(57)【要約】【課題】スミア対策やシェーディング対策を容易とする固体撮像素子を製造する。【解決手段】下凸の層内レンズを積層するための第１下層５６を下凸形状５４ａ内に積層し、第１下層５６のうち層内レンズの下凸側湾曲点トップ位置Ａをずらす方向の部分を削除した後に第１下層５６をリフローさせ、該リフロー後の第１下層５６の上に第２下層５７を積層して第２下層５７を第１下層５６がリフローしない条件下でリフローさせ、該リフロー後の第２下層５７の上に層内レンズを形成する材料を積層する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、入射光を受光する光電変換素子と、
該光電変換素子の光入射側上方に形成され、該光電変換素子の受光面開口の中心から偏心する位置に下凸側の湾曲点トップ位置が形成された層内レンズと
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記光電変換素子から信号電荷が読み出される電荷転送路を備えると共に、前記湾曲点トップ位置が前記信号電荷が読み出される電荷転送路側に偏心された固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、該固体撮像素子の周辺部の前記光電変換素子ほど前記湾曲点トップ位置が該固体撮像素子の中心方向に大きく偏心される固体撮像素子。
【請求項４】
下凸の層内レンズを形成するための下凸形状を形成し、前記下凸の層内レンズを積層するための第１下層を前記下凸形状内に積層し、該第１下層のうち前記層内レンズの下凸側湾曲点トップ位置をずらす方向の部分を削除した後に該第１下層をリフローさせ、該リフロー後の前記第１下層の上に第２下層を積層して該第２下層を前記第１下層がリフローしない条件下でリフローさせ、該リフロー後の前記第２下層の上に前記層内レンズを形成する材料を積層する固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法であって、前記第１下層の部分削除の後に前記下凸形状内にだけ該第１下層を残す平坦化処理を行い、その後に前記第１下層のリフローを行う固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の固体撮像素子の製造方法で製造した固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項又は請求項６に記載の固体撮像素子を搭載した撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下凸の層内レンズを持つ固体撮像素子及びその製造方法並びにこの固体撮像素子を搭載した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの様な固体撮像素子では、近年の多画素化の影響で１画素１画素のフォトダイオードの受光面積が減り、受光感度が低下している。そこで、各画素の上にマイクロレンズを搭載し、入射光を集光して１画素１画素の半導体基板表面部に形成されたフォトダイオードの受光面に被写体からの光を入射させる様にしている。
【０００３】
しかし、マイクロレンズと半導体基板（フォトダイオード）との間には、カラーフィルタ層や平坦化層等が設けられる関係で、また、ＣＭＯＳ型の場合には更に配線層が設けられるため、マイクロレンズ（トップレンズ）とフォトダイオードとの間が離れ、トップレンズだけでは集光しきれず、下凸の層内レンズを形成することが行われる。
【０００４】
図７は、従来の下凸の層内レンズを設けた固体撮像素子の断面図であり、下記の特許文献１に記載されている。図示する例の固体撮像素子はＣＣＤ型であり、半導体基板１にはフォトダイオードを形成するｎ領域２と、垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）を形成するｎ領域３が形成されている。
【０００５】
半導体基板１の表面はゲート酸化膜４が形成され、ＶＣＣＤのｎ領域３の上部にはゲート酸化膜４を介して転送電極膜５が形成される。そして、その上に透明な絶縁層６が形成され、その上に遮光膜７が積層される。この遮光膜７は、ｎ領域（フォトダイオードの受光部）２の上方位置で開口７ａが設けられる。
【０００６】
更にその上に、下凸の凹部８が形成される様に透明絶縁膜９が形成され、この透明絶縁膜９の上に、屈折率が透明絶縁膜９より高い下凸の層内レンズ１０を形成する透明材料が積層される。そしてその上に透明な平滑化膜１１を介してカラーフィルタ層１２が積層され、その上に透明な平滑化膜１３を介してマイクロレンズ（トップレンズ）１４が形成される。
【０００７】
図８は、下凸の凹部８を形成する方法の一例を示す図である。遮光膜７を積層した後、リフロー可能な透明材料９を積層する（工程０―１）と、透明材料９は、遮光膜開口７ａや開口７ａ内の平面に沿って積層されるため、矩形形状に近い形状で成膜される。従って、凹部８の形状は矩形形状に近く、この中に層内レンズ１０を形成する透明材料を積層しても、レンズとして機能しない。
【０００８】
そこで、工程０―１の後の工程０―２で、加熱処理を行う。これにより、透明材料９は溶け流動性を増すことで、凹部８の形状が下凸のレンズ形状となる。この凹部８内を層内レンズ材料１０で埋めることで、下凸層内レンズ１０が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１―１９６５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年のデジタルカメラに搭載される固体撮像素子は１０００万画素以上を持つのが普通になり、画素の微細化が一層進展している。画素の微細化といっても、図７の水平方向の微細化（受光面積の小面積化）に対して、垂直方向（フォトダイオードの受光面からマイクロレンズまでの高さ）の微細化はそれほど進んでいない。
【００１１】
このため、１画素１画素は縦長の構成となり、下凸の層内レンズを設けても、層内レンズでフォトダイオードの受光面に完全に集光することはできない。特に、斜め入射光となる固体撮像素子周辺部の画素においては、シェーディングが発生してしまう。
【００１２】
また、ＣＣＤ型固体撮像素子では、画素列に対して両側に垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）が設けられるが、当該画素列のフォトダイオードが検出した信号電荷を読み出す側の垂直電荷転送路と、反対側の垂直電荷転送路とでは、フォトダイオードの受光面中心に入射光が集光されても、スミアが均等に発生するとは限らない。
【００１３】
それは、読み出し側の垂直電荷転送路とフォトダイオードとの間に設ける読み出しチャネルの不純物濃度と、反対側の垂直電荷転送路とフォトダイオードとの間に設けるチャネルストッパの不純物濃度との非対称に起因するものである。この例はＣＣＤ型であるが、固体撮像素子の構造により、予め、スミアが発生しない側が分かるため、下凸層内レンズの集光点をスミア発生が少ない方にずらしたいという要望がある。
【００１４】
例えば、特許文献１に記載の固体撮像素子では、下凸層内レンズの膨出方向を不均等にしてこの集光点をずらすようにしている。しかしながら、この特許文献１記載の製造方法では、層内レンズの下凸側湾曲点のトップ位置は、受光面開口（遮光膜開口）の中心と略同じ位置となるため、集光点を効果的にずらすことができない。
【００１５】
本発明の目的は、画素の微細化を図った固体撮像素子であってもスミア対策またはシェーディング対策を行うことができる固体撮像素子及びその製造方法並びにこの固体撮像素子を搭載した撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板に形成され入射光を受光する光電変換素子と、該光電変換素子の光入射側上方に形成され該光電変換素子の受光面開口の中心から偏心した位置に下凸側の湾曲点トップ位置が形成された層内レンズとを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、下凸の層内レンズを形成するための下凸形状を形成し、前記下凸の層内レンズを積層するための第１下層を前記下凸形状内に積層し、該第１下層のうち前記層内レンズの下凸側湾曲点トップ位置をずらす方向の部分を削除した後に該第１下層をリフローさせ、該リフロー後の前記第１下層の上に第２下層を積層して該第２下層を前記第１下層がリフローしない条件下でリフローさせ、該リフロー後の前記第２下層の上に前記層内レンズを形成する材料を積層することを特徴とする。
【００１８】
本発明の撮像装置は、上記記載の固体撮像素子または上記記載の製造方法で製造した固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
下凸の層内レンズの下凸側の湾曲点トップ位置を受光面開口内で任意位置にずらすことにより、容易にスミア対策やシェーディング対策が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る製造方法を示す要部工程図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る製造方法を示す要部工程図である。
【図５】実施形態の要部工程における固体撮像素子の平面の状態を示す図である。
【図６】実施形態の要部工程における固体撮像素子の平面の状態を示す図である。
【図７】従来の固体撮像素子の１画素分の断面図である。
【図８】下凸の層内レンズの製造方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置（デジタルカメラ）の機能ブロック図である。この撮像装置２０は、被写体光像を電気信号の撮像画像データに変換する固体撮像素子２１と、固体撮像素子２１から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，固体撮像素子２１の駆動制御を行う駆動制御部（タイミングジェネレータを含む）２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。
【００２３】
本実施形態のデジタルカメラは更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
【００２４】
図２は、図１に示す固体撮像素子２１の表面模式図である。なお、本実施形態では、ＣＣＤ型を例に説明するが、下凸層内レンズを設けることができるＣＭＯＳ型その他の形式の固体撮像素子にも適用可能である。
【００２５】
図２において、半導体基板の表面部には、複数のフォトダイオード（光電変換素子：画素）４２が二次元アレイ状に配列形成されている。図示の例では、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチづつずらして形成された所謂ハニカム画素配列となっているが、正方格子配列でも良い。
【００２６】
画素４２で構成される各画素列に沿って垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）４３が形成され、各垂直電荷転送路４３の転送方向端部に沿って水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）４４が形成され、水平電荷転送路４４の転送方向端部に、転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力するアンプ４５が設けられている。
【００２７】
各画素４２上に記載されている「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」はカラーフィルタの色（Ｒ＝赤、Ｇ＝緑、Ｂ＝青）を表しており、各画素４２から左下転送電極に示した矢印は、この電極が読出電極であることを示している。各画素４２の上部には図示しないマイクロレンズ（トップレンズ）が形成されており、各画素４２の受光面とカラーフィルタとの間には下凸の層内レンズが形成されている。
【００２８】
この図２において、各画素列の左側の垂直電荷転送路４３が信号電荷の読出側となり、右側の垂直電荷転送路との間には、チャネルストッパが形成されている。
【００２９】
この例では、左側の垂直電荷転送路の方が右側に比べてスミアが少なくなるため、各画素４２の開口中心より左寄り（信号電荷の読出側）に集光点を偏心させる方法を以下に説明する。
【００３０】
図３は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の要部の製造工程図である。工程０―１の図で説明すると、半導体基板５１の表面にはゲート酸化膜５２が形成され、図示しない垂直電荷転送路の埋め込みチャネルの上にゲート酸化膜５２を介して垂直転送電極膜５３が形成され、その上に遮光膜５４が絶縁層５５を介して積層されている。遮光膜５４には、図示省略のフォトダイオード上方位置に開口５４ａが設けられている。
【００３１】
この遮光膜５４の上に、リフロー可能な透明な絶縁材を積層すると、工程０―１の図で示す様に、フォトダイオードの受光面上及び遮光膜５４上部，遮光膜開口５４ａ側壁部に、絶縁材層５６が形成される。
【００３２】
次の工程１―２では、読出側となる垂直電荷転送路側（少なくとも、受光面の中央より左側）の絶縁材層５６をフォトリソグラフィ及びエッチングにより削除する。
【００３３】
次の工程１―３では、加熱処理を行って絶縁材層５６を溶かしその流動性を利用して絶縁材層５６の形を整え、右側に残っている絶縁材層５６の表面をなだらかな曲面とする。今の場合、左側には絶縁材層５６が無いため、右側の絶縁材層５６は、左下がりのなだらかな曲面となる。しかし、図示する例では、右側の絶縁材層５６は、開口５４ａの左側まで達していないため、開口５４ａの壁面が半導体基板表面のゲート酸化膜５２に対して立設した状態で開口５４ａの左側隅は直角状態となっている。
【００３４】
次の工程１―４では、絶縁材層５６より溶融温度が低い透明な絶縁材層５７を積層する。この結果、絶縁材層５７の開口５４ａの左側隅の凹部は直角状態に近いため、その上に下凸の層内レンズ材料を積層しても、レンズの機能は果たさない。そこで、工程１―５で、下側の第１の絶縁材層５６が溶けない温度で且つ上側の第２の絶縁材層５７が溶ける温度で加熱処理し、絶縁材層５７をリフローさせる。
【００３５】
この結果、絶縁材層５７の開口５４ａの左下隅の形状が丸みを帯びて固まることになる。そして、この上に層内レンズ材料を積層することで、下凸側の湾曲点トップ位置Ａが読出側に偏心し、層内レンズの集光点を読出側の垂直電荷転送路側にずらすことが可能となる。
【００３６】
本実施形態の様に、第１の絶縁材層５６をリフローさせない状態で第２の絶縁材層５７をリフローさせるため、形状制御性が向上し、任意形状の下凸層内レンズの形成が容易となる。
【００３７】
図４は、本発明の第２実施形態に係る製造方法を示す工程図である。工程０―１と工程１―２は、図３と同じである。
【００３８】
本実施形態では、工程１―２の次に、遮光膜５４の上部の絶縁材層５６を平坦化する工程２―３を設けている。この結果、絶縁材層５６の厚さ分だけ固体撮像素子の低背化を図ることが可能となる。平坦化は、例えばケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）で行う。
【００３９】
次の工程２―４，工程２―５，工程２―６は、図３の工程１―３，工程１―４，工程１―５と同じであり、第２のリフロー可能な透明絶縁材層５７を用いて、層内レンズの形状を整えると共に、下凸側の湾曲点トップ位置Ａを読出側に偏心させる。
【００４０】
図５（ａ）は、図３，図４の工程０―１の前の状態すなわち絶縁材層５６を積層する前の平面図を表しており、矩形５４ａは、遮光膜開口を示している。この上に絶縁材層５６を積層した状態が図５（ｂ）である。
【００４１】
図６（ａ）は、工程１―２の平面図を示しており、読出側の絶縁材層５６をエッチングして削除した状態を示している。そして、図６（ｂ）は図４の第２実施形態の工程２―３を実施した状態を示し、絶縁材層５６は遮光膜開口５４ａ内の反読出側に壁面にしか残っていない状態を示している。
【００４２】
以上述べた実施形態によれば、垂直電荷転送路のうち読出側の垂直電荷転送路側に下凸層内レンズの下凸側の湾曲点トップ位置を偏心させることができるため、スミアの少ない固体撮像素子を得ることが可能となる。
【００４３】
なお、実施形態では、読出側に入射光の集光点をずらすことでスミア低減を行う例について述べたが、逆方向にずらすことでスミア低減を図ることも可能である。例えば、垂直電荷転送路を１本置きに間引き、２つの画素列が中央の垂直電荷転送路を共用する固体撮像素子もある。この場合、入射光の集光点を、垂直電荷転送路と反対側（垂直電荷転送路を間引いたため垂直電荷転送路が存在しない側）に偏心させることで、スミアを低減することができる。
【００４４】
また、本実施形態はスミア低減に限らず、シェーディング対策にも適用可能である。つまり、スミア対策を施した固体撮像素子とは別にシェーディング対策を施した固体撮像素子として製造することになる。
【００４５】
シェーディングは、固体撮像素子の受光領域中心（撮影レンズの光軸）から離れるほど（各画素への入射光が斜め入射光になるほど）大きくなる。そこで、固体撮像素子の受光領域中心から離れる画素ほど、各画素の集光点位置を受光領域中心に近づけるように、下凸層内レンズの下凸側の湾曲点トップ位置Ａを偏心させればよい。
【００４６】
例えば、図４の工程１―２において、遮光膜開口内にエッチングで残す絶縁材層５６の量（範囲）を調整することで、湾曲点トップ位置Ａの調整が可能となる。この場合、当然に、固体撮像素子の受光領域中心から同心円の位置にある画素の偏心量は同じにする。
【００４７】
以上述べた様に、実施形態の固体撮像素子は、半導体基板に形成され入射光を受光する光電変換素子と、該光電変換素子の光入射側上方に形成され該光電変換素子の受光面開口の中心から偏心する位置に下凸側の湾曲点トップ位置が形成された層内レンズとを備えることを特徴とする。
【００４８】
また、実施形態の固体撮像素子は、前記光電変換素子から信号電荷が読み出される電荷転送路を備えると共に、前記湾曲点トップ位置が前記信号電荷が読み出される電荷転送路側に偏心されたことを特徴とする。
【００４９】
また、実施形態の固体撮像素子は、該固体撮像素子の周辺部の前記光電変換素子ほど前記湾曲点トップ位置が該固体撮像素子の中心方向に大きく偏心されることを特徴とする。
【００５０】
また、実施形態の固体撮像素子の製造方法は、下凸の層内レンズを形成するための下凸形状を形成し、前記下凸の層内レンズを積層するための第１下層を前記下凸形状内に積層し、該第１下層のうち前記層内レンズの下凸側湾曲点トップ位置をずらす方向の部分を削除した後に該第１下層をリフローさせ、該リフロー後の前記第１下層の上に第２下層を積層して該第２下層を前記第１下層がリフローしない条件下でリフローさせ、該リフロー後の前記第２下層の上に前記層内レンズを形成する材料を積層することを特徴とする。
【００５１】
また、実施形態の固体撮像素子の製造方法は、前記第１下層の部分削除の後に前記下凸形状内にだけ該第１下層を残す平坦化処理を行い、その後に前記第１下層のリフローを行うことを特徴とする。
【００５２】
また、実施形態の固体撮像素子は、上記の固体撮像素子の製造方法で製造したことを特徴とする。
【００５３】
また、実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載の固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。
【００５４】
以上述べた実施形態によれば、任意の下凸形状の層内レンズが形成された固体撮像素子を得ることができるため、画素の微細化を図った固体撮像素子でスミアを低減したりシェーディングを低減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る固体撮像素子は、画素の多画素化とスミア低減またはシェーディング低減を図ることができるため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話機、ＰＤＡやノートパソコン等のカメラ付電子装置、内視鏡等の撮像装置一般に適用すると有用である。
【符号の説明】
【００５６】
２０  撮像装置
２１  固体撮像素子
４２  画素（フォトダイオード：光電変換素子）
４３  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
４４  水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
５１  半導体基板
５２  ゲート絶縁膜
５３  転送電極膜
５４  遮光膜
５４ａ  遮光膜開口
５６  第１のリフロー可能な透明絶縁材層
５７  第２のリフロー可能な透明絶縁材層
【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】
2011211122.tif 000009
【図８】
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