JP3672663B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像装置の小型化が進んでいるが、小型化に伴って各固体撮像素子の受光部の面積が縮小するために、固体撮像装置における光感度の低下が問題となっている。この問題を解決するために、受光部に光を集めるマイクロレンズを備えた固体撮像装置がすでに実現されている。マイクロレンズ形成技術は、現在、固体撮像装置の製造には欠くことのできない技術となっている。
【０００３】
以下、従来の固体撮像装置について説明する。
【０００４】
図８は、従来の固体撮像装置の一例の構造を示すための断面図である。図８において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成され、入射された光を電荷に変換するフォトダイオード部、１３は半導体基板１１の表面を平坦にするための第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層１３上に形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４の段差を平坦にするための第２の平坦化層、５０は第２の平坦化層１５上に形成され、フォトダイオード部１２に光を集めるマイクロレンズである。
【０００５】
第１の平坦化層１３は、半導体基板１１の上に透明膜材料を必要な厚さだけ塗
布することにより形成される。カラーフィルタ１４は、各フォトダイオード部１２に対応するように例えばフォトリソグラフィー技術により形成される。第２の平坦化層１５は、カラーフィルタ１４の上に透明膜材料を必要な膜厚だけ塗布することにより形成される。
【０００６】
マイクロレンズ５０は、フェノール樹脂等からなり、各フォトダイオード部１２の上方に当る位置に半球状に形成されている。また、マイクロレンズ５０の表面に当たった光がフォトダイオード部１２に効率良く集められるような高さを持っている。
【０００７】
マイクロレンズ５０の半球状の形状は、以下のような工程により形成される。まず、第２の平坦化層１５の上にレンズレジストを塗布する。次に、レンズマスクを用いて露光処理を行い、さらに現像処理を行うことにより、各フォトダイオード部１２の上方に当る位置にレンズレジストをパターン化する。さらに、加熱処理を行い、パターン化されたレンズレジストを溶解することにより、表面張力を利用してマイクロレンズ５０の半球状の形状を形成することができる。
【０００８】
また、図９は従来の固体撮像装置を上方から見た図である。図９において、５０はマイクロレンズである。また、ｘはマイクロレンズ５０の中央部におけるスペース、ｙは端部におけるスペースである。
【０００９】
図１０は、従来の固体撮像装置の他の例の構造を示すための断面図である。図１０において、１１は半導体基板、１２はフォトダイオード部、１３は第１の平坦化層、１４はカラーフィルタ、１５は第２の平坦化層であり、図８に示されているものと同じである。半導体基板１１と第１の平坦化層１３の間に層間絶縁膜１６が形成されている点が、図８に示した固体撮像装置と異なる。層間絶縁膜１６の表面は滑らかであるが、半導体基板１１の凹凸に沿って凹凸を有している。第１の平坦化層１３は、層間絶縁膜１６の表面の凹凸を平坦にするために形成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体撮像装置及びその製造方法には、以下のような問題があった。
【００１１】
図８に示した固体撮像装置において、さらに光感度を向上させるためには、隣り合うマイクロレンズ５０のスペースＳをできるだけ小さくして、マイクロレンズ５０の受光面積を拡大することが望ましい。
【００１２】
しかし、従来は、パターン化されたレンズレジスト（以下、レンズパターンと称する）を加熱してマイクロレンズ５０を形成する際に、加熱温度をレンズパターンが完全に溶解する温度としていた。このため、溶解されたレンズパターンがパターン化されたときの底面からはみ出してしまうという現象が生じていた。
【００１３】
したがって、図９に示すように、隣り合うマイクロレンズ５０の中央部におけるスペースｘは、端部におけるスペースｙよりも小さくなる。このため、中央部におけるスペースｘを限りなく小さくしたとしても端部におけるスペースｙは限りなく小さくはならない。したがって、マイクロレンズ５０の受光面積を拡大するのに限界があることになる。
【００１４】
また、隣り合うレンズパターンのスペースを小さくし過ぎた場合、加熱溶解によりはみ出したレンズパターンが互いに接触してしまい流れ出すことになる。このため、マイクロレンズ５０の形状が崩れてしまい、半球状の部分の表面積が小さくなると共に高さも低くなる。したがって、フォトダイオード部１２に集められる光量が少なくなり光感度が低下してしまう。
【００１５】
また、我々の検討によると、受光部の表面積が小さい場合、マイクロレンズの高さが高く且つマイクロレンズと受光部との距離が小さい方が光感度が良いことが分かっている。
【００１６】
ところが従来技術によると、レンズパターンが完全に溶解するため、表面張力により、マイクロレンズ５０の高さＨを底面の受光部配列方向の幅の半分Ｒよりも大きくすることができない。このため、マイクロレンズ５０とフォトダイオード部１２との距離が小さい場合、光を集めるのに最適なマイクロレンズ５０の形状を形成できない可能性がある。
【００１７】
また、図１０に示した固体撮像装置のように、半導体基板１１の上に層間絶縁膜１６が形成されている場合、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離は層間絶縁膜１６の膜厚の分だけ長くなる。このため、マイクロレンズ５０の形状を最適化しても、入射した光が散乱等の影響を受けてフォトダイオード部１２に集まらない可能性がある。特に、層間絶縁膜１６の屈折率が第１の平坦化層１３やカラーフィルタ１４の屈折率よりも高い場合、このような現象が顕著に現れ、光感度が低下してしまう。
【００１８】
以上のような問題に鑑み、本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜が形成された固体撮像装置でも光感度の低下を抑制して高い光感度を得ることができるようにすることを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明は、層間絶縁膜の上に形成する平坦化層の材料を層間絶縁膜よりも屈折率の高いものにすることにより、受光部に光を集める擬似凸レンズを形成するものである。さらに、平坦化層の材料を加熱により液状に溶解するものにし、製造工程において加熱処理を行うことにより平坦化層を極めて薄く形成して、マイクロレンズから受光部までの距離を小さくするものである。
【００２０】
具体的に請求項１の発明が講じた解決手段は、入射された光を電荷に変換する受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成され受光部領域が凹状に窪んでいる絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層とを備えた固体撮像装置として、前記平坦化層は、前記絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されており、前記絶縁膜の凹状に窪んでいる部分において、前記絶縁膜および平坦化層によって、擬似凸レンズが形成されているものである。
【００２１】
請求項１の発明により、平坦化層は絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されるので、凹状に窪んだ受光部領域において擬似凸レンズが形成される。この擬似凸レンズによって、従来の固体撮像装置では装置内部で散乱して受光部に達しなかった光を受光部に集中させることができる。
【００２２】
請求項２の発明では、前記請求項１の固体撮像装置において、前記絶縁膜と前記平坦化層とは、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、フッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、シリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、シリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、および、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜のうちいずれか１つの組み合わせによって、形成されているものとする。
【００２３】
請求項３の発明では、前記請求項１の固体撮像装置において、前記平坦化層を形成する材料は、加熱により液状に溶解する材料であるものとする。
【００２４】
請求項３の発明により、平坦化層は加熱により溶解する材料により形成されるため、製造工程において加熱することにより平坦化層を極めて薄く形成できるので、マイクロレンズから受光部までの距離が小さくなり、マイクロレンズに入射した光を受光部に集めやすくなる。
【００２５】
請求項４の発明では、前記請求項３の固体撮像装置において、前記絶縁膜は、フッ素系樹脂膜、シリコン酸化膜またはアクリル系樹脂膜であり、前記平坦化層は、フェノール系の熱可塑性樹脂からなるものとする。
【００２６】
請求項５の発明が講じた解決手段は、受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層を形成する平坦化層形成工程とを備えた固体撮像装置の製造方法として、前記平坦化層形成工程は、前記平坦化層を前記絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成する工程を含むものである。さらに、前記絶縁膜形成工程および平坦化層形成工程において、前記絶縁膜と前記平坦化層とを、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、フッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、シリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、シリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、および、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜のうちいずれか１つの組み合わせによって、形成するものとする。
【００２７】
請求項５の発明により、平坦化層は絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されるので、凹状に窪んだ受光部領域において擬似凸レンズが形成される。この擬似凸レンズは、従来の固体撮像装置では装置内部で散乱して受光部に達しなかった光を、受光部に集中させることができる。
【００２８】
請求項６の発明が講じた解決手段は、受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層を形成する平坦化層形成工程とを備えた固体撮像装置の製造方法として、前記平坦化層形成工程は、前記平坦化層を前記絶縁膜よりも屈折率が高く且つ加熱により液状に溶解する材料により形成し、加熱により該材料を溶解して前記平坦化層表面を平坦にする工程を含むものである。さらに、前記絶縁膜形成工程において、前記絶縁膜として、フッ素系樹脂膜、シリコン酸化膜またはアクリル系樹脂膜を形成し、前記平坦化層形成工 程において、前記平坦化層をフェノール系の熱可塑性樹脂によって形成するものとする。
【００２９】
請求項６の発明により、平坦化層は絶縁膜よりも屈折率が高く且つ加熱により液状に溶解する材料により形成される。そのため凹状に窪んだ受光部領域において擬似凸レンズが形成され、またマイクロレンズから受光部までの距離が小さくなるので、従来の固体撮像装置では受光部に達しなかった光を受光部に集中させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法におけるマイクロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【００３１】
図１（ａ）において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成され、入射された光を電荷に変換する受光部としてのフォトダイオード部、１３は半導体基板１１の表面を平坦にするための第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層１３上に例えばフォトリソグラフィー技術により形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４上の段差を平坦にするための第２の平坦化層である。なお、図１（ｂ）〜（ｄ）では、半導体基板１１、フォトダイオード部１２、第１の平坦化層１３、及びカラーフィルタ１４は省略されている。
【００３２】
まず、図１（ａ）に示すように、第２の平坦化層１５の表面に、フェノール系等の熱可塑性樹脂からなるレンズレジスト１０ａを塗布する。レンズレジスト１０ａは加熱により変形するものであり、また、屈折率は１．３以上である。
【００３３】
次に、図１（ｂ）に示すように、レンズレジスト１０ａの上方にレンズマスク１８を配置する。このレンズマスク１８は、フォトダイオード部１２の位置に応じたピッチで配置される。
【００３４】
このレンズマスク１８を用いて露光処理を行い、さらに現像処理を行うことにより、図１（ｃ）に示すように、レンズパターン１０ｂを形成する。さらに、光の透過率を向上させるために、レンズパターン１０ｂに対してＵＶ光を照射する。これにより、レンズパターン１０ｂは、含有していた感光剤が分解されて無色透明になる。
【００３５】
続いて加熱処理を行い、図１（ｄ）に示すように、マイクロレンズ１０ｃを形
成する。このときの加熱温度は１３０〜１４０℃とする。レンズパターン１０ｂは、加熱温度が１２０〜１３０℃に達すると溶解し始め、１５０〜１６０℃に達すると完全に溶解する。加熱温度を、完全に溶解する温度より１０〜２０℃低い１３０〜１４０℃にすることにより、レンズパターン１０ｂはパターン化されたときの底面からはみ出すことはない。このため、隣り合うレンズパターンが接触して流れ出すことはなく、形成されるマイクロレンズ１０ｃの形状が崩れることはない。すなわち、半球状の形状を備え且つ十分高さのあるマイクロレンズ１０ｃを確実に形成することができる。
【００３６】
また、隣り合うマイクロレンズ１０ｃのスペースＳ2 は、隣り合うレンズパターン１０ｂのスペースＳ1 と同じ大きさになる。このため、レンズパターン１０ｂのスペースＳ1 を０に近づけることにより、マイクロレンズ１０ｃのスペースＳ2 も０に近づけることができる。すなわち、マイクロレンズ１０ｃの表面積を拡大することができる。
【００３７】
このように、マイクロレンズ１０ｃ形成時の加熱温度を、レンズパターン１０ｂが完全に溶解しない温度に設定することにより、フォトダイオード部１２に効率良く集光できるマイクロレンズ１０ｃを形成することができる。また、加熱温度を１３０〜１４０℃の範囲で制御することにより、マイクロレンズ１０ｃの形状も制御することが可能となる。
【００３８】
図２は、図１に示した製造方法により製造された固体撮像装置を上方から見た図である。図２において、１０はマイクロレンズである。また、ｘはマイクロレンズ１０の中央部におけるスペースの寸法、ｙは端部におけるスペースの寸法である。
【００３９】
加熱温度を１３０〜１４０℃にした場合、レンズパターン１０ｂは完全には溶解しないので、中央部におけるスペースｘと端部におけるスペースｙとは等しくなる。したがって、中央部におけるスペースｘと端部におけるスペースｙとを共に小さくすることができるので、従来よりも、マイクロレンズ１０の受光面積を拡大することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法におけるマイ
クロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【００４１】
図３（ａ）において、１１は半導体基板、１２はフォトダイオード部、１３は第１の平坦化層、１４はカラーフィルタ、１５は第２の平坦化層であり、図１（ａ）に示されたものと同じである。また、図３（ｂ）〜（ｄ）では、半導体基板１１、フォトダイオード部１２、第１の平坦化層１３、及びカラーフィルタ１４は省略されている。
【００４２】
第２の実施形態と第１の実施形態とが異なるのは、レンズレジスト２０ａを厚く塗布する点である。
【００４３】
まず、図３（ａ）に示すように、第２の平坦化層１５の表面上に、熱可塑性樹脂からなるレンズレジスト２０ａを、２〜４μｍの厚さで塗布する。
【００４４】
次に、図３（ｂ）に示すように、レンズレジスト２０ａの上方にレンズマスク１８を配置する。このレンズマスク１８は、フォトダイオード部１２の位置に応じたピッチで配置される。
【００４５】
このレンズマスク１８を用いて露光処理を行い、さらに現像処理を行うことにより、図３（ｃ）に示すように、レンズパターン２０ｂを形成する。さらに、光の透過率を向上させるために、レンズパターン２０ｂに対してＵＶ光を照射する。これにより、レンズパターン２０ｂは、含有していた感光剤が分解されて無色透明になる。
【００４６】
続いて加熱処理を行い、図３（ｄ）に示すように、マイクロレンズ２０ｃを形成する。このときの加熱温度を、レンズパターン２０ｂが完全に溶解する温度より１０〜２０℃低い１３０〜１４０℃にすることにより、レンズパターン２０ｂはパターン化されたときの底面からはみでて流れ出すことはなく、半球状の形状を備え且つ十分高さのあるマイクロレンズ２０ｃが形成される。
【００４７】
図３に示した製造方法によると、セルサイズが小さい場合は、マイクロレンズ２０ｃの高さＨはマイクロレンズ２０ｃの底面の受光部配列方向の幅の半分Ｒよりも大きくなる。また、表面張力により、マイクロレンズ２０ｃの形状が崩れることはない。このため、縦長のマイクロレンズが形成されることになる。
【００４８】
図４は、第２の実施形態に係る製造方法により製造された固体撮像装置の構造を示すための断面図である。
【００４９】
図４において、１１は半導体基板、１２はフォトダイオード部、１３は第１の平坦化層、１４はカラーフィルタ、１５は第２の平坦化層であり、図３（ａ）に示されたものと同じである。２０は第２の平坦化層上に形成されたマイクロレンズである。また、Ｒ1 はマイクロレンズ２０の底面の受光部配列方向の幅の半分、Ｒ2 はセルサイズの受光部配列方向の幅の半分、Ｈはマイクロレンズ２０の高さである。隣り合うマイクロレンズ２０は、実際には、互いに接しない程度の０．１〜１．５μｍのスペースがあけられている。
【００５０】
マイクロレンズ２０の形状は、サイクロイド曲線または放物線で表現できるような縦長の半楕円となっており、高さＨは、底面の受光部配列方向の幅の半分Ｒ1 よりも大きくなっている。また、本実施形態により、マイクロレンズ２０の高さＨを、セルサイズの受光部配列方向の幅の半分Ｒ2 よりも大きくすることもできる。縦長のマイクロレンズを形成することにより、マイクロレンズ２０からフォトダイオード部１２までの距離が小さい固体撮像装置でも、入射した光をフォトダイオード部１２に集中させることができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。図５において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成された受光部としてのフォトダイオード部、１６は半導体基板１１上に形成された絶縁膜としての層間絶縁膜、３０は層間絶縁膜１６の表面の凹凸を平坦化する平坦化層としての第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層３０上に形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４の表面の段差を平坦化する第２の平坦化層、５０は第２の平坦化層１５上に形成されたマイクロレンズである。
【００５２】
第１の平坦化層３０は層間絶縁膜１６に比べて屈折率の高い材料を用いる。例えば層間絶縁膜１６と第１の平坦化層３０とはそれぞれ、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、又はフッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、又はフッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、又はフッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、又はフッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、又はシリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、又はシリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜等の組み合わせで形成する。
【００５３】
層間絶縁膜１６は０．１〜１．５μｍ程度の厚さを持っている。層間絶縁膜１６の上に形成されている第１の平坦化層３０は、層間絶縁膜１６やカラーフィルタ１４や第２の平坦化層１５よりも大きい屈折率をもつ。
【００５４】
第１の平坦化層３０が層間絶縁膜１６よりも屈折率の高い材料により形成されていることにより、層間絶縁膜１６の凹状の部分において、下向きの擬似凸レンズ３１が形成される。擬似凸レンズ３１の中心は、フォトダイオード部１２の中心と一致している。この擬似凸レンズ３１により、従来の固体撮像装置ではフォトダイオード部１２に集まらなかった光も、フォトダイオード部１２に集光することができる。また、擬似凸レンズ３１が形成されても、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離は変化しないので、マイクロレンズ５０による集光効果は従来どおり得られる。
【００５５】
また、擬似凸レンズ３１の曲率や深さは、層間絶縁膜１６の厚さを変えることにより変化させることができる。マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３１の形状や、マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３１からフォトダイオード部１２までの距離を最適化することにより、フォトダイオード部１２の形状に関わらず、光感度の高い固体撮像装置を得ることができる。
【００５６】
また、本実施形態を第１または第２の実施形態と組み合わせることによって、固体撮像装置の光感度をさらに向上させることができる。
【００５７】
なお、本発明は、カラーフィルタをもつカラー固体撮像装置だけでなく、カラーフィルタをもたない白黒固体撮像装置に適用することも可能である。
【００５８】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。図６において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成された受光部としてのフォトダイオード部、１６は半導体基板１１上に形成された絶縁膜としての層間絶縁膜、３２は層間絶縁膜１６の表面の凹凸を平坦化する平坦化層としての第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層３２上に形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４の表面の段差を平坦化する第２の平坦化層、５０は第２の平坦化層１５上に形成されたマイクロレンズである。
【００５９】
層間絶縁膜１６は、フッ素系樹脂膜又はシリコン酸化膜又はアクリル系樹脂膜からなり、０．１〜１．５μｍ程度の厚さを持っている。層間絶縁膜１６の上に形成されている第１の平坦化層３２はフェノール系等の熱可塑性樹脂からなり、層間絶縁膜１６やカラーフィルタ１４や第２の平坦化層１５よりも大きい屈折率をもつ。
【００６０】
第１の平坦化層３２が層間絶縁膜１６よりも屈折率の高い材料により形成されていることにより、層間絶縁膜１６の凹状の部分において下向きの擬似凸レンズ３３が形成される。擬似凸レンズ３３の中心は、フォトダイオード部１２の中心と一致している。この擬似凸レンズ３３により、従来の固体撮像装置ではフォトダイオード部１２に集まらなかった光もフォトダイオード部１２に集光することができる。また、第１の平坦化層３２は熱可塑性をもつため、加熱すると液状に溶解してごく薄膜で完全な平坦性を得ることができる。このことにより、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離を小さくすることができるので、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離を最適化でき、さらに光を集中できる。
【００６１】
また、擬似凸レンズ３３の曲率や深さは、層間絶縁膜１６の厚さを変えることにより変化させることができる。マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３３の形状や、マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３３からフォトダイオード部１２までの距離を最適化することにより、フォトダイオード部１２の形状に関わらず、光感度の高い固体撮像装置を得ることができる。
【００６２】
図７は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における第１の平坦化層の製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。図７（ａ）に示すように、フォトダイオード部１２が表面部に形成された半導体基板１１上に層間絶縁膜１６がすでに形成されているものとする。
【００６３】
次に、図７（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１６の上にフェノール系等の熱可塑性樹脂からなる第１の平坦化レジスト３２ａを塗布する。このとき、塗布しただけでは第１の平坦化レジスト３２ａ表面の平坦性は良くない。次に、図７（ｃ）に示すように、第１の平坦化レジスト３２ａを加熱により液状に溶解して第１の平坦化層３２ｂを形成する。このような工程により、表面が平坦であり且つ薄膜の第１の平坦化層３２ｂを形成することができる。
【００６４】
また、本実施形態を第１または第２の実施形態と組み合わせることによって、固体撮像装置の光感度をさらに向上させることができる。
【００６５】
なお、本発明は、カラーフィルタをもつカラー固体撮像装置だけでなく、カラーフィルタをもたない白黒固体撮像装置に適用することも可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、平坦化層により擬似凸レンズを形成でき、さらに平坦化層を薄く且つ表面をより平坦に形成できるので、半導体基板上に絶縁膜が形成されている場合でも高い光感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における、マイクロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係る製造方法により製造された固体撮像装置を上方から見た図である。
【図３】 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における、マイクロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【図４】 本発明の第２の実施形態に係る製造方法により製造された固体撮像装置の構造を示すための断面図である。
【図５】 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図６】 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における、平坦化層の製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【図８】 従来の固体撮像装置の一例の構造を示すための断面図である。
【図９】 従来の固体撮像装置を上方から見た図である。
【図１０】 従来の固体撮像装置の他の例の構造を示すための断面図である。
【符号の説明】
１０ マイクロレンズ
１０ａ レンズレジスト
１０ｂ レンズパターン
１０ｃ マイクロレンズ
１１ 半導体基板
１２ フォトダイオード部
１３ 第１の平坦化層
１４ カラーフィルタ
１５ 第２の平坦化層
１６ 層間絶縁膜
１８ レンズマスク
２０ マイクロレンズ
２０ａ レンズレジスト
２０ｂ レンズパターン
２０ｃ マイクロレンズ
３０ 第１の平坦化層
３１ 擬似凸レンズ
３２ 第１の平坦化層
３３ 擬似凸レンズ
５０ マイクロレンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体撮像装置の小型化が進んでいるが、小型化に伴って各固体撮像素子の受光部の面積が縮小するために、固体撮像装置における光感度の低下が問題となっている。この問題を解決するために、受光部に光を集めるマイクロレンズを備えた固体撮像装置がすでに実現されている。マイクロレンズ形成技術は、現在、固体撮像装置の製造には欠くことのできない技術となっている。
【０００３】
以下、従来の固体撮像装置について説明する。
【０００４】
図８は、従来の固体撮像装置の一例の構造を示すための断面図である。図８において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成され、入射された光を電荷に変換するフォトダイオード部、１３は半導体基板１１の表面を平坦にするための第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層１３上に形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４の段差を平坦にするための第２の平坦化層、５０は第２の平坦化層１５上に形成され、フォトダイオード部１２に光を集めるマイクロレンズである。
【０００５】
第１の平坦化層１３は、半導体基板１１の上に透明膜材料を必要な厚さだけ塗
布することにより形成される。カラーフィルタ１４は、各フォトダイオード部１２に対応するように例えばフォトリソグラフィー技術により形成される。第２の平坦化層１５は、カラーフィルタ１４の上に透明膜材料を必要な膜厚だけ塗布することにより形成される。
【０００６】
マイクロレンズ５０は、フェノール樹脂等からなり、各フォトダイオード部１２の上方に当る位置に半球状に形成されている。また、マイクロレンズ５０の表面に当たった光がフォトダイオード部１２に効率良く集められるような高さを持っている。
【０００７】
マイクロレンズ５０の半球状の形状は、以下のような工程により形成される。まず、第２の平坦化層１５の上にレンズレジストを塗布する。次に、レンズマスクを用いて露光処理を行い、さらに現像処理を行うことにより、各フォトダイオード部１２の上方に当る位置にレンズレジストをパターン化する。さらに、加熱処理を行い、パターン化されたレンズレジストを溶解することにより、表面張力を利用してマイクロレンズ５０の半球状の形状を形成することができる。
【０００８】
また、図９は従来の固体撮像装置を上方から見た図である。図９において、５０はマイクロレンズである。また、ｘはマイクロレンズ５０の中央部におけるスペース、ｙは端部におけるスペースである。
【０００９】
図１０は、従来の固体撮像装置の他の例の構造を示すための断面図である。図１０において、１１は半導体基板、１２はフォトダイオード部、１３は第１の平坦化層、１４はカラーフィルタ、１５は第２の平坦化層であり、図８に示されているものと同じである。半導体基板１１と第１の平坦化層１３の間に層間絶縁膜１６が形成されている点が、図８に示した固体撮像装置と異なる。層間絶縁膜１６の表面は滑らかであるが、半導体基板１１の凹凸に沿って凹凸を有している。第１の平坦化層１３は、層間絶縁膜１６の表面の凹凸を平坦にするために形成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体撮像装置及びその製造方法には、以下のような問題があった。
【００１１】
図８に示した固体撮像装置において、さらに光感度を向上させるためには、隣り合うマイクロレンズ５０のスペースＳをできるだけ小さくして、マイクロレンズ５０の受光面積を拡大することが望ましい。
【００１２】
しかし、従来は、パターン化されたレンズレジスト（以下、レンズパターンと称する）を加熱してマイクロレンズ５０を形成する際に、加熱温度をレンズパターンが完全に溶解する温度としていた。このため、溶解されたレンズパターンがパターン化されたときの底面からはみ出してしまうという現象が生じていた。
【００１３】
したがって、図９に示すように、隣り合うマイクロレンズ５０の中央部におけるスペースｘは、端部におけるスペースｙよりも小さくなる。このため、中央部におけるスペースｘを限りなく小さくしたとしても端部におけるスペースｙは限りなく小さくはならない。したがって、マイクロレンズ５０の受光面積を拡大するのに限界があることになる。
【００１４】
また、隣り合うレンズパターンのスペースを小さくし過ぎた場合、加熱溶解によりはみ出したレンズパターンが互いに接触してしまい流れ出すことになる。このため、マイクロレンズ５０の形状が崩れてしまい、半球状の部分の表面積が小さくなると共に高さも低くなる。したがって、フォトダイオード部１２に集められる光量が少なくなり光感度が低下してしまう。
【００１５】
また、我々の検討によると、受光部の表面積が小さい場合、マイクロレンズの高さが高く且つマイクロレンズと受光部との距離が小さい方が光感度が良いことが分かっている。
【００１６】
ところが従来技術によると、レンズパターンが完全に溶解するため、表面張力により、マイクロレンズ５０の高さＨを底面の受光部配列方向の幅の半分Ｒよりも大きくすることができない。このため、マイクロレンズ５０とフォトダイオード部１２との距離が小さい場合、光を集めるのに最適なマイクロレンズ５０の形状を形成できない可能性がある。
【００１７】
また、図１０に示した固体撮像装置のように、半導体基板１１の上に層間絶縁膜１６が形成されている場合、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離は層間絶縁膜１６の膜厚の分だけ長くなる。このため、マイクロレンズ５０の形状を最適化しても、入射した光が散乱等の影響を受けてフォトダイオード部１２に集まらない可能性がある。特に、層間絶縁膜１６の屈折率が第１の平坦化層１３やカラーフィルタ１４の屈折率よりも高い場合、このような現象が顕著に現れ、光感度が低下してしまう。
【００１８】
以上のような問題に鑑み、本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜が形成された固体撮像装置でも光感度の低下を抑制して高い光感度を得ることができるようにすることを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明は、層間絶縁膜の上に形成する平坦化層の材料を層間絶縁膜よりも屈折率の高いものにすることにより、受光部に光を集める擬似凸レンズを形成するものである。さらに、平坦化層の材料を加熱により液状に溶解するものにし、製造工程において加熱処理を行うことにより平坦化層を極めて薄く形成して、マイクロレンズから受光部までの距離を小さくするものである。
【００２０】
具体的に請求項１の発明が講じた解決手段は、入射された光を電荷に変換する受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成され受光部領域が凹状に窪んでいる絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層とを備えた固体撮像装置として、前記平坦化層は、前記絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されており、前記絶縁膜の凹状に窪んでいる部分において、前記絶縁膜および平坦化層によって、擬似凸レンズが形成されているものである。
【００２１】
請求項１の発明により、平坦化層は絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されるので、凹状に窪んだ受光部領域において擬似凸レンズが形成される。この擬似凸レンズによって、従来の固体撮像装置では装置内部で散乱して受光部に達しなかった光を受光部に集中させることができる。
【００２２】
請求項２の発明では、前記請求項１の固体撮像装置において、前記絶縁膜と前記平坦化層とは、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、フッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、シリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、シリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、および、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜のうちいずれか１つの組み合わせによって、形成されているものとする。
【００２３】
請求項３の発明では、前記請求項１の固体撮像装置において、前記平坦化層を形成する材料は、加熱により液状に溶解する材料であるものとする。
【００２４】
請求項３の発明により、平坦化層は加熱により溶解する材料により形成されるため、製造工程において加熱することにより平坦化層を極めて薄く形成できるので、マイクロレンズから受光部までの距離が小さくなり、マイクロレンズに入射した光を受光部に集めやすくなる。
【００２５】
請求項４の発明では、前記請求項３の固体撮像装置において、前記絶縁膜は、フッ素系樹脂膜、シリコン酸化膜またはアクリル系樹脂膜であり、前記平坦化層は、フェノール系の熱可塑性樹脂からなるものとする。
【００２６】
請求項５の発明が講じた解決手段は、受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層を形成する平坦化層形成工程とを備えた固体撮像装置の製造方法として、前記平坦化層形成工程は、前記平坦化層を前記絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成する工程を含むものである。さらに、前記絶縁膜形成工程および平坦化層形成工程において、前記絶縁膜と前記平坦化層とを、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、フッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、シリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、シリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、および、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜のうちいずれか１つの組み合わせによって、形成するものとする。
【００２７】
請求項５の発明により、平坦化層は絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されるので、凹状に窪んだ受光部領域において擬似凸レンズが形成される。この擬似凸レンズは、従来の固体撮像装置では装置内部で散乱して受光部に達しなかった光を、受光部に集中させることができる。
【００２８】
請求項６の発明が講じた解決手段は、受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層を形成する平坦化層形成工程とを備えた固体撮像装置の製造方法として、前記平坦化層形成工程は、前記平坦化層を前記絶縁膜よりも屈折率が高く且つ加熱により液状に溶解する材料により形成し、加熱により該材料を溶解して前記平坦化層表面を平坦にする工程を含むものである。さらに、前記絶縁膜形成工程において、前記絶縁膜として、フッ素系樹脂膜、シリコン酸化膜またはアクリル系樹脂膜を形成し、前記平坦化層形成工 程において、前記平坦化層をフェノール系の熱可塑性樹脂によって形成するものとする。
【００２９】
請求項６の発明により、平坦化層は絶縁膜よりも屈折率が高く且つ加熱により液状に溶解する材料により形成される。そのため凹状に窪んだ受光部領域において擬似凸レンズが形成され、またマイクロレンズから受光部までの距離が小さくなるので、従来の固体撮像装置では受光部に達しなかった光を受光部に集中させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法におけるマイクロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【００３１】
図１（ａ）において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成され、入射された光を電荷に変換する受光部としてのフォトダイオード部、１３は半導体基板１１の表面を平坦にするための第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層１３上に例えばフォトリソグラフィー技術により形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４上の段差を平坦にするための第２の平坦化層である。なお、図１（ｂ）〜（ｄ）では、半導体基板１１、フォトダイオード部１２、第１の平坦化層１３、及びカラーフィルタ１４は省略されている。
【００３２】
まず、図１（ａ）に示すように、第２の平坦化層１５の表面に、フェノール系等の熱可塑性樹脂からなるレンズレジスト１０ａを塗布する。レンズレジスト１０ａは加熱により変形するものであり、また、屈折率は１．３以上である。
【００３３】
次に、図１（ｂ）に示すように、レンズレジスト１０ａの上方にレンズマスク１８を配置する。このレンズマスク１８は、フォトダイオード部１２の位置に応じたピッチで配置される。
【００３４】
このレンズマスク１８を用いて露光処理を行い、さらに現像処理を行うことにより、図１（ｃ）に示すように、レンズパターン１０ｂを形成する。さらに、光の透過率を向上させるために、レンズパターン１０ｂに対してＵＶ光を照射する。これにより、レンズパターン１０ｂは、含有していた感光剤が分解されて無色透明になる。
【００３５】
続いて加熱処理を行い、図１（ｄ）に示すように、マイクロレンズ１０ｃを形
成する。このときの加熱温度は１３０〜１４０℃とする。レンズパターン１０ｂは、加熱温度が１２０〜１３０℃に達すると溶解し始め、１５０〜１６０℃に達すると完全に溶解する。加熱温度を、完全に溶解する温度より１０〜２０℃低い１３０〜１４０℃にすることにより、レンズパターン１０ｂはパターン化されたときの底面からはみ出すことはない。このため、隣り合うレンズパターンが接触して流れ出すことはなく、形成されるマイクロレンズ１０ｃの形状が崩れることはない。すなわち、半球状の形状を備え且つ十分高さのあるマイクロレンズ１０ｃを確実に形成することができる。
【００３６】
また、隣り合うマイクロレンズ１０ｃのスペースＳ2 は、隣り合うレンズパターン１０ｂのスペースＳ1 と同じ大きさになる。このため、レンズパターン１０ｂのスペースＳ1 を０に近づけることにより、マイクロレンズ１０ｃのスペースＳ2 も０に近づけることができる。すなわち、マイクロレンズ１０ｃの表面積を拡大することができる。
【００３７】
このように、マイクロレンズ１０ｃ形成時の加熱温度を、レンズパターン１０ｂが完全に溶解しない温度に設定することにより、フォトダイオード部１２に効率良く集光できるマイクロレンズ１０ｃを形成することができる。また、加熱温度を１３０〜１４０℃の範囲で制御することにより、マイクロレンズ１０ｃの形状も制御することが可能となる。
【００３８】
図２は、図１に示した製造方法により製造された固体撮像装置を上方から見た図である。図２において、１０はマイクロレンズである。また、ｘはマイクロレンズ１０の中央部におけるスペースの寸法、ｙは端部におけるスペースの寸法である。
【００３９】
加熱温度を１３０〜１４０℃にした場合、レンズパターン１０ｂは完全には溶解しないので、中央部におけるスペースｘと端部におけるスペースｙとは等しくなる。したがって、中央部におけるスペースｘと端部におけるスペースｙとを共に小さくすることができるので、従来よりも、マイクロレンズ１０の受光面積を拡大することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法におけるマイ
クロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【００４１】
図３（ａ）において、１１は半導体基板、１２はフォトダイオード部、１３は第１の平坦化層、１４はカラーフィルタ、１５は第２の平坦化層であり、図１（ａ）に示されたものと同じである。また、図３（ｂ）〜（ｄ）では、半導体基板１１、フォトダイオード部１２、第１の平坦化層１３、及びカラーフィルタ１４は省略されている。
【００４２】
第２の実施形態と第１の実施形態とが異なるのは、レンズレジスト２０ａを厚く塗布する点である。
【００４３】
まず、図３（ａ）に示すように、第２の平坦化層１５の表面上に、熱可塑性樹脂からなるレンズレジスト２０ａを、２〜４μｍの厚さで塗布する。
【００４４】
次に、図３（ｂ）に示すように、レンズレジスト２０ａの上方にレンズマスク１８を配置する。このレンズマスク１８は、フォトダイオード部１２の位置に応じたピッチで配置される。
【００４５】
このレンズマスク１８を用いて露光処理を行い、さらに現像処理を行うことにより、図３（ｃ）に示すように、レンズパターン２０ｂを形成する。さらに、光の透過率を向上させるために、レンズパターン２０ｂに対してＵＶ光を照射する。これにより、レンズパターン２０ｂは、含有していた感光剤が分解されて無色透明になる。
【００４６】
続いて加熱処理を行い、図３（ｄ）に示すように、マイクロレンズ２０ｃを形成する。このときの加熱温度を、レンズパターン２０ｂが完全に溶解する温度より１０〜２０℃低い１３０〜１４０℃にすることにより、レンズパターン２０ｂはパターン化されたときの底面からはみでて流れ出すことはなく、半球状の形状を備え且つ十分高さのあるマイクロレンズ２０ｃが形成される。
【００４７】
図３に示した製造方法によると、セルサイズが小さい場合は、マイクロレンズ２０ｃの高さＨはマイクロレンズ２０ｃの底面の受光部配列方向の幅の半分Ｒよりも大きくなる。また、表面張力により、マイクロレンズ２０ｃの形状が崩れることはない。このため、縦長のマイクロレンズが形成されることになる。
【００４８】
図４は、第２の実施形態に係る製造方法により製造された固体撮像装置の構造を示すための断面図である。
【００４９】
図４において、１１は半導体基板、１２はフォトダイオード部、１３は第１の平坦化層、１４はカラーフィルタ、１５は第２の平坦化層であり、図３（ａ）に示されたものと同じである。２０は第２の平坦化層上に形成されたマイクロレンズである。また、Ｒ1 はマイクロレンズ２０の底面の受光部配列方向の幅の半分、Ｒ2 はセルサイズの受光部配列方向の幅の半分、Ｈはマイクロレンズ２０の高さである。隣り合うマイクロレンズ２０は、実際には、互いに接しない程度の０．１〜１．５μｍのスペースがあけられている。
【００５０】
マイクロレンズ２０の形状は、サイクロイド曲線または放物線で表現できるような縦長の半楕円となっており、高さＨは、底面の受光部配列方向の幅の半分Ｒ1 よりも大きくなっている。また、本実施形態により、マイクロレンズ２０の高さＨを、セルサイズの受光部配列方向の幅の半分Ｒ2 よりも大きくすることもできる。縦長のマイクロレンズを形成することにより、マイクロレンズ２０からフォトダイオード部１２までの距離が小さい固体撮像装置でも、入射した光をフォトダイオード部１２に集中させることができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。図５において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成された受光部としてのフォトダイオード部、１６は半導体基板１１上に形成された絶縁膜としての層間絶縁膜、３０は層間絶縁膜１６の表面の凹凸を平坦化する平坦化層としての第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層３０上に形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４の表面の段差を平坦化する第２の平坦化層、５０は第２の平坦化層１５上に形成されたマイクロレンズである。
【００５２】
第１の平坦化層３０は層間絶縁膜１６に比べて屈折率の高い材料を用いる。例えば層間絶縁膜１６と第１の平坦化層３０とはそれぞれ、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、又はフッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、又はフッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、又はフッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、又はフッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、又はシリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、又はシリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜等の組み合わせで形成する。
【００５３】
層間絶縁膜１６は０．１〜１．５μｍ程度の厚さを持っている。層間絶縁膜１６の上に形成されている第１の平坦化層３０は、層間絶縁膜１６やカラーフィルタ１４や第２の平坦化層１５よりも大きい屈折率をもつ。
【００５４】
第１の平坦化層３０が層間絶縁膜１６よりも屈折率の高い材料により形成されていることにより、層間絶縁膜１６の凹状の部分において、下向きの擬似凸レンズ３１が形成される。擬似凸レンズ３１の中心は、フォトダイオード部１２の中心と一致している。この擬似凸レンズ３１により、従来の固体撮像装置ではフォトダイオード部１２に集まらなかった光も、フォトダイオード部１２に集光することができる。また、擬似凸レンズ３１が形成されても、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離は変化しないので、マイクロレンズ５０による集光効果は従来どおり得られる。
【００５５】
また、擬似凸レンズ３１の曲率や深さは、層間絶縁膜１６の厚さを変えることにより変化させることができる。マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３１の形状や、マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３１からフォトダイオード部１２までの距離を最適化することにより、フォトダイオード部１２の形状に関わらず、光感度の高い固体撮像装置を得ることができる。
【００５６】
また、本実施形態を第１または第２の実施形態と組み合わせることによって、固体撮像装置の光感度をさらに向上させることができる。
【００５７】
なお、本発明は、カラーフィルタをもつカラー固体撮像装置だけでなく、カラーフィルタをもたない白黒固体撮像装置に適用することも可能である。
【００５８】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。図６において、１１は半導体基板、１２は半導体基板１１の表面部に形成された受光部としてのフォトダイオード部、１６は半導体基板１１上に形成された絶縁膜としての層間絶縁膜、３２は層間絶縁膜１６の表面の凹凸を平坦化する平坦化層としての第１の平坦化層、１４は第１の平坦化層３２上に形成されたカラーフィルタ、１５はカラーフィルタ１４の表面の段差を平坦化する第２の平坦化層、５０は第２の平坦化層１５上に形成されたマイクロレンズである。
【００５９】
層間絶縁膜１６は、フッ素系樹脂膜又はシリコン酸化膜又はアクリル系樹脂膜からなり、０．１〜１．５μｍ程度の厚さを持っている。層間絶縁膜１６の上に形成されている第１の平坦化層３２はフェノール系等の熱可塑性樹脂からなり、層間絶縁膜１６やカラーフィルタ１４や第２の平坦化層１５よりも大きい屈折率をもつ。
【００６０】
第１の平坦化層３２が層間絶縁膜１６よりも屈折率の高い材料により形成されていることにより、層間絶縁膜１６の凹状の部分において下向きの擬似凸レンズ３３が形成される。擬似凸レンズ３３の中心は、フォトダイオード部１２の中心と一致している。この擬似凸レンズ３３により、従来の固体撮像装置ではフォトダイオード部１２に集まらなかった光もフォトダイオード部１２に集光することができる。また、第１の平坦化層３２は熱可塑性をもつため、加熱すると液状に溶解してごく薄膜で完全な平坦性を得ることができる。このことにより、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離を小さくすることができるので、マイクロレンズ５０からフォトダイオード部１２までの距離を最適化でき、さらに光を集中できる。
【００６１】
また、擬似凸レンズ３３の曲率や深さは、層間絶縁膜１６の厚さを変えることにより変化させることができる。マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３３の形状や、マイクロレンズ５０及び擬似凸レンズ３３からフォトダイオード部１２までの距離を最適化することにより、フォトダイオード部１２の形状に関わらず、光感度の高い固体撮像装置を得ることができる。
【００６２】
図７は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における第１の平坦化層の製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。図７（ａ）に示すように、フォトダイオード部１２が表面部に形成された半導体基板１１上に層間絶縁膜１６がすでに形成されているものとする。
【００６３】
次に、図７（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１６の上にフェノール系等の熱可塑性樹脂からなる第１の平坦化レジスト３２ａを塗布する。このとき、塗布しただけでは第１の平坦化レジスト３２ａ表面の平坦性は良くない。次に、図７（ｃ）に示すように、第１の平坦化レジスト３２ａを加熱により液状に溶解して第１の平坦化層３２ｂを形成する。このような工程により、表面が平坦であり且つ薄膜の第１の平坦化層３２ｂを形成することができる。
【００６４】
また、本実施形態を第１または第２の実施形態と組み合わせることによって、固体撮像装置の光感度をさらに向上させることができる。
【００６５】
なお、本発明は、カラーフィルタをもつカラー固体撮像装置だけでなく、カラーフィルタをもたない白黒固体撮像装置に適用することも可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、平坦化層により擬似凸レンズを形成でき、さらに平坦化層を薄く且つ表面をより平坦に形成できるので、半導体基板上に絶縁膜が形成されている場合でも高い光感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における、マイクロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施形態に係る製造方法により製造された固体撮像装置を上方から見た図である。
【図３】 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における、マイクロレンズの製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【図４】 本発明の第２の実施形態に係る製造方法により製造された固体撮像装置の構造を示すための断面図である。
【図５】 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図６】 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図７】 本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法における、平坦化層の製造工程を示す図であり、各工程における固体撮像装置の断面図である。
【図８】 従来の固体撮像装置の一例の構造を示すための断面図である。
【図９】 従来の固体撮像装置を上方から見た図である。
【図１０】 従来の固体撮像装置の他の例の構造を示すための断面図である。
【符号の説明】
１０ マイクロレンズ
１０ａ レンズレジスト
１０ｂ レンズパターン
１０ｃ マイクロレンズ
１１ 半導体基板
１２ フォトダイオード部
１３ 第１の平坦化層
１４ カラーフィルタ
１５ 第２の平坦化層
１６ 層間絶縁膜
１８ レンズマスク
２０ マイクロレンズ
２０ａ レンズレジスト
２０ｂ レンズパターン
２０ｃ マイクロレンズ
３０ 第１の平坦化層
３１ 擬似凸レンズ
３２ 第１の平坦化層
３３ 擬似凸レンズ
５０ マイクロレンズ
Claims (6)
- 入射された光を電荷に変換する受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板と、前記半導体基板上に形成され受光部領域が凹状に窪んでいる絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層とを備えた固体撮像装置において、
前記平坦化層は、前記絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成されており、
前記絶縁膜の凹状に窪んでいる部分において、前記絶縁膜および平坦化層によって、擬似凸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。 - 前記絶縁膜と前記平坦化層とは、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、フッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、シリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、シリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、および、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜のうちいずれか１つの組み合わせによって、形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記平坦化層を形成する材料は、加熱により液状に溶解する材料である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記絶縁膜は、フッ素系樹脂膜、シリコン酸化膜またはアクリル系樹脂膜であり、
前記平坦化層は、フェノール系の熱可塑性樹脂からなる
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。 - 受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層を形成する平坦化層形成工程とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
前記平坦化層形成工程は、前記平坦化層を前記絶縁膜よりも屈折率の高い材料により形成する工程を含み、
前記絶縁膜形成工程および平坦化層形成工程において、前記絶縁膜と前記平坦化層とを、シリコン酸化膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とシリコン酸化膜、フッ素系樹脂膜とアクリル系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とフェノール系樹脂膜、フッ素系樹脂膜とポリイミド系樹脂膜、シリコン酸化膜とアクリル系樹脂膜、シリコン酸化膜とポリイミド系樹脂膜、および、アクリル系樹脂膜とフェノール系樹脂膜のうちいずれか１つの組み合わせによって、形成する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 受光部を有し受光部領域が凹状に形成された半導体基板上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に該絶縁膜の表面を平坦にする平坦化層を形成する平坦化層形成工程とを備えた固体撮像装置の製造方法において、
前記平坦化層形成工程は、前記平坦化層を前記絶縁膜よりも屈折率が高く且つ加熱により液状に溶解する材料により形成し、加熱により該材料を溶解して前記平坦化層表面を平坦にする工程を含み、
前記絶縁膜形成工程において、前記絶縁膜として、フッ素系樹脂膜、シリコン酸化膜またはアクリル系樹脂膜を形成し、
前記平坦化層形成工程において、前記平坦化層を、フェノール系の熱可塑性樹脂によって形成する
むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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