固体撮像素子
【課題】画素部の金属汚染や受光部の光電変換素子表面へのＲＩＥによるダメージの発生を抑制することができる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、固体撮像素子は、所定の波長の光を透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓと、カラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを透過する光を検出するフォトダイオードＰＤと、を含む画素ＰL，ＰM，ＰSを、異なる波長の光を検出するように複数有する絵素が、所定の周期で２次元的に基板１１上に配置される。絵素中の最も長い波長の光を検出する画素ＰLは、基板１１の光の入射面と対向する面側のフォトダイオードＰＤ上に設けられる保護膜１２と、保護膜１２上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される回折格子部２０Ｌと、を備える。回折格子部２０Ｌは、画素ＰLに設けられるカラーフィルタ５１Ｌを透過する光を反射させるように孔の径と配置される周期が選択される。
【解決手段】実施形態によれば、固体撮像素子は、所定の波長の光を透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓと、カラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを透過する光を検出するフォトダイオードＰＤと、を含む画素ＰL，ＰM，ＰSを、異なる波長の光を検出するように複数有する絵素が、所定の周期で２次元的に基板１１上に配置される。絵素中の最も長い波長の光を検出する画素ＰLは、基板１１の光の入射面と対向する面側のフォトダイオードＰＤ上に設けられる保護膜１２と、保護膜１２上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される回折格子部２０Ｌと、を備える。回折格子部２０Ｌは、画素ＰLに設けられるカラーフィルタ５１Ｌを透過する光を反射させるように孔の径と配置される周期が選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は、基板上に、光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された信号を選択読み出しするＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタと、有する画素を複数備え、さらにその上部に多層配線層が形成される半導体デバイスであり、たとえば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に使用されている。このうち、ＣＭＯＳ（Complementary MOS：相補型ＭＯＳ）プロセスで製造されるＣＭＯＳ型固体撮像素子は低電圧・低消費電力というメリットを有するので、携帯電話用のカメラやデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラの撮像素子として注目されている。
【０００３】
従来では、固体撮像素子は、多層配線層側から光を入射させていたが、光が多層配線層などで遮られてしまい、十分な集光特性を得ることができなくなってきている。そこで、近年では、基板の裏面側から光を入射させ、基板内部で光電変換を行う裏面入射型の固体撮像素子が作製されている。
【０００４】
固体撮像素子では、カメラの撮像画質向上の要求から、光の受光部である画素部を微細化しチップ面積を維持したまま画素数を増やして高画素化・高感度化する試みがなされている。裏面照射型の固体撮像素子では単位画素ピッチが１．４μｍを切るところまで微細化が進んできているが、シリコンの光学吸収係数から赤色光の吸収感度を維持するために固体撮像素子の厚さは３μｍ程度より薄くすることができず、平面方向にのみ微細化が進み厚さ方向はほとんど微細化されていないのが現状である。厚さ方向の微細化が進まないため、隣接画素に赤色光が侵入することよる混色や、深さ３μｍの素子分離形成のための高加速インプラが必要になる等様々な問題が生じている。
【０００５】
そこで、裏面照射型の固体撮像素子で厚さ方向の微細化を行う手法として、光電変換素子に入射してきた光を反射させ、再び光電変換素子に戻して再利用し、光電変換素子の厚さを半分にする技術が提案されている。光を反射させる方法として、たとえば多層配線層の層間膜の底に金属膜を設けることができる。しかし、固体撮像素子の画素部は金属汚染に非常に敏感であり、層間膜を挟まずに画素の直上部に金属層を設けた場合には、金属汚染による固定パターンノイズの増加等が懸念される。
【０００６】
また、光を反射させる方法として、物質の屈折率差と微細な格子構造を用いて共鳴する波長のみを反射する導波モード共鳴格子というフォトニックフィルタを受光部である光電変換素子上に設けることもできる。しかし、この場合には、受光部表面に導波モード共鳴格子形成時のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるダメージが入り固定パターンノイズが増加することが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００９９８０４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／００７３９７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一つの実施形態は、画素部の金属汚染や受光部の光電変換素子表面へのＲＩＥによるダメージの発生を抑制することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態によれば、絵素が所定の周期で２次元的に半導体基板上に配置される固体撮像素子が提供される。前記絵素は、所定の波長の光を透過させるフィルタと、前記フィルタを透過する前記所定の波長の光を検出するフォトダイオードと、を含む画素を、異なる波長の光を検出するように複数有する。前記絵素中の最も長い波長の光を検出する画素は、前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる保護膜と、前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される第１回折格子部と、を備える。前記第１回折格子部は、当該画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態による固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２−１】図２−１は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】図２−２は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】図２−３は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図３】図３は、第２の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、回折格子部の孔のピッチを変えた場合の光の透過率の様子を示す図である。
【図５】図５は、導波モード共鳴格子の形状を模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、第３の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図７−１】図７−１は、第３の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図７−２】図７−２は、第３の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図８】図８は、第４の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、第５の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０−１】図１０−１は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図１０−２】図１０−２は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図１０−３】図１０−３は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図１１】図１１は、第６の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像素子を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる固体撮像素子の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。固体撮像素子は、光電変換素子および光電変換素子の信号を読み出す素子を有する画素ＰL，ＰM，ＰSが形成される画素形成部１０と、画素形成部１０に形成された素子に接続される配線層が形成される多層配線層３１と、画素形成部１０および多層配線層３１を支持する支持基板４１と、画素形成部１０の各画素へ入射する光の波長を制限するカラーフィルタ５１と、各画素ＰL，ＰM，ＰSに対して設けられるマイクロレンズ５２と、を備える。
【００１３】
画素形成部１０は、画素ＰL，ＰM，ＰSが形成されたＰ型単結晶シリコン基板１１によって構成される。Ｐ型単結晶シリコン基板１１には、各画素が形成される画素領域ＲL，ＲM，ＲSを分離（絶縁）するＰ型拡散層によって構成される画素分離部１４が設けられている。また、画素分離部１４の上部には、たとえばシリコン酸化膜などからなる素子分離絶縁膜１５が形成されている。画素分離部１４で区画される領域には、マイクロレンズ５２とカラーフィルタ５１を介して入射してきた光を検知する光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタＴｒと、が設けられる。
【００１４】
フォトダイオードＰＤは、画素分離部１４で区画される領域内の一部に所定の深さまで形成されたＮ型拡散層１６の上部にＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８が設けられ、基板面に略平行にＰＮ接合面が形成された構造を有する。なお、Ｎ型拡散層１６の深さは、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さとほぼ同じである。
【００１５】
読み出しトランジスタＴｒは、画素分離部１４で区画される画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のＮ型拡散層１６に隣接する領域に形成されるＰ型ウェル１７に設けられる電界効果型トランジスタである。つまり、読み出しトランジスタＴｒは、Ｐ型ウェル１７上の所定の領域に、ゲート絶縁膜１３を介してゲート電極１９を有している。このとき、ゲート電極１９のゲート長方向の一方の側にフォトダイオードＰＤが配置され、他方の側にＮ型拡散層からなるソース／ドレイン領域２１が形成される。
【００１６】
フォトダイオードＰＤ上には、保護膜１２を介して、導波モード共鳴格子からなる回折格子部２０Ｌが設けられている。保護膜１２は、たとえば、２〜１０ｎｍ程度の厚さのシリコン酸化膜によって構成される。回折格子部２０Ｌは、保護膜１２に比して高い屈折率を有し、金属材料以外の光学吸収係数が低い材料（回折格子構成材）によって構成される。たとえば、回折格子構成材として、多結晶シリコンやＴｉＯ2，Ｔａ2Ｏ5などを用いることができる。なお、多結晶シリコンを回折格子部２０Ｌに用いる場合には、粒径を変えることによって屈折率を変えることができるので、保護膜１２の屈折率に比して高い屈折率を有するように、粒径を制御すればよい。
【００１７】
この図１では、可視光領域で比較的波長の長い第１の光を検出する第１の画素ＰLと、可視光領域で第１の光よりも短い波長の第２の光を検出する第２の画素ＰMと、可視光領域で第１および第２の光よりも短い波長の第３の光を検出する第３の画素ＰSと、が画像を形成する最小単位である１絵素を形成している。そのため、カラーフィルタ５１として、第１の画素ＰLには、第１の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌが設けられ、第２の画素ＰMには、第２の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｍが設けられ、第３の画素ＰSには、第３の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｓが設けられる。
【００１８】
たとえば、第１〜第３の光として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の光を用いることができ、この場合には、カラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓとして、それぞれ赤、緑、青の原色フィルタが用いられる。また、第１〜第３の光として、たとえば黄色（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の３色の光を用いることもできる。そして、それぞれの画素領域ＲL，ＲM，ＲS上に画素領域ＲL，ＲM，ＲS内に光を集光するマイクロレンズ５２が設けられる。なお、図示していないが、絵素は、Ｐ型単結晶シリコン基板１１上に所定の周期で２次元的に配置されている。
【００１９】
回折格子部２０Ｌが形成されたＰ型単結晶シリコン基板１１の面上には、多層配線層３１が形成される。多層配線層３１は、層間絶縁膜３２と、層間絶縁膜３２上に設けられる配線層３３と、上下の配線層３３間または下層の読み出しトランジスタＴｒのゲート電極１９やソース／ドレイン領域２１と上層の配線層３３との間を接続するビア３４と、を有する。この多層配線層３１によって、読み出しトランジスタＴｒと図示しない周辺回路と、が接続される。この多層配線層３１上には、さらにシリコン基板などからなる支持基板４１が設けられる。支持基板４１は、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の裏面から光を入射させるようにＰ型単結晶シリコン基板１１を研磨する際に、強度を保つために設けられる。
【００２０】
回折格子部２０Ｌは、回折格子構成材にたとえば円柱状の貫通孔が所定の規則で（たとえば三角格子状や正方格子状に）形成された構造を有し、固体撮像素子の裏面のマイクロレンズ５２とカラーフィルタ５１を介して入射してきた光を反射する機能を有する。この回折格子部２０Ｌは、たとえば円柱状の貫通孔のピッチまたは径を変えることで、反射できる光の波長を変えることができる。なお、この明細書では、円柱状の貫通孔は、円柱状の貫通孔のほか、円錐台形状の貫通孔や、孔の途中まで円柱状で途中から円錐台形状となるような形状の貫通孔なども含むものである。
【００２１】
一般的に、物質内を進む光は、波長が長いほど吸収され難い。そのため、フォトダイオードＰＤ内で画像を形成するのに十分な量の第１の光が吸収されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さが決定される。たとえば、第１〜第３の光として赤、緑、青の３色の光を用いる場合には、光の強度が１／ｅとなる厚さは、それぞれ３．５μｍ、１μｍ、１５０ｎｍとなる。そのため、第１〜第３の光のうち、最も吸収され難い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLに第１の光を反射させる回折格子部２０Ｌを少なくとも設ければよい。これによって、第１の画素領域ＲLでは、第１の光が回折格子部２０Ｌによって反射されるので、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さを薄くしても、第１の光の光路長を長くすることができる。たとえば第１の光が赤色光である場合で、Ｐ型単結晶シリコン基板１１中を３．５μｍ進めさせるには、回折格子部２０Ｌの存在によって、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さをその半分の１．７５μｍに薄くすることができる。
【００２２】
なお、第２の光と第３の光は、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さを薄くしたとしても、その厚さでフォトダイオードＰＤで十分に吸収されるので、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上に回折格子部２０Ｌを設けなくてもよい。ただし、図１に示されるように、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上にも保護膜１２を介して第１の画素領域ＲLと同じピッチと径を有する円柱状の貫通孔を形成することで、製造工程数を増加させないようにすると共に、製造工程を簡略化することができる。
【００２３】
ここで、このような構造の固体撮像素子の動作の概要について説明する。Ｐ型単結晶シリコン基板１１の裏面側のマイクロレンズ５２から光が入射し、カラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓによって各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに到達する光の波長が選択される。すなわち、第１、第２および第３の画素領域ＲL，ＲM，ＲSでは、それぞれ第１の光、第２の光および第３の光のみが選択される。画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射した光は、フォトダイオードＰＤで吸収され、光電変換され、信号電荷となるキャリアが蓄積される。信号電荷の蓄積は、読み出しトランジスタＴｒによって制御され、図示しない周辺回路によって読み出される。
【００２４】
フォトダイオードＰＤでの光電変換の際に、第１の画素領域ＲLでは、第１の光の一部はフォトダイオードＰＤで吸収されずに保護膜１２まで到達するが、第１の光を反射するように円柱状の孔の径と周期が最適化された回折格子部２０Ｌによって反射され、再びフォトダイオードＰＤ中を伝播することになる。これによって、Ｐ型単結晶シリコン基板１１内を第１の光が伝播する間に、フォトダイオードＰＤで光電変換され、十分な信号電荷を得ることが可能になる。また、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSでは、第２と第３の光は、保護膜１２まで到達するまでの間に十分な信号電荷を得ることができる程度にフォトダイオードＰＤで吸収され、光電変換される。そして、フォトダイオードＰＤで吸収されなかった第２と第３の光は、保護膜１２から多層配線層３１側へと透過して行く。
【００２５】
つぎに、このような構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。図２−１〜図２−３は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【００２６】
まず、図２−１（ａ）に示されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１（以下、単に基板ともいう）を用意し、熱酸化によって基板１１の一方の主面上にパッド酸化膜１０１を形成する。ついで、図２−２（ｂ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの境界に、イオン注入法によってＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる画素分離部１４を形成する。これによって、第１の光を検知する第１の画素領域ＲLと、第２の光を検知する第２の画素領域ＲMと、第３の光を検知する第３の画素領域ＲSと、が基板１１上に形成される。
【００２７】
その後、パッド酸化膜１０１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて素子分離絶縁膜１５を形成する領域が開口するようにシリコン窒化膜を加工した後、熱酸化を行い、シリコン窒化膜を除去する。これによって、図２−１（ｃ）に示されるように、画素分離部１４上にパッド酸化膜１０１よりも厚い素子分離絶縁膜１５が形成される。
【００２８】
ついで、図２−２（ａ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のフォトダイオードＰＤを形成する領域にはＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層１６を形成し、読み出しトランジスタＴｒを形成する領域には、ＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなるＰ型ウェル１７を形成する。なお、Ｎ型拡散層１６の底部は、画素分離部１４を構成するＰ型拡散層の底部と同等となるように形成され、Ｐ型ウェル１７はＮ型拡散層１６よりも浅い領域に形成される。その後、図２−２（ｂ）に示されるように、Ｎ型拡散層１６の上部の浅い領域にＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８を形成する。
【００２９】
ついで、図２−２（ｃ）に示されるように、基板１１上にたとえば図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、Ｐ型ウェル１７を形成した領域上が開口するように加工を行った後、Ｐ型ウェル１７上のパッド酸化膜１０１をたとえばフッ酸を用いて除去する。これによって、フォトダイオードＰＤ上に残されたパッド酸化膜１０１は、保護膜１２となる。
【００３０】
その後、熱酸化などの方法によって、Ｐ型ウェル１７上にゲート絶縁膜１３を形成する。また、ゲート絶縁膜１３を形成した基板１１上に、たとえば多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて多結晶シリコン膜とゲート絶縁膜１３とを所定の形状にパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜１３とゲート電極１９との積層体が形成される。
【００３１】
その後、図示しないシリコン窒化膜を熱燐酸などで除去した後、回折格子構成材を形成する。回折格子構成材として、上記したように多結晶シリコン膜やＴｉＯ2膜、Ｔａ2Ｏ5膜などを用いることができる。ついで、リソグラフィ技術とＲＩＥ法などのエッチング技術とを用いて、第１の画素領域ＲLの回折格子構成材に第１の光を反射するように最適化された所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成し、回折格子部２０Ｌを形成する。このとき、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSにも、第１の画素領域ＲLに形成されたものと同じ所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成してもよい。また、エッチング技術によって回折格子部２０Ｌを形成する際に、回折格子構成材はフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して形成されているので、フォトダイオードＰＤがエッチングダメージを受けることがない。
【００３２】
その後、図２−３（ａ）に示されるように、イオン注入法によって、ゲート電極１９と画素分離部１４とで挟まれる領域にＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層からなる読み出しトランジスタＴｒのソース／ドレイン領域２１を形成する。
【００３３】
ついで、図示しない周辺回路を形成した後、図２−３（ｂ）に示されるように、回折格子部２０Ｌと読み出しトランジスタＴｒを形成した基板１１上に多層配線層３１を形成する。多層配線層３１は、複数の配線層３３が層間絶縁膜３２を介して積層された構造を有する。最下層の配線層３３と読み出しトランジスタＴｒなどの基板１１上の素子との間と、各配線層３３間とは、ビア３４によって接続される。
【００３４】
ついで、図２−３（ｃ）に示されるように、多層配線層３１の最上層の層間絶縁膜３２をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などによって平坦化した後、シリコン基板などの支持基板４１を、接着層を介して貼り合わせる。その後、基板１１の裏面側を所定の厚さとなるまで研削する。ここでは、Ｎ型拡散層１６が露出するまで研削を行う。
【００３５】
そして、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS上に所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを形成し、さらにその上にマイクロレンズ５２を形成することによって、図１に示される構造の固体撮像素子が得られる。
【００３６】
なお、図２−２（ｃ）で、回折格子構成材に多結晶シリコンを用いる場合には、ゲート電極１９と回折格子構成材とを同じ材料で形成することができる。また、この場合には、回折格子部２０Ｌとゲート電極１９とを一括して加工することができる。
【００３７】
第１の実施形態では、検出する光の中で最も波長の長い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLのフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して回折格子部２０Ｌを形成し、フォトダイオードＰＤ中で吸収され難い波長の長い第１の光を反射させるようにした。その結果、基板１１の厚さを、フォトダイオードＰＤで検出することができる光路長の１／２とすることができ、第１の光の受光感度の低下を防止することができる。また、回折格子部２０Ｌは、金属材料ではなく、半導体材料や絶縁材料などによって構成されるので、フォトダイオードＰＤが金属汚染される虞もない。さらに、回折格子部２０Ｌは、保護膜１２を介してフォトダイオードＰＤ上に形成されているので、回折格子部２０Ｌを形成する際に、エッチングダメージがフォトダイオードＰＤに入ることを抑え、フォトダイオードＰＤに固定パターンノイズが生じてしまうことを抑えることができるという効果も有する。また、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSで回折格子部２０Ｌの構造を統一する場合には、回折格子部２０Ｌの格子構造を形成する際のリソグラフィのマージンが拡大するという利点も有する。
【００３８】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第１の実施形態では、波長の長い第１の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｌを少なくとも第１の画素領域ＲLのフォトダイオードＰＤ上に設けていたが、第２の実施形態では、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射される光を反射するように構成された回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを各画素領域ＲL，ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上に設けている。すなわち、第１の画素領域ＲLには第１の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｌが設けられ、第２の画素領域ＲMには第２の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｍが設けられ、第３の画素領域ＲSには第３の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｓが設けられている。
【００３９】
図４は、回折格子部の孔のピッチを変えた場合の光の透過率の様子を示す図である。この図で、横軸は、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓに入射する光の波長を示し、縦軸は、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓに入射した光の透過率を示す図である。たとえば、円柱状の孔を１８０〜２２０ｎｍピッチで形成すると、０．６３μｍ付近の光の透過率が０％となり、赤色光を反射させることができる。また、円柱状の孔を２３０〜２７０ｎｍピッチで形成すると、０．５５μｍ付近の光の透過率が０％となり、２８０〜３２０ｎｍピッチで形成すると、０．５３μｍ付近の光の透過率が０％となり、緑色光を反射させることができる。同様に、円柱状の孔を３３０〜３７０ｎｍピッチで形成すると、０．４６μｍ付近の光の透過率が０％となり、青色光を反射させることができる。なお、ここでは、直径がピッチの１／２である円柱状の孔が上記ピッチで２次元状に配置される回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを用いて測定を行っている。このように、円柱状の孔のピッチ（孔の径とピッチ）を変化させることで、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓでの反射できる光の波長を変えることができる。なお、これは一例であり、円柱状の孔の直径がピッチの１／２とならないように円柱状の孔を２次元的に配置する場合には、反射される光の波長と円柱状の孔の径またはピッチとの関係は、異なるものとなる。
【００４０】
図５は、導波モード共鳴格子の形状を模式的に示す平面図である。各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに円柱状の孔を所定の規則で（たとえば三角格子状に）配置した図である。この図では、最も波長の長い第１の画素領域ＲLでは回折格子部２０Ｌに形成される孔のピッチ（径）が最も大きく、最も波長の短い第３の画素領域ＲSでは回折格子部２０Ｓに形成される孔のピッチ（径）は最も小さく、中間の波長を有する第２の画素領域ＲMでは回折格子部２０Ｍに形成される孔のピッチ（径）は回折格子部２０Ｌ，２０Ｓの中間程度である。これによって、固体撮像素子の裏面のマイクロレンズ５２とカラーフィルタ５１を介して各画素ＰL，ＰM，ＰSに入射する光が反射される。このように第２の実施形態では、すべての画素領域ＲL，ＲM，ＲSに、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光を反射させる回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを設けている。これによって、第１の光よりも短い波長の第２と第３の光も光路長が長くなり、フォトダイオードＰＤで効率的に吸収される。
【００４１】
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。また、このような構造の固体撮像素子の製造方法は、第１の実施形態の図２−２（ｃ）の回折格子部２０Ｌの円柱状の貫通孔２０１をパターニングする際に、画素領域ＲL，ＲM，ＲSごとにピッチと径の異なる貫通孔を２次元的に周期的に配置する点が異なるのみで、基本的には第１の実施形態で説明した固体撮像素子の製造方法と同様であるので、その説明を省略する。
【００４２】
第２の実施形態では、第１の光よりも波長の長い第２と第３の光を検出する第２と第３の画素領域ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上に、保護膜１２を介してそれぞれ第２と第３の光を反射する回折格子部２０Ｍ，２０Ｓを形成するようにしたので、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSに入射した第２と第３の光のフォトダイオードＰＤ中での光路長を長くすることができる。その結果、第２と第３の光に対しても受光感度の低下を防止することができるという効果を、第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第２の実施形態では、フォトダイオードＰＤ上に形成される保護膜１２は２〜１０ｎｍの厚さであったが、第３の実施形態では、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしている。保護膜１２として、たとえば厚さ１０〜４００ｎｍのシリコン酸化膜を用いることができる。このように保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍとすることで、第２の実施形態に比して、より大きな共鳴効果が起き、薄い保護膜１２の場合に比して回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓで光を反射させやすくすることが可能となる。保護膜１２の厚さが１０ｎｍよりも薄い場合には、共鳴効果を起こさせることができず、入射してきた光を十分に反射させることができず、また４００ｎｍよりも厚い場合には、これ以上膜厚を厚くしても光を反射させる効果にほとんど変わりがないため、保護膜１２の厚さは上記範囲であることが望ましい。なお、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓは、第２の実施形態と同様に、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光を反射することができるように、円柱状の貫通孔の径とピッチが調整されている。また、第１と第２の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
つぎに、このような構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。図７−１〜図７−２は、第３の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【００４５】
まず、図７−１（ａ）に示されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１（以下、単に基板ともいう）を用意し、熱酸化によって基板１１の一方の主面上にパッド酸化膜１０１を形成する。ついで、図７−２（ｂ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの境界に、イオン注入法によってＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる画素分離部１４を形成する。これによって、第１の光を検知する第１の画素領域ＲLと、第２の光を検知する第２の画素領域ＲMと、第３の光を検知する第３の画素領域ＲSと、が基板１１上に形成される。
【００４６】
その後、パッド酸化膜１０１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて読み出しトランジスタＴｒを形成する領域がシリコン窒化膜で覆われるようにシリコン窒化膜を加工した後、熱酸化を行い、シリコン窒化膜を除去する。これによって、図７−１（ｃ）に示されるように、読み出しトランジスタＴｒの形成領域を除いた領域に厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２と素子分離絶縁膜１５が形成される。保護膜１２は、フォトダイオードＰＤを形成する領域上に形成され、素子分離絶縁膜１５は画素分離部１４上に形成される。このように、第３の実施形態では、保護膜１２が素子分離絶縁膜１５と同一工程で作製されることになる。
【００４７】
ついで、図７−２（ａ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のフォトダイオードＰＤを形成する領域にはＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層１６を形成し、読み出しトランジスタＴｒを形成する領域には、ＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなるＰ型ウェル１７を形成する。なお、Ｎ型拡散層１６の底部は、画素分離部１４を構成するＰ型拡散層の底部と同等となるように形成され、Ｐ型ウェル１７はＮ型拡散層１６よりも浅い領域に形成される。その後、図７−２（ｂ）に示されるように、Ｎ型拡散層１６の上部の浅い領域にＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８を形成する。
【００４８】
ついで、図７−２（ｃ）に示されるように、たとえば基板１１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、Ｐ型ウェル１７を形成した領域上が開口するように加工を行った後、Ｐ型ウェル１７上のパッド酸化膜１０１をたとえばフッ酸を用いて除去する。その後、熱酸化などの方法によって、Ｐ型ウェル１７上にゲート絶縁膜１３を形成する。また、ゲート絶縁膜１３を形成した基板１１上に、たとえば多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて多結晶シリコン膜とゲート絶縁膜１３とを所定の形状にパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜１３とゲート電極１９との積層体が形成される。
【００４９】
その後、図示しないシリコン窒化膜を熱燐酸などで除去した後、回折格子構成材を形成する。回折格子構成材として、多結晶シリコン膜やＴｉＯ2膜、Ｔａ2Ｏ5膜などを用いることができる。ついで、リソグラフィ技術とＲＩＥ法などのエッチング技術とを用いて、第１の画素領域ＲLの回折格子構成材に第１の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成して回折格子部２０Ｌを形成し、第２の画素領域ＲMの回折格子構成材に第２の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０２を形成して回折格子部２０Ｍを形成し、第３の画素領域ＲSの回折格子構成材に第３の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０３を形成して回折格子部２０Ｓを形成する。このとき、エッチング技術によって回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを形成する際に、回折格子構成材はフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して形成されているので、フォトダイオードＰＤがエッチングダメージを受けることがない。
【００５０】
ついで、イオン注入法によって、ゲート電極１９と画素分離部１４とで挟まれる領域にＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層からなる読み出しトランジスタＴｒのソース／ドレイン領域２１を形成することで、図６に示される固体撮像素子の画素形成部１０が完成する。
【００５１】
この後、第１の実施形態の図２−３（ｂ）以降で説明したように、図示しない周辺回路を形成した後、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓと読み出しトランジスタＴｒを形成した基板１１上に多層配線層３１を形成する。ついで、多層配線層３１の最上層の層間絶縁膜３２を平坦化した後、シリコン基板などの支持基板４１を接着層を介して貼り合わせ、基板１１の裏面側をＮ型拡散層１６が露出するまで研削する。そして、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS上にそれぞれ所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを形成し、さらにその上にマイクロレンズ５２を形成することによって固体撮像素子が得られる。
【００５２】
第３の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第２の実施形態の効果に加えて得ることができる。また、保護膜１２を素子分離絶縁膜１５と同時に形成することができるので、固体撮像素子の製造工程を簡略化することができるという効果も有する。
【００５３】
（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第３の実施形態では、厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に形成される回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓは、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射される光を反射させることができるように円柱状の孔の径とピッチとを変えるようにしているが、第１の実施形態と同様に少なくとも回折格子部は、フォトダイオードＰＤ中で吸収され難い波長の長い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLに形成されていればよい。そこで、第４の実施形態では、第１〜第３の画素領域ＲL，ＲM，ＲS中の厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に、第１の光を反射するように調整された径とピッチとを有する円柱状の孔を２次元状に配置した回折格子部２０Ｌを形成する場合を示している。このように保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍとすることで、第１の実施形態に比して、より大きな共鳴効果が起き、回折格子部２０Ｌで薄い保護膜１２の場合に比して光を反射させやすくすることが可能となる。なお、第１〜第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。また、このような構造の固体撮像素子の形成方法は、第３の実施形態で説明したものと同様であるので、その説明も省略する。
【００５４】
第４の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。また、保護膜１２を素子分離絶縁膜１５と同時に形成することができるので、固体撮像素子の製造工程を簡略化することができるという効果も有する。
【００５５】
（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第３の実施形態では、保護膜１２と素子分離絶縁膜１５とを同一の工程で形成していたので、保護膜１２と素子分離絶縁膜１５の上面の高さと厚さは略同じであったが、第５の実施形態では、保護膜１２の形成位置と素子分離絶縁膜１５の形成位置とが異なっている。なお、第１〜第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
つぎに、このような構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。図１０−１〜図１０−３は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【００５７】
まず、図１０−１（ａ）に示されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１（以下、単に基板ともいう）を用意し、熱酸化によって基板１１の一方の主面上にパッド酸化膜１０１を形成する。ついで、図１０−２（ｂ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの境界に、イオン注入法によってＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる画素分離部１４を形成する。これによって、第１の光を検知する第１の画素領域ＲLと、第２の光を検知する第２の画素領域ＲMと、第３の光を検知する第３の画素領域ＲSと、が基板１１上に形成される。
【００５８】
その後、パッド酸化膜１０１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて素子分離絶縁膜１５を形成する領域が開口するようにシリコン窒化膜を加工した後、熱酸化を行い、シリコン窒化膜を除去する。これによって、図１０−１（ｃ）に示されるように、画素分離部１４上にパッド酸化膜１０１よりも厚い素子分離絶縁膜１５が形成される。
【００５９】
ついで、図１０−２（ａ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のフォトダイオードＰＤを形成する領域にはＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層１６を形成し、読み出しトランジスタＴｒを形成する領域には、ＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなるＰ型ウェル１７を形成する。なお、Ｎ型拡散層１６の底部は、画素分離部１４を構成するＰ型拡散層の底部と同等となるように形成され、Ｐ型ウェル１７はＮ型拡散層１６よりも浅い領域に形成される。その後、図１０−２（ｂ）に示されるように、Ｎ型拡散層１６の上部の浅い領域にＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８を形成する。
【００６０】
ついで、図１０−２（ｃ）に示されるように、基板１１上にたとえば図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、Ｐ型ウェル１７を形成した領域上が開口するように加工を行った後、Ｐ型ウェル１７上のパッド酸化膜１０１をたとえばフッ酸を用いて除去する。その後、熱酸化などの方法によって、Ｐ型ウェル１７上にゲート絶縁膜１３を形成する。また、ゲート絶縁膜１３を形成した基板１１上に、たとえば多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて多結晶シリコン膜とゲート絶縁膜１３とを所定の形状にパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜１３とゲート電極１９との積層体が形成される。
【００６１】
ついで、図示しないシリコン窒化膜を熱燐酸などで除去した後、図１０−３（ａ）に示されるように、イオン注入法によって、ゲート電極１９と画素分離部１４とで挟まれる領域にＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層からなる読み出しトランジスタＴｒのソース／ドレイン領域２１を形成する。
【００６２】
その後、図１０−３（ｂ）に示されるように、フォトダイオードＰＤ上（回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓの形成領域上）に保護膜１２を形成する。たとえば、リソグラフィ技術によって、フォトダイオードＰＤの形成領域が開口するようにレジストを形成した後、ＣＶＤ法などの成膜法によってシリコン酸化膜などの保護膜１２を形成した後、レジストを除去する。なお、形成した保護膜１２とパッド酸化膜１０１と合わせて保護膜１２とする。また、保護膜１２の厚さとしては、１０〜４００ｎｍとすることができる。
【００６３】
さらに、保護膜１２上に回折格子構成材を形成する。回折格子構成材として、多結晶シリコン膜やＴｉＯ2膜、Ｔａ2Ｏ5膜などを用いることができる。ついで、リソグラフィ技術とＲＩＥ法などのエッチング技術とを用いて、第１の画素領域ＲLの回折格子構成材に第１の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成して回折格子部２０Ｌを形成し、第２の画素領域ＲMの回折格子構成材に第２の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０２を形成して回折格子部２０Ｍを形成し、第３の画素領域ＲSの回折格子構成材に第３の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０３を形成して回折格子部２０Ｓを形成する。このとき、エッチング技術によって回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを形成する際に、回折格子構成材はフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して形成されているので、フォトダイオードＰＤがエッチングダメージを受けることがない。以上によって、図９に示される固体撮像素子の画素形成部１０が完成する。
【００６４】
この後、第１の実施形態の図２−３（ｂ）以降で説明したように、図示しない周辺回路を形成した後、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓと読み出しトランジスタＴｒを形成した基板１１上に多層配線層３１を形成する。ついで、多層配線層３１の最上層の層間絶縁膜３２を平坦化した後、シリコン基板などの支持基板４１を接着層を介して貼り合わせ、基板１１の裏面側をＮ型拡散層１６が露出するまで研削する。そして、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS上に所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを形成し、さらにその上にマイクロレンズ５２を形成することによって固体撮像素子が得られる。
【００６５】
第５の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域に入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第２の実施形態の効果に加えて得ることができる。
【００６６】
（第６の実施形態）
図１１は、第６の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第５の実施形態では、厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に形成される回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓは、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射される光を反射させることができるように円柱状の孔の径とピッチとを変えるようにしているが、第１の実施形態と同様に少なくとも回折格子部は、フォトダイオードＰＤ中で吸収され難い波長の長い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLに形成されていればよい。そこで、第６の実施形態では、第１〜第３の画素領域ＲL，ＲM，ＲS中の厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に、第１の光を反射するように調整された径とピッチとを有する円柱状の孔を２次元状に配置した回折格子部２０Ｌを形成する場合を示している。このように保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍとすることで、第１の実施形態に比して、より大きな共鳴効果が起き、薄い保護膜１２の場合に比して回折格子部２０Ｌで光を反射させやすくすることが可能となる。なお、第１〜第５の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。また、このような構造の固体撮像素子の形成方法は、第５の実施形態で説明したものと同様であるので、その説明も省略する。
【００６７】
第６の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域に入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。
【００６８】
なお、上述した実施形態では、１絵素が３つの画素ＰL，ＰM，ＰSからなる場合を示したが、１絵素が２つ以上の画素からなる場合も、同様に上記の実施形態を適用することができる。また、上記した説明では、裏面照射型の固体撮像素子を例に挙げたが、表面照射型の固体撮像素子に対しても、光の入射面側と対向する側の基板１１の裏面のフォトダイオードＰＤの形成領域上にシリコン酸化膜などの保護膜１２を介して回折格子部を設けることによって、上記した実施形態を同様に適用することができる。
【００６９】
さらに、上記した説明では、基板としてＰ型単結晶シリコン基板を用いる場合を例示したが、Ｎ型単結晶シリコン基板を用いてもよい。この場合には、基板がＮ型となるだけで、その他の導電型は上記で説明したものと同様である。また、上記した説明では、基板として、単結晶シリコン基板を用いているが、単結晶ゲルマニウム基板や単結晶ガリウム砒素基板などの単結晶半導体基板を用いてもよいし、多結晶シリコン基板や多結晶ゲルマニウム基板などの多結晶半導体基板を用いてもよい。
【００７０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…画素形成部、１１…Ｐ型単結晶シリコン基板（基板）、１２…保護膜、１３…ゲート絶縁膜、１４…画素分離部、１５…素子分離絶縁膜、１６…Ｎ型拡散層、１７…Ｐ型ウェル、１８…電荷蓄積層、１９…ゲート電極、２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓ…回折格子部、２１…ソース／ドレイン領域、３１…多層配線層、３２…層間絶縁膜、３３…配線層、３４…ビア、４１…支持基板、５１，５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓ…カラーフィルタ、５２…マイクロレンズ、１０１…パッド酸化膜、２０１，２０２，２０３…貫通孔、ＰL，ＰM，ＰS…画素、ＰＤ…フォトダイオード、ＲL，ＲM，ＲS…画素領域、Ｔｒ…読み出しトランジスタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は、基板上に、光電変換素子と、光電変換素子に蓄積された信号を選択読み出しするＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタと、有する画素を複数備え、さらにその上部に多層配線層が形成される半導体デバイスであり、たとえば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に使用されている。このうち、ＣＭＯＳ（Complementary MOS：相補型ＭＯＳ）プロセスで製造されるＣＭＯＳ型固体撮像素子は低電圧・低消費電力というメリットを有するので、携帯電話用のカメラやデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラの撮像素子として注目されている。
【０００３】
従来では、固体撮像素子は、多層配線層側から光を入射させていたが、光が多層配線層などで遮られてしまい、十分な集光特性を得ることができなくなってきている。そこで、近年では、基板の裏面側から光を入射させ、基板内部で光電変換を行う裏面入射型の固体撮像素子が作製されている。
【０００４】
固体撮像素子では、カメラの撮像画質向上の要求から、光の受光部である画素部を微細化しチップ面積を維持したまま画素数を増やして高画素化・高感度化する試みがなされている。裏面照射型の固体撮像素子では単位画素ピッチが１．４μｍを切るところまで微細化が進んできているが、シリコンの光学吸収係数から赤色光の吸収感度を維持するために固体撮像素子の厚さは３μｍ程度より薄くすることができず、平面方向にのみ微細化が進み厚さ方向はほとんど微細化されていないのが現状である。厚さ方向の微細化が進まないため、隣接画素に赤色光が侵入することよる混色や、深さ３μｍの素子分離形成のための高加速インプラが必要になる等様々な問題が生じている。
【０００５】
そこで、裏面照射型の固体撮像素子で厚さ方向の微細化を行う手法として、光電変換素子に入射してきた光を反射させ、再び光電変換素子に戻して再利用し、光電変換素子の厚さを半分にする技術が提案されている。光を反射させる方法として、たとえば多層配線層の層間膜の底に金属膜を設けることができる。しかし、固体撮像素子の画素部は金属汚染に非常に敏感であり、層間膜を挟まずに画素の直上部に金属層を設けた場合には、金属汚染による固定パターンノイズの増加等が懸念される。
【０００６】
また、光を反射させる方法として、物質の屈折率差と微細な格子構造を用いて共鳴する波長のみを反射する導波モード共鳴格子というフォトニックフィルタを受光部である光電変換素子上に設けることもできる。しかし、この場合には、受光部表面に導波モード共鳴格子形成時のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるダメージが入り固定パターンノイズが増加することが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００９９８０４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／００７３９７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一つの実施形態は、画素部の金属汚染や受光部の光電変換素子表面へのＲＩＥによるダメージの発生を抑制することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態によれば、絵素が所定の周期で２次元的に半導体基板上に配置される固体撮像素子が提供される。前記絵素は、所定の波長の光を透過させるフィルタと、前記フィルタを透過する前記所定の波長の光を検出するフォトダイオードと、を含む画素を、異なる波長の光を検出するように複数有する。前記絵素中の最も長い波長の光を検出する画素は、前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる保護膜と、前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される第１回折格子部と、を備える。前記第１回折格子部は、当該画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態による固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２−１】図２−１は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】図２−２は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】図２−３は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図３】図３は、第２の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、回折格子部の孔のピッチを変えた場合の光の透過率の様子を示す図である。
【図５】図５は、導波モード共鳴格子の形状を模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、第３の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図７−１】図７−１は、第３の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図７−２】図７−２は、第３の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図８】図８は、第４の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、第５の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０−１】図１０−１は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図１０−２】図１０−２は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図１０−３】図１０−３は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図１１】図１１は、第６の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像素子を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる固体撮像素子の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による固体撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。固体撮像素子は、光電変換素子および光電変換素子の信号を読み出す素子を有する画素ＰL，ＰM，ＰSが形成される画素形成部１０と、画素形成部１０に形成された素子に接続される配線層が形成される多層配線層３１と、画素形成部１０および多層配線層３１を支持する支持基板４１と、画素形成部１０の各画素へ入射する光の波長を制限するカラーフィルタ５１と、各画素ＰL，ＰM，ＰSに対して設けられるマイクロレンズ５２と、を備える。
【００１３】
画素形成部１０は、画素ＰL，ＰM，ＰSが形成されたＰ型単結晶シリコン基板１１によって構成される。Ｐ型単結晶シリコン基板１１には、各画素が形成される画素領域ＲL，ＲM，ＲSを分離（絶縁）するＰ型拡散層によって構成される画素分離部１４が設けられている。また、画素分離部１４の上部には、たとえばシリコン酸化膜などからなる素子分離絶縁膜１５が形成されている。画素分離部１４で区画される領域には、マイクロレンズ５２とカラーフィルタ５１を介して入射してきた光を検知する光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタＴｒと、が設けられる。
【００１４】
フォトダイオードＰＤは、画素分離部１４で区画される領域内の一部に所定の深さまで形成されたＮ型拡散層１６の上部にＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８が設けられ、基板面に略平行にＰＮ接合面が形成された構造を有する。なお、Ｎ型拡散層１６の深さは、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さとほぼ同じである。
【００１５】
読み出しトランジスタＴｒは、画素分離部１４で区画される画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のＮ型拡散層１６に隣接する領域に形成されるＰ型ウェル１７に設けられる電界効果型トランジスタである。つまり、読み出しトランジスタＴｒは、Ｐ型ウェル１７上の所定の領域に、ゲート絶縁膜１３を介してゲート電極１９を有している。このとき、ゲート電極１９のゲート長方向の一方の側にフォトダイオードＰＤが配置され、他方の側にＮ型拡散層からなるソース／ドレイン領域２１が形成される。
【００１６】
フォトダイオードＰＤ上には、保護膜１２を介して、導波モード共鳴格子からなる回折格子部２０Ｌが設けられている。保護膜１２は、たとえば、２〜１０ｎｍ程度の厚さのシリコン酸化膜によって構成される。回折格子部２０Ｌは、保護膜１２に比して高い屈折率を有し、金属材料以外の光学吸収係数が低い材料（回折格子構成材）によって構成される。たとえば、回折格子構成材として、多結晶シリコンやＴｉＯ2，Ｔａ2Ｏ5などを用いることができる。なお、多結晶シリコンを回折格子部２０Ｌに用いる場合には、粒径を変えることによって屈折率を変えることができるので、保護膜１２の屈折率に比して高い屈折率を有するように、粒径を制御すればよい。
【００１７】
この図１では、可視光領域で比較的波長の長い第１の光を検出する第１の画素ＰLと、可視光領域で第１の光よりも短い波長の第２の光を検出する第２の画素ＰMと、可視光領域で第１および第２の光よりも短い波長の第３の光を検出する第３の画素ＰSと、が画像を形成する最小単位である１絵素を形成している。そのため、カラーフィルタ５１として、第１の画素ＰLには、第１の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌが設けられ、第２の画素ＰMには、第２の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｍが設けられ、第３の画素ＰSには、第３の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｓが設けられる。
【００１８】
たとえば、第１〜第３の光として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の光を用いることができ、この場合には、カラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓとして、それぞれ赤、緑、青の原色フィルタが用いられる。また、第１〜第３の光として、たとえば黄色（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の３色の光を用いることもできる。そして、それぞれの画素領域ＲL，ＲM，ＲS上に画素領域ＲL，ＲM，ＲS内に光を集光するマイクロレンズ５２が設けられる。なお、図示していないが、絵素は、Ｐ型単結晶シリコン基板１１上に所定の周期で２次元的に配置されている。
【００１９】
回折格子部２０Ｌが形成されたＰ型単結晶シリコン基板１１の面上には、多層配線層３１が形成される。多層配線層３１は、層間絶縁膜３２と、層間絶縁膜３２上に設けられる配線層３３と、上下の配線層３３間または下層の読み出しトランジスタＴｒのゲート電極１９やソース／ドレイン領域２１と上層の配線層３３との間を接続するビア３４と、を有する。この多層配線層３１によって、読み出しトランジスタＴｒと図示しない周辺回路と、が接続される。この多層配線層３１上には、さらにシリコン基板などからなる支持基板４１が設けられる。支持基板４１は、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の裏面から光を入射させるようにＰ型単結晶シリコン基板１１を研磨する際に、強度を保つために設けられる。
【００２０】
回折格子部２０Ｌは、回折格子構成材にたとえば円柱状の貫通孔が所定の規則で（たとえば三角格子状や正方格子状に）形成された構造を有し、固体撮像素子の裏面のマイクロレンズ５２とカラーフィルタ５１を介して入射してきた光を反射する機能を有する。この回折格子部２０Ｌは、たとえば円柱状の貫通孔のピッチまたは径を変えることで、反射できる光の波長を変えることができる。なお、この明細書では、円柱状の貫通孔は、円柱状の貫通孔のほか、円錐台形状の貫通孔や、孔の途中まで円柱状で途中から円錐台形状となるような形状の貫通孔なども含むものである。
【００２１】
一般的に、物質内を進む光は、波長が長いほど吸収され難い。そのため、フォトダイオードＰＤ内で画像を形成するのに十分な量の第１の光が吸収されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さが決定される。たとえば、第１〜第３の光として赤、緑、青の３色の光を用いる場合には、光の強度が１／ｅとなる厚さは、それぞれ３．５μｍ、１μｍ、１５０ｎｍとなる。そのため、第１〜第３の光のうち、最も吸収され難い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLに第１の光を反射させる回折格子部２０Ｌを少なくとも設ければよい。これによって、第１の画素領域ＲLでは、第１の光が回折格子部２０Ｌによって反射されるので、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さを薄くしても、第１の光の光路長を長くすることができる。たとえば第１の光が赤色光である場合で、Ｐ型単結晶シリコン基板１１中を３．５μｍ進めさせるには、回折格子部２０Ｌの存在によって、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さをその半分の１．７５μｍに薄くすることができる。
【００２２】
なお、第２の光と第３の光は、Ｐ型単結晶シリコン基板１１の厚さを薄くしたとしても、その厚さでフォトダイオードＰＤで十分に吸収されるので、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上に回折格子部２０Ｌを設けなくてもよい。ただし、図１に示されるように、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上にも保護膜１２を介して第１の画素領域ＲLと同じピッチと径を有する円柱状の貫通孔を形成することで、製造工程数を増加させないようにすると共に、製造工程を簡略化することができる。
【００２３】
ここで、このような構造の固体撮像素子の動作の概要について説明する。Ｐ型単結晶シリコン基板１１の裏面側のマイクロレンズ５２から光が入射し、カラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓによって各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに到達する光の波長が選択される。すなわち、第１、第２および第３の画素領域ＲL，ＲM，ＲSでは、それぞれ第１の光、第２の光および第３の光のみが選択される。画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射した光は、フォトダイオードＰＤで吸収され、光電変換され、信号電荷となるキャリアが蓄積される。信号電荷の蓄積は、読み出しトランジスタＴｒによって制御され、図示しない周辺回路によって読み出される。
【００２４】
フォトダイオードＰＤでの光電変換の際に、第１の画素領域ＲLでは、第１の光の一部はフォトダイオードＰＤで吸収されずに保護膜１２まで到達するが、第１の光を反射するように円柱状の孔の径と周期が最適化された回折格子部２０Ｌによって反射され、再びフォトダイオードＰＤ中を伝播することになる。これによって、Ｐ型単結晶シリコン基板１１内を第１の光が伝播する間に、フォトダイオードＰＤで光電変換され、十分な信号電荷を得ることが可能になる。また、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSでは、第２と第３の光は、保護膜１２まで到達するまでの間に十分な信号電荷を得ることができる程度にフォトダイオードＰＤで吸収され、光電変換される。そして、フォトダイオードＰＤで吸収されなかった第２と第３の光は、保護膜１２から多層配線層３１側へと透過して行く。
【００２５】
つぎに、このような構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。図２−１〜図２−３は、第１の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【００２６】
まず、図２−１（ａ）に示されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１（以下、単に基板ともいう）を用意し、熱酸化によって基板１１の一方の主面上にパッド酸化膜１０１を形成する。ついで、図２−２（ｂ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの境界に、イオン注入法によってＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる画素分離部１４を形成する。これによって、第１の光を検知する第１の画素領域ＲLと、第２の光を検知する第２の画素領域ＲMと、第３の光を検知する第３の画素領域ＲSと、が基板１１上に形成される。
【００２７】
その後、パッド酸化膜１０１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて素子分離絶縁膜１５を形成する領域が開口するようにシリコン窒化膜を加工した後、熱酸化を行い、シリコン窒化膜を除去する。これによって、図２−１（ｃ）に示されるように、画素分離部１４上にパッド酸化膜１０１よりも厚い素子分離絶縁膜１５が形成される。
【００２８】
ついで、図２−２（ａ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のフォトダイオードＰＤを形成する領域にはＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層１６を形成し、読み出しトランジスタＴｒを形成する領域には、ＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなるＰ型ウェル１７を形成する。なお、Ｎ型拡散層１６の底部は、画素分離部１４を構成するＰ型拡散層の底部と同等となるように形成され、Ｐ型ウェル１７はＮ型拡散層１６よりも浅い領域に形成される。その後、図２−２（ｂ）に示されるように、Ｎ型拡散層１６の上部の浅い領域にＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８を形成する。
【００２９】
ついで、図２−２（ｃ）に示されるように、基板１１上にたとえば図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、Ｐ型ウェル１７を形成した領域上が開口するように加工を行った後、Ｐ型ウェル１７上のパッド酸化膜１０１をたとえばフッ酸を用いて除去する。これによって、フォトダイオードＰＤ上に残されたパッド酸化膜１０１は、保護膜１２となる。
【００３０】
その後、熱酸化などの方法によって、Ｐ型ウェル１７上にゲート絶縁膜１３を形成する。また、ゲート絶縁膜１３を形成した基板１１上に、たとえば多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて多結晶シリコン膜とゲート絶縁膜１３とを所定の形状にパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜１３とゲート電極１９との積層体が形成される。
【００３１】
その後、図示しないシリコン窒化膜を熱燐酸などで除去した後、回折格子構成材を形成する。回折格子構成材として、上記したように多結晶シリコン膜やＴｉＯ2膜、Ｔａ2Ｏ5膜などを用いることができる。ついで、リソグラフィ技術とＲＩＥ法などのエッチング技術とを用いて、第１の画素領域ＲLの回折格子構成材に第１の光を反射するように最適化された所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成し、回折格子部２０Ｌを形成する。このとき、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSにも、第１の画素領域ＲLに形成されたものと同じ所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成してもよい。また、エッチング技術によって回折格子部２０Ｌを形成する際に、回折格子構成材はフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して形成されているので、フォトダイオードＰＤがエッチングダメージを受けることがない。
【００３２】
その後、図２−３（ａ）に示されるように、イオン注入法によって、ゲート電極１９と画素分離部１４とで挟まれる領域にＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層からなる読み出しトランジスタＴｒのソース／ドレイン領域２１を形成する。
【００３３】
ついで、図示しない周辺回路を形成した後、図２−３（ｂ）に示されるように、回折格子部２０Ｌと読み出しトランジスタＴｒを形成した基板１１上に多層配線層３１を形成する。多層配線層３１は、複数の配線層３３が層間絶縁膜３２を介して積層された構造を有する。最下層の配線層３３と読み出しトランジスタＴｒなどの基板１１上の素子との間と、各配線層３３間とは、ビア３４によって接続される。
【００３４】
ついで、図２−３（ｃ）に示されるように、多層配線層３１の最上層の層間絶縁膜３２をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などによって平坦化した後、シリコン基板などの支持基板４１を、接着層を介して貼り合わせる。その後、基板１１の裏面側を所定の厚さとなるまで研削する。ここでは、Ｎ型拡散層１６が露出するまで研削を行う。
【００３５】
そして、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS上に所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを形成し、さらにその上にマイクロレンズ５２を形成することによって、図１に示される構造の固体撮像素子が得られる。
【００３６】
なお、図２−２（ｃ）で、回折格子構成材に多結晶シリコンを用いる場合には、ゲート電極１９と回折格子構成材とを同じ材料で形成することができる。また、この場合には、回折格子部２０Ｌとゲート電極１９とを一括して加工することができる。
【００３７】
第１の実施形態では、検出する光の中で最も波長の長い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLのフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して回折格子部２０Ｌを形成し、フォトダイオードＰＤ中で吸収され難い波長の長い第１の光を反射させるようにした。その結果、基板１１の厚さを、フォトダイオードＰＤで検出することができる光路長の１／２とすることができ、第１の光の受光感度の低下を防止することができる。また、回折格子部２０Ｌは、金属材料ではなく、半導体材料や絶縁材料などによって構成されるので、フォトダイオードＰＤが金属汚染される虞もない。さらに、回折格子部２０Ｌは、保護膜１２を介してフォトダイオードＰＤ上に形成されているので、回折格子部２０Ｌを形成する際に、エッチングダメージがフォトダイオードＰＤに入ることを抑え、フォトダイオードＰＤに固定パターンノイズが生じてしまうことを抑えることができるという効果も有する。また、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSで回折格子部２０Ｌの構造を統一する場合には、回折格子部２０Ｌの格子構造を形成する際のリソグラフィのマージンが拡大するという利点も有する。
【００３８】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第１の実施形態では、波長の長い第１の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｌを少なくとも第１の画素領域ＲLのフォトダイオードＰＤ上に設けていたが、第２の実施形態では、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射される光を反射するように構成された回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを各画素領域ＲL，ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上に設けている。すなわち、第１の画素領域ＲLには第１の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｌが設けられ、第２の画素領域ＲMには第２の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｍが設けられ、第３の画素領域ＲSには第３の光を反射するように構成された回折格子部２０Ｓが設けられている。
【００３９】
図４は、回折格子部の孔のピッチを変えた場合の光の透過率の様子を示す図である。この図で、横軸は、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓに入射する光の波長を示し、縦軸は、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓに入射した光の透過率を示す図である。たとえば、円柱状の孔を１８０〜２２０ｎｍピッチで形成すると、０．６３μｍ付近の光の透過率が０％となり、赤色光を反射させることができる。また、円柱状の孔を２３０〜２７０ｎｍピッチで形成すると、０．５５μｍ付近の光の透過率が０％となり、２８０〜３２０ｎｍピッチで形成すると、０．５３μｍ付近の光の透過率が０％となり、緑色光を反射させることができる。同様に、円柱状の孔を３３０〜３７０ｎｍピッチで形成すると、０．４６μｍ付近の光の透過率が０％となり、青色光を反射させることができる。なお、ここでは、直径がピッチの１／２である円柱状の孔が上記ピッチで２次元状に配置される回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを用いて測定を行っている。このように、円柱状の孔のピッチ（孔の径とピッチ）を変化させることで、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓでの反射できる光の波長を変えることができる。なお、これは一例であり、円柱状の孔の直径がピッチの１／２とならないように円柱状の孔を２次元的に配置する場合には、反射される光の波長と円柱状の孔の径またはピッチとの関係は、異なるものとなる。
【００４０】
図５は、導波モード共鳴格子の形状を模式的に示す平面図である。各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに円柱状の孔を所定の規則で（たとえば三角格子状に）配置した図である。この図では、最も波長の長い第１の画素領域ＲLでは回折格子部２０Ｌに形成される孔のピッチ（径）が最も大きく、最も波長の短い第３の画素領域ＲSでは回折格子部２０Ｓに形成される孔のピッチ（径）は最も小さく、中間の波長を有する第２の画素領域ＲMでは回折格子部２０Ｍに形成される孔のピッチ（径）は回折格子部２０Ｌ，２０Ｓの中間程度である。これによって、固体撮像素子の裏面のマイクロレンズ５２とカラーフィルタ５１を介して各画素ＰL，ＰM，ＰSに入射する光が反射される。このように第２の実施形態では、すべての画素領域ＲL，ＲM，ＲSに、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光を反射させる回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを設けている。これによって、第１の光よりも短い波長の第２と第３の光も光路長が長くなり、フォトダイオードＰＤで効率的に吸収される。
【００４１】
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。また、このような構造の固体撮像素子の製造方法は、第１の実施形態の図２−２（ｃ）の回折格子部２０Ｌの円柱状の貫通孔２０１をパターニングする際に、画素領域ＲL，ＲM，ＲSごとにピッチと径の異なる貫通孔を２次元的に周期的に配置する点が異なるのみで、基本的には第１の実施形態で説明した固体撮像素子の製造方法と同様であるので、その説明を省略する。
【００４２】
第２の実施形態では、第１の光よりも波長の長い第２と第３の光を検出する第２と第３の画素領域ＲM，ＲSのフォトダイオードＰＤ上に、保護膜１２を介してそれぞれ第２と第３の光を反射する回折格子部２０Ｍ，２０Ｓを形成するようにしたので、第２と第３の画素領域ＲM，ＲSに入射した第２と第３の光のフォトダイオードＰＤ中での光路長を長くすることができる。その結果、第２と第３の光に対しても受光感度の低下を防止することができるという効果を、第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第２の実施形態では、フォトダイオードＰＤ上に形成される保護膜１２は２〜１０ｎｍの厚さであったが、第３の実施形態では、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしている。保護膜１２として、たとえば厚さ１０〜４００ｎｍのシリコン酸化膜を用いることができる。このように保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍとすることで、第２の実施形態に比して、より大きな共鳴効果が起き、薄い保護膜１２の場合に比して回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓで光を反射させやすくすることが可能となる。保護膜１２の厚さが１０ｎｍよりも薄い場合には、共鳴効果を起こさせることができず、入射してきた光を十分に反射させることができず、また４００ｎｍよりも厚い場合には、これ以上膜厚を厚くしても光を反射させる効果にほとんど変わりがないため、保護膜１２の厚さは上記範囲であることが望ましい。なお、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓは、第２の実施形態と同様に、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光を反射することができるように、円柱状の貫通孔の径とピッチが調整されている。また、第１と第２の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
つぎに、このような構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。図７−１〜図７−２は、第３の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【００４５】
まず、図７−１（ａ）に示されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１（以下、単に基板ともいう）を用意し、熱酸化によって基板１１の一方の主面上にパッド酸化膜１０１を形成する。ついで、図７−２（ｂ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの境界に、イオン注入法によってＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる画素分離部１４を形成する。これによって、第１の光を検知する第１の画素領域ＲLと、第２の光を検知する第２の画素領域ＲMと、第３の光を検知する第３の画素領域ＲSと、が基板１１上に形成される。
【００４６】
その後、パッド酸化膜１０１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて読み出しトランジスタＴｒを形成する領域がシリコン窒化膜で覆われるようにシリコン窒化膜を加工した後、熱酸化を行い、シリコン窒化膜を除去する。これによって、図７−１（ｃ）に示されるように、読み出しトランジスタＴｒの形成領域を除いた領域に厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２と素子分離絶縁膜１５が形成される。保護膜１２は、フォトダイオードＰＤを形成する領域上に形成され、素子分離絶縁膜１５は画素分離部１４上に形成される。このように、第３の実施形態では、保護膜１２が素子分離絶縁膜１５と同一工程で作製されることになる。
【００４７】
ついで、図７−２（ａ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のフォトダイオードＰＤを形成する領域にはＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層１６を形成し、読み出しトランジスタＴｒを形成する領域には、ＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなるＰ型ウェル１７を形成する。なお、Ｎ型拡散層１６の底部は、画素分離部１４を構成するＰ型拡散層の底部と同等となるように形成され、Ｐ型ウェル１７はＮ型拡散層１６よりも浅い領域に形成される。その後、図７−２（ｂ）に示されるように、Ｎ型拡散層１６の上部の浅い領域にＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８を形成する。
【００４８】
ついで、図７−２（ｃ）に示されるように、たとえば基板１１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、Ｐ型ウェル１７を形成した領域上が開口するように加工を行った後、Ｐ型ウェル１７上のパッド酸化膜１０１をたとえばフッ酸を用いて除去する。その後、熱酸化などの方法によって、Ｐ型ウェル１７上にゲート絶縁膜１３を形成する。また、ゲート絶縁膜１３を形成した基板１１上に、たとえば多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて多結晶シリコン膜とゲート絶縁膜１３とを所定の形状にパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜１３とゲート電極１９との積層体が形成される。
【００４９】
その後、図示しないシリコン窒化膜を熱燐酸などで除去した後、回折格子構成材を形成する。回折格子構成材として、多結晶シリコン膜やＴｉＯ2膜、Ｔａ2Ｏ5膜などを用いることができる。ついで、リソグラフィ技術とＲＩＥ法などのエッチング技術とを用いて、第１の画素領域ＲLの回折格子構成材に第１の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成して回折格子部２０Ｌを形成し、第２の画素領域ＲMの回折格子構成材に第２の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０２を形成して回折格子部２０Ｍを形成し、第３の画素領域ＲSの回折格子構成材に第３の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０３を形成して回折格子部２０Ｓを形成する。このとき、エッチング技術によって回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを形成する際に、回折格子構成材はフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して形成されているので、フォトダイオードＰＤがエッチングダメージを受けることがない。
【００５０】
ついで、イオン注入法によって、ゲート電極１９と画素分離部１４とで挟まれる領域にＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層からなる読み出しトランジスタＴｒのソース／ドレイン領域２１を形成することで、図６に示される固体撮像素子の画素形成部１０が完成する。
【００５１】
この後、第１の実施形態の図２−３（ｂ）以降で説明したように、図示しない周辺回路を形成した後、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓと読み出しトランジスタＴｒを形成した基板１１上に多層配線層３１を形成する。ついで、多層配線層３１の最上層の層間絶縁膜３２を平坦化した後、シリコン基板などの支持基板４１を接着層を介して貼り合わせ、基板１１の裏面側をＮ型拡散層１６が露出するまで研削する。そして、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS上にそれぞれ所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを形成し、さらにその上にマイクロレンズ５２を形成することによって固体撮像素子が得られる。
【００５２】
第３の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第２の実施形態の効果に加えて得ることができる。また、保護膜１２を素子分離絶縁膜１５と同時に形成することができるので、固体撮像素子の製造工程を簡略化することができるという効果も有する。
【００５３】
（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第３の実施形態では、厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に形成される回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓは、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射される光を反射させることができるように円柱状の孔の径とピッチとを変えるようにしているが、第１の実施形態と同様に少なくとも回折格子部は、フォトダイオードＰＤ中で吸収され難い波長の長い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLに形成されていればよい。そこで、第４の実施形態では、第１〜第３の画素領域ＲL，ＲM，ＲS中の厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に、第１の光を反射するように調整された径とピッチとを有する円柱状の孔を２次元状に配置した回折格子部２０Ｌを形成する場合を示している。このように保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍとすることで、第１の実施形態に比して、より大きな共鳴効果が起き、回折格子部２０Ｌで薄い保護膜１２の場合に比して光を反射させやすくすることが可能となる。なお、第１〜第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。また、このような構造の固体撮像素子の形成方法は、第３の実施形態で説明したものと同様であるので、その説明も省略する。
【００５４】
第４の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。また、保護膜１２を素子分離絶縁膜１５と同時に形成することができるので、固体撮像素子の製造工程を簡略化することができるという効果も有する。
【００５５】
（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第３の実施形態では、保護膜１２と素子分離絶縁膜１５とを同一の工程で形成していたので、保護膜１２と素子分離絶縁膜１５の上面の高さと厚さは略同じであったが、第５の実施形態では、保護膜１２の形成位置と素子分離絶縁膜１５の形成位置とが異なっている。なお、第１〜第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
つぎに、このような構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。図１０−１〜図１０−３は、第５の実施形態による固体撮像素子の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。
【００５７】
まず、図１０−１（ａ）に示されるように、Ｐ型単結晶シリコン基板１１（以下、単に基板ともいう）を用意し、熱酸化によって基板１１の一方の主面上にパッド酸化膜１０１を形成する。ついで、図１０−２（ｂ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSの境界に、イオン注入法によってＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる画素分離部１４を形成する。これによって、第１の光を検知する第１の画素領域ＲLと、第２の光を検知する第２の画素領域ＲMと、第３の光を検知する第３の画素領域ＲSと、が基板１１上に形成される。
【００５８】
その後、パッド酸化膜１０１上に図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて素子分離絶縁膜１５を形成する領域が開口するようにシリコン窒化膜を加工した後、熱酸化を行い、シリコン窒化膜を除去する。これによって、図１０−１（ｃ）に示されるように、画素分離部１４上にパッド酸化膜１０１よりも厚い素子分離絶縁膜１５が形成される。
【００５９】
ついで、図１０−２（ａ）に示されるように、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS内のフォトダイオードＰＤを形成する領域にはＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層１６を形成し、読み出しトランジスタＴｒを形成する領域には、ＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなるＰ型ウェル１７を形成する。なお、Ｎ型拡散層１６の底部は、画素分離部１４を構成するＰ型拡散層の底部と同等となるように形成され、Ｐ型ウェル１７はＮ型拡散層１６よりも浅い領域に形成される。その後、図１０−２（ｂ）に示されるように、Ｎ型拡散層１６の上部の浅い領域にＢなどのＰ型不純物をイオン注入してＰ型拡散層からなる電荷蓄積層１８を形成する。
【００６０】
ついで、図１０−２（ｃ）に示されるように、基板１１上にたとえば図示しないシリコン窒化膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、Ｐ型ウェル１７を形成した領域上が開口するように加工を行った後、Ｐ型ウェル１７上のパッド酸化膜１０１をたとえばフッ酸を用いて除去する。その後、熱酸化などの方法によって、Ｐ型ウェル１７上にゲート絶縁膜１３を形成する。また、ゲート絶縁膜１３を形成した基板１１上に、たとえば多結晶シリコン膜を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて多結晶シリコン膜とゲート絶縁膜１３とを所定の形状にパターニングする。これによって、ゲート絶縁膜１３とゲート電極１９との積層体が形成される。
【００６１】
ついで、図示しないシリコン窒化膜を熱燐酸などで除去した後、図１０−３（ａ）に示されるように、イオン注入法によって、ゲート電極１９と画素分離部１４とで挟まれる領域にＰなどのＮ型不純物をイオン注入してＮ型拡散層からなる読み出しトランジスタＴｒのソース／ドレイン領域２１を形成する。
【００６２】
その後、図１０−３（ｂ）に示されるように、フォトダイオードＰＤ上（回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓの形成領域上）に保護膜１２を形成する。たとえば、リソグラフィ技術によって、フォトダイオードＰＤの形成領域が開口するようにレジストを形成した後、ＣＶＤ法などの成膜法によってシリコン酸化膜などの保護膜１２を形成した後、レジストを除去する。なお、形成した保護膜１２とパッド酸化膜１０１と合わせて保護膜１２とする。また、保護膜１２の厚さとしては、１０〜４００ｎｍとすることができる。
【００６３】
さらに、保護膜１２上に回折格子構成材を形成する。回折格子構成材として、多結晶シリコン膜やＴｉＯ2膜、Ｔａ2Ｏ5膜などを用いることができる。ついで、リソグラフィ技術とＲＩＥ法などのエッチング技術とを用いて、第１の画素領域ＲLの回折格子構成材に第１の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０１を形成して回折格子部２０Ｌを形成し、第２の画素領域ＲMの回折格子構成材に第２の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０２を形成して回折格子部２０Ｍを形成し、第３の画素領域ＲSの回折格子構成材に第３の光を反射する所定周期の円柱状の貫通孔２０３を形成して回折格子部２０Ｓを形成する。このとき、エッチング技術によって回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓを形成する際に、回折格子構成材はフォトダイオードＰＤ上に保護膜１２を介して形成されているので、フォトダイオードＰＤがエッチングダメージを受けることがない。以上によって、図９に示される固体撮像素子の画素形成部１０が完成する。
【００６４】
この後、第１の実施形態の図２−３（ｂ）以降で説明したように、図示しない周辺回路を形成した後、回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓと読み出しトランジスタＴｒを形成した基板１１上に多層配線層３１を形成する。ついで、多層配線層３１の最上層の層間絶縁膜３２を平坦化した後、シリコン基板などの支持基板４１を接着層を介して貼り合わせ、基板１１の裏面側をＮ型拡散層１６が露出するまで研削する。そして、各画素領域ＲL，ＲM，ＲS上に所定の波長の光のみを透過させるカラーフィルタ５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓを形成し、さらにその上にマイクロレンズ５２を形成することによって固体撮像素子が得られる。
【００６５】
第５の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域に入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第２の実施形態の効果に加えて得ることができる。
【００６６】
（第６の実施形態）
図１１は、第６の実施形態による固体撮像素子の画素形成部の構成を模式的に示す断面図である。第５の実施形態では、厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に形成される回折格子部２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓは、各画素領域ＲL，ＲM，ＲSに入射される光を反射させることができるように円柱状の孔の径とピッチとを変えるようにしているが、第１の実施形態と同様に少なくとも回折格子部は、フォトダイオードＰＤ中で吸収され難い波長の長い第１の光を検出する第１の画素領域ＲLに形成されていればよい。そこで、第６の実施形態では、第１〜第３の画素領域ＲL，ＲM，ＲS中の厚さ１０〜４００ｎｍの保護膜１２上に、第１の光を反射するように調整された径とピッチとを有する円柱状の孔を２次元状に配置した回折格子部２０Ｌを形成する場合を示している。このように保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍとすることで、第１の実施形態に比して、より大きな共鳴効果が起き、薄い保護膜１２の場合に比して回折格子部２０Ｌで光を反射させやすくすることが可能となる。なお、第１〜第５の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。また、このような構造の固体撮像素子の形成方法は、第５の実施形態で説明したものと同様であるので、その説明も省略する。
【００６７】
第６の実施形態によれば、保護膜１２の厚さを１０〜４００ｎｍの厚さとしたので、画素領域に入射する光をより効果的に反射させることができるという効果を第１の実施形態の効果に加えて得ることができる。
【００６８】
なお、上述した実施形態では、１絵素が３つの画素ＰL，ＰM，ＰSからなる場合を示したが、１絵素が２つ以上の画素からなる場合も、同様に上記の実施形態を適用することができる。また、上記した説明では、裏面照射型の固体撮像素子を例に挙げたが、表面照射型の固体撮像素子に対しても、光の入射面側と対向する側の基板１１の裏面のフォトダイオードＰＤの形成領域上にシリコン酸化膜などの保護膜１２を介して回折格子部を設けることによって、上記した実施形態を同様に適用することができる。
【００６９】
さらに、上記した説明では、基板としてＰ型単結晶シリコン基板を用いる場合を例示したが、Ｎ型単結晶シリコン基板を用いてもよい。この場合には、基板がＮ型となるだけで、その他の導電型は上記で説明したものと同様である。また、上記した説明では、基板として、単結晶シリコン基板を用いているが、単結晶ゲルマニウム基板や単結晶ガリウム砒素基板などの単結晶半導体基板を用いてもよいし、多結晶シリコン基板や多結晶ゲルマニウム基板などの多結晶半導体基板を用いてもよい。
【００７０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…画素形成部、１１…Ｐ型単結晶シリコン基板（基板）、１２…保護膜、１３…ゲート絶縁膜、１４…画素分離部、１５…素子分離絶縁膜、１６…Ｎ型拡散層、１７…Ｐ型ウェル、１８…電荷蓄積層、１９…ゲート電極、２０Ｌ，２０Ｍ，２０Ｓ…回折格子部、２１…ソース／ドレイン領域、３１…多層配線層、３２…層間絶縁膜、３３…配線層、３４…ビア、４１…支持基板、５１，５１Ｌ，５１Ｍ，５１Ｓ…カラーフィルタ、５２…マイクロレンズ、１０１…パッド酸化膜、２０１，２０２，２０３…貫通孔、ＰL，ＰM，ＰS…画素、ＰＤ…フォトダイオード、ＲL，ＲM，ＲS…画素領域、Ｔｒ…読み出しトランジスタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を透過させるフィルタと、前記フィルタを透過する前記所定の波長の光を検出するフォトダイオードと、を含む画素を、異なる波長の光を検出するように複数有する絵素が、所定の周期で２次元的に半導体基板上に配置される固体撮像素子において、
前記絵素中の最も長い波長の光を検出する画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される第１回折格子部と、
を備え、
前記絵素中の前記最も長い波長の光を検出する前記画素以外の他の画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる前記保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が所定の周期で２次元的に配置される第２回折格子部と、
を備え、
前記第１回折格子部は、前記絵素中の前記最も長い波長の光を検出する前記画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択され、
前記第２回折格子部は、前記他の画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
所定の波長の光を透過させるフィルタと、前記フィルタを透過する前記所定の波長の光を検出するフォトダイオードと、を含む画素を、異なる波長の光を検出するように複数有する絵素が、所定の周期で２次元的に半導体基板上に配置される固体撮像素子において、
前記絵素中の最も長い波長の光を検出する画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される第１回折格子部と、
を備え、
前記第１回折格子部は、当該画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
前記絵素中の前記最も長い波長の光を検出する前記画素以外の他の画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる前記保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が所定の周期で２次元的に配置される第２回折格子部と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第２回折格子部は、前記第１回折格子部と同じ前記孔の径と前記周期を有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１回折格子部は、前記保護膜よりも高い屈折率を有する材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記保護膜は、シリコン酸化膜からなり、
前記第１回折格子部は、シリコン、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5のいずれかよりなることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第２回折格子部は、前記保護膜よりも高い屈折率を有する材料からなることを特徴とする請求項１，３または４のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記保護膜は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２回折格子部は、シリコン、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5のいずれかよりなることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記画素は、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を読み出す読み出しトランジスタをさらに備え、
前記保護膜は、前記読み出しトランジスタのゲート絶縁膜とほぼ同じ厚さを有し、前記ゲート絶縁膜の上面と略同じ高さに上面を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記半導体基板の表面付近の隣接する前記画素間の境界に設けられる素子分離絶縁膜をさらに備え、
前記保護膜は、前記素子分離絶縁膜と略同じ厚さを有し、前記素子分離絶縁膜の上面と略同じ高さに上面を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記絵素は、赤色光、緑色光および青色光を検出する３つの画素によって構成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記半導体基板の前記フォトダイオードのＰＮ接合面の形成面側に多層配線層をさらに備え、
前記フィルタは、前記半導体基板の前記多層配線層の形成面とは対向する側の面上に設けられることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１】
所定の波長の光を透過させるフィルタと、前記フィルタを透過する前記所定の波長の光を検出するフォトダイオードと、を含む画素を、異なる波長の光を検出するように複数有する絵素が、所定の周期で２次元的に半導体基板上に配置される固体撮像素子において、
前記絵素中の最も長い波長の光を検出する画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される第１回折格子部と、
を備え、
前記絵素中の前記最も長い波長の光を検出する前記画素以外の他の画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる前記保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が所定の周期で２次元的に配置される第２回折格子部と、
を備え、
前記第１回折格子部は、前記絵素中の前記最も長い波長の光を検出する前記画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択され、
前記第２回折格子部は、前記他の画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
所定の波長の光を透過させるフィルタと、前記フィルタを透過する前記所定の波長の光を検出するフォトダイオードと、を含む画素を、異なる波長の光を検出するように複数有する絵素が、所定の周期で２次元的に半導体基板上に配置される固体撮像素子において、
前記絵素中の最も長い波長の光を検出する画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が２次元的に配置される第１回折格子部と、
を備え、
前記第１回折格子部は、当該画素に設けられる前記フィルタを透過する光を反射させるように前記孔の径と配置される周期が選択されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
前記絵素中の前記最も長い波長の光を検出する前記画素以外の他の画素は、
前記半導体基板の前記光の入射面と対向する面側の前記フォトダイオード上に設けられる前記保護膜と、
前記保護膜上に設けられ、厚さ方向に貫通する円柱状の孔が所定の周期で２次元的に配置される第２回折格子部と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第２回折格子部は、前記第１回折格子部と同じ前記孔の径と前記周期を有することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１回折格子部は、前記保護膜よりも高い屈折率を有する材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記保護膜は、シリコン酸化膜からなり、
前記第１回折格子部は、シリコン、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5のいずれかよりなることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記第２回折格子部は、前記保護膜よりも高い屈折率を有する材料からなることを特徴とする請求項１，３または４のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記保護膜は、シリコン酸化膜からなり、
前記第２回折格子部は、シリコン、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5のいずれかよりなることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記画素は、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を読み出す読み出しトランジスタをさらに備え、
前記保護膜は、前記読み出しトランジスタのゲート絶縁膜とほぼ同じ厚さを有し、前記ゲート絶縁膜の上面と略同じ高さに上面を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記半導体基板の表面付近の隣接する前記画素間の境界に設けられる素子分離絶縁膜をさらに備え、
前記保護膜は、前記素子分離絶縁膜と略同じ厚さを有し、前記素子分離絶縁膜の上面と略同じ高さに上面を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記絵素は、赤色光、緑色光および青色光を検出する３つの画素によって構成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記半導体基板の前記フォトダイオードのＰＮ接合面の形成面側に多層配線層をさらに備え、
前記フィルタは、前記半導体基板の前記多層配線層の形成面とは対向する側の面上に設けられることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【図１】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１０−３】
【図１１】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１０−３】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−９８５０３（Ｐ２０１３−９８５０３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４２９９３（Ｐ２０１１−２４２９９３）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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