉＨ４を使用して形成し、成膜の途中でＮＨ３ガスを適量加え、同時にＯ２ガスを減量して、ＳｉＯＮ（屈折率１．８）膜を形成する。続いて、Ｏ２ガスをさらに減量し、ＮＨ３ガスをさらに増量していくことによって、膜組成は限りなくＳｉ３Ｎ４（同２．０）に近づいていく。このような方法によって、第２透明膜は、上面が屈折率２．０のＳｉ３Ｎ４膜で、下面にいくにつれて、屈折率が１．８のＳｉＯＮに連続的に変化し、最下面は屈折率１．５のＳｉＯ２に限りなく近い膜組成の第２透明膜ができあがる。これによって、層内レンズ１１Ａを構成する第２透明膜は、屈折率が下から１．６〜２．０に順次連続的に変化する層を構成することができる。
ここで、本実施形態１の作用効果として、図１に示すように本実施形態１による層内レンズ１１Ａを有する固体撮像素子２０Ａと、図２に示すように従来技術により形成された層内で屈折率が変化しない層内レンズ１１を有する固体撮像素子（図２）との集光シミュレーションの比較結果について説明する。
図２に示す従来の固体撮像素子では、入射光の入射側から層内レンズ１１を通して光電変換部２側へ向かって、屈折率ｎが、１．５、２．０、１．４６と変化しており、屈折率ｎが２．０の部分で屈折率が一様な層内レンズ１１が形成されている。一方、図１に示す本実施形態１による固体撮像素子２０Ａでは、入射光の入射側から層内レンズ１１Ａを通して光電変換部２側へ向かって、屈折率が、１．５、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．４６と変化しており、屈折率が２．０から１．６までの部分で屈折率が変化する層内レンズ１１Ａが形成されている。
特に、短瞳位置レンズを使用した場合に問題となる入射角度の大きい光に対して、従来の構造では図２内の“Ｐ”に示すような、遮光膜９の表面による所謂「光のケラレ」により光電変換部２に入射すべき光量が減少し、集光率が劣化する。これに対して、本実施形態１による層内レンズ１１Ａの多層構造では、層内レンズ１１Ａ内で屈折率を変えているために、層内レンズ１１Ａ内の最上層（屈折率２．０）の下に凸状の下面で入射光が曲がり初めるので、特に斜め入射光に対して上述のような光のケラレが少なくなって、集光率の劣化が小さく、光電変換部２に効率よく集光させることができる。
下記の表１は、光の入射角に対する集光率の比較表であり、入射角０度（光電変換部２の表面に対して直角に入射）、５度（Ｆ５．６）、１０度（Ｆ２．８）の場合の本実施形態１の固体撮像素子２０Ａ（図１）と従来の固体撮像素子（図２）との集光率を比較している。なお、表１では、入射角０度の場合の本実施形態１の固体撮像素子２０Ａの集光率を１００パーセントとした。
Figure 0005086877
表１に示されるように、入射角が０度の場合、本実施形態１の固体撮像素子２０Ａでは集光率が１００パーセントであり、従来の固体撮像素子では、集光率が９８パーセントになった。また、入射角が５度の場合、本実施形態１の固体撮像素子２０Ａでは、集光率が９７パーセントになり、従来の固体撮像素子では、集光率が９４パーセントになった。また、入射角が１０度の場合、本実施形態１の固体撮像素子２０Ａでは、集光率が９０パーセントになり、従来の固体撮像素子では、集光率が８０パーセントになった。集光シミュレーションの比較結果は、表１に示したように、いずれの入射角においても、本実施形態１の固体撮像素子２０Ａの方が、従来の固体撮像素子よりも集光効率が大きい結果であったことが分かる。
このように、層内レンズ１１Ａの膜内で屈折率を変更させ、光電変換部２から遠ざかるほど屈折率を上げることによって、特に、入射角度の大きい光を効率よく光電変換部２に集光させることができる。
したがって、本実施形態１では、半導体基板１上に形成された光電変換部２と、この光電変換部２上に設けられた第１透明膜１０と、光電変換部２に対応した第１透明膜１０上の位置に設けられた層内レンズ１１Ａとを備え、層内レンズ１１Ａは、屈折率を膜内で連続的または段階的に変えて成膜された第２透明膜によって形成されており、第２透明膜の下面が凸状に形成されている。これによって、デバイスの要求性能に応じてマイクロレンズや層内レンズの集光率を向上させることができる。
（実施形態２）
上記実施形態１では、光電変換部２と転送電極７および遮光膜９との間の凹状段差を用いて下に凸の層内レンズ１１Ａを形成する場合について説明したが、本実施形態２では、上に凸の層内レンズを転写により形成する場合について説明する。
図３は、本発明の実施形態２の固体撮像素子の１画素分の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図３に示すように、本実施形態２の固体撮像素子２０Ｂは、半導体基板１の表面側に、複数の光電変換部２、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル４およびチャネルストッパ５などの不純物拡散層がそれぞれ設けられている。読み出しゲート部３およびＣＣＤ転送チャネル４上には絶縁膜６を介して転送電極７が形成されている。この転送電極７は、所定方向の電荷転送機能の他に、光電変換部２（受光部）からＣＣＤ転送チャネル４に信号電荷を読み出す機能も兼用している。
光電変換部２は、例えば複数のｐｎ接合ダイオード（フォトダイオード）が半導体基板１表面側にマトリックス状に形成されており、光電変換部２に入射された光は信号電荷に変換される。光電変換部２にて光電変換された信号電荷は、読出しゲート部３を介して光電変換部２の一方側（図３では左側）に設けられたＣＣＤ転送チャネル４に供給され、最終的に図示しない電荷検出部に電荷転送されて電荷検出される。光電変換部２の他方側（図３では右側）に設けられたＣＣＤ転送チャネル４は、光電変換部２との間にチャネルストッパ５が設けられているため、この光電変換部２と隣のＣＣＤ転送チャネル４とは素子分離されている。
転送電極７上には、層間絶縁膜８を介して遮光膜９が設けられている。この遮光膜９は、転送部（ＣＣＤ転送チャネル４）への光漏れ防止のために設けられており、光電変換部２の端部も遮光膜９で覆われている。遮光膜９は、光電変換部２の端部以外は光学的に光電変換部２の上方が開口されている。
遮光膜９の上には、第１透明膜としてＢＰＳＧからなる第１平坦化膜１０Ａが積層され、その上に、光電変換部２の上方に位置するように高屈折率の第２透明膜からなる上に凸の複数層の層内レンズ１１Ｂが形成されている。
層内レンズ１１Ｂは、光電変換部２に光を集光させるために、屈折率を膜内で段階的に変えて成膜された上に凸の複数層（ここでは４層）の第２透明膜で構成されており、その下面あるいは上面の少なくとも一方面が凸状（レンズ状）に形成されていればよいが、ここでは、上面のみを凸状にした場合を示している。第２透明膜からなる層内レンズ１１Ｂの上に凸の複数層は、下面から上面に向かって、膜内の屈折率が１．４から２．２の範囲内で段階的に増加するように形成されている。
この層内レンズ１１Ｂ上を覆うように、表面を平坦化するための第３透明膜として第２平坦化膜１２が設けられている。この第２平坦化膜１２上に、３原色のレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）およびブルー（Ｂ）が組み合わされて配列されたカラーフィルタ１３およびその上に透明有機膜からなる保護膜１４を介して、光電変換部２および層内レンズ１１Ｂの上方に位置するようにマイクロレンズ１５が設けられている。
以上により、本実施形態２の固体撮像素子２０Ｂが構成されており、この固体撮像素子２０Ｂは、例えば以下のようにして製造することができる。
図４（ａ）〜図４（ｆ）は、図３の固体撮像素子２０Ｂの各製造工程を説明するための１画素分の要部縦断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１内に所定の不純物イオン注入を行って、光電変換部２（受光部）、読み出しゲート部３、ＣＣＤ転送チャネル４（電荷転送部）およびチャネルストッパ５をそれぞれ形成する。
次に、半導体基板１の表面側に、例えば熱酸化によりシリコン酸化膜などの絶縁膜６を形成し、その上にポリシリコンからなる転送電極材料を成膜した後に、所定パターンの転送電極７を形成する。さらに、転送電極７上に、層間絶縁膜８を介して、転送電極７の上面および端面側を被覆し、かつ光電変換部２上に開口部を有する遮光膜９を、例えば、タングステンシリサイドにより形成する。
続いて、図４（ｂ）に示すように、遮光膜９を覆うようにＢＰＳＧ膜（第１平坦化膜１０Ａの膜材料）を常圧ＣＶＤ法により膜厚６００ｎｍに堆積する。この場合、ＢＰＳＧ膜中に含まれるリンおよびボロンの濃度と、後に行なわれるリフロー温度とを調節して、上記実施形態１のように、光電変換部２上に凹部を有するように設定してもよいが、ここでは、リンの濃度を４．２ｗｔパーセント、ボロンの濃度を３．８ｗｔパーセントに設定して、リフローを摂氏９５０度にて２０分間行って、表面が平坦な第１平坦化膜１０Ａを形成する。
その後、図４（ｃ）に示すように、第１平坦化膜１０Ａ上に、光電変換部２（受光部）上に対応する位置に上に凸のレンズ形状部１６ａとして、反応ガスとしてＯ２とＳｉＨ４を使用して、反応温度摂氏４５０度でＣＶＤ法により屈折率１．５のＳｉＯ２膜を最大膜厚 ３００ｎｍに形成する。さらに連続して、第１平坦化膜１０Ａおよびレンズ形状部１６ａ上に、ＮＨ３ガスをＳｉＨ４ガスの４０パーセント加え、Ｏ２ガスを４０パーセント減量して、ＳｉＯＮ膜（屈折率１．７）を膜厚１００ｎｍ形成する。次に、その上に、ＮＨ３ガスをＳｉＨ４ガスの８０パーセント加え、Ｏ２ガスを８０パーセント減量して、ＳｉＯＮ膜（屈折率１．９）を膜厚２００ｎｍ形成する。最後に、その上に、ＮＨ３とＳｉＨ４に微量のＯ２を加えた反応ガスを使用して、屈折率２．０のＳｉ３Ｎ４膜を膜厚２００ｎｍ形成する。このようにして、上に凸のレンズ曲面を有する膜厚６００ｎｍの複数層（ここでは４層）の第２透明膜１６を成膜する。
このように、第２透明膜１６の屈折率が下面（光電変換部２側の面）から上面（光が入射する側の面）に向かって段階的に増加するように第２透明膜１６を成膜する。なお、段階的増加ではなく、２透明膜１６の屈折率が下面（光電変換部２側の面）から上面（光が入射する側の面）に向かって連続的に増加するように第２透明膜１６を成膜することもできる。
さらに、図４（ｄ）に示すように、従来技術と同様に、ポジ型フォトレジストを上記第２透明膜１６上に塗布し、所望のパターンにパターニングを行なった後、摂氏１６０度でリフローし、レンズ形状を転写するためのレジストパターン１７を形成する。
さらに、図４（ｅ）に示すように、異方性の強い条件下でドライエッチングを行い、レジスト１７のレンズ形状を上記複数層の第２透明膜１６に転写して、上に凸の層内レンズ１１Ｂを形成する。本実施形態２では、ドライエッチングによって、光電変換部２の上部以外は下地層の第１平坦化膜１０Ａが表面に露出されるまでエッチングを行っているが、例えばドライエッチングを途中で止めて、図４（ｆ）に示すように、第１平坦化膜１０Ａ上の最下層膜に平坦部１８ａが残るような形状に層内レンズ１８を形成してもよい。
さらに、層内レンズ１１Ｂの集光効率を上げるために、層内レンズ１１Ｂを覆うように屈折率が低い第２平坦化膜１２を形成して、その表面を平坦化する。その後、レッド、グリーンおよびブルーそれぞれの分光特性を有する顔料を分散したネガ型レジストを塗布、フォト（露光）、現像というフォトリソグラフィ技術により所望のパターンに加工し、カラーフィルタ１３を形成する。その上に、アクリル樹脂（例えば、熱硬化性アクリル樹脂 オプトマーＳＳ−１１５１：ＪＳＲ株式会社製）を膜厚７００ｎｍに塗布して保護膜１４を形成し、続いてその上にマイクロレンズ１５を形成して、図３に示す本実施形態２の固体撮像素子２０Ｂを作製することができる。
以上により、本実施形態２によれば、光電変換部２が形成された半導体基板１上に第１平坦化膜１０Ａを形成し、その上に第１平坦化膜１０Ａと屈折率が異なる上に凸の複数層の第２透明膜を、屈折率を膜内で連続的または段階的に変えて成膜して、光電変換部２の上方において第２透明膜の上面を凸部として転写により形成して層内レンズ１１Ｂを形成する。この場合、層内レンズ１１Ｂの屈折率を、例えばＣＶＤ法で形成する場合は、使用する反応ガスの種類、組成、流量など、さらには成膜時の温度、圧力などを調整することによって、ある一定の範囲内で連続的または段階的に変えることができる。
なお、本実施形態２では、図３に示すように、第１平坦化膜１０Ａ（第１透明膜）の上面を平坦化し、第２透明膜１６の上面を加工形成して上に凸状の層内レンズ１１Ｂを転写形成したが、図５に示すように、第１平坦化膜１０Ａの上面において光電変換部２上に凹部を形成して、第２透明膜１６の下面に凸部を形成し、下に凸状の層内レンズ１９を形成するように構成してもよい。
このように、下に凸状の層内レンズ１９を形成する場合、第１平坦化膜１０Ａの上面において光電変換部２上にレンズ状の凹部を有するように第１平坦化膜１０Ｂを形成するのに限らない。下に凸状の層内レンズ１９を形成する場合、工程の数が増加するが、第１平坦化膜１０Ａ（第１透明膜）の上面を平坦化した後に、第１平坦化膜１０Ａの上面において光電変換部２上に層内レンズ１９の下に凸部に対応した凹部を有するように第１平坦化膜１０Ａを上から掘り込んでから層内レンズ１９を成膜して作製することもできる。
また、図５に示すように、固体撮像素子２０Ｃとして、下にのみ凸状の層内レンズ１９を形成する場合には、層内レンズ１９の上に凸形状がなく平坦であるため、その上の厚い平坦化層が不要になる分だけ、図３の固体撮像素子２０Ｂの厚さをより薄くできるので、固体撮像素子２０Ｂに比べて更なる感度向上および微細化が実現可能となる。その後、層内レンズ１９上に、カラーフィルタ１３、保護膜１４さらにマイクロレンズ１５を形成すればよい。
また、図５の固体撮像素子２０Ｃの変形例（固体撮像素子２０Ｄ）として、図６に示すように、第１平坦化膜１０Ａの上面において光電変換部２上にレンズ状の凹部を形成して、第２透明膜の下面に凸部を形成して層内レンズ１９を形成するとともに、第２透明膜の上面を加工形成して上に凸状の層内レンズ１９ａを形成してもよい。
このように、第２透明膜の上面および下面の両面に凸状を有する層内レンズ１９ａを作製する場合、その層内レンズ１９ａの下面から上面までの全体に渡って、層内レンズ１９ａの屈折率を、ある一定の範囲内で連続的に、あるいは段階的に変える。また、層内レンズ１９ａの下面側のみ層内レンズ１９ａの屈折率を、ある一定の範囲内で連続的に、あるいは段階的に変え、層内レンズ１９ａの上面側（上に凸部分）は一定の屈折率としても構わないし、層内レンズ１９ａの下面側の最上層（下に凸部分の最上層）と同一材料で同一屈折率としてもよい。また、層内レンズ１９ａの下面側（下に凸部分）の屈折率を一定とし、層内レンズ１９ａの上面側（上に凸部分）のみ、光電変換部２上に良好に集光できるように屈折率をある一定の範囲内で連続的または段階的に変えても構わない。
これと同様に、図３に示すように上に凸状の層内レンズ１１Ｂを形成する場合や、図５に示すように下に凸状の層内レンズ１９を形成する場合においても、光電変換部２上に良好に集光できるように、層内レンズ１１Ｂ（または層内レンズ１９）の少なくとも一部分のみ屈折率をある一定の範囲内で連続的または段階的に変え、残りの部分は屈折率を一定としても構わない。
要するに、光電変換部２上に良好に集光できるように層内レンズ１１Ａ、１１Ｂ、１９、１９ａなどの層内レンズの全部または一部で屈折率をある一定の範囲内で連続的または段階的に変えればよい。
さらに、上記実施形態１，２では、光電変換部２および層内レンズ１１Ａまたは１１Ｂの上方に位置するようにマイクロレンズ１５を設けるとして説明したが、これに限らず、マイクロレンズ１５を設けない場合もあり得る。
なお、上記実施形態１、２では、第２透明膜１０または１０Ａは、光電変換部２側の下面から上面に向かって屈折率が連続的または段階的に増加する場合について説明したが、これに限らず、第２透明膜について、光電変換部２側の下面から上面に向かって屈折率が連続的または段階的に減少するように形成してもよい。
また、ＣＣＤ固体撮像素子に本発明を適用した事例について説明したが、その他の素子、例えば、ＣＭＯＳ型固体撮像素子についても本発明を適用することができ、上記実施形態１，２の場合と同様に、層内レンズ、平坦化膜、保護膜、マイクロレンズの厚さなどとその形成条件などを適宜調整することによって、所望の形状の層内レンズまたはマイクロレンズを有する半導体素子を得ることができる。また、層内レンズ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃまたは１１Ｄと共にまたはこれらとは別に、屈折率を連続的または段階的に変えて成膜された第２透明膜を用いて形成されるようにマイクロレンズ１５を構成してもよい。
（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２の固体撮像素子を含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
図７において、本実施形態３の電子情報機器９０は、上記実施形態１、２のセンサモジュール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃまたは２０Ｄからの撮像信号を各種信号処理してカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段９４とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示手段９３と、通信手段９４と、プリンタなどの画像出力手段９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを画像出力手段９５により紙面に良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、デジタル複写機、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、デバイスの要求性能に応じてマイクロレンズや層内レンズの集光率を向上させることができる。
本発明の実施形態１における固体撮像素子の１画素分の集光シミュレーション結果を模式的に示す要部縦断面図である。 従来の固体撮像素子の１画素分の集光シミュレーション結果を模式的に示す要部縦断面図である。 本発明の実施形態２の固体撮像素子の１画素分の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図３の固体撮像素子の層内レンズ形成工程までの各製造工程を説明するための１画素分の縦断面図である。 本発明の固体撮像装置の他の変形例である固体撮像素子の１画素分の要部構成を模式的に示す断面図である。 図５の他の変形例である固体撮像素子の１画素分の要部構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２の固体撮像素子を含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 特許文献２に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の１画素分の要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図８の従来のＣＣＤ固体撮像素子の層内レンズ形成工程までの各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
符号の説明
１ 半導体基板
２ 光電変換部
３ 読み出しゲート部
４ ＣＣＤ転送チャネル
５ チャネルストッパ
６ 絶縁膜
７ 転送電極
８ 層間絶縁膜
９ 遮光膜
１０ 第１透明膜
１０Ａ 第１平坦化膜
１１Ａ、１１Ｂ 層内レンズ
１２ 第２平坦化膜（第３透明膜）
１３ カラーフィルタ
１４ 保護膜
１５ マイクロレンズ
１６ 第２透明膜
１６ａ レンズ形状部
１７ レジストパターン
１８ 層内レンズ
１８ａ 層内レンズの平坦部
１９、１９ａ 層内レンズ
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ 固体撮像素子
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示手段
９４ 通信手段
９５ 画像出力手段

Claims (16)

  1. 半導体基板または基板に設けられた半導体領域上に形成された光電変換部と、該光電変換部上に設けられた第１透明膜と、該光電変換部に対応した該第１透明膜上の位置に設けられたレンズとを有する固体撮像素子において、
    該レンズは、屈折率を連続的または段階的に変えて成膜された第２透明膜を用いて形成されており、該第２透明膜の上面は、該光電変換部の上方の領域に上に凸の形状に形成されており、該第２透明膜の下面は、下に凸の形状に形成されており、該レンズは、複数の層で連続的に形成されており、
    該複数の層のうちの最上層は、該上に凸の形状を有する上面を含み、該複数の層のうちの最上層は、該最上層の下にある全面に形成された層の全面には延在せず、該最上層の下にある該全面に形成された層は、該複数の層のうちの１つの層であり、かつ、該最上層に隣接している固体撮像素子。
  2. 前記第２透明膜は、金属化合物および珪素化合物の少なくともいずれである請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第２透明膜は、酸化珪素、酸化窒化珪素および窒化珪素のようにその化学組成が制御されて膜内の屈折率を連続的または段階的に変えて形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第２透明膜は、前記光電変換部側の下面から上面に向かって前記屈折率が連続的または段階的に増加するかまたは減少するように形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第２透明膜の屈折率が１．４から２．２の範囲内で変えられている請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１透明膜は、前記光電変換部の上方の凹部に起因する凹部を上面に有し、前記レンズとして、該上面の凹部内に前記第２透明膜が埋め込まれて該第２透明膜の下面が下に凸に形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  7. 前記光電変換部が形成された半導体基板または基板に設けられた半導体領域上に、該光電変換部からの信号電荷を転送するためのゲート電極が設けられ、該ゲート電極と該光電変換部との段差に起因して、前記第１透明膜には、該光電変換部の上方に凹部が形成されており、前記レンズとして、該第１透明膜の凹部内に前記第２透明膜が埋め込まれて該第２透明膜の下面が下に凸に形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第２透明膜は、凸部と共に屈折率が膜内で連続的または段階的に変えられて成膜されて、該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置に上に凸のレンズが形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  9. 前記第２透明膜上に、該第２透明膜よりも屈折率が低い第３透明膜が形成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  10. 前記第２透明膜は、前記第１透明膜よりも屈折率が高く設定されている請求項１に記載の固体撮像素子。
  11. 前記第３透明膜の上方に、前記光電変換部に対応するように前記レンズとは別のレンズが形成されている請求項９に記載の固体撮像素子。
  12. 前記第３透明膜と前記別のレンズとの間にカラーフィルタおよび保護膜が形成されている請求項１１に記載の固体撮像素子。
  13. 前記レンズは層内レンズである請求項１に記載の固体撮像素子。
  14. ＣＣＤ固体撮像素子またはＣＭＯＳ固体撮像素子である請求項１に記載の固体撮像素子。
  15. 被写体からの画像光を光電変換する光電変換部が形成された半導体基板または基板に設けられた半導体領域上に、該光電変換部からの信号電荷を転送するためのゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、該光電変換部および該ゲート電極上に第１透明膜を成膜する第１透明膜成膜工程と、該第１透明膜上に、該第１透明膜と屈折率が異なる第２透明膜を、屈折率が膜内で連続的または段階的に変えて成膜して、該光電変換部に対応する該第１透明膜上の位置にレンズを形成するレンズ形成工程であって、該第２透明膜の上面は、該光電変換部の上方の領域に上に凸の形状に形成されており、該第２透明膜の下面は、下に凸の形状に形成されており、該レンズは、複数の層で連続的に形成されており、該複数の層のうちの最上層は、該上に凸の形状を有する上面を含み、該複数の層のうちの最上層は、該最上層の下にある全面に形成された層の全面には延在せず、該最上層の下にある該全面に形成された層は、該複数の層のうちの１つの層であり、かつ、該最上層に隣接しているレンズ形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。
  16. 請求項１〜１４のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
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