JP4840850B2 - 固体撮像装置およびその製造方法、電子情報機器 - Google Patents

Description

本発明は、集光用のマイクロレンズを画素毎に備え、このマイクロレンズ上に反射防止膜が積層された固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

この種の従来の固体撮像装置には、画素毎の受光部上に光を集光させるための複数のマイクロレンズが設けられている。これを図４に示している。

図４は、マイクロレンズを備えた従来の一般的な固体撮像装置の概略構成例を示す要部縦断面図である。

図４において、従来の一般的な固体撮像装置１０は、その半導体基板１上に、画素毎に、光電変換領域である受光部２および電荷転送領域（図示せず）が並列して設けられている。この電荷転送領域上には、図示しないゲート絶縁膜を介して電荷転送電極３が設けられ、この電荷転送電極３上には、受光部２上を開口した遮光膜４が設けられている。これらのゲート絶縁膜および遮光膜４上に、層間絶縁膜である平坦化膜５が設けられ、この平坦化膜５上にカラーフィルタ６を介して各マイクロレンズ７がそれぞれ設けられている。

このように、一般的に、各受光部２に対向する位置に各マイクロレンズ７が設けられており、この各マイクロレンズ７は入射光を効率よく受光部２に集光させる機能を有している。このマイクロレンズ７の集光機能により、この受光部２の光電変換特性を向上させ、固体撮像装置１０の感度を高くすることができる。

近年、従来の固体撮像装置では、小型化や高画素化のために、受光部面積が縮小される傾向にあり、さらに集光効率を向上させる必要がある。この集光効率を向上させるために、マイクロレンズ７上に反射防止膜を形成し、入射光の反射損失を低減させる構造が、特許文献１に提案されている。

また、この反射防止膜の形成方法についても複数提案されている。例えば、特許文献２にはプラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ_２膜を、特許文献３には真空蒸着法またはスパッタ法などによってフッ化マグネシウム膜を、特許文献４にはＬＢ法または水面キャスト法によってフッ素含有樹脂膜を、特許文献５には真空蒸着法などによってフッ化アルミニウム膜を、反射防止膜として形成する方法がそれぞれ提案されている。さらに、特許文献６にも、マイクロレンズ７上への反射防止膜の形成方法について提案されている。
特開平４−２２３３７１号公報 特開平４−２２６０７３号公報 特開平４−２５９２５６号公報 特開平４−２７５４５９号公報 特開平１０−１５０１７９号公報 特開２０００−１９６０５２号公報

上記従来の構成では、固体撮像素子の小型化や高画素化のために、複数の受光部２を含めたユニットセルの面積を縮小する場合に、集光性能を低下させないように、マイクロレンズ７の底面７ａと受光部２との距離も縮小する必要がある。

しかしながら、図５に示すように、マイクロレンズ７上に反射防止膜８が積層された従来の固体撮像装置１０Ａでは、マイクロレンズ７間のギャップ部にも反射防止膜８が積層されている。この場合に、マイクロレンズ７上に積層された反射防止膜８のうち、略半球面部分が、実効的なマイクロレンズ７の上面の略半球面部分に対応して集光機能を果たしている。このため、マイクロレンズ７間のギャップ部に積層される反射防止膜８の膜厚増大分ｄだけ、実効的なマイクロレンズ７の底面７ａの位置に比べて受光部２との距離が遠くなっており、従来の固体撮像装置の小型化や高画素化において、集光性能の低下要因になっていた。

また、従来の反射防止膜８の形成技術では、隣り合う反射防止膜８の表面の略半球面周縁部が互いに接していないため、マイクロレンズ７上の反射防止膜８間の距離ｇ（マイクロレンズ７の半球面状の表面形状に沿って設けられた反射防止膜８の半球面周縁部と隣り合う半球面周縁部との平面視上の最小距離ｇ）としての実効的なマイクロレンズ７間の距離ｇが「０」とはならず（互いに接しておらず）、この無効領域（距離ｇに対応した半球面周縁部の膜厚増大分ｄ）をなくすることができない。このため、それ以上、集光性能の向上を図ることができないという問題を有していた。

上記問題を改善する技術が、上記特許文献６に提案されているが、この特許文献６においても、実効的なマイクロレンズ７間の距離ｇにおける膜厚増大分ｄは無くなっておらず、実効的なマイクロレンズ７間の距離ｇは「０」になっていない。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、マイクロレンズ上に反射防止膜を形成しても、実効的なマイクロレンズ底面と受光部との距離が、反射防止膜の形成前に形成したマイクロレンズの底面と受光部との距離よりも大きくなく、また、実効的なマイクロレンズ間の距離ｇを「０」にできて、集光性能を良好なものにすることができる固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、半導体基板上に複数の受光部が配列され、該複数の受光部上の平坦化膜上にカラーフィルタを介して、該受光部毎に対向したマイクロレンズが設けられた固体撮像装置において、該カラーフィルタは、該受光部に対向したカラーフィルタ領域毎に互いに分離した状態で設けられており、該マイクロレンズ、該カラーフィルタの側壁および該平坦化膜上に反射防止膜が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記平坦化膜直上の反射防止膜の少なくとも一部の表面高さｈ１が、前記平坦化膜の表面を基準にした前記マイクロレンズの底面高さｈ２以下である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記マイクロレンズの表面形状に沿って設けられた前記反射防止膜の半球面周縁部が、該マイクロレンズの底面と同じ高さ位置にあるかまたは該底面よりも下方位置にある。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における反射防止膜は、前記マイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の単層膜または多層膜である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における多層膜は、前記マイクロレンズから遠い方の膜ほど、該膜の屈折率が小さい。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記カラーフィルタの隣り合う側壁上端部間のギャップ幅ｗとその膜厚ｈ３は、ｗ＜ｈ３の関係を有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における反射防止膜の膜厚ｔは、該反射防止膜の屈折率をｎ、反射を防止したい光の波長をλとして、ｔ＝λ／（４ｎ）の関係を有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における反射防止膜の膜厚ｔは、前記カラーフィルタの隣り合う側壁上端部間のギャップ幅をｗとして、ｔ≦ｗ／２の関係を有する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるカラーフィルタの代わりに無色の透明膜が設けられている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記マイクロレンズの表面形状に沿って設けられた前記反射防止膜の半球面周縁部と、該半球面周縁部と隣り合う半球面周縁部との平面視上の最小距離ｇが０である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像装置またはＭＯＳ型固体撮像装置である。

本発明の固体撮像装置の製造方法は、半導体基板上に、複数の画素部の画素部毎に所定領域に選択的に不純物イオンを注入して並列して光電変換領域である受光部および電荷転送領域をそれぞれ形成する工程と、該電荷転送領域上に第１絶縁膜を形成した後にその上に電荷転送電極を形成する工程と、該電荷転送電極上に第２絶縁膜を形成した後にその上に、該受光部上を開口した遮光膜を形成する工程と、これらの該第１絶縁膜または該第２絶縁膜および、遮光膜上に層間絶縁膜である平坦化膜を形成する工程と、該平坦化膜上に、該受光部に対向したカラーフィルタ領域毎に互いに分離するように各カラーフィルタを形成する工程と、該各カラーフィルタ上にそれぞれ各マイクロレンズをそれぞれ形成する工程と、該平坦化膜および該各マイクロレンズ上に反射防止膜を形成する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、受光部に対向したカラーフィルタ領域毎に互いに分離した状態でカラーフィルタ（複数のカラーフィルタ小領域）が設けられている。
これによって、マイクロレンズ、カラーフィルタの側壁および平坦化膜上に反射防止膜を形成する場合に、実効的なマイクロレンズの底面と受光部との距離が、反射防止膜によって、反射防止膜の形成前に形成したマイクロレンズの底面と受光部との距離よりも大きくなるように影響を受けておらず、また、各マイクロレンズ上の反射防止膜間の距離ｇ（マイクロレンズの半球面状の表面形状に沿って設けられた反射防止膜の半球面周縁部と隣り合う半球面周縁部との平面視上の最小距離ｇ）としての実効的なマイクロレンズ間の距離ｇを「０」にできて（互いに接するようにできて）、集光性能を良好なものにすることが可能となる。

以上により、本発明によれば、隣り合うカラーフィルタ同士が直接接しない分離構造にしたため、マイクロレンズ上に反射防止膜を形成した場合に、実効的なマイクロレンズの底面と受光部との距離が、反射防止膜によって、反射防止膜の形成前に形成したマイクロレンズの底面と受光部との距離よりも大きくなるように影響を受けておらず、また、実効的なマイクロレンズ間の距離ｇを「０」にできて、集光性能を高めて良好なものにすることができ、固体撮像装置の感度をより高くすることができる。

以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態をＣＣＤ型固体撮像装置に適用した場合について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の固体撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像装置に限らず、ＭＯＳ型固体撮像装置にも適用することができる。

図１は、本発明による実施形態である固体撮像装置の概略構成例を示す要部縦断面図である。

図１において、本実施形態の固体撮像装置２０は、半導体基板１上に、画素毎に並列して設けられた光電変換領域である受光部２および電荷転送領域（図示せず）と、この電荷転送領域上に図示しないゲート絶縁膜を介して設けられた電荷転送電極３と、この電荷転送電極３上に設けられ、受光部２上を開口した遮光膜４と、これらのゲート絶縁膜および遮光膜４上に設けられた層間絶縁膜である平坦化膜５と、この平坦化膜５上に設けられたカラーフィルタ６Ａと、このカラーフィルタ６Ａ上に設けられたマイクロレンズ７と、平坦化膜５およびマイクロレンズ７上に設けられた反射防止膜８Ａとの積層構造を有している。

カラーフィルタ６Ａは、複数のカラーフィルタ小領域を有し、受光部２に対向したカラーフィルタ小領域毎に互いに分離した状態で設けられており、隣り合う受光部２上方のカラーフィルタ小領域（単に、カラーフィルタ領域といい、これを、以下、カラーフィルタ６Ａという）の側壁同士が直接接していない構造である。
マイクロレンズ７は、複数の受光部２上の平坦化膜５上にカラーフィルタ６Ａを介して、受光部２に対向するように設けられており、画素毎の受光部２上に光を集光させるためのものである。
反射防止膜８Ａは、マイクロレンズ７、カラーフィルタ６Ａの側壁および平坦化膜５上に所定膜厚ｔで設けられ、マイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の単層膜で構成されている。この場合、平坦化膜５直上の反射防止膜８Ａの少なくとも一部の表面（ｇで示す部分）の高さｈ１が、平坦化膜５の表面を基準にしたマイクロレンズ７の底面７ａの高さｈ２以下である。言い換えると、マイクロレンズ７の上に凸状の表面形状に沿って設けられた反射防止膜８Ａの半球面周縁部（平坦化膜５の表面を基準にした高さｈ１）が、マイクロレンズ７の底面７ａと同じ高さｈ２位置にあるかまたはこの底面７ａよりも下方位置にあり、隣り合う反射防止膜８Ａの各半球面周縁部が互いに接している。つまり、隣り合う反射防止膜８Ａの各半球面周縁部間の距離ｇが零「０」である。

ここで、固体撮像装置２０の製造方法として、カラーフィルタ形成工程およびマイクロレンズ形成工程について順次説明する。
図２は、図１の固体撮像装置２０のカラーフィルタ形成工程において、半導体基板１上に配列された受光部２に対向する位置で、平坦化膜５上にカラーフィルタ６Ａを配置したときの要部縦断面図である。
図２に示すように、隣り合う各受光部２上のカラーフィルタ６Ａの側壁同士は、直接接しないように互いに分離した状態で設けられている。このとき、隣り合うカラーフィルタ６Ａの側壁上端部間（離間距離）のギャップ幅ｗと、カラーフィルタ６Ａの膜厚ｈとは、下記の式（数１）を満たしていればよい。
ｗ＜ｈ （数１）
このように、カラーフィルタ６Ａの隣り合う側壁上端部間のギャップ幅ｗはその膜厚ｈ３よりも小さく構成されている。

図３は、図１の固体撮像装置２０のマイクロレンズ形成工程において、カラーフィルタ６Ａ上にマイクロレンズ７を配置したときの要部縦断面図である。
図３に示すように、マイクロレンズ７の底面７ａは、カラーフィルタ６Ａの上面と一致していて、隣り合う受光部２上のマイクロレンズ７の底面７ａとは、連続していないし、直接接していない。

マイクロレンズ７の形成後に、マイクロレンズ７の屈折率よりも低い屈折率の反射防止膜８Ａを膜厚ｔだけ積層すると、図１のような積層構造になる。ここで、反射防止膜８Ａの屈折率をｎとした場合、反射防止膜８Ａの膜厚ｔは、下記の式（数２）を満たしていればよい。また、これと同時に、反射防止膜８Ａの膜厚ｔは、カラーフィルタ６Ａの隣り合う側壁上端部間のギャップ幅をｗとして、下記の式（数３）を満たしていればよい。なお、λは、反射を防止したい光の波長である。
ｔ＝λ／（４ｎ） （数２）
ｔ≦ｗ／２ （数３）
上記式（数３）において、反射防止膜８Ａの膜厚ｔの値がｗ／２に近くなれば、マイクロレンズ７に沿って積層された反射防止膜８Ａの略半球面周縁部が、マイクロレンズ７の底面７ａと同じ高さ、または、それよりも下方の位置で、隣り合う反射防止膜８Ａの半球面周縁部と接する。

以上により、本実施形態の固体撮像装置２０によれば、マイクロレンズ７上に反射防止膜８Ａを形成した場合に、実効的なマイクロレンズ７の底面７ａと受光部２との距離が、反射防止膜８Ａの形成により、反射防止膜８Ａを形成するよりも前に形成したマイクロレンズ７の底面７ａと受光部２との距離よりも大きくなるように影響することがなく、また、マイクロレンズ７の表面形状に沿って設けられた反射防止膜８Ａの半球面周縁部と、この半球面周縁部と隣り合う半球面周縁部との平面視上の最小距離ｇが零「０」になり、集光性能の向上を図ることができて、固体撮像装置２０の感度をより高くすることができる。

なお、上記実施形態では、反射防止膜８Ａを、マイクロレンズ７の屈折率よりも小さい屈折率の単層膜として説明したが、マイクロレンズ７の屈折率よりも小さい屈折率の多層膜であってもよい。この多層膜の各膜は、マイクロレンズ７から遠ざかるほど、その屈折率が小さくなる多層膜の構造であってもよい。つまり、この多層膜は、マイクロレンズ７から遠い方の膜ほど、膜の屈折率が小さい材質の膜を用いる。

また、上記実施形態では、カラーフィルタ６Ａを用いたが、これに限らず、カラーフィルタ６Ａを用いない場合には、カラーフィルタ６Ａに相当する領域に、無色の透明膜を配置すれば、本発明を白黒の固体撮像装置にも適用できる。

さらに、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態の固体撮像装置２０を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態の固体撮像装置２０を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

さらに、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態の固体撮像装置２０の製造方法について簡単に説明する。まず、半導体基板１上に、複数の画素部の画素部毎に、所定領域に選択的に不純物イオンを注入して並列して光電変換領域である受光部２および電荷転送領域（図示せず）をそれぞれ形成する工程と、この電荷転送領域上に第１絶縁膜（ゲート絶縁膜；図示せず）を形成した後にその上に電荷転送電極３を形成する工程と、この電荷転送電極５上に第２絶縁膜（図示せず）を形成した後にその上に、この受光部２上を開口した遮光膜４を形成する工程と、これらの第１絶縁膜または第２絶縁膜および、遮光膜４上に層間絶縁膜である平坦化膜５を形成する工程と、この平坦化膜５上に、受光部２にそれぞれ対向したカラーフィルタ小領域毎に互いに島状に分離するように各カラーフィルタ６Ａをそれぞれ形成する工程と、この各カラーフィルタ６Ａ上にそれぞれ上に凸のドーム状にマイクロレンズ７を形成する工程と、カラーフィルタ６Ａの溝内の平坦化膜５および各マイクロレンズ７上に反射防止膜８Ａを形成する工程とを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、集光用のマイクロレンズを画素毎に備えた固体撮像装置およびその製造方法、この固体撮像装置を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器の分野において、隣り合うカラーフィルタ同士が直接接しない分離構造にしたため、マイクロレンズ上に反射防止膜を形成した場合、実効的なマイクロレンズ底面と受光部との距離が、反射防止膜の形成によって、反射防止膜の形成前に形成したマイクロレンズの底面と受光部との距離よりも大きくなるように影響を受けておらず、また、実効的なマイクロレンズ間のギャップ部ｇを「０」にできて、集光性能を高めることができ、固体撮像装置の感度をより高くすることができる。

本発明による実施形態である固体撮像装置の概略構成例を示す要部縦断面図である。 図１の固体撮像装置のカラーフィルタ形成工程において、半導体基板上に配列された受光部に対向する位置で、平坦化膜上にカラーフィルタを配置したときの要部縦断面図である。 図１の固体撮像装置のマイクロレンズ形成工程において、カラーフィルタ上にマイクロレンズを配置したときの要部縦断面図である。 マイクロレンズを備えた従来の一般的な固体撮像装置の概略構成例を示す要部縦断面図である。 従来の一般的な固体撮像装置において、マイクロレンズ上に従来技術で反射防止膜を形成した概略構成例を示す要部縦断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 受光部
３ 電荷転送電極
４ 遮光膜
５ 平坦化膜
６Ａ カラーフィルタ
７ マイクロレンズ
７ａ マイクロレンズの底面
８Ａ 反射防止膜
２０ 固体撮像装置
ｇ 隣り合う反射防止膜の各半球面周縁部間の距離
ｈ１ 平坦化膜直上の反射防止膜の少なくとも一部の表面（ｇで示す部分）の高さ
ｈ２ 平坦化膜の表面を基準にしたマイクロレンズの底面高さ
ｈ３ カラーフィルタの膜厚
ｗ 隣り合う側壁上端部間のギャップ幅
ｔ 反射防止膜の膜厚
λ 反射を防止したい光の波長
ｎ 反射防止膜の屈折率

Claims (13)

1. 半導体基板上に複数の受光部が配列され、該複数の受光部上の平坦化膜上にカラーフィルタを介して、該受光部毎に対向したマイクロレンズが設けられた固体撮像装置において、
   該カラーフィルタは、該受光部に対向したカラーフィルタ領域毎に互いに分離した状態で設けられており、該マイクロレンズ、該カラーフィルタの側壁および該平坦化膜上に反射防止膜が設けられている固体撮像装置。
2. 前記平坦化膜直上の反射防止膜の少なくとも一部の表面高さｈ１が、前記平坦化膜の表面を基準にした前記マイクロレンズの底面高さｈ２以下である請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記マイクロレンズの表面形状に沿って設けられた前記反射防止膜の半球面周縁部が、該マイクロレンズの底面と同じ高さ位置にあるかまたは該底面よりも下方位置にある請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記反射防止膜は、前記マイクロレンズの屈折率よりも小さい屈折率の単層膜または多層膜である請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記多層膜は、前記マイクロレンズから遠い方の膜ほど、該膜の屈折率が小さい請求項４に記載の固体撮像装置。
6. 前記カラーフィルタの隣り合う側壁上端部間のギャップ幅ｗとその膜厚ｈ３は、ｗ＜ｈ３の関係を有する請求項１に記載の固体撮像装置。
7. 前記反射防止膜の膜厚ｔは、該反射防止膜の屈折率をｎ、反射を防止したい光の波長をλとして、ｔ＝λ／（４ｎ）の関係を有する請求項１に記載の固体撮像装置。
8. 前記反射防止膜の膜厚ｔは、前記カラーフィルタの隣り合う側壁上端部間のギャップ幅をｗとして、ｔ≦ｗ／２の関係を有する請求項１または６に記載の固体撮像装置。
9. 前記カラーフィルタの代わりに無色の透明膜が設けられている請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像装置。
10. 前記マイクロレンズの表面形状に沿って設けられた前記反射防止膜の半球面周縁部と、該半球面周縁部と隣り合う半球面周縁部との平面視上の最小距離ｇが０である請求項１に記載の固体撮像装置。
11. ＣＣＤ型固体撮像装置またはＭＯＳ型固体撮像装置である請求項１に記載の固体撮像装置。
12. 半導体基板上に、複数の画素部の画素部毎に所定領域に選択的に不純物イオンを注入して並列して光電変換領域である受光部および電荷転送領域をそれぞれ形成する工程と、該電荷転送領域上に第１絶縁膜を形成した後にその上に電荷転送電極を形成する工程と、該電荷転送電極上に第２絶縁膜を形成した後にその上に、該受光部上を開口した遮光膜を形成する工程と、これらの該第１絶縁膜または該第２絶縁膜および、遮光膜上に層間絶縁膜である平坦化膜を形成する工程と、該平坦化膜上に、該受光部に対向したカラーフィルタ領域毎に互いに分離するように各カラーフィルタを形成する工程と、該各カラーフィルタ上にそれぞれ各マイクロレンズをそれぞれ形成する工程と、該平坦化膜および該各マイクロレンズ上に反射防止膜を形成する工程とを有する固体撮像装置の製造方法。
13. 請求項１〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器。

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