固体撮像装置
【課題】高い集光効率を有し、高感度な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換機能を有する受光部１０３が内部に形成されてなる半導体基板１０１と、絶縁膜１０７，１０９，１１１と配線１１３，１１４との積層構造を有し、半導体基板１０１の上方に形成され、且つ、受光部１０３の上方に相当する箇所に凹部が形成された配線層と、絶縁膜１０９，１１１よりも屈折率が高く、凹部を臨む配線層の側面を被覆する第２絶縁膜１１５と、第２絶縁膜１１５よりも屈折率が低く、第２絶縁膜１１５の前記側面を被覆する第３絶縁膜１１６と、第３絶縁膜１１６よりも屈折率が高く、第３絶縁膜１１６の前記側面を被覆する第４絶縁膜１１７と、を備える。光導波路は、絶縁膜１０９，１１１と、その凹部内に形成された第２絶縁膜１１５、および第３絶縁膜１１６、および第４絶縁膜１１７とにより構成されている。
【解決手段】光電変換機能を有する受光部１０３が内部に形成されてなる半導体基板１０１と、絶縁膜１０７，１０９，１１１と配線１１３，１１４との積層構造を有し、半導体基板１０１の上方に形成され、且つ、受光部１０３の上方に相当する箇所に凹部が形成された配線層と、絶縁膜１０９，１１１よりも屈折率が高く、凹部を臨む配線層の側面を被覆する第２絶縁膜１１５と、第２絶縁膜１１５よりも屈折率が低く、第２絶縁膜１１５の前記側面を被覆する第３絶縁膜１１６と、第３絶縁膜１１６よりも屈折率が高く、第３絶縁膜１１６の前記側面を被覆する第４絶縁膜１１７と、を備える。光導波路は、絶縁膜１０９，１１１と、その凹部内に形成された第２絶縁膜１１５、および第３絶縁膜１１６、および第４絶縁膜１１７とにより構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、受光部の上部における導波路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ディジタルスティルカメラやビデオカメラなどの撮像デバイスとして用いられている。例えば、固体撮像装置の一種であるＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサは、半導体基板をベースとして、複数のフォトダイオードが形成されてなる画素領域と、その周辺に形成された周辺回路領域とを有し構成されている。複数のフォトダイオードは、画素部毎に対応して設けられており、例えば、半導体基板の表層において、主面に沿ってマトリクス状に配置されている。
【０００３】
従来技術に係る固体撮像装置の画素部構成について、図７に基づいて、特許文献１に開示された構成を一例として用い説明する。
図７に示すように、従来技術に係る固体撮像装置の画素部では、半導体基板９０１の一方の主面（Ｚ軸方向上側主面）の表層部分にフォトダイオード９０３が形成されている。半導体基板９０１上には、絶縁膜９０７が積層され、さらにその上には、絶縁膜９０９，９１１が順に積層されている。絶縁膜９０７と絶縁膜９０９との間、絶縁膜９０９と絶縁膜９１１との間、および絶縁膜９１１上には、拡散防止膜９０８，９１０，９１２がそれぞれ形成されている。また、絶縁膜９０７，９０９，９１１と拡散防止膜９０８，９１０，９１２との各境界面からは、Ｚ軸下方に配線９１３，９１４，９１５がそれぞれ形成されている。
【０００４】
絶縁膜９０７，９０９，９１１および配線９１３，９１４，９１５、さらには拡散防止膜９０８，９１０，９１２の積層体である配線層は、フォトダイオード９０１の上方に相当する箇所に凹部が形成されている。そして、拡散防止膜９１２上を被覆するように形成されたパッシベーション膜９１７が、配線層に開けられた凹部を埋め込む状態に充填形成されている。ここで、パッシベーション膜９１７は、絶縁膜９０９，９１１などよりも高屈折率であり、入射光Ｌ９１は、パッシベーション膜９１７と絶縁膜９０９，９１１との界面９１７ｓｆで反射され、配線層への光の漏れ出しがある程度防止される。即ち、パッシベーション膜９１７を絶縁膜９０９，９１１よりも高屈折率とすることで、フォトダイオード９０３の上方に光導波路を構成し、これにより高い効率での集光を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１１７６７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１６６６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術に係る固体撮像装置では、光導波路から配線層への光の漏れ出し（エバネッセント波）が生じ、更なる集光効率の向上を図ろうとするとき問題となる。また、配線層へ漏れ出した光は、金属材料からなる配線９１４，９１５により散乱され、隣接する画素部などへと侵入してしまうという問題もある。これらの問題は、画素サイズの微細化を進めるにあたり、特に問題となる。
【０００７】
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、高い集光効率を有し、高感度な固体撮像装置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】
【０００８】
そこで、本発明は、次の構成を採用する。
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、配線層と、第２の絶縁膜と、第３の絶縁膜と、第４の絶縁膜とを備える。
【０００９】
半導体基板は、その内部に光電変換機能を有する受光部が形成されている。
配線層は、第１の絶縁膜と配線との積層構造を有し、半導体基板の上方に形成され、且つ、受光部の上方に相当する箇所に凹部が形成されている。
【００１０】
第２の絶縁膜は、配線層における第１の絶縁膜よりも屈折率が高く、配線層に開けられた凹部を臨む配線層の側面を少なくとも被覆する状態で形成されている。
第３の絶縁膜は、第２の絶縁膜よりも屈折率が低く、配線層に開けられた凹部を臨む配線層の上記側面に対応する第２の絶縁膜の側面を少なくとも被覆する状態で形成されている。
【００１１】
第４の絶縁膜は、第３の絶縁膜よりも屈折率が高く、第２の絶縁膜の上記側面に対応する第３の絶縁膜の上記側面を少なくとも被覆する状態で形成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置では、配線層に開けられた凹部に対し、これを臨む配線層の側面に第２の絶縁膜、第３の絶縁膜、および第４の絶縁膜が順に積層形成されている。そして、第２の絶縁膜は配線層における第１の絶縁膜よりも屈折率が高く、また、第４の絶縁膜は第３の絶縁膜よりも屈折率が高い。よって、本発明に係る固体撮像装置では、配線層に開けられた凹部に侵入した入射光の一部が、仮に配線層の方へと進んだとしても、第４の絶縁膜と第３の絶縁膜との間の界面と、第２の絶縁膜と配線層における第１の絶縁膜との界面と、の両方で導波路内部側へと反射される。
【００１３】
従って、本発明に係る固体撮像装置では、上記従来技術に係る固体撮像装置よりも、高い集光効率を実現することができ、高感度である。
本発明に係る固体撮像装置では、例えば、次のようなバリエーション構成を採用することができる。
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第２の絶縁膜が配線層における凹部の底面も被覆する状態で形成されており、第３の絶縁膜が配線層における凹部の底面に対応する第２の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されており、第４の絶縁膜が第２の絶縁膜の上記底面に対応する第３の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されている、という構成を採用することができる。凹部を臨む配線層の底面については、必ずしも第２の絶縁膜、第３の絶縁膜、および第４の絶縁膜を積層形成する必要はないが、このような構成を採用すれば、凹部を臨む配線層の底面に対応する部分における各絶縁膜を除去することが必要ではなく、製造コストの観点から優れる。
【００１５】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜が配線層の凹部内で、第３の絶縁膜の上記側面内側に残る凹部を充填する状態で形成されているとともに、受光部の上方に相当する箇所が上凸形状に形成されている、という構成を採用することもできる。このような構成を採用すれば、第４の絶縁膜における上凸形状に形成された部分と、さらにその上に積層される層との間で集光レンズが形成されることになる。このため、このような構成を採用する場合には、更に高い集光効率を実現することができ、更なる感度向上を図ることができる。
【００１６】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜上には、受光部上方に相当する箇所が開口された格子状の隔壁が設けられており、前記開口の内方にカラーフィルタが埋め込まれている、という構成を採用することができる。このような構成を採用することにより、隣接する画素部のカラーフィルタ間が隔壁で区画されることになり、カラーフィルタ間での光の漏れ込みも防止することができる。これより、更に高い集光効率を実現することができる。
【００１７】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜がカラーフィルタよりも屈折率が高い、という構成を採用することができる。この構成を採用することにより、第４の絶縁膜からカラーフィルタへと光が漏れ込むことを効果的に防止することができ、光導波路への光の閉じ込めという観点から更に効果的である。
【００１８】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、隔壁が酸化物からなる、という構成を採用することができる。
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第２の絶縁膜が窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる、という構成を採用することができる。
【００１９】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜が窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる、という構成を採用することができる。
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第３の絶縁膜が酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる、という構成を採用することができる。
【００２０】
なお、窒化シリコンからなる第２の絶縁膜は、その屈折率ｎ＝２．０であり、半導体素子に用いられる絶縁膜の中でも最も高い屈折率を有する。また、酸窒化シリコンからなる第３の絶縁膜の屈折率ｎ＝１．７５であり、酸化シリコンからなる場合には、屈折率ｎ＝１．４５である。これより、本発明に係る固体撮像装置では、上記のような材料からなる各絶縁膜を備えることで、配線層への光の漏れ出しを効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１の全体構成を示す模式ブロック図である。
【図２】固体撮像装置１の画素部１００における構成を示す模式断面図である。
【図３】固体撮像装置１における光の入射経路を示す模式断面図である。
【図４】発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２の画素部２００における構成を示す模式断面図である。
【図５】発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３の画素部３００における構成を示す模式断面図である。
【図６】発明の実施の形態４に係る固体撮像装置４の画素部４００における構成を示す模式断面図である。
【図７】従来技術に係る固体撮像装置の画素部における構成の一部を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明を実施するための形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下の各実施の形態は、本発明の構成およびそこから奏される作用・効果を分かり易く説明するために用いる例であって、本発明は、本質的な特徴部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
【００２３】
［実施の形態１］
１．固体撮像装置１の全体構成
実施の形態１に係る固体撮像装置１の全体構成について、図１を用い説明する。
【００２４】
図１に示すように、実施の形態１に係る固体撮像装置１では、複数の画素部１００がＸ−Ｙ面に沿ってマトリクス状（行列状）に配列され、これより画素領域１０が構成されている。画素領域１０に対しては、その周辺に配されたパルス発生回路２１、水平シフトレジスタ２２、および垂直シフトレジスタ２３が接続されている。水平シフトレジスタ２２および垂直シフトレジスタ２３は、パルス発生回路２１からのタイミングパルスの印加に呼応して、各画素部１００に対して、順次、駆動パルスを出力する。
【００２５】
２．固体撮像装置１の画素部１００における構成
固体撮像装置１の画素部１００における構成について、図２を用い説明する。
図２に示すように、固体撮像装置１は、半導体基板１０１の主面上にゲート絶縁膜１０２が形成されている。ゲート絶縁膜１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。半導体基板１０１内には、ゲート絶縁膜１０２との界面部分から内方に向けてフォトダイオード１０３が形成されている。フォトダイオード１０３は、ｎ型の電荷蓄積層１０３ａとｐ＋型の表面層１０３ｂとのｐｎ接合により構成されている。
【００２６】
ここで、フォトダイオード１０３の幅は、例えば、画素部１００のセルサイズを１．４［μｍ］とするとき、０．７［μｍ］である。
半導体基板１０１の表層部には、フォトダイオード１０３の他に、素子分離領域１０４等が形成されている。素子分領域１０４は、半導体基板１０１の該当部分に、ボロンなどの不純物をイオン注入することにより形成されている。なお、固体撮像装置１では、各画素部１００にフローティングディフュージョン（ＦＤ）やトランジスタ素子も有しているが、図２では、その図示を省略する。
【００２７】
ゲート絶縁膜１０２上におけるフォトダイオード１０３の上方に相当する部分には、反射防止膜１０５およびゲート電極１０６が形成されている。反射防止膜１０５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）から形成されており、フォトダイオード１０３に入射する光が半導体基板１０１の表面で反射されることを抑制するために設けられている。
【００２８】
ゲート電極１０６は、例えば、ポリシリコンまたはタングステンシリサイドから形成されている。
次に、ゲート絶縁膜１０２の上には、絶縁膜（第１の絶縁膜）１０７が堆積され、絶縁膜１０７の上にはエッチングストップ層１０８が形成されている。絶縁膜１０７は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成され、膜厚が４００［ｎｍ］である。エッチングストップ層１０８は、例えば、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化シリコンから形成され、膜厚が５０［ｎｍ］である。
【００２９】
エッチングストップ層１０８の上には、絶縁膜（第１の絶縁膜）１０９、拡散防止膜１１０、絶縁膜（第１の絶縁膜）１１１、および拡散防止膜１１２が順に積層されている。そして、各絶縁膜１０９，１１１には、配線１１３，１１４が形成されている。絶縁膜１０９，１１１も、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成され、膜厚は３００［ｎｍ］である。絶縁膜１０９，１１１の屈折率は、例えば、１．４５である。固体撮像装置１では、絶縁膜１０７，１０９，１１１と、配線１１３，１１４とを含む積層体が、配線層に該当するが、配線層を２層構造（配線１１３，１１４が２層）とすることにより、固体撮像装置１の低背化を図ることが可能となる。これより、固体撮像装置１では、入射光の光路を短くすることができ、感度の向上を図ることができる。
【００３０】
拡散防止膜１１０，１１２は、例えば、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化シリコンから形成され、膜厚が５０［ｎｍ］〜７０[ｎｍ]である。また、拡散防止膜１１０，１１２の屈折率は、例えば、１．７〜２．０である。拡散防止膜１１０，１１２は、配線１１３，１１４を形成する際に、その材料である銅原子が絶縁膜１０９，１１１に対し拡散することを防止する役割を果たす。
【００３１】
配線１１３，１１４は、絶縁膜１０９，１１１に予め形成された溝に、銅（Ｃｕ）あるいはその合金が埋め込まれることで形成されている。このとき、例えば、ダマシンプロセスで形成されたタンタル／窒化タンタルからなるバリアメタル層が銅配線の外周に形成されるという構成を採用することもできる。バリアメタル層は、銅原子が絶縁膜１０９，１１１に対し拡散することを防止するとともに、絶縁膜１０９，１１１と銅（Ｃｕ）との密着性の向上も図ることができる。
【００３２】
ここで、絶縁膜１０９，１１１および拡散防止膜１１０，１１２は、フォトダイオード１０３の上方に相当する箇所が開口されており、配線層に凹部が形成されている（Ａ部）。凹部内には、配線１１３，１１４も設けられていない。
【００３３】
配線層における凹部は、アスペクト比が１、あるいはそれ以下である。凹部の深さについては、６００［ｎｍ］程度、あるいはそれ以下とすることが望ましい。これは、仮に凹部の深さを６００［ｎｍ］よりも大きくした場合には、通常のＣＶＤ法を用い絶縁膜１１５，１１６，１１７を形成する場合に、凹部内にボイド（空孔）が生じることが考えられるためである。凹部内にボイドが発生した場合には、当該ボイドが光の散乱の原因となり、感度が大幅に低下する。このため、凹部の深さを６００［ｎｍ］程度、あるいはそれ以下とすることが望ましい。
【００３４】
配線層における凹部を臨む側面および底面を被覆する状態で、第２絶縁膜１１５、第３絶縁膜１１６、および第４絶縁膜１１７が順に積層形成されている。第４絶縁膜１１７については、第３絶縁膜１１６の側面および底面で構成される凹部を埋め込むように形成され、Ｚ軸方向上側が略平坦に形成されている。
【００３５】
第２絶縁膜１１５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなり、凹部を臨む底面（エッチングストップ層１０８表面）からの膜厚が３００［ｎｍ］程度である。窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる第２絶縁膜１１５の屈折率は、絶縁膜１０９，１１１よりも高い１．９〜２．０である。
【００３６】
第３絶縁膜１１６は、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなり、膜厚が１０［ｎｍ］〜１００［ｎｍ］程度である。酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる第３絶縁膜１１６の屈折率は、第２絶縁膜１１５よりも低い１．６〜１．８である。
【００３７】
第４絶縁膜１１７は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなり、Ｚ軸方向における第３絶縁膜１１６の底面からの膜厚が３００［ｎｍ］程度である。第４絶縁膜１１７の屈折率は、第３絶縁膜１１６よりも高い１．９〜２．０である。
【００３８】
絶縁膜１０９，１１１，１１５，１１６，１１７の屈折率について整理すると、次のようになる。
絶縁膜１０９，１１１の屈折率をｎ１とし、第２絶縁膜１１５の屈折率をｎ２とし、第３絶縁膜１１６の屈折率をｎ３とし、第４絶縁膜１１７の屈折率をｎ４とするとき、次の関係を満たす。
【００３９】
［数１］ｎ２＞ｎ１
［数２］ｎ３＜ｎ２
［数３］ｎ４＞ｎ３
続いて、図２に示すように、第４絶縁膜１１７の上には、埋め込み層１１８、平坦化樹脂層１１９、カラーフィルタ１２０、平坦化膜１２１、およびマイクロレンズ１２２が順に形成されている。ここで、平坦化樹脂層１１９は、その上に形成されるカラーフィルタ１２０を接着するための接着層としても機能する。
【００４０】
カラーフィルタ１２０は、例えば、画素部１００毎に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の何れかの波長域の光成分を透過するようになっている。
３．固体撮像装置１における光の入射経路
固体撮像装置１における光の入射経路について、図３を用い説明する。なお、図３は、本実施の形態に係る固体撮像装置１での光の入射経路を示す。
【００４１】
先ず、図３に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、入射光はマイクロレンズ１２２で集光され（Ｌ１）、カラーフィルタ１２０などを通過して光導波路へと入射する。光導波路に入射した光は、その一部の成分が側壁側へと進むが、第４絶縁膜１１７と第３絶縁膜１１６との屈折率差（上記［数３］の関係）により第４絶縁膜１１７側へと反射される（Ｌ２）。
【００４２】
また、光の一部成分は、第４絶縁膜１１７と第３絶縁膜１１６との界面を透過し、配線層における凹部を臨む側面方向へと進むが、第２絶縁膜１１５と絶縁膜１０９，１１１との屈折率差（上記［数１］の関係）により第２絶縁膜１１５側へと反射される（Ｌ３）。そして、光導波路を通過した光は、フォトダイオード１０３へと入射される（Ｌ４）。
【００４３】
一方、図７に示すように、従来技術に係る固体撮像装置では、入射した光が、コアであるパッシベーション膜９１７と、クラッドとしての配線層の絶縁膜９１４，９１５とにより構成され、互いの屈折率差により界面９１７ｓｆで光が反射される。
【００４４】
しかしながら、従来技術に係る固体撮像装置では、配線層へと漏れ出た光が、配線９１４，９１５により散乱されてしまう。このため、絶縁膜９０４を透過して半導体基板９０１の表層に形成されたフォトダイオード９０３へと入射する光が、図３に示す本実施の形態に係る固体撮像装置１よりも少なくなってしまう。
【００４５】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、配線層に開けられた凹部に対し、コアとして第２絶縁膜１１５、第３絶縁膜１１６、および第４絶縁膜１１７の３層を充填形成している。このため、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、光導波路に二重の光閉じ込め構造を採用することで、配線層への光の漏れ出しを非常に低いものとすることができる。よって、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、図７に示す従来技術に係る固体撮像装置よりも、高い集光効率を有し、高感度である。
【００４６】
［実施の形態２］
次に、実施の形態２に係る固体撮像装置２の構成について、図４を用い説明する。なお、図４では、固体撮像装置２の構成の内、画素領域における一の画素部２００を抜き出して示しており、画素領域以外の構成については、上記実施の形態１と同様である。また、以下の説明においても、上記実施の形態１と同様の箇所については、その説明を省略する。
【００４７】
図４に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置２では、第４絶縁膜２１７における上面（Ｚ軸方向上側の主面）２１７ｕｆの形状が、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１の第４絶縁膜１１７と相違する。具体的には、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１では、第４絶縁膜１１７の上面が平坦であったのに対して、本実施の形態に係る固体撮像装置２では、第４絶縁膜２１７の上面が上凸形状となっている。これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置２では、マイクロレンズ１２２で集光された光が、埋め込み層２１８と第４絶縁膜２１７との界面で構成された上凸レンズにより、さらに集光されて光導波路へと導かれる。
【００４８】
光導波路の構成については、第４絶縁膜２１７の上面２１７ｕｆの形状を除き、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１と同様であるので、更に高い集光効率が実現できる。
［実施の形態３］
次に、実施の形態３に係る固体撮像装置３の構成について、図５を用い説明する。なお、図５においても、固体撮像装置３の構成の内、画素領域における一の画素部３００を抜き出して示しており、画素領域以外の構成については、上記実施の形態１，２と同様である。また、以下の説明においても、上記実施の形態１，２と同様の箇所については、その説明を省略する。
【００４９】
図５に示すように、第４絶縁膜２１７の上面２１７ｕｆの上における、隣接する画素部３００同士の境界部分に隔壁（第５絶縁膜）３２３が形成されている。そして、第４絶縁膜２１７上であって、隔壁３２３で挟まれる領域の内側には、カラーフィルタ３１８が形成されている。隔壁３２３とカラーフィルタ３１８とは、互いの間に隙間を生じないように形成されている。隔壁３２３の頂部およびカラーフィルタ３１８上には、平坦化膜１２１およびマイクロレンズ１２２が積層形成されている。
【００５０】
ここで、固体撮像装置３をＺ軸方向上側から平面視するとき、隔壁３２３は格子状に形成されており、カラーフィルタ３１８は画素部３００毎に異なる透過色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に設定されている。
【００５１】
隔壁３２３は、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料としたＣＶＤ膜（ＴＥＯＳ膜）であって、屈折率は１．４〜１．５程度である。カラーフィルタ３１８の屈折率は、用いる材料により異なるが、通常、１．６〜１．７程度である。
【００５２】
よって、本実施の形態に係る固体撮像装置３では、マイクロレンズ１２２で集光された光の一部が、カラーフィルタ３１８の側面から隣接する画素部３００のカラーフィルタ３１８へと漏れだそうとしても、カラーフィルタ３１８の屈折率が隔壁３２３の屈折率よりも大きいので、界面で反射される。よって、隣接する画素部３００への光の漏れ出しを防止するという観点から、上記実施の形態２に係る固体撮像装置２よりも、更に優れる。
【００５３】
また、カラーフィルタ３１８の導波路底面を通り抜ける光は、回折して横方向（Ｚ軸に直交する方向）に広がる。本実施の形態に係る固体撮像装置３では、カラーフィルタ３１８の導波路底面が上凸形状であり、光は回折することなく、そのまま光導波路内部に集光される。
【００５４】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置３では、隔壁３２３の形成により隣接するカラーフィルタ３１８への光の漏れ出しを防止し、且つ、カラーフィルタ３１８の底面が、画素部３００の全領域で曲率をもち、それが下部の光導波路における上部の膜（第４絶縁膜２１７）と合致する構成を採用することにより、光の横方向への回折を抑制することができるので、更なる集光率の向上を図ることができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、第４絶縁膜２１７の上面を、上記実施の形態２と同様の上凸形状の上面２１７ｕｆとしたが、上記実施の形態１と同様に平坦な上面とすることもできる。このように第４絶縁膜２１７の上面を平坦とする場合においても、上記実施の形態１に対して更なる集光率の向上を図ることができる。
【００５６】
［実施の形態４］
次に、実施の形態４に係る固体撮像装置４の構成について、図６を用い説明する。なお、図６においても、固体撮像装置４の構成の内、画素領域における一の画素部４００を抜き出して示しており、画素領域以外の構成については、上記実施の形態１，２，３と同様である。また、以下の説明においても、上記実施の形態１，２，３と同様の箇所については、その説明を省略する。
【００５７】
図６に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置４では、拡散防止膜１１２の上に絶縁膜４２５が積層されており、絶縁膜４２５までを含み配線層が構成されている。配線層における絶縁膜４２５の上には、第２絶縁膜４１５が積層され、その上には、隔壁４２３が立設されている。即ち、本実施の形態では、配線層における絶縁膜４２５の上には第３絶縁膜４１６および第４絶縁膜４１７は積層されていない。
【００５８】
絶縁膜４２５は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、膜厚が８０［ｎｍ］〜１２０［ｎｍ］である。より具体的には、絶縁膜４２５の膜厚は、１００［ｎｍ］である。第２絶縁膜４１５の膜厚は、絶縁膜４２５上において、２００［ｎｍ］〜４００［ｎｍ］であって、より具体的には３００［ｎｍ］である。
【００５９】
また、本実施の形態に係る固体撮像装置４では、隣接する画素部４００間でカラーフィルタ４１８同士を区画する隔壁４２３が、Ｚ軸方向に下部層４２３ａと上部層４２３ｂとが積層された構成を有し、上辺が下辺よりも幅狭の台形断面となっている。隔壁４２３を構成する下部層４２３ａおよび上部層４２３ｂは、ともにＴＥＯＳ膜であって、屈折率が１．４〜１．５程度である。また、隔壁４２３においては、下部層４２３ａと上部層４２３ｂとの間に、界面が存在し、当該界面でＺ軸方向上側から下向きに隔壁４２３内を進む光を反射し、下方への侵入を防止する役割を果たす。
【００６０】
隔壁４２３は、高さが６００［ｎｍ］〜８００［ｎｍ］、上部の幅が１５０［ｎｍ］〜２５０［ｎｍ］、下部の幅が２００［ｎｍ］〜４００［ｎｍ］に設定されている。より具体的には、高さが７００［ｎｍ］、上部の幅が２００［ｎｍ］、下部の幅が３００［ｎｍ］に設定されている。
【００６１】
また、本実施の形態に係る固体撮像装置４では、隔壁４２３の下端における開口幅Ｗ１と、光導波路の上端における開口幅Ｗ２とは、隔壁４２３の内側斜面をＺ軸方向下側に向けて延長したと仮定した場合、その仮想線が光導波路の上端よりも内側を通過するように設定されている。これにより、カラーフィルタ４１８を通過した光が、漏れなく光導波路へと導かれる。この場合、隔壁４２３の側壁と光導波路の側壁には、それぞれ傾斜がつけられていることが好ましい。傾斜をつけることにより、基板表層におけるフォトダイオード１０３の中心近傍に集光し易くなる。
【００６２】
ここで、画素部４００のセルサイズを１．４［μｍ］とするとき、幅Ｗ１は、１０００［ｎｍ］〜１２００［ｎｍ］、幅Ｗ２は、９００［ｎｍ］〜１２００［ｎｍ］となっている。より具体的には、幅Ｗ１および幅Ｗ２は、ともに１１００［ｎｍ］である。
【００６３】
また、図６に示すように、第４絶縁膜２１７における隔壁４２３間の上凸形状部分の上面、および隔壁４２３の外面には、密着層４２４が形成されている。密着層４２４は、例えば、エポキシ樹脂などの有機材料から構成されており、膜厚は、例えば、１［ｎｍ］程度である。密着層４２４は、無機材料からなる（ＴＥＯＳ膜である）隔壁４２３と、有機材料からなるカラーフィルタ４１８との密着性を高くするために、介挿されている。なお、密着層４２４は、エポキシ樹脂の他に、例えば、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）からなることとしてもよい。
【００６４】
隣接する隔壁４２３間に形成されるカラーフィルタ４１８は、その上面４１８ｕｆが凹形状となっており、その上に積層される平坦化膜４２１との界面に凹レンズが形成された構成となっている。これにより、マイクロレンズ１２２で集光のために斜め方向にされた光を、フォトダイオード１０３に対して垂直な方向に変え、更なる集光率の向上を図ることができる。
【００６５】
なお、図６に示すように、固体撮像装置４においては、カラーフィルタ４１８の一部が隔壁４２３の頂面上に乗り上げた状態となっている（Ｂ１部、Ｂ２部）。ただし、隣接する画素部４００のカラーフィルタ４１８とは、互いに離間しており、接触していない。
【００６６】
以上の構成を備える固体撮像装置４では、上記実施の形態１〜３の各固体撮像装置１〜３が奏する効果を全て奏することができるとともに、幅Ｗ１，Ｗ２の関係により、カラーフィルタ４１８から光導波路へ入射光を確実に導くことができる。
【００６７】
［その他の事項］
上記実施の形態１〜４は、本発明の構成および作用・効果を分かりやすく説明するために用いた例であって、本発明は、その本質的な特徴部分を除き、何ら上記実施の形態１〜４で例示した形態に限定を受けるものではない。例えば、図１においては、画素領域１０において複数の画素部１００がマトリクス状に配列された形態を示したが、複数の画素部の配列形態は、マトリクス状以外にも、ハニカム状などとすることもできる。
【００６８】
また、上記実施の形態１〜４では、配線層に開けられた凹部に３層の絶縁層を積層形成することとしたが、４層以上の絶縁層を積層形成することとしてもよい。さらに、上記実施の形態１〜４では、凹部を臨む配線層の底面（図２などでは、エッチングストップ層１０８の上面）にも第２絶縁膜１１５，４１５、第３絶縁膜１１６，４１６、第４絶縁膜１１７，２１７，４１７を順に積層することとしたが、当該底面へのこれら第２絶縁膜、第３絶縁膜、第４絶縁膜の積層は必須のものではない。即ち、少なくとも凹部を臨む配線層の側面に対して、第２絶縁膜、第３絶縁膜、第４絶縁膜を順に積層することとすれば、上記効果を得ることができる。
【００６９】
さらに、マイクロレンズとカラーフィルタとの間に、層内レンズを設けることもできる。この場合には、集光率を更に高くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、ディジタルスティルカメラやビデオカメラなどに搭載される撮像デバイスとしての固体撮像装置を実現するのに有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１，２，３，４．固体撮像装置
１０．画素領域
２１．パルス発生回路
２２．水平シフトレジスタ
２３．垂直シフトレジスタ
１００，２００，３００，４００．画素部
１０１．半導体基板
１０２．ゲート絶縁膜
１０３．フォトダイオード
１０４．素子分離領域
１０５．反射防止膜
１０６．ゲート電極
１０７，１０９，１１１，４２５．絶縁膜
１０８．エッチングストップ層
１１０，１１２．拡散防止膜
１１３，１１４．配線
１１５，４１５．第２絶縁膜
１１６，４１６．第３絶縁膜
１１７，２１７，４１７．第４絶縁膜
１１８，２１８．埋め込み層
１１９．平坦化樹脂層
１２０，３１８，４１８．カラーフィルタ
１２１，４２１．平坦化膜
１２２．マイクロレンズ
３２３，４２３．隔壁
４２３ａ．下部層
４２３ｂ．上部層
４２４．密着層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、受光部の上部における導波路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は、ディジタルスティルカメラやビデオカメラなどの撮像デバイスとして用いられている。例えば、固体撮像装置の一種であるＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサは、半導体基板をベースとして、複数のフォトダイオードが形成されてなる画素領域と、その周辺に形成された周辺回路領域とを有し構成されている。複数のフォトダイオードは、画素部毎に対応して設けられており、例えば、半導体基板の表層において、主面に沿ってマトリクス状に配置されている。
【０００３】
従来技術に係る固体撮像装置の画素部構成について、図７に基づいて、特許文献１に開示された構成を一例として用い説明する。
図７に示すように、従来技術に係る固体撮像装置の画素部では、半導体基板９０１の一方の主面（Ｚ軸方向上側主面）の表層部分にフォトダイオード９０３が形成されている。半導体基板９０１上には、絶縁膜９０７が積層され、さらにその上には、絶縁膜９０９，９１１が順に積層されている。絶縁膜９０７と絶縁膜９０９との間、絶縁膜９０９と絶縁膜９１１との間、および絶縁膜９１１上には、拡散防止膜９０８，９１０，９１２がそれぞれ形成されている。また、絶縁膜９０７，９０９，９１１と拡散防止膜９０８，９１０，９１２との各境界面からは、Ｚ軸下方に配線９１３，９１４，９１５がそれぞれ形成されている。
【０００４】
絶縁膜９０７，９０９，９１１および配線９１３，９１４，９１５、さらには拡散防止膜９０８，９１０，９１２の積層体である配線層は、フォトダイオード９０１の上方に相当する箇所に凹部が形成されている。そして、拡散防止膜９１２上を被覆するように形成されたパッシベーション膜９１７が、配線層に開けられた凹部を埋め込む状態に充填形成されている。ここで、パッシベーション膜９１７は、絶縁膜９０９，９１１などよりも高屈折率であり、入射光Ｌ９１は、パッシベーション膜９１７と絶縁膜９０９，９１１との界面９１７ｓｆで反射され、配線層への光の漏れ出しがある程度防止される。即ち、パッシベーション膜９１７を絶縁膜９０９，９１１よりも高屈折率とすることで、フォトダイオード９０３の上方に光導波路を構成し、これにより高い効率での集光を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１１７６７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１６６６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術に係る固体撮像装置では、光導波路から配線層への光の漏れ出し（エバネッセント波）が生じ、更なる集光効率の向上を図ろうとするとき問題となる。また、配線層へ漏れ出した光は、金属材料からなる配線９１４，９１５により散乱され、隣接する画素部などへと侵入してしまうという問題もある。これらの問題は、画素サイズの微細化を進めるにあたり、特に問題となる。
【０００７】
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、高い集光効率を有し、高感度な固体撮像装置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】
【０００８】
そこで、本発明は、次の構成を採用する。
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板と、配線層と、第２の絶縁膜と、第３の絶縁膜と、第４の絶縁膜とを備える。
【０００９】
半導体基板は、その内部に光電変換機能を有する受光部が形成されている。
配線層は、第１の絶縁膜と配線との積層構造を有し、半導体基板の上方に形成され、且つ、受光部の上方に相当する箇所に凹部が形成されている。
【００１０】
第２の絶縁膜は、配線層における第１の絶縁膜よりも屈折率が高く、配線層に開けられた凹部を臨む配線層の側面を少なくとも被覆する状態で形成されている。
第３の絶縁膜は、第２の絶縁膜よりも屈折率が低く、配線層に開けられた凹部を臨む配線層の上記側面に対応する第２の絶縁膜の側面を少なくとも被覆する状態で形成されている。
【００１１】
第４の絶縁膜は、第３の絶縁膜よりも屈折率が高く、第２の絶縁膜の上記側面に対応する第３の絶縁膜の上記側面を少なくとも被覆する状態で形成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置では、配線層に開けられた凹部に対し、これを臨む配線層の側面に第２の絶縁膜、第３の絶縁膜、および第４の絶縁膜が順に積層形成されている。そして、第２の絶縁膜は配線層における第１の絶縁膜よりも屈折率が高く、また、第４の絶縁膜は第３の絶縁膜よりも屈折率が高い。よって、本発明に係る固体撮像装置では、配線層に開けられた凹部に侵入した入射光の一部が、仮に配線層の方へと進んだとしても、第４の絶縁膜と第３の絶縁膜との間の界面と、第２の絶縁膜と配線層における第１の絶縁膜との界面と、の両方で導波路内部側へと反射される。
【００１３】
従って、本発明に係る固体撮像装置では、上記従来技術に係る固体撮像装置よりも、高い集光効率を実現することができ、高感度である。
本発明に係る固体撮像装置では、例えば、次のようなバリエーション構成を採用することができる。
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第２の絶縁膜が配線層における凹部の底面も被覆する状態で形成されており、第３の絶縁膜が配線層における凹部の底面に対応する第２の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されており、第４の絶縁膜が第２の絶縁膜の上記底面に対応する第３の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されている、という構成を採用することができる。凹部を臨む配線層の底面については、必ずしも第２の絶縁膜、第３の絶縁膜、および第４の絶縁膜を積層形成する必要はないが、このような構成を採用すれば、凹部を臨む配線層の底面に対応する部分における各絶縁膜を除去することが必要ではなく、製造コストの観点から優れる。
【００１５】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜が配線層の凹部内で、第３の絶縁膜の上記側面内側に残る凹部を充填する状態で形成されているとともに、受光部の上方に相当する箇所が上凸形状に形成されている、という構成を採用することもできる。このような構成を採用すれば、第４の絶縁膜における上凸形状に形成された部分と、さらにその上に積層される層との間で集光レンズが形成されることになる。このため、このような構成を採用する場合には、更に高い集光効率を実現することができ、更なる感度向上を図ることができる。
【００１６】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜上には、受光部上方に相当する箇所が開口された格子状の隔壁が設けられており、前記開口の内方にカラーフィルタが埋め込まれている、という構成を採用することができる。このような構成を採用することにより、隣接する画素部のカラーフィルタ間が隔壁で区画されることになり、カラーフィルタ間での光の漏れ込みも防止することができる。これより、更に高い集光効率を実現することができる。
【００１７】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜がカラーフィルタよりも屈折率が高い、という構成を採用することができる。この構成を採用することにより、第４の絶縁膜からカラーフィルタへと光が漏れ込むことを効果的に防止することができ、光導波路への光の閉じ込めという観点から更に効果的である。
【００１８】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、隔壁が酸化物からなる、という構成を採用することができる。
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第２の絶縁膜が窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる、という構成を採用することができる。
【００１９】
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第４の絶縁膜が窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる、という構成を採用することができる。
本発明に係る固体撮像装置では、上記構成において、第３の絶縁膜が酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる、という構成を採用することができる。
【００２０】
なお、窒化シリコンからなる第２の絶縁膜は、その屈折率ｎ＝２．０であり、半導体素子に用いられる絶縁膜の中でも最も高い屈折率を有する。また、酸窒化シリコンからなる第３の絶縁膜の屈折率ｎ＝１．７５であり、酸化シリコンからなる場合には、屈折率ｎ＝１．４５である。これより、本発明に係る固体撮像装置では、上記のような材料からなる各絶縁膜を備えることで、配線層への光の漏れ出しを効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】発明の実施の形態１に係る固体撮像装置１の全体構成を示す模式ブロック図である。
【図２】固体撮像装置１の画素部１００における構成を示す模式断面図である。
【図３】固体撮像装置１における光の入射経路を示す模式断面図である。
【図４】発明の実施の形態２に係る固体撮像装置２の画素部２００における構成を示す模式断面図である。
【図５】発明の実施の形態３に係る固体撮像装置３の画素部３００における構成を示す模式断面図である。
【図６】発明の実施の形態４に係る固体撮像装置４の画素部４００における構成を示す模式断面図である。
【図７】従来技術に係る固体撮像装置の画素部における構成の一部を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明を実施するための形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下の各実施の形態は、本発明の構成およびそこから奏される作用・効果を分かり易く説明するために用いる例であって、本発明は、本質的な特徴部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
【００２３】
［実施の形態１］
１．固体撮像装置１の全体構成
実施の形態１に係る固体撮像装置１の全体構成について、図１を用い説明する。
【００２４】
図１に示すように、実施の形態１に係る固体撮像装置１では、複数の画素部１００がＸ−Ｙ面に沿ってマトリクス状（行列状）に配列され、これより画素領域１０が構成されている。画素領域１０に対しては、その周辺に配されたパルス発生回路２１、水平シフトレジスタ２２、および垂直シフトレジスタ２３が接続されている。水平シフトレジスタ２２および垂直シフトレジスタ２３は、パルス発生回路２１からのタイミングパルスの印加に呼応して、各画素部１００に対して、順次、駆動パルスを出力する。
【００２５】
２．固体撮像装置１の画素部１００における構成
固体撮像装置１の画素部１００における構成について、図２を用い説明する。
図２に示すように、固体撮像装置１は、半導体基板１０１の主面上にゲート絶縁膜１０２が形成されている。ゲート絶縁膜１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。半導体基板１０１内には、ゲート絶縁膜１０２との界面部分から内方に向けてフォトダイオード１０３が形成されている。フォトダイオード１０３は、ｎ型の電荷蓄積層１０３ａとｐ＋型の表面層１０３ｂとのｐｎ接合により構成されている。
【００２６】
ここで、フォトダイオード１０３の幅は、例えば、画素部１００のセルサイズを１．４［μｍ］とするとき、０．７［μｍ］である。
半導体基板１０１の表層部には、フォトダイオード１０３の他に、素子分離領域１０４等が形成されている。素子分領域１０４は、半導体基板１０１の該当部分に、ボロンなどの不純物をイオン注入することにより形成されている。なお、固体撮像装置１では、各画素部１００にフローティングディフュージョン（ＦＤ）やトランジスタ素子も有しているが、図２では、その図示を省略する。
【００２７】
ゲート絶縁膜１０２上におけるフォトダイオード１０３の上方に相当する部分には、反射防止膜１０５およびゲート電極１０６が形成されている。反射防止膜１０５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）から形成されており、フォトダイオード１０３に入射する光が半導体基板１０１の表面で反射されることを抑制するために設けられている。
【００２８】
ゲート電極１０６は、例えば、ポリシリコンまたはタングステンシリサイドから形成されている。
次に、ゲート絶縁膜１０２の上には、絶縁膜（第１の絶縁膜）１０７が堆積され、絶縁膜１０７の上にはエッチングストップ層１０８が形成されている。絶縁膜１０７は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成され、膜厚が４００［ｎｍ］である。エッチングストップ層１０８は、例えば、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化シリコンから形成され、膜厚が５０［ｎｍ］である。
【００２９】
エッチングストップ層１０８の上には、絶縁膜（第１の絶縁膜）１０９、拡散防止膜１１０、絶縁膜（第１の絶縁膜）１１１、および拡散防止膜１１２が順に積層されている。そして、各絶縁膜１０９，１１１には、配線１１３，１１４が形成されている。絶縁膜１０９，１１１も、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成され、膜厚は３００［ｎｍ］である。絶縁膜１０９，１１１の屈折率は、例えば、１．４５である。固体撮像装置１では、絶縁膜１０７，１０９，１１１と、配線１１３，１１４とを含む積層体が、配線層に該当するが、配線層を２層構造（配線１１３，１１４が２層）とすることにより、固体撮像装置１の低背化を図ることが可能となる。これより、固体撮像装置１では、入射光の光路を短くすることができ、感度の向上を図ることができる。
【００３０】
拡散防止膜１１０，１１２は、例えば、炭化シリコン、酸化炭化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化シリコンから形成され、膜厚が５０［ｎｍ］〜７０[ｎｍ]である。また、拡散防止膜１１０，１１２の屈折率は、例えば、１．７〜２．０である。拡散防止膜１１０，１１２は、配線１１３，１１４を形成する際に、その材料である銅原子が絶縁膜１０９，１１１に対し拡散することを防止する役割を果たす。
【００３１】
配線１１３，１１４は、絶縁膜１０９，１１１に予め形成された溝に、銅（Ｃｕ）あるいはその合金が埋め込まれることで形成されている。このとき、例えば、ダマシンプロセスで形成されたタンタル／窒化タンタルからなるバリアメタル層が銅配線の外周に形成されるという構成を採用することもできる。バリアメタル層は、銅原子が絶縁膜１０９，１１１に対し拡散することを防止するとともに、絶縁膜１０９，１１１と銅（Ｃｕ）との密着性の向上も図ることができる。
【００３２】
ここで、絶縁膜１０９，１１１および拡散防止膜１１０，１１２は、フォトダイオード１０３の上方に相当する箇所が開口されており、配線層に凹部が形成されている（Ａ部）。凹部内には、配線１１３，１１４も設けられていない。
【００３３】
配線層における凹部は、アスペクト比が１、あるいはそれ以下である。凹部の深さについては、６００［ｎｍ］程度、あるいはそれ以下とすることが望ましい。これは、仮に凹部の深さを６００［ｎｍ］よりも大きくした場合には、通常のＣＶＤ法を用い絶縁膜１１５，１１６，１１７を形成する場合に、凹部内にボイド（空孔）が生じることが考えられるためである。凹部内にボイドが発生した場合には、当該ボイドが光の散乱の原因となり、感度が大幅に低下する。このため、凹部の深さを６００［ｎｍ］程度、あるいはそれ以下とすることが望ましい。
【００３４】
配線層における凹部を臨む側面および底面を被覆する状態で、第２絶縁膜１１５、第３絶縁膜１１６、および第４絶縁膜１１７が順に積層形成されている。第４絶縁膜１１７については、第３絶縁膜１１６の側面および底面で構成される凹部を埋め込むように形成され、Ｚ軸方向上側が略平坦に形成されている。
【００３５】
第２絶縁膜１１５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなり、凹部を臨む底面（エッチングストップ層１０８表面）からの膜厚が３００［ｎｍ］程度である。窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる第２絶縁膜１１５の屈折率は、絶縁膜１０９，１１１よりも高い１．９〜２．０である。
【００３６】
第３絶縁膜１１６は、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなり、膜厚が１０［ｎｍ］〜１００［ｎｍ］程度である。酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）からなる第３絶縁膜１１６の屈折率は、第２絶縁膜１１５よりも低い１．６〜１．８である。
【００３７】
第４絶縁膜１１７は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなり、Ｚ軸方向における第３絶縁膜１１６の底面からの膜厚が３００［ｎｍ］程度である。第４絶縁膜１１７の屈折率は、第３絶縁膜１１６よりも高い１．９〜２．０である。
【００３８】
絶縁膜１０９，１１１，１１５，１１６，１１７の屈折率について整理すると、次のようになる。
絶縁膜１０９，１１１の屈折率をｎ１とし、第２絶縁膜１１５の屈折率をｎ２とし、第３絶縁膜１１６の屈折率をｎ３とし、第４絶縁膜１１７の屈折率をｎ４とするとき、次の関係を満たす。
【００３９】
［数１］ｎ２＞ｎ１
［数２］ｎ３＜ｎ２
［数３］ｎ４＞ｎ３
続いて、図２に示すように、第４絶縁膜１１７の上には、埋め込み層１１８、平坦化樹脂層１１９、カラーフィルタ１２０、平坦化膜１２１、およびマイクロレンズ１２２が順に形成されている。ここで、平坦化樹脂層１１９は、その上に形成されるカラーフィルタ１２０を接着するための接着層としても機能する。
【００４０】
カラーフィルタ１２０は、例えば、画素部１００毎に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の何れかの波長域の光成分を透過するようになっている。
３．固体撮像装置１における光の入射経路
固体撮像装置１における光の入射経路について、図３を用い説明する。なお、図３は、本実施の形態に係る固体撮像装置１での光の入射経路を示す。
【００４１】
先ず、図３に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、入射光はマイクロレンズ１２２で集光され（Ｌ１）、カラーフィルタ１２０などを通過して光導波路へと入射する。光導波路に入射した光は、その一部の成分が側壁側へと進むが、第４絶縁膜１１７と第３絶縁膜１１６との屈折率差（上記［数３］の関係）により第４絶縁膜１１７側へと反射される（Ｌ２）。
【００４２】
また、光の一部成分は、第４絶縁膜１１７と第３絶縁膜１１６との界面を透過し、配線層における凹部を臨む側面方向へと進むが、第２絶縁膜１１５と絶縁膜１０９，１１１との屈折率差（上記［数１］の関係）により第２絶縁膜１１５側へと反射される（Ｌ３）。そして、光導波路を通過した光は、フォトダイオード１０３へと入射される（Ｌ４）。
【００４３】
一方、図７に示すように、従来技術に係る固体撮像装置では、入射した光が、コアであるパッシベーション膜９１７と、クラッドとしての配線層の絶縁膜９１４，９１５とにより構成され、互いの屈折率差により界面９１７ｓｆで光が反射される。
【００４４】
しかしながら、従来技術に係る固体撮像装置では、配線層へと漏れ出た光が、配線９１４，９１５により散乱されてしまう。このため、絶縁膜９０４を透過して半導体基板９０１の表層に形成されたフォトダイオード９０３へと入射する光が、図３に示す本実施の形態に係る固体撮像装置１よりも少なくなってしまう。
【００４５】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、配線層に開けられた凹部に対し、コアとして第２絶縁膜１１５、第３絶縁膜１１６、および第４絶縁膜１１７の３層を充填形成している。このため、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、光導波路に二重の光閉じ込め構造を採用することで、配線層への光の漏れ出しを非常に低いものとすることができる。よって、本実施の形態に係る固体撮像装置１では、図７に示す従来技術に係る固体撮像装置よりも、高い集光効率を有し、高感度である。
【００４６】
［実施の形態２］
次に、実施の形態２に係る固体撮像装置２の構成について、図４を用い説明する。なお、図４では、固体撮像装置２の構成の内、画素領域における一の画素部２００を抜き出して示しており、画素領域以外の構成については、上記実施の形態１と同様である。また、以下の説明においても、上記実施の形態１と同様の箇所については、その説明を省略する。
【００４７】
図４に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置２では、第４絶縁膜２１７における上面（Ｚ軸方向上側の主面）２１７ｕｆの形状が、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１の第４絶縁膜１１７と相違する。具体的には、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１では、第４絶縁膜１１７の上面が平坦であったのに対して、本実施の形態に係る固体撮像装置２では、第４絶縁膜２１７の上面が上凸形状となっている。これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置２では、マイクロレンズ１２２で集光された光が、埋め込み層２１８と第４絶縁膜２１７との界面で構成された上凸レンズにより、さらに集光されて光導波路へと導かれる。
【００４８】
光導波路の構成については、第４絶縁膜２１７の上面２１７ｕｆの形状を除き、上記実施の形態１に係る固体撮像装置１と同様であるので、更に高い集光効率が実現できる。
［実施の形態３］
次に、実施の形態３に係る固体撮像装置３の構成について、図５を用い説明する。なお、図５においても、固体撮像装置３の構成の内、画素領域における一の画素部３００を抜き出して示しており、画素領域以外の構成については、上記実施の形態１，２と同様である。また、以下の説明においても、上記実施の形態１，２と同様の箇所については、その説明を省略する。
【００４９】
図５に示すように、第４絶縁膜２１７の上面２１７ｕｆの上における、隣接する画素部３００同士の境界部分に隔壁（第５絶縁膜）３２３が形成されている。そして、第４絶縁膜２１７上であって、隔壁３２３で挟まれる領域の内側には、カラーフィルタ３１８が形成されている。隔壁３２３とカラーフィルタ３１８とは、互いの間に隙間を生じないように形成されている。隔壁３２３の頂部およびカラーフィルタ３１８上には、平坦化膜１２１およびマイクロレンズ１２２が積層形成されている。
【００５０】
ここで、固体撮像装置３をＺ軸方向上側から平面視するとき、隔壁３２３は格子状に形成されており、カラーフィルタ３１８は画素部３００毎に異なる透過色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に設定されている。
【００５１】
隔壁３２３は、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を原料としたＣＶＤ膜（ＴＥＯＳ膜）であって、屈折率は１．４〜１．５程度である。カラーフィルタ３１８の屈折率は、用いる材料により異なるが、通常、１．６〜１．７程度である。
【００５２】
よって、本実施の形態に係る固体撮像装置３では、マイクロレンズ１２２で集光された光の一部が、カラーフィルタ３１８の側面から隣接する画素部３００のカラーフィルタ３１８へと漏れだそうとしても、カラーフィルタ３１８の屈折率が隔壁３２３の屈折率よりも大きいので、界面で反射される。よって、隣接する画素部３００への光の漏れ出しを防止するという観点から、上記実施の形態２に係る固体撮像装置２よりも、更に優れる。
【００５３】
また、カラーフィルタ３１８の導波路底面を通り抜ける光は、回折して横方向（Ｚ軸に直交する方向）に広がる。本実施の形態に係る固体撮像装置３では、カラーフィルタ３１８の導波路底面が上凸形状であり、光は回折することなく、そのまま光導波路内部に集光される。
【００５４】
以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置３では、隔壁３２３の形成により隣接するカラーフィルタ３１８への光の漏れ出しを防止し、且つ、カラーフィルタ３１８の底面が、画素部３００の全領域で曲率をもち、それが下部の光導波路における上部の膜（第４絶縁膜２１７）と合致する構成を採用することにより、光の横方向への回折を抑制することができるので、更なる集光率の向上を図ることができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、第４絶縁膜２１７の上面を、上記実施の形態２と同様の上凸形状の上面２１７ｕｆとしたが、上記実施の形態１と同様に平坦な上面とすることもできる。このように第４絶縁膜２１７の上面を平坦とする場合においても、上記実施の形態１に対して更なる集光率の向上を図ることができる。
【００５６】
［実施の形態４］
次に、実施の形態４に係る固体撮像装置４の構成について、図６を用い説明する。なお、図６においても、固体撮像装置４の構成の内、画素領域における一の画素部４００を抜き出して示しており、画素領域以外の構成については、上記実施の形態１，２，３と同様である。また、以下の説明においても、上記実施の形態１，２，３と同様の箇所については、その説明を省略する。
【００５７】
図６に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置４では、拡散防止膜１１２の上に絶縁膜４２５が積層されており、絶縁膜４２５までを含み配線層が構成されている。配線層における絶縁膜４２５の上には、第２絶縁膜４１５が積層され、その上には、隔壁４２３が立設されている。即ち、本実施の形態では、配線層における絶縁膜４２５の上には第３絶縁膜４１６および第４絶縁膜４１７は積層されていない。
【００５８】
絶縁膜４２５は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、膜厚が８０［ｎｍ］〜１２０［ｎｍ］である。より具体的には、絶縁膜４２５の膜厚は、１００［ｎｍ］である。第２絶縁膜４１５の膜厚は、絶縁膜４２５上において、２００［ｎｍ］〜４００［ｎｍ］であって、より具体的には３００［ｎｍ］である。
【００５９】
また、本実施の形態に係る固体撮像装置４では、隣接する画素部４００間でカラーフィルタ４１８同士を区画する隔壁４２３が、Ｚ軸方向に下部層４２３ａと上部層４２３ｂとが積層された構成を有し、上辺が下辺よりも幅狭の台形断面となっている。隔壁４２３を構成する下部層４２３ａおよび上部層４２３ｂは、ともにＴＥＯＳ膜であって、屈折率が１．４〜１．５程度である。また、隔壁４２３においては、下部層４２３ａと上部層４２３ｂとの間に、界面が存在し、当該界面でＺ軸方向上側から下向きに隔壁４２３内を進む光を反射し、下方への侵入を防止する役割を果たす。
【００６０】
隔壁４２３は、高さが６００［ｎｍ］〜８００［ｎｍ］、上部の幅が１５０［ｎｍ］〜２５０［ｎｍ］、下部の幅が２００［ｎｍ］〜４００［ｎｍ］に設定されている。より具体的には、高さが７００［ｎｍ］、上部の幅が２００［ｎｍ］、下部の幅が３００［ｎｍ］に設定されている。
【００６１】
また、本実施の形態に係る固体撮像装置４では、隔壁４２３の下端における開口幅Ｗ１と、光導波路の上端における開口幅Ｗ２とは、隔壁４２３の内側斜面をＺ軸方向下側に向けて延長したと仮定した場合、その仮想線が光導波路の上端よりも内側を通過するように設定されている。これにより、カラーフィルタ４１８を通過した光が、漏れなく光導波路へと導かれる。この場合、隔壁４２３の側壁と光導波路の側壁には、それぞれ傾斜がつけられていることが好ましい。傾斜をつけることにより、基板表層におけるフォトダイオード１０３の中心近傍に集光し易くなる。
【００６２】
ここで、画素部４００のセルサイズを１．４［μｍ］とするとき、幅Ｗ１は、１０００［ｎｍ］〜１２００［ｎｍ］、幅Ｗ２は、９００［ｎｍ］〜１２００［ｎｍ］となっている。より具体的には、幅Ｗ１および幅Ｗ２は、ともに１１００［ｎｍ］である。
【００６３】
また、図６に示すように、第４絶縁膜２１７における隔壁４２３間の上凸形状部分の上面、および隔壁４２３の外面には、密着層４２４が形成されている。密着層４２４は、例えば、エポキシ樹脂などの有機材料から構成されており、膜厚は、例えば、１［ｎｍ］程度である。密着層４２４は、無機材料からなる（ＴＥＯＳ膜である）隔壁４２３と、有機材料からなるカラーフィルタ４１８との密着性を高くするために、介挿されている。なお、密着層４２４は、エポキシ樹脂の他に、例えば、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）からなることとしてもよい。
【００６４】
隣接する隔壁４２３間に形成されるカラーフィルタ４１８は、その上面４１８ｕｆが凹形状となっており、その上に積層される平坦化膜４２１との界面に凹レンズが形成された構成となっている。これにより、マイクロレンズ１２２で集光のために斜め方向にされた光を、フォトダイオード１０３に対して垂直な方向に変え、更なる集光率の向上を図ることができる。
【００６５】
なお、図６に示すように、固体撮像装置４においては、カラーフィルタ４１８の一部が隔壁４２３の頂面上に乗り上げた状態となっている（Ｂ１部、Ｂ２部）。ただし、隣接する画素部４００のカラーフィルタ４１８とは、互いに離間しており、接触していない。
【００６６】
以上の構成を備える固体撮像装置４では、上記実施の形態１〜３の各固体撮像装置１〜３が奏する効果を全て奏することができるとともに、幅Ｗ１，Ｗ２の関係により、カラーフィルタ４１８から光導波路へ入射光を確実に導くことができる。
【００６７】
［その他の事項］
上記実施の形態１〜４は、本発明の構成および作用・効果を分かりやすく説明するために用いた例であって、本発明は、その本質的な特徴部分を除き、何ら上記実施の形態１〜４で例示した形態に限定を受けるものではない。例えば、図１においては、画素領域１０において複数の画素部１００がマトリクス状に配列された形態を示したが、複数の画素部の配列形態は、マトリクス状以外にも、ハニカム状などとすることもできる。
【００６８】
また、上記実施の形態１〜４では、配線層に開けられた凹部に３層の絶縁層を積層形成することとしたが、４層以上の絶縁層を積層形成することとしてもよい。さらに、上記実施の形態１〜４では、凹部を臨む配線層の底面（図２などでは、エッチングストップ層１０８の上面）にも第２絶縁膜１１５，４１５、第３絶縁膜１１６，４１６、第４絶縁膜１１７，２１７，４１７を順に積層することとしたが、当該底面へのこれら第２絶縁膜、第３絶縁膜、第４絶縁膜の積層は必須のものではない。即ち、少なくとも凹部を臨む配線層の側面に対して、第２絶縁膜、第３絶縁膜、第４絶縁膜を順に積層することとすれば、上記効果を得ることができる。
【００６９】
さらに、マイクロレンズとカラーフィルタとの間に、層内レンズを設けることもできる。この場合には、集光率を更に高くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、ディジタルスティルカメラやビデオカメラなどに搭載される撮像デバイスとしての固体撮像装置を実現するのに有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１，２，３，４．固体撮像装置
１０．画素領域
２１．パルス発生回路
２２．水平シフトレジスタ
２３．垂直シフトレジスタ
１００，２００，３００，４００．画素部
１０１．半導体基板
１０２．ゲート絶縁膜
１０３．フォトダイオード
１０４．素子分離領域
１０５．反射防止膜
１０６．ゲート電極
１０７，１０９，１１１，４２５．絶縁膜
１０８．エッチングストップ層
１１０，１１２．拡散防止膜
１１３，１１４．配線
１１５，４１５．第２絶縁膜
１１６，４１６．第３絶縁膜
１１７，２１７，４１７．第４絶縁膜
１１８，２１８．埋め込み層
１１９．平坦化樹脂層
１２０，３１８，４１８．カラーフィルタ
１２１，４２１．平坦化膜
１２２．マイクロレンズ
３２３，４２３．隔壁
４２３ａ．下部層
４２３ｂ．上部層
４２４．密着層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換機能を有する受光部が内部に形成されてなる半導体基板と、
第１の絶縁膜と配線との積層構造を有し、前記半導体基板の上方に形成され、且つ、前記受光部の上方に相当する箇所に凹部が形成された配線層と、
前記第１の絶縁膜よりも屈折率が高く、前記凹部を臨む前記配線層の側面を少なくとも被覆する状態で形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜よりも屈折率が低く、前記凹部を臨む前記配線層の側面に対応する前記第２の絶縁膜の側面を少なくとも被覆する状態で形成された第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜よりも屈折率が高く、前記第２の絶縁膜の側面に対応する前記第３の絶縁膜の側面を少なくとも被覆する状態で形成された第４の絶縁膜と、
を備える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の絶縁膜は、前記凹部の底面も被覆する状態で形成されており、
前記第３の絶縁膜は、前記凹部の底面に対応する前記第２の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されており、
前記第４の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜の底面に対応する前記第３の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第４の絶縁膜は、前記配線層の前記凹部内において、前記第３の絶縁膜の前記側面内側に残る凹部を充填する状態で形成されているとともに、前記受光部の上方に相当する箇所が上凸形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第４の絶縁膜上には、前記受光部の上方に相当する箇所が開口された格子状の隔壁が設けられており、
前記開口の内方には、カラーフィルタが埋め込まれている
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第４の絶縁膜は、前記カラーフィルタよりも屈折率が高い
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記隔壁は、酸化物からなる
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜は、窒化シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第４の絶縁膜は、窒化シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第３の絶縁膜は、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項１】
光電変換機能を有する受光部が内部に形成されてなる半導体基板と、
第１の絶縁膜と配線との積層構造を有し、前記半導体基板の上方に形成され、且つ、前記受光部の上方に相当する箇所に凹部が形成された配線層と、
前記第１の絶縁膜よりも屈折率が高く、前記凹部を臨む前記配線層の側面を少なくとも被覆する状態で形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜よりも屈折率が低く、前記凹部を臨む前記配線層の側面に対応する前記第２の絶縁膜の側面を少なくとも被覆する状態で形成された第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜よりも屈折率が高く、前記第２の絶縁膜の側面に対応する前記第３の絶縁膜の側面を少なくとも被覆する状態で形成された第４の絶縁膜と、
を備える
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の絶縁膜は、前記凹部の底面も被覆する状態で形成されており、
前記第３の絶縁膜は、前記凹部の底面に対応する前記第２の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されており、
前記第４の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜の底面に対応する前記第３の絶縁膜の底面も被覆する状態で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第４の絶縁膜は、前記配線層の前記凹部内において、前記第３の絶縁膜の前記側面内側に残る凹部を充填する状態で形成されているとともに、前記受光部の上方に相当する箇所が上凸形状に形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第４の絶縁膜上には、前記受光部の上方に相当する箇所が開口された格子状の隔壁が設けられており、
前記開口の内方には、カラーフィルタが埋め込まれている
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第４の絶縁膜は、前記カラーフィルタよりも屈折率が高い
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記隔壁は、酸化物からなる
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜は、窒化シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第４の絶縁膜は、窒化シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第３の絶縁膜は、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の固体撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２２７４７５（Ｐ２０１２−２２７４７５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９６１６７（Ｐ２０１１−９６１６７）
【出願日】平成２３年４月２２日（２０１１．４．２２）
【特許番号】特許第４８４６８７８号（Ｐ４８４６８７８）
【特許公報発行日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２２日（２０１１．４．２２）
【特許番号】特許第４８４６８７８号（Ｐ４８４６８７８）
【特許公報発行日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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