(57)【要約】【課題】  本発明は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子及びその製造方法に関し、単一層内レンズによる最適な集光を可能にした固体撮像素子、及び層内レンズを精度よく形成できる製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも１つは、エッチングにより形成された凹部を有する第１の層と、凹部を埋めるように形成された第２の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。【選択図】        図４ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部を含む複数の画素と、
前記受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、
前記複数のレンズの少なくとも１つは、エッチングにより形成された凹部を有する第１の層と、
前記凹部を埋めるように形成された第２の層とから成る層内レンズである
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記配線層は少なくとも、前記受光部を挟んだ両側に形成された第１の配線と、第２の配線とを有し、
前記第１の配線と前記第２の配線とは前記受光部からの距離が異なっており、
前記層内レンズは前記第１の配線と前記第２の配線との間に位置する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の配線と前記第２の配線とは一体的に形成され、所定の電圧源に接続されている
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記画素は電荷読み出し用トランジスタと、
前記電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、
前記複数の配線は前記平坦化膜の上方に形成されている
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１の層は前記複数の配線を直接覆って形成されて前記配線層を構成する絶縁層である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記第１の層は前記配線層上に形成された絶縁層である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が前記受光部の中心上から前記撮像領域の中心側に偏って形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記複数のレンズの少なくとも１つは前記層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズである
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項９】
受光部を含む複数の画素と、
前記受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、
前記複数のレンズの少なくとも１つは、エッチングにより形成された凸部を有する第１の層と、前記凸部を覆って形成された第２の層とから成る層内レンズである
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１０】
前記配線層は少なくとも、前記受光部を挟んだ両側に形成された第１の配線と、第２の配線とを有し、
前記第１の配線と前記第２の配線とは前記受光部からの距離が異なっており、
前記層内レンズは前記第１の配線と前記第２の配線との間に位置する
ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記第１の層と前記第２の層との間に前記凸部を覆って形成された第３の層を有する
ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
基板表面に複数の受光部を形成する工程と、
前記受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、
第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、
エッチング用マスクを用いて前記第１の絶縁層をエッチングし、前記受光部の上方に凹部を形成する工程と、
前記凹部を埋めるように第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
前記配線を形成する工程より前に、
電荷読み出し用トランジスタを形成する工程と、
前記電荷読み出し用トランジスタを動作するためのゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成する工程とを有し、
前記配線及び前記凹部は前記平坦化膜より上方に形成される
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
基板表面に複数の受光部を形成する工程と、
前記受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、
第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、
前記第１の絶縁層上の前記受光部に対応した位置にリフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、
前記リフロー膜と共に前記第１の絶縁層をエッチバックして、前記第１の絶縁層に前記凸状面を転写する工程と、
前記第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の絶縁層を形成する工程より前に、
前記第１の絶縁層の前記凸状面を覆う第３の絶縁層を形成する
ことを特徴とする請求項１４記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１６】
受光部とＭＯＳトランジスタからなる画素が複数配列されてなり、
前記各受光部に対応して夫々単一の層内レンズが形成されて成る
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１７】
前記受光部より上方に形成された最上層の配線の一部が前記受光部を挟む両側に位置して成る
ことを特徴とする請求項１６記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記層内レンズが撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心を受光部の中心より撮像領域の中心側に偏って形成されて成る
ことを特徴とする請求項１６記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
前記受光部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部が、前記受光部に対して非対称に配置され、
前記非対称の配線に影響されずに前記層内レンズが形成されて成る
ことを特徴とする請求項１６記載の固体撮像素子。
【請求項２０】
前記配線がＡｌを含む金属材で形成されて成る
ことを特徴とする請求項１６記載の固体撮像素子。
【請求項２１】
受光部とＭＯＳトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光部を挟む配線を形成する工程と、
全面に第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、
エッチング用マスクを有して前記第１の絶縁層を各受光部に対応する位置で等方性エッチングにより選択的に除去して各受光部に対応した凹部を形成する工程と、
前記凹部を含む全面に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成する工程と、
前記第２の絶縁層を平坦化して前記凹部内に第２の絶縁層を残し、前記第１及び第２の絶縁層により単一の層内レンズを形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項２２】
受光部とＭＯＳトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光部を挟む配線を形成する工程と、
全面に第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、
前記第１の絶縁層上の各受光部に対応した位置に、リフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、
前記リフロー膜と共に前記第１の絶縁層をエッチバックして、前記第１の絶縁層に前記凸状面を転写する工程と、
前記第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する平坦化膜を形成して前記第１の絶縁層及び前記平坦化膜により単一の層内レンズを形成する工程とを有する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に層内レンズを備えてなる固体撮像素子及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子では、各センサ部の受光面の微細化が進んだり、受光面を挟んで遮光パターンや配線パターンのような各種の膜が積層されるような場合、入射光率が低下する。特に、遮光パターンや配線パターンが多く積層されるようなＣＭＯＳ型の固体撮像素子においては、入射光が配線等に遮られて入射光率を低下する。このような入射光率の低下に対する対策としては、受光面上に対応する配線層の間に層内レンズ、即ち層内集光レンズを設け、入射光を配線に遮られずにセンサ部へ集光させ、集光率を改善する方法が知られている（例えば特開２００１ー９４０８５号参照）。
【０００３】
従来、多層配線を有するＣＭＯＳ型固体撮像素子の層内集光レンズは、次のようにして形成されていた。センサ部を形成した基板上に絶縁層を介して各センサ部を挟んで平行する第１の配線を形成した後、全面に流動性膜（いわゆるリフロー膜）を形成する。流動性膜として、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法により屈折率１．４〜１．４６程度のＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜を堆積する。次に、このＢＰＳＧ膜を、８００〜９５０℃程度の温度で熱処理することでリフローさせる。この遮光パターンの段差を利用したリフロー処理により、ＢＰＳＧ膜は第１の配線に平行したシリンドリカルな凹形状に形成される。次に、プラズマＣＶＤ法によって屈折率２．０程度の窒化シリコン膜を堆積し、この窒化シリコン膜をＣＭＰ法（化学機械研磨法）により平坦化する。これにより、屈折率の小さい凹形状のＢＰＳＧ膜と屈折率の大きい平坦化された窒化シリコン膜とにより、一方向に延びる第１のシリンドリカル層内集光レンズが形成される。次に、第１のシリンドリカル層内集光レンズを構成する膜上に第１の配線と直交するように、センサ部を挟んで平行する第２の配線を形成した後、同じようにして第２の配線に沿うシリンドリカルな凹形状のＢＰＳＧ膜を形成し、その上に平坦化した窒化シリコン膜を形成し、第２のシリンドリカル層内集光レンズを形成する。この２つの互いに交差する第１及び第２のシリンドリカル層内集光レンズで、各センサ部毎に区画された層内集光レンズが形成される。
【特許文献１】特開２００１−９４０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した流動性膜を用いた層内集光レンズの形状は、そのレンズの高さやレンズの位置、曲率が下地の遮光膜または配線の間隔、高さで自己整合的に決定されてしまう。このため、最適に集光する上で必要な層内集光レンズの形状を得ることが難しい。
【０００５】
また、流動性膜のリフロー過程においては、８００〜９５０℃の高温度での熱処理を必要としていることから、配線層に実績のあるＡｌを使用することが出来なかった。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑み、最適な集光を可能にした精度の良い単一の層内レンズを備えた固体撮像素子ならびにその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも１つは、エッチングにより形成された凹部を有する第１の層と、凹部を埋めるように形成された第２の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。
配線層は、少なくとも受光部を挟んだ両側に形成された第１の配線と、第２の配線とを有し、第１の配線と第２の配線とが受光部からの距離を異にして形成されている。層内レンズは第１の配線と第２の配線との間に位置する。
第１の配線と第２の配線とは、一体的に形成し、所定の電圧源に接続されるように形成することができる。画素は電荷読み出し用トランジスタと、電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、複数の配線は平坦化膜の上方に形成されている。よって、第１の層は複数の配線を直接覆って形成されて配線層を構成する絶縁層で形成することができる。よって、第１の層は、配線層上に形成された絶縁層で形成することができる。層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が受光部の中心上から撮像領域の中心側に偏って形成することができる。複数のレンズの少なくとも１つは層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることができる。
【０００８】
本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部とＭＯＳトランジスタからなる画素を有した、いわゆるＣＭＯＳ型の固体撮像素子である。上記本発明のＣＭＯＳ型の固体撮像素子では、エッチングにより形成された凹部を有する第１の層と、凹部を埋めるように形成された第２の層から成る層内レンズであるので、配線の凹凸に関係なく層内レンズを形成することができる。受光部を挟んだ両側に受光部からの距離が異なるように第１の配線と第２の配線を形成する場合でも、配線に依存することなく層内レンズを形成することができる。第１の配線と第２の配線とが一体的に形成され、所定の電圧源に接続されていても、配線に関係なく層内レンズを形成することができる。電荷読み出し用トランジスタのゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜とを有し、複数の配線は平坦化膜の上方に形成されているので、所定の位置に層内レンズを形成することができる。第１の層は複数の配線を覆って、配線層を構成する絶縁層であるので、所定の位置に層内レンズを形成することができる。第１の層は配線層上に形成された絶縁層であるので、絶縁層の界面での屈折を利用することができる。層内レンズは、撮像領域の中心から離れた画素においてほど、その中心が受光部の中心上から撮像領域の中心側に偏って形成されるので、斜め光によるシェーディングが改善され、瞳補正が可能になる。複数のレンズの少なくとも１つは層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズであるので、オンチップと層内レンズの併用により集光効率を向上することができる。
【０００９】
本発明に係る固体撮像素子は、受光部を含む複数の画素と、受光部の上方に形成された、複数の配線を含む配線層と複数のレンズとを有し、複数のレンズの少なくとも１つは、エッチングにより形成された凸部を有する第１の層と、凸部を覆って形成された第２の層とから成る層内レンズであることを特徴とする。
配線層は、少なくとも受光部を挟んだ両側に形成された第１の配線と、第２の配線とを有し、第１の配線と第２の配線とが受光部からの距離を異にして形成されている。層内レンズは第１の配線と第２の配線との間に位置する。第１の層と第２の層との間には、凸部を覆って形成された第３の層を有することができる。
【００１０】
上記本発明のＣＭＯＳ型の固体撮像素子では、複数のレンズの少なくとも１つは、エッチングにより形成された凸部を有する第１の層と、凸部を覆って形成された第２の層とから成る層内レンズであるので、配線の凹凸に関係なく、適切な位置に層内レンズを形成することができる。受光部を挟んだ両側に受光部からの距離が異なる第１の配線と第２の配線を形成することができるので、配線に依存することなく層内レンズを形成することができる。第１の層と第２の層との間に凸部を覆うように第３の層を形成するので、凸形状の層内レンズをなめらかに形成できる。
【００１１】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、基板表面に複数の受光部を形成する工程と、受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、エッチング用マスクを用いて第１の絶縁層をエッチングし、受光部の上方に凹部を形成する工程と、凹部を埋めるように第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成する工程とを有することを特徴とする。この製造方法において、配線を形成する工程より前に、電荷読み出し用とトランジスタを形成する工程と、電荷読み出し用トランジスタを動作するためのゲート電極を形成する工程と、ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成する工程とを有し、配線及び凹部を平坦化膜より上方に形成することができる。
【００１２】
上記の本発明の固体撮像素子の製造方法では、受光部を挟んだ両側に配線を形成し、第１の屈折率を有する第１の絶縁層をエッチングして受光部の上方に凹部を形成し、凹部を埋めて第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成するので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。また、配線を形成する前に電荷読み出し用トランジスタとゲート電極を形成し、ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成し、配線及び凹部が平坦化膜より上方に形成されるので、受光部に近い位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。
【００１３】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、基板表面に複数の受光部を形成する工程と、受光部を挟んだ両側に配線を形成する工程と、第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、第１の絶縁層上の受光センサ部に対応した位置にリフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、リフロー膜と共に第１の絶縁層をエッチバックして、第１の絶縁層に凸状面を転写する工程と、第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成する工程とを有することを特徴とする。この製造方法において、第２の絶縁層を形成する工程より前に、第１の絶縁層の凸状面を覆う第３の絶縁層を形成することができる。
【００１４】
上記の本発明の固体撮像素子の製造方法では、受光部を挟んだ両側に配線を形成し、第１の屈折率を有する第１の絶縁層の上の受光部に対応した位置に凸状面をなしたリフロー膜を形成し、リフロー膜と共に第１の絶縁層をエッチバックして、第１の絶縁層に凸状面を転写し、第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成するので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凸レンズによる層内レンズを形成することができる。また、第２の絶縁層を形成する前に、第１の絶縁層の凸状面を覆う第３の絶縁層を形成するので、層内レンズである凸レンズ形状することができる。
【００１５】
本発明に係る固体撮像素子は、受光センサ部とＭＯＳトランジスタからなる画素が複数配列されてなり、各受光センサ部に対応して夫々単一の層内集光レンズが形成される。
この固体撮像素子においては、受光センサ部より上方に形成された最上層の配線の一部を受光センサ部を挟む両側に位置して構成することができる。層内集光レンズは、撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏って形成することができる。
この固体撮像素子においては、受光センサ部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部を、受光センサ部に対して非対称の配置し、非対称の配線に影響されずに層内集光レンズを形成した構成とすることができる。
配線としては、Ａｌを含む金属材で形成することができる。
【００１６】
上記本発明のＣＭＯＳ型の固体撮像素子では、各受光センサ部に対応して夫々層内集光レンズが形成されるので、遮光パターン、配線パターン等が多く積層されていても受光センサ部への最適な集光が可能になる。しかも、単一の層内集光レンズであるので、層内集光レンズの構成が簡単になり、高信頼性化が図れる。
【００１７】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部とＭＯＳトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光センサ部を挟む配線を形成する工程と、全面に第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、エッチング用マスクを有して第１の絶縁層を各受光センサ部に対応する位置で等方性エッチングにより選択的に除去して各受光センサ部に対応した凹部を形成する工程と、凹部を含む全面に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成する工程と、第２の絶縁層を平坦化して凹部内に第２の絶縁層を残し、第１及び第２の絶縁層により単一の層内集光レンズを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
上記本発明の固体撮像素子の製造方法では、画素が形成された半導体領域上の第１の屈折率を有する第１の絶縁層を、エッチング用マスクを介して等方性エッチングにより選択除去し各受光センサ部に対応した位置に凹部を形成するので、凹部の大きさ、位置、曲率、等を任意に設定できる。その後、凹部内に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成して層内集光レンズを形成するので、レンズの高さ及び大きさ、レンズの位置、レンズの曲率等を最適化することができる。また、下地に影響されずに形成される。層内集光レンズは、従って、最適集光のための層内集光レンズの形成が可能になる。
【００１９】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、受光センサ部とＭＯＳトランジスタからなる複数の画素が配列された半導体領域上に絶縁層を介して各受光センサ部を挟む配線を形成する工程と、全面に第１の屈折率を有する第１の絶縁層を形成する工程と、第１の絶縁層上の各受光センサ部に対応した位置に、リフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成する工程と、リフロー膜と共に第１の絶縁層をエッチバックして、第１の絶縁層に凸状面を転写する工程と、第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する平坦化膜を形成して第１の絶縁層及び平坦化膜により単一の層内集光レンズを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
上記本発明の固体撮像素子の製造方法では、受光センサ部に対応して形成した凸状面をなしたリフロー膜と共に、第１の屈折率を有する第１の絶縁層をエッチバックして、リフロー膜の形状を第１の絶縁層に転写し、第２の屈折率を有する平坦化膜を形成して層内集光レンズを形成するので、レンズの高さ及び大きさ、レンズの位置、レンズの曲率等を最適化することができる。また、層内集光レンズは、下地に影響されずに形成される。従って、最適集光のための層内集光レンズの形成が可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る固体撮像素子によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子において、各受光部に対して第１の層をエッチングして形成した凹部を第２の層で埋めるようにして層内レンズ（凹レンズ）を形成するので、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に層内レンズを配置することができる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光させることができる。単一の層内レンズであるので、層内レンズの構成が簡単になる。受光部を挟んで両側に受光部からの距離が異なるように第１の配線及び第２の配線が形成される場合、その配線の凹凸に依存して層内レンズを形成使用とすると、受光部に対する所望の位置に層内レンズを配置できない可能性が高い。しかし、本発明では、受光部からの距離が異なる配線を含む場合でも配線に依存することなく、層内レンズ（凹レンズ）を所望の位置に配置することができる。第１の配線と第２の配線とが一体的に形成されて所定の電圧源に接続されるような配線が配置されていても、配線に影響されずに層内レンズを所望の位置に配置することができる。読み出し用トランジスタのゲート電極が受光部に対して偏って形成されている固体撮像素子であっても、ゲート電極の凹凸に依存することなく、所望の位置に層内レンズを配置することができる。
配線層を構成する絶縁層に対して凹部を設けて層内レンズを形成するときは、受光部に近い位置に層内レンズを形成することができる。したがって、受光部上の層厚を低減し固体撮像素子の小型化を図ることができる。配線層とは別に形成された絶縁層に凹部を形成して層内レンズを形成するときは、集光した光を配線層横を通して受光部に導くときに、別形成された絶縁層の界面での屈折も利用できる。配線層に含まれる配線の凹凸に依存せずに撮像領域内における入射光の傾きの偏りに応じて層内レンズを配置することができる。層内レンズを撮像領域の中心から離れた画素ほど、層内レンズ中心を受光部の中心から撮像領域の中心側に偏って形成するときは、斜め光によるシェーディングが改善され、瞳補正が可能になる。複数のレンズの少なくとも１つが層内レンズの上方に形成されたオンチップレンズとすることにより、オンチップレンズと層内レンズとの共同作業により入射光を受光部へ集光させることができる。
【００２２】
本発明に係る固体撮像素子によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子において、各受光部に対して第１の層をエッチングして形成した凹部を第２の層で埋めるようにして層内レンズ（凸レンズ）を形成するので、配線の凹凸に依存することなく、適切な位置に層内レンズを配置することがきる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光させることができる。単一の層内レンズであるので、層内レンズの構成が簡単になる。受光部を挟んで両側に受光部からの距離が異なるように第１の配線及び第２の配線が形成される場合、その配線の凹凸に依存して層内レンズを形成使用すると、受光部に対する所望の位置に層内レンズを配置できない可能性が高い。しかし、本発明では、受光部からの距離が異なる配線を含む場合でも配線に依存することなく、層内レンズ（凸レンズ）を所望の位置に配置することができる。第１の層と第２の層との間に凸部を覆って第３の層を形成するときは、層内レンズである凸形状をなめらかに形成することができる。
【００２３】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、各受光部に対応して第１の屈折率を有する第１の絶縁層をエッチングして凹部を形成し、この凹部を埋めるように第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成することにより、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光するＣＭＯＳ型の固体撮像素子を製造することができる。配線を形成する工程より前に、電荷読み出し用トランジスタ、そのゲート電極、ゲート電極を覆って平坦化する平坦化膜を形成する工程を有し、配線及び凹部を平坦化膜より上方に形成することにより、受光部に近い位置に凹レンズによる層内レンズを形成することができる。これにより受光部上の層厚を低減し小型化された固体撮像素子を製造することができる。
【００２４】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、各受光部に対応して第１の屈折率を有する第１の絶縁層上に凸状面をなしたリフロー膜を形成し、リフロー膜と共に第１の絶縁層をエッチバックして第１の絶縁層に凸状面を転写し、この第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する第２の絶縁層を形成することにより、配線の凹凸に依存することなく適切な位置に凸レンズによる層内レンズを形成することがきる。これによって、入射光を受光部へ最適に集光するＣＭＯＳ型の固体撮像素子を製造することができる。第２の絶縁層を形成する工程より前に、第１の絶縁層の凸状面を覆う第３の絶縁層を形成するときは、層内レンズである凸レンズ形状することができる。
【００２５】
本発明に係る固体撮像素子によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子において、各受光センサ部に対応して単一の層内集光レンズ２３を有することができる。このため、遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部２へ最適に集光させることができる。また、単一の層内集光レンズであるので、層内集光レンズの構成が簡単になる。また、撮像領域の周辺側の層内集光レンズ２３は、レンズ中心が周辺側へ行くに従って受光センサ部２の中心より撮像領域の中心側に偏って形成するときは、斜め光によるシェーディングの改善が図れる。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の配線をＡｌを含む金属材料で形成できるので、配線としての信頼性が得られる。
受光センサ部を挟む両側に位置する最上層の配線の一部が、受光センサ部に対して非対称の配置され、非対称の配線に影響されずに層内集光レンズが形成されるときは、配線、遮光膜の配置を気にすることなく、単一の層内集光レンズを形成することが可能になる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いＣＭＯＳ型の固体撮像素子を提供することができる。
【００２６】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、第１の絶縁層の凹部をレジストマスク２７を介して等方性エッチングし、その後に第２の絶縁層を形成して層内集光レンズを形成している。このため、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子において、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線をＡｌを含む金属材料で形成することができる。層内集光レンズの形状（レンズの高さ、レンズの位置、レンズの曲率等）は、レジストマスク開口パターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。また、レジストマスクの開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズの中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、レンズずらしによる瞳補正法を適用することができる。このように本発明の製造方法によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子における層内集光レンズを精度よく形成することができる。
【００２７】
本発明に係る固体撮像素子の製造方法によれば、第１の屈折率を有する第１の絶縁層上に各受光センサ部に対応した位置にリフロー処理により表面が凸状面をなしたリフロー膜を形成し、このリフロー膜と共に、第１の絶縁層をエッチバックすることにより、第１の絶縁層に凸状面が転写される。この第１の絶縁層上に第２の屈折率を有する平坦化膜（絶縁層）を形成して凸状レンズによる層内集光レンズを形成するので、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。特に最上沿うの配線の一部が受光センサ部を挟んで両側に平行して、且つ受光センサ部に対して非対称に配置される場合に、下地配線に影響されずに各受光センサ部に対して層内集光レンズを形成することができる。層内集光レンズの形状（レンズ高さ、レンズ位置、レンズの曲率等）は、フォトレジストによるリフロー膜のパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。リフロー膜の形状パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズの中心を受光センサ部の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、レンズずらし瞳補正法を適用することができる。このように本発明の製造方法によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子における層内集光レンズを精度よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２９】
図１及び図２は、本発明に係る固体撮像素子の一実施の形態の要部、即ち画素部の構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像素子は、いわゆるＣＭＯＳ型の固体撮像素子である。本実施の形態の固体撮像素子１は、図１に示すように、光電変換を行う受光部、いわゆる受光センサ部（即ち、フォトダイオード）２と、画素を選択する垂直選択用スイッチ素子（ＭＯＳトランジスタ）３と、読出し用スイッチ素子（ＭＯＳトランジスタ）４とによって構成された単位画素５がマトリックス状に複数配列されて成る撮像領域を有する。読出し用スイッチ素子４の一方の主電極が受光センサ部２に接続され、読出し用スイッチ素子４の制御電極（いわゆるゲート電極）が垂直選択用スイッチ素子３の一方の主電極に接続される。各行毎の垂直選択スイッチ素子３の制御電極（いわゆるゲート電極）は垂直選択線６が接続され、この垂直選択線６に垂直走査回路（図示せず）から出力される垂直走査パルスが供給される。各列毎の垂直選択スイッチ素子３の他方の主電極は読出しパルス線７に接続され、この読出しパルス線７に水平走査回路（図示せず）から出力される読出しパルスが供給される。各列毎の読出し用スイッチ素子４の他方の主電極は垂直信号線８に接続される。なお、垂直信号線８と水平信号線（図示せず）との間に、ＭＯＳトランジスタからなる水平スイッチ素子（図示せず）が接続され、水平スイッチ素子の制御電極に水平走査回路から出力される水平走査パルスが供給される。
【００３０】
図２は、図１の等価回路に対応した撮像領域の要部の平面構造を示す。読出しパルス線７及び垂直信号線８は垂直方向に沿って形成され、垂直選択線６は読出しパルス線７及び垂直信号線８と直交するように水平方向に沿って形成される。受光センサ部２と半導体領域１１との間にゲート絶縁層を介してＬ字型のゲート電極１２が形成され、受光センサ部２、半導体領域１１及びゲート電極１２により読出し用スイッチ素子４が形成される。垂直選択線６と一体のゲート電極１４と、このゲート電極１４を挟むソース、ドレイン領域となる両領域１５及び１６とにより、垂直選択用スイッチ素子３が形成される。１７は読出し用スイッチ素子４を構成する半導体領域１１と垂直信号線とのコンタクト部、１８は読出し用スイッチ素子４のゲート電極１２と垂直選択用スイッチ素子３の他方の領域１６とのコンタクト部、１９は垂直選択用スイッチ素子３の一方の領域１５と読出しパルス線７とのコンタクト部を夫々示す。
【００３１】
図３は、図２のＡーＡ線上の断面構造を示す。本実施の形態においては、特に、受光センサ部２、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子３及び読出し用スイッチ素子４を形成した半導体基板２１上に、層間絶縁層２２を介して例えば第１層配線の垂直選択線６と、例えば第２層配線の読出しパルス線７、垂直信号線８が形成され、さらにその上に各受光センサ部２の位置に対応するように、隣り合う配線群（読出しパルス線７及び垂直信号線８）間に単一の層内レンズ、いわゆる層内集光レンズ（凹レンズ、凸レンズ）２３が形成されて成る。層内集光レンズ２３上には、カラーフィルタ２４が形成され、さらにその上に各受光センサ部２、従って各層内集光レンズ２３に対応する位置にオンチップマイクロレンズ２５が形成される。本例では受光センサ部２を挟んで配置された最上層である第２層配線７，８が受光センサ部２に対して非対称に設計されている。よって、ある画素の第２層配線８と隣接画素の第２層配線７とが受光センサ部から異なる距離に配置されている。
【００３２】
ここで下側の層間絶縁層２２は、受光センサ部２に蓄積された電荷を読み出すための読み出しトランジスタ４のゲート電極等による凹凸を覆っており、平坦化膜の役目も果たしている。また、第１層配線の垂直選択線６とこの配線を絶縁する層間絶縁層２２とを含んで第１層配線層が形成される。第２層配線の読み出しパルス線７及び垂直信号線８と、これらの配線を絶縁し層内集光レンズ２３を形成する絶縁層２６とを含んで第２配線層が形成される。
【００３３】
図４は、撮像領域の周辺の画素部を示す。本実施の形態では、周辺側の画素に入射される斜め光Ｌ1 に対するシェーディング対策として、層内集光レンズ２３を撮像領域の周辺に行くに従って、レンズ中心が受光センサ部２の中心より撮像領域の中心側に偏って形成するように成す。
【００３４】
次に、上述した本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を図５及び図６を参照して説明する。
先ず、図５Ａに示すように、半導体基板２１に所謂ＣＭＯＳセンサを構成する受光センサ部２、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子３及び読出し用スイッチ素子４を形成した後、この半導体基板２１上に層間絶縁層２２を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部２を挟んで一方向に延びる第１層配線となる垂直選択線６、及び受光センサ部２を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第２層配線群となる読出しパルス線７と垂直信号線８を形成する。これらの垂直選択線６、読出しパルス線７及び垂直信号線８は、Ａｌを含む金属材料、本例ではＡｌにより形成される。本例では、第２配線群となる読出しパルス線７及び垂直信号線８は、図２に示すように受光センサ部２に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線８と隣接画素の読み出しパルス線７とが受光センサ部３から異なる距離に配置されている。
【００３５】
次に、図５Ｂに示すように、読出しパルス線７及び垂直信号線８を含む全面に、第１の屈折率を有する第１の絶縁層２６を形成し、その後、第１の絶縁層２６を平坦化する。例えば第１の絶縁層２６は、高密度プラズマＣＶＤ又はプラズマＴＥＯＳ等の低温のＣＶＤ膜、例えばＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜を堆積して形成することができる。ＢＰＳＧ膜は、前述したように屈折率が１．４０〜１．４６程度である。平坦化は、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法を用いて行うことができる。
【００３６】
次に、図５Ｃに示すように、第１の絶縁層２６上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を各受光センサ部２に対応する位置に開口２７Ａが形成されるようにパターニングして、レジストマスク２７を形成する。このレジストマスク２７を介して等方エッチングにより、第１の絶縁層２６を選択的にエッチング除去する。これにより、第１の絶縁層２６には、各受光センサ部２に対応して層内集光レンズを形成するための凹部２８が形成される。この凹部２８は、その位置、大きさ、曲率、深さ等をレジストマスク２７の開口２７Ａ、エッチング時間等により任意に制御することができる。
【００３７】
次に、レジストマスク２７を除去した後、図６Ａに示すように、凹部２８を埋めるように全面に第２の屈折率を有する第２の絶縁層２９を形成する。第２の絶縁層２９は、例えばプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン（ＰーＳｉＮ）膜を堆積して形成することができる。この窒化シリコン膜は、前述したように屈折率が２．０程度である。
【００３８】
次に、図６Ｂに示すように、エッチバック等により第２の絶縁層２９を平坦化する。これにより凹部２８において、屈折率の小さい第１の絶縁層２６と屈折率の大きい第２の絶縁層２９とによる単一の層内集光レンズ（凹レンズ）２３が形成される。この層内集光レンズ２３では、平坦化された第２の絶縁層２９の上面の界面と平坦化されない第１の絶縁層２６の上面の界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
【００３９】
次に、図６Ｃに示すように、上記平坦化された上面にカラーフィルタ２４を形成し、さらにカラーフィルタ２４上にオンチップマイクロレンズ２５を形成して、目的のＣＭＯＳ型の固体撮像素子１を得る。
【００４０】
本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子１によれば、各受光センサ部２に対応して単一の層内集光レンズ、本例では凹レンズ２３を有するので、遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部２へ最適に集光させることができる。最上層の配線７、８が受光センサ部２を挟んで両側に配置されている場合にも各受光センサ部に単一の層内集光レンズを有するので集光率の向上が図れる。また、２つのシリンドリカルな層内集光レンズを組み合わせることなく、単一の層内集光レンズ２３であるので、層内集光レンズの構成が簡単になる。配線６、７、８をＡｌを含む金属材料で形成できるので、配線６、７、８としての信頼性が得られる。また、撮像領域の周辺側の層内集光レンズ２３は、レンズ中心が周辺側へ行くに従って受光センサ部２の中心より撮像領域の中心側に偏って形成されるので、斜め光によるシェーディングの改善が図れる。配線７，８が受光センサ部２に対して非対称に配置されていて、層内集項レンズ２３は下地配線に影響されずに形成され、良好な受光が得られる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いＣＭＯＳ型の固体撮像素子を提供することができる。
【００４１】
本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法によれば、第１の絶縁層１６の凹部２８をレジストマスク２７を介して等方性エッチングし、その後に第２の絶縁層１９を形成して層内集光レンズ２３を形成するので、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。特に最上層の配線の一部が受光センサ部２を挟んで両側に平行して且つ受光センサ部２に対して非対称に配置される場合に、下地の配線に影響されずに各受光センサ部に対して層内集光レンズ２３を形成することができる。層内集光レンズ２３の形状（レンズの高さ、レンズの位置、レンズの曲率等）は、レジストマスク２７の開口２７Ａのパターン（いわゆる開口パターン）やエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線６、７、８をＡｌを含む金属材料で形成することができる。また、レジストマスク２７の開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ２３の中心を受光センサ部２の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。このように本実施の形態の製造方法によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子における層内集光レンズ２３を精度よく形成することができる。
【００４２】
次に、上述した本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子及びその製造方法の他の実施の形態を図７、図８及び図９を参照して説明する。
先ず、図７Ａに示すように前述と同様に、半導体基板２１に所謂ＣＭＯＳセンサを構成する受光センサ部２、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子３及び読出し用スイッチ素子４を形成した後、この半導体基板２１上に層間絶縁層２２を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部２を挟んで一方向に延びる第１層配線となる垂直選択線６、及び受光センサ部２を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第２層配線群となる読出しパルス線７と垂直信号線８を形成する。これらの垂直選択線６、読出しパルス線７及び垂直信号線８は、Ａｌを含む金属材料、本例ではＡｌにより形成される。本例では、第２層配線群となる読出しパルス線７及び垂直信号線８は、図２に示したように受光センサ部２に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線８と隣接画素の読み出しパルス線７とが受光センサ部２から異なる距離に配置されている。
【００４３】
次に、図７Ｂに示すように、読出しパルス線７及び垂直信号線８を含む全面に、第１の平坦化膜（絶縁層）２６１を形成する。次に第１の屈折率を有する第１の絶縁層２９１を形成する。例えば第１の絶縁層２９１は、高密度プラズマＣＶＤ又はプラズマＴＥＯＳ等の低温のＣＶＤ膜、例えばプラズマＳｉＮ膜（紫外領域の光を透過し易い膜）、あるいは第１の絶縁層と同程度の屈折率を有するＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜を堆積して形成することができる。ここで、前述と同様に垂直選択線６とこの配線を絶縁する層間絶縁層２２とを含んで第１層配線層が形成される。また、読み出しパルス線７、垂直選択線８とこれら配線を絶縁する平坦化膜２６１とを含んで第２層配線層が形成される。
【００４４】
次に、図７Ｃに示すように、第１の絶縁層２９１上にフォトレジスト膜を形成し、パターニングして各受光センサ部上に対応する位置に夫々フォトレジスト膜によるリフロー膜２７を形成する。
【００４５】
次に、図８Ａに示すように、このリフロー膜２７を所要の温度でリフローさせて、表面を凸状面としたリフロー膜２７１とする。
【００４６】
次に、図８Ｂに示すように、凸状面を有するリフロー膜２７１と共に、下層の第１の絶縁層２９１をエッチバックし、第１の絶縁層２９１にリフロー膜２７１の表面形状を転写し、第１の絶縁層２９１に凸状部２９１Ａを形成する。この凸状部２９１Ａは、その位置、大きさ、曲率、深さ等をリフロー膜２７１の形状、エッチング時間等により任意に制御することができる。
【００４７】
次に、図８Ｃに示すように、凸状部２９１Ａを有する第１の絶縁層２９１上に第１の絶縁層２９１の表面形状に沿うように、第１の絶縁層２９１と同程度の屈折率を有する第２の絶縁層３０１を形成する。第２の絶縁層３０１は、例えば屈折率が２．０程度のプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン膜（ＰーＳｉＮ膜）で形成することができる。
【００４８】
次に、図９Ａに示すように、第２の絶縁層３０１上に第２の屈折率を有する第２の平坦化膜（絶縁層）３０２を形成する。第２の平坦化膜３０２は、例えば屈折率１．５程度の絶縁層で形成することができる。第２の平坦化膜３０２は、例えば、熱硬化性アクリル樹脂膜で形成することができる。これにより凸状部２９１Ａにおいて、屈折率の大きい第１及び第２の絶縁層２９１及び３０１と屈折率の小さい第２の平坦化膜３０２による単一の層内集光レンズ（凸レンズ）２３１が形成される。この層内集光レンズ２３１では、第２の平坦化膜３０２と第１及び第２の絶縁層２９１及び３０１の上面との界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
【００４９】
次に、図９Ｂに示すように、第２の平坦化膜３０２の上面にカラーフィルタ２４を形成し、さらにカラーフィルタ２４上にオンチップマイクロレンズ２５を形成して、目的のＣＭＯＳ型の固体撮像素子１００を得る。
【００５０】
尚、第２の絶縁層３０１と平坦化膜３０２との界面には、両層の屈折率の中間の屈折率を有する反射防止膜を形成し、また、第１の平坦化膜２６１と第１の絶縁層２９１との界面にも両層の屈折率の中間の屈折率を有する反射防止膜を形成することができる。
【００５１】
本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子１００によれば、各受光センサ部２に対して単一の層内集光レンズ、本例では凸レンズ２３１を有するので、遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部２へ最適に集光させることができる。最上層の配線７、８が受光センサ部２を挟んで両側に配置されている場合にも各受光センサ部に単一の層内集光レンズを有するので、集光率の向上が図れる。また、２つのシリンドリカルな層内集光レンズを組み合わせることなく、単一の層内集光レンズ２３１であるので、層内集光レンズの構成が簡単になる。配線６、７、８はＡｌを含む金属材料で形成できるので、配線６、７、８としての信頼性が得られる。また、撮像領域の種辺側の層内集光レンズ２３１は、レンズ中心が周辺へ行くに従って受光センサ部２の中心側に偏って形成されるので、斜め光によるシェーディングの改善が図れる。配線７、８が受光センサ部２に対して非対称に配置されていても、層内集光レンズ２３１は、下地配線に影響されずに形成され、良好な集光が得られる。従って、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いＣＭＯＳ型の固体撮像素子を提供することができる。
【００５２】
本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子１００の製造方法によれば、第１の絶縁層２９１上に各受光センサ部２に対応して、表面が凸状面となしたリフロー膜２７１を形成し、このリフロー膜２７１と共に、第１の絶縁層２９１をエッチバックすることにより、第１の絶縁層２９１にリフロー膜の表面形状、即ち凸状面が転写される。この凸状部２９１Ａに沿うように第１の絶縁層２９１上に第１の絶縁層２９１と同程度の屈折率（第１の屈折率）を有する第２の絶縁層３０１を形成した後、全面に第２の屈折率を有する第２の平坦化膜３０２を形成して凸状レンズによる層内集光レンズ２３１を形成するので、単一の層内集光レンズを容易に形成することができる。特に最上沿うの配線の一部が受光センサ部２を挟んで両側に平行して、且つ受光センサ部２に対して非対称に配置される場合に、下地配線に影響されずに各受光センサ部に対して層内集光レンズ２３１を形成することができる。層内集光レンズ２３１の形状（レンズ高さ、レンズ位置、レンズの曲率等）は、フォトレジストによるリフロー膜２７１のパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線６、７、８をＡｌを含む金属材料で形成することができる。また、リフロー膜２７１の形状パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ２３１の中心を受光センサ部２の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策として、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。このように本実施の形態の製造方法によれば、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子における層内集光レンズ２３を精度よく形成することができる。
【００５３】
図１０は、本発明に係る固体撮像素子の他の実施の形態を示す。本実施の形態においては層内レンズを各画素に複数設けている。
即ち、本実施の形態に係る固体撮像素子１０１は、前述の図３と同様に受光センサ部２、垂直選択用スイッチ素子３及び読み出し用スイッチ素子４を形成した半導体基板２１上に、層間絶縁層２２を介して第１層配線の垂直選択センサ部６と、第２層配線の読み出しパルス線７、垂直信号線８が形成され、その上に層間絶縁層２６を介して各受光センサ部２の位置に対応するように下層の層内集光レンズ２３が形成される。そして、さらに層間絶縁層４０が形成され、この層間絶縁層４０上に配線９が形成され、配線９を覆って平坦化した絶縁層４６Ａ上に上層の層内集光レンズ４３が形成される。上層の層内集光レンズ４３上には、カラーフィルタ２４が形成され、その上に各受光センサ部２及び層内集光レンズ２３、４３に対応する位置にオンチップマイクロレンズ２５が形成される。この配線９は、下層の配線と同様に、ある画素の配線９と隣接画素の配線９とが受光センサ部２から異なる距離に配置される。ここで、垂直選択線６とこの配線を絶縁する層間絶縁層２２とを含んで第１層配線層が形成される。読み出しパルス線７、垂直選択線８とこれら配線を絶縁する絶縁層２６を含んで第２層配線層が形成される。さらに配線９とこの配線を絶縁する絶縁層４６Ａとを含んで第３層配線層が形成される。
この固体撮像素子では、垂直信号線８と読み出しパルス線７よりさらに上方に配線９が設けられ、ある画素の配線９と、その隣接画素の配線９との間に対応する上部に上層の層内集光レンズ４３を構成する凹部が設けられる。ここで、下側の層内レンズの凹部は、垂直信号線８、読み出しパルス線７を覆って平坦化する絶縁層２６の上面に形成されており、一方、上側の層内レンズの凹部は、配線９を覆って平坦化する絶縁層４６Ａの上に別形成された絶縁層４６Ｂの表面に形成されている。絶縁層４６Ａと絶縁層４６Ｂとを別形成した場合は、その界面での屈折を利用して光をより効率的に受光センサ部に導くことができる。逆に絶縁層２６のみを用いる場合は構成を削減できる。
また、図１０は２つの凹部の層内レンズを設けた場合を示したが、凸部の層内レンズを含むようにしてもよく、また、層内レンズの数をさらに増やしてもよい。
また、図１０のように層内レンズを複数設ける場合であって各層内レンズを必要に応じて、撮像領域の周辺にある画素においてほど、撮像領域の中心側に偏って形成しシェーディング対策を取ることができる。
尚、図１０においては絶縁層２６と絶縁層４６Ａとの間に層間膜４０を設けたが必ずしも必要ない。
【００５４】
複数の層内レンズを設けたため、入射光をより多くの回数屈折させることにより効率的に受光部に導くことができる。
【００５５】
次に、上述した本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０１の製造方法の他の実施の形態を図１１から図１５を参照して説明する。
先ず、図１１Ａに示すように、半導体基板２１に所謂ＣＭＯＳセンサを構成する受光センサ部２、図示せざるも垂直選択用スイッチ素子３及び読出し用スイッチ素子４を形成した後、この半導体基板２１上に層間絶縁層２２を介して相互に絶縁された遮光膜、配線、本例では受光センサ部２を挟んで一方向に延びる第１層配線となる垂直選択線６、及び受光センサ部２を挟んで上記一方向と直交する他方向に延びる第２層配線群となる読出しパルス線７と垂直信号線８を形成する。これらの垂直選択線６、読出しパルス線７及び垂直信号線８は、Ａｌを含む金属材料、本例ではＡｌにより形成される。本例では、第２配線群となる読出しパルス線７及び垂直信号線８は、図２に示すように受光センサ部２に対して非対称位置に形成される。よって、ある画素の垂直信号線８と隣接画素の読み出しパルス線７とが受光センサ部３から異なる距離に配置されている。
【００５６】
次に、図１１Ｂに示すように、読出しパルス線７及び垂直信号線８を含む全面に、第１の屈折率を有する第１の絶縁層２６を形成し、その後、第１の絶縁層２６を平坦化する。例えば第１の絶縁層２６は、高密度プラズマＣＶＤ又はプラズマＴＥＯＳ等の低温のＣＶＤ膜、例えばＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜を堆積して形成することができる。ＢＰＳＧ膜は、前述したように屈折率が１．４０〜１．４６程度である。平坦化は、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法を用いて行うことができる。
【００５７】
次に、図１１Ｃに示すように、第１の絶縁層２６上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を各受光センサ部２に対応する位置に開口２７Ａが形成されるようにパターニングして、レジストマスク２７を形成する。このレジストマスク２７を介して等方エッチングにより、第１の絶縁層２６を選択的にエッチング除去する。これにより、第１の絶縁層２６には、各受光センサ部２に対応して層内集光レンズを形成するための凹部２８が形成される。この凹部２８は、その位置、大きさ、曲率、深さ等をレジストマスク２７の開口２７Ａ、エッチング時間等により任意に制御することができる。
【００５８】
次に、レジストマスク２７を除去した後、図１２Ａに示すように、凹部２８を埋めるように全面に第２の屈折率を有する第２の絶縁層２９を形成する。第２の絶縁層２９は、例えばプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン（ＰーＳｉＮ）膜を堆積して形成することができる。この窒化シリコン膜は、前述したように屈折率が２．０程度である。
【００５９】
次に、図１２Ｂに示すように、エッチバック等により第２の絶縁層２９を平坦化する。これにより凹部２８において、屈折率の小さい第１の絶縁層２６と屈折率の大きい第２の絶縁層２９とによる単一の下層の層内集光レンズ（凹レンズ）２３が形成される。この層内集光レンズ２３では、平坦化された第２の絶縁層２９の上面の界面と平坦化されない第１の絶縁層２６の上面の界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
【００６０】
次に、図１２Ｃに示すように、下層の層内集光レンズ２３が形成された表面上に、層間絶縁層４０を形成した後、層間絶縁層４０上に配線９を形成する。
【００６１】
次に、図１３Ａに示すように、配線９を含む全面に、絶縁層２６Ａを形成し、その後、絶縁層４６Ａを平坦化する。さらに、平坦化された絶縁層４６Ａ上に絶縁層４６Ｂを形成し平坦化する。例えば絶縁層４６Ａは、高密度プラズマＣＶＤ又はプラズマＴＥＯＳ等の低温のＣＶＤ膜、例えばＢＰＳＧ（ボロン・リン・シリケートガラス）膜を堆積して形成することができる。ＢＰＳＧ膜は、前述したように屈折率が１．４０〜１．４６程度である。平坦化は、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法を用いて行うことができる。
【００６２】
次に、図１３Ｂに示すように、絶縁層４６Ｂ上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜を各受光センサ部２に対応する位置に開口４７Ａが形成されるようにパターニングして、レジストマスク４７を形成する。このレジストマスク４７を介して等方エッチングにより、絶縁層４６Ｂを選択的にエッチング除去する。これにより、絶縁層４６Ｂには、各受光センサ部２に対応して層内集光レンズを形成するための凹部４８が形成される。この凹部４８は、その位置、大きさ、曲率、深さ等をレジストマスク４７の開口４７Ａ、エッチング時間等により任意に制御することができる。
【００６３】
次に、レジストマスク４７を除去した後、図１４Ａに示すように、凹部４８を埋めるように全面に屈折率を有する絶縁層４９を形成する。絶縁層４９は、例えばプラズマＣＶＤ法による窒化シリコン（ＰーＳｉＮ）膜を堆積して形成することができる。この窒化シリコン膜は、前述したように屈折率が２．０程度である。
【００６４】
次に、図１４Ｂに示すように、エッチバック等により絶縁層４９を平坦化する。これにより凹部４８において、屈折率の小さい第３の絶縁層４６Ｂと屈折率の大きい第４の絶縁層４９とによる単一の上層の層内集光レンズ（凹レンズ）４３が形成される。この上層の層内集光レンズ４３では、平坦化された第４の絶縁層４９の上面の界面と平坦化されない第３の絶縁層４６Ｂの上面の界面で、屈折率の相対的な関係により、光が収束する方向に屈折する。
【００６５】
次に、図１５に示すように、上記平坦化された上面にカラーフィルタ２４を形成し、さらにカラーフィルタ２４上にオンチップマイクロレンズ２５を形成して、目的のＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０１を得る。
なお、上例では、下層の層内集光レンズ３２と上層の層内集光レンズ４３とは、同じ屈折率の絶縁層を用いて形成したが、これに限定されるものではない。層内集光レンズ２３と４３を異なる屈折率の絶縁層で形成することも可能である。
【００６６】
本実施の形態に係る固体撮像素子１０１によれば、各受光センサ部２に対応して単一の層内集光レンズ、本例では凹部レンズ２３、４３を有するので遮光パターン、配線パターン等が多く積層された構成でも、入射光を受光センサ部２へ最適に集光させることができる。特に、本実施の形態では各受光センサ部２に対して複数の層内集光レンズ２３、４３を設けることにより、入射光をより多くに回数屈折させることができ、より効率的に入射光を受光センサ部２に導くことができる。その他、前述と同様に、２つのシリンドリカルな層内集光レンズを組み合わせることなく、単一の層内集光レンズ２３、４３であるので、層内集光レンズの構成が簡単になる、配線６、７、８、９はＡｌを含む金属材料で形成できるので、配線６、７、８、９としての信頼性が得られる、また、撮像領域の周辺側の層内集光レンズ２３、４３は、レンズ中心が周辺へ行くに従って受光センサ部２の中心側に偏って形成されるので斜め光によるシェーディングの改善が図れる。受光センサ部２に対して配線７、８が、また配線９が非対称に配置されていても、上層及び下層の層内集光レンズ２３，４３は下地配線に影響されずに形成され、良好な集光が得られる。したがって、精度のよい単一の層内集光レンズにより集光率が改善され、且つ信頼性の高いＣＭＯＳ型の固体撮像素子を提供することができる。
本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０１の製造方法によれば、第１の絶縁層の凹部をレジストマスクを介して等方性エッチングし、その後、第２の絶縁層を形成して下層の層内集光レンズ２３を形成し、同じように第３の絶縁層の凹部をレジストマスクを介して等方性エッチングし、その後、第４の絶縁層を形成して上層の層内集光レンズ４３を形成することにより、１画素当たり複数の単一の層内集光レンズ２３、４３を容易に形成することができる。特に、配線の一部が受光センサ部２を挟んで両側に平行して且つ受光センサ部２に対して非対称に配置される場合に、下地の配線に影響されずに各受光センサ部２に対して複数の層内集光レンズを形成することができる。また、前述と同様に、上下層の層内集光レンズ２３、４３の形状（レンズ高さ、レンズの位置、レンズの曲率等）は、レジストマスク２７の開口２７Ａ、レジストマスク４７の開口４７Ａのパターンやエッチング条件等を変更することにより、簡単に調整することができる。高温のリフロー処理を必要としないので、配線６、７、８、９をＡｌを含む金属材料で形成することができる。レジストマスク２７、４７の開口パターンを変更するだけで、簡単に層内集光レンズ２３，４３の中心を受光センサ部２の中心より撮像領域の中心側に偏らすことができる。これにより、撮像領域の周辺での斜め光によるシェーディング対策とし、いわゆるレンズずらしによる瞳補正法を適用できる。
【００６７】
上述した本実施の形態に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法においては、１画素当たり１つ又は２つの層内レンズを有する場合を示したが、３つ以上の層内レンズを有する場合も同様であり、凹部のレンズ、凸部のレンズを組み合わせて複数形成することもできる。
【００６８】
また、上述した説明では省略したが、上記の製造工程の前に、受光部から電荷を読み出すための電荷読み出し用トランジスタを形成する工程、該電荷読み出し用トランジスタを動作させるためのゲート電極を形成する工程、該ゲート電極を覆って平坦化する平坦化層を形成する工程を含んでいることが多い。
なお、本発明は、最上層に遮光を兼ねるように各受光センサ部の周りに一体的に形成した配線を配置したＣＭＯＳ型の固体撮像素子にも適用できる。その場合は、この最上層の配線が所定の電圧源に接続されているものであることが多い。
また、上記の説明では、受光センサ部から異なる距離に設けられた配線を、ある画素の垂直信号線８と隣接画素の読み出しパルス線７としたが、この構成に限らず、ドレイン信号線やトランジスタ駆動用の様々なパルス線等でもよいし、隣接画素の配線ではなく、２配線共に同一の画素に属する配線であってもよい。
また、「固体撮像素子」は上記の説明に用いた構成のみを含む場合に限らず、必要な光学系、撮像チップ、及び信号処理チップ等をまとめてモジュール化した素子のことをも示すものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の一実施の形態を示す画素部の等価回路図である。
【図２】本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の一実施の形態を示す画素部の平面図である。
【図３】図２のＡーＡ線上の断面図である。
【図４】本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の一実施の形態を示す撮像領域の周辺の画素部を示す断面図である。
【図５】Ａ〜Ｃ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
【図６】Ａ〜Ｃ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
【図７】Ａ〜Ｃ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
【図８】Ａ〜Ｃ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
【図９】Ａ〜Ｂ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その３）である。
【図１０】本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の他の実施の形態を示す断面図である。
【図１１】Ａ〜Ｃ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
【図１２】Ａ〜Ｃ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
【図１３】Ａ〜Ｂ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その３）である。
【図１４】Ａ〜Ｂ  本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その４）である。
【図１５】本発明に係るＣＭＯＳ型の固体撮像素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図（その５）である。
【符号の説明】
【００７０】
１・・固体撮像素子、２・・受光センサ部、３・・垂直選択用スイッチ素子、４・・読み出し用スイッチ素子、５・・単位画素、６・・垂直選択線、７・・読み出しパルス線、８・・垂直信号線、９・・配線、１１・・半導体領域、１２・・ゲート電極、１４・・ゲート電極、１５・・一方の領域、１６・・他方の領域、２１・・半導体基板、２２・・層間絶縁層、２３・・層内集光レンズ、２４・・カラーフィルタ、２５・・オンチップマイクロレンズ、２６・・第１の絶縁層、２７・・レジストマスク、２７Ａ・・開口、２８・・凹部、
２９・・第２の絶縁層、４０・・層間絶縁層、４３・・層内集光レンズ、４６Ａ・・絶縁層、４６Ｂ・・第３の絶縁層、４７・・レジストマスク、４７Ａ・・開口、１００・・固体撮像素子、１０１・・固体撮像素子、２３１・・層内集光レンズ、２６１・・第1の平坦化膜、２７１・・リフロー膜、２９１・・第１の絶縁層、２９１Ａ・・凸状部、３０１・・第２の絶縁層、３０２・・第２の平坦化膜
【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】
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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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