JP2011061134A

JP2011061134A - 半導体イメージセンサ

Info

Publication number: JP2011061134A
Application number: JP2009211621A
Authority: JP
Inventors: Makoto Motoyoshi; 真元吉
Original assignee: ZYCUBE KK; ZyCube Co Ltd
Current assignee: ZYCUBE KK; ZyCube Co Ltd
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】
複雑な製造工程を必要とする多層膜干渉フィルタを使用したイメージセンサでは製造工程が複雑となり、歩留まりの低下という製造技術上の課題や、適用範囲を狭めるといった応用面での課題があった。
【解決手段】
イメージセンサの画素領域に、第一の透明層と第二の透明層から成る２層構造を設け、それぞれの透明層の屈折率と厚さを選択することにより、画素毎に異なった光透過波長特性を持たせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体イメージセンサに関するものである。

半導体技術を活用したイメージセンサは半導体技術の進歩を背景として多画素化・小型化が進み、多くの画像入力装置に広範に搭載されるようになった。中でも、デジタルカメラや携帯電話では、画像記録やスキャナとしての応用が広がり、イメージセンサの更なる多画素化・低背化を含む小型化、ひいては低価格化が強く要求されるに至っている。現在実用化されている半導体イメージセンサは、ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ型が主流であり、カラー撮像のための色分離用カラーフィルタ、高感度化のための集光用マイクロレンズなどが搭載されている。すなわち、半導体イメージセンサの単位素子である画素毎に、異なる光透過波長特性を有するカラーフィルタが積層化され、その上部にマイクロレンズが積層化されている。

通常、カラーフィルタは着色された透明樹脂で構成されているが、より厳密な光透過波長特性を実現するため、誘電体多層膜の干渉フィルタが用いられることもある。しかしながら、干渉フィルタを用いてより厳密な透過波長特性を実現したいにも拘らず、この干渉フィルタに隣接して上下方向に配置された絶縁膜の厚さのバラつきが光透過波長特性を乱してしまうことが知られている。このバラつきは、主として、当該絶縁膜の表面を平坦化する固有の工程に起因しており、現状技術ではバラつきをゼロにすることは困難である。この結果、半導体イメージセンサの特性バラつきが発生し、製造工程上、あるいは、価格面での大きな課題となっていた。

このような課題を解決するために、下記引用特許文献１では、干渉フィルタの上下方向に隣接して配置された絶縁膜の構成を変更し、シリコン酸化窒化膜で挟み込むことが提案されている。この方法によれば、従来制御が困難であった透過波長特性の安定な制御が可能となる。

図１３と図１４は、それぞれ、下記引用特許文献１の図３と図４（ａ）に記載されている図である。同図１３は、多層膜干渉フィルタを用いた半導体イメージセンサの構造断面図である。同図１４は半導体イメージセンサの分光特性であり、画素の光透過波長特性を示している。同図１３において、１０２は半導体イメージセンサの画素３つ分であり、１ａ、１ｂ、１ｃで各画素が示されている。２１は半導体基板、２２は光電変換層、２３は表面平坦化用の酸化シリコン、２４は画素間に配置された遮光膜、２６は窒化シリコン、２８は表面平坦化用の酸化シリコン、２９は誘電体多層膜で構成されたカラーフィルタ、３０はカラーフィルタの段差を平坦化するための酸化シリコン、３４はマイクロレンズ、３２はマイクロレンズの形状加工時のバリア層となる窒化シリコン、３５は入射光である。下記引用特許文献１には、酸化シリコン３０の表面を平坦化する工程で採用されるＣＭＰ（化学・機械的な研磨工程）では、厚さの制御限界が約０．２マイクロメータであり、この厚さのバラつきが分光特性（本明細書の図１４に例示）を乱すことが記載されている。下記引用特許文献１では、この特性バラつきを低減させるため、窒化シリコン３２と２６の上下に、各々、シリコン酸化窒化膜を配置することが提案されている。

特開２００８−１７７３６２号公報

上記したように、引用特許文献１は画素毎に配置されたカラーフィルタの分光特性（光透過波長特性）を制御することが可能で、半導体イメージセンサの特性バラつきを低減させることができ、製造工程上、あるいは、価格面での課題を解決できることになっていた。しかしながら、引用特許文献１では多層膜干渉フィルタの複雑な構成を簡略化することは記載されていない。引用特許文献１に記載されている干渉フィルタの構成例は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）と酸化タンタル（ＴｉＯ_２）の薄膜が７段積層化されている。すなわち、
ＴｉＯ_２（５２ナノメータ）、ＳｉＯ_２（９１ナノメータ）、ＴｉＯ_２（５２ナノ
メータ）、ＳｉＯ_２（赤透過では３０ナノメータ、緑透過では０ナノメータ、青透
過では１３３ナノメータ）、ＴｉＯ_２（５２ナノメータ）、ＳｉＯ_２（９１ナノメ
ータ）、ＴｉＯ_２（５２ナノメータ）
の７層である。各層の厚さは光路長（物理的な厚さと屈折率の積）が波長の１／４になるように決定されている。このような複雑な構成を採用することにより、図１４に示したような分光特性が得られている。しかしながら、このような構成では、製造工程が複雑となり、また、価格面でも不利となる大きな欠点がある。特に、製造工程が複雑になることは半導体イメージセンサの歩留まりを低下させるという製造技術上の重大な課題を引き起こすことになる。また、上記した干渉フィルタの製造工程を簡略化することは原理的に困難である。さらに、上記した干渉フィルタを用いた構成では、半導体イメージセンサの適用範囲を狭めることになる。例えば、デジタルカメラのように、多画素化と高性能化が強く要求されている分野では、引用特許文献１の価値は十分に高いと言える。一方、携帯電話への適用では、カメラ特性以上に製造の容易さへの要求が強く、引用特許文献１で開示されたような複雑な構成は適用できないことになる。

受光素子と前記受光素子からの信号を読み出す手段とを備えた画素が少なくとも２つ以上集積化された半導体イメージセンサにおいて、画素領域に配置された第一の透明層と、前記第一の透明層の上部に配置された第二の透明層を備え、前記第一の透明層と前記第二の透明層から構成された２層構造には、それぞれの材料の屈折率と、それぞれの厚さで決定される光透過波長特性を持たせ、かつ、前記光透過波長特性を前記画素毎に異なるようにする。

なお、前記第一の透明層と前記第二の透明層から構成された２層構造の光透過波長特性は、前記第一の透明層の光透過波長特性と前記第二の透明層の光透過波長特性との積として表現される。前記第一の透明層の光透過波長特性は、前記第一の透明層を構成する材料の屈折率と前記第一の透明層の厚さの積で決定される。一方、前記第二の透明層の光透過波長特性は、前記第二の透明層を構成する材料の屈折率と前記第二の透明層の厚さの積で決定される。このため、前記第一の透明層と前記第二の透明層のそれぞれの材料の屈折率とそれぞれの厚さから成る４つの数値を適宜選定することにより、特定の波長帯域での透過率を大きく設計できることになる。

なお、前記画素が３つ配列された半導体イメージセンサの場合には、第一の画素には入射光の「赤色」成分を透過するような光透過波長特性を持たせ、第二の画素には入射光の「緑色」成分を透過するような光透過波長特性を持たせ、第三の画素には入射光の「青色」成分を透過するような光透過波長特性を持たせることにより、カラー撮像機能を有する半導体イメージセンサが構成できる。

なお、前記画素が３つ配列された半導体イメージセンサの場合には、第一の画素には入射光の「赤色」成分と「青色」成分とを同時に透過するような光透過波長特性（透過色としてはマゼンタになる）を持たせ、第二の画素には入射光の「緑色」成分と「青色」成分とを同時に透過するような光透過波長特性（透過色としてはシアンになる）を持たせ、第三の画素には入射光の「青色」成分と「赤色」成分とを同時に透過するような光透過波長特性（透過色としては黄色になる）を持たせることにより、カラー撮像機能を有する半導体イメージセンサが構成できる。

前記第一の透明層を、前記画素毎に異なる厚さを持たせ、かつ、前記第二の透明層を、前記画素毎に異なる厚さを持たせる。

なお、前記第一の透明層と前記第二の透明層の材料としては、無機材料、有機材料、ハイブリッド材料など、各種の材料を組合せて利用することができる。例えば、無機材料としては、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Ｓｎ／Ｉｎ_２Ｏ_３）、ＡＴＯ（アンチモンスズ酸化物、Ｓｂ／ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、水酸化アルミ（ＡｌＯ（ＯＨ））などがある。また、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などのフッ素化合物や、鉛ガラス、各種のガラスもある。また、有機材料としては、フッ素系ポリマー（フッ素樹脂）やシリコーン系ポリマー（シリコーン樹脂）などがある。これらの材料は、透明膜に要求される厚さと屈折率に応じて適宜選択、組合されても良い。

なお、前記第一の透明層が特定の同一材料で構成されている場合には、前記画素毎に異なる厚さに設定することにより、異なる光透過波長特性を得ることができる。また、前記第二の透明層が特定の同一材料で構成されている場合には、前記画素毎に異なる厚さに設定することにより、異なる光透過波長特性を得ることができる。

前記画素間の境界部分に、入射光を遮光する遮光層を配置する。

なお、前記第一の透明層の厚さが変化する前記境界部分の領域と、前記第二の透明層の厚さが変化する前記境界部分の領域とを空間的に完全に一致させることは困難である。もし、これらの２つの領域に空間的な差異が発生すると、当該領域では設計された光透過波長特性を得ることができなくなる。この不都合を回避するために当該領域に遮光層を設けることにより、前記領域の空間的な不一致の影響を避けることが可能となる。

前記第一の透明層と前記第二の透明層から構成された２層構造を、指定された前記画素にのみ配置する。

なお、全ての画素に前記２層構造が配置される必要は必ずしもない。例えば、指定された特定の画素にのみ前記２層構造が配置され、他の画素には前記第一の透明層のみ、あるいは、前記第二の透明層のみが配置されていても良い。また、特定の画素にのみ前記２層構造が配置され、他の画素には着色された樹脂製の透明層が配置されていても良い。

複雑な製造工程を必要とする多層膜干渉フィルタを使用することなく、透明膜から成る２層構造を採用することにより、半導体イメージセンサを実現することができる。

前記した２層構造では、各層の屈折率と厚さの積で所望の光透過波長特性が決まるので、設計も容易になる効果がある。また、当該光透過波長特性が、少ないパラメータで決定されるので、材料の選択（＝屈折率）と、製造工程の選択（＝厚さ）が容易となる。一例として挙げるならば、指定された一つの層に対して必要となる厚さが製造工程での設定範囲を超えて大きいような場合には、その層を「より屈折率が高い」材料に変更することにより、前記設定範囲内に収めることができる。また、この逆の場合でも同様な変更により対応できる。

前記した２層構造は、現在の半導体製造分野で利用されている材料と製造装置で実現でき、特別な材料と特別な製造装置を新たに必要としていない。この結果、本発明を半導体イメージセンサの製造に適用することは容易である。

前記した２層構造を無機質材料などで構成できるので、前記半導体イメージセンサを高温雰囲気で動作させることが可能となる。すなわち、半導体イメージセンサの適用範囲を広めることが可能である。

前記した２層構造を全ての画素に適用するだけではなく、指定された一部の画素に限定して適用できる。当該指定された一部の画素以外の画素に対しては、着色された樹脂のフィルタなどを適用する。かかる構成により、前記２層構造では実現できない光透過波長特性が要求される場合にも対応可能である。

前段落までに記載したように、本発明では簡単な２層構造を適用することにより、複雑な製造工程を必要とせず、歩留まりの向上が達成でき、さらに、新たな製造設備の導入も不要となり、従来の製造技術上の課題を解決できる利点がある。さらに、前記したように、設計工程や製造工程での融通性が高まり、歩留まりの向上に大きく寄与できる。

２層膜による透過波長特性（原色への色分解）である。＜実施例１＞２層膜による透過波長特性（補色への色分解）である。＜実施例２＞表面入射型イメージセンサへの適用例（１）である。＜実施例３＞表面入射型イメージセンサへの適用例（２）である。〔透明層が連続している構造〕＜実施例４＞表面入射型イメージセンサへの適用例（３）である。〔透明層の段差の位置を変化〕＜実施例５＞裏面入射型イメージセンサの原理的な構造を示す図である。裏面入射型イメージセンサへの適用例（１）である。＜実施例６＞図７のイメージセンサの製造工程である。図７のイメージセンサの製造工程である。裏面入射型イメージセンサへの適用例（２）である。〔透明層の段差部に遮光層あり〕＜実施例７＞裏面入射型イメージセンサへの適用例（３）である。〔拡散層への遮光層あり〕＜実施例８＞裏面入射型イメージセンサへの適用例（４）である。〔単一層との組合せ〕＜実施例９＞裏面入射型イメージセンサへの適用例（５）である。〔樹脂フィルタとの組合せ〕＜実施例１０＞多層膜干渉フィルタを用いた半導体イメージセンサの構造断面図である。＜従来例＞図１３に対応する半導体イメージセンサの分光特性である。＜従来例＞

以下、図面に示した本発明による半導体イメージセンサを詳細に説明する。

＜２層膜による透過波長特性−１＞
図１は本発明の実施例１を示す図である。同図（ａ）において、１０５は例えばＰ型のシリコン半導体基板、１０６は１０５表面に設けられた例えばＮ型の拡散層であり、受光素子を形成している。１０７は受光素子上に配置された第一の透明層、１０８は１０７表面に配置された第二の透明層である。１０９は入射光であり、１０８と１０７を通過して１０６で光電変換される。ここで、１０７の厚さをｄ１（マイクロメータ）、屈折率をｎ１とし、１０８の厚さをｄ２（マイクロメータ）、屈折率をｎ２とする。同図（ｂ）から同図（ｄ）は、ｄ１、ｄ２、ｎ１、ｎ２を変化させた時の、１０７と１０８の２層膜の光透過波長特性である。同図の横軸は入射光の波長（単位はナノメータ）、縦軸は透過光の相対値（単位は任意）である。
同図（ｂ）：ｄ１とｎ１の積を０．３５、ｄ２とｎ２の積を１．５５
同図（ｃ）：ｄ１とｎ１の積を０．３０、ｄ２とｎ２の積を１．３８
同図（ｄ）：ｄ１とｎ１の積を０．７０、ｄ２とｎ２の積を１．５８
同図（ｂ）から同図（ｄ）に示されているように、それぞれ、赤色、緑色、青色に透過率が最大となっている。一般に、人間の眼の視感度特性は、赤色のピークが６２０ナノメータ、緑色のピークが５５０ナノメータ、青色のピークが４５０ナノメータであると言われており、同図（ｂ）から同図（ｄ）はこの視感度特性に合致するように、ｄ１、ｎ１、ｄ２、ｎ２がそれぞれ選択されている。同図に示したように、かかる構成により、光の３原色（赤、緑、青）が分離でき、カラー撮像が可能である。即ち、従来の半導体イメージセンサで多用されてきた着色された樹脂層によるカラーフィルタが不要となる利点がある。さらに、上記した引用特許文献１に記載されているような複雑な構造の干渉フィルタも不要になり、半導体イメージセンサを低価格で製造することができる。

なお、図１に例示した２層膜による色分離の構造は、あくまでも一例に過ぎない。各層の「厚さと屈折率の積」を適宜選択して、図１に類似した光透過波長特性を実現することができる。本発明は２層膜で色分離機能を実現することに発明の趣旨があり、各層の厚さや屈折率に制限を受けることはない。

前々段落では、透明層の厚さとその屈折率の積で光透過波長特性が決定されることを示した。本段落では、それぞれを具体的に例示する。
図１（ｂ）：１０７が窒化シリコン（屈折率を１．９０と仮定）である場合には、
厚さは０．１８マイクロメータ
１０８が酸化シリコン（屈折率を１．４５と仮定）である場合には、
厚さは１．０７マイクロメータ
図１（ｃ）：１０７が窒化シリコン（屈折率を１．９０と仮定）である場合には、
厚さは０．１６マイクロメータ
１０８が酸化シリコン（屈折率を１．４５と仮定）である場合には、
厚さは０．９５マイクロメータ
図１（ｄ）：１０７が窒化シリコン（屈折率を１．９０と仮定）である場合には、
厚さは０．３７マイクロメータ
１０８が酸化シリコン（屈折率を１．４５と仮定）である場合には、
厚さは１．０９マイクロメータ
上記の数値例では、窒化シリコンと酸化シリコンを材料例としたが、本発明ではこの組合せに限らず、他の材料を利用しても良い。また、それぞれの光透過波長特性の場合に、異なった２種の材料を適宜組合せても良い。例えば、図１（ｂ）では、酸化タンタルと酸化シリコンの組合せ、図１（ｃ）では、酸化シリコンと窒化シリコンの組合せ、図１（ｄ）では、酸化タンタルと窒化シリコンの組合せなどがある。これらの材料の組合せは、製造工程との関係で決定されるべきである。より具体的には、透明膜の厚さと屈折率の積が大きい場合には、屈折率の大きい材料を使用して膜厚を小さくし、２層膜での熱膨張係数差に起因する応力が緩和されるようにすることが挙げられる。

なお、前段落では、前記透明膜の材料として、窒化シリコンと酸化シリコンを例示したが、当該材料としては、これらに限ることなく、多くの材料が適用できる。例えば、無機材料、有機材料、ハイブリッド材料など、各種の材料を組合せて利用することができる。例えば、無機材料としては、透明な導電材料として周知のＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Ｓｎ／Ｉｎ_２Ｏ_３）や、ＡＴＯ（アンチモンスズ酸化物、Ｓｂ／ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、水酸化アルミ（ＡｌＯ（ＯＨ））などがある。また、上記した金属酸化物など以外にも、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などのフッ素化合物や、鉛ガラス、各種のガラスもある。また、有機材料としては、フッ素系ポリマー（フッ素樹脂）やシリコーン系ポリマー（シリコーン樹脂）などがある。これらの材料は、透明膜に要求される厚さと屈折率に応じて適宜選択、組合されても良い。

なお、前段落までは「２層構造」を対象とする記述を行ったが、「３層以上」の多層構造を採用することも可能である。かかる構成では、前記多層構造を構成する各層の屈折率と各層の厚さを適宜選択することにより、前記した光透過波長特性を実現することが可能である。

図１に示した実施例１では、光の３原色を完全に分離して、光電変換することは困難である。同図（ｂ）から同図（ｄ）に示すように、いずれの光透過波長特性でも、検出すべき色以外の成分が光電変換されてしまう。イメージセンサの分野では「混色」と呼ばれる現象である。しかし、混色が発生しても、信号処理回路を適宜設計することにより、混色の無い、純粋な３原色信号を得ることは可能である。本段落では、この信号処理法について、以下に詳述する。入射した光の３原色成分の大きさ（光成分の強さ）をＲ０、Ｇ０、Ｂ０、また、光電変換された電気信号をＲ、Ｇ、Ｂとすると、
図１（ｂ）の特性：Ｒ＝Ｒ０＋０．２Ｇ０＋０．２Ｂ０
図１（ｃ）の特性：Ｇ＝Ｇ０＋０．２Ｂ０
図１（ｄ）の特性：Ｂ＝Ｂ０＋０．４Ｒ０
となる。なお、上式でのＲ０、Ｇ０、Ｂ０の係数（ここでは０．２と０．４）は図１（ｂ）から図１（ｄ）の曲線から大略推定した値であり、必ずしも、これらの数値に限定されることはない。上記した３つの式から
Ｒ０＝１．０８Ｒ−０．２３Ｇ−０．１８Ｂ
Ｇ０＝０．０９Ｒ＋０．９８Ｇ−０．２１Ｂ
Ｂ０＝−０．４３Ｒ＋０．０９Ｇ＋１．０７Ｂ
が得られる。この３つの式に従って、アナログ加算回路のような信号処理回路を構成すれば、光電変換された電気信号から、入射した元の３原色成分を求めることが可能となる。

図１（ｂ）から図１（ｄ）に例示した光透過波長特性において、７００ナノメータ以上の波長領域においても光が透過している。一般に、受光素子１０６がシリコンで形成されている場合には、１１００ナノメータ付近まで当該受光素子は光感度を有している。しかし、人間の眼は８００ナノメータより長波長光を検出できない。このため、半導体イメージセンサでは、この波長域の入射光を遮断する目的で、当該イメージセンサ外部に近赤外線遮断フィルタが設けられている。この近赤外線遮断フィルタの例としては、保谷ガラス製のＣ５００がある。このフィルタは７００ナノメータ付近から徐々に透過率が低くなる特性を有しているので、図１（ｂ）から図１（ｄ）での特性は、このフィルタ特性で補正されることになる。即ち、７００ナノメータ付近での高い光透過率は、近赤外線遮断フィルタにより低い透過率になり、不都合は発生しない。

＜２層膜による透過波長特性−２＞
本発明の実施例１では、入射光が３原色の色として分解され光電変換されていた。このような構成は「原色への色分離」であり、高い色再現性が特徴である。しかし、入射光の１／３しか利用していないため、光感度が低くなる欠点があった。図２に示した本発明の実施例２では、「補色への色分解」を利用している。補色は３原色の内の２つの色成分を加算したものであり、例えば、赤＋青（合成色はマゼンタ）、青＋緑（合成色はシアン）、緑＋赤（合成色は黄色）といった組合せである。同図（ａ）から同図（ｃ）によれば、それぞれ、マゼンタ、シアン、黄色といった補色への色分解ができることが明らかである。
同図（ａ）：ｄ１とｎ１の積を１．６０（第二の透明層１０８はない）
同図（ｂ）：ｄ１とｎ１の積を０．８７、ｄ２とｎ２の積を１．８８
同図（ｃ）：ｄ１とｎ１の積を０．８６（第二の透明層１０８はない）
なお、本実施例においては、マゼンタと黄色を実現するために単一の透明層を用い、シアンを実現するために２層膜を利用している。また、本実施例においても、光の３つの補色成分を完全に分離して、光電変換することは困難である。即ち、同図（ａ）から同図（ｃ）に示すように、いずれの光透過波長特性でも、検出すべき２つの色以外の成分が光電変換されてしまう。イメージセンサの分野では「混色」と呼ばれる現象である。しかし、混色が発生しても、前記したようなアナログ加算回路のような信号処理回路の適宜設計により、混色の無い、純粋な３原色信号を得ることは可能である。

補色への色分解では、入射光の２／３を利用できるので、光感度を高くすることが可能となり、低照度の被写体を撮像する場合には特に有利となる。なお、前段落では、「補色への色分解」を実現するための一構成例を例示したにすぎない。図２に例示した以外の構成法、例えば、３つの補色への分解を、全て２層膜構成で実現することは可能である。

＜表面入射型への適用−１＞
図３は本発明の実施例３を示す図であり、表面入射型半導体イメージセンサへ本発明を適用した図である。同図では図１（ａ）に示した画素が３つ配列された構造が示されている。同図において、５０ａ、５０ｂ、５０ｃはそれぞれの画素の領域を示す。５１は半導体基板、５２は拡散層などで構成された受光素子、５３は５２からの信号を読み出すための拡散層、５４は絶縁層でありその内部には当該半導体イメージセンサを駆動したり信号を読み出すための配線層が含まれている。５５は各画素毎に設けられたマイクロレンズである。５６ａ、５６ｂ、５６ｃは各画素に対応して設けられた第一の透明層であり、図１（ａ）の１０７に相当している。５７ａ、５７ｂ、５７ｃは各画素に対応して設けられた第二の透明層であり、図１（ａ）の１０８に相当している。それぞれの画素での透明層は２層膜を構成している。また、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５７ａ、５７ｂ、５７ｃはそれぞれの厚さが異なっているように概念的に示されている。これらの厚さは図１あるいは図２で例示したような光透過波長特性を有するように設定されている。５８は第三の透明層であり、マイクロレンズ形成工程に先立ち表面平坦化の目的で積層される。この結果、マイクロレンズの上方から入射した光（図示せず）はマイクロレンズで集光されてから、各画素毎の２層膜で色分離され、受光素子５２で光電変換される。

図３に示した半導体イメージセンサの製造方法例について以下に略記する。
（１）半導体基板５１の表面に周知の技術を用いて拡散層５２と５３が設けられる。
（２）内部に複数の配線層を有する酸化膜などの絶縁膜が積層され絶縁層５４が形成され
る。
（３）５４の表面が平坦化されてから、第一の透明層（５６ａ、５６ｂ、５６ｃ）が形成
される。各画素毎にそれぞれの厚さが異なるが、この実現には種々の手法が用いら
れる。例えば、５６ａ、５６ｂ、５６ｃの厚さの内、最大の厚さで透明層を形成
し、エッチバックなどの手法により、各画素毎の設定厚さまで部分的に薄くなるよ
うに加工されることがある。また、５６ｚ、５６ｂ、５６ｃのそれぞれの材料が異
なる場合には、それぞれを別工程として積層化することもできる。
（４）第二の透明層（５７ａ、５７ｂ、５７ｃ）が形成される。各画素毎にそれぞれの厚
さが異なるが、この実現には種々の手法が用いられる。例えば、５７ａ、５７ｂ、
５７ｃの厚さの内、最大の厚さで透明層を形成し、エッチバックなどの手法によ
り、各画素毎の設定厚さまで部分的に薄くなるように加工されることがある。ま
た、５７ａ、５７ｂ、５７ｃのそれぞれの材料が異なる場合には、それぞれを別工
程として積層化することもできる。さらに、第二の透明層が不要な場合（図２（ａ）と（ｃ）に対応）には、第二の透明層が必要な画素のみに当該透明層が形成されることになる。
（５）第二の透明層の表面を平坦化するように第三の透明層５８が設けられる。
（６）周知の手法により、各画素毎にマイクロレンズ５５が形成される。
以上の工程により、実施例３に示した半導体イメージセンサの製造が可能である。

＜表面入射型への適用−２＞
図４は本発明の実施例４を示す図であり、図３と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例では、前記した第一の透明層が特定の第一の材料（例えば酸化シリコン）で、前記した第二の透明層も特定の第二の材料（例えば窒化シリコン）で形成されている場合が示されている。同図において、６１は第一の透明層を構成する透明層であり、６２は第二の透明層を構成する透明層である。当該６１は絶縁層５４が形成されてから、５４の上部に積層される。周知の写真触刻技術やエッチバック技術で６１の一部が除去され、画素５０ａ、５０ｂ、５０ｃの上部にはそれぞれ所望の厚さを有する第一の透明層６１ａ、６１ｂ、６１ｃが形成される。これらが形成されてから、第二の透明層を構成する透明層６２が一様に積層される。周知の写真触刻技術やエッチバック技術で６２の一部が除去され、画素５０ａ、５０ｂ、５０ｃの上部にはそれぞれ所望の厚さを有する第一の透明層６２ａ、６２ｂ、６２ｃが形成される。

図４に示したように、第一の透明層と第二の透明層を酸化物のような無機質材料で構成できることは、動作温度の大幅な改善が可能であり、半導体イメージセンサの応用範囲を大幅に広げることができる。現在実用化されている半導体イメージセンサでは、色分離を着色された樹脂製のフィルタで実現していることが多い。このような構成では、樹脂の耐熱性の限界から、動作温度の上限が決定されてしまう。一方、本実施例では、高温になっても材料の変形、変質が発生しない特徴がある。このため、高い動作温度が要求されるような分野、例えば、製鉄所や化学プラントでの工程管理といった分野にも適用できる利点がある。

＜表面入射型への適用−３＞
図５は本発明の実施例５を示す図であり、図３と同一番号は同一構成要素を示している。本実施例では、前記した第一の透明層が特定の第一の材料（例えば酸化シリコン）で、前記した第二の透明層も特定の第二の材料（例えば窒化シリコン）で形成されている場合が示されている。同図において、７１は第一の透明層を構成する透明層であり、７２は第二の透明層を構成する透明層である。当該７１を積層する前に、絶縁層５４の一部が除去され、画素５０ａ、５０ｂ、５０ｃには異なる深さの窪みが形成されている。次に一様な厚さを有する７１が形成されてから、その表面が平坦化される。この結果、画素には異なる厚さを有する第一の透明層７１ａ、７１ｂ、７１ｃが形成される。これらの上部に一様な厚さを有する第二の透明層７２が積層化される。次に、７２の一部が除去され、異なる厚さを有する第二の透明層７２ａ、７２ｂ、７２ｃがそれぞれの画素に対応して形成される。

＜裏面入射型イメージセンサの構造＞
図６は裏面入射型イメージセンサの原理的な構造を示す図である。同図において、８０ａ、８０ｂ、８０ｃはそれぞれの画素の領域を示す。８１は半導体基板、８２は拡散層などで構成された受光素子、８３は８２からの信号を読み出すための拡散層、８４は絶縁層でありその内部には当該半導体イメージセンサを駆動したり信号を読み出すための配線層が含まれている。８５は各画素毎に設けられた色分離用のカラーフィルタ、８７は各画素毎に設けられたマイクロレンズ、８６は透明層であり、マイクロレンズ形成工程に先立ち表面平坦化の目的で積層されている。８８は８４内に設けられた配線層に接続され、外部回路との電気的接続を行うための接続手段である。同図では、８８はボールグリッドアレイである場合が例示されているが、接続手段はこれに限らず、他の構成でも良い。同図の構成では、入射光は画面上部から入射し、マイクロレンズ８７で集光され、カラーフィルタ８５で色分離されてから、受光素子８２で光電変換される。即ち、半導体基板の「裏面」側から光が入射している。このような裏面入射型イメージセンサの特長としては、（１）入射した光は全て光電変換に寄与できる〔表面入射型イメージセンサでは絶縁層８４内に設けられた配線層の隙間をぬって光が受光素子に到達するため光感度が低くなりがちである〕、（２）絶縁層８４内の配線層の構成が光電変換機能とは別個に設計できる〔パターン設計の自由度が高い〕、（３）当該配線層の端部で入射光が反射・散乱されることがなく、高品位の画像信号が得られる、（４）当該配線層が複層である場合に、絶縁層８４の厚さが大きくなっても光電変換機能に影響がない〔マイクロレンズと受光素子間の距離を小さくできる〕などがある。反面、半導体基板８１を数１０マイクロメータ程度まで薄膜化して、半導体基板８１の表面側（カラーフィルタが配置されている側）で発生した信号電荷が横方向に拡散し、解像度特性が劣化することを防止することが必須となっている。

＜裏面入射型への適用−１＞
図７は本発明の実施例６を示す図であり、裏面入射型半導体イメージセンサへ本発明を適用した図である。同図において図６と同一番号は同一構成要素を示しており、３つの画素のみが示されている。同図において、９１ａ、９１ｂ、９１ｃは第一の透明層（図３の５６ａ、５６ｂ、５６ｃに相当）、９２ａ、９２ｂ、９２ｃは第二の透明層（図３の５７ａ、５７ｂ、５７ｃに相当）であり、それぞれ前記したような２層膜を構成している。即ち、本実施例においては、図６で示したカラーフィルタ８５と同様な機能を当該第一の透明層と当該第二の透明層の２層膜で実現していることになる。図１と図２に関連して記載したように、これらの透明層の厚さは所望の光透過波長特性が得られるように設定されている。図７の上方から入射した光（図示せず）は、マイクロレンズ８７で集光され、当該２層膜で色分離されてから、受光素子８２で光電変換される。なお、図７では、９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９２ａ、９２ｂ、９２ｃが個別の構成要素であるかのように図示されているが、これに限らない。例えば９１ａ、９１ｂ、９１ｃが特定の第一の材料（例えば酸化シリコン）で構成され、９２ａ、９２ｂ、９２ｃも特定の第二の材料（例えば窒化シリコン）で形成されている場合もある。

＜実施例６の製造工程＞
図８−１と図８−２は、図７に示した半導体イメージセンサの製造工程を示す図である。図８−１の（ａ）において、図７と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１００ａ、１００ｂ、１００ｃはそれぞれの画素の領域を示す。１１０は周知の工程で製造された半導体イメージセンサ部分であり、半導体基板１１１、拡散層などで構成された受光素子１１２、当該１１２からの信号を読み出すための拡散層１１３、内部には当該半導体イメージセンサを駆動したり信号を読み出すための配線層が含まれているような絶縁層１１４などから構成されている。半導体基板１１１の厚さは、使用するウェーハサイズに依存するが一般的には数１００マイクロメータである。１１０の半導体イメージセンサ部分は図８−１の（ｂ）に示すように、半導体基板１１１が薄膜化されて、厚さが１００マイクロメータ以下の基板１１５に加工される。図８−１の（ｃ）に示すように、薄膜化された半導体基板１１５の表面には薄い酸化シリコン１１６が形成される。一般に、シリコンのような半導体基板が大気中に放置されると、その表面が汚染され、表面での電気特性が劣化することが知られている。例えば、表面順位（あるいは「表面準位」）が増え、暗電流の増加や、光感度の低下という特性劣化がある。酸化シリコン１１６は表面順位を安定化させることが知られており、裏面入射型半導体イメージセンサの製造にとっては必須の構成要素となる。当該１１６の厚さは適宜選択されるが、数１０ナノメータ以上であることが多い。図８−１の（ｄ）では、酸化シリコン１１６の表面に第一の透明層となる層１１７が積層される。当該１１７の厚さは、図１および図２で例示した光透過波長特性を得るために必要な最大の厚さであることが望ましい。次に、複数回のフォトレジストとエッチングにより、各画素（１００ａ、１００ｂ、１００ｃで表示）に対応する領域が所望の厚さまで薄くされる。この結果、画素１００ａ上部には透明層１１８ａが、画素１００ｂ上部には透明層１１８ｂが、そして、画素１００ｃ上部には透明層１１８ｃが形成されることになる。これらの透明層は前記した第一の透明層に対応している。図８−１の（ｆ）においては、当該透明層の表面に第二の透明層となる層１１９が積層される。当該１１９の厚さは、図１および図２で例示した光透過波長特性を得るために必要な最大の厚さであることが望ましい。次に、複数回のフォトレジストとエッチングにより、各画素（１００ａ、１００ｂ、１００ｃで表示）に対応する領域が所望の厚さまで薄くされる。この結果、図８−２の（ｇ）に示すように、画素１００ａ上部には透明層２００ａが、画素１００ｂ上部には透明層２００ｂが、そして、画素１００ｃ上部には透明層２００ｃが形成されることになる。これらの透明層は前記した第二の透明層に対応している。図８−２の（ｈ）においては、透明層２００ａ、２００ｂ、２００ｃの表面に第三の透明層２０１が積層されて、その表面が周知の技術により平坦化される。図８−２の（ｉ）においては、第三の透明層２０１の表面に周知の技術によりマイクロレンズ２０２が積層される。以上のような工程により、本発明の実施例６は製造される。

なお、図７、図８−１、図８−２では、マイクロレンズが各画素毎に設置されている例が示されている。しかしながら、裏面入射型半導体イメージセンサでは、半導体基板（８１あるいは１１５）の厚さが薄くなり、数１０マイクロメータ以下になると、当該基板中で光電変換された信号電荷が横方向に拡散して隣接画素へ流入することが少なくなる。このため、斜め方向からの入射光が殆どないような場合には、当該マイクロレンズを設けなくても良い。このような場合には、半導体イメージセンサの製造工程が簡略化される利点がある。

なお、図８−１と図８−２における酸化シリコン１１６の厚さについては、この層での入射光の干渉効果を考慮して選定されるべきである。即ち、当該１１６の厚さが厚いと、入射光の干渉効果により、図１と図２に示した光透過波長特性が乱される場合がある。例えば、当該１１６の厚さが０．２マイクロメータの場合には、当該１１６単体層での光透過波長特性は０．６マイクロメータ付近に最大透過率が一致してしまう。この結果、図１と図２に例示した光透過波長特性が大幅に乱されることになる。このような当該１１６での干渉効果を少なくするためには、当該１１６の厚さを０．１マイクロメータ以下にすることが望ましい。

さらに、１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃなどの第一の透明層が酸化シリコンであって、当該１１６と同一材料で構成されている場合には、当該１１６を１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃなどの一部とみなすことも可能である。かかる場合には、図８−１の（ｅ）での１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃの厚さを、当該１１６の厚さを含んだ値として設定することができる。例えば、当該１１６の厚さが０．１マイクロメータである場合には、図１および図２の特性を得るために必要な第一の透明層の厚さの計算値から０．１マイクロメータを減じた厚さを図８−１の（ｅ）での１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃの厚さとすれば良い。

本段落では、図８−２における第三の透明膜２０１の厚さについては記述する。当該２０１は樹脂などがスピンコートなどで塗布されるのが一般的であり、その厚さは数マイクロメータ以上であることが多い。このように厚い膜厚では、当該層２０１内部での干渉効果が少ないので、図１と図２に例示した光透過波長特性を乱すことは少ない。

図８−１と図８−２に示した製造方法の記述に際しては、画素１００ａ、１００ｂ、１００ｃの上部に積層された第一の透明層が特定な共通の材料で構成されており、かつ、第二の透明層も特定な共通の材料で構成されている場合が示されている。しかしながら、図１と図２の特性を得るためには、それぞれ別個の材料を採用する場合もあり得る。かかる場合は、図８−１の（ｅ）と図８−２の（ｇ）で示した工程を変更する必要がある。例えば、図８−１の（ｅ）において、
（１）１１８ａを構成する材料を半導体イメージセンサ部分全体に積層してから、１
１８ａ部分のみを残して、残りの部分の材料を完全に除去する。
（２）次に、１１８ｂを構成する材料を半導体イメージセンサ部分全体に積層してか
ら、１１８ｂ部分のみを残して、残りの部分の材料を完全に除去する。
（３）次に、１１８ｃを構成する材料を半導体イメージセンサ部分全体に積層してか
ら、１１８ｃ部分のみを残して、残りの部分の材料を完全に除去する。
といった３段階に分割することになる。図８−２の（ｇ）の２００ａ、２００ｂ、２００ｃの製造工程も同様である。

＜裏面入射型への適用−２＞
図９は本発明の実施例７を説明する図である。同図（ａ）は図８−２の（ｇ）と同一図であり、同一番号は同一構成要素を示している。また、図９において、図８−１およびお図８−２と同一番号は同一構成要素を示している。図９（ａ）において、１１８ａと１１８ｂの境界部分の領域と２００ａと２００ｂの境界部分の領域のみが、図９（ｂ）に拡大表示されている。図８−１と図８−２の製造方法の記述の段落で記載したように、１１８ａ、１１８ｂの製造工程と、２００ａ、２００ｂの製造工程とは別工程になっている。この結果、同図（ｂ）に示すように、１１８ａと１１８ｂの境界と、２００ａと２００ｂの境界とは一致せず、境界部分２１０が存在することになる。最新の製造装置を用いても、かかる境界部分２１０の存在を無くすことはできない。当該境界部分２１０では前記２層膜が、２００ｂの一部と１１８ａの２層で構成されることになり、この部分での２層膜の厚さが必要とする厚さ（当該境界部分２１０が存在しないような理想的な状態では、２００ａと１１８ａの厚さの和であるべきである）とは異なった厚さになってしまう。即ち、当該境界部分では、図１あるいは図２で例示したような光透過波長特性が得られないことになる。かかる不具合を解決するために、実施例７では、図９（ｃ）に示すように、当該境界部分に遮光層２１１が設けられている。当該遮光層は１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃの積層に先立ち、酸化シリコン１１６表面に形成される。かかる遮光層の材料としては、光透過性のない樹脂や、金属薄膜があり、いずれの材料でも周知の技術で形成される。

＜裏面入射型への適用−３＞
図１０は本発明の実施例８を説明する図であり、図８−１、図８−２および図９と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、２２０は遮光層である。本実施例においては、当該２２０が、透明層１１８ａと１１８ｂの境界部分、および透明層２００ａと２００ｂの境界部分などに対応して配置されていると同時に、受光素子１１２から光電変換された信号を読み出すための拡散層１１３の上方にも配置されている特徴がある。図６で例示した裏面入射型半導体イメージセンサの記述では省略したが、当該拡散層はイメージセンサの光電変換特性を劣化させることが知られている。即ち、裏面入射型では、薄膜化された半導体基板の裏面側から光が入射するので、一部の光は当該拡散層へ直接到達し、光電変換される。本来、当該拡散層では信号電荷が発生したり、流入したりすることがなく、撮像動作中に一定電位を保持していなければならない。入射光が直接当該拡散層で光電変換される場合には、画素構造や信号読み出し方法にも依存するが、光電変換特性が劣化する。本実施例では、かかる劣化を防止することをも目的として、遮光層２２０が配置されている。

＜裏面入射型への適用−４＞
図１１は本発明の実施例９を説明する図であり、図２に例示した「補色への色分解」の場合に対応している。同図において、図８−１、図８−２および図９と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１３０Ｍｇ、１３０Ｃｙ、１３０Ｙｅはそれぞれの画素の領域を示す。図２を用いて記載したように、マゼンタと黄色に対応する画素１３０Ｍｇと１３０Ｙｅでは、第二の透明膜がなく第一の透明膜（図１１では１３２Ｍｇと１３２Ｙｅとして表示）のみで構成されており、シアンに対応する画素１３０Ｃｙでは第一の透明膜（図１１では１３２Ｃｙとして表示）と第二の透明膜（図１１では１３３Ｃｙとして表示）から構成される２層膜構成となっている。図２の光透過波長特性を得るための各透明膜の材料と厚さについては、
１３２Ｍｇ：酸化シリコン（厚さ１．１０マイクロメータ）
１３２Ｃｙ：酸化シリコン（厚さ１．３０マイクロメータ）
１３３Ｃｙ：窒化シリコン（厚さ０．４６マイクロメータ）
１３２Ｙｅ：酸化シリコン（厚さ０．５９マイクロメータ）
である。ただし、酸化シリコンと窒化シリコンの屈折率は、それぞれ、１．４５と１．９０と仮定している。また、ここでは、半導体基板裏面の安定化のため設けられた酸化シリコン１１６の厚さは考慮されていない。もし、当該１１６の厚さを０．１マイクロメータとして換算すると、上記した１３２Ｍｇの厚さは１．００マイクロメータ、１３２Ｃｙの厚さは１．２０マイクロメータ、１３２Ｙｅの厚さは０．４９マイクロメータとなる。

図１１に示した実施例９の半導体イメージセンサを製造するには、
（１）１１６の表面に、１３２Ｃｙの厚さ（１．３０マイクロメータ）と等しい酸
化シリコンを設ける。
（２）フォトレジストとエッチングにより、１３０Ｍｇ領域と１３０Ｙｅ領域での
酸化シリコンの厚さが１３２Ｍｇの厚さ（１．１０マイクロメータ）と等し
くなるように加工する。
（３）フォトレジストとエッチングにより、１３０Ｙｅ領域での酸化シリコンの厚
さが１３２Ｙｅの厚さ（０．５９マイクロメータ）と等しくなるように加工
する。
（４）１３３Ｃｙの厚さ（０．４６マイクロメータ）と等しい窒化シリコンを全面
に設ける。
（５）フォトレジストとエッチングにより、１３０Ｍｇ領域と１３０Ｙｅ領域での
窒化シリコンを除去する。
の順に工程を組めば良い。

図１１に示した実施例９では、２層構造の透明膜と単一層の透明膜とを組合せた事例が示されている。説明の便宜上、「補色への色分解」の場合を説明したが、「原色への色分解」への適用も可能である。

＜裏面入射型への適用−５＞
図１２は本発明の実施例１０を説明する図であり、図１０と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃはそれぞれの画素の領域を示す。本実施例では、画素１４０ｃでの色分離を、着色された樹脂で構成されたフィルタ１４１ｃを用いていることに特徴がある。図１および図２で例示した光透過波長特性を２層膜で実現することが困難であったり、特定の色成分を精度良く検出する必要がある場合には、着色された樹脂製のフィルタを組合せることができる。本実施例では、第一の透明層と第二の透明層からなる２層構造を、樹脂製のカラーフィルタと組合せることができることが示されている。なお、図１２は一つの事例に過ぎず、他の組合せも可能である。

なお、本明細書では図３あるいは図６で示したように、標準的な構成と考えられるイメージセンサの構成を例として記載されている。しかしながら、イメージセンサの構成には多種あり、本発明はこれらの全てに適用できる。一例として挙げるならば、マイクロレンズが搭載されていない構成、感度増大のために画素毎に増幅機能を持たせたりフォトダイオード自身が増幅機能を有すると言ったいわゆる増幅型イメージセンサの構成、水平垂直レジスタを介して画素からの信号読み出しを実行するＣＣＤ型イメージセンサ、さらには、イメージセンサ自体が積層構造をなしていて各層毎に撮像機能、信号処理機能、メモリ機能、入出力制御機能などが割り当てられているような３次元の構成などがある。かかる複数の構成例に対しても本発明は容易に適用される。

本発明は半導体イメージセンサへの適用以外にも、他の半導体素子へ広く適用できる。特に、分光機能を有する装置、フォトダイオード（ＰＤ）や光放射ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子の応用装置へ広く適用できる。

５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、１００ａ、１００ｂ、
１００ｃ、１３０Ｍｇ、１３０Ｃｙ、１３０Ｙｅ、１４０ａ、１４０ｂ、
１４０ｃ画素の領域
５１、８１、１０５、１１１、１１５半導体基板
５２、８２、１０６、１１２受光素子
５３、８３、１１３拡散層
５４、８４、１１４絶縁層
５５、８７、２０２マイクロレンズ
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、６１、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、７１、７１ａ、
７１ｂ、７１ｃ、９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、１０７、１１７、１３２Ｍｇ、
１３２Ｃｙ、１３２Ｙｅ第一の透明層
５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、６２、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、７２、７２ａ、
７２ｂ、７２ｃ、９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、１０８、１１９、１３３Ｃｙ
第二の透明層
８５、１４１ｃカラーフィルタ
５８、８６、１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、
２０１透明層
８８接続手段
１０９入射光
１１０半導体イメージセンサ部分
１１６酸化シリコン
２１０境界部分
２１１、２２０遮光層

Claims

受光素子と前記受光素子からの信号を読み出す手段とを備えた画素が少なくとも２つ以上集積化された半導体イメージセンサにおいて、
画素領域に配置された第一の透明層と、前記第一の透明層の上部に配置された第二の透明層を備え、
前記第一の透明層と前記第二の透明層から構成された２層構造が、それぞれの材料の屈折率と、それぞれの厚さで決定される光透過波長特性を有しており、かつ、
前記光透過波長特性が前記画素毎に異なること
を特徴とする半導体イメージセンサ。
前記第一の透明層は、前記画素毎に異なる厚さを有しており、かつ、
前記第二の透明層は、前記画素毎に異なる厚さを有していること
を特徴とする請求項１に記載の半導体イメージセンサ。
前記画素間の境界部分に、入射光を遮光する遮光層を配置したことを特徴とする請求項１乃至２に記載の半導体イメージセンサ。
前記第一の透明層と前記第二の透明層から構成された２層構造は、指定された前記画素にのみ配置されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体イメージセンサ。