(57)【要約】【課題】  斜め入射光の集光効率を高めると共に、スミア成分を低減し混色（クロストーク）の発生を抑制する。【解決手段】光電変換素子１２の上に、絶縁膜１６およびエッチングストッパー膜１７を挟んで、層間絶縁膜２０よりも高い屈折率を有し、上に向かって断面積が大きくなるテーパー形状の光導波路２１と、光導波路２１と同一材料で一体構造を有する集光レンズ２２とを設ける。【選択図】図６
2006049825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板内に設けられた複数個の光電変換素子と、
前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、
少なくとも前記絶縁膜を介して前記光電変換素子の上方に設けられた光導波路と、
前記光導波路の側方を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜と、
前記光導波路の上に設けられた集光レンズとを備え、
前記光導波路および前記集光レンズの屈折率は前記層間絶縁膜より高く、且つ、前記光導波路は、前記光電変換素子から前記集光レンズへ向かう方向に断面積が大きくなるテーパー形状を有し、
前記集光レンズは、前記光導波路と同一材料からなり、前記光導波路と一体であることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記光導波路の高さは、前記集光レンズの直径よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記光導波路の側面は前記半導体基板に対して６０°以上９０°未満の角度を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記光導波路の側面は、前記半導体基板に対して７０°以上８０°以下の角度を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記光導波路および前記集光レンズは、２．０以上の屈折率を有し、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムのうちの少なくとも１つからなり、
前記層間絶縁膜は、１．５以下の屈折率を有し、酸化シリコンを主成分とする材質からなることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜をさらに備え、
前記光導波路は前記絶縁膜と前記エッチングストッパー膜とを介して前記光電変換素子の上方に設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記半導体基板上の絶縁膜が、エッチングストッパー膜としての機能を併せ持つことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項８】
請求項６および７に記載の固体撮像素子において、
前記エッチングストッパー膜は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムからなることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項９】
半導体基板内に設けられた複数個の光電変換素子と、前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上方に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜とを備える固体撮像素子の製造方法において、
前記層間絶縁膜のうち前記光電変換素子の上方に位置する部分に、上に向かって口径が大きくなるテーパー形状を有する孔部を形成する工程（ａ）と、
前記工程（ａ）の後に、前記孔部の内部から前記孔部の上にかけて、屈折率が前記層間絶縁膜より高い材質からなる光導波路および集光レンズを形成する工程（ｂ）とを備えることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子への集光効率が高く、スミアや混色（クロストーク）が少なく、且つ信頼性の高い固体撮像素子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子は、デジタルカメラや写真機能付き携帯電話などに、広く使用されている。これらの機器の小型化、高機能化に伴って、それに用いられる固体撮像素子にも、多画素化、感度向上が求められている。これを実現するため、光電変換素子の上方にオンチップマイクロレンズや集光レンズを設けることにより、集光効率の向上を図った固体撮像素子が提案されている。
【０００３】
このオンチップマイクロレンズや集光レンズといった２つのレンズを有する従来の固体撮像素子の具体的な構造について、図９および図１０を参照しながら説明する。図９および図１０は、従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【０００４】
図９において、半導体基板１０５の表層部には、受光部である光電変換素子１０７と電荷転送部１０６とが設けられている。電荷転送部１０６の上には、転送電極１０４と、転送電極１０４の上を覆う遮光膜１０３とが設けられ、光電変換素子１０７の上には、第１の集光部である集光レンズ１０８が設けられている。そして、遮光膜１０３および集光レンズ１０８の上は、平坦化層１０２によって覆われ、さらに、平坦化層１０２の上において集光レンズ１０８の上方に位置する部分には、第２の集光部であるオンチップマイクロレンズ１０１が設けられている。この構造では、オンチップマイクロレンズ１０１の屈折率をｎ１、平坦化層１０２の屈折率をｎ２、集光レンズの屈折率をｎ３とすると、ｎ１≒ｎ２＜ｎ３である。
【０００５】
また、図１０において、半導体基板１０５の表層部には、受光部である光電変換素子１０７と電荷転送部１０６とが設けられている。電荷転送部１０６の上には、転送電極１０４と、転送電極１０４の上を覆う遮光膜１０３とが設けられている。光電変換素子１０７と遮光膜１０３の上は第１の平坦化層１０９によって覆われ、第１の平坦化層１０９の上において光電変換素子１０７の上方に位置する部分には、第１の集光部である集光レンズ１０８が設けられている。そして、第１の平坦化層１０９および集光レンズ１０８の上には、第２の平坦化層１０２が設けられ、第２の平坦化層１０２の上には第２の集光部であるオンチップマイクロレンズ１０１が設けられている。この構造では、オンチップマイクロレンズ１０１の屈折率をｎ１、第２の平坦化層１０２の屈折率をｎ２、集光レンズ１０８の屈折率をｎ３、第１の平坦化層１０９の屈折率をｎ４とすると、ｎ１≒ｎ２＜ｎ３≒ｎ４である。
【０００６】
また、集光効率の向上を図った固体撮像素子として、集光レンズに変わる集光機能を有する固体撮像素子が提案されている。このような固体撮像素子の具体的な構造について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【０００７】
図１１において、シリコン基板２０２の表層部には、受光部である光電変換素子２０３と、光電変換素子２０３の一端に隣接する読み出しゲート２０４と、読み出しゲート２０４に隣接する電荷転送部２０５と、光電変換素子２０３の他端に隣接するチャネルストップ２０６とが設けられている。シリコン基板２０２の上は絶縁膜２０７によって覆われており、電荷転送部２０５の上には、絶縁膜２０７を挟んで転送電極２０８が設けられている。絶縁膜２０７および転送電極２０８の上は層間絶縁膜２０９によって覆われ、層間絶縁膜２０９の上において転送電極２０８の上方に位置する部分は、遮光膜２１０で覆われている。遮光膜２１０の上には平坦化層２１２が設けられている。
【０００８】
光電変換素子２０３の上は、平坦化層２１２および遮光膜２１０を除去して形成された開口部２１１が設けられている。開口部２１１の内部には、底面および側面を覆う第１の透明膜２１４と、第１の透明膜２１４の内側を覆う第２の透明膜２１５と、第２の透明膜２１５の内部を覆う第３の透明膜２１６とが設けられている。平坦化層２１２および第１の透明膜２１４〜第３の透明膜２１６の上には、パッシベーション膜２１７およびカラーフィルター層２１８が順に設けられ、カラーフィルター層２１８の上にはオンチップマイクロレンズ２１９が設けられている。この構造では、第１の透明膜２１４の屈折率をｎ１、第２の透明膜２１５の屈折率をｎ２、第３の透明膜２１６の屈折率をｎ３、平坦化層２１２の屈折率をｎ４とすると、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４である。
【特許文献１】特許第２９５６１３２号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１７２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようにして得られる従来の固体撮像素子のうち図９で示した固体撮像素子では、集光レンズ１０８が光電変換素子１０７の直上にあるため、集光レンズ１０８からオンチップマイクロレンズ１０１までの距離が大きくなることにより、図９に点線で示したように、斜め入射光が光電変換素子１０７に集光しない場合がある。このため、集光効率が下がり、得られる画像が暗くなるだけでなく、斜め入射光が遮光膜１０３の内部に進入し、転送電極１０４で光電変換され、スミア成分となって画質が劣化してしまう。
【００１０】
また、図１０で示した固体撮像素子では、集光レンズ１０１で屈折された斜め入射光が、図１０に点線で示したように、光電変換素子１０７に集光しない場合がある。そのような入射光が遮光膜１０３上で反射してその一部が隣の光電変換素子１０７に入ると、混色（クロストーク）の原因となり、画質が劣化してしまう。
【００１１】
また、図１１で示した固体撮像素子では、孔部２１１の内部に、第１の透明膜２１４、第２の透明膜２１５および第３の透明膜２１６を順次形成する際に、孔部２１１上部のガスの入り口の断面積が徐々に小さくなっていくことから、孔部２１１内部に原料ガスが入りにくくなりボイド（間隙）が発生する。このボイドの内部は真空又は空気であるために、ボイドが原因となって散乱光が発生し、感度が低下してしまう。更に、第１の透明膜２１４〜第３の透明膜２１６は光導波路が異なる材料で形成された積層膜からなるため、線膨張係数の違いや、成膜時に発生する内部応力等により、固体撮像素子に大きな応力が発生し、リ−ク電流の増加やクラックが入る等の課題があり、また積層膜を形成する工程数が増加することによって、製造時の歩留まりが低下してしまう。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、光電変換素子への集光効率が高く、スミア成分や隣接する光電変換素子間の混色（クロストーク）が少なく、かつ信頼性の高い固体撮像素子と、その製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に設けられた複数個の光電変換素子と、前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、少なくとも前記絶縁膜を介して前記光電変換素子の上方に設けられた光導波路と、前記光導波路の側方を覆う層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜と、前記光導波路の上に設けられた集光レンズとを備え、前記光導波路および前記集光レンズの屈折率は前記層間絶縁膜より高く、且つ、前記光導波路は、前記光電変換素子から前記集光レンズへ向かう方向に断面積（半導体基板に対して平行な面の面積）が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする。
【００１４】
これにより、基板に対して垂直の入射光で入射した光が集光レンズで屈折されて光電変換素子に集光されると共に、基板に対して傾いた角度で入射した光（斜め入射光）も、光導波路の側面で全反射して光電変換素子に集光される。このように、従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができるので、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色（クロストーク）を防止することができる。
【００１５】
前記集光レンズは、前記光導波路と同一材料からなり、前記光導波路と一体であることが好ましく、この場合には、製造時の工程数を少なくし、歩留まりを向上することができるとともに、集光レンズと光導波路の間の界面が存在しないので、両者の間での光の屈折や反射がなく、集光レンズに入射した光を漏れなく光導波路に伝搬させることができる。
【００１６】
前記光導波路の側面は前記半導体基板に対して６０°以上９０°未満の角度を有することが好ましく、この場合には、製造時に層間絶縁膜に孔部を形成して光導波路の材質を埋め込む際に、原料ガスが孔部内に進入しやすくなりため、ボイドの発生が防止される。したがって、入射光がボイドによって散乱されるのを防止することができる。
【００１７】
また、前記光導波路の高さは、前記集光レンズの直径よりも大きいことが好ましい。これは、集光レンズの直径よりも光導波路の高さが低い場合、斜め入射光に対して、光導波路の効果が少なくなる為であり、逆に光導波路の高さが前記集光レンズの直径よりも大きい場合は、光導波路によって斜め入射光を効果的に光電変換素子に集光させる事ができ、より光導波路の効果が大きくなるためである。
【００１８】
前記光導波路の側面は、前記半導体基板に対して７０°以上８０°以下の角度を有することがより好ましい。この場合には、製造時に層間絶縁膜に孔部を形成して光導波路の材質を埋め込む際に、半導体基板に対する角度が９０°よりも８０°の方が、原料ガスが孔部内により進入しやすくなるため、ボイドの発生がより確実に防止される。また、半導体基板に対する角度が６０°よりも７０°の方が、斜め入射光の、光導波路と層間絶縁膜との界面での全反射を効率よく行うことが出来る。
【００１９】
前記光導波路および前記集光レンズは、２．０以上の屈折率を有し、酸化チタン（屈折率２．２〜２．５）、酸化タンタル（屈折率２．０〜２．３）、酸化ニオブ（屈折率２．０〜２．３）、酸化タングステン（屈折率２．２）、酸化ジルコニウム（屈折率２．０５）、酸化亜鉛（屈折率２．０）、酸化インジウム（屈折率２．０）、酸化ハフニウム（屈折率２．０〜２．１）のうちの少なくとも１つからなり、前記層間絶縁膜は、１．５以下の屈折率を有し、酸化シリコンを主成分とする材質からなることが好ましい。この様に、屈折率の高い材料を光導波路および集光レンズに用い、屈折率の低い材料を層間絶縁膜に用いることにより、光導波路と層間絶縁膜の屈折率の差を大きくとり、界面で全反射する光の量を増加させ、光電変換素子に効率よく集光することができる。
また、屈折率が２．０以上の透明絶縁膜の材料として、従来は窒化シリコン（屈折率２．０）が光導波路の材料として用いられているが、これを光導波路に用いた場合は、成膜時に大きな内部応力が発生するため、結晶欠陥に由来して出力画像に発生する白傷の原因となることが多い。ここに、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムを用いることにより、窒化シリコンと比較して内部応力を小さくすることが出来るため、白傷の発生を防止することが出来る。
さらに、光導波路および集光レンズに用いるいずれの材料も酸化物であり、これらの材料は水素の透過性に優れている。そのため、暗電流低減処理として固体撮像素子の製造工程において行われる、水素雰囲気中での熱処理を有効に進めることが出来る。
【００２０】
前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜をさらに備え、前記光導波路は前記絶縁膜と前記エッチングストッパー膜とを介して前記光電変換素子の上方に設けられていてもよい。
【００２１】
前記エッチングストッパー膜は、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムからなることが好ましい。この場合には、光導波路を形成するために層間絶縁膜に孔部を形成するドライエッチングを行う時に、フッ素系のガスを用いるため、層間絶縁膜である酸化シリコンを主成分とする材料との選択比を大きく取ることができ、エッチングを効率よく止めることができる。これにより、光導波路と光電変換素子の間隔を所望の値に制御することができ、バラツキを少なくすることができる。更に、屈折率２．０以上の酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムからなる光導波路と、屈折率１．５の酸化シリコンを主成分とする絶縁膜の間に、その中間の屈折率１．７の酸化アルミニウムか、あるいは屈折率１．９の窒化アルミニウムを挟むことにより、屈折率を段階的に変化させることができ、光導波路から絶縁膜に入る光が、その界面で反射して、最終的に光電変換素子に入る光の量を低減するのを抑えることができ、集光効率を高くする効果を併せ持つことができる。
また、前記エッチングストッパー膜は、絶縁膜としての機能を併せ持つこともできる。この場合、絶縁膜兼エッチングストッパー膜は、絶縁性の高い酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムから成ることが好ましい。この構成により、光導波路を形成するために層間絶縁膜に孔部を形成するドライエッチングを行う時に、フッ素系のガスを用いるため、層間絶縁膜である酸化シリコンを主成分とする材料との選択比を大きく取ることができ、エッチングを効率よく止めることができる。更に、屈折率２．０以上の光導波路と光電変換素子の間に、屈折率１．５の酸化シリコンを主成分とする絶縁膜のかわりに、より屈折率の大きい酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムを絶縁膜兼エッチングストッパー膜として挟むことにより、光導波路との屈折率の差を小さくすることができるため、光導波路から光電変換素子に入る光の基板上での反射を、酸化シリコンを主成分とする絶縁膜を用いた場合よりも抑えることができ、集光効率を高くすることができる。
【００２２】
本発明の固体撮像素子の製造方法は、半導体基板内に設けられた複数個の光電変換素子と、前記半導体基板の上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上方に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に設けられ、前記層間絶縁膜によって互いに絶縁された転送電極および遮光膜とを備える固体撮像素子の製造方法において、前記層間絶縁膜のうち前記光電変換素子の上方に位置する部分に、上に向かって口径が大きくなるテーパー形状を有する孔部を形成する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に、前記孔部の内部から前記孔部の上にかけて、屈折率が前記層間絶縁膜より高い材質からなる光導波路および集光レンズを形成する工程（ｂ）とを備えることを特徴とする。
【００２３】
この方法により製造された固体撮像素子では、基板に対して垂直の入射光で入射した光は、集光レンズで屈折されて光電変換素子に集光されると共に、基板に対して傾いた角度で入射した光（斜め入射光）も、光導波路の側面で全反射して光電変換素子に集光される。このように、従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができるので、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色（クロストーク）を防止することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の固体撮像素子によれば、光導波路を設けることにより、集光レンズに到達した光を効率よく光電変換素子へ集光するとともに、スミア成分を低減することができ、混色（クロストーク）も防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
（実施例１）
以下に、実施例１のＣＣＤ（Charged Coupled Device）固体撮像素子について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例１に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【００２７】
図１に示す固体撮像素子では、シリコン基板１１の表面部に、光電変換素子１２と、光電変換素子１２の両側方に配置する電荷転送部１３と、光電変換素子１２と２つの電荷転送部１３のうちの一方との間に介在する読み出しゲート１４と、光電変換素子１２と他方の電荷転送部１３との間に介在するチャネルストップ１５とが設けられている。シリコン基板１１の上には、酸化シリコンからなる絶縁膜１６が設けられている。
【００２８】
電荷転送部１３の上には、絶縁膜１６を挟んで、ポリシリコンから成る転送電極１８が設けられ、転送電極１８の上方はタングステンから成る遮光膜１９によって覆われている。転送電極１８の上には、屈折率が１．４５の酸化シリコンからなる層間絶縁膜２０が設けられ、この層間絶縁膜２０は、転送電極１８と遮光膜１９との間に介在することにより転送電極１８と遮光膜１９とを互いに絶縁し、また、隣り合う転送電極１８の間に介在することにより転送電極１８同士を互いに絶縁している。
【００２９】
一方、光電変換素子１２の上には、絶縁膜１６を挟んで、上方に向かって断面積が大きくなる順テーパー形状を持った、屈折率が２．５０の酸化チタンから成る光導波路２１が設けられている。光導波路２１の側面は、層間絶縁膜２０に接している。光導波路２１の上には、光導波路２１と同じ酸化チタンからなる集光レンズ２２が光導波路２１と一体化して設けられている。集光レンズ２２と層間絶縁膜２０との上には、屈折率１．５０の透明高分子樹脂からなる平坦化層２３と、屈折率１．５５の透明高分子樹脂からなるカラーフィルター２４とが順次積層され、その上には屈折率１．６０の透明高分子樹脂製のオンチップマイクロレンズ２５が設けられている。
【００３０】
本実施形態の固体撮像素子において、基板に対して垂直の入射角でオンチップマイクロレンズ２５に入射した光は、図１に実線の矢印で示すように、集光レンズ２２で更に屈折されて、光電変換素子に集光される。一方、基板に対する垂直方向から大きく傾いた角度で入射する光（斜め入射光）も、光導波路２１と層間絶縁膜２０との境界で全反射して、光電変換素子１２に集光される。このように、図９および図１０に示すような従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができる。これにより、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極１８等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色（クロストーク）を防止することができる。
【００３１】
（比較例１）
図２は、本発明の比較例１に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。図２に示す固体撮像装置は、光導波路が設けられていない点を除いて図１に示す固体撮像素子と同一構造を有しており、かつ同じ材質で形成されている。比較例１の固体撮像素子は、実施例１の固体撮像素子と光の集光効率を比較するために作成したものであって、従来の素子ではない。なお、集光効率の比較は、両者の固体撮像素子に、基板に対する垂直方向および斜め方向から光を照射し、光電変換素子に入射する光の効率を測定することにより行った。
【００３２】
その結果、図１に示す光導波路を有する固体撮像素子では、表１に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を１００とすると、垂直方向から１０°傾いた角度の入射光の効率は８８、２０°傾いた角度の入射光では７８、３０°傾いた角度の入射光では６５であった。これに対して、図２に示す光導波路を持たない固体撮像素子では、垂直に入射した光の効率を１００とすると、垂直方向から１０°傾いた角度の入射光の効率は７６、２０°傾いた角度からの入射光では３５、３０°傾いた角度からの入射光では１２であり、入射角が大きくなると、集光効率が大きく低下した。この結果から、光導波路２１の有無によって斜め入射光の効率が大きく異なり、本実施形態の固体撮像素子では高い集光効率を得ることができることがわかる。
【００３３】
【表１】
2006049825.tif 000003
【００３４】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。図３に示す構造では、集光レンズ２２の上に平坦化層２３、カラーフィルター２４およびオンチップマイクロレンズ２５（以上、図１に示す）を設けていない。こうすることにより、固体撮像素子の高さ方向のサイズをより小さくすることができるため、集光レンズ２２に入射した光を、光導波路２１を通して、光電変換素子１２に、効率よく導くことができる。よって、斜め入射光の集光効率を、より高くすることができる。実施例２の固体撮像素子における集光効率を測定したところ、表１に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を１００とすると、垂直方向から１０°傾いた角度の入射光の効率は９２、２０°傾いた角度の入射光では８４、３０°傾いた角度の入射光では７７であった。このように、実施例２の固体撮像素子では、集光レンズ２２の上に平坦化層２３、カラーフィルター２４およびオンチップマイクロレンズ２５を形成する実施例１の固体撮像素子と比較して、更に斜め入射光の集光効率を高くすることができた。
【００３５】
なお、実施例２の撮像素子は、白黒撮像用の固体撮像素子として用いることができる。また、実施例２の撮像素子はカラー画像用に用いるためには、撮像素子の上方の光入射側、例えばカバーガラスを設ける領域に、色分離のためのカラーフィルターを別途形成すればよい。そして、撮像素子のエリアごとに色分離するなどの方法を行いて画像処理で合成すれば、カラーの画像を取り出すことができる。
【００３６】
（実施の形態２）
（実施例３）
以下に、実施例３のＣＣＤ（Charged Coupled Device）固体撮像素子について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施例３に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【００３７】
図４に示す固体撮像素子では、シリコン基板１１の表面部に、光電変換素子１２と、光電変換素子１２の両側方に配置する電荷転送部１３と、光電変換素子１２と２つの電荷転送部１３のうちの一方との間に介在する読み出しゲート１４と、光電変換素子１２と他方の電荷転送部１３との間に介在するチャネルストップ１５とが設けられている。シリコン基板１１の上には、酸化シリコンからなる絶縁膜１６が設けられている。また、絶縁膜１６の上には、酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜１７が設けられている。
【００３８】
電荷転送部１３の上には、絶縁膜１６とエッチングストッパー膜１７とを挟んで、ポリシリコンからなる転送電極１８が設けられ、転送電極１８の上方はタングステンからなる遮光膜１９によって覆われている。エッチングストッパー膜１７および転送電極１８の上には、屈折率が１．４５の酸化シリコンからなる層間絶縁膜２０が設けられ、この層間絶縁膜２０は、転送電極１８と遮光膜１９との間に介在することにより転送電極１８と遮光膜１９とを互いに絶縁し、また、隣り合う転送電極１８の間に介在することにより転送電極１８同士を互いに絶縁している。
【００３９】
一方、光電変換素子１２の上には、絶縁膜１６とエッチングストッパー膜１７とを挟んで、上方に向かって断面積が大きくなる順テーパー形状を持った、屈折率が２．５０の酸化チタンから成る光導波路２１が設けられている。光導波路２１の側面は、層間絶縁膜２０に接している。光導波路２１の上には、光導波路２１と同じ酸化チタンからなる集光レンズ２２が光導波路２１と一体化して設けられている。集光レンズ２２と層間絶縁膜２０との上には、屈折率１．５０の透明高分子樹脂からなる平坦化層２３と、屈折率１．５５の透明高分子樹脂からなるカラーフィルター２４とが順次積層され、その上には屈折率１．６０の透明高分子樹脂製のオンチップマイクロレンズ２５が設けられている。
【００４０】
本実施形態の固体撮像素子において、基板に対して垂直の入射角でオンチップマイクロレンズ２５に入射した光は、図４に実線の矢印で示すように、集光レンズ２２で更に屈折されて、光電変換素子に集光される。一方、基板に対する垂直方向から大きく傾いた角度で入射する光（斜め入射光）も、光導波路２１と層間絶縁膜２０との境界で全反射して、光電変換素子１２に集光される。このように、図９および図１０に示すような従来の光導波路を持たない構成では集光できなかった斜め入射光まで集光することができる。これにより、集光効率が向上すると共に、斜め入射光が転送電極１８等に入射しにくくなるためスミア成分を低減することができ、隣の画素に入射光が伝搬しにくくなるため混色（クロストーク）を防止することができる。
【００４１】
（比較例２）
図５は、本発明の比較例２に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。図５に示す固体撮像装置は、光導波路が設けられていない点を除いて図４に示す固体撮像素子と同一構造を有しており、かつ同じ材質で形成されている。比較例２の固体撮像素子は、実施例３の固体撮像素子と光の集光効率を比較するために作成したものであって、従来の素子ではない。この比較は、両者の固体撮像素子に、基板に対する垂直方向および斜め方向から光りを照射し、光電変換素子に入射する光の効率を測定することにより行った。
【００４２】
その結果、図４に示す光導波路を有する固体撮像素子では、表２に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を１００とすると、垂直方向から１０°傾いた角度の入射光の効率は９３、２０°傾いた角度の入射光では８１、３０°傾いた角度の入射光では７０であった。これに対して、図５に示す光導波路を持たない固体撮像素子では、垂直に入射した光の効率を１００とすると、垂直方向から１０°傾いた角度の入射光の効率は８５、２０°傾いた角度からの入射光では４１、３０°傾いた角度からの入射光では１６であり、入射角が大きくなると、集光効率が大きく低下した。この結果から、光導波路２１の有無によって斜め入射光の効率が大きく異なり、本実施形態の固体撮像素子では高い集光効率を得ることができることがわかる。
【００４３】
【表２】
2006049825.tif 000004
【００４４】
（実施例４）
図６は、本発明の実施例４に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。図６に示す構造では、集光レンズ２２の上に平坦化層２３、カラーフィルター２４およびオンチップマイクロレンズ２５（以上、図１に示す）を設けていない。こうすることにより、実施例２と同様に、固体撮像素子の高さ方向のサイズをより小さくすることができるため、集光レンズ２２に入射した光を、光導波路２１を通して、光電変換素子１２に、効率よく導くことができる。これにより、斜め入射光の集光効率を、より高くすることができる。実施例４の固体撮像素子における集光効率を測定したところ、表２に示す様に、基板に対して垂直に入射した光の効率を１００とすると、垂直方向から１０°傾いた角度の入射光の効率は９７、２０°傾いた角度の入射光では９０、３０°傾いた角度の入射光では８３であった。このように、実施例４の固体撮像素子では、集光レンズ２２の上に平坦化層２３、カラーフィルター２４およびオンチップマイクロレンズ２５を形成する実施例３の固体撮像素子と比較して、更に斜め入射光の集光効率を高くすることができた。
【００４５】
また、実施例４の固体撮像装置では、実施例１のエッチングストッパーのない固体撮像素子と比較して、斜め入射光の集光効率を高くすることができた。これは、実施例４の固体撮像装置では、屈折率２．０以上の光導波路２１と、屈折率１．５の絶縁膜１６の間に、その中間の屈折率１．７の酸化アルミニウムか、あるいは屈折率１．９の窒化アルミニウムからなるエッチングストッパー層１７を挟むことにより、屈折率を段階的に変化させることができるためである。これにより、光導波路２１から絶縁膜１６に入る光が、その界面で反射して、最終的に光電変換素子に入る光の量を低減するのを抑えることができる。よって、集光効率をさらに高めることができるのである。
【００４６】
（実施の形態３）
以下に、実施例３で説明した固体撮像素子の製造方法について、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）〜（ｆ）は、実施例３の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。ここでは、シリコン基板１１の表層部に、光電変換素子１２、電荷転送部１３、読み出しゲート１４およびチャネルストップ１５を形成した後の工程から説明する。
【００４７】
本実施形態の固体撮像素子の製造方法では、まず、図７（ａ）に示す工程で、シリコン基板１１の上に、熱酸化処理により膜厚２０ｎｍの酸化シリコンからなる絶縁膜１６を形成し、絶縁膜１６の上に、ＣＶＤ法またはスパッタリング法によって膜厚４０ｎｍの酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜１７を形成する。次に、ＣＶＤ法およびパターニングによって、エッチングストッパー膜１７の上に、ポリシリコンからなる転送電極１８と、転送電極１８の上方を覆い、タングステンからなる遮光膜１９と、遮光膜１９の上を覆い、また、転送電極１８と遮光膜１９との間にも介在する、ＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）等の酸化シリコンを主成分とする材質からなる層間絶縁膜２０とを順次形成する。
【００４８】
次に、図７（ｂ）に示す工程で、層間絶縁膜２０の上に、光電変換素子１２の上方を開口するレジスト（図示せず）を形成し、等方性のドライエッチングまたはウエットエッチングを行うことにより、層間絶縁膜２０のうち光電変換素子１２の上方に位置する部分を除去して、孔部２６を形成する。その後、レジスト（図示せず）を除去する。なお、この孔部２６は、光電変換素子の上に位置する直径１．０μｍの底面部と、層間絶縁膜２０の開口部である直径２．０μｍの上部と、２．０μｍの高さとを有する順テーパー形状を有している。また、孔部２６において、側面に段差はなく、側面の基板に対するテーパー角度は７６°である。
【００４９】
次に、図７（ｃ）に示す工程で、ＣＶＤ法により、孔部２６を埋め、層間絶縁膜２０の上を覆う酸化チタン膜２１ａを形成する。
【００５０】
次に、図７（ｄ）に示す工程で、酸化チタン膜２１ａの上全体に、上面が平坦になるようにレジスト（図示せず）を塗布し、酸化チタン膜２１ａとレジストとのエッチングレートが同じになる条件でドライエッチングを行う（レジスト全面エッチバック法）か、またはＣＭＰ法を行うことにより、酸化チタン膜２１ａの上面をグローバル平坦化した後、酸化チタン膜２１ａの上における光電変換素子１２の上方に位置する領域に、集光レンズ２２（図７（ｅ）に示す）と同じ形状のレジスト２７をパターニングおよびリフローにより形成する。
【００５１】
その後、図７（ｅ）に示す工程で、レジスト２７をマスクとして再度エッチバックを行って酸化チタン膜２１ａのうち露出する部分を除去していくことにより、酸化チタン膜２１ａの上面にレジストの形状を転写して、集光レンズ２２を形成する。その後、図７（ｆ）に示す工程で、通常の撮像素子の製造工程通りに平坦化層２３、カラーフィルター２４、オンチップマイクロレンズ２５を形成して、一連の製造工程が終了となる。
【００５２】
以上に述べた一連の製造方法によれば、実施の形態１で述べたように、光電変換素子から集光レンズに向かう方向に断面積が大きくなる順テーパー形状を有し、ボイドのない光導波路を有する固体撮像素子を、容易に作製することができる。
【００５３】
特に、図７（ｂ）に示す工程で、孔部２６を形成するときに、エッチングガスとして例えばＣＦ4を用いた等方性のドライエッチング処理を行うことにより、より容易に、孔部２６の形状を上部の断面積が大きい順テーパー形状とすることができる。孔部２６を形成するときのエッチングのエッチングガスの種類、流量およびガス圧やバイアス電圧を制御することにより、テーパー角度を制御することができる。更に、酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜１７を設けることにより、孔部２６のエッチング時に、より確実にエッチングを止めることができ、光導波路２１と光電変換素子１２との間の距離を等間隔かつ要求される間隔に保つことができる。これにより、素子の特性のバラツキを低減することができる。
【００５４】
なお、孔部２６内に光導波路２１を形成する方法として、ＣＶＤ法、特に基板表面で反応が進行する熱ＣＶＤ法を用いることにより、孔部２６のカバレージが格段に向上する。また、孔部２６の側面の基板に対する角度が６０°以上９０°未満であり、より望ましくは７０°以上８０°以下であることにより、原料ガスの孔部２６への進入を容易とし、光導波路２１内部におけるボイド（間隙）の発生を防止することができる。ここで、テーパー角が６０°以下になると、入射光が光導波路と層間絶縁膜の界面で全反射せず、一部が層間絶縁膜に透過するため、光電変換素子に集光する光の量が低下する。また、テーパー角が９０°になると、光導波路を形成する孔部のアスペクト比が大きくなった場合に、それだけ孔部の奥に原料のガスが入り込みにくくなり、ボイドが発生する可能性が大きくなる。実際に、エッチング条件を調整することにより、底面部である光電変換素子の上に位置する部分が直径１．０μｍ、上部である層間絶縁膜２０の開口部も直径１．０μｍ、高さが２．０μｍの、テーパー角度が９０°の孔部を形成し、この孔部内に光導波路を形成したところ、光導波路の内部に、スリット状の、幅最大１００ｎｍ、高さ７００ｎｍのボイド（間隙）が発生した。このような光導波路では、入射光がボイドの位置で散乱し、光電変換素子に集光する効率が、ボイドが発生しない場合と比較して４０％に低下した。
【００５５】
また、上述の説明では、エッチングストッパー膜１７を酸化アルミニウムで形成したが、窒化アルミニウムを用いても、同様の効果が得られる。
【００５６】
また、上述の説明では、酸化シリコンからなる絶縁膜１６の上に、酸化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜１７を形成した。しかしながら、エッチングストッパー膜１７は充分に絶縁性を有しているので、酸化シリコンからなる絶縁膜１６を形成せずに、図８に示すように、光電変換素子１２の上に、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムからなるエッチングストッパー膜１７を直接形成してもよい。この場合には、エッチングストッパー膜１７が絶縁膜１６の効果をも併せ持つため、同様の効果が得られる。
【００５７】
また、上述の説明では、光導波路２１および集光レンズ２２の材質として、屈折率が２．５の酸化チタンを用いたが、本発明の光導波路２１および集光レンズ２２はこの材料に限定されることなく、屈折率が２．０以上の材料であり、光導波路２１の方が層間絶縁膜２０よりも屈折率の大きい材料であればよく、光導波路２１および集光レンズ２２として、例えば、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどを用いても、同様の効果が得られる。但し、集光レンズと光導波路の間での光の反射などによる集光効率の低下を防ぐため、または、製造時の工程数を少なくし、歩留まりを向上するために、両者は同一の材料で構成されることが望ましい。
【００５８】
なお、屈折率が２．０以上の透明絶縁膜の材料であり、半導体材料として用いられている窒化シリコン（屈折率２．０）を用いてプラズマＣＶＤ法により光導波路を形成すると、得られた撮像素子による出力画像には、白傷が発生し、画質が劣化した。これは、窒化シリコンの成膜時に、大きな内部圧縮応力が発生し、これが原因でフォトダイオードに結晶欠陥を引き起こしたためである。それに対し、上述した、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムを光導波路として用いると、窒化シリコンと比較して、内部応力を小さくすることができるため、白傷の発生を防止することができる。
【００５９】
また、上述の説明では、集光レンズ２２の上方に位置する平坦化層２３、カラーフィルター２４およびオンチップマイクロレンズ２５として、全て透明高分子樹脂からなる材料を用いたが、本発明では、これらはこの材料に限定されることなく、同一の効果を持つ材料、例えば、平坦化層２３にはＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）等の酸化シリコンを主成分とする材料、カラーフィルター２４には同様の効果を持つ酸化物の薄膜、オンチップマイクロレンズ２５には集光レンズと同じ高屈折率の材料、例えば、酸化チタン、酸化タンタル以外では、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウムなどを用いても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の固体撮像素子は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラや写真機能付き携帯電話などに用いる、高解像度の撮像素子として有用である。また、デジタルスキャナーや、医療用・工業用イメージセンサなどの、画像取得装置に用いる素子にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例１に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の比較例１に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例３に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の比較例２に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図９】従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図１０】従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【図１１】従来の固体撮像素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１        シリコン基板
１２        光電変換素子
１３        電荷転送部
１４        読み出しゲート
１５        チャネルストップ
１６        絶縁膜
１７        エッチングストッパー膜
１８        転送電極
１９        遮光膜
２０        層間絶縁膜
２１        光導波路
２１ａ      酸化チタン膜
２２        集光レンズ
２３        平坦化層
２４        カラーフィルター
２５        オンチップマイクロレンズ
２６        孔部
２７        レジスト
１０１      オンチップマイクロレンズ
１０２      第２の平坦化層
１０３      遮光膜
１０４      転送電極
１０５      半導体基板
１０６      電荷転送部
１０７      光電変換素子
１０８      集光レンズ
１０９      第１の平坦化層
２０２      シリコン基板
２０３      光電変換素子
２０４      読み出しゲート
２０５      電荷転送部
２０６      チャネルストップ
２０７      絶縁膜
２０８      転送電極
２０９      層間絶縁膜
２１０      遮光膜
２１１      開口部
２１２      平坦化層
２１４      第１の透明膜
２１５      第２の透明膜
２１６      第３の透明膜
２１７      パッシベーション膜
２１８      カラーフィルター層
２１９      オンチップマイクロレンズ
【図１】
2006049825.tif 000005
【図２】
2006049825.tif 000006
【図３】
2006049825.tif 000007
【図４】
2006049825.tif 000008
【図５】
2006049825.tif 000009
【図６】
2006049825.tif 000010
【図７】
2006049825.tif 000011
【図８】
2006049825.tif 000012
【図９】
2006049825.tif 000013
【図１０】
2006049825.tif 000014
【図１１】
2006049825.tif 000015