(57)【要約】【課題】オンチップレンズの集光効率を向上させることにより、感度を向上させることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、基板１に形成された受光部２と、基板１の上層に形成され、光を受光部２へ集光するオンチップレンズ１０とを有する。オンチップレンズ１０は、光の入射側から基板１側にいくに従って屈折率が高くなるように、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されて形成されている。例えば、オンチップレンズ１０は、相対的に屈折率の高い第１のレンズ層１１と、相対的に屈折率の低い第２のレンズ層１２とを有する。【選択図】図１
2006165329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された受光部と、
前記基板の上層に形成され、光を受光部へ集光するオンチップレンズとを有し、
前記オンチップレンズは、前記光の入射側から前記基板側にいくに従って屈折率が高くなるように、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されて形成された
固体撮像装置。
【請求項２】
基板に形成された受光部と、
前記基板に形成され、前記受光部から読み出された信号電荷を転送する転送チャネルと、
前記転送チャネル上に絶縁膜を介して形成された転送電極と、
前記転送電極を被覆し、前記受光部を開口する遮光膜と、
前記基板および前記遮光膜を被覆する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、光を前記受光部へ集光するオンチップレンズとを有し、
前記オンチップレンズは、前記光の入射側から前記基板側にいくに従って屈折率が高くなるように、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されて形成された
固体撮像装置。
【請求項３】
基板に受光部を形成する工程と、
前記基板の上層に、屈折率の異なる複数のレンズ層を、屈折率の高いレンズ層から順に堆積させる工程と、
複数の前記レンズ層をレンズ形状に加工して、オンチップ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。
【請求項４】
複数の前記レンズ層をレンズ形状に加工する工程は、
前記レンズ層上に、レンズ形状をもつレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜と複数の前記レンズ層とをエッチングすることにより、前記レンズ層を前記レンズ形状に加工する工程と
を有する請求項３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、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に、基板の上層にオンチップレンズ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】
近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像装置では、その小型化や多画素化が進んでいる。この結果、受光部（センサ部）の面積が縮小し、単位画素に入射する光量が減少するため、感度低下を抑制するための対策が必須となる。感度低下を抑制するための対策として、例えばオンチップレンズや層内レンズを設け、受光部への集光効率を高めるといったことが実施されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、従来のオンチップレンズを備えた固体撮像装置の断面図である。
【０００４】
図５に示すように、基板１０１には受光部１０２、転送チャネル１０３、チャネルストッパ１０４、読み出しゲート部１０５といった各種の半導体領域が形成されている。基板１０１上には、転送電極１０７と、転送電極１０７を被覆する遮光膜１０８が形成されている。遮光膜１０８には受光部１０２に光を入射させるための開口部１０８ａが設けられている。遮光膜１０８を被覆して層間絶縁膜１０９が形成されており、層間絶縁膜１０９上には、オンチップレンズ１１０が形成されている。
【０００５】
従来、図５に示すように、オンチップレンズ１１０は単一のレンズ材料より形成されている。通常、オンチップレンズ１１０は、基板１０１の主面に対して垂直に入射する光Ｌ１が、受光部１０２の中心位置に集光されるように、レンズ形状が最適化される。
【特許文献１】特開２００２−６４１９３号公報
【特許文献２】特開２０００−１８０６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の構造では、受光部１０２に対してほぼ垂直な入射光Ｌ１は、受光部１０２のほぼ中央に集光されるが、大きく傾斜した入射光Ｌ２の場合には、受光部１０２から大きく外れてしまう。
【０００７】
このため、ＣＣＤ固体撮像装置を搭載したカメラの絞りを開き（Ｆ値が小さくなる）、傾斜した入射光Ｌ２の成分が増加すると、受光部２から外れて遮光膜１０８により遮断される光の割合が急激に増大し、画素感度が絞りを開いた割合に対しそれほど増加しない。
【０００８】
また、遮光膜１０８の開口部１０８ａから斜めに入った光が、遮光膜１０８の下層において乱反射し、転送チャネル１０３に入って電荷を発生させる。この電荷は、転送チャネル１０３内を転送する信号電荷にとってノイズ成分となり、しかも転送の度に累積されることから、画面に白い縦線（スミア）となって現れる。このように、絞りを開けて入射光量を増やそうとしても、それほど増大せず、スミアが出現する。
【０００９】
ところで、屈折率の異なる膜を積層させた多層膜をレンズ形状にすることにより、所望の分光特性に加えてレンズの機能をもつカラーフィルタを備えた固体撮像装置が提案されている（特許文献２参照）。このカラーフィルタは、高屈折率膜と低屈折率膜を交互に複数堆積させることにより、カラーフィルタを通過する光の波長を調節するものである。
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載の発明では、いわゆる薄膜多重干渉を原理としているため、カラーフィルタを通過する光の波長は制御できるが、レンズの機能としては、図５に示す単一層の場合と同等であり、上記したのと同様の問題が生じる。また、各層の層数や膜厚をカラーフィルタ毎に変える必要があるため、製造工程が煩雑となる。
【００１１】
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、オンチップレンズの集光効率を向上させることにより、感度を向上させることができる固体撮像装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、集光効率を向上させたオンチップレンズを容易に製造す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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された受光部と、前記基板の上層に形成され、光を受光部へ集光するオンチップレンズとを有し、前記オンチップレンズは、前記光の入射側から前記基板側にいくに従って屈折率が高くなるように、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されて形成されたものである。
【００１４】
上記の本発明の固体撮像装置では、屈折率の異なる複数のレンズ層が、屈折率の高い順に積層されてオンチップレンズが形成されている。入射した光は、オンチップレンズの全体の外形部分による屈折と、オンチップレンズの内部におけるレンズ層の界面での屈折により集光される。ここで、光の入射側から基板側にいくに従って、屈折率が高くなるように複数のレンズ層が積層されていることから、界面からの屈折角の方が、界面への入射角に比べて小さくなる、すなわち、光の傾斜が小さくなる。このため、入射光が受光部から外れてしまうことが抑制される。
【００１５】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された受光部と、前記基板に形成され、前記受光部から読み出された信号電荷を転送する転送チャネルと、前記転送チャネル上に絶縁膜を介して形成された転送電極と、前記転送電極を被覆し、前記受光部を開口する遮光膜と、前記基板および前記遮光膜を被覆する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、光を前記受光部へ集光するオンチップレンズとを有し、前記オンチップレンズは、前記光の入射側から前記基板側にいくに従って屈折率が高くなるように、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されて形成されたものである。
【００１６】
上記の本発明の固体撮像装置では、屈折率の異なる複数のレンズ層が、屈折率の高い順に積層されてオンチップレンズが形成されている。入射した光は、オンチップレンズの全体の外形部分による屈折と、オンチップレンズの内部におけるレンズ層の界面での屈折により集光される。ここで、光の入射側から基板側にいくに従って、屈折率が高くなるように複数のレンズ層が積層されていることから、界面からの屈折角の方が、界面への入射角に比べて小さくなる、すなわち、光の傾斜が小さくなる。
このため、光が、受光部から外れて、遮光膜で遮られたり、転送チャネルに直接入射することが抑制される。
【００１７】
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、基板に受光部を形成する工程と、前記基板の上層に、屈折率の異なる複数のレンズ層を、屈折率の高いレンズ層から順に堆積させる工程と、複数の前記レンズ層をレンズ形状に加工して、オンチップレンズを形成する工程とを有する。
【００１８】
上記の本発明の固体撮像装置の製造方法では、複数のレンズ層を堆積させた後に、これらのレンズ層を一度に加工することにより、容易に複数のレンズ層を含むオンチップレンズを形成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体撮像装置によれば、オンチップレンズの集光効率を向上させることができ、感度を向上させることができる。このため、例えば絞りを開いて斜め光が増加した場合、その光を効率良く集光することができる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、集光効率を向上させたオンチップレンズを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、固体撮像装置として、ＣＣＤ固体撮像装置を例に説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。
【００２２】
シリコン基板またはシリコン基板に形成されたｐ型ウェル（以下、基板という）１に、例えば、ｎ型不純物領域からなり、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、信号電荷を一定期間蓄積する受光部２が形成されている。
【００２３】
受光部２の両側には、所定距離をおいて主にｎ型不純物領域からなる転送チャネル３が形成されている。この転送チャネル３は、いわゆる垂直転送部である。
【００２４】
受光部２と一方側（図中、右側）の転送チャネル３との間に、高濃度のｐ型不純物領域からなるチャネルストッパ４が形成されている。受光部２と他方側（図中、左側）の転送チャネル３との間のｐ型領域は、可変ポテンシャル領域を形成する読み出しゲート部５となる。
【００２５】
基板１上には酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜６ａが形成されており、転送チャネル３上には、ゲート絶縁膜６ａを介して、ポリシリコンなどからなる転送電極７が形成されている。なお、転送電極７は、単層であっても、２層以上の多層の構成であってもよい。また、転送電極７上にいわゆるシャント配線と称される配線が形成されていてもよい。
【００２６】
転送電極７上には、絶縁膜６ｂを介して、転送電極７を被覆する遮光膜８が形成されている。遮光膜８には、受光部２の上方に開口部８ａが形成されている。遮光膜８は、例えばタングステン（Ｗ）などの高融点金属により形成される。
【００２７】
遮光膜８の上層には、層間絶縁膜９が形成されている。層間絶縁膜９の表面は平坦化されている。層間絶縁膜９は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンあるいはこれらの積層膜により形成される。なお、層間絶縁膜９中の積層膜の界面をレンズ形状とすることにより、層内レンズを形成してもよい。
【００２８】
層間絶縁膜９上には、オンチップレンズ１０が形成されている。オンチップレンズ１０は、受光部２の上方に形成されている。ただし、画素部の周辺部においては、オンチップレンズ１０の位置をわずかに中心方向にずらした瞳補正がなされていてもよい。
【００２９】
なお、カラー固体撮像装置の場合には、層間絶縁膜９とオンチップレンズ１０との間にオンチップカラーフィルタが形成される。オンチップカラーフィルタは、原色系では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかに着色され、補色系では、例えばシアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）、緑（Ｇ）のいずれかに着色される。
【００３０】
オンチップレンズ１０は、光の入射側から基板１側にいくに従って屈折率が高くなるように、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されて形成されている。本例では、オンチップレンズ１０は、第１のレンズ層１１と第２のレンズ層１２の２層により形成されている。
【００３１】
第１のレンズ層１１は、第２のレンズ層１２よりも屈折率の高い材料により形成される。第２のレンズ層１２は、第１のレンズ層１１よりも屈折率が低いが、空気の屈折率（ｎ＝１．００）よりも高い材料により形成される。第１のレンズ層１１および第２のレンズ層１２は、無機材料であっても有機材料であってもよい。
【００３２】
以上のように、オンチップレンズ１０の屈折率は、光の入射側から基板１側にいくに従って高くなるように構成されている。入射光Ｌ１，Ｌ２は、レンズ形状となった第２のレンズ層１２により集光され、さらに、第２のレンズ層１２と第１のレンズ層１１の界面により屈折して、受光部２へと集光される。これにより、大きく傾斜した入射光Ｌ２でも、受光部２の中央領域に集光させることが可能となる。
【００３３】
図２を参照して、オンチップレンズ１０の作用を説明する。図２は、第１のレンズ層１１と第２のレンズ層１２の界面における光の屈折の様子を示す図である。
【００３４】
第１のレンズ層１１の屈折率をｎｔとし、第２のレンズ層１２の屈折率をｎｉとすると、ｎｔ＞ｎｉとなる。第１のレンズ層１１と第２のレンズ層１２の界面への入射光Ｌ２の入射角をθｉとし、屈折角をθｔとすると、スネルの法則により、下記式（１）が成立する。なお、ｖは界面の法線である。
【００３５】
［数１］
ｎｉ／ｎｔ＝ｓｉｎθｔ／ｓｉｎθｉ      …（１）
【００３６】
ここで、ｎｔ＞ｎｉのため、θｉ＞θｔとなり、入射角θｉよりも屈折角θｔの方が小さくなる。すなわち、大きく傾斜した入射光Ｌ２であっても、第１のレンズ層１１と第２のレンズ層１２の界面でさらに屈折されて、傾斜が小さくなる。これにより、オンチップレンズ１０の集光効率が改善される。
【００３７】
上記の固体撮像装置によれば、オンチップレンズ１０の集光効率を向上させることができる。この結果、例えば絞りを開いて斜め光が増加した場合、これらの斜め光を受光部２に集光させることが可能となり、感度を向上させることができる。また、光の入射側に最も近いオンチップレンズ１０の集光効率を向上させることにより、層内レンズなどによる効果をさらに向上させることができる。
【００３８】
次に、図３および図４を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
【００３９】
まず、基板１に各種の半導体領域の形成を行う。例えば、基板１に、ｐ型不純物をイオン注入してチャネルストッパ４を形成し、ｎ型不純物をイオン注入して受光部２を形成し、ｎ型不純物をイオン注入して転送チャネル３を形成する。受光部２と図中左側の転送チャネル３との間のｐ型領域は、読み出しゲート部５となる。
続いて、基板１上に例えば熱酸化法により酸化シリコンを堆積させてゲート絶縁膜６ａを形成する。続いて、ゲート絶縁膜６ａ上に、ＣＶＤ法によりポリシリコンを堆積させて、当該ポリシリコンをパターニングすることにより、転送電極７を形成する。その後、転送電極７を被覆するように、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜６ｂを形成する。
さらに、転送電極７を被覆するように、絶縁膜６ｂ上にタングステン（Ｗ）などの高融点金属をＣＶＤ法により堆積させ、受光部２の上方に開口部８ａを有するように当該高融点金属をパターニングすることにより、遮光膜８を形成する。
以上により、図３（ａ）に示す構造が形成される。
【００４０】
次に、図３（ｂ）に示すように、遮光膜８およびその開口部８ａ上に、ＣＶＤ法により、酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を堆積させて、層間絶縁膜９を形成する。その後、層間絶縁膜９の表面の平坦化を行う。平坦化処理としては、リフロー処理、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）、エッチバックなどのいずれを採用してもよい。
【００４１】
なお、層間絶縁膜９を多層膜により形成して、層の界面をレンズ形状とした層内レンズを層間絶縁膜９内に形成してもよい。また、カラー固体撮像装置の場合には、平坦化された層間絶縁膜９上にオンチップカラーフィルタを形成する。
【００４２】
次に、図４（ａ）に示すように、層間絶縁膜９上に、第１のレンズ層１１を堆積させ、第１のレンズ層１１上に、第１のレンズ層１１よりも屈折率の低い第２のレンズ層１２を堆積させる。
【００４３】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト塗布、露光、現像により受光部２上にレジストパターンを形成した後に、熱処理を行うことにより、所定の曲率をもつレンズ形状のレジスト膜２０を形成する。
【００４４】
最後に、レジスト膜２０と、第１のレンズ層１１および第２のレンズ層１２のエッチング選択比が１に近いエッチング条件で、レジスト膜２０、第２のレンズ層１２および第１のレンズ層１１をエッチングする。これにより、第２のレンズ層１２および第１のレンズ層１１は、レンズ形状に加工される。
【００４５】
以上により、第１のレンズ層１１および第２のレンズ層１２を有するオンチップレンズ１０が形成される。
【００４６】
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、図４（ａ）に示す工程において、２層目以降のレンズ層を堆積させる工程を追加するのみで、集光効率を向上させたオンチップレンズ１０を形成することができる。このため、製造工程の大幅な増加や、他の製造工程の変更などを生じないことから、容易にオンチップレンズ１０を形成することができる。
【００４７】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
本実施形態においては、２種類のレンズ層を用いたオンチップレンズ１０について説明したが、レンズ層は２種類に限られたものではなく、基板１に向かって屈折率が高くなる構成であれば、３種類以上のレンズ層によりオンチップレンズ１０を形成してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、ＣＣＤ固体撮像装置を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ＣＭＯＳ固体撮像装置に適用することも可能である。また、基板１に転送電極７あるいは配線が形成された側とは反対側から光を受光する裏面照射型のＣＣＤ固体撮像装置あるいはＣＭＯＳ固体撮像装置に適用することもできる。この場合には、オンチップレンズは、転送電極７あるいは配線が形成された側とは反対側の基板１の表面に形成される。裏面照射型の固体撮像装置に本発明を適用した場合には、隣接する画素間での混色を防止することができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。
【図２】本実施形態に係る固体撮像装置におけるオンチップレンズの作用を説明するための図である。
【図３】本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。
【図４】本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。
【図５】従来のオンチップレンズを備えた固体撮像装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…基板、２…受光部、３…転送チャネル、４…チャネルストッパ、５…読み出しゲート部、６ａ…ゲート絶縁膜、６ｂ…絶縁膜、７…転送電極、８…遮光膜、８ａ…開口部、９…層間絶縁膜、１０…オンチップレンズ、１１…第１のレンズ層、１２…第２のレンズ層、２０…レジスト膜、１０１…基板、１０２…受光部、１０３…転送チャネル、１０４…チャネルストッパ、１０５…読み出しゲート部、１０７…転送電極、１０８…遮光膜、１０８ａ…開口部、１０９…層間絶縁膜、１１０…オンチップレンズ
【図１】
2006165329.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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