(57)【要約】【課題】集光特性や斜め光の入射特性と悪化させることなく、周辺回路の多層配線をもつ固体撮像装置を実現する。【解決手段】半導体基板上に、マトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、画素セルを駆動し信号処理を行う撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置であって、撮像領域の配線層数は周辺回路の配線層数よりも少なく、撮像領域の画素セルには、撮像領域の最上層配線と配線周辺回路の最上層配線に相当する位置の間に層内レンズが配置され、かつ周辺回路の最上層配線に相当する位置よりも上方にオンチップカラーフィルタとオンチップレンズが配置されている。【選択図】図１
2008270423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間に、すくなくとも１つの第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間に、すくなくとも１つの第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置よりも上方に、すくなくとも１つの第２の光学構造部材が配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記撮像領域の光電変換素子から前記撮像領域のｎ層目配線に相当する位置の間に、すくなくとも１つの第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記撮像領域の光電変換素子から前記撮像領域のｎ層目配線に相当する位置の間に、すくなくとも１つの第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置よりも上方に、すくなくとも１つの第２の光学構造部材が配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の光学構造部材は、前記周辺回路のｍ層目配線の下面よりも低い位置に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの請求項記載の固体撮像装置。
【請求項６】
請求項４記載の固体撮像装置において、前記第１の光学構造部材として、複数の部材が配置された場合、第１の部材の配置される配線層間膜での位置と第２の部材の配置される配線層間膜での位置が、異なることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１の光学構造部材は、無機材料からなるレンズ、または無機材料からなるカラーフィルタ、またはその両方であることを特徴とする請求項１から６のいずれかの請求項記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２の光学構造部材は、有機材料からなるレンズ、または有機材料からなるカラーフィルタ、またはその両方であることを特徴とする請求項２ないし、４から６のいずれかの請求項記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記無機材料からなるレンズは、凸レンズであることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記無機材料からなるレンズは、凹レンズであることを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に係わり、より詳細には、周辺回路に多層配線を有するＭＯＳ型固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般的な半導体装置においては、素子寸法の微細化と配線の多層化が進展している。素子寸法の微細化は、チップサイズの縮小とトランジスタ駆動能力の向上をその目的とし、配線の多層化は、配線引き回しの削減によるチップサイズの縮小と配線遅延の削減をその目的としている。システムＬＳＩやマイコン等の半導体装置については、これらの技術革新によって、高性能で安価なチップ製造が可能になった。
【０００３】
しかしながら、固体撮像装置においては、やや事情が異なる。
【０００４】
素子寸法の微細化は、固体撮像装置の画素セルのピッチを微細化することを可能にするため、同じ光学サイズ、すなわち、画素アレイが存在する受光領域の面積が一定であっても、受光領域により多くのセルを配置することによって、高解像度の固体撮像装置を構成することができる。これは、チップサイズの縮小とトランジスタ駆動能力の向上というシステムＬＳＩやマイコンの場合とは事情が異なるが、違う意味で固体撮像装置について高性能化をもたらした。
【０００５】
図６は、従来のＭＯＳ型固体撮像装置の代表的な構成を示す回路図である。
【０００６】
図６に示される固体撮像装置は、フォトダイオード１０１と、転送トランジスタ１０２と、増幅トランジスタ１０４と、リセットトランジスタ１０３とを含み、かつ、各々がマトリクス状に配列される複数の感光セルと、複数の垂直信号線１１１と、複数の共通電源線１０６と、垂直シフトレジスタ回路１０７と、雑音抑圧回路１０８と、水平シフトレジスタ回路１０９とを備える。増幅トランジスタ１０４及びリセットトランジスタ１０３の各々のドレインは、共通電源線１０６に接続されている。また、増幅トランジスタ１０４のソースは、垂直信号線１１１に接続されている。垂直信号線１１１の一方端は、負荷トランジスタ１０５に接続され、垂直信号線１１１の他方端は、雑音抑圧回路１０８に接続されている。雑音抑圧回路１０８の出力は、水平シフトレジスタ回路１０９によって駆動される水平選択トランジスタ１１０に結線され、水平信号線１１２に出力される。
【０００７】
よって固体撮像装置の画素セルは、少なくとも３つのトランジスタと１つのフォトダイオードから構成されることがわかる。
【０００８】
ところで、システムＬＳＩやマイコン等の半導体装置においては、素子寸法が微細化される場合、スケーリング則に従って、全ての素子のサイズが比例縮小することが想定された。
【０００９】
しかし、固体撮像装置の画素セルにおいては、フォトダイオードが配置される所定面積の領域を確保することを優先して、感度や飽和電子数のようなフォトダイオードの特性を維持することが重要である。フォトダイオードは、面積が大きくなるに従い、捕獲できる光電変換電子数も多くなり、蓄積できる電荷量が大きくすることができる。
【００１０】
したがって、固体撮像装置において、素子寸法が微細化される場合、全ての素子のサイズが単純に比例縮小されるのではなく、フォトダイオードが配置される面積を可能な限り減少させることなく、トランジスタのサイズを微細化する方針が採用される。
【００１１】
一方、微細化とともに進展してきた配線の多層化は、ＭＯＳ型固体撮像装置においては深刻な課題を発生させる。
【００１２】
図２は固体撮像装置の画素セル部の断面を示しており、半導体基板２００上にフォトダイオード２０１、素子分離２０２、側壁スペーサ２０３、拡散層２０４、ゲート電極２０５が配置され、この上に層状に重なるように第１層間膜２０９、第１メタル２１０、第２層間膜２１１、第２メタル２２０、パッシべーション膜２２１が配置されている。
【００１３】
図２に示すように固体撮像装置を断面からみると、画素セルのフォトダイオードの上部には、入射光路を開けた形で配線が配置されている。
【００１４】
図２（ａ）のように、フォトダイオードに対して垂直光３００が入射する場合においては、配線が光をさえぎる位置に配置されていない限り、特に問題は発生しない。
【００１５】
しかし、たとえば、撮像領域の端に位置する画素セルに光が入射するような場合、図２（ｂ）のように、フォトダイオードに斜め光３０１が入射することになるので、配線が光をさえぎるような場合が発生することがある。
【００１６】
図３は、固体撮像装置の画素セル部の断面を示しており、図２の場合よりもさらに２層の配線層が増えた場合であり、第２メタル２２０の上に第３層間膜２２２、第３メタル２３０、第４層間膜２３１、第４メタル２４０、パッシべーション膜２４１が配置されている。
【００１７】
このような場合には、配線が多層であればあるほど、斜め光３０１は入射しにくくなる。これは具体的な問題として、固体撮像装置と組み合わせるレンズの種類に制約が発生することになる。
【００１８】
一般に固体撮像装置にできるだけたくさんの光を集めるため、組み合わせるレンズの口径は大きい方が好ましい。しかしながら、焦点距離を一定に保った場合には、口径が大きくなればなるほど固体撮像装置の撮像領域の端に位置する画素セルに入射する光線の角度は大きくなる。よって固体撮像装置の配線層はできるだけ多層でないことが望ましいとされてきた。
【００１９】
一般にＭＯＳ型固体撮像装置では、少なくとも画素セルの配線が成立しないと成り立たない観点から、画素を選択するｘｙアドレスのための縦横２層と、遮光のための１層の計３層配線が最低限必要とされてきた。
【００２０】
図６の例に倣うと  たとえば、転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０３をｘ配線としてポリシリコンを用い、垂直信号線１１１をｙ配線として第１層メタルを用い、遮光層として第２層メタルを用いることとなる。
【００２１】
これは、転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０３をｘ配線として第１層メタルを用い、垂直信号線１１１をｙ配線として第２層メタルを用い、遮光層として第３層メタル用いることもある。
【００２２】
従来の固体撮像装置では、前述の配線の多層化による課題が発生しないように周辺回路の配線層数を画素セルの配線層数に合わせる意味で、画素セル配線層数を周辺回路の配線層数と等しくしていた。幸い  初期のＭＯＳ型固体撮像装置では、画素ピッチが大きく、配線の引き回しの自由度が高かったこともあって、周辺回路は３層配線で構成可能であった。
【００２３】
同一の配線層数を維持しながら、セルピッチの微細化と配線の微細化と層間膜の薄膜化が  同じペースですすむのであれば、これは相似形であるので、問題はない。
【００２４】
しかしながら、ＭＯＳ型固体撮像装置には近年、高速化とデジタル処理による差別化をめざす流れができつつあり、そうすると、周辺回路にデジタル信号処理回路の混載が求められるようになって、システムＬＳＩやマイコン等と同様に多層配線による配線遅延の削減が要求されるようになってきた。
【００２５】
また、画素セルの微細化は、当初は素子寸法の微細化の恩恵によって進展してきたが、画素セルを微細化がさらなる進展に伴って、新たな課題が発生してきた。
【００２６】
画素セルを微細化することは、すなわち画素ピッチを微細化することになるため、画素ピッチの微細化の結果として、行または列毎にＡ／Ｄコンバータ・シフトレジスタなどの周辺回路を狭い行幅または列幅内に配置することが必要になる。このとき、この狭い幅に引き回すことができる配線本数は、幅の縮小に伴って少なくなることは必至であるから、少ない層数の配線によって回路を構成することが困難になってきた。
【００２７】
このため、画素を選択するｘｙアドレスのための縦横２層と、遮光のための１層の基本３層ベースで、画素セルの配線としては十分足りているのだが、周辺回路の配線構成としては３層では足りなくなってしまっていた。
【００２８】
ここで考えられるのは、撮像領域の画素セルは配線層を増やさず、かつ周辺回路のみ配線層を増やす、という手法である。
【００２９】
しかしながら  この方法にも大きな課題がある。第１に、やはり集光率・斜め光の入射特性が悪くなる。微細化の進んだ半導体装置の製造方法では、各層の配線を形成する前に  平坦化処理を行うことで段差を無くし、微細配線の加工を可能にしてきた。
【００３０】
ところが、周辺回路に多層配線を用いると、撮像領域の画素セルについては、配線のない層間膜のみが  積み重なることになってしまい、固体撮像装置の表面に形成されるカラーフィルタやレンズと撮像領域間の距離が離れることになってしまう。
【００３１】
これは、レンズの開口数（ＮＡ）を小さくすることと同義になるので、微細ピッチの画素セルを採用した場合などに、解像度が悪化し、結果として集光率が悪くなる。
【００３２】
このため、固体撮像装置の製造上の要求として、レンズ形状の精度の要求とレンズ位置のフォトダイオードに対する位置あわせ要求が重要であるが、前述の集光率の悪化の影響により、レンズ曲率の製造ばらつきによる集光距離変動の影響を受けやすくなり、かつレンズとフォトダイオードの相対位置の製造ばらつきによる集光位置変動の影響を受けやすくなることから、カラーフィルタ・レンズと撮像領域間の距離が離れることは、集光の面からも、斜め光の入射特性を得る面からもマイナスである。
【００３３】
図４は、撮像領域の配線は２層に保ったまま、周辺回路の配線層を４層にした場合の固体撮像装置の断面図である。パッシべーション膜２４１の上に、一般にアクリルで形成される平坦化層２５０、オンチップカラーフィルタ２６０、平坦化層２６１、オンチップレンズ２７０が配置されている。ここに入射光４００が入射している。
【００３４】
この場合、せっかく撮像領域の配線を２層構造にしたものの、第３層間膜２２２、第４層間膜２３１が積み重なってしまったため、オンチップカラーフィルタ２６０やオンチップレンズ２７０と、フォトダイオード２０１の距離が離れてしまい、集光距離が大きくなっている。これは、固体撮像装置の製造上において、レンズ形状の精度が要求されることとレンズ位置のフォトダイオードに対する位置あわせが厳しくなることを意味しており、そのばらつきが課題となる。
【００３５】
図５のように配線層を少なくすればこのような課題は緩和されるが、前述のようにこれでは周辺回路の配線構成が足りない。
【００３６】
そこで、この課題を避けるために、撮像領域の画素セル部のみ不要な層間膜を除去して、カラーフィルタやレンズを低い位置に配置すること考えられた。
【００３７】
【特許文献１】特開２００４−７１９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
以上のように、従来、一般に用いられているカラーフィルタやレンズは有機材料であるため、以下の課題がある。
【００３９】
まず前提として、有機材料は、一般の半導体製造工程の熱処理には耐えられないため、半導体製造配線工程の途中に有機材料の工程を追加することは出来ない。よって、層間膜を除去した部分にカラーフィルタやレンズを形成する工程は、有機材料を用いる限りは、半導体製造工程の後になる。
【００４０】
半導体製造工程が終わってから、撮像領域にある不要な層間膜を除去してカラーフィルタやレンズを形成する場合には、不要な層間膜を除去された撮像領域と除去しない周辺回路部の間に、除去量に応じた段差が生じるが、従来のカラーフィルタやレンズの材料となる有機材料は、スピン塗布によって固体撮像装置表面に形成されるので、塗布膜厚に比べて大きい凹部があると塗布ムラが出来てしまう。
【００４１】
特許文献１のように  遷移領域にテーパーを形成することで  ある程度はムラの発生を抑制できるが、周辺回路と撮像領域の塗布ムラができない程度まで平坦に塗布するような場合、撮像領域にある不要な層間膜を除去した部分を有機材料で埋めてしまうことが必要となるため、これでは撮像領域にある不要な層間膜を除去した意味がなくなる。
【００４２】
この課題のため、従来の製造手法では限界であった。
【００４３】
それ故に、本発明は、集光特性や斜め光の入射特性と悪化させることなく、周辺回路の多層配線をもつ固体撮像装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４４】
本発明の第１の手段は、半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う、前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間に、第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置されていることを特徴とする。
【００４５】
本発明の第２の手段は、半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う、前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間に、第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置よりも上方に、第２の光学構造部材が配置されていることを特徴とする。
【００４６】
本発明の第３の手段は、半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う、前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記撮像領域の光電変換素子から前記撮像領域のｎ層目配線に相当する位置の間に第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置されていることを特徴とする。
【００４７】
本発明の第４の手段は、半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う、前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置において、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数をｎ層、前記周辺回路の配線層数をｍ層とするとｎ＜ｍの関係に有り、前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記撮像領域の光電変換素子から前記撮像領域のｎ層目配線に相当する位置の間に第１の光学構造部材が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいてｎ層目配線に相当する位置から前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置の間にはｍ層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて前記周辺回路のｍ層目配線に相当する位置よりも上方に、第２の光学構造部材が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４８】
本発明に係る固体撮像装置によれば、集光特性や斜め光の入射特性と悪化させることなく、周辺回路に撮像領域の画素セルよりも多層の配線をもつ固体撮像装置を実現することができ、高速化・デジタル処理を実現できる周辺回路の混載が可能になる固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置について、その詳細を説明する。
【実施例１】
【００５０】
まず、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の特徴について説明する。
【００５１】
本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置は、マトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し、前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路とから構成される固体撮像装置であって、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数を２層、前記周辺回路の配線層数を４層で、前記撮像領域の前記画素セルには２層目配線から前記周辺回路の４層目配線に相当する位置の間に層内レンズが配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて２層目配線に相当する位置から前記周辺回路の４層目配線に相当する位置の間には４層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて前記周辺回路の４層目配線に相当する位置よりも上方にオンチップカラーフィルタとオンチップレンズが配置されていることを特徴とする固体撮像装置である。
【００５２】
この固体撮像装置では、画素セルからなる撮像領域では、図６に倣って、転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０３をｘ配線としてポリシリコンを用い、垂直信号線１１１をｙ配線として第１層メタルを用い、遮光層として第２層メタルから構成されるが、周辺回路ではポリシリコンと１層目メタル〜４層目メタルまでが用いられる。
【００５３】
さらに、撮像領域の上の２層目メタルと周辺回路での４層目メタルに相当する高さ位置の間には、層内レンズが配置されている。
【００５４】
図１は、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の断面図であり、半導体基板２００上にフォトダイオード２０１、素子分離２０２、側壁スペーサ２０３、拡散層２０４、ゲート電極２０５が配置され、この上に層状に重なるように第１層間膜２０９、第１メタル２１０、第２層間膜２１１、第２メタル２２０、第３層間膜２２２、第３メタル２３０、第４層間膜２３１、第４メタル２４０、パッシべーション膜２４１が配置されている。パッシべーション膜２４１の上に、一般にアクリルで形成される平坦化層２５０、オンチップカラーフィルタ２６０、平坦化層２６１、オンチップレンズ２７０が配置されている。
【００５５】
この無機層内レンズ６００は第４層間膜２３１の中に配置され、シリコン窒化膜からなり、他の層間膜がシリコン酸化膜から構成されるのに対して屈折率が高くなるようになっており、レンズとして働く。
【００５６】
この固体撮像装置の製造方法について、図７（ａ）〜図７（ｆ）を用いて、以下に記す。ここでは３層目メタル２３０の形成以降について説明し、それ以前の工程については割愛する。
【００５７】
まず、図７（ａ）に示すように、３層目メタル２３０をパターンニングする。
【００５８】
次に、プラズマＳｉＮ膜６０１を成長して、図７（ｂ）を得る。
【００５９】
そして、図７（ｃ）の位置に、レジスト６０２をパターニングする。
【００６０】
このレジスト６０２を、１７０〜２００℃にてベーキングし、レジストを半球状に丸め、ベーキング後レジスト６０３の形状とする。これを図７（ｄ）に示す。
【００６１】
次に、ドライエッチングにて、反応ガスとして用いるフロロカーボン系のガスと酸素ガスの比を調節して、レジストとＳｉＮ膜のエッチング選択比を１に近い値になるようにした状態で、エッチバックを行う。
【００６２】
ここにおいて、半球状の無機層内レンズ６００が図７（ｅ）の形状に形成される。
【００６３】
そして、全面にプラズマＣＶＤにて第４層間膜２３１を堆積する。
【００６４】
ここで、ＣＭＰによる平坦化を実施し、図７（ｆ）の形状を得るが、ＣＭＰという平坦化手法の特長として、このとき撮像領域の画素セル上の平坦化表面と、周辺回路の平坦化表面は、概ね同等の高さに平坦化されることになる。
【００６５】
ヴィアホールを形成し、タングステンで埋め込む（図面では省略する）。
【００６６】
メタルを堆積し、４層目メタル２４０を図７（ｇ）のようにパターニングする。
（以降  オンチップ工程も割愛する）。
【００６７】
図４のように無機層内レンズ６００を組み込まずに２層目から４層目の間の層間膜を形成してしまうと、フォトダイオード２０１とオンチップレンズ２７０の距離が離れるだけで  集光特性が悪化するのみである。
【００６８】
層内レンズが、周辺回路の最上層配線とオンチップレンズ２７０の間に形成された例があるが、その構成でも、周辺回路の配線層数が増えた際には、撮像領域の層間膜厚がその分増加してしまい、集光特性が悪化してしまう。
【００６９】
層内レンズを２層目メタルと４層目メタルの間に組み込むことで、出来るだけフォトダイオード１０１に近い位置に集光レンズを形成することが出来る。
【００７０】
これは、レンズの径を変えずに焦点距離を短くすることになるので、レンズの開口数（ＮＡ）を大きくすることと同義になるので、微細ピッチの画素セルを採用した場合などに、解像度が良化し、結果として集光率を向上させることができる。
【００７１】
この構成をとることによって  オンチップレンズ２７０からフォトダイオード１０１までのトータルの集光距離を、それぞれ、オンチップレンズ２７０と層内レンズに分配することができるので、固体撮像装置の製造上におけるレンズ形状の精度の要求を緩和し、レンズ位置のフォトダイオード１０１に対する位置あわせ要求を緩和することを実現できる。
【００７２】
また、層内レンズ材料は無機材料であるＳｉＮをもちいることができるので、半導体製造工程の中間位置、配線と配線の形成工程のあいだにレンズ形成工程を配置することができる。
【００７３】
さらに無機材料はCVDによって形成されるので、塗布ムラといった有機材料特有の課題は発生しない。
【００７４】
層内レンズの代わりに  または  追加で、無機材料によって形成されたカラーフィルタを配置することも可能である。たとえば図８に示すように、無機カラーフィルタ７００は、第４メタル２４０およびパッシべーション膜２４１と  無機層内レンズ６００の間に配置することが可能である。
【００７５】
無機カラーフィルタ７００の製造方法の説明は割愛するが、たとえば、非特許文献Ｓ．Ｍ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．“Ｎｏｖｅｌ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｌｏｒ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｌａｙｅｒｓ”  ＳＩＤ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐａｐｅｒｓ  ３０（１９９９）９４０  に示されているように  複数の無機薄膜材料を積層することで実現できる。
【００７６】
この場合も同様に、無機材料はCVDによって形成されるので、塗布ムラといった有機材料特有の課題は発生しない。
【００７７】
これら、無機材料からなる層内レンズと無機材料からなる無機カラーフィルタ７００を配置する場合、それらの部材の位置は、集光設計にあわせて  光電変換素子からの距離が異なる位置に配置されることになり、必ずしも  同じ配線層間に設置する必要はない。
【００７８】
また、集光設計によっては、無機層内レンズは凸レンズ形状もしくは、凹レンズ形状であっても構わない。
【実施例２】
【００７９】
以下、本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置について、その詳細を説明する。
【００８０】
まず、本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の特徴について説明する。
【００８１】
本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置は、半導体基板上に、光電変換素子とトランジスタを含むマトリクス状に配列された複数の画素セルから構成される撮像領域と、前記画素セルを駆動し信号処理を行う、前記撮像領域の周辺に配置される周辺回路と、から構成される固体撮像装置であって、前記撮像領域の配線層数は前記周辺回路の配線層数よりも少なく、前記撮像領域の配線層数を２層、前記周辺回路の配線層数を４層で、前記撮像領域の前記画素セルにおいて、前記撮像領域のフォトダイオード１０１から前記撮像領域の２層目配線に相当する位置の間に層内レンズが配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて２層目配線に相当する位置から前記周辺回路の４層目配線に相当する位置の間には４層目配線位置と概ね同等の高さに平坦化された層間膜が配置され、かつ前記撮像領域の前記画素セルにおいて前記周辺回路の４層目配線に相当する位置よりも上方にオンチップカラーフィルタ２６０とオンチップレンズ２７０が配置されていることを特徴とする固体撮像装置である。
【００８２】
この固体撮像装置では、画素セルからなる撮像領域では、図６に倣って、転送トランジスタ１０２とリセットトランジスタ１０３をｘ配線としてポリシリコンを用い、垂直信号線１１１をｙ配線として第１層メタルを用い、遮光層として第２層メタルから構成されるが、周辺回路では、ポリシリコンと１層目メタル〜４層目メタルまでが用いられる。
【００８３】
さらに、撮像領域の上のフォトダイオードと撮像領域の２層目メタルに相当する高さ位置の間には、層内レンズが配置されている。
【００８４】
図９は、第２の実施例に係る固体撮像装置の断面図であり、半導体基板２００上にフォトダイオード２０１、素子分離２０２、側壁スペーサ２０３、拡散層２０４、ゲート電極２０５が配置され、この上に層状に重なるように第１層間膜２０９、第１メタル２１０、第２層間膜２１１、第２メタル２２０、第３層間膜２２２、第３メタル２３０、第４層間膜２３１、第４メタル２４０、パッシべーション膜２４１が配置されている。
パッシべーション膜２４１の上に、一般にアクリルで形成される平坦化層２５０、オンチップカラーフィルタ２６０、平坦化層２６１、オンチップレンズ２７０が配置されている。
【００８５】
無機層内レンズ６１０は第２層間膜２１１の中に配置され、シリコン窒化膜からなり、他の層間膜がシリコン酸化膜から構成されるのに対して屈折率が高くなるようになっており、レンズとして働く。
【００８６】
この固体撮像装置の製造方法は、第１の実施例において  レンズ形成工程位置を変更することによって実現できるので  ここでは割愛する。
【００８７】
層内レンズをフォトダイオードと２層目メタルの間に組み込むことで、第１の実施例よりもさらにフォトダイオードに近い位置に集光レンズを形成することが出来る。
【００８８】
この場合、レンズの径を変えずに焦点距離を短くすることになるので、これは、レンズの開口数（ＮＡ）をさらに大きくすることと同義になるので、微細ピッチの画素セルを採用した場合などに、解像度が良化し、結果として集光率が良くなる。
【００８９】
この構成をとることによって  オンチップレンズ２７０からフォトダイオード１０１までのトータルの集光距離を、それぞれ、オンチップレンズ２７０と層内レンズに分配することができ、かつ主に集光は層内レンズによって行われることになるため、オンチップレンズ２７０への加工上の要求として  さらにレンズ形状の精度の要求を緩和し、レンズ位置のフォトダイオード１０１に対する位置あわせ要求を緩和することを実現できる。
【００９０】
本発明の第１の実施例でも述べたように、層内レンズ材料は、無機材料であるＳｉＮをもちいることができるので、半導体製造工程の中間位置、つまり配線と配線の形成工程のあいだにレンズ形成工程を配置することができる。
【００９１】
さらに無機材料はCVDによって形成されるので、塗布ムラといった有機材料特有の課題は発生しない。
【００９２】
レンズの代わりまたは、追加として、無機材料で作成したオンチップカラーフィルタ２６０を形成してもよいことは、前述の通りである。
【００９３】
これら、無機材料からなる層内レンズと無機材料からなるオンチップカラーフィルタ２６０を配置する場合、それらの部材の位置は、集光設計にあわせて光電変換素子からの距離が異なる位置に配置されることになり、必ずしも同じ配線層間に設置する必要はない。
【００９４】
また、集光設計によっては、無機層内レンズは凸レンズ形状もしくは、凹レンズ形状であっても構わない。凸レンズと凹レンズを組み合わせることを含め、集光設計によって決定され、最終的な集光率が最大化されることが重要である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の実施例１から２のＭＯＳ型固体撮像装置は、例えば、画素セルピッチが２．０μｍ以下に微細化されたＭＯＳ型固体撮像装置に、多層配線を必要とするカラムＡ／Ｄ変換器を内蔵するような場合に有用である。また、本発明の実施例１から２のＭＯＳ固体撮像装置は、高画質を重視するカメラまたはカメラシステム、たとえばデジタルスチルカメラ、携帯カメラ、医療用カメラ、車載カメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、セキュリティーカメラなどのシステムに利用する場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】第１の実施例に係る固体撮像装置の断面図
【図２ａ】撮像領域を２層配線にした場合の固体撮像装置の画素セル部の断面図：光が垂直に入射する場合
【図２ｂ】撮像領域を２層配線にした場合の固体撮像装置の画素セル部の断面図：光が斜めに入射する場合
【図３】撮像領域を４層配線にした場合の固体撮像装置の画素セル部の断面図
【図４】撮像領域の配線は２層に保ったまま、周辺回路の配線層を４層にした場合の固体撮像装置の断面図
【図５】撮像領域と周辺回路の配線層を共に２層にした場合の固体撮像装置の断面図
【図６】従来のＭＯＳ型固体撮像装置の代表的な構成を示す回路図
【図７ａ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図７ｂ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図７ｃ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図７ｄ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図７ｅ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図７ｆ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図７ｇ】第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法
【図８】第２の実施例に係る固体撮像装置の断面図
【符号の説明】
【００９７】
１０１  フォトダイオード
１０２  転送トランジスタ
１０３  リセットトランジスタ
１０４  増幅トランジスタ
１０５  負荷トランジスタ
１０６  共通電源線
１０７  垂直シフトレジスタ回路
１０８  雑音抑圧回路
１０９  水平シフトレジスタ回路
１１０  水平選択トランジスタ
１１１  垂直信号線
１１２  水平信号線
２００  半導体基板
２０１  フォトダイオード
２０２  素子分離
２０３  側壁スペーサ
２０４  拡散層
２０５  ゲート電極
２０９  第１層間膜
２１０  第１メタル
２１１  第２層間膜
２２０  第２メタル
２２１  パッシべーション膜
２２２  第３層間膜
２３０  第３メタル
２３１  第４層間膜
２４０  第４メタル
２４１  パッシべーション膜
２５０  平坦化層
２６０  オンチップカラーフィルタ
２６１  平坦化層
２７０  オンチップレンズ
３００  垂直光
３０１  斜め光
４００  入射光
６００  無機層内レンズ
６０１  プラズマＳｉＮ膜
６０２  レジスト
６０３  ベーキング後レジスト
６１０  無機層内レンズ
７００  無機カラーフィルタ
【図１】
2008270423.tif 000003
【図２ａ】
2008270423.tif 000004
【図２ｂ】
2008270423.tif 000005
【図３】
2008270423.tif 000006
【図４】
2008270423.tif 000007
【図５】
2008270423.tif 000008
【図６】
2008270423.tif 000009
【図７ａ】
2008270423.tif 000010
【図７ｂ】
2008270423.tif 000011
【図７ｃ】
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【図７ｄ】
2008270423.tif 000013
【図７ｅ】
2008270423.tif 000014
【図７ｆ】
2008270423.tif 000015
【図７ｇ】
2008270423.tif 000016
【図８】
2008270423.tif 000017