(57)【要約】【課題】スミアの原因となる電荷転送部内での不要な電荷の発生しない固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】基板２１内の表面に形成された複数の受光部２２と、基板２１上に形成され、受光部２２の上方に開口部が形成された遮光膜３６と、遮光膜３６上および遮光膜３６の開口部内に形成された光透過絶縁膜３７と、光透過絶縁膜３７と屈折率が異なる材料からなり、光透過絶縁膜３７の上に形成された下に凸の層内レンズ３８と、層内レンズ３８の上に形成された、異なる受光部２２上方に位置して異なる波長の光を透過させる第１フィルタおよび第２フィルタを有するＯＣＣＦ３９と、層内レンズ３８の上に形成されたＯＣＬ４０とを備え、第１フィルタの下方に設けられた遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８の曲率と、第２フィルタの下方に設けられた遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８の曲率とはそれぞれ異なる。【選択図】図２
2010093081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内の表面に形成された複数の受光部と、
前記基板上に形成され、前記受光部の上方に開口部が形成された遮光膜と、
前記遮光膜上および前記遮光膜の開口部内に形成された光透過絶縁膜と、
前記光透過絶縁膜と屈折率が異なる材料からなり、前記光透過絶縁膜の上に形成された下に凸の層内レンズと、
前記層内レンズの上に形成された、異なる前記受光部上方に位置して異なる波長の光を透過させる第１フィルタおよび第２フィルタを有するカラーフィルタと、
前記層内レンズの上に形成されたオンチップレンズとを備え、
前記第１フィルタの下方に設けられた前記遮光膜の開口部の幅および前記層内レンズの曲率と、前記第２フィルタの下方に設けられた前記遮光膜の開口部の幅および前記層内レンズの曲率とはそれぞれ異なる
固体撮像装置。
【請求項２】
前記層内レンズは、さらに、上に凸のレンズ曲面を有する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
所定の前記フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、前記所定のフィルタが透過させる光の前記光透過絶縁膜における波長以上である
請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記カラーフィルタは、赤色光を透過させる赤色用フィルタ、緑色光を透過させる緑色用フィルタ、および青色光を透過させる青色用フィルタが配列してなり、
前記赤色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、前記緑色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅より大きく、
前記緑色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、前記青色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅より大きく、
前記赤色用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率は、前記緑色用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率より大きく、
前記緑色用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率は、前記青色用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率より大きい
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記赤色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、赤色光の前記光透過絶縁膜における波長以上であり、
前記緑色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、緑色光の前記光透過絶縁膜における波長以上であり、
前記青色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、青色光の前記光透過絶縁膜における波長以上である
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記カラーフィルタは、イエローの光を透過させるイエロー用フィルタ、緑色光を透過させる緑色用フィルタ、およびシアンの光を透過させるシアン用フィルタが配列されてなり、
前記イエロー用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、前記緑色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅より大きく、
前記緑色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、前記シアン用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅より大きく、
前記イエロー用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率は、前記緑色用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率より大きく、
前記緑色用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率は、前記シアン用フィルタに対応する前記層内レンズの曲率より大きい
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記イエロー用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、イエローの光の前記光透過絶縁膜における波長以上であり、
前記緑色用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、緑色光の前記光透過絶縁膜における波長以上であり、
前記シアン用フィルタに対応する前記遮光膜の開口部の幅は、シアンの光の前記光透過絶縁膜における波長以上である
請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
複数の受光部が形成された基板の上に遮光膜を形成する遮光膜形成工程と、
前記遮光膜の前記受光部の上方に位置する部分に異なる幅の複数の開口部を形成する開口部形成工程と、
前記遮光膜の上および前記遮光膜の開口部内に第１光透過絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記第１光透過絶縁膜の上に、前記第１光透過絶縁膜と屈折率が異なる第２光透過絶縁膜からなる下に凸の層内レンズを形成する第１層内レンズ形成工程と、
前記層内レンズの上にカラーフィルタおよびオンチップレンズを形成するオンチップレンズ形成工程とを含む
固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記第２光透過絶縁膜の上に、上に凸のレンズ曲面を持ったレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして前記層内レンズをエッチングし、上に凸のレンズ曲面を前記層内レンズに形成する第２層内レンズ形成工程を含む
請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記固体撮像装置の製造方法は、さらに、前記第２光透過絶縁膜の上に第３光透過絶縁膜を形成し、前記第３光透過絶縁膜の上に、上に凸のレンズ曲面を持ったレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとして前記第３光透過絶縁膜をエッチングし、前記第３光透過絶縁膜からなる上に凸のレンズ曲面を持つ前記層内レンズを形成する第２層内レンズ形成工程を含む
請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光部上に形成された開口部を持つ遮光膜と、遮光膜およびその開口部とオンチップレンズとの間の層間絶縁膜内に埋め込まれた下に凸の層内レンズとを有する固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＣＣＤ固体撮像装置は、チップサイズの小型化および多画素化が非常に強く望まれている。しかし、現状の画素サイズのままチップサイズを小型化したのでは、画素数が減少し、その結果として解像度が低下する。また、現状の画素サイズのまま多画素化したのでは、チップサイズが大きくなり、生産コストの増大あるいはチップ歩留りの低下を招く。したがって、チップサイズの小型化または多画素化を実現するには、画素サイズを現状より縮小することが必須となる。これが出来れば、解像度を維持したまま小型のＣＣＤ固体撮像装置が提供でき、あるいは、逆にチップサイズを維持したまま解像度を上げることができる。
【０００３】
ところが、画素サイズを縮小した場合、画素に入射する光量は減少し、各画素の受光部の感度特性が低下するという不具合が生じてしまう。出力回路の変換効率を向上させることにより感度特性を維持することも可能であるが、その場合、ノイズ成分も増幅してしまうため、ＣＣＤ固体撮像装置から出力される映像信号のＳ／Ｎ比が低下する。つまり、画素サイズを縮小したときの感度特性の維持を出力回路の変換効率向上のみで達成するべきではなく、Ｓ／Ｎ比の低下を防ぐために各画素の集光効率を出来るだけ向上させることが必要となってくる。
【０００４】
この観点から、受光部上方に設けたカラーフィルタ上にオンチップレンズ（ＯＣＬ；On Chip Lens）を設け受光部への集光効率を高める工夫がされている。しかし、たとえば４μｍ×４μｍ以下の画素サイズを有するＣＣＤ固体撮像装置では、オンチップレンズ単独で集光効率を高めることは、ほぼ限界に近づいている。そこで、この限界を打開する技術として、オンチップレンズと受光部との間の層間絶縁膜内に光透過絶縁材料の膜からなる、もう一つの層内レンズを形成することで集光効率をさら向上させたＣＣＤ固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
図１６は、従来例のＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図（ほぼ３画素分の断面図）である。
【０００６】
図１６に示すように、シリコン基板またはシリコン基板に形成されたｐ型ウエル（以下、基板１という）内の表面領域に、離間して複数の受光部２が形成されている。受光部２は、たとえばｎ型不純物領域などからなり、基板１との間のｐｎ接合を中心とした領域で光電変換を行って信号電荷を発生させ、信号電荷を一定時間蓄積する。各受光部２間に、両側の受光部２とそれぞれ所定距離をおいて、主にｎ型不純物領域からなる垂直ＣＣＤ部３が形成されている。なお、図示を省略したが、受光部２とこれに隣り合う垂直ＣＣＤ部３の一方との間に、読み出しゲート部の可変ポテンシャル障壁を形成するｐ型不純物領域が形成されている。また、受光部２とこれに隣り合う垂直ＣＣＤ部３の他方との間に、チャネルストッパとしての高濃度ｐ型不純物領域が基板１の深部にまで形成されている。
【０００７】
基板１上には、酸化シリコンなどの絶縁膜４ａが形成され、垂直ＣＣＤ部３の上方の絶縁膜４ａ上には、ポリシリコンなどからなる垂直転送電極５が形成されている。受光部２での光電変換により得られた信号電荷は、読み出しゲート部を介して受光部２と隣り合う垂直ＣＣＤ部３の一方に読み出される。読み出された信号電荷は、垂直転送電極５を４相等の垂直転送クロック信号により駆動することにより垂直ＣＣＤ部３内を所定の方向に順次転送される。ラインごとの信号電荷として図示しない水平ＣＣＤ部に掃き出された信号電荷は、水平ＣＣＤ部内を、たとえば２相の水平クロック信号により転送された後、撮像信号として装置外部に出力される。
【０００８】
垂直転送電極５上には、酸化シリコンなどの絶縁膜４ｂが形成されている。また、絶縁膜４ｂ上に、たとえばタングステン（Ｗ）などの高融点金属からなる遮光膜６が形成されている。遮光膜６は、受光部２の上方で、全ての画素に対して同じ幅で形成された開口部６ａを有する。開口部６ａの周縁は、垂直転送電極５の段差より若干内側に位置する。これは、遮光膜６の垂直ＣＣＤ部３に対する遮光性を高め、スミアを抑えるためである。
【０００９】
遮光膜６上および開口部６ａ上を覆って、ＢＰＳＧ（Borophosphosilicate glass）からなる第１光透過絶縁膜７が形成されている。第１光透過絶縁膜７上には、第１光透過絶縁膜７より屈折率が高い材料、たとえばプラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコン（Ｐ−ＳｉＮ）などからなる第２光透過絶縁膜８が、第１光透過絶縁膜７と接して配置されている。第２光透過絶縁膜８の下面には、下地の垂直転送電極５および遮光膜６により形成される段差の形状を反映して、曲面を有する下方に向かって凸状の部分（下凸部）７ｃ、７ｂおよび７ａが形成されている。図１６の固体撮像装置では、赤色（Ｒ）光が入射される画素（Ｒの画素）に対応して下凸部７ａ、緑色（Ｇ）光が入射される画素（Ｇの画素）に対応して下凸部７ｂ、青色（Ｂ）光が入射される画素（Ｂの画素）に対応して下凸部７ｃがそれぞれ形成されている。下凸部７ｃ、７ｂおよび７ａは、この順で深さが大きくなるように設定されている。したがって、下凸部７ａの曲率が最も大きく、下凸部７ｂの曲率が次に大きく、下凸部７ｃの曲率が最も小さい。第２光透過絶縁膜８の上面は平坦化され、第２光透過絶縁膜８により下に凸の形状の層内レンズが形成されている。
【００１０】
第２光透過絶縁膜８の平坦化面上に、オンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）９が配置されている。ＯＣＣＦ９は、原色系のカラーコーディングがなされ、境界領域９ａで区切られた光透過領域が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の何れかに着色されている。ＯＣＣＦ９上に、光透過材料からなるオンチップレンズ（ＯＣＬ）１０が配置されている。
【００１１】
上記構造を有する固体撮像装置では、ＯＣＬ１０のレンズ面（凸状曲面）で受けた光が集光され、前記した層内レンズで更に集光されて、受光部２に入射される。ＯＣＬ１０は無効領域となる隙間を出来るだけ少なくするようにＣＣＤ固体撮像装置表面に形成され、遮光膜６上方の光も有効利用して受光部２に入射させるため、画素の感度が向上する。
【００１２】
次に、図１７〜図２０に沿って、図１６のＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明する。図１７〜図２０は、従来例のＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図（ほぼ３画素分の断面図）である。
【００１３】
まず、図１７に示すように、既知の方法にしたがって、シリコン基板内の各種不純物領域の形成を行う。すなわち、用意したシリコン基板内の表面領域に、必要に応じてｐ型不純物をイオン注入してｐ型ウエル等を形成した後、ｐ型不純物を高濃度にイオン注入して、チャネルストッパを形成する。また、チャネルストッパの一方側にｎ型不純物を所定条件でイオン注入して受光部２を形成し、チャネルストッパの他方側にｎ型不純物を所定条件でイオン注入して垂直ＣＣＤ部３を形成する。さらに、垂直ＣＣＤ部３と受光部２との間にｐ型不純物を所定条件でイオン注入して読み出しゲート部を形成する。続いて、各種不純物領域を形成したシリコン基板の表面に、熱酸化法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により酸化シリコン膜などの絶縁膜４ａを形成する。絶縁膜４ａ上に不純物が添加されて導電率を高めたポリシリコンをＣＶＤ法により堆積し、ポリシリコンをパターンニングして垂直転送電極５を形成する。形成した垂直転送電極５上を覆って、たとえば酸化シリコンなどの絶縁膜４ｂを形成する。また、絶縁膜４ｂ上にタングステン（Ｗ）などの高融点金属膜をＣＶＤ法により堆積し、高融点金属膜を受光部２の上方で開口するようにパターンニングしたて遮光膜６を形成する。その後、遮光膜６およびその開口部６ａ上にＢＰＳＧからなる第１光透過絶縁膜７ｄを成膜する。この成膜後のＢＰＳＧ膜は、下地の垂直転送電極５および遮光膜６により形成される段差形状を反映して受光部２上方で同じ大きさの凹部１７ａ’、１７ｂ’および１７ｃ’を有する。
【００１４】
次に、図１８に示すように、第１光透過絶縁膜７ｄ上に、緑色光を受光する画素の受光部２を中心とした領域（以下、Ｇ領域）で開口するレジストパターンＲを形成する。そして、レジストパターンＲをマスクとして、第１光透過絶縁膜７ｄにホウ素イオン（Ｂ+）または燐イオン（Ｐ+）を所定濃度でイオン注入する。これにより、ホウ素または燐が第１光透過絶縁膜７ｄのＧ領域に、所定濃度で添加される。
【００１５】
次に、レジストパターンＲを除去後、図１９に示すように、第１光透過絶縁膜７ｄ上に、青色光を受光する画素の受光部２を中心とした領域（以下、Ｂ領域）で開口する他のレジストパターンＲを形成する。そして、レジストパターンＲをマスクとして、第１光透過絶縁膜７ｄにホウ素イオン（Ｂ+）または燐イオン（Ｐ+）を所定濃度でイオン注入する。これにより、ホウ素または燐が第１光透過絶縁膜７ｄのＢ領域に、所定濃度で添加される。このイオン注入の不純物濃度は、Ｇ領域のイオン注入時より高くする。
【００１６】
次に、レジストパターンＲを除去後、第１光透過絶縁膜７ｄを、たとえば９００℃〜１０００℃に加熱してリフローする。これにより、図２０に示すように、第１光透過絶縁膜７ｄを構成するＰＳＧまたはＢＰＳＧが熱軟化して角がラウンディングし、第１光透過絶縁膜７ｄ表面の凹部を一部埋め込むように変形する。ただし、ＰＳＧまたはＢＰＳＧは、その不純物濃度が高いほどリフローしやすい。このため、最も不純物濃度が高いＢ領域の凹部１７ｃ’が最もリフローされ、その結果、浅くて曲率が小さい曲面を有する凹部１７ｃが形成される。また、次に不純物濃度が高いＧ領域の凹部１７ｂ’が中程度の深さと曲率を有する凹部１７ｂとなり、追加の不純物添加をしていない領域（Ｒ領域）の凹部１７ａ’が最も深くて曲率が大きな凹部１７ａとなる。
【００１７】
次に、形成した第１光透過絶縁膜７上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを堆積させ、窒化シリコン表面にレジストを塗布して平坦化した後、レジストと窒化シリコンのエッチング選択比がほぼ１となる条件でエッチバックする。これにより、図１６に示すように、表面が平坦化された第２光透過絶縁膜８が形成される。
【００１８】
次に、第２光透過絶縁膜８の平坦化面上に、たとえば染色法によりＯＣＣＦ９を形成する。
【００１９】
最後に、ネガ型感光性樹脂などの光透過性樹脂を厚く形成し、これをラウンディングしたレジストパターンをマスクとしたエッチングにより加工してＯＣＬ１０を形成する。
【００２０】
図２１に、画素サイズが２μｍ×２μｍ以上、遮光膜６の開口部６ａの幅が全画素とも７００ｎｍ以上（例えば９００ｎｍ）の図１６のＣＣＤ固体撮像装置に、受光面に対し垂直な光（垂直光）が入射した場合の集光の様子を示す。また、図２２に、図１６のＣＣＤ固体撮像装置の分光感度特性を示す。図２２には、図１６のＣＣＤ固体撮像装置が６１０ｎｍをピーク波長とする約５８０〜６８０ｎｍの波長範囲の赤色光に感度を有することが示されている。同様に、５３０ｎｍをピーク波長とする約４８０〜５８０ｎｍの波長範囲の緑色光に感度を有し、４５０ｎｍをピーク波長とする約４００〜４８０ｎｍの波長範囲の青色光に感度を有することが示されている。
【００２１】
図１６のＣＣＤ固体撮像装置では、遮光膜６の開口部６ａの幅（図２１のａ）が赤色光の波長よりも大きい。また、前記したように層内レンズの焦点距離を決める下凸部７ａ、７ｂおよび７ｃの曲率が、Ｒ、ＧおよびＢの各画素間で最適化されている。このため、ＯＣＣＦ９を透過した光の集光性がＲ、ＧおよびＢの各画素間で均一化される。すなわち、Ｒ、ＧおよびＢの各画素における垂直光の焦点位置を、受光部２のほぼ中央に揃えることができる。また、画素サイズが２μｍ×２μｍ以上と大きく、遮光膜６の開口部６ａエッジから垂直ＣＣＤ部３までの距離を十分確保することができるため、スミアの原因となる垂直ＣＣＤ部３への光の入射が有効に防止される。以上の結果、とくに画素サイズが２μｍ×２μｍ以上であり、遮光膜６の開口部６ａの幅が７００ｎｍ以上を確保できるＣＣＤ固体撮像装置では、有効にスミアが低減されるという効果が認められた。
【特許文献１】特開２００２−１５１６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ところが、従来のＣＣＤ固体撮像装置では、画素サイズが２μｍ×２μｍより小さくなり、遮光膜の開口部の幅が７００ｎｍより小さくなると、特に波長の長い赤色光から遮光膜の開口部で回折の影響を受けるようになる。その結果、層内レンズの曲率の最適化だけでは、垂直ＣＣＤ部への光の入射を効果的に抑制することが困難になるという課題がある。
【００２３】
図２３に、画素サイズが１．５μｍ×１．５μｍ、遮光膜の開口部の幅（図２３のａ）が６２０ｎｍのＣＣＤ固体撮像装置の受光面に対し、Ｒ、ＧおよびＢの３原色の垂直光が各画素に入射した場合の集光の様子を示す。図２３に示すように、Ｒの画素では、赤色光の波長（約５８０〜６８０ｎｍ）と遮光膜６の開口部６ａの幅（６２０ｎｍ）とがほぼ同程度となるため、層内レンズによる集光よりも、遮光膜６の開口部６ａでの回折による入射光の基板１内での広がりの影響の方が支配的となる。その結果、垂直ＣＣＤ部３への赤色光の入射が多くなり、層内レンズの曲率の最適化だけでは、もはやスミアを抑制することが出来ない。
【００２４】
また、Ｂの画素では、青色光の波長（約４００〜４８０ｎｍ）よりも遮光膜６の開口部６ａの幅（６２０ｎｍ）の方が十分に大きいため、遮光膜６の開口部６ａでの回折の影響よりも、層内レンズによる集光の影響の方が支配的となる。その結果、Ｂの画素では、遮光膜６の開口部６ａでの回折の影響をほとんど受けずに層内レンズで集光される。しかしながら、画素の微細化により遮光膜６の開口部６ａエッジから垂直ＣＣＤ部３までの距離が短くなるため、層内レンズで集光された光は直接垂直ＣＣＤ部３に入射され、層内レンズの曲率の最適化だけでは、やはりスミアを抑制することが困難である。
【００２５】
これに対し、Ｇの画素では、緑色光の波長（約４８０〜５８０ｎｍ）と遮光膜６の開口部６ａの幅（６２０ｎｍ）との差が小さいため、遮光膜６の開口部６ａでの回折の影響と、層内レンズによる集光の影響とが同程度なる。その結果、Ｇの画素では、層内レンズで集光された光は垂直ＣＣＤ部３に入射されず、スミアが抑制される。
【００２６】
このように、従来のＣＣＤ固体撮像装置では、遮光膜の開口部の幅を広く形成すると、Ｒの画素ではスミアが改善されるが、Ｂの画素ではスミアが悪化してしまう。逆に、遮光膜の開口部の幅を狭く形成すると、Ｂの画素ではスミアが改善されるが、Ｒの画素ではスミアが悪化してしまい、Ｒの画素とＢの画素とでスミアを同時に改善することが出来ないという課題がある。これは、遮光膜の開口幅とスミア出力との関係を示す図２４から明らかである。すなわち、遮光膜の開口部での回折の影響と層内レンズによる集光の影響とで決定される、スミアの影響が最小となる遮光膜の開口幅が、Ｒ、ＧおよびＢの各色の画素で異なることから明らかである。なお、図２４において「○」は従来のＣＣＤ固体撮像装置における各色の画素の開口幅を示している。
【００２７】
このような色毎の画素でのスミアのトレードオフ関係は、画素サイズが十分大きく、遮光膜の開口部エッジと垂直ＣＣＤ部との距離が十分に確保でき、かつ、遮光膜の開口部の幅が入射光の波長よりも十分に広い場合には特に問題とならない。しかし、チップの小型化および多画素化にともなって画素サイズが縮小され、遮光膜の開口部エッジと垂直ＣＣＤ部との距離が短くなり、かつ、遮光膜の開口部の幅が入射光の最大波長とほぼ同程度まで狭くなると顕著に表れるようになる。とくに最近は、以前にも増して画素の微細化が進んでおり、この問題の解決が強く望まれている。
【００２８】
また、従来のＣＣＤ固体撮像装置の製造方法では、遮光膜およびその開口部上にＢＰＳＧを形成し、層内レンズに中程度の緩やかな曲率を持たせるＧの画素の層内レンズの形成に際し、レジスト開口を形成してから所定の濃度でボロンおよびリンをイオン注入する。同様に、Ｂの画素の層内レンズの形成に際し、再びレジスト開口を形成してからＧの画素の層内レンズの形成時よりも高濃度のボロンおよびリンをイオン注入する。その後、９００〜１０００℃に加熱してリフローすることで、Ｒ、ＧおよびＢの順に曲率の緩やかになる層内レンズが形成される。この製造方法では、第１にＲ、ＧおよびＢの各色の画素の層内レンズの曲率を変えるために２回のレジスト形成工程とイオン注入工程の追加が必要となるため、製造期間が長くなりコストが増加するという課題がある。特に最近ではコンパクトデジタルスチルカメラの低価格化が著しく、製造工程の増加および製造期間の長期化はＣＣＤ固体撮像装置の低コスト化にとって大きな弊害となる。第２にボロンおよびリンはＢＰＳＧ中にイオン注入して導入される不純物は、が、これらはＢＰＳＧ膜中にピークを持つプロファイルとなり、ボロンおよびリンをＢＰＳＧ膜中に均一に添加することができない。その結果、リフローした時のＧの画素およびＢの画素の層内レンズの下に凸の形状の制御およびバラツキ抑制が非常に難しいという課題がある。第３にボロンおよびリンをイオン注入する際、一部の注入種がＢＰＳＧを突き抜けて受光部内部に注入されやすい。したがって、例えばボロンが受光部内部に突き抜けて導入されると受光部の飽和電荷量が減少し、リンが受光部内部に突き抜けて導入されると白キズ発生による画質劣化を招くという課題も発生する。
【００２９】
そこで、本発明は、画素を微細化しても、スミアの原因となる電荷転送部内での不要な電荷の発生しない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。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、基板内の表面に形成された複数の受光部と、前記基板上に形成され、前記受光部の上方に開口部が形成された遮光膜と、前記遮光膜上および前記遮光膜の開口部内に形成された光透過絶縁膜と、前記光透過絶縁膜と屈折率が異なる材料からなり、前記光透過絶縁膜の上に形成された下に凸の層内レンズと、前記層内レンズの上に形成された、異なる前記受光部上方に位置して異なる波長の光を透過させる第１フィルタおよび第２フィルタを有するカラーフィルタと、前記層内レンズの上に形成されたオンチップレンズとを備え、前記第１フィルタの下方に設けられた前記遮光膜の開口部の幅および前記層内レンズの曲率と、前記第２フィルタの下方に設けられた前記遮光膜の開口部の幅および前記層内レンズの曲率とはそれぞれ異なることを特徴とする。
【００３１】
これにより、光電変換される光の波長に合わせて画素毎に、層内レンズでの集光と遮光膜の開口部での回折のバランスがとられ、各画素について受光部内での入射光の広がりが抑えられる。その結果、画素を微細化しても、スミアの原因となる電荷転送部内での不要な電荷の発生しない固体撮像装置を実現できる。
【００３２】
ここで、前記層内レンズは、さらに、上に凸のレンズ曲面を有してもよい。
【００３３】
これにより、オンチップレンズの端部に入射した光をも効果的に遮光膜の開口部に導くことができ、高感度の固体撮像装置を実現できる。
【００３４】
また、本発明は、複数の受光部が形成された基板の上に遮光膜を形成する遮光膜形成工程と、前記遮光膜の前記受光部の上方に位置する部分に異なる幅の複数の開口部を形成する開口部形成工程と、前記遮光膜の上および前記遮光膜の開口部内に第１光透過絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記第１光透過絶縁膜の上に、前記第１光透過絶縁膜と屈折率が異なる第２光透過絶縁膜からなる下に凸の層内レンズを形成する第１層内レンズ形成工程と、前記層内レンズの上にカラーフィルタおよびオンチップレンズを形成するオンチップレンズ形成工程とを含む固体撮像装置の製造方法とすることもできる。
【００３５】
これにより、画素を微細化しても、スミアの原因となる電荷転送部内での不要な電荷の発生しない固体撮像装置を実現できる。また、遮光膜の膜厚および開口部の幅を調節することにより異なる曲率の層内レンズを形成し、工程の増加を抑えることができるので、プロセスが簡易で低コストの固体撮像装置を実現できる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る固体撮像装置によれば、遮光膜の開口部の幅および下に凸の層内レンズの曲率が入射光の波長毎（画素毎）に合わせて最適化される。これにより、入射光の遮光膜の開口部での回折による斜め光成分と層内レンズの集光による斜め光成分とのバランスをとることが可能となる。その結果、Ｒ、ＧおよびＢ各色とも受光部内での入射光の広がりが抑制され、電荷転送部内への光の入射が抑えられるので、特に画素サイズが２μｍ×２μｍ以下の微細画素において効果的にスミアが低減される。
【００３７】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、下に凸の層内レンズの曲率を最適化するためのイオン注入などの追加工程は一切不要であり、遮光膜の膜厚と開口部の幅を調整するだけで、層内レンズの曲率を精度良く最適化することができる。その結果、大幅なコスト削減、形状バラツキの抑制、および白キズなどの画質劣化の回避が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態におけるＣＣＤ固体撮像装置（ＣＣＤイメージャ）およびその製造装置、ならびにカメラについて、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る画素サイズが２μｍ×２μｍ未満の例えば１．５μｍ×１．５μｍのＣＣＤ固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【００４０】
本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置２０では、図１に示すように、垂直転送方向（図１のｙ方向）に沿って長い垂直ＣＣＤ部２３が、基板２１上に多数ストライプ状に配置されている。複数の垂直ＣＣＤ部２３の各離間スペース内には、１列分の画素の受光部２２が、垂直ＣＣＤ部２３と平行に列をなして配置されている。受光部２２の列とその一方側の垂直ＣＣＤ部２３との間には、画素ごとに読み出しゲート部が設けられている（図外）。また、受光部２２の列とその他方側の垂直ＣＣＤ部２３との間には、各受光部２２で発生した信号電荷の当該他方側の垂直ＣＣＤ部２３への漏洩を防止するチャネルストッパが設けられている（図外）。さらに、水平転送方向（図１のｘ方向）に沿って水平ＣＣＤ部２４が基板２１上に配置され、水平ＣＣＤ部２４により転送された信号電荷は出力２８と接続されたアンプ部２７に出力される。垂直ＣＣＤ部２３および水平ＣＣＤ部２４は、垂直バスライン配線２５および水平バスライン配線２６を介して供給される垂直転送クロック信号および水平転送クロック信号によりそれぞれ駆動される。なお、ＣＣＤ固体撮像装置２０は図２２の分光感度特性を有する。
【００４１】
図２は、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置２０の構造を模式的に示す断面図（垂直転送方向と直交する方向に沿ったほぼ３画素分の断面図）である。
【００４２】
シリコン基板またはシリコン基板に形成されたｐ型ウエル（以下、基板２１という）の表面領域に、図２に示すように、たとえばｎ型不純物領域からなり、光電変換を行って信号電荷を発生させ、信号電荷を一定時間蓄積する複数の受光部２２が離間して形成されている。各受光部２２間に、両側の受光部２２とそれぞれ所定距離をおいて、主にｎ型不純物領域からなる垂直ＣＣＤ部２３が形成されている。なお、図示を省略したが、受光部２２とこれに隣り合う垂直ＣＣＤ部２３の一方との間に、読み出しゲート部の可変ポテンシャル障壁を形成するｐ型不純物領域が形成されている。また、受光部２２とこれに隣り合う垂直ＣＣＤ部２３の他方との間に、チャネルストッパとしての高濃度ｐ型不純物領域が形成されている。
【００４３】
基板２１表面にはゲート酸化膜３４ａが形成され、垂直ＣＣＤ部２３の上方にはゲート酸化膜３４ａを介してポリシリコンなどからなる垂直転送電極３５が形成されている。受光部２２での光電変換により得られた信号電荷は、読み出しゲート部を介して一方の垂直ＣＣＤ部２３に読み出され、垂直転送電極３５を４相等の垂直転送クロック信号により駆動することにより垂直ＣＣＤ部２３内を所定の方向に順次転送される。その後、ラインごとの信号電荷として水平ＣＣＤ部２４に掃き出された信号電荷は、水平ＣＣＤ部２４内を、たとえば２相の水平転送クロック信号によりアンプ部２７へ転送された後、撮像信号として外部に出力される。
【００４４】
垂直転送電極３５上には、酸化シリコンなどの層間酸化膜３４ｂが形成されている。また、基板２１上の層間酸化膜３４ｂ上には、たとえばタングステン（Ｗ）などの高融点金属からなる遮光膜３６が形成されている。遮光膜３６は、受光部２２の上方に開口部を有する。この開口部の幅は、Ｒの画素の開口部の幅（図２のａR）で最も広く、次いでＧの画素の開口部の幅（図２のａG）で次に広く、Ｂの画素の開口部の幅（図２のａB）で最も狭くなるように形成されている。この理由については後ほど説明する。開口部の周縁は、垂直転送電極３５の段差より若干内側に位置する。これは、遮光膜３６の垂直ＣＣＤ部２３に対する遮光性を高め、スミアを抑えるためである。
【００４５】
ここで、オンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）３９の光透過領域が赤（Ｒ）であるＲのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｒのフィルタ膜が透過させる赤色光の光透過絶縁膜３７における波長以上である。また、光透過領域が緑（Ｇ）であるＧのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅、Ｇのフィルタ膜が透過させる緑色光の光透過絶縁膜３７における波長以上である。さらに、光透過領域が青（Ｂ）であるＢのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｂのフィルタ膜が透過させる青色光の光透過絶縁膜３７における波長以上である。このとき、遮光膜３６の開口部の幅は対応する光の光透過絶縁膜３７における波長の１．５倍より小さくなると回折の影響が大きくなるため、遮光膜３６の開口部の幅は対応する光の光透過絶縁膜３７における波長の１．５倍より広いことが望ましい。
【００４６】
また、Ｒのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅より大きい。Ｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｂのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅よりも大きい。
【００４７】
また、垂直ＣＣＤ部２３に直接光が入ることにより発生するスミアを防ぐため、少なくとも遮光膜３６は各画素において垂直ＣＣＤ部２３を全て覆う必要がある。したがって、遮光膜３６の開口部の幅は画素サイズ（１．５μｍ×１．５μｍ）より大きくされることはなく、画素サイズから垂直ＣＣＤ部２３の幅（０．６μｍ）を差し引いた値が上限とされる。
【００４８】
光透過絶縁膜３７がＢＰＳＧから構成される場合には光透過絶縁膜３７の屈折率は約１．５であるので、赤色光の光透過絶縁膜３７における波長は、真空中における赤色光の波長（約５８０〜６８０ｎｍ）を１．５で除した値となる。同様に、緑色光の光透過絶縁膜３７における波長は、真空中における緑色光の波長（約４８０〜５８０ｎｍ）を１．５で除した値となり、青色光の光透過絶縁膜３７における波長は、真空中における青色光（約４００〜４８０ｎｍ）の波長を１．５で除した値となる。したがって、上記開口幅の条件を満たすため、Ｒの画素の開口部の幅（ａR）はたとえば７００ｎｍとされ、Ｇの画素の開口部の幅（ａG）はたとえば６２０ｎｍとされ、Ｂの画素の開口部の幅（ａB）はたとえば５４０ｎｍとされる。
【００４９】
遮光膜３６上およびその開口部内には、たとえばＢＰＳＧなどからなる光透過絶縁膜３７が形成されている。光透過絶縁膜３７の上面には、下地の垂直転送電極３５、ならびに遮光膜３６およびその開口部により形成される段差の形状を反映してＢの画素、Ｇの画素およびＲの画素で深さが異なり、順次深さが深くなる凹部が形成されている。
【００５０】
光透過絶縁膜３７上には、光透過絶縁膜３７と屈折率が異なる（光透過絶縁膜３７より屈折率が高い）材料、たとえばプラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコン（ＳｉＮ）などの光透過絶縁膜からなる下に凸の層内レンズ３８が、光透過絶縁膜３７の凹部を埋め込んで形成されている。層内レンズ３８の上面は平坦化されている。ＣＣＤ固体撮像装置２０では、Ｒの画素、Ｇの画素およびＢの画素の順に遮光膜３６の開口部の幅が狭くなっているため、層内レンズ３８の下方に向かって凸状の部分（下凸部）３８ａ、３８ｂおよび３８ｃは開口幅の違いによる段差形状を反映して、必然的に深さが異なる。従って、Ｒのフィルタ膜に対応する下凸部３８ａの曲率はＧのフィルタ膜に対応する下凸部３８ｂの曲率より大きく、Ｇのフィルタ膜に対応する下凸部３８ｂの曲率はＢのフィルタ膜に対応する下凸部３８ｃの曲率よりも大きく、下凸部３８ｃ、３８ｂおよび３８ａの順で曲率が大きくなる。
【００５１】
層内レンズ３８の上には平坦化膜４１が形成され、その上にはＯＣＣＦ３９が配置されている。ＯＣＣＦ３９は、異なる受光部２２上方に位置して異なる波長の光を透過させる複数のフィルタ膜を有する。すなわち、ＯＣＣＦ３９は、原色系のカラーコーディングがなされ、Ｒのフィルタ膜、Ｇのフィルタ膜、およびＢのフィルタ膜が配列されてなる。ＯＣＣＦ３９上に、光透過材料からなるオンチップレンズ（ＯＣＬ）４０が配置されている。ＯＣＬ４０のレンズ面（凸状曲面）で受けた光が集光され、層内レンズ３８で更に集光されて、受光部２２に入射される。ＯＣＬ４０は無効領域となる隙間を出来るだけ少なくするようにＣＣＤ固体撮像装置２０表面に形成され、遮光膜３６上方の光も有効利用して受光部２２に入射させるため、画素の感度が向上する。
【００５２】
次に、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置２０の製造方法を説明する。図３および図４は、ＣＣＤ固体撮像装置２０の構造を模式的に示す断面図（垂直転送方向と直交する方向に沿ったほぼ３画素分の断面図）である。
【００５３】
まず、図３に示すように、既知の方法にしたがって、シリコン基板内の各種不純物領域の形成を行う。すなわち、用意したシリコン基板内の表面領域に、必要に応じてｐ型不純物をイオン注入してｐウエル等を形成した後、ｐ型不純物を高濃度にイオン注入して、チャネルストッパを形成する。また、チャネルストッパの一方側にｎ型不純物を所定条件でイオン注入して受光部２２を形成し、チャネルストッパの他方側にｎ型不純物を所定条件でイオン注入して垂直ＣＣＤ部２３を形成する。さらに、垂直ＣＣＤ部２３と受光部２２との間にｐ型不純物を所定条件でイオン注入して読み出しゲート部を形成する。続いて、各種不純物領域を形成したシリコン基板の表面に、熱酸化法またはＣＶＤ法などによりゲート酸化膜３４ａを形成する。ゲート酸化膜３４ａ上に不純物が添加されて導電率を高めたポリシリコンをＣＶＤ法により堆積し、ポリシリコンをパターンニングして垂直転送電極３５を形成する。形成した垂直転送電極３５の上を覆って、たとえば酸化シリコンなどの層間酸化膜３４ｂを形成する。また、層間酸化膜３４ｂ上にタングステン（Ｗ）などの高融点金属膜をＣＶＤにより堆積し、高融点金属膜を受光部２２の上方に異なる幅で開口するようにパターンニングして遮光膜３６を基板２１上に形成する。この時、Ｒの画素における開口部の幅（図３のａR）が最も広くなるように形成し、次いでＧの画素における開口部の幅（図３のａG）が広く、そしてＢの画素における開口部の幅（図３のａB）が最も狭くなるように遮光膜３６に開口部を形成する。
【００５４】
次に、遮光膜３６およびその開口部上にＢＰＳＧなどからなる光透過絶縁膜３７を成膜する。この成膜後のＢＰＳＧ膜は、下地の垂直転送電極３５、ならびに遮光膜３６およびその開口部により形成される段差形状を反映して、各色の画素で異なる幅の凹部３７ａ’、３７ｂ’および３７ｃ’を有する。すなわち、光透過絶縁膜３７は、Ｒの画素で最も凹みの幅が広く、次いでＧの画素で凹みの幅が広く、Ｂの画素で最も凹みの幅が狭い凹部３７ａ’、３７ｂ’および３７ｃ’を上面に有している。
【００５５】
次に、図４に示すように、光透過絶縁膜３７を、たとえば９００℃〜１０００℃に加熱してリフローする。これにより、光透過絶縁膜３７を構成するＢＰＳＧが熱軟化して角がラウンディングし、光透過絶縁膜３７の各凹部３７ａ’、３７ｂ’および３７ｃ’を一部埋め込むように変形する。この時、リフロー前の凹部３７ａ’、３７ｂ’および３７ｃ’の凹みの幅を反映して、必然的にＲの画素の凹部３７ａが最も深くて曲率が大きく、Ｇの画素の凹部、３７ｂが次に深くて曲率が大きく、Ｂの画素の凹部３７ｃが最も浅く曲率が小さく形成される。なお、各画素の凹部３７ａ、３７ｂおよび３７ｃの曲率は、遮光膜３６の厚さを調整することにより最適化することができる。遮光膜の光の透過が問題とならない範囲で遮光膜３６を薄膜化すると（Ｗの場合薄膜化の下限は５０ｎｍ）、各画素の凹部３７ａ、３７ｂおよび３７ｃの曲率差を小さくすることができ、逆に遮光膜３６を厚膜化すると、各画素の凹部３７ａ、３７ｂおよび３７ｃの曲率差を大きくすることができる。
【００５６】
次に、形成した光透過絶縁膜３７上に、プラズマＣＶＤ法により光透過絶縁膜３７と屈折率が異なる窒化シリコンからなる光透過絶縁膜を堆積させ、表面にレジストを塗布して平坦化した後、レジストと窒化シリコンとのエッチング選択比がほぼ１となる条件でエッチバックする。これにより、図１に示すように、表面が平坦化された下に凸の層内レンズ３８が形成される。このとき、層内レンズ３８の下凸部３８ａ、３８ｂおよび３８ｃの曲率は、光透過絶縁膜３７の凹部３７ａ、３７ｂおよび３７ｃの曲率の違いを反映して異なる。
【００５７】
次に、層内レンズ３８の上に平坦化膜４１を形成し、平坦化膜４１上にＯＣＣＦ３９を形成する。
【００５８】
最後に、光透過性樹脂を厚く形成し、これをラウンディングしたレジストパターンをマスクとしたエッチングにより加工してＯＣＣＦ３９の上にＯＣＬ４０を形成する。
【００５９】
次に、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置２０により奏される効果について説明する。
【００６０】
図５は、ＣＣＤ固体撮像装置２０の受光面に対し垂直な光（垂直光）が入射した場合の集光の様子を示す断面図である。
【００６１】
このＣＣＤ固体撮像装置２０では、Ｒ、ＧおよびＢの各画素において、受光部２２内に入射する光の広がりが最も抑えられるように層内レンズ３８の下凸部３８ａ、３８ｂおよび３８ｃの曲率と遮光膜３６の開口部の幅（図５のａR、ａGおよびａB）が最適化されている。すなわち、Ｒの画素においては、最も長波長の赤色光を効率よく集光させるため、下凸部３８ａは深く大きな曲率で形成され、かつ遮光膜３６の開口部での回折を抑えるために、その開口部の幅（図５のａR）は広く形成されている。逆にＢの画素においては、最も短波長の青色光の集光を緩やかにするため、下凸部３８ｃは浅く小さな曲率で形成され、かつ遮光膜３６の開口部のエッジから直接垂直ＣＣＤ部２３に光が入射するのを防止できる範囲で遮光膜３６の開口部での回折を生じさせるため、遮光膜３６の開口部の幅（図５のａB）は狭く形成されている。
【００６２】
このように光電変換される光の波長に合わせて、層内レンズ３８での集光と遮光膜３６の開口部での回折のバランスがとられ、Ｒ、ＧおよびＢ各色の画素について受光部２２内での入射光の広がりが抑えられる。その結果、全ての色の画素におけるスミアの発生を最小限に抑制することが可能となる。
【００６３】
図６および図７は、従来のＣＣＤ固体撮像装置と本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０とにおけるスミアの開口幅依存性を示す図である。図８および図９は、従来のＣＣＤ固体撮像装置と本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０とにおける感度の開口幅依存性を示す図である。なお、図６〜図９において「○」はＣＣＤ固体撮像装置における各色の画素の開口幅を示している。
【００６４】
各色の画素とも、遮光膜３６の開口部の幅を狭くするとスミアは開口部での回折による斜め光の入射成分が支配的となり、逆に開口部の幅を広くするとスミアは層内レンズ３８の集光による斜め光入射成分が支配的となる。また、回折と集光とがバランスされ最もスミアが低減される開口幅は、Ｒの画素が最も広く、次いでＧの画素、Ｂの画素の順に狭くなっている。Ｇの画素のスミアが最も抑制されるのは、開口部の幅が６２０ｎｍの時であり、この時のスミア量を１と規格化すると、図６に示す通り、従来のＣＣＤ固体撮像装置では、開口幅６２０ｎｍでのＲの画素のスミア量は１．８、Ｂの画素のスミア量は１．２となり、全色の画素のスミア量を足し合わせると４（＝１＋１．８＋１．２）のスミア量になる。それに対して、本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０では、図７に示す通り、Ｒの画素の開口部の幅はＲの画素でスミアが最も抑制される７００ｎｍに設定され、Ｂの画素の開口部の幅はＢの画素でスミアが最も抑制される５４０ｎｍに設定される。これにより、Ｒの画素のスミア量は１．４にまで低減され、Ｂの画素のスミア量は０．５にまで低減され、全色の画素のスミア量を足し合わせると２．９（＝１＋１．４＋０．５）となり、従来のＣＣＤ固体撮像装置よりも約３０％もスミア量を低減することが出来る。
【００６５】
ここで、各色の画素で遮光膜３６の開口部の幅を変更した場合、特に開口幅を狭くするＢの画素では、従来のＣＣＤ固体撮像装置に対して青色感度の低下が懸念される。しかし、青色光は元々層内レンズ３８で集光されやすく、かつ波長が短いため開口部でのケラレの影響を受けにくい。そのため、図８および図９に示す通り、開口部の幅を６２０ｎｍから５４０ｎｍまで狭くしても、青色感度の低下は約１．５％に留まり、これは製造ばらつきの範囲内に含まれほとんどの場合問題にならない。一方、赤色光は、開口部の幅を６２０ｎｍから７００ｎｍまで広げることにより、層内レンズ３８で集光されやすくなり、かつ開口部でのケラレが抑制されるため、赤色感度は６．５％も向上する。開口幅が６２０ｎｍの時の緑色感度を１と規格化すると、開口幅が全色６２０ｎｍの従来のＣＣＤ固体撮像装置では全色足し合わせた感度が３である（図８）。これに対して、本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０では全色加算の感度は３．０５となっており（図９）、感度については本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０の方が高くなっている。
【００６６】
以上のように本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０によれば、Ｒのフィルタ膜の下方に設けられた遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８の曲率と、Ｇのフィルタ膜の下方に設けられた遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８の曲率と、Ｂのフィルタ膜の下方に設けられた遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８の曲率とはそれぞれ異なる。従って、Ｒ、ＧおよびＢの画素毎に、層内レンズ３８での集光と遮光膜３６の開口部での回折とのバランスがとられるようにすることができ、各色の画素について受光部２２内での入射光の広がりを抑えることができる。その結果、画素を微細化しても、スミアの原因となる電荷転送部内での不要な電荷の発生しない固体撮像装置を実現できる。
【００６７】
（第２の実施形態）
図１０は、本実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図（垂直転送方向と直交する方向に沿ったほぼ３画素分の断面図）である。
【００６８】
本実施形態の固体撮像装置５０は、下面に下方に向かって凸状のレンズ曲面を持ち、かつ上面に上方に向かって凸状のレンズ曲面を持つように形成され、上下凸状のレンズ曲面を持つ層内レンズ５８を有するという点で第１の実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０と異なる。
【００６９】
第１の実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０では、図１に示したように、遮光膜３６の開口部への集光は、最上部のＯＣＬ４０と下凸状の層内レンズ３８の２つのレンズ曲面で行われる。そのため、特に画素サイズが２μｍ×２μｍ以下に微細化されると、ＯＣＬ４０の端部からの光は下凸状の層内レンズ３８の端部を通って遮光膜３６の肩でケラレてしまい、効率よく感度を向上出来ない。
【００７０】
しかし、本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置５０では、層内レンズ５８は上下凸状となるように形成されている。従って、ＣＣＤ固体撮像装置５０に入射した光は、最上部のＯＣＬ４０、層内レンズ５８の上凸状のレンズ曲面および下凸状のレンズ曲面の３箇所で集光されるようになる。その結果、特にＯＣＬ４０の端部に入射した光が遮光膜３６の肩でケラレることなく効果的に遮光膜３６の開口部に導かれる。
【００７１】
図１１は、本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置５０と第１の実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０とにおける感度の開口幅依存性を示す図である。なお、図１１において「○」はＣＣＤ固体撮像装置における各色の画素の開口幅を示している。
【００７２】
本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置５０では、層内レンズ５８を上下凸状に形成したことで、第１の実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０では遮光膜３６の肩でケラレていた入射光が開口部に導かれるようになり、Ｒ、ＧおよびＢ各色の画素とも約１０％も感度が向上する。特に画素サイズが２μｍ×２μｍ以下に微細化された場合に、上凸状のレンズ曲面による感度向上の効果は大きく、感度出力に対するスミア量の割合、すなわちスミア比は更に改善される。
【００７３】
次に、図１０の構造を有する固体撮像装置５０の製造方法を説明する。図１２および図１３にＣＣＤ固体撮像装置５０の構造を模式的に示す断面図（垂直転送方向と直交する方向に沿ったほぼ３画素分の断面図）である。
【００７４】
この製造方法は、図１２に示す工程（上面に凹部を持つ光透過絶縁膜３７を形成する工程）までは第１の実施形態の製造方法と同じである。図１２に示す工程では、上面に凹部を持つ光透過絶縁膜３７上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンからなる光透過絶縁膜を堆積させ、窒化シリコン表面にレジストを塗布して平坦化する。その後、レジストと窒化シリコンとのエッチング選択比がほぼ１となる条件でエッチバックする。これにより、表面が平坦化された層内レンズ５８が形成される。
【００７５】
次に、この層内レンズ５８の上に、上に凸のレンズ曲面を持ったラウンディングしたレジストパターン６０を形成し、これをマスクとして層内レンズ５８をエッチングすることにより、図１３に示すように層内レンズ５８の表面に上に凸のレンズ曲面を形成する。次いで、上に凸の層内レンズ５８の上に平坦化膜４１を形成し、その上にＯＣＣＦ３９を形成する。
【００７６】
最後に、光透過性樹脂を厚く形成し、これをラウンディングしたレジストパターンをマスクとしたエッチングにより加工してＯＣＬ４０を形成する。これにより、図１０に示す本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置５０を製造することができる。
【００７７】
なお、本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置５０では、図１２において、層内レンズ５８の表面を平坦化した後、ラウンディングしたレジストパターンをマスクとしてエッチバックすることにより上下凸状の層内レンズ５８を形成した。しかし、層内レンズ５８の表面を平坦化した後、ＣＣＤ固体撮像装置５０周辺部のバスライン配線などの金属配線を行い、その後で層内レンズ５８の光透過絶縁膜と同じ屈折率の光透過絶縁膜（ＳｉＮ）を堆積させ、これを上に凸のレンズ曲面を持ったラウンディングしたレジストパターンをマスクとしてエッチバックし、層内レンズ５８上に堆積された光透過絶縁膜に上凸状のレンズ曲面を形成してもよい。この場合には、下に凸の光透過絶縁膜と上に凸の光透過絶縁膜とからなる上下凸状の層内レンズ５８を持つＣＣＤ固体撮像装置５０を製造することができる。
【００７８】
以上のように本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置５０によれば、第１の実施形態のＣＣＤ固体撮像装置２０と同様の理由により、画素を微細化しても、スミアの原因となる電荷転送部内での不要な電荷の発生しない固体撮像装置を実現できる。さらに、層内レンズ５８は上に凸のレンズ曲面を持っているため、ＯＣＬ４０の端部に入射した光をも効果的に遮光膜３６の開口部に導くことができ、高感度の固体撮像装置を実現できる。
【００７９】
（第３の実施形態）
図１４は、第３の実施形態のカメラのブロック図である。
【００８０】
このカメラは、レンズ９０と、第１および第２の実施形態に係る固体撮像装置９１と、駆動回路９２と、信号処理部９３と、外部インターフェイス部９４とからなる。
【００８１】
上記構成を有するカメラにおいて、外部に信号が出力されるまでの処理は以下のような順序に沿っておこなわれる。
【００８２】
（１）レンズ９０を光が通過し、固体撮像装置９１に入る。
（２）信号処理部９３は、駆動回路９２を通して固体撮像装置９１を駆動し、固体撮像装置９１からの出力信号を取り込む。
（３）信号処理部９３で処理した信号を、外部インターフェイス部９４を通して外部に出力する。
【００８３】
以上のように本実施の形態のカメラによれば、高感度化、小型化及び高画質化された固体撮像装置からデータが出力される。よって、本実施の形態のカメラは、画質に優れた小型のカメラを実現することができる。
【００８４】
以上、本発明の固体撮像装置およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００８５】
たとえば、上記実施形態のＣＣＤ固体撮像装置では、遮光膜３６の開口部の幅はＲの画素で７００ｎｍ、Ｇの画素で６２０ｎｍ、Ｂの画素で５４０ｎｍがスミアを最も抑制できるとした。しかし、これは各画素での層内レンズ３８又は５８の下凸部の曲率や高さ、又は層内レンズ３８又は５８の屈折率によっても多少の大小はあり得る。すなわち、光透過絶縁膜３７が１．９のシリコン窒化膜の場合、屈折率が１．５のシリコン酸化膜の場合よりも物質中の光の波長が約７９％（１．５÷１．９）に縮小されるため、スミアにとって最適な遮光膜３６の開口幅も約７９％に縮小させるのが好ましい。ただし、スミアを異なる色の画素毎に効果的に抑制して行く上で、長波長の光を受光する画素の遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８又は５８の曲率は、短波長の光を受光する画素の遮光膜３６の開口部の幅および層内レンズ３８又は５８の曲率より大きくするという相対関係は常に成り立つ。
【００８６】
また、ＯＣＣＦ３９は補色系のカラーコーディングがされてもよい。図１５Ａは、補色系のＯＣＣＦ３９を有するＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図（垂直転送方向と直交する方向に沿ったほぼ３画素分の断面図）である。図１５Ｂは図１５ＡのＣＣＤ固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。図１５ＡのＣＣＤ固体撮像装置のＯＣＣＦ３９は、光透過領域がイエロー（Ｙｅ）であるＹｅのフィルタ膜、光透過領域がマゼンダ（Ｍｇ）であるＭｇのフィルタ膜、および光透過領域がシアン（Ｃｙ）であるＣｙのフィルタ膜を有する。そして、Ｙｅのフィルタ膜とＣｙのフィルタ膜とを重ねてＧのフィルタ膜が形成される。Ｙｅのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｙｅのフィルタ膜が透過させるイエローの光の光透過絶縁膜３７における波長以上である。また、Ｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｇのフィルタ膜が透過させる緑色光の光透過絶縁膜３７における波長以上である。さらに、Ｃｙのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｃｙのフィルタ膜が透過させるシアンの光の光透過絶縁膜３７における波長以上である。加えて、Ｙｅのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅より大きい。Ｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｃｙのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅よりも大きい。Ｍｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅は、Ｇのフィルタ膜に対応する遮光膜３６の開口部の幅と等しくされる。
【００８７】
光透過絶縁膜３７がＢＰＳＧから構成される場合には光透過絶縁膜３７の屈折率は約１．５であるので、イエローの光の光透過絶縁膜３７における波長は、真空中におけるイエロー光の波長（約５３０〜６１０ｎｍ）を１．５で除した値となる。同様に、緑色光の光透過絶縁膜３７における波長は、真空中における緑色光の波長（約４８０〜５８０ｎｍ）を１．５で除した値となり、シアンの光の光透過絶縁膜３７における波長は、真空中におけるシアンの光（約４５０〜５３０ｎｍ）の波長を１．５で除した値となる。したがって、上記開口幅の条件を満たすため、Ｙｅの画素の開口部の幅（ａYe）はたとえば６７０ｎｍとされ、Ｇの画素の開口部の幅（ａG）はたとえば６２０ｎｍとされ、Ｍｇの画素の開口部の幅（ａMG）はたとえば６２０ｎｍとされ、Ｃｙの画素の開口部の幅（ａCy）はたとえば５７０ｎｍとされる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に利用でき、特に小型で多画素のＣＣＤ固体撮像装置およびその製造方法等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】同実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】同実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】同実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の受光面に対し垂直光が入射した場合の集光の様子を示す断面図である。
【図６】従来のＣＣＤ固体撮像装置におけるスミアの開口幅依存性を示す図である。
【図７】同実施形態のＣＣＤ固体撮像装置におけるスミアの開口幅依存性を示す図である。
【図８】従来のＣＣＤ固体撮像装置における感度の開口幅依存性を示す図である。
【図９】本実施形態のＣＣＤ固体撮像装置における感度の開口幅依存性を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面である。
【図１１】同実施形態のＣＣＤ固体撮像装置と第１の実施形態のＣＣＤ固体撮像装置とにおける感度の開口幅依存性を示す図である。
【図１２】同実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】同実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態のカメラのブロック図である。
【図１５Ａ】本発明の実施形態に係るＣＣＤ固体撮像装置の変形例の構造を模式的に示す断面図である。
【図１５Ｂ】ＣＣＤ固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図１６】従来のＣＣＤ固体撮像装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図１７】従来のＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】従来のＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１９】従来のＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】従来のＣＣＤ固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】従来のＣＣＤ固体撮像装置の受光面に対し垂直光が入射した場合の集光の様子を示す断面図である。
【図２２】ＣＣＤ固体撮像装置の分光感度特性を示す図である。
【図２３】従来のＣＣＤ固体撮像装置の受光面に対し垂直光が入射した場合の集光の様子を示す断面図である。
【図２４】ＣＣＤ固体撮像装置における遮光膜の開口幅とスミア出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１、２１    基板
２、２２    受光部
３、２３    垂直ＣＣＤ部
４ａ、４ｂ    絶縁膜
５、３５    垂直転送電極
６、３６    遮光膜
６ａ    開口部
７、７ｄ    第１光透過絶縁膜
７ａ、７ｂ、７ｃ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ    下凸部
８    第２光透過絶縁膜
９、３９    ＯＣＣＦ
９ａ    境界領域
１０、４０    ＯＣＬ
１７ａ’、１７ｂ’、１７ｃ’、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、３７ａ’、３７ｂ’、３７ｃ’、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ    凹部
２０、５０、９１    ＣＣＤ固体撮像装置
２４    水平ＣＣＤ部
２５    垂直バスライン配線
２６    水平バスライン配線
２７    アンプ部
２８    出力
３４ａ    ゲート酸化膜
３４ｂ    層間酸化膜
３７    光透過絶縁膜
３８、５８    層内レンズ
４１    平坦化膜
６０    レジストパターン
９０    レンズ
９２    駆動回路
９３    信号処理部
９４    外部インターフェイス部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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