JP2011258884A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層間絶縁膜上に屈折率の高い高屈折率膜を備えた固体撮像装置において、色むらや感度ムラの原因となるリップルを低減すること。
【解決手段】それぞれが画素を形成する複数の受光素子１２が表面部に形成された半導体基板１１と、前記半導体基板１１上に、複数の層間絶縁膜２０、２１，２２を介して積層された複数の配線１４，１６，１８と、前記複数の層間絶縁膜２０，２１，２２のうちの最上層に位置する層間絶縁膜２２上に形成された、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜２３と、前記高屈折率膜２３上に平坦化膜２４を介して配置された、前記受光素子１２で受光する波長を選択するためのカラーフィルタ２５とを有し、前記カラーフィルタ２５の透過光の波長に対応して前記高屈折率膜２３の膜厚が異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものであり、特に、層間絶縁膜を介して積層された複数の配線上に、層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜を備えた固体撮像装置に関する。

ＣＭＯＳ技術を用いた増幅型の固体撮像装置であるＣＭＯＳ型イメージセンサは、受像画像の解像度向上に繋がる微細化技術を取り入れて、目覚しい発展を遂げている。

ＣＭＯＳ型イメージセンサは、ＣＣＤ型のイメージセンサに比べて消費電力が少なく、また、従来のＣＭＯＳプロセス技術を利用することによって低コスト化が可能であり、受光素子が平面状に配置された画素領域と、その周囲の駆動回路（ドライバ）を含む周辺回路領域とを同一チップ上に作製することによって、モジュールサイズの縮小化が可能となるなどの利点を有することから、固体撮像装置の主流となりつつある。

このようなＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、暗電流の低減と１／ｆノイズの低減を行うために、製造過程で水素を含む膜を形成してこれを熱処理するという水素シンター法が適用されている。ところが、水素シンター法を適用するために用いられるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）は、半導体基板上に形成される層間絶縁膜の材料であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）と比較して屈折率が高いため、層間絶縁膜とシリコン窒化膜との界面で光の反射が生じ、この反射光による干渉が生じて、受光信号に対するノイズとなるリップルが発生するという課題が存在する。

このようなリップルの発生を抑制するために、最上層に位置する層間絶縁膜と、高屈折率膜であるシリコン窒化膜との間に、中間の屈折率を有するシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を形成することが提案されている（特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された固体撮像装置１００の断面構成を示す要部拡大断面図である。

従来の固体撮像装置１００は、図９に示すように、シリコン基板１０１に受光素子である埋め込み型のフォトダイオード１０２を形成し、フォトダイオードが形成された画素領域の全面を覆うシリコン酸化膜１０３，フォトダイオード形成部分にシリコン窒化膜１０４を積層形成した後、層間絶縁膜１０５，１０７，１０９を介して、配線１０６，１０８，１１０が積層されている。

最上層の配線１１０は、最上に位置する層間絶縁膜１０９の平坦化された表面上に形成され、画素領域における層間絶縁膜１０９の露出表面と配線１１０を覆うように、シリコン酸窒化膜１１１とパッシベーション膜を兼ねる高屈折率膜であるシリコン窒化膜１１２が積層形成されている。

さらに、シリコン窒化膜１１２上にフォトダイオード１０２で受光する光の波長を選択するカラーフィルタ１１３が形成され、カラーフィルタ１１３上に、フォトダイオード１０２の配置位置に対応してマイクロレンズ１１４が形成されている。

この従来の固体撮像装置１００では、シリコン基板１０１上に形成されるシリコン酸化膜１０３の厚さを２．５ｎｍ、シリコン窒化膜１０４の厚さを７０ｎｍとすることで、シリコン基板１０１表面での入射光の反射を低減する。さらに、層間絶縁膜１０９と高屈折率膜である厚さ４００ｎｍのシリコン窒化膜１１２との間に、厚さ１００ｎｍのシリコン酸窒化膜１１１を形成することで、シリコン基板１０１表面で反射した光のうち、層間絶縁膜１０９とシリコン酸窒化膜１１１との界面で反射する反射光の強度を低減して、干渉により生じるリップルを低減するというものである。

特開２００６−１５６６１１号公報

図９に示した、従来の固体撮像装置１００では、例えば上記のような膜厚関係とすることで、リップルが顕著になり易い波長である波長＝５００〜６００ｎｍの近傍の光の、層間絶縁膜１０９とシリコン窒化膜１１２との界面における反射を低減することができる。

しかし、固体撮像装置においてリップルの原因となる光の波長は、上記の波長＝５００〜６００ｎｍの近傍に限られないため、依然としてリップルは残存する。また、画素領域の全面にわたって、反射を低減するためのシリコン酸窒化膜１１１を形成するために、マイクロレンズ１１４の形成位置とフォトダイオード１０２との形成間隔が拡がり、フォトダイオード１０２への入射角度特性が低下してしまう。さらに、最上層に位置する配線１１０が抵抗値の低い銅で形成される場合には、配線がシリコン酸窒化膜によって酸化されてしまい、上層に形成されるＰＡＤ部と配線１１１０との間の抵抗値が増大してしまうという課題も発生する。

本発明は、上記従来の課題を解決し、層間絶縁膜上に屈折率の高い高屈折率膜を備えた固体撮像装置において、色むらや感度ムラの原因となるリップルを低減すること、また、リップルの低減された固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、それぞれが画素を形成する複数の受光素子が表面部に形成された半導体基板と、前記半導体基板上に、複数の層間絶縁膜を介して積層された複数の配線と、前記複数の層間絶縁膜のうちの最上層に位置する層間絶縁膜上に形成された、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜と、前記高屈折率膜上に平坦化膜を介して配置された、前記受光素子で受光する波長を選択するためのカラーフィルタとを有し、前記カラーフィルタの透過光の波長に対応して前記高屈折率膜の膜厚が異なることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の表面部に複数の受光素子を形成した後、前記半導体基板上に複数の層間絶縁膜を介して複数の配線を積層形成する配線形成工程と、前記複数の層間絶縁膜のうち最上層に位置する層間絶縁膜上に、前記受光素子で受光する波長に応じて前記受光素子の配置位置に対応した部分の厚さが異なる、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜を形成する高屈折率膜形成工程と、前記高屈折率膜上に平坦化膜を形成した後、前記受光素子で受光する波長を選択するカラーフィルタを形成するフィルタ層形成工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、最上層の層間絶縁膜上に形成された高屈折率膜の膜厚が、カラーフィルタの透過光の波長に対応して異なっているため、カラーフィルタを透過した各色の光に対する反射防止効果が得られる。このため、リップルが原因で生じる色むらや感度むらを効果的に低減することができる。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、最上層に位置する層間絶縁膜上に、受光素子で受光する波長に応じて厚さが異なる高屈折率膜を形成する高屈折率膜形成工程を備えているため、リップルが原因となる色むらや感度むらの低減された固体撮像装置を製造することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示す要部拡大断面図である。 層間絶縁膜上に形成された高屈折率膜の膜厚を設定する考え方を示すモデル図である。 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の第１の例の前半部分を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の第１の例の後半部分を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の第２の例の前半部分を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の第２の例の後半部分を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の第３の例の前半部分を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法の第３の例の後半部分を示す図である。 従来の固体撮像装置の断面の構成を示す要部拡大断面図である。

本発明の固体撮像装置は、それぞれが画素を形成する複数の受光素子が表面部に形成された半導体基板と、前記半導体基板上に、複数の層間絶縁膜を介して積層された複数の配線と、前記複数の層間絶縁膜のうちの最上層に位置する層間絶縁膜上に形成された、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜と、前記高屈折率膜上に平坦化膜を介して配置された、前記受光素子で受光する波長を選択するためのカラーフィルタとを有し、前記カラーフィルタの透過光の波長に対応して前記高屈折率膜の膜厚が異なる。

上記本発明の固体撮像装置は、最上層の層間絶縁膜上に形成された高屈折率膜の膜厚が、カラーフィルタの透過光の波長に対応して異なっているため、層間絶縁膜と高屈折率膜との間の屈折率の違いによる反射を、その部分を透過する光の波長に合わせて緩和することができる。このため、半導体基板表面での反射光の、層間絶縁膜と高屈折率膜との界面での反射強度を低減できるので、カラーフィルタを透過した各色に対応した反射防止効果が得られ、リップルが原因で生じる色むらや感度むらを効果的に低減することができる。

前記固体撮像装置の構成において、前記カラーフィルタがそれぞれ赤色光、緑色光、青色光を透過させるものであり、前記高屈折率膜の膜厚が、前記赤色光、緑色光、青色光を透過させるカラーフィルタにそれぞれ対応して異なっていることが好ましい。このようにすることで、通常用いられる赤色、緑色、青色の三原色の光を受光する画素を備えた固体撮像装置において、反射光の波長に応じてリップルの発生を効果的に抑えることができる。

また、前記高屈折率膜の膜厚は、対応するカラーフィルタの透過率最大波長をλ、前記透過率最大波長λでの前記高屈折率膜の屈折率をｎ、任意の整数をｍとしたとき、（２ｍ−１）＊λ/(４＊ｎ)以上（２ｍ＋１）＊λ/(４＊ｎ)以下であることが好ましい。このようにすることで、高屈折率膜の屈折率に応じた反射光の低減効果を得ることができる。

さらに、前記高屈折率膜を屈折率の異なる複数の膜の積層体とすることができ、また、前記高屈折率膜をパッシベーション膜を兼ねるシリコン窒化膜であるとすることができる。さらにまた、前記高屈折率膜をパッシベーション膜を兼ねるシリコン窒化膜と高屈折率樹脂膜との積層体とすることができる。

本発明の個体撮像装置の製造方法は、半導体基板の表面部に複数の受光素子を形成した後、前記半導体基板上に複数の層間絶縁膜を介して複数の配線を積層形成する配線形成工程と、前記複数の層間絶縁膜のうち最上層に位置する層間絶縁膜上に、前記受光素子で受光する波長に応じて前記受光素子の配置位置に対応した部分の厚さが異なる、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜を形成する高屈折率膜形成工程と、前記高屈折率膜上に平坦化膜を形成した後、前記受光素子で受光する波長を選択するカラーフィルタを形成するフィルタ層形成工程とを備えている。

このようにすることで、最上層の層間絶縁膜上に形成された高屈折率膜の膜厚が、カラーフィルタの透過光の波長に対応して異なっているため、層間絶縁膜と高屈折率膜との間の屈折率の違いによる反射を、その部分を透過する光の波長に併せて緩和することができ、カラーフィルタを透過した各色に対応した反射防止効果が得られ、リップルが原因で生じる色むらや感度むらを効果的に低減することができる固体撮像装置を製造する製造方法を得ることができる。

上記本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記高屈折率膜形成工程が、前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面に第１のシリコン窒化膜を形成するステップと、前記形成された第１のシリコン窒化膜のうち、所定の波長を受光する画素に対応する部分の前記第１のシリコン窒化膜を除去するステップと、前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面に第２のシリコン窒化膜を形成するステップとを有することが好ましい。このようにすることで、２層のシリコン酸化膜を用いて、所定の厚さを有する高屈折率膜を形成することができる。

また、前記高屈折率膜形成工程が、前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面にシリコン窒化膜を形成するステップと、前記形成されたシリコン窒化膜のうち、所定の波長を受光する画素に対応する部分の膜厚が薄くなるように厚さ方向に一部を除去するステップとを有することが好ましい。このようにすることで、カラーフィルタでの透過光に対応した所定の膜厚を有する高屈折率膜を、エッチングなどの膜厚を低減する方法によって形成することができる。

さらに、前記高屈折率膜形成工程が、前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面にシリコン窒化膜を形成するステップと、前記形成されたシリコン窒化膜上の所定の波長を受光する画素に対応する部分に、所定の膜厚を有する高屈折率樹脂膜を形成するステップとを有することが好ましい。このようにすることで、シリコン窒化膜を備え、さらに、所定の膜厚を有する高屈折率樹脂膜が積層された高屈折率膜を形成することができる。

さらにまた、前記高屈折率膜形成工程において、前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面に前記シリコン窒化膜を形成した後、水素シンター処理を行うことが好ましい。このようにすることで、暗電流を低減し、１／ｆノイズを低減した固体撮像装置を製造することができる。

以下、本発明の固体撮像装置について、図面を参照して説明する。

なお、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態である固体撮像装置の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる固体撮像装置は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備えることができる。

また、各図中の部材の寸法、特に、固体撮像装置の厚さ方向の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を必ずしも忠実に表したものではない。さらに、図面の煩雑化を防ぐため、各断面図におけるハッチングは適宜省略している。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示す要部拡大断面図である。

図１に示す、本実施形態の固体撮像装置であるＣＭＯＳ型イメージセンサ１は、Ｎ型の半導体基板１１に図示しないＰ型ウェル領域が設けられ、このＰ型ウェル領域内にＮ型の複数の受光素子１２が所定間隔を隔てて、２次元的には縦横のマトリクス状になるように、配置されている。この受光素子１２が、ＣＭＯＳ型イメージセンサ１の画素を形成し、画素が配置されている半導体基板１１の領域が画素領域となる。また、受光素子１２の表面上には、暗電流防止用の図示しない表面Ｐ＋層が設けられていて、埋め込み構造のフォトダイオードとなっている。

半導体基板１１の表面部の少なくとも受光素子１２が配置されている画素領域では、全面にシリコン酸化膜であるゲート絶縁膜１３が設けられ、このゲート絶縁膜１３上の受光素子１２に対応する部分に、受光素子１２の受光面での反射を低減させるためのシリコン窒化膜である反射防止膜１９が設けられている。

受光素子１２に隣接して、電荷転送トランジスタのチャネル領域としての電荷転送領域が設けられていて、受光素子１２で光電変換された信号電荷を、電荷検出部としてのフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送する。また、この電荷転送領域上には、ゲート絶縁膜１３を介して転送ゲート電極が設けられている。なお、これらの電荷転送領域、フローティングディフュージョン、転送ゲート電極などの構成は、ＣＭＯＳ型イメージセンサとしては周知のものであるため、図面の煩雑化を避けるために、本明細書では図示を省略する。

ゲート絶縁膜１３および反射防止膜１９の上には、いずれもシリコン酸化膜である第１の層間絶縁膜２０、第２の層間絶縁膜２１、第３の層間絶縁膜２２を介して、いずれも銅を材料としてそれぞれが配線を形成する第１配線１４，第２配線１６，第３配線１８が積層形成されている。第１配線１４，第２配線１６，第３配線１８は、図示しないコンタクトプラグで電気的に接続され、第１配線１４は図示しないコンタクトプラグにより、受光素子１２からの信号電荷を処理する図示しない信号読出回路に接続されている。なお、この信号読出回路は、受光素子１２から図示しないフローティングディフュージョンに電荷転送された信号電荷が、電圧変換され、この変換電圧に応じて増幅されて各画素での撮像信号として信号線に読み出す機能を有している。

なお、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１では、第１の層間絶縁膜２０と第２の層間絶縁膜２１との間にシリコン窒化膜の第１の銅拡散防止膜１５が、また、第２の層間絶縁膜２１と第３の層間絶縁膜２２との間に同じくシリコン窒化膜の第２の銅拡散防止膜１７が配置されていて、それぞれ、第１配線１４および第２配線１６の材料である銅の拡散を防止している。なお、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、第１の銅拡散防止膜１５および第２の銅拡散防止膜１７は、受光素子１２の上部に当たる部分には開口が形成されていて、入射光がシリコン酸化膜である層間絶縁膜２０，２１，２２とシリコン窒化膜である銅拡散防止膜１５，１７との屈折率の差によって反射することで入射光色により分光感度変動が発生することを防止している。

各層の具体的材料および膜厚は、一例として第１の層間絶縁膜２０、第２の層間絶縁膜２１、および、第３の層間絶縁膜２２がいずれもシリコン酸化膜、また、第１の銅拡散防止膜１５は上記の通りシリコン窒化膜でその厚さは５０ｎｍ、第２の銅拡散防止膜１７も厚さ５０ｎｍのシリコン窒化膜で形成されている。

図１に示すように、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１では、層間絶縁膜２０，２１，２２の中で最上層に位置する第３の層間絶縁膜２２と、第３配線１８の上面が一致するように平坦化処理されている。そして、その上に、後述するカラーフィルタ２５（２５ａ、２５ｂ）を透過する透過光の波長に対応した厚さとしての、厚さｔ１の部分２３ａと厚さｔ２の部分２３ｂの異なる膜厚を備えた高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３が形成されている。なお、このシリコン窒化膜２３の少なくとも一部を、水素が多く含まれているプラズマＣＶＤ法で堆積されたプラズマＳｉＮ膜とすることで、熱処理を行って半導体基板１１を水素処理する水素シンター法を適用して、ＣＭＯＳ型イメージセンサ１の暗電流と１／ｆノイズとを低減させることができる。

シリコン窒化膜２３上には、０．６μｍ厚のアクリル樹脂からなる平坦化膜２４を介して、それぞれの受光素子１２で受光する光の波長を選択するための０．５μｍ厚の原色顔料タイプのカラーフィルタ２５（２５ａ、２５ｂ）が、受光素子１２の配置位置に重なるように形成されている。

さらに、カラーフィルタ２５の膜厚の差を平坦化する平坦化膜としての機能を有する０．３μｍ厚のアクリル樹脂膜２６を介して、各受光素子１２で受光する光を集光するための１μｍ高さのアクリル樹脂からなるマルチレンズ２７が受光素子１２の配置位置に重なるように形成されている。

ここで、図１では２つの膜厚ｔ１の部分２３ａとｔ２の部分２３ｂとを有したものを例示した、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３の膜厚の設定について、図２を用いて説明する。

図２は、図中では下方側に位置する受光素子１２の表面で反射した反射光が、厚さｔのシリコン窒化膜２３の、下面３１および上面３２でそれぞれ反射される様子を示すモデル図である。

なお、反射光がシリコン窒化膜２３に入射する入射面である、下面３１の反射率をｒ１、透過率をｔ₁、また、シリコン窒化膜２３から射出される射出面である、上面３２の反射率をｒ₂、透過率をｔ₂とする。

このときのシリコン窒化膜２３に入射角θで入射した光の、シリコン窒化膜の下面３１での反射率Ｒ１、透過率Ｔ１は、
Ｔ１＝（ｔ₁＊ｔ₂）²／（１−２ｒ₁＊ｒ₂ｃｏｓΔ＋（ｒ₁＊ｒ₂)²）
Ｒ１＝（（ｒ₁）²＋（ｒ₂）²−２＊ｒ₁＊ｒ₂＊ｃｏｓΔ ））／（１−２ｒ₁＊ｒ₂ｃｏｓΔ＋（ｒ₁＊ｒ₂）²）
として表される。

なお、Δ＝２ｋｎｔ＊ｃｏｓθであり、ｋ=（２＊π）／λ、ｎはシリコン窒化膜の屈折率、上記の通りｔはシリコン窒化膜の膜厚、λが入射光の波長である。

シリコン窒化膜２３上には、酸化膜や樹脂膜などの有機膜による平坦化膜２４が形成されるため、シリコン窒化膜２３の上面３２での反射率Ｒ２は、シリコン窒化膜２３の下面３１での反射率Ｒ１とほぼ同じとなるため、シリコン窒化膜２３全体としての反射率Ｒ、透過率Ｔは、
Ｔ＝（１−ｒ₂）²／（１−２ｒ²ｃｏｓΔ＋ｒ⁴）
Ｒ＝２ｒ²（１−ｃｏｓΔ ）／（１−２ｒ²ｃｏｓΔ＋ｒ⁴）
となる。ただし、Δ＝２ｋｎｔ＊ｃｏｓθである。

受光素子１２の表面で反射した反射光の角度分布は、受光素子１２に入射した光の分布に依存するため、実際には、マルチレンズ２７での集光特性に左右される。一般には、なるべく多くの光をマルチレンズ２７で受光素子１２に入射させようとすることから、反射光の角度分布は、０度近傍が大きいことになる。このため、上記式において、Δがπの整数倍の時にＲが最小となり、Δがπの奇数倍の時にＲが最大となる。

このことから、ｍ＝整数としたとき、シリコン窒化膜２３の厚さｔがｔ＝ｍλ／（２＊ｍ）のときに反射光の強度が最小となり、シリコン窒化膜２３の厚さｔがｔ＝（２ｍ＋１）＊λ／（４＊ｎ）のとき、反射光の強度が最大となる。逆に言えば、λ／（４＊ｎ）以外の膜厚、即ち（２ｍ−１）＊λ／（４＊ｎ）以上（２ｍ＋１）＊λ／（４＊ｎ）以下の膜厚に設定することで反射率が低減するため、リップルが最悪となることを避けることが可能となる。

例えば、カラーフィルタ２５が赤色光を透過する赤色フィルタの場合、透過光分布が最大である波長λが６３０ｎｍの場合、シリコン窒化膜２３での屈折率は１．９８であるため、シリコン窒化膜２３の膜厚が１５９ｎｍの整数倍のときに反射率が最小となり、８０ｎｍの奇数倍のときに反射率が最大となる。同様に、緑色フィルタの場合、透過光分布が最大である波長λが５４０ｎｍの場合、シリコン窒化膜２３での屈折率は１．９９であるため、シリコン窒化膜２３の膜厚が１３６ｎｍの整数倍のときに反射率が最小、６８ｎｍの奇数倍のときに反射率が最大となる。青色フィルタの場合、透過光分布の最大波長λが４５０ｎｍとすると、シリコン窒化膜２３の屈折率が２．０２となるので、シリコン窒化膜２３の膜厚が１１１ｎｍの整数倍のときに反射率が最小、５６ｎｍの奇数倍のときに反射率が最大となる。

このように、波長６３０ｎｍの赤色光に対しては１５９ｎｍの整数倍、波長５４０ｎｍの緑色光に対しては１３６ｎｍの整数倍、波長４５０ｎｍの青色光に対しては１１１ｎｍの整数倍の膜厚のシリコン窒化膜２３を設けることで反射率が最小となり、各色の画素に対応した部分のシリコン窒化膜２３の膜厚をこのように設定した場合に、理論上は色むらが最小となる。ただし、それぞれの波長の光を透過するカラーフィルタ２５の透過光分布は半値幅がプラスマイナス５０ｎｍ程度あるため、この点を考慮すると、赤色光に対応したシリコン窒化膜２３の膜厚が１４６ｎｍ〜１７３ｎｍ程度、緑色光に対応したシリコン窒化膜２３の膜厚が１２３ｎｍ〜１４９ｎｍ程度、青色光に対応したシリコン窒化膜２３の膜厚が９８ｎｍ〜１２４ｎｍ程度の膜厚に設定することが好ましいと言える。

このことから、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３の膜厚の設定としては、赤色、緑色、青色の三色に対応した異なる３つの異なる膜厚のシリコン窒化膜２３を形成しなくても、互いに好ましい膜厚が重複する、例えば赤色光と緑色光に対応するシリコン窒化膜２３を同じ膜厚として、青色光に対応する部分のシリコン窒化膜２３の膜厚をこれと異ならせることや、青色光と緑色光に対応するシリコン窒化膜２３を同じ膜厚として、赤色光に対応する部分のシリコン窒化膜２３の膜厚をこれと異ならせるなど、２つの異なる膜厚のシリコン窒化膜２３を形成することによっても、第３の層間絶縁膜２０と平坦化膜２４との界面におけるシリコン窒化膜２３での反射光を低減することができ、リップルが原因となる色むらや感度むらの発生を軽減することができる。

また、ＣＭＯＳ型イメージセンサ１での色むらは、受光素子１２の表面での反射光と、シリコン窒化膜２３からの反射光との多重干渉により発生する。ここで、一般的には、受光素子１２の表面での反射防止を行うために設けられたシリコン窒化膜による反射防止膜１９は、視感度の高い緑色光の反射を低減するように膜厚が設計されている。このため、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１のように受光素子１２にゲート絶縁膜１３を介して反射防止膜１９が配置されている場合には、緑色光が受光素子１２の表面で反射する程度が弱いことが想定される。このような場合には、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３による反射防止を行う波長として緑色光以外の赤色光と青色光とを対象として、シリコン窒化膜２３の膜厚設計を赤色光と青色光をターゲットとした２種類の異なる膜厚とすることもできる。

以上説明したように、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサ１では、画素を構成する受光素子１２で受光される光の波長を選択するカラーフィルタ２５での透過光に対応して、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３の膜厚を異ならせることで、受光素子１２の表面で反射した反射光が、シリコン窒化膜で再び反射する多重反射が原因で生じるリップルを防止し、色むらや輝度むらを低減することができる。

また、高屈折率膜をシリコン窒化膜とすることで、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、受光素子が形成された基板表面を保護するパッシベーション膜を兼ねることができるため、イメージセンサの製造時の拡散工程以降の工程で受光素子に不純物が拡散することを防止でき、白キズ等のノイズの増大がない信頼性の高い固体撮像装置を得ることができる。

なお、図１に示すＣＭＯＳ型イメージセンサ１では、高屈折率膜をシリコン窒化膜を用いて一つの材料で形成した例を示したが、本実施形態の固体撮像装置としてはこれに限られるものではなく、異なる材料で形成された２層以上の層を積層して、所定の厚さを有する高屈折率膜を形成することができる。例えば、短波長域での吸収係数の大きなプラズマシリコン−インジウム膜（ＳｉＩｎ膜）と、吸収係数の小さなＵＶシリコン窒化膜と、プラズマシリコン窒化膜との複合膜を用いるなどすることができる。また、高屈折率膜として、シリコン窒化膜と高屈折率樹脂膜との積層構造を用いることもできる。

また、図１に示したＣＭＯＳ型イメージセンサ１では、カラーフィルタとして赤色、緑色、青色の三原色のフィルタを用いた例を示したが、例えば、これらの補色であるシアン（Ｃ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）の三色のフィルタを用いるなど、固体撮像装置として用いられる各種のカラーフィルタを用いることができ、それぞれの透過波長を勘案して適切な高屈折率膜の膜厚を設定することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法について、ＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法の第１の例を、第２の実施形態として説明する。

図３および図４は、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法を示す図である。なお、以下、ＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法の例を示す図３から図８の各図においては、図１で示したＣＭＯＳ型イメージセンサの断面構成を示す要部拡大断面図に対応した図を示し、図１で説明した各構成部材については同じ符号を付して適宜その詳細の説明を省略する。

まず、図３（ａ）に示すように、Ｎ型の半導体基板１１の表面全面に、熱酸化法によりゲート絶縁膜１３を形成し、その上から不純物イオンを注入してＰ型ウェル領域を形成、さらに、所定位置に図示しない転送ゲート電極などのポリシリコンゲート電極を形成する。その後、Ｐ型ウェル領域内の所定位置に不純物イオンを注入して、Ｎ型の受光素子１２をマトリクス状に複数形成する。これに転送ゲート電極下のＰ型ウェル領域を介して対向配置されるフローティングディフュージョンなどの不純物拡散領域を形成し、さらに受光素子１２の表面を覆うように暗電流防止用の表面Ｐ＋層を形成する。このようにして、半導体基板１１の加工が完了する。

次に、ゲート絶縁膜１３上の、受光素子１２の受光面に対応した位置にＬＰＣＶＤ法によりシリコン窒化膜からなる反射防止膜１９を形成する。さらに、ＣＶＤ法により第１の層間絶縁膜２０、ＣＭＰダマシン法により銅からなる第１配線１４，ＣＶＤ法により第１の銅拡散防止膜１５と第２の層間絶縁膜２１、ＣＭＰダマシン法により銅からなる第２配線１６，ＣＶＤ法により第２の銅拡散防止膜１７と第３の層間絶縁膜２２を形成する。第３の層間絶縁膜２２上に形成される銅からなる第３配線１８は、その上端面が第３の層間絶縁膜２２の上端面と同じ平面となるように加工される。

このように、積層された配線を形成するまでの工程を配線形成工程と称する。

配線形成工程の後、第３の層間絶縁膜２２および第３配線１８上に、受光素子１２で受光する波長に応じて膜厚の異なる高屈折率膜を形成する、高屈折率膜形成工程を行う。

まず、図３（ａ）に示すように、プラズマＣＶＤ法により膜厚がｈ１の第１のシリコン窒化膜４１を形成する。

次に、例えば、第１のシリコン窒化膜４１上にレジスト膜をスピンコートにより塗布、露光・現像してレジスト膜をパターン化し、レジスト膜をマスクとしてＦ系ガスを用いた反応性イオンエッチングを行うことなどにより、所定の波長を受光する受光素子１２、例えば１２ａ上に位置する第１のシリコン窒化膜４１を除去する。

このときの状態を図３（ｂ）として示す。所定の波長を受光する受光素子１２ａ上の第１のシリコン窒化膜４１には、開口部４２が形成されている。一方、受光素子１２ａとは異なる波長を受光する受光素子１２ｂ上には、第１のシリコン窒化膜４１が残存している。

次に、部分的に開口部４２が形成された第１のシリコン窒化膜４１上の全面に、所定の膜厚ｈ２の第２のシリコン窒化膜４３を形成する。この状態を図３（ｃ）に示す。このようにすることで、受光素子１２ａ上には膜厚がｈ２の、また、受光素子１２ｂ上には膜厚がｈ１＋ｈ２の、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３が形成される。このとき、膜厚ｈ２の値を図１における膜厚ｔ１、膜厚（ｈ１＋ｈ２）の値を図１におけるｔ２とすることで、図１に示したＣＭＯＳ型イメージセンサ１と同じ膜厚の値を有するシリコン窒化膜２３が形成できる。

シリコン窒化膜２３を形成した後、４００度〜５００度の雰囲気温度での熱処理を行い、水素シンター処理を行う。

その後、図４（ａ）に示すように、シリコン窒化膜２３上に例えばアクリル系熱硬化樹脂膜である平坦化膜２４をスピンコート法により形成し、平坦化膜２４上に、受光素子１２ａで受光する波長を透過するカラーフィルタ２５ａを受光素子１２ａに重なる位置に、また、受光素子１２ｂで受光する波長を透過するカラーフィルタ２５ｂを受光素子１２ｂに重なる位置に塗布・露光・現像からなるリソグラフィ工程によりそれぞれ形成する。なお、ベイヤー配列である原色カラーの中で、緑色のカラーフィルタが薄く形成できるため、カラーフィルタは緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、赤色（Ｒ）の順に形成されることが多い。ここまでの工程が、フィルタ層形成工程である。

その後、図４（ｂ）に示すように、適宜カラーフィルタ２５（２５ａ、２５ｂ）上に、平坦化膜としての機能を有する樹脂膜２６を形成し、さらに、各受光素子１２の配置位置に重なる位置に、リソグラフィ法により受光素子１２で受光する光を集光するためのマルチレンズ２７を形成し、ＣＭＯＳ型イメージセンサが製造される。

なお、図３および図４で示した、本実施形態の製造方法の場合、導電性の高い銅を用いて第３配線１８を形成したため、第１のシリコン窒化膜４１に開口部４２を形成するエッチングの際に第３配線１８が劣化しないように、図３（ｂ）に示すように、開口部４２の幅を第３配線１８の形成間隔よりも狭くしている。この場合、図３（ｃ）から明らかなように、第２のシリコン窒化膜４３を積層した場合に、第２のシリコン窒化膜４３が第１のシリコン窒化膜４１の側壁を覆うように堆積するため、シリコン窒化膜２３としての膜厚が薄いｔ１の部分の幅が狭くなっている。受光素子１２ｂで受光する波長の反射光を抑えるという観点からは、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３の膜厚がｔ１の部分は受光素子１２ａの受光領域に対応した大きさであることが好ましいから、第３配線１８が銅以外の材料である場合や、第１のシリコン窒化膜４１の形成時に第３配線１８に対して大きなダメージが加わらない場合には、第１のシリコン窒化膜４１に形成される開口部４２の大きさをより大きくすることが好ましい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法として、ＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法の第２の例を、第３の実施形態として説明する。

図５および図６は、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法の例を示す図である。

第３の実施形態として示すＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法は、図３および図４を用いて説明した上記第２の実施形態にかかるＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法の第１の例と比較して、高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３を形成する高屈折率膜形成工程のみが異なるため、他の工程の詳細な説明は省略する。

図５（ａ）は、半導体基板１１に受光素子１２を形成した後、配線形成工程を経て、第３の層間絶縁膜２２および第３配線１８上に、受光素子１２で受光する波長に応じて膜厚の異なる高屈折率膜を形成するために、膜厚がｈ３のシリコン窒化膜５１を形成した状態を示している。

次に、例えば、シリコン窒化膜５１上にレジスト膜を塗布、露光・現像してレジスト膜をパターン化し、レジスト膜をマスクとしてエッチングを行うことなどにより、所定の波長を受光する受光素子１２ａ上に位置するシリコン窒化膜５１を厚さ方向に部分的に除去する。

このときの状態を図５（ｂ）として示す。所定の波長を受光する受光素子１２ａ上の第１のシリコン窒化膜５１は、厚さ方向に部分的に除去された凹み部５２が生じている。なお、このときの、受光素子１２ａ上に位置するシリコン窒化膜５１の残存した膜厚をｈ４とする。言い換えれば、受光素子１２ａの配置位置に相当する部分のシリコン窒化膜５１膜厚が、（ｈ３−ｈ４）だけ除去されたこととなる。このとき、膜厚ｈ４の値を図１における膜厚ｔ１、膜厚ｈ３の値を図１におけるｔ２とすることで、図１に示したＣＭＯＳ型イメージセンサ１と同じ膜厚の値を有するシリコン窒化膜２３が形成できる。

シリコン窒化膜２３を形成した後、４００度〜５００度の雰囲気温度での熱処理を行い、水素シンター処理を行う。

その後、図６（ａ）に示すように、シリコン窒化膜２３上に平坦化膜２４を形成し、さらに図６（ｂ）に示すように、フィルタ層形成工程によってカラーフィルタ２５ａを受光素子１２ａに重なる位置に、また、カラーフィルタ２５ｂを受光素子１２ｂに重なる位置にそれぞれ形成する。その後、樹脂膜２６を形成し、さらに、各受光素子１２の配置位置に重なる位置にマルチレンズ２７を形成し、ＣＭＯＳ型イメージセンサが製造される。

このようにして、カラーフィルタ２５ａで選択された波長の光を受光する受光素子１２ａに対応して、カラーフィルタ２５ａで透過する波長の光の反射を低減する膜厚の高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３ａと、受光素子１２ｂに対応して、カラーフィルタ２５ｂで透過する波長の光の反射を低減する膜厚の高屈折率膜であるシリコン窒化膜２３ｂとを備えたＣＭＯＳ型イメージセンサを製造することができる。

なお、本実施形態において、高屈折率膜であるシリコン窒化膜を所定の膜厚とする方法としては、まず、求められるシリコン窒化膜の膜厚のうち最大の膜厚のものに合わせた膜厚（図５（ａ）のｈ３＝ｔ２）のシリコン窒化膜を形成し、受光素子１２に対応する部分の膜厚を削って異なる膜厚（図５（ｂ）のｈ４＝ｔ１）とする方法について説明した。

しかし、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法における、それぞれの受光素子に対応した所定の膜厚を有するシリコン窒化膜の形成方法は上記の方法に限らず、最初に形成するシリコン窒化膜の膜厚を求められるシリコン窒化膜の膜厚よりも厚くして、それぞれの受光素子に対応する位置の膜厚を部分的にエッチング等により除去して所望の値とすることができる。例えば、図１において、受光素子１２ａに対応する部分のシリコン窒化膜２３ａの薄い膜厚ｔ１と、受光素子１２ｂに対応する部分のシリコン窒化膜２３ｂの厚い膜厚ｔ２を得るに当たって、まず、ｔ２よりも厚い膜厚ｈ５（＝ｔ２＋α）でシリコン窒化膜５１を形成した後、受光素子１２ａと重なる部分のシリコン窒化膜５１をｈ６（＝ｔ１）となるように、また、受光素子１２ｂと重なる部分のシリコン窒化膜５１をｈ７（＝ｔ２）となるように、厚さ方向に部分的に除去することができる。

なお、本実施形態では、シリコン窒化膜２３の膜厚として、２つの異なった値の膜を得ることについて説明したが、最初に形成するシリコン窒化膜の膜厚を、求める膜厚の中で最も厚い膜厚の数値となるように形成する方法の場合、最初に形成する膜厚が、求める膜厚の中で最も厚い者よりもさらに厚く形成する場合の、いずれの場合においても、エッチング等による膜厚の部分的な除去の厚さを設定することで、３種類以上の異なる膜厚を有するシリコン窒化膜を形成することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法についてＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法の第３の例を、第４の実施形態として説明する。

図７および図８は、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法を示す図である。

第４の実施形態として示すＣＭＯＳ型イメージセンサの製造方法も、上記第２の実施形態で説明した製造方法の第２の例、第３の実施形態で説明した製造方法の第２の例と比較して、高屈折率膜の組成と、高屈折率膜製造工程の内容のみが異なるため、他の工程の詳細な説明は省略する。

図７（ａ）は、半導体基板１１に受光素子１２を形成した後、配線形成工程を経て、第３の層間絶縁膜２２および第３配線１８上に、受光素子１２で受光する波長に応じて膜厚の異なる高屈折率膜を形成するために、膜厚がｈ８のシリコン窒化膜６１を形成した状態を示している。

この後、雰囲気温度が４００度〜５００度程度の熱処理により水素シンター処理を行う。

次に、屈折率が１．７程度以上の高屈折率を有する感光性の樹脂膜からなる、厚さｈ９の高屈折率樹脂膜６２を塗布、形成する。そして、受光素子１２ａと重なる部分の高屈折率樹脂膜６２を、フォトリソグラフィ法によりエッチング除去して、高屈折率樹脂膜６２に所定の開口部６３を形成する。

このときの状態を図７（ｂ）として示す。受光素子１２ａ上の高屈折率膜６４は、膜厚がｈ８のシリコン窒化膜６１であり、受光素子１２ｂ上の高屈折率膜６４は、膜厚がｈ８のシリコン窒化膜６１と膜厚がｈ９の高屈折率樹脂膜６２が積層されたものである。

その後、図８（ａ）に示すように、高屈折率膜上に平坦化膜２４を形成し、さらに図８（ｂ）に示すように、フィルタ層形成工程によってカラーフィルタ２５ａ、２５ｂを所定の位置に形成する。さらに、樹脂膜２６を介してマルチレンズ２７を形成する。

このようにして、カラーフィルタ２５ａで選択された波長の光を受光する受光素子１２ａに対応して、カラーフィルタ２５ａで透過する波長の光の反射を低減する膜厚の高屈折率膜６４ａと、受光素子１２ｂに対応して、カラーフィルタ２５ｂで透過する波長の光の反射を低減する膜厚の高屈折率膜６４ｂとを備えた固体撮像装置を製造することができる。なお、このときの高屈折率膜６４ａの膜厚ｈ８、および、高屈折率膜６４ｂの膜厚ｈ８＋ｈ９は、シリコン窒化膜６１，高屈折率樹脂膜６２それぞれの、透過波長における屈折率を勘案して定めることができる。

この第４の実施形態によれば、カラーフィルタで透過する波長に対応して、受光素子の形成位置に重なる部分の膜厚が異なる高屈折率膜を、シリコン窒化膜と高屈折率樹脂膜のように、異なる種類の膜厚で形成することができる。このようにすることで、例えば、シリコン窒化膜に比べてエッチング処理が簡易である感光性樹脂膜を用いて、対応する受光素子の形成位置における膜厚の異なる高屈折率樹脂膜を、より簡易にかつ正確に形成することができる。

また、本実施形態で、シリコン窒化膜６１を１回で形成したが、同じ組成の膜を複数回に分けて形成することで、例えば、必要とされる膜厚が一度に形成することが困難なものである場合などでも、所望の膜厚分布を有する高屈折率膜６４（６４ａ、６４ｂ）を形成することができる。

以上、本発明の各実施形態として説明したように、受光素子で受光する光の波長を選択するカラーフィルタの選択波長に対応して、最上層に位置する層間絶縁膜の屈折率よりも屈折率の高い高屈折率膜の膜厚を異ならせることで、リップルを低減して、色むらや輝度むらの生じにくい固体撮像装置を得ることができる。

なお、上記各実施形態において、最上層の層間絶縁膜の上端面と最上層に位置する配線の上端面とが、同一の平面である場合についてのみ説明したが、本発明の固体撮像装置においてはこのことは必須の要件ではなく、最上層の層間絶縁膜上に最上層の配線が配置されていても問題ない。

また、上記各実施形態では、ＣＭＯＳ型イメージセンサを例示して説明したが、本発明はこれに限らず、裏面照射型イメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ、遠赤外線イメージセンサなど、他のタイプの固体撮像装置に適用することができる。

また、上記本発明の各実施形態においては、カラーフィルタ層上にマイクロレンズが形成されたものについてのみ説明したが、本発明の固体撮像装置において、マイクロレンズは必須の要件ではなく、マイクロレンズを備えていない固体撮像装置に対して、受光素子の受光波長に対応して膜厚の異なる高屈折率膜を用いることで、リップルを低減して色むらや感度むらを改善することができるという本発明の効果を奏することができる。

本発明にかかる固体撮像装置は、基板表面で反射した光の多重反射によるリップルを低減することができ、色むらや感度むらの生じにくい固体撮像装置として、また、その製造方法として、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等各種の画像撮影機器に有用に利用可能である。

１ ＣＭＯＳ型イメージセンサ（固体撮像装置）
１１ 半導体基板
１２ 受光素子
１４，１６，１８ 配線
２０，２１，２２ 層間絶縁膜
２３ シリコン窒化膜（高屈折率膜）
２４ 平坦化膜
２５ カラーフィルタ

Claims (11)

1. それぞれが画素を形成する複数の受光素子が表面部に形成された半導体基板と、
   前記半導体基板上に、複数の層間絶縁膜を介して積層された複数の配線と、
   前記複数の層間絶縁膜のうちの最上層に位置する層間絶縁膜上に形成された、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜と、
   前記高屈折率膜上に平坦化膜を介して配置された、前記受光素子で受光する波長を選択するためのカラーフィルタとを有し、
   前記カラーフィルタの透過光の波長に対応して前記高屈折率膜の膜厚が異なることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記カラーフィルタがそれぞれ赤色光、緑色光、青色光を透過させるものであり、前記高屈折率膜の膜厚が、前記赤色光、緑色光、青色光を透過させるカラーフィルタにそれぞれ対応して異なっている請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記高屈折率膜の膜厚は、対応するカラーフィルタの透過率最大波長をλ、前記透過率最大波長λでの前記高屈折率膜の屈折率をｎ、任意の整数をｍとしたとき、
   （２ｍ−１）＊λ/(４＊ｎ)以上（２ｍ＋１）＊λ/(４＊ｎ)以下
   である請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記高屈折率膜が、屈折率の異なる複数の膜の積層体である請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記高屈折率膜が、パッシベーション膜を兼ねるシリコン窒化膜である請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記高屈折率膜が、パッシベーション膜を兼ねるシリコン窒化膜と高屈折率樹脂膜との積層体である請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 半導体基板の表面部に複数の受光素子を形成した後、前記半導体基板上に複数の層間絶縁膜を介して複数の配線を積層形成する配線形成工程と、
   前記複数の層間絶縁膜のうち最上層に位置する層間絶縁膜上に、前記受光素子で受光する波長に応じて前記受光素子の配置位置に対応した部分の厚さが異なる、前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い高屈折率膜を形成する高屈折率膜形成工程と、
   前記高屈折率膜上に平坦化膜を形成した後、前記受光素子で受光する波長を選択するカラーフィルタを形成するフィルタ層形成工程とを備えたことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
8. 前記高屈折率膜形成工程が、
   前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面に第１のシリコン窒化膜を形成するステップと、前記形成された第１のシリコン窒化膜のうち、所定の波長を受光する画素に対応する部分の前記第１のシリコン窒化膜を除去するステップと、前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面に第２のシリコン窒化膜を形成するステップとを有する請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
9. 前記高屈折率膜形成工程が、
   前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面にシリコン窒化膜を形成するステップと、前記形成されたシリコン窒化膜のうち、所定の波長を受光する画素に対応する部分の膜厚が薄くなるように厚さ方向に一部を除去するステップとを有する請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記高屈折率膜形成工程が、
    前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面にシリコン窒化膜を形成するステップと、前記形成されたシリコン窒化膜上の所定の波長を受光する画素に対応する部分に、所定の膜厚を有する高屈折率樹脂膜を形成するステップとを有する請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記高屈折率膜形成工程において、
    前記半導体基板の前記複数の受光素子が形成されている領域の全面に前記シリコン窒化膜を形成した後、水素シンター処理を行う請求項８〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。

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