JP2004273827A - Solid-state imaging apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像装置は、入射光を集光するレンズ部と入射光を光電変換する受光部と、電荷を転送する電荷転送部から構成されている。近年の固体撮像素子において、高解像度化や多画素化の要求からますますセルの小型化が進んで行く一方で、感度特性は従来と同レベルが要求されている。これに伴ってオンチップレンズだけでは集光性が不十分となり、受光部(フォドダイオード)に近い位置にさらにマイクロレンズを形成して集光性を高める技術が用いられている。
【0003】
従来のこの種の固体撮像装置について、図7にその断面模式図を示し、図8に平面模式図を示し、さらに図9に製造工程の断面模式図を示す。p型シリコン基板1上に電荷蓄積部(受光部)であるn型不純物領域2(以下フォトダイオードと記す)と、電荷転送部であるn型不純物領域3(以下CCDチャネルと記す)が形成されている。ゲート絶縁膜4を介して、電荷転送電極である第1ゲート電極5aと第2ゲート電極5bが電荷転送方向に沿って交互に配置されている。第1ゲート電極5aおよび第2ゲート電極5bを覆ってゲート絶縁膜4aを介して遮光膜6がパターンニングされている。遮光膜(金属膜)6上に第1平坦化層7を形成し(図9(a))、第1平坦化層7の上に凸型のマイクロレンズ8が形成されている(図9(b))。凸型マイクロレンズ8上にはアクリル系樹脂からなる第2平坦化層9を形成して平坦化され、その上にカラーフィルタ10が形成されている。さらにカラーフィルタ10の上にはオンチップレンズ11が形成されている(図9(c))。このオンチップレンズ11とマイクロレンズ8により集光性を高めることができるのである。a7、b7、c7、d7は入射する光の経路を示す。
【0004】
【特許文献】
特開平6−204443号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来提案されている上記構造では、セルサイズが小さくなった時に遮光膜6に斜めに入射する光b7による反射ロスが大きくなり高感度化の妨げとなっている。ここで、遮光膜厚はCCDチャネル上方から入射する入射光a7の遮光性により決定されるため、単純に薄くするとCCDチャネルに透過光成分が入光し疑似信号(スミア)となる。このため遮光膜厚が一定の時に、セルサイズが小さくなって開口幅L7が小さくなると、開口幅L7に対する遮光膜厚のアスペクト比が大きくなり斜め光b7に対する集光率が低下する。特に上記のマイクロレンズ8を用いた構造では入射光の斜め光b7が増大するため、開口部の遮光膜6に入射する入射光b7が遮光膜6によってケラれを生じ、これによって集光率が低下する。高感度化を図るためには、開口幅L7を拡大することが考えられるが、単純な開口幅L7の拡大はCCDチャネルへ入光する疑似信号を増大させスミアを劣化させる。
【0006】
したがって、この発明の目的は、小型化を図るとともに集光率を向上し高感度化を図ることができる固体撮像装置およびその製造方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の固体撮像装置は、半導体基板に形成された電荷蓄積部および電荷転送部と、前記電荷転送部の上方にゲート絶縁膜を介して形成された電荷転送電極と、この電荷転送電極を覆った平坦化層と、この平坦化層上に形成された上凸状のマイクロレンズと、前記マイクロレンズの領域を除いて形成された遮光膜とを備えたものである。
【0008】
請求項1記載の固体撮像装置によれば、遮光膜間を通った入射光がレンズで集光されて電荷蓄積部に入射するため、従来に比べて遮光膜厚による反射ロスをなくすことができ、入射光を増大させ感度特性を向上させることができる。また、電荷転送部に直接入射する光を少なくすることができるため、スミア特性を劣化させることを防止できる。さらに、電荷蓄積部とレンズ間距離を小さくできるため集光率を高め、感度を向上させることができる。
【0009】
請求項2記載の固体撮像装置は、請求項1において、電荷転送電極の側壁に側面遮光膜を有するものである。
【0010】
請求項2記載の固体撮像装置によれば、請求項1と同様な効果のほか、電荷転送電極の側壁に例えば金属膜のサイドウォールを設けることによりさらに電荷転送部へ入り込む乱反射成分を抑制でき、スミア特性を劣化させることなく感度を向上させることができる。
【0011】
請求項3記載の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板に電荷蓄積部および電荷転送部を形成し、前記電荷転送部の上方にゲート絶縁膜を介して電荷転送電極を形成する工程と、前記電荷転送電極の形成後に平坦化層を形成し、前記平坦化層上に上凸状のマイクロレンズを形成する工程と、前記マイクロレンズ形成後に前記マイクロレンズの領域を除いて遮光膜を形成する工程とを含むものである。
【0012】
請求項3記載の固体撮像装置の製造方法によれば、請求項1と同様な効果がある。
【0013】
請求項4記載の固体撮像装置の製造方法は、請求項3において、電荷転送電極の形成後に、前記電荷転送電極を覆って形成された絶縁膜を介して金属膜を形成し、前記金属膜を異方性エッチングしてサイドウォールを形成する工程を含むものである。
【0014】
請求項4記載の固体撮像装置の製造方法によれば、その後平坦化層を形成して、平坦化層上に上凸状のマイクロレンズを設けて、マイクロレンズ上方にマイクロレンズを除いて形成された遮光膜を設けることにより、請求項2と同様な効果がある。
【0015】
請求項5記載の固体撮像装置の製造方法は、請求項3または請求項4において、遮光膜を上凸状の前記マイクロレンズの形成直後に形成するものである。
【0016】
請求項5記載の固体撮像装置の製造方法によれば、請求項3または請求項4と同様な効果がある。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態による固体撮像装置とその製造方法について、図1および図2に基づいて説明する。なお、実施の形態の全図において、同一の部分には同一の符号を付す。
【0018】
第2ゲート電極5bの形成まで(図2(a))は上記従来と同様であるので、同じ箇所に同一の符号を付して記述を省略する。第1ゲート電極5aおよび第2ゲート電極5bを覆って第1平坦化層7が形成され、第1平坦化層7の上に凸型マイクロレンズ8が形成されている(図2(b))。凸型マイクロレンズ8上には絶縁膜9aが形成され、絶縁膜9a上にマイクロレンズ8を除いて遮光膜6bが形成されている(図2(c))。さらにこれらの上にアクリル系樹脂からなる第2平坦化層9bを形成して平坦化され、その上にカラーフィルタ10が形成されている。さらにカラーフィルタ10の上にはオンチップレンズ11が形成されている(図2(d))。
【0019】
具体的には、第1ゲート電極5aおよび第2ゲート電極形5bの形成後に、全面にCVD膜を用いて第1平坦化層7を形成する。平坦化する方法としてはCMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシュ)法による方法やCVD膜としてBPSG膜を用いてリフローさせる方法がある。いずれにしてもCVD膜の屈折率は1.4〜1.6の低屈折率材料を用いる。
【0020】
次に、プラズマCVDによるSiN膜(屈折率1.9〜2.0)からなる凸型マイクロレンズ8を形成する。従来の方法では遮光膜形成後にマイクロレンズが形成されるが、本実施の形態ではマイクロレンズ8の形成後に遮光膜6bを形成する。これによってマイクロレンズ8のゲート絶縁膜4の形成位置からの高さh1が従来例の高さh7と比較して小さくできる。フォトダイオード2とレンズ8間距離が小さく出来ると、より集光性を高めることが出来る。具体的には遮光膜6bの厚さ分の200〜400nm小さく出来る。
【0021】
次に、CVD絶縁膜9aと金属膜の遮光膜6bを成膜して、マイクロレンズ8を除いて遮光膜6bをパターンニングする。CVD絶縁膜9aは遮光膜6bのドライエッチング時にオーバーエッチングによるマイクロレンズ8へのダメージを緩和させるために形成しており、エッチング条件によってはCVD絶縁膜9aを省略することができる。
【0022】
遮光膜6bの開口率(すなわち遮光膜6b間の開口幅L1)によってマイクロレンズ8に入射する光が制御できるが、遮光膜6bとマイクロレンズ8とがオーバーラップすると集光率が減少し、また、遮光膜6bとマイクロレンズ8間距離が大きくなると、入射光a1成分を遮光する効果が減少しスミアが増大する。具体的にはマイクロレンズ8とオンチップレンズ11のレンズ端を結んだ領域12以内に遮光膜6bがあることが好ましい。つまり、マイクロレンズ8と遮光膜6b間距離は50〜300nmに設定するのが好ましい。
【0023】
次に、アクリル系樹脂(屈折率1.3〜1.6)からなる第2平坦化層9を形成する。このアクリル系樹脂より凸型マイクロレンズ8の屈折率が大きいことからレンズとして集光ができる。さらにカラーフィルタ10の形成後にオンチップレンズ11を形成している。なおb1、c1、d1はオンチップレンズ11およびマイクロレンズ8に入射した入射光である。
【0024】
この発明の第2の実施の形態を図3から図6に基づいて説明する。すなわち、第1の実施の形態において、第1ゲート電極5aおよび第2ゲート電極5bの形成後に、これらの電極を覆う絶縁膜7aを形成し、さらに金属膜6aを成膜した後(図6(a))、金属膜6aを異方性エッチング(エッチバック)してサイドウォールの側面遮光膜を第1ゲート電極5aおよび第2ゲート電極5bの側方に設けている(図6(b))。その後は第1の実施の形態と同様に第1平坦化層7およびマイクロレンズ8を順次製造してゆく(図6(c)、(d))。
【0025】
金属膜6aによる反射膜のサイドウォールによって乱反射されて入射する光を阻止することができ、スミア抑制効果を高めることができる。
【0026】
金属膜6aの平面パターンは、図4および図5に示している。図4はマイクロレンズ8がかまぼこ形の場合、図5はマイクロレンズ8が円形の場合である。遮光膜6bは、マイクロレンズ8よりも外側に形成する。マイクロレンズ8よりも内側に遮光膜6bが形成されると、遮光膜6bにより入射光がケラれるため、フォトダイオード2に入射する光自体が減少し感度が低下する。金属膜6aのパターン形成ばらつきを考慮してマイクロレンズ8と遮光膜6bは100nm以上離すことが望ましい。
【0027】
【発明の効果】
請求項1記載の固体撮像装置によれば、遮光膜間を通った入射光がレンズで集光されて電荷蓄積部に入射するため、従来に比べて遮光膜厚による反射ロスをなくすことができ、入射光を増大させ感度特性を向上させることができる。また、電荷転送部に直接入射する光を少なくすることができるため、スミア特性を劣化させることを防止できる。さらに、電荷蓄積部とレンズ間距離を小さくできるため集光率を高め、感度を向上させることができる。
【0028】
請求項2記載の固体撮像装置によれば、請求項1と同様な効果のほか、電荷転送電極の側壁に例えば金属膜のサイドウォールを設けることによりさらに電荷転送部へ入り込む乱反射成分を抑制でき、スミア特性を劣化させることなく感度を向上させることができる。
【0029】
請求項3記載の固体撮像装置の製造方法によれば、請求項1と同様な効果がある。
【0030】
請求項4記載の固体撮像装置の製造方法によれば、その後平坦化層を形成して、平坦化層上に上凸状のマイクロレンズを設けて、マイクロレンズ上方にマイクロレンズを除いて形成された遮光膜を設けることにより、請求項2と同様な効果がある。
【0031】
請求項5記載の固体撮像装置の製造方法によれば、請求項3または請求項4と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態の要部断面図である。
【図2】その製造工程図である。
【図3】第2の実施の形態の要部断面図である。
【図4】マイクロレンズがかまぼこ形の場合の平面図である。
【図5】マイクロレンズが円形の場合の平面図である。
【図6】製造工程図である。
【図7】従来例の要部断面図である。
【図8】その平面図である。
【図9】製造工程図である。
【符号の説明】
1・・・p型シリコン基板
2・・・フォトダイオード
3・・・CCDチャネル
4、4a・・・ゲート絶縁膜
5a・・・第1ゲート電極
5b・・・第2ゲート電極
6、6b・・・遮光膜
6a・・・金属膜
7a・・・絶縁膜
7・・・第1平坦化層
8・・・凸型マイクロレンズ
9a・・・CVD絶縁膜
9・・・第2平坦化層
10・・・カラーフィルタ
11・・・オンチップレンズ
12・・・領域
a1、b1、c1、d1・・・・入射光成分
h1・・・マイクロレンズの高さ
L1・・・開口幅[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The solid-state imaging device includes a lens unit that collects incident light, a light receiving unit that performs photoelectric conversion of the incident light, and a charge transfer unit that transfers charges. In a recent solid-state image sensor, the demand for higher resolution and a larger number of pixels has led to further miniaturization of cells, while sensitivity characteristics have been required to be at the same level as before. Along with this, the light-collecting property becomes insufficient only with the on-chip lens, and a technique for increasing the light-collecting property by further forming a microlens at a position close to the light receiving section (fod diode) is used.
[0003]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of this type of conventional solid-state imaging device, FIG. 8 is a schematic plan view, and FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a manufacturing process. On a p-
[0004]
[Patent Document]
JP-A-6-204443
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described structure that has been conventionally proposed, when the cell size is reduced, the reflection loss due to the light b7 obliquely incident on the light-
[0006]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device capable of reducing the size, improving the light-collecting efficiency, and increasing the sensitivity, and a method of manufacturing the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
2. The solid-state imaging device according to
[0008]
According to the solid-state imaging device of the first aspect, since the incident light that has passed between the light-shielding films is condensed by the lens and enters the charge accumulating portion, the reflection loss due to the light-shielding film thickness can be eliminated as compared with the related art. In addition, the incident light can be increased to improve the sensitivity characteristics. Further, since the light directly incident on the charge transfer unit can be reduced, it is possible to prevent the smear characteristic from deteriorating. Further, since the distance between the charge storage portion and the lens can be reduced, the light collection rate can be increased, and the sensitivity can be improved.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the first aspect, a side surface light-shielding film is provided on a side wall of the charge transfer electrode.
[0010]
According to the solid-state imaging device of the second aspect, in addition to the same effect as the first aspect, by providing a sidewall of a metal film, for example, on the side wall of the charge transfer electrode, it is possible to further suppress irregular reflection components that enter the charge transfer portion, Sensitivity can be improved without deteriorating smear characteristics.
[0011]
4. The method for manufacturing a solid-state imaging device according to
[0012]
According to the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the third aspect, the same effect as that of the first aspect can be obtained.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the third aspect, after forming the charge transfer electrode, a metal film is formed via an insulating film formed to cover the charge transfer electrode. This includes a step of forming a sidewall by anisotropic etching.
[0014]
According to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the fourth aspect, a flattening layer is formed thereafter, an upwardly convex microlens is provided on the flattening layer, and the microlens is formed above the microlens except for the microlens. By providing the light-shielding film, the same effect as that of the second aspect can be obtained.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the third or fourth aspect, the light-shielding film is formed immediately after the formation of the upwardly convex microlens.
[0016]
According to the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the fifth aspect, the same effects as those of the third or fourth aspect can be obtained.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to FIGS. In all the drawings of the embodiments, the same portions are denoted by the same reference numerals.
[0018]
Since the steps up to the formation of the
[0019]
Specifically, after the formation of the
[0020]
Next, a
[0021]
Next, a
[0022]
The light incident on the
[0023]
Next, a second flattening layer 9 made of an acrylic resin (refractive index: 1.3 to 1.6) is formed. Since the refractive index of the
[0024]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. That is, in the first embodiment, after forming the
[0025]
Light that is irregularly reflected by the sidewalls of the reflective film of the metal film 6a can be blocked, and the smear suppressing effect can be enhanced.
[0026]
The plane pattern of the metal film 6a is shown in FIGS. FIG. 4 shows a case where the
[0027]
【The invention's effect】
According to the solid-state imaging device of the first aspect, since the incident light that has passed between the light-shielding films is condensed by the lens and enters the charge accumulating portion, the reflection loss due to the light-shielding film thickness can be eliminated as compared with the related art. In addition, the incident light can be increased to improve the sensitivity characteristics. Further, since the light directly incident on the charge transfer unit can be reduced, it is possible to prevent the smear characteristic from deteriorating. Further, since the distance between the charge storage portion and the lens can be reduced, the light collection rate can be increased, and the sensitivity can be improved.
[0028]
According to the solid-state imaging device of the second aspect, in addition to the same effects as those of the first aspect, by providing, for example, a side wall of a metal film on the side wall of the charge transfer electrode, it is possible to further suppress irregular reflection components that enter the charge transfer portion, Sensitivity can be improved without deteriorating smear characteristics.
[0029]
According to the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the third aspect, the same effect as that of the first aspect can be obtained.
[0030]
According to the method for manufacturing a solid-state imaging device according to the fourth aspect, a flattening layer is formed thereafter, an upwardly convex microlens is provided on the flattening layer, and the microlens is formed above the microlens except for the microlens. By providing the light-shielding film, the same effect as that of the second aspect can be obtained.
[0031]
According to the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the fifth aspect, the same effects as those of the third or fourth aspect can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram thereof.
FIG. 3 is a sectional view of a main part of a second embodiment.
FIG. 4 is a plan view in the case where the microlens is in a semi-cylindrical shape.
FIG. 5 is a plan view when a micro lens is circular.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram.
FIG. 7 is a sectional view of a main part of a conventional example.
FIG. 8 is a plan view thereof.
FIG. 9 is a manufacturing process diagram.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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JP2003063588A JP2004273827A (en) | 2003-03-10 | 2003-03-10 | Solid-state imaging apparatus and manufacturing method thereof |
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