JP5366616B2 - 撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、撮像素子の構造に関するものである。
従来、ＣＣＤやＣＭＯＳＡＰＳを撮像素子として使用し、撮影した画像を記録するデジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置が販売されている。これらの撮像素子は、画素数を増やして画質の向上を図っている。そのため、撮像素子を構成する１画素あたりの面積は年々小さくなり、それに伴って受光部の面積も小さくなってきている。受光部の面積が小さくなると、感度が低下してしまうため、光入射面と受光部の間に光を受光部に導くための光導波路を設け、集光特性を高めた撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。
ところで、撮像素子は、多数の画素が２次元的に配列されて構成されているが、これらの画素には、受光部が開口された開口画素と、遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）画素とがある。ＯＢ画素は、開口画素と同じ特性を有することが望ましいが、ＯＢ段差と呼ばれる現象が発生することが知られている。これは、ＯＢ画素がアルミニウムなどの遮光部材で遮光されることによって、フォトダイオードと遮光部材との間に寄生容量が発生し、開口画素とＯＢ画素で表面準位が異なることが原因となっている（特許文献２参照）。
先に述べた光導波路を有する撮像素子では、ＯＢ画素は光導波路を有しないことが多く、ＯＢ段差がより発生しやすいという問題がある。この問題を解決するために、ＯＢ画素にも光導波路を埋め込んだ撮像素子が提案されている（特許文献３参照）。
特許文献３に開示されている手法は、ＯＢ段差を解決するためには有益な手法である。しかし、ＯＢ画素の光導波路の大きさと開口画素の光導波路の大きさが異なるため、若干のＯＢ段差が残ってしまう可能性がある。特許文献３には、この残ってしまった若干のＯＢ段差を解決するのに有効な手段として、光導波路の形状を同一にすることについて触れられているが、それを実現するための詳細な構造については記載されていない。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＯＢ段差を軽減できる撮像素子の構造を提供することである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像素子は、第１の光電変換素子と、該第１の光電変換素子の上に位置する第１の配線層と、前記第１の配線層の間に形成された第１の層間絶縁膜と、該第１の層間絶縁膜に第１の材料で形成された第１の光導波路とを有する光電変換画素と、第２の光電変換素子と、該第２の光電変換素子の上に位置する第２の配線層と、前記第２の配線層の間に形成された第２の層間絶縁膜と、該第２の層間絶縁膜に前記第１の材料の誘電率よりも誘電率が低い第２の材料で形成された第２の光導波路と、該第２の光導波路の上に形成され、前記第２の光電変換素子および前記第２の光導波路を遮光する遮光層とを有する遮光画素と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る撮像素子の製造方法は、光電変換素子と、複数の配線層と、前記複数の配線層の間にある層間絶縁膜に形成した光導波路と、前記複数の配線層の上に形成された遮光層とを有し、前記遮光層により前記光電変換素子が遮光される遮光画素と、前記遮光層により前記光電変換素子が遮光されない光電変換画素を備えた撮像素子を製造する方法であって、前記複数の配線層の間に前記層間絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の工程の後に、前記遮光画素の前記層間絶縁膜に前記光導波路を形成する第２の工程と、前記第２の工程の後に、前記光電変換画素の前記層間絶縁膜に前記光導波路を形成する第３の工程と、前記第３の工程の後に、前記遮光画素および前記光電変換画素に前記遮光層を形成する第４の工程とを有し、前記光電変換画素の光導波路は第１の材料で形成され、前記遮光画素の光導波路は前記第１の材料の誘電率よりも誘電率が低い第２の材料で形成されることを特徴とする。
本発明によれば、撮像素子のＯＢ段差を大幅に軽減することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる撮像素子の構造を示す図である。
図１において、撮像素子は、画素が２次元的に配列された画素アレイ１０１と、画素アレイ１０１における行を選択する垂直選択回路１０２と、画素アレイ１０１における列を選択する水平選択回路１０４とを備える。また、画素アレイ１０１中の画素のうち垂直選択回路１０２及び水平選択回路１０４によって選択された画素の信号を読み出す読み出し回路１０３を備える。なお、撮像素子は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路１０２、水平選択回路１０４、読み出し回路１０３等にタイミングを提供するタイミングジェネレータ或いは制御回路等を備える。
垂直選択回路１０２は、画素アレイ１０１の複数の行を順に選択し、水平選択回路１０４は、垂直選択回路１０２によって選択されている行を構成する複数の画素を順に選択するように画素アレイの複数の列を順に選択する。画素アレイ１０１は、２次元の画像を提供するために、複数の画素を２次元アレイ状に配列して構成される。
図２は、画素アレイ１０１中の画素の断面構造を模式的に表す図である。
図２において、２０１は、遮光配線層２０７（後述する第３配線層）で光学的に遮光されたＯＢ画素（遮光画素）である。２０２は、開口画素（光電変換画素）である。２０３は、光電変換素子であるフォトダイオード（以下ＰＤ）であり、ＯＢ画素２０１、開口画素２０２共に半導体基板中に備えられている（第１の光電変換素子および第２の光電変換素子）。２０４は、ＰＯＬＹ配線層であり、２０５は、ＰＤ２０３の上に位置する第１配線層、２０６は、第２配線層、２０７は、第３配線層である。これらの複数の配線層により、ＰＤ２０３で光電変換された電気信号を読み出し回路１０３に読み出すとともに、読み出しに必要な電源・ＧＮＤを供給する。この複数の配線層は、ＯＢ画素と開口画素のそれぞれに同様に設けられている（第１の配線層および第２の配線層）。第１乃至第３配線層２０５，２０６，２０７は、アルミニウムや銅などで形成される。第３配線層２０７は、ＰＤ２０３から最も遠い配線層であり、ＯＢ画素では、第３配線層２０７（遮光層）を一面に形成することでＰＤ２０３が遮光されている。一方、開口画素２０２では、第３配線２０７の中心部で光が透過するように第３配線２０７には開口部が設けられており、周囲の一部のみが遮光されている。各配線２０４，２０５，２０６，２０７の間には、層間絶縁膜が形成されている（第１の層間絶縁膜および第２の層間絶縁膜）。層間絶縁膜２１２は、低屈折率材料で形成される。例えば、シリコン酸化膜ＳｉＯ2（屈折率１．４６）やＢＰＳＧ膜（屈折率１．４６）などで形成される。２１０は、カラーフィルター層、２１１は、マイクロレンズ、２１３は、保護膜である。
層間絶縁膜には、光導波路２０８，２０９が形成される。ＯＢ画素２０１の光導波路２０８（第１の光導波路）と、開口画素２０２の光導波路２０９（第２の光導波路）とは、それぞれが異なる誘電率の材料（特性が異なる材料）を用いて形成される。開口画素２０２の光導波路２０９は、層間絶縁膜よりも高屈折率の材料（第１の材料）で構成される。例えば、ＳｉＮ（屈折率２．０）などで形成する。ＯＢ画素２０１は、光導波路２０８上にも第３配線層２０７があるため、ＰＤ２０３と遮光配線層（第３配線層）２０７との間の寄生容量が開口画素２０２とは異なっている。光導波路にＳｉＮ（比誘電率７〜９程度）を利用した場合には、特にその差が顕著になる。従って、ＯＢ画素２０１の光導波路２０８は、開口画素２０２の光導波路２０９よりも低誘電率の材料（第２の材料）で形成する。光導波路２０９と組成が異なり、誘電率が低いＳｉＮが最適である。また、それ以外（たとえば、ＳｉＯＮ（比誘電率２．５程度））でもよい。また、光導波路２０８や２０９の形状にあわせて、１つの材料だけでなく、複数材料を用いて光導波路２０８を形成してもよい。例えば、ＳｉＮを光導波路２０８の材料として使用する場合は、ＳｉＮの組成を途中で変えて、誘電率の異なる２種類のＳｉＮを使用することも可能である。
図３に基づいて、前述した撮像素子の製造方法について説明する。
まず、図３Ａに示すように、ＰＯＬＹ配線層２０４から第２配線層２０６までを層間絶縁膜２１２で覆うように、ＯＢ画素２０１、開口画素２０２とも同様に形成する（第１の工程）。次に、図３Ｂに示すように、ＯＢ画素２０１の光導波路２０８を形成する領域の層間絶縁膜に、リソグラフィーおよびエッチング処理を用いて溝を形成する。次に、図３Ｃに示すように、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、光導波路２０８に埋め込む材料を堆積させる（第２の工程）。前述したように、誘電率が低めに組成されたＳｉＮが望ましいが、ＳｉＯＮや複合材料等でもよい。次に、図３Ｄに示すように、ＣＭＰやエッチバック等の方法で、光導波路２０８以外の余分なＳｉＮを取り除く。
次に、図３Ｅに示すように、図３Ｂの工程と同様に、開口画素２０２の光導波路２０９を形成する領域の層間絶縁膜に、リソグラフィーおよびエッチング処理を用いて溝を形成する。この際、光導波路２０８をレジストなどで保護しておくとよい（不図示）。次に、図３Ｆに示すように、プラズマＣＶＤ等の方法を用いて、光導波路２０９に埋め込む材料を堆積させる（第３の工程）。光導波路２０９に埋め込む第１の材料は、光導波路２０８に埋め込んだ第２の材料よりも誘電率の高いものを選択する。誘電率が高めに組成されたＳｉＮが望ましい。次に、図３Ｇに示すように、ＣＭＰやエッチバック等の方法で、光導波路２０８および光導波路２０９以外の余分なＳｉＮ、レジスト等を取り除く。
次に、図３Ｈに示すように、遮光層となる最上位の第３配線層２０７を形成する（第４の工程）。ここで、最上位の第３配線層２０７は、ＯＢ画素２０１においては全面に形成されるため、ＯＢ画素２０１は、常に遮光状態となる。また、開口画素２０２では、光導波路２０９に光を導くために、最上位の配線層を開口させる。最後に、図３Ｉに示すように、第３配線層２０７の上に保護層２１３を形成し、その上にカラーフィルター層２１０とマイクロレンズ２１１を形成する。
このように撮像素子を製造することで、ＯＢ画素２０１の光導波路２０８と開口画素２０２の光導波路２０９に別の誘電率の材料を埋め込むことが可能となる。材料の選択によって、ＯＢ画素２０１と開口画素２０２の寄生容量を近くすることが可能となり、ＯＢ段差を低減できる。
図４に基づいて、上記で説明した撮像素子を撮像装置であるデジタルカメラに適用した場合の一例について詳述する。
図４において、９０１は、被写体の光学像を撮像素子９０５に結像させるレンズ部で、レンズ駆動装置６０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などがおこなわれる。９０３は、メカニカルシャッタであり、シャッタ駆動装置９０４によって制御される。９０５は、レンズ部９０１で結像された被写体像を画像信号として取り込むための撮像素子、９０６は、撮像素子９０５から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする撮像信号処理回路である。９０７は、撮像素子９０５および撮像信号処理回路９０６に各種タイミング信号を出力するタイミング発生回路、９０９は、各種演算を行うとともに撮像装置全体を制御する制御回路、９０８は、画像データを一時的に記憶するためのメモリである。９１０は、記録媒体９１１に記録または読み出しを行うための記録媒体制御Ｉ／Ｆ部、９１１は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、９１２は、各種情報や撮影画像を表示する表示部である。
次に、前述の構成における撮影時のデジタルカメラの動作について説明する。
メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路９０６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、図示しないレリーズボタンが押されると、焦点検出装置９１４から出力された信号から高周波成分を取り出し、被写体に合焦しているか否かの演算を制御回路９０９で行う。その後、レンズ駆動装置９０２によりレンズ部９０１を駆動して合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズ部を駆動してから焦点検出を行う。
そして、合焦が確認された後に、撮影動作が開始する。撮影動作が終了すると、撮像素子９０５から出力された画像信号は、撮像信号処理回路９０６で画像処理され、制御回路９０９によりメモリ９０８に書き込まれる。メモリ９０８に蓄積されたデータは、制御回路９０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体９１１に記録される。また、図示しない外部Ｉ／Ｆ部を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
Claims (2)
- 第１の光電変換素子と、該第１の光電変換素子の上に位置する第１の配線層と、前記第１の配線層の間に形成された第１の層間絶縁膜と、該第１の層間絶縁膜に第１の材料で形成された第１の光導波路とを有する光電変換画素と、
第２の光電変換素子と、該第２の光電変換素子の上に位置する第２の配線層と、前記第２の配線層の間に形成された第２の層間絶縁膜と、該第２の層間絶縁膜に前記第１の材料の誘電率よりも誘電率が低い第２の材料で形成された第２の光導波路と、該第２の光導波路の上に形成され、前記第２の光電変換素子および前記第２の光導波路を遮光する遮光層とを有する遮光画素と、
を備えることを特徴とする撮像素子。 - 光電変換素子と、複数の配線層と、前記複数の配線層の間にある層間絶縁膜に形成した光導波路と、前記複数の配線層の上に形成された遮光層とを有し、前記遮光層により前記光電変換素子が遮光される遮光画素と、前記遮光層により前記光電変換素子が遮光されない光電変換画素を備えた撮像素子を製造する方法であって、
前記複数の配線層の間に前記層間絶縁膜を形成する第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記遮光画素の前記層間絶縁膜に前記光導波路を形成する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記光電変換画素の前記層間絶縁膜に前記光導波路を形成する第３の工程と、
前記第３の工程の後に、前記遮光画素および前記光電変換画素に前記遮光層を形成する第４の工程とを有し、
前記光電変換画素の光導波路は第１の材料で形成され、前記遮光画素の光導波路は前記第１の材料の誘電率よりも誘電率が低い第２の材料で形成されることを特徴とする撮像素子の製造方法。
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