JP4383959B2 - 光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダなどの画像入力装置に用いられる光電変換装置およびその製造方法に関する。

近年では、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダ等の画像入力装置には、ＣＣＤイメージセンサや、バイポーラトランジスタ型イメージセンサ、電界効果トランジスタ型イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の非ＣＣＤ型のイメージセンサと呼ばれる光電変換装置が設けられ、ここで光学的画像情報を電気信号に変換し、この変換された電気信号に各種の信号処理を施して表示器に表示したり、記憶媒体に記録したりしている。

高性能な光電変換装置を得るには、実際に光電変換を行う受光部である光電変換素子の受光面の面積（画素面積）を小さくして、配置される光電変換素子の数を多くするとともに光電変換装置のチップサイズを小さくすることが望まれている。

画素の高密度化や小チップ化を推し進めると、画素となる一つの光電変換素子が受光できる光量も受光面の面積の減少に伴って少なくなり、装置の感度を低くすることになる。これを改善すべく、受光面上に設けられた保護膜の平坦化された面上にマイクロレンズを形成し、受光面に集光して、感度の低下を抑制する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、オンチップレンズをエッチバックによって形成する固体撮像素子の製造方法が開示されている。この固体撮像素子の製造方法では、図１２に示すように、まず、半導体基板上に形成されたセンサ部１０１やパッド部１０２上に平坦化膜１０４を形成し、平坦化膜１０４上のセンサ部１０１およびパッド部１０２上にカラーフィルタ１０３を形成する。その後、レンズ材１０５を塗布した後、フォトリソグラフィ工程と熱処理によりレンズパターン１０６をパターニングする。次に、全面をエッチバック量１０７だけエッチバックしてオンチップレンズ１０８を形成する。

この固体撮像素子の製造方法によれば、オンチップレンズ１０８の形成とパッド部１０２の開口とを一括して形成することが可能である。また、オンチップレンズ１０８とパッド部１０２との被エッチング量の差を小さくすることで、パッド部１０２が受けるダメージを低減することを可能にしている。

また、画素のさらなる高密度化や小チップ化が要求されるのに伴って、マイクロレンズと光電変換素子との間に、隣接する層と異なる屈折率を有する膜から構成される層内レンズを設ける必要性が高まってきた。この点に関し、例えば特許文献２には、受光面の微細化が進む、もしくは、遮光パターンや配線パターンのような各種の膜が受光面の上に多く積層される場合の集光効率を高めることができる光電変換装置が開示されている。

この光電変換装置は、図１３に示すように、隣接する２つの光電変換素子２０１間の素子分離領域２０２上に設けられた第１のパターン２０３と、第１のパターン２０３を覆う第１の絶縁膜２０４と、素子分離領域２０２の上方かつ第１の絶縁膜２０４の上に設けられた第２のパターン２０５と、第２のパターン２０５を覆う第２の絶縁膜２０６と、第２の絶縁膜２０６の上に設けられたマイクロレンズ２０７とを有している。マイクロレンズ２０７と光電変換素子２０１の受光面との間の光路中には、第１及び第２の層内レンズ２０８，２０９が、各パターン２０３，２０５の段差構造を利用して第１の絶縁膜２０４及び第２の絶縁膜２０６によって形成されている。

また、特許文献３には、光電変換した電荷を転送する電荷転送部を有し、該転送部上に絶縁膜を介して転送電極を設けた光電変換装置において、平坦化膜上に上凸形状を有する層内レンズを形成する構成が示されている。
特開平１０−１０７２３８号公報 特開２００１−９４０８６号公報 特開平１１−０４０７８７号公報

しかしながら、特許文献２に開示された光電変換装置の製造方法では、層内レンズを構成する絶縁膜内に形成される凹面は、パターンの上方の部分が「山」となり、パターン間の領域の部分が「谷」となるように形状が制限されてしまう。このような理由で、層内レンズの形状がパターンの形状に依存することから、形成できる層内レンズの形状がパターンの形状によって制限されてしまう。そのため、パターンの形状等によっては、所望の集光効率を有する層内レンズを形成できない場合もある。

また、集光効率を高めるために複数層の層内レンズを組み合わせた場合には、屈折率の異なる界面で光の反射が起きる可能性が層内レンズの層数分だけ高くなる。光の反射が起きる界面が多くなれば、光はそれだけ多くの反射を経た後に光電変換素子に入射することになる。そのため、光電変換素子の受光面に入射する光量が低下し、光電変換装置の実質的な感度低下をもたらす場合もある。また、単層配線を有しているような特許文献３においてはレンズから受光部までの光学路の距離を小さく設定することが比較的容易であるが、複数の配線層を有する光電変換装置においては、受光部までの光学路の距離が長くなる傾向があるため、このような技術課題に対応する必要がある。

そこで本発明は、実質的な感度低下をもたらすことなく集光効率を高めることができる層内レンズを有する光電変換装置およ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、本発明の光電変換装置は、複数の光電変換素子と、該光電変換素子の上方に設けられた第１のパターンと該第１のパターンの上方に設けられた第２のパターンとを少なくとも含む複数の配線層と、を含む光電変換装置であって、前記光電変換素子上の光路中に、光の入射方向に対して凸形状（上に凸）に形成された層内レンズを有していることを特徴とする。

上凸型の層内レンズは、その下に設けられている絶縁膜やパターンの形状に影響を受けることなく凸面を所望の形状に形成することが可能であるので、そのような凸形状の層内レンズの曲率や厚み等を適宜設定することで、層内レンズの集光効率を高めることができ、特に複数の配線層を有する光電変換装置には有効である。

また、本発明の光電変換装置の製造方法は、複数の光電変換素子の上方に第１のパターンを形成する工程と、前記第１のパターンの上方に第２のパターンを形成する工程と、を有する光電変換装置の製造方法であって、前記第２のパターン上に、光の入射方向に対して凸形状（上に凸）に形成された層内レンズを形成する工程を有していることを特徴とする。

上記本発明の光電変換装置の製造方法によれば、実質的な感度低下をもたらすことなく集光効率を高めることができる層内レンズを有する光電変換装置を製造することができる。

本発明によれば、実質的な感度低下をもたらすことなく集光効率を高めることができる層内レンズを有する光電変換装置およびその製造方法を提供することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による光電変換装置の模式的断面図である。

図１に示すように、本実施形態の光電変換装置では、半導体部材１３の上に、光電変換素子１が複数配列され、隣接する２つの光電変換素子１の間に素子分離領域２が設けられている。そして、その半導体部材１３の上に第１の絶縁膜３が設けられている。第１の絶縁膜３上には、素子分離領域２の上方に配置された第１のパターン４と、第１のパターン４を覆う第２の絶縁膜５と、素子分離領域２の上方かつ第１のパターン４の上方に配置された第２のパターン６と、第２のパターン６を覆う第３の絶縁膜７とが順次積層されている。そして、第３の絶縁膜７の上には、光電変換素子１から後述するマイクロレンズ１２へ向かう方向に凸形状（光の入射方向に対して凸形状）に形成された上凸型の層内レンズ８が設けられている。層内レンズ８は、各光電変換素子１の上方（言い換えれば、各パターン４，６の間の領域の上方）に配置されている。

さらに、層内レンズ８の上には第１の平坦化膜９が設けられ、平坦化膜９の上には各光電変換素子１に対応して各色が配置されたカラーフィルタ層１０が設けられ、カラーフィルタ層１０の上には第２の平坦化膜１１が設けられ、第２の平坦化膜１１の上にはマイクロレンズ１２が設けられている。マイクロレンズ１２は、各光電変換素子１の上方に配置されている。

光電変化素子１はＰＮ接合やＰＩＮ接合を有するフォトダイオードやフォトトランジスタなどからなり、このような半導体接合により形成される空乏層に光が入射し、ここで光電変換が起こるように構成されている。

素子分離領域２は、選択酸化によるフィールド酸化膜、接合分離のための拡散層などに形成された部分である。光電変換素子１と素子分離領域２とが構成されている半導体部材１３は、例えばシリコン基板等からなる。

第１および第２のパターン４，６は、光電変換素子１からの電気信号の伝達に用いる配線として機能する他、ある光電変換素子１に入射すべき光が他の光電変換素子１に入射することを防ぐ遮光部材としても機能するように、光電変換素子が感度を有する波長領域における光を遮光する半導体や金属等の導電性材料で構成されていることが好ましい。

また、光電変換装置には、電極を取り出す端子(電源等の外部回路と接続を行なう)の役割をなすパッド１４が設けられている。このパッド１４が構成されている領域には、層内レンズ、カラーフィルタ、マイクロレンズは、存在しない。しかしながら、パッド部の外側の領域には少なくとも層内レンズ、カラーフィルタのパターンが形成されていることが好ましい。これは、プロセス過程においてエッチング工程が安定するためである。また、パッド１４の上方は、第３の絶縁膜７の一部と、第１の平坦化膜９の一部と、第２の平坦化膜１１の一部とが、それぞれフォトリソグラフィック技術とエッチング技術とによって開口されている。

第１、第２、および第３の絶縁膜３，５，７の材料は、光電変換素子１に吸収されて電気信号に変換される光を透過する材料であればよい。また、少なくとも第３の絶縁膜７は、化学的機械研磨（以下「ＣＭＰ」という。）等によって平坦化処理されていることが好ましい。

上述したように、本実施形態の光電変換装置は、上凸形状の層内レンズ８が、第１および第２のパターン４，６の上方に設けられた第３の絶縁膜７の上に設けられている。このような構成では、上述した従来技術とは異なり、層内レンズ８の凸面の形状がその下の第２のパターン６の形状に依存しない。そのため、層内レンズ８の曲率や厚み等を適宜設定することで、層内レンズ８の集光効率を高めることができる。

さらに、本実施形態の光電変換装置は、複数層の層内レンズを組み合わせるのではなく、上記のように、一層で構成された層内レンズ８の径や曲率等を適宜設定することで、層内レンズ８の集光効率を高めることができる構成になっている。したがって、複数層の層内レンズを組み合わせた構成に比べて屈折率の異なる界面の数が減っており、光の反射が起きる可能性が低減している。そのため、本実施形態のような複数の配線層を有し、光路が長くなる傾向にある光電変換装置には好ましい。

次に、図１に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程について、図２から図５を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、シリコンウエハ等からなる半導体部材１３を用意して、ＬＯＣＯＳ法（シリコン局所酸化法）等により素子分離領域２を半導体部材１３上に形成する。次に、フォトレジストパターンを形成してイオン注入および熱処理を行い、例えばフォトダイオード（光電変化素子１）のカソードまたはアノードとなる拡散層を半導体部材１３上に形成する。

続いて、熱酸化、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、スパッタリング、塗布法などにより、第１の絶縁膜３を半導体部材１３上に形成する。ここで、第１の絶縁膜３の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第１の絶縁膜３上に形成し、光電変化素子１の受光面の上方に位置する部分をエッチングにより除去することにより、所望の形状の第１のパターン４を形成する。

次に、ＳｉＯまたはこれを主成分とする材料からなる第２の絶縁膜５を、ＣＶＤ法により、第１の絶縁膜３および第１のパターン４の上に形成する。ここで、第２の絶縁膜５の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、第１のパターン４と同様に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第２の絶縁膜５上に形成し、光電変化素子１の受光面の上方に位置する部分をエッチングにより除去することにより、所望の形状の第２のパターン６およびパッド部１４を形成する。

なお、第１および第２のパターン４，６は、光電変換素子１からの電気信号の伝達に用いる配線として機能する他、ある光電変換素子１に入射すべき光が他の光電変換素子１に入射することを防ぐ遮光板としても機能する。また、第２のパターンは、有効画素領域の外側に、基準信号を作成するための遮光領域（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｌａｃｋ ｒｅｇｉｏｎ）を形成するための遮光部材も含んで形成される。

そして、ＳｉＯまたはこれを主成分とする材料からなる第３の絶縁膜７を、ＣＶＤ法により、第２の絶縁膜５および第２のパターン６の上に形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、第３の絶縁膜７の表面の一部をＣＭＰにより平坦化する。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ等で構成される層内レンズ形成膜８'を、ＣＶＤ法により第３の絶縁膜７上に形成する。

続いて、図３（ｄ）に示すように、層内レンズ８を形成するためのエッチングマスク２０を層内レンズ形成膜８'の上にフォトリソグラフィ工程より形成する。その後、図３（ｅ）に示すように、エッチングマスク２０を加熱処理によりリフローさせて、層内レンズ８の形状と実質的に同じ形状の凸レンズ形状にする。ここで層内レンズはパッド部の外側にも形成される。

次に、層内レンズ形成膜８'の全面にガスエッチングを施し、図３（ｆ）に示すように、層内レンズ形成膜８'にエッチングマスク２０の凸レンズ形状を転写して、層内レンズ８を形成する。ここでのエッチングガスには、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、Ｏ₂、Ａｒ、Ｈｅなどを用いることができる。

続いて、図４（ｇ）に示すように、フォトリソグラフィでパッド部１４の上方の第３の絶縁膜７を開口するために、そのような開口パターンを有するレジストパターン２１を第３の絶縁膜７および層内レンズ８の上に形成し、図４（ｈ）に示すように、パッド部１４上に位置する第３の絶縁膜７をフォトリソグラフィにより除去する。

その後、図４（ｉ）に示すように、パッド部１４、第３の絶縁膜７、および層内レンズ８の上に第１の平坦化膜９を形成し、その第１の平坦化膜９の上にカラーフィルタ層１０を形成する。カラーフィルタ層１０は、その下方にある各光電変換素子１に入射させる光の色に応じたカラーパターンを有している。

続いて、図５（ｊ）に示すように、カラーフィルタ層１０の上に、マイクロレンズ１２をレジストパターニング及びリフローにより形成する。最後に、図５（ｋ）に示すように、パッド部１４の上方に残っている第１および第２の平坦化膜９，１１をエッチングにより除去してパッド部１４の上方を開口させる。

以上により、光電変換装置の製造工程が完了し、図１に示した本実施形態の光電変換装置が完成する。なお本実施形態においては、光電変換素子上のパターン(配線層)が２層の場合を例示したが、これに限られることなく、画素の構造によって更に配線が必要な場合には、第１と第２のパターンの間に更に第３のパターンを有していても良い。

また、本実施形態においては、層内レンズ８とともに、カラーフィルタ層１０上に形成されたマイクロレンズ（トップレンズ）１２を有する構成に関して説明したが、カラーフィルタ層１０を薄膜化することによって隣接画素との混色を低減することができ、その混色の度合いが許容できる範囲であればマイクロレンズ１２はなくてもよい。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態による光電変換装置の模式的断面図である。

図６に示すように、本実施形態の光電変換装置では、半導体部材１３の上に、光電変換素子１が複数配列され、隣接する２つの光電変換素子１の間に素子分離領域２が設けられている。そして、その半導体部材１３の上に第１の絶縁膜３が設けられている。第１の絶縁膜３上には、素子分離領域２の上方に配置された第１のパターン４と、第１のパターン４を覆う第２の絶縁膜５と、素子分離領域２の上方かつ第１のパターン４の上方に配置された第２のパターン６とが順次積層されている。そして、第２の絶縁膜５および第２のパターン６の上には、光電変換素子１から後述するマイクロレンズ１２へ向かう方向に凸形状に形成された上凸型の層内レンズ８が設けられている。層内レンズ８は、各光電変換素子１の上方（言い換えれば、各パターン４，６の間の領域の上方）に配置されている。

さらに、層内レンズ８および第２のパターン６の上には第１の平坦化膜９が設けられ、平坦化膜９の上には各光電変換素子１に対応するカラーパターンを有するカラーフィルタ層１０が設けられ、カラーフィルタ層１０の上には第２の平坦化膜１１が設けられ、第２の平坦化膜１１の上にはマイクロレンズ１２が設けられている。マイクロレンズ１２は、各光電変換素子１の上方に配置されている。

図１に示した第１の実施形態の光電変換装置では第２のパターン６と層内レンズ８との間に第３の絶縁膜７が設けられていたが、本実施形態の光電変換装置ではそのような第３の絶縁膜７が設けられておらず、第２のパターン６に層内レンズ８が接するように構成されている。

なお、本実施形態の光電変換装置におけるその他の構成は第１の実施形態と同様であるので、それらに関する詳しい説明は省略する。

本実施形態の光電変換装置では、上凸形状の層内レンズ８が、第２のパターン６の上にこれに接した状態で設けられている。層内レンズ８の凸面は、従来技術とは異なり、その下の第２のパターン６の形状に影響を受けることなく所望の形状に形成することができる。そのため、層内レンズ８の曲率や厚み等を適宜設定することで、層内レンズ８の集光効率を高めることができる。

さらに、本実施形態の光電変換装置も、複数層の層内レンズを組み合わせるのではなく、上記のように、一層で構成された層内レンズ８の径や曲率等を適宜設定することで、層内レンズ８の集光効率を高めることができる構成になっている。

さらに、本実施形態の光電変換装置は、第２のパターン６と層内レンズ８との間に第３の絶縁膜７（図１等参照）が設けられておらず、第２のパターン６に層内レンズ８が接するように構成されているので、光電変換素子１と層内レンズ８との距離がその第３の絶縁膜７の厚みの分だけ小さくなっている。そのため、層内レンズ８の焦点距離をより小さく設定することが可能になる。その結果、層内レンズ８に関するＦ値が小さくなって明るさが増すので、光電変換素子１の感度を実質的により高めることができる。

次に、図６に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程について、図７から図９を参照して説明する。

まず、図７（ａ）に示すように、シリコンウエハ等からなる半導体部材１３を用意して、ＬＯＣＯＳ法（シリコン局所酸化法）等により素子分離領域２を半導体部材１３上に形成する。次に、フォトレジストパターンを形成してイオン注入および熱処理を行い、例えばフォトダイオード（光電変化素子１）のカソードまたはアノードとなる拡散層を半導体部材１３上に形成する。

続いて、熱酸化、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、スパッタリング、塗布法などにより、第１の絶縁膜３を半導体部材１３上に形成する。ここで、第１の絶縁膜３の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第１の絶縁膜３上に形成し、光電変化素子１の受光面の上方に位置する部分をエッチングして除去することにより、所望の形状の第１のパターン４を形成する。

次に、ＳｉＯまたはこれを主成分とする材料からなる第２の絶縁膜５を、ＣＶＤ法により、第１の絶縁膜３および第１のパターン４の上に形成する。ここで、第２の絶縁膜５の表面をＣＭＰ等により平坦化させておくと、次工程におけるパターニング精度を向上させることができる。

次に、第１のパターン４と同様に、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、もしくはＣｕ、またはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング、ＣＶＤ法、または電解メッキ法等により第２の絶縁膜５上に形成し、光電変化素子１の受光面の上方に位置する部分をエッチングして除去することにより、所望の形状の第２のパターン６およびパッド部１４を形成する。第２のパターン６は、光電変換素子１からの電気信号の伝達に用いる配線として機能する他、ある光電変換素子１に入射すべき光が他の光電変換素子１に入射することを防ぐ遮光板としても機能する。また、第２のパターンは、有効画素領域の外側に、基準信号を作成するための遮光領域（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｌａｃｋ ｒｅｇｉｏｎ）を形成するための遮光部材もこのパターンによって形成される。

次に、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、またはＳｉＯ等で構成される層内レンズ形成膜８'を、ＣＶＤ法により第２の絶縁膜５および第２のパターン６の上に形成する。

次に、図７（ｃ）に示すように、層内レンズ８を形成するとともに、パッド部１４を開口するための開口パターンを有するエッチングマスク２０を層内レンズ形成膜８'の上にフォトリソグラフィ工程より形成する。

続いて、図８（ｄ）に示すように、エッチングマスク２０を加熱処理によりリフローさせて、層内レンズ８の形状と実質的に同じ形状の凸レンズ形状にする。

次に、層内レンズ形成膜８'の全面にガスエッチングを施すと、図８（ｅ）に示すように、層内レンズ形成膜８'にエッチングマスク２０の凸レンズ形状が転写されて層内レンズ８が形成されるとともに、パッド部１４の上面が露出する。ここでのエッチングガスには、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、Ｏ₂、Ａｒ、Ｈｅなどを用いることができる。

次に、図８（ｆ）に示すように、パッド部１４および層内レンズ８の上に第１の平坦化膜９を形成する。

続いて、図９（ｇ）に示すように、第１の平坦化膜９の上にカラーフィルタ層１０を形成する。カラーフィルタ層１０は、その下方にある各光電変換素子１に入射させる光の色に応じたカラーパターンを有している。

次に、図９（ｈ）に示すように、カラーフィルタ層１０の上に、マイクロレンズ１２をレジストパターニング及びリフローにより形成する。最後に、図９（ｉ）に示すように、パッド部１４の上方に残っている第１および第２の平坦化膜９，１１をエッチングにより除去してパッド部１４の上方を開口させる。

以上により、光電変換装置の製造工程が完了し、図６に示した本実施形態の光電変換装置が完成する。

本実施形態の製造工程では、第１の実施形態に比べて、第３の絶縁膜７を形成する工程と、パッド部１４の上方の第３の絶縁膜７に開口を設ける工程とが省略されているので、その分だけ製造工程が簡素化され、製造に要する時間を短縮することができる。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態による光電変換装置の模式的断面図である。第１、第２の実施形態と同じ機能を有するものに関しては同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、本実施形態の光電変換装置では、光電変換素子上のパターン（配線層）が３層（第１，第２，および第３のパターン１２４，１２６，１２８）形成されており、光電変換素子上に第１の絶縁層１２３、第１のパターン１２４、第２の絶縁層１２５、第２のパターン１２６、第３の絶縁層１２７、第３のパターン１２８、第４の絶縁層１２９がこの順で形成されている。各絶縁層はその表面がＣＭＰなどにより表面が平坦化されていることが好ましい。符号１２１は有効画素領域を示している。

最上配線層（第３のパターン）１２８において、パッド部１４及び遮光領域（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｌａｃｋ ｒｅｇｉｏｎ）１２２を形成するための遮光部材１３０を形成している。またパッド部の外側においても、エッチング工程等の安定化のために、少なくとも層内レンズ層８、カラーフィルタ層１０、マイクロレンズ層１２のいずれかが形成されている。作製方法に関しては、実施形態１，２の方法を転用することが可能である。

各絶縁膜の厚さに関して、第４の絶縁層１２９、すなわち、最上層の配線層１２８上に形成される絶縁層が、その他の絶縁層よりも薄いことが好ましい。これは、受光部までの光路長を短くするために各層はなるべく薄いことが好ましいが、各配線層にはさまれた絶縁層に関しては、配線間の寄生容量を低減するためにある程度の厚さが必要となる。これに対して、最上層の絶縁層１２９は、その後に層内レンズを形成するための平坦性が保たれればよい。したがって、寄生容量等を考慮する必要がなく、光路長を短くするために他の絶縁層よりも薄く形成されるのである。具体的には、最上配線層１２８の上に形成される第４の絶縁層１２９の膜厚は４００ｎｍ〜６００ｎｍ、その他の絶縁層は、７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度に形成されるのが良い。

（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態による光電変換装置の模式的断面図である。第１、第２、第３の実施形態と同じ機能を有するものに関しては同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、本実施形態の光電変換装置では、最上配線層では、有効画素領域の層内レンズ近傍に配線パターンが形成されず、パッド部１４及び遮光領域１２２用の遮光部材１３０が形成された構成となっている。これは、第１，第２のパターン１２４，１２６によって隣接画素からの光の入り込みを低減するように設計することによって可能となる。このような構成にすることによって、第２の実施形態で述べたように、層内レンズ８の形成と同時に、パッド部１４の上面を露出することが可能となり、製造工程を簡易化することが可能となる。

具体的な構成としては、光電変換素子１上（遮光領域１２２も含めて）のパターン（配線層）が３層形成されており、光電変換素子１上に第１の絶縁層１２３、第１のパターン１２４、第２の絶縁層１２５、第２のパターン１２６、第３の絶縁層１２７が順次形成されている。その後、部遮光部材１３０およびパッド部１４を含む第３のパターンが形成された後、絶縁層を介することなく、層内レンズ８が形成される。したがって遮光領域１２２において、層内レンズ８と遮光部材１３０とが互いに接する構成となっている。各絶縁層はその表面がＣＭＰなどにより表面が平坦化されていることが好ましい。

また、第３の絶縁層１２７の膜厚、すなわち有効画素領域の最上配線層の上に形成された絶縁層の膜厚が、その他の絶縁層よりも薄いことが好ましい。これは、受光部までの光路長を短くするために各層はなるべく薄いことが好ましいが、各配線層にはさまれた絶縁層に関しては、配線間の寄生容量を低減するためにある程度の厚さが必要となる。これに対して、最上層の絶縁層１２７は、その後に層内レンズ８を形成するための平坦性が保たれればよい。したがって、寄生容量等を考慮する必要がなく、光路長を短くするために他の絶縁層よりも薄く形成されるのである。具体的には、第２のパターン１２６の上に形成される第３の絶縁層１２７の膜厚は４００ｎｍ〜６００ｎｍ、その他の絶縁層は、７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度に形成されるのが良い。

以上、本発明に関して詳細に述べてきた。本発明が包含する全ての構成を開示していないが、各実施形態は適宜組合せ可能である。

また、光電変換素子の構成に関して、画素ごともしくは複数の画素ごとに設けられた、信号電荷を増幅する増幅素子を有する、ＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）の構成が好ましい。これは、本発明は複数の配線層を有した構成において適宜利用されるものであり、上記ＡＰＳ構成においては、ＣＣＤと比較して複数の配線が必要となるためである。

また、上記実施形態においては、層内レンズ８とともに、カラーフィルタ層１０上に形成されたマイクロレンズ（トップレンズ）１２を有する構成に関して説明したが、カラーフィルタ層１０を薄膜化することによって隣接画素との混色を低減することができ、その混色の度合いが許容できる範囲であればマイクロレンズ１２はなくてもよい。

本発明の第１の実施形態による光電変換装置の模式的断面図である。 図１に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 図１に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 図１に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 図１に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態による光電変換装置の模式的断面図である。 図２に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 図２に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 図２に示した本実施形態の光電変換装置の製造工程を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態の光電変換装置の模式的断面図である。 本発明の第４の実施形態の光電変換装置の模式的断面図である。 オンチップレンズをエッチバックによって形成する従来の固体撮像素子の製造方法を示す図である。 従来の光電変換装置を示す図である。

符号の説明

１ 光電変換素子
２ 素子分離領域
３ 第１の絶縁膜
４ 第１のパターン
５ 第２の絶縁膜
６ 第２のパターン
７ 第３の絶縁膜
８ 層内レンズ
８’ 層内レンズ形成膜
９ 第１の平坦化膜
１０ カラーフィルタ層
１１ 第１の平坦化膜
１２ マイクロレンズ
１３ 半導体部材
１４ パッド部
２０ エッチングマスク
２１ レジストパターン
１２１ 有効画素領域
１２２ 遮光領域
１２３ 第１の絶縁層
１２４ 第１のパターン
１２５ 第２の絶縁層
１２６ 第２のパターン
１２７ 第３の絶縁層
１２８ 第３のパターン
１２９ 第４の絶縁層
１３０ 遮光部材

Claims (11)

1. 複数の光電変換素子と、
   前記光電変換素子の上方に設けられた第１のパターンと、該第１のパターンの上方に設けられた第２のパターンと、を少なくとも含む複数の配線層と、
   前記第１のパターンを覆う第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層よりも薄く形成され、前記第２のパターンを覆う第２の絶縁層と、
   前記第２の絶縁層上で、かつ、前記光電変換素子の光路中に配され、光の入射方向に対して凸形状の層内レンズと、を有する光電変換装置。
2. 前記第２のパターン内に、オプティカルブラック領域を形成するための遮光部材と、外部回路が接続されるパッドとを有する、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記パッドの外側に前記層内レンズが形成されている、請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記層内レンズ上に配されたカラーフィルタと、該カラーフィルタ上に配されたマイクロレンズと、を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記層内レンズ上に配されたカラーフィルタと、該カラーフィルタ上に配されたマイクロレンズと、前記第２のパターンに設けられ、外部回路が接続されるパッドと、を有し、
   少なくとも、前記層内レンズ、前記カラーフィルタ、および前記マイクロレンズのいずれかが前記パッドの外側に形成されている、請求項１に記載の光電変換装置。
6. 前記光電変換素子からの信号を増幅する増幅素子を有し、該増幅素子は前記光電変換素子を含む画素、もしくは複数の画素ごとに設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記複数の配線層は、前記第１のパターンと前記第２のパターンとの間に、更に第３のパターンを有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 複数の光電変換素子の上方に配線層である第１のパターンを形成する工程と、
   前記第１のパターンを覆う第１の絶縁層を形成する工程と、
   前記第１のパターンの上方に、前記第１のパターンとは異なる配線層である第２のパターンを形成する工程と、
   前記第２のパターンを覆う、前記第１の絶縁層よりも薄い第２の絶縁層を形成する工程と、
   前記第２の絶縁層上に、光の入射方向に対して凸形状の層内レンズを形成する工程と、を有している光電変換装置の製造方法。
9. 前記層内レンズを形成する工程は、前記層内レンズを構成するための層内レンズ形成膜を形成する工程と、前記層内レンズを形成するためのエッチングマスクを前記層内レンズ形成膜の上に形成する工程と、前記エッチングマスクを前記層内レンズの形状と実質的に同じ形状の凸レンズ形状にする工程と、前記層内レンズ形成膜の全面をエッチングして、前記層内レンズ形成膜に前記エッチングマスクの前記凸レンズ形状を転写し、前記層内レンズを形成する工程とを有している、請求項８に記載の光電変換装置の製造方法。
10. 前記第２のパターンは外部回路が接続されるパッドを含むパターンであり、前記層内レンズを形成する工程は、前記パッドの上面を露出させることを含んでいる、請求項８または９に記載の光電変換装置の製造方法。
11. 前記第１および第２の絶縁層を平坦化する工程を含む、請求項８から１０のいずれか１項に記載の光電変換装置の製造方法。

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