CN100459139C - 固体摄像装置和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的固体摄像装置，将多个具有在半导体基板上形成的光电变换元件与在上述光电元件上形成的滤色层的象素部排列而形成，上述滤色层的膜厚形成为，中央部比周边部厚。通过改善滤色片的形状，降低毗邻滤色层的混色、界限浓淡、感光度波动，能够实现微细化。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有晶载滤色片的固体摄像装置和其制造方法。
背景技术
近些年来，固体摄像装置、以CCD(电荷耦合器件)型为代表的固体摄像装置向小型化、高象素化发展。但是，对于现有的具有晶载滤色片的固体摄像装置，使感光传感器即光电二极管的感光面积缩小，结果会使固体摄像装置的主要特性即光电变换特性(光敏度)下降。
例如，装载在数字型摄象机上的固体摄像装置的光学尺寸以1/3英寸型至1/4英寸型为主流，进一步到1/6英寸型以下还在研究中。此外，象素数分散在200万象素至500万象素的范围中，进一步到500万象素以上还在研究中。需要确立在这种感光面积缩小以及高象素化情况下也不会使固体摄像装置的主要特性即光敏度以及与毗邻象素的混色、界限的浓淡等特性下降的技术。
图1是特开2001-249218号公报等中公示的固体摄像装置的象素部分的剖视图。在该固体摄像装置中，在由第一导电型、例如N型硅半导体构成的半导体基板1上，形成作为第二导电型的P型的第一半导体阱区域2，在该第一P型半导体阱区域2上形成用来构成矩阵排列的各感光传感器部3的阱N型半导体区域。
进而，经由栅绝缘膜4，形成例如由多结晶硅构成的传送电极5。通过覆盖上述传送电极5的层间绝缘膜6，在除了感光传感器部3的开口以外其他部分的整个表面上，形成例如由铝、钨等构成的遮光膜7，然后由表面保护膜8进行覆盖。
然后依次形成第1透明平整膜9、滤色层10G、10B、第2透明平整膜11，在该透明平整膜11上，形成将射向各个感光传感器部3的入射光聚集的微透镜晶载微透镜12。
第1透明平整膜9是为了形成稳定的滤色层而用来消除基底阶差的膜。微透镜晶载微透镜，第2透明平整膜11是为了形成精度良好的晶载微透镜12而用于使基底的滤色层10平整的膜。
作为滤色层10，由互补色的黄、青、洋红色、绿(单独或将黄和青叠合而形成)形成的滤色片、或由原色的红、绿、蓝形成的滤色片等构成。
现有的滤色层例如由染色法或对含有染料、颜料的光阻膜进行有选择曝光、实施显影处理而形成目的滤色片的彩色光阻法形成。
根据上述特开2001-249218号公报所公示的改善示例，作为通过微细化、特别对斜射光的光敏度低下、由毗邻象素引起的混色进行防止的对策，提案有：必须缩短从半导体基板表面至第2透明平整膜11的距离，作为这种措施，使将黄色和青色叠合而形成的滤色层中成为最厚膜的可能性较高的互补色绿色滤光片薄膜化。
作为其一个实施例，在彩色片的制造方法中，由于在一色调的滤色片成分中，由选择性腐蚀加工形成没有包含感光材料成分的滤色片被膜，例如在制造互补色滤色片时，如果由该一色调方法形成绿滤色片成分，绿滤色片成分与其他色的滤光片成分可以以相同的薄膜厚度形成，从而可以实现滤色层的薄膜化。
在现有的固体摄像装置中，针对象素尺寸的缩小，提出一种缩短从半导体基板至第2透明平整膜11的距离的方案，以希望对于感光传感器3的垂直入射光产成一定程度的效果。但是，针对斜射光，由滤色层10的形状引起的因素增大。从构造上，斜向入射光因穿过毗邻的滤色层并入射到感光传感器部3中而引起混色，不能获得所需要的分光特性。而且，不能解决因光的入射角度而导致的混色程度变化、界限(line)浓淡、感光度波动等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种固体摄像装置和其制造方法，通过改善滤色片的形状，降低毗邻滤色层的混色、界限浓淡、感光度波动，能够实现微细化。
为了实现上述目的，本发明的固体摄像装置，将多个具有在半导体基板上形成的光电变换元件与在上述光电元件上形成的滤色层的象素部排列而构成，其特征在于：上述滤色层各自的膜厚为中央部比周边部厚。由此，对于斜入射光，难以受到来自毗邻的滤色层的影响，能够防止混色，改善界限浓淡，降低感光度的波动。
另外，可以将以比象素部小的尺寸形成的第1滤色层以及以与象素部相同的尺寸形成的第2滤色层层叠而形成上述滤色层。
此外，第1滤色层和第2滤色层可以由相同的材料形成。
此外，其特征在于，第1滤色层和第2滤色层的色素浓度不同。通过调整色素浓度，可以使斜入射光和垂直入射光的分光特性一致，可以防止颜色不均匀。
此外，其特征在于，在光电变换元件和滤色层之间还具有第1透明膜，上述滤色层的折射率比第1透明膜的折射率大。
而且，其特征在于，在滤色层上还具有第2透明膜，上述第2透明膜的折射率比上述滤色层的折射率小。
此外，其特征在于，在上述第2透明膜上还具有微透镜，上述微透镜具有比上述第2透明膜大的折射率。
根据上述构成，可以进一步提高透镜的聚光效果，可以提高聚光效率。
而且上述固体摄像装置也可以构成为，在上述滤色层上经由第2透明平整膜，备有向上突起的微透镜。
根据上述构成，进一步提高了滤色层的透镜效果，通过在其上备有微透镜，可以进一步提高聚光率，提高感光度。
在此，对于微透镜的折射率来说，优选地构成为，滤色层的折射率比微透镜的折射率大。
根据上述构成，能够通过2层的微透镜分阶段地高效地进行聚光，能够有利于提高感光性。此外，本发明的固体摄像装置的制造方法是排列有多个具有在半导体基板上形成的光电变换元件和在上述光电元件上形成的滤色层的象素部的固体摄像装置的制造方法，其特征在于，滤色层具有：以比象素部小的尺寸形成第1滤色层的工序；和在第1滤色层上以与象素部相同的尺寸形成第2滤色层的工序。
进而，还可以通过用同一个光掩膜使其在不足曝光区域中曝光而形成比象素尺寸小的第1滤色层，然后通过将第2滤色层在适度或过度曝光区域中曝光而由1片光掩膜形成叠层的滤色层。
如以上说明，根据本发明的固体摄像装置，通过使滤色层的中央部膜厚形成得比周边部的膜厚厚，对于斜入射光来说，难以受到来自毗邻的滤色层的影响，能够防止混色，改善界限浓淡，降低感光性的波动。
此外，通过做成分两次形成各个滤色层的层叠构造，可以使周边部比中央部更薄膜化，实现向上凸的透镜形状。
此外，通过在中央部和周边部上附加颜色的浓淡，能够使斜入射光和垂直入射光一致，能够降低颜色不均匀。
申请日为2003年11月28日的日本专利申请No.2003-398544的内容被结合在本发明申请中。
附图说明
通过下文结合表示本发明的具体实施例的附图所进行的介绍，本发明的这些和其它目的、优点和特征将变得更加清楚。
图1是表示现有技术的固体摄像装置的剖视图；
图2是表示符合本发明实施例的固体摄像装置的象素部的截面的视图；
图3是接着图2的、表示符合本发明实施例的固体摄像装置的制造工序的剖视图；
图4是接着图3的、表示符合本发明实施例的固体摄像装置的制造工序的剖视图；
图5是接着图4的、表示符合本发明实施例的固体摄像装置的制造工序的剖视图。
具体实施方式
图2是表示符合本发明的一实施例的固体摄像装置的截面构成的图。在该图中，表示一个光电变换元件的截面。
该固体摄像装置在第一导电型(例如N型)的半导体基板1上形成第二导电型(P型)的第一半导体阱(well)区域2，在该第一半导体阱区域2上，形成用于构成矩阵排列的各感光传感器部3的N型半导体区域。
再经由栅绝缘膜4，形成由多结晶硅构成的传送电极5，通过覆盖上述传送电极的层间绝缘膜6，在感光传感器部3的开口以外的其他部分的整个表面上，形成由铝等构成的遮光膜7，此外还形成由SiON膜等构成的表面保护膜8。
上述传送电极和感光传感器部3之间产生了凹凸。为了高精度形成随后要形成的滤色层10，使用以酚醛类树脂等为主要成分的感光性透明膜，由公知的涂敷、曝光、显影等工序，形成第1透明平整平整膜9。
然后，使用设计得比象素尺寸小而制成的光掩膜进行涂敷、曝光、显影等，制成比象素尺寸小的第1滤色层13G；以比形成第1滤色层13G时更薄的膜的涂敷条件，连续地涂敷相同的滤色片材料后，使用设计得与象素具有相同尺寸的光掩膜光掩膜而形成第2滤色层14G，从而在叠层构造上得到做成凸透镜形状的滤色层。
进而，为了高精度地形成随后要形成的微透镜晶载微透镜12，将以丙烯类透明树脂为主要成分的透明膜多次涂敷、烘烤后，由深腐蚀形成第2透明平整膜11，然后经过涂敷、曝光、显影工序而形成微透镜晶载微透镜12。
上述滤色层由于具有向上凸的透镜形状，例如可以将朝向遮光膜7的斜射光聚集，可以使向感光传感器部3的感光面的聚集效率提高，提高感光度。此外，由于不受位于毗邻的感光传感器上的其他滤色层的影响，所以对于斜射光，能够防止混色，降低界限浓淡、颜色不均匀。
<固体摄像装置的制造工序>
下文用图3～图5以及图2说明图2所示的固体摄像装置的制造方法。图3、图2是以主要的制造工序的顺序表示固体摄像装置的截面的图。
图3是在N型半导体基板1上至形成了表面保护膜8为止时的剖视图。下文在以下的(1)～(4)中介绍到该图所示的截面为止的制造工序。
(1)一般通过反复进行光刻工序、离子注入工序、热扩散工序而形成N型半导体基板1上的P阱层2和N型扩散层(感光传感器部3)。
(2)然后，在形成栅绝缘膜4后，形成由传送电极5、钨等构成的遮光膜7，该传动电极5由导电性多结晶硅构成。
(3)然后，通过例如热吹处理形成由BPSG膜(含硼硅化磷玻璃)构成的表面保护膜8
(4)进而，在形成由铝等构成的配线(未图示)后，形成例如SiON膜和拆卸电极用的焊接区(未图示)。图4是表示进一步到形成绿色用第2滤色层14G后的剖视图，下面，在以下的(5)～(8)中说明到该图所示的截面为止的制造工序。
(5)在表面保护膜上，涂敷例如以酚醛类树脂为主要成分的感光性透明树脂、实施曝光、显影处理，填埋感光传感器3上的凹处。
(6)然后，涂敷例如丙烯类热硬化型透明树脂的薄膜、进行热硬化或HMDS(六甲基二硅胺烷)膜蒸气涂敷后，涂敷用于形成绿色光用第1滤色层13G的抗蚀剂(resist)。在该抗蚀剂中调合染料或颜料，以有选择地透过例如绿色系波长的光。
(7)然后，使用光掩膜对涂敷的彩色光阻层进行曝光、显影，该光掩膜设计为，使其留在比形成感光传感器3上的绿色用滤色层的区域小的部分上。例如，当形成绿色用滤色层的区域是边长为2微米的正方形象素时，第1滤色层13G形成为，精加工到1.5微米左右。
(8)比第1滤色层涂敷时更薄地连续地涂敷上述相同的彩色滤色层材料，使用设计为与感光传感器3相同尺寸(2微米)的光掩膜，实施曝光和显影，形成第2滤色层14G，从而形成向上为凸透镜形状而且中央部比周边部具有更浓的分光特性的绿色用滤色层。
图5表示上述绿色用滤色层形成后、腐蚀前的形成了腐蚀平整膜的剖视图。下文在以下的(9)～(10)中说明到该图所示的截面为止的制造工序。
(9)形成了绿色用滤色层后，采用相同的方法，在各自预定的位置形成红色用滤色层和青色用滤色层。
(10)在各个滤色层上，反复涂敷数次例如以丙烯类树脂为主要成分的热硬化性透明树脂并进行热硬化，使滤色层形成后的平面平整平整。
图2还表示从形成腐蚀腐蚀后的平整平整膜至形成微透镜为止的剖视图。下文在以下的(110～(12)中说明到该图所示的截面为止的制造工序。
(11)以提高感光度为目的，为了缩短从感光面至各个滤色层上的表面的距离，由公知的腐蚀腐蚀法对上述热硬化性透明树脂实施尽可能将其减薄的腐蚀。
(12)然后在感光传感器3上，涂敷以酚醛类树脂为主要成分的感光性透明树脂，经过曝光和显影工序，形成上凸状的微透镜晶载微透镜12。
上述微透镜晶载微透镜12通过紫外线照射而提高了透过率。另外，微透镜为了防止滤色层的分光特性变差，需要使微透镜的后烘烤温度的处理温度小于200度。而且，需要使第1透明平整膜9的折射率比滤色层的折射率低，使第2透明平整膜11的折射率比上述滤色层的折射率低，使微透镜晶载微透镜12的折射率必须比上述第2透明平整膜11的折射率高。
由上述工序，可以制造图2所示的固体摄像装置。
如以上说明，根据本发明实施形态的固体摄像装置，由于分第1滤色层和第2滤色层两次来形成滤色层，所以可以简单地形成上凸透镜形状的滤色层。结果，可以防止由斜射光引起的来自毗邻滤色层的混色，固体摄像装置可以获得精细的图象。
而且，由于将滤色层做成上凸透镜形状，并且折射率比第1透明平整膜9的折射率高，可以有效地将入射光效聚集在感光传感器部3上，结果可以提高感光性。
进而，因可以使滤色层周边部的膜厚薄膜化，可以在感光传感器部3上高精度地形成滤色层，所以消除了单个象素的颜色不均匀，结果，作为固体摄像装置，可以改善界限浓淡、色不均。
此外，由于与滤色层中心部相比，在周边部分上分光变淡，所以与现有构造相比，从滤色层周边部的透过光增加，结果，作为固体摄像装置，可以希望提高感光性。
而且，由于形成在滤色层上的第2透明平整膜11的折射率比上凸透镜形状的滤色层低，所以向上述滤色片的聚光变得有效，有利于提高感光性。
进而，由于形成在第2透明平整膜11上的微透镜晶载微透镜12的折射率比第2透明平整膜11的折射率高，所以可以有效地使入射到微透镜的光聚集到感光传感器部上，结果可以提高感光性。
另外，作为形成在上述滤色层下形成的透明平整膜的方法，包括：涂敷透明膜后，进行曝光和显影，装填基底表面的凹处方法；，数次涂敷透明膜后由公知的腐蚀腐蚀而平整的方法；还有涂敷透明膜后由热吹而平整的方法；还有将上述几种方法组合而提高平整性的方法。
作为分两次形成上述滤色层的方法如下：涂敷第1滤色层后，使用由比象素尺寸小的图案构成的光掩膜进行曝光，然后进行显影处理而形成第1滤色层后，使用上述同种的材料，与上述第1滤色层1相同或更薄地涂敷滤色层后，使用与象素尺寸相同的光掩膜进行曝光，然后实施显影处理，形成第2滤色层，从而获得包括所需要的分光的滤色层。
此外，在形成第2滤色层时，也可以是与第1滤色层相比改变色素浓度而形成的构成。例如可以与第1滤色层相比，色素浓度较低地形成。
通过这种制造方法，可以制造具有上述构成、作用和效果的固体摄像装置。
上文对符合本发明的实施方式的固体摄像装置和制造方法进行了说明，但是本发明并不局限于此，可以在不脱离其主旨的范围内进行各种改变。
例如以滤色层为例，对在色调优先的固体摄像装置中使用的原色方式进行了说明，但是也可以采用以分辨率、感光性优先的固体摄像装置中使用的互补色方式。在互补色方式的情况下，作为滤色层，在公知的颜色排列中的各自的规定的位置上形成洋红色光用滤色层、绿色光用滤色层、黄色光用滤色层、青色光用滤色层。
此外，作为形成彩色光阻层的材料，有含有染料的彩色光阻层、含有颜料的彩色光阻层等，可以选择其中任一种。
此外，在第1透明平整膜9的形成中，对通过感光性透明树脂进行的公知的光刻技术进行了说明，但是也有反复进行数次涂敷热硬化性树脂并进行热硬化，通过公知的腐蚀法的形成方法。
此外，形成第1平整膜后，以强化与彩色光阻层材料的密封性为目的而采用的以丙稀类树脂为主要成分的热硬化型透明树脂或HMDS膜，如果能保证密接强度，则可以将其省略。
此外，在上述实施例中，对CCD型的固体摄像装置进行了说明，但是并不局限于此，也可适用于MOS型等其它固体摄像装置。
工业实用性
本发明适用于具有：在半导体基板上形成的多个光电变换元件，在其周围形成的传送电极，在光电元件上形成的滤色层，以及在滤色层上形成的微透镜的固体摄像装置。以上通过实施例及附图已对本发明作了十分详细的描述，但需要说明的是，对于本领域熟练的技术人员来说，显然可以做各种改变和修改。所以，这种改动和修正应该可以被本发明解释，除非它们已经脱离了本发明的范围。
Claims (13)
1、一种固体摄像装置，将多个具有在半导体基板上形成的光电变换元件与在上述光电变换元件上形成的滤色层的象素部排列而构成，其特征在于：
上述滤色层将以比上述象素部小的尺寸形成的第1层、及以与上述象素部相同的尺寸形成的第2层层叠而形成，以及
上述滤色层各自的膜厚为中央部比周边部厚。
2、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：上述第1层和第2层由相同材料形成。
3、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：上述第1层和第2层的色素浓度不同。
4、如权利要求2所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述光电变换元件和上述滤色层之间具有第1透明膜，上述滤色层的折射率比上述第1透明膜的折射率大。
5、如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述滤色层上具有第2透明膜，上述第2透明膜的折射率比上述滤色层的折射率小。
6、如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述第2透明膜上具有微透镜，上述微透镜具有比上述第2透明膜的折射率大的折射率。
7、如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述第2透明膜上具有微透镜，上述微透镜具有比上述滤色层的折射率大的折射率。
8、如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述光电变换元件和上述滤色层之间具有第1透明膜，上述滤色层的折射率比上述第1透明膜的折射率大。
9、如权利要求8所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述滤色层上具有第2透明膜，上述第2透明膜的折射率比上述滤色层的折射率小。
10、如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述第2透明膜上具有微透镜，上述微透镜具有比上述第2透明膜的折射率大的折射率。
11、如权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于：在上述第2透明膜上具有微透镜，上述微透镜具有比上述滤色层的折射率大的折射率。
12、一种固体摄像装置的制造方法，所述固体摄像装置是将多个具有在半导体基板上形成的光电变换元件和在上述光电变换元件上形成的滤色层的象素部排列而形成，其特征在于，具有：
以比上述象素部小的尺寸将第1层形成为上述滤色层的一部分的工序；
在上述第1层上以与上述象素部相同的尺寸将第2层形成为上述滤色层的一部分的工序。
13、如权利要求12所述的固体摄像装置的制造方法，其特征在于：上述第1层和第2层通过用相同的光掩膜进行不同的曝光而形成。
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