(57)【要約】【課題】スミア特性の低下を抑制しつつ、高感度を実現した固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明に係る固体撮像装置１００は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１に行列状に形成され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部１０３とを備え、半導体基板１０１は、表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部１０２を備え、複数の凸部１０２のそれぞれは、複数の受光部１０３のそれぞれに対応して配置され、半導体基板１０１と一体形成されている。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に行列状に形成され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部とを備え、
前記半導体基板は、表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部を備え、
前記複数の凸部のそれぞれは、前記複数の受光部のそれぞれに対応して配置され、前記半導体基板と一体形成されている
固体撮像装置。
【請求項２】
前記受光部の表面は上に凸の滑らかな曲面で構成される
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
さらに、前記凸部の上に、透明な膜から成るレンズを備える
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記レンズは、窒化珪素を含む
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記半導体基板と平行な方向の前記レンズの外径は、前記半導体基板と平行な方向の前記凸部の外径と比較して、同等以上である
請求項３又は４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記固体撮像装置は、さらに、
前記半導体基板の上に設けられたカラーフィルタを備え、
前記レンズは、前記カラーフィルタの下に設けられている
請求項３〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
さらに、
前記半導体基板の上に各受光部に対応して設けられ、柱状構造の透明な膜から成る高屈折率膜と、
前記高屈折率膜の側面を覆い、前記高屈折率膜の屈折率より屈折率が低い低屈折率膜とを備える
請求項１又は２記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記高屈折率膜は、窒化珪素を含む
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記低屈折率膜は、酸化珪素を含む
請求項７又は８記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記高屈折率膜の前記受光部側の端部の外径は、前記半導体基板と平行な方向の前記凸部の外径と比較して、同等以下である
請求項７〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
半導体基板の表面からの深さの異なる酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部を行列状に形成する第１工程と、
前記複数の凸部の下に、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部を形成する第２工程とを含む
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、固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型固体撮像装置に代表される固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の撮像装置の撮像素子として広く利用されており、その需要は益々増加している。近年は、撮像画素数の増加が非常に強く要請されており、画素の配列密度を高くしつつ、さらに画素を小型化する必要がある。
【０００３】
ところが、画素サイズを縮小した場合、単位画素に入射する光量は減少し、各画素の受光部の感度特性が低下するという不具合が生じてしまう。
【０００４】
この観点から、受光部上方に設けたオンチップカラーフィルタ上にオンチップレンズを設け、受光部への集光効率を高める工夫がなされている。しかし、例えば４×４μｍ以下の画素サイズを有する固体撮像装置では、オンチップレンズ単独で集光効率を高めることは、ほぼ限界に近づいている。
【０００５】
そこで、上記の集光効率の向上を達成する新たな技術として、オンチップレンズと受光部との間の層内に光透過材料の膜からなる、もう一つのレンズ（層内レンズ）を形成することで集光効率をさらに向上させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この層内レンズは、光電変換をなす受光部の直上において、層間膜中に形成されるレンズであり、オンチップレンズと同様にこの層内レンズに入射した光を当該層内レンズの上面側または下面側の界面で屈折させ、受光部に導くものである。
【０００７】
また、受光部の直上位置の平坦化膜に孔部を形成し、その後、高屈折率材料を孔部に埋め込むことにより、光導波路を形成し、光導波路となる高屈折率膜と平坦化膜との界面で光を全反射させて、受光部に取り込む技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６１−２８７２６３号公報
【特許文献２】特開２００３−０６０１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、近年、画素の小型化が益々進み、例えば２×２μｍ以下の画素サイズを有する固体撮像装置も提案されている。このような画素サイズの小型化に伴って電荷転送部と受光部の開口端との距離が縮小するために、受光部への集光効率を高めることで、電荷転送部への光の混入によるスミアが発生しやすくなるという課題がある。層内レンズを用いた場合は、集光効率を高めるためにレンズ曲率を高めなければならず、集光焦点が受光部表面より上に来てしまう。そのため、受光部に斜めに入射する光成分が増加し、電荷転送部へ光が混入しやすくなる。スミアを抑制するためには、斜め入射光を抑制するために、逆に集光効率を下げる必要があり、感度が低下するという別の課題が発生する。
【００１０】
また光導波路を用いた場合においても、導波路の下端で光が拡がって受光部に入射するため、同様に電荷転送部へ光が混入しやすくなり、スミアが発生しやすくなる。つまり、層内レンズ、光導波路のいずれの技術を用いても、スミアと感度を両立させることは不可能である。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するものであり、スミア特性の低下を抑制しつつ感度の高い固体撮像装置、及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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に行列状に形成され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部とを備え、前記半導体基板は、表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部を備え、前記複数の凸部のそれぞれは、前記複数の受光部のそれぞれに対応して配置され、前記半導体基板と一体形成されている。
【００１３】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置では、半導体基板の表面の凸部が上に凸の曲面を有するために、レンズの効果を発揮する。これにより、半導体基板の表面に斜めに入射した光を凸部にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部内に導くことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ感度を向上できる。
【００１４】
また、前記受光部の表面は上に凸の滑らかな曲面で構成されてもよい。
また、さらに、前記凸部の上に、透明な膜から成るレンズを備えてもよい。
【００１５】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、凸部の上で、レンズにより集光効率を高めつつ、更に半導体基板の表面に斜めに入射した光を凸部にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部内に導くことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００１６】
また、前記レンズは、窒化珪素を含んでもよい。
この構成によれば、通常の半導体の製造方法で、レンズを形成することができる。よって、低コスト化できる。
【００１７】
また、前記半導体基板と平行な方向の前記レンズの外径は、前記半導体基板と平行な方向の前記凸部の外径と比較して、同等以上であってもよい。
【００１８】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、レンズに入射した光を凸部に効果的に集光できる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００１９】
また、前記固体撮像装置は、さらに、前記半導体基板の上に設けられたカラーフィルタを備え、前記レンズは、前記カラーフィルタの下に設けられていてもよい。
【００２０】
また、さらに、前記半導体基板の上に各受光部に対応して設けられ、柱状構造の透明な膜から成る高屈折率膜と、前記高屈折率膜の側面を覆い、前記高屈折率膜の屈折率より屈折率が低い低屈折率膜とを備えてもよい。
【００２１】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、受光部の上に光導波路を形成し、光導波路となる高屈折率膜と低屈折率膜との界面で光を全反射させて、半導体基板の表面に光を導き、かつ、半導体基板の表面に斜めに入射した光を半導体基板の表面にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部内に導くことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００２２】
また、前記高屈折率膜は、窒化珪素を含んでもよい。
この構成によれば、通常の半導体の製造方法で、光導波路を形成することができる。よって、低コスト化できる。
【００２３】
また、前記低屈折率膜は、酸化珪素を含んでもよい。
この構成によれば、通常の半導体の製造方法で、高屈折率膜と十分に屈折率差のある低屈折率膜を形成できる。よって、さらに低コスト化できる。
【００２４】
また、前記高屈折率膜の前記受光部側の端部の外径は、前記半導体基板と平行な方向の前記凸部の外径と比較して、同等以下であってもよい。
【００２５】
この構成によれば、本発明に係る固体撮像装置は、高屈折率膜の受光部側の端部から、半導体基板の表面に入射した光を、凸部にて効率良く屈折させ、より垂直に近い角度で受光部内に導くことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００２６】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の表面からの深さの異なる酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部を行列状に形成する第１工程と、前記複数の凸部の下に、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部を形成する第２工程とを含む。
【００２７】
これによれば、本発明に係る固体撮像装置では、特殊な設備を使うことなく、通常の半導体の製造方法で、半導体基板の表面から突出し滑らかな曲面で構成される凸部を備える固体撮像装置を製造できる。
【００２８】
よって、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる固体撮像装置を製造できる。
【００２９】
なお、本発明は、このような固体撮像装置の機能の一部又は全てを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現したり、このような固体撮像装置を備えるデジタルスチルカメラ、又はデジタルビデオカメラとして実現したりできる。
【発明の効果】
【００３０】
以上より、本発明は、スミア特性の低下を抑制しつつ、感度の高い固体撮像装置、及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】実施の形態１に係る固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＸ−Ｘ’線での断面構成を示す断面図である。
【図２】製造過程の断面構成を示す断面図である。
【図３Ａ】図２（ｃ）での構成を示す上面図である。
【図３Ｂ】図２（ｃ）での断面構成の一部を拡大して示す断面図である。
【図４Ａ】図２（ｄ）での構成を示す上面図である。
【図４Ｂ】図２（ｄ）での断面構成の一部を拡大して示す断面図である。
【図５Ａ】図２（ｇ）での構成を示す上面図である。
【図５Ｂ】図２（ｇ）での断面構成の一部を拡大して示す断面図である。
【図６Ａ】実施の形態２に係る固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。
【図６Ｂ】図６ＡのＸ−Ｘ’線での断面構成を示す断面図である。
【図７】受光部の表面が凸である固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態における固体撮像装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板に行列状に形成され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部とを備え、半導体基板は、表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部を備え、複数の凸部のそれぞれは、複数の受光部のそれぞれに対応して配置され、半導体基板と一体形成されている。
【００３４】
これにより、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、半導体基板の表面の凸部が表面から突出した曲面を有するために、レンズの効果を発揮する。これにより、半導体基板の表面に斜めに入射した光を凸部にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部内に導くことができる。よって、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００３５】
また、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置は、さらに、凸部の上に、透明な膜から成るレンズを備える。これにより、凸部の上で、レンズにより集光効率を高めつつ、さらに半導体基板の表面に斜めに入射した光を凸部にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部内に導くことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の構造について、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら説明する。図１Ａ及び図１Ｂに示す固体撮像装置１００は、ＣＣＤ型固体撮像装置である。
【００３７】
図１Ａは、固体撮像装置１００の一部分を拡大して示す平面図であり、具体的には、固体撮像装置１００の一つの画素を中心とした構成を示す平面図である。なお、同図には、当該一つの画素の隣の画素の一部の構成も示されている。図１Ｂは、図１ＡのＸ−Ｘ’線での断面構成を示す断面図であり、図中の太線は入射光の入射経路を示す。
【００３８】
固体撮像装置１００は、半導体基板１０１と、行列状に配置された複数の受光部１０３と、列毎に設けられた複数の垂直電荷転送部１１５とを備える。具体的には、固体撮像装置１００は、表面（図１Ｂの上側の面）に凸部１０２を有する半導体基板１０１と、半導体基板１０１に形成された受光部１０３と、転送チャネル１０４と、絶縁膜１０５と、転送電極１０６と、絶縁膜１０７と、反射防止膜１０８と、遮光膜１０９と、絶縁膜１１０と、層内レンズ１１１と、平坦化膜１１２と、カラーフィルタ１１３と、マイクロレンズ１１４とを備える。
【００３９】
半導体基板１０１は、例えば、ｎ型のシリコン基板である。この半導体基板１０１の表面のうち、受光部１０３に対応する領域は、上に凸の曲率を有する。つまり、半導体基板１０１は、表面から突出し滑らかな曲面で構成される凸部１０２を備え、凸部１０２は受光部１０３に対応して配置され、半導体基板１０１と一体形成されている。なお、一体形成とは、同一材料で構成されていることを意味する。これにより、半導体基板１０１の表面に斜めに入射した光を凸部１０２にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部１０３内に導くことができる。よって、実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、スミア特性の低下を抑制しつつ、感度を向上できる。
【００４０】
複数の受光部１０３のそれぞれは、半導体基板１０１に形成され、入射光を信号電荷に光電変換する。
【００４１】
転送チャネル１０４は、絶縁膜１０５の一部、複数の第１転送電極１０６ａ及び複数の第２転送電極１０６ｂと共に、垂直電荷転送部１１５を構成する。この垂直電荷転送部１１５は、対応する列に配置された複数の受光部１０３により光電変換された信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を垂直方向（列方向）に転送したうえで、水平電荷転送部（図示せず）に出力する。なお、図１Ａにおいて、垂直方向（列方向）は縦方向であり、水平方向（行方向）は横方向である。
【００４２】
転送チャネル１０４は、半導体基板１０１の表層側に形成されたｎ型の拡散層である。また、転送チャネル１０４は、垂直方向に延び、対応する列に配置された複数の受光部１０３とそれぞれ水平方向に連結される。この転送チャネル１０４は、対応する列に配置された複数の受光部１０３により光電変換された信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を垂直方向に転送したうえで、水平電荷転送部（図示せず）に出力するために用いられる。
【００４３】
絶縁膜１０５は、ゲート絶縁膜であり、転送チャネル１０４が形成された半導体基板１０１の表面を覆うように形成される。例えば、絶縁膜１０５は、シリコン酸化膜（酸化シリコン）であり、絶縁膜１０５の厚みは、１０〜１００ｎｍが好ましく、更に３５ｎｍ程度がより好ましい。
【００４４】
複数の第１転送電極１０６ａ及び複数の第２転送電極１０６ｂは、同一の階層に形成され、印加される電圧に応じて転送チャネル１０４の電圧ポテンシャルを変化させる。これにより、転送チャネル１０４の信号電荷は転送される。また、複数の第１転送電極１０６ａ及び複数の第２転送電極１０６ｂは、転送チャネル１０４の上方に、絶縁膜１０５を介して形成される。例えば、第１転送電極１０６ａ及び第２転送電極１０６ｂは、ポリシリコンにより構成される。また、複数の第１転送電極１０６ａ及び複数の第２転送電極１０６ｂの膜厚は、０．１〜０．３μｍが好ましく、更に０．２μｍ程度がより好ましい。また、第１転送電極１０６ａ及び第２転送電極１０６ｂは、転送チャネル１０４を横切るように形成される。
【００４５】
また、一つの受光部１０３に対応して、それぞれ一つの第１転送電極１０６ａ及び第２転送電極１０６ｂが配置される。また、複数の第１転送電極１０６ａ及び複数の第２転送電極１０６ｂは、垂直方向に沿って転送チャネル１０４上に交互に配置される。
【００４６】
また、同一の行に配置される複数の第１転送電極１０６ａは、水平方向（行方向）に隣接する垂直電荷転送部１１５が備える別の第１転送電極１０６ａと水平方向にポリシリコン層で連結される。言い換えると、同一の行に配置されて隣り合う２つの第１転送電極１０６ａは、接続される。また、複数の第１転送電極１０６ａ同士を接続する部分の配線は、受光部１０３と重ならないように、垂直方向において隣接する受光部１０３の間を通るように形成される。例えば、隣り合う２つの第１転送電極１０６ａ同士を接続する部分の配線の幅Ｗ１は０．１〜０．５μｍが好ましく、更に０．２５μｍ程度がより好ましい。
【００４７】
また、第２転送電極１０６ｂも、第１転送電極１０６ａと同様の構成を有する。
なお、以下、第１転送電極１０６ａと第２転送電極１０６ｂとを特に区別しない場合、転送電極１０６と記載する場合がある。
【００４８】
絶縁膜１０７は、転送電極１０６上に形成され、転送電極１０６と遮光膜１０９とを絶縁する。この絶縁膜１０７は、転送電極１０６と遮光膜１０９とを短絡させないために設けられ、絶縁膜１０７の厚さは０．０３μｍ〜０．１５μｍ程度である。また、絶縁膜１０７は、例えば、酸化シリコンで構成される。
【００４９】
反射防止膜１０８は、受光部１０３の上方の絶縁膜１０５上に形成され、受光部１０３に入射する光の反射を防止する（図１Ａでは図示せず）。この反射防止膜１０８は、絶縁膜１０５よりも高屈折率を有する材料で構成され、例えば、窒化珪素で構成される。反射防止膜１０８の膜厚は、３０〜１００ｎｍが好ましく、更に５０ｎｍ程度がより好ましい。
【００５０】
遮光膜１０９は、転送電極１０６の上部及び側部に絶縁膜１０７を介して形成され、垂直電荷転送部１１５への光の入射を防止する。この遮光膜１０９は、遮光性能を有する材料で構成され、例えばタングステンで構成される。遮光膜１０９の膜厚は、５０〜１５０ｎｍが好ましく、更に１００ｎｍ程度がより好ましい。
【００５１】
絶縁膜１１０は、絶縁膜１０５、反射防止膜１０８及び遮光膜１０９上に形成され、層内レンズ１１１の高さ位置及び層内レンズ１１１の下に凸の領域の形状を決定している。なお、層内レンズ１１１の高さ位置とは、例えば、受光部１０３上面から層内レンズ１１１の厚み方向の中心位置までの距離に相当する。絶縁膜１１０は、光学的に透明な材料で構成され、例えばＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ／ボロン−リン−シリカガラス）で構成される。絶縁膜１１０の膜厚は、５０〜２００ｎｍが好ましく、更に１００ｎｍ程度がより好ましい。
【００５２】
層内レンズ１１１は、絶縁膜１１０上に形成され、層内レンズ１１１に入射した光を層内レンズ１１１の上面側または下面側の界面で屈折させることにより集光する。具体的には、この層内レンズ１１１は、下に凸に形成された第１サブレンズ部１１１ａ、及び、上に凸に形成された第２サブレンズ部１１１ｂを有する。つまり、第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂは、レンズとして機能する。言い換えると、第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂは、本発明のレンズに相当する。第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂは、例えば図１Ａに示すように略円形に形成される。
【００５３】
この層内レンズ１１１は、光学的に透明な高屈折率材料で構成され、窒化珪素で構成されることが好ましい。これにより、通常の半導体の製造方法で層内レンズ１１１を形成することができ、低コスト化できる。
【００５４】
さらに、この層内レンズ１１１の第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂの直径Ｄ１と、受光部１０３の凸部１０２の直径Ｄ２とは、次の（式１）に示す関係であることが好ましい。ただし、直径Ｄ１は、半導体基板１０１と平行な方向の第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂの直径であり、直径Ｄ２は、半導体基板１０１と平行な方向の凸部１０２の直径である。
【００５５】
（式１）・・・・Ｄ１≧Ｄ２
【００５６】
これにより、第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂに入射した光を凸部１０２に効果的に集光できる。
【００５７】
平坦化膜１１２は、層内レンズ１１１上に形成され、当該平坦化膜１１２の上面が平坦となるように形成されている。この平坦化膜１１２は、光学的に透明な材料で構成される。
【００５８】
カラーフィルタ１１３は、平坦化膜１１２上に形成され、カラーフィルタ１１３に入射した光を所望の範囲の波長のみ透過させ、分光する。
【００５９】
マイクロレンズ１１４は、カラーフィルタ１１３上に形成され、マイクロレンズ１１４に入射した光をマイクロレンズ１１４の上面側の界面で屈折させ、層内レンズ１１１の第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂに導く。
【００６０】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１に行列状に形成され、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部１０３とを備え、半導体基板１０１は、表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部１０２を備え、複数の凸部１０２のそれぞれは、複数の受光部１０３のそれぞれに対応して配置され、半導体基板１０１と一体形成されている。
【００６１】
これにより、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、半導体基板１０１の表面の凸部１０２が上に凸の曲面を有するために、レンズの効果を発揮する。これにより、半導体基板１０１の表面に斜めに入射した光を凸部１０２にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部１０３内に導くことができる。よって、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、スミア特性の低下を抑制しつつ、感度を向上できる。
【００６２】
また、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００は、さらに、凸部１０２の上に、透明な膜から成る第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂを備える。これにより、凸部１０２の上で、第１サブレンズ部１１１ａ及び第２サブレンズ部１１１ｂにより集光効率を高めつつ、さらに半導体基板１０１の表面に斜めに入射した光を凸部１０２にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部１０３内に導くことができる。よって、本発明に係る固体撮像装置１００は、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００６３】
次に、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の製造方法について、図２〜図５Ｂを用いて説明する。図２〜図５Ｂは、図１Ａ及び図１Ｂに示す固体撮像装置１００の製造過程における構造を示す図である。図２は、図１Ａ及び図１Ｂに示す固体撮像装置１００の製造過程の断面構成を示す断面図である。図３Ａ、図４Ａ及び図５Ａは、図２に示した固体撮像装置１００の製造過程の一部の平面構成を示す平面図である。図３Ｂは、図３Ａに示すＸ−Ｘ’線での断面構成の一部を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示すＸ−Ｘ’線での断面構成の一部を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示すＸ−Ｘ’線での断面構成の一部を示す断面図である。
【００６４】
まず、半導体基板１０１を準備し（図２（ａ））、熱酸化法によって半導体基板１０１の表面に熱酸化膜１５１（例えば酸化シリコン）を形成する（図２（ｂ））。続いて、酸化シリコン以外の絶縁膜であるレジスト１５２（例えば窒化珪素）をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより形成する。次に、例えば５００〜８００ｎｍ程度の直径を有するレジストパターンをフォトリソグラフィー法により形成したうえで、当該レジストパターンを用いて異方性エッチングを行うことにより、レジスト１５２を円状に形成する（図２（ｃ））。図３Ａは図２（ｃ）での上面図であり、図３Ｂは図２（ｃ）での断面構成の一部を拡大して示す断面図である。
【００６５】
次に、熱酸化法を再度用いて半導体基板１０１を酸化する。このとき、レジスト１５２で覆われている半導体基板１０１の表面と比較して、レジスト１５２で覆われていない半導体基板１０１の表面は、容易に酸化される。つまり、熱酸化膜１５１が厚く形成される。一方、レジスト１５２で覆われている半導体基板１０１の表面は、レジスト１５２の下面端部からの距離が近いほど、容易に酸化される。つまり、レジスト１５２で覆われている半導体基板１０１の表面は、レジスト１５２の下面端部からの距離が近いほど、熱酸化膜１５１が厚く形成される。これにより、半導体基板１０１の表面に凸部１０２が形成される（図２（ｄ））。図４Ａは図２（ｄ）での上面図であり、図４Ｂは図２（ｄ）での断面構成の一部を拡大して示す断面図である。
【００６６】
続いて、熱酸化膜１５１及びレジスト１５２を除去することで、凸部１０２を有する半導体基板１０１が形成される（図２（ｅ））。
【００６７】
次に、熱酸化法によって、凸部１０２を有する半導体基板１０１の表面に絶縁膜１０５を形成する（図２（ｆ））。
【００６８】
続いて、半導体基板１０１に対して種々のレジストパターンの形成とイオン注入とが行われる。これにより、受光部１０３及び転送チャネル１０４が形成される。続いて絶縁膜１０５上にポリシリコン膜等の導電膜を成膜した後、当該導電膜の一部を分離することにより、第１転送電極１０６ａ及び第２転送電極１０６ｂを形成する。更に、絶縁膜１０７を成膜し、次にＣＶＤ法等を用いて反射防止膜１０８として全面に窒化珪素膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法を用いて当該窒化珪素膜にエッチングを行うことにより、受光部１０３の上面の少なくとも一部を覆うように、反射防止膜１０８を形成する。続いて、遮光膜１０９として全面にタングステン膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法を用いて当該タングステン膜にエッチングを行うことにより、第１転送電極１０６ａ及び第２転送電極１０６ｂを覆うように、遮光膜１０９を形成する（図２（ｇ））。図５Ａは図２（ｇ）での上面図であり、図５Ｂは図２（ｇ）での断面構成の一部を拡大して示す断面図である。
【００６９】
次に、ＣＶＤ法等を用いた成膜によって、絶縁膜１１０としてＢＰＳＧ膜を堆積した後、熱フローにより、受光部１０３の上に、下に凸状の窪みを形成する（図２（ｈ））。続いて、ＣＶＤ法等を用いた成膜によって、窒化珪素膜１１１’を堆積し、下に凸状の窪みに窒化珪素膜１１１’を埋め込む。次に、窒化珪素膜１１１’を平坦にした後、更に窒化珪素膜１１１’を堆積する。次に、受光部１０３の上方に、例えば８００〜１８００ｎｍ程度の直径を有するレジストパターンをフォトリソグラフィー法により形成したうえで、レジストパターンをベークして半球状のレジスト１５３を形成する（図２（ｉ））。
【００７０】
その後、異方性エッチングで窒化珪素膜１１１’及びレジスト１５３をエッチングすることにより、窒化珪素膜１１１’の表面を上に凸状の形状に形成する。これにより、層内レンズ１１１が形成される（図２（ｊ））。次に平坦化膜１１２を塗布し、カラーフィルタ１１３、マイクロレンズ１１４を順次形成する（図２（ｋ））。
【００７１】
以上の工程により、図１Ａ及び図１Ｂに示す固体撮像装置１００が形成される。
以上のように、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００の製造方法は、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように半導体基板１０１の表面を選択的に酸化して熱酸化膜１５１を形成した後、熱酸化膜１５１を除去することにより、半導体基板１０１の表面を行列状に上に凸の曲率を有する形状に形成する工程と、図２（ｇ）に示すように行列状に形成された半導体基板１０１の表面の上に凸の曲率を有する領域を含む領域の下方に、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部１０３を形成する工程とを含む。言い換えると、半導体基板１０１の表面からの深さの異なる熱酸化膜１５１を形成した（図２（ｄ））後、熱酸化膜１５１を除去することにより、半導体基板１０１の表面から突出し滑らかな曲面で構成される複数の凸部１０２を行列状に形成する第１工程（図２（ｅ））と、複数の凸部１０２の下に、入射光を信号電荷に変換する複数の受光部１０３を形成する（図２（ｇ））第２工程とを含む。
【００７２】
これにより、特殊な設備を使うことなく、通常の半導体の製造方法で、半導体基板１０１の表面から突出し滑らかな曲面で構成される凸部１０２を有する固体撮像装置１００を製造できる。つまり、受光部１０３の上の層内レンズ１１１で集光効率を高めつつ、更に半導体基板１０１の表面に斜めに入射した光を凸部１０２にて屈折させ、垂直に近い角度で受光部１０３内に導くことができる固体撮像装置１００を製造できる。よって、本発明に係る固体撮像装置１００の製造方法は、スミア特性の低下を抑制しつつ、高感度を実現できる固体撮像装置１００を製造できる。
【００７３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と比較してほぼ同じであるが、受光部１０３の上の集光構造が異なる。具体的には、実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と比較して、絶縁膜１１０及び層内レンズ１１１に代わり、半導体基板１０１の上に各受光部１０３に対応して設けられ、柱状構造の光学的に透明な膜から成る高屈折率膜と、高屈折率膜の側面を覆い、高屈折率膜の屈折率より屈折率が低い低屈折率膜とを備える。
【００７４】
これにより、実施の形態２に係る固体撮像装置は、受光部１０３の上に光導波路を形成し、光導波路となる高屈折率膜と低屈折率膜との界面で光を全反射させて、半導体基板１０１の表面に光を導き、かつ、半導体基板１０１の表面に斜めに入射した光を凸部１０２にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部１０３内に導くことができる。よって、実施の形態２に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同様に、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００７５】
以下、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置について、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と異なる点を中心に図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。
【００７６】
図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図であり、具体的には、固体撮像装置２００の一つの画素を中心とした構成を示す平面図である。なお、同図には、当該一つの画素の隣の画素の一部も示されている。図６Ｂは、図６Ａに示すＸ−Ｘ’線での断面構成を示す断面図であり、図中の太線は入射光の入射経路を示す。
【００７７】
また、実施の形態１と同様の構成については、説明を省略し、以下では、実施の形態１との相違点のみを説明する。
【００７８】
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置２００は、図１Ａ及び図１Ｂに示した固体撮像装置１００と比較して、絶縁膜１１０及び層内レンズ１１１に代わり、低屈折率膜２０１及び高屈折率膜２０２を備える。
【００７９】
低屈折率膜２０１は、絶縁膜１０５、反射防止膜１０８及び遮光膜１０９上に形成され、柱状構造の高屈折率膜２０２の形状を決定する、絶縁膜である。この低屈折率膜２０１は、高屈折率膜２０２の屈折率より低い屈折率を有する材料で構成され、特に酸化シリコンが好ましい。つまり、低屈折率膜２０１は、高屈折率膜２０２の側面を覆い、高屈折率の屈折率より屈折率が低い。低屈折率膜２０１の膜厚は、２００〜１５００ｎｍが好ましく、更に１０００ｎｍ程度がより好ましい。
【００８０】
高屈折率膜２０２は、半導体基板１０１の上に各受光部１０３に対応して設けられ、柱状構造の光学的に透明な膜からなる。高屈折率膜２０２は、反射防止膜１０８上に形成され、低屈折率膜２０１と合わせて光導波路を構成し、この高屈折率膜２０２に入射した光を高屈折率膜２０２と低屈折率膜２０１との界面で光を全反射させて、半導体基板１０１の受光部１０３に導く。この高屈折率膜２０２は、光学的に透明な高屈折率材料で構成され、特には窒化珪素で構成されることが好ましい。
【００８１】
さらにこの高屈折率膜２０２の受光部１０３側の端部の直径Ｄ３と、半導体基板１０１の凸部１０２の直径Ｄ２とは、次の（式２）に示す関係であることが好ましい。
【００８２】
（式２）・・・・Ｄ２≧Ｄ３
【００８３】
このように、実施の形態２に係る固体撮像装置２００は、半導体基板１０１の上に各受光部１０３に対応して設けられ、柱状構造の光学的に透明な膜から成る高屈折率膜２０２と、高屈折率膜の側面を覆い、高屈折率膜の屈折率より屈折率が低い低屈折率膜２０１とを備える。
【００８４】
これにより、実施の形態２に係る固体撮像装置２００は、受光部１０３の上に光導波路を形成し、光導波路となる高屈折率膜２０２と低屈折率膜２０１との界面で光を全反射させて、半導体基板１０１の表面に光を導き、かつ、半導体基板１０１の表面に斜めに入射した光を凸部１０２にて屈折させ、より垂直に近い角度で受光部１０３内に導くことができる。よって、実施の形態２に係る固体撮像装置２００は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と同様に、スミア特性の低下を抑制しつつ、更に感度を向上できる。
【００８５】
次に、実施の形態２に係る固体撮像装置２００の製造方法について、説明する。ただし、遮光膜１０９を形成する工程（図２（ｇ））までは、実施の形態１に係る固体撮像装置１００の製造方法と同様であるため、説明を省略する。
【００８６】
実施の形態２に係る固体撮像装置２００の製造方法は、遮光膜１０９を形成した後に、ＣＶＤ法等を用いた成膜によって、低屈折率膜の材料である酸化珪素膜を堆積する。次に、受光部１０３の上方に、例えば１０００〜１５００ｎｍ程度の開口径を有するレジストパターンをフォトリソグラフィー法により形成したうえで、異方性エッチングにより、受光部１０３の上方にある酸化珪素膜を除去する。これにより、受光部１０３の上方に貫通孔を有する低屈折率膜２０１が形成される。このとき、低屈折率膜２０１の受光部１０３側の端部の開口径は、３００〜７００ｎｍ程度が好ましい。続いて、ＣＶＤ法等を用いた成膜によって、高屈折率膜２０２の材料である窒化珪素膜を堆積し、低屈折率膜２０１の開口部に窒化珪素膜を埋め込み、低屈折率膜２０１上の窒化珪素膜を除去することにより、柱状構造の高屈折率膜２０２を形成する。次に平坦化膜１１２を塗布し、カラーフィルタ１１３、マイクロレンズ１１４を順次形成する。
【００８７】
以上の工程により、図６Ａ及び図６Ｂに示す本実施の形態に係る固体撮像装置２００が形成される。
【００８８】
以上のように、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２００の製造方法は、低屈折率膜２０１を形成した後に、低屈折率膜２０１の貫通孔に窒化珪素膜を埋め込むことにより高屈折率膜２０２を形成する。
【００８９】
これにより、特殊な設備を使うことなく、通常の半導体の製造方法で、低屈折率膜２０１と高屈折率膜２０２とからなる光導波路を形成できる。つまり、低コストで、スミア特性の低下を抑制しつつ、高感度の固体撮像装置を製造できる。
【００９０】
なお、本発明は、以上に記載した実施の形態１及び２の説明に限定されず、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。
【００９１】
例えば、上記実施の形態１及び２で挙げた数値及び材料等は一例であり、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００９２】
また、例えば、集光する波長の範囲毎に、凸部１０２の曲面の形状を変えるなど、集光構造を同一固体撮像装置内で変えても良い。
【００９３】
また、上記図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
【００９４】
また、上記各実施の形態では受光部１０３の上面は平坦であったが、図７に示すように受光部１０３の表面は凸であってもよい。言い換えると、受光部１０３の表面は上に凸の滑らかな曲面で構成されてもよい。
【００９５】
また、図１Ｂでは、受光部１０３は半導体基板１０１の内部に形成されているが、半導体基板１０１の表面に形成されていてもよい。この場合、受光部１０３の上面は半導体基板１０１の上面と共通であり、受光部１０３表面は、上に凸の形状を有していてもよい。
【００９６】
また、上記各実施の形態では、凸部１０２、第１サブレンズ部１１１ａ、第２サブレンズ部１１１ｂ及び高屈折率膜２０２それぞれの、半導体基板１０１に平行な方向の断面を略円形としたが、これに限らない。例えば、凸部１０２、第１サブレンズ部１１１ａ、第２サブレンズ部１１１ｂ及び高屈折率膜２０２それぞれの、半導体基板１０１に平行な方向の断面は、略長方形及び略正方形であってもよい。
【００９７】
更に、本発明は、ＣＣＤ型固体撮像装置を実施例として説明したが、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型固体撮像装置においても、使用可能で、その場合は、高感度を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、固体撮像装置に適用でき、例えば、デジタルスチルカメラ及びデジタルビデオカメラに適用できる。
【符号の説明】
【００９９】
１００、２００  固体撮像装置
１０１  半導体基板
１０２、  凸部
１０３  受光部
１０４  転送チャネル
１０５、１０７、１１０  絶縁膜
１０６  転送電極
１０６ａ  第１転送電極
１０６ｂ  第２転送電極
１０８  反射防止膜
１０９  遮光膜
１１１  層内レンズ
１１１ａ  第１サブレンズ部
１１１ｂ  第２サブレンズ部
１１１’  窒化珪素膜
１１２  平坦化膜
１１３  カラーフィルタ
１１４  マイクロレンズ
１１５  垂直電荷転送部
１５１  熱酸化膜
１５２、１５３  レジスト
２０１  低屈折率膜
２０２  高屈折率膜
【図１Ａ】
2011243885.tif 000003
【図１Ｂ】
2011243885.tif 000004
【図２】
2011243885.tif 000005
【図３Ａ】
2011243885.tif 000006
【図３Ｂ】
2011243885.tif 000007
【図４Ａ】
2011243885.tif 000008
【図４Ｂ】
2011243885.tif 000009
【図５Ａ】
2011243885.tif 000010
【図５Ｂ】
2011243885.tif 000011
【図６Ａ】
2011243885.tif 000012
【図６Ｂ】
2011243885.tif 000013
【図７】
2011243885.tif 000014