(57)【要約】【課題】素子の厚さをより薄くしてレンズの焦点距離を層間膜厚以上には増加させず必要最小限とすることにより、感度向上および今後の微細化を実現する。【解決手段】層内レンズ材料を用いずに、既存層間膜の第１平坦化層１０８中に金属イオンを注入することによって、第１平坦化層１０８中の金属イオン注入領域のみ高屈折率化してレンズ形成領域として、オンチップマイクロレンズ１１２とシリコン基板間の距離を増加させることなく、下にのみ凸形状のレンズ形状を持つ層内レンズ１０９を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の層間膜に設けられ、入射光を所定位置に集光させるための層内レンズにおいて、下にのみ凸形状に形成されている層内レンズ。
【請求項２】
金属イオンの注入により前記層間膜中のイオン注入領域が高屈折率化されている請求項１に記載の層内レンズ。
【請求項３】
前記金属イオンはＴｉもしくはＴaイオンである請求項２に記載の層内レンズ。
【請求項４】
前記層間膜は、前記所定位置と、該所定位置に入射光を集光させるためのマイクロレンズとの間に設けられている請求項１に記載の層内レンズ。
【請求項５】
受光部と該受光部に入射光を集光させるためのマイクロレンズとの間に層内レンズが設けられた固体撮像素子において、該層内レンズは下にのみ凸形状に形成されている固体撮像素子。
【請求項６】
前記層内レンズは、前記受光部と前記マイクロレンズとの間の平坦化層間膜中に形成されている請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記層内レンズは金属イオンの注入により前記平坦化層間膜中のイオン注入領域が高屈折率化されている請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記金属イオンはＴｉもしくはＴaイオンである請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
ＣＣＤ型固体撮像素子またはＭＯＳ型固体撮像素子である請求項５〜８のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれかに記載の層内レンズを用いて入射光を所定位置に集光させる電子情報装置。
【請求項１１】
請求項５〜９のいずれかに記載の固体撮像素子からの撮像信号に基づいて表示部に撮像画像を表示可能とする電子情報装置。
【請求項１２】
入射光を所定位置に集光させるための層内レンズの形成方法において、層間膜となる層中にその表面側から金属イオンを注入することにより、該金属イオンの注入領域のみ高屈折率化して、下にのみ凸形状の層内レンズを形成するレンズ形成工程を有する層内レンズの形成方法。
【請求項１３】
前記レンズ形成工程は、レジストマスクを用いて前記金属イオンの注入領域を規定するレジストパターニング工程を有する請求項１２に記載の層内レンズの形成方法。
【請求項１４】
前記レジストパターニング工程は、所定のレンズ形状に形成するように、前記金属イオンの注入領域に対応したレジストパターニングサイズに形成する請求項１３に記載の層内レンズの形成方法。
【請求項１５】
前記レジストパターニング工程は、所定のレンズ形状に形成するように、レジスト膜厚を調整する請求項１３または１４に記載の層内レンズの形成方法。
【請求項１６】
前記レンズ形成工程は、前記金属イオンの注入領域において、所定のレンズ形状に形成するように、該金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度を調整する請求項１２〜１５のいずれかに記載の層内レンズの形成方法。
【請求項１７】
前記レンズ形成工程は、前記金属イオンの注入領域において、所定の屈折率になるように、該金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度を調整する請求項１２〜１６のいずれかに記載の層内レンズの形成方法。
【請求項１８】
前記レンズ形成工程は、前記金属イオンとしてＴｉＣｌ４から生成したＴｉイオンもしくはＴaＣｌ５から生成したＴaを用いる請求項１２〜１７のいずれかに記載の層内レンズの形成方法。
【請求項１９】
前記レンズ形成工程は、
前記所定位置上方に、表面が平坦化された層間膜を形成する工程と、
該層間膜上でイオン注入領域に対応するパターンのレジストマスクを形成する工程と、
該レジストマスクを用いて、金属イオンを該層間膜のレンズ形成領域中に注入する工程とを有する請求項１２および１６〜１８のいずれかに記載の層内レンズの形成方法。
【請求項２０】
前記金属イオンはＴｉイオンもしくはＴaを用いる請求項１２〜１７および１９のいずれかに記載の層内レンズの形成方法。
【請求項２１】
請求項１２〜２０のいずれかに記載の層内レンズの形成方法のレンズ形成工程を用いて層内レンズを形成する固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型やＣＭＯＳ型のイメージャーなどの固体撮像素子、これを用いたカメラ付き携帯電話装置やデジタルカメラなどの電子情報装置、積層構造内部に用いて好適な層内レンズ、この形成方法およびこれを用いた固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の固体撮像素子では、画素部の微細化に伴い感度を向上させる必要が生じ、従来のカラーフィルタ上のレンズ（オンチップマイクロレンズ）のみでは、充分な感度向上が図れなくなってきている。そこで、カラーフィルタと半導体センサ部（光電変換部）との間の積層構造内にもレンズを形成するいわゆる層内レンズという技術が併用して用いられている。
【０００３】
上述した層内レンズの形成方法の一つとして、層内レンズのレンズ材料層とレジストとの積層膜をドライエッチングする方法がある。これは、層内レンズのレンズ材料層を成膜した後に、その上に積層したレジストをレンズ形状にパターニングし、その後、ドライエッチングによりレジストのレンズ形状を層内レンズの材料層に転写する上に凸形状の層内レンズ形成手法（従来技術１）が特許文献１に開示されている。
【０００４】
以下に、上述した従来技術１を図５を用いて説明する。
【０００５】
図５は、従来技術１の固体撮像素子の要部構成例を示した縦断面図である。
【０００６】
図５において、従来技術１の固体撮像素子２２０は、その表面部で各画素部毎に、入射光を光電変換する光電変換部である半導体センサ部（受光部）２０１が読み出しゲート部２０２を介してＣＣＤ転送チャネル２０３に隣接している半導体基体２００上に、絶縁膜２０４と、転送電極２０５と、層間絶縁膜２０６と、遮光膜２０７と、第１平坦化層２０８と、層内レンズ２０９と、第２平坦化層２１０と、カラーフィルタ２１１と、オンチップマイクロレンズ２１２とを順次形成している。
【０００７】
受光部２０１は、半導体基体２００内に所要の不純物イオン注入を行って形成されている。また、読み出しゲート部２０２は、半導体基体２００内に所要の不純物イオン注入を行って形成されている。さらに、ＣＣＤ転送チャネル２０３は、半導体基体２００内に所要の不純物イオン注入を行って形成されている。
【０００８】
遮光膜２０７は、転送電極２０５への光の入射を防止する機能を有する。この遮光膜２０７には、受光部２０１上に光を入射させるために、受光部２０１上を開口する開口部が設けられている。
【０００９】
第１平坦化層２０８は、ＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）膜などのリフロー膜またはＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ膜によりできている。この第１平坦化層２０８は、遮光膜２０７による段差に対して表面を平坦化させる層である。
【００１０】
また、層内レンズ２０９は、プラズマＣＶＤによる屈折率ｎ＝１．９〜２．０のＳｉＮ膜などの高屈折率材料が用いられている。さらに、第２平坦化層２１０は、屈折率ｎ＝１．３〜１．４のアクリル系樹脂膜などが用いられている。
【００１１】
上記構成の従来技術１の固体撮像素子２２０の製造方法について説明する。
【００１２】
まず、ＣＣＤ型の固体撮像素子２２０は、半導体基体（半導体部）２００内に受光部２０１、読み出しゲート部２０２およびＣＣＤ転送チャネル２０３を形成し、これらの上に絶縁膜２０４を形成し、さらに、受光部２０１以外の半導体部、即ち読み出しゲート部２０２およびＣＣＤ転送チャネル２０３上に絶縁膜２０４を介して転送電極２０５を形成する。
【００１３】
次に、転送電極２０５上には層間絶縁膜２０６を介して遮光膜２０７を形成する。この遮光膜２０７に、受光部２０１上を開口する開口部を形成する。
【００１４】
さらに、遮光膜２０７および絶縁膜２０４上を覆って、第１平坦化層２０８を形成する。さらに、受光部２０１の上方の第１平坦化層２０８上に、高屈折率材料により上面が曲面状の凸部となる層内レンズ２０９を形成する。
【００１５】
さらに、層内レンズ２０９上には、第２平坦化層２１０を形成し、この第２平坦化層２１０の平坦化表面上にカラーフィルタ２１１を形成する。さらに、このカラーフィルタ２１１上にいわゆるオンチップレンズとされたマイクロレンズ２１２を形成する。
【００１６】
この従来技術１の手法では、マイクロレンズ２１２と、入射光出射手段としての光源からの入射光を受光する受光部（シリコン基板）２０１との距離が長くなって感度向上が困難となる。これを解決するために、上記特許文献１には、受光部２０１とマイクロレンズ２１２との間に、上下に凸形状の層内レンズを設けた従来技術２を更に図６のように開示している。
【００１７】
図６は、従来技術２の固体撮像素子の要部構成例を示した縦断面図である。
【００１８】
図６において、従来技術２の固体撮像素子３２０は、その表面部で各画素部毎に、入射光を光電変換する光電変換部である半導体センサ部（受光部）３０１が読み出しゲート部３０２を介してＣＣＤ転送チャネル３０３に隣接している半導体基体３００上に、絶縁膜３０４と、転送電極３０５と、層間絶縁膜３０６と、遮光膜３０７と、第１平坦化層３０８と、層内レンズ３０９と、第２平坦化層３１０と、カラーフィルタ３１１と、オンチップマイクロレンズ３１２とを順次形成している。
【００１９】
受光部３０１は、半導体基体３００内に画素部毎に所要の不純物イオン注入などを行って形成されている。また、読み出しゲート部３０２は、半導体基体３００内に所要の不純物イオン注入などを行って形成されている。さらに、ＣＣＤ転送チャネル３０３は、半導体基体３００内に所要の不純物イオン注入などを行って形成されている。
【００２０】
遮光膜３０７は、転送電極３０５への光の入射を防止するための膜である。この遮光膜３０７には、受光部３０１に光を入射させるために、受光部３０１上に開口部が設けられている。
【００２１】
第１平坦化層３０８は、ＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）膜などのリフロー膜またはＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ膜である。
【００２２】
層内レンズ３０９は高屈折率層３０９ａであり、これはプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜などの膜により構成されている。
【００２３】
第２平坦化層３１０は、屈折率ｎ＝１．３〜１．４のアクリル系樹脂膜などで構成されている。
【００２４】
上記構成の従来技術２の固体撮像素子３２０の製造方法について説明する。
【００２５】
まず、ＣＣＤ型の固体撮像素子３２０は、半導体基体（半導体部）３００内に受光部３０１、読み出しゲート部３０２、ＣＣＤ転送チャネル３０３を形成し、これらの上に絶縁膜３０４を形成し、さらに、受光部３０１以外の読み出しゲート部３０２およびＣＣＤ転送チャネル３０３上に絶縁膜３０４を介して転送電極３０５を形成する。
【００２６】
次に、転送電極３０５上には層間絶縁膜３０６を介して遮光膜３０７を形成する。この遮光膜３０７に、受光部３０１上を開口する開口部を形成する。
【００２７】
さらに、この遮光膜３０７および絶縁膜３０４上には、遮光膜３０７による段差上を覆って、表面が下に凸の形状の層間絶縁層３０８を形成する。さらに、層間絶縁層３０８上を層内レンズ３０９の材料で埋めるように高屈折率層３０９ａを形成し、この高屈折率層３０９ａ上にレンズ形状のレジストを形成し、このレジストのレンズ形状を高屈折率層３０９ａに転写することによって、上下に凸の層内レンズ３０９をが形成する。
【００２８】
さらに、この層内レンズ３０９および高屈折率層３０９ａ上に、第２平坦化層３１０を形成し、この第２平坦化層３１０の形成で表面が平坦化され、その上にカラーフィルタ３１１を形成する。
【００２９】
さらに、カラーフィルタ３１１上にいわゆるオンチップレンズとされたマイクロレンズ３１２を形成する。
【００３０】
以上により、従来技術２の固体撮像素子３２０によれば、オンチップマイクロレンズ３１２の上表面と、層内レンズ３０９の上表面３０９Ａおよび下表面３０９Ｂとの各表面の３段階のレンズ効果で、入射光が受光部３０１に集光されるので、従来技術１の場合よりも受光部３０１への集光率がよく感度向上を図ることができる。
【特許文献１】特開２０００−１６４８３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
しかしながら、特許文献１の従来技術１では、層内レンズ２０９が上に凸形状であり、その上の平坦化層２１０によって、オンチップマイクロレンズ２１２と半導体基体２００内の受光部２０１間の距離は増加する方向であって、受光部２０１の感度向上が困難となっている。また、このようなオンチップマイクロレンズ２１２と受光部２０１間の距離の増加によって固体撮像素子２２０が厚くなって、今後、微細化が進んだ場合に、受光部２０１の受光面積の低減を補うだけの感度向上が図れず、今後の微細化の実現が困難となっている。
【００３２】
特許文献１の従来技術２では、オンチップマイクロレンズ３１２と、上に凸形状の層内レンズ３１９Ａと、下に凸形状の層内レンズ３１９Ｂとの３段階のレンズ効果で入射光を受光部３０１に集光するようになっているので、上記従来技術１の場合と比べて、より感度の向上を図ることができるものの、前述したように、層内レンズ３０９が上にも凸形状であり、その上の平坦化層３１０の厚みによって、オンチップマイクロレンズ３１２と受光部３０１間の距離は増加する方向であって、この距離の増加は受光部３０１の感度向上にも悪影響している。また、このようなオンチップマイクロレンズ３１２と受光部３０１間の距離の増加によって固体撮像素子３２０が厚くなり、今後、微細化が進んだ場合に、受光部３０１の受光面積の低減を補うだけの感度向上が図れず、今後の微細化の実現が困難となっている。この微細化に加えて、集光率向上のためのレンズ形状にしようとすると、下地配線および遮光膜３０７などの積層構造とレンズ形状との位置制御も困難となる。
【００３３】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、素子の厚さをより薄くしてレンズの焦点距離を層間膜厚以上には増加させず必要最小限とすることにより、感度向上および今後の微細化を実現できる固体撮像素子、これを用いた電子情報装置、積層構造内部に用いて好適な層内レンズ、この形成方法およびこれを用いた固体撮像素子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】
【００３４】
本発明の層内レンズは、基板上の層間膜に設けられ、入射光を所定位置に集光させるための層内レンズにおいて、下にのみ凸形状に形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３５】
また、好ましくは、本発明の層内レンズにおいて、金属イオンの注入により前記層間膜中のイオン注入領域が高屈折率化されている。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズにおける金属イオンはＴｉイオンである。この金属イオンはガス化できて高屈折率化できる金属イオンであればよく、Ｔｉイオンの他には  Ｔa  などがある。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズにおける層間膜は、前記所定位置と、該所定位置に入射光を集光させるためのマイクロレンズとの間に設けられている。
【００３８】
本発明の固体撮像素子は、受光部と該受光部に入射光を集光させるためのマイクロレンズとの間に層内レンズが設けられた固体撮像素子において、該層内レンズは下にのみ凸形状に形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３９】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における層内レンズは、前記受光部と前記マイクロレンズとの間の平坦化層間膜中に形成されている。
【００４０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における層内レンズは金属イオンの注入により前記平坦化層間膜中のイオン注入領域が高屈折率化されている。
【００４１】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における金属イオンはＴｉイオンもしくはＴaである。
【００４２】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子は、ＣＣＤ型固体撮像素子またはＭＯＳ型固体撮像素子である。
【００４３】
本発明の電子情報装置は、本発明の上記層内レンズを用いて入射光を所定位置に集光させており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４４】
本発明の電子情報装置は、本発明の上記固体撮像素子からの撮像信号に基づいて表示部に撮像画像を表示可能とするものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４５】
本発明の層内レンズの形成方法は、入射光を所定位置に集光させるための層内レンズの形成方法において、層間膜となる層中にその表面側から金属イオンを注入することにより、該金属イオンの注入領域のみ高屈折率化して、下にのみ凸形状の層内レンズを形成するレンズ形成工程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。
【００４６】
また、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレンズ形成工程は、レジストマスクを用いて前記金属イオンの注入領域を規定するレジストパターニング工程を有する。
【００４７】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレジストパターニング工程は、所定のレンズ形状に形成するように、前記金属イオンの注入領域に対応したレジストパターニングサイズに形成する。
【００４８】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレジストパターニング工程は、所定のレンズ形状に形成するように、レジスト膜厚を調整する。
【００４９】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレンズ形成工程は、前記金属イオンの注入領域において、所定のレンズ形状に形成するように、該金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度を調整する。
【００５０】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレンズ形成工程は、前記金属イオンの注入領域において、所定の屈折率になるように、該金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度を調整する。
【００５１】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレンズ形成工程は、前記金属イオンとしてＴｉＣｌ４から生成したＴｉもしくはＴaＣｌ５から生成したＴaイオンを用いる。
【００５２】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法におけるレンズ形成工程は、前記所定位置（固体撮像素子の場合には受光部）上方に、表面が平坦化された層間膜を形成する工程と、該層間膜上でイオン注入領域に対応するパターンのレジストマスクを形成する工程と、該レジストマスクを用いて、金属イオンを該層間膜のレンズ形成領域中に注入する工程とを有する。
【００５３】
さらに、好ましくは、本発明の層内レンズの形成方法における金属イオンはＴｉイオンもしくはＴaイオンを用いる。
【００５４】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、本発明の上記層内レンズの形成方法のレンズ形成工程を用いて層内レンズを形成するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５５】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００５６】
本発明にあっては、層内レンズが下にのみ凸形状に形成されている。これによって、層内レンズに上に凸形状の部分がなく、その上の厚い平坦化層が不要になる分だけ、素子の厚さをより薄くできて、レンズの焦点距離を層間膜厚以上には増加させず必要最小限とすることが可能となる。よって、感度向上および今後の微細化が実現可能となる。このように、微細化による集光率の低下やそれに伴う感度の低下などの問題は、受光部分である半導体基板との光学距離を低減することで解決している。また、これを固体撮像素子に適用すると、マイクロレンズと受光部との間の層内レンズが下にのみ凸形状に形成されているので、マイクロレンズと受光部との間の距離が短くなって、素子の厚さをより薄くできて、感度向上および今後の微細化が実現可能となる。
【００５７】
この距離の増加を解決するために、層内レンズから上に凸形状部分をなくす場合、下表面の部分は、例えばボロンやリンがドープされた層間絶縁膜の熱処理によるメルト形状を利用して、受光部の上方で下に凸形状に加工し、この箇所内に高屈折できるレンズ材料を埋め込んで、この表面部分を研磨処理して平坦化することにより、この層間レンズの下にのみの凸形状の形成も考えられるが、これは製造工程が増加し、複雑化してしまう。
【００５８】
これを解決するために、この層間レンズの下にのみ凸形状は、層間膜中への金属イオン注入により高屈折率化して層内レンズを形成すれば、層内レンズまたは、これを用いた固体撮像素子の製造工程の簡略化が可能となる。
【００５９】
さらに、金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度の調整により、レンズ形状およびレンズ部分の屈折率が制御可能である。また、レジスト膜厚およびレジストパターンサイズの調整により、レンズ形状およびレンズ部分の屈折率が制御可能である。これによって、層内レンズを所望の焦点距離に広範囲に調節することが可能となる。
【発明の効果】
【００６０】
以上により、本発明によれば、層間膜内で層内レンズが下にのみ凸形状に形成されているため、積層構造の厚さをより薄くできて、感度向上が見込まれ、微細化に伴う感度低下などの特性不具合を改善できる。このように、これを固体撮像素子に適用した場合には、受光部との光学距離およびそのばらつきを増加させることなく層内レンズを形成することができる。
【００６１】
また、金属イオンを層間膜中に注入し、その注入領域のみ高屈折率化することにより、層間レンズの下にのみ凸形状を形成できるため、製造工程を簡略化することができる。
【００６２】
さらに、金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度の調整、または、レジスト膜厚およびレジストパターンサイズの調整により、レンズ形状およびレンズ部分の屈折率を制御すれば、所望の焦点距離に広範囲に調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下に、本発明の層内レンズを用いた固体撮像素子の実施形態および、本発明の層内レンズの形成方法を用いた固体撮像素子の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６４】
図１は、本発明の固体撮像素子の一実施形態における概略要部構成例を示す縦断面図である。
【００６５】
図１において、本実施形態の固体撮像素子１２０は、その表面部で各画素部毎に、入射光を光電変換する光電変換部である半導体センサ部（受光部）１０１が読み出しゲート部１０２を介してＣＣＤ転送チャネル１０３に隣接して並んで設けられた半導体基体１００（シリコン基板）上に、ゲート絶縁膜１０４と、転送電極１０５と、層間絶縁膜１０６と、受光部１０１上を開口した遮光膜１０７と、第１平坦化層１０８と、開口部に対応するように第１平坦化層１０８に下にのみ凸形状が形成された層内レンズ１０９と、第２平坦化層１１０と、カラーフィルタ１１１と、開口部に対応する位置に形成されたオンチップマイクロレンズ１１２とをこの順に形成している。
【００６６】
転送電極１０５は、１層目および２層目のシリコンゲート電極で構成されており、３層のシリコンゲート電極を有する場合もある。この転送電極１０５には、第１層目のポリシリコン層からなるものと、第２層目のポリシリコン層からなるものとがあるが、図１には一方のポリシリコン層からなる転送電極のみ表現されている。
【００６７】
層間絶縁膜１０６は、例えばＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜または、熱酸化により成膜したシリコン酸化膜から構成されている。
【００６８】
遮光膜１０７は、例えばタングステン材料からなる遮光膜で、各受光素子の半導体センサ部である受光部１０１と対応する部分に開口部１０７ａが形成され、この開口部１０７ａを介して受光部１０１に入射光が入るようになっている。
【００６９】
第１平坦化層１０８は、遮光膜１０７および絶縁膜１０４上に形成された層間絶縁膜であり、例えばＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜などのリフロー膜またはＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ膜などで構成されている。この層間絶縁膜１０８は、遮光膜１０７による段差に対して表面を平坦化させるための層である。その表面は、研磨法または熱処理によるリフローで平坦化されている。
【００７０】
層内レンズ１０９は、所定のレンズ形成領域へのチタン（Ｔｉ）イオンなどの金属イオンの注入により、そのレンズ形成領域が高屈折率化されて、表面がフラットで下にのみ凸形状に形成されている。この層内レンズ１０９は、通常の高屈折率の層内レンズ材料を用いずに、既知の手法で層間膜である第１平坦化層１０８までを形成した後に、この第１平坦化層１０８上に不図示のレジストマスクを設け、これに所定のパターニング（開口部１０７ａに対向する領域を開口）を行い、Ｔｉイオンなどの金属イオンを第１平坦化層１０８の所定のレンズ形成領域中に注入することによって高屈折率膜を膜中に形成し、その後、第１平坦化層１０８上からレジストパターンを除去することによって、層間膜形成段階から半導体基体１００との光学距離およびそのばらつきを一切変化（増加）させずに形成することができる。なお、この金属イオンはガス化できて高屈折率化できる金属イオンであればよく、Ｔｉイオンの他にはＴaイオンなどがある。
【００７１】
上記構成により、以下、本実施形態の層内レンズ１０９の形成方法を含む固体撮像素子１２０の製造方法について説明する。
【００７２】
図２（ａ）〜図４（ｆ）はそれぞれ、図１の固体撮像素子１２０の製造方法を説明するための各工程における要部縦断面図である。なお、この場合、最終工程の図４（ｆ）と図１とが対応している。
【００７３】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基体（例えばシリコン基板）１００内の各画素部毎に半導体センサ部として受光部１０１を形成し、この受光部１０１は、読み出しゲート部１０２およびＣＣＤ転送チャネル１０３とこの順に並んで形成する。さらに、受光部１０１以外の半導体基体（例えばシリコン基板）１００上、即ち読み出しゲート部１０２およびＣＣＤ転送チャネル１０３上にゲート絶縁膜１０４を形成する。
【００７４】
ゲート絶縁膜１０４は、例えばＳｉＯ２の単層膜（ＭＯＳ構造）またはＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）からなっている。このゲート絶縁膜１０４の厚さは、ＳｉＯ２の単層膜（ＭＯＳ構造）の場合、例えば５０〜６０ｎｍが好適であり、ＳｉＯ２／ＳｉＮ／ＳｉＯ２の三層膜（ＭＯＮＯＳ構造）の場合、例えばＳｉＯ２：１０ｎｍ／ＳｉＮ：４０ｎｍ／ＳｉＯ２：３０ｎｍ（上層から下層への順の各層の厚さ）が好適であるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００７５】
その後、ＣＣＤ転送チャネル１０３の転送領域上に対応するように転送電極１０５を形成する。２層のうちの例えば第１層目のポリシリコンからなる転送電極１０５をゲート絶縁膜１０４上に成膜し、既知のアライメント方法でレジストパターン形成する。さらに、ドライエッチングにより所定パターンに転送電極１０５を加工する。
【００７６】
さらに、転送電極１０５上に層間絶縁膜１０６を形成し、さらにこの上にタングステン膜からなる遮光膜１０７を成膜する。この遮光膜１０７に、受光部２０１上を開口する開口部１０７ａをパターン形成する。
【００７７】
次に、図２（ｂ）に示すように、所定パターン（開口部１０７ａ）にパターニングされた遮光膜１０７上に、リフローにより形成した膜、例えばＢＰＳＧ膜やＨＤＰ（高密度プラズマ）ＣＶＤ法によって形成した膜により第１平坦化層１０８を成膜し、第１平坦化層１０８の表面の平坦化を行う。この平坦化はリフローによる方法や研磨により行う。
【００７８】
図３（ｃ）に示すように、平坦化された層間膜（第１平坦化層１０８）上でレンズ形成領域（開口部１１３ａに対応するイオン注入領域）に対応するレジストパターンに既知の手法でレジストマスク１１３を加工する。
【００７９】
このレジストマスク１１３として、複数の受光部１０１を含む素子上（周辺部を除く部分上）には、所定形状にパターニングされたシリコンナイトライド膜が形成されている。レジストマスク１１３は、例えばプラズマシリコンナイトライドまたはＵＶシリコンナイトライド膜（厚さ例えば２０〜５０ｎｍが好適であるが、特に３０ｎｍが好適である。）で構成されている。
【００８０】
その後、図３（ｄ）に示すように、このレジストマスク１１３を用いて、例えばＴｉイオンを層間膜（第１平坦化層１０８）のレンズ形成領域（開口部１１３ａに対応するイオン注入領域）中に注入する場合には、ＴｉＣｌ４などのＴｉを含有するガスを用いてＴｉイオンを、各開口部１１３ａをそれぞれ通して層間膜の各レンズ形成領域中へそれぞれ注入する。このとき、レジスト膜厚、レジストパターンサイズ、金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度については受光部１０１の大きさおよび、オンチップマイクロレンズ１１２と半導体基体（例えばシリコン基板）１００間の距離に応じて適宜最適値が異なるため調整が必要となる。本実施形態では、平坦化された層間膜（第１平坦化層１０８）中に金属イオンを注入する際に、レジスト膜厚、レジストパターンサイズ、金属イオンの注入量、注入エネルギーおよび注入角度を変更することにより、下に凸型の任意の厚さかつ屈折率を有する層内レンズ１０９を形成することが可能となる。
【００８１】
図４（ｅ）に示すように、第１平坦化層１０８のレンズ形成領域への金属イオンの注入後、レジストマスク１１３をＯ2プラズマにて除去する。このとき、層間膜（第１平坦化層１０８）中には、金属イオンが注入されたレンズ形成領域のみ、屈折率が高くなっており、下にのみ凸形状の層内レンズ１０９（層内マイクロレンズ）が形成されたのと同様の高屈折率状態になっている。
【００８２】
さらに、図４（ｆ）に示すように、層内レンズ１０９が形成された第１平坦化層１０８上に、周囲のアルミニュウム配線平坦化用の第２平坦化層１１０、カラーフィルタ１１１さらにオンチップマイクロレンズ１１２をこの順に順次形成して本実施形態のＣＣＤ固体撮像素子１２０を形成する。
【００８３】
以上により、本実施形態によれば、層内レンズ１０９を、平坦化された層間膜の第１平坦化層１０８中に形成することによって、シリコン基板とオンチップマイクロレンズ１１２間の距離はばらつきなく全く変動させずに、ＣＣＤ固体撮像素子１２０を形成することができる。したがって、従来のように層内レンズを上に凸形状にした場合に比べて、層内レンズの凸形状の高さ分だけオンチップマイクロレンズ１１２と受光部１０１（シリコン基板）との距離を低減することができて、ＣＣＤ固体撮像素子１２０の感度を向上させることができる。
【００８４】
また、金属イオン注入時、レジストマスク１１３のレジスト膜厚、レジストパターンサイズ、金属イオンのイオン注入量、イオン注入エネルギーおよび注入角度を変更することによって、層内レンズ１０９の厚さおよび屈折率を任意に変更することが可能となり、これにより、入射光の焦点距離の範囲を広げることができる。これにより、層内レンズ１０９の焦点距離を、より広い範囲において所望の焦点距離に調節することができる。しかも、オンチップレンズ１１２と受光部１０１（シリコン基板）との距離およびそのばらつきは変動させないで形成が可能である。したがって、多様な寸法のユニットセルサイズを有するＣＣＤ固体撮像素子に対して、感度向上を図ることができ、微細化技術の適用によりユニットセルサイズの縮小にも感度低下をもたらさずに対応できる。
【００８５】
なお、本実施形態においては、本発明の層内レンズ１０９およびその形成方法はＣＣＤ固体撮像素子１２０に適用して説明したが、これに限らず、本発明の層内レンズ１０９およびその形成方法は、ＭＯＳ型撮像素子などの他の固体撮像素子や、液晶表示素子についても適用することができ、上述の実施形態と同様のレンズ形成方法で所望の厚さの層内レンズ１０９を得ることができる。したがって、上述の素子において本発明の層内レンズ１０９の形成方法を適用することにより、感度や層内レンズ１０９の焦点距離を広範囲に適宜調節して素子の特性の最適化を図ることができる。
【００８６】
また、上記実施形態では、層内レンズ１０９は、第１平坦化層１０８中に、金属イオンを注入することによりそのイオン注入領域を高屈折率化して、下にのみ凸形状に形成したが、これに限らず、層内レンズ１０９は、第１平坦化層１０８中に下にのみ凸形状に形成されていればよい。
【００８７】
さらに、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記層内レンズ１０９を液晶表示素子などの電子情報装置に用いることができる。また、上記固体撮像素子１２０からの撮像信号を用いて表示部に画像表示可能とするデジタルカメラなどの電子情報装置を容易に得ることができる。さらに、上記固体撮像素子１２０からの撮像信号を通信する通信部や、この撮像信号をメモリするメモリ部を持つカメラ付き携帯電話装置などの電子情報装置を容易に得ることができる。
【００８８】
以上のように、本発明の好ましい実施形態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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型やＣＭＯＳ型のイメージャーなどの固体撮像素子、これを用いたカメラ付き携帯電話装置やデジタルカメラなどの電子情報装置、積層構造内部に用いて好適な層内レンズ、この形成方法およびこれを用いた固体撮像素子の製造方法の分野において、多様な寸法のユニットセルサイズを有する固体撮像素子に対して、感度向上を図ることができ、かつ、微細化技術の適用によりユニットセルサイズの縮小にも感度低下をもたらすことなく対応できる。また、液晶表示素子などにおいて、感度や層内レンズの焦点距離を広範囲に調節して特性の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の要部構成例を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は図１の本実施形態の固体撮像素子を製造するための各工程（その１）を示す縦断面図である。
【図３】（ｃ）および（ｄ）は図１の本実施形態の固体撮像素子を製造するための各工程（その2）を示す縦断面図である。
【図４】（ｅ）および（ｆ）は図１の本実施形態の固体撮像素子を製造するための各工程（その３）を示す縦断面図である。
【図５】従来技術１の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【図６】従来技術２の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１００  半導体基体（シリコン基板）
１０１  受光部（センサ部）
１０２  読み出しゲート部
１０３  ＣＣＤ転送チャネル
１０４  絶縁膜
１０５  転送電極
１０６  層間絶縁膜
１０７  遮光膜
１０７ａ  開口部
１０８  第１平坦化層
１０９  層内レンズ
１１０  第２平坦化層
１１１  カラーフィルタ
１１２  オンチップマイクロレンズ
１１３  レジストマスク
１１３ａ  開口部
１２０  ＣＣＤ固体撮像素子
【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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