JP2015023199A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を有する固体撮像装置において、光導波路の漏れ光が隣接画素に入射することを抑制し、特性を改善する。【解決手段】固体撮像装置は、基板１０１上に配列され、それぞれ基板１０１に形成された光電変換領域１０３及び基板１０１上に形成されたゲート電極１０６を有する複数の単位画素を備える。単位画素を覆うように基板上に形成された第１の絶縁膜１０７と、第１の絶縁膜１０７上に、配線１１３を含むように形成された第２の絶縁膜１０９と、記第１の絶縁膜１０７を貫通し、ゲート電極１０６と配線１１３とを接続するコンタクト１１７と、光電変換領域１０３上において、第２の絶縁膜１０９を貫通して第１の絶縁膜１０７の上部の一部にまで形成された光導波路１１５ａと、第１の絶縁膜１０７中で且つ光導波路１１５ａの側方に設けられると共に、第１の絶縁膜１０７よりも屈折率が高い第３の絶縁膜１１６とを更に備える。【選択図】図１

Description

本開示は固体撮像装置に関し、特に、固体撮像装置の受光部における光導波路の構成に関する。

固体撮像装置は、ディジタルスティルカメラ、ビデオカメラ、カメラ付携帯電話及びタブレットＰＣ等の撮像デバイスとして用いられている。例えば、固体撮像装置の一種であるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサは、半導体基板をベースとして、複数のフォトダイオードが形成される画素領域と、その周辺に形成された周辺回路領域とを有する。複数のフォトダイオードは、画素部の単位セル毎に設けられており、例えば、半導体基板の表層において、主面に沿ってマトリクス状に配置されている。

近年、撮像デバイスの小型化及び高解像度化に伴い、画素部の単位セルは微細化の一途をたどっている。画素単位セルが微細化すると、フォトダイオードへの入射光が減少するので、撮像デバイスとしては感度低下が課題となる。この感度低下を解決するために、効率よくフォトダイオードへ光を入射させる光導波路を有する固体撮像装置が提案されている。

例えば先行特許文献には、絶縁膜の開口に屈折率の高い膜を埋め込むことにより光導波路を形成する方法について記載されている。具体的には、特許文献１には、外周部より屈折率が高い環状のコア層と、環状のコア層に取り囲まれ且つコア層より屈折率が低いクラッド層とを有する光導波路構造が示されている。また、特許文献２には、外周部より屈折率が高いコア層と、コア層を取り囲む屈折率が低いクラッド層とを有する光導波路構造が記載されている。これらの構造では、光導波路に入射した光を効率的にフォトダイオードへ導くために、光導波路は配線層を貫通するように形成されている。

特開2012-038986号公報 特開2012-182431号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２にて提案されている技術を用いた場合にも、入射光の全てをフォトダイオードに導くことはできず、光導波路から漏れ光が発生する。この漏れ光が隣接する別のフォトダイオードへ入射すると、固体撮像装置の特性劣化、例えば、混色特性の劣化を引き起こす。この問題は、画素単位セルサイズの微細化を進めるにあたり顕著となる。

図５に、従来の固体撮像装置において、ある画素１の光導波路に入射した光の漏れ光が、画素１に隣接する画素２へ到達する経路を示す。図５において、固体撮像装置は、シリコン基板１１、ゲート電極１６、配線が形成されていない絶縁膜３２及び配線が形成されている絶縁膜３１の積層構造、光導波路を形成する絶縁膜１５、カラーフィルタ２０、埋め込み層２１、マイクロレンズ２２、隔壁を形成する絶縁膜３３を備えている。

画素１から画素２へと漏れ光が到達する経路として、カラーフィルタ２０と隔壁３３の界面を透過する経路Ａ、隔壁３３を透過する経路Ｂ、配線が形成されている絶縁膜層３１を透過する経路Ｃ、シリコン基板１１を透過する経路Ｄ、光導波路を形成する絶縁膜１５の上部を透過する経路Ｅ、光導波路を形成する絶縁膜１５と配線が形成されていない絶縁膜３２との界面を透過する経路Ｆがある。

ここで、画素単位セルサイズの微細化を進めるにあたり、画素間距離が縮小されて絶縁膜３２の膜厚に近くなる場合、例えば、画素間距離５００［ｎｍ］に対し絶縁膜３２の膜厚３００［ｎｍ］になる場合を考える。このとき、特に図５に示す経路Ｆ、つまり、光導波路を形成する絶縁膜１５と配線が形成されていない絶縁膜３２との界面を透過する光が、配線層３１の最下部である第１の配線層とゲート電極１６との間にある絶縁膜３２を通って漏れ光となる経路の影響が無視できなくなる。これは、第１の配線層下の絶縁膜３２には遮光膜として機能する配線層が無いこと、及び、隣接画素間の距離が近くなっていることに起因する。絶縁膜３２の薄膜化によりこの問題を解決することは考えられるが、そのようにすると、ゲート電極１６と第１の配線層のショート及び／又は配線寄生容量増加による動作速度低下といった副作用を引き起こす。従って、絶縁膜３２を単純に薄膜化することはできない。

本開示は、上記に鑑みて、微細化に伴い影響が無視できなくなる漏れ光の影響を抑制し、固体撮像装置の特性を改善できる構造を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本開示の固体撮像装置は、基板上に配列され、それぞれ基板に形成された光電変換領域及び基板上に形成されたゲート電極を有する複数の単位画素と、複数の単位画素を覆うように基板上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に、配線を含むように形成された第２の絶縁膜と、第１の絶縁膜を貫通し、ゲート電極と配線とを接続するコンタクトと、光電変換領域上において、第２の絶縁膜を貫通して第１の絶縁膜の上部の一部にまで形成された光導波路と、第１の絶縁膜中で且つ光導波路の側方に設けられると共に、第１の絶縁膜よりも屈折率が高い第３の絶縁膜とを備える。

このような固体撮像装置によると、光導波路から漏れた光が隣接画素の光電変換領域に入射するのを抑制することができる。具体的には、光導波路から第２の絶縁膜に漏れた光は、第２の絶縁膜中に配線が設けられていることにより遮断できる。また、光導波路から第１の絶縁膜に漏れた光は、第１の絶縁膜中に、第１の絶縁膜よりも屈折率の高い第３の絶縁膜が設けられていることにより、２つの絶縁膜の界面において反射できる。従って、光導波路から絶縁膜に漏れた光が隣接画素の光電変換領域に入射するのを防ぎ、固体撮像装置の混色を抑制できる。

ここで、通常、混色特性を向上させるためには隔壁を厚くして画素間隔を広くする等が必要であり、この場合には画素面積が小さくなって感度が低下する。このように、混色特性と感度とはトレードオフの関係となることが多い。これに対し、本開示の固体撮像装置では、高感度を維持しながら、より混色特性に優れる固体撮像装置、言い換えると高い色分解特性を有する固体撮像装置が実現できる。

尚、本開示の固体撮像装置において、第１の絶縁膜は、配線を含んでいなくても良い。

前記の通り、第１の絶縁膜中には第３の絶縁膜が設けられ、これによって漏れ光を反射している。従って、第１の絶縁膜に配線が含まれなくても、漏れ光の抑制は可能となっている。

また、ゲート電極は、エッチングストップ膜に覆われており、第３の絶縁膜は、エッチングストップ膜に接している。

このようにすると、ゲート電極と第３の絶縁膜との隙間がエッチングストップ膜の厚さだけになる。従って、第３の絶縁膜よりも下側において光導波路から漏れた光が、ゲート電極と第３の絶縁膜との間を通って隣接画素に達するのを抑制することができる。

また、第３の絶縁膜は、基板の上面に平行に形成されていても良い。

第３の絶縁膜は、このように配置することが可能である。

また、光導波路は、第３の絶縁膜を貫通するように形成されていても良い。

これにより、光導波路の下面をより光電変換領域に近づけることができる。

また、ゲート電極の上面は、光導波路の下面よりも前記第３の絶縁膜の下面に近くても良い。

これにより、光導波路から漏れた光のゲート電極による遮断をより確実にすることができる。

また、第３の絶縁膜の上面は、平坦であっても良い。

仮に、第３の絶縁膜の上面が平坦ではないとすると、第３の絶縁膜を覆うためには、その上の部分の第１の絶縁膜を厚くしなければならない。これに対し、第３の絶縁膜の上面が平坦であれば、その上の部分の第１の絶縁膜、ひいては第１の絶縁膜と第３の絶縁膜とを合わせた膜厚を小さくすることができる。

また、コンタクトは、第３の絶縁膜を貫通して形成されていても良い。

コンタクトにより配線とゲート電極とを接続するために、このようになっていても良い。

次に、本開示の固体撮像装置において、第３の絶縁膜は、第１の絶縁膜を介して光導波路を囲むように形成されていても良い。

このようにすると、第１の絶縁膜と第３の絶縁膜との界面が光導波路を囲むことになり、光導波路からの漏れ光をより確実に反射できる。

第３の絶縁膜は、第１の絶縁膜を貫通するように形成されていても良い。

つまり、第１の絶縁膜の厚さ全体にわたって第３の絶縁膜が配置されていることになるので、第１の絶縁膜における光導波路からの漏れ光をより確実に反射できる。

また、第３の絶縁膜の上面は、配線の下面と略同一の位置にあっても良い。

これにより、配線と第３の絶縁膜との間を漏れ光が通るのを抑制することができる。

また、第３の絶縁膜は、ゲート電極上に分離部を有し、コンタクトは、分離部に配置されていても良い。

コンタクトも漏れ光を遮断することができるので、コンタクトを配置するために第３の絶縁膜を分離したとしても、漏れ光は遮断される。

また、本開示の固体撮像装置において、第３の絶縁膜は、窒化シリコン、炭化シリコン、窒化炭化シリコン又は酸化チタンからなっていても良い。

本開示の技術によると、光導波路を有する固体撮像装置において、光導波路からの漏れ光が隣接画素の光電変換領域に入射するのを抑制することができ、色分解特性及び感度等の固体撮像装置の特性を改善することができる。

図１は、本開示の第１の実施形態に係る例示的固体撮像装置について、模式的な断面構成を示す図である。 図２は、図１の固体撮像装置における光の入射経路を示す図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、本開示の第２の実施形態に係る例示的固体撮像装置について、模式的な断面構成を示す図であり、IIIa-IIIa'線が図３（ａ）に、IIIb-IIIb'線が図３（ｂ）に対応する。 図４は、図３の固体撮像装置における光の入射経路を示す図である。 図５は、従来の固体撮像装置における隣接画素への漏れ光の経路を示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。以下の各実施の形態は、光導波路を有する固体撮像装置に関するものであるが、本開示の構成及びそこから奏される作用・効果を分かり易く説明するために用いる例であって、本質的な特徴部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。

（第１の実施例）
第１の実施形態に係る例示的固体撮像装置１００について、その模式的な要部断面図である図１を参照して説明する。図１には、２つの画素を含む範囲が示されている。

図１に示すように、固体撮像装置１００は半導体基板１０１を用いて形成されている。半導体基板１０１の主面上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるゲート絶縁膜１０２が形成されている。

半導体基板１０１には、そのゲート絶縁膜１０２との界面から内側に向かって、画素毎に光電変換領域としてフォトダイオード１０３が形成されている。フォトダイオード１０３は、この例では、ｎ型の電荷蓄積層１０３ａと、ｐ＋型の表面層１０３ｂとのｐｎ接合を有するように構成されている。

ここで、例えば画素部のセルサイズを１．１μｍとするとき、フォトダイオード１０３の幅は例えば０．６μｍであり、従って隣接画素のフォトダイオード１０３との間隔は０．５μｍである。

半導体基板１０１の表層部には、フォトダイオード１０３の他に、公知のＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法、又は、ボロン等の不純物をイオン注入すること等により形成された素子分離領域１０４が形成されている。また、各画素において、フローティングディフュージョン（ＦＤ）及びトランジスタ素子等も形成されているが、図１においては図示を省略している。

フォトダイオード１０３の上方を含む部分において、ゲート絶縁膜１０２上に、反射防止膜１０５が形成されている。反射防止膜１０５は、フォトダイオード１０３に入射する光が、半導体基板１０１の表面において反射されるのを抑制するために設けられている。また、反射防止膜１０５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を用いて形成されている。

次に、半導体基板１０１に設けられた活性領域の上に、ゲート絶縁膜１０２を介して、ゲート電極１０６が形成されている。ゲート電極１０６は、例えば、ポリシリコンの単層構造でも良いし、チタン又は窒化タンタル等の金属と、ポリシリコンとの積層構造でも良い。この例では、ゲート電極１０６はポリシリコンにより形成され、その膜厚は１５０ｎｍである。

次に、反射防止膜１０５及びゲート電極１０６上を覆うように、エッチングストップ膜１０８ａが形成され、更にその上に、下層１０７ａ及び上層１０７ｂからなる第１の絶縁膜１０７が形成されている。第１の絶縁膜１０７上には、他のエッチングストップ膜１０８ｂ及び第２の絶縁膜１０９が積層されている。第２の絶縁膜１０９中には、配線１１３が形成されている。

更に、第１の絶縁膜１０７中に、第１の絶縁膜１０７よりも屈折率の高い第３の絶縁膜１１６が形成されている。つまり、第１の絶縁膜１０７の下層１０７ａの上に第３の絶縁膜１１６が形成され、更にその上に第１の絶縁膜１０７の上層１０７ｂが形成されている。

また、第１の絶縁膜１０７の上層１０７ｂ、第３の絶縁膜１１６及びエッチングストップ膜１０８ａを貫通して、配線１１３とゲート電極１０６とを接続するコンタクトプラグ１１７が形成されている。

第１の絶縁膜１０７中には、ゲート電極１０６が形成されているが、その他に配線は形成されていない。

後に更に述べるが、第２の絶縁膜１０９、エッチングストップ膜１０８ｂ、第１の絶縁膜１０７及び第３の絶縁膜１１６を貫通して、絶縁膜からなる光導波路１１５ａが形成されている。

第１の絶縁膜１０７は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、膜厚は３００ｎｍであり、屈折率が１．４５である。これに対し、第３の絶縁膜１１６は、例えば、窒化シリコン、炭化シリコン又は酸化チタン等から形成され、膜厚は３０ｎｍである。第３の絶縁膜１１６が窒化シリコンにより形成されている場合、屈折率は１．９程度である。

第３の絶縁膜１１６は、第１の絶縁膜１０７中において、半導体基板１０１の主面に平行な層として、ゲート電極１０６の高さと同等の位置、例えば、エッチングストップ膜１０８ａ上の１５０ｎｍの位置に形成されている。

エッチングストップ膜１０８ａは、例えば、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコン等から形成され、膜厚は５０ｎｍである。

コンタクトプラグ１１７は、主にタングステンからなり、第１の絶縁膜１０７等との境界部分にチタン又は窒化チタン等からなるバリアメタルを有する（図示は省略）。

また、第２の絶縁膜１０９上には、拡散防止層１１０、第４の絶縁膜１１１及び拡散防止層１１２が順に積層されている。ここで、第２の絶縁膜１０９中に配線１１３が埋め込まれて形成されているのと同様に、第４の絶縁膜１１１中には配線１１４が埋め込まれて形成されている。第２及び第４の絶縁膜１０９及び１１１は、例えば、酸化炭化シリコン（ＳｉＯＣ）により形成され、膜厚は順に５０ｎｍ及び２００ｎｍであり、屈折率はいずれも１．４７である。

拡散防止層１１０及び１１２は、例えば、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、酸化窒化シリコン又は窒化シリコン等から形成され、膜厚は５０ｎｍ〜７０ｎｍ、屈折率は１．７〜２．０である。これらの拡散防止層１１０及び１１２は、配線１１３及び１１４を形成する際に、その材料である銅原子が第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１に対して拡散するのを防止する機能を有する。

配線１１３及び１１４は、第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１に対して予め形成した溝に、銅（Ｃｕ）又はその合金を埋め込むことにより形成される。この際、例えば、ダマシンプロセスにより形成されたタンタル／窒化タンタルからなるバリアメタル層が銅配線の周囲に形成された構造とすることもできる。バリアメタル層は、銅原子が絶縁膜１０９及び１１１に対して拡散するのを防止すると共に、絶縁膜１０９及び１１１と銅との密着性を向上させる効果を有する。尚、配線１１３は、ゲート電極１０６の上方に配置された最下層の配線であり、コンタクトプラグ１１７を介してゲート電極１０６と直接接続されている。

また、フォトダイオード１０３の上方において、拡散防止層１１２、第４の絶縁膜１１１、拡散防止層１１０、第２の絶縁膜１０９、第１の絶縁膜１０７の上層１０７ｂ及び第３の絶縁膜１１６を貫通し、第１の絶縁膜１０７の下層１０７ａの上部を取り除くように開口部が形成され、当該開口部を埋め込み且つ拡散防止層１１２上を覆うように、第５の絶縁膜１１５が形成されている。開口部を埋め込む部分の第５の絶縁膜１１５が、光導波路１１５ａを構成している。

光導波路１１５ａ内には、配線１１３及び配線１１４はいずれも配置されていない。

ここで、光導波路１１５ａを形成するための開口部は、フォトダイオード１０３の幅に対応して幅６００ｎｍである。これに対し、開口部の深さは６００ｎｍ程度であり、光導波路のアスペクト比（開口部の幅と深さの比）は１又はそれ以下とすることが望ましい。これは、アスペクト比を１よりも大きくした場合、つまり、開口部の幅よりも深さが大きい場合、通常のＣＶＤ法を用いて第５の絶縁膜１１５を形成すると、光導波路１１５ａ内にボイド（空孔）が生じやすくなるからである。ボイドが発生した場合、当該ボイドが光を散乱させるので、フォトダイオード１０３に達する光が大幅に減少し、対応する画素の感度を大幅に低下させる。従って、光導波路のアスペクト比は１又はそれ以下とすることが望ましい。

尚、第５の絶縁膜１１５は、例えば窒化シリコンからなり、光導波路１１５ａの底面からの膜厚が６００ｎｍ程度である。窒化シリコンからなる第５の絶縁膜１１５の屈折率は、第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１よりも高く、１．９〜２．０程度である。

第５の絶縁膜１１５の上には、埋め込み層１１８、平坦化樹脂層１１９、カラーフィルタ１２０、平坦化膜１２１及びマイクロレンズ１２２が順に積層して形成されている。ここで、平坦化樹脂層１１９は、その上に形成されるカラーフィルタ１２０を接着するための接着層としても機能する。カラーフィルタ１２０は、例えば、画素部毎に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のいずれかの波長域の光成分を透過する。

ここで、第１の絶縁膜１０７及びその中に配置された第３の絶縁膜１１６は、例えば、次のように形成される。

第１の絶縁膜１０７は、例えば高密度プラズマＣＶＤ法（High Density Plasma−ＣＶＤ法、以下、ＨＤＰ−ＣＶＤ法）により形成される。フォトダイオード１０３、ゲート電極１０６、反射防止膜１０５及びエッチングストップ膜１０８ａ等を形成した後、第１の絶縁膜１０７の下層１０７ａとして、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により酸化シリコンを５００ｎｍ堆積する。次に、当該酸化シリコン膜を、化学的機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing、以下ＣＭＰ）によって平坦化し、且つ、ゲート電極１０６と同等の膜厚、つまり１５０ｎｍにまで研磨して除去する。

この場合のＣＭＰ法の条件の一例として、研磨パッドに発泡ポリウレタン樹脂を用いると共に、スラリーとしてセリアスラリー（酸化セリウム系のスラリー）を流量２００ｍｌ／ｍｉｎにて用いる。また、研磨圧力を３００ｈＰａ、研磨盤・研磨ヘッドの回転数を１００ｒｐｍ、雰囲気の温度を２５℃に設定する。更に、研磨時間については、白色光干渉法を用いた膜厚エンドポイントを使用し、エンドポイント検出よりも研磨時間＋３０％のオーバー研磨を行うこととした。但し、ＣＭＰはこの例の条件等に限るものではなく、例えば、スラリーとして、酸化セリウム系スラリーに代えて、シリカ系スラリーを用いても良い。

次に、高屈折率の絶縁膜である第３の絶縁膜１１６は、例えば、第１の絶縁膜１０７の下層１０７ａ上に、低圧プラズマＣＶＤ法（Low Pressure Plasma−ＣＶＤ法、以下、ＬＰ−ＣＶＤ法）により、窒化シリコンを膜厚３０ｎｍ堆積することにより形成する。

その後、再びＨＤＰ−ＣＶＤ法を用い、第１の絶縁膜１０７の下層１０７ａと同様の条件にて、第３の絶縁膜１１６の上に、第１の絶縁膜１０７の上層１０７ｂとして酸化シリコン膜を１２０ｎｍの厚さに堆積する。

これらの工程により、第１の絶縁膜１０７中において、ゲート電極１０６の高さと同等の位置、例えばエッチングストップ膜１０８ａの上１５０ｎｍの位置に第３の絶縁膜１１６が形成され、第１の絶縁膜１０７の下面から上面までを合わせて膜厚が３００ｎｍとなる。

以上により、第１の絶縁膜１０７（その上層１０７ｂ及び下層１０７ａ）に挟まれ、上面及び下面が概ね平坦であり、フォトダイオード１０３上及びゲート電極１０６上にわたって膜厚が概ね等しくなるように、高屈折率の第３の絶縁膜１１６を形成することができる。

次に、本実施形態の固体撮像装置１００における光の入射経路について、図２を参照して説明する。

ここで、第５の絶縁膜１１５及びこれにより形成される光導波路１１５ａの屈折率をｎ１、配線が配置されていない第１の絶縁膜１０７の屈折率をｎ２、配線１１３及び配線１１４が配置された第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１の屈折率をｎ３、第１の絶縁膜１０７中に配置された第３の絶縁膜１１６の屈折率をｎ４とする。このとき、
ｎ１＞ｎ２、ｎ３ ……式１
ｎ４＞ｎ２ ……式２
の関係が満たされている。

このような固体撮像装置１００に対し、図２に示すように、入射光はマイクロレンズ１２２によって集光され（光Ｌ１）、カラーフィルタ１２０等を通過して光導波路１１５ａへと入射する。

光導波路１１５ａに入射した光は、その一部が光導波路１１５ａの側壁側に進む（光Ｌ２）。

ここで、光導波路１１５ａの屈折率（ｎ１）と、その周囲に配置された第１の絶縁膜１０７、第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１の屈折率（ｎ２、ｎ３）とは、前記の式１の関係を有する。従って、光Ｌ２の一部は、光導波路１１５ａと、その周囲の絶縁膜との界面において反射され、光導波路１１５ａの内側に向かう（Ｌ６）。

光Ｌ２の成分の一部は当該界面にて反射されず、絶縁膜中を漏れ光として隣接画素の方向に進む。図では、第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１に漏れる光Ｌ３と、第１の絶縁膜１０７に漏れる光Ｌ４とを示している。

しかし、配線１１３及び１１４が配置された第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１に漏れた光Ｌ３は、配線１１３及び配線１１４によって遮断される。

また、第１の絶縁膜１０７の場合、配線は配置されていないが、第３の絶縁膜１１６が配置されている。第１の絶縁膜１０７の屈折率（ｎ２）と、第３の絶縁膜１１６の屈折率（ｎ４）とは前記の式２の関係を有するので、これらの第１の絶縁膜１０７と第３の絶縁膜１１６との界面において、漏れ光は上方に反射される（光Ｌ４）。このように反射された光は、隣接画素の光導波路１１５ａに入るが、上方に向かっているので隣接画素のフォトダイオード１０３に入ることは無く、混色の原因とはならない。

光導波路１１５ａを通過した光Ｌ５は、フォトダイオード１０３に入射される。

尚、仮に、第１の絶縁膜１０７中に第３の絶縁膜１１６が配置されていなかったとすると、第１の絶縁膜１０７における光導波路１１５ａからの漏れ光は反射されること無く隣接画素のフォトダイオードに入射する。この結果、固体撮像装置の混色特性が悪化することになる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置１００によると、光導波路１１５ａを有する構造において、配線が配置されていない第１の絶縁膜１０７中に、高屈折率の第３の絶縁膜１１６を配置している。これにより、光導波路１１５ａからの漏れ光が第１の絶縁膜１０７を通って隣接画素のフォトダイオード１０３に入射するのを抑制することができる。従って、固体撮像装置１００は、混色を抑制する、つまり、高い色分離特性を実現することができ、高感度の固体撮像装置となっている。

（第２の実施形態）
次に、本開示の第２の実施形態に係る例示的固体撮像装置１００ａについて、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。尚、第１の実施形態の固体撮像装置１００と同じ構成要素については図１と同じ符号を付しており、以下では主に相違点を説明する。

図３（ａ）は固体撮像装置１００ａの断面図であり、２つの画素を含む範囲が示されている。図３（ａ）におけるIIIb-IIIb'線による断面が、図３（ｂ）に示されている。図３（ａ）は、図３（ｂ）におけるIIIa-IIIa'線に対応する。

第１の実施形態における図１の固体撮像装置１００の場合、第１の絶縁膜１０７の下層１０７ａと上層１０７ｂとの間に挟まれるように、半導体基板１０１の主面に平行な層として第３の絶縁膜１１６が形成されている。

これに対し、本実施形態の場合、図３（ａ）及び（ｂ）の固体撮像装置１００ａにおいて、フォトダイオード１０３上の領域を囲むように、第１の絶縁膜１０７を上下に貫通する第３の絶縁膜２１６が形成されている。第３の絶縁膜２１６は、その一部がゲート電極１０６上に位置しているが、ゲート電極１０６と配線１１３とを接続するコンタクトプラグ１１７が形成される領域には分離部を有している。つまり、第３の絶縁膜２１６は、コンタクトプラグ１１７の形成領域を避けて形成されている。

第１の絶縁膜１０７は、例えば酸化シリコンから形成された膜厚３００ｎｍ程度の膜であり、屈折率は１．４５である。

第３の絶縁膜２１６は、第１の絶縁膜１０７よりも屈折率が高い膜であれば良く、例えば窒化シリコン、炭化シリコン又は酸化チタン等が用いられる。この例では窒化シリコンであり、幅が約２０ｎｍ、屈折率は１．９である。

また、配線１１３は、第２の絶縁膜１０９及びエッチングストップ膜１０８ｂを貫通して形成されるので、配線１１３の下面の位置は、第１の絶縁膜１０７を貫通して形成される第３の絶縁膜２１６の上面と概ね一致する。言い換えると、ゲート電極１０６の上面から配線１１３の下面までの距離は、ゲート電極１０６の上面から第３の絶縁膜２１６の上面までの距離と、概ね等しくなる。

ここで、第１の絶縁膜１０７及び第３の絶縁膜２１６については、例えば、次のように形成される。

第１の絶縁膜１０７は、第１の実施形態と同様に、例えば高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ法）により形成される。つまり、フォトダイオード１０３、ゲート電極１０６、反射防止膜１０５及びエッチングストップ膜１０８ａ等を形成した後、ＨＤＰ−ＣＶＤ法により酸化シリコンを５００ｎｍの厚さに堆積する。次に、当該酸化シリコン膜を、化学的研磨法（ＣＭＰ）によって平坦化し、３００ｎｍ程度の厚さとなるまで研磨して除去する。この際の条件、研磨時間等についても、第１の実施形態と同様である。

この第１の絶縁膜１０７上に、フォトダイオード１０３上方を囲む幅２００ｎｍのライン状の開口、つまり図３（ｂ）に示す第３の絶縁膜２１６に対応する形状の開口を有するフォトレジストパターンを形成する。この際、コンタクトプラグ１１７を形成する領域には開口を設けないようにする。

更に、当該フォトレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行い、ゲート電極１０６上のエッチングストップ膜１０８ａの表面に達するまで第１の絶縁膜１０７を除去する。例えば、Ｃ_４Ｆ_８及び／又はＣＨ_２Ｆ_２等のガスを用い、エッチング選択比（シリコン酸化膜／シリコン窒化膜）が３以上の選択性エッチングを行う。これにより、図３（ｂ）の第３の絶縁膜２１６の形状に対応する開口部が第１の絶縁膜１０７に形成される。その後、フォトレジストのパターンを除去する。

次に、高屈折率の第３の絶縁膜２１６として、例えばＨＤＰ−ＣＶＤ法により窒化シリコンを膜厚１５０ｎｍに堆積し、第１の絶縁膜１０７に形成した開口部を埋め込む。当該開口部以外の第１の絶縁膜１０７上に形成された窒化シリコンについては、ＣＭＰ法又はプラズマエッチング等によって除去する。

以上の工程により、第１の絶縁膜１０７を上下に貫通し、フォトダイオード１０３の上方の領域を囲むように第３の絶縁膜２１６が形成される。コンタクトプラグ１１７を形成する部分については第３の絶縁膜２１６を形成することなく第１の絶縁膜１０７となっているので、当該領域（分離部）に、ゲート電極１０６と配線１１３とを直接に接続するコンタクトプラグ１１７を形成する。

次に、本実施形態の固体撮像装置１００ａにおける光の入射経路について、図４を参照して説明する。

第１の実施形態と同様に、光導波路１１５ａの屈折率をｎ１、第１の絶縁膜１０７の屈折率をｎ２、第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１の屈折率をｎ３、第３の絶縁膜２１６の屈折率をｎ４とする。このとき、本実施形態の固体撮像装置１００ａにおいても、
ｎ１＞ｎ２、ｎ３ ……式１
ｎ４＞ｎ２ ……式２
の関係が満たされている。

図４に示すとおり、固体撮像装置１００ａに対する入射光は、マイクロレンズ１２２によって集光され（光Ｌ１）、カラーフィルタ１２０等を通過して光導波路１１５ａへと入射する。

光導波路１１５ａに入射した光は、その一部が光導波路１１５ａの側壁側に進む（光Ｌ２）。式１の関係から、光Ｌ２の一部は、光導波路１１５ａとその周囲の絶縁膜との界面にて反射されて光導波路１１５ａの内側に向かう（光Ｌ６）。同時に、光Ｌ２の一部は、当該界面にて反射されず、漏れ光となる。

第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１に漏れた光Ｌ３については、配線１１３及び配線１１４によって遮断される。

第１の絶縁膜１０７に漏れた光Ｌ４は、光導波路１１５ａの周囲を囲むように第３の絶縁膜２１６が設けられていることから、第１の絶縁膜１０７と第３の絶縁膜２１６との界面において反射される。これは、第１の絶縁膜１０７の屈折率（ｎ２）と、第３の絶縁膜２１６の屈折率（ｎ４）とは前記の式２の関係を有することによる。

光導波路１１５ａを通過した光Ｌ５は、フォトダイオード１０３に入射される。

尚、仮に、第１の絶縁膜１０７中に第３の絶縁膜２１６が配置されていなかったとすると、第１の絶縁膜１０７における光導波路１１５ａからの漏れ光は反射されること無く隣接画素のフォトダイオードに入射する。この結果、固体撮像装置の混色特性が悪化することになる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置１００ａによると、光導波路１１５ａを有する構造において、配線が配置されていない第１の絶縁膜１０７中に、高屈折率の第３の絶縁膜２１６を配置している。これにより、光導波路１１５ａからの漏れ光が第１の絶縁膜１０７を通って隣接画素のフォトダイオード１０３に入射するのを抑制することができる。従って、固体撮像装置１００は、混色を抑制する、つまり、高い色分離特性を実現することができ、高感度の固体撮像装置となっている。

尚、第１及び第２の実施形態において、フォトダイオード１０３の上に３層の絶縁膜（第１の絶縁膜１０７、第２の絶縁膜１０９及び第４の絶縁膜１１１）が積層される構成を説明した。しかし、これに限るものではなく、例えば４層以上の絶縁膜が積層されても良い。

また、光導波路１１５ａについて、第５の絶縁膜１１５の単層からなるものとしたが、異なる屈折率を有する複数の絶縁膜が積層された構造の光導波路とすることもできる。

本開示の固体撮像装置は、色分解特性及び感度に優れるので、例えばディジタルスティルカメラ、ビデオカメラや携帯電話などに搭載される撮像デバイスとしての固体撮像装置を実現するためにも有用である。

１００ 固体撮像装置
１００ａ 固体撮像装置
１０１ 半導体基板
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ フォトダイオード
１０３ａ 電荷蓄積層
１０３ｂ 表面層
１０４ 素子分離領域
１０５ 反射防止膜
１０６ ゲート電極
１０７ 第１の絶縁膜
１０８ａ エッチングストップ膜
１０８ｂ エッチングストップ膜
１０９ 第２の絶縁膜
１１０ 拡散防止層
１１１ 第４の絶縁膜
１１２ 拡散防止層
１１３ 配線
１１４ 配線
１１５ 第５の絶縁膜
１１５ａ 光導波路
１１６ 第３の絶縁膜
１１７ コンタクトプラグ
１１８ 埋め込み層
１１９ 平坦化樹脂層
１２０ カラーフィルタ
１２１ 平坦化膜
１２２ マイクロレンズ
２１６ 第３の絶縁膜

Claims (13)

1. 基板上に配列され、それぞれ前記基板に形成された光電変換領域及び前記基板上に形成されたゲート電極を有する複数の単位画素と、
   前記複数の単位画素を覆うように前記基板上に形成された第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上に、配線を含むように形成された第２の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜を貫通し、前記ゲート電極と前記配線とを接続するコンタクトと、
   前記光電変換領域上において、前記第２の絶縁膜を貫通して前記第１の絶縁膜の上部の一部にまで形成された光導波路と、
   前記第１の絶縁膜中で且つ前記光導波路の側方に設けられると共に、前記第１の絶縁膜よりも屈折率が高い第３の絶縁膜と備え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の絶縁膜は、配線を含んでいない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、
   前記ゲート電極は、エッチングストップ膜に覆われており、
   前記第３の絶縁膜は、前記エッチングストップ膜に接してい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１つにおいて、
   前記第３の絶縁膜は、前記基板の上面に平行に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項４において、
   前記光導波路は、前記第３の絶縁膜を貫通するように形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項５において、
   前記ゲート電極の上面は、前記光導波路の下面よりも前記第３の絶縁膜の下面に近いことを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項４〜６のいずれか１つにおいて、
   前記第３の絶縁膜の上面は、平坦であることを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項４〜７のいずれか１つにおいて、
   前記コンタクトは、前記第３の絶縁膜を貫通して形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
9. 請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
   前記第３の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜を介して前記光導波路を囲むように形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
10. 請求項９において、
    前記第３の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜を貫通するように形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
11. 請求項９又は１０において、
    前記第３の絶縁膜の上面は、前記配線の下面と略同一の位置にあることを特徴とする固体撮像装置。
12. 請求項９〜１１のいずれか１つにおいて、
    前記第３の絶縁膜は、前記ゲート電極上に分離部を有し、
    前記コンタクトは、前記分離部に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１つにおいて、
    前記第３の絶縁膜は、窒化シリコン、炭化シリコン、窒化炭化シリコン又は酸化チタンからなることを特徴とする固体撮像装置。

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