JP4856204B2 - 固体撮像装置の製造方法 - Google Patents
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Description
このような固体撮像装置は、消費電力が低く小型であることが要求される。これらの要求を満たす固体撮像装置として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)型エリアセンサ(以下、CMOSセンサと呼称する。)、あるは、CCD(Charge-Coupled Device:電荷結合素子)型エリアセンサ等が注目されている。
また、このような固体撮像装置には、光を集光するためのマイクロレンズと、特定の波長域の光のみを透過させるカラーフィルタとが光導波路上に設けられている。そして、固体撮像装置の高解像度化を図るために、その狭ピッチ化(微細化)が益々進行しつつある。これに伴い、光導波路においても、その幅の狭小化がなされている。
本発明では、受光効率を向上させた固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
また、シリコン基板10には、これらの他に、電荷転送部であるCCD、またはCMOSトランジスタの拡散層が形成されている(図示しない)。
なお、フォトダイオードPD、光導波路30、色フィルタ40及びマイクロレンズ50の配置は、図1において格子状としているが、その配列はハニカム状であっても構わない。 また、固体撮像装置1を構成する、個々の固体撮像素子においては、所謂、スケーリングのために光導波路30の中心軸30cと、色フィルタ40の中心軸40cと、マイクロレンズ50の中心軸50cとをずらした構成としている。これは、マイクロレンズ50からフォトダイオードPDまでには、色フィルタ40等によって一定の距離が存在するため、撮像レンズを通してマイクロレンズ50に向けて斜めから大きな入射角で入射される光線を効率的に固体撮像装置1に集光するためである。
また、配線20bの材質は、例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の高融点金属、または、TiSi、MoSi、WSi等の高融点金属のシリサイドにより形成されている。
また、高屈折率材層30hの材質は、例えば、屈折率が約1.9の窒化シリコン(SiN)が適用される。
また、低屈折率材層30lの材質は、例えば、熱硬化性のポリマー系有機材(屈折率:約1.6)が適用され、具体的には、ポリイミド系樹脂、ポリベンジルメタクリレート、ポリフェニルメタクリレート、ポリジアリルフタレート、ポリスチレン等が該当する。
図2は、光導波路を形成する工程を説明するための要部断面模式図である。
例えば、図2(a)に示すように、フォトダイオードPD上に、多層配線層20を形成した後、この多層配線層20に選択的なRIE(Reactive Ion Etching)処理を施し、フォトダイオードPDの直上域にトレンチtrを形成する。このようなトレンチtrは、固体撮像装置1の微細化が進行している最中にあることから、必然的に、高アスペクト比になる。例えば、トレンチtrの断面(基板10の主面に対し、略垂直にトレンチtrを切断した場合の断面)は、逆テーパ型となり、トレンチtrは、底に向かうほど、その幅を狭くしている。
なお、図2(b)では、減圧雰囲気下で高屈折率材層30hをトレンチtr上部まで形成した場合を想定し、この高屈折率材層30hに上述した埋め込み不良が生じて、トレンチtr上部にボイド30Bが生成した場合が表示されている。
このように、トレンチtr内は、高屈折率材層30hと低屈折率材層30lとを含む積層体で埋設され、この高屈折率材層30h及び低屈折率材層30lにより、光導波路30が構成される。
このような工程により、光導波路30が形成される。
そして、このような固体撮像装置1であれば、高アスペクト比のトレンチtrを形成しても、その内部に高屈折率材層30h及び低屈折率材層30lを確実に埋設することができる。特に、固体撮像装置1では、トレンチtrの幅がより狭い、トレンチtrの下方において高屈折率材層30hを配置している。
換言すれば、固体撮像装置1では、トレンチtrの下方に高屈折率材層30hを埋設することにより、トレンチtrの下方の狭い部分の見かけ上の開口幅を広くさせている。これにより、固体撮像装置1の受光効率は大きく向上する。
次に、固体撮像装置1とは、別の形態の固体撮像装置について説明する。なお、以下の図では、固体撮像装置1と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細については説明を省略する。
図4に示すように、固体撮像装置2においては、フォトダイオードPDの直上域の多層配線層20内に、柱状の光導波路31を形成している。即ち、光導波路31は、層間絶縁膜20aにより取り囲まれた構成をしている。そして、この光導波路31の外縁は、フォトダイオードPDの外縁とほぼ一致させるか、内側に位置している。また、光導波路31と配線20bは、非接触の状態にあり、その内部には、配線、転送電極及び遮光膜などの部材は設けていない。そして、光導波路31は、複数の層で構成され、例えば、屈折率が異なる層を複数に積層させた構成としている。
図5は、光導波路を形成する工程を説明するための要部断面模式図である。
例えば、図5(a)に示すように、多層配線層20を形成した後、この多層配線層20に選択的なRIE処理を施し、フォトダイオードPDの直上域にトレンチtrを形成する。そして、このようなトレンチtrの断面は、逆テーパ型となり、トレンチtrは、底に向かうほど、その幅を狭くしている。なお、必要に応じて、トレンチtrの断面をストレート形状としてもよい。なお、トレンチtrの内壁には、保護膜30bを形成しておく。
なお、図5(b)の状態では、低屈折率材層30lでトレンチtrを埋め込んだ後、低屈折率材層30lにエッチバックを図ることにより、孔部30lhを形成してもよい。
このような構成の固体撮像装置2であれば、高アスペクト比のトレンチtrを形成しても、その内部に低屈折率材層30l及び高屈折率材層30hを確実に埋設することができる。特に、固体撮像装置2では、トレンチtrの上方において高屈折率材層30hを配置している。
例えば、図6に示すように、基板10の主面に対する法線と入射光のなす角度をθa(入射角)とし、法線と屈折光のなす角度をθb(屈折角)とする。そして、固体撮像装置2では、トレンチtr上部に高屈折率材層30hを配置していることから、この高屈折率材層30hで屈折させて、光導波路31内に入射させる光線Bの入射角θaをより増大させることができる。
換言すれば、斜めにマイクロレンズ50に入射する光の入射角θaの自由度(マージン)が増加し、固体撮像装置2の受光効率が大きく向上する。
例えば、図8(a)に示す固体撮像装置3では、フォトダイオードPDの中心軸PDCから、斜めにマイクロレンズ50に入射する光線Cの方向に、光導波路31の中心軸31cをずらして配置している。また、光導波路31は、配線20bに接触させていない。このような構成であれば、上述した効果に加え、撮像レンズ(図示しない)を通してマイクロレンズ50に向けて、斜めから大きな入射角で入射される光線を、効率的にフォトダイオードPDに集光することができる。
図9(a)に示す固体撮像装置5では、光導波路31の中心軸31cから、斜めにマイクロレンズ50に入射する光線Cの方向に、光導波路31内の高屈折率材層30hの中心軸30hcをずらして配置している。また、光導波路31は、配線20bに接触させていない。このような構成であっても、上述した効果に加え、撮像レンズを通してマイクロレンズ50に向けて、斜めから大きな入射角で入射される光線を、効率的にフォトダイオードPDに集光することができる。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものも含まれる。
1a 固体撮像素子
10 シリコン基板
20 多層配線層
20a 層間絶縁膜
20b 配線
30、31 光導波路
30b 保護膜
30c、30hc、31c、40c、50c、PDC 中心軸
30h 高屈折率材層
30l 低屈折率材層
30lh 孔部
40、40b、40g、40r 色フィルタ
50 マイクロレンズ
θa 入射角
θb 屈折角
PD フォトダイオード
tr トレンチ
Claims (2)
- 複数の受光部が形成された基板と、
前記複数の受光部のそれぞれの上に設けられ、クラッド層により取り囲まれた光導波路と、
前記光導波路の上にそれぞれ設けられたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタの上にそれぞれ設けられたレンズと、
を有し、
前記光導波路は、第1の屈折率を有する第1の層と、前記第1の層に接触し前記第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する第2の層と、を有し、
前記光導波路は、前記第2の層の上に前記第1の層を積層させた構造をなし、
前記第2の層の厚みは、前記光導波路の厚みの2/3以上であり、
前記光導波路の中心軸は、前記受光部の中心軸からずれ、
前記第1の層の主成分は、金属酸化物からなるナノ粒子が分散された有機樹脂である固体撮像装置の製造方法であって、
前記第2の層を減圧雰囲気下で形成した後、前記第2の層の上部にエッチバックを施して前記第2の層の上部を除去し、前記第2の層の上に前記第1の層を形成することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記第2の層の前記上部に発生したボイドを前記エッチバックによって除去することを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置の製造方法。
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