JP2005033074A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトダイオードへの集光率を向上し、もって感度を向上させた固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 Ｎ型半導体であるシリコン基板１４上に形成された電荷転送電極８の間に形成されたフォトダイオード１３上にＢＰＳＧ膜７を堆積し熱フロー後その窪みにカラーフィルタ層５を埋め込むことで、下層から順に、層内下凸レンズ(カラーフィルタ層５)、第２平坦化膜４、層内の上に凸の第２マイクロレンズ３、第１平坦化膜２、上に凸の第１マイクロレンズ１を設けた構造としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極とを有する固体撮像装置に関し、特に集光率の改善に関する。

近年、固体撮像装置のセルの微細化が進み、それにつれて、高感度化技術が必須となっている。固体撮像装置では各光電変換素子の上にマイクロレンズを形成し、入射光を光電変換素子に集光して感度の向上を図っている。

図４は、特許文献１等に開示された固体撮像装置の断面を示す図である。同図は、固体撮像装置中の３つの光電変換素子を含む断面を示している。Ｎ型シリコン基板１００上には、電荷転送部（垂直ＣＣＤ）１１３が形成されている。この例における電荷転送部１１３は、２層の導電性ポリシリコン層からなる転送電極を有する。

また、Ｎ型シリコン基板１００上には、フォトダイオードＰＤが形成されている。このフォトダイオードＰＤ上には透明層１１１を介してカラーフィルタ１１２が形成されている。カラーフィルタ１１２の色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は、特定の色配列（例えばベイヤー配列）となるようフォトダイオード１３の配置によって定められている。さらに、カラーフィルタ１１２を平坦化する透明層１１５の上にマイクロレンズ１１６が形成されている。

カラーフィルタ１１２はフォトダイオードＰＤにより近い箇所に形成されるので、カラーフィルタ１１２を通して入ってきた光が、隣接する他のフォトダイオードＰＤに入射される可能性を低下させている。これにより、光の混色を抑制している。

また、カラーフィルタ１１２からフォトダイオードＰＤまでの距離が短くなるため、カラーフィルタ１１２を通して入ってきた光が、フォトダイオードＰＤに達するまでに減衰、あるいは散乱する可能性が低下する。これにより、色シェーディング（色による感度むら）の低減及び集光性の向上と感度の向上とを図っている。
特開２００１−７７３４０号公報

しかしながら、従来の固体撮像装置は混色と感度の向上を図っているが、近年の固体撮像装置は微細化が進み、さらなる微細化を可能にするためには集光率の向上ひいては感度を向上させることが必要とされている。

上記課題に鑑み本発明は、集光率を向上し、もって感度を向上させ、微細化を可能にする固体撮像装置及びその製造方法を提供する。

上記課題を解決するため本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、その上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極とを有する固体撮像装置であって、前記転送電極間の窪みに下に凸のレンズ状の表面形状を有するカラーフィルタ層を備えることを特徴とする。

ここで、前記固体撮像装置は、前記光電変換素子と前記カラーフィルタ層の間に形成された透明膜を有し、前記カラーフィルタ層は前記透明膜よりも大きい屈折率を有する。

この構成によれば、転送電極の間に存在する窪みにおいて、光電変換素子の上に下に凸のレンズ状のカラーフィルタ層を形成しているので、カラーフィルタ層５からより多くの光を光電変換素子の受光面に集めることができ、もって感度を向上させることができる。例えば、転送電極に向かって入射する光を受光面に集める等、カラーフィルタ層５の入射光が、フォトダイオード１３に達するまでに減衰、散乱、反射する可能性が低下し、その結果、感度を向上させることができる。

ここで、前記固体撮像装置は、前記カラーフィルタ層の上に、上に凸状のマイクロレンズを２層備える構成としてもよい。

この構成によれば、カラーフィルタ層のレンズ効果に加えてその上に２層のマイクロレンズを備えるので、より集光率を向上させ、感度を向上させることができる。

ここで、前記２層のマイクロレンズ屈折率について下の層が上の層よりも大きい構成としてもよい。

この構成によれば、２層のマイクロレンズによって段階的に効率よく集光することができる。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板と、その上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極とを有する固体撮像装置の製造方法であって、前記転送電極間の窪みに凹状の曲面を有する透明膜を形成するステップと、前記透明膜上に下に凸レンズ状の表面を有するカラーフィルタを形成するステップとを有することを特徴とする。

ここで、前記透明膜形成ステップにおいて、熱フロー処理により前記透明膜を形成する構成としてもよい。
ここで、前記カラーフィルタは前記透明膜よりも屈折率が高い構成としてもよい。
ここで、前記製造方法は、さらに、前記カラーフィルタの上に、上に凸状のマイクロレンズを２層形成するステップを有する構成としてもよい。

このような製造方法によれば、上記の構成、作用及び効果を有する固体撮像装置を製造することができる。

以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、下に凸のカラーフィルタ層のレンズ効果として、フォトダイオードへの集光率を向上させ、もって感度を向上させることができる。

さらに、隣接するカラーフィルタ層からの入射光を低減することにより混色を抑制できるとともに、高い感度を持ち、かつ色シェーディングをも低減させることができる。

＜固体撮像装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の断面の構成を示す図である。同図では光電変換素子1つ分の断面を示している。

この固体撮像装置は、Ｎ型半導体基板１４の上に、光電変換素子であるフォトダイオード１３が形成されたＰウエル層１２を有し、その上にＳｉＯＮなどのゲート絶縁膜１１を有している。さらに、絶縁膜９で絶縁された２層の電荷転送電極８と、それらを覆うアルミ等からなる遮光膜１０とが、フォトダイオード１３の受光面よりも高く形成されている。フォトダイオード１３の受光面の周囲には、電荷転送電極８による窪みができている。

この窪みには、同図のようにＢＰＳＧ（ホウ素−リンケイ酸ガラス）等により凹状の曲面を有する透明膜（ＢＰＳＧ膜）７（屈折率ｎ＝約１．４５）が形成され、表面保護膜６を挟んで、下に凸レンズ状のカラーフィルタ層５（ｎ＝約１．５）が形成されている。さらに、カラーフィルタ層５の上には、第２平坦化膜（透明膜）４を挟んで第２マイクロレンズ３（ｎ＝１．５〜１．７）、第１平坦化膜（透明膜）２、第１マイクロレンズ（又はトップレンズ）１（ｎ＝１．５）が形成される。

上記カラーフィルタ層５は下に凸レンズ状の表面形状を有するのでレンズ効果を有し、例えば、遮光膜１０に向かう斜め入射光を受光面を集めるなどにより、フォトダイオード１３の受光面への集光率を向上させ、ひいては感度を向上させることができる。

＜固体撮像装置の製造工程＞
図１に示した固体撮像装置の製造方法について、図２、図３及び図１を用いて説明する。図２、図３、図１は固体撮像装置の断面を、主要な製造工程の順に示す図である。

図２は、Ｎ型半導体基板１４上に表面保護膜６までが形成された断面図である。同図に示す断面に至る工程を次の（１）〜（４）に説明する。

（１）Ｎ型半導体基板１４上のＰウエル層１２及びフォトダイオード１３は、一般に拡散工程と呼ばれる工程によって形成される。

（２）その後、導電性ポリシリコンからなる電荷転送電極８、アルミ等からなる遮光膜１０が形成される。この電荷転送電極８は、フォトダイオード１３の表面（受光面）の周囲に、その表面よりも高く形成される。

（３）さらに、例えば熱フロー処理によりＢＰＳＧ膜（ホウ素−リンケイ酸ガラス）からなる透明膜７が形成される。この透明膜７は、電荷転送電極８間の直角に近い窪みに対して、フォトダイオード１３の受光面の上で滑らかな凹状の表面を形成する。

（４）さらに、例えばＳｉＯＮ膜などの表面保護膜６及び電極取り出し用のボンディングパット（図外）が形成される。

図３は、さらに表面保護膜６から第２平坦化膜４までが形成された断面図を示す。同図に示す断面に至る工程を次の（５）〜（８）に説明する。

（５）表面保護膜６の上に、緑色光用カラーフィルタ層を形成するためのレジストを塗布する。このレジストには、染料あるいは顔料が、例えば緑色系波長の光を選択的に透過するように調合されている。

（６）次いで、塗布されたカラーレジストを、フォトダイオード上の、緑色光用カラーフィルタ層を形成する部分だけに残るように、露光、現像を行う。これにより、固体撮像装置における色配列のうち緑色に対応するフォトダイオード上に、緑色用カラーフィルタ層５Ｇが形成される。なお、前記表面保護膜６とカラーレジストとの密着性を向上させるために、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン(Hexamethyldisilazane)）膜の蒸気塗布、または、アクリル系透明樹脂による塗布膜を用いることも可能である。また、カラーフルタ層は表面保護膜の最高部よりも若干厚く仕上げることにより、再現性に優れたカラーフィルタ層５を形成できる。

（７）上記（６）と同様にして、青色用カラーフィルタ層５Ｂ、赤色用カラーフィルタ層５Ｒをそれぞれの定められた位置に形成する。（６）（７）により形成されたカラーフィルタ層５は、ＢＰＳＧ（ホウ素−リンケイ酸ガラス）膜７に比べ、屈折率が同等か高いため、下凸レンズとしての効果がある。例えば、遮光膜１０に向かう斜め入射光を受光面に導く等、集光率を高めることができる。

（８）カラーフィルタ層５の上に、例えばアクリル系透明樹脂により平坦化層４を形成し、カラーフィルタ層５、電荷転送電極８上の凹凸を平坦化する。この平坦化は、次工程において層内上凸レンズ３を制御よく形成するためになされる。なお、アクリル系透明樹脂層４の形成は、アクリル系透明樹脂を複数回塗布後、エッチバックにより平坦化、または、感光剤を含有させたフェノール系樹脂による周知のフォトリソグラフィ技術による平坦化等の方法がある。

さらに、図１のように、第２平坦化膜４から第１マイクロレンズ１までの製造工程を（９）〜（１１）に説明する。

（９）第２平坦化膜４の上に層内上凸レンズ３を形成する。なお、層内上凸レンズはフェノール系透明樹脂に感光剤を調合し、周知のフォトリソグラフィ技術により形成し、さらに、紫外線照射により透過率を高めている。

（１０）次に、例えばアクリル系透明樹脂を用いて第１平坦化膜２を形成し、層内上凸レンズ上の凹凸を平坦化する。この平坦化は、次工程において第１マイクロレンズ１を制御良く形成するためになされる。なお、アクリル系透明樹脂による第１平坦化膜２の形成は、アクリル系透明樹脂を複数回塗布後、エッチバックにより平坦化、または、感光剤を含有させたフェノール系樹脂による周知のフォトリソグラフィ技術による平坦化等の方法がある。

（１１）フォトダイオード１３上に第１マイクロレンズ１を形成する。なお、層内上凸レンズ３はフェノール系透明樹脂に感光剤を調合し、周知のフォトリソグラフィ技術により形成し、さらに、紫外線照射により透過率を高めている。

前記、層内上凸レンズ３、第１マイクロレンズ１のポストベーク温度はカラーフィルタ層５の分光特性の劣化を防ぐため、処理温度は２００度以下にする必要がある。また、層内上凸レンズ３の屈折率は、フォトダイオード上への集光率を上げるため、第１マイクロレンズ１の屈折率よりも高く設定する必要がある。
このような工程により、図１に示した固体撮像装置を製造することができる。

以上説明してきたように、本発明の実施の形態における固体撮像装置によれば、電荷転送電極８の間に存在する窪みにおいて、フォトダイオード１３の受光面の上に凹上の曲面を有する（熱フロー型）透明膜７を有し、その上にカラーフィルタ層５を形成しているので、カラーフィルタ層５が下に凸のレンズ効果がある。すなわち、カラーフィルタ層５により多くの光をフォトダイオード１３の受光面に集めることができ、感度を向上させることができる。例えば、カラーフィルタ層５からの入射光が、フォトダイオード１３に達するまでに減衰、散乱、反射する可能性が低下し、その結果、感度を向上させることができる。

また、カラーフィルタ層５の上の、２層のマイクロレンズ３、１によっても、フォトダイオード１３により多くの光を集光させ、感度が向上する。

さらに、この固体撮像装置によれば、カラーフィルタ層５を電荷転送電極８に囲まれた窪みにあるフォトダイオード１３上に形成する。このため、従来の固体撮像装置に比べ、カラーフィルタ層５を、フォトダイオード１３により近い位置に形成できる。これにより、カラーフィルタ層５を介して入射した光が、隣接する他のフォトダイオードに入射する可能性が少なくなる。よって、光の混色を防止でき、精彩な画像を得ることができる。

また、第１マイクロレンズ１からフォトダイオード１３までの距離が、従来の固体撮像装置に比べ短くなる。このため、第１マイクロレンズ１からの入射光が、フォトダイオードに達するまでに減衰、あるいは散乱する可能性が低下する。これによっても、集光率が向上し、感度も向上する。

また、カラーフィルタ層と光電変換素子との距離が短くなれば、カラーフィルタ層への光の入射角度が浅い場合でも、従来の固体撮像装置に比べ、より多くの光を光電変換素子に集光することができる。よって、色シェーディングも改善される。

以上、本発明の実施形態における固体撮像装置及び製造方法について説明したが、この発明は、本実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々に変形することができる。

例えば、カラーフィルタ層５の例として、色調が優先される固体撮像装置に用いられる原色方式について説明したが、解像度、感度が優先される固体撮像装置に用いられる補色方式としても良い。補色方式の場合には、カラーフィルタ層として、マゼンタ光用カラーフィルタ層、緑色光用カラーフィルタ層、黄色光用カラーフィルタ層、シアン光用カラーフィルタ層が周知の色配列におけるそれぞれの定められた位置に形成される。

また、カラーフィルタ層５を形成する材料としては、染料を含有したカラーレジスト、顔料を含有したカラーレジスト等あるが、いずれの選択も可能である。

また、層内上凸レンズ、第１マイクロレンズの形成には、感光性透明樹脂による、周知のフォトリソグラフィ技術について説明したが、更に薄膜化を目指すには、ドライエッチを用いる方法もある。この場合、第１平坦化膜２及び透明膜４における薄膜化が可能性となる。

また、平坦化を目的とした、第１平坦化膜２、透明膜４の形成には、透明樹脂を複数回塗布後、エッチバック法により形成する方法について説明したが、感光剤を含有させた透明樹脂を用い、周知のフォトリソグラフィ技術による形成方法もある。

本発明は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極と、カラーフィルタ層を有する固体撮像装置に適している。

本発明の実施例に係る固体撮像装置の画素部の断面を示す図である。 図１に続く、本発明の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 図２に続く、本発明の実施例に係る固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 従来技術における固体撮像装置の断面図。

符号の説明

１ 第１マイクロレンズ
２ 第１平坦化膜
３ 第２マイクロレンズ
４ 第２平坦化膜
５ カラーフィルタ層
６ 表面保護膜
７ ＢＰＳＧ膜
８ 絶縁膜で覆われたポリシリコン膜
９ 絶縁膜
１０ 遮光膜
１１ ゲート絶縁膜
１２ Ｐウエル層
１３ フォトダイオード
１４ Ｎ型半導体基板

Claims (8)

1. 半導体基板と、その上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極とを有する固体撮像装置であって、
   前記転送電極間の窪みに下に凸のレンズ状の表面形状を有するカラーフィルタ層を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記固体撮像装置は、
   前記光電変換素子と前記カラーフィルタ層の間に形成された透明膜を有し、
   前記カラーフィルタ層は前記透明膜よりも大きい屈折率を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記固体撮像装置は、
   前記カラーフィルタ層の上に、上に凸状のマイクロレンズを２層備える
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記２層のマイクロレンズ屈折率について下の層が上の層よりも大きい
   ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 半導体基板と、その上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極とを有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記転送電極間の窪みに凹状の曲面を有する透明膜を形成するステップと、
   前記透明膜上に下に凸レンズ状の表面を有するカラーフィルタを形成するステップと
   を有することを特徴とする製造方法。
6. 前記透明膜形成ステップにおいて、熱フロー処理により前記透明膜を形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の製造方法。
7. 前記カラーフィルタは前記透明膜よりも屈折率が高い
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の製造方法。
8. 前記製造方法は、さらに、
   前記カラーフィルタの上に、上に凸状のマイクロレンズを２層形成するステップを有する
   ことを特徴とする請求項５、６又は７記載の製造方法。
   本発明は、半導体基板上に形成された複数の光電変換素子と、その周囲に光電変換素子の表面よりも高く形成された転送電極と、カラーフィルタ層を有する固体撮像装置に適している。
   

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