JPH1140787A5 - - Google Patents

Description

【書類名】 明細書
【発明の名称】 固体撮像素子並びにその製造方法
【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において、
前記転送電極を覆って形成された第１平坦化膜と、
前記第１平坦化膜上にプラズマＣＶＤ法によって成膜された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状態に形成した凸レンズ状の層内レンズと、
前記層内レンズを覆って形成された第２平坦化膜と、
前記第２平坦化膜上における前記受光部の直上に形成されたオンチップレンズと、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】 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３】 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２記載の固体撮像素子の製造方法。
【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とそ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素子とそ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】
本発明の固体撮像素子では、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において、前記転送電極を覆って第１平坦化膜を形成し、この第１平坦化膜上にプラズマＣＶＤ法によって透明材料が成膜され、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、前記層内レンズを覆って第２平坦化膜を形成して前記第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したことを前記課題の解決手段とした。
【０００８】
この固体撮像素子によれば、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Ｔｉ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ＨＤＰ ＣＶＤ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ＢＰＳＧ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−ＳＩＮ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４５０Ｗ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とその製造方法は、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ものであるから、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素子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、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