JP5430387B2 - 固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は固体撮像装置に関し、具体的には、カラーフィルタ間に空隙を設けた固体撮像装置に関するものである。

特許文献１には、ＣＣＤやＭＯＳ型固体撮像装置において、複数のカラーフィルタ同士の間に隙間が設けられ、前記隙間に気体を充填した構成が開示されている。カラーフィルタおよび隙間の上には、アクリル樹脂からなる平坦化層が形成されている。

特許文献２には、いわゆる、裏面照射型固体撮像装置が開示されている。第１主面にはトランジスタが配され、第１主面側には複数の配線層が配され、第１主面と反対側の第２主面から光が照射される構成である。さらに詳細には、カラーフィルタの各色フィルタ成分をコア部とし、隣合う色フィルタ成分間のセルフアラインで形成された中空部をクラッド部とした構成が開示されている。カラーフィルタ上には、中空部を封止する中空部封止膜が形成される。中空部封止膜により、マイクロレンズ等を設置する場合に、中空部に有機膜が進入し不具合が生じることを抑制できるとされている。

特開２００６−２９５１２５号公報 特開２００９−０８８４１５号公報

特許文献１の構成によれば、カラーフィルタ層の上部にマイクロレンズ等を配する場合に空隙へのマイクロレンズ材料の進入を充分に抑制できない。多量のマイクロレンズ材料が入り込むと空隙全てを充填してしまう。

特許文献２の構成によれば、封止層を介してマイクロレンズを配しているが、このような構成では各色のカラーフィルタでの段差を充分に低減できない場合がある。一定以上の段差が残った状態だと、カラーフィルタ上にマイクロレンズを形成する際に所望の形状を得るのが困難となる。

本発明は上記課題に鑑み、カラーフィルタ層形成後の表面の平坦性を保ちつつ、カラーフィルタ間に空隙を設けた際にも、空隙上に設けた材料により空隙の大部分が埋まってしまうことを抑制することを目的とする。

本発明は上記課題に鑑み、半導体基板に配された複数の光電変換部と、前記半導体基板の光が入射する第１主面側に配された第１の平坦化層と、前記第１の平坦化層上に配され、各光電変換部に対応して設けられたカラーフィルタを有するカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層上に配され、前記カラーフィルタ間の段差を低減する第２の平坦化層と、を有する固体撮像装置であって、前記カラーフィルタ層の隣接するカラーフィルタ間の境界に対応した位置に空隙が配され、該空隙は前記第２の平坦化層まで延在しており、前記空隙及び前記第２の平坦化層上に該空隙を封止する封止層が配されていることを特徴とする。

本発明によればカラーフィルタ層形成後の表面の平坦性を保ちつつ、カラーフィルタ間に空隙を設けた際にも、空隙上に設けた材料により空隙の大部分が埋まってしまうことを抑制することが可能となる。

（ａ）実施例１の固体撮像装置の断面模式図、（ｂ）実施例１の固体撮像装置の上面模式図である。 実施例１の固体撮像装置の製造プロセスフローを示す工程図である。 実施例２の固体撮像装置の断面模式図である。 実施例３の固体撮像装置の断面模式図である。 実施例４の固体撮像装置の断面模式図である。 （ａ）実施例５の固体撮像装置の断面模式図、（ｂ）実施例５の効果を説明するためのイメージ図、（ｃ）実施例５の比較例である。 （ａ）実施例６の固体撮像装置の断面模式図、（ｂ）実施例６の効果を説明するためのイメージ図、（ｃ）実施例６の比較例である。 実施例７の固体撮像装置の製造プロセスフローを示す工程図である。

（実施例１）
図１（ａ）に本実施例の固体撮像装置の断面の模式図、図１（ｂ）に上面図を示す。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ´における断面の模式図である。

１は第１の半導体領域である。複数の光電変換部に対して共通の領域となっている。

２は第２の半導体領域である。第１の半導体領域と反対導電型の半導体領域から構成されており、第１の半導体領域とＰＮ接合を構成している。第２の半導体領域は信号電荷と同一極性のキャリアが多数キャリアとなる領域である。

３は素子分離部である。隣接する第２の半導体領域間に配され、第２の半導体領域どうしを電気的に分離する。ＬＯＣＯＳ分離、ＳＴＩ分離等の絶縁膜分離や、第２の半導体領域と反対導電型の半導体領域によるＰＮ接合分離（拡散分離）を用いることができる。

４は画素を構成するトランジスタのゲートを構成するポリシリコンである。より具体的には、第２の半導体領域の電荷を転送するための転送トランジスタのゲートを構成するポリシリコンである。

５は層間絶縁膜である。ポリシリコンと配線層、もしくは異なる配線層どうしを電気的に分離するためのものである。例えばシリコン酸化膜で形成できる。

６ａ〜６ｃは配線層である。ここでは３層の配線層が設けられている。配線層の配線を構成する材料の主成分としてＡｌ，Ｃｕなどを用いることができる。半導体基板から最も離れた位置に配された配線層６ｃを最上配線層と呼ぶ。

７は保護層である。最上配線層６ｃ及び層間絶縁膜５に接して設けられている。さらに保護層７と層間絶縁膜５との界面に反射防止膜を設けることもできる。保護層７はたとえばシリコン窒化膜で形成できる。層間絶縁膜５がシリコン酸化膜、保護層７がシリコン窒化膜で形成されている場合には、反射防止膜はシリコン酸窒化膜を用いることができる。

８、１１は第１、第２の平坦化層である。第１の平坦化層８は例えばカラーフィルタ層の下地膜として機能させることができる。第２の平坦化層は例えばマイクロレンズの下地膜として機能させることができる。

１０、１１は第１、第２のカラーフィルタである。第１の平坦化層８と第２の平坦化層１１との間に配されている。それぞれ異なる色のカラーフィルタである。例えば、第１のカラーフィルタ１０が緑、第２のカラーフィルタ１１が赤である。両者の膜厚は異なる。この異なる膜厚により生じる段差を第２の平坦化層１１によって低減させている。更に不図示の青色のカラーフィルタを設けてベイヤ配列とすることができる。これら各色のカラーフィルタによりカラーフィルタ層が構成されている。

１２は空隙である。第２の平坦化層１１からカラーフィルタ層を通過して第１の平坦化層８の途中まで達している。空隙は空気が充填、もしくは真空状態となっている。空隙１２は少なくとも異なる色のカラーフィルタ間に配され、第２の平坦化層１１まで延在している。空隙１２と、第２の平坦化層１１、カラーフィルタ層及び第１の平坦化層８との界面により入射光が屈折し光電変換部へ光が導かれる。

１３は封止層である。少なくとも空隙１２上に空隙を封止するように配される。より好ましくは、第２の平坦化層１１及び空隙上に配される。封止層１３によって空隙１２すべてを充填してしまわないように粘性が比較的高い材料を用いて形成するのが良い。

１４はマイクロレンズである。各光電変換部に対応して設けられる。

図１（ｂ）に本実施例の固体撮像装置の上面図を示す。ここでは発明の特徴を理解するために、空隙１２と画素領域における最上配線層となる配線層６ｃと第１の半導体領域１（光電変換部）、素子分離部３のみを示し、他の部分は省略している。図から明らかなように空隙１２と配線層６ｃのパターンとが上面から見て重なっている。別の言い方をすれば、空隙１２を最上配線層に垂直投影した場合に一部が重なる配置となっている。このような構成とすることにより、空隙１２を形成する際のエッチング工程において、光電変換部及び光電変換部が形成された半導体基板へのダメージを抑制することが可能となる。より好ましくは、図示しているように、空隙１２の垂直投影が配線層６ｃに完全に含まれる。

図２に本実施例の固体撮像装置の製造プロセスフローを示す。
図２（ａ）において、まず、周知の製造方法により第１の平坦化層８までが形成される。第１の平坦化層８はカラーフィルタ層の下地層として機能する。

図２（ｂ）はカラーフィルタ層を形成する工程である。第１の平坦化層上に第１のカラーフィルタとなる色素を含む樹脂を全面に形成し、必要な場所を除いて露光工程によりパターニングを行なう。次に第２のカラーフィルタとなる色素を含む樹脂を全面に形成し、同様にパターニングを行う。必要に応じて第３のカラーフィルタも同様に形成する。このとき各色のカラーフィルタの膜厚は異なった状態となっている。更に場合によっては境界部において第２のカラーフィルタが第１のカラーフィルタの一部上を覆って形成される場合もある。この場合には境界部において段差は更に大きくなる。

図２（ｃ）は第２の平坦化層を形成する工程である。上述したカラーフィルタ層上に、カラーフィルタ間に生じた段差を埋めるように形成される。例えば樹脂を用いることができる。もしくはシリコン酸化膜などの無機絶縁膜を形成した後、表面を平坦化処理しても良い。

図２（ｄ）は空隙を形成するためのフォトレジスト工程である。全面にフォトレジストを形成した後、フォトレジストの隣接画素間の境界部分をフォトリソグラフィ工程により除去する。

図２（ｅ）は空隙を形成するためのエッチング工程である。上述のフォトレジストマスクパターンを用いてドライエッチングにより空隙を形成する。ここではエッチングの終点を時間によって検出し、第１の平坦化層８の途中で止めている。もしくは第１の平坦化層８上面、もしくは保護層７によってエッチングをとめても良い。しかし空隙は少なくともカラーフィルタ層を貫通する。

図２（ｆ）は封止層を形成する工程である。封止層１３は少なくとも空隙１２上に空隙１２を封止するように配される。より好ましくは第２の平坦化層１１及び空隙１２を覆って形成される。封止層としては例えば樹脂を用いることができる。封止層１３は空隙の一部を埋めてもよい。

図２（ｇ）はマイクロレンズを形成する工程である。空隙１２で仕切られた領域内に光が入射するように位置決めして形成する。樹脂をパターニング後加熱しリフローで形成してもよいし、マスク形状のレジストパターンを用いて転写エッチングにより形成してもよい。

以上の工程により本実施例の固体撮像装置を製造することが可能となる。
本実施例によれば、カラーフィルタ層の段差を第２の平坦化層１１で低減した後に、封止層１３で空隙１２を封止している。このため、カラーフィルタ間の境界においても平坦性を保つことが可能となり光学的に好ましい。更に、本実施例のように第２の平坦化層１１上部にマイクロレンズを形成する場合には、カラーフィルタ間の境界における段差が低減されているためマイクロレンズ１４を所望の形状に形成しやすい。

（実施例２）
図３に本実施例の固体撮像装置の断面図を示す。実施例１と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の実施例１と異なる点は、光が入射する方向が、実施例１と反対側になっている点である。実施例１では配線層やトランジスタなどが形成された主面側（第１主面側）から光が入射したが、本実施例においては配線層やトランジスタが形成された面とは反対側の主面側（第２主面側）から光が入射する。いわゆる裏面照射型の固体撮像装置となっている。
本実施例によっても、実施例１と同等の効果を得ることが可能である。

（実施例３）
図４に本実施例の固体撮像装置の断面図を示す。実施例１と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の実施例１、２と異なる点は、空隙１２が最上配線層６ｃまで達している点である。最上配線層６ｃは遮光部もしくは電源供給用の配線として用いられる配線である。このような構成は例えば、製造工程において、配線層６ｃを空隙形成時のエッチングストップ膜として用いることにより形成できる。
このような構成とすることにより実施例１、２で述べた効果に加えて、保護層７までを空隙１２により分離することが可能となるため光の隣接画素との分離特性をより向上させることが可能となる。

（実施例４）
図５に本実施例の固体撮像装置の断面図を示す。実施例３と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の実施例３と異なる点は、裏面照射型の固体撮像装置となっている点である。
１６は遮光部である。金属や黒塗りの樹脂で形成することができる。半導体基板の第２主面側に絶縁膜を介して形成される。画素間の境界に配置されており、遮光部１６により囲まれた内部の領域が光電変換部となる。裏面照射型においては遮光部１６と光電変換部との間に配線層やトランジスタが配されていない。したがって遮光部１６で規定された領域が光電変換部の開口そのものとなる。また空隙１２が遮光部１６に到達した構成となっている。そして空隙１２を遮光部１６に垂直投影した場合に、一部の領域が重なっている。より好ましくは空隙１２の遮光部１６への垂直投影が、遮光部１６に全て含まれる。
このような構成は例えば、製造工程において、遮光部１６を空隙１２形成時のエッチングストップ膜として用いることにより形成できる。
このような構成とすることにより上述の実施例で述べた効果に加えて、空隙１２の遮光部１６に対する垂直投影が遮光部１６重なっているため、隣接画素との色分離特性と開口率向上とを両立することが可能となる。

（実施例５）
図６（ａ）に本実施例の固体撮像装置の断面図を示す。上述の実施例と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の上述の実施例と異なる点は、空隙１２の上部が上凸形状となっている点である。ここで上凸とは半導体基板とは反対方向に向かう方向に凸形状となった構成をいい、別の言い方をすれば、入射光に向かって凸形状となっている構成を言う。このような構造とすることにより空隙１２に入射した光を効率よく図面左右の画素に振り分けることが可能となり感度を向上させることが可能となる。図６（ｂ）に本実施例の構造、図６（ｃ）に比較例の構造を示す。図６（ｂ）に示すように、空隙に入射した光は空隙の上凸形状となった部分において反射し、左右の画素に振り分けられる。これに対して図６（ｃ）の構造によれば、空隙１２と封止層１３との界面により一部の光が反射してしまう。このような構造の場合には空隙１２に入射した光を利用することができないため光の利用効率が高くなく、更に反射した光が、隣接画素に入射しノイズとなる場合もある。
上凸形状の形状制御方法は、空隙１２の大きさ（幅、深さ、アスペクト比）および封止層１３の粘性を適宜調整することにより形状を制御することができる。
本実施例によれば上述の実施例の効果に加えて、空隙１２に入射した光も有効利用することが可能となるためより光の利用効率を向上させることが可能となる。

（実施例６）
図７（ａ）に本実施例の固体撮像装置の断面図を示す。上述の実施例と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。本実施例の上述の実施例と異なる点は、空隙１２が封止層１３との界面から見て逆テーパ形状を有している点である。別の言い方をすれば、カラーフィルタの側面が封止層１３との界面から見てテーパ形状を有しているとも言える。逆テーパ形状はエッチング時の条件や、フォトレジストマスクの形状を制御することにより形成することができる。
図７（ｂ）に空隙１２が逆テーパを有した構造を示し、図７（ｃ）に比較例として逆テーパ形状を有さない構造を示す。図７（ｃ）の構造に比べて図７（ｂ）の構造によれば光電変換部のより中央へ入射光を集光することが可能となる。これは画素が微細化するにつれて更に重要となり、２μｍ以下の画素ピッチでは特に有効となる。
本実施例によれば上述の実施例の効果に加えて、空隙１２界面での反射光を効率よく光電変換部中央へ集めることが可能となるためより感度を向上させることが可能となる。

（実施例７）
図８に本実施例の固体撮像装置の製造プロセスフローを示す。本実施例においては、遮光部９０上に遮光部の保護層９１を設けた点が上述の実施例と異なる。遮光部保護層９１は好ましくは遮光部９０上部にのみ残した構成とする。このような構成とすることにより、入射光光路における屈折率差が生じないため感度を低減することが無い。以下製造プロセスフローを順に説明する。本実施例においては裏面照射型の固体撮像装置に関して説明を行なうが、表面照射型にも適用することができる。
図８（ａ）において、半導体基板の主面上に、絶縁層８０１、遮光部材料層８０２、保護層材料層８０３を形成する。
図８（ｂ）において、遮光部材料層８０２、保護層材料層８０３のパターニングを行い、画素境界に遮光部８０４及びその上部に遮光部保護層８０５を形成する。
図８（ｃ）において、遮光部８０４と遮光部保護層８０５を覆って第１の平坦化層８０６を形成する。
図８（ｄ）において、異なる色のカラーフィルタ８０７、８０８を含むカラーフィルタ層を形成する。更に多数の色のカラーフィルタを設けてもよい。カラーフィルタ層を形成した後、カラーフィルタ間の段差を低減するように第２の平坦化層８０９を形成する。
図８（ｅ）において、空隙８１０を形成する。不図示のレジストマスクを形成した後、空隙の半導体基板に向かっての垂直投影が遮光部保護層８０５に一部重なるように第２の平坦化層８０９及びカラーフィルタ層のエッチングを行なう。より好ましくは空隙の垂直投影が遮光部保護層８０５に全て含まれるのが良い。

エッチングの終点は遮光部保護層８０５により行なう。ここで空隙１２は、垂直投影が遮光部保護層８０５と重なるように配置するため、図８（ｂ）で用いる遮光部保護層８０５用のレティクルを空隙形成用のレジストマスクパターン形成用に用いることができる。このようにするとレティクル枚数を減らすことができる。更に、空隙１２の垂直投影の遮光部保護層８０５からのずれを小さくできるため好ましい。

本実施例によれば、上述の実施例の効果に加えて、遮光部８０４表面が空隙８１０によりむき出しにならないため遮光部８０４の信頼性を向上させることが可能となる。

以上具体的に実施例を挙げて本発明を説明したが、なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

２ 光電変換部
８ 第１の平坦化層
９、１０ カラーフィルタ
１１ 第２の平坦化層
１２ 空隙
１３ 封止層

Claims (10)

1. 半導体基板に配された複数の光電変換部と、
   前記半導体基板の光が入射する第１主面側に配された第１の平坦化層と、
   前記第１の平坦化層上に配され、各光電変換部に対応して設けられたカラーフィルタを有するカラーフィルタ層と、
   前記カラーフィルタ層上に配され、前記カラーフィルタ間の段差を低減する第２の平坦化層と、を有する固体撮像装置であって、
   前記カラーフィルタ層の隣接するカラーフィルタ間の境界に対応した位置に空隙が配され、該空隙は前記第２の平坦化層まで延在しており、
   前記空隙及び前記第２の平坦化層上に該空隙を封止する封止層が配されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記半導体基板の第１主面側とは反対側の第２主面側に複数の配線層が配されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記半導体基板と前記カラーフィルタ層との間に遮光部が配されており、前記空隙の前記遮光部に対する垂直投影の一部が、当該遮光部に重なることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の固体撮像装置。
4. 前記遮光部上に遮光部保護層が配されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記空隙が上凸形状となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記空隙が前記封止層との界面から見て逆テーパ形状となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記第２の平坦化層上に各光電変換部に対応してマイクロレンズが配されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 半導体基板に複数の光電変換部を形成する工程と、
   前記半導体基板の光の入射する第１主面側に第１の平坦化層を形成する工程と、
   前記第１の平坦化層上に、各光電変換部に対応して設けられたカラーフィルタを有するカラーフィルタ層を形成する工程と、
   前記カラーフィルタ層上に、前記カラーフィルタ間の段差を低減する第２の平坦化層とを形成する工程と、を有する固体撮像装置の製造方法であって、
   前記カラーフィルタ層の隣接するカラーフィルタ間の境界に対応した位置に第２の平坦化層及び前記カラーフィルタを貫通する空隙を形成する工程と、
   前記空隙及び前記第２の平坦化層上に封止層を形成する工程とを有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
9. 更に、前記半導体基板の光の入射する第１主面に、絶縁膜を介して遮光部を形成する工程とを有し、前記遮光部は前記空隙をエッチングにて形成する際のエッチングストップ膜として機能することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。
10. 更に、前記半導体基板の光が入射する第１主面に、絶縁膜を介して遮光部を形成する工程と、
    該遮光部上に遮光部保護層を形成する工程とを有し、
    前記遮光部保護層は前記空隙をエッチングにて形成する際のエッチングストップ膜として機能することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置の製造方法。

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