JP5713971B2

JP5713971B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5713971B2
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Inventors: 国分　弘一; 弘一国分
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Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2015-05-07
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Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置およびその製造方法に関する。

各画素領域に受光素子が形成された半導体基板上に多層配線層とマイクロレンズを備える従来の固体撮像装置において、受光素子での光の集光効率を向上させるように、多層配線層とマイクロレンズとの間に受光素子に光を導くように欠陥を導入したフォトニック結晶を配置した構造のものが提案されている。

また、現在のＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサはますます画素の微細化が進んでおり、それに伴い解像度を上げるためにＦ値が小さくされ、センサチップＩＣ（Integrated Circuit）とカメラレンズの距離はますます短くなる傾向にある。その結果、センサ画素の周辺部分への斜め入射光によるシェーディングなどの集光ロスによって、画質の感度劣化などの問題が生じてきている。たとえば半導体基板上に２次元的に配置された画素のうちの外周付近に配置される画素において、斜めから入射した光はマイクロレンズを通した後、自画素の受光素子に到達せずに、隣接する画素に混入する光路を通るようになり、集光性が落ちてしまうという問題点があった。

特開２００８−５３６２７号公報

本発明の一つの実施形態は、固体撮像装置を構成する画素のうちの外周付近に配置される画素での集光ロスの発生を抑えることができる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。

本発明の一つの実施形態によれば、フォトダイオードと、前記フォトダイオード上に設けられる配線層と、フィルタと、入射光位置補正層と、を備える固体撮像装置が提供される。前記フォトダイオードは、基板上の複数の画素がマトリックス状に形成される画素形成領域の前記各画素が配置される画素領域に設けられる。前記配線層は、前記フォトダイオードを前記基板上に形成された周辺回路と接続する配線、および前記配線を絶縁する層間絶縁膜を有する。前記フィルタは、前記各画素領域に対応して前記配線層上に設けられ、前記フォトダイオードに入射する光の波長を制限する。前記入射光位置補正層は、前記画素形成領域の少なくとも外周部に配置される画素に対応する前記フィルタと前記配線層との間に設けられ、前記配線層上に設けられる反射防止膜、および前記反射防止膜上に設けられる負の屈折率を有する材料を含む。前記負の屈折率を有する材料は、１以上の屈折率を有し、かつ前記層間絶縁膜と同程度かまたは前記層間絶縁膜よりも低い屈折率を有する低屈折率材料が、前記層間絶縁膜および前記低屈折率材料よりも屈折率の高い高屈折率材料膜内に３次元的な周期構造をもって配置されるフォトニック結晶である。

図１は、第１の実施形態による固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。図２は、物質内での光の屈折の様子を模式的に示す図である。図３は、第１の実施形態で使用されるフォトニック結晶の構造の一例を模式的に示す上面図である。図４は、フォトニック結晶の配置領域の一例を示す図である。図５は、フォトニック結晶の画素形成領域内での配置方法の一例を示す図である。図６は、負の屈折率を有するフォトニック結晶の光路を示した光学シミュレーションの計算結果を示す図である。図７は、実施形態による固体撮像装置の作用を模式的に示す図である。図８は、第１の実施形態による固体撮像装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。図９は、図８（ｂ）の上面図である。図１０−１は、第２の実施形態による固体撮像装置の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その１）。図１０−２は、第２の実施形態による固体撮像装置の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その２）。図１１は、図１０−１（ｂ）の上面図である。図１２は、低屈折率材料が空気で構成される場合の固体撮像装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像素子、固体撮像装置およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる固体撮像装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。さらに、以下で示す膜厚は一例であり、これに限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による固体撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。この固体撮像装置は、たとえばＣＭＯＳセンサである。固体撮像装置は、光電変換素子および光電変換素子の信号を読み出す素子を有する画素が形成される画素形成部１０と、画素形成部１０に形成された素子に接続される配線が形成される配線層２０と、配線層２０の上部を保護する保護膜５１と、画素形成部１０の各画素へ入射する光の波長を制限するカラーフィルタ３１と、各画素に対して設けられるマイクロレンズ３２と、を備える。

画素形成部１０は、画素がマトリックス状に形成された所定の導電型の単結晶シリコン基板などの基板１１によって構成される。図示しない画素分離部で区画される基板１１の画素領域Ｒ_pには、マイクロレンズ３２とカラーフィルタ３１を介して入射してきた光を検知する光電変換素子としてのフォトダイオード１２が設けられる。フォトダイオード１２の一つが１画素に対応する。各フォトダイオード１２は、カラーフィルタ３１の作用によって、受光する光の波長域が異なる。なお、画素領域Ｒ_pには、このほかにも、図示しないがフォトダイオード１２に蓄積された電荷を読み出す読み出しトランジスタなどが設けられる。

また、基板１１上の図示しない周辺回路領域には、フォトダイオード１２で光電変換されて出力される電気信号（画素信号）を処理する信号処理回路や、フォトダイオード１２を駆動して画素信号の出力を制御する駆動制御回路などを構成するトランジスタが形成されている。

配線層２０は、配線２１と層間絶縁膜２２，２３とを有する。配線２１は、フォトダイオード１２と周辺回路とを電気的に接続するために設けられ、１層であってもよいし、複数層であってもよい。また、配線２１間または配線２１と基板１１に形成された素子間は、図示しないビアまたはコンタクトによって接続される。配線２１としては、アルミニウム、銅、チタン、モリブデン、タングステンなどの金属またはＴｉＳｉ，ＭｏＳｉ，ＷＳｉなどのシリサイドを用いることができる。このように配線２１は、金属材料からなる遮光体であるので、フォトダイオード１２の受光領域への光の入射を遮らない位置に設けられる。

層間絶縁膜２２，２３は、配線２１と配線２１との間、基板１１と最下層の配線２１との間、および最上層の配線２１とカラーフィルタ３１との間に配線２１を絶縁するために設けられる。層間絶縁膜２２，２３としては、たとえば酸化シリコンを用いることができる。

保護膜５１は、層間絶縁膜２３の上面の位置を、後述する入射光位置補正層４０が形成された位置での保護膜５１の位置に一致させるようにプロセス上、カラーフィルタ３１の下層に設けられる膜である。保護膜５１として、たとえばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いることができる。

カラーフィルタ３１は、フォトダイオード１２の上方に設けられ、フォトダイオード１２に向けて特定の波長域の光を透過させる。一般的には、たとえば３つの画素を一つの絵素とし、絵素中の各画素に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ３１を設けるようにしている。なお、これは一例であり、他の色のカラーフィルタ３１を用いるものであってもよいし、１絵素中のカラーフィルタ３１の数に制限はない。また、図示していないが、絵素は基板１１上に所定の周期で２次元的に配置されている。

マイクロレンズ３２は、それぞれの画素領域Ｒ_pのカラーフィルタ３１上に、画素領域Ｒ_p内に光を集光するために設けられる。

本実施形態による固体撮像装置では、２次元的に画素が形成された画素形成領域Ｒにおいて、少なくとも画素形成領域Ｒの外周に配置される画素において、カラーフィルタ３１と配線層２０（層間絶縁膜２２）との間に、出射される光の位置を入射方向側に移動させる入射光位置補正層４０が配置された構造を有する。入射光位置補正層４０は、反射防止膜４１と、負の屈折率を有するフォトニック結晶４２と、反射防止膜４３と、が層間絶縁膜２２上に積層された構造を有する。

反射防止膜４１は、フォトニック結晶４２と層間絶縁膜２２との間で、入射した光の反射を防止するために設けられる。また、反射防止膜４３は、カラーフィルタ３１とフォトニック結晶４２との間で、入射した光の反射を防止するために設けられる。ただし、反射防止膜４３は、必要に応じて設ければよい。なお、この明細書では、固体撮像装置中における一つの画素に対して設けられるフォトダイオード１２、配線層２０、カラーフィルタ３１およびマイクロレンズ３２を固体撮像素子というものとする。

ここで、フォトニック結晶４２について説明する。図２は、物質内での光の屈折の様子を模式的に示す図であり、（ａ）は正の屈折率を有する物質での光の屈折の様子を示し、（ｂ）は負の屈折率を有する物質での光の屈折の様子を示している。これらの図で、入射光の進行方向を物質間の界面に投射した方向をｘ方向としている。

図２（ａ）に示されるように、一般的な物質１０２では、光の屈折率は正のパラメータを持ち、その場合には光は物質間の界面で屈折するものの、斜めの経路を描くのが通常の現象である。つまり、物質１０２に光がたとえば空気１０１中から入射角θで入射すると、物質１０２内では屈折角βで屈折し、さらに物質１０２から空気１０３中へと透過していく。その結果、物質１０２での光の入射位置をｘ₁とすると、物質１０２からの出射位置ｘ₂は、ｘ₁よりもｘ方向の正側になる。この屈折率は、通常、自然界の物質である限り正となる。

一方、フォトニック結晶と呼ばれるたとえば屈折率の異なる物質を人工的に波長よりも小さい周期で構成すると負の屈折率として振舞う現象が最近では知られている（「スーパーレンズを組み合わせたフォトニック結晶スーパープリズムフィルタのＦＤＴＤ解析」松本崇、藤田晋司、馬場俊彦、電子情報通信学会技術研究報告。ＯＰＥ，光エレクトロニクス１０５（１４２），４７−５０，２００５−０６−１７）。このような負の屈折率を有するフォトニック結晶１０４を用いると、光の光路は、図２（ｂ）に示されるように、フォトニック結晶１０４中で光の入射方向とは逆に曲がることになる。つまり、フォトニック結晶１０４に光がたとえば空気１０１中から入射角θで入射すると、フォトニック結晶１０４内では、−αの屈折角で屈折する。さらに、フォトニック結晶１０４からたとえば空気１０３中へと透過する際にも進行方向が折り返される。このように、フォトニック結晶１０４に入射した光は、逆方向に折り返されるが、フォトニック結晶１０４からの出射時にまた同じ方向に戻る。その結果、フォトニック結晶１０４での光の入射位置をｘ₁とすると、フォトニック結晶１０４からの出射位置ｘ₂は、ｘ₁よりもｘ方向の負側（入射時側の方）へ戻されることになる。

図３は、第１の実施形態で使用されるフォトニック結晶の構造の一例を模式的に示す上面図である。このような負の屈折率を示すフォトニック結晶４２は、空気（屈折率：１）よりも屈折率の大きい低屈折率材料４２２が、低屈折率材料４２２よりも屈折率の大きい高屈折率材料膜４２１に３次元的に周期的に配置される構造を有する。具体的には、角柱状、球状、円柱状またはお椀状などの形状の低屈折率材料４２２が、立方格子または正四面体の頂点に配置されるように、３次元的に周期的に配置される。フォトニック結晶４２における低屈折率材料４２２の径（サイズ）ａは６０〜９０ｎｍであり、低屈折率材料４２２のピッチｂは１００〜２００ｎｍであると、可視光領域の光に対して負の屈折率を有するようにすることができる。また、このような配置によって、３次元的にどちらの方向から見ても同じ配置になるような構造となる。高屈折率材料膜４２１としては、たとえばポリシリコン（Ｓｉ）を用いることができ、低屈折率材料４２２としては、たとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）や空気を用いることができる。

画素に設けられるフォトニック結晶４２のサイズ（低屈折率材料４２２の周期の数）は、基板面に平行な方向では、画素サイズに応じた配列数であり、高さ方向では１列（１周期）以上である。このような構造であれば、図２（ｂ）に示した効果を得ることができる。ただし、高さ方向の低屈折率材料４２２の周期の数は、位置補正の距離に応じて調整されることが望ましく、高さ方向の低屈折率材料４２２の周期の数を３列（３周期）以上とすることで、その画素のフォトダイオード１２に光が入射されるように、フォトニック結晶４２から出射される光の位置を戻すことができる。

また、フォトニック結晶４２を、画素形成領域Ｒの外周側に何個配置するかは、実際のカメラレンズの径や焦点距離などによって異なり、実際の仕様で、外周で角度が大きくなる画素位置に対して適性に配置すればよい。ただし、使用するカメラレンズの径や焦点距離などに応じてフォトニック結晶４２を設ける領域を変えるのが理想ではあるが、実際に使用されるカメラレンズの径や焦点距離などの組み合わせで、光が斜めに入射し、隣接する画素へと混入してしまう虞のある画素の範囲を求めておき、光が斜めに入射する画素の範囲が広いものを基準にしてもよい。図４は、フォトニック結晶の配置領域の一例を示す図である。図４（ａ）に示されるように、画素形成領域Ｒの全体にフォトニック結晶４２（入射光位置補正層４０）を設けるようにしてもよいし、図４（ｂ）に示されるように、画素形成領域Ｒを９分割し、そのうちの真ん中の領域Ｒｂ以外の領域Ｒａにフォトニック結晶４２を設けるようにしてもよい。

さらに、フォトニック結晶４２の周期構造は、一つの画素形成領域Ｒ内で同じでもよいし、領域ごとに異ならせるようにしてもよい。図５は、フォトニック結晶の画素形成領域内での配置方法の一例を示す図である。この図に示されるように、画素形成領域Ｒを外周部側から複数のリング状の領域Ｒ１〜Ｒｎ（ｎは自然数）に分割し、それぞれでフォトニック結晶４２の周期構造におけるピッチ（または低屈折率材料４２２の径）を変化させる場合を示している。一般的に、画素形成領域Ｒの外周部ほど入射光の入射角度は大きくなる。そこで、たとえば外周部の領域Ｒ１では、フォトニック結晶４２の低屈折率材料４２２のピッチをＰ１とし、領域Ｒ１の内側に隣接する領域Ｒ２では、フォトニック結晶４２の低屈折率材料４２２のピッチをＰ２とし、・・・、領域Ｒｎ−１の内側に隣接する領域Ｒｎでは、フォトニック結晶４２の低屈折率材料４２２のピッチをＰｎとする。そして、領域Ｒｎから外周部の領域Ｒ１に向かって、フォトニック結晶４２への光の入射位置とフォトニック結晶４２からの光の出射位置との差が大きくなるようにすることで、入射光の入射角に応じた入射光の位置の補正を行うことが可能になる。

なお、本実施形態で使用されるフォトニック結晶４２は、高屈折率材料膜４２１中に、所定の大きさの低屈折率材料４２２が３次元的に周期的に配置されたものであり、周期構造に線欠陥や点欠陥が導入されたものではない。すなわち、３次元周期構造に線状欠陥などを導入して導波路を構成するフォトニック結晶を用いるものではなく、欠陥構造を有さない３次元周期構造のみで負の屈折率を有するフォトニック結晶４２を用いるものである。

図６は、負の屈折率を有するフォトニック結晶の光路を示した光学シミュレーションの計算結果を示す図である。たとえば屈折率３の高屈折率材料膜４２１中に径が７５ｎｍの屈折率１．４５の低屈折率材料４２２を１５０ｎｍのピッチで立方格子状に厚さ方向に３周期積層させたフォトニック結晶４２に、（ａ）は４３０ｎｍの波長の光を入射させたときの光路を示す図であり、（ｂ）は５３０ｎｍの波長の光を入射させたときの光路を示す図であり、（ｃ）は６３０ｎｍの波長の光を入射させたときの光路を示す図である。この図に示されるように、一つのフォトニック結晶４２において、Ｂ，Ｇ，Ｒに対応するいずれの光でも、それぞれ同じ方向に光路が曲げられており、フォトニック結晶４２からの出射位置を、光の入射方向側に戻すことができる。ただし、このフォトニック結晶４２の場合では、波長が短いほどその効果は大きくなっている。

図７は、実施形態による固体撮像装置の作用を模式的に示す図であり、（ａ）は固体撮像装置全体の断面図であり、（ｂ）は外周部の画素のフォトニック結晶近辺の断面図であり、（ｃ）は外周部の画素のフォトニック結晶がない従来の場合の断面図である。図７（ａ）に示されるように、固体撮像装置の画素形成領域Ｒの中央付近の画素では、光路Ｌｂのように、光は基板面に対して略垂直な方向から入射するが、画素形成領域Ｒの外周部付近の画素では、光路Ｌａのように、基板面に垂直な方向に対して傾いて入射する。

図７（ｃ）は、フォトニック結晶４２がない場合の外周部の画素における光路を示している。この図の光路Ｌｃに示されるように、マイクロレンズ３２、カラーフィルタ３１、配線層２０（層間絶縁膜２２）はいずれも正の屈折率を有しているので、基板面に対して斜め方向から画素に光が入射すると、カラーフィルタ３１を透過した光は、受光部（フォトダイオード１２）に到達する前に隣接する画素に抜けてしまう。

一方、図７（ｂ）の光路Ｌａに示されるように、負の屈折率を有するフォトニック結晶４２を、画素形成領域Ｒの外周部に配置しておくことで、斜めに入射した光が、カラーフィルタ３１（反射防止膜４３）とフォトニック結晶４２との界面で、光が入射してきた方向とは逆方向に曲がり、フォトニック結晶４２と反射防止膜４１との界面で再び光が入射してきた方向に曲がる。これによって、フォトニック結晶４２から出射される光の位置が、光の入射方向に戻されるように位置補正される。その結果、画素形成領域Ｒの外周部側の画素の混色を抑制しつつ、光をフォトダイオード１２へと導入しやすくなる。

つぎに、このような構造の固体撮像装置の製造方法について説明する。図８は、第１の実施形態による固体撮像装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図であり、図９は、図８（ｂ）の上面図である。なお、フォトニック結晶４２以外の部分の製造方法については、従来の固体撮像装置と同様であるので、ここでは、フォトニック結晶４２の部分の製造方法についてのみ説明する。

まず、従来の固体撮像装置と同様に、基板上に、フォトダイオードを２次元的に配置し、また周辺回路などを形成し、その上に層間絶縁膜２２を介して配線を形成する。ついで、図８（ａ）に示されるように、層間絶縁膜２２上に反射防止膜４１と高屈折率材料膜４２１ａと低屈折率材料膜４２２ａとを順に積層させる。層間絶縁膜２２として、たとえばＳｉＯ₂膜などを用いることができ、反射防止膜４１としてたとえばＳｉＮ膜を用いることができ、高屈折率材料膜４２１ａとしてたとえば、厚さ７５ｎｍのポリＳｉ膜を用いることができ、低屈折率材料膜４２２ａとしてたとえば厚さ７５ｎｍのＳｉＯ₂膜を用いることができる。

ついで、低屈折率材料膜４２２ａ上に図示しないレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって、画素形成領域の外周部の画素を含む領域の画素に、径が７５ｎｍの円柱状のパターンを１５０ｎｍのピッチで正方格子状に配置する。このとき、フォトニック結晶４２を形成しない領域にはレジストが配置されないようにする。なお、ここでは、パターンの形状を円柱状としているが、四角柱状や球状としてもよい。また、パターンの径は、５０〜１００ｎｍの範囲であればよく、パターンのピッチは、１００〜２００ｎｍの範囲であればよい。さらに、パターンの配置方法として、２次元的に周期構造を有するものであればよく、三角格子の頂点に位置するようにしてもよい。

その後、図８（ｂ）と図９に示されるように、このパターニングされたレジストをマスクとして、低屈折率材料膜４２２ａをＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などの異方性エッチング技術を用いてエッチングする。これによって、フォトニック結晶４２を形成する領域では、低屈折率材料膜４２２ａからなる円柱状のピラーが形成され、フォトニック結晶４２を形成しない領域では、低屈折率材料膜４２２ａが除去される。

レジストを除去した後、図８（ｃ）に示されるように、基板１１上の全面に高屈折率材料膜４２１ｂを所定の厚さで形成する。高屈折率材料膜４２１ｂとしてたとえば、厚さ７５ｎｍのポリＳｉ膜を用いることができる。その後、図８（ｂ）〜図８（ｃ）に示される処理を、所定の回数繰り返すことによって、図８（ｄ）に示されるように、フォトニック結晶４２を形成する領域では、高屈折率材料膜４２１ａ〜４２１ｄ中に円柱状の低屈折率材料膜４２２ａ〜４２２ｃが３次元的に周期的に配列されたフォトニック結晶４２が得られ、フォトニック結晶４２を形成しない領域では、所定の厚さの高屈折率材料膜４２１ａ〜４２１ｄが形成される。

ついで、基板１１上の全面に図示しないレジストを塗布し、フォトニック結晶４２を形成する領域のみをレジストで被覆するようにパターニングを行う。フォトニック結晶４２を形成する領域は、上記したように画素形成領域の少なくとも外周部を含む領域である。その後、ＲＩＥ法などの異方性エッチング技術を用いて、パターニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、フォトニック結晶４２を形成しない領域の高屈折率材料膜４２１ａ〜４２１ｄを除去する。レジストを除去した後、図８（ｅ）に示されるように、基板１１上の全面に反射防止膜４３と、保護膜５１と、を形成する。反射防止膜４３は、フォトニック結晶４２に比して屈折率の低い材料によって構成され、たとえばＳｉＮ膜などを用いることができる。また、保護膜５１は、フォトニック結晶４２が形成されない領域に埋め込まれる層間絶縁膜２３の平坦化の際に、フォトニック結晶４２を保護する目的で設けられる。

ついで、図８（ｆ）に示されるように、基板１１上の全面に層間絶縁膜２３を、その上面がフォトニック結晶４２の形成された領域での保護膜５１の上面よりも高くなるように形成する。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によって、フォトニック結晶４２が形成された領域で保護膜５１が露出するまで層間絶縁膜２３を除去しつつ、層間絶縁膜２３の上面を平坦化する。その後は、従来の固体撮像装置の製造方法と同様に、各画素領域Ｒ_p上にカラーフィルタ３１を配置し、さらにカラーフィルタ３１上にマイクロレンズ３２を配置することによって、図１に示される固体撮像装置が得られる。

第１の実施形態によれば、画素形成領域Ｒの外周部を含む領域の画素のカラーフィルタ３１の下層に３次元周期構造を有するフォトニック結晶４２を配置したので、フォトニック結晶４２から出射される光の位置を、光の入射方向側に戻すことができる。その結果、斜めから入射した光でも、フォトダイオード１２に到達する前に隣接する画素に入射してしまうことを防ぎ、画素形成領域Ｒの外周部の画素のクロストークを従来に比して改善することができるという効果を有する。また、画素形成領域Ｒの外周部の画素に入射する光の主光線の角度を大きくしても、集光ロスによる画質の感度劣化を抑えることができるという効果も有する。

（第２の実施形態）
図１０−１〜図１０−２は、第２の実施形態による固体撮像装置の製造方法の手順の一例を示す断面図であり、図１１は、図１０−１（ｂ）の上面図である。フォトニック結晶４２以外の部分の製造方法については、従来の固体撮像装置と同様であるので、この第２の実施形態でも、フォトニック結晶４２の部分の製造方法についてのみ説明する。

まず、図１０−１（ａ）に示されるように、フォトダイオードを２次元的に配置し、また周辺回路などを形成した基板上に層間絶縁膜２２を形成し、さらにその上に反射防止膜４１と高屈折率材料膜４２１ａとを順に積層させる。層間絶縁膜２２として、たとえばＳｉＯ₂膜などを用いることができ、反射防止膜４１としてたとえばＳｉＮ膜を用いることができ、高屈折率材料膜４２１ａとしてたとえば厚さ１５０ｎｍのポリＳｉ膜を用いることができる。

ついで、高屈折率材料膜４２１ａ上に図示しないレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって、画素形成領域Ｒの外周部の画素を含む領域のレジストに、径が７５ｎｍの円柱状の孔を１５０ｎｍのピッチで正方格子状に配置する。このとき、フォトニック結晶４２を形成しない領域にはレジストが配置されないようにする。なお、ここでは、孔の形状を円柱状としているが、四角柱状や球状としてもよい。また、孔の径は、５０〜１００ｎｍの範囲であればよく、パターンのピッチは、１００〜２００ｎｍの範囲であればよい。さらに、孔の配置方法として、２次元的な周期構造を有するものであればよく、三角格子の頂点に位置するようにしてもよい。

その後、図１０−１（ｂ）と図１１に示されるように、このパターニングされたレジストをマスクとして、高屈折率材料膜４２１ａをＲＩＥ法などの異方性エッチング技術を用いて、高屈折率材料膜４２１ａを貫通しない深さまでエッチングする。たとえば高屈折率材料膜４２１ａの厚さの半分（この場合には７５ｎｍ）までエッチングする。これによって、フォトニック結晶４２を形成する領域では、高屈折率材料膜４２１ａに円柱状の穴４２５が２次元的な周期構造を持って形成され、フォトニック結晶４２を形成しない領域では、所定の厚さの高屈折率材料膜４２１ａが除去される。

レジストを除去した後、図１０−１（ｃ）に示されるように、パターニングした高屈折率材料膜４２１ａ上の全面に低屈折率材料膜４２２ａを、形成した円柱状の穴４２５を埋め込み、フォトニック結晶４２を形成する領域で高屈折率材料膜４２１ａの上面よりも高くなるように形成する。その後、図１０−１（ｄ）に示されるように、高屈折率材料膜４２１ａよりも上に形成された低屈折率材料膜４２２ａをＣＭＰ法などの方法によって除去する。低屈折率材料膜４２２ａとしてたとえばＳｉＯ₂膜を用いることができる。

ついで、図１０−１（ｅ）に示されるように、基板１１上の全面に高屈折率材料膜４２１ｂを所定の厚さで形成する。高屈折率材料膜４２１ｂとしてたとえば厚さ１５０ｎｍのポリＳｉ膜を用いることができる。その後、図１０−１（ｂ）〜図１０−１（ｅ）に示される処理を、所定の回数繰り返すことによって、図１０−１（ｆ）に示されるように、フォトニック結晶４２を形成する領域では、円柱状の低屈折率材料膜４２２ａ〜４２２ｃが３次元的に周期的に配列されたフォトニック結晶４２が得られ、フォトニック結晶４２を形成しない領域では、高屈折率材料膜４２１ａ〜４２１ｄと低屈折率材料膜４２２ａ〜４２２ｃとが交互に積層された積層膜が形成される。

ついで、図１０−２（ａ）に示されるように、基板上の全面に図示しないレジストを塗布し、フォトニック結晶４２を形成する領域のみをレジストで被覆するようにパターニングを行う。その後、ＲＩＥ法などの異方性エッチング技術を用いて、パターニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、フォトニック結晶４２を形成しない領域の高屈折率材料膜４２１ａ〜４２１ｄと低屈折率材料膜４２２ａ〜４２２ｃとの積層膜を除去する。レジストを除去した後、基板上の全面に反射防止膜４３と、保護膜５１と、を形成する。反射防止膜４３は、フォトニック結晶４２に比して屈折率の低い材料によって構成され、たとえばＳｉＮ膜などを用いることができる。また、保護膜５１は、フォトニック結晶４２が形成されない領域に埋め込まれる層間絶縁膜２３の平坦化の際に、フォトニック結晶４２を保護する目的で設けられる。

そして、図１０−２（ｂ）に示されるように、基板１１上の全面に層間絶縁膜２２を形成し、ＣＭＰ法によって、フォトニック結晶４２が形成された領域で保護膜５１が露出するまで層間絶縁膜２３を除去しつつ、層間絶縁膜２３の上面を平坦化する。その後は、従来の固体撮像装置の製造方法と同様に、各画素領域Ｒ_p上にカラーフィルタ３１を配置し、さらにカラーフィルタ３１上にマイクロレンズ３２を配置することによって、図１に示される固体撮像装置が得られる。

図１２は、低屈折率材料が空気で構成される場合の固体撮像装置の製造方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。フォトニック結晶４２の低屈折率材料を空気で構成する場合には、図１０−１（ｂ）の後、図１２（ａ）に示されるように、埋め込み特性の悪い成膜法で、穴４２５がパターニングされた高屈折率材料膜４２１ａ上に高屈折率材料膜４２１ｂ−１を形成する。形成される高屈折率材料膜４２１ｂ−１は、穴４２５の位置で谷となり、高屈折率材料膜４２１ｂ−１が存在する領域で山となるような波状の構造を有する。これによって、穴４２５は塞がれ、お椀形状の空間４２５ａとなる。この空間４２５ａには、たとえば空気（屈折率１）が閉じ込められる。

ついで、図１２（ｂ）に示されるように、高屈折率材料膜４２１ｂ−１上に所定の厚さの高屈折率材料膜４２１ｂ−２を形成する。そして、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて画素形成領域Ｒの外周部の画素を含む領域の画素に、所定の大きさの円柱状の穴４２５が２次元面内に所定の周期で配置されるようにパターニングする。

その後、図１２（ａ）〜図１２（ｂ）に示される処理を、所定の回数繰り返すことによって、図１２（ｃ）に示されるように、フォトニック結晶４２を形成する領域では、お椀状の空間４２５ａ〜４２５ｃが３次元的に周期的に配列されたフォトニック結晶４２が得られ、フォトニック結晶４２を形成しない領域では、高屈折率材料膜４２１ａ〜４２１ｄの積層膜が形成される。ここでは、空間４２５ａ〜４２５ｃが低屈折率材料４２２を構成している。その後は、図１０−２（ａ）以降に示した処理と同様の処理が行われ、固体撮像装置が製造される。

本第２の実施形態によっても、第１の実施形態で示した構造の固体撮像装置を製造することができる。また、本第２の実施形態では、高屈折率材料膜４２１に２次元的に周期的に形成される穴４２５に何も埋め込まずに、その上部を塞ぐことで、空間４２５ａ〜４２５ｃ中に空気を閉じ込めることができる。その結果、低屈折率材料４２２に屈折率が１の空気を用いることができ、屈折率差の大きなフォトニック結晶４２を使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…画素形成部、１１…基板、１２…フォトダイオード、２０…配線層、２１…配線、２２，２３…層間絶縁膜、３１…カラーフィルタ、３２…マイクロレンズ、４０…入射光位置補正層、４１，４３…反射防止膜、４２…フォトニック結晶、５１…保護膜、４２１，４２１ａ〜４２１ｄ…高屈折率材料膜、４２２…低屈折率材料、４２２ａ〜４２２ｃ…低屈折率材料膜、４２５…穴、４２５ａ〜４２５ｃ…空間。

Claims

基板上の複数の画素がマトリックス状に形成される画素形成領域の前記各画素が配置される画素領域に設けられるフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを前記基板上に形成された周辺回路と接続する配線、および前記配線を絶縁する層間絶縁膜を有し、前記フォトダイオード上に設けられる配線層と、
前記各画素領域に対応して前記配線層上に設けられ、前記フォトダイオードに入射する光の波長を制限するフィルタと、
を備える固体撮像装置であって、
前記画素形成領域の少なくとも外周部に配置される画素に対応する前記フィルタと前記配線層との間に、前記配線層上に設けられる反射防止膜、および前記反射防止膜上に設けられる負の屈折率を有する材料を含む入射光位置補正層を備え、
前記負の屈折率を有する材料は、１以上の屈折率を有し、かつ前記層間絶縁膜と同程度かまたは前記層間絶縁膜よりも低い屈折率を有する低屈折率材料が、前記層間絶縁膜および前記低屈折率材料よりも屈折率の高い高屈折率材料膜内に３次元的な周期構造をもって配置されるフォトニック結晶であり、
前記フォトニック結晶は、前記高屈折率材料膜内に、立方格子状または四面体格子状に前記低屈折率材料が配置され、
前記低屈折率材料の大きさとピッチは、前記入射光位置補正層が設けられる１つの前記画素領域内で同一であり、
前記低屈折率材料の大きさまたはピッチは、前記画素形成領域の外周部に向かうほど、前記画素領域を単位として前記フォトニック結晶から光の出射位置と前記フォトニック結晶への光の入射位置との差の絶対値が大きくなるように設定されることを特徴とする固体撮像装置。
基板上の複数の画素がマトリックス状に形成される画素形成領域の前記各画素が配置される画素領域に設けられるフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを前記基板上に形成された周辺回路と接続する配線、および前記配線を絶縁する層間絶縁膜を有し、前記フォトダイオード上に設けられる配線層と、
前記各画素領域に対応して前記配線層上に設けられ、前記フォトダイオードに入射する光の波長を制限するフィルタと、
を備える固体撮像装置であって、
前記画素形成領域の少なくとも外周部に配置される画素に対応する前記フィルタと前記配線層との間に、前記配線層上に設けられる反射防止膜、および前記反射防止膜上に設けられる負の屈折率を有する材料を含む入射光位置補正層を備え、
前記負の屈折率を有する材料は、１以上の屈折率を有し、かつ前記層間絶縁膜と同程度かまたは前記層間絶縁膜よりも低い屈折率を有する低屈折率材料が、前記層間絶縁膜および前記低屈折率材料よりも屈折率の高い高屈折率材料膜内に３次元的な周期構造をもって配置されるフォトニック結晶であることを特徴とする固体撮像装置。
前記フォトニック結晶は、前記高屈折率材料膜内に、立方格子状または四面体格子状に前記低屈折率材料が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記低屈折率材料の大きさとピッチは、前記入射光位置補正層が設けられる１つの前記画素領域内で同一であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記低屈折率材料の大きさまたはピッチは、前記画素形成領域の外周部に向かう前記画素領域ほど、前記フォトニック結晶から光の出射位置と前記フォトニック結晶への光の入射位置との差の絶対値が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。