JP2008066409A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置において、導波路構造を有してさらなる感度特性を向上を図る。
【解決手段】複数の画素と、画素の光電変換部２に入射光を導く導波路２７を有する。導波路２７は、画素の受光領域２０の周囲の遮光層１８上に形成された支持部材３１と、受光領域２０の直上に形成された所要屈折率の第１の層２９との間の中空層２８をクラッド部とし、第１の層２９をコア部として構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置及びその製造方法に関する。

近年、固体撮像装置における画素の微細化、多画素化に伴い、固体撮像装置の重要特性である感度特性の確保、及び向上化の技術開発が盛んに行われている。

デジタルスチルカメラの小型化、カメラ付き携帯電話に代表されるモバイル用途に使用される固体撮像装置においては、カメラモジュールのレンズから固体撮像装置までの距離が短いために、固体撮像装置の受光領域の特に外周に向って入射する光の角度が急峻となり、ハンド特性を劣化させていた。この現象は固体撮像装置における輝度シェーディング、つまり撮像画面内の感度のばらつきとなり、画質を劣化させる一因となり、改善策が望まれている。

微細セル（画素）における固体撮像装置の感度向上技術の一法として、層内に光ケーブルに代表される光全反射を利用した導波路構造の提案がなされている。例えば、特許文献１では、クラッド部にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２：屈折率ｎ≒１．４５）等の絶縁膜を用い、コア部にシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜：ｎ≒２．０）を用いた導波路を備えた固体撮像装置が提案されている。また、導波路構造の他の例として、クラッド部に空気層を用い、コア部に所要の絶縁膜を用いて構成した導波路を備えた固体撮像装置も提案されている（例えば特許文献１、２参照）。しかしながら、これらの導波路構造は、大きな角度を持った入射光を光電変換部であるフォトダイオードに集光させることには限界があった。

特開２００４−２２１５３２号公報 特開２００５−１６６９１９号公報 特許第２８６９２８０号公報

本発明は、上述の点に鑑み、導波路構造を有し、さらに感度特性を向上させた固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素と、画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、導波路が、画素の受光領域の周囲の遮光層上に形成された支持部材と受光領域の直上に形成された第１の層との間の中空層をクラッド部とし、前記第１の層をコア部として構成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、受光領域の上にクラッド部を中空層で形成した導波路を設けたので、導波路の全反射条件がより改善され、入射光の受光領域への入射効率を良好にする。さらに、導波路のクラッド部となる中空層が、受光領域の周囲の遮光層上に形成した支持部材と受光領域の直上のコア部となる第１の層との間に形成されるので、支持部材に邪魔されることなく、遮光層で囲まれた受光領域の全域に入射光を導くことができる。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素と、画素の光電変換部に入射光を導く導波路と、反射層とを有し、導波路は、画素の受光領域の直上に形成された高屈折率の第１の層をコア部とし、該コア部の外側に形成された低屈折率の第２の層をクラッド部として構成され、反射層がクラッド部に沿い且つクラッド部を挟んでコア部とは反対側に形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、受光領域の上にコア部となる高屈折率の第１の層と、その外側のクラッド部となる低屈折率の第２の層とによる導波路が形成されるので、入射光を導波路で全反射させながら受光領域部に導くことができる。さらに、第２の層の第１の層とは反対側の面に反射層が形成されるので、全反射せずに一部導波路から漏れた光は反射層で反射されて受光領域に入射される。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素と、画素の光電変換部に入射光を導く導波路と、反射層とを有し、導波路は画素の受光領域の直上に形成された所要屈折率の第１の層をコア部とし、該コア部の外側に形成された中空層をクラッド部として構成され、反射層が中空層に沿い且つ中空層を挟んで第１の層とは反対側に形成されていることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置では、受光領域の上にクラッド部を中空層で形成した導波路を設けたので、導波路の全反射条件がより改善され、入射光の受光領域への入射効率を良好にする。さらに、中空層の第１の層とは反対側に反射層が形成されるので、全反射せずに一部導波路から漏れた光は反射層で反射されて受光領域に入射される。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、光電変換部を有する画素が形成された基板上の、該画素の受光領域の周囲に対応する部分に支持部材を形成する工程と、支持部材の表面上に犠牲層を形成する工程と、受光領域に対応する上部に犠牲層に接するように所要屈折率の第１の層を形成する工程と、犠牲層を開口部より除去して中空層を形成し、中空層をクラッド部とし、前記第１の層をコア部とする導波路を形成する工程と、開口部を封止する工程とを有することを特徴とする。

本発明は、上記固体撮像装置の製造方法にあって、支持部材の表面上に反射層を形成した後に、反射層の表面上に前記犠牲層を形成することを特徴とする。

本発明の固体撮像装置の製造方法では、支持部材を形成した後にその表面に犠牲層を形成、さらに犠牲層に接するように所要屈折率の第１の層を形成し、次いで開口部より犠牲層を除去する工程を有するので、クラッド部を中空層とした全反射条件がより改善した導波路を受光領域に対応した上部に形成することができる。
支持部材の表面上に反射層を形成した後に、反射層の表面上に犠牲層を形成するようになせば、外側に反射層を有する導波路を形成することができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、クラッド部を中空層で形成した全反射条件に優れた導波路を形成し、この導波路の外側の支持部材を受光領域の周囲の遮光層上に形成することにより、集光効率が向上し、より感度特性を向上することができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、コア部となる第１の層とクラッド部となる第２の層で導波路を形成し、この導波路の外側に反射層を形成することにより、集光効率が向上し、より感度特性を向上することができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、クラッド部を中空層で形成した全反射条件に優れた導波路を形成し、この導波路の外側反射層を形成することにより、集光効率が向上し、より感度特性を向上することができる。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、集光効率が向上し、より感度特性が向上した固体撮像装置を製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１及び図２（図１のＡ−Ａ線上の断面図）に、本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す。本実施の形態はＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置１は、図１（平面図）に示すように、半導体基板上に光電変換部となる例えばフォトダイオード２を有する複数の画素５が２次元状に規則的に配列され、各光電変換部列毎にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ３が配列されて成る。本例では複数の画素５がマトリックス状に配列されている。垂直転送レジスタ３は、半導体基板に形成された転送領域（後述）上にゲート絶縁膜（後述）を介して垂直方向の転送方向に沿って複数の転送電極４〔４ａ，４ｂ〕を互いに一部重なるように形成して構成される。本例では、転送電極４は、１画素を構成するフォトダイオード２に対して第１の転送電極４ａと第２の転送電極４ｂが対応するように形成される。各転送電極４ａ，４ｂは水平方向に配列された複数のフォトダイオード２に共通に形成されるように、垂直方向に隣合う画素間を通って帯状に形成される。なお、図示しないが、垂直転送レジスタ３の下端に接続してＣＣＤ構造の水平転送レジスタが形成され、水平転送レジスタの終段に出力部が接続される。

図２に模式的な断面構造を示す。固体撮像装置１では、第１導電型、本例ではｎ型の半導体基板（例えばシリコン半導体基板）１１に第２導電型のｐ型半導体領域からなるオーバーフローバリア領域１２が形成され、オーバーフローバリア領域１２上のｐ型半導体ウェル領域１３に光電変換部となるフォトダイオード２がマトリクッス状に形成される。このフォトダイオード２は、ｎ型半導体領域とその表面にｐ＋アキュミュレーション層を有して構成される。ｐ型半導体ウェル領域１３内には、フォトダイオード列の一方の側に垂直転送レジスタ３のチャネル領域となるｎ型の埋め込みチャネル領域１４が形成される。フォトダイオード２とこの対応する垂直転送レジスタ３との間には電荷読み出し部１５が形成され、反対側には隣接する画素を分離するためのチャネルストップ領域１６が形成される。

半導体基板の表面のｎ型埋め込みチャネル領域１５、電荷読み出し部１５及びチャネルストップ領域１６上にわたってゲート絶縁膜１７を介して例えば多結晶シリコンによる転送電極４が形成される。このｎ型埋め込みチャネル領域１５とゲート絶縁膜１７とで垂直転送レジスタ３が構成される。フォトダイオード２上の開口、いわゆる受光領域２０を除く全面に、転送電極４上を層間絶縁膜２１を介して覆うように遮光層１８が形成される。遮光層１８は、例えばタングステンなどの金属膜で形成することができる。さらに、本例では遮光層１８及び受光領域２０の全面上に、第１屈折率の絶縁膜、例えばボロン・リンガラス（ＢＰＳＧ）等のリフロー膜２３が堆積され、そのリフロー膜２３の上部に第２屈折率の絶縁膜、例えばプラズマ・シリコン窒化（ｐ−ＳｉＮ）膜２４が堆積される。受光領域２０上に対応するリフロー膜２３とプラズマ・シリコン窒化膜２４とにより、下凸の層内レンズ２５が形成される。

そして、この層内レンズ２５を構成するプラズマ・シリコン窒化膜２４の平坦化された面上に、受光領域２０に対応して全反射型の導波路２７が形成される。この導波路２７は、中空層（空気層：屈折率ｎ＝１）２８をクラッド部とし、空気より屈折率の高い所要屈折率の第１の層（高屈折率層）２９、例えばシリコン酸化膜（屈折率ｎ≒１．４５）、シリコン窒化膜（屈折率ｎ≒２．０）等の膜をコア部として構成される。

本実施の形態においては、遮光層１８上に対応するプラズマ・シリコン窒化膜２４上に受光領域２０を取り囲むように側壁が傾斜する支持部材、本例では断面形状が三角形をなす支持体３１が形成される。すなわち、支持体３１の側壁の傾斜面は、支持体３１で囲まれた領域の幅がプラズマ・シリコン窒化膜２４側に行くほど狭くなるような傾斜面、すなわち上向きの傾斜面に形成される。一方、受光領域２０上に対応するようにプラズマ・シリコン窒化膜２４上に、コア部となる第１の層２９が形成され、この第１の層２９と支持体３１との間に支持体傾斜面と平行に沿うクラッド部となる中空層２８が形成される。コの第１の層２９と中空層２８とにより全反射型の導波路２７が構成される。

支持体３１の頂部に対応する第１の層２９には、中空層２８に連通する開口が形成され、この開口を封止する封止層（いわゆる穴埋め層）３２が形成される。この封止層３２は、カラーフィルタアレイ等の有機膜の染み込みを防止するために、開口内と共に、第１の層２９の上面全面にわたって一様に形成される。封止層３２は、所要の絶縁膜、本例では反射防止膜として作用する絶縁膜、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化酸化膜（ＳｉＯｘＮｙ膜）など窒化膜で形成することができる。すなわち、封止層３２の材料としては、無機膜が好ましく、更に高屈折率材料表面の反射防止を兼ねた無機膜を藻散ることがより好ましい。なお。封止層３２を形成した後、再度、反射防止膜を形成するようにしてよいし、必ずしも反射防止膜を形成しなくてもよい。

この封止層３２上には、平坦化膜３３を介してカラーフィルタアレイ３４が形成され、さらにこの上に平坦化膜３５を介してオンチップマイクロレンズアレイ３６が形成される。カラーフィルタアレイ３４は、例えば赤（Ｒ）／緑（Ｇ）／青（Ｂ）の原色フィルタアレイ、あるいはイエロー（Ｙｅ）／シアン（Ｃｙ）／マゼンタ（Ｍｇ）の補色フィルタアレイなどで構成することができる。

図３〜８に、第１実施の形態の固体撮像装置１の製造方法の実施の形態を示す。
先ず、図３Ａに示すように、ｎ型シリコン半導体基板１１にｐ型オーバーフローバリア領域１２、ｐ型半導体ウェル領域１３を形成し、ｐ型半導体ウェル領域１３内にｎ型半導体領域及びｐ＋アキュミュレーション層からなるフォトダイオード２、ｎ型埋め込みチャネル層１４を形成する。また、図示しないがチャネルストップ領域、電荷読み出し領域を形成する。次いで、半導体基板の表面にゲート絶縁膜１７を介して例えば多結晶シリコンによる転送電極４〔４ａ，４ｂ〕を形成し、層間絶縁膜２１を介して遮光層１８を形成する。さらに、例えばボロン・リンシリゲートガラス等によるリフロー膜２３及びその上に例えばプラズマ・シリコン窒化膜２４を堆積して、受光領域２０上に層内レンズ２５を形成する。

次に、図３Ｂに示すように、プラズマ・シリコン窒化膜２４の平坦化された上面に支持体となる層３１Ａを成膜する。この支持体となる層３１Ａは、アルミニウム、銀、金、銅、タングステンや、シリコン窒化膜、多結晶シリコン膜、シリコン酸化膜などを用いることができる。本例ではアルミニウムをスパッタ法にて成膜して支持体となる層３１Ａを成膜する。

次に、図３Ｃに示すように、支持体となる層３１Ａ上の遮光層１８に対応する位置に、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて所要幅にパターニングされたレジストマスク４１を形成する。

次に、図４Ｄに示すように、レジストマスク４１を介して、支持体となる層３１Ａを多結晶ドライエッチングにより、選択的にエッチング除去して、断面略三角形状（すなわち、頂部が一部平坦である三角形状）の支持体３１を形成する。この支持体３１は、受光領域２０を取り囲むように遮光層１８の上部に形成される。ここでは、支持体３１を順テーパー状に、すなわち略三角形状に加工したが、その他、後述の実施形態で示すように、実質的に垂直に加工してもよい。

次に、図４Ｅに示すように、ドライエッチング後の不要となったレジストマスク４１を除去した後、支持体３１の表面及びプラズマ・シリコン窒化膜２４の表面の全面に所要膜厚の犠牲層４２を成膜する。この犠牲層４２は、後に導波路を構成するクラッド部を中空にするためのものである。そして、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、すなわち全面上にフォトレジスト膜を形成し、フォトダイオード、従って受光領域２０の上部のフォトレジスト膜を選択的に除去して断面略三角形状の支持体３１に対応する犠牲層４２上にレジストマスク４３を形成する。
犠牲層４２には、非晶質シリコンや、多結晶シリコン等が用いられる。また、支持体３１としてアルミニウム、銀、金、銅や多結晶シリコン膜を用いた場合、支持体３１の加工後にシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜を成膜してもよい。特に、支持体３１に多結晶シリコン膜を用いた場合、このシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜は後に行う、コア材開口加工時にドライエッチングの際のエッチングストッパとして機能する。

次に、図４Ｆに示すように、支持体３１上の犠牲層４２のみを残して他の部分の犠牲層４２を、レジストマスク４３を介したドライエッチングにより、選択的に除去する。

次に、図５Ｇに示すように、上面全面に導波路のコア部となる第１の層２９を成膜する。第１の層２９の材料としては、基本的にクラッド部となる中空層、いわゆる空気層の屈折率（ｎ＝１）より大きな屈折率の材料であればよい。ここでは、前述した公知のシリコン酸化膜（屈折率ｎ≒１．４５）と、シリコン窒化膜（屈折率ｎ≒２．０）との屈折率比＝１．４５／２．０＝０．７２５より大きな材料の組合せが望ましい。

全反射における臨界角の説明を図１５に示す。また、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の公知の組合せによる導波路の臨界角は４６．５°であり、これに対してクラッド部に空気（屈折率ｎ＝１）を用いた場合に、コア部材料の屈折率を変化させた時の臨界角変化を図１６に示す。

図１５は屈折率（ＮＩ）の物質と屈折率（ＮＩＩ）の物質の境界面１００に、入射光Ｌが入射角θで入射し、境界面１００で反射した状態を示している。全反射とは、屈折率が大きい物質（ＮＩ）から小さい物質（ＮＩＩ）へと光が進む場合、入射光Ｌが境界面１００を通過せず、全て反射する現象である。入射角θがある一定の角度以上の場合に全反射し、この角度を臨界角という。臨界角θは数１で表せる。

屈折率差が大きい程、臨界角θは小さくなり、全反射角領域（図中Ａ）が広がる。

図１６から分かるように、コア部材料の屈折率を１．４以上にすることにより、公知組合せ構造における臨界角が小さくなり、全反射特性が向上する。

このコア部材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜、ボロン・リンガラス、ニオブ酸化膜、チタン酸化膜や、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート、アリルジグリコールマーボネート、ジアリルフタレート、ポリカーボネート、ポリベンジルメタクリレート、ポリフェニルメタクリレート、ポリジアリルフタレート、ポリスチレン、ポリ−ｐ−プロモフェニルメタクリレート、ポリペンタクロロフェニルメタクリレート、ポリ−ｏ−クロロスチレン、ポリ−α−ナフチルメタクリレート、ポリビニルナフタレン、ポリビニルカルバゾール、ポリペンタブロモフェニルメタクリテート、また酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化錫、の金属微粒子等を分散含有したポリマー樹脂等が用いられる。

以下に、コア部材料にシリコン窒化膜を適用した場合についてのプロセスフローを説明する。すなわち、図５Ｇにおいて、本例ではコア部となる第１の層２９にシリコン窒化膜を用いる。
次に、図５Ｈに示すように、シリコン窒化膜による第１の層２９上にフォトレジスト膜４５を実質的に平坦になるように塗布する。

次に、図５Ｉに示すように、フォトレジスト膜４５と凸状に成膜された第１の層（シリコン窒化膜）２９を同時にドライエッチング法を用いて全面エッチバックする。このとき、第１の層（シリコン窒化膜）２９の表面を実質的平坦に加工することが望ましいため、ドライエッチングにおけるエッチングスピードは、シリコン窒化膜とフォトレジスト膜がほぼ同じスピードであることが望ましい。また、この平坦化の手法として、ＣＭＰ法（Chemical Mechanical Polish）なども用いることができる。更には、エッチング法とＣＭＰ法の組合せによる平坦化を行っても構わない。

次に、図６Ｊに示すように、第１の層（シリコン窒化膜）２９上に、支持体３１の頂部に対応した位置に開口４６を有するレジストマスク４７を形成する。

次に、図６Ｋに示すように、レジストマスク４７を介して第１の層（シリコン窒化膜）２９をドライエッチングにより選択的にパターニングし、支持体３１の頂部に対応する第１の層（シリコン窒化膜）２９に犠牲層４２に通じる開口４８を形成する。その後、レジストマスク４７を除去する。

次に、図６Ｌに示すように、等方性ドライエッチングにより、開口４８を通して犠牲層４２を除去する。この犠牲層４２の除去により、支持体３１の傾斜面に沿って傾斜面に平行する中空層（すなわち空気層）２８を形成する。

次に、図７Ｍに示すように、第１の層（シリコン窒化膜）２９の開口４８を封止（穴埋め）する封止層３２を開口２８内及び第１の層（シリコン窒化膜）２９の表面全面に形成する。封止層３２は、乾式成膜法により成膜する。乾式成膜法で穴埋めを行う理由は、次いで行う溶液状の有機平坦化膜を塗布した際に、犠牲層４２をドライエッチングにより除去した領域に染み込むことを防止するためである。乾式成膜法としては特に制約はなく、例えばＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法などが上げられる。ここでは、Ｐ−ＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor Deposition）を用い、封止層３２としてシリコン窒化膜を開口４８に埋め込む。

次に、図７Ｎに示すように、Ｐ−ＣＶＤ法により成膜されたシリコン窒化膜による封止層３２上に、例えばアクリル系樹脂による平坦化膜３３を形成する。

次に、図７０に示すように、平坦化膜３３上にカラーフィルタアレイ３４を形成する。本例ではカラーフィルタアレイ３６として赤（Ｒ）／緑（Ｇ）／青（Ｂ）の原色カラーフィルタアレイを形成する。

次に、図８Ｐに示すように、カラーフィルタアレイ３６上に再度、例えばアクリル系樹脂によるオンチップマイクロレンズアレイ３６を形成して、目的の第１実施の形態の固体撮像装置１を得る。

第１実施の形態に係る固体撮像装置１によれば、受光領域２０の上にクラッド部を中空層２８とコア部の第１の層（シリコン窒化膜）２９とで形成した全反射型の導波路２７が設けられるので、導波路２７の全反射条件がより改善され、入射光の受光領域２０への入射効率を良好にする。さらに、導波路２７のクラッド部となる中空層２８が、受光領域２０の周囲の遮光層１８上に形成した支持体３１と受光領域２０の直上のコア部となる第１の層（シリコン窒化膜）２９との間に形成されるので、支持体３１に邪魔されることなく、遮光層１８で囲まれた受光領域２０の全域に入射光を導くことができる。従って、集光効率が向上し、より感度特性を向上することができる。

支持体３１は順テーパー状の傾斜面を有するので、導波路２７に側壁で反射した光は必ず受光領域２０側に向って反射される。これらの相乗作用により集光効率はさらに向上する。また、導波路２７の下方に層内レンズ２５が形成されるので、さらに受光領域２０への集光効率が向上し、更なる感度向上を向上することができる。また、導波路２７を構成する中空層２８の開口を封止する封止層３２が全面に形成され、この封止層３２に反射防止膜として機能を持たせるときは、さらに入射光の集光効率を向上することができる。

図９に、本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す。本実施の形態もＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置５１は、前述の図１の第１実施の形態において、さらに導波路２７のクラッド部となる中空層２８のコア部となる第１の層２９とは反対側、本例では支持体３１の表面に、中空層２８に平行に沿って反射膜５２を形成して構成される。反射層５２としては、例えばアルミニウム、銀、金、銅などの金属反射膜を用いることができる。
その他の構成は第１実施の形態と同様であるので、図９において図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

本実施の形態の固体撮像装置の製造方法では、支持体３１を形成した後、反射膜５２を形成した後に、犠牲層４２を形成するようになす。その後の工程は図４Ｅ以降の工程と同じである。

第２実施の形態に係る固体撮像装置５１によれば、導波路２７の中空層２８に接する支持体３１の表面に反射層５２が形成されるので、全反射せずに一部導波路２７から漏れた光も反射層５２で反射されて受光領域２０に入射される。従って、いわゆる全反射光のロス分を反射層５２で補うことができるので、より高感度化を図ることができる。その例えば、第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。

図１０に、本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す。本実施の形態もＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合である。本発明実施の形態に係る固体撮像装置５４は、遮光層１８上に対応した支持体３１が、壁面が略垂直面とした断面四角形状に形成される。導波路２７は、この支持体３１の略垂直面の壁面に沿った中空層２８と受光領域２０上に対応する第１の層２９とにより構成される。なお、図示しないがこの支持体３１の表面に図９で示した反射層５２を形成することもできる。
その他の構成は前述の第１実施の形態と同様であるので、図１０において図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

第３実施の形態に係る固体撮像装置５４によれば、第１実施の形態と同様に、受光領域２０の上にクラッド部を中空層２８とコア部の第１の層２９とで形成した全反射型の導波路２７が設けられるので、導波路２７の全反射条件がより改善され、入射光の受光領域２０への入射効率を良好にする。さらに、導波路２７のクラッド部となる中空層２８が、受光領域２０の周囲の遮光層１８上に形成した支持体３１と受光領域２０の直上のコア部となる第１の層（シリコン窒化膜）２９との間に形成されるので、支持体３１に邪魔されることなく、遮光層１８で囲まれた受光領域２０の全域に入射光を導くことができる。従って、集光効率が向上し、より感度特性を向上することができる。その他、第１実施の形態と同様の効果を奏する。また、支持体３１に表面に反射層５２を形成するときは、第２実施の形態で説明した同様に、全反射光のロス分を補うことができ、さらに高感度化を図ることができる。

図１１に、本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す。本実施の形態もＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置５６は、前述の遮光層１８と支持体３１を一体に形成した遮光兼支持体５７を形成して構成される。この遮光兼支持体５７は、例えばアルミニウム、銀、金、銅などの反射膜として用いることができる金属膜で形成することが望ましい。

その他の構成は、層内レンズを省略した以外は、前述の図１と同様であるので、図１１において図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

第４実施の形態に係る固体撮像装置５６によれば、遮光層と支持体を一体にした遮光兼支持体５７を形成するので、構成要素を少なくすることができる。その他は、前述の第２実施の形態と同様の効果を奏する。

図１２Ａ，Ｂに、本発明に係る固体撮像装置の第５実施の形態を示す。本実施の形態もＣＣＤ固体撮像装置に適用した場合である。図１２Ｂは図１２Ａの要部、すなわち導波路の部分の拡大図である。本実施の形態に係る固体撮像装置６１は、導波路６２をコア部となる第１の層６３とクラッド部となる第２の層６４を有して形成し、さらに第２の層６４の第１の層６３とは反対側の面、すなわち支持体６５の表面に反射層６６を形成して構成される。中央のコア部となる第１の層６３は、屈折率の高い材料、例えばシリコン窒化膜で形成することができる。外側のクラッド部となる第２の層６４は、屈折率の低い材料、例えばシリコン酸化膜、多孔質シリカ、フッ素系樹脂などで形成することができる。多孔質シリカは多孔中に空気が存在するので、シリコン酸化膜などより低屈折率となり、好ましい。すなわち、多孔質シリカを用いて導波路６２を構成した場合には、コア部とクタッド部の屈折率差が大きく取れ、全反射条件を改善することができる。
その他の構成は、反射層、支持体の材料などを含めて前述の図１、図９と同様であるので、図１２において図１、図９と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

第５実施の形態に係る固体撮像装置６１によれば、全反射型の導波路６２に加えて反射層６６を有した構成であるので、前述と同様に全反射光のロス分が反射層６６により補われ、集光効率を向上し、より高感度化した固体撮像装置を得ることができる。

図１３に、本発明に係る固体撮像装置の第６実施の形態を示す。本実施の形態はＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合である。図１３は１画素に対応した要部の概略図である。本実施の形態に係る固体撮像装置７１は、図示しないが、光電変換部となるフォトダイオードと複数のＭＯＳトランジスタで単位画素が形成され、この画素が複数２次元状に規則的に配列された撮像領域と、周辺回路とを有して構成される。画素を構成するＭＯＳトランジスタは、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの３トランジスタ型、あるいはさらに選択トランジスタを加えた４トランジスタ型に構成される。

本実施の形態に係る固体撮像装置７１では、図１３に示すように、半導体基板７２に光電変換部となるフォトダイオード７３と複数のＭＯＳトランジスタが形成される。同図では、ＭＯＳトランジスタとして、フォトダイオード７３とフローティング・ディフージョンＦＤとなるｎ型半導体領域７４との間にゲート絶縁膜を介して転送ゲート電極７５を形成した転送トランジスタＴｒ１のみを示している。フォトダイオード７３及び転送トランジスタＴｒ１を含む画素のＭＯＳトランジスタを形成した半導体基板７２上には、層間絶縁膜７７を介して多層の配線、本例では３層の配線７８が形成される。この場合、最上層の配線７８が遮光層を兼ねている。しがって、フォトダイオード７３の実質的な受光領域７９は、遮光層を兼ねる最上層の配線７８に囲まれた領域となる。

そして、本実施の形態では、受光領域７９上に対応して導波路のコア部となる第１の層８１が形成され、第１の層８１の外側に導波路のクラッド部となる中空層８２が形成され、この第１の層８１と中空層８２により、全反射型の導波路８３が形成される。この中空層８２は、層間絶縁膜７７を含んで多層配線７８を区画する領域を支持体８５として、この支持体８５の垂直面と第１の層８１の垂直面との間に形成される。支持体８５の垂直面には前述した反射層９１を形成するようにしてもよい。

さらに、上面には中空層８２に連通する開口を封止する封止層８６が形成される。この封止層８６に上に平坦化膜８７を介してカラーフィルタアレイ８８が形成され、さらに平坦化膜８９を介してオンチップマイクロレンズアレイ９０が形成されて固体撮像装置７１が構成される。

第６実施の形態に係る固体撮像装置７１によれば、受光領域７９の上にクラッド部を中空層８２とコア部の第１の層８１とで形成した全反射型の導波路８３が設けられるので、導波路８３の全反射条件がより改善され、入射光の受光領域７９への入射効率を良好にすることができる。導波路８３の中空層８２に接する支持体８５の表面に反射層９１を形成するときは、全反射せずに一部導波路８３から漏れた光も反射層９１で反射されて受光領域７９に入射される。いわゆる全反射光のロス分は反射層９１で補うことができる。したがって、集光効率が向上し、より感度特性を向上することができる。

図１４に、本発明に係る固体撮像装置の第７実施の形態を示す。本実施の形態はＣＭＯＳ固体撮像装置に適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置９３は、図１３の構成において、さらに導波路８３の受光領域７９寄りに前述と同様の、第１屈折率の絶縁膜９４と第２屈折率の絶縁膜９５とによる下凸の層内レンズ９６を形成して構成される。その他の構成は図１３と同様であるので、図１４において図１３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

第７実施の形態に係る固体撮像装置７１によれば、導波路８３に導かれた入射光は、層内レンズ９６でさらに集光されて受光領域７９に入射される。したがって、第６実施の形態の固体撮像装置７１に比べて更に集光効率が向上し、更なる感度特性を向上することができる。

本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す要部の平面図である。 図１のＡ−Ａ線上の断面図である。 Ａ〜Ｃ 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施形態を示す製造工程図（その１）である。 Ｄ〜Ｆ 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施形態を示す製造工程図（その２）である。 Ｇ〜Ｉ 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施形態を示す製造工程図（その３）である。 Ｊ〜Ｌ 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施形態を示す製造工程図（その４）である。 Ｍ〜Ｏ 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施形態を示す製造工程図（その５）である。 Ｐ〜Ｑ 第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の実施形態を示す製造工程図（その６）である。 本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す要部の断面図である。 本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す要部の断面図である。 本発明に係る固体撮像装置の第４実施の形態を示す要部の断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明に係る固体撮像装置の第５実施の形態を示す要部の断面図及び一部拡大図である。 本発明に係る固体撮像装置の第６実施の形態を示す要部の断面図である。 本発明に係る固体撮像装置の第７実施の形態を示す要部の断面図である。 全反射・臨界角の説明に供する説明図である。 クラッド部に中空層を用いた場合のコア部屈折率と臨界角の関係を示すグラフである。

符号の説明

１、５１、５４、５６、６１・・ＣＣＤ固体撮像装置、７１、９３・・ＣＭＯＳ固体撮像装置、２・・光電変換部（フォトダイオード）、３・・垂直転送レジスタ、４〔４ａ，４ｂ〕・・転送電極、１１・・半導体基板、１２・・オーバーフローバリア領域、１３・・ｐ型半導体ウェル領域、１４・・埋め込みチャネル領域、１５・・電荷読み出し部、１６・・チャネルストップ領域、１７・・ゲート絶縁膜、１８・・遮光層、２０・・受光領域、２１・・層間絶縁膜、２３・・第１屈折率の絶縁膜、２４・・第２屈折率の絶縁膜、２５・・層内レンズ、２７・・導波路、２８・・中空層（クラッド部）、２９・・第１の層（コア部）、３１・・支持体、３２・・封止層、３４・・カラーフィルタアレイ、３３、３５・・平坦化膜、３６・・オンチップマイクロレンズ、５２・・反射膜、７２・・半導体基板、７３・・光電変換部（フォトダイオード）、７４・・フローティング・ディフージョン、７５・・転送ゲート電極、Ｔｒ１・・転送トランジスタ、７７・・層間絶縁膜、７８・・配線、８１・・第１の層（コア部）、８２・・中空層（クラッド部）、８３・・導波路、８５・・支持体、８６・・封止層、８７、８９・・平坦化膜、８８・・カラーフィルタアレイ、９０・・オンチップマイクロレンズアレイ、９１・・反射膜、９６・・層内レンズ

Claims (11)

1. 複数の画素と、
   前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、
   前記導波路は、前記画素の受光領域の周囲の遮光層上に形成された支持部材と、前記受光領域の直上に形成された所要屈折率の第１の層との間の中空層をクラッド部とし、前記第１の層をコア部として構成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記支持部材の前記中空層に沿う側壁が傾斜されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記支持部材の前記中空層に沿う側壁が垂直に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記支持部材が前記遮光層と反射層とを兼ねている
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
5. 複数の画素と、
   前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路と、
   前記反射層とを有し、
   前記導波路は、前記画素の受光領域の直上に形成された高屈折率の第１の層をコア部とし、該コア部の外側に形成された低屈折率の第２の層をクラッド部として構成され、
   前記反射層は、前記クラッド部に沿い且つクラッド部を挟んで前記コア部とは反対側に形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 複数の画素と、
   前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路と、
   前記反射層とを有し、
   前記導波路は、前記画素の受光領域の直上に形成された所要屈折率の第１の層をコア部とし、該コア部の外側に形成された中空層をクラッド部として構成され、
   前記反射層は、前記中空層に沿い且つ中空層を挟んで前記第１の層とは反対側に形成されている
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 前記導波路と前記光電変換部との間に層内レンズが形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
8. 前記導波路と前記光電変換部との間に層内レンズが形成されている
   ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
9. 前記中空層の上部を封止する封止層が前記第１の層上を含む全面に形成され、
   前記封止層が反射防止膜で形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
10. 光電変換部を有する画素が形成された基板上の、該画素の受光領域の周囲に対応する部分に支持部材を形成する工程と、
    前記支持部材の表面上に犠牲層を形成する工程と、
    前記光電変換部に対応する上部に前記犠牲層に接するように所要屈折率の第１の層を形成する工程と、
    前記犠牲層を開口部より除去して中空層を形成し、前記中空層をクラッド部とし、前記第１の層をコア部とする導波路を形成する工程と、
    前記開口部を封止する工程とを有する
    ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 前記支持部材の表面上に反射層を形成した後に、前記反射層の表面上に前記犠牲層を形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。

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