(57)【要約】【課題】  フォトダイオードに対して遮光膜がずれた位置に形成されてしまった場合にも、フォトダイオードへの入射光量を可能な限り確保できるようにした固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  フォトダイオード（ＰＤ）２が形成された半導体基板上の平面に、遮光膜を形成した後に、ｘｙ平面におけるＰＤ２の中心ｏと遮光膜の開口７の中心ｒとの距離ｐを測定する。ここで、ｘｙ平面とは、半導体基板の表面に平行な面である。そして、測定した距離ｐと、ＰＤ２の一辺の長さａと、遮光膜の開口７の一辺の長さｂとに基づいて、オンチップレンズ４の中心ｒを算出し、その位置を外縁中心とするオンチップレンズ４を形成する。オンチップレンズ４の外縁中心は、ＰＤ２と開口７とをｘｙ平面に投影したときに、重なった領域Ｒの中心とされる。【選択図】  図３
2007059446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードを含んでなる画素が半導体基板の受光領域に２次元に配列された固体撮像装置の製造方法であって、
前記フォトダイオードが形成された半導体基板上の平面に、当該フォトダイオードに光を入射させるための開口を有する遮光膜を形成する工程と、
前記フォトダイオードと前記遮光膜とを、前記半導体基板の表面に平行な面に投影したときの、前記フォトダイオードの中心と前記遮光膜の開口中心との距離ｐを測定する工程と、
前記距離ｐと、前記フォトダイオードの一辺の長さａと、前記遮光膜の開口の一辺の長さｂとに基づいて、オンチップレンズの中心位置を算出する工程と、
前記遮光膜上の平面に、前記算出した中心位置を外縁中心とするオンチップレンズを形成する工程とを備え、
前記算出したオンチップレンズの中心位置は、前記フォトダイオードと前記開口とを前記平行な面に投影したときに、当該フォトダイオードと開口とが重なった領域の中心であることを特徴とする、固体撮像装置の製造方法。
【請求項２】
前記オンチップレンズの中心位置は、前記開口の中心位置から距離ｄだけ離れた位置であり、当該距離ｄは、
（１）０＜ｐ＜｜ａ−ｂ｜／２のときには、ｄ＝−ｐ
（２）ｐ＞｜ａ−ｂ｜／２のときには、ｄ＝−ａ／４＋ｂ／４＋ｐ／２
であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項３】
前記遮光膜の開口の配置間隔が、前記受光領域内の位置によって異なる場合には、均一に配置されていると仮定して前記距離ｄを算出することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項４】
前記遮光膜を形成する工程は、
光非透過性材料で薄膜を形成する工程と、
前記薄膜を選択的にエッチングして開口を形成する工程とを含み、
当該２点間の距離ｐを測定する工程は、前記開口を形成する工程よりも後の工程であることを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項５】
フォトダイオードを含んでなる画素が半導体基板の受光領域に２次元に配列された固体撮像装置であって、
フォトダイオードが形成された半導体基板と、
前記半導体基板上の平面に形成されて、前記フォトダイオードに光を入射させるための開口を有する遮光膜と、
前記遮光膜上の平面に形成されたオンチップレンズとを備え、
前記半導体基板の表面に平行な面に前記フォトダイオードと前記開口と前記オンチップレンズを投影したときの、前記オンチップレンズ中心は、前記フォトダイオードと前記開口とが重なった領域の中心に位置することを特徴とする、固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素領域に配置された各フォトダイオード上にオンチップレンズを備えた固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４（ａ），（ｂ）は、固体撮像装置の画素領域に２次元状に配置されている画素の概略断面図および平面図を示している。この図には、半導体基板１に形成されたフォトダイオード２（以下ＰＤ２と称す）、遮光膜３、オンチップレンズ４の理想的な配置を示している。ここで、理想的な配置とは、ＰＤ２の外縁中心ｏ（以下、ＰＤ中心ｏという）と、遮光膜３の開口７の中心ｑ（以下、開口中心ｑという）と、オンチップレンズ４の外縁中心ｒ（以下、レンズ中心ｒという）とが、ｚ軸に平行な、同一軸上にある配置である。また、別の言い方をすれば、ｘｙ平面に投影したＰＤ中心ｏと、開口中心ｑと、レンズ中心ｒとが一致するような配置であるとも言える。ここで、ｚ軸は、半導体基板１に垂直な軸であり、ｘｙ平面は、半導体基板１の表面に平行な面である。
【０００３】
ＰＤ２は、Ｐ型半導体基板または半導体基板に形成されたＰ型のウェルにＮ型不純物を注入拡散することによって形成されているか、あるいは、Ｎ型半導体基板または半導体基板に形成されたＮ型のウェルにＰ型不純物を注入拡散することによって形成されている。なお、本明細書において、ＰＤ２とは、ＰＮ接合部分での空乏層の広がりにより光電変換された電子を捕獲できる範囲を差し、半導体基板表面への素子分離領域の露出面や、イオンプロファイルで定義されるＰＮ接合界面とは必ずしも一致しないとする。
【０００４】
ＰＤ２が形成された半導体基板１上には、表面を平坦化した第１の層間絶縁膜５等が形成されており、その上に、ＰＤ２の上方に開口７を有する遮光膜３が形成されている。そして、遮光膜３上に形成されて表面が平坦化された第２の層間絶縁膜６上に、オンチップレンズ４が形成されている。
【０００５】
ＰＤ２には、オンチップレンズ４で集光されて遮光膜３の開口７を透過した光が入射する。図４（ａ），（ｂ）に示す配置では、フォトダイオード２は、ｚ軸に対して、オンチップレンズ４に入射する−θ１〜＋θ３の傾きを有する光を受光可能である。つまり、ＰＤ２での受光が可能な入射角度範囲（有効入射角度範囲）は、θ１＋θ３となる。図４（ａ），（ｂ）に示すように、遮光膜３とオンチップレンズ４とを位置ずれなく理想的に配置すれば、有効入射角度範囲は最大になる。有効入射角度範囲が広い固体撮像装置ほど、様々な仕様のカメラレンズと組み合わせて使用できるために、有用である。
【０００６】
図５は、ＭＯＳ型固体撮像装置における受光領域１０とその一部周辺領域の回路図の一例である。オンチップレンズ４で集光された光がＰＤ２に入射すると、ＰＤ２では、入射光量に応じた光電子が発生する。そして、ＰＤ２に蓄積された光電子は、転送ゲート１２への所定電圧印加時にフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送される。これにより、増幅トランジスタ１４のゲートには、転送された光電子の電荷量に応じた大きさの電圧が印加される。そして、増幅トランジスタ１４のソースに接続された垂直信号線１５上には、増幅トランジスタ１４のゲートへの印加電圧に応じた大きさの信号が現れる。この信号は、雑音抑制回路１７でノイズを除去された後、外部に読み出される。また、ＦＤに残留した光電子は、リセットトランジスタ１３のゲートに所定の電圧を印加することで、外部に排出される。この一連の操作は、垂直ドライバ回路１６および水平ドライバ回路１８によって行われる。図４に示す固体撮像装置は、このような回路で用いられる。
【０００７】
ところで、ＰＤ２での受光量を低減させないためには、各部をより正確な形状に形成して、より正確に配置することが重要である。そのために、従来から、
（１）露光装置の機械的精度を向上させる
（２）レチクルの描写寸法精度を向上させる
（３）レジスト寸法管理を強化して、仕上がり寸法ばらつきを低減する
（４）レイヤ間の重ね合わせ管理を強化し、重ね合わせバラツキを低減する
などの取り組みが行われてきた（特許文献１，非特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３９１９８０号公報
【非特許文献１】Hung-Jen Hsu, Fu- Tien Weng, Chih-Kung Chang, Yu-Kung Hsiao, Proceedings of SPIE Vol.5116,640(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の方法は、加工精度を向上させるという意味では一定の効果が得られ、微細加工技術としては有効な手段であるが、各レイヤの光学的な組み合わせが問題になる場合には有効ではない場合もあった。固体撮像装置の製造工程においては、十分に位置合わせを行っていてもなお、レイヤ間の重ね合わせずれが生じることがあり、ＰＤ２と遮光膜の開口７の配置が、理想的な配置関係からずれてしまうことも少なくはない。
【０００９】
従来の製造方法では、ＰＤ２に対して遮光膜３を位置合わせし、また、遮光膜３に対してオンチップレンズ４を位置合わせしていた。つまり、ＰＤ２とオンチップレンズ４の配置関係は、間接的な位置合わせでもって決められていた。よって、遮光膜３を形成する際に位置ずれが生じてしまった場合には、オンチップレンズ４もＰＤ２に対してずれた位置に形成されてしまうことになっていた。
【００１０】
図６は、この具体例を示した図であって、遮光膜３とオンチップレンズ４とが、ＰＤ２に対してｘ軸方向に距離ｐだけずれて形成されてしまった場合を示している。このような位置に形成されたオンチップレンズ４に入射した光のうち、角度−θ２〜＋θ３の範囲で入射した光はＰＤ２で受光されるが、角度−θ１から入射した光はＰＤ２では受光されない。このように、重ね合わせのずれによって有効入射角度範囲が所望の範囲以下になると、製品として使用できなくなるために、固体撮像装置の歩留まりが低下することになる。
【００１１】
それ故に、本発明の目的は、ＰＤに対して遮光膜がずれた位置に形成されてしまった場合にも、ＰＤへの入射光量を可能な限り確保できるようにした固体撮像装置および固体撮像装置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】
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、フォトダイオードを含んでなる画素が半導体基板の受光領域に２次元に配列された固体撮像装置の製造方法であって、フォトダイオードが形成された半導体基板上の平面に、フォトダイオードに光を入射させるための開口を有する遮光膜を形成する工程と、フォトダイオードと遮光膜とを、半導体基板の表面に平行な面に投影したときの、フォトダイオードの中心と遮光膜の開口中心との距離ｐを測定する工程と、距離ｐと、フォトダイオードの一辺の長さａと、遮光膜の開口の一辺の長さｂとに基づいて、オンチップレンズの中心位置を算出する工程と、遮光膜上の平面に、算出した中心位置を外縁中心とするオンチップレンズを形成する工程とを備え、算出したオンチップレンズの中心位置は、フォトダイオードと開口とを平行な面に投影したときに、フォトダイオードと開口とが重なった領域の中心であることを特徴とする。
【００１３】
より具体的には、オンチップレンズの中心位置は、開口の中心位置から距離ｄだけ離れた位置であり、距離ｄは、
（１）０＜ｐ＜｜ａ−ｂ｜／２のときには、ｄ＝−ｐ
（２）ｐ＞｜ａ−ｂ｜／２のときには、ｄ＝−ａ／４＋ｂ／４＋ｐ／２
であればよい。
【００１４】
遮光膜の開口の配置間隔が、受光領域内の位置によって異なる場合には、均一に配置されていると仮定して距離ｄを算出すればよい。
【００１５】
遮光膜を形成する工程は、光非透過性材料で薄膜を形成する工程と、薄膜を選択的にエッチングして開口を形成する工程とを含むときに、２点間の距離ｐを測定する工程は、前記開口を形成する工程よりも後の工程であることが望ましい。
【００１６】
本発明に係る固体撮像装置は、フォトダイオードを含んでなる画素が半導体基板の受光領域に２次元に配列された固体撮像装置であって、フォトダイオードが形成された半導体基板と、半導体基板上の平面に形成されて、フォトダイオードに光を入射させるための開口を有する遮光膜と、遮光膜上の平面に形成されたオンチップレンズとを備え、半導体基板の表面に平行な面にフォトダイオードと開口とオンチップレンズを投影したときの、オンチップレンズ中心は、フォトダイオードと開口とが重なった領域の中心に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によってオンチップレンズを配置すれば、ＰＤに対して遮光膜がずれた位置に形成されてしまった場合にも、ＰＤへの有効入射角度の減少を抑制することができる。よって、本発明に係る製造方法によれば、画素の感度向上および入射光特性の改善を図ることができ、高い歩留まりで固体撮像装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る製造方法により製造した固体撮像装置の画素の概略断面図および平面図である。画素は、半導体基板上の画素領域にマトリクス状に配置されている。ＰＤ２は、例えば、Ｐ型半導体基板または半導体基板に形成されたＰ型ウェル内にＮ型不純物を注入拡散することによって、または、Ｎ型半導体基板または半導体基板に形成されたＮ型ウェル内にＰ型不純物を注入拡散することによって形成されている。ＰＤ２が形成された半導体基板１上には、表面を平坦化した第１の層間絶縁膜５等が形成されており、その上に、ＰＤ２の上方に開口７を有する遮光膜３が形成されている。そして、遮光膜上に形成されて平坦化された第２の層間絶縁膜６上に、オンチップレンズ４が形成されている。
【００１９】
この固体撮像装置は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラなど、ＭＯＳ型やＣＣＤ型のイメージセンサを備えた装置等で用いられる。
【００２０】
本発明に係る固体撮像装置では、図１に示すように、ＰＤ２に対して遮光膜３がずれた位置に形成されてしまった場合に、オンチップレンズ４の配置を工夫している。具体的には、図１（ａ）に示すように、ＰＤ中心ｏを通りｚ軸に平行な軸と、開口中心ｑを通りｚ軸に平行な軸との間に、レンズ中心ｒを通りｚ軸と平行な軸が位置するような配置になっている。別の言い方をすれば、ｘｙ平面に投影したＰＤ中心ｏと開口中心ｑとの間に、レンズ中心ｒが位置するような配置であるとも言える。
【００２１】
従来は、ＰＤ２に対して遮光膜３を位置合わせし、遮光膜３に対してオンチップレンズ４を位置合わせしていたので、図６に示すように、遮光膜３を形成する位置がずれてしまったときには、有効入射角がθ２＋θ３になってしまっていた。
【００２２】
一方で、本発明に係る固体撮像装置では、ＰＤ２と遮光膜３との配置関係によって、オンチップレンズ４の位置を決めるために、例え遮光膜３を形成する位置がずれてしまった場合でも、従来よりも有効入射角範囲を広くすることができる。図１に示す配置における有効入射角は、ほぼθ１＋θ３であり、位置ずれなく各部が配置された場合と同等である。
【００２３】
次に、本発明に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。まず、Ｐ型半導体基板または、半導体基板に形成されたＰ型ウェル領域にＮ型不純物を注入・拡散するか、あるいは、Ｎ型半導体基板または、半導体基板に形成されたＮ型ウェル領域にＰ型不純物を注入・拡散して、ＰＤ２を形成する。そして、図２（ａ）に示すように、ＰＤ２等が形成された半導体基板１上に、光透過性の絶縁性材料で、第１の層間絶縁膜５を形成してその表面を平坦化する。
【００２４】
次に、平面である第１の層間絶縁膜５の表面に、光非透過性の材料で薄膜３ａを形成する。より具体的には、例えば、ＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法により、タングステンや銅やアルミニウム等の金属薄膜を形成する。そして、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、薄膜３ａ上にレジストパターン８を形成する。そして、レジストパターン８から露出した薄膜３ａをエッチングすることによって、図２（ｃ）に示す遮光膜３を形成する。
【００２５】
次に、オンチップレンズ４に対する遮光膜３の位置ずれ量（オフセット量）を測定する。具体的には、ＰＤ２の中心から遮光膜３の開口中心までの、ｘ軸方向またはｙ軸方向の距離ｐを求める。なお、一般的にはレジストパターニング時に位置ずれを測定するが、遮光膜３は光を通さないために、ＰＤ２の位置合わせパターンが見えない場合がある。よって、薄膜３ａを選択的にエッチングすることによって遮光膜３の開口７を形成した後に、位置ずれ量の測定を行うことが望ましい。
【００２６】
測定によりｘ軸（ｙ軸）方向に距離ｐのずれか検出されたとすると、ＰＤ２の外縁のうちｘ軸（ｙ軸）と平行な一辺の長さａおよび、開口７の内縁のうちｘ軸（ｙ軸）と平行な一辺の長さｂに基づいて、オンチップレンズ４を形成する位置を算出する。算出方法については後述するが、レンズ中心ｒは、ＰＤ２と開口７とをｘｙ平面に投影したときに重畳した領域Ｒの中心になる。
【００２７】
次に、図２（ｄ）に示すように、遮光膜３上に、表面を平坦化した第２の層間絶縁膜６を形成し、先に求めた位置にオンチップレンズ４を形成する。オンチップレンズ４の形成方法は特に限定されないが、例えば、次のような方法がある。まず、第２の層間絶縁膜６の上にレンズ材料層を形成し、その上にレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンを溶融してレンズ形状にした後に、このレンズ形状のレジストパターンをマスクにしながら、レンズ形状のレジストパターンとレンズ材料層とをエッチングする。
【００２８】
次に、図３（ａ），（ｂ）を用いて、オンチップレンズ４を形成する位置の算出方法を説明する。測定により、図３（ａ）に示すように、ＰＤ中心ｏに対して開口中心ｑが、ｘ軸方向に距離ｐだけずれた位置で形成されていたことが検出され、ｙ軸方向へのずれは検出されなかったとする。この場合には、ＰＤ２の外縁のうちｘ軸と平行な一辺の長さａおよび、開口７の内縁のうちｘ軸と平行な一辺の長さｂに基づいて、次式（１），（２）により、図３（ｂ）に示す開口中心ｑからレンズ中心ｒまでの距離ｄを求める。上述したように、距離ｄの位置は、ＰＤ２と開口７とをｘｙ平面に投影したときに重畳した領域Ｒ（斜線ハッチングが施された領域）の中心になる。
【００２９】
（１）０＜ｐ＜｜ａ−ｂ｜／２のとき
ｄ＝−ｐ…（１）
よって、ＰＤ２の中心ｒを原点（ｘ，ｙ）＝（０，０）とするときに、オンチップレンズ４の中心も原点（０，０）になる。
【００３０】
（２）ｐ＞｜ａ−ｂ｜／２のとき、
ｄ＝−ａ／４＋ｂ／４＋ｐ／２…（２）
なお、ＰＤ２の中心位置を原点（ｘ，ｙ）＝（０，０）とすると、レンズ中心ｒの座標は（ａ／４−ｂ／４＋ｐ／２，０）になる。
【００３１】
なお、図３（ｂ）には、上式から求めた位置をレンズ中心ｒとするオンチップレンズ４の外縁を実線で、また、従来のように、開口中心ｑをレンズ中心としたオンチップレンズ４’の外縁を二点鎖線で示している。
【００３２】
以上説明したように、オンチップレンズ４を配置すれば、ＰＤ２に対して遮光膜３がずれた位置に形成されてしまった場合にも、有効入射角度の減少を抑制することができる。よって、本発明に係る製造方法によれば、画素の感度向上および入射光特性の改善を図ることができ、高い歩留まりで固体撮像装置を製造することができる。
【００３３】
なお、上記説明では、遮光膜３がｘ軸方向にずれた場合について説明したが、ｙ軸方向にずれた場合にも同様の計算を行ってオンチップレンズ４の位置決めをすればよいことは言うまでもない。
【００３４】
なお、受光領域内の、位置に依存する画素の感度ばらつきを抑制するために、受光領域の中心から離れるほど、開口７やオンチップレンズ４の配置間隔を狭くする「シュリンク」を施す場合がある。受光領域内の位置によって開口７やオンチップレンズ４の配置間隔を異ならせるときに本願発明を適用する場合には、開口７が等間隔に配置されていると仮定して、オンチップレンズ４の中心位置を求めればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法は、家庭用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラなど、ＭＯＳ型やＣＣＤ型のイメージセンサを備えた装置等で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る製造方法で製造した固体撮像装置の概略断面図および平面図
【図２】本発明に係る固体撮像装置の製造方法を説明する図
【図３】オンチップレンズの配置の決定方法を説明する図
【図４】理想的な配置で形成された固体撮像装置の概略断面図および平面図
【図５】ＭＯＳ型カメラの回路図の一例
【図６】従来の製造方法で製造した固体撮像装置の概略断面図および平面図
【符号の説明】
【００３７】
１    半導体基板
２    フォトダイオード（ＰＤ）
３    遮光膜
３ａ  薄膜
４    オンチップレンズ
５    第１の層間絶縁膜
６    第２の層間絶縁膜
７    開口
８  レジストパターン
１１  受光領域
１２  転送ゲート
１３  リセットトランジスタ
１４  増幅トランジスタ
１５  垂直信号線
１６  垂直ドライバ回路
１７  雑音抑制回路
１８  水平ドライバ回路
【図１】
2007059446.tif 000003
【図２】
2007059446.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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