(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフォトセンサと転送レジスタとを形成した半導体基板と、当該半導体基板上に設けられた複数層の電極膜と、当該電極膜を覆うと共に前記フォトセンサの受光領域に対応する開口部を有する遮光膜と、当該フォトセンサの受光領域を含む当該遮光膜の直上に設けられた層内レンズとを備え、
前記層内レンズと前記複数層の電極膜との間であって、当該複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域のみに高さ調整用の補助膜を設けた、
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記補助膜は、前記電極膜の上層に形成される絶縁膜と、その上層に形成される前記遮光膜との間に形成された
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記補助膜は、前記遮光膜の上層に形成された
請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記補助膜は、前記単層で配置された電極膜の膜厚と前記複数層の電極膜の合計した膜厚との差に略一致した膜厚を有する
請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記補助膜は、高融点金属膜より形成されている
請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記補助膜は、シリコン窒化膜より形成されている
請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
複数のフォトセンサと転送レジスタとを形成した半導体基板上に複数層の電極膜を形成し、その上層に当該電極膜を覆うと共に前記フォトセンサの受光領域に対応する開口部を有する遮光膜を選択的に形成し、当該フォトセンサの受光領域を含む当該遮光膜の直上に層内レンズを形成する固体撮像素子の製造方法において、
前記複数層の電極膜を形成した後、前記層内レンズを形成する前に、当該複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域のみに高さ調整用の補助膜を形成する
固体撮像素子の製造方法。
【請求項８】
前記補助膜は、前記電極膜の上層に形成される絶縁膜と、その上層に形成される前記遮光膜との間に形成する
請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項９】
前記補助膜は、前記遮光膜の上層に形成する
請求項７記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
前記補助膜は、前記単層で配置された電極膜の膜厚と前記複数層の電極膜の合計した膜厚との差に略一致した膜厚に形成する
請求項７〜９の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
前記補助膜は、高融点金属膜より形成する
請求項７〜１０の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
前記補助膜は、シリコン窒化膜より形成する
請求項７〜１０の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
前記層内レンズは、所定の膜材料を成膜した後、リフロー処理を施すことにより形成する
請求項７〜１２の何れかに記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
前記所定の膜材料は、ＢＰＳＧまたはＰＳＧである
請求項１３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、フォトセンサや転送レジスタ等が形成された半導体基板上に複数層の電極膜を形成し、その上層に層内レンズを形成した構造を有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の固体撮像素子においては、半導体基板に撮像画素を構成する多数のフォトセンサや各フォトセンサに蓄積された信号電荷を転送するための転送レジスタ等を形成した後、この上面にポリシリコン膜等の電極膜を形成し、その上層に遮光膜及び層内レンズを形成している。
各フォトセンサはマトリクス状に配列され、各フォトセンサの各列に沿って複数の垂直転送レジスタが形成され、さらに各垂直転送レジスタに直行する状態で水平転送レジスタが形成されている。
そして、これらの転送レジスタを駆動するための２層の電極膜は、それぞれ半導体基板上に格子状に形成され、一部が重なり合う状態で配置されている。
また、各電極膜の上層には、各フォトセンサの受光領域を除く領域に遮光膜が形成されており、その上層に層内レンズが形成されている。
この層内レンズは、一般にＢＰＳＧ等による膜を設けた後、リフロー処理を施すことにより形成される。
【０００３】
図６（Ａ）（Ｂ）は、このような従来の固体撮像素子における各電極膜、遮光膜、及び層内レンズの層構造を示す断面図であり、図６（Ａ）は各画素を水平方向に切断した断面図であり、図６（Ｂ）は各画素を垂直方向に切断した断面図である。
上述したフォトセンサや転送レジスタが形成された半導体基板１０上に、絶縁膜１２を介して２層の電極膜１４、１６が選択的に形成されており、その上層に絶縁膜１２を介して遮光膜１８が選択的に形成されている。
そして、この遮光膜１８や半導体基板１０の上層に層内レンズ２０が形成されている。
また、図６に示す例において、図６（Ａ）に示す断面では、上層の電極膜１６だけが単層で形成されており、図６（Ｂ）に示す断面では、下層の電極膜１４と上層の電極膜１６が重なり合った状態で形成されている。
したがって、図６（Ａ）に示す遮光膜１８及び層内レンズ２０よりも、図６（Ｂ）に示す遮光膜１８及び層内レンズ２０の方が上方に膨張した状態で形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の固体撮像素子の層構造においては、図６（Ａ）に示す断面と図６（Ｂ）に示す断面とで、電極膜１４、１６の構造が異なっており、その上層に形成する層内レンズ２０の頂部の位置が異なっていることから、図６（Ａ）に示す断面と図６（Ｂ）に示す断面とで層内レンズ２０の曲率が異なることになる。
すなわち、層内レンズ２０の曲率は、リフロー処理において膜材料が高い領域から低い領域に流動する量に対応して決まることから、図６（Ａ）に示す水平方向には、単層の電極膜の頂部とそれによって挟まれた領域との段差が小さいため、層内レンズ２０の曲率が小さく（曲率半径が大きく）なり、図６（Ｂ）に示す垂直方向には、２層の電極膜の頂部とそれによって挟まれた領域との段差が大きいため、層内レンズ２０の曲率が大きく（曲率半径が小さく）なる。
仮に、流動性の異なる膜材料を用いたとしても、電極膜が単層の領域と２層の領域の高低差が解消されないかぎり、適正な曲率を得ることは困難である。
【０００５】
そこで本発明の目的は、電極膜が単層の領域と２層の領域とを含む層構造においても、その上層に形成する層内レンズの適正な曲率を得ることが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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、複数のフォトセンサと転送レジスタとを形成した半導体基板と、当該半導体基板上に設けられた複数層の電極膜と、当該電極膜を覆うと共に前記フォトセンサの受光領域に対応する開口部を有する遮光膜と、当該フォトセンサの受光領域を含む当該遮光膜の直上に設けられた層内レンズとを備え、前記層内レンズと前記複数層の電極膜との間であって、当該複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域のみに高さ調整用の補助膜を設けたことを特徴とする。
また本発明は、複数のフォトセンサと転送レジスタとを形成した半導体基板上に複数層の電極膜を形成し、その上層に当該電極膜を覆うと共に前記フォトセンサの受光領域に対応する開口部を有する遮光膜を選択的に形成し、当該フォトセンサの受光領域を含む当該遮光膜の直上に層内レンズを形成する固体撮像素子の製造方法において、前記複数層の電極膜を形成した後、前記層内レンズを形成する前に、当該複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域のみに高さ調整用の補助膜を形成し、その上層に層内レンズを形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明の固体撮像素子では、半導体基板上に形成された複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域に高さ調整用の補助膜を設けたことから、この補助膜の膜厚によって、複数層の電極膜が重なり合った部分と単層で配置された部分の段差のばらつきが相殺されることになる。
したがって、電極膜による段差のばらつきが解消され、この上層に設けられる層内レンズは全領域において均等な曲率で形成できることから、層内レンズの膜材料等の適切な選択により、層内レンズの適正な曲率を得ることができる。
また、上述のような補助膜の膜厚による高さ調整機能によって、層内レンズの曲率を意図的に調整することも可能となり、例えば長方形の受光量域を有する固体撮像素子において、各電極膜の垂直方向と水平方向の間隔差に応じて層内レンズの曲率を変えることにより、各フォトセンサに対する集光特性を改善し、感度の向上等を図ることも可能である。
【０００８】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法においても同様に、半導体基板上の複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域に高さ調整用の補助膜を形成することにより、この補助膜の膜厚によって、複数層の電極膜が重なり合った部分と単層で配置された部分の段差のばらつきが相殺できる。
したがって、電極膜による段差のばらつきを解消でき、この上層の層内レンズを全領域において均等な曲率で形成できることから、層内レンズの膜材料等の適切な選択により、層内レンズの適正な曲率を得ることができる。
また、上述のような補助膜の膜厚による高さ調整機能によって、層内レンズの曲率を意図的に調整することも可能となり、例えば長方形の受光量域を有する固体撮像素子において、各電極膜の垂直方向と水平方向の間隔差に応じて層内レンズの曲率を変えることにより、各フォトセンサに対する集光特性を改善し、感度の向上等を図ることも可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子及びその製造方法の実施の形態について説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施の形態による固体撮像素子における各電極膜、遮光膜、及び層内レンズの層構造を示す断面図であり、図１（Ａ）は各画素を水平方向に切断した断面図であり、図１（Ｂ）は各画素を垂直方向に切断した断面図である。
また、図２は、図１に示す固体撮像素子における各膜の平面形状を示す平面図である。なお、図１（Ａ）は図２のＸ−Ｘ’断面を示し、図１（Ｂ）は図２のＹ−Ｙ’断面を示している。
【００１０】
この固体撮像素子は、フォトセンサや転送レジスタが形成された半導体基板１１０上に、絶縁膜１１２を介して２層の電極膜１１４、１１６が選択的に形成されている。
そして、図１（Ａ）に示すように、上層の電極膜１１６が単層で配置された領域には、電極膜１１６の上層に絶縁膜１１２を介して高さ調整用の補助膜１２２が形成されている。
この補助膜１２２は、例えばタングステン等の高融点金属膜、あるいはシリコン窒化膜よりなるものであり、単層で配置された電極膜１１６の膜厚と２層の電極膜１１４、１１６の合計した膜厚との差にほぼ等しい膜厚を有する（すなわち、図１に示すように、絶縁膜１１２の膜厚の考慮すると、電極膜１１４よりもやや大きい膜厚となる）。
このような補助膜１２２によって、２層の電極膜１１４、１１６が重なり合った部分と単層で配置された部分の段差のばらつき（図１のｈ１とｈ２）が相殺される。
そして、このような補助膜１２２を形成した上層に、絶縁膜１１２を一部介した状態で遮光膜１１８が選択的に形成されている。遮光膜１１８は、フォトセンサの受光領域に対応する開口部１２０Ａを開けた状態で形成される。
【００１１】
さらに、この遮光膜１１８や半導体基板１１０の上層に層内レンズ１２０が形成されている。
この層内レンズ１２０は、ＢＰＳＧやＰＳＧの膜材料により形成されたものであり、例えばＣＶＤ法によって均一な膜厚のＢＰＳＧ膜等を成膜後、リフロー法によって図１に示すようなレンズ形状に形成される。
そして、このリフロー法によって層内レンズ１２０の凹凸形状を得る場合に、上述した補助膜１２２によって、２層の電極膜１１４、１１６が重なり合った部分と単層で配置された部分の段差のばらつきが解消されているため、全領域にわたってＢＰＳＧ等の均一な流動性を得ることができる。
この結果、層内レンズ１２０の均等で適正な曲率を得ることができ、曲率を最適化した層内レンズ１２０が形成されている。
【００１２】
次に、このような固体撮像素子における補助膜１２２の製造方法について説明する。
図３（Ａ）（Ｂ）は、本例における補助膜１２２の製造方法を示す断面図であり、図３（Ａ）は図１（Ａ）の断面に対応しており、図３（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応している。
図示のように、まず、半導体基板１１０上に上述した電極膜１１４、１１６及び絶縁膜１１２を形成した後、その上層にＣＶＤ法等によって上述した高融点金属やシリコン窒化膜等の全面膜１２２Ａを形成する。
次に、この全面膜１２２Ａの上に、フォトレジスト膜をパターニングし、電極膜１１６が単層で配置された領域にだけフォトレジスト膜１２４を残し、他の領域の全面膜１２２Ａをドライエッチング等によって除去することにより、上述した補助膜１２２を形成する。
この後、フォトレジスト膜１２４を除去し、上述した遮光膜１１８や層内レンズ１２０の形成を行なう。
【００１３】
図４（Ａ）（Ｂ）は、本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子における各電極膜、遮光膜、及び層内レンズの層構造を示す断面図であり、図４（Ａ）は各画素を水平方向に切断した断面図であり、図４（Ｂ）は各画素を垂直方向に切断した断面図である。なお、図１〜図３に示す例と同様の構成については同一の符号を付している。
上述の図１〜図３に示す例では、単層に配置された電極膜（絶縁膜１１２）１１６と遮光膜１１８との間に補助膜１２２を形成したが、図４に示す例は、遮光膜１１８の上に補助膜１２２を形成したものである。
なお、補助膜１２２の形成方法は、上述した例と同様であり、またその他の構成も上述した例と同様であるので説明は省略する。
【００１４】
図５は、本発明の第３の実施の形態による固体撮像素子における各膜の平面形状を示す平面図である。
図２に示す例では、ほぼ正方形に近い開口部１２０Ａを有する画素パターンの例について説明したが、図５に示すように、長方形の開口部１２０Ｂを有する画素パターンの固体撮像素子においては、層内レンズ１２０の曲率を垂直方向と水平方向とで変えることが有効になる場合がある。
この場合、上述のような補助膜１２２で、電極膜１１６が単層で配置された領域の高さと、２層の電極膜１１４、１１６が重なり合った領域の高さを一致させるようにすると、垂直方向と水平方向の間隔が異なるため、層内レンズ１２０の曲率差がかえって大きくなり、フォトセンサへの集光特性を悪化させてしまうような場合もあり得る。
【００１５】
そこで、このような長方形の開口部１２０Ｂを有する画素パターンの固体撮像素子においては、上述した補助膜の膜厚による高さ調整機能によって、層内レンズ１２０を形成する下地層の段差を意図的に調整し、各電極膜の垂直方向と水平方向の間隔差に応じて層内レンズの曲率を変えることにより、各フォトセンサに対する集光特性を改善し、感度の向上等を図る。
このように補助膜の膜厚による高さ調整機能を用いて、層内レンズ１２０を形成する下地層の段差を意図的に調整し、層内レンズ１２０の曲率を最適化することも本発明の範囲に含まれるものである。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による固体撮像素子では、複数のフォトセンサと転送レジスタとを形成した半導体基板上に複数層の電極膜を形成し、その上層に遮光膜及び層内レンズを形成した固体撮像素子において、前記複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域に高さ調整用の補助膜を設けたことを特徴とする。
このため、補助膜の膜厚によって複数層の電極膜が重なり合った部分と単層で配置された部分の段差のばらつきが相殺され、電極膜による段差のばらつきが解消され、この上層の層内レンズは全領域において均等な曲率で形成されることから、層内レンズの膜材料等の適切な選択により、層内レンズの適正な曲率を得ることができる。
また、補助膜の膜厚による高さ調整機能によって、層内レンズの曲率を意図的に調整することも可能となり、例えば長方形の受光量域を有する固体撮像素子において、各電極膜の垂直方向と水平方向の間隔差に応じて層内レンズの曲率を変えることにより、各フォトセンサに対する集光特性を改善し、感度の向上等を図ることが可能となる。
【００１７】
また本発明による固体撮像素子の製造方法は、複数のフォトセンサと転送レジスタとを形成した半導体基板上に複数層の電極膜を形成し、その上層に遮光膜を選択的に形成し、その上層に層内レンズを形成する固体撮像素子の製造方法において、前記複数層の電極膜のうち電極膜が単層で配置された領域に高さ調整用の補助膜を形成し、その上層に層内レンズを形成することを特徴とする。
このため、補助膜の膜厚によって複数層の電極膜が重なり合った部分と単層で配置された部分の段差のばらつきを相殺でき、電極膜による段差のばらつきを解消して、この上層の層内レンズを全領域において均等な曲率で形成できることから、層内レンズの膜材料等の適切な選択により、層内レンズの適正な曲率を得ることができる。
また、補助膜の膜厚による高さ調整機能によって、層内レンズの曲率を意図的に調整することも可能となり、例えば長方形の受光量域を有する固体撮像素子において、各電極膜の垂直方向と水平方向の間隔差に応じて層内レンズの曲率を変えることにより、各フォトセンサに対する集光特性を改善し、感度の向上等を図ることが可能となる。
【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各電極膜、遮光膜、及び層内レンズの層構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子における各膜の平面形状を示す平面図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子の各電極膜、遮光膜、及び層内レンズの層構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による固体撮像素子における各膜の平面形状を示す平面図である。
【図６】従来の固体撮像素子における各電極膜、遮光膜、及び層内レンズの層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１００……半導体基板、１１２……絶縁膜、１１４、１１６……電極膜、１１８……遮光膜、１２０……層内レンズ、１２２……絶縁膜。
【図１】
0004686864.tif 000002
【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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