WO2013046531A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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film
index film
high refractive
solid
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鈴木　教章
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パナソニック株式会社
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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device having a configuration for guiding incident light from a color filter to a light receiving unit.
  • CCD Charge Coupled Device
  • the method of increasing the resolution can be realized by increasing the pixel arrangement density while reducing the pixel size.
  • the pixel size is reduced, the amount of light incident on each pixel is reduced and is generated in the light receiving portion of each pixel.
  • the amount of signal charge is reduced and the captured image becomes unclear.
  • it is conceivable to enlarge the light receiving part that is, to enlarge the opening of the light shielding film formed above the light receiving part.
  • the opening of the light shielding film is enlarged, light easily enters the charge transfer portion from the opening, and smear is likely to occur.
  • there is a limit to increasing the resolution by increasing the size of the light receiving unit for this reason, it is difficult to improve the image quality of a desired captured image using a technique for increasing the resolution.
  • the solid-state imaging device 900 is embedded in a substrate 910, a light receiving unit 912 and a vertical transfer unit 916 formed in the substrate 910, an insulating film 930 stacked on the substrate 910, and an insulating film 930.
  • the refractive index of the planarization film 944 is lower than the refractive index of the transparent film 940, and light is likely to be reflected at the interface between the transparent film 940 and the planarization film 944. Therefore, light can be collected on the transparent film 940 and incident on the corresponding light receiving unit 912, and the sensitivity of the solid-state imaging device 900 can be improved.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing light that should enter a certain light receiving unit from entering an adjacent light receiving unit in a color filter. To do.
  • a solid-state imaging device includes a semiconductor substrate in which a plurality of light receiving portions are formed, an insulating film stacked on the semiconductor substrate, and each light receiving on the insulating film.
  • a high refractive index film disposed corresponding to each part, and a color filter laminated on each of the high refractive index films, each color filter has a peripheral part depending on the inner peripheral surface of the hanging part. While contacting the outer edge of the corresponding high refractive index film, between the adjacent color filters, the refractive index is lower than both color filters and lower than the refractive index of the high refractive index film.
  • the inner peripheral surface of the hanging part at the periphery of the color filter is in contact with at least a part of the outer edge of the high refractive index film.
  • a low refractive index film having a lower refractive index than both color filters is filled between adjacent color filters. Therefore, even if the light passes obliquely through the periphery of the color filter, the light is reflected at the interface between the color filter and the low refractive index film, and is likely to enter the high refractive index film. Thereafter, the light easily passes through the high refractive index film and enters the original light receiving portion.
  • the solid-state imaging device it is possible to provide a solid-state imaging device capable of suppressing light that should enter a certain light receiving unit from entering the adjacent light receiving unit in the color filter.
  • FIG. 3 is a layout diagram of each component in the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. It is a schematic sectional drawing of the solid-state imaging device shown in FIG.
  • FIG. 2 is a layout diagram of four pixels in an imaging region of the solid-state imaging device shown in FIG.
  • A) is a figure which shows the optical path of the light which injected into the diagonal direction in the conventional solid-state imaging device
  • (b) is a figure which shows the optical path of the light which injected into the diagonal direction in the solid-state imaging device shown in FIG.
  • FIG. It is a figure explaining the manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG.
  • FIG. It is a figure explaining the manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG. It is a schematic sectional drawing of a part of solid-state imaging device concerning Embodiment 2 of this invention. It is a figure explaining the manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG. It is a schematic sectional drawing of a part of solid-state imaging device concerning Embodiment 3 of this invention. It is a figure explaining the manufacturing method of the solid-state imaging device shown in FIG. It is a layout diagram of 4 pixels in the imaging area of the solid-state imaging device concerning Embodiment 4 of this invention. It is a figure which shows the structure of the conventional solid-state imaging device.
  • FIG. 1 is a layout diagram of each component in the solid-state imaging device 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a signal charge is transferred from the imaging region 114, which includes a photodiode 12 that is a light receiving unit and a vertical CCD 112 that transfers a signal charge generated by the photodiode 12.
  • a horizontal transfer unit 116, and an output amplifier unit 118 that converts the signal charge received from the horizontal transfer unit 116 into a voltage and outputs the voltage to the outside.
  • the imaging region 114 has a plurality of pixels, the pixels are two-dimensionally arranged in a matrix, and the photodiode 12 is formed for each pixel.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device shown in FIG.
  • the solid-state imaging device 100 includes a silicon substrate 10 and photodiodes 12a, 12b, and 12c formed in the silicon substrate 10 (hereinafter collectively referred to as photodiodes 12 when it is not necessary to distinguish).
  • a transfer electrode 32 formed through the gate oxide film 20 and an antireflection film 34 formed above the photodiode 12 are provided.
  • the antireflection film 34 is made of, for example, silicon nitride and has a film thickness of, for example, 50 nm.
  • the solid-state imaging device 100 includes a light shielding film 36 formed so as to cover the transfer electrode 32, and high refractive index films 40a, 40b, and 40c formed in openings of the light shielding film 36 (hereinafter, when distinction is not necessary).
  • a high refractive index film 40 a low refractive index film 44 formed so as to be in contact with a part of the side surface 41b corresponding to the outer edge of the high refractive index film 40, the high refractive index film 40 and the low refractive index.
  • On-chip color filters 50a, 50b, and 50c formed on the film 44 for each pixel (hereinafter, collectively referred to as the color filter 50 when it is not necessary to distinguish), and on-chip color filters 50 formed on each color filter 50, respectively.
  • a microlens 60 a microlens 60.
  • the light shielding film 36 is made of a refractory metal such as tungsten, for example.
  • the on-chip microlens 60 is made of a transparent resin and has a refractive index of about 1.5 to 1.7. 2.
  • the high refractive index films 40a, 40b, and 40c are formed on the insulating film so as to correspond to the photodiodes 12a, 12b, and 12c, respectively, and have a pillar shape.
  • the insulating film referred to here is a collection of the gate oxide film 20 and the silicon oxide film 30.
  • the high refractive index film 40 is made of, for example, silicon nitride and has a refractive index of about 2.0.
  • the material of the high refractive index film 40 is not limited to silicon nitride, but a material having a refractive index of 1.6 to 3.0, such as a DLC (Diamond Like Carbon) having a refractive index of about 3.0, or a refractive index of 1.7. A degree of polyimide resin or the like may be used.
  • the film thickness of the high refractive index film 40 is, for example, 1000 nm.
  • a connection portion 42 is formed on the silicon oxide film 30 between the adjacent high refractive index films 40a, 40b and 40b, 40c.
  • the connecting portion 42 is made of the same material as the high refractive index film 40.
  • the low refractive index film 44 is formed on the connecting portion 42 between the adjacent high refractive index films 40a, 40b, and 40b, 40c, and between the adjacent color filters 50a, 50b, 50b, 50c. It is spreading. The lower end of the low refractive index film 44 is in contact with the connection portion 42.
  • the low refractive index film 44 is made of silicon oxide, and its refractive index is about 1.45, which is lower than that of the high refractive index film 40.
  • the material of the low refractive index film 44 may be any material having a refractive index lower than the refractive index of the high refractive index film 40, and is adjacent to each other constituting a region filled with each low refractive index film 44.
  • the material of the low refractive index film 44 is not limited to silicon oxide, and a material having a refractive index of 1.5 or less, for example, an organic film having a refractive index of about 1.4 may be used.
  • the color filters 50a, 50b and 50c are formed corresponding to the high refractive index films 40a, 40b and 40c, respectively.
  • the color filter 50b will be described by focusing on the color filter 50b.
  • the color filter 50b is provided so as to be in contact with the upper surface 41a of the high refractive index film 40b. It is in contact with the upper part of the side surface 41b of the high refractive index film 40b. The same applies to the color filters 50b and 50c.
  • the color filters 50a, 50b, and 50c each transmit one of red light (wavelength range of about 600 nm to 700 nm), green light (wavelength range of about 500 nm to 600 nm), and blue light (wavelength range of about 400 nm to 500 nm).
  • the arrangement of each color of the color filter 50 is a Bayer arrangement.
  • the color filter 50 is made of a resin material mixed with a pigment or a dye, and has a refractive index of about 1.5 to 1.7.
  • the color filter 50 is not limited to the primary color filter described above, and may be a complementary color filter such as cyan, magenta, and yellow.
  • FIG. 3 is a layout diagram of four pixels in the imaging region 114 of the solid-state imaging device 100 shown in FIG.
  • the low refractive index film 44 has a lattice shape having a plurality of openings, and the sizes of the openings are the same.
  • a color filter 50 is embedded in each opening.
  • the width L1 of the low refractive index film 44 between the adjacent color filters 50 is desirably 100 nm to 400 nm, for example, 200 nm.
  • the width L2 of the low refractive index film 44 between the adjacent high refractive index films 40 is desirably 200 nm to 600 nm, for example, 400 nm.
  • the upper portions of the side surfaces 41b of the adjacent high refractive index films 40a, 40b and 40b, 40c are covered with the hanging portion 52b in the peripheral portion of the color filter 50, and the adjacent high refractive index films 40a, 40b, and The middle portions of the side surfaces 41b of 40b and 40c are covered with a low refractive index film 44, and the lower portions of the adjacent high refractive index films 40a and 40b and 40b and 40c are connected via a connecting portion 42.
  • FIG. 4A is a diagram showing an optical path of light incident in an oblique direction in a conventional solid-state imaging device
  • FIG. 4B is an oblique direction in the solid-state imaging device shown in FIG. It is a figure which shows the optical path of the incident light. A part of each configuration is omitted, and the scale of each member is not matched with that in FIG.
  • Lights a and b are light incident on the micro lens 60b in an oblique direction and passing through a portion corresponding to the photodiode 12b of the color filter 50.
  • the light a and b after passing through the color filter 50, the light a and b pass through the low refractive index film 44 and enter the high refractive index film 40a. Since the high refractive index film 40a forms an optical waveguide with the surrounding low refractive index film 44, the lights a and b incident on the high refractive index film 40a are directly incident on the photodiode 12a. The light incident on the part corresponding to the photodiode 12b of the color filter 50 should be incident on the photodiode 12b.
  • the light a and b are incident on the adjacent photodiodes 12a, resulting in a decrease in color resolution.
  • the light a is reflected by the low refractive index film 44 and is incident on the photodiode 12b. Since the light b is incident on the interface between the color filter 50b and the low refractive index film 44 below the conventional level, the light b is reflected at the interface and enters the photodiode 12b. This is because the color filter 50 is embedded below the conventional filter so that the color filter 50 covers the upper portion of the side surface 41 b of the high refractive index film 40. Thereby, the layer in which the incident light first enters from the color filter 50 becomes the low refractive index film 44.
  • the refractive index of the low refractive index film 44 is lower than that of the color filter 50, reflection of light at the interface is likely to occur.
  • the color filter 50 covers a part of the side surface 41b in addition to the upper surface 41a of the high refractive index film 40, so that a decrease in the color resolution of incident light can be suppressed.
  • a so-called refractive index distribution lens is configured by the high refractive index portion made of the high refractive index film 40 and the low refractive index portion made of the connection portion 42 and the low refractive index film 44 surrounding the high refractive index film 40.
  • the refractive index of the low refractive index portion is an average value of the refractive indexes of the connection portion 42 and the low refractive index film 44.
  • the condensing position of the refractive index distribution lens can be adjusted by adjusting the difference in refractive index between the high refractive index portion and the low refractive index portion. In order to adjust the refractive index difference, the film thickness of the connecting portion 42 may be adjusted.
  • the connection portion 42 and the low refractive index film 44 By changing the ratio of the film thickness, the refractive index of the low refractive index portion surrounding the high refractive index portion can be adjusted.
  • a silicon oxide film material 30a is laminated so as to cover the transfer electrode 32, and a light shielding film 36 is formed above the transfer electrode 32 via the silicon oxide film material 30a. That is, the light shielding film 36 is formed to have an opening above the photodiode 12.
  • a silicon oxide film 30 is further formed by depositing a silicon oxide film material 30a by CVD (Chemical Vapor Deposition) so as to cover the antireflection film 34 and the light shielding film 36. Further, a high refractive index film material 40a is deposited, and a planarization process is performed by, for example, resist etchback or CMP (Chemical Mechanical Polishing).
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • a high refractive index film material 40a is patterned using a resist 72a, and a pillar-shaped high refractive index film 40 is formed above the photodiode 12 between adjacent high refractive index films 40.
  • Each of the connection portions 42 is formed.
  • the film thickness of the high refractive index film 40 and the etching amount of the high refractive index film 40 are adjusted, and the condensing position of the high refractive index film 40 is adjusted to a desired position.
  • a low-refractive index film material 44a is deposited so as to cover the high-refractive index film 40 and the connection portion 42, and a planarization process is performed by, for example, resist etch back or CMP.
  • the low refractive index film material 44a is patterned using a resist 72b to form the low refractive index film 44.
  • the low refractive index film material 44a on the upper surface 41a of the high refractive index film 40 is removed. Further, etching is performed until the upper portion of the side surface 41b of the high refractive index film 40 is exposed. At this time, the upper portions of the side surfaces 41b of the high refractive index film 40 can be exposed under etching conditions in which the high refractive index film 40 made of silicon nitride and the low refractive index film 44 made of silicon oxide have different etching rates.
  • the color filter 50 and the microlens 60 are formed.
  • the material of the liquid color filter 50 may be poured onto the high refractive index film 40 and the low refractive index film 44 and then cured.
  • the color filter 50 covers the upper surfaces 41 a and the side surfaces 41 b of the pillars of the high refractive index film 40.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a structure of the solid-state imaging device 200 according to the second embodiment. Since the configuration other than the following is the same as that of the solid-state imaging device 100, the description thereof is omitted.
  • the main difference between this embodiment and Embodiment 1 is that the low refractive index film 244 does not cover the side surface 41b of the high refractive index film 40. Thereby, compared with the solid-state imaging device 100, the color filter 50 covers the side surface 41b of the high refractive index film 40 widely.
  • a high refractive index film 40 is formed on the opening of the light shielding film 36.
  • An on-chip color filter 50 is formed so as to cover the high refractive index film 40, and a low refractive index film 244 is formed between adjacent color filters 50a, 50b and 50b, 50c.
  • the low refractive index film 244 is in contact with the color filter 50.
  • the lower end of the hanging part 52 b in the peripheral part of the color filter is in contact with the connection part 42.
  • the low refractive index film 244 has a lattice shape, and the width of one side of the lattice is desirably 100 nm to 400 nm, for example, 200 nm. 2.
  • the material of the low refractive index film 244 is patterned using a resist 72c, and the low refractive index A film 244 is formed. At this time, the material of the low refractive index film 244 formed on the upper surface 41a of the high refractive index film 40 is removed. Further, the material of the low refractive index film 244 is etched until the portion of the side surface 41b of the high refractive index film 40 that is not covered with the connection portion 42 is completely exposed. Thereby, as compared with the first embodiment, the color filter 50 to be formed later covers the side surface 41b of the high refractive index film 40 widely.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a structure of the solid-state imaging device 300 according to the third embodiment. Since the configuration other than the following is the same as that of the solid-state imaging device 100, the description thereof is omitted.
  • connection portion 42 is not formed and the high refractive index film 40 is completely separated by a low low refractive index film 344. It is.
  • a high refractive index film 40 is formed on the opening of the light shielding film 36.
  • a low refractive index film 344 is formed so as to cover the side surface 41 b of the high refractive index film 40.
  • the color filter 50 is formed in contact with the upper surfaces 41a and the side surfaces 41b of the high refractive index film 40.
  • the low refractive index film 344 also extends between the adjacent color filters 50a, 50b and 50b, 50c.
  • the lower end of the low refractive index film 344 is in contact with the silicon oxide film 30.
  • On-chip microlenses 60 are formed on the on-chip color filter 50.
  • the low refractive index film 344 is made of a material having a refractive index lower than that of the high refractive index film 40.
  • the low refractive index film 344 between the adjacent color filters 50a, 50b and 50b, 50c has a lattice shape. 200 nm to 600 nm on one side of the lattice is desirable, for example, 400 nm.
  • the film thickness of the low refractive index film 344 is desirably 100 nm to 500 nm, for example, 300 nm. 2. Manufacturing Method of Solid-State Imaging Device 300 As shown in FIG. 11, after forming the same as the solid-state imaging device 100 up to FIG.
  • the high refractive index film material 40a is patterned using a resist 72d, and the high refractive index film is formed. 40 is formed. The etching of the high refractive index film 40 is performed until the high refractive index film 40 is completely separated. Thereafter, it is formed in the same manner as the solid-state imaging device 100. 3. Effect The side surface 41 b of the high refractive index film 40 is widely covered with the low refractive index film 344. Therefore, the light that has entered the high refractive index film 40 is easily reflected at the interface between the high refractive index film 40 and the low refractive index film 44, and can be prevented from entering the low refractive index film 44 from the high refractive index film 40. .
  • FIG. 12 is a plan view showing the structure of solid-state imaging device 400 according to Embodiment 4. Since the configuration other than the following is the same as that of the solid-state imaging device 100, the description thereof is omitted.
  • the main difference between this embodiment and Embodiment 1 is that the opening size of the low refractive index film 444 is different.
  • on-chip color filters 450R, 450G, and 450B (hereinafter collectively referred to as 450 when distinction is not necessary) are formed, and a low refractive index is provided between adjacent color filters 450R, 450G, and 450B.
  • a film 444 is formed.
  • These color filters 450 are in a Bayer array.
  • the green color filter 450G is embedded in the first opening
  • the red color filter 450R and the blue color filter 450B are embedded in the second opening that is smaller than the first opening.
  • the first and second openings are arranged in a checkered pattern.
  • the low refractive index film 444 is made of a material having a refractive index lower than that of the color filter 50, for example, silicon oxide having a refractive index of about 1.45.
  • the width of the low refractive index film 444 between the adjacent color filters 450R, 450G, and 450B is preferably 100 nm to 400 nm, for example, 200 nm. 2. Effect The size of the color filter 450 can be adjusted for each color, and a captured image of a color closer to the object to be photographed can be obtained.
  • the configuration of the solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the configuration of the solid-state imaging device according to the above-described embodiments and modifications, and various modifications and applications are possible within the scope of the effects of the present invention. It is. In addition, the processes used in the above steps can be replaced with other equivalent processes without departing from the technical idea. Moreover, it is also possible to change a process order and to change a material kind.
  • the present invention can increase the sensitivity, suppress the decrease in color resolution, and reduce the smear, and is effective for a solid-state imaging device having a fine pixel.

Abstract

固体撮像装置１００は、複数の受光部１２が形成されてなる半導体基板１０と、半導体基板１０上に積層された絶縁膜と、絶縁膜上に各受光部１２に対応して配置された高屈折率膜４０と、各高屈折率膜４０上にそれぞれ積層されたカラーフィルター５０とを備える。各カラーフィルター５０は周辺部が垂下し、当該垂下部５２ｂの内周面は対応する高屈折率膜４０の外縁にそれぞれ接している。また、隣り合うカラーフィルター５０の間に、両カラーフィルター５０よりも低い屈折率を有し、かつ、高屈折率膜４０の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜４４が充填されている。

Description

固体撮像装置
　本発明は、固体撮像装置に関し、特に、入射光をカラーフィルターから受光部へ導く構成を有する固体撮像装置に関する。
　近年、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）固体撮像装置では、撮像画像の画質の向上が強く要請されている。撮像画像の画質を向上させる手法としては、画素数を増やして解像度を高くする手法と、固体撮像装置の感度を向上させる手法とがある。
　解像度を高くする手法は、画素サイズを縮小しつつ画素の配列密度を高くすることで実現できるが、画素サイズを縮小すると、各画素に入射する光量が減少して各画素の受光部で発生する信号電荷量が減少し、撮像画像が鮮明でなくなってしまうおそれがある。これを回避するため、受光部を大きくする、すなわち、受光部上方に形成された遮光膜の開口を、大きくすることが考えられる。しかしながら、遮光膜の開口を大きくすると、当該開口から電荷転送部へ光が侵入しやすくなり、スミアが発生しやすくなる。このように、受光部を大きくすることで解像度を高めるには限界がある。そのため、解像度を高くする手法を用いて、希望する撮像画像の画質を向上することの実現は困難である。
　感度を向上させる手法としては、例えば、図１３に示す技術がある。図１３に示すように、固体撮像装置９００は、基板９１０、基板９１０内に形成された受光部９１２および垂直転送部９１６、基板９１０上に積層された絶縁膜９３０、絶縁膜９３０に埋め込まれた電極９３２、電極９３２を覆うように形成された遮光膜９３６、絶縁膜９３０上の受光部に対応する領域に形成された透明膜９４０、透明膜９４０の側面を囲むように形成された平坦化膜９４４、透明膜９４０および平坦化膜９４４を覆うように形成されたパッシベーション膜９４８、パッシベーション膜９４８上に形成されたカラーフィルター９５０およびオンチップマイクロレンズ９６０を備える。平坦化膜９４４の屈折率は、透明膜９４０の屈折率よりも低く、透明膜９４０と平坦化膜９４４との界面では光が反射しやすい。そのため、透明膜９４０に光を集めて対応する受光部９１２に入射させることができ、固体撮像装置９００の感度を向上できる。
　この感度を向上させる手法を用いれば、解像度を高くする手法のように、画素サイズの縮小に伴う感度の限界という問題が無いので、希望する撮像画像の画質向上が実現すると考えられる。
特開２００３－４６０７４号公報
　ところが、上記固体撮像装置では、カラーフィルターよりも下の層において色解像度の低下（いわゆる混色）の防止対策が採られているために、カラーフィルター層において隣接する受光部に向かう光を遮ることができず、本来入るべきではない光が受光部に入ってしまい、色解像度が低下をきたすという課題がある。
　本発明は、上記課題の解決を図るべくなされたものであって、カラーフィルターにおいて、ある受光部に入るべき光が隣の受光部に入ることを抑制できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、複数の受光部が形成されてなる半導体基板と、前記半導体基板上に積層された絶縁膜と、前記絶縁膜上に、各受光部に対応して配置された高屈折率膜と、前記各高屈折率膜上にそれぞれ積層されたカラーフィルターとを備え、各カラーフィルターは周辺部が垂下し、当該垂下部の内周面は対応する高屈折率膜の外縁にそれぞれ接する一方、隣り合うカラーフィルターの間には、両カラーフィルターよりも低い屈折率を有し、かつ、前記高屈折率膜の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が充填されていることを特徴とする。
　本発明に係る固体撮像装置では、カラーフィルターの周辺部の垂下部の内周面が、高屈折率膜の外縁の少なくとも一部に接している。また、隣り合うカラーフィルターの間には両カラーフィルターよりも屈折率が低い低屈折率膜が充填されている。そのため、カラーフィルターの周辺部を斜めに通った光であっても、当該光はカラーフィルターと低屈折率膜との界面で反射されて、高屈折率膜内に入射しやすい。また、その後、当該光は高屈折率膜内を通過して、本来の受光部に入射しやすい。
　従って、本発明に係る固体撮像装置では、カラーフィルターにおいて、ある受光部に入るべき光が隣の受光部に入ることを抑制できる固体撮像装置を提供できる。
本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置における各構成要素のレイアウト図である。 図１に示した固体撮像装置の概略断面図である。 図１に示した固体撮像装置の撮像領域における４画素のレイアウト図である。 （ａ）は従来の固体撮像装置において斜め方向に入射した光の光路を示す図であり、（ｂ）は図２に示した固体撮像装置において斜め方向に入射した光の光路を示す図である。 図２に示した固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 図２に示した固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 図２に示した固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の一部の概略断面図である。 図８に示した固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る固体撮像装置の一部の概略断面図である。 図１０に示した固体撮像装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施の形態４に係る固体撮像装置の撮像領域における４画素のレイアウト図である。 従来の固体撮像装置の構成を示す図である。
［実施の形態１］
１．固体撮像装置１００の全体構成
　図１は、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１００における各構成要素のレイアウト図である。
　図１に示すように、固体撮像装置１００は、受光部であるフォトダイオード１２とフォトダイオード１２で生じた信号電荷を転送する垂直ＣＣＤ１１２とからなる撮像領域１１４、撮像領域１１４から信号電荷が転送される水平転送部１１６、および水平転送部１１６から受け取った信号電荷を電圧に変換し外部に出力する出力アンプ部１１８を備える。撮像領域１１４には複数の画素があり、当該画素はマトリックス状に二次元配置され、画素毎にフォトダイオード１２が形成されている。
　図２は、図１に示した固体撮像装置の断面図である。
　図２に示すように、固体撮像装置１００は、シリコン基板１０と、シリコン基板１０内に形成されたフォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ（以下、区別が必要ないときはフォトダイオード１２と総称する）、読み出し領域１４、垂直転送部１６および非読み出し領域１８と、シリコン基板１０上に形成されたゲート酸化膜２０と、ゲート酸化膜２０上に積層されたシリコン酸化膜３０と、垂直転送部１６上方にゲート酸化膜２０を介して形成された転送電極３２と、フォトダイオード１２上方に形成された反射防止膜３４とを備える。反射防止膜３４は、例えば窒化シリコンからなり、その膜厚は、例えば５０ｎｍである。
　さらに、固体撮像装置１００は、転送電極３２を覆うように形成された遮光膜３６と、遮光膜３６の開口部に形成された高屈折率膜４０ａ，４０ｂ，４０ｃ（以下、区別が必要ないときは高屈折率膜４０と総称する。）と、高屈折率膜４０の外縁に相当する側面４１ｂの一部と接するよう形成された低屈折率膜４４と、高屈折率膜４０および低屈折率膜４４上に画素毎に形成されたオンチップカラーフィルター５０ａ，５０ｂ，５０ｃ（以下、区別の必要がないときはカラーフィルター５０と総称する）と、各カラーフィルター５０上にそれぞれ形成されたオンチップマイクロレンズ６０とを備える。遮光膜３６は、例えばタングステンなどの高融点金属からなる。オンチップマイクロレンズ６０は、透明な樹脂からなり、その屈折率は１．５～１．７程度である。
２．固体撮像装置１００要部の詳細な構成
　高屈折率膜４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、絶縁膜上に、フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃにそれぞれ対応して形成され、その形状はピラー形状である。なお、ここでいう絶縁膜とは、ゲート酸化膜２０およびシリコン酸化膜３０をまとめたものである。高屈折率膜４０は、例えば窒化シリコンからなり、その屈折率は、２．０程度である。高屈折率膜４０の材料は窒化シリコンに限らず、屈折率が１．６～３．０の材料、例えば屈折率が３．０程度のＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｌｉｋｅ　Ｃａｒｂｏｎ)や、屈折率が１．７程度のポリイミド樹脂等を用いても良い。また、高屈折率膜４０の膜厚は、例えば、１０００ｎｍである。隣り合う高屈折率膜４０ａ，４０ｂおよび４０ｂ，４０ｃの間におけるシリコン酸化膜３０上には、接続部４２が形成されている。接続部４２は、高屈折率膜４０と同じ材料からなる。
　低屈折率膜４４は、隣り合う高屈折率膜４０ａ，４０ｂ、および４０ｂ，４０ｃの間における接続部４２上に形成されており、隣り合うカラーフィルター５０ａ，５０ｂ、および５０ｂ，５０ｃの間にまで拡がっている。低屈折率膜４４の下端は、接続部４２に接している。低屈折率膜４４は酸化シリコンからなり、その屈折率は１．４５程度と高屈折率膜４０よりも低い。低屈折率膜４４の材料は、高屈折率膜４０の屈折率よりも低い屈折率を有する材料であれば良く、かつ、各低屈折率膜４４が充填される領域を構成している隣り合うカラーフィルター５０の屈折率よりも低い屈折率を有する材料であればよい。そのため、低屈折率膜４４の材料として、酸化シリコンに限らず、屈折率が１．５以下の材料、例えば、屈折率が１．４程度の有機膜を用いても良い。
　カラーフィルター５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、高屈折率膜４０ａ，４０ｂ，４０ｃにそれぞれ対応して形成されている。カラーフィルター５０ｂに着目して説明すると、カラーフィルター５０ｂは、高屈折率膜４０ｂの上面４１ａに接するように設けられ、かつ、カラーフィルター５０ｂの周辺部は垂下し、垂下部５２ｂの内周面は高屈折率膜４０ｂの側面４１ｂの上部に接している。カラーフィルター５０ｂ，５０ｃについても同様である。
　カラーフィルター５０ａ，５０ｂ，５０ｃはそれぞれ赤色光（波長域６００ｎｍ～７００ｎｍ程度）、緑色光（波長域５００ｎｍ～６００ｎｍ程度）、青色光（波長域４００ｎｍ～５００ｎｍ程度）のいずれかの光を透過する。カラーフィルター５０の各色の配列は、ベイヤー配列となっている。また、カラーフィルター５０は、顔料や染料が混入された樹脂材料からなり、その屈折率が１．５～１．７程度である。なお、カラーフィルター５０は、上記の原色カラーフィルターに限らず、シアン、マゼンタ、イエローなどの補色カラーフィルターを用いても良い。
　ここで、カラーフィルター５０を上面視した場合の形状や構成を、図３を用いて説明する。図３は、図１に示した固体撮像装置１００の撮像領域１１４における４画素のレイアウト図である。図３に示すように、低屈折率膜４４は複数の開口を有する格子状となっており、当該開口の大きさはそれぞれ等しい。各開口には、それぞれカラーフィルター５０が埋め込まれている。隣り合うカラーフィルター５０の間の低屈折率膜４４の幅Ｌ１は１００ｎｍ～４００ｎｍが望ましく、例えば２００ｎｍである。なお、隣り合う高屈折率膜４０の間の低屈折率膜４４の幅Ｌ２は２００ｎｍ～６００ｎｍが望ましく、例えば４００ｎｍである。
　上述したように、隣り合う高屈折率膜４０ａ，４０ｂ、および４０ｂ，４０ｃの側面４１ｂの上部はカラーフィルター５０の周辺部の垂下部５２ｂに覆われ、隣り合う高屈折率膜４０ａ，４０ｂ、および４０ｂ，４０ｃの側面４１ｂの中部は低屈折率膜４４で覆われ、隣り合う高屈折率膜４０ａ，４０ｂ、および４０ｂ，４０ｃの下部は接続部４２を介して接続されている。高屈折率膜４０ｂの側面４１ｂの中部は低屈折率膜４４で覆われているため、上方からオンチップマイクロレンズ６０へ入射した光は、高屈折率膜４０ｂと低屈折率膜４４との界面で反射されやすく、フォトダイオード１２ｂに入射しやすい。
３．光の進行路の詳細な説明
　図４（ａ）は従来の固体撮像装置において斜め方向に入射した光の光路を示す図であり、（ｂ）は図２に示した固体撮像装置において斜め方向に入射した光の光路を示す図である。各構成の一部は省略してあり、各部材の縮尺は図２とは一致させていない。なお、図４（ａ），（ｂ）において、カラーフィルターの形状以外の構造、部材の寸法および屈折率、位置関係等は同じである。光ａ，ｂは、マイクロレンズ６０ｂに斜め方向に入射し、カラーフィルター５０のフォトダイオード１２ｂに対応する部分を通過する光である。
　図４（ａ）に示すように、従来の構成では、光ａ，ｂは、カラーフィルター５０の通過後、低屈折率膜４４を通り抜け、高屈折率膜４０ａに入射してしまう。高屈折率膜４０ａは、その周囲の低屈折率膜４４とで光導波路を形成しているので、高屈折率膜４０ａに入射された光ａ，ｂは、そのままフォトダイオード１２ａに入射される。カラーフィルター５０のフォトダイオード１２ｂに対応する部分に入射された光は、本来ならフォトダイオード１２ｂに入射されるべきである。
　しかしながら、この例では、光ａ，ｂは隣接するフォトダイオード１２ａに入射されるので、色解像度の低下が生じてしまう。
　図４（ｂ）に示すように、本実施形態の構成では、光ａは、低屈折率膜４４で反射され、フォトダイオード１２ｂに入射される。光ｂは従来よりも下方でカラーフィルター５０ｂと低屈折率膜４４との界面に入射するため、当該界面で反射されフォトダイオード１２ｂに入射する。これは、カラーフィルター５０が高屈折率膜４０の側面４１ｂの上部を覆うように、従来よりも下方にまでカラーフィルター５０が埋め込まれているためである。これにより、当該入射光がカラーフィルター５０から最初に入射する層が、低屈折率膜４４となる。そして、低屈折率膜４４の屈折率がカラーフィルター５０よりも低いため、当該界面での光の反射が起きやすくなっている。このように、カラーフィルター５０が、高屈折率膜４０の上面４１ａに加え側面４１ｂの一部も覆うことにより、入射光の色解像度の低下を抑制できる。
　この構成では、高屈折率膜４０からなる高屈折率部と、高屈折率膜４０を囲む接続部４２及び低屈折率膜４４とからなる低屈折率部とによって、いわゆる屈折率分布レンズが構成される。なお、ここでいう低屈折率部の屈折率は、接続部４２及び低屈折率膜４４の屈折率の平均値とする。この構成では、高屈折率部と低屈折率部との屈折率差を調整することで、屈折率分布レンズの集光位置を調整できる。当該屈折率差を調整するには、接続部４２の膜厚を調整すれば良い。高屈折率膜４０および接続部４２と低屈折率膜４４との屈折率や、高屈折率膜４０の膜厚が設計上固定されていたとしても、接続部４２と低屈折率膜４４との膜厚の割合を変化させることで、高屈折率部を囲む低屈折率部の屈折率を調整できる。
　屈折率分布レンズの集光位置を調節することで、遮光膜３６方向に入り込む光の量を抑制でき、遮光膜３６によるケラレや反射を抑制できる。さらに、高屈折率膜４０からフォトダイオード１２に入る光の量を増やすことができ、集光効率を向上できる。
４．固体撮像装置１００の製造方法
　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１０内に各種の不純物領域としてフォトダイオード１２、読み出し領域１４、垂直転送部１６および非読み出し領域１８を形成した後、シリコン基板１０表面にゲート酸化膜２０を介して転送電極３２を形成し、さらに、反射防止膜３４を形成する。
　図５（ｂ）に示すように、転送電極３２を覆うようにシリコン酸化膜材料３０ａを積層し、さらにシリコン酸化膜材料３０ａを介して、転送電極３２の上方に遮光膜３６を形成する。すなわち、遮光膜３６は、フォトダイオード１２の上方で開口部を有するよう形成される。
　図５（ｃ）に示すように、反射防止膜３４および遮光膜３６を覆うように、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、さらにシリコン酸化膜材料３０ａを堆積することでシリコン酸化膜３０を形成し、さらに、高屈折率膜材料４０ａを堆積させ、例えばレジストエッチバックやＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化処理を行う。
　図６（ａ）に示すように、レジスト７２ａを用いて高屈折率膜材料４０ａをパターニングし、フォトダイオード１２上方にピラー形状の高屈折率膜４０を、隣り合う高屈折率膜４０の間に接続部４２をそれぞれ形成する。このとき、高屈折率膜４０の膜厚と高屈折率膜４０のエッチング量とを調整し、高屈折率膜４０の集光位置を所望の位置に調整する。
　図６（ｂ）に示すように、高屈折率膜４０および接続部４２を覆うように低屈折率膜材料４４ａを堆積させ、例えばレジストエッチバックやＣＭＰ法により平坦化処理を行う。
　図７（ａ）に示すように、レジスト７２ｂを用いて低屈折率膜材料４４ａをパターニングし、低屈折率膜４４を形成する。高屈折率膜４０の上面４１ａ上の低屈折率膜材料４４ａは除去される。さらに、高屈折率膜４０の側面４１ｂの上部が露出するまで、エッチングを行う。このとき、窒化シリコンからなる高屈折率膜４０と酸化シリコンからなる低屈折率膜４４とでエッチングレートが異なるエッチング条件で、高屈折率膜４０の側面４１ｂの上部を露出させることができる。
　最後に、図７（ｂ）に示すように、カラーフィルター５０およびマイクロレンズ６０を形成する。カラーフィルター５０を形成するには、高屈折率膜４０および低屈折率膜４４上に、液状のカラーフィルター５０の材料を流し込んで、その後、硬化させれば良い。これにより、カラーフィルター５０は、高屈折率膜４０のピラーの上面４１ａおよび側面４１ｂの上部を覆うことになる。
　なお、上記製造方法では、接続部４２と高屈折率膜４０とを同じ材料で同時に形成したが、異なる材料で別々に形成してもよい。また、高屈折率膜４０間の低屈折率膜４４とカラーフィルター５０間の低屈折率膜４４とを同じ材料で同時に形成したが、異なる材料で別々に形成してもよい。
［実施の形態２］
１．固体撮像装置２００の構成
　図８は、実施の形態２に係る固体撮像装置２００の構造を示す図である。下記以外の構成は、固体撮像装置１００と同じなので説明を省略する。
　本実施の形態が実施の形態１と異なる主要な点は、低屈折率膜２４４が高屈折率膜４０の側面４１ｂを覆っていない点である。これにより、固体撮像装置１００と比べ、カラーフィルター５０が高屈折率膜４０の側面４１ｂを広く覆うこととなる。
　図８に示すように、遮光膜３６の開口上には、高屈折率膜４０が形成されている。高屈折率膜４０を覆うようにオンチップカラーフィルター５０が形成されており、隣り合うカラーフィルター５０ａ，５０ｂおよび５０ｂ，５０ｃ間に低屈折率膜２４４が形成されている。低屈折率膜２４４は、カラーフィルター５０に接している。また、カラーフィルターの周辺部の垂下部５２ｂの下端は、接続部４２に接している。上面視した場合、低屈折率膜２４４は格子状であり、当該格子一辺の幅は、１００ｎｍ～４００ｎｍが望ましく、例えば２００ｎｍである。
２．固体撮像装置２００の製造方法
　図９に示すように、図６（ｂ）まで固体撮像装置１００と同様に形成した後、レジスト７２ｃを用いて低屈折率膜２４４の材料をパターニングし、低屈折率膜２４４を形成する。このとき、高屈折率膜４０の上面４１ａ上に形成された低屈折率膜２４４の材料は除去される。また、高屈折率膜４０の側面４１ｂの接続部４２に覆われていない部分が完全に露出するまで、低屈折率膜２４４の材料のエッチングを行う。これにより、実施の形態１と比べ、以降で形成するカラーフィルター５０が高屈折率膜４０の側面４１ｂを広く覆うこととなる。以降は、固体撮像装置１００と同様に形成する。
３．効果
　カラーフィルター５０が高屈折率膜４０の側面４１ｂを広く覆うため、さらに色解像度の低下を抑制できる。
［実施の形態３］
１．固体撮像装置３００の構成
　図１０は、実施の形態３に係る固体撮像装置３００の構造を示す図である。下記以外の構成は、固体撮像装置１００と同じなので説明を省略する。
　本実施の形態が実施の形態１と異なる主要な点は、接続部４２が形成されておらず、高屈折率膜４０が低い低屈折率膜３４４によって、完全に分離して形成されている点である。
　図１０に示すように、遮光膜３６の開口部上には高屈折率膜４０が形成されている。高屈折率膜４０の側面４１ｂを覆って、低屈折率膜３４４が形成されている。カラーフィルター５０は、高屈折率膜４０の上面４１ａおよび側面４１ｂの上部に接して形成されている。隣り合うカラーフィルター５０ａ，５０ｂおよび５０ｂ，５０ｃ間にも低屈折率膜３４４が拡がっている。低屈折率膜３４４の下端は、シリコン酸化膜３０に接している。オンチップカラーフィルター５０上に、オンチップマイクロレンズ６０が形成されている。
　低屈折率膜３４４は高屈折率膜４０よりも屈折率の低い材料からなり、上面視した場合、隣り合うカラーフィルター５０ａ，５０ｂおよび５０ｂ，５０ｃ間の低屈折率膜３４４は格子状であり、当該格子一辺の２００ｎｍ～６００ｎｍが望ましく、例えば４００ｎｍである。低屈折率膜３４４の膜厚は１００ｎｍ～５００ｎｍが望ましく、例えば３００ｎｍである。
２．固体撮像装置３００の製造方法
　図１１に示すように、図５（ｃ）まで固体撮像装置１００と同様に形成した後、レジスト７２ｄを用いて高屈折率膜材料４０ａをパターニングし、高屈折率膜４０を形成する。高屈折率膜４０のエッチングは、高屈折率膜４０が完全に分離するまで行う。以降は、固体撮像装置１００と同様に形成する。
３．効果
　高屈折率膜４０の側面４１ｂは広く低屈折率膜３４４に覆われている。そのため、高屈折率膜４０に入った光は、高屈折率膜４０と低屈折率膜４４との界面で反射されやすく、高屈折率膜４０から低屈折率膜４４に侵入することが抑制できる。これにより、高屈折率膜４０による光の閉じ込めが確実にでき、集光効率を向上できる。
［実施の形態４］
１．固体撮像装置４００の構成
　図１２は、実施の形態４に係る固体撮像装置４００の構造を示す平面図である。下記以外の構成は、固体撮像装置１００と同じなので説明を省略する。
　本実施の形態が実施の形態１と異なる主要な点は、低屈折率膜４４４の開口サイズが異なっている点である。
　図１２に示すように、オンチップカラーフィルター４５０Ｒ，４５０Ｇ，４５０Ｂ（以下、区別が必要ないときは４５０と総称する）が形成されており、隣り合うカラーフィルター４５０Ｒ，４５０Ｇ，４５０Ｂ間に低屈折率膜４４４が形成されている。これらカラーフィルター４５０はベイヤー配列となっている。ここでは、緑色カラーフィルター４５０Ｇが第１開口部に埋め込まれ、赤色のカラーフィルター４５０Ｒ、青色のカラーフィルター４５０Ｂが第１開口部よりも小さい第２開口部に埋め込まれている。上面視した場合、第１および第２開口部は市松状に配されている。
　低屈折率膜４４４はカラーフィルター５０よりも屈折率の低い材料、例えば、屈折率が１．４５程度の酸化シリコンからなる。隣り合うカラーフィルター４５０Ｒ，４５０Ｇ，４５０Ｂ間の低屈折率膜４４４の幅は１００ｎｍ～４００ｎｍが望ましく、例えば２００ｎｍである。
２．効果
　カラーフィルター４５０の大きさを色毎に調整でき、より撮影対象物に近い色の撮像画像を得ることができる。
［変形例］
　本発明に係る固体撮像装置の構成などは、上記実施の形態および変形例に係る固体撮像装置の構成に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。そして、技術的思想を逸脱しない範囲において、上述の各工程で使用したプロセスを他の等価なプロセスに置換することが可能である。また、工程順を入れ替えることも、材料種を変更することも可能である。
　本発明は、高感度化と色解像度の低下抑制および低スミア化をはかることができ、微細画素の固体撮像装置に有効である。
１０　半導体基板
１２　フォトダイオード
４０　高屈折率膜
４２　接続部
４４　低屈折率膜
５０　カラーフィルター
５２ｂ　垂下部
４５０Ｒ，４５０Ｇ，４５０Ｂ　オンチップカラーフィルター
１００，２００，３００，４００，９００　固体撮像装置

Claims (6)

  1. 　複数の受光部が形成されてなる半導体基板と、
    　前記半導体基板上に積層された絶縁膜と、
    　前記絶縁膜上に、各受光部に対応して配置された高屈折率膜と、
    　前記各高屈折率膜上にそれぞれ積層されたカラーフィルターと
    　を備え、
    　各カラーフィルターは周辺部が垂下し、当該垂下部の内周面は対応する高屈折率膜の外縁にそれぞれ接する一方、
    　隣り合うカラーフィルターの間には、両カラーフィルターよりも低い屈折率を有し、かつ、前記高屈折率膜の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜が充填されている
    　ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 　前記高屈折率膜と同じ材料からなり、前記絶縁膜上の隣り合う高屈折率膜を接続する接続部をさらに備え、
    　前記低屈折率膜の下端が、前記接続部に接している
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 　前記高屈折率膜と同じ材料からなり、前記絶縁膜上の隣り合う高屈折率膜を接続する接続部をさらに備え、
    　前記各カラーフィルターの垂下部の下端が、前記接続部に接している
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 　前記低屈折率膜の下端が、前記絶縁膜に接している
    　ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 　前記複数の受光部は行列状に配置され、
    　前記低屈折率膜を上面視した場合、複数の受光部に対応する領域に、大きさの異なる第１および第２の開口部が市松状に配置され、
    　前記第１の開口部に第１の色のカラーフィルターが、前記第２の開口部に第２の色のカラーフィルターがそれぞれ設けられている
    　ことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  6. 　半導体基板に複数の受光部を形成する工程と、
    　前記半導体基板上に絶縁膜を積層する工程と、
    　前記絶縁膜上に、各受光部に対応して高屈折率膜を配置する工程と、
    　隣り合うカラーフィルターの間に、両カラーフィルターよりも低い屈折率を有し、かつ、前記高屈折率膜の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率膜を充填する工程と、
    　前記各高屈折率膜上に、その周辺部が垂れ下がり、当該周辺部は対応する高屈折率膜の外縁にそれぞれ接するように、カラーフィルターをそれぞれ積層する工程と
    　を含む
    　ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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