JP3485304B2

JP3485304B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3485304B2
Application number: JP2000000376A
Authority: JP
Inventors: 孝行 ▲吉▼上; 吉和茶谷; 澄雄寺川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-01-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2004-01-13
Anticipated expiration: 2020-01-05
Also published as: JP2001189440A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像装置においては、光学シ
ステム系の小型化および高解像度化を図るため画素の微
細化が進められるているが、これに伴って、一画素当た
りの光照射量の減少に起因した感度低下が問題となって
いる。

【０００３】上記問題を解決するため、各画素にオンチ
ップレンズを設けることにより、受光部への集光率を向
上させる方法が提案されている。図４は、このような固
体撮像装置の構造を示す断面図である。この固体撮像装
置においては、半導体基板２１内に形成されたウェル２
２内に、受光部２３および電荷転送部２４が形成されて
おり、電荷転送部２４上には絶縁膜２５を介して転送電
極２６が形成されている。半導体基板２１上方には、第
１の層間絶縁膜２７、遮光膜２８、第２の層間絶縁膜２
９、パッシベーション膜３０、平坦化膜３４およびカラ
ーフィルタ３５がこの順序で積層され、カラーフィルタ
３５上にオンチップレンズ３６が形成されている。オン
チップレンズ３６は、入射光を受光部２３に集光できる
ように設計された凸レンズである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記固
体撮像装置においては、オンチップレンズ３６に入射し
た光については受光部に集光することができるものの、
オンチップレンズ３６同士の間隙に入射した光３７につ
いては集光することができない。このことが、集光率の
更なる向上を図るうえで問題となっていた。

【０００５】本発明は、集光率を向上させた高感度の固
体撮像装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、前記半導
体基板内に形成された受光部と、前記半導体基板の上方
に形成された光導波膜と、前記光導波膜の上方に、前記
受光部の各々に対応させて形成されたオンチップレンズ
とを備え、前記光導波膜が、前記半導体基板側から順に
第１層、第２層および第３層が積層してなる多層膜であ
り、前記第１層および前記第３層が前記第２層よりも高
い屈折率を有し、前記第１層が少なくとも前記受光部に
対応する部分に開口部を有し、前記オンチップレンズに
入射した光は、このレンズによって前記受光部に集光さ
れ、前記オンチップレンズの形成されていない領域に入
射した光は、前記光導波膜に入射し、この光導波膜によ
って受光部へ導かれる。

【０００７】このような構成にすることにより、第３層
が第２層よりも高い屈折率を有するため、第３層から第
２層に入射する光を、受光部の方向に屈折させることが
できるため、受光部への集光率を向上させ、固体撮像装
置の感度を向上させることができる。

【０００８】前記固体撮像装置においては、更に、前記
半導体基板内に形成された電荷転送部と、前記電荷転送
部を覆い且つ前記受光部の少なくとも一部を覆わないよ
うに前記半導体基板の上方に形成された遮光膜とを備え
た構造とし、前記光導波膜を、前記遮光膜の上方に形成
することができる。

【０００９】また、前記固体撮像装置においては、前記
第３層が、前記受光部に対応する部分に開口部を有して
いることが好ましい。受光部上方において、前記第３層
とその上に形成された膜との界面で光が反射することを
回避できるため、集光率をより確実に向上させることが
できるからである。

【００１０】また、前記固体撮像装置においては、前記
第１層に形成された開口部が、前記第３層に形成された
開口部よりも大きいことが好ましい。

【００１１】また、前記固体撮像装置においては、前記
第１層および前記第３層がシリコン窒化膜またはシリコ
ン窒化酸化膜であり、前記第２層がシリコン窒化酸化膜
またはシリコン酸化膜であることが好ましい。

【００１２】また、前記固体撮像装置においては、前記
第１層と前記第３層とが略平行に形成されていることが
好ましい。

【００１３】また、前記固体撮像装置においては、前記
第１層が、前記受光部の上方において、前記半導体基板
側に屈曲または湾曲していることが好ましい。光を、よ
り確実に受光部に導くことができるからである。

【００１４】また、前記固体撮像装置においては、前記
光導波膜が層間絶縁膜上に形成されており、前記層間絶
縁膜が前記受光部に対応する部分に凹部を有することが
好ましい。光導波膜を容易に屈曲または湾曲させること
ができるからである。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る固体撮像装
置の構造の一例を示す断面図である。

【００１６】この固体撮像装置においては、半導体基板
１のウェル２内に、光電変換を行うための受光部３と、
受光部３の光電変換で生じた電荷を転送するための電荷
転送部４とが互いに隣接するように形成されている。電
荷転送部４上には絶縁膜５を介して転送電極６が形成さ
れており、転送電極６を被覆するように第１の層間絶縁
膜７が形成されている。第１の層間絶縁膜７上には、遮
光膜８が形成されている。遮光膜８は、受光部３以外の
領域に入射する光を遮蔽する膜であり、転送電極６を被
覆し、且つ、受光部３に対応する部分に開口部を有して
いる。遮光膜８上には、第２の層間絶縁膜９が形成され
ている。第２の層間絶縁膜は、受光部３に対応する部分
に凹部を有している。第２の層間絶縁膜９上には、光導
波膜１０が形成されている。更に、光導波膜１０上に
は、平坦化膜１４、カラーフィルタ１５およびオンチッ
プレンズ１６がこの順序で形成されている。

【００１７】光導波膜１０を除く各構成部分について
は、従来から用いられているものと同様の構造および材
料を採用することができる。

【００１８】以下、光導波膜１０について説明する。光
導波膜１０は、第２の層間絶縁膜９上に、第１層１１、
第２層１２および第３層１３が順に積層されて構成され
ている。

【００１９】光導波膜１０の各層の屈折率は、第１層１
１および第３層１３の屈折率が、第２層１２の屈折率よ
りも高くなるように設定される。

【００２０】光導波膜１０の少なくとも一層は、水素を
含有する材料で構成されることが好ましい。光導波膜形
成後に加熱を伴う処理を実施されることにより、光導波
膜に含まれる水素が放出され、この水素で半導体基板表
面に存在するダングリングボンドを終端して暗電流発生
を抑制することができるからである。このような材料と
しては、プラズマ化学気相成長法（以下、「ＰＣＶＤ
法」という。）により形成されたシリコン窒化膜および
シリコン窒化酸化膜が挙げられる。

【００２１】また、光導波膜１０の少なくとも一層は、
比較的密度が高く、水などの不純物の拡散を抑制し得る
材料で構成されることが好ましい。光導波膜をパッシベ
ーション膜として利用することができるからである。こ
のような材料としては、シリコン窒化膜およびシリコン
窒化酸化膜が挙げられる。

【００２２】以上のことから、光導波膜１０の好ましい
形態としては、第１層１１および第３層１３をシリコン
窒化膜で構成し、第２層１２をシリコン窒化酸化膜また
はシリコン酸化膜で構成する形態と、第１層１１および
第３層１３をシリコン窒化酸化膜で構成し、第２層１２
をシリコン酸化膜で構成する形態とが挙げられる。

【００２３】この場合、第１層１１および第３層１３の
可視光域における屈折率は、例えば１．４６〜２．１の
範囲であり、好ましくは１．８〜２．０の範囲である。
また、第２層１２の可視光域における屈折率は、例えば
１．４６〜１．８の範囲であり、好ましくは１．４６〜
１．４７の範囲である。なお、第１層１１と第３層１３
とは、同じ屈折率である必要はない。

【００２４】また、第１層１１、第２層１２および第３
層１３を、全てシリコン窒化酸化膜で構成することも可
能である。この場合、第１層１１および第３層１３と、
第２層１２とで、シリコン窒化酸化膜におけるＳｉ−Ｎ
結合およびＳｉ−Ｏ結合の割合を相違させることによっ
て、屈折率を相違させることができる。なお、シリコン
窒化酸化膜においては、Ｓｉ−Ｎ結合の割合が多くなる
ほど屈折率は高くなり、Ｓｉ−Ｏ結合の割合が多くなる
ほど屈折率は低くなる。

【００２５】光導波膜の第１層１１には、受光部３に対
応する部分であって、遮光膜８に形成された開口部に対
応する部分に、開口部が形成されている。なお、第１層
１１の開口部は、特に限定するものではないが、遮光膜
８の開口部よりも小さいことが好ましい。

【００２６】また、光導波膜１０は、図１に示すよう
に、第２の層間絶縁膜９に形成された凹部の形状に沿っ
て、半導体基板側に屈曲または湾曲していることが好ま
しい。この場合、光導波膜１０における湾曲の曲率また
は屈曲の角度は、集光率の向上という点から、大きいほ
ど好ましい。

【００２７】次に、この固体撮像装置の製造方法の一例
について説明する。

【００２８】まず、ｎ型半導体基板１内に、ボロンなど
のｐ型不純物を注入し、ｐ型ウェル２を形成する。次
に、ｐ型ウェル２内に、リンなどのｎ型不純物を注入し
て、受光部３および電荷転送部４を形成する。半導体基
板１上に、熱酸化法によってシリコン酸化膜からなる絶
縁膜５を形成した後、化学気相成長法（以下、「ＣＶＤ
法」という。）によってポリシリコンを成膜し、これを
パターニングして転送電極６を形成する。次に、熱酸化
法またはＣＶＤ法によって、転送電極６を被覆するよう
に、シリコン酸化膜からなる第１の層間絶縁膜７を形成
する。第１の層間絶縁膜７上に、スパッタ法によってタ
ングステンまたはタングステンシリサイドを成膜し、こ
れをパターニングして、遮光膜８を形成する。

【００２９】続いて、ＣＶＤ法によって、遮光膜８を被
覆するようにＢＰＳＧを成膜し、第２の層間絶縁膜９と
する。このとき、転送電極に起因した段差が存在する表
面に成膜されるため、第２の層間絶縁膜９には受光部３
に対応する部分に凹部が形成される。次に、加熱による
リフロー処理によって、第２の層間絶縁膜９の凹部を曲
面に加工する。なお、凹部の曲面の曲率は、ＢＰＳＧの
ボロン濃度およびリン濃度、並びに、リフロー処理温度
および時間によって調整できる。

【００３０】次に、第２の層間絶縁膜９上に光導波膜１
０を形成する。まず、第１層１１を成膜し、第１層１１
上にフォトリソグラフィー法によってエッチングマスク
を形成した後、第１層１１をエッチングして開口部を形
成する。続いて、第１層１１上に第２層１２および第３
層１３を順次成膜する。なお、エッチングとしては、等
方性エッチングおよび異方性エッチングのいずれも採用
可能である。

【００３１】光導波膜１０を構成する各層の成膜方法と
しては、シリコン窒化膜を成膜する場合にはＰＣＶＤ法
が採用され、シリコン酸化膜を成膜する場合には減圧Ｃ
ＶＤ法が採用される。また、シリコン窒化酸化膜を成膜
する場合には、ＰＣＶＤ法が採用される。このとき、シ
リコン窒化酸化膜の屈折率の調整は、原料ガスであるＳ
ｉＨ₄、ＮＨ₃およびＮ₂Ｏの流量比を調整することによ
って実施される。例えば、ＳｉＨ₄の流量を一定とした
場合、Ｎ₂Ｏを増大させると屈折率が低下し、ＮＨ₃を増
大させると屈折率が増大する。

【００３２】光導波膜１０上にＣＶＤ法によってシリコ
ン酸化膜を形成し、その表面を化学機械研磨法によって
平坦化して平坦化膜１４とする。次に、平坦化膜１４上
に、カラーレジストを用いたフォトリソグラフィー法に
よってカラーフィルタ１５を形成した後、オンチップレ
ンズ１６を形成する。オンチップレンズ１６は、熱溶融
可能な樹脂を塗布し、これを各受光部に対応するように
分割した後、加熱によるリフロー処理を実施することに
よって形成できる。

【００３３】図２は、本発明の固体撮像装置の別の一例
を示す断面図である。なお、図１と図２においては、同
一部分には同一符号を付している。

【００３４】この固体撮像装置は、光導波膜１０の受光
部３に対応する部分において、第１層１１だけでなく、
第２層１２および第３層１３にも開口部が形成されてい
る点で、図１に示す固体撮像装置と相違する。第１層１
１の開口部は、第３層１３の開口部よりも大きくなるよ
うに設定される。なお、この固体撮像装置は、上記相違
点を除いては、図１に示す固体撮像装置と同様の構造を
有するものである。

【００３５】この固体撮像装置の製造する場合、光導波
膜１０は、次の２つの方法によって形成することができ
る。

【００３６】第１の方法は、各層の開口部を、それぞれ
別のエッチングマスクを用いて形成する方法である。ま
ず、第２の層間絶縁膜９上に第１層１１を成膜し、第１
層１１上にフォトリソグラフィー法によって第１のエッ
チングマスクを形成した後、第１層１１をエッチングす
る。続いて、第１層１１上に第２層１２を成膜し、第２
層１２上にフォトリソグラフィー法によって第２のエッ
チングマスクを形成した後、第２層１２をエッチングす
る。次に、第２層１２上に第３層１３を成膜し、第３層
１３上にフォトリソグラフィー法によって第３のエッチ
ングマスクを形成した後、第３層１３をエッチングす
る。なお、各層のエッチングは、特に限定するものでは
なく、等方性エッチングおよび異方性エッチングのいず
れも採用可能である。

【００３７】この場合、第１のエッチングマスクに形成
されるパターンと、第３のエッチングマスクに形成され
るパターンとを相違させることによって、第１層１１の
開口部を、第３層１３の開口部よりも大きく調整するこ
とができる。

【００３８】第２の方法は、各層の開口部を、同一のエ
ッチングマスクを用いて形成する方法である。まず、第
２の層間絶縁膜９上に、第１層１１、第２層１２および
第３層１３をこの順序で成膜する。次に、第３層１３上
にフォトリソグラフィー法によってエッチングマスクを
形成する。続いて、このエッチングマスクを用いて、第
３層１３、第２層１２および第１層１１をこの順序でエ
ッチングする。

【００３９】この場合、サイドエッチングを生じさせる
ことが可能なエッチングを採用することにより、第１層
１１の開口部を、第３層１３の開口部よりも大きく調整
することができる。このようなエッチングとしては、等
方性エッチングであるウェットエッチングを採用するこ
とが好ましい。また、異方性エッチングであるドライエ
ッチングを採用する場合は、被エッチング膜とその下に
存在する膜との間で選択性を十分に確保できるようなエ
ッチングガスを用い、被エッチング膜の膜厚分をちょう
どエッチングするよりも多めに処理すること、すなわち
オーバーエッチングを行えばよい。

【００４０】なお、この固体撮像装置を製造するにあた
って、光導波膜を構成する各層の成膜方法および光導波
膜を除く各構成部分の形成方法については、図１に示す
固体撮像装置を製造する場合と同様の方法を採用するこ
とができる。

【００４１】また、この固体撮像装置においては、光導
波膜の第２層１２が開口部を有しない構造とすることも
可能である。この場合、第２層１２の屈折率は、第２の
層間絶縁膜９および平坦化膜１４の少なくとも一方と実
質的に等しいことが好ましい。

【００４２】図１および図２においては、光導波膜が第
２の層間絶縁膜と平坦化膜との間に形成された形態を例
示したが、光導波膜の形成箇所は、遮光膜よりも上方で
あれば特に限定されるものではない。

【００４３】例えば、図３に示すように、光導波膜の第
２層が平坦化膜としての機能をも兼ねた構造とすること
も可能である。すなわち、受光部３に対応する部分に凹
部を有する第２の層間絶縁膜９上に第１層１１が形成さ
れ、第１層１１上に前記凹部を平坦化させるように第２
層１２が形成され、第２層１２の平坦な表面上に第３層
１３が形成された構造とすることできる。この場合、カ
ラーフィルタ１５は、第３層１３上に形成することがで
きる。

【００４４】また、図１〜図３においては、光導波膜の
少なくとも第１層が受光部上方で湾曲した形態を示した
が、第１層を平坦な形状とすることも可能である。

【００４５】本発明の固体撮像装置によれば、オンチッ
プレンズの形成されていない領域から入射した光１７ａ
は、第２層１２と第３層１３との界面で受光部の方向に
屈折する。更には、各層の屈折率次第では、第１層およ
び第３層中でも光の伝送が起こり得る。

【００４６】なお、上記のような光導波膜は、ＣＣＤ型
固体撮像装置だけでなく、画素内に受光部とＭＯＳトラ
ンジスタを含む増幅回路とを備えたＭＯＳ型固体撮像装
置に対しても適用可能である。この場合、光導波膜の形
成箇所は、光導波膜への光の入射が確保できる箇所であ
れば特に限定されるものではないが、画素内の増幅回路
を構成する配線用金属膜よりも上方に形成することが好
ましい。特に、配線用金属膜および受光部を被覆するよ
うに層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜の受光部に対
応する部分にフォトリソグラフィー法およびエッチング
により凹部を形成し、その上に光導波膜を形成すること
が好ましい。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
装置によれば、半導体基板と、前記半導体基板内に形成
された受光部と、前記半導体基板の上方に形成された光
導波膜と、前記光導波膜の上方に、前記受光部の各々に
対応させて形成されたオンチップレンズとを備え、前記
光導波膜が、前記半導体基板側から順に第１層、第２層
および第３層が積層してなる多層膜であり、前記第１層
および前記第３層が前記第２層よりも高い屈折率を有
し、前記第１層が少なくとも前記受光部に対応する部分
に開口部を有し、前記オンチップレンズに入射した光
は、このレンズによって前記受光部に集光され、前記オ
ンチップレンズの形成されていない領域に入射した光
は、前記光導波膜に入射し、この光導波膜によって受光
部へ導かれることにより、オンチップレンズから入射す
る光だけでなく、その他の部分から入射する光をも受光
部へ導くことができるため、受光部への集光率が向上
し、高感度となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の構造の一例を示
す断面図である。

【図２】本発明に係る固体撮像装置の構造の別の一例
を示す断面図である。

【図３】本発明に係る固体撮像装置の構造の別の一例
を示す断面図である。

【図４】従来の固体撮像装置の構造を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１、２１半導体基板２、２２ウェル３、２３受光部４、２４電荷転送部５、２５絶縁膜６、２６転送電極７、２７第１の層間絶縁膜８、２８遮光膜９、２９第２の層間絶縁膜１０光導波膜１１第１層１２第２層１３第３層１４、３４平坦化膜１５、３５カラーフィルタ１６、３６オンチップレンズ１７ａ、１７ｂ、３７入射光３０パッシベーション膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−189256（ＪＰ，Ａ) 特開平11−87673（ＪＰ，Ａ) 特開平６−204441（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/148 H04N 5/335

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、前記半導体基板内に形成
された受光部と、前記半導体基板の上方に形成された光
導波膜と、前記光導波膜の上方に、前記受光部の各々に
対応させて形成されたオンチップレンズとを備え、前記光導波膜が、前記半導体基板側から順に第１層、第
２層および第３層が積層してなる多層膜であり、前記第
１層および前記第３層が前記第２層よりも高い屈折率を
有し、前記第１層が少なくとも前記受光部に対応する部
分に開口部を有し、前記オンチップレンズに入射した光は、このレンズによ
って前記受光部に集光され、前記オンチップレンズの形成されていない領域に入射し
た光は、前記光導波膜に入射し、この光導波膜によって
受光部へ導かれる固体撮像装置。
【請求項２】更に、前記半導体基板内に形成された電
荷転送部と、前記電荷転送部を覆い且つ前記受光部の少
なくとも一部を覆わないように前記半導体基板の上方に
形成された遮光膜とを備え、前記光導波膜が、前記遮光
膜の上方に形成されている請求項1に記載の固体撮像装
置。
【請求項３】前記第３層が、前記受光部に対応する部
分に開口部を有している請求項１または２に記載の固体
撮像装置。
【請求項４】前記第１層に形成された開口部が、前記
第３層に形成された開口部よりも大きい請求項３に記載
の固体撮像装置。
【請求項５】前記第１層および前記第３層がシリコン
窒化膜またはシリコン窒化酸化膜であり、前記第２層が
シリコン窒化酸化膜またはシリコン酸化膜である請求項
１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】前記第１層と前記第３層とが略平行に形
成されている請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像
装置。
【請求項７】前記第１層が、前記受光部の上方におい
て、前記半導体基板側に屈曲または湾曲している請求項
１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】前記光導波膜が層間絶縁膜上に形成され
ており、前記層間絶縁膜が前記受光部に対応する部分に
凹部を有する請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像
装置。