(57)【要約】【課題】レンズ層間の境界面での反射成分を増大させるような大きな屈折を行わせる必要がなく、なおかつ、微細な画素サイズであっても光電変換素子の受光面への集光効率を高めることのできる固体撮像素子及びその製造方法を提供すること。【解決手段】基板２に形成された光電変換素子３と、この光電変換素子３に対応して配置されたオンチップレンズ１５との間に、屈折率の異なる複数のレンズ層７〜１１が積層されてなる層内レンズ１２が設けられており、更に、光電変換素子３に対向する位置では、隣接するレンズ層７〜１１間の境界面は全て、光電変換素子３の受光面３ａに向かって曲面状にくぼんでいる。【選択図】　　　　図１
2004079932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された光電変換素子と、前記光電変換素子に対応して配置されたオンチップレンズとの間に、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されてなる層内レンズが設けられた固体撮像素子において、
前記光電変換素子に対向する位置では、隣接する前記レンズ層間の境界面は全て、前記光電変換素子の受光面に向かって曲面状にくぼんでいる
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記境界面のくぼみの深さは、前記受光面側から前記オンチップレンズ側にいくにつれて段階的に浅くなっている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
基板に形成された光電変換素子と、前記光電変換素子に対応して配置されたオンチップレンズとの間に、屈折率の異なる複数のレンズ層を積層して層内レンズを形成する工程を有する固体撮像素子の製造方法であって、
隣接する前記レンズ層間の境界面が前記光電変換素子に対向する位置で全て、前記光電変換素子の受光面に向かって曲面状にくぼむように前記レンズ層を積層する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
前記レンズ層の上に転写膜を形成し、
前記転写膜を熱処理することによって前記転写膜に所望の曲面状のくぼみを形成し、
前記転写膜をこの下層の前記レンズ層の途中まで異方性エッチングすることによって、前記転写膜の前記曲面状のくぼみを前記レンズ層に転写する
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記転写膜の前記熱処理の条件を変えることによって、前記くぼみの深さを調整する
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記レンズ層を化学気相成長法にて形成し、原料ガスの成分比を制御することで、前記レンズ層の屈折率を制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子と、この光電変換素子の受光面に光を集光させるオンチップレンズとを有する固体撮像素子及びその製造方法に関し、更に詳しくは、オンチップレンズと受光面との間に形成された層内レンズに係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像素子において、画素の高密度化や微細化を推し進めると、光電変換素子の受光面の面積が小さくなり、その分受光できる光量も少なくなり、感度が低下する。これを改善すべく、受光面上に設けられた平坦化された膜の上にオンチップレンズ（マイクロレンズとも呼ばれる）を形成して、このオンチップレンズにて光を受光面に集光させて感度を向上させる技術が知られている。
【０００３】
しかし、近年の更なる画素の微細化に対しては、オンチップレンズだけでは十分な集光ができなくなってきている。すなわち、画素の微細化は基板の面方向に関するものがほとんどであり、基板の厚み方向の微細化に関しては、面方向に比べ技術的に困難であることから遅れているのが現状である。このため、単位画素について注目した場合、そのアスペクト比（基板の面方向に対する垂直方向の比率）は上昇する一方となっており、オンチップレンズだけでは、光を受光面へと効率的に集光させることができなくなってきている。
【０００４】
そこで、オンチップレンズと光電変換素子の受光面との間に層内レンズを設け、オンチップレンズで集光された光を層内レンズにて更に集光させて受光面へと導くようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この固体撮像素子について図９を参照して説明する。
基板４１表面に形成された光電変換素子４２と、オンチップレンズ５１との間に、第１の層内レンズ４６と第２の層内レンズ４９が形成されている。
【０００６】
第１の層内レンズ４６は、曲面状の上面を有する絶縁層４４と、上面が平坦化された絶縁層４５により形成されている。同様に、第２の層内レンズ４９は、曲面状の上面を有する絶縁層４７と、上面が平坦化された絶縁層４８により形成されている。
【０００７】
基板４１上に形成された絶縁層４３の平坦な上面の上には、第１の配線パターン５２ａが形成されている。絶縁層４５と絶縁層４７との境界面は平坦にされており、この平坦な境界面の上に第２の配線パターン５２ｂが形成されている。
【０００８】
絶縁層４４、４５、４７、４８の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４とすると、ｎ１＜ｎ２、ｎ２＞ｎ３、ｎ３＜ｎ４の関係になっている。したがって、入射光Ｌはオンチップレンズ５１にて屈折した後、第２の層内レンズ４９によって集光され、更に、第１の層内レンズ４６によって再び集光されて、光電変換素子４２の受光面に入射する。なお、絶縁層４７と絶縁層４５との間の境界面では、両絶縁層４７、４５間における屈折率の相対的な関係により、光Ｌが集光方向と逆向きの発散する方向に屈折する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−９４０８６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に示される固体撮像素子では、層内レンズ中に配線（第１の配線パターン５２ａ、第２の配線パターン５２ｂ）を多層に積層する関係上、その配線の下地とするべく、層内レンズ内に平坦な境界面（絶縁層４５、４７間の境界面）を形成せざるを得ない。
【００１１】
しかし、このような平坦な境界面は、集光を行わせるレンズとしては好ましい形状ではなく、曲面形状の境界面に比べて光電変換素子４２の方へと光Ｌを集光させる作用が小さく、更に、その平坦な境界面上に形成された第２の配線パターン５２ｂを避けるために、平坦な境界面への光の入射角が大きくなってしまい、そうすると、このままでは光電変換素子４２の上方で焦点を結んでしまうことになるので、平坦な境界面で光を大きく屈折させている。このように、上記特許文献１の構成では、図示からも明らかなように光路を大きく調整する必要がある。
【００１２】
そのためには、平坦な境界面を挟む２つの層４５、４７間の屈折率差を大きくして光を大きく屈折させて、光電変換素子４２の方へと導いてやらなければならない。しかし、隣接する層間の屈折率差を大きくすると、その境界面での反射成分が増大し、その分透過成分（光電変換素子４２への入射成分）が低減し、結果として、感度の低下を招くことになる。すなわち、層内レンズ中に配線やその下地となる平坦な境界面があると大きな屈折をさせる必要性が高くなり、よって反射率も高くなる傾向になりやすい。
【００１３】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、レンズ層間の境界面での反射成分を増大させるような大きな屈折を行わせる必要がなく、なおかつ、微細な画素サイズであっても光電変換素子の受光面への集光効率を高めることのできる固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、屈折率の異なる複数のレンズ層が積層されてなる層内レンズを有し、更に、光電変換素子に対向する位置では、隣接するレンズ層間の境界面は全て、光電変換素子の受光面に向かって曲面状にくぼんでいることを特徴としている。
【００１５】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、基板に形成された光電変換素子と、前記光電変換素子に対応して配置されたオンチップレンズとの間に、屈折率の異なる複数のレンズ層を積層して層内レンズを形成する工程を有し、この工程に際しては、隣接するレンズ層間の境界面が光電変換素子に対向する位置で全て、光電変換素子の受光面に向かって曲面状にくぼむようにレンズ層を積層させることを特徴としている。
【００１６】
隣接するレンズ層間の屈折率は、これらレンズ層間の境界面での反射を抑制するために小さくしている。したがって、１つの境界面における屈折の程度は小さいが、レンズ層を複数積層して境界面を複数とすることで何回も屈折を行わせている。このような構成のため、光を受光面へと損失なく導くことができる。更に、受光面に対向する位置で全ての境界面は曲面状にくぼんだ形状であるので、最初に設計した光路を大きく逸脱しないようにすることができ、層内レンズ内で大きな屈折を伴う光路調整を行う必要がない。
【００１７】
ここで、屈折率ｎ１のレンズ層から屈折率ｎ２のレンズ層に垂直に光が入射する場合を考えると、そのときの反射率は、（ｎ１−ｎ２）２／（ｎ１＋ｎ２）２で表されるので、例えばｎ１を１．９、ｎ２を１．５とした場合には、反射率は１．４％となり、９８．６％の光が透過する。
なお、透過率は、１−［（ｎ１−ｎ２）２／（ｎ１＋ｎ２）２］＝４×ｎ１×ｎ２／（ｎ１＋ｎ２）２で表されることからも同様に９８．６％が求められる。
【００１８】
次に、屈折率ｎ１とｎ２のレンズ層間に屈折率ｎ３のレンズ層を挟み込んだ場合を考える。ｎ３を例えば１．７とすると、各レンズ層間の境界面での反射率は０．３％、０．４％となり、３層のレンズ層全体を透過する光の透過率は、９９．３％となる。
【００１９】
次に、屈折率ｎ１とｎ２のレンズ層間に屈折率ｎ４、ｎ３の媒質を挟み込んだ場合を考える。ここで、ｎ４を１．８、ｎ３を１．７とすると、各レンズ層間の境界面での反射率は０．０７％、０．０８％、０．４％となり、４層のレンズ層全体を透過する光の透過率は９９．５％となる。
【００２０】
更に、上記４層の場合において、屈折率が１．６のレンズ層を屈折率１．７のレンズ層と、屈折率１．５のレンズ層の間に挟み込んだ場合、これら５層のレンズ層全体を透過する光の透過率は９９．７％となる。
【００２１】
このように、反射率、透過率は隣接するレンズ層間の屈折率差で決まるため、レンズ層間の境界面の数が増加しても単純に透過率は減少せず、隣接するレンズ層間の屈折率差を小さくすることで、逆に各レンズ層全体を透過する光の透過率を増加させることができる。
【００２２】
レンズ層の材料としては、光電変換素子にて検出されるべき光に対して透明な材料であればよく、例えば固体撮像素子の多くは可視光や赤外光の検出用なので、これらの光に対して透明な材料であればよい。一例として、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、アクリル樹脂、これらにリン、ホウ素、フッ素などを添加したもの、などが挙げられる。
【００２３】
また、境界面の曲面状のくぼみの深さを、光電変換素子の受光面側からオンチップレンズ側にいくにつれて段階的に浅くするようにすれば、同一方向から入射してくる光に対しては、くぼみが浅い方が入射角が小さくなり、全反射の危険性を小さくできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子を例に挙げて説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子のある１画素についての断面図を示す。
【００２６】
基板２に形成された、１画素を構成する光電変換素子３の両脇に垂直転送用の転送電極４が配置され、この転送電極４を覆うようにして遮光膜５が形成されている。その、遮光膜５を覆うようにして基板２上には、層内レンズ１２、カラーフィルタ１３、平坦層１４が、順次積層されており、更に、平坦層１４上にオンチップレンズ１５が形成されている。
【００２７】
次に、この固体撮像素子１の製造方法について、図２を参照して説明する。
【００２８】
先ず、例えばシリコンなどでなる基板２表面に、光電変換素子としてのフォトダイオード３を形成する。次いで、その光電変換素子３の両脇に、絶縁膜を介して例えばポリシリコンでなる転送電極４を形成する。更に、転送電極４を覆うようにして、例えばアルミニウムでなる遮光膜５を形成する。この遮光膜５は、光電変換素子３の受光面３ａ以外への光の入射を防ぐ。転送電極４と遮光膜５との間には絶縁膜が介在されている。また、光電変換素子３上では、遮光膜５は開口され、光電変換素子３の受光面３ａへの光の入射を可能としている。
【００２９】
次いで、図２Ａに示すように、遮光膜５を覆うようにして、層内レンズ下地層６を例えば化学気相成長法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて、基板２上に堆積する。層内レンズ下地層６の材料は、例えば、屈折率１．４５を有するＢＰＳＧ（ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ　ｇｌａｓｓ）である。
【００３０】
次いで、熱処理を行い、図２Ｂに示すように、光電変換素子３の受光面３ａ上に位置する層内レンズ下地層６の段差を緩和する。これにより、層内レンズ下地層６の上面に、曲面状にくぼんだくぼみが形成される。このくぼみは、光電変換素子３の受光面３ａの真上に位置する。このくぼみの形状は、ＣＶＤによる成膜時の原料ガスであるＢ（ホウ素）、Ｐ（リン）の組成比や、ＣＶＤ後の熱処理時の温度や時間などの加熱条件の制御により、受光面３ａに集光させるレンズとして最適な形状に制御される。
【００３１】
次いで、図２Ｃに示すように、層内レンズ下地層６の上に、５層のレンズ層７〜１１を例えばＣＶＤ法にて順次積層していく。最上層のレンズ層１１を除く４つのレンズ層７〜１０の各上面には、層内レンズ下地層６の上面のくぼみと、同じ曲面状のくぼみが形成され、受光面３ａの上方には、屈折率に差のある層どうしが隣接して形成される５つの曲面状にくぼんだ境界面が形成されることになる。これら境界面は、各レンズ層７〜１０の厚さ分だけの間隔（ピッチ）でもって、重ねられている。
【００３２】
５つのレンズ層７〜１１は互いに屈折率が異なり、その材料は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコンであり、図８に示すように、これら材料中の窒素と酸素の比率を変えることで、屈折率に違いを持たせている。すなわち、ＣＶＤが行われる処理室内に導入する酸素ガスと窒素ガスの比率を制御することで、互いに屈折率の異なる５つのレンズ層７〜１１を、同一処理室内で連続的に積層させて成膜することができる。なお、処理室内には、その他シリコンの供給源となるガスなども供給される。
【００３３】
具体的には、レンズ層７の屈折率は１．５、レンズ層８の屈折率は１．６、レンズ層９の屈折率は１．７、レンズ層１０の屈折率は１．８、レンズ層１１の屈折率は１．９に設定している。したがって、最上層のレンズ層１１から層内レンズ下地層６（屈折率１．４５）にかけて、段階的に屈折率が小さくなっている。
【００３４】
最上層のレンズ層１１の上面は、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法にて平坦化される。その平坦化されたレンズ層１１の上にカラーフィルタ１３を形成し、更に、そのカラーフィルタ１３の上に平坦層１４を介してオンチップレンズ１５を形成して、図１に示す固体撮像素子１が得られる。
【００３５】
カラーフィルタ１３は、例えば、色素を含有するアクリル系樹脂であり、屈折率は１．６〜１．７である。オンチップレンズ１５及び平坦層１４は、例えば、ポリスチレン系樹脂であり、屈折率は共に１．６である。
【００３６】
オンチップレンズ１５は、平坦化された平坦層１４の表面上に、各画素に対応させて樹脂のパターンを形成し、これを加熱して溶融させた後、硬化させて形成する。この時に生じる溶融樹脂の表面張力により、上に凸の曲面形状が得られ、所望のレンズ形状とされる。
【００３７】
以上のように構成される固体撮像素子１において、次にその作用について説明する。オンチップレンズ１５に入射する入射光Ｌは、隣接する各層間の屈折率差の関係によって、図１に示すような光路でもって、光電変換素子３の受光面３ａに集光される。
【００３８】
先ず、入射光Ｌは空気とオンチップレンズ１５との境界面で、集光方向に屈折される。オンチップレンズ１５、平坦層１４及びカラーフィルタ１３の屈折率はほぼ等しいので、オンチップレンズ１５を出た光は、屈折しないでそのまま平坦層１４及びカラーフィルタ１３中を直進する。
【００３９】
カラーフィルタ１３と最上層のレンズ層１１との境界面では、光は発散する方向に屈折する。以降、各レンズ層７〜１１間の境界面及び層内レンズ下地層６とレンズ層７との境界面では、集光する方向への小さな屈折を繰り返し、受光面３ａに至る。
【００４０】
層内レンズ１２における隣接する層間の屈折率差が小さい（例えば、本実施の形態では屈折率差は０．１）ことにより、各境界面での反射は抑制され、なおかつ、各境界面での１回の屈折は小さくても、複数回屈折を行わせているので、画素の微細化に伴いオンチップレンズ１５と受光面３ａ間のアスペクト比が大きくなっても、受光面３ａ上に光を集光させることができる。
【００４１】
また、層内レンズ１２内に配線や電極は形成されておらず、よって、層内レンズ１２内に配線の下地となる平坦面を形成する必要はなく、受光面３ａの真上に位置する部分では、受光面３ａに向かって曲面状にくぼんだ形状の境界面のみを存在させることができる。
【００４２】
したがって、層内レンズ内における配線や平坦な境界面の存在を考慮しなくて済み、上記特許文献１に見られるような光を大きく屈折させての光路調整を行う必要はなく、よって隣接する層間の屈折率差を小さくして、反射を抑制できる。
【００４３】
最上層を除くレンズ層７〜１０の膜厚は、それぞれが例えば５０ｎｍ以下のほぼ等しい膜厚で形成されている。５０ｎｍ以下という薄い膜厚とすることでアスペクト比の増大を抑えて、当初設計された集光光路を大きく逸脱させることなく受光面３ａに集光させることができる。このことも、無理に大きな屈折を行わせることの回避につながる。
【００４４】
なお、層内レンズ１２は必ずしも５層である必要はなく、少なくとも２層以上の屈折率の異なる層から形成されていればよい。少ない回数の屈折となっても入射光を受光面３ａへと導くことができれば５層よりも少ない層数であってもよい。もちろん、上記構成の層内レンズ１２において、隣接する２層間にこれらの中間の屈折率のレンズ層を介在させて、境界面での屈折率差をより小さいものとし、更なる反射抑制を図ってもよい。
【００４５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は、第２の実施の形態による固体撮像素子２１のある１画素についての断面図を示す。
【００４６】
基板２に形成された、１画素を構成する光電変換素子３の両脇に垂直転送用の転送電極４が配置され、この転送電極４を覆うようにして遮光膜５が形成されている。その、遮光膜５を覆うようにして基板２上には、層内レンズ２５、カラーフィルタ１３、平坦層１４が、順次積層されており、更に、平坦層１４上にオンチップレンズ１５が形成されている。
【００４７】
層内レンズ２５は３層のレンズ層２２〜２４から構成される。最下層のレンズ層２２とこの上に隣接するレンズ層２３との間の境界面の曲面状のくぼみの深さは、層内レンズ下地層６と最下層のレンズ層２２との間の境界面の曲面状のくぼみの深さより浅い。最上層のレンズ層２４とこの下に隣接するレンズ層２３との間の境界面の曲面状のくぼみの深さは、上記した最下層のレンズ層２２とこの上に隣接するレンズ層２３との間の境界面の曲面状のくぼみの深さより浅い。したがって、層内レンズ下地層６と最上層のレンズ層２４との間に形成されている、３つの境界面のくぼみは、その深さが上層にいくにつれて浅くなっている。
【００４８】
次に、この固体撮像素子２１の製造方法について、図４〜図７を参照して説明する。
【００４９】
先ず、例えばシリコンでなる基板２の表面に、光電変換素子としてのフォトダイオード３を形成する。次いで、その光電変換素子３の両脇に、絶縁膜を介して例えばポリシリコンでなる転送電極４を形成する。更に、転送電極４を覆うようにして、例えばアルミニウムでなる遮光膜５を形成する。転送電極４と遮光膜５との間には絶縁膜が介在されている。また、光電変換素子３上では、遮光膜５は開口され、光電変換素子３の受光面３ａへの光の入射を可能としている。
【００５０】
次いで、図４Ａに示すように、遮光膜５を覆うようにして、層内レンズ下地層６を例えばＣＶＤ法にて、基板２上に堆積する。層内レンズ下地層６の材料は、例えば、屈折率１．４５を有するＢＰＳＧである。
【００５１】
次いで、熱処理を行い、図４Ｂに示すように、光電変換素子３の受光面３ａの真上に位置する層内レンズ下地層６の段差を緩和する。これにより、層内レンズ下地層６の上面に曲面状のくぼみが形成される。このくぼみは、光電変換素子３の受光面３ａの真上に位置する。このくぼみの形状は、ＣＶＤによる成膜時のＢ（ホウ素）とＰ（リン）の組成比や、ＣＶＤ後の熱処理時の温度や時間などの制御により、入射してきた光を受光面３ａに集光させるレンズとして最適な形状に制御される。
【００５２】
次いで、図４Ｃに示すように、層内レンズ下地層６の上に、ＣＶＤ法によりレンズ層２２を形成する。このレンズ層２２は、上記第１の実施の形態と同様に、ＣＶＤ時の窒素ガスと酸素ガスの流量比を調整することで、屈折率１．７の窒化酸化シリコン膜として形成される。
【００５３】
次いで、図５Ｄに示すように、レンズ層２２の上に、ＣＶＤ法により転写膜３１を形成する。転写膜３１の材料は、ＣＶＤ後の熱処理によって所望のレンズ形状としやすい、例えばＢＰＳＧである。
【００５４】
次いで、図５Ｅに示すように、転写膜３１に熱処理を行うことにより、転写膜３１上面の凹凸を緩和する。すなわち、層内レンズ下地層６とこれに隣接するレンズ層２２との間の境界面のくぼみの深さよりも、転写膜３１の上面のくぼみを浅くする。
【００５５】
このとき、先に形成され転写膜３１と同じＢＰＳＧでなる、層内レンズ下地層６の上面のくぼみ形状を崩さないために、そのくぼみを形成するときに行った熱処理温度よりも低い温度で熱処理を行う。この低い温度での凹凸緩和処理を可能とするため、転写膜３１をＣＶＤ法にて形成する際に（図５Ｄの工程）、Ｂ（ホウ素）とＰ（リン）の濃度の制御を行っている。
【００５６】
次いで、上記にて上面のくぼみが所望の深さとされた転写膜３１を、その下層のレンズ層２２の途中まで異方性ドライエッチングする。転写膜３１の上面形状に沿って、その下層のレンズ層２２もエッチバックされるので、図５Ｆに示すように、レンズ層２２の上面に、転写膜３１上面のくぼみが転写される。したがって、レンズ層２２の上面のくぼみの深さは、そのレンズ層２２と層内レンズ下地層６との間の境界面のくぼみの深さより浅くなる。
【００５７】
次いで、図６Ｇに示すように、レンズ層２２の上に、ＣＶＤ法によりレンズ層２３を形成する。このレンズ層２３も、上記第１の実施の形態と同様に、ＣＶＤ時の窒素ガスと酸素ガスの流量比を調整することで、例えば屈折率２．０の窒化シリコン膜として形成される。
【００５８】
次いで、図６Ｈに示すように、レンズ層２３の上に、ＣＶＤ法により、ＢＰＳＧでなる転写膜３２を形成し、更に、熱処理を行うことにより、先に形成されたレンズ層２２の上面のくぼみの深さよりも、転写膜３２の上面のくぼみを浅くする。
【００５９】
このときもやはり、先に形成され転写膜３２と同じＢＰＳＧでなる層内レンズ下地層６上面のくぼみ形状を崩さないために、そのくぼみを形成するときに行った熱処理温度よりも低い温度で熱処理を行う。
【００６０】
次いで、上記にて上面のくぼみが所望の深さとされた転写膜３２を、その下層のレンズ層２３の途中まで異方性ドライエッチングする。転写膜３２上面のくぼみ形状に沿って、その下層のレンズ層２３もエッチバックされるので、図６Ｉに示すように、レンズ層２３の上面に、転写膜３２上面のくぼみ形状が転写される。したがって、レンズ層２３上面のくぼみの深さは、レンズ層２３とレンズ層２２との間の境界面のくぼみの深さより浅くなる。
【００６１】
次いで、図７Ｊに示すように、レンズ層２３の上に、ＣＶＤ法によりレンズ層２４を形成する。このレンズ層２４は、上記第１の実施の形態と同様に、ＣＶＤ時の窒素ガスと酸素ガスの流量比を調整することで、例えば屈折率１．９の窒化酸化シリコン膜として形成される。
【００６２】
このレンズ層２４の上面は、図７Ｋに示すように、例えばＣＭＰ法にて平坦化される。その平坦化されたレンズ層２４の上にカラーフィルタ１３を形成し、更に、そのカラーフィルタ１３の上に平坦層１４を介してオンチップレンズ１５を形成して、図３に示す第２の実施の形態の固体撮像素子２１が得られる。
【００６３】
上記第１の実施の形態と同様に、カラーフィルタ１３は、例えば、色素を含有するアクリル系樹脂であり、屈折率は１．６〜１．７である。オンチップレンズ１５及び平坦層１４は、例えば、ポリスチレン系樹脂であり、屈折率は共に１．６である。
【００６４】
本実施の形態では、オンチップレンズ１５入射する入射光Ｌは、隣接する各層間の屈折率差の関係によって、図３に示すような光路でもって、光電変換素子３の受光面３ａに集光される。
【００６５】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様、層内レンズ２５における隣接する層間の屈折率差が小さいことにより、各境界面での反射は抑制され、なおかつ、各境界面での１回の屈折は小さくても、複数回屈折を行わせているので、画素の微細化に伴いオンチップレンズ１５と受光面３ａ間のアスペクト比が大きくなっても、受光面３ａ上に光を集光させることができる。
【００６６】
更に、層内レンズ２５内に配線や電極は形成されていないため、受光面３ａの真上に位置する部分では、受光面３ａに向かって曲面状にくぼんだ形状の境界面のみを存在させることができる。したがって、本実施の形態においても、上記特許文献１に見られるような光を大きく屈折させての光路調整を行う必要はなく、よって隣接する層間の屈折率差を小さくして、反射を抑制できる。
【００６７】
また、本実施の形態では、各境界面のくぼみの深さを揃えるのではなく、上層側で浅くしているので、この固体撮像素子２１の厚さ方向に対して角度の大きい光（斜め光）が入射しても、その浅くした境界面では入射角がそれほど大きくならずに、全反射条件となる確率を減少させることができる。
【００６８】
更に、（レンズ層２４の屈折率＜レンズ層２３の屈折率）という関係にすることで、レンズ層２４、２３間の境界面では焦点の位置を下げる方向に光を屈折させて、このことにより、レンズ層２３とレンズ層２２との境界面に入射する光の入射角を小さくできる。したがって、レンズ層２３とレンズ層２２との境界面での全反射条件となる確率を減少させることができる。
【００６９】
なお、本実施の形態においても、層内レンズ２５は必ずしも３層である必要はない。また、中間のレンズ層２３の屈折率を例えば１．８にして、上記第１の実施の形態のように、最上層のレンズ層２４から層内レンズ下地層６にかけて、段階的に屈折率が小さくなる構成としてもよい。
【００７０】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００７１】
層内レンズを構成するレンズ層の成膜方法としては、ＣＶＤ法に限らず、スパッタ法などの物理気相成長法を用いてもよい。
また、上記実施の形態で挙げた各層の具体的な屈折率の数値は一例であって、これらに限られることはない。
【００７２】
本発明は、ＣＣＤ型固体撮像素子に限らず、ＣＭＯＳ型固体撮像素子や、その他、光電変換素子の受光面とオンチップレンズとの間に層内レンズを有する固体撮像素子全てに適用可能である。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、層内レンズを屈折率の異なる複数のレンズ層の積層構造とし、なおかつ、光電変換素子に対向する位置では、隣接するレンズ層間の境界面は全て、光電変換素子の受光面に向かって曲面状にくぼんだ構成としたので、オンチップレンズに入射した光の損失を抑えて受光面への集光効率を向上させることができる。結果として、画素の微細化に伴う感度の低下を防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による、固体撮像素子のある１画素についての断面図である。
【図２】同第１の実施の形態による固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による、固体撮像素子のある１画素についての断面図である。
【図４】同第２の実施の形態による固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を示す断面図である。
【図７】図６に続く製造工程を示す断面図である。
【図８】ＳｉＯＮ膜の、酸素と窒素の比率に対する屈折率の変化を示すグラフである。
【図９】従来例の固体撮像素子のある１画素についての断面図である。
【符号の説明】
１…固体撮像素子、２…基板、３…光電変換素子、３ａ…受光面、４…転送電極、５…遮光膜、６…層内レンズ下地層、７…レンズ層（屈折率１．５）、７…レンズ層（屈折率１．５）、８…レンズ層（屈折率１．６）、９…レンズ層（屈折率１．７）、１０…レンズ層（屈折率１．８）、１１…レンズ層（屈折率１．９）、１２…層内レンズ、１３…カラーフィルタ、１４…平坦層、１５…オンチップレンズ、２１…固体撮像素子、２２…レンズ層（屈折率１．７）、２３…レンズ層（屈折率２．０）、２４…レンズ層（屈折率１．９）、２５…層内レンズ、３１…転写膜、３２…転写膜。
【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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