(57)【要約】【課題】  受光部面にて反射した光による光の干渉を低減し、色ムラを抑制した撮像装置を提供する。【解決手段】  本発明の撮像装置は、半導体基板に配された複数の光電変換素子と、前記半導体基板上に配された複数の層間絶縁膜を有する多層配線構造と、前記多層配線構造上に配された保護層とを有している。  そして、その保護層の下面に第１の絶縁層が配され、上面に第２の絶縁層が配され、この保護層と第１の絶縁層との屈折率および保護層と第２の絶縁層との屈折率が、夫々異なる。また、層間絶縁膜および第１の絶縁層の少なくとも一層に平坦化工程が施されている。更に、保護層と第１の絶縁層との間に第１の反射防止膜、保護層と第２の絶縁層との間に第２の反射防止膜が配される。  このような構成によって、受光部上にて反射した光が保護層の上下界面で反射することの低減が可能となり、反射光の干渉が減少するため、色ムラが低減される。【選択図】  図１
2007242697.tif 000002
【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素子と、
前記半導体基板上に配された複数の層間絶縁膜を有する多層配線構造と、
前記多層配線構造上に配された保護層と、
前記保護層の下面に配される第１の絶縁層と、
前記保護層の上面に配される第２の絶縁層と、を有する撮像装置において、
前記保護層と前記第１の絶縁層の屈折率が異なり、且つ前記保護層と前記第２の絶縁層の屈折率が異なり、
前記層間絶縁膜および前記第１の絶縁層の少なくとも一層に平坦化工程が施されており、
前記保護層と前記第１の絶縁層との間に第１の反射防止膜が配され、
前記保護層と前記第２の絶縁層との間に第２の反射防止膜が配されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁層は、前記多層配線構造の一部を構成することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１の反射防止膜と前記第２の反射防止膜との屈折率が等しく、
前記第１の反射防止膜と前記第２の反射防止膜との膜厚が等しいことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の反射防止膜および前記第２の反射防止膜のうち、少なくとも１つが複数の膜からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記保護層が前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層よりも高い屈折率を有し、
前記第１の反射防止膜の膜厚をｄ１、屈折率をｎ１，前記第２の反射防止膜の膜厚をｄ２、屈折率をｎ２とし、
少なくとも三つの輝線を有する三波長蛍光灯に含まれる緑の輝線と赤の輝線との平均波長をλ１とすると、下記範囲に含まれる前記第１の反射防止膜および前記第２の反射防止膜の膜厚と屈折率とを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
λ１／４≦２ｎ１ｄ１≦３λ１／４
λ１／４≦２ｎ２ｄ２≦３λ１／４
【請求項６】
前記光電変換素子の受光部上から前記第１の絶縁層の上面までの厚さのばらつきが、入射光の波長の６分の１以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記平坦化工程は、ＣＭＰによることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
半導体基板に配された光電変換素子と、
前記半導体基板上に配された層間絶縁膜を有する多層配線構造と、
前記多層配線構造上に配された窒化シリコン膜と、
前記窒化シリコン膜の下面に配される第１の絶縁層と、
前記窒化シリコン膜の上面に配される第２の絶縁層と、を有し、
前記窒化シリコン膜と前記第１の絶縁層および前記窒化シリコン膜と前記第２の絶縁層とは屈折率が異なり、
前記層間絶縁膜および前記第１の絶縁層の少なくとも一層はＣＭＰ処理を施された表面を有し、
前記窒化シリコン膜の下面と前記第１の絶縁層との間および前記窒化シリコン膜と前記第２の絶縁層との間に酸窒化シリコン膜を有していることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
前記第１の酸窒化シリコン膜と前記第２の酸窒化シリコン膜の膜厚が等しいことを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
該撮像装置へ光を結像する光学系と、
該撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路と、を有することを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置、および撮像システムに関するものであり、デジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子を含む画素を１次元あるいは２次元に配列した撮像装置は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、複写機、ファクシミリなどに数多く搭載されている。撮像装置としては、ＣＣＤイメージセンサや増幅型撮像装置であるＣＭＯＳイメージセンサが用いられている。近年、撮像装置には多画素化あるいは小チップ化が求められており、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）に代表される微細な配線ルールなどの半導体技術の導入が進められている。その導入されている半導体技術には、例えば、次のような技術がある。ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、配線層は少なくとも２層以上用いられる。この複数の配線層を微細に配置するために、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などに代表される平坦化技術が用いられる。例えば特許文献１には、ＣＭＯＳイメージセンサの層間絶縁膜の平坦化工程としてＣＭＰ法を用いた例が開示されている。そして表面が平坦化した層間絶縁膜上に遮光膜を設け、更にこの遮光膜を覆ってパッシベーション膜が配された構成が開示されている。
【０００３】
また、撮像装置においては、このような微細化のための半導体技術だけでなく光学技術も深く関わっており、様様な配慮が求められる。
【０００４】
例えば、特許文献２には、受光センサ部上に層内レンズを設ける技術が開示されている。そして層内レンズの上下に反射防止膜を配置する。その反射防止膜によって、ＣＣＤイメージセンサの感度を向上させている。
【特許文献１】特開２００１−２８４５６６号公報
【特許文献２】特開平１１−１０３０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示した複数の配線層を有するＣＭＯＳイメージセンサにおいて、表面をＣＭＰ法などにより平坦化した層間絶縁膜上に屈折率の高いＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）を設ける場合には、以下のような問題が生じる場合がある。
【０００６】
それは、均一な白い輝度面を撮影した際に、撮影された画像が場所によって少し緑や赤みがかる色ムラの発生である。発明者は、これが主に、光電変換素子の受光部とその受光部上の絶縁膜との界面で反射した光が、ＳｉＮ膜と層間絶縁膜の界面にて再び反射し、受光部への入射光が干渉することによって生じることを見出した。そして、その干渉が層間絶縁膜の膜厚に依存することを見出した。これは、特許文献２のように層間絶縁膜が平坦化されておらず、平坦化による画素部内での巨視的な膜厚分布が生じない場合には生じない。なぜなら、特許文献２では層間絶縁膜の凹部に層内レンズを配した構成となっており、１画素内で層間絶縁膜に膜厚分布を有する構成となっているためである。
【０００７】
したがって、上述した干渉による色ムラは、平坦化された層間絶縁膜上に屈折率の異なる膜を配した際に顕著となる。つまり、屈折率の異なる膜を有する撮像装置において、受光部と層間絶縁膜上に配された屈折率の異なる膜との間の距離が、撮像領域内にてばらつく場合に顕著となる。以下にこの現象について説明する。
【０００８】
まず入射光の干渉について説明する。図７に特許文献１で示したＣＭＯＳイメージセンサの概略的な断面図を示す。７０１がシリコン半導体基板（以降、基板と称する）、７０２が受光部であるフォトダイオード、７０３、７０５、７０７が層間絶縁膜、７０４、７０６、７０８が配線層である。最上配線層である７０８上には、保護層としてＰ−ＳｉＮ膜（プラズマＣＶＤ法で形成したシリコン窒化膜）７０９が堆積されている。さらに、カラーフィルタ７１０、マイクロレンズ７１１が配されている。
【０００９】
ここで各層の屈折率の一例を以下に示す。シリコン半導体基板７０１の屈折率は３．５０〜５．２０、ＳｉＯを用いた層間絶縁膜７０３、７０５、７０７の屈折率は１．４０〜１．５０である。また、Ｐ−ＳｉＮ膜７０９の屈折率は２．００、カラーフィルタ７１０の屈折率が１．５８、マイクロレンズ７１１の屈折率が１．５８である。
【００１０】
この場合、基板７０１と層間絶縁膜７０３との界面、層間絶縁膜７０７とＰ−ＳｉＮ膜７０９との界面、Ｐ−ＳｉＮ膜７０９とカラーフィルタ７１０との界面での屈折率の差が大きいため、反射が大きくなる。図７に、受光部表面での反射光と保護層での反射光をｒｅｆ１、ｒｅｆ２にて示す。ここで、ｒｅｆ２は簡単のため１つの反射光を示しているが、Ｐ−ＳｉＮ膜７０９と層間絶縁層７０７との界面およびＰ−ＳｉＮ膜７０９とカラーフィルタ７１０との界面での反射光を示している。このような反射光が干渉し、受光部７０２への入射光量が波長依存性を有してしまう。
【００１１】
このような構成において少なくとも一層の層間絶縁膜に対して平坦化を行った場合に、その層間絶縁膜は微視的（数μｍ〜数十μｍ）な範囲では平坦である。しかし、巨視的（数ｍｍ〜）な範囲ではその膜厚にばらつき（膜厚分布）が生じてしまう。例えば、ＣＭＰ法で研磨した層間絶縁膜の膜厚は、ＭＯＳトランジスタといった素子や配線の配置密度の影響を受ける。撮像装置は配置密度の高い周辺回路部と、配置密度が低い画素が配列している画素部（撮像領域とも呼ぶ）を有するため、周辺回路部と画素部とでＣＭＰ法の研磨速度が異なる。そのため、撮像装置の層間絶縁膜の膜厚は、周辺回路部では厚くなり、画素部では薄くなる。従って、その境界では膜厚が徐々に変化する為、画素部内において膜厚の分布が生じてしまう。また、配線密度にあまり差がなかった場合においても、この画素部内における層間絶縁膜の膜厚分布が生じる場合もある。さらに他の平坦化技術であるエッチバック法を用いた場合においても、装置内の面内依存性が大きい為、撮像装置における層間絶縁膜に膜厚分布が発生する。
【００１２】
そしてこの膜厚分布は、少なくとも一層が平坦化された場合には、その後に形成される層間絶縁膜にも踏襲される。
【００１３】
このように巨視的にみて撮像領域内において膜厚分布を有している場合、上述した干渉の度合いが撮像領域内の場所によって異なるため、結果として撮像装置の色ムラとなってしまう。つまり、色ムラという問題は、撮像領域内において巨視的にみて層間絶縁膜の総膜厚の分布が生じている場合に、層間絶縁膜と異なる屈折率の膜を保護膜として用いた際に顕著といえる。
【００１４】
これに対して、上記特許文献においては、周囲の膜と屈折率の異なる保護膜を用いた場合に、受光部表面での反射光が保護膜界面で再び反射し、入射光が干渉して生じる色ムラという技術課題に関しては見出されていない。特許文献１には、配線上に配された保護層であるＳｉＮ膜の段差によって、入射光が予期せぬ方向に屈折されるという課題の開示があり、この課題に対して、ＳｉＮ膜の平坦化を行う開示がある。しかし、受光部における反射光が、高い屈折率を有する保護層と層間絶縁膜との界面で反射し、再び受光部へ入射する。その際の、受光部への入射光が干渉を生じ、層間絶縁膜の膜厚分布により、その干渉の度合いが異なるという課題に関しては認識されていない。このような構成では上述のような色ムラが生じ、画質が低下してしまう。
【００１５】
そして、本発明はその課題に鑑み、層間絶縁膜が巨視的な膜厚分布を有する構成において、層間絶縁膜と屈折率の異なる層を配した場合の、光の干渉による色ムラを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、本発明の撮像装置は、半導体基板に配された複数の光電変換素子と、前記半導体基板上に配された複数の層間絶縁膜を有する多層配線構造と、前記多層配線構造上に配された保護層と、前記保護層の下面に配される第１の絶縁層と、前記保護層の上面に配される第２の絶縁層と、を有する撮像装置において、前記保護層と前記第１の絶縁層の屈折率が異なり、且つ前記保護層と前記第２の絶縁層の屈折率が異なり、前記層間絶縁膜および前記第１の絶縁層の少なくとも一層に平坦化工程が施されており、前記保護層と前記第１の絶縁層との間に第１の反射防止膜が配され、前記保護層と前記第２の絶縁層との間に第２の反射防止膜が配されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によって、保護層を有し、平坦化工程を施した撮像装置において、その受光部上で反射する光が保護層と絶縁膜の界面にて再度反射をすることを低減することが可能となる。よって、その反射光によって生じる受光部へ入射する光の強め合いを低減させることが可能となるため、色ムラを低減させ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】
本発明の撮像装置は、半導体基板に配された複数の光電変換素子と、前記半導体基板上に配された複数の層間絶縁膜を有する多層配線構造と、前記多層配線構造上に配された保護層が配されている。
【００１９】
その保護層の下面に第１の絶縁層が配され、上面に第２の絶縁層が配され、この保護層と第１の絶縁層の屈折率が異なり、かつ保護層と第２の絶縁層の屈折率が異なっている。さらに、層間絶縁膜および第１の絶縁層の少なくとも一層に平坦化工程が施されている。そして、保護層と第１の絶縁層との間に第１の反射防止膜が配され、保護層と第２の絶縁層との間に第２の反射防止膜が配されている。
【００２０】
この構成によって、受光部上にて反射した光の保護層の上下界面での反射を低減させることが可能となる。そして、反射光の干渉が減少し、色ムラが低減される。
【００２１】
また、各反射防止膜において、屈折率条件による透過率の向上だけでなく、その膜厚をその反射防止膜の上下界面における反射光が弱め合う厚みにすることで、より反射光の光量を低減することが可能となる。結果として、図７に模式的に示したｒｅｆ２の光量が低減される。
【００２２】
ここで、色ムラについて述べる。一般の半導体デバイスに対してＣＭＰにおいて平坦化を行った場合には、ＣＭＰにより巨視的な膜厚分布が、デバイスの特性に大きな影響を与えることは少ない。しかし、上述したように撮像装置においては撮像領域内での巨視的な膜厚分布により色ムラが発生する。
【００２３】
更に、図７を用いて層間絶縁膜の膜厚と色ムラとの関係について説明する。図７に示すような受光部上から層間絶縁層最上部までの層間絶縁膜の総膜厚をＬ、屈折率をｎ、波長をλとすると、それらの反射における関係は、次のようになる。
２ｎＬ＝（λ／２）×（２ｍ）  （式１）
を満たす光は強め合い、
２ｎＬ＝（λ／２）×（２ｍ＋１）  （式２）
を満たす光は弱め合う（ｍは整数）。この式に基づいた反射光と層間絶縁膜の総膜厚Ｌとの関係の一例を示す。層間絶縁膜の屈折率ｎ＝１．４６、および総膜厚Ｌ＝３０００ｎｍの場合には、λ＝５４８ｎｍ（ｍ＝１６）の波長が強め合う。それに対し総膜厚Ｌ＝３１００ｎｍに変化した場合には、λ＝５６６ｎｍ（ｍ＝１６）の波長が強めあう関係となる。
【００２４】
可視光（４００〜７００ｎｍ）における強め合う波長について表１にまとめた。これから、層間絶縁膜の総膜厚Ｌにより強め合う波長が異なることが判る。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
ここでは、ＲＧＢの三原色を有するカラーフィルタ（ＣＦ）を用いた構成について説明する。ＣＦのＢ（波長：４００〜５００ｎｍ）に対応する画素、Ｇ（波長：５００〜６００ｎｍ）に対応する画素、Ｒ（波長：６００〜７００ｎｍ）に対応する画素が配されている。同色のＣＦを有する複数の画素に同一の光が入射した場合を考えてみると、それらの層間絶縁膜の総膜厚が異なることによって、各色に対応した波長域の中で、どの波長が強め合うかが異なることがわかる。
【００２７】
また例えば、ＲとＧの境界にあたる５５０〜６５０ｎｍに注目してみると、Ｌ＝３０００ｎｍの膜厚では、ＧのＣＦを有する画素の出力が大きくなり、Ｌ＝３１００ｎｍの膜厚では、ＲのＣＦを有する画素の出力が大きくなる。
【００２８】
したがって、層間絶縁膜の総膜厚によってＲ、Ｇ、Ｂの出力比が異なる。これを図８に示す。図８は、保護層の下面に屈折率１．６０の反射防止膜を設けた撮像装置における層間絶縁膜の総膜厚に対して、ＣＦを有する撮像装置から出力される信号のＲとＧの出力比（Ｒ／Ｇ比）をシミュレーションにて求めたものである。Ｒの出力が大きい場合とＧの出力が大きい場合とが、膜厚にともなって変化することが分かる。
【００２９】
従って、画素部内の層間絶縁膜の総膜厚Ｌに分布のある撮像装置に、一様な白色光が入射したとき、撮像装置に色ムラが生じることとなる。更に、輝線を有する光源下の環境においては特定の波長のみ強いピークを持つ為、この傾向が顕著となる。輝線を有する光源とは、例えば、家庭用の照明として主流となっている３波長蛍光灯である。３波長蛍光灯は、人間の目が色をよく感じる青・緑・赤の３波長に輝線を有するため、演色性が高い照明である。このような環境下において本発明の撮像装置を用いた場合には特に効果が大きい。
【００３０】
次に、層間絶縁膜の総膜厚Ｌの絶対値と色ムラの影響に関して説明する。Ｌ＝３５００ｎｍとＬ＝１０００ｎｍの場合の比較をする。先ほどと同様に、可視光の範囲で、層間絶縁膜の屈折率ｎ＝１．４６とすると、Ｌ＝３５００ｎｍの場合の強め合う波長は、ｋが１５≦ｋ≦２５の１１の波長である。つまり、波長と光の強度をプロットすると、ピークが１１個現れる。しかし、Ｌ＝１０００ｎｍの場合の強め合う波長は、ｋが５≦ｋ≦７の３つの波長である。よって、Ｌ＝１０００ｎｍの場合の方が、強め合う波長の間隔が広く、絶縁層を３５００から１０００ｎｍに薄膜化すると、分光特性が平滑化されるため、色ムラは約１／３程度に低減することがわかる。
【００３１】
したがって、層間絶縁膜の総膜厚が３〜５μｍと厚く、ＣＭＰを代表とする平坦化工程による巨視的な膜厚分布が生じている場合には、色ムラが生じやすく本発明の効果が特に大きい。つまり、多層配線構造を有するＣＭＯＳイメージセンサにおいて生じやすい。
【００３２】
ここで、保護膜に関しては、一般的に、保護膜としての機能に加え、水素シンタリング効果によるシリコン基板のダングリングボンドの終端化に効果の高いｐ−ＳｉＮ膜にて形成されるのが好ましい。また、層間絶縁膜とは、多層配線構造で配線層間を絶縁および分離する膜である。また、反射防止膜とは、反射光の量を低減させる膜のことであり、完全に反射を抑制する膜でなくてもよい。
【００３３】
材料基板である半導体基板を「基板」と表現するが、以下のような材料基板が処理された場合も含む。例えば、１又は複数の半導体領域等が形成された状態の部材、又は、一連の製造工程を途中にある部材、又は、一連の製造工程を経た部材を基板と呼ぶこともできる。更に、「半導体基板上」とは、光電変換素子が形成された半導体基板の主表面上を表し、「積層方向」および「上方向」とは、半導体基板の主表面から入射光へ向かう方向を示す。「下方向」とはその逆であり、半導体基板の主表面から半導体基板内部への方向である。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００３５】
（画素の回路構成）
まず、撮像装置の画素について説明する。図６に撮像装置の一種であるＣＭＯＳ型イメージセンサにおける画素の回路構成の一例を示す。１つの画素は、６１０にて示される。
【００３６】
画素６１０は、光電変換素子であるフォトダイオード６００、転送トランジスタ６０１、リセットトランジスタ６０２、増幅トランジス６０３、選択トランジスタ６０４を含み構成される。ここで、電源線はＶｃｃ、出力線は６０５にて示している。
【００３７】
フォトダイオード６００は、そのアノードが接地線に接続され、そのカソードが転送トランジスタ６０１のソースに接続されている。また、転送トランジスタ６０１のソースがフォトダイオードのカソードを兼ねることも可能である。
【００３８】
転送トランジスタ６０１のドレインが転送領域であるフローティングディフュージョン（以下ＦＤ）を構成し、そのゲートが転送信号線に接続されている。更に、リセットトランジスタ６０２は、そのドレインが電源線Ｖｃｃに接続され、そのソースがＦＤを構成し、そのゲートがリセット信号線に接続されている。
【００３９】
増幅トランジスタ６０３は、そのドレインが電源線Ｖｃｃに接続され、そのソースが選択トランジスタ６０４のドレインに接続され、そのゲートがＦＤに接続されている。選択トランジスタ６０４は、そのドレインが増幅トランジスタ６０３のソースに接続され、そのソースが出力線６０５に接続され、そのゲートが垂直選択回路（不図示）によって駆動される垂直選択線に接続されている。
【００４０】
ここで示した回路構成は、本発明の全ての実施例に適用可能であるが、例えば、転送トランジスタがない構成や複数画素でトランジスタを共有するような他の回路構成も本発明においては、適用可能である。また、光電変換素子は、フォトダイオードを始め、フォトトランジスタ等も適用可能である。
【００４１】
（第一の実施形態）
図１に第一の実施形態を示す。図１は、図６に示した撮像装置の画素におけるフォトダイオード上の断面模式図である。図１の１０２は、Ｐ型半導体領域１０１とＮ型半導体領域１０２とで形成されるフォトダイオード（受光部と称する場合がある）である。このＮ型半導体領域１０２の上側に更にＰ型半導体領域が形成されている場合もある。１０３は、第１層目の層間絶縁膜であり、例えばプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ膜により形成されている。１０４は第１の配線層であり、１０３を例えばＣＭＰ法で平坦化した後に、アルミニウムによって形成されている。１０５は第２層目の層間絶縁膜、１０６は第２の配線層、１０７は第１の絶縁層となる第３層目の層間絶縁膜である。そして、１０８は第３の配線層である。これらの層間絶縁膜と配線層は、先の第１層目の層間絶縁膜や第１の配線層と同様の材料や工程で形成することができる。他の方法および材料としては、エッチバック法による平坦化や銅の配線層が挙げられる。
【００４２】
図中に示すように、これら複数の層間絶縁膜における各膜厚の和を膜厚ｄとする。ＣＭＰにより平坦化されているため、狭い領域内、例えば１画素内では膜厚ｄは一定である。しかし、撮像領域全体を見たときの巨視的な膜厚には分布が生じる。
【００４３】
更に、積層方向に最上部の層間絶縁膜である第３層目の層間絶縁膜１０７上に保護層と反射防止膜が配されている。まず、１０９は第１の反射防止膜であり、Ｐ−ＳｉＯＮ膜で形成される。その上部に保護層１１０が配されている。保護層１１０は、Ｐ−ＳｉＮ膜である。１１１は第２の反射防止膜であり、Ｐ−ＳｉＯＮ膜で形成される。１１２は第２の絶縁層となる樹脂層である。例えば、平坦化層として機能する樹脂層の他に、ＢＰＳＧ膜等の絶縁層がある。更に、上層には、１１３のカラーフィルタ、１１４のマイクロレンズが配されている。少なくとも、保護層とそれに近接する膜とは屈折率が異なる必要がある。保護層としては高い保護機能、水素のシンタリング効果などからシリコン窒化膜が好適に用いられる。しかし保護膜は、結晶構造が緻密な場合が多く、層間絶縁膜として用いられるシリコン酸化膜や、カラーフィルタ、平坦化膜としての有機膜に比べて屈折率が高くなる。したがって保護膜とそれに近接する膜とは屈折率が異なることが多い。
【００４４】
従来の色ムラが生じるメカニズムは、受光部面１０２からの反射光が保護層にて反射し、再度受光部１０２へ入射することが要因である。この色ムラを低減するには、受光部１０２から反射した光が保護層で反射することを抑制すればよい。そこで、本実施形態のような、第１の反射防止膜１０９および第２の反射防止膜１１１をＰ−ＳｉＮ膜１１０の上下に形成し、反射を抑制する。
【００４５】
図２を用いて、この反射防止膜について詳細に説明を行う。
図２において、複数の層間絶縁膜を簡単のため、２０１で示す屈折率ｎ１の単層の絶縁膜とした。実際は、第１の反射防止膜１０９に接する層の屈折率を用いればよい。２０２は屈折率ｎ２、厚さｄ２の第１の反射防止膜、２０３は屈折率ｎ３、厚さｄ３の保護層、２０４は屈折率ｎ４、厚さｄ４の第２の反射防止膜、２０５は屈折率ｎ５の樹脂層とする。他、図１と同様の機能を有するものには同符号を記した。本実施形態では、保護層をＰ−ＳｉＮ膜、保護層の下面に配された絶縁膜をＰ−ＳｉＯ膜、そして保護層の上面に配された絶縁層を樹脂層とした。それぞれの屈折率は、例えばｎ１＝１．４６、ｎ３＝２．００、ｎ５＝１．５５である。また、図２において、入射光ｈνとその反射光を矢印にて示している。各界面における反射光はν１からν４とした。
【００４６】
この場合において、絶縁層２０１と保護層２０３との第１の界面および保護層２０３と材料層２０５との第２の界面に挿入すべき第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４の特徴は、以下のように決めることが出来る。
【００４７】
まず、第１の反射防止膜２０２には、以下の関係式が与えられる。
（ｎ３＞ｎ１＞ｎ２とｎ２＞ｎ３＞ｎ１の場合）
２ｎ２ｄ２＝（λ／２）×２ｍ  （ｍ＝１，２，…）  （式３）
（ｎ３＞ｎ２＞ｎ１の場合）
２ｎ２ｄ２＝（λ／２）×（２ｍ＋１）  （ｍ＝０，１，２，…）  （式４）
この関係が成り立つ際に反射光ν１とν２は干渉にて最も弱め合い、受光部１０２へ向かう反射光が低減される。
【００４８】
同様に第２の反射防止膜２０４には、以下の関係式が与えられる。
（ｎ３＞ｎ５＞ｎ４とｎ４＞ｎ３＞ｎ５の場合）
２ｎ４ｄ４＝（λ／２）×２ｍ  （ｍ＝１，２，…）  （式５）
（ｎ３＞ｎ４＞ｎ５の場合）
２ｎ４ｄ４＝（λ／２）×（２ｍ＋１）  （ｍ＝０，１，２，…）  （式６）
この関係が成り立つ際に、反射光ν３とν４は干渉にて最も弱め合い、受光部１０２へ向かう反射光が低減される。なおこの式を満たす屈折率、膜厚が反射光を最も弱めることができるため好ましいが、必ずしもこの式を完全に満たす必要はない。所定の範囲内にあればよい。詳細は後述する。
【００４９】
以上の式を満たすような第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４を設けることで、保護層２０３の界面における反射を抑制することが可能となる。
【００５０】
従って、図１における層間絶縁膜の膜厚の和ｄが、ＣＭＰ法による平坦化によってばらつくことがあっても、保護層界面における反射光を弱めるため、色ムラを抑制することが可能となる。また、輝線を有する光源下の環境の場合には、特に色ムラが見えやすいため、このような環境下においては、特に効果的である。
【００５１】
ここで、反射防止膜の膜厚ばらつきについて、説明する。まず、層間絶縁膜の膜厚分布に関しては、既に、本実施形態のような配線層を２層以上有する撮像装置では、層間絶縁膜の総膜厚が大きくなり、その膜厚分布も大きくなることを述べた。その大きさは、撮像装置において使用する光の波長以上の場合がある。例えば、層間絶縁膜の総膜厚ｄを３０００ｎｍで設計し、その製造上の膜厚分布が１０％とした場合には、３００ｎｍがばらつき量となる。本実施形態の層間絶縁膜の屈折率は、１．４６であるから、光学的な距離としては、３００×１．４６＝４３８ｎｍとなる。この値は、撮像装置において使用する可視光の波長領域（４００〜７００ｎｍ）に当たり、膜厚のばらつきによる干渉の影響を受けやすい。
【００５２】
一方、図２に示すような第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４の膜厚においては、次のようである。（式３）から（式６）にて示した関係式において、ｍ＝１、波長４００〜７００ｎｍとする。また、膜の屈折率を図１で説明したＰ−ＳｉＯＮを用いたとし、その屈折率を１．７とした場合には、それらの膜厚は１００〜３００ｎｍ程度となる。その製造上の膜厚のばらつきを１０％としても、１０〜３０ｎｍのばらつきである。よって、その光学的な距離においても、可視光の波長領域（４００〜７００ｎｍ）の範囲に比べて十分小さい。よって、第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４を設けたとしても、撮像装置の特性に影響を与えにくい。よって、保護層２０３の上下に第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４を形成した場合には、それらの膜厚ばらつきによる色ムラを生じることなく、絶縁膜のばらつきに起因する色ムラを低減することが可能となる。
【００５３】
また、具体的に、層間絶縁膜の膜厚ばらつきによって、干渉の影響を生じるのは、（式３）から（式６）に示すように、入射光の波長の４分の１以上のばらつきを有するときである。すなわち、層間絶縁膜の屈折率をｎ、その膜厚ばらつきを△、入射光の波長をλとすると、ｎ×△＞λ／４となる。本実施形態において、ｎは１．４６以上であるので、概ね、ばらつきがλ／６以上にて、色ムラが生じ易い。例えば、λ＝６００ｎｍの場合においては、ばらつきが１００ｎｍ以上ということになる。このような膜厚ばらつきの層間絶縁膜を有する際に、第１および第２の反射防止膜を設ければ特に、反射を低減することが可能となる。
【００５４】
図２を用いて、本実施形態の反射防止膜の具体的な膜厚、屈折率について説明する。例えば、保護膜ｎ３＝２．００、絶縁層ｎ１＝１．４６の場合においてλ＝６００ｎｍに輝線を有する光源による色ムラを抑制する場合においては、次のようになる。まず、第１の反射防止膜の屈折率および膜厚は、（式４）より２ｎ２ｄ２＝λ／２を用いると、
ｎ２ｄ２＝１５０ｎｍ  （式７）
の条件が導かれる。この際、反射光ν１とν２の大きさをそろえるとより反射光の低減が望まれる。よって、反射の式より導かれる以下の関係を満たす屈折率が好ましい。
ｎ２＝√ｎ１√ｎ３＝１．７１  （式８）
その結果、膜厚はｄ２＝８８ｎｍとなる。
【００５５】
なお、本実施形態において、反射光ν１とν２が位相の違いにより弱め合うことにより効果があるため、２ｎ２ｄ２と波長λの関係式は、以下のような範囲を満たしていればよい。
λ／２−λ／４≦２ｎ２ｄ２≦λ／２＋λ／４  （式９）
また、第２の反射防止膜２０４の屈折率および膜厚に関しても同様に求めることができる。また、同様に以下の範囲を満たしていればよい。
λ／２−λ／４≦２ｎ４ｄ４≦λ／２＋λ／４  （式１０）
本実施形態においては、（式４）から膜厚を求めているが、保護層や絶縁層との屈折率関係に対応して適宜（式３）を用いればよい。その場合にも（式９）や（式１０）と同様の関係式を用いることが可能である。
【００５６】
ここで、具体的に、一般的に普及している３波長蛍光灯に対応する反射防止膜の膜厚を求めてみる。まず、３波長蛍光灯には、３原色であるＲＧＢに対応する波長範囲にそれぞれ輝線を有する。Ｒの輝線が約６１０ｎｍ、Ｇの輝線が約５４０ｎｍ、Ｂの輝線が約４５０ｎｍである。しかし、３波長管の分光特性の中では、Ｂに対応する分光特性は、他の２つに比べてやや広がりを持ち、その強度も低い。また、量子効率も他の２つに比べて低いため、撮像装置の感度も上がりにくい。よって、色ムラにより影響を与えやすいＧとＲに着目して反射防止膜を設計するのが好ましい。
【００５７】
まず第１の反射防止膜について膜厚を求める。保護膜ｎ３＝２．００、絶縁層ｎ１＝１．４６、Ｇ、Ｒの輝線の波長として、Ｇを５４４ｎｍ、Ｒを６１２ｎｍとする。また、反射防止膜の屈折率は、（式８）より得られたｎ２＝１．７１とする。
【００５８】
２ｎ２ｄ２＝λ／２および、Ｇの輝線の光の反射量を低減するためには、ｄＧ＝７９．５ｎｍであり、Ｒの輝線の光の反射量を低減するためには、ｄＲ＝８９．５ｎｍである。よって、両方の輝線の光の反射量を低減するには、膜厚がｄ＝（ｄＲ＋ｄＧ）／２＝８４．４ｎｍであればよい。つまり、両者の輝線の光の反射量を低減するには、ＧとＲの輝線の波長の平均値から膜厚を求めればよい。
【００５９】
さらに、（式９）より、次の関係式が与えられる。
５４４／４≦２ｎ２ｄ２≦（３×５４４）／４  （式１１）
６１２／４≦２ｎ２ｄ２≦（３×６１２）／４  （式１２）
Ｇに対応した膜厚範囲は、約３９．８≦ｄ２≦１１９、Ｒに対応した膜厚範囲は、約４４．７≦ｄ２≦１３４となる。よって、約４４．７〜１１９ｎｍの範囲の膜厚を有していれば、いずれの輝線に対しても、効果を有する。また、輝線の数が更にあったとしても、同様に求めることで、複数の輝線の反射を抑制する膜厚を求めることが可能である。第２の反射防止膜に関しても、同様に求めることができ、（式１０）を満たせばよい。
【００６０】
反射防止膜の屈折率ｎ２とｎ４や膜厚ｄ２とｄ４を、これまで述べてきたように定めればよいが、絶縁膜２０１の屈折率ｎ１と樹脂層２０５の屈折率ｎ５が異なる場合には、ｎ２とｎ４の最適値、あるいはｄ２とｄ４の最適値は異なった値になる。
【００６１】
しかし、第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４に、同じ屈折率の材料（屈折率ｎ６）を用いて、膜種を統一することによって、製造コストを削減することが可能となる。その際には、上記の関係式より導かれるｎ２とｎ４に関して、更に下の式を満たせばよい。すなわちｎ２とｎ４の間の屈折率をもつ材料を用いる必要がある。その屈折率をｎ６とすると、
ｎ２≦ｎ６≦ｎ４  もしくは  ｎ４≦ｎ６≦ｎ２  （式１４）
更に、以下の式のようなｎ２とｎ４の屈折率の平均値が好ましい。
ｎ６＝（ｎ２＋ｎ４）／２  （式１５）
また、同じ屈折率ｎ６を有する第１の反射防止膜２０２および第２の反射防止膜２０４の膜厚を等しい膜厚ｄ６にすれば、製造工程の条件を統一することができ、さらに製造コストを削減することが可能となる。例えば、第１の反射防止膜２０２の工程を行うウエハと第２の反射防止膜２０４の工程を行うウエハを同時に製造することも可能である。
【００６２】
このように、同一の屈折率ｎ６からなる材料および同一の膜厚ｄ６の反射防止膜にする場合には、次式を満たせばよい。
ｎ２ｄ２≦ｎ６ｄ６≦ｎ４ｄ４  もしくはｎ４ｄ４≦ｎ６ｄ６≦ｎ２ｄ２  （式１６）
また、より反射を低減するには、次式を満たすとよい。
ｎ６ｄ６＝（ｎ２ｄ２＋ｎ４ｄ４）／２  （式１７）
図９は、屈折率１．７３の第１の反射防止膜および第２の反射防止膜を設けた撮像装置におけるグラフである。これは、図８と同様に撮像装置における層間絶縁膜の総膜厚に対して、ＣＦを有する撮像装置から出力される信号のＲ／Ｇ比を求めている。図８に比べ、層間絶縁膜の総膜厚が変化しても、そのＲ／Ｇ比に変動はなく、色ムラが抑制されていることが分かる。
【００６３】
以上、本実施形態の撮像装置においては、反射光の干渉に起因する色ムラを抑制することが可能となる。特に、輝線を有する照明において、色ムラを抑制することが可能となり、演色性のよい画像を得ることが可能となる。
【００６４】
（第二の実施形態）
図３に第二の実施形態を示す。図１と同様の断面模式図である。図１と同様の機能を有するものについては、図１と同じ符号を記してあり、それらの説明は省略する。
【００６５】
図では、第３層目の層間絶縁膜上に、更に第１の絶縁層１１５を有する。第１の絶縁層１１５上には、第１の反射防止膜１０９、保護層１１０、第２の反射防止膜１１１が配される。更に、第２の反射防止層上にカラーフィルタ１１３、マイクロレンズ１１４が配されている。ここで、第１の絶縁層は、第１の実施形態と同様に多層配線構造の最上部に配される層間絶縁膜でもよい。
【００６６】
本実施形態において、第２の絶縁層は、カラーフィルタ１１３となる。本実施形態におけるカラーフィルタ１１３は樹脂からなり、第一の実施形態における平坦化のための樹脂層２０５と同様の屈折率１．５８を有する。反射防止膜の機能については、第一の実施形態と同様であり、その設計等にはカラーフィルタ１１３の屈折率を考慮して行えばよい。
【００６７】
本実施形態の撮像装置によれば、第２の反射防止層１１１上にカラーフィルタ１１３を形成することが可能となり、撮像装置の薄膜化が可能となる。よって、マイクロレンズ１１４から受光部までのアスペクト比を小さくし、入射効率を向上させることが可能となる。よって、色ムラを抑制しつつ、入射効率の向上した撮像装置を提供することが可能となる。
【００６８】
（デジタルカメラへの応用）
図４は、上述の実施形態にて説明した撮像装置を、撮像システムに用いた例としてデジタルカメラへ適用した場合のブロック図である。
【００６９】
撮像装置である撮像装置４０４へ光を取り込むための構成として、シャッタ４０１、撮像レンズ４０２、絞り４０３がある。シャッタ４０１は撮像装置４０４への露出を制御し、入射した光は、撮像レンズ４０２によって撮像装置４０４に結像される。このとき、絞り４０３によって光量が制御される。
【００７０】
取り込まれた光に応じて撮像装置４０４から出力された信号は、撮像信号処理回路４０５にて処理され、Ａ／Ｄ変換器４０６によってアナログ信号からデジタル信号へ変換される。出力されたデジタル信号は、更に信号処理部４０７にて演算処理され撮像画像データが生成される。撮像画像データは、撮影者の動作モードの設定に応じ、デジタルカメラに搭載されたメモリ４１０への蓄積や、外部Ｉ／Ｆ部４１３を通してコンピュータやプリンタなどの外部の機器への送信ができる。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部４１１を通して、デジタルカメラに着脱可能な記録媒体４１２に撮像画像データを記録することも可能である。
【００７１】
撮像装置４０４、撮像信号処理回路４０５、Ａ／Ｄ変換器４０６、信号処理部４０７はタイミング発生部４０８により制御されるほか、システム全体は制御部・演算部４０９にて制御される。また、これらのシステムは、撮像装置４０４と同一の半導体基板（図１、１）上に、同一工程によって形成することも可能である。
【００７２】
本発明の撮像装置を４０４に用いることによって、色ムラの低減されたデジタルカメラを提供することが可能となる。
【００７３】
（ビデオカメラへの応用）
図５は、上述の実施形態にて説明した撮像装置を、撮像システムの別の一例であるビデオカメラへ適用した場合のブロック図である。以下、図５を元に詳細に説明する。
【００７４】
５０１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ５０１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ５０１Ｂ、結像用のレンズ５０１Ｃを備えている。５０２は絞り及びシャッタ、５０３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する撮像装置である。５０４は撮像装置５０３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。
【００７５】
５０５は、サンプルホールド回路５０４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路５０５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路５２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。また、プロセス回路５０５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路５２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）５２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。
【００７６】
次いで、５０６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路５０４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路５０７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り５０２の開口量を制御すべくｉｇメータ５０８を自動制御するものである。
【００７７】
５１３及び５１４は、サンプルホールド回路５０４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。それぞれ異なる帯域制限である第１のバンドパスフィルタ５１３（ＢＰＦ１）及び第２のバンドパスフィルタ５１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路５１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路５１６でピーク値が検出されてホールドされる。それと共に、論理制御回路５１７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。
【００７８】
また、５１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、５１９はズームレンズ１Ｂの合焦を検出するズームエンコーダ、５２０は絞り５０２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路５１７へと供給される。
【００７９】
その論理制御回路５１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い、焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ５１３、５１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ５０１Ａを駆動する。そのために、フォーカス駆動回路５０９にフォーカスモーター５１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。
【００８０】
ズーム駆動回路５１１は、ズームが指示されると、ズームモーター５１２を回転させる。ズームモーター５１２が回転すると、ズームレンズ５０１Ｂが移動し、ズームが行われる。
【００８１】
以上、本発明の撮像装置によれば、その受光部面にて反射した光が保護膜の界面で反射し、再度、受光部へ入射する現象において、保護膜界面での反射を抑制することが可能となる。また、本発明の反射防止膜の膜厚によれば、各反射防止膜界面での反射に関しても、反射光同士を干渉させ、反射光量を低減させることが可能となる。よって、色ムラを抑制し、質のよい画像情報を得ることが可能となる。
【００８２】
本発明の形態は、各実施形態に限られるものではない。例えば、各反射防止膜が多層構造を有していてもよく、その膜種も例示したものに限られるものでない。いずれの場合においても、反射を低減する効果を有していればよい。また、反射防止膜の上下の構造については、特に限られるものではない。反射防止膜が接する層と反射防止膜との関係を考慮すればよい。その他、例えば、配線層が２層であってもよく、絶縁層や配線層の材料や工程は各実施形態に示されたものに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１の実施形態における撮像装置の断面模式図
【図２】第１の実施形態における撮像装置の断面模式図
【図３】第２の実施形態における撮像装置の断面模式図
【図４】撮像システムの構成図
【図５】撮像システムの構成図
【図６】画素回路の例
【図７】従来の撮像装置の模式図
【図８】従来の撮像装置における層間絶縁膜の総膜厚と得られるＲ／Ｇ比
【図９】第１の実施形態における撮像装置の層間絶縁膜の総膜厚と得られるＲ／Ｇ比
【符号の説明】
【００８４】
１０１  Ｐ型半導体領域
１０２  Ｎ型半導体領域
１０３  第１層目の絶縁層
１０４  第１の配線層
１０５  第２層目の絶縁層
１０６  第２の配線層
１０７  第３層目の絶縁層
１０８  第３の配線層
１０９  第１の反射防止膜
１１０  保護層
１１１  第２の反射防止膜
１１２  樹脂層
１１３  カラーフィルタ
１１４  マイクロレンズ
１１５  第４層目の絶縁層
【図１】
2007242697.tif 000004
【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】
2007242697.tif 000010
【図８】
2007242697.tif 000011
【図９】
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