JP2014096476A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を有する固体撮像素子において、低屈折率材料膜の開口部に高屈折率材料膜を埋め込んで光導波部を形成する際、低屈折率材料膜の開口部内で高屈折率材料膜中にボイドが発生するのを回避する。
【解決手段】固体撮像素子１００において、複数の受光部の各々に設けられ、マイクロレンズからの集光光を受光部に導く光導波部１００ａを備え、該光導波部１００ａは、低屈折率材料膜４０に形成した複数の開口部４０ｂ内に高屈折率材料膜２８を埋め込んで複数の光導波路（ライトパイプ）Ｌｐを形成してなる光ガイド構造を有し、該低屈折率材料膜４０の個々の開口部４０ｂの開口幅Ｂを、個々の受光部上での該開口部の個数により、該高屈折率材料膜の膜厚に適した開口幅に設定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、被写体からの画像光を受光部へ導く光導波部を備え、この光導波部を複数の光導波路（ライトパイプ）に分割した構造の固体撮像素子及びその製造方法、並びにこのような固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた、例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関するものである。

従来、画像光を画像信号として電気信号に変換する固体撮像素子としては、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどが知られている。例えば、ＣＣＤ型イメージセンサは、画像光の光電変換を行う受光領域と、光電変換により得られた信号電荷を転送する転送領域とを有し、これらの受光領域及び転送領域が共通基板上に設けられている。ここで、受光領域には、光照射により電荷を発生する複数の受光部としてのフォトダイオードが画素毎に設けられており、また、転送領域では、この受光領域の各受光部で発生した電荷が信号電荷として画素から読み出され、読み出された信号電荷の垂直転送動作が行われた後にこの信号電荷の水平転送動作が行われるようになっている。一方、ＣＭＯＳ型イメージセンサは、各画素の受光部で発生した信号電荷を画素内で電圧信号に変換し、この電圧信号を画素毎に信号配線を介して読み出すように構成されている。

このようなイメージセンサにおいては、近年の画素の縮小化に伴って、フォトダイオードの開口部（つまり、遮光膜の開口部）の面積が小さくなり、この開口部への入射光量の低下が顕著になっており、感度低下による画質の劣化を抑えることが重要になっている。

ここで、感度の低下については、感度低下を抑える構成として、フォトダイオードの開口部上に設けられた光導波部（ライトパイプ部）を有するものが増えてきており、例えば、特許文献１に記載されているように、一般的には、ライトパイプ部は、フォトダイオード部（基板上のフォトダイオードが配置されている部分）上に位置するように配置された高屈折率材料膜と、この高屈折率材料膜の周囲に設けられた低屈折率材料膜とを含み、高屈折率材料膜内を高屈折率材料膜と低屈折率材料膜との界面で光が反射しながらフォトダイオード部へ進むように構成されている。

ライトパイプ部の製造方法としては、特許文献１に記載されているように、フォトダイオード部上に形成された低屈折率材料膜に孔部を形成し、この孔部に低屈折率材料膜よりも屈折率の高い高屈折率材料膜を埋め込む方法が一般的である。

ところで、高画素数の要求されるＣＣＤ型イメージセンサでは、画素の微細化に伴って、フォトダイオードの開口部上に位置する、低屈折率材料膜の高屈折率材料膜を埋め込むための孔部のサイズが小さくなってきているが、高感度の要求されるイメージセンサでは、フォトダイオード部を大面積とする必要があることから、ライトパイプ部を構成する低屈折率材料膜に形成する孔部のサイズがむしろ大きくなる場合もある。

このようにライトパイプ部を構成する低屈折率材料膜のサイズの大きい孔部に高屈折率材料膜を埋め込む場合、この孔部を完全に埋め込むためには、高屈折率材料膜をこの孔部の深さに相等する程度に厚く形成する必要があり、また、このように高屈折率材料膜を低屈折率材料膜に形成した孔部が完全に埋め込まれるように厚く形成した場合には、孔部底面側での成膜速度と表面側での成膜速度との違いによって高屈折率材料膜内にボイド（空洞）が形成されることもある。

図１１は、従来の固体撮像素子の画素部を構成するライトパイプ部の形成過程でボイドが形成された状態を示す断面図であり、図１１（ａ）は、低屈折率材料膜の孔部に埋め込んだ高屈折率材料膜に空洞（ボイド）が形成された状態を示しており、図１１（ｂ）は、低屈折率材料膜の孔部の形状が、低屈折率材料膜上に形成した高屈折率材料膜の凹部（ボイド）として表れた状態を示している。

図１１（ａ）に示す固体撮像素子では、半導体基板２０１の表面領域には受光部２０２としてフォトダイオード（ＰＤ）が形成されており、半導体基板２０１上にはゲート絶縁膜２０３を介して、受光部２０２を囲むように、電極や配線としての導電性層、遮光膜、これらを絶縁する絶縁性層などの素子構成部材２０４が形成されている。素子構成部材２０４の表面は低屈折率材料膜としての絶縁膜２０５に覆われており、受光部２０２上の部分には、この絶縁膜２０５の孔部（開口部）２０５Ｋが位置しており、この孔部２０５Ｋの底面にはゲート絶縁膜２０３が露出している。また、絶縁膜２０５上には、その孔部２０５ｋが完全に埋まるように高屈折率材料膜２０６が厚く形成されている。

この固体撮像素子では、この高屈折率材料膜２０６中に空洞（ボイド）２１６ａが形成されており、また、高屈折率材料膜２０６の膜厚も厚くなっているため、ボイドで入射光が乱反射することや、この高屈折率材料膜２１６上のカラーフィルタやマイクロレンズと受光部との距離が大きいことなどによって、集光効率が低下してしまう。

また、ライトパイプ部を構成する低屈折率材料膜のサイズの大きい孔部に高屈折率材料膜を埋め込む場合、高屈折率材料膜の膜厚が低屈折率材料膜の孔部の深さに比べて薄い場合、低屈折率材料膜２０５の孔部２０５Ｋでの段差が高屈折率材料膜２０６に反映されることとなり、図１１（ｂ）に示すように、高屈折率材料膜２１６に凹部（ボイド）２１６ｂが形成されてしまう。

このような課題に対しては、孔部２０５Ｋを形成した低屈折率材料膜２０５上に高屈折率材料膜２０６を、その下地である低屈折率材料膜２０５の凹凸が反映されるように薄く形成した後、低屈折率材料膜２０５の孔部２０５Ｋに相等する、高屈折率材料膜２０６の孔部２１６ｂに樹脂層を埋め込んで平坦化することにより、光導波部を形成する方法が考えられる。この方法では、高屈折率材料膜２０６を低屈折率材料膜２０５の孔部２０５Ｋを完全に埋めるように厚く形成する必要がなく、図１１（ａ）に示す空洞（ボイド）２１６ａが形成される恐れはなく、また、図１１（ｂ）に示す凹部（ボイド）２１６ｂには樹脂が埋め込まれるため、高屈折率材料膜の表面は平坦になる。

ところが、このような光導波部の形成方法では、凹部を有する低屈折率材料膜上に高屈折率材料膜を形成した後に、この高屈折率材料膜に形成された凹部を樹脂層により埋めて平坦化する工程が必要となる。

また、この光導波部では、その上に形成されているカラーフィルタを透過した光のうちの一部の光が、樹脂層を通過してから高屈折率材料膜に入射することになるため、樹脂層にて光吸収が起こり、集光効率が低下してしまう。

そこで、特許文献２には、上記樹脂層としてカラーフィルタを用いることで、平坦化工程の追加、集光効率の低下を回避したものが開示されている。

図１２は、この特許文献２に開示の固体撮像素子の構造及び製造工程を説明する断面図である。

図１２に示す従来の固体撮像素子２００は、図１１で説明した固体撮像素子の画素部の構造と同様に、シリコン基板などの半導体基板２０１と、この半導体基板２０１上に被写体からの画像光を光電変換する、フォトダイオードＰＤを用いた受光部（光電変換部）２０２と、半導体基板２０１上にゲート絶縁膜２０３を介して受光部２０２の周囲に位置するように形成された構造物（素子構成部材）２０４とを有している。

ここで、構造物２０４及びゲート絶縁膜２０３上には、光導波部２０９を構成する、クラッド層として機能する絶縁膜（低屈折率材料膜）２０５が形成されており、この絶縁膜２０５の表面は、受光部２０２の周囲に位置する構造物２０４により段差が反映されて孔部（開口部）２０５Ｋが形成されている。また、絶縁膜２０５上には、その孔部２０５Ｋの形状が反映されるように高屈折率材料膜２０６が形成されており、高屈折率材料膜２０６上にはカラーフィルタ２０７が高屈折率材料膜２０６の凹部２０６Ｋを埋めるように形成されている。このカラーフィルタ２０７上には、受光部２０２上に位置するようにマイクロレンズ２０８が形成されている。

このような構造の固体撮像素子２００では、図１２に示すように、マイクロレンズ２０８によって集光された光は、カラーフィルタ２０７に入射し、ここを透過した光がカラーフィルタ２０７と高屈折率材料膜２０６との界面で屈折して高屈折率材料膜２０６内に進入する。高屈折率材料膜２０６内に進入した光は、絶縁膜２０５と高屈折率材料膜２０６との界面、高屈折率材料膜２０６とカラーフィルタ２０７との界面で全反射を繰り返しながら高屈折率材料膜２０６内を伝搬して受光部２０２へ入射する。

特開２００２−１１８２４５号公報 特開２０１２−１４６７９７号公報

以上説明したように、光導波部を有する固体撮像素子において、光導波部を構成する低屈折率材料膜のサイズの大きい孔部に高屈折率材料膜を埋め込む場合、この孔部を完全に埋め込むためには、高屈折率材料膜をこの孔部の深さに相等する程度に厚く形成する必要があり、また、このように高屈折率材料膜を低屈折率材料膜に形成した孔部を完全に埋め込むように厚く形成した場合には、孔部の上端側と下端側での成膜速度に違いにより高屈折率材料膜内にボイド（空洞）が形成されることもある。この場合、高屈折率材料膜のボイド（空洞）で光が乱反射することや、カラーフィルタやマイクロレンズから受光部までの距離が大きくなることが原因となって、画質の劣化を招くこととなる。

また、光導波部を構成する低屈折率材料膜のサイズの大きい孔部に高屈折率材料膜を埋め込む場合、高屈折率材料膜の膜厚が低屈折率材料膜の孔部の深さに比べて薄いと、低屈折率材料膜の孔部（開口部）２０５Ｋの形状が高屈折率材料膜２０６に反映されることとなり、図１１（ｂ）に示すように、高屈折率材料膜２０６にも凹部（ボイド）２１６ｂが形成されてしまい、この凹部２１６ｂを樹脂層などで埋め込む工程が必要となる。

また、このような樹脂層などによる埋め込み工程を削減するため、特許文献２に開示のように、光導波部２０９を構成する高屈折率材料膜２０６上には、カラーフィルタ２０７を高屈折率材料膜２０６の凹部２０６Ｋを埋めるように形成すると（図１２参照）、カラーフィルタ２０７の膜厚がばらつくという問題が生ずる。

つまり、光導波部２０９を構成するクラッド層（低屈折率材料膜）である絶縁膜２０５のパターニングにより受光部２０２上に絶縁膜２０５の孔部２０５Ｋを形成する際には、フォトリソグラフィ工程での露光量やエッチング工程でのエッチング量が、固体撮像素子を構成する半導体チップ内でばらつき、このようなばらつきにより、絶縁膜２０５の孔部２０５Ｋの大きさが画素の間で異なることとなる。

この場合、カラーフィルタ２０７の、絶縁膜２０５の孔部２０５Ｋに高屈折率材料膜２０６を介して埋め込まれた部分の幅が画素の間でばらつき、これによって、カラーフィルタ２０７の受光部上での高さが画素の間でばらつくこととなる。

このようにカラーフィルタの、絶縁膜２０５の孔部２０５Ｋ（つまり、高屈折率材料膜の孔部２０６Ｋ）に埋まる部分の幅や高さにばらつきが生じると、色毎の感度の違いである感度比、例えば、緑色画素（ＧＲＥＥＮ画素）に対する青色画素（ＢＬＵＥ画素）の感度出力比がばらつくことになり、ホワイトバランスによる画像調整においてバラツキが生じるという問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、低屈折率材料膜の開口部に高屈折率材料膜を埋め込んで光導波部を形成する際、低屈折率材料膜の開口部内で高屈折率材料膜中にボイドが発生するのを回避することができ、これにより、高屈折率材料膜のボイドを埋めるための平坦化工程を別途追加したり、カラーフィルタの形成工程でカラーフィルタの構成材料により高屈折率材料膜の平坦化を行ったりする必要がなくなり、引いては、異なる色の画素間での感度出力比のばらつきを招くことなく、簡単な工程で光導波部を形成することができる受光面積の広い高感度の固体撮像素子及びその製造方法、並びに、このような受光面積の広い高感度の固体撮像素子を用いた電子情報機器を得ることを目的とする。

本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、該半導体基板上に形成された複数の受光部と、該受光部の上方に設けられ、入射光を集光するマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、該複数の受光部の各々に設けられ、該マイクロレンズからの集光光を該受光部に導く光導波部を備え、該光導波部は、低屈折率材料膜に形成した複数の開口部内に高屈折率材料膜を埋め込んで複数の光導波路を形成してなる光ガイド構造を有し、該低屈折率材料膜の個々の開口部の開口幅を、個々の受光部上での該開口部の個数により、該高屈折率材料膜の膜厚に適した開口幅に設定しており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記高屈折率材料膜は、減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であり、前記低屈折率材料膜はシリコン酸化膜であり、該低屈折率材料膜の開口部の開口幅は、該高屈折率材料膜の膜厚の２倍以下であることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記高屈折率材料膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の膜厚を有し、前記低屈折率材料膜の開口部は、３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の開口幅を有し、前記光導波路は前記受光部上に行列をなすように配列されており、隣接する光導波路の行方向あるいは列方向の離間距離をＣ１とし、該受光部の行方向あるいは列方向の幅をＡとし、該開口部の行方向あるいは列方向における開口幅をＢとし、該光導波路の行方向あるいは列方向における配列個数をｎとし、該受光部の周縁に沿って位置する光導波路から該受光部の周縁までの距離をＣ２としたとき、次式（１）
Ａ＝ｎ×Ｂ＋（ｎ−１）×Ｃ１＋２×Ｃ２ ・・・（１）
が成立することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記受光部の平面パターンは長方形形状であり、前記低屈折率材料膜の開口部の開口パターンは正方形形状であり、該受光部の長辺に沿った前記光導波路の配置個数は、該受光部の長辺に沿った該光導波路の配置間隔とその短辺に沿った該光導波路の配置間隔とが同一の間隔となるように、該受光部の短辺に沿った該光導波路の配置個数より多くなっていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記受光部の平面パターンは長方形形状であり、前記低屈折率材料膜の開口部の開口パターンは、該受光部の平面パターンと相似形状であり、該受光部の長辺に沿った前記光導波路の配置個数は、該受光部の長辺に沿った該光導波路の配置間隔とその短辺に沿った該光導波路の配置間隔とが同一の間隔となるように、該受光部の短辺に沿った該光導波路の配置個数と同一個数としていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記受光部上の周縁に沿って位置する光導波路と該受光部の周縁との間隔は、該受光部上で隣接する光導波路の離間間隔より小さいことが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記受光部上で隣接する光導波路の離間間隔は、写真製版によりフォトレジスト膜を露光現像可能な最小線幅より広いことが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記光導波路の立体形状は、上面が底面より広い逆角錐台形状あるいは逆円錐台形状を有することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記高屈折率材料膜の表面はパッシベーション膜により覆われており、該パッシベーション膜上には、前記受光部に対応するようにインナーレンズが形成されていることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子において、前記インナーレンズ上には、平坦化膜を介してカラーフィルタが前記複数の受光部の各々に対向するように形成されていることが好ましい。

本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、半導体基板と、該半導体基板上に形成された複数の受光部と、該受光部の上方に設けられ、入射光を集光するマイクロレンズとを有する固体撮像素子を製造する方法であって、該複数の受光部の各々に該マイクロレンズからの集光光を該受光部に導く光導波部を形成する工程を含み、該光導波部の形成工程は、該半導体基板上に該受光部を覆うように低屈折率材料膜を形成する工程と、該低屈折率材料膜を選択的にエッチングして、該低屈折率材料膜に複数の開口部を１つの受光部上に２以上の開口部が位置するように形成する工程と、該低屈折率材料膜上に高屈折率材料膜を該低屈折率材料膜の開口部が該高屈折率材料膜により埋まるように形成する工程とを含み、該光導波部は、該低屈折率材料膜の開口部に該高屈折率材料膜を埋め込んで複数の光導波路を形成してなる光ガイド構造を有し、該低屈折率材料膜の各々の開口部の開口幅を、個々の受光部上での該開口部の個数により、該高屈折率材料膜の膜厚に適した開口幅に設定しており、そのことにより上記目的が達成される。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記低屈折率材料膜の開口部の開口幅は、前記高屈折率材料膜の膜厚の２倍以下であることが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記低屈折率材料膜の形成工程では、該低屈折率材料膜として、ボロン及びリンをドープしたシリコン酸化膜をＣＶＤ法により形成し、該低屈折率材料膜のエッチング工程では、該低屈折率材料膜を、フォトレジスト膜をマスクとする反応性イオンエッチングにより選択的にエッチングして、前記複数の開口部として３００〜６００ｎｍの開口幅を有する開口部を該受光部上に位置し、前記高屈折率材料膜の形成工程では、該高屈折率材料膜として第１のシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ法により２００ｎｍ〜４００ｎｍの膜厚に形成し、形成した第１のシリコン窒化膜のエッチバックによりその上面を平坦化して、前記複数の光導波路を形成することが好ましい。

本発明は、上記固体撮像素子の製造方法において、前記第１のシリコン窒化膜のエッチバックを行った後、該第１のシリコン窒化膜上に、プラズマＣＶＤ法により第２のシリコン窒化膜をパッシベーション膜として形成する工程と、該第２のシリコン窒化膜上に第３のシリコン窒化膜をプラズマＣＶＤ法により形成する工程と、該第３のシリコン窒化膜上に、グレートーンマスクを用いたフォトリソグラフィ処理によりレジストマスクを形成し、該レジストマスク及び該第３のシリコン窒化膜をエッチバックしてインナーレンズを形成する工程とを含むことが好ましい。

本発明に係る電子情報機器は、被写体の撮像を行う撮像部を備えた電子情報機器であって、該撮像部は、上述した本発明に係る固体撮像素子であり、そのことにより上記目的が達成される。

以上のように、本発明によれば、低屈折率材料膜の開口部に高屈折率材料膜を埋め込んで光導波部を形成する際、低屈折率材料膜の開口部内で高屈折率材料膜中にボイドが発生するのを回避することができ、これにより、高屈折率材料膜のボイドを埋めるための平坦化工程を別途追加したり、カラーフィルタの形成工程でカラーフィルタの構成材料により高屈折率材料膜の平坦化を行ったりする必要がなくなり、引いては、異なる色の画素間での感度出力比のばらつきを招くことなく、簡単な工程で光導波部を形成することができる受光面積の広い高感度の固体撮像素子及びその製造方法、並びに、このような受光面積の広い高感度の固体撮像素子を用いた電子情報機器を実現することができる。

図１は、本発明の実施形態１による固体撮像素子としてＣＣＤ型イメージセンサを説明する図であり、その全体構成を概略的に示している。 図２は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の一部を詳しく説明する図であり、図２（ａ）は、図１に示すＣＣＤ型イメージセンサの一部（Ａ部分）における転送電極及びその転送配線とフォトダイオード部との位置関係を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ３−Ｂ３線部分の断面構造を、受光部及び転送電極の上側の構造、さらに入射光も含めて示している。 図３は、本発明の実施形態１による固体撮像素子を説明する図であり、図３（ａ）は、図２（ｂ）に相等する断面構造における主要部のサイズを示し、図３（ｂ）は、この固体撮像素子の光導波部を構成する複数のライトパイプの配置を示している。 図４は、本発明の実施形態１による固体撮像素子を説明する断面図であり、図２のＢ１−Ｂ１線における断面構造（図４（ａ））、図２のＢ２−Ｂ２線における断面構造（図４（ｂ））、及び図２のＢ３−Ｂ３線における断面構造（図４（ｃ））を示している。 図５は、本発明の実施形態１による固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）の製造方法を説明する断面図であり、図５（ａ）〜図５（ｄ）は、種々の拡散領域の形成工程から転送電極の形成工程までの工程を段階的に示している。 図６は、本発明の実施形態１による固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）の製造方法を説明する断面図であり、図６（ａ）は、遮光膜の形成工程を示し、図６（ｂ）は、受光部の表面高濃度層の形成工程を示している。 図７は、本発明の実施形態１による固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）の製造方法を説明する断面図であり、図６（ｂ）の主要部を拡大して示す図（図７（ａ））、及び受光部上に低屈折率材料膜を形成した状態（図７（ｂ））を示している。 図８は、本発明の実施形態１による固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）の製造方法を説明する断面図であり、図８（ａ）は、受光部上に形成した低屈折率材料膜をパターニングした状態を示し、図８（ｂ）は、高屈折率材料膜を形成した状態を示している。 図９は、本発明の実施形態１による固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）の製造方法を説明する断面図であり、図９（ａ）は、高屈折率材料膜上にパッシベーション膜及びインナーレンズを形成した状態を示し、図９（ｂ）は、インナーレンズ上にカラーフィルタ及びマイクロレンズを形成した状態を示している。 図１０は、本発明の実施形態２として、実施形態１の固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 図１１は、従来の固体撮像素子における問題点を説明する図であり、図１１（ａ）は、高屈折率材料膜を厚く形成したときにボイドが生じた状態を示し、図１１（ｂ）は、高屈折率材料膜を薄く形成したときにボイドが生じた状態を示している。 図１２は、特許文献２に開示の固体撮像素子の構造及び製造工程を説明するための断面図である。

まず、本発明の基本原理について図面（図１〜図３）を参照して説明する。

本発明は、ｎ型エピタキシャル基板２などの半導体基板と、該半導体基板上に形成された複数の受光部（フォトダイオードＰＤ）１０１と、該受光部の上方に設けられ、入射光Ｌを集光するマイクロレンズ５２とを有する固体撮像素子であって、該複数の受光部の各々に設けられ、該マイクロレンズからの集光光を該受光部に導く光導波部１００ａを備え、該光導波部１００ａは、低屈折率材料膜４０に形成した複数の開口部４０ｂ内に高屈折率材料膜２８を埋め込んで複数の光導波路（ライトパイプ）Ｌｐを形成してなる光ガイド構造を有し、該低屈折率材料膜４０の個々の開口部４０ｂの開口幅Ｂを、個々の受光部上での該開口部の個数により、該高屈折率材料膜の膜厚に適した開口幅（例えば高屈折率材料膜２８の膜厚Ｔの２倍）に設定していることを本質的特徴としている。

このような構成の本発明では、受光部１０１上に設けられている１つの光導波部１００ａは、低屈折率材料膜４０に形成した複数の開口部４０ｂ内に高屈折率材料膜２８を埋め込んだ構造の複数の光導波路（ライトパイプ）Ｌｐから構成されることとなり、１つのライトパイプＬｐに対応する低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの開口幅Ｂは、受光部１０１の短辺方向の幅Ａ１あるいは長辺方向の幅Ａ２に対して、開口部の個数分だけ縮小されることとなる。これにより、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの開口幅Ｂは、１つの受光部に対応する開口部４０ｂの個数を調節することにより、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂが一定膜厚Ｔの高屈折率材料膜２８により埋まる最適な開口幅にすることができる。

このように１つの受光部１０１（つまり、ｎ型電荷蓄積領域４）に対応する光導波部１００ａにおけるライトパイプＬｐの幅及び個数を適宜設定することにより、具体的には、高屈折率材料膜２８の膜厚に応じたライトパイプ幅（低屈折率材料膜の開口部の開口幅）を設定し、フォトダイオード面積に応じたライトパイプ開口数（１つの受光部における低屈折率材料膜の開口部の個数）を設定することにより、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの開口幅Ｂを、受光部１０１の占有面積、及び低屈折率材料膜４０上に形成する高屈折率材料膜の膜厚Ｔに応じて、該開口部４０ｂが高屈折率材料膜２８により完全に埋まる開口幅に設定することができる。

この結果、低屈折率材料膜の開口部に高屈折率材料膜を埋め込んで光導波部を形成する際、低屈折率材料膜の開口部内で高屈折率材料膜中にボイドが発生するのを回避することができる。

これにより、高屈折率材料膜のボイドを埋めるための平坦化工程を別途追加したり、カラーフィルタの形成工程でカラーフィルタの構成材料により高屈折率材料膜の平坦化を行ったりする必要がなくなり、引いては、異なる色の画素間での感度出力比のばらつきを招くことなく、簡単な工程で光導波部を形成することができる受光面積の広い高感度の固体撮像素子を提供することができる。

このように本発明の基本原理は、ライトパイプを埋込む高屈折率材膜の膜厚に応じたライトパイプ幅を設定し、フォトダイオード面積に応じたライトパイプ開口数を設定することによりボイドレスのライトパイプを形成することである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による固体撮像素子としてＣＣＤ型イメージセンサを説明する図であり、このＣＣＤ型イメージセンサの全体構成を概略的に示している。また、図２は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の一部を詳しく説明する図であり、図２（ａ）は、図１に示すＣＣＤ型イメージセンサの一部（Ａ部分）における転送電極及びその転送配線とフォトダイオード部との位置関係を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ３−Ｂ３線部分の断面構造を示している。なお、図３（ａ）は、図２（ｂ）に相等する断面構造を入射光とともに示し、図３（ｂ）は、この固体撮像素子の受光部上でのライトパイプの配置を示している。さらに、図４は、本発明の実施形態１による固体撮像素子を説明する断面図であり、図２のＢ１−Ｂ１線における断面構造（図４（ａ））、図２のＢ２−Ｂ２線における断面構造（図４（ｂ））、及び図２のＢ３−Ｂ３線における断面構造（図４（ｃ））を示している。なお、図２（ａ）、図４では、ライトパイプより上層側の構成要素については図示していないが、図２（ｂ）、図３（ａ）では、受光部及び転送電極の上側の構造も含めて示している。

この実施形態１による固体撮像素子１００は、行列状に配列され、被写体からの画像光（入射光）の光電変換により信号電荷を生成する複数のセンサ部（以下、受光部という。）１０１と、複数の受光部１０１の列毎に設けられ、対応する列の受光部１０１から信号電荷を読み出して垂直方向に転送する垂直電荷転送部１１０と、垂直電荷転送部１１０から転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）１２０と、水平電荷転送部１２０から転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換し増幅して出力する出力部１３０とを有している。ここで、各受光部１０１と、垂直電荷転送部１１０における受光部１０１に対向する部分とにより画素Ｐｘが構成されており、受光部１０１はフォトダイオードＰＤにより構成されている。

また、この固体撮像素子１００を構成する、例えばシリコンを構成材料とするｎ型エピタキシャル基板（半導体基板）２には、ｐ⁻型ウェル部３が形成されている。このｐ⁻型ウェル部３には、フォトダイオードＰＤを構成するｎ型電荷蓄積領域４が形成されており、このｎ型電荷変換領域４の表面部分には表面ｐ^＋層（表面高濃度領域）４ａが形成されている。ここで、ｎ型光電変換領域４は、受光時に入射光の光電変換を行い、この光電変換により発生した信号電荷を蓄積するための領域である。また、表面ｐ^＋層４ａは、受光部１０１を構成するｎ型電荷蓄積領域４の表面部分で結晶欠陥などに起因して熱的に発生したノイズ電荷（電子）と結合するホールの濃度を高めてノイズ電荷の寿命を短縮させることにより信号電荷以外のノイズ電荷による雑音を抑制する働きがある。さらに、受光部１０１を構成するフォトダイオードＰＤは、表面ｐ^＋層（表面高濃度領域）４ａの周囲を囲むように形成され、表面ｐ^＋層４ａよりも不純物濃度の低い表面ｐ⁻層（表面低濃度領域）４ｂを含んでいる。このｎ型エピタキシャル基板２のフォトダイオードＰＤが形成された部分上には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）１０とシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１２とが順に積層されており、これらの絶縁膜により反射防止膜が構成されている。

また、垂直電荷転送部１１０は、ｎ型エピタキシャル基板２のｐ⁻型ウェル部３内に転送方向に沿って形成されたｎ型転送チャネル領域５と、ｐ⁻型ウェル部３上にゲート絶縁膜（熱酸化膜）８を介してｎ型転送チャネル領域５に沿って配列された複数の転送電極９とを有している。この転送電極９はポリシリコン膜の堆積及びそのパターニングにより形成したポリシリコン電極であり、その周囲は、受光部を構成するｎ型電荷蓄積領域４上のシリコン酸化膜１０と同時に形成された絶縁膜（熱酸化膜）８ａにより覆われている。ここで、垂直電荷転送部１１０のｎ型転送チャネル領域５とその一方側の受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４との間には、この一方側の受光部１０１から信号電荷を垂直電荷転送部１１０に読み出すｐ型電荷読出領域６が形成されており、垂直電荷転送部１１０のｎ型転送チャネル領域５とその他方側の受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４との間には、この垂直電荷転送部と他方側の受光部１０１との間での信号電荷の流れを阻止するｐ型チャネルストップ領域７が形成されている。

さらに、転送方向と直交する行方向に沿って配列されている複数の転送電極９は、行毎に１つの転送配線に接続されている。具体的には、この固体撮像素子１００では、転送配線は、図２及び図３（ａ）に示すように、第１層目の転送配線２１と第２層目の転送配線２２とからなる積層構造となっており、所定行（例えば奇数行）に沿って配列されている複数の転送電極９上には、第１層目の転送配線２１と第２層目の転送配線２２とが絶縁膜３１により電気的に絶縁され、かつ所定行の転送電極９に第１層目の転送配線２１が接触するように配置されており、所定行に隣接する行（例えば偶数行）に沿って配列されている複数の転送電極９は、所定行の第２層目の転送配線２２の配線基幹部２２ａから延びる配線枝部２２ｂにコンタクトホールＣＨを介して接続されている。ここでは、第１層目の転送配線２１及び第２層目の転送配線２２はともにタングステンからなるタングステン配線である。

そして、ｎ型エピタキシャル基板２上には、受光部以外の領域を覆うよう、このｎ型エピタキシャル基板２への外部からの光の入射を遮る遮光膜１３が形成されており、つまり、遮光膜１３の受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４に対向する部分には遮光膜開口１３ａが形成されており、受光部１０１を構成する表面ｐ^＋層４ａは、この遮光膜開口１３ａを有する遮光膜１３をマスクとするイオン注入により形成されたものであり、複数の受光部１０１の各々に対応するよう形成された遮光膜開口１３ａにより自己整合的に位置決めされている。また、この遮光膜１３と第２層目の転送配線２２とは絶縁膜３２により絶縁されており、第１層目の転送配線２１と、ｎ型エピタキシャル基板２の表面上のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１２との間には絶縁膜３０が形成されている。

また、この遮光膜１３及び遮光膜開口１３ａ内に露出するシリコン窒化膜１２上には、マイクロレンズ５２で集光された光（集光光）を受光部１０１に導く光導波部１００ａが形成されており、この光導波部１００ａは、低屈折率材料膜４０に形成した複数の開口部４０ａに高屈折率材料膜２８を埋め込んでなる光ガイド構造を有し、低屈折率材料膜４０の個々の開口部４０ｂの開口幅Ｂを、高屈折率材料膜２８により開口部４０ｂが埋まる、高屈折率材料膜２８の膜厚Ｔに応じた開口幅にしている。

ここでは、高屈折率材料膜２８は、減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）により形成されたシリコン窒化膜であり、低屈折率材料膜４０はＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜であり、高屈折率材料膜２８の膜厚Ｔにより決まる、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの幅Ｂは、例えば高屈折率材料膜２８の膜厚Ｔの２倍である。ただし、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの幅Ｂは、高屈折率材料膜２８の膜厚Ｔの２倍に限定されるものではなく、高屈折率材料膜２８の膜厚Ｔの２倍以下であればよい。

また、高屈折率材料膜２８は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の膜厚を有し、低屈折率材料膜４０の凹部４０ｂは、３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の開口幅Ｂを有し、ライトパイプ部Ｌｐは受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４上で行列をなすように配列されており、隣接するライトパイプ部Ｌｐの行方向あるいは列方向の離間距離Ｃ１は、ｎ型電荷蓄積領域４の行方向あるいは列方向の幅をＡとし、開口部４０ｂの行方向あるいは列方向における開口幅をＢとし、ライトパイプ部Ｌｐの行方向あるいは列方向における配列個数をｎとしたとき、次式（１）及び（２）
Ａ＝ｎ×Ｂ＋（ｎ−１）×Ｃ１＋２Ｃ２・・・（１）
Ｃ１＞Ｃ２ ・・・（２）
を満たすように設定されている。

また、受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４の平面パターンは長方形形状であり、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの開口パターンは正方形形状であり、受光部１０１の長辺に沿ったライトパイプ部Ｌｐの配置個数は、受光部のｎ型電荷蓄積領域４の長辺に沿ったライトパイプ部Ｌｐの配置間隔とその短辺に沿ったライトパイプ部Ｌｐの配置間隔とが同一の間隔となるように、受光部のｎ型電荷蓄積領域４の短辺に沿ったライトパイプ部Ｌｐの配置個数より多くなっている。

また、受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４上で隣接するライトパイプＬｐの離間間隔Ｃ１は、写真製版によりフォトレジスト膜を露光現像可能な最小線幅より広い。このライトパイプＬｐは、上面が底面より広い逆角錐台形状を有している。ただし、ライトパイプ部Ｌｐの立体形状は逆円錐台形状であってもよい。

さらに、図２（ｂ）に示すように、高屈折率材料膜２８上にはパッシベーション膜（ＳｉＮ膜）５０が形成され、このパッシベーション膜５０上にはインナーレンズ５１が各受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４に対向するように配置されている。

そして、このインナーレンズ５１上には、平坦化膜４１を介してカラーフィルタ２０ａおよび２０ｂが配置されており、このカラーフィルタ２０ａ及び２０ｂ上には、平坦化膜４２を介してマイクロレンズとしてオンチップレンズ５２が形成されている。

次に、この実施形態１の固体撮像素子の製造方法について説明する。

図５は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法としてＣＣＤ型イメージセンサの製造方法を工程順に説明する縦断面図であり、図５（ａ）〜図５（ｄ）は、種々の拡散領域の形成工程から反射防止膜の形成工程までの工程における要部構造（図２（ａ）のＢ２−Ｂ２線における断面構造）を模式的に示している。

まず、ｎ型エピタキシャル基板２上に不純物のイオン注入によりｐ⁻型ウェル部３を形成する。このイオン注入は、例えば、不純物としてボロンを用い、不純物のドーズ量を１×１０^１１〜１×１０^１２／ｃｍ^２として行う。さらに、ｐ⁻型ウェル部３上には、受光部１０１を構成するｎ型電荷蓄積領域４をイオン注入により形成し、垂直電荷転送部１１０を構成するｎ型転送チャネル領域５、このｎ型転送チャネル領域５の一方側に位置するｐ型チャネルストップ領域７、及びｎ型転送チャネル領域５のもう一方側に位置するｐ型電荷読出領域６をイオン注入により形成する（図５（ａ））。これらの領域は、一般的なＣＣＤ型イメージセンサの製造プロセスにより形成する。ここで、ｎ型電荷蓄積領域４を形成するためのイオン注入は、例えば、不純物としてヒ素を用い、３５０〜４００ｋｅＶのイオン注入エネルギーでイオンドーズ量を１×１０^１２〜１×１０^１３／ｃｍ^２として行う。ｎ型電荷読出領域６を形成するためのイオン注入は、例えば、不純物としてボロンを用い、２０〜４０ｋｅＶのイオン注入エネルギーでイオンドーズ量を１×１０^１２〜１×１０^１３／ｃｍ^２として行う。さらに、ｐ型チャネルストップ領域７を形成するためのイオン注入は、例えば、不純物としてボロンを用い、２０〜４０ｋｅＶのイオン注入エネルギーでイオンドーズ量を１×１０^１２〜１×１０^１３／ｃｍ^２として行う。さらに、ｎ型転送チャネル領域５を形成するためのイオン注入は、例えば、不純物としてヒ素を用い、１００〜１５０ｋｅＶのイオン注入エネルギーでイオンドーズ量を１×１０^１２〜１×１０^１３／ｃｍ^２として行う。

次に、ｎ型エピタキシャル基板２上に熱酸化によりゲート絶縁膜８を形成した後、このゲート絶縁膜８上にポリシリコン層を形成し、このポリシリコン層をフォトリソグラフィ技術及びエッチングプロセスによりパターニングして、転送電極９をｎ型転送チャネル領域５、ｐ型電荷読出領域６及びｐ型チャネルストップ領域７上に位置するように形成する。続いて、ｎ型電荷蓄積領域４上のゲート絶縁膜８を除去した後、ｎ型電荷蓄積領域４及び転送電極９を取り囲むように熱酸化によるシリコン酸化膜１０及び８ａを形成する。このときのシリコン酸化膜１０及び８ａの膜厚は、例えば１０〜２０ｎｍに設定することができる（図５（ｂ））。

次に、選択的なイオン注入によりｎ型電荷蓄積領域４の直上に低濃度表面領域（表面ｐ⁻層）４ｂを、転送電極９に対して自己整合的に形成する。このイオン注入では、パターニングしたフォトレジスト膜とともに転送電極９をイオン注入マスクとして用い、例えば、不純物としてボロンとし、イオン注入エネルギーを５〜１５ｋｅＶとし、ドーズ量を１×１０^１２〜１×１０^１３／ｃｍ^２とする（図５（ｃ））。

その後、ｎ型電荷蓄積領域４上にシリコン窒化膜１２を選択的に形成する。このとき、シリコン窒化膜の成長にはＬＰＣＶＤ法を用い、このシリコン窒化膜１２の膜厚は、このシリコン窒化膜１２とその下側のシリコン酸化膜１０とにより実質的に反射防止膜が形成されるように、例えば３０〜６０ｎｍに設定する（図５（ｄ））。

図６は、このＣＣＤ型イメージセンサの製造方法のその後の工程を説明する図であり、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、遮光膜の形成工程及び高濃度表面領域（表面ｐ^＋層）の形成工程の工程における要部構造（図２のＢ２−Ｂ２線における断面構造）を模式的に示している。

続いて、マトリクス状に配列されている複数の画素Ｐｘにおける所定行（例えば奇数行）の画素に跨る第１層目の転送配線２１を、これらの画素の転送電極９に接触するように形成し、さらに転送配線２１を覆うように層間絶縁膜３１を形成する（図２（ａ）及び図４（ａ）参照）。次に、この層間絶縁膜３１の、所定行の画素（例えば奇数行の画素）に隣接する画素（偶数行の画素）の転送電極９上に位置する部分にコンタクトホールＣＨ（図２（ａ）、図４（ｃ）参照）を形成した後、第１層目の転送配線２１上に層間絶縁膜３１を介して第２層目の転送配線２２を形成する。この第２層目の転送配線２２は、第１層目の転送配線２１上に重なる水平方向に延びる配線基幹部２２ａと、この配線基幹部２２ａから垂直方向に延びる配線枝部２２ｂとからなり、この配線枝部２２ｂは、偶数行の画素の転送電極９とコンタクトホールＣＨを介して電気的に接続される。さらに、この第２層目のタングステン配線２２を覆うように層間絶縁膜３２を形成する（図２（ａ）及び図４（ａ）参照）。

その後、全面にタングステン遮光膜１３を、受光部１０１を構成するｎ型電荷蓄積領域４に対応する部分以外の領域が遮光されるように形成する。つまり、タングステン遮光膜１３を形成する際には、ｎ型電荷蓄積領域４に対応する部分に遮光膜開口１３ａを設ける。このタングステン遮光膜１３を後工程のイオン注入処理でイオン注入マスクとして用いるため、このタングステン遮光膜１３の膜厚は、遮光性能を満たし、且つ、イオン種の突き抜けが起こらないように、例えば８０〜１２０ｎｍに設定する（図６（ａ））。

次に、タングステン遮光膜１３をイオン注入マスクとして、ｎ型電荷蓄積領域４におけるこのタングステン遮光膜１３の遮光膜開口１３ａ内に露出する部分に選択的にイオンを注入して高濃度表面領域（表面ｐ^＋層）４ａを形成する。このとき、表面ｐ^＋層４ａを形成するためのイオン注入は、シリコン窒化膜１２及びシリコン酸化膜１０を突き抜けるよう条件設定を行う。具体的には、注入種としてボロンを使用する場合、例えば注入エネルギーを２０〜４０ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０^１３〜１×１０^１４／ｃｍ^２と設定することができる。また注入種としてＢＦ_２を使用する場合もボロンの場合と同様に所望のプロファイルが得られるよう注入条件を設定することができる（図６（ｂ））。

ここでは、高濃度表面領域（表面ｐ^＋層）４ａを形成するためにタングステン遮光膜１３をイオン注入マスクとして用いる方法を示しているが、高濃度表面領域（表面ｐ^＋層）４ａは、図５（ｃ）に示す工程で低濃度表面領域（表面ｐ⁻層）４ｂを形成した後、パターニングしたフォトレジスト膜をイオン注入マスクとして用いたイオン注入により形成してもよい。

続いて、受光部上に光導波部（ライトパイプ部）を形成する工程について説明する。

図７及び図８は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する縦断面図であり、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）、及び図８（ｂ）は、ライトパイプ部を形成する工程における要部構造（図２（ａ）のＢ２−Ｂ２線における断面構造）を模式的に示している。図７（ａ）は、図６（ｂ）のイオン注入処理を行った状態を示している。

図６（ｂ）に示すように、遮光膜１３をイオン注入マスクとして高濃度表面領域（表面ｐ^＋層）４ａを形成した後（図７（ａ））、遮光膜１３及び遮光膜開口１３ａ（受光部）を被覆するように絶縁膜、例えばＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｌａｓｓ）をＣＶＤ法によって堆積し、さらに熱リフロー処理により平坦化する。これにより低屈折率材料膜としてＢＰＳＧ膜４０ｃが形成される（図７（ｂ））。

次に、ＢＰＳＧ膜４０ｃ上にフォトリソグラフィによりエッチングマスク（図示せず）を形成した後、ＢＰＳＧ膜４０ｃにＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるエッチング処理を施して、ＢＰＳＧ膜４０ｃの、遮光膜開口の内側の部分を選択的に除去して、複数の開口部（低屈折率材料膜の開口部）４０ｂを有するＢＰＳＧ膜４０を形成する（図８（ａ））。このとき、エッチング処理の条件として、遮光膜開口内に露出するシリコン窒化膜１２上でエッチングがストップする条件を選択する。

また、ＢＰＳＧ膜４０の開口部４０ｂの開口幅Ｂは、ＢＰＳＧ膜４０の開口部４０ｂを高屈折率材料膜で埋込んだときに高屈折率材料膜にボイドが生じないようにするため、高屈折率材料膜厚Ｔに応じた幅とする必要がある。

例えば、高屈折率材料膜２８としてシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により形成する場合、その膜厚Ｔを２００〜４００ｎｍに設定し、開口幅Ｂを３００〜６００ｎｍ程度に設定することができる。開口部数（開口部の配列個数）は受光部１０１のｎ型電荷蓄積領域４の幅Ａに対して上記開口幅Ｂ及び開口部を設定しない部分４０ａの幅Ｃ１及びＣ２を設定する割合で決定されるので、例えばフォトダイオード部幅（受光部の短辺方向の幅）Ａ１が１６００ｎｍ、開口部幅Ｂを３００ｎｍ、開口部の離間距離Ｃ１を２００ｎｍと設定し、周縁の開口部から受光部のｎ型電荷蓄積領域４の側辺までの距離Ｃ２を１５０とした場合、Ａ１＝３Ｂ＋２Ｃ１＋２Ｃ２（上記式（１））が成立し、開口部数（受光部の短辺方向のライトパイプの数）を３と設定することができる。なお、上記計算式で余りが生じる場合は幅Ｃ２を調整することにより余りがゼロとなるよう設定することができる。ただし、Ｃ１＞Ｃ２の関係を満たすことが望ましい。なお、受光部の長辺方向の幅Ａ２に対しても、上記式（１）が成立し、例えば、開口部数（受光部の短辺方向のライトパイプの数）を４と設定することができる（図３（ｂ）参照）。

次に、ＢＰＳＧ膜（低屈折率材料膜）４０上にその開口部４０ｂが埋め込まれるようにシリコン窒化膜（高屈折率材料膜）２８をＬＰ−ＣＶＤ法により成膜し、その上面が平坦化されるようにこのシリコン窒化膜をエッチバックして複数のライトパイプ部Ｌｐを形成する（図８（ｂ））。なお、ＬＰ−ＣＶＤ法（減圧ＣＶＤ法）では、下地の露出面上に均等な膜厚でシリコン窒化膜を形成することができる。

このとき、ＢＰＳＧ膜の開口部４０ｂに埋め込むシリコン窒化膜２８は、ＢＰＳＧ膜４０より屈折率の高い膜であり、つまり、高屈折率材料膜２８としてのシリコン窒化膜の屈折率はｎ＝２．０であり、低屈折率材料膜４０としてのＢＰＳＧ膜の屈折率はｎ＝１．４〜１．５である。

従って、ＢＰＳＧ膜の、シリコン窒化膜２８を埋め込んだ複数の開口部４０ｂは、マイクロレンズ５２で集光された集光光を受光部１０１に導くライトパイプＬｐとして機能することとなる。

図９は、本発明の実施形態１による固体撮像素子の製造方法を説明する図であり、図９（ａ）は、高屈折率材料膜上にパッシベーション膜及びインナーレンズを形成した状態を示し、図９（ｂ）は、インナーレンズ上にカラーフィルタ及びマイクロレンズを形成した状態を示している。

次に、高屈折率材料膜２８上に複数のライトパイプＬｐを被覆するようにパッシベーション膜５０として、例えばプラズマシリコン窒化膜を３００ｎｍ成膜し、パッシベーション膜５０上に遮光膜開口部（受光部）に重なるようにインナーレンズ５１を形成する。

具体的には、インナーレンズ５１の材料となるプラズマシリコン窒化膜上にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜をグレイトーンマスク（図示せず）を使用して露光現像して、レンズ形状を有するレジストマスクを形成した後、このレジストマスクとともにプラズマシリコン窒化膜をエッチバック法によりエッチングしてインナーレンズ５１を形成する（図９（ａ））。

インナーレンズから上部の構造については、一般的な製造方法により、カラーフィルタ及びオンチップレンズを形成する。

つまり、インナーレンズ５１上に平坦化膜４１を形成した後、カラーフィルタ２０ａおよび２０ｂを形成する。さらにカラーフィルタ２０ａおよび２０ｂ上に平坦化膜４２を形成した後、マイクロレンズとしてオンチップレンズ５２を遮光膜開口上に位置するように形成する。これにより、ＣＣＤ型イメージセンサを完成する（図９（ｂ））。

以下、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態１の固体撮像素子１００では、例えば、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂに埋込む高屈折率材料膜の膜厚Ｔに応じて、低屈折率材料膜４０の開口部４０ｂの開口幅Ｂを、ボイドが形成されない開口幅（例えば、実施形態１では２Ｔ）に設定するので、フォトダイオード面積（受光部の占有面積）に応じたライトパイプ開口数（ライトパイプの個数）を設定することにより、ボイドレスのライトパイプを形成することができ、その結果、大面積フォトダイオードを有する固体撮像素子の集光効率を向上することができる。

また、本実施形態では、受光部１０１の周縁に沿って位置するライトパイプから受光部の周縁までの距離Ｃ２を、隣接するライトパイプＬｐの行方向あるいは列方向の離間距離Ｃ１より小さくすることで、受光部１０１の周縁部に入射するインナーレンズ５１からの集光光を、受光部周縁近くまで配置されているライトパイプＬｐにより効率よく受光部１０１に取り込むことができる。

さらに、この実施形態１では以下の効果が得られる。

本実施形態では、受光部１０１であるフォトダイオードＰＤを構成する表面ｐ^＋層（表面高濃度領域）４ａを、各受光部に対応するよう遮光膜開口１３ａを形成した遮光膜１３をマスクとするイオン注入により遮光膜開口１３ａに対して自己整合的に形成するので、受光部１０１を構成する表面ｐ^＋層４ａは、受光部を構成するｎ型電荷蓄積領域４の内側に位置することとなる。つまり、表面ｐ^＋層４ａは、この表面ｐ^＋層４ａを転送電極に対して自己整合的に配置した場合に比べて、遮光膜１３とｎ型電荷蓄積領域４とが重なる距離だけｐ型電荷読出領域６から離れて位置することとなる。

この結果、例えば、遮光膜開口１３ａの位置がプロセスの変動（マスク合わせの誤差ななど）により多少ずれても、表面ｐ^＋層４ａの位置ずれは、ｐ型電荷読出領域６から離れたところでの位置変動となり、この位置ずれがｐ型電荷読出領域６と表面ｐ^＋層４ａとの間の領域の濃度変動に及ぼす影響は小さいものとなる。

また、この実施形態では、受光部を構成する表面ｐ⁻層（表面低濃度領域）４ｂを、転送電極９をマスクとするイオン注入により自己整合的に形成し、表面ｐ⁻層（表面低濃度領域）４ｂが表面ｐ^＋層（表面高濃度領域）４ａを囲むようにしているので、ｐ型電荷読出領域６に近いところでは、受光部を構成するｎ型電荷蓄積領域４とは逆導電型の表面領域のｐ型不純物濃度を下げることができ、これにより表面準位起因の暗電流を低減させつつ、ｐ型電荷読出領域６に対する空乏化電圧の増加を抑えて、受光部からｎ型電荷転送チャネル領域５への信号電荷の読出しが阻害されるのを抑制することができる。

さらに、この表面ｐ⁻層（表面低濃度領域）４ｂは、プロセス変動による転送電極９の位置ずれが生ずると、表面ｐ^＋層４ａに比べてｐ型電荷読出領域６に近いところで位置変動するが、この表面ｐ⁻層４ｂは表面ｐ^＋層４ａに比べて不純物濃度が低いので、この表面ｐ⁻層４ｂの位置ずれの影響がｐ型電荷読出領域６と表面ｐ^＋型領域４ａとの間の領域の濃度変動に及ぼす影響は小さい。このため、表面ｐ⁻層４ｂの位置ずれが生じても、表面ｐ^＋層４ａがｐ型電荷読出領域６の近傍で位置変動する場合とは異なり、ｐ型電荷読出領域６での濃度増大に伴う残像成分の増大あるいはｎ型電荷蓄積領域４の表面領域での濃度低下に伴う表面準位起因の暗時白傷の増大はいずれも低く抑えられることとなる。

なお、上記実施形態１では、上記受光部の平面パターンは長方形形状とし、上記低屈折率材料膜の開口部の開口パターンは正方形形状とし、該受光部の長辺に沿ったライトパイプの配置個数は、該受光部の長辺に沿った該ライトパイプの配置間隔とその短辺に沿った該ライトパイプの配置間隔とが同一の間隔となるように、該受光部の短辺に沿った該ライトパイプの配置個数より多くしているが、上記受光部の平面パターンは長方形形状とし、上記低屈折率材料膜の開口部の開口パターンは、該受光部の平面パターンと相似形状とし、該受光部の長辺に沿ったライトパイプの配置個数は、該受光部の長辺に沿った該ライトパイプの配置間隔とその短辺に沿った該ライトパイプの配置間隔とが同一の間隔となるように、該受光部の短辺に沿った該ライトパイプの配置個数と同一個数としてもよい。

また、上記実施形態１では、固体撮像素子としてＣＣＤイメージセンサを挙げて説明したが、固体撮像素子はＣＭＯＳイメージセンサでもよい。

さらに、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、上記実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの、画像入力デバイスを有した電子情報機器について以下簡単に説明する。

（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２として、実施形態１の固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図１０に示す本発明の実施形態２による電子情報機器９０は、本発明の上記実施形態１の固体撮像素子１００を、被写体の撮影を行う撮像部９１として備えたものであり、このような撮像部による撮影により得られた高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部９２と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示部９３と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信部９４と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法の分野において、低屈折率材料膜の開口部に高屈折率材料膜を埋め込んで光導波部を形成する際、低屈折率材料膜の開口部内で高屈折率材料膜中にボイドが発生するのを回避することができ、これにより、高屈折率材料膜のボイドを埋めるための平坦化工程を別途追加したり、カラーフィルタの形成工程でカラーフィルタの構成材料により高屈折率材料膜の平坦化を行ったりする必要がなくなり、引いては、異なる色の画素間での感度出力比のばらつきを招くことなく、簡単な工程で光導波部を形成することができる受光面積の広い高感度の固体撮像素子及びその製造方法、並びに、このような受光面積の広い高感度の固体撮像素子を用いた電子情報機器を実現することができる。

２ Ｎ型エピタキシャル基板（半導体基板）
３ ｐ⁻型ウェル部
４ ｎ⁻型電荷蓄積領域
４ａ 表面ｐ^＋層（高濃度表面領域）
４ｂ 表面ｐ⁻層（低濃度表面領域）
５ ｎ型転送チャネル領域
６ ｐ型電荷読出領域
７ ｐ型チャネルストップ領域
８ ゲート絶縁膜
９ 転送電極
８ａ、１０ シリコン酸化膜
１２ シリコン窒化膜
１３ タングステン遮光膜
１３ａ 遮光膜開口
２０ａ、２０ｂ カラーフィルタ
２１ 第１層目の転送配線
２２ 第２層目の転送配線
２２ａ 配線基幹部
２２ｂ 配線枝部
２８ 高屈折率材料膜（ＳｉＮ膜）
３０ 絶縁膜
３１、３２ 層間絶縁膜
４０ 低屈折率材料膜（ＳｉＯ膜）
４０ａ ライトパイプ分離壁
４０ｂ 低屈折率材料膜の開口部
４０ｃ ＢＰＳＧ膜
４１、４２ 平坦化膜
５１ インナーレンズ
５２ オンチップレンズ（マイクロレンズ）
９０ 電子情報機器
９１ 撮像部
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部
１００ 固体撮像素子
１００ａ 光導波部
１０１ 受光部
１１０ 垂直電荷転送部
１２０ 水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）
１３０ 出力部
ＣＨ コンタクトホール
Ｌ 入射光
Ｌｐ ライトパイプ（光導波路）
ＰＤ フォトダイオード
Ｐｘ 画素

Claims (5)

1. 半導体基板と、該半導体基板上に形成された複数の受光部と、該受光部の上方に設けられ、入射光を集光するマイクロレンズとを有する固体撮像素子であって、
   該複数の受光部の各々に設けられ、該マイクロレンズからの集光光を該受光部に導く光導波部を備え、
   該光導波部は、低屈折率材料膜に形成した複数の開口部内に高屈折率材料膜を埋め込んで複数の光導波路を形成してなる光ガイド構造を有し、該低屈折率材料膜の個々の開口部の開口幅を、個々の受光部上での該開口部の個数により、該高屈折率材料膜の膜厚に適した開口幅に設定している、固体撮像素子。
2. 前記高屈折率材料膜は、減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であり、
   前記低屈折率材料膜はシリコン酸化膜であり、
   該低屈折率材料膜の開口部の開口幅は、該高屈折率材料膜の膜厚の２倍以下である、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記高屈折率材料膜は、２００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の膜厚を有し、
   前記低屈折率材料膜の開口部は、３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の開口幅を有し、
   前記光導波路は前記受光部上に行列をなすように配列されており、
   隣接する光導波路の行方向あるいは列方向の離間距離をＣ１とし、該受光部の行方向あるいは列方向の幅をＡとし、該開口部の行方向あるいは列方向における開口幅をＢとし、該光導波路の行方向あるいは列方向における配列個数をｎとし、該受光部の周縁に沿って位置する光導波路から該受光部の周縁までの距離をＣ２としたとき、次式（１）
   Ａ＝ｎ×Ｂ＋（ｎ−１）×Ｃ１＋２×Ｃ２ ・・・（１）
   が成立する、請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光導波路の立体形状は、上面が底面より広い逆角錐台形状あるいは逆円錐台形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 半導体基板と、該半導体基板上に形成された複数の受光部と、該受光部の上方に設けられ、入射光を集光するマイクロレンズとを有する固体撮像素子を製造する方法であって、
   該複数の受光部の各々に該マイクロレンズからの集光光を該受光部に導く光導波部を形成する工程を含み、
   該光導波部の形成工程は、
   該半導体基板上に該受光部を覆うように低屈折率材料膜を形成する工程と、
   該低屈折率材料膜を選択的にエッチングして、該低屈折率材料膜に複数の開口部を１つの受光部上に２以上の開口部が位置するように形成する工程と、
   該低屈折率材料膜上に高屈折率材料膜を該低屈折率材料膜の開口部が該高屈折率材料膜により埋まるように形成する工程と
   を含み、
   該光導波部は、該低屈折率材料膜の開口部に該高屈折率材料膜を埋め込んで複数の光導波路を形成してなる光ガイド構造を有し、該低屈折率材料膜の各々の開口部の開口幅を、個々の受光部上での該開口部の個数により、該高屈折率材料膜の膜厚に適した開口幅に設定している、固体撮像素子の製造方法。

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