(57)【要約】【課題】  固体撮像素子において、高い集光率を実現する。【解決手段】  感光部と、垂直ＣＣＤ部と、水平ＣＣＤ部と、遮光膜とを含む基板部を形成する。基板部上に、添加物を含む酸化シリコンの第１の絶縁層を形成する。第１の絶縁層をリフロし、リフロされた第１の絶縁層上であって感光部の上方を含む領域に、窒化シリコンで上下凸形状のインナレンズを形成する。インナレンズ上に酸化シリコン系絶縁物の第２の絶縁層を形成する。第２の絶縁層の表面を平坦化する。第２の絶縁層の平坦化された表面上に、カラーフィルタを形成する。カラーフィルタ上に、透明材料で形成され、表面が平坦な透明平坦層を形成する。透明平坦層上に、マイクロレンズを形成する。マイクロレンズ上に、マイクロレンズよりも屈折率の小さい低屈折率層を形成する。低屈折率層上に、透明板を配置する。透明板を配置した基板部をパッケージする。【選択図】      図３
2005072364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体基板内、及び前記半導体基板上方に、行列状に配置され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する感光部と、前記感光部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ部と、前記垂直ＣＣＤ部から転送される信号電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ部と、前記各感光部の上に開口を有する遮光膜とを含む基板部を形成する工程と、
（ｂ）前記基板部上に、添加物を含む酸化シリコンの第１の絶縁層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の絶縁層をリフロし、リフロされた前記第１の絶縁層上であって前記感光部の上方を含む領域に、窒化シリコンで上下凸形状のインナレンズを形成する工程と、
（ｄ）前記インナレンズ上に酸化シリコン系絶縁物の第２の絶縁層を形成する工程と、
（ｅ）前記第２の絶縁層の表面を平坦化する工程と、
（ｆ）前記第２の絶縁層の平坦化された表面上に、カラーフィルタを形成する工程と、
（ｇ）前記カラーフィルタ上に、透明材料で形成され、表面が平坦な透明平坦層を形成する工程と、
（ｈ）前記透明平坦層上に、マイクロレンズを形成する工程と、
（ｉ）前記マイクロレンズ上に、前記マイクロレンズよりも屈折率の小さい低屈折率層を形成する工程と、
（ｊ）前記低屈折率層上に、透明板を配置する工程と、
（ｋ）前記透明板を配置した基板部をパッケージする工程と
を有する固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）において、前記添加物を含む酸化シリコンがＢＰＳＧである請求項１に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）が、
（ｃ１）リフロされた前記第１の絶縁層上に第１の窒化シリコン膜を気相成長法で積層する工程と、
（ｃ２）前記第１の窒化シリコン膜の表面を平坦化し、下側インナレンズを得る工程と、
（ｃ３）前記下側インナレンズ上に第２の窒化シリコン膜を気相成長法で積層する工程と、
（ｃ４）前記第２の窒化シリコン膜をレンズ形状のマスクを用いてエッチングし、上側インナレンズを得る工程と
を含む請求項１または２に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｄ）において、前記酸化シリコン系絶縁物がＢＰＳＧである請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｈ）において、前記マイクロレンズを０．５μｍ以下の厚さに形成する請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
行列状に配置され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する感光部と、前記感光部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルから転送される信号電荷を水平方向に転送する水平転送チャネルとを備えた半導体基板と、
前記垂直転送チャネル上方に形成された第１の電極と、
前記第１の電極上方に形成された第２の電極と、
前記第２の電極上方に形成された遮光膜と、
前記感光部上方であって前記遮光膜よりも高い位置に、窒化シリコンで上下凸形状に形成されたインナレンズと、
前記インナレンズ上方に形成されたマイクロレンズと、
前記固体撮像素子の前記マイクロレンズ上に形成され、前記マイクロレンズの屈折率よりも屈折率の小さい低屈折率層と、
前記低屈折率層上に配置された透明板と
を有する固体撮像素子。
【請求項７】
前記マイクロレンズの厚さが０．５μｍ以下である請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
更に、前記半導体基板に接続された複数のリードを含む請求項６または７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
更に、前記半導体基板の裏面に接着された絶縁性保護板を含み、前記複数のリードは前記絶縁性保護板上に引き出されている請求項６〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特にパッケージされた固体撮像素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５（Ａ）は、固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置の主要部を示すブロック図であり、図５（Ｂ）は、固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図である。
【０００３】
図５（Ａ）を参照する。固体撮像装置は、画素ごとに入射した光量に応じて信号電荷を発生し、発生した信号電荷に基づく画像信号を供給する固体撮像素子５１、固体撮像素子５１を駆動するための駆動信号（転送電圧等）を発生し、固体撮像素子５１に供給する駆動信号発生装置５２、固体撮像素子５１から供給された画像信号にノイズ低減、ホワイトバランス、データ圧縮等の処理を行う出力信号処理装置５３、出力信号処理装置５３に接続され、画像信号を記憶する、たとえば記憶カードである記憶装置５４、画像信号を表示する、たとえば液晶表示装置である表示装置５５、画像信号を外部に伝送するインターフェイスである伝送装置５６、必要に応じて画像信号を表示するテレビジョン５７を含んで構成される。
【０００４】
固体撮像素子は、大別してＣＣＤ型とＭＯＳ型とを含む。ＣＣＤ型は画素で発生した電荷をＣＣＤで転送する。ＭＯＳ型は、画素で発生した電荷をＭＯＳトランジスタで増幅して出力する。特に限定されないが、以下、ＣＣＤ型を例にとって説明する。
【０００５】
なお、駆動信号発生装置５２から固体撮像素子５１に供給される信号は、水平ＣＣＤ駆動信号、垂直ＣＣＤ駆動信号、出力アンプ駆動信号及び基板バイアス信号である。
【０００６】
図５（Ｂ）を参照する。固体撮像素子は、たとえば行列状に配置された複数の感光部６２、複数の垂直ＣＣＤ部６４、複数の垂直ＣＣＤ部６４に電気的に結合された水平ＣＣＤ部６６、ＣＣＤを駆動するための駆動部６５、及び水平ＣＣＤ部６６の端部に設けられ、水平ＣＣＤ部６６からの出力電荷信号を増幅する増幅回路部６７を含んで構成される。なお、画素配列部６１は感光部６２及び垂直ＣＣＤ部６４から構成される。
【０００７】
感光部６２は、光電変換素子を含んで形成される。光電変換素子は、入射した光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤ部６４に読み出され、垂直ＣＣＤ部６４内を、水平ＣＣＤ部６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。垂直ＣＣＤ部６４は、駆動部６５から供給される転送電圧（駆動信号）によって信号電荷を転送する。垂直ＣＣＤ部６４の末端まで転送された信号電荷は、水平ＣＣＤ部６６内（水平転送チャネル）を水平方向に転送され、増幅回路部６７で増幅されて外部に取り出される。
【０００８】
図６（Ａ）は、固体撮像素子の画素配列部の一部の概略を示す平面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線に沿った断面図である。図６（Ａ）においては、表示を簡便化するため、図６（Ｂ）に現れる構成要件のいくつかを省略して示してある。
【０００９】
図６（Ａ）を参照する。隣り合う感光部６２の間には、第１層垂直ＣＣＤ転送電極７１及び第２層垂直ＣＣＤ転送電極７２が形成されている。両転送電極は、垂直転送チャネル７３とほぼ直交する方向へ延在している。両転送電極に印加される駆動信号（転送電圧）によって、垂直転送チャネル７３内を感光部６２で発生した信号電荷が転送される。
【００１０】
図６（Ｂ）を参照する。たとえばｎ型の半導体基板である基板８１に形成されたｐ型のウエル層８２に、ｎ型の感光部６２、及びその隣にｎ型の水平転送チャネル７３が形成されている。水平転送チャネル７３上方には絶縁膜７４を介して第１層垂直ＣＣＤ転送電極７１、第２層垂直ＣＣＤ転送電極７２、遮光膜８３が、この順に下から形成されている。垂直ＣＣＤ部６４は、水平転送チャネル７３、及びその上方の絶縁膜７４、第１層垂直ＣＣＤ転送電極７１、第２層垂直ＣＣＤ転送電極７２を含んで構成される。
【００１１】
入射光量に応じて感光部６２で発生した信号電荷は、第１層及び第２層垂直ＣＣＤ転送電極７１，７２へ印加される駆動信号（転送電圧）により、垂直転送チャネル７３内を転送される。遮光膜８３は、各感光部６２の上に開口を有し、画素配列部に入射する光が感光部６２以外の領域に入射するのを防止する。
【００１２】
赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ８４が、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ）で作られた絶縁層１０５上に形成されている。また、カラーフィルタ８４上には、たとえばホトレジスト材料で作られるマイクロレンズ８５が形成してある。マイクロレンズ８５は、各感光部６２の上方に、たとえば微小な半球状の凸レンズが配列されたものである。マイクロレンズ８５の屈折率は、たとえば１．６〜１．７である。マイクロレンズ８５は入射光を感光部６２に集光する。マイクロレンズ８５で集束される光は、３原色いずれかのカラーフィルタ８４を通して感光部６２に入射する。なお、感光部６２及び垂直ＣＣＤ部６４の上方に、遮光膜８３、絶縁層１０５、カラーフィルタ８４を含んで形成され、マイクロレンズ８５を支持する機能をも有する部分をマイクロレンズ支持層１０６と呼ぶ。
【００１３】
図７（Ａ）〜（Ｆ）は、パッケージされた固体撮像素子の概略を示す断面図である。
【００１４】
図７（Ａ）を参照する。固体撮像素子チップ９１は、リード線９２の接続されているセラミックのパッケージ９３内にダイ付けされ、ワイア９５によってボンディングされている。パッケージ９３上部にはカバーガラス９４が配されており、外部からの光はカバーガラス９４を透過して固体撮像素子チップ９１に入射する。このようなパッケージ固体撮像素子は、パッケージ９３のサイズが固体撮像素子チップ９１のサイズに比べて大きいこととパッケージ価格が高いこととが問題点である。
【００１５】
低価格パッケージとして、クリアモールドパッケージやＷＬ−ＣＳＰ（ｗｅｌｌ  ｌｅｖｅｌ−ｃｈｉｐ  ｓｃａｌｅ  ｐａｃｋａｇｅ）が知られている。
【００１６】
図７（Ｂ）はクリアモールドパッケージの一例を示す断面図である。クリアモールド樹脂でパッケージされた固体撮像素子は、様々に改良され提案されている。（たとえば特許文献１参照。）
マイクロレンズを有する固体撮像素子チップ９１のマイクロレンズの周囲が、たとえばフッ素樹脂等の屈折率１．３〜１．４の低屈折率層９６で覆われている。また、低屈折率層９６の上面及び側面全体がアクリル樹脂等の高硬度透明材９７で覆われている。更に、高硬度透明材９７及び固体撮像素子チップ９１の周囲が、エポキシ樹脂等のクリアモールド樹脂層９８によってパッケージングされている。リード線９２が、固体撮像素子チップ９１からクリアモールド樹脂層９８の外部に取り出されている。
【００１７】
図７（Ｃ）〜（Ｅ）を参照して、低屈折率層９６の機能について説明する。なお、図７（Ｃ）〜（Ｅ）においては、説明の便宜のため、図７の他図においては固体撮像素子チップ９１に含まれているマイクロレンズ８５を、固体撮像素子チップ９１から独立したものとして示してある。
【００１８】
図７（Ｃ）は、固体撮像素子チップ９１のマイクロレンズ８５がクリアモールド樹脂層９８で覆われている構造のパッケージされた固体撮像素子の一部概略を示す断面図である。
【００１９】
図７（Ｄ）は、固体撮像素子チップ９１のマイクロレンズ８５上方にカバーガラス９４が形成され、両者の間に空気層が存在している中空型のパッケージングがなされた固体撮像素子の一部概略を示す断面図である。
【００２０】
図７（Ｅ）は、固体撮像素子チップ９１のマイクロレンズ８５上に、低屈折率層９６が形成され、その上にクリアモールド樹脂層９８が形成されている構造のパッケージされた固体撮像素子の一部概略を示す断面図である。
【００２１】
図７（Ｃ）に示すパッケージ固体撮像素子は、クリアモールド樹脂層９８とマイクロレンズ８５との屈折率の差が小さいため、集光率が低い。その集光率は、図７（Ｄ）に示す中空型パッケージ固体撮像素子の集光率の半分以下である。図７（Ｅ）に示す固体撮像素子においては、マイクロレンズ８５の周囲に低屈折率層９６を形成することによって、両者の屈折率の差を大きくし、入射光を有効に固体撮像素子の感光部に集光することができる。
【００２２】
低屈折率層９６を備えたクリアモールドパッケージ固体撮像素子は、マイクロレンズ８５とクリアモールド樹脂層９８との間に低屈折率層９６を形成するだけの簡単な構造であるため、高感度、低コストを実現することができる。
【００２３】
図７（Ｆ）を参照する。固体撮像素子チップ９１の両主面に、たとえば可視光に対して透明な接着層１００，１０１が形成され、各接着層１００，１０１によって固体撮像素子チップ９１に、カバーガラス９４、裏面ガラス１０２が接着されている。電極層９９が固体撮像素子チップ９１からパッケージ外部にのびている。図示のパッケージ固体撮像素子においては、固体撮像素子チップ９１の裏面に接着層１０１及びその上に裏面ガラス１０２を形成した後、固体撮像素子チップ９１からのびる電極層９９を形成する。その後、もう一方の主面に、接着層１００及びその上にカバーガラス９４を形成する。
【００２４】
図７（Ｆ）に示すＷＬ−ＣＳＰは、固体撮像素子チップ９１の両主面に接着層１００，１０１を介してガラス９４，１０２を形成するとともに、電極層９９を固体撮像素子チップ９１からのばすだけの簡便なパッケージである。
【００２５】
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、たとえば図７（Ｂ）に示したパッケージ固体撮像素子のように、低屈折率層に覆われたマイクロレンズを備えるパッケージ固体撮像素子の問題点を説明するための概略的な断面図である。
【００２６】
図８（Ａ）を参照する。感光部６２上に厚さｌＳＡのマイクロレンズ支持層１０６、その上にたとえば厚さｌＭＡの上凸状のマイクロレンズ８５が形成されている。マイクロレンズ８５の厚さｌＭＡは、たとえば１．２μｍであり、屈折率はたとえば１．６〜１．７である。入射光１１０がマイクロレンズ８５に入射し、感光部６２上に焦点を結ぶ。マイクロレンズ８５の厚さｌＭＡ及びマイクロレンズ支持層１０５の厚さｌＳＡは、マイクロレンズ８５に入射した入射光１１０が、感光部６２上に焦点を結ぶような値に設定される。
【００２７】
マイクロレンズ支持層１０６の厚さｌＳＡは、たとえば感光部６２のサイズが４μｍ角の場合で３．５μｍである。マイクロレンズ支持層１０６の厚さは、感光部６２のサイズが小さくなると減少する。たとえば感光部６２が３μｍ角のとき、マイクロレンズ支持層１０６の厚さは３μｍである。
【００２８】
図８（Ｂ）を参照する。図８（Ａ）に示すマイクロレンズ８５上に、たとえば屈折率が１．３〜１．４の低屈折率層９６を形成した場合、入射光１１０を感光部６２上に集光するためには、たとえばマイクロレンズ支持層１０６の厚さをｌＳＡより長いｌＳＢにする必要がある。
【００２９】
マイクロレンズ８５の屈折率を１．７、低屈折率層９６のそれを１．３とした場合、マイクロレンズ８５を低屈折率層９６で覆ったとき、マイクロレンズ支持層１０６の厚さｌＳＢは、感光部６２が４μｍ角であれば７μｍとなる。これは低屈折率層９６を形成しない場合の２倍である。
【００３０】
しかしマイクロレンズ支持層１０６の厚さを、５０％以上増加させることは困難である。それ以上増加させると、入射光１１０が感光部６２に到達するまでの光学長が長くなり、散乱の影響が大きくなる等の不具合が生じることがある。
【００３１】
図８（Ｃ）を参照する。図８（Ａ）に示すマイクロレンズ８５上に、低屈折率層９６を形成する場合、入射光１１０を感光部６２に集光するために、マイクロレンズ８５の厚さをｌＭＡより長いｌＭＢにしてもよい。
【００３２】
マイクロレンズ８５の屈折率を１．７、低屈折率層９６のそれを１．３とした場合、マイクロレンズ８５を低屈折率層９６で覆ったとき、マイクロレンズ８５の厚さｌＭＢは、感光部６２のサイズが３μｍ角であれば、ｌＭＡの２倍の２．４μｍとなる。
【００３３】
しかしマイクロレンズ８５の厚さを、極端に変化させることも難しい。たとえば厚さが１．２μｍのマイクロレンズ８５の場合、厚さを０．６μｍ以上変化させるのは困難である。
【００３４】
更に、低屈折率層９６を形成する材料は、可視光に対し透明であること（９５％以上の透過率を有すること）、及び、感光部６２の信頼性を確保するために、水分の透過を防ぐことが可能であることの２点を備えていることが好ましい。このため、低屈折率層９６を形成する材料としては、事実上屈折率が１．４以上の材料を用いることが多い。また、マイクロレンズ８５の屈折率も実際上は高々約１．６である。マイクロレンズ８５と低屈折率層９６との間の屈折率差は小さく、マイクロレンズ８５の厚さのみの調整で、入射光１１０の焦点を感光部６２に結ぶことは困難である。
【００３５】
【特許文献１】特開平５−２０６４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
本発明の目的は、高い集光率を有する固体撮像素子及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明の一観点によれば、（ａ）半導体基板内、及び前記半導体基板上方に、行列状に配置され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する感光部と、前記感光部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直ＣＣＤ部と、前記垂直ＣＣＤ部から転送される信号電荷を水平方向に転送する水平ＣＣＤ部と、前記各感光部の上に開口を有する遮光膜とを含む基板部を形成する工程と、（ｂ）前記基板部上に、添加物を含む酸化シリコンの第１の絶縁層を形成する工程と、（ｃ）前記第１の絶縁層をリフロし、リフロされた前記第１の絶縁層上であって前記感光部の上方を含む領域に、窒化シリコンで上下凸形状のインナレンズを形成する工程と、（ｄ）前記インナレンズ上に酸化シリコン系絶縁物の第２の絶縁層を形成する工程と、（ｅ）前記第２の絶縁層の表面を平坦化する工程と、（ｆ）前記第２の絶縁層の平坦化された表面上に、カラーフィルタを形成する工程と、（ｇ）前記カラーフィルタ上に、透明材料で形成され、表面が平坦な透明平坦層を形成する工程と、（ｈ）前記透明平坦層上に、マイクロレンズを形成する工程と、（ｉ）前記マイクロレンズ上に、前記マイクロレンズよりも屈折率の小さい低屈折率層を形成する工程と、（ｊ）前記低屈折率層上に、透明板を配置する工程と、（ｋ）前記透明板を配置した基板部をパッケージする工程とを有する固体撮像素子の製造方法が提供される。
【００３８】
この固体撮像素子の製造方法によれば、高い集光率を有する固体撮像素子を製造することができる。
【００３９】
また、本発明の他の観点によれば、行列状に配置され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する感光部と、前記感光部で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルから転送される信号電荷を水平方向に転送する水平転送チャネルとを備えた半導体基板と、前記垂直転送チャネル上方に形成された第１の電極と、前記第１の電極上方に形成された第２の電極と、前記第２の電極上方に形成された遮光膜と、前記感光部上方であって前記遮光膜よりも高い位置に、窒化シリコンで上下凸形状に形成されたインナレンズと、前記インナレンズ上方に形成されたマイクロレンズと、前記固体撮像素子の前記マイクロレンズ上に形成され、前記マイクロレンズの屈折率よりも屈折率の小さい低屈折率層と、前記低屈折率層上に配置された透明板とを有する固体撮像素子が提供される。
【００４０】
この固体撮像素子においては、マイクロレンズ上に低屈折率層が形成されているために、平坦な表面を形成でき、その上にガラス板等の透明板を安定に配置することができる。また、マイクロレンズとインナレンズの２つのレンズで入射光を感光部に集光するため、感光部に入射する光量を増加させることができる。このため、高い集光効率を得ることができる。また、小型で安価である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、高い集光率を有する固体撮像素子及びその製造方法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】
【００４２】
図１は、固体撮像素子の一部の概略を示す断面図である。感光部６２上に酸化シリコン（ＳｉＯ）で作られた絶縁層を含むマイクロレンズ支持層１０６が形成されており、マイクロレンズ支持層１０６の一部として、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）で作られた可視光に対する屈折率が１．８以上、たとえば２．０の上下凸状のインナレンズ１２０が形成されている。
【００４３】
マイクロレンズ支持層１０６上には、たとえばホトレジスト材料で作られた、厚さ０．５μｍ、屈折率１．６のマイクロレンズ８５が形成されている。感光部６２上方のマイクロレンズ８５を覆うように、たとえばフッ素ポリマで作られた低屈折率層９６が形成されている。低屈折率層９６の屈折率は、マイクロレンズ８５のそれよりも小さく、たとえば１．４である。
【００４４】
固体撮像素子に入射光１１０が入射する。入射光１１０は、マイクロレンズ８５及びインナレンズ１２０で集光されて感光部６２上に焦点を結ぶ。２つのレンズで入射光１１０を集光した場合、マイクロレンズ８５のみで集光した場合に比べ、入射光１１０を短い距離で集光することができる。また、インナレンズ１２０を形成することにより、マイクロレンズ８５の厚さを薄くすること、たとえば０．５μｍ以下にすることができる。インナレンズ１２０は、固体撮像素子に入射した入射光１１０を絞って多くの光を感光部６２上に集光し、スミア等を小さく抑える効果を有する。
【００４５】
なお、インナレンズ１２０を備える固体撮像素子は、たとえば携帯電話器に内蔵されるカメラに使用されるのに好適である。携帯電話器に内蔵されるカメラは、瞳距離が３〜４ｍｍと小さく、入射光１１０の入射角が大きくなるためである。
【００４６】
スミアを低減させるためには、入射光１１０に対する開口（たとえば感光部６２が３μｍ角以下のサイズである場合は、開口は１μｍ角以下に形成される。）を小さくすることが好ましい。開口を小さくしても、入射光１１０が感光部６２上に焦点を結んで入射するために、インナレンズ１２０は上下凸形状に形成することが好ましい。
【００４７】
マイクロレンズ支持層１０６の一部としてインナレンズ１２０を、更に、マイクロレンズ支持層１０６上に低屈折率層９６に覆われたマイクロレンズ８５を有する固体撮像素子は、マイクロレンズ８５が低屈折率層９６に覆われているため、マイクロレンズ８５上にクリアモールド樹脂層９８が形成されている固体撮像素子に比べて集光率が高いことに加え、入射光１１０をマイクロレンズ８５及びインナレンズ１２０の２つのレンズで感光部６２上に集光することができるので、高い集光率を実現することができる。たとえばインナレンズ１２０を備えず、マイクロレンズ８５が空気に接する中空構造を有する固体撮像素子と同レベルの集光率を得ることができる。
【００４８】
図１に示すパッケージされた固体撮像素子の製造方法を簡単に説明する。まず、たとえばシリコン基板である半導体基板に、従来例で説明したような感光部６２、垂直ＣＣＤ部６４、駆動部６５、水平ＣＣＤ部６６、増幅回路部６７等を形成する。
【００４９】
半導体基板上方に、マイクロレンズ支持層１０６を形成する。マイクロレンズ支持層１０６形成の中間工程で、インナレンズ１２０を形成する。続いて、マイクロレンズ支持層１０６上にマイクロレンズ８５を、更に、マイクロレンズ８５を覆うように低屈折率層９６を形成する。インナレンズ１２０及びマイクロレンズ８５は、入射光１１０が感光部６２上に焦点を結ぶような配置に形成される。マイクロレンズ支持層１０６、マイクロレンズ８５、及び低屈折率層９６等の製造方法は、実施例中において詳述する。
【実施例】
【００５０】
図２（Ａ）は、固体撮像素子の画素配列部の一部を示す断面図である。図２（Ａ）に示した固体撮像素子は、図６（Ｂ）に示した固体撮像素子に、新たにマイクロレンズ支持層１０６の一部として、上下凸形状であるインナレンズ１２０が加入されたものである。インナレンズ１２０は、感光部６２の上方であって遮光膜８３よりも高い位置に、感光部６２と同一のピッチ、たとえば３μｍ以下のピッチで形成される。インナレンズ１２０を除く構成要件は図６（Ｂ）に示した固体撮像素子と等しい。なお、インナレンズ１２０が形成されているため、絶縁層１０５は、下側絶縁層１０５ａ及び上側絶縁層１０５ｂとに分かれている。
【００５１】
インナレンズ１２０の厚さは、たとえば感光部６２のサイズが３μｍのとき、約１μｍである。感光部６２のサイズが小さくなるにつれ、インナレンズ１２０の厚さは比例的に小さく形成される。インナレンズ１２０の厚さは、０．５〜１．５μｍであることが好ましい。インナレンズ１２０を厚く形成すると、入射光を散乱させ集光機能を低下させる場合がある。また、インナレンズ１２０を作製する時間が多く必要となる。一方、インナレンズ１２０が薄い場合は、集光率を低下させる。
【００５２】
図２（Ｂ）は、第１の実施例による固体撮像素子の画素配列部の一部を示す概略的な断面図である。図２（Ａ）に示す固体撮像素子のマイクロレンズ８５を覆うように、低屈折率層９６が形成され、その上にたとえば平坦なガラス板である透明板１２１が形成されている。透明板１２１は可視光に対して透明な材料で形成されていればよい。ガラス板の他に、たとえば透明なプラスチック板を用いることができる。
【００５３】
マイクロレンズ８５を低屈折率層９６で覆うことで、エポキシ樹脂等のモールド樹脂で覆う場合と比べ、レンズ界面の屈折率の差を大きくすることができ、マイクロレンズ８５による入射光１１０の集光効率を向上させることができる。なお、マイクロレンズ８５による入射光１１０の集光効率は、透明板１２１の屈折率には影響されない。また、インナレンズ１２０によりマイクロレンズを出射した光の集光効率を向上させることができる。このため、感光部６２上に入射光を集合することができる。入射光が傾いても集光効率を維持することができる。
【００５４】
図２（Ｃ）は、パッケージされた固体撮像素子の全体を示す概略的な断面図である。図２（Ｃ）においては、理解を容易にするため、固体撮像素子チップ９１に含まれているマイクロレンズ８５を独立して明示してある。
【００５５】
固体撮像素子チップ９１の一方の主面（マイクロレンズ８５が形成されている側）には、マイクロレンズ８５を覆うように低屈折率層９６が形成され、低屈折率層９６上には、透明板１２１が配置されている。固体撮像素子チップ９１の裏面には、接着層１０１が形成され、接着層１０１上に裏面ガラス層１０２（絶縁性保護板）が形成されている。固体撮像素子チップ９１（半導体基板）に電気的に接続される電極層９９（複数のリード）が、パッケージ外部（裏面ガラス層１０２上）に引き出されている。図２（Ｃ）に示すパッケージされた固体撮像素子は、透明板１２１から入射した光を感光部６２に効率よく集光することができる。
【００５６】
図３（Ａ）〜（Ｊ）は、図２（Ｂ）に示すような構造を有する固体撮像素子の製造方法を示す概略的な断面図である。なお、図３に示す製造方法により製造される固体撮像素子は、図２（Ｂ）に示すそれのカラーフィルタ８４上に、平坦化層が形成されたものである。
【００５７】
図３（Ａ）を参照する。たとえばシリコン基板である半導体基板に感光部６２、垂直ＣＣＤ部６４、駆動部６５、水平ＣＣＤ部６６、増幅回路部６７等を形成した後、遮光膜８３を形成する。続いて、感光部６２及び遮光膜８３上に、気相成長法によりＢＰＳＧで下側絶縁層１０５ａを形成し、たとえば８００℃でリフロする。下側絶縁層１０５ａが表面積を縮小するように変形し、インナレンズの下側形状を整える。図３（Ａ）には、リフロ前の下側絶縁層１０５ａを一点鎖線で、リフロ後の下側絶縁層１０５ａを実線で示した。なお、ＢＰＳＧの他、添加物によって融点を下げた酸化シリコンを用いることができる。
【００５８】
図３（Ｂ）を参照する。下側絶縁層１０５ａ上に、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）を気相成長法で積層する。感光部６２上の段差を埋める厚さのシリコン窒化膜を成膜する。下側絶縁層１０５ａの上側表面上のシリコン窒化膜のほぼ全厚さをエッチバックし平坦化された表面を得る。このようにして下に凸形状の下側インナレンズ１２０ａを形成する。図３（Ｂ）には、エッチバック前のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を一点鎖線で、エッチバック後の下側インナレンズ１２０ａを実線で示した。
【００５９】
図３（Ｃ）を参照する。下側インナレンズ１２０ａ上に、気相成長法で、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）を厚く積層する。シリコン窒化膜（ＳｉＮ）の輪郭を実線で示した。次に、積層したシリコン窒化膜（ＳｉＮ）上に、ホトレジスト膜を塗布形成し、レジストパターンを形成（露光、現像）した後、たとえば処理温度２５０℃、硬化温度２２０℃で熱処理を行い、レンズ形状のホトレジスト膜を形成する。図には、パターン形成後のホトレジスト膜を一点鎖線で、熱処理後のレンズ形状のホトレジスト膜の輪郭を二点鎖線で示した。
【００６０】
図３（Ｄ）を参照する。レンズ形状のホトレジスト膜をマスクとして異方性エッチングを行い、全体として上に凸形状の上側インナレンズ１２０ｂを形成する。下側インナレンズ１２０ａと合わせて、全体として上下に凸形状のインナレンズ１２０が形成される。
【００６１】
図３（Ｅ）を参照する。インナレンズ１２０上に、気相成長法によりＢＰＳＧ膜を積層し、たとえば８５０℃でリフロすることにより平坦化し、上側絶縁層１０５ｂを形成する。なお、ＢＰＳＧ以外の酸化シリコン系絶縁膜、リフロ以外の、たとえば化学機械研磨（ＣＭＰ）による平坦化を用いることもできる。
【００６２】
図３（Ｆ）を参照する。上側絶縁層１０５ｂ上に、カラーフィルタ８４を形成する。カラーフィルタ８４は、ホトレジスト液に粒状の色素が混じった液（顔料分散レジスト）を塗布し、感光（露光）によりパターン形成（現像）し、たとえば硬化温度２２０℃で熱硬化させることにより形成する。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のフィルタを順に形成する。
【００６３】
図３（Ｇ）を参照する。カラーフィルタ８４上に、平坦化層１０７を形成する。カラーフィルタ８４は、表面に凹凸を有するからである。平坦化層１０７は、透明なホトレジストを塗布し、たとえば２２０℃の硬化温度で熱硬化させることによって形成する。遮光膜８３、下側絶縁層１０５ａ、インナレンズ１２０、上側絶縁層１０５ｂ、カラーフィルタ８４及び平坦化層１０７を含んで形成される部分がマイクロレンズ支持層１０６である。
【００６４】
図３（Ｈ）を参照する。平坦化層１０７上にマイクロレンズ８５を形成する。平坦化層１０７上にホトレジスト膜を塗布した後、感光（露光）、現像をし、パターン形成を行う。図には、パターニングされたホトレジスト膜を一点鎖線で示した。パターン形成後、たとえば処理温度２５０℃、硬化温度２２０℃で熱処理を行い、レンズ状のマイクロレンズ８５を形成する。図には、熱処理を行い形成されたマイクロレンズ８５を実線で記してある。
【００６５】
図３（Ｉ）を参照する。マイクロレンズ８５上に低屈折率の有機材料、たとえばフッソポリマを塗布し、低屈折率層９６を形成する。なお、フッソポリマのガラス転位温度は１００℃〜１３０℃である。
【００６６】
図３（Ｊ）を参照する。低屈折率層９６上に透明板１２１、たとえばガラス板を配置する。低屈折率層９６が接着層の機能も有するため、ガラス板を貼り付けることで、透明板１２１を配置する。この後、透明板１２１が配置された半導体基板をパッケージすれば、たとえば図２（Ｃ）に示すようなパッケージされた固体撮像素子が得られる。
【００６７】
図４は、第２の実施例による固体撮像素子の画素配列部の一部を示す概略的な断面図である。図２（Ｂ）に示した第１の実施例によるそれと比較するとインナレンズ１２０の形状及び形成位置が異なっている。
【００６８】
図４に示す固体撮像素子のインナレンズ１２０は、上下凸形状を有し、インナレンズ１２０の任意の位置に入射した光を集光することができる。また、インナレンズ１２０は、遮光膜８３の高レベル面の上方には形成されていない。
【００６９】
インナレンズ１２０は、遮光膜８３上方部分を下凸形状に作製することが難しい。たとえば図３を参照して説明した固体撮像素子の製造方法でインナレンズ１２０を作製した場合、遮光膜８３上方部分ではインナレンズ１２０の下凸の度合いが小さくなり、高い集光効果を得ることができない場合がある。また、遮光膜８３上方部分ではインナレンズ１２０の下面が局所的に凹形状に形成され、集光せず、光を発散する場合も生じる。
【００７０】
第２の実施例による固体撮像素子は、遮光膜８３上方部分以外の部分に、集光作用のない部分のない上下凸形状のインナレンズ１２０を形成することにより、高い集光効率を実現した固体撮像素子である。
【００７１】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
上述した固体撮像素子は、デジタルカメラ全般に用いることができる。ことに、携帯電話器に内蔵されるカメラに好適に用いられる。また、エリアセンサに限らず、リニアセンサに用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】固体撮像素子の一部の概略を示す断面図である。
【図２】（Ａ）は、固体撮像素子の画素配列部の一部を示す断面図であり、（Ｂ）は、第１の実施例による固体撮像素子の画素配列部の一部を示す概略的な断面図であり、（Ｃ）は、パッケージされた固体撮像素子の概略的な全体を示す断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｊ）は、図２（Ｂ）に示すような構造を有する固体撮像素子の製造方法を示す概略的な断面図である。
【図４】第２の実施例による固体撮像素子の画素配列部の一部を示す概略的な断面図である。
【図５】（Ａ）は、固体撮像素子を組み込んだ固体撮像装置の主要部を示すブロック図であり、（Ｂ）は、固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図である。
【図６】（Ａ）は、固体撮像素子の画素配列部の一部の概略を示す平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線に沿った断面図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｆ）は、パッケージされた固体撮像素子チップの概略を示す断面図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は、低屈折率層に覆われたマイクロレンズを備える固体撮像素子の問題点を説明するための概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
５１  固体撮像素子
５２  駆動信号発生装置
５３  出力信号処理装置
５４  記憶装置
５５  表示装置
５６  伝送装置
５７  テレビジョン
６１  画素配列部
６２  感光部
６４  垂直ＣＣＤ部
６５  駆動部
６６  水平ＣＣＤ部
６７  増幅回路部
７１  第１層垂直ＣＣＤ転送電極
７２  第２層垂直ＣＣＤ転送電極
７３  垂直転送チャネル
７４  絶縁膜
８１  基板
８２  ウエル層
８３  遮光膜
８４  カラーフィルタ
８５  マイクロレンズ
９１  固体撮像素子チップ
９２  リード線
９３  パッケージ
９４  カバーガラス
９５  ワイア
９６  低屈折率層
９７  高硬度透明材
９８  クリアモールド樹脂層
９９  電極層
１００，１０１  接着層
１０２  裏面ガラス層
１０５  絶縁層
１０５ａ  下側絶縁層
１０５ｂ  上側絶縁層
１０６  マイクロレンズ支持層
１０７  平坦化層
１１０  入射光
１２０  インナレンズ
１２０ａ  下側インナレンズ
１２０ｂ  上側インナレンズ
１２１  透明板
【図１】
2005072364.tif 000003
【図２】
2005072364.tif 000004
【図３】
2005072364.tif 000005
【図４】
2005072364.tif 000006
【図５】
2005072364.tif 000007
【図６】
2005072364.tif 000008
【図７】
2005072364.tif 000009
【図８】
2005072364.tif 000010