JP2011114025A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画素が微細化した固体撮像装置において、光の波長毎に光導波路を最適化する。
【解決手段】固体撮像装置１００は、表面部に第１受光部１０５及び第２受光部１５５を備える半導体基板２００と、半導体基板２００上に設けられた絶縁膜２０７と、絶縁膜２０７上で且つ第１受光部１０５上方に形成され、第１の波長の光を透過させる第１カラーフィルタ２１３と、絶縁膜２０７上で且つ第２受光部１５５上方に形成され、第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過させる第２カラーフィルタ２６３と、第１受光部１０５上方部分の絶縁膜２０７に不純物が含まれた第１高屈折率領域２１４と、第２受光部１５５上方部分の絶縁膜２０７に不純物が含まれた第２高屈折率領域２６４とを備える。第１高屈折率領域２１４と、第２高屈折率領域２６４とは、それぞれに含まれる不純物の元素及び濃度分布の少なくとも一方が異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、受光部の上に光導波路を設けた固体撮像装置及びその製造方法に関する。

近年、固体撮像装置の高集積化、高機能化及び高速化の要求により、固体撮像装置の画素の微細化が行われている。しかし、画素を微細化すると受光部に入射する光が少なくなってしまい感度が低下する。

そこで、できる限り多くの光を受光部に導くために、例えば特許文献１のように、固体撮像装置に光導波路を設ける技術が提案されている。該技術について、以下に、図１０を参照して説明する。

図１０に示すように、特許文献１の固体撮像装置は、半導体基板２４を用いて形成されている。素子分離絶縁膜１３により区画された半導体基板２４上部に受光部１１が設けられ、その上をゲート絶縁膜１２が覆っている。ゲート絶縁膜１２上には、ストッパＳｉＮ膜１４、転送ゲート１６、配線１７及び導電プラグ１８を含む絶縁膜１５が設けられている。絶縁膜１５上にはパッシベーション膜２０、平坦化膜２１、カラーフィルタ２２が順に積層され、その上にはオンチップレンズ２３が設けられている。

また、受光部１１上方において、絶縁膜１５に埋め込まれるように、導波路領域１９が形成されている。導波路領域１９は、絶縁膜１５よりも屈折率が高い光透過性材料によって構成されている。

オンチップレンズ２３から導波路領域１９に入射した可視光は、導波路領域１９と絶縁膜１５との界面において全反射を繰り返し、受光部１１に入射する。ここで、導波路領域１９をテーパー形状とすることにより、更に効率良く入射光を受光部１１に導くことが提案されている。

特開２００４−２２１５３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された固体撮像装置のような、絶縁膜の開口部に該絶縁膜よりも屈折率が高い光透過性材料が埋め込まれた光導波路には、次のような課題がある。つまり、微細が進行して開口部が狭くなると、屈折率の高い光透過性材料を開口部に埋め込むことが困難になり、光導波路にボイド等が発生するという課題である。

また、製造工程においても、開口部の形成工程及び埋め込み工程が増えるため、工数が多くなるという課題がある。

また、異なる波長に対応する画素をそれぞれ有する固体撮像装置の場合、特定の波長に対応する画素以外の画素において感度が低下してしまう場合があった。

また、従来構造においては、導波路に導かれた入射光が、導波路開口部と受光部との界面において反射されてしまい、その結果として感度が低下する場合があった。特に、微細化が進むと取り扱う光の量が小さくなるため、反射波の発生を抑制することは重要である。ここで、反射波の発生を抑制するためには、導波路と受光部の間に反射防止膜を形成する方法が実用化されている。しかしながら、この方法によると、導波路形成前に、別途、反射防止膜を形成する工程が必要である。

以上を鑑み、本発明の目的は、微細化の進行に伴うボイドの発生を避けながら、各波長に応じた最適な光導波路を備える固体撮像装置と、工数の増加を抑制できる前記固体撮像装置の製造方法とを提供することである。

前記の目的を達成するため、本願発明者らは、次のような検討を行なった。

まず、特定の波長に対応する画素以外の画素において感度が低下する要因として、回折、干渉等の物理現象を挙げることができる。本来、光は直進する性質を有しているが、微小開口部に光を入射すると、光の一部は直進せず、開口部外側に回りこむ場合がある。この現象を回折と呼び、一般に、微小開口部の開口幅ｄと波長λの間に、ｄ＜λの関係が成り立つとき、明瞭な回折現象が観測される。

ここで、導波路を有する固体撮像装置においては、導波路から受光部まで損失なく光が伝達される必要がある。しかし、画素の微細化の進行により、導波路の開口幅が可視光波長の領域にまで縮小されると、導波路の開口から受光部までの間において回折等による損失が発生し、結果として固体撮像装置の感度が低下する場合がある。

例えば、波長６５０ｎｍ程度の光を透過するRed フィルタ、波長５５０ｎｍ程度の光を透過するGreen フィルタ、波長４５０ｎｍ程度の光を透過するBlueフィルタを有する固体撮像装置を考える。このような固体撮像装置において、微細化により導波路の開口幅が５５０ｎｍ程度になると、従来の構造の場合には、開口幅がカラーフィルタの色に関わらず一律であるため、波長の長いRed 光については回折が発生してしまう。つまり、Red 光の回折成分を低減するためには、前記開口幅を広げる必要がある。

その一方、ｄ≧λの領域においては、開口幅ｄが狭いほど斜め光成分によるノイズ成分を抑制することができる。よって、波長の短いBlue光については、開口幅を狭くした方がよい場合もある。

同様に、受光部から導波路までの高さについても、波長ごとに最適値があり、相対的に波長が長いほど高さを低くする方が良い。これは、回折光成分を抑制できるためである。

以上のとおり、画素を微細化すると受光部に入射する光が少なくなるため、Ｓ／Ｎ比を向上するには、導波路の開口幅および高さを波長ごとに最適化することが望まれる。

そこで、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板の表面部に設けられた第１受光部及び第２受光部と、第１受光部及び第２受光部上を含む半導体基板上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上で且つ第１受光部上方に形成され、第１の波長の光を透過させる第１カラーフィルタと、絶縁膜上で且つ第２受光部上方に形成され、第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過させる第２カラーフィルタと、第１受光部上方部分の絶縁膜に不純物が含まれた第１高屈折率領域と、第２受光部上方部分の絶縁膜に不純物が含まれた第２高屈折率領域とを備え、第１高屈折率領域と、第２高屈折率領域とは、それぞれに含まれる不純物の元素及び濃度分布の少なくとも一方が異なる。

本発明の固体撮像装置によると、絶縁膜に不純物を含有させることにより高屈折率領域を構成し、光導波路としている。このため、絶縁膜よりも屈折率の高い光透過性材料を開口部に埋め込むことは不要である。よって、ボイドの発生とそれによる特性の劣化を避けながら、画素の微細化を進めることができる。

また、第１高屈折率領域と第２高屈折率領域とは元素及び濃度分布の少なくとも一方が異なり、光導波路としての形状、屈折率等が異なる。このため、第１カラーフィルタ及び第２カラーフィルタによって主に透過された互いに波長の異なる光に対し、それぞれ開口幅、高さを最適化することができ、回折、干渉等の物理現象による感度低下を低減・回避することができる。

尚、第１カラーフィルタ上で且つ第１受光部上方と、第２カラーフィルタ上で且つ第２受光部上方とに形成されたマイクロレンズを更に備えることが好ましい。

これにより、第１受光部及び第２受光部により多くの光を入射させることができ、固体撮像装置の感度を向上することができる。

また、第１高屈折率領域と、第２高屈折率領域とは、それぞれに含まれる不純物の濃度分布が異なることが好ましい。

また、半導体基板の主面方向に関し、第１高屈折率領域の不純物分布幅は、第２高屈折率領域の不純物分布幅よりも広いことが好ましい。

また、第１高屈折率領域と、第２高屈折率領域とは、互いに異なる元素を不純物として含んでいることが好ましい。

第１高屈折率領域と第２高屈折率領域との違いとして、このようになっていても良い。

また、第１受光部の上面から第１高屈折率領域の底面までの距離は、第２受光部の上面から第２高屈折率領域の底面までの距離よりも小さいことが好ましい。

受光部の上面と高屈折率領域の底面との間に距離を置くことにより、回折光及び斜め光の発生を抑制して受光部に入射する光を増加し、固体撮像装置の感度を向上することができる。ここで、対応する光の波長が長いほど前記距離を小さくすることで回折光を抑制できる。よって、第１の波長よりも第２の波長の方が短いのであるから、第１受光部上における前記距離を第２受光部上における前記距離よりも小さくするのがよい。

また、第１高屈折率領域及び第２高屈折率領域の少なくとも一方は、複数の異なる高屈折率領域が積層された構造を有することが好ましい。

このようにすると、界面にて発生する反射波による損失を低減することができる。つまり、高屈折率領域と受光部との屈折率の差が大きい場合、これらの界面において反射波が発生しやすい。そこで、高屈折率領域を２層の積層構造とすると共に、積層構造の下側の高屈折率領域について、上側の高屈折率領域と受光部との中間の屈折率（絶対屈折率）を有するようにする。これにより、屈折率の差を低減し、反射波を低減することができる。

次に、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の表面部に、第１受光部及び第２受光部を形成する工程（ａ）と、第１受光部及び第２受光部上を含む半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、第１受光部上方部分の絶縁膜に不純物を導入し、第１高屈折率領域を形成すると共に、第２受光部上方部分の絶縁膜に不純物を導入し、第２高屈折率領域を形成する工程（ｃ）と、工程（ｃ）の後に、絶縁膜上で且つ第１受光部上方に、第１の波長の光を透過させる第１カラーフィルタを形成すると共に、絶縁膜上で且つ第２受光部上方に、第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過させる第２カラーフィルタを形成する工程（ｄ）とを備え、第１高屈折率領域と、第２高屈折率領域とは、それぞれに含まれる不純物の元素及び濃度分布の少なくとも一方が異なる。

本発明の固体撮像装置の製造方法によると、絶縁膜に不純物を導入することにより光導波路となる高屈折率領域を形成するため、開口部に光透過性材料を埋め込む従来の方法とは異なり、ボイドの発生を避けることができる。よって、ボイドによる特性劣化を避けながら、更に画素の微細化した固体撮像装置を製造することができる。また、絶縁膜へのエッチング等による開口部形成、埋め込み、平坦化等の従来の光導波路を形成するための工程が不要となるため、工程数を削減し、大幅なコストダウンを図ることができる。

尚、工程（ｄ）の後に、第１カラーフィルタ上で且つ第１受光部上方と、第２カラーフィルタ上で且つ第２受光部上方とにマイクロレンズを設ける工程（ｅ）を更に備えることが好ましい。

これにより、受光部に入射する光を増加させるマイクロレンズを備え、感度の向上した固体撮像装置を製造することができる。

また、工程（ｃ）において、第１高屈折率領域に含まれる不純物の濃度分布と、第２高屈折率領域に含まれる不純物の濃度分布とが異なるようにすることが好ましい。

また、工程（ｃ）において、半導体基板の主面方向に関し、第１高屈折率領域の不純物分布幅を、第２高屈折率領域の不純物分布幅よりも広くすることが好ましい。

また、工程（ｃ）において、第１受光部の上面から第１高屈折率領域の底面までの距離を、第２受光部の上面から第２高屈折率領域の底面までの距離よりも小さくすることが好ましい。

また、第１高屈折率領域の下方に第３高屈折率領域を形成する工程と、第２高屈折率領域の下方に第４高屈折率領域を形成する工程とを更に備えることが好ましい。

また、工程（ｃ）において、第１高屈折率領域と、第２高屈折率領域とに対し、互いに異なる元素を不純物として導入することが好ましい。

第１高屈折率領域と第２高屈折率領域との違いを得るために、以上のような方法を取ることができる。このように、絶縁膜に導入する不純物のプロファイルを設定することにより、各高屈折率領域中の任意の領域において屈折率を変化させることができる。従来、光導波路と受光部との界面において発生する反射波を抑制するため、個別の工程を追加して反射防止膜を形成することが行なわれていた。これに対し、本発明の方法によると、不純物プロファイルの設定によって反射防止膜としての機能を設けることも可能である。

本発明の固体撮像装置及びその製造方法によると、ボイドの発生を防ぎながら高屈折率領域を設けることができ、ボイドによる特性劣化無く画素の微細化を進めることができる。また、波長の違いに応じて高屈折率領域の構成を設定することができ、干渉・回折等に起因する特性劣化を避けることもできる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る例示的固体撮像装置の全体構成を模式的に表す図である。 図２は、図１の固体撮像装置の要部断面を模式的に示す図である。 図３は、図１の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 図４は、図３に続いて、図１の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 図５は、図４に続いて、図１の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、図１の固体撮像装置が備える高屈折率領域について説明する図である。 図７は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る例示的固体撮像装置の要部断面を模式的に示す図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る例示的固体撮像装置の要部断面を模式的に示す図である。 図９は、本発明の第３の実施形態に係る例示的固体撮像装置の要部断面を模式的に示す図である。 図１０は、従来の固体撮像装置について示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。尚、各実施の形態については、本発明に係る固体撮像装置の構成及びその作用・効果をわかりやすく説明するための一例とするものであって、本発明は、その要旨とする部分以外について例示内容に限定を受けるものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の例示的固体撮像装置１００及びその製造方法について、以下に説明する。図１は、固体撮像装置１００の要部の平面構成を模式的に示す図である。

図１に示すように、固体撮像装置１００は、マトリクス状にそれぞれ複数配置された第１の画素１０１及び第２の画素１５１と、Ｒｏｗデコーダ１０３及びＣｏｌｕｍｎデコーダ１０４とを備える。

第１の画素１０１は、被写界の光を電気信号に変換する第１受光部１０５と、第１受光部１０５にて変換された電気信号を画素外部に出力する第１回路部１０６とを有する。第２の画素１５１も第１の画素１０１と同様の構成であり、第２受光部１５５と、第２回路部１５６とを有する。

図１には示していないが、第１の画素１０１上方には、主に第１の波長の光を透過する（つまり、第１の波長の光を中心とした所定の波長帯の光を透過する）ための第１カラーフィルタが形成されている。同様に、第２の画素１５１上方には、主に第２の波長の光を透過する（第２の波長の光を中心とした所定の波長帯の光を透過する）ための第２カラーフィルタが形成されている。第１の波長と第２の波長とは異なる場合が多く、一般的な原色フィルタの場合の波長を例示すると、４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍ等である。

尚、第１の波長と第２の波長とは同一であっても良いが、本実施形態では異なると想定して説明する。また、一例としてＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ）型の固体撮像装置を説明しているが、これには限らず、例えばインターライン（ＩＴ）−ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型固体撮像装置等であっても良い。

次に、図２は、固体撮像装置１００の断面図であり、第１の画素１０１及び第２の画素１５１の断面を模式的に示している。図２に示す通り、固体撮像装置１００は、半導体基板２００を用いて形成されている。第１の画素１０１において、半導体基板２００表面の素子分離部絶縁膜２０６によって区画された範囲内に第１受光部１０５が設けられ、その上には表面Ｐ型層２０４が設けられている。更に、表面Ｐ型層２０４上及び半導体基板２００上を覆うようにゲート絶縁膜２０５が設けられている。

ゲート絶縁膜２０５及び素子分離部絶縁膜２０６上には、絶縁膜２０７が設けられている。絶縁膜２０７は、例えばＮＳＧ（NonDoped Silicate Glass ）膜から形成されているが、これには限らない。光透過性を有する膜であれば使用可能であり、例えば、燐、フッ素及びボロンのうちの少なくとも一つをドープしたシリコン酸化膜を用いることもできる。

絶縁膜２０７の内部には、転送ゲート２０８、配線２０９、導電プラグ２１０、配線２０９に使用した金属材料が拡散するのを防ぐ拡散防止膜２１１、第１高屈折率領域２１４が設けられている。絶縁膜２０７上には、パッシベーション膜２２０及び平坦化膜２２１、第１カラーフィルタ２１３が順に積層され、更にその上に第１マイクロレンズ２１２が形成されている。被写界の光は、第１マイクロレンズ２１２によって集光され、第１カラーフィルタ２１３により主に第１の波長の光が透過されて、更に第１高屈折率領域２１４に入射する。ここで、第１高屈折率領域２１４は、絶縁膜２０７に対して相対的に屈折率が高い領域である。

第１高屈折率領域２１４は、第１受光部１０５の上方で且つ第１マイクロレンズ２１２の下方の領域に位置しており、絶縁膜２０７に不純物イオンが導入された構成を有する。一例として不純物イオンにアルゴンを用いる場合、アルゴンのドーズ量を１×１０¹¹atoms／cm² から１×１０¹⁴atoms／cm² まで変化させると、当該領域の屈折率はアルゴン導入前の１．５５から、アルゴン導入後の１．６３に変化する。

このような構造において、第１高屈折率領域２１４に光が入射すると、絶縁膜２０７と第１高屈折率領域２１４との界面では、屈折率の違いから全反射が起る。このため、入射光は損失無く第１受光部１０５に到達することができる。つまり、第１高屈折率領域２１４は、光導波路として機能する。

尚、転送ゲート２０８、配線２０９、導電プラグ２１０及び拡散防止膜２１１は、図１における第１回路部１０６に相当し、第１受光部１０５にて光電変換された電気信号を第１の画素１０１の外部に出力する機能を有する。拡散防止膜２１１については、図２のように均一に形成されていても良いが、必須ではない。

次に、第２の画素１５１について説明する。第２の画素１５１は、第１の画素１０１と同様の構成であり、第２受光部１５５、第２高屈折率領域２６４、第２カラーフィルタ２６３、第２マイクロレンズ２６２等を有する。第１の画素１０１と同一の構成要素については、第２の画素１５１において同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略する。

また、被写界の光は、第２マイクロレンズ２６２によって集光され、第２カラーフィルタ２６３により主に第２の波長の光が透過されて、更に第２高屈折率領域２６４に入射する。第１の画素１０１の場合と同様、絶縁膜２０７よりも屈折率が高いことから、第２高屈折率領域２６４が光導波路として機能する。

以上の通り、第１の画素１０１と第２の画素１５１とは同様の構造を有しており、第１高屈折率領域２１４及び第２高屈折率領域２６４の構成が相違している。相違点については、後により詳しく説明する。

次に、固体撮像装置１００の製造方法について、その工程を示す断面図である図３、図４及び図５を参照して説明する。製造工程は、絶縁膜２０７の形成後、高屈折率領域を決定するレジスト塗布工程と、絶縁膜２０７に不純物を導入する工程と、不純物の濃度分布を一様にする熱処理工程との３つに分けて考えることができる。

図３に示すレジスト塗布工程について説明する。まず、公知の各種技術を用いて、絶縁膜２０７を形成するまでの工程を行なう。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）法等を用いて絶縁膜２０７の上面を平坦化する。

次に、絶縁膜２０７上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、第１レジスト開口３０１及び第２レジスト開口３０２を有するレジスト３０３を形成する。ここで、第１レジスト開口３０１は、第１受光部１０５上方に配置すると共に、形成するべき第１高屈折率領域２１４の寸法及び形状に対応させる。同様に、第２レジスト開口３０２は、第２受光部１５５の上方に配置すると共に、形成するべき第２高屈折率領域２６４の寸法及び形状に対応させる。ここでいう寸法とは半導体基板２００の主面方向の寸法であり、形状とは固体撮像装置１００を平面視した際の形状を意味している。

図３では、第１の画素１０１における第１レジスト開口３０１の寸法と、第２の画素１５１における第２レジスト開口３０２の寸法とは異なっているが、同じであっても構わない。同じである場合、第１高屈折率領域２１４と第２高屈折率領域２６４とが同じ幅になる。

次に、図４に示す不純物導入の工程について説明する。レジスト３０３を塗布した後、レジスト３０３をマスクとして、絶縁膜２０７に不純物イオン４００を注入する。この際、注入条件を変化させることにより、第１高屈折率領域２１４と第２高屈折率領域２６４とについて、深さ及び屈折率を制御することができる。

具体的には、注入時の加速エネルギーを増減することにより、高屈折率領域の深さを設定することができる。また、不純物のドーズ量を増減することにより、導入される不純物の濃度を設定し、それによって屈折率を設定することができる。この際、深い高屈折率領域を形成するためには、ドーズ量を一定にすると共に加速エネルギーを変化させた複数回の注入を行なうのが良い。例えば、ドーズ量をいずれも１×１０¹⁴／ｃｍ² とし、一回目の加速エネルギーを３００ｋｅＶ、２回目の加速エネルギーを８００ｋｅＶとしてアルゴンの注入を行なう。

次に、図５に示す熱処理の工程について説明する。一般に、注入直後の不純物イオンの分布５００には、ばらつきがある。このような分布を一様にするためには、レジスト３０３を除去した後に、熱処理を行なう。熱処理の条件は、不純物が十分に拡散、結合する温度及び時間であれば特に限定されない。一例を挙げると、１５０℃で３００秒の熱処理とする。

例えば、図示の例では、不純物イオンの注入領域は深さ方向に３箇所あるため、熱拡散による不純物分布（つまり、高屈折率領域２１４又は２６４）は、図６（ａ）のようになる。但し、図６（ａ）は形状を強調して表している。また、熱拡散が十分に行なわれたとすると、図６（ａ）における不純物分布の丸みは解消し、図６（ｂ）のようになる。

更に、以上では高屈折率領域の幅が一定である例を説明したが、これには限らない。例えば、図６（ｃ）のように、光の入射側から受光部の側に向かって幅の狭くなるような形状等としても良い。これについても、イオン注入、熱処理等の条件設定により実現できる。

この後、図２に示すパッシベーション膜２２０、平坦化膜２２１、第１カラーフィルタ２１３及び第２カラーフィルタ２６３、第１マイクロレンズ２１２及び第２マイクロレンズ２６２等を順次形成する。以上の工程を含む製造方法により、固体撮像装置１００を製造することができる。

従来では、絶縁膜に設けた開口部に対して光透過性材料を埋め込むことにより光導波路を形成していたため、埋め込みの不良によりボイドが発生していた。しかしながら、本実施形態の方法によると、絶縁膜２０７に不純物イオンを導入することにより第１高屈折率領域２１４及び第２高屈折率領域２６４を形成するため、ボイドの発生を避けることができる。このため、ボイド及びそれによる特性劣化を生じることなく画素の微細化を進めることができる。

また、不純物イオンの導入の際に、第１レジスト開口３０１及び第２レジスト開口３０２の寸法を設定し、不純物イオンが導入される領域を任意に設定することができる。これにより、カラーフィルタを透過する光の波長に合わせて導波路の形状を最適化することができる。

より具体的な例として、第１高屈折率領域２１４上方に設けられている第１カラーフィルタ２１３がRed フィルタであり、第２高屈折率領域２６４上方に設けられている第２カラーフィルタ２６３がBlueフィルタである場合を考える。この場合、第１カラーフィルタ２１３が主に透過する第１の波長（Red 光の波長）は、第２カラーフィルタが主に透過する第２の波長（Blue光の波長）よりも長い。

このような場合、図２に示すように、第１高屈折率領域２１４の幅２３１を、第２高屈折率領域２６４の幅２８１よりも広くする。尚、ここで言う幅とは、半導体基板２００の主面方向の寸法である。

このようにすると、相対的に波長の長い第１の波長の光について、第１高屈折率領域２１４の幅２３１がより広くなっていることから、回折光の発生を抑制するために有利である。また、相対的に波長の短い第２の波長の光について、第２高屈折率領域２６４の幅２８１がより狭くなっていることから、斜め光成分によるノイズ成分を抑制するために有利である。このように、波長毎に高屈折率領域の幅及び高さを最適化し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。尚、当然ながら、Red フィルタ及びBlueフィルタを用いる前記の例には限らず、他の種類のフィルタの組み合わせであっても良い。

特に、微細化が進行すると、取り扱う光の波長によっては、開口幅（高屈折率領域の幅）が波長よりも小さくなることも考えられる。そこで、扱う光の波長が相対的に長いほど、開口幅を広くすることにより、微細化の進行した固体撮像装置のＳ／Ｎ比を顕著に向上させることができる。

（第１の実施形態の変形例）
次に、第１の実施形態の変形例を説明する。図７は、本変形例の固体撮像装置７００の構成を示す図である。ここで、固体撮像装置７００の構成のうち、第１の実施形態の固体撮像装置１００と共通の部分については同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略し、相違点を主に説明する。

固体撮像装置７００において、第２の画素１５１に設けられた第２高屈折率領域７０１の幅７０２が、第１の画素１０１に設けられた第１高屈折率領域２１４の幅２３１と等しい。また、第１高屈折率領域２１４と、第２高屈折率領域７０１とは、導入されている不純物の濃度及び元素の少なくとも一方が異なっている。

このように、使用する不純物の元素の違い、濃度の違い等により、第１高屈折率領域２１４の屈折率と第２高屈折率領域７０１の屈折率とは異なるようになる。具体的な元素及び濃度は、各高屈折率領域の寸法（高さ・径）等に応じて設定される。これにより、それぞれ所定のカラーフィルタを備え、対応する光の波長が異なる個々の画素に対し、それぞれ最適化することができる。固体撮像装置の微細化に伴い、屈折率の高い光透過性材料を開口部に埋め込む方法による光導波路の寸法の最適化が困難化している。これに比べると、不純物の種類・濃度による最適化は容易である。

例えば、色毎に屈折率を最適化することにより、高屈折率領域内における光伝播をシングルモードに近い状態として、高屈折率領域内における光の損失を最小限に抑えることができる。この結果、固体撮像層の感度を向上することができる。また、高屈折率領域からの光の浸み出しを減少させて、スミアを改善することも可能になる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の例示的固体撮像装置８００について、その構成を模式的に示す図８を用いて説明する。ここで、固体撮像装置８００の構成のうち、第１の実施形態の固体撮像装置１００と共通の部分については同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略し、相違点を主に説明する。

固体撮像装置８００において、第１の画素１０１に第１高屈折率領域８０１が設けられ、第２の画素１５１に第２高屈折率領域８０２が設けられている。第１高屈折率領域８０１は、第１受光部１０５上方の部分の絶縁膜２０７に不純物を導入することにより構成され、ゲート絶縁膜２０５から高さ８０３をもって第１受光部１０５に対向している。同様に、第２高屈折率領域８０２は、第２受光部１５５の上方の部分の絶縁膜２０７に不純物を導入することにより構成され、ゲート絶縁膜２０５から高さ８０４をもって第２受光部１５５に対向している。

ここで、第１カラーフィルタ２１３が主に透過する第１の波長は、第２カラーフィルタが主に透過する第２の波長よりも長い場合を考える。このとき、第１高屈折率領域８０１の高さ８０３を、第２高屈折率領域８０２の高さ８０４よりも低いようにすると、回折光を抑制して固体撮像装置８００のＳ／Ｎ比を向上することができる。

つまり、光導波路の形成された高さ（受光部の上面から、高屈折率領域の底面までの距離）についても、回折の発生を避けるために、波長毎の最適値がある。ここで、波長が長いほど、光導波路の高さは低いことが望ましい。そこで、相対的に長い第１の波長の光に対応する第１高屈折率領域８０１について、その高さ８０３を第２高屈折率領域８０２の高さ８０４よりも低くする。これにより、回折光の発生を抑制することができる。

尚、本実施形態における第１高屈折率領域８０１及び第２の高屈折率領域８０２についても、図６（ａ）及び（ｂ）に示した第１の実施形態の例と同様に、不純物の分布によって形成されている。但し、本実施形態の場合、不純物は、第１受光部１０５及び第２受光部１５５のそれぞれから所定の高さだけ離れて分布している
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態の例示的固体撮像装置９００について、その構成を模式的に示す図９を用いて説明する。ここで、固体撮像装置９００の構成のうち、第１の実施形態の固体撮像装置１００と共通の部分については同じ符号を用いることにより詳しい説明を省略し、相違点を主に説明する。

図９に示すように、固体撮像装置９００において、それぞれの画素に、いずれも２層の高屈折率領域が積層して形成されている。

つまり、第１受光部１０５上方にゲート絶縁膜２０５から所定の距離をもって第１高屈折率領域９０１が形成されていると共に、ゲート絶縁膜２０５と第１高屈折率領域９０１との間に第３高屈折率領域９０３が形成されている。ここで、第３高屈折率領域９０３の屈折率は、第１高屈折率領域９０１の屈折率よりも小さく、第１受光部１０５の屈折率よりも大きい。

同様に、第２受光部１５５の上方にゲート絶縁膜２０５から所定の距離をもって第２高屈折率領域９０２が形成されていると共に、ゲート絶縁膜２０５と第２高屈折率領域９０２との間に第４高屈折率領域９０４が形成されている。ここで、第４高屈折率領域９０４の屈折率は、第２高屈折率領域９０２の屈折率よりも小さく、第２受光部１５５の屈折率よりも大きい。

このようにすると、シリコン界面（表面Ｐ型層２０４と、ゲート絶縁膜２０５との界面）における光の反射を抑制し、固体撮像装置９００の感度を向上することができる。これを以下に説明する。

固体撮像装置９００において、ゲート絶縁膜２０５は非常に薄い膜（数十ｎｍオーダー）であることから、ゲート絶縁膜２０５とシリコンと表面P型層２０４間の反射が支配的になっている。

第１高屈折率領域９０１がゲート絶縁膜２０５上に形成されている場合、屈折率の差が大きいために、前記シリコン界面において反射光を発生させやすい。

そこで、ゲート絶縁膜２０５と第１高屈折率域９０１と間に、これらの中間の屈折率を有する第３高屈折率領域９０３を形成する。これにより、屈折率の差を小さくすることができ、前記シリコン界面における光の反射を抑制できる。結果として受光部に取り込まれる入射光が増えるため、固体撮像装置９００の感度が向上する。

第２の画素１５１においても同様に、第４高屈折率領域９０４を設けることにより、反射光を低減させて第２受光部１５５に入射する光を増やすことができ、固体撮像装置９００の感度を向上することができる。

尚、第３高屈折率領域９０３及び第４高屈折率領域９０４についても、絶縁膜２０７に対する不純物の導入によって形成することができる。つまり、第１高屈折率領域９０１及び第２高屈折率領域９０２について、第３の実施形態の場合と同様に受光部の上面から所定の距離だけ離れて不純物を分布させることによりを形成する。これに加えて、第１高屈折率領域９０１及び第２高屈折率領域９０２よりも下方において高濃度になるように不純物を分布させることにより、第３高屈折率領域９０３及び第４高屈折率領域９０４を形成する。

このため、受光部上での反射光を低減する反射防止膜を設けるために製造工程を追加することは不要であり、工程数を削減することができる。

また、各実施形態の構成を組み合わせて使用することも可能である。つまり、互いに異なる幅を有し且つ受光部からの高さが異なる第１高屈折率領域及び第２高屈折率領域とする等も可能である。

以上説明したように、本発明によると、特性劣化を避けながら画素を微細化することができ、高集積化、高機能化及び高速化が進んだ固体撮像装置及びその製造方法としても有用である。

１００ 固体撮像装置
１０１ 第１の画素
１０３ Ｒｏｗデコーダ
１０４ Ｃｏｌｕｍｎデコーダ
１０５ 第１受光部
１０６ 第１回路部
１５１ 第２の画素
１５５ 第２受光部
１５６ 第２回路部
２００ 半導体基板
２０４ 表面Ｐ型層
２０５ ゲート絶縁膜
２０６ 素子分離部絶縁膜
２０７ 絶縁膜
２０８ 転送ゲート
２０９ 配線
２１０ 導電プラグ
２１１ 拡散防止膜
２１２ 第１マイクロレンズ
２１３ 第１カラーフィルタ
２１４ 第１高屈折率領域
２２０ パッシベーション膜
２２１ 平坦化膜
２３１ 幅
２６２ 第２マイクロレンズ
２６３ 第２カラーフィルタ
２６４ 第２高屈折率領域
２８１ 幅
３０１ 第１レジスト開口
３０２ 第２レジスト開口
３０３ レジスト
４００ 不純物イオン
５００ 不純物イオンの分布
７００ 固体撮像装置
７０１ 第２高屈折率領域
７０２ 幅
８００ 固体撮像装置
８０１ 第１高屈折率領域
８０２ 第２高屈折率領域
８０３ 高さ
８０４ 高さ
９００ 固体撮像装置
９０１ 第１高屈折率領域
９０２ 第２高屈折率領域
９０３ 第３高屈折率領域
９０４ 第４高屈折率領域

Claims (14)

1. 半導体基板の表面部に設けられた第１受光部及び第２受光部と、
   前記第１受光部及び前記第２受光部上を含む前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、
   前記絶縁膜上で且つ前記第１受光部上方に形成され、第１の波長の光を透過させる第１カラーフィルタと、
   前記絶縁膜上で且つ前記第２受光部上方に形成され、前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過させる第２カラーフィルタと、
   前記第１受光部上方部分の前記絶縁膜に不純物が含まれた第１高屈折率領域と、
   前記第２受光部上方部分の前記絶縁膜に不純物が含まれた第２高屈折率領域とを備え、
   前記第１高屈折率領域と、前記第２高屈折率領域とは、それぞれに含まれる不純物の元素及び濃度分布の少なくとも一方が異なることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１において、
   前記第１カラーフィルタ上で且つ前記第１受光部上方と、前記第２カラーフィルタ上で且つ前記第２受光部上方とに形成されたマイクロレンズを更に備えることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１高屈折率領域と、前記第２高屈折率領域とは、それぞれに含まれる不純物の濃度分布が異なることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一つにおいて、
   前記半導体基板の主面方向に関し、前記第１高屈折率領域の不純物分布幅は、前記第２高屈折率領域の不純物分布幅よりも広いことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
   前記第１受光部の上面から前記第１高屈折率領域の底面までの距離は、前記第２受光部の上面から前記第２高屈折率領域の底面までの距離よりも小さいことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一つにおいて、
   前記第１高屈折率領域及び前記第２高屈折率領域の少なくとも一方は、複数の異なる高屈折率領域が積層された構造を有することを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一つにおいて、
   前記第１高屈折率領域と、前記第２高屈折率領域とは、互いに異なる元素を不純物として含んでいることを特徴とする固体撮像装置。
8. 半導体基板の表面部に、第１受光部及び第２受光部を形成する工程（ａ）と、
   前記第１受光部及び前記第２受光部上を含む前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記第１受光部上方部分の前記絶縁膜に不純物を導入し、第１高屈折率領域を形成すると共に、前記第２受光部上方部分の前記絶縁膜に不純物を導入し、第２高屈折率領域を形成する工程（ｃ）と、
   前記工程（ｃ）の後に、前記絶縁膜上で且つ前記第１受光部上方に、第１の波長の光を透過させる第１カラーフィルタを形成すると共に、前記絶縁膜上で且つ前記第２受光部上方に、前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を透過させる第２カラーフィルタを形成する工程（ｄ）とを備え、
   前記第１高屈折率領域と、前記第２高屈折率領域とは、それぞれに含まれる不純物の元素及び濃度分布の少なくとも一方が異なることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
9. 請求項８において、
   前記工程（ｄ）の後に、前記第１カラーフィルタ上で且つ前記第１受光部上方と、前記第２カラーフィルタ上で且つ前記第２受光部上方とにマイクロレンズを設ける工程（ｅ）を更に備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
10. 請求項８又は９において、
    前記工程（ｃ）において、前記第１高屈折率領域に含まれる不純物の濃度分布と、前記第２高屈折率領域に含まれる不純物の濃度分布とが異なるようにすることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか一つにおいて、
    前記工程（ｃ）において、前記半導体基板の主面方向に関し、前記第１高屈折率領域の不純物分布幅を、前記第２高屈折率領域の不純物分布幅よりも広くすることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
12. 請求項８〜１１のいずれか一つにおいて、
    前記工程（ｃ）において、第１受光部の上面から前記第１高屈折率領域の底面までの距離を、前記第２受光部の上面から前記第２高屈折率領域の底面までの距離よりも小さくすることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか一つにおいて、
    前記第１高屈折率領域の下方に第３高屈折率領域を形成する工程と、
    前記第２高屈折率領域の下方に第４高屈折率領域を形成する工程とを更に備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
14. 請求項８〜１３のいずれか一つにおいて、
    前記工程（ｃ）において、前記第１高屈折率領域と、前記第２高屈折率領域とに対し、互いに異なる元素を不純物として導入することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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