JP4872024B1 - 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】固体撮像装置1は、複数の受光部(PD)が形成された半導体基板3と、前記半導体基板3上に形成された配線層5と、前記配線層5上であって半導体基板3の各受光部(PD)に対応してそれぞれ形成されたカラーフィルタ7と、前記各カラーフィルタ7間に形成された隔壁9とを備え、前記隔壁9は、下層部29と上層部31とを有し、下層部29の上面が改質された改質層となっており、改質層と上層部31との間に、外部からの侵入光の反射を促進させる界面27が構成されている。
【選択図】図1
Description
特許文献1に記載の固体撮像装置900は、受光部901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。
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の断面図である。
半導体基板3は、画素領域の各画素部に対応して受光部を2次元状に有している。半導体基板3上には配線層5が形成されている。配線層5は、後述するが、多層構造をしている。
2.各構成
(1)半導体基板
半導体基板3は、例えばシリコン基板が利用され、各画素部に対応して受光部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5は、各画素部と周辺回路とを電気的に接続する配線を有する。画像領域の配線層5は第1層5aと第2層5bとの2層構造であり、周辺回路領域の配線層5は第1層5aと第2層5bと第3層5cとの3層構造である。なお、半導体基板3に近い層が第1層5aである。また、言うまでもなく、配線層は1層でも良く、また、画素領域と周辺回路領域とで同じ層数であっても良い。
(3)カラーフィルタ
カラーフィルタ7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7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。つまり、カラーフィルタ7は、隣接するカラーフィルタ7同士が離間した独立状態となっている。
(4)隔壁
隔壁9は、マイクロレンズ11やカラーフィルタ7から入射した光が、隣の画素部に入射するのを防止する。
隔壁9の断面形状は、ここでは、全体として台形状をしている。ここでの台形状は、半導体基板3側の底辺がマイクロレンズ11側の上辺より長い形状である。つまり、半導体基板3から離れるに従って幅が細くなる形状をしている。
このように、隔壁9に入射して隣接画素へと漏れ込もうとする侵入光は界面27で反射されるため、隔壁9内を進行する侵入光の透過を抑制することができ、結果的に混色を低減することできる。
(5)マイクロレンズ
マイクロレンズ11は、上方から入射する光を対応する画素部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3および配線層5は従来と同じ構成であり、簡単に説明する。
(2)層間絶縁膜、パッド配線、保護膜
層間絶縁膜13は、例えばシリコン酸化膜であり、その膜厚は、200[nm]〜400[nm]である。パッド配線15は、例えばアルミニウムであり、その膜厚は、300[nm]〜800[nm]である。保護膜17は、例えばシリコン酸化膜であり、その膜厚は300[nm]〜500[nm]である。
(3)カラーフィルタ
カラーフィルタ7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7は、例えば各色用の顔料が有機材料(例えば、アクリル樹脂である。)に混入されてなる。この場合のカラーフィルタ7の屈折率は、1.5〜1.7である。また、カラーフィルタ7の膜厚は300[nm]〜700[nm]である。
(4)隔壁
隔壁9は、ここでは、シリコン酸化膜の2層構造をしている。つまり、下層部29および上層部31はシリコン酸化膜であり、隔壁9としての高さは500[nm]〜700[nm]で、幅は50[nm]〜200[nm]である。なお、隔壁9は、断面形状において、台形状をし、底辺(半導体基板3側)が100[nm]〜350[nm]、上辺(マイクロレンズ11側)が50[nm]〜200[nm]である。
4.製造方法
図2〜図4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2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等を形成してなる半導体基板3の上面に配線層5を積層(形成)する。
(b)図2の(b)に示すように、配線層5上の略全面に層間絶縁膜53を形成する。
(c)図2の(c)に示すように、層間絶縁膜53上であって周辺回路領域に相当する所定部分にパッド配線15用の金属膜55を形成する。
(d)図3の(a)に示すように、パッド配線15を保護する保護膜57を形成する。
ここでは、保護膜57の膜厚は300[nm]〜500[nm]である。パッド配線15の上に保護膜57を形成することにより、パッド配線15での表面リークを防止できる。この保護膜57は隔壁9を形成する上層部31に相当する。
(e)画素部上の層間絶縁膜53と保護膜57の除去を行う。
(f)図4の(a)に示すように、隔壁9にて区画された領域に所定の原色を有するカラーフィルタ7を形成する、具体的には、顔料を含んだアクリル樹脂を、隔壁9にて区画された凹みに充填する。
(g)図4の(b)に示すように、最後に、カラーフィルタ7および隔壁9の上面にマイクロレンズ11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。
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態では、半導体基板3のフォトダイオードPDの上方には配線層5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5は、第2の実施の形態に係る固体撮像装置101の断面図である。
半導体基板3における画素領域上に位置する配線層103は、フォトダイオードPDに対応した凹部117を有し、この凹部117内に高屈折絶縁膜105である絶縁材料が充填されている。
ここでは、例えば、配線層103の絶縁膜111は酸化シリコンにより構成され、高屈折絶縁膜105は酸窒化シリコンや窒化シリコン等により構成されている。屈折率は、酸化シリコンが1.4〜1.5であり、酸窒化シリコンが1.6〜1.8であり、窒化シリコン1.9〜2.0である。
第2の実施の形態における固体撮像装置101の製造方法について、その一例を説明する。
<第3の実施の形態>
第1の実施の形態および第2の実施の形態では、隔壁9,107とカラーフィルタ7とが密着していたが、隔壁とカラーフィルタとの間に密着層を配する構成であっても良いし、第1の実施の形態と異なる形状のカラーフィルタを用いても良い。
固体撮像装置201は、半導体基板3上に配線層203を有する。配線層203は、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上には光導波路用の凹部211が形成されている。
<第4の実施の形態>
第1から第3の実施の形態では、所謂、表面照射型(FSI:Front Side Illumination)の固体撮像装置であったが、本発明に係る固体撮像装置は、所謂、裏面照射型(BSI:Back Side Illumination)であっても良い。なお、固体撮像装置に対して光が入射する側を表側とする。
固体撮像装置301は、配線層303、半導体層(半導体基板)305、絶縁層307を備える他、第3の実施の形態で説明した、カラーフィルタ225、マイクロレンズ231、平坦化膜233、隔壁235、密着層237を備える。
なお、配線層303におけるフォトダイオードPDの裏側に相当する領域には、フォトダイオードPDを通過した光を再びフォトダイオードPD側に反射させる反射膜318が形成されている。反射膜318は、配線311と同じ材料で構成しても良いし、他の材料で構成しても良い。
<変形例>
上記第1〜第4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。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。さらに、周辺回路領域についても同様に、配線スペースに余裕がある場合は、この領域だけ単層構造にしても良い。
2.隔壁
(1)材料
第1の実施の形態では隔壁は3層構造をし、下層部と上層部とが、第1の実施の形態では同じ材料で構成され、第2の実施の形態では隔壁は異なる材料の2層構造をしている。
但し、カラーフィルタ側からの光を受光部側に反射させる本来の機能を有する必要があり、カラーフィルタの屈折率よりも低い材料を用いることが好ましい。
(2)界面
第1の実施の形態では、下層部の上面(上層部側の面)をプラズマエッチング(プラズマ処理)による改質によって改質層を形成し、当該改質層と上層部との間に界面を構成している。第2の実施の形態では、下層部と上層部とを異なる材料で形成し、下層部と上層部との間に界面を構成している。
(3)層数
第1の実施の形態では、隔壁は、改質層と残存層とを備えた下層部と、上層部との3層構造であり、第2の実施の形態は下層部と上層部との2層構造であったが、4層以上の構成としても良い。
(4)形状
実施の形態では、隔壁の横断面形状が台形状をしていたが、他の形状であっても良い。他の断面形状としては、長方形状(正方形状も長方形状の概念的に含まれる)であっても良いし、半導体基板側に底辺を有する三角形状であっても良い。
さらに、隔壁を平面視したときに格子状をし、正方形状の開口にカラーフィルタが形成されていたが、開口は正方形状以外の形状、例えば、長方形状、円形状、楕円形状、多角形状等であっても良い。
(5)大きさ
実施の形態では、カラーフィルタ間に位置する各隔壁は、その横断面形状が台形状あり、大きさも同じであったが、大きさは同じでなくても良い。
さらに、カラーフィルタ間であっても、例えば、周辺回路領域に近づくに従って、隔壁の高さを低くしたり、隔壁の幅を細くしたりしても良い。
(6)製造方法
実施の形態では、層間絶縁膜、パッド配線層や保護膜の形成を利用して隔壁を成形していたが、層間絶縁膜、パッド配線層や保護膜の形成と別に隔壁を成形するようにしても良い。
3.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た受光部であっても良い。
3 半導体基板
5 配線層
7 カラーフィルタ
9 隔壁
13 層間絶縁膜
15 パッド配線
17 保護膜
27 界面
Claims (10)
- 複数の受光部が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の各受光部上にそれぞれ形成されたカラーフィルタと、
前記各カラーフィルタ間に形成された隔壁とを備え、
前記隔壁は、少なくとも2層からなり、外部からの侵入光の反射を促進させる界面を層間に有する
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記界面の上部側に接する層の屈折率は、当該界面の下部側に接する層の屈折率よりも高い
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記界面の上部側に接する層の材料と、当該界面の下部側に接する層の材料とが異なる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。 - 前記界面の下部側に接する層は、当該界面の上部側に接する層と同じ材料の層を改質して屈折率を異ならせたものである
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記界面は、前記半導体基板の主面に沿って延伸している
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。 - 前記隔壁は、半導体基板から垂直方向に離れるに従って幅が小さくなる断面形状を有する
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載に固体撮像装置。 - 前記半導体基板における前記複数の受光部が形成された側の主面には、配線層が形成され、
前記配線層における前記複数の受光部が形成されている画素領域上には、前記隔壁および前記カラーフィルタが形成され、前記配線層における前記受光部の外周側には、絶縁膜と周辺回路用配線と保護膜とがこの順で形成され、
前記隔壁の少なくとも2層は、前記絶縁膜と保護膜と同じ材料である
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の固体撮像装置。 - 複数の受光部が形成された半導体基板上における前記受光部間にそれぞれ隔壁を形成する隔壁形成工程と、前記隔壁の間の前記受光部上にそれぞれカラーフィルタを形成するカラーフィルタ形成工程とを含み、
前記隔壁形成工程では、少なくとも2層の積層膜を、外部からの侵入光の反射を促進させる界面を層間に有するように形成する
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 前記隔壁形成工程では、前記2層の内の下層の膜を形成した後に、当該膜の表面をプラズマ処理により改質してその屈折率を異ならせ、その後に前記下層の膜と同じ材料からなる上層の膜を形成する
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体撮像装置の製造方法。 - 前記隔壁形成工程では、上層の膜は下層の膜よりも屈折率が高い材料で形成される
ことを特徴とする請求項8に記載の半導体撮像装置の製造方法。
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