(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素と、
前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、
前記導波路は、
カラーフィルタの各色フィルタ成分をコア部とし、隣合う色フィルタ成分間のセルファラインで形成された中空部をクラッド部として構成された第１導波路部と、
前記光電変換部と前記カラーフィルタとの間にあって、第１の層をコア部とし、前記第１の層の外側に形成した中空部をクラッド部として構成された第２導波路部とを有し、
前記第２導波路部間には、少なくとも表面に反射膜が形成された支持体が設けられ、
前記第２導波路部を構成する前記コア部と前記支持体との間に、前記第２導波路部を構成する前記中空部が設けられている
固体撮像装置。
【請求項２】
前記支持体は、反射膜で構成されている
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記支持体は、その幅を前記第１導波路部側に向かって狭くするような傾斜面を有する
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記カラーフィルタ上にオンチップマイクロレンズが形成されている
請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
固体撮像装置と光学レンズ系と信号処理手段を備え、
前記固体撮像装置は、
複数の画素と、
前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、
前記導波路は、
カラーフィルタの各色フィルタ成分をコア部とし、隣合う色フィルタ成分間のセルファラインで形成された中空部をクラッド部として構成された第１導波路部と、
前記光電変換部と前記カラーフィルタとの間にあって、第１の層をコア部とし、前記第１の層の外側に形成した中空部をクラッド部として構成された第２導波路部とを有し、
前記第２導波路部間には、少なくとも表面に反射膜が形成された支持体が設けられ、
前記第２導波路部を構成する前記コア部と前記支持体との間に、前記第２導波路部を構成する前記中空部が設けられている
カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサ、あるいはＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像装置及びその製造方法、並びにこの固体撮像装置を備えたカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置における画素の微細化、多画素化に伴い、固体撮像装置の重要特性である感度特性の確保、及び向上化の技術開発が盛んに行われている。
【０００３】
デジタルスチルカメラの小型化、カメラ付き携帯電話に代表されるモバイル用途に使用される固体撮像装置においては、カメラ、あるいはカメラモジュールのレンズから固体撮像装置までの距離が短い。このため、固体撮像装置の受光領域の特に外周に向って入射する光の角度が急峻となり、感度特性、輝度シェーディング等を劣化させ、更には混色の要因となっていた。従って、これらの改善技術の確立が望まれている。
【０００４】
固体撮像装置の感度向上化技術の一方法として、裏面照射型のＣＭＯＳ固体撮像装置が開発されている。裏面照射型の固体撮像装置では、光電変換部の面積、体積が大きく形成できるので、固体撮像装置の重要特性である感度特性の向上が図れる。
【０００５】
図２２に、従来の裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサを示す。このＣＭＯＳイメージセンサ１２０は、シリコン半導体層１２１の撮像領域１２２に複数の画素１２３が２次元配列され、半導体層１２１の表面側に層間絶縁膜１２４を介して多層の配線１２５を積層した多層配線層１２６が形成され、半導体層１２１の裏面側に平坦化膜１２７を介してカラーフィルタ１２８及びオンチップマイクロレンズ１２９形成されて成る。さらに、多層配線層１２６の表面には、接着剤層１３０を介して指示基板１３１が接合される。
【０００６】
画素１２３は、光電変換部１３３となる例えばフォトダイオード（ＰＤ）と、複数の画素トランジスタとで構成される。図２２では、複数の画素トランジスタのうち、転送ゲート電極１３５を有する転送トランジスタを代表して示している。符号１３６は、各画素１２３を分離する画素分離領域を示す。カラーフィルタ１２８は、赤フィルタ成分１２８Ｒ、緑フィルタ成分１２８Ｇ及び青フィルタ成分１２８Ｂを有して形成される。
【０００７】
ところで、このような裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサ１２０においては、オンチップマイクロレンズ１２９に斜めに入射した光Ｌは、隣接する画素に漏れ込む虞れがある。このため、カラーフィルタにおける隣接する色フィルタ成分同士の混色問題の解決にはならない。混色改善技術としては、公知の層内レンズや遮光膜の設置等が考えられるが、製造工程では、支持基板と配線層を含むシリコン層を接着する際に用いる接着剤の耐熱性以下で行う必要があり、プロセス条件の制約を受けてしまう。
【０００８】
一方、微細セル（画素）における固体撮像装置の感度向上技術の他の方法として、層内に光ケーブルに代表される光全反射を利用した導波路構造が提案さている。例えば、特許文献１では、クラッド部にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜：屈折率ｎ≒１．４５）等の絶縁膜を用い、コア部にシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜：屈折率ｎ≒２．０）を用いた導波路を備えた固体撮像装置が提案されている。特許文献２では、クラッド部に空気層を用い、コア部に所要の絶縁膜を用いて成る導波路を備えた固体撮像装置も提案されている。しかしながら、大きな角度を持った入射光を光電変換部であるフォトダイオードに集光させることには限界があった。
【０００９】
特許文献２には、カラーフィルタにおいて、各色フィルタ成分を色フィルタ成分より屈折率の小さい枡型の区画体で取り囲むようにして導波路に類似した構造を備えた固体撮像装置も提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２２１５３２号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述の点に鑑み、導波路構造における全反射条件をさらに改善して感度特性の向上を図ると共に、混色特性を改善した固体撮像装置及びその製造方法を提供するものである。
さらに、本発明は、上記固体撮像装置を備えたカメラを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素と、画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有する。導波路は、カラーフィルタの各色フィルタ成分をコア部とし、隣合う色フィルタ成分間のセルファラインで形成された中空部をクラッド部として構成された第１導波路部と、前記光電変換部と前記カラーフィルタとの間にあって、第１の層をコア部とし、前記第１の層の外側に形成した中空部をクラッド部として構成された第２導波路部とを有し、前記第２導波路部間には、少なくとも表面に反射膜が形成された支持体が設けられ、前記第２導波路部を構成する前記コア部と前記支持体との間に、前記第２導波路部を構成する前記中空部が設けられている。
【００１３】
本発明の固体撮像装置では、カラーフィルタにクラッド部を中空部とした全反射型の導波路機能を持たせるので、光電部への集光効率が向上し、混色が低減する。導波路において、セルファラインで形成された中空部を有するので、中空部に入射した光が隣接する色フィルタ成分に入り難くなり、分光特性が改善される。これにより、カラーフィルタの膜厚を薄くでき、カラーフィルタと光電変換部間の距離を短くすることができ、集光特性が向上する。必要に応じて、オンチップレンズの省略も可能になる。
【００１４】
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、第１の色フィルタ成分の側壁にのみ選択的に犠牲膜を形成し、第１の色フィルタ成分の側壁に犠牲膜を介して他の色フィルタ成分を形成した後、犠牲膜をエッチング除去して、セルファラインにより中空部を形成する。本発明は、このようにして中空部をクラッド部とし、色フィルタ成分をコア部とした導波路機能を有するカラーフィルタの形成工程を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の固体撮像装置の製造方法では、第１の色フィルタ成分の側壁のみに犠牲膜を形成した後、他の色フィルタ成分を形成し、犠牲膜を除去して各色フィルタ成分間に中空部を形成している。すなわち、この中空部は、いわゆるセルファラインで形成されるので、微細幅の中空部を形成することができる。この中空部と色フィルタ成分とで導波路が構成され、全反射型の導波路機能を有するカラーフィルタが形成される。
【００１６】
本発明に係るカメラは、固体撮像装置と光学レンズ系と信号処理手段を備える。この固体撮像装置は、複数の画素と、前記画素の光電変換部に入射光を導く導波路を有し、導波路が、カラーフィルタの各色フィルタ成分をコア部とし、隣合う色フィルタ成分間のセルファラインで形成された中空部をクラッド部として構成された第１導波路部と、前記光電変換部と前記カラーフィルタとの間にあって、第１の層をコア部とし、前記第１の層の外側に形成した中空部をクラッド部として構成された第２導波路部とを有し、前記第２導波路部間には、少なくとも表面に反射膜が形成された支持体が設けられ、前記第２導波路部を構成する前記コア部と前記支持体との間に、前記第２導波路部を構成する前記中空部が設けられている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る固体撮像装置によれば、感度特性を向上し、混色特性を改善することができる。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によれば、感度特性が向上し、混色特性を改善した固体撮像装置を製造することができる。
本発明に係るカメラによれば、感度特性が向上し、混色特性が改善された信頼性の高いカメラを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１に、本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置１は、半導体層（例えばシリコン層）２の撮像領域３に複数の画素４が２次元配列され、半導体層２の表面側に層間絶縁膜５を介して多層の配線６を積層した多層配線層７が形成され、半導体層２の裏面側に導波路構造を有するカラーフィルタ８が配置されて成る。さらに、多層配線層７の表面には、接着剤層９を介して例えばシリコン基板による支持基板１０が接合される。
【００２０】
画素４は、光電変換部１１となる例えばフォトダイオード（ＰＤ）と、複数のＭＯＳトランジスタによる画素トランジスタで構成される。画素トランジスタは、例えば転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、選択トランジスタの４つのトランジスタで構成することができる。或いは、画素トランジスタは、転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタの３つのトランジスタで構成することができる。その他のトランジスタ数で画素トランジスタを構成することもできる。図１では、複数の画素トランジスタのうち、転送ゲート電極１３を有する転送トランジスタを代表として示している。符号１９は、隣り合う画素間を分離する画素分離領域を示す。
【００２１】
そして、本実施の形態においては、特にカラーフィルタ８に導波路機能を持たせた構成としている。すなわち、１色目の例えば緑（Ｇ）フィルタ成分８Ｇと、２色目の例えば赤（Ｒ）フィルタ成分８Ｒと、３色目の例えば青（Ｂ）フィルタ成分８Ｂとの境界にセルファラインで形成した中空部１５が形成される。ここで、中空部１５の屈折率は、例えば空気であれば１．０であり、各色フィルタ成分８Ｇ，８Ｒ，８Ｂの屈折率は、１．６〜１．７程度である。なお、中空部１５は、空気でなく、後述するキャッピング膜１７の成膜時の反応ガスなどで満たされた場合でも、１．０に近い屈折率を有する。
【００２２】
従って、各色フィルタ成分８Ｇ，８Ｒ，８Ｂでは、フィルタ成分８Ｇ，８Ｒ，８Ｂをそれぞれコア部とし、その外周の中空部１５をクラッド部とした全反射型の導波路１８が形成される。中空部１５は、後述するように、セルファラインで形成されるため、その幅ｄ１が１５０ｎｍ以下、すなわち１５０ｎｍ〜１０ｎｍ程度の微細幅として形成される。
【００２３】
上記カラーフィルタ８は、半導体層２の裏面上に絶縁膜あるいはパシベーション膜による平坦膜１６を介して形成される。また、カラーフィルタ８の面上には、中空部１５を封止する中空部キャップ膜１７が形成される。」
【００２４】
なお、このキャップ層１７は、工程簡略化などの理由で省略しても構わない。例えば、カラーフィルタ８上にマイクロレンズ等を設置する場合には、中空部１５に有機膜が進入し不具合が生じる懼れがあるためにキャップ層１７を必要とする。しかし、マイクロレンズ等を設置しない場合は、必ずしもキャップ層１７を必要としない。
【００２５】
カラーフィルタ８の一例を図２に示す。このカラーフィルタ８は、いわゆるベイヤー配列と呼ばれるカラーフィルタである。ベイヤー配列では、水平方向に緑（Ｇ）フィルタ成文８Ｇと赤（Ｒ）フィルタ成分８Ｒが交互に配列された緑−赤列と、水平方向に緑（Ｇ）フィルタ成分８Ｇと青（Ｂ）フィルタ成分８Ｂが交互に配列された青−赤列とが、垂直方向に交互に配列されてなる。
図１のカラーフィルタ８は、説明の便宜上、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のフィルタ成分８Ｒ，８Ｇ及び８Ｂが横方向に配列されている。
【００２６】
第１実施の形態に係る固体撮像装置１は、図１に示すように、カラーフィルタ８上のオンチップマイクロレンズを省略して完成される。
【００２７】
次に、図３〜図５を用いて、上述の固体撮像装置１の製造方法、特に導波路構造のカラーフィルタ８の製法について説明する。
先ず、図３Ａに示すように、光電変換部１１及び画素トランジスタからなる複数の画素４が形成された半導体層２の裏面側に、絶縁膜あるいはパシベーション膜による平坦膜１６を成膜する。この平坦膜１６は、プラズマ窒化膜、あるいは高密度プラズマ酸化膜（ＨＤＰ―ＳｉＯ２膜）等で形成することができる。
【００２８】
次に、図３Ｂに示すように、平坦膜１６上の全面に１色目の例えば緑フィルタ材料層８Ｇ′を形成する。
【００２９】
次に、緑フィルタ材料層８Ｇ′上にフォトレジスト層を形成し、光学マスクを介して露光、現像して、図３Ｃに示すように、緑フィルタ材料層８Ｇ′上の緑画素に対応する位置に、レジストマスク１８を形成する。
【００３０】
次に、図４Ｄに示すように、レジストマスク１８を耐エッチングマスクとして、緑フィルタ材料層８Ｇ′をドライエッチング法により選択的に除去し、緑（Ｇ）画素に対応する位置に緑フィルタ成分８Ｇを形成する。ドライエッチング後、不要となったレジストマスク１８を、有機溶剤等を用いて剥離除去する。なお、緑フィルタ成分８Ｇのパターニング法としては、一般的に使用されているカラーフィルタ自体が感光性を有するフォトレジストであるので、その感光性の緑フィルタ材料層（フォトレジスト層）をそのまま使用し、光学マスクを介して露光、現像する公知のフォトレジスト法で形成することもできる。
【００３１】
次に、図４Ｅに示すように、緑フィルタ成分８Ｇの表面を含む全面に薄膜状の犠牲膜１９を成膜する。この犠牲膜１９は、本例ではプラズマ・シリコン窒化膜（Ｐ−ＳｉＮ膜）を用いる。この犠牲膜１９は、後述の本発明における導波路構造の中空部を形成するためのものである。犠牲膜１９としては、その他、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜等、色フィルタ成分と異なるエッチングレートを有する材料膜を用いることができる。犠牲膜１９の膜厚ｄ１は、１５０ｎｍ以下、本例では８０ｎｍとした。犠牲膜１９の成膜温度は、前述の接着剤層９（図１参照）と、色フィルタ成分、本例では緑フィルタ成分８Ｇの耐熱温度以下とし、２８０℃以下、好ましくは２６０℃以下とする。下限は８０℃程度である。８０℃より低温であるＧと、成膜に支障を」来す。
【００３２】
次に、図４Ｆに示すように、犠牲膜１９に対して、異方性ドライエッチング法を用いてエッチバックし、犠牲膜１９を緑フィルタ成分８Ｇの周囲側壁のみ残し、他を全て除去する。
【００３３】
次に、図４Ｇに示すように、上記の緑フィルタ成分８Ｇの形成法と同様にして、緑フィルタ成分８Ｇの一方の側に犠牲膜１９を介して隣接するように、赤（Ｒ）画素に対応するように赤フィルタ成分８Ｒを形成する。ここで、赤フィルタ成分８Ｒのパターニング法としては、前述の緑フィルタ成分８Ｇのパターニング法で説明したと同様に、フォトレジストマスクを介してドライエッチングしてパターニングする方法の他、感光性の赤フィルタ材料層（フォトレジスト層）を使用した公知のフォトレジスト法を用いることもできる。
【００３４】
次に、図５Ｈに示すように、上記の緑フィルタ成分８Ｇの形成法と同様にして、緑フィルタ成分８Ｇの他方の側に犠牲膜１９を介して隣接するように、青（Ｂ）画素に対応するように青フィルタ成分８Ｂを形成する。ここで、青フィルタ成分８Ｂパターニング法としては、前述の緑フィルタ成分８Ｇのパターニング法で説明したと同様に、フォトレジストマスクを介してドライエッチングしてパターニングする方法の他、感光性の青フィルタ材料層（フォトレジスト層）を使用した公知のフォトレジスト法を用いることもできる。
【００３５】
次に、図５Ｉに示すように、犠牲膜１９を等方性ドライエッチ法によりドライエッチングして選択的に除去し、各隣合う色フィルタ成分８Ｇ，８Ｒ，８Ｂの相互間に中空部１５を形成する。等方性ドライエッチは、例えばケミカルドライエッチングを用いることができる。この中空部１５は、上述の工程で明らかなように、セルファライで形成される。したがって、中空部１５は、１５０ｎｍ以下の微細幅での形成が可能となる。
【００３６】
次に、図５Ｊに示すように、中空部１５が形成されたカラーフィルタ上に、中空部１５を封止するためのキャッピング膜１７を形成する。キャッピング膜１７は、プラズマ・シリコン窒化膜、プラズマ・シリコン酸化膜等を用いることができる。本例ではプラズマ・シリコン酸化膜を用いる。
【００３７】
このようにして、目的の第１実施の形態の導波路構造のカラーフィルタ８機能を有し、オンチップマイクロレンズを有しない裏面照射型の固体撮像装置１を得る。
【００３８】
第１実施の形態に係る固体撮像装置１によれば、中空部１５をクラッド部とし、色フィルタ成分８Ｇ，８Ｒ，８Ｂをコア部として全反射型の導波路構造１８を有するカラーフィルタ８を構成することにより、図１に示すように、カラーフィルタの各色フィルタ成分８Ｇ，８Ｒ，８Ｂに入射した光Ｌは、中空部１５と色フィルタ成分との境界面で全反射し、各色画素の光電変換部１１に入射される。従って、オンチップマイクロレンズを省略しても、混色を低減し、感度を向上し、さらに感度シェーディングを向上した固体撮像装置を提供することができる。
【００３９】
本実施の形態では、中空部１５をセルファラインで形成するので、１５０ｎｍ以下の微細幅の中空部１５が形成され、分光特性に優れた固体撮像装置を構成することができる。また、分光特性に優れるので、カラーフィルタ８の膜厚を薄くすることが可能になり、カラーフィルタ８と光電変換部１１までの距離が短縮され、集光特性を向上することができる。
【００４０】
因みに、リソグラフィ技術を用いて中空部の溝を形成するときは、例えばＫｒＦエキシマレーザ光を用いても、１８０ｎｍ程度が限界であり、それ以下の溝幅は得られない。中空部の幅が広くなると、色フィルタ成分境界の中空部に入射した光が隣接する色フィルタ成分に入り易くなり、分光特性が劣化する。この分光特性の劣化を改善するためにカラーフィルタの膜厚を厚くすると、カラーフィルタと光電変換部間の距離が大きくなり集光特性が劣化する。
【００４１】
さらに、本実施の形態では、公知のオンチップレンズを省略できるので、製造工程数を削減することができ、製造の簡略化を図り、製造コストの低減を図ることができる。
【００４２】
上例では、本発明を裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサに適用したが、これに限らず、図示しないが、表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサにも適用することができる。また本発明は後述するようにＣＣＤイメージセンサにも適用することができる。
上例では、カラーフィルタ８上のオンチップマイクロレンズ８を省略したが、カラーフィルタ上にオンチップマイクロレンズを形成した構成とすることもできる。オンチップマイクロレンズを設けるときは、さらに集光効率の向上が図れる。
【００４３】
図６に、本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサに適用し、前述した導波路機能を有するカラーフィルタに加えて、カラーフィルタと光電変換部との間の領域にも中空部をクラッド部とした導波路を形成して構成される。
【００４４】
すなわち、第２実施の形態に係る固体撮像装置２１は、半導体基板（例えばシリコン基板）２２の撮像領域に、複数の光電変換部２３、例えばフォトダイオードが２次元状に規則的に配列され、各光電変換部列毎にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ２４が形成される。図示しないが、各垂直転送レジスタ２４の端部にはＣＣＤ構造の水平転送レジスタが形成され、水平転送レジスタの終段のフローティングディフージョン部に出力部が接続される。
【００４５】
上記撮像領域上には、層内レンズ２５を介して各画素に対応する領域にそれぞれ中空部２８をクラッド部とし、第１の層２９、例えば絶縁膜をコア部とした全反射型の第２導波路２７が形成される。さらに、この上に前述と同様の中空部１５をクラッド部とし、各色フィルタ成分８Ｒ，８Ｇ，８Ｂをコア部とした全反射型の第１導波路１８を有するカラーフィルタ８が形成される。
【００４６】
半導体基板２２は、第１導電型、本例ではｎ型のシリコン基板とし、この基板２２に第２導電型のｐ型の半導体領域からなるオーバーフローバリア領域３１が形成され、このオーバーフローバリア領域３１上にｐ型の半導体ウェル領域３２が形成される。光電変換部２３となるフォトダイオードは、このｐ型半導体ウェル領域３２に形成される。
【００４７】
一方、垂直転送レジスタ２４は、ｐ型半導体ウェル領域３２に形成したｎ型の埋め込みチャネル領域３３と、その上のゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に形成した転送電極３５とにより形成される。光電変換部２３と垂直転送レジスタ２４との間には、転送ゲート電極３５が一部延長された電荷読出し部３６が形成される。符号４０は、光電変換部２３の電荷読出し部３６の反対側に設けられた隣接画素との分離を行うチャネルストップ領域を示す。各光電変換部２３の受光領域３８（図７参照）を除く全面には、転送ゲート電極３５上を、絶縁膜３９を介して覆うように遮光層３７が形成される。
【００４８】
層内レンズ２５は、第１屈折率の絶縁膜４１、例えばボロン・リンガラス（ＢＰＳＧ）等のリフロー膜と、その上の第２屈折率の絶縁膜４２、例えばプラズマ・シリコン窒化膜とにより下凸レンズで構成される。
【００４９】
第２導波路２７は、例えばプラズマ・シリコン窒化膜による第２屈折率の絶縁膜４２の平坦化された面上に形成される。第２導波路２７は、中空部２８、例えば空気（屈折率ｎが１．０）をクラッド部とし、空気より屈折率の高い第１の層２９となる絶縁膜、例えばシリコン酸化膜（屈折率ｎが１．４５程度）、あるいはシリコン窒化膜（屈折率ｎが２．０程度）をコア部として構成される。
【００５０】
本例では、遮光膜３７上に対応する絶縁膜４２上に光電変換部２３を取り囲むように側壁が傾斜する支持部材、例えば断面三角形をなす支持体４３が形成される。支持体４３で囲まれた領域は、その幅が絶縁膜４２側に行くほど狭くなるような傾斜面に形成される。一方、光電変換部２３上に対応するように絶縁膜４２上に、コア部となる第１の層２９が形成され、この第１の層２９と支持体４３との間に支持体傾斜面と平行に沿うクラッド部となる中空部２８が形成される。この第１の層２９と中空部２８とにより全反射型の第２導波路２７が構成される。中空部２８は、空気で満たされていても、或いはその後の成膜時の反応ガスで満たされた状態であって構わない。
【００５１】
第２導波路２７上には、中空部２８を封止するように、キャップ膜４５が形成され、さらにその上に平坦化膜４６が形成される。このキャップ膜４５は、カラーフィルタ８等の有機膜の染み込みを防止するために中空部２８の開口内と共に、第１の層２９の上面全面にわたって一様に形成される。キャップ膜４５は、所要の絶縁膜、本例では反射防止膜として作用する例えばシリコン酸化膜や、シリコン窒化酸化膜などの窒化膜で形成することができる。キャップ膜４５の材料としては、無機膜が好ましく、更に高屈折率材料表面の反射防止を兼ねた無機膜を用いることがより好ましい。なお、キャップ膜４５を形成した後、再度、反射防止膜を形成するようにしてよいし、必ずしも反射防止膜を形成しなくてもよい。
【００５２】
そして、上記平坦化膜４６上に、図１で説明した各隣接する色フィルタ成分８Ｒ，８Ｇ，８Ｂの境界部に中空部１５を有した第１導波路１８を有するカラーフィルタ８が形成され、さらにこの上にキャップ膜１７が形成される。このようにして第２実施の形態の固体撮像装置２１が構成される。
【００５３】
次に、図７〜図１１、及び図３〜図５を用いて、上述の第２実施の形態に係る固体撮像装置２１の製造方法について説明する。
【００５４】
図７〜図１１に、カラーフィルタ８を形成する前の、第２導波路２７の形成までの製造工程を示す。
先ず、図７Ａに示すように、ｎ型シリコン半導体基板２１にｐ型オーバーフローバリア領域３１、ｐ型半導体ウェル領域３２を形成し、ｐ型半導体ウェル領域３２内にｎ型半導体領域及びｐ＋アキュミュレーション層からなるフォトダイオード２３、ｎ型埋め込みチャネル層３３を形成する。また、詳細は図示しないがチャネルストップ領域４０、電荷読み出し領域３６を形成する。次いで、半導体基板の表面にゲート絶縁膜３４を介して例えば２層膜構造の多結晶シリコンによる転送電極３５を形成し、層間絶縁膜３９を介して遮光層３７を形成する。さらに、例えばボロン・リンシリゲートガラス等によるリフロー膜４１及びその上に例えばプラズマ・シリコン窒化膜４２を堆積して、受光領域３８上に層内レンズ２５を形成する。
【００５５】
次に、図７Ｂに示すように、プラズマ・シリコン窒化膜２４の平坦化された上面に支持体となる層４３Ａを成膜する。この支持体となる層４３Ａは、アルミニウム、銀、金、銅、タングステンや、シリコン窒化膜、多結晶シリコン膜、シリコン酸化膜などを用いることができる。本例ではアルミニウムをスパッタ法にて成膜して支持体となる層４３Ａを成膜する。
【００５６】
次に、図７Ｃに示すように、支持体となる層４３Ａ上の遮光層３７に対応する位置に、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて所要幅にパターニングされたレジストマスク５２を形成する。
【００５７】
次に、図８Ｄに示すように、レジストマスク５２を介して、支持体となる層４３Ａを例えばドライエッチングにより、選択的にエッチング除去して、断面略三角形状（すなわち、頂部が一部平坦である三角形状）の支持体４３を形成する。この支持体４３は、受光領域３８を取り囲むように遮光層３７の上部に形成される。ここでは、支持体４３を順テーパー状に、すなわち略三角形状に加工したが、その他、後述の実施形態で示すように、実質的に垂直に加工してもよい。
【００５８】
次に、図８Ｅに示すように、ドライエッチング後の不要となったレジストマスク５２を除去した後、支持体４３の表面及びプラズマ・シリコン窒化膜４２の表面の全面に所要膜厚の犠牲膜５４を成膜する。この犠牲膜５４は、後に導波路を構成するクラッド部を中空にするためのものである。そして、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、すなわち全面上にフォトレジスト膜を形成し、受光領域３８の上部のフォトレジスト膜を選択的に除去して断面略三角形状の支持体４３に対応する犠牲膜５４上にレジストマスク５５を形成する。
犠牲膜５４には、非晶質シリコンや、多結晶シリコン等が用いられる。また、支持体４３としてアルミニウム、銀、金、銅や多結晶シリコン膜を用いた場合、支持体４３の加工後にシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜を成膜してもよい。特に、支持体４３に多結晶シリコン膜を用いた場合、このシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜は後に行う、コア材開口加工時にドライエッチングの際のエッチングストッパとして機能する。
【００５９】
次に、図８Ｆに示すように、支持体４３上の犠牲膜５３のみを残して他の部分の犠牲膜５３を、レジストマスク５５を介したドライエッチングにより、選択的に除去する。
【００６０】
次に、図９Ｇに示すように、上面全面に導波路のコア部となる第１の層５６を成膜する。第１の層５６の材料としては、基本的にクラッド部となる中空部、例えば空気層の屈折率（ｎ＝１）より大きな屈折率の材料であればよい。ここでは、前述した公知のシリコン酸化膜（屈折率ｎ≒１．４５）と、シリコン窒化膜（屈折率ｎ≒２．０）との屈折率比＝１．４５／２．０＝０．７２５より大きな材料の組合せが望ましい。
【００６１】
全反射における臨界角の説明を図１３に示す。また、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の公知の組合せによる導波路の臨界角は４６．５°であり、これに対してクラッド部に空気（屈折率ｎ＝１）を用いた場合に、コア部材料の屈折率を変化させた時の臨界角変化を図１３に示す。
【００６２】
図１３は屈折率（ＮＩ）の物質と屈折率（ＮＩＩ）の物質の境界面１００に、入射光Ｌが入射角θで入射し、境界面１００で反射した状態を示している。全反射とは、屈折率が大きい物質（ＮＩ）から小さい物質（ＮＩＩ）へと光が進む場合、入射光Ｌが境界面１００を通過せず、全て反射する現象である。入射角θがある一定の角度以上の場合に全反射し、この角度を臨界角という。臨界角θは数１で表せる。
【００６３】
【数１】
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屈折率差が大きい程、臨界角θは小さくなり、全反射角領域（図中Ａ）が広がる。
【００６４】
図１３から分かるように、コア部材料の屈折率を１．４以上にすることにより、公知組合せ構造における臨界角が小さくなり、全反射特性が向上する。
【００６５】
このコア部材料としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜、ボロン・リンガラス、ニオブ酸化膜、チタン酸化膜や、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート、アリルジグリコールマーボネート、ジアリルフタレート、ポリカーボネート、ポリベンジルメタクリレート、ポリフェニルメタクリレート、ポリジアリルフタレート、ポリスチレン、ポリ−ｐ−プロモフェニルメタクリレート、ポリペンタクロロフェニルメタクリレート、ポリ−ｏ−クロロスチレン、ポリ−α−ナフチルメタクリレート、ポリビニルナフタレン、ポリビニルカルバゾール、ポリペンタブロモフェニルメタクリテート、また酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化錫、の金属微粒子等を分散含有したポリマー樹脂等が用いられる。
【００６６】
以下に、コア部材料にシリコン窒化膜を適用した場合についてのプロセスフローを説明する。すなわち、図９Ｇにおいて、本例ではコア部となる第１の層２９にシリコン窒化膜を用いる。
次に、図９Ｈに示すように、シリコン窒化膜による第１の層５６上にフォトレジスト膜５７を実質的に平坦になるように塗布する。
【００６７】
次に、図９Ｉに示すように、フォトレジスト膜５７と凸状に成膜された第１の層（シリコン窒化膜）５６を同時にドライエッチング法を用いて全面エッチバックする。このとき、第１の層（シリコン窒化膜）５６の表面を実質的平坦に加工することが望ましいため、ドライエッチングにおけるエッチングスピードは、シリコン窒化膜とフォトレジスト膜がほぼ同じスピードであることが望ましい。また、この平坦化の手法として、ＣＭＰ法（Chemical Mechanical Polish）なども用いることができる。更には、エッチング法とＣＭＰ法の組合せによる平坦化を行っても構わない。
【００６８】
次に、図１０Ｊに示すように、第１の層（シリコン窒化膜）５６上に、支持体４３の頂部に対応して開口５９を有するレジストマスク５８を形成する。
【００６９】
次に、図１０Ｋに示すように、レジストマスク５８を介して第１の層（シリコン窒化膜）５６をドライエッチングにより選択的にパターニングし、支持体４３の頂部に対応する第１の層（シリコン窒化膜）５６に、犠牲膜５３に通じる開口６０を形成する。その後、レジストマスク５８を除去する。
【００７０】
次に、図１０Ｌに示すように、等方性ドライエッチングにより、開口６０を通して犠牲膜５３を除去する。この犠牲膜５３の除去により、支持体４３の傾斜面に沿って傾斜面に平行する中空層（例えば空気層）２８を形成する。この中空部２８と第１の層２９により第２導波路２７が形成される。
【００７１】
次に、図１１Ｍに示すように、第１の層（シリコン窒化膜）２９の開口６０を封止（穴埋め）するための封止層４５を、開口６０内及び第１の層（シリコン窒化膜）２９の表面全面に形成する。封止層４５は、乾式成膜法により成膜する。乾式成膜法で穴埋めを行う理由は、次いで行う溶液状の有機平坦化膜を塗布した際に、犠牲膜５３をドライエッチングにより除去した領域に染み込むことを防止するためである。乾式成膜法としては特に制約はなく、例えばＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法などが上げられる。ここでは、Ｐ−ＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor Deposition）を用い、封止層４５としてシリコン窒化膜を開口６０に埋め込む。
【００７２】
次に、図１１Ｎに示すように、Ｐ−ＣＶＤ法により成膜されたシリコン窒化膜による封止層４５上に、例えばアクリル系樹脂による平坦化膜４６を形成する。
【００７３】
第２導波路２７を形成し、封止層４５、平坦化膜４６を形成した後、この平坦化膜４６上に、前述の図４Ｃ〜図６Ｊの工程と同じ工程を用いて、第１導波路１８を有するカラーフィルタ８を形成して、目的の第２実施の形態の固体撮像装置２１を得る。
【００７４】
上述の第２実施の形態に係る固体撮像装置２１によれば、入射光Ｌは全反射型の第１導波路機能を有するカラーフィルタ８で各画素側に導き、さらに全反射型の第２導波路２７で各画素の光電変換部２３に導かれるので、ＣＣＤイメージセンサにおいて、集光効率が向上し、感度特性をより向上することができる。また、輝度シーディング特性及び混色特性を改善することができる。
【００７５】
本実施の形態では、前述と同様に、第１導波路１８を構成する中空部１５をセルファラインで形成するので、１５０ｎｍ以下の微細幅の中空部１５が形成され、分光特性に優れた固体撮像装置を構成することができる。また、分光特性に優れるので、カラーフィルタ８の膜厚を薄くすることが可能になり、カラーフィルタ８と光電変換部１１までの距離が短縮され、集光特性を向上することができる。
【００７６】
第２導波路２７を構成する中空部２８の開口を封止するキャップ膜４５が全面に形成され、このキャップ膜４５に反射防止膜としての機能を持たせるときは、さらに入射光Ｌの集光効率を向上することができる。オンチップマイクロレンズが省略されるので、その分、製造工程数が削減され、コスト低減を図ることができる。
【００７７】
第２導波路２７の構成は、種々の構成をとることができる。図１４〜図１９に、第２導波路２７の変形例を示す。なお、図１４〜図１９は、通常のカラーフィルタと第２導波路２７を備えた固体撮像装置、すなわちＣＣＤイメージセンサの構成として示す。
【００７８】
図１４の固体撮像装置７１は、前述と同様の構成の導波路２７を有し封止膜４５、平坦化膜４６を介して通常のカラーフィルタ６５を形成し、さらにこの上にオンチップマイクロレンズ６６を形成して構成される。導波路２７の下側の構成は、図７と同様であるので、図７と対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００７９】
図１５の固体撮像装置７２は、導波路２７の中空層２８の第１の層２９とは反対側、本例では支持体４３の表面に、中空層２８に平行に沿って反射膜６７を形成して構成される。反射層６７としては、例えばアルミニウム、銀、金、銅などの金属反射膜を用いることができる。その他の構成は、図１４と同様であるので、図１４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００８０】
この固体撮像装置７２によれば、導波路２７の中空層２８に接する支持体４３の表面に反射層６７が形成されるので、仮に全反射せずに一部導波路２７から漏れた光も反射層６７で反射されて受光領域２０に入射される。従って、いわゆる全反射光のロス分を反射層６７で補うことができるので、より高感度化を図ることができる。
【００８１】
図１６の固体撮像装置７３は、遮光膜３７上に対応した位置の支持体４３が、壁面が略垂直面とした断面四角形状に形成される。導波路２７は、この支持体４３の略垂直面の壁面に沿った中空層２８と第１の層２９とにより構成される。なお、図示しないがこの支持体４３の表面に図１５で示した反射層６７を形成することもできる。その他の構成は、図１４と同様であるので、図１４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００８２】
図１７の固体撮像装置７４は、遮光膜３７と支持体４３を一体に形成した遮光兼支持体６８を形成して構成される。この遮光兼支持体６８は、例えばアルミニウム、銀、金、銅などの反射膜として用いることができる金属膜で形成することが望ましい。その他の構成は、図１４と同様であるので、図１４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この固体撮像装置７４では、遮光層と支持体を一体にした遮光兼支持体６８を形成するので、構成要素を少なくすることができる。
【００８３】
図１８の固体撮像装置７５は、導波路７７をコア部となる第１の層７８とクラッド部となる第２の層７９を有して形成し、さらに第２の層７９の第１の層７８とは反対側の面、すなわち支持体４３の表面に反射層８０を形成して構成される。中央のコア部となる第１の層７８は、屈折率の高い材料、例えばシリコン窒化膜で形成することができる。外側のクラッド部となる第２の層７９は、屈折率の低い材料、例えばシリコン酸化膜、多孔質シリカ、フッ素系樹脂などで形成することができる。多孔質シリカは多孔中に空気が存在するので、シリコン酸化膜などより低屈折率となり、好ましい。すなわち、多孔質シリカを用いて導波路７７を構成した場合には、コア部とクタッド部の屈折率差が大きく取れ、全反射条件を改善することができる。
その他の構成は、反射層、支持体の材料などを含めて、図１５、図１６と同様であるので、図１５、図１６と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この固体撮像装置７５では、全反射型の導波路７７に加えて反射層８０を有した構成であるので、全反射光のロス分が反射層８０により補われ、集光効率を向上し、より高感度化した固体撮像装置を得ることができる。
【００８４】
図１９の固体撮像装置７６は、光電変換部２３上に対応する位置に第１の層２９を形成し、第１の層２９を取り囲むように層間絶縁膜による第２の層８２を形成し、第１及び第２の層２９及び８２間に中空部２８を形成し、この中空部２８と第１の層２９で導波路２７を形成するように構成される。その他の構成は、図１４と同様であるので、図１４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００８５】
本発明の実施の形態においては、図６で示したと同様に、上述の図１５〜図１９に示した導波路２７，７７を第２導波路とし、この第２導波路２７，７７と、第１導波路１８を有するカラーフィルタ８を組み合わせて固体撮像装置を構成することもできる。
【００８６】
図２０に、本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す。本実施の形態の固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサに適用した場合である。本実施の形態に係る固体撮像装置８４は、前述の図７で説明したと同様に、半導体基板２２の撮像領域に、複数の光電変換部２３、例えばフォトダイオードが２次元状に規則的に配列され、各光電変換部列毎にＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ２４が形成される。図示しないが、各垂直転送レジスタ２４の端部にはＣＣＤ構造の水平転送レジスタが形成され、水平転送レジスタの終段のフローティングディフージョン部に出力部が接続される。
【００８７】
半導体基板２２は、オーバーフローバリア領域３１、半導体ウェル領域３２が形成され、光電変換部２３が半導体ウェル領域３２に形成される。垂直転送レジスタ２４は、半導体ウェル領域３２に形成したｎ型の埋め込みチャネル領域３３と、その上のゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に形成した転送電極３５とにより形成される。光電変換部２３と垂直転送レジスタ２４との間には、転送ゲート電極３５が一部延長された電荷読出し部３６が形成される。各光電変換部２３の受光領域を除く全面には、転送ゲート電極３５上を絶縁膜３９を介して覆うように遮光層３７が形成される。
【００８８】
そして、本実施の形態では、前述した各色フィルタ成分８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ相互の境界部を中空部１５として導波路１８を形成したカラーフィルタ８を、平坦化膜８５上に形成して構成される。
【００８９】
第３実施の形態に係る固体撮像装置によれば、前述したと同様に、入射光Ｌは全反射型の導波路機能を有するカラーフィルタ８で各画素の光電変換部２３に導かれるので、ＣＣＤイメージセンサにおいて、集光効率が向上し、感度特性をより向上することができる。また、輝度シーディング特性及び混色特性を改善することができる。さらに、導波路１８を構成する中空部１５をセルファラインで微細幅に形成するので、分光特性に優れた固体撮像装置を構成することができる。また、分光特性に優れるので、カラーフィルタ８の膜厚を薄くすることが可能になり、カラーフィルタと光電変換部１１までの距離が短縮され、集光特性を向上することができる。オンチップマイクロレンズが省略されるので、その分、製造工程数が削減され、コスト低減を図ることができる。
【００９０】
なお、図２０の構成において、さらにカラーフィルタ８上にオンチップマイクロレンズを形成した構成とすることもできる。
【００９１】
上述したように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、微細幅の中空部１５のクラッド部を有して全反射型の導波路機能を持たせたカラーフィルタ８を備えることにより、感度特性、混色特性、輝度シェーディング特性、分光特性の改善を図ることができる。
【００９２】
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、小型デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話に代表されるモバイル用途に適用して好適である。
本発明は、上述した実施の形態の固体撮像装置を組み込んだカメラ（カメラモジュールを含む）を構成することができる。図２１に、本発明に係るカメラの実施の形態を示す。本実施の形態の撮像カメラ１１０は、上述した実施の形態のいずれかの固体撮像装置１１１、光学レンズ系１１２、入出力部１１３、信号処理装置（Digital Signal Processors）１１４、光学レンズ系制御用の中央演算装置（ＣＰＵ）１１５を１つに組み込んで構成されうる。カメラとしては、固体撮像装置１１１、光学系１１２及び入出力部１１３のみで構成することもできる。また、固体撮像装置１１１、光学レンズ系１１２、入出力部１１３及び信号処理装置１１４を備えたカメラを構成することもできる。
【００９３】
本実施の形態に係るカメラによれば、感度を向上することができる。また、撮像面内の入射角の違いに起因する輝度シェーディングと、隣接画素への光学的な混色を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の第１実施の形態を示す要部の構成図である。
【図２】カラーフィルタの例を示す平面図である。
【図３】Ａ〜Ｃ  第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造工程図（その１）である。
【図４】Ｄ〜Ｇ  第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造工程図（その２）である。
【図５】Ｈ〜Ｊ  第１実施の形態に係る固体撮像装置の製造工程図（その３）である。
【図６】本発明に係る固体撮像装置の第２実施の形態を示す要部の構成図である。
【図７】Ａ〜Ｃ  第２実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程図（その１）である。
【図８】Ｄ〜Ｆ  第２実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程図（その２）である。
【図９】Ｇ〜Ｉ  第２実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程図（その３）である。
【図１０】Ｊ〜Ｌ  第２実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程図（その４）である。
【図１１】Ｍ〜Ｎ  第２実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程図（その５）である。
【図１２】全反射・臨界角の説明に供する説明図である。
【図１３】クラッド部に中空部を用いた場合のコア部屈折率と臨界角の関係を示すグラフである。
【図１４】第２実施の形態の第１の導波路に適用する導波路を備えた、固体撮像装置の例を示す構成図である。
【図１５】第２実施の形態の第１の導波路に適用する導波路を備えた、固体撮像装置の他の例を示す構成図である。
【図１６】第２実施の形態の第１の導波路に適用する導波路を備えた、固体撮像装置の他の例を示す構成図である。
【図１７】第２実施の形態の第１の導波路に適用する導波路を備えた、固体撮像装置の他の例を示す構成図である。
【図１８】Ａ，Ｂ  第２実施の形態の第１の導波路に適用する導波路を備えた、固体撮像装置の他の例を示す構成図及びその要部の拡大図である。
【図１９】第２実施の形態の第１の導波路に適用する導波路を備えた、固体撮像装置の他の例を示す構成図である。
【図２０】本発明に係る固体撮像装置の第３実施の形態を示す要部の構成図である。
【図２１】本発明に係るカメラの実施の形態を示す構成図である。
【図２２】従来の裏面照射型のｃｍｏｓイメージセンサの例を示す要部の構成図である。
【符号の説明】
【００９５】
１、・・固体撮像装置、２・・半導体層、３・・撮像領域、４・・画素、５・・層間絶縁膜、６・・配線層、７・・多層配線層、８・・カラーフィルタ、８Ｒ，８Ｇ、８Ｂ・・色フィルタ成分、９・・接着材層、１０・・支持基板、１１・・光電変換部、１３・・転送ゲート電極、１５・・中空部、１８・・導波路、１９・・画素分離領域、２７・・導波路、２８・・中空部、２９・・第１の層
【図１】
0005364989.tif 000003
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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