JP2012164944A - 固体撮像装置、及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

固体撮像装置、及び固体撮像装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 高い画質の画像を撮像可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部１０３ａ、１０３ｂが配された半導体基板１０１を有する。半導体基板１０１に絶縁体１０４が積層される。絶縁体１０４には光電変換部１０３ａ、１０３ｂのそれぞれに対応した穴１０５ａ、１０５ｂが配される。穴１０５ａ、１０５ｂにはそれぞれ部材１０６ａ、１０６ｂが配される。部材１０６ｂに対して半導体基板１０１とは反対側に遮光部材１０８が配され、光電変換部１０３ｂのみが遮光される。このような固体撮像装置において、穴１０５ａ、１０５ｂが同時に形成され、部材１０６ａ、１０６ｂが同時に形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は固体撮像装置、及び固体撮像装置の製造方法に関する。
近年、光電変換部に入射する光量を増やすため、光導波路を有する固体撮像装置が提案されている。
特許文献１には、被写体からの光を受光する画素が配される受光領域と、遮光された画素が配される遮光領域とを有する固体撮像装置が開示されている。特許文献１の図１に記載された固体撮像装置は、受光領域に配された第１光電変換部の直上に、光導波路となる第１高屈折率領域が形成される。そして、遮光領域に配された第２光電変換部と、第２光電変換部を覆うように配された第１配線との間に、第２高屈折率領域が設けられる。
特開２００７−１４１８７３号公報
本発明者らは特許文献１に記載された固体撮像装置には以下の課題があることを見出した。第１に、受光領域の画素と遮光領域の画素との間で、暗電流の大きさがばらつく場合がある。これは受光領域に配された画素の光導波路の構造と、遮光領域に配された画素の光導波路の構造とが大きく異なるためである。具体的に特許文献１の図１において、受光領域に配された画素の光導波路となる第１高屈折率領域の上面と、遮光領域に配された画素の光導波路となる第２高屈折領域の上面とは、半導体基板からの高さが互いに異なる。そのため、断面で見たときの面積が異なっている。
第２に、受光領域の画素と遮光領域の画素との間で信号を伝達する配線の寄生容量にばらつきが生じる場合がある。これは受光領域と遮光領域との間で配線構造が大きく異なるためである。具体的には、半導体基板に最も近い第１配線の構造が異なっている。
第３に、受光領域と遮光領域との間で製造プロセスに起因するダメージの度合いが異なる場合がある。この理由は、受光領域に配された画素の光導波路を形成するプロセスと、遮光領域に配された画素の光導波路を形成するプロセスが異なるからである。
以上の第１から第３の課題は、いずれも受光領域の画素と遮光領域の画素との間でノイズの差が大きくなる原因になりうる。本発明は、上記の第１から第３の課題の少なくとも一つを解決することを目的とする。
本発明の一つの側面に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された第１光電変換部及び第２光電変換部と、前記半導体基板の上に配された第１部材と、前記半導体基板の上であって、前記第１光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第２部材と、前記半導体基板の上であって、前記第２光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第３部材と、前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、前記第３部材に対して前記半導体基板とは反対側に配され、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材と、を有する固体撮像装置において、前記第１部材は、前記第１光電変換部と重なっていない第１部分、及び前記第１部分とは別の、前記第１光電変換部と重なっていない第２部分とを含み、前記第２部材は、前記第１部分及び前記第２部分との間に配され、前記第１部材は、前記第２光電変換部と重なっていない第３部分、及び前記第３部分とは別の、前記第２光電変換部と重なっていない第４部分とを含み、前記第３部材は、前記第３部分及び前記第４部分との間に配され、前記半導体基板から前記第２部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第１の距離、及び前記半導体基板から前記第３部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第２の距離が、前記半導体基板から前記遮光部材の前記半導体基板の側の面までの第３の距離より小さく、前記第１の距離及び前記第２の距離が、前記半導体基板から前記多層配線構造のうち前記半導体基板に最も近い配線層に含まれる導電部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第４の距離よりも大きいことを特徴とする。
本発明の別の側面に係る固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に配された第１光電変換部及び第２光電変換部と、前記半導体基板の上に配された第１部材と、前記半導体基板の上であって、前記第１光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第２部材と、前記半導体基板の上であって、前記第２光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第３部材と、前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、前記第３部材に対して前記半導体基板とは反対側に配され、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材と、を有する固体撮像装置において、前記第１部材は、第１部分及び前記第１部分とは異なる第２部分を含み、前記第１光電変換部と前記第２部材とが配された方向と交差する方向に沿って、前記第１部分、前記第２部材、及び前記第２部分が配され、前記第１部材は、第３部分及び前記第３部分とは異なる第４部分を含み、前記第２光電変換部と前記第３部材とが配された方向と交差する方向に沿って、前記第３部分、前記第３部材、及び前記第４部分が配され、前記半導体基板から前記第２部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第１の距離、及び前記半導体基板から前記第３部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第２の距離が、前記半導体基板から前記遮光部材の前記半導体基板の側の面までの第３の距離より小さく、前記第１の距離及び前記第２の距離が、前記半導体基板から前記多層配線構造のうち前記半導体基板に最も近い配線層に含まれる導電部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第４の距離よりも大きいことを特徴とする。
本発明の一つの側面に係る固体撮像装置の製造方法は、固体撮像装置の製造方法であって、第１光電変換部及び第２光電変換部が配された半導体基板の上に第１絶縁体を形成する工程と、前記第１絶縁体の前記第１光電変換部に対応した第１部分、及び前記第１部分とは別の前記第１絶縁体の前記第２光電変換部に対応した第２部分を同時に除去する第１工程と、前記第１部分が除去された領域に第１部材を形成すると同時に、前記第２部分が除去された領域に第２部材を形成する第２工程と、前記第２工程の後に、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材を形成する第３工程と、前記第３工程の後に、第２絶縁体を形成する第４工程と、を含み、前記第４工程の後には、前記第２絶縁体の前記第１光電変換部に対応した第３部分、及び前記第３部分とは別の前記第２絶縁体の前記第２光電変換部に対応した第４領域のいずれか一方のみを除去する工程を行わないことを特徴とする。
本発明の別の側面に係る固体撮像装置の製造方法は、固体撮像装置の製造方法であって、第１光電変換部及び第２光電変換部が配された半導体基板の上に、前記第１光電変換部に重なるように第１エッチストップ部材を形成する工程と、前記半導体基板の上に、前記第２光電変換部に重なるように第２エッチストップ部材を形成する工程と、前記第１及び第２エッチストップ部材の上に第１絶縁体を形成する工程と、前記絶縁体の前記第１エッチストップ部材と重なって配された第１部分、及び前記第１部分とは別の前記絶縁体の前記第２エッチストップ部材と重なって配された第２部分を同時にエッチングするエッチング工程と、前記第１部分がエッチングによって除去された領域に第１部材を形成すると同時に、前記第２部分がエッチングによって除去された領域に第２部材を形成する第１工程と、前記第１工程の後に、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材を形成する第２工程と、前記第２工程の後に、第２絶縁体を形成する第３工程と、を含み、前記第３工程の後には、前記第２絶縁体の前記第１光電変換部に対応した第３部分、及び前記第３部分とは別の前記第２絶縁体の前記第２光電変換部に対応した第４領域のいずれか一方のみを除去する工程を行わず、前記第１及び第２エッチストップ部材のエッチングレートが、前記絶縁体のエッチングレートよりも小さく、前記エッチング工程において、少なくとも前記第１及び第２エッチストップ部材が露出するまで前記絶縁体をエッチングすることを特徴とする。
本発明によれば、高画質の画像を撮像することが可能である。
実施例１の固体撮像装置の断面構造の概略図。 実施例１の固体撮像装置の製造方法を示す図。 実施例１の固体撮像装置の製造方法を示す図。 実施例１の固体撮像装置の平面構造及び断面構造の概略図。 実施例２の固体撮像装置の断面構造の概略図。 実施例３の固体撮像装置の断面構造の概略図。
本発明に係る固体撮像装置１００は半導体基板１０１を有する。半導体基板は、固体撮像装置を構成する部材のうち半導体材料の部分である。例えば、半導体基板は、半導体ウェハに対して周知の半導体製造プロセスにより半導体領域が形成されたものを含む。半導体材料としては例えばシリコンが挙げられる。半導体材料と別の材料との界面が半導体基板の主面１０２である。例えば、別の材料は半導体基板上に該半導体基板と接して配された熱酸化膜などである。図１において、矢印Ｌは光の入射方向の一つを示す。主面１０２から半導体基板１０１の内部に向かって光が入射する。
本明細書において、平面は主面１０２と平行な面である。例えば、後述する光電変換部が配された領域における主面１０２、あるいはＭＯＳトランジスタのチャネルにおける主面１０２を基準としてよい。本明細書において、断面は平面に対して垂直な面である。
半導体基板１０１に、光電変換部１０３ａ、１０３ｂが配される。このうち、受光領域（有効画素領域）に配された光電変換部１０３ａには、被写体からの光が入射する。そのため、光電変換部１０３ａからの信号は撮像画像の画素信号として処理されうる。一方、遮光領域（オプティカルブラック領域）に配された光電変換部１０３ｂは遮光される。そのため光電変換部１０３ｂからの信号は黒レベルの基準信号として処理されうる。なお、光電変換部１０３ｂの電子を信号として読み出すことが可能な構成となっていれば、光電変換部１０３ｂにおいて必ずしも光電変換が行われる必要はない。
半導体基板１０１の主面１０２側に、絶縁体１０４が配される。絶縁体１０４の代わりに導電性の材料で構成された部材が配されてもよい。絶縁体１０４は光電変換部１０３ａに対応した穴１０５ａ、及び光電変換部１０３ｂに対応した穴１０５ｂを有する。穴の断面形状については、穴１０５ａ、１０５ｂが必ずしも絶縁体１０４を貫通している必要はない。絶縁体１０４が有する凹みが穴１０５ａ、１０５ｂであってもよい。穴の平面形状については、穴の境界が円形や四角形等の閉じたループである。あるいは、穴の平面形状が、複数の光電変換部にわたる溝のような形状であってもよい。つまり本明細書において、ある平面において絶縁体１０４の配されていない領域が絶縁体１０４の配された領域に囲まれている、あるいは挟まれているときに、絶縁体１０４は穴を有するという。
平面における穴１０５ａの位置について、穴１０５ａの少なくとも一部が光電変換部１０３ａに重なって配される。すなわち、穴１０５ａ及び光電変換部１０３ａを同一の平面に投写した時に、当該同一の平面に穴１０５ａ及び光電変換部１０３ａの両方が投写された領域が存在する。平面における穴１０５ｂの位置について、穴１０５ｂの少なくとも一部が光電変換部１０３ｂに重なって配される。
穴１０５ａには、導波路部材１０６ａが配される。穴１０５ａの全体に導波路部材１０６ａが配されることが好ましい。しかし、穴１０５ａの一部に導波路部材１０６ａが配されていなくてもよい。穴１０５ｂには、導波路部材１０６ｂが配される。穴１０５ｂの全体に導波路部材１０６ｂが配されることが好ましい。しかし、穴１０５ｂの一部に導波路部材１０６ｂが配されていなくてもよい。この結果、導波路部材１０６ａの少なくとも一部が光電変換部１０３ａと重なって配される。また、導波路部材１０６ｂの少なくとも一部が光電変換部１０３ｂと重なって配される。
ここで、絶縁体１０４と導波路部材１０６ａ、及び導波路部材１０６ｂとの位置関係について説明する。ある平面において導波路部材１０６ａが配された領域が絶縁体１０４の配された領域に囲まれている、あるいは挟まれている。ある平面において導波路部材１０６ｂが配された領域が絶縁体１０４の配された領域に囲まれている、あるいは挟まれている。言い換えると、光電変換部１０３ａと導波路部材１０６ａとが並ぶ方向と交差する方向に沿って、絶縁体１０４の第１部分、第１部分とは異なる第２部分、及び導波路部材１０６ａが並んでいる。光電変換部１０３ａと導波路部材１０６ａが並ぶ方向と交差する方向は例えば半導体基板１０１の主面１０２と平行な方向である。また、光電変換部１０３ｂと導波路部材１０６ｂとが並ぶ方向と交差する方向に沿って、絶縁体１０４の第３部分、第３部分とは異なる第４部分、及び導波路部材１０６ｂが並んでいる。光電変換部１０３ｂと導波路部材１０６ｂが並ぶ方向と交差する方向は例えば半導体基板１０１の主面１０２と平行な方向である。
また別の観点では、以下のような構造となっている。絶縁体１０４が光電変換部１０３ａと重なっていない第１部分と第２部分を含んでおり、第１部分及び第２部分の間に導波路部材１０６ａが配される。そして、絶縁体１０４が光電変換部１０３ｂと重なっていない第３部分と第４部分を含んでおり、第３部分及び第４部分の間に導波路部材１０６ｂが配される。
導波路部材１０６ａを構成する材料は、絶縁体１０４を構成する材料とは異なる。導波路部材１０６ｂを構成する材料は、絶縁体１０４を構成する材料とは異なる。導波路部材１０６ａ、１０６ｂは同一の材料で構成されることが好ましい。また、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂを構成する材料の誘電率が、絶縁体１０４を構成する材料の誘電率より高くてもよい。
導波路部材１０６ａ、１０６ｂを構成する材料の屈折率は、絶縁体１０４の屈折率より高いことが好ましい。このような屈折率の関係によって、導波路部材１０６ａと絶縁体１０４との界面において、導波路部材１０６ａに入射した光を光電変換部１０３ａへ向けて屈折させることが可能である。言い換えると、導波路部材１０６ａに入射した光のうち、絶縁体１０４に漏れ出す光の量を低減することができる。そのため、導波路部材１０６ａの少なくとも一部が光電変換部１０３ａと重なって配されれば、光電変換部１０３ａに入射する光の量を増やすことができる。
導波路部材１０６ａ、１０６ｂの屈折率は、必ずしも絶縁体１０４より高い必要はない。所定の領域に入射した光が周囲の絶縁体に漏れ出ない構造であれば光導波路として機能する。例えば穴１０５ａの側壁に光を反射する反射部材が配され、穴１０５ａの残りの部分に光を透過する透明部材が配された構成としてもよい。この場合、透明部材と周囲の絶縁体１０４との屈折率の関係は何でもよい。なお、この場合には反射部材が周囲の絶縁体１０４とは異なる材料で構成される。あるいは、別の例として、導波路部材１０６ａと絶縁体１０４との間にエアギャップが配された構造であってもよい。この場合、エアギャップが第１部材であってもよい。
導波路部材１０６ｂに対して半導体基板１０１とは反対側には、遮光部材１０８が配される。遮光部材１０８は、光電変換部１０３ｂに向かって入射する光の大部分、好ましくは全部を遮る。遮光部材１０８は、固体撮像装置全面に均一な量の光が照射された場合に、光電変換部１０３ａに入射する光の量に比べて光電変換部１０３ｂに入射する光の量を低減する。例えば、遮光部材１０８は光電変換部１０３ｂの全面と重なって配された金属である。遮光部材１０８は光電変換部１０３ｂを含め遮光領域全体と重なって配された金属であることが好ましい。なお、導波路部材１０６ｂに対して半導体基板１０１とは反対側に遮光部材１０８が配されるとは、半導体基板１０１と遮光部材１０８との間に導波路部材１０６ｂが配されることを意味する。
半導体基板１０１の主面１０２側には、第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂが配される。第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂ、及び遮光部材１０８を含む配線層が多層配線構造を構成する。ここで、第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂ、及び遮光部材１０８を含む配線層の主面１０２からの距離はそれぞれ異なる。第１配線層１１２ａは、半導体基板１０１に最も近い配線層である。第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂはそれぞれ導電部材を含む。導電部材は所定のパターンに配され、配線を構成している。遮光部材１０８を含む配線層は、遮光部材１０８のみを含んでいてもよい。あるいは、遮光部材１０８を含む配線層が、遮光部材１０８以外の導電部材を含んでいてもよい。なお、本発明における多層配線構造は、第１配線層１１２ａまたは第２配線層１１２ｂのいずれか一方と、遮光部材１０８を含む配線層とを少なくとも含んでいればよい。
断面における導波路部材１０６ａ、１０６ｂと遮光部材１０８及び第１配線層１１２ａに含まれる導電部材との位置関係が本発明の１つの側面の特徴である。
導波路部材１０６ａの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ａから主面１０２までの距離をｄ１とする。導波路部材１０６ｂの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ｂから主面１０２までの距離をｄ２とする。遮光部材１０８の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離をｄ３とする。また、第１配線層１１２ａに含まれる導電部材の半導体基板１０１とは反対側の面から主面１０２までの距離をｄ４とする。距離ｄ１及び距離ｄ２は距離ｄ３よりも小さい。そして、距離ｄ１及び距離ｄ２は距離ｄ４よりも大きい。
このような構成によれば、導波路部材１０６ａの半導体基板１０１とは反対側の面、及び導波路部材１０６ｂの半導体基板１０１とは反対側の面が、いずれも第１配線層１１２ａと遮光部材１０８との間の高さに位置する。したがって、穴１０５に配された導波路部材１０６ａと穴１０５ｂに配された導波路部材１０６ｂとを実質的に同じ構造にすることが可能となる。つまり、受光領域の光電変換部１０３ａに対応する光導波路と、遮光領域の光電変換部１０３ｂに対応する光導波路とを実質的に同じ構造とすることができる。
また、絶縁体１０４が有する穴１０５ａ及び穴１０５ｂが同時に形成され、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂが同時に形成されたことが本発明の別の側面の特徴である。本明細書において、穴１０５ａと穴１０５ｂとが同時に形成されるとは、一方を形成するために実施される半導体プロセスが同時に他方にも実施されることを意味する。また、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂが同時に形成されるとは、一方を形成するために実施される半導体プロセスが同時に他方にも実施されることを意味する。半導体プロセスは、例えば、層の堆積、エッチング、研磨、ＣＭＰ、洗浄、熱処理、イオン注入などである。
導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂを同時に形成したあとに、遮光部材１０８を形成する。遮光部材１０８を形成した後に形成された絶縁体の、第１光電変換部に対応した部分または第２光電変換部に対応した別の部分のいずれか一方のみを除去する工程は行われない。
このように、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂを同一のプロセスによって形成すれば、プロセスに起因したダメージの度合いを同程度とすることが可能となる。この結果、受光領域の光電変換部１０３ａで発生するノイズと遮光領域の光電変換部１０３ｂで発生するノイズとの差を小さくすることができる。
穴１０５ａ及び穴１０５ｂが同時に形成されることによって、絶縁体１０４の穴１０５ａと穴１０５ｂとを実質的に同じ構造にしてもよい。加えて、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂが同時に形成されることによって、穴１０５に配された導波路部材１０６ａと穴１０５ｂに配された導波路部材１０６ｂとを実質的に同じ構造にしてもよい。つまり、受光領域の光電変換部１０３ａに対応する光導波路と、遮光領域の光電変換部１０３ｂに対応する光導波路とを実質的に同じ構造とすることができる。
以下具体的に実施例を挙げて本発明を説明する。しかしながら本発明は、各実施例の具体的構成に限定されるものではなく、本発明の思想、概念を超えない範囲で適宜変更可能である。
本発明に係る固体撮像装置の実施例について図面を用いて説明する。図１は本実施例の固体撮像装置１００の断面構造の概略図である。本実施例では受光領域に１つの画素、遮光領域に１つの画素が示されている。実際には、受光領域に複数の画素が行列状に配される。また、遮光領域にも複数の画素が配される。以下の説明では、電子が信号電荷である場合について説明するが、ホールが信号電荷であってもよい。ホールが信号電荷である場合には、半導体領域の導電型を反対にすればよい。
１０１は半導体基板である。本実施例では半導体基板１０１はＮ型のエピタキシャル層である。半導体基板１０１にＰ型半導体領域、Ｎ型半導体領域が配される。１０２は半導体基板１０１の主面である。本実施例では、主面１０２は半導体基板１０１と半導体基板１０１に積層された熱酸化膜（不図示）との界面である。主面１０２を通って光が半導体基板１０１に入射する。光の入射する方向が矢印Ｌで示されている。
１０３ａ、１０３ｂは光電変換部、例えばフォトダイオードである。本実施例では、光電変換部１０３ａ、１０３ｂは、フォトダイオードを構成するＮ型半導体領域を含む。光電変換によって発生した電荷がＮ型半導体領域に収集される。１０９はＰ型半導体領域である。Ｐ型半導体領域１０９は半導体基板の主面１０２に接するように配される。なお、光電変換部１０３ａの面積が光電変換部１０３ｂの面積と異なっていてもよい。また、光電変換部１０３ｂにはＮ型半導体領域が含まれていなくてもよい。光電変換部１０３ｂを遮光することで、光電変換部１０３ｂからの信号を黒レベルの基準信号として用いる場合がある。そのような場合には、光電変換によって発生した電荷を収集する必要がないため、光電変換部１０３ｂがＮ型半導体領域を有していなくてもよい。また、光電変換部１０３ｂの電子を信号として読み出すことが可能な構成となっていれば、光電変換部１０３ｂにおいて必ずしも光電変換が行われる必要はない。
１１０はフローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）である。ＦＤ１１０はＮ型半導体領域である。光電変換部１０３で発生した電荷はＦＤ１１０に転送され、電圧に変換される。ＦＤ１１０は不図示の増幅部の入力ノードに電気的に接続される。あるいは、ＦＤ１１０は不図示の信号出力線に電気的に接続される。１１１は不図示の熱酸化膜を介して半導体基板１０１上に配されたゲート電極である。ゲート電極１１１は光電変換部１０３ａ、１０３ｂとＦＤ１１０との間の電荷の転送を制御する。
１０４は半導体基板１０１の主面１０２側に配された絶縁体である。本実施例では、絶縁体１０４はシリコン酸化膜である。絶縁体１０４の屈折率は１．４０〜１．６０であることが好ましい。また、半導体基板１０１の主面１０２側に第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂが配される。第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂは、半導体基板１０１の主面を基準に異なる高さに配される。本実施例において、第１配線層１１２ａ、及び第２配線層１１２ｂの導電部材は銅で形成される。導電部材は導電性の材料であれば銅以外の材料で形成されてもよい。第１配線層１１２ａの一部の導電部材と第２配線層１１２ｂの一部の導電部材とは不図示のプラグによって電気的に接続されていてもよい。プラグによって電気的に接続される部分を除いて、第１配線層１１２ａの導電部材と第２配線層１１２ｂの導電部材とは絶縁体１０４によって互いに絶縁されている。すなわち絶縁体１０４は層間絶縁膜を含んでいてもよい。なお、配線層の数は２層に限らず、配線層が単層であっても、３層以上であってもよい。
本実施例においては、受光領域の画素と遮光領域の画素との間で第１配線層１１２ａまたは第２配線層１１２ｂに含まれる導電部材のパターンが互いに等しい。少なくとも第１配線層１１２ａに含まれる導電部材のパターンが等しい。ここで、パターンが互いに等しい範囲は、少なくとも画素のすぐ後段に配される信号出力線までの電気的ノードを構成する部分の導電パターンが等しければよい。
１０５ａ、１０５ｂは絶縁体１０４に配された穴である。穴１０５ａは光電変換部１０３ａに対応する。穴１０５ｂは光電変換部１０３ｂに対応する。穴１０５ａには導波路部材１０６ｂが配される。穴１０５ｂには導波路部材１０６ｂが配される。本実施例では、導波路部材１０６ａ、１０６ｂはいずれもシリコン窒化膜である。あるいは、導波路部材１０６ａ、１０６ｂがシリコン酸窒化膜、有機材料（ポリイミド系高分子等の樹脂）であってもよい。本実施例では、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの屈折率は絶縁体１０４の屈折率よりも高い。導波路部材１０６ａ、１０６ｂの屈折率は１．６０以上であることが好ましい。さらに、１．８０〜２．４０の範囲であることがより好ましい。本実施例では穴１０５ａの全体に導波路部材１０６ａが配されている。しかしながら、穴１０５ａの一部にのみ導波路部材１０６ａが配されてもよい。また、導波路部材１０６ａが複数の材料を含んで構成されていてもよい。この場合、複数の材料のうちいずれか一つの材料の屈折率が、絶縁体１０４の屈折率よりも高ければよい。例えば、導波路部材１０６ａがシリコン窒化膜とシリコン酸窒化膜とで構成されていてもよい。あるいは、穴１０５ａの側壁及び底の近傍にシリコン窒化膜が配され、穴１０５ａの内部の他の領域に有機材料が配された構成でもよい。なお、穴１０５ａ及び導波路部材１０６ａについての説明は、特に断りがないかぎり穴１０５ｂ及び導波路部材１０６ｂに適用できる。
１１３はエッチストップ部材である。エッチストップ部材１１３は導波路部材１０６ａ、１０６ｂと半導体基板１０１との間に配される。エッチストップ部材１１３は穴１０５ａ、１０５ｂを形成する際のエッチングを精度よく停止させるための層である。あるいは、エッチストップ部材１１３がエッチングの進行を遅らせるための層であってもよい。エッチストップ部材１１３と導波路部材１０６ａ、１０６ｂとは互いに接している。別の観点では、エッチストップ部材１１３は穴１０５ａ、１０５ｂの半導体基板側の底面を構成している。エッチストップ部材１１３は絶縁体１０４とは異なる材料で形成される。本実施例では、エッチストップ部材１１３はシリコン窒化膜である。なお、エッチストップ部材１１３はエッチング条件に応じて必ずしも配される必要はない。更にエッチストップ部材を設けた後に穴１０５ａ、１０５ｂを形成するエッチング工程において除去されてもよい。
１０８は遮光部材である。遮光部材１０８は金属材料、あるいは光を透過しない有機材料で形成される。遮光部材１０８の材料は、４００〜６００ｎｍの波長の光の反射率が高い材料が好ましい。本実施例では、遮光部材はアルミである。遮光部材１０８は光電変換部１０３ｂの全面と重なって配される。遮光部材１０８が遮光領域全体と重なって配されることが好ましい。なお、遮光部材１０８によって、光電変換部１０３ｂに入射する光の全てが遮られる必要はない。例えば、遮光部材１０８が配されていない場所から斜めに進む光が、複数回の反射の結果として光電変換部１０３ｂに入射することが考えられる。
なお、遮光部材１０８は第３配線層に含まれる導電部材の一部であってもよい。すなわち、遮光部材１０８が電源電圧や信号を伝達する配線を構成していてもよい。図１には示されていないが、遮光部材１０８と同じ第３配線層に、パッドや周辺回路の配線を構成する導電部材が配されてもよい。もちろん、遮光部材１０８が配された第３配線層には、遮光部材１０８のみが配されていてもよい。
ここで、導波路部材１０６ａ、１０６ｂ、第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂ、及び遮光部材１０８の位置関係について説明する。図１のｄ１は、導波路部材１０６ａの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ａと半導体基板１０１の主面１０２との間の距離（第１の距離）を示している。図１のｄ２は、導波路部材１０６ｂの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ｂと半導体基板１０１の主面１０２との間の距離（第２の距離）を示している。図１のｄ３は、遮光部材１０８の半導体基板１０１側の面と半導体基板１０１の主面１０２との距離（第３の距離）を示している。図１のｄ４は、第１配線層１１２ａに含まれる導電部材の半導体基板１０１とは反対側の面と半導体基板１０１の主面１０２との距離（第４の距離）を示している。図１が示す通り、遮光部材１０８と主面１０２との距離ｄ３は、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ａと主面１０２との間の距離ｄ１、ｄ２よりも大きい。言い換えると、遮光部材１０８は、導波路部材１０６ａ及び１０６ｂよりも半導体基板１０１から遠い位置に配される。そして、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ａと主面１０２との間の距離ｄ１、ｄ２は、距離ｄ４より大きい。言い換えると、導波路部材１０６ａ及び１０６ｂのそれぞれの少なくとも一部は、半導体基板１０１に最も近い第１配線層１１２ａよりも、半導体基板１０１から遠い位置に配される。
本実施例において、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの半導体基板１０１とは反対側の面１０７ａ、１０７ｂから主面１０２までの距離ｄ１、ｄ２は、第２配線層１１２ｂに含まれる導電部材の半導体基板１０１とは反対側の面から主面１０２までの距離よりも大きい。しかし、距離ｄ１、距離ｄ２は、少なくとも主面１０２から半導体基板１０１に最も近い配線層に含まれる導電部材の半導体基板とは反対側の面までの距離ｄ４よりもおおきければよい。
また、本実施例では導波路部材１０６ａ、１０６ｂの半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離が、第１配線層１１２ａに含まれる導電部材の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離よりも小さい。しかしこのような構成には限られない。例えば、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離が、第２配線層１１２ｂに含まれる導電部材の半導体基板１０１側の面から主面１０２までの距離よりも小さく、第１配線層１１２ａに含まれる導電部材の半導体基板１０１とは反対側の面から主面１０２までの距離ｄ４よりも大きくてもよい。
また、本実施例では導波路部材１０６ａ、１０６ｂの半導体基板１０１側の面と主面１０２とが所定の距離だけ離れている。しかし、導波路部材１０６ａ、１０６ｂが半導体基板１０１と接していてもよい。
１１４は層内レンズである。層内レンズ１１４は半導体基板１０１へ向かう光を光電変換部１０３ａもしくは導波路部材１０６ａに集光する。層内レンズ１１４は導波路部材１０６ａに対して半導体基板１０１とは反対側に配される。層内レンズ１１４は受光領域の光電変換部１０３ａに対応して配される。本実施例では、層内レンズ１１４はシリコン窒化膜で形成される。なお、層内レンズ１１４は必ずしも配される必要はない。また、図１には示されていないが、層内レンズ１１４に対して半導体基板１０１とは反対側には、カラーフィルター、トップレンズが配されてもよい。
続いて、図２及び図３を用いて本実施例の製造プロセスについて説明する。図２及び図３において、図１と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図２（ａ）においては、半導体基板１０１に各半導体領域を形成し、半導体基板１０１上にゲート電極１１１、絶縁体１０４、エッチストップ部材１１３、第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂを形成する工程を説明する。この工程では、まず、半導体基板１０１内の主面１０２側に光電変換部１０３ａ、１０３ｂ、及びＦＤ１１０を形成する。このとき、画素部の他のトランジスタのソース・ドレイン領域を形成してもよい。続いて、ゲート電極１１１を形成する。このとき、画素部の他のトランジスタのゲート電極を形成してもよい。
次に光電変換部１０３ａ、１０３ｂの主面１０２側に保護層２０１を形成する。例えば保護層２０１はシリコン窒化膜である。保護層２０１はシリコン窒化膜、シリコン酸化膜を含む複数の層で構成されてもよい。保護層２０１は、後の工程で光電変換部に与えられるダメージを低減する機能を有していてもよい。また、保護層２０１が反射防止の機能を有していてもよい。保護層２０１に対して半導体基板１０１とは反対側にエッチストップ部材１１３を形成する。エッチストップ部材の面積は、その後に形成される穴１０５ａ、１０５ｂの底の面積より大きいことが好ましい。また、穴１０５ａ、１０５ｂの底となる領域以外にはエッチストップ部材が形成されなくてもよい。なお、保護層２０１及びエッチストップ部材１１３は必ずしも形成される必要はない。
続いて、絶縁体１０４及び第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂを形成する。本実施例ではダマシン法によって第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂが形成される。絶縁体１０４が複数の層間絶縁膜１０４ａ〜１０４ｅで構成されている場合を例に説明する。便宜的に半導体基板１０１に近いほうから順に、第１〜第５層間絶縁膜１０４ａ〜ｅとする。
第１層間絶縁膜１０４ａを受光領域及び遮光領域の全面に形成する。必要に応じて、第１層間絶縁膜１０４ａの半導体基板１０１とは反対側の面を平坦化してもよい。第１層間絶縁膜１０４ａには不図示のスルーホールが形成される。スルーホールには、第１配線層の導電部材と半導体基板１０１の半導体領域とを電気的に接続するプラグが配される。
次に、第１層間絶縁膜１０４ａに対して半導体基板１０１とは反対側に第２層間絶縁膜１０４ｂを形成する。第２層間絶縁膜１０４ｂのうち、第１配線層１１２ａの導電部材が配される領域に対応した部分をエッチングにより除去する。その後、第１配線層の材料となる金属膜を受光領域及び遮光領域の全面に形成する。その後、ＣＭＰなどの方法により第２層間絶縁膜が露出するまで金属膜を除去する。このような手順によって、第１配線層１１２ａの配線を構成する導電部材が所定のパターンに配される。
続いて、第３層間絶縁膜１０４ｃ、第４層間絶縁膜１０４ｄを受光領域及び遮光領域の全面に形成する。ここで、第４層間絶縁膜１０４ｄのうち、第２配線層１１２ｂの導電部材が配される領域に対応した部分をエッチングにより除去する。次に、第３層間絶縁膜１０４ｃのうち、第１配線層１１２ａの導電部材と第２配線層１１２ｂの導電部材とを電気的に接続するプラグが配される領域に対応した部分をエッチングにより除去する。その後、第２配線層及びプラグの材料となる金属膜を受光領域及び遮光領域の全面に形成する。その後、ＣＭＰなどの方法により第４層間絶縁膜が露出するまで金属膜を除去する。このような手順によって、第２配線層１１２ｂの配線パターン、及びプラグのパターンを得る。なお、第３層間絶縁膜１０４ｃ、第４層間絶縁膜１０４ｄを形成した後に、先に第１配線層１１２ａの導電部材と第２配線層１１２ｂの導電部材とを電気的に接続するプラグが配される領域に対応した部分をエッチングにより除去してもよい。
最後に第５層間絶縁膜１０４ｅを受光領域及び遮光領域の全面に形成する。必要に応じて、第５層間絶縁膜１０４ｅの半導体基板１０１とは反対側の面をＣＭＰなどの方法で平坦化してもよい。
また、各層間絶縁膜の間にはエッチストップ膜、金属の拡散防止膜、あるいは両方の機能を備える膜が配されてもよい。具体的には、絶縁体１０４がシリコン酸化膜である場合、シリコン窒化膜が金属の拡散防止膜となる。
なお、第１配線層１１２ａ及び第２配線層１１２ｂはダマシン法以外の手法で形成されてもよい。ダマシン法以外の手法の一例を説明する。第１層間絶縁膜１０４ａが形成された後に、第１配線層の材料となる金属膜を受光領域及び遮光領域の全面に形成する。次に、金属膜のうち、第１配線層１１２ａの導電部材が配される領域以外の部分をエッチングにより除去する。これによって、第１配線層１１２ａの配線パターンを得る。その後、第２層間絶縁膜１０４ｂ、第３層間絶縁膜１０４ｃを形成し、同様に第２配線層１１２ｂを形成する。第２配線層１１２ｂが形成された後、第４層間絶縁膜１０４ｄ及び第５層間絶縁膜１０４ｅを形成する。第３層間絶縁膜１０４ｃ、及び第５層間絶縁膜１０４ｅの半導体基板１０１とは反対側の面は必要に応じて平坦化される。
絶縁体１０４の形成においては、光電変換部１０３ａに対応した領域と、光電変換部１０３ｂに対応した領域とに同時に絶縁体１０４が形成されることが望ましい。この理由は、絶縁体１０４が穴１０５ａ、１０５ｂの側壁となるからである。しかしながら、絶縁体１０４の形成工程が異なることに起因する、光電変換部１０３ａと光電変換部１０３ｂとの間のノイズの差は小さい。そのため、光電変換部１０３ａに対応した領域と、光電変換部１０３ｂに対応した領域とに別の工程で絶縁体１０４が形成されてもよい。
また、第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂの配線構造が、受光領域と遮光領域との間で同じ構造であることが好ましい。このような構造によれば、受光領域での配線間の寄生容量と遮光領域での配線間の寄生容量とを実質的に同じにできる。
図２（ｂ）においては、絶縁体１０４の穴１０５ａ、１０５ｂを形成する。不図示のエッチマスクパターンを絶縁体１０４に対して半導体基板１０１とは反対側に積層する。エッチマスクパターンは穴１０５ａ、１０５ｂが配されるべき領域以外に配される。言い換えれば、エッチマスクパターンは穴１０５ａが配されるべき領域、及び穴１０５ｂが配されるべき領域にそれぞれ開口を有する。エッチマスクパターンは、例えばフォトリソグラフィ及び現像によってパターニングされたフォトレジストである。
続いて、エッチマスクパターンをマスクとして、絶縁体１０４をエッチングする。これによって、穴１０５ａ及び穴１０５ｂが同時に形成される。絶縁体１０４のエッチング後に、エッチマスクパターンを除去する。
エッチストップ部材１１３が配された場合には、図２（ｂ）において、エッチストップ部材１１３が露出するまでエッチングが行われることが好ましい。エッチストップ部材１１３は、絶縁体１０４をエッチングするエッチング条件におけるエッチングレートが、絶縁体１０４のエッチングレートよりも小さいことが好ましい。絶縁体１０４がシリコン酸化膜である場合は、エッチストップ部材１１３はシリコン窒化膜、あるいはシリコン酸窒化膜であればよい。また、条件の異なる複数回のエッチングによって、エッチストップ部材１１３が露出するようにしてもよい。
図２（ｂ）において、穴１０５ａが形成されるべき領域に配された絶縁体１０４と、穴１０５ｂが形成されるべき領域に配された絶縁体１０４とが同時にエッチングされることが本実施例の１つの側面の特徴である。そのために、エッチングの際のエッチマスクパターンが、穴１０５ａが配されるべき領域に対応した開口と、１０５ｂが配されるべき領域に対応した開口を有する。このようなエッチマスクパターンを用いて絶縁体１０４のエッチングを行えば、穴１０５ａ及び穴１０５ｂが同時に形成される。このような工程によれば、半導体基板面内でのムラの影響等を除けば、実質的に同じ形状を有する穴１０５ａ及び穴１０５ｂを形成することができる。さらに、エッチングが光電変換部１０３ａに与えるダメージと光電変換部１０３ｂに与えるダメージを実質的に同じにすることができる。
図２（ｃ）においては、穴１０５ａ、及び穴１０５ｂのそれぞれに、導波路部材１０６ａ及び１０６ｂを形成する。まず、受光領域及び遮光領域の全面に導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料を堆積させる。導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料の堆積は、ＣＶＤあるいはスパッタによる成膜や、ポリイミド系高分子に代表される有機材料の塗布によって行うことができる。その後、必要であれば、穴１０５ａ、１０５ｂの外部に配された導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料を除去する。なお、穴１０５ａ、１０５ｂの外部に配された導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料は必ずしも除去される必要はない。導波路部材１０６ａ、１０６ｂはいずれも第２配線層１１２ｂよりも半導体基板１０１の主面１０２からの距離が遠い位置にまで形成されることが好ましい。また、図２（ｂ）の工程で、エッチストップ部材１１３が露出するまで絶縁体１０４がエッチングされた場合には、導波路部材１０６ａ、１０６ｂがエッチストップ部材１１３と接するように配される。
同一の材料を複数回堆積することによって、導波路部材１０６ａ、１０６ｂを形成してもよい。さらには、複数の異なる材料を順次形成することによって導波路部材１０６ａ、１０６ｂを形成してもよい。例えば、シリコン窒化膜を最初に堆積させ、次に埋め込み性能の高い有機材料を堆積させることによって、導波路部材１０６ａ、１０６ｂを形成してもよい。
導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料は、絶縁体１０４の屈折率よりも高い材料であればよい。絶縁体１０４がシリコン酸化膜である場合は、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料としては、シリコン窒化膜やポリイミド系の有機材料が挙げられる。本実施例において、シリコン窒化膜は屈折率が約２．０である。周囲のシリコン酸化膜の屈折率は約１．４である。そのため、スネルの法則に基づいて、導波路部材１０６ａ、１０６ｂと絶縁体１０４との界面に入る光が反射する。これによって、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの内部に閉じ込めることができる。またシリコン窒化膜の水素含有量を多くすることが可能であり、水素供給効果によって基板のダングリングボンドを終端することができる。これによって、白傷などのノイズを低減することが可能となる。ポリイミド系の有機材料は屈折率が約１．７である。ポリイミド系の有機材料の埋め込み特性はシリコン窒化膜より優れている。導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料については、屈折率差などの光学特性と製造工程上の長所との兼ね合いを考慮して適宜選定することが好ましい。
図２（ｃ）において、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂを同時に形成することが本実施例の特徴である。これは穴１０５ａ及び穴１０５ｂのうち、一方に導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料が堆積されるときに、他方にも導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料が堆積されるようにすればよい。このような工程によれば、半導体基板面内でのムラの影響等を除けば、実質的に同じ形状を有する導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂを形成することができる。
図３（ａ）においては、第１平坦膜３０１、遮光部材１０８を形成する。まず、導波路部材１０６ａ、１０６ｂに対して半導体基板１０１とは反対側に第１平坦膜３０１を形成する。平坦膜３０１は、例えばシリコン酸化膜である。次に、第１平坦膜３０１の半導体基板１０１と反対の面をＣＭＰによって平坦化する。平坦化する方法はＣＭＰに限らず、エッチングや研磨など周知の方法を用いることができる。なお、第１平坦膜３０１を形成する前の面がすでに平坦化されている場合は、第１平坦膜３０１が形成された後の平坦化は必ずしも必要ではない。なお、第１平坦膜３０１を省略することもできる。
平坦膜３０１に対して半導体基板１０１とは反対側に遮光部材１０８を形成する。遮光部材１０８は遮光領域の光電変換部１０３ｂに対応して配される。遮光部材１０８は光電変換部１０３ｂに向かって進む光を反射、あるいは吸収する。そのため、遮光部材１０８の材料は光を反射する金属や、光を吸収する有機材料が適している。本実施例では、遮光部材１０８はアルミで形成される。遮光部材１０８を形成する方法は、第１配線層１１２ａまたは第２配線層１１２ｂを形成する方法を適宜使用すればよい。遮光部材１０８が第３配線層に含まれてもよい。すなわち、遮光部材１０８を形成する工程において、同時にパッドや周辺回路の配線を構成する導電部材を形成することができる。また、遮光部材１０８が配線を構成していてもよい。
図３（ｂ）においては、層内レンズ１１４を形成する。第１平坦膜３０１に対して半導体基板１０１とは反対側に層内レンズ１１４を形成する。層内レンズ１１４は受光領域の光電変換部１０３ａに対応して配される。層内レンズ１１４は例えばシリコン窒化膜で形成される。層内レンズ１１４を形成する方法は、周知の方法を用いることができる。
図３（ａ）が示すように、本実施例においては遮光部材１０８の半導体基板１０１側の面が第１平坦膜３０１と接する。そして、図３（ｂ）が示すように、層内レンズ１１４の半導体基板１０１側の面が第１平坦膜３０１と接する。言い換えると、遮光部材１０８と層内レンズ１１４とが、半導体基板１０１とは反対側の面が平坦化された同一の膜（例えば、平坦膜３０１）に接するように配される。このような構成によれば、遮光部材１０８及び層内レンズ１１４を覆うように新たな膜を形成した時に、受光領域と遮光領域との段差を小さくすることが可能となる。
また、平坦膜３０１の屈折率は、層内レンズ１１４の屈折率よりも小さいことが好ましい。本実施例では、層内レンズ１１４を形成するシリコン窒化膜の屈折率は約２．０であり、平坦膜３０１を形成するシリコン酸化膜の屈折率は約１．４６である。このような屈折率の関係によれば、斜めに入射する光に対する感度を向上することができる。この理由は次のように説明される。斜めに入射する光（矢印Ｌ１）は層内レンズ１１４で十分集光されず、導波路部材１０６ａに入射されないことがある。このような光路は図３（ｂ）の点線で示される。しかし、層内レンズ１１４と導波路部材１０６ａとの間に層内レンズ１１４よりも屈折率の低い部材が配されたことにより、斜めに入射した光が層内レンズ１１４によって集光された後、光軸ＯＰに向かって屈折する。図３（ｂ）では破線が光軸ＯＰを示す。こうして、斜めに入射する光が導波路部材１０６ａに入射されるようになるので、斜めに入射する光に対する感度が向上する。
図３（ｃ）においては、カラーフィルター３０３、マイクロレンズ３０４を形成する。遮光部材１０８、層内レンズ１１４が形成された後に、遮光部材１０８及び層内レンズ１１４を覆うように第２平坦膜３０２を形成する。第２平坦膜３０２は絶縁体である。例えば、第２平坦膜はシリコン酸化膜である。必要に応じて、第２平坦膜３０２の半導体基板１０１とは反対側の面を平坦化する。その後、受光領域の光電変換部１０３ａに対応した領域にカラーフィルター３０３、マイクロレンズ３０４を形成する。カラーフィルター３０３、マイクロレンズ３０４は必要に応じて配される。本実施例において、第２平坦膜３０２は、第１光電変換部１０３ａに対応した部分、及び第２光電変換部１０３ｂに対応した別の部分の一方のみが除去されることはない。
本実施例では、図２（ｂ）で示される工程において、絶縁体１０４のエッチングが受光領域及び遮光領域の両方に対して同時に行われる。少なくとも絶縁体１０４のエッチングが受光領域及び遮光領域の両方に対して同時に行われれば、穴１０５ａと穴１０５ｂは同時に形成されたということができる。すなわち、穴１０５ａが形成されるべき領域及び穴１０５ｂが形成されるべき領域のそれぞれに対応した開口を有するエッチングマスクを用いて絶縁体１０４をエッチングする工程は、穴１０５ａと穴１０５ｂと同時に形成する工程である。
もし、エッチングマスクが穴１０５ａの形成されるべき領域に対応した開口のみを有している場合、後のエッチング工程では絶縁体１０４の穴１０５ａに対応した部分のみがエッチングされる。このような工程では、穴１０５ａと穴１０５ｂとが同時には形成されない。
また、図２（ｃ）で示される工程において、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料が穴１０５ａ、１０５ｂの両方に同時に堆積される。少なくとも、導波路部材１０６ａ、１０６ｂの材料が穴１０５ａ、１０５ｂの両方に同時に堆積していれば、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｂが同時に形成されたということができる。半導体基板１０１に半導体領域を形成する工程から導波路部材１０６ａ、１０６ｂを形成する工程までの全工程が、受光領域及び遮光領域の両方に対して同時に行われることが好ましい。
もし、導波路部材１０６ａ、１０６ｂのうち一方のみを形成する工程が含まれる場合には、導波路部材１０６ａと導波路部材１０６ｂとが同時には形成されない。
そして、遮光部材１０８が形成された後に、第２平坦膜３０２が形成される。本実施例において、第２平坦膜３０２は、第１光電変換部１０３ａに対応した部分、及び第２光電変換部１０３ｂに対応した別の部分の一方のみが除去されることはない。
次に、図２（ｂ）の工程において、エッチストップ部材１１３が配されたことの利点を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図４（ａ）〜（ｃ）において、図１〜３と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図４（ａ）は本実施例の固体撮像装置の平面構造の概略図である。受光領域４０１、遮光領域４０２、周辺回路領域４０３が示される。受光領域４０１及び遮光領域４０２には、光電変換部を含む画素が複数配される。例えば受光領域４０１には、１９２０×１０８０個の画素が行列状に配されうる。遮光領域４０２に配された光電変換部は遮光されている。遮光領域４０２は受光領域４０１と周辺回路領域４０３との間に配される。周辺回路領域４０３には固体撮像装置の動作に必要な回路が配される。あるいは、周辺回路領域４０３には、光電変換部からの信号を処理する信号処理回路が配される。周辺回路領域４０３に配される回路としては、垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタ、アンプ、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）、メモリなどが挙げられる。アンプ、ＡＤＣ、メモリは行列状に配された複数の光電変換部の列ごとに配されていてもよい。
図４（ｂ）、（ｃ）は図４（ａ）の直線ＡＢ、直線ＣＤ、及び直線ＥＦに沿った断面構造の概略図である。図４（ｂ）はエッチストップ部材１１３が配された場合の、図２（ｂ）の工程における断面を示す。図４（ｃ）はエッチストップ部材１１３が配されていない場合の、図２（ｂ）の工程における断面を示す。直線ＡＢは受光領域４０１に配された画素４０１ａの断面を示す。直線ＣＤは、画素４０１ｂと、受光領域４０１に配された画素４０１ｂ及び遮光領域４０２に配された画素の断面を示す。画素４０１ｂは、画素４０１ａよりも受光領域４０１の中心から遠い領域に配される。画素４０１ｂは、遮光領域４０２に配された画素に隣接する画素である。直線ＥＦは周辺回路領域４０３の断面を示す。
本実施例では第１配線層１１２ａ、第２配線層１１２ｂを形成する工程において、平坦化工程が含まれる。しかし、この平坦化工程において、受光領域４０１に配された絶縁体１０４と周辺回路領域４０３に配された絶縁体１０４との間で段差が生じる場合がある。受光領域４０１に配されたプラグの密度が、周辺回路領域４０３に配されたプラグの密度と異なることなどが原因である。プラグの密度は、平面における単位面積当たりのプラグの数である。例えば、プラグの密度が高い受光領域４０１は、平坦化によって周辺回路領域４０３に対して凹む場合がある。他にも配線の密度の違いなども原因となる。このため、受光領域４０１に配された絶縁体１０４と、周辺回路領域４０３の近傍に配された遮光領域４０２に配された絶縁体１０４との間にも段差が生じる場合がある。
図４（ｂ）、（ｃ）では、ｈ１が画素４０１ａにおける半導体基板１０１の主面１０２から絶縁体１０４の半導体基板１０１とは反対側の面までの高さを示す。ｈ２が遮光領域４０２における半導体基板１０１の主面１０２から絶縁体１０４の半導体基板１０１とは反対側の面までの高さを示す。図４（ｂ）、（ｃ）が示す通り、高さｈ１は高さｈ２と異なる。ただし、遮光領域４０２に含まれる画素のすぐ近くの領域に配された画素ではこのような段差は生じにくい。これは、周辺回路領域４０３から受光領域４０１の中心にむかって緩やかに高さが変化するからである。したがって、たとえば遮光領域４０２に含まれる画素と隣接する画素４０１ｂにおける、半導体基板１０１の主面１０２から絶縁体１０４の半導体基板１０１とは反対側の面までの高さｈ３は、高さｈ２とほぼ等しい。
図４（ｂ）のようにエッチストップ部材１１３が配される場合には、図２（ｂ）の工程においてエッチストップ部材１１３が露出するまで絶縁体１０４をエッチングすればよい。エッチストップ部材１１３はエッチングレートが低いため、エッチストップ部材１１３が露出した後はほとんどエッチングが進行しない。エッチストップ部材１１３が穴１０５ａ、１０５ｂの底になるので、画素４０１ａと遮光領域４０２との間で、穴１０５ａ、１０５ｂの底の半導体基板１０１の主面１０２からの高さが実質的に同じになる。図４（ｂ）、（ｃ）ではｚ１が受光領域４０１における半導体基板１０１の主面１０２から穴１０５ａの底までの高さを示している。ｚ２が遮光領域４０２における半導体基板１０１の主面１０２から穴１０５ｂの底までの高さを示している。図２（ｂ）では高さｚ１と高さｚ２がほぼ同じである。
これに対してエッチストップ部材１１３が配されていない場合は、エッチングを行った時間に応じた量だけ絶縁体１０４がエッチングされる。したがって、図４（ｃ）が示す通り、高さｚ１と高さｚ２とが異なる。これは、もともとの絶縁体１０４の段差が反映されるからである。
このように、エッチストップ部材１１３が配されたことによって、受光領域４０１における穴１０５ａの底の高さｚ１と、遮光領域４０２における穴１０５ｂの底の高さｚ２とを実質的に同じにすることができる。これによって、受光領域４０１の光電変換部で発生するノイズと、遮光領域４０２の光電変換部で発生するノイズとの差を小さくすることができるので、画質の向上させることができる。
なお、本実施例では導波路部材１０６の屈折率が絶縁体１０４より高い例を説明した。しかしながら、導波路部材１０６の屈折率が必ずしも絶縁体１０４より高い必要はない。例えば穴１０５の側壁に光を反射する部材が配され、穴１０５の他の部分に導波路部材１０６が埋め込まれた構成としてもよい。
本発明に係る固体撮像装置の別の実施例について図面を用いて説明する。図５（ａ）は実施例２の固体撮像装置１００の断面構造の概略図である。図５（ｂ）は実施例２の固体撮像装置１００の平面構造の概略図である。図１〜図４と同様の機能を有する部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例の特徴は受光領域に配された光電変換部同士の間に遮光部材５０１ａ〜５０２ｃが配されたことである。この点を除いて、本実施例は実施例１と同様の構成としてもよい。
図５（ａ）に示されるように、受光領域には光電変換部１０３ａと光電変換部１０３ｃが配される。光電変換部１０３ａに対応して導波路部材１０６ａが配される。そして光電変換部１０３ｃに対応して導波路部材１０６ｃが配される。光電変換部１０３ｃ及び導波路部材１０６ｃは便宜的に光電変換部１０３ａ及び導波路部材１０６ａと異なる符号を付されている。しかし、光電変換部１０３ａ及び光電変換部１０３ｃは同様の機能を有する。また、導波路部材１０６ａ及び導波路部材１０６ｃは同様の機能を有する。したがって、実施例１における光電変換部１０３ａ及び導波路部材１０６ａについての説明は、適宜光電変換部１０３ｃ及び導波路部材１０６ｃに適用できる。
光電変換部１０３ａに対応して配された導波路部材１０６ａと光電変換部１０３ｃに対応して配され導波路部材１０６ｃとの間に遮光部材５０２ｂが配される。ここで導波路部材１０６ａと導波路部材１０６ｃとの間に遮光部材５０２ｂが配されるとは次のような意味である。導波路部材１０６ａ、導波路部材１０６ｂ、及び遮光部材５０２ｂが同一の平面に射影されたときに、導波路部材１０６ａが射影された領域と導波路部材１０６ｃが射影された領域との間の領域に遮光部材５０２ｂが射影される。遮光部材５０１ａは、導波路部材１０６ａと光電変換部１０３ａに隣接する別の画素の光電変換部に対応した導波路部材との間に配される。遮光部材５０１ｃは導波路部材１０６ｃと光電変換部１０３ｃに隣接する別の画素の光電変換部に対応して配された導波路部材との間に配される。
遮光部材５０１ａ〜５０１ｃの材料は、遮光部材１０８と同様の材料を適宜用いることができる。遮光部材５０１ａ〜５０１ｃの材料は、遮光部材１０８と同一の材料であることが好ましい。本実施例では遮光部材５０１ａ〜５０１ｃはアルミで形成される。また、遮光部材５０１ａ〜５０１ｃは導波路部材１０６ａ、１０６ｃよりも半導体基板１０１からの距離が遠い位置に配される。遮光部材５０１ａ〜５０１ｃは、遮光部材１０８と同一の配線層に配されることが望ましい。これによって、配線形成工程を増やすことなく遮光部材５０１ａ〜５０１ｃを形成することができる。本実施例では、遮光部材１０８、及び遮光部材５０１ａ〜５０１ｃが第３配線層に配される。
図５（ｂ）は本実施例の固体撮像装置１００の平面構造の概略図である。図５（ｂ）の直線ＰＱに沿った断面が図５（ａ）に示されている。図５（ｂ）が示すように、光電変換部１０３ａと光電変換部１０３ｃとの間に遮光部材５０１ｂが配される。さらに、光電変換部１０３ａは遮光部材５０１ａ、５０１ｂ、及び５０１ｄによって周囲を囲まれることが望ましい。つまり、受光領域においては遮光部材が格子状に配され、遮光部材によって囲まれた領域に光電変換部が配されることが望ましい。もちろんこのような配置に限らず、光電変換部１０３ａと光電変換部１０３ｃとの間の一部の領域にのみ遮光部材５０１ｂが配されてもよい。一方遮光領域においては全面に遮光部材１０８が配されることが好ましい。これによって遮光領域に配された光電変換部１０３ｂに入射する光の量が低減される。
なお、本実施例において、固体撮像装置１００はさらに層内レンズ１１４、カラーフィルター３０３、マイクロレンズ３０４を備えていてもよい。
このような遮光部材５０１ａ〜５０１ｃを形成する方法を説明する。図２（ｃ）で示される工程までは、実施例１の工程と同様である。次に、図３（ａ）が示す工程において、遮光部材１０８を形成する際に、同一配線層に含まれる遮光部材５０１ａ〜５０１ｃを形成する。
以上に述べた通り、本実施例においては受光領域の導波路部材１０６ａと導波路部材１０６ｃとの間に遮光部材５０１ｂが配される。これによって、導波路部材１０６ａ、１０６ｃ以外の領域に入射する光の量を低減することができる。導波路部材１０６ａ、１０６ｃ以外の領域に入射した光は、半導体基板１０１のうち光電変換部以外の領域に入射する可能性が高い。そのため、導波路部材１０６ａ、１０６ｃ以外の領域に入射した光は、混色などのノイズの原因となる。したがって、本実施例は、実施例１の効果に加えて、ノイズをさらに低減することができるという効果を有する。
本発明に係る固体撮像装置のさらに別の実施例について図面を用いて説明する。図６は本実施例の固体撮像装置１００の断面構造の概略図である。図１〜図５と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施例の特徴は、導波路部材１０６ａに対して半導体基板１０１とは反対側に配された層内レンズ６０１の構造である。実施例１の層内レンズ１１４は、半導体基板１０１とは反対方向に向かって凸のレンズ（以下、上に凸のレンズ）である。これに対して本実施例の層内レンズ６０１は、半導体基板１０１の方向に向かって凸のレンズ（以下、下に凸のレンズ）である。
下に凸の層内レンズ６０１を形成する方法について説明する。まず、図２（ｃ）で示される工程までは、実施例１の工程と同様である。次に、図３（ａ）が示す工程において、遮光部材１０８を形成する際に、同一配線層に含まれる遮光部材５０１ａ〜５０１ｃを形成する。この時、遮光部材５０１ａ〜５０１ｃを格子状に形成する。その後、ベース部材６０２を形成する。ベース部材６０２は遮光部材５０１ａ〜５０１ｃを覆うように形成される。そうすると、遮光部材５０１ａ〜５０１ｃが配された領域と遮光部材５０１ａ〜５０１ｃが配されていない領域との間の段差に起因して、ベース部材６０２には凹凸が形成される。遮光部材５０１ａ〜５０１ｃは光電変換部を囲うように格子状に配されるので、ベース部材６０２の光電変換部に対応した部分に凹部が配される。続いてベース部材６０２に対して半導体基板１０１とは反対側に、ベース部材６０２よりも屈折率の高い材料を堆積する。このような工程によって、下に凸の層内レンズ６０１を形成することができる。
必要に応じて、層内レンズ６０１を形成する材料の堆積を行った後、層内レンズ６０１の半導体基板１０１とは反対側の面を平坦化してもよい。さらに、カラーフィルター３０３、マイクロレンズ３０４を形成してもよい。
１００ 固体撮像装置
１０１ 半導体基板
１０３ａ、１０３ｂ 光電変換部
１０４ 絶縁体
１０５ａ、１０５ｂ 穴
１０６ａ、１０６ｂ 導波路部材
１０７ａ、１０７ｂ 導波路部材の半導体とは反対側の面
１０８ 遮光部材
１１２ａ 第１配線層
３０２ 第２平坦膜

Claims (15)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された第１光電変換部及び第２光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された第１部材と、
    前記半導体基板の上であって、前記第１光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第２部材と、
    前記半導体基板の上であって、前記第２光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第３部材と、
    前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、
    前記第３部材に対して前記半導体基板とは反対側に配され、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材と、を有する固体撮像装置において、
    前記第１部材は、前記第１光電変換部と重なっていない第１部分、及び前記第１部分とは別の、前記第１光電変換部と重なっていない第２部分とを含み、
    前記第２部材は、前記第１部分及び前記第２部分との間に配され、
    前記第１部材は、前記第２光電変換部と重なっていない第３部分、及び前記第３部分とは別の、前記第２光電変換部と重なっていない第４部分とを含み、
    前記第３部材は、前記第３部分及び前記第４部分との間に配され、
    前記半導体基板から前記第２部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第１の距離、及び前記半導体基板から前記第３部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第２の距離が、前記半導体基板から前記遮光部材の前記半導体基板の側の面までの第３の距離より小さく、
    前記第１の距離及び前記第２の距離が、前記半導体基板から前記多層配線構造のうち前記半導体基板に最も近い配線層に含まれる導電部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第４の距離よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板に配された第１光電変換部及び第２光電変換部と、
    前記半導体基板の上に配された第１部材と、
    前記半導体基板の上であって、前記第１光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第２部材と、
    前記半導体基板の上であって、前記第２光電変換部と重なる位置に配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第３部材と、
    前記半導体基板の上に配された多層配線構造と、
    前記第３部材に対して前記半導体基板とは反対側に配され、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材と、を有する固体撮像装置において、
    前記第１部材は、第１部分及び前記第１部分とは異なる第２部分を含み、
    前記第１光電変換部と前記第２部材とが配された方向と交差する方向に沿って、前記第１部分、前記第２部材、及び前記第２部分が配され、
    前記第１部材は、第３部分及び前記第３部分とは異なる第４部分を含み、
    前記第２光電変換部と前記第３部材とが配された方向と交差する方向に沿って、前記第３部分、前記第３部材、及び前記第４部分が配され、
    前記半導体基板から前記第２部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第１の距離、及び前記半導体基板から前記第３部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第２の距離が、前記半導体基板から前記遮光部材の前記半導体基板の側の面までの第３の距離より小さく、
    前記第１の距離及び前記第２の距離が、前記半導体基板から前記多層配線構造のうち前記半導体基板に最も近い配線層に含まれる導電部材の前記半導体基板とは反対側の面までの第４の距離よりも大きいことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記第２部材を構成する材料及び前記第３部材を構成する材料の屈折率は、前記第１部材を構成する材料の屈折率と異なり、
    前記第１部材と前記第２部材との界面において、前記第２部材に入射した光を前記第１光電変換部へ向けて屈折させることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像装置。
  4. 前記第２部材を構成する材料及び前記第３部材を構成する材料の誘電率は、前記第１部材を構成する材料の誘電率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第２部材及び前記第３部材に対して前記半導体基板とは反対側に配され、前記半導体基板とは反対側の面が平坦化された平坦膜と、
    前記第１光電変換部に対応して配されたレンズと、をさらに有し、
    前記遮光部材及び前記レンズが、前記平坦膜に接して配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記第２部材及び前記第３部材に対して前記半導体基板とは反対側に配され、前記半導体基板とは反対側の面が平坦化された平坦膜と、
    前記平坦膜に対して前記半導体基板とは反対側に配された中間膜と、
    前記第１光電変換部に対応して配され、前記光を集光するレンズと、をさらに有し、
    前記遮光部材及び前記レンズが、前記中間膜に接して配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記レンズと前記第２部材との間に配され、前記レンズを構成する材料及び前記第２部材よりも屈折率の低い低屈折率部材をさらに有することを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記レンズは、前記半導体基板に向かって凸の形状のレンズであることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記第１光電変換部に隣接して配された別の光電変換部と、
    前記別の光電変換部と重なった領域に、前記第２部材と並んで配され、前記第１部材とは異なる材料で構成された第４部材と、
    前記遮光部材とは別の遮光部材をさらに有し、
    前記別の遮光部材は、前記遮光部材と同一の配線層に含まれ、前記第２部材と前記第４部材との間に配された前記第１部材の上に配されたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記第２部材を構成する材料と、前記第３部材を構成する材料が同一の材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  11. 固体撮像装置の製造方法であって、
    第１光電変換部及び第２光電変換部が配された半導体基板の上に第１絶縁体を形成する工程と、
    前記第１絶縁体の前記第１光電変換部に対応した第１部分、及び前記第１部分とは別の前記第１絶縁体の前記第２光電変換部に対応した第２部分を同時に除去する第１工程と、
    前記第１部分が除去された領域に第１部材を形成すると同時に、前記第２部分が除去された領域に第２部材を形成する第２工程と、
    前記第２工程の後に、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材を形成する第３工程と、
    前記第３工程の後に、第２絶縁体を形成する第４工程と、を含み、
    前記第４工程の後には、前記第２絶縁体の前記第１光電変換部に対応した第３部分、及び前記第３部分とは別の前記第２絶縁体の前記第２光電変換部に対応した第４領域のいずれか一方のみを除去する工程を行わないことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  12. 前記固体撮像装置は、第１配線層及び第２配線層と、前記第１絶縁体を構成する第１絶縁膜及び第２絶縁膜と、を有し、
    前記半導体基板に近い側から順に、前記第１絶縁膜、前記第１配線層、前記第２絶縁膜、及び前記第２配線層が積層され、
    前記第１工程は、前記第１絶縁膜、前記第２絶縁膜、前記第１配線層及び前記第２配線層が形成された後に行われ、
    前記第１工程において、前記第１絶縁膜の一部及び前記第２絶縁膜の一部を除去することを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置の製造方法。
  13. 前記固体撮像装置は、
    前記第１部材と前記半導体基板との間に前記第１部材と接して配された第３部材と、
    前記第２部材と前記半導体基板との間に前記第２部材と接して配された第４部材とを有し、
    前記第１工程において、前記第１絶縁体はエッチングによって除去され、
    前記第３部材を構成する材料及び前記第４部材を構成する材料の前記エッチングにおけるエッチングレートが、前記第１絶縁体を構成する材料の前記エッチングにおけるエッチングレートに比べて小さいことを特徴とする請求項１１または請求項１２のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。
  14. 固体撮像装置の製造方法であって、
    第１光電変換部及び第２光電変換部が配された半導体基板の上に、前記第１光電変換部に重なるように第１エッチストップ部材を形成する工程と、
    前記半導体基板の上に、前記第２光電変換部に重なるように第２エッチストップ部材を形成する工程と、
    前記第１及び第２エッチストップ部材の上に第１絶縁体を形成する工程と、
    前記絶縁体の前記第１エッチストップ部材と重なって配された第１部分、及び前記第１部分とは別の前記絶縁体の前記第２エッチストップ部材と重なって配された第２部分を同時にエッチングするエッチング工程と、
    前記第１部分がエッチングによって除去された領域に第１部材を形成すると同時に、前記第２部分がエッチングによって除去された領域に第２部材を形成する第１工程と、
    前記第１工程の後に、前記第２光電変換部に入射する光の少なくとも一部を遮る遮光部材を形成する第２工程と、
    前記第２工程の後に、第２絶縁体を形成する第３工程と、を含み、
    前記第３工程の後には、前記第２絶縁体の前記第１光電変換部に対応した第３部分、及び前記第３部分とは別の前記第２絶縁体の前記第２光電変換部に対応した第４領域のいずれか一方のみを除去する工程を行わず、
    前記第１及び第２エッチストップ部材のエッチングレートが、前記絶縁体のエッチングレートよりも小さく、
    前記エッチング工程において、少なくとも前記第１及び第２エッチストップ部材が露出するまで前記絶縁体をエッチングすることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  15. 前記固体撮像装置は、前記第１光電変換部及び第２光電変換部が配された第１領域と、前記第１光電変換部及び第２光電変換部からの信号を処理する信号処理回路が配された第２領域と、前記半導体基板の上に配された配線層と、前記半導体基板と前記配線層に含まれる導電部材とを接続するための複数のプラグと、を有し、
    前記第１領域における前記複数のプラグの密度は、前記第２領域における前記複数のプラグの密度と異なることを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置の製造方法。
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