JP4923357B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、受光部とオンチップレンズとの間に、入射した光を受光部へ導く構造をもつ固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＣＣＤ固体撮像素子は、画質の向上が非常に強く要請されている。
その要請に応えるためには、画素数を増やして解像度を高くすることと、感度の向上を行うことが必要であり、そのため、画素の配列密度を高くしつつ、さらに画素を小型化する必要がある。
【０００３】
ところが、画素サイズを縮小した場合、単位画素に入射する光量は減少し、各画素の受光部の感度特性が低下するという不具合が生じてしまう。ここで、感度向上目的で受光部の開口を大きくする、すなわち、遮光膜の開口部を大きくすると、電荷転送部への光の混入によるスミアが発生しやすくなるので、受光部の開口を大きくするのには限界がある。
【０００４】
この観点から、受光部上方に設けたオンチップカラーフィルタ上にオンチップレンズを設け、受光部への集光効率を高める工夫がなされている。
しかし、例えば４×４μｍ以下の画素サイズを有するＣＣＤ固体撮像素子では、オンチップレンズ単独で集光効率を高めることは、ほぼ限界に近づいている。
【０００５】
そこで、上記の集光効率の向上およびスミアの発生の抑制を達成する新たな技術として、オンチップレンズと受光部との間の層内に光透過材料の膜からなる、もう一つのレンズ（層内レンズ）を形成することで集光効率をさらに向上させることが行われている。
【０００６】
この層内レンズは、光電変換をなす受光部の直上において、層間膜中に形成されるレンズであり、オンチップレンズと同様にこの層内レンズに入射した光を当該層内レンズの上面側または下面側の界面で屈折させ、受光部に導くものである。
【０００７】
従って、このような層内レンズを上述したオンチップレンズと併用することにより、オンチップレンズで集光されて入射した光を再度層内レンズで集光することができ、これにより、固体撮像素子全体としての集光効率をより高めることができるのである。
【０００８】
ところが、従来提案されている層内レンズを形成する場合には、遮光膜の上に、ＢＰＳＧ(Borophosphosilicate glass) 膜等のリフロー形状をもつ層間膜を形成し、転送電極間、すなわち、受光部の直上に形成された窪みの中に高屈折率材料を埋め込み、この埋め込んだ高屈折率材料を層内レンズとする、といったプロセスをとるのが一般的である。
【０００９】
しかしながら、このプロセスでは、層内レンズの形状が層間膜の形状で決まってしまうことから、所望の形状、すなわち集光に最適な形状を得るのが困難であり、従って層内レンズを設けたとはいえ、未だ十分に高い集光効率を得るのが困難となっている。
【００１０】
そこで、層内レンズに代わる技術として、特開平１０−３２６８８５号公報および特開平１１−１２１７２５号公報には、受光部の直上位置の平坦化膜に孔部を形成し、その後、高屈折率材料を孔部に埋め込むことにより、光導波路を形成し、光導波路となる高屈折率膜と平坦化膜との界面で光を全反射させて、受光部に取り込む技術が開示されている。
【００１１】
光導波路を形成する従来技術の一例として、上記の特開平１１−１２１７２５号公報に開示の技術を、図面を参照して概略説明する。
【００１２】
まず、図１２（ａ）に示すように、既知の方法に従って、シリコン基板内の各種の不純物領域の形成を行う。すなわち、基板１１に、受光部５を形成し、電荷転送部１３を形成し、図示しないチャネルストッパおよび読み出しゲート部を形成する。
続いて、基板１１上に絶縁膜１４を介して、転送電極１６を形成し、さらに、転送電極１６および受光部５上を被覆して絶縁膜１４を形成する。
さらに、転送電極１６を被覆するように、絶縁膜１４上に遮光膜形成のための遮光材料膜１７’を形成する。
【００１３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、遮光材料膜１７’上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により、ＢＰＳＧ膜からなる平坦化膜２５を形成する。
【００１４】
次に、図１３（ｃ）に示すように、平坦化膜２５上にレジストパターンＲを公知のレジスト技術およびリソグラフィー技術によって形成する。
【００１５】
次に、図１３（ｄ）に示すように、レジストパターンＲをマスクとして、平坦化膜２５、遮光材料膜１７’をエッチングし、平坦化膜２５に孔部２５ａを形成するとともに、遮光材料膜１７’に開口部１７ａを形成して、遮光膜１７を形成する。
【００１６】
次に、図１４（ｅ）に示すように、平坦化膜２５および遮光膜１７の内面を被覆して、屈折率が２．０程度のＳｉＮからなる第１の透明膜２６を形成し、続いて、屈折率が１．８程度のＳｉＯＮからなる第２の透明膜２７を形成し、屈折率が１．６程度のＳｉＯＮからなる第３の透明膜２８を形成する。
【００１７】
次に、図１４（ｆ）に示すように、第３の透明膜２８、第２の透明膜２７、第１の透明膜２６の平坦化膜２５上に形成された部分をエッチバック法あるいはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing)法により除去し、これによって、孔部２５ａおよび開口部１７ａ内にのみ各膜を残す。
【００１８】
次に、図１５（ｇ）に示すように、パッシベーション膜３０を形成し、さらに、カラーフィルタ４０を形成し、オンチップレンズ５０を形成することにより、固体撮像素子を形成している。
【００１９】
このようにして形成された固体撮像素子では、多層かつ段階的に充填した第１の透明膜２６、第２の透明膜２７、第３の透明膜２８により光導波路を形成しており、オンチップレンズ５０で集光された光のうち、受光部５の表面に対して斜めに入射した光が、第３の透明膜２８と第２の透明膜２７との界面、第２の透明膜２７と第１の透明膜２６との界面で屈折する。
そして、これらの界面で屈折した光のうち、第１の透明膜２６と平坦化膜２５との界面に到った光は、特に当該界面の法線とのなす入射角が所定角を越えている場合に全反射し、受光部５に入射することとなる。
これにより、受光部５の表面に対して、斜めに入射した光をも効率よく受光部５上に集光して、感度を向上させている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の固体撮像素子のさらなる微細化に伴い、受光部５の面積が小さくなっていき、その結果、受光部５の上に形成する孔部２５ａのアスペクト比が大きくなることにより、ＣＶＤ法による高屈折率材料である透明膜の孔部２５へのカバレッジが悪化し、ボイド（空隙）が発生するなど孔部２５を完全に透明膜で埋めきれなくなってきたという問題がある。
【００２１】
このように、透明膜２６，２７，２８中にボイド等が発生すると、ボイド表面における散乱光の発生により、感度特性の低下や感度特性のバラツキ等の原因となってしまう。
【００２２】
また、透明膜２６，２７，２８からなる光導波路内において、全反射効果によって、受光部５に光を導くためには、導波路を構成する透明膜２６，２７，２８と、導波路周囲の平坦化膜２５との屈折率差がスネルの法則により不可欠である。
そのため、この屈折率差を確保するために、導波路を構成する透明膜２６，２７，２８や、導波路周囲の平坦化膜２５の膜種の選択肢に制限を生じていた。
【００２３】
現在、導波路を構成する高屈折率材料の透明膜としては、ＳｉＮ系材料が使用されており、現段階では問題はないが、ＳｉＮ系材料は、屈折率は高いが短波長側での透過率が低いことから、将来的に、近紫外や紫外領域における光の感度をもたせるためには、必ずしも有利とはいえず、上述した屈折率差を確保するための材料の制約の問題が顕在化してくる恐れがある。
【００２４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、光導波路により集光効率を高めて感度を向上させつつ、光導波路を構成する材料の制約が低減され、かつ、素子の微細化に対応することができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された受光部と、前記基板上に形成された層間膜内に、入射した光を閉じ込め伝搬させて前記受光部へ導く光導波路を有する固体撮像装置であって、前記光導波路は、前記受光部上に形成され、所定の屈折率をもち導光機能を有する光学的に透明な膜を有し、前記光導波路と前記層間膜の間に、間隙が形成されている。
【００２６】
前記層間膜下における前記基板上に形成され、前記受光部への光入射領域を特定する遮光膜をさらに有する。
【００２７】
前記光導波路および前記層間膜上に形成された、水素を含む保護膜をさらに有する。
【００２８】
前記光導波路の上方に形成され、前記光導波路へ向けて光を集光するオンチップレンズをさらに有する。
【００２９】
上記の本発明の固体撮像装置によれば、所定の屈折率をもち光学的に透明な膜を含む光導波路の周囲に間隙が形成されていることから、光導波路を構成する膜と間隙との間の屈折率差を最も大きくとることができ、光導波路の表面に斜めに入射し、当該光導波路と間隙との界面に到る光が、光導波路を構成する膜と間隙との屈折率差によって、当該界面で全反射され、受光部へ入射するようになる。
そのため、光導波路により集光効率を向上させる場合に、光導波路を構成する材料と、その外側の材料との異種材料の組み合わせによって屈折率差を確保する必要性が低減される。
【００３０】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された受光部と、前記基板上に形成された層間膜内に、入射した光を閉じ込め伝搬させて前記受光部へ導く光導波路を有する固体撮像装置であって、前記光導波路は、前記受光部上に形成され、導光機能を有する光学的に透明な膜を有し、前記光導波路と前記層間膜の間に、前記光導波路の側部表面を被覆する光反射膜が形成されている。
【００３１】
前記層間膜下における前記基板上に形成され、前記受光部への光入射領域を特定する遮光膜をさらに有する。
【００３２】
前記光反射膜は、所定の反射率をもつ金属膜により形成されている。
【００３３】
前記光導波路の上方に形成され、前記光導波路へ向けて光を集光するオンチップレンズをさらに有する。
【００３４】
上記の本発明の固体撮像装置によれば、光学的に透明な膜を含む光導波路の側部表面を被覆して光反射膜が形成され、光導波路と所定の光反射率をもつ光反射膜との界面が鏡面となっていることから、光導波路の表面に対して斜めに入射し、当該光導波路と光反射膜との界面に到る光が、当該界面で反射され、受光部へ入射するようになる。
そのため、光導波路により集光効率を向上させる場合に、光導波路を構成する材料と、その外側の材料との異種材料の組み合わせによって屈折率差を確保する必要性がない。
【００３５】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に受光部を形成する工程と、前記受光部上に、所定の屈折率をもち光学的に透明な光導波路膜を形成する工程と、前記光導波路膜の側壁を囲むように、所定の厚さを有する間隙形成用膜を形成する工程と、前記間隙形成用膜を被覆するように、前記基板上に層間膜を形成する工程と、前記間隙形成用膜を除去して、前記光導波路膜と前記層間膜の間に間隙を形成する工程とを有する。
【００３６】
前記受光部を形成する工程の後、前記光導波路膜を形成する工程の前に、前記基板上に、前記受光部の上方に開口部を有する遮光膜を形成する工程をさらに有し、前記層間膜を形成する工程において、前記間隙形成用膜を被覆するように、前記遮光膜上に層間膜を形成する。
【００３７】
前記光導波路膜を形成する工程は、前記基板上に光導波路膜材を堆積させる工程と、前記受光部の上方における前記光導波路膜材上に、マスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクとして、前記光導波路膜材をパターン加工する工程とを有する。
【００３８】
前記間隙形成用膜を形成する工程は、前記光導波路膜を被覆するように前記基板上に前記間隙形成用膜材を形成する工程と、前記光導波路膜の側壁に被覆した間隙形成用膜材を残すように、他の領域に形成された前記間隙形成用膜材を除去する工程とを有する。
【００３９】
前記間隙を形成する工程の後に、前記光導波路膜の上方に、前記光導波路膜へ向けて光を集光するオンチップレンズを形成する工程をさらに有する。
【００４０】
上記の本発明の固体撮像装置の製造方法では、所定の屈折率をもち光学的に透明な光導波路膜を形成し、光導波路膜の側壁を囲むように、所定の厚さを有する間隙形成用膜を形成し、間隙形成用膜を被覆するように、基板上に層間膜を形成し、間隙形成用膜を除去して、光導波路膜と層間膜の間に間隙を形成することにより、上述した作用を有する固体撮像装置が製造される。
従って、光導波路を構成する材料の屈折率の制約が低減され、光透過率や生産性等を考慮した光導波路が製造される。
また、層間膜に孔部を形成し、当該孔部に光導波路膜を埋め込んで形成するのではなく、層間膜を形成する工程の前に、受光部上に光導波路膜を形成することで、孔部のアスペクト比等の問題もない。
また、間隙を形成するのに、レジストパターニングによるのではなく、上述したように、光導波路膜の側壁を囲む間隙形成用膜を形成し、層間膜を形成した後に、選択的に間隙形成用膜を除去することで間隙を形成することから、間隙形成用膜の膜厚を制御するのみで、微細幅の間隙が形成される。
【００４１】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に受光部を形成する工程と、前記受光部上に、光学的に透明な光導波路膜を形成する工程と、前記光導波路膜の側部表面を被覆して、所定の厚さを有する光反射膜を形成する工程と、前記光反射膜を被覆するように、前記基板上に層間膜を形成する工程とを有する。
【００４２】
前記受光部を形成する工程の後、前記光導波路膜を形成する工程の前に、前記基板上に、前記受光部の上方に開口部を有する遮光膜を形成する工程をさらに有し、前記層間膜を形成する工程において、前記光反射膜を被覆するように、前記遮光膜上に層間膜を形成する。
【００４３】
前記光導波路膜を形成する工程は、前記基板上に光導波路膜材を堆積させる工程と、前記受光部の上方における前記光導波路膜材上に、マスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクとして、前記光導波路膜材をパターン加工する工程とを有する。
【００４４】
前記光反射膜を形成する工程は、前記光導波路膜を被覆するように前記基板上に光反射膜材を形成する工程と、前記光導波路膜の側壁に被覆した前記光反射膜材を残すように、他の領域に形成された前記光反射膜材を除去する工程とを有する。
【００４５】
前記層間膜を形成する工程の後に、前記光導波路膜の上方に、前記光導波路膜へ向けて光を集光するオンチップレンズを形成する工程をさらに有する。
【００４６】
上記の本発明の固体撮像装置の製造方法では、受光部上に光学的に透明な光導波路膜を形成し、光導波路膜の側部表面を被覆して所定の厚さを有する光反射膜を形成し、光反射膜を被覆するように基板上に層間膜を形成することで、上述した作用を有する固体撮像装置が製造される。
従って、光導波路を構成する材料の屈折率の制約がなく、光透過率や生産性等を考慮した光導波路が製造される。
また、層間膜に孔部を形成し、当該孔部に光導波路膜を埋め込んで光導波路を形成するのではなく、層間膜を形成する工程の前に、受光部上に光導波路膜を形成することで、孔部のアスペクト比等の問題もない。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の固体撮像装置およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４８】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る固体撮像装置の主要な構成を示す図である。
本実施形態に係る固体撮像装置１は、撮像部２、水平転送部３、出力部４を有する。出力部４は、例えば、フローティングゲートにて構成された電荷−電圧変換部４ａを有する。
【００４９】
撮像部２は、受光部５、読み出しゲート部６および垂直転送部７からなる画素８を、平面マトリックス状に多数配置させて構成されている。
各画素８間は、不図示のチャネルストッパで電気的に干渉しないように分離されている。
【００５０】
垂直転送部７は、受光部５の列ごとに共通化され所定の本数、配置されている。撮像部２に、垂直転送部７を駆動する４相のクロック信号φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４が入力される。水平転送部３に、これを駆動する２相のクロック信号φＨ１，φＨ２が入力される。
【００５１】
上記の水平転送部３および垂直転送部７は、半導体基板の表面側に不純物が導入されて形成されたマイノリティ・キャリアの電位井戸と、絶縁膜を介在させた基板上に互いに絶縁分離して繰り返し形成された複数の電極（転送電極）とから構成されている。
これらの転送部３，７には、その転送電極に対して上記したクロック信号φＶ１，φＶ２，φＶ３，φＶ４，φＨ１，φＨ２がそれぞれ周期的に位相をずらして印加される。
これら転送部３，７は、転送電極に印加されるクロック信号に制御されて上述した電位井戸のポテンシャル分布が順次変化し、この電位井戸内の電荷をクロック信号の位相ずれ方向に転送する、いわゆるシフトレジスタとして機能する。
【００５２】
図２は、図１に示す撮像部２における要部拡大平面図である。
図２に示すように、矩形形状の受光部５が、水平および垂直方向にマトリックス状に複数配置されている。
【００５３】
マトリックス状に配置された受光部５間において、第１層目のポリシリコンからなる第１転送電極１５が水平方向に延伸して形成されている。
第１転送電極１５は、受光部５の両側部において、垂直方向に若干延びた矩形形状を有している。
【００５４】
また、第１転送電極１５上には、第２層目のポリシリコンからなる第２転送電極１６が延伸して形成されている。第２転送電極１６は、受光部５の両側部において、垂直方向に隣接した第１転送電極１５と重なるように延びた矩形形状を有している。
【００５５】
図３に、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。
図３に示すように、シリコン基板またはシリコン基板に形成されたｐ型ウェル（以下、基板という）１１等に、例えば、ｎ型不純物領域などからなり基板１１との間のｐｎ接合を中心とした領域で光電変換を行って信号電荷を発生させ、信号電荷を一定期間蓄積する受光部５が形成されている。
【００５６】
図３に示すように、受光部５の一方の隣接領域に、所定距離をおいて主にｎ型不純物領域からなる電荷転送部１３が形成されており、図示を省略したが、この受光部５と電荷転送部１３の間は、可変ポテンシャル領域を形成するｐ型不純物領域からなる読み出しゲート部が形成されている。
また、受光部５の他方の隣接領域には、所定距離をおいてｎ型不純物領域からなる電荷転送部１３’が形成されており、図示を省略したが、この受光部５と電荷転送部１３’の間には、高濃度のｐ型不純物領域からなるチャネルストッパが基板深部にまで形成されている。
【００５７】
基板１１上には、酸化シリコンなどの絶縁膜１４ａが形成され、電荷転送部１３，１３’上には絶縁膜１４ａを介して、図示しない領域において、図２に示した第１層目のポリシリコンなどからなる第１転送電極１５が形成されている。
また、第１転送電極１５と一部が重なり合う状態で、絶縁膜１４ａ上には、第２転送電極１６が形成されている。
第２転送電極１６の表面を被覆して、酸化シリコンなどの絶縁膜１４ｂが形成されており、図示はしないが、第１の転送電極１５の表面にも同様な絶縁膜が形成されている。
また、絶縁膜に被覆された第１および第２の転送電極１５，１６を被覆して、遮光膜との耐圧性確保および寄生容量低減のために、さらに、酸化シリコンからなる絶縁膜１４ｃが全面に形成されている。
このように、第１および第２転送電極１５，１６は、絶縁膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃからなる絶縁膜１４に埋め込まれて形成されている。
なお、図３に示す電荷転送部１３，１３’と転送電極１５，１６が、図１に示す垂直転送部７に相当する。
【００５８】
絶縁膜１４上には、転送電極１５，１６を被覆するように、例えば、タングステン（Ｗ）などの高融点金属からなる遮光膜１７が形成されており、当該遮光膜１７には、受光部５の上方に開口部１７ａが形成されている。
また、遮光膜１７は、受光部５内に若干張り出すように形成されている。
このように、遮光膜１７が転送電極１５，１６を被覆し、かつ、受光部５内に若干張り出すように形成されているのは、遮光膜１７の電荷転送部１３，１３’に対する遮光性を高めてスミアを抑えるためである。
【００５９】
遮光膜１７の開口部１７ａ上には、所定の光透過率をもつ材料、例えば、酸化シリコンからなる光導波路膜２１が柱状（この例では４角柱）に形成されている。
なお、その他にも、使用する光の波長領域に応じて所定の光透過率をもつ材料により光導波路膜２１を形成してもよい。なお、酸化シリコンの屈折率は、１．４５程度である。
【００６０】
光導波路膜２１の側方には、例えば、酸化シリコンなどからなる平坦化膜２３が形成されており、光導波路膜２１と平坦化膜２３の間には、例えば、幅が０．１μｍ程度の間隙Ｖが形成されている。
【００６１】
光導波路膜２１および平坦化膜２３の表面は平坦化され、かつ、光導波路膜２１の上面と平坦化膜２３の上面が同一平面に存在するように処理されており、当該平坦化された光導波路膜２１および平坦化膜２３を被覆して全面に、例えば、窒化シリコンからなるパッシベーション膜３０が形成されている。
【００６２】
パッシベーション膜３０上に、オンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）４０が形成されている。オンチップカラーフィルタ４０は、原色系のカラーコーディング方式では赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかに着色され、補色系では、例えば、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）、緑（Ｇ）などのいずれかに着色されている。
【００６３】
オンチップカラーフィルタ４０上に、ネガ型感光樹脂などの光透過材料からなるオンチップレンズ（ＯＣＬ）５０が形成されている。オンチップレンズ５０は遮光膜上方の光も有効利用して光導波路膜２１内に入射させるため、無効領域となる隙間をできるだけ少なくするように形成されている。また、オンチップレンズ５０は、光導波路膜２１へ入射光を集光できるような曲率に形成されている。
【００６４】
図４を用いて、上記構成の本実施形態に係る固体撮像装置の動作について説明する。
本実施形態に係る固体撮像装置では、入射した光Ｌはオンチップレンズ５０により光導波路膜２１に集光され、光導波路膜２１を透過して受光部５へ導かれることになる。
【００６５】
受光部５に入射光Ｌが入ると、基板１１に対して逆バイアスされたフォトダイオード（受光部５）で光電変換され、入射光量に応じた量の電荷が発生する。この電荷は、受光部５内の高濃度のｎ型不純物領域内で一定期間蓄積される。
その後、第２転送電極１６に読み出し電圧が印加されて、電荷が電荷転送部１３へ転送される。
さらに、転送電極１５，１６に対してそれぞれ周期的に位相をずらして転送電圧が印加され、電荷が垂直方向に転送されて、水平転送部３に送られていく。
そして、水平転送部３に送られた電荷は水平方向に転送され、出力部４から時系列な画像信号として取り出されることになる。
【００６６】
以上の動作において、本実施形態に係る固体撮像装置では、図４に示すように光導波路膜２１の表面に対して斜めに入射し、光導波路膜２１および間隙Ｖの界面に到る光Ｌ１も、当該界面で反射させて受光部５に入射させるようにしている。
【００６７】
上記の作用について、光導波路膜２１の表面と受光部５の表面とが平行であり、光導波路膜２１の表面と側面（間隙Ｖとの界面）とのなす角が直角である場合を例に説明する。
【００６８】
この場合、光導波路膜２１の表面に対して角度θ１で入射した光Ｌ１は、光導波路膜２１と間隙２２との界面にも角度θ１（図４（ａ）中、入射光Ｌ１と破線で示した光導波路膜２１の側面に対する法線との角）で入射することとなり、当該入射光Ｌ１が、当該界面で全反射して、受光部５へ導かれるためには、全反射のための臨界角以上で入射する必要がある。
ここで、光導波路膜２１の屈折率をｎ１とし、光導波路膜の外側（この場合間隙Ｖ）の屈折率をｎ２とすると、以下の式（１）に示されるスネルの法則により、全反射に必要な角度θ１が算出される。
【００６９】
【数１】
ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎθ２ （１）
【００７０】
つまり、図４（ｂ）に示すように、屈折角θ２が９０°を越えると光が全反射になるとすれば、上記式（１）のθ２に９０°を代入すると、下記式（２）に示すようになり、
【００７１】
【数２】
ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ２×ｓｉｎ９０° （２）
【００７２】
ｓｉｎ９０°＝１であることから、全反射に必要な条件を満たすｓｉｎθ１の値は下記式（３）に示すものとなる。
【００７３】
【数３】
ｓｉｎθ１＝ｎ２／ｎ１ （３）
【００７４】
ここで、間隙Ｖは、空気が存在する状態、あるいは、真空状態に近い状態である場合もあるが、どちらの場合にも、この間隙Ｖの屈折率ｎ２は、ほぼ１．０である。
従って、導波路膜２１の周囲に膜が存在する場合に比して、ｓｉｎθ１が満たすべき値は最小となり、その結果、全反射に必要な角度θ１も最小となる。
【００７５】
従って、従来は、上記の光導波路を構成する材料の屈折率ｎ１をできるだけ大きくして、かつ、光導波路の外側を構成する材料の屈折率ｎ２をできるだけ小さくして、屈折率差を大きくすることにより、上記式（３）のｎ２／ｎ１を小さくして、臨界角をできるだけ小さくする必要があったが、本実施形態では、上記の光導波路の外側には、屈折率がほぼ１．０の間隙Ｖが形成されていることから、最も光導波路を構成する材料との屈折率差を設けやすくなる。
【００７６】
例えば、従来では、光導波路を構成する材料として屈折率が２．０（ｎ１に相当）程度の窒化シリコン膜を使用し、光導波路の外側を構成する材料として屈折率が１．４５程度（ｎ２に相当）の酸化シリコン膜を使用しており、この場合ｎ２／ｎ１が０．７２５であり、臨界角が４６．５°であった。
それに比して、本実施形態では、例えば、光導波路を構成する光導波路膜２１に屈折率ｎ１が１．４５程度の酸化シリコン膜を採用しても、その外側の間隙Ｖの屈折率ｎ２がほぼ１であることから、ｎ２／ｎ１が０．６９０と従来に比して小さくなり、臨界角も４３．６°と小さくなる。
【００７７】
従って、光導波路を構成する材料が以前に使用していた屈折率が２．０程度の窒化シリコン膜に限らずに、屈折率が１．４５程度の酸化シリコン膜によっても、同等以上の全反射作用を奏することができる。
よって、光導波路を構成する光導波路膜２１の材料を選択する際に、屈折率のウェートを以前に比して低減させることができる。
【００７８】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、光導波路構造を用いて集光効率を向上させる場合に、光導波路を構成する材料（高屈折率材料）と、その外側の材料（低屈折率材料）との異種材料の組み合わせによって屈折率差を確保する必要性が低減されて、光導波路を構成する光導波路膜２１の材料として、使用する光の波長領域に応じた透過率、現在の生産設備での生産性、パーティクルが発生しやすい等の材料特有の発塵性、加工性等の特性面を優先した選択が可能となり、製造上の制約を以前に比して低減させることができる。
【００７９】
同様にして、従来は、光導波路の外側の平坦化膜には、屈折率ができるだけ低い材料を用いる必要があったが、本実施形態においては、平坦化膜２３の役割は平坦化性のみであるため、平坦化性等を優先して材料を選択することができる。
この結果、第１転送電極１５および第２転送電極１６による段差が解消されて、これらの上に形成されるカラーフィルタ４０やオンチップレンズ５０などの加工均一性が向上し、スミアの増加や微小感度ムラを抑止することができる。
【００８０】
また、通常、固体撮像装置において、ダークや白点特性が問題となり、この場合、活性な水素を受光部５の形成領域における基板に供給して、基板の界面準位を低下させる工程（水素化）が必要不可欠となっている。
このダークや白点特性は、基板１１と熱酸化により形成された絶縁膜１４ａとの界面に存在するダングリングボンドに起因して発生すると考えられており、基板に活性な水素を供給して、ダングリングボンドを打ち消すことで改善される。
この場合にも、本実施形態においては、間隙Ｖが水素の供給路となり、製造工程の途中等に、間隙Ｖを介して光導波路膜２１を通過させて水素を基板に供給することで、より効果的にダークや白点特性が改善されると考えられる。
また、窒化シリコンからなるパッシベーション膜３０には、上記の活性な水素が存在し、以前にも上記の水素の供給源として使用されてきたが、本実施形態においては、間隙Ｖが水素の供給路となるため、より効果的に基板に水素が供給され、同様に、ダークや白点特性が改善されると考えられる。
【００８１】
また、隣の画素から入射するような、光導波路膜２１の表面との角度が臨界角よりも小さい斜めからの入射光は、光導波路膜２１と間隙Ｖとの界面で反射されずに、受光部５への入射が制限されることから、隣接したレンズからの不要な入射が抑制され、混色等の発生が起きにくくなる。
【００８２】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図５（ａ）〜図１０（ｍ）を用いて説明する。なお、図５（ａ）〜図１０（ｍ）は、図３に対応した断面図である。
【００８３】
まず、図５（ａ）に示すように、既知の方法に従って、シリコン基板内の各種の不純物領域の形成を行う。
すなわち、ｐ型のシリコン基板またはシリコン基板に形成されたｐ型ウェル（以下、基板という）１１に、ｐ型不純物を高濃度にイオン注入して、図示しないチャネルストッパを形成し、ｎ型不純物を所定条件でイオン注入して受光部５を形成し、ｎ型不純物を所定条件でイオン注入して電荷転送部１３，１３’を形成し、電荷転送部１３，１３’と受光部５との間にｐ型不純物を所定条件でイオン注入して図示しない読み出しゲート部を形成する。
続いて、各種不純物領域を形成した基板１１上に、熱酸化法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により、酸化シリコン膜などを堆積させ、絶縁膜１４ａを形成する。
【００８４】
次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁膜１４ａ上に、ＣＶＤ法により、不純物が添加されて導電率を高めたポリシリコンを堆積させ、当該ポリシリコンをパターニングして不図示の領域において第１転送電極を形成し、熱酸化法により第１転送電極上に酸化シリコンからなる絶縁膜を形成する。
続いて、当該絶縁膜を介して第１転送電極上に一部が重なるように、同様の手法で第２転送電極１６を形成し、熱酸化法により第２転送電極１６を被覆する絶縁膜１４ｂを形成する。
続いて、後に形成する遮光膜１７との耐圧確保および寄生容量低減のために、例えば、ＣＶＤ法により、全面に酸化シリコンを堆積させ絶縁膜１４ｃを形成する。
これにより、絶縁膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃを含む絶縁膜１４に転送電極１５，１６が埋め込まれるようにして形成される。
【００８５】
次に、図５（ｃ）に示すように、転送電極１５，１６を被覆するように、絶縁膜１４上にタングステン（Ｗ）などの高融点金属をＣＶＤ法により堆積させ、当該高融点金属膜を受光部５の上方で開口部１７ａを有するようにパターニングして遮光膜１７を形成する。
【００８６】
次に、図６（ｄ）に示すように、遮光膜１７およびその開口部１７ａ上に、ＣＶＤ法により、例えば光導波路として、酸化シリコンを堆積させて、光導波路膜２１ａを形成する。
光導波路膜２１ａの膜厚は、遮光膜の開口部１７ａ内に堆積される部分の高さが、第１および第２転送電極１５，１６を被覆する遮光膜１７の高さより大きくなるような膜厚とする。
なお、上述したように、光導波路膜２１ａとして酸化シリコン以外にも、透過率、生産性、発塵性、加工性等の特性を考慮した、他の材料を採用することができる。
【００８７】
次に、図６（ｅ）に示すように、光導波路膜２１ａ上にレジストを塗布し、センサー開口部となる部分にレジストを残すようにしてパターニングして、レジスト膜Ｒを形成する。
【００８８】
次に、図７（ｆ）に示すように、レジスト膜Ｒをマスクとして、異方性のプラズマドライエッチングを行うことにより、光導波路膜２１ａをパターニングして、４角柱形状にパターニングされた光導波路膜２１を形成し、レジスト膜Ｒを除去する。
ここで、本実施形態では、光入射領域を遮光膜１７の開口部１７ａにより画定しており、光導波路膜２１を開口部１７内のみに形成すると、先のレジストパターンの位置ズレ等により、後に形成する全反射を行う界面が遮光膜１７の開口部１７ａ内に形成されて、各画素間における感度特性にバラツキが生じる可能性があるため、受光部５のみならず若干遮光膜１７上に重なるようにパターニング形成することにより、位置ズレによる各画素間での感度特性のバラツキが抑制される。
この光導波路膜２１ａのエッチング工程においては、遮光膜１７をエッチングストッパ膜として使用していることから、酸化シリコンからなる光導波路膜２１ａとタングステン等からなる遮光膜１７とのエッチング選択比が十分大きくなるようなエッチング条件で行う。
【００８９】
次に、図７（ｇ）に示すように、適当な無機材料あるいは有機材料からなる間隙形成用膜２２を、所定の膜厚で全面に形成する。この間隙形成用膜２２としては、例えば、アモルファスシリコン系材料や、シリコン系材料を用いることができ、膜厚は、例えば、０．１μｍ程度である。
【００９０】
次に、図８（ｈ）に示すように、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching) 等の異方性エッチングにより、全面をエッチバックして、光導波路膜２１の側壁部に堆積した間隙形成用膜２２のみを残して、他の領域に堆積した間隙形成用膜２２を除去する。
【００９１】
次に、図８（ｉ）に示すように、遮光膜１７、光導波路膜２１および間隙形成用膜２２を被覆して全面に、ＣＶＤ法により、例えば、酸化シリコンを堆積させて、平坦化膜２３を形成する。
なお、上述したように、本工程においても、平坦化膜２３を構成する材料の選択において屈折率を考慮する必要がなく、平坦化性等があれば種々の材料を選択することができるが、一般には、酸化シリコン系が有力である。
また、平坦化膜２３の材料としては、平坦化膜形成の際に、間隙形成用膜２２の耐熱性を満足する材料である必要がある。
【００９２】
次に、図９（ｊ）に示すように、平坦化膜２３の上にレジストを塗布した全面エッチバック法、あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing)法により、間隙形成用膜２２が露出するまで、光導波路膜２１上に形成された平坦化膜２３を除去し、さらに、光導波路膜２１および平坦化膜２３の表面を平坦化する。
【００９３】
次に、図９（ｋ）に示すように、選択的に間隙形成用膜２２を除去して、光導波路膜２１と平坦化膜２３との間に、間隙形成用膜２２の膜厚分だけの幅を有する間隙Ｖを形成する。
本工程においては、間隙形成用膜２２に、例えば、アモルファスシリコン系材料や、シリコン系材料を用いた場合には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等による薬液処理、あるいは、等方性エッチャー（Chemical Dry Etcher:ＣＤＥ) を用いることができる。
また、間隙形成用膜２２に、有機系膜を用いた場合には、有機溶剤等によって、選択的に剥離することができる。
【００９４】
次に、図１０（ｌ）に示すように、光導波路膜２１および平坦化膜２３を被覆して全面に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを堆積させて、パッシベーション膜３０を形成する。
【００９５】
次に、図１０（ｍ）に示すように、パッシベーション膜３０上に、例えば、染色法によりオンチップカラーフィルタ４０を形成する。
染色法では、カゼインなどの高分子に感光剤を添加して塗布し、露光、現像、染色および定着を色ごとに繰り返す。その他、分散法、印刷法または電着法等を用いてオンチップカラーフィルタ４０を形成してもよい。
【００９６】
そして、最後に、例えば、所定の曲率を有するレンズ形状のレジストパターンをマスクとしたエッチングにより、ネガ型感光性樹脂などの光透過性樹脂を加工してオンチップレンズ５０を形成することで、図３に示す固体撮像装置を製造することができる。
【００９７】
上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、上述したように、光導波路を構成する光導波路膜２１の材料として、使用する光の波長領域に応じた透過率、現在の生産設備での生産性、パーティクルが発生しやすい等の材料特有の発塵性、加工性等の特性面を優先した選択が可能となり、製造上の制約を以前に比して低減させることができる。
【００９８】
また、本実施形態では、光導波路膜２１の周囲に間隙形成用膜２２を形成して、後に選択的に除去することで、光導波路膜２１の周囲に間隙Ｖを形成していることから、例えば、光導波路膜２１の周囲に平坦化膜を形成して、間隙形成部に開口を有するレジストパターンをマスクとして間隙Ｖを形成するのに比して、微細幅の間隙Ｖを形成することができる。
このことは、将来的に、受光部５の面積が小さくなっていき、間隙Ｖの幅の大きさが制限を受ける場合であっても、間隙形成用膜２２の膜厚の制御のみで確実に微細幅の間隙Ｖを形成できることから有効である。
【００９９】
また、従来の低屈折率材料よりなる平坦化膜に孔部を形成して、当該孔部に高屈折率材料を埋め込む方法と異なり、本実施形態では、平坦化膜形成前に、光導波路膜２１をパターニング形成して、その後、光導波路膜２１の周囲を被覆するように、間隙形成用膜２２を介して平坦化膜２３を形成することから、微細化に伴い孔部のアスペクト比が増大することによるボイドの発生等の弊害がなく、上述した所望の光集光機能を有する構造を安定して製造することができる。
【０１００】
また、光導波路膜２１の膜厚を厚くすることにより、全反射をなす光導波路膜２１および間隙Ｖの界面の高さを高くすることができ、これにより、集光効率を一層高めることもできる。
この場合に、受光部５の面積がさらに小さくなっていっても本実施形態においては、レジストをマスクとしたパターニングにより光導波路膜２１を形成していることから、光導波路膜２１の厚さを容易に高くすることができる。
これに比して、孔部を形成した後に、孔部内に高屈折率材料を埋め込む製法では、受光部５の面積が小さくなった場合に、孔部を形成する層間膜の膜厚を厚くすると、孔部のアスペクト比がさらに高くなってしまい上述したカバレッジ不足によるボイドが発生することから、全反射を行う界面高さに制限がある。
【０１０１】
第２実施形態
第１実施形態では、光導波路膜２１の周囲に間隙Ｖを設けることにより、光導波路を構成する材料と、その外側の材料との屈折率差を確保する必要性を低減させたが、本実施形態では、第１実施形態における間隙形成用膜２２の代わりに金属などの光反射膜を形成して、最終的に当該光反射膜を残すものである。
図１１に、本実施形態に係る固体撮像装置の断面図を示す。
なお、図１１は、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図に対応している。
【０１０２】
図１１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置は、光導波路膜２１の周囲に、所定の光反射率をもつ金属などからなる光反射膜２２ａが形成されている。
なお、その他の構成は、第１実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【０１０３】
上記構成の本実施形態に係る固体撮像装置では、入射した光はオンチップレンズ５０により光導波路膜２１に集光され、この光導波路膜２１に入射した光は、光学的に透明な光導波路膜２１と光反射率の高い光反射膜２２ａとの界面が鏡面となっていることから、この鏡面において反射されて、受光部１２へ導かれることになる。
【０１０４】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、光導波路構造を用いて集光効率を向上させる場合に、光導波路膜と光反射膜との界面で、光反射膜の反射率に応じて光を反射させ、光導波路膜２１内に光を閉じ込めて受光部５へ導くことにより、第１実施形態と同様に、光導波路を構成する材料と、その外側の材料との屈折率差を確保する必要性がなく、材料選択の幅が広がり、製造上の制約を以前に比して低減させることができる。
【０１０５】
また、第１実施形態と同様に、平坦化膜２３の材料の制約も低減され、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
また、隣接する画素から入射するような斜めからの入射光は、光反射膜２２ａにより反射されて光導波路膜２１および受光部５への入射が制限されることから、隣接する画素からの不要な入射が抑制され、混色等の発生が起きにくくなり、同様にして、入射光の入射角度が制限されるため、スミアの発生が低減され、電荷転送部１３，１３’の遮光性が強化される。
【０１０７】
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
【０１０８】
まず、第１実施形態と同様にして、図５（ａ）〜図７（ｆ）に示す工程を経て、光導波路膜２１を形成する。
そして、図７（ｇ）に示す工程において、間隙形成用膜２２の代わりに、光導波路膜２１上を被覆して全面に、例えば、スパッタリング法により、光反射率の高い材料、例えば、アルミニウムを堆積させ、光反射膜２２ａを形成する。
なお、この光反射膜２２ａの膜厚は、光導波路膜２１の側壁部分に、光反射機能を有する程度に光反射膜２２ａを堆積させることができれば、特に限定はない。
【０１０９】
その後、第１実施形態と同様にして、図８（ｈ）〜図９（ｊ）に示す工程を経ることにより、光導波路膜２１の側壁部以外の領域の光反射膜２２ａを除去し、平坦化膜２３を形成する。
そして、本実施形態では光反射膜２２ａを残すため、図９（ｋ）に示す工程には経ずに、図１０（ｌ）の工程以降を経て、パッシベーション膜３０、オンチップカラーフィルタ４０、オンチップレンズ５０を形成することで、図１１に示す固体撮像装置を製造することができる。
【０１１０】
上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、第１実施形態と同様に、光導波路を構成する光導波路膜２１の材料として、上述した使用する光の波長領域に応じた透過率等の特性面を優先した選択が可能となり、製造上の制約を以前に比して低減させることができる。
【０１１１】
また、第１実施形態と同様に、平坦化膜形成前に、光導波路膜２１をパターニング形成することから、微細化に伴い平坦化膜に形成する孔部のアスペクト比が増大することによるボイドの発生等の弊害がなく、上述した所望の光集光機能を有する構造を安定して製造することができる。
【０１１２】
また、第１実施形態と同様に、受光部５の面積がさらに縮小化しても、レジストをマスクとしたパターニングにより光導波路膜２１を形成していることから、光導波路膜２１の厚さを容易に高くすることができ、集光効率を一層高めることもできる。
【０１１３】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、間隙Ｖ内に存在する空気は、後に形成するパッシベーション膜３０の成膜工程における減圧度に影響されることから、間隙Ｖ内に空気が存在するか否かは問わない。
また、本実施形態においては、インターライン転送方式の固体撮像装置について説明したが、これに限られるものでなく、他の転送方式の固体撮像装置にも適用でき、また、リニアセンサ等、光を受光して信号を得る固体撮像装置であれば何にでも適用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【０１１４】
【発明の効果】
本発明によれば、光導波路により集光効率を高めて感度を向上させつつ、光導波路を構成する材料の制約が低減され、かつ、素子の微細化に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１および第２実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。
【図２】第１および第２実施形態に係る固体撮像装置の撮像部における要部拡大平面図である。
【図３】第１実施形態に係る固体撮像装置の図２のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図４】第１実施形態に係る固体撮像装置の集光作用を説明するための図である。
【図５】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造において、遮光膜の形成工程までを示す断面図である。
【図６】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造において、光導波路膜の成膜工程までを示す断面図である。
【図７】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造において、間隙形成用膜の成膜工程までを示す断面図である。
【図８】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造において、平坦化膜の成膜工程までを示す断面図である。
【図９】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造において、間隙の形成工程までを示す断面図である。
【図１０】第１実施形態に係る固体撮像装置の製造において、オンチップカラーフィルタの形成工程までを示す断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る固体撮像装置の図２のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図１２】従来例に係る固体撮像装置の製造において、平坦化膜の堆積工程までを示す断面図である。
【図１３】従来例に係る固体撮像装置の製造において、平坦化膜への孔部および遮光膜への開口部の形成工程までを示す断面図である。
【図１４】従来例に係る固体撮像装置の製造において、透明膜の形成工程までを示す断面図である。
【図１５】従来例に係る固体撮像装置の製造において、オンチップレンズ形成後の断面図である。
【符号の説明】
１…固体撮像装置、２…撮像部、３…水平転送部、４…出力部、４ａ…電荷−電圧変換部、５…受光部、６…読み出しゲート部、７…垂直転送部、８…画素、１１…基板、１３，１３’…電荷転送部、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…絶縁膜、１５…第１転送電極、１６…第２転送電極、１７…遮光膜、１７’…遮光材料膜、１７ａ…開口部、２１…光導波路膜、２２…間隙形成用膜、２２ａ…光反射膜、２３…平坦化膜、２５…平坦化膜、２６…第１の透明膜、２７…第２の透明膜、２８…第３の透明膜、３０…パッシベーション膜、４０…オンチップカラーフィルタ、５０…オンチップレンズ、Ｖ…間隙、Ｒ…レジスト膜。

Claims (5)

1. 基板に受光部を形成する工程と、
   前記受光部上に、所定の屈折率をもち光学的に透明な光導波路膜を形成する工程と、
   前記光導波路膜の側壁を囲むように、所定の厚さを有する間隙形成用膜を形成する工程と、
   前記間隙形成用膜を被覆するように、前記基板上に層間膜を形成する工程と、
   前記間隙形成用膜を除去して、前記光導波路膜と前記層間膜の間に間隙を形成する工程と
   を有する固体撮像装置の製造方法。
2. 前記受光部を形成する工程の後、前記光導波路膜を形成する工程の前に、前記基板上に、前記受光部の上方に開口部を有する遮光膜を形成する工程をさらに有し、
   前記層間膜を形成する工程において、前記間隙形成用膜を被覆するように、前記遮光膜上に層間膜を形成する
   請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記光導波路膜を形成する工程は、
   前記基板上に光導波路膜材を堆積させる工程と、
   前記受光部の上方における前記光導波路膜材上に、マスク層を形成する工程と、
   前記マスク層をマスクとして、前記光導波路膜材をパターン加工する工程と
   を有する請求項１または２に記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記間隙形成用膜を形成する工程は、
   前記光導波路膜を被覆するように前記基板上に前記間隙形成用膜材を堆積させる工程と、
   前記光導波路膜の側壁に被覆した前記間隙形成用膜材を残すように、他の領域に形成された前記間隙形成用膜材を除去する工程と
   を有する請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記間隙を形成する工程の後に、前記光導波路膜の上方に、前記光導波路膜へ向けて光を集光するオンチップレンズを形成する工程をさらに有する
   請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。

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