(57)【要約】【課題】  感度の向上を図るとともに、装置全体の小型化、高解像度化を実現する。【解決手段】  半導体基板と、この半導体基板に形成された受光部を有する画素を複数含む画素領域を備える固体撮像装置であって、半導体基板上に積層され受光部に対応する開口領域を有する第１および第２の配線層１４，１６と、第２の配線層１６の上方に形成された層内レンズ１８とを備える。そして、層内レンズ径は、第２の配線層１６の開口領域１６ａに略外接する円の直径と等しい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板に形成された受光部を有する画素を複数含む画素領域を備える固体撮像装置であって、
前記半導体基板上に積層され、前記受光部に対応する開口領域を有する配線層と、
前記配線層の上方に形成された層内レンズとを備え、
前記層内レンズ径は、前記開口領域に略外接する円の直径と等しいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記層内レンズは、多角形状の前記開口領域の各頂点に略外接する真円または楕円形状に形成され、該層内レンズの上方にマイクロレンズが形成されている請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記層内レンズはシリコン窒化膜からなり、前記透明膜は酸窒化シリコン膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１または２のいずれかに記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の固体撮像装置を製造するための製造方法であって、
円形状の前記層内レンズを、最上層の前記配線層の開口領域に略外接させるように形成する工程を有することを特徴とする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、層内レンズを備え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】
ＣＣＤあるいはＭＯＳ型等の固体撮像装置では、高解像度のための多画素化や、撮像光学系の小型化による小チップ化の要求と共に、光電変換を行う光電変換素子の受光面の微細化や高密度化が進められている。しかし、この要求を満たすべく、受光面積の縮小化を推し進めた場合には、受光量が減少し、感度が低下することとなる。
【０００３】
これを改善すべく、受光面上に、隣接する層と異なる屈折率を有する凸型の層内レンズと、マイクロレンズを組み合わせることで、受光量の減少による感度の低下を軽減し、また光軸に対して傾斜して入射する、いわゆる斜め入射光に対する集光効率を向上させることができる。このように、層内レンズとマイクロレンズを組み合わせて、集光効率を高める方法の一例が開示されている（特許文献１，２参照）。
【０００４】
従来の固体撮像装置について、図面を参照して説明する。図４は、従来の固体撮像装置を示す断面図である。図５は、従来の固体撮像装置が備える層内レンズと第２の配線層の開口領域との関係を示す透視平面図である。なお、図４は、図５におけるＢ−Ｂ断面図である。
【０００５】
図４に示すように、従来の固体撮像装置は、半導体基板１１３と、この半導体基板１１３上に２次元状に配設されたフォトダイオード等の光電変換素子１０１と、光電変換素子１０１を覆うように形成された酸化膜１０２と、この酸化膜１０２を介して光電変換素子１０１上に形成される第１の絶縁膜１０３と、第１の絶縁膜１０３上に形成された所望の配線パターンをなす第１の配線層１０４と、この第１の配線層１０４を覆う第２の絶縁膜１０５と、この第２の絶縁膜１０５の上に形成された所望の配線パターンをなす第２の配線層１０６と、この第２の配線層１０６を覆う第３の絶縁膜１０７と、が順次積層されて構成されている。
【０００６】
そして、第３の絶縁膜１０７上に、光が入射する側に向かって凸状をなす、いわゆる上凸状の層内レンズ１０８が設けられている。この層内レンズ１０８は、光電変換素子１０１を有する受光部の上方に配置されている。さらに、層内レンズ１０８の上には、第１の平坦化層１０９を介して、各光電変換素子１０１に対応するカラーパターンを有するカラーフィルタ層１１０が設けられ、このカラーフィルタ層１１０の上方に、第２の平坦化層１１１を介して、マイクロレンズ１１２が設けられている。したがって、マイクロレンズ１１２は、各光電変換素子１０１の上方に対向して配置されている。
【０００７】
層内レンズ１０８は、所望の曲率の形状に形成することが可能であり、図５に示すように、光軸が第２の配線層１０６の開口領域１０６ａの中心に一致されており、層内レンズ１０８の第３の絶縁膜１０７に接している面が円形状となり、その直径が、正方形をなす開口領域１０６ａの対角線の長さＬ2よりも大きくされている。
【特許文献１】特開平１１−０４０７８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述したような従来の固体撮像装置では、一般に、層内レンズの直径および厚さが以下のように設定されている。
【０００９】
まず、層内レンズの直径は、マイクロレンズの光軸に対して傾斜して入射された斜め入射光を、損失させることなく確実に層内レンズに入射させるために、可能な限りマイクロレンズの直径に近づけることが望ましい。同時に層内レンズの厚さは、各配線層による入射光の反射を軽減するために、十分な厚みを持つように設定されている。
【００１０】
しかしながら、層内レンズの厚さが増加するのに伴って、層内レンズの上方に形成される平坦層の厚みも増加させる必要が生じ、平坦層の厚みが増加することで層内レンズからマイクロレンズが遠ざかり、層内レンズとマイクロレンズとの光軸方向の距離が大きくなることで、集光効率が低減する方向に向かうという不都合がある。
【００１１】
そこで、この影響が現れない程度の平坦化膜の厚さになるように、層内レンズの厚さを設定し、その曲率を保って層内レンズの直径を設定する必要がある。このように層内レンズが設定された従来の固体撮像装置の透視平面図を図５に示した。
【００１２】
しかしながら、画素の微細化が推し進められている中、半導体基板の面方向に対する微細化だけでなく、厚み方向に対する微細化も求められている現在、このような層内レンズの直径と層間絶縁膜の厚さとの関係は、画素の縮小化を考慮すると好ましい形状ではない。また、以上のような設定を行った場合、層間絶縁膜の厚さによっては、受光面の上方（手前側）で集光してしまい、受光面上に焦点を結ぶことが困難となり、更なる感度の低下につながるという問題がある。
【００１３】
逆に、層間絶縁膜の厚さを最小限に抑えるように設定された従来の他の固体撮像装置について説明する。
【００１４】
図６は、従来の他の固体撮像装置を示す断面図である。図７は、従来の他の固体撮像装置が備える層内レンズと第２の配線層の開口領域との関係を示す透視平面図である。なお、図６は、図７におけるＣ−Ｃ断面図である。この固体撮像装置は、上述した従来の固体撮像装置と基本構成が同様であるため、便宜上、同一部材に同一符号を付して説明を省略する。
【００１５】
図６および図７に示すように、従来の他の固体撮像装置は、層間絶縁膜１０３，１０５，１０７の厚さを最小限に抑えるように設定されることで、層内レンズ１１８の直径が、正方形をなす開口領域１０６ａの対角線の長さＬ2よりも小さくなってしまうため、開口領域１０６ａ内に層内レンズ１１８で集光されない領域が存在する不都合が生じる。したがって、この従来の固体撮像装置は、集光効率を損なうとともに、配線層の大きさに無駄があり、小型化する余地が残されている。
【００１６】
そこで、本発明は、入射光の損失を最小限に抑え、受光部の受光面への集光効率を最も有効に高める形状に形成された層内レンズを有する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】
【００１７】
上述した目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、この半導体基板に形成された受光部を有する画素を複数含む画素領域を備える固体撮像装置であって、半導体基板上に積層され受光部に対応する開口領域を有する複数の配線層と、配線層の上方に形成された層内レンズとを備える。そして、層内レンズ径は、開口領域に略外接する円の直径と等しい。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように本発明によれば、入射光の損失を抑え、集光効率を向上することで感度の向上を図るとともに、装置全体の小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１〜図３は、本実施形態の固体撮像装置の１つの画素の部分を示す図である。
【００２１】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の固体撮像装置は、半導体基板に形成された受光部を有する画素を複数含む画素領域を備えている。画素領域の各画素をなす受光部は、半導体基板上に２次元状に配設されて半導体基板に埋設された埋め込み型のフォトダイオードを有している。
【００２２】
シリコンからなる半導体基板には、図１に示すように、表面にｐ型ウェル領域４が形成され、このｐ型ウェル領域４内にｎ型の半導体領域（電荷蓄積領域）６が形成されている。また、受光部表面には、ｐ型ウェル領域４と電気的に接続されたｐ型の半導体領域（表面ｐ領域）８が形成されている。そして、この表面ｐ領域８によって埋め込み型のフォトダイオードが形成されている。なお、このフォトダイオードを有する受光部は、特に埋め込み型のフォトダイオードを備える構成に限定されないが、埋め込み型が適用されることが好ましい。
【００２３】
また、この固体撮像装置は、画素領域内に各画素領域に形成され受光部からの出力信号を増幅する増幅部を備えている。フォトダイオードで発生した光電荷は、転送電極９を介してｎ型不純物拡散領域７ａに転送される。本実施形態では、転送電極９の両側に、シリコン酸化膜をエッチバック処理した際の残留シリコン酸化膜からなる側壁膜１３ａが形成されている。これに伴い、ｎ型不純物拡散領域７ａにおいては、転送電極９近傍で、ｎ型不純物拡散領域７ａに隣接する位置に、ｎ型不純物拡散領域７ａよりも低濃度で浅く形成されたｎ型不純物拡散領域７ｂ「ＬＤＤ（lightly doped drain）構造」を備えることができる。
【００２４】
また、固体撮像装置は、転送電極９を覆うように形成される第１の絶縁膜１３ｂと、第１の絶縁膜３ｂ上に形成された所望の配線パターンをなす第１の配線層１４と、この第１の配線層１４を覆う第２の絶縁膜１５と、この第２の絶縁膜１５の上に形成された所望の配線パターンをなす第２の配線層１６と、この第２の配線層１６を覆う第３の絶縁膜１７と、が順次積層されて構成されている。
【００２５】
なお、本実施形態では、２層をなす第１および第２の配線層１４，１６を備える構成にされたが、１層の配線層のみでも良く、また３層以上でも良いことは勿論である。また、これら配線層は、電気信号を伝達する機能の他、受光面以外の領域へ光が入射することを防ぐための遮光層としての機能を持たせることも可能である。
【００２６】
そして、第３の絶縁膜１７上には、窒酸化シリコン膜２３を介して、プラズマ窒化膜からなる層内レンズ１８が設けられている。この層内レンズ１８は、ｎ型蓄積領域６を有する受光部の上方に配置されている。第１〜第３の絶縁膜３ｂ，１５，１７は、画像を読み取ることが可能な程度に受光部で光電変換されるように、入射光に対して透明な膜である。また、窒酸化シリコン膜は、層内レンズ１８と第３の絶縁膜１７との間に形成され、層内レンズ１８と第３の絶縁膜１７との界面での反射を低減するために設けられているものであり、やはり入射光に対して透明な膜である。
【００２７】
さらに、層内レンズ１８の上には、第１の平坦化層１９を介して、各画素をなすｎ型蓄積領域６に対応するカラーパターンを有するカラーフィルタ層２０が設けられ、このカラーフィルタ層２０の上方に、第２の平坦化層２１を介して、マイクロレンズ２２が設けられている。マイクロレンズ２２も、各画素に対応して配置されている。
【００２８】
層内レンズ１８は、図１に示すように、光が入射するマイクロレンズ２２側に向かって凸状をなす、いわゆる上凸状に形成されている。なお、層内レンズ１８を形成するシリコン窒化膜の屈折率が２．０４程度であり、この層内レンズ１８の直下に設けられた反射防止膜の機能をもつ窒酸化シリコン膜２３の屈折率が１．６８程度に設定されている。なお、このようなシリコン窒化膜としては、プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法で形成された膜が好適に用いられる。このような構成によれば、マイクロレンズ２２側から入射された光は、層内レンズ１８、窒酸化シリコン膜２３を介して損失が生じることなく、フォトダイオードの受光面上に到達する。
【００２９】
図２に、層内レンズと第２の配線層の開口領域との関係の透視平面図を示す。なお、図１は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【００３０】
本実施形態に係る層内レンズ１８は、図１に示すように、層内レンズ１８下に形成された層、本実施形態では酸窒化シリコン膜と接する面が円形状となっており、図２に示すように、この円が、最上層の配線パターンをなす第２の配線層１６の開口領域１６ａに略外接するように形成されている。換言すれば、層内レンズ１８の曲率部の直径は、第２の配線層１６の開口領域１６ａ内の対角線Ｌ1とほぼ等しくされており、層内レンズ径が、開口領域１６ａに略外接する円の直径と等しくされている。
【００３１】
層内レンズ１８がこのような直径に形成されることによって、入射光の光路内で、遮光の役割を有する（開口寸法を決める）第２の配線層１６が占める領域を最小限にすることができるため、従来のような配線層による入射光の損失を低減あるいは配線層による光損失が生じることを避けることができる。また、層内レンズ１８の厚さは、受光部の受光面上への焦点距離、つまり層内レンズ１８と受光部との間に位置する層間絶縁膜の厚さである第１〜第３の絶縁膜１３ｂ，１５，１７の厚さに応じて設定される。また、本実施形態のように複数の配線層を有し層間膜として機能する絶縁膜が複数層形成される場合に特に有効である。
【００３２】
以上のように層内レンズ１８の直径および厚さが設定されることで、最も有効に集光効率を高め、かつ層内レンズ１８の直径および厚さを最小値に設定することができる。具体的には６．４μｍ角の画素サイズに対して第２の配線層１６が３．８μｍ角の開口領域を有する場合には、層内レンズ１８の直径が５．４μｍ程度、層内レンズ１８の厚さが１．４μｍ程度となっている。これにより、上述した従来のように設定されていた層内レンズの形状（層内レンズの直径６．０μｍ、厚さ１．９μｍ）に比較して、Ｆナンバーが「１」における感度が５％程度向上した。
【００３３】
上述したように、固体撮像装置によれば、層内レンズ１８が、第２の配線層１６の開口領域１６ａに略外接する円の直径と等しく形成されることによって、入射光の光路内に存在する第２の配線層１６が占める領域を最小限に抑えることが可能になり、入射光の損失を低減する、あるいは第２の配線層１６による光損失が生じないようにすることが可能になる。したがって、この固体撮像装置によれば、集光効率の向上を図ることができ、感度を向上するとともに、層内レンズ１８の直径および厚さが最小値に設定されることで装置全体の小型化を実現することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の固体撮像装置について説明する。なお、本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板側からマイクロレンズまでの基本的な構成が第１の実施形態と同様であるので、便宜上、同一部材には同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００３５】
図３に、第２の実施形態の固体撮像装置が備える層内レンズと第２の配線層の開口領域との関係の透視平面図を示す。
【００３６】
図３に示すように、層内レンズ３８は、遮光の役割を有する（開口寸法を決める）配線パターンである第２の配線層１６の開口領域１６ｂをなす多角形の各頂点に略外接する楕円形状に形成されている。ここで述べる多角形とは、第２の配線層１６の開口領域１６ｂが頂点を有してなる形状を示し、例えば長方形、平行四辺形等で、特に形状を限定しない。楕円形状の層内レンズ３８は、長径がφ1、短径がφ2にそれぞれ形成されている。なお、層内レンズは、楕円形状でなくても、上述した層内レンズ１８と同様に、短径φ2を直径とする円形状でもよい。
【００３７】
このように層内レンズ３８を形成することでも、入射光の光路内に存在する第２の配線層１６が占める領域を最小限にすることができ、これまでのような入射光の損失を低減するあるいは第２の配線層１６による光損失が生じないようにすることができる。また、層内レンズ３８の厚さは、受光面上への焦点距離、つまり層間絶縁膜である第１〜第３の絶縁膜１３ｂ，１５，１７の厚さに応じて設定される。これにより、最も有効に集光効率を高め、かつ層内レンズ３８の直径および厚さを最小値に設定することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
最後に、上述した実施形態の固体撮像装置が採用された撮像システムであるカメラについて説明する。図８は、カメラの回路の一例を示すブロック図である。
【００３９】
図８に示すように、撮影レンズ１００２の手前にはシャッター１００１が配置されており、露出を制御する。絞り１００３によって必要に応じて光量を制御し、固体撮像装置１００４に結像させる。固体撮像装置１００４から出力された信号は、信号処理回路１００５で処理され、Ａ／Ｄ変換器１００６によってアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号は、さらに信号処理部１００７で演算処理される。処理されたディジタル信号は、メモリ１０１０に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ１０１３を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置１００４、撮像信号処理回路１００５、Ａ／Ｄ変換器１００６、信号処理部１００７は、タイミング発生部１００８によって制御される他、システム全体は全体制御部・演算部１００９で制御される。記録媒体１０１２に画像を記録するために、出力ディジタル信号は、全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１０１１を通して、記録される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図２】層内レンズと第２の配線層の開口領域との関係を示す透視平面図である。
【図３】第２の実施形態における層内レンズと第２の配線層の開口領域との関係を示す透視平面図である。
【図４】従来の固体撮像装置を示す断面図である。
【図５】従来の固体撮像装置が備える層内レンズと配線層の開口領域との関係を示す透視平面図である。
【図６】従来の他の固体撮像装置を示す断面図である。
【図７】従来の他の固体撮像装置が備える層内レンズと配線層の開口領域との関係を示す透視平面図である。
【図８】本実施形態のカメラの構成を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  固体撮像装置
４  ｐ型ウェル領域
６  ｎ型の半導体領域
７ａ，７ｂ  ｎ型不純物拡散領域
８  ｐ型の半導体領域
９  転送電極
１３ａ  側壁膜
１３ｂ  第１の配線層
１６  第２の配線層
１６ａ  開口領域
１８  層内レンズ
２２  マイクロレンズ
【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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