JP2009224361A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】斜め入射光によるスミアが発生しにくい固体撮像装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】光電変換を行う受光部１０２が形成された半導体基板１０１と、前記受光部１０２相当領域に開口部１０９を有する遮光膜１１０と、前記開口部１０９を埋めるように前記遮光膜１１０上に形成された透明絶縁膜１１２と、前記透明絶縁膜１１２上に形成されたカラーフィルター層１１３とを備えた固体撮像装置おいて、前記開口部１０９の内部に前記透明絶縁膜１１２よりも屈折率の大きい凹レンズ１１１を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特にスミアを低減する技術に関する。

図１１に従来の固体撮像装置の要部断面図を示す。図１１に示すように、従来の固体撮像装置のシリコン基板６０１には、所要の不純物のイオン注入等により、受光部６０２、読み出し部６０３、垂直転送部６０４、チャネルストップ部６０５が形成されている。また、シリコン基板６０１の表面上には、垂直転送部６０４相当領域にシリコン酸化膜６０６を介して垂直転送電極６０７が形成されており、その上には開口部６０９を受光部６０２相当領域に有する遮光膜６１０が形成されており、開口部６０９の内部には反射防止膜６１１が形成されている。また、遮光膜６１０及び反射防止膜６１１上には、開口部６０９を埋めるように透明絶縁膜６１２が形成され、その上にカラーフィルター層６１３とマイクロオンチップレンズ６１４とが形成されている。このような従来の固体撮像装置では、マイクロオンチップレンズ６１４により受光部６０２へ入射光を集光して感度向上を図っている。

近年、CCD（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置の分野では、デジタルスチルカメラ・デジタルビデオカメラ・カメラつき携帯電話等の普及により、ますます装置の小型化、高画素化が求められている。しかしながら、固体撮像装置を小型化、高画素化すると、マイクロオンチップレンズ６１４と受光部６０２間の距離が縮小するため、入射光の焦点位置がシリコン基板６０１の深部側へと移動する。また、遮光膜６１０の開口部６０９が縮小するため受光部６０２への進入光量が減少する。その結果、受光部６０２での光電変換効率が低下し、固体撮像装置の感度が低下して、所定の照度の下で鮮明な画像を撮影することが困難になる。

そこで、特許文献１〜３の固体撮像装置では、透明絶縁膜６１２とカラーフィルター層６１３との間に高屈折率材料からなる凸形状の層内レンズ（不図示）を形成し、当該層内レンズで入射光をさらに屈折させて受光部６０２への進入光量を増加させ、感度を向上させている。
特開平１１−４０７８７号公報 特開平１１−８７６７２号公報 特開２００２−３５３４２８号公報

しかしながら、マイクロオンチップレンズ６１４や層内レンズで集光すると、図１１において矢印で示すような斜め入射光が多くなる。このような斜め入射光は、シリコン基板６０１と、反射防止膜６１１、遮光膜６１０又は垂直転送電極６０７との間を多重反射して垂直転送部６０４へと漏れ込み易く、これにより垂直転送部６０４で光電変換による電荷が生じ、生じた電荷が擬似信号として振る舞って、スミアと呼ばれるノイズが発生する。さらに、斜め入射光が受光部６０２で光電変換されずに垂直転送部６０４の直下で光電変換された場合も、直下で生じた電荷の一部が垂直転送部６０４へと入り込んでスミアが発生する。

そこで、従来の固体撮像装置では、遮光膜６１０の開口部６０９を縮小させることで開口部６０９と垂直転送部６０４との距離を拡大し、スミアを低減させている。しかし、開口部６０９を縮小させると、受光部６０２への入射光量が減少するため感度が低下する。すなわち、スミア低減と感度向上とはトレードオフの関係にあり、固体撮像装置の小型化、高画素化を図りながら両特性を満足させることは非常に困難である。

本発明は、上記の課題に鑑み、斜め入射光によるスミアが発生しにくい固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換を行う受光部が形成された半導体基板と、前記受光部相当領域に開口部を有する遮光膜と、前記開口部を埋めるように前記遮光膜上に形成された透明絶縁膜と、前記透明絶縁膜上に形成されたカラーフィルター層とを備えた固体撮像装置であって、
前記開口部の内部に前記透明絶縁膜よりも屈折率の大きい凹レンズが形成されていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に光電変換を行う受光部を形成する工程と、前記受光部相当領域に開口部を有する遮光膜を形成する工程と、前記開口部の内部を透明絶縁部材で埋める工程と、前記開口部相当領域の一部にレジスト穴を有するレジストをマスクとして等方性エッチングし前記透明絶縁部材の上面を凹型曲面にする工程と、前記レジストを除去し透明絶縁膜を堆積、平坦化させる工程と、前記透明絶縁膜上にカラーフィルター層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置は、開口部の内部に透明絶縁膜よりも屈折率の大きい凹レンズが形成されているため、斜め入射光を垂直入射光にして、或いは垂直入射光に近い入射角度を有する斜め入射光にして、受光部１０２へ進入させることができる。したがって、斜め入射光によるスミアが発生しにくい。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、遮光膜の開口部の内部を透明絶縁部材で埋める工程と、前記開口部相当領域の一部にレジスト穴を有するレジストをマスクとして等方性エッチングし前記透明絶縁部材の上面を凹型曲面にする工程とを含むため、開口部の内部に凹レンズを形成することができる。したがって、斜め入射光によるスミアが発生しにくい固体撮像装置を製造することができる。

本発明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図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
＜固体撮像装置＞
第１の実施形態に係る固体撮像装置は、半導体基板に行列状に複数形成されたフォトダイオードからなる受光部と、各受光部から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部とを備えたCCD型の固体撮像装置である。

図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る固体撮像装置には、半導体基板としてのシリコン基板１０１に、フォトダイオードである受光部１０２が形成されている。受光部１０２の一方側には、読み出し部１０３を介して読み出した信号電荷を転送する垂直転送部１０４ａが形成されており、受光部１０２の他方側には、隣接する他の受光部（不図示）から読み出した信号電荷を転送する垂直転送部１０４ｂが形成されており、受光部１０２と垂直転送部１０４ｂとの間には、チャネルストップ部１０５が形成されている。

シリコン基板１０１の表面上には、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜１０６、垂直転送電極１０７、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜１０８、及び、開口部１０９を受光部１０２相当領域に有する遮光膜１１０が順次形成されている。

垂直転送電極１０７は、垂直転送部１０４ａ，１０４ｂ相当領域に形成されており、当該垂直転送電極１０７の上面及び側面に絶縁膜１０８が形成されている。遮光膜１１０が垂直転送電極１０７の上面及び側面を覆っているため、受光部１０２の受光領域以外の領域には入射光が直接進入しない。一方、開口部１０９によって露出している受光部１０２の受光領域には入射光が直接進入する。

遮光膜１１０の開口部１０９の内部には、凹レンズ１１１が形成されている。そして、遮光膜１１０及び凹レンズ１１１上には、開口部１０９を埋めるように、例えばBPSGからなる平坦化された透明絶縁膜１１２が形成されている。また、透明絶縁膜１１２上には、カラーフィルター層１１３が形成され、その上に入射光を受光部１０２へ集光するマイクロオンチップレンズ１１４が形成されている。

凹レンズ１１１は、透明絶縁膜１１２との界面となる上面が凹型曲面、絶縁膜１０６との界面となる下面は平面であって、その外周面が開口部１０９の内周面に接している。当該凹レンズ１１１は、例えばシリコン窒化膜で形成されており、その屈折率はシリコン基板１０１よりも小さいが透明絶縁膜１１２よりは大きい。なお、凹レンズ１１１のレンズ曲率は全ての画素で同一である。

図１において矢印で示すように、凹レンズ１１１は、マイクロオンチップレンズ１１４等で発生した斜め入射光を垂直入射光にして受光部１０２へ進入させる特性を有する。したがって、斜め入射光が、シリコン基板１０１と遮光膜１１０との間やシリコン基板１０１と垂直転送電極１０７との間を多重反射して、垂直転送部１０４ａ，１０４ｂ及びその直下へと漏れ込むことが少なく、斜め入射光によるスミアが発生しにくい。

なお、斜め入射光を垂直入射光にして受光部１０２へ進入させる場合が最も効率良くスミアを低減できるが、必ずしも垂直入射光にする必要はなく、斜め入射光の入射角度が垂直入射光の入射角度（９０°）に近づく特性を有していれば良い。垂直入射光に近づく分だけスミアが低減するからである。

凹レンズ１１１の外周面は、開口部１０９の内周面に接していることが好ましい。開口部１０９の内部に進入する斜め入射光の全てを垂直入射光にすることができるからである。但し、必ずしも凹レンズの外周面は開口部の内周面に接触している必要はなく、凹レンズの外周面と開口部の内周面とが離れていても良い。

凹レンズ１１１は、シリコン基板１０１よりも屈折率が小さいことが好ましい。入射光がシリコン基板１０１で反射しにくく、より多くの入射光を受光部へ進入させることができるため、進入光量が増加するからである。

凹レンズ１１１は、その全体が開口部１０９の内部に完全に収まっていることが好ましい。開口部１０９の内部へ進入する前の斜め入射光が凹レンズ１１１によって垂直入射光にされてしまうと、その垂直入射光が開口部１０９の内部へ進入できなくなる場合が生じ、進入光量が減少するおそれがあるからである。但し、必ずしも凹レンズ１１１の全体が開口部１０９の内部に完全に収まっている必要はなく、その一部が開口部１０９からはみ出していても良い。例えば、凹レンズ１１１の外周縁部（厚肉の部分）が開口部１０９からはみ出していても良い。

＜製造方法＞
第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。まず、図１に示すように、シリコン基板１０１の所定の位置にｐ型の不純物を注入し、読み出し部１０３とチャネルストップ部１０５とを所定の間隔をおいてそれぞれ形成する。次に、ｎ型の不純物を注入し、読み出し部１０３とチャネルストップ部１０５との間に受光部１０２を形成し、読み出し部１０３及びチャネルストップ部１０５の外側に垂直転送部１０４ａ、１０４ｂをそれぞれ形成する。

次に、シリコン基板１０１の表面に熱酸化法又はＣＶＤ法によりシリコン酸化膜等の絶縁膜１０６及びポリシリコン膜（不図示）を順次形成した後、それら絶縁膜１０６及びポリシリコン膜を公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングする。そして、垂直転送部１０４ａ、１０４ｂ相当領域に垂直転送電極１０７を形成した後、垂直転送電極１０７の表面に熱酸化法等によりシリコン酸化膜１０８を形成する。

次に、スパッタ及びＣＶＤ法等によりアルミニウム及びタングステン等の金属膜を堆積させた後、公知のリソグラフィ技術及びエッチング技術によってパターニングして、垂直転送電極１０７を覆い且つ受光部１０２相当領域に開口部１０９を有する遮光膜１１０を形成する。

次に、凹レンズ１１１を形成する。図２は、第１の実施形態に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図である。まず、遮光膜１１０上に、例えばシリコン窒化膜を、公知のＣＶＤ法又はスパッタ法により開口部１０９を埋めるように堆積させ、さらに公知のＣＭＰ法またはレジストエッチバック法により前記シリコン窒化膜を遮光膜１１０の高さと同一の高さまで平坦化して、開口部１０９の内部を透明絶縁部材１１１ａで埋める（図２（ａ））。

この時、ＣＭＰ及びレジストエッチバック処理において、遮光膜１１０に使用している金属を検知すれば処理時間を制御することが可能であり、シリコン窒化膜を遮光膜１１０の高さと同一の高さまで平坦化するのが容易である。もちろん固定処理時間によるＣＭＰ及びレジストエッチバックによっても同様の構造を形成することは可能である。

次に、開口部１０９相当領域の一部にレジスト穴１１５を有するレジスト１１６をマスクとして、透明絶縁部材１１１ａを公知のドライエッチングまたはウェットエッチングにより等方性エッチングし、透明絶縁部材１１１ａの上面を凹型曲面にする（図２（ｂ））。

この時、等方性エッチング条件を変えずにレジスト１１６のレジスト穴１１５の大きさ（例えば、レジスト穴１１５の開口面積）を制御すれば、凹型曲面を目的の曲率に形成することが容易である。もちろんエッチング条件を変更しても最適な曲率の凹型曲面を形成することが可能である。また、エッチング処理において、遮光膜１１０に使用している金属を検知すればより処理時間を制御でき、凹レンズ１１１の厚み（高さ）を制御することが容易となる。もちろん固定処理時間によるエッチングによっても同様の構造を形成することは可能である。

最後に、レジスト１１６を除去すれば凹レンズ１１１が完成する（図２（ｃ））。その後は、図１に示すように、遮光膜１１０と凹レンズ１１１の上に段差を埋めるように透明絶縁膜１１２を形成し、さらにカラーフィルター層１１３及びマイクロオンチップレンズ１１４を順次形成する。

上記製造方法によれば、遮光膜１１０の開口部１０９の内部に、最適な曲率及び厚みを有する凹レンズ１１１を形成することが容易である。
［変形例１］
＜固体撮像装置＞
第１の実施形態に係る固体撮像装置では、凹レンズ１１１のレンズ曲率が全ての画素で同一であったが、変形例１に係る固体撮像装置では、凹レンズのレンズ曲率がカラーフィルター層の色毎に異なる。以下に、変形例１に係る固体撮像装置を、原色系カラーフィルター（赤、緑、青）を用いた場合を例に挙げて説明する。

図３は、変形例１に係る固体撮像装置の要部断面図である。図３に示すように、変形例１に係る固体撮像装置は、赤カラーフィルター層２１３ａ、緑カラーフィルター層２１３ｂ及び青カラーフィルター層２１３ｃを備え、それらカラーフィルター層２１３ａ〜２１３ｃに対応して、凹レンズ２１１ａ〜２１１ｃのレンズ曲率が色毎に最適化されている。

レンズ曲率（上面の曲率）は、赤色用の凹レンズ２１１ａが最も大きく、緑色用の凹レンズ２１１ｂが次に大きく、青色用の凹レンズ２１１ｃが最も小さい。なお、なお、各凹レンズ２１１ａ〜２１１ｃのレンズ中央部の厚み（高さ）は全て同じである。

このように、カラーフィルター層２１３ａ〜２１３ｃで分光された斜め入射光について、長波長の赤色光にはレンズ曲率の大きい赤色用の凹レンズ２１１ａを使用し、短波長の青色光にはレンズ曲率の小さい青色用の凹レンズ２１１ｃを使用することで、各色斜め入射光を最適な垂直入射光にしてシリコン基板１０１へ進入させ、スミアを低減している。

この構成は、補色系カラーフィルター（イエロー、マゼンダ、シアン、グリーン）等にも応用でき、分光された入射光の波長の長短により凹レンズのレンズ曲率を変化させれば（波長が長くなるほどレンズ曲率を大きくすれば）、効果的にスミアを低減できる。

以上のように、変形例１に係る固体撮像装置は、凹レンズのレンズ曲率がカラーフィルター層の色毎に異なるため、レンズ曲率を入射光の波長に応じて最適化することが可能であり、このように最適化すれば、カラーフィルター層２１３ａ〜２１３ｃで特定波長に分光された数種類の斜め入射光を、それぞれ最適な垂直入射光にして受光部へ進入させることができる。

＜製造方法＞
変形例１に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。凹レンズの形成方法以外は第１の実施形態と略同様であるため、主として凹レンズの形成方法について説明する。

まず、遮光膜上に、例えばシリコン窒化膜を、公知のＣＶＤ法又はスパッタ法により開口部を埋めるように堆積させ、さらに公知のＣＭＰ法またはレジストエッチバック法により前記シリコン窒化膜を遮光膜の高さと同一の高さまで平坦化して、開口部の内部を透明絶縁部材で埋める。

図４は、変形例１に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図である。次に、図４に示すように、開口部相当領域の一部にレジスト穴２１５ａ〜２１５ｃを有するレジスト２１６をマスクとして透明絶縁部材を公知のドライエッチングまたはウェットエッチングにより等方性エッチングし、透明絶縁部材の上面を凹型曲面にすることで凹レンズ２１１ａ〜２１１ｃを形成する。

レジスト２１６のレジスト穴２１５ａ〜２１５ｃは、カラーフィルター層の色毎に大きさが異なっており、赤色用のレジスト穴２１５ｃが最も小さく、緑色用のレジスト穴２１５ｂが次に小さく、青色用のレジスト穴２１５ａが最も大きい。この形成方法によれば、カラーフィルター層２１３ａ〜２１３ｃの色毎に最適化されたレンズ曲率を有する凹レンズ２１１ａ〜２１１ｃを容易に一度に形成することができる。

［変形例２］
＜固体撮像装置＞
第１の実施形態に係る固体撮像装置では、凹レンズ１１１のレンズ厚が全ての画素で同一であったが、変形例２に係る固体撮像装置では、凹レンズのレンズ厚がカラーフィルター層の色毎に異なる。以下に、変形例２に係る固体撮像装置を、原色系カラーフィルター（赤、緑、青）を用いた場合を例に挙げて説明する。

一般的に、低屈折率の物質から高屈折率の物質に光が進入する際には界面で反射が発生するが、その反射は低屈折率の物質と高屈折率の物質の間にそれらの間の屈折率の物質を挿入することで抑制でき、挿入する物質の最適な厚みは進入する光の波長により異なることが知られている。すなわち、図１に示すように、第１の実施形態に係る固体撮像装置のように屈折率の小さい透明絶縁膜１１２から屈折率の大きいシリコン基板１０１へ入射光が進入する場合において、凹レンズ１１１の屈折率を透明絶縁膜１１２とシリコン基板１０１との間の屈折率とすれば、凹レンズ１１１が反射防止の効果を発揮しシリコン基板１０１による反射が抑制され、入射光が効果的に受光部１０２に進入して感度が向上する。

図５は、変形例２に係る固体撮像装置の要部断面図である。図５に示すように、変形例２に係る固体撮像装置は、赤カラーフィルター層３１３ａ、緑カラーフィルター層３１３ｂ及び青カラーフィルター層３１３ｃを備え、それらカラーフィルター層３１３ａ〜３１３ｃに対応して、凹レンズ３１１ａ〜３１１ｃのレンズ厚が色毎に最適化されている。

レンズ厚（レンズ高さ）は、赤色用の凹レンズ３１１ａが最も厚く（高く）、緑色用の凹レンズ３１１ｂが次に厚く、青色用の凹レンズ３１１ｃが最も薄い（低い）。より具体的には、レンズ中央部においてもレンズ外周縁部においても、赤色用が最も厚く、緑色用が次に厚く、青色用が最も薄い。なお、各凹レンズ３１１ａ〜３１１ｃのレンズ曲率（上面の曲率）は全て同じである。

このように、カラーフィルター層３１３ａ〜３１３ｃで分光された斜め入射光について、長波長の赤色光にはレンズ厚の厚い赤色用の凹レンズ３１１ａを使用し、短波長の青色光にはレンズ厚の薄い青色用の凹レンズ３１１ｃを使用することで、各色斜め入射光を最適な垂直入射光にしてシリコン基板１０１へ進入させ、スミアを低減している。

変形例２では、レンズ中央部の厚みを赤カラーフィルター層３１３ａに対して155〜170nm、緑カラーフィルター層３１３ｂに対して130〜145nm、青カラーフィルター層３１３ｃに対して105〜120nmとした場合に最適な感度が得られた。

この構成は補色系カラーフィルター（イエロー、マゼンダ、シアン、グリーン）等にも応用でき、分光された入射光の波長の長短により凹レンズのレンズ厚を変化させれば（波長が長くなるほどレンズ厚を厚くすれば）、効果的にスミアを低減できる。

以上のように、変形例２に係る固体撮像装置は、凹レンズのレンズ厚がカラーフィルター層の色毎に異なるため、レンズ厚を入射光の波長に応じて最適化することが可能であり、このように最適化すれば、カラーフィルター層３１３ａ〜３１３ｃで特定波長に分光された数種類の斜め入射光を、それぞれ最適な垂直入射光にして受光部へ進入させることができる。

＜製造方法＞
変形例２に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。凹レンズの形成方法以外は第１の実施形態と略同様であるため、主として凹レンズの形成方法について説明する。

まず、遮光膜上に、例えばシリコン窒化膜を、公知のＣＶＤ法又はスパッタ法により開口部を埋めるように堆積させ、さらに公知のＣＭＰ法またはレジストエッチバック法により前記シリコン窒化膜を遮光膜の高さと同一の高さまで平坦化して、開口部の内部を透明絶縁部材で埋める。

図６は、変形例２に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図である。次に、図６に示すように、色毎にその都度、対象となる色の開口部相当領域の一部にレジスト穴３１５ａ〜３１５ｃを有するレジスト３１６ａ〜３１６ｃをマスクとして透明絶縁部材を公知のドライエッチングまたはウェットエッチングにより等方性エッチングし、透明絶縁部材の上面を凹型曲面にすることで凹レンズ３１１ａ〜３１１ｃを形成する。レジスト３１６ａ〜３１６ｃは、色毎にその都度、形成し除去する。この時、エッチング時間を制御すれば目的のレンズ厚の凹レンズ３１１ａ〜３１１ｃを容易に形成することができる。

［変形例３］
図１２は、従来の固体撮像装置を示す図であって、（ａ）は撮像領域を示す概略平面図、（ｂ）は撮像領域中央部の要部断面図、（ｃ）は撮像領域周辺部の要部断面図である。

従来の固体撮像装置において、図１２（ａ）に符号ｂで示すような撮像領域中央部の画素では入射光が垂直成分の光となるため、図１２（ｂ）に示すように、マイクロオンチップレンズ７１４ａは受光部７０２ａの真上に配置されている。一方、図１２（ａ）に符号ｃで示すような撮像領域周辺部の画素では入射光が斜め成分の光となるため、図１２（ｃ）に示すように、マイクロオンチップレンズ７１４ｂは受光部７０２ｂに対してずらして配置されている。

このように、撮像領域周辺部の画素ではマイクロオンチップレンズ７１４ｂをずらして配置することで、入射光をより受光部７０２ｂへ集光させ感度を向上させている。しかしながら、撮像領域中央部と比べてより斜め入射光が多くなるため、レベルの悪いスミアが発生する。変形例３に係る固体撮像装置は、このようなレベルの悪いスミアを抑制する構成を有する。

＜固体撮像装置＞
図７は、変形例３に係る固体撮像装置を示す図であって、（ａ）は撮像領域を示す概略平面図、（ｂ）は撮像領域中央部の要部断面図、（ｃ）は撮像領域周辺部の要部断面図である。

変形例３に係る固体撮像装置において、図７（ａ）に符号ｂで示すような撮像領域中央部の画素では、図７（ｂ）に示すように、マイクロオンチップレンズ４１４ａは受光部４０２ａの真上に配置されており、凹レンズ４１１ａのレンズ中央部は遮光膜４１０の開口部４０９ａの中央部と一致している。一方、図７（ａ）に符号ｃで示すような撮像領域周辺部の画素では、図７（ｃ）に示すように、マイクロオンチップレンズ４１４ｂは受光部４０２ｂに対して撮影領域中央部側へずらして配置されており、凹レンズ４１１ｂは、レンズ中央部（薄肉の部分）が遮光膜４１０の開口部４０９ｂの中央部に対して撮像領域外側へずれるように形成されている。

このように、撮像領域周辺部の画素において、凹レンズ４１１ｂのレンズ中央部を遮光膜４１０の開口部４０９ｂの中央部に対して撮像領域外側へずらすことで、ずらして配置されたマイクロオンチップレンズ４１４ｂを通過して集光された斜め入射光を垂直入射光として受光部４０２ｂへ進入させることができる。その結果、撮像領域周辺部においてもスミアが低減することができる。また、撮像領域周辺部のレンズ形状の最適化が容易となる。

＜製造方法＞
変形例３に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。凹レンズの形成方法以外は第１の実施形態と略同様であるため、主として凹レンズの形成方法について説明する。

まず、遮光膜上に、例えばシリコン窒化膜を、公知のＣＶＤ法又はスパッタ法により開口部を埋めるように堆積させ、さらに公知のＣＭＰ法またはレジストエッチバック法により前記シリコン窒化膜を遮光膜の高さと同一の高さまで平坦化して、開口部の内部を透明絶縁部材で埋める。

図８は、変形例３に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図であって、（ａ）は撮像領域中央部の画素の凹レンズの形成方法を説明するための図、（ｂ）は撮像領域中央部の画素の凹レンズの形成方法を説明するための図である。図８（ａ）に示すように、撮像領域中央部においてはレジスト穴４１５ａの位置が遮光膜４１０の開口部４０９ａ中央部と一致し、図８（ｂ）に示すように、撮像領域周辺部においてはレジスト穴４１５ｂの位置が遮光膜４１０の開口部４０９ｂ中央部に対して撮像領域外側へずれたレジスト４１６をマスクとして、透明絶縁膜を公知のドライエッチングまたはウェットエッチングにより等方性エッチングし、凹型曲面を形成する。

この形成方法を用いれば、撮像領域内の全ての画素において、レジスト穴４１５ａ，４１５ｂの位置を最適化することにより、目的の凹レンズ４１１ａ，４１１ｂが形成可能であり、スミアを有効に低減することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る固体撮像装置は、透光性保護板上の端子パッドと導電パッドとの間の接続態様が異なる他は、基本的に実施の形態１の固体撮像装置２と同様の構成をしている。したがって、共通の構成部分には実施の形態１と同じ符号を付してその説明は省略するか簡略するにとどめ、上記接続態様を中心に説明する。

＜固体撮像装置＞
図９は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。第２の実施形態に係る固体撮像装置は、図９に示すように、シリコン基板５０１、受光部５０２、読み出し部５０３、垂直転送部５０４ａ，５０４ｂ、チャネルストップ部５０５、絶縁膜５０６、垂直転送電極５０７、絶縁膜５０８、開口部５０９、及び、遮光膜５１０についての構成が、第１の実施形態に係る固体撮像装置と略同様である。したがって、これらについての説明は省略する。

遮光膜５１０の開口部５０９の内部には凹レンズ５１１が形成されており、遮光膜５１０と凹レンズ５１１の上に、例えばBPSGからなる平坦化された透明絶縁膜５１２が形成されている。さらに、透明絶縁膜５１２の上には、例えば、シリコン窒化膜やシリコン窒化酸化膜から形成された水素を含んだ水素供給膜５１７及びカラーフィルター層５１３が順次が形成されており、カラーフィルター層５１３の上には入射光を受光部５０２へ集光するためのマイクロオンチップレンズ５１４が形成されている。

凹レンズ５１１は、例えばシリコン窒化膜から形成されており、レンズ中央部に受光部５０２に向け貫通する導光穴５１８を有し、その外周面が遮光膜５１０の開口部５０９の内周面に接しており、その屈折率はシリコン基板５０１よりも小さいが透明絶縁膜５１２よりは大きい。

第２の実施形態に係る固体撮像装置は、受光部５０２上の遮光膜５１０の開口部５０９に、シリコン基板５０１よりも小さく透明絶縁膜５１２よりも大きい屈折率を有した凹レンズ５１１が形成されているため、マイクロオンチップレンズ５１４での集光によって生じた斜め入射光が凹レンズ５１１で垂直入射光となり受光部５０２へ進入する。したがって、感度を落とすことなく、斜め入射光により生じるスミアを効果的に低減できる。

斜め入射光はレンズ中央部を通ることは少なく、例えレンズ中央部を通ったとしても垂直転送部５０４ａ，５０４ｂまでに距離がある。したがって、凹レンズ５１１のレンズ中央部に導光穴５１８が形成されていても、入射光が多重反射により垂直転送部５０４ａ，５０４ｂへ進入することは少なく、入射光は受光部５０２に進入する。

従来の固体撮像装置は、シリコン基板表面のシリコンとシリコン酸化膜界面のシリコンとのダングリングボンドによる界面準位で電荷が熱的に励起され、その電荷が暗電流というノイズとして働き撮像特性が劣化するといった課題を有する。そこで、水素アニール処理や、水素を含んだシリコン窒化膜形成後の熱処理を行って、水素をシリコン基板へ拡散させ、ダングリングボンドを水素で終端して暗電流を低減している。

第２の実施形態に係る固体撮像装置では、水素供給膜５１７を堆積させた後、水素アニール処理を施すが、水素供給膜５１７から放出された水素は凹レンズ５１１の導光穴５１８を通じてシリコン基板５０１へ拡散する。その結果、効果的に暗電流が低減される。

なお、シリコン窒化膜からなる凹レンズ５１１そのものも水素を含んでいるため水素供給によるダングリングボンドの終端化の一因を担っており、凹レンズ５１１によっても暗電流は低減されている。この効果は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の凹レンズ１１１にもある。

第２の実施形態に係る固体撮像装置には、第１の実施形態に係る固体撮像装置が奏する効果に加え、凹レンズ５１１の導光穴５１８を通して、水素供給膜５１７からシリコン基板５０１へ水素を供給することができる。したがって、ダングリングボンドを水素終端化し、暗電流を効果的に低減できる。

＜製造方法＞
第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を以下に説明する。遮光膜５１０を形成するまでの工程は第１の実施形態に係る固体撮像装置と略同様であるため、それ以降の工程について説明する。

図１０は、第２の実施形態に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図である。まず、遮光膜５１０の開口部５０９の内部を透明絶縁部材で埋めて、その透明絶縁部材の上面を凹型曲面にする。その後、図１０に示すように、透明絶縁部材のレンズ中央部に相当する領域にレジスト穴５１５を有するレジスト５１６をマスクとして、上面が凹型曲面の透明絶縁部材を公知のドライエッチングにより異方性エッチングして、当該透明絶縁部材に導光穴５１８を形成する。最後にレジスト５１６を除去し、凹レンズ５１１が完成する。

その後、図９に示すように遮光膜５１０と凹レンズ５１１の上に段差を埋めるように透明絶縁膜５１２を形成し、さらに水素供給膜５１７を形成する。その後、水素を含む雰囲気中においてアニール処理を行い、水素を放出させ、シリコン基板５０１表面におけるダングリングボンドを終端化する。第２の実施形態では400〜500℃の温度で30〜60分間アニール処理を行った場合に暗電流が最も低減した。その後、カラーフィルター層５１３、マイクロオンチップレンズ５１４を順次形成する。

［むすび］
以上、本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法を実施の形態に基づいて具体的に説明してきたが、本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、上記の実施の形態に限定されない。

例えば、本発明に係る固体撮像装置は、第１及び第２の実施形態、並びに、第１の実施形態の変形例１〜３に係る固体撮像装置の構成の一部を組み合わせた構成であってもよい。それぞれを組み合わせて使用することは可能であり、組み合わせることにより相乗的なスミアの低減と暗電流の低減を得ることができる場合がある。

本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、斜め入射光を凹レンズにより垂直入射光として受光部へ進入させることにより、効果的にスミア低減できる固体撮像装置を実現でき、特に凹レンズを備えた固体撮像装置及びその製造方法として有用である。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図 第１の実施形態に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図 変形例１に係る固体撮像装置の要部断面図 変形例１に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図 変形例２に係る固体撮像装置の要部断面図 変形例２に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図 変形例３に係る固体撮像装置を示す図であって、（ａ）は撮像領域を示す概略平面図、（ｂ）は撮像領域中央部の要部断面図、（ｃ）は撮像領域周辺部の要部断面図 変形例３に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図であって、（ａ）は撮像領域中央部の画素の凹レンズの形成方法を説明するための図、（ｂ）は撮像領域中央部の画素の凹レンズの形成方法を説明するための図 第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図 第２の実施形態に係る凹レンズの形成方法の一例を説明するための図 従来の固体撮像装置の要部断面図 従来の固体撮像装置を示す図であって、（ａ）は撮像領域を示す概略平面図、（ｂ）は撮像領域中央部の要部断面図、（ｃ）は撮像領域周辺部の要部断面図

符号の説明

１０１，５０１ 半導体基板
１０２，４０２ａ，４０２ｂ，５０２ 受光部
１０４ａ，１０４ｂ，５０４ａ，５０４ｂ 垂直転送部
１０９，４０９ａ，４０９ｂ，５０９ 開口部
１１０，４１０，５１０ 遮光膜
１１１，２１１ａ〜２１１ｃ，３１１ａ〜３１１ｃ，４１１ａ，４１１ｂ，５１１ 凹レンズ
１１１ａ 透明絶縁部材
１１２，５１２ 透明絶縁膜
１１３，２１３ａ〜２１３ｃ，３１３ａ〜３１３ｃ，５１３ カラーフィルター層
１１５，２１５ａ〜２１５ｃ，３１５ａ〜３１５ｃ，４１５ａ，４１５ｂ，５１５ レジスト穴
１１６，２１６，３１６ａ〜３１６ｃ，４１６，５１６ レジスト
５１８ 導光穴

Claims (12)

1. 光電変換を行う受光部が形成された半導体基板と、前記受光部相当領域に開口部を有する遮光膜と、前記開口部を埋めるように前記遮光膜上に形成された透明絶縁膜と、前記透明絶縁膜上に形成されたカラーフィルター層とを備えた固体撮像装置であって、
   前記開口部の内部に前記透明絶縁膜よりも屈折率の大きい凹レンズが形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記凹レンズは、斜め入射光を垂直入射光にして前記受光部へ進入させる特性を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記凹レンズの外周面が前記開口部の内周面に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記凹レンズは前記カラーフィルター層の色毎にレンズ曲率が異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記凹レンズは前記カラーフィルター層の色毎にレンズ厚が異なることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記凹レンズは前記半導体基板よりも屈折率が小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記凹レンズはシリコン窒化膜で形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記凹レンズは、レンズ中央部に前記受光部に向け貫通する導光穴を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像装置。
9. 前記受光部は、前記半導体基板に行列状に複数形成されており、前記各受光部から読み出した信号電荷を列方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部から転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部とをさらに備え、CCD型の固体撮像装置として機能することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の固体撮像装置。
10. 半導体基板に光電変換を行う受光部を形成する工程と、前記受光部相当領域に開口部を有する遮光膜を形成する工程と、前記開口部の内部を透明絶縁部材で埋める工程と、前記開口部相当領域の一部にレジスト穴を有するレジストをマスクとして等方性エッチングし前記透明絶縁部材の上面を凹型曲面にする工程と、前記レジストを除去し透明絶縁膜を堆積、平坦化させる工程と、前記透明絶縁膜上にカラーフィルター層を形成する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 前記レジスト穴は前記カラーフィルター層の色毎に大きさが異なることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置の製造方法。
12. 前記透明絶縁部材の上面を凹型曲面にする工程後、前記透明絶縁膜を堆積、平坦化させる工程前に、前記開口部相当領域の一部にレジスト穴を有するレジストをマスクとして異方性エッチングし前記透明絶縁部材に導光穴を設ける工程を含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の固体撮像装置の製造方法。

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