(57)【要約】固体撮像装置は、グローバルシャッター構造を有し、受光部２と、配線層６と、受光部２の直上に、配線層６を貫通するように設けられた第１の透明絶縁膜１０と、配線層６及び第１の透明絶縁膜１０上を覆い、第１の透明絶縁膜１０よりも高い屈折率を有する透明保護膜７と、透明保護膜７上に設けられた、四辺形の平面形状を有する柱状の第１の突起部８と、第１の突起部８よりも低い屈折率を有する第２の透明絶縁膜１１とを備えている。
2017131009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上部に設けられ、光電変換を行う複数の受光部と、
前記基板の上部に、前記複数の受光部ごとに設けられ、前記複数の受光部の各々により生成された電荷を蓄積するメモリー部と、
前記基板上に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも一層の配線層と、
前記複数の受光部の直上であって、前記複数の金属配線の間の領域に、前記配線層を貫通するように設けられた第１の透明絶縁膜と、
前記配線層上及び前記第１の透明絶縁膜上を覆い、前記第１の透明絶縁膜よりも高い屈折率を有する透明保護膜と、
前記透明保護膜上に、前記複数の受光部のそれぞれの上方に位置するように設けられ、四辺形の平面形状を有する柱状の第１の突起部と、
前記第１の突起部上に設けられ、前記第１の突起部よりも低い屈折率を有する第２の透明絶縁膜とを備えている固体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記透明保護膜と前記第１の突起部とは、同一の透明材料膜で構成され、前記透明材料膜の下部は前記透明保護膜となっており、前記透明材料膜の上部は前記第１の突起部となっていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
前記基板上には、前記複数の受光部のうち１つの受光部と、前記受光部に対応する１つのメモリー部とを含むセルが、複数個形成されており、
前記第１の突起部の平面形状における一辺の長さは、前記セルのサイズの６０％以上８０％以下であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
前記基板上には、前記複数の受光部のうち１つの受光部と、前記受光部に対応する１つのメモリー部とを含むセルが、複数個形成されており、
前記第１の突起部の高さは、前記セルのサイズの５％以上３０％以下であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
第２の透明絶縁膜のうち、前記第１の突起部の上方に位置する部分上に設けられ、複数の色のいずれかに応じた波長の光を選択的に透過するカラーフィルタをさらに備え、
前記第１の突起部の平面形状における所定の方向の幅は、当該第１の突起部の上方に設けられた前記カラーフィルタが透過する光の波長が長い程、大きくなっていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記配線層は２層以上設けられており、
上下方向に隣接する前記配線層間には、前記第１の透明絶縁膜と同じ材料から構成された層間絶縁膜が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記第１の突起部の屈折率は、前記第２の透明絶縁膜の屈折率に比べて０．３以上０．６以下の範囲で大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記第１の透明絶縁膜は酸化シリコン系の材料で構成されており、前記透明保護膜及び前記第１の突起部は、窒化シリコン系の材料で構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記第１の突起部の平面視における形状は、正方形であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記第１の突起部の上面及び側面を覆う反射防止膜をさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記透明保護膜の下面のうち、前記複数の受光部のそれぞれの上方に位置する領域の一部には、前記第１の透明絶縁膜内に向かって下方に突出する第２の突起部が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１２】
請求項１１のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記第２の突起部は、下方から見て窓枠状に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の固体撮像装置において、
前記第２の突起部の深さは、６０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
前記メモリー部の上に形成され、前記複数の受光部の各々で生成された電荷を前記メモリー部へと転送させるゲート部と、
前記ゲート部と前記配線層との間に配置され、前記複数の受光部のそれぞれの上方領域に開口部が形成された遮光膜と、
前記第２の透明絶縁膜のうち、前記第１の突起部の上方に位置する領域上にそれぞれ設けられたオンチップレンズをさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グローバルシャッター構造を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサ（固体撮像装置）のシャッター方式には、上部のラインから下部のラインへと順次露光が実施されるローリングシャッター方式と、すべてのラインで同時に露光が実施されるグローバルシャッター方式とがある。ＣＭＯＳ型の固体撮像装置においてはローリングシャッター方式が多く採用されてきたが、ローリングシャッター構造を有する固体撮像装置では、高速で移動する物体を撮影する際の画像の歪み（いわゆるフォーカルプレーン歪み）が発生する。【０００３】
そこで、近年はグローバルシャッター構造を有するＣＭＯＳ型の固体撮像装置が提案されている。グローバルシャッター構造を有する固体撮像装置では、フォトダイオードとは別に半導体基板上にメモリー部が形成され、すべてのフォトダイオードからメモリー部へ信号を同時に読み出し、その後、メモリー部から当該信号を順次読み出すことで、歪みのない画像を得ることが可能となっている。このため、高速で移動する物体を識別する必要がある産業用のカメラや、ハイエンドカメラなどでは、グローバルシャッター構造を有する固体撮像装置が要望されている。【０００４】
一方、固体撮像装置のサイズを増大させることなく高画質の画像を得るために、固体撮像装置における各セルのサイズは縮小する傾向にある。しかし、セルサイズが縮小するにつれ、入射光を集光することが困難になるので、セルサイズを小さくしても効率良く入射光を集光できる、感度の高い固体撮像装置の実現が望まれている。【０００５】
特許文献１、２には、複数の配線層の上方に設けられ、受光部の上方を覆う層内レンズと、層内レンズの上方に設けられたオンチップレンズとを備える固体撮像装置が記載されている。これらの特許文献に記載された固体撮像装置では、オンチップレンズによって集められた入射光が、上に凸な略半球状の層内レンズによってより効果的に受光部に集光される。【０００６】
また、特許文献３には、受光部と層内レンズとの間に、複数の配線層を貫通する光導波路を備える固体撮像装置が記載されている。特許文献３に記載された固体撮像装置では、光導波路に入射した光が光導波路内に閉じ込められた状態で受光部まで導かれるので、集光効率が向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−０４０７８７号公報
【特許文献２】特開２００６−７３８８２号公報
【特許文献３】特開２００８−１９２９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
グローバルシャッター方式の固体撮像装置の半導体基板内では、電荷を保持するメモリー部が各受光部の近傍に設けられている。このため、セルサイズを縮小する場合、受光部とメモリー部との間の距離は非常に短くなる。【０００９】
ここで、上記特許文献１、２に記載された固体撮像装置では、層内レンズによって集光される光の多くが受光部に対して斜め光となっている。このため、特許文献１、２に記載された固体撮像装置において、セルサイズを縮小すると、斜め光の一部がメモリー部に直接入射してノイズ成分が大きくなる可能性がある。【００１０】
また、特許文献３に記載された光導波路は、受光部上に位置する層間絶縁膜を一旦除去して穴を形成後、構成材料を受光部上に埋め込むことによって形成される。このため、セルサイズを縮小する場合には、光導波路を形成することが難しくなる。【００１１】
本発明の目的は、上記課題に鑑みて、セルサイズが縮小する場合であっても高い感度を維持し、光学ノイズを低減可能なグローバルシャッター方式の固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書に開示された固体撮像装置は、基板と、前記基板の上部に設けられ、光電変換を行う複数の受光部と、前記基板の上部に、前記複数の受光部ごとに設けられ、前記複数の受光部の各々により生成された電荷を蓄積するメモリー部と、前記基板上に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも一層の配線層と、前記複数の受光部の直上であって、前記複数の金属配線の間の領域に、前記配線層を貫通するように設けられた第１の透明絶縁膜と、前記配線層上及び前記第１の透明絶縁膜上を覆い、前記第１の透明絶縁膜よりも高い屈折率を有する透明保護膜と、前記透明保護膜上に、前記複数の受光部のそれぞれの上方に位置するように設けられ、四辺形の平面形状を有する柱状の第１の突起部と、前記第１の突起部上に設けられ、前記第１の突起部よりも低い屈折率を有する第２の透明絶縁膜とを備えている。【００１３】
なお、「四辺形の平面形状」には、製造工程上のばらつきや誤差等の範囲内で、コーナー部分の形状が丸くなった場合も含まれるものとする。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書に開示された固体撮像装置によれば、グローバルシャッター方式を採用した場合にセルサイズが縮小する場合であっても、高い感度を維持しつつ、光学ノイズを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図２】図２は、参考例に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態及び参考例に係る固体撮像装置において、受光部において発生する電子数とメモリー部において発生する電子数との比率を比較した図である。
【図４】図４は、図１に示す固体撮像装置において、パッシベーション膜及び第１の突起部を上方から見た場合の平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図７】図７は、第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図８】図８は、第３の実施形態に係る固体撮像装置において、パッシベーション膜及び第１の突起部を上方から見た場合の平面図である。
【図９】図９は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の受光部において観測される光の波長及び分光強度を示す図である。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の平面形状を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第４の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の形状を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第４の実施形態に係る固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を用いて本発明の一例である実施形態を説明する。なお、本明細書において、「セル」とは、固体撮像装置の撮像領域において、１つの画素信号を生成する領域の最小単位を意味し、１つの受光部と、当該受光部で生じた電荷を蓄積する１つのメモリー部とが設けられた領域を指すものとする。また、セルサイズとは、セルの平面形状を正方形と想定した場合のセル幅を意味するものとする。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本明細書に開示された第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、基板１と、基板１の上部に設けられ、光電変換を行う複数の受光部２と、複数の受光部２の各々により生成された電荷を蓄積するメモリー部３と、各受光部２で光電変換により生成された電荷をメモリー部３へと転送させるゲート部４と、基板１及びゲート部４上に設けられ、複数の金属配線２０が形成された少なくとも一層の配線層６と、ゲート部４と配線層６との間に配置され、受光部２のそれぞれの上方領域に開口部が形成された遮光膜５と、受光部２の直上であって、金属配線２０の配線間の領域に、遮光膜５の開口部及び配線層６を貫通するように設けられた第１の透明絶縁膜１０とを備えている。
【００１８】
基板１としては、公知の半導体基板等が用いられ、例えばシリコン基板を用いることができる。受光部２は、入射した光を電荷に変換できる構造を有していればよく、例えばｎ型層上にｐ型層が形成されたフォトダイオードであってもよい。複数の受光部２は、撮像領域（図示せず）内で例えば行列状に配置され、行方向（図１における左右方向、以下「水平方向」という）において、互いに隣接する受光部２間にメモリー部３が設けられている。例えば、メモリー部３は、基板１内のｎ型層で構成されており、受光部２とメモリー部３との間には、ポテンシャルバリアが形成されている。
【００１９】
図１に示すように、配線層６が複数層設けられている場合、上下に隣接する配線層６間、及び最下層の配線層６と遮光膜５との間には、それぞれ第１の透明絶縁膜１０と同じ材料から構成された層間絶縁膜が形成されていてもよい。
【００２０】
本実施形態の固体撮像装置はまた、配線層６上及び第１の透明絶縁膜１０上を覆い、第１の透明絶縁膜１０よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜（透明保護膜）７と、パッシベーション膜７上に、複数の受光部２のそれぞれの上方に位置するように設けられた第１の突起部８と、パッシベーション膜７及び第１の突起部８上に設けられ、平坦な上面を有する平坦化膜（第２の透明絶縁膜）１１と、平坦化膜１１のうち、第１の突起部８の上方に位置する領域上にそれぞれ設けられたオンチップレンズ９とを備えている。
【００２１】
パッシベーション膜７と第１の突起部８とは互いに異なる材料で構成されていてもよいが、互いに同じ材料で構成されていてもよい。図１に示す例では、パッシベーション膜７と第１の突起部８とは同一の透明材料膜１７で構成されている。この場合、透明材料膜１７の下部が、配線層６を保護するパッシベーション膜７となり、透明材料膜１７の上部が第１の突起部８となる。
【００２２】
本実施形態の固体撮像装置では、第１の突起部８が四辺形の平面形状を有する柱状をしている。また、図１に示すように、第１の突起部８の縦方向断面（基板面に対して垂直な方向の断面）は四辺形になっている。さらに、第１の突起部８の屈折率は、平坦化膜１１の屈折率よりも高くなっている。
【００２３】
この構成をとることにより、後述するように、第１の突起部８に入射した光２２を第１の突起部８に閉じ込めることができるとともに、受光部２に入る入射光のうちの斜め光成分の割合を低減することができる。
【００２４】
本実施形態の固体撮像装置において、例えば第１の突起部８は、２．０程度の屈折率を示す窒化シリコン系材料で構成され、平坦化膜１１は、１．４〜１．７程度の屈折率を示す有機材料等で構成されていてもよい。このように、第１の突起部８と平坦化膜１１との屈折率差を大きくすることで、第１の突起部８に入射した光をより効果的に閉じ込めて、受光部２へと集めることができる。第１の突起部８と平坦化膜１１との屈折率の差分Δｎは、０．３以上０．６以下程度であることが好ましい。
【００２５】
なお、パッシベーション膜７は第１の突起部８と同様に窒化シリコン系材料で構成されていてもよく、第１の透明絶縁膜は、１．５程度の屈折率を示す酸化シリコン系材料で構成されていてもよい。なお、酸化シリコン系材料とは、酸化シリコンを主成分とする材料を意味し、ここでは絶縁性を有する限り、酸化シリコンに任意の不純物等が含まれていてもよい。また、窒化シリコン系材料とは、窒化シリコンを主成分とする材料を意味し、任意の不純物等が含まれていてもよい。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置に入射した光２２は、オンチップレンズ９によってオンチップレンズ９の中心軸方向に曲げられて第１の突起部８に入射する。第１の突起部を通過した光２２は、第１の突起部８によって集光され、パッシベーション膜７及び第１の透明絶縁膜１０を通過して受光部２へと入射する。受光部２に入射した光２４は、電子へと変換される。この光電変換によって生じた電子（電荷）は、ゲート部４への電圧印加によってメモリー部３へと転送される。メモリー部３に蓄積された電荷は、画像信号として利用され、信号処理により撮像画像を構成する。なお、本実施形態の固体撮像装置は、グローバルシャッター方式を採用しているので、受光部２での光電変換及び電荷の転送は、全ての画素について同じタイミングで行われる。
【００２７】
上述の光電変換の際に、メモリー部３に直接入射した光は、ノイズ成分となる。これは、メモリー部３においても光電変換が生じてしまうためである。メモリー部３に光が入射するのを防ぐために、ゲート部４上に遮光膜５が設けられている。この遮光膜５の構成材料としては、タングステン等の金属が用いられる。タングステンは、光の吸収係数が大きく、薄い膜厚でも高い遮光能力を有するので、遮光膜５の材料として好ましい。
【００２８】
図２は、参考例に係る固体撮像装置を示す断面図である。当該固体撮像装置では、透明材料膜１７の上部が上に凸な略半球状の層内レンズ１１２となっている点のみが図１に示す本実施形態の固体撮像装置と異なっている。
【００２９】
参考例に係る固体撮像装置では、オンチップレンズ９の周辺部から入射した光１２２は層内レンズ１１２によってより強く集光される。しかしながら、セルサイズが小さい場合には、図２に示すように、光１２２の焦点位置が基板１よりも大幅に手前の位置になることが多い。また、層内レンズ１１２を通過した光１２２では、斜め方向の成分が強くなる。このため、メモリー部３に直接入射する斜め光が多くなる。さらに、傾きの大きい光が遮光膜５のエッジ部分で回折され、メモリー部３に入射する。この結果、参考例に係る固体撮像装置では、ノイズ成分が大きくなってしまう。
【００３０】
これに対し、本実施形態の固体撮像装置では、第１の突起部８が四辺形の平面形状を有する柱状であるので、入射した光２２を絞り込む力が層内レンズ１１２に比べて弱い分、光を受光部２へと適度に集めつつ、第１の突起部８を通過した光２２の斜め方向成分を小さく抑えることができる。また、遮光膜５のエッジ付近を通る光２４の傾きも参考例に係る固体撮像装置に比べて小さくすることができるので、回折光がメモリー部３へと入射しにくくなっている。この結果、本実施形態の固体撮像装置では、メモリー部３に入射する光を大きく低減することができ、参考例に係る固体撮像装置に比べてノイズを大幅に低減することが可能となっている。
【００３１】
図３は、第１の実施形態及び参考例に係る固体撮像装置において、受光部２において発生する電子数とメモリー部において発生する電子数との比率（＝受光部で生じる電子数／メモリー部で生じる電子数）を比較した図である。同図において、参考例に係る固体撮像装置の結果は「層内レンズ」と表記され、本実施形態の固体撮像装置の結果は「柱状突起」と表記されている。
【００３２】
受光部２において発生する電子数とメモリー部３において発生する電子の比率は、ノイズの大きさを表す指標の１つとして用いられる。この比率は、２０００以上であることが要求されることが多いところ、参考例に係る固体撮像装置では当該比率が２８６５であるのに対し、本実施形態の固体撮像装置では、当該比率が９５４１であった。このように、本実施形態の固体撮像装置では、ノイズ成分を大幅に低減できることが確かめられた。
【００３３】
参考例に係る固体撮像装置では、オンチップレンズ９や層内レンズ１１２を用いて受光部２に光を集めることを目的としているが、本実施形態の固体撮像装置では、敢えて層内レンズ１１２に代えて集光能力の低い柱状の第１の突起部８を採用している。図３に示すように、セルサイズの小さいグローバルシャッター方式の固体撮像装置において、第１の突起部８の上述の形状が非常に有効であることは、本願発明者らの独自の検討により独自に見いだされた事項である。
【００３４】
なお、特許文献３に記載されたような光導波路は、配線層６の形成後に第１の透明絶縁膜１０のうち受光部２の上方に位置する部分を除去して穴を形成した後、その穴を高屈折率材料を用いて埋め込むことにより作製される。しかし、本実施形態の固体撮像装置にはメモリー部３が設けられているので、本実施形態の固体撮像装置では同じサイズのローリングシャッター方式の固体撮像装置に比べて受光部２上の開口寸法が小さくなっている。このため、配線層６の形成後に穴を形成すると、当該穴のアスペクト比が大きくなり、光屈折材料による埋め込みが困難になる。そのため、本実施形態の固体撮像装置では、敢えて受光部２上に光導波路を設けていない。
【００３５】
この構成によれば、セルサイズが縮小した場合にも十分対応できる上、製造コストを抑えることもできる。
【００３６】
また、後述するように、第１の突起部８は、リソグラフィー処理及びドライエッチング処理を用いてパッシベーション膜７を残した状態で形成できるので、本実施形態の固体撮像装置では、参考例に係る固体撮像装置に比べて配線層６の保護が容易になっているとともに、製造プロセスが簡易になっている。
【００３７】
図４は、図１に示す本実施形態の固体撮像装置において、パッシベーション膜７及び第１の突起部８を上方から見た場合の平面図である。同図において、パッシベーション膜７の外形線は便宜的に示したものであり、実際にはパッシベーション膜７は図４の上下方向及び左右方向にも広がっている。
【００３８】
第１の突起部８の平面形状は、四辺形であればよく、図４に示すように、水平方向の幅Ｗｘと垂直方向の幅Ｗｙとがほぼ等しい正方形であってもよい。近年、オンチップレンズ９は、なるべく多くの光を取り込むために水平方向のギャップが無いようにエッチバック処理によって作成されることが多い。水平方向にギャップの無いオンチップレンズ９を用いる場合には、オンチップレンズ９を通過する光のビーム形状が正方形に近くなるため、第１の突起部８の平面形状を光のビーム形状に一致させることで、結合効率の低下を防ぎ、集光効率を向上させることが可能となる。
【００３９】
また、第１の突起部８の平面形状における一辺の長さは、いずれもセルサイズの６０％以上８０％以下であってもよい。言い換えれば、第１の突起部８の水平方向の幅（図１に示す幅Ｗ）及び垂直方向の幅は、共にセルサイズの６０％以上８０％以下であってもよい。
【００４０】
第１の突起部８の水平方向の幅及び垂直方向の幅がセルサイズの６０％以上であることにより、オンチップレンズ９により集光された光を十分に取り込むことが可能となり、感度の低下が発生しにくくなる。また、光の閉じ込め能力が大きくなり過ぎるのを抑え、第１の突起部８を通過した光の斜め光成分を低減しやすくなるので、ノイズを低減することが可能となる。
【００４１】
また、第１の突起部８の水平方向の幅及び垂直方向の幅がセルサイズの８０％以下であることにより、十分な集光能力を確保することができるので、感度の低下を抑えることが可能となる。
【００４２】
また、例えば平坦化膜１１のうち、第１の突起部８の上方に位置する部分上に、複数の色のいずれかに応じた波長の光を選択的に透過するカラーフィルタ（図示せず）を設けてもよい。この場合、第１の突起部８の平面形状における所定方向の幅は、第１の突起部８の上方に設けられたカラーフィルタが透過する光の波長が長い程、大きくなっていてもよい。このような構成をとることにより、画素の色別に感度を最適化できるので、固体撮像装置の感度を向上させることができる。
【００４３】
例えば、第１の突起部８の平面形状を正方形とし、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の３種類の画素を設ける場合、青（Ｂ）用の画素における第１の突起部８の幅をＷＢ、緑（Ｇ）用の第１の突起部８の幅をＷＧ、赤（Ｂ）用の第１の突起部８の幅をＷＲとすると、ＷＢ＜ＷＧ＜ＷＲであることが好ましい。光の波長によりオンチップレンズ９での集光状態が変わるので、波長の短い青色光は、第１の突起部８上での集光サイズが小さくなり、波長の長い赤色光は、第１の突起部８上での集光サイズが大きくなる。このため、上述の構成をとることで、高感度の固体撮像装置を実現できる。
【００４４】
また、第１の突起部８の高さＨ（図１参照）は、セルサイズの５％以上３０％以下であってもよい。高さＨをセルサイズの５％以上にすることで、十分な集光能力を確保することができ、感度の低下を抑えることができる。また、斜め光が入射した場合に当該入射光を屈折させて受光部２へと導く能力も確保することができるので、入射角特性の低下を来さない。一方、高さＨをセルサイズの３０％以下にすることで、集光能力が大きくなり過ぎるのを防ぎ、ノイズが増加するのを防ぐことができる。
【００４５】
なお、第１の突起部８の構成材料として、屈折率が２付近である窒化シリコンの他に、屈折率が１．９以上の透明な材料を用いても以上で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、第１の突起部８と、第１の突起部８に直接接する部材との間の屈折率差は０．２以上あれば好ましい。この屈折率差を０．２以上にすることで、集光能力及び光の閉じ込め能力の低下、感度の低下、入射角特性の悪化等を来すのを防ぐことができる。
【００４６】
−固体撮像装置の製造方法−
図５Ａ〜図５Ｄは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【００４７】
まず、図５Ａに示すように、シリコン等からなる基板１の上部にイオン注入等を行うことにより、受光部２及び受光部２に隣接するメモリー部３を形成する。次いで、公知のリソグラフィー工程やエッチング工程を用いて、メモリー部３上にポリシリコン等からなるゲート部４を形成する。続いて、ゲート部４及び基板１上に絶縁膜を形成した後、スパッタリング及びドライエッチング等により、タングステン等からなり、受光部２上方に開口部が形成された遮光膜５を形成する。
【００４８】
次に、公知の方法によって、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜２５と、金属配線２０が形成された配線層６とを交互に複数層形成する。ここで、基板１上に形成された絶縁膜及び層間絶縁膜２５のうち、受光部２の上方に位置する部分を、以後第１の透明絶縁膜１０と呼ぶ。
【００４９】
次いで、図５Ｂに示すように、公知のChemical Vapor Deposition（ＣＶＤ）法によって例えば窒化シリコンからなる透明材料膜１７を形成した後、透明材料膜１７のうち各受光部２の上方に位置する部分を覆い、平面形状が四辺形のレジストマスク３０を形成する。
【００５０】
次に、図５Ｃに示すように、透明材料膜１７の上部をドライエッチングによって除去した後、レジストマスク３０を除去することにより、パッシベーション膜７及び第１の突起部８を形成する。
【００５１】
続いて、図５Ｄに示すように、スピンコート法等によって透明高分子樹脂等からなる平坦化膜１１とオンチップレンズ９とをそれぞれ形成する。オンチップレンズ９を形成する前に、平坦化膜１１上にカラーフィルタを形成してもよい。オンチップレンズ９は、透明高分子樹脂を塗布した後、リソグラフィーでの現像、リフロー処理での球面化、ドライエッチング処理を経て形成される。以上の方法により、本実施形態の固体撮像装置を製造することができる。
【００５２】
本実施形態の固体撮像装置では、透明材料膜１７の下部をパッシベーション膜７とし、上部を第１の突起部８とすることも可能であるので、層内レンズを設ける場合に比べて製造工程数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。以下では、図１に示す第１の実施形態と異なる部分を中心に説明を行う。
【００５４】
本実施形態の固体撮像装置では、最上層の配線層６とパッシベーション膜７との間に反射防止膜１３ａが設けられているとともに、パッシベーション膜７の上面及び第１の突起部８の上面及び側面を覆う反射防止膜１３ｂが設けられている。
【００５５】
平面形状が四辺形で柱状の第１の突起部８を設ける場合、平坦な面が多くなるので、特定の波長で光の干渉が発生しやすくなっている。
【００５６】
例えば、屈折率差が大きい平面で挟まれた図６に示す区間Ａ、Ｂでは、特定の波長で干渉が発生しやすくなっている。本実施形態の固体撮像装置では、干渉が発生しやすい界面に反射防止膜１３ａ、１３ｂが設けられているので、区間Ａ及び区間Ｂで発生する干渉を効果的に抑えることができる。
【００５７】
本実施形態の固体撮像装置では、例えば第１の突起部の屈折率を２付近、第１の透明絶縁膜１０の屈折率を１．５付近、平坦化膜１１の屈折率を１．５付近としているので、反射防止膜１３ａ、１３ｂの材料としては、部材間の屈折率差を緩和するために、屈折率が１．６以上１．９以下程度の材料が用いられる。反射防止膜１３ａ、１３ｂは、多層膜構造を有していてもよく、例えば屈折率が１．６付近であるＳｉＯＮ膜と、屈折率が１．７付近であるＳｉＣＯ膜とを積層することによって形成されていてもよい。この構成によれば、部材間での屈折率の変化がなだらかになり、干渉の発生を効果的に抑えることができる。この結果、滑らかな分光特性が得られ、画質の低下を防ぐことができる。
【００５８】
なお、反射防止膜１３ａ、１３ｂは共に設けられていてもよいが、いずれか一方のみ設けられていても干渉の発生を低減することは可能である。
【００５９】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【００６０】
第２の実施形態で説明したように、平面形状が四辺形で柱状の第１の突起部８を設ける場合、平坦な面が多くなるので、特定の波長で光の干渉が発生しやすくなっている。
【００６１】
図７に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、パッシベーション膜７の下面のうち、各受光部２の上方に位置する領域の一部には、第１の透明絶縁膜１０内に向かって下方に突出する第２の突起部１４が形成されている。第２の突起部１４は、第１の突起部８やパッシベーション膜７と同じく屈折率の大きい窒化シリコンにより構成されてもよい。
【００６２】
第２の突起部１４を形成することにより、パッシベーション膜７の下部に形成される平面を小さくすることが可能となる。
【００６３】
この結果、パッシベーション膜７の下部と基板１との間には、図７に示す区間Ｃと区間Ｄの２通りの長さの区間が存在することになり、光の位相が揃いにくくなっている。このため、本実施形態の固体撮像装置によれば、一定波長での干渉を半分以下に抑制することが可能となる。
【００６４】
また、第２の突起部１４が設けられていることにより、オンチップレンズ９から第１の突起部８に入射し、パッシベーション膜７へと入る光２２の集光状態が変化する。パッシベーション膜７を透過した光２８は、平行光に近い状態となるので、斜め光成分が減少する。このため、第２の突起部１４が設けられない場合に比べて遮光膜５により回折される光を減らすことができるので、当該回折光により発生するノイズを第１の実施形態の固体撮像装置に比べて１０％以上低下させることが可能となる。
【００６５】
図８は、図７に示す固体撮像装置において、パッシベーション膜７及び第１の突起部８を上方から見た場合の平面図である。同図に示すように、第２の突起部１４は、下方から見て窓枠状に形成されていてもよい。水平方向のギャップが無いオンチップレンズ９を設ける場合、第１の突起部８及び受光部２に入射する光２２、２８のビーム形状は、基板１の上方から見て四辺形に近くなっている。この場合に、第２の突起部１４を四辺形の外形を有する窓枠状にすることにより、第２の突起部１４及び第２の突起部１４により囲まれた領域の形状を入射光のビーム形状に一致させやすくなるので、光の干渉の発生をより効果的に抑えることが可能となる。
【００６６】
このため、本実施形態の固体撮像装置によれば、干渉の発生を低減しつつ、ノイズの少ない画像を得ることができる。なお、第２の突起部１４の最適なサイズは、固体撮像装置の設計によって適宜決められる。
【００６７】
図９は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の受光部において観測される光の波長及び分光強度を示す図である。同図において、「突起無し」として示すのは第２の突起部１４を形成していないことを除き第３の実施形態と同じ構成を有する固体撮像装置におけるシミュレーション結果であり、「突起有り」として示すのは、第３の実施形態に係る固体撮像装置におけるシミュレーション結果である。
【００６８】
同図に示すように、第２の突起部１４が形成されていない場合には波長によって入射光の強度に振幅が見られた。これに対して、本実施形態の固体撮像装置では、第２の突起部１４を設けることにより、波長が変化した場合の分光強度の変動は滑らかになっていることが確認できた。
【００６９】
なお、本実施形態では、第２の突起部１４の断面形状が窓枠状である例を説明したが、パッシベーション膜７の下面に凹凸が形成されていれば干渉を低減する効果を得ることはできる。
【００７０】
第２の突起部１４の深さは、受光する光の波長によって最適化すればよいが、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の画素を設ける場合には、３色のうち中間の波長を有する緑色光に合わせて設計してもよい。第２の突起部１４の深さは、固体撮像装置の構成材料にもよるが、６０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度であれば干渉低減効果を得ることができる。なお、第２の突起部１４の深さが小さすぎると干渉防止効果も弱くなり、第２の突起部１４の深さが深すぎると、第１の透明絶縁膜１０の上部に形成した穴に窒化シリコン系等の材料を埋め込むのが困難になる。
【００７１】
（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。また、図１１Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の平面形状を示す平面図であり、図１１Ｂは、当該固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。図１２Ａは、第４の実施形態に係る固体撮像装置において、遮光膜の形状を示す平面図であり、図１２Ｂは、当該固体撮像装置のメモリー部に入射する光の強度を示す図である。
【００７２】
図１１Ａ及び図１２Ａは、それぞれ図１０に示す破線で囲んだ部分に相当する領域を示している。また、図１１Ｂは、図１１Ａの右側に示すメモリー部での入射光の強度を示し、図１２Ｂは、図１２Ａの右側に示すメモリー部での入射光の強度を示している。
【００７３】
上述したように、遮光膜５を備えた単スリット構造を採用する場合、遮光膜５のエッジ部分で回折光２４が生じるため、メモリー部３にノイズとなる光が入射する。この場合、図１１Ｂに示すように、遮光膜５のエッジで回折された回折光２４ａと回折光２４ｂとは同じ位相であるため互いに干渉し、メモリー部３に光強度が強くなる箇所が発生することがある。
【００７４】
図１０及び図１２Ａに示すように、本実施形態の固体撮像装置では、遮光膜５のうち、平面的に見て受光部２に面した部分に凹凸が形成されている。この構成によれば、遮光膜５の凸部で回折した光２４ｃと遮光膜５の凹部で回折した光２４ｄとでは位相が揃いにくくなっているので、干渉の発生を緩和することができる（図１２Ｂ参照）。このため、本実施形態の固体撮像装置では、遮光膜５に凹凸を形成しない場合に比べてメモリー部３で発生するノイズを大幅に低減することができる。図１１Ｂに示す結果と、図１２Ｂに示す結果とを比較すると、本実施形態の固体撮像装置のメモリー部３では、１５％以上ノイズが低減されていることが確かめられた。
【００７５】
遮光膜５に形成する凹凸の幅Δｄは、ノイズを抑制したい波長に合わせて設計すればよく、可視光を観測する撮像素子の場合、６５０ｎｍ付近の波長を有する光に合わせて設計すればよい。本実施形態の固体撮像装置では、例えばΔｄ＝１００ｎｍとしてもよい。また、メモリー部３のエッジと遮光膜５のエッジとの間の距離を考慮して、Δｄを５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲で設定してもよい。
【００７６】
以上述べたように、本明細書で開示された固体撮像装置によれば、セルサイズが縮小した場合であっても、高感度を維持したまま、光学ノイズを低減することができる。以上で説明した固体撮像装置の構成は、グローバルシャッター構造を有するＣＭＯＳイメージセンサに適用されてもよいが、ＣＣＤセンサに適用した場合でも、高い感度とノイズの低減とを両立させることができる。
【００７７】
なお、以上で説明した各実施形態に係る固体撮像装置は、本発明の実施形態の一例であって、各構成部材の形状や構成材料、サイズ等は適宜変更可能である。また、第１〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成をそれぞれ組み合わせてもよい。例えば、第４の実施形態に係る固体撮像装置において、第２の実施形態に係る固体撮像装置の反射防止膜１３ａ、１３ｂを採用することで、光の干渉をより効果的に抑えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本開示の一例に係る固体撮像装置は、種々のカメラや携帯機器等の撮像装置に適用されうる。
【符号の説明】
【００７９】
１  基板
２  受光部
３  メモリー部
４  ゲート部
５  遮光膜
６  配線層
７  パッシベーション膜
８  第１の突起部
９  オンチップレンズ
１０  第１の透明絶縁膜
１１  平坦化膜
１３ａ、１３ｂ  反射防止膜
１４  第２の突起部
１７  透明材料膜
２０  金属配線
２２、２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２８、１２２  光
２５  層間絶縁膜
３０  レジストマスク
１１２  層内レンズ
【図１】
2017131009.tif 000003
【図２】
2017131009.tif 000004
【図３】
2017131009.tif 000005
【図４】
2017131009.tif 000006
【図５Ａ】
2017131009.tif 000007
【図５Ｂ】
2017131009.tif 000008
【図５Ｃ】
2017131009.tif 000009
【図５Ｄ】
2017131009.tif 000010
【図６】
2017131009.tif 000011
【図７】
2017131009.tif 000012
【図８】
2017131009.tif 000013
【図９】
2017131009.tif 000014
【図１０】
2017131009.tif 000015
【図１１Ａ】
2017131009.tif 000016
【図１１Ｂ】
2017131009.tif 000017
【図１２Ａ】
2017131009.tif 000018
【図１２Ｂ】
2017131009.tif 000019
【国際調査報告】
2017131009.tif 000020
2017131009.tif 000021
2017131009.tif 000022
2017131009.tif 000023