(57)【要約】【課題】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が少なく、信頼性の高い固体撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換素子１２の上方に、絶縁膜１３とエッチングストッパー膜１７を挟んで、第１の透明膜１９と第２の透明膜２０から構成される光導波路１８を設ける。第１の透明膜１９の屈折率は、第２の透明膜２０の屈折率よりも低い。更に、第２の透明膜２０と一体的に形成された集光レンズ２１を設ける。【選択図】図１０
2008091771.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、
前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜と、
前記絶縁膜上で且つ前記光電変換素子の側方に設けられた転送電極と、
前記エッチングストッパー膜の上および前記転送電極の上方に設けられ、前記複数の光電変換素子の各々の上方に孔部が形成された層間絶縁膜と、
前記孔部の内壁に沿って前記各光電変換素子の上方に設けられた第１の透明膜と、前記第１の透明膜の上に設けられ、前記孔部を埋める第２の透明膜とを有する光導波路と、
前記第２の透明膜と同じ材料で形成され、前記光導波路の上から前記層間絶縁膜の上方に亘って配置された集光レンズとを備え、
前記第１の透明膜、前記第２の透明膜および前記集光レンズの屈折率はいずれも前記層間絶縁膜よりも高く、且つ、前記第１の透明膜の屈折率は前記第２の透明膜および前記集光レンズの屈折率よりも低い固体撮像装置。
【請求項２】
前記集光レンズの直径は、前記光導波路の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記光導波路は、下方から上方に向かうにつれて断面積が大きくなる形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１の透明膜のうち、前記孔部の側壁上に設けられた部分の膜厚は、前記孔部の底面に設けられた部分の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記集光レンズの上面は凸状であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記集光レンズの下面の少なくとも一部は凸状であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記絶縁膜、前記エッチングストッパー膜、前記第１の透明膜、および前記第２の透明膜が前記各光電変換素子に入射する光に対する反射防止積層膜を構成することを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記複数の光電変換素子および前記集光レンズの上方には、それぞれ色が異なるカラーフィルターが設けられており、
前記エッチングストッパー膜の膜厚は、前記各光電変換素子に入射する光の波長の１／４の倍数であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記光導波路の第１の透明膜は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化窒化シリコンのうちから選ばれた１つからなることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第２の透明膜および前記集光レンズは、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、窒化シリコンのうちから選ばれた１つからなることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記エッチングストッパー膜は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび窒化シリコンのうちから選ばれた１つからなることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記層間絶縁膜は酸化シリコンを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第１の透明膜および前記第２の透明膜には水素が含まれていることを特徴とする請求項１〜１２のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記転送電極の上面および側面を覆い、前記各光電変換素子の上方に開口部が形成された遮光膜をさらに備え、
前記エッチングストッパー膜の上面の面積は前記光導波路の断面積よりも大きく、且つ前記遮光膜の開口部よりも小さく、
前記第１の透明膜の一部は前記絶縁膜と接することを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
複数の光電変換素子が設けられた半導体基板上に絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
前記絶縁膜の上であって前記複数の光電変換素子の各々の側方に位置する領域に転送電極を形成する工程（ｂ）と、
前記絶縁膜のうち前記各光電変換素子の上に位置する部分上にエッチングストッパー膜を形成する工程（ｃ）と、
前記転送電極の上方および前記エッチングストッパー膜の上に、前記各光電変換素子の上方に孔部が設けられた層間絶縁膜を形成する工程（ｄ）と、
少なくとも前記層間絶縁膜の孔部の内面を覆い、前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い第１の透明膜を形成する工程（ｅ）と、
前記第１の透明膜上に、前記層間絶縁膜の孔部を埋め、前記層間絶縁膜および前記第１の透明膜よりも屈折率が高い第２の透明膜を形成する工程（ｆ）と、
レジストを用いて前記第２の透明膜をエッチバックし、前記第１の透明膜および前記第２の透明膜のうち前記層間絶縁膜の孔部内に形成された部分で構成された光導波路と、前記第２の透明膜のうち前記光導波路上および前記層間絶縁膜の上方に位置する部分で構成された集光レンズとを形成する工程（ｇ）とを備えている固体撮像装置の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（ｅ）および前記工程（ｆ）で形成された前記第１の透明膜と前記第２の透明膜には水素が残留しており、
前記工程（ｅ）および前記工程（ｆ）の後で、水素雰囲気中で熱処理を行う工程（ｈ）をさらに備えていることを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ｅ）で形成される前記第１の透明膜のうち前記層間絶縁膜の孔部の側壁上に形成された部分の膜厚は、孔部の底面の前記エッチングストッパー膜上に形成された部分の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１５または１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１８】
前記層間絶縁膜の孔部および前記光導波路は、下方から上方に向かうにつれて断面積が大きくなる形状を有していることを特徴とする請求項１５〜１７のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ｄ）は、上部に下に凸な形状の凹部が形成された前記層間絶縁膜を形成する工程（ｄ１）と、前記層間絶縁膜のうち前記凹部が形成された部分の一部を除去して前記エッチングストッパーに達する孔部を形成する工程（ｄ２）とを含んでおり、
前記集光レンズの下面は、前記凹部に沿って下に凸な形状を有していることを特徴とする請求項１５〜１８のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項２０】
前記工程（ｅ）および前記工程（ｆ）では、高密度プラズマＣＶＤ法を用いて前記第１の透明膜および前記第２の透明膜を形成することを特徴とする請求項１５〜１９のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項２１】
前記工程（ｇ）では、前記レジストをパターニングした後に熱処理を行い、エッチバック法により上に凸なレジスト形状を転写して前記集光レンズを形成することを特徴とする請求項１５〜２０のうちいずれか１つに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、光電変換素子を備えたＣＣＤ型の固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置は、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、当該機器に用いられる固体撮像装置にも多画素化や、感度の向上が求められている。特に多画素化に伴って、一素子辺りのサイズ（画素ピッチ）が小さくなることにより、光電変換素子の開口部の面積が縮小し、光電変換素子に入射する光の量が減少するため、画像が暗くなったり、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が悪くなるといった課題が発生しており、入射光を効率良く光電変換素子に取り込ませるための技術が要求されている。
【０００３】
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装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
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装置の具体的な構造について、図１５を参照しながら説明する。図１５は、従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【０００５】
同図において、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。
【０００６】
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。
【０００７】
ところが、このようにして得られる従来の固体撮像装置では、集光レンズ１０１で屈折された入射光が垂直に入射した場合は、図１５の実線で示されるように光電変換素子１０７に集光されるが、入射光が斜めに入射した場合は、図１５の点線で示されるように光電変換素子１０７に集光しない場合がある。この場合は、光電変換素子に集光する効率が低下するため、画像が暗くなる。さらに、斜め入射光が、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。
【０００８】
そこで、集光効率の向上を図った固体撮像装置として、集光レンズに代わる集光機能を有する固体撮像装置が提案されている。このような固体撮像装置の具体的な構造について、図１６を参照しながら説明する。
【０００９】
図１６は、第２の従来例に係る固体撮像装置を示す断面図である。この固体撮像装置において、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の上面の一部上、転送電極２０８の上面及び側面上には層間絶縁膜２０９が設けられ、層間絶縁膜２０９のうち転送電極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。
【００１０】
光電変換素子２０３の上には、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、当該開口部２１１の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の内側面を覆う第２の透明膜２１５と、第２の透明膜２１５の内側面を覆い、開口部２１１を埋める第３の透明膜２１６とが設けられている。平坦化層２１２上および第１の透明膜２１４、第２の透明膜２１５、第３の透明膜２１６の上端面上には、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。
【００１１】
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となっている。この構成により、受光部への集光効率が高められている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
さらに、上記のような光導波路に、窒化シリコン膜のような無機材料と、ポリイミドのような有機材料を組み合わせて、埋め込み性を向上した光導波路を用いたものが提案されている。図１７は、このような無機材料と有機材料を組み合わせた光導波路を用いた、第３の従来例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
図１７において、半導体シリコン基板の表層部には、光電変換素子２５０や転送ゲート２５１が形成されている。半導体基板の上面上には、ゲート絶縁膜２５２を介して転送ゲート２５１を制御するための転送電極２５３が形成され、転送電極２５３の上に絶縁膜２５４を介して、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜２５５が設けられている。また、このエッチングストッパー膜２５５の上には、複数層の配線２５６、及び層間絶縁膜２５７が設けられている。各配線２５６及び半導体基板のコンタクト領域の間には導電プラグ２５８が設けられ、各層の配線２５６が接続されている。また、最上層の絶縁膜２５９の上にはパッシベーション膜２６０が設けられ、その上に平坦化膜２６１を介してカラーフィルター２６２及びマイクロレンズ２６３が設けられている。そして、絶縁膜２５９には、その最上面から光電変換素子２５０の受光領域上の絶縁膜に到る孔部が形成され、この孔部に埋め込まれる形で光導波路２６４が設けられている。この光導波路２６４は、外側のプラズマ窒化シリコンによる第１光導波部２６４ａと、この第１光導波部２６４ａ内の空洞部に埋め込まれたポリイミド系樹脂よりなる第２光導波部２６４ｂとにより構成されている。
【特許文献１】特許第２９５６１３２号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１７２５号公報
【特許文献３】特開２００４−２０７４３３号公報
【特許文献４】特開２０００−１５０８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところが、図１６に示す第２の従来例に係る固体撮像装置では、光電変換素子２０３の上方に設けられた孔部の内部に、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、ガスの入り口となる孔部上部の断面積が徐々に小さくなっていく。そのため、孔部２１３内部に原料ガスが入りにくくなり、ボイド（空隙）が発生しやすくなる。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。
【００１５】
さらに、第１の透明膜２１４から第３の透明膜２１６までの光導波路は、互いに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、固体撮像装置に大きな応力が発生し、クラックが入ったり、剥離が発生する場合があった。
【００１６】
また、光電変換素子にも応力がかかることにより、画像表示した場合のノイズ成分である白傷が発生する。さらに、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等の不具合があった。
【００１７】
また、図１７で示した固体撮像装置では、ボイドの発生を防止するために、孔部に埋め込まれる形で、外側のプラズマ窒化シリコンによる第１光導波部と、この第１光導波部内の空洞部に埋め込まれたポリイミド系樹脂よりなる第２光導波部より構成された光導波路を形成しているが、画素ピッチが、例えば２μｍよりも小さくなると、光導波路を形成できる部分の直径が大きく見積もっても１μｍ以下となる。そのため、光導波路外側の、高屈折率のプラズマ窒化シリコンによる第１光導波部の膜厚は、例えば２５０ｎｍ程度に薄くなる。その結果、第１光導波部の膜厚が光の波長よりも小さくなり、導波路内に光が入らず、光電変換素子への入射光の集光効率が低下する可能性があった。
【００１８】
さらに、図１６および図１７で示す第１および第２の固体撮像装置では、光電変換素子の上面上に絶縁膜である酸化シリコン薄膜があり、その上に光導波路の一番外側の層を構成する窒化シリコンがあるので、シリコン基板（屈折率＝４．２）／酸化シリコン薄膜（屈折率＝１．４５）／窒化シリコン膜（屈折率＝２．０）という構成をとることとなる。そのため、酸化シリコン薄膜の膜厚をどのように変えても、シリコン基板表面での入射光の反射率を低くすることが難しく、光導波路によって集光された光の一部が基板表面で反射して光電変換素子に入らず、結果として光電変換素子への集光効率が低下してしまう場合があった。
【００１９】
本発明は、上記従来の不具合の解決を図るものであり、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、光電変換素子表面での入射光の反射率が低く、画像表示した場合のノイズ成分である白傷の発生を抑えることができ、且つ信頼性の高い固体撮像装置と、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】
【００２０】
本発明の固体撮像装置は、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、前記絶縁膜の上に設けられたエッチングストッパー膜と、前記絶縁膜上で且つ前記光電変換素子の側方に設けられた転送電極と、前記エッチングストッパー膜の上および前記転送電極の上方に設けられ、前記複数の光電変換素子の各々の上方に孔部が形成された層間絶縁膜と、前記孔部の内壁に沿って前記各光電変換素子の上方に設けられた第１の透明膜と、前記第１の透明膜の上に設けられ、前記孔部を埋める第２の透明膜とを有する光導波路と、前記第２の透明膜と同じ材料で形成され、前記光導波路の上から前記層間絶縁膜の上方に亘って配置された集光レンズとを備え、前記第１の透明膜、前記第２の透明膜および前記集光レンズの屈折率はいずれも前記層間絶縁膜よりも高く、且つ、前記第１の透明膜の屈折率は前記第２の透明膜および前記集光レンズの屈折率よりも低い。
【００２１】
この構成により、基板面に対して垂直の角度で入射した光は、集光レンズで屈折されて光導波路に入り、その下の光電変換素子に集光されると共に、基板面に対して傾いた角度で入射した光（斜め入射光）も、集光レンズに屈折された後に、光導波路の側面で全反射することにより、光導波路内に閉じ込め、その下の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、角度の大きな斜め入射光まで光電変換素子に集光することができるので、集光効率が向上する。さらに、光導波路の光閉じ込め効果により、斜め入射光が転送電極等に漏れ出しにくくなるため、スミア成分を低減することができるとともに、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。
【００２２】
前記光導波路の第１の透明膜は、層間絶縁膜の屈折率よりも大きく、かつ前記光導波路の第２の透明膜の屈折率よりも小さい屈折率を有した、水素を含有する酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化窒化シリコンのうち少なくとも１つであることが好ましい。さらに、前記光導波路の第１の透明膜は、前記層間絶縁膜の孔部の側壁上の部分の膜厚が、前記エッチングストッパー膜に接した孔部底面部分の膜厚よりも小さいことが好ましい。この構成により、光電変換素子が形成されたシリコン基板から、光導波路までの膜構成が、例えばシリコン基板（屈折率＝４．２）／酸化シリコン薄膜（屈折率＝１．４５）／窒化シリコン膜（屈折率＝２．０）／酸化窒化シリコン膜（屈折率＝１．６）／窒化シリコン膜（屈折率＝２．０）のように、各薄膜の屈折率が増減を繰り返す順番に積層され、且つ各薄膜の膜厚を適宜最適化することにより、全体として反射防止積層膜を構成し、シリコン基板上での入射光の反射率を低い値に設定することができる。その結果、光電変換素子に入射する光の集光効率を上げることができる。さらに、第１の透明層のうち、層間絶縁膜に接した孔部側壁の部分の膜厚を、前記エッチングストッパー膜に接した孔部底面部分の膜厚よりも小さくすることにより、第２の透明膜の断面積を大きくとることができるため、画素ピッチが小さくなった場合でも、光導波路内部の高屈折率の部分に入射光を取り込むことができ、入射光を効率よく光電変換素子に導くことができる。それとともに、第２の透明膜の断面積が大きいことから、第２の透明膜の形成時にボイド（空隙）が発生するのを防止し、入射光の感度低下を防ぐことができる。さらに、光導波路が第１の透明膜と第２の透明膜の２層構造であることから、特許文献２で示す例に比べて製造工程数を少なくし、歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
前記光導波路の第２の透明膜および前記集光レンズは、前記光導波路の第１の透明膜よりも大きな屈折率を有し、水素を含有する酸化チタン（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）、窒化シリコン（屈折率１．８〜２．０）のうちから選ばれた１つで構成され、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料からなることが好ましい。このように、屈折率の高い材料を光導波路の第２の透明膜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、光導波路の第２の透明膜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可能となる。
【００２４】
また、前記集光レンズは、前記光導波路の第２の透明膜と同一の材料からなり、前記第２の透明膜と一体であることが好ましい。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第２の透明膜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、効率よく光導波路の第２の透明膜に伝搬させることができる。
【００２５】
また、前記集光レンズは、上に凸のレンズ形状であることが好ましく、さらには上下両面が凸形状であることがより好ましい。上に凸のレンズ形状の場合には、入射光を効率よく、光導波路の方向に曲げることができ、上下両面が凸形状の場合には、上に凸の場合よりさらに効率よく入射光を曲げる事ができる。
【００２６】
また、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または窒化シリコンからなることが好ましい。
【００２７】
また、前記エッチングストッパー膜の膜厚が、入射光波長の１／４の倍数の膜厚であることにより、エッチングストッパー膜での入射口の反射の量を低減させることができ、光電変換素子へ入る入射口の出力を増加させ、感度を増大することができる。なお、エッチングストッパー膜の膜厚は上記の値近傍であれば感度を増大させる効果がある。また、入射光波長が最も短い青色の光では４５０ｎｍ程度であることから、エッチングストッパーの膜厚は、１１２ｎｍ以上となるため、光導波路を形成する前のドライエッチング時に、光電変換素子に与えるダメージを低減させることができ、その結果、画像表示した場合のノイズである白傷の発生を防止することができる。
【００２８】
また、前記エッチングストッパー膜の一部が開口することにより、前記半導体基板上の絶縁膜と、前記光導波路の第１の透明膜が直接接していてもよい。この場合、水素を含有した第１の透明膜および第２の透明膜から、水素透過率の高い絶縁膜を透過して、光電変換素子が形成されたシリコン基板に、効果的に水素を供給することができるため、光電変換素子が形成されたシリコン基板中の結晶欠陥を無くすことにより、画像表示した場合のノイズである白傷の発生を防止することができる。
【００２９】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、複数の光電変換素子が設けられた半導体基板上に絶縁膜を形成する工程（ａ）と、前記絶縁膜の上であって前記複数の光電変換素子の各々の側方に位置する領域に転送電極を形成する工程（ｂ）と、前記絶縁膜のうち前記各光電変換素子の上に位置する部分上にエッチングストッパー膜を形成する工程（ｃ）と、前記転送電極の上方および前記エッチングストッパー膜の上に、前記各光電変換素子の上方に孔部が設けられた層間絶縁膜を形成する工程（ｄ）と、少なくとも前記層間絶縁膜の孔部の内面を覆い、前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い第１の透明膜を形成する工程（ｅ）と、前記第１の透明膜上に、前記層間絶縁膜の孔部を埋め、前記層間絶縁膜および前記第１の透明膜よりも屈折率が高い第２の透明膜を形成する工程（ｆ）と、レジストを用いて前記第２の透明膜をエッチバックし、前記第１の透明膜および前記第２の透明膜のうち前記層間絶縁膜の孔部内に形成された部分で構成された光導波路と、前記第２の透明膜のうち前記光導波路上および前記層間絶縁膜の上方に位置する部分で構成された集光レンズとを形成する工程（ｇ）とを備えている。
【００３０】
この方法により製造された固体撮像装置では、基板面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導波路に入り、光電変換素子に集光されると共に、基板面に対して傾いた角度で入射した光（斜め入射光）も、集光レンズで屈折された後に光導波路に入り、その側面で全反射して光導波路内に閉じ込められ、光電変換素子に効率よく集光される。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、入射角度の大きい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、斜め入射光が光導波路内に閉じ込められるために、転送電極等に入射しにくくなり、スミア成分を低減するとともに、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。また、集光レンズが上下に凸のレンズ形状である場合には、光導波路形成のプロセスにおいて、光導波路を形成する材料の、原料ガスの流入する開口部の直径が大きくなるため、原料ガスの流入が容易となり、固体撮像装置の画素ピッチが小さくなり、光導波路の直径が小さくなった場合でも、隙間なく埋め込み成膜を行うことができる。さらに、水素を含有する光導波路の第１の透明膜および第２の透明膜を形成した後に、水素雰囲気中での熱処理を行うことにより、シリコン基板に水素を効果的に供給することができるため、光電変換素子が形成されたシリコン基板中の結晶欠陥を無くすことにより、画像表示した場合のノイズである白傷の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の固体撮像装置およびその製造方法によれば、光電変換素子の上方に、高屈折率の材料から構成される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。また、光導波路を設けることにより、斜め入射光をより多く光電変換素子に集光することができるために、入射角を広くすることができる。このため、本発明の固体撮像装置を用いたカメラモジュール全体を、従来の固体撮像装置を用いた場合よりも薄くすることができる。また、入射角を広くできるため、従来ではカメラモジュールの種類毎に、集光レンズやオンチップレンズのシュリンク率を最適化する必要があったものが、その必要がなくなるので、同じ設計の固体撮像装置を、様々なカメラモジュールに用いることができるようになる。さらに、光電変換素子表面での膜構成が、例えばシリコン基板／シリコン酸化膜／シリコン窒化膜／シリコン酸化窒化膜／高屈折率材料のように、屈折率が交互に増減を繰り返す構成をとり、各薄膜の屈折率と膜厚を最適化することにより、入射光のシリコン基板表面での反射率を低く抑え、光導波路によって集光した入射光を、効率よく光電変換素子へ入射させることができる。さらに、光導波路を構成する、水素を含有した第１の透明膜および第２の透明膜から、水素中熱処理により光電変換素子に水素を供給することにより、シリコン基板内の格子欠陥を削減し、画像表示した場合のノイズ成分である白傷を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法について、第１および第２の実施例を挙げて以下に説明する。
【００３３】
−第１の実施例−
図１は、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【００３４】
図１に示す固体撮像装置では、シリコン基板等の半導体基板の表面部に光電変換素子１２が設けられ、半導体基板の上に酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３が設けられている。
【００３５】
ゲート絶縁膜１３の上であって光電変換素子１２の側方にはポリシリコンからなる転送電極１４が設けられ、転送電極１４の上面および側面の上方は、タングステンからなる遮光膜１６によって覆われている。転送電極１４の直上には、屈折率が１．４５の酸化シリコンからなる第１の層間絶縁膜１５ａが設けられている。この第１の層間絶縁膜１５ａは、転送電極１４と遮光膜１６との間に介在することにより、転送電極１４と遮光膜１６とを互いに絶縁している。
【００３６】
一方、光電変換素子１２の上には、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７がゲート絶縁膜１３を挟んで設けられ、エッチングストッパー膜１７の上に光導波路１８が形成される。光導波路１８は、屈折率が１．６の酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜１９の凹状部分と、当該凹状部分の内側に設けられ、屈折率２．０の窒化シリコンからなる第２の透明膜２０とから構成される。光導波路１８の周囲には、第１の透明膜１９に接するように、屈折率１．４５の、ＢＰＳＧ（BoroPhosphorous Silicate Glass) からなる第２の層間絶縁膜１５ｂが形成されている。なお、光導波路１８を上方から見た場合の平面形状は円形であるが、多角形などの形状を有していてもよい。
【００３７】
光導波路１８の上方には、光導波路１８を構成する第２の透明膜２０と同じ材料である、屈折率２．０の窒化シリコンからなる集光レンズ２１が第２の透明膜２０と一体化して設けられている。この集光レンズ２１は、上に凸な形状を有する集光レンズであるとともに、その直径が光導波路１８の直径よりも大きいことを特徴とする。集光レンズ２１と、第２の層間絶縁膜１５ｂと、第１の透明膜１９の上方には、屈折率１．５０の透明高分子樹脂からなる平坦化膜２２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２３とが順次積層され、カラーフィルター２３の上には屈折率１．６０の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ２４が設けられている。
【００３８】
また、第１の透明膜１９のうち光導波路１８の側面部を構成する部分は、第１の透明膜１９のうち光導波路１８の底面部を構成する部分よりも薄くなっている。
【００３９】
次に、一部の構成を従来技術に置き換えた第１の比較例に係る固体撮像装置を比較対象として、第１の実施例に係る固体撮像装置の詳細を説明する。
【００４０】
図２は、第１の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。本比較例の固体撮像装置は、光導波路を備えていないこと以外は、図１に示す本実施形態の固体撮像装置と同一に設定されている。
【００４１】
図３（ａ）、（ｂ）は、第１の実施例に係る固体撮像装置と第１の比較例に係る固体撮像装置について、斜め入射光に対する感度を測定した結果、およびスミアとＦ値との関係を測定した結果をそれぞれ示す図である。
【００４２】
具体的には、入射光として白色の平行光を照射した時に、フォトダイオードからの出力電圧を計測して、感度の評価を行った結果を図３（ａ）に示す。ここで、素子（基板）の主面に対して垂直に照射した時の光の入射角を０°とし、入射角を徐々に大きくしていき、０°から斜め３０°までの入射光を照射した時の感度を計測し、斜め入射光に対する感度について評価を行った。その結果、図３（ａ）に示すように、入射角０°の時の出力を１００％とした場合に、出力が８０％となる入射角は、光導波路を持たない、第１の比較例の固体撮像装置では１７°であるのに対して、光導波路を有する固体撮像装置は２６°であり、より広い角度の斜め入射光をフォトダイオードに集光できることが分かった。このように、本実施例に係る固体撮像装置では、光導波路を設けることにより、斜めからの光の入射特性が大幅に向上していることが確認された。
【００４３】
続いて、実際のカメラモジュールでの使用状況に近い条件で、ランダムな方向から入射してくる白色光のＦ値を変えて照射した時の、固体撮像装置のスミア成分を計測した。その結果、図３（ｂ）に示すように、例えば入射光のＦ値＝４．０の場合では、光導波路を持たない第１の比較例の固体撮像装置が−８４．７ｄＢであるのに対して、光導波路を有する第１の実施例の固体撮像装置は−９０．５ｄＢである。また、入射光のＦ値＝２．０の場合では、第１の比較例の固体撮像装置が−８０．４ｄＢであるのに対して、第１の実施例の固体撮像装置は−８８．６ｄＢであり、評価したＦ値の全域にわたって、光導波路を有する第１の実施例の固体撮像装置の方が、スミア特性の指標であるｄＢの絶対値が大きく、スミア特性が良好であることが分かった。すなわち、本実施例の固体撮像装置において、光導波路を設けることで、スミア特性が改善されるという効果が認められた。
【００４４】
次に、第１の実施例に係る固体撮像装置において、光電変換素子１２上の膜構成は、下から順にゲート絶縁膜１３、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７、屈折率が１．６の酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜１９、屈折率２．０の窒化シリコンからなる第２の透明膜２０となっている。それぞれの膜厚は、光電変換素子上での反射率を最小限にするため、ゲート絶縁膜１３は２０ｎｍ、エッチングストッパー膜１７は１３０ｎｍ、第１の透明膜１９は３０ｎｍとなっており、この時の光の反射率は５％である。
【００４５】
すなわち、エッチングストッパー膜１７の膜厚は、入射光波長の１／４（の倍数）である１３０ｎｍ（グリーンの素子の場合）であるため、この膜単独で見た場合の反射率が抑えられる。さらに、光電変換素子１２の上の膜が、ゲート絶縁膜／窒化シリコン膜／酸化窒化シリコン膜／窒化シリコンの構成をとり、それぞれの膜厚を最適化することで、全体として反射防止積層膜２５を形成することができ、反射率を低く抑えることができる。
【００４６】
そこで、本願発明者らは、反射防止積層膜２５の効果を検証するために、第１の実施例の固体撮像装置から第１の透明膜１９を無くし、エッチングストッパー膜１７の上に、直接窒化シリコンからなる第２の透明膜２０のみから構成される光導波路１８を形成させた第２の比較例に係る固体撮像装置を作製した。
【００４７】
図４は、第２の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。このような構成の固体撮像装置において光導波路に入射した光の反射率を測定したところ、光電変換素子１２の上の膜が、ゲート絶縁膜／窒化シリコン膜／窒化シリコンの構成をとるため、ゲート絶縁膜の膜厚をどのように変えても反射率は２０％以上となり、反射率の増大により光電変換素子に入射する光の出力が低下していた。そのため、第２の比較例に係る固体撮像装置では、第１の実施例に係る固体撮像装置に比べて感度が大幅に低下することが分かった。
【００４８】
この結果を含め、第１の実施例、第１の比較例、第２の比較例の各固体撮像装置の感度を評価した結果を図９（ａ）に示す。同図には、第１の実施例の構成において入射角度が０°のときの感度（集光効率）を示す出力電圧を１００とした場合の、各測定値の換算値を示している。
【００４９】
この結果より、第１の比較例の固体撮像装置（導波路を有さない）における入射角が０°の時の感度は、第１の実施例の固体撮像装置の感度と比較して約５％低下し、第２の比較例の固体撮像装置（表面の反射の大きい光導波路構造を有する）では約１８％低下することが分かる。ところが、入射角度が１５°の時の感度について、光導波路構造を有する第１の実施例と第２の比較例では、入射角度が０°であるときの約６５％までしているのに対して、第１の比較例では約４０％にまで低下しており、光導波路を設けない構成では入射角が大きくなると、感度がより低くなることが明らかになった。以上の結果から、光導波路と反射防止積層膜とを備えることによって、共に集光効率を向上させることができることが確認された。特に、光導波路構造は、固体撮像装置の斜入射特性を向上させるのに有効であることが分かった。
【００５０】
第１の実施例に係るＣＣＤ（Charged Coupled Device）型の固体撮像装置では、図１に示すように、集光レンズの直径が、光導波路の直径よりも大きい場合について説明したが、この構成による効果を確認するべく本願発明者らは、集光レンズの直径が光導波路の直径とほぼ同じである固体撮像装置を作製した。そして、当該固体撮像装置と本実施例の固体撮像装置とでそれぞれの光学特性を測定し、比較した。
【００５１】
図５は、第３の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置では、シリコン基板の表面部に、光電変換素子１２が設けられ、シリコン基板の上には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３が設けられている。
【００５２】
ゲート絶縁膜１３の上には、ポリシリコンからなる転送電極１４が設けられ、転送電極１４の上方には、タングステンからなる遮光膜１６が設けられている。転送電極１４の直上には、屈折率が１．４５の酸化シリコンからなる第１の層間絶縁膜１５ａが設けられる。この第１の層間絶縁膜１５ａは、転送電極１４と遮光膜１６との間に介在することにより、転送電極１４と遮光膜１６とを互いに絶縁している。
【００５３】
一方、光電変換素子１２の上には、ゲート絶縁膜１３を挟んで、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７が設けられ、その上に光導波路１８が形成される。光導波路１８は、屈折率が１．６の酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜１９の凹状部分と、当該凹状部分の上に設けられた屈折率２．０の窒化シリコンからなる第２の透明膜２０とで構成される。光導波路１８の周囲には、第１の透明膜１９に接するように、屈折率１．４５の、ＢＰＳＧからなる第２の層間絶縁膜１５ｂが形成されている。
【００５４】
光導波路１８の上方には、光導波路１８を構成する第２の透明膜２０と同じ材料である、屈折率２．０の窒化シリコンからなる集光レンズ２１が第２の透明膜２０と一体化して設けられている。この集光レンズ２１は、上に凸な形状を有する集光レンズであるとともに、その直径が光導波路の直径と同じであることを特徴とする。集光レンズ２１と、第２の層間絶縁膜１５ｂと、第１の透明膜１９の上方には、屈折率１．５０の透明高分子樹脂からなる平坦化膜２２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２３とが順次積層され、カラーフィルター２３の上には屈折率１．６０の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ２４が設けられている。
【００５５】
本願発明者らは、第１の実施例および第３の比較例の固体撮像装置において、入射光として白色の平行光を照射した時に、フォトダイオードからの出力電圧を計測して、感度の評価を行った。ここで、素子の主面に対して垂直に照射した時の光の入射角を０°とし、入射角を徐々に大きくしていき、０°から斜め３０°までの入射光を照射した時の感度を計測し、斜め入射光の入射角依存性について評価を行った。その結果、図８に示すように、入射角０°の時の出力を１００％とした場合、出力が８０％となる入射角は、集光レンズ直径＞光導波路直径である第１の実施例の固体撮像装置で２６°であったのに対し、第３の比較例の固体撮像装置では２０°であった。この結果から、集光レンズ２１の直径が光導波路の直径よりも大きい固体撮像装置の方が、広い角度の斜め入射光をフォトダイオードに集光できることが確認された。このように、集光レンズの直径が、光導波路の直径よりも大きいことが、入射角の増加に効果があることが分かった。
【００５６】
さらに、第１の実施例および第３の比較例の固体撮像装置の感度の絶対値を評価した結果を図９（ｂ）に示す。表に示した値は、第１の実施例の構成における、入射角度が０°のときの感度の出力電圧を１００として、それぞれ換算した値を示したものである。
【００５７】
この結果より、入射角が０°の時の第３の比較例の固体撮像装置の感度は、第１の実施例の固体撮像装置と比較して約２５％低下していることが分かった。さらに、入射角度が１５°の時の感度は、第１の実施例の固体撮像装置で入射角度が０°の場合の約６５％となっているのに対して、第３の比較例の固体撮像装置では入射角度が０°の場合の約４１％となっていた。このことから、集光レンズの直径が、光導波路の直径と同じ程度の構成では、光の入射角が大きくなると、感度がより低くなることが明らかになった。以上の結果から、光導波路を有する第１の実施例の固体撮像装置において、集光レンズの直径が光導波路の直径よりも大きいことによって、感度と斜め方向からの光の入射特性とがさらに向上していることが確認された。
【００５８】
次に、図６を参照しながら、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
【００５９】
図６（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。ここでは、シリコン基板の表層部に、光電変換素子１２、電荷転送部、読み出しゲートおよびチャネルストップ（図示せず）を形成した後の工程から説明する。
【００６０】
本実施形態の固体撮像装置の製造方法では、まず、図６（ａ）に示す工程で、シリコン基板の上に、熱酸化処理により膜厚２０ｎｍの酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３を形成する。このゲート絶縁膜１３のうち、光電変換素子１２の上に形成された部分上にＣＶＤ法またはスパッタリング法によって膜厚４０ｎｍの窒化シリコン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、ゲート絶縁膜１３の上に、ポリシリコンからなる転送電極１４と、転送電極１４の上方を覆う第１の層間絶縁膜１５ａと、タングステンからなる遮光膜１６を順次形成する。ここで、転送電極１４は平面的に見て光電変換素子１２と重ならないように形成する。この後、エッチングストッパー膜１７および遮光膜１６の上に、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で構成された第２の層間絶縁膜１５ｂを形成する。この時、転送電極１４等が存在するため、第２の層間絶縁膜１５ｂは転送電極１４上で高く、光電変換素子１２上で低くなり、ちょうど光電変換素子１２上が凹んだ形状となるため、ＢＰＳＧ形成後に、アニールを行うことにより、第２の層間絶縁膜１５ｂをフローして平坦化する。
【００６１】
次に、図６（ｂ）に示す工程で、第２の層間絶縁膜１５ｂ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、異方性のドライエッチングを行うことにより、第２の層間絶縁膜１５ｂ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。
【００６２】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、高密度プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法により、孔部２６の側面と、孔部２６の底に露出したエッチングストッパー膜１７の上面、および第２の層間絶縁膜１５ｂの上面を覆うように、酸化窒化シリコン膜からなる第１の透明膜１９を形成する。この時、第１の透明膜１９のうち、孔部２６の内側面に形成された部分の膜厚は、エッチングストッパー膜１７の上および第２の層間絶縁膜１５ｂの上に形成された部分の膜厚よりも薄くする。従って、エッチングストッパー膜１７の膜厚を、入射光波長の１／４（の倍数）である、例えば１３０ｎｍ程度としても、孔部２６の内側面に形成される部分の膜厚は、その１／２以下の５０ｎｍ程度とするので、孔部２６の直径が５００ｎｍ程度のサイズであっても、その後の工程で形成される第２の透明膜２０の直径は、４００ｎｍ程度は確保されることになるため、第２の透明膜を空隙なく良好に埋め込むとともに、入射光が透過する高屈折率の第２の透明膜の断面積をできるだけ大きくとることができる。なお、この酸化窒化シリコン膜は、原料にシランを用いているため、生成した膜には水素がリッチに含まれている。
【００６３】
次に、図６（ｄ）に示す工程で、酸化窒化シリコン膜の上に、孔部２６を完全に埋めるように、窒化シリコン膜を、孔部２６への埋め込み性が良好な高密度プラズマＣＶＤ法により形成する。窒化シリコン膜のうち孔部２６に埋め込まれた部分は第２の透明膜２０となり、第１の透明膜１９のうち孔部２６内に設けられた部分と第２の透明膜２０とは光導波路を構成する。この時、孔部２６があるため、窒化シリコン膜の上面には凹凸が発生している。そこで、窒化シリコン膜の上全体に、上面が平坦になるようにレジスト（図示せず）を塗布し、窒化シリコン膜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、窒化シリコン膜の上面を平坦化する。なお、この窒化シリコン膜は、シランを原料として用いているため、形成直後には水素がリッチに含まれている。続いて、水素雰囲気中で熱処理を行う。これにより、第１の透明膜１９である酸化窒化シリコン膜と、第２の透明膜２０の母材となる窒化シリコン膜とから、光電変換素子１２が形成されたシリコン基板へと、水素を供給することができる。光電変換素子１２は、図６（ｂ）に示す工程で、ドライエッチング時にダメージを受ける。このダメージは、出力画像において、白点や白線などの画像欠陥を引き起こす。これを白キズというが、これは光電変換素子の結晶欠陥が一つの要因となっている。本実施例に係る製造方法では、光電変換素子１２に水素を供給することにより、ドライエッチングにより生成した結晶欠陥（ダングリングボンド）が終端され、白キズが減少する。
【００６４】
次に、図６（ｅ）に示す工程で、孔部２６を覆う集光レンズ２１を第１の透明膜１９上に形成する。まず、基板（作製中の固体撮像装置）上面上にレジストを形成後、パターニングおよびリフローを行うことによって、平坦化された窒化シリコン膜のうち光導波路１８の上方に位置する領域上に、所望の集光レンズと同じ形状のレジスト２７を形成する。この時、レジスト２７の直径は、光導波路１８の直径よりも大きくなるように形成する。この後、窒化シリコン膜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い、レジスト２７の形状を窒化シリコン膜に転写することにより、光導波路１８の直径よりも大きな直径を有し、上に凸な形状の集光レンズ２１を形成する。
【００６５】
その後、図６（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膜２２、カラーフィルター２４、オンチップレンズ２５を形成して、一連の製造工程が終了となる。
【００６６】
以上に述べた一連の製造方法によれば、第１の実施例で述べたように、上に凸な形状の集光レンズ２１と、光導波路１８とを備え、光導波路１８を構成する第２の透明膜２０が集光レンズ２１と同一材料で一体的に形成された固体撮像装置を容易に作製することができる。
【００６７】
以上の実施例をまとめると、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置は以下の装置構成の特徴を備えていることになる。
【００６８】
まず、第１の装置構成上の特徴は、外側に第１の透明膜、内側に第２の透明膜を有し、その屈折率が層間絶縁膜よりも高く、且つ第１の透明膜よりも第２の透明膜の方が高い光導波路を、光電変換素子の上方から、第２の透明膜と同じ材料で構成された集光レンズまでの間に設けていることである。この装置構成上の特徴から、斜め入射光に対する感度が向上し、且つ入射角が拡大するという作用効果を得ることができる。また、この装置構成上の特徴により、スミア特性が大幅に向上するというさらなる効果を得ることができる。
また、通常は斜め入射光に対する感度を増加させるため、画素アレイの周辺部上に設けられた集光レンズおよびマイクロレンズの位置をずらす（シュリンクさせる）必要があり、個々の使用用途に応じて、そのシュリンクの量は厳密に制御される。ところが、この第１の装置構成上の特徴により、斜め入射光の感度が大きく向上し、入射角が拡大することによって、シュリンクの量を厳密に制御する必要が少なくなる。このため、個々の使用用途に応じて、細かくシュリンクの量を変える必要がなくなり、品種の増加によるコストの増大を抑えることができる。
【００６９】
さらに、第２の装置構成上の特徴は、光電変換素子の上の膜の構成が、下から順にゲート絶縁膜／窒化シリコン膜（反射防止膜）／酸化窒化シリコン膜／窒化シリコンの構成をとり、反射防止膜の膜厚を入射光波長の１／４として、なおかつその他の膜厚を最適化することである。この装置構成上の特徴から、光電変換素子上の入射光の反射率を低く抑えるという作用効果を得ることができる。また、この装置構成上の特徴により、ドライエッチングによるダメージの発生を抑制し、出力画像に白キズが増加するのを防ぐというさらなる効果を得ることができる。
【００７０】
また、以上をまとめると、本実施例に係る固体撮像装置は以下の装置製造方法の特徴を備えている。
【００７１】
まず、第１の装置製造方法上の特徴は、光導波路を構成する第１の透明膜のうち孔部の内側面に形成される部分の膜厚を、孔部の底面に形成される部分の膜厚よりも薄くなるように形成することである。この装置製造方法上の特徴から、本実施例の固体撮像装置では、第１の透明膜の内側に形成される、屈折率の大きい第２の透明膜の断面積を大きくすることができる。そのため、第２の透明膜内にボイドが発生しにくくなっており、ボイドによる感度の低下を防ぐことができる。
【００７２】
さらに、第２の装置製造方法上の特徴は、光導波路を構成する膜が２種類であり、且つ当該光導波路を構成する第２の透明膜と集光レンズが同じ材料で連続的に形成されていることである。このため、光導波路を構成する膜の種類が３種類以上である場合に比べて成膜時に生じる内部応力を小さく抑えることができるので、光導波路内でクラックや剥離が発生しにくくなっている。また、光導波路を構成する膜の種類が比較的少ないため、第２の従来例に係る固体撮像装置に比べて製造工程数を少なくすることができる。また、上述の特徴により、集光レンズと第２の透明膜との間の光の反射をなくすことができるため、集光レンズから光導波路までの間での光の反射率が低減し、集光効率を向上させることができる。
【００７３】
さらに、本実施例の製造方法では、製造工程中に第１の透明膜および第２の透明膜が含有する水素を効果的に光電変換素子に供給できるので、光電変換素子の結晶欠陥を回復させ、出力画像に生じる白キズの発生を抑えることができる。なお、エッチングストッパー膜１７は水素が光電変換素子に拡散しやすいように一部が除去されていることが好ましい。さらに、本実施例の製造方法上の特徴により、エッチングストッパーによってドライエッチングを止めることにより、ドライエッチングによるフォトダイオードへのダメージの発生を抑制し、出力画像に白キズが増加するのを防ぐという、更なる効果を得ることができる。
【００７４】
なお、以上では、第１の実施例に係る固体撮像装置において、エッチングストッパー膜１７を窒化シリコンで構成する例について説明したが、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムで構成しても、同様の効果が得られる。この場合でも、エッチングストッパー膜１７は成膜後に水素が残留する方法で形成されていることが好ましい。この場合も、光電変換素子１２がシリコン基板から光導波路１８までの膜構成、すなわちシリコン基板／ゲート絶縁膜１３／エッチングストッパー膜１７／第１の透明膜１９／第２の透明膜２０において、屈折率が増減を繰り返していれば、光導波路１８に入射した光の反射を防止することができる。さらに、各膜の膜厚を最適化することにより、光導波路１８に入射した光の反射をさらに抑えることができる。これは、他の実施例についても同様である。
【００７５】
また、上述の説明では、光導波路１８を形成する第１の透明膜１９を酸化窒化シリコンで、第２の透明膜２０および集光レンズを窒化シリコンで形成したが、本発明の固体撮像装置において、光導波路を構成する材料はこの材料に限定されない。第１の透明膜１９の構成材料は、屈折率が第２の層間絶縁膜１５ｂよりも高く、第２の透明膜２０よりも低い材料であり、成膜後に水素を含有する材料であればよく、例えば酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどであっても、第１の実施例と同様の効果が得られる。
【００７６】
また、第２の透明膜２０および集光レンズ２１は、屈折率が第１の透明膜１９よりも高い、２．０以上の材料であり、成膜後に水素を含有する材料で構成されていればよく、例えば酸化チタン、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、酸化ハフニウムなどで構成されていても、第１の実施例と同様の効果が得られる。
【００７７】
なお、集光レンズ２１の他にオンチップレンズ２４が設けられている場合には、集光レンズ２１はいわゆる凸レンズとして機能させなくてもよい場合がある。すなわち、オンチップレンズ２４によって集光レンズ２１に集められた光を集光レンズ２１が平行光にしてもよい。この場合は集光レンズ２１と平坦化膜２２の屈折率を本実施例と逆にする。この場合には、入射光を光導波路１８の側壁に対して平行にすることができるので、反射による入射光の減衰を防ぐことができる。
【００７８】
第１の実施例に係るＣＣＤ（Charged Coupled Device）型の固体撮像装置では、図１に示すように、光導波路の形状が、光電変換素子の直上から集光レンズの下面位置まで、同一の断面積である場合について述べたが、光導波路の形状はこの形状に限定されることはなく、光電変換素子の直上から集光レンズに向かうにつれて、その断面積が連続的、あるいは段階的に大きくなる形状であっても構わない。光導波路の断面積が、集光レンズに近いほど連続的に大きくなる場合について、以下に説明する。
【００７９】
−第２の実施例−
図７は、本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置では、シリコン基板の表面部に光電変換素子１２が設けられ、シリコン基板の上には酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３が設けられている。
【００８０】
ゲート絶縁膜１３の上にはポリシリコンからなる転送電極１４が設けられ、転送電極１４の上面および側面は、第１の層間絶縁膜１５ａを挟んで、タングステンからなる遮光膜１６によって覆われている。第１の層間絶縁膜１５ａは、屈折率が１．４５の酸化シリコンからなり、転送電極１４と遮光膜１６との間に介在することにより、転送電極１４と遮光膜１６とを互いに絶縁している。
【００８１】
一方、光電変換素子１２の上には、ゲート絶縁膜１３を挟んで窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７が設けられ、エッチングストッパー膜１７の上に光導波路１８が形成される。その光導波路１８は、屈折率が１．６の酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜１９のうち凹状に形成された部分と、当該凹状部上に設けられた屈折率２．０の窒化シリコンからなる第２の透明膜２０とから構成される。光導波路１８は、光電変換素子１２（下方）からその上方の集光レンズの方向に行くにつれて、その断面積が大きくなる形状を有している。これが、本実施例の固体撮像装置が第１の実施例の固体撮像装置と異なる点である。
【００８２】
また、光導波路１８の周囲には、第１の透明膜１９に接するように、屈折率１．４５の、ＢＰＳＧからなる第２の層間絶縁膜１５ｂが構成されている。言い換えれば、第１の透明膜１９は、第２の層間絶縁膜１５ｂの上面および孔部の内面に沿って形成されている。
【００８３】
光導波路１８の上には、光導波路１８を構成する第２の透明膜２０と同じ材料である、屈折率２．０の窒化シリコンからなる集光レンズ２１が第２の透明膜２０と一体化して設けられている。この集光レンズ２１は、上に凸な形状を有している。集光レンズ２１と、第２の層間絶縁膜１５ｂと、第１の透明膜１９の上方には、屈折率１．５０の透明高分子樹脂からなる平坦化膜２２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２３とが順次積層され、カラーフィルター２３の上には屈折率１．６０の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ２４が設けられている。
【００８４】
以上の構成を有する第２の実施例と、先に説明した第１の実施例の固体撮像装置に対し、第１の実施例と同様に、入射光として白色の平行光を照射し、フォトダイオードからの出力電圧を計測して感度の評価を行った。入射光は、素子の主面に対して垂直に照射した場合の入射角を０°とし、０°から斜め３０°まで連続的に入射角を大きくしていった時の感度を計測し、固体撮像装置の斜め入射角依存性について評価を行った。
【００８５】
その結果、入射角が０°の時の出力電圧を１００％とした時に、出力電圧が８０％となる入射角を計測した結果、第１の実施例の固体撮像装置では２６°であったのに対し、第２の実施例の固体撮像装置では２７°であり、第２の実施例の固体撮像装置が第１の実施例の固体撮像装置と同様の良好な光学特性を有していることが分かった。
【００８６】
さらに、本願発明者らは、第１の実施例および第２の実施例に係る固体撮像装置において、感度の絶対値を評価した。その結果を図９（ａ）に示す。同図に示した値は、第１の実施例の固体撮像装置における、入射角度が０°のときの出力電圧を１００として、検出された出力電圧をそれぞれ換算した値を示したものである。
【００８７】
この結果より、光の入射角が０°および１５°の時の感度は、第１の実施例と第２の実施例の固体撮像装置でほぼ同等であることが分かった。これに加え、第２の実施例に係る光導波路１８によれば、固体撮像装置におけるセルサイズが縮小し、光電変換素子の直上に光導波路１８を設けるための開口部の断面積が小さくなった場合でも光の入射特性を落とすことなく第２の透明膜の埋め込み性を向上させることができる。また、第２の層間絶縁膜１５ｂが厚くなる場合やセルサイズが縮小する場合には開口部のアスペクト比が大きくなり、どうしても開口部の底部で断面積が小さくなってしまうことがある。この場合でも、集光レンズ２１と一体化された第２の透明膜２０を有する光導波路１８を第２の層間絶縁膜１５ｂの開口部に設けることにより、優れた光の入射特性および感度を発揮することができる。
【００８８】
なお、本実施形態ではＣＣＤ型の固体撮像装置のみを説明したが、ＣＭＯＳ等を用いたＭＯＳ型固体撮像装置にも本発明の光導波路を適用可能である。
【００８９】
（第２の実施形態）
以下に、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およびその製造方法について説明する。
【００９０】
−第３の実施例−
図１０は、本発明の第２の実施形態の一例である、第３の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。本実施例の固体撮像装置はＣＣＤ型の固体撮像装置である。
【００９１】
図１０に示す固体撮像装置では、シリコン基板の表面部に光電変換素子１２が設けられ、シリコン基板の上には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３が設けられている。
【００９２】
ゲート絶縁膜１３の上には、ポリシリコンからなる転送電極１４が設けられ、転送電極１４の上面および側面は、第１の層間絶縁膜１５ａを挟んで、タングステンからなる遮光膜１６によって覆われている。第１の層間絶縁膜１５ａは、屈折率が１．４５の酸化シリコンからなり、転送電極１４と遮光膜１６との間に介在することにより、転送電極１４と遮光膜１６とを互いに絶縁している。
【００９３】
一方、光電変換素子１２の上には、ゲート絶縁膜１３を挟んで窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７が設けられ、エッチングストッパー膜１７の上に光導波路１８が形成される。その光導波路１８は、屈折率が１．６の酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜１９のうち凹状に形成された部分と、当該凹状部上に設けられた屈折率２．０の窒化シリコンからなる第２の透明膜２０とから構成される。光導波路１８の周囲には、第１の透明膜１９に接するように、屈折率１．４５の、ＢＰＳＧからなる第２の層間絶縁膜１５ｂが構成されている。
【００９４】
光導波路１８の上には、光導波路１８を構成する第２の透明膜２０と同じ材料である、屈折率２．０の窒化シリコンからなる集光レンズ２１が第２の透明膜２０と一体化して設けられている。この集光レンズ２１は、上下面共に凸形状を持っていることを特徴とする。集光レンズ２１の上および第２の層間絶縁膜１５ｂの上方には、屈折率１．５０の透明高分子樹脂からなる平坦化膜２２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２３とが順次積層され、カラーフィルター２３の上には屈折率１．６０の透明高分子樹脂製のオンチップレンズ２４が設けられている。
【００９５】
本実施例に係る固体撮像装置の詳細を説明するために、一部構成を変更した第４の比較例に係る固体撮像装置を作製し、本実施例の固体撮像装置と性能比較を行った。
【００９６】
図１１は、第４の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置は、光導波路が設けられていないことを除いて第３の実施例の固体撮像装置と同一の構成を有している。
【００９７】
本願発明者らは、第３の実施例および第４の比較例の固体撮像装置において、入射光として白色の平行光を照射した時に、フォトダイオードからの出力電圧を計測して、感度の評価を行った。ここで、素子の主面に対して垂直に照射した時の光の入射角を０°とし、入射角を徐々に大きくしていき、０°から斜め３０°までの入射光を照射した時の感度を計測し、斜め入射角依存性について評価を行った。
【００９８】
図１２（ａ）は、第３の実施例と第４の比較例の固体撮像装置で斜め入射光の相対感度をそれぞれ測定した結果を示す図である。この結果から、入射角０°の時の出力を１００％とした時に、出力が８０％となる入射角は、光導波路を持たない第４の比較例の固体撮像装置では１８°であるのに対して、光導波路を有する第３の実施例の固体撮像装置では２９°であり、本実施例の固体撮像装置ではより広い角度の斜め入射光をフォトダイオードに集光できることが分かった。このように、光導波路を設けることで斜め方向から入射する光を効果的に光電変換素子に集められることが確認できた。
【００９９】
続いて、実際のカメラモジュールでの使用状況に近い条件で、ランダムな方向から入射してくる白色光のＦ値を変えて照射した時の、固体撮像装置のスミア成分を計測した。その結果、図１２（ｂ）に示すように、例えば入射光のＦ値＝４．０の場合では、光導波路を持たない第４の比較例の固体撮像装置が−８５．２ｄＢであるのに対して、光導波路を有する第３の実施例の固体撮像装置は−９２．３ｄＢである。また、入射光のＦ値＝２．０の場合では、第４の比較例の固体撮像装置が−８１．３ｄＢであるのに対して、第３の実施例の固体撮像装置は−９０．２ｄＢであり、評価したＦ値の全域にわたって、第３の実施例の固体撮像装置の方が良好なスミア特性を示すことが分かった。すなわち、本実施例の固体撮像装置において、光導波路を設けることでスミア特性が改善されるという効果が認められた。
【０１００】
次に、第３の実施例に係る固体撮像装置において、光電変換素子１２の上の膜構成は、下から順にゲート絶縁膜１３、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７、屈折率が１．６の酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜１９、屈折率２．０の窒化シリコンからなる第２の透明膜２０となっている。それぞれの膜厚は、光電変換素子１２上での反射率を最小限にするため、ゲート絶縁膜１３は２０ｎｍ、エッチングストッパー膜１７は１３０ｎｍ、第１の透明膜１９は３０ｎｍとなっており、この時の光の反射率は５％である。
【０１０１】
すなわち、エッチングストッパー膜１７は、入射光波長の１／４である１３０ｎｍ（グリーンの素子の場合）であるため、この膜単独で見た場合の反射率が抑えられる。さらに、光電変換素子１２の上の膜が、ゲート絶縁膜／窒化シリコン膜／酸化窒化シリコン膜／窒化シリコンの構成をとり、それぞれの膜厚を最適化することで、全体として反射防止積層膜２５を形成することができ、反射率を低く抑えることができる。
【０１０２】
次に、本願発明者らは、反射防止積層膜２５の効果を検証するために、図１３に示すように、酸化窒化シリコンからなる第１の透明膜を無くし、窒化シリコンからなるエッチングストッパー膜１７の上に、直接窒化シリコンからなる第２の透明膜２０を形成した第５の比較例に係る固体撮像装置を作製した。
【０１０３】
図１３は、第５の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。同図に示す固体撮像装置における光の反射率を測定した結果、光電変換素子１２の上の膜が、ゲート絶縁膜／窒化シリコン膜／窒化シリコンの構成をとるため、ゲート絶縁膜の膜厚をどのように変えても、反射率が２０％以上となり、反射率の増大により光電変換素子に入射する光の出力が低下し、感度が大幅に低下した。
【０１０４】
以上で説明した、第３の実施例、第４の比較例、および第５の比較例に係る固体撮像装置の感度を評価した結果を図９（ｃ）に示す。同図には、第１の実施例の構成において入射角度が０°のときの感度（集光効率）を示す出力電圧を１００とした場合の、各測定値の換算値を示している。
【０１０５】
この結果より、第４の比較例の固体撮像装置における入射角が０°の時の感度は、第３の実施例の固体撮像装置と比較して約２％低下し、第５の比較例の固体撮像装置の同条件での感度は第３の実施例に比べて約１５％低下した。ところが、入射角度が１５°の時の感度は、光導波路構造の第３の実施例と第５の比較例では、入射角度が０°の場合の出力の約６７％に低下しているのに対して、第４の比較例では約４２％に低下しており、光導波路の無い構成では入射角が大きくなると、感度がより低くなることが明らかになった。以上の結果から、光導波路の効果と、反射防止積層膜の効果が明らかになった。
【０１０６】
次に、図１４を参照しながら、本発明の第２の実施形態（第３の実施例）に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
【０１０７】
図１４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。ここでは、シリコン基板の表層部に、光電変換素子１２、電荷転送部、読み出しゲートおよびチャネルストップ（図示せず）を形成した後の工程から説明する。
本実施例の固体撮像装置の製造方法では、まず、図１４（ａ）に示す工程で、シリコン基板の上に、熱酸化処理により膜厚２０ｎｍの酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１３を形成する。このゲート絶縁膜１３のうち、光電変換素子１２の上に形成された部分上にＣＶＤ法またはスパッタリング法によって膜厚４０ｎｍの窒化シリコン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、ゲート絶縁膜１３の上に、ポリシリコンからなる転送電極１４と、転送電極１４の上方を覆う第１の層間絶縁膜１５ａと、タングステンからなる遮光膜１６を順次形成する。この後、エッチングストッパー膜１７および遮光膜１６の上に、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で構成された第２の層間絶縁膜１５ｂを形成する。
【０１０８】
この時、転送電極１４等が存在するため、第２の層間絶縁膜１５ｂは転送電極１４上で高く、光電変換素子１２上で低くなり、ちょうど光電変換素子１２上が凹んだ形状となるため、この形状を下に凸なレンズの形状として利用することができる。もしくは、フローにより平坦化した後、レジストをパターニングし、ウエットエッチプロセスにより、第２の層間絶縁膜１５ｂの光電変換素子１２の上方に位置する部分を等方的にエッチングすることにより、図１４（ａ）に示したような形状を形成することもできる。
【０１０９】
次に、図１４（ｂ）に示す工程で、第２の層間絶縁膜１５ｂ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、異方性のドライエッチングを行うことにより、第２の層間絶縁膜１５ｂ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。
【０１１０】
次に、図１４（ｃ）に示す工程で、ＣＶＤ法により、孔部２６の内側面を含む第２の層間絶縁膜１５ｂおよび孔部２６の底に露出したエッチングストッパー膜１７上に酸化窒化シリコン膜からなる第１の透明膜１９を形成する。この時、孔部２６の内側面に形成される第１の透明膜１９の膜厚は、エッチングストッパー膜１７上および孔部２６以外の領域の第２の層間絶縁膜１５ｂ上に形成される第１の透明膜１９の膜厚よりも薄くなるように形成する。従って、エッチングストッパー膜１７の膜厚を、入射光波長の１／４（の倍数）である、例えば１３０ｎｍ程度としても、孔部２６の内側面に形成される膜厚は、その１／２以下の５０ｎｍ程度とするので、孔部２６の直径が５００ｎｍ程度であっても、その後の工程で形成される第２の透明膜２０の直径は、４００ｎｍ程度は確保されることになる。このため、第２の透明膜２０を空隙無く良好に埋め込むとともに、入射光が透過する高屈折率の第２の透明膜２０の断面積をできるだけ大きくとることができる。なお、この酸化窒化シリコン膜は、原料にシランを用いているため、生成した膜には水素がリッチに含まれている。
【０１１１】
次に、図１４（ｄ）に示す工程で、第１の透明膜１９の上に、孔部２６を完全に埋める様に、窒化シリコン膜からなる第２の透明膜２０を、孔部への埋め込み性が良好な高密度プラズマＣＶＤ法により形成する。このとき、孔部２６があるため、窒化シリコン膜の上面には凹凸が発生する。そこで、窒化シリコン膜上全体に、上面が平坦になるようにレジスト（図示せず）を塗布し、窒化シリコン膜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、ＣＭＰ法を行うことにより、窒化シリコン膜の上面を平坦化する。なお、この窒化シリコン膜は、原料にシランを用いているため、生成した膜には水素がリッチに含まれている。
【０１１２】
なお、本実施例の固体撮像装置では、孔部２６の上部が、下に凸なるレンズ形状を持つことから、大きく開口した形状となっている。このため、第１の実施例の固体撮像装置よりも原料ガスの流入が容易になるため、より埋め込み性が向上する。従って、固体撮像装置のセルサイズが更に小さくなり、孔部の直径が小さくなった場合でも、孔部に空隙を生じさせることなく第２の透明膜を埋め込むことが可能となる。
【０１１３】
次に、窒化シリコン膜の上面を平坦化した後、水素雰囲気中で熱処理を行う。これにより、第１の透明膜１９である酸化窒化シリコン膜と、第２の透明膜２０である窒化シリコン膜から、光電変換素子１２のあるシリコン基板に、水素を供給することができる。光電変換素子１２は、図１４（ｂ）に示す工程で、ドライエッチング時にダメージを受け、それが白点や白線など、出力画像の画像欠陥となって表れる。これを白キズというが、これは光電変換素子１２の結晶欠陥が一つの要因となっている。光電変換素子１２に水素を供給することにより、ドライエッチングにより発生した結晶欠陥(ダングリングボンド)が終端され、白キズが減少する。
【０１１４】
次に、図１４（ｅ）に示す工程で、集光レンズ２１を形成する。本工程ではまず、平坦化された窒化シリコン膜のうち光導波路の上方に位置する部分上に、パターニングおよびリフローにより、所望の集光レンズの上側と同じ形状のレジスト２７を形成する。この時、レンズの直径は、光導波路の直径よりも大きくなるように形成する。
【０１１５】
この後、窒化シリコン膜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い、レジスト２７の形状を窒化シリコン膜に転写することにより、上下面が共に凸な形状の集光レンズ２１を形成する。
【０１１６】
その後、図１４（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膜２２、カラーフィルター２３、オンチップレンズ２４を順次形成して、一連の製造工程が終了する。
【０１１７】
以上に述べた一連の製造方法によれば、上下両面が凸形状の集光レンズ２１から光導波路を形成する第２の透明膜２０までが連続した同一の材料で構成された固体撮像装置を、容易に作製することができる。
【０１１８】
なお、上述の説明では、エッチングストッパー膜１７は、入射光波長の１／４（の倍数）に設定した。例えば、グリーンの素子の場合は１３０ｎｍ、ブルーの素子の場合は１１０ｎｍ、レッドの素子の場合は１６０ｎｍなどである。このように、入射光の波長ごとに、エッチングストッパー膜の厚さを変えることにより、それぞれの波長での光の反射率を低くすることができる。具体的には、厚さ１６０ｎｍのエッチングストッパー膜を形成後、グリーンとブルーの画素上に設けられた部分をパターニングおよびエッチングすることにより、エッチングストッパー膜がそれぞれ所望の膜厚になるように形成する。また、エッチングストッパー膜の最も薄い膜厚が１１０ｎｍと比較的厚くなることにより、光導波路の孔部を形成するためのドライエッチングを行う時に光電変換素子が受けるダメージを少なくすることができる。
【０１１９】
比較のため、エッチングストッパーの膜厚を、上記に示した値のそれぞれ１／２の厚さで形成した場合の白キズの評価を行った結果、白キズの発生個数が１０倍以上に増大した。このことから、エッチングストッパー膜の膜厚を入射光波長の１／４（の倍数）に設定することにより、入射光の反射率を低く抑える効果と共に、白キズ発生の個数を少なくする効果をも併せ持つことができる。
【０１２０】
以上をまとめると、本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置は以下の特徴を備えている。
【０１２１】
まず、第１の装置構成上の特徴は、外側に第１の透明膜１９、内側に第２の透明膜２０を有し、その屈折率が第２の層間絶縁膜１５ｂよりも高く、かつ第１の透明膜１９よりも第２の透明膜２０の方が高い光導波路を、光電変換素子１２と集光レンズ２１との間に設けており、集光レンズ２１が第２の透明膜２０と同じ材料で構成されていることである。この構成によって、斜め入射光に対する感度が向上し、かつ光の入射角が拡大するという作用効果を得る。また、この装置構成上の特徴により、スミア特性も大幅に向上している。
【０１２２】
また、通常は斜め入射光の感度を増加させるため、画素周辺部の集光レンズおよびマイクロレンズはシュリンクさせる必要があり、個々の使用用途に応じて、そのシュリンクの量は厳密に制御される。ところが、この第１の装置構成上の特徴により、斜め入射光の感度が大きく向上し、入射角が拡大することによって、シュリンクの量を厳密に制御する必要が少なくなる。このため、個々の使用用途に応じて、細かくシュリンクの量を変える必要がなくなり、固体撮像装置の種類の増加によるコストの増大を抑えることができる。
【０１２３】
さらに、第２の装置構成上の特徴は、光電変換素子１２上の膜の構成が、ゲート絶縁膜／窒化シリコン膜（反射防止膜）／酸化窒化シリコン膜／窒化シリコンの構成をとり、反射防止膜の膜厚を入射光波長の１／４として、なおかつその他の膜厚を最適化することである。この装置構成上の特徴から、光電変換素子１２への入射光の反射率を低く抑えることができる。また、この装置構成上の特徴により、ドライエッチングによるダメージが引き起こす白キズの発生を低減することができる。
【０１２４】
さらに、本実施例の固体撮像装置の第３の装置構成上の特徴は、集光レンズ２１の上下面が凸形状をとることである。この構成により、第１の実施形態で説明した、上に凸な形状の集光レンズを用いる場合よりも、より広い角度の光を集光することができるため、集光効率が向上すると共に、スミア特性も向上する。
【０１２５】
また、本実施例の固体撮像装置においては、第１の実施例の固体撮像装置と同様に、光導波路を形成する第１の透明膜１９のうち孔部２６の内側面に形成される部分膜厚が、孔部２６の底面に形成される部分の膜厚よりも薄くなるように形成されている。このため、第１の透明膜１９の内側に形成される、屈折率の大きい第２の透明膜２０の断面積を大きく取ることができる。また、製造時に第１の透明膜１９および第２の透明膜２０が含有する水素を効果的に光電変換素子１２に供給できることで、光電変換素子１２の結晶欠陥が原因で生じる白キズを低減することができる。
【０１２６】
さらに、光導波路を構成する膜が２種類であり、かつその光導波路を構成する第２の透明膜２０と集光レンズ２１とが同じ材料で一体的に構成されていることにより、製造工程数を減少させることができる。また、集光レンズ２１と第２の透明膜２０の間の光の反射が無くなることにより、反射率が低減し、集光率が向上するというさらなる効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明の固体撮像装置は、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られる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】
【０１２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図２】第１の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、第１の実施例に係る固体撮像装置と第１の比較例に係る固体撮像装置について、斜め入射光に対する感度を測定した結果、およびスミアとＦ値との関係を測定した結果をそれぞれ示す図である。
【図４】第２の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図５】第３の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図８】第１の実施例および第３の比較例に係る固体撮像装置において、斜め入射光に対する感度の測定結果を示す図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、第１〜第３の実施例および第１〜第５の比較例に係る固体撮像装置における集光効率を測定した結果を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図１１】第４の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図１２】（ａ）は、第３の実施例と第４の比較例の固体撮像装置で斜め入射光の相対感度をそれぞれ測定した結果を示す図であり、（ｂ）は、導波路がある場合と無い場合におけるスミアとＦ値との関係を示す図である。
【図１３】本発明の第５の比較例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
【図１５】第５の比較例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図１６】第２の従来例に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図１７】第３の従来例に係る固体撮像装置の構造を示す断面図である
【符号の説明】
【０１２９】
１２      光電変換素子
１３      ゲート絶縁膜
１４      転送電極
１５ａ    第１の層間絶縁膜
１５ｂ    第２の層間絶縁膜
１６      遮光膜
１７      エッチングストッパー膜
１８      光導波路
１９      第１の透明膜
２０      第２の透明膜
２１      集光レンズ
２２      平坦化膜
２３      カラーフィルター
２４      オンチップレンズ
２５      反射防止積層膜
２６      孔部
２７      レジスト
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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