JP2007201047A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】斜光による混色を防止することができると共に、各画素間に存在する受光感度のばらつきを低減することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板に規定された受光領域において、等間隔にマトリクス状に形成された複数の受光素子と、複数の受光素子に対応して半導体基板上に設けられ、各当該受光素子が発生した電荷を読出す複数の読出し電極と、複数の読出し電極を覆い、かつ各受光素子上に開口領域を有する遮光膜と、各受光素子上の開口領域に設けられた第1の光導波路と、遮光膜上に設けられた第2の光導波路とが形成される。第2の光導波路は、ドット、ストライプまたは格子状に形成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関する発明であって、より特定的には、複数の受光素子がマトリクス状に形成された固体撮像装置およびその製造方法に関する発明である。
近年、固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラの撮像装置として需要が拡大している。また、携帯電話に代表される携帯端末装置では、カメラ機能を付加することが求められており、このような携帯端末装置の撮像装置としても、固体撮像装置の需要は拡大している。更に高画質の画像を得るため、年々、固体撮像装置の画素数は上昇する傾向にある。画素数の増加により、画素面積を縮小する必要があるため、さらなる集光効率の向上が求められている。
ここで、図7〜図9を用いて従来からの固体撮像装置について説明する。図7は、従来からのCCD型固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。図7に示すように、CCD型固体撮像装置は半導体基板201を備え、半導体基板201には、2次元状に配列された複数の受光部202と、受光部202の垂直方向の列に沿って列毎に配置された垂直転送部(垂直CCD)203と、受光部202の最終行に隣接するように設けられた水平転送部(水平CCD)204とが設けられている。受光部202はフォトダイオードであり、受光した光の強度に応じて電荷を蓄積する。また、一つの受光部202と、それと隣接する垂直CCD203の一部分とで、一つの画素206が構成される。
図7中の矢印に示すように、受光部202に蓄積された電荷は、垂直CCD203に読み出され、垂直CCD203によって垂直方向に転送される。垂直CCD203によって転送された電荷は、水平CCD204によって水平方向に転送され、アンプ205によって増幅された後、外部に出力される。
受光部202の集光力を向上させるために、受光部202の上にマイクロレンズと光導波路が形成されたものが存在する。以下に、図8、9を用いて、当該CCD型固体撮像装置について説明する。図8は、マイクロレンズおよび光導波路を備える従来の固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。図9は、図8のA−A線に沿った断面を示す図である。
このCCD型固体撮像装置では、図8に示すように、半導体基板111に、垂直CCD103、開口部107、光導波路108、オンチップマイクロレンズ109が配置している。なお、垂直CCD103、開口部107、光導波路108、オンチップマイクロレンズ109は単位画素106を構成する。また、図9に示すように、半導体基板111には、電荷転送部114およびフォトダイオード115が形成される。半導体基板111の表面はゲート絶縁膜112に覆われており、当該ゲート絶縁膜112の上にはゲート電極113が形成される。当該ゲート電極113上には、層間絶縁膜116が形成され、さらに、当該ゲート絶縁膜112および層間絶縁膜116を覆うように、遮光膜117が形成される。遮光膜117には、開口部107が形成されている。
また、遮光膜117上および開口部107内には、絶縁膜118が形成されている。開口部107には光導波路108が形成されている。絶縁膜118および光導波路108上には、パッシベーション膜126を介して平坦化膜121が形成される。さらに、当該平坦化膜121上には、カラーフィルタ122が形成されている。当該カラーフィルタ122の上には、各フォトダイオード105に対応させて、オンチップマイクロレンズ109が形成される。
以上のように、図9に示すCCD型固体撮像装置では、最上層にオンチップマイクロレンズ109が設けられ、絶縁膜118中には光導波路108が設けられる。このように、各フォトダイオード105に対して光導波路108とマイクロレンズ109が設置されることにより、フォトダイオード105への集光率をより向上させることが可能となる(特許文献1参照)。
特開平11−121725号公報(第7頁、第1図1)
しかしながら、図9に示すCCD型固体撮像装置では、CCD型固体撮像装置全体としての受光感度は向上するが、CCD型固体撮像装置に対して斜めに入射してきた光(以下、斜光と称す)や、マイクロレンズとマイクロレンズの間(以下、レンズギャップと称す)から入射してきた光が、隣の画素に入射してしまい、混色が発生するという問題があった。
そのため、CCD型固体撮像装置に含まれる各画素間の受光感度のばらつきは、依然として存在する。以下に、図9を参照しながら詳しく説明する。
まず、CCD型固体撮像装置内のある画素に着目すると、前記画素に入射する光は、自身のマイクロレンズ109を通って入射する光La、レンズギャップから入射する光Lb、隣接画素のマイクロレンズ109を通って入射する光Lcなどがある。これらの光のうち自身のマイクロレンズ109を通って入射する光Laは、ほとんど自身の受光部に導かれる。しかしながら、レンズギャップから入射する光Lbや隣接する画素から入射する光Lcにおいては、あるものは自身の画素に入射し、あるものは隣接画素に入射していく。これらの割合は、撮像装置に光を投影するカメラレンズの特性においても変化し、撮像装置の製造バラつきにも依存する。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レンズギャップからの光や斜光による混色を防止することができると共に、各画素間の受光感度のばらつきを低減することが可能なCCD型固体撮像装置を提供することにある。
本発明の第1態様の固体撮像装置は、基板に配列された複数の受光部を有する固体撮像装置であって、前記受光部の上方に形成された第1光導波路と、前記受光部間の領域の上方に形成された第2光導波路とを備える。
本発明の第1態様の固体撮像装置によると、第1光導波路に加えて第2光導波路が形成されていることにより、レンズギャップから入射してきた光や斜光を、第2の光導波路内に閉じ込めることができる。そのため、これらの光強度を減衰させ、隣の画素への入射を抑制することが可能になる。これにより、混色を防止することができると共に、各画素間の受光感度のばらつきを抑制することができる。
本発明の第1態様の固体撮像装置において、前記受光部および前記第1光導波路の上方に、前記受光部および前記第1光導波路の平面的な位置に対応して配置する集光レンズをさらに備え、前記第2光導波路は、前記集光レンズ間の下方に配置してもよい。
本発明の第1態様の固体撮像装置において、前記第2光導波路の下部に、光吸収体を配置してもよい。
本発明の第1態様の固体撮像装置において、前記第2光導波路の形状が柱状であってもよい。
本発明の第1態様の固体撮像装置において、前記第2光導波路の平面形状が、格子状あるいはストライプ状であってもよい。
本発明の第1態様の固体撮像装置において、前記基板のうち前記受光部の間の領域に形成された電荷転送部と、前記電荷転送部の上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の上を覆い、前記受光部の上方に開口を有する遮光膜と、前記遮光膜の上および前記開口内を覆う絶縁膜とをさらに備え、前記第1光導波路は前記開口内に形成され、前記第2光導波路は前記遮光膜の上方に形成されていてもよい。
本発明の第1態様の固体撮像装置の製造方法は、基板に配列された複数の受光部を有する固体撮像装置の製造方法であって、前記受光部が配置する前記基板の上方に第1の絶縁膜を堆積する工程(a)と、前記受光部の上方における前記第1の絶縁膜に、第1の溝を形成する工程(b)と、前記受光部間の領域の上方における前記第1の絶縁膜に、第2の溝を形成する工程(c)と、前記第1の溝および前記第2の溝を第2の絶縁膜で埋めることにより、前記第1の溝内に第1光導波路を形成し、前記第2の溝内に第2の光導波路を形成する工程(d)とを備える。
本発明の第1態様の製造方法によると、第1光導波路に加えて第2光導波路を形成する。この製法により形成された固体撮像装置では、レンズギャップから入射してきた光や斜光を第2の光導波路内に閉じ込めることができるため、これらの光強度を減衰させ、隣の画素への入射を抑制することが可能になる。したがって、この固体撮像装置では、混色を防止することができると共に、各画素間の受光感度のばらつきを抑制することができる。
本発明の第1態様の製造方法において、前記工程(d)では、HDP(High-density plasma)−CVD法を行うことにより、前記第2の絶縁膜としてSiN膜を形成してもよい。
本発明の第1態様の製造方法において、前記工程(d)では、前記第2の絶縁膜によって、前記第1の溝および前記第2の溝を埋めると共に前記第1の絶縁膜の上を覆った後、前記第2の絶縁膜のうち前記第1の絶縁膜の上に位置する部分を除去してもよい。この場合には、第1の溝だけでなく第2の溝も埋めることにより、絶縁膜上に形成される突起部の高さを低くすることができる。これにより、後工程の絶縁膜の平坦化が容易になる。
本発明の第1態様の製造方法において、前記工程(b)および前記工程(c)を同時に行ってもよい。
本発明に係る固体撮像装置およびその製造方法では、第1の光導波路の間に第2光導波路が形成されるので、レンズギャップから入射してきた光や斜光が受光部に入射するのを抑制することができ、混色を防止することができると共に、画素間の感度バラつきを小さくすることが可能となる。
(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係るCCD型固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るCCD型固体撮像装置の各画素の配置は、図7で示した従来例と同等であるので図示および説明を省略する。
図1は、第1の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。図2は、図1のA−A線に沿った断面を示す図である。
図1に示すように、本実施形態のCCD型固体撮像装置は、半導体基板11に、垂直CCD3、開口部7及びオンチップマイクロレンズ9が配置している。そして、開口部7内に光導波路8が形成されるだけでなく、各々開口部7の対角の中心に位置するように光導波路10が形成される。光導波路10は、マイクロレンズ9同士の間の領域(レンズギャップ部分)に配置される。なお、垂直CCD3、開口部7、光導波路8、10およびオンチップマイクロレンズ9は単位画素6を構成する。
また、図2に示すように、半導体基板11には、電荷転送部14およびフォトダイオード15が形成される。半導体基板11の表面は、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜12に覆われており、電荷転送部14の真上に位置するゲート絶縁膜12の上には、ポリシリコンからなるゲート電極13が形成される。当該ゲート電極13は、フォトダイオード15が発生した信号電荷を読み出して、電荷転送部14へと出力する。ゲート電極13上には、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜16が形成され、さらに、ゲート絶縁膜12および層間絶縁膜16を覆うように、遮光膜17が形成される。当該遮光膜17は、ゲート電極13に光が入射することを防止するための膜であり、例えば、W(タングステン)により形成される。なお、遮光膜17の一部には、開口部7が形成される。これは、フォトダイオード15に光を入射させるために形成されるものであり、各フォトダイオード15の真上にマトリクス状に等間隔に形成される。
また、遮光膜17上および開口部7に露出するフォトダイオード15の上には絶縁膜18が形成される。当該絶縁膜18は光透過性を有し、例えば、CVD法により成膜されるBPSG膜からなる。開口部7を埋める絶縁膜18内には光導波路8が形成される。光導波路8はフォトダイオード15の上に配置する。当該光導波路8は、上方から入射してくる光をフォトダイオード15に導くための通路である。
一方、遮光膜17上には光導波路10が形成される。当該光導波路10は、上方から入射してくる光の一部(具体的には、レンズギャップから入射した光Lbや隣接する画素のマイクロレンズから入射するLc)を、光導波路10内へ導き、閉じ込めて減衰させる役割を果たす。
絶縁膜18および光導波路8、10上には、パッシベーション膜26を介して、シリコン酸化膜もしくは透明樹脂膜またはそれらの積層膜からなる平坦化膜21が形成される。パッシベーション膜26および平坦化膜21は、光透過性を有する。さらに、当該平坦化膜21上には、カラーフィルタ22が形成される。当該カラーフィルタ22の上には、各フォトダイオード15に対応させて、オンチップマイクロレンズ9が形成される。
以上のように、本実施形態の固体撮像装置では、各フォトダイオード15に対して光導波路8が形成されるだけでなく、遮光膜17の上に光導波路10が形成されている。そのため、レンズギャップから入射してきた光Lbや斜光Lcを、光導波路10内に閉じ込めることができるため、光強度を減衰させ、隣の画素への入射を抑制することが可能になる。これにより、斜光による混色を防止することができると共に、各画素間の受光感度のばらつきを抑制することができる。
次に、本実施形態に係るCCD型固体撮像装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図3(a)〜(e)は、第1の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。
本実施形態のCCD型固体撮像装置の製造方法では、まず、半導体基板11の表面部に、等間隔にマトリクス状となるようにフォトダイオード15を形成する。さらに、当該フォトダイオード15に対応するように、電荷転送部14をフォトダイオード15の隣に離間させて形成する。その後、半導体基板11上にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜12をCVD法により形成する。
次に、ゲート絶縁膜12上であってかつ電荷転送部14の真上の領域に、ポリシリコンのゲート電極13を形成する。具体的には、CVD法によりポリシリコン膜を堆積後、所定領域のポリシリコン膜を選択的にドライエッチングにより除去することにより、当該ゲート電極13は形成される。ゲート電極13が形成されると、当該ゲート電極13を覆うように、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜16を形成する。なお、当該層間絶縁膜16は、CVD法による堆積により形成する。
層間絶縁膜16を形成した後、当該層間絶縁膜16を覆うように遮光膜17を形成する。具体的には、層間絶縁膜16およびゲート絶縁膜12を覆うようにWの薄膜をPVD法あるいはCVD法により形成する。その後、フォトダイオード15の上部に位置するWの薄膜をドライエッチングにより選択的に除去する。これにより、遮光膜17が形成されると共に開口部7が形成される。その後、遮光膜17および開口部7上にBPSG膜をCVD法により堆積する。その後、加熱処理によりBPSG膜をリフローして、その表面を平坦化する。これにより絶縁膜18が形成され、固体撮像装置の断面構造は、図3(a)に示す構造をとるようになる。
次に、CF系のガスを用いたドライエッチングを行って、遮光膜17上および開口部7領域の絶縁膜18を選択的に除去して、遮光膜17の上に位置する溝19およびフォトダイオード15の上に位置する溝20を形成する。このとき、ドライエッチングは、絶縁膜18の下に形成されたタングステンからなる遮光膜17で停止する。そのため、溝19、20を一度のドライエッチングで形成することができる。
なお、開口部7領域の絶縁膜18を選択的に除去する際には、半導体基板11にダメージを与えないようにするために、除去する領域が半導体基板11に接しないように形成されることが望ましい。これにより、CCD型固体撮像装置は、図3(b)に示すような断面構造図を有するようになる。
次に、溝19、20を埋め、絶縁膜18の上を覆う窒化膜24をHDP(High-dencity plasma)−CVD法により堆積する。このとき、窒化膜24のうち絶縁膜18の上に位置する部分は、溝19、20の上に位置する部分よりも高さh1だけ上に突出した突起状に形成される。これにより、固体撮像装置は、図3(c)に示す断面構造を有するようになる。
ここで、本実施形態の突起の高さh1を従来の突起の高さと比較する。図10は、従来のCCD型固体撮像装置を形成した場合に形成される突起を示す図である。なお、図10に示す突起は、図8および図9に示すCCD型固体撮像装置を形成する工程において形成されるものである。図3(c)および図10に示すように、本実施形態における突起の高さh1は、従来例の突起の高さh2に比べて、1/2以下に抑制できる。なぜなら、突起の高さは、埋め込む凹領域間の平坦部長さに比例するため、本実施形態では、光導波路8の間に光導波路10を配置することにより、前記平坦部長さを1/2以下にできるためである。これにより、本実施形態では後工程の平坦化が容易になる。
次に、窒化膜24の表面を、CMP法またはエッチバック法などにより平坦化することによって光導波路8、10を形成する。これにより、固体撮像装置は、図3(d)に示す断面構造を有するようになる。
次に、絶縁膜18および光導波路8、10の上に、パッシベーション膜26を形成する。パッシベーション膜26の上に、平坦化膜21を形成し、その上に、カラーフィルタ22を形成する。具体的には、染色法やカラーレジスト塗布により、カラーコーディングに沿った3〜4層の膜を堆積する。最後に、当該カラーフィルタ22上にオンチップマイクロレンズ9を形成する。具体的には、熱溶融性透明樹脂やその上部のレジスト熱リフロー転写により、オンチップマイクロレンズ9を形成する。これにより、図3(e)に示すような構造を有する固体撮像装置が完成する。なお、光導波路10は、オンチップマイクロレンズ9のギャップの下部に位置するように形成されることが望ましい。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。本実施形態の固体撮像装置では、光導波路10の下、つまり光導波路10と遮光膜17との間に光吸収体25が配置している。これにより、光の再反射をさらに抑制することが可能になる。それ以外の構成および効果は第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
(その他の実施形態)
上述の第1および第2の実施形態では、CCD型固体撮像装置を例として説明を行ってきたが、当該固体撮像装置はMOS型固体撮像装置であってもよい。
また、第1および第2の実施形態では、光導波路10の平面形状が円形(図1に示す)である場合について説明したが、当該光導波路の平面形状は、これに限らない。例えば、図5に示すように、光導波路として、格子状の平面形状を有する光導波路10aを形成してもよい。また、図6に示すように、光導波路として、ストライプ状の平面形状を有する光導波路10bを形成してもよい。これらによれば、より効率よく斜光による混色成分を光導波路10a、10bに集めることが可能となる。さらに、埋め込む凹領域間の平坦部長さが短くなるので、HDP−CVD法による窒化膜の埋め込み後の平坦化をより容易にすることが可能となる。その結果、固体撮像装置の設計自由度が大きくなる。
また、第1および第2の実施形態では、光導波路8、10の材質を窒化膜としているが、当該光導波路の材質はこれに限らない。例えば、光導波路の材質は、当該光導波路の周辺に存在する膜の材質よりも高い屈折率を有するような材料であればよい。
また、第1および第2の実施形態では、ゲート電極は1層構造を取っているが、当該ゲート電極の構造はこれに限らない。例えば、ゲート電極は、ポリシリコン、シリコン酸化膜、ポリシリコンと堆積されたような複数層構造であってもよい。
また、第1および第2の実施形態に係る固体撮像装置では、図2に示すように、1つのフォトダイオード15に対して1つのマイクロレンズを配置しているが、1つのフォトダイオード15に対して複数個配置してもよい。
本発明に係る固体撮像装置は、混色を防止することができると共に、各画素間に存在する受光感度のばらつきを低減することができる点で、産業上の利用可能性は高い。
第1の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。 図1のA−A'線に沿った断面を示す図である。 (a)〜(e)は、第1の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係るCCD型固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。 光導波路が格子状の平面形状を有する場合の構造を示す平面図である。 光導波路がストライプ状の平面形状を有する場合の構造を示す平面図である。 従来からのCCD型固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。 マイクロレンズおよび光導波路を備える従来の固体撮像装置の一部分を拡大して示す平面図である。 図8のA−A'線に沿った断面を示す図である。 従来のCCD型固体撮像装置を形成した場合に形成される突起を示す図である。
符号の説明
3 垂直CCD
7 開口部
8、10、10a、10b 光導波路
9 オンチップマイクロレンズ
11 半導体基板
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 電荷転送部
15 フォトダイオード
16 層間絶縁膜
17 遮光膜
18 絶縁膜
19、20 溝
21 平坦化膜
22 カラーフィルタ
23 マイクロレンズ
24 窒化膜
25 光吸収体
26 パッシベーション膜

Claims (10)

  1. 基板に配列された複数の受光部を有する固体撮像装置であって、
    前記受光部の上方に形成された第1光導波路と、
    前記受光部間の領域の上方に形成された第2光導波路と
    を備える、固体撮像装置。
  2. 前記受光部および前記第1光導波路の上方に、前記受光部および前記第1光導波路の平面的な位置に対応して配置する集光レンズをさらに備え、
    前記第2光導波路は、前記集光レンズ間の領域の下方に配置する、請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記第2光導波路の下部に、光吸収体を配置する、請求項1または2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記第2光導波路の形状が柱状である、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第2光導波路の平面形状が、格子状あるいはストライプ状である、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記基板のうち前記受光部の間の領域に形成された電荷転送部と、
    前記電荷転送部の上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極の上を覆い、前記受光部の上方に開口を有する遮光膜と、
    前記遮光膜の上および前記開口内を覆う絶縁膜とをさらに備え、
    前記第1光導波路は前記開口内に形成され、
    前記第2光導波路は前記遮光膜の上方に形成される、請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  7. 基板に配列された複数の受光部を有する固体撮像装置の製造方法であって、
    前記受光部が配置する前記基板の上方に第1の絶縁膜を堆積する工程(a)と、
    前記受光部の上方における前記第1の絶縁膜に、第1の溝を形成する工程(b)と、
    前記受光部間の領域の上方における前記第1の絶縁膜に、第2の溝を形成する工程(c)と、
    前記第1の溝および前記第2の溝を第2の絶縁膜で埋めることにより、前記第1の溝内に第1光導波路を形成し、前記第2の溝内に第2の光導波路を形成する工程(d)と
    を備える、固体撮像装置の製造方法。
  8. 前記工程(d)では、HDP(High-density plasma)−CVD法を行うことにより、前記第2の絶縁膜としてSiN膜を形成する、請求項7に記載の固体撮像装置の製造方法。
  9. 前記工程(d)では、前記第2の絶縁膜によって、前記第1の溝および前記第2の溝を埋めると共に前記第1の絶縁膜の上を覆った後、前記第2の絶縁膜のうち前記第1の絶縁膜の上に位置する部分を除去する、請求項7または8に記載の固体撮像装置の製造方法。
  10. 前記工程(b)および前記工程(c)を同時に行う、請求項7〜9のうちいずれか1項に記載の固体撮像装置の製造方法。
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