JP2007141873A - 固体撮像素子、撮像装置、及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体撮像素子1を、受光領域を構成する第1光電変換部30上の層間絶縁膜32内の第1高屈折率領域34が、層間絶縁膜32上の受光面39からの光の導波路として第1光電変換部30に対向して設けられ、第2光電変換部40上の層間絶縁膜42内の第2高屈折率領域44が、第2光電変換部40に対向して設けられた構成とする。
【選択図】図1
Description
この撮像装置は、図4に示すような、光電変換部(フォトダイオード)と複数のMOSトランジスタからなる画素102が多数2次元マトリクス状に配列された受光領域(有効画素領域)103と、黒レベル信号を出力する所謂オプティカルブラック(Optical Black;OPB)領域となる遮光領域104とを有する固体撮像素子101により構成される。
また、受光領域103内の画素102上には、層間絶縁膜132を介して多層配線、図では第1配線135及び第2配線136が設けられると共に、第1光電変換部130の直上に、光導波路すなわち層間絶縁膜132に比して高い屈折率を有する高屈折率領域134が層間絶縁膜132の底面近傍から上面近傍に渡って形成される。
そして、層間絶縁膜132上には、高屈折率領域134の直上部を含んで、平坦化膜(パッシベーション膜)137と、カラーフィルタ138と、受光面となるオンチップマイクロレンズ139とがこの順に積層されている。
この構成においては、第1配線145が遮光膜となることにより、第2光電変換部140における電荷の発生は半導体基板105内で光によることなく発生ないし残存していた(例えば熱励起による)電荷によるのみとなる。したがって、この第2光電変換部140で検出される電荷量を、第1光電変換部130で検出された電荷量から差し引くことにより、第1光電変換部130における真の(光由来の)電荷量を得て、所謂黒レベルのクランプ補正をすることが可能になるとされている。
また、このような相違が、例えば高屈折率領域134をポリイミド系樹脂などによって構成する場合には樹脂に含まれる金属成分(例えばナトリウムやカリウムなど)が層間絶縁膜を介して第1光電変換部130に拡散してしまうために白点が発生したり、例えば高屈折率領域134をプラズマ窒化膜などによって構成する場合には窒化膜中の水素によるダングリングボンド終端効果によってジャンクションが改善されるために白点が発生し難くなることによって生じたりするなど、高屈折率領域の材質や形状などに応じて不規則に変化することも明らかとなった。
したがって、受光領域103に高屈折率領域134を設けた構成においては、従来構成による場合と異なり、図6Cに示すように、各光電変換部130及び140における白点発生レベルを揃えた上で、第2光電変換部140で検出された電荷量を第1光電変換部130で検出された電荷量から差し引くことにより、図6Dに示すように、受光領域103における真の電荷量の検出を図る必要がある。
まず、本発明に係る固体撮像素子の実施の形態を説明する。本実施形態に係る固体撮像素子は、例えばレンズや回路などが併せて設けられる撮像装置を構成する固体撮像素子である。
本実施形態に係る固体撮像素子1は、図1に示すような、光電変換部(フォトダイオード)と複数のMOSトランジスタからなる画素2が多数2次元マトリクス状に配列された受光領域(有効画素領域)3と、黒レベル信号を出力する所謂オプティカルブラック(Optical Black;OPB)領域となる遮光領域4とを有する。
また、画素2上には、層間絶縁膜32を介して多層配線、図では第1配線35及び第2配線36が設けられると共に、第1光電変換部30の直上に、光導波路となる、層間絶縁膜32に比して高い屈折率を有する高屈折率領域34が、層間絶縁膜32の底面近傍から上面近傍に渡って形成される。
そして、層間絶縁膜32上には、高屈折率領域34の直上部を含んで、平坦化膜(パッシベーション膜)37と、カラーフィルタ38と、受光面となるオンチップマイクロレンズ39とがこの順に積層されている。
更に、本実施形態においては、層間絶縁膜42内に、第2光電変換部40と第1配線45との間に介在する第2高屈折率領域44が設けられる。
したがって、特に各高屈折率領域34及び44を構成する材料が共通である場合には、受光領域3と遮光領域4との間で、各光電変換部30及び40に対し、高屈折率領域からの直接的な影響(金属成分や水素の拡散、エッチングダメージで発生する白点など)について相違が生じることを回避することができることから、第2光電変換部40で検出される電荷量を第1光電変換部30で検出された電荷量から差し引くことによって、第1光電変換部30における真の電荷量を得るための黒レベルのクランプ補正を適切に行うことが可能となる。
また、第1高屈折率領域34と第2高屈折率領域44との間で、形状及び体積の少なくとも一方が異なることにより、例えば図1に示すように遮光領域4を構成する遮光膜を、層間絶縁膜42内の多層配線の中でも低い位置に設けられる配線、例えば最も低い位置に設けられる第1配線45によって構成することができる。この場合には、特に遮光領域4への光の混入と、多数の画素2同士における混色の発生とを抑制することができるなど、黒クランプ補正の精度のみならず、光学特性全般の向上が図られる。
次に、本発明に係る固体撮像素子製造方法の実施の形態を説明する。
なお、図面では画素として光電変換部と転送トランジスタの要部のみを示す。
その後、層間絶縁膜32及び42の、最終的に第1及び第2の高屈折率領域34及び44が形成される位置に、第2の高屈折率領域の高さに対応する溝7及び8を、リソグラフィ処理及び異方性エッチングにより形成する。
この充填材6の埋め込みは、例えば、ポリイミド系高分子に代表される樹脂の塗布や、例えば窒化膜などのCVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長法)による成膜によって行うことができる。
ポリイミド系樹脂は屈折率が約1.7と高く、周囲の酸化膜が例えば屈折率1.4程度である場合には、前述のスネルの法則に基づいて導波路形成に充分な屈折率差を付与して、界面にシャープに入る光をも反射させて閉じ込めることができる。
窒化膜は屈折率が約2.0と、ポリイミド系樹脂に比して更に高く、より充分な屈折率差を付与することができることに加え、水素含有量が多いため、水素供給効果による基板のダングリングボンド終端効果による白点低減が図られる。したがって、本実施形態に係る製造方法による場合には、受光領域3と、この受光領域3に対する黒クランプ補正のための遮光領域4との両方に形成することから、最終的に得る固体撮像素子1において、より正確な黒クランプ補正が可能となる。
なお、埋め込み特性については、後述するアスペクト比に関するものをはじめとして、塗布型の樹脂の方が優れているため、高屈折率領域を構成する材料については、屈折率差などの光学特性と製造工程上の長所との兼ね合いを考慮して適宜選定することが好ましい。
その後、第1配線35及び45をパターニング形成する。ここで、受光領域3では、第1配線35が最終的に第1高屈折率領域34の形成位置に形成されず、遮光領域4では、第1配線45が第2高屈折率領域44の上部を覆う形状とする。
その後、過剰な充填材をエッチバック法により除去して所定の第1高屈折率領域34を形成し、第1高屈折率領域34の上面を層間絶縁膜32で覆って、その上に平坦化膜37,カラーフィルタ38,オンチップマイクロレンズ39を従来製法で形成して、目的とする固体撮像素子1を作製する。
これは、例えば本実施形態におけるように、遮光領域4の第2高屈折率領域44上にのみ遮光膜や配線を形成し、同時に形成した受光領域3内の配線については最終的に得る第1高屈折率領域34に対応したパターニング形成を行うことで、この遮光膜や配線の形成後にも、第1高屈折率領域34を所定の高さまで形成するなど、第2高屈折率領域44の形成時に第1高屈折率領域34を一部形成することによって行うことができる。
すなわち、従来の固体撮像素子の製造においては工程数の減少にのみ着目して製造方法の検討がなされたのに対し、本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、より光学特性の高い固体撮像素子の形成を考慮したプロセス構成を有し、遮光領域4について見出された第2高屈折率領域44の必要性に基づいた製造方法となっている。
更に、第2高屈折率領域44と第2光電変換部40の間隔に関係して、受光領域3を構成する第1の高屈折率領域34と第2光電変換部30の間隔を適切に選定することにより、より好ましい光学特性を有する固体撮像素子を作製することが可能となる。すなわち、第1高屈折領域34と第1光電変換部30との距離は、大き過ぎると第1光電変換部30に導入できる光の量が減少して集光効率が低下し、小さすぎると製造時にエッチングのダメージが第1光電変換部30に及ぶおそれが生じるため、これらを回避できる間隔を選定することが好ましい。
この手法による場合には、第2高屈折率領域と同時に第1高屈折率領域を一部形成する場合に比して、第1高屈折率領域となる充填材(埋め込み材)をより深い溝に対して一度に充填しなければならないため、埋め込み性の比較的低い窒化膜によってこのアスペクト比の高い溝内に高屈折率領域を良好に形成することが難しくなる(アスペクト比2程度が限界と考えられる)。
特に、0.18μmルール以降の先端デバイスではアスペクト比が更に高く(例えば5以上に)なることから、高屈折率領域をポリイミド系樹脂の埋め込みによって形成するなどして、アスペクト比に起因する問題の発生を回避することが好ましい。このようにすれば、層間絶縁膜及び多層配線を形成した後に、より深く形成された溝に樹脂を流し込んで第1高屈折率領域を良好に形成することが可能となる。
また、受光領域及び遮光領域は、それぞれに設けられる高屈折率領域が第1配線や第2配線などに接触しない範囲でなるべく幅広に、つまり底面の面積を多く確保できる構成とすることが好ましい。この構成は例えば、高屈折率領域の底面面積を、各光電変換部の上面面積に対して50〜80%程度とすることによって可能となる。
また、例えば、層間絶縁膜を、屈折率が略等しい複数の材料による積層構造とすることも可能であるなど、本発明は種々の変更及び変形をなされ得る。
Claims (16)
- 少なくとも、第1光電変換部を有する受光領域と、前記第1光電変換部に対応する黒レベルを出力するための第2光電変換部を有する遮光領域とが設けられた固体撮像素子であって、
前記第1光電変換部上の層間絶縁膜内に、該層間絶縁膜に比して高い屈折率を有する第1高屈折率領域が、前記層間絶縁膜上の受光面からの光の導波路として、前記第1光電変換部に対向して設けられ、
前記第2光電変換部上の層間絶縁膜内に、該層間絶縁膜に比して高い屈折率を有する第2高屈折率領域が、前記第2光電変換部に対向して設けられた
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第2高屈折率領域が、前記第2光電変換部と、該第2光電変換部上の遮光膜との間に介在して設けられた
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第2高屈折率領域が、前記第2光電変換部と、該第2光電変換部上の配線との間に介在して設けられた
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第1高屈折率領域と前記第2高屈折率領域の、形状及び体積の少なくとも一方が異なる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第2高屈折率領域と前記第2光電変換部との間隔が、前記第1高屈折率領域と前記第1光電変換部との間隔を基に選定された
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第2高屈折率領域と前記第2光電変換部との間隔が、前記第1高屈折率領域と前記第1光電変換部との間隔に等しい
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記受光領域を構成する層間絶縁膜と、前記遮光領域を構成する層間絶縁膜とが、同一組成の材料により構成された
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子を有する撮像装置であって、
前記固体撮像素子が、
少なくとも、第1光電変換部を有する受光領域と、前記第1光電変換部に対応する黒レベルを出力するための第2光電変換部を有する遮光領域とが設けられ、
前記第1光電変換部上の層間絶縁膜内に、該層間絶縁膜に比して高い屈折率を有する第1高屈折率領域が、前記層間絶縁膜上の受光面からの光の導波路として、前記第1光電変換部に対向して設けられ、
前記第2光電変換部上の層間絶縁膜内に、該層間絶縁膜に比して高い屈折率を有する第2高屈折率領域が、前記第2光電変換部に対向して設けられた構成を有する
ことを特徴とする撮像装置。 - 少なくとも、第1光電変換部上に導波路となる第1高屈折率領域が設けられた受光領域と、前記第1光電変換部に対応する黒レベルを出力するための、第2光電変換部上に第2高屈折率領域が設けられた遮光領域とを有する固体撮像素子の製造方法であって、
前記第1高屈折率領域の少なくとも一部を、前記第2高屈折率領域の形成後に形成する
ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記第1高屈折率領域と前記第2高屈折率領域のうち、前記第2高屈折率領域上にのみ、遮光膜を形成する
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第1高屈折率領域と前記第2高屈折率領域のうち、前記第2高屈折率領域上にのみ、配線を形成する
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2高屈折率領域の形成時に、同時に前記第1高屈折率領域を一部形成する
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2高屈折率領域の形成後にのみ、前記第1高屈折率領域の形成を行う
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2高屈折率領域上に遮光膜を形成し、該遮光膜の形成後にのみ、前記第1高屈折率領域の形成を行う
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記第2高屈折率領域上に配線を形成し、該配線の形成後にのみ、前記第1高屈折率領域の形成を行う
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。 - 前記受光領域を構成する層間絶縁膜と、前記遮光領域を構成する層間絶縁膜とを、共通に形成する
ことを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の製造方法。
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