JP2009252983A - 撮像センサー、及び撮像センサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素のサイズを微細化した場合に、マイクロレンズを透過した光が光電変換部へ導かれる効率を向上するとともに、光電変換部におけるノイズを抑制する新規な構造を提供する。
【解決手段】上部導波構造１４は、上部の幅Ｗ１が下部の幅Ｗ２より広い。上部導波構造１４は、上面縁部１４ｂから下面縁部１４ｃへ光電変換部２の受光面の中心を通る法線ＰＡ１に近づくように傾斜しながら延びた側面１４ａを有する。また、エアギャップ構造ＡＧ１における隙間１１は、光電変換部２の受光面における内側領域を露出せずに外側領域を露出するように、第１の層間絶縁膜４ａとなるべき第１の層間絶縁層をエッチングして形成できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像センサー、及び撮像センサーの製造方法に関する。

デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いられる撮像センサーは、概して、ＣＣＤセンサーとＣＭＯＳセンサーとに分類される。

特許文献１には、図１１に示すようなＣＣＤセンサー１０００が開示されている。図１１は、ＣＣＤセンサー１０００の主要部（１画素分）の構造を示す断面図である。

図１１において、１００１は、シリコンなどで形成された半導体基板である。１００２は、フォトダイオードからなる光電変換素子である。１００３は、半導体基板１００１上に形成した酸化膜である。

１００４は、ポリシリコンなどで形成された配線である。配線１００４は、所定の信号を伝達する。所定の信号は、例えば、光電変換素子１００２で変換された電荷などを転送するためのクロック信号である。

１００６は、タングステンなどで形成された遮光層である。遮光層１００６は、主として層間絶縁膜を介して配線１００４を覆うように設けられている。遮光層１００６は、電荷転送用の垂直ＣＣＤレジスタ１００５を遮光する。

１００７は、ＳｉＯ２などで形成された第１保護膜である。第１保護膜１００７は、光電変換素子１００２などを外気（Ｏ２、Ｈ２Ｏ）、不純物イオン（Ｋ＋、Ｎａ＋）などから保護する。

１００８は、ＳｉＯＮ系などで形成された第２保護膜である。第２保護膜１００８も、光電変換素子１００２などを外気（Ｏ２、Ｈ２Ｏ）、不純物イオン（Ｋ＋、Ｎａ＋）などから保護する。

１００９は、有機材料で形成された平坦化層である。平坦化層１００９は、第２保護膜１００８の上面の凹凸を緩和する。平坦化層１００９は、ＣＣＤセンサー１０００が配される主面１０１１を平坦化する。

１０１０は、光電変換素子１００２に被写体からの光を集めるマイクロレンズである。マイクロレンズ１０１０は、平坦化層１００９の主面１０１１の上に配されている。

平坦化層１００９は、マイクロレンズ１０１０の焦点が光電変換素子１００２上に結ぶようにマイクロレンズ１０１０の焦点距離を調整する役目も負っている。透明感光性樹脂層１００９の厚さは、レンズの曲率、レンズ材料の屈折率によって決定される。

特許文献２には、図１２に示すようなＣＭＯＳセンサー１０５０が開示されている。図１２は、ＣＭＯＳセンサー１０５０の主要部（１画素分）の構造を示す断面図である。

図１２において、１０５１は、シリコン基板（Ｓｉ基板）である。１０５２は、光電変換素子となる受光部である。受光部１０５２は、シリコン基板１０５１内に形成されている。受光部１０５２は、例えば、フォトダイオードである。

１０５３は、転送トランジスタのゲートとなる転送電極である。転送トランジスタは、受光部１０５２にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送する。ＦＤ部は、シリコン基板１０５１内に形成されている。

１０５５は、遮光膜である。遮光膜１０５５は、受光部１０５２以外に光が入射しないように遮光する作用を有する。

１０５４は、ＳｉＯ２等で形成された層間絶縁膜である。層間絶縁膜１０５４は、転送電極１０５３及び遮光膜１０５５を覆うように形成されている。

１０５６は、平坦化膜である。平坦化膜１０５６は、転送電極１０５３や不図示の配線により層間絶縁膜１０５４の上面に形成される凹凸を緩和した平坦な上面１０５６ａを提供する。

１０５７は、所定の波長の光を透過させるカラーフィルタである。カラーフィルタ１０５７は、例えば赤・緑・青などの波長の光を透過させる。

１０５８は、平坦化膜である。平坦化膜１０５８は、カラーフィルタ１０５７の上面に形成される凹凸を緩和した平坦な上面１０５８ａを提供する。

１０５９は、マイクロレンズである。マイクロレンズ１０５９は、平坦化層１０５８の上に形成されている。マイクロレンズ１０５９は、不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部１０５２に集光するようにレンズ形状が決められている。

このような撮像センサーにおいて、マイクロレンズで屈折した光が光電変換素子へ導かれる効率を向上するために、次のような技術が提案されている。

特許文献３に示された技術では、マイクロレンズと光電変換素子の上方の遮光膜との間に、層内レンズを設けることが提案されている。これにより、特許文献３によれば、マイクロレンズで屈折した光が遮光膜を回避して光電変換素子へ導かれることが容易になるので、実質開口率を上げることができるとされている。

特許文献４に示された技術では、反射面で側周を囲まれ透光性の物質で形成された光伝送路を、集光レンズと受光部との間をつなぐように設けることが提案されている。これにより、特許文献４によれば、従来けられていた光も受光部へ入射させることができるとされている。

特許文献５に示された技術では、高屈折率層が低屈折率層に埋め込まれてなる井戸を、受光センサの上に設けることが提案されている。これにより、特許文献５によれば、入射光を漏れることなく受光センサ部内へ導くことができるとされている。
特開２００２−１４１４８８号公報 特開２００２−０８３９４８号公報 特開平１１−２７４４４３号公報 特開平５−２８３６６１号公報 特開２００４−１９３５００号公報

近年では、撮像センサーのサイズを大きくすることなく画素数を増やして解像度を上げる傾向にあり、画素サイズが微細化されて画素ピッチが２μｍ以下に近づいてきている。この２μｍは、可視光の波長領域に近い。

この場合、各画素における撮影レンズからフォトダイオード（光電変換部）への導光の状態を考える上で、幾何光学による考察では不十分であり、光の回折を考慮した波動光学による考察が必要となる。

例えば、図１３（ａ）に示すように、幾何光学による考察における１点に収束する光束は、波動光学による考察において、一点に集まらない。波動光学による考察では、円開口（撮影レンズ）で屈折した光を集めることにより収束可能な光束径を求めると、図１３（ｂ）に示すようになる。すなわち、円開口の回折像強度分布（エアリディスクパターン）を半径方向に示したプロファイルにおける光量がゼロとなる位置の半径ｒｃは、
ｒｃ＝１．２２＊λ＊（Ｆナンバー）＝０.６１＊λ／ＮＡ・・・数式１
となる。但し、Ｆナンバー＝（１／２）＊ＮＡとし、ＮＡ＝ｎ＊ｓｉｎαとしている。収束可能な光束径（直径）は、数式１により、
ｄ＝２＊ｒｃ＝１．２２＊λ／ＮＡ・・・数式２
と表すことができる。

ここで、特許文献３に示されるように、撮影レンズとフォトダイオードとの間にマイクロレンズ及び層内レンズを設けて光をフォトダイオードの受光面上の一点に集めようとしても、上記の理由から光を一点に集めることができない。

例えば、円開口（撮影レンズ）の直径を１.５μｍとし、撮影レンズの主面とその収束点との距離を３μｍとし、導光部の屈折率を１.６とすると、ＮＡは０．４位になる。入射光の波長を０．５５ｎｍとすると、数式２により、収束可能な光束径は、
ｄ＝１．６８μｍ・・・数式３
と算出される。この値は、上述の画素ピッチに近い値になっており、フォトダイオード上の遮光層により規定される開口領域の寸法に近い値になっている。

このため、マイクロレンズで屈折した光は、フォトダイオードの受光面へ到達する前に、画素毎の遮光層（ＡｌまたはＣｕ）により反射されることが多い。

それに対して、マイクロレンズとフォトダイオードとの間に、特許文献４に示される光導波路や特許文献５に示される井戸を形成すれば、そのような問題を回避できる。これにより、画素サイズを微細化しても、マイクロレンズで屈折した光がフォトダイオード（光電変換部）へ導かれる効率を向上することができる。

しかし、特許文献４に示される光導波路と特許文献５に示される井戸とは、いずれも、フォトダイオード上の受光面の全部を露出するようにその上の絶縁膜をエッチングして形成した開口に、その絶縁膜より屈折率の高い物質を埋め込むことにより形成されている。これにより、フォトダイオードの受光面の全部がエッチングダメージを受けるので、フォトダイオードで発生するノイズが増加する可能性がある。

本発明の目的は、画素のサイズを微細化した場合におけるマイクロレンズを透過した光が光電変換部へ導かれる効率を向上するための新規な構造を提供することにある。

本発明の第１側面に係る撮像センサーは、光電変換部と、光を前記光電変換部へ導く光導波路とを備え、前記光導波路は、前記光が前記光電変換部へ向かうように、第１の絶縁部より屈折率の高い物質が前記第１の絶縁部で側面を囲まれた上部導波構造と、前記光電変換部と前記上部導波構造との間に部材が配され、前記部材と第２の絶縁部との間に隙間が設けられたエアギャップ構造とを含むことを特徴とする。

本発明の第２側面に係る撮像センサーは、光電変換部と、光を前記光電変換部へ導く光導波路とを備え、前記光導波路は、前記光が前記光電変換部へ向かうように、第１の絶縁部より屈折率の高い物質が前記第１の絶縁部で側面を囲まれた上部導波構造と、前記光電変換部と前記上部導波構造との間における絶縁層が前記光電変換部の受光面における内側領域を露出せずに外側領域を露出するようにエッチングされることにより、前記絶縁層のうち前記内側領域の上の部分である部材と、前記絶縁層のうち前記外側領域の周辺の部分である第２の絶縁部との隙間が設けられたエアギャップ構造とを含むことを特徴とする。

本発明の第３側面に係る撮像センサーの製造方法は、光電変換部を有する撮像センサーの製造方法であって、前記光電変換部を覆うように第１の絶縁層を形成する第１の工程と、前記光電変換部の受光面における内側領域を露出せずに外側領域を露出するように前記第１の絶縁層をエッチングすることにより、前記第１の絶縁層のうち前記内側領域の上の部分である部材と、前記第１の絶縁層のうち前記外側領域の周辺の部分である第１の絶縁膜との隙間が設けられたエアギャップ構造を形成する第２の工程と、前記エアギャップ構造の上に反射防止膜を形成する第３の工程と、前記反射防止膜の上に第２の絶縁層を形成する第４の工程と、前記第２の絶縁層における前記エアギャップ構造の上方に位置する部分に開口を形成することにより、第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、前記第２の絶縁膜よりも屈折率の高い物質を前記開口に埋め込むことにより、上部導波構造を形成する第６の工程と、前記上部導波構造の上方にマイクロレンズを形成する第７の工程とを備え、前記上部導波構造、前記反射防止膜、及び前記エアギャップ構造は、前記マイクロレンズを通過した光を前記光電変換部へ導く光導波路として機能することを特徴とする。

本発明によれば、画素のサイズを微細化した場合におけるマイクロレンズを透過した光が光電変換部へ導かれる効率を向上するための新規な構造を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００の概略構成を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００の概略構成を示す図である。

撮像センサー１００は、画素配列ＰＡ及び周辺回路ＰＣを備える。画素配列ＰＡでは、複数の画素Ｐが行方向及び列方向に配列されている。周辺回路ＰＣは、画素配列ＰＡの周辺に配されている。

撮像センサー１００がＣＭＯＳセンサーである場合について説明する。周辺回路ＰＣは、各画素Ｐを駆動するための垂直走査回路、各画素Ｐから信号を読み出して保持する読み出し回路、出力回路、及び、読み出し回路に保持された信号を出力回路へ転送する垂直走査回路を含む。

各画素Ｐは、光電変換部、転送部、電荷電圧変換部、リセット部、及び出力部を含む。光電変換部は、光に応じた電荷を発生させ、発生した電荷を信号として蓄積する。転送部は、光電変換部で発生した電荷を電荷電圧変換部へ転送する。転送部は、例えば、転送ＭＯＳトランジスタであり、アクティブな転送信号が垂直走査回路からゲート（転送電極）に供給された際にオンして転送動作を行う。電荷電圧変換部は、転送された電荷を電圧に変換する。電荷電圧変換部は、例えば、フローティングディフュージョン（ＦＤ）である。リセット部は、電荷電圧変換部をリセットする。リセット部は、例えば、リセットＭＯＳトランジスタであり、アクティブなリセット信号が垂直走査回路からゲートに供給された際にオンしてリセット動作を行う。出力部は、電荷電圧変換部の電圧に応じた信号を信号線へ出力する。出力部は、例えば、増幅ＭＯＳトランジスタであり、電荷電圧変換部の電圧がゲートに入力され、その電圧に応じた信号をソースから信号線へ出力する。

なお、撮像センサー１００がＣＭＯＳセンサーである場合、転送部、電荷電圧変換部、リセット部、及び出力部が、各画素Ｐではなく周辺回路ＰＣに含まれる点で、撮像センサー１００がＣＭＯＳセンサーである場合と異なる。この場合、転送部は、例えば、垂直転送ＣＣＤ及び水平転送ＣＣＤであり、転送電極に供給された転送信号の位相に応じて転送動作を行う。

次に、各画素Ｐの断面構成を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００における画素Ｐの断面構造を示す図である。

撮像センサー１００は、光電変換部２、マイクロレンズ９、複数の配線層５、転送電極３、絶縁部４、光導波路ＰＧＰ１、保護膜１５、平坦化膜６、カラーフィルタ７Ｇ，７Ｂ、及び平坦化膜８を備える。

光電変換部２は、半導体基板１内における不純物領域として形成されている。半導体基板１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。光電変換部２は、光に応じた電荷を発生させ、発生した電荷を信号として蓄積する。ＰＬ１は、光電変換部２の受光面２ａを含む平面である。光電変換部２は、例えば、フォトダイオードである。

マイクロレンズ９は、光電変換部２の上方に配されている。マイクロレンズ９は、入射光を屈折してカラーフィルタ７Ｇ，７Ｂへ導く。マイクロレンズ９は、後述の上部導波構造１４及びエアギャップ構造ＡＧ１とともに不図示の撮影レンズから入射する光束を光電変換部２に集光できるように、その形状が決められている。

複数の配線層５は、それぞれ、上述の電荷電圧変換部の電圧を出力部へ伝達したり、出力部から出力された信号を信号線として伝達する。複数の配線層５は、例えば、アルミニウムを主成分とした材料で形成されたり、銅を主成分とした材料で形成されたりする。複数の配線層５は、１層目の配線層（最下の配線層）５ａと２層目の配線層５ｂとを含む。ＰＬ２は、複数の配線層５における最下の配線層５ａの下面を含む平面である。

転送電極３は、転送部（転送ＭＯＳトランジスタ）に転送動作を行わせるための信号が供給される電極（ゲート）である。転送電極３は、例えば、ポリシリコンで形成されている。

絶縁部４は、光電変換部２とマイクロレンズ９との間における後述の光導波路ＰＧＰ１の側方に隣接して配されている。絶縁部４は、第１の層間絶縁膜（第２の絶縁部、第１の絶縁膜）４ａと第２の層間絶縁膜（第１の絶縁部、第２の絶縁膜）４ｂとを含む。第１の層間絶縁膜４ａは、光電変換部２と最下の配線層５ａとの間に設けられ、光電変換部２と複数の配線層５との間での電気的なリークを抑える。第１の層間絶縁膜４ａは、例えば、ＳｉＯ２で形成されている。第２の層間絶縁膜４ｂは、複数の配線層５における各配線の間を互いに絶縁する。

なお、第１の層間絶縁膜４ａは、絶縁能力を維持しながら厚みをできるだけ少なくするために、誘電率の小さな材料（Ｌｏｗ-ｋ材）を採用してもよい。

光導波路ＰＧＰ１は、光電変換部２とマイクロレンズ９との間に配されている。光導波路ＰＧＰ１は、マイクロレンズ９を通過した光を光電変換部２へ導く。光導波路ＰＧＰ１は、上部導波構造１４、エアギャップ構造ＡＧ１、及び、反射防止膜１２を含む。

上部導波構造１４は、マイクロレンズ９を通過した光を受けるように配されている。上部導波構造１４は、第２の層間絶縁膜４ｂより屈折率の高い物質が第２の層間絶縁膜４ｂで側面１４ａを囲まれた構造である。その屈折率の高い物質は、例えば、ＨＤＰ−ＳｉＮ（高密度プラズマＳｉＮ）で形成されている。

ここで、上部導波構造１４は、上部の幅Ｗ１が下部の幅Ｗ２より広い。上部導波構造１４は、上面縁部１４ｂから下面縁部１４ｃへ光電変換部２の受光面２ａの中心を通る法線ＰＡ１に近づくように傾斜しながら延びた側面１４ａを有する。これにより、上部導波構造１４へ光を効率よく取り込むことができるとともに、上部導波構造１４に入射後に側面１４ａで反射した光がエアギャップ構造ＡＧ１側へ進みやすくなっている。すなわち、マイクロレンズ９を通過した光が光電変換部２へ導かれる効率を向上するようにできる。

ＡＧ１は、エアギャップ構造である。エアギャップ構造ＡＧ１では、光電変換部２と後述の上部導波構造１４との間であって、光電変換部２の受光面２ａを含む第１の平面ＰＬ１と複数の配線層５における最下の配線層５ａの下面を含む第２の平面ＰＬ２との間に配されている。すなわち、エアギャップ構造ＡＧ１は、複数の配線層５における最下の配線層５ａより半導体基板１の表面の近くに位置している。

エアギャップ構造ＡＧ１では、光電変換部２と上部導波構造１４との間であって受光面２ａの内側領域２ａ１（図３参照）の上に部材１６が配され、その部材１６と第１の層間絶縁膜４ａとの間に隙間１１が設けれている。部材１６は、第１の層間絶縁膜４ａと同じ物質で形成されている。隙間１１は、所定のガス（不活性ガス等）で満たされている、又は、真空に近い状態になっている。これにより、部材１６の屈折率は、隙間１１の屈折率より高くなる。すなわち、マイクロレンズ９を通過した光が光電変換部２へ導かれる効率を向上するようにできる。

反射防止膜１２は、上部導波構造１４とエアギャップ構造ＡＧ１との間に配されている。反射防止膜１２は、上部導波構造１４（ＳｉＮ）とエアギャップ構造ＡＧ１における部材１６（ＳｉＯ２）との界面における光の反射を防止する。これにより、マイクロレンズ９を通過して上部導波構造１４内を進む光がさらに部材１６へ入射しやすくなっている。すなわち、マイクロレンズ９を通過した光が光電変換部２へ導かれる効率を向上するようにできる。

ここで、エアギャップ構造ＡＧ１における隙間１１は、光電変換部２の受光面２ａにおける内側領域２ａ１を露出せずに外側領域２ａ２を露出するように、第１の層間絶縁膜４ａとなるべき第１の層間絶縁層４ａ１（図４（ａ）参照）をエッチングして形成できる。これにより、受光面２ａの全面が露出されるようにエッチングされる場合に比べて、エアギャップ構造ＡＧ１を形成する際における光電変換部２の受光面２ａへのエッチングダメージを低減できる。

保護膜１５は、絶縁部４及び光導波路ＰＧＰ１の上に配されている。保護膜１５は、光電変換部２を外気（Ｏ２、Ｈ２Ｏ）、不純物イオン（Ｋ＋、Ｎａ＋）などから保護する。保護膜１５は、例えば、ＳｉＮで形成される。

平坦化膜６は、保護膜１５の上に配されている。平坦化膜６は、保護膜１５の上面の凹凸を緩和して平坦な上面６ａを提供する。これにより、平坦化膜６の上面６ａに配されるカラーフィルタ７Ｇ，７Ｂの特性のばらつきが低減されている。

カラーフィルタ７Ｇ，７Ｂは、平坦化膜６の上面６ａの上に配されている。カラーフィルタ７Ｇ，７Ｂは、入射光のうち所定の波長（赤・緑・青などの波長）の光を透過する。

平坦化層８は、カラーフィルタ７Ｇ，７Ｂの上に配されている。平坦化膜８は、カラーフィルタ７Ｇ，７Ｂの上面の凹凸を緩和して平坦な上面８ａを提供する。これにより、平坦化膜８の上面８ａに配されるマイクロレンズ９の特性のばらつきが低減されている。

次に、本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００の製造方法を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００の製造方法示す工程断面図である。

図４（ａ）に示す工程（第１の工程）では、光電変換部２が形成された半導体基板１の上に、転送電極３を形成する。転送電極３は、例えば、Ｐｏｌｙ＿Ｓｉで形成する。その後、光電変換部２と転送電極３とを覆うように、第１の層間絶縁膜４ａとなるべき第１の層間絶縁層（第１の絶縁層）４ａ１を形成する。第１の層間絶縁層４ａ１は、例えば、ＳｉＯ２で形成する。

図４（ｂ）に示す工程（第２の工程）では、不図示のスルーホール配線を形成する。その後、光電変換部２の受光面２ａにおける内側領域２ａ１を露出せずに外側領域２ａ２を露出するように第１の層間絶縁層４ａ１をエッチングする。これにより、第１の絶縁膜４ａを形成するとともに、エアギャップ構造ＡＧ１を形成する。すなわち、図３に示すように、平均幅ＡＧＷ１が例えば０．２μｍの隙間１１を、光電変換部２の受光面２ａにおける外側領域２ａ２と、受光面２ａの周辺領域１１ａとの上に形成する。これにより、第１の層間絶縁膜４ａとの間に隙間１１が設けられるように第１の層間絶縁膜４ａと同じ物質で形成された部材１６が受光面２ａの内側領域２ａ１の上に配されたエアギャップ構造ＡＧ１が形成される。

このとき、スルーホールを形成するプロセスとほぼ同等のプロセスにより隙間１１が形成されるため、隙間１１の断面は、上側に若干の末広がり形状を有し、形状の中心軸はほぼ垂直となる。

図４（ｃ）に示す工程（第３の工程）では、エアギャップ構造ＡＧ１を封止するように、エアギャップ構造ＡＧ１の上に、反射防止膜１２の一部であるＳｉＮ膜１２ａが形成される。ＳｉＮ膜１２ａは、例えば、１０ｎｍの厚さで形成される。

図４（ｄ）に示す工程（第３の工程、第４の工程）では、ＳｉＮ膜１２ａの上に、反射防止膜１２の他の一部であるＳｉＯ２膜が形成される。ＳｉＯ２膜は、例えば、２５ｎｍの厚さで形成される。そのＳｉＯ２膜の上に、反射防止膜１２のさらに他の一部であるＳｉＮ膜が形成される。そのＳｉＯ２膜は、例えば、１５ｎｍの厚さで形成される。すなわち、下からＳｉＮ（１０ｎｍ）＋ＳｉＯ２（２５ｎｍ）＋ＳｉＮ（１５ｎｍ）の３層構成の反射防止膜１２が形成される。その後、反射防止膜１２の上に、第２の層間絶縁膜４ｂとなるべき第２の層間絶縁層４ｂ１と、複数の配線層５とを形成する。また、不図示のスルーホール配線も形成される。

図４（ｅ）に示す工程（第５の工程）では、フォトリソグラフィ法により、第２の層間絶縁層（第２の絶縁層）４ｂ１におけるエアギャップ構造ＡＧ１の上方に位置する部分に開口１３を形成するように第２の層間絶縁層４ｂ１をエッチングする。これにより、第２の絶縁膜４ｂを形成する。

ここで、受光面２ａの中心を通る法線ＰＡ１に対する開口１３の側面１３ａの傾斜角度が例えば８度になるように、エッチング条件を制御することができる。また、反射防止層１２は、アスペクト比（深さ／上面幅）が高い開口１３を形成する際における部材１６のオーバーエッチングをされることを防ぐエッチングストッパーとして機能する。これにより、加工精度良く開口１３を形成するためのエッチングを行うことができる。

図４（ｆ）に示す工程（第６の工程）では、高密度プラズマＣＶＤ法により、第２の層間絶縁膜４ｂよりも屈折率の高い物質を開口１３に埋め込むことにより、上部導波構造１４を形成する。上部導波構造１４は、例えば、ＨＤＰ−ＳｉＮ（高密度プラズマＳｉＮ）で形成される。その後、上部導波構造１４及び第２の層間絶縁膜４ｂの上に保護膜１５を形成する。保護膜１５は、例えば、ＳｉＮで形成される。

ここで、上部導波構造１４（ＨＤＰ−ＳｉＮ）の屈折率は、１．９程度であり、保護膜１５（ＳｉＮ）の屈折率である２に対し高密度プラズマＣＤＶの条件により屈折率の差が若干生じる。

また、開口１３のアスペクト比（深さ／上面幅）が例えば１．８未満であれば、上部導波構造１４（ＨＤＰ−ＳｉＮ）を開口１３に完全に埋め込むことができる。開口１３のアスペクト比が１．８以上になると、上部導波構造１４内に空隙（ボイド）が発生し、光導波の機能を著しく低下させることになる。これにより、開口１３は、複数の配線層５と干渉しない範囲で、アスペクト比ができるだけ１．８以上になるように形成する。

図４（ｇ）に示す工程では、保護膜１５の上に有機材料をスピンコートすることにより、平坦化膜６を形成する。その後、フォトリソグラフィ法により、平坦化膜６の上にカラーフィルタ７を形成する。そして、カラーフィルタ７の上に有機材料をスピンコートすることにより、平坦化膜８を形成する。

図４（ｈ）に示す工程（第７の工程）では、上部導波構造１４の上方であって平坦化膜８の上に、マイクロレンズ９を形成する。例えば、平坦化膜８の上に有機材料等で形成した膜をパターニングし、そのパターンを熱溶融させることにより、球面を有するマイクロレンズ９を形成する。

以上のように、本実施形態によれば、光電変換部の受光面における内側領域２ａ１上の絶縁膜がエッチングされず外側領域２ａ２上の絶縁膜がエッチングされるので、光電変換部の受光面が受けるエッチングダメージを低減できる。これにより、撮像センサーにおける画素のサイズを微細化した場合に、マイクロレンズで屈折した光が光電変換部へ導かれる効率を向上するとともに、光電変換部におけるノイズを抑制することができる。すなわち、画素のサイズを微細化した場合におけるマイクロレンズを透過した光が光電変換部へ導かれる効率を向上するための新規な構造を提供することができる。

次に、本実施形態と比較例とを比較した結果について説明する。

本実施形態による効果を明確にするために、画素ピッチが１.５μｍであると仮定して波動シミュレーションを行った。具体的には、図５（ａ）〜（ｃ）の形状について、光電変換部２の受光効率の入射角度依存性（図６参照）と、光電変換部２の受光効率のＦナンバー依存性（図７参照）とを求めた。図５は、比較例（ａ：マイクロレンズ，ｂ：層内レンズ）と第１実施形態（ｃ）とにおける撮像センサーの画素の断面モデル形状を示す図である。

図５（ａ）は、マイクロレンズ９と光電変換部２との間に光導波路ＰＧＰ１も層内レンズ１９も設けずに、マイクロレンズ９を透過した光をそのまま光電変換部２へ導く構成を示す。以下、図５（ａ）の構成を比較例「マイクロレンズ」の構成と呼ぶ。

比較例「マイクロレンズ」の構成では、前述したように入射角０度においても光束が収束せず、幾何光学での結果とは大きなずれが生じる。また入射角を振ると受光面２ａまでの間に配置されている複数の配線層５（Ａｌなど）に光が遮られる。

図５（ｂ）は、マイクロレンズ９と光電変換部２との間に層内レンズ１９を設けて、マイクロレンズ９を透過した光が層内レンズ１９をさらに透過した光を光電変換部２へ導く構成を示す。以下、図５（ｂ）の構成を比較例「層内レンズ」の構成と呼ぶ。

比較例「層内レンズ」の構成では、入射角０度においても光束が受光面で収束させることができず、幾何光学での結果とは大きなずれが生じる。画素ピッチが大きい場合は、比較例「層内レンズ」の構成の方が比較例「マイクロレンズ」の構成よりも受光面２ａで収束させる効果が大きい。しかしながら画素ピッチが小さい場合は、層内レンズ１９があると受光面２ａの手前で収束してしまい、入射角０度における受光効率が減ってしまう。

図５（ｃ）は、マイクロレンズ９と光電変換部２との間に光導波路ＰＧＰ１を設けて、マイクロレンズ９を透過した光が光導波路ＰＧＰ１により光電変換部２へ導かれる構成を示す。以下、図５（ｃ）の構成を第１実施形態の構成と呼ぶ。

第１実施形態の構成では、マイクロレンズ９により収束した光束は上部導波構造１４の側面部の全反射条件により、上部導波構造１４内に閉じ込めたまま下方に導光することができる。そのあと、エアギャップ構造ＡＧ１による光導波構造により、受光面２ａまで光を効率よく導光することができる。この際、エアギャップ構造ＡＧ１における隙間１１の屈折率が１で部材（ＳｉＯ２）１６の屈折率が１．４６の場合でも、隙間１１の幅が光の波長より小さいと、隙間１１の実質屈折率は、１にならず平均屈折率の値をとる。隙間１１の幅はできるだけ狭い方がいいが、隙間１１の幅はある程度の幅を持たなければ全反射条件を満足することができない。従って、部材１６の幅と隙間１１の幅とのバランスを取って、効率の良い導波路構成を実現させる必要がある。シミュレーション結果によれば、隙間１１は、概略０．２μｍ以上の幅を持たせるのが望ましい。

図６は、比較例（「マイクロレンズ」、「層内レンズ」）と第１実施形態とによる光電変換部２の受光効率の入射角度依存性を示す図である。ここで、受光効率とは、マイクロレンズを透過した光が光電変換部へ導かれる効率を表す。図６では、縦軸が、比較例「マイクロレンズ」の構成における入射角０ｄｅｇの受光効率を１として規格化した受光効率を示し、横軸が、マイクロレンズ９への入射光の入射角である。

図６によれば、入射角０ｄｅｇにおける第１実施形態の受光効率は、入射角０ｄｅｇにおける比較例「マイクロレンズ」の受光効率に比べて、約１５％程度向上していることがわかる。入射角０ｄｅｇにおける第１実施形態の受光効率は、入射角０ｄｅｇにおける比較例「層内レンズ」の受光効率に比べて、約３５％程度向上していることがわかる。

さらに、斜めの入射角−３０〜０，０〜＋３０ｄｅｇのそれぞれにおける第１実施形態の受光効率は、斜めの入射角−３０〜０，０〜＋３０ｄｅｇにそれぞれにおける比較例「マイクロレンズ」の受光効率より向上している。斜めの入射角−３０〜０，０〜＋３０ｄｅｇのそれぞれにおける第１実施形態の受光効率は、斜めの入射角−３０〜０，０〜＋３０ｄｅｇにそれぞれにおける比較例「層内レンズ」の受光効率より向上している。

図７は、比較例（「マイクロレンズ」、「層内レンズ」）と第１実施形態とによる光電変換部２の受光効率のＦナンバー依存性を示す図である。ここで、受光効率とは、マイクロレンズを透過した光が光電変換部へ導かれる効率を表す。図７では、縦軸が、受光効率を示し、横軸が、撮影レンズのＦナンバーである。

図７に示されるように、撮影レンズのＦナンバーを小さくすると（レンズを明るくすると）、光電変換部の露出時間を短縮することができるが、マイクロレンズへ大きな入射角の光が入射するために光電変換部の受光効率が悪くなる。図７は、Ｆナンバーを小さくすることに伴う、光電変換部の受光効率の劣化具合を表したものになる。全てのＦナンバーに対して光電変換部の受光効率が１（効率１００％）の値になることが理想的だが、実際には、Ｆナンバーを小さくする（レンズを明るくする）につれて光電変換部の受光効率が悪くなるのがわかる。

ここで、図７によれば、Ｆナンバーが１〜８のそれぞれにおける第１実施形態の受光効率は、Ｆナンバーが１〜８のそれぞれにおける比較例「マイクロレンズ」の受光効率に比べて、向上している。また、Ｆナンバーが８→１になった際における第１実施形態の受光効率の悪化度合いは、Ｆナンバーが８→１になった際における比較例「マイクロレンズ」の受光効率の悪化度合いに比べて、小さくなっている。

図７によれば、Ｆナンバーが１〜８のそれぞれにおける第１実施形態の受光効率は、Ｆナンバーが１〜８のそれぞれにおける比較例「層内レンズ」の受光効率に比べて、向上している。

例えば、Ｆナンバー２．８における第１実施形態の受光効率は、約０．６であり、Ｆナンバー２．８における比較例「層内レンズ」の受光効率である約０.４５に比べて大きな値になっている。

なお、Ｆナンバーが８→１になった際における第１実施形態の受光効率の悪化度合いは、Ｆナンバーが８→１になった際における比較例「層内レンズ」の受光効率の悪化度合いに比べて、同等である。

図６及び図７に示されるように、本実施形態によれば、画素ピッチが小さい撮像センサーにおいて露出時間を短縮した撮影や暗い環境での撮影に対しても、従来構造と比べて光量を稼ぐことができるためにＳ／Ｎの良い画像データを取得することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る撮像センサー２００の断面構成を、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る撮像センサー２００の断面構成を示す図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分の説明を省略する。

撮像センサー２００は、絶縁部４及び光導波路ＰＧＰ１に代えて、絶縁部２０４及び光導波路ＰＧＰ２０１を備える。

絶縁部２０４は、第１の層間絶縁膜（第２の絶縁部、第１の絶縁膜）２０４ａと第２の層間絶縁膜（第１の絶縁部、第２の絶縁膜）２０４ｂとを含む。第１の層間絶縁膜２０４ａは、第３の平面ＰＬ３と第１の平面ＰＬ１との間に配されている。第３の平面ＰＬ３は、複数の配線層５における最上の配線層５ｂと保護膜１５との間における第１の平面ＰＬ１に平行な平面である。第２の層間絶縁膜２０４ｂは、最上の配線層５ｂより上であって保護膜１５と第３の平面ＰＬ３との間に配されている。すなわち、第１の層間絶縁膜２０４ａの厚さに対する第２の層間絶縁膜２０４ｂの厚さの割合が、第１実施形態に比べて小さくなっている。

光導波路ＰＧＰ２０１は、上部導波構造１４及びエアギャップ構造ＡＧ１に代えて、上部導波構造２１４（，２１４ｉ）及びエアギャップ構造ＡＧ２０１を含む。上部導波構造２１４は、最上の配線層５ｂより上であって保護膜１５と第３の平面ＰＬ３との間に配されている。エアギャップ構造ＡＧ２０１は、第３の平面ＰＬ３と第１の平面ＰＬ１との間に配されている。

この場合、エアギャップ構造ＡＧ２０１における部材２１６の幅は、配線層５との干渉を避けるために狭くなってしまう。従って、上部導波構造２１４の下面の幅も狭くなってしまうが、上部導波構造２１４は配線層などの干渉する部材が無くなるために、自由な設計が可能となる。

例えば、図８（ａ）に示すように、受光面２ａの中心を通る法線ＰＡ１に対する上部導波構造２１４の側面２１４ａの傾斜角度を第１実施形態と同等（例えば、８度）にすれば、上面部が狭いが、側面傾斜が立っているために全反射条件になりやすい。

例えば、図８（ｂ）に示すように、受光面２ａの中心を通る法線ＰＡ１に対する上部導波構造２１４ｉの側面２１４ａｉの傾斜角度を第１実施形態より大きく（例えば、１２度）にすれば、傾斜が寝ているために全反射条件になる光の割合が減るが、上面部が広い。これにより、上面部から取り込める光の量を多くできる。

したがって、全反射条件になる光の割合が減る量と上面部から取り込める光の増える量とのトレードオフにより、最適な形状バランスを決定することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る撮像センサー３００の断面構成を、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第３実施形態に係る撮像センサー３００の断面構成を示す図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分の説明を省略する。

撮像センサー３００は、絶縁部４及び光導波路ＰＧＰ１に代えて、絶縁部３０４及び光導波路ＰＧＰ３０１を備える。

絶縁部３０４は、第１の層間絶縁膜３０４ａと第２の層間絶縁膜３０４ｂとを含む。

第１の層間絶縁膜３０４ａは、第３の平面ＰＬ４と第１の平面ＰＬ１との間に配されている。第４の平面ＰＬ４は、複数の配線層５における最上の配線層５ｂの下面を含む平面である。第２の層間絶縁膜３０４ｂは、保護膜１５と第４の平面ＰＬ４との間に配されている。すなわち、第１の層間絶縁膜３０４ａの厚さに対する第２の層間絶縁膜３０４ｂの厚さの割合が、第１実施形態に比べて小さくなっている。

光導波路ＰＧＰ３０１は、上部導波構造１４及びエアギャップ構造ＡＧ１に代えて、上部導波構造３１４及びエアギャップ構造ＡＧ３０１を含む。上部導波構造３１４は、保護膜１５と第４の平面ＰＬ４との間に配されている。エアギャップ構造ＡＧ３０１は、第４の平面ＰＬ４と第１の平面ＰＬ１との間に配されている。

この場合、エアギャップ構造ＡＧ３０１における部材３１６の幅は、配線層５ａとの干渉を避けるために狭くなってしまう。従って、上部導波構造３１４部の下面部の幅も狭くなってしまうが、配線層５ａの配置構成を工夫することにより、部材３１６の幅をある程度広げることができる。また、上部導波構造３１４が干渉する場所が複数の配線層５における最上の配線層５ｂのみであるので、複数の配線層５における最上の配線層５ｂ以外の配線層との干渉を避ける必要がある場合（第１実施形態）に比べると、自由な設計が可能となる。

次に、本発明の第４実施形態に係る撮像センサー４００の断面構成を、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第４実施形態に係る撮像センサー４００の断面構成を示す図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分の説明を省略する。

撮像センサー４００は、光導波路ＰＧＰ１に代えて、光導波路ＰＧＰ４０１を備える。

光導波路ＰＧＰ４０１は、エアギャップ構造ＡＧ１に代えて、エアギャップ構造ＡＧ４０１を含む。エアギャップ構造ＡＧ４０１では、隙間４１１が複数の配線層５における最下の配線層５ａの下方に位置している。これにより、部材４１６の幅が第１実施形態より大きくなっている。

この構成は、配線層５のスルーホール配線との干渉を避けさえすれば形成可能となる。このような構成にすることにより、上部導波構造４１４の下部の幅を広げることができる。その際、エアギャップ構造ＡＧ４０１における部材４１６の幅に合わせて光電変換部２の受光面２ａの幅も広めに設計することで、広がった分の光束を光電変換できるように構成してもよい。また、エアギャップ構造ＡＧ４０１における部材４１６の幅を比較的大きく（例えば、平均幅が０．２５μｍ）取ることができるため、エアギャップによる光導波機能の向上も図ることが可能となる。

なお、上記実施例では、光電変換部の上方にマイクロレンズを配した。この点、レンズのパワーを持たせずに、フラットに形成し、当該フラットな層を通過した光が光導波路を通過し光電変換部に導かれるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００の概略構成を示す図。 本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００における画素Ｐの断面構造を示す図。 図２における矢視Ａ−Ａ’を示す平面図。 本発明の第１実施形態に係る撮像センサー１００の製造方法示す工程断面図。 比較例（ａ：マイクロレンズ，ｂ：層内レンズ）と第１実施形態（ｃ）とにおける撮像センサーの画素の断面モデル形状を示す図。 比較例（「マイクロレンズ」、「層内レンズ」）と第１実施形態とによる光電変換部２の受光効率の入射角度依存性を示す図。 比較例（「マイクロレンズ」、「層内レンズ」）と第１実施形態とによる光電変換部２の受光効率のＦナンバー依存性を示す図。 本発明の第２実施形態に係る撮像センサー２００の断面構成を示す図。 本発明の第３実施形態に係る撮像センサー３００の断面構成を示す図。 本発明の第４実施形態に係る撮像センサー４００の断面構成を示す図。 背景技術を説明するための図。 背景技術を説明するための図。 発明が解決しようとする課題を説明するための図。

符号の説明

１００、２００、３００、４００ 撮像センサー

Claims (9)

1. 光電変換部と、
   光を前記光電変換部へ導く光導波路と、
   を備え、
   前記光導波路は、
   前記光が前記光電変換部へ向かうように、第１の絶縁部より屈折率の高い物質が前記第１の絶縁部で側面を囲まれた上部導波構造と、
   前記光電変換部と前記上部導波構造との間に部材が配され、前記部材と第２の絶縁部との間に隙間が設けられたエアギャップ構造と、
   を含む
   ことを特徴とする撮像センサー。
2. 前記部材は、前記第２の絶縁部と同じ物質で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像センサー。
3. 前記光電変換部の上方に配されたマイクロレンズと、
   前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に配された複数の配線層と、
   をさらに備え、
   前記エアギャップ構造は、前記光電変換部の受光面を含む第１の平面と前記複数の配線層における最下の配線層の下面を含む第２の平面との間に配されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像センサー。
4. 前記光導波路は、前記上部導波構造と前記エアギャップ構造との間に配された反射防止膜をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像センサー。
5. 前記上部導波構造は、上部の幅が下部の幅より広い
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像センサー。
6. 前記上部導波構造は、上面縁部から下面縁部へ前記光電変換部の受光面の中心を通る法線に近づくように傾斜しながら延びた側面を有する
   ことを特徴とする請求項５に記載の撮像センサー。
7. 光電変換部と、
   光を前記光電変換部へ導く光導波路と、
   を備え、
   前記光導波路は、
   前記光が前記光電変換部へ向かうように、第１の絶縁部より屈折率の高い物質が前記第１の絶縁部で側面を囲まれた上部導波構造と、
   前記光電変換部と前記上部導波構造との間における絶縁層が前記光電変換部の受光面における内側領域を露出せずに外側領域を露出するようにエッチングされることにより、前記絶縁層のうち前記内側領域の上の部分である部材と、前記絶縁層のうち前記外側領域の周辺の部分である第２の絶縁部との隙間が設けられたエアギャップ構造と、
   を含む
   ことを特徴とする撮像センサー。
8. 光電変換部を有する撮像センサーの製造方法であって、
   前記光電変換部を覆うように第１の絶縁層を形成する第１の工程と、
   前記光電変換部の受光面における内側領域を露出せずに外側領域を露出するように前記第１の絶縁層をエッチングすることにより、前記第１の絶縁層のうち前記内側領域の上の部分である部材と、前記第１の絶縁層のうち前記外側領域の周辺の部分である第１の絶縁膜との隙間が設けられたエアギャップ構造を形成する第２の工程と、
   前記エアギャップ構造の上に反射防止膜を形成する第３の工程と、
   前記反射防止膜の上に第２の絶縁層を形成する第４の工程と、
   前記第２の絶縁層における前記エアギャップ構造の上方に位置する部分に開口を形成することにより、第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、
   前記第２の絶縁膜よりも屈折率の高い物質を前記開口に埋め込むことにより、上部導波構造を形成する第６の工程と、
   前記上部導波構造の上方にマイクロレンズを形成する第７の工程と、
   を備え、
   前記上部導波構造、前記反射防止膜、及び前記エアギャップ構造は、前記マイクロレンズを通過した光を前記光電変換部へ導く光導波路として機能する
   ことを特徴とする撮像センサーの製造方法。
9. 前記第５の工程では、前記反射防止膜が、前記開口を形成するように前記第２の絶縁層をエッチングする際におけるエッチングストッパーとして機能する
   ことを特徴とする請求項８に記載の撮像センサーの製造方法。

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