JP2011124347A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層内マイクロレンズとオンチップレンズとを備える固体撮像装置において、高い集光効率を維持すると共に、スミアの発生を抑制する。
【解決手段】半導体基板１０５の上部に形成された受光部１０１と、半導体基板１０５の上に形成された第１の層間膜１０９と、第１の層間膜１０９に形成された屈折膜１０３と、第１の層間膜１０９の上に受光部１０１の上に位置するように形成された層内マイクロレンズ１０２と、層内マイクロレンズ１０２の上に形成されたオンチップレンズ１０４とを備えている。屈折膜１０３は、隣接する層内マイクロレンズ１０２の間の領域の下側に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、２層レンズ構造の固体撮像装置及びその製造方法に関する。

現在、電荷結合素子（Charge Coupled Devices：ＣＣＤ）は、デジタルカメラの受光素子として広く用いられている。近年、半導体プロセスの微細化に伴い、固体撮像装置の小型化及び画素の高密度化が進むことにより、スミアの増大及び集光効率の低下が問題となっている。

集光効率を向上させるには、各単位受光部の上に層内マイクロレンズとオンチップレンズとを設ける２層レンズ構造とするのが有効であり、そのような固体撮像装置が特許文献１等に提示されている。

従来の固体撮像装置について図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は従来の固体撮像装置の平面構成を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のVIｂ−VIｂ線における断面構成を示している。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板３０４の上部に複数の受光部３０１及び垂直ＣＣＤ部３０５が形成されており、各垂直ＣＣＤ部３０５の上にゲート絶縁膜を介してゲート３０６及び該ゲート３０６を覆う遮光膜３０７が形成されている。遮光膜３０７は受光部３０１の上には形成されておらず開口している。半導体基板３０４及び遮光膜３０７の上には第１の層間膜３０８が形成されている。第１の層間膜３０８の上には、層内マイクロレンズ３０２が形成されている。ここで、層内マイクロレンズ３０２は、受光部３０１の上に位置するように形成されている。また、第１の層間膜３０８の上には、層内マイクロレンズ３０２を覆うように、第２の層間膜３０９が形成されている。第２の層間膜３０９の上には、カラーフィルタ３１０が形成されており、カラーフィルタ３１０の上には、オンチップレンズ３０３が形成されている。ここで、オンチップレンズ３０３は、受光部３０１及び層内マイクロレンズ３０２の上に位置するように形成されている。

このような２層レンズ構造では、オンチップレンズ３０３及び層内マイクロレンズ３０２の位置ずれにより、ケラレによる感度のばらつき及び低下が発生する問題がある。

この問題を解決するために、複数の遮光膜がオンチップレンズ同士の間の領域の下に位置するように設けられた構造を有する固体撮像装置が特許文献２等に提示されている。

特開平１１−４０７８７号公報 特開２００７−６７２１２号公報

しかしながら、特許文献２に提示されている構造によると、図７に示すように、カラーフィルタ３１０を通過する際に生じる散乱光Ｘ２、及びカラーフィルタ３１０の上のオンチップレンズ３０３を通過する際に生じる散乱光Ｙ２が、オンチップレンズ３０３の下に設けられた層内マイクロレンズ３０２同士の間を斜めに入射する。さらに、散乱光Ｘ２、Ｙ２がオンチップレンズ３０３同士の間の領域の下に設けられた遮光膜３０７同士の間を斜めに入射して受光部３０１に到達して、スミアを発生させてしまう。

また、受光部３０１の感度の向上に伴い、散乱光Ｘ２、Ｙ２が受光部３０１にわずかでも入射すると発生するスミアを抑制させる必要がある。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、その目的は、２層レンズ構造を備える固体撮像装置において、高い集光効率を維持すると共に、スミアの発生を抑制することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、固体撮像装置を隣接する層内マイクロレンズの間の領域の下に位置するように屈折膜が形成されている構成とする。

具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板の上部に形成された受光部と、半導体基板の上に形成された第１の層間膜と、第１の層間膜に形成された屈折膜と、第１の層間膜の上に、受光部の上に位置するように形成された層内マイクロレンズと、層内マイクロレンズの上に形成されたオンチップレンズとを備え、屈折膜は、隣接する層内マイクロレンズの間の領域の下側に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置によると、受光部の上に位置するように形成された層内マイクロレンズと、層内マイクロレンズの上に形成されたオンチップレンズとを備えているため、オンチップレンズを通過する光を層内マイクロレンズにおいて屈折させ、受光部に到達させることができるので、高い集光効率を得ることができる。それと共に、屈折膜は、隣接する層内マイクロレンズの間の領域の下側に配置されているため、カラーフィルタ及び該カラーフィルタの上のオンチップレンズを通過する際に生じる散乱光は、第１の層間膜の上部に形成された屈折膜により屈折するので、散乱光が遮光膜同士の間を斜めに入射して受光部に到達することを防ぎ、スミアの発生を抑制することができる。

本発明に係る固体撮像装置は、層内マイクロレンズとオンチップレンズとの間に形成された第２の層間膜と、第２の層間膜とオンチップレンズとの間に形成されたカラーフィルタと、屈折膜の下に形成された遮光膜とをさらに備えていることが好ましい。

この場合、層内マイクロレンズ及び屈折膜は窒化膜であり、第１の層間膜及び第２の層間膜は酸化膜であることが好ましい。

このようにすると、第１の層間膜と屈折膜との屈折率の差により、固体撮像装置の内部において発生した散乱光は、屈折膜により反射されるか又は光路を屈折されるため、散乱光が遮光膜同士の間に入射して受光部に到達することを防ぐことができるので、スミアの発生を抑制することができる。

本発明に係る固体撮像装置において、層内マイクロレンズの底面の周縁部と屈折膜の上面とは、同一の高さに形成されていることが好ましい。

本発明に係る固体撮像装置において、屈折膜は第１の層間膜を貫通していることが好ましい。

本発明に係る固体撮像装置において、屈折膜と遮光膜とは、互いに接していることが好ましい。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の上部に受光部を形成する工程と、半導体基板の上に第１の層間膜を形成する工程と、第１の層間膜に屈折膜を形成する工程と、第１の層間膜の上に、受光部の上に位置するように層内マイクロレンズを形成する工程と、層内マイクロレンズ及び第１の層間膜の上に第２の層間膜を形成する工程と、第２の層間膜の上にカラーフィルタを形成する工程と、カラーフィルタの上に、層内マイクロレンズの上に位置するようにオンチップレンズを形成する工程とを備え、屈折膜は、隣接する層内マイクロレンズの間の領域の下側に配置されることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像装置の製造方法によると、カラーフィルタの上に、層内マイクロレンズの上に位置するようにオンチップレンズを形成する工程を備えているため、オンチップレンズを通過する光を層内マイクロレンズにより屈折させて受光部に到達させるので、集光効率を高めることができる。それと共に、屈折膜は、隣接する層内マイクロレンズの間の領域の下側に配置されるため、カラーフィルタ及び該カラーフィルタの上にあるオンチップレンズを通過する際に生じる散乱光は、第１の層間膜の上部に形成された屈折膜により屈折するので、受光部に散乱光が入り込むことにより発生するスミアの発生を抑制できる固体撮像装置を得ることが可能となる。

本発明に係る固体撮像装置によると、層内マイクロレンズとオンチップレンズとを備える固体撮像装置において、高い集光効率を維持しながら、受光部に散乱光が入り込むことにより発生するスミアを抑制することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置によりスミアの発生を抑制する効果を説明する図である。 （ａ）〜（ｈ）は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の効果を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。 （ａ）は従来の固体撮像装置の構造を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIｂ−VIｂ線における断面図である。 従来の固体撮像装置の問題点を示す図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図１を参照しながら説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板１０５の上部に複数の受光部１０１及び垂直ＣＣＤ部１０６が形成され、各垂直ＣＣＤ部１０６の上にゲート絶縁膜を介してゲート１０７及び該ゲート１０７を覆う、例えばタングステンからなる遮光膜１０８が形成されている。遮光膜１０８は受光部１０１の上には形成されておらず、受光部１０１の上において遮光膜１０８は開口している。半導体基板１０５及び遮光膜１０８の上に、例えば酸化シリコンからなる第１の層間膜１０９が形成され、また、遮光膜１０８の上には、第１の層間膜１０９を貫通する、例えば窒化シリコンからなる屈折膜１０３が形成されている。第１の層間膜１０９の上には、凸型の層内マイクロレンズ１０２が形成されている。層内マイクロレンズ１０２は、受光部１０１の上に配置され、屈折膜１０３の上には配置されない。また、屈折膜１０３及び層内マイクロレンズ１０２を覆うように第２の層間膜１１０が形成されている。さらに、第２の層間膜１１０の上にカラーフィルタ１１１が形成され、カラーフィルタ１１１の上に、受光部１０１及び層内マイクロレンズ１０２の上に位置するようにオンチップレンズ１０４が形成されている。言い換えると、屈折膜１０３は、隣接するオンチップレンズ１０４の間の領域の下に位置するように設けられている。

次に、第１の実施形態に係る固体撮像装置における散乱光の進行について図２を参照しながら説明する。

図２において、Ｘ１及びＹ１は、カラーフィルタ１１１を通過する際に生じる散乱光、及びカラーフィルタ１１１の上のオンチップレンズ１０４を通過する際に生じる散乱光をそれぞれ示している。

図２（ａ）に示すように、オンチップレンズ１０４からカラーフィルタ１１１と第２の層間膜１１０とを斜めに通過した散乱光Ｘ１は、屈折膜１０３を通過する際に屈折する。このように散乱光を屈折膜１０３によって屈折させることにより、受光部１０１に散乱光が入射することを防ぐ。すなわち、スミアの発生を抑制することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、オンチップレンズ１０４からカラーフィルタ１１１と第２の層間膜１１０とを斜めに通過した散乱光Ｙ１は、屈折膜１０３を通過する際にその内部で反射する。このように散乱光を屈折膜１０３によって遮光膜１０８側に反射させることにより、受光部１０１に散乱光が入射することを防ぐ。すなわち、スミアの発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置によると、２層レンズ構造による高い集光効率が維持されると共に、マイクロレンズ同士の間の領域の下に設けた屈折膜が受光部に到達する散乱光を防ぐため、スミアの発生を抑制することができる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図３を参照しながら説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、公知の加工プロセスを用いて半導体基板１０５の上部に複数の受光部１０１及び垂直ＣＣＤ部１０６を形成し、半導体基板１０５の上にゲート絶縁膜を形成する。各垂直ＣＣＤ部１０６の上にゲート絶縁膜を介してゲート１０７を形成し、半導体基板１０５の上にゲート１０７を覆うように遮光膜１０８を形成する。受光部１０１の上に形成された遮光膜１０８は、公知のフォトリソグラフィ法及びエッチング法により除去して、受光部１０１の上に開口部を形成する。その後、半導体基板１０５の上に、遮光膜１０８を覆うように第１の層間膜１０９を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１の層間膜１０９における遮光膜１０８の上側部分を、ドライエッチング法等を用いて遮光膜１０８が露出するまでエッチングすることにより、第１の層間膜１０９に開口部１１２を形成する。ここで、エッチング法の条件を調整することにより、開口部１１２の断面形状は、上方が広がる順テーパー形状から垂直形状まで変化させることができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、開口部１１２を埋め込み、且つ、第１の層間膜１０９を覆うようにプラズマ窒化膜１１３を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、プラズマ窒化膜１１３の上に、受光部１０１の上に位置するように、後に層内マイクロレンズを形成するために用いるレジストマスク１１４を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、公知のレンズの形成工程により、レジストマスク１１４を用いて、第１の層間膜１０９の上に、受光部１０１の上に位置するように、プラズマ窒化膜１１３から凸型レンズである層内マイクロレンズ１０２を形成する。このとき、開口部１１２にはプラズマ窒化膜１１３が埋め込まれたまま残り、これが屈折膜１０３となる。ここで、層内マイクロレンズ１０２の底面の周縁部と屈折膜１０３の上面とが同一の高さであることが望ましい。層内マイクロレンズ１０２の底面の周縁部の高さと屈折膜１０３の上面の高さとを揃えるには、例えば、層内マイクロレンズ１０２を形成するドライエッチングの際に、プラズマ窒化膜１１３の上で且つ第１の層間膜１０９の上方にレジストマスク１１４で覆わない領域を設けて、第１の層間膜１０９が露出するまでエッチングする等の方法がある。なお、屈折膜１０３の上面が層内マイクロレンズ１０２の底面の周縁部よりも下側に配置されている場合は、層内マイクロレンズ１０２と屈折膜１０３との間から散乱光が受光部１０１に入射してしまう。このため、層内マイクロレンズ１０２と屈折膜１０３との隙間は可能な限り小さい方がスミアの発生を抑制する効果は高いが、加工のばらつきを考慮すると、屈折膜１０３の高さの１５％程度までの隙間は許容範囲である。

次に、図３（ｆ）に示すように、層内マイクロレンズ１０２及び屈折膜１０３を覆うように第２の層間膜１１０を形成する。

次に、図３（ｇ）に示すように、第２の層間膜１１０の上にカラーフィルタ１１１を形成する。

次に、図３（ｈ）に示すように、カラーフィルタ１１１の上にオンチップレンズ１０４を形成する。オンチップレンズ１０４は、受光部１０１及び層内マイクロレンズ１０２の上に位置するように形成する。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によると、２層レンズ構造による高い集光効率を維持すると共に、マイクロレンズ同士の間の領域の下に設けた屈折膜が受光部に到達する散乱光を防ぐことによってスミアの発生を抑制できる固体撮像装置を得ることが可能となる。

以下、第１の実施形態に係る固体撮像装置による効果の詳細について、図４を参照しながら説明する。

図４において、本発明の第１の実施形態の具体的な効果を説明するために、各部の寸法を例えば次のように設定する。受光部１０１の幅Ｗ１は７００ｎｍ、層内マイクロレンズ１０２の幅Ｗ２は１５００ｎｍとする。ここで、受光部１０１の平面形状は簡略化のために正方形とする。また、受光部１０１の上面から屈折膜１０３の上面までの高さＨ１は１１００ｎｍ、受光部１０１の上面から遮光膜１０８の上面までの高さＨ２は５００ｎｍとする。さらに、第１の層間膜１０９及び第２の層間膜１１０は屈折率１．４６のシリコン酸化膜とし、屈折膜１０３及び層内マイクロレンズ１０２は屈折率２．００のシリコン窒化膜とする。

図４（ｂ）に示すように、カラーフィルタ１１１を通過する際に生じる散乱光Ｚ１及びカラーフィルタ１１１の上のオンチップレンズ１０４を通過する際に生じる散乱光が、隣接する層内マイクロレンズ１０２の間の領域の下方に形成された屈折膜１０３に入射角θ１で斜めに入射する。このうち、入射角θ１が６９°以下の散乱光Ｚ１は、まず、第２の層間膜１１０と屈折膜１０３との界面において屈折し、さらに屈折膜１０３と第１の層間膜１０９との界面において全反射して、遮光膜１０８に当たるため、受光部１０１には到達しない。また、入射角θ１が６９°以上の散乱光Ｚ１は、まず、第２の層間膜１１０と屈折膜１０３との界面において屈折し、さらに屈折膜１０３と第１の層間膜１０９との界面において屈折して、第１の層間膜１０９に２１°以下の入射角θ２で進入する。この散乱光Ｚ１は、遮光膜１０８の上面から屈折膜１０３の上面までの高さＨ３に対して、屈折膜１０３の側面から遮光膜１０８の側面までの幅Ｗ３が０．３８倍以上であれば、遮光膜１０８に当たるため、受光部１０１には到達しない。上記の例の場合、Ｈ３は６００ｎｍ、Ｗ３は２５５ｎｍとなるため、全ての入射角の散乱光が遮光膜１０８に当たるので、散乱光は受光部１０１には到達しない。すなわち、受光部１０１に散乱光が入り込むことにより発生するスミアを抑制することができる。

なお、層内マイクロレンズ１０２及び屈折膜１０３は、図４（ｂ）のように互いに接していると隙間が少なくなるために、スミアの発生を抑制する効果が大きい。また、層内マイクロレンズ１０２が屈折膜１０３の上に、一部が重なるように形成されている場合でも、同様の効果がある。一方、層内マイクロレンズ１０２と屈折膜１０３とが分離している場合には、スミアの発生を抑制する効果が小さくなる。

本実施形態では、層内マイクロレンズ１０２及び屈折膜１０３の材料を同一とし、一度のエッチング工程によりそれぞれを形成した。この方法に限らず、まず、第１の層間膜１０９に開口部を形成し、その開口部に屈折膜１０３となる材料を埋め込んで、第１の層間膜１０９が露出するまで平坦化することにより屈折膜１０３を形成し、その後、第１の層間膜１０９の上に層内マイクロレンズ１０２を形成してもよい。このとき、屈折膜１０３と層内マイクロレンズ１０２の材料は、所望の光学特性が得られるのであれば、異なる材料であってもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について図５を参照しながら説明する。

第１の実施形態では、屈折膜の平面形状が円形である場合について説明したが、屈折膜の平面形状は円形に限らない。

図５に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置において、屈折膜１０３の平面形状は、例えば格子状であり、層内マイクロレンズ１０２の形成されている領域以外のほとんどに屈折膜１０３が形成されている。それ以外の構造は、第１の実施形態と同一である。

本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置によると、隣接する層内マイクロレンズ１０２の間の下のほとんどすべての領域において、屈折膜１０３が形成されている状態となり、平面視した場合、第１の層間膜に対して屈折膜１０３の面積が大きくなるため、散乱光が受光部１０１に到達して発生するスミアの発生をより効率良く抑制することができる。

本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法は、高い集光効率を維持しながら、受光部に散乱光が入り込むことにより発生するスミアの発生を抑制することができ、特に、２層レンズ構造の固体撮像装置及びその製造方法等に有用である。

１０１ 受光部
１０２ 層内マイクロレンズ
１０３ 屈折膜
１０４ オンチップレンズ
１０５ 半導体基板
１０６ 垂直ＣＣＤ部
１０７ ゲート
１０８ 遮光膜
１０９ 第１の層間膜
１１０ 第２の層間膜
１１１ カラーフィルタ
１１２ 開口部
１１３ プラズマ窒化膜
１１４ レジストマスク

Claims (7)

1. 半導体基板の上部に形成された受光部と、
   前記半導体基板の上に形成された第１の層間膜と、
   前記第１の層間膜に形成された屈折膜と
   前記第１の層間膜の上に、前記受光部の上に位置するように形成された層内マイクロレンズと、
   前記層内マイクロレンズの上に形成されたオンチップレンズとを備え、
   前記屈折膜は、隣接する前記層内マイクロレンズの間の領域の下側に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記層内マイクロレンズと前記オンチップレンズとの間に形成された第２の層間膜と、
   前記第２の層間膜と前記オンチップレンズとの間に形成されたカラーフィルタと、
   前記屈折膜の下に形成された遮光膜とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記層内マイクロレンズ及び屈折膜は窒化膜であり、前記第１の層間膜及び第２の層間膜は酸化膜であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記層内マイクロレンズの底面の周縁部と前記屈折膜の上面とは同一の高さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
5. 前記屈折膜は前記第１の層間膜を貫通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
6. 前記屈折膜と前記遮光膜とは、互いに接していることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
7. 半導体基板の上部に受光部を形成する工程と、
   前記半導体基板の上に第１の層間膜を形成する工程と、
   前記第１の層間膜に屈折膜を形成する工程と、
   前記第１の層間膜の上に、前記受光部の上に位置するように層内マイクロレンズを形成する工程と、
   前記層内マイクロレンズ及び第１の層間膜の上に第２の層間膜を形成する工程と、
   前記第２の層間膜の上にカラーフィルタを形成する工程と、
   前記カラーフィルタの上に、前記層内マイクロレンズの上に位置するようにオンチップレンズを形成する工程とを備え、
   前記屈折膜は、隣接する前記層内マイクロレンズの間の領域の下側に配置されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。

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