JP2006128383A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光の利用効率を向上させることができる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニットを有し、画素ユニットの１つは、シリコン基板３０と、シリコン基板３０の上部に配された光電変換部３１と、シリコン基板３０及び光電変換部３１の上に形成された層間絶縁膜３３と、各光電変換部３１の上方において層間絶縁膜３３の中に配された相対的に屈折率の高い材料で形成された下向き切頭角錐型光導波路３６と、光導波路３６の底面を囲繞するように矩形開口５０を有すると共に層間絶縁膜３３の上面に配された抵抗率２．７×１０^−６Ωｃｍのアルミニウムの第３の電極３５と、シリコン基板３０と光電変換部３１との境界上において層間絶縁膜３３の中に配された抵抗率２．７×１０^−６Ωｃｍのアルミニウムの第１の電極３２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像素子及びその製造方法に関する。

近年、デジタルスチルカメラ等に用いられている従来の固体撮像素子は、画素数の増加による画質の向上と共にチップサイズを小さくすることによる低価格化が図られている。そのため、この固体撮像素子における１画素の大きさは年々小さくなり、これに伴い、光電変換部の面積も小さくなっている。

光電変換部の面積が小さくなると、受光感度が低下するため、従来の固体撮像素子には、光入射面と光電変換部との間に光導波路を設け、その集光特性を高めている（例えば、特許文献１参照）。

この固体撮像素子では、光電変換部の光入射側に、高屈折率の材料で構成された対称形状の光導波路を設け、その周囲に低屈折率材料を設けている。これにより、その境界面で入射光を全反射させて、その集光特性を向上させている。

図８及び図９は、従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略断面図である。

図８において、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、２つの画素ユニットから成る。

第１の画素ユニットにおいて、不図示の撮影レンズから入射してくる光は、マイクロレンズ３９ａによって集光され、透明な平坦化層３８を透過した後、カラーフィルタ層３７ａに青及び赤の光が吸収されて、緑の光のみが透過する。カラーフィルタ層３７ａを透過した光は、さらに、屈折率の高い透明材料である窒化シリコン（ＳｉＮ）等の材料で形成された光導波路３６ａを透過し、光電変換部３１ａに導かれて電荷を発生する。このとき、光導波路３６ａの周囲は、屈折率の低い透明材料である酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等によって層間絶縁膜３３が形成されているので、光導波路３６ａから層間絶縁膜３３へ抜けようとする光は、屈折率界面で全反射して光電変換部３１ａに導かれる。光電変換部３１ａで発生した電荷は、電極３２ａ，３４ａ，３５によって選択的に読み出される。電極３２ａは、一部の波長領域の光を透過する多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、電極３４ａ，３５は光を反射するアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。

また、第２の画素ユニットにおいて、マイクロレンズ３９ｂによって集光された光は、透明な平坦化層３８を透過した後、カラーフィルタ層３７ｂに緑及び赤の光が吸収されて、青の光のみが透過する。カラーフィルタ層３７ｂを透過した光は、さらに、屈折率の高い透明材料である窒化シリコン（ＳｉＮ）等の材料で形成された光導波路３６ｂを透過し、光電変換部３１ｂに導かれて電荷を発生する。このとき、光導波路３６ｂの周囲は、屈折率の低い透明材料である酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等によって層間絶縁膜３３が形成されているので、光導波路３６ｂから層間絶縁膜３３へ抜けようとする光は、屈折率界面で全反射して光電変換部３１ｂに導かれる。光電変換部３１ｂで発生した電荷は、電極３２ｂ，３４ｂ，３５によって選択的に読み出される。電極３２ｂは、一部の波長領域の光を透過する多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、電極３４ｂは光を反射するアルミニウム（Ａｌ）で形成されている。

このＣＭＯＳ型固体撮像素子３の製造時には、光導波路３６ａ，３６ｂは、フォトリソ工程で形成される。

また、マイクロレンズと光電変換部との間に光導波路構造を有し、光電変換部に隣接する転送電極を遮光膜で覆って転送電極表面において光が反射しないようにすることによってスミアを防止する固体撮像素子もある（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−２３５３１３号公報（第４頁、図１） 特開平６−２２４３９８号公報（第６頁、図１）

しかしながら、フォトリソ工程で光導波路３６ａ，３６ｂを形成する際、電極３５及び光導波路３６ａ，３６ｂの間に、フォトリソ工程のマスクの位置合わせ精度を考慮した隙間を設けなければならず、図８における光線２０が示すように、電極３５及び光導波路３６ｂの間を透過した光の一部が、多結晶シリコンで形成された電極３２ａ，３２ｂで吸収されるので、光の利用効率が低下してしまう。

また、図９において、光線２１が第１の画素ユニットに対して斜めから入射したとき、マイクロレンズ３９ａの透過後、カラーフィルタ層３７ａを透過した緑の波長領域の光は、光導波路３６ａ及び層間絶縁膜３３の屈折率界面で全反射せずに透過してしまい、その透過光の一部は、アルミニウム等で形成された電極３４ａ，３５に反射して光導波路３６ｂを介して第２の画素ユニットの光電変換部３１ｂに入射し、本来青の波長領域の光が入射するはずの光電変換部３１ｂに第１の画素ユニットから緑の波長領域の光が入射するので、光電変換部３１ｂの出力に基づいて正しい色再現を行うことができない。

さらに、シリコン基板３０の直上に配設された電極３２ａ，３２ｂは、多結晶シリコンで形成されているので、抵抗率が相対的に高く、ＣＭＯＳ型固体撮像素子及びその製造方法の信号の読み出し時間等を律速している。

本発明の第１の目的は、光の利用効率を向上させることができる固体撮像素子を提供することにある。

本発明の第２の目的は、色再現を向上させることができる固体撮像素子を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、請求項１記載の固体撮像素子は、基板と、前記基板の上部に配設された光電変換部と、前記光電変換部の上方に配され、一端で受光した所定の波長領域の光を前記光電変換部に導く光導波路と、前記光電変換部の上方に配置されるとともに、光を遮光する遮光領域とを備える固体撮像素子において、前記遮光領域は、前記一端において前記光導波路を隙間なく囲繞する開口を有することを特徴とする。

上記第２の目的を達成するために、請求項３記載の固体撮像素子は、基板と、前記基板の上部に配設された光電変換部と、前記光電変換部の上方に配され、一端で受光した所定の波長領域の光を前記光電変換部に導く光導波路と、前記基板及び前記光電変換部の上方において前記光導波路のまわりに配された層間絶縁膜と、前記光導波路が受光すべき光のうち所定の波長の光を選択するカラーフィルタ層とを備える固体撮像素子において、前記層間絶縁膜は、可視光の透過率が３０％以下であり、屈折率が前記光導波路の屈折率よりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、遮光領域は、光導波路の一端において光導波路を隙間なく囲繞する開口を有するので、マイクロレンズで集光された光を全て光導波路に入射させて光電変換部へ導くことができ、もって光の利用効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、層間絶縁膜は、可視光の透過率が３０％以下であり、屈折率が光導波路の屈折率よりも低いので、異なる波長領域の光が光電変換部に入射することがなく、もって色再現を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。

図１は、本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略断面図である。

図１において、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニットを有し、画素ユニットの１つは、シリコン基板３０と、シリコン基板３０の上部に配された光電変換部３１と、シリコン基板３０及び光電変換部３１の上に形成された層間絶縁膜３３と、各光電変換部３１の上方において層間絶縁膜３３の中に配された相対的に屈折率の高い材料で形成された下向き切頭角錐型光導波路３６と、光導波路３６の底面を囲繞するように矩形開口５０（図２）を有すると共に層間絶縁膜３３の上面に配された抵抗率２．７×１０^−６Ωｃｍのアルミニウムの第３の電極３５と、シリコン基板３０と光電変換部３１との境界上において層間絶縁膜３３の中に配された抵抗率２．７×１０^−６Ωｃｍのアルミニウムの第１の電極３２と、光導波路３６の中位において光導波路３６を囲繞するように層間絶縁膜の中に配された矩形枠状の抵抗率２．７×１０^−６Ωｃｍのアルミニウムの第２の電極３４とを備える。

ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、また、第３の電極３５及び光導波路３６の上に形成された平坦化層５３と、平坦化層５３の上に形成されたカラーフィルタ３７と、カラーフィルタ３７の上に形成された平坦化層３８と、光導波３６の上方において平坦化層３８の上に配されたマイクロレンズ３９とを備える。

平坦化層５３は、カラーフィルタ３７を形成するためのものであり、カラーフィルタ３７は、所定波長の光を選択的に透過させるためのものであり、平坦化層３８は、マイクロレンズを形成するためのものである。

光導波路３６の底面は、切頭面より広く、より多くの光が入射することができるようにするために第３の電極３５の開口５０と略同一となるように形成されている。

開口５０を通過した入射光は、光電変換部３１上の一部を覆った領域に形成された第１の電極３２上には導かれないので、第１の電極３２は、抵抗率２．７×１０^−６Ωｃｍのアルミニウムで形成されている。これにより、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、高い周波数での転送制御が可能となり、もって高速な信号読み出しを達成することができる。

図１において、不図示の撮影レンズから入射してくる光は、光電変換部３１に効率良く集光すべく備えられたマイクロレンズ３９によって集光され、透明な平坦化層３８を透過した後、所定波長の光のみがカラーフィルタ層３７を透過する。カラーフィルタ層３７を透過した光は、さらに、相対的に屈折率の高い透明材料で形成された光導波路３６を透過し、光電変換部３１ａに導かれて電荷を発生する。光電変換部３１で発生した電荷は、第１の電極３２、第２の電極３４、及び第３の電極３５によって選択的に読み出される。

光導波路３６の底面は、第３の電極３５の開口５０と略同一であるので、マイクロレンズ３９で集光された後第３の電極３５の開口５０を通過した入射光は、全て光導波路３６に入射し光電変換部３１に導かれ、もって光の利用効率を向上させることができる。

また、光導波路３６の周囲は、相対的に屈折率の低い透明材料で層間絶縁膜３３が形成されているので、光導波路３６から層間絶縁膜３３へ抜けようとする光は、屈折率界面で全反射して光電変換部３１に効率良く導かれ、もって色再現を向上させることができる。

図３は、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子３の形成プロセスを説明するのに用いられる図である。

図３において、まず、シリコン基板３０を準備し、このシリコン基板３０を熱酸化し、その表面に不図示のシリコン酸化膜ＳｉＯを形成した後、ポジ型のフォトレジスト４０を塗布し、光電変換部３１に対応する領域が開口した不図示の所定パターンのフォトマスクを介して露光して、現像処理を行う。これにより、光が照射された領域、即ち光電変換部３１に対応する領域のフォトレジスト４０が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出する（図３（ａ））。

次に、シリコン基板３０に、イオンを打ち込むことによって、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出した部分に光電変換部３１を形成し、フォトレジスト４１を塗布し、シリコン基板３０と光電変換部３１との境界状において開口した不図示の所定パターンのフォトマスクを介して露光して、現像処理を行う。これにより、光が照射された領域、即ち第１の電極３２に対応する領域のフォトレジスト４１が溶解し、シリコン酸化膜ＳｉＯの一部が露出する（図３（ｂ））。

続いて、シリコン基板３０に、ＣＶＤ装置等により抵抗率が２．７×１０^−６ΩｃｍのアルミニウムＡｌ３２ａを蒸着し（図３（ｃ））、フォトレジスト４１を剥離することによって、境界上に第１の電極３２を形成する。

続いて、第１の電極３２の一部及び光電変換部３１の上にシリコン窒化膜ＳｉＮによる不図示のエッチングストッパ膜を形成し、さらに、第２の電極３４を形成するための層間絶縁膜３３を形成することにより平坦化処理を行う（図３（ｄ））。

さらに、フォトレジスト４２を塗布し、第２の電極３４に対応する領域は光を透過すると共にその他の領域は光を遮光するように構成されている不図示の所定パターンのフォトマスクを介して露光して、現像処理を行う。これにより、光が照射された領域、即ち第２の電極３４に対応する領域のフォトレジスト４２を溶解する（図３（ｅ））。

次に、ＣＶＤ装置等により、抵抗率が２．７×１０^−６ΩｃｍのアルミニウムＡｌを蒸着し、エッチング処理を行ってフォトレジスト４２を剥離することによって第２の電極３４を形成し、第３の電極３５を形成するための層間絶縁膜３３を形成して平坦化処理を行う（図３（ｆ））。

平坦化処理を行った層間絶縁膜３３の上に、フォトレジスト４３を塗布し、第３の電極３５に対応する領域は光を透過すると共にその他の領域は光を遮光するように構成されている不図示の所定パターンのフォトマスクを介して露光して、現像処理を行う。これにより、光が照射された領域、即ち第３の電極３５に対応する領域のフォトレジスト４３を溶解する（図３（ｇ））。

ＣＶＤ装置等により、抵抗率が２．７×１０^−６ΩｃｍのアルミニウムＡｌを蒸着し、エッチング処理を行ってフォトレジスト４３が剥離することによって、第３の電極３５を形成する。さらに、第３の電極３５をマスクとしてエッチング処理を行うことによって、層間絶縁膜３３に光導波路３６を形成するための井戸構造部分を形成する。このとき、層間絶縁膜３３と光電変換部３１との間には不図示のエッチングストッパ膜が形成されているので、光電変換部３１自体はエッチングされない（図３（ｈ））。

さらに、井戸構造部分に、層間絶縁膜３３に対して相対的に屈折率の高い材料を埋め込むことによって、光導波路３６を形成する（図３（ｉ））。

光導波路３６は、第３の電極３５をマスクとして形成された井戸構造部分に形成されているので、光導波路３６の光入射側開口は、第３の電極３５の開口５０と略同一となっている。これにより、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、第３の電極３５の開口５０を透過した光を全て光導波路３６に入射させて、入射された光の大部分を光電変換部３１に導くことができ、もって光の利用効率を向上させることができる。

光導波路３６を形成した後、カラーフィルタ３７を形成するための平坦化層５３を形成して、その上部にカラーフィルタ３７を形成する（図３（ｊ））。

次に、マイクロレンズ３９を形成するための平坦化層３８を形成して、その上部に、公知のレジストリフロー法によってマイクロレンズ３９を形成し、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３が完成する（図３(ｋ））。

光導波路３６は、屈折率が約２．０である窒化シリコンＳｉＮで形成される。窒化シリコンＳｉＮは、可視光の透過率が９０％以上であり（図４）、可視光をほとんど吸収しないので、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、光導波路３６を伝播する光を効率よく光電変換部３１に導くことができる。

一方、層間絶縁膜３３は、屈折率は約１．６であり、可視光を吸収するＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のＳｉＬＫで形成される。ＳｉＬＫで形成された層間絶縁膜３３は、第３の電極３５近傍から光電変換部３１への可視光の透過率が１０％以下である。これにより、隣接した画素のマイクロレンズから斜めに入射してくる光のうち、光導波路３６と層間絶縁膜３３との界面で全反射せずに透過した光は、層間絶縁膜３３によってほぼ吸収されるので、異なる波長領域の光が光電変換部３１に入射することがなく、もって画像の正しい色再現を行うことができる。

図５は、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子３の第１の変形例の概略断面図である。

図５のＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、図１の少なくとも２つの画素ユニットを有し、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子３の構成と基本的に同じであり、図１の構成と同一のものには同一参照番号を付した後、一方の画素ユニットに由来する構成要素には参照番号の末尾にａを、他方の画素ユニットに由来する構成要素には参照番号の末尾にｂを付して重複した説明を省略し、以下、図１の素子と異なる部分について説明する。

図５において、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子３がカラーフィルタ３７を備えているのに対し、カラーフィルタを備えていない。

また、光導波路３６ａ，３６ｂは、図１の光導波路３６の屈折率が約２．０であるのに対して、屈折率が約１．６であり、所定の波長領域の光を透過するカラーフィルタ材料で形成される。一方、層間絶縁膜３３は、図１の層間絶縁膜３３の屈折率が約１．６であるのに対して、屈折率が約１．３であり、特開２０００−３４０６５１号公報に開示されているポリシロキサン及び酸化シリコンによる複合膜で形成される。

光導波路３６ａは、図６におけるＧで示した分光透過特性を示す材料で形成され、緑の波長領域の光を透過すると共に青及び赤の光を吸収し、光導波路３６ｂは、図６におけるＢで示した分光透過特性を示す材料で形成され、青の波長領域の光を透過すると共に緑及び赤の光を吸収する。これにより、光導波路３６ａ，３６ｂは、所定の波長の光を効率よく光電変換部３１ａ，３１ｂに導くことができる。

また、マイクロレンズ３９ａに斜めに入射した光２１のうち、光導波路３６ａと層間絶縁膜３３との界面で全反射せずに透過した緑の波長領域の光は、層間絶縁膜３３を透過した後、アルミニウムＡｌで形成された第２の電極３４ａ及び第３の電極３５によって反射され、光導波路３６ｂに入射するが、光導波路３６ｂは、緑及び赤の光を吸収するので、マイクロレンズ３９ａから入射した光２１は、光電変換部３１ｂには到達しない。これにより、異なる波長領域の光が光電変換部３１ｂに入射することがなく、もって画像の正しい色再現を行うことが可能となる。

さらに、光導波路３６は、カラーフィルタ材料で形成されているので、マイクロレンズ３９は、光導波路３６の上に平坦化層３８を設けた後形成される。これにより、マイクロレンズ３９と光導波路３６の光入射側開口との距離が短くなり、広い角度範囲の光を光導波路３６に導くことが可能となり、もってＣＭＯＳ型固体撮像素子３の光入射角特性を向上させることができる。

図７は、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子３の第２の変形例における光導波路３６の分光透過特性図である。

本変形例におけるＣＭＯＳ型固体撮像素子３は、図１の少なくとも２つの画素ユニットを有し、図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子３の構成と基本的に同じであり、図１の構成と同一のものには同一参照番号を付した後、一方の画素ユニットに由来する構成要素には参照番号の末尾にａを、他方の画素ユニットに由来する構成要素には参照番号の末尾にｂを付して重複した説明を省略し、以下、図１の素子と異なる部分について説明する。

本変形例において、光導波路３６は、図１のものの屈折率が約２．０であるのに対して、屈折率が約１．６であり、赤外線吸収材（例えば、エポリン社のエポライト）を添加したエキシマレーザ用フォトレジストで形成される。エキシマレーザ用フォトレジストは、可視光の透過率が９０％以上であり、可視光をほとんど吸収しないので、光導波路３６を伝播する光を効率よく光電変換部３１に導くことができ、また、赤外光は吸収するので、ＣＭＯＳ型固体撮像素子３を備える装置は、不図示の撮影レンズとＣＭＯＳ型固体撮像素子３との間に配設される不図示の赤外カットフィルタを不要とすることができる。

一方、層間絶縁膜３３は、図１のものの屈折率が１．６であるのに対して、屈折率が約１．４であり、可視光を吸収するＳｉＯＣ膜で形成される。ＳｉＯＣで形成された層間絶縁膜３３は、第３の電極３５近傍から光電変換部３１への可視光の透過率が３０％以下である。ＳｉＯＣ膜の成膜方法は、特開２００２−１５１５０６号公報に開示されている。これにより、隣接した画素からの斜めに入射する光のうち、光導波路３６と層間絶縁膜３３との界面で全反射せずに透過した光は、層間絶縁膜３３でほぼ吸収されるので、異なる波長領域の光が光電変換部３１に入射することがなく、もって画像の正しい色再現を行うことができる。

上記で説明した実施の形態において、第３の電極３５は、電極機能を持つものに限らず、遮光する機能を持つもの（遮光領域）であれば良い。

本発明の実施の形態に係るＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略断面図である。 図１における第３の電極の上面図である。 図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の形成プロセスを説明するのに用いられる図である。 図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子における光導波路の分光透過特性図である。 図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の第１の変形例の概略断面図である。 図５における光導波路の分光透過特性図である。 図１のＣＭＯＳ型固体撮像素子の第２の変形例における光導波路の分光透過特性図である。 従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略断面図である。 従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略断面図である。

符号の説明

３ ＣＭＯＳ型固体撮像素子
３１ 光電変換部
３２ 第１の電極
３４ 第２の電極
３５ 第３の電極
３３ 層間絶縁層
３６ 光導波路
３７ カラーフィルタ
３８，５３ 平坦化層
３９ マイクロレンズ

Claims (4)

1. 基板と、前記基板の上部に配設された光電変換部と、前記光電変換部の上方に配され、一端で受光した所定の波長領域の光を前記光電変換部に導く光導波路と、前記光電変換部の上方に配置されるとともに、光を遮光する遮光領域とを備える固体撮像素子において、前記遮光領域は、前記一端において前記光導波路を隙間なく囲繞する開口を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記遮光領域は、前記発生された電荷を転送するように構成され、抵抗率が５×１０^−６Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 基板と、前記基板の上部に配設された光電変換部と、前記光電変換部の上方に配され、一端で受光した所定の波長領域の光を前記光電変換部に導く光導波路と、前記基板及び前記光電変換部の上方において前記光導波路のまわりに配された層間絶縁膜と、前記光導波路が受光すべき光のうち所定の波長の光を選択するカラーフィルタ層とを備える固体撮像素子において、前記層間絶縁膜は、可視光の透過率が３０％以下であり、屈折率が前記光導波路の屈折率よりも低いことを特徴とする固体撮像素子。
4. 基板を準備し、前記基板の上部に光電変換部を形成する固体撮像素子の製造方法において、前記基板の上方において光を遮光する遮光領域を形成し、その後、前記遮光領域をマスクにして、一端で受光した所定の波長領域の光を前記光電変換部に導く光導波路を形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。

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