JPH1140787A

JPH1140787A - 固体撮像素子の製造方法

Info

Publication number: JPH1140787A
Application number: JP9189353A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Matsuda; 健松田; Yoshitetsu Toumiya; 祥哲東宮
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-02-12
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JP3809708B2

Abstract

(57)【要約】【課題】集光効率向上を図るべく、層間レンズを所望
する形状に形成し得るようにした固体撮像装置の製造方
法の提供が望まれている。【解決手段】基体１表層部に形成されて光電変換をな
す受光部２と、受光部２から読み出された電荷を転送す
る電荷転送部３と、基体１上の、電荷転送部３の略直上
位置に絶縁膜４を介して設けられた転送電極５とを備え
た固体撮像素子１５の製造方法である。転送電極５を覆
って第１平坦化膜８を形成する工程と、第１平坦化膜８
上にプラズマＣＶＤ法によって透明材料を成膜する工程
と、この透明材料からなる膜９をパターニングして透明
材料を、受光部２の直上において上に凸となる凸レンズ
状の層内レンズ１１とする工程と、層内レンズ１１を覆
って第２平坦化膜１２を形成する工程と、第２平坦化膜
１２上における受光部２の直上にオンチップレンズ１４
を形成する工程と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集光効率を高めた
固体撮像素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子の微細化に伴い、特に１／
４”３８万画素より小さいデバイスなどではその感度向
上が必須となってきている。このような背景のもとに従
来では、カラーフィルタ上にオンチップレンズを設け、
集光効率を高めるといった工夫がなされている。

【０００３】ところが、近年においてはデバイスの小型
化、高感度化に伴ってさらなる集光効率の向上が望まれ
ているものの、前述したオンチップレンズによる集光効
果はほぼ限界に近づいており、オンチップレンズとは別
の新たな技術の開発が望まれている。

【０００４】このような要望に対応する技術として、オ
ンチップレンズと併用する状態で層内レンズを設ける技
術が一部に提案されている。この層内レンズは、光電変
換をなす受光部の直上において層間膜中に形成されるレ
ンズであり、オンチップレンズと同様にこの層内レンズ
に入射した光を該層内レンズの上面側または下面側の界
面で屈折させ、受光部に導くものである。したがって、
このような層間レンズを前記オンチップレンズと併用す
ることにより、オンチップレンズで集光されて入射した
光を再度層内レンズで集光することができ、これにより
固体撮像素子全体としての集光効率をより高めることが
できるのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来提案さ
れている層内レンズはほとんどが凹型のレンズであり、
これを形成する場合、遮光膜の上にＢＰＳＧ（ホウ素リ
ンシリケートガラス）等のリフロー形状をもつ膜を形成
し、転送電極間、すなわち受光部の直上に形成されたく
ぼみの中に高屈折率材を埋め込み、この埋め込んだ高屈
折率材を層内レンズとする、といったプロセスを採るの
が普通である。しかして、このプロセスでは層内レンズ
の形状がリフロー膜の形状で決まってしまうことから、
所望の形状、すなわち集光に最適な形状を得るのが困難
であり、したがって層内レンズを設けたとはいえ未だ十
分に高い集光効率を得るのが困難である。

【０００６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、集光効率向上を図るべ
く、層間レンズを所望する形状に形成し得るようにした
固体撮像装置の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置で
は、基体表層部に形成されて光電変換をなす受光部と、
該受光部から読み出された電荷を転送する電荷転送部
と、前記基体上の、前記電荷転送部の略直上位置に絶縁
膜を介して設けられた転送電極とを備えた固体撮像素子
を製造するに際して、前記転送電極を覆って第１平坦化
膜を形成し、次に前記第１平坦化膜上にプラズマＣＶＤ
法によって透明材料を成膜し、次いで前記透明材料から
なる膜をパターニングして該透明材料を、前記受光部の
直上において上に凸となる凸レンズ状の層内レンズと
し、次いで前記層内レンズを覆って第２平坦化膜を形成
し、その後前記第２平坦化膜上における前記受光部の直
上にオンチップレンズを形成することを前記課題の解決
手段とした。

【０００８】この固体撮像装置の製造方法によれば、第
１平坦化膜上にプラズマＣＶＤ法で透明材料を成膜し、
さらに得られた透明材料膜をパターニングすることによ
って層内レンズを形成するので、下地である第１平坦化
膜の表面がもちろん平坦であることによってこの下地に
依存することなく層内レンズを所望形状に形成すること
が可能になり、また、透明材料についてもプラズマＣＶ
Ｄ法で堆積して成膜することから種々の材料を選択する
ことが可能になって屈折率を任意に設定することが可能
になる。

【０００９】なお、透明材料からなる膜をパターニング
して層内レンズを形成するにあたっては、透明材料膜上
にレジスト層を形成し、続いて該レジスト層を上に凸と
なる凸レンズ形状にパターニングし、その後得られた凸
レンズ形状のパターンをマスクとして、該レジストと前
記透明材料との選択比がほぼ１となる条件で前記透明材
料膜をエッチングし、層内レンズを形成するのが好まし
く、このように選択比がほぼ１となる条件で前記透明材
料膜をエッチングすることにより、得られる層内レンズ
をレジストのパターンとほぼ同一の形状にすることがで
き、したがって層内レンズの形状を所望する形状に形成
し易くなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の固
体撮像素子の製造方法の一実施形態例を説明するための
図であり、これらの図において符号１はシリコン基板
（基体）である。この例では、図１（ａ）に示すよう
に、従来と同様にしてシリコン基板１の表層部に受光部
２、電荷転送部３、チャネルストップ（図示略）、読み
出し部（図示略）をそれぞれ形成するとともに、シリコ
ン基板１表面に絶縁膜４を形成し、さらに該絶縁膜４上
に転送電極５、層間膜絶縁６、遮光膜７を形成する。

【００１１】具体的には、まずシリコン基板１中にイオ
ン注入等によって不純物を注入しさらにこれを拡散さ
せ、電荷転送部３、チャネルストップ（図示略）、読み
出し部（図示略）をそれぞれ形成する。次に、熱酸化法
やＣＶＤ法によってシリコン基板１表面にＳｉＯ₂から
なる絶縁膜４を形成する。なお、この絶縁膜４について
は、ＳｉＯ₂からなる構造に代えてＯＮＯ（ＳｉＯ₂−
ＳｉＮ−ＳｉＯ₂）構造としてもよい。

【００１２】次に、ＣＶＤ法によりポリシリコンを成膜
し、さらにこのポリシリコン膜（図示略）を公知のレジ
スト技術、リソグラフィー技術、エッチング技術により
パターニングし、転送電極５を形成する。続いて、形成
した転送電極５をマスクにしてイオン注入等によって不
純物を注入しさらにこれを拡散させ、受光部２を自己整
合的に形成する。なお、この受光部２の形成について
は、前記の電荷転送部３、チャネルストップ、読み出し
部の形成時にこれらの形成に前後してあるいは同時に形
成してもよい。

【００１３】次いで、ＣＶＤ法等により転送電極５を覆
った状態にＳｉＯ₂等からなる層間膜絶縁６を形成す
る。なお、この転送電極４の形成については、転送電極
構造が二層である場合には前記工程を２回繰り返し、三
層以上である場合にはその層数分だけ繰り返す。

【００１４】次いで、アルミニウムやアルミニウム合
金、あるいはＴｉやＷなどの高融点金属をスパッタ法に
よって単層あるいは複層成膜する。そして、リソグラフ
ィー技術、エッチング技術によって得られた膜に配線用
の開口（図示略）や受光部２の直上位置の一部開口など
必要なパターニングを施すことにより、遮光膜７および
その開口部７ａを形成する。なお、この遮光膜７の材料
については、この後に形成する第１平坦化膜のリフロー
条件に応じて選択される。すなわち、リフロー条件とし
て高温加熱が必要な場合には、遮光膜７の材料としてＴ
ｉやＷなどの高融点金属が用いられ、高温加熱が必要で
ない場合にはアルミニウム等が用いられる。

【００１５】次いで、ＢＰＳＧ（ホウ素リンシリケート
ガラス）膜あるいはＨＤＰＣＶＤ膜等を形成し、さら
にこれにリフロー処理等を施すことによって平坦化し、
図１（ｂ）に示すように第１平坦化膜８を形成する。な
お、この例においては、第１平坦化膜８を屈折率が１．
４７のＢＰＳＧ膜から形成した。したがって、このＢＰ
ＳＧ膜のリフロー処理には高温加熱が必要でないため、
前記遮光膜７についてはその材料としてアルミニウムを
用いている。

【００１６】このようにして第１平坦化膜８を形成した
ら周辺部の配線（図示略）を形成し、その後、該第１平
坦化膜８上に後述する層内レンズの材料となる透明材料
をプラズマＣＶＤ法によって成膜し、図１（ｃ）に示す
ように透明材料膜９を形成する。ここで、透明材料膜９
の形成については、半導体プロセスなどにおいて一般的
に用いられるプラズマＣＶＤ法で行うことから、屈折率
の異なる種々の材料を用いて成膜するとができる。

【００１７】換言すれば、前記第１平坦化膜８の屈折率
や後述する第２平坦化膜の屈折率との差を考慮して、受
光部２への集光効率を高めるうえでこれら第１平坦化膜
８あるいは第２平坦化膜との間で最適な屈折率差が得ら
れるような屈折率の材料を選択することができる。例え
ば、屈折率を１．９〜２．０としたい場合にはＰ−ＳＩ
Ｎ膜（プラズマ窒化膜）を選択し、屈折率を１．５〜
１．９としたい場合にはＰ−ＳｉＯＮ膜（プラズマ酸化
窒化膜）を選択すればよい。また、この透明材料膜９に
ついては、形成する層内レンズの高さに合わせてその膜
厚を決めるのがプロセス上無駄がなく有利であり、具体
的には０．５〜２．０μｍ程度とするのが好ましい。な
お、この実施形態例においては、屈折率が１．９〜２．
０となるよう、Ｐ−ＳＩＮを成膜することによって透明
材料膜９を形成した。

【００１８】次いで、この透明材料膜９の上にレジスト
を塗布してレジスト層を形成し、さらにこれをパターニ
ングして図２（ａ）に示すように上に凸となる凸レンズ
形状のレジストパターン１０を形成する。このレジスト
パターン１０の形成にあたっては、まず、エッチングに
よりレジスト層を各受光部２毎に平面視した状態で矩形
状もしくは正方形状に分割する。そして、このように分
割したレジスト層を１４０℃〜１８０℃程度の温度でリ
フロー処理し、各レジスト層を一旦溶融させた後固化さ
せて該レジスト層を上に凸の球面状となる凸レンズ形状
にパターニングし、レジストパターン１０を得る。な
お、レジストの種類については特に限定されないもの
の、後述するように透明材料膜９との間でほぼ１の選択
比がとれる材質のものがより好適に用いられる。

【００１９】このようにしてレジストパターン１０を形
成したら、これをマスクにして前記透明材料膜９をエッ
チングする。このとき、エッチング条件については、該
レジストパターン１０と透明材料膜９との選択比がほぼ
１となる条件で行うのが好ましく、具体的には、平行平
板ＲＩＥにより、反応ガスとしてＳＦ₆／Ｏ₂（＝４０
／４０ｃｃｍ）を用い、圧力３５Ｐａ、ＲＦパワー４５
０Ｗで行う。このように選択比がほぼ１となる条件で透
明材料膜９のエッチングを行うと、図２（ｂ）に示すよ
うにレジストパターン１０とほぼ同一形状の層内レンズ
１１を形成することができる。

【００２０】次いで、図２（ｃ）に示すように得られた
層内レンズ１１を覆って第１平坦化膜８上に第２平坦化
膜１２を形成する。この第２平坦化膜１２については、
アクリル系樹脂（屈折率；約１．６０）やポリイミド系
樹脂（屈折率；約１．８０）などが用いられるが、特に
層内レンズ１１との間の屈折率差を考慮して、集光効率
の点で有利となるように材料が選択される。その後、第
２平坦化膜１２の上に従来と同様にしてカラーフィルタ
１３を形成し、さらにこのカラーフィルタ１３の上にポ
リスチレン（屈折率；約１．６０）等からなるオンチッ
プレンズ１４を従来と同様にして形成し、これにより固
体撮像素子１５を得る。

【００２１】このような固体撮像素子１５の製造方法に
あっては、第１平坦化膜８上にプラズマＣＶＤ法で透明
材料膜９を形成し、これをパターニングすることによっ
て層内レンズ１１を形成するので、下地である第１平坦
化膜８の表面がもちろん平坦であることによってこの下
地に依存することなく層内レンズ１１を所望形状に形成
することができる。また、透明材料についても、プラズ
マＣＶＤ法で堆積して成膜することから種々の材料を選
択することができ、屈折率を任意に設定することができ
るなどその材料選択性の自由度や設計自由度を高めるこ
とができる。

【００２２】また、透明材料膜９をパターニングして層
内レンズ１１を形成する際、透明材料膜９上に凸レンズ
形状のレジストパターン１０を形成し、これをマスクに
して、該レジストと前記透明材料との選択比がほぼ１と
なる条件で透明材料膜９をエッチングしているので、得
られる層内レンズ１１をレジストパターン１０とほぼ同
一の形状にすることができ、したがって層内レンズ１１
の形状を所望する形状に容易に形成することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子の製造方法は、第１平坦化膜上にプラズマＣＶＤ法で
透明材料を成膜し、さらに得られた透明材料膜をパター
ニングすることによって層内レンズを形成する方法であ
るから、下地である第１平坦化膜の表面が平坦であるこ
とによってこの下地に依存することなく層内レンズを所
望形状に形成することができる。また、透明材料につい
ても、プラズマＣＶＤ法で堆積して成膜することから種
々の材料を選択することができ、屈折率を任意に設定す
ることができるなどその材料選択性の自由度や設計自由
度を高めることができる。

【００２４】また、透明材料膜をパターニングして層内
レンズを形成する際、透明材料膜上に凸レンズ形状のレ
ジストパターンを形成し、これをマスクにして、該レジ
ストと前記透明材料との選択比がほぼ１となる条件で透
明材料膜をエッチングすれば、得られる層内レンズをレ
ジストパターンとほぼ同一の形状にすることができ、し
たがって層内レンズの形状を所望する形状に容易に形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の固体撮像装置の製造
方法の一実施形態例を工程順に説明するための要部側断
面図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の固体撮像装置の製造
方法の一実施形態例を説明するための図であり、図１
（ｃ）に示した工程に続く工程を工程順に示す要部側断
面図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板（基体）、２…受光部、３…電荷転送
部、４…絶縁膜、５…転送電極、８…第１平坦化膜、９
…透明材料膜、１０…レジストパターン、１１…層内レ
ンズ、１２…第２平坦化膜、１４…オンチップレンズ、
１５…固体撮像素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体表層部に形成されて光電変換をなす
受光部と、該受光部から読み出された電荷を転送する電
荷転送部と、前記基体上の、前記電荷転送部の略直上位
置に絶縁膜を介して設けられた転送電極とを備えた固体
撮像素子の製造方法において、前記転送電極を覆って第１平坦化膜を形成する工程と、前記第１平坦化膜上にプラズマＣＶＤ法によって透明材
料を成膜する工程と、前記透明材料からなる膜をパターニングして該透明材料
を、前記受光部の直上において上に凸となる凸レンズ状
の層内レンズとする工程と、前記層内レンズを覆って第２平坦化膜を形成する工程
と、前記第２平坦化膜上における前記受光部の直上にオンチ
ップレンズを形成する工程と、を備えたことを特徴とす
る固体撮像素子の製造方法。
【請求項２】前記透明材料からなる膜をパターニング
して層内レンズを形成する工程が、前記透明材料膜上に
レジスト層を形成する工程と、該レジスト層を上に凸と
なる凸レンズ形状にパターニングする工程と、得られた
凸レンズ形状のパターンをマスクとして、該レジストと
前記透明材料との選択比がほぼ１となる条件で前記透明
材料膜をエッチングし、層内レンズを形成する工程と、
からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子
の製造方法。