(57)【要約】【課題】多層配線を備え、受光部に効率良く光を入射させることができる固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】画素セルが２次元状に配置されてなる画素アレイを備え、画素セルは、半導体基板１１１内に設けられた光電変換素子１１２と、半導体基板１１１の上方に設けられた層間絶縁膜と、層間絶縁膜内に設けられた配線とを各々が有する複数の配線層と、光電変換素子１１２の上または上方に設けられ、複数の配線層を貫通する光導波路２００と、複数の配線層の上方に設けられ、外光を集めるためのトップレンズ１７４とを有している。光導波路２００に取り込まれた光は効率良く光電変換素子１１２へと入射する。【選択図】図１
2008192951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素セルが２次元状に配置されてなる画素アレイを備え、
前記画素セルは、
半導体基板内に設けられた光電変換素子と、
前記半導体基板の上方に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に埋め込まれた配線と、前記層間絶縁膜および前記配線上に配置され、前記配線の材料が拡散するのを防ぐ拡散防止膜とを各々が有する複数の配線層と、
前記光電変換素子の上または上方に設けられ、前記複数の配線層のうち少なくとも一層の配線層を貫通する光導波路と、
前記光導波路の上に設けられた第１のマイクロレンズと、を有し、
前記第１のマイクロレンズの底面の平面寸法は、前記光導波路の平面寸法より大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素アレイ内の周辺側にある前記画素セルに設けられた前記第１のマイクロレンズは、前記画素アレイの中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のマイクロレンズの上方に設けられた第２のマイクロレンズをさらに備え、
第２のマイクロレンズの底面の平面寸法は前記第１のマイクロレンズの底面の平面寸法よりも大きい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のマイクロレンズの上方に設けられた第２のマイクロレンズさらに備え、
前記画素アレイ内の周辺側にある前記画素セルに設けられた前記第１のマイクロレンズおよび前記第２のマイクロレンズは、前記画素アレイの中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれており、
前記第２のマイクロレンズのずれ量は前記第１のマイクロレンズのずれ量よりも大きい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５】
前記第１のマイクロレンズの上にはカラーフィルタを備え、
前記画素アレイ内の周辺側にある前記画素セルに設けられた前記第１のマイクロレンズおよび前記カラーフィルタは、前記画素アレイの中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれており、
前記カラーフィルタのずれ量は前記第１のマイクロレンズのずれ量よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとの間に配置された前記カラーフィルタを備え、
前記画素アレイ内の周辺側にある前記画素セルに設けた前記第１のマイクロレンズ、前記カラーフィルタおよび前記第２のマイクロレンズは、前記画素アレイの中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれており、
前記カラーフィルタのずれ量は前記第１のマイクロレンズのずれ量よりも大きく、さらに、前記第２のマイクロレンズのずれ量は前記カラーフィルタのずれ量よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記画素アレイ内の周辺側にある前記画素セルに設けた前記光導波路は、前記画素アレイの中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれていることを特徴とする請求項２、４〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記平坦化膜の屈折率ｎ１と前記第１のマイクロレンズの屈折率ｎ２の関係は、ｎ１＜ｎ２であり、
前記第１のマイクロレンズは上に凸な形状を有し、入射した光を拡散させて前記光電変換素子に到達させ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】
前記光電変換素子を含む前記半導体基板の上で且つ前記光導波路の下に接して設けられたエッチングストッパー膜をさらに備えてい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】
少なくとも、前記複数の配線層に形成された開口部の内面に設けられた第１の透明膜と、
前記第１の透明膜上に設けられ、前記第１の透明膜よりも屈折率が高く、前記開口部を埋める第２の透明膜とを備えており、
前記光導波路は、前記第１の透明膜のうち前記開口部の内面に形成された部分と、前記第２の透明膜とで構成されてい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】
前記光電変換素子と前記エッチングストッパー膜との間に設けられたゲート絶縁膜をさらに備え、
前記ゲート絶縁膜、前記エッチングストッパー膜、前記光導波路の下部は、前記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９または１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の透明膜は、前記開口部の内面から前記複数の配線層の上または上方に亘って設けられており、前記第１の透明膜のうち前記複数の配線層の上または上方に形成された部分は、ストッパー膜となっていることを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記光導波路は、下方から上方に向かうにつれて上方から見た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１〜１２のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記画素セルの各々は、前記半導体基板上に設けられ、ゲート電極を有するＭＩＳトランジスタをさらに有しており、
前記光導波路の下部での直径または幅は、前記光電変換素子の幅よりも小さく、
前記ゲート電極は、前記光電変換素子の一部と平面的に見てオーバーラップしてい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】
前記光導波路の下部での直径または幅は前記光電変換素子の幅よりも小さく、
前記光導波路の上部での直径または幅は前記光電変換素子の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
半導体基板の撮像用領域に２次元状に配置された光電変換素子を形成する工程（ａ）と、
前記光電変換素子の上方に層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に埋め込まれた配線と、前記層間絶縁膜および前記配線の上に形成され、前記配線の材料が拡散するのを防止する拡散防止膜とを有する配線層を複数層形成する工程（ｂ）と、
前記複数の配線層のうち前記光電変換素子と平面的に見て重なる部分を除去して開口部を形成する工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）で形成した開口部内に透明部材を埋め込むことにより、前記光電変換素子の上方に光導波路を形成する工程（ｄ）と、
前記光導波路の上に第１のマイクロレンズを形成する工程（ｅ）とを備えている固体撮像装置の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（ａ）の後で前記工程（ｂ）の前に、前記光電変換素子を含む前記半導体基板上にエッチングストッパー膜を形成する工程（ｆ）をさらに備え、
前記エッチングストッパー膜は、前記工程（ｃ）で前記開口部を形成する際のエッチングストッパーとして機能することを特徴とする請求項１６に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（ｄ）は、前記複数の配線層の上および前記開口部内に第１の透明膜を形成する工程（ｄ１）と、前記第１の透明膜の上に前記第１の透明膜よりも高い屈折率を有する第２の透明膜を形成して前記開口部を埋め込む工程（ｄ２）と、前記第１の透明膜のうち前記複数の配線層上に形成された部分をストッパー膜として前記第２の透明膜の一部を除去し、前記第１の透明膜のうち前記開口部内に形成された部分と前記第２の透明膜とを有する光導波路を形成する工程（ｄ３）とを含んでいることを特徴とする請求項１６または１７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、前記複数の配線層の上および前記開口部内に前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い第３の透明膜を形成する工程（ｄ４）と、前記第３の透明膜の一部を除去して前記開口部内に前記第３の透明膜で構成される前記光導波路を形成する工程（ｄ５）とを含んでいることを特徴とする請求項１６または１７に記載の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、一素子当たりのサイズ（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】
一方、多画素化や画素寸法の縮小化が進むに従い、従来のＡｌ配線からより低抵抗な銅（Ｃｕ）配線への変更が進められている。特に、ＣＣＤ型に比べて多くの配線が必要となるＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像装置では、Ｃｕ配線は必須の技術になりつつある。
【０００４】
図１２は、従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置の構成を示す断面図である。従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置は、基板１２１１内に形成された受光部１２１２と、基板１２１１上に形成された増幅トランジスタおよび転送トランジスタ（図示せず）とを含む画素セルを有している。さらに、固体撮像装置には、基板１２１１上に形成されたゲート絶縁膜（図示せず）およびエッチングストッパー膜１２１３と、トランジスタを埋め込む層間絶縁膜１２１４と、層間絶縁膜１２１５、１２２２、１２３２にそれぞれ埋め込まれたＣｕ配線１２１６、１２２３、１２３３と、Ｃｕ配線および層間絶縁膜上に配置されたＳｉＮなどからなる拡散防止膜１２２１、１２３１、１２４１とが設けられている。図１２に示すように、Ｃｕ配線は通常複数層分設けられているため、層間絶縁膜、Ｃｕ配線、および拡散防止膜で構成される配線構造が複数回繰り返される。ここで、拡散防止膜は、Ｃｕが層間絶縁膜中に拡散するのを防ぐために設けられている。
【０００５】
また、複数の配線層の上には下から順にＳｉＮ膜１２８１と、カラーフィルター１２６２と、トップレンズ１２６３とが順次形成されている。また、多層の配線層のうち受光部１２１２の上方に位置する部分には開口部が形成されており、絶縁膜１２５３が当該開口部に埋め込まれている。
【０００６】
Ｃｕ配線を用いる場合、Ｃｕが層間絶縁膜に拡散してリーク電流が発生するのを防ぐために、拡散防止膜が必須となる。しかしながら、受光部１２１２の上方に層間絶縁膜と拡散防止膜とが交互に複数層ずつ配置される場合、拡散防止膜と層間絶縁膜との界面で光が反射してしまい、受光部１２１２に届く光量が小さくなる。さらに、積層構造による多重干渉の影響を受けるため、入射光の光量が低下したり、ノイズが発生するおそれも出てくる。これに対し、従来の固体撮像装置では、受光部１２１２の上方に位置する層間絶縁膜および拡散防止膜が除去されているので、反射や干渉による入射光の光量の低減を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００５−３１１０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、固体撮像装置の回路面積はさらに縮小する傾向にあり、受光部の開口面積も縮小してゆくため、外光をさらに効率良くフォトダイオードに入射させるための技術が強く望まれている。特に、ＣＣＤ型に比べてＣＭＯＳ型の固体撮像装置では多くの配線層が存在するため、トップレンズから受光部までの距離が長くなり、受光部に光が入射しにくくなっている。なぜなら、トップレンズから受光部までの距離が長くなると、トップレンズ透過後に受光部に対して入射角度の大きい入射光は、受光部に向かう方向からはずれ、配線などで散乱を受けやすくなり、角度の小さな入射角度の入射光しか受光面に照射できないからである。また、携帯電話などに付属する撮像装置では、近距離からの撮影が主体となるため、固体撮像装置に入射する光の多くは平行光ではなく斜め光である。しかし、従来の固体撮像装置では、斜め方向からトップレンズ１２６３に入射する光を効率良く受光部１２１２に到達させるのは困難であった。
【０００８】
本発明は、多層配線を備え、受光部に効率良く光を入射させることができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体撮像装置は、画素セルが２次元状に配置されてなる画素アレイを備え、前記画素セルは、半導体基板内に設けられた光電変換素子と、前記半導体基板の上方に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜内に埋め込まれた配線と、前記層間絶縁膜および前記配線上に配置され、前記配線の材料が拡散するのを防ぐ拡散防止膜とを各々が有する複数の配線層と、前記光電変換素子の上または上方に設けられ、前記複数の配線層のうち少なくとも一層の配線層を貫通する光導波路と、前記光導波路の上に設けられた第１のマイクロレンズと、を有し、前記第１のマイクロレンズの底面の平面寸法は、前記光導波路の平面寸法より大きい。
【００１０】
この構成により、第１のマイクロレンズ（層内レンズ）を介して光導波路に取り込まれた光を効率良く光電変換素子へと入射させることができる。光導波路に斜め方向から入射する光は光導波路の壁面で理想的には全反射する。そのため、光導波路が設けられない場合に比べて本発明の固体撮像装置では、斜めに入射光に対する感度を向上させることができる。特に、ＣＭＯＳ型など、多層配線を備えた固体撮像装置では、第１のマイクロレンズから光電変換素子までの距離が長くなるため配線層が薄い固体撮像装置に比べて集光効率が低くなるが、本発明の固体撮像装置では光導波路が設けられているため、光導波路に取り込まれた光は、光導波路の面上で光が反射されることにより、受光面に照射される光量が増加する。本来、受光面に対して、入射角度の大きい光は、受光面に入射せずに、配線などで散乱される。しかし、光導波路の面上で光が反射されることで、受光面に入射する光量を増加させることが可能である。また、第１のマイクロレンズの底面の平面寸法が光導波路の平面寸法より大きいことで、光を効率良く光電変換素子に集めることができる。
【００１１】
また、カラーフィルターを設けて出力画像のカラー化を図ることができる。
【００１２】
また、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、酸窒化シリコンなどで構成されたエッチングストッパー膜を光電変換素子上に設けることで、反射防止積層膜を形成させて光電変換素子に入射する光の減衰を抑えるとともに、開口部の形成時に光電変換素子が受けるダメージを抑えることができる。
【００１３】
また、前記画素アレイ内の周辺側にある前記画素セルに設けた前記第１のマイクロレンズ、前記カラーフィルタおよび前記第２のマイクロレンズは、前記画素アレイの中心側に近づく方向、または、離れる方向にずれており、前記カラーフィルタのずれ量は前記第１のマイクロレンズのずれ量よりも大きく、さらに、前記第２のマイクロレンズのずれ量は前記カラーフィルタのずれ量よりも大きいことにより、斜めに入射する光に対する感度をさらに向上させることができる。
【００１４】
本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の撮像用領域に２次元状に配置された光電変換素子を形成する工程（ａ）と、前記光電変換素子の上方に層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に埋め込まれた配線と、前記層間絶縁膜および前記配線の上に形成され、前記配線の材料が拡散するのを防止する拡散防止膜を有する配線層を複数層形成する工程（ｂ）と、前記複数の配線層のうち前記光電変換素子と平面的に見て重なる部分を除去して開口部を形成する工程（ｃ）と、前記工程（ｃ）で形成した開口部内に透明部材を埋め込むことにより、前記光電変換素子の上方に光導波路を形成する工程（ｄ）と、前記光導波路の上方に第１のマイクロレンズを形成する工程（ｅ）とを備えている。
【００１５】
この方法により、配線が多層になる場合でも光電変換素子に効率良く光を入射させることが可能となる。
【００１６】
特に、配線材料として銅などの金属を用いる場合には配線とその上の層間絶縁膜との間に拡散防止膜を設けることが好ましいが、拡散防止膜が多数層設けられると反射や干渉による光の減衰が大きくなるため、光電変換素子の上方では拡散防止膜の除去が必要となる。本発明の製造方法では、この拡散防止膜の除去工程を光導波路の形成工程の一部として利用できるので、比較的少ない工程数で光導波路を形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体撮像装置によれば、光導波路が設けられているので、多層の金属配線が設けられる場合でも効率良く光電変換素子に光を入射させることができる。また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、例えば銅配線を用いた場合に、拡散防止膜の除去工程を利用して光導波路を設けることができるので、光の入射特性が良好な固体撮像装置を比較的少ない工程数で製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
−固体撮像装置の構成−
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。なお、後に説明するように、同図では、説明を容易にするために光導波路、層内レンズ、トップレンズなどが光電変換素子の直上に形成されている例を示しているが、実際には、後述するように、画素アレイの中心以外では、これらの部材は光電変換素子から見て画素アレイの中心に向かってずれるように配置されている。
【００１９】
図１に示す固体撮像装置は、画素セルが２次元状に配置されてなる画素アレイ（図示せず）を備えている。各画素セルは、半導体基板１１１内に設けられたフォトダイオードなどの光電変換素子（受光部）１１２と、半導体基板１１１上に設けられたゲート絶縁膜（図示せず）およびエッチングストッパー膜１１３と、エッチングストッパー膜１１３上に設けられた層間絶縁膜１１４と、複数の配線層と、複数の配線層上に設けられた第４の層間絶縁膜１４２と、複数の配線層、第４の層間絶縁膜１４２および層間絶縁膜１１４のうち、平面的に見て光電変換素子１１２と重なる部分に設けられた開口部に埋め込まれた光導波路２００と、光導波路２００上に設けられ、上に凸な形状を有する層内レンズ１６３と、層内レンズ（第１のマイクロレンズ）１６３の上に設けられ、平坦な上面を有する第１の平坦化膜１７０と、第１の平坦化膜１７０上に設けられたカラーフィルター１７２と、カラーフィルター１７２上に設けられた第２の平坦化膜１７３と、第２の平坦化膜１７３の上に設けられたトップレンズ（第２のマイクロレンズ）１７４とを有している。
【００２０】
また、各画素セルには、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極３００を有する増幅トランジスタ、および転送トランジスタなどの複数のＭＩＳトランジスタが設けられている。本実施形態の固体撮像装置では、これらのゲート電極は光電変換素子１１２と平面的に見て重複しないように設けられており、層間絶縁膜１１４に埋め込まれている。
【００２１】
１つの配線層は層間絶縁膜と、層間絶縁膜に埋め込まれた配線と、層間絶縁膜および配線の上に設けられた拡散防止膜とを有している。図１に示す例では、３層の埋め込み配線が設けられている。すなわち、下から順に、第１の層間絶縁膜１１５、第１の配線１１６および第１の拡散防止膜１２１を有する第１の配線層と、第２の層間絶縁膜１２２、第２の配線１２３および第２の拡散防止膜１３１を有する第２の配線層と、第３の層間絶縁膜１３２、第３の配線１３３および第３の拡散防止膜１４１を有する第３の配線層とが設けられている。光電変換素子１１２への光の入射を妨げないように、配線は平面的に見て光電変換素子１１２と重ならないように配置されている。
【００２２】
また、第３の拡散防止膜１４１の上に設けられた第４の層間絶縁膜１４２の膜厚は例えば１５０ｎｍである。第１の配線１１６、第２の配線１２３、第３の配線１３３の主材料は例えばＣｕである。第１の層間絶縁膜１１５、第２の層間絶縁膜１２２および第３の層間絶縁膜１３２は共に屈折率が１．４５のＢＰＳＧ（BoroPhosphorous Silicate Glass)などの酸化シリコンや、ＳｉＯＣなどの絶縁体材料で構成されている。第１の拡散防止膜１２１、第２の拡散防止膜１３１、第３の拡散防止膜１４１は例えばＳｉＮやＳｉＣなどＣｕの拡散を抑えることのできる絶縁体材料からなり、その膜厚は例えばそれぞれ５０ｎｍである。
【００２３】
また、第４の層間絶縁膜１４２の上および光電変換素子１１２の上方に形成された開口部の内面上には膜厚が約３０ｎｍ程度の第１の透明膜１７６が設けられ、第１の透明膜１７６の上には開口部を埋め、第１の透明膜１７６よりも屈折率が高い第２の透明膜１７８が設けられている。
【００２４】
第１の透明膜１７６のうち、開口部内に形成された部分と第２の透明膜１７８とで光導波路２００が構成されている。光導波路２００は円柱状、直方体状、あるか、あるいはこれ以外の形状であってもよい。通常、固体撮像装置で用いられる配線（第１の配線１１６、第２の配線１２３、第３の配線１３３）で囲まれる、受光部上部の開口形状は長方形、もしくは長方形に近い形状の開口を形成する。そこで、光導波路２００の形状は、直方体、もしくは直方体に近い形状となるのが一般的である。
【００２５】
第１の透明膜１７６のうち第４の層間絶縁膜１４２上に形成された部分は、後に説明するように、層内レンズ１６３を形成する際のエッチングストッパーとして働く。光導波路２００の直径は、光電変換素子１１２の幅（約１μｍ）とほぼ等しく、その高さは配線層数により変わるが、例えば２μｍ程度である。また、光導波路２００の形状が直方体であれば、開口の一辺の長さが光電変換素子１１２の幅（約１μｍ）とほぼ等しい。なお、第１の透明膜１７６は、例えば屈折率が１．６の酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などからなる透明な絶縁膜であり、第２の透明膜１７８は例えば屈折率が２．０の窒化シリコン（ＳｉＮ）などからなる。
【００２６】
エッチングストッパー膜１１３は、膜厚が１３０ｎｍ程度であり、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）など、層間絶縁膜１１４との間で除去選択性を有する絶縁材料で構成されている。層間絶縁膜１１４およびゲート絶縁膜は、例えば酸化シリコンなどで構成されている。ゲート絶縁膜の膜厚は、例えば５〜２０ｎｍ程度である。なお、エッチングストッパー膜１１３の膜厚は赤、緑、青の画素セルごとに変えてもよい。また、エッチングストッパー膜１１３は、応力の影響を抑えるためにトランジスタのゲート電極上には設けられないことが好ましい。また、応力低減のため、砒素などのイオンの注入をエッチングストッパー膜１１３表面にすることもある。
【００２７】
光導波路２００上に設けられた層内レンズ１６３は凸レンズであり、その直径が光導波路２００の直径よりも大きくなっている。層内レンズ１６３は例えばアクリル系樹脂などの透明高分子樹脂で構成されており、その屈折率は透明高分子樹脂からなる第２の透明膜１７８の屈折率と同等もしくはほぼ同じになっている。この場合、第２の透明膜１７８と層内レンズ１６３の屈折率の比は０．９５〜１．０５であることが好ましい。なぜなら、第二の透明膜と層内レンズの界面での反射を抑制できるためである。第二の透明膜と層内レンズの屈折率は１．７〜２．０程度が好ましい。
また、平坦化膜の屈折率と層内レンズの屈折率の比は０．７５程度であることが好ましい。この程度の屈折率差が確保されていれば、光をフォトダイオードに十分に集光することができる。また、層内レンズ１６３の屈折率は例えば１．７〜２．００で第１の平坦化膜１７０の屈折率は例えば１．５０である。この程度の屈折率であれば、層内レンズの高さとして、０．３μｍ〜１．０μｍの範囲のものを形成することにより、光のフォトダイオードへの集光率を最大にすることが可能になる。現状の半導体プロセス工程では、０．３μｍ〜１．０μｍの範囲でのレンズが最も形成に適しており、高歩留まりを実現できる。      
【００２８】
その理由は、後述する図３（ｄ）（ｅ）の層内レンズを形成する工程でレジストエッチバック法を用いた場合に、レジスト膜厚は０．３〜１μｍ程度であれば、レジストパターンの形成を、最も層内レンズを均一性よく形成することが出来るためである。
【００２９】
また、第１の平坦化膜１７０上のカラーフィルタ１７２は、屈折率が例えば１．５５程度の透明高分子樹脂からなり、赤、緑または青色に着色されている。第２の平坦化膜１７３は透明高分子からなり、その屈折率は１．５〜１．６程度である。トップレンズ１７４は上面が凸形状となっている凸レンズであって、その直径は画素サイズとほぼ同等か若干小さく、例えば屈折率が１．６程度の透明高分子樹脂で構成されている。例えば、正方形の画素の一辺の長さが２μｍのセルであれば、トップレンズ１７４の直径も１．７〜２μｍ程度である。すなわち、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、トップレンズ１７４の底面の平面寸法は層内レンズ１６３の底面の平面寸法よりも大きい。
【００３０】
また、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、外部から入射した光はトップレンズ１７４によって層内レンズ１６３に集められた後、層内レンズ１６３によって光導波路２００内にさらに集められる。図１（ａ）に示す、トップレンズ１７４に入射する光の角度（トップレンズの鉛直線と入射光とが成す角度）が小さい場合、図１（ｂ）に示すトップレンズ１７４に入射する光の角度が大きい場合のいずれにおいても光電変換素子１１２に光を入射させることができる。
【００３１】
したがって、本実施形態の固体撮像装置において、理想的には光導波路２００内で光が全反射するため、特に斜め方向から光導波路２００に入る光を効率良く光電変換素子１１２に入射させることができる。
【００３２】
なお、図１２に示す従来の固体撮像装置では、トップレンズ１２６３は外光を光電変換素子１２１２に集めていたが、本実施形態の固体撮像装置においても、トップレンズ１７４の焦点を受光面上に合わせる方が好ましい。理由は、光導波路２００の壁面で反射される光は、必ずしも全反射されるとは限らないので、反射のたびに光量が減衰する可能性があるためである。本実施形態の固体撮像装置では、図１に示すように、入射角度が大きく、光導波路２００が無い場合に、配線による散乱を受けて、受光面に入射できない光を、光導波路２００での反射により受光面に取り込むことで感度向上が実現できる。
【００３３】
また、本実施形態の固体撮像装置は、図１３（ｂ）に示すように、第４の層間絶縁膜１４２が設けられていなくてもよい。この理由は、第４の層間絶縁膜１４２がある場合（図１３（ａ））には、層内レンズ１６３の端に入射した光は、第４の層間絶縁膜１４２と第１の透明膜１７６の界面で反射され、光が減衰することになるが、第４の層間絶縁膜１４２が無い場合（図１３（ｂ））には、層内レンズ１６３の端に入射した光が１４２と１７６の界面で反射されることが無く、光の減衰が無くなり、光電変換素子への集光率を向上させることができるためである。なお、第４の層間絶縁膜１４２が無い場合に集光率が向上する効果に関しては、以降で説明する第２の実施形態〜第５の実施形態についても同様である。
【００３４】
したがって、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、光学特性（固体撮像装置の感度特性など）だけを考慮すれば、第４の層間絶縁膜１４２が無い方が好ましい。
【００３５】
ただし、固体撮像装置は、通常、光電変換領域とその周辺の回路部（ＡＤ回路／シフトレジスタなど）から構成され、光電変換領域に比べて周辺の回路部（ＡＤ回路／シフトレジスタなど）では、配線の層数が多くする場合がある。
【００３６】
例えば、光電変換領域では３層配線、周辺回路部では、４層配線とした場合、すなわち、画素アレイ領域内の配線層と周辺回路部の配線層数が異なる場合（周辺回路部の配線層が画素アレイ領域内の配線層よりも多層の場合）、４層目の配線を第４の層間絶縁膜１４２上に形成するため、第４の層間絶縁膜１４２が必要となる。
【００３７】
したがって、この場合には、第４の層間絶縁膜１４２と１７６の屈折率差を小さくすることが好ましく、例えば、第４の層間絶縁膜１４２はシリコン酸窒化膜（屈折率＝１．６〜２）、第１の透明膜１７６はシリコン窒化膜（屈折率＝２．０）を用いることが好ましい。
【００３８】
なお、半導体基板１１１がシリコン基板である場合、光電変換素子１１２から光導波路２００の底面部まで膜構成が、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したものとなっているので、これらの膜全体が反射防止膜として機能する。このため、半導体基板上での入射光の反射率は低くなっており、光電変換素子１１２に入射する光の減衰が抑えられ、集光効率が大きく向上している。
【００３９】
また、光電変換素子１１２の上方の拡散防止膜が除去されているので、反射や干渉による光電変換素子１１２への入射光の光量低減が防がれており、集光効率も向上している。      
【００４０】
さらに、通常、複数の配線層を貫通する光導波路を作製するためには別途工程が必要となるが、本実施形態の固体撮像装置では、拡散防止膜の除去工程を光導波路２００の形成工程に利用することができる。そのため、製造に要する手間や時間を大きく増やすことなく光導波路を作製することができる。
【００４１】
また、本実施形態では層内レンズ１６３を光導波路２００の上に形成したことを特徴としている。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置は以下の効果（第１、第２の効果）を得られる。
【００４２】
すなわち、第１の効果として、層内レンズ１６３の直径を光導波路２００の直径よりも大きくできるので、層内レンズ１６３が光導波路２００内に設けられる場合など、層内レンズ１６３が小さい場合に比べて光電変換素子１１２に効率良く光を入射させることが可能である。言い換えると、層内レンズ１６３の底部面積は光導波路２００の開口面積に依存しないので、層内レンズ１６３の形状を大きくすることができ、すなわち集光効率の向上、レンズ設計の自由度を大きくさせることができる。また、第２の効果として、後述する層内レンズの位置ずらし（シュリンク）のずらし量の自由度を大きくすることができ、これにより集光効率を向上させることができる。
【００４３】
なお、ＣＭＯＳ型固体撮像装置ではＣＣＤ型に比べて画素アレイ領域の配線層数が多く、層内レンズあるいはトップレンズから光電変換素子までの距離が長くなる。そのため、図１２に示すような従来の固体撮像装置では、配線層が薄い固体撮像装置に比べてトップレンズに斜めに入射する光が光電変換素子に入射しにくくなっている。これに対し、本実施形態の固体撮像装置では、トップレンズ１７４に斜め方向に入射した光は層内レンズ１６３を通過して一部が直接光電変換素子１１２に入射し、残りは光導波路２００の側壁で反射された後に光電変換素子１１２に入射する。そのため、本実施形態の固体撮像装置では、斜めから入射する光に対する感度を特に向上させることができる。その結果、本実施形態の固体撮像装置では、斜めから入射する光に対する感度が特に向上している。
【００４４】
従って、本実施形態の固体撮像装置は種々のタイプの撮像装置に用いられる。画素アレイの周辺付近で、光入射角度が大きい携帯電話用の撮像装置などには特に好ましく用いられる。また、斜め光に対する感度が高いため、撮像装置の絞りを絞った状態でも、比較的多くの光を光電変換素子に入射させることができる。
【００４５】
なお、半導体プロセスは下から上へと膜を積層させてゆくため、複数層を貫通してわざわざ光導波路を設けることは、製造コストの観点などから通常意図されないものである。しかしながら、本願発明者らは、埋め込み金属配線を使用したＣＭＯＳ型固体撮像装置では、拡散防止膜の除去が必須になることに着目し、拡散防止膜の除去工程を利用して光導波路用の開口部を形成することに想到した。
【００４６】
なお、以上で説明した光電変換素子１１２上の反射防止膜構造は、半導体基板から上に向かって屈折率が増減を繰り返す構造であればよい。
【００４７】
また、エッチングストッパー膜１１３の膜厚は、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１１３での入射光の反射の量を低減させることができ、光電変換素子へ入射する光の量を増加させ、センサ感度を増大させることができる。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センサ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膜１１３の膜厚は、１１２ｎｍ以上とするのが特に好ましい。
【００４８】
また、人間の目に最も視認感度が高い緑の光では５５０ｎｍ程度であり、エッチングストッパー膜１１３の膜厚は、１３７ｎｍ程度とする場合もある。
【００４９】
また、エッチングストッパー膜１１３の材料としては、窒化シリコン以外にも酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどを用いることもできる。
【００５０】
光導波路２００を構成する第１の透明膜１７６は、酸化窒化シリコンの他に、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムなどで構成されていてもよい。
【００５１】
第２の透明膜１７８は、窒化シリコンの他に、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、酸化ハフニウムなどで構成されていてもよく、第１の透明膜１７６よりも屈折率が高く、且つ光電変換素子１１２が光電変換できる光に対して透明な材料で構成されていればよい。特に、通常のデジタルカメラ用の固体撮像装置の場合、第１の透明膜１７６は可視光に対して透明な材料で構成されていればよい。
【００５２】
層内レンズ１６３は、例えば窒化シリコンの他に、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、酸化ハフニウムなどで構成されていてもよい。
【００５３】
なお、本発明の各実施形態に係る固体撮像装置では、層内レンズ１６３とカラーフィルター１７２が光導波路２００とトップレンズ１７４の間に形成されているが、その形成位置の順序は図１とは逆であってもいい。すなわち、基板表面から上方に向かって、光導波路２００、カラーフィルター１７２、層内レンズ１６３、トップレンズ１７４の順序に設けられていてもよい。
【００５４】
さらには、本発明の各実施形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルターは必ずしも設けられていなくてもよい。
【００５５】
−シュリンク構造の説明−
図２（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを模式的に示す平面図である。
【００５６】
図２（ｂ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置の画素アレイにおいては多数の光電変換素子１１２と、光電変換素子１１２の上方に形成され、光電変換素子１１２に光を取り込ませるための開口部２１０とが共に行列状に等間隔で配置されている。なお、この開口部２１０は、金属膜により形成されており、配線と遮光膜の両方の役割を果たす。
【００５７】
ここで説明する本実施形態の特徴は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、画素アレイの中心２５０から光電変換素子１１２が設けられる画素セルまでの距離に応じた長さだけ、層内レンズ１６３、カラーフィルター１７２、トップレンズ１７４を平面的に見た場合の各中心位置を、その下方に位置する光電変換素子１１２の中心位置から画素アレイの中心２５０に近づく方向にずらせていることにある。ここで、光電変換素子１１２の中心を基準として、行方向（図２（ａ）での左右方向）における層内レンズ１６３の中心までの距離をａ、カラーフィルター１７２の中心までの距離をｂ、トップレンズ１７４の中心までの距離をｃとすると、ａ＜ｂ＜ｃとなっている。なお、以下では、固体撮像装置を構成する部材の光電変換素子１１２に対する位置を、その部材を含む画素セルの位置に応じてずらすことを「シュリンク」と言うものとする。
【００５８】
撮像装置の光学部材（レンズ）を通過した光は画素アレイの中心上方から画素アレイの各領域に照射される。従って、画素アレイの中心２５０からの距離が大きくなるほど、外光が斜めに入射することになる。そのため、層内レンズ１６３、カラーフィルター１７２、トップレンズ１７４の各中心位置を、その下方に位置する光電変換素子１１２の中心位置から画素アレイの中心に向かってずらし、そのシュリンク量をａ＜ｂ＜ｃとすることで、光導波路２００に取り込まれる斜め光の光量を増加させ、結果として光電変換素子１１２の斜め光に対する感度を向上させることができる。
【００５９】
本発明の固体撮像装置に設けられる光導波路は、光導波路に入射した光を、ほぼ減衰させることなく光電変換素子に到達させるものであるので、光導波路に取り込まれる光量を増加させるための技術と組み合わせることで、大きな相乗効果を生むことができる。本実施形態の固体撮像装置では、上述のシュリンク技術を光導波路と併用することで、斜め光に対する感度を著しく向上させることができる。
【００６０】
なお、図２に示す本実施形態に係る固体撮像装置では、層内レンズ１６３とカラーフィルター１７２が光導波路とトップレンズ１７４の間に形成されているが、上述のように、基板表面から上方に向かって、光導波路、カラーフィルター１７２、層内レンズ１６３、トップレンズ１７４の順に形成し、そのシュリンク量をｂ＜ａ＜ｃとしてもよい。
【００６１】
さらには、本実施形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルタがなくてもよく、その場合はそのシュリンク量をａ＜ｃとする。
【００６２】
なお、以下で説明する他の実施形態に係る固体撮像装置についても、層内レンズ、カラーフィルター、トップレンズのシュリンク構造をとることで、斜め方向からの光入射特性を大きく向上させることができる。
【００６３】
また、本発明の固体撮像装置では、第１の配線１１６、第２の配線１２３、第３の配線１３３の光電変換素子１１２から見た位置は、当該光電変換素子１１２（または画素セル）の位置によらず一定としているが、これらの配線位置を画素アレイの中心からの距離に応じて変えてもよい。この場合、光電変換素子１１２の中心と配線の中心との行方向の距離ｅは、層内レンズ１６３のシュリンク量ａよりも小さくすることが好ましい。
【００６４】
なお、以上では、図２（ａ）、（ｂ）を用いて、層内レンズ１６３、カラーフィルタ１７２、トップレンズ１７４を平面的に見た場合の各中心位置を、その下方に位置する光電変換素子１１２の中心位置から画素アレイの中心２５０に近づく方向にずらせている場合を説明した。しかし、カメラなどが要求する光学特性によっては、固体撮像装置において、層内レンズ１６３、カラーフィルタ１７２、トップレンズ１７４を平面的に見た場合の各中心位置を、その下方に位置する光電変換素子１１２の中心位置を基準として画素アレイの中心２５０から離れる方向にずらせる場合もある。
【００６５】
−固体撮像装置の製造方法−
次に、本実施形態の固体撮像装置の製造方法について説明する。図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第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。
【００６６】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコンなどからなる半導体基板１１１にイオン注入を行うことで光電変換素子１１２を形成した後、半導体基板１１１上にゲート絶縁膜（図示せず）、ＭＩＳトランジスタのゲート電極（図示せず）などを所定の形状で形成する。そして、半導体基板１１１（ゲート絶縁膜）の所定の領域上にエッチングストッパー膜１１３を形成してから、層間絶縁膜１１４を基板上の全面に形成する。本工程において、光電変換素子１１２にエッチングによるダメージが入らないように、また、後に反射防止膜を形成できるように光電変換素子１１２上にゲート絶縁膜を残しておくことが好ましい。ゲート絶縁膜（図示せず）の膜厚は例えば５〜２０ｎｍとし、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるエッチングストッパー膜１１３の膜厚は１３０ｎｍ程度とする。また、層間絶縁膜１１４は、例えば屈折率が１．４５のＢＰＳＧなどで構成される。
【００６７】
次に、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１１４上に複数（例えば３層）の配線層を形成する。具体的には、層間絶縁膜１１４上にＣＶＤ法などを用いて酸化シリコン（ＳｉＯ２）などからなる膜厚が約５００ｎｍの第１の層間絶縁膜１１５を形成後、公知のダマシンプロセスまたはデュアルダマシンプロセスを用いて例えばＣｕからなり、第１の層間絶縁膜１１５内に埋め込まれた第１の配線１１６を形成する。続いて、第１の層間絶縁膜１１５および第１の配線１１６の上にＣＶＤ法などにより膜厚が約１５０ｎｍであり、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどからなる第１の拡散防止膜１２１を形成する。これにより、一層目の配線層が形成される。その後、同様の配線層形成工程を繰り返すことで、第２の層間絶縁膜１２２、第２の配線１２３、第２の拡散防止膜１３１、第３の層間絶縁膜１３２、第３の配線１３３、第３の拡散防止膜１４１を順次形成する。
【００６８】
次に、第３の拡散防止膜１４１上にＣＶＤ法などにより、例えば酸化シリコンからなる第４の層間絶縁膜１４２を形成した後、リソグラフィ法によってパターニングされたマスク１９２を用いてエッチングを行い、層間絶縁膜１１４、三層の配線層、第４の層間絶縁膜１４２のうち光電変換素子１１２の直上方に位置する部分を除去し、エッチングストッパー膜１１３に達する開口部を形成する。この際に、エッチングストッパー膜１１３があることで、光電変換素子１１２がドライエッチングによってダメージを受けるのを防いでいる。なお、開口部の直径はフォトダイオードの幅とほぼ同じとし、例えば１μｍ程度とする。開口部の平面形状は略円形であるが、四辺形など円形以外の形状であってもよい。また、開口部の深さは２μｍ程度である。
【００６９】
次いで、図３（ｄ）に示すように、マスク１９２を除去した後、開口部の内面および第４の層間絶縁膜１４２上に第１の透明膜１７６、第２の透明膜１７８を埋め込み性が良好な高密度プラズマＣＶＤ法などにより順次堆積させる。ここで、第１の透明膜１７６はＳｉＯＮからなり、その膜厚は約３０ｎｍとする。第２の透明膜１７８はＳｉＮからなり、その膜厚は開口部を十分に埋め込むだけの膜厚であればよく、例えば約２．５μｍとする。なお、以上の工程の後に水素雰囲気中で熱処理を行ってもよい。第１の透明膜１７６および第２の透明膜１７８はシランを原料として作製されているため、膜の形成直後には水素がリッチに含まれている。そのため、水素雰囲気中で熱処理を行うことで、第１の透明膜１７６と、第２の透明膜１８４とから、光電変換素子１１２が形成された半導体基板１１１へと水素を供給し、図３（ｃ）に示す工程で光電変換素子１１２が受けたダメージの回復を図ることができる。
【００７０】
次に、図３（ｅ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により第１の透明膜１７６が露出するまで第２の透明膜１７８を研磨した後、第２の透明膜１７８および第１の透明膜１７６の上に、例えば屈折率が１．５のアクリル系樹脂からなり、上に凸状の層内レンズ１６３を形成する。層内レンズ１６３の材料と第２の透明膜１８４の材料は同じであることが好ましい。本工程により、第１の透明膜１７６のうち開口部内に形成された部分と第２の透明膜１７８とで構成される光導波路２００が形成できる。
【００７１】
また、層内レンズ１６３を形成するには、まず、第１の透明膜１７６および第２の透明膜１７８の上にレンズの材料膜を形成後、その材料膜上にレジスト膜を形成する。次に、パターニングおよびリフローを行って平坦化された材料膜のうち第２の透明膜１７８の上方に位置する領域上に所望の層内レンズと同じ形状のレジストを形成する。この時、レジストの直径は、光導波路２００の直径よりも大きくなるように形成する。この後、材料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、レジストの形状を材料膜に転写することにより、光導波路２００の直径よりも大きな直径を有し、上に凸な形状の層内レンズ１６３を形成する。層内レンズ１６３の直径は、画素サイズとほぼ同等か若干小さい大きさである。例えば、正方形の画素の一辺の長さが２μｍセルであれば、トップレンズの直径も１．５〜２．０μｍ程度とする。
【００７２】
また、本工程で層内レンズの材料膜をＣＭＰ法に代えて第２の透明膜１７８上全体に、上面が平坦になるようにレジストを塗布し、第２の透明膜１７８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ってもよい（レジスト全面エッチバック法）。本工程において、第１の透明膜１７６のうち開口部外に形成された部分は、エッチングストッパーあるいは研磨用のストッパーとして機能する。
【００７３】
次に、図３（ｆ）に示すように、通常の固体撮像装置の製造工程通りにカラーフィルター１７２、第２の平坦化膜１７３、およびトップレンズ（オンチップレンズ）１７４を第１の平坦化膜１７０上に順次形成する。カラーフィルター１７２は赤、緑、青のいずれかに着色された膜厚が０．７μｍ程度で屈折率が例えば１．５５の透明高分子樹脂で構成される。第２の平坦化膜１７３は膜厚が０．５μｍ程度で屈折率が例えば１．５の透明高分子樹脂で構成される。トップレンズ１７４は、上面が上に凸な形状を有し、屈折率が例えば１．６の透明高分子樹脂で構成される。トップレンズ１７４の直径は層内レンズ１６３の直径よりも大きく、画素サイズとほぼ同等か若干小さい大きさである。例えば、正方形の画素の一辺の長さが２μｍセルであれば、トップレンズの直径も１．７〜２μｍ程度である。カラーフィルター１７２、第２の平坦化膜１７３、およびトップレンズ１７４をそれぞれ構成する透明高分子樹脂は、スピンコート法などにより形成できる。
【００７４】
以上の工程を経て、本実施形態の固体撮像装置が作製される。
【００７５】
−本実施形態の変形例−
図４（ａ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを模式的に示す平面図である。ここでは、これらの図を用いて本実施形態のシュリンク構造についての変形例について説明する。
【００７６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例の固体撮像装置においては、第１の実施形態の固体撮像装置と同様に、層内レンズ１６３、カラーフィルター１７２、トップレンズ１７４がシュリンクされており、それぞれの中心と光電変換素子１１２との距離（シュリンク量）をａ、ｂ、ｃとすると、ａ＜ｂ＜ｃとなっている。
【００７７】
さらに、本変形例の固体撮像装置では、画素アレイの中心からの光電変換素子１１２が設けられる画素セルまでの距離に応じて光導波路２００の中心位置が光電変換素子１１２の中心からずれている。具体的には、画素アレイの中心からの距離が大きくなるほど光導波路２００の中心位置が画素アレイの中心に近づくように光導波路２００が配置され、そのシュリンク量をｄとすると、ｄ＜ａ＜ｂ＜ｃとなっている。
【００７８】
このように、光電変換素子１１２の位置に応じてその上方に設けられる光導波路２００の位置をずらすことにより、光導波路２００内に斜め方向から入射する光をより効率良く取り込ませることができるようになる。その結果、斜め光に対する固体撮像装置の感度を向上させることができる。
【００７９】
以上の構成により、配線の劣化を防ぎつつ、固体撮像装置の感度の向上を図ることができる。
【００８０】
また、本変形例の固体撮像装置では、第１の配線１１６、第２の配線１２３、第３の配線１３３の光電変換素子１１２から見た位置は、当該光電変換素子１１２（または画素セル）の位置によらず一定としているが、これらの配線位置を画素アレイの中心からの距離に応じて変えてもよい。この場合、光電変換素子１１２の中心と配線の中心との行方向の距離ｅは、層内レンズ１６３のシュリンク量ａよりも小さくすることが好ましい。
【００８１】
（第２の実施形態）
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図において、第１の実施形態の固体撮像装置と同じ部材には図１（ａ）、（ｂ）と同じ符号を付し、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００８２】
図５に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、各画素セルは、光電変換素子１１２と、ゲート絶縁膜（図示せず）およびエッチングストッパー膜１１３と、層間絶縁膜１１４と、複数の配線層と、光導波路２００と、光導波路２００上に設けられ、上に凸な形状を有する層内レンズ１８２と、層内レンズ１８２の上に設けられた第１の平坦化膜１７０と、カラーフィルター１７２と、第２の平坦化膜１７３と、トップレンズ１７４とを有している。
【００８３】
本実施形態の固体撮像装置では、層内レンズ１８２が入射した光を拡散させる、いわゆる凹レンズとして機能する点が第１の実施形態の固体撮像装置と異なっている。このため、層内レンズ１８２は例えば屈折率が１．５であるシリコン酸化物（ＳｉＯ２）や樹脂で構成され、第１の平坦化膜１７０は屈折率が１．６〜２．０である樹脂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮで構成されている。この場合、第１の透明膜１７６には、例えばＳｉＯＮ、第２の透明膜１７８にはＳｉＮを用いることが考えられる。層内レンズ１８２を凹レンズとして機能させるためには、層内レンズ１８２の屈折率をｎ１、第１の平坦化膜１７０の屈折率をｎ２とするとき、ｎ１＜ｎ２である必要がある。
【００８４】
本実施形態の固体撮像装置によれば、光導波路２００が設けられているため、第１の実施形態の固体撮像装置と同様に外部からの光を効果的に光電変換素子１１２に入射させることができる。さらに、層内レンズ１８２を通った光と光導波路２００の側面とが成す角を第１の実施形態の固体撮像装置に比べて浅くすることができるので、光導波路２００に入射した光が全反射しやすくなっている。光導波路２００に入射した光が光導波路２００の壁面に対して成す角度が小さいほど、光は全反射しやすい傾向にある。そのため、光電変換素子１１２にはより多量の光を入射させることができるので、本実施形態の固体撮像装置は、第１の実施形態の固体撮像装置と比べてもさらに高感度となっている。従って、本実施形態の固体撮像装置は、さらに微細化された場合でも撮影に必要な光量を光電変換素子１１２に入射させることができる。
【００８５】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置では、層内レンズ１８２とカラーフィルター１７２が光導波路２００とトップレンズ１７４の間に形成されているが、その形成位置の順序は図５とは逆であってもよい。すなわち、基板表面から上方に向かって、光導波路２００、カラーフィルター１７２、層内レンズ１８２、トップレンズ１７４の順序であってもよい。
【００８６】
さらには、本実施形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルターが設けられていなくてもよい。
【００８７】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図において、第１の実施形態の固体撮像装置と同じ部材には図１（ａ）、（ｂ）と同じ符号を付し、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００８８】
図６に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、各画素セルは、光電変換素子１１２と、ゲート絶縁膜（図示せず）およびエッチングストッパー膜１１３と、層間絶縁膜１１４と、複数の配線層と、光導波路２０２と、光導波路２０２上に設けられ、上に凸な形状を有する層内レンズ１８６と、層内レンズ１８６の上に設けられた第１の平坦化膜１７０と、カラーフィルター１７２と、第２の平坦化膜１７３と、トップレンズ１７４とを有している。
【００８９】
光導波路２０２は、例えばＳｉＯＮからなり、膜厚が約３０ｎｍの第１の透明膜１７６のうち複数の配線層を貫通する開口部内に設けられた部分と、例えばＳｉＮからなり、上述の開口部に埋め込まれた第２の透明膜１８４とで構成されている。なお、第１の透明膜１７６は第４の層間絶縁膜１４２上から上述の開口部の内面全体に亘って形成されている。
【００９０】
本実施形態の固体撮像装置の特徴は、光導波路２０２上に形成された層内レンズ１８６が第２の透明膜１８４と同一材料（例えばＳｉＮ）で構成されており、且つ第２の透明膜１８４と一体的に形成されていることにある。本実施形態の固体撮像装置のその他の構成は、第１の実施形態の固体撮像装置と基本的に同じである。
【００９１】
また、本実施形態の固体撮像装置を製造する際には、図５（ａ）〜（ｃ）に示す工程の後、第１の透明膜１７６を形成する。その後、第１の透明膜１７６の上に開口部を完全に埋めるように、ＳｉＮ膜を高密度プラズマＣＶＤ法により形成する。ここでは、図５（ｄ）に示す第１の実施形態の方法に比べて厚めにＳｉＮ膜を形成する。ＳｉＮ膜のうち開口部に埋め込まれた部分は第２の透明膜１８４となる。次に、レジスト全面エッチバック法またはＣＭＰ法を行うことにより、ＳｉＮ膜の上面を平坦化する。続いて、水素雰囲気中で熱処理を行う。
【００９２】
次に、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ＳｉＮ膜のうち光導波路２０２の上方に位置する領域上に、所望の層内レンズと同じ形状のレジストを形成する。この時、レジストの直径は、光導波路２０２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、レジストの形状をＳｉＮ膜に転写することにより、光導波路２０２上に、上に凸な形状の層内レンズ１８６を形成することができる。
【００９３】
本実施形態の固体撮像装置では、層内レンズ１８６と第２の透明膜１７８とが同一材料で構成されているため、層内レンズ１８６と第２の透明膜１８４との間に界面が形成されない。そのため、層内レンズ１６３と第２の透明膜１７８との界面で一部の入射光が反射される第１の実施形態の固体撮像装置に比べて光電変換素子１１２に入射する光の減少を抑えることができる。また、第２の透明膜と層内レンズとが異なる材料で構成される場合に比べて製造工程数を減らすことができるので、製造コストの低減を図ることができる。
【００９４】
なお、本実施形態の固体撮像装置において、層内レンズ１８６は入射光を集光させるレンズであってもよいし、第２の実施形態で説明したように、入射光を拡散させるレンズであってもよい。
【００９５】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置では、層内レンズ１８６とカラーフィルター１７２が光導波路２００とトップレンズ１７４の間に形成されているが、その形成位置の順序は図６とは逆であってもよい。すなわち、基板表面から上方に向かって、光導波路２０２、カラーフィルター１７２、層内レンズ１８６、トップレンズ１７４の順序であってもよい。
【００９６】
さらには、本実施形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルターが設けられていなくてもよい。
【００９７】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図において、第１の実施形態の固体撮像装置と同じ部材には図１（ａ）、（ｂ）と同じ符号を付し、その説明を省略あるいは簡略化する。なお、これ以後の実施形態の図についてもこれと同様とする。
【００９８】
図７に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、各画素セルは、光電変換素子１１２と、ゲート絶縁膜（図示せず）およびエッチングストッパー膜１１３と、層間絶縁膜１１４と、複数の配線層と、高屈折率の透明膜１８０を有する光導波路と、第４の層間絶縁膜１４２と、第４の層間絶縁膜１４２上および光導波路が形成された開口部の内面上に設けられたＳｉＮなどからなるストッパー膜１６１と、透明膜１８０上に設けられ、上に凸な形状を有する層内レンズ１６３と、層内レンズ１６３の上に設けられた第１の平坦化膜１７０と、カラーフィルター１７２と、第２の平坦化膜１７３と、トップレンズ１７４とを有している。
【００９９】
本実施形態の固体撮像装置の特徴は、光電変換素子１１２の上方に形成され、層間絶縁膜１１４、複数の配線層、第４の層間絶縁膜１４２を貫通する開口部に、高屈折率の透明膜１８０で構成された光導波路が埋め込まれていることにある。
【０１００】
透明膜１８０は、少なくとも層間絶縁膜１１４、第１の層間絶縁膜１１５、第１の拡散防止膜１２１、第２の層間絶縁膜１２２、第２の拡散防止膜１２３、第３の層間絶縁膜１３２、第３の拡散防止膜１４１、第４の層間絶縁膜１４２、ストッパー膜１６１、およびエッチングストッパー膜１１３よりも屈折率の大きい材料で構成されていればよく、例えばフッ素系高分子樹脂（屈折率１．６〜１．８程度）などで構成されていることが好ましい。透明膜１８０の屈折率を周囲の部材に比べて大きくすることで、光導波路を二層以上の透明膜で構成しなくても入射した光を光導波路内に閉じこめることが可能となる。なお、光電変換素子１１２から透明膜１８０までの膜構造は、下から順に半導体基板１１１（屈折率４．２）／ゲート絶縁膜（酸化シリコン、屈折率１．４５）／エッチングストッパー膜１１３（ＳｉＮ、屈折率２．０）／透明膜１８０（フッ素系高分子樹脂、屈折率１．６）となり、反射防止膜として機能する。
【０１０１】
このような透明膜１８０を形成するには、まず、図５（ｃ）に示す工程の後、膜厚が２００ｎｍ程度のストッパー膜１６１を形成してからスピンコート法などによりフッ素系高分子樹脂を開口部に埋め込む。その後、ＣＭＰ法により開口部外に形成されたフッ素系高分子樹脂を除去することで、平坦な上面を有する透明膜１８０を形成することができる。
【０１０２】
本実施形態の固体撮像装置によれば、光導波路が無機系の透明材料に比べてフッ素系高分子樹脂の透明性が高いため、光導波路の集光効率が非常に高くなっている。従って、本実施形態の構成によれば、固体撮像装置の感度を向上させることができる。
【０１０３】
なお、図７では透明膜１８０と層内レンズ１６３とが相異なる材料で構成される例を示したが、層内レンズ１６３を透明膜１８０と同じフッ素系高分子樹脂で構成してもよい。
【０１０４】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置では、層内レンズ１６３とカラーフィルター１７２が光導波路２００とトップレンズ１７４の間に形成されているが、その形成位置の順序は図６とは逆であってもよい。すなわち、基板表面から上方に向かって、光導波路２０２、カラーフィルター１７２、層内レンズ１６３、トップレンズ１７４の順序であってもよい。
【０１０５】
さらには、本実施形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルターが設けられていなくてもよい。
【０１０６】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【０１０７】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置の特徴は、ゲート絶縁膜２６２、第１の透明膜２７０などと共に反射防止積層膜を構成するエッチングストッパー膜２６０が、半導体基板１１１のうち光電変換素子１１２上の一部にのみ設けられている点にある。ここで、ゲート絶縁膜２６２は、膜厚が２０ｎｍ程度の酸化シリコンなどで構成され、エッチングストッパー膜２６０は膜厚が１３０ｎｍ程度のＳｉＮで構成されている。また、画素サイズを２μｍ（幅）×２μｍ（奥行き）とする場合、光電変換素子１１２の幅が約１μｍで奥行きが約１μｍであり、エッチングストッパー膜２６０の幅は約０．９μｍ、奥行きは約０．９μｍ程度である。
【０１０８】
また、第１の透明膜２７０の一部と第２の透明膜２７２とで構成される光導波路２８０はエッチングストッパー膜２６０上に設けられ、当該光導波路２８０の幅は約０．８μｍ、奥行きは約０．８μｍと、いずれも光電変換素子１１２およびエッチングストッパー膜１１３の幅および奥行き以下となっている。光導波路２８０を平面的に見た場合の中心は光電変換素子１１２の中心に揃えられていることが好ましいが、それぞれの中心がずれていてもよい。
【０１０９】
また、本実施形態の固体撮像装置では、第１の拡散防止膜１２１、第２の層間絶縁膜１２２、第２の拡散防止膜１２３、第３の層間絶縁膜１３２、第３の拡散防止膜１４１、および第４の層間絶縁膜１４２の側面と第１の透明膜１７６との間に、配線の酸化防止膜として機能する絶縁膜１５３が設けられている。この絶縁膜１５３は、第６の実施形態の固体撮像装置と異なり、上述の拡散防止膜、層間絶縁膜の側面全体を覆っている。このため、開口部を形成するためのエッチングの際に配線が酸化されるのをより確実に防ぐことができる。
【０１１０】
本実施形態の固体撮像装置のように、エッチングストッパー膜２６０が光電変換素子１１２の一部上にある場合でも開口部の形成時に光電変換素子１１２にダメージが入るのを防ぐことができる。また、エッチングストッパー膜２６０の材料となるＳｉＮは半導体基板１１１やゲート絶縁膜２６２と線膨張係数が大きく異なるため、加熱処理後にこれらの膜に応力を与える。そのため、上述の構成を採ることにより、半導体基板１１１の全面上にエッチングストッパー膜２６０が設けられる場合に比べて半導体基板１１１が受ける応力を低減することができる。
【０１１１】
また、固体撮像装置の微細化を図る場合などには、本実施形態のように、光導波路２８０の平面サイズを光電変換素子１１２の平面サイズより小さくしてもよい。
【０１１２】
以上で説明した光導波路２９０は、第１の実施形態の固体撮像装置とほぼ同様の方法で形成することができる。ただし、図５（ｃ）に示す工程において、拡散防止膜を含む複数の配線層を除去して開口部を形成する際に、光電変換素子１１２から画素アレイの中心までの距離に応じた量だけエッチングマスクの開口部の中心をずらしておく。
【０１１３】
（第６の実施形態）
図９は、本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【０１１４】
同図に示すように、本実施形態の固体撮像装置では、第５の実施形態の固体撮像装置と同様に、ゲート絶縁膜２６２、第１の透明膜２８２などと共に反射防止積層膜を構成するエッチングストッパー膜２６０が、半導体基板１１１のうち光電変換素子１１２上の一部にのみ設けられている。これにより、エッチングストッパー膜２６０から半導体基板１１１に印加される応力が緩和されている。
【０１１５】
さらに、本実施形態の固体撮像装置では、光電変換素子１１２上方に形成された開口部の径（平面断面が円形でない場合には開口部のサイズ）が、上部から下部に向かうにつれて小さくなっている。このため、当該開口部内に形成される、第１の透明膜２８２の一部と第２の透明膜２８４とで構成された光導波路２９０も上部から下部に向かうにつれてその径が小さくなっている。光導波路２９０の上端部の直径は光電変換素子１１２の幅とほぼ同じ１μｍ程度であり、光導波路２９０の下端部の直径は例えば０．５μｍ程度である。光導波路２９０の高さは約２μｍであるが、配線がさらに多層化する場合にはさらに高くしてもよい。第１の透明膜２８２と第２の透明膜２８４の構成材料などはこれまでで説明した実施形態と同様である。
【０１１６】
配線が多層化する場合や画素セルサイズが縮小する場合には光導波路２９０を形成するための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ったり、開口部内に透明膜を埋め込むのが困難になったりすることがある。
【０１１７】
本実施形態の固体撮像装置によれば、画素セルのサイズが縮小し、光導波路２９０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第１の透明膜２８２の被覆性および第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、光導波路２９０を平面的に見た場合の中心を光電変換素子１１２の中心と合わせることで、光導波路２９０内に取り込まれる光量を十分に確保しつつ、光を光電変換素子１１２の中心部に集約して入射させることができる。
【０１１８】
なお、本実施形態の固体撮像装置を作製する際には、図５（ｂ）に示す工程の後、異方性ドライエッチングの条件を適宜調節すればよい。また、第１〜第３の実施形態の光導波路を形成する場合でも、開口部のアスペクト比が大きい場合は結果として光導波路が図９に示すような形状となることがある。
【０１１９】
−第１の変形例−
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の第１の変形例を示す断面図である。
【０１２０】
同図に示すように、本変形例に係る固体撮像装置は、図９に示す固体撮像装置に比べてサイズの小さい層内レンズ２９２を備えている。層内レンズ２９２のサイズは、光導波路２９０の上端部と同程度となっている。その他の構成は第９の実施形態と同じである。このように、層内レンズ２９２のサイズを小さくしてもよい。
【０１２１】
−第２の変形例−
図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の第２の変形例を示す平面図、および断面図である。図１１（ａ）では説明を容易にするため、ゲート電極３００、光導波路２９０の下端、エッチングストッパー膜２６０などを示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すＸＩｂ−ＸＩＢ線での断面を示している。
【０１２２】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例の固体撮像装置のように、光電変換素子１１２上の一部のみにエッチングストッパー膜２６０および光導波路２９０の底部が設けられる場合には、増幅トランジスタのゲート電極３００が平面的に見て光電変換素子１１２と一部重複していてもよい。
【０１２３】
このように、ゲート電極３００が光電変換素子１１２と一部重複することで、画素セルのサイズを縮小し、画素アレイのサイズを低減することができる。
【０１２４】
なお、光導波路２９０はその平面サイズが光電変換素子１１２よりも小さければ上部から下部にかけて直径が一定の構造であってもよく、また、単一の透明膜で形成されていてもよい。
【０１２５】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置では、層内レンズ１６３とカラーフィルター１７２が光導波路２９０とトップレンズ１７４の間に形成されているが、その形成位置の順序は図９〜図１１とは逆であってもよい。すなわち、基板表面から上方に向かって、光導波路２９０、カラーフィルター１７２、層内レンズ１６３、トップレンズ１７４の順序で形成されていてもよい。
【０１２６】
さらには、本実施形態に係る固体撮像装置では、カラーフィルタがなくてもよい。
【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撮像装置全般に広く利用できる。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】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第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】（ａ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置におけるシュリンク構造を示す断面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを模式的に示す平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）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４】（ａ）は、第１の実施形態の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図であり、（ｂ）は、第６の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイを模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の第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６】本発明の第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７】本発明の第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８】本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の第１の変形例を示す断面図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第６の実施形態に係る固体撮像装置の第２の変形例を示す平面図、および断面図である。
【図１２】従来のＣＭＯＳ型固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１１１      半導体基板 
１１２      光電変換素子   
１１３、２６０      エッチングストッパー膜 
１１４      層間絶縁膜 
１１５      第１の層間絶縁膜 
１１６      第１の配線 
１２１      第１の拡散防止膜 
１２２      第２の層間絶縁膜 
１２３      第２の拡散防止膜 
１２３      第２の配線 
１３１      第２の拡散防止膜 
１３２      第３の層間絶縁膜 
１３３      第３の配線 
１３５      絶縁膜 
１４１      第３の拡散防止膜  
１４２      第４の層間絶縁膜  
１６１      ストッパー膜  
１６３、１８２、１８６、２９２      層内レンズ 
１７０      第１の平坦化膜  
１７２      カラーフィルター 
１７３      第２の平坦化膜 
１７４      トップレンズ 
１７６、２７０、２８２      第１の透明膜  
１７８、１８４、２７２、２８４      第２の透明膜  
１８０      透明膜  
１９２      マスク 
２００、２０２、２８０、２９０      光導波路  
２１０      開口部 
２５０      画素アレイの中心 
２６２      ゲート絶縁膜       
３００      ゲート電極
【図１】
2008192951.tif 000003
【図２】
2008192951.tif 000004
【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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