(57)【要約】【課題】色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】複数の画素が２次元状に配置されて撮像領域が構成された固体撮像装置であって、１つの画素は、半導体基板１３１内に設けられ、光を電荷信号に変換する光電変換部１３０と、半導体基板１３１の第１面上に設けられ、第１面に入射する光を光電変換部１３０上に集光させるマイクロレンズ１１０と、半導体基板１３１の第１面と反対側の第２面上に設けられ、光電変換部１３０に蓄積された信号電荷の読出しを制御するゲート電極１４１と、第２面上に設けられた反射膜１５０とを備え、反射膜１５０は、マイクロレンズ１１０を介して第１面に入射し、半導体基板１３１を透過した光を光電変換部１３０に反射する曲面形状を有する。【選択図】図１
2010118412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が２次元状に配置されて撮像領域が構成された固体撮像装置であって、
１つの前記画素は、
半導体基板内に設けられ、光を電荷信号に変換する光電変換部と、
前記半導体基板の第１面上に設けられ、前記第１面に入射する光を前記光電変換部上に集光させるマイクロレンズと、
前記半導体基板の前記第１面と反対側の第２面上に設けられ、前記光電変換部に蓄積された信号電荷の読出しを制御する周辺回路と、
前記第２面上に設けられた反射膜とを備え、
前記反射膜は、前記マイクロレンズを介して前記第１面に入射し、前記半導体基板を透過した光を前記光電変換部に反射する曲面形状を有する
固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２面に対して垂直方向から眺めたときの前記反射膜の面積は、前記第１面に対して垂直方向から眺めたときの前記マイクロレンズの面積よりも小さい
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記撮像領域の周辺部の画素において、前記光電変換部の前記撮像領域の中央部に向かう方向における中心と、前記マイクロレンズの前記撮像領域の中央部に向かう方向における中心とはずれており、
前記ずれの量は、前記撮像領域の中心部より離れた画素ほどより大きくなる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記反射膜は、金属膜または合金膜である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記１つの画素は、さらに、前記反射膜と前記半導体基板とを電気的に接続し、前記半導体基板の電位を固定するコンタクトを備える
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記コンタクトは、前記光電変換部と前記反射膜との間の領域以外に形成される
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記反射膜は、電源電圧に電位固定される
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記反射膜は、前記光電変換部から出力された信号電荷を保持するキャパシタの金属層として形成されている
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記マイクロレンズの焦点は、前記光電変換部上にあり、
前記反射膜の焦点は、前記光電変換部上にあり、
前記反射膜の焦点距離は、前記マイクロレンズの焦点距離より短い
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
複数の画素が２次元状に配置されて撮像領域が構成され、１つの前記画素が、半導体基板内に設けられ、入射光を電荷信号に変換する光電変換部と、前記半導体基板の第１面上に設けられ、前記第１面に入射する光を前記光電変換部上に集光させるマイクロレンズと、前記半導体基板の前記第１面と反対側の第２面上に設けられ、前記光電変換部に蓄積された信号電荷の読出しを制御する周辺回路と前記第２面上に設けられた反射膜とを備え、前記反射膜は、前記マイクロレンズを介して前記第１面に入射し、前記半導体基板を透過した光を前記光電変換部に反射する曲面形状を有する固体撮像装置の製造方法であって、
前記第２面上に第１透明材料を形成し、前記光電変換部の上方の前記第１透明材料上に局所的に第２透明材料を形成し、前記第２透明材料を覆うように前記第１透明材料及び前記第２透明材料上に第３透明材料を形成した後、前記第３透明材料上に反射材料を形成し、前記光電変換部の上方の前記反射材料が残るように前記反射材料を除去して前記反射膜とする
固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記固体撮像装置は、さらに、配線層を備え、
前記除去において、前記配線層が形成される領域の前記反射材料が残るように前記反射材料を除去して前記配線層とする
請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路部が配置される半導体基板の表面と反対側にある、半導体基板の裏面に光電変換部の受光面が配置された裏面照射型の固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置では、チップ面積の小型化及び画素数の増加が進んでおり、それらの両方に対応するために１画素あたりの面積の縮小が必要不可欠となっている。それに伴い、回路部が配置されたチップ基板（半導体基板）の表面側より光が入射される固体撮像装置では、回路部の配線や電極により光が遮断され、光電変換部で十分な光が得られなくなっている。このような問題を解決する技術として、配線や電極のない半導体基板の裏面側より光を入射させ、半導体基板内部で光電変換を行うことで、効率よく光電変換部に十分な光を得るようにした裏面照射型の固体撮像装置が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、特許文献１に示された従来技術としての裏面照射型の固体撮像装置の断面図である。
【０００４】
図１０より、半導体基板６３１の光６０１の入射面側（裏面側）には、マイクロレンズ６１０、カラーフィルタ６２０ａ及び６２０ｂ、並びに層間絶縁膜６４０ｃ及び６４０ｄが形成されている。半導体基板６３１中には、光６０１を信号電荷に変換する光電変換部（フォトダイオード）６３０、素子分離６３２及びフローティングディフュージョン部６３３が形成されている。半導体基板６３１の光６０１の入射面と反対側（表面側）には、ＭＯＳトランジスタのゲート電極６４１及びゲート酸化膜６４２、層間絶縁膜６４０ａ及び６４０ｂ、反射膜６５０、並びに配線６６０が形成されている。
【０００５】
このような裏面照射型構造の固体撮像装置の場合、半導体基板６３１の裏面側より光６０１が入射し、入射した光６０１はマイクロレンズ６１０により半導体基板６３１中の光電変換部６３０にて集光され、光電変換される。しかし、半導体基板６３１に入射した光６０１は完全に光電変換部６３０で吸収されず、その一部は透過して半導体基板６３１の表面側から出射される。従って、光電変換部６３０（半導体基板６３１）を透過した光６０１が配線６６０により様々な方向へ反射するのを防ぐため、ダミーメタルやシリサイド膜から構成される反射膜６５０が光電変換部６３０上方に設けられている。
【特許文献１】特開２００６−１２０８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図１０に示した従来技術の固体撮像装置では、マイクロレンズ６１０を通った光６０１は、マイクロレンズ６１０の焦点が光電変換部６３０にあるため、焦点を中心に広がりながら半導体基板６３１の表面側に透過する。この透過した光６０１は平坦な反射膜６５０で反射され、再度光電変換部６３０へ戻ってくる。しかし、反射膜６５０に対して斜め方向の光が反射膜６５０に入射すると、透過してきた光電変換部６３０とは別の光電変換部６３０に反射光６０５ａが入射し、また配線６６０に反射光６０５ｂが到達する。従って、図１０の固体撮像装置は色分離特性が悪化するという課題を有している。
【０００７】
また、シリサイド膜による反射膜６５０はその薄さから、強い光が入射した時には十分に光を反射できない。従って、図１０の固体撮像装置は、半導体基板６３１の裏面側から入射した光６０１を効率的に光電変換部６３０に導くことができず、感度が低下するという課題を有している。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置およびその製造方法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】
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、複数の画素が２次元状に配置されて撮像領域が構成された固体撮像装置であって、１つの前記画素は、半導体基板内に設けられ、光を電荷信号に変換する光電変換部と、前記半導体基板の第１面上に設けられ、前記第１面に入射する光を前記光電変換部上に集光させるマイクロレンズと、前記半導体基板の前記第１面と反対側の第２面上に設けられ、前記光電変換部に蓄積された信号電荷の読出しを制御する周辺回路と、前記第２面上に設けられた反射膜とを備え、前記反射膜は、前記マイクロレンズを介して前記第１面に入射し、前記半導体基板を透過した光を前記光電変換部に反射する曲面形状を有することを特徴とする。
【００１０】
これによって、光電変換部に光が入射する面を半導体基板の第１面（裏面）に配置した裏面照射型の固体撮像装置において、半導体基板の第２面（表面）上に曲面形状を持つ反射膜が配置される。従って、第１面から入射し半導体基板を透過して第２面から出射された透過光を、透過光の出射方向に関わらず反射させ、既に透過してきた画素の光電変換部に再度集光させることが可能となり、感度を向上させることができる。同時に、既に透過してきた画素とは別の画素の光電変換部に透過光が入射することを防ぎ、色分離特性を向上させることができる。その結果、高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００１１】
ここで、前記第２面に対して垂直方向から眺めたときの前記反射膜の面積は、前記第１面に対して垂直方向から眺めたときの前記マイクロレンズの面積よりも小さくてもよい。
【００１２】
これによって、反射膜の面積を小さくし、隣接する配線層の設計の自由度を上げることができる。
【００１３】
また、前記撮像領域の周辺部の画素において、前記光電変換部の前記撮像領域の中央部に向かう方向における中心と、前記マイクロレンズの前記撮像領域の中央部に向かう方向における中心とはずれており、前記ずれの量は、前記撮像領域の中心部より離れた画素ほどより大きくてもよい。
【００１４】
これによって、撮像領域の中心部から距離が離れた周辺部の画素において斜めに入射する光の集光位置と、撮像領域の中心部の画素において垂直に入射する光の集光位置とを同じにすることができる。従って、撮像領域の周辺部の画素において、光電変換部に対する反射膜の位置をシフトさせなくても光電変換部を透過した光を再度、同じ光電変換部に集光させることができる。その結果、感度及び色分離特性を更に向上させ、更に高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００１５】
また、前記反射膜は、金属膜または合金膜であってもよい。
これによって、反射膜の形成において、従来のＭＯＳプロセスを用いることが可能となる。その結果、必要な領域にだけ反射膜を形成することが容易になり、光電変換部を透過した光を確実に再度同じ光電変換部に集光させる反射膜を形成することができる。
【００１６】
さらに、反射膜が電気伝導を持つ材料で構成されるので、画素の電源配線、あるいは半導体基板の電位を固定するための配線として反射膜を用いることが可能となる。その結果、画素の電源配線を強化し、また信号振幅が画素の配置位置に依存して一定の傾きとなること(シェーディング)を防止することができる。
【００１７】
また、前記１つの画素は、さらに、前記反射膜と前記半導体基板とを電気的に接続し、前記半導体基板の電位を固定するコンタクトを備えてもよい。このとき、前記反射膜は、電源電圧に電位固定されてもよい。
【００１８】
これによって、半導体基板の電位が安定し、シェーディングを防止することが出来る。
また、前記コンタクトは、前記光電変換部と前記反射膜との間の領域以外に形成されてもよい。
【００１９】
これによって、半導体基板の透過光がコンタクトにより散乱されることを防ぐことができる。
【００２０】
また、前記反射膜は、前記光電変換部から出力された信号電荷を保持するキャパシタの金属層として形成されていてもよい。
【００２１】
これによって、半導体基板の透過光を反射しつつ、光電変換部で発生した信号電荷を一時的に保持する容量の一部として反射膜を用いることが可能となる。従って、反射膜と容量とを別々に形成するより、プロセス工程数を削減し、また画素の信号線や電源配線等の配線レイアウトの自由度を上げることが可能となる。
【００２２】
また、容量を構成する金属層は曲率を持つため、平行平板で容量を形成するより単位面積あたりの容量を大きくすることができる。
【００２３】
また、本発明は、複数の画素が２次元状に配置されて撮像領域が構成され、１つの前記画素が、半導体基板内に設けられ、入射光を電荷信号に変換する光電変換部と、前記半導体基板の第１面上に設けられ、前記第１面に入射する光を前記光電変換部上に集光させるマイクロレンズと、前記半導体基板の前記第１面と反対側の第２面上に設けられ、前記光電変換部に蓄積された信号電荷の読出しを制御する周辺回路と前記第２面上に設けられた反射膜とを備え、前記反射膜は、前記マイクロレンズを介して前記第１面に入射し、前記半導体基板を透過した光を前記光電変換部に反射する曲面形状を有する固体撮像装置の製造方法であって、前記第２面上に第１透明材料を形成し、前記光電変換部の上方の前記第１透明材料上に局所的に第２透明材料を形成し、前記第２透明材料を覆うように前記第１透明材料及び前記第２透明材料上に第３透明材料を形成した後、前記第３透明材料上に反射材料を形成し、前記光電変換部の上方の前記反射材料が残るように前記反射材料を除去して前記反射膜とする固体撮像装置の製造方法とすることもできる。
【００２４】
これによって、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置の製造方法を実現できる。
【００２５】
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、配線層を備え、前記除去において、前記配線層が形成される領域の前記反射材料が残るように前記反射材料を除去して前記配線層としてもよい。
【００２６】
これによって、配線層及び反射膜を同時に形成することができ、プロセス工程数を削減することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な裏面照射型の固体撮像装置及びその製造方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
本実施形態の固体撮像装置は、複数の画素が２次元状に配置されて撮像領域が構成された裏面照射型の固体撮像装置であって、１つの画素は、光電変換部（フォトダイオード）１３０、マイクロレンズ１１０、カラーフィルタ１２０ａ及び１２０ｂ、素子分離１３２、フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）１３３、層間絶縁膜１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ及び１４０ｄ、ゲート電極１４１、ゲート酸化膜１４２、反射膜１５０並びに配線１６０を備える。同固体撮像装置では、半導体基板１３１の裏面側から入射した光１０１は図１の破線で示される軌跡をたどり、光電変換部１３０に集光され、光電変換部１３０で光電変換される。
【００３０】
半導体基板１３１の光１０１の入射面側（裏面側）には、マイクロレンズ１１０、異なる色のカラーフィルタ１２０ａ及び１２０ｂ、並びに層間絶縁膜１４０ｃ及び１４０ｄが形成されている。半導体基板１３１は、例えばシリコン基板である。
【００３１】
半導体基板１３１内には、素子分離１３２、光電変換部１３０及びフローティングディフュージョン部１３３が形成されている。半導体基板１３１の素子分離１３２によって区切られた各領域は、それぞれ１つの画素を構成する。
【００３２】
半導体基板１３１の光１０１の入射面と反対側（表面側）には、光電変換部１３０に蓄積された信号電荷の読出しを制御するＭＯＳトランジスタのゲート電極１４１及びゲート酸化膜１４２、反射膜１５０、配線１６０、並びに層間絶縁膜１４０ａ及び１４０ｂが形成されている。
【００３３】
光電変換部１３０は、電子蓄積領域としてｎ型層が設けられ、その上方に正孔蓄積領域として半導体基板１３１表面にｐ型層が設けられた構造を有する。光電変換部１３０は、素子分離１３２によって分離された領域に位置して光１０１を電荷信号に変換する。
【００３４】
反射膜１５０は、例えばアルミニウム膜等の金属膜又は合金膜等であり、マイクロレンズ１１０を介して半導体基板１３１の裏面側に入射した後、半導体基板１３１を透過して半導体基板１３１の表面側から出射される光１０１を反射し、光電変換部１３０に反射する曲面形状を下面に有する。具体的には、反射膜１５０は、半導体基板１３１の表面から離れる向きに窪む曲面形状を有する。
【００３５】
これにより、マイクロレンズ１１０の焦点の位置を半導体基板１３１の表面側に近づけ、半導体基板１３１を透過して層間絶縁膜１４０ａに入射する光１０１の入射幅を狭くすることができる。従って、入射する光１０１のゲート電極１４１下部への入射が防がれるため、より多くの光を反射膜１５０に入射させて、光電変換部１３０に反射させることが可能となる。その結果、半導体基板１３１の透過光を光電変換部１３０に導き、より効果的に透過光の散乱を抑制し、感度の低下を防ぐことができる。
【００３６】
半導体基板１３１の表面（光１０１が入射する裏面と反対の面）に対して垂直方向から眺めたときの反射膜１５０の面積は、半導体基板１３１の裏面に対して垂直方向から眺めたときのマイクロレンズ１１０の面積よりも小さい。図１の固体撮像装置では、マイクロレンズ１１０の集光位置が反射膜１５０に近いため、反射膜１５０の面積を設定しても特に透過光の散乱は問題とならない。このように反射膜１５０の面積を小さくすることにより、隣接する配線層の設計の自由度を上げることが出来る。
【００３７】
マイクロレンズ１１０は、半導体基板１３１の裏面側から入射する光１０１を光電変換部１３０上に集光させる。マイクロレンズ１１０は、層間絶縁膜１４０ｄの屈折率よりも高い屈折率の材料から構成され、半導体基板１３１の裏面側に向かって凸の半球面のレンズ曲面を有する。つまり、マイクロレンズ１１０は、光１０１の入射面に半球面形状を持つ。
【００３８】
ゲート電極１４１、ゲート酸化膜１４２及び配線１６０は、本発明の周辺回路の一例である。
【００３９】
マイクロレンズ１１０の焦点距離は、マイクロレンズ１１０の屈折率及び曲率半径と、層間絶縁膜１４０ｃ及び１４０ｄの屈折率と、カラーフィルタ１２０ａ及び１２０ｂの屈折率と、半導体基板１３１の屈折率とにより決まる。従って、層間絶縁膜１４０ｃ及び１４０ｄの各膜厚と、これら屈折率及び曲率半径のパラメータとは、マイクロレンズ１１０の焦点が光電変換部１３０上にあるように最適な値に設定される。
【００４０】
反射膜１５０の焦点距離は、層間絶縁膜１４０ａ及び半導体基板１３１の屈折率の比と、反射膜１５０の曲率半径とにより決まる。従って、層間絶縁膜１４０ａの膜厚と、これら屈折率の比及び曲率半径のパラメータとは、反射膜１５０の焦点が光電変換部１３０上にあり、かつ反射膜１５０の焦点距離がマイクロレンズ１１０の焦点距離より短くなるように最適な値に設定される。
【００４１】
なお、図１では半導体基板１３１に入射する光１０１と反射膜１５０により反射される光の光線は重なって図示されている。しかし、入射する光１０１の集光位置と反射される光の集光位置は重なる必要はなく、共に光電変換部１３０上にあればよい。
【００４２】
図２は、図１に示す固体撮像装置の画素回路（画素トランジスタ回路）の構成を示す回路図である。
【００４３】
図２より、画素回路は、光電変換を行うフォトダイオード２００と、光電変換により発生した信号電荷をＦＤ部に転送する読出しトランジスタ２１１と、読出しトランジスタ２１１により転送された信号電荷を増幅する増幅トランジスタ２３０と、ＦＤ部及びフォトダイオード２００をリセットするリセットトランジスタ２２０と、垂直信号線２４１に信号電荷を読み出す画素を選択する選択トランジスタ２４０とを有している。
【００４４】
なお、このような回路構成は従来の固体撮像装置と同様の構成であり、本実施形態の画素回路は、他の回路構成、例えば選択トランジスタを持たない３トランジスタの構成や読出しトランジスタを持たない構成であってもよい。
【００４５】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置によれば、所定の画素の光電変換部１３０を透過した光は、反射膜１５０により反射され、再度所定の画素の光電変換部１３０に入射する。従って、所定の画素の光電変換部１３０を透過した光１０１が所定の画素以外の別の画素の光電変換部１３０で光電変換されることはなくなり、色分離特性の悪化やフレアの発生を防ぐことができる。また、透過光を効果的に利用できるため、特に長波長側の光に対して感度の低下を防ぐことができる。その結果、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００４６】
図３は、上記構造を有する固体撮像装置の製造方法、特に、曲面形状を持つ反射膜１５０の製造方法を説明するための断面図である。なお、図３において、図１と共通の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
まず、図３Ａに示すように、光電変換部１３０、素子分離１３２、フローティングディフュージョン部１３３及びゲート酸化膜１４２が形成された半導体基板１３１の表面上に、ゲート電極１４１を形成した後、プラズマＣＶＤ法等により例えば透明材料であるＳｉＯ2膜１４６を成膜し、ＣＭＰ等でＳｉＯ2膜１４６を平坦化する。なお、ＳｉＯ2膜１４６は本発明の第１透明材料の一例である。
【００４８】
次に、図３Ｂに示すように、平坦化されたＳｉＯ2膜１４６上にプラズマＣＶＤ法等により、所望の厚さの透明材料であるＳｉＯ2膜１４３を成膜する。なお、ＳｉＯ2膜１４３は本発明の第２透明材料の一例である。
【００４９】
次に、図３Ｃに示すように、フォトリソグラフィー法によってＳｉＯ2膜１４３の光電変換部１３０上方に位置する部分（図３ＣのＡで示される部分）を局所的にプロテクトし、リアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ）によって残りの部分（図３ＣのＢで示される部分）のＳｉＯ2膜１４３を除去する。このエッチングにより、光電変換部１３０の上方のＳｉＯ2膜１４６上に局所的に直方体状のＳｉＯ2膜１４３が残される。
【００５０】
次に、図３Ｄに示すように、ＳｉＯ2膜１４６及び局所的に残されたＳｉＯ2膜１４３の上に、プラズマＣＶＤ法等により再度透明材料であるＳｉＯ2膜１４５を成膜する。このとき、直方体状のＳｉＯ2膜１４３を覆うようなドーム状のＳｉＯ2膜１４５がＳｉＯ2膜１４３及び１４６上に成膜される。このドーム状のＳｉＯ2膜１４５の表面は、ほぼ球面である。これにより、ＳｉＯ2膜１４３、１４５及び１４６から構成される層間絶縁膜１４０ａが形成される。なお、ＳｉＯ2膜１４５は本発明の第３透明材料の一例である。
【００５１】
ここで、ＳｉＯ2膜１４５の球面の形状が後の工程で形成される反射膜１５０の表面の形状となる。従って、ＳｉＯ2膜１４５の球面の曲率半径は、反射膜１５０の焦点が光電変換部１３０に位置するように、その長さが調整される。このような長さの調整は、ゲート電極１４１を形成後に形成されるＳｉＯ2膜１４６の膜厚、直方体状のＳｉＯ2膜１４３の厚さ、及びドーム状のＳｉＯ2膜１４５の膜厚を調整することにより行われる。
【００５２】
また、ＳｉＯ2膜１４３をＲＩＥにより除去する際、エッチングガスの混合比を調整して、意図的に異方性エッチングに等方性エッチングが付加され、断面図が台形である直方体状のＳｉＯ2膜１４３が形成される。これにより、プラズマＣＶＤ法等により再度成膜されたＳｉＯ2膜１４５をより球面体に近いドーム状のＳｉＯ2膜にすることが可能となる。
【００５３】
次に、図３Ｅに示すように、ドーム状に成膜されたＳｉＯ2膜１４５の上に、例えばアルミニウム膜等の光を反射する反射材料１５１を堆積させる。反射材料１５１はドーム状に成膜されたＳｉＯ2膜１４５に沿って堆積されるため、ＳｉＯ2膜１４５の表面形状が反映され、曲面形状を持った反射材料１５１が形成される。
【００５４】
次に、図３Ｆに示すように、フォトリソグラフィー法によって反射材料１５１の光電変換部１３０上方に位置する部分（図３ＦのＣで示される部分）を局所的にプロテクトし、ＲＩＥによって残りの部分（図３ＦのＤで示される部分）の反射材料１５１を除去する。これにより、光電変換部１３０の上方に局所的に反射材料１５１が残される。この局所的に残された反射材料１５１により反射膜１５０が構成される。その後、従来の製造方法と同様の工程を用いて図１の固体撮像装置が製造される。
【００５５】
以上のように、本実施形態の固体撮像装置の製造方法によれば、光電変換部１３０上方に曲面形状を持つ反射膜１５０が形成される。従って、半導体基板１３１の裏面から入射し、光電変換部１３０を透過した光を反射させて、同じ光電変換部１３０に再度集光させる構造を固体撮像装置に付加することができる。その結果、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置の製造方法を実現できる。
【００５６】
なお、本実施形態の固体撮像装置の製造方法において、反射膜１５０の土台となる層間絶縁膜１４０ａとしてはＳｉＯ2膜に限定されずＳｉＯ2膜以外の絶縁膜を用いることができ、また反射膜としては上述したアルミニウム膜に限定されずアルミニウム膜以外の金属膜を用いことも出来る。
【００５７】
また、本実施形態の固体撮像装置の製造方法において、反射膜１５０を電源配線等にも用いたい場合は、反射材料１５１の除去において、配線が形成される領域の反射材料１５１が残るように反射材料１５１を除去して配線を形成してもよい。具体的には、各画素の反射材料１５１が互いに接続されるように反射材料１５１の所望の領域をフォトリソグラフィー法でプロテクトし、ＲＩＥにより不要な領域の反射材料１５１を除去してもよい。
【００５８】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、以下では第１の実施形態に係る固体撮像装置と異なる点を中心に説明する。
【００５９】
図４は、本実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。なお、図４において、図１と共通の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００６０】
本実施形態の固体撮像装置は、マイクロレンズ２１０が半導体基板１３１の表面側に向かって凸（下方に凸）のレンズ形状を有し、光１０１の入射面と反対側の面に半球面形状を持つという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。また、マイクロレンズ２１０の光１０１が入射する平坦な面上にマイクロレンズ２１０よりも硬度の高いカバー膜２１３が形成されているという点でも第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【００６１】
マイクロレンズ２１０は、半導体基板１３１の裏面側に設けられ、半導体基板１３１の裏面側から入射する光１０１を光電変換部１３０上に集光させる。マイクロレンズ２１０は、層間絶縁膜１４０ｄの屈折率よりも高い屈折率の材料から構成される。マイクロレンズ２１０の焦点距離は、マイクロレンズ２１０の屈折率及び曲率半径と、層間絶縁膜１４０ｃ及び１４０ｄの屈折率と、カラーフィルタ１２０ａ及び１２０ｂの屈折率と、半導体基板１３１の屈折率とにより決まる。従って、層間絶縁膜１４０ｃ及び１４０ｄの各膜厚と、これら屈折率及び曲率半径のパラメータとは、マイクロレンズ２１０の焦点が光電変換部１３０上に来るように最適な値に設定される。
【００６２】
カバー膜２１３は、半導体基板１３１の裏面側に設けられ、フォトレジスト膜等に比較して硬度が高くゴミが付着しても除去しやすい材料、例えば窒化シリコンや酸化シリコンで構成される。
【００６３】
上記構造を有する固体撮像装置において、マイクロレンズ２１０は、光１０１の入射面に半球面形状を持つ第１の実施形態のマイクロレンズ１１０と同様に、入射する光１０１を光電変換部１３０に集光させることができる。そして、半導体基板１３１を透過した光は反射膜１５０により、再度同じ光電変換部１３０に集光され、光電変換が行われる。従って、第１の実施形態と同様の光電変換効率を得られる。
【００６４】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態の固体撮像装置と同様の理由により、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００６５】
また、本実施形態の固体撮像装置によれば、マイクロレンズ２１０が形成され、光１０１が入射する半導体基板１３１の裏面側は平坦化される。従って、半導体基板１３１の裏面側のマイクロレンズ１１０が形成された部分で凸部を有する第１の実施形態の固体撮像装置に比べて、外部からの損傷を受けにくい。
【００６６】
また、本実施形態の固体撮像装置によれば、マイクロレンズ２１０の材料としてフォトレジスト膜等が使用されるが、マイクロレンズ２１０の表面は、カバー膜２１３で覆われる。従って、半導体基板１３１の裏面側でマイクロレンズ１１０が表面に露出する第１の実施形態の固体撮像装置に比べて、外部からの損傷を受けにくい。
【００６７】
また、本実施形態の固体撮像装置によれば、パッケージに組み立てる場合、カバー膜２１３上に空間を設ける必要がなく、例えば樹脂封止を行うことができ、チップ強度の向上や低コストを実現することが出来る。
【００６８】
（第３の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、以下では第１の実施形態に係る固体撮像装置と異なる点を中心に説明する。
【００６９】
図５は、本実施形態に係る固体撮像装置のマイクロレンズ１１０及び光電変換部１３０の大きさ及び位置関係を概念的に示す平面図（撮像面を示す平面図）である。なお、図５において、説明の簡略化のため、撮像領域３０１の画素は横９画素、縦７画素の合計６３画素のみを示しているが、実際には撮像領域３０１は数十万から数千万画素で構成される。図５において、図１と同一の構成については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００７０】
本実施形態の固体撮像装置は、マイクロレンズ１１０と光電変換部１３０との位置関係が撮像領域３０１の中心部の画素（図５のＥで示される画素）と周辺部の画素（図５のＦで示される画素）とで異なるという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。具体的には、撮像領域３０１の中心部の画素ではマイクロレンズ１１０の中心と光電変換部１３０の中心とが一致し、撮像領域３０１の周辺部の画素ではマイクロレンズ１１０の中心と光電変換部１３０の中心とがずれているという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。このずれ量（シフト量）は、撮像領域３０１の中心部より離れた画素ほどより大きな値となる。なお、マイクロレンズ１１０及び光電変換部１３０の中心とは、撮像面において撮像領域３０１の中央部に向かう方向における中心である。
【００７１】
図６は、固体撮像装置の撮像領域３０１の周辺部の画素における構造を示す断面図である。なお、図６において、図１と同一の構成については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００７２】
本実施形態の固体撮像装置では、撮像領域３０１の中心部に近づく方向（図６のａ方向）に、マイクロレンズ１１０並びにカラーフィルタ１２０ａ及び１２０ｂの中心が光電変換部１３０の中心から大きくシフトして配置されている。
【００７３】
また、本実施形態の固体撮像装置では、光１０１の光電変換部１３０における集光位置は、撮像領域３０１の中心部と周辺部とでほぼ等しい位置となる。従って、反射膜１５０と光電変換部１３０との位置関係は、撮像領域３０１の中心部と周辺部とで同じとされる。
【００７４】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態の固体撮像装置と同様の理由により、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００７５】
また、本実施形態の固体撮像装置によれば、カメラレンズ等により撮像領域３０１上に結像される光１０１の入射角は、撮像領域３０１の中心部の画素と周辺部の画素とで異なり、中心部の画素では光１０１は画素にほぼ真上から入射され、周辺部の画素では光１０１は画素に斜めに入射される。しかし、周辺部の画素では、撮像領域３０１の中心部に近づく方向に、マイクロレンズ３１０の中心が光電変換部１３０の中心から大きくシフトしているため、撮像領域３０１の画素の位置にかかわらず、全ての画素において入射する光１０１を対応する光電変換部１３０に集光させることができる。従って、色分離特性及び感度を更に向上させて更に高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００７６】
また、本実施形態の固体撮像装置において、反射膜１５０と光電変換部１３０との位置関係は、撮像領域３０１の中心部と周辺部とで同じである。従って、撮像領域３０１の中心部と周辺部とにおいて、配線レイアウトが周期的に同じものとなるため、配線間の寄生容量が等しくなる。その結果、例えばフローティングディフュージョン部１３３の寄生容量の差異等が要因となるシェーディングの発生を防止することが出来る。
【００７７】
なお、本実施形態の固体撮像装置において、マイクロレンズ１１２は第２の実施形態で示した光１０１の入射面に半球面形状を持つマイクロレンズであってもよい。
【００７８】
（第４の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、以下では第１の実施形態に係る固体撮像装置と異なる点を中心に説明する。
【００７９】
図７は、本実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。なお、図７において、図１と共通の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００８０】
本実施形態の固体撮像装置は、隣接する画素の反射膜４５０が接続されているという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。また、互いに接続された反射膜４５０を半導体基板１３１と電気的に接続し、半導体基板１３１の電位を固定するコンタクト４９０が層間絶縁膜１４０ａに設けられているという点でも第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【００８１】
反射膜４５０は、半導体基板１３１の裏面側に設けられた例えばアルミニウム膜の金属膜又は合金膜等であり、半導体基板１３１の裏面側に入射した後、半導体基板１３１を透過して半導体基板１３１の表面側から出射される透過光を反射し、光電変換部１３０に反射する曲面形状を下面に有する。具体的には、反射膜１５０は、光電変換部１３０上方の部分において、半導体基板１３１の表面から離れる向きに窪む曲面形状を有する。反射膜４５０には、外部から所定の電圧が印加され、電源電位に固定されている。
【００８２】
反射膜４５０の焦点距離は、層間絶縁膜１４０ａ及び半導体基板１３１の屈折率の比と、反射膜４５０の曲率半径とにより決まる。従って、層間絶縁膜１４０ａの膜厚と、これら屈折率の比及び曲率半径のパラメータとは、反射膜４５０の焦点が光電変換部１３０上にあり、かつ反射膜４５０の焦点距離がマイクロレンズ１１０の焦点距離より短くなるように最適な値に設定される。
【００８３】
コンタクト４９０は、層間絶縁膜１４０ａにおいて、半導体基板１３１を透過した光がコンタクト４９０により散乱されることを防ぐため、光電変換部１３０の上方以外（光電変換部１３０と反射膜４５０との間の領域以外）の部分に設けられている。
【００８４】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態の固体撮像装置と同様の理由により、色分離特性及び感度を向上させて高画質の画像を得ることが可能な固体撮像装置を実現できる。
【００８５】
また、本実施形態の固体撮像装置によれば、反射膜４５０に電圧が印加されて画素内部の半導体基板１３１に固定電位が供給される。従って、各画素内部の半導体基板１３１の電位が安定し、信号振幅が画素の配置位置に依存して一定の傾きとなること（シェーディング）を防止することが出来る。
【００８６】
なお、本実施形態の固体撮像装置において、反射膜４５０は図２で示した画素回路の電源電圧を供給する配線として用いられてもよい。また、画素回路が選択トランジスタ２４０を有さない３トランジスタの構成の場合、画素回路の電源電圧はパルス状の電圧となるが、反射膜４５０はこの電源電圧を供給する配線として用いられてもよい。
【００８７】
また、本実施形態の固体撮像装置において、マイクロレンズ１１２は第２の実施形態で示した光１０１の入射面に半球面形状を持つマイクロレンズであってもよい。また、本実施形態の固体撮像装置において、マイクロレンズ１１０及び光電変換部１３０の位置関係は第３の実施形態で示した位置関係であってもよい。
【００８８】
（第５の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。なお、以下では、第１の実施形態に係る固体撮像装置と異なる点を中心に説明する。
【００８９】
図８は、本実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。なお、図８において、図１と共通の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００９０】
本実施形態の固体撮像装置は、反射膜５５０上に順次形成された絶縁膜５６０及び金属膜５７０を備え、各画素に配置されている反射膜５５０がＭＩＭ容量の一部として形成されているという点で第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。また、半導体基板１３１と反射膜５５０とを電気的に接続するコンタクト５９０が層間絶縁膜１４０ａに設けられているという点でも第１の実施形態の固体撮像装置と異なる。
【００９１】
反射膜５５０は、半導体基板１３１の裏面側に設けられた例えばアルミニウム膜等の金属膜又は合金膜等であり、半導体基板１３１の裏面側に入射した後、半導体基板１３１を透過して半導体基板１３１の表面側から出射される透過光を反射し、光電変換部１３０に反射する曲面形状を下面に有する。具体的には、反射膜５５０は、光電変換部１３０上方の部分において、半導体基板１３１の表面から離れる向きに窪む曲面形状を有する。
【００９２】
反射膜５５０の焦点距離は、層間絶縁膜１４０ａ及び半導体基板１３１の屈折率の比と、反射膜５５０の曲率半径とにより決まる。従って、層間絶縁膜１４０ａの膜厚と、これら屈折率の比及び曲率半径のパラメータとは、反射膜５５０の焦点が光電変換部１３０上にあり、かつ反射膜５５０の焦点距離がマイクロレンズ１１０の焦点距離より短くなるように最適な値に設定される。
【００９３】
絶縁膜５６０は、金属膜５７０及び反射膜５５０と接する形で層間絶縁膜１４０ｂ内に設けられる。金属膜５７０は、例えばアルミニウム膜等の金属膜又は合金膜等であり、絶縁膜５６０を挟んで反射膜５５０と対向した形で層間絶縁膜１４０ｂ内に設けられる。
【００９４】
コンタクト５９０は、層間絶縁膜１４０ａにおいて、半導体基板１３１を透過した光がコンタクト５９０により散乱されることを防ぐため、光電変換部１３０の上方以外の部分に設けられている。
【００９５】
図９は、図８に示す固体撮像装置の画素回路（画素トランジスタ回路）の構成を示す回路図である。なお、図９において、図２と共通の構成要素については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００９６】
本実施形態の画素回路は、ダイナミックレンジの拡大をするため、光電変換により発生した信号電荷を蓄積する信号蓄積用容量２７０と容量選択トランジスタ２６０とを有しているという点で第１の実施形態の画素回路と異なる。信号蓄積用容量２７０は、反射膜５５０、金属膜５７０及び絶縁膜５６０により形成される容量であり、光電変換部１３０から出力された信号電荷を保持する。
【００９７】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法（動作）について説明する。
まず、容量選択トランジスタ２６０がＯＮとされ、フォトダイオード２００と信号蓄積用容量２７０とが導通状態にされる。その後、リセットトランジスタ２２０がＯＮとされ、ＦＤ部とフォトダイオード２００と信号蓄積用容量２７０とが初期化される。そして、リセットトランジスタ２２０がＯＦＦとされて第１露光が開始される。この第１露光を行う期間としては、光量の不足による画素内部の黒つぶれを少なくするために長めの期間に設定される。
【００９８】
次に、第１露光が終了した後、容量選択トランジスタ２６０がＯＦＦにされ、第１露光の結果として発生した信号電荷が信号蓄積用容量２７０に蓄積される。
【００９９】
次に、再びリセットトランジスタ２２０がＯＮにされ、フォトダイオード２００とＦＤ部とが初期化される。その後、リセットトランジスタ２２０がＯＦＦとされて第２露光が開始される。この第２露光を行う期間としては、画面内明部の白飛びを少なくするように第１露光期間よりも短めの期間に設定される。第２露光が終了した後、容量選択トランジスタ２６０が再びＯＮにされて、第２露光の結果として発生した信号電荷と第１露光の結果として既に信号蓄積用容量２７０に蓄積されている信号電荷とが画素内で混合される。そして、選択トランジスタ２４０がＯＮとされ、混合された信号電荷が垂直信号線２４１に読み出される。
【０１００】
これら一連の動作により、第１露光の時に白飛びした領域は第２露光の時に発生した信号電荷により補われ、また、同時に、第２露光の時に黒潰れした領域は第１露光の時に発生した信号電荷により補われる。従って、明暗差の大きい画面内の白飛び、黒潰れが緩和され、光の明暗に対するダイナミックレンジが拡大させることが出来る。
【０１０１】
以上のように本実施形態の固体撮像装置によれば、半導体基板１３１を透過した光を光電変換部１３０に導く反射膜５５０が容量として機能するように形成される。従って、画素で発生した信号電荷を一時的に保持するメモリとして反射膜５５０を用いることができる。その結果、反射膜５５０と容量とを別々に形成するより、プロセス工程数を削減でき、また画素の信号線や電源配線等の配線レイアウトの自由度を上げることができる。また、反射膜５５０は曲率を持つため、容量の単位面積あたりの容量値を平行平板で形成された容量より大きくすることができる。
【０１０２】
なお、本実施形態の固体撮像装置において、マイクロレンズ１１２は第２の実施形態で示した光１０１の入射面に半球面形状を持つマイクロレンズであってもよい。また、本実施形態の固体撮像装置において、マイクロレンズ１１０及び光電変換部１３０の位置関係は第３の実施形態で示した位置関係であってもよい。
【０１０３】
以上、第１〜第５の実施形態で説明したように、裏面照射型の固体撮像装置において、半導体基板の裏面側からマイクロレンズを通って半導体基板に光が入射して光電変換部で集光され、集光された光の一部は半導体基板を透過し、半導体基板の表面側から出射される。しかし、半導体基板の表面側には、透過光が他の画素へ不正に入射するのを防止し、透過光を反射して再度同じ光電変換部に集光させる曲面形状を持つ反射膜が設けられる。従って、透過光を再度同じ光電変換部へ集光させることが可能となり、感度を向上させることができると共に、別の画素の光電変換部に透過光が入射することを防ぐことができる。その結果、画質の悪化を防止することができる。
【０１０４】
以上、本発明の固体撮像装置及びその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ及びカメラ付き携帯等の撮像装置及びその製造方法等に利用可能であり、特に高感度が必要とされるビデオカメラ、医療用内視鏡カメラ、車載カメラ及び監視カメラ等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図２】同固体撮像装置の画素回路の構成を示す回路図である。
【図３Ａ】同固体撮像装置の反射膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】同固体撮像装置の反射膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｃ】同固体撮像装置の反射膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｄ】同固体撮像装置の反射膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｅ】同固体撮像装置の反射膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｆ】同固体撮像装置の反射膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態におけるマイクロレンズ及び光電変換部の大きさ及び位置関係を概念的に示す平面図である。
【図６】同実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図９】同固体撮像装置の画素回路の構成を示す回路図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０１、６０１    光
１１０、２１０、６１０    マイクロレンズ
１２０ａ、１２０ｂ、６２０ａ、６２０ｂ    カラーフィルタ
１３０    光電変換部
１３１、６３１    半導体基板
１３２、６３２    素子分離
１３３、６３３    フローティングディフュージョン部
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ、６４０ａ、６４０ｂ、６４０ｃ、６４０ｄ    層間絶縁膜
１４１、６４１    ゲート電極
１４２、６４２    ゲート酸化膜
１４３、１４５、１４６    ＳｉＯ2膜
１５０、４５０、５５０    反射膜
１５１    反射材料
１６０、６６０    配線
２００    フォトダイオード
２１１    読出しトランジスタ
２１３    カバー膜
２２０    リセットトランジスタ
２３０    増幅トランジスタ
２４０    選択トランジスタ
２４１    垂直信号線
２６０    容量選択トランジスタ
２７０    信号蓄積用容量
３０１    撮像領域
４９０、５９０    コンタクト
５６０    絶縁膜
５７０    金属膜
６０５ａ、６０５ｂ    反射光
【図１】
2010118412.tif 000003
【図２】
2010118412.tif 000004
【図３Ａ】
2010118412.tif 000005
【図３Ｂ】
2010118412.tif 000006
【図３Ｃ】
2010118412.tif 000007
【図３Ｄ】
2010118412.tif 000008
【図３Ｅ】
2010118412.tif 000009
【図３Ｆ】
2010118412.tif 000010
【図４】
2010118412.tif 000011
【図５】
2010118412.tif 000012
【図６】
2010118412.tif 000013
【図７】
2010118412.tif 000014
【図８】
2010118412.tif 000015
【図９】
2010118412.tif 000016
【図１０】
2010118412.tif 000017