(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に配された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の上に配された第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に配された第２の屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む第１の反射防止部と、
前記半導体基板に配され、前記複数の光電変換部を電気的に分離する、第３の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部と、前記第２の絶縁膜よりも厚い、前記素子分離部の上に配された前記第２の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含む第２の反射防止部と、を備え、
前記第３の絶縁膜の厚さは、前記素子分離部の上に前記第２の屈折率を有する絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合に比較して、前記素子分離部における反射率が小さくなるように決定されている、
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第３の絶縁膜の上に層間膜が配され、前記素子分離部に隣接して半導体領域が配され、
前記第２の屈折率は、前記層間膜と前記光電変換部あるいは前記半導体領域の屈折率との間の値である
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
半導体基板に配された複数の光電変換部と、
前記光電変換部の上に配された第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に配された第２の屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む第１の反射防止部と、
前記半導体基板に配され、前記複数の光電変換部を電気的に分離する、第３の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部と、前記第２の絶縁膜よりも厚い、前記素子分離部の上に配された前記第２の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含む第２の反射防止部と、を備え、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率及び前記第３の屈折率より大きく、
前記第３の絶縁膜の厚さは、前記素子分離部の上に前記第２の屈折率を有する絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合に比較して、前記素子分離部における反射率が小さくなるように決定されている、
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
前記第３の絶縁膜の上に層間膜が配され、前記素子分離部に隣接して半導体領域が配され、
前記第２の屈折率は、前記層間膜と前記光電変換部あるいは前記半導体領域の屈折率との間の値であることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１の絶縁膜、前記素子分離部の絶縁体及び前記層間膜は、それぞれ、シリコン酸化物で形成され、
前記第２の絶縁膜及び前記第３の絶縁膜は、それぞれ、シリコン窒化物で形成された
ことを特徴とする請求項２又は４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第３の屈折率は、前記第１の屈折率と等しい
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記複数の光電変換部のそれぞれの上方にカラーフィルタが配され、
前記第２の絶縁膜の厚さは、前記カラーフィルタを透過する光の前記複数の光電変換部のそれぞれにおける反射を低減する値であり、
前記第３の絶縁膜の厚さは、前記カラーフィルタを透過する光の前記素子分離部における反射を低減する値である
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。
【請求項９】
半導体基板に配された複数の光電変換部と、前記光電変換部の上に配された第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に配された第２の屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む第１の反射防止部と、前記半導体基板に配され、前記複数の光電変換部を電気的に分離する第３の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部と、前記素子分離部の上に配された前記第２の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含む第２の反射防止部とを有する光電変換装置の設計方法であって、
前記素子分離部の上に前記第２の屈折率を有する絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合の前記素子分離部における反射率を求める第１のステップと、
前記素子分離部における反射率が前記第１のステップで求めた反射率より小さくなるように、前記第３の絶縁膜の厚さを決める第２のステップと、
を備えたことを特徴とする設計方法。
【請求項１０】
光に応じた電荷を発生させる複数の光電変換部を有する光電変換装置の製造方法であって、
前記複数の光電変換部を電気的に分離する第１の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部を形成する第１のステップと、
前記複数の光電変換部の上に第２の屈折率を有する第１の絶縁膜を形成する第２のステップと、
前記第１の絶縁膜の上に第３の屈折率を有する第２の絶縁膜を形成する第３のステップと、
前記素子分離部の上に前記第３の屈折率を有する第３の絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合に比較して、前記素子分離部における反射率が小さくなるように決められた厚さで、前記素子分離部の上に第３の絶縁膜を形成する第４のステップと、
を備えたことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のステップの前に、前記素子分離部に隣接するように半導体領域を形成する第５のステップと、
前記第４のステップの後に、前記第３の絶縁膜の上に層間膜を形成する第６のステップと、
をさらに備え、
前記第２の屈折率は、前記層間膜と前記光電変換部あるいは前記半導体領域の屈折率との間の値である
ことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、撮像システム、設計方法、及び光電変換装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳセンサなどの光電変換装置は、近年、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラを中心とする二次元画像入力装置に、あるいは、ファクシミリ、スキャナーを中心とする一次元画像読み取り装置に採用されている。光電変換装置では、２次元的又は１次元的に配列された複数のフォトダイオードに被写体の像が形成され、複数のフォトダイオードが光に応じた電荷を発生させることにより、画像信号が生成される。このような光電変換装置では、複数のフォトダイオードの感度を向上させることが要求されている。
【０００３】
特許文献１に示された技術では、複数のフォトダイオードのそれぞれの上に反射防止膜を形成している。これにより、複数のフォトダイオードのそれぞれの表面で反射する光の量が減る。すなわち、特許文献１によれば、複数のフォトダイオードのそれぞれが光に応じた電荷を効率的に発生させることができるので、複数のフォトダイオードの感度が向上するとされている。
【特許文献１】特開２０００−１２８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、光電変換装置では、所定のチップ面積において多画素化することが要求されているので、単位画素が占める面積を小さくすることが求められている。あるいは、光電変換装置では、コンパクト化が要求されることがあるので、単位画素が占める面積を小さくすることにより、所定数の画素を形成するためのチップ面積を低減することが求められることがある。
【０００５】
ここで、半導体基板において、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）型の素子分離部を形成すると、複数のフォトダイオードの間隔を小さくできる。これにより、単位画素が占める面積を小さくすることができるので、所定のチップ面積において多画素化することが容易になる。あるいは、フォトダイオードの面積を削減せずに単位画素が占める面積を小さくすることができるので、所定数の画素を形成するためのチップ面積を低減できる。
【０００６】
単位画素が占める面積を小さくすることに伴い、フォトダイオード（光電変換部）の寸法と素子分離部の寸法との縮小が更に求められている。ここで、素子分離部の寸法は、光電変換装置に用いられる電源電圧に制約されるので、フォトダイオードの寸法に比べて縮小するのが困難な傾向にある。そこで、単位画素が占める面積を小さくする際には、フォトダイオードの寸法の縮小率が素子分離部の寸法の縮小率に比べて大きくなる場合がある。これにより、単位画素が占める面積を小さくするにしたがって、フォトダイオードの絶対的な面積が小さくなるだけでなく、単位画素においてフォトダイオードが占める相対的な面積も小さくなる可能性がある。
【０００７】
また、単位画素が占める面積を小さくすることに伴い、フォトダイオードの（絶対的な及び相対的な）面積が小さくなるとともに隣接するフォトダイオードの間隔を小さくすることがある。この場合、フォトダイオードとカラーフィルタとの間に配されるラインの間隔も小さくなる可能性がある。このラインの間隔が小さくなると、ラインの間を通過する光が回折されることによりフォトダイオードへ入射せずに素子分離部へ入射する光の割合が増加する。素子分離部へ入射した光の大部分は、素子分離部の上面で反射したり、素子分離部の上面から内部へ入り側面や底面で反射した後に素子分離部の上面をその上方へ透過したりする。すなわち、フォトダイオードの面積が小さくなることに加えて、フォトダイオードへ入射する光の割合が減少するので、フォトダイオードの感度が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、素子分離部へ入射した光を光電変換して電荷を生成でき、その電荷を信号に利用できる光電変換装置、撮像システム、光電変換装置の設計方法、及び光電変換装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１側面に係る光電変換装置は、半導体基板に配された複数の光電変換部と、前記光電変換部の上に配された第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に配された第２の屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む第１の反射防止部と、前記半導体基板に配され、前記複数の光電変換部を電気的に分離する、第３の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部と、前記第２の絶縁膜よりも厚い、前記素子分離部の上に配された前記第２の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含む第２の反射防止部と、を備え、前記第３の絶縁膜の厚さは、前記素子分離部の上に前記第２の屈折率を有する絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合に比較して、前記素子分離部における反射率が小さくなるように決定されている、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２側面に係る光電変換装置は、半導体基板に配された複数の光電変換部と、前記光電変換部の上に配された第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に配された第２の屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む第２の反射防止部と、前記半導体基板に配され、前記複数の光電変換部を電気的に分離する第３の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部と、前記第２の絶縁膜よりも厚い、前記素子分離部の上に配された前記第２の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含む第２の反射防止部と、を備え、前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率及び前記第３の屈折率より大きく、前記第３の絶縁膜の厚さは、前記素子分離部の上に前記第２の屈折率を有する絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合に比較して、前記素子分離部における反射率が小さくなるように決定されている、ことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３側面に係る撮像システムは、上記の光電変換装置と、前記光電変換装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記光電変換装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４側面に係る設計方法は、半導体基板に配された複数の光電変換部と、前記光電変換部の上に配された第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に配された第２の屈折率を有する第２の絶縁膜とを含む第１の反射防止部と、前記半導体基板に配され、前記複数の光電変換部を電気的に分離する第３の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部と、前記素子分離部の上に配された前記第２の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含む第２の反射防止部とを有する光電変換装置の設計方法であって、前記素子分離部の上に前記第２の屈折率を有する絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合の前記素子分離部における反射率を求める第１のステップと、前記素子分離部における反射率が前記第１のステップで求めた反射率より小さくなるように、前記第３の絶縁膜の厚さを決める第２のステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第５側面に係る光電変換装置の製造方法は、光に応じた電荷を発生させる複数の光電変換部を有する光電変換装置の製造方法であって、前記複数の光電変換部を電気的に分離する第１の屈折率を有する絶縁体を含む素子分離部を形成する第１のステップと、前記光電変換部の上に第２の屈折率を有する第１の絶縁膜を形成する第２のステップと、前記第１の絶縁膜の上に第３の屈折率を有する第２の絶縁膜を形成する第３のステップと、前記素子分離部の上に前記第３の屈折率を有する第３の絶縁膜を前記第２の絶縁膜と同じ厚さで形成した場合に比較して、前記素子分離部における反射率が小さくなるように決められた厚さで、前記素子分離部の上に第３の絶縁膜を形成する第４のステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、素子分離部へ入射した光を光電変換して電荷を生成でき、その電荷を信号に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに使用される光電変換装置及びその製造方法に関する。以下において、ある対象の「反射を低減する」とは、多重反射の条件を整えてその対象における反射率を低減することを意味するものとする。
【００１６】
本発明の実施形態に係る光電変換装置２００の概略構成を、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光電変換装置２００の回路構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る光電変換装置２００の断面構成を示す図である。図３は、複数の画素Ｐの配列を示す平面図である。なお、図２は、図３におけるＡ−Ａ’断面を示している。
【００１７】
光電変換装置２００は、半導体基板ＳＢを有する。半導体基板ＳＢは、光電変換領域２２０と周辺領域２１０とを含む。
【００１８】
周辺領域２１０は、光電変換領域２２０の周辺に位置する。周辺領域２１０には、制御回路などが配される。制御回路は、複数の画素Ｐを制御するための回路や画素Ｐからの信号を出力するための回路を含む。制御回路は、例えば、複数の画素Ｐの行を走査するための垂直走査回路ＶＳＲ、各列の画素Ｐから信号を読み出すための読み出し回路ＲＣ、読み出し回路の列を走査するための水平走査回路ＨＳＲを含む。読み出し回路には、例えば、画素Ｐからの信号を増幅するための回路、出力する出力線やスイッチが含まれる。
【００１９】
光電変換領域２２０には、複数の画素Ｐ、ライン１３１、１３３、層間膜１３０，１３２，１３４、カラーフィルタ２０、第１の反射防止部１０６、第２の反射防止部１２６、半導体領域５、平坦化層２１、及びマイクロレンズ２２が配されている。
【００２０】
複数の画素Ｐは、行方向及び列方向に配列されている（図３参照）。画素Ｐは、リセットトランジスタ２５、光電変換部２７、転送ゲート９、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤとする）７、及び、増幅トランジスタ２９を含む。リセットトランジスタ２５は、ＦＤ７をリセットする。光電変換部２７は、受光領域１０１に配される。光電変換部２７は、光電変換により、入射した光（例えば、入射光ＩＲ１）に応じた電荷を発生させるとともに蓄積する。光電変換部２７は、例えば、フォトダイオードであり、電荷蓄積層１０３と保護領域層１０５とを含む。電荷蓄積層１０３は、光電変換により発生させた電荷を蓄積する。保護領域層１０５は、電荷蓄積層１０３が表面に露出することを防止するように形成されている。
【００２１】
転送ゲート９は、光電変換部２７により蓄積された電荷をＦＤ７へ転送する。ＦＤ７は、電荷を電圧（信号）に変換する。増幅トランジスタ２９は、ＦＤ７から入力された信号を増幅して列信号線ＲＬへ出力する。このようにして、画素Ｐから信号が読み出される。
【００２２】
素子分離部１２７は絶縁体を含み、素子分離部１２７は、素子分離領域１０２に配される。素子分離部１２７は、複数の画素Ｐのそれぞれに含まれる複数の素子（２５，２７，７，９，２９等）同士や、画素と画素とを電気的に分離する。例えば、素子分離部１２７は、複数の光電変換部２７を電気的に分離する。半導体基板の素子分離部１２７にて囲まれた領域を活性領域と称する。素子分離部１２７に隣接した側部及び下部には信号電荷に対してポテンシャルバリアとなるような導電型の半導体領域５が配される。
【００２３】
ライン１３１、１３３は、垂直走査回路ＶＳＲから各画素Ｐへ信号を供給するための配線や、各画素Ｐから出力された信号を伝達するための配線（例えば、列信号線ＲＬ）として機能する。ライン１３１、１３３は、金属で形成されている。なお、図２では、説明を簡略化するため、３層目以降のラインの図示が省略されている。
【００２４】
層間膜１３０，１３２，１３４は、ライン１３１、１３３と他の層とを絶縁するように設けられている。層間膜１３０，１３２，１３４は、それぞれ、絶縁物で形成されており、例えば、シリコン酸化物で形成されている。
【００２５】
カラーフィルタ２０は、複数の光電変換部２７のそれぞれの上方に配されている。カラーフィルタ２０は、所定の波長（後述の表１参照）に分光透過率のピークを有するフィルターである。
【００２６】
なお、層間膜１３４とカラーフィルタ２０との間には、さらに、窒酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、層内レンズ、平坦化層などを設けても良い。
【００２７】
第１の反射防止部１０６は、第１の絶縁膜１０７と第２の絶縁膜１０８とを含む積層構造をしており、複数の光電変換部２７へ入射した光（例えば、入射光ＩＲ１）の光電変換部２７における反射を低減する。第１の絶縁膜１０７は、複数の光電変換部２７の上に形成されており、例えばトランジスタのゲート絶縁膜を兼ねていてもよい。第２の絶縁膜１０８は、第１の絶縁膜１０７の上に形成されている。第１の絶縁膜１０７は第１の屈折率ｎ１を有し、第２の絶縁膜１０８は第２の屈折率ｎ２を有する。第２の屈折率ｎ２は、第１の屈折率ｎ１より大きく、第１の屈折率ｎ１と光電変換部２７の屈折率との間の値である。第２の絶縁膜１０８の厚さを第１の厚さｄ１とする。第１の厚さｄ１は、カラーフィルタ２０を透過する光の反射を、光電変換部２７において低減する値である。
第１の反射防止部１０６は、光電変換部２７における反射率を低減する。具体的には、光電変換部２７における光の反射を、第２の絶縁膜１０８の厚さを適宜設定することにより、低減する。それは、第１の絶縁膜１０７はゲート絶縁膜と兼ねている場合には、電気的に膜厚が設定される場合があるためである。ここで、光電変換部２７における反射率は、層間膜１３０を透過し光電変換部２７に向かって入射する光のうち、最終的に層間膜１３０へ反射する光の割合を示す。第１の反射防止部１０６において、第１の絶縁膜１０７は、例えば、シリコン酸化物で形成され、第２の絶縁膜１０８は、例えば、シリコン窒化物で形成される。
【００２８】
第２の反射防止部１２６は、素子分離部１２７と第３の絶縁膜１２８とを含む積層構造をしている。第２の反射防止部１２６は、素子分離部１２７へ入射する光（例えば、入射光ＩＲ２）の反射を、素子分離部１２７において低減する。これにより、素子分離部１２７の周囲の半導体領域（半導体基板において素子分離部１２７に隣接する領域、例えば、半導体領域５）まで光を入射させることができる。第３の絶縁膜１２８は、素子分離部１２７の上に形成されている。素子分離部１２７は第１の屈折率ｎ１を有する絶縁体を含み、第３の絶縁膜１２８は第２の屈折率ｎ２を有する。第２の屈折率ｎ２は、層間膜と半導体領域５の屈折率との間の値であり、ここでは第１の屈折率ｎ１と半導体領域５の屈折率との間の値である。第３の絶縁膜１２８の厚さは、第２の厚さｄ２である。第２の厚さｄ２は、第１の厚さｄ１より大きい。第２の厚さｄ２は、カラーフィルタ２０を透過する光の反射を、素子分離部１２７において低減する値である。ここでは、素子分離部１２７の絶縁体の屈折率を第１の屈折率ｎ１としたが、第１の屈折率ｎ１とは異なる第３の屈折率ｎ３を有していても良い。素子分離部１２７の形成時に適宜設定可能であるため、第１の屈折率ｎ１と異なる材料で形成することが容易である。
【００２９】
第２の反射防止部１２６は、素子分離部１２７の反射率を低減する。具体的には、素子分離部１２７における光の反射を、第３の絶縁膜１２８の厚さを適宜設定することにより、低減する。それは、素子分離部は電気的に膜厚が設定される場合があるためである。ここで、素子分離部１２７における反射率は、層間膜１３０を透過し素子分離部１２７に向かって入射する光のうち、最終的に層間膜１３０へ反射する光の割合を示す。第２の反射防止部１２６において、素子分離部１２７の絶縁体とは、例えば、シリコン酸化物で形成され、第３の絶縁膜１２８は、例えば、シリコン窒化物で形成される。
【００３０】
半導体領域５は、素子分離部１２７の下に配されている。半導体領域５には、ウエル領域１０４と同じ導電型（Ｐ型又はＮ型）の不純物が、ウエル領域１０４より高い濃度でドーピングされている。半導体領域５は、光電変換部２７に蓄積される電荷が隣接する画素Ｐの光電変換部２７へ漏れこむことを低減する機能を有している。
【００３１】
なお、半導体領域５は、素子分離部１２７の欠陥からのリーク電流を低減する機能を有していても良く、又は、隣接画素への電荷の漏れこみの低減とリーク電流の低減との両方の機能を有していても良い。
【００３２】
また、ウエル領域１０４と同じ導電型（Ｐ型又はＮ型）の不純物が、ウエル領域１０４より高い濃度でドーピングされた領域１１０，１１１がさらに形成されていても良い。これらの領域１１０，１１１は、隣接する光電変換部１２７への電荷の混入を低減することが可能となる。
【００３３】
平坦化層２１は、カラーフィルタ２０の上に形成され、その上面がＣＭＰ法などにより平坦化される。平坦化層２１は、例えば、レジストと同様の樹脂で形成される。
【００３４】
マイクロレンズ２２は、入射した光（例えば、入射光ＩＲ１，ＩＲ２）をライン１３１の間へ導く。ライン１３１の間へ導かれた光は、その一部（例えば、入射光ＩＲ１）が光電変換部２７へ導かれ、他の一部（例えば、入射光ＩＲ２）が回折されて素子分離部１２７へ導かれる。
【００３５】
ここで、単位画素Ｐが占める面積Ａ１（図３参照）を小さくすることに伴い、光電変換部２７の寸法Ｌ２と素子分離部１２７の寸法Ｌ１とがともに縮小する。ここで、素子分離部１２７の寸法Ｌ１は、光電変換装置２００に用いられる電源電圧に制約されるので、光電変換部２７の寸法Ｌ２に比べて縮小するのが困難な傾向にある。すなわち、単位画素Ｐが占める面積Ａ１を小さくする際には、光電変換部２７の寸法Ｌ２の縮小率が素子分離部１２７の寸法Ｌ１の縮小率に比べて大きくなる。これにより、単位画素Ｐが占める面積Ａ１を小さくするにしたがって、光電変換部２７の絶対的な面積Ａ２が小さくなるだけでなく、単位画素Ｐにおいてフォトダイオードが占める相対的な面積（Ａ２／Ａ１）も小さくなる可能性がある。
【００３６】
また、単位画素Ｐが占める面積を小さくすることに伴い、光電変換部２７の（絶対的な及び相対的な）面積が小さくなるとともに隣接する光電変換部２７の間隔ＤＰを小さくすることがある。この場合、光電変換部２７とカラーフィルタ２０との間に配されるライン１３１の間隔ＤＬも小さくなる可能性がある。本発明者がシミュレーションを行った結果によれば、ライン１３１の間隔ＤＬが小さくなるほど、ライン１３１の間を通過する光のうち、回折されることにより光電変換部２７へ入射せずに素子分離部１２７へ入射する光の割合が増加する。素子分離部１２７へ入射した光は、素子分離部１２７の側面１１ｂや底面１１ａで反射した後、素子分離部１２７からその上方へ放射されることが多い。素子分離部１２７において反射された光は配線等に反射しながら離れた画素へ混入してしまう場合もある。
【００３７】
このように、光電変換部２７の面積が小さくなることに加えて、カラーフィルタ２０を通過した光のうち光電変換部２７へ入射する光の割合が減少するので、光電変換部２７の感度が低下する可能性がある。
【００３８】
それに対して、本実施形態では、第１の反射防止部１０６が、複数の光電変換部２７へ入射した光（例えば、入射光ＩＲ１）の反射を、複数の光電変換部２７において低減する。すなわち、ライン１３１の間へ導かれた光のうち回折されて光電変換部２７へ導かれた光は、第１の反射防止部１０６を実質的に透過して、光電変換部２７へ導かれる。また、第２の反射防止部１２６は、素子分離部１２７へ入射した光（例えば、入射光ＩＲ２）の反射を、素子分離部１２７において低減する。すなわち、ライン１３１の間へ導かれた光のうち回折されて素子分離部１２７へ導かれた光は、第２の反射防止部１２６を実質的に透過して、その少なくとも一部が光電変換して電荷に変換される。変換された電荷は、信号に利用される電荷として光電変換部２７へ導かれる。これにより、光電変換部２７は、自身に入射した光（例えば、入射光ＩＲ１）に応じた電荷だけでなく、素子分離部１２７に入射した光（例えば、入射光ＩＲ２）に応じた電荷も取り込むことができる。これにより、単位画素Ｐが占める面積を小さくすることにより、光電変換部２７へ入射せずに素子分離部１２７へ入射する光の割合が増加した場合でも、光電変換部２７の感度の低下を抑制できる。なお、素子分離部１２７に入射した光に応じた電荷が取り込みやすいように半導体領域５を配置することも可能である。
【００３９】
次に、第２の反射防止部１２６について、詳細に説明する。
【００４０】
このような構成の光電変換装置２００に入射した光（例えば、入射光ＩＲ１，ＩＲ２）は、ある確率で受光領域１０１に隣接する素子分離領域１０２に到達する。受光領域１０１は、複数の光電変換部２７が配される領域である。素子分離領域１０２は、素子分離部１２７が配される領域である。この素子分離領域１０２に到達した光ＩＲ２は、素子分離部１２７の上面１２７ａと底面１２７ｂとの間を多重反射し、所定の確率で底面１２７ｂを通過する。すなわち、第２の反射防止部１２６は、素子分離部１２７における反射を低減する。素子分離部１２７の底面１２７ｂを通過した光の少なくとも一部は、光電変換されて光電変換部２７へ導かれる。
【００４１】
例えば、ライン１３１の間隔ＤＬが約１μｍであり、ライン１３１から光電変換部２７の表面２７ａまでの距離が約０．８μｍである構造において、波長５５０ｎｍの光を入射させた場合の１画素領域分の光強度分布を計算により求めた。その結果、入射光の約１０％は受光領域１０１に隣接する素子分離領域１０２に到達することが分かった。すなわち、素子分離領域１０２に到達する光を全て光電変換部２７へ導くことができれば、光電変換部２７の感度を約１０％向上できる。
【００４２】
次に、図２に示す第１の厚さｄ１と第２の厚さｄ２との決め方を説明する。以下では、光電変換部２７及び半導体領域５がシリコンで形成され、層間膜１３０、第１の絶縁膜１０７及び素子分離部１２７がシリコン酸化膜で形成され、第２の絶縁膜１０８及び第３の絶縁膜１２８がシリコン窒化膜で形成される場合を例として説明する。
【００４３】
第２の絶縁膜１０８（シリコン窒化膜）の屈折率２．００は、層間膜１３０（シリコン酸化物）の屈折率１．４６と光電変換部２７（シリコン）の屈折率３．０〜５．９との間の値である（図４参照）。第２の絶縁膜１０８（シリコン窒化膜）の厚さは、第１の厚さｄ１である。第１の厚さｄ１は、カラーフィルタ２０を透過する光の、光電変換部２７における反射を低減する値である。
【００４４】
例えば、第１の絶縁膜１０７の厚さが７．５ｎｍであり、カラーフィルタ２０を透過する光の波長が５５０ｎｍである場合、第２の絶縁膜１０８の厚さ（図２に示す第１の厚さｄ１）は５０ｎｍに決められる（下記の表１参照）。この場合、素子分離部１２７における反射率は９％と求められる。
【００４５】
一方、第３の絶縁膜１２８（シリコン窒化膜）の屈折率２．００は、層間膜１３０（シリコン酸化物）の屈折率１．４６と半導体領域５（シリコン）の屈折率３．０〜５．９との間の値である（図４参照）。第３の絶縁膜１２８（シリコン窒化膜）の厚さは、第２の厚さｄ２である。第２の厚さｄ２は、第１の厚さｄ１より大きい。第２の厚さｄ２は、カラーフィルタ２０を透過する光の反射を、素子分離部１２７において低減する値である。第２の厚さｄ２は、第３の絶縁膜１２８の厚さを第２の絶縁膜１０８と同じ第１の厚さｄ１にした場合に比較して、素子分離部１２７における反射率が小さくなるように、決められる。
【００４６】
例えば、素子分離部１２７の厚さが３００ｎｍであり、カラーフィルタ２０を透過する光の波長が５５０ｎｍである場合、仮に第３の絶縁膜１２８の厚さを第１の厚さｄ１すなわち５０ｎｍにする（下記の表１参照）。この場合、素子分離部１２７における反射率は６３％と求められる。次に、素子分離部１２７における多重反射の反射率が６３％より小さくなるように、第３の絶縁膜１２８の厚さ（図２に示す第２の厚さｄ２）を１３０ｎｍにする（下記の表１参照）。これにより、素子分離部１２７における反射率は１５％と求められる。
【００４７】
同様にして、素子分離部１２７の厚さ３００ｎｍ，１００ｎｍであり、カラーフィルタ２０を透過する光の波長が５００ｎｍ，５５０ｎｍ，６００ｎｍである場合について、素子分離部１２７における反射率を求めた。その結果を、第２の絶縁膜１０８の厚さと第３の絶縁膜１２８の厚さとが同じ場合と異なる場合とに比較してまとめたものを表１に示す。
【００４８】
＜表１＞
┌───────┬──────────────┬──────────────┐
｜素子分離部    ｜                            ｜                            ｜
｜の厚さ［ｎｍ］｜           ３００           ｜           １００           ｜
├───────┼──────-┬──────-┼──────-┬──────-┤
｜第２の絶縁膜  ｜             ｜             ｜             ｜             ｜
｜の厚さ［ｎｍ］｜      ５０   ｜      ５０   ｜      ５０   ｜      ５０   ｜
├───────┼──────-┼──────-┼──────-┼──────-┤
｜第３の絶縁膜  ｜             ｜             ｜             ｜             ｜
｜の厚さ［ｎｍ］｜      ５０   ｜    １３０   ｜      ５０   ｜    １４０   ｜
├───────┼─-┬─-┬─-┼─-┬─-┬─-┼─-┬─-┬─-┼─-┬─-┬─-┤
｜光の波長      ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜
｜［ｎｍ］      ｜500｜550｜600｜500｜550｜600｜500｜550｜600｜500｜550｜600｜
├───────┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┼─-┤
｜素子分離部    ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜   ｜
｜の反射率［％］｜ 53｜ 63｜ 50｜ 34｜ 15｜ 28｜ 65｜ 61｜ 53｜ 33｜ 15｜ 18｜
└───────┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┴─-┘
表１に示されるように、第３の絶縁膜１２８の厚さ（図２に示す第２の厚さｄ２）を第２の絶縁膜１０８の厚さ（図２に示す第１の厚さｄ１）より大きくすることにより、素子分離部１２７における反射率が低減する。
【００４９】
なお、第２の厚さｄ２は、第３の絶縁膜１２８の厚さを第２の絶縁膜１０８と同じ第１の厚さｄ１にした場合に比較して、素子分離部１２７における反射率が小さくなる値であれば、第１の厚さｄ１より小さくても良い。
【００５０】
また、素子分離部１２７は、その厚さが３００ｎｍである場合、例えば、ＳＴＩ型の素子分離構造をしていても良いし、ＬＯＣＯＳ（ＬｏＣａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）型の素子分離構造をしていても良い。素子分離部１２７は、その厚さが１００ｎｍである場合、例えば、台形状のメサ分離型の素子分離構造をしていても良いし、トレンチ部に絶縁膜を積層した素子分離構造をしていても良い。
【００５１】
また、図５に示すように、図３のＡ−Ａ’断面と交差する方向に切ったＢ−Ｂ’断面における構造は、Ａ−Ａ’断面における構造（図２参照）と同様である。すなわち、上記の実施形態は、Ｂ−Ｂ’断面においても同様に適用できる。ここで、第１の反射防止部１０６に含まれる第２の絶縁膜１０８と、第２の反射防止部１２６に含まれる第３の絶縁膜１２８とは、光電変換領域２２０に全面的に成膜されることにより同時に形成されてもよく、連続した膜になっていても良い。ただし、成膜後に、第２の絶縁膜１０８と第３の絶縁膜１２８との厚さを異ならせるために、いずれか一方が選択的にエッチングされたり追加的に成膜される工程が行われる。その連続した膜は、図５に示すように、ＦＤ７の上の部分が除去されていてもよい。ＦＤ７にコンタクトを配する場合に、形成が容易となる。また、第２の絶縁膜１０８と第３の絶縁膜１２８とは、同じ屈折率（第２の屈折率ｎ２）を有していれば、同じ物質（例えば、シリコン窒化物）で形成されていても良く、異なる物質で形成されていても良い。
【００５２】
また、回折の影響を考慮して、第３の絶縁膜１２８の寸法Ｌ１（図３参照）が設計されても良い。例えば、ライン１３１の間隔ＤＬが約１μｍであり、ライン１３１から光電変換部２７の表面２７ａまでの距離が５００ｎｍ以下である構造において、回折された光が入射する位置は光電変換部２７の表面２７ａの端部から５００ｎｍ以下とみなせる。
【００５３】
例えば、一辺が１.６μｍの略正方形の光電変換部２７の四方に、５００ｎｍの寸法Ｌ１の第３の絶縁膜１２８を配する場合を考える。この場合、上記シリコン窒化膜の一辺は２.６μｍの正方形となる。その理由は、０.５μｍ×２（両側）＋１.６μｍ＝２.６μｍとなるためである。従って、素子分離部１２７の厚さが３００ｎｍの場合、１つの光電変換部２７当り、２.６μｍ角で厚さが１３０ｎｍになるように第３の絶縁膜１２８を形成するエッチング処理を行う。また、光電変換部２７の上になる部分を１.６μｍ角で厚さが５０ｎｍになるように第３の絶縁膜１２８をエッチングするエッチング処理を行う。このエッチング処理はフォトリソグラフィー技術を使って行うので、全ての光電変換部２７で同様のエッチング処理が行われるように、フォトマスクを予め設計すればよい。
【００５４】
また、周辺領域２１０（図１参照）には、複数の光電変換部２７が配されないので、第３の絶縁膜１２８が形成されていなくても良い。
【００５５】
また、第３の絶縁膜１２８の代わりに、成膜条件や密度が調整されることにより屈折率が単結晶シリコンの値５．５から４．０未満に下げられたポリシリコン又はポーラスシリコンが素子分離部１２７の上に形成されても良い。ポリシリコン又はポーラスシリコンの膜は、カラーフィルタ２０を透過した光に対して透過率９５％以上の高い光透過性を実現する必要がある。このため、その膜の厚さは、第３の絶縁膜１２８の厚さを第２の絶縁膜１０８と同じ第１の厚さｄ１にした場合に比較して、素子分離部１２７における反射率が小さくなるように、調整される。例えば、その膜の厚さは、素子分離部１２７における反射率が５０〜６３％未満（表１参照）になるように、調整される。
【００５６】
次に、本発明の実施形態に係る光電変換装置２００の設計方法（製造方法）を、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態に係る光電変換装置２００の設計方法及び製造方法を示すフローチャートである。
【００５７】
図６の設計方法は、第１の絶縁膜が配された複数の光電変換部２７やその他の素子、素子分離部などが設計された光電変換装置において、第２の絶縁膜と第３の絶縁膜とを配置する場合の膜厚の設計について示している。
【００５８】
ステップＳ１では、コンピュータ（図示せず）の入力部（図示せず）に、プロセス設計データが入力される。プロセス設計データは、プロセスＣＡＤ等のプロセス設計用のプログラムに用いられるパターンデータであり、光電変換領域２２０と周辺領域２１０とを有し、複数の光電変換部２７が光電変換領域２２０に配された情報（設計途中の光電変換装置の情報）が含まれる。さらに、入力部は、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜を形成するための第１の指示を受け付ける。入力部は、プロセス設計データと第１の指示とをＣＰＵ（図示せず）へ供給する。ＣＰＵは、入力部を介してプロセス設計データ（パターンデータ）を取得する。ＣＰＵは、第１の指示に基づいて、次のようにプロセス設計データを変更する。複数の光電変換部２７の上に第１の屈折率ｎ１を有する第１の絶縁膜１０７を形成し（第２のステップ）、第１の絶縁膜１０７の上に第２の屈折率ｎ２を有する第２の絶縁膜１０８を第１の厚さｄ１で形成する（第３のステップ）ように、変更する。これにより、ＣＰＵは、第１の反射防止部１０６を光電変換領域２２０に配するように、プロセス設計データを変更する。
【００５９】
ステップＳ２では、入力部が、素子分離部１２７、半導体領域５及び第３の絶縁膜１２８を仮に形成するための第２の指示を受け付ける。入力部は、第２の指示をＣＰＵへ供給する。ＣＰＵは、第２の指示に基づいて、次のようにプロセス設計データを変更する。ＣＰＵは、第１の屈折率ｎ１を有する素子分離部１２７を第３の厚さｄ３で形成し（第１のステップ）、素子分離部１２７の上に第２の屈折率ｎ２を有する第３の絶縁膜１２８を第１の厚さｄ１で形成するように、プロセス設計データを変更する。また、ＣＰＵは、第２の指示に基づいて、素子分離部１２７に隣接して半導体領域５を形成する（第５のステップ）ように、プロセス設計データを変更する。入力部は、ライン１３１及び層間膜１３０を形成するための第３の指示を受け付ける。入力部は、第３の指示をＣＰＵへ供給する。ＣＰＵは、第３の指示に基づいて、第２の絶縁膜１０８及び第３の絶縁膜１２８の上に層間膜１３０を形成し（第６のステップ）、層間膜１３０の上にライン１３１を形成するように、プロセス設計データを変更する。そして、ＣＰＵは、下記の数式１〜数式４を用いて、光電変換部２７における反射率Ｒ１と、素子分離部１２７における反射率Ｒ２とを演算する。
【００６０】
Ｒ１＝（ｒ１−ｒ０ｅｘｐ（−ｉε１））
÷（１−ｒ１ｒ０ｅｘｐ（−ｉε１））・・・数式１
ε１＝４πｎ１ｄ１ｃｏｓθ／λ・・・数式２
Ｒ２＝（ｒ３−ｒ２ｅｘｐ（−ｉε２））
÷（１−ｒ３ｒ２ｅｘｐ（−ｉε２））・・・数式３
ε２＝４πｎ１ｄ１ｃｏｓθ／λ・・・数式４
数式１において、ｒ１、ｒ０は、それぞれ、第１の絶縁膜１０７の上面１０７ａと底面１０７ｂとにおける反射率である。数式２において、θは光の入射角であり、λは光の波長である。数式３において、ｒ３、ｒ２は、それぞれ、素子分離部１２７の上面１２７ａと底面１２７ｂとにおける反射率である。数式４において、θは光の入射角であり、λは光の波長である。
【００６１】
ステップＳ３では、ＣＰＵが、素子分離部１２７における反射率がＲ２より小さくなるように、第３の絶縁膜１２８の厚さを変更する。ＣＰＵは、例えば、第３の絶縁膜１２８の厚さを第２の厚さｄ２に変更する。
【００６２】
ステップＳ４では、ＣＰＵが、変更後の厚さｄ２の第３の絶縁膜１２８について、素子分離部１２７における反射率を演算する。すなわち、ＣＰＵは、数式３、数式４において、ｄ１をｄ２に置き換えて、反射率Ｒ２１を演算する。そして、ＣＰＵは、新たに演算した反射率Ｒ２１が、ステップＳ２で求めた反射率Ｒ２より小さいか否かを判断する。ＣＰＵは、反射率Ｒ２１が反射率Ｒ２より小さいと判断する場合、処理をステップＳ５へ進め、反射率Ｒ２１が反射率Ｒ２より小さくないと判断する場合、処理をステップＳ３へ進める。
【００６３】
なお、ＣＰＵは、反射率Ｒ２１及び反射率Ｒ２を画面に表示するとともに、反射率Ｒ２１が反射率Ｒ２より小さいか否かを示す情報を、画面を閲覧する利用者（設計者）から入力部を介して受け付けても良い。この場合、反射率Ｒ２１が反射率Ｒ２より小さいか否かを直接的に判断するのは利用者であるが、ＣＰＵは、反射率Ｒ２１が反射率Ｒ２より小さいか否かを示す情報に基づいて、反射率Ｒ２１が反射率Ｒ２より小さいか否かを判断することができる。
【００６４】
ＣＰＵは、ステップＳ３及びステップＳ４のループを繰り返すことにより、第２の厚さｄ２を決める。これにより、第２の厚さｄ２は、第３の絶縁膜１２８の厚さを第２の絶縁膜１０８と同じ第１の厚さｄ１にした場合に比較して、素子分離部１２７における反射率が小さくなる値に決められる。
【００６５】
ステップＳ５では、ＣＰＵが、素子分離部１２７の上に第２の厚さｄ２で第３の絶縁膜１２８を形成する（第４のステップ）ように、プロセス設計データを変更する。
【００６６】
なお、上記の数式１〜数式４は、「１９５９年  岩波書店発行  久保田広著  「応用光学」Ｐ９５〜９７」に記載された
Ｒｘ＝（ｒｘ−Ｒ［ｘ−１］ｅｘｐ（−ｉεｘ））／（１−ｒｘＲ［ｘ−１］ｅｘｐ（−ｉεｘ））
εｘ＝４πｎｘｄｘｃｏｓθ／λ
を参考に作成している。ここで、ｒｘ：ｘ層上面の反射率、ｎｘ：ｘ層の屈折率、ｄｘ：ｘ層の厚さ、θ：光の入射角、λ：光の波長、Ｒ［ｘ−１］：ｘ層下までの複素数形の反射率である。
【００６７】
また、数式１〜数式４で求められる反射率Ｒ１、Ｒ２の計算値は、表１のように離散的に示すこともできるし、図７のように連続的に示すこともできる。図７は、シリコン窒化膜の厚さとその透過率との関係を示す図である。図７の横軸はシリコン窒化膜の厚さ、縦軸は透過率（＝１００％―反射率）である。
【００６８】
図７において、太い曲線で示されるのは素子分離部の厚さが比較的薄い場合であり、破線の曲線で示されるのは素子分離部の厚さが比較的厚い場合である。図から明らかな通り、厚さに応じて透過率、即ち反射率は周期的な振る舞いを示す。図７において透過率が大きいものの中から実現しやすい値を選択するが、一般的には第一の配線層までの距離を考慮して１０ｎｍ〜２００ｎｍの値とする。今回表１で選択したのは、概念的には図７のＡ、Ｂに相当する最小厚さのものである。
【００６９】
次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像システムの一例を図８に示す。
【００７０】
撮像システム９０は、図８に示すように、主として、光学系、撮像装置８６及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、撮影レンズ９２及び絞り９３を備える。撮像装置８６は、光電変換装置２００を含む。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。
【００７１】
シャッター９１は、光路上において撮影レンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。
【００７２】
撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置８６の光電変換装置２００の光電変換領域に被写体の像を形成する。
【００７３】
絞り９３は、光路上において撮影レンズ９２と光電変換装置２００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に光電変換装置２００へ導かれる光の量を調節する。
【００７４】
撮像装置８６の光電変換装置２００は、光電変換領域２２０の撮像面（画素配列）に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置８６の光電変換装置２００は、その画像信号を光電変換領域２２０から読み出して出力する。
【００７５】
撮像信号処理回路９５は、撮像装置８６に接続されており、撮像装置８６から出力された画像信号を処理する。
【００７６】
Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。
【００７７】
画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。
【００７８】
メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。
【００７９】
外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。
【００８０】
タイミング発生部９８は、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置８６、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。
【００８１】
全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。
【００８２】
記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。
【００８３】
以上の構成により、光電変換装置２００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施形態に係る光電変換装置の回路構成を示す図。
【図２】本発明の実施形態に係る光電変換装置の断面構成を示す図。
【図３】複数の画素の配列を示す平面図。
【図４】各部の屈折率を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係る光電変換装置の断面構成を示す図。
【図６】本発明の実施形態に係る光電変換装置の設計方法（製造方法）を示すフローチャート。
【図７】シリコン窒化膜の厚さとその透過率との関係を示す図。
【図８】本発明の実施形態に係る光電変換装置を適用した撮像システムの構成図。
【符号の説明】
【００８５】
１０６  第１の反射防止部
１２６  第２の反射防止部
２００  光電変換装置
【図１】
0005314914.tif 000002
【図２】
0005314914.tif 000003
【図３】
0005314914.tif 000004
【図４】
0005314914.tif 000005
【図５】
0005314914.tif 000006
【図６】
0005314914.tif 000007
【図７】
0005314914.tif 000008
【図８】
0005314914.tif 000009