(57)【要約】【課題】固体撮像装置の画質の向上を図る。【解決手段】本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板１０内に設けられ、光が照射される複数の第１の光電変換部を有する第１の領域２と、半導体基板１０内に設けられ、第１の領域２に隣接する第２の領域３と、受光面に対して垂直方向において第１の領域２と重なる位置に配置され、第１の光電変換部にそれぞれ対応する複数の第１のレンズ９と、記第１の領域２と第１のレンズ９との間において２つの領域２，３との境界部の段差に隣接し、第１の領域２に対応する第２のレンズ７Ａと、を含む。【選択図】  図２
2013016702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に設けられ、光が照射される複数の第１の光電変換部を含んでいる第１の領域と、
前記半導体基板内に設けられ、前記第１の領域に隣接する第２の領域と、
前記第１の光電変換部の受光面に対して垂直方向において前記第１の領域と重なる位置に配置され、前記第１の光電変換部にそれぞれ対応する複数の第１のレンズと、
前記第１の領域と前記第１のレンズとの間において前記第１の領域と前記第２の領域との境界部の段差に隣接し、前記第１の領域に対応する第２のレンズと、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記半導体基板の第１の面上に設けられ、前記第１の領域と上下に重なる位置に前記溝を有する層間絶縁膜と、
前記第２の領域内に設けられた周辺素子とを、
さらに具備し、
前記第１のレンズは、前記第１の面側の前記層間絶縁膜上に設けられ、
前記第２のレンズは、前記層間絶縁膜内の前記溝内に設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記半導体基板の第１の面上に設けられた層間絶縁膜と、
前記第２の領域内に設けられ、光が照射されない第２の光電変換部と、
前記半導体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面側に設けられ、前記第１の領域と上下に重なる位置に開口部を有する金属膜とを、
さらに具備し、
前記第１のレンズは前記第２の面側に設けられ、
前記第２のレンズは、前記開口部内に設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２のレンズは、前記第１の光電変換部の受光面側において前記第１の領域の全体を覆う平面レイアウトを有している、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に光を照射するレンズユニットと、
前記固体撮像装置及びレンズユニットを保持する外装器と、
を具備することを特徴とするカメラモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置及びカメラモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、或いは、監視カメラ等、多様な用途で使われている。
【０００３】
イメージセンサにおいて、光電変換部を有する画素アレイと画素アレイの動作を制御するための周辺回路とが、同じチップ上に設けられている。
【０００４】
イメージセンサの光電変換部には、例えば、フォトダイオードが用いられている。フォトダイオードに入射された光が、光電変換され、被写体からの光に対応した電気信号が得られる。
【０００５】
画素アレイ及び周辺回路が形成された領域の構造の違いに起因して、被写体に対応した入射光の光量が、画素アレイの中央部の光電変換部と画素アレイの外周部（周辺回路側）の光電変換部とで異なる場合がある。この入射光の光量の違いが、形成される画像にシェーディングを引き起こす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１６３８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
形成される画像の画質を向上する技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板内に設けられ、光が照射される複数の第１の光電変換部を有する第１の領域と、前記半導体基板内に設けられ、前記第１の領域に隣接する第２の領域と、前記第１の光電変換部の受光面に対して垂直方向において前記第１の領域と重なる位置に配置され、前記第１の光電変換部にそれぞれ対応する複数の第１のレンズと、前記第１の領域と前記第１のレンズとの間において前記第１の領域と前記第２の領域との境界部の段差に隣接し、前記第１の領域に対応する第２のレンズと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の固体撮像装置の構造を示す平面図。
【図２】実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。
【図４】第１の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図５】第１の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図６】第１の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図７】第２の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。
【図８】第２の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図９】第３の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。
【図１０】第３の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図１１】第３の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図１２】第３の実施形態の固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図。
【図１３】第４の実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図。
【図１４】実施形態の固体撮像装置の応用例を示す断面図。
【図１５】実施形態の固体撮像装置の変形例を示す平面図。
【図１６】実施形態の固体撮像装置の変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施形態］  
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
【００１１】
（１）  第１の実施形態  
図１乃至図６を参照して、第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその製造方法について説明する。
【００１２】
（ａ）  構造  
図１乃至図３を用いて、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構造について、説明する。
【００１３】
図１は、固体撮像装置（以下、イメージセンサとよぶ）のチップのレイアウト例を示す模式図である。図２は、図１のチップの断面構造を模式的に示す断面概略図である。
【００１４】
図１に示されるように、本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ２及び画素アレイ２の動作を制御するための複数の回路が形成される領域３０が、１つの半導体基板（チップ）１０内に設けられている。以下では、画素アレイ２を制御するための回路群を、周辺回路とよび、周辺回路が形成される領域のことを、周辺回路領域３とよぶ。
【００１５】
本実施形態のイメージセンサは、ＣＭＯＳイメージセンサでもよいし、ＣＣＤイメージセンサでもよい。
【００１６】
半導体基板１０内の画素アレイ２は、複数の単位セル２０を含み、各単位セル２０は、光電変換部（画素）を有している。光電変換部は、被写体に対応する光を取得し、取得した光を電気信号に変換する。
【００１７】
例えば、画素アレイ２は、光が入射される撮像領域（有効領域ともよばれる）と光が入射されない無効領域とを含んでいる。
【００１８】
撮像領域内の光電変換部のことを、有効画素とよぶ。無効領域は、撮像領域と実質的に同じ構造の単位セルを有する。無効領域内の単位セルは、外部からの光が入射されないように、遮光膜（例えば、金属膜）によって、遮光されている。例えば、無効領域は、黒基準領域及びダミー領域を含んでいる。黒基準領域は、光電変換された信号に対する基準電位（暗電圧又はリセット電圧）を形成するために、画素アレイ２内に設けられている。黒基準領域は、ＯＢ（Optical Black）領域ともよばれる。以下では、黒基準領域内の光電変換部のことを、黒基準画素とよぶ。一方、ダミー領域内の単位セルは、回路としての機能を有さない。ダミー領域内の単位セルのことを、ダミーセルとよぶ。尚、画素アレイ２内に、ダミー領域及び黒基準領域のうち少なくとも一方が設けられない場合もある。
【００１９】
単位セル２０は、少なくとも１つの光電変換部（画素）ＰＤ及び信号走査回路部を含む。光電変換部ＰＤは、例えば、フォトダイオードである。
【００２０】
本実施形態のイメージセンサが、ＣＭＯＳイメージセンサである場合、単位セル２０の信号走査回路部は、例えば、４つの電界効果トランジスタ（例えば、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ）によって形成される。単位セル２０に含まれる４つの電界効果トランジスタのことを、トランスファゲート（リードトランジスタ）、アンプトランジスタ、アドレストランジスタ及びリセットトランジスタとそれぞれよぶ。
【００２１】
尚、各単位セル２０は、アドレストランジスタを含まなくともよい。また、単位セル２０は、１つの光電変換部と１つの信号走査回路部を含むセル構造（１画素１セル構造）を有してもよいし、複数の光電変換部とそれらに共有される１つの信号走査回路部を含むセル構造（例えば、２画素１セル構造）を有してもよい。
【００２２】
周辺回路領域３は、画素アレイ２に隣接するように設けられている。周辺回路領域３内には、アナログ回路又はロジック回路が形成される。周辺回路領域３内には、電界効果トランジスタ、抵抗素子、容量素子などが設けられている。以下では、周辺回路を形成する構成素子のことを、周辺素子とよぶ。
【００２３】
画素アレイ２の受光面に対して垂直方向（素子が形成された面に対して垂直方向）において、マイクロレンズアレイ９が、層間絶縁膜を介して、画素アレイ２と上下に重なる位置に配置されている。
【００２４】
マイクロレンズアレイ９は、複数のマイクロレンズ（第１のレンズ）を含む。マイクロレンズアレイ９は、１つのマイクロレンズ９０が１つの光電変換部（画素、フォトダイオード）に対応するように、形成されている。
【００２５】
図１及び図２に示されるように、本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ２の受光面に対して垂直方向において、マイクロレンズアレイ９と画素アレイ２との間に、レンズ（第２のレンズ）７Ａが設けられている。
【００２６】
レンズ７Ａは、画素アレイ２に対応するように設けられ、光の照射面側において画素アレイ２の上方を覆っている。
【００２７】
レンズ７Ａは、例えば、円形の平面形状を有している。レンズ７Ａの直径Ｌ１は、画素アレイ２の最大寸法（例えば、四角形の対角線）Ｌ２以上の寸法に、設定されている。例えば、画素アレイ２の受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ２は、円形の平面形状のレンズ７Ａに内接する。この場合において、画素アレイ２の全体が、１つのレンズ７Ａに覆われる。例えば、レンズ７Ａは、１つのレンズ７Ａが画素アレイ２内の全ての光電変換部（画素）に対応するように、マイクロレンズアレイ９と画素アレイ２との中間の層内に、形成されている。例えば、図２に示されるように、レンズ７Ａは、例えば、層間絶縁膜７９Ａ内の溝９２Ｂ内に、設けられている。
【００２８】
画素アレイ２の受光面（半導体基板の素子形成面）に対して水平方向におけるレンズ７Ａの最大寸法（例えば、直径）は、画素アレイ２の受光面に対して水平方向におけるマイクロレンズ９０の最大寸法（例えば、直径）より大きい。
【００２９】
以下では、画素アレイ２とマイクロレンズアレイ９との間に設けられたレンズ７Ａのことを、ラージレンズ又は内部レンズとよぶ。
【００３０】
図３を参照して、第１の実施形態のイメージセンサの構造について、より具体的に説明する。図３は、本実施形態のイメージセンサの断面構造の一例を示している。
【００３１】
画素アレイ２内に、複数のアクティブ領域が設けられている。各アクティブ領域は、素子分離領域によって、半導体基板１０内に区画されている。  
画素アレイ２内に、複数の単位セル２０が設けられている。単位セル２０は、アクティブ領域内に、それぞれ設けられている。互いに隣接する単位セル２０は、素子分離領域内の素子分離層１５によって、電気的に分離されている。素子分離層１５は、例えば、不純物層であってもよいし、ＳＴＩ構造の絶縁膜でもよい。
【００３２】
上述のように、単位セル２０は、光電変換部（画素）として、少なくとも１つのフォトダイオードＰＤを含む。フォトダイオードＰＤにおいて、入射光の光量に応じた電荷が、フォトダイオード内部に発生し、フォトダイオードＰＤの端子間（内部）に電位差が生じる。フォトダイオードＰＤは発生した電荷を蓄積できる。
【００３３】
フォトダイオードＰＤは、半導体基板１０内に形成されている。フォトダイオードＰＤは、半導体基板１０内に形成された少なくとも１つの不純物層（拡散層）２１を含んでいる。例えば、半導体基板１０が、Ｐ型の導電型を有する場合、フォトダイオードＰＤを形成するための不純物層２１は、Ｎ型の導電型を有する。尚、フォトダイオードＰＤの特性（例えば、感度）を向上させるために、フォトダイオードＰＤは、不純物濃度の異なる複数のＮ型及びＰ型不純物層を含んでいてもよい。
【００３４】
尚、図３において、素子分離層１５に囲まれたアクティブ領域内において、図示の簡略化のため、フォトダイオードＰＤのみが図示されているが、同じ領域内に、単位セル２０が含んでいる各トランジスタやフローティングディフュージョン（浮遊拡散層）が設けられている。
【００３５】
周辺回路領域３は、素子分離領域内の素子分離層（例えば、ＳＴＩ構造の絶縁層）１９によって、画素アレイ２から電気的に分離されている。周辺回路領域３内において、電界効果トランジスタ（例えば、ＭＯＳトランジスタ）Ｔｒは、半導体基板１０内のウェル領域１２内に設けられている。ウェル領域１２内に、２つの拡散層（不純物層）３３が設けられている。これらの２つの拡散層３３は、トランジスタＴｒのソース／ドレインとして、機能する。２つの拡散層３３間のウェル領域（チャネル領域）表面に、ゲート絶縁膜３２を介して、ゲート電極３１が設けられる。
【００３６】
電界効果トランジスタＴｒが、Ｐチャネル型であるかＮチャネル型であるかは、そのトランジスタＴｒが設けられるウェル領域１２の導電型又はソース／ドレインとなる拡散層３３の導電型によって、決まる。
【００３７】
尚、図示の簡単化のために、周辺回路領域３内に形成される素子（周辺素子）として、電界効果トランジスタＴｒのみが図示されているが、周辺回路領域３に、抵抗素子、容量素子、ダイオード又はバイポーラトランジスタなどが、設けられている。
【００３８】
半導体基板１０上に、複数の絶縁層が積層された層間絶縁膜７０が設けられている。層間絶縁膜７０は、半導体基板１０内に形成された素子ＰＤ，Ｔｒを、覆っている。層間絶縁膜７０内には、複数の金属膜５０，５５が設けられている。  
層間絶縁膜７０及び金属膜５０，５５は、多層配線技術によって形成され、所定の配線レベル（基板表面からの高さ）内にそれぞれ設けられている。
【００３９】
層間絶縁膜７０は、複数の絶縁層７０１，７０２，７０３，７０４の積層構造を有している。例えば、層間絶縁膜７０は、酸化シリコンを用いて、形成される。金属膜５０は、アルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）を用いて、形成される。
【００４０】
画素アレイ２上方の金属膜５５は、マイクロレンズ６０を透過した光が、マイクロレンズに対応する画素２０に入射されるように、隣接する画素間における光の漏れを防止するための遮光膜として用いられる。
【００４１】
周辺回路領域３内の金属膜５０は、回路を形成するための配線として用いられる。配線としての金属膜５０は、プラグＶＰ，ＣＰによって、異なる配線レベル間において接続されている。例えば、基板表面の直上の最下層の配線５０は、コンタクトプラグＣＰを経由して、半導体基板１０内の不純物層３３に接続される。そして、下層の配線５０は、ビアプラグＶＰを経由して、上層の配線５０に接続される。
【００４２】
積層構造のベース層７１，７２は、層間絶縁膜７０上に、設けられている。下層のベース層７１は、層間絶縁膜７０に接する。上層のベース層７２は、層間絶縁膜７０に接する。下層のベース層７１は、例えば、数十ｎｍから０．２μｍ程度の膜厚を有する。ベース層７１，７２は、シリコン酸化膜、有機膜、塗布膜、樹脂などの絶縁層によって、形成される。
【００４３】
カラーフィルタ層（顔料層）８は、ベース層７１，７２上に設けられている。  
カラーフィルタ層８は、複数のフィルタによって形成され、赤、青及び緑のフィルタを含んでいる。各色のフィルタは、ベイヤー配列を有するように、カラーフィルタ層８内に配列されている。カラーフィルタ層８は、赤、青及び緑のフィルタに加えて、白又は黄のフィルタを含んでいてもよい。カラーフィルタ層８を形成する各フィルタは、光電変換部ＰＤと１対１で対応するように、画素アレイ２上方に設けられている。
【００４４】
オーバーコート層（平坦化層ともよばれる）７３は、カラーフィルタ層８及びベース層７１，７２上に設けられている。オーバーコート層７３は、例えば、シリコン酸化膜、有機膜、塗布膜、樹脂などのうち少なくとも１つの絶縁層を用いて形成される。以下では、ベース層７１，７２及びオーバーコート層７３のことを、層間絶縁膜に含めて説明する場合もある。
【００４５】
マイクロレンズ９は、オーバーコート層７３上に設けられている。マイクロレンズアレイ９は、基板１０上の複数の絶縁膜７０，７１，７２，７３を挟んで、画素アレイ２の上方に配置されている。
【００４６】
例えば、再配線形成技術によって、パッド（図示せず）が、層間絶縁膜７０が設けられている面側（表面側）に、設けられてもよい。また、半導体基板１０を貫通するビア（貫通ビア）によって、層間絶縁膜７０が設けられた半導体基板１０の面に対して反対側（裏面側）に、パッドが設けられてもよい。貫通ビア（図示せず）は、ＴＳＶ（Through Substrate Via）技術によって、形成される。
【００４７】
本実施形態において、層間絶縁膜７０が設けられた半導体基板１０の面（第１の面）を、半導体基板１０の表面とよび、層間絶縁膜７５が設けられた面に対向する半導体基板１０の面（第２の面）を、半導体基板１０の裏面とよぶ。  
本実施形態において、取得される画像に対応する光は、半導体基板１０の表面側から照射される。このように、半導体基板１０の表面側から照射された光を画素（フォトダイオード）に取り込むイメージセンサは、表面照射型イメージセンサとよばれる。
【００４８】
例えば、周辺回路領域３内の最上層の配線と同じ配線レベルにおいて、その配線レベルに対応する画素アレイ２内の遮光膜及び絶縁層は、イメージセンサの集光特性の改善及びフォトダイオードＰＤに対する光量の増大のために、画素アレイ２上方に設けられていない。例えば、基板表面に対して垂直方向において、周辺回路領域３内に、ｎ層（ここでは、３層）の配線レベル（配線）が設けられている場合、画素アレイ２内に、（ｎ−１）層（ここでは、２層）の配線レベル（遮光膜）が設けられている。
【００４９】
画素アレイ２及び周辺回路領域３における配線レベル数（金属膜及び絶縁層の積層数）の違いに起因して、画素アレイ２を覆う層間絶縁膜７０の上面と周辺回路領域３を覆う層間絶縁膜７０の上面との間に、段差９２Ａが生じる。このため、画素アレイ２の上方において、層間絶縁膜７０の上面に、溝（凹部）９２Ｂが形成される。例えば、層間絶縁膜７０内に、溝９２Ｂが形成された場合、層間絶縁膜７０の最上層の絶縁層７０４は、開口部を有する。尚、最上層側から２番目の絶縁層７０３の上面は、この溝又は開口部９２Ｂによって露出してもよいし、最上層の絶縁層７０４によって覆われていてもよい。
【００５０】
層間絶縁膜７０の段差９２Ａは、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界の素子分離領域（素子分離層）の上方に、位置している。
【００５１】
ラージレンズ７Ａは、層間絶縁膜７０内の溝９２Ｂ内に、設けられている。例えば、ラージレンズ７Ａは、層間絶縁膜７０の最上層の絶縁層７０４の開口部内に配置されている。そして、ラージレンズ７Ａは、画素アレイの受光面に対して水平方向において、層間絶縁膜７０の段差９２Ａに隣接している。
【００５２】
ラージレンズ７Ａは、下層のベース層７１上に設けられている。下層のベース層７１は、層間絶縁膜７０の上面、溝９２Ｂの内側面及び底面を覆っている。上層のベース層７２は、下層のベース層７１及びラージレンズ７Ａの上面を、覆っている。例えば、ラージレンズ７Ａの上面の一部が、カラーフィルタ層８の底面の一部に接触してもよい。
【００５３】
ラージレンズ７Ａは、透過性を有する材料を用いて、形成される。ラージレンズ７Ａは、例えば、層間絶縁膜７０、ベース層７１，７２及び平坦化層７３とは異なる材料から形成される。ラージレンズ７Ａの材料は、層間絶縁膜７０、ベース層７１，７２及び平坦化層７３の材料と屈折率が異なることが好ましい。ラージレンズ７Ａは、無機膜、有機膜、樹脂（合成樹脂）及び塗布膜を含むグループから選択される少なくとも１つの材料を用いて、形成される。
【００５４】
ラージレンズ７Ａは、ラージレンズ７Ａ上方の各マイクロレンズからの光を集光し、各マイクロレンズに対応する各画素（フォトダイオードＰＤ）に集光した光を照射する。このように、層間絶縁膜７０内に設けられたラージレンズ７Ａは、マイクロレンズアレイ９の集光をアシストする。
【００５５】
上述のように、ラージレンズ７Ａは、画素アレイ２の受光面に対して垂直方向（基板表面に対して垂直方向）において、画素アレイ２と上下に重なる位置に設けられている。また、ラージレンズ７Ａは、例えば、画素アレイ２の受光面に対して垂直方向から見て画素アレイ２の全体を覆う形状を有している。例えば、ラージレンズ７Ａが円形の平面形状を有する場合、画素アレイ２の受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ２がラージレンズ７Ａ内に内接するように、ラージレンズ７Ａの大きさ（直径）が設定されている。画素アレイ２とラージレンズ７Ａとの平面レイアウトは、ラージレンズ７Ａが画素アレイ２に対して外接円の関係を有するレイアウトになっている。ラージレンズ７Ａの直径は、基板表面に対して垂直方向における画素アレイ２の最大寸法（例えば、対角線）より大きくともよい。
【００５６】
尚、溝（開口部）９２Ｂの平面形状は、ラージレンズ７Ａの平面形状と同じ形状（例えば、円形状）でもよいし、異なる形状（例えば、矩形状）でもよい。
【００５７】
周辺回路領域３内における層間絶縁膜７０の上面と画素アレイ２内における層間絶縁膜７０の上面との段差９２Ａの大きさ、つまり、溝９２Ｂの深さは、例えば、１．５μｍから２μｍ程度である。この場合、ラージレンズ７Ａの最も厚い部分の厚さは、例えば、１．０μｍから１．５μｍ程度である。ラージレンズ７Ａは、溝９２Ｂ及び溝の上方に形成される部材８，９，７２，７３に対してスペーサー層として機能し、層間絶縁膜７８の段差９２Ａを小さくする。
【００５８】
イメージセンサの集光特性を改善するために、最上層の配線レベルに位置する金属膜（遮光膜）及び絶縁層が、画素アレイ２の上方から選択的に除去される場合がある。この場合、画素アレイ２を覆う層間絶縁膜７０の上面と周辺回路領域３を覆う層間絶縁膜７０の上面との間に、段差９２Ａが生じる。この段差９２Ａに起因して、層間絶縁膜７０上面を覆うベース層の膜厚、カラーフィルタ層の膜厚及びオーバーコート層の膜厚が、不均一になる可能性がある。さらに、層間絶縁膜７０の段差９２Ａ及びマイクロレンズアレイ９下方の各層７１，７２，７３の厚さむらに起因して、マイクロレンズアレイが含む複数のマイクロレンズの形状がばらつく可能性がある。
【００５９】
例えば、カバレッジの悪い材料が、段差９２Ａを有する層間絶縁膜７０の直上のベース層７１に用いられた場合、膜厚の不均一性の悪影響は、さらに大きくなる。また、イメージセンサのチップに形成される素子の微細化に伴って、画素アレイ２及び周辺回路領域３間に生じる層間絶縁膜の段差９２Ａは、セルサイズに対して相対的に大きくなる傾向がある。
【００６０】
マイクロレンズアレイ９の下地層７０，７１，７２，７３の段差９２Ａ及び不均一性に起因して、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界近傍において、マイクロレンズの特性が劣化し、画素アレイの外周部に照射される光の光量が、画素アレイの中央部に比較して、低下する。この結果として、イメージセンサにシェーディングが発生し、イメージセンサによって形成される画像のクオリティ（画質）が劣化する。
【００６１】
本実施形態のイメージセンサにおいて、画素アレイ２と周辺回路領域３との間の段差９２Ａに起因した層間絶縁膜７０の溝（絶縁層７０４の開口部）９２Ｂ内に、レンズ（ラージレンズ又は内部レンズ）７Ａが設けられている。
【００６２】
本実施形態のイメージセンサにおいて、溝９２Ｂ内のレンズ７Ａは、層間絶縁膜７０の段差９２Ａに対するスペーサー層として機能し、画素アレイ２上方と周辺回路領域３上方とに生じた段差９２Ａが、レンズ７Ａによって小さくされる。それゆえ、マイクロレンズアレイ９の下地となる各層７１，７２，７３の厚さの不均一性を抑制でき、それらの層７１，７２，７３上方に形成されるマイクロレンズの特性ばらつきを低減できる。
【００６３】
本実施形態のイメージセンサにおいて、レンズ７Ａは、マイクロレンズアレイ９と画素アレイ２との間に設けられている。そのため、層間絶縁膜７０内のレンズ７Ａによって、マイクロレンズからの光が集光され、かつ、光電変換部（フォトダイオード）に対する入射角が緩和され、光電変換部ＰＤに照射される。
【００６４】
本実施形態のイメージセンサのように、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界近傍の段差９２Ａに起因した層間絶縁膜７０の溝９２Ｂ内に、レンズ７Ａが設けられることによって、画素アレイ２に対する集光特性を改善でき、光電変換部ＰＤに照射される光量の低減を防止できる。それゆえ、本実施形態のイメージセンサは、イメージセンサのシェーディングを抑制できる。
【００６５】
さらに、本実施形態のイメージセンサは、画素アレイ２に対応するように、１つのレンズ７Ａが層間絶縁膜７０内に設けられている。それゆえ、本実施形態のイメージセンサは、複数のレンズが光電変換部に対応するように層間絶縁膜７Ａ内に設けられる場合に比較して、層間絶縁膜内のレンズの特性ばらつきを考慮する必要はなく、レンズの製造工程が過剰に増大するのを抑制できる。
【００６６】
以上のように、第１の実施形態の固体撮像装置によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる。
【００６７】
（ｂ）  製造方法  
図３乃至図６を用いて、第１の実施形態の固体撮像装置（イメージセンサ）の製造方法について、説明する。図４乃至図６は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の各工程における断面構造を示している。尚、本実施形態のイメージセンサの製造方法において、後述のイメージセンサの各構成要素の形成順序は、プロセスの整合性が確保されていれば、適宜変更されてもよい。
【００６８】
図４に示されるように、Ｐ型及びＮ型のウェル領域１２及び素子分離層１５，１９が、半導体基板１０、例えば、Ｐ型シリコン基板１０内に、それぞれ形成される。尚、半導体基板１０は、ＳＯＩ基板でもよい。
【００６９】
ウェル領域１２及び不純物層の素子分離層は、フォトリソグラフィ技術によって形成されたマスクや、イオン注入における不純物イオンの加速エネルギーの制御によって、半導体基板１０内の所定の位置に、形成される。
【００７０】
また、絶縁体からなる素子分離層の形成工程において、素子分離溝が、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によって、半導体基板１０内に形成される。素子分離溝内に、絶縁体が、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法又は塗布法によって埋め込まれる。これによって、絶縁体の素子分離層１５が、半導体基板１０内の所定の位置に形成される。
【００７１】
このように、半導体基板１０内に、隣接する素子を電気的に分離する素子分離領域（絶縁膜又は不純物層）が形成され、画素アレイ２とこれに隣接する周辺回路領域３とが、それぞれ半導体基板１０内に区画される。また、画素アレイ２内において、単位セルの形成領域としてのアクティブ領域が、形成された素子分離領域によって定義される。
【００７２】
フォトリソグラフィ技術によって、レジストマスク（図示せず）が半導体基板１０上に、形成される。レジストマスクは、フォトダイオードの形成領域に対応した開口部が、形成されている。開口部を有するレジストマスクをマスクに用いて、不純物層２１が、イオン注入法によって半導体基板１０内に、形成される。半導体基板１０がＰ型の半導体基板である場合、例えば、少なくとも１つのＮ型の不純物層２１が、半導体基板１０内に形成される。これによって、イメージセンサの各画素に対応するフォトダイオードＰＤが、画素アレイ２内に、形成される。尚、フォトダイオードの特性を向上させるため、複数のＰ型及びＮ型の不純物層が、フォトダイオード形成領域内に、形成されてもよい。
【００７３】
トランジスタの形成領域において、半導体基板１０上に、ゲート絶縁膜３２が、例えば、熱酸化法によって、半導体基板１０上に形成される。ゲート絶縁膜３２上に、例えば、シリコン層が、ＣＶＤ法により、堆積される。そして、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法によって、所定のゲート長及びゲート幅のゲート電極３１が、ゲート絶縁膜３２を挟んで、半導体基板１０の表面（第１の面）上に形成される。例えば、形成されたゲート電極５１がマスクとして用いられ、イオン注入法によって、ソース及びドレインとしての不純物層３３が、半導体基板１０内に形成される。これによって、半導体基板１０の表面上に、単位セル２０の電界効果トランジスタ（図示せず）及び周辺回路の電界効果トランジスタＴｒが、画素アレイ２内及び周辺回路領域３内にそれぞれ形成される。
【００７４】
フローティングディフュージョンとしての不純物層（図示せず）が、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入法によって、画素アレイ２のアクティブ領域内の所定の位置において、半導体基板１０内に形成される。フローティングディフュージョンは、フォトダイオードが含む不純物層と共通の工程で形成されてもよいし、ソース／ドレインとしての不純物層と共通の工程で形成されてもよいし、これらとは別の工程で形成されてもよい。
【００７５】
尚、単位セル２０の電界効果トランジスタ及び周辺回路の電界効果トランジスタＴｒは、同時の工程で形成されてもよいし、それぞれ別の工程で形成されてもよい。
【００７６】
素子が形成された半導体基板１０の表面上に、多層配線技術により、層間絶縁膜７０としての複数の絶縁層７０１，７０２，７０３，７０４、金属膜５０，５５及びプラグＣＰ，ＶＰが、配線レベル毎に順次形成される。
【００７７】
例えば、層間絶縁膜７０の最下層の絶縁層７０１は、トランジスタＴｒのゲート電極３１及びフォトダイオードＰＤの上面を覆うように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって、半導体基板１０の表面上に堆積される。そして、堆積された絶縁層７０１の上面が、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて平坦化される。ゲート電極３１の上部や不純物層（ソース／ドレイン又はコンタクト領域）の上部を露出させるように、コンタクトホールが、絶縁層７０１内に、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法を用いて、形成される。コンタクトプラグＣＰは、形成されたコンタクトホール内に埋め込まれる。
【００７８】
アルミニウムや銅などの金属膜が、例えば、スパッタ法によって、絶縁層７０１上及びコンタクトプラグＣＰ上に堆積される。堆積された金属膜５０，５５は、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法によって、コンタクトプラグＣＰに接続されるように、所定の形状に加工される。加工された金属膜（配線又は遮光膜）を覆うように、２番目の層間絶縁膜７０２が、最下層の層間絶縁膜７０１上に堆積される。これと実質的に同様の工程によって、各配線レベルにおいて、絶縁層、ビアプラグＶＰ及び複数の金属膜５０，５５が、下層（基板表面側）の配線レベルから順次形成される。
【００７９】
このように、所定の配線レベルの数に達するように、複数の絶縁層７０１，７０２，７０３，７０４を含む層間絶縁膜７０内において、遮光膜としての金属膜５５が画素アレイ２内に形成され、配線としての金属膜５０が周辺回路領域３内に形成される。
【００８０】
層間絶縁膜７０上に、レジストが塗布される。レジストは、画素アレイ２の上方に開口部が形成されるように、フォトリソグラフィ技術及びＲＩＥ法によって、パターニングされる。所定のパターンのレジストマスク８０が、層間絶縁膜７０上に形成される。パターニングされたレジストマスク８０をマスクに用いて、最上層の配線レベルに位置する金属膜及び絶縁層が、画素アレイ２上方から除去される。例えば、周辺回路領域３内において、３つの配線レベルの多層配線が形成された場合、金属膜の除去によって、画素アレイ２内において、２つの配線レベルの多層配線（遮光膜）が形成される。
【００８１】
この結果として、画素アレイ２と周辺回路領域３の境界近傍において、層間絶縁膜７０の上面に、段差９２Ａが形成される。画素アレイ２の上方において、層間絶縁膜７０内に溝（凹部）９２Ｂが形成される。例えば、画素アレイ２の上方の領域において、最上層の絶縁層７０４内に、開口部が形成され、最上層の１つ下層の絶縁層７０３の上面の一部が、エッチングされる。段差９２Ａの大きさ（溝の深さ）は、例えば、１．５μｍから２．０μｍ程度である。後の工程において、画素アレイ２の上方全体を覆うレンズが溝９２Ｂ内に形成されるように、画素アレイ２より大きい面積を有する溝９２Ｂが形成されることが好ましい。溝（絶縁層７０４の開口部）９２Ｂの平面形状は、矩形状（四角形状）でもよいし、円形状（又は楕円形状）でもよい。尚、最上層側から２番目の絶縁層７０３の上面は、この溝又は開口部９２Ｂによって露出してもよいし、最上層の絶縁層７０４によって覆われていてもよい。
【００８２】
レジストマスク８０が除去された後、再配線形成技術によって、再配線層が、配線としての金属膜５５に接続されるように、層間絶縁膜７０上に、形成されてもよい。再配線層は、例えば、パッドとして用いられる。
【００８３】
図５に示されるように、層間絶縁膜７０上のレジストマスクが除去された後、第１のベース層７１が、溝９２Ｂ内が充填されないように、層間絶縁膜７０上に堆積される。ベース層７１は、塗布法又はＣＶＤ法によって、形成される。ベース層７１は、数十ｎｍから０．２μｍ程度の膜厚を有するように形成される。尚、ベース層７１は、カバレッジ性の良い材料が用いられることが好ましい。
【００８４】
そして、レンズを形成するための層（第１のレンズ形成層）７Ａが、ベース層７１上に堆積される。レンズ形成層７Ａの材料は、各層７Ａ、７０，７１の屈折率が互いに異なるように、ベース層７１及び層間絶縁膜７０と異なる材料を用いて、形成される。
【００８５】
レンズ形成層７Ａは、受光面側が半球状（レンズ状）になるように、例えば、ＲＩＥ法によって加工される。これによって、層間絶縁膜７０の溝９２Ｂ内に、ラージレンズ７Ａが形成される。ラージレンズ７Ａは、層間絶縁膜７０に生じた段差９２Ａに、隣接している。
【００８６】
ラージレンズ７Ａの高さ（レンズの膜厚が最も厚い部分の寸法）は、例えば、１．０μｍから１．５μｍ程度である。
【００８７】
図６に示されるように、第２のベース層７２が、例えば、ＣＶＤ法又は塗布法によって、第１のベース層７１上及びラージレンズ７Ａ上に、形成される。第２のベース層７２には、ラージレンズ７Ａの材料と異なる材料（例えば、屈折率の異なる材料）が用いられる。
【００８８】
上述の工程において画素アレイ２の上方の金属膜が除去されることよって、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界部において層間絶縁膜７０の上面に段差９２Ａが生じる。  
本実施形態において、段差９２Ａに起因した層間絶縁膜７１内の窪み（溝）９２Ｂ内に、ラージレンズ７Ａが設けられている。ラージレンズ７Ａは、段差９２Ａに対するスペーサー層となるため、段差９２Ａの大きさが緩和される。その結果として、画素アレイ２上方と周辺回路領域３上方との間の段差が小さくなり、段差９２Ａに起因した第２のベース層７２の不均一性（厚さのむら）は、抑制される。
【００８９】
赤、青及び緑のフィルタを含むカラーフィルタ層（顔料層）８が、画素アレイ２及びラージレンズ７Ａと上下に重なる位置において、第２のベース層７２上に形成される。カラーフィルタ層８は、１色のフィルタが１つの画素（フォトダイオード）に対応するように、形成されている。
【００９０】
尚、カラーフィルタ層８が、ベース層７２の厚さに応じて、レンズ７Ａの上部に接触する場合がある。
【００９１】
上述のように、ラージレンズ７Ａによって下層の層間絶縁膜７０に生じた段差９２Ａが緩和され、ベース層７２の厚さの不均一性が抑制される。そのため、本実施形態において、ラージレンズ層７Ａが溝９２Ｂ内に設けられない場合に比較して、下地層７０，７１，７２に起因したカラーフィルタ層８の不均一性（厚さのむら）、又は、画素アレイ２及び周辺回路領域３の境界近傍におけるカラーフィルタフィルタ層８の歪み（フィルタの傾き）は、抑制される。
【００９２】
図３に示されるように、オーバーコート層（平坦化層）７３が、例えば、塗布法によって、第２のベース層７２及びカラーフィルタ層８上に形成される。オーバーコート層７３には、ラージレンズ７Ａの材料と異なる材料（例えば、屈折率の異なる材料）が用いられることが好ましい。尚、オーバーコート層７３は、塗布法で形成される樹脂層でもよいし、ＣＶＤ法によって形成される層でもよい。
【００９３】
オーバーコート層７３上に、レンズ形成層（第２のレンズ形成層）が、マイクロレンズアレイ９を形成するために、堆積される。そのレンズ形成層から複数のマイクロレンズが形成されるように、例えば、エッチング（ＲＩＥ法）によって、レンズ層が加工される。これによって、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ９が、画素アレイ２及びラージレンズ７Ａ上方に形成される。マイクロレンズは、フォトダイオード３０に１対１で対応するように形成される。
【００９４】
本実施形態の製造方法において、段差９２Ａに起因した層間絶縁膜７１の溝９２Ｂ内に、ラージレンズ７Ａが設けられることによって、層間絶縁膜７１の段差９２Ａが小さくされ、ベース層７２及びカラーフィルタ層８の不均一性が緩和される。オーバーコート層７３の不均一性（厚さのむら）は緩和され、オーバーコート層７３に生じる段差９２Ａは下地層８，７２の段差９２Ａよりさらに低減される。この結果として、マイクロレンズアレイ９は、段差及び不均一性が小さいオーバーコート層７１上に形成されるため、複数のマイクロレンズの形状のばらつきが、低減される。
【００９５】
再配線技術やＴＳＶ技術によって、イメージセンサのチップの表面側又は裏面側に、パッドが形成される。
【００９６】
以上の製造工程によって、第１の実施形態のイメージセンサが作製される。
【００９７】
本実施形態の固体撮像装置（イメージセンサ）の製造方法において、画素アレイ１上方の金属膜及び絶縁層が選択的に除去された後、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界部分の段差９２Ａに隣接するように、層間絶縁膜７０の溝（絶縁層の開口部）９２Ｂ内に、画素アレイ２に対応するレンズ７Ａが形成される。
【００９８】
溝９２Ｂ内のレンズ７Ａは、層間絶縁膜７０に生じた段差９２Ａに対するスペーサー層として、機能する。層間絶縁膜７０内のレンズによって、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界部の段差９２Ａを小さくでき、画素アレイ２及び周辺回路領域３の上方に形成される各層７１，７２，７３の不均一性（膜厚のむら）を抑制できる。さらに、層間絶縁膜７０の溝９２Ｂ内にレンズ７Ａが形成されることによって、マイクロレンズアレイ９の下地層８，７０，７１，７２，７３の不均一性が低減される。それゆえ、その下地層８，７０，７１，７２，７３上に形成されるマイクロレンズの形状の不均一性は、抑制される。これによって、下地の段差や不均一性に起因したマイクロレンズの集光特性の劣化が、抑制される。
【００９９】
層間絶縁膜７０内に設けられたレンズ７Ａによって、マイクロレンズからの光が集光され、その集光された光がマイクロレンズに対応したフォトダイオード（画素）２１へそれぞれ照射される。層間絶縁膜７０内のレンズ（ラージレンズ）７Ａと層間絶縁膜７０上のレンズ（マイクロレンズ）９とによって、画素アレイ２に照射される光量は増大する。
【０１００】
それゆえ、画素アレイ２の外周部（周辺回路領域側）のフォトダイオードに対する光量が、画素アレイ２の中央部のフォトダイオードに対する光量に比較して、低下するのを抑制され、イメージセンサのシェーディングを抑制できる。
【０１０１】
また、本実施形態のイメージセンサの製造方法は、画素アレイ２に対して１つのレンズ７Ａが形成されるため、複数のレンズが光電変換部に対応するように層間絶縁膜７Ａ内に設けられる場合に比較して、層間絶縁膜内のレンズの特性ばらつきを考慮する必要はなく、レンズの製造工程が過剰に増大するのを抑制できる。
【０１０２】
以上のように、第１の実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。
【０１０３】
（２）  第２の実施形態  
図７及び図８を用いて、第２の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法について、説明する。尚、第１の実施形態の構成と共通の部材に関して、重複する説明は、必要に応じて行う。
【０１０４】
図７は、本実施形態におけるイメージセンサの断面構造を、示している。
【０１０５】
図７に示されるように、ラージレンズ７Ａが設けられた溝９２Ｂの内部は、第２のベース層（絶縁体）７２Ａによって埋め込まれてもよい。この場合、画素アレイ２及び周辺回路領域３の上方に、上面が平坦なベース層７２Ａが形成される。例えば、画素アレイの受光面（半導体基板の表面）に対して垂直方向において、溝９２内の第２のベース層７２Ｚの上面（マイクロレンズアレイ側の面）の位置は、周辺回路領域３内の第２のベース層７２Ｚの上面の位置と実質的に同じである。または、溝９２内の第２のベース層７２Ｚの上面の位置は、周辺回路領域３内の第１のベース層７１の上面の位置と実質的に同じでもよい。さらに、第１のベース層７１が層間絶縁膜７０上に設けられていない場合、溝９２内の第２のベース層７２Ｚの上面の位置は、周辺回路領域３内の層間絶縁膜７０の上面の位置と実質的に同じでもよい。
【０１０６】
カラーフィルタ層８、オーバーコート層７３及びマイクロレンズアレイ９は、平坦な面上に、それぞれ形成される。カラーフィルタ層８は、画素アレイ２と周辺回路領域３の境界部の段差９２Ａに起因したフィルタ層の傾き（歪み）が低減され、平坦な層となる。
【０１０７】
このように、溝９２がラージレンズ７Ａ及びベース層７２Ｚによって充填されることによって、画素アレイ２と周辺回路領域３との境界近傍における層間絶縁膜７０の上面の段差９２Ａは実質的に消失し、画素アレイ２及び周辺回路領域３の上方の領域は、平坦になる。それゆえ、層間絶縁膜上及びラージレンズ７Ａ上の各層８，７２Ａ，７０の厚さのむらは、抑制され、マイクロレンズの形状のばらつきは、低減される。
【０１０８】
したがって、本実施形態のイメージセンサは、形成される画像のシェーディングを抑制できる。
【０１０９】
本実施形態のイメージセンサは、例えば、以下のように形成される。図８は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の一工程における断面構造を示している。
【０１１０】
第１の実施形態と同様の工程によって、ラージレンズ７Ａが、層間絶縁膜７０の段差９２Ａに隣接するように、層間絶縁膜７０内の溝９２Ｂ内に、形成される。
【０１１１】
図８に示されるように、絶縁体７２Ｚが、溝９２Ｂ内が満たされるように、例えば、塗布法によって溝（開口部）９２Ｂ内に形成される。絶縁体７２Ｚには、ラージレンズ７Ａと異なる材料が用いられる。
【０１１２】
例えば、図７に示されるように、絶縁体７２Ｚの上面が、例えば、ＣＭＰ法によって、平坦化される。これによって、画素アレイ２及び周辺回路領域３の上方を覆う絶縁膜７２Ｚの上面が、平坦になる。尚、塗布法によって、絶縁体７２Ｚがベース層７１上及びラージレンズ７Ａ上に形成される場合、流動性の高い塗布溶液によって実質的に平坦な面が形成されるため、絶縁体７２Ｚに対する平坦化処理は、省略されてもよい。
【０１１３】
このように、画素アレイ２上方の溝９２Ｂ内にレンズ７Ａが設けられ、さらに、溝９２Ｂの内部が、絶縁体（第２のベース層）で充填される。これによって、画素アレイ２及び周辺回路領域３の上方に平坦な面が形成され、画素アレイ２と周辺回路領域３と境界部において層間絶縁膜７０に生じた段差が解消される。
【０１１４】
それゆえ、画素アレイ２及び周辺回路領域３の上方のほぼ平坦な面上に、カラーフィルタ層８及びマイクロレンズアレイ９が形成される。この結果として、カラーフィルタ層８及びオーバーコート層７３の膜厚のむら、カラーフィルタ層８の傾き、マイクロレンズの形状のばらつきを、抑制できる。
【０１１５】
したがって、第２の実施形態のイメージセンサは、第１の実施形態のイメージセンサと同様に、イメージセンサに生じるシェーディングを抑制できる。
【０１１６】
以上のように、第２の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。
【０１１７】
（３）  第３の実施形態  
図９乃至図１２を参照して、第３の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法について説明する。尚、第１及び第２の実施形態の構成要素と共通の部材に関して、重複する説明は、必要に応じて行う。
【０１１８】
（ａ）  構造  
図９を用いて、第３の実施形態の固体撮像装置（イメージセンサ）の構造について、説明する。
【０１１９】
第１及び第２の実施形態において、表面照射型イメージセンサについて述べた。但し、実施形態に係るイメージセンサは、裏面照射型イメージセンサでもよい。  
図９は、本実施形態における裏面照射型イメージセンサの断面構造を、示している。
【０１２０】
裏面照射型イメージセンサは、基板の裏面側が、被写体からの光の照射面となっている。裏面照射型イメージセンサは、素子（例えば、トランジスタのゲート電極）を覆う層間絶縁膜７０が設けられた面（表面、第１の面）とは反対の面（裏面、第２の面）側に、カラーフィルタ層８及びマイクロレンズ９が設けられている。裏面照射型イメージセンサにおいて、支持基板１９が、接着層（図示せず）によって、基板表面側の層間絶縁膜７１上に貼り付けられている。
【０１２１】
本実施形態のイメージセンサにおいて、裏面照射型イメージセンサの照射面側、すなわち、半導体基板１０の裏面側に、ラージレンズ７Ａが設けられている。
【０１２２】
裏面照射型イメージセンサにおいて、金属膜の遮光膜５９が、半導体基板１０の裏面上の保護膜（絶縁膜）７５を介して、基板１０の裏面側に、設けられている。遮光膜５９は、第１及び第２のベース層７６，７７に覆われている。
【０１２３】
遮光膜５９は、画素アレイ２の無効領域（第２の領域）２Ｘに、光が照射されないように、無効領域２Ｘ内の単位セル（無効セル）２０Ｘ及び電界効果トランジスタＴｒの下方（照射面側）を覆っている。例えば、無効領域２Ｘとしての黒基準領域は、基準電位としての暗電圧（暗電流）を、生成及び出力するために設けられている。例えば、無効セル（黒基準セル）２０ＸのフォトダイオードＰＤから出力される電圧に基づいて、リセット電圧が生成される。
【０１２４】
遮光膜５９は、光の照射面に対して垂直方向において画素アレイ２の撮像領域（第１の領域）２Ａと上下に重なる位置に、開口部９２Ｂを有する。半導体基板１０の裏面側において、撮像領域２Ａの受光面が露出し、被写体からの光が撮像領域２Ａに照射される。
【０１２５】
本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、遮光膜５９の有無に応じた段差９２Ａが、撮像領域２Ａと無効領域２Ｘとの境界部において生じる。
【０１２６】
ラージレンズ７Ａは、半導体基板１０の裏面側において、画素アレイ２と裏面側のマイクロレンズアレイ９との間に設けられている。
【０１２７】
ラージレンズ７Ａは、段差９２Ａに起因した溝（遮光膜５９の開口部）９２Ｂ内に、設けられる。溝９２Ｂは、遮光膜５９の側面と半導体基板１０の裏面とによって形成される。ラージレンズ７Ａは、段差９２Ａ（遮光膜５９の側面）に隣接するように、半導体基板１０の裏面側に設けられている。ラージレンズ７Ａは、画素の照射面に対して垂直方向において、撮像領域２Ａと上下に重なる位置に配置されている。ラージレンズ７Ａは、撮像領域２Ａの照射面側の全体を覆うように形成されている。例えば、画素アレイの受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ２の撮像領域２Ａは、ラージレンズ７Ａに内接する。ラージレンズ７Ａと半導体基板１０の裏面との間には、絶縁膜７５及びベース層７６が設けられている。
【０１２８】
本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、ラージレンズ７Ａは、遮光膜５９の開口部９２Ｂ内に設けられている。ラージレンズ７Ａは、段差９２Ａに対するスペーサー層として機能する。これによって、画素アレイ２内の撮像領域２Ａと無効領域２Ｘとの境界において遮光膜５９の有無に起因した段差９２Ａが、緩和される。
【０１２９】
それゆえ、開口部を有する遮光膜５９下に形成される第２のベース層７７、カラーフィルタ層８及びオーバーコート層７８に、段差９２Ａに起因した不均一性（膜厚のむら）が生じるのを、抑制できる。そして、マイクロレンズアレイ９の下地層８，７７，７８の不均一性が抑制されるため、マイクロレンズの形状（特性）のばらつきは低減される。
【０１３０】
本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、ラージレンズ７Ａによって、半導体基板１０の裏面側に設けられたマイクロレンズアレイ９からの光が集光され、撮像領域２Ａ内の各光電変換部ＰＤに集光した光が照射される。
【０１３１】
したがって、第３の実施形態のような裏面照射型イメージセンサにおいても、上述の表面照射型イメージセンサと同様に、イメージセンサのシェーディングを抑制できる。
【０１３２】
以上のように、第３の実施形態の固体撮像装置によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる。
【０１３３】
（ｂ）  製造方法  
図９乃至図１２を参照して、第３の実施形態の固体撮像装置の製造方法について、説明する。本実施形態の固体撮像装置の製造方法は、裏面照射型イメージセンサの製造方法に関する。図１０乃至図１２は、本実施形態のイメージセンサの製造方法の各工程における断面構造を示している。
【０１３４】
図１０に示されるように、第１及び第２の実施形態と同様に、フォトダイオードを含む単位セル２０が、半導体基板１０の画素アレイ２内に形成され、トランジスタＴｒなどの周辺回路を形成する素子が、半導体基板１０の周辺回路領域３内に形成される。トランジスタＴｒのゲート電極３１は、半導体基板１０の表面上に形成される。半導体基板１０の表面（第１の面）上に、配線（金属膜）５０を含む層間絶縁膜７０が、形成される。層間絶縁膜７０の上面は、平坦化される。
【０１３５】
支持基板１７が、半導体基板１０の表面側において、接着層（図示せず）を介して層間絶縁膜７０に貼り付けられる。
【０１３６】
図１１に示されるように、半導体基板１０の裏面に、例えば、グライディング（研磨）、ＣＭＰ法及びウェットエッチングなどが施され、半導体基板１０の厚さが、薄くされる。
【０１３７】
半導体基板１０が薄くされた後、半導体基板１０の裏面上に、保護膜（絶縁膜）７５が形成される。  
金属膜５９が、例えば、スパッタ法によって、保護膜７５上に堆積される。フォトリソグラフィ技術によって、所定のパターンのレジストマスク８２が金属膜５９上に形成される。レジストマスク８２は、画素アレイ２の撮像領域２Ａに対応する位置に開口部が形成されている。
【０１３８】
パターニングされたレジストマスク８２をマスクに用いて、半導体基板１０の裏面側の金属膜５９が、例えば、ＲＩＥ法によってエッチングされる。これによって、半導体基板の裏面側に、開口部を有する遮光膜５９が、形成される。遮光膜５９によって、画素アレイ２内に撮像領域２Ａと無効領域２Ｘとが、形成される。基板１０の表面に対して垂直方向において遮光膜５９の開口部９２Ｂと上下に重なる位置に、撮像領域２Ａが形成され、遮光膜５９と上下に重なる位置に、無効領域（黒基準領域）が形成される。このように、裏面照射型イメージセンサの画素アレイ２における光の照射面が、露出する。遮光膜５９を形成するための金属膜の膜厚は、無効領域に対する遮光性を確保するために、厚いことが好ましい。
【０１３９】
半導体基板１０の裏面側において、遮光膜５９に覆われない部分と遮光膜５９に覆われた部分との境界部分に、すなわち、画素アレイ２の撮像領域２Ａと無効領域２Ｘとの境界部分に、段差９２Ａが形成される。この結果として、遮光膜５９の開口部に対応する部分９２Ｂが、溝９２Ｂとなる。
【０１４０】
図１２に示されるように、レジストマスクが除去された後、第１のベース層７６が、例えば、ＣＶＤ法又は塗布法によって、半導体基板１０の裏面側の遮光膜５９及び保護膜７５上に形成される。
【０１４１】
第１のベース層７６上に、レンズ形成層が堆積される。レンズ形成層は、エッチングによって半球状に加工され、ラージレンズ７Ａが、遮光膜５９の開口部９２Ｂ内に形成される。
【０１４２】
図９に示されるように、ラージレンズ７Ａが形成された後、第１及び第２の実施形態と実質的に同じ工程によって、半導体基板１０の裏面側において、第１のベース層７６及びラージレンズ７Ａ上に、第２のベース層７７、カラーフィルタ層８及びオーバーコート層７８が形成される。
【０１４３】
開口部９２Ｂに設けられたラージレンズ７Ａは、スペーサー層として、遮光膜５９の有無に起因した段差９２Ａの大きさを緩和させる。その結果として、ベース層７６及びラージレンズ７Ａ上に積層される各層８，７７，７８の不均一性（膜厚のむら）を、抑制できる。
【０１４４】
オーバーコート層７８上に、マイクロレンズアレイ９が、形成される。半導体基板の裏面側のマイクロレンズアレイ９は、段差９２Ａが小さく、且つ、不均一性が抑制された下地層８，７７，７８上に形成される。そのため、マイクロレンズアレイ９内のマイクロレンズの形状のばらつきは、低減される。
【０１４５】
以上のように、本実施形態の製造方法において、半導体基板の裏面側において遮光膜の有無によって生じた段差９２Ａは、その段差９２Ａに隣接するように、レンズ７Ａが遮光膜５９の開口部（溝）９２Ｂ内に形成されることによって、緩和される。
【０１４６】
それゆえ、第３の実施形態の製造方法によれば、第１及び第２の実施形態と同様に、ラージレンズ７Ａが溝（開口部）９２Ｂ内に設けられることによって、段差９２Ａが生じた後に形成される各層８，７７，７８に、段差９２Ａに起因した不均一性（膜厚のむら）が生じるのを抑制できる。そして、下地層としての各層８，７７，７８上に形成されるマイクロレンズアレイ９において、マイクロレンズの形状のばらつきを低減できる。さらに、裏面照射側イメージセンサにおいて、画素アレイ２の撮像領域２Ａとマイクロレンズアレイ９と間に、画素アレイ２に対応したラージレンズ７Ａが形成されることによって、そのラージレンズ７Ａが、光電変換部に対する光の照射をアシストする。
【０１４７】
これによって、本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、イメージセンサの集光特性が改善される。
【０１４８】
したがって、本実施形態の製造方法によって、シェーディングを抑制できるイメージセンサを形成できる。
【０１４９】
以上のように、第３の実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる固体撮像装置を提供できる。
【０１５０】
（４）  第４の実施形態  
図１３を参照して、第４の実施形態の固体撮像装置及びその製造方法について、説明する。本実施形態の固体撮像装置は、第３の実施形態と同様に、裏面照射型イメージセンサである。
【０１５１】
図１３は、本実施形態における裏面照射型イメージセンサの断面構造を、示している。
【０１５２】
本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、ラージレンズ７Ａが配置される溝９２Ｂの内部、すなわち、撮像領域２Ａに対応するように形成された遮光膜５９内の開口部９２Ｂ内が、第２の実施形態と同様に、絶縁体（第２のベース層）７７Ａによって満たされてもよい。これによって、撮像領域２Ａと無効領域２Ｘとの境界部分の段差９２Ａが解消される。そして、半導体基板の裏面側（マイクロレンズが設けられた側）において、段差９２Ａがベース層７７Ａに生じずに、ベース層７７Ａは、平坦な面を有する。
【０１５３】
第２のベース層７７Ａは、第２の実施形態で述べたのと同様に、塗布法によって形成されてもよいし、ＣＭＰ法によって平坦化処理されてもよい。
【０１５４】
本実施形態の裏面照射型イメージセンサにおいて、半導体基板１０の裏面側のカラーフィルタ層８、オーバーコート層７８及びマイクロレンズアレイ９は、平坦な面を有する下地層（ベース層）７７Ａ上に、それぞれ形成される。それゆえ、本実施形態の裏面照射型イメージセンサは、各層８，７８の不均一性を抑制でき、マイクロレンズ９の形状のばらつきを低減できる。
【０１５５】
それゆえ、本実施形態のイメージセンサは、形成される画像のシェーディングを抑制できる。  
したがって、第４の実施形態の固体撮像装置及び製造方法によれば、形成される画像の画質の劣化を抑制できる。
【０１５６】
（５）  応用例  
図１４を参照して、実施形態の固体撮像装置の応用例について、説明する。尚、上述の各実施形態で述べた構成要素には、共通の符号を付し、それらの構成要素の説明は、必要に応じて行う。
【０１５７】
第１乃至第４の実施形態で述べた固体撮像装置（イメージセンサ）は、例えば、カメラモジュール１００に適用できる。
【０１５８】
図１４は、本実施形態のイメージセンサ１を含むカメラモジュール１００を模式的に示す断面図である。
【０１５９】
カメラモジュール１００は、イメージセンサ１のチップを含んでいる。カメラモジュール１００は、イメージセンサ１のチップに加え、例えば、信号処理部（図示せず）、演算部（図示せず）、入出力部（図示せず）及び光学レンズユニット２００を有する。
【０１６０】
信号処理部（例えば、ＤＳＰ：Digital Signal Processor）は、イメージセンサ１から出力された電気信号を処理する。入出力部は、モジュール１００内からの信号及び外部からの信号のインタフェースとして機能する。光学レンズユニット２００は、入射光をイメージセンサ１に集光し、入射光に対応する画像をイメージセンサ１上に結像させる。演算部（例えば、ＭＰＵ：Micro - Processing Unit）は、外部からの信号に基づいて、モジュール１００全体の動作を制御する。
【０１６１】
図１４に示されるように、本実施形態のイメージセンサ１は、遮光性を有するシールド（外囲器）１０１，１０２内に搭載される。
【０１６２】
イメージセンサ１は、例えば、下部シールド１０１内部の実装基板（図示せず）上に設けられる。イメージセンサは、電極（例えば、半田ボール又はバンプ）６又はボンディングワイヤ（図示せず）によって、実装基板に形成された配線（図示せず）に接続される。
【０１６３】
下部シールド１０１の底部上には、例えば、半田ボール（または半田バンプ）１０９が設けられる。半田ボール１０９を介して、カメラモジュール１００が、実装基板（図示せず）上の他の回路に接続される。
【０１６４】
光学レンズユニット２００は、シールド１０１，１０２内に搭載される。光学レンズユニット２００は、イメージセンサ１の受光面に対して垂直方向に位置するように、上部シールド１０２によって保持されている。光学レンズユニット２００は、複数のレンズ２０１，２０２を有する。例えば、複数のレンズ２０１，２０２は、屈折率がそれぞれ異なる。尚、図１４において、２個のレンズ２０１，２０２が、光学レンズユニット２００内に設けられている例が示されているが、レンズの個数は２個に限定されず、１個でもよいし、３個以上でもよいのは、もちろんである。
【０１６５】
イメージセンサ１と光学レンズユニット２００との間において、例えば、ガラス基板（カバーガラス）１０５が、シールド１０２内に設けられている。ガラス基板１０５は、下部シールド１０１と上部シールド１０２とに挟まれることによって、シールド１０１，１０２内に保持されている。
【０１６６】
被写体からの光は、シールドユニット１０１，１０２に形成された開口部を介して、光学レンズユニット２００に照射され、光学レンズユニット２００は照射された光を集光する。イメージセンサ１の照射面に対する被写体からの光の入射角は、光学レンズユニット２００内の複数のレンズ２０１，２０２の組み合わせによって、変化（調整）される。光学レンズユニット２００からの光は、ガラス基板１０５を介して、イメージセンサ１に照射される。その光は、イメージセンサ１のマイクロレンズアレイ９及び層間絶縁膜内のラージレンズ７Ａを介して、画素アレイ（撮像領域）２内の各画素２０に照射される。
【０１６７】
本実施形態のイメージセンサは、マイクロレンズ９と画素アレイ２との間に、画素アレイ２に対応するラージレンズ７Ａを含む。ラージレンズ７Ａは、チップ内で互いに隣接する２つの領域の境界部の段差９２Ａに隣接するように設けられることによって、スペーサー層として機能し、層間絶縁膜７０及びラージレンズ７Ａ上に設けられる各部材に対して、段差９２Ａの大きさを緩和する。これによって、段差９２Ａに起因した各層の不均一性（厚さのむら）が抑制され、マイクロレンズアレイ９の各マイクロレンズの形状及び特性のばらつきを低減する。また、ラージレンズ７Ａは、マイクロレンズアレイ９からの光をさらに集光し、画素アレイの各光電変換部（フォトダイオード）２０に照射する。このように、ラージレンズ７Ａは、イメージセンサの集光特性を改善する。
【０１６８】
それゆえ、本実施形態のイメージセンサを含むカメラモジュールは、例えば、シェーディングなどの画質の劣化を抑制できる。
【０１６９】
本実施形態のイメージセンサ１のチップがマイクロレンズ９に加えてラージレンズ７Ａを含むことによって、本実施形態のイメージセンサを含むカメラモジュールは、光学レンズユニット２００内のレンズ２０１，２０２の個数を削減できる。さらに、光学レンズユニット２００のレンズの個数を削減できることによって、カメラモジュールを薄型化できる。
【０１７０】
カメラモジュールの光学レンズユニット２００は、カメラモジュールに要求される仕様に応じて、様々な設計の制約を受ける。例えば、モジュールの面積や厚さの仕様が原因で、イメージセンサの受光面に対する光の入射角を、光学レンズユニット２００によって３０℃以下に設定することは、困難な場合がある。  
これに対して、本実施形態のイメージセンサ１及びそれを含むカメラモジュール１００は、チップ内のラージレンズ７Ａが、チップ外部からの光を集光する。また、ラージレンズ７Ａの形状及び材料を調整することによって、光学レンズユニット２００のレンズ２０１，２０２の光学設計を、補助できる。これによって、本実施形態のイメージセンサ１を含むカメラモジュール１００において、レンズに起因した画像のディストーションを抑制できる。
【０１７１】
以上のように、本実施形態のイメージセンサ及びそのイメージセンサを含むカメラモジュールは、カメラモジュールのレンズの設計上の制約を緩和できる。
【０１７２】
したがって、本実施形態のイメージセンサを含むカメラモジュールは、画質の向上に加え、カメラモジュールの設計の負荷を軽減できる。
【０１７３】
（６）  変形例  
図１５及び図１６を参照して、第１乃至第４の実施形態の固体撮像装置の変形例について、説明する。
【０１７４】
上述の各実施形態において、ラージレンズ７Ａの平面形状が、円形状の場合について、述べた。但し、図１５及び図１６に示されるように、ラージレンズは、円形以外の平面形状を有していてもよい。
【０１７５】
図１５は、本実施形態の変形例におけるイメージセンサのチップの平面図を模式的に示している。図１５の（ａ）に示されるように、ラージレンズ７Ｂの平面形状は、楕円形状でもよい。また、図１５の（ｂ）に示されるように、ラージレンズ７Ｃの平面形状は、四角形状でもよい。
【０１７６】
楕円形状又は四角形状のラージレンズ７Ｂ，７Ｃは、図２に示される構造と同様に、画素アレイ２全体を覆うように、画素アレイ２とマイクロレンズアレイ９との間に配置されている。
【０１７７】
例えば、光の受光面に対して垂直方向から見て、画素アレイ２は楕円形状のラージレンズ７Ｂに内接している。例えば、楕円形状のラージレンズ７Ｂにおいて、ラージレンズ７Ｂの長軸の寸法Ｌ３Ａは、画素アレイ２の長辺の寸法Ｌ２Ａより大きく、ラージレンズ７Ｂの短軸の寸法Ｌ３Ｂは、画素アレイ２の短辺の寸法Ｌ２Ｂより大きい。
【０１７８】
例えば、四角形状のラージレンズ７Ｃにおいて、ラージレンズ７Ｃの長辺の寸法Ｌ４Ａは、画素アレイ２の長辺の寸法Ｌ２Ａ以上で、ラージレンズ７Ｃの短辺の寸法Ｌ４Ｂは、画素アレイ２の短辺の寸法Ｌ２Ｂ以上である。尚、ラージレンズ７Ｃの平面形状は、画素アレイ２の全体を覆う平面レイアウトであれば、四角形の角が丸くなった形状でもよい。
【０１７９】
図１６に示されるように、表面照射型イメージセンサにおいて、撮像領域２Ａと無効領域（例えば、黒基準領域）２Ｘとが画素アレイ２内に設けられる。例えば、無効領域２の遮光性を向上させるために、無効領域２Ｘにおいて、最上層の配線レベルに位置する金属膜を遮光膜５９として、残存させる場合がある。この場合において、撮像領域２Ａと無効領域２Ｘとの境界部分において、層間絶縁膜７０の上面に段差９２Ａが形成され、撮像領域２Ａの上方に、溝９２Ｂが設けられる。
【０１８０】
この場合、図１６に示されるように、ラージレンズ７Ａが、画素アレイ２内のうち撮像領域２Ａにのみ対応するように設けられてもよい。無効領域２Ｘ内の上方に、ラージレンズ７Ａは設けられていない。例えば、ラージレンズ７Ａが円形状の平面形状を有する場合、画素アレイ２の受光面に対して垂直方向（基板表面に対して垂直方向）から見て、撮像領域２Ａが円形状のラージレンズ７Ａに内接する。ラージレンズ７Ａは、１つのレンズ７Ａが撮像領域２Ａ内の全ての光電変換部（有効画素）に対応するように、形成されている。
【０１８１】
図１５及び図１６に示される変形例において、第１乃至第４の実施形態のイメージセンサ及びそのイメージセンサを含むカメラモジュールと同じ効果が得られる。
【０１８２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１８３】
２：画素アレイ、２Ａ：撮像領域、２Ｘ：無効領域、３：周辺回路領域、２０：画素、７Ａ：レンズ、９：マイクロレンズアレイ、１００：カメラモジュール、１：イメージセンサ、２００：光学レンズユニット、２０１，２０２：レンズ、９２Ａ：段差、９２Ｂ：溝，開口部。
【図１】
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【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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