JP5428451B2 - 固体撮像装置とその製造方法および撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置とその製造方法および撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、固体撮像装置とその製造方法および撮像装置に関するものである。
固体撮像装置は、入射光を光電変換するフォトダイオード上方に導波路が形成され、この導波路に入射光を導くためのオンチップレンズが設けられている。また、オンチップレンズと導波路との間にカラーフィルター層が形成されていて、このカラーフィルター層によって入射光を例えばＲＧＢの各色（赤色光、緑色光、青色光）に分光している。そして、色収差の影響を低減するためにＲＧＢ各色に対応するオンチップレンズの曲率を調整している。さらにオンチップレンズとカラーフィルタの高像高位置での瞳補正量を、レンズＣＲＡ（Chief Ray Angle＝主光線入射角度）より少なめに設定し、色収差の影響を低減している。
例えば、主光線入射角度の高い（例えば２５度）オンチップレンズを使用する場合、高像高位置での色収差によりシェーディング（結像位置（深さ）の差）や混色が発生する。
また、従来技術のように色ごとにオンチップレンズの曲率を調整する方法の場合、オンチップレンズの作製工程数が多くなる。また、微細画素になるほどオンチップレンズの曲率が高曲率になるため、色ごとの調整が困難になる。
高入射角度部では、フォトダイオード（Photo Diode）中心よりも光学中心方向（例えば、画素部の中心方向）に結像重心が偏る（Ｆ値光含め）ため、シェーディングや混色が発生する。このため、従来技術の場合、例えば色ごとにオンチップレンズの曲率を調整しない場合、色収差により導波路の入射端面での入射光のスポット径が色ごとに異なるため、微細画素になるほど全色に対してバランスが取れた位置にする補正が困難になる。また、オンチップレンズやカラーフィルターを色ごとに瞳補正量を異なる量にすると間隙や重複箇所が発生し、シェーディングや混色が発生することになる。そこで、斜め光に対しても効率良く集光できるように、オンチップレンズやカラーフィルターには瞳補正が加えられている。しかし、そのような構造においても、画角周辺で感度が落ち込む輝度シェーディングや、色別のシェーディング形状が異なることに起因する色シェーディングが大きな問題となっていた。
入射光の入射角が大きい場合であっても光電変換部に入射光を導く導波路として、画角を４象限に分けて考え、位置によって導波路のテーパー位置を変えて、異なる入射角度の入射光を導波路に導くようにする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、導波路をたとえ一部でもテーパー形状に形成すると、その導波路に垂直に入射した光がテーパーに形成された導波路内の傾斜面で反射されるために感度が低下することが、発明者らの知見により判っている。このため、導波路のたとえ一部であってもテーパー形状に形成することは感度の低下を招くので望ましくない。また、導波路の一部にテーパー形状を形成するには、通常の導波路を形成するよりも工程数やマスク増を招く。さらに、この技術は、画角を４象限に分けて導波路の形状を変えているだけであり、シェーディング特性の改善につながる技術ではない。
特開２００５−１７５２３４号公報
解決しようとする問題点は、色収差により導波路の入射端面での入射光のスポット径が色ごとに異なるため、微細画素になるほど全色に対してバランスが取れた位置にする補正することが困難な点であり、オンチップレンズやカラーフィルターを色ごとに瞳補正量を異なる量にすると間隙や重複箇所が発生し、シェーディングや混色が発生する点である。
本発明は、オンチップレンズやカラーフィルターは、カラーフィルター層を透過した入射光の色ごとに瞳補正を行わず、入射光の基準の色での瞳補正を行い、色収差により入射光のスポット径が色ごとに異なっていても、入射光を導波路の入射端面に効率よく入射させることを可能にする。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板に形成されていて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部上方に形成されていて前記光電変換部に前記入射光を導く導波路と、前記導波路上方に形成されていて前記導波路の光入射端に前記入射光を導くマイクロレンズを有する単位画素が前記半導体基板の行方向および列方向に複数ずつ配置されて画素部が構成されていて、前記導波路は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されていて、前記マイクロレンズから前記導波路の入射端面に入射される前記入射光の光束の中心と、前記導波路の中心軸とが一致して配置されている。また、導波路とマイクロレンズとの間に形成されていて入射光を分光するカラーフィルター層を有し、マイクロレンズおよびカラーフィルター層は入射光の基準の色での瞳補正がなされ、画素部の中心から同等の距離にある光電変換部では、カラーフィルター層によって分光されて光電変換部に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、光電変換部の中心に対する導波路の中心軸のずれ量が大きくなっている。
本発明の固体撮像装置では、導波路は、その入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されていることから、導波路の入射端面に垂直に入射した光は導波路側面で反射することなく導波路を透過するので、感度の低下が抑制される。また、導波路の入射端面に入射される入射光の光束の中心と、導波路の中心軸とが一致して配置されていることから、導波路に対して瞳補正がなされている。したがって、マイクロレンズから射出された入射光が効率よく導波路内に導かれる。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部が形成された半導体基板上に複数層の配線を有する層間絶縁膜からなる配線層に前記光電変換部上に入射光を導く導波路孔を形成する工程と、前記導波路孔の内部に前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い導波路材料膜を埋め込んで前記導波路孔の内部に導波路を形成する工程と、前記導波路材料膜上に平坦化絶縁膜を介して前記入射光を分光するカラーフィルター層を形成する工程と、前記カラーフィルター層上に前記入射光を前記光電変換部に導くマイクロレンズを形成する工程を有し、前記光電変換部を有する単位画素が前記半導体基板の行方向および列方向に複数ずつ配置されて画素部が構成されていて、前記光電変換部に対応して形成されている前記導波路は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成され、前記導波路の入射端面に入射される前記入射光の光束の中心と、前記導波路の中心軸とが一致して配置されている。また、導波路とマイクロレンズとの間に形成されていて入射光を分光するカラーフィルター層を有し、マイクロレンズおよびカラーフィルター層は入射光の基準の色での瞳補正がなされ、画素部の中心から同等の距離にある光電変換部では、カラーフィルター層によって分光されて光電変換部に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、光電変換部の中心に対する導波路の中心軸のずれ量が大きくなっている。
本発明の固体撮像装置の製造方法では、導波路は、その入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されることから、導波路の入射端面に垂直に入射した光は導波路側面で反射することなく導波路を透過するので、感度の低下が抑制される。また、導波路の入射端面に入射される入射光の光束の中心と、導波路の中心軸とが一致して配置されることから、導波路に対して瞳補正がなされる。したがって、マイクロレンズから射出された入射光が効率よく導波路内に導かれる。
本発明の撮像装置は、入射光を集光する集光光学部と、前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置を有する撮像部と、前記固体撮像装置で光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、前記固体撮像装置は、半導体基板に形成されていて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部上方に形成されていて前記光電変換部に前記入射光を導く導波路と、前記導波路上方に形成されていて前記導波路の光入射端に前記入射光を導くマイクロレンズを有する単位画素が前記半導体基板の行方向および列方向に複数ずつ配置されて画素部が構成されていて、前記導波路は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されていて、前記マイクロレンズから前記導波路の入射端面に入射される前記入射光の光束の中心と、前記導波路の中心軸とが一致して配置されている。また、導波路とマイクロレンズとの間に形成されていて入射光を分光するカラーフィルター層を有し、マイクロレンズおよびカラーフィルター層は入射光の基準の色での瞳補正がなされ、画素部の中心から同等の距離にある光電変換部では、カラーフィルター層によって分光されて光電変換部に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、光電変換部の中心に対する導波路の中心軸のずれ量が大きくなっている。
本発明の撮像装置では、本発明の固体撮像装置が用いられることから、感度の低下が抑制され、マイクロレンズから射出された入射光が効率よく導波路内に導かれる。
本発明の固体撮像装置は、導波路に瞳補正を行っているので、入射光の各色が、各々漏れなく導波路に集光されるようになり、シェーディングの波長依存による色浮き（色シェーディング）を改善することができるという利点がある。また、シェーディングを改善することができるため、感度を画面全体での出力平均値で定義すると、感度を高めることができ、例えば露光時間を低減すること、暗部での撮像ができること等が可能となる。
本発明の固体撮像装置の製造方法では、導波路に瞳補正を行うので、入射光の各色が、各々漏れなく導波路に集光されるようになり、シェーディングの波長依存による色浮き（色シェーディング）を改善することができるという利点がある。また、シェーディングを改善することができるため、感度を画面全体での出力平均値で定義すると、感度を高めることができ、例えば露光時間を低減すること、暗部での撮像ができること等が可能となる。よって、工程数を増やさず、色収差の影響を軽減できる。
また、微細画素において、導波路に入らなかった光は、色ごとに瞳補正量を調整することで減少し、シェーディングや混色を低減できる。
本発明の撮像装置は、本発明の固体撮像装置が用いられることから、シェーディングの波長依存による色浮き（色シェーディング）を改善することができる、感度を高めることができるので、高品質な画像が得られるという利点がある。
本発明の第１実施の形態に係る固体撮像装置の構成の第１例を示した概略構成断面図および平面レイアウト図である。 本発明の瞳補正量の算出方法の一例を示した概略構成断面図である。 従来の固体撮像装置の構成例を示した概略構成断面図である。 従来例の瞳補正量の算出方法の一例を示した概略構成断面図である。 色ごとの導波路の瞳補正を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置の構成の第２例を示した平面レイアウト図である。 本発明の固体撮像装置の構成の第２例を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置の構成の第３例を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置の構成の第３例を示した概略構成断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第１例を示した製造工程断面図である。 本発明の固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 固体撮像装置の製造方法の第２例を示した製造工程断面図である。 本発明の第３実施の形態の撮像装置の一例を示したブロック図である。
以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
＜１．第１の実施の形態＞
［固体撮像装置の構成の第１例］
本発明の第１実施の形態に係る固体撮像装置の構成の第１例を、図１の概略構成断面図および平面レイアウト図によって説明する。図１（１）は画角中心の単位画素であり、図１（２）は画角端の単位画素であり、図１（３）は複数の単位画素からなる画素部を示している。
図１に示すように、半導体基板１１の表面側（入射光が入射される側）には、入射光を信号電荷に変換する光電変換部１２が形成されている。上記半導体基板１１には例えばシリコン基板が用いられている。またはＳＯＩ（Silicon on insulator）基板であってもよい。この場合、ＳＯＩ基板のシリコン層に上記光電変換部１２が形成される。上記光電変換部１２の上方には、配線層１３が形成されている。この配線層１３は、例えば層間絶縁膜１４中に複数層の配線１５が形成されたものである。そして、上記光電変換部１２の上方には、上記配線１５が形成されないようにしてある。また、上記層間絶縁膜１４の表面は、平坦化されている。
さらに、上記配線層１３の上記光電変換部１２の上方部分には、上記入射光を上記光電変換部１２に導く導波路１６が形成されている。上記導波路１６は、上記光電変換部１２上の層間絶縁膜１４に導波路孔を形成し、その導波路孔に上記層間絶縁膜１４よりも屈折率の高い透光性を有する材料、例えば窒化シリコン膜、ダイヤモンド膜もしくは樹脂材料を埋め込んで形成したものである。
上記導波路１６上方の上記層間絶縁膜１４上には、上記入射光を分光するカラーフィルター層１７を介して上記カラーフィルター層１７から射出された入射光を上記導波路１６の光入射端に導くマイクロレンズ１８が形成されている。上記マイクロレンズ１８や上記カラーフィルター層１７には、斜め光に対しても効率良く集光できるように、瞳補正が加えられている。その瞳補正量は、上記画角中心（例えば画素部中心）より画角端に向かうに従って大きくなっている。上記カラーフィルター層１７は、例えば入射光を赤色光、緑色光、青色光に分光するもので、それぞれの色のカラーフィルターが設けられている。また、上記マイクロレンズ１８は、オンチップレンズとも呼ばれるもので、凸レンズ形状をなし、最上層に設けられている。
上記光電変換部１２、導波路１６、カラーフィルター層１７、マイクロレンズ１８、転送ゲート（図示せず）等の構成を単位画素２１として、この単位画素２１が上記半導体基板１１の行方向および列方向に複数ずつ配置されて画素部２０が構成されている。また、１単位画素、２単位画素もしくは４単位画素に一つの画素増幅部（画素トランジスタ部ともいう）（図示せず）が備えられている。この画素増幅部は、転送ゲートによって読み出された信号電荷を増幅して出力する。
上記画素部２０内の各光電変換部１２に対応して形成されている上記導波路１６は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されている。例えば、円柱、長円柱（楕円柱も含む）等である。なお、上記導波路１６は角部が丸く形成された角柱であってもよい。そして上記導波路１６入射端面に入射される上記入射光の光束の中心ＬＣと、上記導波路１６の中心軸Ｃとが一致して配置されている。
この場合、画角中心の単位画素２１（（１）図参照。）では、マイクロレンズ１８の中心軸方向から入射光が入射されるので、マイクロレンズ１８によって集光された入射光はカラーフィルター層１７を透過して分光されて、導波路１６の入射端面より入射される。そして、導波路１６の中心軸Ｃに沿って導かれて射出端面より射出され、光電変換部１２の中心に照射される。すなわち、マイクロレンズ１８の中心を透過した入射光は、カラーフィルター層１７の中心、導波路１６の中心軸Ｃに沿って透過され、光電変換部１２の中心に照射される。したがって、導波路１６の瞳補正は行っていない。
画角中心から外れる単位画素２１（（２）図参照。）では、上記したように、上記マイクロレンズ１８や上記カラーフィルター層１７には、斜め光に対しても効率良く集光できるように、瞳補正が加えられている。それとともに、上記導波路１６は、その入射端面に入射される上記入射光の光束の中心ＬＣと、その中心軸Ｃとが一致するように配置されている。すなわち、導波路１６に対して瞳補正がかけられている。
また、上記画素部２０内で同等の波長の入射光が入射される上記光電変換部１２では、上記光電変換部１２の中心に対する上記導波路１６の中心軸Ｃのずれ量は、上記画素部２０の中心の光電変換部１２より外側方向に向かって大きくなっている。すなわち、画素部２０の中心から外側方向に離れるに従い、マイクロレンズ１８によって集光された入射光の入射角が大きくなる。そのとき、マイクロレンズ１８に対して瞳補正を行っているが、それでは不十分である。そこで、入射光の同一波長の光に対して、光電変換部１２の中心に対する導波路１６の中心軸のずれ量が大きくしていくことで、マイクロレンズ１８から入射される光束の中心が導波路１６の中心軸Ｃに一致するようになる。
また、上記導波路１６は、その径が、導波路１６の射出端から射出される上記入射光が上記光電変換部１２の表面内に照射される大きさに形成されている。したがって、従来技術の導波路のように、光電変換部１２の表面の大きさと同等な大きさには形成されていない。また、上記導波路１６の径は、上記カラーフィルター層１７を透過してきた入射光の上記導波路１６の入射端面におけるスポット径よりも大きく形成されていることが好ましい。なお、スポット径は、入射光の波長によって異なり、例えば上記カラーフィルター層１７によって分光される色が赤色光、緑色光、青色光の場合、赤色光のスポット径が最も大きく、次に緑色光、青色光の順になる。よって、上記導波路１６の径は、各色で変えて形成するのでは、レイアウトが複雑になり、場合によっては、配線層１３に配線１５にかかってしまうこともあるので、例えば、入射光の中間の波長域である緑色光を基準に決定される。または、配線層１３の配線１５とのマージンがある場合には、赤色光を基準に決定されてもよい。
上記説明したように、上記導波路１６の径を従来の導波路よりも小さくすることで瞳補正のマージンを拡大することができる。それとともに、導波路１６の周囲に配置されている配線１５の幅を縮小することによって、さらに導波路１６の瞳補正量のマージンを拡大することができる。例えば、上記配線１５の線幅は、線幅の縮小による配線１５の抵抗増によってクロック遅延が起きない範囲で、かつプロセス上可能な限り縮小することができる。例えば、配線１５の線幅を１０ｎｍ縮小することで瞳補正量のマージンを１０ｎｍ拡げるにことが可能になる。
上記のように固体撮像装置１（１Ａ）が構成されている。
［瞳補正量の算出例］
次に、上記固体撮像装置１の瞳補正量の算出方法の一例を、図２の概略構成断面図によって、以下に説明する。図２（１）は画角中心の単位画素であり、図２（２）は画角端の単位画素を示している。
図２（１）に示すように、画角中心の単位画素２１では、マイクロレンズ１８の中心軸方向から入射光が入射されるので、マイクロレンズ１８によって集光された入射光はカラーフィルター層１７を透過して分光されて、導波路１６の入射端面より入射される。そして、導波路１６の中心軸Ｃに沿って導かれて射出端面より射出され、光電変換部１２の中心に照射される。すなわち、マイクロレンズ１８の中心を透過した入射光は、カラーフィルター層１７の中心、導波路１６の中心軸Ｃに沿って透過され、光電変換部１２の中心に照射される。したがって、導波路１６の瞳補正は行っていない。
一方、画角端の単位画素２１では、図２（２）に示すように、一例として、マイクロレンズ１８に入射する入射光の入射角θ１が、例えばθ１＝２５°の位置の瞳補正量の算出を行う。
マイクロレンズ１８の屈折率ｎは、ｎ＝１．５とする。
今、マイクロレンズ１８の周囲の雰囲気の屈折率ｎ０をｎ０＝１、マイクロレンズ１８の屈折率ｎ１をｎ１＝１．６とすると、
ｓｉｎθ２＝（ｎ０／ｎ１）＊ｓｉｎθ１なる関係が導かれる。
ここでθ１＝２５°とすると、
θ２＝ｓｉｎ-1｛(ｎ０／ｎ１)＊ｓｉｎθ１｝
＝ｓｉｎ-1｛（１／１．６）＊ｓｉｎ２５｝
＝１５．３°となる。
例えば、導波路１６の入射端面を基準位置（基準面）として、この基準位置からマイクロレンズ１８の形成面までの高さｈ１、基準位置からカラーフィルター層１７の入射面までの高さをｈ２とする。
今、一例として、ｈ１＝２μｍ、ｈ２＝１．５μｍとする。この場合、導波路１６の中心軸Ｃとマイクロレンズ１８の中心軸ＬＣとの差Ｘ＿ＯＣＬ’は、
Ｘ＿ＯＣＬ’＝ｈ１＊ｔａｎθ２＋Ｘ＿ＷＧ
＝２＊ｔａｎ１５．３°＋Ｘ＿ＷＧ
＝０．５４７μｍ＋Ｘ＿ＷＧとなる。ここで、Ｘ＿ＷＧは、光電変換部１２の中心と導波路１６の中心軸Ｃとの差である。
また、導波路１６の中心軸Ｃとカラーフィルター層の中心軸ＦＣとの差Ｘ＿ＣＦ’は、
Ｘ＿ＣＦ’ ＝ｈ２＊ｔａｎθ２＋Ｘ＿ＷＧ
＝１．５＊ｔａｎ１５．３°＋Ｘ＿ＷＧ
＝０．４１１μｍ＋Ｘ＿ＷＧとなる。
ここで、導波路１６の射出端面での回折角θ３を、例えばθ３＝１３．０°とすると、
光電変換部１２の表面までの拡散幅Ｗは、Ｗ＝ｈ３＊ｔａｎθ３となる。
今、光電変換部１２と導波路１６の射出端面との間隔ｈ３が、例えばｈ３＝０．５μｍの場合、
Ｗ＝ｈ３＊ｔａｎθ３＝０．５＊ｔａｎ１３．０°＝０．１１５μｍとなる。
ここで、光電変換部１２の幅ＰＤを、例えばＰＤ＝１．１μｍ、導波路１６の径ＷＧ’を、例えばＷＧ’＝０．６μｍとすると、
回折光端から光電変換部１２に隣接して形成される転送ゲートの半導体基板１１面への投影位置までの距離αは、
（ＰＤ−ＷＧ’）／２＞Ｗ＋αなる関係式により求めることができる。
この関係式より、
（１．１−０．６）／２＞０．１１＋α となる。よって、
α＜０．２５−０．１１５＝０．１３５μｍ
になるところまで瞳補正Ｘ＿ＷＧがかけられることになる。
次に、上記回折角θ３の算出方法を以下に説明する。
ヤングの実験より、ｄを画素ピッチ×２倍、ｎを１（光の１次回折光）、λを入射光波長とすると、
ｄ＊ｓｉｎθ＝ｎλ となる。よって、
θ＝sin-1（ｎλ／ｄ）が得られる。
一例として、ｄ＝１．４μｍ×２＝２．８０μｍ、ｎ＝１とすると、
赤色光の波長λ＝６３０ｎｍ（赤）の場合、
赤色光の回折角θ＝sin-1（０．６３／２．８)＝１３．００°となる。
また、参考として、青色光の波長λblue＝４５０ｎｍ（青）の場合、青色光の回折角θblue＝ｓｉｎ-1（０．４５／２．８)＝９．２５°となる。また、緑色光の波長λgreen＝５５０ｎｍ（緑）の場合、緑色光の回折角θgreen＝ｓｉｎ-1（０．５５／２．８）＝１１．３３°となる。
次に、比較例として従来の固体撮像装置の構造を図３の概略構成断面図よって説明する。図３（１）は画角中心の単位画素であり、図３（２）は画角端の単位画素である。
図３に示すように、単位画素２１では、半導体基板１１の表面側（入射光が入射される側）には、入射光を信号電荷に変換する光電変換部１２が形成されている。上記光電変換部１２の上方には、配線層１３が形成されている。この配線層１３は、例えば層間絶縁膜１４中に複数層の配線１５が形成されたものである。そして、上記光電変換部１２の上方には、上記配線１５が形成されないようにしてある。また、上記層間絶縁膜１４の表面は、平坦化されている。
さらに、上記配線層１３の上記光電変換部１２の上方部分には、上記入射光を上記光電変換部１２に導く導波路１６が形成されている。上記導波路１６上方の上記層間絶縁膜１４上には、上記入射光を分光するカラーフィルター層１７を介して上記カラーフィルター層１７から射出された入射光を上記導波路１６の光入射端に導くマイクロレンズ１８が形成されている。上記カラーフィルター層１７は、例えば入射光を赤色光、緑色光、青色光に分光するもので、それぞれの色のカラーフィルターが設けられている。また、上記マイクロレンズ１８は、オンチップレンズとも呼ばれるもので、凸レンズ形状をなし、最上層に設けられている。
そして図３（１）に示すように、画角中心の単位画素２１では、マイクロレンズ１８の中心軸方向から入射光が入射されるので、マイクロレンズ１８によって集光された入射光はカラーフィルター層１７を透過して分光されて、導波路１６の入射端面より入射される。そして、導波路１６の中心軸Ｃに沿って導かれて射出端面より射出され、光電変換部１２の中心に照射される。すなわち、マイクロレンズ１８の中心を透過した入射光は、カラーフィルター層１７の中心、導波路１６の中心軸Ｃに沿って透過され、光電変換部１２の中心に照射される。したがって、マイクロレンズ１８、カラーフィルター層１７の瞳補正は行っていない。
一方、図３（２）に示すように、画角中心から外れる単位画素２１では、上記マイクロレンズ１８や上記カラーフィルター層１７には、斜め光に対しても効率良く集光できるように、瞳補正が加えられている。その瞳補正量は、上記画角中心より画角端に向かうに従って大きくなっている。
次に、上記比較例の瞳補正量の算出方法を、図４の概略構成断面図よって説明する。図４（１）は画角中心の単位画素であり、図４（２）は画角端の単位画素を示している。
図４（１）に示すように、画角中心の単位画素２１では、マイクロレンズ１８の中心軸方向から入射光が入射されるので、マイクロレンズ１８によって集光された入射光はカラーフィルター層１７を透過して分光されて、導波路１６の入射端面より入射される。そして、導波路１６の中心軸Ｃに沿って導かれて射出端面より射出され、光電変換部１２の中心に照射される。すなわち、マイクロレンズ１８の中心を透過した入射光は、カラーフィルター層１７の中心、導波路１６の中心軸Ｃに沿って透過され、光電変換部１２の中心に照射される。したがって、導波路１６の瞳補正は行っていない。
一方、図４（２）に示すように、従来の固体撮像装置では、画角端の単位画素２１でも、導波路１６の瞳補正は行っていない。ここではマイクロレンズ１８に入射する入射光の入射角θ１が、例えばθ１＝２５°の位置のマイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７の瞳補正量の算出を行う。
マイクロレンズ１８のＦ値は、例えばＦ＝２．８とし、マイクロレンズ１８の屈折率ｎは、ｎ＝１．５とする。
また周縁光線角度θ３は、θ３＝６．８°とする。
今、マイクロレンズ１８の周囲の雰囲気の屈折率ｎ０をｎ０＝１、マイクロレンズ１８の屈折率ｎ１をｎ１＝１．６とすると、
ｓｉｎθ２＝（ｎ０／ｎ１）＊ｓｉｎθ１
なる関係が導かれる。
ここでθ１＝２５°とすると、
θ２＝ｓｉｎ-1｛(ｎ０／ｎ１)＊ｓｉｎθ１｝
＝ｓｉｎ-1｛（１／１．６）＊ｓｉｎ２５｝
＝１５．３°となる。
例えば、導波路１６の入射端面を基準位置（基準面）として、この基準位置からマイクロレンズ１８の形成面までの高さｈ１、基準位置からカラーフィルター層１７の入射面までの高さをｈ２とする。
今、一例として、ｈ１＝２μｍ、ｈ２＝１．５μｍとする。この場合、導波路１６の中心軸Ｃ（光電変換部の中心）とマイクロレンズ１８の中心軸ＬＣとの差Ｘ＿ＯＣＬは、
Ｘ＿ＯＣＬ＝ｈ１＊ｔａｎθ２＝２＊ｔａｎ１５．３°＝０．５４７μｍとなる。
また、導波路１６の中心軸Ｃとカラーフィルター層の中心軸ＦＣとの差Ｘ＿ＣＦは、
Ｘ＿ＣＦ＝ｈ２＊ｔａｎθ２＝１．５＊ｔａｎ１５．３°＝０．４１１μｍとなる。
この例では導波路１６の瞳補正は行っていない。そのため、上記図３によって説明した問題が生じることがある。
上記固体撮像装置１では、上記導波路１６が、その入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されていることから、導波路１６の入射端面に垂直に入射した光は導波路１６側面で反射することなく導波路１６内を透過していく。このため、導波路１６の側壁で反射されることはないので、感度の低下が抑制される。また、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心と、導波路１６の中心軸とが一致して配置されていることから、入射光が効率よく導波路１６内に導かれる。すなわち、導波路１６に対しても瞳補正が行われている。
よって、上記固体撮像装置１では、導波路１６に対して瞳補正を行っているので、入射光の各色が、各々漏れなく導波路１６に集光されるようになり、シェーディングの波長依存による色浮き（色シェーディング）を改善することができるという利点がある。
また、上記光電変換部１２の表面と導波路１６の射出端面との距離は、白点の発生を防止するために、所定の距離が必要である。例えば、光電変換部１２と導波路１６の射出端面との間に形成された層間絶縁膜１４が酸化シリコンで形成されている場合、光電変換部１２と導波路１６の射出端面との所定の距離は例えば５００ｎｍ程度必要である。
そして、上記導波路１６の径は、導波路１６の射出端から射出される回折による拡がりを有する入射光が光電変換部１２の表面内に照射されるように決定されている。このため、導波路１６から射出された光の拡がり部分も光電変換部１２に照射されることになるので、感度が向上される。
また、シェーディングを改善することができるため、感度を、画面全体での出力平均値で定義すると、感度を高めることができ、露光時間を低減することが可能となる。実績としては、緑色光の感度は４％向上し、赤色光の感度は３％向上し、青色光の感度は２％向上した。
また、従来技術のように、配線１５とのマージンの範囲内で、導波路１６をできる限り大きくして感度を稼ごうとしていた。すると、導波路１６の射出端面から射出される入射光は、回折により拡がって射出されるので、導波路１６の径を光電変換部１２の表面の大きさとほぼ同等に形成すると、射出光の拡がった部分が光電変換部１２に照射されなくなる。この拡がり部分が感度の低下を招くことになっていた。
次に、導波路１６の径の縮小について説明する。上記説明したように、上記導波路１６は、その径が、導波路１６の射出端から射出される上記入射光が上記光電変換部１２の表面内に照射される大きさに形成されている。したがって、従来技術の導波路のように、光電変換部１２の表面の大きさと同等な大きさには形成されておらず、径が縮小されている。例えば、配線１５と導波路１６間が重ね合わせマージン程度の余裕しかない従来構造であっても、導波路１６の径の縮小を縮小することで、導波路１６に瞳補正を行うことが可能になる。例えば、従来の導波路１６の径が１．５μｍとする。この導波路１６の径を１μｍに縮小することで、片側０．２５μｍの縮小となり、０．２５μｍの瞳補正を加えることが可能となる。ただし、上記説明したように、上記導波路１６の径は、上記カラーフィルター層１７を透過してきた入射光の上記導波路１６の入射端面におけるスポット径よりも大きく形成されていることが好ましい。例えば、入射光の中間の波長域である緑色光を基準に決定される。または、配線層１３の配線１５とのマージンがある場合には、赤色光を基準に決定されてもよい。
上記のような微細画素の場合、導波路１６と配線１５との距離で瞳補正量が律速されるため、例えば、導波路１６の径は、導波路１６に照射される入射光のスポット径より大きくなるように考慮して好適な大きさまで縮小される。その縮小分を所望の瞳補正量になるようにするが、それでは不十分な場合には、前記説明したように、配線１５の線幅を狭くすることで瞳補正量を増やすこともできる。本発明の導波路１６に対する瞳補正は、従来構造の導波路１６に対して単純に瞳補正を行うのではなく、導波路１６の瞳補正量を、例えば、導波路１６の径を縮小することにより、また配線の線幅を縮小することにより、確保している。これによって、十分な瞳補正量が確保できるので、色シェーディングを大幅に改善することができる。また、導波路１６に対する瞳補正量は、マイクロレンズ１８やカラーフィルター層１７の瞳補正量に対して一定の割合とする。例えば、マイクロレンズ１８の補正量に対して一律で×０．２倍するなどが考えられる。
また、上記第１例で説明した固体撮像装置１では、従来の導波路１６に対する考え方を大幅に転換している。すなわち、従来は、配線１５に対するマージンの範囲内で、導波路１６の径をできる限り大きく形成して感度を稼ごうとしていた。一方、上記固体撮像装置１では、導波路１６の径（入射端面の径）は、この入射端面に入射される入射光のスポット径よりも大きくした状態で、できうる限り縮小して、導波路１６から射出される射出光の全てが光電変換部１２に照射されるようにしている。この点が従来の導波路と大きく異なる点の一つである。また、上記説明したように、導波路１６に対して瞳補正を行っている点も、従来の導波路と大きく異なる点の一つである。
上記固体撮像装置１は、カラーフィルター層１７によって分光された入射光の色ごとに導波路１６の瞳補正量を変えることが望ましい。この点について、図５の概略構成断面図によって説明する。図５では、画角中心（例えば、画素部の中心）から等距離にあるカラーフィルター層１７の色が異なる単位画素を示すもので、（１）は青色の単位画素であり、（２）は緑色の単位画素であり、（３）は赤色の単位画素である。
図５に示すように、前記固体撮像装置１において、上記画素部２０内で同等の波長の入射光が入射される上記光電変換部１２では、この光電変換部１２の中心軸ＦＣに対する上記導波路１６の中心軸Ｃのずれ量は、上記画素部２０の中心の光電変換部１２より外側方向に向かって大きくなっているものである。言い換えれば、上記画素部２０の中心から同等の距離にある上記光電変換部１２では、上記カラーフィルター層１７によって分光されて上記光電変換部１２に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、上記光電変換部１２の中心軸ＦＣに対する上記導波路１６の中心軸Ｃのずれ量が小さくなっている。
具体例としては、１μｍ〜３μｍ程度のピッチで光電変換部１２が形成されている固体撮像装置１に、０．５μｍ〜２．５μｍ程度の径の導波路１６を有する構造では、導波路１６の瞳補正量を「青色光（Ｂ）＜緑色光（Ｇ）＜赤色光（Ｒ）」の関係にする。もちろん、平面レイアウト上、光電変換部１２より導波路１６は小さいものとする。例えば、青色光が入射される導波路１６には２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の瞳補正を行い、緑色光が入射される導波路１６には５０ｎｍ〜８０ｎｍ程度の瞳補正を行い、赤色光が入射される導波路１６には８０ｎｍ〜１１０ｎｍ程度の瞳補正を行う。この結果、各々の導波路１６でシェーディングを最適化することができる。
通常、画素の中心から外側方向に離れるに従い、マイクロレンズ１８によって集光された入射光の入射角は大きくなる。そのとき、マイクロレンズ１８に対して瞳補正を行っているが、それでは不十分である。そこで、上記説明したように、入射光の同一波長の光に対して、光電変換部の中心に対する導波路の中心軸のずれ量が大きくしていくことで、マイクロレンズ１８から入射される光束の中心を導波路の中心に入るようになる。
通常、マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７は、入射光が光電変換部１２の中心軸方向に入射されるように瞳補正がかけられている。例えば、入射光の基準の波長の光（例えば、緑色光）に対して、マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７の瞳補正がなされている。この場合、図５（１）に示すように、青色光はマイクロレンズ１８によって大きく曲げられるので、導波路１６の入射端面に入射する入射角が大きくなる。したがって、マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７は瞳補正によって光電変換部１２の中心軸ＦＣより画素中心方向に大きくずらされていても、カラーフィルター層１７を射出した光は、導波路１６の入射端面における光電変換部１２の中心軸ＦＣ方向に近い位置に入射される。したがって、導波路１６の入射端面に入射される入射光はほとんど導波路１６内に導かれる。この場合も、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心軸ＬＣと導波路１６の中心軸Ｃとが一致するように、導波路１６の位置が補正されている。
一方、図５（３）に示すように、赤色光は、上記青色光よりマイクロレンズによって曲げられにくいので、導波路１６の入射端面に入射する入射角が青色光よりも小さくなる。また、マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７は瞳補正によって光電変換部１２の中心軸より画角中心方向に大きくずらされているので、カラーフィルター層１７を射出した光は、導波路１６の入射端面における光電変換部１２の中心軸ＦＣから放れた位置に入射される。場合によっては導波路１６の入射端面から大部分がはみ出した状態で入射される。しかしながら、本願発明では、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心軸ＬＣと導波路１６の中心軸Ｃとが一致するように、導波路１６の位置が補正されている。こんため、カラーフィルター層１７を射出した入射光はほとんど導波路１６の入射端面に入射されて導波路１６内に導かれる。
また、図５（２）に示すように、緑色光は、上記青色光よりマイクロレンズ１８によって曲げられにくく、上記赤色光より曲げられやすいので、導波路１６の入射端面に入射する入射角が青色光よりも小さく、赤色光よりも大きくなる。上記マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７は瞳補正によって光電変換部１２の中心軸より画角中心方向にずらされているので、カラーフィルター層１７を射出した光は、導波路１６の入射端面で光電変換部１２の中心軸ＦＣから離れた位置に入射される。しかしながら、本願発明では、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心軸ＬＣと導波路１６の中心軸Ｃとが一致するように、導波路１６の位置が補正されている。このため、カラーフィルター層１７を射出した入射光のほとんどが導波路１６の入射端面に入射されて導波路１６内に導かれる。
このように、各導波路１６は、各光電変換部１２の中心に対する導波路１６の中心軸Ｃのずれ量が、カラーフィルター層１７によって分光される波長が短くなるにしたがって、光電変換部１２の中心に対する導波路１６の中心軸Ｃのずれ量が小さくなっている。したがって、各導波路１６の入射端面への入射光の波長が異なっても、その波長に対応して導波路１６が配置されているので、単位画素２１ごとに感度が異なることはなく、また色シェーディングを発生することもない。
［固体撮像装置の構成の第２例］
本発明の固体撮像装置の構成の第２例を、図６の平面レイアウト図および図７の概略構成断面図によって説明する。図６および図７では、例えば、４つの単位画素を一つの画素トランジスタ部で共有する構成を示したもので、その４つの単位画素を単位画素群としている。
図６、図７に示すように、単位画素群２２は、一例として、二つの第１単位画素２１（２１Ｇ）と一つの第１単位画素２１（２１Ｂ）と一つの第３単位画素２１（２１Ｒ）を有する。上記第１単位画素２１Ｇは、カラーフィルター層１７（１７Ｇ）によって分光される第１波長の光（例えば緑色光：Ｇ）が入射される光電変換部１２（１２Ｇ）を有する。上記第２単位画素２１Ｂは、カラーフィルター層１７Ｂによって分光される上記第１波長（緑色光）より短い第２波長の光（青色光：Ｂ）が入射される光電変換部１２Ｂを有する。上記第３単位画素２１Ｒは、カラーフィルター層１７Ｒによって分光される上記第１波長より長い第３波長（赤色光：Ｒ）の光が入射される上記光電変換部１２Ｒを有する。
上記単位画素群２２における上記各光電変換部１２の中心軸ＦＣに対する上記導波路１６の中心軸Ｃのずれ量は、上記カラーフィルター層１７によって分光される波長が短くなるにしたがって、上記光電変換部１２の中心に対する上記導波路１６の中心軸Ｃのずれ量が小さくなっている。また、上記各光電変換部１２の中心軸ＦＣに対する上記導波路１６の中心軸Ｃのずれ方向は、画素部２０の中心方向に向かって小さくなっている。言い換えれば、画角中心（例えば画素中心が一致するとして、画角中心から画角端に向かって上記ずれ量は大きくなり、各光電変換部１２の中心からのずれ方向は画角中心側となっている。
上記のように固体撮像装置１（１Ｂ）が構成されている。なお、各第１単位画素２１Ｇ、第２単位画素２１Ｂ、第３単位画素２１Ｒの基本構成は、前記固体撮像装置１の第１例で説明したものと同様である。
上記固体撮像装置１Ｂは、いわゆる複数画素共有（４画素共有）であり、導波路１６の入射端面に入射される入射光の波長が長くなるに従い、光電変換部１２の中心に対する導波路１６の中心軸のずれ量が小さくなっている。このような４画素共有の場合、その４画素（単位画素２１）において、第１単位画素２１Ｇよりも第３単位画素２１Ｒの導波路１６のずれ量（瞳補正量）が大きく、第２単位画素２１Ｂの導波路１６のずれ量（瞳補正量）が小さい。
通常、マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７は、入射光が光電変換部１２の中心軸方向に入射されるように瞳補正がかけられている。例えば、入射光の基準の波長の光（例えば、緑色光）に対して、マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７の瞳補正がなされている。この場合、青色光はマイクロレンズ１８によって大きく曲げられるので、導波路１６の入射端面に入射する入射角が大きくなる。上記マイクロレンズ１８およびカラーフィルター層１７は瞳補正によって光電変換部１２の中心軸ＦＣより画角中心（例えば画素部の中心）方向にずらされていても、カラーフィルター層１７を射出した光は、導波路１６の入射端面では光電変換部１２の中心軸ＦＣ方向に近い位置に入射される。この結果、導波路１６の入射端面に入射される入射光はほとんど導波路１６内に導かれる。一方、赤色光は、上記青色光よりマイクロレンズ１８によって曲げられにくいので、導波路１６の入射端面に入射する入射角が青色光よりも小さくなる。また、マイクロレンズ１８およびマイクロレンズ１８は瞳補正によって光電変換部１２の中心軸ＦＣより画角中心方向にずらされているので、カラーフィルター層１７を射出した光は、導波路１６の入射端面では光電変換部１２の中心軸ＦＣから離れた位置に入射される。場合によっては導波路１６の入射端面から大部分がはみ出した状態で入射される。しかしながら、本願発明では、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心と導波路１６の中心軸Ｃとが一致するように、導波路１６の位置が補正されている。このため、カラーフィルター層１７を射出した入射光は、導波路１６の入射端面に入射されて導波路１６内に導かれる。また、緑色光は、上記青色光よりマイクロレンズによって曲げられにくく、上記赤色光より曲げられやすいので、導波路１６の入射端面に入射する入射角が青色光よりも小さく、赤色光よりも大きくなる。また、マイクロレンズ１８およびマイクロレンズ１８は瞳補正によって光電変換部の中心軸ＦＣより画角中心方向にずらされているので、カラーフィルター層１７を射出した光は、導波路１６の入射端面における光電変換部１２の中心軸から離れた位置に入射される。しかしながら、本願発明では、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心と導波路１６の中心軸Ｃとが一致するように、導波路１６の位置が補正されているので、カラーフィルター層１７を射出した入射光は導波路１６の入射端面に入射されて導波路１６内に導かれる。このように、単位画素群２２内の各導波路１６においては、各光電変換部１２の中心軸ＦＣに対する導波路１６の中心軸Ｃのずれ量が、カラーフィルター層１７によって分光される波長が短くなるにしたがって小さくなっている。よって、各導波路１６の入射端面への入射光の波長が異なっても、その波長に対応した導波路１６の配置がなされているので、単位画素群２２内における単位画素２１ごとに感度が異なることはなく、また色シェーディングを発生することもない。
［固体撮像装置の構成の第３例］
本発明の固体撮像装置の構成の第３例を、図８の概略構成断面図によって説明する。図８では、上記第１例の固体撮像装置１において、導波路１６の構成が異なるのみで、その他の構成は同一である。
図８（１）、（２）に示すように、単位画素２１における導波路１６は、上記導波路１６の側周を形成する第１導波路１６Ａと、上記第１導波路１６Ａの内部に形成されていてこの第１導波路１６Ａよりも屈折率が低い第２導波路１６Ｂからなる。上記第１導波路１６Ａは、上記第２導波路１６Ｂの底部側にも形成されていてもよい。（１）図は画角中心部の単位画素２１をしめしており、（２）図は画角中心から画角端方向にある単位画素２１を示している。そして上記固体撮像装置１の第１例と同様に、画角端に向かうにしたがって、導波路１６に対して瞳補正を行っている。
今、一例として、図９に示すように、２μｍサイズの光電変換部１２（例えばフォトダイオード）に対して、１μｍの径の導波路１６を有する構造を考える。画角の最も端の部分で瞳補正量０．４５μｍとなるように設計する。導波路１６内部の側壁に、屈折率１．８程度の膜（例えば窒化系の膜）で第１導波路１６Ａを形成する。上記第２導波路１６Ｂは、例えば樹脂系の屈折率がｎ＝１．４程度の膜で形成される。上記第１導波路１６Ａの側壁部分の膜厚は、例えば１００ｎｍ程度とする。すると側壁は両側を合わせて２００ｎｍとなるため、第２導波路１６Ｂの径は８００ｎｍとなる。なお、第１導波路１６Ａの膜を窒化系の膜（例えば窒化シリコン膜等）にすることで、パッシベーション（Passivation）膜としての効果を持たせることも可能となる。
次に、図８（３）、（４）によって、入射光の光路を説明する。（３）図は画角中心部の単位画素２１をしめしており、（４）図は画角中心から画角端方向にある単位画素２１を示している。図８（３）に示すように、マイクロレンズ１８、カラーフィルター層１７を透過した入射光は、画角中心の導波路１６では、屈折率は中心部の第２導波路１６Ｂよりも側壁部の第１導波路１６Ａのほうが高いため、光は側壁の第１導波路１６Ａに主に集中する。
これに対して、図８（４）に示すように、導波路１６に瞳補正を加えると、画角の端においても、マイクロレンズ１８、カラーフィルター層１７を透過した入射光の光束を光電変換部１２の中心に持ってくることが可能となる（屈折率は、図示のようにｎ１＞ｎ２である。）。すなわち、導波路１６に入射された斜め入射光は、第２導波路１６Ｂから第１導波路１６Ａに入射され、第２導波路１６Ｂより屈折率の大きい第１導波路１６Ａ内を反射して射出端に導かれ、光電変換部１２に射出される。また、導波路１６は、導波路１６内を光が導かれるものであるから、導波路１６（第１導波路１６Ａ）の周囲の材料より導波路１６（第１導波路１６Ａ）を構成する材料の屈折率が大きいことは当然のことである。特に画角端方向の導波路１６は、導波路１６の入射端面での入射光の光束の中心軸ＬＣと導波路１６の中心軸Ｃを一致させるように導波路１６が瞳補正されているので、光電変換部１２の中心に対して導波路１６の中心軸Ｃが画角中央側にずらして配置されている。このため、導波路１６の入射端面に入射された入射光は、一旦、第２導波路１６Ｂに入射されても、第２導波路１６Ｂよりも屈折率の高い第１導波路１６Ａに入射され、この第１導波路１６Ａ内を伝播して射出端面より光電変換部１２方向に射出される。しかも、斜め入射光は画角中心側から画角端側に向けて照射されるので、第２導波路１６Ｂ内に入射された入射光は画角端側に斜め入射されるため、第１導波路１６Ａの画角端側を使って伝播される。すなわち、第１導波路１６Ａの画角端側は、光電変換部１２の中心に近い側であるので、上記第２導波路１６Ｂに入射された入射光は第１導波路１６Ａを伝播して効率より光電変換部１２に射出されることになる。
上記導波路１６を上記第１導波路１６Ａと上記第２導波路１６Ｂとを有する構造にすることで、導波路１６底部から光電変換部１２に到達するまでに漏れる光が最小限となる。また、仮に光電変換部１２近傍にポリシリコンの電極６１などが存在していても、光が光電変換部１２の中心もしくはその近傍に入射されるため、近傍のポリシリコンの電極６１に当たって蹴られる成分を低減することが可能となる。なお、既に述べている単一材料の導波路１６の構造の場合は、その径を小さくするなどすれば、ポリシリコンの電極６１で蹴られる光を抑制することが可能である。
また、上記光電変換部１２や図示はしていないが、画素トランジスタ、配線層１３の配線１５にも瞳補正を加える。これにより、画素トランジスタによる光の蹴られを低減することができ、色シェーディング改善が期待できる。
＜２．第２の実施の形態＞
［固体撮像装置の製造方法の第１例］
次に、本発明の第２実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第１例を、図１０〜図１９の製造工程断面図によって説明する。
図１０に示すように、半導体基板１１の表面側（入射光が入射される側）には、入射光を信号電荷に変換する光電変換部１２を形成する。また、上記半導体基板１１には、上記光電変換部１２から光電変換された信号電荷を読み出す転送ゲート３１が形成される。さらに図示はしていないが、上記半導体基板１１には上記光電変換部１２で光電変換された信号電荷を増幅して出力する画素トランジスタ、増幅して出力された信号を処理する周辺回路部が形成される。上記半導体基板１１には例えばシリコン基板が用いられる。またはＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を用いてもよい。この場合、ＳＯＩ基板のシリコン層に上記光電変換部１２、転送ゲート３１等が形成される。
このように、上記光電変換部１２を有する単位画素２１が上記半導体基板１１の行方向および列方向に複数ずつ配置されて画素部２０が構成さている。
上記半導体基板１１上には、上記光電変換部１２、上記転送ゲート３１、上記画素トランジスタ、周辺回路部等を被覆する絶縁膜が形成され、配線層１３が形成されている。この配線層１３は、例えば層間絶縁膜１４中に複数層の配線１５を形成したものである。この配線１５の周囲には、バリアメタル層４１が形成されている。また、層間絶縁膜１４中には、配線１５上からの金属等の拡散を防止する拡散防止膜４２として、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）膜を形成する。上記層間絶縁膜１４には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜などを用いる。また、上記層間絶縁膜１４の表面は、平坦化されている。そして、上記光電変換部１２の上方には、上記配線１５が形成されないようにしてある。
次に、図１１に示すように、通常のレジストプロセスによって、上記配線層１３の最上層の層間絶縁膜１４上にレジスト膜５１を形成する。そしてリソグラフィー技術によって、導波路を形成する領域上の上記レジスト膜５１に開口部５２を形成する。このときの上記開口部５２のレイアウトに、前記図１、図２等で説明したように、導波路に行う瞳補正を加える。すなわち、上記開口部５２は、この開口部５２の下部に形成される導波路の入射端面に入射される入射光の光束の中心と、導波路の中心軸とが一致するように形成されている。
次に、図１２に示すように、上記レジスト膜５１をエッチングマスクに用いたドライエッチングにより、上記配線層１３の層間絶縁膜１４に導波路を形成するための導波路孔１９を開口する。この時、上記導波路孔１９の側壁が垂直になるように、かつ、例えば４μｍ〜５μｍ程度の深さに形成されている。また、導波路孔１９は、開口部から底部に向かって断面積が一定の孔に形成されている。その開口部の形状は、例えば、円形、長円形（楕円径も含む）等である。なお、上記導波路孔１９の開口部の形状は、角部が丸く形成された方形等の矩形であってもよい。
次に、図１３に示すように、上記レジスト膜５１（前記図１２参照）を剥離して、上記配線層１３の層間絶縁膜１４表面を露出させる。
次に、図１４に示すように、上記導波路孔１９の内部に導波路材料膜５３を埋め込む。
上記導波路材料は、配線層１３の層間絶縁膜１４よりも屈折率の高い材料が選択される。例えば、層間絶縁膜１４の屈折率が１．４の酸化シリコン系の膜の場合、導波路材料膜５３は屈折率１．４以上のものとする。例えば、導波路材料膜５３には、屈折率が１．８程度の窒化系の膜、例えば窒化シリコン膜を用いる。そして、上記導波路材料膜５３は、上記層間絶縁膜１４上にも形成される。上記導波路材料膜５３の成膜方法は、塗布法、化学気相成長法等を用いる。このように、上記導波路孔１９の内部に埋め込まれた導波路材料膜５３で、導波路１６が形成される。
次に、図１５に示すように、上記導波路材料膜５３の表面を平坦化するために、平坦化絶縁膜５４を形成する。この平坦化絶縁膜５４は、例えば樹脂層で形成する。
次に、図１６に示すように、上記平坦化絶縁膜５４上にカラーフィルター層１７を形成する。このカラーフィルター層１７は、カラーフィルター材料を塗布によって形成した後、露光、現像等によってパターニングして形成される。また上記カラーフィルター層１７は、各光電変換部１２に感知させる色に応じて、例えば、赤色のカラーフィルター、緑色のカラーフィルター、青色のカラーフィルター等を用いる。そして、このカラーフィルター層１７のレイアウトにも瞳補正を加える。
次に、図１７に示すように、上記カラーフィルター層１７上にマイクロレンズ（オンチップレンズ：On Chip Lensともいう）の材料となるレンズ形成膜５５を形成する。このレンズ形成膜５５は、例えば光透過性を有する樹脂膜で形成される。
次に、図１８に示すように、上記レンズ形成膜５５上にマイクロレンズを形成のためのレジストパターン５６を形成する。このレジストパターン５６のレイアウトに対して瞳補正を加える。その後、図示はしていないが、上記レジストパターン５６をレンズ形状に成型する。そして、例えばエッチバックにより、上記レンズ形状に成型されたレジストパターン５６の形状を上記レンズ形成膜５５に転写する。
その結果、図１９に示すように、上記レンズ形成膜５５にマイクロレンズ１８が形成される。
上記製造方法では、導波路１６は、その入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されることから、導波路１６の入射端面に垂直に入射した光は導波路１６側面で反射することなく導波路１６を透過するので、感度の低下が抑制される。また、導波路１６の入射端面に入射される入射光の光束の中心と、導波路１６の中心軸Ｃとが一致して配置されることから、入射光が効率よく導波路１６内に導かれる。よって、前記第１実施の形態の固体撮像装置の第１例で説明した固体撮像装置と同様な作用効果を得ることができる固体撮像装置１（１Ａ）を製造することができる。
［固体撮像装置の製造方法の第２例］
次に、本発明の第２実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の第２例を、図２０〜図２６の製造工程断面図によって説明する。
前記製造方法の第１例と同様の方法によって、図２０に示すように、配線層１３に導波路孔１９を形成する。そして、上記導波路孔１９の内面に第１導波路１６Ａとなる第１導波路材料膜５７を形成する。そして、上記第１導波路材料膜５７は、上記層間絶縁膜１４上にも形成される。この第１導波路材料膜５７には、上記層間絶縁膜１４よりも屈折率が高い材料を用いる。例えば、窒化系の膜を用いる。窒化系の膜としては、例えば、窒化シリコン（ＳＩＮ）膜、窒化酸化シリコン膜などがある。また、第１導波路材料膜５７に窒化シリコン膜を用いればパッシベーション膜にもなる。上記第１導波路材料膜５７の材料には、窒化系の膜にこだわらないが、屈折率の高い膜として、例えばｎ＝１．８の窒化シリコン膜を用いる。膜厚は、例えば側壁部の膜厚が１００ｎｍ程度となるようにする。第１導波路材料膜５７の膜厚は、その後に形成される第２導波路が第１導波路１６Ａの内側に形成できる膜厚になっていればよい。その成膜方法は、例えば塗布法を用いる。もちろん、化学気相成長法等の別に成膜方法であってもよい。
次に、図２１に示すように、上記第１導波路材料膜５７が形成された上記導波路孔１９の内部に第２導波路材料膜５８を埋め込んで、第２導波路１６Ｂを形成する。上記第２導波路材料膜５８は、第１導波路材料膜５７よりも屈折率の低い材料が選択される。例えば、屈折率が１．４程度の樹脂膜（例えば、ＰＭＭＡ等の光透過性に優れた樹脂）や酸化シリコン系の膜が選択される。そして、上記導波路材料膜５３は、上記層間絶縁膜１４上にも形成される。上記各導波路材料膜の成膜方法は、塗布法、化学気相成長法等を用いる。このようにして、上記導波路孔１９の内部に、第１導波路材料膜５７からなる第１導波路１６Ａと、その内側に第２導波路材料膜５８からなる第２導波路１６Ｂで、導波路１６が形成される。
次に、図２２に示すように、上記第２導波路材料膜５８の表面を平坦化するために、平坦化絶縁膜５４を形成する。この平坦化絶縁膜５４は、例えば樹脂層で形成する。
次に、図２３に示すように、上記平坦化絶縁膜５４上にカラーフィルター層１７を形成する。このカラーフィルター層１７は、カラーフィルター材料を塗布によって形成した後、露光、現像等によってパターニングして形成される。また上記カラーフィルター層１７は、各光電変換部１２に感知させる色に応じて、例えば、赤色のカラーフィルター、緑色のカラーフィルター、青色のカラーフィルター等を用いる。そして、このカラーフィルター層１７のレイアウトにも瞳補正を加える。
次に、図２４に示すように、上記カラーフィルター層１７上にマイクロレンズ（オンチップレンズ：On Chip Lensともいう）の材料となるレンズ形成膜５５を形成する。このレンズ形成膜５５は、例えば光透過性を有する樹脂膜で形成される。
次に、図２５に示すように、上記レンズ形成膜５５上にマイクロレンズを形成のためのレジストパターン５６を形成する。このレジストパターン５６のレイアウトに対して瞳補正を加える。その後、図示はしていないが、上記レジストパターン５６をレンズ形状に成型する。そして、例えばエッチバックにより、上記レンズ形状に成型されたレジストパターン５６の形状を上記レンズ形成膜５５に転写する。
その結果、図２６に示すように、上記レンズ形成膜５５にマイクロレンズ１８が形成される。ここで、一例として、上記第２導波路材料膜５８の表面から上記マイクロレンズ１８の基部までの高さｈ１は、例えば、１μｍ〜３μｍに形成される。また、上記第２導波路材料膜５８の表面から上記カラーフィルター層１７の底面までの高さｈ２は、例えば、０．５μｍ〜２．５μｍに形成される。さらに、上記光電変換部１２の表面から上記導波路１６の入射光の射出端面までの高さｈ３は、例えば、０．３μｍ〜２μｍに形成される。
上記第２の製造方法では、導波路１６は、内側に第２導波路１６Ｂが形成され、外側に屈折率の高い第１導波路１６Ａが形成されていることから、第２導波路１６Ｂから第１導波路１６Ａ側に入射した光は、第１導波路１６Ａ内を伝播して射出されるようになる。
よって、前記第１実施の形態の固体撮像装置の第２例で説明した固体撮像装置と同様な作用効果を得ることができる固体撮像装置１（１Ｂ）を製造することができる。
＜３．第３の実施の形態＞
［撮像装置の構成の一例］
次に、本発明の第３実施の形態に係る撮像装置の構成の一例を、図２７のブロック図によって説明する。この撮像装置は、本発明の固体撮像装置を用いたものである。
図２７に示すように、撮像装置２００は、撮像部２０１に固体撮像装置２１０を備えている。この撮像部２０１の集光側には像を結像させる集光光学部２０２が備えられ、また、撮像部２０１には、それを駆動する駆動回路、固体撮像装置２１０で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路等を有する信号処理部２０３が接続されている。また上記信号処理部２０３によって処理された画像信号は画像記憶部（図示せず）によって記憶させることができる。このような撮像装置２００において、上記固体撮像装置２１０には、前記実施の形態で説明した固体撮像装置１を用いることができる。
本発明の撮像装置２００では、本願発明の固体撮像装置１を用いることから、固体撮像装置１のシェーディングの波長依存による色浮き（色シェーディング）を改善することができる、感度を高めることができるので、高品質な画像が得られるという利点がある。
また、上記撮像装置２００は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。ここでいう撮像装置２００は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器のことをいう。また「撮像」は、通常のカメラ撮影時における像の撮りこみだけではなく、広義の意味として、指紋検出なども含むものである。
１…固体撮像装置、１１…半導体基板、１２…光電変換部、１４…層間絶縁膜、１６…導波路、１７…カラーフィルター層、１８…マイクロレンズ、１９…導波路孔、２０…画素部、２１…単位画素、５３…導波路材料膜、２００…撮像装置、２０１…撮像部、２０２…集光光学部、２０３…信号処理部、２１０（１）…固体撮像装置

Claims (8)

  1. 半導体基板に形成されていて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部上方に形成されていて前記光電変換部に前記入射光を導く導波路と、
    前記導波路上方に形成されていて前記導波路の光入射端に前記入射光を導くマイクロレンズを有する単位画素が前記半導体基板の行方向および列方向に配置されて画素部が構成されていて、
    前記導波路は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されていて、前記マイクロレンズから前記導波路の入射端面に入射される前記入射光の光束の中心と、前記導波路の中心軸とが一致して配置され、
    前記導波路と前記マイクロレンズとの間に形成されていて前記入射光を分光するカラーフィルター層を有し、
    前記マイクロレンズおよび前記カラーフィルター層は前記入射光の基準の色での瞳補正がなされ、
    前記画素部の中心から同等の距離にある前記光電変換部では、前記カラーフィルター層によって分光されて前記光電変換部に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、前記光電変換部の中心に対する前記導波路の中心軸のずれ量が大きくなっている
    固体撮像装置。
  2. 前記画素部内で同等の波長の入射光が入射される前記光電変換部では、
    前記光電変換部の中心に対する前記導波路の中心軸のずれ量は、前記画素部の中心の光電変換部より外側方向に向かって大きくなっている
    請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記導波路の径は、前記導波路の射出端から射出される前記入射光が前記光電変換部表面内に照射される大きさに形成されている
    請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記カラーフィルター層によって分光される第１波長の光が入射される前記光電変換部を有する第１単位画素と、
    前記カラーフィルター層によって分光される前記第１波長より短い第２波長の光が入射される前記光電変換部を有する第２単位画素と、
    前記カラーフィルター層によって分光される前記第１波長より長い第３波長の光が入射される前記光電変換部を有する第３単位画素を有する単位画素群を有し、
    前記単位画素群における前記各光電変換部の中心に対する前記導波路の中心軸のずれ量は、前記カラーフィルター層によって分光される波長が短くなるにしたがって、前記光電変換部の中心に対する前記導波路の中心軸のずれ量が小さくなっている
    請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記導波路は、
    前記導波路の側周を形成する第１導波路と、
    前記第１導波路の内部に形成されていて前記第１導波路よりも屈折率が低い第２導波路からなる
    請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 入射光を信号電荷に変換する光電変換部が形成された半導体基板上に複数層の配線を有する層間絶縁膜からなる配線層に前記光電変換部上に入射光を導く導波路孔を形成する工程と、
    前記導波路孔の内部に前記層間絶縁膜よりも屈折率の高い導波路材料膜を埋め込んで前記導波路孔の内部に導波路を形成する工程と、
    前記導波路材料膜上に平坦化絶縁膜を介して前記入射光を分光するカラーフィルター層を形成する工程と、
    前記カラーフィルター層上に前記入射光を前記光電変換部に導くマイクロレンズを形成する工程を有し、
    前記光電変換部を有する単位画素が前記半導体基板の行方向および列方向に複数ずつ配置されて画素部が構成されていて、
    前記光電変換部に対応して形成されている前記導波路は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成され、前記導波路の入射端面に入射される前記入射光の光束の中心と、前記導波路の中心軸とが一致して配置され、
    前記導波路と前記マイクロレンズとの間に形成されていて前記入射光を分光するカラーフィルター層を有し、
    前記マイクロレンズおよび前記カラーフィルター層は前記入射光の基準の色での瞳補正がなされ、
    前記画素部の中心から同等の距離にある前記光電変換部では、前記カラーフィルター層によって分光されて前記光電変換部に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、前記光電変換部の中心に対する前記導波路の中心軸のずれ量が大きくなっている
    固体撮像装置の製造方法。
  7. 前記導波路を形成する工程は、
    前記導波路孔の内面に第１導波路を形成する工程と、
    前記第１導波路が形成された前記導波路孔を埋め込む第２導波路を前記第１導波路よりも屈折率が低い材料で形成する工程を有する
    請求項６記載の固体撮像装置の製造方法。
  8. 入射光を集光する集光光学部と、
    前記集光光学部で集光した光を受光して光電変換する固体撮像装置を有する撮像部と、
    前記固体撮像装置で光電変換された信号を処理する信号処理部を有し、
    前記固体撮像装置は、
    半導体基板に形成されていて入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部上方に形成されていて前記光電変換部に前記入射光を導く導波路と、
    前記導波路上方に形成されていて前記導波路の光入射端に前記入射光を導くマイクロレンズを有する単位画素が前記半導体基板の行方向および列方向に配置されて画素部が構成されていて、
    前記導波路は、入射端から射出端に向かって断面積が一定の柱状体に形成されていて、前記マイクロレンズから前記導波路の入射端面に入射される前記入射光の光束の中心と、前記導波路の中心軸とが一致して配置され、
    前記導波路と前記マイクロレンズとの間に形成されていて前記入射光を分光するカラーフィルター層を有し、
    前記マイクロレンズおよび前記カラーフィルター層は前記入射光の基準の色での瞳補正がなされ、
    前記画素部の中心から同等の距離にある前記光電変換部では、前記カラーフィルター層によって分光されて前記光電変換部に入射される波長の長さが長くなるにしたがって、前記光電変換部の中心に対する前記導波路の中心軸のずれ量が大きくなっている
    撮像装置。
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