(57)【要約】【課題】  光導波路を金属酸化物で構成することで集光効率を向上させると共に、金属酸化物で構成したことによって生じる暗電流を防ぐこと。【解決手段】  固体撮像素子において、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換部（３１）と、前記光電変換部に入射光を導くための金属酸化物で形成された光導波路（３８）と、前記光導波路と前記光電変換素子との間に配設された、透光特性を有する分離層（３７、４０）とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換部と、
前記光電変換部に入射光を導くための金属酸化物で形成された光導波路と、
前記光導波路と前記光電変換素子との間に配設された、透光特性を有する分離層と
を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記金属酸化物は、チタニウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記分離層は、前記光導波路を構成する金属酸化物が、前記光電変換部に拡散するのを防ぐことができる厚さを有す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４】
前記分離層は、更に、前記光電変換部の感度が相対的に低い波長領域の光を反射防止する厚さ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】
前記分離層の厚さは、約3000Åから約7000Åの間であることを特徴とする請求項３または４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光導波路の周囲に配設された層間絶縁膜を更に有し、
前記分離層は、前記層間絶縁膜よりも高い屈折率の素材により形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記分離層は、シリコン窒化物で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記分離層が、前記光導波路に引き続く光導波路を構成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の個体撮像素子。
【請求項９】
前記光導波路の周囲に配設された層間絶縁膜を更に有し、
前記分離層は、前記層間絶縁膜と同じ素材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記分離層は、シリコン酸化物で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いる固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いる固体撮像素子では、画素数を増やして画質を向上させる一方で、チップサイズを小さくすることにより低価格化をはかっている。そのため、固体撮像素子を構成する１画素の大きさは年々小さくなり、それに伴って受光部の面積も小さくなってきている。
【０００３】
受光部の面積が小さくなると受光感度が低下してしまうため、光入射面と受光部との間に入射開口の大きな光導波路を設け、集光特性を高めた固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この固体撮像素子では、光電変換部の光入射側に高屈折率の材料であるシリコン酸化物（SiO2）で構成された光導波路を設け、その周囲に低屈折率材料である酸化マグネシウム（MgO）を構成して、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。
【０００４】
図５は、光導波路を有する従来のCMOS型固体撮像素子の素子断面図である。図中、４３はマイクロレンズで、不図示の撮影レンズから入射してくる光をシリコン基板３０に形成された光電変換部３１に効率よく集光するように配設されている。マイクロレンズ４３を透過した光は透明な平坦化層４２を透過し、カラーフィルタ層４１で波長選択される。カラーフィルタ層４１を透過した所定波長の光は、平坦化層３９を介して、入射側の開口面積が光電変換部３１の面積よりも広い光導波路４５によって光電変換部３１に導かれる。光導波路４５は、屈折率が約2.0のシリコン窒化物（SiN）で形成され、光導波路４５の周囲は屈折率が約1.46のシリコン酸化物（SiO2）にて層間絶縁膜３３が形成されているため、例えば光導波路４５から層間絶縁膜３３へ抜けようとする光５０は光導波路４５と層間絶縁膜３３との屈折率差によって屈折率界面で全反射して光電変換部３１に導かれる。
【０００５】
また、図中３２、３４、３５は光電変換部３１で発生した電荷を選択的に読み出すための電極で、通常、電極３２は一部の波長領域の光を透過する多結晶シリコン（Poly-Si）、電極３４、３５はアルミニウム（Al）で形成されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２３５３１３号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年では、デジタルスチルカメラの更なる高倍率ズーム化に伴い、固体撮像素子に入射する光の角度範囲がより大きくなっている。そのため、図５の固体撮像素子断面図に示すように、入射角の大きい光５１は光導波路４５と層間絶縁膜３３との屈折率界面で全反射せずに透過してしまい、光電変換部３１に導かれない、という問題が生じていた。
【０００８】
また、入射角の大きい光５１が光導波路４５と層間絶縁膜３３との屈折率界面で全反射をするためには、光導波路４５と層間絶縁膜３３との屈折率差を大きくすることが有効で、例えば光導波路４５を屈折率が2.3のチタニウム酸化物（TiO2）で構成することが考えられる。
【０００９】
しかしながら、チタニウム酸化物等の金属酸化物の金属は光電変換部３１を構成するシリコン（Si）に対して不純物として作用し、暗電流等の増加をもたらすため、現実的に使用することができないという欠点があった。
【００１０】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、光導波路を金属酸化物で構成することで集光効率を向上させると共に、金属酸化物で構成したことによって生じる暗電流を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の個体撮像素子は、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換部と、前記光電変換部に入射光を導くための金属酸化物で形成された光導波路と、前記光導波路と前記光電変換素子との間に配設された、透光特性を有する分離層とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光導波路を金属酸化物で構成することで集光効率を向上させると共に、金属酸化物で構成したことによって生じる暗電流を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態におけるCMOS型個体撮像素子の１画素の概略構成を示す断面図である。通常、デジタルスチルカメラ等の撮像装置に用いられる固体撮像素子は、数百万の画素で構成される。なお、図５と同様の構成には同じ参照番号を付している。
【００１５】
図１において、固体撮像素子は、入射光を集光するためのマイクロレンズ４３、マイクロレンズ平坦化層４２、入射光を波長選択するためのカラーフィルタ層４１、カラーフィルタ平坦化層３９、シリコン基板３０内に形成された光電変換部３１、光電変換部３１にて発生した光電荷を読み出すための電極３２、３４、３５等から構成されている。電極３２とカラーフィルタ平坦化層３９との間には光導波路３８が形成されている。４０はエッチングにて光導波路３８を形成する際に必要とするシリコン窒化物（SiN）で構成されたエッチングストッパ膜である。
【００１６】
光導波路３８は層間絶縁膜３３に対して相対的に屈折率の高い材料で形成されており、本第１の実施形態では光導波路３８は屈折率が約2.3のチタニウム酸化物（TiO2）で形成されている。また、層間絶縁膜３３は屈折率が1.46のシリコン酸化物（SiO2）で形成されている。このように、光導波路３８と層間絶縁膜３３との屈折率差が大きいため、入射角の小さい光５０と同様に入射角の大きい光５１も光導波路３８と層間絶縁膜３３との境界面で全反射して、光電変換部３１へ効率よく導かれる。このように、入射角の大きい光も光導波路３８と層間絶縁膜３３との間で全反射して光電変換部に導くことが可能となり、固体撮像素子の光の利用効率を向上させることができる。
【００１７】
また光導波路３８を構成するチタニウム酸化物（TiO2）は金属酸化物であるため、CVD法によりチタニウム酸化物を成膜する際に、金属であるチタン（Ti）が光電変換部３１のシリコン(Si)に不純物として拡散しないように、光導波路３８と光電変換部３１との間には厚さが3000Å以上の透明保護層３７を形成する。本第１の実施形態では、透明保護層３７は屈折率が約2.0のシリコン窒化物（SiN）で構成され厚さは約3500Åである。また、透明保護層３７（屈折率約2.0）と層間絶縁膜３３（屈折率1.46）との屈折率差により、透明保護層３７と層間絶縁膜３３との屈折率界面でも全反射が生じ、光の利用率向上に寄与している。この透明保護層３７とエッチングストッパ膜４０とが、光導波路３８と光電変換部３１とを分離する分離層を形成している。
【００１８】
図２は光導波路３８と光電変換部３１との間での分光反射特性図である。本第１の実施形態では、透明保護層３７は光導波路３８を構成する金属成分が光電変換部３１に拡散するのを防止するとともに、固体撮像素子の相対的に感度が低い青と赤の波長領域に対して反射防止特性を有するように構成されている。
【００１９】
次に、図３を参照して、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子を製造するための光導波路の形成工程について説明する。
【００２０】
なお、CMOS型固体撮像素子３を製造する前工程は、例えば、特開２０００−８５６５９号公報により開示されている方法を用いる。
【００２１】
前工程終了後の固体撮像素子３の構造を図３（ａ）に示す。シリコン酸化物（SiO2）で構成された層間絶縁膜３３の上にアルミニウム（Al）による電極３５が形成されている。さらに本発明の固体撮像素子では、光電変換部３１の上にシリコン窒化物（SiN）によるエッチングストッパ膜４０が形成されている。
【００２２】
まず、光電変換部３１上に光導波路３８を形成するための穴３６を形成する。穴３６は、層間絶縁膜３３上にフォトレジストを塗布し、光導波路３８の入射開口に相当する開口をレジストパターニングで設けて、さらにドライエッチングを行うことにより形成される。このとき、層間絶縁膜３３と光電変換部３１との間には不図示のエッチングストッパ膜４０が形成されているため、光電変換部３１自体はエッチングされない（図３（ｂ））。
【００２３】
次に、固体撮像素子全面にCVD法によりシリコン窒化物（SiN）を成膜し、穴３６に透明保護層３７を形成する（図３（ｃ））。シリコン窒化物（SiN）の厚さは約3500Åで、次の工程で穴３６の領域に成膜される光導波路３８の金属成分が光電変換部３１に拡散するのを防止するとともに、固体撮像素子の相対的に感度が低い青と赤の波長領域の光に対して反射防止特性を有するような厚さに制御されている。また、透明保護層３７の厚さが厚いと金属酸化物による光導波路３８の領域が狭くなるため、透明保護層３７の厚さは約7000Å以下に制限される。
【００２４】
さらに、CVD法によりチタニウム酸化物（TiO2）を成膜することにより、光導波路３８を形成する（図３（ｄ））。このとき、金属成分のチタン（Ti）の一部はシリコン窒化物（SiN）で形成された透明保護層３７に拡散するが、透明保護層３７が3000Å以上であるため光電変換部３１のシリコン（Si）までは到達しない。チタニウム酸化物（TiO2）が成膜されると、CMP等による平坦化処理が行われる。
【００２５】
光導波路３８が形成されると、カラーフィルタ層４１を形成するためのカラーフィルタ平坦化層３９が形成された後にカラーフィルタ層４１が形成される。さらに、マイクロレンズ４３を形成するためのマイクロレンズ平坦化層４２が形成された後にマイクロレンズ４３が形成される。マイクロレンズは、公知のレジストリフロー法にて形成され、最終的に図１に示すような固体撮像素子３構造が製造される。
【００２６】
なお、上述した本第１の実施形態の説明においては、チタニウム酸化物で形成された部分３８のみを光導波路と呼んでいるが、穴３６内に形成された透明保護層３７及び光導波路３８を合わせて光導波路として捕らえることができることは言うまでもない。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の１画素の概略構成を示す断面図である。図１のCMOS型固体撮像素子の概略断面図と同一の部材には同一の参照番号を付している。本第２の実施形態では、チタニウム酸化物（TiO2）で形成された光導波路３８と光電変換部３１との間に、透明保護層として3000Å以上の厚さの層間絶縁膜３３が配設する。層間絶縁膜３３は、シリコン酸化物（SiO2）で形成されている。また、光導波路３８を形成するための穴は層間絶縁膜３３をドライエッチングすることにより製造されるが、穴の深さはエッチング時間により制御する。
【００２８】
その結果、光導波路３８（屈折率約2.3）と層間絶縁膜３３（屈折率1.46）との屈折率差が大きいため、入射角の大きい光５１も光導波路３８と層間絶縁膜３３との境界面で全反射して、光電変換部３１へ効率よく導かれる。
【００２９】
また、チタニウム酸化物（TiO2）にて光導波路３８を形成する際、層間絶縁膜３３が透明保護層として機能し、金属であるチタン（Ti）が光電変換部３３まで拡散するのを防止している。
【００３０】
上記第１及び第２の実施形態では、光導波路３８を構成する金属酸化物としてチタニウム酸化物（TiO2）を用いた例を示したが、屈折率がそれぞれ約2.3のニオブ酸化物（Nb2O5）やタンタル酸化物（Ta2O5）のような金属酸化物を用いても有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるCMOS型個体撮像素子の１画素の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるCMOS型個体撮像素子の光導波路と光電変換部との間の分光反射特性図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるCMOS型固体撮像素子の製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態におけるCMOS型個体撮像素子の１画素の概略構成を示す断面図である。
【図５】従来のCMOS型個体撮像素子の１画素の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
３０  シリコン基板
３１  光電変換部
３２、３４、３５  電極
３３  層間絶縁膜
３７  透明保護層
３８、４５  光導波路
４０  エッチングストッパ膜
４１  カラーフィルタ層
３９、４２  平坦化層
４３  マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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