(57)【要約】【課題】裏面照射型の固体撮像装置において、光の量子効率を向上させることができる固体撮像装置を提供する。【解決手段】受光部３１が形成された半導体基板３０上に、酸化シリコン膜からなる低屈折率膜４１と、低屈折率膜４１よりも屈折率の高い窒化シリコン膜からなる高屈折率膜４２とが積層されている。高屈折率膜４２上には、配線層４５が形成されている。光は、配線層４５が形成された側とは反対側から入射する。このとき、屈折率の異なる低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の膜厚を調整することにより、光の多重反射をコントロールし、半導体基板３０を通過した光を受光部３１へ再入射させる反射膜が構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第１面側に配線層が形成され、前記基板の第２面側から光が入射される固体撮像装置であって、
前記基板に形成された受光部と、
前記基板と前記配線層との間に形成された第１の膜と、
前記第１の膜と前記配線層との間に形成され、前記第１の膜よりも屈折率の高い第２の膜とを有し、
屈折率の異なる前記第１の膜および前記第２の膜によって、前記基板を通過した光を反射し前記受光部へ再入射させる反射膜が構成された
固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の膜と前記第２の膜の界面が、前記第２面側から見て凹型をなしている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の膜および前記第２の膜は、絶縁膜により形成された
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の膜上にゲート電極が形成され、前記第１の膜がゲート絶縁膜を兼ねる
請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の膜は酸化シリコン膜を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記酸化シリコン膜の膜厚が、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である
請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第２の膜は窒化シリコン膜を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記窒化シリコン膜の膜厚が、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の膜は酸化シリコン膜を含み、前記第２の膜は窒化シリコン膜を含む
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記酸化シリコン膜の膜厚が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記窒化シリコン膜の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である
請求項９記載の固体撮像装置。
【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、配線層が形成された側とは反対側の面から光が入射される裏面照射型の固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像装置において、光の利用効率を上げる等の観点から、光の入射面に反射防止膜を形成する技術が提案されている（特許文献１〜２参照）。反射防止膜の構成としていくつか存在するが、そのうち、屈折率の異なる膜を積層させ、多重反射をコントロールすることにより、反射防止膜としての機能をもたせているものがある。
【０００３】
図１４は、従来の固体撮像装置の概略断面図である。
図１４に示す固体撮像装置では、フォトダイオードからなる複数の受光部１０１が形成された半導体基板１００上に、低屈折率膜１０２と、低屈折率膜１０２よりも屈折率の高い高屈折率膜１０３が積層されている。高屈折率膜１０３上には、層間絶縁膜１０４に配線１０５が埋め込まれた配線層１０６が形成されている。低屈折率膜１０２と高屈折率膜１０３の積層膜により、配線層１０６側から入射する光の反射が低減される。
【０００４】
低屈折率膜１０２と高屈折率膜１０３の積層構造において、光の入射側から層間絶縁膜１０４と高屈折率膜１０３との界面で反射した光と、高屈折率膜１０３と低屈折率膜１０２との界面で反射した光の位相がずれると、それぞれが打ち消し合って反射防止膜として機能する。
【０００５】
ところで、上記の固体撮像装置では、配線層１０６が形成された側から光を受光している。このため、配線層１０６中の配線１０５により受光のための開口率が低下する、配線１０５のレイアウトの自由度が制限されるといった問題がある。このような問題を解決するため、半導体層の表面側に配線層を形成し、半導体層の裏面側から光を入射させて撮像できるようにした裏面照射型の固定撮像装置が知られている。裏面照射型の固体撮像装置として、ＣＣＤ型（例えば、特許文献３参照）とＭＯＳ型（例えば、特許文献４参照）のそれぞれが提案されている。
【０００６】
図１５は、従来の裏面照射型の固体撮像装置の概略断面図である。
フォトダイオードからなる複数の受光部１１１が形成された半導体基板１１０の第１面上に、ゲート絶縁膜１１４を介して不図示のゲート電極等が形成され、さらに、層間絶縁膜１１５に配線１１６が埋め込まれた配線層１１７が形成されている。半導体基板１１０は、配線層１１７の反対側の第２面側から光を受光するため薄膜化されている。薄膜化した半導体基板１１０の強度を補強するため、配線層１１７上には支持基板１１８が形成されている。
【０００７】
上記の特許文献４では、反射防止の観点から、半導体基板１１０の光入射面上に、酸化シリコンからなる低屈折率膜１０２と、低屈折率膜１０２よりも屈折率の高い窒化シリコンからなる高屈折率膜１０３とを積層している。低屈折率膜１０２と高屈折率膜１０３の積層膜により、半導体基板１１０の第２面側から入射する光の反射が低減される。
【特許文献１】特許第２８４２２７３号
【特許文献２】特許第３２９６３５２号
【特許文献３】特開２００２−１５１６７３号公報
【特許文献４】特開２００３−３１７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の裏面照射型の固体撮像装置の製造では、半導体基板１１０に受光部１１１等の半導体領域を形成した後、膜を堆積させて加工する半導体プロセスにより、トランジスタや配線層１１７を形成する。その後、配線層１１７上に支持基板１１８を接着させ、半導体基板１１０を研削等により薄膜化する。薄膜化した後、半導体基板１１０を裏返しにして、半導体基板１１０の第２面上に、低屈折率膜１１２や高屈折率膜１１３を堆積させる必要がある。
【０００９】
しかしながら、半導体基板１１０の第２面上への膜形成プロセスでは、支持基板１１８の剥離や、半導体基板１１０に形成された素子への影響を防止する観点から、加工温度をあまり高くしたくないという要望がある。
【００１０】
従って、これらの要望を考慮すると、従来の表面照射型の固体撮像装置の表面に形成されていた低屈折率膜と高屈折率膜の積層膜を、単純に裏面照射型の固体撮像装置の光入射面上に形成できない恐れがある。この結果、量子効率が低減する恐れがある。入射する光子の数に対して、信号電荷がどのくらいの割合で光電変換されて、信号電荷として蓄積されるかを量子効率として定義する。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、裏面照射型の固体撮像装置において、光の量子効率を向上させることができる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】
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板の第１面側に配線層が形成され、前記基板の第２面側から光が入射される固体撮像装置であって、前記基板に形成された受光部と、前記基板と前記配線層との間に形成された第１の膜と、前記第１の膜と前記配線層との間に形成され、前記第１の膜よりも屈折率の高い第２の膜とを有し、屈折率の異なる前記第１の膜および前記第２の膜によって、前記基板を通過した光を反射し前記受光部へ再入射させる反射膜が構成されたものである。
【００１３】
上記の本発明の固体撮像装置では、基板の第１面側に形成された第１の膜と第２の膜の積層膜が、基板を通過した光に対して反射膜として機能する。このため、基板を通過した光は、当該積層膜によって基板へ向けて反射され、受光部に再度入射し、光電変換に寄与する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、裏面照射型の固体撮像装置において、光の量子効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。
【００１７】
半導体基板３０には、単位画素を構成する複数の受光部３１が形成されている。半導体基板３０は、例えばｐ型のシリコン基板からなり、受光部３１はｎ型領域により構成される。受光部３１は、ｐｎ接合からなるフォトダイオードにより構成される。半導体基板３０は、裏面から光を入射し得るように薄膜化されている。半導体基板３０の厚さは、固体撮像装置の仕様にもよるが、可視光用の場合には４〜６μｍであり、近赤外線用では６〜１０μｍとなる。
【００１８】
半導体基板３０の第１面上には、低屈折率膜（第１の膜）４１と、低屈折率膜４１よりも屈折率の高い高屈折率膜（第２の膜）４２とが積層されている。
【００１９】
低屈折率膜４１は、絶縁膜、例えば屈折率ｎ＝１．４９程度の酸化シリコン膜により構成される。低屈折率膜４１の膜厚は、後述するように例えば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１００以上２００ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００２０】
高屈折率膜４２は、絶縁膜、例えば屈折率ｎ＝２．００程度の窒化シリコン膜により構成される。高屈折率膜４２の膜厚は、後述するように例えば５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下が好ましい。
【００２１】
上記の低屈折率膜４１は、ゲート絶縁膜を兼ねる。すなわち、ＭＯＳ型の固体撮像装置の場合には、低屈折率膜４１上に読み出しトランジスタ等のゲート電極が形成される。ＣＣＤ型の固体撮像装置の場合には、低屈折率膜４１上に垂直転送電極等が形成される。高屈折率膜４２は、これらの電極を被覆するように形成される。
【００２２】
高屈折率膜４２上には、配線層４５が形成されている。配線層４５は、層間絶縁膜４３と、層間絶縁膜４３中に埋め込まれた配線４４とを有する。層間絶縁膜４３は例えば酸化シコン膜からなり、配線４４は例えばアルミニウム配線からなる。図示する例では、１層の配線のみを例示しているが、さらに多層の配線が形成されていてもよい。
【００２３】
配線層４５上には、半導体基板３０の強度を補強するための支持基板４６が設けられている。支持基板４６は、半導体基板３０との熱膨張係数の相違による反りの発生を防止するため、例えば半導体基板３０と同じシリコンにより形成される。
【００２４】
上記の固体撮像装置において、低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜は、半導体基板３０側から入射した光に対して反射膜として機能するようにそれぞれの膜厚が調整されている。すなわち、半導体基板３０を通過して低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の界面で反射する光と、高屈折率膜４２と層間絶縁膜４３の界面で反射した光の位相がそろうように膜厚が調整されている。このように、半導体基板３０を透過した光の多重反射が制御されて、低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜は反射膜として機能する。
【００２５】
上記の固体撮像装置の動作について説明する。
上記の固体撮像装置には、半導体基板３０の第１面の裏面である第２面から光が入射する。入射した光は、受光部３１により入射光量に応じた信号電荷に光電変換され、当該信号電荷が一定期間蓄積される。ＭＯＳ型の固体撮像装置の場合には、蓄積された電荷は、トランジスタにより読み出される。ＣＣＤ型の固体撮像装置の場合には、蓄積された電荷は、垂直転送ＣＣＤによって転送される。
【００２６】
入射光のほとんどは半導体基板３０で吸収され信号電荷の発生に寄与するが、特に長波長側の光（例えば波長が５００〜１０００ｎｍ）は、半導体基板３０を通過する恐れがある。短波長側の光に比べて長波長側の光は、物質に対する吸収係数が小さく、基板深部で吸収されるからである。
【００２７】
本実施形態では、半導体基板３０の第１面に形成された低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜が、半導体基板３０を通過した光に対して反射膜として機能することから、半導体基板３０を通過した光は、当該積層膜によって半導体基板３０へ向けて反射され、受光部３１に再度入射し、光電変換に寄与する。この結果、画素の量子効率が向上する。
【００２８】
上記の固体撮像装置の製造方法について説明する。
半導体基板３０に低屈折率膜４１を積層させる。その前後の工程で受光部３１を含む半導体領域をイオン注入によって形成し、その後に高屈折率膜４２を積層させる。なお、低屈折率膜４１の形成と高屈折率膜４２の形成の間には、トランジスタのゲート電極等が形成される。
【００２９】
層間絶縁膜４３の堆積および配線４４の加工工程を経て配線層４５を形成した後、支持基板４６を形成する。支持基板４６は、シリコン基板を配線層４５に貼り付けても、配線層４５上にシリコンを流し込むことにより形成してもよい。
【００３０】
支持基板４６の形成後、半導体基板３０を裏返し、半導体基板３０の第２面側を研削およびエッチングすることにより、半導体基板３０を薄膜化する。以上により、図１に示す固体撮像装置が製造される。
【００３１】
次に、上記の低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜の膜厚と、光の反射率との関係について、シミュレーション結果を参照して説明する。
【００３２】
図２〜図５は、シリコンからなる半導体基板３０上に、酸化シリコンからなる低屈折率膜４１と窒化シリコンからなる高屈折率膜４２の積層膜を形成した場合において、半導体基板３０の裏面側から入射した光に対する積層膜の反射率をシミュレーションした結果を示す図である。各図において、横軸は光の波長であり、縦軸は反射率を示す。
【００３３】
図２〜図５を参照すると明らかなように、積層膜の反射率は全ての波長領域で一定ではないため、全ての波長領域で反射率が高くなるような膜厚の最適化はできない。従って、特に半導体基板３０を通過する可能性のある長波長側（５００〜１０００ｎｍ）の光に対する反射率が高くなるような膜厚の最適化を行う。以下、各図について検討する。
【００３４】
図２は、高屈折率膜４２である窒化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍに固定し、低屈折率膜４１である酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合における反射率を示す図である。低屈折率膜４１、高屈折率膜４２、配線層４５を合わせたトータル膜厚は４μｍで固定した。
【００３５】
図２に示すように、窒化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍとした場合には、酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で変化させても、５００〜１０００ｎｍの波長領域の光に対する最大反射率は、ほぼ６０％以下にとどまる。
【００３６】
図３は、高屈折率膜４２である窒化シリコン膜の膜厚を５０ｎｍに固定し、低屈折率膜４１である酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合における反射率を示す図である。
【００３７】
図３に示すように、窒化シリコンの膜厚を５０ｎｍとした場合には、酸化シリコンの膜厚が５０ｎｍで反射率の最大値が４０％程度と低くなるが、酸化シリコンの膜厚を１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍと大きくするに従って、５００〜１０００ｎｍの波長領域の光に対する反射率が高くなり、２００ｎｍ付近の膜厚で反射率の最大値は７０％程度となる。酸化シリコンの膜厚を３００ｎｍとすると再び反射率が小さくなり、反射率の最大値は６０％以下となる。
【００３８】
図４は、高屈折率膜４２である窒化シリコン膜の膜厚を１００ｎｍに固定し、低屈折率膜４１である酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合における反射率を示す図である。
【００３９】
図４に示すように、窒化シリコンの膜厚を１００ｎｍとした場合には、酸化シリコンの膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍと大きくするに従って反射率が高くなり、酸化シリコンの膜厚が１５０ｎｍ、２００ｎｍの場合には、５００〜１０００ｎｍの波長領域の光に対する反射率の最大値が７０％を越えている。酸化シリコンの膜厚を３００ｎｍにすると反射率が小さくなり、反射率の最大値は５０％以下となる。
【００４０】
図５は、高屈折率膜４２である窒化シリコン膜の膜厚を１５０ｎｍに固定し、低屈折率膜４１である酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合における反射率を示す図である。
【００４１】
図５に示すように、窒化シリコン膜の膜厚を１５０ｎｍとした場合には、酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍと大きくしていくと、膜厚１５０ｎｍ付近で５００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域の反射率の最大値は７０％を越える。膜厚を２００ｎｍ、３００ｎｍと大きくすると、最大反射率は４０％以下に低下していく。
【００４２】
図６は、高屈折率膜４２である窒化シリコン膜の膜厚を２００ｎｍに固定し、低屈折率膜４１である酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させた場合における反射率を示す図である。
【００４３】
図６に示すように、窒化シリコン膜の膜厚を２００ｎｍとした場合には、酸化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で変化させても、５００〜１０００ｎｍの波長領域の光に対する最大反射率は、ほぼ６０％以下にとどまる。
【００４４】
図７は、比較例として、シリコンからなる半導体基板３０上に、酸化シリコン膜のみを形成した場合において、半導体基板３０の裏面側から入射した光に対する酸化シリコン膜の反射率をシミュレーションした結果を示す図である。酸化シリコン膜の膜厚は、４μｍとした。
【００４５】
図７に示すように、窒化シリコン膜を形成せずに酸化シリコン膜のみを形成した場合には、５００〜１０００ｎｍの波長領域の光に対する最大反射率は、ほぼ６０％以下にとどまる。
【００４６】
従来、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜が使用されている。従って、半導体基板３０上に酸化シリコンからなる低屈折率膜４１と窒化シリコンからなる高屈折率膜４２の積層膜を形成した場合において、従来よりも反射率が高くなる積層膜の膜厚についてまとめると以下のようになる。
【００４７】
高屈折率膜４２である窒化シリコン膜の膜厚が、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、かつ、低屈折率膜４１である酸化シリコン膜の膜厚が５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。酸化シリコン膜の膜厚が５０ｎｍの場合については、窒化シリコンの膜厚が１５０ｎｍの場合に限り効果が見られる（図５参照）。このため、窒化シリコン膜の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、かつ、酸化シリコン膜の膜厚が１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置では、半導体基板３０の第１面に形成された低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜が、半導体基板３０を通過した光に対して反射膜として機能することから、半導体基板３０を通過した光は、当該積層膜によって半導体基板３０へ向けて反射され、受光部３１に再度入射し、光電変換に寄与する。
【００４９】
この結果、特に半導体基板３０を透過する長波長側（５００〜１０００ｎｍ）の光の利用効率を向上させることができ、画素の量子効率が向上する。また、上記の低屈折率膜４１と高屈折率膜４２を絶縁膜により形成することにより、半導体基板３０上に形成される電極と短絡するといった問題もない。
【００５０】
さらに、低屈折率膜４１として１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚の酸化シリコン膜を用い、高屈折率膜４２として５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の膜厚の窒化シリコン膜を用いることにより、低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜の反射率の最大値が６０％を越え、酸化シリコン膜のみが形成されている従来構造よりも高い反射率が得られる。
【００５１】
（第２実施形態）
図８は、本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。なお、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付しており、その説明は省略する。
【００５２】
半導体基板３０の第１面上には、低屈折率膜（第１の膜）４１ａと、低屈折率膜４１ａよりも屈折率の高い高屈折率膜（第２の膜）４２ａとが積層されている。低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの膜厚や、材料については第１実施形態と同様である。
【００５３】
本実施形態では、低屈折率膜４１ａは凸構造に加工されている。高屈折率膜４２ａは、低屈折率膜４１ａの凸構造を被覆するように形成されている。これにより、低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの界面が、半導体基板３０の第２面側（光の入射面側）から見て凹型をなしている。
【００５４】
上記の低屈折率膜４１ａは、第１実施形態と同様に、ゲート絶縁膜を兼ねる。すなわち、ＭＯＳ型の固体撮像装置の場合には、低屈折率膜４１ａ上に読み出しトランジスタ等のゲート電極が形成される。ＣＣＤ型の固体撮像装置の場合には、低屈折率膜４１ａ上に垂直転送電極等が形成される。高屈折率膜４２ａは、これらの電極を被覆するように形成される。
【００５５】
上記の固体撮像装置の動作について説明する。
上記の固体撮像装置では、半導体基板３０を透過した長波長側の光に対して、低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの積層膜が、反射膜として機能するのは第１実施形態と同様である。加えて、本実施形態では、低屈折率膜４１ａが凸構造に加工されているために、半導体基板３０の第２面側から見ると、低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの界面は凹形状となる。
【００５６】
この結果、半導体基板３０に対して垂直に入射する光Ｌ１の他、半導体基板３０に対して斜めに入射した光Ｌ２も、効率的に受光部３１へ向けて反射させることができる。また、斜め入射した光Ｌ２が、本来入射すべき受光部３１の隣の受光部３１へ向けて反射されることが防止される。
【００５７】
上記の固体撮像装置の製造方法の一例について、図９を参照して説明する。
【００５８】
図９（ａ）に示すように、半導体基板３０に低屈折率膜４１を積層させ、トランジスタのゲート電極等を形成する。その前後の工程で受光部３１を含む半導体領域をイオン注入によって形成し、それに続いて、低屈折率膜４１を再度堆積させる。続いて、低屈折率膜４１の上にレジスト膜を形成し、リソグラフィ技術により各受光部３１に対応するパターンのレジスト膜Ｒ１を形成する。
【００５９】
次に、図９（ｂ）に示すように、レジスト膜Ｒ１をマスクとして低屈折率膜４１を途中の深さまで等方性エッチングし、低屈折率膜４１ａに加工する。等方性のエッチングとしては、ウェットエッチングあるいはドライエッチングのいずれも使用可能である。等方性のエッチングを用いることにより、エッチング面にテーパーが形成され、凸形状の低屈折率膜４１ａが形成される。
【００６０】
レジスト膜Ｒ１を除去した後、図９（ｃ）に示すように、低屈折率膜４１ａ上に、窒化シリコン膜を堆積させて、低屈折率膜４１ａの凸形状を被覆する高屈折率膜４２ａを形成する。
【００６１】
以降の工程としては、第１実施形態と同様に、層間絶縁膜４３の堆積および配線４４の加工工程を経て配線層４５を形成した後、支持基板４６を形成する。続いて、半導体基板３０を裏返しにし、半導体基板３０の第２面側を研削およびエッチングすることにより、半導体基板３０を薄膜化する。
【００６２】
以上のようにして、半導体基板３０の第２面側から見て低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの界面が凹形状となる固体撮像装置が製造される。
【００６３】
上記の固体撮像装置の製造方法の他の例について、図１０を参照して説明する。
【００６４】
図１０（ａ）に示すように、半導体基板３０に低屈折率膜４１を積層させ、トランジスタのゲート電極等を形成する。その前後の工程で受光部３１を含む半導体領域をイオン注入によって形成し、それに続いて、低屈折率膜４１を再度積層させる。続いて、低屈折率膜４１上にレジスト膜を形成し、リソグラフィ技術により各受光部３１に対応するパターンのレジスト膜Ｒ２を形成する。続いて、リフロー処理を行い、凸レンズ形状のレジスト膜Ｒ２を形成する。
【００６５】
次に、図１０（ｂ）に示すように、レジスト膜Ｒ２と低屈折率膜４１とのエッチング選択比がほぼ１となる条件でエッチングすることにより、凸形状の低屈折率膜４１ａが形成される。
【００６６】
次に、図１０（ｃ）に示すように、低屈折率膜４１ａ上に、窒化シリコン膜を堆積させて、低屈折率膜４１ａの凸形状を被覆する高屈折率膜４２ａを形成する。
【００６７】
以降の工程としては、第１実施形態と同様に、層間絶縁膜４３の堆積および配線４４の加工工程を経て配線層４５を形成した後、支持基板４６を形成する。続いて、半導体基板３０を裏返しにし、半導体基板３０の第２面側を研削およびエッチングすることにより、半導体基板３０を薄膜化する。
【００６８】
以上のようにして、半導体基板３０の第２面側から見て低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの界面が凹形状となる固体撮像装置が製造される。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置では、半導体基板３０の第２面側から見て低屈折率膜４１ａと高屈折率膜４２ａの界面が凹形状となっていることから、受光部３１に対して垂直に入射する光Ｌ１の他、受光部３１に対して斜めに入射した光Ｌ２も、効率的に受光部３１へ向けて反射させることができる。
【００７０】
この結果、第１実施形態に比べて画素の量子効率を向上させることができる。また、斜め入射した光Ｌ２が、本来受光されるべき受光部３１の隣の受光部３１へ向けて反射されることが防止され、混色を抑える効果がある。その他、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００７１】
（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態あるいは第２実施形態に係る固体撮像装置を、ＣＭＯＳイメージセンサに適用した例について説明する。図１１は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。
【００７２】
固体撮像装置は、画素部１１と、垂直選択回路１２と、Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）・ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング) 回路１３と、水平選択回路１４と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１５と、ＡＧＣ（Automatic Gain Control) 回路１６と、Ａ／Ｄ変換回路１７とデジタルアンプ１８とを有し、これらが同一の半導体基板上に搭載された構成となっている。
【００７３】
画素部１１は、後述する単位画素が行列状に多数配列され、行単位でアドレス線等が、列単位で垂直信号線がそれぞれ配線された構成となっている。
【００７４】
垂直選択回路１２は、画素を行単位で順に選択し、各画素の信号を垂直信号線を通して画素列毎にＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に読み出す。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３は、各画素列から読み出された画素信号に対し、ＣＤＳ等の信号処理を行う。
【００７５】
水平選択回路１４は、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に保持されている画素信号を順に取り出し、ＡＧＣ回路１６に出力する。ＡＧＣ回路１６は、水平選択回路１４から入力した信号を適当なゲインで増幅し、Ａ／Ｄ変換回路１７に出力する。
【００７６】
Ａ／Ｄ変換回路１７は、ＡＧＣ回路１６から入力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルアンプ１８に出力する。デジタルアンプ１８は、Ａ／Ｄ変換回路１７から入力したデジタル信号を適当に増幅して、出力端子より出力する。
【００７７】
垂直選択回路１２、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３、水平選択回路１４、ＡＧＣ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１７およびデジタルアンプ１８の各動作は、タイミングジェネレータ１５で発生される各種のタイミング信号に基づいて行われる。
【００７８】
図１２は、画素部１１の単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【００７９】
単位画素は、受光部として例えばフォトダイオード２１を有し、この１個のフォトダイオード２１に対して、転送トランジスタ２２、増幅トランジスタ２３、アドレストランジスタ２４、リセットトランジスタ２５の４個のトランジスタを能動素子として有する構成となっている。
【００８０】
フォトダイオード２１は、入射光をその光量に応じた量の電荷（ここでは電子）に光電変換する。転送トランジスタ２２は、フォトダイオード２１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続され、駆動配線２６を通じてそのゲートに駆動信号が与えられることで、フォトダイオード２１で光電変換された電子をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
【００８１】
フローティングディフュージョンＦＤには増幅トランジスタ２３のゲートが接続されている。増幅トランジスタ２３は、アドレストランジスタ２４を介して垂直信号線２７に接続され、画素部外の定電流源Ｉとソースフォロアを構成している。そして、駆動配線２８を通してアドレス信号がアドレストランジスタ２４のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ２４がオンすると、増幅トランジスタ２３はフローティングディフュージョンＦＤの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線２７に出力する。垂直信号線２７は、各画素から出力された電圧をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に伝送する。
【００８２】
リセットトランジスタ２５は電源ＶｄｄとフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続され、駆動配線２９を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源Ｖｄｄの電位にリセットする。これらの動作は、転送トランジスタ２２、アドレストランジスタ２４およびリセットトランジスタ２５の各ゲートが行単位で配線されていることから、１行分の各画素について同時に行われる。
【００８３】
図１３は、固体撮像装置の概略断面図である。なお、図１３では、第１あるいは第２実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付している。
【００８４】
半導体基板３０には、単位画素を構成する複数の受光部３１が形成されている。半導体基板３０は、例えばｐ型のシリコン基板からなり、受光部３１はｎ型領域により構成される。受光部３１は、ｐｎ接合からなるフォトダイオードにより構成され、図１２のフォトダイオード２１に相当する。半導体基板３０は、裏面から光を入射し得るように薄膜化されている。半導体基板３０の厚さは、固体撮像装置の仕様にもよるが、可視光用の場合には４〜６μｍであり、近赤外線用では６〜１０μｍとなる。
【００８５】
半導体基板３０には、さらに図１２に示すトランジスタ２２〜２５のソースあるいはドレイン領域となるｎ型の半導体領域３２，３３が形成されており、画素間での信号電荷の流出入を防止するためのｐ型のチャネルストップ部３４が形成されている。
【００８６】
半導体基板３０の第１面上には、例えば酸化シリコンからなる低屈折率膜（第１の膜）４１を介して、図２に示すトランジスタ２２〜２５のゲート電極３５，３６が形成されている。ゲート電極３５，３６を被覆するように低屈折率膜４１上には、低屈折率膜４１よりも屈折率の高い高屈折率膜（第２の膜）４２が積層されている。
【００８７】
なお、高屈折率膜４２は、必要に応じて加工されていてもよい。たとえば、受光部３１の上方以外の部位の高屈折率膜４２は除去されていてもよい。受光部３１の上方の低屈折率膜４１および高屈折率膜４２の膜厚については第１実施形態と同様である。また、第２実施形態のように、低屈折率膜４１を凸形状にし、低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の界面が、光の入射側から見て凹形状となるようにしてもよい。
【００８８】
高屈折率膜４２上には、配線層４５が形成されている。配線層４５は、層間絶縁膜４３と、層間絶縁膜４３中に埋め込まれた配線４４とを有する。層間絶縁膜４３は例えば酸化シコン膜からなり、配線４４は例えばアルミニウム配線からなる。図示する例では、２層の配線のみを例示しているが、さらに多層の配線が形成されていてもよい。
【００８９】
配線層４５上には、半導体基板３０の強度を補強するための支持基板４６が設けられている。支持基板４６は、半導体基板３０との熱膨張係数の相違による反りの発生を防止するため、例えば半導体基板３０と同じシリコンにより形成される。
【００９０】
半導体基板３０の第２面（光入射面）上には、所望の波長領域の光のみを通過させるカラーフィルタ４７が形成されている。また、カラーフィルタ４７上には、入射光を受光部３１へ集光させるオンチップレンズ４８が形成されている。なお、半導体基板３０とカラーフィルタ４７の間に、各受光部３１を開口する遮光膜が設けられていてもよい。形成可能であれば、半導体基板３０の第２面直上に低屈折率膜と高屈折率膜からなる反射防止膜が形成されていてもよい。
【００９１】
上記の固体撮像装置において、低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜は、半導体基板３０側から入射した光に対して反射膜として機能するようにそれぞれの膜厚が調整されている。すなわち、半導体基板３０を通過して低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の界面で反射する光と、高屈折率膜４２と層間絶縁膜４３の界面で反射した光の位相がそろう（山と谷がそろう）ように膜厚が調整されている。このように、半導体基板３０を透過した光の多重反射が制御されて、低屈折率膜４１と高屈折率膜４２は反射膜として機能する。
【００９２】
上記の固体撮像装置の動作について説明する。
上記の固体撮像装置には、半導体基板３０の第１面の裏面である第２面から光が入射する。入射した光は、オンチップレンズ４８によって集光され、集光された光のうち所定の波長領域の光のみがカラーフィルタ４７を通過する。
【００９３】
カラーフィルタを通過した所定の波長領域の光は、半導体基板３０の受光部３１に入射する。受光部３１により入射光量に応じた信号電荷に光電変換され、当該信号電荷が一定期間蓄積される。
【００９４】
入射光のうち半導体基板３０を通過した長波長側の光（例えば波長が５００〜１０００ｎｍ）の一部は、反射膜として機能する低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜により反射され、受光部３１に再度入射し、光電変換に寄与する。
【００９５】
電荷の読み出しの際には、まず、駆動配線２９を通してリセットトランジスタ２５のゲートにリセット信号を与えて、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源Ｖｄｄの電位にリセットする（図１２参照）。その後、転送トランジスタ２２のゲートに駆動信号が与えられて、受光部３１で光電変換された電子はフローティングディフュージョンＦＤに転送される。
【００９６】
電子がフローティングディフュージョンＦＤに転送されると、駆動配線２８を通してアドレス信号がアドレストランジスタ２４のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ２４がオン状態となる。そして、増幅トランジスタ２３によりフローティングディフュージョンＦＤの電位が増幅されて、その電位に応じた電圧が垂直信号線２７に出力される。
【００９７】
以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置では、半導体基板３０の第１面に形成された低屈折率膜４１と高屈折率膜４２の積層膜が、半導体基板３０を通過した光に対して反射膜として機能することから、半導体基板３０を通過した光は、当該積層膜によって半導体基板３０へ向けて反射され、受光部３１に再度入射し、光電変換に寄与する。
【００９８】
この結果、特に半導体基板３０を透過する長波長側（５００〜１０００ｎｍ）の光の利用効率を向上させることができ、画素の量子効率が向上する。その他、第１実施形態あるいは第２実施形態と同様の効果を奏する。
【００９９】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。例えば、低屈折率膜４１として酸化シリコン膜を用い、高屈折率膜４２として窒化シリコン膜を用いる例について説明したが、窒化酸化シリコンを用いることもできる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】第１実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。
【図２】窒化シリコン膜の膜厚を１０ｎｍにし、酸化シリコン膜の膜厚を種々変えた場合における積層膜の反射率を示すグラフである。
【図３】窒化シリコン膜の膜厚を５０ｎｍにし、酸化シリコン膜の膜厚を種々変えた場合における積層膜の反射率を示すグラフである。
【図４】窒化シリコン膜の膜厚を１００ｎｍにし、酸化シリコン膜の膜厚を種々変えた場合における積層膜の反射率を示すグラフである。
【図５】窒化シリコン膜の膜厚を１５０ｎｍにし、酸化シリコン膜の膜厚を種々変えた場合における積層膜の反射率を示すグラフである。
【図６】窒化シリコン膜の膜厚を２００ｎｍにし、酸化シリコン膜の膜厚を種々変えた場合における積層膜の反射率を示すグラフである。
【図７】酸化シリコン膜のみの場合の反射率を示すグラフである。
【図８】第２実施形態に係る固体撮像装置の概略断面図である。
【図９】第２実施形態に係る固体撮像装置の製造の一例を示す工程断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る固体撮像装置の製造の他の例を示す工程断面図である。
【図１１】第３実施形態に係るＭＯＳ型の固体撮像装置の概略構成図である。
【図１２】第３実施形態に係る固体撮像装置における、画素部の単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【図１３】第３実施形態に係る固体撮像装置における概略断面図である。
【図１４】従来の固体撮像装置の概略断面図である。
【図１５】従来の裏面照射型の固体撮像装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１１…画素部、１２…垂直選択回路、１３…Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路、１４…水平選択回路、１５…タイミングジェネレータ、１６…ＡＧＣ回路、１７…Ａ／Ｄ変換回路、１８…デジタルアンプ、２１…フォトダイオード、２２…転送トランジスタ、２３…増幅トランジスタ、２４…アドレストランジスタ、２５…リセットトランジスタ、２６，２８，２９…駆動配線、２７…垂直信号線、３０…半導体基板、３１…受光部、３２，３３…半導体領域、３４…チャネルストップ部、３５，３６…ゲート電極、４１，４１ａ…低屈折率膜、４２，４２ａ…高屈折率膜、４３…層間絶縁膜、４４…配線、４５…配線層、４６…支持基板、４７…カラーフィルタ、４８…オンチップレンズ、１００…半導体基板、１０１…受光部、１０２…低屈折率膜、１０３…高屈折率膜、１０４…層間絶縁膜、１０５…配線、１０６…配線層、１１０…半導体基板、１１１…受光部、１１２…低屈折率膜、１１３…高屈折率膜、１１４…ゲート絶縁膜、１１５…層間絶縁膜、１１６…配線、１１７…配線層、１１８…支持基板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2006054262.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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