CN102668080B - 固态图像拾取装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固态图像拾取装置，所述固态图像拾取装置包括：被设置在半导体基板中的多个光电转换单元；被设置在光入射的半导体基板的第一主表面侧的第一平坦化层；被设置在第一平坦化层上并包含各对于相应的光电转换单元设置的滤色器的滤色器层；以及被设置在滤色器层上用于减小滤色器之间的高度差的第二平坦化层。在所述固态图像拾取装置中，间隙被设置在与滤色器层中的邻近滤色器之间的边界对应的位置中，间隙延伸到第二平坦化层，并且用于密封间隙的密封层被设置在间隙和第二平坦化层上。
Description
技术领域
本发明涉及固态图像拾取装置，更具体地，涉及在滤色器之间具有间隙的固态图像拾取装置。
背景技术
专利文献1公开了在电荷耦合装置（CCD）型和金属氧化物半导体（MOS）型固态图像拾取装置中在多个滤色器之间设置被气体填充的间隙的结构。另外，在滤色器和间隙上形成包含丙烯酸树脂的平坦化层。
专利文献2公开了所谓的后面照射的固态图像拾取装置。该固态图像拾取装置具有在第一主表面中设置晶体管并且在第一主表面侧设置多个布线层的结构。从与第一主表面相反的第二主表面照射该结构。更具体而言，滤色器的滤色器组件（color filter component）被定义为芯部，并且，由邻近的滤色器组件的自对准形成的空隙部分被定义为包覆部分。在滤色器上形成用于密封空隙部分的空隙密封膜。根据专利文献2，空隙密封膜可抑制在设置微透镜等的情况下由有机膜渗入空隙部分中导致的失效。
引文列表
专利文献
PTL 1：日本专利公开No.2006-295125
PTL 2：日本专利公开No.2009-088415
发明内容
技术问题
根据专利文献1中公开的结构，当微透镜等被设置在滤色器层上 时，不能充分地抑制微透镜材料渗入间隙中。如果相当多数量的微透镜材料进入间隙，那么间隙可被微透镜材料完全填充。
根据专利文献2中公开的结构，通过使用密封层设置微透镜。但是，在该结构中，在一些情况下不能充分地减小具有不同颜色的滤色器组件之间的高度差（level difference）。如果留下一定程度或更大程度的高度差，那么难以在滤色器上形成微透镜时以希望的形状来形成微透镜。
鉴于上述的情形，本发明提供这样的技术：所述技术用于在形成滤色器层之后保持滤色器的表面的平坦性，并且，用于即使在滤色器之间设置间隙，也抑制滤色器之间的间隙被设置在间隙上的材料几乎全部填充的情形。
问题的解决方案
鉴于上述的情形，本发明提供一种固态图像拾取装置，该固态图像拾取装置包括：被设置在半导体基板中的多个光电转换单元；被设置在光入射的半导体基板的第一主表面侧的第一平坦化层；被设置在第一平坦化层上并包含各对于相应的光电转换单元设置的滤色器的滤色器层；以及被设置在滤色器层上并减小滤色器之间的高度差的第二平坦化层。在该固态图像拾取装置中，间隙被设置在与滤色器层中的邻近滤色器之间的边界对应的位置中，间隙延伸到第二平坦化层，并且用于密封间隙的密封层被设置在间隙和第二平坦化层上。
发明的有利效果
本发明提供这样的技术：所述技术用于在形成滤色器层之后保持滤色器的表面的平坦性，并且，用于即使在滤色器之间设置间隙，也抑制滤色器之间的间隙被设置在间隙上的材料几乎全部填充的情形。
附图说明
图1A是第一实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。
图1B是第一实施例的固态图像拾取装置的顶部示意图。
图2A是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中 的处理的处理图。
图2B是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图2C是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图2D是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图2E是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图2F是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图2G是示出第一实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图3是第二实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。
图4是第三实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。
图5是第四实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。
图6A是第五实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。
图6B是用于描述第五实施例的优点的固态图像拾取装置的解释图。
图6C示出第五实施例的比较例。
图7A是第六实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。
图7B是用于描述第六实施例的优点的固态图像拾取装置的解释图。
图7C示出第六实施例的比较例。
图8A是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图8B是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图8C是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中 的处理的处理图。
图8D是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图8E是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图8F是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
图8G是示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程中的处理的处理图。
具体实施方式
第一实施例
图1A示出沿图1B中的线IA-IA获取的第一实施例的固态图像拾取装置的截面示意图。图1B是示出图1A中的固态图像拾取装置的顶视图。
附图标记1表示用作多个光电转换单元的共用区域的第一半导体区域。
附图标记2表示第二半导体区域。各第二半导体区域2具有与第一半导体区域1相反的导电类型，并且与第一半导体区域1一起形成PN结。第二半导体区域2是具有与信号电荷相同的极性的载流子构成多数载流子的区域。各光电转换单元包含第二半导体区域和第一半导体区域的一部分。
附图标记3表示元件隔离部分。元件隔离部分3被设置在邻近的第二半导体区域2之间，并且使第二半导体区域2相互电分离。这里使用的分离方法可以是诸如局部硅氧化（LOCOS）隔离方法或浅沟槽隔离（STI）方法的绝缘膜分离方法，或者是利用具有与第二半导体区域2相反的导电类型的半导体区域的PN结分离（扩散分离）方法。
附图标记4表示构成包含于像素中的晶体管的栅极的多晶硅。更具体而言，多晶硅4构成传送第二半导体区域2中的电荷的传送晶体 管的栅极。
附图标记5表示层间绝缘膜。层间绝缘膜5被用于使多晶硅4与布线层电分离，或者使不同的布线层相互电分离。层间绝缘膜5可由例如硅氧化物膜形成。
附图标记6a至6c表示布线层。这里，设置三个布线层。可以使用Al、Cu等作为用于形成布线层的材料的主要组分。被设置在最远离半导体基板的位置处的布线层6c被称为顶部布线层。注意，布线层的数量未必是三个。
附图标记7表示保护层。保护层7被设置为与顶部布线层6c和层间绝缘膜5接触。另外，可以在保护层7与层间绝缘膜5之间的界面中设置抗反射涂层膜。保护层7可由例如硅氮化物膜形成。当层间绝缘膜5由硅氧化物膜形成并且保护层7由硅氮化物膜形成时，抗反射涂层膜可由硅氧氮化物膜形成。
附图标记8和11分别表示第一和第二平坦化层。第一平坦化层8可例如用作滤色器层的下层膜（underlying film）。第二平坦化层11可例如用作微透镜的下层膜。
附图标记9和10分别表示第一滤色器9和第二滤色器10。第一滤色器9和第二滤色器10被设置在第一平坦化层8与第二平坦化层11之间。第一滤色器9的颜色和第二滤色器10的颜色相互不同。例如，第一滤色器9的颜色是绿色，并且，第二滤色器10的颜色是红色。第一滤色器9和第二滤色器10具有相互不同的膜厚度。通过第二平坦化层11减小由厚度差导致的高度差。另外，可以设置未示出的蓝色滤色器以形成Bayer图案。滤色器层包含不同颜色的这些滤色器。
附图标记12表示间隙。间隙12通过贯通（penetrate through）包含第一滤色器9和第二滤色器10的滤色器层而从第二平坦化层11延伸到第一平坦化层8中的中间高度。间隙12被填充有空气，或者被设为真空状态。间隙12至少被设置在相互具有不同颜色的滤色器之间，延伸到第二平坦化层11。入射光被各间隙12与包含第二平坦化层11、滤色器层和第一平坦化层8的结构之间的界面折射。折射光被 引向各光电转换单元。
附图标记13表示密封层。密封层13至少被设置在间隙12上以密封间隙12。密封层13可被设置在第二平坦化层11和间隙12上。密封层13可由具有相对高的粘性的材料形成，以防止密封层13完全填充间隙12。
附图标记14表示微透镜。对于相应的光电转换单元设置各微透镜14。
图1B示出本实施例的固态图像拾取装置的顶视图。这里，为了有利于理解本发明的特征，图1B仅示出间隙12、作为像素区域中的顶部布线层的布线层6c、第二半导体区域2和元件隔离部分3。从图1B省略了其它组件。如图1B中清楚所示，当从上面观看时，间隙12和布线层6c的图案相互重叠。换句话说，间隙12和布线层6c被布置为当间隙12被垂直投影到布线层6c上时相互部分地重叠。该结构可在形成间隙12的蚀刻处理期间抑制对于光电转换单元和包含在其中形成的光电转换单元的半导体基板的损伤。如图1B所示，间隙12的垂直投影可完全包含于布线层6c中。
图2A至2G示出本实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程。
参照图2A，首先，通过使用已知的制造方法来最初形成直到第一平坦化层8的结构。第一平坦化层8可用作滤色器层的下层。
图2B示出形成滤色器层的处理。用于形成第一滤色器9的包含颜料的树脂在第一平坦化层8的整个区域之上被涂敷，并且在曝光处理中被构图以去除树脂的不必要部分。然后，用于形成第二滤色器10的包含另一颜料的树脂在得到的结构的整个区域之上被涂敷，并且在与用于形成第一滤色器9所执行的处理类似的处理中被构图。根据需要在与用于形成第一滤色器9和第二滤色器10所执行的处理类似的处理中形成第三滤色器。此时，不同颜色的滤色器可具有不同的膜厚度。另外，在一些情况下，可形成第二滤色器10，使得第二滤色器10在边界部分中部分地覆盖第一滤色器9。这进一步在边界部分中增大高度差。
图2C示出形成第二平坦化层11的处理。第二平坦化层11在上述的滤色器层上形成，以消除滤色器之间的高度差。作为第二平坦化层11的材料，例如，可以使用树脂。作为替代方案，可通过形成诸如硅氧化物膜的无机绝缘膜并然后平坦化得到的膜的表面，形成第二平坦化层11。
图2D示出用于形成间隙12的光致抗蚀剂处理。在该处理中，在表面的整个区域之上涂敷光致抗蚀剂，并然后通过光刻（photolithography）去除与邻近像素之间的边界对应的光致抗蚀剂的部分。
图2E示出用于形成间隙12的蚀刻处理。使用上述的光致抗蚀剂掩模图案通过干蚀刻形成间隙12。这里，蚀刻结束点由时间确定，并且，在第一平坦化层8中的中间位置处停止蚀刻。可替代性地通过使用第一平坦化层8的上表面或通过使用保护层7来停止蚀刻。但是，间隙12至少贯通滤色器层。
图2F示出形成密封层13的处理。密封层13被至少布置于间隙12上以密封间隙12。密封层13可形成为覆盖第二平坦化层11和间隙12。例如，可以使用树脂作为密封层13的材料。密封层13也可部分填充间隙12。
图2G示出形成微透镜14的处理。以各微透镜14被定位为导致光入射通过间隙12分割的区域的这样的方式形成微透镜14。可通过将树脂构图并然后在回流（reflow）处理中烘焙树脂来形成微透镜14。可替代性通过使用掩模形状的抗蚀剂图案在转印蚀刻处理中形成微透镜14。
通过执行上述的处理，可以制造本实施例的固态图像拾取装置。
根据本实施例，在用密封层13密封间隙12之前，用第二平坦化层11减小滤色器层中的高度差。因此，在滤色器之间的边界处也可保持平坦性。这提供了光学优点。另外，当如本实施例中那样在第二平坦化层11之上形成微透镜14时，事先减小了滤色器之间的边界处的高度差。这有利于以希望的形状形成微透镜14。
第二实施例
图3示出第二实施例的固态图像拾取装置的截面图。具有与第一实施例中描述的组件相同的功能的组件由同样的附图标记表示，并且，省略其详细的描述。本实施例与第一实施例之间的不同在于，在本实施例中，光的入射方向与第一实施例中的方向相反。在第一实施例中，光从形成布线层和晶体管的主表面侧（第一主表面侧）入射。但是，在本实施例中，光从与形成布线层和晶体管的表面侧相反的另一主表面侧（第二主表面侧）入射。即，本实施例的固态图像拾取装置是所谓的后面照射的固态图像拾取装置。
通过本实施例，也可实现与通过第一实施例实现的优点同等的优点。
第三实施例
图4示出第三实施例的固态图像拾取装置的截面图。具有与第一实施例中描述的组件相同的功能的组件由同样的附图标记表示，并且，省略其详细的描述。本实施例与第一实施例或第二实施例之间的不同在于，在本实施例中，间隙12到达顶部布线层6c。顶部布线层6c被用作遮光部分或用于供给电力的布线。可例如在制造处理中通过使用布线层6c作为形成间隙12时的蚀刻停止膜来形成这样的结构。除了第一实施例和第二实施例中描述的优点以外，该结构还使得间隙12能够将保护层7分成相互分离的部分。因此，可进一步改善邻近的像素之间的光分离特性。
第四实施例
图5示出第四实施例的固态图像拾取装置的截面图。具有与第三实施例中描述的组件相同的功能的组件由同样的附图标记表示，并且，省略其详细的描述。本实施例与第三实施例之间的不同在于，在本实施例中，固态图像拾取装置是后面照射的固态图像拾取装置。
附图标记16表示遮光部分。遮光部分16可由金属或涂黑（black-coated）树脂形成。遮光部分16在半导体基板的第二主表面侧以其间设置有绝缘膜的方式形成。遮光部分16被设置在像素之间的边界处。被遮光部分16包围的区域与光电转换单元对应。在后面照射的固态图像拾取装置中，不在遮光部分16与光电转换单元之间设置布线层或晶体管。因此，由遮光部分16限定的区域直接用作各个光电转换单元的开口（aperture）。另外，该结构中的间隙12到达遮光部分16。如果间隙12被垂直投影到遮光部分16上，那么间隙12的区域与遮光部分16的区域部分重叠。间隙12在遮光部分16上的垂直投影可完全包含于遮光部分16中。
可在制造处理中例如通过使用遮光部分16作为形成间隙12时的蚀刻停止膜来形成这样的结构。
除了上述实施例中描述的优点以外，由于间隙12在遮光部分16上的垂直投影与遮光部分16重叠，因此，该结构还可改善邻近像素之间的颜色分离特性和开口率两者。
第五实施例
图6A示出第五实施例的固态图像拾取装置的截面图。具有与上述实施例的组件相同的功能的组件由同样的附图标记表示，并且，省略其详细的描述。本实施例与上述的实施例之间的不同在于，在本实施例中，各间隙12的顶部形成为具有向上凸起的形状。具有向上凸起的形状的结构在这里指的是凸起以沿远离半导体基板的方向突出的结构。换句话说，这是向入射光凸起的结构。这样的结构使得固态图像拾取装置能够在图左右的像素之间有效地分割已入射各间隙12的光。这可改善感光度。图6B示出本实施例的结构。图6C示出比较例的结构。如图6B所示，已入射各间隙12的光被各间隙12中的形成为具有向上凸起的形状的部分反射，并在左像素和右像素之间被分割。相对照地，在图6C所示的结构中，光的一部分被各间隙12与密封层13之间的界面反射。在这样的结构中，不能利用已入射各间隙12的光。因此，光没有被高度有效地利用，并且，在一些情况下，反射光可入射邻近的像素并导致噪声。
可通过适当地调整间隙12的尺寸（宽度、深度和纵横比（aspect ratio））和密封层13的粘度来控制向上凸起的形状。
除了上述实施例中描述的优点以外，本实施例还使得已入射各间隙12的光能够被有效地利用。因此，可以改善光利用效率。
第六实施例
图7A示出第六实施例的固态图像拾取装置的截面图。具有与上述实施例的组件相同的功能的组件由同样的附图标记表示，并且，省略其详细的描述。本实施例与上述实施例之间的不同在于，在本实施例中，当从各间隙12与密封层13之间的界面看时，各间隙12形成为具有渐缩形状（tapered shape）。换句话说，当从与密封层13的界面看时，各滤色器的侧表面形成为具有倒渐缩形状。可通过控制蚀刻处理中的条件和光致抗蚀剂掩模的形状，形成渐缩形状。
图7B示出各间隙12渐缩的结构。作为比较例，图7C示出各间隙12不渐缩的结构。与图7C所示的结构相比，图7B中的结构使得入射光能够会聚于更接近光电转换单元的中心部分的区域中。随着像素变得更微细，该能力变得更重要。当像素的节距（pitch）小于或等于2微米时，该能力变得尤其有效。
除了上述实施例中描述的优点以外，本实施例使得被间隙12的界面反射的光能够被有效地会聚到光电转换单元的中心部分中。因此，可进一步改善感光度。
第七实施例
图8A至8G示出第七实施例的固态图像拾取装置的制造处理流程。本实施例与上述实施例之间的不同在于，在本实施例中，遮光部分的保护层被设置在遮光部分上。遮光部分的保护层可被构建，使得遮光部分的保护层仅保留于遮光部分上。在这样的结构中，由于不在入射光的光路中产生折射率差，因此感光度的程度不降低。以下将依次描述制造处理流程。虽然关于后面照射的固态图像拾取装置描述本实施例，但是，描述也可适用于前面照射的固态图像拾取装置。
在图8A中，在半导体基板的主表面上形成绝缘层801、遮光部分材料层802和保护层材料层803。
在图8B中，遮光层材料层802和保护层材料层803被构图，以在像素之间的边界处形成遮光部分804并在遮光部分804上形成遮光部分804的保护层805。
在图8C中，第一平坦化层806形成为覆盖遮光部分804和遮光部分804的保护层805。
在图8D中，形成包含相互不同地着色的滤色器807和滤色器808的滤色器层。可进一步设置具有许多不同颜色的滤色器。在已形成滤色器层之后，形成第二平坦化层809以减小滤色器之间的高度差。
在图8E中，形成间隙810。在已形成未示出的抗蚀剂掩模之后，第二平坦化层809和滤色器层被蚀刻，使得间隙810在半导体基板上的垂直投影与遮光部分804的保护层805部分重叠。间隙810的整个垂直投影可包含于遮光部分804的保护层805中。
通过遮光部分804的保护层805停止蚀刻。这里，由于设置间隙810使得其垂直投影与遮光部分804的保护层805重叠，因此可以使用图8B所示的遮光部分804的保护层805的形成中使用的掩模版（reticle）来形成用于形成间隙810的抗蚀剂掩模图案。通过这样做，可以减少掩模版的数量。另外，这可减小间隙810的垂直投影从遮光部分804的保护层805的偏移。
除了上述实施例中描述的优点以外，本实施例还具有不通过间隙810露出遮光部分804的表面的结构。这可改善遮光部分804的可靠性。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求2009年12月22日提交的日本专利申请No.2009-291023的权益，在此通过引用而并入其全部内容。
2 光电转换单元
8 第一平坦化层
9 滤色器
10 滤色器
11 第二平坦化层
12 间隙
13 密封层
Claims (10)
1.一种固态图像拾取装置，包括：
多个光电转换单元，被设置在半导体基板中；
第一平坦化层，被设置在光入射的半导体基板的第一主表面侧；
滤色器层，被设置在第一平坦化层上并包含滤色器，所述滤色器中的每一个对于相应的光电转换单元被设置；以及
第二平坦化层，被设置在滤色器层上，第二平坦化层的第一表面具有与滤色器之间的高度差对应的高度差，并且第二平坦化层的第二表面具有比第一表面的高度差小的高度差，
其中，间隙被设置在与滤色器层中的邻近滤色器之间的边界对应的位置中，间隙延伸到第二平坦化层的第二表面，并且用于密封间隙的密封层被设置在间隙和第二平坦化层上。
2.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中，多个布线层被设置在半导体基板的第二主表面侧，所述第二主表面侧与半导体基板的第一主表面侧相反。
3.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中，遮光部分被设置在半导体基板和滤色器层之间，并且间隙在遮光部分上的垂直投影的一部分与遮光部分重叠。
4.根据权利要求3的固态图像拾取装置，其中，遮光部分的保护层被设置在遮光部分上。
5.根据权利要求1的固态图像拾取装置，其中，间隙被形成为具有向上凸起的形状。
6.根据权利要求1至5中任一项的固态图像拾取装置，其中，间隙被形成为具有渐缩形状。
7.根据权利要求1至5中任一项的固态图像拾取装置，其中，用于相应的光电转换单元的微透镜被设置在第二平坦化层上，并且密封层被设置在微透镜与第二平坦化层之间。
8.一种固态图像拾取装置的制造方法，所述方法包括：
在半导体基板中形成多个光电转换单元；
在光入射的半导体基板的第一主表面侧形成第一平坦化层；
在第一平坦化层上形成滤色器层，滤色器层包含滤色器，所述滤色器中的每一个对于相应的光电转换单元被设置；
在滤色器层上形成第二平坦化层，第二平坦化层减小滤色器之间的高度差；
在与滤色器层中的邻近滤色器之间的边界对应的位置中形成间隙，间隙贯通第二平坦化层和滤色器层；以及
在间隙和第二平坦化层上形成密封层。
9.根据权利要求8的固态图像拾取装置的制造方法，所述方法还包括：
在光入射的半导体基板的第一主表面上形成遮光部分，绝缘膜被设置在半导体基板和遮光部分之间，
其中，遮光部分用作通过蚀刻形成间隙时的蚀刻停止膜。
10.根据权利要求8的固态图像拾取装置的制造方法，所述方法还包括：
在光入射的半导体基板的第一主表面上形成遮光部分，绝缘膜被设置在半导体基板和遮光部分之间；以及
在遮光部分上形成遮光部分的保护层，
其中，遮光部分的保护层用作通过蚀刻形成间隙时的蚀刻停止膜。
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