(57)【要約】【課題】下凸層内レンズを反射防止膜に接触させることなく受光素子に可能な限り近づける。【解決手段】半導体基板１１上に、垂直転送電極１９ａ，１９ｂ及びゲート絶縁膜２５を覆うＳｉＮからなる反射防止膜２６を形成する。反射防止膜２６上でかつ受光素子１２の直上位置にＳｉＯ２  からなるスペーサ膜２８を形成する。スペーサ膜２８上に、ＢＰＳＧからなる凹型絶縁膜２９を形成する。凹型絶縁膜２９により形成される曲面状凹部２９ａにＳｉＮを埋め込んで下凸層内レンズ３０を形成する。反射防止膜２６と下凸層内レンズ３０との間にスペーサ膜２８を形成することで両者を接触させることなく、下凸層内レンズ３０を受光素子１２に近づけることができる。【選択図】図２
2011233770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に、光入射面がそれぞれ側壁で囲まれた底部に位置するように一定パターンで多数の光電変換素子を形成する素子形成工程と、
前記光入射面を透明な反射防止膜で覆う反射防止膜形成工程と、
前記反射防止膜の表面を透明なスペーサ膜で覆うスペーサ膜形成工程と、
前記スペーサ膜及び前記側壁の表面を覆うように透明で加熱流動性をもつリフロー膜を形成するリフロー膜形成工程と、
前記リフロー膜のうち前記スペーサ膜の表面を覆う部分を除去又は薄膜化し、前記側壁の表面を覆う部分を残すようにエッチングするエッチング工程と、
加熱処理により前記側壁の表面に残されたリフロー膜を流動化してリフロー膜の一部を前記スペーサ膜の表面に流下させ、前記側壁から前記スペーサ膜に向かってリフロー膜の表面が下凸曲面状となるように整形するリフロー工程と、
前記リフロー膜で囲まれた凹部内に透明なレンズ材料を充填して下凸形状の層内レンズを形成するレンズ形成工程と、
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
前記スペーサ膜形成工程と前記リフロー膜形成工程との間に、前記スペーサ膜上に光透過性のエッチングストッパ膜を形成するエッチングストッパ膜形成工程を有し、
前記エッチング工程では、前記エッチングストッパ膜が露出するまで前記リフロー膜をエッチングすることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
前記エッチングストッパ膜形成工程では、前記エッチングストッパ膜を、前記スペーサ膜上の略中央部に島状に形成することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
前記エッチングストッパ膜形成工程では、前記エッチングストッパ膜を、前記スペーサ膜上の略中央部に上凸形状に形成することを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記リフロー膜形成工程では、屈折率の異なる２種類の前記リフロー膜の積層体を形成することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記２種類の前記リフロー膜は、濃度が異なる同じ種類の材料で形成されることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項７】
前記リフロー膜形成工程では、前記積層体を構成する前記リフロー膜のうち、屈折率の低い第１リフロー膜を前記半導体基板上に形成した後、前記第１リフロー膜上に屈折率の高い第２リフロー膜を形成し、
前記エッチング工程では、前記第２リフロー膜のうち前記スペーサ膜の表面上の部分は除去するとともに、前記側壁の表面上の部分は残し、かつ前記第１リフロー膜の前記スペーサ膜の表面上の部分を除去または薄膜化するようにエッチングを行い、
前記リフロー工程では、加熱処理により前記側壁の表面上に残された前記第２リフロー膜を流動化してその一部を前記スペーサ膜の表面に流下させ、前記第２リフロー膜の表面が下凸曲面状となるように整形することを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記エッチング工程では、前記リフロー膜を、前記半導体基板に対して略垂直方向に異方性エッチングすることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記リフロー工程では、ラピッドサーマルアニール法による加熱処理を実施することを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
前記反射防止膜形成工程と前記リフロー膜形成工程との間に、前記光電変換素子の直上位置に開口部を有し、当該開口部外の領域を遮光する遮光膜を形成する遮光膜形成工程を有することを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項記載の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、層内レンズを有する固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラには、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子が組み込まれている。これらの固体撮像素子には、２次元状に配列された多数の受光素子が形成されている。このような固体撮像素子では、画素の微細化に伴い受光素子の開口面積が縮小されるため、その分、感度が低下するといった問題がある。
【０００３】
そこで、被写体からの光を受光素子に効率よく集光するため、各受光素子の直上位置にマイクロレンズが形成されている。また、各マイクロレンズと各受光素子との間に、集光効率を高めるための下凸形状のレンズ、いわゆる下凸層内レンズが形成されている（特許文献１及び２参照）。さらに、特許文献２の固体撮像素子では、受光素子と下凸層内レンズの間に反射防止膜を形成して、下凸層内レンズから出射する光の受光素子への入射光率を高めている。
【０００４】
このような固体撮像素子は、特許文献２に記載のように、半導体基板の受光素子上に反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程と、この反射防止膜を覆いかつ受光素子の直上位置に凹部を有するＢＰＳＧ膜を形成するＢＰＳＧ膜形成工程と、加熱により凹部を下凸曲面状に形成する加熱工程と、この凹部内に窒化シリコン等を堆積させて下凸層内レンズを形成するレンズ形成工程とを経て形成される。
【０００５】
この際に、下凸層内レンズと受光素子との距離が短いほど、下凸層内レンズにより集光された光が受光素子以外の電荷転送路等に入射し難くなるため、スミアの発生がより減少する。このため、特許文献２では、ＢＰＳＧ膜形成ステップと加熱ステップとの間で、反射防止膜が露出するまでＢＰＳＧ膜に対してエッチング処理を施すことにより、下凸層内レンズを受光素子に近づけている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２１４３７４号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２の固体撮像素子では、窒化シリコンからなる下凸層内レンズの下端が同じく窒化シリコンからなる反射防止層に接触するため、この場合には、両者があたかも一体化して下凸層内レンズの形状が変化したのと同じ状態になる。その結果、下凸層内レンズの集光効率が大幅に低下するので、固体撮像素子の感度を高くすることができない。
【０００８】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、下凸層内レンズを反射防止膜に接触させることなく受光素子に可能な限り近づけられるようにし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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板の表面に、光入射面がそれぞれ側壁で囲まれた底部に位置するように一定パターンで多数の光電変換素子を形成する素子形成工程と、前記光入射面を透明な反射防止膜で覆う反射防止膜形成工程と、前記反射防止膜の表面を透明なスペーサ膜で覆うスペーサ膜形成工程と、前記スペーサ膜及び前記側壁の表面を覆うように透明で加熱流動性をもつリフロー膜を形成するリフロー膜形成工程と、前記リフロー膜のうち前記スペーサ膜の表面を覆う部分を除去又は薄膜化し、前記側壁の表面を覆う部分を残すようにエッチングするエッチング工程と、加熱処理により前記側壁の表面に残されたリフロー膜を流動化してリフロー膜の一部を前記スペーサ膜の表面に流下させ、前記側壁から前記スペーサ膜に向かってリフロー膜の表面が下凸曲面状となるように整形するリフロー工程と、前記リフロー膜で囲まれた凹部内に透明なレンズ材料を充填して下凸形状の層内レンズを形成するレンズ形成工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
前記スペーサ膜形成工程と前記リフロー膜形成工程との間に、前記スペーサ膜上に光透過性のエッチングストッパ膜を形成するエッチングストッパ膜形成工程を有し、前記エッチング工程では、前記エッチングストッパ膜が露出するまで前記リフロー膜をエッチングすることが好ましい。
【００１１】
前記エッチングストッパ膜形成工程では、前記エッチングストッパ膜を、前記スペーサ膜上の略中央部に島状に形成することが好ましい。また、前記エッチングストッパ膜形成工程では、前記エッチングストッパ膜を、前記スペーサ膜上の略中央部に上凸形状に形成すること好ましい。
【００１２】
前記リフロー膜形成工程では、屈折率の異なる２種類の前記リフロー膜の積層体を形成することが好ましい。前記２種類の前記リフロー膜は、濃度が異なる同じ種類の材料で形成されることが好ましい。
【００１３】
前記リフロー膜形成工程では、前記積層体を構成する前記リフロー膜のうち、屈折率の低い第１リフロー膜を前記半導体基板上に形成した後、前記第１リフロー膜上に屈折率の高い第２リフロー膜を形成し、前記エッチング工程では、前記第２リフロー膜のうち前記スペーサ膜の表面上の部分は除去するとともに、前記側壁の表面上の部分は残し、かつ前記第１リフロー膜の前記スペーサ膜の表面上の部分を除去または薄膜化するようにエッチングを行い、前記リフロー工程では、加熱処理により前記側壁の表面上に残された前記第２リフロー膜を流動化してその一部を前記スペーサ膜の表面に流下させ、前記第２リフロー膜の表面が下凸曲面状となるように整形することが好ましい。
【００１４】
前記エッチング工程では、前記リフロー膜を、前記半導体基板に対して略垂直方向に異方性エッチングすることが好ましい。前記リフロー工程では、ラピッドサーマルアニール法による加熱処理を実施することが好ましい。
【００１５】
前記反射防止膜形成工程と前記リフロー膜形成工程との間に、前記光電変換素子の直上位置に開口部を有し、当該開口部外の領域を遮光する遮光膜を形成する遮光膜形成工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、光電変換素子の直上位置に設けられた反射防止膜と層内レンズとの間にスペーサ膜を形成したので、反射防止膜と層内レンズとの接触を防止しつつ、この層内レンズを受光素子に近い位置に形成することができる。これにより、層内レンズの集光効率を高められる。その結果、画素の微細化に伴い光電変換素子の開口面積が縮小した場合でも、固体撮像素子の感度の低下が防止される。
【００１７】
また、本発明によれば、スペーサ膜上にエッチングストッパ膜を形成して、スペーサ膜のエッチングを防止するようにしたので、層内レンズの形状や形成位置にばらつきが生じることが防止される。さらに、エッチングストッパ膜を島状に形成することで、エッチングストッパ膜の端部とスペーサ膜との段差によりリフロー膜材料の流下量が制限されて、曲面状凹部の底部の形状のばらつきが低減される。その結果、層内レンズの底部の形状のばらつきが低減される。エッチングストッパ膜を上凸形状に形成することで、曲面状凹部のアスペクト比を低くすることができる。その結果、この曲面状凹部にレンズ材料を埋め込む際にボイドが発生することが防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＣＣＤ型イメージセンサの平面模式図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】第１実施形態のＣＣＤ製造工程のフローチャートである。
【図４】受光素子・垂直転送路形成工程、ゲート絶縁膜形成工程、転送電極形成工程、反射防止膜形成工程を説明するための説明図である。
【図５】スペーサ膜形成工程を説明するための説明図である。
【図６】遮光膜形成工程を説明するための説明図である。
【図７】ＢＰＳＧ膜形成工程を説明するための説明図である。
【図８】異方性エッチング処理工程を説明するための説明図である。
【図９】リフロー工程を説明するための説明図である。
【図１０】下凸層内レンズ形成工程を説明するための説明図である。
【図１１】第２実施形態のＣＣＤ製造工程のフローチャートである。
【図１２】エッチングストッパ膜形成工程を説明するための説明図である。
【図１３】第２実施形態の異方性エッチング処理工程を説明するための説明図である。
【図１４】第２実施形態のリフロー工程を説明するための説明図である。
【図１５】第２実施形態のＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図１６】曲面状凹部の底部が狭く形成されたＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図１７】曲面状凹部の底部が広く形成されたＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図１８】第３実施形態のエッチングストッパ膜形成工程を説明するための説明図である。
【図１９】第３実施形態のリフロー工程を説明するための説明図である。
【図２０】第３実施形態のＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図２１】下凸層内レンズ内にボイドが形成されたＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図２２】第４実施形態のエッチングストッパ膜形成工程を説明するための説明図である。
【図２３】第４実施形態のリフロー工程を説明するための説明図である。
【図２４】第４実施形態のＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図２５】第５実施形態のＢＰＳＧ膜形成工程を説明するための説明図である。
【図２６】第５実施形態の異方性エッチング処理工程を説明するための説明図である。
【図２７】第５実施形態のリフロー工程を説明するための説明図である。
【図２８】第５実施形態のＣＣＤ型イメージセンサの断面図である。
【図２９】第３実施形態のエッチングストッパ膜形成工程における、他のエッチング方法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の固体撮像素子に相当するＣＣＤ型イメージセンサ（以下、単にＣＣＤという）１０は、半導体基板１１（図２参照）上に２次元配列され、被写体光を光電変換して電荷を発生する複数の受光素子（光電変換素子）１２と、複数の受光素子１２の各々で発生した電荷を図中垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）１３と、各ＶＣＣＤ１３の端部に接続され、ＶＣＣＤ１３の各々を転送されてきた電荷を、図中水平方向に転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）１４と、ＨＣＣＤ１４から転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力部１５とを備えている。
【００２０】
受光素子１２は、いわゆるハニカム配列に並べられている。受光素子１２の１列ごとに１つのＶＣＣＤ１３が設けられている。受光素子１２の各列とそれに対応するＶＣＣＤ１３の垂直転送路１８（図２参照）との間には、図中に矢印で模式的に示した電荷読み出しゲートが形成されている。露光期間中に各受光素子１２で発生して蓄積された信号電荷は、電荷読み出しゲートを介して、垂直転送路１８に読み出される。
【００２１】
垂直転送路１８は、半導体基板１１の表層に、受光素子１２の間を通るように蛇行して形成されている。半導体基板１１の表面上には垂直転送電極１９が設けられている。垂直転送電極１９は、垂直転送路１８を図中水平方向に横切り、かつ受光素子１２を避けるように蛇行した第１垂直転送電極１９ａ及び第２垂直転送電極１９ｂが図中垂直方向に交互に配列されてなる。ＶＣＣＤ１３は、８列ごとの各垂直転送電極１９ａ，１９ｂにそれぞれ印加される８相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ８によって転送駆動される。
【００２２】
ＨＣＣＤ１４は、水平転送路（図示せず）とその上に設けられた複数の水平転送電極（図示せず）とで構成される。ＨＣＣＤ１４は、水平転送電極に印加される２相の水平転送パルスφＨ１，φＨ２によって２相駆動される。ＨＣＣＤ１４の端部に接続される出力部１５は、電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン部と、ソースフォロア回路とからなるＦＤアンプにより構成されている。
【００２３】
図１のＩＩ−ＩＩ線の断面を示す図２において、ｎ型シリコンからなる半導体基板１１の表層にはｐ型ウェル層２１が形成されている。なお、図２以降では、ＣＣＤ１０の各部を明確にするため、各部の相互の厚みや幅の比率は無視して一部誇張している。
【００２４】
ｐ型ウェル層２１内には、ｎ型層からなる受光素子１２が形成されている。受光素子１２の一方の側方には、ｐ型ウェル層２１の表層部からなる読み出しゲート２２を介して、ｎ型層からなる垂直転送路１８が形成されている。受光素子１２の他方の側方には、ｐ＋  型層からなるチャネルストップ２３を介して隣接画素に属する垂直転送路１８が形成されている。
【００２５】
半導体基板１１の表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）等からなる光透過性のゲート絶縁膜２５が形成されている。このゲート絶縁膜２５上には、垂直転送路１８、読み出しゲート２２、及びチャネルストップ２３の略直上を覆うように、ポリシリコンからなる第１及び第２垂直転送電極１９ａ，１９ｂが形成されている。各垂直転送電極１９ａ，１９ｂは垂直転送路１８を駆動して電荷転送を行わせる駆動電極として機能し、さらに第１垂直転送電極１９ａは読み出しゲート２２を駆動して電荷読み出しを行わせる読出し電極としても機能する。
【００２６】
半導体基板１１上には、各垂直転送電極１９ａ，１９ｂ及びゲート絶縁膜２５を覆うように、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる光透過性の反射防止膜２６が形成されている。この反射防止膜２６上には、各垂直転送電極１９ａ，１９ｂ上を覆うようにタングステンなどの金属材料からなる遮光膜２７が形成されている。遮光膜２７は、受光素子１２の直上位置に開口部２７ａを有し、それ以外の領域を遮光している。
【００２７】
開口部２７ａから露呈した反射防止膜２６上には、スペーサ膜２８と、凹型絶縁膜２９と、下凸形状の層内レンズ（以下、単に下凸層内レンズという）３０と、上凸形状の層内レンズ（以下、単に上凸層内レンズという）３１とが形成されている。
【００２８】
スペーサ膜２８は、光透過性を有するＳｉＯ２  からなり、反射防止膜２６上に形成されている。このスペーサ膜２８は、反射防止膜２６と下凸層内レンズ３０との接触を防止するとともに、下凸層内レンズ３０と受光素子１２との距離を決定する。
【００２９】
凹型絶縁膜２９は、光透過性及び加熱流動性を有するＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）からなり、スペーサ膜２８上に形成されている。凹型絶縁膜２９は、その上面側に、本発明の凹部に相当する下凸曲面形状の凹部（以下、曲面状凹部という、図９参照）２９ａを形成している。
【００３０】
下凸層内レンズ３０は、曲面状凹部２９ａ内に堆積されたＳｉＮ（レンズ材料）により形成される。上凸層内レンズ３１もＳｉＮからなり、下凸層内レンズ３０の上方に形成されている。なお、上凸層内レンズ３１上には、周知の透光性の平坦化膜Ｈ、カラーフィルタＣ、マイロレンズＭが形成されている。
【００３１】
マイクロレンズＭに入射した入射光は、上凸層内レンズ３１によって集光されて開口部２７ａに導かれ、さらに下凸層内レンズ３０によって集光されることで、効率よく受光素子１２によって受光される。
【００３２】
次に、図３を用いて上記構成のＣＣＤ１０を製造するＣＣＤ製造工程３３の一例について説明を行う。ＣＣＤ製造工程３３では、受光素子・垂直転送路形成工程３４と、ゲート絶縁膜形成工程３５と、転送電極形成工程３６と、反射防止膜形成工程３７と、スペーサ膜形成工程３８と、遮光膜形成工程３９と、ＢＰＳＧ膜形成工程４０と、異方性エッチング工程４１と、リフロー工程４２と、下凸層内レンズ形成工程４３と、上凸層内レンズ形成工程４４とが順に実行される。なお、平坦化膜Ｈ、カラーフィルタＣ、及びマイクロレンズＭの各形成工程の図示は省略している。
【００３３】
図４に示すように、受光素子・垂直転送路形成工程３４では、半導体基板１１内にｐ型及びｎ型イオンをそれぞれ注入することにより、前述の受光素子１２、垂直転送路１８、ｐ型ウェル層２１、読み出しゲート２２、チャネルストップ２３等を形成する。次いで、ゲート絶縁膜形成工程３５では、周知のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて、半導体基板１１上にＳｉＯ２  からなるゲート絶縁膜２５を形成する。
【００３４】
転送電極形成工程３６では、ＣＶＤ装置を用いてゲート絶縁膜２５上にポリシリコン膜を形成した後、例えばフォトリソグラフィー法を用いてポリシリコン膜をパターニングする。このパターニング処理は、例えば、塗布法等を用いてゲート絶縁膜２５上にレジスト膜を形成する処理と、このレジスト膜をパターニングして転送電極形成領域以外のレジスト膜を除去する処理と、残ったレジスト膜をマスクとしてポリシリコン膜をエッチングする処理とからなる。これにより、読み出しゲート２２や垂直転送路１８の略直上位置に、第１及び第２垂直転送電極１９ａ，１９ｂが形成される。
【００３５】
次いで、反射防止膜形成工程３７では、ＣＶＤ装置を用いて、半導体基板１１上に、垂直転送電極１９ａ，１９ｂ及びゲート絶縁膜２５を覆うＳｉＮからなる反射防止膜２６を形成する。これにより、受光素子１２の光入射面が反射防止膜２６で覆われる。
【００３６】
図５に示すように、スペーサ膜形成工程３８では、ＣＶＤ装置を用いて反射防止膜２６上にＳｉＯ２  からなるスペーサ膜２８を形成する。次いで、例えばフォトリソグラフィー法を用いてスペーサ膜２８をパターニングする。具体的には、反射防止膜２６上にレジスト膜を形成し、さらにレジスト膜をパターニングして受光素子１２の直上位置以外のレジスト膜を除去した後、このレジスト膜をマスクとしてスペーサ膜２８をエッチングする。これにより、反射防止膜２６上でかつ受光素子１２の直上位置に、スペーサ膜２８が形成される。
【００３７】
図６に示すように、遮光膜形成工程３９では、ＣＶＤ装置を用いて反射防止膜２６及びスペーサ膜２８上にタングステンからなる遮光膜２７を形成する。次いで、例えばフォトリソグラフィー法を用いて遮光膜２７をパターニングして、受光素子１２の直上位置にある遮光膜２７を除去する。これにより、遮光膜２７に前述の開口部２７ａが形成される。
【００３８】
図７に示すように、ＢＰＳＧ膜形成工程４０では、ＣＶＤ装置を用いて遮光膜２７及びスペーサ膜２８上にＢＰＳＧ膜（リフロー膜）４６を形成する。ＢＰＳＧ膜４６は、各垂直転送電極１９ａ，１９ｂとゲート絶縁膜２５との段差により断面が凹凸形状に形成される。これにより、ＢＰＳＧ膜４６には、受光素子１２の直上位置にＢＰＳＧ凹部４７が形成される。なお、ＢＰＳＧ凹部４７のアスペクト比（ＢＰＳＧ凹部４７の深さと開口径の比）が高い場合には、スペーサ膜２８の表面を覆う部分（以下、底部という）の厚みが、各垂直転送電極１９ａ，１９ｂの側面上の部分（以下、側壁部という）の厚みよりも薄く形成される。
【００３９】
図８（Ａ）に示すように、異方性エッチング工程４１では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング装置を用いて、ＢＰＳＧ膜４６を、半導体基板１１に対して略垂直方向に異方性エッチングする。この異方性エッチングは、例えば、ＳｉＮ及びＳｉＯ２  よりもＢＰＳＧを高選択比でエッチング可能な各種プラズマガスを用いて実施される。
【００４０】
異方性エッチングにより、遮光膜２７上のＢＰＳＧ膜４６、及びＢＰＳＧ凹部４７の側壁部４７ａと底部４７ｂを構成するＢＰＳＧ膜４６がエッチングされる。また、図中では、側壁部４７ａが半導体基板１１に対して略垂直に形成されているが、実際には各垂直転送電極１９ａ，１９ｂ側に傾斜するので、この側壁部４７ａの内面もエッチングされる。
【００４１】
図８（Ｂ）に示すように、異方性エッチングは、少なくとも底部４７ｂが除去されて、スペーサ膜２８が露出するまで継続する。上述したように、底部４７ｂの厚みが側壁部４７ａの厚みよりも薄く形成されているので、底部４７ｂが除去されたときでも側壁部４７ａは残っている。このように異方性エッチングを行う場合には、側壁部４７ａをレジスト膜で保護しなくとも側壁部４７ａを残すことができるので、レジスト膜の塗布・パターニング・剥離等の各工程が不要となり、製造工程数を減らすことができる。なお、図中では遮光膜２７上のＢＰＳＧ膜４６が除去されるまで異方性エッチングが行われているが、底部４７ｂが除去された段階で異方性エッチングを停止してもよい。
【００４２】
図９に示すように、リフロー工程４２では、半導体基板１１に対して、ラピッドサーマルアニール法による加熱処理（以下、単にＲＴＡ処理）を施す。このＲＴＡ処理は、温度を数秒間でＢＰＳＧ膜４６が流動化する程度（例えば７００℃）まで上昇させた後、すぐに温度を下げる処理である。これにより、側壁部４７ａを構成するＢＰＳＧ膜４６が流動化して、その一部がスペーサ膜２８上に流下して固化する。こうして、ＢＰＳＧ膜４６の表面が各垂直転送電極１９ａ，１９ｂの側壁からスペーサ膜２８に向かって下凸曲面形状になるように整形され、スペーサ膜２８上に上述の凹型絶縁膜２９が形成される。また、この凹型絶縁膜２９により下凸層内レンズ３０の型となる曲面状凹部２９ａが形成される。なお、凹型絶縁膜２９の底部の一部にスペーサ膜２８が露出していてもよい。
【００４３】
この際に、リフロー工程４２前に予め異方性エッチングを行って側壁部４７ａの厚みを薄くしているので、スペーサ膜２８上に流下するＢＰＳＧの量を減らすことができる。このため、スペーサ膜２８上に流下するＢＰＳＧの量が抑制される。その結果、受光素子１２の直上の空間を最大限に利用した下凸層内レンズ３０を形成することができ、さらにその形状を安定させることができる。また、加熱処理としてＲＴＡ処理を行うことで、温度の制御性がよくなり、凹型絶縁膜２９の形状のばらつきが抑えられるので、下凸層内レンズ３０の形状のばらつきが抑えられる。
【００４４】
図１０に示すように、下凸層内レンズ形成工程４３では、ＣＶＤ装置を用いて、曲面状凹部２９ａを埋めるように半導体基板１１上にＳｉＮ膜（レンズ材料膜）４９を形成する。これにより、曲面状凹部２９ａ内にその内面を型として下凸層内レンズ３０が形成される。
【００４５】
予め反射防止膜２６上に、下凸層内レンズ３０とは異なる材料でスペーサ膜２８を形成しておき、このスペーサ膜２８上に下凸層内レンズ３０を形成するので、ＳｉＮで形成されている反射防止膜２６と下凸層内レンズ３０の接触を防止することができる。また、スペーサ膜２８の厚みを調整することで、下凸層内レンズ３０と受光素子１２との距離を調整することができる。その結果、下凸層内レンズ３０を反射防止膜２６に接触させることなく受光素子１２に可能な限り近づけられるので、下凸層内レンズ３０の集光効率を高められる。その結果、画素の微細化に伴い受光素子１２の開口面積が縮小した場合でも、固体撮像素子１０の感度の低下が防止される。
【００４６】
また、下凸層内レンズ３０の下端は、リフロー工程４２時のＢＰＳＧの流れ込み量に応じてスペーサ膜２８と接触する位置、あるいは近接する位置に形成されるので、下凸層内レンズ３０の基板垂直方向の形成位置（以下、単に下凸層内レンズ３０の形成位置という）のばらつきが低減される。
【００４７】
上凸層内レンズ形成工程４４では、ＳｉＮ膜４９に対して例えばエッチング処理や加熱処理等の種々の処理を施すことにより、受光素子１２の直上位置に上凸層内レンズ３１を形成する。この際に、必要に応じてＳｉＮ膜４９上にさらにＳｉＮ膜を形成してから、エッチング処理等を施してもよい。なお、上凸層内レンズ３１の形成方法は特に限定されず、公知の各種方法で形成してよい。この上凸層内レンズ３１の形成後、平坦化膜Ｈ、カラーフィルタＣ、マイクロレンズＭ等が形成される。以上でＣＣＤ製造工程３３の全工程が終了し、前述の図２に示したＣＣＤ１０が得られる。
【００４８】
［第２実施形態］
次に、図１１を用いて本発明の第２実施形態のＣＣＤ製造工程５１について説明を行う。上記第１実施形態の異方性エッチング工程４１では、少なくともスペーサ膜２８が露出するまで異方性エッチングを継続するため、スペーサ膜２８がオーバエッチングにより削られてしまい、曲面状凹部２９ａ及び下凸層内レンズ３０の形状や形成位置にばらつきが生じるおそれがある。このため、第２実施形態では、スペーサ膜２８のエッチングを防止する。
【００４９】
ＣＣＤ製造工程５１は、遮光膜形成工程３９とＢＰＳＧ膜形成工程４０との間で、エッチングストッパ膜形成工程５２を実施する点を除けば、基本的には、上記第１実施形態のＣＣＤ製造工程３３と同じである。なお、上記第１実施形態と機能・構成上同一のものについては、同一符号を付してその説明は省略する（第３実施形態以降も同様）。
【００５０】
図１２（Ａ）に示すように、エッチングストッパ膜形成工程５２は、ＣＶＤ装置を用いて、遮光膜２７やスペーサ膜２８上を覆うようにエッチングストッパ膜５４を形成する。このエッチングストッパ膜５４は、下凸層内レンズ３０とは異なる光透過性の材料で、かつＢＰＳＧよりもエッチング耐性の高い材料で形成される。また、エッチングストッパ膜５４ａの厚みは、下凸層内レンズ３０の形状・形成位置に影響が及ばない程度の厚みで形成される。
【００５１】
次いで、例えばフォトリソグラフィー法を用いてエッチングストッパ膜５４ａをパターニングして、遮光膜２７の開口部２７ａの底部以外にあるエッチングストッパ膜５４ａを除去する。これにより、図１２（Ｂ）に示すように、スペーサ膜２８上にエッチングストッパ膜５４ａが形成される。この形成後、ＢＰＳＧ膜形成工程４０が実施されて遮光膜２７及びエッチングストッパ膜５４ａ上にＢＰＳＧ凹部４７を有するＢＰＳＧ膜４６が形成される。
【００５２】
次いで、図１３に示すように、異方性エッチング工程４１が実施されて、エッチングストッパ膜５４ａ及び各垂直転送電極１９ａ，１９ｂ上の遮光膜２７が露出するまでＢＰＳＧ膜４６が異方性エッチングされる。これにより、ＢＰＳＧ凹部４７の側壁部４７ａを構成するＢＰＳＧ膜４６を残して、他のＢＰＳＧ膜４６が除去される。スペーサ膜２８は、エッチングストッパ膜５４ａにより保護されるのでエッチングされない。
【００５３】
図１４に示すように、リフロー工程４２が実施されると、曲面状凹部２９ａを形成する凹型絶縁膜２９がエッチングストッパ膜５４ａ上に形成される。以下、第１実施形態と同様に、下凸層内レンズ形成工程４３以降の工程が順番に実施される。これにより、図１５に示すように、曲面状凹部２９ａにＳｉＮ膜４９が埋め込まれて、下凸層内レンズ３０が形成される。エッチングストッパ膜５４ａにより、スペーサ膜２８のエッチングが防止されるので、曲面状凹部２９ａ及び下凸層内レンズ３０の形状や形成位置のばらつきが低減される。また、エッチング時間のマージンを拡大することができる。
【００５４】
上記第２実施形態では、エッチングストッパ膜形成工程５２を、遮光膜形成工程３９とＢＰＳＧ膜形成工程４０との間で実施しているが、スペーサ膜形成工程３８とＢＰＳＧ膜形成工程４０との間で実施されればよく、例えばスペーサ膜形成工程３８と遮光膜形成工程３９との間で実施してもよい。
【００５５】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態のＣＣＤ製造工程について説明を行う。上記第２実施形態では、遮光膜２７の開口部２７ａの底部のほぼ全面にエッチングストッパ膜５４ａを形成した後、ＢＰＳＧ膜４６の形成、異方性エッチング、ＲＴＡ処理等を行っている。この際に、ＲＴＡ処理の温度やＢＰＳＧ膜４６の濃度などのばらつきによって、前述の側壁部４７ａを構成するＢＰＳＧがエッチングストッパ膜５４ａ上に流下する量にばらつきが生じる。このため、図１６及び図１７に示すように、凹型絶縁膜２９の形状にばらつきが生じ、曲面状凹部２９ａの底部が狭くなったり、あるいは広くなったりして、下凸層内レンズ３０の下端部の形状にばらつきが生じるおそれがある。
【００５６】
そこで、第３実施形態のエッチングストッパ膜形成工程では、エッチングストッパ膜の形状を変更する。なお、第３実施形態のＣＣＤ製造工程は、エッチングストッパ膜形成工程が異なる以外は、第２実施形態のＣＣＤ製造工程５１と同じである。
【００５７】
図１８に示すように、第３実施形態のエッチングストッパ膜形成工程では、例えば、ＣＶＤ法によるエッチングストッパ膜５４の形成後、フォトリソ方法によりエッチングストッパ膜５４をパターニングして、スペーサ膜２８上の略中央部に島状のエッチングストッパ膜５８を形成する。
【００５８】
次いで、異方性エッチング工程４１が実施された後、リフロー工程４２が実施されると、流動化したＢＰＳＧがエッチングストッパ膜５８に向けて流れる。このとき、図１９に示すように、エッチングストッパ膜５８の端部とスペーサ膜２８との段差によりＢＰＳＧの流れ込みが制限されるため、エッチングストッパ膜５８の端部と遮光膜２７との間の領域が流動化したＢＰＳＧで埋まる。このため、ＲＴＡ処理の温度やＢＰＳＧ膜４６の濃度などにばらつきがあっても、凹型絶縁膜２９の形状のばらつきが低減され、同時に曲面状凹部２９ａの底部の形状のばらつきも低減される。
【００５９】
以下、第１実施形態と同様に下凸層内レンズ形成工程４３以降の工程が順番に実施されて、図２０に示すように、曲面状凹部２９ａ内に下凸層内レンズ３０が形成される。曲面状凹部２９ａの底部の形状のばらつきが低減されるので、下凸層内レンズ３０の底部の形状のばらつきが低減される。また、エッチングストッパ膜５８の径や厚みを変えることで、曲面状凹部２９ａの形状を制御することができる。
【００６０】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態のＣＣＤ製造工程について説明を行う。上記第１〜第３実施形態の下凸層内レンズ形成工程４３では、ＣＶＤ法により凹型絶縁膜２９の曲面状凹部２９ａ内にＳｉＮ膜４９を埋め込むようにしている。この際に、曲面状凹部２９ａのアスペクト比が高いと、曲面状凹部２９ａの側壁部へのＳｉＮの堆積により、曲面状凹部２９ａの開口がふさがることで、図２１に示すように、下凸層内レンズ３０内にボイド６１が発生するおそれがある。
【００６１】
そこで、第４実施形態では、下凸層内レンズ３０内にボイド６１が発生しないように、エッチングストッパ膜の形状を変更する。なお、第４実施形態のＣＣＤ製造工程は、エッチングストッパ膜形成工程が異なる以外は、第２実施形態のＣＣＤ製造工程５１と同じである。
【００６２】
図２２に示すように、第４実施形態のエッチングストッパ膜形成工程では、スペーサ膜２８上の略中央部に上凸形状のエッチングストッパ膜６２を形成する。例えば、低温で流動化する材料で前述の島状のエッチングストッパ膜５８を形成した後、このエッチングストッパ膜５８を加熱処理して溶融させて、表面張力により上凸形状に形成する。なお、上記以外の方法、例えば周知のマイクロレンズＭや上凸層内レンズ３１の形成方法を用いてエッチングストッパ膜６２を形成してもよい。
【００６３】
次いで、異方性エッチング工程４１が実施された後、リフロー工程４２が実施されると、流動化したＢＰＳＧがエッチングストッパ膜６２に向けて流れる。図２３において、ＢＰＳＧは、上記第３実施形態と同じように、エッチングストッパ膜６２と遮光膜２７との間の領域に流下し、この領域を埋める。これにより、凹型絶縁膜６３が形成される。
【００６４】
曲面状凹部６３ａ内には、凹型絶縁膜６３の底部からエッチングストッパ膜６２の上端部が上方に突出している。このため、エッチングストッパ膜６２の上端部が曲面状凹部６３ａの底部となる。これにより、曲面状凹部６３ａの深さが浅くなるので、曲面状凹部６３ａのアスクペクトが低くなる。
【００６５】
以下、第１実施形態と同様に下凸層内レンズ形成工程４３以降の工程が順番に実施されて、図２４に示すように、曲面状凹部６３ａ内に下凸層内レンズ６５が形成される。低アスペクト比の曲面状凹部６３ａにＳｉＮ膜４９を埋め込むようにしたので、下凸層内レンズ６５内のボイドの発生が防止される。
【００６６】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態のＣＣＤ製造工程について説明を行う。上記第１〜第４実施形態のＢＰＳＧ膜形成工程４０では１種類のＢＰＳＧ膜４６を形成しているが、第５実施形態のＢＰＳＧ膜形成工程では２種類のＢＰＳＧ膜を形成する。なお、第５実施形態のＣＣＤ製造工程は、ＢＰＳＧ膜形成工程が異なる点を除けば第１実施形態のＣＣＤ製造工程３３と基本的に同じである。
【００６７】
図２５に示すように、第５実施形態のＢＰＳＧ膜形成工程では、ＣＶＤ装置を用いて、本発明の第１リフロー膜に相当する屈折率の低い低濃度のＢＰＳＧ膜（以下、単に低濃度ＢＰＳＧ膜という）６８と、本発明の第２リフロー膜に相当する屈折率の高い高濃度のＢＰＳＧ膜（以下、単に高濃度ＢＰＳＧ膜という）６９を形成する。最初に遮光膜２７及びスペーサ膜２８上に低濃度ＢＰＳＧ膜６８を形成した後、この低濃度ＢＰＳＧ膜６８上に高濃度ＢＰＳＧ膜６９を形成する。
【００６８】
各ＢＰＳＧ膜６８，６９には、上記第１実施形態と同様に受光素子１２の直上位置にそれぞれＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａが形成される。また、ＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａのアスペクト比が高い場合には、ＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａのそれぞれ底部の厚みがそれぞれの側壁部の厚みよりも薄く形成される。
【００６９】
図２６に示すように、異方性エッチング工程４１では、ＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａの底部が除去されてスペーサ膜２８が露出するまで、各ＢＰＳＧ膜６８，６９を異方性エッチングする。上述したように、ＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａの底部の厚みが薄く形成されており、さらに異方性エッチングではＢＰＳＧ凹部６９ａの側壁部が半導体基板１１に対して垂直方向にエッチングされるため、ＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａの底部が除去されたときでも凹部６９ａの側壁部を残すことができる。ＢＰＳＧ凹部６９ａの側壁部を残した状態で、ＢＰＳＧ凹部６８ａ，６９ａの底部を除去可能な各ＢＰＳＧ膜６８，６９の膜厚やエッチング条件は、実験や試験等により適宜決定される。
【００７０】
図２７に示すように、リフロー工程４２が実施されると、低濃度ＢＰＳＧ膜６８は濃度が低いため流動化し難く、逆に高濃度ＢＰＳＧ膜６９は濃度が高いため流動化し易いので、ＢＰＳＧ凹部６９ａの側壁部を構成する高濃度ＢＰＳＧの一部がスペーサ膜２８上に流下して固化する。これにより、高濃度ＢＰＳＧからなる凹型絶縁膜７１がスペーサ膜２８上に形成され、さらにこの凹型絶縁膜７１により、下凸層内レンズ３０の型となる曲面状凹部７１ａが形成される。流動化し易い高濃度ＢＰＳＧ膜６９で下凸層内レンズ３０の型を形成し、流動化し難い低濃度ＢＰＳＧ膜６８で遮光膜２７を覆ってその露出を防止することができる。
【００７１】
以下、第１実施形態と同様に、下凸層内レンズ形成工程４３以降の工程が順番に実施される。これにより、図２８に示すように、曲面状凹部２９ａにＳｉＮ膜４９が埋め込まれて、下凸層内レンズ３０が形成される。上記第１実施形態と同様に、リフロー工程前に異方性エッチングを行ってＢＰＳＧ凹部６９ａの側壁部の厚みを薄くしているので、受光素子１２の直上の空間を最大限に利用した下凸層内レンズ３０を形成することができ、さらにその形状を安定させることができる。なお、スペーサ膜２８を設けることによる効果は第１実施形態と同じであるため、説明は省略する。
【００７２】
上記第５実施形態では、濃度の異なる２種類のＢＰＳＧ膜６８，６９を形成しているが、例えば、低濃度ＢＰＳＧ膜６８の代わりに、ＢＰＳＧよりも屈折率の低いＳｉＯＦからなる膜を形成してもよい。これにより、斜め方向から高濃度ＢＰＳＧ膜６９入射して、高濃度ＢＰＳＧ膜６９からＳｉＯＦ膜に向かって進む光が両者の境界で高濃度ＢＰＳＧ膜６９内に反射される。その結果、斜め方向の入射光が受光素子１２に導かれずに迷光となって垂直転送路１８等に入射することが抑制される。その結果、スミアの発生が抑制される。
【００７３】
また、上記第５実施形態では、濃度の異なる２種類のＢＰＳＧ膜６８，６９を形成する場合について説明を行ったが、光透過性及び加熱流動性をもつ屈折率の低い材料からなる透明なリフロー膜と、屈折率の高い材料からなる透明なリフロー膜で形成してもよい。
【００７４】
上記第１〜第５実施形態では、スペーサ膜あるいはエッチングストッパ膜が露出するまでＢＰＳＧ膜（第５実施形態では低濃度ＢＰＳＧ膜６８）を異方性エッチングしているが、スペーサ膜上あるいはエッチングストッパ膜上にＢＰＳＧの薄膜を残してもよい。また、異方性エッチング後に、スペーサ膜上あるいはエッチングストッパ膜上にＢＰＳＧの薄膜を形成してもよい。
【００７５】
上記第１〜第５実施形態では、ＢＰＳＧ膜を異方性エッチングしているが、レジスト膜を利用する通常のエッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）を行っても良い。また、上記各実施形態では、リフロー工程４２でラピッドサーマルアニール法による加熱処理を実施しているが、周知の各種加熱処理法を実施してもよい。
【００７６】
上記第３実施形態のエッチングストッパ膜形成工程では、図２９（Ａ）に示すように、ＣＶＤ法により遮光膜２７及びスペーサ膜２８上にエッチングストッパ膜５４の形成した後、フォトリソ方法によりエッチングストッパ膜５４をパターニングして、島状のエッチングストッパ膜５８を形成しているが、段差のある形状のパターニングは難しいので所望の形状が得られない場合が多い。
【００７７】
そこで、図２９（Ｂ）に示すように、受光素子１２の直上の凹部５４ｂの開口径と同サイズあるいは小径の球状のマスク材７６を含有した溶剤７７を、遮光膜２７及びスペーサ膜２８上に塗布して、マスク材７６を凹部５４ｂ内に入り込ませる。次いで、図２９（Ｃ）に示すように溶剤７７を気化させて、エッチングストッパ膜５４ａ上でかつスペーサ膜２８の直上位置にマスク材７６を残す。そして、このマスク材７６をマスクとして、エッチングストッパ膜５４をエッチングすることにより、所望の形状のエッチングストッパ膜５８が形成される。
【００７８】
上記各実施形態のＣＣＤの各部を形成する材料は、上記各実施形態で挙げたものに限定されず、公知の各種材料を使用することができる。また、上記各実施形態では、反射防止膜２６が各垂直転送電極１９ａ，１９ｂを覆うように形成されているが、少なくとも受光素子１２上を覆っていればその形状・形成位置は特に限定されない。
【００７９】
上記各実施形態では、受光素子１２がハニカム配列で並べられているＣＣＤの製造方法について説明を行ったが、受光素子１２が正方格子状等の一定パターンに並べられているＣＣＤの製造方法にも本発明を適用することができる。また、上記各実施形態では、ＣＣＤの製造方法について説明しているが、ＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０  ＣＣＤ
１１  半導体基板
２６  反射防止膜
２８  スペーサ膜
２９ａ、６３ａ  曲面状凹部
３０  下凸層内レンズ
４６  ＢＰＳＧ膜
４７，６８ａ，６９ａ  ＢＰＳＧ凹部
５４ａ，５８，６２  エッチングストッパ膜
６８  低濃度ＢＰＳＧ膜
６９  高濃度ＢＰＳＧ膜
【図１】
2011233770.tif 000003
【図２】
2011233770.tif 000004
【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１５】
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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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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