(57)【要約】【課題】画質の劣化を抑制することが可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】この固体撮像装置は、受光部２が形成されたシリコン基板１と、受光部２の上方に形成されたカラーフィルタ層１４と、シリコン基板１とカラーフィルタ層１４との間に形成され、受光部２に光を集光するためのレンズ１２とを備え、レンズ１２は、実質的に平坦な上面部１２ｂを有するとともに、レンズ１２の厚みｔ１に対するレンズ１２の実質的に平坦な上面部１２ｂの幅ｗ１の比率（ｗ１／ｔ１）は、０．８６以下である。【選択図】図３
2005217454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部が形成された基板と、
前記受光部の上方に形成されたカラーフィルタ層と、
前記基板と前記カラーフィルタ層との間に形成され、前記受光部に光を集光するためのレンズとを備え、
前記レンズは、実質的に平坦な上面部を有するとともに、前記レンズの厚みｔに対する前記レンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）は、０．８６以下である、固体撮像装置。
【請求項２】
前記レンズの幅は、２．７μｍ以下である、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記レンズの厚みｔに対する前記レンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）は、０．６５以下であり、
前記レンズの幅は、３μｍ以下である、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記基板上の前記受光部が形成された領域以外の領域に形成された第１金属配線と、
前記第１金属配線上に第１絶縁膜を介して形成された第２金属配線とをさらに備え、
前記レンズは、少なくとも前記第１絶縁膜と同一の層からなる第２絶縁膜を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１金属配線の上端部よりも下側に配置された第３絶縁膜と、
前記レンズを構成する第２絶縁膜下に形成され、前記第３絶縁膜と同一の層からなり、前記第２絶縁膜とともに前記レンズを構成する第４絶縁膜とをさらに備え、
前記第４絶縁膜は、前記第１金属配線の上端部よりも下側に配置されている、請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記レンズを構成する前記第２絶縁膜および前記第４絶縁膜は、実質的に同一の屈折率を有する材料からなる、請求項４または５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２絶縁膜および前記第４絶縁膜の少なくとも一方は、水素を含有する材料からなる、請求項５または６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第２金属配線上に形成された第５絶縁膜と、
前記レンズを構成する前記第２絶縁膜上に形成され、前記第５絶縁膜と同一の層からなり、前記第２絶縁膜とともに前記レンズを構成する第６絶縁膜とをさらに備える、請求項４〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記レンズを構成する前記第２絶縁膜は、所定の間隔を隔てて形成された上に凸の形状を有する複数の凸状部を含み、
前記レンズを構成する前記第６絶縁膜は、前記第２絶縁膜の隣接する前記凸状部間の平坦部を埋め込むように形成されている、請求項８に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、受光部に光を集光するためのレンズを備えた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、受光部に光を集光するためのレンズを備えた固体撮像装置が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。図２７は、従来のレンズを備えた固体撮像装置の画素形成領域の構造を示した断面図である。図２７を参照して、従来のレンズを備えた固体撮像装置の画素部分の構造について説明する。
【０００３】
従来の固体撮像装置では、図２７に示すように、シリコン基板１０１の表面に、光電変換機能を有する受光部１０２が形成されている。また、シリコン基板１０１上には、ゲート絶縁膜１０３を介して、ゲート電極１０４が形成されている。ゲート電極１０４上には、ゲート電極１０４の上面に達するコンタクトホール１０５ａを有する絶縁膜１０５が形成されている。絶縁膜１０５上の所定領域には、ポリシリコン膜１０６が形成されている。また、ポリシリコン膜１０６は、コンタクトホール１０５ａを埋め込むように形成されている。また、絶縁膜１０５上には、ポリシリコン膜１０６を覆うように、ポリシリコン膜１０６の上面に達するコンタクトホール１０７ａを有する平坦化膜１０７が形成されている。平坦化膜１０７のコンタクトホール１０７ａ内には、プラグ１０８がポリシリコン膜１０６に接続するように形成されている。
【０００４】
平坦化膜１０７上には、絶縁膜１０９を介して、カラーフィルタ層１１０が形成されている。カラーフィルタ層１１０上には、絶縁膜からなるとともに、上に凸の形状を有する半円形状の複数のレンズ１１１が形成されている。そして、従来では、カラーフィルタ層１１０上に形成されたレンズ１１１によって、入射した光を受光部１０２に集光していた。
【非特許文献１】安藤隆男・菰淵寛仁著「固体撮像素子の基礎」日本理工出版会、１９９９年１２月５日、ｐｐ．９８−９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の固体撮像装置では、カラーフィルタ層１１０上にレンズ１１１を形成するため、レンズ１１１と受光部１０２との間の距離が大きくなる。このため、斜め方向から入射した光が、所定のレンズ１１１に対応する所定の受光部１０２に入射せずに、所定の受光部１０２に隣接する他の受光部１０２に入射する場合があるという不都合があった。この場合、感度の低下や混色などが発生するので、画質が劣化するという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、画質の劣化を抑制することが可能な固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による固体撮像装置は、受光部が形成された基板と、受光部の上方に形成されたカラーフィルタ層と、基板とカラーフィルタ層との間に形成され、受光部に光を集光するためのレンズとを備え、レンズは、実質的に平坦な上面部を有するとともに、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）は、０．８６以下である。
【０００８】
この一の局面による固体撮像装置では、上記のように、基板とカラーフィルタ層との間に、実質的に平坦な上面部を有するレンズを形成することによって、レンズと受光部との間の距離を小さくすることができる。また、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）を０．８６以下に設定することによって、レンズの厚みｔを一定とした場合にレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗを小さくすることができるので、光の集光に寄与しない実質的に平坦な上面部の領域を小さくすることができる。これらにより、集光率を向上させることができるので、所定の受光部に光が入射しないことによる感度の低下や、所定の受光部に隣接する他の受光部に光が入射することによる混色を抑制することができる。その結果、画質の劣化を抑制することができる。
【０００９】
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、レンズの幅は、２．７μｍ以下である。このように構成すれば、レンズを形成する際には、レンズの幅を小さくするのに伴ってレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗも小さくなるので、容易に、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）を０．８６以下にすることができる。これにより、集光率を容易に向上させることができる。
【００１０】
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）は、０．６５以下であり、レンズの幅は、３μｍ以下である。このように構成すれば、３μｍ以下の幅を有するレンズにおいて、容易に、光の集光に寄与しない実質的に平坦な上面部の領域を小さくすることができるので、集光率を容易に向上させることができる。
【００１１】
上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、基板上の受光部が形成された領域以外の領域に形成された第１金属配線と、第１金属配線上に第１絶縁膜を介して形成された第２金属配線とをさらに備え、レンズは、少なくとも第１絶縁膜と同一の層からなる第２絶縁膜を含む。このように構成すれば、第１金属配線と第２金属配線とを絶縁するための絶縁膜を別途形成する必要がないので、その分、固体撮像装置の製造プロセスを簡略化することができる。
【００１２】
この場合、好ましくは、第１金属配線の上端部よりも下側に配置された第３絶縁膜と、レンズを構成する第２絶縁膜下に形成され、第３絶縁膜と同一の層からなり、第２絶縁膜とともにレンズを構成する第４絶縁膜とをさらに備え、第４絶縁膜は、第１金属配線の上端部よりも下側に配置されている。このように構成すれば、第１金属配線と第１金属配線の下側に形成された所定の層とを絶縁するための絶縁膜を別途形成する必要がないので、第２絶縁膜と第４絶縁膜とによって構成されるレンズを形成する場合に、固体撮像装置の製造プロセスを簡略化することができる。
【００１３】
この場合、好ましくは、レンズを構成する第２絶縁膜および第４絶縁膜は、実質的に同一の屈折率を有する材料からなる。このように構成すれば、第１絶縁膜と第２絶縁膜との界面において、屈折率の違いに起因して、入射した光が反射するのを抑制することができる。これにより、第２絶縁膜と第４絶縁膜とによって構成されるレンズにおいて、集光率が低下するのを抑制することができる。
【００１４】
この場合、好ましくは、第２絶縁膜および第４絶縁膜の少なくとも一方は、水素を含有する材料からなる。このように構成すれば、第２絶縁膜または第４絶縁膜を形成する際に基板の表面に水素が供給されるので、供給された水素により基板表面のダングリングボンド（未結合手）を終端することができる。これにより、基板のダングリングボンドを低減することができるので、ダングリングボンドに起因する表面準位を減少させることができる。その結果、表面準位に起因する暗電流を低減することができる。
【００１５】
この場合、好ましくは、第２金属配線上に形成された第５絶縁膜と、レンズを構成する第２絶縁膜上に形成され、第５絶縁膜と同一の層からなり、第２絶縁膜とともにレンズを構成する第６絶縁膜とをさらに備える。このように構成すれば、レンズを構成する第６絶縁膜を第２金属配線の保護膜として利用することができるので、第２金属配線の保護膜を別途形成する必要がない。これにより、第２金属配線の保護膜を形成するための工程を削減することができるので、第２絶縁膜と第６絶縁膜とによって構成されるレンズを形成する場合に、固体撮像装置の製造プロセスを簡略化することができる。
【００１６】
この場合、好ましくは、レンズを構成する第２絶縁膜は、所定の間隔を隔てて形成された上に凸の形状を有する複数の凸状部を含み、レンズを構成する第６絶縁膜は、第２絶縁膜の隣接する凸状部間の平坦部を埋め込むように形成されている。このように構成すれば、光の集光に寄与しない第２絶縁膜の凸状部間の平坦部がなくなるので、集光率をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の全体構成を示した平面図である。図２は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部の画素形成領域の平面図である。図３は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部の画素形成領域と配線形成領域との構造を示した断面図である。なお、図３の画素形成領域の断面は、図２の１００−１００線に沿った断面に対応する。まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。
【００１９】
第１実施形態による固体撮像装置は、図１に示すように、撮像部５１と、蓄積部５２と、水平転送部５３と、出力部５４と、エクステンションパッド５５とを備えている。撮像部５１は、光電変換により生成された電子を蓄積するとともに、蓄積部５２に転送する機能を有する。蓄積部５２は、撮像部５１から転送された電子を蓄積するとともに、水平転送部５３に転送する機能を有する。水平転送部５３は、蓄積部５２から転送された電子を順次出力部５４に転送する機能を有する。出力部５４は、水平転送部５３から転送された電子を出力する機能を有する。また、エクステンションパッド５５には、外部信号が供給される。
【００２０】
また、第１実施形態による固体撮像装置の撮像部５１の画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂは、図３に示すような断面構造を有する。まず、図２および図３を参照して、撮像部５１の画素形成領域１００ａの断面構図について説明する。画素形成領域１００ａに位置するシリコン基板１の表面には、光電変換機能を有する受光部２が形成されている。なお、シリコン基板１は、本発明の「基板」の一例である。また、画素形成領域１００ａのシリコン基板１上には、約３０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなるゲート絶縁膜３を介して、約６５ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜からなるゲート電極４が形成されている。また、ゲート電極４を覆うように、ゲート電極４の上面に達するコンタクトホール５ａを有するとともに、約６３５ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる絶縁膜５が形成されている。この絶縁膜５は、約１．４６の屈折率を有する。絶縁膜５上の所定領域には、約２００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜６が形成されている。また、ポリシリコン膜６は、コンタクトホール５ａを埋め込むように形成されている。また、図２に示すように、画素形成領域１００ａに位置するポリシリコン膜６は、画素５１ａを囲むように配置されている。なお、図２では、１つの画素５１ａのみを図示しているが、実際には、複数の画素がマトリクス状に配置されている。また、図３に示すように、絶縁膜５上には、ポリシリコン膜６を覆うように、約８１５ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなるとともに、ポリシリコン膜６の上面に達するコンタクトホール７ａを有する平坦化膜７が形成されている。この平坦化膜７は、約１．４６の屈折率を有する。平坦化膜７のコンタクトホール７ａ内には、タングステンからなるプラグ８がポリシリコン膜６に接続するように埋め込まれている。
【００２１】
ここで、第１実施形態では、図３に示すように、画素形成領域１００ａにおいて、平坦化膜７上に、約４００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜９が形成されている。この絶縁膜９の画素形成領域１００ａに位置する部分は、本発明の「第４絶縁膜」の一例である。絶縁膜９上には、約８００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜１０が形成されている。この絶縁膜１０の画素形成領域１００ａに位置する部分は、本発明の「第２絶縁膜」の一例である。また、絶縁膜１０は、上に凸の形状を有するとともに、実質的に平坦な上面部１０ｂを有する凸状部１０ａを含む。この凸状部１０ａは、所定の間隔を隔てて複数形成されているとともに、隣接する凸状部１０ａ間には、平坦部１０ｃが形成されている。絶縁膜１０上には、隣接する凸状部１０ａ間の平坦部１０ｃを埋め込むように、約５００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜１１が形成されている。この絶縁膜１１の画素形成領域１００ａに位置する部分は、本発明の「第６絶縁膜」の一例である。そして、画素形成領域１００ａの絶縁膜９、１０および１１によって、受光部２に光を集光するためのレンズ１２が構成されている。このレンズ１２は、約１．２μｍの幅ｗ１の実質的に平坦な上面部１２ｂを有する凸状部１２ａを複数含むとともに、約１．７μｍの厚みｔ１を有する。また、レンズ１２は、約２．７μｍの幅（画素サイズ）Ａを有する。また、レンズ１２を構成する絶縁膜９、１０および１１は、約２．０５の同じ屈折率を有する。
【００２２】
また、画素形成領域１００ａにおいて、レンズ１２上には、隣接する凸状部１２ａ間を埋め込むように、アクリル樹脂からなる樹脂層１３が形成されている。樹脂層１３上には、レンズ１２の実質的に平坦な上面部１２ｂに接するように、約０．８μｍの厚みを有するカラーフィルタ層１４が形成されている。
【００２３】
次に、図３を参照して、配線形成領域１００ｂの断面構造について説明する。この配線形成領域１００ｂでは、シリコン基板１の表面上に、絶縁膜５が形成されている。また、配線形成領域１００ｂの絶縁膜５上には、ポリシリコン膜６が形成されている。また、画素形成領域１００ｂの絶縁膜５およびポリシリコン膜６を覆うように、平坦化膜７が形成されている。この平坦化膜７には、ポリシリコン膜６に達するコンタクトホール７ａが形成されている。コンタクトホール７ａ内には、タングステンからなるプラグ８が埋め込まれている。
【００２４】
また、第１実施形態では、配線形成領域１００ｂの平坦化膜７上に、画素形成領域１００ａに形成される絶縁膜９と同一層からなる絶縁膜９が形成されている。なお、この絶縁膜９の配線形成領域１００ｂに位置する部分は、本発明の「第３絶縁膜」の一例である。この配線形成領域１００ｂの絶縁膜９は、コンタクトホール９ａを有する。また、コンタクトホール９ａ内でプラグ８に接続されるとともに、絶縁膜９上に端部が乗り上げるように、金属配線１５が形成されている。なお、この金属配線１５は、本発明の「第１金属配線」の一例である。この金属配線１５は、約５００ｎｍの厚みを有する下層のＡｌ層と約２０ｎｍの厚みを有する上層のＴｉＮ層とからなる。この金属配線１５を構成する上層のＴｉＮ層は、反射防止膜として機能する。また、金属配線１５は、プラグ８およびポリシリコン膜６を介して、ゲート電極４に外部信号を供給する機能を有する。
【００２５】
また、第１実施形態では、絶縁膜９および金属配線１５を覆うように、画素形成領域１００ａの絶縁膜１０と同一層からなる絶縁膜１０が形成されている。なお、この絶縁膜１０の配線形成領域１００ｂに位置する部分は、本発明の「第１絶縁膜」の一例である。絶縁膜１０上の所定領域には、図１および図３に示すように、約５００ｎｍの厚みを有する下層のＡｌ層と約２０ｎｍの厚みを有する上層のＴｉＮ層とからなる金属配線１６が形成されている。なお、この金属配線１６は、本発明の「第２金属配線」の一例である。この金属配線１６を構成する上層のＴｉＮ層は、反射防止膜として機能する。また、金属配線１６は、エクステンションパッド５５（図１参照）に供給された外部信号を、金属配線１５に供給する機能を有する。なお、金属配線１５と金属配線１６とは、絶縁膜１０に設けられた図示しないコンタクトホールを介して接続されている。また、絶縁膜１０および金属配線１６を覆うように、画素形成領域１００ａの絶縁膜１１と同一層からなる絶縁膜１１が形成されている。なお、この絶縁膜１１の配線形成領域１００ｂに位置する部分は、本発明の「第５絶縁膜」の一例である。この配線形成領域１００ｂの絶縁膜１１は、金属配線１６の保護膜として機能する。
【００２６】
図４は、レンズの厚みに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅の比率と集光率との関係をシミュレーションした結果を示したグラフである。次に、図４を参照して、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率と集光率との関係について説明する。なお、図４の縦軸には、集光率（％）がとられており、図４の横軸には、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率がとられている。また、シミュレーションソフトとしては、３次元光学シミュレータＴＯＣＣＡＴＡ、Ｖｅｒ．４．３．０（Ｌｉｎｋ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）を用いた。また、シミュレーション条件としては、レンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗ（０．３０μｍ、０．６０μｍ、０．９０μｍ、１．２０μｍ（第１実施形態のｗ１）、１．５０μｍおよび１．８０μｍ）と、レンズの厚みｔ（１．１０μｍ、１．４０μｍ、１．７０μｍ（第１実施形態のｔ１）、２．００μｍおよび２．３０μｍ）とをパラメータとした。また、１つ分の画素の受光領域を９分割するとともに、光電変換が最も効率的に行われる画素の中央部の３つの区画に集光される光の割合を集光率として算出した。また、入射光は、基板に対して垂直に入射すると仮定した。また、画素サイズ（レンズの幅）が１．８μｍ、２．１μｍ、２．４μｍ、２．７μｍ（第１実施形態のＡ）、３μｍおよび３．３μｍの場合には、実質的に平坦な上面部の幅ｗは、それぞれ、０．３０μｍ、０．６０μｍ、０．９０μｍ、１．２０μｍ、１．５０μｍおよび１．８０μｍとなる。
【００２７】
図４に示すように、画素サイズ（レンズの幅）が１．８μｍの場合には、ｗ（実質的に平坦な上面部の幅）／ｔ（レンズの厚み）が０．２７以下となり、集光率が８０％以上と非常に高くなることが判明した。また、画素サイズ（レンズの幅）が２．１μｍの場合には、ｗ／ｔが０．５５以下となり、集光率が８０％以上と非常に高くなることが判明した。また、画素サイズ（レンズの幅）が２．４μｍの場合には、ｗ／ｔが０．８２以下となり、集光率が７０％以上と高くなることが判明した。また、画素サイズ（レンズの幅）が２．７μｍの場合には、ｗ／ｔが０．８６以下であれば、集光率が７０％以上と高くなる一方、ｗ／ｔが０．８６よりも大きくなれば、集光率が７０％よりも低くなることが判明した。また、画素サイズ（レンズの幅）が３μｍの場合には、ｗ／ｔが０．６５以下であれば、集光率が７０％以上と高くなる一方、ｗ／ｔが０．６５よりも大きくなれば、集光率が７０％よりも低くなることが判明した。また、画素サイズ（レンズの幅）が３．３μｍの場合には、ｗ／ｔが０．７８以上となり、集光率が７０％よりも低くなることが判明した。
【００２８】
上記したシミュレーション結果から、レンズの幅（画素サイズ）が２．７μｍ以下の場合、ｗ（実質的に平坦な上面部の幅）／ｔ（レンズの厚み）が０．８６以下であれば、７０％以上の高い集光率を得ることができることが判明した。
【００２９】
ここで、第１実施形態では、画素サイズ（レンズ１２の幅Ａ）が約２．７μｍであり、ｗ／ｔ（ｗ１／ｔ１＝約１．２μｍ／約１．７μｍ）が約０．７１であるので、集光率が７０％以上と高くなると考えられる。
【００３０】
第１実施形態では、上記のように、シリコン基板１とカラーフィルタ層１４との間に、実質的に平坦な上面部１２ｂを有するレンズ１２を形成することによって、レンズ１２と受光部２との間の距離を小さくすることができる。また、レンズ１２の厚みｔ１（約１．７μｍ）に対するレンズ１２の実質的に平坦な上面部１２ｂの幅ｗ１（約１．２μｍ）の比率（ｗ１／ｔ１）を約０．８６に設定することによって、光の集光に寄与しない実質的に平坦な上面部１２ｂの領域を小さくすることができる。これにより、集光率を向上させることができるので、所定の受光部２に光が入射しないことによる感度の低下や、所定の受光部２に隣接する他の受光部２に光が入射することによる混色を抑制することができる。その結果、画質の劣化を抑制することができる。
【００３１】
また、第１実施形態では、画素形成領域１００ａのレンズ１２を構成する絶縁膜１０と同一の層からなる絶縁膜１０を、配線形成領域１００ｂの金属配線１５と金属配線１６との間に形成することによって、金属配線１５と金属配線１６とを絶縁するための絶縁膜を別途形成する必要がない。また、画素形成領域１００ａのレンズ１２を構成する絶縁膜９と同一の層からなる絶縁膜９を、配線形成領域１００ｂの金属配線１５とプラグ８が埋め込まれた絶縁膜７との間に形成することによって、金属配線１５とプラグ８とを絶縁するための絶縁膜を別途形成する必要がない。さらに、画素形成領域１００ａのレンズ１２を構成する絶縁膜１１と同一の層からなる絶縁膜１１を、配線形成領域１００ｂの金属配線１６上に形成することによって、金属配線１６の保護膜を別途形成する必要がない。このように、配線形成領域１００ｂの絶縁膜９、１０および１１を、それぞれ、画素形成領域１００ａのレンズ１２を構成する絶縁膜９、１０および１１と同一の層からなるように構成することによって、配線形成領域１００ｂに別途絶縁膜を形成する必要がないので、その分、固体撮像装置の製造プロセスを簡略化することができる。
【００３２】
また、第１実施形態では、レンズ１２を構成する絶縁膜９、１０および１１を、同じ屈折率（約２．０５）を有するＳｉＮ膜からなるように構成することによって、絶縁膜９、１０および１１の各界面において、屈折率の違いに起因して、入射した光が反射するのを抑制することができる。これにより、３層の絶縁膜９、１０および１１からなるレンズ１２において、集光率が低下するのを抑制することができる。
【００３３】
また、第１実施形態では、レンズ１２を構成する絶縁膜１０の隣接する凸状部１０ａ間の平坦部１０ｃを埋め込むように、絶縁膜１１を形成することによって、光の集光に寄与しない絶縁膜１０の凸状部１０ａ間の平坦部１０ｃがなくなるので、集光率をより向上させることができる。
【００３４】
図５〜図８および図１１〜図１７は、図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。図９および図１０は、基板表面のダングリングボンドが終端化される様子を示した模式図である。次に、図３および図５〜図１７を参照して、第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。
【００３５】
まず、図５に示すように、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、画素形成領域１００ａに位置する受光部２が形成されたシリコン基板１上に、約３０ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなるゲート絶縁膜３を介して、約６５ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜からなるゲート電極４を形成する。この後、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの両方に、約６３５ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる絶縁膜５を形成する。その後、絶縁膜５に、ゲート電極４の上面に達するコンタクトホール５ａを形成する。そして、絶縁膜５上の所定領域に、約２００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜６を形成する。なお、ポリシリコン膜６は、コンタクトホール５ａを埋め込むように形成する。
【００３６】
次に、図６に示すように、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの両方の絶縁膜５上に、約８１５ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる平坦化膜７を形成した後、その平坦化膜７に、ポリシリコン膜６の上面に達するコンタクトホール７ａを形成する。この後、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの両方の平坦化膜７上に、コンタクトホール７ａを埋め込むように、タングステンからなるプラグ８を形成する。
【００３７】
次に、図７に示すように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用いて、平坦化膜７の上面上に位置するプラグ８の不要部分を除去するとともに、平坦化膜７の上面を平坦化する。
【００３８】
次に、図８に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの両方の平坦化膜７上に、約４００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜９を形成する。
【００３９】
ここで、第１実施形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて絶縁膜９を形成する際、図９に示すように、シリコン基板１の表面に水素が供給される。このため、図１０に示すように、供給された水素によりシリコン基板１の表面のダングリングボンド（未結合手）を終端することができる。これにより、シリコン基板１のダングリングボンドを低減することができるので、ダングリングボンドに起因する表面準位を減少させることができる。このため、表面準位に起因する暗電流を低減することができる。
【００４０】
次に、図１１に示すように、酸化膜エッチング装置を用いて、ＣＦ４ガス、ＡｒガスおよびＯ２ガスにより、配線形成領域１００ｂの絶縁膜９に、プラグ８の上面に達するコンタクトホール９ａを形成する。この後、コンタクトホール９ａ内でプラグ８に接続するとともに、絶縁膜９上に端部が乗り上げるように、約５００ｎｍの厚みを有する下層のＡｌ層と約２０ｎｍの厚みを有する上層のＴｉＮ層とからなる金属配線１５を形成する。
【００４１】
次に、図１２に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜９および金属配線１５を覆うように、約８００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜１０を形成する。
【００４２】
この際、第１実施形態では、シリコン基板１の表面に水素が供給されるので、図１０に示したように、供給された水素によりシリコン基板１の表面のダングリングボンド（未結合手）を終端することができる。
【００４３】
次に、図１３に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜１０上の所定領域に、レジスト２１を形成する。
【００４４】
次に、図１４に示すように、レジスト２１をマスクとして、画素形成領域１００ａの絶縁膜１０の所定の深さまでをドライエッチングする。これにより、画素形成領域１００ａの絶縁膜１０に、上に凸の形状を有するとともに、実質的に平坦な上面部１０ｂを有する凸状部１０ａを形成する。この凸状部１０ａは、所定の間隔を隔てて複数形成されるとともに、隣接する凸状部１０ａ間には、平坦部１０ｃが形成される。この後、レジスト２１を除去する。
【００４５】
次に、図１５に示すように、イオンストリームエッチング装置（東京応化工業株式会社製）を用いて、画素形成領域１００ａの絶縁膜１０の凸状部１０ａに不活性ガスイオンを照射するイオンストリーム処理を行う。これにより、絶縁膜１０の凸状部１０ａの角部が丸められるとともに、飛散した原子や分子が隣接する凸状部１０ａ間の平坦部１０ｃに埋め込まれる。
【００４６】
次に、図１６に示すように、配線形成領域１００ｂの絶縁膜１０に、金属配線１５の上面に達するコンタクトホール（図示せず）を形成した後、絶縁膜１０上の所定領域に、そのコンタクトホールを埋め込むように、約５００ｎｍの厚みを有する下層のＡｌ層と約２０ｎｍの厚みを有する上層のＴｉＮ層とからなる金属配線１６を形成する。
【００４７】
次に、図１７に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜１０および金属配線１６を覆うとともに、画素形成領域１００ａの絶縁膜１０の隣接する凸状部１０ａ間の平坦部１０ｃを埋め込むように、約５００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜１１を形成する。これにより、絶縁膜９、１０および１１からなる３層構造のレンズ１２が形成される。このレンズ１２は、複数の凸状部１２ａを含むとともに、約１．７μｍの厚みｔ１を有するように形成される。また、レンズ１２は、約２．７μｍの幅Ａを有するとともに、約１．２μｍの幅ｗ１を有する実質的に平坦な上面部１２ｂを有するように形成される。
【００４８】
この後、図１に示したように、画素形成領域１００ａのレンズ１２上に、隣接する凸状部１２ａ間を埋め込むように、アクリル樹脂からなる樹脂層１３を形成する。そして、樹脂層１３上に、レンズ１２の実質的に平坦な上面部１２ｂに接するように、約０．８μｍの厚みを有するカラーフィルタ層１４を形成する。このようにして、第１実施形態による固体撮像装置が形成される。
【００４９】
（第２実施形態）
図１８は、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。図１８を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、レジストフロー法を用いて、レンズを形成する場合について説明する。なお、第２実施形態の断面構造は、図３に示した第１実施形態と同様である。
【００５０】
この第２実施形態の製造プロセスでは、まず、図５〜図１３に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜１０を形成するとともに、絶縁膜１０上の所定領域に、レジスト２１を形成する。
【００５１】
次に、ホットプレートにより熱処理を行うことによって、レジスト２１の流動性を向上させる。これにより、図１８に示すように、表面張力により、上に凸の形状を有する半円形状のレジスト２１ａが形成される。この後、レジスト２１ａと画素形成領域１００ａの絶縁膜１０とを同時にエッチングすることによって、図１５に示したように、画素形成領域１００ａの絶縁膜１０に、上に凸の形状を有するとともに、実質的に平坦な上面部１０ｂを有する凸状部１０ａが形成される。
【００５２】
次に、図１６および図１７に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、金属配線１６および絶縁膜１１を形成する。この後、図３に示したように、樹脂層１３およびカラーフィルタ層１４を形成する。
【００５３】
第２実施形態の製造プロセスでは、上記のように、レジストフロー法を用いる場合においても、上記第１実施形態と同様の形状を有するレンズ１２を形成することができる。このため、上記第１実施形態と同様、画質の劣化を抑制する効果を得ることができる。ただし、第２実施形態のレジストフロー法では、上に凸の形状を有する半円形状のレジスト２１ａを形成する際に、レジスト２１ａの形状にばらつきが生じ易いので、レンズ１２の形状がばらつく可能性がある。このため、イオンストリーム法を用いた第１実施形態の方が、レンズ１２の形状のばらつきに起因する集光率の低下を抑制することができる。
【００５４】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００５５】
（第３実施形態）
図１９は、本発明の第３実施形態による固体撮像装置の画素形成領域および配線形成領域の構造を示した断面図である。図１９を参照して、この第３実施形態では、上記第１および第２実施形態と異なり、配線形成領域に２つの金属配線を形成した後に、画素形成領域にレンズを形成する場合について説明する。
【００５６】
この第３実施形態では、図１９に示すように、画素形成領域１００ａにおいて、絶縁膜９上に、約５００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜３０が形成されている。この絶縁膜３０の画素形成領域１００ａに位置する部分は、本発明の「第２絶縁膜」の一例である。また、絶縁膜３０は、上に凸の形状を有するとともに、実質的に平坦な上面部３０ｂを有する凸状部３０ａを含む。この凸状部３０ａは、所定の間隔を隔てて複数形成されているとともに、隣接する凸状部３０ａ間には、平坦部３０ｃが形成されている。絶縁膜３０の凸状部３０ａの上面部３０ｂ上には、約３００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜３１が形成されている。この絶縁膜３１の画素形成領域１００ａに位置する部分は、本発明の「第６絶縁膜」の一例である。また、絶縁膜３０および絶縁膜３１を覆うとともに、隣接する凸状部３０ａ間の平坦部３０ｃを埋め込むように、約５００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜３２が形成されている。この絶縁膜３２の画素形成領域１００ａに位置する部分は、本発明の「第６絶縁膜」の一例である。そして、この第３実施形態では、絶縁膜９、３０、３１および３２によって、受光部２に光を集光するためのレンズ３３が構成されている。このレンズ３３は、約１．２μｍの幅ｗ１の実質的に平坦な上面部３３ｂを有する凸状部３３ａを複数含むとともに、約１．７μｍの厚みｔ１を有する。また、レンズ３３は、約２．７μｍの幅Ａを有する。すなわち、第３実施形態のレンズ３３は、図１に示した第１実施形態のレンズ１２と同様の形状を有する。
【００５７】
また、画素形成領域１００ａにおいて、レンズ３３上には、隣接する凸状部３３ａ間を埋め込むように、樹脂層１３が形成されている。樹脂層１３上には、レンズ３３の実質的に平坦な上面部３３ｂに接するように、カラーフィルタ層１４が形成されている。
【００５８】
次に、図１９に示すように、配線形成領域１００ｂにおいて、絶縁膜９および金属配線１５を覆うように、画素形成領域１００ａの絶縁膜３０と同一層からなる絶縁膜３０が形成されている。なお、この絶縁膜３０の配線形成領域１００ｂに位置する部分は、本発明の「第１絶縁膜」の一例である。絶縁膜３０上の所定領域には、金属配線１６が形成されている。なお、金属配線１５と金属配線１６とは、絶縁膜３０に設けられた図示しないコンタクトホールを介して接続されている。また、絶縁膜３０および金属配線１６を覆うように、画素形成領域１００ａの絶縁膜３１と同一層からなる絶縁膜３１が形成されている。なお、この絶縁膜３１の配線形成領域１００ｂに位置する部分は、本発明の「第５絶縁膜」の一例である。この配線形成領域１００ｂの絶縁膜３１は、金属配線１６の保護膜として機能する。絶縁膜３１上には、画素形成領域１００ａの絶縁膜３２と同一層からなる絶縁膜３２が形成されている。なお、この絶縁膜３２の配線形成領域１００ｂに位置する部分は、本発明の「第５絶縁膜」の一例である。
【００５９】
なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００６０】
図２０〜図２６は、図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１９〜図２６を参照して、第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスについて説明する。
【００６１】
まず、図５〜図１１に示した第１実施形態と同様のプロセスを用いて、金属配線１５までを形成する。
【００６２】
次に、図２０に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜９および金属配線１５を覆うように、約５００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜３０を形成する。
【００６３】
次に、図２１に示すように、配線形成領域１００ｂの絶縁膜３０に、金属配線１５の上面に達するコンタクトホール（図示せず）を形成した後、絶縁膜３０上の所定領域に、そのコンタクトホールを埋め込むように、金属配線１６を形成する。
【００６４】
次に、図２２に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜３０および金属配線１６を覆うように、約３０ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜３１を形成する。
【００６５】
次に、図２３に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜３１上の所定領域に、レジスト４１を形成する。
【００６６】
次に、図２４に示すように、レジスト４１をマスクとして、画素形成領域１００ａの絶縁膜３０の所定の深さまでをドライエッチングする。これにより、画素形成領域１００ａの絶縁膜３０に、上に凸の形状を有するとともに、実質的に平坦な上面部３０ｂを有する凸状部３０ａを形成する。この凸状部３０ａは、所定の間隔を隔てて複数形成されるとともに、隣接する凸状部３０ａ間には、平坦部３０ｃが形成される。この後、レジスト４１を除去する。
【００６７】
次に、図２５に示すように、イオンストリームエッチング装置（東京応化工業株式会社製）を用いて、画素形成領域１００ａの絶縁膜３０の凸状部３０ａおよび絶縁膜３１に不活性ガスイオンを照射するイオンストリーム処理を行う。これにより、絶縁膜３０の凸状部３０ａの角部および絶縁膜３１の角部が丸められるとともに、飛散した原子や分子が隣接する凸状部３０ａ間の平坦部３０ｃに埋め込まれる。
【００６８】
次に、図２６に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、画素形成領域１００ａおよび配線形成領域１００ｂの絶縁膜３０および絶縁膜３１を覆うとともに、画素形成領域１００ａの絶縁膜３０の隣接する凸状部３０ａ間の平坦部３０ｃを埋め込むように、約５００ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる絶縁膜３２を形成する。これにより、絶縁膜９、３０、３１および３２からなる４層構造のレンズ３３が形成される。このレンズ３３は、複数の凸状部３３ａを含むとともに、約１．７μｍの厚みｔ１を有するように形成される。また、レンズ３３は、約２．７μｍの幅Ａを有するとともに、約１．２μｍの幅ｗ１を有する実質的に平坦な上面部３３ｂを有するように形成される。
【００６９】
この後、図１９に示したように、画素形成領域１００ａのレンズ３３上に、隣接する凸状部３３ａ間を埋め込むように、樹脂層１３を形成する。そして、樹脂層１３上に、レンズ３３の実質的に平坦な上面部３３ｂに接するように、カラーフィルタ層１４を形成する。このようにして、第３実施形態による固体撮像装置が形成される。
【００７０】
第３実施形態の製造プロセスでは、上記のように、配線形成領域１００ｂに金属配線１６を形成した後に、画素形成領域１００ａにレンズ３３を形成する場合においても、レンズ３３の形状を上記第１実施形態のレンズ１２の形状と同様の形状にすることができる。このため、上記第１実施形態と同様、画質の劣化を抑制する効果を得ることができる。ただし、第３実施形態では、金属配線１６の保護膜として機能する絶縁膜３１を形成した後、さらに、レンズ３３を構成する絶縁膜３０の隣接する凸状部３０ａ間の平坦部３０ｃを埋め込むための絶縁膜３２を形成する必要があるので、その分、第１実施形態に比べて製造プロセスが増加する。
【００７１】
なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００７２】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７３】
たとえば、上記第１〜第３実施形態では、レンズの厚みｔに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅ｗの比率（ｗ／ｔ）を約０．７１に設定したが、本発明はこれに限らず、ｗ（実質的に平坦な上面部の幅）／ｔ（レンズの厚み）が０．８６以下であれば、同様の効果を得ることができる。
【００７４】
また、上記第１〜第３実施形態では、レンズの幅（画素サイズ）を約２．７μｍに設定したが、本発明はこれに限らず、画素サイズを３μｍ以下の２．７μｍ以外の値に設定してもよい。なお、画素サイズを３μｍに設定する場合は、ｗ（実質的に平坦な上面部の幅）／ｔ（レンズの厚み）を０．６５以下に設定するのが好ましい。
【００７５】
また、上記第１〜第３実施形態では、２層または３層の絶縁膜からなるレンズを形成したが、本発明はこれに限らず、１層の絶縁膜からなるレンズを形成してもよいし、４層以上の絶縁膜からなるレンズを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態による固体撮像装置の全体構成を示した平面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部の画素形成領域の平面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の撮像部の画素形成領域と配線形成領域との構造を示した断面図である。
【図４】レンズの厚みに対するレンズの実質的に平坦な上面部の幅の比率と集光率との関係をシミュレーションした結果を示したグラフである。
【図５】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図７】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】基板表面のダングリングボンドが終端化される様子を示した模式図である。
【図１０】基板表面のダングリングボンドが終端化される様子を示した模式図である。
【図１１】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１２】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１５】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１７】図１に示した第１実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第２実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１９】本発明の第３実施形態による固体撮像装置の画素形成領域および配線形成領域の構造を示した断面図である。
【図２０】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２１】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２２】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２３】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２４】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２５】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２６】図１９に示した第３実施形態による固体撮像装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２７】従来のレンズを備えた固体撮像装置の画素形成領域の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  シリコン基板（基板）
２  受光部
９  絶縁膜（第３絶縁膜、第４絶縁膜）
１０、３０  絶縁膜（第１絶縁膜、第２絶縁膜）
１０ａ、３０ａ  凸状部
１０ｃ、３０ｃ  平坦部
１１、３１、３２  絶縁膜（第５絶縁膜、第６絶縁膜）
１２、３３  レンズ
１２ｂ、３３ｂ  上面部
１４  カラーフィルタ層
１５  金属配線（第１金属配線）
１６  金属配線（第２金属配線）
【図１】
2005217454.tif 000003
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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