JP2006339377A - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮光層が全ての波長領域において、十分に低い分光透過率を持つ固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 複数の光電変換部２を有する固体撮像素子が形成された半導体基板１と、前記半導体基板を覆い、前記光電変換部上に開口部が設けられた遮光膜４と、前記開口部および前記遮光膜上に形成された平坦化層５と、前記平坦化層上に積層形成され、前記光電変換部上に開口部が設けられた、互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層７とを備え、前記複数の遮光層の組み合わせにより、所定の分光透過率特性を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遮光層を備えた固体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年の固体撮像装置の高密度画素化、小型化により、固体撮像装置の１画素当たりの面積が小さくなっている。そのため、入射光が固体撮像装置内部において反射などにより、隣の画素に移るフレア光による問題が深刻化している。

この問題を解決するために、内部での反射を低減させる遮光層を備えた固体撮像装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

図４は、遮光層を備えた固体撮像装置の一構成を示す断面図であり、オンチップフィルタ方式の例を示す。

半導体基板１０１に、フォトダイオード１０２が形成され、半導体基板１０１上には、転送電極１０３が形成されている。転送電極１０３を覆うように、遮光膜１０４が形成されている。転送電極１０３を形成することにより生じた凹部に、下地平坦化層１０５が形成されている。遮光層１０６は、入射光を遮断しないように転送電極１０３上に形成され、内部反射によるフレア光を防止する。遮光層１０６は、フレア光を吸収するように、黒色色素により染色されている。さらに、遮光層１０６上に平坦化層１０７が形成されている。集光レンズ１０８（オンチップレンズと称す）は、平坦化層１０７の上端面に形成されている。

オンチップレンズ１０８で集光された入射光は、効率よくフォトダイオード１０２に導かれるが、内部反射光であるフレア光が偽信号として隣接するフォトダイオード１０２に入り込まない様に、遮光層１０６が平坦化層１０７の中に形成されている。

また、図５に示すように遮光層１１１を厚くした構成のものもある。遮光層１１１の厚さを調整することにより、フレア光の発生の抑制効果と、フォトダイオード１０２への入射の光強度との関係を制御する。

また、図６に示すように、複数の遮光部１２１、１２３、１２５と平坦化層１０５、１２２、１２４を形成した構成のものもある。この構成により、遮光層による遮断吸収を改善し、フレア光の発生の防止効果を向上させることができる。
特開平６−４５５６９号公報

しかしながら、上記従来の遮光層は、ブラック染色で形成されているため、厚膜を形成する時に生じるシミ、ムラなどにより、分光透過率を下げることは困難である。そのため、スミア特性の改善が出来ない。

また、固体撮像素子の微細化に伴い高画素化が進んでおり、フレア光防止以外の特性、例えば、感度向上、スミア低減が必要となる。

本発明は、遮光層が全ての波長領域において、十分に低い分光透過率を持つ固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換部を有する固体撮像素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板を覆い、前記光電変換部上に開口部が設けられた遮光膜と、前記開口部および前記遮光膜上に形成された平坦化層と、前記平坦化層上に積層形成され、前記光電変換部上に開口部が設けられた、互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層とを備え、前記複数の遮光層の組み合わせにより、所定の分光透過率特性を有することを特徴とする。なお、互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層とは、必ずしも同一の分光透過率特性を有する遮光層を有さないことを意味するのではなく、異なる分光透過率特性を有する遮光層を備えていれば、同一の分光透過率特性を有する遮光層が複数存在していてもよい。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、複数の光電変換部を有する固体撮像素子を形成した半導体基板に、前記光電変換部上に開口部を設けた遮光膜を形成する工程と、前記開口部および前記遮光膜上に平坦化層を形成する工程と、前記平坦化層の上方、前記光電変換部上に開口部を設けた互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層を積層形成する工程とを有し、前記複数の遮光層を組み合わせにより所定の分光透過率特性を得ることを特徴とする。

本発明によれば、互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層を組み合わせることにより、全ての波長領域において十分に低い分光透過率を持つ固体撮像装置を提供することができる。

本発明の固体撮像装置は、前記複数の遮光層の少なくとも１つの層間に形成された透明膜を有する構成にすることもできる。

また、前記複数の遮光層は、直接積層されている構成にすることもできる。

また、前記複数の遮光層の開口部は、前記半導体基板側の遮光層から積層上部の遮光層へ順に大きくなっている構成にすることもできる。この構成により、フォトダイオードで受光される入射光を遮光層により遮断せず、フレア光を効率良く遮断することができる。

また、最上の遮光層上に透明膜が形成されている構成にすることもできる。

また、前記光電変換部上に２層以上の下凸レンズを有する構成にすることもできる。この構成により、フォトダイオードにおける入射光の集光率を向上させることができ、感度向上およびスミア改善を図ることができる。

また、前記最上の遮光層の開口部上または、前記最上の遮光層上に形成された前記透明膜上に前記光電変換部の位置に合わせて形成されたオンチップレンズを有する構成にすることもできる。この構成により、光電変換部における入射光の集光率を上げることができる。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、各遮光層の開口部に、下凸レンズを形成する工程とを有する工程とを有してもよい。

また、前記下凸レンズを形成する工程において、前記遮光層の形状により前記下凸レンズの曲率を制御してもよい。

また、前記下凸レンズを形成する工程において、前記光電変換部における集光率が最大となるように、前記下凸レンズを形成する材料の屈折率を最適化してもよい。

以下に本発明の固体撮像装置における好適な例について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る固体撮像装置の構成について図１を参照しながら説明する。図１は、固体撮像装置の一構成を示す要部断面図であり、オンチップフィルタ方式の例を示す。

半導体基板１には、フォトダイオード２（光電変換部）が形成され、フォトダイオード２が形成されていない領域の半導体基板１上には、転送電極３が形成されている。転送電極３を覆うように、遮光膜４が形成されている。半導体基板１および遮光膜４を覆うように、中間層５が形成されている。中間層５上には、第１の平坦化層６が形成され、下凸形状を有する。第１の平坦化層６は、屈折率が中間層５に比べて高く（例えば１．５６〜１．６７）、下凸形状により入射光を集光させる機能を有する。

第１の遮光層７は、フォトダイオード２上に開口部を形成して平坦化層６上に配置されている。第１の遮光層７は、黒色以外に着色されているためアライメントが容易であり、位置合わせ精度の向上を図ることができる。さらに膜厚を含めた形状を変えることも出来、遮光層の色形成順序は問わない。

第１の平坦化層６上には、第２の平坦化層８が第１の遮光層７の開口部を埋めるように形成されている。第２の平坦化層８は、第１の遮光層７の形状（層厚）に合わせた層厚であり、第１の平坦化層６と同様の材料により形成されている。第１の遮光層７と第２の平坦化層８上には、アクリル透明膜９（透明膜）が形成され、屈折率が第２の平坦化層８より小さい（１．５２５〜１．５４５）材料が用いられている。

アクリル透明膜９上には、フォトダイオード２上に開口部を設けて第２の遮光層１０が形成されている。第２の遮光層１０は、第１の遮光層７と組み合わせて、フォトダイオード２が感度を有する全波長領域に対して、低い分光透過率特性を示す。遮光層は、例えば、原色系（ブルー、レッド、グリーン）あるいは補色系（マゼンタ、シアン、イエロー）の組み合わせを用いてもよいし、その他の遮光層の層数に応じた色の組み合わせを用いてもよい。また、マイクロレンズ（以下、オンチップレンズと称す）１４による集光経路を遮らないように、第２の遮光層１０の開口部は、第１の遮光層７の開口部より大きく形成されている。

第２の遮光層１０の開口部には、アクリル透明膜１１が薄膜形成され、下凸状に曲率を有する。下凸レンズ１２は、アクリル透明膜１１上にその曲率に合わせて下凸形状に形成され、アクリル透明膜１１より屈折率が高い材料で形成されるため、入射光を集光させる機能を有する。アクリルの透明膜１３（透明膜）は、下凸レンズ１２上に形成される。アクリルの透明膜１３上には、オンチップレンズ１４が形成され、入射光を集光する機能を有する。

次に、以上のような構成の固体撮像装置について、その製造方法を、図２Ａ〜図２Ｍを参照しながら説明する。

図２Ａ〜図２Ｍは、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。まず、図２Ａに示すように、フォトダイオード２、転送電極３を有する半導体基板１上に、フォトダイオード２上に開口部を設けるように、遮光膜４を形成する。次に、開口部および遮光膜４上に中間層５を形成する。次に、中間層５上に、中間層５より屈折率の高い材料（１．５６〜１．６７）を粘度に応じた回転数で回転塗布する。この膜は着色されており、転送電極３により形成された凹部に充填され、上面が平坦になるよう、マスクを用いて形成する。その後、この膜に紫外光や遠紫外光を照射し透明にして第１の平坦化層６を形成する。その結果、第１の平坦化層６は、下凸構造に形成され、集光率を向上させる機能を持つ。

次に、図２Ｂに示すように、第１の平坦化層６上に、回転塗布により遮光層７ａを形成する。次に、マスクを用いて、図２Ｃに示すように、第１の遮光層７をパターン形成する。このとき黒材料を使用しないため、マスクアライメントが容易に出来、位置合わせ精度の向上を図ることが出来る。

次に、図２Ｄに示すように、第１の平坦化層６に用いた屈折率の高い材料を回転塗布することにより平坦化層８ａを形成する。平坦化層８ａは、第１の遮光層７の高さまで形成する。次に、図２Ｅに示すように、マスクを用いて第１の遮光層７上の平坦化層８ａを除去して、第１の遮光層７の上端面と同一平面を形成する第２の平坦化層８を形成する。この工程において、第１の遮光層７と第２の平坦化層８を段差のない同一平面に形成することにより、アクリル透明膜９の形成工程における膜の塗布ムラを防ぎ、撮像画像のシミ、ムラなどの画像不良を抑えることができる。

次に、図２Ｆに示すように、アクリル透明膜９を回転塗布によって形成する。アクリル透明膜９の膜厚は、オンチップレンズ１４などの特性に合わせて決める。次に、図２Ｇに示すように、アクリル透明膜９上に遮光層１０ａを回転塗布により形成する。次に、マスクを用いて、図２Ｈに示すように、開口部が第１の遮光層７よりも大きくなるように第２の遮光層１０をパターン形成する。このとき黒材料を使用しないためアライメントが容易に出来、合わせ精度の向上が図れる。

次に、図２Ｉに示すように、アクリル透明膜１１（薄膜）を回転塗布し、第２の遮光層１０の開口部を埋める。このとき、アクリル透明膜１１は、第２の遮光層１０の開口部において曲率を有する形状に塗布形成される。次に、図２Ｊに示すように、アクリル透明膜１１上に、第１の平坦化層６で用いた屈折率の高い材料を回転塗布により、高屈折率の膜１２ａを形成する。次に、マスクを用いて、図２Ｋに示すように、第２の遮光層１０上の高屈折率の膜を除去する。この工程により、第２の下凸レンズ１２が形成され集光率の向上が図れる。

次に、図２Ｌに示すようにアクリル透明膜１３を塗布形成する。アクリル透明膜１３の膜厚は、オンチップレンズ１４などの特性に合わせて決める。次に、図２Ｍに示すように、アクリル透明膜１３上に着色された高屈折率を有するレンズ膜１４ａを回転塗布により、形成する。レンズ膜１４ａの膜厚は、レンズ膜１４ａからフォトダイオード２までの距離などの特性に合わせて決める。次に、マスクを用いて、パターンを形成し、紫外線を照射しレンズ膜１４ａを透明にした後、リフローによりオンチップレンズ１４を形成し、図１に示す固体撮像装置を完成する。

以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、多層の遮光層を有することで、分光透過率を低減させることができる。そのため、斜入射した入射光により生じるフレア光あるいは、内部反射により生じるフレア光を遮光層が効率良く遮断吸収すると共に、スミア特性の改善を図ることができる。

さらに、多層の下凸レンズを設けたため、集光率が上がり、感度向上およびスミア特性の改善を図ることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像装置の一構成例を示す要部断面図である。本実施の形態の固体撮像装置は、実施の形態１における固体撮像装置のアクリル透明膜９、１３を取り除いた構成である。他の構成は、実施の形態１と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態１におけるアクリル透明膜９、１３は、オンチップレンズ１４により集光された入射光の焦点がフォトダイオード２の位置となるように調整するためのものであり、オンチップレンズ１４などの屈折率を調整することにより省略可能である。

本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法は、アクリル透明膜９、１３を形成する工程を取り除いた点以外は、実施の形態１と同様である。

以上のように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、多層の遮光層を有することで、分光透過率を低減させることができる。そのため、斜入射した入射光により生じるフレア光あるいは、内部反射により生じるフレア光を遮光層が効率良く遮断吸収すると共に、スミア特性の改善を図ることができる。さらに、多層の下凸レンズを形成し集光率が上がり、感度向上およびスミア特性の改善を図ることができる。

また、フォトダイオード２とオンチップレンズ１４の距離が短くなり、集光率の向上を図ることができる。

本発明は、遮光層の分光透過率を下げることができ、スミア特性を改善することができ、撮影画像のシミおよび色ムラを抑制することができるという利点を有する固体撮像装置として、光学装置の分野において利用可能である。

本発明の実施の形態１における固体撮像装置の断面図 実施の形態１における固体撮像装置の製造工程を示す断面図 図２Ａの次の工程を示す断面図 図２Ｂの次の工程を示す断面図 図２Ｃの次の工程を示す断面図 図２Ｄの次の工程を示す断面図 図２Ｅの次の工程を示す断面図 図２Ｆの次の工程を示す断面図 図２Ｇの次の工程を示す断面図 図２Ｈの次の工程を示す断面図 図２Ｉの次の工程を示す断面図 図２Ｊの次の工程を示す断面図 図２Ｋの次の工程を示す断面図 図２Ｌの次の工程を示す断面図 実施の形態２における固体撮像装置の断面図 従来の固体撮像装置の断面図 従来の他の固体撮像装置の断面図 従来の他の固体撮像装置の断面図

符号の説明

１ 半導体基板
２ フォトダイオード
３ 転送電極
４ 遮光膜
５ 中間層
６ 第１の平坦化層
７ 第１の遮光層
７ａ、１０ａ 遮光層
８ 第２の平坦化層
８ａ 平坦化層
９、１１、１３ アクリル透明膜
１０ 第２の遮光層
１２ 下凸レンズ
１２ａ 高屈折率の膜
１４ オンチップレンズ
１４ａ レンズ膜

Claims (11)

1. 複数の光電変換部を有する固体撮像素子が形成された半導体基板と、
   前記半導体基板を覆い、前記光電変換部上に開口部が設けられた遮光膜と、
   前記開口部および前記遮光膜上に形成された平坦化層と、
   前記平坦化層上に積層形成され、前記光電変換部上に開口部が設けられた、互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層とを備え、
   前記複数の遮光層の組み合わせにより、所定の分光透過率特性を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の遮光層の少なくとも１つの層間に形成された透明膜を有する請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の遮光層は、直接積層されている請求項１記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の遮光層の開口部は、前記半導体基板側の遮光層から積層上部の遮光層へ順に大きくなっている請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
5. 最上の遮光層上に透明膜が形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
6. 前記光電変換部上に２層以上の下凸レンズを有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
7. 前記最上の遮光層の開口部上または、前記最上の遮光層上に形成された前記透明膜上に前記光電変換部の位置に合わせて形成されたオンチップレンズを有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
8. 複数の光電変換部を有する固体撮像素子を形成した半導体基板に、前記光電変換部上に開口部を設けた遮光膜を形成する工程と、
   前記開口部および前記遮光膜上に平坦化層を形成する工程と、
   前記平坦化層の上方、前記光電変換部上に開口部を設けた互いに異なる分光透過率特性を有する複数の遮光層を積層形成する工程とを有し、
   前記複数の遮光層を組み合わせにより所定の分光透過率特性を得ることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
9. 各遮光層の開口部に、下凸レンズを形成する工程とを有する請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 前記下凸レンズを形成する工程において、前記遮光層の形状により前記下凸レンズの曲率を制御する請求項９記載の固体撮像装置の製造方法。
11. 前記下凸レンズを形成する工程において、前記光電変換部における集光率が最大となるように、前記下凸レンズを形成する材料の屈折率を最適化する請求項８〜１０のいずれか一項に記載の固体撮像装置の製造方法。

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