JP5288823B2 - 光電変換装置、及び光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、及び光電変換装置の製造方法に関する。

近年、光電変換装置としてＭＯＳトランジスタを用いたＭＯＳ型光電変換装置が盛んに開発されている。そのような光電変換装置において多画素化にともなう画素寸法の縮小化が進んでいる。画素寸法の縮小化が進むと、各画素における光電変換部（例えば、フォトダイオード）の受光面の面積も小さくなるので、光電変換部の感度が低下する可能性がある。

それに対して、図１３に示すように、特許文献１に示す技術では、有効領域のパッシベーション膜５０５の上に平坦化膜を介さずに層内レンズ５０２を配している。これにより、パッシベーション膜５０５の上に平坦化膜を介して層内レンズを配する場合（特許文献１の図１６参照）に比べて、層内レンズと光電変換部との距離を近くできる。
特開２００７-１３０６１号公報

特許文献１に示す技術では、有効領域における層内レンズと光電変換部との距離が多層配線構造５０６の厚さに制約される。

ここで、多層配線構造５０６の厚さを変えずに、画素寸法を半導体基板の表面に沿った方向に縮小化した場合を考える。この場合、画素寸法を縮小化することに伴って層内レンズの直径も縮小化されると、図１４に示すように、入射角度が大きな光を層内レンズへ取り込みにくくなる。これにより、マイクロレンズへ入射した光が層内レンズを経て光電変換部（例えば、フォトダイオード）へ集光される効率（光電変換部の集光効率）が低下する。この結果、有効領域の光電変換部の感度が低下する可能性がある。

例えば、図１４に示すように、多層配線構造５０６の厚さを変えずに画素寸法（層内レンズの直径）を縮小化した場合を考える。画素寸法を縮小化する前の層内レンズの直径をａ、層内レンズと光電変換部との距離をｂとする。画素寸法を縮小化した後の層内レンズの直径をａ’、層内レンズと光電変換部との距離をｂとする。この場合、
ａ／ｂ＞ａ’／ｂ・・・数式１
となり、画素寸法を縮小化した後における光電変換部５０４から層内レンズ５０２を見込む角度βは、画素寸法を縮小化する前における光電変換部５０４ａから層内レンズ５０２ａを見込む角度αより小さくなる。すなわち、画素寸法を縮小化することにより、入射角度が大きな光を層内レンズへ取り込みにくくなる。

一方、多層配線構造５０６を半導体基板の表面に垂直な方向に縮小化することによりその厚さを薄くしながら、画素寸法を半導体基板の表面に沿った方向に縮小化した場合を考える。

例えば、画素寸法を縮小化する前の層内レンズの直径をａ、層内レンズと光電変換部との距離をｂとする。画素寸法を縮小化した後の層内レンズの直径をａ’、層内レンズと光電変換部との距離をｂ’とする。この場合、
ａ／ｂ＝ａ’／ｂ’・・・数式２
となり、画素寸法を縮小化した後における光電変換部５０４から層内レンズ５０２を見込む角度を、画素寸法を縮小化する前における光電変換部５０４ａから層内レンズ５０２ａを見込む角度αに等しくできる。すなわち、画素寸法を縮小化しても、入射角度が大きな光を層内レンズへ取り込みやすく保てる。

しかし、多層配線構造５０６を半導体基板の表面に垂直な方向に縮小化することに伴って、その垂直な方向に隣接する配線層５００と配線層５０３との距離が近くなるので、配線層５００，５０３間のカップリング容量（配線間容量）が増大する。これにより、配線層５００，５０３が信号を伝達する際の速度が低下する。

本発明の目的は、画素寸法を縮小化した場合に、配線間容量の増大を避けながら、有効領域における光電変換部の集光効率が低下することを抑制することにある。

本発明の第１側面に係る光電変換装置は、光電変換部が遮光されていない有効領域と、光電変換部が遮光された遮光領域とを有する光電変換装置であって、前記有効領域の光電変換部と前記遮光領域の光電変換部とが配された半導体基板と、前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、を備え、前記多層配線構造は、前記有効領域における最上配線層であり、アルミニウムを主成分とする第１配線層と、前記第１配線層を覆うように、前記有効領域および前記遮光領域に配された絶縁膜と、前記遮光領域の前記絶縁膜の上に配された前記遮光領域における最上配線層であり、アルミニウムを主成分とする第２配線層と、を含み、前記絶縁膜は、前記有効領域の光電変換部の上方に位置する第１部分と、前記有効領域の前記第１配線層の上方に位置する第２部分と、前記遮光領域に位置する第３部分とを含み、前記第１部分は、前記半導体基板の表面から離れる方向へ凸形状であり、層内レンズの少なくとも一部として機能し、前記絶縁膜は、前記第２部分の上面が前記第１部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近く、前記第１部分の上面が前記第３部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近いことを特徴とする。

本発明の第２側面に係る撮像システムは、上記の光電変換装置と、前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明の第３側面に係る光電変換装置の製造方法は、有効領域と遮光領域とを有する光電変換装置の製造方法であって、半導体基板に、前記有効領域の光電変換部と前記遮光領域の光電変換部とを形成する第１の工程と、前記半導体基板の上に多層配線構造を形成する第２の工程と、を含み、前記第２の工程は、第１の金属層を形成する工程と、フォトリソグラフィー法を用いて前記第１の金属層をパターニングすることにより、前記有効領域における最上配線層とすべき第１配線層を形成する工程と、前記第１配線層を覆うように、前記有効領域および前記遮光領域に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に第２の金属層を形成する工程と、フォトリソグラフィー法を用いて前記第２の金属層をパターニングすることにより、前記遮光領域における最上配線層とすべき第２配線層を形成する工程と、前記第２配線層を形成する工程の後に、前記有効領域における前記絶縁膜の上面をエッチングするエッチング工程と、を含み、前記エッチング工程では、前記絶縁膜が、前記有効領域の光電変換部の上方に位置し前記半導体基板の表面から離れる方向に凸形状を有することにより前記層内レンズの少なくとも一部として機能する第１部分と、前記有効領域の前記第１配線層の上方に位置する第２部分と、前記遮光領域に位置する第３部分とを含む構造となるように前記絶縁膜の上面をエッチングし、前記構造において、前記第２部分の上面が前記第１部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近く、前記第１部分の上面が前記第３部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近いことを特徴とする。

本発明によれば、画素寸法を縮小化した場合に、配線間容量の増大を避けながら、有効領域における光電変換部の集光効率が低下することを抑制することができる。

図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の構造断面図である。なお、本実施形態の説明及び各図において、説明を簡単にするために半導体基板に形成された各半導体領域などの詳細な構成の説明は省略する。

光電変換装置１００は、半導体基板１０１、多層配線構造１２０、カラーフィルター層１４１、及びマイクロレンズ１４４を備える。光電変換装置１００は、有効領域ＥＲと遮光領域ＳＲとを有する。有効領域ＥＲは、光電変換部が遮光されていない領域である。遮光領域ＳＲは、光電変換部が遮光された領域や駆動回路等を含む領域である。

半導体基板１０１には、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅと、遮光領域ＳＲの光電変換部１０２Ｓとが配されている。光電変換部１０２Ｅ，１０２Ｓは、例えば、フォトダイオードである。

多層配線構造１２０は、半導体基板１０１の上に配されている。多層配線構造１２０は、層間絶縁膜１０３、層間絶縁膜（他の絶縁膜）１０５、層間絶縁膜（絶縁膜）１０７、配線層（第３配線層）１０４、配線層（第１配線層）１０６、配線層（第２配線層）１０８、及び保護膜１０９を含む。

層間絶縁膜１０３は、半導体基板１０１の上に配されている。層間絶縁膜１０３は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。

配線層１０４は、配線層１０６の下方における層間絶縁膜１０３の上に配されている。配線層１０４は、アルミニウムを主成分としており、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ系の金属間化合物、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物で形成されている。

層間絶縁膜１０５は、配線層１０４を覆うように、有効領域ＥＲ及び遮光領域ＳＲに配されている。層間絶縁膜１０５は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。

配線層１０６は、層間絶縁膜１０５の上に配されている。配線層１０６は、有効領域ＥＲの最上配線層である。配線層１０６は、アルミニウムを主成分としており、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ系の金属間化合物、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物で形成されている。

層間絶縁膜１０７は、配線層１０６を覆うように、有効領域ＥＲ及び遮光領域ＳＲに配されている。層間絶縁膜１０７は、例えば、シリコン窒化物で形成されている。

ここで、層間絶縁膜１０７は、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂが半導体基板の表面から離れる方向へ凸形状である。これにより、層間絶縁膜１０７は、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂが層内レンズ１１０を構成する。また、層間絶縁膜１０７は、有効領域ＥＲにおける上面１０７ａが遮光領域ＳＲにおける第２配線層１０８の下面１０８ａより半導体基板１０１の表面１０１ａに近い。これにより、特許文献１に示された技術に比較して、層内レンズ１１０と光電変換部１０２Ｅとの距離が近くなっている。

配線層１０８は、層間絶縁膜１０７の上に配されている。配線層１０８は、遮光領域ＳＲの最上配線層である。配線層１０８は、アルミニウムを主成分としており、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ系の金属間化合物、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物で形成されている。配線層１０８は、遮光領域ＳＲの光電変換部１０２Ｓを遮光している。配線層１０８は、その上面の一部１０８ｂが露出しており電極パッド１１１として機能している。

保護膜１０９は、配線層１０８を覆うように、遮光領域ＳＲに配されている。保護膜１０９は、有効領域ＥＲに配されていない。有効領域ＥＲでは、層間絶縁膜１０７が配線層１０６を保護する役目を担っている。保護膜１０９は、例えば、シリコン窒化物で形成されている。保護膜１０９は、電極パッド１１１の上になっていた部分が開口されている。

カラーフィルター層１４１は、多層配線構造１２０の上に配されている。カラーフィルター層１４１は、下部平坦化層１４２、着色層（カラーフィルター）１４０、及び上部平坦化層１４３を含む。

下部平坦化層１４２は、有効領域ＥＲにおける層間絶縁膜１０７の上に配されている。下部平坦化層１４２は、着色層１４０が配される面１４２ａが平坦化された層である。下部平坦化層１４２は、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などで形成されている。

着色層１４０は、層内レンズ１１０の上方であって、下部平坦化層１４２の上に配されている。着色層１４０は、顔料や染料を含み、所定の波長に分光透過率のピークを有するように形成されている。

上部平坦化層１４３は、保護膜１０９、下部平坦化層１４２、及び着色層１４０を覆うように、遮光領域ＳＲ及び有効領域ＥＲに配されている。上部平坦化層１４３は、マイクロレンズ１４４が配される面１４３ａが平坦化された層である。上部平坦化層１４３は、電極パッド１１１の上になっていた部分が開口されている。

マイクロレンズ１４４は、光電変換部１０２Ｅ、層内レンズ１１０、及び着色層１４０の上方に配されている。

このように、本実施形態によれば、有効領域ＥＲの最上配線層１０６上に配された層間絶縁膜１０７における光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂが層内レンズ１１０として機能するように構成されている。これにより、層内レンズの直径をａからａ’へ縮小した場合（図１４参照）に、配線層間の距離を近くすることなく、上記の数式２を満たすように画素寸法を縮小化することができる。

例えば、図２に示したように、配線層５００，５０３間の距離を変えずに、上記の数式２を満たすように画素寸法を縮小化することができる。すなわち、本実施形態（図２のａ参照）における光電変換部５０４から層内レンズ５０２を見込む角度をαとする。数式１を満たすように従来の構成のまま画素寸法を縮小化した場合（図２のｂ参照）における光電変換部５０４から層内レンズ５０２を見込む角度をβとする。このとき、角度αは角度βより大きくなる。層内レンズ１１０と光電変換部１０２Ｅとを相対的に低い位置すなわち光電変換部１０２Ｅに接近した位置に配することが可能となったので、より広い範囲の入射角で入射する光を光電変換部１０２Ｅに取り込める。これにより、マイクロレンズ１４４へ入射した光が光電変換部１０２Ｅへ集光される効率が低下することを抑制できる。すなわち、画素寸法を縮小化した場合に、配線間容量の増大を避けながら、有効領域ＥＲにおける光電変換部１０２Ｅの集光効率が低下することを抑制することができる。この結果、光電変換部１０２Ｅの感度が低下することを抑制できる。

次に、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を、図３〜図８を用いて説明する。図３〜図７は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図である。図３及び図４は配線のパターニングについて、図７はレンズ形状を形成する工程について詳細に説明した工程断面図である。

図３のａに示す工程（第１の工程）では、半導体基板１０１に、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅと遮光領域ＳＲの光電変換部１０２Ｓとをそれぞれ形成する。また、半導体基板１０１に、素子分離部（図示せず）や他の半導体領域（図示せず）を形成する。

そして、半導体基板１１の上にトランジスタ（図示せず）のゲート電極となるポリシリコンを形成する。

その後（第２の工程）、半導体基板１０１の上に多層配線構造１２０を形成する。具体的には、次のような工程が行われる。

半導体基板１０１の上に、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ化学蒸着堆積法）により、シリコン酸化膜を堆積する。堆積したシリコン酸化膜の上面をＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ化学的機械的研磨法）で平坦化することにより、層間絶縁膜１０３を形成する。

次に、層間絶縁膜１０３の上に、アルミニウムを主成分とする金属層１０４ｉを形成する。金属層１０４ｉは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ系の金属間化合物、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物で形成する。

図３のｂに示す工程では、金属層１０４ｉの上に、配線層１０４のパターンに対応したレジストＲ１のパターンを形成する。

図３のｃに示す工程では、レジストＲ１のパターンをマスクとして金属層１０４ｉをエッチングすることにより、配線層１０４を形成する。すなわち、フォトリソグラフィー法を用いて金属層１０４ｉをパターニングすることにより、配線層１０４を形成する。なお、配線層１０４が形成された後、レジストＲ１は除去される。

図３のｄに示す工程では、配線層１０４を覆うように、シリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積する。堆積したシリコン酸化膜の上面をＣＭＰ法で平坦化することにより、有効領域ＥＲ及び遮光領域ＳＲに層間絶縁膜１０５を形成する。

なお、層間絶縁膜１０５を形成する際に用いるＣＶＤ法として、配線層１０４のパターン密度に応じて、適宜、ＨＤＰ（高密度プラズマ）−ＣＶＤ法を選択すれば、埋め込み特性が向上し、配線間のボイド（空隙）発生を防止することが可能である。

図４のｅに示す工程では、層間絶縁膜１０５の上に、アルミニウムを主成分とする金属層（第１の金属層）１０６ｉを形成する。金属層１０６ｉは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ系の金属間化合物、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物で形成する。

図４のｆに示す工程では、金属層１０４ｉの上に、配線層１０６のパターンに対応したレジストＲ２のパターンを形成する。

図４のｇに示す工程では、レジストＲ２のパターンをマスクとして金属層１０６ｉをエッチングすることにより、配線層１０６を形成する。すなわち、フォトリソグラフィー法を用いて金属層１０６ｉをパターニングすることにより、有効領域ＥＲの最上配線層とすべき配線層１０６を形成する。なお、配線層１０６が形成された後、レジストＲ２は除去される。

図４のｈに示す工程では、配線層１０６を覆うように、シリコン窒化膜をＣＶＤ法により堆積する。堆積したシリコン窒化膜の上面をＣＭＰ法で平坦化することにより、有効領域ＥＲ及び遮光領域ＳＲに層間絶縁膜１０７を形成する。

なお、層間絶縁膜１０７を形成する際に用いるＣＶＤ法として、配線層１０６のパターン密度に応じて、適宜、ＨＤＰ（高密度プラズマ）−ＣＶＤ法を選択すれば、埋め込み特性が向上し、配線間のボイド（空隙）発生を防止することが可能である。

図５に示す工程では、層間絶縁膜１０７の上に、アルミニウムを主成分とする金属層（第２の金属層、図示せず）を形成する。金属層は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系の金属間化合物、Ａｌ−Ｃｕ系の金属間化合物、又は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系の金属間化合物で形成する。

そして、金属層の上に、配線層１０８のパターンに対応したレジスト（図示せず）のパターンを形成する。

次に、レジストのパターンをマスクとして金属層をドライエッチング法でエッチングすることにより、配線層１０８を形成する。すなわち、フォトリソグラフィー法を用いて金属層をパターニングすることにより、遮光領域ＳＲの最上配線層とすべき配線層１０８を形成する。なお、配線層１０８が形成された後、レジストは除去される。

図６に示す工程では、配線層１０８及び層間絶縁膜１０７を覆うように、有効領域ＥＲ及び遮光領域ＳＲに保護膜１０９を形成する。保護膜１０９は、シリコン窒化膜で形成する。

図７のａに示す工程では、保護膜１０９の上に、電極パッド１１１及び層内レンズ１１０に対応したレジストＲ３のパターンを形成する。すなわち、遮光領域ＳＲに開口パターンＲ３２を有し、有効領域ＥＲに円形状に孤立したパターンＲ３１を有するレジストＲ３のパターンを形成する。このとき、開口パターンＲ３２と孤立したパターンＲ３１とを同一のマスクで形成すると、工程簡略化を実現することができる。

図７のｂに示す工程では、レジストＲ３をその融点付近まで加熱するリフロー技術を行うことにより、孤立したパターンＲ３１の上面を、凸型のレンズ形状に対応した曲面に変化させる。このとき、パッド開口パターン等、パターン専有面積が画素サイズよりも十分大きいパターンがある場合、そのパターンはパターンエッジが鈍る程度に変形する。

図７のｃに示す工程（エッチング工程）では、レジストＲ３が完全になくなるまで、かつ、有効領域ＥＲにおける保護膜１０９がなくなるまで、全面的にドライエッチング法で保護膜１０９及び層間絶縁膜１０７をエッチングする。これにより、レジストＲ３のパターン（Ｒ３２、Ｒ３１）を保護膜１０９及び層間絶縁膜１０７へ転写する。ここで、配線層１０８の側面に保護膜１０９が一部残っていても良い。

有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂが半導体基板の表面から離れる方向へ凸形状になるように、有効領域ＥＲにおける層間絶縁膜１０７の上面をエッチングする。すなわち、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂが層内レンズ１１０として機能するように、有効領域ＥＲにおける層間絶縁膜１０７の上面をエッチングする。また、有効領域ＥＲにおける上面が遮光領域ＳＲにおける上面より半導体基板１０１の表面１０１ａに近くなるように、有効領域ＥＲにおける層間絶縁膜１０７の上面をエッチングする。

それとともに、配線層１０８の一部１０８ｂを露出させるための開口１１１ａを形成するように、遮光領域ＳＲにおける保護膜１０９の一部をエッチングする。

これにより、電極パッド１１１と層内レンズ１１０とが同一工程で形成される（図７のｄ参照）。

図８の示す工程では、多層配線構造１２０の上にカラーフィルター層１４１を形成する。具体的には、次のような工程が行われる。

有効領域ＥＲにおける層間絶縁膜１０７の上に下部平坦化層１４２を形成する。下部平坦化層１４２は、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などで形成する。ここで、下部平坦化層１４２は、着色層１４０が均一に形成できるよう多層配線構造１２０上の段差や、層内レンズ１１０を形成した際に生ずる段差を緩和するために必要に応じて適宜形成することが可能である。

有効領域ＥＲにおける下部平坦化層１４２の上であって層内レンズ１１０の上方に着色層１４０を形成する。着色層１４０は、顔料や染料を含むように形成する。

保護膜１０９、下部平坦化層１４２、及び着色層１４０を覆うように、遮光領域ＳＲ及び有効領域ＥＲに上部平坦化層１４３を形成する。ここで、上部平坦化層１４３は、マイクロレンズ１４４が均一に形成できるよう、着色層１４０を形成した際に生じる段差を緩和するために必要に応じて適宜形成することが可能である。そして、上部平坦化層１４３における電極パッド１１１に対応した部分に開口１４３ｂを形成する。

次に、カラーフィルター層１４１の上にマイクロレンズ１４４を形成する。マイクロレンズ１４４は、例えば、レジストで形成する。

以上のように、本実施形態によれば、有効領域ＥＲの最上配線層１０６上に配された層間絶縁膜１０７における光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂが層内レンズ１１０として機能するように光電変換装置を構成する。これにより、配線層間の距離を小さくすることなく、広い範囲の入射角で入射する光を光電変換部１０２Ｅに取り込めるので、マイクロレンズ１４４へ入射した光が光電変換部１０２Ｅへ集光される効率が低下することを抑制できる。すなわち、画素寸法を縮小化した場合に、配線間容量の増大を避けながら、有効領域の光電変換部の集光効率の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では、有効領域ＥＲの配線層数を２、遮光領域ＳＲの配線層数を３としたが、この限りではない。本実施形態は、有効領域ＥＲの配線層数が遮光領域ＳＲの配線層数より１層少ないすべての光電変換装置において有効な構成である。

また、図７のｃに示す工程では、有効領域ＥＲにおける保護膜１０９が一部残るように、保護膜１０９をエッチングしても良い。すなわち、フォトリソグラフィー法を用いて、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分が層内レンズ１１０として機能するように、有効領域ＥＲにおける保護膜１０９及び層間絶縁膜１０７の上面をエッチングする。これにより、保護膜１０９は、層間絶縁膜１０７における有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分１０７ｂを覆うように、有効領域ＥＲに配されるとともに、配線層１０８を覆うように遮光領域ＳＲに配される。この場合、層間絶縁膜１０７は、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分が層内レンズの一部として機能する。保護膜１０９は、有効領域ＥＲの光電変換部１０２Ｅの上方に位置する部分が、半導体基板の表面から離れる方向へ凸形状であり、層内レンズ１１０の他の一部として機能する。

また、図８に示す工程では、下部平坦化層１４２が遮光領域ＳＲを覆っていてもよい。このような構成によっても、本実施形態の効果を得ることは可能である。

次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図９に示す。

撮像システム９０は、図９に示すように、主として、光学系、撮像装置８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、撮影レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像装置８６は、光電変換装置１００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。

シャッター９１は、光路上において撮影レンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。

撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置８６の光電変換装置１００の撮像面に被写体の像を形成する。

絞り９３は、光路上において撮影レンズ９２と光電変換装置１００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に光電変換装置１００へ導かれる光の量を調節する。

撮像装置８６の光電変換装置１００は、光電変換装置１００の撮像面に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置８６は、その画像信号を光電変換装置１００から読み出して出力する。

撮像信号処理回路９５は、撮像装置８６に接続されており、撮像装置８６から出力された画像信号を処理する。

Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。

画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。

メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。

外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。

タイミング発生部９８は、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。

全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。

記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。

以上の構成により、光電変換装置１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。

次に、第２実施形態に係る光電変換装置２００を、図１０を用いて説明する。図１０は本発明の第２実施形態に係る光電変換装置の構造断面図である。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。

光電変換装置２００は、多層配線構造２２０を備える。多層配線構造２２０は、反射防止膜２３１及び反射防止膜（他の反射防止膜）２３０を含む。

反射防止膜２３１は、下部平坦化層１４２と層内レンズ１１０（層間絶縁膜１０７）との界面における光の反射を防止するように配されている。ここで、下部平坦化層１４２は、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂などで形成されている。層内レンズ１１０（層間絶縁膜１０７）は、例えば、シリコン窒化物で形成されている。反射防止膜２３１は、下部平坦化層１４２の屈折率と層内レンズ１１０の屈折率との間の屈折率を有する物質、例えば、シリコン酸窒化物で形成されている。反射防止膜２３１は、着色層１４０を透過した光の波長をλ、層間絶縁膜１０７の屈折率をｎ２、下部平坦化層１４２の屈折率をｎ３とする場合、膜厚がλ／４√（ｎ２×ｎ３）、かつ、屈折率が√（ｎ２×ｎ３）になるように形成されている。この場合、反射防止膜２３１は、下部平坦化層１４２と層内レンズ１１０（層間絶縁膜１０７）との界面における光の反射を効果的に防止することができる。なお、λは、光電変換部の設計やカラーフィルターによって規定され、例えば、４５０〜６５０ｎｍの範囲内の値である。

反射防止膜２３０は、層間絶縁膜１０７と層間絶縁膜１０５との界面における光の反射を防止するように配されている。ここで、層間絶縁膜１０７は、例えば、シリコン窒化物で形成されている。層間絶縁膜１０５は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。反射防止膜２３０は、層間絶縁膜１０７の屈折率と層間絶縁膜１０５の屈折率との間の屈折率を有する物質、例えば、シリコン酸窒化物で形成されている。反射防止膜２３０は、着色層１４０を透過した光の波長をλ、層間絶縁膜１０７の屈折率をｎ２、層間絶縁膜１０５の屈折率をｎ１とする場合、膜厚がλ／４√（ｎ１×ｎ２）、かつ、屈折率が√（ｎ１×ｎ２）になるように形成されている。この場合、反射防止膜２３０は、層間絶縁膜１０７と層間絶縁膜１０５との界面における光の反射を効果的に防止することができる。なお、λは、例えば、４５０〜６５０ｎｍの範囲内の値である。

また、第２実施形態に係る光電変換装置２００の製造方法が、図１１及び図１２に示すように、次の点で第１実施形態と異なる。図１１及び図１２は、本発明の第２実施形態に係る光電変換装置２００の製造方法を示す工程断面図である。

図４のｈに示す工程の代わりに、図１１に示す工程が行われる。図１１に示す工程では、配線層１０６及び層間絶縁膜１０５を覆うように、反射防止膜２３０を形成する。反射防止膜２３０は、例えば、シリコン酸窒化物で形成する。

そして、反射防止膜２３０を覆うように、シリコン窒化膜をＣＶＤ法により堆積する。堆積したシリコン窒化膜の上面をＣＭＰ法で平坦化することにより、有効領域ＥＲ及び遮光領域ＳＲに層間絶縁膜１０７を形成する。

図７のｃ及び図７のｄに示す工程の後、図８に示す工程が行われる前に、図１２に示す工程が行われる。図１２に示す工程では、保護膜１０９及び層間絶縁膜１０７を覆うように、反射防止膜２３１を形成する。反射防止膜２３１は、例えば、シリコン酸窒化物で形成する。

以上のように、本実施形態によれば、下部平坦化層１４２と層内レンズ１１０との界面における光の反射を防止するとともに、層間絶縁膜１０７と層間絶縁膜１０５との界面における光の反射を防止するように光電変換装置を構成する。これにより、マイクロレンズ１４４へ入射した光がそれらの界面で反射されずに光電変換部１０２Ｅへ集光される効率を向上できる。

なお、反射防止膜は、光電変換部１０２Ｅからの出力信号に応じた画像で色ムラや輝度ムラを低減するために効果があるが、製品に求められる要求仕様を満たしているのであれば、適宜、反射防止膜２３１，２３０のいずれかを省略することが可能である。例えば、反射防止膜２３０のみが必要であれば、層間絶縁膜１０７を形成した後、図１２に示す工程を省略することが可能である。

第１実施形態に係る光電変換装置１００の構造断面図。 第１実施形態による光電変換装置１００の特徴を示す図。 第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図。 第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図。 第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図。 第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図。 第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図。 第１実施形態に係る光電変換装置１００の製造方法を示す工程断面図。 第１実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの構成図。 第２実施形態に係る光電変換装置２００の構造断面図。 第２実施形態に係る光電変換装置２００の製造方法を示す工程断面図。 第２実施形態に係る光電変換装置２００の製造方法を示す工程断面図。 従来のＭＯＳ型光電変換装置の模式的断面図。 本発明の課題を説明するための図。

符号の説明

９０ 撮像システム
１００，２００ 光電変換装置

Claims (12)

1. 光電変換部が遮光されていない有効領域と、光電変換部が遮光された遮光領域とを有する光電変換装置であって、
   前記有効領域の光電変換部と前記遮光領域の光電変換部とが配された半導体基板と、
   前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、を備え、
   前記多層配線構造は、
   前記有効領域における最上配線層であり、アルミニウムを主成分とする第１配線層と、
   前記第１配線層を覆うように、前記有効領域および前記遮光領域に配された絶縁膜と、
   前記遮光領域の前記絶縁膜の上に配された前記遮光領域における最上配線層であり、アルミニウムを主成分とする第２配線層と、を含み、
   前記絶縁膜は、前記有効領域の光電変換部の上方に位置する第１部分と、前記有効領域の前記第１配線層の上方に位置する第２部分と、前記遮光領域に位置する第３部分とを含み、
   前記第１部分は、前記半導体基板の表面から離れる方向へ凸形状であり、層内レンズの少なくとも一部として機能し、
   前記絶縁膜は、前記第２部分の上面が前記第１部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近く、前記第１部分の上面が前記第３部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近いことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記多層配線構造は、
   前記第１部分を覆うように前記有効領域の一部に配されているとともに、前記第１配線層を覆うように前記遮光領域に配された保護膜をさらに含み、
   前記保護膜は、前記有効領域の光電変換部の上方に位置する部分が前記層内レンズの他の一部として機能する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記保護膜は、前記有効領域の光電変換部の上方に位置する部分が前記半導体基板の前記表面から離れる方向へ凸形状であることにより前記層内レンズの他の一部として機能する
   ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
4. 前記層内レンズの上方に配されたカラーフィルターと、
   前記カラーフィルターと前記層内レンズとの間に配された平坦化層と、
   をさらに備え、
   前記多層配線構造は、前記平坦化層と前記層内レンズとの界面における光の反射を防止するように配された反射防止膜をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記層内レンズは、シリコン窒化物で形成され、
   前記反射防止膜は、シリコン酸窒化物で形成された
   ことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記反射防止膜は、前記カラーフィルターを透過した光の波長をλ、前記絶縁膜の屈折率をｎ２、前記平坦化層の屈折率をｎ３とする場合、膜厚がλ／４√（ｎ２×ｎ３）、かつ、屈折率が√（ｎ２×ｎ３）になるように形成されている
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の光電変換装置。
7. 前記多層配線構造は、
   前記第１配線層の下方に配され、アルミニウムを主成分とする第３配線層と、
   前記第３配線層を覆うとともに、前記第１配線層と前記第３配線層とを絶縁するように、前記有効領域および前記遮光領域に配された他の絶縁膜と、
   前記絶縁膜と前記他の絶縁膜との界面における光の反射を防止するように配された他の反射防止膜と、
   をさらに含む
   ことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記絶縁膜は、シリコン窒化物で形成され、
   前記他の反射防止膜は、シリコン酸窒化物で形成され、
   前記他の絶縁膜は、シリコン酸化物で形成された
   ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
9. 前記他の反射防止膜は、前記カラーフィルターを透過した光の波長をλ、前記他の絶縁膜の屈折率をｎ１、前記絶縁膜の屈折率をｎ２とする場合、膜厚がλ／４√（ｎ１×ｎ２）、かつ、屈折率が√（ｎ１×ｎ２）になるように形成されている
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の光電変換装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
    前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
    を備えたことを特徴とする撮像システム。
11. 有効領域と遮光領域とを有する光電変換装置の製造方法であって、
    半導体基板に、前記有効領域の光電変換部と前記遮光領域の光電変換部とを形成する第１の工程と、
    前記半導体基板の上に多層配線構造を形成する第２の工程と、を含み、
    前記第２の工程は、
    第１の金属層を形成する工程と、
    フォトリソグラフィー法を用いて前記第１の金属層をパターニングすることにより、前記有効領域における最上配線層とすべき第１配線層を形成する工程と、
    前記第１配線層を覆うように、前記有効領域および前記遮光領域に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜の上に第２の金属層を形成する工程と、
    フォトリソグラフィー法を用いて前記第２の金属層をパターニングすることにより、前記遮光領域における最上配線層とすべき第２配線層を形成する工程と、
    前記第２配線層を形成する工程の後に、前記有効領域における前記絶縁膜の上面をエッチングするエッチング工程と、を含み、
    前記エッチング工程では、前記絶縁膜が、前記有効領域の光電変換部の上方に位置し前記半導体基板の表面から離れる方向に凸形状を有することにより前記層内レンズの少なくとも一部として機能する第１部分と、前記有効領域の前記第１配線層の上方に位置する第２部分と、前記遮光領域に位置する第３部分とを含む構造となるように前記絶縁膜の上面をエッチングし、
    前記構造において、前記第２部分の上面が前記第１部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近く、前記第１部分の上面が前記第３部分の上面より前記半導体基板の前記表面に近い
    ことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
12. 前記第２の工程は、
    前記エッチング工程の前に、前記第１配線層及び前記絶縁膜を覆うように、前記有効領域および前記遮光領域に保護膜を形成する工程をさらに含み、
    前記エッチング工程では、
    フォトリソグラフィー法を用いて、前記第２配線層の一部を露出させるための開口を形成するように、前記遮光領域における前記保護膜をエッチングするとともに、前記第１部分が前記層内レンズとして機能するように、前記有効領域における前記保護膜および前記絶縁膜の上面をエッチングする
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置の製造方法。

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