JP2007273586A

JP2007273586A - 固体撮像素子

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Publication number: JP2007273586A
Application number: JP2006095229A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Iida; 義典飯田; Hironaga Honda; 浩大本多; Ikuo Fujiwara; 郁夫藤原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】画素サイズの微細化に伴う入射光の感度の低下を防止することができる固体撮像素子及びその製造方法の提供。
【解決手段】本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、半導体基板上の光電変換素子と、光電変換素子に隣接した複数の電荷検出部と、光電変換素子上を開口する第１の開口部を備えた層間絶縁膜と、層間絶縁膜内に配置された転送トランジスタ及び配線と、光電変換素子上を開口する第２の開口部を備えた遮光膜と、第１の開口部及び第２の開口部を充填し、遮光膜上を含む光電変換素子上に設けられた透明材料層と、透明材料層を介して、光電変換素子上に設けられたマイクロレンズと、透明材料層とマイクロレンズとの間に設けられた光学緩衝層とを備え、光学緩衝層は、マイクロレンズとの界面から透明材料層との界面方向に屈折率が増加した構成を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光部に複数の光電変換素子を備える固体撮像素子に関する。

近年のデジタルカメラ、カメラ搭載型携帯電話等の普及により、固体撮像素子の需要が増加している。特に、一般的な半導体製造工程であるＣＭＯＳプロセスにより製造可能なＣＭＯＳ型固体撮像素子の需要が高まっている。このような固体撮像素子には、近年において、更なる小型化、多画素化の要求が高まっており、画素サイズの微細化が重要な課題となっている。

しかしながら、画素サイズの微細化に伴い、固体撮像素子も小型化され、それに伴い、固体撮像素子における入射光の感度の低下が懸念されている。

なお、画素サイズが縮小された場合でも入射光をフォトダイオードに集束させるために、シリコン基板の表面のフォトダイオード上に、低屈折率領域と高屈折率領域からなる絶縁膜を介してマイクロレンズを配設する固体撮像素子が開示されている（例えば、特許文献１）。

また、入射光の感度を向上するために、酸化膜とシリコン基板の境界面でフォトダイオード上に酸化膜の複素屈折率より大で、シリコン基板よりも小なる複素屈折率を持ち、吸収のない反射防止膜を設ける固体撮像素子が開示されている（例えば、特許文献２）。
特開平５−９５０９８号公報特開平８−１４８６６５号公報

しかしながら特許文献１に記載の発明は、入射光をフォトダイオードに集束できる構成については記載されているものの、入射光の感度の低下の防止に関する技術的課題は考慮されていない。例えば、低屈折率領域と高屈折率領域との界面での光学的な反射による入射光の感度の低下等の問題がある。また、特許文献２に記載の発明は、絶縁層と受光部と反射を少なくして、透過率を高めることを目的としているが、受光部の上方の遮光膜間の開口寸法の低下に伴う入射光の感度の低下の技術的な解決手段は記載されていない。

そこで、本発明は、画素サイズの微細化に伴う入射光の感度の低下を防止することができる固体撮像素子を提供することである。

本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上にマトリックス状に設けられた複数の光電変換素子と、前記光電変換素子に隣接して、前記半導体基板上に設けられた複数の電荷検出部と、前記半導体基板上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する第１の開口部を備えた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に配置された転送トランジスタ及び配線と、前記層間絶縁膜上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する第２の開口部を備えた遮光膜と、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を充填するように、前記遮光膜上を含む前記光電変換素子上に設けられ、前記層間絶縁膜を構成する材料より屈折率が大きい透明材料で構成された透明材料層と、前記透明材料層を介して、前記光電変換素子上に設けられたマイクロレンズと、前記透明材料層と前記マイクロレンズとの間に設けられた光学緩衝層とを備え、前記光学緩衝層は、前記マイクロレンズとの界面から前記透明材料層との界面方向に屈折率が増加する構成を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、画素サイズの微細化に伴う入射光の感度の低下を防止することができる固体撮像素子が提供される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

本発明者は、固体撮像素子の小型化（画素サイズの微細化）に伴う入射光の感度の低下について、「光の波動性」に起因する入射光のロスに着目した。すなわち、画素サイズの微細化に伴い、画素内部での光入射部の幅が入射光の波長レベルまで小さくなってしまう点に着目した。

たとえば、画素面積における光入射部の開口面積の占有率を表す開口率は、画素設計により幅を持つが、仮にその開口率を約３０％とした場合、画素サイズが１．２μｍであったときは、その画素の開口幅は約０．６６μｍとなる。この幅は、入射光のうち赤色光の波長と同等の幅である。

例えば、入射光の波長が光入射部の開口幅より大きくなると、入射光がその光入射部を通過することができず、極端に入射光の感度が低下するという問題がある。

本発明者らは、鋭意実験を行った結果、以上の問題を解決するための構成を見出した。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る固体撮像素子について図面を用いて説明する。図１は、第１の実施形態に係る固体撮像素子の画素構造を説明するための断面図である。

本実施形態に係る固体撮像素子は、図１に示すように、例えば、Ｐ型のシリコンで構成された半導体基板１の第１の表面領域１ａにマトリックス状（図示せず）に光電変換素子（フォトダイオード）２が設けられ、光電変換素子２が設けられた第１の表面領域１ａに隣接する第２の表面領域１ｂには、光電変換素子２で変換された電荷を検出する電荷検出部（ＦＤ：ＦｌｏａｔｉｎｇＤｉｆｆｕｓｉｏｎ）３が設けられている。

電荷検出部３が設けられた第２の表面領域１ｂ上には層間絶縁層４が設けられており、さらに、層間絶縁層４には、光電変換素子２が設けられた第１の表面領域１ａ上を開口する開口部４ａ（第１の開口部）が設けられている。また、層間絶縁層４内には、光電変換素子２から電荷検出部３へ電荷信号を転送する転送トランジスタ５と配線層６、７とが設けられている。層間絶縁膜４は、例えば、シリコン酸化膜で構成されている。配線層６、７は例えば、銅配線で構成されている。

層間絶縁膜４上には遮光膜８が設けられており、さらに、遮光膜８には、光電変換素子２が設けられた第１の表面領域１ａ上を開口する開口部８ａ（第２の開口部）が設けられている。この遮光膜８は、転送トランジスタ５及び電荷検出部（ＦＤ）３への入射光１２の到達を防止する役割を備えている。

開口部４ａ及び開口部８ａを充填するように、遮光膜８上を含む光電変換素子２上には、層間絶縁膜４を構成する材料より屈折率が大きい材料で構成された透明材料層９が設けられている。すなわち、透明材料層９は、開口部４ａ及び８ａ内に充填された充填部９ａと、充填部９ａ及び遮光膜８上に配置された屈折部９ｂとで構成されている。透明材料層９は、例えば、シリコン窒化膜等が好適に用いられる。

透明材料層９を介して光電変換素子２上には、マイクロレンズ１１が設けられている。

マイクロレンズ１１と透明材料層９との間には光学緩衝層１０が設けられている。光学緩衝層１０は、マイクロレンズ１１と透明材料層９との界面における光の反射を防止するための反射防止層であり、マイクロレンズ１１と透明材料層９との対向する方向で定義される膜厚方向に対して、屈折率が変化している特性を備えている。
図２は、マイクロレンズ１１、光学緩衝層１０及び透明材料層９間の膜厚方向に対する屈折率の傾向を示す概念図である。図２に示すように、光学緩衝層１０は、マイクロレンズ１１との界面付近ではマイクロレンズ１１と同程度の低い屈折率を備え、その膜厚方向に向かって屈折率が増加し、透明材料層９との界面付近では透明材料層９と同程度の高い屈折率を備えている。

例えば、透明材料層９としてシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いた場合には、光学緩衝層１０は、シリコン酸窒化膜が好適に用いられる。シリコン酸窒化膜は、ＳｉＯｘＮｙなる組成で定義され、マイクロレンズ１１との界面付近では、ｙ＝０に近似する組成（ＳｉＯ_２）を有し、その膜厚方向に向かって、ｘが漸減し、ｙが漸増して、その組成比率が変化し、透明材料層９との界面付近では、ｙ＝４／３に近似する組成（Ｓｉ_３Ｎ_４）を備えている。ｙ＝０に近似する組成（ＳｉＯ_２）の屈折率は約１．５程度と低く、一般的に使用されるマイクロレンズ１１の屈折率も約１．５と同程度の屈折率を有する。また、ｙ＝４／３に近似する組成（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、透明材料層９として使用されるシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）と同じ組成であるため、透明材料層９と同じ屈折率を有する。

このように、光学緩衝層１０は、マイクロレンズ１１との界面付近ではマイクロレンズ１１と同程度の低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ_２）で構成されており、更に、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）である透明材料層９との界面付近では透明材料層９と同程度の高い屈折率を有する材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）で構成されているため、光学緩衝層１０と透明材料層９との界面での反射を極めて小さいものとすることができる。更に、光学緩衝層１０は、マイクロレンズ１１との界面、透明材料層９との界面の間の領域は、光の屈折率が変化した構成を備えているので、この領域においても入射光１２の反射を極めて小さいものとすることができる。

マイクロレンズ１１に入射する入射光１２の空気中（屈折率：１）での波長をλ、光学緩衝層１０のマイクロレンズ１１との界面から透明材料層９の遮光膜８の表面までの膜厚方向ｘに関する屈折率をｎ（ｘ）、光学緩衝層１０のマイクロレンズ１１との界面から透明材料層９の遮光膜８の表面までの膜厚をＴとするとき、層間絶縁膜４及び遮光膜８の開口部４ａ、８ａの開口幅Ｌは、

で、構成されていることが好ましい。この関係について以下に説明する。

本実施形態によれば、図２に示すように、開口部４ａ、８ａ及び遮光膜８上には透明材料層９が設けられており、更に、透明材料層９上には、屈折率が変化する光学緩衝層１０が設けられている。このため、マイクロレンズ１１から入射した波長λを有する入射光１２は、光学緩衝層１０と透明材料層９の存在により、その実効波長λ_ｅｆｆが短縮されることになる。

すなわち、マイクロレンズ１１に入射した入射光１２の波長λは、光学緩衝層１０及び透明材料層９の屈折部９ｂを通過する際の実効波長λ_ｅｆｆは、

となり、入射光の波長λは、

に、短縮されることになる。言い換えれば、実効波長λ_ｅｆｆが短縮されることは、開口部４ａ及び８ａの開口幅Ｌを光学的な開口幅Ｌｏまで拡大させることができる。

ｎ（ｘ）を定義する場合は、例えば、透明材料層９としてシリコン窒化膜（屈折率：２．０５）を用い、光学緩衝層１０としてシリコン酸窒化膜（ＳｉＯｘＮｙ）を用い、図３に示すように、マイクロレンズ１１に接触する第１の層１０−１の屈折率を１．５（ＳｉＯ_２層）として、膜厚２００Å毎に徐々にｘを漸減し、ｙを漸増して、透明材料層９と界面まで、屈折率が０．１ずつ増加する計６層の積層構造１０−１〜１０−６を形成（光学緩衝層１０の全体の膜厚Ｔ_２：１２００Å）し、光学緩衝層１０−６に接触する透明材料層９の屈折部９ｂの膜厚（図中ではＴ_１）を３０００Åとした場合、屈折率ｎ（ｘ）は、膜厚ｘに対する屈折率ｎ（ｘ）の変化曲線に関する最小二乗法による近似式で計算される。なお、上記の構成の場合は、ｎ（ｘ）＝０．０００１ｘ＋１．６８１３の関係式が適用される。

あるいは、図３における１０−１、・・・、１０−６の多層構造により構成される光学緩衝層１０を、その組成が連続的に変化する構造として形成することも可能であり、ＣＶＤによる膜堆積工程における材料ガスの組成を連続的に変化させることで容易に実現することが可能であることは言うまでも無い。

また、透明材料層９と光電変換素子２とは直接接触されていることが好ましい。これは、透明材料層９と光電変換素子２との間に、例えば、透明材料層９より低屈折率な透明材料層が存在すると、それらの界面の反射による入射光の感度の低下が発生するため好ましくない。なお、光電変換素子２の表面に１０ｎｍ以下の自然酸化膜が形成される場合があるが、この程度の膜厚であれば、入射光１２の実効波長λ_ｅｆｆと比較して十分に薄いため、実質的に直接接触しているとみなすことができる。

以上より、本実施形態に係る固体撮像素子によれば、遮光膜８の開口部８ａ近傍及び遮光膜８上に屈折率ｎの透明材料層９が設けられており、更に、透明材料層９上には、光学緩衝層１０が設けられているため、入射した入射光の波長λは、開口部８ａ近傍では式（２）で示す実効波長λ_ｅｆｆまで短縮される。そのため、実効波長λ_ｅｆｆに対して、開口幅Ｌの長さを大きく設定することで、画素サイズの微細化に伴う入射光の感度の低下を防止することができる。

次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。図４から図７は、第１の実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図である。

最初に、周知のＣＭＯＳ多層配線工程により半導体基板１上に光電変換素子２、電荷検出部３、層間絶縁膜４、転送トランジスタ（図示せず）、配線層６、７、遮光膜８を含むイメージエリア１０１と、イメージエリア１０１の周辺に位置する周辺回路１０２を備えたＭＯＳ型固体撮像素子を作製する（図４）。

次に、フォトリソグラフィにより周辺回路１０２をレジスト等でマスキングした状態で、イメージエリア１０１の層間絶縁膜４をグローバルにエッチングする。このエッチングは、例えば、異方性エッチングであるＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）で行う。図５は層間絶縁膜４のエッチング工程における途中の状態である遮光膜８までエッチングが進んだ状態を示している。

層間絶縁膜４のエッチングが遮光膜８まで到達した後は、遮光膜８がマスクとなり、遮光膜８が設けられていない部分から自己整合的にエッチングが進み、半導体基板１上の光電変換素子２の表面が露出した時点でエッチングが完了する（図６）。

次に、エッチングにより開口した開口部４ａ、８ａを充填し、かつ、遮光膜８上に所望の膜厚を備えるように、層間絶縁膜４を構成する材料より屈折率が大きい透明材料、例えば、シリコン窒化膜をＣＶＤ法等により形成する。この所望の膜厚は、固体撮像素子としての用途に応じて随時設計することができる。

次に、透明材料層９上に光学緩衝層１０を形成する。なお、透明材料層９としてシリコン窒化膜を用いる場合には、光学緩衝層１０としてシリコン酸窒化膜ＳｉＯｘＮｙを用いて、ＣＶＤ法により形成する。この場合の光学緩衝層１０の形成方法は下記のような方法で形成することができる。

光学緩衝層１０の成膜初期に、酸素導入ガスの組成をゼロとして、ｘ＝０で透明材料層８と同一の組成のシリコン窒化膜を形成する。その後、酸素導入ガスと窒素導入ガスとの組成を連続的に変化させて、ｘを漸増し、ｙを漸減させることで、シリコン酸窒化膜の組成を変化させて、屈折率を変化させる。成膜終期には窒素導入ガスの組成をゼロとしてｙ＝０のシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜の屈折率は約１．５であり、マイクロレンズ１１の屈折率も約１．５程度であるため、同程度の屈折率を有しているのでこの界面における入射光の反射を極めて少なくすることができる。

透明材料層９及び光学緩衝層１０の形成後、周辺回路部１０２上に形成された透明材料層９及び光学緩衝層１０を、例えば、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）で除去する。また、透明材料層９及び光学緩衝層１０の除去は、例えば、イメージエリア１０１の表面を厚膜レジストを塗布した後に、レジスト膜厚の薄い周辺回路部１０２上のレジストのみが感光する程度の露光を行い、イメージエリア１０１表面のみをレジストで保護した後に、ＲＩＥ等のエッチング等を行うことも可能である。

最後に、光学緩衝膜１０上にマイクロレンズ１１を形成することで、本実施形態に係る固体撮像素子を製造することができる（図７）。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る固体撮像素子について図面を用いて説明する。図８は、第２の実施形態に係る固体撮像素子の画素構造を説明するための断面図である。

本実施形態に係る固体撮像素子は、前述した第１の実施形態と比較して、半導体基板１と透明材料層９との間に、光学整合層１３が設けられている点が異なっている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様なため説明を省略する。

光学整合層１３は、半導体基板１の屈折率をｎ０、透明材料層９の屈折率をｎ１、入射光１２の波長をλとした場合には、光学整合層１３の屈折率ｎ２と、光学整合層１３の膜厚Ｄは、以下の関係式を満たす。

例えば、半導体基板１が単結晶シリコンで構成されている場合は、ｎ０＝３であり、透明材料層９としてシリコン窒化膜を用いた場合には、ｎ１＝２．０５であるので、光学整合層１３は、屈折率ｎ２＝２．４８程度、膜厚Ｄ＝λ／１０程度で設計すればよい。光学整合層１３は、例えば、屈折率が２．２〜２．４程度の特性を有する酸化タンタル膜（Ｔａ_２Ｏ_５）を好適に使用することができる。

例えば、入射光１２として赤色光を検出した場合は、λ＝６５０ｎｍであり、酸化タンタル膜の屈折率を２．４とすれば、このときの光学整合層１３の膜厚Ｄは７０ｎｍで構成すればよい。

このような構成とすることで、透明材料層９と半導体基板１との界面での入射光１２の反射を防止することができ、画素の微細化による入射光１２の感度の低下をさらに防止することができる。

また、本実施形態に係る固体撮像素子を単板カラー素子として使用する場合には、ＲＧＢ色毎の検出画素に対して、各々で光学整合層１３の膜厚を制御すればよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る固体撮像素子について図面を用いて説明する。本実施形態で説明する固体撮像素子は、単板カラー固体撮像素子に関するものある。図９は第３の実施形態に係る固体撮像素子における２×２画素の平面レイアウト図、図１０は図９におけるＡ−Ａ方向に沿った２画素分の断面構成図、図１１は図９におけるＢ−Ｂ方向に沿った２画素分の断面構成図である。

本実施形態で説明する単板カラー固体撮像素子は、例えば、図９に示すように、２×２画素の４画素を色フィルター配置させた検出画素を備えており、４画素中には、赤色（Ｒ）の検出画素が１画素２０ａ、緑色（Ｇ）の検出画素が２画素２０ｂ、２０ｃ、青色（Ｂ）の検出画素が１画素２０ｄを備えている。

本実施形態では、図１０及び図１１に示すように、図９に示す単板カラー素子においてＲＧＢの３原色を検出する画素のうち、最も長波長である赤色（Ｒ）の検出画素についてのみ、第１の実施形態で説明した構造を導入したものである。その他の検出画素（緑色（Ｇ）、青色（Ｂ））については従来知られている固体撮像素子の構成が適用される。従来知られている固体撮像素子の構成は、例えば、図１０及び図１１に示すように、Ｐ型のシリコンで構成された半導体基板１上にマトリックス状（図示せず）に光電変換素子（フォトダイオード）２が設けられ、光電変換素子２に隣接して、半導体基板１上に設けられた電荷検出部３と、半導体基板１上に設けられた第１の絶縁膜４ｂと、第１の絶縁膜４ｂ内に配置された転送トランジスタ５及び配線６、７と、第１の絶縁膜４ｂ上に設けられ、光電変換素子２上を開口する開口部８ａを備えた遮光膜８と、開口部８ａを充填するように遮光膜８上に設けられた第２の絶縁膜４ｃと、第２の絶縁膜４ｃ上に設けられたマイクロレンズ１１とで構成されている。その他の構成は、第１の実施形態に係る固体撮像素子と同様なため説明を省略する。

本実施形態に係る固体撮像素子は、波長が長いことにより開口部８ａにおける回折ロスが顕在化する赤色（Ｒ）の検出画素のみに第１の実施形態と同様な構成を備えている。このため、赤色光における感度の低下を防止することができ、単板カラー固体撮像素子としての全体の感度の低下を防止することができる。また、赤色（Ｒ）画素には、透明材料層９とマイクロレンズ１１との間に、第１の実施形態で説明した光学的緩衝層１０が形成されているので、マイクロレンズ１１と透明材料層９との界面での入射光の反射を抑制している。

一方、緑色（Ｇ）の検出画素、青色（Ｂ）の検出画素については、第１の実施形態で説明した構成を備えていない。これは緑色、青色の比較的波長の短い光を検出する画素においては、前述したような開口部の幅等による回折ロスが問題にならないので、一般的に透過率が相対的に高い低屈折材料（例えば、シリコン酸化膜等）を入射光の導入経路に対して形成することで、緑色、青色検出画素の感度が低下することを防止することができる。

なお、本実施形態では、図１０に示すように、単板カラー素子においてＲＧＢの３原色を検出する画素のうち、最も長波長である赤色の検出画素についてのみ、第１の実施形態で示した構造を導入した点について説明したが、例えば、図１２に示すように、赤色の検出画素に加えて、緑色の検出画素においても赤色の検出画素と同様な構成を備えても良い。これにより赤色のみならず、緑色における回折ロスが問題にとなるような微細画素における入射光の感度の低下を防止することが可能となる。

次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。図１３から図１６は、第３の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図である。

最初に、周知のＣＭＯＳ多層配線工程により半導体基板１上に光電変換素子２、電荷検出部３、層間絶縁膜４、転送トランジスタ（図示せず）、配線層６、７、遮光膜８を含むイメージエリア１０１と、イメージエリア１０１の周辺に位置する周辺回路１０２を備えたＭＯＳ型固体撮像素子を作製する（図１３）。

次に、フォトリソグラフィにより周辺回路１０２をレジスト等でマスキングした状態で、イメージエリア１０１の層間絶縁膜４をグローバルにエッチングする。このエッチングは、例えば、異方性エッチングであるＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）で行う。なお、このイメージエリア１０１におけるグローバルなエッチングは、後に形成する赤色検出画素上の透明材料層９及び光学緩衝層１０の合計膜厚の層間絶縁膜４を、遮光膜７上に残した状態で停止させる（図１４）。

次に、第１の実施形態で説明した構成を形成する領域（本実施形態では赤色検出画素）のみを開口するようにフォトリソグラフィを実施し、再度、層間絶縁膜４のエッチングを行う。このエッチングは、層間絶縁膜４のエッチングが遮光膜８まで到達した後は、遮光膜８がマスクとなり、遮光膜８が設けられていない部分から自己整合的にエッチングが進み、半導体基板１上の光電変換素子２の表面が露出した時点でエッチングが完了する（図１５）。

次に、エッチングにより開口した開口部４ａ、８ａを充填し、かつ、遮光膜８上に所望の膜厚を備えるように、層間絶縁膜４を構成する材料より屈折率が大きい透明材料層９、例えば、シリコン窒化膜をＣＶＤ法等により形成する。この所望の膜厚は、固体撮像素子としての用途に応じて随時設計することができる。

次に、透明材料層９上のみに光学緩衝層１０を形成する。なお、透明材料層９としてシリコン窒化膜を用いる場合には、光学緩衝層１０としてシリコン酸窒化膜ＳｉＯｘＮｙを用いて、ＣＶＤ法により形成する。この場合の光学緩衝層１０の形成方法は下記のような方法で形成することができる。

光学緩衝層１０の成膜初期に、酸素導入ガスの組成をゼロとして、ｘ＝０で透明材料層８と同一の組成のシリコン窒化膜を形成する。その後、酸素導入ガスと窒素導入ガスとの組成を連続的に変化させて、ｘを漸増し、ｙを漸減させることで、シリコン酸窒化膜の組成を変化させて、屈折率を漸減させる。成膜終期には窒素導入ガスの組成をゼロとしてｙ＝０のシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜の屈折率は約１．５であり、マイクロレンズ１１の屈折率も約１．５程度であるため、同程度の屈折率を有しているのでこの界面における入射光の反射を極めて少なくすることができる。

最後に、光学緩衝膜１０上にマイクロレンズ１１を形成することで、本実施形態に係る固体撮像素子を製造することができる（図１６）。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る固体撮像素子について図面を用いて説明する。

本実施形態で説明する固体撮像素子は、第３の実施形態で説明した固体撮像素子の赤色（Ｒ）の検出画素内に、第２の実施形態で説明した光学整合層１３が設けられている点が異なる。その他の構成は第３の実施形態と同様なため説明を省略する。

図１７に示すように、本実施形態で説明する固体撮像素子は、赤色（Ｒ）の検出画素内の半導体基板１と透明材料９との間に、光学整合層１３が設けられている。なお、本実施形態では、光学整合層１２を設ける画素は赤色（Ｒ）の検出画素のみであるので、光学整合層１２の膜厚は赤色光についてのみ最適化すればよい。この光学整合層１３は、例えば、酸化タンタル膜（ＴａＯｘ）で構成されており、膜厚は約７０ｎｍで構成されていればよい。このように光学整合層１３を設けることにより、透明材料層９と半導体基板１との界面における反射による回折ロスを防止することができるため、画素サイズの微細化に伴う入射光の感度の低下を防止することができる。

なお、本実施形態でも同様に、例えば、図１８に示すように、赤色の検出画素に加えて、緑色の検出画素においても赤色の検出画素と同様な構成を備えても良い。これにより赤色のみならず、緑色における回折ロスが問題にとなるような微細画素における入射光の感度の低下を防止することが可能となる。

第１の実施形態に係る固体撮像素子の画素構造を説明するための断面図。マイクロレンズ１１、光学緩衝層１０及び透明材料層９間の膜厚方向に対する屈折率の傾向を示す概念図。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の光学緩衝層の構成の一例を説明する概念図。第１の実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第１の実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第１の実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第１の実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第２の実施形態に係る固体撮像素子の画素構造を説明するための断面図。第３の実施形態に係る固体撮像素子における２×２画素の平面レイアウト図。図９におけるＡ−Ａ方向に沿った２画素分の断面構成図。図９におけるＢ−Ｂ方向に沿った２画素分の断面構成図。第３の実施形態に係る固体撮像素子のその他の形態の画素構造を説明するための断面図。第３の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第３の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第３の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第３の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を説明するための各工程における断面構成図。第４の実施形態に係る固体撮像素子の画素構造を説明するための断面図。第４の実施形態に係る固体撮像素子のその他の形態の画素構造を説明するための断面図。

符号の説明

１半導体基板
１ａ第１の表面領域
１ｂ第２の表面領域
２光電変換素子
３電荷検出部
４層間絶縁膜
５転送トランジスタ
６配線層
７配線層
８遮光膜
９透明材料層
９ａ充填部
９ｂ屈折部
１０光学緩衝層
１１マイクロレンズ

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上にマトリックス状に設けられた複数の光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して、前記半導体基板上に設けられた複数の電荷検出部と、
前記半導体基板上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する第１の開口部を備えた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に配置された転送トランジスタ及び配線と、
前記層間絶縁膜上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する第２の開口部を備えた遮光膜と、
前記第１の開口部及び前記第２の開口部を充填するように、前記遮光膜上を含む前記光電変換素子上に設けられ、前記層間絶縁膜を構成する材料より屈折率が大きい透明材料で構成された透明材料層と、
前記透明材料層を介して、前記光電変換素子上に設けられたマイクロレンズと、
前記透明材料層と前記マイクロレンズとの間に設けられた光学緩衝層とを備え、
前記光学緩衝層は、前記マイクロレンズとの界面から前記透明材料層との界面方向に屈折率が増加する構成を備えていることを特徴とする固体撮像素子。
前記マイクロレンズに入射する入射光の波長をλ、前記光学緩衝層の前記マイクロレンズとの界面から前記透明材料層の前記遮光膜表面までの膜厚方向ｘに関する屈折率をｎ（ｘ）、前記光学緩衝層の前記マイクロレンズとの界面から前記透明材料層の前記遮光膜表面までの膜厚をTとするとき、前記第１の開口部及び前記第２の開口部の開口幅Ｌは、

の関係式を満たす構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記光電変換素子と前記透明材料層との間には光学整合層が更に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
前記透明材料層と前記光電変換素子とは直接接触されている構成を備えていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の固体撮像素子。
赤色検出画素、緑色検出画素、青色検出画素を少なくとも備えた表示領域を有する固体撮像素子であって、
少なくとも前記赤色検出画素は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して、前記半導体基板上に設けられた電荷検出部と、
前記半導体基板上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する第１の開口部を備えた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に配置された転送トランジスタ及び配線と、
前記層間絶縁膜上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する第２の開口部を備えた遮光膜と、
前記第１の開口部及び前記第２の開口部を充填するように、前記遮光膜上を含む前記光電変換素子上に設けられ、前記層間絶縁膜を構成する材料より屈折率が大きい透明材料で構成された透明材料層と、
前記透明材料層を介して、前記光電変換素子上に設けられたマイクロレンズと、
前記透明材料層と前記マイクロレンズとの間に設けられた光学緩衝層とを備え、前記光学緩衝層は、前記マイクロレンズとの界面から前記透明材料層との界面方向に屈折率が増加する構成を備えていることを特徴とする固体撮像素子。
前記緑色検出画素及び青色検出画素は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた光電変換素子と、
前記光電変換素子に隣接して、前記半導体基板上に設けられた電荷検出部と、
前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜内に配置された転送トランジスタ及び配線と、
前記第１の絶縁膜上に設けられ、前記光電変換素子上を開口する開口部を備えた遮光膜と、
前記開口部を充填するように前記遮光膜上に設けられた第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に設けられたマイクロレンズと、
備えていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。