(57)【要約】【課題】マイクロレンズの形状ばらつきを低減し、安定して再現性よく集光効率の高いマイクロレンズを提供する。また安定して、高感度で信頼性の高い、固体撮像素子を提供する。【解決手段】画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置される複数のレンズ面を備えたマイクロレンズであって、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた芯体部６１と、前記芯体部を覆うように設けられた第１の屈折率を有する凹面をもつ壁部６２と、前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するレンズ部６０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置される複数のレンズ面を備えたマイクロレンズであって、
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた芯体部と、前記芯体部を覆うように設けられた第１の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、
前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填され、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するレンズ部とを備えたマイクロレンズ。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記壁部は、塗布膜で構成されたマイクロレンズ。
【請求項３】
請求項２に記載のマイクロレンズであって、
前記芯体は、第１の樹脂で構成されたマイクロレンズ。
【請求項４】
請求項２に記載のマイクロレンズであって、
前記芯体は、無機膜で構成されたマイクロレンズ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記壁部は、第２の樹脂で構成されたマイクロレンズ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記壁部は、無機膜で構成されたマイクロレンズ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記レンズ部は、第３の樹脂で構成されたマイクロレンズ。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載のマイクロレンズであって、
前記レンズ部は、無機膜で構成されたマイクロレンズ。
【請求項９】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記壁部はＳＯＧ膜で構成され、前記レンズ部は高屈折率無機ポリマーで構成されたマイクロレンズ。
【請求項１０】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記壁部と、前記レンズ部との屈折率差が０．４以上であるマイクロレンズ。
【請求項１１】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記芯体部の屈折率が、前記壁部のそれよりも小さいマイクロレンズ。
【請求項１２】
請求項１に記載のマイクロレンズであって、
前記芯体部の断面形状が、順テーパ状をなすマイクロレンズ。
【請求項１３】
画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置され、複数のレンズ面を備えたマイクロレンズの製造方法であって、
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状の芯体パターンを形成する工程と、
塗布膜によって、前記芯体部を被覆し、第１の屈折率を有し、所望の曲率で湾曲した凹面をもつ壁部を形成する工程と、
前記壁部で囲まれた各領域に第２の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のマイクロレンズの製造方法であって、
前記レンズ部を形成する工程に先立ち、前記壁部および前記芯体部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載のマイクロレンズの製造方法であって、
前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含むマイクロレンズの製造方法。
【請求項１６】
画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、
請求項１乃至１２のいずれかに記載のマイクロレンズを搭載した固体撮像素子。
【請求項１７】
画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた芯体部と、前記芯体部を覆うように設けられた第１の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、
前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填され、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するレンズ部とを備えたマイクロレンズが前記光電変換領域に対応するように位置あわせして、固定する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項１８】
基体の表面に、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成する工程と、
前記基体上で、前記各光電変換領域に、マイクロレンズを形成する工程とを含み、
前記マイクロレンズを形成する工程が、
前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状の芯体部を形成する工程と、
塗布膜によって、前記芯体部を被覆し、第１の屈折率を有し、所望の曲率で湾曲した凹面をもつ壁部を形成する工程と、
前記壁部で囲まれた領域に第２の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記レンズ部を形成する工程に先立ち、前記芯体部および前記壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含む固体撮像素子の製造方法法。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記壁部を形成する工程は、前記芯体部の屈折率よりも大きくなるように形成する工程を含む固体撮像素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項１８乃至２０のいずれかに記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記芯体部を形成する工程は、断面形状が順テーパとなるように形状加工する工程を含む固体撮像素子の製造方法法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ、その製造方法、これを用いた固体撮像素子およびその製造方法にかかり、特にマイクロレンズの形状制御に関する。
【０００２】
エリアセンサ等に用いられるＣＣＤを用いた固体撮像素子は、フォトダイオードなどからなる光電変換部と、この光電変換部からの信号電荷を転送するための電荷転送電極を備えた電荷転送部とを有する。電荷転送電極は、半導体基板に形成された電荷転送路上に複数個隣接して配置され、順次駆動される。
【０００３】
近年、カメラの小型化に伴い、固体撮像素子においては、高解像度化、高感度化への要求は高まる一方であり、ギガピクセル以上まで撮像画素数の増加が進んでいる。
【０００４】
そこで、感度を向上させるために、画素表面にマイクロレンズを設け、フォトダイオードへの集光効率を高める構造が種々提案されている。
【０００５】
そのひとつに例えば、図１３に示すように光電変換部を構成するフォトダイオード部３０の直上位置の平坦化層上にパッシベーション膜を兼ねた層内レンズを形成し、さらにその上層に平坦化膜(透光性膜)、カラーフィルタ、平坦化膜、オンチップレンズ６０とを順次形成した構造が提案されている。
【０００６】
従来、オンチップレンズ６０を用いた固体撮像素子を製造するに際しては、マイクロレンズ母材である透明熱軟化性樹脂からなるマイクロレンズパターンを、フォトリソグラフィ技術を用いて光電変換部上に形成した後、加熱を行いマイクロレンズパターンを熱リフローさせてマイクロレンズを形成する。
【０００７】
ところで、レンズとレンズの間の領域は、そこを通る光がフォトダイオード上に導かれないため、光電変換に寄与しない無効エリアとなってしまう。そこでレンズ間隔を狭くする方法としては、平坦化膜上において間隔をあけた状態で物質をレンズ形状に加工し、これを膨張させることによってレンズ間隔が0となるようにする方法が提案されている（特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２５２３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述したマイクロレンズの製造工程においては、熱軟化性の透光性材料からなるマイクロレンズパターンを熱により軟化させて形成するので、得られるマイクロレンズの形状は、マイクロレンズ母材の熱履歴、平坦化層の表面状態、マイクロレンズパターンの膜厚、寸法等により決定される。そのため、熱リフローの際の温度やマイクロレンズパターンの寸法・膜厚等のばらつきにより図１４に示すようにマイクロレンズ６０の形状にばらつきが発生する、例えば温度が１，２℃、時間が秒単位で変化しても大きく変動することになる。この上、マイクロレンズ形成後の熱履歴に対する再現性が低いため、レンズの高さも変動しやすく、集光性の高いレンズを再現性よく形成することができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、マイクロレンズの形状ばらつきを低減し、安定して再現性よく集光効率の高いマイクロレンズを提供することを目的とする。
また本発明は、安定して、高感度で信頼性の高い、固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置される複数のレンズ面を備えたマイクロレンズであって、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた芯体部と、前記芯体部を覆うように設けられた第１の屈折率を有する凹面をもつ壁部と、前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するレンズ部とを備えたことを特徴とする。
この構成により、あらかじめ形状加工のなされた芯体部を覆うように凹面をもつ壁部を形成しこの凹面に高屈折率材料を充填することにより、レンズ部が形成されるため、形状のばらつきを低減し、安定して一定の形状のマイクロレンズを提供することが可能となる。また、溶融工程を経ることなく、芯体表面に芯体部を覆う膜を形成し、この膜の表面張力を利用してあるいは芯体部との濡れ性を利用して湾曲面が形成されるため、高さのばらつきを低減することができ、高精度の形状加工が可能となる。
【００１２】
また、本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部が、塗布膜で構成されたものを含む。
この構成により、芯体表面に芯体部を覆う塗布膜を形成し、この塗布膜の表面張力を利用してあるいは芯体部との濡れ性を利用して湾曲面が形成されるため、高さのばらつきを低減することができ、高精度の形状加工が可能となる。レンズの厚さは主に芯体部の高さで制御することができ、レンズの曲率は前記壁部を構成する塗布膜の粘度でそれぞれ独立に制御することができる。
【００１３】
また、本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記芯体は、第１の樹脂で構成されたものを含む。
この構成により、塗布により容易に所望の形状を得ることができる。
【００１４】
また、本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記芯体は、無機膜で構成されたものを含む。
この構成により、機械的強度が大きく、経時変化に強い壁部を形成することが可能となる。
【００１５】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部が、第２の樹脂で構成されたものを含む。
この構成により、壁部が第１の樹脂からなる芯体を覆うように形成された第２の樹脂で構成されるため、溶融工程を経ることなく、塗布によって容易に形状制御が可能となる。この構成によれば、レンズ形状そのものを溶融によって得るようにしていた従来のマイクロレンズに比べ、壁のラウンド形状を芯体を覆う樹脂の表面張力で制御するのみでよいため、制御性が大幅に向上する。
【００１６】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部は、無機膜で構成されたものを含む。
この構成により、機械的強度が高く、信頼性の高いマイクロレンズを提供することが可能となる。この場合は、芯体を形成した後、この芯体を覆うようにＳＯＧ膜などの無機膜を塗布することにより壁部を形成しているため、この壁部を制御性よくかつ再現性よく形成することが可能となる。
【００１７】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記レンズ部は、第３の樹脂で構成されたものを含む。
この構成により、壁部に第３の樹脂を充填するのみでレンズ部を形成することができるため、容易に所望の光学特性をもつレンズ部を形成することが可能となる。
【００１８】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記レンズ部は、無機膜で構成されたものを含む。
この構成により、機械的強度の向上を図ることができる。特に壁部を無機膜で形成し、レンズ部も無機膜で形成することにより、機械的強度が大幅に向上する。
【００１９】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部が芯体を覆う酸化シリコン膜で構成され、前記レンズ部は窒化シリコン膜で構成されたものを含む。
この構成により、光学的特性、機械的強度が向上し、さらには酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との２層膜で素子部を覆っていることになり、絶縁性、耐湿性の向上をはかることができる。
【００２０】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、高屈折率無機ポリマーで構成されたものを含む。前記壁部はＳＯＧ膜で構成され、前記レンズ部は高屈折率無機ポリマーで構成されたものを含む。
この構成により、機械的強度および、耐湿性の向上をはかることができる。この高屈折率無機ポリマーとしては、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫などを添加した高屈折率無機ポリマーがあげられる。
【００２１】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記壁部と、前記レンズ部との屈折率差が０．４以上であるものを含む。
この構成により、集光特性をより高めることができる。
【００２２】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記芯体部の屈折率が、前記壁部のそれよりも小さいものを含む。
この構成により、壁部に入射した光が芯体部で全反射されることにより、固体撮像素子に入射した光をより効率よく光電変換することができる。また、隣接画素へ逃げてしまう光を抑止するため、混色を防止することができる。なお、芯体部は遮光部材で形成してもよい。
【００２３】
本発明は、上記マイクロレンズにおいて、前記芯体部の断面形状が、順テーパ状をなしているものを含む。
この構成により、芯体部と壁部の屈折率の比で決まる全反射の臨界角が同じでも、全反射可能な入射光の入射角を広くとることができ、高感度化をはかることができる。また、芯体部直上のフォトダイオードに入射できない領域が減少するため、高感度化をはかることができる。
【００２４】
本発明は、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置され、複数のレンズ面を備えたマイクロレンズの製造方法であって、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、第１の屈折率を有する格子状の芯体部を形成する工程と、前記芯体部を被覆し、第１の屈折率を有し、所望の曲率で湾曲した凹面をもつ壁部を形成する工程と、前記壁部内に第２の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含む。
この構成により、芯体部を覆うように、塗布膜を形成するなどの方法により所望の曲率で湾曲した凹面をもつ壁部を形成しているため、溶融法を用いることなく、形成することができ、制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
【００２５】
本発明は、上記マイクロレンズの製造方法において、前記レンズ部を形成する工程に先立ち、前記芯体および壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含む。
この構成により、上記方法にくらべ、さらに機械的強度の向上を図ることが可能となる。
【００２６】
本発明は、上記マイクロレンズの製造方法において、前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含む。
この構成により、表面が平坦であるため、層内レンズとしても適用可能となる。
【００２７】
本発明の固体撮像素子は、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、上記マイクロレンズを搭載している。
この構成により、安定して一定の形状をもつマイクロレンズが搭載されていることになり、特性ばらつきの抑制をはかり、信頼性の高い固体撮像素子を提供することが可能となる。
【００２８】
本発明は、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成した基体表面に、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状の芯体部を形成する工程と、前記芯体部を被覆し、第１の屈折率を有し、所望の曲率で湾曲した凹面をもつ壁部を形成する工程と、前記壁部の凹面に当接するように設けられ、前記壁部で囲まれた各領域に充填された、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有するレンズ部とを備えたマイクロレンズが前記光電変換領域に対応するように位置あわせして、固定する工程を含む。
この構成により、マイクロレンズを形成してから、固体撮像素子の形成された基体表面に貼着するようにしているため、固体撮像素子に損傷を与えることなく、形成することができる。
【００２９】
本発明は、基体の表面に、画素を構成する複数の光電変換領域を備えた光電変換部と、前記光電変換部で生起せしめられた電荷を転送する電荷転送電極を備えた電荷転送部と、前記電荷転送部に接続される配線層を含む周辺回路部とを形成する工程と、前記基体上で、前記各光電変換領域に、マイクロレンズを形成する工程とを含み、前記マイクロレンズを形成する工程が、前記マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状の芯体部を形成する工程と、前記芯体部を被覆し、第１の屈折率を有し、所望の曲率で湾曲した凹面をもつ壁部を形成する工程と、前記壁部内に第２の屈折率を有する部材を充填し、レンズ部を形成する工程とを含む。
この構成によれば、溶融法を用いることなく形成することができることから、制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
【００３０】
本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記レンズ部を形成する工程に先立ち、前記壁部と下地層とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記壁部の形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部を形成する工程を含む。
この構成によれば、所望の材料で下地層を構成することにより、転写によって形状加工することで極めて容易に制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
【００３１】
本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記レンズ部を形成する工程は、表面を平坦化する工程を含む。
この構成によれば、表面の平坦な固体撮像素子を制御性よく形成することができ、層内レンズとしても適用可能である。  
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、形状のばらつきを低減し、安定して所望の曲率をもつマイクロレンズを提供することが可能となる。従って、集光特性に優れ、高感度で信頼性の高い、固体撮像素子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】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１および２は、本発明の実施の形態１のマイクロレンズを搭載した固体撮像素子を示す図であり、図１は断面図、図２は平面模式図である。図１は、図２のＡ−Ａ線断面模式図を示す。
本実施の形態では、図１に示すように、画素を構成する複数の光電変換領域のそれぞれに対向するように配置される複数のレンズ面を備えたマイクロレンズＭを、マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、格子状に設けられた芯体部６１と、この芯体部６１を覆うように形成され、第１の屈折率を有する樹脂製の塗布膜で構成された凹面をもつ壁部６２と、前記壁部６２の凹面に当接するように設けられ、壁部で囲まれた各領域に充填された、第２の屈折率を有する樹脂製のレンズ部６０とを備えたことを特徴とする。レンズ部は、熱あるいは紫外線架橋性を有する高屈折率観光性樹脂で構成され、壁部６１よりも高屈折率を有する高屈折率感光性樹脂で構成され、上面が平坦な凹レンズを構成している。
【００３５】
高屈折率および感光性を有する材料膜としては、例えば可視光領域での屈折率が１．６程度のものが上げられる。具体的には、ポリイミド、ポリアルキルメタアクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルナフタレン、ポリビニルカルバゾールなどの１種または２種以上の混合物が挙げられる。また、さらに集光効率を向上するために、これらの材料よりも高い（望ましくは屈折率差が、０．４以上となるような）屈折率を有する材料、例えば、屈折率が２以上の材料、具体的には無機材料、さらには無機酸化物、より具体的には酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫などを添加してもよい。
【００３６】
これらの材料膜は周知のフォトリソグラフィおよびエッチング工程により、光電変換部の上部のみに残すことができる。
【００３７】
また、レンズ部、壁部の構造材は工程の簡略化のためには感光性材料を用いるのが望ましいが、屈折率、透光性、その他特性から感光性がない材料を選択せざるを得ない場合がある。その場合は周知のフォトリソ、エッチング工程を追加することによりパターニングすることが可能である。特にレンズ部に非感光性材料を用いる場合、本実施の形態ではレンズ部は壁部に沿って自己整合的に形成できるため、幾何学的に単純なパターニング工程を追加するだけでよい。これにより画素サイズが微細化するに従い要求が厳しくなる光電変換部とレンズの重ね合わせ精度やレンズの線幅精度を落とすことがなく、集光効率を左右するレンズ材に非感光性材料を選択することができる。具体的には複数の光電変換部位からなる画素領域全面に材料膜を残し、パッドなどの周辺回路部の材料膜のみを除去すればよい。
【００３８】
マイクロレンズ以外の領域については通例の構造をなすものであるが、マイクロレンズの形成方法の説明に先立ち、まず、固体撮像素子について説明する。ここで用いられる固体撮像素子においては、ｎ型のシリコン基板１表面部に光電変換部であるフォトダイオード３０が配列形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図２中のＹ方向）に転送するための電荷転送部４０が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。そして、奇数列のフォトダイオード列が、偶数列のフォトダイオード列に対して、列方向に配列されるフォトダイオード３０の配列ピッチの略１／２列方向にずれるように形成されている。
【００３９】
電荷転送部４０は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された電荷転送電極３（第１層電極３ａ、第２層電極３ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域３４とを含む。電荷転送電極３は、行方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向（図２中のＸ方向）に延在する蛇行形状となっている。ここで電荷転送電極３は第１層電極上に電極間絶縁膜を介して第２層電極を形成しＣＭＰにより平坦化して単層電極構造としたものであるが、単層電極構造に限らず、第１層電極の一部を第２層電極が覆うように形成した二層電極構造であっても良い。
【００４０】
図１に示すように、シリコン基板１の表面にはｐウェル層１Ｐが形成され、ｐウェル層１Ｐ内に、ｐｎ接合を形成するｎ領域３０ｂが形成されると共に表面にｐ領域３０ａが形成され、フォトダイオード３０を構成しており、このフォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。
【００４１】
そしてこのフォトダイオード３０には、少し離間して（図１では右方に）ｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成される。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層１Ｐに電荷読み出し領域３４が形成される。
【００４２】
シリコン基板１表面にはゲート酸化膜２が形成され、電荷読み出し領域３４と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート酸化膜２を介して、第１の電極３ａと第２の電極３ｂが形成される。第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間は電極間絶縁膜５が形成されている。垂直転送チャネル３３に隣接して（図１では右方に）ｐ＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離がなされている。
【００４３】
電荷転送電極３の上層には酸化シリコン膜などの絶縁膜６、反射防止層７が形成され、更にその上に遮光膜８、ＢＰＳＧ（borophospho  silicate  glass）からなる絶縁膜、９、Ｐ−ＳｉＮからなる絶縁膜（パッシベーション膜）１０、酸化シリコン膜からなるフィルタ下平坦化膜１１が形成されている。遮光膜８は、フォトダイオード３０の開口部分を除いて設けられる。そしてカラーフィルタ５０の上層には、絶縁性の透明樹脂等からなるフィルタ上平坦化膜５１が設けられる。そしてこの上層にマイクロレンズＭが設けられている。
【００４４】
本実施の形態の固体撮像素子は、フォトダイオード３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が図示しない水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）によって行方向に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が図示しないアンプから出力されるように構成されている。すなわちシリコン基板１上に、光電変換部、電荷転送部、ＨＣＣＤ、及びアンプを含む領域である固体撮像素子部と、固体撮像素子の周辺回路（ＰＡＤ部等）が形成される領域である周辺回路部とが形成されて固体撮像素子を構成している。
【００４５】
上記構成によれば、あらかじめ形状加工のなされた壁部６２に樹脂を充填することにより、レンズ部６０が形成されるため、形状のばらつきを低減し、安定して一定の形状のマイクロレンズを提供することが可能となる。また壁部６２が芯体部６１を覆うように形成された樹脂で構成されるため、溶融工程を経ることなく塗布によって容易に形状制御が可能となる。従ってレンズ形状そのものを溶融によって得るようにしていた従来のマイクロレンズに比べ、表面のラウンド形状を良好に制御することができ、制御性が大幅に向上する。
【００４６】
次に上述した固体撮像素子の製造工程を説明する。
この方法では、マイクロレンズのレンズ面の形成ピッチに対応して各レンズのレンズ間領域に起立するように、第１の樹脂からなる格子状の芯体部６１を形成し、この芯体部６１を覆うように第２の樹脂からなる塗布膜６２を形成することにより、凹面をもつ壁部を構成するように形状加工を行った後、この壁部内に第３の樹脂を充填し、レンズ部６０を形成するようにしたことを特徴とする。
製造に際しては、マイクロレンズの製造方法以外は通例の方法が用いられるが、まず、カラーフィルタ形成までの製造工程について説明する。
ｎ型のシリコン基板１表面に、不純物を導入し、ｐウェル層１Ｐ、電荷転送チャネル３３、電荷読み出し領域３４、チャネルストップ層３２などを形成した後、ゲート酸化膜２を成膜する。続いて、このゲート酸化膜２上に、第１層電極３ａを構成する第１導電性膜を成膜し、パターニングを行って第１層電極３ａ及び周辺回路の配線を形成する。次に、第１層電極３ａの周囲に酸化シリコン膜からなる絶縁膜５を成膜し、その上に第２層電極３ｂを構成する第２導電性膜を成膜する。次に、ＣＭＰにより第２導電性膜３ｂの平坦化を行い、パターニングし、第２層電極３ｂを形成する。次に、これら電荷転送電極３を覆うように絶縁膜６を成膜した後、フォトダイオード領域のｎ領域３０ｂおよびｐ領域３０ａを形成するとともに、反射防止膜を形成し、さらにフォトダイオード領域の受光領域に開口するようにタングステン膜などにより遮光膜８を形成する。次に、絶縁膜９を成膜し、これを高温リフローにより平坦化を行う。
【００４７】
次に、この絶縁膜９の周辺回路上部にコンタクトホールを形成した後、アルミニウムなどの金属膜を成膜し、パターニングしてボンディングパッド（図示せず）を形成する。そして、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜からなるパッシベーション膜１０を成膜し、ボンディングパッド上のパッシベーション膜を選択的にエッチング除去して開口を形成し、ボンディングパッドを露出させる。この後、Ｈ２を含む不活性ガス雰囲気内でシンタリングを行った後、スピンコート又はスキャンコート法により、膜厚０．５〜２．０μｍの平坦化膜１１を成膜する。ここでは他の平坦化膜との混同を避けるために、この平坦化膜をフィルタ下平坦化膜１１と指称する。そして順次カラーフィルタ層５０Ｇ，５０Ｂ，５０Ｒ、フィルタ上平坦化膜５１を形成する。ここまでの製造工程は、通例の方法である。このフィルタ下平坦化膜１１としては、可視光に対して透明なレジスト材料（例えば、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ株式会社製Ｃシリーズ）を用いる。ただし、カラーフィルタ層のフィルタ母材層の成膜工程が高温となる場合は、フィルタ下平坦化膜は有機膜ではなく酸化シリコン膜などの無機膜であってもよい。また、下層の凹凸が少ない場合にはフィルタ下平坦化膜はなくてもよい。
【００４８】
次に、マイクロレンズの製造工程について図面を参照して詳細に説明する。
図３（ａ）乃至（ｄ）はマイクロレンズの製造工程を示す図である。ここでは簡略化のためにフィルタ上平坦化膜５１を含む、絶縁膜９などの領域を中間層７０として示す。
【００４９】
まず、図３（ａ）に示すように、光電変換部３０および電荷転送部４０の形成された固体撮像素子基板上の中間層７０上に、レジストを塗布する。そしてフォトリソグラフィによるパターニングを経て、図３（ｂ）に示すように、幅２，３ミクロン、高さ１ミクロンの格子状をなすように（図７参照）パターニングし、第１のレジストからなる芯体部６１を形成する。この格子サイズは画素サイズの微細化に伴い、周知のフォトリソグラフィ技術を使って微細化することが可能である。また、周知のフォトリソグラフィ技術を使って芯体部の断面形状を順テーパにすることで、入射光が前反射する条件を広げ、また芯体部頂上の集光に寄与しない領域の面積を少なくすることで、いずれもフォトダイオードへの集光効率を向上することができる。
この後、図３（ｃ）に示すように、第１のレジストからなる芯体部６１のまわりを、所望の湾曲形状をもつように第２のレジストを塗布し、所望の形状の凹部をもつ第２のレジストパターンで被覆して壁部６２を得る。
【００５０】
このようにして、得られた壁部６２の凹部に、より屈折率の高い材料である高屈折率感光性樹脂（第３の樹脂）を充填し、図３（ｄ）に示すように、レンズ部６０を形成する。
【００５１】
このように、本実施の形態の方法によれば、制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
【００５２】
又、本実施の形態では、フォトダイオードがハニカム状に配設された構成の固体撮像素子について説明したが、これに限定されることなく、複数のフォトダイオードが正方格子状に配設された構成の固体撮像素子にも本発明を適用可能である。
【００５３】
なお前記実施の形態１では、壁部６２を形成するための芯体部となるレジストパターンを、図９に示したように格子状をなすようにパターニングしたが、材料の選択によっては、別の形状にパターニングし、これを第２のレジストパターンで被覆した方が、よりばらつきなしに集光特性の良好なレンズ面を形成することが可能となる場合もある。
【００５４】
例えばこの変形例として、図１０に示すように、格子状の中間部と太くした形状がある。この場合は第２のレジストパターンなどの塗布膜（６２）を形成したとき、中間部が先に接触し、ここで塗布膜の先端の流動が停止するため、より曲率半径の小さい曲面を形成することができる。
【００５５】
また他の変形例として、図１１に示すように、円形部分を残して第１のレジストパターンなどで構成される芯体部６１を形状加工したものも有効である。この場合は第２のレジストパターンなどの塗布膜で被覆したとき、均一に流動し下地表面での流動距離が等しい状態で下地表面での流動が停止するため、よりばらつきの少ない曲面を形成することができる。
【００５６】
また他の変形例として、図１２に示すように、八角形部分を残して第１のレジストパターンなどで構成される芯体部６１を形状加工したものも有効である。この場合は八角形状のフォトダイオードに対応してフォトダイオード上での塗布膜の流動距離が均一となることにより、よりばらつきの低減を図ることが可能となる。
【００５７】
さらにまた、塗布膜としては芯体部を覆うように第２の樹脂からなるレジストパターンで被覆したが、ＳＯＧなどの無機膜を塗布形成しても良い。さらにはＣＶＤ法により、芯体部を覆う膜を成膜してもよい。加えて、レンズ面を構成する充填物としては、樹脂に代えて、この壁部内に、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫などを添加した高屈折率無機ポリマーなどの無機膜を充填してもよい。
【００５８】
（実施の形態２）
前記実施の形態１では壁部を樹脂で構成したが、本実施の形態では、図４に示すように、壁部を酸化シリコン膜６４即ち無機膜で構成したことを特徴とするものである。またレンズ部は窒化シリコン膜６３で構成する。この構成で形成されるレンズはカラーフィルタ下の層内レンズとして適用可能である。他は前記実施の形態１で示した固体撮像素子と同様に形成されている。
製造に際しては、下地層としてＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜６４を形成しこの上層に、前記実施の形態１において図３に示した工程と同様にして芯体部６１に相当するレジストパターンＲ１の形状加工を行った後、壁部に相当する第２のレジストパターンＲ２で被覆しこれをマスクとして、このレジストパターンＲ１，Ｒ２と下地層としての酸化シリコン６４とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件で、エッチングを行い、前記レジストパターンの形状を前記下地層に転写し下地層からなる壁部６４を形成するようにしたものである。
この構成によれば、所望の材料で下地層を構成することにより、転写によって形状加工することで極めて容易に制御性よく壁部を形状加工することができ、ばらつきの低減をはかり、高精度で信頼性の高いマイクロレンズを再現性よく形成することが可能となる。
【００５９】
次にこのマイクロレンズの製造工程について説明する。
図５（ａ）乃至（ｄ）はマイクロレンズの製造工程を示す図である。ここでも簡略化のためにフィルタ上平坦化膜５１を含む、絶縁膜９などの領域を中間層７０として示す。
【００６０】
まず、図５（ａ）に示すように、光電変換部３０および電荷転送部４０の形成された固体撮像素子基板上の中間層７０上に、下地層としてＣＶＤ法により酸化シリコン膜６２を形成し、この上層にフォトレジストＲ１を塗布する。そしてフォトリソグラフィによるパターニングを経て、図５（ｂ）に示すように、幅２，３ミクロン、高さ１ミクロンの格子状をなすようにパターニングする。
この後、第２のレジストパターンを塗布し、図５（ｃ）に示すように、所望の湾曲形状をもつようにこのレジストＲ２のパターンを成形する。
【００６１】
このようにして、得られたレジストＲ１，Ｒ２のパターンをマスクとして、このレジストＲ２と酸化シリコン膜とのエッチング速度が等しくなるようなエッチング条件でエッチバックを行い、レジストＲ１，Ｒ２のパターンを酸化シリコンに転写し、図５（ｄ）に示すように、壁部６４を形成する。
【００６２】
そして、図６（ａ）に示すように、この壁部６２上にＣＶＤ法に窒化シリコン膜６３を形成する。
さらに図６（ｂ）に示すように、この上層にレジストＲ３を塗布し平坦化する。
そして図６（ｃ）に示すように、レジストエッチバックを行い表面を平坦化することにより、酸化シリコン膜からなる壁部６４の凹面に窒化シリコン膜６３を充填することによって得られたマイクロレンズが完成する。
【００６３】
本実施の形態では、マイクロレンズを、酸化シリコン膜で構成された壁部の凹部に、窒化シリコン膜を充填してレンズ部６３を構成しているため、製造ばらつきが抑制される上、光学的特性、機械的強度が向上する。また酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との２層膜で素子部を覆っていることになり、絶縁性、耐湿性の向上をはかることができる。
【００６４】
また、設計段階で、壁部を形成するための流動化前のレジストパターンと塗布工程とをシミュレーションし、材料に応じた最適パターンを決定するようにすれば、画素の構造が複雑になっても、レンズを容易に高品質化することも可能となる。
【００６５】
また、前記実施の形態では、半導体基板上に固体撮像素子を形成した後この上層にマイクロレンズを形成したが、マイクロレンズ層とを別体として形成し、これを固体撮像素子基板上に貼着するようにしてもよい。
【００６６】
（実施の形態３）
前記実施の形態１では壁部を樹脂で構成したが、本実施の形態では、図７に示すように酸化シリコン膜からなる芯体部６５をＳＯＧ膜などの塗布膜６６で被覆することにより、壁部を構成し、この凹部に酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫などを添加した高屈折率無機ポリマーからなるレンズ部６３を充填したものである。他は前記実施の形態１で示した固体撮像素子と同様に形成されている。図8（ａ）乃至(ｄ)にその製造工程を示す。
【００６７】
製造に際しては、図８（ａ）に示すようにＣＶＤ法により、中間層７０の形成された基板表面に酸化シリコン膜６５を形成し、フォトリソグラフィによりパターニングし図８(ｂ)に示すように酸化シリコン膜６５からなる格子状の芯体部を形成する。そして図８(ｃ)に示すようにこの芯体部を覆うようにＳＯＧ膜６６を形成し所望の凹部を得る。
そして図８(ｄ)に示すようにこの凹部内に窒化シリコン膜などの高屈折率膜からなるレンズ部６３を形成する。
この構成によれば、無機膜によってレンズを制御性よく形成することができ、信頼性の向上をはかることが可能となる。
また、芯体部は矩形パターンに限定されることなく、等方性エッチングを利用して傾斜面を持つように形成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明のマイクロレンズによれば、形状ばらつきを低減し、高品質化をはかることができることから、携帯などの電子機器における固体撮像素子用のカラーフィルタとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態１のマイクロレンズを用いた固体撮像素子の構造説明図
【図２】本発明の実施の形態１の固体撮像素子の平面図
【図３】本実施の形態１の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図４】本発明の実施の形態２のマイクロレンズを用いた固体撮像素子の構造説明図
【図５】本発明の実施の形態２の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図６】本発明の実施の形態２の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図７】本発明の実施の形態３の固体撮像素子を示す図
【図８】本発明の実施の形態３の固体撮像素子の製造工程を示す図
【図９】本発明の実施の形態１のマイクロレンズの形状加工に用いられるレジストパターンを示す図
【図１０】本発明の実施の形態１のマイクロレンズの形状加工に用いられるレジストパターンの変形例を示す図
【図１１】本発明の実施の形態１のマイクロレンズの形状加工に用いられるレジストパターンの変形例を示す図
【図１２】本発明の実施の形態１のマイクロレンズの形状加工に用いられるレジストパターンの変形例を示す図
【図１３】従来例の固体撮像素子を示す図
【図１４】従来例の固体撮像素子を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１  ｎ型シリコン基板
２  ゲート酸化膜
３ａ  第１の電極
３ｂ  第２の電極
５  電極間絶縁膜
６  絶縁膜
７  反射防止層
８  遮光膜
９  絶縁（ＢＰＳＧ）膜
１０  パッシベーション膜
１１  平坦化膜
５０Ｂ，５０Ｒ，５０Ｇ  カラーフィルタ
５１  フィルタ上平坦化膜
６０  マイクロレンズ（レンズ部）
６１  芯体部
６２  壁部
６３  レンズ部
６４  壁部
６５  芯体部
６６  壁部
７０  フィルタ上平坦化膜51を含む絶縁膜9などの領域を示す中間層
８０  絶縁膜9を含む領域を示す中間層
Ｒ１  レジストパターン
Ｒ２  レジストパターン
Ｒ３  レジストパターン
【図１】
2007208059.tif 000003
【図２】
2007208059.tif 000004
【図３】
2007208059.tif 000005
【図４】
2007208059.tif 000006
【図５】
2007208059.tif 000007
【図６】
2007208059.tif 000008
【図７】
2007208059.tif 000009
【図８】
2007208059.tif 000010
【図９】
2007208059.tif 000011
【図１０】
2007208059.tif 000012
【図１１】
2007208059.tif 000013
【図１２】
2007208059.tif 000014
【図１３】
2007208059.tif 000015
【図１４】
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