JP4281132B2

JP4281132B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4281132B2
Application number: JP32088598A
Authority: JP
Inventors: 匡雄木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: JP2000150845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内部に凹レンズ構造を形成した固体撮像素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、カラー用固体撮像素子においては、素子の小型化に伴い、素子内にカラーフィルターを形成し、このカラーフィルターの上にさらにマイクロレンズを形成した、いわゆるオンチップレンズ構造を採って、入射光をこのマイクロレンズで集光することによりセンサ（受光部）における感度の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そして、上述のオンチップレンズ構造を有する固体撮像素子において、さらに表面のマイクロレンズと受光部との間に、集光する特性を持つ第２のレンズ構造を設けているものがある。
この第２のレンズ構造としては、例えば屈折率が異なる２層の境界面を凹面として、ここに凹レンズを形成する凹レンズ構造等が挙げられる。
【０００４】
図７に上述の表面層と受光部との間に凹レンズ構造を形成した固体撮像素子の一例の概略図を示す。
この固体撮像素子５０は、半導体基体５１内にセンサ（受光部）５２が形成され、この受光部５２以外の半導体基体５１上には絶縁膜５３を介して転送電極５４が形成されている。転送電極５４上には層間絶縁膜５５を介して遮光膜５６が形成され、この遮光膜５６は転送電極５４への光の入射を防止する。また、遮光膜５６には受光部５２上に開口が設けられて、受光部５２に光が入射するようにしている。
そして、遮光膜５６を覆って例えばＢＰＳＧ（ボロンリンシリケートガラス）膜５７が形成され、このＢＰＳＧ膜５７は遮光膜５６による段差に対応して表面に凹凸を有し、ちょうど受光部５２上の部分が凹部になっている。
【０００５】
ＢＰＳＧ膜５７上には例えばＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）等による高屈折率層５８が形成されて、ここに凹レンズ構造（いわゆる層内レンズ）が形成される。
【０００６】
高屈折率層５８の上面は平坦化され、パッシベーション膜５９を介してカラーフィルター６０が形成されている。さらにカラーフィルター６０上にはマイクロレンズ６１が形成されている。
【０００７】
この場合、凹レンズ表面即ちＢＰＳＧ膜５７と高屈折率層５８の２層の境界面に入射した光が、受光部５２上に集光するよう、ＢＰＳＧ膜５７と高屈折率層５８との屈折率の関係を調整する必要がある。
一般的に、凹レンズであることを考慮すると、受光部５２上に集光させるためには、レンズ表面を境界として、下地のＢＰＳＧ膜５７の屈折率よりも、上層の高屈折率層５８の屈折率の方が、大きくなるように調整される。
【０００８】
しかしながら、斜め方向から凹レンズ表面に光が入射した場合、その入射角度によっては、凹レンズ構造を形成しない構造の場合にはないような、大きな角度で凹レンズ表面に入射することがある。
このため、入射角度によっては、凹レンズ表面で光が全反射を起こすことが予測でき、これによって、感度の向上が不十分になってしまうおそれがある。
【０００９】
上述の問題の解決のために、本発明においては、入射光を受光部に広く入射するように導くことにより、高い感度を有する固体撮像素子を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、センサ開口から最表面層の間に凹レンズ構造を有する層が設けられ、凹レンズ構造の底部に溝が掘られた構造が設けられ、この溝が掘られた構造内を含んで、凹レンズ構造を構成する高屈折率材料層が形成されて成る構成である。
【００１１】
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、凹レンズ構造の底部に溝が掘られた構造が設けられたことにより、凹レンズ構造の底部に大きい入射角度で入る光が全反射せず溝が掘られた構造によってセンサ開口へ導かれるので、センサにおける受光量の増加を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明は、センサ開口から最表面層の間に凹レンズ構造を有する層が設けられ、凹レンズ構造の底部に溝が掘られた構造が設けられ、溝が掘られた構造内を含んで、凹レンズ構造を構成する高屈折率材料層が形成されて成る固体撮像素子である。
【００１８】
また本発明は、上記固体撮像素子において、溝が掘られた構造内を含んで、凹レンズ構造下に形成された層間絶縁層の表面にパッシベーション膜が形成され、パッシベーション膜上に凹レンズ構造を構成する高屈折率材料層が形成された構成とする。
【００１９】
また本発明は、上記固体撮像素子において、さらに高屈折率材料層が樹脂から成る構成とする。
また本発明は、上記固体撮像素子において、さらにパッシベーション膜がＳｉＮ膜である構成とする。
また本発明は、上記固体撮像素子において、溝が掘られた構造の底部に臨んでエッチングストッパ膜が形成されて成る構成とする。
【００２１】
図１に示す固体撮像素子２０は、本発明の固体撮像素子の一実施の形態の１画素に対応する素子の断面図である。
【００２２】
この固体撮像素子２０は、半導体基体１内にセンサ（受光部）２が形成され、この受光部２以外の半導体基体１上には絶縁膜３を介して転送電極４が形成されている。転送電極４上には層間絶縁膜５を介して遮光膜６が形成され、この遮光膜６は転送電極４への光の入射を防止する。また、遮光膜６には受光部２上に開口が設けられて、受光部２に光が入射するようにしている。
また、前述の図７に示した例と同様に、遮光膜６を覆って、遮光膜６による段差に対応した凹凸を表面に有する例えばＢＰＳＧ（屈折率ｎ＝１．４〜１．５）等からなる層間絶縁層７が形成されている。
【００２３】
そして、本実施の形態においては、さらにこのＢＰＳＧ等からなる層間絶縁層７の受光部５上の部分に井戸状の掘り込み構造２１が形成されて成る。
井戸状の掘り込み構造２１の周囲の部分は、前述の図７に示した例と同様に、凹レンズ構造（いわゆる層内レンズ）となっている。即ち、層内レンズ中央の底部に井戸状の掘り込み構造２１が形成される。
層間絶縁層７上には、例えばＳｉＮ膜（屈折率ｎ＝１．９〜２．０）等による高屈折率層８が形成されて、これらの２層７，８の界面において光が屈折もしくは全反射する。
この場合も、受光部２上に集光させるために、層間絶縁層膜７の屈折率よりも、上層の高屈折率層８の屈折率の方が大きくなるように調整されている。
【００２４】
さらに、本実施の形態においては、センサ２上の井戸状の掘り込み構造２１の底部に臨む位置にエッチングストッパ膜１２が形成されている。
【００２５】
このエッチングストッパ膜１２は、層間絶縁層７とのエッチングの選択比が採れる材料によって形成し、層間絶縁層７に井戸状の掘り込み構造２１を形成するエッチングの際にエッチングを停止させる深さを一定にする。
これにより、井戸状の掘り込み構造（以下井戸構造と称する）２１の深さｈ（図２参照）が一定の深さに規制される。
【００２６】
層間絶縁層７を例えば上述のようにＢＰＳＧにより形成する場合には、エッチングストッパ膜１２を例えばＳｉＮによって形成することにより、充分なエッチング選択比を有し、ここでエッチングを停止させることができる。
さらに、エッチングの際にセンサ２表面にダメージを与えることがない。
【００２７】
また、ＳｉＮ等入射光に対する反射率が低い材料によりエッチングストッパ膜１２を形成したときには、エッチングストッパ膜１２に低反射膜としての機能を兼ね備えることができる。
【００２８】
後は前述の例と同様に、高屈折率層８の上面は平坦化され、パッシベーション膜９を介してカラーフィルター１０が形成されている。さらにカラーフィルター１０上にはマイクロレンズ１１が形成されている。
【００２９】
尚、井戸状の掘り込み構造２１の深さｈは、井戸構造２１の下方の絶縁膜３との間の距離が数１００ｎｍ程度以下になるまで深く掘り込んで形成することが望ましい。従って、エッチングストッパ膜１２の膜厚は、好ましくは数１００ｎｍ程度以下に形成する。
【００３０】
また、井戸構造２１内に入射する光の入射角を、井戸構造２１の側壁２１ａに対して極力大きい角度とするために、図２に示すように、井戸構造２１のアスペクト比即ち井戸構造２１の深さｈと基板面方向の幅ｄの比ｈ／ｄをできるだけ大きくする必要がある。
従って、このとき井戸構造２１の基板面方向の幅ｄは、受光部２上の遮光膜６の開口幅ｗよりも小さく形成するのが望ましい。
【００３１】
上述のような高いアスペクト比ｈ／ｄで井戸構造２１を形成した場合、井戸構造２１内に入射した光は、アスペクト比ｈ／ｄが高いために、入射角度が井戸構造２１の側壁２１ａに対して小さくなり、全反射を起こしやすくなる。
【００３２】
また、一度、井戸構造２１の側壁２１ａで全反射を起こした場合、井戸構造２１を構成する２層７，８の材料の屈折率と井戸構造２１のアスペクト比ｈ／ｄとを考慮に入れると、図２に示すように、側壁２１ａで全反射を起こした入射光Ｌが井戸構造２１の底部２１ｂに到達するまで全反射を繰り返すと考えられる。即ち、井戸構造２１により一種の導波管を形成できることになる。
そして、井戸構造２１を受光部２近傍まで掘り下げて形成することにより、井戸構造２１内に入射した光を極力漏らすことなく受光部２に誘導することができる。
【００３３】
また、上述の全反射成分の増加により、層間絶縁層７を透過して遮光膜６に入射する率が減少する。
従って、遮光膜６に入射した光の反射に起因する感度低下を抑制することができる。
【００３４】
また、通常、層内レンズは、図８に図７の構成における入射光の伝搬経路を示すように、本来は遮光膜５６に入射するような入射光Ｌ₂を受光部５２上に導く働きがある。
【００３５】
そして、図３に示すように、上述の実施の形態における井戸構造２１は、遮光膜６に入射する入射光Ｌ₂を受光部２に導くこともでき、上述の層内レンズの効果を損なわない。
【００３６】
一方、図８において、層内レンズではレンズの凹面における全反射のために、センサに入射しない光Ｌ₃があるが、上述の実施の形態によれば、そこの部分に井戸構造２１の入口があるために、このような入射光Ｌ₃が全反射せず井戸構造２１に入り込むことから、層内レンズ構造と比較して受光部に入射する光量が増加して、固体撮像素子の感度の向上が図られる。
【００３７】
尚、さらに感度を上げる場合には、井戸構造２１の側壁に例えばＡｌ，Ｗ等の反射膜を形成すれば、側壁を透過する成分をなくして感度を上げることができる。このような反射膜は、例えば全面に薄膜として反射膜を形成した後、異方性エッチングを行うことにより、井戸構造の側壁のみに残して形成することができる。
【００３８】
上述の井戸構造２１は、次のようにして形成することができる。
まず、従来公知の方法により、半導体基板１の内部に受光部２や電荷転送部、チャネルストップ領域等の各領域（図示せず）を形成するとともに、半導体基板１の表面にゲート絶縁膜３、その上に転送電極４、層間絶縁膜５、遮光膜６を順次形成した後、受光部２上に対応する部分の遮光膜６に開口を形成する。
【００３９】
次に、この受光部２上の遮光膜６の開口の部分に、例えばＳｉＮ膜等のエッチングストッパ膜１２を形成する。
【００４０】
続いて、遮光膜６及びエッチングストッパ膜１２を覆って、全面的に例えばＢＰＳＧ膜（屈折率ｎ＝１．４〜１．５）等の層間絶縁層７を堆積する。
その後、例えば熱処理により層間絶縁層７をリフローさせることにより、遮光膜６による段差に対応した凹凸を表面に有し、受光部２上に凹部が形成された層内レンズ形状を作成する。
【００４１】
図７の構造においては、この直後に、レンズ特性を得るために、層間絶縁層７よりも屈折率の大きい材料、例えばシリコン窒化膜等を形成していた。
これに対して、本実施の形態では、ここで層間絶縁層７に対してパターニングを行い、リフローさせた層間絶縁層７の凹凸の内、凹部の最も高さが低い部分に、異方性エッチングによって先に形成したエッチングストッパ膜１２に達するまで垂直に掘り込み、エッチングストッパ膜１２に底部が臨む井戸構造２１を形成する。
【００４２】
次に、井戸構造２１を埋めて層間絶縁層７上に高屈折率層８を形成し、層内レンズの凹レンズ構造を形成する。
その後は、高屈折率層８の表面を平坦化して、パッシベーション膜９を介してカラーフィルタ１０を形成する。
さらに、カラーフィルタ１０の上に、マイクロレンズ１１の材料からなる層を形成し、リフローを行ってマイクロレンズ１１のレンズ形状に整える。
このようにして図１に示す固体撮像素子２０の構造を形成することができる。
【００４３】
次に、本発明の固体撮像素子の他の実施の形態の１画素に対応する素子の断面図を図４に示す。
この固体撮像素子３０では特に、井戸構造２１の内部を含んで、層間絶縁層７の表面にパッシベーション膜９が形成され、このパッシベーション膜９上に高屈折率層８が形成されて成る。
高屈折率層８の上には、直接カラーフィルタ１０が形成されている。
【００４４】
層内凸レンズ構造を構成する高屈折率層８には、例えば先の実施の形態で挙げたＳｉＮの他に、例えばポリイミド系樹脂等の熱溶融性透明樹脂を用いることができる。
【００４５】
このような熱溶融性透明樹脂によって高屈折率層８を構成する場合には、例えばスピンコート等の塗布法により高屈折率層８を形成することができる。
また、スピンコートにより形成することにより、同時に高屈折率層８表面の平坦化を容易に行うことができる。従って高屈折率層８上に直接カラーフィルター１０を形成することが可能になる。
【００４６】
そして、このような樹脂は、層間絶縁層７を前述のように例えばＢＰＳＧ等により形成しているときには、層間絶縁層７上に直接形成すると良好な成膜が難しくなる。
そこで、例えばプラズマにより形成したＳｉＮ膜から成るパッシベーション膜９を、井戸構造２１内を含んで層間絶縁層７上に形成しておいて、その上に樹脂から成る高屈折率層８を形成する。
このようにパッシベーション膜９を介して樹脂から成る高屈折率層８を形成することにより、高屈折率層８を容易に良好な成膜状態で形成することが可能となる。
【００４７】
その他の構成は、先の図１に示した実施の形態の固体撮像素子２０と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４８】
上述の各実施の形態の固体撮像素子２０，３０においては、井戸構造２１の底部に臨むエッチングストッパ膜１２が形成された構成を採ることにより、層間絶縁層の異方性エッチングの均一性を向上させることができ、井戸構造２１の深さの再現性を向上させることができる。
従って、井戸構造２１の深さｈを各画素や半導体ウエハ内の各位置においてばらつきをなくして均一にすることができ、その結果良好な特性の固体撮像素子２０，３０を得ることができる。
【００４９】
一方、各画素毎において或いは半導体ウエハ内の位置において、井戸構造２１の深さに少々ばらつきがあっても、このばらつきによって生じる固体撮像素子の諸特性への影響が、固体撮像素子全体に要求される条件を充分満たす程度にとどまる場合には、必ずしも井戸構造２１の深さを均一にしなくてもよい。
この場合には、エッチングストッパ膜１２を省略することが可能となる。
【００５０】
この場合の固体撮像素子の構成を図５に示す。
図５に示すように、この固体撮像素子４１では、井戸構造２１の底部と絶縁膜３との間に層間絶縁層７が残っている。
【００５１】
そして、この層間絶縁層７の厚さにより、固体撮像素子の各画素における特性が影響される。
好ましくは、井戸構造２１の底部と絶縁膜３との間に残る層間絶縁層７の厚さが１００ｎｍ程度以下になるように異方性エッチングを行って井戸構造２１を形成する。
【００５２】
また、このエッチングストッパ膜１２を省略した図５の構成に対して、図４に示した実施の形態と同様に層間絶縁層７表面にパッシベーション膜９を形成した構成の固体撮像素子４２を図６に示す。
この場合も先の図４に示した固体撮像素子３０と同様に、パッシベーション膜９を介することにより、樹脂から成る高屈折率層８を良好な成膜状態で形成することができる。
【００５３】
尚、この図６の構成では、井戸構造２１をセンサ２上の絶縁膜３にほぼ達する程度に形成している。このような構成でパッシベーション膜９に前述のプラズマによるＳｉＮ膜を用いることにより、パッシベーション膜９を低反射膜として機能させることも可能になる。
【００５４】
本発明の固体撮像素子及びその製造方法は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００５５】
【発明の効果】
上述の本発明による固体撮像素子によれば、センサ開口上に凹レンズ構造を設けた固体撮像素子において、凹レンズ底部に井戸状の掘り込み構造を設けることにより、凹レンズ底部での全反射を防ぎ、凹レンズ底部に入射した光を受光部に導くことができるため、受光量を増加させることができ、感度を向上させることができる。
【００５７】
また、上述の本発明によれば、井戸状の掘り込み構造内を含んで、層間絶縁層の表面にパッシベーション膜を形成してその上に高屈折率材料層を形成することにより、層間絶縁層上に良好な成膜状態で高屈折率材料層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像素子の一実施の形態の概略構成図（一画素の断面図）である。
【図２】図１における井戸構造を説明する図である。
【図３】図１の固体撮像素子における入射光の伝搬経路を示す図である。
【図４】本発明による固体撮像素子の他の実施の形態の概略構成図（一画素の断面図）である。
【図５】エッチングストッパ膜を省略した構成の固体撮像素子の概略構成図（一画素の断面図）である。
【図６】エッチングストッパ膜を省略した構成の他の固体撮像素子の概略構成図（一画素の断面図）である。
【図７】層内レンズを形成した固体撮像素子の一例の概略構成図（一画素の断面図）である。
【図８】図７の固体撮像素子における入射光の伝搬経路を示す図である。
【符号の説明】
１半導体基体、２受光部（センサ）、３絶縁膜、４転送電極、５層間絶縁膜、６遮光膜、７層間絶縁層、８高屈折率層、９パッシベーション膜、１０カラーフィルター、１１マイクロレンズ、１２エッチングストッパ膜、２０，３０，４１，４２固体撮像素子、２１井戸構造、５０固体撮像素子、５１半導体基体、５２受光部（センサ）、５３絶縁膜、５４転送電極、５５層間絶縁膜、５６遮光膜、５７ＢＰＳＧ膜、５８高屈折率層、５９パッシベーション膜、６０カラーフィルター、６１マイクロレンズ、Ｌ，Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃ 入射光、ｄ井戸構造の幅、ｈ井戸構造の高さ、ｗ遮光膜の開口の幅

Claims

センサ開口から最表面層の間に凹レンズ構造を有する層が設けられた固体撮像素子において、
上記凹レンズ構造の底部に溝が掘られた構造が設けられ、
上記溝が掘られた構造内を含んで、上記凹レンズ構造を構成する高屈折率材料層が形成されて成る
固体撮像素子。
上記溝が掘られた構造内を含んで、上記凹レンズ構造下に形成された層間絶縁層の表面にパッシベーション膜が形成され、上記パッシベーション膜上に上記凹レンズ構造を構成する高屈折率材料層が形成されて成る請求項１に記載の固体撮像素子。
上記高屈折率材料層は樹脂から成る請求項２に記載の固体撮像素子。
上記パッシベーション膜がＳｉＮ膜である請求項２に記載の固体撮像素子。
上記溝が掘られた構造の底部に臨んでエッチングストッパ膜が形成されて成る請求項１に記載の固体撮像素子。