(57)【要約】【課題】  レンズによる入射光の集光が不十分な場合にも、光電変換部への集光効率の高い固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  入射光を電荷に変換する光電変換部１と、光電変換部１の上部に形成された第１の誘電膜８２と、第１の誘電膜８２の光電変換部１の開口部に相対する部分のみに接し、光電変換部１から離れるにつれて開口面積が広がる漏斗形状に形成された第２の誘電膜８３と、第２の誘電膜８３の側面に接して形成され、内部に中空層９を有する第３の誘電膜２１とを備える。第２の誘電膜８３の屈折率よりも、第３の誘電膜２１の屈折率の方が高く、中空層９の気圧は０．５気圧以下である。中空層９と第３の誘電膜２１との境界面での屈折率差による全反射を起こさせ、レンズ集光から外れた入射光を有効に光電変換部１にガイドする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換する光電変換部と、
前記光電変換部の上部に形成された第１の誘電膜と、
前記第１の誘電膜の、前記光電変換部の開口部に相対する部分の上にのみ接して形成された第２の誘電膜と、
前記第２の誘電膜の側面に接して形成され、内部に中空層を有する第３の誘電膜と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２の誘電膜は、前記光電変換部から離れるにつれて開口面積が広がる漏斗形状である
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】
前記第２の誘電膜の屈折率よりも、前記第３の誘電膜の屈折率の方が高い
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２の誘電膜の屈折率は１．４以上１．６未満であり、前記第３の誘電膜の屈折率は１．６以上３．４未満である
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記中空層の気圧は０．５気圧以下である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換部に接して形成され、前記光電変換部で蓄積された電荷を所定の方向へ転送する電荷転送手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換部に接して形成され、前記光電変換部で蓄積された電荷を電圧に変換する電荷検出手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１に記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記光電変換部の上部に前記第１の誘電膜を形成する工程と、
前記第１の誘電膜の上部に第４の誘電膜を形成する工程と、
前記第４の誘電膜の前記光電変換部開口部に相対する部分をエッチングする工程と、
前記第１および第４の誘電膜の上部に第２の誘電膜を形成し、平坦化する工程と、
前記光電変換部の境界外周部の前記遮光膜の上部において、前記第２の誘電膜を前記第４の誘電膜上まで選択的にエッチングする工程と、
前記第１および第２の誘電膜に囲まれた前記第４の誘電膜を、前記第１および第２の誘電膜をマスクとして選択的にエッチングし、凹部を形成する工程と、
前記凹部に、前記中空層を内封する前記第３の誘電膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
前記第３の誘電膜を形成する工程ではＣＶＤ方法を用い、形成途中で膜の形成速度を速くすることによって、内封された前記中空層を形成する
ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第３の誘電膜を形成する工程を減圧状態で行う
ことを特徴とする請求項８または９に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第３の誘電膜を形成する工程では、前記中空層の内封直後からそのまま膜の形成を継続することで保護膜を形成する
ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第４の誘電膜は、成分に融点が７００℃以上の高融点金属を有する誘電膜または導電膜である
ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項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、デジタルスチルカメラや一体型ビデオカメラ等に搭載される固体撮像装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置は一体型ビデオカメラやデジタルスチルカメラの撮像部などに広く実用に供されている。その中でインターライン転送方式ＣＣＤ型固体撮像装置（以下ＩＴ−ＣＣＤという）は、低雑音特性を有することから、特に注力されている。
図３は、一般的なＩＴ−ＣＣＤの構成を示す模式図である。
図３に示すように、固体撮像装置１００は、光電変換機能を有するフォトダイオード１、信号電荷を垂直方向に転送する埋め込み型チャンネル構成の垂直転送部２、垂直転送を制御する垂直転送ゲート３、信号電荷を水平方向に転送する水平転送部４、および出力部５を備える。
【０００３】
図４は、図３におけるフォトダイオード１、垂直転送部２、および垂直転送ゲート３からなる単位画素２００を示す図である。
図５は、図４に示した単位画素２００のＡ−Ａ’における断面模式図である。
図５に示すように、単位画素２００は、シリコン基板１１内に形成された光電変換機能を有するフォトダイオード１、信号電荷を垂直方向に転送する埋め込み型チャンネル構成の垂直転送部２、垂直転送を制御する垂直転送ゲート３、垂直転送ゲート３の上部に形成されたＳｉＯ２を主成分とする誘電膜８１、誘電膜８１の上部に形成され入射光を垂直転送部２や垂直転送ゲート３などの領域に入射させないための遮光膜６、遮光膜６およびフォトダイオード１の上部に形成されたＳｉＯ２を主成分とする誘電膜８２、誘電膜８２の上部に形成された保護膜１０、保護膜１０の上部に形成された有機の誘電膜１２、および誘電膜１２の上部に入射光をフォトダイオード１に集光するための有機膜で形成されたレンズ７を備える。
【０００４】
なお、誘電膜１２は平坦化の役割と色フィルターの役割を併用している。
また、固体撮像装置の製造方法については様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
図６は、従来の固体撮像装置の製造方法の一部を示す図である。図６（ａ）は遮光膜６までを形成し、次に遮光膜６の上部に誘電膜８２を形成後、誘電膜８２の上部に保護膜１０を形成している。この後、図６（ｂ）に示すように、保護膜１０の上部に有機の誘電膜１２を形成後、誘電膜１２の上部にレンズ７を形成している。
【特許文献１】特許第２８６９２８０号公報
【特許文献２】特開平７−４５８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら従来の構成の固体撮像装置では、レンズの集光が不十分な場合に入射光がフォトダイオードに集光しないため、入射光を有効に利用することが出来ない、という課題を有している。
すなわち、固体撮像装置に入射する光は、固体撮像装置に対して垂直に入射するときにはレンズ７により効果的に集光されフォトダイオード１に有効に入射するが、入射角度が垂直から外れていくとフォトダイオード１に集光されず、図５に示したように遮光膜６の表面で乱反射などし、入射光を有効利用することが出来ない。
【０００６】
特に、最近カメラの小型化に伴い、固体撮像装置としては単位画素の小型化とカメラに使用されるレンズの短射出瞳距離化が要求されている。
単位画素の小型化は、遮光膜６の開口であるフォトダイオード１の開口幅の縮小につながり、垂直転送ゲート３の膜厚が開口幅の縮小率の割合で薄膜化出来ないこともあり、狭い縦坑状の構造になり、入射光の集光が困難になってきている。
【０００７】
また、カメラレンズの短射出瞳距離化は固体撮像装置への入射光の角度が垂直から離れている光の割合が増加することを意味しており、これらも入射光のフォトダイオード１への有効な集光を困難にする。
また、特許文献１に開示された技術によれば、水溶性の樹脂を塗布しその上部を別の樹脂で覆い、後に水溶性樹脂を溶かすことで気体層を形成しているが、本従来例の技術では水溶性樹脂を凹凸の激しい固体撮像装置表面に薄く均一に塗布することが困難で、凹部に液だまりを生じたり、もしくは凹部全体が樹脂で埋まったり、もしくは凹部一部に泡状に樹脂が塗布できない領域が出来るため、均一な特性を得る製造方法ではない。
【０００８】
また、特許文献２に開示された技術によれば、フォトダイオード上部にチタン酸化膜など屈折率が２．０程度の高い材料を使用することで境界での全反射を利用し光の集光を改善しているが、屈折率の高い材料は同時に光の吸収率も上昇し、光がフォトダイオードに入射される前に減衰してしまう悪影響が有る。この影響は特に可視領域の短波長側で顕著になり、入射光の色バランスが赤の方向に偏る傾向が強い。
【０００９】
そこで本発明は、レンズによる集光が不十分な場合にも、入射光のフォトダイオードへの集光効率の高い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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の上部に形成された第１の誘電膜と、前記第１の誘電膜の上部に、前記光電変換部の開口部に相対する部分のみに接して形成された第２の誘電膜と、前記第２の誘電膜の側面に接して形成され、内部に中空層を有する第３の誘電膜とを備えることを特徴とする。
【００１１】
前記第２の誘電膜は、前記光電変換部から離れるにつれて開口面積が広がる漏斗形状であることを特徴とする。
前記第２の誘電膜の屈折率よりも、前記第３の誘電膜の屈折率の方が高いことを特徴とする。
前記第２の誘電膜の屈折率は１．４以上１．６未満であり、前記第３の誘電膜の屈折率は１．６以上３．４未満であることを特徴とする。
【００１２】
前記中空層の気圧は０．５気圧以下であることを特徴とする。
本発明の構成によれば、中空層と誘電膜との境界で形成される屈折率差により入射光の全反射を生じさせ、これにより有効に入射光を光電変換部に集光することが出来る。特に狭い縦坑状の構造を持つ固体撮像装置においても、また、固体撮像装置への入射角度が垂直から離れていても有効に入射光を集光できる。しかも、光電変換部の上部はほとんどが低屈折材料で形成することができ、全反射効果を最大限に引き出しながら光電変換部へ光が入射する前の減衰を最小限にとどめることが出来る。
【００１３】
しかも、中空層は気圧が低くその屈折率は真空の屈折率に近づくため、中空層と誘電膜との屈折率差を更に大きく取ることが出来、入射光を光電変換部に集光する効果を高めることが出来る。
これにより、固体撮像装置の感度特性を向上することが出来る。
さらに、前記光電変換部に接して形成され、前記光電変換部で蓄積された電荷を所定の方向へ転送する電荷転送手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記光電変換部に接して形成され、前記光電変換部で蓄積された電荷を電圧に変換する電荷検出手段をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法であって、前記光電変換部の上部に前記第１の誘電膜を形成する工程と、前記第１の誘電膜の上部に第４の誘電膜を形成する工程と、前記第４の誘電膜の前記光電変換部開口部に相対する部分をエッチングする工程と、前記第１および第４の誘電膜の上部に第２の誘電膜を形成し、平坦化する工程と、前記光電変換部の境界外周部の前記遮光膜の上部において、前記第２の誘電膜を前記第４の誘電膜上まで選択的にエッチングする工程と、前記第１および第２の誘電膜に囲まれた前記第４の誘電膜を、前記第１および第２の誘電膜をマスクとして選択的にエッチングし、凹部を形成する工程と、前記凹部に、前記中空層を内封する前記第３の誘電膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記第３の誘電膜を形成する工程ではＣＶＤ方法を用い、形成途中で膜の形成速度を速くすることによって、内封された前記中空層を形成することを特徴とする。
さらに、前記第３の誘電膜を形成する工程を減圧状態で行うことを特徴とする。
これにより、中空層の境界の誘電膜を中空構造の内封工程と同時に形成することが出来るため、固体撮像装置の製造コストを低減することが出来る。また、形成される膜の均一性が達成できる。また、中空層エッチング時にフォトレジストを使用しないので、良好な選択性を得ることが出来る。
【００１６】
さらに、前記第３の誘電膜を形成する工程では、前記中空層の内封直後からそのまま膜の形成を継続することで、保護膜を形成することを特徴とする。
これにより、固体撮像装置の製造工程が削減できる。
さらに、前記第４の誘電膜は、成分に融点が７００℃以上の高融点金属を有する誘電膜または導電膜であることを特徴とする。
【００１７】
これにより、この膜がＦやＣｌの活性種と反応しやすいため、エッチングにより除去し易くなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、気圧の低い中空層を無機誘電膜層中に設けることで、誘電膜の屈折率差を最大限にした全反射を利用することができ、入射光を有効に光電変換部に集光することが出来るため、感度特性を大幅に上げることが出来る。また、その中空層は屈折率の高い膜と境界をもつことで、更に急角度の入射光に対しても効果を発揮する。
しかも、屈折率の高い層は中空層と境界をなす薄膜領域のみであり、光電変換部の上部の膜は屈折率を低く抑えることができ、入射光の吸収を最低限に抑制することができる。
【００１９】
また、固体撮像装置の製造方法としても、中空層が均一に形成できる方法であり、これにより屈折率差を最大限に利用する本発明の効果を実現できる。
また、中空層内面に高屈折率膜を形成する工程を利用し、中空層を内封することができ、工数アップを抑制し、コスト削減に寄与する。
また、内封工程の延長として保護膜を形成しても同様の効果が得られる。これによれば更に工数削減に寄与することができる。
【００２０】
これらの技術は、固体撮像装置の単位画素の縮小に伴う光電変換部の深い縦坑状化や、カメラレンズの短射出瞳距離化による入射光角度の変化にも対応することができるため、良好な撮像特性を得ることが出来る。従って、その実用的効果は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明を行う。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。
図１に示すように、単位画素２０１は、シリコン基板１１内に形成された光電変換機能を有するフォトダイオード１、信号電荷を垂直方向に転送する埋め込み型チャンネル構成の垂直転送部２、垂直転送を制御する垂直転送ゲート３、垂直転送ゲート３の上部に形成されたＳｉＯ２を主成分とする誘電膜８１、誘電膜８１の上部に形成され入射光を垂直転送部２や垂直転送ゲート３などの領域に入射させないための遮光膜６、遮光膜６およびフォトダイオード１の上部に形成されたＳｉＯ２を主成分とする誘電膜８２、誘電膜８２のフォトダイオード１の開口部に相対する部分のみに接し、フォトダイオード１から離れるにつれて開口面積が広がる漏斗形状に形成されたＳｉＯ２を主成分とする誘電膜８３、誘電膜８３の上部、また誘電膜８２および８３の間に内部に中空層９を有して形成されたＳｉＮを主成分とする誘電膜２１、誘電膜２１の上部に形成された保護膜１０、保護膜１０の上部に形成された有機の誘電膜１２、および誘電膜１２の上部に入射光をフォトダイオード１に集光するための有機膜で形成されたレンズ７を備える。
【００２３】
なお、誘電膜１２は平坦化の役割と色フィルターの役割を併用する。
以上のように構成された本発明の実施例１に係る固体撮像装置において、中空層９とＳｉＮ膜２１の屈折率についてはＳｉＮ膜２１の方が大きい。また、中空層９の誘電率は真空の誘電率１である。従って、ＳｉＮ膜２１側から中空層９の界面においてその屈折率差に応じて全反射が起こる。
【００２４】
ＳｉＮ膜２１の屈折率をｎとすると全反射角θは、
ｃｏｓθ＝１／ｎ    ・・・（１）
の関係を満たす角度になる。例えばｎ＝２．０であるときは式（１）に従うと、θ＝６０．０°になる。これはＳｉＮ膜２１と中空層９との境界にて光が入射する地点に接する面から６０．０°の角度までの範囲で全反射が起こることを意味する。
【００２５】
これにより、レンズ７による入射光の集光が十分でなく、入射光が直接フォトダイオード１の開口部に集まらなくても、中空層９の界面での全反射による入射光のガイドによりフォトダイオード１へ有効に入射光を集めることが出来る。
【００２６】
図２は、本発明の実施例１に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
図２（ａ）は、遮光膜６までを形成し、遮光膜６上に誘電膜８２を形成した後に熱フローを行い、誘電膜８２上にＳｉＮを主成分とした誘電膜１３を形成したところを示している。この工程には、例えばプラズマやＵＶを利用して膜の形成温度を低下させたＣＶＤ等のＳｉＮ膜の形成方法を用いる。なお、誘電膜８２を形成するところまでは従来の固体撮像装置の製造方法と同様である。
【００２７】
次に、図２（ｂ）に示すように、フォトレジスト１４をフォトダイオード１の上部で開口するようにパターニングし、これによりフォトダイオード１の上部の誘電膜１３をエッチングする。
【００２８】
次に図２（ｃ）は、フォトレジスト１４を除去した後、フォトダイオード１の上部の誘電膜８２と、誘電膜１３の上部に誘電膜８３を形成し平坦化したところを示している。
【００２９】
次に図２（ｄ）は、フォトレジスト２４により、隣接する画素の境界部（遮光膜６の上部）で誘電膜８３をエッチングしたところを示している。
次に図２（ｅ）は、フォトレジスト２４を除去し、前工程にて隣接する画素の境界部でエッチングしたところから、ＳｉＮを主成分とした誘電膜１３をエッチングし、中空層（凹部）１９を形成したところを示している。
【００３０】
これには例えば、ＣＦ４やＣＣｌ４などＦ（フッ素）やＣｌ（塩素）がエッチングの主成分となるガスを用いてドライエッチすることにより、選択的にＳｉＮを主成分としている誘電膜１３のみを除去することが出来る。
【００３１】
次に図２（ｆ）は、ＳｉＮ層２１を中空層１９の内面に引き続き中空層９を封じ込めるように形成し、かつ誘電膜８３の表面までもＳｉＮ膜２１を形成する。その後保護膜１０で全体を覆い、その後その上部に有機膜１２と有機膜のレンズ７を順に形成したところを示している。なお、有機膜１２は従来例と同様に平坦化の役割と色フィルターの役割をもつ。
【００３２】
ところで、上記ＳｉＮ膜１３はＣＶＤ法等の成膜方法により形成されるため、特許文献１に開示されるような水溶性の樹脂を塗布する方法にて問題となる形成膜の均一性に関しては全く問題がなくなる。
また、上記のＳｉＮ膜１３の代わりにＴｉ膜、ＴｉＮ膜など融点が７００℃以上の高融点金属を成分にもつ誘電膜または導電膜を使用すると、この膜がＦやＣｌの活性種と反応しやすく、エッチングにより除去しやすくなる。
【００３３】
また、中空層１９をエッチングで形成するときには有機のフォトレジストを使用せず、パターニングされた誘電膜８２および８３をフォトレジスト代わりにしている。フォトレジストをドライエッチ時に使用するとエッチング途中にフォトレジストから発生した生成物がエッチング活性種となり選択性を低下させるが、本発明の技術によれば中空層エッチング時にフォトレジストを使用しないので、良好な選択性を得ることが出来る。
【００３４】
また、ＳｉＮ膜２１の形成には、プラズマＣＶＤやＵＶ−ＣＶＤなど低温で且つ均一性の良好な膜が得られる形成方法を用いている。このとき、形成初期では中空層１９の内面に均一に膜が形成されるように、例えばガス流量を通常より減少させた条件にて形成し、途中にて通常の形成条件に戻せば中空層１９の画素境界領域での開口部において急激に膜の形成が進み中空層９を内封することができる。また、前記ＣＶＤ工程では減圧状態で膜を形成するので、これを利用することで中空層９は気圧が低い状態のまま内封することができる。
【００３５】
また、中空層９を内封する工程時に内封直後からそのまま膜の形成を継続することで、保護膜１０を同時に形成することができる。
なお、本発明の実施例では中空構造を内封する膜をＳｉＮ膜で形成したが、他の例えばＳｉＯＮ膜などでも屈折率が１．６以上の膜であれば同様の効果を有することはいうまでもない。
【００３６】
また、本発明の実施例ではＣＣＤ固体撮像装置を例に挙げているが、ＭＯＳ型の固体撮像装置であっても、同様であることはいうまでもない。
また、その他のいかなる固体撮像装置であっても、光電変換機能を有するフォトダイオードを備えていれば本発明が有効であることはいうまでもない。
また、単位画素の面方向の微細化が進み、フォトダイオード面が深部に位置するとき、中空層は深部においてフォトダイオード上部の起点からほぼ垂直に、もしくは一部フォトダイオード中心に近づきその開口を狭める形状をとりながら上昇し、上部においてその開口が広がるような形状をしていても良い。この場合においても上部において集光された光が全反射によるガイドにより深部にあるフォトダイオードに効率よく導かれ、本発明が有効であることはいうまでもない。
【００３７】
また、中空層がフォトダイオード上部の起点からほぼ垂直に、もしくは一部フォトダイオード中心に近づき、その開口を狭める形状をとりながら上昇し、上部においてその開口が広がる形状をしていなくても、上部中空層開口において集光された光は全反射によるガイドにより深部にあるフォトダイオードに効率よく導かれ、本発明の中空層を用いた全反射による入射光のガイド効果は十分得ることが出来、同様の効果が得られることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、デジタルスチルカメラや一体型ビデオカメラ等に搭載されるＣＣＤ固体撮像装置、ＭＯＳ型の固体撮像装置およびその製造方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例１に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施例１に係る固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【図３】従来の固体撮像装置の概略平面図である。
【図４】従来の固体撮像装置の単位画素の概略平面図である。
【図５】従来の固体撮像装置の断面構造を示す図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、従来の固体撮像装置の製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  フォトダイオード
２  垂直転送部
３  垂直転送ゲート
４  水平転送部
５  出力部
６  遮光膜
７  レンズ
９  中空層
１０  保護膜
１１  シリコン基板
１２  有機誘電膜
１３  ＳｉＮ誘電膜
１４、２４  フォトレジスト
１９  中空層（凹部）
２１  ＳｉＮ誘電膜
８１、８２、８３  ＳｉＯ２誘電膜
１００  固体撮像装置
２００、２０１  単位画素
【図１】
2005175072.tif 000003
【図２】
2005175072.tif 000004
【図３】
2005175072.tif 000005
【図４】
2005175072.tif 000006
【図５】
2005175072.tif 000007
【図６】
2005175072.tif 000008