(57)【要約】【課題】受光部との間隔を広げずに形成され、各透過光の波長に対応した半値幅を有する層内レンズを備えた固体撮像装置およびその製造方法を得ること。【解決手段】半導体基板１１表面にマトリクス状に配列された複数の受光部１３と、半導体基板表面を覆い、受光部に対応した位置に開口部１７ｂが形成された遮光膜１７と、受光部で受光する光の波長を選択する複数色のカラーフィルタ２３と、受光部に対応してカラーフィルタ上に配置されたマイクロレンズ２４と、カラーフィルタと受光部との間の層間絶縁膜１８内に受光部に対応して配置された、受光部側に向かって凸の形状を有する層内レンズ２０とを備え、複数の受光部のうちの少なくとも一部の受光部を挟むように、遮光膜上に一対のレンズ制御層が形成され、受光部で受光する光の波長に応じて、レンズ制御層の形成間隔が異なり、層内レンズの半値幅が異なっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面にマトリクス状に配列された複数の受光部と、
前記半導体基板表面を覆い、前記受光部に対応した位置に開口部が形成された遮光膜と、
前記受光部に対応した位置に配置された前記受光部で受光する光の波長を選択する複数色のカラーフィルタと、
前記受光部に対応して前記カラーフィルタ上に配置されたマイクロレンズと、
前記カラーフィルタと前記受光部との間の層間絶縁膜内に前記受光部に対応して配置された、前記受光部側に向かって凸の形状を有する層内レンズとを備え、
前記複数の受光部のうちの少なくとも一部の受光部を挟むように、前記遮光膜上に一対のレンズ制御層が形成され、
前記受光部で受光する光の波長に応じて、前記レンズ制御層の形成間隔が異なり、前記層内レンズの半値幅が異なっていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記受光部で受光する光の波長が長いほど、前記レンズ制御層の形成間隔が大きく、前記層内レンズの半値幅が大きく形成されている請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記レンズ制御層が導電性を備え、前記転送ゲート電極と電気的に接続されている請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記レンズ制御層の前記受光部側の側面が傾斜面となっている請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記レンズ制御層の厚さが８０〜１２０ｎｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
半導体基板表面にマトリクス状に複数の受光部を形成する工程と、
前記受光部に対応する位置に開口部を有する遮光膜を前記半導体基板上に形成する工程と、
前記遮光膜上に前記受光部を挟むように一対のレンズ制御層を形成する工程と、
前記受光部と前記遮光膜と前記レンズ制御層を覆うように層間絶縁膜を形成した後、前記層間絶縁膜をリフローする工程と、
前記層間絶縁膜上に層内レンズを形成する工程と、
前記受光部の配置位置に対応する位置に、前記受光部で受光する光の波長を選択するカラーフィルタを形成する工程と、
前記カラーフィルタ上に前記受光部に対応してマイクロレンズを形成する工程とを備え、
前記受光部で受光する光の波長に応じて、前記レンズ制御層の形成間隔が異なり、前記層間レンズの半値幅が異なって形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項７】
前記受光部で受光する光の波長が長いほど、前記レンズ制御層の形成間隔が大きく、前記層内レンズの半値幅が大きく形成される請求項６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関するものであり、特に、受光部とカラーフィルタとの間の層間絶縁膜内に、下に凸の形状の層内レンズを有する固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置では、シリコン基板に形成されたＣＣＤやＣＭＯＳなどの受光部の上方に、受光色を選別するための赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタが配列されていて、各色の画素を形成している。また、カラーフィルタ上には、受光感度を向上させるためのマイクロレンズが、それぞれの受光部に対応して形成され、受光部の開口率を実効的に向上させている。
【０００３】
近年、固体撮像装置の解像度向上のため、撮像素子の微細化が進み受光部の大きさが小さくなっている。受光部の大きさが小さくなると、カラーフィルタ上のマイクロレンズの径も小さくなってしまうため、マイクロレンズだけで集光効率を向上することには限界がある。このため、カラーフィルタと受光部との間の層間絶縁膜内に、上に凸、または、下に凸の形状を有するレンズを形成することが行われている。
【０００４】
このような層間絶縁膜内の層内レンズを有する固体撮像装置において、受光波長域の違いから生じる集光特性の差異を解消するため、受光部で受光する光の波長に応じて層内レンズの曲率を変えることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
図１５は、特許文献１に記載された、受光部の受光色に応じて曲率の異なる層内レンズが形成された従来の固体撮像装置の構成を示す要部拡大断面図である。
【０００６】
図１５に示すように、従来の固体撮像装置５００は、半導体基板１０１の表面に受光部１０２（１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ）と、電荷転送部１０３が形成され、受光部１０２と電荷転送部１０３を含めた半導体基板１０１表面を覆うように、ゲート絶縁膜１０４が形成されている。
【０００７】
ゲート絶縁膜１０４を介した電荷転送部１０３上には、転送ゲート電極１０５が形成され、絶縁膜１０６を介して、遮光膜１０７が形成される。遮光膜１０７は、受光部１０２に対応する部分に開口部１０７ｂが形成されていて、受光部１０２上に対応する位置のゲート絶縁膜１０４は遮光膜１０７で覆われていない。
【０００８】
遮光膜１０７と、受光部１０２上に対応するゲート絶縁膜１０４を覆うように、層間絶縁膜１０８が形成され、層間絶縁膜１０８の受光部１０２上に対応する部分には、下に凸となるような凹みが形成されている。層間絶縁膜１０８上には、光屈折率の高い材料が形成され、下に凸の形状の層内レンズ１０９（１０９Ｒ、１０９Ｇ、１０９Ｂ）が形成されている。また、下に凸の形状の層内レンズ１０９の上面には上に凸の層間レンズ１１０が形成され、平坦化膜１１１を介して、赤色フィルタ１１２Ｒ、緑色フィルタ１１２Ｇ、青色フィルタ１１２Ｂからなるカラーフィルタ１１２が形成され、さらにその上面には上に凸のマルチレンズ１１３が形成されている。
【０００９】
図１５に示す従来の固体撮像装置５００では、層間絶縁膜１０８の形成後に、層間絶縁膜１０８の、緑色光受光部１０２Ｇ上と青色光受光部１０２Ｂ上の部分に、異なる濃度の不純物イオンを注入してその後リフローを行い、層間絶縁膜１０８の凹みの曲率を変化させている。具体的には、緑色光受光部１０２Ｇ上の部分よりも青色光受光部１０２Ｂ上の部分へのイオン注入濃度を高くし、赤色受光部１０２Ｒ上の部分にはイオンを注入しないことで、赤色光受光部１０２Ｒ上、緑色光受光部１０２Ｇ上、青色光受光部１０２Ｂ上の順に層間絶縁膜の曲率半径が小さくなるようにしている。この結果、層間絶縁膜１０８上に形成される下に凸の層内レンズ１０９の形状は、赤色光透過レンズ１０９Ｒ、緑色光透過レンズ１０９Ｇ、青色光透過レンズ１０９Ｂの順にその曲率半径が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１５１６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来の固体撮像装置５００は、透過光の波長が短くなるほど層内レンズ１０９の曲率半径を小さく形成することで、透過光の波長特性による集光効率の差異を吸収して焦点位置を揃えることができる。この結果、散乱光によって生じるスミアを低減すると共に、感度の向上を図ることができるものである。
【００１２】
しかし、上記従来の固体撮像装置５００では、層内レンズ１０９の曲率半径の調整を、層間絶縁膜１０８のリフロー時に注入される不純物イオンの濃度を調整することによって行っているため、層内レンズ１０９の曲率を変えるのと同時に層内レンズ１０９の下端部と受光部１０２との間隔が変化する。具体的には、不純物イオンを注入しない赤色光透過レンズ１０９Ｒと赤色光受光部１０２Ｒとの距離に比べて、緑色光透過レンズ１０９Ｇと緑色光受光部１０２Ｇとの間隔が、さらに、青色光透過レンズ１０９Ｂと青色光受光部１０２Ｂとの間隔がより大きくなってしまう。このように、層内レンズ１０９と受光部１０２との間隔が広がると、層内レンズ１０９を透過した後の散乱光が生じてスミアが発生しやすくなる。
【００１３】
また、層間絶縁膜１０８の凹部形状を変化させるためには、１ｅ20ａｔｍ／ｃｍ3程度もの不純物濃度が必要となり、このような大量の不純物を、各色受光部上に位置する層間絶縁膜１０８に異なる濃度で注入することにより、受光部表面への不純物の不均一な拡散が生じてデバイス特性が変化するおそれがある。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決し、受光部とカラーフィルタとの間に層内レンズを備えた固体撮像装置において、受光部との間隔を広げずに形成され、各透過光の波長に対応した半値幅を有する層内レンズを備えた固体撮像装置およびその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、半導体基板表面にマトリクス状に配列された複数の受光部と、前記半導体基板表面を覆い、前記受光部に対応した位置に開口部が形成された遮光膜と、前記受光部に対応した位置に配置された前記受光部で受光する光の波長を選択する複数色のカラーフィルタと、前記受光部に対応して前記カラーフィルタ上に配置されたマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記受光部との間の層間絶縁膜内に前記受光部に対応して配置された、前記受光部側に向かって凸の形状を有する層内レンズとを備え、前記複数の受光部のうちの少なくとも一部の受光部を挟むように、前記遮光膜上に一対のレンズ制御層が形成され、前記受光部で受光する光の波長に応じて、前記レンズ制御層の形成間隔が異なり、前記層内レンズの半値幅が異なっていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板表面にマトリクス状に複数の受光部を形成する工程と、前記受光部に対応する位置に開口部を有する遮光膜を前記半導体基板上に形成する工程と、前記遮光膜上に前記受光部を挟むように一対のレンズ制御層を形成する工程と、前記受光部と前記遮光膜と前記レンズ制御層を覆うように層間絶縁膜を形成した後、前記層間絶縁膜をリフローする工程と、前記層間絶縁膜上に層内レンズを形成する工程と、前記受光部の配置位置に対応する位置に、前記受光部で受光する光の波長を選択するカラーフィルタを形成する工程と、前記カラーフィルタ上に前記受光部に対応してマイクロレンズを形成する工程とを備え、前記受光部で受光する光の波長に応じて、前記レンズ制御層の形成間隔が異なり、前記層間レンズの半値幅が異なって形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体撮像装置は、遮光膜上に受光部を挟むように一対のレンズ制御層が形成され、受光部で受光する光の波長に応じて、レンズ制御層の形成間隔が異なり、層内レンズの半値幅が異なっている。このため、透過する光の波長に応じた集光特性を有する層内レンズを実現でき、スミアの発生を抑えた高感度の固体撮像装置を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、遮光膜上に受光部を挟むように一対のレンズ制御層を形成する工程を備え、受光部で受光する光の波長に応じてレンズ制御層の形成間隔が異なり、層間レンズの半値幅が異なって形成されるため、各透過光の波長に対応した半値幅を有する層内レンズを備えた固体撮像装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の概略の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の断面構成を示す要部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、最初のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、２番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、３番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図６】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、３番目のステップの状態を示す要部拡大平面図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、４番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、５番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図９】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、６番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図１０】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、７番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図１１】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の、８番目のステップの状態を示す要部拡大断面図である。
【図１２】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の第１の変形例の断面構成を示す要部拡大断面図である。
【図１３】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の第２の変形例の断面構成を示す要部拡大断面図である。
【図１４】本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の第２の変形例の概略の構成を示す要部拡大平面図である。
【図１５】従来の固体撮像装置の断面構成を示す要部断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の固体撮像装置は、半導体基板表面にマトリクス状に配列された複数の受光部と、前記半導体基板表面を覆い、前記受光部に対応した位置に開口部が形成された遮光膜と、前記受光部に対応した位置に配置された前記受光部で受光する光の波長を選択する複数色のカラーフィルタと、前記受光部に対応して前記カラーフィルタ上に配置されたマイクロレンズと、前記カラーフィルタと前記受光部との間の層間絶縁膜内に前記受光部に対応して配置された、前記受光部側に向かって凸の形状を有する層内レンズとを備え、前記複数の受光部のうちの少なくとも一部の受光部を挟むように、前記遮光膜上に一対のレンズ制御層が形成され、前記受光部で受光する光の波長に応じて、前記レンズ制御層の形成間隔が異なり、前記層内レンズの半値幅が異なっている。
【００２１】
上記本発明の固体撮像装置は、遮光膜上に少なくとも一部の受光部を挟むように一対のレンズ制御層が形成され、受光部で受光する光の波長に応じて、層内レンズが形成される部分の大きさを規定することとなるレンズ制御層の形成間隔が異なっている。このようにすることで、層内レンズと受光部との間の間隔が広がらないようにしつつ、受光部で受光する光の波長に応じて層内レンズの半値幅を異ならせることができる。この結果、層内レンズ透過後の散乱光によるスミアの発生を抑制することができ、かつ、固体撮像装置の受光感度を向上することができる。
【００２２】
前記固体撮像装置の構成において、前記受光部で受光する光の波長が長いほど、前記レンズ制御層の形成間隔が大きく、前記層内レンズの半値幅が大きく形成されていることが好ましい。このようにすることで、透過光の波長に応じた集光特性の層内レンズを形成して、各色の透過光の焦点位置を揃えることができ、固体撮像装置の受光感度を向上させることができる。
【００２３】
また、前記レンズ制御層が導電性を備え、前記転送ゲート電極と電気的に接続されていることがこのましい。このようにすることで、レンズ制御層をシャント配線として活用することができ、受光部での受光電荷の転送速度を向上した固体撮像装置を実現することができる。
【００２４】
さらに、前記レンズ制御層の前記受光部側の側面が傾斜面となっていることが好ましい。このようにすることで、層内レンズの開口部を広げることができる。
【００２５】
さらにまた、前記レンズ制御層の厚さが８０〜１２０ｎｍであることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板表面にマトリクス状に複数の受光部を形成する工程と、前記受光部に対応する位置に開口部を有する遮光膜を前記半導体基板上に形成する工程と、前記遮光膜上に前記受光部を挟むように一対のレンズ制御層を形成する工程と、前記受光部と前記遮光膜と前記レンズ制御層を覆うように層間絶縁膜を形成した後、前記層間絶縁膜をリフローする工程と、前記層間絶縁膜上に層内レンズを形成する工程と、前記受光部の配置位置に対応する位置に、前記受光部で受光する光の波長を選択するカラーフィルタを形成する工程と、前記カラーフィルタ上に前記受光部に対応してマイクロレンズを形成する工程とを備え、前記受光部で受光する光の波長に応じて、前記レンズ制御層の形成間隔が異なり、前記層間レンズの半値幅が異なって形成される。
【００２７】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、遮光膜上に一部の受光部を挟むように一対のレンズ制御層を形成する工程を備え、層内レンズが形成される部分であるレンズ制御層の形成間隔を、受光部で受光する光の波長に応じて異ならせ、層内レンズの半値幅を異ならせることができる。この結果、各透過光の波長に対応した半値幅を有する層内レンズを備えた固体撮像装置を製造することができる。
【００２８】
また、前記受光部で受光する光の波長が長いほど、前記レンズ制御層の形成間隔が大きく、前記層内レンズの半値幅が大きく形成されることが好ましい。このようにすることで、層内レンズを透過した各色透過光の焦点位置を揃えて、受光感度が向上した固体撮像装置を製造する方法を得ることができる。
【００２９】
以下、本発明の固体撮像装置およびその製造方法について、図面を参照して説明する。
【００３０】
なお、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態である固体撮像装置を構成する部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる固体撮像装置およびその製造方法は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備えることができる。
【００３１】
また、各図中の部材の寸法、特に、固体撮像装置の厚さ方向の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を必ずしも忠実に表したものではない。さらに、図面の煩雑化を防ぐため、各断面図において適宜ハッチングの省略を行っている。
【００３２】
（発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。
【００３３】
本実施形態の固体撮像装置１００は、図１中の水平方向および垂直方向に、マトリクス状に、赤色（Ｒ）画素１Ｒ、緑色（Ｇ）画素１Ｇ、青色（Ｂ）画素１Ｂが配置されている。それぞれの画素１は、半導体基板上にマトリクス状に配置された受光部によって構成される。
【００３４】
本実施形態の固体撮像装置１００の画素配列は、人間の視感度の高い緑色画素１Ｇを２つ、赤色画素１Ｒと青色画素１Ｂとをそれぞれ１つの合計４つの画素１を組み合わせて配置するＢａｙｅｒ配列となっている。なお、画素ピッチは、水平ピッチ、垂直ピッチ共に一例として１．４３μｍである。
【００３５】
各画素１が形成する列の間には、垂直方向に電荷転送電極２が形成されている。電荷転送電極２には、各色の画素１に形成されている図１では図示しない転送ゲート電極によって、各画素１に光が入射することにより発生した電荷が転送される。
【００３６】
電荷転送電極２に転送された電荷は、水平転送部３へと転送され、さらに、アンプ部４に入力され、アンプ部４から画像信号として固体撮像装置１００の外部に出力される。
【００３７】
図２は、本実施形態にかかる固体撮像装置１００の断面構成を示す要部拡大断面図である。なお、図２では、緑色画素と青色画素とが配置された行の部分の断面を示している。
【００３８】
図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置１００は、半導体基板である例えばｐ型のシリコン基板１１に、ｎ型不純物を注入するなどして形成された受光部であるＧ（緑色）フォトダイオード１３ＧとＢ（青色）フォトダイオード１３Ｂとが離間して配置されている。フォトダイオード１３（１３Ｇ、１３Ｂ）は、光が入射したときに、光電変換により受光した光の強度に応じた電荷量を持つ信号電荷を発生させ、その電荷が蓄積される。
【００３９】
フォトダイオード１３の間には電荷転送部１２が形成されていて、電荷転送部１２は、フォトダイオード１３で発生した電荷を搬送する。フォトダイオード１３と電荷転送部１２を含めたシリコン１１の表面を覆うように、ゲート絶縁膜１４が形成されている。
【００４０】
ゲート絶縁膜１４上の電荷転送部１２に対応する位置には、転送ゲート電極１５が形成されていて、この転送ゲート電極１５に電位を与えることで、フォトダイオード１３に蓄積された電荷が電荷転送部１２に移動する。
【００４１】
転送ゲート電極１５を覆うように絶縁膜１６を介して遮光膜１７が形成され、転送ゲート電極１５下部の電荷転送部１２に不要な光が入射してスミアの原因となることを防止している。遮光膜１７は、遮光性を有する金属膜にて形成された膜であり、スパッタ法やＣＶＤ法（Ｃｈｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長法）により形成可能な金属膜が好適に使用できる。
【００４２】
ゲート絶縁膜１４上のフォトダイオード１３に対応する部分は、遮光膜１７の開口部１７ｂとなっていて、遮光膜１７には覆われていない。本実施形態の固体撮像装置１００では、青色光受光部であるＢフォトダイオード１３Ｂに対応する開口部１７ｂＢと、緑色光受光部であるＧフォトダイオード１３Ｇに対応する開口部１７ｂＧとで、遮光膜１７の開口部１７ｂの形状が異なっていて、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する部分の開口部１７ｂＢの幅が、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する部分の開口部１７ｂＧの幅よりも狭く形成されている。
【００４３】
Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する遮光膜１７の開口部１７ｂＢを挟むように、レンズ制御層である樹脂膜１９が形成されている。樹脂膜１９は、転送ゲート電極１５を覆う部分の遮光膜１７の幅よりも狭く、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する遮光膜１７の開口部１７ｂＧを挟む位置には形成されていない。このため、フォトダイオード１３形成部分に対応する樹脂膜１９の形成間隔は、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する部分の形成間隔ＰＢよりも、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する部分の形成間隔ＰＧが大きくなっている。
【００４４】
開口部１７ｂ部分を含む遮光膜１７，および、樹脂膜１９を覆うように、層間絶縁膜１８が形成され、層間絶縁膜１８は、フォトダイオード１３形成部分に対応する遮光膜１７の開口部１７ｂの部分で下に凸の凹部を有している。
【００４５】
層間絶縁膜１８は、遮光膜１７の開口部１７ｂ上に、より球面に近い滑らかな下に凸の凹みを形成することができるように、リン、もしくは、ボロンとリンを含んだシリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）で形成されていて、シリコン基板１１上に形成された後に、熱フローが施されている。この層間絶縁膜１８の底部の膜厚を薄くすることで、後述する層内レンズ２０をフォトダイオード１３に近づけて形成することができる。
【００４６】
層間絶縁膜１８の凹部を充填するように、高屈折率材料のレンズ膜を形成することで、下に凸の層内レンズ２０（２０Ｇ、２０Ｂ）が形成される。高屈折率のレンズ膜としては、例えば屈折率が約２．０のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）が好適に用いられる。
【００４７】
本実施形態の固体撮像装置１００では、上記の通り、遮光膜１７上に形成された絶縁膜１９の形成間隔が、フォトダイオード１３で受光する光の波長に応じて異なっているため、層内レンズ２０の下に凸となる凸部の形状が、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する部分２０Ｂと、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する部分２０Ｇとで異なっている。具体的には、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する部分の層内レンズ２０Ｇの半値幅Ｗ１が約６２０ｎｍ、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する部分の層内レンズ２０Ｂの半値幅Ｗ２が約５７０ｎｍと、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する部分２０Ｂの半値幅のほうが小さくなっている。なお、半値幅とは、レンズ形状の高さ（深さ）方向の中間部分での、レンズ幅の大きさを言う。
【００４８】
本実施形態の固体撮像装置１００では、層間絶縁膜１８，樹脂膜１９，層内レンズ２０の上端面は同一の平面状となっていて、この平面の上にそれぞれのフォトダイオード１３に対応して上に凸の層間レンズ２１が形成されている。層間レンズ２１の上面には、平坦化膜２２が形成され、平坦となったその表面に、フォトダイオード１３での受光波長を選択するカラーフィルタ２３（２３Ｇ、２３Ｂ）が形成されている。
【００４９】
本実施形態の固体撮像装置１００では、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）の三色のカラーフィルタ２３が配置されていて、カラーフィルタ２３の色がフォトダイオード１３の受光色、すなわち何色の画素であるかを決めることになるが、上記のように、画素配列が図１に示したＢａｙｅｒ配列となっているため、カラーフィルタ２３の配列もＢａｙｅｒ配列となる。図２では、緑色（Ｇ）画素１Ｇと、青色（Ｂ）画素１Ｂとの配列部分を示しているため、緑色フィルタ２３Ｇと青色フィルタ２３Ｂのみが示されている。
【００５０】
層状のカラーフィルタ２３の上部には、それぞれのフォトダイオード１３に対応する位置に、オンチップレンズとも称されるマイクロレンズ２４が配置されている。入射光は、マイクロレンズ２４、上に凸の層間レンズ２１，下に凸の層内レンズ２０によってフォトダイオード１３の表面付近に集光される。
【００５１】
このとき、波長の短い青色光が透過する層内レンズ２０Ｂの半値幅Ｗ２が、より波長の長い緑色光が透過する層内レンズ２０Ｇの半値幅Ｗ１よりも小さいため、層内レンズ２０Ｂの集光作用によって青色光がＢフォトダイオード１３Ｂ上に良好に集光されることとなる。このように、それぞれの層内レンズ２０を透過する光の波長を考慮したレンズ形状とすることで、光の散乱によるスミアの発生を防止することができる。また、マイクロレンズ２５、層間レンズ２４、層内レンズ２０の３つのレンズの合成により形成される入射光の経路を最適化できるので、フォトダイオード１３での受光感度を向上することができる。
【００５２】
次に、本実施形態の固体撮像装置１００の製造方法について、具体例を挙げて説明する。
【００５３】
図３から図５、さらに、図７から図１１は、図２に示した固体撮像装置１００の製造過程の各ステップでの状態を説明する要部拡大断面図である。これら本実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明するための各図においても、図１における固体撮像装置１００の、緑色画素１Ｇと青色画素１Ｂの配列部分の断面構成を示すものとする。
【００５４】
図３は、本実施形態の固体撮像装置１００の製造方法の最初のステップでの状態を示す図である。図３に示すように、ｐ型のシリコン基板１１の主面に、イオン注入法などの方法を用いてｎ型層を形成し、フォトダイオード１３（１３Ｇ、１３Ｂ）と電荷転送部１２を形成する。
【００５５】
次に、ｐ型のシリコン基板１１の主面上に、熱酸化やＣＶＤ法により、一例として厚みが４０ｎｍとなるようにシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）を堆積し、ゲート絶縁膜１４を形成する。
【００５６】
その後、ゲート絶縁膜１４の上にＣＶＤ法により、一例として厚み２００ｎｍとなるようにポリシリコン膜を堆積する。そして、ポリシリコン膜にフォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理等を施して必要なパターンを形成することにより、電荷転送部１２に対応する位置に転送ゲート電極１５を形成する。
【００５７】
次に、転送ゲート電極１５上にシリコン酸化膜からなる絶縁層１６を介して、転送ゲート電極１５とゲート絶縁膜１４を覆うように、熱酸化およびＣＶＤ法により、遮光膜１７を形成する。フォトダイオード１３に対応する部分のゲート絶縁膜１４上は、マスク形成により遮光膜１７が形成されない開口部１７ｂ（１７ｂＧ、１７ｂＢ）とする。
【００５８】
本実施形態の固体撮像装置１００では、Ｂフォトダイオード１３Ｂ側の遮光膜１７に張り出し部分１７ａが形成されているため、それぞれのフォトダイオード１３に対応する開口部１７ｂの開口幅は、図３に示すように、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する開口部１７ｂＧの開口幅が、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する開口部１７ｂＢの開口幅よりも大きく形成されている。なお、図３では図示していないが、赤色光を受光するＲフォトダイオード１３Ｒに対応する部分の開口部１７ｂの開口幅は、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する部分の開口部１７ｂＧの幅よりも大きく形成されている。すなわち、開口部１７ｂの開口幅は、Ｒ、Ｇ、Ｂの順に狭くなっている。
【００５９】
このように、カラーフィルタを透過する透過光に応じて、遮光膜１７の開口部１７ｂの開口幅を異ならせることで、形成される層内レンズ２０の凸部の形状を異ならせることができ、各色の画素１に形成された層内レンズ２０に透過光の波長に応じた集光特性を付与することができる。
【００６０】
図４は、図３に続く製造ステップでの、固体撮像装置１００の断面構成を示している。
【００６１】
図４に示すように、遮光膜１７と遮光膜の開口部１７ｂとの全面を覆うように、反応性ガスとしてオゾンまたは酸素、および、テトラオキシシラン等を用いて、ＣＶＤ法により厚さ８０〜１２０ｎｍの絶縁膜１９を形成する。レンズ制御層である絶縁膜１９の厚さは、８０ｎｍよりも薄いと層内レンズ形状への影響が小さく、半値幅を有効に変化させることができない。一方、１２０ｎｍよりも厚くすると、シリコン基板１１からの高さが高くなりすぎて、後の工程でアルミ配線などを形成する際の妨げとなる虞がある。このため、絶縁膜１９の厚さとしては、層内レンズの半値幅が調整できる範囲で薄く形成することが好ましく、目安としては上記の８０〜１２０ｎｍが好ましい。
【００６２】
次に、絶縁膜１９上にレジスト膜を塗布形成し、マスクを用いて露光、現像するフォトリソグラフィ法によって、レンズ制御層を形成したい部分に、レジストパターン３１を形成する。具体的には、遮光膜１７上のＢフォトダイオード１３Ｂを挟む部分に、遮光膜１７の幅の半分ほどを覆うようなレジストパターン３１を形成する。
【００６３】
次のステップを図５に示す。図５は、図４で形成したレジストパターン３１をマスクとして、ウェットエッチング装置によりＢＨＦ溶液（バッファードフッ酸溶液：フッ化アンモニウムとフッ酸と水の混合液）を用いて絶縁膜１９をエッチングした状態を示している。このようにして、Ｂフォトダイオード１３Ｂを挟む両側部分の遮光膜１７上に、レンズ制御層としての絶縁膜１９が形成される。
【００６４】
なお、絶縁膜１９の屈折率は、その上に形成する層間絶縁膜１８とほぼ同じであるため、レンズ制御層としての絶縁膜１９を形成する際のエッチングによって、受光部１３上の絶縁膜１９を完全に除去できずに、例えば厚さ１０〜２０ｎｍ程度残ったとしても、光学特性上大きな問題とはならない。また、絶縁膜１９のエッチングに、ウェットエッチング法を用いる例を説明したが、絶縁膜１９の除去にドライエッチング法を用いてもよい。
【００６５】
絶縁膜１９上に残ったレジストパターン３１は、プラズマアッシング装置を用いたアッシング処理等により除去する。なお、絶縁膜１９には、フッ素、ホウ素、リンなどの不純物が含まれていてもよい。ホウ素やリンなどの不純物が含まれていると、後工程の熱フローにより、絶縁膜１９の角部分が鋭角にならず滑らかな形状となるため、より滑らかな下に凸の形状を有する層内レンズ２０を形成することができる。
【００６６】
図６は、図５に断面形状を示したステップ、すなわち、遮光膜１７上にレンズ規制層である絶縁膜１９が形成された状態の固体撮像装置１００の平面構成を示す図である。
【００６７】
図６に示すように、レンズ制御層である絶縁膜１９は、Ｂフォトダイオード１３Ｂを挟むように遮光膜１７上に対になって形成されていて、Ｇフォトダイオード１３Ｇ、および、Ｒフォトダイオード１３Ｒを挟む位置の遮光膜１７上には形成されていない。
【００６８】
絶縁膜１９は、Ｂフォトダイオード１３Ｂの両脇に位置する遮光膜１７の端部、すなわち、開口部１７ｂの端部から絶縁膜１９の端部までの端部間の間隔ｃが、０〜３０ｎｍ程度となるように、Ｂフォトダイオード１３Ｂから見て外側に後退した位置に配置されている。すなわち、Ｂフォトダイオード１３Ｂ部分の遮光膜１７の開口部１７ｂＢの開口幅よりも、絶縁膜１９の形成間隔ＰＢが０〜６０ｎｍ程度大きくなっている。
【００６９】
絶縁膜１９は略長方形をしていて、その幅、すなわち、図６における横方向の長さｄは、遮光膜１７が覆っている転送ゲート電極１５の幅５００ｎｍの半分程度であり、本実施形態では２５０ｎｍとなっている。このようにすることで、フォトダイオード１３形成部分に対応する樹脂膜１９の形成間隔を、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する部分の形成間隔ＰＢよりも、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する部分の形成間隔ＰＧが大きくなるようにすることができる。
【００７０】
絶縁膜１９の縦方向、すなわち、図６における上下方向の長さｂは、フォトダイオードの開口部である受光領域の縦方向の長さ、すなわち、図６中の上下方向の大きさである８００ｎｍとなっている。なお、絶縁膜１９の縦方向の長さは、遮光層１７で覆っている転送ゲート電極１５の縦方向の長さａである５００ｎｍより大きく、受光領域の開口部の縦方向の長さｂ８００ｎｍよりも小さい範囲とすることが好ましい。
【００７１】
このような大きさとすることで、絶縁膜１９は、横方向や縦方向に隣接する他の画素（図６に示す本実施形態の場合は、いずれも緑色画素１Ｇ）に形成される層内レンズの形状に影響を与えずに、青色画素１Ｂに対応する層内レンズの凸形状のみを、所望する半値幅の小さな形状とすることができる。
【００７２】
なお、図６において、Ｒフォトダイオード１３Ｒに対応する遮光膜１７の開口部分の幅１７ｒＲが６２０ｎｍ、Ｇフォトダイオード１３Ｇに対応する遮光膜１７の開口部分の幅１７ｒＧが６００ｎｍ、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する遮光膜１７の開口部分の幅１７ｒＢが５５０ｎｍとなっている。
【００７３】
レンズ制御層である絶縁膜１９を形成した後、遮光膜の開口部であるゲート絶縁膜１４上、遮光膜１７上、絶縁膜１９上の全面を覆うように、酸素、シリコン  ボロン、リンなどの反応ガスを用いてＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍ〜１２０ｎｍのシリコン酸化膜である層間絶縁膜１８を形成する。
【００７４】
層間絶縁膜１８を全面に形成した後、一例として８５０度３０分の熱処理を加えて、層間絶縁膜１８をリフローする。このリフローによって、層間絶縁膜１８の段差部が滑らかとなり、その凹部に充填するように形成される層内レンズ２０の下に凸の形状を得ることができるようになる。図７は、リフローを行った状態の層間絶縁膜１８が形成された断面構成を示す。
【００７５】
次に、図８に示すように、層間絶縁膜１８の全面を覆うように、プラズマＣＶＤ法によって、高屈折率のレンズ膜２０であるシリコン窒化膜を形成する。このとき、シリコン窒化膜は、層間絶縁膜１８の凹部を充填するように埋め込まれる。
【００７６】
次に、図９に示すように、レンズ膜２０上の全面に、その表面が平坦になるようにレジスト膜３２を塗布形成する。
【００７７】
その後、ドライエッチング法により、レジスト膜３２をエッチバックすることにより、図１０に示すように、層間絶縁膜１８，絶縁膜１９，層内レンズ２０の表面が同一高さの平坦面となるようにする。このようにすることで、各色の画素に対応する層内レンズ２０の深さを同一にすることができる。なお、層間絶縁膜１８，絶縁膜１９，層内レンズ２０はいずれもエッチングレートがほぼ等しくなるようにそれぞれの膜を選択することにより、１回のエッチングバックで表面が平坦な面を形成することができる。
【００７８】
その後、図１１に示すように、それぞれのフォトダイオード１３に対応する位置に、高屈折率のレンズ材料を用いて上に凸の層間レンズ２１を形成する。
【００７９】
さらに、図示しないが、層間レンズ２１上に平坦化膜を介して、カラーフィルタ層、マルチレンズを形成して、本実施形態の固体撮像装置１００が製造される。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態の固体撮像装置１００の製造方法は、遮光膜１７の開口部１７ｂの開口部間隔と遮光膜１７上に形成される絶縁膜１９の配置間隔とを、フォトダイオード１３で受光する光の波長に合わせて異ならせることで、フォトダイオード１３の配置位置に対応して形成される層内レンズ２０の、下に凸の層内レンズの形状を、レンズを透過する透過光の波長に応じて異ならせることができる。
【００８１】
本実施形態に示した、固体撮像装置の製造方法は、従来技術のような層間絶縁膜に不純物イオンを注入して層内レンズのレンズ形状を異ならせるものとは異なり、層内レンズが形成される位置の構成を異ならせるものであるため、注入された不純物によりデバイス特性が変化する虞もなく、また、層内レンズとフォトダイオードとの間隔が広がってしまうという問題も生じない。このため、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、良好な特性を有する固体撮像装置を製造することができる。
【００８２】
次に、図１２は、本実施形態の固体撮像装置の変形例１１０の構成を示す要部拡大断面図である。図１２は、本実施形態の固体撮像装置１００の断面構成を示す図２に対応する図面である。
【００８３】
図１２に示す変形例１１０では、遮光膜１７上に形成された絶縁膜１９の、Ｂフォトダイオード１３Ｂ側の側面が、外側に広がる傾斜面１９ａとなっている。このように、絶縁膜１９の側面を傾斜面１９ａとすることで、層内レンズ２０の特に上端部近傍の開口部を広げることができる。このため、レンズ形状をより滑らかなものとすることができ、層内レンズ２０による集光特性を向上させることができる。
【００８４】
なお、図１２に示すような、側面が傾斜面となる絶縁膜１９は、ＨＤＰ法（Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐｌａｚｕｍａ  ＣＶＤ法：高密度プラズマＣＶＤ法）を用いて絶縁膜１９を形成することにより容易に製造することができる。
【００８５】
図１３は、本実施形態の固体撮像装置の第２の変形例の固体撮像装置１２０の構成を示す要部拡大断面図である。なお、図１３も、図１２と同様に、本実施形態の固体撮像装置１００の断面構成を示す図２に対応する図面である。
【００８６】
図１３に示す第２の変形例１２０では、レンズ制御層が絶縁膜１９ではなく、転送ゲート電極１５と電気的に接続されるシャント配線４１となっている点が異なり、他の構成部分は、図２に示した本実施形態の固体撮像装置１００と同じとなっている。
【００８７】
シャント配線４１は、例えば、タングステン膜により形成することができ、一例として厚さ１００ｎｍのタングステン膜をシリコン基板１１の全面上に形成した後、レジスト膜を塗布、マスクパターンを露光現像してレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行うことなどによりパターン化できる。
【００８８】
なお、シャント配線４１のパターンを示すため、シャント配線４１形成後の平面状態を図１４として示す。図１４は、固体撮像装置の製造方法におけるレンズ制御層である絶縁膜１９形成後の平面状態を示す図６に対応する図である。
【００８９】
第２の変形例の固体撮像装置１２０では、シャント配線４１の中心線ｘを、転送ゲート電極１５の中心ｙから、Ｂフォトダイオード１３Ｂよりにずらして形成することがポイントとなる。このようにすることで、Ｇフォトダイオード１３Ｇを挟んで位置する一対のシャント配線４１の形成間隔よりも、Ｂフォトダイオード１３Ｂを挟んで位置する一対のシャント配線４１の形成間隔を広げることができる。シャント配線の形成間隔を異ならせることで、Ｂフォトダイオード１３Ｂ、および、Ｇフォトダイオード１３Ｇ上に形成される層内レンズ２０の形状においては、Ｂフォトダイオード１３Ｂに対応する層内レンズの半値幅を狭く形成することができる。
【００９０】
なお、図１４に示すように、シャント配線４１に、Ｂフォトダイオード１３Ｂを挟むような突出部分４１ａを設けることで、異なる行に位置するＧフォトダイオード１３Ｇの両側での間隔を所定の値以上に保つことができ、Ｇフォトダイオード１３Ｇ上に形成される層内レンズ２０の半値幅を必要以上に小さくすることを防ぐことができる。
【００９１】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置では、受光部を形成するフォトダイオード形成部分を挟んで遮光膜上に形成される一対のレンズ制御層の形成間隔を、フォトダイオードで受光する光の波長に応じて異ならせることで、フォトダイオード上に形成される層内レンズの半値幅を異ならせることができる。この結果、入射光の波長特性による集光率の差を解消して、それぞれのフォトダイオードで受光する光の波長にあった集光特性を得ることができる。また、遮光膜の開口部の幅と、遮光膜上に形成されるレンズ制御層の間隔により層内レンズの形状を調整することができるので、層内レンズとフォトダイオードとの間隔を変えることなく、レンズ形状の最適化ができる。このため、フォトダイオード表面近傍での入射光の散乱を抑えることができ、スミアの発生を防止することができる。また、フォトダイオードでの受光感度を向上することができる。
【００９２】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法では、遮光膜上に形成されるレンズ制御層の形成間隔を所定のものとした後、層間絶縁膜を形成し、これをリフローさせることで、所定の半値幅を有し、滑らかな曲率を有する凹部を形成することができる。このため、高屈折率材料をこの凹部に充填することで、所望の形状を有する層内レンズを容易に形成することができる。
【００９３】
なお、上記実施形態においては、レンズ制御層を遮光膜の上面に積層するものについてのみ説明したが、レンズ規制層の形成間隔をより小さいものとするために、レンズ規制層を遮光膜の側壁を覆うように形成することもできる。また、上記実施形態では、下に凸の層内レンズに加えて、それぞれのフォトダイオードに対応する位置に上に凸の層間レンズを形成する例を示したが、マルチレンズと層内レンズとでそれぞれのフォトダイオードに入射する光を十分に集光できる場合には、この層間レンズは必須のものではない。
【００９４】
また、上記実施形態においては、固体撮像装置としてＣＣＤを例にあげて説明したが、本発明はＣＣＤに限らず、ＭＯＳ型の固体撮像装置など受光素子の異なる他の固体撮像装置に適用することができる。
【００９５】
さらに、上記実施形態としては、カラーフィルタがＢａｙｅｒ配列のものを例示して説明したが、本発明の固体撮像装置のカラーフィルタの配列パターンは、Ｂａｙｅｒ配列のものに限られず、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三色が一列に並んだ配列パターンとすることができる。また、カラーフィルタでの透過光の中心波長により定まる各フォトダイオードでの受光色は、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色に限らず、シアン（Ｃ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）の三原色など、従来周知のものを含めた各種の受光色パターンに対応することができ、それぞれのカラーフィルタの透過色に応じて層内レンズのレンズ形状を所望のものとするために、その半値幅を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明にかかる固体撮像装置は、受光部での受光波長に応じた集光特性を実現できる層内レンズを備えた、スミアの発生を抑えて受光感度が向上した固体撮像装置として、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等各種の画像撮影機器に有用に利用可能である。また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、受光部での受光波長に応じた半値幅を有する層内レンズ和備えた固体撮像装置を製造する方法として有用である。
【符号の説明】
【００９７】
１        画素
１１      シリコン基板（半導体基板）
１３      フォトダイオード（受光部）
１７      遮光膜
１７ｂ    遮光膜の開口部
１８      層間絶縁膜
１９      絶縁膜（レンズ制御層）
２０      層内レンズ
２１      層間レンズ
２３      カラーフィルタ
２５      マルチレンズ
１００    固体撮像装置
【図１】
2012015193.tif 000003
【図２】
2012015193.tif 000004
【図３】
2012015193.tif 000005
【図４】
2012015193.tif 000006
【図５】
2012015193.tif 000007
【図６】
2012015193.tif 000008
【図７】
2012015193.tif 000009
【図８】
2012015193.tif 000010
【図９】
2012015193.tif 000011
【図１０】
2012015193.tif 000012
【図１１】
2012015193.tif 000013
【図１２】
2012015193.tif 000014
【図１３】
2012015193.tif 000015
【図１４】
2012015193.tif 000016
【図１５】
2012015193.tif 000017