JP2011119445A - 裏面照射型固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する画素への光漏れによる混色の発生を低減させ、かつ光電変換素子にて取り込まれる光量の低下を抑制可能とする裏面照射型固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板１の裏面１１側に光が照射され、被写体像を撮像する裏面照射型固体撮像装置であって、半導体基板１に設けられ、入射した光を信号電荷へ変換させる光電変換素子と、半導体基板１の裏面１１側に設けられ、光電変換素子の各々に対応する開口１２を備える遮光部９と、半導体基板１及び遮光部９の上に設けられ、平坦面１３を構成する平坦化層３と、を有し、遮光部９の開口１２は、平坦面１３側から半導体基板１側に向かって狭められた形状を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、裏面照射型固体撮像装置に関する。

半導体基板のうち配線層が形成された側とは反対の裏面側から光を入射させて被写体像を撮像する裏面照射型固体撮像装置は、入射側に配線部材が設けられない分、半導体基板の全体を光電変換領域として利用できる利点がある。その一方、裏面照射型固体撮像装置の場合、ある単位画素領域へ入射した光が、その隣の単位画素領域の光電変換素子へ漏れ出すことによる光学的な混色の発生が課題となる。混色は、ある単位画素領域のカラーフィルタを透過しその画素で取り込まれるべき電荷が、隣接する他の色光用画素へ取り込まれることで生じる現象であって、色再現性を低下させる原因となり得る。そこで従来、裏面照射型固体撮像装置における光学的な混色を低減させることを目的として、混色成分となる光を遮蔽するための遮光膜を設ける技術が提案されている。例えば、特許文献１には、カラーフィルタ同士の間に遮光層を設けた構成が開示されている。

カラーフィルタ同士の間に遮光層が設けられる場合、カラーフィルタを通過した時点で、遮光層が設けられた分に相当する開口率が低下することとなる。照射した光のうち光電変換素子へ取り込まれる光量が少なくなるほど、裏面照射型固体撮像装置の受光感度を低下させることとなる。特に、単位画素領域が微細であるほど、開口面積が小さくなることによる感度の低下は顕著となる。

特開平７−９９２９７号公報

本発明は、隣接する画素への光漏れによる混色の発生を低減させ、かつ光電変換素子にて取り込まれる光量の低下を抑制可能とする裏面照射型固体撮像装置を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、半導体基板の裏面側に光が照射され、被写体像を撮像する裏面照射型固体撮像装置であって、前記半導体基板に設けられ、入射した光を信号電荷へ変換させる光電変換素子と、前記半導体基板の前記裏面側に設けられ、前記光電変換素子の各々に対応する開口を備える遮光部と、前記半導体基板及び前記遮光部の上に設けられ、平坦面を構成する平坦化層と、を有し、前記遮光部の前記開口は、前記平坦面側から前記半導体基板側に向かって狭められた形状を備えることを特徴とする裏面照射型固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、隣接する画素への光漏れによる混色の発生を低減させ、かつ光電変換素子にて取り込まれる光量の低下を抑制できるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る裏面照射型固体撮像装置の要部断面模式図。 裏面照射型固体撮像装置へ入射した光の進行について説明する図。 裏面照射型固体撮像装置へ入射した光の進行について説明する図。 遮光部を形成する手順を説明する断面模式図。 遮光部を形成する他の手順を説明する断面模式図。 第２の実施の形態に係る裏面照射型固体撮像装置の要部断面模式図。

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る裏面照射型固体撮像装置を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る裏面照射型固体撮像装置の要部断面模式図である。裏面照射型固体撮像装置は、半導体基板１の裏面１１側に光が照射され、被写体像を撮像する。裏面１１は、半導体基板１のうち、配線部２が設けられた側とは反対側の主面とする。半導体基板１には、例えばＮ型半導体からなる多数の光電変換素子（フォトダイオード）が形成されている。光電変換素子は、入射した光を信号電荷へ変換させる。光電変換素子は、例えばＰ型半導体からなる素子分離領域により各々区切られた単位画素領域Ａ内にそれぞれ形成されている。図示する断面は、単位画素領域Ａの中心位置付近を横断するような切断面とする。なお、半導体基板１の詳細な構成については図示を省略している。

配線部２は、光電変換素子での光電変換により生じた信号電荷を転送するための配線層８と、配線層８同士の絶縁のための絶縁性部材７とを備える。遮光部９は、半導体基板１の裏面１１上に設けられている。遮光部９は、光電変換素子の各々に対応する開口１２を備え、開口１２を縁取るような格子をなして設けられている。遮光部９は、図示する断面において三角形をなしている。開口１２は、かかる三角形の斜辺に相当する面から構成されたテーパ形状をなしている。開口１２がなすテーパ形状は、平坦面１３側から半導体基板１側に向かって狭められた形状とされている。なお、遮光部９は、開口１２がテーパ形状をなすように構成されていれば良く、断面が三角形である形状を基準として適宜変形が施された形状であっても良い。例えば、遮光部９は、曲面を備える形状や、平坦面１３側の部分に丸みや平坦部を持たせた形状などとしても良い。

第１平坦化層３は、半導体基板１の裏面１１及び遮光部９の上に設けられている。第１平坦化層３は、半導体基板１及び遮光部９の側とは反対側に平坦面１３を構成する。第１平坦化層３は、アクリル樹脂等の樹脂材料を用いて構成されている。

色分離層４は、第１平坦化層３の平坦面１３上に設けられている。色分離層４は、アレイ状に設けられた多数のカラーフィルタ１４を備える。色分離層４には、赤色（Ｒ）光を選択的に透過させるカラーフィルタ１４、緑色（Ｇ）光を選択的に透過させるカラーフィルタ１４、青色（Ｂ）光を選択的に透過させるカラーフィルタ１４が設けられている。カラーフィルタ１４は、光電変換素子の各々に対応するように設けられている。第１平坦化層３が設けられることで、遮光部９等による凹凸をなす半導体基板１側の構成と色分離層４とが強固に固定される。

第２平坦化層５は、色分離層４の上に設けられている。第２平坦化層５は、第１平坦化層の側とは反対側に平坦面１５を構成する。色分離層４のうちカラーフィルタ１４同士の間隙には、第２平坦化層５と同じ材料が充填されて構成された間隙層１０が設けられている。第２平坦化層５は、アクリル樹脂等の樹脂材料を用いて構成されている。マイクロレンズアレイ６は、第２平坦化層５の平坦面１５上に設けられている。マイクロレンズアレイ６は、アレイ状に設けられた多数のマイクロレンズ素子１６を備える。マイクロレンズ素子１６は、光電変換素子の各々に対応するように設けられている。第２平坦化層５が設けられることで、色分離層４とマイクロレンズアレイ６とが強固に固定される。

本実施の形態では、第１平坦化層３の半導体基板１側に遮光部９を設けることで、裏面照射型固体撮像装置の入射側表面から光分離層４を経て第１平坦化層３へ到達するまで、開口面積を減少させずに維持可能となる。従って、裏面照射型固体撮像装置の入射側表面や色分離層４に遮光層を設ける場合に比較して、半導体基板１に向けて効率良く光を進行させることが可能となる。

図２及び図３は、裏面照射型固体撮像装置へ入射した光の進行について説明する図である。図２では、マイクロレンズ素子１６の光軸に主光線が平行な光の例を示している。光軸に平行に進行した光は、マイクロレンズ素子１６で集光され、遮光部９の開口１２を通過して光電変換素子へ入射する。遮光部９は、開口１２をテーパ形状として単位画素領域Ａ同士の境界付近に設置されることで、マイクロレンズ素子１６で集光された光を遮らないように配置されている。これにより、遮光部９で遮られる光をできるだけ抑制させ、光電変換素子へ効率良く光を進行させることができる。光電変換素子で取り込まれる光量を多く確保可能とすることにより、高い受光感度を得ることが可能となる。

図３は、光軸に対して大きく傾いた方向へ進行する光の例を示している。間隙層１０とカラーフィルタ１４とで屈折率を異ならせることにより、間隙層１０は、カラーフィルタ１４との界面における全反射により光を前進させる、いわゆる導波路構造を構成する。ある単位画素領域Ａのマイクロレンズ素子１６の外縁近傍へ入射し、その隣接する単位画素領域Ａへ向かって進行した光は、間隙層１０での導波路効果により、間隙層１０の下の遮光部９へ進行する。このようにして、図中破線矢印で示すような、隣接する画素への光漏れを抑制させ、光学的な混色の発生を低減させることができる。

各カラーフィルタ１４は、間隙層１０に相当する間隙ができる程度のサイズとなるようにパターニングされる。第２平坦化層５の形成の際に、カラーフィルタ１４同士の間隙に第２平坦化層５の材料を埋め込むことにより、導波路構造として機能可能な間隙層１０を形成することができる。カラーフィルタ１４を形成する段階で間隙ができるようなパターニングを実施することで、間隙層１０に相当する間隙を形成するための別工程が不要となる。

図４は、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造工程のうち、遮光部９を形成する手順を説明する断面模式図である。（ａ）に示す工程では、配線部２に積層された半導体基板１の裏面１１全体に、黒色の感光性樹脂１７を塗布する。（ｂ）に示す工程では、フォトマスク１８を介して黒色の感光性樹脂１７を露光する。（ｃ）に示す工程では、黒色の感光性樹脂１７の現像処理により、所望の形状の遮光部９を得る。さらに、第１平坦化層３、色分離層４、第２平坦化層５、マイクロレンズアレイ６を順次形成することにより、図１に示す構成が得られる。

図５は、遮光部９を形成する他の手順を説明する断面模式図である。（ａ）に示す工程では、裏面１１全体に黒色の樹脂２０を塗布し、その上に感光レジスト（ポジ型フォトレジスト）１９を塗布する。黒色の樹脂２０としては、例えば黒色の感光性樹脂を使用する。（ｂ）に示す工程では、フォトマスク１８を介して感光レジスト１９を露光する。（ｃ）に示す工程では、現像処理により感光レジスト１９をパターニングする。（ｄ）に示す工程では、パターニングされた感光レジスト１９の形状をエッチングにより黒色の樹脂２０へ転写することで、所望の形状の遮光部９を得る。遮光部９は、所望の形状に形成可能であれば、本実施の形態で説明する以外の手法により形成することとしても良い。

なお、遮光部９は、半導体基板１の裏面１１上に設けられたものである場合に限られず、半導体基板１の裏面１１側であって、色分離層４の下にて第１平坦化層３で覆われるように設けられたものであれば良い。例えば、裏面１１及び遮光部９の間に、反射防止膜等の他の層を設けることとしても良い。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る裏面照射型固体撮像装置の要部断面模式図である。本実施の形態は、色分離層４上にマイクロレンズアレイ３０が形成されたことを特徴とする。第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

マイクロレンズアレイ３０は、アレイ状に設けられた多数のマイクロレンズ素子１６を備える。色分離層４のうちカラーフィルタ１４同士の間隙には、マイクロレンズアレイ３０と同じ材料が充填されて構成された間隙層１０が設けられている。マイクロレンズアレイ３０の形成の際に、カラーフィルタ１４同士の間隙にマイクロレンズアレイ３０の材料を埋め込むことにより、導波路構造として機能可能な間隙層１０を形成することができる。

本実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、隣接する画素への光漏れによる混色の発生を低減させ、かつ光電変換素子にて取り込まれる光量の低下を抑制できる。また、本実施の形態の構成は、第１の実施の形態における第２平坦化層５（図１参照）が不要となる分、少ない製造工程で製造することが可能となる。

１ 半導体基板、３ 第１平坦化層、４ 色分離層、５ 第２平坦化層、６、３０ マイクロレンズアレイ、９ 遮光部、１０ 間隙層、１１ 裏面、１２ 開口、１３、１５ 平坦面、１４ カラーフィルタ、１６ マイクロレンズ素子。

Claims (5)

1. 半導体基板の裏面側に光が照射され、被写体像を撮像する裏面照射型固体撮像装置であって、
   前記半導体基板に設けられ、入射した光を信号電荷へ変換させる光電変換素子と、
   前記半導体基板の前記裏面側に設けられ、前記光電変換素子の各々に対応する開口を備える遮光部と、
   前記半導体基板及び前記遮光部の上に設けられ、平坦面を構成する平坦化層と、を有し、
   前記遮光部の前記開口は、前記平坦面側から前記半導体基板側に向かって狭められた形状を備えることを特徴とする裏面照射型固体撮像装置。
2. 前記平坦面に設けられ、前記光電変換素子の各々に対応するカラーフィルタを備える色分離層を有し、
   前記色分離層は、前記カラーフィルタ同士の間隙に設けられた間隙層を備えることを特徴とする請求項１に記載の裏面照射型固体撮像装置。
3. 前記半導体基板及び前記遮光部の上に設けられた前記平坦化層である第１平坦化層と、
   前記色分離層の上に設けられ、平坦面を構成する第２平坦化層と、を有し、
   前記間隙層は、前記第２平坦化層と同じ材料で構成されることを特徴とする請求項２に記載の裏面照射型固体撮像装置。
4. 前記色分離層の上に設けられ、前記光電変換素子の各々に対応するマイクロレンズ素子を備えるマイクロレンズアレイを有し、
   前記間隙層は、前記マイクロレンズアレイと同じ材料で構成されることを特徴とする請求項２に記載の裏面照射型固体撮像装置。
5. 前記遮光部は、略三角形の断面形状をなすことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の裏面照射型固体撮像装置。

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