(57)【要約】【課題】光電変換部で発生した電荷を読み出すための複数の電極間に光導波路材料を充填すること。【解決手段】撮像素子１は、光電変換部１１と、光電変換部１１で発生した電荷を読み出すための多層の電極層と、光電変換部１１に光を導くための光導波路材料で形成され、かつ、前記少なくとも一層の電極層の上に形成された光導波路４１’、４１’’と、を備える。前記多層の電極層のうち少なくとも一層の電極層は、複数の電極３１ａ’、３１ｂ’を有し、複数の電極３１ａ’、３１ｂ’の間には前記光導波路材料が充填されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を読み出すための多層の電極層と、前記光電変換部に光を導くための光導波路材料で形成され、かつ、前記多層の電極層のうち少なくとも一層の電極層の上に形成された光導波路と、を備える撮像素子であって、
前記少なくとも一層の電極層は、複数の電極を有し、
前記複数の電極の間には前記光導波路材料が充填されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記複数の電極間の間隔のうち最も狭い間隔は、前記複数の電極の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数の電極間の間隔のうち最も狭い間隔は、前記複数の電極の高さの２／３倍よりも大きく、かつ、前記複数の電極の高さの２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルスチルカメラ、カムコーダ等に用いる撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやカムコーダ等に用いる撮像素子としては、近年、ＣＣＤ型撮像素子に加えて、消費電流の小さいＣＭＯＳ型撮像素子が使われるようになってきている。しかしながら、ＣＭＯＳ型撮像素子は多層の電極層を有しているため、入射角の大きい光を効率的に光電変換部に導けないという欠点があった。
【０００３】
特許文献１は、入射角の大きい光の取り込み効率を向上させるために、撮像素子の光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け、集光特性を高めた撮像素子を開示している。この撮像素子は、光電変換部の光入射側に高屈折率の材料の窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成された光導波路を備える。そして、その周囲の層間絶縁膜層を低屈折率材料である酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成することによって、その境界面で入射光を全反射させることにより集光特性を向上させている。
【０００４】
図３は、光導波路を有する従来のＣＭＯＳ型撮像素子の一部の断面図である。図３では、ＣＭＯＳ型撮像素子の２つの画素を例示的に示している。
【０００５】
撮像素子１は、シリコン基板１０の内部に光電変換部１１が形成されている。シリコン基板１０上には、光電変換部１１と一部重なるように、光電変換部１１で発生した電荷を不図示のフローティングディフュージョン部に転送するための第１の電極層に配置された第１の電極１２が配設されている。酸化シリコンで構成された第１の層間絶縁膜２１上には、第２の電極層３０が配設され、第２の層間絶縁膜２２上には第３の電極層３１が配設されている。また、第３の電極層３１を覆うように第３の層間絶縁膜２３が形成されている。第２の電極層３０及び第３の電極層３１は、光電変換部１１で発生した電荷を撮像信号として撮像素子１の外部へ出力するための電極を構成する。第３の電極層３１及び第２の電極層３０が開口している領域には、窒化シリコンで構成された光導波路４１が形成されている。光導波路４１の上には、平坦化層５０、カラーフィルタ層５１、平坦化層５２及びマイクロレンズ５３が樹脂材料により形成されている。
【０００６】
第３の電極層３１には、１画素当たり２つの電極が形成されている。第３の電極層３１において最も狭い電極間の間隔ａを持つ２つの電極を３１ａ、３１ｂとすると、間隔ａは光電変換部１１に入射してくる光を遮光しないように、電極幅ａとほぼ同じとなるように構成されている。電極３１ａと電極３１ｂとの間隔ａは狭いため、その間には光導波路材料（窒化シリコン）を充填することができない。そのため、第３の電極層３１は、酸化シリコンによる層間絶縁膜２３により被覆されている。そして、第３の電極層３１を覆うように第３の層間絶縁膜２３が形成された後に、光導波路４１が形成されている。
【特許文献１】特開２００６−０４０９４８号公報（第５頁、図２）
【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、デジタルスチルカメラやカムコーダ等の高解像度化が進み、ＣＭＯＳ型撮像素子の画素サイズ小さくなってくると、光導波路における開口部の開口に対する光導波路の高さの比が大きくなる。その結果、光電変換部で発生した電荷をフローティングディフュージョン部に転送する（読み出す）ための複数の電極間に光導波路材料を十分に充填することができないという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、光電変換部で発生した電荷を読み出すための複数の電極間に光導波路材料を充填することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光電変換部と、前記光電変換部で発生した電荷を読み出すための多層の電極層と、前記光電変換部に光を導くための光導波路材料で形成され、かつ、前記少なくとも一層の電極層の上に形成された光導波路と、を備える撮像素子に係り、前記多層の電極層のうち少なくとも一層の電極層は、複数の電極を有し、前記複数の電極の間には前記光導波路材料が充填されていることを特徴とする
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光電変換部で発生した電荷を読み出すための複数の電極間に光導波路材料を充填することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態に係るＣＭＯＳ型撮像素子（以下「撮像素子」という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の一部の断面図である。図３と同様の構成要素には、同じ参照符号を付している。
【００１３】
図１は、撮像素子１００の２画素を例示的に示しているが、本発明の画素数はこれに限定されない。また、撮像素子１００の光電変換部１１は、多層の電極層のうち少なくとも一層の電極層に形成された複数の電極が配線されている。以下の説明では、第３の電極層３１に形成された２つの電極のうち１つの電極は第１の電極１２に配線され、もう１つの電極は不図示のフローティングディフュージョン部に配線されたものを例示的に示す。
【００１４】
本実施形態に係る撮像素子１００では、第３の電極層３１’を形成した直後に光導波路４１’が形成される。第３の電極層３１’には、１画素当たり２つの電極が形成されている。第３の電極層３１において最も狭い電極間の間隔ｂを持つ２つの電極を３１ａ’、３１ｂ’とすると、間隔ｂは電極幅ａより広くなるように構成されている。このような構成により、電極３１ａ’と電極３１ｂ’との間隔ｂにも光導波路材料（窒化シリコン）を充填することができる。
【００１５】
光導波路４１’の上には、平坦化層５０、カラーフィルタ層５１、平坦化層５２及びマイクロレンズ５３が樹脂材料により形成されている。
【００１６】
撮像素子１００に入射した光は、マイクロレンズ５３によって光導波路４１’に集光される。光導波路４１’は窒化シリコン等の光導波路材料で構成され、その屈折率は約１.９である。また、光導波路４１’の周囲は屈折率が約１.４６の第１の層間絶縁膜２１及び第２の層間絶縁膜２２で囲まれている。そのため、光導波路４１’の壁面に到達した光は、第１の層間絶縁膜２１及び第２の層間絶縁膜２２との界面で全反射し、光電変換部１１に導かれる。
【００１７】
その結果、本発明の撮像素子１００は、入射角の大きい光であっても効率よく受光することができる。
【００１８】
以下、本発明の撮像素子１００の製造方法を説明する。
【００１９】
まず、シリコン基板１０の光電変換領域にイオン注入して光電変換部１１を形成する。次いで、シリコン基板１０を熱酸化してシリコン基板１０の表面に不図示の酸化シリコンで構成された絶縁膜を形成する。シリコン基板１０の表面に形成された絶縁膜の上に、ポリシリコンを成膜し、電極パターンをパターニングして第１の電極１２を作製するする。
【００２０】
第１の電極１２が形成されると、その上に窒化シリコンを成膜して不図示のエッチングストッパ膜を形成する。エッチングストッパ膜は、光導波路を形成する際に、層間絶縁膜２１及び層間絶縁膜２２のエッチングを止める機能を有している。
【００２１】
エッチングストッパ膜が形成されると、第２の電極層３０を形成するための第１の層間絶縁膜２１を形成して平坦化処理を行う。第１の層間絶縁膜２１は、屈折率が約１.４６の酸化シリコンで形成されている。平坦化処理された第１の層間絶縁膜２１の上には、アルミで構成された第２の電極層３０を形成する。
【００２２】
次いで、第３の電極を形成するための第２の層間絶縁膜２２を形成し、平坦化処理を行う。第２の層間絶縁膜２２も屈折率が約１.４６の酸化シリコンで形成されている。平坦化処理された第２の層間絶縁膜２２上には、アルミで構成された第３の電極３１’を形成する。
【００２３】
本発明の撮像素子１００では、第３の電極層３１’が形成された後に光導波路４１’が形成される。
【００２４】
まず、第１の層間絶縁膜２１及び第２の層間絶縁膜２２に光導波路４１’を形成するための開口部を作成する。光導波路４１’を形成するための開口部は、第２の層間絶縁膜２２及び第１の層間絶縁膜２１をドライエッチングすることにより形成される。このとき、第１の層間絶縁膜２１と光電変換部１１との間には、エッチングストッパ膜が形成されているため、光導波路４１’を形成するための開口部はシリコン基板１０の光電変換部１１まで到達しない。
【００２５】
さらに、光導波路４１’を形成するために、高密度プラズマＣＶＤ法によって窒化シリコンが成膜される。高密度プラズマＣＶＤ法で成膜される窒化シリコンの屈折率は、約１.９である。ここで、光導波路４１’を形成するための開口部の深さは、層間絶縁膜２１及び２２の厚さに相当する。そのため、開口部の開口に対する開口部の深さの比は小さくなっている。その結果、開口部の中に光導波路材料である窒化シリコンを良好に充填することが可能となる。
【００２６】
また、窒化シリコンの成膜によって、第３の電極層３１’も窒化シリコンによって被覆される。ここで、電極層３１’で最も狭い電極間の間隔ｂが電極の幅ａより広くなるように構成されている。そのため、最も狭い電極間の間隔ｂであっても光導波路材料（窒化シリコン）が良好に埋め込まれる。光導波路４１’が形成されると、カラーフィルタ層５１を形成するための平坦化層５０が形成される。さらに、カラーフィルタ層５１が形成されると、マイクロレンズ５３を形成するための平坦化層５２が形成された後に、マイクロレンズ５３が形成される。マイクロレンズ５３は、公知のレジストリフロー法にて形成される。
【００２７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の好適な第２の実施形態に係るＣＭＯＳ型撮像素子の一部の断面図である。図３と同様の構成要素には、同じ参照符号を付している。図２は、撮像素子２００の２画素を例示的に示しているが、本発明の画素数はこれに限定されない。また、本実施形態に係る撮像素子は、第１の実施形態に係る撮像素子と同様の製造方法により製造されうる。
【００２８】
本実施形態に係る撮像素子２００は、第３の電極層３１’’を形成した後に光導波路４１’’が形成される。第３の電極層３１’’には、１画素当たり２つの電極が形成されている。第３の電極層３１’’において最も狭い電極間の間隔ｃを持つ２つの電極を３１ａ’’、３１ｂ’’とする。この場合、間隔ｃは、電極３１ａ’’及び電極３１ｂ’’の高さｈの２／３倍よりも大きく、かつ、電極３１ａ’’及び電極３１ｂ’’の高さｈの２倍以下であればよい。すなわち、間隔ｃは、光導波路材料（窒化シリコン）を充填可能なように、数式１の関係を満足するように構成されている。
【００２９】
２／３ｈ  ＜  ｃ  ≦  ２ｈ  …  （数式１）
ここで、ｈは、である。このような構成により、最も狭い電極間の間隔ｃであっても光導波路材料（窒化シリコン）を良好に充填することができる。本実施形態では、電極間の間隔ｃは、電極の高さｈとほぼ等しくなるように構成されている。このとき、電極間の間隔ｃと電極の幅は等しくてもよい。
【００３０】
さらに、光導波路４１’’の上には、平坦化層５０、カラーフィルタ層５１、平坦化層５２及びマイクロレンズ５３が樹脂材料により形成されている。
【００３１】
本実施形態に係る撮像素子２００は、第２の層間絶縁膜２２の上面から光電変換部１１側に光導波路４１’’が形成されるため、光導波路部分の高さが低くなっている。そのため、画素サイズの小さな撮像素子においても、光導波路４１の開口部の開口に対する光導波路４１’’の高さの比を小さくすることができ、光導波路材料を良好に充填することができる。
【００３２】
撮像素子２００に入射した光は、マイクロレンズ５３によって光導波路４１’’に集光される。光導波路４１’’は窒化シリコン等の光導波路材料で構成され、その屈折率は約１.９である。また、光導波路４１’’の周囲は屈折率が約１.４６の第１の層間絶縁膜２１及び第２の層間絶縁膜２２で囲まれている。そのため、光導波路４１’’の壁面に到達した光は、第１の層間絶縁膜２１及び第２の層間絶縁膜２２との界面で全反射し、光電変換部１１に導かれる。
【００３３】
その結果、本発明の撮像素子２００は、入射角の大きい光であっても効率よく受光することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の一部の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の一部の断面図である。
【図３】従来の撮像素子の一部の断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  撮像素子
１１  光電変換部
４１’、４１’’  光導波路
３１ａ’、３１ｂ’  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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