(57)【要約】【課題】層内レンズによって集光される光を、効率よく受光部に受光させる。【解決手段】半導体基板１１の上部に設けられた複数の受光部１２と、各受光部１２上の部分が凹状になるように段差が形成されるとともに、各凹状部分に各受光部１２に対応する開口部１９ａがそれぞれ形成されて、該開口部１９ａ上に設けられた透明膜２０と、各開口部１９ａを介して対応する各受光部１２に光をそれぞれ集光するために、透明膜２０上に設けられた複数の層内レンズ２１ａと、を具備し、層内レンズ２１ａは、対応する開口部１９ａ上の所定の位置に設けられている。【選択図】  図１
2004253573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上部に設けられた複数の受光部と、
各受光部上の部分が凹状になるように段差が形成されるとともに、各凹状部分に各受光部に対応する開口部がそれぞれ形成されて、該開口部上に設けられた透明膜と、
該各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光するために、該透明膜上に設けられた複数の層内レンズと、を具備し、
該層内レンズは、対応する開口部上の所定の位置に設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記各層内レンズは、それぞれの光軸が、対応する前記開口部の中心線にそれぞれ一致している請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記透明膜の屈折率は、前記層内レンズの屈折率よりも低い請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記透明膜が、リン（Ｐ）、または、ボロン（Ｂ）の少なくともどちらか一方を含有するシリコン酸化膜から成る請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記透明膜は、有機高分子膜から成る請求項３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記各凹状部分は、前記透明膜の選択エッチングによりパターニングすることによって形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記各凹状部分は、前記パターニングの後に熱処理することによって形成されている請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体基板の上部に、所定の間隔をあけて設けられた複数の受光部および各受光部に対して適当な間隔をあけて設けられた複数の転送チャネルと、
該半導体基板上に、絶縁膜を介して各転送チャネルに対向するようにそれぞれ設けられた複数の転送電極と、
各転送電極を覆って設けられて、各転送電極間がそれぞれ凹状になるように段差が形成されるとともに、各凹状部分に、該各受光部に対応する開口部がそれぞれ形成されて、該半導体基板上に設けられた遮光膜と、該遮光膜上に設けられた透明膜と、
該透明膜上に、前記各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光するために設けられた複数の層内レンズと、を具備し、該層内レンズは、対応する開口部上の所定の位置に設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記各層内レンズは、それぞれの光軸が、対応する前記開口部の中心線にそれぞれ一致している請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板の上部に複数の受光部を形成する工程と、
各受光部上の部分が凹状になるように段差が形成された遮光膜を該半導体基板上に形成する工程と、
該遮光膜の各凹状部分に、各受光部に対応する開口部をそれぞれ形成する工程と、
該遮光膜上および各開口部内に透明膜を形成する工程と、
該透明膜上に、前記各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光する層内レンズを、対応する開口部上の所定の位置に形成する工程と、
を包含することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記各凹状部分は、前記透明膜を選択エッチングしてパターニングすることによって形成されている請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記パターニングの後に熱処理が実施される請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、層内レンズを備えたＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の固体撮像素子、液晶表示素子等の半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ等のＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型固体撮像素子は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナ、デジタル複写機、ファクシミリ等の様々な用途の電子情報機器に利用されている。
【０００３】
固体撮像素子等の半導体装置を備えた電子情報機器が市場において普及するにつれて、固体撮像素子には、画素数の増加、受光感度の向上等の高機能化および高性能化の要求はもとより、小型化、低価格化等の要求も一層強くなっている。
【０００４】
このように、固体撮像素子の形状の小型化および画素の高密度化が進むと、固体撮像素子内に組み込まれる各画素の形状および大きさは、ますます縮小され、固体撮像素子の受光感度が低下し、固体撮像素子の基本性能の一つである高受光感度を達成することができず、所定の照度において鮮明な像を撮影することが困難になるおそれがある。
【０００５】
このような問題に対して、例えば、特開平４−１２５６８号公報（特許文献１）には、固体撮像素子において、カラーフィルタの上側に、有機高分子材料によってマイクロレンズを形成して、受光感度を向上させる構成が開示されており、さらには、特開２０００−１６４８３７号公報（特許文献２）、特開平１１−４０７８７号公報（特許文献３）に開示されているように、カラーフィルタと受光部との間に設けられた積層構造の内部にも、層内レンズを形成する構成を併用することによって、受光感度をさらに向上させるようになっている。
【０００６】
以下に、層内レンズが形成されたＣＣＤ固体撮像素子の従来技術の一例を説明する。
【０００７】
図３は、層内レンズが形成された半導体装置であるＣＣＤ固体撮像素子の１つの画素に対応する概略断面図、図４（ａ）〜（ｅ）は、図３に示すＣＣＤ固体撮像素子の製造方法における各工程を示す断面図である。
【０００８】
図３に示すＣＣＤ固体撮像素子は、半導体基板１０１の上部に、電荷転送部である複数のＣＣＤ転送チャネル１０４が所定の間隔をあけて埋め込まれている。隣接するＣＣＤ転送チャネル１０４の間には、光電変換機能を有する複数の受光部１０２が、ＣＣＤ転送チャネル１０４とは適当な間隔をあけて埋め込まれている。各画素に対応する各受光部１０２と一方のＣＣＤ転送チャネル１０４との間には、読み出しゲート部１０３が形成されており、受光部１０２と他方のＣＣＤ転送チャネル１０４との間には、チャネルストッパー部１０５が埋め込まれている。
【０００９】
半導体基板１０１の上部には、読み出しゲート部１０３を介して隣接する各受光部１０２およびＣＣＤ転送チャネル１０４が、チャネルストッパー部１０５によって分離された状態で形成されている。半導体基板１０１の表面には、受光部１０２、ＣＣＤ転送チャネル１０４、読み出しゲート部１０３およびチャネルストッパー部１０５を被覆する絶縁膜１０６が、半導体基板１０１の表面全体にわたって設けられている。
【００１０】
絶縁膜１０６上には、各ＣＣＤ転送チャネル１０４にそれぞれ対応するように、転送電極１０７が形成されており、各転送電極１０７が、層間絶縁膜１０８によって覆われている。絶縁膜１０６上には、層間絶縁膜１０８によってそれぞれ覆われた各転送電極１０７を覆うように、遮光膜１０９が設けられており、この遮光膜１０９によって、各転送電極１０７に光が入射することを防止するようになっている。遮光膜１０９は、隣接する転送電極１０７の間の領域では、平坦になった絶縁膜１０６上に直接設けられており、従って、各転送電極１０７の間に設けられた受光部１０２上の遮光膜１０９部分と、各転送電極１０７上の遮光膜１０９部分との間に、段差が形成されている。
【００１１】
各受光部１０２上に設けられた遮光膜１０９には、各受光部１０２の一部の領域にそれぞれ対応する開口部１０９ａがそれぞれ設けられている。各開口部１０９ａには、各受光部１０２の一部の領域が、絶縁膜１０６を介してそれぞれ対向した状態になっており、遮光膜１０９に設けられた各開口部１０９ａを介して、各受光部１０２に光が入射するようになっている。
【００１２】
遮光膜１０９上には、例えば、常圧ＣＶＤ法によって、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）膜から成る第１平坦化膜１１０が形成されている。第１平坦化膜１１０は、遮光膜１０９の形状に対応した表面形状になっており、各受光部１０２上において、表面がそれぞれ凹状に窪んだ状態になっている。
【００１３】
第１平坦化膜１１０上には、シリコン窒化膜等の高屈折率材料から成るレンズ形成層１１１が設けられており、第１平坦化膜１１０の凹状に窪んだ部分に、層内レンズ１１１ａがそれぞれ形成されている。層内レンズ１１１ａは、受光部１０２上において、下面が下側へ突出した凸形状のレンズ面を有するとともに、上面が上側に突出した凸形状のレンズ面を有している。レンズ形成層１１１は、層内レンズ１１１ａが形成された部分を除いて平坦化されている。
【００１４】
レンズ形成層１１１上には、低屈折材料から成る第２平坦化膜１１２が設けられており、第２平坦化膜１１２の表面は平坦化されている。第２平坦化膜１１２上には、一定の厚さのカラーフィルタ１１３および保護膜１１４がその順番に積層されている。
【００１５】
保護膜１１４上には、入射光を各受光部１０２にそれぞれ集光させる複数のマイクロレンズ１１５が各受光部１０２毎にそれぞれ形成されている。各マイクロレンズ１１５は、それぞれの中央部が周縁部よりも厚くなるように上面が上側に突出した形状の凸レンズになっている。各マイクロレンズ１１５は、各受光部１０２と、各受光部の両側に設けられたＣＣＤ転送チャネル１０４側の一部の領域とにそれぞれ対応するように設けられている。
【００１６】
次に、図３に示すＣＣＤ固体撮像素子の製造方法を説明する。
【００１７】
まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１に対して、イオン注入等によって、所要の不純物元素を添加し、半導体基板１０１の上部に、複数のＣＣＤ転送チャネル１０４を所定の間隔をあけて形成するとともに、各ＣＣＤ転送チャネル１０４間に、各ＣＣＤ転送チャネル１０４とは適当な間隔をあけて受光部１０２をそれぞれ形成し、さらには、各受光部１０２と一方のＣＣＤ転送チャネル１０４との間の領域に、チャネルストッパー部１０５をそれぞれ形成する。これにより、読み出しゲート部１０３を介して隣接する各受光部１０２およびＣＣＤ転送チャネル１０４が、チャネルストッパー部１０５によって分離された状態で、半導体基板１０１の上部に形成される。
【００１８】
次に、熱酸化法またはＣＶＤ法によって、半導体基板１０１の表面に、例えばＳｉＯ２等から成る絶縁膜１０６を形成する。
【００１９】
その後、ＣＶＤ法によって、絶縁膜１０６上に、例えばポリシリコン膜を成膜し、成膜したポリシリコン膜をフォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングし、各ＣＣＤ転送チャネル１０４にそれぞれ対応させて、ポリシリコン膜から成る転送電極１０７をそれぞれ形成する。続いて、ＣＶＤ法等によって、各転送電極１０７を被覆するように、例えばＳｉＯ２等から成る層間絶縁膜１０８を形成する。
【００２０】
次に、層間絶縁膜１０８によって被覆された各転送電極１０７および隣接する転送電極１０７間の絶縁膜１０６を覆うように、スパッタ法によって、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）等の高融点金属から成る遮光膜１０９を成膜する。この場合、遮光膜１０９には、各転送電極１０７上部分と、各受光部１０２上部分との間に段差が形成される。続いて、高融点金属からなる遮光膜１０９をフォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングし、各受光部１０２の領域に対応して開口部１０９ａをそれぞれ形成する。
【００２１】
次に、図４（ｂ）に示すように、開口部１０９ａが形成された遮光膜１０９上に、例えば、常圧ＣＶＤ法によって、リン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）を所定の濃度に設定したＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）膜を堆積し、その後、温度９００℃以上の高温下でリフロー処理することにより、ＢＰＳＧ膜からなる第１平坦化膜１１０を形成する。この場合、ＢＰＳＧ膜である第１平坦化膜１１０の表面は、遮光膜１０９の段差によって、開口部１０９ａが設けられている受光部１０２上の領域が、それぞれ凹状に窪んだ状態になる。
【００２２】
次に、図４（ｃ）に示すように、第１平坦化膜１１０上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によって、シリコン窒化膜等の高屈折率材料から成るレンズ形成層１１１を形成し、そのレンズ形成層１１１の表面を平坦化する。
【００２３】
次に、レンズ形成層１１１上に、レジスト１１７を所定の厚さに塗布して、各受光部１０２および各受光部１０２の両側部分に対応する位置にレジスト１１７が残るようにパターニングし、その後、例えば、温度１６０℃前後でリフロー処理を行う。これにより、図４（ｄ）に示すように、各レジスト１１７は、各受光部１０２にそれぞれ対応して、その中央部が周縁部よりも厚く上側に突出した凸レンズ状になる。
【００２４】
次に、凸レンズ状のレジスト１１７をマスクとして、ドライエッチングによって、レンズ形成層１１１をエッチングする。この場合、凸レンズ状のレジスト１１７およびレンズ形成層１１１に対して、所定のエッチング選択比を設定することによって、図４（ｅ）に示すように、レンズ形成層１１１の表面が凸レンズ状のレジスト１１７と同様に、上側に突出した凸レンズ形状にエッチングされる。これにより、各受光部１０２に対向する位置に、下面が下側に突出した凸形状のレンズ面を有するとともに、上面が上側に突出した凸形状のレンズ面を有する層内レンズ１１１ａが形成される。レンズ形成層１１１は、層内レンズ１１１ａが形成された部分以外の領域では上面が平坦化されて所定の厚さになっている。
【００２５】
続いて、層内レンズ１１１ａが形成されたレンズ形成層１１１上に、各層内レンズ１１１ａの集光率を上げるために、低屈折材料から成る第２平坦化膜１１２を、レンズ形成層１１１を覆うように形成し、第２平坦化膜１１２の表面を平坦化する（図示せず）。
【００２６】
その後、第２平坦化膜１１２上に、カラーフィルタ１１３および保護膜１１４を順番に積層し、保護膜１１４上に、入射光を各受光部１０２にそれぞれ集光させるマイクロレンズ１１５を、受光部１０２に対向する位置に、受光部１０２の領域から両側に隣接するＣＣＤ転送チャネル１０４にわたって形成する（図示せず）。各マイクロレンズ１１５は、中央部が周縁部よりも厚くなるように上面が上側に突出した凸レンズ状に形成される。
【００２７】
このようにして、図３に示すＣＣＤ固体撮像素子が得られる。
【００２８】
【特許文献１】
特開平４−１２５６８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６４８３７号公報
【特許文献３】
特開平１１−４０７８７号公報
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣＣＤ固体撮像素子の製造方法では、図４（ｂ）に示すように、ボロン（Ｂ）およびリン（Ｐ）を含むＢＰＳＧ膜を高温でリフロー処理して、第１平坦化膜１１０を形成する際に、遮光膜１０９の段差を利用して、第１平坦化膜１１０の表面を、層内レンズ１１１ａの下面のレンズ面に対応するように凹状に形成している。このために、層内レンズ１１１ａの下面のレンズ面の中心位置が、開口部１０９ａの中心位置に対してずれるおそれがある。
【００３０】
受光部１０２上の遮光膜１０９は、読み出しゲート部１０３側およびチャネルストッパー部１０５側において、受光部１０２を遮光する遮光膜１０９の長さがそれぞれ異なる。このため、読み出しゲート部１０３側およびチャネルストッパー部１０５側の遮光膜１０９のそれぞれの端部は、それぞれ受光部１０２の中央部に対して左右対称の位置に形成されない。
【００３１】
例えば、ＣＣＤ固体撮像素子の場合、通常、受光部１０２上の遮光膜１０９は、チャンネルストッパー部１０５側の遮光膜１０９が、読み出しゲート部１０３側の遮光膜１０９よりも、受光部１０２を遮光する長さが長く形成され、受光部１０２をより多く遮光する。
【００３２】
これにより、各転送電極１０７の間に設けられた受光部１０２上の遮光膜１０９部分と各転送電極１０７上の遮光膜１０９部分との間に形成された遮光膜１０９の段差に基づいて決定されるリフロー処理後の第１平坦化膜１１０の表面の凹部の形状中心Ｃを通る中心線Ａ−Ａ’と、受光部１０２上の開口部１０９ａの中心部を通る中心線Ｂ−Ｂ’とは一致しない。また、層内レンズ１１１ａの上面のレンズ面の形状中心Ｃ’は、受光部１０２上の開口部１０９ａの中心部を通る中心線Ｂ−Ｂ’に一致するように形成されており、第１平坦化膜１１０の表面の凹部である層内レンズ１１１ａの下面のレンズ面の形状中心Ｃと、層内レンズ１１１ａの上面のレンズ面の形状中心Ｃ’とは、同一中心線上には存在しない。この結果、層内レンズ１１１ａによって集光される光が、効率よく開口部内を通過せず、受光部１０２による受光量が低下し、ＣＣＤ固体撮像素子の所望の受光感度が得られないおそれがある。
【００３３】
さらに、上記のようにＢＰＳＧ膜を高温でリフロー処理して、第１平坦化膜１１０の表面の凹状に窪んだ状態が、層内レンズ１１１ａの下面の下側に突出した凸形状のレンズ面を決定するという方法では、層内レンズ１１１ａの下面のレンズ形状を安定に均一性よく形成できないおそれがある。すなわち、ＢＰＳＧ膜から成る第１平坦化膜１１０を、高温でのリフロー処理により形成される層内レンズ１１１ａの下面のレンズ形状は、ＢＰＳＧ膜中のボロン（Ｂ）およびリン（Ｐ）の濃度、リフロー処理温度、遮光膜１０９の段差による下地の形状等によって影響される。その結果、ウェーハ面内あるいは素子内での層内レンズの集光率の劣化を招き、ＣＣＤ固体撮像素子の画質の低下を引き起こすことになる。
【００３４】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、層内レンズによって集光される光を、効率よく受光部に受光させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００３５】
本発明の他の目的は、層内レンズを安定に製造することができ、層内レンズによる集光効率を向上させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するたの手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板の上部に設けられた複数の受光部と、各受光部上の部分が凹状になるように段差が形成されるとともに、各凹状部分に各受光部に対応する開口部がそれぞれ形成されて、該開口部上に設けられた透明膜と、該各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光するために、該透明膜上に設けられた複数の層内レンズと、を具備し、該層内レンズは、対応する開口部上の所定の位置に設けられており、そのことにより上記目的が達成される。
【００３７】
また、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記各層内レンズは、それぞれの光軸が、対応する前記開口部の中心線にそれぞれ一致している。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記透明膜の屈折率は、前記層内レンズの屈折率よりも低い。
【００３９】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記透明膜が、リン（Ｐ）、または、ボロン（Ｂ）の少なくともどちらか一方を含有するシリコン酸化膜から成る。
【００４０】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記透明膜は、有機高分子膜から成る。
【００４１】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記各凹状部分は、前記透明膜の選択エッチングによりパターニングすることによって形成されている。
【００４２】
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記各凹状部分は、前記パターニングの後に熱処理することによって形成されている。
【００４３】
本発明の半導体装置は、半導体基板の上部に、所定の間隔をあけて設けられた複数の受光部および各受光部に対して適当な間隔をあけて設けられた複数の転送チャネルと、該半導体基板上に、絶縁膜を介して各転送チャネルに対向するようにそれぞれ設けられた複数の転送電極と、各転送電極を覆って設けられて、各転送電極間がそれぞれ凹状になるように段差が形成されるとともに、各凹状部分に、該各受光部に対応する開口部がそれぞれ形成されて、該半導体基板上に設けられた遮光膜と、該遮光膜上に設けられた透明膜と、該透明膜上に、前記各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光するために設けられた複数の層内レンズと、を具備し、該層内レンズは、対応する開口部上の所定の位置に設けられており、そのことにより上記目的が達成される。
【００４４】
また、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記各層内レンズは、それぞれの光軸が、対応する前記開口部の中心線にそれぞれ一致している。
【００４５】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上部に複数の受光部を形成する工程と、各受光部上の部分が凹状になるように段差が形成された遮光膜を該半導体基板上に形成する工程と、該遮光膜の各凹状部分に、各受光部に対応する開口部をそれぞれ形成する工程と、該遮光膜上および各開口部内に透明膜を形成する工程と、該透明膜上に、前記各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光する層内レンズを、対応する開口部上の所定の位置に形成する工程と、を包含するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４６】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、前記各凹状部分は、前記透明膜を選択エッチングしてパターニングすることによって形成されている。
【００４７】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法において、前記パターニングの後に熱処理が実施される。
【００４８】
上記構成により、以下、その作用を説明する。
【００４９】
本発明の半導体装置は、各受光部に光をそれぞれ集光する複数の層内レンズが、透明膜上に設けられ、対応する開口部上の所定の位置に設けられており、これにより、各転送電極の間に設けられた受光部上の遮光膜部分と、各転送電極上の遮光膜部分との間の段差等の下地の形状に影響されずに、各開口部を通ってその下方の受光部に対する集光率が増加し、各受光部の受光量が増加する。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００５１】
図１は、本発明の実施形態の層内レンズが形成された半導体装置であるＣＣＤ固体撮像素子の１つの画素に対応する概略断面図である。
【００５２】
図１に示すＣＣＤ固体撮像素子は、半導体基板１１の上部に、電荷転送部である複数のＣＣＤ転送チャネル１４が所定の間隔をあけて埋め込まれている。隣接するＣＣＤ転送チャネル１４の間には、光電変換機能を有する複数の受光部１２が、隣接する各ＣＣＤ転送チャネル１４とは、それぞれ適当な間隔をあけて埋め込まれている。各受光部１２は、各画素にそれぞれ対応している。
【００５３】
各受光部１２と、各受光部１２に対して一方の側方に隣接するＣＣＤ転送チャネル１４との間には、半導体基板１１の上部に読み出しゲート部１３がそれぞれ形成されており、各受光部１２と他方の側方に隣接するＣＣＤ転送チャネル１４との間には、チャネルストッパー部１５がそれぞれ半導体基板１１の上部に埋め込まれている。このように、半導体基板１１の上部に設けられた受光部１２は、読み出しゲート部１３を介して一方のＣＣＤ転送チャネル１４に隣接し、チャネルストッパー部１５によって他方のＣＣＤ転送チャネル１４とは分離された状態になっている。
【００５４】
半導体基板１１の表面には、受光部１２、ＣＣＤ転送チャネル１４、読み出しゲート部１３およびチャネルストッパー部１５を被覆する絶縁膜１６が、半導体基板１１の表面全体にわたって行って一定の厚さで設けられている。絶縁膜１６は、透光性材料によって構成されている。
【００５５】
絶縁膜１６上には、半導体基板１１に設けられた各ＣＣＤ転送チャネル１４と絶縁膜１６を介してそれぞれ対向するように、ポリシリコン、タングステンシリサイド等によって構成された転送電極１７が形成されており、各転送電極１７が、層間絶縁膜１８によって覆われている。層間絶縁膜１８は、各転送電極１７の表面をそれぞれ覆っており、隣接する転送電極１７の間に位置する絶縁膜１６上には設けられていない。
【００５６】
半導体基板１１上には、各転送電極１７をそれぞれ覆う層間絶縁膜１８および各転送電極１７の間の絶縁膜１６を覆う遮光膜１９が設けられている。この遮光膜１６は、タングステンシリサイド、チタンタングステン等によって構成されている。この遮光膜１９によって、各転送電極１７に光が入射することが防止される。遮光膜１９は、隣接する転送電極１７の間の領域では、平坦になった絶縁膜１６上に直接設けられている。従って、各転送電極１７の間に設けられた受光部１２上の遮光膜１９部分と、各転送電極１７上の遮光膜１９部分との間に、段差が形成されており、受光部１２上に設けられた遮光膜１９の表面は、凹状に窪んだ状態になっている。
【００５７】
各受光部１２上に設けられた遮光膜１９には、各受光部１２の一部の領域にそれぞれ対応する開口部１９ａがそれぞれ設けられている。各開口部１９ａ内には、各受光部１２の一部の領域が、絶縁膜１６を介してそれぞれ露出した状態になっており、各開口部１９ａを通過する光が、絶縁膜１６を介して各受光部１２に入射するようになっている。
【００５８】
遮光膜１９に設けられた各開口部１９ａは、対応する受光部１２に隣接した読み出しゲート部１３に近接した部分、すなわち、対応する受光部１２に隣接したチャンネルストッパー部１５の遠方側に設けられており、従って、各開口部１９ａの中心位置が、対応する受光部１２に隣接する読み出しゲート部１３およびチャンネルストッパー部１５の間において、チャンネルストッパー部１５よりも読み出しゲート部１３に近接するように設けられている。従って、各受光部１２は、隣接するチャンネルストッパー部１５に近接した部分が、隣接する読み出しゲート部１３に近接した部分よりも、遮光膜１９によって多く遮光されている。
【００５９】
遮光膜１９上および遮光膜１９に設けられた各開口部１９ａ内には、例えば、常圧ＣＶＤ法によって、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）膜から成る透明膜２０が形成されている。尚、透明膜２０としては、有機高分子膜を用いても良い。透明膜２０の表面には、各受光部１２上に位置する遮光膜１９の凹状部分によって、円弧状に窪んだ凹部がそれぞれ設けられている。
【００６０】
透明膜２０上には、シリコン窒化膜等の高屈折率材料から成るレンズ形成層２１が設けられており、透明膜２０の円弧状に窪んだ凹部上に、層内レンズ２１ａがそれぞれ形成されている。層内レンズ２１ａは、上面および下面が、それぞれ円弧状に突出したレンズ面を有する凸レンズ形状になっており、上面および下面の中心ＥおよびＥ’を結ぶ軸心線である光軸が、受光部１２上の各開口部１９ａの中心線（各開口部１９ａの中心を通る半導体基板１１に垂直な線）に一致し、直線Ｄ−Ｄ’上に位置している。
【００６１】
レンズ形成層２１は、層内レンズ２１ａが形成された部分を除いて平坦になっている。層内レンズ２１ａを構成するレンズ形成層２１は、透明膜２０よりも高い屈折率になっている。
【００６２】
このように、層内レンズ２１ａの光軸が、各開口部１９ａの中心線である軸心に一致させることによって、各開口部１９ａを通ってその下方の受光部１２に対する集光率が増加し、各受光部１２の受光量が増加する。また、必要とあれば、層内レンズ２１ａの光軸の位置を、開口部１９ａの中心線に対して所望の方向に所望の量だけオフセットを入れてずらすことも可能である。
【００６３】
レンズ形成層２１上には、低屈折材料から成る平坦化膜２２が一定の厚さで設けられており、平坦化膜２２の表面は平坦化されている。平坦化膜２２上には、それぞれが一定の厚さのカラーフィルタ２３および保護膜２４がその順番に積層されている。
【００６４】
保護膜２４上には、各層内レンズ２１ａに対応してマイクロレンズ２５がそれぞれ設けられている。各マイクロレンズ２５は、入射する光を各受光部１２にそれぞれ集光させて、各層内レンズ２１ａによる集光率を向上させるようになっている。各マイクロレンズ２５は、上面が円弧状に突出した凸レンズ形状になっており、それぞれの光軸が、対応する各層内レンズ２１ａの光軸にそれぞれ一致した状態になっている。各マイクロレンズ２５は、各受光部１２およびその両側部分を覆った状態になっており、隣接するマイクロレンズ２５同士が相互に密接した状態になっている。
【００６５】
このような構成の半導体装置であるＣＣＤ固体撮像素子では、マイクロレンズ２５に光が照射されると、マイクロレンズ２５によって光が集光されて、その下方の層内レンズ２１ａに照射される。そして、層内レンズ２１ａに照射される光が、層内レンズ２１ａによってさらに集光されて、遮光膜１９に設けられた開口部１９ａを通って、受光部１２に照射される。
【００６６】
この場合、層内レンズ２１ａの光軸が、下方の開口部１９ａの中心軸と一致しているために、層内レンズ２１ａによって集光される光が、開口部１９ａの内部に効率よく照射されることになり、受光部１２は効率よく光を受光し、受光部の受光量が増加する。
【００６７】
受光部１２にて受光された光は、転送電極１７に電圧が印加されることによって、読み出しゲート部１３を介してＣＣＤ転送チャネル１４に移送される。
【００６８】
このように、マイクロレンズ２５と層内レンズ２１ａとの集光効果によって、高感度および高画質のＣＣＤ固体撮像素子が得られる。
【００６９】
次に、図１に示す本発明の層内レンズが形成された半導体装置であるＣＣＤ固体撮像素子の製造方法を説明する。
【００７０】
図２（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、図１に示す本発明のＣＣＤ固体撮像素子の製造方法における各工程を示す断面図である。
【００７１】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１１に対して、イオン注入等によって、所要の不純物元素を添加し、半導体基板１１の上部に、複数のＣＣＤ転送チャネル１４を所定の間隔をあけて形成するとともに、各ＣＣＤ転送チャネル１４間に、各ＣＣＤ転送チャネル１４とは適当な間隔をあけて受光部１２をそれぞれ形成し、さらには、各受光部１２と、各受光部１２の一方の側方に隣接するＣＣＤ転送チャネル１４との間の領域に、チャネルストッパー部１５をそれぞれ形成する。これにより、読み出しゲート部１３を介して隣接する各受光部１２およびＣＣＤ転送チャネル１４が、チャネルストッパー部１５によって分離された状態で、半導体基板１１の上部に形成される。
【００７２】
次に、熱酸化法またはＣＶＤ法によって、半導体基板１１の表面に、例えば、ＳｉＯ２等から成る絶縁膜１６を形成する。
【００７３】
その後、ＣＶＤ法等によって、絶縁膜１６上に、ポリシリコン膜等を成膜し、または、スパッタ法等によって、絶縁膜１６上に、タングステンシリサイド等を成膜し、成膜したポリシリコン膜またはタングステンシリサイドを、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングし、各ＣＣＤ転送チャネル１４にそれぞれ対応させて、ポリシリコン膜またはタングステンシリサイドから成る転送電極１７をそれぞれ形成する。続いて、ＣＶＤ法等によって、各転送電極１７を被覆するように、例えばＳｉＯ２等から成る層間絶縁膜１８を形成する。
【００７４】
次に、層間絶縁膜１８によって被覆された各転送電極１７および隣接する転送電極１７間の絶縁膜１６を覆うように、スパッタ法等によって、タングステンシリサイド、チタンタングステン（ＴｉＷ）等の高融点金属から成る遮光膜１９を成膜する。この場合、遮光膜１９には、各転送電極１７上部分と、各受光部１２上部分との間に段差が形成される。続いて、高融点金属から成る遮光膜１９をフォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングし、各受光部１２の領域に対応して開口部１９ａをそれぞれ形成する。
【００７５】
遮光膜１９に設けられた各開口部１９ａは、対応する受光部１２に隣接した読み出しゲート部１３に近接した部分、すなわち、対応する受光部１２に隣接したチャンネルストッパー部１５の遠方側に設けられている。このため、各開口部１９ａの中心位置は、対応する受光部１２に隣接する読み出しゲート部１３およびチャンネルストッパー部１５の間において、チャンネルストッパー部１５よりも読み出しゲート部１３に近接するように設けられている。したがって、各受光部１２は、隣接するチャンネルストッパー部１５に近接した部分が、隣接する読み出しゲート部１３に近接した部分よりも、遮光膜１９によって多く遮光されている。
【００７６】
さらに、遮光膜１９上および遮光膜１９上に設けられた各開口部１９ａ内に、例えば、常圧ＣＶＤ法によって、リン（Ｐ）およびボロン（Ｂ）を所定の濃度に設定したＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏ  ｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）膜を堆積する。この場合、ＢＰＳＧ膜は、膜厚が９００ｎｍになるように堆積され、また、リフロー処理時にＢＰＳＧ膜の表面が平坦になるように、ボロン（Ｂ）の濃度が４．２ｗｔ％、リン（Ｐ）の濃度が４．９ｗｔ％に設定されている。続いて、温度９５０℃、２０分間のリフロー処理を行ないＢＰＳＧ膜から成る表面が平坦な透明膜２０ａを形成する。
【００７７】
ここで、上記のリフロー処理によって、透明膜２０ａの表面を充分に平坦化できない場合、遮光膜１９上および遮光膜１９上に設けられた各開口部１９ａ内に、膜厚の厚いＢＰＳＧ膜を予め堆積して、リフロー処理を行った後にＢＰＳＧ膜の表面全体を、例えば、プラズマエッチングによって、エッチバックを行いＢＰＳＧ膜の表面の平坦度を上げると同時に、遮光膜１９上にＢＰＳＧ膜から成る所望の膜厚の透明膜２０ａを形成しても良い。
【００７８】
次に、上記の透明膜２０ａ上に、スピンコーターによって膜厚１．０μｍのフォトレジストを塗布し、温度９０℃のホットプレートにて２分間乾燥する。続いて、通常、半導体プロセス工程にて使用するフォトリソ技術を用いてフォトレジストをパターニングし、図２（ｂ）に示すように、受光部１２に対応する透明膜２０ａ上に、層内レンズを形成する領域を囲む所定の位置にレジストパターン２８を形成する。レジストパターン２８は、層内レンズの軸心線である光軸と、受光部１２に対応する絶縁膜１６上の開口部１９ａの中心線とが一致するように形成される。
【００７９】
その後、温度１２０℃のホットプレートにて２分間乾燥させ、レジストパターン２８をマスクとしてプラズマエッチングによって、レジストパターン２８に囲まれた透明膜２０ａの表面のみを選択的にエッチングし、受光部１２に対応する透明膜２０ａの表面に円弧状に窪んだ凹部となる下側に円弧状に突出した凸レンズ形状のレンズ型パターン２９が設けられた透明膜２０を形成する。透明膜２０には、有機高分子膜を用いても良い。レンズ型パターン２９は、レンズ型パターン２９の中心を通る光軸が、受光部１２に対応する開口部１９ａの中心線と一致するように形成される。この場合、プラズマエッチングの条件は、エッチング用ガスとしてＳＦ６を使用し、ＲＦパワー２５０Ｗ、圧力５３Ｐａ、温度１００℃である。
【００８０】
プラズマエッチング処理の後、レジストパターン２８を通常の半導体プロセス工程にて使用される方法にて剥離する。そして、必要であれば再度高温の熱処理を行い上記のレンズ型パターン２９を熱変形させても良い。
【００８１】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＢＰＳＧ膜から成る透明膜２０上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によって、シリコン窒化膜等の高屈折率材料から成る膜厚９００ｎｍのレンズ形成層２１を形成し、そのレンズ形成層２１の表面を平坦化する。
【００８２】
次に、レンズ形成層２１上に、レジスト２７を所定の厚さに塗布して、フォトリソグラフィによって、各受光部１２上のレンズ型パターン２９に対向する位置にレジスト２７が残るようにパターニングし、その後、例えば、温度１５０℃にてリフロー処理を行う。これにより、図２（ｄ）に示すように、各レジスト２７は、各受光部１２上のレンズ型パターン２９に対向して、その中央部が周縁部よりも厚く上側に円弧状に突出した凸レンズ状になる。
【００８３】
次に、凸レンズ状のレジスト２７をマスクとして、ドライエッチングによって、レンズ形成層２１をエッチングする。この場合、凸レンズ状のレジスト２７およびレンズ形成層２１に対して、所定のエッチング選択比を設定することによって、図２（ｅ）に示すように、レンズ形成層２１の表面が凸レンズ状のレジスト２７と同様に、上側に円弧状に突出した凸レンズ形状にエッチングされる。これにより、各受光部１２に対向する位置に、下面が下側に円弧状に突出した凸レンズ形状のレンズ面を有するとともに、上面が上側に円弧状に突出した凸レンズ形状のレンズ面を有する層内レンズ２１ａが形成される。層内レンズ２１ａは、図１に示すように、受光部１２に対向する層内レンズ２１ａの上面および下面が、それぞれ円弧状に突出したレンズ面を有する凸レンズ形状になっており、上面および下面のそれぞれの中心Ｅ’およびＥを結ぶ軸心線である光軸位置が、受光部１２上の開口部１９ａの中心線に一致し、直線Ｄ−Ｄ’上に位置するように形成される。この結果、層内レンズ２１ａによって集光される光が、開口部１９ａの内部に効率よく照射されることになり、受光部１２は効率よく光を受光し、受光部の受光量が増加して、ＣＣＤ固体撮像素子の所望の受光感度が得られる。レンズ形成層２１は、層内レンズ２１ａが形成された部分以外の領域では上面が平坦化されて所定の厚さになっている。
【００８４】
続いて、層内レンズ２１ａが形成されたレンズ形成層２１上に、各層内レンズ２１ａの光の集光量を上げるために、低屈折材料から成る膜厚１．０μｍの平坦化膜２２をレンズ形成層２１を覆うように形成し、平坦化膜２２の表面を平坦化する（図示せず）。平坦化膜２２は、例えば、熱硬化性アクリル樹脂であるＪＳＲ（株）製のオプトマーＳＳ−１１５１等であれば良い。
【００８５】
その後、平坦化膜２２上に、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）それぞれの分光特性を有する顔料を分散したネガ型レジストを塗布し、フォト、現像等のフォトリソグラフィによって、ネガ型レジストを所望のパターンに加工し、カラーフィルタ２３を積層する（図示せず）。カラーフィルタ２３上には、例えば、ＪＳＲ（株）製のオプトマーＳＳ−１１５１等の熱硬化性アクリル樹脂を塗布し、熱硬化性アクリル樹脂から成る膜厚０．７μｍの保護膜２４を積層する。さらに、保護膜２４上に、入射光を各受光部１２にそれぞれ集光させる複数のマイクロレンズ２５を、受光部１２に対向する位置に、受光部１２の領域から隣接するＣＣＤ転送チャネル１４にわたって形成する（図示せず）。各マイクロレンズ２５は、中央部が周縁部よりも厚くなった上側に円弧状の突出した凸レンズ形状に形成される。
【００８６】
このようにして、図１に示す本発明のＣＣＤ固体撮像素子が得られる。
【００８７】
また、図１および２に示す透明膜２０には、一般にＢＰＳＧ膜およびＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｇｌａｓｓ）膜が使用され、例えば、ＣＶＤ法によって、約３００〜７００ｎｍの膜厚で形成された後、温度約９００〜１０００℃にて高温リフロー処理を行いメタル配線の下の絶縁膜となる。
【００８８】
本発明の半導体装置であるＣＣＤ固体撮像素子では、透明膜２０に対して、フォトリソ技術によって所望のパターンにパターニングされたレジストパターン２８をマスクとして、プラズマエッチングを用いて選択的にエッチングして、層内レンズ２１ａの下面の下側に円弧状に突出した凸レンズ形状のレンズ型パターン２９を形成し、レンズ型パターン２９の中心位置を決定する。レンズ型パターン２９の形状をさらに凸レンズ形状に近づけ、各受光部１２における集光率を上げる必要がある場合には、上記の選択エッチング後に高温リフロー処理を行うか、または、選択エッチングの前後の工程にて最適条件でそれぞれ熱処理を行っても良い。
【００８９】
また、本発明の半導体装置であるＣＣＤ固体撮像素子の製造方法では、フォトリソ技術によってレジストパターン２８のパターニングを行うために、受光部１２に対向する層内レンズ２１ａが形成される位置は、各転送電極１７の間に設けられた受光部１２上の遮光膜１９部分と、各転送電極１７上の遮光膜１９部分との間に形成される遮光膜１９の段差等の下地の形状に影響されずに、層内レンズ２１ａの下面となるレンズ型パターン２９の中心位置と、受光部１２上の開口部１９ａの中心線とが、直線Ｄ−Ｄ’に一致する所望の位置に配置される。これにより、本発明のＣＣＤ固体撮像素子は、各受光部１２にて最適な集光率が得られる。また、必要とあれば、層内レンズ２１ａの光軸の位置を、開口部１９ａの中心線に対して所望の方向に所望の量だけオフセットを入れずらすことも可能である。
【００９０】
層内レンズ２１ａの材料は、レンズとしての集光率を上げるために屈折率の高い材料を使用し、例えば、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜（屈折率＝２．０）または有機材料であるポリイミド樹脂（屈折率＝１．６〜１．８）が用いられる。さらに、受光部１２の集光率を上げる場合には、図２（ｅ）にて説明したように、層内レンズ２１ａの上面を、レンズ型パターン２９の形状に対応するように上側に円弧状に突出した凸レンズ形状のレンズ面にすれば良い。
【００９１】
また、図１および２に示す本発明の実施形態においては、ＣＣＤ固体撮像素子に適用して説明したが、本発明の層内レンズが形成された半導体装置およびその製造方法は、ＭＯＳ型固体撮像素子等の他の固体撮像素子、液晶表示素子等についても適用することができ、上述の実施形態と同様に、層内レンズ、平坦化膜、保護膜およびマイクロレンズの厚さと、それらの形成条件とを規定して、所望の形状の層内レンズ付き半導体装置が得られる。
【００９２】
また、本発明の層内レンズ付き半導体装置およびその製造方法は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他さまざまな構成を取り得る。
【００９３】
また、本発明の層内レンズ付き半導体装置に使用できる半導体基板としては、通常、半導体装置を形成するために使用される半導体基板であれば特に限定されるものではない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の半導体およびＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、Ａｌ−ＧａＡｓ等の化合物半導体から成る半導体基板を使用することができる。上記の半導体基板の中でも、特に、シリコン基板が好ましい。このシリコン基板には、ｎ型またはｐ型の不純物がドーピングされていても良いし、ｎ型またはｐ型のウェル領域を１つ以上有していても良い。
【００９４】
また、上記の半導体基板には、受光部または発光部が形成されていても良い。受光部または発光部には、ＣＣＤおよびＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＭＤ、チャージインジェクションデバイス、バイポーライメージセンサ、光導電膜イメージセンサ、積層型ＣＣＤ、赤外イメージセンサ等のいわゆる固体撮像素子のみならず、半導体集積回路の製造工程において製造される受光素子、発光ダイオード等の発光素子、または、液晶パネル等の光透過制御素子等の種々の装置の受光部または発光部として使用されるものの全てが含まれる。
【００９５】
さらに、本発明の層内レンズ付き半導体装置の製造方法は、半導体基板上に透明材料からなる透明膜２０を設けた後、選択エッチングによって、透明膜２０の所定の位置に円弧状に窪んだ凹部となるレンズ型パターン２９を形成する工程と、必要であれば熱処理を施して透明膜２０を所望の形状にリフロー処理させた後、透明膜２０上に層内レンズ２１ａを形成する工程とを有する。これにより、均一で所望の形状の層内レンズ２１ａを安定に形成することができ、高品質および高感度の層内レンズ付き半導体装置が得られる。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の半導体装置は、各受光部に光をそれぞれ集光する複数の層内レンズが、透明膜上に設けられ、対応する開口部上の所定の位置に設けられていることによって、層内レンズによって集光される光を、効率よく受光部に受光させることができる。
【００９７】
本発明の半導体装置の製造方法は、透明膜上に、各開口部を介して対応する各受光部に光をそれぞれ集光する層内レンズを、対応する開口部上の所定の位置に形成することによって、層内レンズを安定に製造することができ、層内レンズによる集光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子である半導体装置の各画素に対応する概略断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子である従来の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【図３】層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子である従来の半導体装置の各画素に対応する概略断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、層内レンズ付きＣＣＤ固体撮像素子である従来の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１１    半導体基板
１２    受光部
１３    読み出しゲート部
１４    ＣＣＤ転送チャネル
１５    チャネルストッパー部
１６    絶縁膜
１７    転送電極
１８    層間絶縁膜
１９    遮光膜
１９ａ  開口部
２０    透明膜
２０ａ  透明膜
２１    レンズ形成層
２１ａ  層内レンズ
２２    平坦化膜
２３    カラーフィルタ
２４    保護膜
２５    マイクロレンズ
２７    レジスト
２８    レジストパターン
２９    レンズ型パターン
【図１】
2004253573.tif 000003
【図２】
2004253573.tif 000004
【図３】
2004253573.tif 000005
【図４】
2004253573.tif 000006