JP2010226090A - 光電変換装置、及び撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換部へ向けて入射した光のうち光電変換部の受光面へ到達する光の割合を向上させる。
【解決手段】光電変換装置は、受光面を有する光電変換部と、前記光電変換部へ光を集める集光構造とを備え、前記集光構造では、第１の絶縁膜の屈折率より高い屈折率を有する第２の絶縁膜の密度が、前記受光面の中心を通る法線に垂直な平面における中心領域において周辺領域よりも大きくなるように、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが前記平面にレイアウトされており、前記平面における前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とのレイアウトパターンは、可視光領域の最大波長以下の寸法を有する部分を含む。
【選択図】図１
【解決手段】光電変換装置は、受光面を有する光電変換部と、前記光電変換部へ光を集める集光構造とを備え、前記集光構造では、第１の絶縁膜の屈折率より高い屈折率を有する第２の絶縁膜の密度が、前記受光面の中心を通る法線に垂直な平面における中心領域において周辺領域よりも大きくなるように、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが前記平面にレイアウトされており、前記平面における前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とのレイアウトパターンは、可視光領域の最大波長以下の寸法を有する部分を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、光電変換装置、及び撮像システムに関する。
近年、光電変換装置としてＭＯＳトランジスタを用いたＭＯＳ型の光電変換装置が盛んに開発されている。そのような光電変換装置において画素の高密度化や小チップ化が推し進められ、画素における光電変換部（例えば、フォトダイオード）の受光面の面積が小さくなる傾向にある。これに伴って、配線材料はアルミニウムより微細な加工に適した銅への変更が進んでいる。
銅配線を使用する場合には、層間絶縁膜として一般に用いられる酸化膜中での銅原子の拡散係数が大きいために、銅の拡散を防止する拡散防止膜を配する必要がある。銅配線の上層の拡散防止膜としてはシリコン窒化膜を用いる場合が多い。銅に限らず、配線材料の層間絶縁膜中における配線材料の原子の拡散係数が大きい場合には拡散防止膜が必要となる。
拡散防止膜を光電変換装置で用いる場合は、層間絶縁膜と拡散防止膜との多層構造が形成される。拡散防止膜に適した膜、たとえばシリコン窒化膜は層間絶縁膜として用いられるシリコン酸化膜と屈折率が異なるため、界面での反射や干渉による影響で光電変換部への入射光量が低下するという課題が発生する。
特許文献１の図１には、各拡散防止膜１２１、１３１、１４１が、フォトダイオード１１２の受光領域に対応する開口を有することが記載されている。フォトダイオード１１２の受光領域の上には、ＳｉＯ２よりなる層間膜１１５、１２２、１３２、１４２が配されており、層間膜１４２の上にはＳｉＮ保護膜１６１が配されている。特許文献１には、フォトダイオード１１２の受光領域上に配置される領域が、単一の屈折率を有するシリコン酸化膜だけで形成されているので、フォトダイオード１１２への反射や多重干渉の影響を低減できる、と記載されている。
一方、光リソグラフィ並びに電子線リソグラフィに代表されるプレーナープロセス技術の発展に伴い、基板表面上に可視光の波長以下（サブ波長領域）の寸法を持つ微細パターンの形成が可能となっている。これに伴い、サブ波長領域の周期構造を有する集光素子（ＳｕｂＷａｖｅＬｅｎｇｔｈ Ｌｅｎｓ：ＳＷＬＬ）が注目を集めている。「サブ波長領域」とは、対象とする光（可視光）の波長と同程度かそれよりも小さい領域をいう。
非特許文献１には、非球面レンズであるフレネルレンズから変換された格子状のＳＷＬＬに集光効果があることが、Ｄｅｌａｗａｒｅ大学の研究グループによりシミュレーションで実証されたことが記載されている。
Ｄ．Ｗ．Ｐｒａｔｈｅｒ、Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．３８ ８７０−８７８（１９９８）
上述のように、特許文献１の技術では、各拡散防止膜１２１、１３１、１４１が、フォトダイオード１１２の受光領域に対応する開口を有する。
ここで、仮に、画素の寸法を縮小した場合を考える。この場合、各拡散防止膜１２１、１３１、１４１の開口端における入射光の回折作用により、その開口に入射した光のうち光電変換部の受光面に到達する光の割合が低減する。すなわち、光電変換部へ向けて入射した光のうち光電変換部の受光面へ到達する光の割合が低減するので、光電変換部の感度が低下する。入射光の回折作用は、拡散防止膜の開口端だけに限らず、アルミニウム等の配線の配線開口端においても生じる。
本発明の目的は、画素の寸法を縮小した場合に、光電変換部へ向けて入射した光のうち光電変換部の受光面へ到達する光の割合を向上させることにある。
本発明の１つの側面は、受光面を有する光電変換部と、前記光電変換部へ光を集める集光構造とを備え、前記集光構造では、第１の絶縁膜の屈折率より高い屈折率を有する第２の絶縁膜の密度が、前記受光面の中心を通る法線に垂直な平面における中心領域において周辺領域よりも大きくなるように、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが前記平面にレイアウトされており、前記平面における前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とのレイアウトパターンは、可視光領域の最大波長以下の寸法を有する部分を含む。
本発明によれば、光電変換部へ向けて入射した光のうち光電変換部の受光面へ到達する光の割合を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の断面構成を示す図である。
光電変換装置１００は、光電変換部１０２、配線層（第２の配線層）１０４、配線層（第１の配線層）１０７、１１０、集光構造２０１、パッシベーション膜１１３、カラーフィルタ層１１４、及びマイクロレンズ１１５を備える。
光電変換部１０２は、受光面１０２ａを有しており、受光面１０２ａに入射した光に応じた電荷を発生させて蓄積する。光電変換部１０２は、半導体基板ＳＢにおけるウエル領域１０１に囲まれた半導体領域である。ウエル領域１０１は、第１の導電型（例えばｐ型）の不純物を低濃度で含む。光電変換部１０２は、第１の導電型と反対導電型（例えばｎ型）の不純物を高濃度で含む。なお、光電変換部１０２は、半導体基板ＳＢにおける画素配列領域における画素の配列に対応して１次元的に又は２次元的に配列されているが、図１には、説明の簡略化のため、１画素のフォトダイオード部に対応したもののみ示している。
配線層１０４は、集光構造２０１の下方に配され、光電変換部１０２に対する開口領域ＯＡ１を規定している。配線層１０４は、例えば、銅を主成分とする材料で形成されており、少なくともその上面が拡散抑制膜（第２の絶縁膜）１０５により覆われている。配線層１０７は、集光構造２０１の上方に配され、光電変換部１０２に対する開口領域ＯＡ１を規定している。配線層１０７は、例えば、銅を主成分とする材料で形成されており、少なくともその上面が拡散抑制膜１０８により覆われている。配線層１１０は、集光構造２０１の上方に配され、光電変換部１０２に対する開口領域ＯＡ１を規定している。配線層１１０は、例えば、銅を主成分とする材料で形成されており、少なくともその上面が拡散抑制膜１１２により覆われている。この実施形態では、開口領域ＯＡ１は３つの配線層１０４、１０７、１１０によって規定される。
半導体基板ＳＢと配線層１０４とは、層間絶縁膜（第３の絶縁膜）１０３により絶縁されている。層間絶縁膜１０３は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。配線層１０４と配線層１０７とは、層間絶縁膜（第１の絶縁膜）１０６により絶縁されている。層間絶縁膜１０６は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。配線層１０７と配線層１１０とは、層間絶縁膜１０９により絶縁されている。層間絶縁膜１０９は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。層間絶縁膜１０９の上には、層間絶縁膜１１１が配されている。層間絶縁膜１１１は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。ここで、配線層１０４、１０７、１１０は、それぞれ、層間絶縁膜１０３、層間絶縁膜１０６、層間絶縁膜１０９の上面に形成された溝に銅などの導電体を埋め込み、ＣＭＰ
工程により、溝内の導電体以外の導電体を除去することにより形成される。配線層１０４、１０７、１１０の構造は、それぞれ、ダマシン構造である。また、配線層１０４、１０７、１１０、拡散抑制層１０５、１０８、１１２、及び層間絶縁膜１０３、１０６、１０９、１１１は、半導体基板ＳＢの上における多層配線構造を形成している。
工程により、溝内の導電体以外の導電体を除去することにより形成される。配線層１０４、１０７、１１０の構造は、それぞれ、ダマシン構造である。また、配線層１０４、１０７、１１０、拡散抑制層１０５、１０８、１１２、及び層間絶縁膜１０３、１０６、１０９、１１１は、半導体基板ＳＢの上における多層配線構造を形成している。
集光構造２０１は、光電変換部１０２の上方に配され、光電変換部１０２へ光を集める。集光構造２０１では、拡散抑制膜１０５の密度が、中心領域２０１１において周辺領域２０１２より大きくなるように、層間絶縁膜１０６と拡散抑制膜１０５とが平面ＰＬ１にレイアウトされている。中心領域２０１１は、受光面１０２ａの中心１０２ｃを通る法線ＮＬ１に垂直な平面ＰＬ１における法線ＮＬ１の通る領域である。周辺領域２０１２は、平面ＰＬ１における法線ＮＬ１からオフセットした領域である。中心領域２０１１及び周辺領域２０１２は、開口領域ＯＡ１内（開口領域内）に配されている。拡散抑制膜１０５は、銅を主成分とする材料の拡散を抑制するように、配線層１０４を覆うとともに平面ＰＬ１に沿って延びている。また、拡散抑制膜１０５は、層間絶縁膜１０６の屈折率より高い屈折率を有する。拡散抑制膜１０５は、例えば、シリコン窒化物又はシリコン炭化物など、炭素、酸素、窒素のいずれかを含むシリコン系化合物で形成されている。
ここで、平面ＰＬ１における層間絶縁膜１０６と拡散抑制膜１０５とのレイアウトパターンは、可視光領域の最大波長以下の寸法を有する部分を含む（図２参照）。可視光領域は、一般的には、４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長の領域である（オプトロニクス社 光技術用語辞典 第３版を参照）。可視光領域の最大波長以下の寸法は、例えば、可視光領域の下限値と上限値との平均値以下の寸法でありうる。あるいは、可視光領域の最大波長以下の寸法は、画素に設けられたカラーフィルタの分光透過率のピークの波長以下の寸法でありうる。あるいは、可視光領域の最大波長以下の寸法は、入射光（例えば放射線）を蛍光体で可視光に変換しその変換された光をマイクロレンズで受ける場合、蛍光体によって変換された光のピーク波長以下の寸法でありうる。
拡散抑制膜１０５を用いて光電変換部１０２に対応する開口領域ＯＡ１に、入射光の波長以下のパターンの粗密を有する集光構造２０１を形成する。すなわち、拡散抑制膜１０５は、開口領域ＯＡ１におけるパターニングされた開口を有するとともに平面ＰＬ１に沿って延びている。層間絶縁膜１０６は、拡散抑制膜１０５における開口を満たしている。集光構造２０１では、さらに、層間絶縁膜１０６が拡散抑制膜１０５の上面を覆うように配され、層間絶縁膜１０３が拡散抑制膜１０５の下面を覆うように配されている。層間絶縁膜１０６及び層間絶縁膜１０３は、ともに、拡散抑制膜１０５の屈折率より低い屈折率を有する。そのレイアウトパターンでは、中心領域２０１１における拡散抑制膜１０５の密度が、周辺領域２０１２における拡散抑制膜１０５の密度より大きい（図２（Ａ）〜（Ｃ）参照）。一方、他の拡散抑制膜１０８及び１１２は、それぞれ、開口領域ＯＡ１に対応した開口１０８ａ，１１２ａを有している。
パッシベーション膜１１３は、半導体基板ＳＢ及び多層配線構造ＭＬ１を保護するように、層間絶縁膜１１１の上に配されている。カラーフィルタ層１１４は、パッシベーション膜１１３の上に配され、マイクロレンズ１１５を通過した光のうち可視光領域における特定の色（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂ）の波長の光を選択的に透過する。マイクロレンズ１１５は、カラーフィルタ層１１４の上に配され、入射した光を屈折させてカラーフィルタ層１１４へ導く。
図１では、集光構造２０１は、拡散抑制膜１０５が延びた方向に沿った平面ＰＬ１に形成されているが、拡散抑制膜１０５、１０８、１１２の少なくとも１つが延びた方向に沿った平面に形成されていても良い。集光構造２０１は、１または複数の拡散抑制膜と同じ層に形成されているとも言える。集光構造２０１は、可視光領域の入射光の波長以下のパターンの粗密を利用し、有効屈折率が光電変換部に対応する開口領域における外周部よりも開口領域における中心部の方が高くなる構造であれば形状は問わない。集光構造における外周部から中心部に向っての有効屈折率の増加率は任意であり、単調増加でもステップ増加でもよい。また、層間絶縁膜１０３と半導体基板ＳＢとの間に、層間絶縁膜１０３と半導体基板ＳＢとの界面における入射光の反射を低減させるための反射防止膜が配されていても良い。配線層の数も３層に限られたものではない。層間絶縁膜１１１とカラーフィルタ層１１４との間に、さらに層内レンズが設けられていても構わない。
次に、集光構造２０１におけるレイアウトパターンの具体例を、図２（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、集光構造２０１におけるレイアウトパターンの具体例を示す図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）では、ハッチングで示した領域が拡散抑制膜１０５の占める領域であり、ハッチングで示した領域の間における白色で示した領域が層間絶縁膜１０６の占める領域である。
図２（Ａ）に示すレイアウトパターンでは、複数の円が法線ＮＬ１を中心として平面ＰＬ１（図１参照）に沿って配されている。すなわち、図２（Ａ）に示すレイアウトパターンは、同心円状のパターンである。同心円状のパターンは、粗密分布をもって形成される。同心円の法線ＮＬ１近傍の中心領域２０１１において、層間絶縁膜１０６の屈折率よりも高い屈折率を有する拡散抑制膜１０５の密度が高く、同心円の法線ＮＬ１からオフセットした周辺領域２０１２において、高い屈折率を有する拡散抑制膜１０５の密度が低い。これにより、中心領域２０１１の有効屈折率が周辺領域２０１２の有効屈折率より高くなる。
例えば、図２（Ａ）に示すレイアウトパターンに対する法線ＮＬ１を通るＧ−Ｇ断面における複数の評価点を決定し、その評価点における有効屈折率を計算したところ、図４に示すシミュレーション結果が得られた。図４は、図２（Ａ）に示すレイアウトパターンに対する有効屈折率の分布のシミュレーション結果を示す図である。有効屈折率は、ある入射光の波長に対するある位置の実質的な屈折率を示す数値であり、その位置近傍の屈折率の平均値にほぼ等しい。平面パターンは波長以下の微細なパターンであるため、波長と同等乃至波長より短い周期で屈折率の異なる膜が存在する。例えば、ある点の有効屈折率は、その点を中心とし半径が波長に等しい円内の平均屈折率と考えてよい。図４に示すように有効屈折率は、同心円の中心ＰＮＬ１が最も高く外周に近づくにつれ小さくなる。これにより、拡散防止膜が完全な開口（図１に示す開口１０８ａ，１１２ａのように光が通過する領域に拡散防止膜が存在しない開口。）を有する場合に比べて、図２（Ａ）に示すレイアウトパターンによれば、光電変換部１０２の受光面１０２ａへ向かうように光を屈折させることが容易になる。例えば、図３に示すように、入射光の波長以下のパターンの粗密を利用し、有効屈折率が外周部よりも中心部の方が高くなる構造にすることによって、光線３０１が光電変換部１０２の受光面１０２ａへ向かうように光線３０１を屈折させることができる。これにより、光電変換部１０２へ向けて入射した光を受光面１０２ａへ集光させることが容易になる。
同様に、図２（Ｂ）に例示されるレイアウトパターンでは、複数の多角形（例えば、八角形）が法線ＮＬ１を中心として平面ＰＬ１（図１参照）に沿って配されている。すなわち、図２（Ｂ）に例示されるレイアウトパターンは、同心多角形状のパターンである。同心多角形状のパターンは、粗密分布をもって形成される。同心多角形の法線ＮＬ１近傍の中心領域２０１１において、層間絶縁膜１０６の屈折率よりも高い屈折率を有する拡散抑制膜１０５の密度が高く、法線ＮＬ１からオフセットした周辺領域２０１２において、高い屈折率を有する拡散抑制膜１０５の密度が低い。これにより、中心領域２０１１の有効屈折率が周辺領域２０１２の有効屈折率より高くなる。
一方、図２（Ｃ）に例示されるレイアウトパターンでは、複数のホール又はドットが法線ＮＬ１に関して対称に分布するように平面ＰＬ１に沿って配されている。すなわち、図２（Ｃ）に示すレイアウトパターンは、中心領域２０１１における拡散抑制膜１０５のホールの密度が、周辺領域２０１２における拡散抑制膜１０５のホールの密度より低くなっている。したがって、法線ＮＬ１近傍の中心領域２０１１において、層間絶縁膜１０６の屈折率よりも高い屈折率を有する拡散抑制膜１０５の密度が高く、法線ＮＬ１からオフセットした周辺領域２０１２において、高い屈折率を有する拡散抑制膜１０５の密度が低い。これにより、中心領域２０１１の有効屈折率が周辺領域２０１２の有効屈折率より高くなる。これにより、拡散防止膜が完全な開口（図１に示す開口１０８ａ，１１２ａのように光が通過する領域に拡散防止膜が存在しない開口）を有する場合に比べて、光電変換部１０２の受光面１０２ａへ向かうように光を屈折させることが容易になる。このため、光電変換部１０２へ向けて入射した光を受光面１０２ａへ集光させることが容易になる。
このように、第１実施形態では、法線からオフセットした周辺領域に比べて法線近傍の中心領域で有効屈折率が高くなる集光構造を光電変換部の上方に設ける。これにより、光電変換部へ向けて入射した光のうち光電変換部の受光面へ到達する光の割合を向上させることができる。
次に、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を、図１を用いて説明する。配線材料として銅を用い、層間絶縁膜に配線が埋設されたダマシン構造に関して説明する。
まず、半導体基板ＳＢに、光電変換部１０２のほか、トランジスタのソース又はドレインとして機能する複数の半導体領域（不図示）、及び、トランジスタ等の素子間を分離する素子分離領域を形成する（不図示）。そして、半導体基板ＳＢ上に、ゲート絶縁膜を形成し、トランジスタのゲート電極（不図示）を例えばポリシリコンで形成し、更に、シリコン酸化膜をＣＶＤ法（化学気相成長法）により堆積する。その後、ＣＭＰ法（化学的機械研磨法）により、そのシリコン酸化膜の平坦化を行う。これにより、層間絶縁膜１０３を形成する。そして、層間絶縁膜１０３にコンタクト（不図示）を形成する。
次に、ダマシン法により、層間絶縁膜１０３に配線層１０４を埋設する。ここで、ダマシン法は、シングルダマシン法、デュアルダマシン法いずれの方法でもよい。その後、シリコン窒化物などにより拡散抑制膜１０５を全面に形成する。シリコン窒化物１０５の膜厚は、約３０ｎｍ以上で設けられ、上限は、配線層１０４、１０７間の厚み（４００μｍ）である。その後、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術により、光電変換部１０２に対応した領域に配された拡散抑制膜１０５を可視光領域の最大波長以下の寸法を有する粗密パターンが同心状に配された集光構造２０１を形成する。
次に、ＣＶＤ法により層間絶縁膜１０６としてのシリコン酸化膜を形成する。層間絶縁膜１０６の形成において、拡散抑制膜１０５及び集光構造２０１の段差の影響を低減したい場合には、ＣＭＰ法を用いてもよい。次に、ダマシン法により、層間絶縁膜１０６に配線層１０７を埋設する。この配線層１０７の形成の前あるいは同時にコンタクト（不図示）が層間絶縁膜１０６に形成される。その後、シリコン窒化膜などにより拡散抑制膜１０８を全面に形成した後、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術により光電変換部に対応した領域に配された拡散抑制膜１０８を除去する。しかし、拡散抑制膜１０８と層間絶縁膜１０６との屈折率差がそれほど大きくない場合は、そのまま拡散抑制膜１０８を残してもよい。
さらに、ＣＶＤ法により層間絶縁膜１０９としてのシリコン酸化膜を形成する。層間絶縁膜１０９の形成において、拡散抑制膜１０８の段差の影響を低減したい場合には、ＣＭＰ法を用いてもよい。次に、ダマシン法により、層間絶縁膜１０９に配線層１１０を埋設する。この配線層１１０の形成の前あるいは同時にコンタクト（不図示）が層間絶縁膜１０８に形成される。その後、シリコン窒化膜などにより拡散抑制膜１１２を全面に形成した後、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術により光電変換部に対応した領域に配された拡散抑制膜１１２を除去する。しかし、拡散抑制膜１１２と層間絶縁膜１０９との屈折率差がそれほど大きない場合は、拡散抑制膜１１２をそのまま残してもよい。
さらに、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成し、そのシリコン酸化膜を平坦化することにより、層間絶縁膜１１１を形成する。層間絶縁膜１１１の形成において、拡散抑制膜１１２の段差の影響を低減したい場合には、ＣＭＰ法を用いてもよい。次に、ＣＶＤ法によりパッシベ−ション膜１１３を全面に形成する。その後、樹脂を用いて、平坦化を行う。次に、カラーフィルタ層１１４をつけ、再度樹脂を用いて平坦化を行う。次に、マイクロレンズ１１５を形成する。
このように、拡散抑制膜１０５における光電変換部１０２上に位置した部分をパターンニングする工程を用いて、集光構造２０１を形成することができる。このような工程により集光構造を多層配線構造中に形成することで、マイクロレンズや公知の層内レンズより受光面１０２ａに近い領域で光を屈折させることができる。このため、より大きな入射角の光や配線層によって回折した光も光電変換部１０２の受光面１０２ａに到達するようになる。すなわち、簡易な工程でかつ入射光量・感度の低下を低減することができる。
次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図５に示す。
撮像システム９０は、図５に示すように、主として、光学系、撮像装置８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像装置８６は、光電変換装置１００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。
シャッター９１は、光路上においてレンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。
レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置８６の光電変換装置１００の撮像面に被写体の像を形成する。
絞り９３は、光路上においてレンズ９２と光電変換装置１００との間に設けられ、レンズ９２を通過後に光電変換装置１００へ導かれる光の量を調節する。
撮像装置８６の光電変換装置１００は、光電変換装置１００の撮像面に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置８６は、その画像信号を光電変換装置１００から読み出して出力する。
撮像信号処理回路９５は、撮像装置８６に接続されており、撮像装置８６から出力された画像信号を処理する。
Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。
画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。
メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。
外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。
タイミング発生部９８は、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。
全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。
記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。
以上の構成により、光電変換装置１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。
次に、本発明の第２実施形態に係る光電変換装置３００を、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る光電変換装置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する。
光電変換装置３００は、配線層（第２の配線層）３０４、配線層（第１の配線層）３０７、３１０、及び集光構造４０１を備える。
配線層３０４は、例えば、アルミニウムを主成分とする材料で形成されており、拡散抑制膜１０５（図１参照）により覆われていない。アルミニウムを主成分とする材料は、層間絶縁膜を構成するシリコン酸化物に拡散しにくいため、配線層を拡散抑制膜で覆う必要がない。配線層３０４と配線層３０７とは、層間絶縁膜（第３の絶縁膜）３１４及び層間絶縁膜（第１の絶縁膜）３０６により絶縁されている。配線層３０４と配線層３０７との間には、絶縁膜（第２の絶縁膜）３０５が配されている。絶縁膜３０５はシリコン窒化物など、炭素、酸素、窒素のいずれかを含むシリコン系化合物よりなり、その膜厚は約３０ｎｍ以上で４００μｍ以下の範囲でありうる。絶縁膜３０５は、層間絶縁膜３１４の上面を平坦化する工程における研磨停止層として機能する。すなわち、絶縁膜３０５は、配線層３０４の上方で研磨を停止するように、配線層３０４の上方における平面ＰＬ２に沿って延びている。絶縁膜３０５の上面３０５ａと層間絶縁膜３１４における配線層３０４の上に位置した部分の表面３１４ａとは、平面ＰＬ２に沿って連続した面を形成している。これにより、配線層３０４の凹凸による層間絶縁膜３０６の上面における段差を効果的に低減するのに適した構造となっている。配線層３０７は、例えば、アルミニウムを主成分とする材料で形成されており、拡散抑制膜１０８（図１参照）により覆われていない。配線層３１０は、例えば、アルミニウムを主成分とする材料で形成されており、拡散抑制膜１１２（図１参照）により覆われていない。半導体基板ＳＢと配線層３０４とは、層間絶縁膜（第３の絶縁膜）３０３により絶縁されている。配線層３０４、３０７、３１０、及び層間絶縁膜３０３、３０６、３０９、３１１は、半導体基板ＳＢの上における多層配線構造を形成している。この多層配線構造において、半導体基板、各配線層３０４、３０７及び３１０は、任意の箇所で互いにコンタクト（不図示）によって接続されている。
集光構造４０１では、絶縁膜３０５の密度が、中心領域４０１１において周辺領域４０１２より大きくなるように、層間絶縁膜３１４と絶縁膜３０５とが平面ＰＬ２にレイアウトされている。集光構造４０１の細かい構成については、第１の実施形態と同様である。
また、光電変換装置３００の製造方法が、図７（ａ）−（ｃ）に示すように、次の点で第１実施形態と異なる。図７Ａ−７Ｃは、本発明の第２実施形態に係る光電変換装置３００の製造方法を示す工程断面図である。
図７（ａ）に示す工程では、層間絶縁膜３０３を平坦化する。その後、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術により、層間絶縁膜３０３の上に配線層３０４を形成する。その後ＣＶＤ法により、層間絶縁膜３０３及び配線層３０４を覆うように層間絶縁膜３１４となるべきシリコン酸化膜３１４ｉを形成する。加えて、シリコン酸化膜３１４ｉを覆うようにシリコン窒化膜３０５ｉを形成する。
図７（ｂ）に示す工程では、シリコン酸化膜３１４ｉ及びシリコン窒化膜３０５ｉを平坦化することにより、層間絶縁膜３１４及び絶縁膜３０５ｊを形成する。このとき、シリコン窒化膜３０５ｉの平坦な部分がＣＭＰ工程における研磨停止層として機能する。したがって、絶縁膜３０５ｊの上面３０５ａと層間絶縁膜３１４における配線層３０４の上に位置した部分の表面３１４ａとは、平面ＰＬ２（図６参照）に沿って連続した面になる。
図７（ｃ）に示す工程では、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術により、絶縁膜３０５ｊにおける光電変換部１０２に対応した部分をパターニングすることにより、開口を有した絶縁膜３０５を形成する。次にＣＶＤ法により、絶縁膜３０５の開口を満たすとともに絶縁膜３０５の上面を覆うようにシリコン酸化膜をさらに成膜することにより、層間絶縁膜３０６を形成する。これにより、光の波長以下の粗密パターンを用いた集光構造４０１が形成される。
集光構造４０１における中心領域は、受光面の中心と開口領域の中心とを結ぶ直線の通る領域であってもよい。この場合、集光構造４０１における周辺領域は、受光面の中心と開口領域の中心とを結ぶ直線からオフセットされた領域となる。斜め光対策のために、受光面の中心を通る法線が開口領域の中心やマイクロレンズの中心からオフセットしている場合などにおいても、本発明を適用することが可能である。
以上、本発明について実施形態を用いて説明してきた。しかし、本発明の構成は実施形態に限定されることはない。例えば、集光構造は複数段設けられていてもよく、集光構造における層間絶縁膜と拡散抑制膜とのレイアウトパターンも図２に示したパターンに限定されない。各実施形態は適宜組み合わせ可能である。
Claims (13)
- 受光面を有する光電変換部と、
前記光電変換部へ光を集める集光構造と、
を備え、
前記集光構造では、第１の絶縁膜の屈折率より高い屈折率を有する第２の絶縁膜の密度が、前記受光面の中心を通る法線に垂直な平面における中心領域において周辺領域よりも大きくなるように、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが前記平面にレイアウトされており、
前記平面における前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とのレイアウトパターンは、可視光領域の最大波長以下の寸法を有する部分を含む、
ことを特徴とする光電変換装置。 - 前記第２の絶縁膜は、開口を有するとともに前記平面に沿って延びており、
前記第１の絶縁膜は、前記開口を満たしている
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。 - 前記集光構造では、さらに、前記第１の絶縁膜が前記第２の絶縁膜の上面を覆うように配され、前記第２の絶縁膜の屈折率より低い屈折率を有する第３の絶縁膜が前記第２の絶縁膜の下面を覆うように配されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。 - 前記レイアウトパターンでは、複数の円又は複数の多角形が前記法線を中心として前記平面に沿って配されている
ことを特徴とした請求項１に記載の光電変換装置。 - 前記レイアウトパターンでは、複数のホール又はドットが前記法線に関して対称に分布するように前記平面に沿って配されている
ことを特徴とした請求項１に記載の光電変換装置。 - 前記集光構造の上方に配され、前記光電変換部に対する開口領域を規定している第１の配線層と、
前記集光構造の下に配され、前記光電変換部に対する前記開口領域を規定している第２の配線層と、
をさらに備え、
前記中心領域および前記周辺領域は、前記開口領域の中に配されている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第２の配線層は、銅を主成分とする材料で形成されており、
前記第２の絶縁膜は、前記銅を主成分とする材料の拡散を抑制するように、前記第２の配線層を覆うとともに前記平面に沿って延びている
ことを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。 - 前記第２の配線層は、アルミニウムを主成分とする材料で形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。 - 前記第２の絶縁膜は、前記第２の配線層の上方で研磨を停止するように、前記第２の配線層の上方における前記平面に沿って延びている
ことを特徴とする請求項８に記載の光電変換装置。 - 前記第１の絶縁膜は、シリコン酸化物で形成されており、
前記第２の絶縁膜は、炭素、酸素、窒素のいずれかを含むシリコン系化合物で形成されている
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記中心領域は、前記法線の通る領域であり、
前記周辺領域は、前記法線からオフセットした領域である
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記法線から前記開口領域の中心がオフセットしていて、
前記中心領域は、前記受光面の中心と前記開口領域の中心とを結ぶ直線の通る領域であり、
前記周辺領域は、前記直線からオフセットした領域である
ことを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 請求項１から１２のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。
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