JP2011238636A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混色による画像劣化を抑制する固体撮像素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】固体撮像素子であって、シリコン基板２０４内に、当該基板面方向に二次元配列されて形成された、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数のＰＤ２０７と、複数のＰＤ２０７の間に配置されたｐウェル２０６と、シリコン基板２０４の上に形成されたカラーフィルタ２１０と、カラーフィルタ２１０の上であって、ＰＤ２０７の上部領域に開口部を備えたクラッド層２１３と、当該開口部を埋め込むように形成され、クラッド層２１３より屈折率が高いコア層２１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に混色の発生を抑制することができる固体撮像素子及びその製造方法に関する。

近年、急速に普及してきたデジタルスチルカメラに代表されるＣＣＤイメージセンサ（以下、ＣＣＤと記す）には、多画素化や高性能化、小型化が求められている。特に多画素化に対する市場要望は非常に高く、ＣＣＤのセル微細化は必要不可欠となってきている。

しかし、セル微細化は、セル開口の低下を招き、感度低下を引き起こすという問題が生じる。この感度低下を抑制するため、従来の基板表面上に電極や配線を形成し、その上方から光を入射させる表面照射型の固体撮像素子に対し、基板裏面側から光を入射させる固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１）。裏面照射型の固体撮像素子は、電極や配線を形成していない裏面側を受光部として用いるため、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

以下、裏面照射型の固体撮像素子の構造について説明する。図７は、従来の裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。同図に記載された固体撮像素子５００は、基板支持材料５０１と、密着層５０２と、配線層５０３と、シリコン基板５０４と、酸化膜５１５と、遮光膜５０９と、パッシベーション膜５１４と、平坦化層５１６と、カラーフィルタ５１０と、マイクロレンズ５１１とを備える。

各画素の受光部を形成するフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ−Ｄｉｏｄｅ：以下、ＰＤと記す）５０７がシリコン基板５０４内に形成されている。シリコン基板５０４上にゲート電極や配線から成る配線層（図７では、シリコン基板の下側に配置）５０３が形成され、さらに配線層５０３の表面に密着層５０２を介してシリコンなどからなる基板支持材料（図７では、配線層５０３の下側に配置）５０１が接着される。基板支持材料５０１に固定されたシリコン基板５０４は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等で研磨され所望の膜厚ｔに加工される。更に、シリコン基板５０４を挟んで、配線層５０３と対向する面に遮光膜５０９、カラーフィルタ５１０及びマイクロレンズ５１１が形成される。このような構造をとることにより、従来の表面照射型の固体撮像素子に比べて大きな開口から、ＰＤ５０７に光を導入することができるため、感度向上を図ることができる。

ここで、ＰＤ５０７などからなる受光部の構造について説明する。n型拡散層からなるＰＤは、p型拡散層であるpウェル５０６により、隣接するＰＤと分離されている。シリコン基板５０４の配線層５０３に接する側（以降、表面側と記述する）の界面にはp⁺型拡散層である暗電流防止層５０５が配置され、表面側のシリコン界面で発生する暗電流を抑制している。また、シリコン基板の配線層の反対側（以降、裏面側と記述する)の界面にもp⁺型拡散層である暗電流防止層５０８が配置され、同じく、裏面側のシリコン界面で発生する暗電流を抑制している。このようにn型拡散層であるフォトダイオードはp型拡散層で囲まれた構成となっている。

特開２００９−６５０９８号公報

しかしながら、図７を用いて説明をした裏面照射型の固体撮像素子は、受光部の開口を大きくとることができ、感度向上を図ることができる一方、混色が発生し、画質が低下するという課題がある。つまり、図７において、マイクロレンズ５１１に垂直に入射した光は、フォトダイオード５０７上に集光するが、斜めに入射した光が、隣接するフォトダイオード５０７まで直接届いて光電変換された場合、発生した電子は当該フォトダイオード５０７に蓄積され、その結果混色が生じる。また、フォトダイオード５０７に隣接するpウェルまで到達した光が光電変換され、発生した電子が、隣接するフォトダイオード５０７に漏れ込んだ場合でも混色は発生する。

この混色は、シリコン基板の厚さtとセルサイズに依存する。斜め光の影響を低減するためには、シリコン基板の厚さtを薄くする必要があるが、シリコン基板を薄くすると十分に入射した光を吸収することができず、裏面照射型の固体撮像素子の本来の目的である高感度化を図ることができなくなる。また、セル微細化に伴い、隣接するフォトダイオード５０７の間の距離は縮まり、より混色が発生しやすい状況となっている。

上述したように、高感度化を目的とした裏面照射型の固体撮像素子であっても、高画質な画像を得るためには、混色の抑制が必要不可欠である。本発明の目的とするところは、上記課題を鑑みて、低混色の固体撮像素子を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板内であって、基板面方向に二次元配列されて形成され、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数の受光部と、前記複数の受光部の各々の間に配置され、前記複数の受光部を受光部ごとに分離する分離部と、前記半導体基板の上に形成され、入射光を分光するカラーフィルタと、前記カラーフィルタの上に形成され、前記複数の受光部の上部領域に開口部を備えた低屈折率膜と、前記開口部を埋め込むように形成され、前記低屈折率膜よりも屈折率が高い高屈折率膜とを備えたことを特徴とする。

本態様によれば、マイクロレンズに入射した光は、高屈折率膜の入り口近辺に集光されて高屈折率膜に導入される。高屈折率膜は、低屈折率膜に比べ、導入された入射光の斜め成分は垂直方向に屈折され（垂直方向に矯正され）る。そして、屈折した光は、高屈折率膜と低屈折率膜との境界である導波路側壁で全反射して、高屈折率膜で形成される導波路内に閉じ込められる。よって、隣接する受光部への光入射が防止されるため、混色の発生を低減することができる。

また、カラーフィルタを挟んで半導体基板と反対側に、上記高屈折率膜及び低屈折率膜からなる光導波領域を形成しているので、受光部が当該光導波領域の形成のために用いる材料により汚染されることを抑制することが可能となる。よって、受光部での暗電流の発生を抑制することができる。

また、カラーフィルタを挟んで半導体基板と反対側に、上記高屈折率膜及び低屈折率膜からなる光導波領域を形成しているので、当該光導波領域形成時にＲＩＥ等のエッチングを用いた場合でも、受光部へのエッチングダメージを抑制することが可能となる。よって、受光部での暗電流の発生を抑制することができる。

また、さらに、前記複数の受光部に蓄積した前記信号電荷を読み出し、前記信号電荷を転送する垂直転送レジスタを備え、前記垂直転送レジスタは、前記半導体基板に形成された前記複数の受光部が配列された面の下側に配置されていてもよい。

これにより、ＣＣＤ型の固体撮像素子において、半導体基板の入射光側には、垂直転送レジスタの構成要素である電極や配線が形成されていないので、混色の発生を低減できる。また、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

また、さらに、前記複数の受光部に蓄積した前記信号電荷を読み出す電荷転送トランジスタと、前記電荷転送トランジスタを介して転送された前記信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンアンプとを備え、前記電荷転送トランジスタと前記フローティングディフュージョンアンプとは、前記半導体基板に形成された前記複数の受光部が配列された面の下側に配置されていてもよい。

これにより、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子において、半導体基板の入射光側には、フローティングディフュージョンアンプの構成要素である電極や配線が形成されていないので、混色の発生を低減できる。また、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

また、前記開口部に埋め込まれた前記高屈折率膜の前記半導体基板面に平行な面の断面積が、前記半導体基板から離れるほど大きくなっていることが好ましい。

本態様によれば、高屈折率膜の開口部は、光の入射方向に対してテーパ形状となっている。つまり、高屈折率膜の基板面方向の断面積が、半導体基板から離れるほど大きくなっている。よって、高屈折率膜が上記テーパ形状を有していない固体撮像素子と比較して、マイクロレンズより入射した光が、より多く光導波領域に導入されるので、混色の発生を低減するとともに、感度向上を図ることができる。

また、さらに、前記高屈折率膜の上であって前記複数の受光部の上部領域に形成された複数のマイクロレンズを備えることが好ましい。

これにより、入射光は、高屈折率膜の入り口近辺に集光されて高屈折率膜に導入される。よって、感度向上を図ることができる。

また、前記複数のマイクロレンズは、前記高屈折率膜で形成されていてもよい。

本態様によれば、マイクロレンズと高屈折率膜とは、同じ高屈折率材料を用いて形成されている。よって、マイクロレンズと高屈折率膜との界面で生じる入射光の反射を抑制することができるため、混色の発生を低減するとともに、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。

また、本発明は、上記のような特徴を有する固体撮像素子として実現することができるだけでなく、固体撮像素子に含まれる特徴的な手段をステップとする固体撮像素子の製造方法として実現することができる。

本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、カラーフィルタ上に光導波領域を設けることにより、入射光は光導波領域を介して、受光部に導入される。これにより、導波路領域の上面から入射した斜め光が垂直方向に屈折され（垂直方向に矯正され）、その光が導波路側壁で全反射して導波路内に閉じ込められる。そのため、当該光が隣接する受光部への入射することを防止できるので、混色の発生を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施の形態１に係る固体撮像素子の要部である光導波領域の製造工程図である。 本発明の実施の形態２に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施の形態２に係る固体撮像素子の要部である光導波領域の製造工程図である。 本発明の実施の形態３に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、実施の形態３に係る固体撮像素子の要部である光導波領域の製造工程図である。 従来の裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

尚、以下の説明で用いる実施の形態については、本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法を分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についてこれらに限定を受けるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。同図に記載された固体撮像素子１は、基板支持材料２０１と、密着層２０２と、配線層２０３と、シリコン基板２０４と、酸化膜２１５と、遮光膜２０９と、パッシベーション膜２１４と、平坦化層２１６と、カラーフィルタ２１０と、コア層２１７と、クラッド層２１３と、マイクロレンズ２１１とを備える。

シリコン基板２０４は、半導体基板であり、当該基板内に入射した光を光電変換し信号電荷を生成して蓄積するＰＤ２０７が、当該基板内に二次元配列されて形成されている。ＰＤ２０７は、受光部に相当する。このＰＤ２０７をｐ型拡散層であるｐウェル２０６が囲んでいる。ｐウェル２０６は、各ＰＤ２０７の間に配置され、ＰＤ２０７を分離する分離部である。シリコン基板２０４の表面及び裏面（シリコン基板２０４の表面は図１の下側、裏面は図１の上側）には、それぞれ、後述の配線層２０３及び酸化膜２１５との界面で発生する暗電流を抑制するｐ⁺拡散層から成る暗電流防止層２０５、２０８が形成されている。

シリコン基板２０４の表面には、例えば、ポリシリコンから成るゲート電極２１８が形成されている。また、図示していないが、シリコン基板２０４の表面には、ＰＤ２０７に蓄積された信号電荷を転送する電荷転送トランジスタ、転送された信号電荷を排出するリセットトランジスタ、転送された信号電荷を信号電圧に変換するフローティングディフュージョン（以下、ＦＤと記す）、及びＦＤでの信号電圧を増幅する増幅トランジスタが形成されている。なお、ＦＤ及び上記増幅トランジスタは、ＦＤアンプを構成している。

そして、上記トランジスタのソース、ドレインやゲート電極に電圧や電流を供給する、または、増幅トランジスタからの出力を読み出すための配線層２０３が形成されている。更に、配線層２０３表面（配線層２０３表面は図１の下側）には、シリコン基板２０４を所望の厚さにするために用いる基板支持材料２０１が密着層２０２を介して形成されている。尚、シリコン基板２０４の裏面側をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等を用いて研磨することで、所望の厚さにすることが可能となる。これにより、電極や配線を形成していない裏面側を受光部として用いるので、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

一方、シリコン基板２０４の裏面側には、酸化膜２１５が形成され、さらに遮光膜２０９が形成されている。この遮光膜２０９上にパッシベーション膜２１４、平坦化層２１６を介して、カラーフィルタ２１０が形成されている。このカラーフィルタ２１０上に、ＰＤ２０７の上部領域が開口された、低屈折率膜であるクラッド層２１３が形成され、さらに、少なくともクラッド層２１３の開口部にコア層２１７が形成されている。このコア層２１７は、クラッド層２１３よりも高屈折率の材料で形成された高屈折率膜であり、この両層で、光導波領域を形成している。ここで、クラッド層２１３には、例えば、屈折率１．４〜１．５のフッ素系樹脂を用い、コア層２１７には、クラッド層２１３よりも屈折率の高い、例えば、屈折率１．７〜１．９のチタニウムやジルコニウムといった無機粒子を含有した樹脂を用いる。この光導波領域上部にマイクロレンズ２１１が形成され、本実施の形態の固体撮像素子１を構成している。

図１からも判るように、マイクロレンズ２１１に入射した光は、コア層２１７の入り口近辺に集光されてコア層２１７に導入される。コア層２１７は、クラッド層２１３に比べ、屈折率が高いために、導入された光の斜め成分は垂直方向に屈折され（垂直方向に矯正され）る。そして、屈折した光は、コア層２１７とクラッド層２１３との境界である導波路側壁で全反射して、コア層２１７で形成される導波路内に閉じ込められる。よって、隣接するＰＤ２０７への光入射が防止されるため、混色の発生を低減することができる。

また、カラーフィルタを挟んでシリコン基板２０４と反対側に光導波領域を形成しているので、当該光導波領域の形成のために用いる材料による汚染を抑制することが可能となる。よって、ＰＤ領域での暗電流の発生を抑制することができる。

また、カラーフィルタを挟んでシリコン基板２０４と反対側に光導波領域を形成しているので、当該光導波領域形成時にＲＩＥ等のエッチングを用いた場合でも、ＰＤ領域へのエッチングダメージを抑制することが可能となる。よって、ＰＤ領域での暗電流の発生を抑制することができる。

なお、上記ＦＤアンプ、電荷転送トランジスタ及びリセットトランジスタは、二次元配列された複数のＰＤ２０７が形成された面と同一面に配置されていてもよい。この場合にも、シリコン基板２０４の裏面側には電極や配線が形成されていないので、混色の発生を低減できるとともに、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、実施の形態１に係る固体撮像素子１の要部である光導波領域の製造工程図である。図２では、便宜上、シリコン基板２０４及びその表面に形成された部分を省略し、カラーフィルタ２１０を形成した後の製造方法について記載している。

まず、図示していないが、シリコン基板２０４内に、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数のＰＤ２０７を基板面方向に二次元状に分離形成する。本工程は受光部形成工程に相当する。

次に、シリコン基板２０４の上に、酸化膜２１５、遮光膜２０９、パッシベーション膜２１４、及び平坦化層２１６を、この順で形成した後、平坦化層２１６の上に、入射光を分光するカラーフィルタ２１０を形成する。このカラーフィルタ２１０を形成する工程は、カラーフィルタ形成工程に相当する。

次に、図２（ａ）に示すように、カラーフィルタ２１０上に、後述のクラッド層２１３となる低屈折率材料２１３ａをスピンコート等により（例えば、２．０ｕｍ）塗布する。低屈折率材料２１３ａは、例えば、屈折率１．４〜１．５程度のフッ素系樹脂である。その後、ポストベークすることで、低屈折率材料２１３ａを硬化させる。図２（ａ）に記載された工程は、低屈折率膜形成工程に相当する。

次に、図２（ｂ）に示すように、低屈折率材料２１３ａ上にフォトレジストを形成し、後述のコア層２１７が形成される領域（ＰＤ２０７上）を開口するように、フォトレジストの一部を除去する（図示せず）。このフォトレジストをマスクとし、低屈折率材料２１３ａを、例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により除去することで、クラッド層２１３が形成される。図２（ｂ）に記載された工程は、開口部形成工程に相当する。

次に、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）で形成されたフォトレジストを完全に除去した後に、高屈折率材料、例えば、屈折率１．７〜１．９のチタニウムを含有した樹脂をスピンコート等により塗布する。この際、スピンコートで塗布することで、上記ＲＩＥで除去した領域に高屈折率材料が埋め込まれ、コア層２１７が形成される。図２（ｃ）に記載された工程は、高屈折率膜形成工程に相当する。

次に、図２（ｄ）に示すように、図２（ｃ）で形成されたコア層２１７の上に、マイクロレンズを形成するための樹脂２１１ａと、樹脂２１１ａの上にマイクロレンズの形状を形成するためのフォトレジストとをスピンコート等により塗布する。その後、上記フォトレジストを、フォトリソグラフィー技術により、カラーフィルタ２１０の位置に対応させて、矩形の断面形状に加工する。そして、矩形の断面形状に加工されたフォトレジストを、高温アニールすることで、例えば、図２（ｄ）に記載されたような、円形の凸型断面形状を有するフォトレジスト３１８形状を形成する。

最後に、図２（ｅ）に示すように、図２（ｄ）で形成された、マイクロレンズを形成するための樹脂２１１ａ及びフォトレジスト３１８を、例えば、ＲＩＥを用いてエッチバックすることにより、マイクロレンズ２１１が形成され、本実施の形態の固体撮像素子１が完成する。図２（ｄ）及び図２（ｅ）に記載された工程は、マイクロレンズ形成工程に相当する。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。同図に記載された固体撮像素子２は、基板支持材料２０１と、密着層２０２と、配線層２０３と、シリコン基板２０４と、酸化膜２１５と、遮光膜２０９と、パッシベーション膜２１４と、平坦化層２１６と、カラーフィルタ２１０と、コア層３１７と、クラッド層３１３と、マイクロレンズ２１１とを備える。

実施の形態２に係る固体撮像素子２と実施の形態１に係る固体撮像素子１が異なる点は、コア層３１７の断面積がシリコン基板２０４より離れるほど大きくなっている点である。実施の形態１と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。

図３からも判るように、マイクロレンズ２１１に入射した光は、コア層３１７の入り口近辺に集光されてコア層３１７に導入される。コア層３１７は、クラッド層３１３に比べ、屈折率が高いために、導入された光の斜め成分は垂直方向に屈折され（垂直方向に矯正され）る。そして、屈折した光は、コア層３１７とクラッド層３１３との境界である導波路側壁で全反射して、コア層３１７で形成される導波路内に閉じ込められる。このとき、コア層３１７は、光の入射方向に対してテーパ形状となっている。つまり、コア層３１７の基板面方向の断面積が、シリコン基板２０４から離れるほど大きくなっている。逆に言うと、クラッド層３１３の基板面方向の断面積が、シリコン基板２０４から離れるほど小さくなっている。よって、コア層３１７が上記テーパ形状を有していない固体撮像素子と比較して、本実施の形態に係る固体撮像素子２は、マイクロレンズ２１１より入射した光が、より多く光導波領域に導入されるので、混色の発生を低減するとともに、感度向上を図ることができる。

また、カラーフィルタを挟んでシリコン基板２０４と反対側に光導波領域を形成しているので、当該光導波領域の形成のために用いる材料による汚染を抑制することが可能となる。よって、ＰＤ領域での暗電流の発生を抑制することができる。

また、カラーフィルタを挟んでシリコン基板２０４と反対側に光導波領域を形成しているので、当該光導波領域形成時に等方性エッチングを用いた場合でも、ＰＤ領域へのエッチングダメージを抑制することが可能となる。よって、ＰＤ領域での暗電流の発生を抑制することができる。

次に、本発明の実施の形態１に係る固体撮像素子１の製造方法を説明する。図４（ａ）〜図４（ｅ）は、実施の形態２に係る固体撮像素子の要部である光導波領域の製造工程図である。図４では、便宜上、シリコン基板２０４及びその表面に形成された部分を省略し、カラーフィルタ２１０を形成した後の製造方法について記載している。

まず、図示していないが、シリコン基板２０４内に、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数のＰＤ２０７を基板面方向に二次元状に分離形成する。本工程は受光部形成工程に相当する。

次に、シリコン基板２０４の上に、酸化膜２１５、遮光膜２０９、パッシベーション膜２１４、及び平坦化層２１６を、この順で形成した後、平坦化層２１６の上に、入射光を分光するカラーフィルタ２１０を形成する。このカラーフィルタ２１０を形成する工程は、カラーフィルタ形成工程に相当する。

次に、図４（ａ）に示すように、カラーフィルタ２１０上に、後述のクラッド層３１３となる低屈折率材料３１３ａをスピンコート等により（例えば、２．０ｕｍ）塗布する。低屈折率材料３１３ａは、例えば、屈折率１．４〜１．５程度のフッ素系樹脂である。その後、ポストベークすることで、低屈折率材料３１３ａを硬化させる。図４（ａ）に記載された工程は、低屈折率膜形成工程に相当する。

次に、図４（ｂ）に示すように、低屈折率材料３１３ａ上にフォトレジストを形成し、後述のコア層３１７が形成される領域（ＰＤ２０７上）を開口するように、フォトレジストの一部を除去する（図示せず）。このフォトレジストをマスクとし、低屈折率材料３１３ａを等方性のエッチングにより除去することで、断面積がシリコン基板２０４半導体基板から離れるほど小さくなっているクラッド層３１３が形成される。図４（ｂ）に記載された工程は、開口部形成工程に相当する。

次に、図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）で形成されたフォトレジストを完全に除去した後に、高屈折率材料、例えば、屈折率１．７〜１．９のチタニウムを含有した樹脂をスピンコート等により塗布する。この際、スピンコートで塗布することで、上記等方性エッチングで除去した領域に高屈折率材料が埋め込まれ、コア層３１７が形成される。この際、図４（ｂ）で形成されたクラッド層３１３の形状に応じて、基板面方向の断面積がシリコン基板２０４から離れるほど大きくなるコア層３１７が形成される。図４（ｃ）に記載された工程は、高屈折率膜形成工程に相当する。

次に、図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）で形成されたコア層３１７の上に、マイクロレンズを形成するための樹脂２１１ａと、樹脂２１１ａの上にマイクロレンズの形状を形成するためのフォトレジストとをスピンコート等により塗布する。その後、上記フォトレジストを、フォトリソグラフィー技術により、カラーフィルタ２１０の位置に対応させて、矩形の断面形状に加工する。そして、矩形の断面形状に加工されたフォトレジストを、高温アニールすることで、例えば、図４（ｄ）に記載されたような、円形の凸型断面形状を有するフォトレジスト３１８形状を形成する。

最後に、図４（ｅ）に示すように、図４（ｄ）で形成された、マイクロレンズを形成するための樹脂２１１ａ及びフォトレジスト３１８を、例えば、ＲＩＥを用いてエッチバックすることにより、マイクロレンズ２１１が形成され、本実施の形態の固体撮像素子２が完成する。図４（ｄ）及び図４（ｅ）に記載された工程は、マイクロレンズ形成工程に相当する。

以上のように、コア層３１７の基板方向の断面積を、半導体基板であるシリコン基板２０４から離れるほど大きくすることにより、マイクロレンズ２１１から入射した光がより多く光導波領域に導入されるので、混色の発生を低減するとともに、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像素子の構造断面図である。同図に記載された固体撮像素子３は、基板支持材料２０１と、密着層２０２と、配線層２０３と、シリコン基板２０４と、酸化膜２１５と、遮光膜２０９と、パッシベーション膜２１４と、平坦化層２１６と、カラーフィルタ２１０と、コア層４１７と、クラッド層２１３と、マイクロレンズ４１１とを備える。

実施の形態３に係る固体撮像素子３と実施の形態１に係る固体撮像素子１が異なる点は、マイクロレンズ４１１を、コア層４１７と同じ高屈折率材料を用いて形成している点である。実施の形態１と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。

図５からも判るように、マイクロレンズ４１１に入射した光は、コア層４１７の入り口近辺に集光されてコア層４１７に導入される。コア層４１７は、クラッド層２１３に比べ、屈折率が高いために、導入された光の斜め成分は垂直方向に屈折され（垂直方向に矯正され）る。そして、屈折した光は、コア層４１７とクラッド層２１３との境界である導波路側壁で全反射して、コア層４１７で形成される導波路内に閉じ込められる。ここで、マイクロレンズ４１１とコア層４１７とは、同じ高屈折率材料を用いて形成されている。よって、マイクロレンズ４１１とコア層４１７との界面で生じる入射光の反射を抑制することができるため、混色の発生を低減するとともに、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。

また、カラーフィルタを挟んでシリコン基板２０４と反対側に光導波領域を形成しているので、当該光導波領域の形成のために用いる材料による汚染を抑制することが可能となる。よって、ＰＤ領域での暗電流の発生を抑制することができる。

また、カラーフィルタを挟んでシリコン基板２０４と反対側に光導波領域を形成しているので、当該光導波領域形成時にＲＩＥ等のエッチングを用いた場合でも、ＰＤ領域へのエッチングダメージを抑制することが可能となる。よって、ＰＤ領域での暗電流の発生を抑制することができる。

次に、本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子３の製造方法を説明する。図６（ａ）〜図６（ｅ）は、実施の形態３に係る固体撮像素子の要部である光導波領域の製造工程図である。図６では、便宜上、シリコン基板２０４及びその表面に形成された部分を省略し、カラーフィルタ２１０を形成した後の製造方法について記載している。

まず、図示していないが、シリコン基板２０４内に、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数のＰＤ２０７を基板面方向に二次元状に分離形成する。本工程は受光部形成工程に相当する。

次に、シリコン基板２０４の上に、酸化膜２１５、遮光膜２０９、パッシベーション膜２１４、及び平坦化層２１６を、この順で形成した後、平坦化層２１６の上に、入射光を分光するカラーフィルタ２１０を形成する。このカラーフィルタ２１０を形成する工程は、カラーフィルタ形成工程に相当する。

次に、図６（ａ）に示すように、カラーフィルタ２１０上に、後述のクラッド層２１３となる低屈折率材料２１３ａをスピンコート等により（例えば、２．０ｕｍ）塗布する。低屈折率材料２１３ａは、例えば、屈折率１．４〜１．５程度のフッ素系樹脂である。その後、ポストベークすることで、低屈折率材料２１３ａを硬化させる。図６（ａ）に記載された工程は、低屈折率膜形成工程に相当する。

次に、図６（ｂ）に示すように、低屈折率材料２１３ａ上にフォトレジストを形成し、後述のコア層４１７が形成される領域（ＰＤ２０７上）を開口するように、フォトレジストの一部を除去する（図示せず）。このフォトレジストをマスクとし、低屈折率材料２１３ａを、例えば、ＲＩＥにより除去することで、クラッド層２１３が形成される。図６（ｂ）に記載された工程は、開口部形成工程に相当する。

次に、図６（ｃ）に示すように、図６（ｂ）で形成されたフォトレジストを完全に除去した後に、高屈折率材料、例えば、屈折率１．７〜１．９のチタニウムを含有した樹脂をスピンコート等により塗布する。この際、スピンコートで塗布することで、上記ＲＩＥで除去した領域に高屈折率材料が埋め込まれ、コア層４１７とマイクロレンズ４１１との結合体である高屈折率材料層４１７ａが形成される。図６（ｃ）に記載された工程は、高屈折率膜形成工程に相当する。

次に、図６（ｄ）に示すように、図６（ｃ）で形成された高屈折率材料層４１７ａの上に、マイクロレンズの形状を形成するためのフォトレジストをスピンコート等により塗布する。その後、フォトレジストをフォトリソグラフィー技術により、カラーフィルタ２１０の位置に対応させて、矩形の断面形状に加工する。そして、矩形の断面形状に加工されたフォトレジストを、高温アニールすることで、例えば、図６（ｄ）に記載されたような、円形の凸型断面形状を有するフォトレジスト４１８形状を形成する。

最後に、図６（ｅ）に示すように、図６（ｄ）で形成された、マイクロレンズを形成するためのフォトレジスト４１８を、例えば、ＲＩＥを用いてエッチバックすることにより、マイクロレンズ４１１が形成され、本実施の形態の固体撮像素子３が完成する。図６（ｄ）及び図６（ｅ）に記載された工程は、マイクロレンズ形成工程に相当する。

以上のように、コア層４１７と同じ高屈折率材料を用いてマイクロレンズ４１１を形成することにより、マイクロレンズ４１１とコア層４１７との界面で生じる入射光の反射を抑制することができるため、混色の発生を低減するとともに、固体撮像素子の感度向上を図ることができる。

以上、本発明の固体撮像素子及びその製造方法について、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る固体撮像素子及びその製造方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１〜３における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態１〜３に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

例えば、実施の形態３において、テーパ形状を有するクラッド層としてもよい。つまり、コア層の基板面方向の断面積が、シリコン基板２０４から離れるほど大きくなっている形状であってもよい。この場合には、マイクロレンズ４１１から入射した光がより多く光導波領域に導入され、かつ、マイクロレンズ４１１とコア層との界面で生じる入射光の反射を抑制することが可能となる。

なお、実施の形態１〜３では、ＣＭＯＳ型固体撮像素子を例に挙げたが、本発明は、これにとらわれることなく、ＣＣＤ型固体撮像素子でも同様の効果が得られる。ＣＣＤ型固体撮像素子の場合、入射光を受光することにより受光部に蓄積された信号電荷は、垂直転送レジスタにより読み出され、例えば、水平転送レジスタへと転送される。この場合、垂直転送レジスタは、シリコン基板２０４に代表される半導体基板に形成された複数の受光部が配列された面と同一面に配置されていてもよい。この場合にも、半導体基板の裏面側、つまり、入射光側には電極や配線が形成されていないので、混色の発生を低減できるとともに、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

また、垂直転送レジスタは、シリコン基板２０４に代表される半導体基板に形成された複数の受光部に対し、カラーフィルタ２１０が形成された側と反対側に配置されていてもよい。この場合にも、半導体基板の裏面側には電極や配線が形成されていないので、混色の発生を低減できるとともに、表面照射型の固体撮像素子に比べて開口率を大きくとることができ、感度向上を図ることができる。

また、実施の形態１〜３では、裏面照射型固体撮像素子を例に挙げたが、本発明は、これにとらわれることなく、表面照射型固体撮像素子でも同様の効果が得られる。

本発明は、特にデジタルスチルカメラやビデオカメラに有用であり、高画質の画像が必要な固体撮像素子及びカメラに用いるのに最適である。

２０１、５０１ 基板支持材料
２０２、５０２ 密着層
２０３、５０３ 配線層
２０４、５０４ シリコン基板
２０５、２０８、５０５、５０８ 暗電流防止層
２０６、５０６ ｐウェル
２０７、５０７ ＰＤ（フォトダイオード）
２０９、５０９ 遮光膜
２１０、５１０ カラーフィルタ
２１１、４１１、５１１ マイクロレンズ
２１１ａ 樹脂
２１３、３１３ クラッド層
２１３ａ、３１３ａ 低屈折率材料
２１４、５１４ パッシベーション膜
２１５、５１５ 酸化膜
２１６、５１６ 平坦化層
２１７、３１７、４１７ コア層
３１８、４１８ フォトレジスト
４１７ａ 高屈折率材料層
５１２ 光路
５１３ 斜め光

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板内であって、基板面方向に二次元配列されて形成され、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数の受光部と、
   前記複数の受光部の各々の間に配置され、前記複数の受光部を受光部ごとに分離する分離部と、
   前記半導体基板の上に形成され、入射光を分光するカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタの上に形成され、前記複数の受光部の上部領域に開口部を備えた低屈折率膜と、
   前記開口部を埋め込むように形成され、前記低屈折率膜よりも屈折率が高い高屈折率膜とを備えた
   固体撮像素子。
2. さらに、
   前記複数の受光部に蓄積した前記信号電荷を読み出し、前記信号電荷を転送する垂直転送レジスタを備え、
   前記垂直転送レジスタは、前記半導体基板に形成された前記複数の受光部が配列された面の下側に配置され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。
3. さらに、
   前記複数の受光部に蓄積した前記信号電荷を読み出す電荷転送トランジスタと、
   前記電荷転送トランジスタを介して転送された前記信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンアンプとを備え、
   前記電荷転送トランジスタと前記フローティングディフュージョンアンプとは、前記半導体基板に形成された前記複数の受光部が配列された面の下側に配置され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。
4. 前記開口部に埋め込まれた前記高屈折率膜の前記半導体基板面に平行な面の断面積が、前記半導体基板から離れるほど大きくなっていることを特徴とする
   請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. さらに、
   前記高屈折率膜の上であって前記複数の受光部の上部領域に形成された複数のマイクロレンズを備えることを特徴とする
   請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記複数のマイクロレンズは、前記高屈折率膜で形成され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。
7. 半導体基板内に、入射光を光電変換して生成した信号電荷を蓄積する複数の受光部を基板面方向に二次元状に分離形成する受光部形成工程と、
   前記半導体基板の上に、入射光を分光するカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程と、
   前記カラーフィルタの上に、低屈折率膜を形成する低屈折率膜形成工程と、
   前記低屈折率膜における、前記複数の受光部の各々の上部領域を開口して前記低屈折率膜の開口部を形成する開口部形成工程と、
   前記低屈折率膜の開口部を埋め込むように、高屈折率膜を形成する高屈折率膜形成工程とを含むことを特徴とする
   固体撮像素子の製造方法。
8. 前記開口部形成工程では、
   前記低屈折率膜の開口部の前記半導体基板面に平行な面の断面積が、前記半導体基板から離れるほど大きくなるように、前記低屈折率膜の開口部を形成することを特徴とする
   請求項７に記載の固体撮像素子の製造方法。
9. さらに、
   前記高屈折率膜の上であって前記複数の受光部の上部領域に、複数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成工程を含むことを特徴とする
   請求項７または８に記載の固体撮像素子の製造方法。
10. 前記マイクロレンズ形成工程では、
    前記マイクロレンズを、前記高屈折率膜形成工程で形成された前記高屈折率膜で形成する ことを特徴とする
    請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法。

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