JP2012227474A - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板21と、半導体基板21上に形成され、画素領域3に相当する上面が周辺回路領域5に相当する上面より低い下地層(25)と、下地層(25)の画素領域3に相当する上面に二次元配置された複数のカラーフィルタ27と、各カラーフィルタ27間に配された隔壁29とを備え、下地層(25)における画素領域3に相当する上面に対して直交する断面において、周辺回路領域5に接する外側部分(9)に配されている隔壁29の占有面積が、画素領域3の中央部分(11)に配されている隔壁29の占有面積よりも小さい。
【選択図】図2
Description
特許文献1に記載の固体撮像装置900は、受光部901の上に平坦化層903が形成され、受光部901の上方に形成されたフィルタ907〜910が有機ケイ素材料層904によって分割された構成を有する。つまり、各受光部901に対応したフィルタ907〜910間に有機ケイ素材料層904である隔壁が配されている。
<第1の実施の形態>
本実施の形態に係る固体撮像装置1は、半導体基板21と、半導体基板21上に形成され、画素領域3に相当する上面が周辺回路領域5に相当する上面より低い下地層である配線層25と、下地層である配線層25の画素領域3に相当する上面に二次元配置された複数のカラーフィルタ27と、各カラーフィルタ27間に配された隔壁29とを備え、下地層である配線層25における画素領域3に相当する上面に対して直交する断面において、周辺回路領域5に接する外側部分である無効画素領域9に配されている隔壁29の占有面積が、画素領域3の中央部分である有効画素領域11に配されている隔壁29の占有面積よりも小さい。
1.全体構成
図1は、第1の実施の形態に係る固体撮像装置1の平面図である。
画素領域3には複数の画素部7が2次元状に形成されている。画素領域3には、その外周部分の無効画素領域9と、無効画素領域9の内側部分の有効画素領域11とがある。
ここでは、複数の画素部7は画素領域3内を行列状に形成されている。
2.各構成
(1)半導体基板
半導体基板21は、例えばシリコン基板が利用され、各画素部7に対応して受光部23であるフォトダイオードPDが形成されている。固体撮像装置1が、所謂、CMOSタイプである場合、さらに、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等を有する。
(2)配線層
配線層25は、各画素部7と周辺回路(図示省略)とを電気的に接続する配線等が配されている。画素領域3の配線層25は第1層25aと第2層25bとの2層構造であり、周辺回路領域5の配線層25は第1層25aと第2層25bと第3層25cとの3層構造である。
各層25a,25b,25cは、例えば、絶縁膜32と、絶縁膜32内の配線34とを備え、必要がある場合には配線34用の拡散防止膜を備える。なお、配線34は金属配線である。このため、配線34は、フォトダイオードPDへの入射光を遮断しないように、隣接するフォトダイオードPD間に形成されている。
(3)カラーフィルタ
カラーフィルタ27は、フォトダイオードPDへの入射光を波長により選択する。カラーフィルタ27は、島状(各画素部に対応して個別に形成された状態である。)に形成されている。
(4)隔壁
隔壁29は、マイクロレンズ31やカラーフィルタ27から入射した光が、隣の画素部7に入射するのを防止する。
隔壁29は、カラーフィルタ27を構成する材料よりも屈折率が低い材料で構成されている。このため、カラーフィルタ27内を斜め方向に進行する光は、隔壁29の表面に達した際に反射する。
(5)マイクロレンズ
マイクロレンズ31は、上方から入射する光を対応する画素部7のフォトダイオードPDに集光させるものである。
3.実施例
(1)半導体基板および配線層
半導体基板21および配線層25は従来と同じ構成であり、簡単に説明する。
なお、半導体基板21に形成されている複数のフォトダイオードPDは、その間隔が1.8[μm]以下であり、セルサイズが1.4[μm]である。また、無効画素領域9は、有効画素領域11の外周に、少なくとも1つ画素部7が形成されておれば良く、ここでは10個の画素部7が形成されている。つまり、無効画素領域9の幅、換言すると、有効画素領域11と周辺回路領域5との距離は、15[μm]〜20[μm]である。
(2)層間絶縁膜、パッド配線、保護膜
層間絶縁膜33は、例えばシリコン酸化膜であり、その膜厚は、50[nm]〜400[nm]である。パッド配線35は、例えばアルミニウム線であり、その膜厚は、200[nm]〜800[nm]である。保護膜37は、例えばシリコン酸化膜であり、その膜厚は400[nm]〜1100[nm]である。
(3)カラーフィルタ
カラーフィルタ27は、ここでは、赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類あり、例えば、ベイヤー配列されている。各色用のカラーフィルタ27は、例えば各色用の顔料がアクリル樹脂材料に混入されてなる。この場合のカラーフィルタ27の屈折率は、1.5〜1.7である。カラーフィルタ27の膜厚は300[nm]〜1000[nm]である。
(4)隔壁
隔壁29は、例えば酸化シリカを含有するアクリル樹脂を利用している。隔壁29としての高さは300[nm]〜1000[nm]で、幅は50[nm]〜500[nm]である。アクリル樹脂を利用した場合、屈折率は、1.5以下である。
(5)効果
画素領域3内の隔壁29の幅の相違より、後述の理由により、カラーフィルタ27の膜厚を均一にできる効果が得られる。
4.製造方法
図3〜図5は、本実施の形態に係る固体撮像装置1の製造方法を説明する断面図である。なお、ここでの説明は、上記の実施例で説明した固体撮像装置1の製造方法に関するものであり、本発明の製造方法の一例である。
(a)図3の(a)に示すように、シリコン基板等に複数のフォトダイオードPD等を形成してなる半導体基板21の上面に配線層25を積層(形成)し、その後、層間絶縁膜33、パッド配線35、保護膜37を形成する。
(b)図3の(b)に示すように、配線層25上の画素領域3には隔壁29の材料である酸化シリカが混入されたアクリル樹脂の媒質を有する隔壁成形用材料51を塗布する。隔壁成形用材料51の塗布は、例えば回転塗布(スピンコート)により行われる。なお、アクリル樹脂は、アルカリ現象により溶解するポジ型感光性樹脂である。
(c)図3の(c)に示すように、配線層25上に塗布された隔壁成形用材料51に対して、隔壁(29)に相当する部分以外が開口するマスク(ネガフィルム)53を設けた状態で露光・現像を行う。これにより、図4の(a)に示すように、マスクの開口に対応した部分の隔壁成形用材料51を除去することで、隔壁29が形成される。
(d)図4の(b)に示すように、カラーフィルタ用の顔料入りアクリル樹脂(フィルタ成形用材料ともいう。)55を配線層25の画素領域3および保護膜37の上面に塗布する。なお、顔料は各色に対応したものである。
(e)図5の(a)に示すように、各色に合わせて塗布されたアクリル樹脂55を所定の隔壁29間に配置する(形成する)。具体的には、各色の対応する位置以外が開口するマスクを用いて、露光・現像を行うことで実施できる(図示等省略)。
(f)図5の(b)に示すように、最後に、カラーフィルタ27および隔壁29の上面にマイクロレンズ31を形成する。これにより、上記実施例で説明した固体撮像装置1を製造することができる。
5.その他
本実施の形態では、隔壁29に感光性を有する樹脂により形成していたが、例えば、感光性を有しない、所謂、非感光性材料を用いて形成する場合には、例えば、ドライエッチング等により所定の形状・大きさに形成することができる。
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態では、隔壁29を樹脂材料(55)により構成し、さらに、隔壁29は、有効画素領域11と無効画素領域9とで横断面での幅が異なっている。
図6は、第2の実施の形態に係る固体撮像装置101において図1のA部に相当する部分の拡大図であり、(a)はマイクロレンズを取り外した状態での平面図であり、(b)は断面図である。
固体撮像装置101は、第1の実施の形態と同様の半導体基板21と、半導体基板の上面に形成された配線層25を有している。
<第3の実施の形態>
第1および第2の実施の形態では、半導体基板21の受光部23の上方には配線層25が配されていたが、マイクロレンズに入射した光のフォトダイオードへの光伝播効率を高めるために、配線層におけるフォトダイオードの上方に位置する部分に、配線層の層間絶縁膜よりも高屈折率の材料からなるコア部を持つ光導波路を備えた構成としても良い。
図7は、第3の実施の形態に係る固体撮像装置201の1画素部を拡大した図である。
固体撮像装置201は、半導体基板21上に配線層203を有する。配線層203は、画素領域3において第1層203aと第2層203bとを有する2層構造を有し、各層203a,203bは、絶縁膜205、配線207、拡散防止膜209を備える。
配線層203におけるフォトダイオードPD上には導波路用の凹部211が形成されている。
<変形例>
上記第1から第3の実施の形態では、代表的な形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されることはなく、例えば以下のような形態でもあっても良い。
1.配線層
実施の形態における配線層は、画素領域では2層であり、周辺回路領域では3層であったが、半導体基板のサイズ、1画素のサイズ等により適宜決定しても良い。つまり、配線するスペースに余裕がある場合は、画素領域および周辺回路領域を2層構造にしても良い(但し、この場合、画素領域と周辺回路領域との段差が小さくなり、カラーフィルタの膜厚ムラは小さくなる。)。1画素のサイズが小さく画素間に配線スペースがない場合は、画素領域を3層以上の多層構造としても良い。なお、配線層の材料等は、実施の形態で説明した以外の材料を用いても良い。
2.層間絶縁膜および保護膜
第1の実施の形態では、層間絶縁膜および保護膜は同じ材料、つまり、シリコン酸化膜で構成していたが、それぞれ別の材料で構成しても良い。例えば、層間絶縁膜をシリコン酸化膜、保護膜をシリコン酸窒化膜でそれぞれ構成しても良いし、層間絶縁膜をシリコン酸窒化膜、保護膜をシリコン酸化膜でそれぞれ構成しても良い。
3.隔壁
(1)材料
第1の実施の形態では、隔壁を構成する有機材料として、感光性樹脂であるアクリル樹脂を利用したが、他の有機材料により構成しても良い。他の有機材料は、例えば、酸化シリカ、フッ素を含有した有機高分子樹脂でも良く、高分子樹脂としては、例えば、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂等がある。なお、これらの材料の屈折率が1.5より低い。
(2)層数
第1および第2の実施の形態では、隔壁29,105は単層構造であり、第3の実施の形態では、隔壁235は下層部237と上層部239との2層構造(下層部237の上面を改質する場合は、全体で3層構造ともいえる。)であったが、隔壁は3層以上の構成としても良い。例えば、下層部、中層部、上層部の3層構造とし、中層部を反射層としても良い。また、下層部から上層部に移るに従って屈折率が高くなるようにしても良い。逆に、下層部から上層部に移るに従って屈折率が低くなるようにし、その中間層で反射面(反射層)を設けるようにしても良い。
(3)形状
第1および第2の実施の形態では、隔壁の横断面形状が長方形状をし、第3の実施の形態では台形状をしていたが、隔壁の横断面形状は他の形状であっても良い。他の断面形状としては、三角形状、長円を半分にした形状等がある。
(4)大きさ
第1の実施の形態における無効画素領域9の隔壁29は、横断面形状が同じ形状であり、また、同じ大きさであった。しかしながら、無効画素領域の隔壁は、横断面において、占有面積が有効画素領域の隔壁の占有面積よりも小さければ良く、その形状・大きさが同じである必要はない。
図8は、変形例1に係る固体撮像装置301の断面図であり、図9は、変形例2に係る固体撮像装置351の断面図である。
各カラーフィルタ357と隔壁359上にはマイクロレンズ361が、ダミーフィルタ367とダミー隔壁369上にはダミーのマイクロレンズ371が形成されている。なお、ダミーのマイクロレンズ371は、マイクロレンズ361と同じ大きさ・材料・工程で形成される。
(5)ピッチ
各実施の形態および上記の変形例では、隣接する隔壁のピッチは同じであったが、例えば、周辺回路領域5に近づくに従って隔壁のピッチを大きくしても良い。このようにしても、カラーフィルタを成形するためのフィルタ成形用材料の貯留する空間が周辺回路領域5に近づくに従って大きくできる。
(6)その他
図10は、変形例3に係る固体撮像装置401の断面図である。
4.画素領域
実施の形態等では、画素部が2次元配置、例えば、行列状に配置されている。無効画素領域の幅等について詳細に説明していなかったが、無効画素領域の幅は、行方向、列方向とも同じであっても良いし、行方向・列方向のどちらかが長くでも良い。
5.固体撮像装置
実施の形態では、所謂CMOSタイプであったが、CCDタイプでも良いし、さらには、光電変換膜を上部・下部電極で挟むようにして受光部を構成したものであっても良い。
6.その他
(1)下地層
本発明に係る下地層は、カラーフィルタおよび隔壁を形成している、カラーフィルタおよび隔壁の下地に存する層をいい、実施の形態等で説明した配線層25、絶縁層215が相当する。
(2)画素領域
本発明に係る画素領域は、必ずしも領域内すべての範囲に受光部を有する必要はない。画素領域のすべての範囲に受光部が形成されている一例が第1の実施の形態である。また、画素領域のすべての範囲に受光部が形成されていない一例が変形例2である。
(3)占有面積
本発明に係る占有面積は、隔壁を含んだ所定の範囲の面積における当該隔壁の面積をいう。所定の範囲は、外側部分の隔壁の面積が一定の場合(この一例が第1の実施の形態である。)は、少なくとも隔壁が1個含まれる領域であれば良い。
3 画素領域
5 周辺回路領域
21 半導体基板
23 受光部
25 配線層
27 カラーフィルタ
29 隔壁
Claims (9)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、画素領域に相当する上面が周辺回路領域に相当する上面より低い下地層と、
前記下地層の前記画素領域に相当する上面に二次元配置された複数のカラーフィルタと、
前記各カラーフィルタ間に配された隔壁と
を備え、
前記下地層における前記画素領域に相当する上面に対して直交する断面において、前記周辺回路領域に接する外側部分に配されている隔壁の占有面積が、前記画素領域の中央部分に配されている隔壁の占有面積よりも小さい
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記断面において、前記外側部分の隔壁面積は、前記中央部分の隔壁面積よりも小さい
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記隔壁は、前記下地層における前記画素領域に相当する上面に立設し、
前記断面において、前記外側部分の隔壁の立設幅は、前記中央部分の隔壁の立設幅よりも狭い
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記隔壁は、前記下地層における前記画素領域に相当する上面に立設し、
前記断面において、前記外側部分の隔壁の立設高さは、前記中央部分の隔壁の立設高さよりも低い
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記断面において、前記外側部分の隔壁面積は、前記周辺回路領域に近づくに従って小さくなる
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、画素領域に相当する上面が周辺回路領域に相当する上面より低い下地層と、
前記下地層の前記画素領域に相当する上面に二次元配置された複数のカラーフィルタと、
前記周辺回路領域に接する外側部分を除いた中央部分に存する各カラーフィルタ間に配された隔壁と
を備える
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記外側部分は、前記周辺回路領域に沿って延伸し、その幅が、1μm以上、100μm以下の範囲である
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の固体撮像装置。 - 画素領域に相当する上面が周辺回路領域に相当する上面より低い構成の下地層の前記画素領域に相当する上面に二次元配置された複数のカラーフィルタと隔壁とを有する固体撮像装置の製造方法において、
前記下地層における前記画素領域に相当する上面に対して直交する断面において、前記周辺回路領域に接する外側部分に配される隔壁の占有面積が、前記画素領域の中央部分に配される隔壁の占有面積よりも小さい状態に、前記隔壁を形成する隔壁形成工程と、
前記隔壁間にカラーフィルタを形成するフィルタ形成工程と
を含む
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 画素領域に相当する上面が周辺回路領域に相当する上面より低い構成の下地層の前記画素領域に相当する上面に二次元配置された複数のカラーフィルタと隔壁とを有する固体撮像装置の製造方法において、
前記周辺回路領域に接する外側部分を除いた中央部分に複数の隔壁を形成する隔壁形成工程と、
前記外側部分と前記中央部分の各隔壁間とにカラーフィルタを形成するフィルタ形成工程とを含む
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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