JP2006080252A

JP2006080252A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2006080252A
Application number: JP2004261856A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Maruyama; 俊介丸山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】光学フィルタの積層構造に伴う集光効率の低下や混色の問題を解決し、さらに遮光画素による黒基準の精度を向上する。
【解決手段】ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、上部積層膜の絶縁膜中のフォトダイオードの受光領域に対応する領域に、埋め込み型のカラーフィルタを設け、このカラーフィルタの下面の位置を上部積層膜の最も下層のメタル配線膜の下面の位置より下に配置するようにした。これにより、フォトダイオードとカラーフィルタやマイクロレンズとの間隔が縮小でき、集光効率の向上や混色を防止できる。また、黒基準を検出するための画素では、埋め込み型の光学フィルタの代わりに遮光性膜、例えば遮光媒体やブラックフィルタを設けるようにした。これにより、遮光性を向上し、黒基準の精度を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換素子を形成した半導体基板上に各種の上部積層膜を設けるとともに、光学フィルタやレンズを配置した固体撮像装置に関する。

従来、この種の固体撮像装置としては、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサが知られている。
一般に、ＣＣＤイメージセンサは、半導体基板に複数のフォトダイオード（光電変換素子）及びＣＣＤ転送レジスタ等を形成し、その半導体基板上にＣＣＤ転送レジスタ用の転送電極や遮光膜を配置し、その上層にカラーフィルタやマイクロレンズを配置した構造であり、半導体基板上に形成される上部積層膜は比較的薄い構造となっている。
これに対し、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体基板に複数のフォトダイオード及び各種の画素トランジスタ等を形成し、その半導体基板上に画素トランジスタの駆動配線や遮光膜を配置し、その上層にカラーフィルタやマイクロレンズを配置した構造であり、通常は配線層が多層構造であることから、半導体基板上に形成される上部積層膜は比較的厚い構造となっている。
図４は従来のＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード周辺部の素子構造を示す断面図である。
図示のように、半導体基板１の表面にフォトダイオード２が設けられ、その上部にメタル配線３と絶縁膜４による多層配線層５が形成され、その上にカラーフィルタ６を介してマイクロレンズ７が設けられている。
（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２２１５３２号公報

このため特にＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードとカラーフィルタやマイクロレンズとの間隔が大きくなるため、ＣＣＤイメージセンサと比較して以下のような点で光学的に不利となる。
例えば、フォトダイオードとマイクロレンズの距離が大きいため、集光効率が悪くなり、感度低下を招く要因となる。
また、フォトダイオードとカラーフィルタの距離が大きいため、斜めに入射した光が配線の隙間を通って隣接する画素のフォトダイオードに入り、混色の問題が生じる要因となる。
また、この種の固体撮像装置では、出力レベルの基準を得るために、一部の画素（いわゆるオプティカルブラックという）のフォトダイオードを遮光し、その出力を検出して黒基準を得るようにしているが、遮光膜が中間の配線層によってフォトダイオードから離れているために、周辺の有効画素領域から光が漏れ込み、黒レベルが浮いてしまうという問題があった。

そこで本発明は、光学フィルタの積層構造に伴う集光効率の低下や混色の問題を解決でき、さらに遮光画素による黒基準の精度を向上することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、少なくとも光電変換素子を含む複数の画素が形成された半導体基板と、前記半導体基板上に配置される絶縁膜中に複数層の導電膜を配置した上部積層膜とを有し、前記上部積層膜の絶縁膜中の光電変換素子の受光領域に対応する領域に埋め込み型の光学フィルタを配置したことを特徴とする。

本発明の固体撮像装置によれば、上部積層膜の絶縁膜中の光電変換素子の受光領域に対応する領域に埋め込み型の光学フィルタを配置したことから、上部積層膜の上に光学フィルタを配置した従来の固体撮像装置に比較して光電変換素子と光学フィルタとの距離やその上のマイクロレンズとの距離が短くなり、その分、集光効率の向上や混色を防止できる効果がある。
また、黒基準用画素においては、光学フィルタの代わりに遮光性膜を配置することにより、黒基準用画素に対する光の漏れ込みを確実に防止でき、黒基準の精度を向上することが可能となる。

本発明の実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、上部積層膜の絶縁膜中のフォトダイオードの受光領域に対応する領域に、埋め込み型のカラーフィルタを設け、このカラーフィルタの下面の位置を上部積層膜の最も下層のメタル配線膜の下面の位置より下に配置するようにした。これにより、フォトダイオードとカラーフィルタやマイクロレンズとの間隔が縮小でき、集光効率の向上や混色を防止できる。
また、黒基準を検出するための画素では、埋め込み型の光学フィルタの代わりに遮光性膜、例えば遮光媒体やブラックフィルタを設けるようにした。これにより、黒基準用画素を確実に遮光でき、黒基準の精度を向上できる。

図１は本発明の実施例によるＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード周辺部の素子構造を示す断面図であり、図１（Ａ）は通常の画素の領域を示し、図１（Ｂ）はオプティカルブラック（ＯＰＢ）部の黒基準用画素の領域を示している。
図示のように、半導体基板１０の表面にフォトダイオード１１が設けられ、その上部に３層のメタル配線（導電膜）１２と絶縁膜１３による多層配線層（上部積層膜）１４が形成され、その上にマイクロレンズ１７が設けられている。
そして、図１（Ａ）に示す通常の画素では、多層配線層１４の絶縁膜１３中のフォトダイオード１１の受光領域に対応する領域に埋め込み型のカラーフィルタ（光学フィルタ）１５が配置されている。この埋め込み型のカラーフィルタ１５は、その下面の位置が多層配線層１４の最も下層のメタル配線１２の下面の位置より下に配置され、フォトダイオード１１の受光面と近接して配置されている。また、埋め込み型のカラーフィルタ１５の外周と各メタル配線１２とは互いに近接して配置され、各メタル配線１２が入射光の通過領域を制限する遮光膜として機能し、斜めの入射光が隣接する画素のフォトダイオードに漏れ込むのを防止する。
このような通常の画素の積層構造では、図４に示した従来の構造に比較し、フォトダイオードとカラーフィルタやマイクロレンズの距離が近くなり、集光効率の改善や混色の防止を図ることが可能となる。例えば、図１に矢印Ａで示すような斜め光が入射した場合でも、この光はメタル配線１２の間を通り、隣の画素のフィルタを通ってフォトダイオードに入射するため、混色は生じないことになる。

また、図１（Ｂ）に示すＯＰＢ画素では、カラーフィルタの代わりに埋め込み型の遮光性膜（遮光媒体またはブラックフィルタ等）１６が配置されている。この遮光性膜１６はカラーフィルタ１５より大きい膜厚を有し、３層のメタル配線１２の最上面から最下面までを含む厚さに形成されている。
このような黒基準画素では、膜厚の大きい埋め込み型の遮光性膜１６によってフォトダイオードは十分な遮光状態におかれ、正確な黒基準の検出が可能となる。

次に、本実施例の通常の画素における上部積層膜の形成工程について説明する。なお、黒基準画素における上部積層膜の形成工程は光学フィルタを遮光性膜に置き換えるだけで同様に実施可能であるため説明は省略する。
図２及び図３は本実施例の通常の画素における上部積層膜の形成工低を示す断面図である。
図２（１）では、フォトダイオード１１等を設けた半導体基板１０上にメタル配線１２と絶縁膜１３による多層配線層１４を形成した段階で、その多層配線層１４の上にフォトレジスト膜２１を配置した状態である。そして、図２（２）及び図２（３）において、フォトレジスト膜２１をパターニングし、フォトダイオード１１の受光領域に対応する埋め込み用の凹部２２を絶縁膜１３に形成する。

次に、図２（４）において、カラーフィルタ１５の第１の色のフィルタ材１５Ａを積層し、図２（５）において新たにフォトリソグラフィとエッチングを行い、フィルタ材１５Ａを利用する画素の凹部２２にだけ残し、その他の画素の凹部２２から除去する。
次に、図３（６）において、カラーフィルタ１５の第２の色のフィルタ材１５Ｂを積層し、図３（７）において新たにフォトリソグラフィとエッチングを行い、フィルタ材１５Ｂを利用する画素の凹部２２にだけ残し、その他の画素の凹部２２から除去する。なお、図では省略するが、同様の工程によって、カラーフィルタ１５の第３の色のフィルタ材を積層し、利用する画素の凹部２２に積層する。
このようにして、全ての凹部２２に該当する色のフィルタ材が充填された状態で、図３（８）に示すようにエッチングを行い、各フィルタ材１５Ａ、１５Ｂを削って所望の膜厚に形成し、各フィルタ１５を形成する。次に、図３（９）において、絶縁膜１３の材料となるパッシベーション材２３を積層して各凹部２２を埋め、その後、図３（１０）でＣＭＰ等を用いて平坦化する。

以上のようにして、各画素に対応した色の埋め込み型フィルタ１５を形成できる。なお、遮光性膜１６の形成も同様の行うことができる。
したがって、特別な工程を用いることなく、埋め込み型フィルタ１５や遮光性膜１６を容易に形成でき、フォトダイオードに対してカラーフィルタや遮光性膜、さらにはマイクロレンズを従来例よりも近く配置でき、通常の画素では集光効率の向上や混色の防止、黒基準画素では遮光性の向上を図ることが可能となる。
なお、カラーフィルタや遮光性膜の深さや膜厚等は、必要とする特性や製造工程の実情等に応じて適宜選択できるものとし、図示の構造に限定されないことは勿論である。
また、以上の実施例はＣＭＯＳ型固体撮像装置を前提に説明したが、本発明はＣＣＤ型固体撮像装置にも適用可能であり、特に限定しないものとする。

本発明の実施例によるＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード周辺部の素子構造を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程の一部を示す断面図である。図１に示すイメージセンサの製造工程の一部を示す断面図である。従来のＣＭＯＳイメージセンサのフォトダイオード周辺部の素子構造を示す断面図である。

符号の説明

１０……半導体基板、１１……フォトダイオード、１２……メタル配線、１３……絶縁膜、１４……多層配線層、１５……埋め込み型カラーフィルタ、１６……埋め込み型遮光性膜、１７……マイクロレンズ。

Claims

少なくとも光電変換素子を含む複数の画素が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に配置される絶縁膜中に複数層の導電膜を配置した上部積層膜とを有し、
前記上部積層膜の絶縁膜中の光電変換素子の受光領域に対応する領域に埋め込み型の光学フィルタを配置した、
ことを特徴とする固体撮像装置。
前記埋め込み型の光学フィルタの下面の位置が上部積層膜の最も下層の導電膜の下面の位置より下に配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記上部積層膜の上部にマイクロレンズが配置されていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記光学フィルタは、特定の波長光を透過するカラーフィルタであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記複数の画素の一部は黒基準を検出するための黒基準用画素を含み、前記黒基準用画素上に配置される上部積層膜の絶縁膜中の光電変換素子の受光領域に対応する領域に埋め込み型の遮光性膜を配置したことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
前記黒基準用画素に設けられる遮光性膜は、他の画素に設けられる埋め込み型の光学フィルタよりも大きい膜厚を有することを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置。
前記画素は光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す画素トランジスタ回路を有し、前記上部積層膜の導電膜は前記画素トランジスタ回路の駆動配線を含むことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。