(57)【要約】【課題】光電変換領域に入射する斜入射成分が軽減され、スミアの発生による画像の劣化が抑制された固体撮像装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、光電変換領域２が形成された半導体基板１と、半導体基板１の上方に光電変換領域２を覆うように形成され、外光を光電変換領域２に集光させ、凸状の上面を有する第１のマイクロレンズ９と、第１のマイクロレンズ９の上方に形成され、外光を第１のマイクロレンズ９に集光させ、凸状の上面を有する第２のマイクロレンズ１３ａとを備えている。第１のマイクロレンズ９及び第２のマイクロレンズ１３ａのいずれか一方の頂部であって、光電変換領域２の直上方に位置する領域には平坦面１６が形成されている。【選択図】図１
2009218341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換領域が形成された半導体基板と、  
前記半導体基板の上方に前記光電変換領域を覆うように形成され、外光を前記光電変換領域に集光させ、凸状の上面を有する第１のマイクロレンズと、
前記第１のマイクロレンズの上方に形成され、外光を前記第１のマイクロレンズに集光させ、凸状の上面を有する第２のマイクロレンズとを備え、
前記第１のマイクロレンズ及び前記第２のマイクロレンズのいずれか一方の頂部であって、前記光電変換領域の直上方に位置する領域には平坦面が形成されている固体撮像装置。
【請求項２】
前記半導体基板と前記第１のマイクロレンズとの間に形成され、前記光電変換領域の直上方に位置する開口部が設けられた遮光膜をさらに備え、
前記平坦面は、平面的に見て前記開口部内の領域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】
前記平坦膜の面積は、前記開口部の面積以下であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記平坦面は、前記第１のマイクロレンズ及び前記第２のマイクロレンズの頂部にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１のマイクロレンズに設けられた前記平坦面の面積は、前記第２のマイクロレンズに設けられた前記平坦面の面積よりも小さく、且つ、前記開口部の面積よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１のマイクロレンズに設けられた前記平坦面の面積は、前記第２のマイクロレンズに設けられた前記平坦面の面積よりも大きく、且つ、前記開口部の面積よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記平坦面は、四辺形であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
半導体基板に形成された光電変換領域の上方に第１のマイクロレンズ及び第２のマイクロレンズとを備えた固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に第１のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ａ）と、
前記第１のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記半導体基板の上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第１のマイクロレンズを形成する工程（ｂ）と、
前記第１のマイクロレンズの上方に第２のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ｃ）と、
前記第２のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記第１のマイクロレンズの上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第２のマイクロレンズを形成する工程（ｄ）とを備え、
前記工程（ｂ）は、前記第１のマイクロレンズの頂部に、平面的に見て前記光電変換領域内に位置する平坦面を形成する工程（ｅ）を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記工程（ｅ）は、前記第１のマイクロレンズを形成した後に、前記第１のマイクロレンズを覆う処理膜を堆積する工程（ｆ）と、
前記処理膜と前記第１のマイクロレンズの上部を同時にエッチングする工程（ｇ）と、
前記工程（ｇ）を行った後に、前記処理膜を除去する工程（ｈ）とを含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１のマイクロレンズ形成膜は、熱可塑性樹脂からなり、
前記工程（ｅ）は、前記第１のマイクロレンズ形成膜上に、平坦部を有する金型を設置して押圧する工程と、
前記金型を押圧した状態で前記第１のマイクロレンズ形成膜を加熱して硬化させる工程とを含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のマイクロレンズ形成膜は、光硬化性樹脂からなり、
前記工程（ｅ）は、前記第１のマイクロレンズ形成膜上に、平坦部を有する金型を設置して押圧する工程と、
前記金型を押圧した状態で光を照射して前記第１のマイクロレンズ形成膜を硬化させる工程とを含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のマイクロレンズ形成膜は、感光性材料からなり、
前記工程（ｅ）は、グレースケールマスクを通して前記第１のマイクロレンズ形成膜を露光する工程（ｉ）と、
前記工程（ｉ）の後に、前記第１のマイクロレンズ形成膜を現像する工程とを含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１のマイクロレンズ形成膜は、感光性材料からなり、
前記工程（ｂ）は、前記第１のマイクロレンズ形成膜を露光、現像し矩形形状を形成する工程（ｊ）と、
前記工程（ｊ）の後にガラス転移点以上の温度で加熱して前記第１のマイクロレンズ形成膜を熱フローし、上方に凸な曲面形状を有する前記第１のマイクロレンズを形成する工程（ｋ）とを含み、
前記工程（ｅ）は、前記工程（ｋ）の後に、平板を用いて曲面形状を有する前記第１のマイクロレンズを押圧する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１４】
前記工程（ｄ）は、前記第２のマイクロレンズの頂部に、平面的に見て前記光電変換領域内に位置する平坦面を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１５】
前記工程（ａ）の前に、前記半導体基板上に、前記光電変換領域の上面に達する開口部を有する遮光膜を形成する工程をさらに備え、
前記平坦面の面積は、前記開口部の面積以下であることを特徴とする請求項８〜１４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１６】
半導体基板に形成された光電変換領域の上方に第１のマイクロレンズ及び第２のマイクロレンズとを備えた固体撮像装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に第１のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ａ）と、
前記第１のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記半導体基板の上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第１のマイクロレンズを形成する工程（ｂ）と、
前記第１のマイクロレンズの上方に第２のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ｃ）と、
前記第２のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記第１のマイクロレンズの上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第２のマイクロレンズを形成する工程（ｄ）とを備え、
前記工程（ｄ）は、前記第２のマイクロレンズの頂部に、平面的に見て前記光電変換領域内に位置する平坦面を形成する工程（ｌ）を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｌ）は、前記第２のマイクロレンズを形成した後に、前記第２のマイクロレンズを覆う処理膜を堆積する工程（ｍ）と、
前記処理膜と前記第２のマイクロレンズの上部を同時にエッチングする工程（ｎ）と、
前記工程（ｎ）を行った後に、前記処理膜を除去する工程（ｏ）とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第２のマイクロレンズ形成膜は、熱可塑性樹脂からなり、
前記工程（ｌ）は、前記第２のマイクロレンズ形成膜上に、平坦部を有する金型を設置して押圧する工程と、
前記金型を押圧した状態で前記第２のマイクロレンズ形成膜を加熱して硬化させる工程とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１９】
前記第２のマイクロレンズ形成膜は、光硬化性樹脂からなり、
前記工程（ｌ）は、前記第２のマイクロレンズ形成膜上に、平坦部を有する金型を設置して押圧する工程と、
前記金型を押圧した状態で光を照射して前記第２のマイクロレンズ形成膜を硬化させる工程とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項２０】
前記第２のマイクロレンズ形成膜は、感光性材料からなり、
前記工程（ｌ）は、前記グレースケールマスクを通して前記第２のマイクロレンズ形成膜を露光する工程（ｐ）と、
前記工程（ｐ）の後に、前記第２のマイクロレンズ形成膜を現像する工程とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項２１】
前記第２のマイクロレンズ形成膜は、感光性材料からなり、
前記工程（ｄ）は、前記第２のマイクロレンズ形成膜を露光、現像し矩形形状を形成する工程（ｑ）と、
前記工程（ｑ）の後にガラス転移点以上の温度で加熱して前記第２のマイクロレンズ形成膜を熱フローし上方に凸な曲面形状を有する前記第２のマイクロレンズを形成する工程（ｒ）とを含み、
前記工程（ｌ）は、前記工程（ｒ）の後に、平板を用いて曲面形状を有する前記第２のマイクロレンズを押圧する工程を含むことを特徴とする請求項１６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、マイクロレンズを有する固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ及びビデオカメラ等に用いる固体撮像装置では、カメラの解像度を高めるために、高画素化及び微細化が進められている。カメラの解像度としては、さらなる高解像度が求められているため、固体撮像装置の高画素化及び微細化は、さらに加速されることが予想される。このように固体撮像装置の高画素化及び微細化が進むと、固体撮像装置内に組み込まれる画素の大きさはますます縮小される結果、基本性能の一つである感度が低下し、所定の照度のもとで鮮明な像を撮影することが難しい事態を招く恐れがある。
【０００３】
このような問題に対し、カラーフィルタの上部に有機高分子材料からなるマイクロレンズを形成することにより受光感度を向上させる手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、受光部とカラーフィルタとからなる積層構造の間にレンズを形成する、いわゆる層内レンズを上記マイクロレンズと併用することによって、受光感度を向上させる手法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平４−１２５６８号公報
【特許文献２】特開平１１−４０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、固体撮像装置の高画素化及び微細化が進むと、電荷転送部へ電荷が漏れ出すことでスミアが発生し、該スミアによる画質の悪化が懸念される。また、メカニカルシャッターを使用できない、動画用ＣＣＤ（Charge Coupled Device）では、電荷転送部に残ったスミア成分を除去することができないため、スミアによる画質の悪化が顕著になる。
【０００５】
ここで、スミアが発生する要因の１つとして、光電変換素子に対して斜め方向からの外光（斜入射光）が入射することが挙げられる。この場合、斜入射光が電荷転送部の近辺で光電変換され、光電変換された電荷が電荷転送部へ漏れ込んでしまう。
【０００６】
以下、図１０を用いて、従来の固体撮像装置について説明する（例えば特許文献２参照）。図１０は、従来の固体撮像装置の構成を示す断面図である。図１０に示すように、従来の固体撮像装置は、シリコンなどからなる半導体基板１０１と、半導体基板１０１内に設けられた複数の光電変換素子領域１０２及び複数の転送チャネル領域１０３と、半導体基板１０１上に形成され、酸化シリコン膜などからなる絶縁膜１０４と、絶縁膜１０４を介して転送チャネル領域１０３上に形成された転送電極１０５と、転送電極１０５を覆い、且つ、光電変換素子領域１０２の上面に達する開口部を有する遮光膜１０７とを備えている。さらに、従来の固体撮像装置は、遮光膜１０７及び絶縁膜６上に形成された第１の平坦化層１０８と、第１の平坦化層１０８上であって、複数の光電変換素子領域１０２の上方にそれぞれ設けられ、上に凸状の曲面を有する複数の第１のマイクロレンズ１０９と、第１のマイクロレンズ１０９上に下から順に設けられた第２の平坦化層１１０、カラーフィルタ層１１１、及び第３の平坦化層１１２と、第３の平坦化層１１２上であって、複数の第１のマイクロレンズ１０９の上方にそれぞれ設けられ、上に凸状の曲面を有する複数の第２のマイクロレンズ１１３とを備えている。
【０００７】
この従来の固体撮像装置では、第２のマイクロレンズに加えて、第１のマイクロレンズ（層内レンズ）も設けられているため、集光効率は高くなるが、光電変換素子領域１０２に入射する斜入射光成分が多くなる恐れがある。この場合、上述したように、該斜入射光が電荷転送部の近辺で光電変換される結果、スミアが発生して画像が劣化してしまう。今後、固体撮像装置の高画素化及び微細化に伴う低背化を実現するために、マイクロレンズの集光効率を高めようとすると、光電変換素子領域に入射する斜入射成分はますます多くなると懸念される。
【０００８】
本発明は、上記不具合に鑑みてなされたものであり、光電変換領域に入射する斜入射成分が軽減され、スミアの発生による画像の劣化が抑制された固体撮像装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、光電変換領域が形成された半導体基板と、前記半導体基板の上方に前記光電変換領域を覆うように形成され、外光を前記光電変換領域に集光させ、凸状の上面を有する第１のマイクロレンズと、前記第１のマイクロレンズの上方に形成され、外光を前記第１のマイクロレンズに集光させ、凸状の上面を有する第２のマイクロレンズとを備え、前記第１のマイクロレンズ及び前記第２のマイクロレンズのいずれか一方の頂部であって、前記光電変換領域の直上方に位置する領域には平坦面が形成されている。
【００１０】
この構成によれば、第１のマイクロレンズ及び第２のマイクロレンズの少なくとも一方において、光電変換領域の直上方に位置する平坦面が形成されていることで、平坦面を介して光電変換領域に外光を集光させることができる。平坦面を通過した外光は、垂直に、もしくは比較的小さな入射角度で光電変換領域に入射するため、光電変換領域の中央部分に集光することができる。その結果、本発明の固体撮像装置では、斜入射光が光電変換領域に入射するのを軽減でき、斜入射光が電荷転送部の近辺で光電変換されて電荷転送部へ漏れ込むのを抑制することができる。これにより、スミアの発生が抑制され、画像特性が良好な固体撮像装置を実現することができる。
【００１１】
また、本発明の固体撮像装置の第１の製造方法は、半導体基板に形成された光電変換領域の上方に第１のマイクロレンズ及び第２のマイクロレンズとを備えた固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板上に第１のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ａ）と、前記第１のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記半導体基板の上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第１のマイクロレンズを形成する工程（ｂ）と、前記第１のマイクロレンズの上方に第２のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ｃ）と、前記第２のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記第１のマイクロレンズの上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第２のマイクロレンズを形成する工程（ｄ）とを備え、前記工程（ｂ）は、前記第１のマイクロレンズの頂部に、平面的に見て前記光電変換領域内に位置する平坦面を形成する工程（ｅ）を含んでいる。
【００１２】
この方法によれば、工程（ｅ）で、光電変換領域の直上方に位置する平坦面を有する第１のマイクロレンズを形成することができる。これにより、第１のマイクロレンズに入射した光を平坦面を介して光電変換領域の中央部分に集光させることができる。従って、本発明の固体撮像装置の第１の製造方法を用いれば、光電変換領域に斜入射光が入射するのが軽減され、スミアの発生が抑制され、良好な画像特性を有する固体撮像装置を製造することが可能となる。
【００１３】
なお、工程（ｄ）では、前記第２のマイクロレンズの頂部に、平面的に見て前記光電変換領域内に位置する平坦面を形成してもよい。この場合、第１のマイクロレンズだけでなく、第２のマイクロレンズにも平坦面を形成することができるため、第２のマイクロレンズの平坦面及び第１のマイクロレンズの平坦面を介して、外光を光電変換領域に効率良く集光させることができる。
【００１４】
また、本発明の固体撮像装置の第２の製造方法は、半導体基板に形成された光電変換領域の上方に第１のマイクロレンズ及び第２のマイクロレンズとを備えた固体撮像装置の製造方法であって、前記半導体基板上に第１のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ａ）と、前記第１のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記半導体基板の上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第１のマイクロレンズを形成する工程（ｂ）と、前記第１のマイクロレンズの上方に第２のマイクロレンズ形成膜を堆積する工程（ｃ）と、前記第２のマイクロレンズ形成膜を加工し、前記第１のマイクロレンズの上方に前記光電変換領域を覆い、凸状の上面を有する前記第２のマイクロレンズを形成する工程（ｄ）とを備え、前記工程（ｄ）は、前記第２のマイクロレンズの頂部に、平面的に見て前記光電変換領域内に位置する平坦面を形成する工程（ｌ）を含んでいる。
【００１５】
この方法によれば、工程（ｌ）で、光電変換領域の直上方に位置する平坦面を有する第２のマイクロレンズを形成することができる。これにより、第２のマイクロレンズに入射した光を平坦面を介して光電変換領域の中央部分に集光させることができる。従って、本発明の固体撮像装置の第２の製造方法を用いれば、光電変換領域に斜入射光が入射するのが軽減され、スミアの発生が抑制され、良好な画像特性を有する固体撮像装置を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像装置及びその製造方法によれば、光電変換領域に斜入射光が入射するのを抑制することができるため、スミアによる画像の劣化を防止でき、高画素化及び微細化されても信頼性の高い固体撮像装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の固体撮像装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、シリコンなどからなる半導体基板１と、半導体基板１内に形成された光電変換領域（光電変換素子領域）２及び転送チャネル領域３と、半導体基板１の全面上に形成された第１の絶縁膜４と、第１の絶縁膜４を介して転送チャネル領域３上に形成された転送電極５と、転送電極５の側面及び上面を覆う第２の絶縁膜６と、第１の絶縁膜４上から第２の絶縁膜６の側面及び上面上に亘って形成され、光電変換領域２の直上方に開口部を有する遮光膜７と、遮光膜７及び第１の絶縁膜４上に設けられ、遮光膜７の開口部を埋める第１の平坦化層８と、第１の平坦化層上に光電変換領域２を覆うように形成され、外光を光電変換領域２に集光させるための第１のマイクロレンズ９とを備えている。
【００１９】
さらに、本実施形態の固体撮像装置は、第１のマイクロレンズ９上に形成された第２の平坦化層１０と、第２の平坦化層１０上であって、光電変換領域２の直上方に形成されたカラーフィルタ層１１と、カラーフィルタ層１１上に形成された第３の平坦化層１２と、
平面的に見た面積（平面積）が第１のマイクロレンズ９の平面積よりも大きく、第３の平坦化層１２上に光電変換領域２を覆うように形成され、外光を第１のマイクロレンズ９に集光させる第２のマイクロレンズ１３ａとを備えている。
【００２０】
本実施形態の固体撮像装置では、第１のマイクロレンズ９及び第２のマイクロレンズ１３ａは、上に凸状の上面をそれぞれ有しており、且つ、第２のマイクロレンズ１３ａの頂部には、光電変換領域２の直上方に位置する平坦面１６が形成されている。平坦面１６は半導体基板１表面に対して平行に形成されている。この平坦面１６について、図１（ｂ）を用いてさらに説明する。
【００２１】
図１（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す平面図である。図１（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、光電変換領域２を有する複数の画素１４が行列状に配置されており、複数の画素１４の各々に設けられた第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６は、光電変換領域２及び遮光膜７に設けられた開口部１５の直上方に位置する領域に形成され、且つ、開口部１５の面積と同じ面積を有している。
【００２２】
この構成によれば、第２のマイクロレンズ１３ａを通過した光は、第３の平坦化層１２、カラーフィルタ層１１、及び第２の平坦化層１０を直進して第１のマイクロレンズ９へ入射した後、第１のマイクロレンズ９の曲面で屈折して光電変換領域２へ入射する。この時、第２のマイクロレンズ１３ａのうち、光電変換領域２の直上方に位置する領域に平坦面１６が形成されていることで、平坦面１６を通過した外光は第１のマイクロレンズ９に対して垂直に入射することができる。この垂直な入射光は第１のマイクロレンズ９の曲面で屈折して、従来の固体撮像装置に比べて小さな入射角度で光電変換領域２へ入射できるため、本実施形態の固体撮像装置では、外光を光電変換領域２の中央部分に集光させることが可能となる。従って、斜入射光が光電変換領域２に入射するのを軽減でき、斜入射光が転送チャネル領域３の近辺で光電変換されて転送チャネル領域３へ漏れ込むのを抑制することができる。これにより、スミアの発生が抑制され、画像特性が良好な固体撮像装置を実現することができる。
【００２３】
なお、第２のマイクロレンズ１３ａに設けられた平坦面１６の面積は、開口部１５の面積以下であれば、平坦面１６に入射した外光を効率良く光電変換領域２へ集光させることができるため好ましい。特に、平坦面１６の面積が開口部１５の面積よりも小さいとより好ましい。ここで、図１（ｃ）は、本実施形態の固体撮像装置の変形例の構成を示す平面図である。図１（ｃ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置の変形例では、平坦面１６の面積は開口部１５の面積よりも小さくなっている。この場合、例えば、第２のマイクロレンズ１３ａの曲率が小さく集光能力が低くても、第２のマイクロレンズ１３ａの集光率を向上でき、光電変換領域２に外光を十分に集光させることが可能となる。
【００２４】
（第２の実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置と一部の構成のみが異なっている。従って、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付与することにより、省略化して説明する。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３は、上に凸状の上面をそれぞれ有しており、且つ、第１のマイクロレンズ９ａの頂部には、光電変換領域２の直上方に位置する平坦面１７が形成されている。平坦面１７は半導体基板１表面に対して平行に形成されている。この平坦面１７について、図２（ｂ）を用いてさらに説明する。なお、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３を除く構成は、第１の実施形態の構成と同様である。
【００２６】
図２（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す平面図である。図２（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、光電変換領域２を有する複数の画素１４が行列状に配置されており、複数の画素１４の各々に設けられた第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７は、光電変換領域２及び遮光膜７に設けられた開口部１５の直上方に位置する領域に形成され、且つ、開口部１５の面積と同じ面積を有している。
【００２７】
この構成によれば、第２のマイクロレンズ１３を入射した外光は、第３の平坦化層１２、カラーフィルタ層１１、及び第２の平坦化層１０を通過して、第１のマイクロレンズ９ａへ入射する。ここで、第１のマイクロレンズ９ａのうち、光電変換領域２の直上方に位置する領域に平坦面１７が形成されていると、第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７に入射した斜入射光は、平坦面１７で屈折して光電変換領域２に対して垂直な入射光となって光電変換領域２へ入射する。その結果、外光を光電変換領域２の中央部分に効率良く集光することができる。従って、本実施形態の固体撮像装置では、斜入射光が光電変換領域２に入射するのを軽減でき、斜入射光が転送チャネル領域３の近辺で光電変換されて転送チャネル領域３へ漏れ込むのを抑制することができる。これにより、スミアの発生が抑制され、画像特性が良好な固体撮像装置を実現することができる。
【００２８】
また、第１のマイクロレンズ９ａ上に形成された第２の平坦化層１０として例えば屈折率が１．４〜１．７の材料を用い、第１のマイクロレンズ９ａとして例えば屈折率が１．９〜２．１の材料を用いた場合、第２の平坦化層１０と第１のマイクロレンズ９ａの屈折率差が比較的小さいため、斜入射成分が第１のマイクロレンズ９ａの平坦面に入射した後、光電変換領域２に入射する入射角を小さくすることができ、光電変換領域２に入射する垂直光成分を多くすることができる。このように、屈折率を考慮してマイクロレンズ及び該マイクロレンズ上の平坦化層の材料を選択することで、外光をより効率良く光電変換領域２の中央領域へ集光させることが可能となる。
【００２９】
なお、第１のマイクロレンズ９ａに設けられた平坦面１７の面積は、開口部１５の面積以下であれば、外光を効率良く光電変換領域２へ集光させることができるため好ましい。特に、平坦面１７の面積が開口部１５の面積よりも小さいとより好ましい。ここで、図２（ｃ）は、本実施形態の固体撮像装置の変形例の構成を示す平面図である。図２（ｃ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置の変形例では、平坦面１７の面積は開口部１５の面積よりも小さくなっている。この場合、第１のマイクロレンズ９ａの曲率が小さく集光能力が低くても、第１のマイクロレンズ９ａの集光率を向上でき、光電変換領域２に外光を十分に集光させることが可能となる。
【００３０】
（第３の実施形態）
図３（ａ）は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の構成を示す断面図である。なお、本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置と一部の構成のみが異なっている。従って、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付与することにより、省略化して説明する。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａは、上に凸状の上面をそれぞれ有しており、且つ、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａの頂部には、光電変換領域２の直上方に位置する平坦面１７、１６がそれぞれ形成されている。平坦面１６、１７は半導体基板１表面に対して平行に形成されている。この平坦面１６、１７について、図３（ｂ）を用いてさらに説明する。なお、第１のマイクロレンズ９ａを除く構成は、第１の実施形態の構成と同様である。
【００３２】
図３（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す平面図である。図３（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、光電変換領域２を有する複数の画素１４が行列状に配置されており、複数の画素１４の各々に設けられた第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７及び第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６は、光電変換領域２及び遮光膜７に設けられた開口部１５の直上方に位置する領域にそれぞれ形成され、且つ、開口部１５の面積と同じ面積をそれぞれ有している。
【００３３】
この構成によれば、第１のマイクロレンズ９ａと第２のマイクロレンズ１３ａの両方において、光電変換領域２の直上方に位置する領域に平坦面１７、１６がそれぞれ形成されているため、第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６を通過した外光は、平坦面１６で屈折することなく垂直光のまま第３の平坦化層１２、カラーフィルタ層１１、及び第２の平坦化層１０を直進して、第１のマイクロレンズ９ａに入射する。さらに、この垂直光は第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７を垂直光のまま直進して、光電変換領域２へ集光する。従って、本実施形態の固体撮像装置では、外光を効率良く光電変換領域２に入射させることができるため、斜入射光が光電変換領域に入射するのを軽減でき、斜入射光が転送チャネル領域３の近辺で光電変換されて転送チャネル領域３へ漏れ込むのを抑制することが可能となる。これにより、スミアの発生が抑制され、画像特性が良好な固体撮像装置を実現することができる。
【００３４】
また、本実施形態の固体撮像装置では、第１のマイクロレンズ９ａに設けられた平坦面１７の平面形状は、第２のマイクロレンズ１３ａに設けられた平坦面１７の平面形状と等しく、且つ、開口部１５の平面形状とも等しくなっている。これにより、第２のマイクロレンズ１３ａに入射した垂直光を、第１のマイクロレンズ９ａ及び開口部１５を介して、確実に光電変換領域２へ集光させることが可能となる。
【００３５】
なお、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａにそれぞれ設けられた平坦面１７、１６の面積は、それぞれ開口部１５の面積以下であれば外光を効率良く光電変換領域２へ集光させることができるため好ましい。なお、各平坦面１７、１６の面積が開口部１５の面積よりも小さいとより好ましい。この場合、例えば第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａの曲率が小さく集光能力が低くても、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａの集光率を向上でき、光電変換領域２に外光を十分に集光させることが可能となる。
【００３６】
ここで、本実施形態の固体撮像装置では、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａにそれぞれ設けられた平坦面１６、１７の面積が互いに等しい例を挙げたが、これに限定されるものではなく、各平坦面１６、１７の面積が互いに異なっていてもよい。これについて、図４及び図５を用いて説明する。図４は、本実施形態の固体撮像装置の第１の変形例を示す断面図である。また、図５は、本発明の固体撮像装置の第２の変形例を示す断面図である。
【００３７】
本実施形態の固体撮像装置の第１の変形例では、図４に示すように、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａは、上に凸状の上面をそれぞれ有しており、且つ、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａの頂部には、光電変換領域２及び遮光膜７に設けられた開口部の直上方に位置する平坦面１７、１６がそれぞれ形成されている。ここで、第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６の面積は、第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７の面積よりも大きくなっている。
【００３８】
この構成によれば、第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６の面積を大きくすることで、第２のマイクロレンズ１３ａから出射する出射光の垂直光成分を多くすることができる。その結果、第２のマイクロレンズ１３ａから出射した垂直光のうち、第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７に入射した光を、垂直光のまま光電変換領域２の中央部分に確実に導くことができるとともに、垂直光のうち第１のマイクロレンズ９ａの曲面に入射した光を、比較的小さい入射角度で光電変換領域２へ入射させることができる。従って、本実施形態の固体撮像装置の第１の変形例では、外光を効率良く光電変換領域２へ集光させることができるため、画像特性の劣化が抑制され、微細化されても十分な照度が得られ、良好な感度を有する固体撮像装置を実現することができる。
【００３９】
次に、本実施形態の固体撮像装置の第２の変形例では、図５に示すように、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａは、上に凸状の上面をそれぞれ有しており、且つ、第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａの頂部には、光電変換領域２及び遮光膜７に設けられた開口部の直上方に位置する平坦面１７、１６がそれぞれ形成されている。ここで、第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７は、第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６よりも大きくなっている。
【００４０】
この構成によれば、第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７の面積を大きくすることで、第２のマイクロレンズ１３ａの平坦面１６から出射した垂直光を、確実に第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７を通過させて、光電変換領域２の中央部分へ集光させることができる。さらに、第２のマイクロレンズ１３ａの曲面を屈折した出射光は、第１のマイクロレンズ９ａの平坦面１７に入射することで、比較的小さな入射角度で光電変換領域２へ入射できるようになるため、光電変換領域２へ斜入射光が入射するのをより一層抑制することができる。従って、本実施形態の第２の変形例では、微細化されてもスミアの発生が抑制され、画像特性が良好な固体撮像装置を実現することができる。
【００４１】
（第４の実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の第１〜第５の製造方法について説明する。なお、本実施形態では、第２の実施形態に係る固体撮像装置（図２（ａ）参照）を製造する方法を一例として述べる。図６（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の固体撮像装置の第１の製造方法を示す断面図である。
【００４２】
本発明の固体撮像装置の第１の製造方法では、図示は省略するが、まず、シリコンなどからなる半導体基板１上に、フォトリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、所定の領域に開口を有するレジストを形成する。このレジストを用いて、半導体基板１内にイオン注入することで、光電変換領域２及び転送チャネル領域３を形成する。続いて、半導体基板１の全面上に第１の絶縁膜４を形成した後、第１の絶縁膜４上であって、転送チャネル領域３の上方に位置する領域に設けられた転送電極５と、該転送電極５を覆うように設けられた第２の絶縁膜６を形成する。
【００４３】
続いて、半導体基板１の全面上にタングステンなどからなる遮光膜７を形成した後、該遮光膜７のうち、光電変換領域２の直上方に位置する部分を除去することで、第１の絶縁膜４の上面を露出させる開口部を形成する。これにより、第１の絶縁膜４上から第２の絶縁膜６の側面及び上面上に亘って設けられ、光電変換領域２の直上方に位置する部分に開口部が設けられた遮光膜７を形成する。次に、転送電極５及び遮光膜７により生じた段差を解消するために、半導体基板１の全面上にＢＰＳＧ（Boronic Phosphoric Silicate Glass）などからなる第１の平坦化層８を形成する。
【００４４】
続いて、図６（ａ）に示すように、第１の平坦化層８上に、上面が凸な曲面を有する第１のマイクロレンズ１８を形成する。その後、図６（ｂ）に示すように、第１のマイクロレンズ１８上に、第１のマイクロレンズ１８と同じエッチングレートを有する処理膜１９を０．５μｍ〜２．０μｍの膜厚で堆積し、第１のマイクロレンズ１８全体を処理膜１９で覆う。処理膜１９の堆積は、回転塗布で行っても良い。
【００４５】
次に、図６（ｃ）に示すように、処理膜１９及び第１のマイクロレンズ１８をエッチングして第１のマイクロレンズ１８の上部を除去することで、頂部であって、光電変換領域２の直上方に位置する領域に平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成する。次に、図６（ｄ）に示すように、半導体基板１上に残存する処理膜１９を除去する。なお、本実施形態において、図６（ａ）〜（ｄ）に示すような平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成する工程を「平坦面形成工程」と称する。
【００４６】
続いて、図６（ｅ）に示すように、第１のマイクロレンズ９ａにより生じた段差を解消するため、半導体基板１の全面上に第２の平坦化層１０を形成する。その後、第２の平坦化層１０上に、顔料及び染料などの色材を含有する材料を塗布した後、フォトリソグラフィー及びエッチングを行うことで、第１のマイクロレンズ９ａを覆い、原色及び補色などの所望のカラーフィルタ配列を有するカラーフィルタ層１１を形成する。
【００４７】
続いて、カラーフィルタ層１１上に、第３の平坦化層１２を形成する。次に、第３の平坦化層１２上に、第２のマイクロレンズ形成膜（図示せず）を形成した後、所定の加工を行うことで、上面が凸状の曲面を有する第２のマイクロレンズ１３を形成する。以上の工程により、図２（ａ）に示す固体撮像装置を製造することができる。
【００４８】
この第１の製造方法によれば、図６（ｄ）に示す工程で、光電変換領域２の直上方に位置する平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成することができる。これにより、第１のマイクロレンズ９ａに入射した光を平坦面１７を介して光電変換領域２の中央部分に集光させることができる。従って、本実施形態の固体撮像装置の第１の製造方法を用いれば、光電変換領域２に斜入射光が入射するのが軽減され、スミアの発生が抑制され、良好な画像特性を有する固体撮像装置を製造することができる。
【００４９】
続いて、本実施形態の固体撮像装置の第２の製造方法について説明する。なお、以下に述べる本実施形態の固体撮像装置の第２〜第５の製造方法では、本実施形態の第１の製造方法と「平坦面形成工程」のみが異なっているため、同様な工程については省略化して説明する。図７（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の固体撮像装置の第２の製造方法を示す断面図である。
【００５０】
図示は省略するが、本実施形態の第２の製造方法では、まず、光電変換領域及び転送チャネル領域が設けられた半導体基板１上の所定の領域に、第１の絶縁膜４、転送電極５、第２の絶縁膜６、遮光膜７、第１の平坦化層８を順次形成する。続いて、図７（ａ）に示すように、第１の平坦化層８上に、熱可塑性樹脂からなる第１のマイクロレンズ形成膜２０を塗布する。なお、熱可塑性樹脂としては、例えばアクリル、ポリ乳酸（ＰＬＡ：Polylactic acid）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ：Polyethylene terephthalate）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ：polymethylmethacrylate）、ポリカーボネート（ＰＣ：Polycarbonate）などの樹脂を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００５１】
次に、図７（ｂ）に示すように、第１のマイクロレンズ形成膜２０上に、平坦部を有するモールド（金型）２１を設置する。モールド（金型）２１は、所望のマイクロレンズ形状が形成されており、その形状は上方に凸形状であり、頂部には平坦面が形成されている。続いて、図７（ｃ）に示すように、モールド２１を押圧した状態で、第１のマイクロレンズ形成膜２０を加熱して硬化させる。これにより、頂部であって、光電変換領域２の直上方に位置する領域に平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成する。次いで、図７（ｄ）に示す工程で、モールド２１を除去する。以降、詳細な説明は省略するが、本実施形態の第１の製造方法と同様な工程を行うことにより、図２（ａ）に示す固体撮像装置を製造することができる。
【００５２】
続いて、本実施形態の固体撮像装置の第３の製造方法について説明する。図８（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の固体撮像装置の第３の製造方法を示す断面図である。
【００５３】
図示は省略するが、本実施形態の第３の製造方法では、まず、光電変換領域２及び転送チャネル領域３が設けられた半導体基板１上の所定の領域に、第１の絶縁膜４、転送電極５、第２の絶縁膜６、遮光膜７、第１の平坦化層８を順次形成する。続いて、図８（ａ）に示すように、第１の平坦化層８上に、アクリル樹脂などの光硬化性樹脂からなる第１のマイクロレンズ形成膜２２を塗布する。
【００５４】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１のマイクロレンズ形成膜２２上に、平坦部を有するモールド（金型）２１を設置する。モールド（金型）２１は、所望のマイクロレンズ形状が形成されており、その形状は上方に凸形状であり、頂部には平坦面が形成されている。続いて、図８（ｃ）に示すように、モールド２１を押圧した状態で、第１のマイクロレンズ形成膜２２に紫外線を照射して硬化させる。これにより、頂部であって、光電変換領域２の直上方に位置する領域に平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成する。次いで、図８（ｄ）に示す工程で、モールド２１を除去する。以降、詳細な説明は省略するが、本実施形態の第１の製造方法と同様な工程を行うことにより、図２（ａ）に示す固体撮像装置を製造することができる。
【００５５】
続いて、本実施形態の固体撮像装置の第４の製造方法について説明する。図９（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の固体撮像装置の第４の製造方法を示す断面図である。
【００５６】
図示は省略するが、本実施形態の第４の製造方法では、まず、光電変換領域２及び転送チャネル領域３が設けられた半導体基板１上の所定の領域に、第１の絶縁膜４、転送電極５、第２の絶縁膜６、遮光膜７、第１の平坦化層８を順次形成する。続いて、図９（ａ）に示すように、第１の平坦化層８上に、アクリル樹脂などの感光性材料からなる第１のマイクロレンズ形成膜２３を塗布する。
【００５７】
次に、グレースケールマスクを通して第１のマイクロレンズ形成膜２３に対して、露光を行い、その後現像を行うことにより、光電変換領域２の直上方に平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成する。
【００５８】
ここで、本工程で用いるグレースケールマスクについて図９（ｂ）を用いて説明する。図９（ｂ）は、本実施形態の第４の製造方法に係るグレースケールマスクの光透過率分布を示す図である。図９（ｂ）に示すように、本実施形態のグレースケールマスクは、主面方向に複数段階の透過率分布を有している。平坦面を形成する位置では光透過率が低く、マイクロレンズ外周に近づくにつれ光透過率が高くなり、光透過率は、マイクロレンズ外周部で最大となる。これは、感光性材料がポジ型の場合であり、ネガ型の場合は逆に、平坦面を形成する位置で光透過率は最大となり、マイクロレンズ外周に近づくにつれ光透過率が低くなり、マイクロレンズ外周部で最小となる。
【００５９】
以降、詳細な説明は省略するが、本実施形態の第１の製造方法と同様な工程を行うことにより、図２（ａ）に示す固体撮像装置を製造することができる。
【００６０】
続いて、図示は省略するが、本実施形態の固体撮像装置の第５の製造方法について説明する。
【００６１】
本実施形態の第５の製造方法では、まず、光電変換領域及び転送チャネル領域が設けられた半導体基板上の所定の領域に、第１の絶縁膜、転送電極、第２の絶縁膜、遮光膜、第１の平坦化層を順次形成する。続いて、第１の平坦化層上に、アクリル樹脂などの感光性材料からなる第１のマイクロレンズ形成膜を塗布する。その後、第１のマイクロレンズ形成膜を露光及び現像することで、光電変換領域２の直上方を覆うように、直方体形状に第１のマイクロレンズ形成膜を加工する。
【００６２】
続いて、直方体形状を有する第１のマイクロレンズ形成膜をガラス転移点以上の温度で加熱して熱フローすることで、第１のマイクロレンズ形成膜の表面を上に凸な曲面形状に加工する。その後、平板を用いて、上に凸な曲面形状を有する第１のマイクロレンズ形成膜を押圧することで、第１のマイクロレンズ形成膜の頂部であって、光電変換領域の直上方に位置する領域に平坦面を形成する。これにより、平坦面を有する第１のマイクロレンズを形成することができる。以降、詳細な説明は省略するが、本実施形態の第１の製造方法と同様な工程を行うことにより、図２（ａ）に示す固体撮像装置を製造することができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置の第２〜第５の製造方法によれば、平坦面形成工程において、光電変換領域２の直上方に位置する平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを形成することができる。これにより、第１のマイクロレンズ９ａに入射した光を平坦面１７を介して光電変換領域２の中央部分に集光させることができる。従って、本実施形態の固体撮像装置の第２〜第５の製造方法を用いれば、光電変換領域２に斜入射光が入射するのが抑制され、スミアの発生が抑制され、良好な画像特性を有する固体撮像装置を製造することができる。
【００６４】
なお、本実施形態の固体撮像装置の第１〜第５の製造方法では、第１のマイクロレンズ形成膜に対して「平坦面形成工程」を行うことで、平坦面１７を有する第１のマイクロレンズ９ａを備えた固体撮像装置を製造する方法を挙げたが、これに限定されるものではない。例えば、上に凸な曲面を有する第１のマイクロレンズを形成した後、第２のマイクロレンズ形成膜に対して、上述の「平坦面形成工程」を行うことで、平坦面１６を有する第２のマイクロレンズ１３ａを備えた固体撮像装置（図１（ａ）参照）を製造することができる。また、第１のマイクロレンズに平坦面１７を形成した後、第２のマイクロレンズに対しても平坦面１６を形成することで、平坦面１７、１６をそれぞれ有する第１のマイクロレンズ９ａ及び第２のマイクロレンズ１３ａを備えた固体撮像装置を製造することができる。なお、この場合、各マイクロレンズを平坦化する方法としては、互いに同じ「平坦面形成工程」を用いてもよいし、互いに異なる「平坦面形成工程」を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の固体撮像装置及びその製造方法は、固体撮像装置の高画素化及び微細化に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図であり、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図４】第３の実施形態の固体撮像装置の第１の変形例の構成を示す平面図である。
【図５】第３の実施形態の固体撮像装置の第２の変形例の構成を示す平面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の固体撮像装置の第１の製造方法を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の固体撮像装置の第２の製造方法を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の固体撮像装置の第３の製造方法を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の固体撮像装置の第４の製造方法を示す断面図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１      半導体基板 
２      光電変換領域 
３      転送チャネル領域 
４      第１の絶縁膜 
５      転送電極 
６      第２の絶縁膜 
７      遮光膜 
８      第１の平坦化層 
９      第１のマイクロレンズ 
９ａ    第１のマイクロレンズ 
１０      第２の平坦化層 
１１      カラーフィルタ層 
１２      第３の平坦化層 
１３      第２のマイクロレンズ 
１３ａ    第２のマイクロレンズ 
１４      画素 
１５      開口部 
１６      平坦面 
１７      平坦面 
１８      第１のマイクロレンズ 
１９      処理膜 
２０      第１のマイクロレンズ形成膜 
２１      モールド 
２２      第１のマイクロレンズ形成膜 
２３      第１のマイクロレンズ形成膜
【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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