JP4378108B2 - 光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダ等の画像入力装置に用いられる光電変換装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばデジタルカメラ、ビデオカメラ、イメージリーダ等の画像入力装置は、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサ、バイポーラトランジスタ型イメージセンサ、電界効果トランジスタ型イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の非ＣＣＤ型イメージセンサである光電変換装置を備えている。この種の画像入力装置では、光電変換装置によって光学的画像情報を電気信号に変換し、この変換された電気信号に各種の信号処理を施して表示部に画像を表示したり、情報記録媒体に画像情報を記録したりしている。
【０００３】
近年、高性能な光電変換装置を得るために、実際に光電変換を行う受光部である光電変換素子の受光面の面積（画素面積）を小さくして、より多数個の光電変換素子を配置するとともに、光電変換装置全体のチップサイズの小型化を図ることが要望されている。
【０００４】
画素の高密度化やチップの小型化を図った場合には、画素となる１つの光電変換素子が受光できる光量も受光面の面積の減少に伴って少なくなり、光電変換装置の受光感度を低下させてしまう不都合がある。
【０００５】
このような不都合を改善するために、従来の光電変換装置では、受光面上に設けられた保護膜によって平坦化された面上に、マイクロレンズを形成して、このマイクロレンズによって入射光を受光面上に集光して、受光感度の低下を抑制する構成が知られている。
【０００６】
一般的なマイクロレンズの製造方法は、平坦化された保護膜の表面上に、１つのレンズに対応した樹脂材からなるパターンを形成し、このパターンを加熱して溶融させた後、硬化させる工程を有している。この工程では、溶融された樹脂材の表面張力によって、入射光が入射する外方側に臨むパターンの上面が、凸状の曲面をなすことで、外方側に向かって凸状のレンズが形成される。
【０００７】
また一方で、光電変換装置では、画素間、すなわち隣接する光電変換素子間の素子分離領域を遮光するための遮光パターンを、素子分離領域に対応する位置に設ける必要がある。また、非ＣＣＤ型イメージセンサ等のように、半導体基板上に設けられる配線を介して電気信号の読み出しを行う場合には、配線数が比較的多いため、場合によっては素子分離領域上に、複数層の配線を設ける必要がある。
【０００８】
従来の光電変換装置の一例としては、マイクロレンズと光電変換素子の受光面との間に、他のレンズ（以下、層内レンズと称する。）が配設される構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１１０９５３号公報（図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような光電変換装置では、更なる受光面の微細化が進み、遮光膜や配線を構成するパターン層である各種薄膜が、光電変換素子の受光面に対応する位置に多数積層されて構成された場合、製造工程数が増加して、製造コストが嵩んでしまう問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、製造工程の簡素化を図り、製造コストを低減することができる光電変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明に係る光電変換装置は、複数の光電変換素子を有する半導体基板と、前記半導体基板上に配される第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に積層される、前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層によって一部を覆われる、前記光電変換素子に対応して開口部を有する第１の配線層と、前記光線変換素子に対応して配される、前記光電変換素子に対して凸型のレンズと、を有する光電変換装置において、
前記開口部内で前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層とが積層して形成された凹部界面を有し、
前記凹部界面によって、前記レンズの界面が構成される。
【００１３】
更なる本発明に係る光電変換装置は、複数の光電変換素子を有する半導体基板と、第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に配され、前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層によって覆われる、前記光電変換素子に対応して開口部を有する第１の配線層と、前記光電変換素子に対応して配される、前記光電変換素子に対して凸型のレンズと、を有する光電変換素子であって、
前記第１の絶縁層は、前記開口部に連続する凹部を有し、
前記凹部の界面は、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層とによって構成され、
前記凹部の界面によって、前記レンズの界面が構成される。
【００１５】
また、本発明に係る光電変換装置の製造方法は、複数の光電変換素子を有する半導体基板と、第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に配され、前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層によって表面が覆われる、前記光電変換素子に対応して開口部を有する第１の配線層と、前記光電変換素子に対応して配された、前記光電変換素子に対して凸型のレンズと、を有する光電変換装置の製造方法であって、
前記第１の配線層を前記第１の絶縁層上に設ける第１の工程と、
前記第１の配線層をマスクとして前記第１の絶縁層にエッチング処理を施し、前記第１の絶縁層に凹部を形成する第２の工程と、
前記第２の絶縁層を前記凹部に埋め込み、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との界面によって構成される前記レンズを形成する第３の工程と、を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。本発明は、隣接する光電変換素子間の領域上に形成されたパターン層が２層構造および３層構造の両方の場合に適用可能であるが、以下の説明ではパターン層が２層構造の場合を例に挙げて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態は光電変換装置の構成を示す模式図である。
【００１９】
図１に示すように、光電変換装置は、非ＣＣＤ型光電変換装置であって、複数の光電変換素子１１を有する半導体基板１と、この半導体基板１上に設けられた絶縁膜１０と、この絶縁膜１０上に設けられた第１のパターン層３と、この第１のパターン層３を覆う第１の絶縁層４と、この第１の絶縁層４上に設けられた第２のパターン層５と、この第２のパターン層５上に設けられ複数の層内レンズ６を形成する第２の絶縁層７と、この第２の絶縁層７上に設けられた複数のマイクロレンズ８とを備えている。
【００２０】
半導体基板１は、例えばシリコン基板によって形成されている。半導体基板１上には、隣接する各光電変換素子１１間に、素子分離領域１２がそれぞれ設けられている。
【００２１】
光電変換素子１１としては、例えば、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を有するフォトダイオードやフォトトランジスタ等が用いられており、このような半導体接合によって形成された空乏層に光が入射し、入射光によって光電変換が生じる。加えて、光電変換素子１１には、光信号を増幅するための増幅トランジスタ（不図示）などの能動素子が必要に応じて形成される。素子分離領域１２は、選択酸化によるフィールド酸化膜と接合分離のための拡散層、または埋め込み素子分離法等により形成された領域であり、遮光膜により遮光されていることが好ましい。
【００２２】
第１および第２のパターン層３，５は、隣接する２つの光電変換素子１１間の素子分離領域１２に対応する位置にそれぞれ設けられており、入射光を光電変換素子１１に入射させるための開口を有している。
【００２３】
第１および第２のパターン層３，５は、後工程で成膜される各絶縁層４，７に凹凸の面を形成できるものであれば、いかなる材料からなるものでもよいが、配線や遮光膜を兼ねることが可能なように、半導体や金属等の導電性材料を用いるのが好ましい。また、第１のパターン層３は、例えば高融点金属材料によって形成されている。具体的には、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、あるいはこれらを主成分とする合金からなる金属膜から形成されることが望ましい。
【００２４】
第１の絶縁層４を形成する材料としては、光電変換素子１１にて吸収され、電気信号に変換される入射光を透過させる透過性を有する材料であればよい。例えばイメージセンサの多くは、可視光または赤外光の検出用なので、これらの光に対して透明な材料であればよく、一般的に電気的絶縁層または保護層として用いられる無機絶縁体や有機絶縁体が好ましく用いられる。具体的には、例えば、酸化シリコンあるいはこれにリン、ホウ素、窒素、フッ素等とドープしたものや、窒化シリコン、アクリル樹脂等が挙げられる。
【００２５】
また、第１および第２の絶縁層４，７は、第１の絶縁層４の屈折率をｎ１、第２の絶縁層７の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＜ｎ２の関係を満足するような材料によって形成されている。
【００２６】
層内レンズ６は、光電変換素子１１の受光面とマイクロレンズ８との間の光路中に配置されている。層内レンズ６は、第１の絶縁層４に設けられた凹部４ａと、第２のパターン層５の開口とに跨って形成された第２の絶縁層７によって、光電変換素子１２側に向かって凸状に形成されており、シリンドリカルレンズの形状をなしている。すなわち、層内レンズ６は、第１の絶縁層４の凹部４ａの底面によって、界面が形成されている。したがって、層内レンズ６は、第１の絶縁層４と第２の絶縁層７の屈折率を互いに異ならせることにより、外方からの入射光の光路を調整することができる。
【００２７】
ここで、層内レンズ６が外方から入射した入射光を集光する集光作用について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図３は、層内レンズを備えていない参考例の光電変換装置の一例を模式的に示す断面図である。この光電変換装置は、層内レンズを備えていない点を除いて、本実施形態の光電変換装置と構成がほぼ等しいので、簡単に説明する。
【００２９】
光電変換装置は、図３に示すように、複数の光電変換素子６１を有する半導体基板５１と、この半導体基板５１上に設けられた絶縁膜６０と、この絶縁膜６０上に設けられた第１のパターン層５３と、この第１のパターン層５３を覆う第１の絶縁層５４と、この第１の絶縁層５４上に設けられた第２のパターン層５５と、この第２のパターン層５５上に設けられた絶縁層５７と、この第２の絶縁層５７上に設けられた複数のマイクロレンズ５８とを備えている。
【００３０】
この光電変換装置では、外方からの入射光Ｃ２，Ｃ３が、マイクロレンズ５８によって屈折され、光電変換素子６１に向かうが、金属配線等をなす第１のパターン層５３によって遮られる。そして、第１のパターン層５３で反射された反射光は、第１の絶縁層５４内を多重反射して迷光となり、ノイズの原因となることもある。したがって、光電変換素子６１の受光面には、受光面に直交する光軸に平行な垂直に近い入射光が到達し、光軸に対して傾斜された入射光が受光面に入射しないという不都合がある。
【００３１】
図２は、層内レンズ６を備えている本発明に係る実施形態の光電変換装置の集光作用を模式的に示す縦断面図である。
【００３２】
一方で、本実施形態の光電変換装置では、第１の絶縁層４の屈折率が、第２の絶縁層７の屈折率よりも小さいので、図２に示すように、上述した入射光Ｃ２，Ｃ３とほぼ等しい入射方向からの入射光Ｃ１が、マイクロレンズ８によって屈折された後に、第２の絶縁層７によって形成された層内レンズ８によって集光される。
【００３３】
したがって、本実施形態の光電変換装置によれば、図２に示した参考例の光電変換装置の構成では受光面に到達されなかった入射光Ｃ１も光路中に配置された層内レンズ６の集光作用によって光電変換素子１１の受光面に到達させることが可能になり、集光効率が向上される。
【００３４】
以上のように構成された光電変換装置の製造方法について、各製造工程を、図４〜図８を参照して説明する。
【００３５】
まず、図４に示すような例えばシリコンウェハ等の半導体基板を用意して、この半導体基板１上に、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation Of Silicon）法等によって素子分離領域１２を形成する。
【００３６】
次に、フォトレジストパターンを形成して、イオン注入、熱処理を行い、フォトダイオードのカソードまたはアノードになる拡散層を形成する。加えて、光信号を増幅するための増幅トランジスタ（付図示）などの能動素子を必要に応じて形成する。そして、光電変換素子１１および素子分離領域１２を覆う絶縁膜１０を、熱酸化、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法、塗布法等によって形成する。
【００３７】
次に、例えばＡｌ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｔｉ，あるいはこれらを主成分とする合金からなる金属膜をスパッタリング法やＣＶＤ法により形成し、光電変換素子の受光面に対応する部分をエッチング処理によって除去して、所定のパターンをなす第１のパターン層３を形成する。
【００３８】
続いて、ＣＶＤ法によってリンおよびボロンの少なくとも一方がドープされた酸化シリコンからなる屈折率１．４０〜１．４６程度の第１の絶縁層４を堆積し、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）処理により表面の平坦化を行う。
【００３９】
再び、例えばＡＬ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｔｉ、あるいはこれらを主成分とする合金の金属膜をなす第２のパターン層５をスパッタリング法やＣＶＤ法により形成し、第２のパターン層５上にフォトレジスト１４を塗布する。
【００４０】
図５に示すように、光電変換素子１１の受光面に対応する位置のフォトレジスト１４部分を現像によって除去し、第２のパターン層５をなす金属膜をエッチング処理し、光電変換素子１１に対応する開口を有する第２のパターン層５を形成する。
【００４１】
次いで、図６に示すように、第２のパターン層５を形成後、残ったフォトレジスト１４を再びマスクとして利用し、等方性エッチングを施すことによって、第１の絶縁層４に、底面が所望の曲率を為す凹部４ａを形成する。即ち、第１の絶縁層４には、第２のパターン層５の開口に連続する凹部４ａが形成され、この凹部４ａの底部によって層内レンズ６の界面が構成される。この等方性エッチングの条件は、ＣＨＦ₃、ＣＦ₄等のフルオロカーボンガスやＮＦ₃ガスを用いる。
【００４２】
次いで、図７に示すように、例えば窒化シリコン膜等の第１の絶縁層４よりも屈折率が大きい第２の絶縁層７を、凹部４ａ内および第２のパターン層５を覆うように堆積させる。堆積させる第２の絶縁層７としては、ＣＶＤ法により窒化シリコン（屈折率２．０）または窒化酸化シリコン（屈折率１．４〜２．０）の中から屈折率が１．４６より大きな絶縁層が好ましい。また、このとき、ＳＯＧ（Spin On Glass）膜を用いることで、第２の絶縁層７の平坦性が向上し、後工程の形成を容易にすることができる。
【００４３】
続いて、ＣＭＰ処理を施し、第２の絶縁層７の上面を平坦化する。その後、第２の絶縁層７上に平坦化保護膜を形成した後、図８に示すように、マイクロレンズ８をそれぞれ形成する。なお、図示しないが、必要に応じてマイクロレンズ８と層内レンズ６の間には、カラーフィルタが配置されてもよい。
【００４４】
上述したように、本実施形態の光電変換装置および光電変換装置の製造方法によれば、第２のパターン層５を形成後、残ったフォトレジスト１４を再びマスクとして利用し、等方性エッチングを施すことによって第１の絶縁層４に凹部４ａを形成し、この凹部４ａの底面を界面とする層内レンズ６を形成することによって、光電変換装置の製造工程の簡素化が図られ、製造コストを低減することができる。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、レンズの形成工程を短縮することができる。したがって、本発明によれば、製造工程の簡素化を図り、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の光電変換装置を模式的に示す縦断面図である。
【図２】層内レンズを備えている本発明に係る実施形態の光電変換装置の集光作用を模式的に示す縦断面図である。
【図３】層内レンズを備えていない参考例の光電変換装置の集光作用を模式的に示す縦断面図である。
【図４】本発明の光電変換装置の製造工程を説明するために模式的に示す縦断面図である。
【図５】前記光電変換装置の製造工程を説明するために模式的に示す縦断面図である。
【図６】前記光電変換装置の製造工程を説明するために模式的に示す縦断面図である。
【図７】前記光電変換装置の製造工程を説明するために模式的に示す縦断面図である。
【図８】前記光電変換装置の製造工程を説明するために模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
３ 第１のパターン層
４ 第１の絶縁層
４ａ 凹部
５ 第２のパターン層
６ 層内レンズ
７ 第２の絶縁層
８ マイクロレンズ
１０ 絶縁膜
１１ 光電変換素子
１２ 素子分離領域
１４ フォトレジスト

Claims (8)

1. 複数の光電変換素子を有する半導体基板と、
   前記半導体基板上に配される第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層上に積層される、前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層と、
   前記第２の絶縁層によって一部を覆われる、前記光電変換素子に対応して開口部を有する第１の配線層と、
   前記光線変換素子に対応して配される、前記光電変換素子に対して凸型のレンズと、を有する光電変換装置において、
   前記開口部内で前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層とが積層して形成された凹部界面を有し、
   前記凹部界面によって、前記レンズの界面が構成されることを特徴とする光電変換装置。
2. 複数の光電変換素子を有する半導体基板と、
   第１の絶縁層と、
   該第１の絶縁層上に配され、前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層によって覆われる、前記光電変換素子に対応して開口部を有する第１の配線層と、
   前記光電変換素子に対応して配される、前記光電変換素子に対して凸型のレンズと、を有する光電変換素子であって、
   前記第１の絶縁層は、前記開口部に連続する凹部を有し、
   前記凹部の界面は、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層とによって構成され、
   前記凹部の界面によって、前記レンズの界面が構成されることを特徴とする光電変換装置。
3. 前記第１の配線層は、前記複数の配線層の中で、前記光電変換素子から最も離れて配される配線層であることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記レンズよりも上にマイクロレンズが設けられた請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記レンズは、シリンドリカルレンズの形状をなす請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 複数の光電変換素子を有する半導体基板と、
   第１の絶縁層と、
   該第１の絶縁層上に配され、前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層によって表面が覆われる、前記光電変換素子に対応して開口部を有する第１の配線層と、
   前記光電変換素子に対応して配された、前記光電変換素子に対して凸型のレンズと、を有する光電変換装置の製造方法であって、
   前記第１の配線層を前記第１の絶縁層上に設ける第１の工程と、
   前記第１の配線層をマスクとして前記第１の絶縁層にエッチング処理を施し、前記第１の絶縁層に凹部を形成する第２の工程と、
   前記第２の絶縁層を前記凹部に埋め込み、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との界面によって構成される前記レンズを形成する第３の工程と、
   を有する光電変換装置の製造方法。
7. 前記エッチング処理は、等方性エッチング処理である請求項６に記載の光電変換装置の製造方法。
8. 半導体基板に複数の光電変換素子を形成する工程と、
   前記複数の光電変換素子の上部に第１の絶縁層を形成する工程と、
   前記第１の絶縁層上に、前記光電変換素子に対応した開口部を有する第１の配線層を形成する工程と、
   前記第１の配線層を形成する工程の後に、前記第１の絶縁層にエッチング処理を施し、前記開口部に連続する凹部を前記第１の絶縁層に形成する工程と、
   前記第１の絶縁層よりも屈折率が大きい第２の絶縁層を前記凹部に埋め込み、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との界面によって構成される、前記光電変換素子に対応して配された、前記光電変換素子に対して凸型のレンズを形成する工程と、を有する光電変換装置の製造方法。

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